JP6411508B2 - プロジェクションシステムのための音響光学ビームステアリング変調器 - Google Patents

Description

本発明は、プロジェクタディスプレイシステムに関し、具体的には、デュアル変調または多段変調プロジェクションディスプレイシステムのための変調器に関する。

従来のプロジェクタシステムは、典型的には単一の光源を備え、この光源は、プロジェクタ内の光学系で変調された画像をスクリーンに照射する。投影される画像が「ハイライト」（すなわち、高輝度の領域であって、例えば、画像内の面からの鏡面反射や、直射日光や、発光オブジェクトや、他の領域よりもかなり高輝度の領域など）を含む場合、そのハイライトは「フル」スクリーンと同じ輝度レベルを有することになる。その場合、プロジェクタを通して伝わる光は、スクリーン全体についてフルオンされなければならないことになり、プロジェクタシステムは、ハイライトの部分ではない光を「捨てる」ことが必要となる。これは、光源の最も効率的な使用とはなりにくい場合がある。

これらの非効率性のいくつかに対処するために、画像またはビデオを投影する新規の方法として、デュアルまたはマルチ変調器プロジェクタシステムが提案されている。

ディスプレイシステムならびにその製造および使用の方法のいくつかの実施形態について本明細書で開示する。
第１のＡ／Ｏ素子と第２のＡ／Ｏ素子とを備える音響光学（Ａ／Ｏ）変調器について開示する。第１のＡ／Ｏ素子は、光源からの光を受け、その光を第２のＡ／Ｏ素子へと偏向させる。第２のＡ／Ｏ素子は、個々のＡ／Ｏ素子からなる多積層セットとすることができる。第１および第２のＡ／Ｏ素子は、コントローラからの制御信号に従って光を偏向させることができる。

他の態様では、マルチ変調器プロジェクタディスプレイシステムについて記載し、このシステムは、光源と、コントローラと、光源によって照射され、コントローラからの制御信号に従って光を偏向させることが可能なＡ／Ｏ変調器と、Ａ／Ｏ変調器からの光で照射され、Ａ／Ｏ変調器からの光を変調可能な第２の変調器とを備え、第２の変調器は、複数のミラーを有し、コントローラからの制御信号に従って光を変調可能である。

本システムの他の特徴ならびに効果は、本出願にて提示される図面と関連して読まれる以下の詳細な説明において提示される。
例示的な実施形態を図面に示している。本明細書で開示する実施形態および図面は限定するものではなく、例示とみなされるべきである。

図１は、デュアル変調プロジェクタディスプレイシステムであって、その第１の変調器を本明細書で開示されるＡ／Ｏ変調器で置き換え可能なデュアル変調プロジェクタディスプレイシステムの一実施形態である。 図２は、第１の変調器（または予備変調器）としてＡ／Ｏ変調器を備える本出願の原理に従って構成されたプロジェクタシステムの上位概念を概略的に示す。 図３Ａおよび３Ｂは、本出願の原理に従って構成されたＡ／Ｏ変調器の一実施形態の側面図および上面図をそれぞれ示す。 図４は、光路にレンズを有するＡ／Ｏ変調器の代替的な一実施形態である。 図５Ａおよび５Ｂは、光路に複数のレンズを有するＡ／Ｏ変調器の代替的な一実施形態の側面図および上面図をそれぞれ示す。

以下、より完全な理解を当業者に与えるために、具体的な詳細について説明する。ただし、開示を不必要に不明瞭にすることがないよう、周知の要素については詳細に提示または記載していない場合がある。よって、説明および図面は、限定的意味ではなく、例示的意味とみなされるべきである。

