JP2004523001A - 高ダイナミック・レンジ表示装置 - Google Patents

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Abstract

表示装置は光変調器を内蔵するスクリーンを有する。スクリーンは反射投影スクリーンであっても、透過投影スクリーンであってもよい。光変調器の素子は制御され、スクリーンの対応する領域から放出される光の強度を調節すべく制御される。表示装置は高ダイナミック・レンジを提供する。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、デジタル画像を表示するための表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
本願は、米国特許出願第６０／２７１５６３号（２００１年２月２７日出願、発明の名称：高ダイナミック・レンジ・カラー表示装置及び投影技術（ＨＩＧＨ ＤＹＮＡＭＩＣ ＲＡＮＧＥ ＣＯＬＯＵＲ ＤＩＳＰＬＡＹ ＡＮＤ ＰＲＯＪＥＣＴＩＯＮ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ））に基づき、優先権を主張している。
【０００３】
ダイナミック・レンジとは、一場面における最高輝度の部分と最低輝度の部分との強度の比である。例えば、ビデオ投影系によって投影された画像は、３００：１の最大ダイナミック・レンジを持ち得る。
【０００４】
人の視覚体系は、非常に高いダイナミック・レンジを持つ場面で、特徴を認識することができる。たとえ、近くの太陽に照らされた領域の輝度が、景色の暗がり部分の輝度より何千倍も大きくても、人は、例えば、明るく太陽が輝く日に、明かりのついていない車庫の中を覗き込み、暗がりにある物の細部を見ることができる。このような場面を現実的に表現するためには、１０００：１を超えるダイナミック・レンジを持つ表示装置が必要である。"高ダイナミック・レンジ"とは、８００：１またはそれ以上のダイナミック・レンジを意味する。
【０００５】
現代のデジタル画像システムは、場面のダイナミック・レンジが保存された状態で、デジタル表示画像を取り込み、記録することができる。コンピュータ画像システムは高ダイナミック・レンジを持つ画像を合成することができる。しかしながら、現在の表示技術は、高ダイナミック・レンジが正確に再現されるように画像を表示できない。
【０００６】
ブラッカム（Ｂｌａｃｋｈａｍ）他に付与された米国特許第５９７８１４２号にはスクリーン上に映像を投影するためのシステムが開示されている。そのシステムは、光源からの光を変調する第１及び第２の光変調器を備えている。それぞれの光変調装置は、光源からの光を画素レベルで変調する。両光変調器によって変調された光はスクリーン上に投影される。
【０００７】
ギボン（Ｇｉｂｂｏｎ）他の国際特許出願ＰＣＴ／ＵＳ０１／２１３６７には前置変調器を含む投影システムが開示されている。前置変調器は可変ミラー表示装置に投射される光量を調節する。別体の前置変調器は選択された領域（例えば、４分円）を暗くするために用いられる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
表示画像中に広レンジの光強度を再現できる費用効率の良い表示装置が必要とされる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、画像を表示するための表示装置と、画像を表示するための方法とを提供する。本発明の一態様では、光源と、光源からの光を変調するように設けられた第１の空間光変調器と、第２の空間光変調器を備える表示スクリーンと、第１の空間光変調器によって変調された光を表示スクリーンの第１の面上に投影するように構成された光学系とを備える表示装置が提供される。
【００１０】
本発明の別の態様では、光源と、光源からの光を変調するように設けられた第１の空間光変調器であって、制御可能な画素のアレイを備えた第１の空間光変調器と、第１の空間光変調器により変調された光を変調するように設けられた第２の空間光変調器であって、制御可能な画素のアレイを備えた第２の光空間変調器とを備え、第１及び第２の空間光変調器の一方の各画素は、第１及び第２の空間光変調器の他方の複数の画素に対応する表示装置が提供される。
【００１１】
本発明の別の態様では、第１の空間分解能で空間的に変調された光を供給するための第１の空間変調手段と、第１の分解能とは異なる第２の分解能で、光を更に空間的に変調するための第２の空間変調手段と、第１及び第２の空間変調手段を制御して画像データによって形成される画像を表示する手段とを備える表示装置が提供される。
【００１２】
本発明のまた更なる態様では、高ダイナミック・レンジを持つ画像を表示するための方法が提供される。その方法は、光を生成し、第１の光変調段階において、画像データに基づく光を空間的に変調し、空間的に変調された光を、光変調器を備えるスクリーン上に結像する。
【００１３】
本発明の更なる態様と本発明の一実施形態の特徴とを以下に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下の説明を通して、本発明のより理解すべく、その詳細について述べる。しかし、これらの詳細なしで本発明を実施してもよい。また、発明が不必要にあいまいになることを避けるため、公知の部材は、示さないか、または、詳細な説明をしない。したがって、明細書と図面とは限定的というよりは、実施例としての意味を持つ。
