JP4801902B2 - マイクロディスプレイ用のダイナミックレンジ及びコントラストの強調 - Google Patents

マイクロディスプレイ用のダイナミックレンジ及びコントラストの強調 Download PDF

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Description

本発明は、光弁系に、より詳しくは、背面映写テレビジョンにおける使用のためのマイクロディスプレイを備えた光弁系に関する。
従来の光弁系において、例えば、背面映写テレビジョン(RPTV)、デジタルシネマなどのようなディスプレイにおいて、ランプから出力された白色光は、一連の積分及びコリメーティング光学部品を通じて、液晶ディスプレイ(LCD)、シリコン上の液晶(LCOS)、又はディジタル光処理(DLP)系のようなマイクロディスプレイに方向付けられる。LCD又はLCOS系において、白色光は、LCOSの場合には、偏光ビームスプリッター(PBS)によって偏光させられた、及び、マイクロディスプレイ上へ方向付けられた、光のそれの成分の赤色、緑色、及び青色(RGB)の帯域に分離される。マイクロディスプレイは、ピクセルのマトリックスを有する。マイクロディスプレイは、不連続な変調された光の信号又はピクセルの光のマトリックスを形成するために、ビデオ入力信号に基づいて制御器から出力されたグレースケールの因子の制御によって、入射光の成分のRGBの帯域のピクセルの各々を変調するように、動作する。光のマトリックスは、マイクロディスプレイから反射される又は出力されると共に、ビデオ画像を形成するために光のピクセルを組み合わせる表示画面上に、変調された光を投射する投射レンズの系に方向付けられる。
DLP系において、白色光は、光のそれの成分のRGBの帯域に分離されると共に、DLPマイクロディスプレイ上へ反射される。マイクロディスプレイは、蝶番によって据え付けられた微小なミラーの配列を含有する半導体デバイスである。ミラーの各々は、マイクロディスプレイへのビデオ画像の入力における一つのピクセルに対応する。半導体が、ビデオ入力信号によって駆動されるとき、ミラーを、入射光の全て又はいくらかを反射させるために、傾斜させる又はスイッチを入れる及び切る。ミラーから反射させられるピクセルの配列は、ビデオ入力信号に対応する光のマトリックスを形成する。光のマトリックスを、マイクロディスプレイから反射させる又は出力すると共にビデオ画像を形成するための表示画面上へ変調された光を投射する投射レンズ系へ方向付ける。
これらのディスプレイ系の不都合は、暗い状態の背景に投射されたビデオ画像が、明るい状態の背景に投射されるビデオ画像に対する品質で劣ることである。LCD又はLCOS系において、マイクロディスプレイ上へ方向付けられた光の量が、マイクロディスプレイに対するビデオ画像の入力の明るさにもかかわらず、一定のままであるのだから、品質における差は、生ずる。ピクセルからピクセルへのグレースケールの変動は、それによって、ビデオ入力信号を処理するために使用されるビットの数によって、制限される。ビデオ入力信号が、光の全目盛りに対応する、一定の数のビットであるのだから、ビデオ画像のより暗いエリアにおける微妙な差に利用可能な非常に少ないビットがある傾向にある。例えば、マイクロディスプレイが、1024個のグレーシェード(10ビットの出力のディジタル対アナログコンバーター)を再現することが可能であるとすれば、プログラムが、0から64個のグレーシェードのみを含有するとき、正味の効果は、コントラストが乏しく見えると共にビデオ画像が、量子化の効果及び丸めの効果により、いくつかのレベルのノイズ及び輪郭の描きを有するように見えることである。DLP系は、半導体の本質的に線形の応答により、LCOS又はLCD系よりも重度の輪郭を描く効果を被る。
明るい及び暗いビデオ画像の間に生ずる品質における差を緩和するために、マイクロディスプレイのコントラストをそれ自体増加させることが、知られている。しかしながら、マイクロディスプレイのコントラストを増加させることは、非常に高いデータ速度、非常に高い分解能のDAC、並びに、非常に決定的な光学的及び液晶の性能の要求に至る。
