JP2018092189A - ディスプレイ及びシネマプロジェクタ - Google Patents

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Abstract

【課題】高品質画像を提供することのできる経済的なディスプレイを提供する。【解決手段】ディスプレイは光ソースからの光を変調する第一の空間光変調器及び第二の空間光変調器を持つ。第一の空間光変調器は空間的に変化する密度を持つパターンにしたがいON及びOFFの状態の間で切り替えることのできる複数の要素を含む。伝達光学素子は第一の空間光変調器により変調された光を不鮮明化し、第二の空間光変調器に転送し第二の空間光変調器において光照射野を作る。第二の空間光変調器はON及びOFFの状態の間で切替わる複数の要素を持ち、画像を再構築するために光照射野の時間ディザを行う。【選択図】 図１

Description

本発明はコンピュータディスプレイ、ＴＶディスプレイ、デジタルシネマプロジェクタ、ホームシアターディスプレイ、航空機、船舶、トラック、乗用車等の様な車両のシミュレータ用のディスプレイ、ゲームシステム用ディスプレイ、シミュレーションタイプ娯楽用乗物のディスプレイ、デジタルフォトフレーム、ＨＤＴＶモニター、ハイダイナミックレンジ（ＨＤＲ）画像システム等の様な電子ディスプレイに関する。本発明は特に光が２段階で変調されるディスプレイに関する。
電子ディスプレイは広い範囲で応用されて使用される。ある電子ディスプレイは空間光変調器を持つ。空間光変調器の要素は視聴者に観察されうる画像を提供するために画像データに反応して制御される。ある空間光変調器の要素は２段階を持つ「バイナリー」要素である。ある状態では前記要素は光を視野領域へ送り、他の状態では前記要素は光を視野領域へ送らない。
デジタルミラー装置（ＤＭＤ）はバイナリー空間光変調器の一つの例である。ＤＭＤはミラーの配列を提供する。各ミラーは2つの状態の間でスイッチが切り替わる。あるミラーの状態は、ミラーの位置のＤＭＤ上の入射光線を視野領域まで運ぶ経路に沿って通過するか否かを決定することができる。ミラーが「ＯＮ」の状態の場合、光はミラーに対応する視野領域の位置に向けられる。ミラーが「ＯＦＦ」の状態の場合、光は視野領域に運ばない経路に向けられる。ＯＦＦの状態の光は通常ヒートシンクに向けられる。
バイナリー空間光変調器の要素はそれに急速にスイッチを入れまた切ることにより中間の輝度値の表示を制御しても良い。人間の観測者により感知される明るさは、その要素がＯＮ及びＯＦＦ状態にある間の相対的時間量を調整することにより変えることができる。
あるディスプレイは一連の光変調器を提供する。その様なディスプレイでは、光は第一及び第二の光変調器により連続的に変調される。ディスプレイの例はＰＣＴ国際公報WO2003/077013及び米国特許第6891672号に記載がある。ＰＣＴ国際公報番号WO2003/077013は制御可能な発光素子の配列を持つ光ソース及びその光ソースからの光を変調するための制御可能な透過率の要素の配列を持つ空間光変調器について記述する。米国特許第6891672号は光ソースからの光を変調するために連続して配置された第一及び第二の空間光変調器について記述する。各空間光変調器は制御可能なピクセルの配列を持ち、一つの空間の各ピクセルは他の一つの空間光変調器の複数のピクセルに対応する。
高品質画像を提供することのできる経済的なディスプレイへの要求がある。
本発明は種々の特徴を持つ。本発明の一つの特徴ではディスプレイの提供である。ディスプレイは、例えば、コンピュータディスプレイ、テレビ、デジタルプロジェクタ等を含んでも良い。ディスプレイは光を第一の空間光変調器に向けることのできる光ソースを含む。第一の空間光変調器はON及びOFFの状態の間で切り替えることのできる複数の第一の要素を含む。ディスプレイは第一の空間光変調器により変調された光を第二の空間光変調器に向けるように配置された伝達光学素子及び、画像データに基づき第一及び第二の空間光変調器のためにそれぞれ第一及び第二の制御信号を生成する様に構成されたドライバーを含む。ドライバーは画像データに基づきあるパターンを生成するように構成される。前記パターンは空間的に変化する密度を持つ。パターンは例えば、画像データに由来する空間ディザー（dither）を含むこともある。ドライバーは前記パターンにしたがい第一の空間光変調器の要素を決めるために第一の制御信号を生成する様に構成される。伝達光学素子は、第一の空間光変調器から発する光を第二の空間光変調器において不鮮明にする伝達関数により特徴付けられる。
第二の空間光変調器はまたON及びOFFの状態の間で切り替えることのできる複数の要素を含む。その様な場合、ドライバーはある画像フレームの間に複数回ON及びOFFの状態の間で第二の空間光変調器の要素を切替る様に構成しても良い。第二の空間光変調器の要素の切替えは、例えば、バイナリーパルス幅変調方式により実施しても良い。
ある実施の態様においては、ドライバーはパターンに対応する第二の空間光変調器の光照射野を予測し、そして第二の制御信号を予測された光照射野に基づくように構成する。
本発明の他の特徴では以下を含むディスプレイを提供する：光を生成する手段；光のバイナリー変調のための第一の手段であって、第一の手段はON及びOFFの状態の間で切り替えることのできる複数の第一の要素を含む手段；第一の手段により変調された光を不鮮明にする手段であり、不鮮明化された光をバイナリー空間光変調器に向ける手段；画像データに基づき第一の手段のために第一の制御信号を生成する手段であり、第一の制御信号を生成する手段は画像データに基づきパターンを生成する手段を含み、前記パターンは空間的に変化する密度を持つ、前記手段；及び画像データに基づきバイナリー空間光変調器のために第二の制御信号を生成する手段である。
本発明の他の特徴は画像を表示するための方法を提供する。前記方法は、画像に基づきバイナリーパターンにしたがい第一のバイナリー空間光変調器の要素を設定することを含む。このパターンは空間的に変化する密度を持つ。前記方法は、第一のバイナリー光変調器の画像を不鮮明にして第二の空間光変調器に伝達して第二の空間光変調器において光照射野を作り出し、そして光照射野を第二の空間光変調器により変調して画像を再構築する。
