JP2015090497A - 高ダイナミックレンジのための２段階光変調 - Google Patents

Abstract

【課題】高解像度デジタル投影又は映画における２段階光変調のための画像化装置を提供する。
【解決手段】高解像度デジタル投影又は映画における２段階光変調のための画像化装置は２つの光変調器を含むことができる。各光変調器は、光入射面及びオン状態面を有する内部全反射プリズム（ＴＩＲ）システムに結合されたマルチチップ画像化システムを含むことができる。２つの光変調器の間にリレー光学系を配置することができる。リレー光学系は、予備変調器から受け取った光をデフォーカスし、デフォーカス光を、略ガウス関数形状のピクセル成形関数を用いて、主変調器に供給するように構成することができる。主変調器は、リレー光学系からのデフォーカス光をそのＴＩＲプリズムシステムの光入射面において受け取るように配向させることができる。予備変調器は、光源光をそのＴＩＲプリズムシステムのオン状態面で受け取り、予備変調光を、ＴＩＲプリズムシステムの光入射面を経由してリレー光学系に出力するように、逆向きに配向させることができる。
【選択図】図１

Description

本開示はデジタル画像化に関し、より具体的には２段階光変調に関する。

画像化装置、例えばデジタル投影システムなどにおいて、画像のダイナミックレンジは選択されたイメージャの性能によって限定される。これは、デジタル光処理（ＤＬＰ）イメージャ（例えば、デジタルマイクロミラーディスプレイ）、液晶オンシリコン（ＬＣＯＳ）イメージャ、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）イメージャのほか、他の技術を用いるイメージャに当てはまる。２段階変調を用いて、ダイナミックレンジを広げるとともにコントラスト比を高めることができる。しかし、多くの既知の２段階変調システムは効率が悪く、適当に高いダイナミックレンジをもたらさず、又は適切なコントラスト比をもたらさない。

本開示の一態様によれば、画像化装置は、光源光を放射するように構成された光源、及び光源光の経路内に配置された予備変調器（ｐｒｅ−ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）を含む。予備変調器は、画像データに従って光源光に粗い変調を行って、予備変調光を予備変調器出力部において放射するように構成された予備変調画像化システムを含む。予備変調器は、光源光を予備変調画像化システム内に屈折するように配向され、かつ予備変調（ｐｒｅ−ｍｏｄｕｌａｔｅｄ）画像化システムから受け取った予備変調光を予備変調器出力部に反射するように配向された第１の内部全反射プリズムシステムをさらに含む。本装置は、予備変調光の経路内に配置され、予備変調光をデフォーカスしてデフォーカス光を出力するように構成されたリレー光学系と、デフォーカス光の経路内に配置された主変調器（ｐｒｉｍｅ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）とをさらに含む。主変調器は、画像データに従って、デフォーカス光を用いて画像を生成するように構成された主変調画像化システムを含む。主変調器は、デフォーカス光を主変調画像化システムに反射するように配向され、かつ主変調画像化システム（ｐｒｉｍｅ ｉｍａｇｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ）から受け取った画像を主変調器出力部に屈折するように配向された第２の内部全反射プリズムシステムをさらに含む。

本開示の別の態様によれば、画像化装置は、光源光を放射するように構成された１つの光源、及び２つの光変調器を含む。各々の光変調器は、内部全反射プリズムシステムに結合されたマルチチップ画像化システムを含む。内部全反射プリズムシステムは、光入射面及びオン状態面を有する。本装置は、２つの光変調器のうちの予備変調器と、２つの光変調器のうちの主変調器との間に配置されたリレー光学系をさらに含む。リレー光学系は、予備変調器から受け取った光をデフォーカスして、デフォーカス光を主変調器に供給するように構成される。主変調器は、リレー光学系からのデフォーカス光を、内部全反射プリズムシステムの光入射面において受け取るように配向される。予備変調器は、内部全反射プリズムシステムのオン状態面において光源光を受け取るように、及び予備変調光を、内部全反射プリズムシステムの光入射面を経由してリレー光学系に出力するように配向される。

本開示の別の態様によれば、画像化装置は、光源光を放射するように構成された光源、及び光源光の経路内に配置された予備変調器を含む。予備変調器は、カラー成分スプリッタ・コンバイナ（ｃｏｌｏｒ−ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｓｐｌｉｔｔｅｒｓ ａｎｄ ｃｏｍｂｉｎｅｒｓ）に結合された３つのデジタルマイクロミラーデバイスと、内部全反射プリズムシステムとを含む。予備変調器は、画像データに従って光源光に粗い変調を行って、予備変調光を放射するように構成される。本装置は、予備変調光の経路内に配置され、予備変調光をデフォーカスしてデフォーカス光を出力するように構成されたリレー光学系と、デフォーカス光の経路内に配置された主変調器とをさらに含む。主変調器は、カラー成分スプリッタ・コンバイナに結合された３つのデジタルマイクロミラーデバイスと、内部全反射プリズムシステムとを含む。主変調器は、画像データに従って、デフォーカス光を用いて画像を生成するように構成される。

図面は、単に例証として、本開示の実施形態を示す。
画像化装置のブロック図である。 図２Ａ及び図２Ｂは、オーバーフィル領域の比較を示す図である。 画像化装置の画像処理構成要素のブロック図である。 光源、予備変調器、及び主変調器の画像の一例を示す図である。 図４Ａのカラー表示である。 図５Ａから図５Ｃは、ハーフトーン画像のカラー成分を示す図である。 イメージャのパルス幅変調の図である。 直列の２つのイメージャのパルス幅変調の図である。 リレー光学系のピクセル成形関数によって生成された予備変調器のピクセルのガウス関数形状スポットを示すグラフである。 リレー光学系によって主変調器に結合されている予備変調器からの例示的な疎らなハーフトーンパターンを示す図である。 リレー光学系によって主変調器に結合されている予備変調器からの例示的な密なハーフトーンパターンを示す図である。 図９Ａのグレースケール表示である。 図９Ｂのグレースケール表示である。 光路を示す変調器の図である。 補償板を示す画像化装置の一部分のブロック図である。

