JP3993201B2 - ピクセル化カラー画像の投影システムおよび方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般にビデオ技術に関し、詳細には、ｉＭｏＤ（interferometric Modulator：干渉型変調器）と反射型光変調器を持つ表示装置に関する。

当技術分野において、様々なタイプのデジタル・プロジェクタが知られている。１つの普通のタイプは、２色性（ダイクロイック）光学素子、３個の光変調器チップ、および結合形光学素子を組み合わせたものを使用している。この２色性光学素子は、光を原色ビームに分けて、これら３個の光変調器チップの１つ１つが、それぞれのビームを変調できるようにしている。変調後に、これらの光ビームを再結合してから、それらのビームを表示面上に表示させる。３個の光変調器チップを備えることにより、このようなタイプのプロジェクタのサイズと費用が増す。

別法として、ＬＣＤチップまたはＬＣＤパネルの使用は、いくぶん経済的であることもある。しかしながら、ＬＣＤパネルは、光の偏光を必要とする。光を偏光させると、出力輝度が弱められると同時に、偏光させる費用が追加される。

他のタイプのプロジェクタは、回転式カラーフィルタ・ホイールを通る白色光源や、マイクロミラー・アレイなど、順次色生成の組合せを利用している。潜在的な彩度の大部分が失われ、また、順次色を用いることから、色分離などの視覚的なアーチファクトが発生する。スクローリング式カラー・ホイールなどの設計により、これらの問題が一部緩和されるとはいえ、複雑さや、タイミングおよび組立ての困難な問題が、そのシステムに加わることもある。

本発明の原理に従い、一実施形態において、投影システムは、ピクセル化カラー画像を表示面上に投影する。この投影システムは、光源、ｉＭｏＤ、反射型光変調器を含む。ｉＭｏＤは、光の波長を変調し、変調された光を表示面に向けて反射するように構成されている。反射型光変調器は、光源から光を受け取り、その光を、ｉＭｏＤと表示面とに選択的に反射するように配置されている。

図１は、ピクセル化（pixelized）カラー画像を表示面４上に投影する投影システム２の一実施形態を示している。投影システム２は、光源６、反射型光変調器または反射ベースの変調器アレイ８、色変調器または色変調器アレイ１０、光トラップ１４、画像処理ユニット１６、表示用光学素子（viewing optics）１８を含む。一実施形態では、表示用光学素子１８は、投影光学素子１２と表示面４を含む。図１は、本発明が用いられる特定のプロジェクタ・システムの実現に特有の様々な光学構成要素（例えば、インテグレーティング・ロッド（integrating rod）、ホモジナイザ（homogenizer）、リレー光学素子）は図示していない。

本発明を説明するときに、様々な用語を使用して、一般に、複雑な概念を表わす。例えば、「色」という語を、光ビーム、あるいは光のピクセルまたはスポットに用いるときに、この語は、この開示と一致する２つ以上の意味を持つこともある、ビームまたはピクセルの特定の分光分布をさす。例えば、赤の色は、非常に単色光の赤色光ビームをさすか、あるいは、赤付近にスペクトル・ピークがある分光分布を持つ光をさすことがある。

光源６は、投影システム２での使用に適した任意の光源である。このような、適した光源６の一例は、超高圧水銀ランプである。さらに、本発明の利点の１つは、光源６からのさらに低いエタンデュ（etendue）要件である。その結果、キセノンランプやプラズマランプも、適切な光源６の例である。

色変調器アレイ１０は、光の波長を変調し、変調された光を反射して、表示面４に向けるように構成された任意の装置またはシステムである。一実施形態では、色変調器１０は、単一波長の周りにピークを作る「輝度」対「波長」分布を生成するように構成されている。他の実施形態では、色変調器１０は、入ってくる光の大部分を吸収することで、入ってくる光の分光分布を変更するように構成されている。