ある実施の態様においては、光照射野を第二の空間光変調器により変調することには第二の空間光変調器の要素をON及びOFFの状態の間で切り替えることにより光照射野の時間ディザー（dithering）を実施することを含む。
ある実施の態様は、パターンに対応する光照射野の予測を算出すること、及び画像データ及び光照射野の予測に従って第二の空間光変調器を制御することを含む。
本発明の他の特徴では第一及び第二の空間光変調器を含むディスプレイのコントローラを提供する。コントローラは、画像に基づき空間的に変化する密度を持つバイナリーパターンに従い、第一の空間光変調器の複数の要素の各々をON又はOFFの状態に置くために第一の空間光変調器に第一の制御信号を生成し、そして第二の空間光変調器の複数の要素の各々をON及びOFFの状態の間で切替て第二の空間光変調器に第二の制御信号を生成して、要素への入射光線の時間ディザーを実施するように構成される。第二の制御信号は、第一の空間光変調器により変調された光の予測光照射野及び画像データに反応する。
本発明の特別な実施の態様の特徴と並び、本発明の更なる特徴を以下に記述する。
添付図面は本発明の実施の態様を表すが、本発明の実施の態様を限定するものでない。
図１は本発明の簡単な実施の態様による単色ディスプレイを表す概略図である。 図２は本発明の実施の態様による画像の表示の方法を示すフローチャートである。 図３Ａは異なるレベルの明るさの部分を持つ画像を示す。図３Ｂは図３Ａに示す画像を表すディザパターンの例を示す。 図４は画像の各位置に亘る種々の特徴の変化を示すグラフである。 図５は２つの空間光変調器を制御するために連結された本発明の実施の態様の例によるディスプレイのコントローラのブロック略図である。 図６は本発明の他の実施の態様のカラーディスプレイを示す略図である。 図７は本発明の他の実施の態様のカラーディスプレイを示す略図である。 図８は本発明の他の実施の態様のコントローラのブロック略図である。 図９は本発明の他の実施の態様のカラーディスプレイを示す略図である。
以下の記述を通じて、本発明をより完全に理解するために特定の詳細な記載がなされている。しかし、本発明はこれらの詳細に記述された部分がなくとも実施されうる。他の例では、発明を不必要に不明確にしないために周知の要素はその詳細を示しておらず、又は記載していない。したがって、明細書及び図面は、発明を限定すると言うより説明のためのものと見做すべきである。
図１は本発明の実施の態様の例による単色ディスプレイを示す。ディスプレイ１０は光ソース１２を含む。光ソース１２からの光１３は第一の空間光変調器１４に光を照射する。光ソース１２は、例えば、以下を含む：
・ レーザ
・ キセノンランプ
・ レーザーダイオード又は他の半導体発光体の配列
・ アークランプ等。
第一の空間光変調器１４は複数の制御可能な要素１６を含む。要素１６は適当な制御回路１８によりON及びOFFの状態を切り替えることができる。それがＯＮの状態の場合、要素１６は、要素に当った入射光１３を第二の空間光変調器２０の対応する領域に送ることを可能にする。それがＯＦＦの状態の場合、要素１６から第二の空間光変調器２０の対応する領域に通過する光の量は減少する。理想的には、要素１６がＯＦＦの状態の場合、実質的に要素１６からの光は第二の空間光変調器２０の対応する領域に到達しない。
第一の空間光変調器１４は種々の広範な方法により実施しても良い。第一の空間光変調器１４はある実施の態様においてはＤＭＤを含む。他の実施の態様においては、第一の空間光変調器１４は他の機構によりON及びOFFの状態を切り替えることのできる光を反射し又は透過させる要素の配列を含む。例えば、その様な実施の態様では、第一の空間光変調器１４はＬＣＤパネル、ＬＣＯＳチップ等を含む。他の実施の態様においては、光ソース１２及び第一の空間光変調器１４の機能は組み合わされる。その様な実施の態様では、第一の空間光変調器１４はスイッチをＯＮ又はＯＦＦにする（又はそうでなければ、発光と暗い状態の間で切り替える）ことの出来るレーザーのような光ソースの配列を含んでも良い。
第二の空間光変調器２０は複数の制御可能な要素２２を含む。各制御可能な要素２２は、視野領域に伝達される第一の空間光変調器１４からの要素２２ヘの入射光２５の割合を選択する様に制御することができる。
第二の空間光変調器２２は、例えば、以下の様な任意の好適な技術により提供されうる：
・ 液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）パネル
・ シリコンＬＣＯＳチップ上の液晶
・ マイクロミラーアレイ
・ 磁気光学装置
・ 光弁
等。
ある実施の態様においては、第二の空間光変調器２０はON及びOFFの状態を切り替えることのできる光を反射し又は透過させる要素を含む。その様な実施の態様では、第二の空間光変調器２０はその要素をＯＮ又はＯＦＦにするコントローラにより制御しても良い。
ある実施の態様においては、第一の空間光変調器１４及び第二の空間光変調器２０はそれぞれＤＭＤ又は他の制御可能なマイクロミラーの２次元の配列を含む。その様な実施の態様ではＤＭＤのソースは比較的経済的に確保することができる優位性があり、そして現在ＤＭＤを組み入れている装置の設計及び生産に対して幅広い支持を与えている。
伝達光学素子２６は第一の空間光変調器１４から第二の空間光変調器２０に光２５を運ぶ。第一の空間光変調器１４の全ての要素１６がONの場合、光２５は第二の空間光変調器２０の全活動領域を照明することができる。光２５は第二の空間光変調器２０のエッジを通り過ぎて拡がることもある。
伝達光学素子２６は光２５を不鮮明にする。伝達光学素子２６は、第一の空間光変調器１４上のある点からの光２５がどの様に第二の空間光変調器２０に広がるかを少なくとも近似させる伝達関数により特徴付けられても良い。
第二の空間光変調器２０への入射光のパターンは第一の変調器１４の構成（すなわち、要素１６のいずれがONとなり、そして要素１６のいずれがOFFとなるか）及び伝達関数から予測され又は決定することができる。
伝達光学素子２６により導入される不鮮明のため、第二の空間光変調器２０の任意の要素への入射光２５は第一の空間光変調器１４の複数の要素１４から生ずると考えられる。第二の空間光変調器２０の要素２２の照明のために極めて多量の光を供することのできる第一の空間光変調器１４の要素１６の数は主に第一の空間光変調器１４の伝達関数の幅及び要素１６のサイズによる。