本明細書で使用される「コンポーネント」、「システム」、「インタフェース」、「コントローラ」といった用語は、ハードウェア、ソフトウェア（例えば実行中のもの）、および／またはファームウェアのいずれかであるコンピュータ関連エンティティを指す。例えば、これらの用語はいずれも、プロセッサ上で実行中のプロセス、プロセッサ、オブジェクト、実行ファイル、プログラム、および／またはコンピュータであり得る。例として、サーバ上で実行中のアプリケーションとサーバは、どちらもコンポーネントおよび／またはコントローラであり得る。１つ以上のコンポーネント／コントローラを１つのプロセスに含むことが可能であり、１つのコンポーネント／コントローラを１つのコンピュータ上に局在化させること、および／または２つ以上のコンピュータに分散させることが可能である。

特許請求される主題について図面を参照して説明するが、その際、類似の要素については、全体を通して同様の参照符号を用いて示している。以下の説明では、主題の革新についての完全な理解を与えるために、説明を目的として様々な具体的な詳細が記載される。しかしながら、これら特定の詳細を省いても特許請求される主題を実施できることは明らかである。また、主題の革新の説明を容易とするために、周知の構造およびデバイスは、ブロック図の形式で示している。

［序論］
デュアル変調プロジェクタシステムは、以下の（１）および（２）を含む本出願と同一の所有者による特許および特許出願に記載されており、これらの文献は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

（１）Ward et al. による「SERIAL MODULATION DISPLAY HAVING BINARY LIGHT MODULATION STAGE」と題される、２０１２年２月２８日に発行された米国特許第８１２５７０２号、
（２）Whitehead et al.らによる「PROJECTION DISPLAYS」と題される、２０１３年６月１３日に公開された米国特許出願公開第２０１３／０１４８０３７号。

本明細書で開示される数多くのデュアル、トリプル、また、２段より多くの変調（以下では、これらのすべてを「マルチ変調」と呼ぶ）によるディスプレイシステムは、変調チップに対して必要な箇所にのみ光を当てるためにビームステアリングを用いる。

図１は、２つ以上のデジタルプロジェクタを（変調器として）備えたデュアル変調プロジェクタディスプレイシステム１００の一実施形態である。図１は、本例の実施形態によるモノクロディスプレイ１０２を示している。ディスプレイ１００は、光源１０２を備える。光源１０２からの光１０４は、第１の光変調器１０６に照射される。光源１０２として、例えば、レーザ、キセノンランプ、（例えば、ダイオードもしくは他の）レーザまたは他の固体発光素子のアレイ、アークランプなどを含むことができる。

一実施形態において、第１の光変調器１０６は、例えば高速スイッチング素子上に、ＭＥＭＳ素子などのような複数の制御可能素子１０６ａを有し得る。より詳細に（図２Ａ〜２Ｂおよび図３Ａ〜３Ｃを参照して）後述するように、素子１０６ａは、適切な制御回路／コントローラ１１６によって第２の変調器１１０に光を反射させるべく操作されるように選択され得る。コントローラ１１６は、プロセッサと、そのプロセッサと通信するメモリとを有することができ、メモリに命令を含むことで、コントローラは、本明細書で記載されるようなハイライティング（highlighting）技術を実施するために、第１の変調器および第２の変調器（さらに、そのシステムに備えられている場合には、他の変調器）を適切に制御することができる。

また、制御可能素子のセットとして、制御可能なアナログミラーのセットを含むこともでき、それらは、本明細書で記載されるようなハイライト処理のためにサブフレームのレンダリングを提供するのに十分なスイッチング反応速度を有し得る。一実施形態では、素子１０６ａのスイッチング応答時間は、画像データの所与のフレーム内で、数回、第２の変調器に対して光を反射させるのに十分に高速であり得る。例えば、素子１０６ａは、所望に応じて、１／２フレーム、１／３フレーム、１／４フレーム、または１／ｎフレームの、第２の変調器１１０への照射を実現できる。

