JP4605337B2 - 立体３次元ディスプレイおよび２次元ディスプレイ用の画像投写法 - Google Patents
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Description
【０００１】
本発明は、１９９８年５月１９日付け発行の米国特許第５７５４１４７号、１９９９年９月２１日付け発行の米国特許第５９５４４１４号、１９９８年１２月２２日付け出願の米国特許出願第０９／２１８９３８号、および１９９９年２月２０日付出願の米国特許出願第０９／２５３６５６号に関連する。
【０００２】
【発明の背景】
本発明は一般に、カラーまたはグレー機能のない空間光変調器（ＳＬＭ）を用いて、カラーまたはグレースケール画像を生成するための、画像投写方法および装置に関する。この手法は、立体３次元ディスプレイ（Ｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃ ３Ｄ ｄｉｓｐｌａｙ）におけるカラーおよびグレースケール画像の表示に特に有用である。立体３次元ディスプレイは、３次元画像を３次元実空間に表示する。立体画像中の各「ポクセル」は、それがあるべき空間位置に実際かつ物理的に位置しており、その位置から、光線が多方向に直接的に伝播して、観察者の目に実際の画像を形成する。この結果、立体表示は、生理学的および心理学的な奥行き情報（ｄｅｐｔｈ ｃｕｅｓ）におけるすべての主要素を含んでおり、特殊な眼鏡を必要とすることなく複数の観察者による、３６０度の移動観察（ｗａｌｋ−ａｒｏｕｎｄ ｖｉｅｗｉｎｇ）を可能にする。例えば、〔Ｔｓａｏ等、１９９８〕および〔Ｔｓａｏ、１９９９〕には、光学的インターフェイス（ｉｎｔｅｒｆａｃｉｎｇ）メカニズムを用いて、ＳＬＭ上で生成されて静止プロジェクタから投写される２次元画像の全フレームを移動スクリーンに円滑に送達し、これをスクリーン上に表示するアプローチに基づく、立体３次元ディスプレイが開示されている。このスクリーンの移動によって、スクリーン上に表示された２次元画像フレームが、空間内に有効に分布する。これらの空間内に分布する画像フレームは、人の目の残像効果によって、観察者の目に立体３次元画像を生成する。さらに、この発明は、２次元画像の投写や光学的相関器用の高フレームレート画像ディスプレイなどの、２次元ディスプレイ用途にも有用である。
【０００３】
ＳＬＭの多くは、カラーあるいはグレースケール機能を備えていない。例えば液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）は一般に、ピクセルセル中の液晶分子の配向性を利用して、ピクセルを透過または反射する光量を変調している。したがってＬＣＤデバイスは、２値画像（白黒）またはグレースケール画像の機能のみを有し、カラー機能を有していない。ＬＣＤを用いてカラー表示をする最も一般的な方法は、ピクセルセル上にカラーフィルタモザイクを構築する方法であり、これはカラートライアドまたはカラーストライプ構造とも呼ばれる。これらのカラー化されたピクセルセルを用いることによって、カラー画像を表示することができる。カラーフィルタモザイクを使用してカラートライアド構造を生成する方法には、これらのカラーフィルタのいずれか１つを通過する白色光は、その約3分の１だけであるために、光学的なスループットが低いという欠点がある。このために屈折光学系またはホログラフィック素子を用いる空間色カラー照明技術（spatio-chromatic colored illumination）が開発され、高い光学的スループットが得られるようになった。例えば［Joubert］には、回折格子を用いてＲＧＢカラーをマイクロスケールで分離し、次いでマイクロレンズアレイを用いて異なるピクセル位置にＲＧＢスポットを集束させる方法が記載されている。同等に、この回折格子システムとマイクロレンズアレイの機能を、ホログラフィック・マイクロレンズアレイを用いて一体化することができる。別法として、［Morris］に記載されているように、回折格子を内臓するマイクロレンズアレイを用いて、この機能を実現することもできる。したがって、これらの技術を用いると、高い光学スループットのカラートライアドパターンを得ることができる。
【０００４】
代替手法としては、それぞれが異なるカラーで照明されたいくつかのＬＣＤからの投写を組み合わせることによって、カラー画像を表示することも可能である。例えば、それぞれを赤、緑、青のビームで照明した３つのＬＣＤを用いて、さまざまな色の組合せを投写によって生成することができる。強誘電体液晶（ＦＬＣＤと呼ばれる）をベースとするデバイスなどの、高いフレームレートを有するＬＣＤに対しては、フィールド順次技術（field sequential technique）を適用することによって、カラートライアドのない単一の表示デバイスを用いて、カラー画像を生成することができる［Displaytech］。
ＬＣＤ以外にも、２値画像またはグレースケール画像機能のみを有するデバイスがある。例えば、デジタル・マイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）は、アクチュエータ付きの微小リフレクタのマトリックスで構成されている。マトリックスに、光ビームを当てて、各リフレクタの位置を切り替えることによって、デバイス上に任意の画像を生成し、それを投写することができる［Thompson］。別の例として、薄膜マイクロミラーアレイ（ＴＭＡ）も、ピエゾアクチュエータ付きのマイクロミラーのマトリックスで構成され、各ミラーを複数の位置で作動させて、グレースケールを生成することができる［Kim & Huang］。またこの他にも多くのマイクロミラーをベースとするデバイスがある。
【０００５】
立体３次元ディスプレイまたは高速光学的相関器の画像供給源として使用する場合には、ディスプレイデバイスは、高いフレームレイトを有することが必要である。立体３次元ディスプレイ用については、フレームレートが高いと、画像ボリューム当たりのフレーム数が大きくなり、したがってスクリーン走査方向の解像度が高くなる。光学相関器用については、フレームレートが高いと、（相関）処理スループットが高くなる。これらの用途においては、２値画像機能のディスプレイデバイスでは、従来方式のカラー構成手法を使用することにより、限られたカラー／グレースケール能力だけを得ることができる。特にフィールド順序技術は、それぞれの単一フレームがカラー／グレーでなくてはならないという理由で、適していない。３つのディスプレイデバイス（それぞれＲ、Ｇ、Ｂ）を用いてカラーを得ることはできるが、多くのデイバスを用いることでコストが高くなる。カラートライアド技術を適用することは可能であるが、表示デバイス上のカラーフィルタモザイックの製造はコストが高く、特にＦＬＣＤおよびＤＭＤなどの多くの高フレームレートデバイスは、反射型ディスプレイであり、１０ミクロンオーダーのピッチの微細ピクセルを有する。前述の空間色カラー照明技術も、これらの反射型ディスプレイに応用するのは困難である。カラーパターンを生成するのに使用する、回折格子、マイクロレンズ（または同等のホログラフィック光学素子）は、一般に透過型ＬＣＤの背面に近接して装着または配置する。反射型ＳＬＭ上に屈折光学系を構築すること、またはＳＬＭに装着することは、望ましくない。
【０００６】
カラートライアド技術を応用して、２次元カラー画像を生成する場合には、モアレパターンのようなカラーエリアジングなどのアーティファクトが現れることがあるが、これはＲ、Ｇ、Ｂサブピクセルが空間に完全に混合されないためである。
したがって本発明の目的は、カラートライアド光学系をディスプレイデバイスに内蔵する必要がなく、単一の２値ＳＬＭを使用して、カラーおよびグレー画像を生成することを可能にする方法と、光学装置を提供することである。また、それに限定されるものではないが、特にＳＬＭを用いる立体３次元ディスプレイのカラー／グレー能力を向上させることも、本発明の目的である。さらに、本発明を応用することによって、スクリーン移動方向における立体３次元ディスプレイシステムの解像度を向上させることができる。本発明はまた２次元プロジェクタに応用し、カラートライアド構造を有する単一のディスプレイパネルを用いて、カラートライアドのアーティファクトのない画像を投写することができる。
【０００７】
【発明の概要】
一般に、パターン投写技法（Ｐａｔｔｅｒｎ Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）では、異なる物理特性値を有する光の２次元分布を含む光パターンを用いて、ＳＬＭを照明する。ＳＬＭ上では、複数のピクセル（ｐｉｘｅｌ）（またはサブピクセルｓｕｂ−ｐｉｘｅｌと呼ばれる）が１つのコンポジット画像ピクセルを表わすグループに分けられる。ＳＬＭ上への光パターンの照明は、１つのピクセルの各サブピクセルが、光強度（ｌｉｇｈｔ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）などの選択された光の物理的特性について異なる値を有する光で照明されるように配設される。ＳＬＭ上の選択されたサブピクセルのスイッチを入れたり、切ったりすることによって、例えば異なる光強度を有する選択されたサブピクセルで構成されたグレーレベルを有する画像を表示することができる。照明光パターンは、ＳＬＭから離れた場所で生成し、次いでＳＬＭ上に投写することができる。ＳＬＭをプロジェクタの画像供給源として用いる場合には、この照明パターンをプロジェクタの光源としても用いる必要がある。照明パターンは、ＳＬＭの作動表面に近接する近接パターンプレートを用いて生成することもできる。光学の分野の習慣に従って、「投写」はターゲット上にソースイメージを転送する有限／有限な共役（ｆｉｎｉｔｅ／ｆｉｎｉｔｅ ｃｏｎｉｕｇａｔｅｓ）光学手段である。上記の場合では、ソースイメージは照明パターンであり、ターゲットはＳＬＭである。代わりとなる翻訳は投影、投射およびプロジェクションを含んでいる。
【０００８】
したがってこの手法は、単一のＳＬＭを複数のサブパネルに定義、かつ分離して、次いでこれらのパネルを、多重ディスプレイパネルを使用するかのように使用することができる。例えば、サブピクセルを緊密に相互結合された領域として定義し、異なる原色（ｐｒｉｍａｒｙ ｃｏｌｏｒ）で照明する場合には、ＳＬＭはピクセルがカラートライアド（ｃｏｌｏｒ ｔｒｉａｄ）構造を有するかの如く、多数のカラーで画像を表示することができる。したがって、ディスプレイデバイスに上に内蔵のカラーフィルタトライアドを必要としない。
ＳＬＭ上の異なるサブパネル上の画像は、時間分散照明システム（ｔｉｍｅ−ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ）を用いて異なる光特性を有するサブパネルを時間領域で分離することによって、サブフレームに分離して、ＳＬＭの有効フレームレートを増大させることもできる。
【０００９】
ＳＬＭ上の異なるサブパネル上の照度（illumination intensity）は、適切な比に変倍することによって、ＳＬＭ上のコンポジット画像が、変倍しない照明によるよりも大きな強度レベル（intensity level）（またはグレーレベル）になるようにすることもできる。またこの変倍照明を、構造パターン中のＳＬＭ上の隣接ピクセルおよびサブピクセル間に応用して、同様な結果を得ることができる。
ＳＬＭ上の複数サブパネルを、単一のサブパネルに光学的に併合することもできる。これによってカラートライアドを有するディスプレイに関連する画像アーティファクトを除去する助けとなる。
ＳＬＭ上のサブパネルは、隔離、かつ一体化した領域として定義することもできる。
照明パターンを生成するには多くの方法があり、それにはマイクロレンズアレイ、反射マイクロパッドのシャドーマスク、または透明な開口を有する開口プレートなどに光を通過させる方法がある。
【００１０】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般に、カラーまたはグレー機能のない空間光変調器（ＳＬＭ）を用いてカラーおよびグレースケール画像を生成する画像投写方法および装置に関する。
パターン投写の基本アプローチは、単一ＳＬＭパネル上のピクセルを、複数のグループに分割し、次いで各グループを異なる原色で照明することである。次いで単一パネルのコンテンツは、異なる原色で照明される複数の「サブパネル」が存在するかの如くプログラミングされる。したがってパネル上の結合画像は、多数カラーの画像を表示する。
【００１１】
パターン投写手法においては、ピクセルの観点からは、複数のピクセル（またはサブピクセルと呼ばれる）を、１つのコンポジット画像ピクセルを表わすグループに分け、かつ各サブピクセルを異なるカラーで照明することによって、カラーまたはグレーレベルのコンポジット画像ピクセルが生成される。１つのＳＭＬパネル上の選択したサブピクセルのスイッチを入れたり切ったりすることによって、異なるカラーと強度を有する選択されたサブピクセルで構成される、カラーレベルを有する画像を表示することができる。
上記の方法で、複数サブパネルを定義し照明するために、光パターンをＳＬＭパネル上に配光する必要がある。この照明パターンによって、物理的特性の異なる光の特性値の２次元分布が得られる。この物理的特性は、周波数（カラー）に限定されない。それは、光強度（または振幅）、偏極（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）、または位相であってもよい。例えば、各ピクセルが同一の強度、または異なる強度の同一カラーで照明される場合には、全パネルの画像が、そのカラーの多数のグレーレベルを有するように見える。
【００１２】
複数サブパネル（すなわち複数ピクセルグループ）の定義と照明は、まずマイクロ光スポットのパターンを生成し、次いでステップオン投写（ｓｔｅｐ−ｏｎ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ）によって、このマイクロ光スポットのパターンをサブパネル内に導入することによって達成することができる。例えば、光スポットのパターンは、マイクロレンズアレイを用いて生成することができる。マイクロレンズアレイとは、マイクロ加工された微細レンズのマトリックスである。図１ａに示すように、光ビーム１０１にマイクロレンズ１１０の２次元アレイを通過させると、光ビームは、微細光スポットのマトリックス１００に変換される。次いでこの光スポットのパターン１００が、新光源として使用され、例えば一対のコンデンサレンズ（ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ ｌｅｎｓ）１２０ａおよび１２０ｂを用いて、ＳＬＭパネル１３０の動作領域上に投写される。マイクロレンズアレイの分布の幾何形状とピッチ、およびコンデンサレンズの倍率に応じて、ＳＬＭパネル上の選択されたピクセルだけをカバーするように、光スポットを位置合わせすることができる。
図１ｂに示すように、隣接する４つのピクセル１３０１ごとに、１つのピクセルだけが光スポットのパターン１００によって照明される。照明されるピクセルは、こうしてディスプレイパネル上で１つの「サブパネル」を形成する。
【００１３】
４つのパターンの光スポットを使用することによって、単一のＳＬＭパネル上でそのような４つのサブパネルを定義することができる。実際には、適切なビーム分光光学系を用いて照明経路を分離することによって、単一のマイクロレンズアレイで、十分な数のパターンを生成することができる。図２ａは、光学装置の例を示している。２つのコンデンサレンズ１２０ａおよび１２０ｂの間で、ビームスプリッタ（ｂｅａｍ ｓｐｌｉｔｔｅｒ）２２０や偏光ビームスプリッタ（ｐｏｌａｒｉｚｉｎｇ ｂｅａｍ ｓｐｌｉｔｔｅｒ）２２１１および２２１２のようなビーム分割光学系の装置を加えることによって、光ビームを４つの経路２０１Ａ〜２０１Ｄに分離し、それぞれの経路が同じ光スポットのパターンを搬送するようにすることができる。再び２つの偏光ビームスプリッタ２２２１および２２２２と、ＴＩＲ（全内部反射）プリズム２２３を用いて、４つの経路を再結合して、ディスプレイパネルに投写することができる。ミラー２２４、２２５およびＴＩＲ２２３を調整することによって、各パターンが異なるグループのピクセルを対象とするように、４つの経路をわずかにオフセットさせることができる。すなわち４つの経路が、ディスプレイパネル上の４つのサブパネルを画定する。図２ｂに示すように、光スポット１００ｃによって画定されるサブパネルは、経路２０１Ｃからの照明を受けている。同様に、光スポット１００ａ、１００ｂ、および１００ｄで画定されるサブパネルは、それぞれ経路２０１Ａ、２０１Ｂ、および２０１Ｄからの光源を受けている。
【００１４】
