JP2006522942A - 画像投影装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 画像投影装置、特にスクリーン上に二次元画像を形成するための画像投影装置を提供する。
【解決手段】 コヒーレント照明手段（４２）、コヒーレント照明手段からの光の経路に位置する電気アドレス指定空間光変調器手段（４６）、電気アドレス指定空間光変調器手段上に表示するためのコンピュータ生成ホログラム画像を生成するための手段（４９）、及び電気アドレス指定空間光変調器手段によって回折した光をスクリーン（５０）に向けるための光学要素（４４）を含む、スクリーン（５０）上に画像を形成するための装置。装置は、電気アドレス指定空間光変調器手段によって表示された１つ又は複数のコンピュータ生成画像がスクリーンに形成される２次元画像をもたらすように配置される。

Description

本発明は、画像投影装置、特にスクリーン上に二次元画像を形成するための画像投影装置に関する。

講義階段教室などで用いられるような画像投影装置は公知である。一般的には、画像は、電気アドレス指定空間光変調器（ＥＡＳＬＭ）に書き込まれ、光学的装置により、ＥＡＳＬＭの拡大された画像がスクリーンに投影される。カラー画像は、赤、緑、及び青の画像をスクリーンに投影するための３つのＥＡＳＬＭチャンネルを用いて容易に形成することができる。

従来の投影技術は、テレビ画像などを表示するのに向いているが、表示することができる総ピクセル数は、ＥＡＳＬＭのピクセル数に制限されている。以前は、ピクセル数の高い画像は、全体画像の部分領域を構築するためのいくつかの別々の投影機を用いて生成されていた。例えば、米国エネルギ省は、映像速度で作動する２千万色ピクセルの表示を生成するために、４×４の投影機アレイを用いた「高精度パワーウォール」の開発を終えている。

いくつかの別々の投影機装置の出力を調合して画像を生成することの短所は多い。例えば、マルチ投影機システムは、一般的に、各投影機の画像区域の境界に目立つほどのアーチファクトを生成する。これらの不要なアーチファクトを最小限にするための様々なソフトウエア及びハードウエアツールを開発する試みがこれまで為されてきたが、それらが特に有効であることは証明されていない。投影機の相対的アラインメントの調節に時間が掛かることを示すこともでき、レンズがもたらす歪みは、最終的に達成し得る補正の程度を制限することになる。更に、投影機のカラーバランスは経時的に変わることになり、画像に亘って色の均一性を保証することは、従って、投影機のカラー出力の頻繁な再較正を必要とする。

ＷＯ００／４００１８は、いわゆる能動タイリングシステムを用いて、高度に複雑な画像を光アドレス指定空間光変調器（ＯＡＳＬＭ）に連続して書き込むことができる方法を明らかにしている。ＯＡＳＬＭによって記憶された高度に複雑な２次元画像は、次にスクリーンに投影することができる。代替的に、コンピュータ生成ホログラムをＯＡＳＬＭに書き込み、三次元（ボリュメトリックという用語も用いられる）画像を形成するために用いることができる。ＣＧＨを計算するのに用いられるいくつかの計算方法は、「計算の未来のための重要な技術」に関するＳＰＩＥ会議、８月、サンディェゴ、米国で発表され、ＳＰＩＥ会報４１０９巻に掲載されたキャメロン他著「最先端の真の３Ｄホログラフィックディスプレイの計算的方法」、論文４１０９−２３に説明されている。
ＷＯ００／４００１８に説明された種類のシステムは、３次元画像を形成するために空間光変調器からの大量のピクセル数が必要となる時に特に有利である。しかし、ＯＡＳＬＭに対する必要性と共に多重能動タイリング投影チャンネルは、そのような装置を複雑で高価なものにし、２次元画像投影機としての使用に関してそれらを不適切にする。

ＷＯ００／４００１８ キャメロン他著「最先端の真の３Ｄホログラフィックディスプレイの計算的方法」、論文４１０９−２３、「計算の未来のための重要な技術」に関するＳＰＩＥ会議、８月、サンディェゴ、米国、ＳＰＩＥ会報４１０９巻に掲載