第１の変調器１０６からの光は、光学系１０８を通過可能であり、その光学系１０８は、第２の変調器１１０への照射の所望の点広がり関数（ＰＳＦ：Point Spread Function）を実現するのに十分な光学部品を含み得る。第２の変調器１１０の素子１１０ａに対する第１の変調器１０６の素子１０６ａの比に応じて、所望のＰＳＦは異なり得る。例えば、第１の変調器１０６がＭＥＭＳアレイであり、第２の変調器１１０がＤＭＤアレイである場合、典型的なＭＥＭＳアレイは、数百万のミラー素子（例えば、５００Ｋ超のミラー、さらにはそれ以上）を搭載し得るＤＭＤアレイよりも少ない多数の素子１０６ａ（例えば、数百〜数千の範囲の、１００から２〜３Ｋのミラー素子）を有する。

第２の光変調器１１０は、（第１の光変調器１０６が制御され得るのと同様に）制御回路１１６によって制御することができ、複数の制御可能素子１１０ａを有し得る。各制御可能素子１１０ａは、第１の空間光変調器１０６から素子１１０ａに入射する光の割合を選択するように制御することができ、その光は、（場合によっては第２の光学系１１２を通して）表示領域１１４に伝達される。

いくつかの実施形態において、第２の空間光変調器１１０は、オン状態とオフ状態で切り替えることができる反射光学素子または透過光学素子１１０ａである例えばＤＭＤ素子を有する。このような実施形態では、第２の空間光変調器１１０は、その素子をオンまたはオフに設定するコントローラによって制御され得る。

伝達光学系１０８は、第１の光変調器１０６からの光を第２の光変調器１１０に伝達する。この光は、第１の空間光変調器１０６の素子１０６ａがすべてオンにされているときには、第２の光変調器１１０の有効領域全体を照射することが可能である。この光は、第２の空間光変調器１１０のエッジを越えて広がる可能性がある。伝達光学系１０８は、その光をぼかし得る。伝達光学系１０８は、第１の空間光変調器１０６上の点からの光がどのように第２の空間光変調器１１０上に広がるのかを少なくとも近似する伝達関数によって特徴付けることができる。第２の光変調器１１０に入射する光のパターンは、第１の変調器１０６の構成（すなわち、どの素子１０６ａがオンで、どの素子１０６ａがオフであるか）および伝達関数から推定または特定することができる。適切な投影レンズ１１２によって、第２の空間光変調器１１０からの光を表示用のスクリーン１１４上に合焦させる。スクリーン１１４として、前面投影スクリーンまたは背面投影スクリーンを含むことができる。

図１の実施形態では、単一の光チャネルを示しているが、光学的にオフセットした２つの反射型変調器を各カラーチャネルに含むように、プロジェクタ内の一連のカラーチャネルの各々に対して第１と第２の変調器を複製できることが理解され得る。一連のカラーチャネルは、赤チャネル、緑チャネル、および青チャネルを含むことができる。光源は、例えば、複数の有色レーザ光源を含むことができる。一実施形態では、光源は、コントローラ（例えば、１１６）からの信号（図示せず）に従って、全体的（明るさ）および／または空間的（ローカル）ディミングのいずれかで変調することができる。

第２の変調器への中間信号は、例えば、第１の変調器によって反射される光の点広がり関数およびオフセットを含む光照射野シミュレーションに基づくものとすることができる。例えば、第２の変調器への中間信号は、各チャネルで第１の変調器によって反射される光の点広がり関数および各チャネルでのオフセットに基づくものとすることができる。それらのチャネルでのオフセットは同じであり得るか、または少なくとも２つのチャネルのオフセットが異なり、このとき、各チャネルでの第２の変調器への中間信号は、そのオフセットと、チャネル間のオフセット差とのうちの少なくとも一方に基づくものとなる。

［音響光学ビームステアリング変調器の実施形態］
上述のように、第１の変調器は、ＭＥＭＳアレイとすることができ、典型的なＭＥＭＳアレイは、限られた数（例えば、数百〜数千）の反射素子を有する。従って、そのようなデュアル（またはマルチ）変調器プロジェクタシステムのための第１の変調器（または予備変調器）として、ＭＥＭＳアレイに代わるものを見つけることが望ましい場合がある。