一実施形態では、色変調器１０は、衝突した光の分光分布を変調して、印加電圧信号に応答して出力色を生成する干渉ベースの変調器すなわちｉＭｏＤである。このようにして、ｉＭｏＤ１０は、表示面４に伝達される色分布または分光分布を選択する。ｉＭｏＤの場合には、色変調器１０はまた、ファブリー・ペロー（Ｆａｂｒｙ Ｐｅｒｏｔ）ベースの光処理装置としても知られている。

一実施形態では、色変調器アレイ１０は、セルまたは色ピクセル要素のアレイを含む装置である。それぞれの色ピクセル要素は、白色光を受け取って、色変調器１０の設計に応じて、赤、緑、青、シアン、黄、マゼンタ、紫、または他の色など、特定の波長の周りにピークを作る色分光分布を持つ光を出力する能力がある。

一実施形態では、各セルは、光共振器（optical cavity）を含み、また、そのセル・アレイと垂直な寸法は、光共振器を形成するのに役立つ対向するプレート間の電圧印加に応じて変わる。これは、対向するプレート間の電圧を制御するか、あるいは、対向するプレートの一方または両方への電荷注入を制御して、行うことができる。

白色光は、これらのセルのそれぞれに衝突する。光学的干渉の結果として、それぞれのセルは、特定の波長の周りにピークを作る「輝度」対「波長」分布を持つ光を反射する。したがって、それぞれのセルの出力は、電圧または電荷で選択されたピーク波長である。次に、この光を、それぞれのセルで反射させて、表示用光学素子１８および／または表示面４に至らしめる。

模範的な一実施形態では、それぞれのセルはまた、黒色位置（入力電圧または入力電荷の結果として）を持ち、その黒色位置では、セルから反射される光は、ほとんどないか、または全くない。これを、光変調器要素用の黒色状態と呼ぶことができる。

反射型光変調器８は、投影システム２において、選択的に光を反射させるのに適した任意の装置である。反射型光変調器８は、光源６から光を受け取り、この光を、色変調器１０と表示面とに向けて選択的に反射するように配置されている。反射型光変調器８は、色変調器１０と同じ解像度か、色変調器１０とは異なる解像度のいずれかを持つことができる。適切な反射型光変調器８の一例は、デジタル・マイクロミラー装置である。このデジタル・マイクロミラー装置はまた、デジタルミラー装置（ＤＭＤ）、またはデジタル光処理装置（ＤＬＰ）チップとしても知られている。

一実施形態では、反射型光変調器８は、反射面２０（図２〜図４）またはミラー要素２０のアレイを含む。それぞれのミラー要素２０は、投影システム２を貫く少なくとも２つの可能な光路を定めるように構成されている。第１の光路では、色変調器１０を迂回しながら、光は、ミラー要素２０から表示用光学素子１８に進む。第２の光路では、光は、色変調器１０で変調された後に、表示用光学素子１８に進む。

説明を容易にするために、本開示では、光は、構成要素から構成要素へと「送られている」ものとして表わされる。本技術分野においては、リレー光学素子、均質化（homogenizing）光学素子またはインテグレーティング光学素子、偏光光学素子などの介在する光学素子の詳細は知られているから、これらの介在する光学素子の説明は省略する。

投影光学素子１２は、変調器８と変調器１０から、変調された光を受け取って、その光を、表示面４上に映す。プレゼンテーション様式の正面投影システムの実施形態では、投影光学素子１２は、「投光距離の長い（long throw）」光学素子を含み、また、表示面４は、物理的に投影システム２とは別個の投影画面または他の表面を含む。背面投影テレビジョン（ＲＰＴＶ）用の代替実施形態では、投影光学素子１２は、「投光距離の短い（short throw）」光学素子を含み、また、表示面４は、投影システム２と一体の画面を含む。