本特許又は出願ファイルは、少なくとも１つのカラー図面を含む。カラー図面（単数又は複数）を有する本特許又は特許出願公開のコピーは、請求し必要手数料を支払えば特許庁により提供されるであろう。

本明細書で記載される２段階変調の技術は、デジタルビデオ／映画に使用される画像プロジェクタのような画像化装置のダイナミックレンジ及びコントラストを向上させることができる。本明細書で記載される変調器は、光の全照射野に作用して表示又は投影される画像を形成するのに不要な光の部分を廃棄する点で減法的なものである。第１の段階、即ち予備変調器（ｐｒｅ−ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）は、光に粗い変調を行い、第２の段階、即ち主変調器（ｐｒｉｍｅ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）は、微細変調を行う。予備変調器は、主変調器の局所領域が、その局所において画像をサポートするのに必要な量の光のみを受け取るように動作する。画像の暗い部分は少量の光を受け取り、明るい範囲は多量の光を受け取る。従って、暗い領域及び明るい領域を有する画像において、主変調器は不均一に照らされることになる。さらに、主変調器は、予備変調器のものとは無関係のそれ自体のダイナミックレンジを保持するので、主変調器は、明るい領域及び暗い領域の両方に非常に微細な細部を加えるように動作する。

図１は、本開示の一実施形態による画像化装置１０を示す。画像化装置１０は、光源１２、二色性コンバイナ１４、インテグレータ１６、オーバーフィル光学系１８、予備変調器２０、リレー光学系２２、主変調器２４、及び投影光学系２６を含む。光源１２によって放射された光が予備変調器２０によって粗く変調され、適当量の光が主変調器２４に供給され、この主変調器が画像を生成する。リレー光学系２２が、予備変調器２０からの光を、粗く変調された光を主変調器２４上に分散させるように光に対して制御デフォーカスしながら、主変調器２４に中継する。その結果、現行の２段階変調技術によって見出されるよりも高いダイナミックレンジ及び優れたコントラストを達成することができる。

光源１２は光源光を放射するように構成され、異なるカラー成分（例えば、赤、緑、及び青）の複数のレーザ光源を含むことができる。異なるカラー成分の光は独立に発生させ、次いでファイバ光学系２８を通して二色性コンバイナ１４に結合することができる。光源１２は、各カラー成分に輝度スケーラビリティを与えるために複数の光モジュール３０を含むことができる。即ち、各モジュール３０はある量の赤色、緑色又は青色光を供給し、モジュール３０は、輝度要件に基づいて、備えられるか、除外されるか又はオン／オフにすることができる。モジュール３０を加えるか又はオンにすることにより、輝度を離散的増分で増すことができる。逆に、モジュール３０を除去するか又はオフにすることにより、輝度を離散的増分で減らすことができる。所与の実施において使用されるモジュール３０の数は、投影されるスクリーンのサイズによって変えることができる。より大きいスクリーンは、より多くのモジュール３０を必要とすると見込まれる。さらに、各カラー成分の波長及び相対的出力は、大きい色域及び適切な白色点を達成しながら効率を高めるように選択することができる。

二色性コンバイナ１４は、成分光源光（例えば、赤、緑、及び青）を光結合して単一の白色光ビームにする。二色性コンバイナ１４は、図のように別個の構成要素とすることができ、又は光源１２に含めることができる。

他の実施形態において、光源１２は、レーザ及び自由空間光学系、１つ以上のランプ（例えば、キセノンランプ又は水銀アークランプ）、発光ダイオード（ＬＥＤ）、蛍光体変換レーザ、又は類似物を含む。

インテグレータ１６は、１つ以上のインテグレーティングロッド３２及び１つ以上のディフューザ３４の組合せを含み、光源光を空間的及び角度的に均一にし、光源光を矩形又はほぼ矩形に成形するように構成される。この実施形態において、インテグレータ１６は２つのインテグレーティングロッド３２、及び２つのインテグレーティングロッドの間に設けられたディフューザ３４を含む。

インテグレータ１６は、出力される矩形の光源光３６のアスペクト比が予備変調器２０の画像化デバイスのアスペクト比にできるだけ近く一致する大きさになるように、構成することができる。例えば、予備変調器２０に、２０４８×１０８０ピクセルの解像度を有するデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ：ｄｉｇｉｔａｌ ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ ｄｅｖｉｃｅ）が備えられている場合、インテグレータ１６は、その出力部において１．８９：１（即ち、２０４８／１０８０）のアスペクト比を有するように構成される。インテグレータ１６には、より多くの反射を可能にして、出力される矩形の光源光３６の均一性を高めるように、スペースが許す限りの長さのインテグレーティングロッドを備えることができる。これは、レーザなどの高度にコリメートされた光源が光源１２に使用されるときに特に有用である。

インテグレータ１６にディフューザ３４を備えることは幾つかの利点を有し得る。第１に、ディフューザ３４は、光が進む角度をランダム化して第２のインテグレーティングロッド３２の均一化の効率を高め、光に均一性を与える。第２に、ディフューザによってもたらされる光ビームの角度ばらつきの増加が、レーザ照射に伴う既知の問題であるスペックルを減らすのに役立ち得る。第３に、ディフューザ３４は、光ビームの角度分布を一様にするのに役立ち得る。

最後のインテグレーティングロッド３２から出力された矩形の光源光３６は、最終的に予備変調器２０上に結像される。このインテグレーティングロッド３２をディフューザ３４の後に、インテグレータ１６の端部においてディフューザ３４に向き合うように配置することによって、ディフューザ３４自体は予備変調器２０上に結像されないが、それでも良好な均一性及び良好な角度分布の利点がもたらされることになる。

