JP5475290B2 - 空間光変調及び光源調節を用いるカラー画像投影の方法 - Google Patents

Description

本発明は、投影システムを動作させる方法であり、前記投影システムが、異なる色の幾つかの固体光源と、切り替え可能素子のアレイを持つ少なくとも１つの空間光変調器とを有し、幾つかの照明期間前記光源のうちの少なくとも１つによって前記アレイが照明され、スクリーン上に画像を投影するよう適時に空間的に光が変調されるように前記アレイがアドレスされる方法に関する。本発明は、前記方法によって動作させられる投影装置にも関する。

ディスプレイシステムのベースとして、しばしば、空間光変調器を備える投影システムが用いられる。空間光変調器の例は、液晶デバイス（ＬＣＤ）、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）及び駆動ミラーアレイ（ＡＭＡ）である。これらのデバイスの個々の切り替え可能素子のアレイを、１つ又は幾つかの光源が照明する。アレイは、スクリーン上に投影される画像に光が変調されるようにアドレスされる。

或る種類の空間光変調器は、デジタル形式で機能する。前記空間光変調器においては、各切り替え可能素子は、オン又はオフであり、前記素子は、オン状態において、光をスクリーンに伝達する。これらのタイプの変調器は、一般的に、パルス幅変調（ＰＷＭ）を用いる。パルス幅変調においては、画像中の各画素の輝度にデジタル値が割り当てられる。これは、前記画素に対応する前記アレイ上の前記素子を、前記値に等しい時間の間オン状態にすることによって達成される。それ故、時間であって、前記時間の間、前記デバイスの各切り替え可能素子が、前記素子からの光が表示画像に到達するような状態にある時間を制御することによって、グレースケール像を表示することが可能である。人間の目の統合反応により、観察者は、前記素子からの対応グレースケール像を知覚するであろう。

よく知られている３パネルＬＣＤシステムに加えて、１パネルＤＬＰ（デジタル光処理）システムも実現される。このような１パネルシステムの既知の実施例のうちの１つにおいては、回転カラーホイールを用いることによって、白色光源の３つ以上の色成分が、順次に、空間光変調器に向けられる。色が伝送される各照明期間、空間光変調器は、画像中のこの色成分の割り当て分に応じて制御される。

白色光源及びカラーホイールを用いる代わりに、様々な色のＬＥＤ光源を用いることも知られている。その場合、これらのＬＥＤ光源は、カラーホイールを使用するのと同様の順次カラー照明をもたらすために、順次に動作させられる。 例えば欧州特許出願公開第１４８９８５４号から既知であるこのような技術は、カラーホイールを用いるソリューションと比べてより優れた効率を持つ。なぜなら、動作中、光がブロックされないからである。

このような投影システムの一般的な不利な点は、達成され得るグレースケール解像度が低いことである。これは、空間光変調器内のアレイの切り替え可能素子の切り替え時間が限られていることによる。次世代のＤＬＰシステムは、ほぼ10μsの切り替え時間を達成する。明るさのデジタル解像度は、この値に基づいて計算され得る。60Hzの画像周波数においては、３色の基本色の投影は、５５０段階に分けられることができ、９ビットのグレースケール解像度をもたらす。人間の目の非線形挙動のため、とりわけ他の作用に起因する更なる損失が生じることから、この解像度は十分ではない。

本発明の目的は、改善されたグレースケール解像度を備える画像の投影を可能にする、投影システムを動作させる方法、及び対応する投影装置を提供することにある。

この目的は、本願の請求項１に記載の方法及び請求項１０に記載の装置で達成される。前記方法及び装置の有利な実施例は、従属項の主題である、又は例及び説明の後続部に記載されている。

