JP6975813B2 - 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

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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 (2)

  1. 高コントラスト画像のためのプロジェクションシステムであって、
    光源と、前記光源は、複数の有色レーザ光源を含んでおり、
    コントローラと、
    A/O変調器と、前記A/O変調器は、前記光源によって照明され、かつ前記コントローラからの第1の制御信号に従って前記光源からの光を偏向させ、
    第2の変調器とを備え、前記第2の変調器は、前記A/O変調器からの光によって照明され、かつ前記A/O変調器からの光を変調し、前記第2の変調器は、複数のミラーを含んでおり、
    前記プロジェクションシステムは、画像データの所与のフレーム内で、前記第2の変調器に対して光を数回反射させることによってハイライトを生成する、プロジェクションシステム。
  2. 前記A/O変調器は、
    前記光源からの光を受信し、前記コントローラから受信した第1の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素子からの偏向された光を受信し、前記コントローラからの第2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素子とをさらに含み、
    前記第2のA/O素子は、一組のA/O素子を含み、前記第1のA/O素子は、前記偏向された光で前記一組のA/O素子を照明し、
    前記一組のA/O素子の各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明する、請求項1に記載のプロジェクションシステム。
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