カラーフィルタを分離した照明経路（２０１Ａ〜２０１Ｄ）に加えることによって、別個のサブパネルが別個の原色によって照明され、ディスプレイパネル上にカラーフィルタのモザイクを必要とすることなくカラートライアドシステムを、形成できる。一例が、図３ａに示してある。図３ａと２ａとの違いは、偏光ビームスプリッタ２２１が、非偏光キューブ式ビームスプリッタ２２０の代わりに用いられ、２つの「カラーセレクト」フィルタ（ColorSelect filters）３２１ＧＭおよび３２１ＢＹが、追加で配設される。「カラーセレクト」フィルタは、直線的に偏光された光を通し、原色カラーバンドの偏光状態を９０度回転させ、一方では相補的カラーバンドが、偏光の入力状態を保持している。例えば、図３ａのカラーセレクタフィルタ３２１ＧＭは、入力されたＳ偏光された光を通し、そのブルー（Ｂ）バンドをＰ偏光に回転し、一方相補バンド（グリーン＋レッド＝イエロー）はＳ偏光のままである。この結果、Ｂバンドは偏光ビームスプリッタ２２１２を通過するが、Ｙバンドは偏光ビームスプリッタ２２１１で反射する。
【００１５】
コロラド州ボールダ（Ｂｏｕｌｄｅｒ ｏｆ Ｃｏｌｏｒａｄｏ ｓｔａｔｅ、ＵＳＡ）のＣｏｌｏｒｌｉｎｋ社は、この種のカラーフィルタを販売している。２つの異なる「カラーセレクト」フィルタ３２１ＢＹおよび３２１ＧＭは、光ビームをそれぞれが異なるカラー、すなわちＭ（マジェンタ、Ｒ＋Ｂ）、Ｇ（グリーン）、ＹおよびＢの４つの経路に分離する（３０１Ｍ、３０１Ｇ、３０１Ｙ、３０１Ｂ）。（このカラー分離方法においては、ほとんど無駄になる光がないことに留意すべきである。）異なるカラーの４つの光スポットパターンが、対応するサブパネルを照明すると、ＳＬＭ上の隣接する４つのピクセル毎に、４つのカラーすなわちＭ、Ｇ、ＹおよびＢを含むようになる。すなわち４つごとのピクセルが、図３ｂに示すように、４つの異なるカラー１００Ｍ、１００Ｇ、１００Ｙおよび１００Ｂによって照明される４つのサブピクセルの組合せとして、４ビットカラーを有するコンポジットピクセル３３０１を形成する。
図３ｃはパターン投写用光学装置の別の例を示し、この例では２組の二色性（ダイクロイック）カラーフィルタ（ｄｉｃｈｒｏｉｃ ｃｏｌｏｒ ｆｉｌｔｅｒ）３３１Ｒ−３３１Ｂおよび３３２Ｒ−３３２Ｂを使用し、白色光ビーム１０１を３つの経路３９１Ｒ−３９１Ｂに分離し、それぞれのパスが異なるカラーを有して、ＳＬＭ上の異なるサブパネルを照明する。図では、照明パターンは、図３ｄに示すように光ストライプのアレイ３００を含む（これは後述するようにマイクロレンズアレイを使用し生成することができる）、この一組のストライプは、３つの組に分離され、各セットが異なるカラー（Ｒ、ＧまたはＢ）を有し、図３ｅに示すように、異なるサブパネル３００Ｒ〜３００Ｂを画定する。
【００１６】
ＳＭＬ上の多重サブパネルは、有効フレームレートを増加させるために、「サブフレーム」に分離することも可能である。全体フレーム投写に基づく立体３次元ディスプレイにおいては、有効フレームレートの増加は、スクリーン移動の方向における画像解像度の増加を意味する。これは、各サブピクセルを、異なるタイミングと、元のディスプレイデバイスのフレーム周期よりも短い時間周期で、照明することによって達成できる。例えば、図３ａの場合には、偏光ローテータ３５０を加えることができる。偏光ローテータは、線形に偏光された光を取り入れ、偏光状態を、入力電圧信号に応じて、９０度または０度切り替えることができる。すなわち、Ｐ偏光した光は、回転してＳ偏光となり、またその逆に回転することができる。デバイスを「回転なし」に設定することもできる。次いで偏光状態が不変に維持される。偏光ローテータを切り替えることによって、偏光スプリッタ１４０を通過し、ＳＬＭに到達するための、経路３０１Ｂ＋３０１Ｍ（両者ともＰ偏光）または３０１Ｇ＋３０１Ｙ（両者ともＳ偏光）を効果的に選択する。言い換えると、照明すべきサブパネル１００Ｂおよび１００Ｍ（Ｍ＋Ｂ）、または１００Ｇおよび１００Ｙ（Ｇ＋Ｙ）を選択する。偏光ローテータの状態を各フレーム周期の中間で変更することによって、図３ｆに示すように、元の１フレームの時間周期内に、サブパネルＢ＋ＭおよびＧ＋Ｙ上の画像を順番に、それぞれを元の１フレームの２分の１の期間、投写することができる。図３ｇは、この２つの投写されたサブフレームの様子を示している。サブフレームＢ＋Ｍは、サブパネル１００Ｂおよび１００Ｍからの画像を含み、サブフレームＧ＋Ｙは、サブパネル１００Ｇおよび１００Ｙからの画像を含む。それぞれの元のフルフレームが、２つのサブフレームに分離されるために、有効フレームレートは２倍となる。
【００１７】
立体３次元ディスプレイの応用に対して、このサブフレーム手法は、本質的にスクリーン移動の方向にピクセルを再分布させることによって、その方向における有効フレーム数を増大させる方法である。したがって、各サブフレームにおけるピクセル数は、図３ｇの場合には元の数の半分に低減する必要がある。しかし、図３に示すような各サブフレーム上のチェッカーボード状のピクセル配置では、フルフレームのピクセル数の半分だけしか含まないものの、位置誤差は１ピクセルで、フルフレームと解像度は同じであることに留意すべきである。
【００１８】
時間分散照明システム（time-distributed illumination system）を備える多重ＳＬＭを用いることによっても、有効フレームレートを増大させることができる。１つのＳＬＭが1秒間にＮ個の異なるフレームを生成できる場合に、Ｍ個のデバイスは1秒間にＭ×Ｎフレームを同時に生成することができる。図４ａは、２つのＳＬＭである１３０Ａ、１３０Ｂを使用する好ましい例を示している。各ＳＬＭは、ＴＩＲプリズム（１４０Ａまたは１４０Ｂ）を介して、光ビーム（１０１Ａまたは１０１Ｂ）によって照明される。高速度シャッター（４５０Ａまたは４５０Ｂ）が各照明のオンオフを変調させる。反射されたビーム画像は、第３のＴＩＲプリズム１４０Ｃを介して結合され、次いで投写レンズ１６０を介して１８０にあるスクリーン（図示せず）に投写される。図４ｂには、２つのシャッターを用いて、それぞれ異なるＳＬＭからの２つの異なる画像フレームを、単一フレームのタイミング周期に配置する方法を示してある。ＳＬＭ１３０Ａは、時間周期Δｔの間、コンテンツＡ１を表示する。同じ周期の間、ＳＬＭ１３０Ｂは、コンテンツＢ１を表示する。シャッター４５０Ａは、この周期の前半の間は開き、後半の周期中は閉じている。この作用によって、コンテンツＡ１は時間周期の前半にのみ投写される。シャッター４５０Ｂは、この時間周期の前半中は閉じており、次いで後半周期に開く。この作用によって、コンテンツＢ１は後半周期の間にのみ投写される。結果的に、Δｔの時間周期中に、異なるコンテンツの２つのフレームが表示される。したがってフレームレートが倍増される。高速シャッターの開放／閉止周波数は、システム内にＭ個のＳＬＭを用いる場合は、少なくともＳＬＭの最大フレームレートのＭ倍である必要がある。２個以上のＳＬＭを使用する場合には、画像結合のためにさらに多くのＴＩＲプリズムを、図４ａのシステムに追加することができる。
【００１９】
図５は、図４ａよりも簡単な配設が可能な、多重パネル技術の別の好ましい例を示す。ＩＴＲプリズムの代わりに、偏光ビームスプリッタ５４０を用いて２つのＳＬＭからの画像を結合する。偏光ビームスプリッタはまた、１つの入力光ビーム１０１を、それぞれが２つのＳＬＭを照明する２つのビーム（１０１Ａおよび１０１Ｂ）に分離する。この偏光ビームスプリッタの作用によって、ＳＬＭ１３０Ａに向けられたビーム１０１ＡはＰ偏光し、ＳＬＭ１３０Ｂに向けられたビーム１０１ＢはＳ偏光される。ＳＬＭによって反射された後に、ＳＬＭ１３０Ａからの画像ビームが、偏光ビームスプリッタ表面で投写レンズ１６０の方向に反射されるためには、１０１Ｓで示されるように、Ｓ偏光画像を含んでいなくてはならない。他方、ＳＬＭ１３０Ｂからの画像ビームは、偏光ビームスプリッタ表面を通過するためには、１０１Ｐで示すように、Ｐ偏光されている必要がある。
【００２０】
結果的に、ＳＬＭに向けられたビームの偏光軸は、反射後に９０度回転されなくてはならない。ＳＬＭがＤＭＤまたはＴＭＡデバイスなどのマイクロミラーディスプレイである場合には、反射ビームの偏光は入射ビームと同じになる。この場合には、１／４波長リターダプレート５２０Ａ、５２０Ｂを用いて、ＳＬＭから反射されたビームの偏光軸を９０度回転させる（ＰをＳに回転させ、ＳをＰに回転させる）必要がある。ＳＬＭがＦＬＣＳＬＭなどの液晶ディスプレイベースである場合には、この偏光回転は、一般にＳＬＭを用いて行うことができる。この場合には、１／４波長リターダは必要ではない。２つの画像ビーム（１０１Ｓ、１０１Ｐ）間に偏光差があるために、偏光ローテータ５５０ａおよびリニア偏光５５０ｂを備える、偏光セレクタ５５０を用いて、投写レンズ１６０に進むいずれかのビームを選択することができる。これは図４ａの装置における２つのシャッターに相当する機能である。ビーム１０１Ｓが偏光セレクタを通過する状態は、シャッター４５０Ａが開き、４５０Ｂが閉じた状態に相当する。ビーム１０１Ｐが通過する状態は、シャッター４５０Ａが閉じて、４５０Ｂが開いた状態に相当する。
【００２１】
前節においては、多数のカラー画像を投写するために異なるサブパネルにカラー照明をする例を用いて、パターン投写技術を説明した。同一カラー（例えば白）ではあるが、強度を倍率変更した照明を、異なるサブパネルに応用することによって、多数のグレーレベルの画像を生成することができる。例えば、図２ａの装置を参照すると、４つの分離経路（２０１Ａ、２０１Ｂ、２０１Ｃおよび２０１Ｄ）の光強度は、４つの経路に適当な開口の開口絞りを挿入することによって８：４：２：１に倍率変更することができる。結果的に、４つの経路によって照明される４つのサブパネルも、図６ａに示すように、８：４：２：１の輝度変倍となる。４つのサブピクセルからなるコンポジットピクセル６３０１は、したがってそれぞれが異なる輝度を有する４つのサブピクセルの組合せによって、１６のグレーレベル（０〜１５）のコンポジット輝度を表示することができる。この方法は、「変倍照明」（Scaled Illumination）と呼ぶことができる。
【００２２】
異なるサブパネル上の照度を倍率変更する他に、変倍照明を、単一光パターンを用いてＳＬＭ上の隣接ピクセルに応用することもできる。例えば、図６ｂに示すように、照明パターン中の各光スポット１００が、オフセット位置にある隣接する４つのサブピクセルを照明することによって、４つの隣接するサブピクセルのそれぞれに対する照度を、各ピクセル内の数字が示すように、１：２：４：８に変倍することができる。同様に、長方形照明スポット（これは２つのマイクロ・シリンダ・レンズのアレイを交差積層することによって得られる）によっても、図６ｃに示すように、同じことが可能である。ピクセルが６つのサブピクセルを有する場合には、図６ｄに示すように６４のグレーレベルを得ることができる。照明パターンが光ストライプを含む場合には、各ストライプが3列のピクセルを対象として、図６ｅに示すように、１：２：４の照明倍率を生成することができる。
【００２３】
前節で述べた方法によって、投写されたカラー画像は、ＳＬＭ上の各サブピクセルが１つまたは数ピクセルだけ分離されているために、なおカラートライアド構造の「様相」を含んでいる。これによって、カラー画像中に望ましくないアーティファクトが現れる可能性がある。光パターンをディスプレイパネル上に投写する場合と同様の、投写および経路結合の光学システムを応用すれば、物理的に分離されたサブピクセルを結合し、かつＲ、Ｇ、Ｂサブピクセルを１つのピクセルにすること、すなわちカラートライアドの様相を除去することが可能である。この基本コンセプトは図７ａに示してある。経路分離光学系および結合光学系は、類似のものであるので、ＳＬＭが反射型である場合には、１組の分離／結合光学システム７８０のみが必要となる。レンズ１２０は、パターンプレート１１０を照明することで得られる光パターン１００を、ＳＬＭ１３０上に投写し、投写レンズ１６０は、ＳＬＭからの画像をスクリーン（図示せず）に投写する。経路分離／結合光学系は照明ビームをディスプレイパネルにつながる複数の経路７８１に分離し、ディスプレイパネルを４つのサブパネル７００に分割する。同じ光学系が、４つのサブピクセルから反射された画像を再結合して、それぞれが異なるサブピクセル７９０からの４つのピクセルの重ね合わせたピクセルを有する、単一パネルに併合する。
【００２４】
図７ｂは、この方法の一例を示す。図3で用いられた経路分離光学系は、経路分離用と結合用の光学系の両方として用いられる。レンズ１２０ａおよび１２０ｂは、パターンプレート１１０上の光パターンを、４つのサブピクセルを画定する４つの分離された経路で、ＳＬＭ１３０上に投写する。レンズ１２０ｂおよび１６０は、投写レンズとして作用し、距離１８０に再結合された画像を投写する。この複合レンズは、コンデンサレンズ式でも、シュリーレン光学系方式でもよい。望ましい場合には、複合レンズに２つ以上の構成要素を使用して、必要であればこれらの構成要素が分離／結合光学系の間に散在しもよい。ＴＩＲプリズム７４０は、照明ビームを画像ビームから分離する。
【００２５】
図７ｃは、図３ｃで用いた経路分離光学系の別の装置例を示す。この装置は、２セットの３つの二色性リフレクタ（３３１、３３２）を使用して、光ビームをＲ、Ｇ、Ｂの３つの経路に分離する。各二色性リフレクタは、選択された光のバンド（Ｒ、Ｇ、Ｂ）だけを反射し、残部を通過させる。投写レンズ１２０は、光パターンをＳＬＭ上に投写する。３つの二色性リフレクタを２組、図のように配列し、各経路が同じ長さとなるようにする。（これは、標準の投写レンズを用いる場合に好ましい。シュリーレン投写光学系を応用して、投写ビームが平行ビームである場合には、３つの二色性ミラーで十分となる。）各二色性リフレクタの角度を調整することによって、３つの経路をわずかにオフセットさせて、３つのサブピクセルを画定することができる。ＳＬＭで反射された画像ビームは、再結合されて投写レンズ１６０によって投写される。３つのサブパネルが１つに併合される。
【００２６】
上記の説明において、経路／カラー分離および結合光学系は、ＳＬＭと投写レンズの間に配置される。この配設は、ディスプレイパネルと投写レンズとの間に大きな光学経路長を必要とする。代替手法としては、分離光学系７８０ＡをＳＬＭ前方に（すなわち光経路の上流に）配置し、投写レンズの後に経路／カラー併合光学系７８０Ｂを使用する。図８ａは一般的なアイデアを示す。複数のサブパネルを１つに併合するために、各サブパネルは異なる光特性を有し、これによって併合光学系が各サブパネルに関連するビームを独立に位置合わせできなくてはならない。サブパネルの併合は、異なるカラー（カラー投写を生成する場合）に基づくか、または異なる偏光状態に基づくこともできる（白黒または、グレースケール画像を投写する場合）。
例えば図８は、（２セットの二色性ミラーを使用する）照明装置が図３ｃと類似のものであり、さらに投写装置も２組の二色性ミラー３３３および３３４を含む。それぞれの二色性ミラーの傾斜角度を調整することによって、分離したサブパネルを単一のパネルに位置合わせすることができる。
【００２７】
サブパネルが区別することができない物理的特性が付いている光で照明される場合には、サブパネルの併合は、異なるサブパネルを通過する光学経路を空間的に分解し、各経路をそれぞれ異なるリフレクタに導き、次いで各リフレクタの角度を調整してそれらを併合することによって実施できる。図８ｃは光学装置の例を示している。簡単にするために、説明には透過型のディスプレイパネルを使用する。反射型については、原理は同じである。３つの分離された照明ビーム（８０１Ａ〜Ｃ）は、３つの所定のサブパネルを有するＳＬＭを照明する。各ビームのそれぞれの対応するサブパネルとの位置合わせは、リフレクタ８２０Ａ〜Ｃを調整することによって達成される。ＳＬＭへのビームの入射角度は、ビームが距離の離れたディスプレイパネルから離れると、互いに重畳しないように選択される。３つのレンズ１６０Ａ〜Ｃを用いて画像をディスプレイパネル上に投写し、それぞれの投写レンズが、１つのサブパネルからの１つのビームを受ける。この結果、各投写レンズは、ただ１つのサブパネルの画像だけを投写し、別の２つのサブパネルのものは投写しない。したがって、各サブパネルに対応する投写経路は、どのようなカラーであっても、あるいは偏光がされていようとも、空間的にも分解される。したがってリフレクタ８３０のシステムを用いて、投写経路を方向変更することによって、距離の離れた場所でそれを併合することができる。
【００２８】
ここまでＳＬＭ上のサブパネルは、例えば図２ｂで示すように、異なるピクセルの密接に相互結合されたグループとして定義された。代替的なサブパネルの定義方法としては、図９ｂに示すように、ディスプレイパネルを、３つの完全分離、かつ隔離された領域（１３０Ｒ、１３０Ｇ、１３０Ｂ）に分離し、各領域を異なるカラー（９００Ｒ、９００Ｇ、９００Ｂ）の一体の連続した長方形ビームで照明する方法がある。この照明パターンは、図９ａに示すように、開口プレートまたは透明な開口９００を有するシャドーマスク９１０を照明することによって生成することができる。次いで結合光学系が、図９ｃに示すように、３つのサブパネルを１つに再結合する。先述の照明光学系および併合光学系は、照明パターンをサブパネルに位置合わせするために、リフレクタをより大きな角度でオフセットさせなくてはならないこと以外は、ここでも適用できる。サブパネルを、隔離かつ分離された領域として定義することには、少なくとも２つの利点がある。第１に、複雑なパターンプレートが開口プレートに置き換えられる。第２には、開口画像をディスプレイパネル上に投写する照明光学系に対する要件が、微細パターンを投写し、それをディスプレイパネル上の選択されたピクセルに位置合わせするための照明光学系の要件よりも、要求される厳密さが低いことがある。したがって以下に示す好ましい例は、開口プレートで画定される、隔離かつ分離されたサブパネルに基づいて説明する。しかし、以下の手法は原理的に、密接に相互連結されたサブパネルにも適用できることに留意すべきである。