【００１５】
本発明は、高ダイナミック・レンジで画像を表示することができる表示装置を提供する。本発明に係る表示装置は、２つの光変調段を有している。光が連続的にそれらの段を通過することで、高められたダイナミック・レンジを持つ画像が供給される。
【００１６】
図１は本発明の簡単な実施形態に係る表示装置１０を概略的に示している。図１における部材の大きさやそれらの間の距離は、実寸ではない。表示装置１０は光源１２を備えている。光源１２は、例えば、白熱灯、アーク灯等の投影ランプや、レーザや、その他適当な光源であってもよい。光源１２は、表示装置１０の他の部分に光を伝達するように協同する、１つ以上のミラー、レンズ、その他の光学素子からなる光学系を備えていてもよい。
【００１７】
本実施形態においては、光源１２からの光は、第１の光変調器１６へと指向される。光源１２は好ましくは、第１の光変調器１６に実質的に均一な照明を供給する。光変調器１６は個々にアドレス可能な素子のアレイを備えている。光変調器１６は、例えば、透過型光変調器の一種であるＬＣＤ（液晶表示装置）、または、反射型光変調器の一種であるＤＭＤ（可変ミラー装置）を備えていてもよい。表示駆動回路（図１には示さず）は、表示される画像を規定するデータにしたがって、光変調器１６の素子を制御する。
【００１８】
第１の光変調器１６によって変調された光は、適当な光学系１７によって透過投影（ｒｅａｒ−ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ）スクリーン２３上に投影される。第１の光変調器１６の小さな領域からの光は、光学系１７によって、透過投影スクリーン２３上の対応する領域へと指向される。本実施形態においては、光学系１７は、焦点距離ｆを持つレンズを備えている。通常、第１の光変調器１６によって変調された光を、透過投影スクリーン２３上に結像する光学系１７は、１つ以上のミラーやレンズ、その他の光学素子を備えている。このような光学系は第１の光変調器によって変調された光を第２の光変調器上に結像する機能を持っている。
【００１９】
本実施形態においては、透過投影スクリーン２３は、第２の光変調器２０とコリメータ１８とを備えている。コリメータ１８の主な機能は、透過投影スクリーン２３を通過する光を、優先的に視聴領域へと指向させることである。コリメータ１８は、フレネル・レンズやホログラフィック・レンズ、また、１つ以上のレンズ及び／又は他の光学素子の他の装置を備えており、それらが光を視聴領域の方向へ導くこととなる。
【００２０】
本実施形態において、コリメータ１８は光を第２の光変調器２０の素子を通して、通常はスクリーン２３の法線方向へと伝える。コリメータ１８からの入射光が第２の光変調器２０を通過するのに伴って、その光は更に変調される。そして、光は拡散器２２を通過してある範囲の方向へ出力光を拡散して、第１の光変調器１６からみて拡散器２２とは反対側に位置する視聴者は、スクリーン２３の全域に由来する光を見ることができる。一般に、拡散器２２は、水平面と垂直面とで光の拡散角度範囲が異なる。拡散器２２は、第２の光変調器２０によって変調された光が、ある範囲の角度に散乱され、その最大拡散角が、好ましい視聴位置から見られたときにスクリーン２３によって決定される範囲の角度に少なくとも等しくなるように選択される。
【００２１】
透過投影スクリーン２３は第１の光変調器１６と異なる面積であってもよい。例えば、透過投影スクリーン２３が、第１の光変調器１６よりも大きな面積であってもよい。この場合、光学系１７は、第１の光変調器１６によって変調された光束を拡大して、透過投影スクリーン２３のより大きな面積に一致するように照射する。
【００２２】
第２の光変調器２０は第１の光変調器と同じタイプのものでも、また、異なるタイプのものでもよい。第１及び第２の光変調器１６，２０が両方とも光を偏光させるタイプである場合、実用的には、第２の光変調器２０は、その偏光面が、第１の光変調器１６から入射する光の偏光面と一致するように向きを合わせるべきである。
【００２３】
表示装置１０はカラー表示装置であってもよい。この場合、以下のような様々な方法がある。
・第１の光変調器１６と第２の光変調器２０とを１つのカラー光変調器にすること。
【００２４】
・異なる色を同時に操作する複数の異なる第１の光変調器１６を備えること。
・第２の光変調器２０の前方の光路に異なる色のフィルタを迅速に導入するための機構を備えること。
前記の第１のやり方の例として、第２の光変調器２０は、各々が多数のカラー・サブ画素からなる、複数の画素を備えたＬＣＤパネルから構成されていてもよい。例えば、各画素は１つが赤色のフィルタと関連し、１つが緑色のフィルタと関連し、１つが青色のフィルタと関連する３つのサブ画素から構成されていてもよい。フィルタはＬＣＤパネルと一体であってもよい。
【００２５】
図１Ａに示すように、光源１２と、第１の光変調器１６と、光学系１７とが、透過投影スクリーン２３の後側の制御装置３９からの信号３８Ａによって形成される画像を投影するように設けられたデジタル・ビデオ・プロジェクタ３７の部品であってもよい。第２の光変調器２０の素子は、制御装置３９からの信号３８Ｂによって制御され、高ダイナミック・レンジを持つ視聴者に画像を提供する。
【００２６】