ある実施の態様においては、第一及び第二の空間光変調器１４及び２０は同じ又は同様の数の制御可能な要素を持つ。ある実施の態様においては、第一の空間光変調器１４は第二の空間光変調器２０が持つ制御可能な要素２２よりもはるかに少ない制御可能な要素１６を持つ。ある実施の態様においては、第一の空間光変調器１４は約１４０から約１６００の要素１６の配列を持つ。第一及び第二の空間光変調器が異なる空間解像度を持つ場合、ある実施の態様においては、第二の空間光変調器はより高い解像度を持ち、ある実施の態様においては、第一の空間光変調器はより高い解像度を持つ。
ある実施の態様においては、第一の空間光変調器１４の制御可能な要素１６は規則正しい配列で配置されている。その配列は長方形であっても良く、横がM行で縦がN行の制御可能な要素１６を含んでも良い。ある実施の態様においては、第二の空間光変調器２０の制御可能な要素２２は規則正しい配列で配置されている。例えば、その配置は長方形であっても良く、横がP行、縦がQ列を含んでも良い。ある実施の態様においては、第二の空間光変調器２０は幅と高さの比が１６：９である。
ある実施の態様においては、同じ領域内により少ない要素を持つDMD又は他の空間光変調器は、同じ領域内により多くの要素を持つDMD又は他の空間光変調器よりもより高いフィルファクター（fill factor）を持つこともあるという事実を利用している。この様に、全ての他のファクターが同じ場合には、低い解像度の第一の空間光変調器が第二の空間光変調器に送ることのできる光の最大量は、より大きい解像度の空間光変調器により送ることのできる光の最大量よりも大きいことがある。
ある実施の態様においては、第一及び第二の空間光変調器の内の、より低い解像度を持つものの光学フィルファクターは少なくとも８５％である。ある実施の態様においては、第一及び第二の空間光変調器の両方の光学フィルファクターは少なくとも８５％である。
ある実施の態様においては、第一の空間光変調器１４は、第二の空間光変調器２０中の要素２２の全数量よりも少なくとも２から４の係数で少ない全要素の数は１６である。伝達光学素子２６により導入される不鮮明さは第一の空間光変調器１４の低い解像度により引起されうる何れの「ブロッキング」をも減少させ又は除去する。
伝達光学素子２６は、第一の空間光変調器１４（主にＯＮ状態の要素１６）から発する光２５を第二の空間光変調器２０に伝達する任意の好適な配置のレンズ、ミラー、ディフューザ等を含んでも良い。好適な伝達光学素子２６の例には：
・ 第一の変調器１４の焦点の定まらない画像を第二の変調器２０に映写するレンズ又はレンズシステム
・ ディフューザと組み合わせたレンズ又はレンズシステムがある。
伝達関数が実質的に第一の変調器１４の全ての要素について同じである光学システム２６を提供することは便宜である。しかし、歪みに特徴を持たせることが出来れば、不鮮明さ及び歪みの両方を導入する光学システム２６を使用することができる。また、伝達関数が円対称性を持つ光学システム２６を提供することも便宜である。しかし、より複雑な伝達関数を持つ光学システム２６は、伝達関数が好適な特徴を持つ限り使用しても良い。
上で検討した様に、ある実施の態様においては、第一の変調器１４の異なる組み合わせに対して第二の変調器２０での光の分配を予測する。その様な実施の態様においては、比較的狭い領域にわたり不鮮明化する伝達関数により特徴付けられる伝達光学素子２６を提供するのが望ましいこともありうる。その理由はこれにより第二の空間光変調器２０に生成する光照射野を予測する計算の必要性を減少させるからである。ある実施の態様においては、伝達光学素子２６の伝達関数は、第一の空間光変調器１４の隣接する要素１６の間の間隔よりも広い標準偏差により特徴付けられる空間ローパスフィルター又は平滑化演算子により許容可能な程度の正確さまで近似させることも出来る。
ディスプレイ１０が映写型ディスプレイである場合、好適な映写レンズ２８は第二の空間光変調器２０からの光を視聴のためスクリーン２９に焦点を結ばせる。スクリーン２９は前面映写又は背面映写を含んでも良い。
ある実施の態様においては、第一及び第二の変調器１４及び２０はそれぞれDMDを含み、光ソース１２はレーザー光ソースを含む。
図２は画像を表示するディスプレイ１０の様なディスプレイを用いる方法４０を示す。ブロック４２では画像データ４３が提供される。画像データ４３はディスプレイ１０を用いて表示される画像を示す。例えば、画像データは、所望の明るさを第二の空間光変調器２０の各要素の位置の関数として示しても良い。画像データ４３はビデオシーケンスのフレーム、静止画像などを含んでも良い。
画像データは任意の好適なフォーマットで表すことができる。画像データが表示されるフォーマットの例は以下のものがある：
JPEG
JPEG-HDR
TIFF
GIF
OpenEXR
Artizen（登録商標）ファイルフォーマット
Radiance（登録商標）ファイルフォーマット
PNG (ポータブルネットワーク グラフィックス：Portable Network Graphics),
ビットマップ（bit-map）(例えば、BMP)
JPEG2000
MPEG
MPEG-HDR
DPX フォーマット(ANSI/SMPTE 268M- 1994, SMPTE デジタル動画交換のためのファイルフォーマット標準（Standard for File Format for Digital Moving-Picture Exchange） (DPX), v 1.0, 1994年２月１８日)
DCIデジタルシネマフォーマット（digital cinema format）
Cineon（登録商標）フォーマット
等である。
ある実施の態様においては、フォーマットはピクセル当たり２４ビットより高ビットを提供する高ダイナミックレンジ（HDR）フォ−マットである。
