JP7136792B2 - 多重レーザー広帯域光源を備えるrgbプロジェクター、及び、画像のコントラスト比を動的に制御するためのシステム - Google Patents

多重レーザー広帯域光源を備えるrgbプロジェクター、及び、画像のコントラスト比を動的に制御するためのシステム Download PDF

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Description

本開示は、多重レーザー光源を備えるRGB(red(赤)、green(緑)、blue(青))プロジェクターに関する。特に、本開示は、スペックルの低減に寄与するように個別に制御される広帯域ファイバーRGBダイオードレーザーに関し、更に、画像のコントラスト比を動的に制御するためのレーザービーム伝送システムに関する。
高品質のプロジェクション(投写型)ディスプレイに対する需要は、画像品質を求め映画の体験を最大にしたい消費者とクリエイティブ産業との両方から増え続けている。映画産業の主な取り組みの一つは、画像の輝度とコントラストとの改善である。最近、大手映画会社及びプロジェクター会社はレーザー技術に注目している。レーザー型プロジェクターの使用は、従来のキセノンバルブを備えるプロジェクターに対して低い所有コスト(寿命が長いことを含む)で、広色域及び高コントラスト比で高輝度の画像を提供する。しかしながら、単にディスプレイの輝度を改善することは、暗いトーンを中程度のグレーにすることになり得る。結果として、新規レーザー光源に加えて、シーンの輝度の最も高い部分に対するシーンの輝度の最も低い部分の比である画像コントラストの更なる広がりを当業界は必要としている。つまり、コントラストが広がると、画像が現実世界のシーンをより忠実に表すことができる。この要求は、高ダイナミックレンジ(HDR,high dynamic range)法を利用するプロジェクションディスプレイによって部分的に満たされる。
先進のHDRディスプレイ設計は、デジタルライトプロジェクター(DLP,digital light projector)に基づくものであり、50000:1を超え、また1000000:1もの高さになると言われているダイナミックレンジを可能にする。DLPプロジェクターは、DLPチップ、つまり、最大数百万個の小型(人間の髪の毛の幅の五分の一以下の幅)ミラーから成るデジタルマイクロミラーデバイス(DMD,digital micromirror device)に基づく。このチップの各ミラーは独立的に調節可能であり、光源に対するその角度位置を変更して、暗い又は明るい画素を形成する。しかしながら、この時点では、画像はグレースケールのものである。光ビームがチップに到達する前に回転プリズムを通過することによって、DMDにカラーが与えられる。プリズムの各部分が一つの色を伝える。当初は、赤、青、緑の三原色のみがサポートされていた。より先進のシステムでは、プリズムは、三原色に加えて、シアン、マゼンタ、及び黄色をサポートしている。チップが最大1670万色を生成することができ、三チップ設計のDLPプロジェクターは最大35兆色を届けることができる。カラーがDMDに到達した後で、画像がレンズを介してプロジェクションスクリーン上に与えられる。
再生段階中においては、HDRプロジェクターディスプレイのコンピュータベースの処理ユニットによって、カメラのビデオ情報が処理される。これは、一般的には、画像変換ユニット又はスケーラーを有するカメラ制御ユニットに最初から記憶されている多様な基準に基づいて画像信号を入力することによって行われる。スケーラーは、入力画像信号を、プロジェクションフォーマットを有する画像信号として統合し、その信号をビデオRAMに記憶して、次いで処理ユニットに送信する。処理ユニットは、送信された各画像信号を用い、所定のフォーマットに一致するフレームレート(例えば、毎秒60フレーム)と、色成分の分割数と、ディスプレイのグラデーション数が多重化される高速タイムシェアリング駆動とに基づいて、反射マイクロ素子を駆動させる。