本発明の第一の態様によれば、スクリーン上に画像を形成するための装置は、コヒーレント照明手段、コヒーレント照明手段からの光の経路に位置する電気アドレス指定空間光変調器手段、電気アドレス指定空間光変調器手段上に表示するためのコンピュータ生成ホログラム画像を生成するための手段、及び電気アドレス指定空間光変調器手段によって回折した光をスクリーンに向けるための光学要素を含み、電気アドレス指定空間光変調器手段によって表示された１つ又は複数のコンピュータ生成画像は、スクリーンに形成される２次元画像をもたらすものである。

本発明の装置は、従って、ＣＧＨパターンを電気アドレス指定空間光変調器手段に書き込み、そこからの回折は、投影スクリーン上に画像を形成する。本発明は、従って、スクリーンで必要な画像を構築するために電気アドレス指定空間光変調器手段からの回折を用いるものである。この効果は、ＥＡＳＬＭ上に形成された画像のコピーがスクリーンに投影される（通常は、ある程度拡大して）従来技術の２次元投影システムとはかなり異なることに注意すべきである。
当業者は、コンピュータ生成ホログラム（ＣＧＨ）画像という用語が、コヒーレント放射で照明された時に必要な回折パターンを生成する画像を意味することを認識するであろう。実際には、ＣＧＨ画像は、スクリーンでの必要な干渉パターンを提供するために標準的技術を用いて計算される高度に複雑な回折格子である。

本発明の装置の利点は、一般的な従来技術のマルチ投影機装置に付随する不要な調合効果及びアーチファクトを伴わずに複数の画像をタイル表示する機能である。この恩典は、２次元スクリーン上の任意の点に光を回折させることができるコンピュータ生成ホログラム（ＣＧＨ）画像を生成して表示することから生じるものである。装置を構成する光学構成要素のいかなる不均一性又はミスアラインメントも、従って、ＣＧＨ画像の適切な設計により補正することができる。

特に、本発明は、投影光学要素に関して電気アドレス指定空間光変調器手段の正確なアラインメントを必要としないことが見出されている。システムを構成する構成要素の光学的品質もまた、標準的投影システムで必要とされるよりも低くてもよい。従来技術の装置では、非コヒーレント白色光源が照明手段として一般的に用いられ、コヒーレント光源は、不要な干渉効果を導入するので避けられてきた。対照的に、本発明は、スクリーンで必要な画像を実際に構築するために回折を用いている。
本発明はまた、ＷＯ００／４００１８に説明された能動タイリングシステムよりも利点を有するものである。特に、ＯＡＳＬＭを設ける要件はなく、装置の全体経費を低減することになる。

好都合な態様では、電気アドレス指定空間光変調器手段は、複数の電気アドレス指定空間光変調器を含む。
複数のＥＡＳＬＭを用いて電気アドレス指定空間光変調器手段を形成すれば、高いピクセル数の達成が可能になる。従来技術のシステムと異なり、本発明では、各ＥＡＳＬＭが、照明及び投影光学要素及びいずれの隣接するＥＡＳＬＭとも正確なアラインメントを保つ必要はない。各ＥＡＳＬＭに書き込まれたＣＧＨ画像は、望ましい画像又は画像の一部をスクリーンに形成するために単に調節することができる。例えば、エッジアラインメント効果が除去されるように、システムの使用の前に較正処理を行うことが可能であろう。必要なピクセル数は、少数の高複雑性（例えば、８メガピクセル）ディスプレイ、又はより多数の低複雑性ディスプレイによって与えることができる。

有利な態様では、コヒーレント照明手段は、電気アドレス指定空間光変調器手段を赤、緑、及び青色光で照明する。赤、緑、及び青の照明を用いることにより、スクリーンにカラー画像を形成することができる。これらの３色の光よりも多くを用いれば、色域の更なる拡張を有利に可能にするであろう。
好都合な態様では、電気アドレス指定空間光変調器手段は、コヒーレント照明手段により赤、緑、及び青色光で連続して照明される。換言すれば、フィールドシーケンシャルカラー技術を用いて、スクリーンに形成される２次元カラー画像を構築することができるであろう。