ブロック４４からブロック５０では、方法４０は第一の空間光変調器１４の要素１６のための駆動信号を生成する。駆動信号は各要素１６を画像データ４３の画像の再生のための好適なパターンでON又はOFFに設定する様に適用することができる。ブロック４４はスクリーン２９に映写される出力画像の各異なる領域に提供されるべきグレイスケールの明るさのレベルを決定する。これらの各領域は第一の空間光変調器１４のある領域に対応する。第一の空間光変調器１４の領域の各々は複数の要素１６を含む。ブロック４４は、例えば、出力画像の各領域に対応する画像データ４３により規定される画像の部分のピクセル値全体を平均化することを含んでも良い。
ブロック４６は第一の空間光変調器１４の要素に適用することの出来るON及びOFFの状態のパターンを決定し、第一の空間光変調器１４の各領域において、ON要素の比率はブロック４４において決定されるグレイスケールの明るさのレベルに対応して変化する。例えば、画像の明るい部分に対応する領域については、パターンが、第一の空間光変調器１４の対応する領域中の全ての要素はONであるべきであることを示しても良い。画像の暗い部分に対応する領域については、パターンが、第一の空間光変調器１４の対応する領域中のほとんど又は全ての要素はOFFであるべきであることを示しても良い。
パターンの領域が中間の明るさに対応する場合には、その領域中の適当な比率の要素１６はONであり、残りはOFFである。この場合、ONの要素１６は全領域にわたり合理的に均一に分布していることが望ましい。例えば、領域中の要素１６は、要素１６の望ましいONとOFF比率を持つ好適なディザ パターンに従い分布しても良い。
ディザパターンは、例えば、次の様に生成しても良い：
・ 画像の各ピクセルについて、どの程度の輝度が視聴者に到達すべきかを示す輝度マップを生成すること
・ 輝度マップを増強して、増強された輝度マップを作ること
・ 増強された輝度マップを、第一の空間光変調器１４の解像度に対応する解像度にダウンサンプルし、ダウンサンプルされたグレイスケール画像を得ること、及び
・ ダウンサンプルされたグレイスケール画像をディザしてバイナリー画像を得ること。
輝度マップを増強することは、第二の空間光変調器２０の各要素において十分な光があり、画像データ４３により示される光の量が視聴者に到達することを確かにするために望ましい。
ディザは任意の好適な方法で実行することができる。ディザソフトウエア及びハードウェアは市場で調達が可能である。ある実施の態様においては、ディザは第一の空間光変調器１４上の要素１６のブロックで実施される。例えば、要素の16x16ブロックで実行されるディザは、ブロック中の全ての２５６要素がOFFである出力のない（光が漏れていることを除いては）場合から、ブロック中の全ての２５６要素がONである最大出力レベルまで、２５６ステップで変化する光の出力を作り出すことができる。ディザは、表中の事前に決定されたディザパターンをルックアップすること、または他の好適なデータ構造、又は好適なディザ アルゴリズムを適用してON要素１６の適当な密度を提供するディザパターンを計算することを含んでも良い。ディザ アルゴリズムはソフトウエア、ハードウェア又はそれらを好適に組み合わせて実施しても良い。
ディザ アルゴリズムのある例は以下を含む：
・ 画像をタイルに分割し、タイルの中の各ピクセル位置に丸めるバイアス（rounding bias）を割り当て、ピクセル値に丸めるバイアスを加え、そして結果の値を切り下げる。タイル中の各ピクセルは、その後高い値（例えば、「１」又はON）又は低い値（例えば、０又はOFF）を持つ。
・ フロイドースタインバーグ（Floyd Steinberg）ディザアルゴリズム
・ 平均ディザ（例えば、これは閾値ピクセル値を選択し、閾値ピクセル値は画像ピクセルの平均値であり、ピクセル値が閾値より高いか又は低いかによりピクセルを低い又は高い値（例えば、０又は１）に量子化することを含んでも良い）及びピクセルを０又は１に量子化すべきかを決定するために全体的閾値としてそれを使用する。ピクセル値が閾値に等しい場合は任意の好適な方法で取り扱っても良い。ある実施の態様においては、全てのピクセル値が閾値を越える場合、そのピクセルは１に量子化され、他の全てのピクセルは０の値に量子化される。
・ ランダム ディザ
・ 誤差拡散ディザ
・ ベリオブカーブキャナン（Veryovka-Buchanan）ディザアルゴリズム
・ リーメルスマ（Riemersma）ディザ
等。
マトラブ（Matlab）（登録商標）及び他の計算及び/又は画像処理ソフトウエアパッケージは、本発明の実施の態様で使用することができるディザ アルゴリズムを実施するソフトウエアを含む。
図３は部分57 A, 58A, 59A及び60Aに分けられた画像５５を表す（各部分は種々のグレイスケールの明るさレベルを表すために異なる影を付けている）。部分５７Aは最大（すなわち、１００％）の明るさレベルであり、部分５８Aは５０％の明るさレベル、部分５９Aは６７％の明るさレベル、そして部分６０Aは最小（すなわち、０％）の明るさレベルである。
図３Bは第一の空間光変調器１４に適用しても良いディザパターン５６の一つの例を示し、図３Aに示す明るさレベルの部分を持つ光照射野を作り出す。ディザパターン５６は領域57B, 58B, 59B及び60Bを持ち、各領域は8x8配列のピクセルを持つ。各ピクセルは、ON(影の無いピクセルとして示す)又はOFF(影のあるピクセルとして示す)に設定されても良い第一の空間光変調器１４の要素１６の一つに対応する。
画像５５（図３A）のある部分の明るさレベルはディザパターン５６（図３B）の対応する領域のON及びOFF状態にあるピクセルの割合を決定する。５７Bの領域では、全てのピクセルがONに設定され、部分５７Aに対応する最大明るさレベルを作り出す。領域６０Bでは、全てのピクセルはOFFに設定され、部分６０Aに対応する最小の明るさレベルを作り出す。領域５８Bでは５０％のピクセルがONに設定され部分５８Aに対応する明るさレベルを作り出す。領域５９Bでは、６７％のピクセルがONに設定され部分５９Aに対応する明るさレベルを作り出す。
図３Bに示すディザパターンに加えて、他の種々のディザパターンが図３Aに示す画像を表すために使用しても良い。例えば、領域５８B中の異なるピクセルの組み合わせはONに設定され（領域５８Bの全ピクセルの５０％を含む組み合わせ）その領域を平均の明るさのレベルを５０％に保つ様にする。