従って、特に暗いビデオ画像において、ビデオ画像についてのコントラストの比を強調すると共に輪郭を描く偽信号を減少させる、光弁系を開発することが、望ましい。
本発明は、ビデオ入力信号と一致するように、光の成分の色の帯域を時間的に減衰させるように構成される色選択デバイス、成分の色の帯域を、反対に偏光した成分に偏光させるように構成される第一の偏光ビームスプリッター、及び、投射された光のマトリックスを形成するための、反対に偏光した成分の少なくとも一つを受けるように構成されるマイクロディスプレイを含む光弁系に関する。
本発明は、ビデオ入力信号と一致するように、光をそれの成分の色の帯域に時間的に分離するように構成される色選択デバイス、成分の色の帯域を、第一の組みの反対に偏光した成分に偏光させるように構成される第一の偏光ビームスプリッター、第一及び第二の液晶ディスプレイを含み、第一及び第二の液晶ディスプレイの各々は、それぞれ、第一及び第二の光のマトリックスを形成するように、第一の組みの反対に偏光した成分の一つを受けるように構成され、本発明は、第一及び第二の光のマトリックスを、第二の組みの反対に偏光した成分に分離するための、第一及び第二の光のマトリックスを受けるように構成される第二の偏光ビームスプリッター、及び、投射された光のマトリックスを形成するための、第二の組みの反対に偏光した成分の少なくとも一つを受けるように構成されるマイクロディスプレイを含む光弁系にさらに関する。
本発明を、以下の図を参照して、より詳細に記載することにする。
図1は、本発明の第一の実施形態に係る光弁系1を示す。その系1は、ランプ10を含む。ランプ10は、白色光4を発生させると共に、白色光4を一組みの照明光学部品11に向かって投射する。照明光学部品11は、例えば、偏光子及び/又は積分器を含んでもよい。この実施形態において、偏光子は、入射光をs偏光へ回転させるために、含まれる。照明光学部品11は、色選択デバイス5に向かって白色のs偏光した光4のテレセントリックなビームを方向付ける。図説した実施形態において、色選択デバイス5は、互いに積み重ねられた液晶ディスプレイのいくつかの層を有する光学デバイスである、色切り替えデバイスである。このような色選択デバイス5の例は、ColorLink,Inc.of Boulder,Coloradoによって作られたCOLORSWITCH(商標)及びDigiLens,Inc.of Sunnyvale,Californiaによって作られたApplication Specific Integrated Lens(ASIL)を含む。白色光4は、色選択デバイス5に入ると共に、色選択デバイス5は、それに入射する白色光4を、光12の連続した成分の赤色、緑色、及び青色(RGB)の帯域に、時間的にフィルター処理する。光の選択された帯域を、ディスプレイ制御器3によって色選択デバイスに印加されたディジタル制御信号の電圧に依存して、透過させる又は反射させる。また、色選択デバイス5は、ディスプレイ制御器3からの制御信号を受けるためのオン/オフ状態の電圧の入力を有する。ディスプレイ制御器3からの電圧のレベルが、高いとき、それは、色選択デバイス5を、オフ状態に駆動すると共に、ディスプレイ制御器3からの電圧のレベルが、低いとき、それは、色選択デバイス5を、光がそれを通じて透過させられるオン状態に駆動する。ディスプレイ制御器3は、マイクロディスプレイ7に対するビデオ入力信号のそれの処理のおかげで、ビデオ信号における分析を、それの内容を決定するために、行う。この分析において、ディスプレイ制御器3は、表示されるフレームについてピクセル毎の基準でビデオ入力信号を分析する。ピクセルの入力値のいずれも、全目盛りの半分を超えないとすれば、色選択デバイス5における電圧のレベルを制御する減衰は、全目盛りの50%に設定される。反対に、入力のピクセル値が、このように最大限の黒色のスクリーンを示す、全てゼロであるとすれば、色選択デバイスを制御する電圧のレベルを、状態の電圧における最大限にまで減少させる。この減衰の制御は、特に、大部分が暗い内容を含有するフレームにおけるコントラストを強調する。最終的なコントラストが、系における光学構成部品を通じて達成されるコントラストの積であるので、例えば、色選択デバイス5が、50:1のコントラストを有すると共に、マイクロディスプレイ7が、600:1のコントラストを有するとすれば、測定された連続したコントラストは、特に暗い状態における改善されたコントラストのレベルを可能にする30000:1である。
