JP4988582B2 - 表示システム - Google Patents

Description

本発明は、ピクセレーション色管理ディスプレイ（pixelated color management display）に関する。

［背景］
ディスプレイ、プロジェクタ、又は他のデジタル画像化システム等の画像を表示するための従来のシステム又は装置は、表示画面等の表示面に静止画像又はビデオ画像を表示するために頻繁に用いられる。閲覧者は、たとえば、画像サイズ、色域、コントラスト比、輝度、及び解像度等の多くの基準に基づいて表示システムを評価する。画像輝度、画素色精度、及び解像度が多くのディスプレイ市場では特に重要な測定基準である。なぜならば、利用できる輝度、色域、及び解像度によって表示画像のサイズが制限され、高レベルの周囲光を有する会場（venues）で画像をどの程度よく見ることができるかが制御される可能性があるからである。

多くのデジタル表示システムは、原色（赤、緑、及び青）の３つ以上の変調された画像をビデオフレーム毎に作成することによって、単一の光変調器を用いてフルカラー表示を作成する。原色は、通常、白色光をカラーホイール、プリズム、又は他の何らかのカラーフィルタに通してから変調器に衝突させることによって導出される。ときどき、カラーホイールの後に白色光を空間光ホモジナイザに通して、白色光の強度を均一化する。変調された画像は順次高速で表示されて、人間の視覚系にフルカラー画像を作り出す。したがって、このフルカラー表示の生成方法は「順次式カラー（sequential color）」と呼ばれる。順次式カラーの使用により、画像形成のために、所望の赤色光、緑色光、及び青色光が生成されるが、これは、望ましくない光の波長の透過を阻止することによって行われる。換言すれば、光源が発する光の大部分が無駄になり、結果として、最終的に表示される画像の輝度が低下する。

カラーホイールは、移動機構部に関連する固有の長期信頼性問題を含む様々な理由により、ノイズ、厚み、費用、及び複雑性を表示システムに付加する。さらに、カラーホイールを使用する場合、（３色方式では）３色のうちの２色が随時、カラーホイールによって反射されるため、白色光のおよそ３分の２（２／３）が無駄になる。

本明細書において説明する実施形態は、既知の表示システムに関連するこれらの及び他の欠点を鑑みて開発されたものである。

添付図面は、本装置及び本方法の各種実施形態を示しており、本明細書の一部をなすものである。示す実施形態は本装置及び本方法の単なる例にすぎず、本開示の範囲を制限するものではない。

図面全体を通して、同一の参照符号は、必ずしも同一である必要はないが同様の要素を示している。

［詳細な説明］
ピクセレーションカラーフィルタ板を有するピクセレーション色管理システムのいくつかの実施形態を本明細書において説明する。このようなピクセレーション色管理システムは、空間光変調器組立体と共に、プロジェクタ組立体の簡易化及び効率の向上を可能にする。特に、デジタルプロジェクタ等の表示システムに使用するためのピクセレーション色方式に対応する光の提供に関連する、複雑性を低減した装置、システム、及び方法を利用する投射組立体が本明細書において提供される。さらに、光再利用システムに結合されたピクセレーションフィルタ要素が、普通ならば放逸されたであろう光を再キャプチャして送ることによって表示組立体の効率を増大させる。

ピクセレーションカラーフィルタを利用して、純粋な原色の個々の空間領域で構成される空間光変調器に照明を提供する、いくつかの例示的なピクセレーション色管理装置について以下に考察する。３原色システムが最も一般的であるが、任意の数の原色を使用することが可能であり、広帯域白色光も使用してもよい。たとえば、３原色方式（たとえば、赤、緑、青）の場合には、空間光変調器平面への照明は、小領域（画素）の赤色光、緑色光、及び青色光により構成することができる。この方法を、以下、同時式カラーと呼ぶことにする。したがって、これらピクセレーション色管理装置は、カラーホイールを回転させることなくフルカラー表示を提供し、さらに、本発明を使用しなければ無駄になるであろう光を再キャプチャすることができる。表示システムのカラーホイールをなくすことにより、費用の削減、ノイズの低減、製品厚の低減、光効率の増大、及び全体の複雑さの低減が可能になる。

これら例示的なピクセレーション色管理装置をダイナミック（「ウォビュレート（wobulated）」）光路と併せて使用して、光効率を保ちながらカラーホイールなしで順次式であるがなお同時式のカラーを生成することができる。このようなシステムでは、ピクセレーション色管理装置からの色は、ピクセレーション板の異なるカラー画素が変調器の同じ画素に順次衝突（オーバーレイ）して順次式カラーを生成するように空間光変調器（ＳＬＭ）の画素アレイに対して移動されるか又は「ウォブル（wobble）」される。空間光変調器とは、入射光を電気的又は光学的な入力に対応した空間パターンに変調する装置である。このようなシステムは、非ウォブルシステムよりも低い解像度のＳＬＭを使用できるようにし、費用をさらに低減する。

用語「表示システム」は、本明細書及び添付の特許請求の範囲において、別段に特記されない限り、プロジェクタ、前方投射システム、後方投射システム、画像表示システム、テレビジョンシステム、ビデオモニタ、コンピュータモニタシステム、又はＳＬＭから投射された画像を表示するように構成される他の任意のシステムを指す。画像は、静止画像、一連の画像、又は動画ビデオであることができる。用語「画像」は、本明細書及び添付の特許請求の範囲において、別段に特記しない限り、静止画像、一連の画像、動画ビデオ、又は表示システムによって表示される他のあらゆるものを広く指す。

本明細書及び添付の特許請求の範囲において使用される「空間光ホモジナイザ」（ＳＬＨ）は、光源からの光を均一化可能な（均一な照明を提供する）あらゆる種類の光導波路を意味するものと広く理解される。たとえば、一般的な空間光ホモジナイザは、中空又は中実のインテグレーティングロッド、及びフライアイレンズアレイ又は小型レンズインテグレータ（lenslet integrator）を含む。一般に、空間光ホモジナイザは、受け取る入射光の角度を保持する。いくつかの実施形態では、空間光ホモジナイザは、投射システムの光学設計に応じて角度を調整できる。

