JP7108770B2 - 高ダイナミックレンジ画像プロジェクタのための方法およびシステム - Google Patents
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Description
本発明は、プロジェクタシステムのための光リサイクリングに関し、特に、高ダイナミックレンジ(HDR:High Dynamic Range)プロジェクションシステムのためのシステムおよび方法に関するものである。
プロジェクタシステムは、現在、ダイナミックレンジの向上を伴って構成されつつある。当該技術分野では、デュアル/マルチ変調器プロジェクタディスプレイシステムが知られている。ところが、そのようなディスプレイシステムでは、光処理のモデリングの改善によって、そのようなディスプレイシステムのレンダリングと性能の両方をさらに向上させることが可能である。また、本発明者らの認識によれば、デュアル/マルチ変調システムでの画像ハイライトの輝度、および/またはシングル変調ディスプレイシステムならびにデュアル/マルチ変調ディスプレイシステムのエネルギー性能を向上させることが望ましいであろう。
光エネルギーの一部を後に使用するようにリサイクルすることによる光の効率的利用のためのプロジェクションシステムおよび/または方法について開示する。一実施形態では、プロジェクションディスプレイシステムについて開示し、このシステムは、光源と、インテグレータロッドに沿って光を反射/リサイクルし得る反射面を有する近位端において光源からの光を受けるインテグレータロッドと、インテグレータロッドから受けた光を投影方向または光リサイクル方向のいずれかに反射する少なくとも1つの可動ミラーを有する変調器と、を備える。他の実施形態では、デュアル/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開示する。第1の変調器は、表示されるべき所望の画像のための、予備変調ハーフトーン画像を実現し得るか、またはハイライト変調画像を実現し得るか、いずれかである。所望の画像の主変調のために、第2の変調器を設けることができる。
一実施形態では、光源からの光のリサイクリングが可能なプロジェクタディスプレイシステムについて開示し、このプロジェクタディスプレイシステムは、光源と、インテグレータロッドに沿って光を反射することが可能な反射面を有する近位端で光源からの光を受けるように構成されたインテグレータロッドと、プロジェクタディスプレイシステムの焦点面を移動させることが可能な光学素子をさらに有するリレー光学系と、インテグレータロッドから受けた光を投影方向および概ねインテグレータロッドの方向である光リサイクル方向の少なくとも一方に反射することが可能な可動ミラーを有する変調器と、を備える。
さらに、画像特性に応じて光リサイクリングを制御するための実施形態を提示する。
本システムの他の特徴ならびに効果は、本出願で提示する図面と関連させて読まれる以下の詳細な説明において提示している。
本システムの他の特徴ならびに効果は、本出願で提示する図面と関連させて読まれる以下の詳細な説明において提示している。
例示的な実施形態を図面の参照図に示している。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ものである。
本明細書で使用される場合の、「コンポーネント」、「システム」、「インタフェース」というような用語は、ハードウェア、(例えば、実行中の)ソフトウェア、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ものである。例えば、あるコンポーネントは、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であり得る。1つ以上のコンポーネントを、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。また、コンポーネントは、ハードウェア、(例えば、実行中の)ソフトウェア、および/またはファームウェアのいずれかである通信関連エンティティを指すものでもあり得るとともに、さらに、通信を実現するに足る有線または無線ハードウェアを含み得る。
以下の説明を通して、より完全な理解を当業者に与えるため、具体的詳細について記載する。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のものとみなされるべきである。
[序論]
プロジェクタおよびその他のディスプレイシステムの分野では、画像レンダリング性能およびシステム効率をともに向上することが望まれている。本出願のいくつかの実施形態では、デュアル変調またはマルチ変調ディスプレイシステムのためにライトフィールドモデリング(light field modeling)を採用することにより、これらの改良を実施するためのシステム、方法、および技術について記載する。一実施形態では、効果的実施のために、光源モデルを構築して使用する。光源モデルを改良するために、既知の入力画像の表示画像のカメラ画像を評価することができる。一部の実施形態では、反復プロセスにより、改良を積み重ねることができる。一部の実施形態では、これらの技術を動画に用いて、画像レンダリング性能を向上させるためにリアルタイム補正を実施してよい。
プロジェクタおよびその他のディスプレイシステムの分野では、画像レンダリング性能およびシステム効率をともに向上することが望まれている。本出願のいくつかの実施形態では、デュアル変調またはマルチ変調ディスプレイシステムのためにライトフィールドモデリング(light field modeling)を採用することにより、これらの改良を実施するためのシステム、方法、および技術について記載する。一実施形態では、効果的実施のために、光源モデルを構築して使用する。光源モデルを改良するために、既知の入力画像の表示画像のカメラ画像を評価することができる。一部の実施形態では、反復プロセスにより、改良を積み重ねることができる。一部の実施形態では、これらの技術を動画に用いて、画像レンダリング性能を向上させるためにリアルタイム補正を実施してよい。
デュアル変調プロジェクタおよびディスプレイシステムは、(1)Wardらによる「SERIAL MODULATION DISPLAY HAVING BINARY LIGHT MODULATION STAGE(2値光変調ステージを有するシリアル変調ディスプレイ)」と題する、2012年2月28日に発行された米国特許第8125702号、(2)Whiteheadらによる「PROJECTION DISPLAYS(プロジェクションディスプレイ)」と題する、2013年6月13日に公開された米国特許出願公開第2013/0148037号、(3)Wallenerによる「CUSTOM PSFs USING CLUSTERED LIGHT SOURCES(クラスタ光源を用いたカスタムPSF)」と題する、2011年9月22日に公開された米国特許出願公開第2011/0227900号、(4)Shieldsらによる「SYSTEMS AND METHODS FOR ACCURATELY REPRESENTING HIGH CONTRAST IMAGERY ON HIGH DYNAMIC RANGE DISPLAY SYSTEMS(高ダイナミックレンジ・ディスプレイシステムにおいて高コントラスト画像を正確に表現するためのシステムおよび方法)」と題する、2013年5月2日に公開された米国特許出願公開第2013/0106923号、(5)Erinjippurathらによる「HIGH DYNAMIC RANGE DISPLAYS USING FILTERLESS LCD(S) FOR INCREASING CONTRAST AND RESOLUTION(フィルタレスLCD(群)を用いてコントラストおよび解像度を向上させた高ダイナミックレンジディスプレイ)」と題する、2011年11月17日に公開された米国特許出願公開第2011/0279749号、(6)Kwongによる「REFLECTORS WITH SPATIALLY VARYING REFLECTANCE/ABSORPTION GRADIENTS FOR COLOR AND LUMINANCE COMPENSATION(色および輝度の補正用の空間的に変化する反射/吸収勾配を有する反射器)」と題する、2012年5月31日に公開された米国特許出願公開第2012/0133689号、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、これらの文献はすべて、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
[物理アーキテクチャの一例]
一般的に、単一のデジタルマイクロミラーデバイス(Digital Micromirror Device :DMD)を備えたプロジェクタは、コントラスト比に限界がある傾向があり得る。より高いコントラスト比を得るために、2つ以上のDMDおよび/または他の反射器(例えば、マイクロエレクトロメカニカルシステム(MEMS))を直列に配列することができる。DMDは、時分割またはパルス幅変調器として動作し得るので、ともにパルス幅変調器として機能する2つ以上のDMDおよび/または反射器を直列に動作させると、時分割シーケンスにおける精密な時分割アライメントおよび画素間の対応が要求される傾向がある。このようなアライメントおよび対応の要件は、実践するのが難しい場合がある。そこで、本出願の多くの実施形態では、プロジェクタおよび/またはディスプレイシステムで、所望の性能を実現するために、様々なデュアル変調方式を採用することができる。
