JP3688818B2 - 濃度フィルタを有する空間光変調ディスプレイ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ビデオディスプレイシステム、特に空間光変調器を使用するビデオディスプレイシステムに関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
ビデオディスプレイに使用される空間光変調器は、典型的に、最終像内の、各画素、すなわち、各ピクセル毎に１つずつ、複数の個々の素子を制御することによって像を発生する。これらのシステムは、入力ビデオデータを取り扱うことに関して新な調査研究を必要とするいくつかの明確な特性を有する。従来の陰極線管（以下、ＣＲＴと称する）システムは、信号の電圧と観察者によって知覚される輝度との間に非線形応答を有する。これに影響する１つのファクタは、ほとんどのＣＲＴシステムのスクリーン上に使用されるりん（燐）であり、これらのりんは非線形応答を有するが、しかし色を発生するために必要である。空間光変調器を用いると、ＣＲＴシステムのスクリーン表面を照射する光によって色が制御される。個々の素子を照明する光は、例えば、白色光源と或る型式の色フィルタを使用するか、又は着色光源を使用するかのいずれかによって、既に或る色を帯びている。これで以て、従来のＣＲＴシステムの非線形応答を除去する。
【０００３】
空間光変調器システムの線形性のために、ビデオデータを「逆ガンマ」することが必要になる。ＣＲＴシステムは非常に行きわたっているので、ビデオ信号は、この信号経路中に既に組み込まれているシステムの非線形性に対するガンマ補正と云われる補正を施されている。空間光変調器システムのような、線形システムの場合は、この補正を除去しなければならない。
【０００４】
ほとんどの空間光変調器システムの性質には問題が起こる。これらのシステムは、典型的にパルス幅変調（以下、ＰＷＭと称する）によって動作する。入力データ信号は、ディジタル化されて各ピクセル毎に所定数のビットを持つサンプルになる。サンプルの各ビット毎の値は、そのフレーム中のその画素に対する知覚された輝度に依存する。最上位ビット（以下、ＭＳＢと称する）は、約１／２色セグメント時間中表示される。色セグメント時間は、フレーム時間を３で割ったものに等しく、それゆえ各色、すなわち、赤、緑、青は、フレーム時間の１／３を有する。フレーム時間は、入り信号の各像フレームに関連した時間である。６０Ｈｚシステムの場合は、フレーム時間は１６．６７ｍｓであり。これは、標準ＣＲＴシステムがそのスクリーン上に像を書き込む速度であるので、ディスプレイリフレッシュ速度とも称する。
【０００５】
ＰＷＭの動作は眼が変化を感じるには速過ぎるので眼は全色画像を知覚し、かつ眼は時間フレームにわたって輝度及び色を積分する。
【０００６】
次のＭＳＢは、先のＭＳＢの１／２色時間セグメントの１／２を有し、すなわち、色時間セグンメントの１／４を有し、以下同様にして、遂に最下位ビット（以下、ＬＳＢと称する）が表示される。ＬＳＢの幅は、達成可能な最小間隔に依存する。例えば、もし変調器が４０μｓより短い時間内にその素子をスイッチしかつ表示することができないならば、ＬＳＢ時間は４０μｓより短くなることはできない。
【０００７】
しかしながら、６０Ｈｚディスプレイリフレッシュ速度すなわちフレーム時間で動作するＣＲＴの応答を完全にシミュレートするために、そのシステムはデータの８ビットより多いビットを必要とする。４０μｓに等しいＬＳＢ時間を持つ空間光変調器は、色セグメント当たり７ビットより多くを達成することができない。この結果、ＣＲＴシステムの低劣シミュレーションに加えて、いくつかの好ましくないアーチファクトを生じる。像中の低強度領域に、少数のビットがコンチュアリングアーチファクトを生じる。更に、暗領域が「汚れ」て見え、かつデータ圧縮アーチファクトが強化される。これらの問題は、もし或る動作方法を使用してサンプル当たりより多くのビットを使用するようにシステムを動作させるとしたならば、除去することができるであろう。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ビデオ像の改善された表示のためのシステム及び方法を提供する。このシステムは、各色毎に濃度フィルタ（以下、ＮＤＦと称する）を備える色ホイール又はフィルタを使用する。各色に対するＮＤＦは、より長い時間間隔中ビットを表示できるようにし、下位ビットの表示に対する時間の或る最小量である限界を克服する。