光トラップ１４は、反射型光変調器８から反射された光を受け取って、その光が表示面４上で見られないようにするなどして、投影システム２の適正な動作、あるいは投影システム２による画像形成に悪影響を与えないようにするように構成された任意の装置またはシステムである。光トラップ１４を有する本発明の一実施形態では、反射型光変調器８は、さらに、光を光トラップ１４に向けて選択的に反射させるように構成されている。

画像処理ユニット１６は、ビデオ信号、画像信号、またはその両方の信号を受け取って、かつ、変調器８と変調器１０に適正な制御信号を発生させて、光源６からの光ビームを適正に変調するように構成されたハードウェアと実行可能コードとの任意の組合せである。画像処理ユニット１６は、入ってくる情報を、赤、緑、青（Ｒ、Ｇ、Ｂ）座標などの座標に変換する座標変換装置や、制御情報をバッファリングした後で、この制御情報を変調器８と変調器１０に渡す装置などの装置を含むことができる。

図２〜図４は、ただ１つのミラー要素２０または反射型ピクセル要素２０の動作の模範的な一実施形態を示している。図示されてないが、ただし、当業者が予測可能な他の実施形態も可能である。反射型光変調器８は、このようなミラー要素２０のアレイを含むことが予想される。図２〜図４に示される品目の位置、および相対的なサイズと形状は、本発明をさらに明確に図解するために、簡略化されている。例えば、ミラー要素２０は、二層のミラー外観をもたらすような、上に反射構造物が横たわる別個のヨーク・ヒンジ構造物などの構造物を含むことができる。このような構造的な複雑さの説明は、本発明を明らかにしないので、避けられる。

一実施形態では、ミラー要素２０は、下に横たわる基板と、関連するアドレス指定電子回路を含む。模範的な一実施形態では、このアドレス指定電子回路により、ミラー要素２０は、次の３つの位置、すなわち、（１）ミラー要素２０の表面が、このミラー要素の下にある基板表面にほぼ平行であるような中立位置、リセット位置、またはラッチ解除位置、（２）ミラー要素２０が、静電気的に、かつ角度的に第１の側に偏向されるような第１のラッチ位置または偏向位置、または、（３）ミラー要素が、第１の側と反対の第２の側に角度的に偏向されるような第２のラッチ位置または偏向位置を取ることができる。代替実施形態では、このアドレス指定電子回路により、ミラー要素２０は、２つの位置を取るか、あるいは、所望の位置をいくつでも取ることができる。

図２に示されているものは、ミラー要素２０が、色変調の介在なしに、光を光源６から表示用光学素子１８に向けて送るように、第１の偏向位置にあるただ１つのミラー要素２０である。色変調を避けることにより、この光の吸収損失が低下し、かつ、色変調器１０中に発生する熱が少なくなる。色変調器１０中に発生する熱が少なくなることにより、色変調器１０に関する冷却要件が減らされる。

光の吸収損失を減らすことにより、さらに多くの光を表示用光学素子１８に送ることができる。ミラー要素２０が、第１の偏向位置にある結果として、表示面４上に、明るい白ピクセル要素が現れる。

さらに、この光は、色光変調を避けるから、色変調器１０は、変調すべき光が少なくなる。その結果、色変調器１０向けの変調すべき光をさらに少なくすることで、色変調器１０で処理されるデータ・ビット数を減らすことができる。データ・ビット数を減らすことで、色変調器１０は、さらに低いデータレート要件を持つことができる。

図３に示されているものは、ミラー要素２０が、下に横たわる基板にほぼ平行であるような中立位置にあるただ１つのミラー要素２０である。この位置では、ミラー要素２０からの光は、色変調器アレイ１０の１つまたは複数のピクセル要素に送られる。

図４に示されているものは、第２の偏向位置にあるただ１つのミラー要素２０である。この位置では、ミラー要素２０からの光は、光トラップ１４に送られる。プロジェクタ・システム２用の代替実施形態では、第２の偏向位置は、光を、光源６から、色変調器アレイ１０の１つまたは複数のピクセル要素に向けて送るために、利用される。この代替実施形態では、このミラー・アレイ用の中立位置は、光を光トラップ１４に送るために使用されることができる。