一般的に、単一のデジタルマイクロミラーデバイス(Digital Micromirror Device :DMD)を備えたプロジェクタは、コントラスト比に限界がある傾向があり得る。より高いコントラスト比を得るために、2つ以上のDMDおよび/または他の反射器(例えば、マイクロエレクトロメカニカルシステム(MEMS))を直列に配列することができる。DMDは、時分割またはパルス幅変調器として動作し得るので、ともにパルス幅変調器として機能する2つ以上のDMDおよび/または反射器を直列に動作させると、時分割シーケンスにおける精密な時分割アライメントおよび画素間の対応が要求される傾向がある。このようなアライメントおよび対応の要件は、実践するのが難しい場合がある。そこで、本出願の多くの実施形態では、プロジェクタおよび/またはディスプレイシステムで、所望の性能を実現するために、様々なデュアル変調方式を採用することができる。
単なる一例として、プロジェクタディスプレイシステムの一実施形態では、「予備変調器」または「予備変調」として第1の変調器(例えば、第1のDMD/反射器)を用いることができ、これにより、ハーフトーン画像で光源を空間変調することができ、それを所望の期間(例えば、1フレームまたはその一部)にわたって維持することができる。このハーフトーン画像にぼかしを付与することで、空間的低減帯域幅のライトフィールドを生成することができ、これを第2のDMD/反射器に照射することができる。主変調器と呼ばれる第2のDMD/反射器は、ぼかしライトフィールドをパルス幅変調することができる。この構成は、例えば精密な時分割アライメントおよび/または画素間の対応である上記の要件の両方を回避する傾向があり得る。いくつかの実施形態では、2つ以上のDMD/反射器で、時間的にフレームのアライメントを得ることができ、さらに概ね空間的にフレームのアライメントを得ることができる。いくつかの実施形態では、予備変調DMD/反射器からのぼかしライトフィールドは、主DMD/反射器に略重なり得る。他の実施形態では、例えば画像レンダリング性能の助けとするために、空間的アライメントが知られており、これが考慮されることがある。
本出願は、デュアル/マルチ変調プロジェクションシステムの説明で提示しているが、本出願の技術および方法は、シングル変調、または他のデュアル/マルチ変調ディスプレイシステムでの応用を見いだせるであろうことは理解されるべきである。例えば、バックライトと第1の変調器(例えば、LCDなど)と第2の変調器(例えば、LCDなど)とを備えるデュアル変調ディスプレイシステムでは、本明細書においてプロジェクションシステムの説明で説明される性能および効率を実現するために、適切なぼかし光学部品ならびに画像処理方法および技術を採用することができる。
また、図1Aでは、2段またはデュアル変調器ディスプレイシステムを示しているものの、本出願の方法および技術は、1つのみの変調器を備えるディスプレイシステム、または3つ以上の変調器を備えるディスプレイシステム(マルチ変調器ディスプレイシステム)での応用も見いだし得るということも理解されるべきである。本出願の範囲は、これらの様々な代替実施形態を包含する。
図1Aは、適切な画像プロジェクタディスプレイシステムの1つの可能な実施形態を示している。本実施形態では、プロジェクタディスプレイシステムは、本出願の目的を満たし得るデュアル/マルチ変調器プロジェクタディスプレイシステム100として構成されている。プロジェクタシステム100では、最終的に投影された画像が、その投影画像の想定される鑑賞者にとって十分な輝度となるように、プロジェクタシステムに所望の照射を与える光源102を採用している。光源102として、任意の適切な光源を含むことができ、可能性として、キセノンランプ、レーザ(群)、コヒーレント光源、部分的コヒーレント光源が含まれるが、ただしこれらに限定されない。光源は、プロジェクタシステム全体の電力および/またはエネルギーの主要なドロー(major draw)であるため、その作用の過程で電力および/またはエネルギーを節約するように、光の効果的利用および/または再利用が望ましい場合がある。
光104は、第1の変調器106を照射することができ、そして次に、オプションの一組の光学部品108を通して第2の変調器110を照射することができる。第2の変調器110からの光は、投影レンズ112(または他の適切な光学部品)で投影されることで、スクリーン114上に最終的な投影画像を形成することができる。入力画像および/またはビデオデータを受け取ることができるコントローラ116によって、第1と第2の変調器を制御することができる。コントローラ116は、その入力画像/ビデオデータに対して、いくつかの画像処理アルゴリズム、色域マッピングアルゴリズム、または他のそのような適切な処理を実行し、そして所望の最終投影画像114を得るために、第1と第2の変調器に制御/データ信号を出力することができる。さらに、一部のプロジェクタシステムでは、その光源によっては、最終投影画像の画質のさらなる制御を実現するために、光源102(図示していない制御線)を変調することが可能な場合がある。
後述するように、光源102から第1の変調器106への光路に導入され得る光リサイクルモジュール103を、図1Aに点線ボックスとして示している。本説明は、この位置付けの説明で提示するが、プロジェクタシステム内の様々な点で、光リサイクリングをプロジェクタシステムに導入してもよいことは理解されるであろう。例えば、第1と第2の変調器の間に光リサイクリングを導入することができる。さらに、ディスプレイシステムの光路における複数の点に、光リサイクリングを導入してもよい。そのような実施形態は、部品数の増加によって、より高コストとなり得るが、その増加は、複数の点の光リサイクリングの結果としてのエネルギーコスト削減とバランスさせることができる。
図1Bは、シングル変調器106bを備えるプロジェクタディスプレイシステム100bの一実施形態を示している。光源102bは、(場合によっては、図示していないコントローラによる制御の下で)光ビーム104bを発し、これは前述と同様に、光リサイクルモジュール103bを通して伝送され得る。変調器106bは、コントローラによる要求に応じて光を選択的に反射することができ、そして変調された光108bは、プロジェクタ光学系112bを通して伝送されて、鑑賞されるべき最終的な所望の画像としてスクリーン114上に投影され得る。
図1Cは、複数のカラーレーザチャネル(例えば、R、G、B)において光リサイクリングを実施し得る光リサイクルモジュールの一実施形態を示している。本例に示すように、ディスプレイシステムは、赤色光源(R)を備えることができ、これはインテグレータロッド126(例えば、Bの場合は124、Gの場合は122)に入射して、(場合によっては、内部全反射によって)伝送されることができ、これにより、リサイクル位置120bまたは伝送位置120aを呈し得る1つ以上の反射体を有し得る制御可能な反射器120に達する。光をリサイクルすべきときには、反射器120bは、レーザ光をインテグレータロッド126に戻すように反射して、これにより、反射器が伝送位置120aに移行するための(図示していないコントローラによる)指令を受けるまでの間に、その光路内で複数回反射し得る。反射器120aによって伝送される光は、図示のように赤ミラー128に誘導されることができる。青色光の場合には、ダイクロイックコンバイナ130で、青色光を赤色光と合成することができる。同様に、その後、ダイクロイックコンバイナ132で緑色光を合成することができ、次に、その光は、光学素子120で簡単に示すように、さらに変調および/または投影され得る。この光リサイクルモジュールが、要求に応じて、シングル変調器、デュアル変調器、および/またはマルチ変調器ディスプレイシステムの目的を満たし得ることは理解されるであろう。
[光リサイクリングの一実施形態]
図2は、本出願の目的に適し得る光リサイクリングサブシステムおよび/またはモジュールの一実施形態を示している。上記したように、プロジェクタシステムにおいて、主に光源102と第1の変調器221との間に、光リサイクリングサブシステム/モジュールを導入することができる。光源102からの光は、(例えば、図3に示すようにポート201bを介して)インテグレータロッド/チューブ/ボックス(integrating rod/tube/box)202を介して光路に入力することができる。インテグレータロッド/チューブ/ボックス202は、その内部に概ね反射面を有し得ることで、その面への入射光は、その右端203で光が抜け出るまで、(例えば、場合によっては複数回)反射されることがある。光がインテグレータロッド/チューブ/ボックスを抜け出ると、その光は、例えばレンズ204、214、216ならびにフィルタおよび/または偏光子208、210、212のセットからなる光学素子セットで規定される光路内に導入され得る。
