Die Erfindung betrifft eine Mehrlagen-Bildanzeigevorrichtung. Sie betrifft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen und ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Bildanzeigevorrichtung.The invention relates to a multi-layer image display device. It further relates to a method of manufacturing and a method of operating such an image display device.
Derartige Bildanzeigevorrichtungen, die auch als Multilayer-Displays bekannt sind, kommen bevorzugt bei Videospielkonsolen für sogenannte Arcade-Spiele (auch als Arcade-Automaten bezeichnet) zum Einsatz und tragen dort durch ihre 3D-artige Mehrebenen-Bilddarstellung zur Steigerung des Spielspaßes bei. Selbstverständlich sind auch andere, ernsthaftere Anwendungen denkbar.Such image display devices, which are also known as multilayer displays, are preferred in video game consoles for so-called arcade games (also known as arcade machines) used and contribute there by their 3D-like multi-level image display to increase the fun on the game. Of course, other, more serious applications are conceivable.
Bei der Entwicklung und Herstellung derartiger Bildanzeigevorrichtungen besteht ein möglicher Ansatz darin, das jeweilige Gerät „von Grund auf zu designen” und die einzelnen Komponenten entsprechend dem Anwendungszweck zu optimieren und ggf. neu zu entwickeln. Ein alternativer Ansatz zielt darauf ab, möglichst nur handelsübliche Komponenten zu verwenden und miteinander zu kombinieren, um auf diese Weise Kostenvorteile zu realisieren. Dennoch werden natürlich auch in diesem Fall eine möglichst hohe Bildqualität, eine hohe Leuchtstärke und eine lange Lebensdauer angestrebt.In the development and production of such image display devices, one possible approach is to "design the respective device from the ground up" and to optimize and, if necessary, to redevelop the individual components according to the intended use. An alternative approach aims to use only commercially available components as possible and to combine them with one another in order to realize cost advantages in this way. Nevertheless, in this case, of course, the highest possible image quality, high luminosity and a long life are desired.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Bildanzeigevorrichtung der genannten Art bereitzustellen, die unter weitgehendem Rückgriff auf handelsübliche Standard-Bauteile verwirklicht werden kann, und die eine möglichst hohe Bildqualität, eine hohe Leuchtstärke und eine lange Lebensdauer besitzt. Des Weiteren sollen ein entsprechendes Herstellungsverfahren und ein zugehöriges Betriebsverfahren angegeben werden.The present invention is therefore an object of the invention to provide an image display device of the type mentioned, which can be realized with extensive recourse to standard commercial components, and has the highest possible image quality, high luminosity and long life. Furthermore, a corresponding production method and an associated operating method should be specified.
Die auf die Vorrichtung bezogene Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst.The object related to the device is achieved by the features of independent claim 1.
Weitere, für sich genommen erfinderische Lösungen der genannten Aufgabe sind durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 2 und 3 spezifiziert. Verfahrensbezogene Lösungen sind weiterhin in den Ansprüchen 12 bis 14 angegeben.Further, inherently inventive solutions of the stated object are specified by the features of independent claims 2 and 3. Process-related solutions are further specified in claims 12 to 14.
Vorteilhafte Ausgestaltungen, die in verschiedener Weise mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche und untereinander kombinierbar sind, und die zum Teil ebenfalls für sich genommen einen erfinderischen Gehalt besitzen, sind in den Unteransprüchen angegeben.Advantageous embodiments, which can be combined in various ways with the features of the independent claims and with each other, and which also have an inventive content in part, are given in the subclaims.
Mit der vorliegenden Lösung wird eine wesentlich leistungsfähigere Mehrebenen-Displaylösung aufgezeigt, die im Vergleich zum Stand der Technik folgende Vorteile aufweist:
- 1. Wesentlich geringere elektrische Leistungsaufnahme durch wesentlich verbesserte Gesamt-Transmissivität, da nicht wie üblich die vorhandene Polarisierung des Lichts zwischen den unterschiedlichen Flüssigkristallbildschirmen mittels optischer Folien depolarisiert wird, um anschließend mit etwa 50% Verlust am ersten Polarisationsfilter des folgenden Flüssigkristallbildschirms wieder neu polarisiert zu werden.
- 2. Wesentlich verbesserte Ablesbarkeit und größere Blickwinkel ohne störende Artefakte durch lichtabsorbierende und erneute Polarisation benötigende Depolarisations-Filme oder Folien.
- 3. Wesentlich verbesserte Ablesbarkeit und größere Blickwinkelbereiche ohne störende Artefakte bei der Bildwiedergabe.
With the present solution, a much more powerful multi-level display solution is shown, which has the following advantages in comparison to the prior art: - 1. Significantly lower electrical power consumption by significantly improved overall transmissivity, since not as usual, the existing polarization of light between the different liquid crystal displays is depolarized by means of optical films to be then re-polarized again with about 50% loss on the first polarizing filter of the following liquid crystal screen ,
- 2. Significantly improved readability and larger viewing angles without disturbing artifacts by depolarization films or films requiring light-absorbing and re-polarization.
- 3. Significantly improved readability and wider viewing angles without disturbing artifacts in image reproduction.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche und gehen im Übrigen aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung hervor.Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims and, moreover, are apparent from the following detailed description.
Verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nunmehr anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen in jeweils stark vereinfachter und schematisierter Darstellung:Various embodiments of the invention will now be described with reference to drawings. In each case show in highly simplified and schematic representation:
1 ein Zweilagen-Display herkömmlicher Bauart im Schnitt, 1 a two-layer display of conventional design in section,
2 ein in seiner Lichtstärke gegenüber der Variante in 1 deutlich verbessertes Zweilagen-Display, 2 a in its light intensity opposite to the variant in 1 significantly improved two-layer display,
3 einen in teils perspektivischer Darstellung angedeuteten Fertigungsschritt bei der Herstellung eines derartigen Zweilagen-Displays, 3 a production step, which is indicated in a perspective view in part in the production of such a two-layer display,
4 eine weitere, besonders bevorzugte Variante eines gemäß 3 hergestellten Zweilagen-Displays mitsamt zugehöriger elektronischer Ansteuerungseinheit, 4 another, particularly preferred variant of one according to 3 produced two-layer displays together with associated electronic control unit,
5 eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Zweilagen-Displays, 5 a further variant of a two-layer display according to the invention,
6 eine illustrative Skizze zu möglichen Blickwinkelbereichen bei Flüssigkristallbildschirmen, und 6 an illustrative sketch of possible viewing angle ranges in liquid crystal displays, and
7 eine Prinzipskizze betreffend die Korrektur von vom Betrachtungswinkel und anderen Einflüssen abhängigen Bildartefakten bei einem Flüssigkristallbildschirm. 7 a schematic diagram relating to the correction of viewing angle and other influences dependent image artifacts in a liquid crystal screen.
Gleiche oder gleich wirkende Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszechen versehen.The same or equal parts are provided in all figures with the same Bezugszechen.
In 1 ist eine auch als Doppelschicht-Display oder Zweilagen-Display oder Zweiebenen-Display bezeichnete zweischichtige bzw. zweilagige Bildanzeigevorrichtung 2 bekannter Bauart schematisch im Schnitt dargestellt, die einen hinteren Flüssigkristallbildschirm 4 (engl. Liquid Crystal Display, kurz LCD) mit rechteckförmiger Bildfläche und einen gleichartig ausgerichteten vorderen Flüssigkristallbildschirm 6 mit ebenfalls rechteckförmiger, im Wesentlichen gleiche Abmessungen aufweisender Bildfläche umfasst, die derart hintereinander angeordnet sind, dass das vom hinteren Flüssigkristallbildschirm 4 erzeugte Bild durch den vorderen Flüssigkristallbildschirm 6 hindurch scheint und so insgesamt beim Betrachter 8 den Eindruck einer zwei Bildebenen umfassenden 3D-Darstellung mit echtem Parallaxeneffekt zwischen Hintergrundbild und Vordergrundbild erzeugt.In 1 is a two-layered or two-layered, also referred to as double-layer display or two-layer display or two-level display Image display device 2 of known type schematically shown in section, the rear liquid crystal screen 4 (English Liquid Crystal Display, short LCD) with a rectangular image area and a similar aligned front liquid crystal screen 6 also rectangular in dimension, having substantially the same dimensions, which are arranged one behind the other, that of the rear liquid crystal screen 4 generated image through the front liquid crystal screen 6 shines through and so on the viewer as a whole 8th creates the impression of a 3D image comprising two image planes with a true parallax effect between the background image and the foreground image.