再び、図１〜図４を参照すると、光源６からの光ビームは、反射型光変調器８により、さらに小さい光ビームに分けられる。これらの小さい光ビームはそれぞれ、２つの光路のうちの１つを取った後で、表示面４上にピクセルを形成する。第１の光路の場合には、この小さいビームは、色変調器１０により色変調されることなく、反射型光変調器８から表示面４に進み、したがって、光源６とほぼ同じ分光分布または色を持つピクセルを、表示面４上に生成する。第２の光路の場合には、この小さいビームは、反射型光変調器８から色変調器１０に進み、次に、表示面４に進んで、色変調器１０に送られた制御信号による色または分光分布を持つピクセルを、表示面４上に形成する。

それぞれの小さいビームで取られる光路の選択は、表示面４上の所望のピクセルカラーによって決まる。ピクセルに、白色、または、ほぼ光源６の色が求められる場合には、光ビームは、反射型光変調器８に進み、そこで、この光ビームは偏向されて、色変調器１０からの色変調なしに、第１の光路に沿って表示面４に至る。その結果得られるピクセルの色は、変調されず、それゆえ、ほぼ白色のピクセルが、表示面４上に表示される。

光源６とは異なる色を持つピクセルが求められる場合には、光は、反射型光変調器８に進み、そこで、この光ビームは偏向されて、色変調器１０に至る。色変調器１０は、光の色または分光分布を変調し、かつ、その光を偏向して、表示面４に至らしめる。

ピクセルに、黒色が求められる場合には、光ビームは、反射型光変調器８に進み、そこで、この光ビームは偏向されて、光トラップ１４に至る。これは、光を、表示面４に到達させないようにすることから、黒ピクセルが得られる。色変調器１０が黒色状態を呈する場合に、この光を偏向させて色変調器１０に至らしめることにより、黒ピクセルも生成することができる。

図５は、本発明の一実施形態のステップを表わす流れ図である。図５に表わされるステップは、特定の順序で提示されているが、本発明は、このようなステップ順序の変更を包含する。さらに、本発明の範囲から逸脱することなく、図５に示されるステップ間に、追加のステップを実行することができる。

光を発生させる（２２）。一実施形態では、光源６により、光を発生させる（２２）。代替実施形態では、他の場所で光を発生させて（２２）、その光をパイプで投影システム２に送る。

一実施形態では、反射型光変調器８が、光をｉＭｏＤ１０に向けて、および表示面４に向けて反射するように位置決めされる時間が、ピクセル化カラー画像のピクセルごとに特定される（２４）。

一実施形態では、この発生した光を選択的に反射させるか、または通して（２６）、ｉＭｏＤ１０か、表示面４のいずれかに向ける。代替実施形態では、この発生した光を、ｉＭｏＤ１０か、表示面４か、光トラップ１４のいずれかに向けて選択的に反射させる。ｉＭｏＤ１０は、光の波長を変調し（２８）、この変調された光を反射して、表示面４に向ける。一実施形態では、表示面４に向かう上記反射光の焦点を、投影光学素子１２で合わせた（３０）後で、その反射光を表示面４に送る。

再び、図１を参照すると、画像、一連の画像、またはビデオ・シーケンスを形成する情報を、画像処理ユニット１６にて受け取る。画像処理ユニット１６は、その情報を処理し、次に、この画像、一連の画像、またはビデオ・シーケンスを表示面４上に生成するために、変調器８と変調器１０を含む様々な構成要素を適正に制御する。

入ってくる信号は、Ｓ−Ｖｉｄｅｏ、ＰＡＬ信号（ヨーロッパのビデオ標準）、またはかなりの間、米国のテレビジョン標準であるＮＴＳＣ信号を含むいくつかの可能な標準の１つであってよい。投影システム２用の制御電子回路を実現する方法がいくつかあるが、以下のものが一例である。