図2は、本出願の目的に適し得る光リサイクリングサブシステムおよび/またはモジュールの一実施形態を示している。上記したように、プロジェクタシステムにおいて、主に光源102と第1の変調器221との間に、光リサイクリングサブシステム/モジュールを導入することができる。光源102からの光は、(例えば、図3に示すようにポート201bを介して)インテグレータロッド/チューブ/ボックス(integrating rod/tube/box)202を介して光路に入力することができる。インテグレータロッド/チューブ/ボックス202は、その内部に概ね反射面を有し得ることで、その面への入射光は、その右端203で光が抜け出るまで、(例えば、場合によっては複数回)反射されることがある。光がインテグレータロッド/チューブ/ボックスを抜け出ると、その光は、例えばレンズ204、214、216ならびにフィルタおよび/または偏光子208、210、212のセットからなる光学素子セットで規定される光路内に導入され得る。
第1の変調器221は、いくつかのプリズム218a、218bと、反射器220とを有し得る。反射器220は、反射体のデジタルマイクロミラーデバイス(Digital Micromirror Device : DMD)アレイ、またはマイクロエレクトロメカニカルシステム(MEMS)アレイ、または少なくとも2つ以上の光路に光を反射し得る可能性のある他の任意の適切な反射体セット、を含み得る。そのような光路の1つを、図2に示している。図示のように、反射器220は、光をプリズム218aと218bの界面へと誘導し、これにより、光はレンズアセンブリ222へと反射された後に、(例えば、レンズアセンブリ224、プリズム226および230、反射器228を有する)第2の変調器229に達し得る。この光を用いて、観客によって鑑賞されるべき最終投影画像を形成することができる。
しかしながら、最終投影画像のレンダリングの最中には、光源102の全パワー/全エネルギーは必要ではない可能性のある何らかの時期がある。光源102のパワーを変調することが不可能である場合には(または困難である場合または光を節約する追加の機会がある場合)、光源102からの光をリサイクルすることが望まれる場合がある。このような場合には、図2で分かるように、反射器220を、図示のようなその現在の位置(すなわち、第2の変調器に至る光路を進むように光を誘導する位置)から、上述の光路と概ね同じ光路に沿って右から左方向に進んでインテグレータロッド/チューブ/ボックス202へと戻るように光を概ね反射させるような代わりの位置に、調整することが可能であり得る。一実施形態では、リサイクルシステムは、画像の一部をより明るくすることができる。これは、画面の大部分が暗く、一部が非常に明るい場合に望ましい。
他の実施形態では、(オプションの)第3の光路(図示せず)によって、反射器は、光源からの光を、光「ダンプ(dump)」に、すなわち光が吸収されるプロジェクタシステムの部分に、誘導することが可能となる。この場合、その光は、プロジェクタシステムから散逸される熱として浪費される。このように、プロジェクタシステムは、要求に応じて光を誘導することに関して、多様な自由度を有し得る。
図3は、光リサイクリングの実施を助ける近位端201(すなわち、光源に最も近い端)の一実施形態を示している。図示のように、光は、インテグレータロッド/チューブ/ボックス202を通って(例えば、複数回の反射によって)近位端201に戻るように進み得る。さらに、近位端201は、反射面をさらに含み得る裏側部分201aと、光源102からの光がプロジェクタシステムに入力され得るポート開口201bと、を有し得る。裏側部分201aに衝突する光は、(第1の変調器の反射器(群)が光を最終画像の形成のための第2の変調器または他の何らかの適切な光路に伝送する向きにされるまでの間、場合によっては複数回)インテグレータロッド202に沿って反射し返されることがある。図2および3の例は、(本明細書で提示する他の例と同様に)ディスプレイシステムを通る光路における何らかの点で光をリサイクルすることが可能な光リサイクルモジュールの一例とみなすことができる。
図14は、少なくとも1つのレーザおよび/または部分的にコヒーレントな有色光源1402、1404、1406用のモジュールとして機能し得る光リサイクルモジュール1400のさらに別の実施形態である。そのような光源からの光を、図3にあるような反射する近位端1410を有し得るインテグレータロッド1412への入力用に光を調整するための第1の光学サブシステム1408を通して、伝送することができる。第2の光学サブシステム1414は、第1の変調器1416への入力に先立って、光を要求通りにさらに調整することができる。上記の図2および3の場合と同様に、モジュール1400のこの第1枝で、上述のような光リサイクルモードを実施することができる。
第1の変調の後に、鑑賞用の最終画像を投影するためのプロジェクタ光学サブシステム1422を通した伝送用に光を変調する第2の変調器1420への入力に先立って、第3の光学サブシステム1418を通して光を伝送することができる。
[ハイライトの実施形態]
一実施形態では、オプションのハイライト変調器(highlights modulator)によって、その変調器を予備変調器と併用するのでなければ、利用できる光の一部を用いて、調整可能な照射を実現することができる。このことを具体化するために、機械的および/または非機械的サブシステムの両方と、ビームステアリング技術を採用することができ、例えば、機械的ステアリングを用いたシステム内の各種光路への照射源のステアリング部分、空間光変調器または他の空間変調方式によるホログラムが可能な場合がある。このようなシステムでは、所望の場所への光のステアリングによって効率を高めることが望ましい場合がある。
一実施形態では、オプションのハイライト変調器(highlights modulator)によって、その変調器を予備変調器と併用するのでなければ、利用できる光の一部を用いて、調整可能な照射を実現することができる。このことを具体化するために、機械的および/または非機械的サブシステムの両方と、ビームステアリング技術を採用することができ、例えば、機械的ステアリングを用いたシステム内の各種光路への照射源のステアリング部分、空間光変調器または他の空間変調方式によるホログラムが可能な場合がある。このようなシステムでは、所望の場所への光のステアリングによって効率を高めることが望ましい場合がある。
機械的ビームステアリングでは、水平方向および/または垂直方向の可動域にわたる制御が可能な反射素子群を使用することができる。制御された不均一照射を発生させるハイライト変調器の後に続いて、これらの反射素子は、これに到達した光を変調器の所望の領域へと誘導する。
非機械的ビームステアリング方法では、空間光変調器を使用することができ、これにより、変調器に到達した均一なコヒーレント光の位相をシフトさせる。位相シフトされた光は、レンズを通して結像するときに3次元ライトフィールド(three dimensional light field)を生成する。様々に異なるシャープネスまたはPSF特性を有する縮小次元結像から、2次元ライトフィールドを生成する後続の変調器の1つへと、3次元ライトフィールドを、様々に異なる平面を有する2次元ライトフィールドに結像させることができる。
実現態様に関わりなく、ハイライト変調とは、変調器を用いて、変調器に到達した光を後続の変調器上の任意の場所に誘導することを意味する。「任意の場所」という用語は、位置範囲および粒度などの制限があり得るものの、ハイライト変調器を他の変調器と区別するために使用され得る。
ハイライト変調素子の数、ハイライト変調器によって得られるPSF特性および総カバレッジに応じて、一部の実施形態では、それと主変調器/第2の変調器との間に予備変調器/第1の変調器を備える必要がない場合がある。一部の実施形態では、ハイライト変調器が、その後に変調(予備変調または主変調)を必要としないように、そのような性能を有し得ることが可能な場合がある。
[ハイライト変調から予備/主変調へのリレー光学系の制御]
いくつかの実施形態において、ハイライト変調器が予備変調器/第1の変調器または主変調器/第2の変調器上に生成する照射の点広がり関数形状を制御するために、リレー光学系を調整することが可能であり得る。一部の実施形態では、半値全幅の大きさを調整するため、ならびにPSFの形状または裾を制御するため、の制御を備えることができる。光リサイクリングを採用している場合には、インテグレータロッドを追加的に通過することによって光の均一性および角度多様性が変化し、この変化が結果的に得られるPSFに影響を及ぼすので、結果的に得られる性能を予測、監視、および/または測定することが望ましい場合がある。
いくつかの実施形態において、ハイライト変調器が予備変調器/第1の変調器または主変調器/第2の変調器上に生成する照射の点広がり関数形状を制御するために、リレー光学系を調整することが可能であり得る。一部の実施形態では、半値全幅の大きさを調整するため、ならびにPSFの形状または裾を制御するため、の制御を備えることができる。光リサイクリングを採用している場合には、インテグレータロッドを追加的に通過することによって光の均一性および角度多様性が変化し、この変化が結果的に得られるPSFに影響を及ぼすので、結果的に得られる性能を予測、監視、および/または測定することが望ましい場合がある。