ディスプレイ制御器3は、マイクロディスプレイ7の伝達関数を備えたプログラムによって制御される。ディスプレイ制御器3をプログラムによって制御するために、マイクロディスプレイ7を、工場レベルで較正してもよく、又は、キャビネット又は投射光の経路において、例えば折りたたみミラーの背後で、光検知器によって自動的に較正してもよい。その較正を、2進のステップで行ってもよいのだから、較正は、わずかに数秒間かかるであろうし、且つ、ビデオ入力信号が知られた後で、通常の動作の間に行われてもよい。結果として、系1の動的なコントラストが、任意の付加的なハードウェアの費用なしに改善されると共に、顧客は、望まれない輪郭を描く効果を生じさせることなく選ぶ際に、ビデオ画像のピークの明るさを減少させる選択肢を有する。
光12の連続した成分のRGBの帯域は、色選択デバイス5を出ると共に、偏光ビームスプリッター8(PBS)に向かって方向付けられる。入射光12の入射のs偏光した成分19を、偏光させる表面17から第三の表面15へ反射させる。マイクロディスプレイ7を、PBS8の第三の表面15の向こうに配置させると共に、光12のs偏光した成分19は、それに入射する。
図説した実施形態において、マイクロディスプレイ7は、シリコン上の液晶(LCOS)のイメージャである。あるいは、液晶ディスプレイ(LCD)を、使用してもよいし、且つ光学系を、それに応じて調節してもよい。LCOSのマイクロディスプレイ7は、入射光を、ディスプレイ制御器3から来るビデオ信号で変調することに役に立つ。投射した光のマトリックス18のピクセルの各々は、マイクロディスプレイ7におけるそのピクセルに提供された個々のグレースケールの値に比例した強度又は輝度を有する。変調の結果として、LCOSのマイクロディスプレイ7は、PBS8の第三の表面15を通じた逆戻りのp偏光した光のピクセル又は不連続なドットのマトリックスを含む光のマトリックス18を反射させる。投射された光のマトリックス18のp偏光した成分は、偏光させる表面17を通じて、及び、第四の表面16を通じてPBS8の外側に、通過する。投射された光のマトリックス18は、第四の表面16から投射レンズ系9へ方向付けられる。投射レンズ系9は、光のマトリックス18を、ビデオ入力信号2に対応するビデオ画像を形成するために光のピクセルを組み合わせる、表示画面6上へ投射する。
図2は、本発明の第二の実施形態に係る光弁系20を示す。系20は、ランプ35を含む。ランプ35は、白色光23を発生させると共に、照明光学部品31に向かって白色光23を投射する。照明光学部品31は、例えば、連続した色の回復(SCR)積分器のような、積分器を含んでもよい。積分器31は、色選択デバイス24に向かって、白色光23のテレセントリックなビームを方向付ける。図説した実施形態において、色選択デバイス24は、ディスクの円周に沿って均一に配置された扇状のセクタを備えたディスクを有する、色環である。セクタは、色環の回転に対応する時間的に調節された順序で、それに入射する白色光23を、光25のそれの成分のRGBの帯域にフィルター処理する。色選択デバイス24を、(示さない)モーターによって回転させると共に、フレーム毎の基準で、光25のそれぞれの成分RGBの帯域を透過させるために、ビデオ入力信号21と同調して、光25の対応する成分RGB帯域を透過させるために、ディスプレイ制御器22によって制御する。