Für die folgende Beschreibung wird vereinfachend angenommen, dass die beiden Flüssigkristallbildschirme 4, 6 jeweils aufrecht stehend auf einer horizontalen Grundfläche hintereinander angeordnet sind, wobei die jeweilige Bildfläche die Form eines Rechtecks besitzt, dessen im Allgemeinen längere Kante parallel zur Grundfläche, sprich horizontal und dessen kürze Kante senkrecht dazu, sprich vertikal ausgerichtet ist, und dass der Betrachter im Wesentlichen in horizontaler Richtung von vorne auf den vorderen Flüssigkristallbildschirm 6 schaut (Bilddarstellung im Querformat ähnlich wie bei einem Fernsehgerät in üblicher Aufstellung). Demgemäß bedeuteten die Angaben „horizontal verlaufend” und „vertikal verlaufend” eine Ausrichtung parallel zur längeren Außenkante (Rand) und parallel zur kürzeren Kante der Bildfläche. In diesem Sinne sind die Angaben auch zu verstehen, wenn die Bildanzeigevorrichtung 2 in anderer Weise im Raum aufgestellt wird, was selbstverständlich möglich und für gewisse Anwendungen möglicherweise sogar sinnvoll ist.For the following description it is assumed for simplicity that the two liquid crystal screens 4 . 6 each standing upright on a horizontal base surface are arranged one behind the other, wherein the respective image surface has the shape of a rectangle whose generally longer edge parallel to the base surface, ie horizontally and its short edge perpendicular thereto, that is vertically aligned, and that the viewer substantially in the horizontal direction from the front to the front liquid crystal screen 6 looks (image representation in landscape mode similar to a TV in the usual setup). Accordingly, the terms "horizontally extending" and "vertically extending" meant alignment parallel to the longer outer edge (edge) and parallel to the shorter edge of the image surface. In this sense, the information should also be understood when the image display device 2 is set up in a different way in the room, which of course is possible and possibly even useful for certain applications.
Der hintere Flüssigkristallbildschirm 4 ist als Farbbildschirm konzipiert und in konventioneller Weise nach Art einer Matrix bzw. eines Arrays von einzeln elektrisch ansteuerbaren Flüssigkristallzellen, beispielsweise vom Typ TN-Zelle (TN = Twisted Nematic), aufgebaut. Zur zeichnerischen Vereinfachung ist hier nur eine einzelne Zelle vom Typ TN dargestellt. Jede einzelne Zelle umfasst in diesem Fall einen zwischen einem hinteren Polarisationsfilter 10 (kurz: Polarisator) und einem vorderen Polarisationsfilter 12 (kurz: Analysator) angeordneten Flüssigkristall 14, dessen Flüssigkristallmoleküle im spannungsfreien Zustand eine kontinuierliche Verschraubung (engl. Twist) von etwa 90° ausbilden. Die Polarisationsfilter 10 und 12 können als flache Folien ausgebildet sein, die nicht nur eine einzelne Zelle, sondern das gesamte Array der Flüssigkristalle 14 überdecken.The rear liquid crystal screen 4 is designed as a color screen and constructed in a conventional manner in the manner of a matrix or an array of individually electrically controllable liquid crystal cells, for example of the type TN cell (TN = twisted nematic). To simplify the drawing, only a single cell of the type TN is shown here. Each individual cell in this case comprises one between a rear polarizing filter 10 (in short: polarizer) and a front polarizing filter 12 (in short: analyzer) arranged liquid crystal 14 , whose liquid crystal molecules in the tension-free state form a continuous screw (English twist) of about 90 °. The polarization filters 10 and 12 may be formed as flat films, not just a single cell, but the entire array of liquid crystals 14 cover.
Die Polarisationsebenen der beiden Polarisationsfilter 10 und 12 sind entsprechend um 90° gegeneinander verdreht, so dass im spannungsfreien Zustand das von der Lichtquelle 16 nach Art einer Hintergrundbeleuchtung ausgestrahlte und beim Durchtritt durch den hinteren Polarisationsfilter 10 linear polarisierte Licht den Flüssigkristall 14 unter Drehung der Polarisationsrichtung durchquert und anschließend ungehindert durch den vorderen Polarisationsfilter 12 tritt. Beispielsweise ist die Polarisationsebene des hinteren Polarisationsfilters 10 vertikal (v) ausgerichtet und die Polarisationsebene des vorderen Polarisationsfilters 12 horizontal (h). Durch Anlegen einer elektrischen Spannung U an die transparenten Elektroden 18 der Zelle richten sich die Flüssigkristallmoleküle der hier beispielhaft gewählten TN-Zelle zunehmend parallel zum elektrischen Feld aus, und es erfolgt eine zunehmende Absorption des Lichts im vorderen Polarisationsfilter 12. Damit nimmt die optische Transparenz der Zelle mit zunehmender Spannung U kontinuierlich ab; die Zelle wird also mit zunehmender Spannung dunkler (Normally White Mode).The polarization planes of the two polarization filters 10 and 12 are accordingly rotated by 90 ° to each other, so that in the tension-free state of the light source 16 emitted in the manner of a backlight and when passing through the rear polarizing filter 10 linearly polarized light the liquid crystal 14 traversed by rotation of the polarization direction and then unhindered by the front polarizing filter 12 occurs. For example, the polarization plane of the rear polarization filter 10 vertically (v) aligned and the polarization plane of the front polarizing filter 12 horizontal (h). By applying an electrical voltage U to the transparent electrodes 18 In the cell, the liquid crystal molecules of the TN cell selected here by way of example are oriented increasingly parallel to the electric field, and there is an increasing absorption of the light in the front polarization filter 12 , Thus, the optical transparency of the cell decreases continuously with increasing voltage U; the cell therefore becomes darker with increasing voltage (Normally White Mode).
Alternativ könnte natürlich auch das umgekehrte Funktionsprinzip verwirklicht sein. Üblicherweise ordnet man dabei die Polarisationsfilter parallel zueinander an; dann ist die Zelle ohne Spannung dunkel und wird erst mit zunehmender Spannung transparent (Normally Black Mode).Alternatively, of course, the reverse operating principle could be realized. Usually one arranges the polarization filters parallel to each other; then the cell is dark without voltage and only becomes transparent with increasing voltage (Normally Black Mode).
Durch einzeln ansteuerbare Subpixel, die mit entsprechenden Farbfiltern – etwa in den Grundfarben Rot, Grün, Blau – versehen sind, wird in üblicher Weise eine Farbdarstellung ermöglicht.By individually controllable subpixels, which are provided with corresponding color filters - such as in the primary colors red, green, blue -, a color representation is made possible in the usual way.
Bei der Bildanzeigevorrichtung 2 gemäß 1 ist der vordere Flüssigkristallbildschirm 6 gleich aufgebaut wie der hintere Flüssigkristallbildschirm 4, besitzt also ebenfalls einen hinteren Polarisationsfilter 20, einen vorderen Polarisationsfilter 22 und ein dazwischen liegendes Array von Flüssigkristallen 24 mit transparenten Elektroden 28, die mit der jeweils für jedes Subpixel getrennt steuerbaren Zellenspannung V beaufschlagt werden können. Die Polarisationsebenen der Polarisationsfilter 20 und 22 entsprechen denjenigen der Polarisationsfilter 10 und 12 beim hinteren Flüssigkristallbildschirm 4. Durch einen zwischen dem hinteren Flüssigkristallbildschirm 4 und dem vorderen Flüssigkristallbildschirm 6 angeordneten, als dünne Folie ausgestalteten Depolarisationsfilter 26, der einfallendes polarisiertes Licht in unpolarisiertes Licht umwandelt, wird der vordere Flüssigkristallbildschirm 6 – ebenso wie der direkt von der Lichtquelle 16 beleuchtete hintere Flüssigkristallbildschirm 4 – mit unpolarisiertem Licht beleuchtet. Diese Bauweise hat den Vorteil, dass problemlos handelsübliche Flüssigkristallbildschirme 4 und 6 ohne jegliche Modifikation eingesetzt werden könnten. Der Nachteil besteht jedoch darin, dass durch die optisch hintereinander angeordneten Polarisationsfilter 12 und 20 und den dazwischen liegenden Depolarisationsfilter 26 vergleichsweise viel Licht absorbiert wird, mithin die die Bildanzeigevorrichtung 2 für den Betrachter ziemlich lichtschwach ist. Versucht man dies durch eine Lichtquelle 16 mit entsprechend hoher Leuchtkraft zu kompensieren, so führt dies zu starker Wärmebelastung der einzelnen optischen Komponenten und damit auch zu einer relativ geringen Lebensdauer der Bildanzeigevorrichtung 2.In the image display device 2 according to 1 is the front liquid crystal screen 6 the same structure as the rear liquid crystal screen 4 So also has a rear polarizing filter 20 , a front polarizing filter 22 and an intermediate array of liquid crystals 24 with transparent electrodes 28 , which can be acted upon by the cell voltage V which can be controlled separately for each subpixel. The polarization planes of the polarization filters 20 and 22 correspond to those of the polarizing filters 10 and 12 at the rear liquid crystal screen 4 , Through one between the rear liquid crystal screen 4 and the front liquid crystal screen 6 arranged, designed as a thin film Depolarisationsfilter 26 which converts incident polarized light into unpolarized light becomes the front liquid crystal panel 6 - as well as directly from the light source 16 lit rear liquid crystal screen 4 - Illuminated with unpolarized light. This construction has the advantage that easily commercially available liquid crystal screens 4 and 6 could be used without any modification. The disadvantage, however, is that through the optically successively arranged polarizing filter 12 and 20 and the intermediate depolarization filter 26 comparatively much light is absorbed, that is, the image display device 2 for the viewer is pretty faint. If you try this by a light source 16 to compensate with a correspondingly high luminosity, this leads to strong heat load of the individual optical components and thus also to a relatively short life of the image display device 2 ,