実際には、処理ユニットは、カメラから送信されたデータに基づいてコントラストを増強するように設計される。従って、そのユニットの動作は、レーザー型光源の出力と、DMDの選択的な「オン」と「オフ」の位置とを管理する特定のアルゴリズムに基づく。しかしながら、既知のHDRプロジェクターの一部では、レーザー型光源が必ずしも効率的に動作しておらず、これが、光源の比較的短い寿命や、高いメンテナンスコストや、他の既知の欠点をもたらす。従って、HDRプロジェクターのレーザー型光源の動作を最適化することが望まれている。
更に、少なくとも一部のHDRプロジェクターの動作では、ビデオグラファーやフィルムメーカー(映像作家)等の者が、予めプログラムされたコントラストをその人の構想に従って変化させるようにレーザー光源の出力を変更するための手段を有していない。従って、ムービーメーカーがレーザー型光源の強度を変調させることを可能にするコントラスト改善法をHDRディスプレイに提供することが望まれている。
レーザー光源出力の変調を含むHDRの本発明のコンセプトの概略図である。 RGBレーザー型光源の一構成を示す。 レーザー型光源の他の構成を示す。 図4A~図4Cは、本開示の緑色光ファイバーレーザーシステムの設計及び動作原理を示す。 DMDチップの概略的な端面図を示す。 複数のディスプレイにパワーを与える図1~図3の光源を一つ以上含む光学方式の概略図を示す。
図1に示すHDRプロジェクションディスプレイシステム50には、赤色レーザー光源52、緑色レーザー光源54、青色レーザー光源56の各々の間の制御チャネルと、HDRプロジェクター60の制御ユニット18とが設けられていて、その制御ユニットは、搭載アルゴリズムに従って元々生成されていた画像の輝度を必要に応じて変更するために、オペレーターが各光源の出力を変調させることを可能にする。
特に、本開示のディスプレイ50は所与のビデオフレーム(つまり、完全な動画を構成する多数の個々の静止画のうちの一つ)に従って、また連続するフレームとフレームの間において、レーザーの動作を変更するように動作可能である。これは、制御器55を用いて実現可能であり、その制御器55は、レーザーシステム52、54、56の入力部に結合され、制御器55への外部信号に応答してレーザー出力の各々又はそれらの組み合わせの強度を変更する。例えば、コントラスト比がフィルムメーカーの要求に合うと、変更された強度がHDRプロジェクター60の制御処理ユニット18に記憶される。HDRプロジェクターは少なくとも一つの光変調器を有するが、二つの光変調器を備えるようにも構成可能であり、各光変調器が、赤色、緑色、青色の原色にそれぞれ対応する三つのDLPエンジンを含む。
HDRディスプレイ50の動作を概説すると、二つの又は三つ全てのレーザーシステムが各出力ビームを放出し、次いで、それら出力ビームが白色光と組み合わされて、矩形積分器ロッドで均質化を経て、組み合わされて均質化されたビームを出力する。次いで、均質化されたビームがフィリップスプリズムに入射して、赤色、緑色、青色の成分に分けられる。これら成分が各DLPエンジンを照らし、各エンジンが、画素アレイの対応する色の画像を形成する。更に、各DLPエンジンから反射される各入射光成分の部分は、更なるコントラスト増強のための再び組み合わされて、及び/又はレンズ40を介してスクリーン30に直接投写され得る。
一部のRGBディスプレイでは、各原色について216段階又は65636段階以上のレベルが存在し得る。典型的には、多重カラーの画像を含むフレームと比較して、均一な白色又は黒色を有するフレームが生じることは稀である。カラー画像のコントラストは、二つ又は三つの光の原色を混合すると共に、各DMDをオン位置、オフ位置及びこれらの間の位置に位置決めするアルゴリズム動作制御器18によって決定される光強度の程度を変更することを要する。
所与のフレーム又は画像は、典型的には、既知のセンサーシステムによって決定される最も明るい点と最も暗い点とを有する。既知のように、DMDが「オフ」位置にあって、光を反射しない場合でも、光はスクリーン上に漏れる。黒色であるべきスクリーンに、光の漏れに起因する光の色の痕跡が見られても本当に驚く者はいない。しかしながら、本発明のコンセプトは、例えば、所与のフレームに応じて、選択的な一つ以上のレーザーの出力強度を低減すること、又は不必要なレーザーシステムを完全にオフにすることによって、暗いフレーム上の望ましくない光の痕跡を顕著に低減することができる。所与のフレームについての各レーザーシステムの強度に関する必要な全ての情報は制御器18に記憶されて、フィードバックループR62、G64、B66をそれぞれ用いて、そのようにして編集されたフレームがスクリーン30上に撮像される時点において光源の出力強度を自動的に低減/増大するのに用いられる。
レーザーシステム52、54、56は、パルス方式で動作し、ミラーを「オン」位置又は「オフ」位置に変位させることに同期してパルスを出力するように選択的に制御可能である。以下で詳述するように、赤色ファイバーシステム52、緑色ファイバーシステム54はそれぞれフレームレートを顕著に超えるパルス繰り返し率で動作する。典型的には、各フレームの持続時間は略15μsであり、パルス繰り返し率よりも実質的に大きい。フレームとパルス繰り返しとのレート(率)の違いは、以下で説明するように、動的コントラスト比制御の増強に寄与する。
上記の点は、DLPチップ84を示す図5を参照してより良く理解可能である。例えば、チップ84の底部に位置する一部のDMD86のみが「オン」位置にあることが要求されていると仮定する。制御器18からの命令に従って必要なDMDを「オン」位置に変位させることに同期してファイバーレーザーシステムが一つ以上のパルスを出力するように、ファイバーシステムの一つ以上のパルス光源52~56を動作させることができる。DMDとファイバーシステムのパルス光源とのこのような同期動作は、パルス光源又は各ファイバーシステムのデューティサイクルを制御することによって簡単に確立可能である。予めプログラムされた同期の他に、オペレーターは外部入力55を用いてプログラムを手動で書き直して、所定のコントラスト比を変更することができる。ファイバーレーザーシステムの出力の変調は、緑色、赤色、青色の各システムの光の周波数変換効率が問題を受けないように制御される。
真っ黒で完全に暗いことが要求されない限りは、各フレームは常に最も明るい点を有するが、その点は、典型的には、チップの全てのDMDがオン位置にあることに対応して可能な最大輝度よりは低い。これが、所与のフレームに応じてレーザー動作を最適化することを可能にする。プロジェクター60の制御器18がカメラから受信したデータは、各フレームについて所望のコントラストを与えるための各DLPの「オン」位置のDMDと、オフ位置のDMDの数を含む。しかしながら、レーザー光源の出力パワーは、一定のレベルに維持されるか、又は必要なコントラスト比を与えることができる最小値を超えるレベルに維持されることが多い。このようなレーザーの動作は、その機能性及びメンテナンスコストに悪影響を及ぼし得る。
上記欠点を最小にするため、制御器18は、当業者に既知の手段94によって決定される所与のフレームに対して最も明るい画素と最も暗い画素との間の所望のコントラスト比を得るために必要な全て又は選択的なレーザーシステム52~56の最小平均パワーを決定するように動作可能である。計算された比についての最小平均パワーが決定されると、制御器18は、或るフレームレートにおける全ての又は選択的なレーザーシステムの平均出力パワーを制御可能に低減するようの動作することができる。本開示の構造及び方法は、レーザー光源の動作温度を下げて、電力消費を少なくすることに役立ち、これら全てが、長寿命、低メンテナンスコストにつながる。
図1の構造は、ムービーメーカー(映像作家)によってアクセス可能な外部入力55も有する。レーザーシステムの予めプログラムされた又は新たに決定された出力を上書きすることが望まれる場合がある。フィルムメーカー(映像作家)は、入力55を用いて、所望の比を得るためにその者の構想に従って出力強度を手動で変調することができ、更に、その所望の比はCPU18に記憶可能である。