【００２９】
図１０ａ〜１０ｃは、好ましいカラープロジェクタの例を示す。ＳＬＭは、ＤＭＤまたＴＭＡなどの照明光の偏光に依存しない種類のものである。簡単にするために、図１０ａの光学配置は、ＳＬＭが透過型であると仮定して示してある。反射型ＳＬＭを使用する原理は同じである。それぞれの二色性リフレクタ３３１Ｒ〜Ｂの角度を設定することによって、開口プレート９１０の開口の画像を、それぞれが異なる原色を帯びた、３つのサブパネル１３０Ｒ〜Ｂに分離して向けることができる。したがってこのＳＬＭは、それぞれが異なる原色で照明された３つのサブパネルを有する。投写レンズ３３３Ｒ〜Ｂの後に置かれた２色性リフレクタのそれぞれは、対応する原色を有する１つの、かつ唯一のサブパネルからのビームだけを反射する。リフレクタの角度を適切に調節することによって、３つのサブパネルの画像を、距離の離れた位置１８０の投写スクリーン上で併合することができる。このようにしてカラー画像を投写することができる。
【００３０】
最善の結果を得るには、３つの分離されたサブパネルの照明は、光の損失を最小に押える必要がある。これは、照明経路を投写レンズの画像経路と一致させることによって達成できる。図１０ａに示すように、光源開口プレート９１０からの光ビームは、最初に第１の集光レンズ１２０ａによって平行化される。次いで平行化されたビームは１組の二色性ミラー３３１を用いて、それぞれが原色を帯びる３つの照明ビーム１００１Ｒ〜Ｂに分離される。各照明ビームの角度は、第２の集光レンズ１２０ｂを通過後に、各照明ビームの光円錐が対応するサブパネルを通過して、投写レンズ１６０の入射瞳（ｅｎｔｒａｎｃｅ ｐｕｐｉｌ）に達するように選択される。
結果的に、各照明ビームは、対応するサブパネルのみを照明し、ランプからの光のほとんどが、投写レンズにおいて集光される。
【００３１】
ＦＬＣＤ、ＤＭＤ、ＴＭＡなどの反射型ディスプレイデバイス用としては、図１０ｂに示すように、ＴＩＲプリズムまたは偏光ビームスプリッタ１４０を使用して、投写ビームを折り畳むことができる。このような場合の好ましい例は、照明ビーム光の分離と投写ビームの折り畳みを異なる面で行うことである。図１０ｂに示すように、投写ビーム１０５０の折り畳みは、ｘ−ｚ面上である。図１０ｂの上面図である図１０ｃは、照明ビームの分離はｘ−ｙ面であることを示している。結果的に、これらの照明ビーム１００１Ｒ〜Ｂのすべてが、ＴＩＲプリズムに入射し、ｘ−ｚ面上で見た場合と同じ角度でＴＩＲ表面１４０１に当たる。したがってｘ−ｙ面上で見たこれらの照明ビームの角度差が、ＴＩＲプリズムまたは偏光ビームスプリッタの性能に与える影響は最小である。
ＤＭＤやＴＭＡなどのマイクロミラー型のＳＬＭを用いる場合には、ディスプレイパネルを、マイクロミラーの傾斜面が照明ビームの分離面と同じ面とならない（すなわち図１０ｃにおけるｘ−ｙ面ではない）ように位置合わせするのが好ましい。またこうすることによって、これらのディスプレイ装置は基本的にピクセルの反射強度を制御するのにマイクロミラーの傾斜角度を用いるために、分離された照明ビームの角度差が、これらのディスプレイ装置の性能に与える影響を最小にする。
【００３２】
ＦＬＣ式ＳＬＭを画像供給源として用いる場合には、各ＦＬＣセルの電極に印加する電荷は、投写しようとする各ポジティブフレーム（非逆転）に、逆フレーム（inverted frame）を表示することによってバランスさせる必要がある。逆フレームにおいては、画像を搬送する光の偏光軸は、ポジティブフレーム上の画像光の偏光軸に直角である。ポジティブフレームおよび逆転フレームの両方を投写し、両者を全ポジティブ画像として見えるようにするために、偏光ローテータを使用して各逆転フレームの軸の偏光を切り替え、これによって逆転フレームをポジティブフレームに変換することができる。しかしながら、ＦＬＣ型ＳＬＭは、反射型ディスプレイであるために、これは照明ビームおよび反射ビームがパネル前方で多くの共通スペースを共有する必要があり、偏光スイッチングの配設は投写光学系設計によって複合化される。基本的な解決策は、軸ずれ投写原理とＴＩＲ（total internal reflection）プリズムの使用を組み合わせることである。
【００３３】
好ましい装置を図１１に示してある。ＴＩＲプリズム１４０は、照明ビーム１１０１Ａおよび反射ビーム１１０１Ｂの緊密な折畳みを可能とし、これによって照明端および反射端での光学系が干渉することなく適合させることができる。これは、投写ビーム１１０１ＢがＦＬＣ型ＳＬＭ１３０５の表面に垂直な軸からずれているために、軸ずれ投写（off-axis projection）と呼ばれる。ＴＩＲ装置における基本要件は、照明ビームおよび反射ビームが、ＴＩＲ表面１４０１と２つのわずかに異なる角度で、交差することであり、１つは全内部反射に対応し、１つは透過に対応する。リニア偏光子１１６０は、光がＳＬＭ１３０に達する以前に、すべての照明光を偏光する。偏光ローテータは、１１７０Ａ、１１７０Ｂまたは１１８０Ｃに配置することが可能であり、ＳＬＭ上の画像フレームの状態に応じて動作する。クリーンアップ偏光子１１６１を、投写レンズ１６０の後に配置して、すべての投写されたフレームが好ましく偏光されることを確実にすることができる。
【００３４】
通常ＦＬＣ型ＳＬＭ上では、ＦＬＣセルに印加される電荷をバランスさせるために、逆画像フレームは、１つのポジティブ（非逆転）フレームを表示した直後に表示される。これに応じて、切り替え式偏光ローテータは、各フレームで状態を変更しなくてはならない。ＦＬＣは有限の応答時間を有するので、ＳＬＭがその画像を逆転させる場合に、短い遷移期間がある。この遷移期間中には、画像のコントラストが低い。フレームレートが高くなるにつれて、この遷移期間の影響が現れる可能性がある。またこの電荷バランス方法は、偏光ローテータの後では２つの連続するフレーム毎にそれらが同じフレームに見えるために、有効フレームレートを低下させる。前記の「フレーム・バイ・フレーム」式のバランスの代わりに、電荷をバランスさせる好ましい方法は、「スタック・バイ・スタック」式のバランスであり、これはいくつかの全ポジティブ画像を連続して表示し、次いでその逆フレームを連続して表示する。切り替え式偏光ローテータが、スタック毎に状態を変化させる。この表示方法によって、高フレームレートにおけるコントラストが改善される。
【００３５】
図１２ａは、好ましいグレースケールプロジェクタの例を示す。ＳＬＭは、ＤＭＤまたはＴＭＡなどの照明光の偏光に依存しない形式のものである。ここでも説明を簡単にするために、図ではＳＬＭが透過型であると仮定している。偏光ビームスプリッタ１２２０、ＴＩＲプリズム２２３および２つのリフレクタ２２４、２２５が照明ビームを２つの経路に分離する。ディスプレイパネル１３０は、したがって２つのサブパネルで画定され、それぞれのサブパネルが異なる偏光（ＰまたはＳ）の光で照明されている。投写レンズを通過後は、同様の光学系が２つのサブパネルを、距離の離れた投写スクリーン上で併合する。第２の開口プレート９１１は、２つの経路の一方に挿入されて、２つのサブパネル上に変倍照明を生成する。例えば、各サブパネル上で１つのピクセルがサイズの等しい４つのサブピクセルを含む場合には、１つのピクセルのグレーレベルは５（０〜４）となる。２つのサブパネルへの照度が１：５に倍率変更されると、結合グレーレベルは、２５（５×５）となる。
【００３６】
図１２ｂは、好ましいグレースケール用プロジェクタの例を示している。ディスプレイパネルは、ＦＬＣ式ＳＬＭなどの偏光に基づく形式のものである。装置は、いくつかの追加の構成部品を除くと、基本的に図１２ａと同様である。照明経路の分離および２つのサブパネルの併合に、偏光差が使用される。しかしながら、表示画像もまた偏光差に基づくために、追加の構成要素を用いた特別な処理が必要となる。第１に、２つのサブパネル上の画像は、常に異なる偏光状態を持つように定義される。すなわち、サブパネル１３０ＡがＰ状態の画像とＳ状態の背景を表示し、次いでサブパネル１３０ＢがＳ状態の画像とＰ状態の背景を表示する。このようにして、２つのサブパネルからの画像は、偏光ビームスプリッタ１２２１によって２つの経路に分離され、次いで距離を置いた位置１８０で互いに併合される。したがって、２つの画像の一方の偏光軸を９０度回転させて、両方の画像が同じ偏光状態で投写されるようにするために、１／２波長プレートが必要となる。スクリーン開口１２１２は、望ましくないハーフ画像がスクリーンに到達するのを防ぐために、必要である。また、偏光ローテータ１２７０が、逆画像フレームを投写するために使用される。
【００３７】
上記のカラートライアド型のディスプレイパネルからの画像を結合および併合する方法は、カラートライアドもしくはパターン投写手法によって生成されたサブパネル構造だけでなく、カラートライアドを内蔵するか、あるいは分離かつ隔離されたサブパネルを内蔵する、どのディスプレイパネルにも適用できる。サブパネルがＳＬＭ上の分離かつ隔離された領域として定義される場合には、すべてのサブパネルを白色光で照明し、次いで二色性ミラーを用いて各サブパネルから所望のカラーをフィルタリングし、次いでそれらを１つの画像に併合することも可能である。この方法の難点は、この方法が３分の２の光を放棄することである。同様に、図１２ａに示したようなグレースケール用プロジェクタにおいて、ＳＬＭは偏光しない光で照明することも可能である。投写レンズ１５０の後の併合光学系が、所望のサブパネル画像をフィルタ抽出し、２分の１の光を放棄して、サブパネル画像を１つの画像に併合することも可能である。
【００３８】
マイクロレンズアレイを使用する方法に加えて、光スポットまたは光ストライプを生成するには、多くの別の方法がある。光の操方法に応じて、大別すると３つの方法に分かれる。
（１）光変向素子（light re-directing element）アレイの使用：光変向素子は、光の方向を変えて所望の光のパターンを生成する。一例としては球形マイクロレンズがあり、これはすでに図１ａで述べたように円形スポットのアレイを生成するのに使用することができる。他の例としては図１３ａに示したマイクロシリンダ型レンズがあり、これは図３ｄに示したように、ストライプのアレイを生成することができる。図１３ｂに示すように、マイクロシリンダ型レンズのアレイを、直交する方向に２つ積重ねることによって、図６ｂ、６ｃに示すような正方形光スポットを生成することができる。別の例としては、光ファイバ束があり、この場合には各光ファイバが、他端を照明されると、図１３ｃに示すように１つの光スポットとなる。凹型の反射面のアレイによっても、図１３ｄに示すように、光のスポットまたはストライプを生成することができる。
（２）光マスキング素子の使用：図１３ｅ〜ｇに示すように、シャドーマスクは、透明なガラス上に反射パターン（マスク）をコーティングした形態にすることができる。シャドーマスクは、ポジティブ（すなわち光スポットは、非マスク領域であり、残部がマスク領域）（図１３ｆ）でも、ネガティブ（すなわち光スポットは、反射膜をコーティングした領域）（図１３ｇ）でも可能である。図中では、斜線領域は反射膜を示す。シャドーマスクをパターンプレートとして使用することによって、画像光の経路と照明光の経路とが結合解除される。図１４は、一対の集光レンズを画像レンズとして使用する例を示している。経路分離・再結合プリズムなどの光学系は、間隔ｄで配置することができる。Ｓｓ＝２ｆ３の場合には、ｄは２（ｆ３＋ｆ４）とすることができ、Ｓｓ’＝２ｆ４となる。Ｓｓ＜２ｆ３の場合には、ｄはｄ＞２（ｆ３＋ｆ４）となり、Ｓｓ＞２ｆ３の場合は、ｄ＜２（ｆ３＋ｆ４）となる。
（３）光フィルタ素子アレイの使用：個別の目的に応じて、異なる光特性用フィルタリング素子を応用することができる。例えば、マイクロカラーフィルタのモザイクでカラーのパターンを生成することができる。強度差パターンのフィルムは、異なる輝度の光スポットまたは光ストライプを生成することができる。位相差パターンを生成するには、異なる厚さ、または屈折率の異なるガラスプレートを用いるか、あるいは異なる液晶方向が照明光の異なる位相減衰を起こす、異なる方位の液晶を含むセルのモザイクを用いることができる。
【００３９】
カラー光パターンを生成には、まだ別の方法がある。図１５は、カラーパターンを生成するために、マイクロレンズアレイを備える回折格子（ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ ｇｒａｔｉｎｇ）を応用し、カラーパターンをＳＬＭ上に投写する例を示している。最初に、光ビーム１５０１に回折格子１５０５を通過させ・次いで円筒マイクロレンズのアレイ１１０を通過させて、光ストライプのアレイを生成する。Ｒ、Ｇ、Ｂのカラー順序が交代に並ぶ光ストライプ１５００のアレイが、マイクロレンズ焦点面１００１近くに生成される。面１００１近くの光ストライプの画像が、次いで画像レンズ（ｉｍａｇｉｎｇ ｌｅｎｓ）１２０を用いて、ＳＬＭ１３０の作動領域上に投写される。さらに、円筒形マイクロレンズ、球形マイクロレンズの２次元アレイを使用することもできる。マイクロレンズを球形にし、６方充填（ｈｅｘ−ｐａｃｋｅｄ）することで、非ストライプ型のＲＧＢパターンを生成することもできる。格子とマイクロレンズアレイは、もちろん一体型ホログラフィック光学素子で置き換えることができる。〔Ｊｏｕｂｅｒｔ〕は上記のＲＧＢパターンを生成する方法を開示している。
【００４０】
シャドーマスクを使用して光パターンを生成する場合、特にシャドーマスクがマイクロ反射パターンを含む場合に重要な問題は、光効率を高めるために、マスク除去された光を再利用する必要があることである。マスク除去された光を再利用する方法は多数ある。図１６ａは、ランプからの収束光線を楕円リフレクタ２を用いて再利用する一例を示している。シャドーマスク（ポジティブ）１６１０を、焦点Ｆ２に配置することによって、反射光のかなりの量を再利用することができる。図１６ｂは、ランプからの発散光線を、楕円リフレクタを用いて再利用する別の方法を示している。シャドーマスクから反射された光線を集光するために、球形ミラーＲ１が使用される。Ｃ２は、シャドーマスクのリフレクタによって結像されるＦ２の鏡像である。曲率Ｒ１の中心がＣ２に近接して配置され、これによってシャドーマスクによって反射されたすべての光線が集光されて、シャドーマスクに返還される。Ｒ１の中心穴は、ランプからの光線がＦ２に達するようにするために必要である。
【００４１】
図１６ｃは、内蔵リフレクタを備えないランプからの発散光線を再利用する例を示している。したがってＣ１にあるランプからの光線を集光し、返還するのに、球形リフレクタＲ２が必要である。ここでも球形ミラーＲ１を使用して、シャドーマスクから反射された光線を集める。Ｃ２は、シャドーマスクのリフレクタで結像された、Ｃ１のミラーイメージであり、曲率Ｒ１の中心がＣ２に近接して配置される。図１６ｄは、ポジティブシャドーマスクを用いる場合の、平行光線の再利用の例を示す。基本コンセプトは、光線を再利用するのに、プリズムまたはリフレクタを使用することである。図１５ｄ側面に示すように、入力光線１６０１は、シャドーマスクで反射された光線がプリズムＢに入射できるようにわずかに傾斜させてある。プリズムＢもまた、シャドーマスクに対して傾斜させてあり、これによって一面１６２５上に施した反射コーティングによって、シャドーマスクに光線を送り返すことができる。傾斜角度は、シャドーマスクで反射された光線が、所望の位置ずれｄ１、例えばＮ×１／２（シャドーマスク上のスポットパターンのピッチ）をもたせてシャドーマスクに送り返し、これによって光線がマスクを通過できるように選択される。
【００４２】
図１６ｄ上面は、左の図の上面図である。プリズムＢは、ｄ１と同じ理由で、水平方向に反射ずれｄ２を与えるためにわずかに回転させてある。図１６ｅは、ネガティブシャドーマスクを用いる場合に、平行光線を再利用する別の例を示している。この装置では、１組の直角プリズムが用いられる。図１６ｅ側面は、側面図を示す。プリズムＡは、プリズムＢとわずかに異なる寸法であり、これによって再利用された光線が、シャドーマスク上の異なる場所に送られる。シャドーマスクは直角プリズムの端面に対してわずかに傾斜しており、これによって反射光がプリズムＢから出ることができる。２つのミラーを、プリズムＡの代わりに用いて、同様な機能を達成することもできる。プリズムＡの寸法は、再利用された光線が、マスクの前面に、所望の位置ずれｄ１で返還されるように、選択することができる。ｄ１の値を、Ｎ＊１／２（マスク上のスポットパターンのピッチ）とすることで、光線をマスクによって反射されるようにすることができる。
【００４３】
