JP6238572B2 - 高ダイナミックレンジプロジェクションのためのゾーン照光システムおよびゾーン照光方法 - Google Patents

Description

本発明は、デジタルプロジェクションシステムに関し、より詳細には、デジタルプロジェクションシステムのダイナミックレンジを高めるためのゾーン照光システムに関する。

典型的な３チップカラーデジタルプロジェクションシステムは、光源と、照光システムと、色分割−再結合光学エンジンとからなる。光学エンジンの光学機能は、均一な照光を赤／緑／青（ＲＧＢ）チャネルに分割し、各３つのチャネルをイメージング装置または光学パネルたとえばＬＣＤ（液晶表示装置）、ＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）またはＬＣＯＳ（Liquid crystal on silicon）へと方向付け、そして、３つのチャネルすべてを、プロジェクションレンズを介してスクリーン上に投影される１つの照光ビームに再結合することである。

ＬＣＤプロジェクタでは、映像信号の赤、緑、青の成分に１つのポリシリコンパネルがそれぞれ用いられる。偏光がパネル（偏光器、ＬＣＤパネルおよび検光子の組み合わせ）を通過する際、通過光の量を制御するために各ピクセルが調整される。

ＤＭＤイメージング装置では、テキサスインスツルメンツ社のDigital Light Processing（ＤＬＰ（登録商標））技術が例として挙げられるように、微小なミラーが用いられ、±１２度の間でミラーを個別に反転させることにより光が電子機械的に変調される。

ＬＣＯＳは、ＬＣＤに類似する反射技術であり、制御量の光が装置の全面から反射され、装置を透過しない、という点で異なっている。

デジタルプロジェクションシステムにより投影される画像のダイナミックレンジは、選択されたイメージング装置の能力によって制限される。これは、ＤＬＰ（登録商標）、ＬＣＯＳ、ＬＣＤおよびすべての他の技術にも同様に当てはまる。ＤＬＰ（登録商標）システムでは、投影画像のダイナミックレンジはＤＭＤのスイッチング速度によって制限される。画像のグレースケールアスペクトは、パルス幅変調（ＰＷＭ）技術を用いて形成される。したがって、ＤＭＤ装置において、フルホワイトは、フレーム期間のデュレーションにおいてミラーをオン状態とすることにより実現され、フルブラックはフレーム期間においてミラーをオフ状態とすることにより実現され、最小グレーはＤＭＤによりサポート可能な最短期間においてミラーをオン状態とすることにより実現される（"Load time"として知られる）。現世代のＤＬＰ（登録商標）技術に関して、このことは、４Ｋ ＤＭＤについてダイナミックレンジを〜１２実ビットに制限する（２４Ｈｚフレームレートを仮定。より高いレートは対応してより少ないビットとなる）。これはまた最小グレーがシステムのネイティブコントラスト比に対して可視的であると仮定している。ＬＣＯＳおよびＬＣＤでは、デジタルデータはＤＡＣ（デジタルアナログコンバータ）によってアナログ信号に変換される。この種のプロジェクタにおいて、ダイナミックレンジはビット深度およびＤＡＣの信号対雑音比によって制限される。

典型的な１チップカラーデジタルプロジェクションシステムでは、３つのイメージング装置が１つのイメージング装置に置き換えられる。光源は次いで単色光のみが任意の時点で利用可能であるように調整される。調整は、ランプに基づくプロジェクションの場合はカラーホイールを用いて行われる。固体光源（たとえばＬＥＤ、レーザ）を用いるシステムでは、調整は、イメージング装置に表示される内容と同期して個々の色のオンオフを切り替えることにより実現される。１チッププロジェクタにおいて、色分離／結合プリズムはもはや必要ではない。

映画、シミュレーション、および他の用途のためのデジタルプロジェクションシステムにおいて、より強い体験を生み出すためには、高いダイナミックレンジとすることが望ましい。