提案した、投影システムを動作させる方法においては、少なくとも１つの空間光変調器のアレイが、幾つかの照明期間光源の少なくとも１つによって照明され、スクリーン上に画像を投影するよう適時に空間的に光が変調されるようにアドレスされる。前記方法は、前記光源が、前記アレイの前記照明期間の少なくとも１つの間中、振幅及び／又は時間において変調された光を放射するよう制御されることを特徴とする。これは、対応する照明期間中に前記アレイを照明する各光源が、前記照明期間の始めにオンに切り替えられ、前記照明期間の終わりにオフに切り替えられるだけでなく、その上、この照明期間中、振幅及び／又は時間においてアクティブに変調されることを意味する。前記振幅は、少なくとも２つの、零より大きい異なる振幅値の間での振幅の変更を達成するよう変調される。代わりの、又は付加的な、時間における変調では、前記光が前記スクリーン上に向けられる、前記切り替え可能素子の最も短い切り替え状態（オン状態）より短いパルス幅を持つ、少なくとも１つの光パルスが生成される。前記最も短い切り替え状態は、前記アレイのアドレッシングに依存し、前記切り替え可能素子の切り替え時間によって限られる。振幅及び／又は時間における前記変調は、一般的に、全照明期間中ずっと行われる。それでも、光量の低減が、対応する投影期間の前記グレースケール解像度に寄与する照明期間中しかこの変調を行わないことも可能である。

前記方法は、幾つかの空間光変調器を備える投影システム、例えば、３つの前記空間光変調器の各々が異なる色の光源によって照明される３パネルシステムを動作させるのに用いられ得る。その場合、前記空間光変調器の前記アレイの前記照明期間中、全光源が、振幅及び／又は時間において変調された光を放射するよう制御される。更に、提案した前記方法は、１つの空間光変調器しか備えない投影システムであって、前記１つの空間光変調器が、順次に、異なる色の前記幾つかの固体光源によって照明される投影システム（１パネルシステム）のために用いられ得る。切り替え可能素子の前記アレイを或る色で照明する各期間中、対応する１つの光源、又は色を混ぜ合わせる場合には複数の光源は、振幅及び／又は時間においてアクティブに変調される。

ＬＥＤ若しくはレーザダイオード又はこのような素子のアレイのような最新の固体光源は、前記空間光変調器の前記切り替え可能素子の前記切り替え時間に比べて非常に短い時間内に切り替えられ得ることから、この付加的な変調は可能である。パルス動作においては、前記光源を駆動するために、通常の電流より大きい電流が用いられ得る。切り替え時間における限界は、主に、電力における限界によって設定される。例えば、ＬＥＤは、1μsよりはるかに短い切り替え時間を持つ。上記で言及したレーザダイオードにも同じことが言える。それ故、前記固体光源の前記付加的な変調により、前記空間光変調器による前記光の前記変調に加えて、前記固体光源の光の放射を適切に制御することによって、前記投影システムの前記グレースケール解像度は、高められ得る。

動作させられる前記投影システムの異なる色の前記幾つかの固体光源は、好ましくは、赤色光、緑色光及び青色光を放射する少なくとも３つの固体光源である。それでも、他の基本色の光源、及び／又は１つ若しくは幾つかの付加的な白色光源を使用することも可能である。前記光源の数及び色は、前記投影システムの個々のアプリケーションに依存する。前記投影システムのデジタル光変調器の例は、液晶デバイス（ＬＣＤ）、とりわけ、強誘電性ＬＣＤデバイス、及びデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）である。

１パネル投影システムの動作中、前記空間光変調器は、順次に、前記光源の前記様々な色によって照明される。このため、様々な前記光源は、かわるがわる、本願においては照明期間と呼ばれる規定された期間にわたって、動作させられる。目に見える影響の発生を防止するため、この順次照明の繰り返し率は、表示される前記画像の画像周波数より高くすべきである。実際のシステムの例は、60Hzの画像周波数においては、200Hzより大きい、例えば240Hzのシーケンスである（４×システム）。

多くのアプリケーションにおいては、前記空間光変調器の前記アレイ全体の前記切り替え可能素子が、連続するアドレス期間の間に、同時に、切り替えられる。この場合には、それは、前記光変調器の内部メモリに必要な情報を書き込むために幾らかの時間（チャージ時間）を必要とする。この時間は、光の生成のために失われ、例えば約100μsであり得る。本方法においては、前記固体光源は、好ましくは、エネルギを節減するために、このアドレス期間中オフに切り替えられる。