好ましくは、本開示の光源は、赤色ファイバーレーザーシステム52、緑色ファイバーレーザーシステム54、及び青色ファイバーレーザーシステム56を含む。しかしながら、本開示の範囲は、ファイバーシステムのみに限定されず、ダイオード、ファイバー、他のレーザー構成の組み合わせを含み得る。例えば、青色レーザーシステム56が好ましくはダイオードレーザー型である一方で、赤色レーザーシステム52及び緑色レーザーシステム54はファイバーレーザー型システムとなり得る。ファイバーレーザーシステムはパルス光を出力するように構成され、そのパルス光は伝送ファイバー列を介してプロジェクター60に誘導される。レーザーシステム52~56の各々は一つ以上のレーザーモジュールを有し得て、各レーザーモジュールは一つのファイバー発振器のみを含むが、典型的には、MOPFA(master oscillator power fiber amplifier,主発信器出力ファイバー増幅器)設計を特徴とする。
図2は本開示の光源の一構成を示し、選択されたファイバーレーザーシステム52~56の各々が、それぞれ伝送ファイバー72~72を有する複数のモジュール70~70を含む。均一なカラー光で発光するモジュールは制御器18によって制御され、その制御器18は、所与のフレームで必要とされる場合に、一部又は全てのモジュールの出力強度を低減し、又はモジュールを完全にシャットダウンするように動作可能である。
図3は本開示の光源の他の構成を示し、選択されたファイバーレーザーシステム52~56の各々が単一のモジュール74を含む。しかしながら、モジュール74からの出力が、複数の伝送ファイバー72~72を介してプロジェクター72に選択的に誘導され得る。伝送ファイバー72周りの光の分布は、制御器18が作動させるスキャナー76を用いて実現され得て、その制御器18は、スキャナーの動作を、選択されたDMDのオン/オフ位置と配置とに同期させる。
図2及び図3に示される本開示のレーザー光源の構成の各々は、複数のファイバー72~72からの集合的な光を図1のプロジェクター60に誘導する出力ファイバー82を有するファイバー結合器82を追加的に有し得る。結合器を有さない場合の図2及び図3の構成と同様に、結合器を有する構成は、同じ色の光が単一の出力ファイバー82に結合される前に選択的な伝送ファイバー72~72に沿って誘導され得るように動作する。
上述の図5に戻り、図2及び図3の構成のいずれかにおいて、結合器80を有さないように修正すると、同じ色を誘導する各伝送ファイバー72の出力端は、対応するDMDチップ84と直接並置され得る。図1の制御回路のフレキシビリティを利用して、同じ色の光を、チップ84の所望のセグメントに対向するファイバー72によってのみ誘導し得る。この特徴を、DMDと光源の同期動作に加えて用いることができる。
ファイバーレーザーは、長寿命で高ウォールプラグ効率で超高空間輝度のものであることが知られていて、非常に小さなスポットからほぼコリメートされたビームでパワーを伝送する。こうした固有の光学的特性が、映画、ひいては新規種類のレーザーライティングにとって重要な性能を実現可能にし、つまり、ほぼ無制限な量のRGB光をデジタルプロジェクターに入力する性能と、効率的でフレキシブルな光ファイバーを介してキロワット単位の可視光を伝送する性能を実現可能にする。ファイバーレーザーの他の際立つ特徴は、固有に狭い帯域であり、完全に飽和した色の認知に寄与する。
残念ながら、狭帯域の光がランダムに粗い表面(プロジェクションスクリーン30等)に入射すると、「スペックル」として知られている許容不能な画像アーティファクトも導入される。スペックルの視覚効果は画像の審美的な質を損ない、また、画像解像度の低下をもたらす。結果として、高解像度ディスプレイシステムに関しては、一般的にスペックルを排除することが重要である。理想的には、プロジェクションディスプレイの光源のスペクトル帯域幅は、数ナノメートル程度であって、4nmの最小値を有し、望ましくは略20nm程度で幅広であることが望ましい。このような光源は準単色であるとみなされ、つまり、スペックルを消去するのに十分広帯域でありながら、色純度については十分狭帯域である。本開示の光源は、後述のように、広輝線放射を出力するように構成され、スペックル効果を最小にする。