Zur Vermeidung derartiger Nachteile ist bei der Bildanzeigevorrichtung gemäß 2 der vordere Flüssigkristallbildschirm 6 ein Farbbildschirm von grundsätzlich gleicher Bauart wie der hintere Flüssigkristallbildschirm 4, jedoch mit dem Unterschied, dass kein hinterer Polarisationsfilter und auch kein Depolarisationsfilter vorgesehen ist. Es kann sich insbesondere um einen zum hinteren Flüssigkristallbildschirm 4 baugleichen Flüssigkristallbildschirm 6 handeln, bei dem der hintere Polarisationsfilter entfernt wurde. Die Ausrichtung der Zeilen und Spalten von Flüssigkristallzellen und die spannungslose Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle im Flüssigkristall 24 zwischen den Substratplatten der jeweiligen Zelle sind demnach grundsätzlich gleich gewählt wie beim hinteren Flüssigkristallbildschirm 4, der analog zu demjenigen gemäß 1 aufgebaut ist. Die Ausrichtung des vorderen Polarisationsfilters 22 ist hierbei bezüglich seiner Polarisationsebene um 90° zum vorderen Polarisationsfilter 12 des hinteren Flüssigkristallbildschirms 4 verdreht, hier im Beispiel also vertikal (v) gewählt. Dies bedeutet, dass das aus dem vorderen Polarisationsfilter 12 im hinteren Flüssigkristallbildschirm 4 austretende Licht bereits polarisiert ist – hier im Beispiel mit horizontaler (h) Polarisationsebene – und in diesem Zustand direkt in den jeweiligen Flüssigkristall 24 des vorderen Flüssigkristallbildschirms 6 eintritt, ohne zuvor nochmals einen Polarisationsfilter und/oder Depolarisationsfilter durchlaufen zu müssen. Das in den Flüssigkristall 24 des vorderen Flüssigkristallbildschirms 6 eintretende polarisierte Licht wird dort in Bezug auf seine Polarisationsrichtung entsprechend der an der Zelle anliegenden Spannung V weitergedreht, und sein in Durchlassrichtung befindlicher Polarisationsanteil verlässt den vorderen Flüssigkristallbildschirm 6 durch den als Analysator wirksamen vorderen Polarisationsfilter 22 in Richtung zum Betrachter 8.To avoid such disadvantages, in the image display apparatus according to 2 the front liquid crystal screen 6 a color screen of basically the same design as the rear liquid crystal screen 4 , but with the difference that no rear polarization filter and no depolarization filter is provided. In particular, it may be to the rear liquid crystal screen 4 identical liquid crystal screen 6 act in which the rear polarizing filter has been removed. The alignment of the rows and columns of liquid crystal cells and the stress-free alignment of the liquid crystal molecules in the liquid crystal 24 between the substrate plates of each cell are therefore basically the same as the rear liquid crystal screen 4 , which is analogous to that according to 1 is constructed. The orientation of the front polarizing filter 22 is here with respect to its plane of polarization by 90 ° to the front polarizing filter 12 the rear liquid crystal screen 4 twisted, so here in the example selected vertically (v). This means that from the front polarizing filter 12 in the rear liquid crystal screen 4 Exiting light is already polarized - here in the example with horizontal (h) polarization plane - and in this state directly into the respective liquid crystal 24 the front liquid crystal screen 6 occurs without having to go through a polarization filter and / or depolarization filter again. That in the liquid crystal 24 the front liquid crystal screen 6 polarized light entering there is further rotated with respect to its polarization direction in accordance with the voltage V applied to the cell, and its forward polarization component leaves the front liquid crystal panel 6 by the front polarizing filter acting as an analyzer 22 towards the viewer 8th ,
Um bei gleicher Einbaulage von vorderem Flüssigkristallbildschirm 6 und hinterem Flüssigkristallbildschirm 4 eine nicht invertierte oder farblich verzerrte Bilddarstellung zu erhalten, ist also die Polarisationsebene des vorderen Polarisationsfilters 22 des vorderen Flüssigkristallbildschirms 6 um 90° zum vorderen Polarisationsfilter 12 des hinteren Flüssigkristallbildschirms 4 verdreht angeordnet. Dies könnte bei handelsüblichen, baugleichen Flüssigkristallbildschirmen, die als montagefertige und betriebsbereite Einheiten erhältlich sind, beispielsweise dadurch geschehen, dass der ursprünglich in „falscher” Ausrichtung angebrachte vordere Polarisationsfilter 22 von der Matrix der Flüssigkristalle 24 des vorderen Flüssigkristallbildschirm 6 abgelöst wird und anschließend ein Polarisationsfilter von passender Abmessung und mit um 90° verdrehter Polarisationsebene wieder aufgebracht wird. Dies wäre allerdings relativ aufwendig, zumal auch noch – wie oben beschrieben – der hintere Polarisationsfilter entfernt werden müsste.At the same installation position of front liquid crystal screen 6 and rear liquid crystal screen 4 To obtain a non-inverted or color-distorted image representation is therefore the polarization plane of the front polarizing filter 22 the front liquid crystal screen 6 90 ° to the front polarizing filter 12 the rear liquid crystal screen 4 arranged twisted. This could be done with commercially available, identical liquid crystal displays, which are available as ready-to-mount and ready-to-use units, for example, by the fact that the originally mounted in "false" orientation front polarizing filter 22 from the matrix of liquid crystals 24 the front liquid crystal screen 6 is replaced and then a polarizing filter of matching dimensions and rotated by 90 ° polarization plane is reapplied. However, this would be relatively expensive, especially since - as described above - the rear polarizing filter would have to be removed.
Zur Vereinfachung des Aufbaus kommt daher das in 3 illustrierte Herstellungsverfahren zum Einsatz: In einem ersten Schritt werden zwei im Wesentlichen baugleiche, handelsübliche Flüssigkristallbildschirme 4 und 6 mit im Allgemeinen rechteckförmiger Bildfläche und mit identischer Konfiguration von Polarisationsfiltern 10, 12 und 20, 22 sowie Flüssigkristallen 14, 24 bereitgestellt. Jeder der beiden Flüssigkristallbildschirme 4 und 6 weist also einen hinteren, sprich rückseitigen Polarisationsfilter 10 bzw. 20 mit zum Beispiel vertikaler (v) Polarisationsebene und einen vorderen, sprich frontseitigen Polarisationsfilter 12 bzw. 22 mit um 90° gedrehter, hier im Beispiel also horizontaler (h) Polarisationsebene auf, zwischen denen jeweils eine Matrix von Flüssigkristallen 14 bzw. 24 angeordnet ist, die in gleichartiger Weise über eine jeweils zugehörige Schnittstelle 30 bzw. 32 angesteuert werden bzw. mit einem zugehörigen Bildrechner verbindbar sind. Jede der beiden Schnittstellen 30 und 32 ist also für eine Bilddarstellung ausgelegt, bei der die Beleuchtung des Flüssigkristallbildschirms 4 bzw. 6 von der Rückseite 34 bzw. 36 erfolgt und das erzeugte Bild von der Vorderseite 38 bzw. 40 betrachtet wird.To simplify the structure, therefore, comes in 3 Illustrated production method used: In a first step, two substantially identical, commercially available liquid crystal screens 4 and 6 with a generally rectangular image area and with identical configuration of polarization filters 10 . 12 and 20 . 22 as well as liquid crystals 14 . 24 provided. Each of the two liquid crystal screens 4 and 6 So has a rear, speak back polarizing filter 10 respectively. 20 with, for example, vertical (v) polarization plane and a front, that is to say front, polarization filter 12 respectively. 22 with 90 ° rotated, here in the example thus horizontal (h) polarization plane, between each of which a matrix of liquid crystals 14 respectively. 24 is arranged, in a similar manner via an associated interface 30 respectively. 32 can be controlled or connected to an associated image calculator. Each of the two interfaces 30 and 32 is thus designed for image display, in which the lighting of the liquid crystal screen 4 respectively. 6 from the back 34 respectively. 36 takes place and the generated image from the front 38 respectively. 40 is looked at.