代替的に、電気アドレス指定空間光変調器手段の別々の部分は、コヒーレント照明手段により赤、緑、及び青色光で同時に照明される。換言すれば、電気アドレス指定空間光変調器手段の異なる部分は、異なる色の光で連続して照明することができると考えられる。例えば、仮に電気アドレス指定空間光変調器手段が３つのＥＡＳＬＭを含むとすれば、各ＥＡＳＬＭを異なる色の光で照明することができるであろう。このようにして、得られる２次元カラー画像を形成することができると考えられる。
好ましくは、電気アドレス指定空間光変調器手段のフレーム率は、スクリーンに形成される２次元画像のフレーム率よりも大きい。電気アドレス指定空間光変調器手段の高い更新速度を用いて、２次元スクリーンにより高複雑性の画像を構築することができる。

上述のように、ＣＧＨは、多くの方法で計算することができる。好都合な態様では、コンピュータ生成ホログラム画像を生成するための手段は、格納した複数の予め計算されたコンピュータ生成ホログラフィック要素又はいわゆる「ｈｏｇｅｌ」を含む。これらの「ｈｏｇｅｌ」の各々は、投影スクリーン上に単一のピクセルを生成する回折パターンである。これらの「ｈｏｇｅｌ」は、次に、必要な投影パターンを作り出すために結合することができる。これは、計算速度を非常に高めることになる。
有利な態様では、コンピュータ生成ホログラム画像を生成するための手段は、スクリーン上にピクセルの規則的なアレイをもたらす、電気アドレス指定空間光変調器手段上に表示するためのコンピュータ生成ホログラム画像を生成するように構成される。

電気アドレス指定空間光変調器手段は、スクリーン上の任意の点への回折をもたらすＣＧＨ画像を用いて書き込むことができるが、２次元画像はピクセルのアレイから形成することが好ましい。例えば、２次元画像は、ピクセルの矩形アレイとして構成することができる。他よりも高いピクセル密度を有するスクリーンのいくつかの区域を設けることも可能であろう。そのようなピクセルアレイを用いることは、予め計算されたＣＧＨ画像と共に用いられる時に特に有利である。
好ましくは、スクリーン上のピクセルのアレイは、ブロックに再分割され、スクリーンでの画像は、１つ又はそれ以上のブロックをスクリーンに連続して書き込むことによって形成される。このようにして、２次元画像を容易に形成することができる。

好都合な態様では、コヒーレント照明手段は、少なくとも１つのレーザを含む。レーザを用いることにより、ディスプレイに亘る色の均一性と広い色域が保証される。これは、白色光源を用いる従来技術システムよりも有意な利点をもたらすものである。
有利な態様では、拡大された２次元画像をスクリーンに形成することができるように、付加的な拡大用光学要素が設けられる。

本発明の第二の態様によれば、スクリーン上に２次元画像を形成する方法は、（ｉ）コヒーレント光で電気アドレス指定空間光変調器手段を照明し、（ｉｉ）電気アドレス指定型光変調器手段上にコンピュータ生成ホログラム画像を表示してそこから光を回折させ、（ｉｉｉ）電気アドレス指定空間光変調器手段によって回折した光を光学要素を用いてスクリーンに向け、それによって電気アドレス指定空間光変調器手段が、２次元画像をスクリーンに生成する１つ又は複数の画像を表示するように配置される段階を含む。
ここで、本発明を添付図面を参照して単に例示的に以下に説明する。

図１を参照すると、従来技術の多重チャンネル投影装置２が示されている。
図１ａに示す装置２は、各々が投影スクリーン６上に表示される画像の一部分を形成するように同一場所に配置されたカラー投影機４ａ−４ｃ（集合的に４で表す）の１次元アレイを含む。表示される画像は、映像供給源やコンピュータなどを含むことができる適切な画像作成手段８によって生成される。制御手段１０は、画像をカラー投影機４の各々によって表示されることになる別々の部分に分割するために設けられる。