図１のプロジェクタシステムでは、ＥＤＲプロジェクタは、明るい高コントラスト画像を得るために、「ブルートフォース」（brute force ）デュアル変調方式を採用することができる。この方法を用いると、フルスクリーンとハイライトの輝度レベルは同じであるが、これは非効率的であり得る。プロジェクタシステムの他の実施形態では、トリプル変調方式を採用することができ、これにより、変調チップに対して必要な箇所にのみ光を当てるためにビームステアリングを用いる。これは、エネルギーのほんのわずかな割合しかハイライトのために必要とされないので、概念的にはうまく機能し得るが、現状では、十分と言えるほどのミラーを備えた市販のビームステアリング素子はない。最適な数は１５００超であり、一方、最も大きな素子が有しているのは、２００個ほどである。ビームステアリングの概念は、上記文献に記載されている。一実施形態では、いくらかの基本（平坦）照射と共に第１のＤＭＤ予備変調器に結像させるビームステアリングを用いるトリプル変調を用いることが可能であり得る。

そこで、本出願のいくつかの実施形態では、ビームステアリングミラーを有する第１の変調器を音響光学（Ａ／Ｏ）変調器および／または偏向器で置き換えることによって、これらの問題に対処することができる。いくつかの実施形態では、そのＡ／Ｏ変調器は、２つ以上のＡ／Ｏ素子を有し得る。その場合、Ａ／Ｏ変調器は、単一のＡ／Ｏ素子（大きなパワーに対応可能であり得るが、低い時間帯域幅積（ＴＢＰ：Time Bandwidth Product）を有し得るもの）と、第２のマルチチャネルＡ／Ｏ偏向器とをさらに有し得る。

図２は、そのようなＡ／Ｏ変調器２０４を備えるプロジェクタシステム２００の上位のブロック図を示している。光源２０２からの光は、Ａ／Ｏ変調器２０４に入力され、そのＡ／Ｏ変調器２０４がコントローラ２１０によって制御され得ることで、第２の変調器２０６の反射器（例えば、ＤＭＤアレイなど）を照射する。その第２の変調器２０６からの光は、最終的にスクリーン２０８に投影される画像を形成するために用いることができる。コントローラ２１０は、図示のように、Ａ／Ｏ変調器２０４および第２の変調器２０６に対して、または任意選択的に光源２０２自体に対して、入力画像データに応じて制御信号を供給するように構成することができる。

図３Ａおよび３Ｂは、適切なＡ／Ｏ変調器２０４の側面図および上面図をそれぞれ示している。図から分かるように、第１のＡ／Ｏ偏向器３０２は、光路からの光を受けて、その入射光を、（例えば、コントローラからの適切な制御信号に従って）第２のマルチチャネルＡ／Ｏ変調器３０４へと偏向させることができる。一実施形態では、Ａ／Ｏ変調器３０４は、複数のＡ／Ｏ素子３０６の積層体を有し得る。光は、（例えば、コントローラからの適切な制御信号に従って）Ａ／Ｏ変調器３０４から下流の複数の位置、例えば（ＤＭＤアレイとすることができる）第２の変調器へと偏向され得る。

［代替実施形態］
図４は、Ａ／Ｏ変調器４００の代替的な一実施形態の側面図を示す。前述のように、Ａ／Ｏ素子３０２は、光を受け、それを通過する光をレンズ４０２へと偏向させることができ、その光は次いで、第２のＡ／Ｏ素子３０４に照射される。レンズ４０２がフーリエ変換レンズである場合は、ｄ₁はｄ₂に等しい。その場合、入力光の変換は、その挙動が良好にモデル化されるようになり、このことは、多くの状況において望ましい場合がある。