図１６ｅは、左側の図の上面図である。プリズムＡは、ｄ１と同じ理由で、水平方向の反射ずれｄ２を与えるために、わずかに回転させてある。図１６ｆは、ランプからの平行光線を、楕円リフクレタを用いて再利用する光学系である。その基本コンセプトは、放物面リフレクタを使用して、光線を直接的に再利用することである。図１６ｇは、ランプからの平行光線を放物面リフレクタを用いて再利用する別の例を示している。この例では、２つのレンズ１６０８を備えるインテグレータ１６０７を使用し、シャドーマスクに到達する平行ビームをより均一にすることができる。Ｆ１に中心を有する、球形ミラーＲ１は、光軸（中心領域）回りの、放物面ランプリフレクタに反射して戻る光線を再利用する。ランプ光線の再利用方法についてのさらなる検討と方法については、［Rosenbluth and R. N. Singh］に記載されている。
【００４４】
上記の説明においては、単一のパターンプレート（マイクロレンズアレイ、シャドーマスク、または開口プレートなど）を用いて照明パターンを生成することに焦点を当てたが、複数のパターンプレートを用いて、複数の光スポットまたはストライプの幾何学的配設を含む照明パターンを生成することが可能である。複数の光特性を、照明パターンに含めることも可能である。例えば、ＳＬＭに４つのサブパネルを持たせ、その３つをＲＧＢ３原色で照明し、１つを白色光で照明してもよい。
【００４５】
照明パターンのステップオン投写に加えて、ＳＬＭを光パターンで照明する別の方法として、近接パターンプレートを用いて白色光でそのプレートを照明する方法がある。図１７ａ、ｂは、マイクロレンズアレイを近接パターンプレートとして使用する例を示している。マイクロレンズアレイ１７１０は、入力ビーム１７０１Ａで照明されると、各マイクロレンズの対応する光スポットが形成され、オフセット位置にある隣接する４つのピクセルをカバーするように配設されている。図に示したＳＬＭ１３０は反射型である。偏光ビームスプリッタ１７４０またはＴＩＲプリズムを使用することによって、入力ビーム１７０１Ａを反射画像ビーム１７０１Ｂと分離することができる。一般に、ＳＬＭの作用表面は、マイクロレンズアレイの焦点面の近傍に配置することができる。マイクロレンズ配列の存在によって、ＳＬＭからの反射画像は、それぞれが４つのピクセルを対象とし、１６レベルの光強度を有する複合ピクセルから構成されるように見える。同様に、マイクロ開口を含むシャドーマスクを、ＳＬＭに近接して用い、図１７ｃに示すように、隣接するピクセル上への変倍照明を生成することもできる。
【００４６】
上記の説明は、グレースケール機能のない空間光変調器に焦点を当てたが、上記の手法はＴＭＡまたは、ある種のＦＬＣ式ＳＬＭなどのグレースケール機能を備えるＳＬＭにも適用が可能である。パターン生成と照明の原理は、同じであり、各ピクセル自体がより多くグレーまたはカラーレベルを有するために、より多くのカラーまたはグレーレベルを生成することが可能である。
【００４７】
上記の手法は、複数のＳＬＭを用いるディスプレイシステムにも適用が可能である。このような場合には、各ＳＬＭからの画像を併合かつ表示することができる。例えば、二色性カラーキューブを用いると、白色光照明パターンをＲＧＢ３原色に分離し、それぞれが１つのＳＬＭを照明することや、この３つのＳＬＭからの画像を併合することもできる。別の例では、それぞれが１つのＳＬＭを表す１０３Ｒ〜１３０Ｂと共に、図１０ａに類似する光学装置を用いることもできる。多重ＳＬＭを用いることにより、異なるＳＬＭからのサブパネルを任意選択でオーバラップし、また必要があれば表示することができる。
【００４８】
上記の方法および光学装置は、単一の２値ＳＬＭを使用して、ディスプレイデバイスに内蔵されるカラートライアドの必要なく、カラーおよびグレーレベル画像を生成することを可能にする。本発明の例は、プロジェクタの形態において説明されているが、上記に開示する技法はプロジェクタに限定されるものではない。例えば、ＳＬＭ上の画像を、４５度ハーフ銀面ミラーの補助付きもしくは補助なしで、あるいは画像を拡大する眼鏡を使用するか、もしくは使用しないで、直接的に観察することもできる。同様の状況が、光学相関器としての応用にも当てはまる。光学相関器の応用としては、人の目は画像を直接は観察しないので、画像の外観は、ＳＬＭ上のデータコンテンツよりも重要度が低い。例えば、図１７ａ〜ｂのような装置を光学相関用に用いる場合には、各コンポジットピクセルの４つのサブピクセルが正しい「ビット情報」を表示する限り、近接パターンプレートは必要ではない。したがってユーザは、光学相関器のグレースケール画像を表示する２つの方法がある。第１の方法は、人の目がグレースケール画像を見る場合のように、近接パターンプレート（またはパターンのステップオン照明）を使用する方法である。第２の方法は、照明パターンを除去し、各ピクセルに同じ照度を与えながら、なお所定のコンポジットピクセル構造（またはサブピクセル構造）を維持し、かつコンポジットピクセルとそのサブピクセル間の「データ符号化関係」を保存することである。このようにすることで、対象画像の「ビット情報」のコンテンツは、人の目には保存されないが、光学的計算のために保存される。
【００４９】
この技法はまた、限定はされないが、特に２値ＳＬＭを使用する立体３次元ディスプレイのカラー／グレー能力を増大させることに応用ができる。立体３次元ディスプレイに用いる場合には、それは移動スクリーン式ディスプレイに限定されない。２つのビームの内の１つを本発明で開示する投写技法を用いて投写することによって２段階刺激型のディスプレイにも、応用可能である。さらに、スクリーン移動方向における立体３次ディスプレイシステムの解像度を向上させるのにも応用できる。カラートライアド構造を有する単一のディスプレイパネルを用いて、２次元プロジェクタに適用して、カラートライアドのアーティファクトのない画像を投写することができる。
[参考文献]
【外１】
【図面の簡単な説明】
【図１ａ】照明パターンをＲＬＭに投写することによって照明パターンの生成と、サブパネルを画定する基本アプローチを示す図である。
【図１ｂ】照明パターンをＲＬＭに投写することによって照明パターンの生成と、サブパネルを画定する基本アプローチを示す図である。
【図２ａ】ＳＬＭ上の複数サブパネルを定義し、かつ照明するための光学装置の例を示す図である。
【図２ｂ】ＳＬＭ上の複数サブパネルを定義し、かつ照明するための光学装置の例を示す図である。
【図３ａ】第１のカラープロジェクタの例を示す図である。
【図３ｂ】コンポジットピクセルの構成を示す図である。
【図３ｃ】第２のカラープロジェクタの例を示す図である。
【図３ｄ】光ストライプのアレイを含む照明パターンを示す図である。
【図３ｅ】ＳＭＬ上のサブパネルの構成を説明する図である。
【図３ｆ】 時間領域で、異なるサブパネル上の画像を分離する原理を示す図である。
【図３ｇ】投写されたサブフレームの構成を説明する図である。
【図４ａ】異なるＳＬＭからの画像フレームをマージさせて、時間領域に分布させる装置の原理と例を示す図である。
【図４ｂ】異なるＳＬＭからの画像フレームをマージさせて、時間領域に分布させる装置の原理と例を示す図である。
【図５】異なるＳＬＭからの画像フレームをマージさせて、時間領域に分布させる装置の原理と例を示す図である。
【図６ａ】変倍照明の基本コンセプトを示す図である。
【図６ｂ】変倍照明の基本コンセプトを示す図である。
【図６ｃ】変倍照明の基本コンセプトを示す図である。
【図６ｄ】変倍照明の基本コンセプトを示す図である。
【図６ｅ】変倍照明の基本コンセプトを示す図である。
【図７ａ】異なるサブパネルからの画像を、単一のサブパネルのフォーマットに併合する手法を示す図である。
【図７ｂ】異なるサブパネルからの画像を、単一のサブパネルのフォーマットに併合する装置例を示す図である。
【図７ｃ】図３ｃで用いた経路分離光学の別の装置例を示す図である。
【図８ａ】異なるサブパネルからの画像を、単一のサブパネルのフォーマットに併合する手法を示す図である。
【図８ｂ】異なるサブパネルからの画像を、単一のサブパネルのフォーマットに併合する装置例を示す図である。
【図８ｃ】異なるサブパネルからの画像を、単一のサブパネルのフォーマットに併合する装置例を示す図である。
【図９ａ】ＳＬＭ上の隔離かつ分離されて画定されたサブパネルを示す図である。
【図９ｂ】ＳＬＭ上の隔離かつ分離されて画定されたサブパネルを示す図である。
【図９ｃ】ＳＬＭ上の隔離かつ分離されて画定されたサブパネルを示す図である。
【図１０ａ】第３のカラープロジェクタ例を示す図である。
【図１０ｂ】第３のカラープロジェクタ例を示す図である。
【図１０ｃ】第３のカラープロジェクタ例を示す図である。
【図１１】ＦＬＣ式ＳＬＭを用いる第４のプロジェクタ例を示す図である。
【図１２ａ】グレーイメージを表示する第５のプロジェクタ例を示す図である。
【図１２ｂ】グレーイメージを表示する、第６のプロジェクタ例を示す図である。
【図１３ａ】照明パターンを生成するための追加の手法を示す図である。
【図１３ｂ】照明パターンを生成するための追加の手法を示す図である。
【図１３ｃ】照明パターンを生成するための追加の手法を示す図である。
【図１３ｄ】照明パターンを生成するための追加の手法を示す図である。
【図１３ｅ】照明パターンを生成するための追加の手法を示す図である。
【図１３ｆ】照明パターンを生成するための追加の手法を示す図である。
【図１３ｇ】照明パターンを生成するための追加の手法を示す図である。
【図１４】一対の集光レンズを画像レンズとして使用する例を示す図である。
【図１５】照明パターンを生成するための追加の手法を示す図である。
【図１６ａ】マスク除去された照明光を再利用する方法の例を示す図である。
【図１６ｂ】マスク除去された照明光を再利用する方法の例を示す図である。
【図１６ｃ】マスク除去された照明光を再利用する方法の例を示す図である。
【図１６ｄ】マスク除去された照明光を再利用する方法の例を示す図である。
【図１６ｅ】マスク除去された照明光を再利用する方法の例を示す図である。
【図１６ｆ】マスク除去された照明光を再利用する方法の例を示す図である。
【図１６ｇ】マスク除去された照明光を再利用する方法の例を示す図である。
【図１７ａ】変倍照明用の近接パターンプレートを用いる概念を示す図である。
【図１７ｂ】変倍照明用の近接パターンプレートを用いる概念を示す図である。
【図１７ｃ】変倍照明用の近接パターンプレートを用いる概念を示す図である。
本発明は、１９９８年５月１９日付け発行の米国特許第５７５４１４７号、１９９９年９月２１日付け発行の米国特許第５９５４４１４号、１９９８年１２月２２日付け出願の米国特許出願第０９／２１８９３８号、および１９９９年２月２０日付出願の米国特許出願第０９／２５３６５６号に関連する。
【０００２】
【発明の背景】
本発明は一般に、カラーまたはグレー機能のない空間光変調器（ＳＬＭ）を用いて、カラーまたはグレースケール画像を生成するための、画像投写方法および装置に関する。この手法は、立体３次元ディスプレイ（Ｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃ ３Ｄ ｄｉｓｐｌａｙ）におけるカラーおよびグレースケール画像の表示に特に有用である。立体３次元ディスプレイは、３次元画像を３次元実空間に表示する。立体画像中の各「ポクセル」は、それがあるべき空間位置に実際かつ物理的に位置しており、その位置から、光線が多方向に直接的に伝播して、観察者の目に実際の画像を形成する。この結果、立体表示は、生理学的および心理学的な奥行き情報（ｄｅｐｔｈ ｃｕｅｓ）におけるすべての主要素を含んでおり、特殊な眼鏡を必要とすることなく複数の観察者による、３６０度の移動観察（ｗａｌｋ−ａｒｏｕｎｄ ｖｉｅｗｉｎｇ）を可能にする。例えば、〔Ｔｓａｏ等、１９９８〕および〔Ｔｓａｏ、１９９９〕には、光学的インターフェイス（ｉｎｔｅｒｆａｃｉｎｇ）メカニズムを用いて、ＳＬＭ上で生成されて静止プロジェクタから投写される２次元画像の全フレームを移動スクリーンに円滑に送達し、これをスクリーン上に表示するアプローチに基づく、立体３次元ディスプレイが開示されている。このスクリーンの移動によって、スクリーン上に表示された２次元画像フレームが、空間内に有効に分布する。これらの空間内に分布する画像フレームは、人の目の残像効果によって、観察者の目に立体３次元画像を生成する。さらに、この発明は、２次元画像の投写や光学的相関器用の高フレームレート画像ディスプレイなどの、２次元ディスプレイ用途にも有用である。
【０００３】
ＳＬＭの多くは、カラーあるいはグレースケール機能を備えていない。例えば液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）は一般に、ピクセルセル中の液晶分子の配向性を利用して、ピクセルを透過または反射する光量を変調している。したがってＬＣＤデバイスは、２値画像（白黒）またはグレースケール画像の機能のみを有し、カラー機能を有していない。ＬＣＤを用いてカラー表示をする最も一般的な方法は、ピクセルセル上にカラーフィルタモザイクを構築する方法であり、これはカラートライアドまたはカラーストライプ構造とも呼ばれる。これらのカラー化されたピクセルセルを用いることによって、カラー画像を表示することができる。カラーフィルタモザイクを使用してカラートライアド構造を生成する方法には、これらのカラーフィルタのいずれか１つを通過する白色光は、その約3分の１だけであるために、光学的なスループットが低いという欠点がある。このために屈折光学系またはホログラフィック素子を用いる空間色カラー照明技術（spatio-chromatic colored illumination）が開発され、高い光学的スループットが得られるようになった。例えば［Joubert］には、回折格子を用いてＲＧＢカラーをマイクロスケールで分離し、次いでマイクロレンズアレイを用いて異なるピクセル位置にＲＧＢスポットを集束させる方法が記載されている。同等に、この回折格子システムとマイクロレンズアレイの機能を、ホログラフィック・マイクロレンズアレイを用いて一体化することができる。別法として、［Morris］に記載されているように、回折格子を内臓するマイクロレンズアレイを用いて、この機能を実現することもできる。したがって、これらの技術を用いると、高い光学スループットのカラートライアドパターンを得ることができる。
【０００４】
代替手法としては、それぞれが異なるカラーで照明されたいくつかのＬＣＤからの投写を組み合わせることによって、カラー画像を表示することも可能である。例えば、それぞれを赤、緑、青のビームで照明した３つのＬＣＤを用いて、さまざまな色の組合せを投写によって生成することができる。強誘電体液晶（ＦＬＣＤと呼ばれる）をベースとするデバイスなどの、高いフレームレートを有するＬＣＤに対しては、フィールド順次技術（field sequential technique）を適用することによって、カラートライアドのない単一の表示デバイスを用いて、カラー画像を生成することができる［Displaytech］。
ＬＣＤ以外にも、２値画像またはグレースケール画像機能のみを有するデバイスがある。例えば、デジタル・マイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）は、アクチュエータ付きの微小リフレクタのマトリックスで構成されている。マトリックスに、光ビームを当てて、各リフレクタの位置を切り替えることによって、デバイス上に任意の画像を生成し、それを投写することができる［Thompson］。別の例として、薄膜マイクロミラーアレイ（ＴＭＡ）も、ピエゾアクチュエータ付きのマイクロミラーのマトリックスで構成され、各ミラーを複数の位置で作動させて、グレースケールを生成することができる［Kim & Huang］。またこの他にも多くのマイクロミラーをベースとするデバイスがある。
【０００５】
立体３次元ディスプレイまたは高速光学的相関器の画像供給源として使用する場合には、ディスプレイデバイスは、高いフレームレイトを有することが必要である。立体３次元ディスプレイ用については、フレームレートが高いと、画像ボリューム当たりのフレーム数が大きくなり、したがってスクリーン走査方向の解像度が高くなる。光学相関器用については、フレームレートが高いと、（相関）処理スループットが高くなる。これらの用途においては、２値画像機能のディスプレイデバイスでは、従来方式のカラー構成手法を使用することにより、限られたカラー／グレースケール能力だけを得ることができる。特にフィールド順序技術は、それぞれの単一フレームがカラー／グレーでなくてはならないという理由で、適していない。３つのディスプレイデバイス（それぞれＲ、Ｇ、Ｂ）を用いてカラーを得ることはできるが、多くのデイバスを用いることでコストが高くなる。カラートライアド技術を適用することは可能であるが、表示デバイス上のカラーフィルタモザイックの製造はコストが高く、特にＦＬＣＤおよびＤＭＤなどの多くの高フレームレートデバイスは、反射型ディスプレイであり、１０ミクロンオーダーのピッチの微細ピクセルを有する。前述の空間色カラー照明技術も、これらの反射型ディスプレイに応用するのは困難である。カラーパターンを生成するのに使用する、回折格子、マイクロレンズ（または同等のホログラフィック光学素子）は、一般に透過型ＬＣＤの背面に近接して装着または配置する。反射型ＳＬＭ上に屈折光学系を構築すること、またはＳＬＭに装着することは、望ましくない。
【０００６】
カラートライアド技術を応用して、２次元カラー画像を生成する場合には、モアレパターンのようなカラーエリアジングなどのアーティファクトが現れることがあるが、これはＲ、Ｇ、Ｂサブピクセルが空間に完全に混合されないためである。