提案した前記方法の或る好ましい実施例においては、前記光源は、前記切り替え可能素子の少なくとも１つのオン状態の間中、振幅、即ち輝度を減らした光を放射するよう制御される。この振幅変調により、元のＬＳＢ（最下位ビット）のグレースケール値より小さいグレースケール値を表わす１つ以上の新しいビットを加えることによって、前記投影システムの前記グレースケール解像度は改善され得る。前記固体光源の前記振幅変調は、とりわけＬＥＤの場合には、例えば、これらの光源の動作電流を制御することによって、達成され得る。

前記切り替え可能素子の少なくとも１つのオン状態の間中時間における変調を用いる他の有利な実施例においては、前記光源は、この切り替え状態より短い持続期間を持つ光パルスを放射するよう制御される。これらの光パルスのパルス幅を変えることによって、オン状態の間に前記スクリーンに向けられる光の量は、前記投影システムの前記グレースケール解像度を高めるために制御され得る。

固体光源の使用により、前記空間光変調器を或る色で照明する期間、即ち、前記照明期間もまた、グレースケール解像度及び光の必要とされる量に応じて、調節され得る。更に、前記照明期間の持続期間を制御することによって、各単一の色のための最大値に対する動的適合（最適電力使用、コントラスト向上）が達成され得る。１パネルシステムにおいては、前記画像における飽和レートに依存する白色の照明期間を、これらの照明期間中、同時に、全光源（例えば赤色、緑色及び青色）で前記空間光変調器を照明することによって、生成することも可能である。同様にして、同時に前記光源のうちの幾つかで照明することによって、前記画像における飽和レートに依存する混色が生成され得る。この方法では、投影画像における所謂色割れアーチファクトの低減が達成され得る。

前記切り替え可能素子の最も短い切り替え状態より短い持続期間を持つ光パルスを放射するよう前記光源を時間において変調する場合、前記切り替え可能素子の幾つかは、好ましくは、異なる時間に、即ち、同時ではないよう、前記アレイの連続するアドレス期間の間に、切り替えられる。この場合には、前記切り替え時間は、結果として生じる前記切り替え状態が、依然として前記光パルスと適時に一致するように制御されなければならない。この技術では、前記アレイの前記切り替えは、アドレスする期間全体にわたって分散されることができ、それによって、前記アレイを形成するチップの電流需要のピークを低減する。

本方法では、前記投影システムは、より高い画質を備える画像を生成するよう動作させられる。暗い時間の間の光の損失の低減は、より高い画像輝度を可能にする。光量の調節は、改善されたグレースケール及びカラースケールをもたらし、全体で、不快なアーチファクトを少なくさせる。

前記対応する投影装置は、異なる色の幾つかの固体光源と、制御ユニットと、切り替え可能素子のアレイを持つ少なくとも１つの空間光変調器とを有し、前記制御ユニットは、提案した前記方法に従って、前記投影装置、即ち、前記光源及び前記空間光変調器を動作させるよう設計される。

本願の説明及び請求項において、「有する」という用語は、他の要素又はステップを排除せず、単数形表記は、複数性を排除しない。また、請求項における如何なる参照符号もこれらの請求項の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

以下の典型的な実施例は、請求項において規定されている本発明の範囲を限定せずに、添付図を参照して、提案した前記方法の例を示している。

図１は、本方法に従って動作させられ得る投影システムの例を示している。投影システムは、制御ユニット（図示せず）と、デジタル光変調器１と、赤色（アレイ２）、緑色（アレイ３）及び青色（アレイ４）の３つのＬＥＤアレイとを有する。３つのＬＥＤアレイの光は、二色性色結合器５及びフレネル視野レンズ６を介して、デジタル光変調器１の切り替え可能素子のアレイに向けられる。光学系は、デジタル光変調器１から反射された変調光をスクリーンに向けるためのワイヤグリッドＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）７及びレンズ系８を更に有する。