用語「結像光学系」は、画像を或る画像面の第１の場所から別の画像面の第２の場所に拡大あり又は拡大なしで転送する光学系を指す。「結像光学系」は、１以上の方向での「キーストーン」補正を提供することができる。キーストーン補正は、結像光学系が、第１の位置及び第２の位置にある画像平面が１以上の軸に平行しない場合に画像を転送できるようにする。第１の画像面は一般にピクセレーション板の平面であり、第２の画像平面はＳＬＭ装置の平面である。

以下の説明では、説明を目的として、本方法及び本装置の完全な理解を提供するために多くの特定の詳細について述べる。しかし、本方法及び本装置がこれら特定の詳細なしで実施できることが当業者には理解されよう。本明細書において「一実施形態」又は「実施形態」に言及するときは、その実施形態に関連付けて説明される特定の特性、構造、及び特徴が少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。本明細書での様々な場所で見られる「一実施形態では」という語句は、必ずしもすべて同じ実施形態を指すわけではない。

図１は、本発明の各種実施形態を包含する例示的な表示システム（１００）を論理的に示す。図１の構成要素は単なる例示にすぎず、特定の用途に最もよく役立つように変形又は変更することが可能である。図１に示すように、画像データが画像処理ユニット（１１０）に入力される。画像データは、表示システム（１００）により表示される画像を規定する。表示される画像は、色方式に対応する個々の色成分を含む。参照しやすいように、赤、緑、及び青（ＲＧＢ）色方式について考察するが、２例を挙げると、ＲＧＢＷ（白要素を有する）又はＲＧＢＧ（緑要素を追加）等の任意の数の色方式を使用してもよい。１つの画像が画像処理ユニット（１１０）によって処理されるものとして示し、説明するが、複数又は一連の画像を画像処理ユニット（１１０）で処理可能なことが当業者に理解されよう。画像処理ユニット（１１０）は、光源（１２０）の照明の制御、ＳＬＭ（１３０）の制御、及びオプションとしてウォビュレーションユニット（１３２）の制御を含む各種機能を実行する。ウォビュレータ（wobulator）（１３２）は、ピクセレーション板（２２０）から表示画像までの光路の任意の場所に配置して、光路を変更することができる。別法として、ウォビュレータ（１３２）は、ピクセレーション板（２２０）、結像光学系（１３４）、又は表示光学系（１４０）を物理的にウォビュレートすることができる。結像光学系（１３４）がピクセレーション板（２２０）とＳＬＭ（１３０）との間に配置されて、ピクセレーション板の画像をＳＬＭ上の画素アレイに転送する。結像光学系（１３４）は、任意の必要な拡大又はキーストーン補正を提供する。結像光学系（１３４）は、ウォビュレーションユニット（１３２）に１以上の方向で画像をシフトする方法を提供する光学素子を含むことができる。画像処理ユニット（１１０）はウォビュレーションユニット（１３２）を制御して、画像データの適宜同期された色成分が表示画像に位置合わせされることを保証する。画像処理ユニット（１１０）についてより詳細に後で説明する。

図１に示すように、光源（１２０）はピクセレーション色管理装置（２００）に入力照明を提供する。光源（１２０）は、高圧水銀灯、キセノン灯、又は発光ダイオード（ＬＥＤ）アレイであってもよいがこれらに限定されない。ピクセレーション色管理装置（２００）は、表示システム（１００）が、フルカラー画像の異なる色成分（たとえば、赤、緑、青の原色）を提供することによってフルカラー画像を表示できるようにする。より具体的には、ピクセレーション色管理装置は、順次式カラーでのように時間的にとは対照的に、空間光変調器に異なる色成分を空間的に提供する。したがって、ピクセレーション色管理装置を利用するシステムでは、表示画像は個々の画素で構成され、表示画像の各画素は特定の色（たとえば、赤、緑、又は青）に専用のものである。

非ウォビュレーションシステムの場合では、より具体的に、表示システムによって表示される画像は個々の画素で構成される。表示画像の各画素は、目により同時に見られ、目によって統合されて画像の単一画素を形成する、ＳＬＭ（１３０）からの非順次式の赤、緑、及び青のサブ画素成分を含む。非ウォビュレーションの実施形態でのＳＬＭ（１３０）及びピクセレーション板（２２０）（ピクセレーションカラーフィルタとも呼ばれる）は、所望の画像の３倍の画素を有する。この実施形態は、１対１であるピクセレーション板（２２０）とＳＬＭ（１３０）との間の画素マッピング法を示す。しかし、ピクセレーション板（２２０）からの１画素がＳＬＭ（１３０）上の２画素に画像化される方法等の他の画素マッピング法も可能である。この例では、ＳＬＭ（１３０）は、所望の画像の（２画素×３色＝）６倍の画素を有し、ピクセレーション板（２２０）は所望の画像の３倍の画素を有する。

カラーウォビュレーションを使用する別の実施形態では、ピクセレーション色管理装置（２００）は、表示システム（１００）が、フルカラー画像の異なる色成分をピクセレーション板（２２０）から、ピクセレーション板（２２０）の各色要素について画素アレイを有するＳＬＭ（１３０）に提供することによって順次に同時式カラー画像を表示できるようにする。ピクセレーション板からの画像は、ＳＬＭ（１３０）の各画素がピクセレーション板（２２０）の各色の少なくとも１つを受け取るように、各画像フレーム中に順次、経時にわたってＳＬＭ（１３０）上の画素平面上に投射されてウォビュレーションされる。より具体的には、表示システムによって表示される画像は個々の画素で構成される。表示画像の各画素は、目により順次に見られ、目によって統合されて画像の単一画素を形成する、ＳＬＭ（１３０）からの順次式の赤、緑、及び青の成分を含む。この実施形態でのＳＬＭ（１３０）及びピクセレーション板（２２０）は、所望の画像とほぼ同数の画素を有する。

