JP5743468B2 - 投影システムにおける交流水銀ランプおよびｄｍｄの動作方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＤＬＰ（デジタルライトプロセッシング）投影システムに関し、より詳細には、３Ｄシミュレーション用ＤＬＰ投影システムにおける交流水銀ランプおよびＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）の同期動作のための方法および装置に関する。

ＤＬＰ投影は、光源ランプと、照明システムと、色を分解・再合成する光エンジンとの使用に基づく。光エンジンの光学的機能は、均一な照明白色光を赤／緑／青（ＲＧＢ）チャネルに分割し、３つのチャネルを撮像装置またはＬＣＤ（液晶表示装置）やＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）などの光学パネル上にマージし、３つのチャネルすべてを、投影レンズを介してスクリーンに投影される１本の照明光ビームに再合成する。

ＤＭＤは、数百万のマイクロミラーよりなる電気機械装置である。マイクロミラーは、それぞれのミラーを±１２度の間で、すなわち、光源からの光をスクリーン上で観察できるように反射するための「オン」状態と、光を光ダンプに偏向させるための「オフ」状態との間で動かすことにより光を調整する。スクリーン上の中間的な光強度は、パルス幅変調（ＰＷＭ）法にしたがって、時間的に平均な値を実現するようにヒトの知覚を超えた周波数でＤＭＤを切り替えることにより生成される。したがって、生成される正確なグレーレベルは、「オン」状態または「オフ」状態のそれぞれの持続時間に依存する。

ＤＭＤのパルス幅変調（ＰＷＭ）による切換の際に、画像がレンダリングされるときの、光源の輝度におけるすべての時間依存性変化を考慮しなければならない。交流（ＡＣ）水銀（Ｈｇ）ランプは、長寿命や高効率などの非常に好ましい特性を備えた光源の一例であるが、その光出力は一定ではない。交流水銀ランプは、典型的には、長い、一定の「平坦」レベルと、その後に続く、ランプ寿命を向上するために重畳される周期的パルス（メンテナンスパルス）を示す、より高出力の「パルス」レベルとよりなる階段状の波形により駆動制御される。「オン」時のＤＭＤは、スクリーン上に適切なグレースケールの画像が得られるよう、光源ランプに対して「平坦」および「パルス」のレベルが逆の関係になければならない。ランプはそれぞれモデルに応じて独自の切換パターン（「ＤＭＤビット列」）を必要とするので、このことはＤＬＰ投影システムにおいて交流水銀ランプを使用する際の実際の構成に対する課題となる。ランプの交流波形はその寿命にわたって、「パルス」と「平坦」のレベルの比が安定せずに変化する場合がある。また、ＤＭＤには、交流ランプ波形を、３Ｄ用途に有用な９０〜１２０Ｈｚのフレームレートへ修正することは今のところ不可能であるという、速さの制限がある。

３Ｄシミュレーションに用いる場合、ＤＬＰプロジェクタは、画像のレンダリングに加え、ビデオデータの各フレーム内に、固定の黒期間を生成することができなければならない。上述したように、ＤＭＤは、ビデオフレーム周期の一部で画像をレンダリングし、残りの時間を「オフ」状態にし、これにより、レンダリングされた各画像の間に黒期間が挿入される。３Ｄ用途では、この黒期間は観察者のＬＣＤアイシャッタの状態移行を隠すためのタイミングマスクとして用いられる。黒期間が存在しない場合、シャッタ移行の間のスクリーン上のすべての画像は両目で観察され、画像アーティファクトが引き起こされる。黒時間を挿入するには、画像の内容を、圧縮された期間の間に投影する必要があり、これは画像のレンダリング期間に対してランプ波形のスケールがどのようになるかに依存して特有なビット列が必要となる場合がある。