オーバーフィル光学系１８は、インテグレータ１６によって出力された矩形の光源光３６を予備変調器２０上に少量のオーバーフィルを伴って中継するように配置された、１つ以上のレンズ及び１つ以上のミラーのような素子を含むことができる。この実施形態において、最後のインテグレーティングロッド３２の出力面は、予備変調器２０の画像化デバイスよりも小さくすることができる。オーバーフィル光学系１８は、適切なオーバーフィルを達成するための倍率をもたらすように構成することができる。折返しミラーをオーバーフィル光学系に含めて、画像化装置１０の全体的サイズを減らすことができる。オーバーフィル光学系は、オーバーフィルの形状及び量の正確な定義を可能にするように構成された調節可能なズーム及び位置合せを有することができる。オーバーフィル光学系１８は、画像化光学システム（ＩＯＳ：ｉｍａｇｉｎｇ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ）と呼ぶこともできる。

予備変調器２０は、オーバーフィル光学系１８によって出力される光源光の経路３８内に配置される。予備変調器２０は、画像データに従って光源光に粗い変調を行うように構成された予備変調画像化システム４０を含む。その出力部において予備変調器２０は予備変調光４２をリレー光学系２２に向けて放射する。予備変調器２０は、予備変調画像化システム４０に結合されて、光源光３８を予備変調画像化システム４０に伝え、予備変調光４２をリレー光学系２２に伝える第１の内部全反射（ＴＩＲ：ｔｏｔａｌ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）プリズムシステム４４をさらに含む。予備変調器２０は照明エンジンと呼ぶこともできる。

予備変調画像化システム４０は、１つ以上の画像化デバイス（又はイメージャ）を含むことができる。予備変調画像化システム４０は、カラー成分スプリッタ・コンバイナ（ｃｏｌｏｒ−ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｓｐｌｉｔｔｅｒｓ ａｎｄ ｃｏｍｂｉｎｅｒｓ）に結合された１つ以上のＤＭＤを含むことができるマルチチップ画像化システムとすることができる。適切なＤＭＤはテキサス州ダラス所在のテキサス・インスツルメンツ社（Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ Ｉｎｃ．）から市販されている。この実施形態において、予備変調器２０は、赤、緑、及び青などの３つのカラー成分に対して、１つ以上の二色性プリズムのようなカラー成分スプリッタ・コンバイナに結合された３つのＤＭＤ４６、４８、５０を含む。予備変調画像化システム４０に入射した光は、赤、緑及び青の成分に分割され、各カラーの光が、独立に制御可能なＤＭＤ４６、４８、５０に向けられる。各々のＤＭＤ４６、４８、５０のオフ状態光５１が、できる限り多くのオフ状態光を吸収する光ダンプに向けられ、これがコントラスト比を高めるのに役立ち得る。予備変調画像化システム４０は、ＤＬＰシステムとしても知られているであろう。

第１の内部全反射プリズムシステム４４は、光源光３８を予備変調画像化システム４０内に屈折するように、及び予備変調（ｐｒｅ−ｍｏｄｕｌａｔｅｄ）画像化システム４０から受け取った予備変調光４２をリレー光学系２２に向けて反射するように配向される。これは図１０に示され、光が１２０において内部全反射プリズム（ｔｏｔａｌ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｐｒｉｓｍ）システム４４に入り、カラー成分スプリッタ・コンバイナ１２２内に屈折し、ＤＭＤ４６、４８、５０によって処理され、その後に、１２４における反射によって内部全反射プリズム（ｔｏｔａｌ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｐｒｉｓｍ）システム４４を出る。

予備変調器２０には、既知の設計を使用することができ、又は既製ユニットとすることができる。それゆえに、内部全反射プリズムシステム４４は、光入射面５２及びオン状態（又は出力）面５４を有することができる。しかし、この実施形態において、予備変調器２０は、予備変調器２０の出力が光入射面５２から取られるように配向される。光は、既知の使用法ではオン状態面５４となるものを通って予備変調器２０に入る。換言すれば、予備変調器２０は逆方向に動作する。この配向において使用されるとき、オフ状態光５１は、既知の使用法において進む方向と同じ一般的な方向に向けられるが、半分の角度で向けられる。オン状態光は、名目上の光入射面５２となるものから出るように向けられる。

予備変調器２０を従来の使用法で用いられるのと逆に配向させることは、少なくとも１つの利点を提供する。図２Ａを参照すると、従来の使用法において光は約２４度の角度でＤＭＤに近づくことができ、従って光は、ＤＭＤ上に、オーバーフィル損失の比較的大きい領域５６を有する台形パッチを形成する傾向がある。装置１０においては、図２Ｂに示すように、光はＤＭＤ４６、４８、５０にほぼ垂直に当り、矩形又はほぼ矩形のオーバーフィル領域５８のために無駄な光がより少ないより効率的なオーバーフィルがもたらされる。

リレー光学系２２は、予備変調器２０と主変調器２４の間、予備変調光４２の経路内に配置される。リレー光学系２２は、デフォーカス光６０を出力すべく、予備変調光４２をデフォーカスするように構成される。リレー光学系２２は、予備変調光４２にピクセル成形関数（ｐｉｘｅｌ ｓｈａｐｉｎｇ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）を適用するように構成することができ、ピクセル成形関数光学系と呼ぶこともできる。

リレー光学系２２は、制御されたデフォーカスをもたらすように構成される。この実施形態において、リレー光学系２２は、予備変調器２０から受け取った予備変調光４２の各ピクセルを主変調器２４におけるガウス関数形状（Ｇａｕｓｓｉａｎ ｓｈａｐｅｄ）又は擬似ガウス関数形状（ｐｓｅｕｄｏ−Ｇａｕｓｓｉａｎ ｓｈａｐｅｄ）スポットに変換するように構成される。さらに、予備変調器２０の画像化デバイス（例えば、ＤＭＤ４６、４８、５０）は、主変調器２４のそれらとはサイズが異なり、それゆえにリレー光学系２２は適度な倍率をもたらすように構成することができる。従って、リレー光学系２２は適切な配置のレンズ６２を含むことができる。予備変調器２０の画像化デバイスが主変調器２４のそれらと同じサイズであるときでも、リレー光学系２２は、主変調器２４を僅かにオーバーフィルするための小さい倍率をもたらすように構成することができる。次に、２つの変調器２０、２４の間の画像の位置合せは、プロセッサによって電子的に行うことができ、これがリレー光学系２２の製造公差を緩めることができる。主変調器２４上のあらゆるオーバーフィルをできる限り小さく保って光損失を減らすことが有利であり得る。