固体光源、本例においてはＬＥＤアレイ２、３、４の光は、順次に、デジタル光変調器１に向けられる。デジタル光変調器１の切り替え可能素子は、表示されるべきグレースケール及び色の情報に応じて、三色のうちの一色での照明の各期間中のパルス幅変調によって切り替えられる。切り替え可能素子は、非常に速く切り替えられるので、人間の目は光の切り替えを分解することが出来ない。

図２は、様々な色によるデジタル光変調器の順次照明を概略的に示している。各色の光源は、一定の照明期間にわたって動作させられ、前記一定の照明期間においては、デジタル光変調器１は、画像情報に応じて、この光しかスクリーンに向けない。図２の例においては、まず、赤色光１２を放射するＬＥＤアレイ２が、一定の期間（照明期間）にわたって動作させられる。この照明期間の後、赤色光源２はオフに切り替えられる。次に、緑色光１３を放射する緑色ＬＥＤアレイ３が、一定の照明期間にわたって動作させられる。緑色ＬＥＤアレイ３をオフに切り換えた後、青色光１４を放射する青色ＬＥＤアレイ４が一定の照明期間にわたって動作させられる。この順次照明は、青色ＬＥＤアレイ４の後に赤色ＬＥＤアレイ２が動作させられるなどにより継続する。不必要なエネルギ消散が起こるのを防止するために、或る光源のオフへの切り替えと、その後の別の光源の動作との間で休止される。この休止は、切り替え可能素子の次の切り替えのための新しい制御情報をロードするのに必要である、デジタル光変調器１のアドレス時間１１に対応する。

図２は、例として、緑色光１３による照明期間中の光源の振幅変調を示している。図を見ても分かるように、この緑色光の輝度は、照明期間の終わりで半減させられ、それによって、デジタル光変調器１で達成可能なグレースケール解像度に新しいＬＳＢ（最下位ビット）を加えている。このような振幅変調は、図３において例として示されているように投影システムのグレースケール解像度を更に高めるために用いられ得る。

図３は、振幅において変調された緑色光１３を放射する緑色ＬＥＤアレイ３の変調を示している。第１期間においては、緑色光１３は、一定振幅で放射される。この期間後、光源は、デジタル光変調器１のアドレス時間１６の間、オフに切り替えられ、次いで、より低い振幅を持つ光パルス１５を放射する。これは、更に低減した振幅の緑色光放射により２回繰り返される。３つの異なる振幅が図３の下部に示されており、図３の下部には、デジタル光変調器の対応する切り替え可能素子が、オン状態にある、即ち、スクリーン上に光を反射する期間も示されている。緑色光源の光放射の持続期間は、切り替え可能素子の切り替え状態１７の持続期間を上回るような持続期間である。振幅変調により、画像信号のより低い値のビットに対応する、より高いグレースケール解像度が達成され得る。

図４は、光源２乃至４によって放射される光のパルス幅が変調される本方法の実施例を示している。この実施例も、緑色光１３に関して、概略的にしか説明しない。この場合には、より長い期間の一定光放射の後、異なるパルス幅を持つ３つのパルス１８が放射される。これらのパルス幅は、図の下部を見ても分かるように、切り替え可能素子の最も短い切り替え状態１７より短い。それ故、スクリーンに到達する光の量も、放射光のパルス幅変調のこの技術で、投影システムのグレースケール解像度を高めるために、低減され得る。

光源の切り替え時間は、切り替え可能素子の切り替え時間より著しく速いことから、この技術は、デジタル光変調器の切り替え可能素子が、異なる時間に切り替えられることができ、高い電力需要をもたらす同時切り替えをされる必要がないという他の利点を持つ。これは、図５の実施例において概略的に示されている。この図は、上部には、既に図４を参照して説明したものと同じ変調を示している。下部には、切り替え可能素子の切り替え状態１７のあり得る分布が示されている。この素子の切り替えは、変調された光パルスが、引き続き、結果として生じる切り替え状態と適時に重なることが確実にされる限り、連続するアドレス期間の間の長い期間にわたって分散させられ得る。この場合にスクリーンに到達する光の量は、光パルスのパルス幅にしか依存せず、切り替え可能素子の切り替え状態の持続期間には依存しない。