したがって本発明の目的は、カラートライアド光学系をディスプレイデバイスに内蔵する必要がなく、単一の２値ＳＬＭを使用して、カラーおよびグレー画像を生成することを可能にする方法と、光学装置を提供することである。また、それに限定されるものではないが、特にＳＬＭを用いる立体３次元ディスプレイのカラー／グレー能力を向上させることも、本発明の目的である。さらに、本発明を応用することによって、スクリーン移動方向における立体３次元ディスプレイシステムの解像度を向上させることができる。本発明はまた２次元プロジェクタに応用し、カラートライアド構造を有する単一のディスプレイパネルを用いて、カラートライアドのアーティファクトのない画像を投写することができる。
【０００７】
【発明の概要】
一般に、パターン投写技法（Ｐａｔｔｅｒｎ Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）では、異なる物理特性値を有する光の２次元分布を含む光パターンを用いて、ＳＬＭを照明する。ＳＬＭ上では、複数のピクセル（ｐｉｘｅｌ）（またはサブピクセルｓｕｂ−ｐｉｘｅｌと呼ばれる）が１つのコンポジット画像ピクセルを表わすグループに分けられる。ＳＬＭ上への光パターンの照明は、１つのピクセルの各サブピクセルが、光強度（ｌｉｇｈｔ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）などの選択された光の物理的特性について異なる値を有する光で照明されるように配設される。ＳＬＭ上の選択されたサブピクセルのスイッチを入れたり、切ったりすることによって、例えば異なる光強度を有する選択されたサブピクセルで構成されたグレーレベルを有する画像を表示することができる。照明光パターンは、ＳＬＭから離れた場所で生成し、次いでＳＬＭ上に投写することができる。ＳＬＭをプロジェクタの画像供給源として用いる場合には、この照明パターンをプロジェクタの光源としても用いる必要がある。照明パターンは、ＳＬＭの作動表面に近接する近接パターンプレートを用いて生成することもできる。光学の分野の習慣に従って、「投写」はターゲット上にソースイメージを転送する有限／有限な共役（ｆｉｎｉｔｅ／ｆｉｎｉｔｅ ｃｏｎｉｕｇａｔｅｓ）光学手段である。上記の場合では、ソースイメージは照明パターンであり、ターゲットはＳＬＭである。代わりとなる翻訳は投影、投射およびプロジェクションを含んでいる。
【０００８】
したがってこの手法は、単一のＳＬＭを複数のサブパネルに定義、かつ分離して、次いでこれらのパネルを、多重ディスプレイパネルを使用するかのように使用することができる。例えば、サブピクセルを緊密に相互結合された領域として定義し、異なる原色（ｐｒｉｍａｒｙ ｃｏｌｏｒ）で照明する場合には、ＳＬＭはピクセルがカラートライアド（ｃｏｌｏｒ ｔｒｉａｄ）構造を有するかの如く、多数のカラーで画像を表示することができる。したがって、ディスプレイデバイスに上に内蔵のカラーフィルタトライアドを必要としない。
ＳＬＭ上の異なるサブパネル上の画像は、時間分散照明システム（ｔｉｍｅ−ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ）を用いて異なる光特性を有するサブパネルを時間領域で分離することによって、サブフレームに分離して、ＳＬＭの有効フレームレートを増大させることもできる。
【０００９】
ＳＬＭ上の異なるサブパネル上の照度（illumination intensity）は、適切な比に変倍することによって、ＳＬＭ上のコンポジット画像が、変倍しない照明によるよりも大きな強度レベル（intensity level）（またはグレーレベル）になるようにすることもできる。またこの変倍照明を、構造パターン中のＳＬＭ上の隣接ピクセルおよびサブピクセル間に応用して、同様な結果を得ることができる。
ＳＬＭ上の複数サブパネルを、単一のサブパネルに光学的に併合することもできる。これによってカラートライアドを有するディスプレイに関連する画像アーティファクトを除去する助けとなる。
ＳＬＭ上のサブパネルは、隔離、かつ一体化した領域として定義することもできる。
照明パターンを生成するには多くの方法があり、それにはマイクロレンズアレイ、反射マイクロパッドのシャドーマスク、または透明な開口を有する開口プレートなどに光を通過させる方法がある。
【００１０】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般に、カラーまたはグレー機能のない空間光変調器（ＳＬＭ）を用いてカラーおよびグレースケール画像を生成する画像投写方法および装置に関する。
パターン投写の基本アプローチは、単一ＳＬＭパネル上のピクセルを、複数のグループに分割し、次いで各グループを異なる原色で照明することである。次いで単一パネルのコンテンツは、異なる原色で照明される複数の「サブパネル」が存在するかの如くプログラミングされる。したがってパネル上の結合画像は、多数カラーの画像を表示する。
【００１１】
パターン投写手法においては、ピクセルの観点からは、複数のピクセル（またはサブピクセルと呼ばれる）を、１つのコンポジット画像ピクセルを表わすグループに分け、かつ各サブピクセルを異なるカラーで照明することによって、カラーまたはグレーレベルのコンポジット画像ピクセルが生成される。１つのＳＭＬパネル上の選択したサブピクセルのスイッチを入れたり切ったりすることによって、異なるカラーと強度を有する選択されたサブピクセルで構成される、カラーレベルを有する画像を表示することができる。
上記の方法で、複数サブパネルを定義し照明するために、光パターンをＳＬＭパネル上に配光する必要がある。この照明パターンによって、物理的特性の異なる光の特性値の２次元分布が得られる。この物理的特性は、周波数（カラー）に限定されない。それは、光強度（または振幅）、偏極（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）、または位相であってもよい。例えば、各ピクセルが同一の強度、または異なる強度の同一カラーで照明される場合には、全パネルの画像が、そのカラーの多数のグレーレベルを有するように見える。
【００１２】
複数サブパネル（すなわち複数ピクセルグループ）の定義と照明は、まずマイクロ光スポットのパターンを生成し、次いでステップオン投写（ｓｔｅｐ−ｏｎ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ）によって、このマイクロ光スポットのパターンをサブパネル内に導入することによって達成することができる。例えば、光スポットのパターンは、マイクロレンズアレイを用いて生成することができる。マイクロレンズアレイとは、マイクロ加工された微細レンズのマトリックスである。図１ａに示すように、光ビーム１０１にマイクロレンズ１１０の２次元アレイを通過させると、光ビームは、微細光スポットのマトリックス１００に変換される。次いでこの光スポットのパターン１００が、新光源として使用され、例えば一対のコンデンサレンズ（ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ ｌｅｎｓ）１２０ａおよび１２０ｂを用いて、ＳＬＭパネル１３０の動作領域上に投写される。マイクロレンズアレイの分布の幾何形状とピッチ、およびコンデンサレンズの倍率に応じて、ＳＬＭパネル上の選択されたピクセルだけをカバーするように、光スポットを位置合わせすることができる。
図１ｂに示すように、隣接する４つのピクセル１３０１ごとに、１つのピクセルだけが光スポットのパターン１００によって照明される。照明されるピクセルは、こうしてディスプレイパネル上で１つの「サブパネル」を形成する。
【００１３】
４つのパターンの光スポットを使用することによって、単一のＳＬＭパネル上でそのような４つのサブパネルを定義することができる。実際には、適切なビーム分光光学系を用いて照明経路を分離することによって、単一のマイクロレンズアレイで、十分な数のパターンを生成することができる。図２ａは、光学装置の例を示している。２つのコンデンサレンズ１２０ａおよび１２０ｂの間で、ビームスプリッタ（ｂｅａｍ ｓｐｌｉｔｔｅｒ）２２０や偏光ビームスプリッタ（ｐｏｌａｒｉｚｉｎｇ ｂｅａｍ ｓｐｌｉｔｔｅｒ）２２１１および２２１２のようなビーム分割光学系の装置を加えることによって、光ビームを４つの経路２０１Ａ〜２０１Ｄに分離し、それぞれの経路が同じ光スポットのパターンを搬送するようにすることができる。再び２つの偏光ビームスプリッタ２２２１および２２２２と、ＴＩＲ（全内部反射）プリズム２２３を用いて、４つの経路を再結合して、ディスプレイパネルに投写することができる。ミラー２２４、２２５およびＴＩＲ２２３を調整することによって、各パターンが異なるグループのピクセルを対象とするように、４つの経路をわずかにオフセットさせることができる。すなわち４つの経路が、ディスプレイパネル上の４つのサブパネルを画定する。図２ｂに示すように、光スポット１００ｃによって画定されるサブパネルは、経路２０１Ｃからの照明を受けている。同様に、光スポット１００ａ、１００ｂ、および１００ｄで画定されるサブパネルは、それぞれ経路２０１Ａ、２０１Ｂ、および２０１Ｄからの光源を受けている。
【００１４】
カラーフィルタを分離した照明経路（２０１Ａ〜２０１Ｄ）に加えることによって、別個のサブパネルが別個の原色によって照明され、ディスプレイパネル上にカラーフィルタのモザイクを必要とすることなくカラートライアドシステムを、形成できる。一例が、図３ａに示してある。図３ａと２ａとの違いは、偏光ビームスプリッタ２２１が、非偏光キューブ式ビームスプリッタ２２０の代わりに用いられ、２つの「カラーセレクト」フィルタ（ColorSelect filters）３２１ＧＭおよび３２１ＢＹが、追加で配設される。「カラーセレクト」フィルタは、直線的に偏光された光を通し、原色カラーバンドの偏光状態を９０度回転させ、一方では相補的カラーバンドが、偏光の入力状態を保持している。例えば、図３ａのカラーセレクタフィルタ３２１ＧＭは、入力されたＳ偏光された光を通し、そのブルー（Ｂ）バンドをＰ偏光に回転し、一方相補バンド（グリーン＋レッド＝イエロー）はＳ偏光のままである。この結果、Ｂバンドは偏光ビームスプリッタ２２１２を通過するが、Ｙバンドは偏光ビームスプリッタ２２１１で反射する。
【００１５】
コロラド州ボールダ（Ｂｏｕｌｄｅｒ ｏｆ Ｃｏｌｏｒａｄｏ ｓｔａｔｅ、ＵＳＡ）のＣｏｌｏｒｌｉｎｋ社は、この種のカラーフィルタを販売している。２つの異なる「カラーセレクト」フィルタ３２１ＢＹおよび３２１ＧＭは、光ビームをそれぞれが異なるカラー、すなわちＭ（マジェンタ、Ｒ＋Ｂ）、Ｇ（グリーン）、ＹおよびＢの４つの経路に分離する（３０１Ｍ、３０１Ｇ、３０１Ｙ、３０１Ｂ）。（このカラー分離方法においては、ほとんど無駄になる光がないことに留意すべきである。）異なるカラーの４つの光スポットパターンが、対応するサブパネルを照明すると、ＳＬＭ上の隣接する４つのピクセル毎に、４つのカラーすなわちＭ、Ｇ、ＹおよびＢを含むようになる。すなわち４つごとのピクセルが、図３ｂに示すように、４つの異なるカラー１００Ｍ、１００Ｇ、１００Ｙおよび１００Ｂによって照明される４つのサブピクセルの組合せとして、４ビットカラーを有するコンポジットピクセル３３０１を形成する。
図３ｃはパターン投写用光学装置の別の例を示し、この例では２組の二色性（ダイクロイック）カラーフィルタ（ｄｉｃｈｒｏｉｃ ｃｏｌｏｒ ｆｉｌｔｅｒ）３３１Ｒ−３３１Ｂおよび３３２Ｒ−３３２Ｂを使用し、白色光ビーム１０１を３つの経路３９１Ｒ−３９１Ｂに分離し、それぞれのパスが異なるカラーを有して、ＳＬＭ上の異なるサブパネルを照明する。図では、照明パターンは、図３ｄに示すように光ストライプのアレイ３００を含む（これは後述するようにマイクロレンズアレイを使用し生成することができる）、この一組のストライプは、３つの組に分離され、各セットが異なるカラー（Ｒ、ＧまたはＢ）を有し、図３ｅに示すように、異なるサブパネル３００Ｒ〜３００Ｂを画定する。
【００１６】
ＳＭＬ上の多重サブパネルは、有効フレームレートを増加させるために、「サブフレーム」に分離することも可能である。全体フレーム投写に基づく立体３次元ディスプレイにおいては、有効フレームレートの増加は、スクリーン移動の方向における画像解像度の増加を意味する。これは、各サブピクセルを、異なるタイミングと、元のディスプレイデバイスのフレーム周期よりも短い時間周期で、照明することによって達成できる。例えば、図３ａの場合には、偏光ローテータ３５０を加えることができる。偏光ローテータは、線形に偏光された光を取り入れ、偏光状態を、入力電圧信号に応じて、９０度または０度切り替えることができる。すなわち、Ｐ偏光した光は、回転してＳ偏光となり、またその逆に回転することができる。デバイスを「回転なし」に設定することもできる。次いで偏光状態が不変に維持される。偏光ローテータを切り替えることによって、偏光スプリッタ１４０を通過し、ＳＬＭに到達するための、経路３０１Ｂ＋３０１Ｍ（両者ともＰ偏光）または３０１Ｇ＋３０１Ｙ（両者ともＳ偏光）を効果的に選択する。言い換えると、照明すべきサブパネル１００Ｂおよび１００Ｍ（Ｍ＋Ｂ）、または１００Ｇおよび１００Ｙ（Ｇ＋Ｙ）を選択する。偏光ローテータの状態を各フレーム周期の中間で変更することによって、図３ｆに示すように、元の１フレームの時間周期内に、サブパネルＢ＋ＭおよびＧ＋Ｙ上の画像を順番に、それぞれを元の１フレームの２分の１の期間、投写することができる。図３ｇは、この２つの投写されたサブフレームの様子を示している。サブフレームＢ＋Ｍは、サブパネル１００Ｂおよび１００Ｍからの画像を含み、サブフレームＧ＋Ｙは、サブパネル１００Ｇおよび１００Ｙからの画像を含む。それぞれの元のフルフレームが、２つのサブフレームに分離されるために、有効フレームレートは２倍となる。
【００１７】
立体３次元ディスプレイの応用に対して、このサブフレーム手法は、本質的にスクリーン移動の方向にピクセルを再分布させることによって、その方向における有効フレーム数を増大させる方法である。したがって、各サブフレームにおけるピクセル数は、図３ｇの場合には元の数の半分に低減する必要がある。しかし、図３に示すような各サブフレーム上のチェッカーボード状のピクセル配置では、フルフレームのピクセル数の半分だけしか含まないものの、位置誤差は１ピクセルで、フルフレームと解像度は同じであることに留意すべきである。
【００１８】
時間分散照明システム（time-distributed illumination system）を備える多重ＳＬＭを用いることによっても、有効フレームレートを増大させることができる。１つのＳＬＭが1秒間にＮ個の異なるフレームを生成できる場合に、Ｍ個のデバイスは1秒間にＭ×Ｎフレームを同時に生成することができる。図４ａは、２つのＳＬＭである１３０Ａ、１３０Ｂを使用する好ましい例を示している。各ＳＬＭは、ＴＩＲプリズム（１４０Ａまたは１４０Ｂ）を介して、光ビーム（１０１Ａまたは１０１Ｂ）によって照明される。高速度シャッター（４５０Ａまたは４５０Ｂ）が各照明のオンオフを変調させる。反射されたビーム画像は、第３のＴＩＲプリズム１４０Ｃを介して結合され、次いで投写レンズ１６０を介して１８０にあるスクリーン（図示せず）に投写される。図４ｂには、２つのシャッターを用いて、それぞれ異なるＳＬＭからの２つの異なる画像フレームを、単一フレームのタイミング周期に配置する方法を示してある。ＳＬＭ１３０Ａは、時間周期Δｔの間、コンテンツＡ１を表示する。同じ周期の間、ＳＬＭ１３０Ｂは、コンテンツＢ１を表示する。シャッター４５０Ａは、この周期の前半の間は開き、後半の周期中は閉じている。この作用によって、コンテンツＡ１は時間周期の前半にのみ投写される。シャッター４５０Ｂは、この時間周期の前半中は閉じており、次いで後半周期に開く。この作用によって、コンテンツＢ１は後半周期の間にのみ投写される。結果的に、Δｔの時間周期中に、異なるコンテンツの２つのフレームが表示される。したがってフレームレートが倍増される。高速シャッターの開放／閉止周波数は、システム内にＭ個のＳＬＭを用いる場合は、少なくともＳＬＭの最大フレームレートのＭ倍である必要がある。２個以上のＳＬＭを使用する場合には、画像結合のためにさらに多くのＴＩＲプリズムを、図４ａのシステムに追加することができる。
【００１９】
図５は、図４ａよりも簡単な配設が可能な、多重パネル技術の別の好ましい例を示す。ＩＴＲプリズムの代わりに、偏光ビームスプリッタ５４０を用いて２つのＳＬＭからの画像を結合する。偏光ビームスプリッタはまた、１つの入力光ビーム１０１を、それぞれが２つのＳＬＭを照明する２つのビーム（１０１Ａおよび１０１Ｂ）に分離する。この偏光ビームスプリッタの作用によって、ＳＬＭ１３０Ａに向けられたビーム１０１ＡはＰ偏光し、ＳＬＭ１３０Ｂに向けられたビーム１０１ＢはＳ偏光される。ＳＬＭによって反射された後に、ＳＬＭ１３０Ａからの画像ビームが、偏光ビームスプリッタ表面で投写レンズ１６０の方向に反射されるためには、１０１Ｓで示されるように、Ｓ偏光画像を含んでいなくてはならない。他方、ＳＬＭ１３０Ｂからの画像ビームは、偏光ビームスプリッタ表面を通過するためには、１０１Ｐで示すように、Ｐ偏光されている必要がある。
【００２０】