既知のように、フレームレートは最大でも毎秒120フレームである。実際には、フレームレートは典型的には60fps又は60Hz以下である。これは、レーザー出力が変調され得る周波数(一般的はKHz以上の周波数範囲)よりもはるかに低い。このような高周波数は、連続するフレームとフレームの間でレーザー光源を完全にシャットダウンすることさえ可能にし得る。これで徐々にではあるが、光源の効率が増大し、これは、競争が激しい映画及びディスプレイ産業においては決定的な利点である。
光源の更なる修正は、図6に示されるように、ビームスイッチアセンブリ65を介して複数のHDRディスプレイにパワーを与える一つの高出力ファイバーレーザー光源を使用することを含む。この設計はテーマパークに特に適している。図1~図3の単一の光源と共に複数のディスプレイを使用することは、ビームスイッチを利用して実現可能である。
既知のように、希土類金属のイオンは、ファイバー中で発光イオンとして典型的に用いられるものであって、所定の波長範囲内で発光する。所望の波長範囲が、所与の種類の発光イオンで自然に利用可能な範囲外であれば、追加的な手法が用いられる。例えば、周波数変換法を用いることによって、赤色、緑色、及び青色の各波長範囲を得ることができる。
図4Aは、本開示に従って構成された緑色ファイバーレーザーシステム52の一つの修正を概略的に示す。ファイバーレーザーポンプ85は、好ましくはMOPFA設計を有し、イッテルビウム(Yb)イオンにとって典型的な1064nm等の1マイクロメートル範囲のパルス広帯域光を出力し、2未満、好ましくは1.1未満の良好なM値を有する。1nmから30nmの間の線幅を有する広帯域光は第二高調波発生器(SHG,second harmonic generator)に入射し、その第二高調波発生器はノンクリティカル位相整合の非線形結晶90、例えばホウ酸リチウム(LBO)を含み、その結晶は、結晶内でビームを費やすように制御可能に配置される。結晶90の出力は、略532nmの波長に中心があり最大10から15nmのスペクトル線幅λ~λを有する広帯域緑色光を含む。
周波数変換帯域幅は、結晶90の実質的に全長に沿って一定の温度勾配を生じさせることによって誘起可能である。結晶90の位相整合波長は結晶温度に依存する。一定の温度勾配が結晶内に課せられると、λ~λの範囲を定める異なる波長についての位相整合条件が、結晶に沿った異なる箇所において合い、広い変換帯域幅を与え、これが十分過ぎる程度にスペックルを抑制する。
図1の制御器18によって制御される二つの熱電冷却器(thermoelectric cooler,TEC)を設けて、大気条件にかかわらず所望の温度勾配を維持することによって、所望の温度勾配T~Tを実現することができる。温度TがTよりも高いと、変換される波長がλからλに増大する。
レーザーポンプからのビームは、図4Bに示されるようなベル形状を有し得る。しかしながら、その線幅λ1~λnは、図4Cのフラットトップビームの線幅よりもやや小さい。従って、フラットトップビームが好まれる場合が多い。適切な手段を用いて二重矢印Aに沿ってTEC92及び94を変位させることによって、変換波長帯域を制御することができる。現状では、結晶90は、最大5mmの長さを有するものであり得るが、より長い結晶も試験中である。
緑色ファイバーレーザーシステムの他の構成は本出願人によるWO20150916に開示されていて、これは参照として本願に完全に組み込まれる。また、赤色ファイバーレーザー光源も、WO20150916に開示されている構成を有し得て、これも参照として本願に完全に組み込まれる。
本開示を記載されている例に関して説明してきたが、上記の実施形態に対する多数の修正及び/又は追加が、添付の特許請求の範囲及び要旨から逸脱せずに、当業者には容易に明らかとなるものである。
18 制御ユニット
30 プロジェクションスクリーン
40 レンズ
50 HDRプロジェクションディスプレイシステム
52 赤色レーザー光源
54 緑色レーザー光源
56 青色レーザー光源
60 HDRプロジェクター
62、64、66 フィードバックループ

Claims (11)