Der in der zu fertigenden Bildanzeigevorrichtung 2 vordere Flüssigkristallbildschirm 6 wird nun in einem zweiten Schritt derart ausgerichtet, dass der hintere Polarisationsfilter 20 zum vorderen Polarisationsfilter 22' wird und umgekehrt der vordere Polarisationsfilter 22 zum hinteren Polarisationsfilter 20' wird (vgl. 4). Gegenüber der in 3 dargestellten Ausrichtung wird der komplette vordere Flüssigkristallbildschirm 6 also beispielsweise um 180° um seine vertikale Achse A gedreht. Alternativ könnte auch eine 180°-Drehung um die horizontale Achse B erfolgen. Damit besitzt der nunmehr vordere Polarisationsfilter 22' des vorderen Flüssigkeitsbildschirms 6 die gleiche, hier im Beispiel vertikale (v) Polarisationsebene wie der hintere Polarisationsfilter 10 des hinteren Flüssigkeitsbildschirms 4, während der nunmehr hintere Polarisationsfilter 20' des vorderen Flüssigkeitsbildschirms 6 die gleiche, hier im Beispiel horizontale (h) Polarisationsebene wie der ihm unmittelbar gegenüberliegende vordere Polarisationsfilter 12 des hinteren Flüssigkeitsbildschirms 4 besitzt. Insgesamt ergibt sich die in 4 dargestellte Konfiguration.The image display device to be manufactured 2 front liquid crystal screen 6 is now aligned in a second step so that the rear polarizing filter 20 to the front polarization filter 22 ' and vice versa the front polarizing filter 22 to the rear polarizing filter 20 ' becomes (cf. 4 ). Opposite the in 3 Alignment shown becomes the complete front liquid crystal screen 6 so for example rotated by 180 ° about its vertical axis A. Alternatively, a 180 ° rotation could take place about the horizontal axis B. Thus, the now has front polarization filter 22 ' the front liquid screen 6 the same, here in the example vertical (v) polarization plane as the rear polarization filter 10 the rear liquid screen 4 , while the now rear polarization filter 20 ' the front liquid screen 6 the same, here in the example horizontal (h) polarization plane as the directly opposite front polarization filter 12 the rear liquid screen 4 has. Overall, the results in 4 illustrated configuration.
Die beiden genannten Schritte können natürlich in einem einzigen Durchgang verwirklicht werden; die hier vorgenommene gedankliche Unterteilung ist insofern von rein illustrativer Natur.The two steps mentioned can of course be realized in a single pass become; the conceptual division made here is of purely illustrative nature.
Anschließend oder auch schon vorher könnte der nunmehr hintere, hier im Beispiel mit horizontaler Polarisationsebene ausgestattete Polarisationsfilter 20' des vorderen Flüssigkristallbildschirms 6 entfernt werden, so dass sich – abgesehen von der Polarität der Elektroden 28 – unmittelbar die aus 2 bekannte Konfiguration ergibt. Andererseits ist dies nicht notwendig, da das auf den Polarisationsfilter 20' fallende Licht durch den gleich ausgerichteten vorgeschalteten Polarisationsfilter 12 bereits geeignet in Durchgangsrichtung ausgerichtet bzw. polarisiert ist und daher seine Intensität beim Durchqueren des Polarisationsfilters 20' praktisch nicht weiter geschwächt wird. Man könnte insofern – funktionell gesehen – die beiden Polarisationsfilter 12 und 20' auch als einen einzigen Polarisationsfilter betrachten. In fertigungstechnischer Hinsicht ist es natürlich von Vorteil, wenn der Polarisationsfilter 20' nicht entfernt wird, da der Aufbau der Bildanzeigevorrichtung 2 dann unter alleinigem Rückgriff auf unmodifizierte, handelsübliche Displays erfolgen kann. Alternativ kann er bei Bedarf dennoch entfernt werden (oder von vornherein nicht vorhanden sein), um die beim Filterdurchgang in der Realität unvermeidlichen Transmissionsverluste und Abbildungsartefakte, die selbst bei „passender” Ausrichtung in Bezug auf die Polarisationsebene des ankommenden Lichts auftreten, zu minimieren.Subsequently or even before, the now rear, here in the example equipped with a horizontal polarization plane polarization filter could 20 ' the front liquid crystal screen 6 be removed, so that - apart from the polarity of the electrodes 28 - Immediately the off 2 known configuration results. On the other hand, this is not necessary because that on the polarizing filter 20 ' falling light through the identically aligned upstream polarization filter 12 Already suitably oriented or polarized in the passage direction and therefore its intensity when passing through the polarizing filter 20 ' practically not weakened further. One could thus - functionally speaking - the two polarizing filters 12 and 20 ' also consider as a single polarizing filter. In terms of manufacturing technology, it is of course advantageous if the polarizing filter 20 ' is not removed because the structure of the image display device 2 can then be done using only unmodified, commercial displays. Alternatively, if necessary, it may still be removed (or not present in advance) to minimize the transmission losses and imaging artifacts that are unavoidable in the filter pass, even in "proper" alignment with respect to the polarization plane of the incoming light.
Allerdings sind nun durch das Vertauschen von Vorderseite und Rückseite die Positionen der jeweiligen Bildinformationen auf dem vorderen Flüssigkristallbildschirm 6 relativ zur Position auf dem hinteren Flüssigkristallbildschirm 4 gespiegelt, da der vordere Flüssigkristallbildschirm 6 ja eigentlich dafür vorgesehen und ansteuerseitig dafür ausgelegt ist, von der ursprünglichen vorderen Seite 40 gemäß 3 betrachtet zu werden, die jetzt jedoch gemäß 4 zur rückwärtigen Seite geworden ist. Die Bildinformationen müssen daher mittels geeigneter Ansteuerelektronik ebenfalls gespiegelt dargestellt werden, um eine entsprechende unverfälschte Darstellung zu erhalten. Dies wird durch eine elektronische Spiegelungseinheit 42 erreicht, die als spezialisierte Hardware, ggf aber auch in Form von auf einem Universal- oder Spezialrechner ablaufender Software implementiert sein kann, und die eine Spiegelung des darzustellenden Bildinhaltes des vorderen Flüssigkristallbildschirms 6 je nach dessen Einbaulage entweder an der vertikalen oder an der horizontalen Bildmittellinie 44 vornimmt (d. h. Achsspiegelung an der Mittelsenkrechten auf der entsprechenden äußeren Bildkante). Die Spiegelungseinheit 42 kann dazu beispielsweise Bestandteil eines separaten Bildrechners oder eines Vorschaltmoduls sein, welcher/welches über die handelsübliche, nicht modifizierte Schnittstelle 32 datenseitig mit dem vorderen Flüssigkristallbildschirm 6 verbunden ist. Alternativ könnte natürlich auch eine der Schnittstelle 32 nachgeschaltete, in den Flüssigkristallbildschirm 6 integrierte Ansteuerelektronik mit entsprechender Spiegelungsroutine angesprochen werden, sofern bereits werksseitig vorhanden.However, by exchanging the front side and the rear side, the positions of the respective image information on the front liquid crystal screen are now 6 relative to the position on the rear liquid crystal panel 4 mirrored, as the front liquid crystal screen 6 yes actually intended and driver side designed for this, from the original front page 40 according to 3 to be considered, but now according to 4 has become the back page. The image information must therefore also be displayed mirrored by means of suitable control electronics in order to obtain a corresponding unadulterated representation. This is done by an electronic mirroring unit 42 achieved, which may be implemented as specialized hardware, but possibly also in the form of running on a general purpose or special purpose computer software, and the mirroring of the displayed image content of the front liquid crystal screen 6 depending on its installation position, either on the vertical or on the horizontal center line of the image 44 (ie, axis mirroring on the mid-perpendicular on the corresponding outer edge of the image). The mirroring unit 42 For example, this can be part of a separate image computer or a ballast module which uses the commercially available, unmodified interface 32 Data side with the front liquid crystal screen 6 connected is. Alternatively, of course, could also be one of the interface 32 downstream, into the liquid crystal screen 6 integrated control electronics are addressed with the appropriate mirroring routine, if already available at the factory.
Bei der Ausführungsvariante gemäß 4 ist beispielsweise ein gemeinsamer Bildrechner 46 vorgesehen, der sowohl das auf dem hinteren Flüssigkristallbildschirm 4 darzustellende Hintergrundbild 48 (hier etwa eine Gebirgslandschaft) als auch das auf dem vorderen Flüssigkristallbildschirm 6 darzustellende Vordergrundgrundbild 50 (hier etwa ein Flugzeug) pixelgenau berechnet. Zu diesem Zweck können natürlich auch zwei getrennte Bildrechner vorgesehen sein. Während das Hintergrundbild 48 direkt, sprich lagerichtig der Schnittstelle 30 des hinteren Flüssigkristallbildschirms 4 zugeführt und auf diesem ohne Änderung der Darstellung angezeigt wird, wird das Vordergrundbild 50 zuvor in der Spiegelungseinheit 42 an der vertikalen Bildmittellinie 44, alternativ an der horizontalen Bildmittellinie (entsprechend der vertikalen oder horizontalen Bildschirmmittellinie des vorderen Flüssigkristallbildschirms 6) gespiegelt, um im Ergebnis die für den Betrachter 8 gewünschte unverfälschte, lagerichtige Darstellung beider Bildebenen zu ermöglichen.In the embodiment according to 4 is, for example, a common image calculator 46 provided, both on the rear liquid crystal screen 4 Background image to be displayed 48 (here about a mountain landscape) as well as on the front liquid crystal screen 6 foreground picture to be displayed 50 (here about an airplane) pixel-exactly calculated. Of course, two separate image computers can be provided for this purpose. While the background picture 48 directly, ie in the correct position of the interface 30 the rear liquid crystal screen 4 is fed and displayed on this without changing the representation, the foreground image 50 previously in the mirroring unit 42 at the vertical image centerline 44 alternatively at the horizontal image centerline (corresponding to the vertical or horizontal screen centerline of the front liquid crystal panel 6 ) in order to result in the for the viewer 8th To allow desired true, correct position representation of both image planes.