【０００９】
このシステムの利点は、このシステムが表示像内にサンプル当たりより多くのビットを使用できるようにし、アーチファクトを少なくした像しかも従来のディスプレイシステムの像により密接に整合する像を発生すると云うことである。
【００１０】
【実施例の形態】
従来のＰＷＭシステムにおいては、ＭＳＢは色セグメント時間の１／２を受ける。色セグメント時間は、典型には、フレーム時間の１／３、つまり赤、緑、青毎に各フレーム時間の１／３ずつである。６０Ｈｚシステムの場合は、フレーム時間は１／６０秒、すなわち、１６．６７ｍｓである。この６０Ｈｚ速度もまた、ディスプレイリフレッシュ速度と称し、これはＣＲＴシステムの書込み時間に由来する。この結果、０．０１６６７／３ｍｓ、すなわち、５．５６ｍｓの、したがってまた５，５６０μｓの色セグメント時間を生じる。
【００１１】
赤、緑、青の３つの同等のセグメントを備える色ホイールを使用する色ホイールシステムの場合は、この時間はスポーク時間を含まなければならない。スポーク時間は、色と色との間のホイールのスポークが光源の前を通過するのにかかる時間である。この時間は、変調器のアドレス指定電子回路へデータをロードするにかかる時間、及び変調器の個々の素子の応答時間を含まなければならない。
【００１２】
見積として、５，５６０μｓシステムを使用して表１を作ることができ、この表は、ビット７をＭＳＢ、かつビット０をＬＳＢとする、従来のＰＷＭを使用する８ビットシステムに対して、各有効ビット毎に割り当てられた時間を示す。
【００１３】
【表１】

【００１４】
したがって、４０μｓと云うような最短時間を有する変調器の場合、データの７ビットより多くを表示することはできない。２１μｓは、素子が新データにリセットし、次のデータを受け、この新データにリセットするのに充分な時間を与えることができない。このような限界を有する変調器の１例は、図１に示されている。
【００１５】
図１は、ディジタルミラーデバイス（以下、ＤＭＤと称する）として知られた変調素子１０の側面図を示す。ミラー２０は、水平位置において安定であり、ビーム１６によって支持されている。ミラー２０がアドレス電極１２ｂによってアドレス指定されるとき、ミラー２０はその片側をランディング電極１４ｂに座着させかつ位置２２ａを取るまで傾斜する。データのミラー２０に関するビットが持つ時間が経過した後、ミラー２０はリセットされる、すなわち、ミラー２０を新データに応答させる信号を与えられる。この論議のために、もしデータが、上に論じたように、ミラー２０に位置２２ａを取られせるならば、ミラー２０はオンであると仮定する。ミラー２０からの光がスクーン又は表面に像を形成する面へ反射する。
【００１６】
リセット信号の後、新データがオン信号であるならば、これがミラー２０を位置２２ａへ復帰させ、又は新信号がオフあるならば、その場合はミラー２０に位置２２ｂを取らせる。位置２２ｂは、アドレス電極１２ａをアドレス指定して、ミラー２０をランディング電極１４ａに座着させることによって達成される。オフ位置においては、ミラー２０が水平を維持するのではなく反対位置を取ることが望ましく、これは反対位置を取ることで以てヒンジがオン位置へ向けて永久に傾斜するのを防止しかつ光学システム内のオン経路とオフ経路との間に大きな離隔を置くからである。
【００１７】
しかしながら、ミラー２０の運動に関連したミラー２０応答時間がある。この応答時間は、或る時間間隔、すなわち、ミラーフライト時間と呼ばれる、ミラー２０が新位置を取るのにかかる通常約１０μｓを要する。この応答時間は、ＬＳＢ時間内に許されなればならない最小時間量を限定する時間である。ＤＭＤ以外の他の変調器も、類似の限定をそれらの応答時間に課せられる。アクチュエーテッドミラーデバイス、すなわち、ＡＭＡは、そのミラー運動について類似の限定を課せられる。液晶セルには、セルをオンオフするために、ねじる時間を与えなければならない。
【００１８】
しかしながら、色セグンメント時間内により多くのビットを処理できるようにする方法及びシステムが存在する。システムに利用可能なサンプル当たりエキストラビットが低強度コンチュアリングのアーチファクト、「汚れ」た暗領域を除去するのを助け、かつ連続強度応答をより良くシミュレートするのを助ける。