この説明を簡単にするために、光源６は、充分バランスが取れた白色光源と見なされる。そうでない場合には、このフレーム期間の一部を色補正用に割り当てることにより、色光変調器１０を用いて、補正を行うことができる。

画像処理ユニット１６は、受け取られた情報を、画像処理ユニット１６のフレーム・バッファで使用できる情報に変換する座標変換装置を含む。例えば、入ってくる情報は、１フレームずつ、赤、緑、青（ＲＧＢ）値に変換されることができる。各ビデオ・フレームに対し、表示面４上に表示されるべき各ピクセルに対するＲＧＢ値のアレイが存在する。

各ピクセル位置では、Ｒ、Ｇ、Ｂの成分は、それぞれ、Ｎｒ、Ｎｇ、Ｎｂとして表現することができる。ここで、Ｎｒは、表示される赤色成分であり、Ｎｇは緑色成分であり、さらに、Ｎｂは青色成分である。さらに詳しく述べると、Ｎｒ、Ｎｇ、Ｎｂは、特定のフレーム期間中のピクセル位置に対する、赤色成分、緑色成分、青色成分の輝度に比例する正規化された値である。

変調器８と変調器１０用の制御信号を供給するために、上述したように、色変調器を迂回する第１の光路を定める純白色信号を分離することが望ましい。これは、以下のように算出できる。

Ｎｗ＝「白色成分」＝Ｎｒ、Ｎｇ、Ｎｂに対する最小値。この値は、第１の光路が使用される、フレーム期間上のそのピクセル用の期間を定めている。言い替えれば、これは、白色光がそのピクセル位置に向けられる、フレーム期間の一部を定めている。

このフレーム期間の残りの間、この光の白色でない部分を、第２の光路を用いて生成できる。このような寄与は、白色成分の減算された係数から算出される。

Ｎｒ−Ｎｗ、Ｎｇ−Ｎｗ、Ｎｂ−Ｎｗ＝Ｒ成分、Ｇ成分、Ｂ成分（それぞれ、色変調器１０を用いて生成される）。これらの成分は、以後、色成分の「残差（residual）」と呼ばれる。

ほとんどの実際の白色光源は、完全にはバランスが取れていない。例えば、超高圧水銀（ＵＨＰ Ｈｇ）光源は、いくぶん赤色が不足しがちである。「だいたい白色の」光源ということは、スペクトル的にバランスが取れている光源、あるいは、いくらかの不足分を持つ光源（例えば、ＵＨＰ Ｈｇ光源）を含む。画像処理ユニット１６は、バランスが不充分な広域スペクトル、あるいは、ほぼ白色の光源について補正するために、補正係数「ルックアップ・テーブル」を含むことができる。別法として、赤色ＬＥＤなどの追加光源を使用すれば、光源の不足分を補うことができる。

図６に示されているものは、画像表示面４上のただ１つのピクセルに対して、フレーム期間Ｔ中に、色信号を生成する模範的な動作タイミング図である。変調器８、１０は、ピクセルを適正に生成するために、協働して作動される。

上に説明されるように、白色成分Ｎｗは、画像処理ユニット１６により算出される。これは、「光路１」すなわち「Ｐ１」のタイムスロットを定める。このタイムスロットは、図６に示されるように、フレーム期間のうち、第１の光路を使用する部分をさす。夜空の非常に明るい星など、白色の輝度が最高である場合には、Ｐ１は、フレーム期間Ｔのほぼ全体にわたって、広がることがある。視覚的なアーチファクトとフリッカを減らすために、光路１用の期間は、図示されるように、フレーム期間Ｔの全体にわたって、複数のタイムスロットに分けられることに留意されたい。