図２に示すように、本発明に係る表示装置１０Ａは、１つ以上の付加的な光変調段２４を備えていてもよい。各付加的な光変調段２４は、コリメータ２５と、光変調器２６と、光学系２７とからなっており、光学系２７は、光変調器２６からの光の焦点を次の付加的な光変調段２４、または、コリメータ１８上に合わせる。図２の表示装置１０Ａでは、２つの付加的な光変調段２４がある。本発明のこの実施形態に係る装置は、１つ以上の付加的な光変調段２４を有していてもよい。
【００２７】
拡散器２２の出力の任意の点の輝度は、光変調器１６，２０，２６の対応する素子を通過する光の量を制御することにより調節することができる。この制御は、光制御装置１６，２０，２６のそれぞれを駆動するために接続された適当な制御システム（図２には示さず）によって行われてもよい。
【００２８】
前述のように、光変調器１６，２０，２６は、全て同じ種類でもよいし、２つまたはそれ以上が異なる種類でもよい。図３は、本発明の変形例に係る表示装置１０Ｂを示しており、その表示装置１０Ｂは可変ミラー装置からなる第１の光変調器１６Ａを備えている。可変ミラー装置は、各画素を”オン”または”オフ”にするという意味においては２値の装置である。異なる見掛けの輝度レベルは、画素を素早くオン及びオフさせることによって生み出すことができる。このような装置は、例えば、米国特許第４４４１７９１号や米国特許第４９５４７８９号に記載されており、そして、デジタル・ビデオ・プロジェクタに一般的に使われている。光源１２と第１の光変調器１６（または１６Ａ）は、例えば、市販のデジタル・ビデオ・プロジェクタの光源と変調器であってもよい。
【００２９】
図４は、本発明に基づく反射投影型（ｆｒｏｎｔ−ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ−ｔｙｐｅ）表示装置１０Ｃを示している。表示装置１０Ｃはスクリーン３４を備えている。プロジェクタ３７は画像３８をスクリーン３４上に投影する。プロジェクタ３７は、適当な光源１２と、第１の光変調器１６と、第１の光変調器によって形成された画像をスクリーン３４上に投影するのに好適な光学系１７とを備えている。プロジェクタ３７は、市販の表示プロジェクタであってもよい。スクリーン３４は第２の光変調器３６を内蔵している。第２の光変調器３６は、多数のアドレス可能な素子を備えており、それらは、スクリーン３４の対応する領域の輝度に作用するように、個々に制御することができる。
【００３０】
光変調器３６はどのような構造をもっていてもよい。例えば、光変調器３６は、反射器の前方に設けられた、個々の透過率を制御することができるＬＣＤ素子のアレイを備えていてもよい。プロジェクタ３７によって投影された光は、各ＬＣＤ素子を通過し、反射器によってＬＤＣ素子の後側で反射される。スクリーン３４上のあらゆる点の輝度は、プロジェクタ３７のその点で受け取られる光の強度と、光変調器３６（例えば、その点のＬＣＤ素子）がそれを介して伝達される光を吸収する程度とによって決められる。
【００３１】
光変調記３６は、可変逆反射特性をもつ素子のアレイを備えてなることもできる。素子は、プリズム状であってもよい。このような素子は、例えば、ホワイトヘッド（Ｗｈｉｔｅｈｅａｄ）に付与された米国特許第５９５９７７７号（発明の名称：受動型高性能可変反射率画像表示装置（Ｐａｓｓｉｖｅ Ｈｉｇｈ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｉｔｙ Ｉｍａｇｅ Ｄｙｓｐｌａｙ Ｄｅｖｉｃｅ））や、ホワイトヘッド（Ｗｈｉｔｅｈｅａｄ）他に付与された米国特許第６２１５９２０号（発明の名称：高性能可変反射率画像表示装置における全反射の、電気泳動の高インデックスと相転移制御（Ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｔｉｃ Ｈｉｇｈ Ｉｎｄｅｘ ａｎｄ Ｐｈａｓｅ Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ｔｏｔａｌ Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｉｎ Ｈｉｇｈ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｉｔｙ Ｉｍａｇｅ Ｄｉｓｐｌａｙｓ））に記述されている。
【００３２】
光変調器３６は、例えば、アルバート（Ａｌｂｅｒｔ）他に付与された米国特許第６１７２７９８号（発明の名称：閉状態マイクロカプセル電気泳動表示装置（Ｓｈｕｔｔｅｒ Ｍｏｄｅ Ｍｉｃｒｉｃａｐｓｕｌａｔｅｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｔｉｃ Ｄｉｓｐｌａｙ））や、コミスキー（Ｃｏｍｉｓｋｅｙ）他に付与された米国特許第６１２０８３９号（発明の名称：電気浸透表示装置及びその製造のための材料（Ｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｓｍｏｔｉｃ Ｄｉｓｐｌａｙｓ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｆｏｒ Ｍａｋｉｎｇ ｔｈｅ Ｓａｍｅ））、ヤコブソン（Ｊａｃｏｂｓｏｎ）に付与された米国特許第６１２０５８８号（発明の名称：電気的にアドレス可能なマイクロカプセル・インク及び表示装置（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｌｌｙ Ａｄｄｒｅｓｓａｂｌｅ Ｍｉｃｒｏｅｎｃａｐｓｕｌａｔｅｄ Ｉｎｋ ａｎｄ Ｄｉｓｐｌａｙ））、ヤコブソン（Ｊａｃｏｂｓｏｎ）他に付与された米国特許第６３２３９８９号（発明の名称：ナノ粒子を用いた電気泳動表示装置（Ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｔｉｃ Ｄｉｓｐｌａｙｓ Ｕｓｉｎｇ Ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ））、アルバート（Ａｌｂｅｒｔ）に付与された米国特許第６３００９３２号（発明の名称：発光粒子を備える電気泳動表示装置及びその製造のための材料（Ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｔｉｃ Ｄｉｓｐｌａｙｓ ｗｉｔｈ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ Ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｆｏｒ Ｍａｋｉｎｇ ｔｈｅ Ｓａｍｅ））、コミスキー（Ｃｏｍｉｓｋｅｙ）他に付与された米国特許第６３２７０７２号（発明の名称：微小体電気泳動表示装置（Ｍｉｃｒｏｃｅｌｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｔｉｃ Ｄｉｓｐｌａｙｓ））に述べられたような、電気泳動表示素子のアレイからなっていてもよい。
【００３３】
図６Ａ及び図６Ｂに示すように、スクリーン３４は好ましくは、光を視聴者の目へと優先的に指向させるように機能するレンズ素子４０を備えている。本実施形態においては、レンズ素子４０は、プロジェクタ３７に由来する光錐の頂点と実質的に一致する焦点を持つフレネル・レンズによって構成されている。レンズ素子４０は、ホログラフィック・レンズのような他の種類のレンズによって構成されていてもよい。レンズ素子４０は、スクリーン３４から反射された光を、所望の程度に拡散する複数の拡散中心（ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｃｅｎｔｅｒｓ）４５を内蔵している。本実施形態においては、第２の光変調器３６は、反射層４３により指示され、かつ基材４７上に搭載された、多数の画素４２を有する反射型ＬＣＤパネルから構成されている。
【００３４】
光変調器３６は可変逆反射特性を持つ素子のアレイを備えており、素子自体が逆反射光をスクリーン３４の前面の視聴域の方向へ優先的に指向させるように設計することができる。反射層４３は、拡散中心４５の効果を増大させるためや、拡散中心４５の代わりをするために光を拡散するようにパターン形成されていてもよい。
【００３５】
図４に示すように、制御装置３９は、画像３８を形成するデータを第１の光変調器１６及び第２の光変調器３６のそれぞれに供給する。制御装置３９は、例えば、適当な表示補助装置を備えるコンピュータから構成することもできる。制御装置３９は、画像処理段階を迅速化するための画像処理ハードウェアを備えていてもよい。スクリーン３４上のあらゆる点の輝度は、その点に対応する、第１の光変調器１６の画素及び第２の光変調器の画素の影響の組み合わせによって決まる。第１と第２の光変調器の対応する画素を、それらの”最も暗い”状態に設定すると、最小輝度の点が存在する。第１と第２の光変調器の対応する画素を、それらの”最も明るい”状態に設定すると、最大輝度の点が存在する。他の点は、中間の輝度値を持つ。最大輝度値は、例えば、１０5ｃｄ／ｍ2のオーダーである。最小輝度値は、例えば、１０-2ｃｄ／ｍ2のオーダーである。
【００３６】
光変調器及び関連する制御回路の費用は、光変調器のアドレス可能な素子の数とともに増加する。本発明の一実施形態において、光変調器の１つが、他の１つ以上の光変調器よりも非常に高い空間分解能を持っている。そして、１つ以上の光変調器が低分解能の装置である場合、本発明のそのような実施形態に基づく表示装置の費用は低減され得る。２つ以上の光変調器を備えるカラー表示装置においては、どれか１つがカラー光変調器で（例えば、図６に示すように、複数のモノクローム光変調器を組み合わせたものが色彩光変調器を構成していてもよい）、どれか１つが高分解能光変調器であって、高分解能光変調器はカラー光変調器でもあるべきである。ある実施形態において、高分解能光変調器は、低分解能光変調器上に光を投影する。他の実施形態においては、低分解能光変調器は、高分解能光変調器上に光を投影する。
【００３７】
図５は、図１に示される表示装置１０の画素のとり得る構成を示している。第２の光変調器２０の９個の画素４２は第１の光変調器１６の各画素４４に対応している。第１の光変調器１６の各画素４４に対応する、第２の光変調器２０の画素４２の数は、設計的選択事項として変更してもよい。第１及び第２の光変調器１６，２０（または３６）のうち高分解能であるものの画素４４は、所望の全般的な分解能を備えるほどに十分に小さくあるべきである。一般的に、分解能が増加するほど、費用が高くなる。標準的な表示装置において、高分解能光変調器は、各方向に少なくとも２、３００画素、より標準的には１０００画素以上の画素のアレイを備えている。
【００３８】
第１及び第２の光変調器のうち低分解能であるものの画素４２サイズによって、最大輝度から最小輝度までを確実に得ることができる大きさが決定される。例えば、図５Ａに描かれた状況について考えてみる。ここでは、最小輝度の大きな背景に、最大輝度の小さな点の画像を表示することを意図している。点４７で最大輝度を得るため、点４７に対応する第１及び第２の光変調器のそれぞれの画素は、それらの最大輝度に設定されるべきである。ここで、ある光変調器の画素は、他の光変調器の画素よりも分解能が低いため、低分解能光変調器のいくつかの画素は、点４７の境界に跨ることとなる。これは、例えば、図５Ａの場合である。