光25の成分のRGBの帯域は、PBSの配置50に向かって方向付けられる。PBSの配置50は、第一及び第二のPBS46、49、第一及び第二のミラープリズム47、48、並びに第一及び第二のLCD26、28を含む。あるいは、第一及び第二のLCD26、28を、積分器31より前に配置してもよい。図3に示すように、光25の成分のRGBの帯域は、s偏光した成分27及びp偏光した成分45を有するために、第一のPBS46の第一の面42に入ると共に、第一の偏光させる表面43によって偏光させられる。最初に、PBSの配置50を通じた光25のRGBの帯域のs偏光した成分27の経路を、より詳細に記載することにし、そして、p偏光した成分45の経路を、より詳細に記載することにする。
s偏光した成分27は、第一のPBS46の第二の面56を通じて反射させられると共に、第一のミラープリズム47に受けられる。s偏光した成分27は、第一のミラープリズム47の外側で、且つ、第一のLCD26に向かって、第一のミラーの表面59によって反射させられる。第一のLCD26は、例えば、ディスプレイ制御器22から電気信号に結合させられる液晶のマトリックスを含有する単一のセルのパネルである。電気信号は、LCD26を、それに、それらを通過する光の偏光を回転させる又は回転なしに光を通過するために、制御する。
結果として、第一のLCD26は、s偏光した及びp偏光した成分を備えた光のピクセル又は不連続なドットのマトリックスを含む第一の光のマトリックス38を透過させる。第一の光のマトリックス38は、第二のPBS49の第一の面44に入ると共に、第二の偏光させる表面53によって偏光させられる。第一の光のマトリックス38の(示さない)s偏光した成分を、第一の光のマトリックスのp偏光した成分60が、第二の偏光させる表面53を通じて且つ第二のPBS49の外側で第三の面52通じて照明レンズ33に向かって通過する一方で、第二のPBS49の第二の面57を通じた反射させると共に捨てられる。
光25の成分のRGBの帯域のp偏光した成分45は、第一の偏光させる表面43を通じて、且つ、第二のLCD28に向かって第一のPBS46の第三の面51を通じて、通過する。第二のLCD28は、構造及び機能において第一のLCD26に対して同一であると共に、このようなものとしては、それらのさらなる記載を省略してきた。第二のLCD28は、s偏光した及びp偏光した成分を備えた光のピクセル又は不連続なドットのマトリックスを含む第二の光のマトリックス55を透過させる。第二の光のマトリックス55は、第二のミラープリズム48に入ると共に、第二のミラープリズム48の外側で且つ第二のPBS49に向かって第二のミラーの表面58によって反射させられる。第二の光のマトリックス55は、第二のPBS49の第四の面54に入ると共に、第二の偏光させる表面53によって偏光させられる。第二の光のマトリックスの(示さない)p偏光した成分は、第二の偏光させる表面53を通過すると共に、第二のPBS49の第二の面57を通じて捨てられる。第二の光のマトリックスのs偏光した成分61は、合計の明るさのかなり低い損失があるように、第三の面52を通じて第二のPBS49の外側で反射させられると共に、p偏光した成分60との組み合わせで照明レンズ33によって受けられる
図2に示すように、第二の光のマトリックス55のs偏光した成分61及び第一の光のマトリックス38のp偏光した成分60を、高いスループットの効率のために第三のミラープリズム34へ照明レンズ33によって同時に集束させる。第三のミラープリズム23は、例えば、内部全反射(TIR)のプリズム又は軸外の光学部品であってもよい。第二の光のマトリックス55のs偏光した成分61及び第一の光のマトリックス38のp偏光した成分60は、第三のミラープリズム34の第一の表面36を通過する。第二の光のマトリックス55のs偏光した成分61及び第一の光のマトリックス38のp偏光した成分60は、第三のミラープリズム34の反射の表面41から離れた角度で、且つ、第三のミラープリズム34の第三の表面37を通じて、反射させられる。DLPのマイクロディスプレイ30は、第三のミラープリズム34の第三の表面37の向こうに配置されると共に、組み合わせられたs偏光した及びp偏光した成分60、61が、それに入射する。