図５Ａおよび５Ｂは、Ａ／Ｏ変調器５００の別の実施形態の側面図および上面図を示す。Ａ／Ｏ素子３０２は、光を受け、その光をレンズ５０２および５０４へと偏向させる。一実施形態では、レンズ５０２は球面レンズとすることができ、レンズ５０４は負の（例えば、パワーを有していない）球面レンズとすることができる。このようにして、Ａ／Ｏ積層体３０４の多くのＡ／Ｏ素子のうちの１つに光を合焦させる。その後、光をレンズ５０６および５０８へと偏向させることができる。一実施形態では、レンズ５０６はパワーを有していないレンズとすることができ、レンズ５０８は球面レンズとすることができる。その後、プロジェクタシステム内での光のさらなる変調のために、他の要素である例えばＤＭＤアレイ５１０に光を合焦させることができる。

［その他の実施形態］
種々の実施形態で明示されたように、ビームステアリングのためにＡ／Ｏ偏向器およびマルチチャネルＡ／Ｏ偏向器を用いるという考え方を採用することが望ましい場合がある。多くの実施形態において、第１のＡ／Ｏ偏向器は、第２のマルチチャネルＡ／Ｏ偏向器のチャネルの各々に対して比例した光量を配分することができ、これによりターゲット（例えば、ＤＭＤアレイ）の垂直方向の広がりを提供する。マルチチャネル偏向器は、各チャネルで１ストライプの水平変調を提供することができる。いくつかの実施形態において、システムは、６チャネルのマルチチャネル偏向器を採用することができるが、他のサイズとして、８、１６、および３２チャネルのアレイであってもよい。

いくつかの実施形態において、約２．５度の偏向角で作用する偏向器を用いた場合に、全光路長は約１メートルであり得る。総合効率は５０〜６０％程度であり得る。一部の実施形態では、レーザのようなコリメート低エタンデュ光源を採用することができる。そのようなシステムでは、マルチチャネル偏向器の分解能およびチャネル数の制約の範囲内で、光をすべてＤＭＤ上の１つの位置に割り当てることができる。これらの偏向器は、２００を超えるＴＢＰを有し得る。一例として、３２チャネルのアレイを用いた場合には、このアレイは、２００個の水平方向の素子×３２個の垂直方向の素子の計６４００の照射領域を提供するものとなる。一部のビームステアリングの実施形態では、実質的にすべてのエネルギーを１つの領域に集中させることができる。

以上、本発明の原理を示す添付の図面を併用して読まれる本発明の１つ以上の実施形態についての詳細な説明を提示した。理解されるべきことは、本発明は、かかる実施形態に関連させて説明されているが、本発明は、いずれの実施形態にも限定されないということである。本発明の範囲は請求範囲によってのみ限定され、本発明は、数多くの代替案、変形、および均等物を網羅する。本発明についての完全な理解を与えるため、様々な具体的な詳細を本明細書で説明している。それらの詳細は、例示目的で提示されるものであり、本発明は、それら特定の詳細の一部またはすべてを省いても、請求範囲に基づき実施することができる。明確にする目的で、発明が不必要に不明瞭になることがないよう、本発明に関連する技術分野で知られている技術的事項については詳細に説明していない。

Claims (9)