【００３９】
点４７の外側には２つの領域がある。領域４８においては輝度を最小値に設定することができない。なぜならば、この領域では、低分解能光変調器は最大輝度値に設定されているからである。領域４９においては、両光変調器をその最低輝度に設定することができる。もし仮に、第１及び第２の光変調器のそれぞれが、１〜１００単位の範囲の輝度を持っているとすると、領域４７は１００×１００＝１００００単位の輝度を、領域４８は１００×１＝１００単位の輝度を、そして、領域４９は１×１＝１単位の輝度を持つこととなるであろう。
【００４０】
他の光変調器よりも低い分解能の光変調器を有するため、低分解能光変調器の各画素は、高分解能光変調器における１以上の画素に対応してしまう。低分解能光変調器の任意の画素と高分解能光変調器の異なる画素とが対応する点を、装置のダイナミック・レンジの極端な輝度値にすることはできない。このような点の間における輝度の最大の差は、高分解能光変調器が備えるダイナミック・レンジによって決定される。
【００４１】
表示装置の全ダイナミック・レンジ分の輝度が異なる近接点を作り出すことができなくても、一般的には問題がない。人の目には、どのような事象においても非常に近い距離にある輝度の大きな違いを正確に認識できないような、固有の散乱がある。
【００４２】
低分解能光変調器及び高分解能光変調器の両方を備えた、本発明に係る表示装置において、制御装置３９は、低分解能空間光変調器の各画素の輝度を決定し、そして、高分解能空間光変調器を制御する信号を調節して、低分解能空間光変調器の各画素が高分解能空間光変調器の複数の画素に共通するという事実から生じる影響を低減するようにしてもよい。このことは、いろいろな方法によって行うことができる。
【００４３】
例えば、低分解能空間光変調器の各画素が高分解能空間光変調器の複数の画素に対応する場合を考えてみる。所望の画像を特定する画像データは制御装置に供給される。画像データは、高分解能空間光変調器の各画素に対応する画像領域に対する所望の輝度を示す。制御装置は、所望の画像に近いものを与えるために低分解能光変調器の画素を設定する。このことは、例えば、低分解能光変調器の各画素に対応する画像領域の所望の輝度の平均値、または、重み付けされた平均値を決めることによって達成することができる。
【００４４】
制御装置は、高分解能光変調器の画素を設定して、映し出される画像を所望の画像に近づける。このことは、例えば、所望の輝度を、低分解能光変調器から高分解能光変調器の対応する画素へ入射する光の既知の輝度で割ることによって行うことができる。光変調器を駆動させるための信号を生成するための処理は、制御装置３９により即座に行ってもよいし、制御装置３９またはその他の装置により先立って行い、そして、その画像データに統合してもよいし、または、ある処理を先立って行ってもよいし、そして、制御装置３９が制御信号を生成するための最後の処理を行ってもよい。
【００４５】
低分解能の画素が大きすぎると、視聴者から画像の中の明るい素子の周囲に円光が見えてしまうことがある。低分解能の画素は好ましくは、暗い背景の中の明るいパッチや、明るい背景の中の暗いスポットの見た目が、容認できないほど低下しないように、十分に小さい。低分解能光変調器の各画素に対して、高分解能光変調器上には約８〜１４４個の、より好ましくは、約９〜３６個の画素を備えていることが、今のところ実用的であると考えられる。
【００４６】
画像中の点の輝度を調節することができる画素４２，４４の段階の大きさは必ずしも等しくはない。低分解能光変調器の画素は、高分解能光変調器よりも粗い段階で光の強度を調節してもよい。例えば、低分解能光変調器は１〜５１２単位の強度範囲を持つ各画素の光強度を８段階で調節可能にしてもよく、一方、高分解能光変調器は同様の範囲を持つ各画素の光強度を５１２段階で調節可能にしてもよい。図５において、画素４２，４４は両方とも四角形として図示されているが、必ずしもこのようでなくてもよい。画素４２及び／又は４４は、他の形、例えば、長方形、三角形、六角形、円形、楕円形等であってもよい。
【００４７】
低分解能光変調器の画素は、望ましくは、多少拡散した光を放ち、光が低分解能光変調器の画素を横切るのに伴い、光の強度が確実にかつなだらかに変化する。図７に示すように、これは、低分解能光変調器の各画素からの光が隣接した画素に広がる場合である。図７Ａに示すように、低分解能光変調器の画素の強度プロフィールは、しばしば、画素の有効幅に等しい幅ｄ1を持つ方形プロフィール（ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ ｐｒｏｆｉｌｅ）が畳み込まれたガウス分布関数によって近似することができる。分布関数は、好ましくは、０．３×ｄ2〜３×ｄ2の範囲の半値全幅を持ち、ここで、ｄ2は画素間の中心から中心までの距離であり、所望の円滑に変化する光強度を得る。典型的に、ｄ1はｄ2にほぼ等しい。
【００４８】
図５の実施形態において、各画素４２は３つのサブ画素４３Ｒ，４３Ｇ，４３Ｂからなっている（明瞭にするため，図５は、いくつかの画素４２のサブ画素を省略している）。サブ画素４３Ｒ，４３Ｇ，４３Ｂは、独立にアドレス指定ができる。それらは、第２の光変調器２０に組み込まれている赤、緑、青のカラーフィルタとそれぞれ関連している。多数のカラー・サブ画素を有し、本発明に用いるのに適当なＬＣＤパネルの様々な構成は技術的に公知である。