[予備変調/第1の変調の実施形態]
いくつかの実施形態において、予備変調/第1の変調では、主変調器への途中で予備変調器に到達する光を変調する能力を必要とし得る。場合によっては、予備変調は、システムコントラストを向上させるために採用されることがある。ハイライトすること(highlighting)によって、非結像の予備変調器照射に加えてハイライト画像で予備変調器を照射し得ることが可能である。
いくつかの実施形態において、予備変調/第1の変調では、主変調器への途中で予備変調器に到達する光を変調する能力を必要とし得る。場合によっては、予備変調は、システムコントラストを向上させるために採用されることがある。ハイライトすること(highlighting)によって、非結像の予備変調器照射に加えてハイライト画像で予備変調器を照射し得ることが可能である。
いくつかの実施形態において、適切な予備変調器/第1の変調器は、DMD、LCD(Liquid Crystal Display:液晶ディスプレイ)、LCoS(Liquid Crystal On Silicon:液晶オンシリコン)、または他の強度変調器であり得る。実現態様に関わりなく、予備変調は、到達した光強度を後続の変調器に向けて変調するために用いることができる。予備変調器素子(例えば、ミラー、画素など)は、それぞれ、後続の変調器上の、または予備変調器の後続のさらなる変調がない場合にはスクリーン上の、決まった位置に影響を及ぼす。予備変調素子の数、予備変調器によって得られるPSF特性および総カバレッジに応じて、予備変調器の後続の主変調器を備える必要がない場合がある。予備変調器が、その前または後に変調(例えば、ハイライト変調または主変調)を必要としないように、そのような性能を有し得ることが可能である。
[予備変調から主変調へのリレー光学系の制御]
これは、ハイライト変調器または予備変調器が主変調器上に生成する照射の点広がり関数形状を制御するために、リレー光学系を調整する能力を意味する。半値全幅の大きさを調整するため、ならびにPSFの形状または裾を制御するための制御を備える。予備変調器を用いたリサイクリングを採用することが可能であり、インテグレータロッドを追加的に通過することによって光の均一性および角度多様性が変化し、この変化が結果的に得られるPSFに影響を及ぼすので、結果的に得られる照射強度を監視、モデル化、予測、および/または測定することが望ましい場合がある。
これは、ハイライト変調器または予備変調器が主変調器上に生成する照射の点広がり関数形状を制御するために、リレー光学系を調整する能力を意味する。半値全幅の大きさを調整するため、ならびにPSFの形状または裾を制御するための制御を備える。予備変調器を用いたリサイクリングを採用することが可能であり、インテグレータロッドを追加的に通過することによって光の均一性および角度多様性が変化し、この変化が結果的に得られるPSFに影響を及ぼすので、結果的に得られる照射強度を監視、モデル化、予測、および/または測定することが望ましい場合がある。
[主変調器の実施形態]
主変調/第2の変調では、スクリーンへの途中で主変調器に到達する光を変調する能力を必要とし得る。いくつかの実施形態では、これにより、高コントラスト、ならびに所望の空間および強度分解能を有して、結果的に得られる画像品質が確保される傾向があり得る。いくつかの実施形態では、非結像の主変調器照射に加えて、ハイライト変調器および/または予備変調器の画像で主変調器を照射し得ることが可能な場合がある。
主変調/第2の変調では、スクリーンへの途中で主変調器に到達する光を変調する能力を必要とし得る。いくつかの実施形態では、これにより、高コントラスト、ならびに所望の空間および強度分解能を有して、結果的に得られる画像品質が確保される傾向があり得る。いくつかの実施形態では、非結像の主変調器照射に加えて、ハイライト変調器および/または予備変調器の画像で主変調器を照射し得ることが可能な場合がある。
いくつかの実施形態において、適切な主変調器/第2の変調器は、DMD、LCD、LCoS、または他の強度変調器であり得る。実現態様に関わりなく、主変調/第2の変調は、その変調器に到達した光強度をスクリーンに向けて変調するように機能し得る。主変調器素子(例えば、ミラー、画素など)は、それぞれ、スクリーン上の決まった位置に影響を及ぼす。投影光学系によって決まる全体的なサイズおよび形状の投影スクリーン画像を形成するために、各位置のサイズおよび形状は一貫していなければならない。主変調器のコントラスト範囲によっては、ハイライト変調器または予備変調器を使用する必要がない場合がある。主変調器が、その前に変調(ハイライト変調または予備変調)を必要としないように、そのような性能を有し得ることが可能である。主変調器を用いたリサイクリングを採用することが可能であり得る。所望の画像が形成されることを確保するように、照射調整または変調器への信号を変化させることによる補正のために、結果的に得られる照射強度レベルを経時的に把握することが望ましい。このレベルを測定することが可能である。また、このレベルをアルゴリズムでモデル化して予測することも可能である。
[他のプロジェクタシステムの実施形態]
図4は、光リサイクリングを実施することが可能かつ/または望ましい場合があるデュアル/マルチ変調器プロジェクタシステム400の他の実施形態を示している。図示のように、プロジェクタシステム400は、1つ以上の光源(例えば、402aおよび/または402bまたは他の追加の光源)を備え得る。本実施形態では、光源402aは、図2Aの実施形態に類似したものであり得るインテグレータサブシステム/ボックス404a内に光を供給する。402aからの光は、やがて第1の変調器406に到達することができ、その第1の変調器406は、図1A、1B、1C、および/または2と略同じ(すなわち、インテグレータサブシステム/ボックス404a内に光を反射し返し得る反射器を有する)ように構成することができる。次に、光は、光学サブシステム408、第2の変調器410に進むことができ、その後、プロジェクタレンズ412に達して、最後的な投影画像がスクリーン414上に形成され得る。
図4は、光リサイクリングを実施することが可能かつ/または望ましい場合があるデュアル/マルチ変調器プロジェクタシステム400の他の実施形態を示している。図示のように、プロジェクタシステム400は、1つ以上の光源(例えば、402aおよび/または402bまたは他の追加の光源)を備え得る。本実施形態では、光源402aは、図2Aの実施形態に類似したものであり得るインテグレータサブシステム/ボックス404a内に光を供給する。402aからの光は、やがて第1の変調器406に到達することができ、その第1の変調器406は、図1A、1B、1C、および/または2と略同じ(すなわち、インテグレータサブシステム/ボックス404a内に光を反射し返し得る反射器を有する)ように構成することができる。次に、光は、光学サブシステム408、第2の変調器410に進むことができ、その後、プロジェクタレンズ412に達して、最後的な投影画像がスクリーン414上に形成され得る。
一方、もう1つの(または、他の実施形態では1つより多くの)別の光源402bを用いることによって、光リサイクリングのための別の機会を発生させることができる。一実施形態では、光源402bを、もう1つの主光源として(すなわち、相当な時間、最終画像のための相当量の光を供給するために)採用することができる。本実施形態では、402bからの光を、反射器403でさらに反射することができ、この光を、ビームスプリッタ405において402aからの光と合成することができ、この合成ビームで、相当な時間、最終画像を形成する。
他の実施形態では、画像の一部の範囲内でハイライト照射を提供するために、より少ない時間、光源402bを使用することができる。反射器403は、場合によっては(例えば、光をダンプまたは他のリサイクルサブシステムに誘導するために)可動である単一ミラーであり得るということは理解されるべきである。あるいは、402bからの追加の光のより細かい微調整を得るために、反射器403は、反射体(例えば、MEMS、DMDなど)のセットおよび/またはアレイであってよい。
さらに別の実施形態では、光源402bはオプションとすることができ、インテグレータサブシステム/ボックス404bは、光源402bがあるかもしれない場所の近位にある端に完全反射面を有することができる。本実施形態では、光は、(例えば、ボックス404a内と同様に、ボックス404b内に)光をその中でリサイクルするためのもう1つの光路を有し得る。他の実施形態では、405として、ワンウェイミラーを使用することが可能な場合がある。この場合、反射器403は、光を404b内にリダイレクトし得る単なる制御可能なミラーであり、従って、反射器403は、リサイクリングのためにシステムを「折り畳む(fold)」ことのみ必要であり得る。そのような実施形態では、光を404a内でリサイクルさせる必要はない場合があり、代わりに404b内で光をリサイクルさせることができる。これは、リサイクル反射器が光入力用の孔を備えなくてもよく、はるかに効率的なリサイクラ(recycler)となるので、望ましい場合がある。