もし第一の変調器１４の要素がブロック４６で決定されるパターンにしたがって設定される場合は、ブロック４８は第二の光変調器２０の各要素２２に入射する光２５の量を予測する。この予測は、例えば、ブロック４６で決定されるパターンに従い要素１６を設定することにより、第一の空間光変調器１４で生成されるであろう光のパターンに伝達光学素子２６の伝達関数に近似する数学的関数を適用することにより行っても良い。
ブロック４８の光照射野予測は種々の詳細レベルで実施しても良い。ある実施の態様においては、ブロック４８の光照射野予測は、もし必要なら、ブロック４６で生成される空間ディザ画像を、第二の空間光変調器２０の画像にマッチする（又はそれを超える）解像度にアップサンプルし、そして不鮮明化フィルター又はローパスフィルターの様な平滑化関数をその結果に適用することを含んでも良い。ある実施の態様においては、不鮮明化フィルターは3x3又は5ｘ5の様な小さいカーネルを持つ。ある実施の態様においては、不鮮明化フィルターは5x5を超えないカーネルを持つ。平滑化関数は伝達光学素子２６の伝達関数に略近い。
ブロック５０は、第二の光変調器２０の各要素２２を透過させて所望の画像を生成することのできる入射光２５の割合を決定する。ブロック５０は、例えば、ある要素２２の画像データ４３により特定される輝度値を、ブロック４８で予測されるその要素２２での光２５の輝度で除して、要素２２がどれだけ入射光２５を低減させるべきかを示す値を得ることを含む。結果の一組の値は、第二の空間光変調器２５での不鮮明な光照射野入射光を訂正して所望の画像を得るという理由で「訂正マスク」と呼んでも良い。任意選択的に、ブロック５０は訂正マスクを先鋭化する操作に適用することを含んでも良い。
ブロック５２ではブロック４６で生じるパターンが第一の変調器１４の要素１６を駆動するために適用され、ブロック５４ではブロック５０で生じる値が第二の変調器２０の要素２２を駆動させるように適用される。
ブロック５２及び５４は同時に起こる。第二の変調器２０がDMD又はバイナリー要素２２を持つ他の変調器を含む場合、ブロック５４は、要素２２がONの状態である時間の割合を変化させることを含んでも良い。例えば、
・ 要素２２は好適なパネル幅変調（PWM）計画に従い駆動しても良い。
・ 要素２２は、対応する値に依るパルス数で各時間周期でONになる計画にしたがって駆動しても良い。
・ 要素２２は各周期の最初にONになり、そして対応する値に依りある周期時間の一部が経過した後にOFFとなる様にしても良い。
・ 等
第一の変調器１４の要素１６は、画像を表示したい間ON又はOFF状態のままであって良い。
ある実施の態様においては、第一の空間光変調器１４は、あるフレームの間に実質的に連続して空間ディザパターンを表示し、伝達光学素子２６は第一の空間光変調器１４からの光を不鮮明化しそして第二の空間光変調器２０に映写し第二の空間光変調器２０の上に不鮮明化されたグレイスケール画像を生成する。そして第二の空間光変調器の要素は、そのフレームの間ON及びOFFの間を切替られて所望の光の量を視聴者に届けることができる。
方法４０は、もし望むならば、任意選択的に表示される画像の最も明るい部分に反応して光ソース１２の明るさを制御することによりその範囲を拡大しても良い。全体の画像が暗い場合で、何処にも非常に明るい部分がない場合は、光ソース１２の強度を低減させても良い。明かるい領域を持つ画像では、光ソース１２は最大強度で操作しても良い。
上の図４は、ある一つの例の画像の領域に亘り伸びる線について、以下の曲線を表したものである：
・ 曲線６０は元の画像データを表す；
・ 曲線６１は空間ディザ画像を表す（この画像は、もし伝達光学素子２６が第一の空間光変調器１４の画像を第二の空間光変調器２０に焦点を結ぶ場合には第二の空間光変調器２０に存在する）；
・ 曲線６２は、伝達光学素子２６による空間ディザ画像中の光の拡大から生じる第二の空間光変調器２０での輝度画像を表す；
・ 曲線６３は第二の空間光変調器２０の要素の伝達レベルを表す：
・ 曲線６４は先鋭化された第二の空間光変調器２０の要素の伝達レベルを表す：及び
・ 曲線６５（表示された画像を表す曲線６０と一致する）
本明細書に記載の幾つかの又は全ての考え方を取り入れたディスプレイは広く種々の方法で実施が可能である。都合の良いことに、第一の空間光変調器１４は欠陥を含んでも良い。もし個々の要素１６がON又はOFFの構成に留まった場合でも、伝達光学素子２６により導入される不鮮明化は、その様な幾つかの個々の要素の欠陥が結果の画像に対して大きな不利な影響を与えることはない。もし欠陥を持つ要素をはっきりと許容することを望む場合は、以下を含む多くの選択が可能である：
・ 全ての欠陥のある要素１６の状態を示す欠陥マップを保持し、光照射野予測を実施する場合（例えば、ブロック４８において）にこれらの状態を考慮する；及び
・ 全ての欠陥のある要素１６の状態を示す欠陥マップを保持し、ONの要素１６のパターンがこれらの欠陥状態を考慮するよう手配する。例えば、もし第一の空間光変調器１４の特別の領域において要素１６の半分がONであり、他の要素１６の半分がOFFであるべきことをブロック４６が決定する場合、ブロック４６は、ONに留まっている領域中のこれらの欠陥要素をパターン中にONとして含ませ、OFFに留まっている領域中にこれらの欠陥ピクセルをパターン中に、OFFとして含めることを試みることを含んでも良い。
図５は本発明の実施の態様によるディスプレイ コントローラ７０を示す。ディスプレイ コントローラ７０は、例えば、ディスプレイ１０の第一及び第二の空間光変調器の駆動に使用しても良い。ディスプレイ コントローラ７０は表示される画像を規定する画像データ４３を受信する入力部分７２を持つ。コーデック７４は画像データ４３から画像のフレーム７５を抽出する。フレーム７５は、フレーム中の各位置（ｘ、ｙ）の輝度値又はそれと同等の値を特定するデータからなる。フレームを作っているデータはディザ エンジン７６及び訂正マスク生成器７８に用いることができる。
ディザ エンジン７６はフレーム７５に対応する第一の空間光変調器１４の解像度で空間的にディザされたパターン７７を作る。パターン７７は光照射野シミュレータ８０及び第一の空間光変調器駆動回路８２に利用することができる。