【００４９】
反射投影型表示装置（例えば、図４の表示装置１０Ｃ）において、第１の光変調器１６をカラー情報を提供する高分解能光変調器とすることや、光変調器３６をモノクローム光変調器とすることは、一般的に最も実用的である。光変調器３６は、その素子の境目が視覚的に気になるパターンを形成しないような、かなり小さなアドレス可能な素子を持つ。例えば、光変調器３６はプロジェクタ３７と同じ数のアドレス可能な素子を備えていてもよい（しかし、このような素子は、プロジェクタ３７の光変調器１６の対応する素子よりも、一般的にかなり大きな寸法を持つであろう）。
【００５０】
プロジェクタ３７は、どのような適宜の構成を持っていてもよい。必要なことは、プロジェクタ３７が、スクリーン３４上に画像を結像するために、空間的に変調された光を投影することができることだけである。図６は、発明の更なる別の実施形態に係る表示システム１０Ｄを図示している。システム１０Ｄは、図４を参照して、先に述べられたような集積光変調器３６を有するスクリーン３４を備えている。システム１０Ｄは、３色のそれぞれに分かれた光変調器１６Ｒ，１６Ｇ，１６Ｒを有するプロジェクタ３７を備えている。各光変調器１６Ｒ，１６Ｇ，１６Ｒにより変調された光は、３つのカラーフィルタ４７Ｒ，４７Ｇ，４７Ｂうちの対応する１つのフィルタによりフィルタにかけられる。変調された光は光学系１７によりスクリーン３４上に投影される。１つの光源１２で、３つの光変調器１６Ｒ，１６Ｇ，１６Ｂの全てに光を供給してもよいし、別々の光源（図示せず）で供給してもよい。
【００５１】
前記開示を考慮に入れて当業者には明らかなように、多くの変更例や改良が、その精神や範囲から逸脱することなく、本発明の実施において可能である。例えば、
・拡散器２２とコリメータ１８とを一体化してもよい。
【００５２】
・拡散器２２とコリメータ１８との順序を逆にしてもよい。
・光の拡散及び／又は平行化を行うために、多数の協同素子を設けてもよい。
・スクリーン２３の、第２の光変調器２０、コリメータ１８、拡散器２２の順序を変更してもよい。
【００５３】
・第１の光変調器１６を駆動する信号３８Ａは、第２の光変調器２０を駆動するデータと同じデータから構成されていてもよいし、異なるデータから構成されていてもよい。
従って、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によって規定される要旨に従って解釈されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の一実施形態に係る表示装置の概略図。
【図１Ａ】図１の表示装置の具体的な実施例の概略図。
【図２】４つの空間光変調器を備える、本発明の一変形例に基づく表示装置の概略図。
【図３】本発明の更なる実施形態に係る透過投影スクリーンの概略図。
【図４】本発明の更なる実施形態に係る反射投影型表示装置の概略図。
【図５】本発明に係る表示装置における、高分解能空間光変調器の画素と、低分解能空間光変調器の画素との間の可能な関係を説明する図。
【図５Ａ】他の光変調器よりも低い分解能を持つ光変調器を備えることの影響を説明するための図。
【図６】別のプロジェクタ構造を持つ反射投影型カラー表示装置の概略図。
【図６Ａ】図６のカラー表示装置の反射投影スクリーンの部分拡大断面図。
【図６Ｂ】図６のカラー表示装置の反射投影スクリーンの部分拡大断面図。
【図７】低分解能光変調器の画素から高分解能光変調器上に結像された光が、どのように重なり合って、滑らかな光強度の変化を与えるかを説明するグラフ。
【図７Ａ】光変調器の画素の画像に対する位置により光強度の変化が、どのように方形プロフィールと分布関数との畳み込みとして表現され得るかを説明するグラフ。

Claims (64)

  1. 光源と、
    光源からの光を変調するように設けられた第１の空間光変調器と、
    第２の空間光変調器を備える表示スクリーンと、
    第１の空間光変調器によって変調された光を表示スクリーンの第１の面上に結像するように構成された光学系とを備えた表示装置。
  2. 前記表示スクリーンは拡散器を備える請求項１に記載の表示装置
  3. 前記表示スクリーンは、前記第１の空間光変調器から入射する光を平行にするように設けられたコリメータを備える請求項２に記載の表示装置。
  4. 前記表示装置は透過投影型表示装置を備え、前記表示スクリーンは、表示スクリーンの第１の面とは反対側の視聴者に光を伝達するように構成されている請求項１に記載の表示装置。
  5. 前記表示スクリーンは、前記第１の空間光変調器から入射する光を平行にするように設けられたコリメータを備える請求項４に記載の表示装置。
  6. 前記コリメータはフレネル・レンズを備える請求項５に記載の表示装置。
  7. 前記拡散器は、前記フレネル・レンズ中に設けられた多数の散乱中心を備える請求項６に記載の表示装置。
  8. 前記コリメータはホログラフィック・レンズを備える請求項５に記載の表示装置。
  9. 前記拡散器は、前記ホログラフィック・レンズ中に設けられた多数の散乱中心を備える請求項８に記載の表示装置。
  10. 前記拡散器は、前記第１の空間光変調器からの光が入射する面とは反対側のスクリーンの面上に存在する請求項４に記載の表示装置。