図5は、さらに別の実施形態であって、光リサイクリングが可能かつ/または望ましい場合がある実施形態である。プロジェクタシステム500は、光源502と、前述のようなインテグレータサブシステム/ボックス504と、を備え得る。偏光子505は、光の選択可能な部分を一方向に偏光するLCDのような制御可能な偏光子であり得る。ビームスプリッタ506は、一方向の偏光を均一なライトフィールド514として真っ直ぐに通過させる偏光ビームスプリッタとすることができ、その光は、516を用いて合成されて主変調器518に達する。他の方向に偏光した光は、506で、508としてリダイレクトされる。ミラー510は、システムを折り畳み、システムの構成に応じて予備変調器またはハイライト変調器512のいずれかに光を到達させるためのミラーであり得る。
その後、512からの不均一なライトフィールドは、516を用いて514と合成されて、518を照射する。512が予備変調器である場合には、画像522の極めて暗い部分の暗さを外れた512の第1段階よりも低い何らかの基準レベルの照射を提供するために、ビーム514を用いることができる。あるいは、512がハイライト変調器である場合には、514を用いて、512で生成される不均一なライトフィールド内の光が存在しない領域において画像522で必要とされる均一な光レベルを提供する。
他の実施形態では、(図3に示すものと同様の)リサイクル型インテグレータロッドを510と512の間(または506と510の間)に導入し、(例えば、反射裏面を有しない)非リサイクル型インテグレータロッドを506と516の間に導入することが可能であり得る。このような実施形態では、光を高密度ビームとして維持するために、502の後の504を取り除くことが望ましい場合がある。
[概略的な一実施形態]
図6Aおよび6Bは、このような光リサイクリングのための複数の機会が得られるプロジェクタシステムについて、1つ以上の可能な実施形態を概略的に示している。図6Aは、デュアル/マルチ変調器プロジェクタシステムで可能であり得る処理600を概略的に示している。この処理は、様々なレーザ、コヒーレント光源、または部分的コヒーレント光源からの光を含むことができ、その場合、例えばレーザ光は、パルス状(602)であるか、またはレーザダイオード604によって供給され得る。そのような光は、(上記の実施形態のいくつかに関連して記載したような)様々なアーキテクチャおよび態様で、合成および伝送(606)することができる。その後、光を、成分(例えば、610~620)に分離(608)することができ、さらに、この光を、ハイライト照射(628)、ダンプ照射(630)、予備変調(または第1の変調器)照射(626)、主変調(または第2の変調器)照射(624)のような様々な機能を果たすように、合成および分離(622)することができる。
図6Aおよび6Bは、このような光リサイクリングのための複数の機会が得られるプロジェクタシステムについて、1つ以上の可能な実施形態を概略的に示している。図6Aは、デュアル/マルチ変調器プロジェクタシステムで可能であり得る処理600を概略的に示している。この処理は、様々なレーザ、コヒーレント光源、または部分的コヒーレント光源からの光を含むことができ、その場合、例えばレーザ光は、パルス状(602)であるか、またはレーザダイオード604によって供給され得る。そのような光は、(上記の実施形態のいくつかに関連して記載したような)様々なアーキテクチャおよび態様で、合成および伝送(606)することができる。その後、光を、成分(例えば、610~620)に分離(608)することができ、さらに、この光を、ハイライト照射(628)、ダンプ照射(630)、予備変調(または第1の変調器)照射(626)、主変調(または第2の変調器)照射(624)のような様々な機能を果たすように、合成および分離(622)することができる。
一実施形態では、グローバルディミング(global dimming)のために、表示領域全体に均一に影響を及ぼすようにレーザパワーを調整する傾向がある。これは、レーザおよび/または光源パワーを調整することが可能なプロジェクタシステムにおいて、一部の画像およびシーンに適している場合がある。一方、状況によっては、低輝度レベルでは、制御可能な基準レベルの均一照射をハイライト変調器、予備変調器/第1の変調器、または主変調器/第2の変調器に直接当てることが効果的な場合がある。この種のレーザパワー調整を制御することは、別の形のグローバルディミングであると考えられる。
ディスプレイシステムにおいて複数のレーザ源(それぞれに制御可能な光源としての個別レーザもしくはレーザ群、またはレーザもしくはレーザ群をそれぞれ制御可能な光源に分割することによるもののいずれか)を採用している一実施形態では、1つずつが表示領域の一部に影響を及ぼして、ローカルディミング(local dimming)を可能とするように、それらを空間的に配列することが可能であり得る。この方法は、それらのローカルディミング領域が空間的に固定されているという点で、ハイライト変調ローカルディミング領域が空間的に調整可能であり得るハイライト変調器とは異なる。ミラーに到達した光を、変調器上の所定の空間領域に光を誘導する分割インテグレータロッドのような空間配向させたファイバまたは光学部品に誘導することによって、各領域に対するレーザパワー調整を制御するために、機械的な光ステアリングを用いることが可能である。
そのような場合、機械的な光ステアリング装置は、ハイライト変調器および/または予備変調器ではなく、レーザパワー調整の一部とみなすことができるが、これらのシステムで、機械的ステアリングにおいて個別に制御可能な要素の数が、空間領域の数よりも多い場合には、各領域の光源を直接変化させる必要はなく、固定光源または可変光源からの照射を空間的に再分配することが可能であるというさらなる利点がある。それらの変調器に対するレーザ照射の空間的適用は、各々の変調器に対する照射光学系によって制御することができる。グローバルディミングのためには、照射光学系(例えば、レンズ、インテグレータロッドなど)による照射によって、変調器を均一に照射するように構成することができる。ローカルディミングのためには、照射光学系(例えば、レンズレットアレイ、分割インテグレータロッドなど)による照射は、各光路を進んで、適切なPSFを構成するように変調器の所望の部分に広がるように設計することができる。
照射の大部分を予備変調器/第1の変調器が受けると予測される実施形態において、光リサイクリングを実施する場合には、分割もしくはレーザパワー制御によるか、またはコントラストを低下させ得る補正のための変調器を使用することによるか、いずれかによって、その照射を調整可能とすることが望ましい場合がある。
[いくつかの概略的な実施形態]
図6Bは、図6Aに示すような処理を実施し得るプロジェクタシステムについて、いくつかの概略的な実施形態を示している。システム632は、オプションとして、ハイライト変調器636への光路634内に入射するハイライト照射628を提供することができる。この光は、光路644を介した予備変調(または第1の変調器)への光路642に送られ得るか、または光はダンプ(638)されて、さらに場合によっては640でリサイクルされ得るか、いずれかである。
図6Bは、図6Aに示すような処理を実施し得るプロジェクタシステムについて、いくつかの概略的な実施形態を示している。システム632は、オプションとして、ハイライト変調器636への光路634内に入射するハイライト照射628を提供することができる。この光は、光路644を介した予備変調(または第1の変調器)への光路642に送られ得るか、または光はダンプ(638)されて、さらに場合によっては640でリサイクルされ得るか、いずれかである。
予備変調器/第1の変調器の段階では、光路652を介して626で光を入力することができる。この光を、前述のように、予備変調器/第1の変調器646でハイライト照射と合成することができる。この光は、(例えば、予備変調画像654を形成して)主変調器/第2の変調器に送られ得るか、またはダンプされて、さらに648でリサイクルされ得るか、いずれかである。
主変調器/第2の変調器(660)は、予備変調器/第1の変調器または主変調照射624からの光を(例えば、光路656、658をそれぞれ介して)受けることができる。この光を、主画像662として、(場合によっては、光源がコヒーレントまたは部分的にコヒーレントである場合には、振動を伴う)投影スクリーン668上に投影画像666を形成する投影光学系664に送ることができ、そしてオーディトリアム(auditorium)670などで鑑賞され得る。それ以外であれば、光は、ダンプされて、さらに674でリサイクルされ得る。
この概略図で、様々な可能なプロジェクタシステムをサポートすることができ、それらのすべてが本出願の範囲に包含されることは理解されるであろう。プロジェクタシステムアーキテクチャで、本出願の目的のための光リサイクリングの1回以上の機会をサポートできれば、十分であり得る。
[制御アルゴリズムの実施形態]