擬似ガウシアン型は厳密にはガウス関数と一致しないが、同じ様に分布する光をもたらす。真のガウシアン関数の近似がより高いほど、より良好な光分布をもたらすことができる。しかし、処理又は光学的複雑さのどのような増加でも考慮に入れる必要がある。画像品質と装置の複雑さとのトレードオフが考慮され、用語「略ガウス関数（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ Ｇａｕｓｓｉａｎ）」が、スポットの形状に関してある程度の融通性が考慮されること、及び実施中に候補のスポット形状を評価するときに参照することができる適切な理想の一例として真のガウス関数が役立つこと、を示すために用いられる。

リレー光学系２２は、デフォーカス光６０によって表された中継される画像を主変調器２４に位置合せするための折返しミラー６４をさらに含むことができる。折返しミラー６４は、デフォーカス光６０によって表される画像と主変調器２４との間の回転的相違を小さくする。折返しミラー６４は、生じる非効率などんな光の使用も解像度も許容することができる場合には、省略することができる。

リレー光学系２２は、デフォーカス光６０に色収差を殆ど又は全く与えないように構成することができる。しかし、赤色、緑色、及び青色は独立に処理されるので、リレー光学系２２によって与えられるピクセル成形関数のサイズ及び形状は、カラーの間で変化させることができる。幾何学的歪み（即ちピンクッション又は樽型歪み）がある場合には、画像処理によって補償することができる。

主変調器２４は、デフォーカス光６０の経路内に配置される。主変調器２４は、デフォーカス光６０及び画像データを用いて画像６８を生成するように構成された主変調画像化システム６６を含む。主変調器２４は照明エンジンと呼ぶこともできる。

主変調器２４はその出力部において、画像６８を投影光学系２６に出す。主変調器２４は、主変調画像化システム６６に結合されて、デフォーカス光を主変調画像化システム６６に伝え、画像６８を投影光学系２６に伝える第２の内部全反射プリズムシステム７０をさらに含む。

主変調画像化システム６６は、１つ以上の画像化デバイスを含むことができる。主変調画像化システム６６は、カラー成分スプリッタ・コンバイナに結合された１つ以上のＤＭＤを含むことができるマルチチップ画像化システムとすることができる。この実施形態において、主変調器２４は、赤、緑、及び青などの３つのカラー成分に対して、１つ以上の二色性プリズムのようなカラー成分スプリッタ・コンバイナに結合された３つのＤＭＤ７２、７４、７６を含む。主変調画像化システム６６に入射した光は、赤、緑、及び青の成分に分割され、各カラーの光が独立に制御可能なＤＭＤ７２、７４、７６に向けられる。各ＤＭＤ７２、７４、７６のオフ状態光７７は、できる限り多くのオフ状態光を吸収する光ダンプに向けられ、これがコントラスト比を高めるのに役立ち得る。予備変調画像化システム４０と同様に、主変調画像化システム６６はＤＬＰシステムと呼ぶこともできる。

第２の内部全反射プリズムシステム７０は、デフォーカス光６０を主変調画像化システム６６に反射し、主変調画像化システム（ｐｒｉｍｅ ｉｍａｇｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ）６６から受け取った画像を主変調器２４の出力部に屈折させて画像６８として結合するように、配向される。第２の内部全反射プリズムシステム７０は、光入射面７８及びオン状態（又は出力）面８０を含む。予備変調器２０と同様に、主変調器２４には、既知の設計を使用することができ、又は既製ユニットとすることができる。しかし、この実施形態においては、主変調器２４は、デフォーカス光６０が光入射面７８に入り、主変調器２４の出力がオン状態面８０から取り出されるように配向される。従って、主変調器２４は、従来通りに且つ予備変調器２０と逆向きに配向される。これは図１０に示され、光が１２４において内部全反射プリズム（ｔｏｔａｌ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｐｒｉｓｍ）システム７０に入り、カラー成分スプリッタ・コンバイナ１２２の内部へと反射し、ＤＭＤ７２、７４、７６によって処理され、その後に、１２０における屈折によって内部全反射プリズム（ｔｏｔａｌ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｐｒｉｓｍ）システム７０を出る。オフ状態光は既知の仕方で処理される。

主変調器２４と予備変調器２０とが逆向きに配向されることは有利である。変調器２０、２４は、光学的に同じ設計、異なる解像度の同じ設計、又は同じ解像度の全く同じ設計にすることができ、それらを互いに反対向きに配置することによって、ＤＭＤの間の光路が、それぞれの媒体（例えば、空気、及びプリズム材料、例えば、ガラス、アクリル、又は他の材料）内で費やされる時間量において近似的に均衡化されることをもたらすことができる。

予備変調器２０のＤＭＤ４６、４８、５０、及び主変調器２４のＤＭＤ７２、７４、７６は任意の適切な解像度を有することができる。予備変調器のＤＭＤ４６、４８、５０は、主変調器のＤＭＤ７２、７４、７６と同じ又はより大きい又はより小さい解像度を有することができる。一例において、前記のように、予備変調器のＤＭＤ４６、４８、５０の各々は、２０４８×１０８０ピクセルの解像度を有し、主変調器のＤＭＤ７２、７４、７６の各々は、２倍、即ち、４０９６×２１６０ピクセルの解像度を有する。従って、主変調器の各ＤＭＤ７２、７４、７６の２×２セットのピクセルが、予備変調器の各ＤＭＤ４６、４８、５０の単一ピクセルに対応する。