  11. 前記第２の空間光変調器は、制御信号によりそれぞれの透過率を制御可能な液晶表示素子のアレイを備える請求項４に記載の表示装置。
  12. 前記第１及び第２の空間光変調器の各々は複数の制御可能な素子を備え、第１及び第２の空間光変調器の一方の各制御可能な素子に対して、第１及び第２の空間光変調器の他方は、１個以上の対応する制御可能な素子を有する請求項４に記載の表示装置。
  13. 前記第１及び第２の空間光変調器の各々は、複数の制御可能な素子を備え、第１の空間光変調器の複数の制御可能な素子は第２の空間光変調器の各制御可能な素子と対応している請求項４に記載の表示装置。
  14. 前記第１の空間光変調器はカラー空間光変調器よりなる請求項１３に記載の表示装置。
  15. 前記第１及び第２の空間光変調器の一方の各制御可能な素子に対して、第１及び第２の空間光変調器の他方は、８個以上の対応する制御可能な素子を有する請求項１３に記載の表示装置。
  16. 前記第１及び第２の空間光変調器の他方の各制御可能な素子は複数のカラー・サブ画素を備える請求項１５に記載の表示装置。
  17. 前記第１及び第２の空間光変調器の各々は複数の制御可能な素子を備え、第１及び第２の空間光変調器の一方の各制御可能な素子に対して、第１及び第２の空間光変調器の他方は８〜１４４個の対応する制御可能な素子を有する請求項４に記載の表示装置。
  18. 前記第１の空間光変調器は前記第２の空間光変調器よりも高い分解能を有する請求項４に記載の表示装置。
  19. 前記光源及び前記第１の空間光変調器が、デジタル・プロジェクタの光源と第１の空間光変調器とを構成し、前記デジタル・プロジェクタが、前記第１の空間光変調器を前記第２の空間光変調器上に結像する結像光学系を備える請求項１８に記載の表示装置。
  20. 前記第１及び第２の空間光変調器の両方に画像データを送るべく接続された制御装置を備える請求項１９に記載の表示装置。
  21. 前記第１の空間光変調器と前記第２の空間光変調器との間に設けられた、１つ以上の付加的な光変調段を備える請求項１に記載の表示装置。
  22. 前記１つ以上の付加的な光変調段の各々は、コリメータと、前置の空間光変調器により変調された光が結像される空間光変調器とを備える請求項２１に記載の表示装置。
  23. 前記１つ以上の付加的な光変調段の各々は拡散器を備える請求項２２に記載の表示装置。
  24. 前記スクリーンは前記第１の光変調器より大きな面積を有する請求項４に記載の表示装置。
  25. 前記第１及び第２の空間光変調器の各々の対応する前記制御可能な素子の両方が、最大輝度を得るように設定された場合の表示スクリーン上の点の輝度と、第１及び第２の空間光変調器の各々の対応する制御可能な素子の両方が、最小輝度を得るように設定された場合の表示スクリーン上の点の輝度との比が１０００：１を超える請求項１に記載の表示装置。
  26. 前記第１及び第２の各空間光変調器の対応する制御可能な素子の両方が、最大輝度を得るように設定された場合の表示スクリーン上の点の輝度と、第１及び第２の各空間光変調器の対応する制御可能な素子の両方が、最小輝度を得るように設定された場合の表示スクリーン上の点の輝度との比が１５００：１を超える請求項１に記載の表示装置。
  27. 前記表示装置は反射型表示装置であり、前記表示スクリーンは視聴者へ光を反射するように構成されている請求項１に記載の表示装置。
  28. 前記第２の空間光変調器は、透過型空間光変調器よりなる請求項２７に記載の表示装置。
  29. 前記第２の空間光変調器は、可変透過率液晶表示素子のアレイを備える請求項２７に記載の表示装置。
  30. 前記第２の光変調器は、逆反射表示素子のアレイを備える請求項２７に記載の表示装置。
  31. 前記第２の光変調器は、電気泳動表示素子のアレイを備える請求項２７に記載の表示装置。
  32. 前記第２の空間光変調器は、反射器の前に設けられた可変透過率液晶表示素子のアレイを備える請求項２７に記載の表示装置。
  33. 前記反射器は粗面を有し、反射器は、可変透過率素子を通過して入射する光を散乱及び反射する請求項３２に記載の表示装置。
  34. 前記可変透過率素子は液晶表示素子からなる請求項３２に記載の表示装置。
  35. 前記反射器は粗面を有し、反射器は、前記液晶表示素子を通過して入射する光を散乱及び反射する請求項３４に記載の表示装置。
  36. 前記第１及び第２の空間光変調器の各々は複数の制御可能な素子を備え、第１の空間光変調器の複数の制御可能な素子は、第２の空間光変調器の各制御可能な素子に対応している請求項２７に記載の表示装置。
  37. 前記第１の空間光変調器はカラー空間光変調器よりなる請求項３６に記載の表示装置。
  38. 前記第２の空間光変調器はモノクローム空間光変調器よりなる請求項３７に記載の表示装置。
  39. 前記第２の空間光変調器の各制御可能な素子に対応する、第１の空間光変調器の９個以上の制御可能な素子が存在する請求項３６に記載の表示装置。
  40. 前記第２の空間光変調器の各制御可能な素子に対応する、第１の空間光変調器の８〜１４４個の制御可能な素子が存在する請求項３６に記載の表示装置。
  41. 前記第１の空間光変調器の各制御可能な素子は、複数のカラー・サブ画素を備える請求項４０に記載の表示装置。
  42. 前記光源及び前記第１の空間光変調器が、デジタル・プロジェクタの光源と第１の空間光変調器とを構成し、デジタル・プロジェクタが、前記第１の空間光変調器を前記第２の空間光変調器に結像する結像光学系を備える請求項２６に記載の表示装置。