結果的に、ＳＬＭに向けられたビームの偏光軸は、反射後に９０度回転されなくてはならない。ＳＬＭがＤＭＤまたはＴＭＡデバイスなどのマイクロミラーディスプレイである場合には、反射ビームの偏光は入射ビームと同じになる。この場合には、１／４波長リターダプレート５２０Ａ、５２０Ｂを用いて、ＳＬＭから反射されたビームの偏光軸を９０度回転させる（ＰをＳに回転させ、ＳをＰに回転させる）必要がある。ＳＬＭがＦＬＣＳＬＭなどの液晶ディスプレイベースである場合には、この偏光回転は、一般にＳＬＭを用いて行うことができる。この場合には、１／４波長リターダは必要ではない。２つの画像ビーム（１０１Ｓ、１０１Ｐ）間に偏光差があるために、偏光ローテータ５５０ａおよびリニア偏光５５０ｂを備える、偏光セレクタ５５０を用いて、投写レンズ１６０に進むいずれかのビームを選択することができる。これは図４ａの装置における２つのシャッターに相当する機能である。ビーム１０１Ｓが偏光セレクタを通過する状態は、シャッター４５０Ａが開き、４５０Ｂが閉じた状態に相当する。ビーム１０１Ｐが通過する状態は、シャッター４５０Ａが閉じて、４５０Ｂが開いた状態に相当する。
【００２１】
前節においては、多数のカラー画像を投写するために異なるサブパネルにカラー照明をする例を用いて、パターン投写技術を説明した。同一カラー（例えば白）ではあるが、強度を倍率変更した照明を、異なるサブパネルに応用することによって、多数のグレーレベルの画像を生成することができる。例えば、図２ａの装置を参照すると、４つの分離経路（２０１Ａ、２０１Ｂ、２０１Ｃおよび２０１Ｄ）の光強度は、４つの経路に適当な開口の開口絞りを挿入することによって８：４：２：１に倍率変更することができる。結果的に、４つの経路によって照明される４つのサブパネルも、図６ａに示すように、８：４：２：１の輝度変倍となる。４つのサブピクセルからなるコンポジットピクセル６３０１は、したがってそれぞれが異なる輝度を有する４つのサブピクセルの組合せによって、１６のグレーレベル（０〜１５）のコンポジット輝度を表示することができる。この方法は、「変倍照明」（Scaled Illumination）と呼ぶことができる。
【００２２】
異なるサブパネル上の照度を倍率変更する他に、変倍照明を、単一光パターンを用いてＳＬＭ上の隣接ピクセルに応用することもできる。例えば、図６ｂに示すように、照明パターン中の各光スポット１００が、オフセット位置にある隣接する４つのサブピクセルを照明することによって、４つの隣接するサブピクセルのそれぞれに対する照度を、各ピクセル内の数字が示すように、１：２：４：８に変倍することができる。同様に、長方形照明スポット（これは２つのマイクロ・シリンダ・レンズのアレイを交差積層することによって得られる）によっても、図６ｃに示すように、同じことが可能である。ピクセルが６つのサブピクセルを有する場合には、図６ｄに示すように６４のグレーレベルを得ることができる。照明パターンが光ストライプを含む場合には、各ストライプが3列のピクセルを対象として、図６ｅに示すように、１：２：４の照明倍率を生成することができる。
【００２３】
前節で述べた方法によって、投写されたカラー画像は、ＳＬＭ上の各サブピクセルが１つまたは数ピクセルだけ分離されているために、なおカラートライアド構造の「様相」を含んでいる。これによって、カラー画像中に望ましくないアーティファクトが現れる可能性がある。光パターンをディスプレイパネル上に投写する場合と同様の、投写および経路結合の光学システムを応用すれば、物理的に分離されたサブピクセルを結合し、かつＲ、Ｇ、Ｂサブピクセルを１つのピクセルにすること、すなわちカラートライアドの様相を除去することが可能である。この基本コンセプトは図７ａに示してある。経路分離光学系および結合光学系は、類似のものであるので、ＳＬＭが反射型である場合には、１組の分離／結合光学システム７８０のみが必要となる。レンズ１２０は、パターンプレート１１０を照明することで得られる光パターン１００を、ＳＬＭ１３０上に投写し、投写レンズ１６０は、ＳＬＭからの画像をスクリーン（図示せず）に投写する。経路分離／結合光学系は照明ビームをディスプレイパネルにつながる複数の経路７８１に分離し、ディスプレイパネルを４つのサブパネル７００に分割する。同じ光学系が、４つのサブピクセルから反射された画像を再結合して、それぞれが異なるサブピクセル７９０からの４つのピクセルの重ね合わせたピクセルを有する、単一パネルに併合する。
【００２４】
図７ｂは、この方法の一例を示す。図3で用いられた経路分離光学系は、経路分離用と結合用の光学系の両方として用いられる。レンズ１２０ａおよび１２０ｂは、パターンプレート１１０上の光パターンを、４つのサブピクセルを画定する４つの分離された経路で、ＳＬＭ１３０上に投写する。レンズ１２０ｂおよび１６０は、投写レンズとして作用し、距離１８０に再結合された画像を投写する。この複合レンズは、コンデンサレンズ式でも、シュリーレン光学系方式でもよい。望ましい場合には、複合レンズに２つ以上の構成要素を使用して、必要であればこれらの構成要素が分離／結合光学系の間に散在しもよい。ＴＩＲプリズム７４０は、照明ビームを画像ビームから分離する。
【００２５】
図７ｃは、図３ｃで用いた経路分離光学系の別の装置例を示す。この装置は、２セットの３つの二色性リフレクタ（３３１、３３２）を使用して、光ビームをＲ、Ｇ、Ｂの３つの経路に分離する。各二色性リフレクタは、選択された光のバンド（Ｒ、Ｇ、Ｂ）だけを反射し、残部を通過させる。投写レンズ１２０は、光パターンをＳＬＭ上に投写する。３つの二色性リフレクタを２組、図のように配列し、各経路が同じ長さとなるようにする。（これは、標準の投写レンズを用いる場合に好ましい。シュリーレン投写光学系を応用して、投写ビームが平行ビームである場合には、３つの二色性ミラーで十分となる。）各二色性リフレクタの角度を調整することによって、３つの経路をわずかにオフセットさせて、３つのサブピクセルを画定することができる。ＳＬＭで反射された画像ビームは、再結合されて投写レンズ１６０によって投写される。３つのサブパネルが１つに併合される。
【００２６】
上記の説明において、経路／カラー分離および結合光学系は、ＳＬＭと投写レンズの間に配置される。この配設は、ディスプレイパネルと投写レンズとの間に大きな光学経路長を必要とする。代替手法としては、分離光学系７８０ＡをＳＬＭ前方に（すなわち光経路の上流に）配置し、投写レンズの後に経路／カラー併合光学系７８０Ｂを使用する。図８ａは一般的なアイデアを示す。複数のサブパネルを１つに併合するために、各サブパネルは異なる光特性を有し、これによって併合光学系が各サブパネルに関連するビームを独立に位置合わせできなくてはならない。サブパネルの併合は、異なるカラー（カラー投写を生成する場合）に基づくか、または異なる偏光状態に基づくこともできる（白黒または、グレースケール画像を投写する場合）。
例えば図８は、（２セットの二色性ミラーを使用する）照明装置が図３ｃと類似のものであり、さらに投写装置も２組の二色性ミラー３３３および３３４を含む。それぞれの二色性ミラーの傾斜角度を調整することによって、分離したサブパネルを単一のパネルに位置合わせすることができる。
【００２７】
サブパネルが区別することができない物理的特性が付いている光で照明される場合には、サブパネルの併合は、異なるサブパネルを通過する光学経路を空間的に分解し、各経路をそれぞれ異なるリフレクタに導き、次いで各リフレクタの角度を調整してそれらを併合することによって実施できる。図８ｃは光学装置の例を示している。簡単にするために、説明には透過型のディスプレイパネルを使用する。反射型については、原理は同じである。３つの分離された照明ビーム（８０１Ａ〜Ｃ）は、３つの所定のサブパネルを有するＳＬＭを照明する。各ビームのそれぞれの対応するサブパネルとの位置合わせは、リフレクタ８２０Ａ〜Ｃを調整することによって達成される。ＳＬＭへのビームの入射角度は、ビームが距離の離れたディスプレイパネルから離れると、互いに重畳しないように選択される。３つのレンズ１６０Ａ〜Ｃを用いて画像をディスプレイパネル上に投写し、それぞれの投写レンズが、１つのサブパネルからの１つのビームを受ける。この結果、各投写レンズは、ただ１つのサブパネルの画像だけを投写し、別の２つのサブパネルのものは投写しない。したがって、各サブパネルに対応する投写経路は、どのようなカラーであっても、あるいは偏光がされていようとも、空間的にも分解される。したがってリフレクタ８３０のシステムを用いて、投写経路を方向変更することによって、距離の離れた場所でそれを併合することができる。
【００２８】
ここまでＳＬＭ上のサブパネルは、例えば図２ｂで示すように、異なるピクセルの密接に相互結合されたグループとして定義された。代替的なサブパネルの定義方法としては、図９ｂに示すように、ディスプレイパネルを、３つの完全分離、かつ隔離された領域（１３０Ｒ、１３０Ｇ、１３０Ｂ）に分離し、各領域を異なるカラー（９００Ｒ、９００Ｇ、９００Ｂ）の一体の連続した長方形ビームで照明する方法がある。この照明パターンは、図９ａに示すように、開口プレートまたは透明な開口９００を有するシャドーマスク９１０を照明することによって生成することができる。次いで結合光学系が、図９ｃに示すように、３つのサブパネルを１つに再結合する。先述の照明光学系および併合光学系は、照明パターンをサブパネルに位置合わせするために、リフレクタをより大きな角度でオフセットさせなくてはならないこと以外は、ここでも適用できる。サブパネルを、隔離かつ分離された領域として定義することには、少なくとも２つの利点がある。第１に、複雑なパターンプレートが開口プレートに置き換えられる。第２には、開口画像をディスプレイパネル上に投写する照明光学系に対する要件が、微細パターンを投写し、それをディスプレイパネル上の選択されたピクセルに位置合わせするための照明光学系の要件よりも、要求される厳密さが低いことがある。したがって以下に示す好ましい例は、開口プレートで画定される、隔離かつ分離されたサブパネルに基づいて説明する。しかし、以下の手法は原理的に、密接に相互連結されたサブパネルにも適用できることに留意すべきである。
【００２９】
図１０ａ〜１０ｃは、好ましいカラープロジェクタの例を示す。ＳＬＭは、ＤＭＤまたＴＭＡなどの照明光の偏光に依存しない種類のものである。簡単にするために、図１０ａの光学配置は、ＳＬＭが透過型であると仮定して示してある。反射型ＳＬＭを使用する原理は同じである。それぞれの二色性リフレクタ３３１Ｒ〜Ｂの角度を設定することによって、開口プレート９１０の開口の画像を、それぞれが異なる原色を帯びた、３つのサブパネル１３０Ｒ〜Ｂに分離して向けることができる。したがってこのＳＬＭは、それぞれが異なる原色で照明された３つのサブパネルを有する。投写レンズ３３３Ｒ〜Ｂの後に置かれた２色性リフレクタのそれぞれは、対応する原色を有する１つの、かつ唯一のサブパネルからのビームだけを反射する。リフレクタの角度を適切に調節することによって、３つのサブパネルの画像を、距離の離れた位置１８０の投写スクリーン上で併合することができる。このようにしてカラー画像を投写することができる。
【００３０】
最善の結果を得るには、３つの分離されたサブパネルの照明は、光の損失を最小に押える必要がある。これは、照明経路を投写レンズの画像経路と一致させることによって達成できる。図１０ａに示すように、光源開口プレート９１０からの光ビームは、最初に第１の集光レンズ１２０ａによって平行化される。次いで平行化されたビームは１組の二色性ミラー３３１を用いて、それぞれが原色を帯びる３つの照明ビーム１００１Ｒ〜Ｂに分離される。各照明ビームの角度は、第２の集光レンズ１２０ｂを通過後に、各照明ビームの光円錐が対応するサブパネルを通過して、投写レンズ１６０の入射瞳（ｅｎｔｒａｎｃｅ ｐｕｐｉｌ）に達するように選択される。
結果的に、各照明ビームは、対応するサブパネルのみを照明し、ランプからの光のほとんどが、投写レンズにおいて集光される。
【００３１】
ＦＬＣＤ、ＤＭＤ、ＴＭＡなどの反射型ディスプレイデバイス用としては、図１０ｂに示すように、ＴＩＲプリズムまたは偏光ビームスプリッタ１４０を使用して、投写ビームを折り畳むことができる。このような場合の好ましい例は、照明ビーム光の分離と投写ビームの折り畳みを異なる面で行うことである。図１０ｂに示すように、投写ビーム１０５０の折り畳みは、ｘ−ｚ面上である。図１０ｂの上面図である図１０ｃは、照明ビームの分離はｘ−ｙ面であることを示している。結果的に、これらの照明ビーム１００１Ｒ〜Ｂのすべてが、ＴＩＲプリズムに入射し、ｘ−ｚ面上で見た場合と同じ角度でＴＩＲ表面１４０１に当たる。したがってｘ−ｙ面上で見たこれらの照明ビームの角度差が、ＴＩＲプリズムまたは偏光ビームスプリッタの性能に与える影響は最小である。
ＤＭＤやＴＭＡなどのマイクロミラー型のＳＬＭを用いる場合には、ディスプレイパネルを、マイクロミラーの傾斜面が照明ビームの分離面と同じ面とならない（すなわち図１０ｃにおけるｘ−ｙ面ではない）ように位置合わせするのが好ましい。またこうすることによって、これらのディスプレイ装置は基本的にピクセルの反射強度を制御するのにマイクロミラーの傾斜角度を用いるために、分離された照明ビームの角度差が、これらのディスプレイ装置の性能に与える影響を最小にする。
【００３２】
ＦＬＣ式ＳＬＭを画像供給源として用いる場合には、各ＦＬＣセルの電極に印加する電荷は、投写しようとする各ポジティブフレーム（非逆転）に、逆フレーム（inverted frame）を表示することによってバランスさせる必要がある。逆フレームにおいては、画像を搬送する光の偏光軸は、ポジティブフレーム上の画像光の偏光軸に直角である。ポジティブフレームおよび逆転フレームの両方を投写し、両者を全ポジティブ画像として見えるようにするために、偏光ローテータを使用して各逆転フレームの軸の偏光を切り替え、これによって逆転フレームをポジティブフレームに変換することができる。しかしながら、ＦＬＣ型ＳＬＭは、反射型ディスプレイであるために、これは照明ビームおよび反射ビームがパネル前方で多くの共通スペースを共有する必要があり、偏光スイッチングの配設は投写光学系設計によって複合化される。基本的な解決策は、軸ずれ投写原理とＴＩＲ（total internal reflection）プリズムの使用を組み合わせることである。
【００３３】
好ましい装置を図１１に示してある。ＴＩＲプリズム１４０は、照明ビーム１１０１Ａおよび反射ビーム１１０１Ｂの緊密な折畳みを可能とし、これによって照明端および反射端での光学系が干渉することなく適合させることができる。これは、投写ビーム１１０１ＢがＦＬＣ型ＳＬＭ１３０５の表面に垂直な軸からずれているために、軸ずれ投写（off-axis projection）と呼ばれる。ＴＩＲ装置における基本要件は、照明ビームおよび反射ビームが、ＴＩＲ表面１４０１と２つのわずかに異なる角度で、交差することであり、１つは全内部反射に対応し、１つは透過に対応する。リニア偏光子１１６０は、光がＳＬＭ１３０に達する以前に、すべての照明光を偏光する。偏光ローテータは、１１７０Ａ、１１７０Ｂまたは１１８０Ｃに配置することが可能であり、ＳＬＭ上の画像フレームの状態に応じて動作する。クリーンアップ偏光子１１６１を、投写レンズ１６０の後に配置して、すべての投写されたフレームが好ましく偏光されることを確実にすることができる。
【００３４】
通常ＦＬＣ型ＳＬＭ上では、ＦＬＣセルに印加される電荷をバランスさせるために、逆画像フレームは、１つのポジティブ（非逆転）フレームを表示した直後に表示される。これに応じて、切り替え式偏光ローテータは、各フレームで状態を変更しなくてはならない。ＦＬＣは有限の応答時間を有するので、ＳＬＭがその画像を逆転させる場合に、短い遷移期間がある。この遷移期間中には、画像のコントラストが低い。フレームレートが高くなるにつれて、この遷移期間の影響が現れる可能性がある。またこの電荷バランス方法は、偏光ローテータの後では２つの連続するフレーム毎にそれらが同じフレームに見えるために、有効フレームレートを低下させる。前記の「フレーム・バイ・フレーム」式のバランスの代わりに、電荷をバランスさせる好ましい方法は、「スタック・バイ・スタック」式のバランスであり、これはいくつかの全ポジティブ画像を連続して表示し、次いでその逆フレームを連続して表示する。切り替え式偏光ローテータが、スタック毎に状態を変化させる。この表示方法によって、高フレームレートにおけるコントラストが改善される。
【００３５】
図１２ａは、好ましいグレースケールプロジェクタの例を示す。ＳＬＭは、ＤＭＤまたはＴＭＡなどの照明光の偏光に依存しない形式のものである。ここでも説明を簡単にするために、図ではＳＬＭが透過型であると仮定している。偏光ビームスプリッタ１２２０、ＴＩＲプリズム２２３および２つのリフレクタ２２４、２２５が照明ビームを２つの経路に分離する。ディスプレイパネル１３０は、したがって２つのサブパネルで画定され、それぞれのサブパネルが異なる偏光（ＰまたはＳ）の光で照明されている。投写レンズを通過後は、同様の光学系が２つのサブパネルを、距離の離れた投写スクリーン上で併合する。第２の開口プレート９１１は、２つの経路の一方に挿入されて、２つのサブパネル上に変倍照明を生成する。例えば、各サブパネル上で１つのピクセルがサイズの等しい４つのサブピクセルを含む場合には、１つのピクセルのグレーレベルは５（０〜４）となる。２つのサブパネルへの照度が１：５に倍率変更されると、結合グレーレベルは、２５（５×５）となる。