予備変調器２０のアスペクト比は、主変調器２４のそれと一致するように選択することができる。予備変調器２０でのより大きいピクセルはより低い回折損失をもたらすことができる。従って、変調器２０、２４は同じアスペクト比を有するように選択することができるが、予備変調器２０は、ダイナミックレンジをあまり又は少しも犠牲にすることなく、主変調器２４よりも低い解像度を有するように選択することができる。さらに、高輝度用途のために、物理的に大きいデバイスが、使用可能なエテンデュ（ｅｔｅｎｄｕｅ）を大きくすることができ、温度管理に役立ち得る。解像度が高くなると、より少ないアーチファクト（例えば、明るい対象の回りのハロー（ｈａｌｏ））がもたらされ得るが、多くの市販のＤＭＤの解像度は、適切な高ダイナミックレンジに必要と考えられる解像度を超えるので、予備変調器２０のために特定のＤＭＤを選択する上で主要な考慮事項ではない。殆ど全ての市販のＤＭＤが予備変調器２０内で使用するのに適切であり得る。

投影光学系２６は、主変調器２４の出力部から画像６８を受け取り、投影画像８２をスクリーン又は類似表面上に映すように配置される。投影光学系２６は、既知の設計にすることができ、又は既製ユニットとすることができ、このことは互いに反対向きに配置された変調器２０、２４を用いるのに有利である。即ち、主変調器２４が既知の仕方で配置されるので、投影光学系２６に対して特別な考慮を払う必要は殆ど又は全くない。

図３は、画像化装置１０の画像処理構成要素を示す。画像化装置１０は、プロセッサ８４、メモリ８６、及び入力／出力インタフェース８８、９０をさらに含むことができる。

プロセッサ８４は、Ｉ／Ｏインタフェース８８及びメモリ８６に接続される。プロセッサ８４は、命令、論理信号、プログラムコード、又は類似物をメモリ８６から受け取ってそれらを実行し、コマンドをＩ／Ｏインタフェース８８に出力するように構成される。そのようなコマンドは、画像化装置１０の制御可能光学要素、例えば、光源１２、予備変調器２０、及び主変調器２４、のいずれかに宛てられる。プロセッサ８４は、単一のプロセッサ、複数のプロセッサ、マイクロプロセッサ、中央処理装置（ＣＰＵ：ｃｅｎｔｒａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｕｎｉｔ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ：ｆｉｅｌｄ‐ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｇａｔｅ ａｒｒａｙ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ：ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ‐ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）、又は類似のデバイスを含むことができる。プロセッサ８４及びメモリ８６は、説明のために別々に図示し論じるが、これは限定することを意図したものではなく、幾つかの実施（例えば、ＦＰＧＡ又はＡＳＩＣ）では同じデバイス内に処理及び記憶機能を有することができる。

メモリ８６は、非一時的コンピュータ可読媒体、例えば、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ：ｒａｎｄｏｍ ａｃｃｅｓｓ ｍｅｍｏｒｙ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ：ｒｅａｄ−ｏｎｌｙ ｍｅｍｏｒｙ）、ＦＰＧＡメモリ素子、フラッシュメモリ、磁気又は光記憶装置、又は類似物を含む。メモリ８６は、画像データ９２のほか、画像データ９２に作用して、制御可能光学要素を制御するための命令をプロセッサ８４に与える１つ以上のプログラム９４を格納する。メモリ８６は、６８において出力される１つ以上の画像又は映像の一部又は全てのデータを格納することができる。

Ｉ／Ｏインタフェース８８は画像データ９６を受け取るのに適切な内部又は外部インタフェースとすることができ、該画像データ９６は、内部的に又は外部的に上記の種類のような非一時的コンピュータ可読媒体に格納することができ、又は映像データのストリーム（例えば、ライブ映像、コンピュータレンダリングなど）として準備することができる。例えば、高速作業メモリ８６に格納される画像データ９２は、外部長期記憶装置、例えば、取外し可能な光若しくは磁気ディスク又は取外し可能なメモリカードなどに画像データ９６として格納される映像の幾つかのフレームとすることができる。

プログラム９４は、１つ以上の光源１２、予備変調器２０、及び主変調器２４を、本明細書において別に論じるように画像データ９２に関連して、制御するように構成される。プログラム９４は、画像データ９２のカラー強度に基づいて予備変調器２０及び主変調器２４を制御するように構成することができる。プログラム９４は、画像データ９２のカラー強度に基づいて光源１２のモジュール３０をオフ及びオンにするようにさらに構成することができる。プログラム９４はまた、変調器２０、２４とリレー光学系２２との間のあらゆる位置合せ不良を補正するために画像の位置合せを行うように、さらに主変調器２４における画像のあらゆる幾何学的歪みを補償するように構成することができる。

プロセッサ８４が主変調器２４の各ＤＭＤ７２、７４、７６の画像を生成するために、プロセッサ８４は、プログラム９４がアクセス可能な較正データ９８から生成することができる、又はプログラム９４自体の一部分としての、光照射野シミュレーションの結果を参照することができる。そのような光照射野シミュレーションは、予備変調器２０上に表示される較正画像を使用するように、及び較正画像に対するリレー光学系２２の影響を決定するように構成することができる。プログラム９４は、実際に生成された光照射野を、シミュレーションから得られる推定光照射野と比較するように、及びその差異を用いて適切な較正データ９８が得られるまで較正データ９８を精緻化するように構成することができる。