図１ｂに示すように、各カラー投影機４は、白色光源１２、３つのＥＡＳＬＭＳ１４ａ−１４ｃ、赤色カラーフィルタ１６、緑色カラーフィルタ１８、及び青色カラーフィルタ２０を含む。各ＥＡＳＬＭＳによって表示される画像は、カラー画像が形成される画像平面２４に投影光学要素２２により拡大されて投影される。
図１を参照して示す実施例では、簡単にするためにカラー投影機の１次元アレイについて説明する。実際には、一般的にカラー投影機の２次元アレイが用いられる。より詳細に上述したように、そのような複数の投影機システムは、アラインメントが困難であり、不要なアーチファクトを受けやすく、色の均衡と強さの不均一性を示すことが明らかである。

図２には、本発明による画像投影システム４０が示されている。画像投影システムは、コヒーレント光源４２、フーリエ投影光学要素４４、及び３つのＥＡＳＬＭ４６ａ−４６ｃ（集合的に４６で表す）を含み、各ＥＡＳＬＭは、関連する制御手段４８を有する。画像供給手段４９も、表示のための３つの別々のカラー画像を生成するために設けられる。コヒーレント光源４２は、赤色光をＥＡＳＬＭ４６ａ、緑色光をＥＡＳＬＭ４６ｂ、及び青色光をＥＡＳＬＭ４６ｃに向けるように配置される。

カラー「ピクセル」のアレイは、コンピュータ生成ホログラム（ＣＧＨ）画像を適切なＥＡＳＬＭに書き込むことにより投影スクリーン５０に作り出すことができる。換言すれば、各ＥＡＳＬＭの各ピクセルからの回折を用いて、投影スクリーン５０に必要なピクセルの配置を生成することができる。所定の色に対して（すなわち、所定の波長の光に対して）、投影スクリーン上の各ピクセルは、関連のＥＡＳＬＭ上に形成された固有のＣＧＨパターンを表示することにより作り出される。

ＥＡＳＬＭにＣＧＨパターンを書き込むこと及びそこからの回折を用いて投影スクリーン上に画像を形成することは、ＥＡＳＬＭ上に形成された画像のコピーがスクリーンに投影される（通常は、ある程度拡大して）従来技術の２次元投影システムとはかなり異なることが強調されるべきである。本発明においてＥＡＳＬＭによって表示されるＣＧＨ画像は、スクリーンに形成される２次元画像とは非常に異なっている。実際に、当業者は、スクリーンに生成されることになる特定の画像をＥＡＳＬＭに書き込まれた画像の視覚的検査によって予測することはできないであろう。

制御手段４８は、ＥＡＳＬＭに書き込まれるＣＧＨパターンを計算する。特定の投影ピクセルに対するＣＧＨパターンは、一般的に「ｈｏｇｅｌ」と呼ばれ、予め計算されてルックアップテーブルに記憶することができる。投影スクリーンに個々のピクセルを生成する「ｈｏｇｅｌ」パターンは、得られるＣＧＨパターンを構築するために組み合わせることができる。得られるＣＧＨパターンは、望ましいパターンでスクリーンに複数のピクセルを形成する。適切なＣＧＨパターンの計算に関する更なる詳細は、他所に見出すことができ、例えば、「計算の未来のための重要な技術」に関するＳＰＩＥ会議、８月、サンディェゴ、米国で発表され、ＳＰＩＥ会報４１０９巻に掲載されたキャメロン他著「最先端の真の３Ｄホログラフィックディスプレイの計算的方法」、論文４１０９−２３を参照されたい。

図２に示すシステムにおいて、投影スクリーンでの画像はブロックに構築される。ブロックは、任意数のピクセルを含むことができ、例えば、ブロックは、１つ又はいくつかの線のピクセルを含むことができることに注意すべきである。代替的に、各ブロックは、投影スクリーンに亘って離間したピクセルを含むこともできる。低解像度画像に対しては、画像が単一ブロックから構成されることも可能であろう。各ブロックに含まれるピクセル数は、ＥＡＳＬＭ上に表示するためのＣＧＨ画像を生成するために結合する必要がある「ｈｏｇｅｌ」の数も決めるものである。より小さなブロックサイズを用いれば、従って、必要なＣＧＨパターンを計算するのに必要な計算の労力は減るが、ブロックサイズが小さくなると、所定の複雑性の画像を構成するのに、より多くの数のブロックが明らかに必要となる。