Die Spiegelungseinheit 42 kann Bestandteil der verkaufsfertig montierten Bildanzeigevorrichtung 2 sein, welche vom Benutzer dann über die Standard-Schnittstelle 30 und die um die Spiegelungsfunktion erweiterte Schnittstelle 52 angesprochen wird.The mirroring unit 42 may be part of the ready-to-display image display device 2 be which of the user then via the standard interface 30 and the interface extended by the mirror function 52 is addressed.
Der beschriebene Aufbau lässt sich auf mehr als zwei Lagen von Flüssigkristallbildschirmen verallgemeinern, indem ausgehend von dem in 4 dargestellten Grundaufbau sukzessive vor dem vorderen Flüssigkristallbildschirm 6, also in Richtung zum Betrachter 8 bin, weitere Flüssigkristallbildschirme passend ausgerichtet und montiert werden. Eine dritter, vor dem in 4 vorderen Flüssigkristallbildschirm 6 zu montierender Flüssigkristallbildschirm wäre dann beispielsweise wieder so auszurichten wie der hintere Flüssigkristallbildschirm 4, so dass für diese dritte Lage bzw. Bildebene keine Bildspiegelung notwendig wäre. Für eine vierte Lage wäre sie wiederum notwendig etc. Das Grundprinzip einer derartigen Mehrlagen-Bildanzeigevorrichtung (Multilayer-Display) besteht also darin, dass die einander zugewandten Polarisationsfilter unmittelbar aufeinander folgender Flüssigkristallbildschirme in Bezug auf ihre Polarisationsebene gleichartig ausgerichtet werden, und dass die Polarisationsebenen der auf der jeweils anderen Seite liegenden Polarisationsfilter demgegenüber um 90° verdreht sind. Für die zweite, vierte usw. Bildebene ist dann jeweils eine Bildspieglung der oben beschriebenen Art notwendig, während sie bei der ersten, dritten usw. Bildebene entfallt.The structure described can be generalized to more than two layers of liquid crystal displays by starting from the in 4 illustrated basic structure successively in front of the front liquid crystal screen 6 in the direction of the viewer 8th am, further liquid crystal screens are aligned and mounted suitably. A third, before the in 4 front liquid crystal screen 6 For example, the liquid crystal panel to be mounted would then be oriented again like the rear liquid crystal screen 4 , so that no image reflection would be necessary for this third layer or image plane. In turn, it would be necessary for a fourth layer, etc. The basic principle of such a multi-layer display device is that the mutually facing polarizing filters of immediately successive liquid crystal screens are aligned similarly with respect to their polarization plane, and that the polarization planes of the other side polarizing filters are rotated by 90 ° contrast. For the second, fourth, etc., image plane, image splitting of the type described above is then necessary in each case, while it is dispensed with in the first, third and so forth image planes.
Die bisherige Beschreibung hat sich zwar beispielhaft auf Flüssigkristallbildschirme vom Typ „Normally White” mit entsprechender Konfiguration und Ausrichtung von Flüssigkristallen und Polarisationsfiltern bezogen. Die beschriebenen Prinzipien lassen sich sinngemäß aber auch auf andere Konfigurationen übertragen, etwa wenn Flüssigkristallbildschirme vom Typ „Normally Black” zum Einsatz kommen. Generell kann dann ein Bildrechner der beschriebenen Art verwendet werden, um bei gegenüber der ansteuerseitigen Auslegung „falscher” Einbaulage eines Flüssigkristallbildschirms eine Invertierung bzw. Spiegelung des Bildinhaltes und damit im Ergebnis eine unverfälschte und lagerichtige Bildwiedergabe zu erreichen. Although the description so far has been based, by way of example, on "normal white" type liquid crystal displays with appropriate configuration and alignment of liquid crystals and polarizing filters. However, the described principles can also be analogously transferred to other configurations, for example, when "Normally Black" liquid crystal displays are used. In general, an image computer of the type described can then be used in order to achieve an inversion or mirroring of the image content and, as a result, an unadulterated and correct image reproduction in comparison with the drive-side design "incorrect" mounting position of a liquid crystal screen.
Bei dem hier verwirklichten Konzept eines Mehrlagen-Displays ist zu beachten, dass ein mit einem bestimmten Farbfilter versehenes Subpixel des vorderen Flüssigkristallbildschirms 6 in überwiegend diffuser Weise durch den gesamten hinteren Flüssigkristallbildschirm 4 beleuchtet wird, also von jedem Subpixel des hinteren Flüssigkristallbildschirms 4 Beleuchtungsbeiträge erhält, die entsprechend dem geometrischen Strahlenverlauf mehr oder weniger stark abgeschwächt sind. Durch die unterschiedlich starke Dispersion der unter verschiedenen Winkeln auf das jeweilige Subpixel des vorderen Flüssigkristallbildschirms 6 auftreffenden Lichtstrahlen ist im Normalfall sichergestellt, dass dort hinreichend „weißes” Licht mit der gewünschten Spektralkomponente ankommt, selbst wenn auf dem hinteren Flüssigkristallbildschirm 4 ein überwiegend einheitliches Hintergrundbild einer bestimmten Grundfarbe dargestellt wird.In the concept of a multi-layer display implemented here, it should be noted that a subpixel of the front liquid crystal screen provided with a specific color filter 6 in a predominantly diffuse manner through the entire rear liquid crystal screen 4 is illuminated, so from each subpixel of the rear liquid crystal screen 4 Receives lighting contributions that are attenuated more or less according to the geometric beam path. Due to the different degrees of dispersion at different angles on the respective subpixel of the front liquid crystal screen 6 incident light rays are usually ensured that there is sufficient "white" light with the desired spectral component arrives, even if on the rear liquid crystal screen 4 a predominantly uniform background image of a particular base color is displayed.
Derartige Effekte lassen sich in vergleichsweise einfacher Weise physikalisch modellieren und bei der Farbansteuerung der beiden Bildschirme berücksichtigen: Insbesondere können dabei auf dem hinteren Flüssigkristallbildschirm 4 dargestellte Objekte oder Strukturen gewissermaßen in Falschfarbendarstellung wiedergegeben werden, die für den Betrachter 8 durch eine komplementäre Grundfärbung des vorderen Flüssigkristallbildschirms 6 kompensiert wird. Für eine derartige Optimierung, bei der beispielsweise eine besonders große Gesamthelligkeit oder ein möglichst hoher Kontrast für eine oder beide Bildebenen angestrebt sein kann, kann wiederum ein geeignet konfigurierter Bildrechner oder dergleichen vorgesehen sein.Such effects can be physically modeled in a comparatively simple manner and taken into account in the color control of the two screens: In particular, can thereby on the rear liquid crystal screen 4 represented objects or structures to a certain extent in false color representation are reproduced, for the viewer 8th by a complementary basic coloration of the front liquid crystal screen 6 is compensated. For such an optimization in which, for example, a particularly high overall brightness or the highest possible contrast for one or both image planes can be sought, a suitably configured image computer or the like can again be provided.
Gleichwohl ist es sinnvoll, durch weiter unten beschriebene Zusatzmaßnahmen die spektrale Mischung des am vorderen Flüssigkristallbildschirm 6 ankommenden Lichtes zu verbessern.Nevertheless, it makes sense, by additional measures described below, the spectral mixture of the front liquid crystal screen 6 to improve incoming light.
Im Zusammenspiel von zwei oder mehr Pixel- oder Bildpunkt-orientierten Flüssigkristallbildschirmen 4 und 6 kann es durch die geometrische Pixel- oder Raster-struktur zu optischen Artefakten und Verzerrungen wie Moiré oder ähnlichem kommen. Da sich diese Artefakte hier in und mit vorpolarisiertem Licht ausbilden, können die Auswirkungen dieser Erscheinungen einfacher reduziert oder unterdrückt werden, als wenn sich diese mit unpolarisierten Licht ausbilden würden. Die genannten Erscheinungen stellen optisch maßgeblich räumlich und/oder flächig verteilte Intensitätsmuster oder spektral aufgefächerte Brechungs- und/oder Beugungsmuster dar. Diese Erscheinungen addieren sich normalerweise zu der gewünschten optischen Darstellung hinzu und verfälschen diese. Da sie sich hier aber in und/oder mit polarisiertem Licht entwickeln und im werteren optischen Pfad auch wieder nur polarisiertes Licht bestimmter Schwingungsebenen genutzt werden kann, und dieses weiter zu nutzende Licht eine möglichst vollständige spektrale Zusammensetzung zur Darstellung aller Farben haben und zudem möglichst wenig Licht im gesamten optischen Pfad verloren gehen soll, ist es vorteilhaft, die aufgeführten Erscheinungen dergestalt zu behandeln, dass die Auswirkungen der räumlich und/oder flächig verteilten Farb- und Intensitätsmuster in geeigneter Weise kombiniert, summiert und dann selektiv sortiert werden.In the interplay of two or more pixel- or pixel-oriented liquid crystal screens 4 and 6 The geometric pixel or raster structure can lead to optical artifacts and distortions such as moiré or the like. Because these artifacts form here in and with pre-polarized light, the effects of these phenomena can be more easily reduced or suppressed than if they were formed with unpolarized light. The phenomena mentioned are optically significant spatially and / or areally distributed intensity pattern or spectrally diffracted refractive and / or diffraction patterns. These phenomena are usually added to the desired optical representation and distort it. Since they develop here but in and / or with polarized light and again in the werteren optical path only polarized light specific vibration levels can be used, and this further light to be used as complete as possible spectral composition to represent all colors and also as little light is to be lost in the entire optical path, it is advantageous to treat the listed phenomena in such a way that the effects of spatially and / or spatially distributed color and intensity patterns are suitably combined, summed and then selectively sorted.