したがって、本発明の課題は、ＬＣＤ、ＤＭＤまたはＬＣＯＳなどのイメージング装置を用いるデジタルプロジェクションシステムのダイナミックレンジを高めることである。

本発明の一態様では、デジタルプロジェクションシステムのダイナミックレンジを高めるための、二段ゾーン照光システムが提供される。表示されるべき画像はまず任意のサイズおよび形状の複数のゾーンに分割される。照光システムの第１の段によって、確実に、各ゾーンはそのゾーンによって定められる画像部分を表示するために必要な量の光でのみ照光される。第２の段によって実際の画像が生成される。明るい内容を含むゾーンは最大の光を受けるが、より暗い部分は最小の光を受ける。これにより、画像の暗い部分の詳細は、他のすべての部分の非常に明るい内容と共存することができ、画像全体にわたって非常に高められたダイナミックレンジが得られる。

以下で明らかとなる他の態様および利点とともに、これらは以下でより十分に記載されおよび特許請求されるように、構成と作用の詳細において含まれており、その一部をなす添付図面が参照されるべきであり、図面中、同様の番号は全体を通じて同様の部分を指している。

従来技術におけるデジタルプロジェクタである。 従来技術における色分離／結合プリズムおよびＤＭＤを有する光学エンジンを概略的に示す。 本発明の一実施形態にかかるゾーン照光システムを概略的に示す。 １つの好適な実施形態にかかるゾーン照光システムを概略的に示す。 図４の実施形態にかかるゾーン照光システムへの適用のための、複数の空間的可変（ディザリング）パターンを概略的に示す。

図１は、ＵＶフィルタ４を介して照光システム２へと通過する光円錐３を形成するための、光源１（たとえばキセノンランプとパラボラ反射器）と集光システム２とを有する典型的なプロジェクタを示す。照光システム２は、インテグレータロッド５と、リレーレンズ６と、ミラー７と、投影レンズ９を介して最終画像を投影するための光学エンジン８とを有する。図１において、光源１は、キセノンランプおよびパラボラ反射器として示されているが、固体光源を用いることができ、たとえばレーザ光が光ファイバ束を介して投影される。

図２に示されるように、光学エンジン８は、３つのプリズム要素を有する色分離／結合プリズムと、イメージング装置１３をそれぞれ有する、赤チャネルサブアセンブリ１０、緑チャネルサブアセンブリ１１および青チャネルサブアセンブリ１２とを有する。プリズム要素は入射白色光を青、緑及び赤に分離するためのダイクロイックコーティングを含む。各色は、次いで、パルス幅変調（ＰＷＭ）を用いて、ＤＭＤなどのイメージング装置１３において個別に変調される。イメージング装置１３によって変調された光は、プリズムによって再集束され（１４）、画像形成のために投影レンズ９によってスクリーンに投影される。

光インテグレータロッド５は、内部反射「光パイプ」として機能し、光パイプは、入射光の複数回の内部反射を生じさせ、これにより、円形または不規則な照光パターンを均一にし、かつ、これらを均一な長方形のパターンに変換する。したがって、光インテグレータロッドは、イメージング装置１３への光源の均一性を向上させ、かつ、アスペクト比を効率的に整合するために用いられる。

図３には、本願発明にかかる２つの変調段を有する改善されたプロジェクタが示されている。第１の変調段において、画像は複数のゾーンに分割される。各ゾーンには、投影されるべき画像に基づいた輝度レベルが割り当てられている。画像の明るい部分は高強度に設定され、画像の暗い部分は低強度に設定される。第２の変調段には、上述のように動作する光学エンジン８が含まれる。

例示の実施形態では、インテグレータロッド５の出射口におけるミラーはゾーン照光装置１５によって置き換えられている。ゾーン照光装置１５は、空間的可変パターンにしたがって光を変調するためのものであり（第１の空間光変調器）、かつ、変調された光を別のインテグレータロッドアレイ１６に当てるためのものである。別のインテグレータロッドアレイ１６はさらに、最終画像を生成するために光学エンジン８のイメージング装置１３に空間的可変パターン光を投影する（空間光変調器）。