動作中、図１２に示すように、単一のソース画像１４０を用いて、２つの相関する表示画像１４２、１４４、即ち、１つが予備変調器２０の画像１４２、１つが主変調器２４の画像１４４、が生成される。拡大フィルタ１４６を予備変調器画像１４２の単一ピクセルに適用して、主変調器２４上でより大きい領域をカバーするようにピクセルを広げることができる。最終画像が明るいピクセルを必要とする場合、予備変調器画像１４２上の適切な大きさのブロックのピクセルを選択してその輝度をサポートすることができる。拡大フィルタ１４６は、出力ピクセルを所与の半径内の最も明るいピクセルと同じ強度に設定するように構成することができる。主変調器２４上のピクセルを予備変調器２０上のピクセルに関連づけるべく、予備変調器画像１４２にスケーリング及びワープ１４８を実行し、予備変調器２０と主変調器２４との間の位置合せ不良を補償することができる。本明細書において別に論じるように、予備変調器画像１４２がハーフトーン画像となるように、スケーリング／ワープされ拡大された画像にハーフトーン化１５０を実行することができる。上述の較正データ９８を用いて光照射野推定１５２を行うことができる。即ち、ピクセル成形関数がソース画像１４０のハーフトーン１５０と畳み込まれて、主変調器２４の所与のピクセルにどれだけの光が達するかが決定される。また位置合せ不良及び歪みを考慮するために、この光照射野にワープ及びスケーリング１５６を行うことができ、光照射野に適用されるワープ関数は、予備変調器画像１４２について使用されたワープ／スケール関数１４８の逆関数とすることができる。従って、主変調器（ｐｒｉｍａｒｙ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）２４上に表示される画像１４４は、元の画像のピクセルを光照射野推定の結果で割ること１５８によって決定される。

図４Ａは、実例の画像データ９２（図３）に対応するソース画像１００及び画像１００の変換の一例を示す。ソース画像１００は出力画像６８（図１）として再生されるものである。予備変調器２０には、画像１００に基づく修正画像１０２が与えられる。修正画像１０２は、プログラム９４（図３）によって画像データ９２を参照しながら生成することができる。図４Ａはまた、ソース画像１００の画像データ９２から生成され、主変調器２４にて表示のために提供される実例の主変調器画像１０４を示す。これらは図４Ａにおいては白黒で再生されているが、画像１００、１０２、１０４はフルカラー画像であり、示されている外見上のディザリング又はピクセル化（ｐｉｘｅｌｉｚａｔｉｏｎ）はいずれも、（白黒線図の範囲内での）説明のためのものにすぎず、一般には生じない。図４Ｂは、画像１００、１０２、１０４のカラー表現を示す。

この実施形態において、修正画像１０２はソース画像１００のデジタルハーフトーン画像である（図４Ａ‐４Ｂのクローズアップ領域を参照されたい）。各カラー成分は独立にそのそれぞれのＤＭＤ４６、４８、５０によって処理され、デジタルハーフトーン画像１０２は、図５Ａ‐Ｃに示すようにカラー分離することができる。従って、各予備変調器ＤＭＤ４６、４８、５０は、デジタルハーフトーン画像のそれぞれのカラー成分、例えば、デジタルハーフトーン画像の赤成分（図５Ａ）、緑成分（図５Ｂ）、及び青成分（図５Ｃ）を受け取る。他の実施形態においては、ハーフトーン化の代りに他の種類の空間的ディザリングを使用することができる。

デジタルハーフトーン化は、ピクセルの輝度レベルを生成するためにパルス幅変調（ＰＷＭ：ｐｕｌｓｅ‐ｗｉｄｔｈ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）が用いられるときに起り得るビット列干渉を避けるのに役立てることができる。映像の特定のフレームでは、ＤＭＤの所与のミラーが、ピクセルの輝度レベルに対応する時間比率で、１００回以上もオン・オフする可能性がある。所与の輝度レベルを生成するために組み合せられるオン及びオフの、図６に示すような特定のパターンをビット列と呼ぶことができる。両変調器２０、２４においてＰＷＭを用いるとき、所与のピクセルは、予備変調器２０及び主変調器２４の両方の対応するミラーがオン状態にあるときに、オンとなる。図７に示すように、予備変調器における５０％オンのビット列と、主変調器２４における２５％オンのビット列とは、通常、所与のピクセルに対して１２．５％の輝度（即ち、５０％＊２５％）レベルをもたらすことはない。むしろ、同時のオン状態のみが出力輝度に寄与する。図示した例において、変調器２０、２４に与えられた光の約３％がピクセルの輝度に寄与することになる。

デジタルハーフトーン画像１０２を予備変調器に供給することにより、予備変調器ＤＭＤ４６、４８、５０の各ピクセルが画像１００の表示の全期間、例えば、映像の１つのフレームの表示の期間の間、オン又はオフのいずれかに留まることが可能になる。従って、予備変調器２０における輝度は、ＰＷＭではなく、各カラー成分に対する空間的ディザリングによって制御される。

デジタルハーフトーン化のためのカーネルサイズを選択するとき考慮されるのは、より大きいカーネルは、ダイナミックレンジに関してより優れた性能を与える傾向があるが、ハローのようなアーチファクトを引き起こす可能性があることについてである。より大きいカーネルサイズはまた、画像を生成するのに必要な処理電力量を増す可能性がある。幾つかの例において、５×５のカーネルがハーフトーン画像１０２を生成するのに用いられる。

前述のように、リレー光学系２２は制御されたデフォーカスをもたらすように構成される。リレー光学系２２は、予備変調器２０上の単一ピクセルが、図８に示すように、主変調器２４上でガウス型又は擬ガウス型の光スポットになるように、制御されたデフォーカスを行うように構成することができる。主変調器のＤＭＤ７２、７４、７６が４０９６×２１６０ピクセルの解像度を有するように選択されるとき、リレー光学系２２は、サイズが約３０×３０ピクセルのようなガウス型スポットをもたらすように構成することができる。これは１つの例に過ぎず、より大きいスポットのために必要な付加的な何らかの処理リソースが使用可能であるか又はスポットを小さくすることによってダイナミックレンジの向上がいくらか減ることが許容できることを前提として、任意のスポットサイズを用いることができる。さらに、ガウス型スポットは、ガウス関数に正確に一致しなくてもよい他の形状についても考慮するものである。