上述したように、ピクセレーション板（２２０）は空間光ホモジナイザ（２１０）に結合される。ピクセレーション色管理装置（２００）によって送られる光は、結像光学系（１３４）を通して空間光変調器（ＳＬＭ）（１３０）上に合焦されて位置合わせされる。結像光学系（１３４）は、カラーホイールを有する従来の表示装置に見られる従来の照明光学系とは異なる。結像光学系（１３４）は、画像をピクセレーション板からＳＬＭ（１３０）の画素アレイ上に空間的歪みがほとんど又はまったくない状態で正確に転送しなければならず、それでもなおＳＬＭに均一な照明を提供しなければならない。従来の照明光学系では、ＳＬＭ（１３０）の画素アレイ上にほぼ均一の照明を提供する必要があるだけであった。

用語「ＳＬＭ」及び「変調器」は、本明細書において入れ替え可能に使用されて、空間光変調器を指す。入射光は、変調器（１３０）によりその位相、強度、偏光、又は方向で変調することができる。したがって、図１のＳＬＭ（１３０）は、ピクセレーション色管理装置（２００）によって出力された光を画像処理ユニット（１１０）からの入力に基づいて変調して、表示光学系（１４０）によって表示面（図示せず）に最終的に表示又は投射される光の画像担持ビームを形成する。表示光学系（１４０）は、画像を表示又は投射するように構成される任意の装置を含むことができ、ウォビュレーションを可能にする光学系を含むことができる。たとえば、表示光学系（１４０）は、画像を表示面上に投射して結像するように構成されるレンズ又はミラーシステムであってもよいがこれらに限定されない。表示面は、映画スクリーン、コンピュータモニタ、又はテレビ等の表示エリアを作り出すパッシブスクリーン、アクティブスクリーン、又は壁であってもよいがこれらに限定されない。ＳＬＭ（１３０）は、デジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）等の単一パネル変調器デバイス、光回折デバイス（ＤＬＤ）、及び反射型液晶（ＬＣＯＳ）変調器であってもよいがこれらに限定されない。考察したように、空間光ホモジナイザ（２１０）に結合されたピクセレーション板（２２０）を、結像光学系（１３４）と共に使用することにより、カラーホイール等の回転部品の必要性が最小化されるか、又はなくなる。さらに、このような構成は、ピクセレーション色管理装置（２００）が光を再利用するように設計される場合、普通ならば無駄になる光（色又は偏光の両方で）を再キャプチャすることによって表示組立体の効率を向上させることができる。ピクセレーション板（２００）上のカラーフィルタは、表示装置の性能を向上するように調整することができる。

図２Ａ及び図２Ｂは、ピクセレーション色管理装置（２００）の一実施形態を示す。ピクセレーション色管理装置（２００）は、光源（２１４）を有する楕円反射器（２１２）と、ピクセレーション板（２２０）が機械的及び光学的に結合された空間光ホモジナイザ（２１０）とを含む。参照しやすいように、中実ガラスインテグレーティングロッド型の空間光ホモジナイザ（２１０）について考察するが、他の種類の空間光ホモジナイザを使用してもよい。空間光ホモジナイザ（２１０）は、普通ならば無駄になる光を再キャプチャするとともに、同時に光変調器組立体が使用する色方式の各色に対応する光を提供するピクセレーション色管理装置（２００）の一部である。

図２Ａに示すように、空間光ホモジナイザ（２１０）は部分的に反射前面（２３０）を含む。前面（２３０）の非反射性の部分を入光開口（２４０）と呼ぶことができる。換言すれば、入光開口（２４０）は、反射性材料が塗布されていない前面（２３０）の部分である。入光開口（２４０）は、光を楕円反射器（２１２）から受け取る。別法として、放物面反射器及びレンズで置き換えて、光を入光開口（２４０）に提供してもよい。空間光ホモジナイザ（２１０）は、前面（２３０）と端面（２６０）との間にいくつかの反射性側面（２５０）も含む。空間光ホモジナイザ（２１０）に入る光は、前面（２３０）の入光開口（２４０）を通して入り、反射性側面（２５０）によりガイドされて空間光ホモジナイザ（２１０）を通り、端面（２６０）から出てピクセレーション板（２２０）に入る。

ピクセレーション板（２２０）は、空間光ホモジナイザ（２１０）の端面（２６０）に機械的及び光学的に結合される。したがって、ピクセレーション板（２２０）は、エポキシ等の接着剤の使用により空間光ホモジナイザ（２１０）に固定することができる。したがって、空間光ホモジナイザ（２１０）とピクセレーション板（２２０）との間のいかなるギャップも最小化されるか、又はなくなる。

図２Ｂは、ピクセレーション板（２２０）をより詳細に示す。ピクセレーション板（２２０）は、複数の明確に画定された画素（２７０−１、２７０−２、２７０−３）を含む。例示的な一実施形態では、示す画素（２７０−１、２７０−２、２７０−３）は、辺がおよそ５ミクロン（μｍ）の長さを有するほぼ矩形／正方形の画素であることができる。しかし、（たとえば、菱形、矩形、台形、楕円、正方形等の）画素は任意の形状であってもよい。さらに、画素の形状及びサイズは所与のピクセレーションカラーフィルタ内で変化してもよく、たとえば、赤色画素は５×１０μｍの矩形であり、青色画素は５×５μｍの正方形であってもよい。

ピクセレーションカラーフィルタは、様々な技法によって作成することができ、本明細書において開示する実施形態はいかなる特定の技法にも限定されない。一実施形態では、特定の色の画素（たとえば、赤色反射画素）をガラス板上に、誘電薄膜を堆積させてダイクロイック干渉フィルタを生成することによって形成することができる。そして、リソグラフィ技法を使用してダイクロイック干渉フィルタをパターニングして画素を生成することができる。このプロセスは、ピクセレーションカラーフィルタ上に必要な各画素色について繰り返すことができる。ピクセレーションカラーフィルタ上に堆積された各ダイクロイック干渉フィルタのスペクトル透過応答は、色域、視感効率、及び／又はコントラストを含む最適化されたシステム性能をもたらすように調整することができる。別法として、ピクセレーションカラーフィルタは、回折格子型構造又はブラッグ散乱型構造を使用して作成することができる。これらの実施形態では、ピクセレーションカラーフィルタはすべて静的である、すなわち電気駆動、外部信号、又は電源が動作に必要ないことに留意されたい。他の構成も可能であり、開示する実施形態は静的なピクセレーションカラーフィルタに限定されない。