  1. 高ダイナミックレンジプロジェクターであって、
    赤色、緑色及び青色のパルス光レーザーシステムを含むレーザー光源と、
    前記赤色、緑色及び青色のパルス光レーザーシステムからの光を受けるデジタルマイクロミラーデバイスを有する少なくとも一つの空間光変調器と、
    前記デジタルマイクロミラーデバイス及び各パルス光レーザーシステムに結合された中央処理装置と、を備え、前記中央処理装置が、所望のコントラスト比に基づいて或るフレームレートにおいて各パルス光レーザーシステムの最適な平均パワーを決定するように動作し、各パルス光レーザーシステムが、対応するパルス光レーザーシステムの選択的なデジタルマイクロミラーがオン位置に変位することに同期してパルスを出力するように動作し、
    各フレームで最も明るい画素と最も暗い画素とを検出して、所望のコントラスト比を決定するように動作する中央処理装置に結合される信号を発生させるように動作するセンサーシステムを更に備え、
    緑色のパルス光レーザーシステムが、
    1nmから20nmの帯域幅を有するパルス広帯域光ビームを出力するポンプと、
    前記パルス広帯域光ビームを受信する第二高調波発生器と、
    前記第二高調波発生器の非線形結晶内に温度勾配を課して、前記非線形結晶の実質的に全長に沿って前記パルス広帯域光ビームの帯域幅内の複数の波長について位相整合条件を与えるように動作する複数の熱電冷却器とを含み、前記非線形結晶からの緑色光ビームが、前記ポンプの広帯域光ビームの帯域幅の実質的に半分である広変換帯域幅を有し、前記広変換帯域幅がスクリーン上のスペックルを抑制するのに十分なものである、高ダイナミックレンジプロジェクター。
  2. 部入力信号を受信して、前記外部入力信号に基づいて、所望のコントラスト比を変更するように前記レーザー光源の出力を変調するように動作する制御チャネルを更に備える請求項1に記載の高ダイナミックレンジプロジェクター。
  3. 少なくとも赤色及び緑色のパルス光レーザーシステムの各々が主発振器出力ファイバー増幅器を有するように構成されている、請求項1又は2に記載の高ダイナミックレンジプロジェクター。
  4. 赤色及び緑色のパルス光レーザーシステムの各々が単一の主発振器出力ファイバー増幅器モジュールと複数の伝送ファイバーとを含む、請求項1から3のいずれか一項に記載の高ダイナミックレンジプロジェクター。
  5. 赤色及び緑色のパルス光レーザーシステムの各々が複数の主発振器出力ファイバー増幅器モジュールを含み、各主発振器出力ファイバー増幅器モジュールに伝送ファイバーが備わっている、請求項1から4のいずれか一項に記載の高ダイナミックレンジプロジェクター。
  6. 伝送ファイバーの出力端を単一のシステム出力ファイバーに結合するファイバー結合器を更に備える請求項4又は5に記載の高ダイナミックレンジプロジェクター。
  7. 前記ポンプからの広帯域光ビームがベル形状又はフラットトップ形状を有する、請求項1から6のいずれか一項に記載の高ダイナミックレンジプロジェクター。
  8. 前記中央処理装置が、連続する画像と画像の間で前記レーザー光源を完全に停止させるように動作する、請求項1から7のいずれか一項に記載の高ダイナミックレンジプロジェクター。
  9. 請求項1に記載のプロジェクターのコントラスト比を動的に増強させる方法であって、
    各フレームに対して最大コントラスト比を決定することと、
    レーザー光源の出力を変調して、該レーザー光源の出力が、或るフレームレートにおいて決定されたコントラスト比を提供するのに必要な最小平均パワーを有するようにすることとを備える方法。
  10. 外部信号に応答して前記レーザー光源に制御信号を入力することによって、前記レーザー光源の出力の最小平均パワーを変更するように前記レーザー光源の出力を選択的に変調することを更に備える請求項9に記載の方法。
  11. 連続する画像と画像の間で前記レーザー光源を停止させる、請求項9に記載の方法。
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