DLPマイクロディスプレイ30は、Texas Instruments Incorporated of Dallas,Texasによって作られたDLPのような、任意の適切なディジタル光処理装置(DLP)であってもよい。マイクロディスプレイ30は、Texas Instruments Incorporated of Dallas,Texasによって作られたDIGITAL MICROMIRROR DEVICEのような(示さない)光学的な半導体を有する。半導体は、蝶番で据え付けられた微小なミラーの配列を含有する。ミラーの各々は、ビデオ入力信号21の(示さない)ビデオ画像における一つのピクセルに対応する。半導体が、ビデオ入力信号21に基づいた制御器22によって駆動されるとき、ミラーは、第一及び第二の光のマトリックス51、49の全て又はいくつかを反射させるために、傾斜させられる又はスイッチを入れられる若しくは切られる。切り替えられたミラーから反射させられたピクセルの配列は、ディスプレイ制御器22からのビデオ入力信号21に対応する、投射された光のマトリックス40を形成する。
LED26、28の動作は、減衰の制御として役に立ち、それによって、いくらかのp偏光した及びいくらかのs偏光した光は、再結合の前に、捨てられる。例えば、第一の実施形態において上述したように、ビデオ入力ピクセル値のいずれも、全目盛りの半分を超えないとすれば、第一及び第二のLCD26、28は、入射光の五十パーセントを制御する。ビデオ入力信号21が、最大限の黒色のスクリーンを示す実例において、第一及び第二のLCD26、28は、ディスプレイ制御器22によって、最大に設定されると共に、マイクロディスプレイ30は、非常に高い連続したコントラストを達成するために、ゼロで駆動される。このように、第一及び第二のLCD26、28が、50:1のピークの減衰を有すると共に、マイクロディスプレイ30が、少なくとも600:1の連続したコントラストを有するとすれば、測定された連続したコントラストは、30,000:1である。
投射された光の最大40は、TIRプリズム34の第三の表面37を通じた逆戻りのマイクロディスプレイ30から反射させられる。投射された光のマトリックス40は、TIRプリズム34の反射させる表面41を通じて、且つ、第四の表面39を通じてTIRプリズム34の外側で、通過する。投射された光のマトリックス40は、第四の表面39から投射レンズ32の系へ方向付けられる。投射レンズ32は、ビデオ入力信号21に対応するビデオ画像を形成するために、投射された光のマトリックス40を、表示画面29上へ投射する。
系20は、マイクロディスプレイ30が、光の交互の偏光で照明されることを可能にする利益を有するが、その光の交互の偏光は、偏光に基づいた立体撮像を可能にする。
前述のものは、本発明を実施するための可能性のいくつかを図説する。多くの他の実施形態が、本発明の範囲及び主旨内で可能である。従って、前述の記載が、限定することよりもむしろ、実例となるものとみなされることが、及び、本発明の範囲が、均等物のそれらの全目盛りと一緒に添付した特許請求の範囲によって与えられることが、意図される。
[付記]
付記(1):光弁系であって、当該光弁系は、ビデオ入力信号と一致するように、光の成分の色の帯域を時間的に減衰させるように構成される色選択デバイス、該成分の色の帯域を少なくとも二つの偏光した成分に偏光させるように構成される第一の偏光ビームスプリッター、及び投射された光のマトリックスを形成するための、該少なくとも二つの偏光した成分の少なくとも一つを受けるように構成されるマイクロディスプレイを含む光弁系。
付記(2):前記色選択デバイスは、電圧レベルの入力を使用して、光の成分の色の帯域を減衰させる、付記(1)に記載の光弁系。
付記(3):前記色選択デバイスは、複数の積み重ねられた液晶ディスプレイを含む色切り替えデバイスである、付記(2)に記載の光弁系。
付記(4):前記マイクロディスプレイは、シリコン上の液晶のイメージャである、付記(1)に記載の光弁系。
付記(5):積分器をさらに含む、付記(1)に記載の光弁系。
付記(6):偏光子をさらに含む、付記(1)に記載の光弁系。