【００１９】
システムに課せられる限界は、ＬＳＢを適正に表示するために利用可能な時間の最小量である。したがって、もしＬＳＢ時間を長くする方法があるとしたならば、限界は適用されないことになる。しかしながら、もし標準濃度色ホイールを使用したならば、ＬＳＢ時間を長くすることは画像を変化させることになる。
【００２０】
色ホイールが各色セグメント内に低濃度セグメントを含むことによって、ＬＳＢ時間を延ばすことができ、各データサンプル毎により多くのビットを使用できるようにする。この色ホイールの例は、図２に示されている。
【００２１】
色ホイール３０は３つのセグメントを有し、これらのセグメントの各々は１２０゜の弧長θ_CSを有する。各弧長θ_CSは、短い弧長θ_NDF のＮＤＦを含む。例えば、１つの弧長θ_CSが、青である主色セグメント３２と青にＮＤＦを加えて得られるθ_NDF の長さの低濃度青セグメント、すなわち、ＮＤＦセグメント３４とを含む。ＮＤＦセグメント３４を可能にするには、その下位ビットに対する時間をそのＮＤＦセグメント３４の濃度に逆比例して長くしなけらばならない。上位ビットは、従来のＰＷＭで以て変調される。
【００２２】
ＮＤＦを用いるＰＷＭ（以下、ＮＤＦ・ＰＷＭと称する）システムに対するタイミング線図の例は、図３に示されている。標準ＰＷＭシステムの場合、タイミング線図は、ＭＳＢの始まりである時刻ｔ₀ に開始する。ＭＳＢは、時刻ｔ₁ まで、その従来の約２，７８０μｓの時間幅の間表示される。ＰＷＭは、時刻ｔ₆ におけるビット０の終端まで標準ＰＷＭシステム、ＮＤＦ・ＰＷＭシステムにそれぞれ対する２つの線図間でほとんど同じである。
【００２３】
しかし、ＮＤＦ・ＰＷＭシステムに対する線図では、エキストラビットはビット０時間と同じ長さである時刻ｔ₇ からｔ₈ までの時間幅の間表示されるが、しかしこのビットに対するセグメントの強度は色セグメントのうちの主色セグメント３２の強度の５０％に過ぎない。強度を半分にすることによって、そのビットを２倍長く表示することを許される。したがって、８ビット用ＮＤＦ・ＰＷＭシステム内の時間は、４３μｓだけ長くなる。エキストラ４３μｓの使用するには、これにそのシステム中の他のビットを適応させなければならない。
【００２４】
これら下位ビットに対する時間は、主色セグメント３２の強度とＮＤＦセグメント３４の強度との比に従来のＰＷＭ時間を乗じたものである。例えば、上掲の８ビットに対する時間は、４３／２μｓ、すなわち、２１．５μｓである。主色セグメント３２のＮＤＦセグメント３４に対する強度比は２：１である（ＮＤＦセグメント３４の強度は主色セグメント３２の強度の１／２）。これは、２×２１．５μｓ＝４３μｓである。しかしながら、上に挙げたように、４３μｓだけ時間を長くすることは、他の、従来式に変調されたビットにとって利用可能な時間の量を減少させる。
【００２５】
この結果、傾向例として下の表２に示されるように、システムの光効率の総合的低下を招くことがある。表２は、各ピクセルに対するデータサンプル当たりビット数を意味する、システムのビット数を示す。ＮＤＦの濃度は、１と仮定される主色セグメント３２の濃度に比較してのＮＤＦセグメント３４の濃度である。例えば、０．５のＮＤＦセグメント３４の濃度は、ＮＤＦセグメント３４の濃度がその色の主色セグメント３２の濃度の１／２であることを意味する。或る数のビットのシステムの場合、「ＮＤＦ内ビット」として示されたように、７ビットシステムのＮＤＦセグメント中に表示されるＬＳＢより多い数のＬＳＢを表示することがある。
【００２６】
ＬＳＢ時間はシステムへの制限である、すなわち、システムは時間の或る量より下ではＬＳＢを持つことはできないから、時間のその量を通常ＬＳＢ時間と称し、他のビットに対する時間はＬＳＢ時間の倍数である。例えば、７ビットシステムにおいて、ＭＳＢ時間は、６４×ＬＳＢ時間である。色ホイールのＮＤＦセグメントに使用される時間の量も表２内で比較されている。
【００２７】
【表２】

【００２８】