デフォーカスした後、予備変調器２０の個々のピクセルは不鮮明になって主変調器２４において光の連続パッチになる。隣接する予備変調器ピクセルからの隣接するガウス型スポットが主変調器２４で互いに重なるので、予備変調器２０でオンになったピクセルの密度が主変調器２４上の光のパッチの輝度を制御する。図９Ａ及び９Ｃに示すように、予備変調ビーム４２の一領域内の完全にオンの（即ち、パルス幅変調されていない）ピクセルの疎らなハーフトーンパターンが光の比較的薄暗いパッチを生じる。図９Ｂ及び９Ｄに示すように、予備変調ビーム４２の一領域内の完全にオンのピクセルの密なハーフトーンパターンが光の明るいパッチを生じる。このことは、各カラー成分に対して及び光の種々のパッチに対して起る。図９Ａ及び９Ｂの右側は、中心に向かって輝度が増加する異なる光強度の領域を示し、他方、図９Ｃ及び９Ｄは連続グレースケール内の同様の概念を説明することに留意されたい。図９Ａ及び９Ｂにおける何らかのディザリング又はピクセル化（ｐｉｘｅｌｉｚａｔｉｏｎ）は（白黒線図の範囲内での）説明のためのものにすぎず、一般には生じない。

前述のように、インテグレータ１６は、光源光の分布を空間的にも角度的にも均一化し、これによりリレー光学系２２によって実現されるピクセル成形関数の改善された性能がもたらされ、従って、ピクセル成形関数が比較的一様な光パッチを主変調器２４に供給するために、プロセッサ８４及びプログラム９４において必要な複雑さが少なくなる。多くの実施においては、光源光が実質的に不均一な又はさらに高度に不均一な角度分布を有するであろうことが予期される。従って、インテグレータ１６は、選択される光源の型及び選択されるピクセル成形関数を考慮しながら、必要な処理を簡単化するように設計することができる。

図１１を参照すると、変調器２０、２４の間に小さい倍率を与えることができるため、及び変調器２０、２４のＤＭＤを異なるサイズにすることができるために、ＤＭＤの間の光路は、リレー光学系２２と主変調器２４との間のデフォーカス光６０の光路内に位置する補償板１３０（例えば、ガラスの傾斜した薄板）から利益を得ることができる。

この実施形態において、補償板１３０は傾斜したガラスの平行板であり、これが、予備変調器２０の第１の内部全反射プリズムシステム４４及びカラー成分スプリッタ・コンバイナ１２２による光学収差を補償するのに役立ち得る。そのような収差は、非対称な非点収差、コマ収差、及び画像平面傾斜（例えば、光学的位置合せ不良による画像のデフォーカス）を含み得る。補償板１３０の厚さ、傾斜角、傾斜方向、又は他のパラメータを選択して、それら収差を減らすことができる。

補償板１３０は、２つの変調器２０、２４により、１つの変調器を有するシステムでは見られないであろう利益を提供する。１つの変調器を有するシステムにおいては、上述の種類の収差は、照明エンジンの照明経路内で起こり、典型的には効率のいくらかの損失が生じるだけであるので、通常はあまり問題にされない。しかし、画像化装置１０において、これらの収差は、予備変調器２０及び主変調器２４の両方が同じ画像経路内にあり、両方共にウェッジプリズムのように作用する可能性があるので、問題となり得る。非点収差がより大きな問題となる可能性があり、次にコマ収差が問題となり得る。

別の実施形態において、変調器２０、２４の各々は、１つのカラー成分（ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｃｏｌｏｒ）に対する１つのＤＭＤを含み、独立した画像化装置１０が各カラー成分に対して備えられる。二色性コンバイナ１４は省略することができ、各画像化装置１０の光源１２はそれぞれのカラーを与えることだけが必要である。異なるカラー成分の光を、投影光学系２６の前で結合することができる。この実施形態の変形例において、主変調器２４が複数のＤＭＤを含み、カラー成分は主変調器２４の前で結合される。

種々の実施形態において、処理の複雑さの如何なる増加にも適切に対処できること及び低レベルの光を許容できることを前提として、ＤＭＤの代りにＬＣＤ及びＬＣＯＳデバイスを使用することができる。

上記のものは特定の非限定的な例示的実施形態を提供するが、上記のものの組合せ、部分セット、及び変形物が考慮されることを理解されたい。求められる独占権は特許請求の範囲において定められる。

図面は、単に例証として、本開示の実施形態を示す。
画像化装置のブロック図である。 図２Ａ及び図２Ｂは、オーバーフィル領域の比較を示す図である。 画像化装置の画像処理構成要素のブロック図である。 光源、予備変調器、及び主変調器の画像の一例を示す図である。 図４Ａのカラー表示である。 図５Ａから図５Ｃは、ハーフトーン画像のカラー成分を示す図である。 イメージャのパルス幅変調の図である。 直列の２つのイメージャのパルス幅変調の図である。 リレー光学系のピクセル成形関数によって生成された予備変調器のピクセルのガウス関数形状スポットを示すグラフである。 リレー光学系によって主変調器に結合されている予備変調器からの例示的な疎らなハーフトーンパターンを示す図である。 リレー光学系によって主変調器に結合されている予備変調器からの例示的な密なハーフトーンパターンを示す図である。 図９Ａのグレースケール表示である。 図９Ｂのグレースケール表示である。 光路を示す変調器の図である。 補償板を示す画像化装置の一部分のブロック図である。 実施形態の処理を示す図である。

Claims (21)