光照射野シミュレータ８０はパターン７７に対応する第二の空間光変調器２０の光照射野を予測する。予測７９は訂正マスク生成器７８に使用することができる。訂正マスク生成器７８は、第二の空間光変調器２０の要素の所望の伝達値を計算して第二の空間光変調器駆動回路８４に利用可能な訂正マスク８１を生成する。訂正マスク生成器７８は、少なくとも部分的にフレームデータ７５及び光照射野予測７９に基づく訂正マスク８１を生成する。
第一の空間光変調器駆動回路８２は第一の空間光変調器１４の要素１６をパターン７７により特定されるようにON又はOFFに設定し、ある一つのフレームの持続の間これらの要素を選択された状態に保持する様に構成される。第二の空間光変調器駆動回路８４は第二の空間光変調器２０の要素を、訂正マスク８１により特定される伝達値を持つ様設定するよう構成される。第二の空間光変調器２０がDMDを含む場合、第二の空間光変調器駆動回路８４はONとOFFの状態の間で急速に要素２１を切り替えて、各要素のONの時間とOFFの時間の間の比率が訂正マスク８１に特定される要素の伝達値に対応する様にする。第二の空間光変調器駆動回路８４は、例えば、PWM DMD駆動回路を含んでも良い。DMDを駆動する回路は市場で購入が可能である。この一つの例として、Texas InstrumentsのDMD Discovery（登録商標）チップセットがある。
時間調整システム８６は装置７０の操作を調和させ、フレームの駆動信号が、そのフレームの持続の間、第一及び第二の空間光変調器１４，２０に、それぞれ駆動回路８２及び８４により適用される様にする。
第一の空間光変調器１４はあるフレームの間を通して駆動することは便宜であるが絶対的に必要というものではない。例えば、もし第一の空間光変調器１４が、第二の空間光変調器２０の全ての要素がOFFである任意の時間の間駆動されていないとしても結果の画像に差はない。
本発明は単色のみならずカラーディスプレイにも適用することができる。これは種々の方法で実現されうる。一つのアプローチは時間マルチプレックス法により異なる色彩を表示することである。これは光学通路に異なるカラーフィルターを置くことで実施しても良い。例えば、図１のディスプレイ１０はカラー車輪を含む様に変えることができる。
あるカラーディスプレイでは、複数のカラーチャネル（例えば、赤、緑及び青色のチャンネル）が別々に処理され、異なる色彩チャネルからの光がディスプレイスクリーンにおいて又はその上流で組み合わされカラー画像を表示する。本発明はこの様な方法で実施しても良い。例えば、図６は、赤、緑及び青色部分９０R,９０G及び９０B（総称して部分９０）を持つカラーディスプレイ８８を示す。各部分９０は対応するカラーの光を生成する光ソースを含む。光ソースは別々であっても良く、又は単一の白色光ソースから必要とされるカラーの光を得るように配置された好適なフィルターを含んでも良い。記載された実施の態様においては、別々の赤、緑、及び青色の光ソース１２R、１２G及び１２Bが提供される。
各部分９０は上で説明したディスプレイ１０と実質的に同様の方法で作動するが、部分９０が対応するカラーの画像データに反応して駆動されることが異なる。各部分９０の構成部分はディスプレイ１０の構成部分と同じ参照番号を付し、記号R,G,及びBを追加した。
図７は他のデザインのカラーディスプレイ９５を示す。ディスプレイ９５は第一の空間光変調器９９を照射する光ソース９７を持つ。第一の空間光変調器９９はON及びOFFの状態の間で切替可能な要素１００の配列を含む。第一の空間光変調器９９により変調された光は３つの第二の空間光変調器１０２A,１０２B及び１０２C（総称して第二の空間光変調器１０２）に、プリズム１０４、１０５A,１０５B及びフィルター106及び１０７を含む伝達光学素子１０３によって送られる。
フィルター１０６及び１０７は第一の空間光変調器９９からの入射光を３つのスペクトル成分（例えば、赤、緑、及び青）に分散させる様に作用する。各スペクトル成分は第二の空間光変調器の１０２A,１０２B及び１０２C（総称して第二の空間光変調器１０２）の一つに送られ、変調される。各スペクトル成分は、第一の空間光変調器９９でONに設定された要素１００のパターンにより決定される空間的に変化する強度を持つ光照射野に特徴付けられる。光照射野は伝達光学素子１０３により伝達された、第一の空間光変調器９９の不鮮明化された画像である。
第二の空間光変調器１０２により変調された光はプリズム１０４、１０５A及び１０５Bを通過して映写レンズ１１０及びスクリーン１１１に送られる。スクリーン１１１は前面映写スクリーン又は背面映写スクリーンを含んでも良い。
そのフレームの間における、ディスプレイ９５の第一の空間光変調器９９の要素は空間的に変化する密度を持つパターンを表示する様に設定される。密度は表示される画像の画像データに基づくこともある。ある実施の態様においては、第一の空間光変調器９９の領域でONに設定されている要素１００の密度は、画像データから決定される輝度値に基づき決定しても良い。所望の密度を達成するためにONに設定される要素１００の特定のパターンは、好適な空間ディザアルゴリズム又は空間ディザ エンジンを、例えば、画像データに適用して決定しても良い。ディスプレイ１０の第一の空間光変調器１４を制御するための、上に記載した方法及び装置は、ディスプレイ９５の第一の空間光変調器９９の制御のために適当に変形して適用しても良い。
第二の空間光変調器１０２A,１０２B及び１０２Cは、ディスプレイ１０の第二の空間光変調器２０と本質的に同じ方法で制御しても良いが、第二の空間光変調器１０２A,１０２B及び１０２Cの要素の伝達値が対応するスペクトル成分の画像データ中の情報に基づいて決定されることが異なる。
図８はディスプレイ９５に類似のディスプレイの制御システム１１２のブロック略図である。画像データ１１３は入力部分１１４で受信される。フレームの輝度情報１１５が抽出され、パターン生成器１１６に提供される。パターン生成器１１６は、輝度データに基づく空間的に変化する密度を持つパターン１１７を出力する。パターン１１７が第一の空間光変調器９９の駆動回路１１８に適用される。
パターン１１７はまた予測光照射野１２０を出力する光照射野予測装置１１９に提供される。もし第一の空間光変調器９９と第二の空間光変調器１０２A,１０２B及び１０２Cの間の光学通路の光伝達特徴が異なる場合、光照射野予測装置１１９は各第二の空間光変調器１０２A,１０２B及び１０２Cのパターン１１７に対応する別々の予測された光照射野(120A, 120B及び120C)を生成しても良い。