次に、残りの色座標を算出する。これらの色座標は、図６中の「光路２」で示される第２の光路を用いて、生成される。この場合も、信号は、フリッカおよび／または視覚的なアーチファクトを最小限に抑えるために、このフレーム期間の全体にわたって、広げられる。白色成分を減算した後の、この模範的なタイミング図についての残りの信号は、図６に示されるような、赤と緑の組み合わせである。

上の説明は、本発明を例示したものにすぎない。様々な代替例や変更例は、本発明から逸脱しなければ、当業者により案出できる。よって、本発明は、併記の特許請求の範囲に入るこのような代替例、変更例、変形例をすべて含む。

本発明の投影システムの一実施形態を図解したブロック図である。 図１に示される反射型光変調器の動作を示す図である。 図１に示される反射型光変調器の動作を示す図である。 図１に示される反射型光変調器の動作を示す図である。 ピクセル化カラー画像を表示面上に投影する本発明の方法の一実施形態を説明する流れ図である。 本発明の一実施形態により色を生成する模範的な動作タイミング図である。

符号の説明

２：投影システム
４：表示面
６：光源
８：反射型光変調器
１０：色変調器
１４：光トラップ
１８：表示用光学素子
２０：ミラー要素

Claims (10)

1. ピクセル化カラー画像を表示面上に投影する投影システムであって、
   光源と、
   光の分光分布を変調して、変調された光を前記表示面に送るように構成された色変調器と、
   前記光源から光を受け取り、該光を、前記色変調器を含む第１の光路と、前記色変調器を迂回する第２の光路とに選択的に反射するように配置された反射型光変調器と、
   を備えている、投影システム。
2. 前記反射型光変調器が、ミラー要素のアレイを含み、各ミラー要素は、光が前記ミラー要素から前記表示面に送られて、該表示面上にほぼ白色のピクセルを形成する第１の偏向位置を有している、請求項１に記載の投影システム。
3. 前記投影システムが、前記反射型光変調器と前記表示面との間に、第１の光路と第２の光路を含む２つの光路を定めることと、前記第１の光路が、光を、前記反射型光変調器から前記表示面に、前記色変調器を迂回して送る、請求項１に記載の投影システム。
4. 光トラップをさらに含み、前記反射型光変調器が、光を前記光トラップに向けて選択的に反射するように、さらに構成されている、請求項１に記載の投影システム。
5. ピクセル化カラー画像を表示面上に投影する方法であって、
   光を発生するステップと、
   前記発生した光を、反射型光変調器により、ｉＭｏＤと、前記表示面とに選択的に反射するステップと、
   を含み、
   前記ｉＭｏＤは、光の波長を変調して、該変調された光を前記表示面に向けて送る、
   方法。
6. 前記表示面に向けて送られた光の焦点を合わせるステップをさらに含む、請求項５に記載の方法。
7. 前記反射型光変調器が、前記光を、前記ｉＭｏＤに向けて、および前記表示面に向けて送るように位置決めされる時間を、前記ピクセル化カラー画像のピクセルごとに特定するステップをさらに含む、請求項５に記載の方法。
8. カラー画像を表示面上に生成する投影システムであって、
   色ピクセル要素のアレイを含む色変調器と、
   光源と、
   表示用光学素子と、
   前記光源からの光を受け取るように配置され、ミラー要素のアレイを有する反射型光変調器であって、反射光が、前記ミラー要素から前記表示用光学素子に、前記色変調器を迂回して進む第１の光路と、反射光が、前記光源から前記色変調器に進んだ後で、前記表示用光学素子に到達する第２の光路とを含む少なくとも２つの光路を、各ミラー要素が画定する、反射型光変調器と、
   を備えている、投影システム。
9. 前記色変調器が、前記色ピクセル要素のそれぞれにおいて、光の分光分布を変更するように構成されたｉＭｏＤである、請求項８に記載の投影システム。
10. 光のほぼ白色の成分を決定し、かつ、前記第１の光路を利用して、前記光のほぼ白色の成分を生成するように構成された画像処理ユニットをさらに備えている、請求項８に記載の投影システム。

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