表２から判るように、データのより多くのビットを表示するために得ることができるが、しかしこの例ではＬＳＢ時間及び総合光効率は短縮し及び低下する。総合光効率の低下は、像の知覚される輝度を低下させる。この例に示されたＬＳＢ時間の短縮は、アドレス指定システムのデータ処理機能及びメモリ機能に大きなロードを掛ける結果を招くことがある。しかしながら、これらのトレードオフの使用は、システム技術者の役目である。上掲のシステムは、より多くの数のビットを空間光変調器の時間制約内での作像に利用可能にし、システムにアーチファクトを減らした像を投影可能にする。
【００２９】
これらの例に使用されるタイミングは、論議目的上簡単化されている。これらの時間には、リセット許容時間、スプリットビット用エキストラリセット時間、大域リセットを有するデバイス上の短ビット用特別クリヤ時間、及びスポーク許容時間ばかりでなく、変調器の動作に必要なその他諸々の特殊時間を計算に入れなければならない。表１及び図２のタイミング線図は、本発明の全般構想の説明のためにこれらの時間を計算に入れていない。しかしながら、表２に与えられた時間は、これらの時間を計算に入れてある。
【００３０】
ＮＤＦの上述の使用を、また、他のシステムアーキテクチャに組み込むことができる。単色システムでは、上の色ホイールの代わりに透明ホイールを用いることになる。ＮＤＦ領域は、グレイの或る所定のシェードであることになる。これで以て、単色システム内でより多くのビットを使用することができるようになる。
【００３１】
更に他の実施例は、２チップシステムを含み、ここでは２つの空間光変調器及び２つの色ホイールが存在する。１つの色ホイールは、１色を有し、第２色ホイールは２色を有することになる。各色は、固有のＮＤＦ領域を有することになろう。３チップシステムでは、各空間光変調器が１色及び１つのＮＤＦ領域を備える固有の色ホイールを有することもある。これに代えて、全システムが１つのホイールを有することがあり、このホイールはグレイＮＤＦ領域を伴う透明であり、この場合各変調器は固有の着色光源を有することになる。
【００３２】
これらの多重色ホイールシステム、又は単一ホイールスシステムにおいては、ことごとくの色ホイールが必ずＮＤＦセグメントを持たなければならないと云うのではない。システムの特定の色縦断面に関係した理由から、１色はＮＤＦセグメントを持ち、かつ他の色はこれを持たない、等々のことがある。更に、上述のフィルタは色ホイールを使用しているが、他の型式のフィルタも使用することができる。例えば、液晶可変ＮＤＦ又は色コントローラも振幅変調を制御するために使用することができる。
【００３３】
このように、ディスプレイシステム内のビットの数を増大するシステム及び方法を特定の実施例について説明したが、このような特定の実施例を、前掲の特許請求の範囲に記載を越えて、本発明の範囲への限定であると考えないように願うものである。
【００３４】
以上の説明に関し更に以下の項を開示する。
【００３５】
（１） 空間光変調器であって、個々の素子のアレイのうちの選択されたいくつかの素子の偏向によって像を発生するような、前記空間光変調器、
前記空間光変調器を照明するように動作する光源、及び
前記光源からの光が前記空間光変調器を照射する前に前記光を通過させる少なくとも１つのフィルタであって、中性濃度領域を含む前記フィルタ
を含むビデオディスプイレシステム。
【００３６】
（２） 第１項記載のシステムにおいて、前記空間光変調器がＤＭＤである、システム。
【００３７】
（３） 第１項記載のシステムにおいて、前記空間光変調器がＡＭＡである、システム。
【００３８】
（４） 第１項記載のシステムにおいて、前記空間光変調器が液晶デバイスである、システム。
【００３９】
（５） 第１項記載のシステムにおいて、前記フィルタが液晶コントローラである、システム。
【００４０】
（６） 第５項記載のシステムにおいて、前記液晶コントローラが色を制御するように動作する、システム。
【００４１】
（７） 第５項記載のシステムにおいて、前記液晶コントローラがＮＤＦの値を制御するように動作する、システム。
【００４２】
（８） 第１項記載のシステムであって、３つの空間光変調器と１つの色ホイールとを含むシステム。
【００４３】
（９） 第１項記載のシステムであって、３つの空間光変調器と３つの色ホイールとを含むシステム。
【００４４】
（１０） 第１項記載のシステムであって、２つの空間光変調器と２つの色ホイールとを含むシステム。
【００４５】
（１１） 像を発生するのに使用されるパルス幅変調方法であって、