従って、本発明は、３Ｄシミュレーションに用いられるＤＬＰプロジェクタにおいてランプ光源を用いる際の、上述した複雑さおよび性能の制限を解決することを目的とする。

従って、３ＤシミュレーションのためのＤＬＰ投影システムにおける交流水銀ランプおよびＤＭＤの同期動作を以下に詳細に説明する。本発明の実施形態によれば、光源ランプは適切な位相シフトを伴って入力ビデオフレームレートに同期される。ランプの「パルス」レベルは、黒期間の間に起きるようにタイミング設定される。このため、ランプの「平坦」レベルを、ランプのパルスが光ダンプに転送される間、一定出力（直流）の電源として取り扱うことができる。したがって、画像は、適切な黒期間により、直流ランプでの使用に適したＤＭＤ切換パターンを用いて、ランプの「平坦」レベルの間に完全にスクリーン上にレンダリングされる。これにより、黒期間の設定に若干の制約を生じるのみで、直流ランププロジェクタに等しい性能が実現される。

以下で明らかとなる他の態様および利点とともに本発明は、以下でより十分に記載され、特許請求の範囲に記載される構成および動作の詳細に記載され、添付図面に付される参照符号はその一部をなし、全体を通して同様の部分には同様の数字が付される。

本発明によれば、直流ランププロジェクタに等しい性能を実現可能なＤＬＰ投影システム、特に、３Ｄシミュレーション用ＤＬＰ投影システムにおける交流水銀ランプおよびＤＭＤの同期動作のための方法および装置が提供される。

図１は、従来技術にかかるＤＬＰプロジェクタのブロック図を示す。 図２は、従来技術にかかる交流ランプを駆動制御するためのＰＷＭ信号のタイミング図を示す図である。 図３は、従来技術にかかる、黒期間の間の、ＤＭＤの駆動制御、および、左右それぞれの３Ｄ眼鏡シャッタのタイミング図を示す図である。 図４は、本発明の実施形態にかかる、入力ビデオフレームレートに同期して交流ランプおよびＤＭＤを駆動制御するための、ＰＷＭ信号のタイミング図を示す図である。 図５は、本発明の実施形態にかかる、図４に示す信号を同期するための回路のブロック図を示す。 図６Ａ、６Ｂは、図４に示す同期なし（図６Ａ）および同期あり（図６Ｂ）のＤＬＰプロジェクタにより生成される、投影されたグレースケール画像を示す。

図１は、ＵＶフィルタ４を通過して、テレセントリック照明のためのインテグレータロッドおよびレンズを備える照明システム５に入る錐状光を生成するための、交流ランプ１とパラボラ反射器２とを備えるＤＬＰプロジェクタを示す。光エンジン６は、複数のプリズム素子とそれぞれ赤、緑、青のチャネルサブアセンブリ（図示せず）とを備える色分割・収束プリズム、典型的にはプランビコンプリズム、を備える。プリズム素子は、入射白色光を青、緑、赤の光に分離するためのダイクロイックコーティングを含む。その後、それぞれの色の光は、ＤＭＤ１０により個々に変調される。各ＤＭＤ１０は、変調された光を反射し、反射光はプリズムにより再び収束され、投影レンズ１１によりスクリーン上に投影され、画像を生成する。

上述したように、ＤＬＰプロジェクタに交流水銀ランプを用いる場合には、「オン」時のＤＭＤは、スクリーン上に適切なグレースケールの画像を得るために、光源ランプに対して「平坦」および「パルス」のレベルが逆の関係でなければならない。図２に、交流ランプを駆動制御するためのＰＷＭ信号を示す。ハッチング領域では、時間Δｔ_１およびΔｔ_２におけるＤＭＤの「平坦」および「パルス」のレベルと光源のレベルとがそれぞれ逆の関係となる場合にのみ、スクリーン上に輝度の等しい画像が生成される。

また、上述したように、ＤＭＤの「オフ」状態の間に生成される黒期間は、３Ｄ用途のタイミングマスクとして用いられ、図３に示すように、見る者のＬＣＤアイシャッタの状態移行を隠す。