【００３６】
図１２ｂは、好ましいグレースケール用プロジェクタの例を示している。ディスプレイパネルは、ＦＬＣ式ＳＬＭなどの偏光に基づく形式のものである。装置は、いくつかの追加の構成部品を除くと、基本的に図１２ａと同様である。照明経路の分離および２つのサブパネルの併合に、偏光差が使用される。しかしながら、表示画像もまた偏光差に基づくために、追加の構成要素を用いた特別な処理が必要となる。第１に、２つのサブパネル上の画像は、常に異なる偏光状態を持つように定義される。すなわち、サブパネル１３０ＡがＰ状態の画像とＳ状態の背景を表示し、次いでサブパネル１３０ＢがＳ状態の画像とＰ状態の背景を表示する。このようにして、２つのサブパネルからの画像は、偏光ビームスプリッタ１２２１によって２つの経路に分離され、次いで距離を置いた位置１８０で互いに併合される。したがって、２つの画像の一方の偏光軸を９０度回転させて、両方の画像が同じ偏光状態で投写されるようにするために、１／２波長プレートが必要となる。スクリーン開口１２１２は、望ましくないハーフ画像がスクリーンに到達するのを防ぐために、必要である。また、偏光ローテータ１２７０が、逆画像フレームを投写するために使用される。
【００３７】
上記のカラートライアド型のディスプレイパネルからの画像を結合および併合する方法は、カラートライアドもしくはパターン投写手法によって生成されたサブパネル構造だけでなく、カラートライアドを内蔵するか、あるいは分離かつ隔離されたサブパネルを内蔵する、どのディスプレイパネルにも適用できる。サブパネルがＳＬＭ上の分離かつ隔離された領域として定義される場合には、すべてのサブパネルを白色光で照明し、次いで二色性ミラーを用いて各サブパネルから所望のカラーをフィルタリングし、次いでそれらを１つの画像に併合することも可能である。この方法の難点は、この方法が３分の２の光を放棄することである。同様に、図１２ａに示したようなグレースケール用プロジェクタにおいて、ＳＬＭは偏光しない光で照明することも可能である。投写レンズ１５０の後の併合光学系が、所望のサブパネル画像をフィルタ抽出し、２分の１の光を放棄して、サブパネル画像を１つの画像に併合することも可能である。
【００３８】
マイクロレンズアレイを使用する方法に加えて、光スポットまたは光ストライプを生成するには、多くの別の方法がある。光の操方法に応じて、大別すると３つの方法に分かれる。
（１）光変向素子（light re-directing element）アレイの使用：光変向素子は、光の方向を変えて所望の光のパターンを生成する。一例としては球形マイクロレンズがあり、これはすでに図１ａで述べたように円形スポットのアレイを生成するのに使用することができる。他の例としては図１３ａに示したマイクロシリンダ型レンズがあり、これは図３ｄに示したように、ストライプのアレイを生成することができる。図１３ｂに示すように、マイクロシリンダ型レンズのアレイを、直交する方向に２つ積重ねることによって、図６ｂ、６ｃに示すような正方形光スポットを生成することができる。別の例としては、光ファイバ束があり、この場合には各光ファイバが、他端を照明されると、図１３ｃに示すように１つの光スポットとなる。凹型の反射面のアレイによっても、図１３ｄに示すように、光のスポットまたはストライプを生成することができる。
（２）光マスキング素子の使用：図１３ｅ〜ｇに示すように、シャドーマスクは、透明なガラス上に反射パターン（マスク）をコーティングした形態にすることができる。シャドーマスクは、ポジティブ（すなわち光スポットは、非マスク領域であり、残部がマスク領域）（図１３ｆ）でも、ネガティブ（すなわち光スポットは、反射膜をコーティングした領域）（図１３ｇ）でも可能である。図中では、斜線領域は反射膜を示す。シャドーマスクをパターンプレートとして使用することによって、画像光の経路と照明光の経路とが結合解除される。図１４は、一対の集光レンズを画像レンズとして使用する例を示している。経路分離・再結合プリズムなどの光学系は、間隔ｄで配置することができる。Ｓｓ＝２ｆ３の場合には、ｄは２（ｆ３＋ｆ４）とすることができ、Ｓｓ’＝２ｆ４となる。Ｓｓ＜２ｆ３の場合には、ｄはｄ＞２（ｆ３＋ｆ４）となり、Ｓｓ＞２ｆ３の場合は、ｄ＜２（ｆ３＋ｆ４）となる。
（３）光フィルタ素子アレイの使用：個別の目的に応じて、異なる光特性用フィルタリング素子を応用することができる。例えば、マイクロカラーフィルタのモザイクでカラーのパターンを生成することができる。強度差パターンのフィルムは、異なる輝度の光スポットまたは光ストライプを生成することができる。位相差パターンを生成するには、異なる厚さ、または屈折率の異なるガラスプレートを用いるか、あるいは異なる液晶方向が照明光の異なる位相減衰を起こす、異なる方位の液晶を含むセルのモザイクを用いることができる。
【００３９】
カラー光パターンを生成には、まだ別の方法がある。図１５は、カラーパターンを生成するために、マイクロレンズアレイを備える回折格子（ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ ｇｒａｔｉｎｇ）を応用し、カラーパターンをＳＬＭ上に投写する例を示している。最初に、光ビーム１５０１に回折格子１５０５を通過させ・次いで円筒マイクロレンズのアレイ１１０を通過させて、光ストライプのアレイを生成する。Ｒ、Ｇ、Ｂのカラー順序が交代に並ぶ光ストライプ１５００のアレイが、マイクロレンズ焦点面１００１近くに生成される。面１００１近くの光ストライプの画像が、次いで画像レンズ（ｉｍａｇｉｎｇ ｌｅｎｓ）１２０を用いて、ＳＬＭ１３０の作動領域上に投写される。さらに、円筒形マイクロレンズ、球形マイクロレンズの２次元アレイを使用することもできる。マイクロレンズを球形にし、６方充填（ｈｅｘ−ｐａｃｋｅｄ）することで、非ストライプ型のＲＧＢパターンを生成することもできる。格子とマイクロレンズアレイは、もちろん一体型ホログラフィック光学素子で置き換えることができる。〔Ｊｏｕｂｅｒｔ〕は上記のＲＧＢパターンを生成する方法を開示している。
【００４０】
シャドーマスクを使用して光パターンを生成する場合、特にシャドーマスクがマイクロ反射パターンを含む場合に重要な問題は、光効率を高めるために、マスク除去された光を再利用する必要があることである。マスク除去された光を再利用する方法は多数ある。図１６ａは、ランプからの収束光線を楕円リフレクタ２を用いて再利用する一例を示している。シャドーマスク（ポジティブ）１６１０を、焦点Ｆ２に配置することによって、反射光のかなりの量を再利用することができる。図１６ｂは、ランプからの発散光線を、楕円リフレクタを用いて再利用する別の方法を示している。シャドーマスクから反射された光線を集光するために、球形ミラーＲ１が使用される。Ｃ２は、シャドーマスクのリフレクタによって結像されるＦ２の鏡像である。曲率Ｒ１の中心がＣ２に近接して配置され、これによってシャドーマスクによって反射されたすべての光線が集光されて、シャドーマスクに返還される。Ｒ１の中心穴は、ランプからの光線がＦ２に達するようにするために必要である。
【００４１】
図１６ｃは、内蔵リフレクタを備えないランプからの発散光線を再利用する例を示している。したがってＣ１にあるランプからの光線を集光し、返還するのに、球形リフレクタＲ２が必要である。ここでも球形ミラーＲ１を使用して、シャドーマスクから反射された光線を集める。Ｃ２は、シャドーマスクのリフレクタで結像された、Ｃ１のミラーイメージであり、曲率Ｒ１の中心がＣ２に近接して配置される。図１６ｄは、ポジティブシャドーマスクを用いる場合の、平行光線の再利用の例を示す。基本コンセプトは、光線を再利用するのに、プリズムまたはリフレクタを使用することである。図１５ｄ側面に示すように、入力光線１６０１は、シャドーマスクで反射された光線がプリズムＢに入射できるようにわずかに傾斜させてある。プリズムＢもまた、シャドーマスクに対して傾斜させてあり、これによって一面１６２５上に施した反射コーティングによって、シャドーマスクに光線を送り返すことができる。傾斜角度は、シャドーマスクで反射された光線が、所望の位置ずれｄ１、例えばＮ×１／２（シャドーマスク上のスポットパターンのピッチ）をもたせてシャドーマスクに送り返し、これによって光線がマスクを通過できるように選択される。
【００４２】
図１６ｄ上面は、左の図の上面図である。プリズムＢは、ｄ１と同じ理由で、水平方向に反射ずれｄ２を与えるためにわずかに回転させてある。図１６ｅは、ネガティブシャドーマスクを用いる場合に、平行光線を再利用する別の例を示している。この装置では、１組の直角プリズムが用いられる。図１６ｅ側面は、側面図を示す。プリズムＡは、プリズムＢとわずかに異なる寸法であり、これによって再利用された光線が、シャドーマスク上の異なる場所に送られる。シャドーマスクは直角プリズムの端面に対してわずかに傾斜しており、これによって反射光がプリズムＢから出ることができる。２つのミラーを、プリズムＡの代わりに用いて、同様な機能を達成することもできる。プリズムＡの寸法は、再利用された光線が、マスクの前面に、所望の位置ずれｄ１で返還されるように、選択することができる。ｄ１の値を、Ｎ＊１／２（マスク上のスポットパターンのピッチ）とすることで、光線をマスクによって反射されるようにすることができる。
【００４３】
図１６ｅは、左側の図の上面図である。プリズムＡは、ｄ１と同じ理由で、水平方向の反射ずれｄ２を与えるために、わずかに回転させてある。図１６ｆは、ランプからの平行光線を、楕円リフクレタを用いて再利用する光学系である。その基本コンセプトは、放物面リフレクタを使用して、光線を直接的に再利用することである。図１６ｇは、ランプからの平行光線を放物面リフレクタを用いて再利用する別の例を示している。この例では、２つのレンズ１６０８を備えるインテグレータ１６０７を使用し、シャドーマスクに到達する平行ビームをより均一にすることができる。Ｆ１に中心を有する、球形ミラーＲ１は、光軸（中心領域）回りの、放物面ランプリフレクタに反射して戻る光線を再利用する。ランプ光線の再利用方法についてのさらなる検討と方法については、［Rosenbluth and R. N. Singh］に記載されている。
【００４４】
上記の説明においては、単一のパターンプレート（マイクロレンズアレイ、シャドーマスク、または開口プレートなど）を用いて照明パターンを生成することに焦点を当てたが、複数のパターンプレートを用いて、複数の光スポットまたはストライプの幾何学的配設を含む照明パターンを生成することが可能である。複数の光特性を、照明パターンに含めることも可能である。例えば、ＳＬＭに４つのサブパネルを持たせ、その３つをＲＧＢ３原色で照明し、１つを白色光で照明してもよい。
【００４５】
照明パターンのステップオン投写に加えて、ＳＬＭを光パターンで照明する別の方法として、近接パターンプレートを用いて白色光でそのプレートを照明する方法がある。図１７ａ、ｂは、マイクロレンズアレイを近接パターンプレートとして使用する例を示している。マイクロレンズアレイ１７１０は、入力ビーム１７０１Ａで照明されると、各マイクロレンズの対応する光スポットが形成され、オフセット位置にある隣接する４つのピクセルをカバーするように配設されている。図に示したＳＬＭ１３０は反射型である。偏光ビームスプリッタ１７４０またはＴＩＲプリズムを使用することによって、入力ビーム１７０１Ａを反射画像ビーム１７０１Ｂと分離することができる。一般に、ＳＬＭの作用表面は、マイクロレンズアレイの焦点面の近傍に配置することができる。マイクロレンズ配列の存在によって、ＳＬＭからの反射画像は、それぞれが４つのピクセルを対象とし、１６レベルの光強度を有する複合ピクセルから構成されるように見える。同様に、マイクロ開口を含むシャドーマスクを、ＳＬＭに近接して用い、図１７ｃに示すように、隣接するピクセル上への変倍照明を生成することもできる。
【００４６】
上記の説明は、グレースケール機能のない空間光変調器に焦点を当てたが、上記の手法はＴＭＡまたは、ある種のＦＬＣ式ＳＬＭなどのグレースケール機能を備えるＳＬＭにも適用が可能である。パターン生成と照明の原理は、同じであり、各ピクセル自体がより多くグレーまたはカラーレベルを有するために、より多くのカラーまたはグレーレベルを生成することが可能である。
【００４７】
上記の手法は、複数のＳＬＭを用いるディスプレイシステムにも適用が可能である。このような場合には、各ＳＬＭからの画像を併合かつ表示することができる。例えば、二色性カラーキューブを用いると、白色光照明パターンをＲＧＢ３原色に分離し、それぞれが１つのＳＬＭを照明することや、この３つのＳＬＭからの画像を併合することもできる。別の例では、それぞれが１つのＳＬＭを表す１０３Ｒ〜１３０Ｂと共に、図１０ａに類似する光学装置を用いることもできる。多重ＳＬＭを用いることにより、異なるＳＬＭからのサブパネルを任意選択でオーバラップし、また必要があれば表示することができる。
【００４８】
上記の方法および光学装置は、単一の２値ＳＬＭを使用して、ディスプレイデバイスに内蔵されるカラートライアドの必要なく、カラーおよびグレーレベル画像を生成することを可能にする。本発明の例は、プロジェクタの形態において説明されているが、上記に開示する技法はプロジェクタに限定されるものではない。例えば、ＳＬＭ上の画像を、４５度ハーフ銀面ミラーの補助付きもしくは補助なしで、あるいは画像を拡大する眼鏡を使用するか、もしくは使用しないで、直接的に観察することもできる。同様の状況が、光学相関器としての応用にも当てはまる。光学相関器の応用としては、人の目は画像を直接は観察しないので、画像の外観は、ＳＬＭ上のデータコンテンツよりも重要度が低い。例えば、図１７ａ〜ｂのような装置を光学相関用に用いる場合には、各コンポジットピクセルの４つのサブピクセルが正しい「ビット情報」を表示する限り、近接パターンプレートは必要ではない。したがってユーザは、光学相関器のグレースケール画像を表示する２つの方法がある。第１の方法は、人の目がグレースケール画像を見る場合のように、近接パターンプレート（またはパターンのステップオン照明）を使用する方法である。第２の方法は、照明パターンを除去し、各ピクセルに同じ照度を与えながら、なお所定のコンポジットピクセル構造（またはサブピクセル構造）を維持し、かつコンポジットピクセルとそのサブピクセル間の「データ符号化関係」を保存することである。このようにすることで、対象画像の「ビット情報」のコンテンツは、人の目には保存されないが、光学的計算のために保存される。
【００４９】
この技法はまた、限定はされないが、特に２値ＳＬＭを使用する立体３次元ディスプレイのカラー／グレー能力を増大させることに応用ができる。立体３次元ディスプレイに用いる場合には、それは移動スクリーン式ディスプレイに限定されない。２つのビームの内の１つを本発明で開示する投写技法を用いて投写することによって２段階刺激型のディスプレイにも、応用可能である。さらに、スクリーン移動方向における立体３次ディスプレイシステムの解像度を向上させるのにも応用できる。カラートライアド構造を有する単一のディスプレイパネルを用いて、２次元プロジェクタに適用して、カラートライアドのアーティファクトのない画像を投写することができる。
[参考文献]
【外１】
【図面の簡単な説明】
【図１ａ】照明パターンをＲＬＭに投写することによって照明パターンの生成と、サブパネルを画定する基本アプローチを示す図である。
【図１ｂ】照明パターンをＲＬＭに投写することによって照明パターンの生成と、サブパネルを画定する基本アプローチを示す図である。
【図２ａ】ＳＬＭ上の複数サブパネルを定義し、かつ照明するための光学装置の例を示す図である。
【図２ｂ】ＳＬＭ上の複数サブパネルを定義し、かつ照明するための光学装置の例を示す図である。
【図３ａ】第１のカラープロジェクタの例を示す図である。
【図３ｂ】コンポジットピクセルの構成を示す図である。
【図３ｃ】第２のカラープロジェクタの例を示す図である。
【図３ｄ】光ストライプのアレイを含む照明パターンを示す図である。
【図３ｅ】ＳＭＬ上のサブパネルの構成を説明する図である。
【図３ｆ】 時間領域で、異なるサブパネル上の画像を分離する原理を示す図である。
【図３ｇ】投写されたサブフレームの構成を説明する図である。
【図４ａ】異なるＳＬＭからの画像フレームをマージさせて、時間領域に分布させる装置の原理と例を示す図である。
【図４ｂ】異なるＳＬＭからの画像フレームをマージさせて、時間領域に分布させる装置の原理と例を示す図である。
【図５】異なるＳＬＭからの画像フレームをマージさせて、時間領域に分布させる装置の原理と例を示す図である。
【図６ａ】変倍照明の基本コンセプトを示す図である。
【図６ｂ】変倍照明の基本コンセプトを示す図である。
【図６ｃ】変倍照明の基本コンセプトを示す図である。
【図６ｄ】変倍照明の基本コンセプトを示す図である。
【図６ｅ】変倍照明の基本コンセプトを示す図である。
【図７ａ】異なるサブパネルからの画像を、単一のサブパネルのフォーマットに併合する手法を示す図である。
【図７ｂ】異なるサブパネルからの画像を、単一のサブパネルのフォーマットに併合する装置例を示す図である。
【図７ｃ】図３ｃで用いた経路分離光学の別の装置例を示す図である。
【図８ａ】異なるサブパネルからの画像を、単一のサブパネルのフォーマットに併合する手法を示す図である。