1. 音響光学（Ａ／Ｏ）変調器であって、
   光源からの光を受け、コントローラから受信した制御信号に従って前記光を偏向させる第１のＡ／Ｏ素子と、
   前記第１のＡ／Ｏ素子からの前記偏向された光を受け、コントローラからの制御信号に従って、前記偏向された光をさらに偏向させる第２のＡ／Ｏ素子と、
   ここで、前記第２のＡ／Ｏ素子によって偏向された光は、別の変調器を照射するために使用され、
   ここで、前記第２のＡ／Ｏ素子はＡ／Ｏ素子のセットを備え、前記Ａ／Ｏ素子のセットのうちの１つのＡ／Ｏ素子は前記偏向された光によって照射され、
   ここで、前記Ａ／Ｏ素子のセットの各Ａ／Ｏ素子は、複数のアドレッシング可能なターゲットを照射するために光を偏向可能であり、
   前記第１のＡ／Ｏ素子と前記第２のＡ／Ｏ素子との間に配置され、前記Ａ／Ｏ素子のセットのうちの１つのＡ／Ｏ素子に光を合焦させる第１の光学系と、
   前記第２のＡ／Ｏ素子よりも後に配置された第２の光学系と
   を備え、
   前記第２の光学系は、Ａ／Ｏ変調器上の点からの光がどのように前記別の変調器上に広がるのかを少なくとも近似する伝達関数によって特徴付けられる、Ａ／Ｏ変調器。
2. 前記第２のＡ／Ｏ素子は積層されたＡ／Ｏ素子のセットを備え、前記第１のＡ／Ｏ素子は、前記積層されたＡ／Ｏ素子の軸に沿って変化する第１の方向に光を偏向可能である、請求項１に記載のＡ／Ｏ変調器。
3. 前記積層されたＡ／Ｏ素子のセットの各Ａ／Ｏ素子は、前記第１の方向に対して略垂直な第２の方向に光を偏向可能である、請求項２に記載のＡ／Ｏ変調器。
4. 前記第１のＡ／Ｏ素子と前記第２のＡ／Ｏ素子との間で略等距離に配置されたフーリエ変換レンズをさらに備える請求項１〜３のうち何れか一項に記載のＡ／Ｏ変調器。
5. 前記第１の光学系は、球面レンズと負の球面レンズとを備え、
   前記第２の光学系は、負の球面レンズと球面レンズとを備える、請求項１に記載のＡ／Ｏ変調器。
6. 前記アドレッシング可能なターゲットはＤＭＤアレイのミラーを備える、請求項１〜５のうち何れか一項に記載のＡ／Ｏ変調器。
7. マルチ変調プロジェクタディスプレイシステムであって、
   光源と、
   コントローラと、
   前記光源によって照射され、前記コントローラからの制御信号に従って光を偏向可能なＡ／Ｏ変調器と、
   前記Ａ／Ｏ変調器からの光で照射され、前記Ａ／Ｏ変調器からの光を変調可能な第２の変調器であって、複数のミラーを備える第２の変調器と、を備え、
   前記第２の変調器は、前記コントローラからの制御信号に従って前記光を変調可能であり、
   前記Ａ／Ｏ変調器は、
   光源からの光を受け、前記コントローラから受信した制御信号に従って前記光を偏向させる第１のＡ／Ｏ素子と、
   前記第１のＡ／Ｏ素子からの前記偏向された光を受け、コントローラからの制御信号に従って、前記偏向された光をさらに偏向させる第２のＡ／Ｏ素子と、
   ここで、前記第２のＡ／Ｏ素子はＡ／Ｏ素子のセットを備え、前記Ａ／Ｏ素子のセットのうちの１つのＡ／Ｏ素子は前記偏向された光によって照射され、
   ここで、前記Ａ／Ｏ素子のセットの各Ａ／Ｏ素子は、複数のアドレッシング可能なターゲットを照射するために光を偏向可能であり、
   前記第１のＡ／Ｏ素子と前記第２のＡ／Ｏ素子との間に配置され、前記Ａ／Ｏ素子のセットのうちの１つのＡ／Ｏ素子に光を合焦させる第１の光学系と、
   前記第２のＡ／Ｏ素子よりも後に配置された第２の光学系とを含み、
   前記第２の光学系は、前記Ａ／Ｏ変調器上の点からの光がどのように前記第２の変調器上に広がるのかを少なくとも近似する伝達関数によって特徴付けられる、マルチ変調プロジェクタディスプレイシステム。
8. 前記第２のＡ／Ｏ素子は積層されたＡ／Ｏ素子のセットを備え、前記第１のＡ／Ｏ素子は、前記積層されたＡ／Ｏ素子の軸に沿って変化する第１の方向に光を偏向可能である、請求項７に記載のマルチ変調プロジェクタディスプレイシステム。
9. 前記積層されたＡ／Ｏ素子のセットの各Ａ／Ｏ素子は、前記第１の方向に対して略垂直な第２の方向に光を偏向可能である、請求項８に記載のマルチ変調プロジェクタディスプレイシステム。