上述のように、画像、画像セット、またはビデオの投影の最中には、最終投影画像を形成するために光源の全パワーの使用が望まれないことが何度もある。その場合、光の一部を、より高輝度の画像を形成するために必要となるまで、(略無制限に)何度もリサイクルすることができる。さらに、反射器220が実際には一組の反射体(または反射体アレイ)を有し得るので、光をリサイクルする機会は、ローカルディミングに基づくものとすることが可能であり得る。1つの可能な実施形態では、グローバルディミングまたはローカルディミングに基づいて、最終投影画像を形成するために利用できる光のすべてが必要ではないときに、光リサイクリングを採用し、そしてその後、それを、例えば最終投影画像において「ハイライト」を投影するために、目的を持って使用することが可能であり得る。ハイライトは、画像の一部分であって、その部分を強調するために、画像のその周辺部分よりもかなり高い輝度エネルギーを誘導することが要求される部分であり得る。
上述のように、画像、画像セット、またはビデオの投影の最中には、最終投影画像を形成するために光源の全パワーの使用が望まれないことが何度もある。その場合、光の一部を、より高輝度の画像を形成するために必要となるまで、(略無制限に)何度もリサイクルすることができる。さらに、反射器220が実際には一組の反射体(または反射体アレイ)を有し得るので、光をリサイクルする機会は、ローカルディミングに基づくものとすることが可能であり得る。1つの可能な実施形態では、グローバルディミングまたはローカルディミングに基づいて、最終投影画像を形成するために利用できる光のすべてが必要ではないときに、光リサイクリングを採用し、そしてその後、それを、例えば最終投影画像において「ハイライト」を投影するために、目的を持って使用することが可能であり得る。ハイライトは、画像の一部分であって、その部分を強調するために、画像のその周辺部分よりもかなり高い輝度エネルギーを誘導することが要求される部分であり得る。
他の実施形態では、やはりグローバルディミングまたはローカルディミングに基づいて、先行するものよりも平均して高輝度である画像またはシーンの場合に、その画像またはシーンの輝度を向上させるために光リサイクリングを採用することが可能であり得る。それらの機会は、図6Bに見られるように、予備変調器/第1の変調器段、または主変調器/第2の変調器段の照射の際に生じ得る。
一実施形態では、プロジェクタシステムは、いかにして最適に光リサイクリングを採用するかに関して、コントローラによって、これが入力画像/ビデオデータを処理する際に判断することができる。リサイクルするという決定は、画像データを処理するときにオンザフライで、またはフレーム、フレームセット、もしくはシーンごとのルックアヘッド方式で事前に、下すことができる。他の実施形態では、ビデオおよび/またはシーンの全体をオフラインで分析することができ、そして制御信号を、関連したメタデータストリームの一部として、画像/ビデオデータと共にコントローラに送ることができる。
図7Aは、光リサイクリングを実施するためのフローチャートの一実施形態である。制御システム/方法700では、702で、画像データを入力することができる。システム/方法は、(例えば、図7Bに示すような)応答曲線および/または応答テーブルに基づいて、変調器の個別変調色(IMC:Individually Modulated Color)の各々について平均画像レベル(APL:Average Picture Level)を計算することができる。図7Bのグラフに示すように、それぞれの個別色は、所与のDMD充填率に対して異なる相対輝度を示し得る。光リサイクリングを実施する際には、視覚的な色アーチファクトを除去および/または軽減するために、これらの色による違いを考慮することが望ましい場合がある。理解されるべきことは、図7Aおよび8のフローチャートでは、リサイクリングによって均一なライトフィールドが生成されると仮定できる一方、図9のフローチャートでは、リサイクリングによる空間的強度変動を考慮して図7Cおよび10のテーブルを採用することができるということである。例えば、図7Cに示すテーブルによれば、入力画像を画像領域の5×4配列に分割することができ、画像領域の各々における光リサイクリングは、0%から40%まで、説明したように調整することができる。
図7Aに戻って、706で、システム/方法は、各IMCの相対輝度増加を特定することができる。これが達成されたら、システム/方法は、各IMCの輝度増加の逆数に、照射源強度を低下させるようにディスプレイシステムに指示することができる。例えば輝度増加の何らかの関数の何らかの反比例関係など、照射源強度と輝度増加との間に他の関数関係が可能かつ/または望ましい場合があることは理解されるべきである。「逆数」という用語が本明細書で使用される場合に、そのような他の実施形態も可能であることは理解されるであろう。708で、光源強度を調整することが可能であるが、一部の実施形態では、リサイクリングは同じままであってよい(例えば、光源低下によって、変調器への照射が多すぎないように絶対値のみ変更されればよく、リサイクリングのパーセンテージは変更されなくてよい)。光は高速で進み、最も高速のPWMサイクルであっても相対的には極めて遅いため、リサイクリングは瞬時的なものと考えることができ、その結果の照射レベルは、変調器がその現在の状態に切り替わった直後に達成され得る。
主変調器(例えば、変調を複数の時間区間に広げる変調器)としてDMD(群)を採用するシステムの場合には、時間区間ごとに変調器状態および結果としてのリサイクルレベルがあってよく、それぞれを計算および補正することができる。予備変調器としてDMD(群)を採用するシステムの場合には、システムは、フレームごとに1回のみ変化し得る2値ハーフトーンパターンでそれらDMDを駆動し得るので、時間区間は1つのみの場合がある(例えば、実際には、フレームごとに1~4回変化し得るが、これは、DMD主変調器の場合の数十~数百の時間区間よりも著しく少ない場合がある)。主変調器としてLCDおよびLCoSを採用する実施形態では、表示中に、これらを(DMDと比較して)低速で切り替えることができるので、結果としてのリサイクリングは、いかにして補正するか決定するために、その時間にわたってインテグレートすることができる。
図7Aの制御システム/方法は、概して、任意のデュアル/マルチ変調器ディスプレイシステムで機能し得るが、この制御は、(例えば、図1Bと同じまたは類似の形態で構成され得るような)シングル変調器プロジェクタシステムの説明でも機能することができる。主変調器でのリサイクリングは、DMD、LCoS、およびLCDによるシステムの時系列性から得られることがある。
図8は、光リサイクリングのためのさらに別の制御システム/方法(800)である。制御は、802で、画像データの入力を開始することができる。804で、システムは、各IMCについてAPLを計算することができる。次に、システムは、806で、各IMCの相対輝度増加を特定することができる。808で、システムは、各IMCの輝度増加の逆数に最も近い設定に、照射源強度を低下させることができ、場合によってはその逆数値を下回ることがないように低下させることができる。一実施形態では、システムは、変調器で光を増加させることなく減少させることを想定することができ、そのような場合、システムは、照射源を所要レベル未満に低下させることは望まれない可能性がある。一方、他の実施形態では(例えば、変調器画像の大部分が暗い場合に)、その逆の傾向があり得る(例えば、システムは、照射を減少させて、より多くの光を通過させるように変調器を設定することができる)。そのような場合、ステップ808では、各IMCの輝度増加の逆数に最も近い設定に照射源強度を低下させるとともに、さらに変調器補正が可能であるように進行し得る。
次に、システムは、810で、輝度増加の所望の逆数と、照射源で得られる設定との差を補償するために、変調器に誘導される像の強度を低下させることができる。あるいは、ステップ810で、輝度増加の所望の逆数と、照射源で得られる設定との差を補償するために、変調器に誘導される像の強度を調整してもよい。
図9は、光リサイクリングのための制御システム/方法のさらに別の実施形態である。ただし、この制御システム/方法は、リサイクリングに起因する光の不均一性を考慮および/または調整する必要があり得るとともに照射強度制御が細かい粒度または連続的であるディスプレイシステムにおいて、良好に機能し得る。システム/方法900では、902で、画像データを入力することができる。904で、システムは、各領域の(すなわち、いくつかの異なる領域に画像が分割され得る場合の)IMCについて、APLを計算することができる。906で、システムは、実験的統計に基づいて、各領域の各IMCの相対輝度増加を特定することができる。システムは、(例えば、いくつかの領域はオフで、残りはオンである)パターンを変調器に誘導し、光の分布を観測することができる。暗領域の位置に応じて、そのリサイクルされる光は不均一に変調器に戻り得る。この不均一性を変調器において補正する必要がある。
908で、システムは、各IMCについて、最も低い輝度増加を有する領域の逆数に、照射源強度を低下させることができる。システムは、照射源強度設定に基づいて、各領域の各IMCの相対輝度増加を特定することができる。次に912で、システムは、その領域の輝度増加の所望の逆数と、照射源の設定との差を補償するために、変調器の各領域に誘導される像の強度を低下させることができる。