第一、第二及び第三のスペクトル成分カラー情報(各121A, 121B及び121C)を含むフレームのカラー情報及び対応する予測光照射野１２０(120A, 120B及び120C)が訂正マスク生成器122A、122B及び122Cに提供される。訂正マスク生成器１２２A、122B 及び122Cは、第二の空間光変調器１０２A,１０２B及び１０２Cを各々駆動することのできる駆動回路125A, 125B及び125C (総称して駆動回路125)に提供される訂正マスク122A, 122B及び122Cを生成する。
ディスプレイ９５の様なディスプレイは図２の方法４０に類似の方法により操作しても良い。
ある実施の態様においては、第二の空間光変調器１０２はDMDである。ある実施の態様においては、駆動回路１２５はPWM駆動回路である。
図９は、多くの第一の空間光変調器132A, 132B及び132C（総称して第一の空間光変調器１３２）及び、光が組み合わされカラー画像を形成した後に第一の空間光変調器１３２からの光をさらに変調する第二の空間光変調器１３４を持つ他の代替的デザインのカラーディスプレイ１３０を示す。ディスプレイ１３０は光ソース１３５からの入射光を受ける光サブシステム１３７を持つ。光サブシステム１３７は、光ソース１３５からの光を３つのスペクトル成分（例えば、赤、緑、及び青）に分散し各スペクトル成分を対応する第一の空間光変調器132 A, 132B及び132Cの一つに仕向ける複数のプリズム138及びフィルター１４０を持つ。第一の空間光変調器132 A, 132B及び132Cの各々は、変調器に送られた光を変調するためにONとOFFの状態の間で切替可能な要素の配列を持つ。第一の空間光変調器132 A, 132B及び132Cにより変調された光は、その後カラー画像に組み合わされ、伝達光学素子により第二の空間光変調器１３４に伝達される。伝達光学素子は光を不鮮明にする。第二の空間光変調器１３４により変調された光は映写レンズ１４５及びスクリーン１４６に送られる。
第一及び第二の光変調器は、スクリーン１４６に映写される画像が画像データにより特定される所望の画像を再生する様に駆動される。
上で記述した本発明の実施の態様の説明を簡単にするために、映写装置及び他のDMDベース装置に通常見られそして本発明のディスプレイにも見られる種々の要素については特に記述しない。その様な要素は映写タイプのディスプレイを設計する分野の当業者には知られている。その様な例としては：電源供給、光学通路からの赤外線放射を方向付けるコールドミラー、DMDを照射するために光を集める集積ロッド（integrator rod）、曲げ可能光素子（bending optics）、ハウジング、ユーザー制御装置などがある。
以上の記載より明らかな様に、本明細書に記載のデザイン及び方法が有用に適用される多くの例があり、その幾つかを示すと：
・ 第一のバイナリー光変調器が光ソースからの光を変調し、そしてその光はさらに第二のバイナリー光変調器により変調される単色ディスプレイ
・ 第一のバイナリー光変調器が光ソースからの光を変調し、そしてその光はさらに第二のバイナリー光変調器により変調されるカラーディスプレイであり、光ソースからの光のカラーはサブフレームの間で切り替えられる。例えば、光ソースは、別々に赤、緑及び青色の光ソースを含み、その各々が、ある対応するサブフレームの間においてのみ第一の変調器を照明する、又は白色光からの光は、それが第一の光変調器等を照明する前にカラー車輪を透過するように仕向けられる。カラーについてのこの処理は単純であると言う利点がある。しかし視聴者に満足を与えるように十分大きい速度で赤、緑及び青のサブフレームが順次表示できるように、変調器が高速で更新処理することができることが必要である。
・ 第一及び第二のバイナリー光変調器を複数のカラーチャネルのそれぞれに別々に準備しても良い。例えば、別々の赤、緑及び青のチャネルがそれぞれ、本明細書に記載の様に配置され、操作される第一及び第二のバイナリー光変調器を持っても良い。カラーチャネルからの画像は光学的に重ねあわされカラー画像を作り出しても良い。各カラーチャネルの光は別々の光ソースから提供しても良く又は白色光を必要な数のカラー帯に分離しても良い。その様な実施の態様においては、有利に高輝度を提供することができるがより費用が掛かる（その理由は、これらは3つのカラーチャネルを制御するために６つの変調器及び関連する制御回路及び光学素子を必要とするからである）。
・ 第一のバイナリー光変調器は複数の光成分を持つ光を放射する光ソースからの光を変調しても良い。この光はその後別々のカラー成分に分離され、各光成分（例えば、赤、緑及び青の成分）は対応する第二のバイナリー光変調器に向けられる。第二のバイナリー光変調器により変調された光は統合されカラー画像を作り出す。第一のバイナリー光変調器は、ある実施の態様においては、第二のバイナリー光変調器の空間解像度よりも極めて低い空間解像度を持つ。
・ 複数のカラーチャネルの各々に別々の第一のバイナリー光変調器を提供しても良い。例えば、別々の赤、緑及び青のカラーチャネルがそれぞれ第一のバイナリー光変調器を持っても良い。各カラーチャネルの光は別々の光ソースから提供しても良く又は白色光又の他の複数成分の光ソースを複数のカラー帯に分離しても良い。第一のバイナリー光変調器により変調された光は光学的に組み合わされ、組み合わされた光は、組み合わされた光を変調してカラー画像を作り出す第二のバイナリー光変調器を照明する。第一及び第二のバイナリー光変調器は本明細書に記載の様に配置され操作される。ある実施の態様においては、第二のバイナリー光変調器は、第一のバイナリー光変調器の空間解像度よりも極めて低い空間解像度を持つ。
・ 上の直前の2つの実施の態様の何れにおいても、比較的低い空間解像度を持つことのある単一のバイナリー光変調器が組み合わされた画像（輝度の変調に限る）に作用し、他方別々の変調器は各カラーチャネルに対して変調を与える。別々の変調器により変調されたカラー変調は比較的高い空間解像度を持つこともある。
・ この段落の上に述べた実施の態様においては、第一及び第二のバイナリー光変調器は異なる空間解像度を持ち、バイナリー変調器の内のより低解像度を持つものは、より高い解像度を持つ変調器の空間解像度よりも６４以上又はある場合には１０２４以上の係数で低い解像度（すなわち、制御可能な要素の数）を持つこともある。