Dies geschieht durch den Einsatz eines aktiven, reflektiven Polarisators 60 zwischen dem hinteren Flüssigkristallbildschirm 4 und dem vorderen Flüssigkristallbildschirm 6, wie in 5 beispielhaft dargestellt. Ein derartiger aktiver, reflektiver (nicht absorbierender) Polarisator ist beispielsweise bekannt aus dem US-Patent 5 422 756 , dessen Offenbarungsgehalt hiermit zum Bestandteil dieser Unterlagen erklärt wird.This is done by using an active, reflective polarizer 60 between the rear liquid crystal screen 4 and the front liquid crystal screen 6 , as in 5 exemplified. Such an active, reflective (non-absorbing) polarizer is known, for example, from US Pat U.S. Patent 5,422,756 , the contents of which are hereby declared part of these documents.
Der Aufbau dieser aktiven, reflektiven Polarisatoren 60 bewirkt, dass nur Licht in der vorgegebenen Polarisationsrichtung relativ zum vorderen Polarisationsfilter 22 des Flüssigkristallbildschirms 6, abhängig vom verwendeten Darstellungsmodus „Normally Black Mode” oder „Normally White Mode” weitergeleitet werden kann. Für den „Normally Black Mode” haben vorzugsweise beide, der aktive reflektive Polarisator 60 und der vordere Polarisationsfilter 22 des Flüssigkeitsbildschirms 6 die gleiche Polarisationsausrichtung. Für den „Normally White Mode” haben zweckmäßigerweise beide eine ungleiche, typischerweise um 90 Grad verdrehte Polarisationsausrichtung. Der Aufbau des eingesetzten aktiven, reflektiven Polarisators 60 lässt zunächst Licht der durch die entsprechende Positionierung dieses Bauteils vorgegebenen Polarisationsebene passieren und reflektiert gleichzeitig in verschiedenen Lagen dieses Bauteils Licht, das die vorgegebene Polarisationsebene nicht direkt passieren kann, zurück. Die Rückreflektion erfolgt je nach gegebener bereits existierender Polarisation an verschieden Grenzschichten innerhalb des eingesetzten aktiven, reflektiven Polarisators 60. Zusätzlich erhält jeder reflektierte Lichtanteil, abhängig davon auf welcher Ebene er reflektiert wurde, zusätzlich eine weitere inkrementelle optische Drehung der Polarisationsebene je durchlaufener Ebene.The structure of these active, reflective polarizers 60 causes only light in the given direction of polarization relative to the front polarizing filter 22 of the liquid crystal panel 6 , depending on the used display mode "Normally Black Mode" or "Normally White Mode" can be forwarded. For the "Normally Black Mode" preferably both, the active reflective polarizer 60 and the front polarizing filter 22 of the liquid screen 6 the same polarization orientation. For "normal white mode", both suitably have an unequal polarization orientation, typically rotated 90 degrees. The structure of the used active, reflective polarizer 60 At first, light passes through the polarization plane predetermined by the corresponding positioning of this component and at the same time reflects light in different positions of this component, which light can not pass directly through the predetermined polarization plane. The back reflection takes place depending on the given already existing polarization at different boundary layers within the used one active, reflective polarizer 60 , In addition, each reflected light component, depending on which plane it has been reflected, additionally receives another incremental optical rotation of the plane of polarization per plane passing through.
Daraus ergeben sich folgende Effekte:
Durch die vielfache Rückreflektion „unpassend” polarisierten Lichtes an verschiedenen Schichten im Volumen des aktiven, reflektiven Polarisators 60 mit entsprechender Dispersion und Diffusion an diesen Grenzflächen und der damit verbundene Verteilung in unterschiedliche Raumwinkel und wieder zurück in den Zwischenraum zwischen hinterem Flüssigkristallbildschirm 4 und vorderem Flüssigkristallbildschirm 6 und der dortigen Kombination und Aufsummierung aller Anteile, bevor dieses Licht dann einen nächsten „Anlauf” durch den aktiven, reflektiven Polarisator 60 nimmt, wird eine Homogenisierung der oben beschriebenen optischen Erscheinungen und eine Eliminierung oder zumindest Reduzierung der räumlich und/oder flächig verteilten Intensitätsmuster und/oder spektral aufgefächerten Brechungs- und/oder Beugungsmuster erreicht.This results in the following effects:
Due to the multiple back reflection of "inappropriate" polarized light at different layers in the volume of the active, reflective polarizer 60 with appropriate dispersion and diffusion at these interfaces and the associated distribution in different solid angles and back into the space between the rear liquid crystal screen 4 and front liquid crystal screen 6 and the local combination and summing up of all the components before this light then a next "start" through the active, reflective polarizer 60 takes, a homogenization of the optical phenomena described above and an elimination or at least reduce the spatially and / or areally distributed intensity pattern and / or spectrally fanned refractive and / or diffraction pattern is achieved.
Durch die beschriebenen Vielfach-Rückreflektionen samt der damit zwingend verbundenen Dispersion und Diffusion ergibt sich für die Betrachtung des vorderen Flüssigkristallbildschirms 6 eine deutliche verbesserte Hinterleuchtung und in Bezug auf die lokale spektrale Verteilung eine bessere spektrale Vollständigkeit, das heißt „gemischteres” und damit „weißeres” Licht. Des Weiteren ergibt sich eine höhere lokale Helligkeit und damit eine höhere Gesamthelligkeit und bessere Farbdarstellung auf der Oberfläche des vorderen Flüssigkristallbildschirms 6, denn letzten Endes erhält jedes Subpixel des vorderen Flüssigkristallbildschirms 6 von jedem Subpixel des hinteren Flüssigkristallbildschirms 4 Beleuchtungsbeiträge, die entsprechend dem geometrischen Strahlenverlauf mehr oder weniger stark ausgeprägt sind.The described multiple back reflections together with the necessarily associated dispersion and diffusion results for the viewing of the front liquid crystal screen 6 a significantly improved backlighting and in terms of the local spectral distribution a better spectral completeness, that is "mixed" and thus "whiter" light. Furthermore, there is a higher local brightness and thus a higher overall brightness and better color representation on the surface of the front liquid crystal screen 6 , because in the end, every subpixel of the front liquid crystal screen gets 6 from each subpixel of the rear liquid crystal panel 4 Lighting contributions, which are more or less pronounced according to the geometric beam path.
Das oben beschriebene Konzept ist beispielhaft in 5 veranschaulicht: Der aktive, reflektive Polarisator 60 ist im optischen Pfad zwischen dem hinteren Flüssigkristallbildschirm 4 und dem vorderen Flüssigkristallbildschirm 6 angeordnet. Der hintere Flüssigkristallbildschirm 4 besitzt einen hinteren Polarisationsfilter 10 und einen vorderen Polarisationsfilter 12. Der vordere Flüssigkristallbildschirm 6 besitzt ggf. einen hinteren Polarisationsfilter 20, der aber auch entfernt bzw. von vornherein nicht vorhanden sein kann und daher in 5 gestrichelt gezeichnet ist, und einen vorderen Polarisationsfilter 22. Die Spannungsversorgung der den Flüssigkristallen 14 und 24 zugeordneten Elektroden ist hier zur Vereinfachung nicht eingezeichnet. Der vordere Polarisationsfilter 12 des hinteren Flüssigkristallbildschirms 4, der aktive Polarisator 60 und ggf. der hintere Polarisationsfilter 20 des vorderen Flüssigkristallbildschirms 6 sind bezüglich ihrer Polarisationsebenen derart aufeinander abgestimmt, das heißt in der Regel gleich ausgerichtet, dass von hinten auf den vorderen Polarisationsfilter 12 des hinteren Flüssigkristallbildschirms 4 auftreffendes, polarisationsmäßig in Durchlassausrichtung befindliches und den Polarisationsfilter 12 somit ohne wesentliche Schwächung passierendes Licht auch den nachfolgenden aktiven, reflektiven Polarisator 60 und ggf. den hinteren Polarisationsfilter 20 des vorderen Flüssigkristallbildschirms 6 ohne wesentliche Schwächung passieren kann.The concept described above is exemplary in FIG 5 illustrates: The active, reflective polarizer 60 is in the optical path between the rear liquid crystal panel 4 and the front liquid crystal screen 6 arranged. The rear liquid crystal screen 4 has a rear polarizing filter 10 and a front polarizing filter 12 , The front liquid crystal screen 6 possibly has a rear polarizing filter 20 , which can also be removed or not present from the outset and therefore in 5 dashed lines, and a front polarizing filter 22 , The power supply of the liquid crystals 14 and 24 associated electrodes is not shown here for simplicity. The front polarizing filter 12 the rear liquid crystal screen 4 , the active polarizer 60 and possibly the rear polarizing filter 20 the front liquid crystal screen 6 are matched with respect to their polarization levels to each other, that is usually aligned the same, that from behind on the front polarizing filter 12 the rear liquid crystal screen 4 impinging, polarization in Durchlassichtung direction and the polarizing filter 12 Thus, without significant attenuation passing light and the subsequent active, reflective polarizer 60 and possibly the rear polarizing filter 20 the front liquid crystal screen 6 without significant weakening can happen.