本発明に従って動作させられ得る投影システムの例を示す。 異なる色の光による空間光変調器の順次照明の例を示す。 本方法に従って光源を制御することによる振幅変調の例を示す。 本発明の方法に従って光源を制御することによる時間変調の例を示す。 切り替え可能素子の分散切り替えを用いた本方法の例を示す。

符号の説明

１：デジタル光変調器
２：赤色ＬＥＤアレイ
３：緑色ＬＥＤアレイ
４：青色ＬＥＤアレイ
５：二色性色結合器
６：フレネル視野レンズ
７：ワイヤグリッドＰＢＳ
８：レンズ系
１１：アドレス時間
１２：赤色光
１３：緑色光
１４：青色光
１５：異なる振幅の光パルス
１６：アドレス時間
１７：切り替え可能素子の切り替え状態（オン）
１８：異なるパルス幅の光パルス

Claims (8)

1. 投影システムを動作させる方法であり、前記投影システムが、異なる色の幾つかの固体光源と、切り替え可能素子のアレイを持つ少なくとも１つの空間光変調器とを有し、
   幾つかの照明期間の間、前記光源のうちの少なくとも１つによって前記アレイが照明され、スクリーン上に画像を投影するよう適時に空間的に光が変調されるように前記アレイがアドレスされ、前記の変調は、パルス幅変調によって前記切り替え可能素子を切り替えることにより実現され、照明期間は、前記空間光変調器が或る色で照明され、この色の光を前記スクリーンに向ける、規定された時間期間である方法であって、
   前記アレイの前記幾つかの照明期間の少なくとも１つの間、時間について変調された光を放射するよう前記光源を制御することにより、前記投影システムのグレースケール解像度が高められ、
   前記の時間についての変調は、光が前記スクリーンに向けられている、前記切り替え可能素子の少なくとも１つの切り替え状態の間、少なくとも１つの光パルスを生成するように行われ、前記光パルスは、前記切り替え可能素子の最も短い切り替え状態よりも短い持続期間をもつことを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、前記アレイが順次に前記光源によって照明されることを特徴とする方法。
3. 請求項１又は２に記載の方法であって、前記光源が、前記アレイのアドレス期間中、オフに切り替えられることを特徴とする方法。
4. 請求項１又は２に記載の方法であって、前記光が前記スクリーン上に向けられる、前記切り替え可能素子の少なくとも１つの切り替え状態の間、前記光源が、低減した量の光を放射するよう制御されることを特徴とする方法。
5. 請求項１又は２に記載の方法であって、前記アレイの連続するアドレス期間の間に、前記切り替え可能素子の幾つかが、異なる時間に切り替えられ、前記光が前記スクリーン上に向けられる、結果として生じる前記切り替え状態が、前記光パルスの放射と適時に重なるように、前記切り替え可能素子の切り替え時間が制御されることを特徴とする方法。
6. 請求項１又は２に記載の方法であって、前記照明期間が、各色のために、グレースケール解像度及び光の必要とされる量、並びに／又は前記画像における対応する色の最大値に応じて、動的に調節されることを特徴とする方法。
7. 請求項１又は２に記載の方法であって、画像生成のための必要に応じて、混ぜ合わされた基本色又は白色の光を生成するために、前記照明期間の少なくとも１つの間、２つ以上の光源が作動させられることを特徴とする方法。
8. 異なる色の幾つかの固体光源と、切り替え可能素子のアレイを持つ少なくとも１つの空間光変調器と、制御ユニットとを有する投影装置であって、前記制御ユニットが、請求項１乃至７の１つ又は幾つかの方法に従って、前記投影装置を動作させるよう設計される投影装置。

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