・ さらにある実施の態様においては、別々の第一のバイナリー光変調器が複数のカラーチャネルの各々に提供されることもある。例えば、別々の赤、緑及び青のチャネルがそれぞれ第一のバイナリー光変調器を持っても良い。各カラーチャネルの光は別々の光ソースから提供しても良く又は白色光又は他の複数成分の光ソースを複数のカラー帯に分離することにより提供しても良い。第一のバイナリー光変調器により変調された光は光学的に組み合わされ、組み合わされた光は、組み合わされた光を変調してカラー画像を作り出す第二のバイナリー光変調器を照射する。第一及び第二のバイナリー光変調器は本明細書に記載の様に配置され、操作される。この実施の態様においては、一つのカラーチャネルの光を各々変調する第一のバイナリー光変調器は、第二の空間光変調器の空間解像度よりも小さい空間解像度を持つこともある。好ましくは第一のカラー光変調器の空間解像度は第二の空間光変調器の空間解像度よりも最大約２から6倍低いのが良い。人の視覚系統は局地的（高空間周波数）カラー変化よりも局地的輝度変化により敏感である。
・ 第一のバイナリー光変調器は光ソースからの光を変調することもある。第一のバイナリー光変調器からの光は不鮮明化され、そしてLCDパネル含む第二の光変調器又は光の伝達を連続的に又は合理的に広い範囲で多段ステップで制御することのできる他の変調器に送っても良い。
・ 本明細書に記載の光変調方法は３Dデジタル シネマ システムにおいて左右の画像を別々のチャネルで実施しても良い。左右の画像は別々に偏光させても良く又は異なるスペクトル特性を持ち、又は時間インターレース方式で表示しても良い。好適な偏光又はスペクトルフィルターを各チャネルに提供しても良い。
構成部分（例えば、ソフトウエアモジュール、プロセッサ、アセンブリ、機器、回路等）が上に記載されている場合、特に断らない限り、それらの構成部分（手段を含む）への言及においては、その構成部分と同等物として、記載の構成部分の機能（すなわち、機能的に同等）を持つ任意の構成部分を含むと解すべきであり、これらの構成部分は、本発明の代表的な実施の態様において示す機能を実施することのできる開示された構造と構造的に同等でないものを含む。
本明細書に記載のディスプレイのコントローラがソフトウエアで実施される場合、コントローラはデータプロセッサ及びデータプロセッサにアクセス可能な有体的表現媒体に記憶されるソフトウエアの指示を含んでも良い。データプロセッサは一以上の第一の空間光変調器の制御のための第一の信号を、及び一以上の第二の空間光変調器の制御のための第二の信号を、第一及び第二の信号を生成するために画像データを処理するためのソフトウエアの指示を実行することにより生成しても良い。他の実施の態様においては、論理回路又はプログラマブル ゲートアレイ（ＦＰＧＡ）の様な固定又は設定により変更可能なハードウェアが、第一及び第二の制御信号を与えるため、画像データを処理するあるステップ又は全てのステップで実施するために提供されても良い。
本明細書で開示された光に関する技術分野の当業者にとり明らかであるように、本発明を実施する場合、本発明の思想又はその範囲から逸脱することなく、その改変又は変更が可能である。例えば、
・ 第一の空間光変調器においてＯＮ要素の任意の所望の空間密度に対して（全ての要素がＯＮ又はＯＦＦの場合を除く）、第一の空間光変調器の領域に適用可能な種々のパターンがある。ある一つのフレームの間に、ディスプレイ画像に不利な影響を与えることなくＯＮ要素の空間密度を変えることなく、第一の空間光変調器の要素を切替えて、ＯＮ要素のパターンを変えることが可能である。
したがって、本発明の範囲は特許請求の範囲に規定される実質的内容により判断されるべきである。

Claims (5)

  1. プロジェクタであって、
    第一の空間光変調器と、
    前記第一の空間光変調器を照明するように構成され、かつ発光状態と暗い状態との間で切り替えるように構成されたレーザー光源と、
    ここで、前記第一の空間光変調器は、異なる状態の間で切り替えることのできる複数の第一の要素を含み、
    第二の空間光変調器と、
    画像データに基づいて前記第一及び第二の空間光変調器用の第一及び第二の制御信号をそれぞれ生成するように構成されたコントローラと、
    画像データは、表示されるべき画像フレームを形成し、
    前記コントローラは、表示されるべき画像フレームに関する画像データに基づいて状態の空間パターンを生成するように構成され、
    前記コントローラは、画像フレームに関する画像データに基づく状態の空間パターンに従って第一の空間光変調器の要素を決めるために第一の制御信号を生成するように構成され、前記状態の空間パターンは空間的に変化する密度を持ち、
    前記第一の空間光変調器から前記第二の空間光変調器に向けられる光は、前記第一の空間光変調器上から発する光を拡散して、光が前記第二の空間光変調器上に拡散するようにする伝達関数により特徴付けられ、
    前記第二の空間光変調器は、異なる状態の間で切り替えることのできる複数の要素を含み、前記コントローラは前記画像フレームの間に複数回異なる状態の間で第二の空間光変調器の前記複数の要素を切替るように構成され、
    前記コントローラは、前記空間パターン及び前記伝達関数に対応して第二の空間光変調器の光照射野の予測を算出し、第二の制御信号が予測された光照射野に基づくように構成される、プロジェクタ。
  2. 前記コントローラがバイナリーパルス幅変調方式により、異なる状態の間で前記第二の空間光変調器の前記複数の要素を切替るように構成される、請求項１に記載のプロジェクタ。
  3. デジタル・ローパス空間フィルターを更に備え、前記コントローラは前記デジタル・ローパス空間フィルターをパターンに適用することにより光照射野を予測するように構成される、請求項１に記載のプロジェクタ。
  4. 前記第一及び第二の空間光変調器が各々デジタルミラー装置を含む、請求項１に記載のプロジェクタ。
  5. 前記レーザー光源は、レーザー光源のアレイを含む、請求項１に記載のプロジェクタ。
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