Zum Verständnis der oben beschriebenen Effekte und Vorteile des aktiven, reflektiven Polarisators 60 ist dabei allerdings zu beachten, dass in der Realität kein Polarisationsfilter ideale optische Eigenschaften hat. Vielmehr hat je nach Güte des jeweiligen Polarisationsfilters ein mehr oder weniger großer Anteil des ihn verlassenden Lichtes eine von der gewünschten (Vorzugs-)Polarisationsebene mehr oder weniger stark abweichende Polarisationsebene. Das heißt insbesondere, dass den vorderen Polarisationsfilter 12 des hinteren Flüssigkristallbildschirms 4 verlassendes Licht in der Praxis durchaus nennenswerte Anteile aufweist, deren Polarisationsebene gegenüber der eigentlich eingestellten Polarisationsebene mehr oder weniger stark verdreht ist. Gerade diese im Normalfall eigentlich unerwünschten und letztlich verworfenen Anteile sind es, die in der oben beschriebenen Weise mit Hilfe des aktiven, reflektiven Polarisators 60 in nutzbares Licht für die Hinterleuchtung des vorderen Flüssigkristallbildschirms 6 umgewandelt werden.To understand the above-described effects and advantages of the active, reflective polarizer 60 It should be noted, however, that in reality no polarization filter has ideal optical properties. Rather, depending on the quality of the respective polarization filter, a more or less large proportion of the light leaving it has a polarization plane which differs more or less from the desired (preferential) polarization plane. That means in particular that the front polarization filter 12 the rear liquid crystal screen 4 leaving light in practice quite significant proportions, the polarization plane is more or less strongly rotated compared to the actually set polarization plane. It is precisely these, in the normal case, actually undesirable and ultimately discarded portions, which are in the manner described above with the aid of the active, reflective polarizer 60 into usable light for the backlight of the front liquid crystal screen 6 being transformed.
In einer nicht dargestellten Abwandlung von 5 können zusätzlich oder alternativ zu dem zwischen den Flüssigkristallbildschirmen 4 und 6 angeordneten aktiven, reflektiven Polarisator 60 einer oder mehrere der normalerweise herkömmlichen Polarisationsfilter 10, 12, 20, 22 als aktive, reflektive Polarisatoren der zuvor beschriebenen Art ausgestaltet sein.In a modification of not shown 5 may additionally or alternatively to that between the liquid crystal displays 4 and 6 arranged active, reflective polarizer 60 one or more of the conventional polarizing filters 10 . 12 . 20 . 22 be designed as active, reflective polarizers of the type described above.
Ein weiterer Aspekt, der darauf abzielt, käufliche Standardkomponenten zur Herstellung eines hochwertigen Mehrlagen-Displays nutzbar zu machen, und der sich mit den zuvor erläuterten Aspekten kombinieren lässt, wird nachfolgend beschrieben:
Bedingt durch typische Anwendung käuflicher Flüssigkristallbildschirme beispielsweise als Anzeigegeräte portabler Computer wie Notebooks und Netbooks sind diese Flüssigkristallbildschirme in ihrer Zellenspannung-Transmission-Kennlinie (Gamma-Kennlinie) so angepasst, dass der beste Kontrast mit geringster Farbverschiebung nicht als Winkelhalbierende des nutzbaren Blickwinkelbereiches orthogonal zentrisch zur Display-Oberfläche ausgerichtet ist. Vielmehr ist bedingt durch die Vorzugs-Betrachtungsrichtung von schräg unten die Gamma-Kennlinie entsprechend verschoben eingestellt.Another aspect, which aims to make commercial standard components usable for producing a high-quality multilayer display, and which can be combined with the aspects explained above, is described below:
Due to the typical use of commercially available liquid crystal screens, for example as display devices of portable computers such as notebooks and netbooks, these liquid crystal screens are adjusted in their cell voltage-transmission characteristic (gamma characteristic) such that the best contrast with the lowest color shift is not an angle bisector of the usable viewing angle range orthogonal to the display Surface is aligned. Rather, due to the preferential Viewing direction of obliquely down the gamma curve accordingly shifted.
Der geometrische Sachverhalt ist in 6 veranschaulicht. In der linken Bildhälfte ist ein symmetrisch ausgelegtes LCD-Display 70 dargestellt. Eine zufriedenstellende Bildqualität wird bei Betrachtung mit einem Blickwinkel innerhalb des markierten Bereiches erreicht. Außerhalb dieses Bereiches machen sich Farbverschiebungen, reduzierter Kontrast und reduzierte Helligkeit stark störend bemerkbar. Der beste Blickwinkel ergibt sich bei Betrachtung in Richtung der Winkelhalbierenden des definierten Winkelbereiches, sprich in Richtung senkrecht zur (ebenen) Bildschirmoberfläche. Bei den üblicherweise zur Verwendung in Notebooks vorgesehenen, aufgrund der Fertigung in besonders großen Stückzahlen vergleichsweise kostengünstig verfügbaren LDC-Displays ist der beste Blickwinkel hingegen in einem Winkel von beispielsweise 20 bis 50 Grad gegenüber der Orthogonalen geneigt, was in der rechten Bildhälfte dargestellt ist. Dies wird wie bereits erwähnt unter anderem durch eine gegenüber der symmetrischen Auslegung verschobene Gamma-Kennlinie, die in der Ansteuerungshardware implementiert ist, erreicht.The geometrical state is in 6 illustrated. In the left half of the picture is a symmetrical LCD display 70 shown. Satisfactory image quality is achieved when viewed with a viewing angle within the marked area. Outside this range, color shifts, reduced contrast and reduced brightness are very disturbing. The best viewing angle results when viewed in the direction of the bisector of the defined angle range, ie in the direction perpendicular to the (flat) screen surface. In contrast, in the case of the LDC displays usually provided for use in notebooks, which are comparatively inexpensive due to the production in particularly large numbers, the best viewing angle is inclined at an angle of, for example, 20 to 50 degrees with respect to the orthogonal, as shown in the right-hand half of the figure. As already mentioned, this is achieved, inter alia, by a gamma characteristic shifted in relation to the symmetrical design, which is implemented in the drive hardware.
Für die Anwendung in 3D-tauglichen Mehrlagen-Displays ist diese verschobene Gamma-Kennlinie aber extrem störend, da durch die unterschiedlichen Positionen, Polarisationsebenen und vom Blickwinkel abhängigen Transfer-Funktionen in den beteiligten Flüssigkristallzellen, Polarisatoren und den sich in Summe ausbildenden maximal verfügbaren bzw. nutzbaren Blickwinkeln die Funktionalität in Bezug auf Kontrast, Farbdarstellung, optische Artefakte und Gesamthelligkeit das Gesamt-System damit massiv eingeschränkt wird.For the application in 3D-capable multi-layer displays, however, this shifted gamma characteristic is extremely disturbing, since the different positions, polarization levels and viewing-dependent transfer functions in the participating liquid crystal cells, polarizers and the total available maximum available or In terms of contrast, color rendering, visual artifacts, and overall brightness, the overall system is thus massively limited in terms of usable viewing angles.