従来のパルス幅を持つデータサンプル当たり所定数のビットのうちの上位ビットを表示するステップ、及び
データサンプル当たり前記所定数のビットのうちの下位ビットが、該下位ビットに対する従来のパルス幅にフィルタ強度と前記フィルタのＮＤＦセグメントの所定低強度との比を乗じたものに等しいパルス幅を持つように、前記下位ビットを表示するステップ
を含む方法。
【００４６】
（１２） 第１１項記載の方法において、前記下位ビットを表示するステップが更に８ビットシステムの１つの前記下位ビットを表示することを含む、方法。
【００４７】
（１３） 第１１項記載の方法において、前記下位ビットを表示するステップが更に９ビットシステムの２つの前記下位ビットを表示することを含む、方法。
【００４８】
（１４） 第１１項記載の方法において、前記下位ビットを表示するステップが更に１０ビットシステムの３つの前記下位ビットを表示することを含む、方法。
【００４９】
（１５） 第１１項記載の方法において、前記下位ビットを表示するステップが更に１１ビットシステムの４つの前記下位ビットを表示することを含む、方法。
【００５０】
（１６） 第１１項記載の方法であって、５ビットシステムに適用される、方法。
【００５１】
（１７） 第１１項記載の方法であって、６ビットシステムに適用される、方法。
【００５２】
（１８） 第１１項記載の方法であって、７ビットシステムに適用される、方法。
【００５３】
（１９） 第１１項記載の方法であって、１２ビットシステムに適用される、方法。
【００５４】
（２０） ビデオディスプレイシステムに使用されるように動作するフィルタホイールであって、
ＮＤＦセグメントが前記セグメントの低強度の領域を含むように、前記ＮＤＦフィルタを有する前記ホイールの少なくとも１つのセグメント
を含むフィルタホイール。
【００５５】
（２１） 少なくとも１つの空間光変調器を含むビデオディスプレイシステム内の使用に利用可能なビットの数を増大するシステム及び方法。前記システムは、ＮＤＦと称する低強度領域を有する少なくとも１つのセグメント３４を含む、３色のホイール３０、又は透明である１つの色ホイールを使用する。これに代えて、フィルタは、光振幅又は色のいずれかを制御する液晶コントローラであってもよい。低強度領域を使用することによって、データサンプルのＬＳＢを処理するのに利用可能な時間の量を増大し、それによって表示に利用可能なビットの数への制約を除去する。
【図面の簡単な説明】
【図１】空間光変調器の側面図。
【図２】本発明の実施例の、各色に対するＮＤＦを備える色ホイールの前面図。
【図３】従来の標準ＰＷＭと本発明の実施例のＮＤＦを使用するＰＷＭとを対比させたタイミング線図。
【符号の説明】
１０ ＤＭＤ
１２ａ、１２ｂ アドレス電極
１４ａ、１４ｂ ランディング電極
１６ ビーム
２０ ミラー
３０ 色ホイール
３２ 主色セグメント
３４ ＮＤＦセグメント

Claims (2)

1. 空間光変調器であって、個々の素子のアレイのうちの選択されたいくつかの素子の偏向によって像を発生するような、前記空間光変調器、
   前記空間光変調器を照明するように動作する光源、
   イメージデータビットに従って、前記空間光変調器の各素子を、
   パルス幅変調方式で制御するよう作動する制御器、
   前記光源からの光が前記空間光変調器を照射する前に前記光を通過させる少なくとも１つのフィルタであって、中性濃度領域を含む前記フィルタ、及び
   前記少なくとも１つのフィルタを動かして、前記中性濃度領域が、前記光の通路にある期間が、ある前記イメージデータビットのディスプレイ期間であって、その他のイメージデータビットのディスプレイ期間ではない、ようにする手段、
   を含むビデオディスプイレシステム。
2. 像を発生するために使用されるパルス幅変調方法であって、
   従来のパルス幅を持つデータサンプル当たり所定数のビットのうちの上位ビットを表示するステップ、
   データサンプル当たり前記所定数のビットのうちの下位ビットが、該下位ビットに対する従来のパルス幅にフィルタ強度と前記フィルタの中性濃度セグメントの所定低強度との比を乗じたものに等しいパルス幅を持つように、前記下位ビットを表示するステップ、及び
   フィルタセグメントと中性濃度フィルタセグメントを有するフィルタホイールを、光の通路を通して回転させるステップ、
   を含む方法。

Images