1. 光源光を放射するように構成された光源と、
   前記光源光の経路内に配置された予備変調器であって、画像データに従って前記光源光に粗い変調を行って、予備変調光を予備変調器出力部において放射するように構成された予備変調画像化システムを含み、前記光源光を前記予備変調画像化システム内に屈折するように配向され、かつ前記予備変調画像化システムから受け取った前記予備変調光を前記予備変調器出力部に反射するように配向された第１の内部全反射プリズムシステムをさらに含む、予備変調器と、
   前記予備変調光の経路内に配置され、前記予備変調光をデフォーカスしてデフォーカス光を出力するように構成されたリレー光学系と、
   前記デフォーカス光の経路内に配置された主変調器であって、前記画像データに従って、前記デフォーカス光を用いて画像を生成するように構成された主変調画像化システムを含み、前記デフォーカス光を前記主変調画像化システムに反射するように配向され、かつ前記主変調画像化システムから受け取った前記画像を主変調器出力部に屈折するように配向された第２の内部全反射プリズムシステムをさらに含む、主変調器と、
   を備える画像化装置。
2. 前記リレー光学系は、前記予備変調光のピクセルを前記主変調器における略ガウス関数形状のスポットに変換するように構成される、請求項１に記載の装置。
3. 前記主変調器における非点収差及びコマ収差を減らすために、前記リレー光学系と前記主変調器との間に配置された補償板をさらに備える、請求項１に記載の装置。
4. 前記光源と前記予備変調器との間に配置されたインテグレータをさらに備え、前記インテグレータは、２つのインテグレーティングロッドと、前記２つのインテグレーティングロッドの間に設けられたディフューザとを含む、請求項１に記載の装置。
5. 前記予備変調器及び前記主変調器に結合されたプロセッサをさらに備え、前記プロセッサは、前記画像データに従って前記予備変調器及び前記主変調器を制御するように構成される、請求項１に記載の装置。
6. 前記プロセッサは、前記画像データに対してハーフトーン化を行い、ハーフトーン画像を前記予備変調器に供給する、請求項５に記載の装置。
7. 前記光源は、複数のカラー成分のレーザ光源を備え、前記画像化装置は、前記主変調器出力部から光を受け取るように配置された投影光学系をさらに備える、請求項１に記載の装置。
8. 光源光を放射するように構成された光源と、
   各々が内部全反射プリズムシステムに結合されたマルチチップ画像化システムを含む２つの光変調器であって、前記内部全反射プリズムシステムが光入射面及びオン状態面を有する、２つの光変調器と、
   前記２つの光変調器のうちの予備変調器と前記２つの光変調器のうちの主変調器との間に配置され、前記予備変調器から受け取った光をデフォーカスして、デフォーカス光を前記主変調器に供給するように構成されたリレー光学系と、
   を備え、
   前記主変調器は、前記リレー光学系からのデフォーカス光を、前記内部全反射プリズムシステムの前記光入射面において受け取るように配向され、
   前記予備変調器は、前記内部全反射プリズムシステムの前記オン状態面において前記光源光を受け取るように配向され、かつ予備変調光を、前記内部全反射プリズムシステムの前記光入射面を経由して前記リレー光学系に出力するように配向される、
   画像化装置。
9. 前記リレー光学系は、前記予備変調光のピクセルを前記主変調器における略ガウス関数形状のスポットに変換するように構成される、請求項８に記載の装置。
10. 前記主変調器における非点収差及びコマ収差を減らすために、前記リレー光学系と該主変調器との間に配置された補償板をさらに備える、請求項８に記載の装置。
11. 前記光源と前記予備変調器との間に配置されたインテグレータをさらに備え、前記インテグレータは、２つのインテグレーティングロッドと、前記２つのインテグレーティングロッドの間に設けられたディフューザとを含む、請求項８に記載の装置。
12. 前記予備変調器及び前記主変調器に結合されたプロセッサをさらに備え、前記プロセッサは、画像データに従って前記予備変調器及び前記主変調器を制御するように構成される、請求項８に記載の装置。
13. 前記プロセッサは、前記画像データに対してハーフトーン化を行い、ハーフトーン画像を前記予備変調器に供給する、請求項１２に記載の装置。
14. 前記光源は複数のカラー成分のレーザ光源を備え、前記画像化装置は、前記主変調器から光を受け取るように配置された投影光学系をさらに備える、請求項８に記載の装置。
15. 光源光を放射するように構成された光源と、
    前記光源光の経路内に配置された予備変調器であって、カラー成分スプリッタ・コンバイナに結合された３つのデジタルマイクロミラーデバイスと、内部全反射プリズムシステムとを含み、画像データに従って前記光源光に粗い変調を行って、予備変調光を放射するように構成された予備変調器と、
    前記予備変調光の経路内に配置され、前記予備変調光をデフォーカスしてデフォーカス光を出力するように構成されたリレー光学系と、
    前記デフォーカス光の経路内に配置され、カラー成分スプリッタ・コンバイナに結合された３つのデジタルマイクロミラーデバイスと、内部全反射プリズムシステムとを含み、前記画像データに従って、前記デフォーカス光を用いて画像を生成するように構成された主変調器と、
    を備える画像化装置。
16. 前記リレー光学系は、前記予備変調光のピクセルを前記主変調器におけるガウス関数形状のスポットに変換するように構成される、請求項１５に記載の装置。
17. 前記主変調器における非点収差及びコマ収差を減らすために、前記リレー光学系と前記主変調器との間に配置された補償板をさらに備える、請求項１５に記載の装置。
18. 前記光源と前記予備変調器との間に配置されたインテグレータをさらに備え、前記インテグレータは、２つのインテグレーティングロッドと、前記２つのインテグレーティングロッドの間に設けられたディフューザとを含む、請求項１５に記載の装置。
19. 前記予備変調器及び前記主変調器に結合されたプロセッサをさらに備え、前記プロセッサは、前記画像データに従って前記予備変調器及び前記主変調器を制御するように構成される、請求項１５に記載の装置。
20. 前記プロセッサは、前記画像データに対してハーフトーン化を行い、ハーフトーン画像を前記予備変調器に供給する、請求項１９に記載の装置。
21. 前記光源は、複数のカラー成分のレーザ光源を備え、前記画像化装置は、前記主変調器から光を受け取るように配置された投影光学系をさらに備える、請求項１５に記載の装置。