Um dies zu vermeiden, ist erfindungsgemäß vorgesehen, die resultierende Gamma-Kennlinie wieder so einzustellen, dass die für die ursprüngliche Funktion in Notebooks benötigte Verschiebung kompensiert oder rückgängig gemacht wird. Dies ist prinzipiell über zumindest zwei Wege erreichbar: Nämlich erstens über eine Modifikation der einzelnen verwendeten Flüssigkristallbildschirme individuell, was entsprechend aufwendig und kostenintensiv ist. Oder zweitens mittels einer geeigneten Manipulation der Display-Ansteuerungsdaten – ähnlich einer gesteuerten Vorverzerrung, die man aus der Audiodaten-Übertragung kennt, um Übertragungskennlinien zu egalisieren – ohne individuelle Modifikation der einzelnen verwendeten Flüssigkristallbildschirme. Da die verwendeten Flüssigkristallbildschirme digitale Baugruppen sind, deren Anzeige-Informationen mittels zeit-sequenzieller Datenströme zugeführt werden, die dann nacheinander jeden einzelnen Bildpunkt steuern, lässt sich damit auch eine Bildpunkt-genaue Manipulation der Anzeigedaten darstellen und damit auch eine Bildpunkt-genau zugeordnete Korrektur der Gamma-Kennlinie durchführen. Damit lässt sich nicht nur die Korrektur der Gamma-Kennlinie realisieren, sondern auch eine Kompensation aller im optischen Pfad befindlichen Komponenten – wie etwa die Polarisatoren – und der durch sie hervorgerufenen optischen Artefakte bewerkstelligen oder zumindest deutlich vereinfachen. Diese hier beschriebene Korrektur ist besonders für Mehrlagen-Displays mit mehr als zwei Ebenen und den Einsatz oben genannter frei verfügbarer, kostengünstiger Notebook-Flüssigkristallbildschirme vorteilhaft, um akzeptable optische Ergebnisse erzielen zu können.In order to avoid this, it is provided according to the invention to adjust the resulting gamma characteristic again so that the displacement required for the original function in notebooks is compensated or reversed. This can be achieved in principle via at least two ways: firstly, individually by modifying the individual liquid crystal screens used, which is correspondingly complicated and cost-intensive. Or, secondly, by means of a suitable manipulation of the display drive data - similar to a controlled predistortion known from the audio data transfer to equalize transfer characteristics - without individual modification of the individual liquid crystal screens used. Since the liquid crystal screens used are digital modules whose display information is supplied by means of time-sequential data streams, which then control each individual pixel in succession, it is also possible to display pixel-precise manipulation of the display data and thus a pixel-specific correction of the display data Perform gamma characteristic. Thus, not only the correction of the gamma characteristic can be realized, but also a compensation of all components located in the optical path - such as the polarizers - and the caused by them optical artifacts accomplish or at least significantly simplify. This correction described here is particularly advantageous for multilayer displays with more than two levels and the use of the above-mentioned freely available, cost-effective notebook liquid crystal displays in order to achieve acceptable optical results.
Der Sachverhalt ist in 7 veranschaulicht: In der oberen Bildhälfte ist ein LCD-Display 70 dargestellt, das über eine Schnittstelle 72 mit einem zugehörigen Bildrechner 74 verbunden ist und von diesem angesteuert wird. Ein in dem Bildrechner 74 in digitaler Form gespeichertes Ursprungsbild S wird auf dem LCD-Display 70 derart angezeigt, dass ein Betrachter 8 bei Betrachtung der Display-Oberfläche unter einem Neigungswinkel α gegenüber der Orthogonalen ein im Hinblick auf seine physiologische Wahrnehmung optimiertes Abbild f(S) sieht. Bei Betrachtung in Richtung der Orthogonalen hingegen nimmt der Betrachter gewissermaßen ein hinsichtlich Farbe, Helligkeit, Kontrast und ggf. weiterer optischer Parameter „verzerrtes” Abbild f*(S) wahr. Um diesen störenden Einfluss zu eliminieren und eine unverfälschte Betrachtung aus senkrechter Richtung zu ermöglichen, ist bei der in der unteren Bildhälfte dargestellten Erweiterung der Bildrechner 74 mit einem Korrekturmodul 76 ausgestattet, welches das Ursprungsbild S zunächst unter Anwendung einer geeigneten Abbildungsvorschrift auf ein Bild g(S) abbildet, das dann über die Schnittstelle 72 dem LCD-Display zur Anzeige zugeführt wird. Die Abbildungsvorschrift S → g(S) ist derart beschaffen, dass das vom Betrachter 8 bei Betrachtung aus senkrechter Blickrichtung wahrgenommene Bild f*(g(S)) hinsichtlich Farbe, Helligkeit und Kontrast möglichst gut mit dem ursprünglich – ohne Einbeziehung des Korrekturmoduls 76 – unter dem Blickwinkel α sichtbaren Abbild f(S) übereinstimmt, das heißt f*(g(S)) = f(S).The facts are in 7 Illustrated: In the upper half of the picture is an LCD display 70 represented by an interface 72 with an associated image calculator 74 is connected and is controlled by this. One in the image calculator 74 original image S stored in digital form is displayed on the LCD 70 displayed in such a way that a viewer 8th viewing the display surface at an angle of inclination α with respect to the orthogonal, an image f (S) optimized with regard to its physiological perception. When viewed in the direction of the orthogonal, on the other hand, the observer effectively perceives a "distorted" image f * (S) with regard to color, brightness, contrast and possibly further optical parameters. In order to eliminate this disturbing influence and to enable an unadulterated view from the vertical direction, the image computer shown in the lower half is the image processor 74 with a correction module 76 equipped, which images the original image S first using a suitable mapping rule on an image g (S), which then via the interface 72 supplied to the LCD display for display. The mapping rule S → g (S) is such that the viewer 8th when viewed from vertical line of sight perceived image f * (g (S)) in terms of color, brightness and contrast as well as possible with the original - without the inclusion of the correction module 76 - from the viewpoint α visible image f (S) matches, that is f * (g (S)) = f (S).
Damit wird quasi durch geeignete „Vorverzerrung” bei der elektronischen Bildaufbereitung der späteren „Verzerrung” bei der Bildwiedergabe entgegengewirkt. Die dazu notwendige, vom Neigungswinkel α abhängige Abbildungsvorschrift S → g(S) kann beispielsweise durch Bestimmung und Invertierung der Funktion f(S) und/oder f*(S) und ggf weiterer funktionaler Zusammenhänge erhalten werden. Dies kann beispielsweise unter Zuhilfenahme physikalisch-mathematischer Modelle näherungsweise analytisch oder auch empirisch durch Vergleich entsprechender Messdaten bei unterschiedlichen Neigungswinkeln α erfolgen. Darüber hinaus lassen sich auf diese Weise, wie oben bereits erwähnt, auch andere Bildartefakte, die auf die verschiedenen Komponenten im optischen Pfad (etwa die Polarisationsfilter) zurückgehen, kompensieren. Die zur Vorverzerrung oder allgemeiner Vorbearbeitung eingesetzte Abbildungsvorschrift kann dabei in dem Korrekturmodul 76 in üblicher Weise nach Art eines lokalen oder globalen digitalen Filters bzw. als Verknüpfung mehrerer solcher Filter implementiert sein. Vorteilhafterweise wird diese Technik für jeden der hintereinander angeordneten Flüssigkristallbildschirme eines Mehrlagen-Displays angewendet.This effectively counteracts the later "distortion" in the image reproduction by means of suitable "predistortion" in the electronic image processing. The mapping rule S → g (S), which is dependent on the angle of inclination α, can be obtained, for example, by determining and inversing the function f (S) and / or f * (S) and, if appropriate, further functional relationships. This can be done, for example, with the aid of physical-mathematical models approximately analytically or empirically by comparing corresponding measurement data at different angles of inclination α. In addition, let yourself in this way, as already mentioned above, also compensate for other image artifacts attributable to the various components in the optical path (such as the polarizing filters). The mapping rule used for predistortion or general preprocessing can be used in the correction module 76 be implemented in the usual manner in the manner of a local or global digital filter or as a combination of several such filters. Advantageously, this technique is applied to each of the successively arranged liquid crystal displays of a multilayer display.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
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22
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BildanzeigevorrichtungImage display device
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44
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hinterer Flüssigkristallbildschirmrear liquid crystal screen
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66
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vorderer Flüssigkristallbildschirmfront liquid crystal screen
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88th
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Betrachterobserver
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1010
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hinterer Polarisationsfilterrear polarization filter
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1212
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vorderer Polarisationsfilterfront polarizing filter
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1414
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Flüssigkristallliquid crystal
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1616
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Lichtquellelight source
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1818
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Elektrodeelectrode
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20, 20'20, 20 '
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hinterer Polarisationsfilterrear polarization filter
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22, 22'22, 22 '
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vorderer Polarisationsfilterfront polarizing filter
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2424
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Flüssigkristallliquid crystal
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2626
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DepolarisationsfilterDepolarisationsfilter
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2828
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Elektrodeelectrode
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3030
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Schnittstelleinterface
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3232
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Schnittstelleinterface
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3434
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Rückseiteback
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3636
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Rückseiteback
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3838
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Vorderseitefront
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4040
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Vorderseitefront
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4242
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Spiegelungseinheitmirroring unit
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4444
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BildmittelliniePicture centerline
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4646
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Bildrechnercalculator
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4848
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Hintergrundbildbackground image
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5050
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Vordergrundbildforeground
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5252
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Schnittstelleinterface
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5454
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LängserstreckungsrichtungLongitudinal extension
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6060
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reflektiver Polarisatorreflective polarizer
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7070
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LCD-DisplayLCD display
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7272
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Schnittstelleinterface
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7474
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Bildrechnercalculator
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7676
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Korrekturmodulcorrection module
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αα
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Neigungswinkeltilt angle
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AA
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Achseaxis
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BB
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Achseaxis
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UU
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Zellspannungcell voltage
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VV
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Zellspannungcell voltage
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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US 5422756 [0041] US 5422756 [0041]