各画素は選択的に特定の波長の光を透過させ、他の波長を反射する。示す画素（２７０−１、２７０−２、２７０−３）は、参照しやすくするために縮尺よりもはるかに大きく示され、赤／緑／青（ＲＧＢ）色方式に対応する。したがって、赤色画素は青色光及び緑色光を反射し、赤色光を透過させる。同様に、緑色画素は緑色光を透過させ、青色画素は青色光を透過させる。

その結果、白色光が最初にピクセレーション板（２２０）に入射したときに、白色光に関連する光のおよそ２／３がピクセレーション板により反射される。この反射光の大部分は再び空間光ホモジナイザ（２１０）を通って前面（２３０）の反射性表面に戻る。そして、この光は前面（２３０）の反射性表面から反射して空間光ホモジナイザ（２１０）を通り、再びピクセレーション板（２２０）に戻る。光は、ピクセレーション板に到達すると、異なるカラーセグメントを通過することによって再キャプチャすることができる。たとえば、ピクセレーション板の赤色画素に衝突する白色光の青色部分及び緑色部分は、再び空間光ホモジナイザ（２１０）に反射される。その青色光及び緑色光は、再び空間光ホモジナイザ（２１０）の端面（２６０）を通過してピクセレーション板（２２０）に衝突するまで空間光ホモジナイザ（２１０）の内側で反射される。今度は、前に反射された青色光及び緑色光はピクセレーション板（２２０）の青色（又は緑色）画素に衝突する可能性があり、これは青色光（又は緑色光）を透過させ、緑色光（又は青色光）を空間光ホモジナイザ（２１０）に反射して戻す。このようにして、前に失われた光を「再キャプチャ」し、それによってシステムの視感効率を増大することができる。

空間光ホモジナイザ（２１０）の端面（２６０）に対してピクセレーション板（２２０）がかなり近傍にあることにより、ピクセレーション色管理装置（２００）によって再キャプチャされる光の量がさらに増大する。特に、先に述べたように、端面（２６０）と静止したピクセレーション板（２２０）との間のギャップが最小化される。一実施形態では、ピクセレーション板（２２０）は、空間光ホモジナイザ（２１０）の端面（２６０）に直接接着される。したがって、ギャップを通って逃げる光量が少なくなり、それによってＳＬＭ（図１の１３０）に伝えられる光の量がさらに増大する。

一実施形態では、ピクセレーション板の各画素はＳＬＭ（１３０）（図１）上の画素に対応する。すなわち、ピクセレーション板（２２０）上の各カラー画素を通過する光は、ＳＬＭ（１３０）上の対応する画素に衝突する。したがって、ＳＬＭ（１３０）上の各画素は、色方式の色のうちの１色の変調「専用」である。したがって、各画素の変調頻度はそれに対応して、従来のカラーホイールシーケンシャルカラーシステムよりも遅くなり得る。他の利点を、４色方式を使用する場合等に実現することができる。たとえば、ＲＧＢＧ方式の場合、２倍の数の緑色画素が使用される。これにより、赤色画像及び青色画像でわずかに解像度が低くなるが、解像度がわずかに高い緑色画像を形成することができる。目は緑色画像に対する感度がより高いため、画像を見る人は解像度のより高い画像と認識する。ＲＧＢＷ方式を使用することにより、色域を、ビジネスチャート表現等の特定の用途に向けて変更することができる。

一般に、ピクセレーションカラーフィルタ上の画素とＳＬＭ上の画素との間に１対１の画素マッピングを有する必要はない。たとえば、ピクセレーションカラーフィルタ上の単一の赤色画素が、ＳＬＭ上の画素４個分のブロックに画像化されてもよい。画素マッピング法にかかわりなく、各サブフレームの画像生成中、ＳＬＭ上の各画素は、ピクセレーションカラーフィルタによって出力される単色（たとえば、赤、青、緑、又は広帯域の白色）の変調「専用」である。

同時式カラーを提供して、カラーホイール等の回転部の必要性を最小化するか、又はなくすことに加えて、ピクセレーション板（２２０）はそれに従って色特性を強調するように形成することができる。たとえば、画素（図２の２７０−１、２７０−２、２７０−３）を、コントラスト及び色域を強調するように調整し、それと同時に輝度を維持又は向上させることができる。この調整について、ＳＬＭにファブリペロー干渉フィルタを使用したデジタル光デバイス（ＤＬＤ）等の単板マイクロディスプレイシステムに適用されるピクセレーション板（２２０）を参照して考察する。このような単板マイクロディスプレイは、色方式の各画素成分を単板上で変調する制御機構を有する。

色特性を強調することができる方法の一例として、ピクセレーション板（２２０）にノッチバンドフィルタを使用して、黒色状態スペクトル応答（black state spectral response）を高めることが挙げられる。黒色状態スペクトル応答とは、波長帯域、たとえば可視帯域にわたる各波長で黒色を生成するＳＬＭの能力を指す。ノッチバンドフィルタとは、ピクセレーション板（２２０）の画素（図２Ｂの２７０−１、２７０−２、２７０−３）のダイクロイックフィルムに組み込まれて、光スペクトルのより狭い部分すなわちノッチバンドを透過させるように選択的に調整されるフィルタである。

ピクセレーション板（２２０）に関して、黒色状態スペクトル応答は赤色画素、緑色画素、及び青色画素に向けて個々に適合させることができる。後で述べる各黒色状態応答曲線が、個々の変調器画素のパフォーマンスを示す。一実施形態では、ピクセレーション板（２２０）の画素にはノッチバンドフィルタが形成されるか、又はピクセレーション板（２２０）の画素はノッチバンドフィルタとして形成される。したがって、各ＳＬＭ画素が透過する光は、ピクセレーション板（２２０）の調整済み画素を透過した光に対応する。たとえば、これらの３つの黒色状態スペクトル応答又はノッチバンドの最小のものを、それぞれ、約６３０ｎｍ、約５５５ｎｍ、及び約４２５ｎｍになるように設計することができる。したがって、ノッチバンドフィルタは、狭い赤色波長、青色波長、及び緑色波長を中心とした光を透過させながら、他の波長の透過を制限する。