図４に示す実施形態によれば、交流水銀ランプ１およびＤＭＤ１０の動作は、交流ランプの重畳「パルス」レベルが黒期間の間に起きるようタイミング設定され、かつ、直流ランプが使用される場合と同様にランプの「平坦」レベルの間に内容が表示されるように、ビデオフレームパルスと同期される。図示されるように、ＤＭＤ１０は、無視できる程度の位相差のみで、入力されるビデオデータに同期され、同期信号を受信するとすぐに画像フレームのレンダリングを開始する。ランプ１は、ランプの「パルス」レベルがＤＭＤの黒期間の間に起きるように選定された、有意な位相シフトを有するビデオ信号にそれぞれ個別に同期される。すべてのマイクロミラーは黒期間の間オフ状態に設定されているので、ランプの波形の「パルス」部分は光ダンプに受け入れられない。すべての画像レンダリングはランプ波形の「平坦」部分の間に起き、その期間の間、光出力は一定である。従って、直流ランプに相応するＤＭＤ切換パターンを使用することができ、常にランプパルスよりも長い黒期間のみ受ける直流ランププロジェクタに等しい性能が得られる。本実施形態において、ＤＭＤ１０およびランプ１はそれぞれビデオ信号に対して同期するが、黒期間とランプパルスとの正確な相対タイミングが得られる限り、他の実施形態も可能である。

図５に示すように、種々のフォーマット（例えば、ビデオ信号、ビデオストリーム、ビデオソースデータなど）のうちの或るフォーマットの入力ビデオ情報は、画像プロセッサ１２により処理され、一連の画像データブロックと、ＤＭＤ１０または複数のＤＭＤによる画像データブロックの連続的レンダリングを調整するフレーム同期信号とを形成する。フレーム同期信号は、ソフトウェア／ファームウェアプログラムに制御される制御プログラマブルロジックデバイス（ＰＬＤ）１３にも送信される。ＰＬＤ１３は、所望の位相遅延を有する周期的なランプ同期信号を生成するための同期信号発生装置１３Ａを備える。必要な遅延は、フレームレートに依存し、ＤＭＤ１０およびランプ１の既知の特性から決定される。典型的には、この情報は、フレームレートと信号遅延とを照合するテーブルの形式でＰＬＤ１３に格納される。信号遅延は、入力フレームレートを識別し、適切な遅延の値についてルックアップテーブルを参照することにより設定することができる。ランプの同期信号は、ランプ１に所望のタイミングで電力供給するランプドライバ１４または複数のドライバに送られる。１つまたは複数のランプ１の光出力は、光エンジン６のＤＭＤ１０を照らすための照明リレーを介して行われ、投影レンズ１１を介してスクリーンに画像が投影される。

上述の同期方法および装置は、いくつかの理由で有利であることがわかっている。第１に、交流水銀ランプが、典型的には９０Ｈｚ以上の３Ｄ用フレームレートを目標とした周波数で動作する。これにより、ランプ周波数と実際のビデオフレームレートとの１：１マッチングが可能となる。第２に、重畳「パルス」レベル期間は通常ランプ期間の１０％しかなく、必要な黒期間よりもはるかに短いので、最小黒時間が重畳「パルス」レベル期間よりも長くなければならないという条件が実際に許容される。第３に、直流電源を用いる場合と比べて、光ダンプにランプ波形の「パルス」部分が受け入れられないことによる輝度損失はほとんどない。ランプの「平坦」レベル期間は典型的には平均光レベルの９５％であり、パルスダンプシステムは、同じ平均電力の直流ランプを用いる同等のプロジェクタよりも約５％低い輝度を有する。ただし、この輝度損失は、交流水銀ランプがほとんどの直流ランプよりもはるかに効率的であるという事実により補償される。

図６に示すように、非対称動作は、グレースケールの複数の明らかな不連続点が、１秒以下の時間スケールで現れては消える、画像アーティファクトを引き起こす。これらのグレースケールの不連続点は、ＤＭＤのＰＷＭの調整によっては排除することができない。これに対して、上記実施形態で示したような、黒期間の外側のランプパルスとの同期を行えば、図６Ｂに示すような、連続的勾配を示すグレースケール画像が得られ、長時間にわたって安定である。