入力画像が画像領域の5×4配列に分割されていることを前提として、図10は、(例えば、実験的統計の一部として導出されるような)何らかの変調器領域パターンを所与として、変調器における光リサイクリングの不均一なレベル設定についての、部分的に記入されたテーブル(例えば、測定、推定、および/または計算によって、中央とコーナの値のみが記入されており、残りは同様にして埋めることができる)の例を示している。他の態様では、パターンを提示して、その後、結果としてのリサイクルレベルを、その特性に基づいて調整することが可能であり得る。例えば、表1は、画像領域の3×3配列に分割された画像の輝度特性を示している(例えば、各領域において、平均輝度レベルまたはピーク輝度レベルが所定の輝度閾値(例えば、10ニット)を上回るか下回るかを示している)。例えば、右下領域はOFF(または閾値未満)であるので、一実施形態では、表2に示すように、この領域のより近くで、光リサイクリングが最も多く実施され得るとともに、より遠くに位置する画像領域では減少し得る。実験によって導出された多くのこのようなテーブルを、906で使用することができる。
1102で、システムは、鑑賞用の所望の画像を入力することができる。1104で、システムは、個別変調色(IMC)の各々について、予備変調器で生成されることが要求される(またはその他の要求される)ライトフィールドを計算することができる。1106で、システムは、その予備変調器の各IMCについて、平均画像レベル(APL)を計算することができる。1108で、IMCの各々の相対輝度増加を、そのAPLに基づいて特定することができる。次に1110で、システムは、各IMCの輝度増加の逆数に、照射源強度を低下させることができる。
図12は、特に、例えば図5に示すように、画像の投影のために偏光を採用し得るシステムにおいて、照射源強度を低下させるためのアルゴリズム(1200)の一実施形態である。
1202で、システムは、鑑賞用の所望の画像を入力することができる。1204で、システムは、場合によってはIMCの各々について、主変調器に直接向けられるべき(例えば、図5の514のような)光量を計算することができる。次に1206で、システムは、各IMCについて、予備変調器で生成されることが要求されるライトフィールドを計算することができる。次に1208で、その予備変調器の各IMCについて、APLを計算することができる。次に、システムは、1210で、各IMCの相対輝度増加を、そのAPLに基づいて特定することができる。1212で、システムは、各IMCの輝度増加の逆数に、照射源強度を低下させることができる。これは、各IMCについて、主変調器に直接向けられるべき光量も含み得る。次に1214で、システムは、所望の光量を主変調器に直接向けることができるように、ビームスプリッタ(例えば、506)への偏光を揃えるために、偏光子(例えば、505)を調整することができる。
図13は、ディスプレイシステムが光リサイクリングに関わり得ることを想定することなく生成された画像を入力することができるアルゴリズム(1300)の一実施形態である。一実施形態では、システムは、光リサイクリングのための調整を多くの可能な方法で実施することができ、例えば、メタデータによって芸術的意図を保護しつつ、「EDR(Enhanced Dynamic Range)マスタ」のグレーディングおよびターゲットディスプレイ能力へのマッピングを採用することができる。
1302で、システムは、鑑賞用の所望の画像を入力することができる。この画像は、リサイクリングが実施されない/はずであったと仮定して作成されたものであってよい。1304で、システムは、各IMCについて、APLを計算することができる。1306で、システムは、各IMCの相対輝度増加を、そのAPLに基づいて特定することができる。次に、システムは、1308で、各IMCについて実現可能な輝度範囲を、ディスプレイ管理アルゴリズムに供給する(あるいは計算する)ことができる。1310で、ディスプレイ管理アルゴリズムは、リサイクル範囲に基づいて表示されるべき画像を生成することができ、それは、リサイクリングによって各IMCで実現可能なものよりも輝度が低いものであり得るが、場合によっては、それより高くはないものであり得る。次に1312で、システムは、各IMCについて、新たなAPL(NAPL:New APL)を計算することができる。1314で、システムは、各IMCの新たな相対輝度増加を、そのNAPLに基づいて特定することができる。その後、システムは、1316で、各IMCのNAPLの逆数に、照射源強度を低下させることができる。
[高ダイナミックレンジプロジェクタシステム用のリレー光学系]
引き続き図14を参照すると、リレー光学システム1418は、第1の変調器1416(例えば、予備変調器)と第2の変調器1420(例えば、主変調器)との間に導入されることを示している。このようなリレー光学システムは、画像処理におけるアーチファクト量を低減するためであるとともに、投影画像のコントラストを向上させるためにも、望ましい場合がある。
引き続き図14を参照すると、リレー光学システム1418は、第1の変調器1416(例えば、予備変調器)と第2の変調器1420(例えば、主変調器)との間に導入されることを示している。このようなリレー光学システムは、画像処理におけるアーチファクト量を低減するためであるとともに、投影画像のコントラストを向上させるためにも、望ましい場合がある。
本明細書で記載する一実施形態の説明では、第1の変調器/予備変調器は、画像データ値に基づいて、明細書に記載されたハーフトーン画像のような、ぼかしを付与および/またはデフォーカスした画像を生成することが望ましい場合がある。多くの実施形態では、予備変調器から主変調器までの間に、均一にぼかしを付与/デフォーカスした画像を生成する傾向があるリレー光学システムを備えることが望ましい場合がある。さらに、本実施形態では、所望のデフォーカスされたスポット形状を有することが望ましい場合がある。
多くの実施形態では、リレー光学システムは、焦点面を効果的に移動させ、コマ収差を補正し、(例えば、いくらかの望ましい量まで、デフォーカス/ぼかしを付与するとともに、球面収差を付与することによって)広がりを調整するような、レンズまたは他の光学素子を有し得る。
例えば、図15は、1つの望ましい可能性のあるスポット形状1502を示しており、これは、概ねガウス形状であって、ここで、x軸は距離(mm)であり、y軸は相対照射量である(例えば、「1」は最大照射であり、「0」は暗である)。なお、光リサイクリング、またはハイライトを供給する他のシステム/方法、を提供し得るシステムでは、様々な時点で照射が「1」を超え得るということに留意すべきである。
図14の光学システム1418の他に、図16は、本出願の目的に適したリレー光学系1600のさらに別の実施形態である。リレー光学系1600の両端に、例えば1602aと1602b(例えば、ここでは展開したプリズムシステムとして示している)の2つの変調器を配置することができる。本明細書でさらに記載されるように、第1の変調器1602aは、予備変調器であってよく、第2の変調器1602bは、主変調器であってよい。
第1の変調器1602aによって伝送される光は、第2の変調器1602bを照射する前に、集束レンズ群1604、コマ収差補正レンズ群1606、およびフィールド平坦化/球面収差導入レンズ群1608を通して、さらに伝送されることができる。多くの実施形態では、リレー光学系は、略テレセントリックであってよく、例えば、主光線(すなわち、開口絞りの中心を通過する斜光線)は、システムの前または後ろにおいて、それぞれ光軸に略平行である。
図17および18は、それぞれ集束群1604およびコマ収差補正レンズ群1606の実施形態を示している。図17に示すように、第1の変調器1602aからの光は、集束群1604に伝送される。集束群1604は、さらに、平凸レンズであり得る第1のレンズ1604aを含み得る。レンズ1604bおよび1604cは、平凸レンズまたはわずかなメニスカス(meniscus)を有するレンズを含む2つのレンズであり得る。
これらのレンズの各々は、所望の球面収差量を有するように構成され、これとデフォーカスとの組み合わせによって、主変調器が配置される像面において(図15に示すような)適切な光分布が得られる。より少数のよりハイパワーの要素よりも、複数の弱いレンズによって、所望の球面収差量がより容易に得られる。また、レンズ素子間の距離も、これらの収差の所望量を実現する助けとなり得る。
上述のように、ぼかしおよび/またはデフォーカスの量は、レンズ1604aとレンズ1604bとの間の距離に応じて、設定および/または制御することができる。一実施形態では、第2の変調器を照射するための十分なデフォーカス/ぼかしを付与するためには、約5~9mmの距離および/または空隙が適切であり得る。集束群1604の他の実施形態では、要素のうちの2つの間の空隙を変化させることによって、焦点を変化させる能力を実現し、これにより、主変調器におけるスポットサイズを調整することができる。これに関連して、要素による調整可能な焦点は、所望の球面収差を生成する傾向もあり得る。