図３は、ノッチバンドフィルタを利用したピクセレーション板（図２の２２０）からのＲ（３００−１）、Ｇ（３００−２）、及びＢ（３００−３）のそれぞれのこれら個々のＲＧＢ黒色状態応答を示す。図３は、全体的に可視領域にわたる黒色状態スペクトル応答を最適化するが、均一ではない光変調器の黒色状態スペクトル応答（３１０）も示す。この広帯域最適化は可視スペクトル全体にわたる光の吸収に焦点を合わせているが、それでも示すように異なる波長で非均一の拒絶率を有する。

各曲線の下の面積は、透過した光の量を表す。図３に示すように、３つの黒色状態応答（３００−１、３００−２、３００−３）の下の総面積は、広帯域最適化された黒色状態応答（３１０）の下の面積よりも大幅に小さい。したがって、ピクセレーション板（図２の２２０）を透過したより多くの光がＳＬＭにより吸収される。黒色状態でのＳＬＭの吸収が高いという結果により、全体の黒色状態がより暗くなる。先に述べたように、光の再キャプチャによりＳＬＭに伝えられる光の量が増大し、それによってオン状態応答（on state response）も向上する。コントラストは、黒色状態応答とオン状態応答との差を比較することによって測定される。したがって、より高い輝度を提供することに加えて、ピクセレーション板（図２の２２０）は、回転部の必要性を最小化しながら、ＳＬＭによって形成される画像のコントラストを増大するように構成することができる。これは、輝度の増大、黒色状態応答の向上、又はこれら両方によって行われる。さらに、後でより詳細に述べるように、光管理は、偏光回復及び色管理を含め、単一の装置に組み込むことができる。

図４Ａ及び図４Ｂは、偏光回復機能及び色管理機能を実施するピクセレーション色管理装置（２００−１）を示す。この色管理装置は、ＬＣＤ及びＬＣＯＳ等の偏光ベースのＳＬＭ又はマイクロディスプレイと併せて使用することができる。図４Ａはピクセレーション色管理装置（２００−１）の全体を示し、これは、１／４波長リターダ（４００）を有する空間光ホモジナイザ（２１０−１）、反射性直線偏光子（４１０）、及び反射性直線偏光子（４１０）の端面（２６０−１）に結合されたピクセレーション板（２２０−１）を備える。１／４波長リターダ（４００）は、ピクセレーション板（２２０−１）及び／又は反射性直線偏光子（４１０）から拒絶された光の極性をダブルパスで９０度、回転させる。光源（図４Ａに示していないが、一般に、光源は図２Ａのように、楕円反射器及び高圧水銀灯又はキセノン灯を含む）からの白色光は、空間光ホモジナイザ（２１０−１）の前面（２３０−１）に結合された鏡面１／４波長リターダ（４００）に画定された穴（２４０−１）を通って空間光ホモジナイザ（２１０−１）に入る。１／４波長リターダ（４００）は、非偏光が空間光ホモジナイザ（２１０−１）に入るときに非偏光に対して実質的に作用しない。

図４Ｂは、反射性直線偏光子（４１０）とピクセレーション板（２２０−１）とがスペーサ（４２０）で隔てられたピクセレーション色管理装置（２００−１）の端面（２６０−１）の部分拡大図を示す。光は、先に述べたように穴（２４０−１）を通過した後、反射性直線偏光子（４１０）、たとえばワイヤーグリッド偏光子に入射するまで空間光ホモジナイザ（２１０−１）を移動する。偏光子（４１０）はＳ偏光を拒絶し、Ｐ偏光を透過させる。そして、ワイヤーグリッド偏光子を透過したＰ偏光は、ピクセレーション板（２２０−１）によって濾波される。

反射性直線偏光子（４１０）によって拒絶された光（Ｇ_Ｓ、Ｒ_Ｓ、Ｂ_Ｓ）及び／又はピクセレーション板（２２０−１）によって拒絶された光（Ｒ_Ｐ、Ｂ_Ｐ）は、鏡面１／４波長リターダ（４００）に戻る。１／４波長リターダは偏光をダブルパスで９０度回転させ、空間光ホモジナイザ（２１０−１）を通ってピクセレーション板（２２０−１）及び反射性直線偏光子（４１０）に再び向ける。したがって、ピクセレーション色管理装置（２００−１）の構成により、ピクセレーション板（２２０−１）により拒絶された光を再キャプチャし、空間光ホモジナイザ（２１０−１）内でＳＬＭにより使用される極性に変更することによって偏光を回復することができる。偏光及び色の両方に基づいて光を再キャプチャすることにより、図４Ａ及び図４Ｂによる静的色管理装置は、フォームファクタの小さな単一のマイクロディスプレイ構造を可能にするのに十分な視感効率を提供することができる。

図５は、反射型液晶（ＬＣＯＳ）型ＳＬＭ（１３０−２）を利用する表示システム（１００−２）の概略図を示す。表示システムは、色回復及び偏光回復を提供するように構成される。表示システム（１００−２）は、一般に、光源（図示していないが、一般に、光源は図２Ａのように、楕円反射器及び高圧水銀灯又はキセノン灯を含む）、ピクセレーション色管理装置（２００−２）、結像光学系（５００）、反射性直線偏光子（４１０−２）、ＬＣＯＳ型ＳＬＭ（１３０−２）、表示光学系（５１０）、及び投射レンズを備える。１／４波長リターダ誘電スタック及びワイヤーグリッド偏光子（４１０−２）が、後で述べるようにこのような偏光機能を実行する。