本発明の多くの特徴および利点は、上記詳細な説明から明らかである。添付の特許請求の範囲によりすべてのかかる特徴および利点が包含されることが意図される。また、多くの修正および変更が当業者には容易であるため、例示、記載された実際の構成および動作に限定することを望むものではなく、すべての適した修正物および均等物も特許請求の範囲から逸脱することなく、本発明に含まれる。例えば、本明細書中で説明されているパルスダンプ技術は、黒期間に伴う輝度の低下を考慮して、通常の、非３Ｄを含む、ビデオディスプレイにも同様に適用可能である。この場合、ランプは入力ビデオフレームレートに一致する十分低い周波数では動作しない可能性があるので、わずかに異なる構成を用いなければならない。例えば、入力ビデオ信号をそれぞれ２度表示し、実際の表示フレームレートをランプの周波数範囲内に入るよう２倍にする。しかし、画像レンダリングが完全にランプの「平坦」レベルで起こり、直流ランプＰＷＭ駆動制御信号を用いるという原則は同じである。その他の点についての修正物および代替物は、特許請求の範囲内にある。

１ ランプ、 ６ 光エンジン、 １０ ＤＭＤ、 １２ 画像プロセッサ、 １３ 制御ＰＬＤ、 １４ ランプドライバ

Claims (3)

1. ３Ｄ用投影システムにおける交流水銀ランプ（１）およびＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）（１０）の動作方法であって、
   周期的なビデオフレームパルス信号を受け取るステップと、
   画像レンダリング状態と、黒期間に相応するスタンバイ状態とに前記ＤＭＤ（１０）を切り替えるステップと、
   前記ＤＭＤ（１０）の前記黒期間の間の少なくとも一部のメンテナンスパルスレベルと、前記ＤＭＤ（１０）の前記画像レンダリング状態の間の平坦レベルとを交互に切り替えるために、前記ビデオフレームパルス信号に同期する信号により前記ランプを駆動制御するステップと、
   を備え、
   前記平坦レベルは、前記ランプの一定出力レベルを表し、前記メンテナンスパルスレベルは、前記ランプ寿命を向上するための前記平坦レベルよりも高いパルス状出力レベルを表し、
   前記メンテナンスパルスレベルの持続時間は、前記黒期間よりも短く、
   前記黒期間はＬＣＤシャッタの状態移行のために設けられており、
   前記黒期間の間に前記メンテナンスパルスレベルが形成されるよう、前記ランプ（１）を駆動制御する信号を、前記フレームパルス信号に対して所定量分、位相シフトし、
   前記所定量は、前記ＤＭＤ（１０）および前記ランプ（１）の特性から決定される
   ことを特徴とする方法。
2. ３Ｄ用投影システムにおける交流水銀ランプ（１）およびＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）（１０）を動作させるための回路であって、
   前記ＤＭＤ（１０）を、画像レンダリング状態と、黒期間に相応するスタンバイ状態との間で切り替えるため、入力ビデオ情報を受け取り、これに応じて、一連の画像データブロックおよびフレーム同期信号を出力する画像プロセッサ（１２）と、
   前記フレーム同期信号を受信し、これに応じて、前記フレーム同期信号に対して所定の位相遅延を有する周期的なランプ同期信号を出力する制御装置（１３）と、
   前記ランプ同期信号を受信し、前記ＤＭＤの、前記黒期間の少なくとも一部の間、メンテナンスパルスレベルと、前記画像レンダリング状態の間の平坦レベルとを交互に切り替えるよう、前記ランプを駆動制御する電力信号を出力する少なくとも１つのランプドライバ（１４）と、
   を備え、
   前記平坦レベルは、前記ランプの一定出力レベルを表し、前記メンテナンスパルスレベルは、前記ランプ寿命を向上するための前記平坦レベルよりも高いパルス状出力レベルを表し、
   前記メンテナンスパルスレベルの持続時間は、前記黒期間よりも短く、
   前記黒期間はＬＣＤシャッタの状態移行のために設けられており、
   前記位相遅延は、前記ＤＭＤ（１０）および前記ランプ（１）の特性から決定される、
   ことを特徴とする回路。
3. 前記制御装置は、前記フレームレートに基づいて前記位相遅延を設定するためのルックアップテーブルを含む、ことを特徴とする請求項２記載の回路。