  43. 前記第１及び第２の空間光変調器の両方に画像データを送るべく接続された制御装置を備える請求項４２に記載の表示装置。
  44. 前記スクリーンは前記第１の光変調器より大きな面積を有する請求項２６に記載の表示装置。
  45. 前記第１及び第２の空間光変調器の各々は複数の制御可能な素子を備え、第１の空間光変調器の各制御可能な素子に対して、第２の空間光変調器は１個以上の対応する制御可能な素子を有する請求項１に記載の表示装置。
  46. 前記第２の空間光変調器において、前記第１の空間光変調器の複数の制御可能な素子の各々によって変調された光の分布は、方形分布と、０．３×ｄ2〜３×ｄ2の半値全幅を持つ分布関数との畳み込みによって構成され、ここで、ｄ2は第１の空間光変調器の近接する制御可能な素子によって変調される光の分布についての第２の光変調器上の中心間の距離である請求項４５に記載の表示装置。
  47. 前記第１の空間光変調器の複数の制御可能な素子の各々は、前記第２の空間光変調器上に光の分布を形成し、第１の空間光変調器の近接する制御可能な素子から生じる、第２の空間光変調器上の光の分布は互いに重なり合う請求項４５に記載の表示装置。
  48. 前記第１及び第２の空間光変調器の各々を駆動すべく接続された制御装置を備え、前記制御装置は、第１の制御信号を供給して第１の空間光変調器の制御可能な素子を制御して所望の画像の近似を提供し、かつ、第２の制御信号を供給して第２の空間光変調器の制御可能な素子を制御して近似の画像を補正する請求項４５に記載の表示装置。
  49. 前記第１の制御信号は第１の空間光変調器の前記制御可能な素子の各々を制御し、第１の空間光変調器の制御可能な素子に対応する画像領域に対する複数の所望の輝度値の平均、または、重み付けされた平均の輝度を与える請求項４８に記載の表示装置。
  50. 前記第２の制御信号は第２の空間光変調器の制御可能な素子の各々を制御し、所望の輝度値を、前記第１の空間光変調器から第２の空間光変調器の制御可能な素子上に照射された光の既知の強度で割った値により、前記制御可能な素子に入射した光を変調する請求項４９に記載の表示装置。
  51. 前記第１及び第２の空間光変調器の各々は複数の制御可能な素子を備え、第１の光変調器の制御可能な素子は離散的に選択可能なＮ段階の輝度を有し、第２の光変調器の制御可能な素子は離散的に選択可能なＭ段階の輝度を有し、Ｎ＞Ｍである請求項１に記載の表示装置。
  52. 前記第１及び第２の各空間光変調器は複数の制御可能な素子を備え、第１の光変調器の制御可能な素子はＮ段階の離散的に選択可能な輝度を有し、第２の光変調器の制御可能な素子はＭ段階の離散的に選択可能な輝度を有し、Ｎ＜Ｍである請求項１に記載の表示装置。
  53. 前記第１の空間光変調器は可変ミラー装置を備える請求項１に記載の表示装置。
  54. 前記第２の光変調器は液晶表示素子のアレイを備える請求項５３に記載の表示装置。
  55. 光源と、
    光源からの光を変調するように設けられた第１の空間光変調器であって、制御可能な画素のアレイを備えた第１の空間光変調器と、
    第１の空間光変調器により変調された光を変調するように設けられた第２の空間光変調器であって、制御可能な画素のアレイを備えた第２の光空間変調器とを備え、
    第１及び第２の空間光変調器の一方の各画素は、第１及び第２の空間光変調器の他方の複数の画素に対応する表示装置。
  56. 光が前記第２の空間光変調器により変調される前に、前記第１の空間光変調器によって変調された光を平行にするように設けられたコリメータを備える請求項５５に記載の表示装置。
  57. 前記第１及び第２の空間光変調器によって変調された光を拡散するように設けられた拡散器を備える請求項５５に記載の表示装置。
  58. 前記第１の空間光変調器はカラー空間光変調器よりなる請求項５５に記載の表示装置。
  59. 前記光源と及び第１の空間光変調器が、デジタル・プロジェクタの光源と第１の空間光変調器とを構成し、前記デジタル・プロジェクタが、第１の空間光変調器を第２の空間光変調器に結像する結像光学系を構成する請求項５５に記載の表示装置。
  60. 前記第２の空間光変調器の各画素に対応する、第１の空間光変調器の８〜１４４個の画素が存在する請求項５５に記載の表示装置。
  61. 前記第１及び第２の空間光変調器の一方の各画素に対して、第１及び第２の空間光変調器の他方は、８〜１４４個の対応する画素を有する請求項５５に記載の表示装置。
  62. 前記第１の空間光変調器の各画素は、前記第２の空間光変調器の複数の画素に対応する請求項５５に記載の表示装置。
  63. 表示装置であって、
    第１の空間分解能で空間的に変調された光を供給するための第１の空間変調手段と、
    第１の分解能とは異なる第２の分解能で、光を更に空間的に変調するための第２の空間変調手段と、
    第１及び第２の空間変調手段を制御して画像データによって形成される画像を表示する手段とを備える表示装置。
  64. 高ダイナミック・レンジを持つ画像を表示するための方法であって、
    光を生成し、
    第１の光変調段階において、画像データに従って光を空間的に変調し、
    空間的に変調された光を、光変調器を備えるスクリーン上に結像することを備える方法。
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