【図８ｂ】異なるサブパネルからの画像を、単一のサブパネルのフォーマットに併合する装置例を示す図である。
【図８ｃ】異なるサブパネルからの画像を、単一のサブパネルのフォーマットに併合する装置例を示す図である。
【図９ａ】ＳＬＭ上の隔離かつ分離されて画定されたサブパネルを示す図である。
【図９ｂ】ＳＬＭ上の隔離かつ分離されて画定されたサブパネルを示す図である。
【図９ｃ】ＳＬＭ上の隔離かつ分離されて画定されたサブパネルを示す図である。
【図１０ａ】第３のカラープロジェクタ例を示す図である。
【図１０ｂ】第３のカラープロジェクタ例を示す図である。
【図１０ｃ】第３のカラープロジェクタ例を示す図である。
【図１１】ＦＬＣ式ＳＬＭを用いる第４のプロジェクタ例を示す図である。
【図１２ａ】グレーイメージを表示する第５のプロジェクタ例を示す図である。
【図１２ｂ】グレーイメージを表示する、第６のプロジェクタ例を示す図である。
【図１３ａ】照明パターンを生成するための追加の手法を示す図である。
【図１３ｂ】照明パターンを生成するための追加の手法を示す図である。
【図１３ｃ】照明パターンを生成するための追加の手法を示す図である。
【図１３ｄ】照明パターンを生成するための追加の手法を示す図である。
【図１３ｅ】照明パターンを生成するための追加の手法を示す図である。
【図１３ｆ】照明パターンを生成するための追加の手法を示す図である。
【図１３ｇ】照明パターンを生成するための追加の手法を示す図である。
【図１４】一対の集光レンズを画像レンズとして使用する例を示す図である。
【図１５】照明パターンを生成するための追加の手法を示す図である。
【図１６ａ】マスク除去された照明光を再利用する方法の例を示す図である。
【図１６ｂ】マスク除去された照明光を再利用する方法の例を示す図である。
【図１６ｃ】マスク除去された照明光を再利用する方法の例を示す図である。
【図１６ｄ】マスク除去された照明光を再利用する方法の例を示す図である。
【図１６ｅ】マスク除去された照明光を再利用する方法の例を示す図である。
【図１６ｆ】マスク除去された照明光を再利用する方法の例を示す図である。
【図１６ｇ】マスク除去された照明光を再利用する方法の例を示す図である。
【図１７ａ】変倍照明用の近接パターンプレートを用いる概念を示す図である。
【図１７ｂ】変倍照明用の近接パターンプレートを用いる概念を示す図である。
【図１７ｃ】変倍照明用の近接パターンプレートを用いる概念を示す図である。
Claims (26)
- ２Ｄ画像または立体３Ｄ画像の１フレームを表示する用途に対して、空間光変調器の１画像フレームを使用してカラーおよびグレー２Ｄ画像フレームを生成する方法であって、
（１）前記空間光変調器のピクセルを、ある数の群に分割し、各群をサブパネルとして定義するステップ；
（２）パターン生成手段によって照明パターンを生成するステップであって、前記照明パターンが、前記空間光変調器から離れた場所で生成し、光の１つの物理的性質の２Ｄ分布を含み、前記物理的性質が、色、または輝度、または偏光、または位相を、含む前記照明パターンを生成するステップ；
（３）前記照明パターンを投写光学系によって前記空間光変調器上に投写するとともに、前記サブパネルのそれぞれを前記物理的性質の異なる値の光で照明するステップであって、それによって前記サブパネルのそれぞれが、前記物理的性質の異なる値の照明ビームを有し、その照明のために、前記サブパネルのそれぞれも、前記サブパネルの画像を伝える、前記物理的性質の異なる値の出力ビームを有する前記照明するステップ；
（４）前記サブパネルの画像を画像結合手段によって再結合して、前記２Ｄ画像フレームを生成するステップであって、それによって前記２Ｄ画像フレームが、その基本ピクチャ要素としてコンポジットピクセルを含み、前記コンポジットピクセルのそれぞれが、ある数のサブピクセルを有し、それぞれの前記ある数のサブピクセルが、異なる前記サブパネルに属するピクセルである前記ステップを含む、前記方法。 - 前記パターン生成手段が、パターンプレートを光源で照明することによって、光の基本パターンを生成する、前記基本パターンが光スポットのアレイ、または光ストライプのアレイ、または光の一体の連続の領域を含む、
前記投写光学系が前記基本パターンを投写する、
前記パターン生成手段がビーム分割手段を含み、前記ビーム分割手段が前記基本パターンの投写の道を複数経路に分割する、
前記パターン生成手段が変調手段を含み、前記変調手段が、各々の前記経路が前記物理的性質の異なる値を有するように、各々の前記経路の光学特性を調節する、
前記投写光学系が各々の前記経路の基本パターンを１つの前記サブパネル上に投写する、請求項１に記載の方法。 - 前記投写光学系が一組の第１のレンズと第２のレンズを含み、レンズの組は１つの端の焦点の前記パターンプレートおよびもう一方の端の焦点の前記空間光変調器とのコンデンサレンズ構成を形作り、前記ビーム分割手段が前記複数経路に前記第１のレンズと第２のレンズ間の光学経路を分割する、請求項２に記載の方法。
- 前記物理的性質が色であり、前記物理的性質の異なる値が異なる原色であり、前記ビーム分割手段および前記変調手段が、以下の組み合わせ：
（Ａ）前記ビーム分割手段が１組の非偏光ビームスプリッタを含み、前記変調手段が１組のカラーフィルタを含む；
（Ｂ）前記ビーム分割手段が１組の偏光ビームスプリッタを含み、前記変調手段が１組の「カラーセレクト」（ＣｏｌｏｒＳｅｌｅｃｔ、登録商標）フィルタを含む、
（Ｃ）ビーム分割と変調の両方に対して、１組の二色性カラーリフレクタを含む；の内の１つを含み、それによって各々の前記経路が異なる原色を有する、請求項２に記載の方法。 - 前記物理的性質が輝度であり、前記物理的性質の異なる値が異なる輝度強度であり、前記変調手段が、開口絞りなどの輝度調節手段を含み、該輝度調節手段が、異なる前記経路の照明の強度を事前設定比に倍率変更する、請求項２に記載の方法。
- 前記パターンプレートが、以下の手段：
（Ａ）その表面上に反射パターンを備える、透明プレートを含むシャドーマスク；
（Ｂ）伝播または反射した光を回収するための収集手段をさらに含む、その表面上に反射パターンを備える、透明プレートを含むシャドーマスク；
（Ｃ）１つの透明領域または反射領域を備える開口プレート；または
（Ｄ）マイクロレンズまたはマイクロ凹型リフレクタなどの光変向素子のアレイ；の内の１つを含む、請求項２に記載の方法。 - 前記照明するステップが、各々の前記光スポットまたは光ストライプが前記空間光変調器上に数の隣接するピクセルを覆うステップを含み、それによって前記隣接ピクセル上の平均照明強度が事前設定比に倍率変更され、前記隣接ピクセルのそれぞれは、異なる前記サブパネルに属し、前記事前設定比は、前記サブパネルのそれぞれに異なる輝度強度を与える、請求項６に記載の方法。
- 前記空間光変調器が、ディジタルマイクロミラーデバイス、または薄膜マイクロミラーアレイ、または強誘電体液晶ディスプレイを含む、請求項７に記載の方法。
- 前記ステップ（１）が、完全分離、かつ隔離されたサブパネルにピクセルを分割し、
前記画像結合手段が光学フィルタ手段を含み、該光学フィルタ手段は、異なるサブパネルの画像をそれらの異なる基本構成要素によって区別して分離し、前記画像結合手段は、また、リフレクタ手段を含み、該リフレクタ手段は、異なるサブパネルの画像を再結合かつ重ね合わせて１つの画像フレームにする、請求項６に記載の方法。 - 前記物理的性質が色であり、前記物理的性質の異なる値が異なる原色であり、
前記光学フィルタ手段が１組の二色性カラーリフレクタを含み、前記リフレクタ手段が同一の組の二色性カラーリフレクタを含み、
前記画像結合手段が、画像投写光学系をさらに含み、該画像投写光学系が、サブパネルの画像を、ディスプレイ手段に表示し、前記２Ｄ画像フレームを生成し、
前記照明ビームの入射角を、それぞれの前記出力ビームが前記画像投写光学系に最少の光損失で進入するように、配置するステップをさらに含む、請求項９に記載の方法。 - 前記空間光変調器が、ディジタルマイクロミラーデバイス、または薄膜マイクロミラーアレイ、または強誘電体液晶ディスプレイを含む、請求項１０に記載の方法。
- 前記ステップ（１）が、完全分離、かつ隔離されたサブパネルにピクセルを分割し、
前記ステップ（４）が、前記照明ビームの入射角を、前記出力ビームが空間光変調器の後の距離において互いに交差しないように、配置するステップを含み、
前記画像結合手段が、ある数の画像投写レンズであって、該画像投写レンズのそれぞれが１つの前記出力ビームと対応して、１つのサブパネルの画像をディスプレイ手段に投写する前記ある数の画像投写レンズを含み、前記画像結合手段は、また、画像投写レンズの後に一組のリフレクタを含み、異なるサブパネルから投写された画像の方向を再配向し、それらを前記ディスプレイ手段上で１つの画像フレームに重ね合わせて併合する、請求項６に記載の方法。 - 前記空間光変調器が反射タイプであり、前記画像結合手段は、前記ビーム分割手段を含むが、逆方向に動作し、前記画像結合手段が、サブパネルの画像を１つの重畳フレーム中に併合する、請求項２に記載の方法。
- 前記物理的性質が輝度であり、前記物理的性質の異なる値が異なる輝度強度であり、
前記照明パターンが、スポットまたはストライプなどの光要素のアレイを含み、前記光要素のそれぞれは、前記空間光変調器上にある数の隣接するピクセルを照明し、それによって前記隣接ピクセル上の平均照明強度が事前設定比に倍率変更され、前記隣接ピクセルのそれぞれは、異なる前記サブパネルに属し、前記事前設定比は、前記サブパネルのそれぞれに異なる輝度強度を与える、請求項１に記載の方法。 - 前記照明パターンを生成するステップが、パターンプレートを光源で照明するステップを含み、前記パターンプレートが、以下の手段：
（Ａ）マイクロカラーフィルタのアレイ；
（Ｂ）マイクロ偏光要素のアレイ；
（Ｃ）異なる厚さまたは異なる屈折率の透明セルのアレイ；
（Ｄ）異なる位相減衰効果を有する異なる方位の液晶を包含する透明セルのアレイ；の内の１つを含む、請求項１に記載の方法。 - 前記物理的性質が色または輝度であり、
前記ステップ（１）が、密接に相互結合された群にピクセルを分割し、それぞれの群のピクセル位置が前記空間光変調器上に広がっており、異なる群のピクセル位置が密接に相互結合されており、前記密接に相互結合された群のそれぞれをサブパネルとして定義し、
前記画像結合手段が、前記空間光変調器の画像を全フレームで表示し、すべての前記サブパネルの画像が結合して、人の眼で見たときに、色または輝度の複数レベルの前記２Ｄ画像フレームを提示する、請求項１に記載の方法。 - 前記画像結合手段が光学フィルタ手段を含み、該光学フィルタ手段は、異なるサブパネルの画像をそれらの異なる基本構成要素によって区別して分離し、前記画像結合手段は、また、リフレクタ手段を含み、該リフレクタ手段は、異なるサブパネルの画像を再結合かつ重ね合わせて１つの画像フレームにする、請求項１に記載の方法。
- 前記物理的性質が色であり、前記物理的性質の異なる値が異なる原色であり、光学フィタ手段が１組の二色性カラーリフレクタを含み、リフレクタ手段が同一の組の二色性カラーリフレクタを含む、請求項１７に記載の方法。
- 前記物理的性質が輝度であり、前記物理的性質の異なる値が異なる輝度強度であり、
前記空間光変調器が、マイクロミラー型であるとともに、ディジタルマイクロミラーデバイスまたは薄膜マイクロミラーアレイなどの、非偏光照明下で動作が可能であり、
前記サブパネルを定義するステップが、２つのサブパネル、すなわちｓ−サブパネルおよびｐ−サブパネルを定義することを含み、
前記照明するステップが、偏光光学系によって照明ビームを偏光するとともに、ｐ−偏光照明ビームでｐ−サブパネルを照明し、ｓ−偏光照明ビームでｓ−サブパネルを照明するステップを含み、また、２つのビームの照明強度を、輝度調節手段によって事前設定比に倍率変更するステップを含み、
前記光学フィルタ手段が、前記ｓ−サブパネルおよび前記ｐ−サブパネル上の画像を分離するための偏光ビームスプリッタを含み、前記リフレクタ手段が、２つの前記サブパネルの画像を再配向かつ再結合するための、一組のリフレクタおよびＴＩＲプリズムを含む、請求項１７に記載の方法。 - 前記物理的性質が輝度であり、前記物理的性質の異なる値が異なる輝度強度であり、
前記空間光変調器が、強誘電体液晶ディスプレイなどの液晶ディスプレイ型であり、
前記サブパネルを定義するステップが、２つのサブパネルを定義することを含み、
前記照明するステップが、偏光光学系によって照明ビームを偏光するとともに、ｐ−偏光照明ビームでｐ−サブパネルを照明し、ｓ−偏光照明ビームで他方を照明するステップを含み、また、２つのビームの照明強度を、輝度調節手段によって事前設定比に倍率変更するステップを含み、
前記光学フィルタ手段が、両方の前記サブパネルからｓ−およびｐ−光を分離するための偏光ビームスプリッタを含み、前記リフレクタ手段が、２つのサブパネルの画像を再配向かつ再結合するための、一組のリフレクタおよびＴＩＲプリズムを含み、
ｓ−状態の画像とｐ−状態の背景とを含む画像を、１つの前記サブパネル上に表示し、他方のサブパネル上にｐ−状態の画像とｓ−状態の背景とを含む画像を表示するステップをさらに含む、請求項１７に記載の方法。 - 前記画像結合手段が、画像投写光学系をさらに含み、該画像投写光学系が、サブパネルの画像を、ディスプレイ手段に表示し、２Ｄ画像フレームを生成し、
前記照明ビームの入射角を、それぞれの前記出力ビームが画像投写光学系に最少の光損失で進入するように、配置するステップをさらに含む、請求項１７に記載の方法。 - 前記ステップ（４）が、前記照明ビームの入射角を、前記出力ビームが空間光変調器の後の距離において互いに交差しないように、配置するステップを含み、
前記画像結合手段が、ある数の画像投写レンズであって、該画像投写レンズのそれぞれが１つの前記出力ビームと対応して、１つのサブパネルの画像をディスプレイ手段に投写する前記ある数の画像投写レンズを含み、前記画像結合手段は、また、画像投写レンズの後に一組のリフレクタを含み、異なるサブパネルから投写された画像の方向を再配向し、それらを前記ディスプレイ手段上で１つの画像フレームに重ね合わせて併合する、請求項１に記載の方法。 - ２Ｄ画像または立体３Ｄ画像の１フレームを表示する用途に対して、反射型空間光変調器の１つの画像フレームを用いて、複数グレースケールの２Ｄ画像フレームを生成する方法であって、
（１）前記空間光変調器上にコンポジットピクセルを定義するステップであって、前記コンポジットピクセルのそれぞれが、前記空間変調器の前記ある数の隣接ピクセルを含み、１つのコンポジットピクセルの前記隣接ピクセルのそれぞれを前記コンポジットピクセルのサブピクセルとして定義する、前記ステップ、
（２）前記空間光変調器の作用表面を近接して覆うパターンプレートを設けるステップであって、前記パターンプレートが、光変向または光マスキングマイクロ素子を含む、前記ステップ、
（３）前記空間光変調器をパターンプレートを介して照明し、前記パターンプレートを置く変倍照明のステップであって、それによって前記コンポジットピクセルのそれぞれにおける前記サブピクセルにわたる平均照明強度が、所定設定比に倍率変更されており、前記空間光変調器からの反射の後そして前記パターンプレートを通る、前記コンポジットピクセルのそれぞれが、そのサブピクセルの異なる照明強度の異なる組み合わせによって複数レベルの輝度を表示し、反射された画像フレームが２Ｄ画像フレームを形成する前記変倍照明のステップ、を含む前記方法。 - 前記空間光変調器が、ディジタルマイクロミラーデバイス、または薄膜マイクロミラーアレイ、または強誘電体液晶ディスプレイを含み、
方法は、表示手段に映写レンズによって前記反射された画像フレームの投影のステップが含む、請求項２３に記載の方法。 - ２Ｄ画像または立体３Ｄ画像を表示する用途に対して、空間光変調器を使用してカラー２Ｄ画像フレームを生成するシステムであって、
前記空間光変調器のピクセルがある数の群に分けられ、各群がサブパネルとして定義される、
前記システムはパターン生成手段を含み、前記パターン生成手段がある数の光の基本パターンを生成し、各々の前記光の基本パターンの色が異なって、原色の１つであり、前記光の基本パターンが光スポットのアレイ、または光ストライプのアレイ、または光の一体の連続の領域を含み、前記パターン生成手段が少なくとも１つのパターンプレートおよび１つの光源を含み、前記パターンプレートを前記光源で照明することによって、前記光の基本パターンを生成する、
前記システムはパターン投写光学系を含み、前記パターン投写光学系が前記ある数の光の基本パターンを前記空間光変調器上に投写し、各々の前記光の基本パターンが各々の前記サブパネルを照らし、それによって前記サブパネルのそれぞれが、異なる原色の照明を有する、前記システム。 - 各々の前記サブパネルが、完全分離、かつ隔離された領域と定義される、
前記システムは画像結合手段を含み、前記画像結合手段が１組の二色性カラーリフレクタを含み、前記画像結合手段が各々の前記サブパネルの画像を前記２Ｄ画像フレームに結合する、
前記システムは画像投写光学系を含み、前記画像投写光学系が前記２Ｄ画像フレームをディスプレイ手段に投写する、請求項２５に記載のシステム。
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