ピクセレーション色管理装置（２００−２）は、空間光ホモジナイザ（２１０−２）（中空反射性インテグレーティングロッド等）内に配置された１／４波長リターダ誘電スタック（５２０）及び空間光ホモジナイザ（２１０−２）の端部に結合されたピクセレーション板（２２０−２）を有する。図５に示す１／４波長リターダ誘電スタック（５２０）に代えて使用できる、１／４波長位相調整（retardation）を行う他の方法を当業者は理解するであろう。光は、空間光ホモジナイザの鏡面前面（２３０−２）の開口を通って空間光ホモジナイザ（２１０−２）に入り、１／４波長リターダ（５２０）を通過する。１／４波長リターダ（４００）は、ピクセレーション板（２２０−１）及び／又は反射性直線偏光子（４１０）によって拒絶された光の極性をダブルパスで９０度回転させる。その後、光はピクセレーション板（２２０−２）を通して濾波される。ピクセレーション板（２２０−２）を透過する光は、赤色光、緑色光、及び青色光等の、すでに偏光された、色方式で使用されるすべての色成分を含む。

光は、ピクセレーション色管理装置（２００−２）を出ると、結像光学系（５００）を通過して反射性偏光子（４１０−２）に到達する。反射性偏光子（４１０−２）は、空間光ホモジナイザ（２１０−２）の主軸に対して４５度の角度に向けられる。反射性偏光子（４１０−２）のこの向きは、ピクセレーション色管理装置（２００−２）から反射性偏光子に向けられた光を透過させて２度目の偏光を行えるようにする。光は、反射性偏光子（４１０−２）を透過するとき、ＬＣＯＳ型ＳＬＭ（１３０−２）に向けられる。

図１を参照して先に述べた方法と同様にして生成されたデジタル信号が、ＬＣＯＳ型ＳＬＭ（１３０−２）の電圧を所与の構成に構成させて画像を形成させる。ＬＣＯＳ型ＳＬＭ（１３０−２）からの画像は、再び反射性偏光子（４１０−２）に向けられる。反射性偏光子（４１０−２）の４５度の向きは、ＳＬＭからの光を表示光学系（５１０）に向けて反射させ、表示光学系（５１０）は、画像を画面（図示せず）に表示するように拡大して結像する。したがって、ピクセレーション色管理装置（２００−２）を使用して、ＬＣＯＳ型ＳＬＭ（１３０−２）を利用する表示システム（１００−２）による使用に向けて、光を濾波して偏光する方法を簡易化することができる。しかし、オフ・アクシス照明を含む他の光学構造であっても可能である。

要するに、ピクセレーション色管理装置のいくつかの応用は、ピクセレーション板を利用する。これまでは、ピクセレーション色管理装置及びピクセレーション板について、回転部の使用を低減するか又はなくすことによって表示システムの複雑性を低減しながら、同時に普通なら無駄になるであろう光を再キャプチャする文脈中で考察してきた。今後より詳細に考察するように、ピクセレーション板は、順次に同時カラーフィールドの表示に使用することも可能である。

図６は、結像光学系６１５に結合されたウォビュレータ制御機構（６００）を備えた表示システム（１００−３）を示す。図６に示すように、ピクセレーション板（２２０−３）は、フライアイ型空間光ホモジナイザ（６０４）と併せて任意選択的に使用される。好ましくは他の空間光ホモジナイザで置き換えてもよいことが当業者にとって理解されるであろう。別法として、楕円ミラー及びインテグレーティングロッドを使用して、結像光学系（６１５）を適合に変更して、ピクセレーション板（２２０−３）を照明してもよい。さらに、空間光ホモジナイザに結合された１／４波長リターダ及び偏光子は、ＬＣＤ又はＬＣＯＳ ＳＬＭ素子等のＳＬＭの種類に応じて使用することができる。たとえば、１／４波長リターダは空間光ホモジナイザの前面に結合され、偏光子は空間光ホモジナイザの端面に結合される。図６に示すように、表示システム（１００−３）は、先に述べた表示システムと同様に動作する。特に、表示システム（１００−３）は、（高圧水銀灯又はキセノン灯等の）光を生成するランプ（６０２）を利用する。放物面反射器（６０５）がほぼ平行の（コリメート）ビームを作り出し、この光をピクセレーション板（２２０−３）に向け、ピクセレーション板（２２０−３）は光を濾波する。オプションとして、空間光ホモジナイザ（６０４）、たとえば、フライアイホモジナイザを使用して、放物面反射器からの光を、ピクセレーション板（２２０−３）に到達する前に放射束密度においてより均一にする。この実施形態は、インテグレーティングロッドの端部に取り付ける場合よりも大きなピクセレーション板を可能にし、大きなピクセレーション板ほど製造が容易であることができる。さらに、個々の画素フィルタをやはりダイクロイック材料で作り、望ましくない光を反射できるようにすることができる。そして、この反射された光は、再び放物面反射器に向けられ、再利用されてピクセレーション板（２２０−３）に戻る。再利用された光は最終的に、その光を透過させる、ピクセレーション板（２２０−３）の別のフィルタに衝突する。したがって、この実施形態は光の再利用も可能にする。そして、濾波された光は結像光学系（６１５）を通過し、結像光学系はピクセレーション板（２２０−３）の画像をＳＬＭ（１３０−３）の画素アレイ上に送る（投射する）。そして、ＳＬＭ（１３０−３）からの光は表示光学系（１４０）に結合されて、好ましくは後方画面又は前方画面（図示せず）に投射される。ウォビュレータ制御機構（６００）を使用して、画素板からの画像のＳＬＭ（１３０−３）への配置を制御し、又は別法として表示光学系（１４０）をウォビュレートすることによって投射画像を移動させる。示される一実施形態では、ウォビュレータ制御機構（６００）は、結像光学系（６１５）に結合されて、そこを通過する光の光路を向け直す。別の実施形態では、ウォビュレータ制御機構（６００）は、ピクセレーション板（２２０）を保持する装置に結合されて、そのＸ軸及び／又はＹ軸を変更する。別の実施形態では、ウォビュレータ制御機構は、表示光学系（１４０）に結合されて、そのＸ軸位置及び／又はＹ軸位置、ひいては前方画面又は後方画面上に表示される画像の位置合わせを変更する。