必要な画像を構成するために、カラーブロックの各々は、フレーム時間の一部分に亘って表示される。ＥＡＳＬＭ上のパターンは、次に、投影スクリーンの別の部分を照明するために変えられる。このようにして、全スクリーンは、１フレーム時間に亘って全色で照明される。スクリーンの１ブロックを３つのカラーチャンネルの全て同時に照明することは可能である。次に、３つのＥＡＳＬＭの各々パターンは、全フレーム画像が構築されるまで照明されたブロックが投影スクリーンを段階的に下へ移動するように書き換えることができるであろう。代替的に、図２に示すように、スクリーンの異なるブロックは、各色で同時に照明することもできる。
各ＥＡＳＬＭ及びそれに関連した制御手段は、必要な回折パターンを高速で連続して作成することができるべきであることは明らかである。必要な更新速度の程度は、単一ＥＡＳＬＭを含むシステムの場合を考えることによって推定することができる。そのようなシステムからカラー画像を得るには、フィールドシーケンシャルカラー技術の使用が必要である。

最終的に望ましいディスプイ解像度が、ｂブロックに分割されたＮピクセルであるとする。従って、各ブロックはＮ／ｂピクセルを有し、ＣＧＨパターンを作り出すためにＮ／ｂ「ｈｏｇｅｌ」が結合されるべきである。各ブロックは、フレームを構築するために連続して照明され、従って、視聴者にディスプレイ全体が照明されていると知覚させるために、各フレームは高速でなければならない。毎秒生成されるフレーム数がｆの場合、毎秒のＥＡＳＬＭフレーム数はｆ^*ｂで与えられる。これは、毎秒結合されるべき「ｈｏｇｅｌ」の総数がｆ^*Ｎであることを意味している。この結果は、ブロックサイズに依存せず、計算負荷を回避する唯一の方法は、計算を並列的に行うことであることを示唆している。典型的なフィールドシーケンシャルカラーフレーム率は、毎秒約２００フレームであり、従って、単一ＥＡＳＬＭを用いて生成される１千万ピクセル画像には、毎秒約２×１０⁹「ｈｏｇｅｌ」が結合されるべきである。

赤、緑、及び青のＥＡＳＬＭチャンネルを有するシステムでは、各チャンネルが独立して作用し、それによってチャンネル当たりのフレーム率を３分の１に削減し、チャンネル当たりの計算負荷も３分の１に低減することができる。各々が投影スクリーンの独自の区域に専用の色毎のいくつかのチャンネルを考慮することも可能である。これは、ハードウエアよりもソフトウエアで各部分のアラインメントを生じさせ、また、「ｈｏｇｅｌ」結合を並列的に起こし、それによってチャンネル当たりの計算負荷を更に低減することができる。全部で９ＥＡＳＬＭを与える色毎の３チャンネルを考える場合、上述の実施例では、チャンネル当たりの「ｈｏｇｅｌ」結合演算の回数は、約２×１０⁸になるであろう。

本発明のシステムはまた、グレースケールを与えるＥＡＳＬＭを高い回折効率、計算負荷の低減、及び低電力レーザを与えるように利用することを可能にする。高速グレースケール液晶ＥＡＳＬＭの例には電子医療装置がある。ＥＡＳＬＭ装置が１０⁵ヘルツのフレーム率で作動し、全体装置フレーム率が６６Ｈｚであると仮定すれば、画像当たりのブロック数は、最高１５００になる可能性がある。これは、１千万ピクセル画像の約２から３行である。