付記(7):投射レンズ及び表示画面をさらに含む、付記(1)に記載の光弁系。
付記(8):光弁系であって、当該光弁系は、ビデオ入力信号と一致するように、光を成分の色の帯域に時間的に減衰させるように構成される色選択デバイス、該成分の色の帯域を第一の組みの反対に偏光した成分に偏光させるように構成される第一の偏光ビームスプリッター、第一及び第二の液晶ディスプレイを含み、該第一及び第二の液晶ディスプレイは、それぞれ、第一及び第二の光のマトリックスを形成するために該第一の組みの反対に偏光した成分の一つを受けるように構成され、当該光弁系は、該第一及び第二の光のマトリックスを第二の組みの反対に偏光した成分に分離するための、該第一及び第二の光のマトリックスを受けるように構成される第二の偏光ビームスプリッター、及び投射された光のマトリックスを形成するための、該第二の組みの反対に偏光した成分の少なくとも一つを受けるように構成されるマイクロディスプレイを含む光弁系。
付記(9):前記マイクロディスプレイは、ディジタル光処理装置である、付記(8)に記載の光弁系。
付記(10):積分器をさらに含む、付記(8)に記載の光弁系。
付記(11):偏光子をさらに含む、付記(8)に記載の光弁系。
付記(12):投射レンズ及び表示画面をさらに含む、付記(8)に記載の光弁系。
付記(13):ミラープリズムをさらに含む、付記(8)に記載の光弁系。
付記(14):照明レンズをさらに含む、付記(8)に記載の光弁系。
[関連出願の相互参照]
この出願は、ここではその全体が参照によって組み込まれる、2002年12月4日に出願された“DYNAMIC RANGE AND CONTRAST ENHANCEMENT FOR MICRODISPLAY”と題された、米国仮特許出願第60/430,818号(代理人の整理番号PU020470)の利益を請求する。
本発明の第一の実施形態に係る光弁系のブロック図である。 本発明の第二の実施形態に係る光弁系のブロック図である。 図2の系における使用のための偏光ビームスプリッターの配置の概略図である。

Claims (7)

  1. ライトバルブシステムであって、
    ビデオ入力信号と対応するように連続して成分の色へと光を分離するように構成された色選択デバイス;
    異なって偏光させられた成分の第一のセットへと前記成分の色を偏光させるように構成された第一の偏光ビームスプリッター;
    第一の及び第二の液晶ディスプレイ、前記第一の及び第二の液晶ディスプレイの各々が、それぞれ、第一の及び第二の光のイメージを形成するために前記異なって偏光させられた成分の第一のセットの対応する一方を受けるように構成されたものであること;
    異なって偏光させられた成分の第二のセットへと前記第一の及び第二の光のイメージを組み合わせるために前記第一の及び第二の光のイメージを受けるように構成された第二の偏光ビームスプリッター;並びに
    投射された光のイメージを形成するために前記異なって偏光させられた成分の第二のセットの少なくとも一方を受けるように構成されたマイクロディスプレイ
    :を備える、ライトバルブシステム。
  2. 請求項1のライトバルブシステムにおいて、
    前記マイクロディスプレイは、ディジタル光プロセッサーである、ライトバルブシステム。
  3. 請求項1のライトバルブシステムであって、
    さらにインテグレーターを備える、ライトバルブシステム。
  4. 請求項1のライトバルブシステムであって、
    さらに偏光子を備える、ライトバルブシステム。
  5. 請求項1のライトバルブシステムであって、
    さらに投射レンズ及び表示スクリーンを備える、ライトバルブシステム。
  6. 請求項1のライトバルブシステムであって、
    さらにミラープリズムを備える、ライトバルブシステム。
  7. 請求項1のライトバルブシステムであって、
    さらに照明レンズを備える、ライトバルブシステム。
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