ウォビュレータ制御機構又はウォビュレーションとは、ＳＬＭ（１３０−３）又は投射画像に対して光路の位置をシフトさせるプロセスを指す。換言すれば、ウォビュレータ制御機構（６００）は、各変調器画素が最終的に、異なるカラーフィルタ位置から受け取った光をピクセレーション板（２２０−３）に表示するようにピクセレーション板（２２０−３）からの光路の位置又はピクセレーション板（２２０−３）の位置をシフトさせることができる。別法として、表示画像は、表示画像の各画素が異なる色を受け取るように表示光学系（１３０−３）によってシフトさせてもよい。部分的に画素を移動させて解像度を増大させるウォビュレーションの概念は、２００２年８月７日に出願され、共通の譲受人に譲渡された米国公開特許出願第２００４００２８２９３号において考察されており、引用することにより本明細書の一部をなすものとする。本明細書において開示する実施形態では、「カラーウォビュレーション」は一般に、各色の１つがＳＬＭ（１３０−３）の各画素要素に物理的にマッピングされるように全体（一体の）の画素位置の移動を制御するために使用される。

したがって、ウォビュレータ制御機構（６００）の使用により、ＳＬＭ（１３０−３）上の単一の一体画素が、ピクセレーション板（２２０−３）上の対応する画素（２７０−１、２７０−２、２７０−３）からの光を順次に受け取れる、又は個々の色を最終表示画像の複数の画素に投射できるようにする。換言すれば、ほぼ１：１の対応がピクセレーション板上の画素数と画像の表示に使用されるＳＬＭ上の関連する一体画素との間にある。ピクセレーション板のサイズは、ウォビュレーションからのシフトによる画素のいくらかのオーバーラップに適合するようにわずかに増大することができる。したがって、ＳＬＭの画素アレイ上の行数及び列数よりも１つ、２つ、又はそれ以上の追加の行及び／又は列のカラーフィルタ画素があってもよい。

ウォビュレータ制御機構（６００）は、ｘ軸コントローラ（６１０）及びｙ軸コントローラ（６２０）のいずれか一方又は両方を使用して、各変調器画素が赤色画素、緑色画素、及び青色画素（２７０−１、２７０−２、２７０−３）から受け取った光を表示するようにＳＬＭの画素アレイ上のピクセレーション板の画像の位置を物理的にシフトすることにより、順次式カラーディスプレイを提供する。特に、ピクセレーション板（２２０−３）の画素は行に配置される。１行目の画素はＲ、Ｂ、Ｇ、Ｒ、Ｂ、Ｇ、Ｒであり、２行目の画素はＧ、Ｒ、Ｂ、Ｇ、Ｒ、Ｂ、Ｇであり、３行目はＢ、Ｇ，Ｒ、Ｂ、Ｇ、Ｒ、Ｂである。４行目は１行目の繰り返しであり、このパターンが続く。制限するのではなく、赤青緑白の色方式を含め、他の色方式を使用することも可能である。

図７Ａ〜図７Ｃは、変調器画素に対するピクセレーション板の例示的な一次元シフトである。図８Ａ〜図８Ｃは、変調器画素に対するピクセレーション板の例示的な二次元シフトである。他のシフトパターンも可能であり、それでもやはり本発明の範囲内にあることを当業者は認めよう。ＳＬＭ（１３０−３）の変調器画素は、よりよく示すためにピクセレーション板の画素よりもわずかに小さく示されている。例として、図７Ａ及び図８Ａでの初期基準位置で始まり、ＳＬＭ（１３０−３）は、変調器画素に対してピクセレーション板の第１の位置から受け取った光を表示する。その後、ウォビュレータ制御機構（６００）は、ＳＬＭが、図７Ｂ及び図８Ｂでの第１の位置の右にある第２の位置からの光を表示するように、ピクセレーション板の画像をＳＬＭの画素アレイに対してシフトさせる（矢印Ａで示すように）。そして、ウォビュレータ制御機構（６００）は、ＳＬＭが第３の位置からの光を表示するようにＳＬＭ（１３０−３）をシフトさせる（矢印Ｂで示すように）。第３の位置は、図７Ｃにおいて第２の位置の右にある。第３の位置は、図８Ｃでは第１の位置の真下、且つ第２の位置の左下にある。最後に、ウォビュレータ制御機構（６００）は、ＳＬＭが第１の位置から受け取った光を再び表示するようにＳＬＭ（１３０−２）に対してピクセレーション板の画像をシフトさせる。

各位置はピクセレーション板上の画素に対応し、各シフトの空間距離は１つの完全な画素に対応する。したがって、ＳＬＭ（１３０−３）の各画素は、あらゆる画素位置に順次に表示されているＲ画素、Ｇ画素、及びＢ画素から光を受け取り、それにより、カラーホイールの使用を最小化又はなくしながら、高速連続する画像サブフレームが単一のフルカラー表示画像に見えるような順次に同時式カラーフィールド表示を提供することができる。

したがって、ピクセレーション板（１２０−３）と共にウォビュレータ制御機構（６００）を使用することにより、個々の色が画素単位で実行される順次式カラー表示が提供される。順次に同時式カラー表示を画素単位で提供することにより、この特殊な形態の順次ピクセレーションカラーを利用するより低速の変調器を使用できるようにすることができる。たとえば、従来のカラーホイール順次式カラー表示にはカラーブレークアップ（rainbow effect:レインボー効果）として知られている問題がある。この問題は、個々の色のディスプレイ全体にわたる色順次提示（sequence color presentation）に起因して虹が見える光学異常である。この問題は、カラーホイールが使用されている場合に特に顕著であり得る。これは、画像の各色成分に関連する光のすべてがカラーホイールからＳＬＭの画素アレイ全体に投射されるためである。往々にして、画像全体が、カラーホイールによって生成される順次式カラーを使用して低速で表示される場合、カラーブレークアップが悪化する。したがって、カラーホイールは、カラーブレークアップを最小化するために比較的高速で動作する。

紹介したように、ウォビュレータ制御機構（６００）の使用により、順次式カラー表示が画素単位で提供される。その結果、各カラーフレームを組み合わせて１つのフルカラー画像を提供するのではなく、各画素の出力が組み合わせされて１つのフルカラー画素が提供される。したがって、所与のカラーリフレッシュ頻度のカラーブレークアップはあまり目立たず、それによって比較的低速のＳＬＭを有する順次式カラーディスプレイの使用が可能になる。