二段の空間光変調を用いることにより、所定のシーンについてのシステムのダイナミックレンジは、２つのイメージング装置１３および１５のダイナミックレンジの積となり、これは１つの装置により実現可能なものよりもはるかに大きい。また、局所的コントラスト比も大きく改善される。というのも、各イメージング装置の１つの部分だけを高強度の光により照光する必要がある場合、イメージング装置の他の部分は非常に低いレベルで照光されるか、または、全く照光されず、その結果、画像の黒部分は従来のプロジェクタを用いて実現可能なよりもはるかに暗いものとなるからである。

二段変調は、第１のイメージング装置１５上にグレースケールパターンを生成し、かつ、光学エンジン８のイメージング装置１３にこれを投影することにより実現されるが、イメージング装置の２つの組に用いられるＰＷＭシーケンスにより生成されるビート周波数に基づいて問題が生じうる。ＰＷＭシーケンスが高度に複雑な場合、実際の強度の制御および画像アーチファクトの除去が困難となり得る。

このため、好適な実施形態では、空間ディザリングパターンが、ゾーンイメージング装置１５により生成され、インテグレータロッド１６は、固体で一体的に構成されず、図４に示されるように、ソリッドコアインテグレータロッド１８のアレイとして構成されている。ロッド１８の数はゾーンの数に対応する（たとえば、１９×１０＝１９０ゾーン。しかし、他のアレイサイズおよびゾーンの数も可能である）。インテグレータロッド１８は好適には長方形の断面形状を有し、１つのアレイを形成するよう組み合わされる。別の中空ロッド１９が、好適には各ロッド１８間の合わせ目をぼかすためにアレイの出射口に設けられている。

図５に示されるように、空間ディザリングパターンがゾーン強度を制御するために用いられ、ここで、ゾーンイメージング装置１５の個々のミラーは各映像フレームのデュレーションの間、静的に（すなわちオンまたはオフ）保持される。これにより、さもなければグレースケールパターンの生成の結果として形成される、一時的なアーチファクトをすべて排除できる。上述のように、ロッド１８の数はゾーンの数に対応する。簡略化のため、図５は４つのゾーン２０ａ〜２０ｄのみのアレイを示している。各ゾーン２０ａ〜２０ｄからディザリングパターンを対応するロッド１８へ投影する際、各ゾーンの空間パターンは平均化され、各ディザリングパターンの密度に正比例する強度に変換される。すなわち、図５の例について、ゾーン２０ｂは最も高い強度を有し、２０ｃ、２０ｄおよび２０ａがこれに続く。

ダイナミックレンジは所定のロッド１８に投影されるピクセルの数に依存するため、ゾーンイメージングシステム１５が２０４８×１０８０＝〜２百万ピクセルの２Ｋ ＤＭＤである映画の用途では、全体で１００ゾーンについて、ゾーン当たり２０，０００超のピクセルが存在する。基本的に、これはダイナミックレンジを２０Ｋまで倍加させる。実際には、ただ１つのまたは少数の２０Ｋピクセルがそのゾーンの照光に必要とされる場合、光が等しく分配されない傾向がある。最小輝度レベルを設定することにより、均一性を維持しつつ、それでも数桁の大きさまでダイナミックレンジを高めることができる。

実施に関して、第１のイメージング装置１５のインテグレータロッドアレイ１６への位置合わせは重要であるが、わずかなオフセット誤差はインテグレーションにより平均化されるため、大きな蓄積誤差につながらない傾向がある。しかし、インテグレータロッドアレイ１６の出射口の第１のイメージング装置１３への位置合わせは重要である。図４に示されるように、インテグレータロッド１６の出射光は、所定の角度で第１のイメージング装置１３に入射される（たとえば、これによりキーストーン効果が生じ、ゾーン照光装置１５の正方形のゾーンは第１のイメージング装置１３の平行四辺形に変換される）。これは周知のキーストーン補正技術を用いて補償可能である。