図３を参照すると、拡大された２次元画像をもたらす本発明の代替的な構成が示されている。実際には、図２の装置の２次元スクリーンは、共役ブロック６０で置換されている。投影光学要素６２もまた、共役ブロックに形成された画像をより大きな２次元スクリーン６４に拡大するために設けられている。このようにして、画像の拡大を容易に制御することができる。
代替的に、投影画像全体は、複数のＥＡＳＬＭを用いて同時に投影することができるであろう。これらは、６０Ｈｚのフレーム率で作動する従来の投影ＥＡＳＬＭとすることができ、全色をもたらすように３つ又はそれ以上のグループに分割することができる。これには、市販の既製構成部品を使うことができるという利点がある。

典型的な従来技術の多重チャンネル投影機システムを示す図である。 典型的な従来技術の多重チャンネル投影機システムを示す図である。 本発明による画像投影装置を示す図である。 拡大画像を形成するように構成された本発明の画像投影装置の概略図である。

符号の説明

４２ コヒーレント照明手段
４４ 光学要素
４６ 電気アドレス指定空間光変調器手段
４９ コンピュータ生成ホログラム画像を生成するための手段
５０ スクリーン

Claims (13)

1. スクリーン上に画像を形成するための装置であって、
   コヒーレント照明手段と、
   前記コヒーレント照明手段からの光の経路に位置する電気アドレス指定空間光変調器手段と、
   前記電気アドレス指定空間光変調器手段上に表示するためのコンピュータ生成ホログラム画像を生成するための手段と、
   前記電気アドレス指定空間光変調器手段によって回折した光を、スクリーンに向けるための光学要素と、
   を含み、
   前記電気アドレス指定空間光変調器手段によって表示される１つ又は複数の前記コンピュータ生成画像は、前記スクリーンに形成される２次元画像をもたらす、
   ことを特徴とする装置。
2. 前記電気アドレス指定空間光変調器手段は、複数の電気アドレス指定空間光変調器を含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記コヒーレント照明手段は、赤、緑、及び青色光で前記電気アドレス指定空間光変調器手段を照明することを特徴とする請求項１から請求項２のいずれか１項に記載の装置。
4. 前記電気アドレス指定空間光変調器手段は、前記コヒーレント照明手段により赤、緑、及び青色光で連続的に照明されることを特徴とする請求項３に記載の装置。
5. 前記電気アドレス指定空間光変調器手段の別々の部分は、前記コヒーレント照明手段により赤、緑、及び青色光で同時に照明されることを特徴とする請求項３に記載の装置。
6. 前記電気アドレス指定空間光変調器手段のフレーム率は、前記スクリーンに形成される前記２次元画像のフレーム率よりも大きいことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の装置。
7. 前記コンピュータ生成ホログラム画像を生成するための手段は、格納した複数の予め計算されたコンピュータ生成ホログラフィック要素を含むことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の装置。
8. 前記コンピュータ生成ホログラム画像を生成するための手段は、前記スクリーン上にピクセルの規則的なアレイを形成する、前記電気アドレス指定空間光変調器手段上に表示するためのコンピュータ生成ホログラム画像を生成するように構成されることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の装置。
9. 前記スクリーン上の前記ピクセルのアレイは、ブロックに再分割され、該スクリーンでの画像は、１つ又はそれ以上のブロックを該スクリーンに連続的に書き込むことによって形成されることを特徴とする請求項８に記載の装置。
10. 前記コヒーレント照明手段は、少なくとも１つのレーザを含むことを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の装置。
11. 拡大された２次元画像を前記スクリーンに形成することができるように、付加的な拡大用光学要素が設けられることを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の装置。
12. スクリーン上に２次元画像を形成する方法であって、
    ｉ）コヒーレント光で電気アドレス指定空間光変調器手段を照明する段階と、
    ii）前記電気アドレス指定型光変調器手段上にコンピュータ生成ホログラム画像を表示して、そこから光を回折させる段階と、
    iii）前記電気アドレス指定空間光変調器手段によって回折した光を光学要素を用いてスクリーンに向ける段階と、
    を含み、
    前記電気アドレス指定空間光変調器手段は、前記スクリーンに２次元画像を生成する１つ又は複数の画像を表示するように配置される、
    ことを特徴とする方法。
13. 実質的に図２及び図３を参照して本明細書に説明される、スクリーンに２次元画像を形成するための装置。

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