結論として、ピクセレーション板及びピクセレーション色管理装置は、カラーホイールの必要性を最小化又はなくしながら、そして同時に普通ならば無駄になるであろう光を再キャプチャできるようにしながら、プロジェクタシステムが同時フルカラー表示を提供できるようにする。カラーフィルタホイール等の回転部をなくすことにより、表示システムの費用及び複雑性が低減する。さらに、ピクセレーション板をウォビュレータ制御機構と組み合わせて使用して、順次に同時式カラー表示を提供することができる。

上記説明は、本方法及び本装置を図示して説明するためにのみ提示されている。上記説明は、網羅的であること、または開示した任意の厳密な形態について本開示を限定する意図ではない。多くの変更及び変形が上記教示に鑑みて可能である。本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によって規定されるものである。

例示的な表示システムの概略図である。 例示的なピクセレーション色管理装置の斜視図である。 図１の例示的なピクセレーション色管理装置の端面図である。 広帯域最適化された黒色状態の出力及びノッチバンドが調整されたピクセレーション要素の出力を示す例示的なグラフである。 例示的なピクセレーション色管理装置の側面図である。 図４Ａのピクセレーション管理装置の部分図である。 例示的なピクセレーション表示システムの概略図である。 例示的なピクセレーション表示システムの概略図である。 変調器画素に対するピクセレーション板の例示的な一次元ウォビュレーションシフトである。 変調器画素に対するピクセレーション板の例示的な一次元ウォビュレーションシフトである。 変調器画素に対するピクセレーション板の例示的な一次元ウォビュレーションシフトである。 変調器画素に対するピクセレーション板の例示的な二次元ウォビュレーションシフトである。 変調器画素に対するピクセレーション板の例示的な二次元ウォビュレーションシフトである。 変調器画素に対するピクセレーション板の例示的な二次元ウォビュレーションシフトである。

Claims (11)

1. 光源と、
   該光源に光学的に結合される空間光ホモジナイザであって、入光開口を有する反射性前面、反射性側面及び端面を備えており、該反射性前面と該端面との間にある該反射性側面で光を反射して該光を再利用するように構成されている空間光ホモジナイザと、
   該空間光ホモジナイザに光学的に結合されるピクセレーションカラーフィルタであって、対応するカラーバンドを通過させて他のカラーバンドの光を反射するように構成されており、複数の個々に画定された画素を有するピクセレーションカラーフィルタと、
   前記ピクセレーションカラーフィルタの前記画素のアレイに対して結像光学系によって形成された前記ピクセレーションカラーフィルタの画像を移動させるように構成されるウォビュレーション制御回路と
   を含んでなる、表示システム。
2. 前記ピクセレーションカラーフィルタの前記個々に画定された画素は誘電材料により作られており、前記ピクセレーションカラーフィルタから反射する光は、前記表示システム内でほぼ再利用されるものである請求項１に記載の表示システム。
3. 前記光源は放物面反射器を備えており、前記ピクセレーションカラーフィルタから反射された光は、再利用される前に、前記空間光ホモジナイザの前記反射性側面で反射されて前記放物面反射器に再び戻るものである請求項２に記載の表示システム。
4. 前記空間光ホモジナイザに結合される１／４波長リターダ及び偏光子をさらに備えている請求項１に記載の表示システム。
5. 前記空間光ホモジナイザ内に配置される１／４波長リターダをさらに備えている請求項１に記載の表示システム。
6. 前記ピクセレーションカラーフィルタ及び空間光変調器の画素のアレイは非平行平面上にあり、前記結像光学系はキーストーン補正を提供するものである請求項１に記載の表示システム。
7. 光源と、
   該光源に光学的に結合される空間光ホモジナイザであって、入光開口を有する反射性前面、反射性側面及び端面を備えており、該反射性前面と該端面との間にある該反射性側面で光を反射して該光を再利用するように構成されている空間光ホモジナイザと、
   複数の変調器画素を有する空間光変調器と、
   結像光学系と、
   前記空間光ホモジナイザに光学的に結合されるピクセレーションカラーフィルタであって、対応するカラーバンドを通過させて他のカラーバンドの光を反射するように構成されており、複数の個々に画定された画素が形成されるピクセレーションカラーフィルタと、
   前記空間光変調器の複数の変調器画素に対して前記ピクセレーションカラーフィルタの複数の個々に画定された画素を移動させるように構成されるウォビュレーション制御回路と
   を含んでなり、
   前記空間光変調器は前記結像光学系によって前記ピクセレーションカラーフィルタと光学的に連通し、前記変調器画素のそれぞれには、前記ピクセレーションカラーフィルタの前記個々に画定された画素のうちの少なくとも１つが関連づけられるものである、表示システム。
8. 前記空間光ホモジナイザ内に配置される１／４波長リターダと、前記ピクセレーションカラーフィルタと前記空間光変調器との間に配置されるワイヤーグリッド偏光子とをさらに備えている請求項７に記載の表示システム。
9. 光源と、
   該光源に光学的に結合される空間光ホモジナイザであって、入光開口を有する反射性前面、反射性側面及び端面を備えており、該反射性前面と該端面との間にある該反射性側面で光を反射して該光を再利用するように構成されている空間光ホモジナイザと、
   複数の個々に画定された画素が形成されているピクセレーションカラーフィルタであって、対応するカラーバンドを通過させて他のカラーバンドの光を反射するように構成されており、前記光源と光学的に連通しているピクセレーションカラーフィルタと、
   該ピクセレーションカラーフィルタと光学的に連通する空間光変調器と、
   前記ピクセレーションカラーフィルタと前記空間光変調器との間に配置される結像光学系と、
   該結像光学系に結合され、前記空間光変調器に対して前記ピクセレーションカラーフィルタの位置をシフトするように構成されているコントローラと
   を含んでなる表示システム。
10. 前記空間光変調器は複数の画素を有しており、連続した時間枠にわたり前記ピクセレーションカラーフィルタ上の複数の画素が該空間光変調器の画素のそれぞれに関連づけられている請求項９に記載の表示システム。
11. 前記コントローラは、前記ピクセレーションカラーフィルタに対して少なくとも１つの方向に画素１個分、前記空間光変調器の位置をシフトするように構成されている請求項９に記載の表示システム。

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