第１のイメージング装置１３におけるゾーン間の遷移のシャープネスは、第１のイメージング装置１３におけるインテグレータロッドアレイ１６からの画像の焦点の質に依存する。シャインプルーフ歪み（すなわち光学系の画像平面が投影面に対して傾いている）のため、この焦点の質は、第１のイメージング装置１３の面上で変化するが、光学調節（シャインプルーフ補正）によりまたは画像処理アルゴリズムにより適合化可能である。

最後に、複数のゾーンにわたる黒レベルを補償する必要がある。たとえば、図５のゾーン２０ａは黒背景上の少数の高強度ピクセルにより特徴付けられる。隣接ゾーン２０ｂがすべて黒の場合（図示のようにすべて白では無く）、黒レベルは不整合となる。したがって、不整合を補償するために、オフセットが隣接ゾーン２０ｂに適用される。この補償は好適にはロールオフしてゼロまで低減され、これにより、より離れたゾーンがある特定ゾーンの輝度要求によって不必要に影響されないように設計されるべきである。

本発明の多くの特徴および利点が発明の詳細な説明から明らかであり、したがって、すべてのこのような特徴および利点をカバーすることが添付の特許請求の範囲により意図される。たとえば、例示の実施形態はＤＭＤ用の集束装置に関するが、本明細書中に記載の本質は、ＬＣＤおよびＬＣＯＳや他の同様の技術にも等しく適用される。また、インテグレータロッド５および１６はフライアイインテグレータにより置き換えられてもよい。

さらに、多くの修正および変更が当業者に容易に生じる。たとえば、白色光源（たとえばキセノンランプ１）からの単一光チャネル、および、変調前に青、緑および赤に白色光を分離して、その後変調された有色光を結合する色分離−結合プリズムを使用する代わりに、それぞれが有色光源（たとえば赤色、青色および緑色のレーザ）およびインテグレータおよび変調器を有する３つの個別の色チャネルを設けることも可能である。本発明を例示されたそのままの構成および動作に限定することは意図されず、したがって、すべての適した修正および等価物が、請求項にかかる範囲内で、可能である。

１ 光源、 ２ 照光システム、 ３ 光円錐、 ４ ＵＶフィルタ、 ５ インテグレータロッド、 ６ リレーレンズ、 ７ ミラー、 ８ 光学エンジン、 ９ 投影レンズ、 １０〜１２ チャネルサブアセンブリ、 １３ イメージング装置、 １５ ゾーン照光装置、 １６ インテグレータロッド、 １８ インテグレータロッド、 １９ 中空ロッド、 ２０ａ〜２０ｄ ゾーン

Claims (15)