一実施形態では、プロジェクタシステムは、製造時に1度、この距離を設定することができ、それらのレンズを、プロジェクタシステムの耐用寿命にわたって、永久マウントに設定することができる。他の実施形態では、動作の過程で、その距離を、動的に変更することができる。そのような実施形態では、リレー光学系において、レンズのうちの1つ以上を可動に取り付けることができ、その距離は、可動マウントに制御信号を供給するコントローラによる要求に応じて、調整することができる。
図18は、集束群1604からの光がコマ収差補正群1606に伝送されることを示している。本プロジェクションシステムのいくつかの実施形態と同様に、互いに対して傾斜した光学素子を有し得る2つの変調器(例えば、2つの変調器は、複数のプリズムなどを有している)の間で光が伝送されることで、ある程度のコマ収差および/または非点収差(stigmatism)が導入される傾向があり得る。従って、多くの実施形態では、このコマ収差および/または非点収差を補正するために、コマ収差補正群1606を光路内に導入することができる。コマ収差/非点収差を補正する1つの方法は、図18に示すように、第2のレンズ1606bの光軸1607bに対して第1のレンズ1606aの光軸1607aを所望の量でオフセットさせることによって実現することができる。一実施形態では、両方のレンズ1606aおよび1606bは、わずかにメニスカスであってよく、その場合、例えば、光路に対して近位の面がわずかに凹状であり、光路に対して遠位の面がわずかに凸状である。一方または両方を平凸レンズとすることが可能であり得る。
さらに、コマ収差補正群1606は、光の色補正を提供するように構成され、これにより、例えば、均一な拡大率が得られるとともに追加の補正光学素子の使用をいずれも避けるようにして、プロジェクタシステムで複数の色光(例えば、赤色、緑色、青色)を採用することができる。正素子(positive element)が、低分散のクラウンガラスで構成され、群1606の負素子(negative element)が、高分散のフリントガラスで構成される場合には、すべての光波長が略同等に主変調器に集束されるように、ガラスおよび素子の形状を選択することができる。また、この特徴によって、各色に対して同じ拡大率を得ることもでき、3色プロジェクタにおいて、図16の光学系を、各色の光路について同等に構成することができる。
コマ収差補正群1606からの光を、フィールド平坦化/球面収差導入群1608に伝送することができる。第2の変調器に伝送される光のための点広がり関数(例えば、概ねガウス分布のPSF)に追加のデフォーカス/ぼかしを付与するための追加の球面収差を得るために、群1608を採用することができる。
いくつかの実施形態において、様々に異なる構成として、1つ、2つ、または3つの群を有し得るリレー光学系を備えることが可能であり得る。例えば、1つのリレー光学系に、様々に異なる組み合わせで、集束群、コマ収差補正群、および/または球面収差導入群を含むことができる。
[光リサイクリングを採用するプロジェクタシステム用のリレー光学系]
本明細書に記載の光リサイクルシステムを採用するプロジェクタシステムにおいて、図19は、1つの可能な実施形態を示しており、これは、第1の変調器1602aと、第2の変調器1602bと、リレー光学系と、を備え、リレー光学系は、集束群2004と、コマ収差補正群2006と、球面収差導入群2008と、を有し得る。集束群2004およびコマ収差補正群2006および球面収差導入群2008は、上述のような光リサイクリングを用いない場合と略同じように、機能し得るとともに、設定することができる。
本明細書に記載の光リサイクルシステムを採用するプロジェクタシステムにおいて、図19は、1つの可能な実施形態を示しており、これは、第1の変調器1602aと、第2の変調器1602bと、リレー光学系と、を備え、リレー光学系は、集束群2004と、コマ収差補正群2006と、球面収差導入群2008と、を有し得る。集束群2004およびコマ収差補正群2006および球面収差導入群2008は、上述のような光リサイクリングを用いない場合と略同じように、機能し得るとともに、設定することができる。
ただし、光リサイクリングを採用するシステムでは、第1の変調器1602aからの光が、(1602aの面2001から伝送される光で示すように)リレー光学系に入る光路に対して異なる入射角を有することが望ましい場合がある。この入射角を補正するために、第2の変調器1602bの近位側にプリズム2010を導入することができる。このようになり得るのは、物体(予備変調器1602a)から出射する光は、予備変調器1602aに対して(この場合、主光線角度として参照される)概ね36度の入射角であり、その光が24度の入射角で主変調器1602bに到達するからである。これによって、リサイクリングを採用しない場合には見られない光路における対称性の損失が生じる傾向があり得る。物体面のすべてのコーナから像面まで光が進む(ガラスと空気の両方の)光路は、略同等であることが望ましい場合がある。像面が主変調器1602bに対して傾斜していることが分かっている場合には、光路における1つ以上のプリズムにガラス楔2010を追加することができ、そのような楔の形状は、集束群2004、コマ収差補正群2006、および収差導入群2008を考慮して設計を最適化することにより決定される。
図20は、例えば、光路に照射する複数のファイバを備える場合の、光源のエタンデュを示している。例えば、図14において、照射を提供する複数の光ファイバを備えることができる。小さなスポットまたは単一の光ファイバに伝送することができる光は、大きなスポットまたは複数の光ファイバに伝送される光よりも好ましい場合がある。図20は、リサイクル効率のトレードオフの可能性を示している。インテグレータロッドの入力面においてポートではなく反射体で覆われる可能な最大面積を提供することが望ましい場合がある。
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記載されているが、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項によってのみ限定され、本発明は、多くの代替案、変更、および均等物を包括する。本発明についての完全な理解を与えるため、様々な具体的詳細を本明細書で記載している。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伴うことなく、請求項に従って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記載していない。
Claims (10)
- プロジェクタディスプレイシステムであって、
光源と、
入力画像データを受け取って、前記入力画像データに応じた制御信号を送るコントローラと、
前記コントローラからの前記制御信号によって制御可能な第1の変調器であって、前記入力画像データに基づいて、ぼかしを付与した画像を生成するように構成された前記第1の変調器と、
前記第1の変調器からのぼかし画像を受けるように構成されたリレー光学系であって、複数の実質的なガウススポットを得るために前記ぼかし画像に所望の量のデフォーカスを付与するようにさらに構成された前記リレー光学系と、
前記複数のガウススポットを受けてさらに変調してさらなる投影用の画像を生成するように構成された第2の変調器と、を備え、
前記リレー光学系は、球面収差導入レンズ群を含む、プロジェクタディスプレイシステム。 - 前記球面収差導入レンズ群は、前記第2の変調器に送られる光に所望の点広がり関数を与えるための追加の球面収差を得るために、複数のレンズをさらに含む、請求項1に記載のプロジェクタディスプレイシステム。
- 前記光源は、レーザ、部分的にコヒーレントな光、部分的にコヒーレントな有色光、LED、キセノンランプ、を含む群からの1つである、請求項1に記載のプロジェクタディスプレイシステム。
- 前記リレー光学系は、前記所望の量のデフォーカスを生成するために、焦点面を適切な量で移動させるように構成されている、請求項1に記載のプロジェクタディスプレイシステム。
- 前記リレー光学系は、
集束レンズ群と、
コマ収差補正レンズ群と、をさらに含む、請求項4に記載のプロジェクタディスプレイシステム。 - 前記リレー光学系は、略テレセントリックである、請求項5に記載のプロジェクタディスプレイシステム。
- 前記集束レンズ群は、第1の平凸レンズと、第2のレンズのセットと、をさらに含み、
前記第2のレンズのセットは、平凸レンズおよびわずかなメニスカスを有するレンズを含む群からの1つを含む、請求項6に記載のプロジェクタディスプレイシステム。 - 前記所望の量のデフォーカスを生成するために、前記第1の平凸レンズと前記第2のレンズのセットとの間に所望の距離が設定されている、請求項7に記載のプロジェクタディスプレイシステム。
- 前記コマ収差補正レンズ群は、少なくとも第1のレンズおよび第2のレンズを含み、
さらに、所望の量のコマ収差補正を得るために、前記第2のレンズの光軸は、前記第1のレンズの光軸からオフセットしている、請求項8に記載のプロジェクタディスプレイシステム。 - 当該プロジェクタディスプレイシステムは、前記リレー光学系の近位にプリズムをさらに備え、
前記プリズムは、第1の変調器から出射する光の入射角を補正するように構成されている、請求項1に記載のプロジェクタディスプレイシステム。
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