1. プロジェクタにおける使用のためのゾーン照光システムであって、
   光源と、
   投影されるべき画像のゾーン照光強度に基づく各光強度を有する複数のゾーンに、前記光源からの光を分割する第１の空間光変調器と、
   前記投影されるべき画像を生成するために、前記第１の空間光変調器からの光を変調する第２の空間光変調器と、
   前記第１の空間光変調器は、前記光源からの光を内部反射する第１のインテグレータと、前記第１のインテグレータからの光を受け取り、これに応じて、光の空間的可変パターンを生成する第１のイメージング装置とを有しており、各ゾーンは、投影されるべき画像の関連部分の輝度に対応する輝度強度を有しており、
   前記第２の空間光変調器は、前記第１の空間光変調器からの前記光の空間的可変パターンを内部反射する第２のインテグレータと、前記投影されるべき画像を生成するために、前記第２のインテグレータからの前記光の空間的可変パターンを受け取って変調する第２のイメージング装置とを有し、
   前記第１のイメージング装置は、前記各ゾーンについての各空間ディザリングパターンを生成し、
   前記第２のインテグレータは、前記光の空間的可変パターンを受け取るための複数のインテグレータロッドからなるアレイを有し、前記アレイの各インテグレータロッドは、前記複数のゾーンのうちの対応する１つから各空間ディザリングパターンを受け取る、
   を有する、ことを特徴とするゾーン照光システム。
2. 前記第１のイメージング装置は、前記第２の空間光変調器への投影のためのグレースケール光パターンを生成する、請求項１記載のゾーン照光システム。
3. 前記第１のイメージング装置は、１つの色チャネルのための、前記第２の空間光変調器への投影のためのグレースケール光パターンを生成する、請求項１記載のゾーン照光システム。
4. ３つの各色チャネルのための、３つの前記第２のイメージング装置を有する、請求項３記載のゾーン照光システム。
5. 前記第１のイメージング装置は、１つの色チャネルのための、前記各ゾーンについての各空間ディザリングパターンを生成する、請求項１記載のゾーン照光システム。
6. ３つの各色チャネルのための、３つの前記第２のイメージング装置を有する、請求項５記載のゾーン照光システム。
7. 前記第２のインテグレータの出射口に設けられた、前記アレイの個々のインテグレータロッド間の合わせ目をぼかすための別のインテグレータをさらに有する、請求項１記載のゾーン照光システム。
8. 前記第１のイメージング装置および前記第２のイメージング装置のそれぞれは、デジタルマイクロミラーデバイス、液晶装置またＬＣＯＳ（Liquid crystal on silicon）装置のいずれか１つを有する、請求項１記載のゾーン照光システム。
9. プロジェクタにおける使用のためのゾーン照光方法であって、
   第１の空間光変調器によって、投影されるべき画像のゾーン照光強度に基づく各光強度を有する複数のゾーンに、光源からの光を分割するステップと、
   前記投影されるべき画像を生成するために、第２の空間光変調器によって、前記複数のゾーンの光を変調するステップと、
   を含み、
   前記第１の空間光変調器は、前記光源からの光を内部反射する第１のインテグレータと、前記第１のインテグレータからの光を受け取り、これに応じて、光の空間的可変パターンを生成する第１のイメージング装置とを有しており、各ゾーンは、投影されるべき画像の関連部分の輝度に対応する輝度強度を有しており、
   前記第２の空間光変調器は、前記第１の空間光変調器からの前記光の空間的可変パターンを内部反射する第２のインテグレータと、前記投影されるべき画像を生成するために、前記第２のインテグレータからの前記光の空間的可変パターンを受け取って変調する第２のイメージング装置とを有し、
   前記第１のイメージング装置は、前記各ゾーンについての各空間ディザリングパターンを生成し、
   前記第２のインテグレータは、前記光の空間的可変パターンを受け取るための複数のインテグレータロッドからなるアレイを有し、前記アレイの各インテグレータロッドは、前記複数のゾーンのうちの対応する１つから各空間ディザリングパターンを受け取る、
   ことを特徴とする方法。
10. 前記複数のゾーンはグレースケール光パターンに対応する、請求項９記載の方法。
11. 前記各空間ディザリングパターンは前記画像の各フレームのデュレーションの間、静的に保持される、請求項９記載の方法。
12. 前記各空間ディザリングパターンは、前記各空間ディザリングパターンの密度に正比例する強度に統合される、請求項１１記載の方法。
13. 変調の前に、前記光の複数のゾーンを較正するステップをさらに含む、請求項１２記載の方法。
14. シャインプルーフについての光学的補償または画像処理補償のいずれかを行うステップをさらに含む、請求項１２記載の方法。
15. 前記複数のゾーンにわたる黒レベル間の不整合を補償するステップをさらに含む、請求項１２記載の方法。