KR20050085372A - 2단 프로젝터 아키텍처 - Google Patents

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Abstract

광 프로젝션 시스템은 변조된 휘도를 갖는 광 픽셀들의 매트릭스를 포함하는 이미지를 투사한다. 프로젝션 시스템은 제 1 출력 매트릭스를 제공하기 위하여 이미지의 각각의 픽셀에 제공된 그레이 스케일 값들에 비례하여 픽셀 단위로 광 대역를 변조하도록 구성된 제 1 이미저를 포함한다. 제 2 이미저는 이미지의 각각의 픽셀에 제공되는 제 2 그레이 스케일 값에 비례하여 픽셀 단위로 광의 변조된 픽셀들의 제 1 출력 매트릭스를 수신하고, 상기 제 1 이미저로부터의 광의 개별 변조된 픽셀들을 변조하도록 위치되고 구성된다.

Description

2단 프로젝터 아키텍처{Two-stage projector architecture}
본 출원은, 여기서 참조에 의해 전체적으로 통합되는, 2002년 12월 4일에 출원된 발명의 명칭이 "2단 프로젝터 아키텍쳐(2-STAGE PROJECTOR ARCHITECTURE)"인, 미국 가 특허 출원 제 60/430,997호(대리인 참조 번호 PU020471)의 이익을 주장한다.
본 출원은 또한 여기서 참조에 의해 전체적으로 통합되는, 발명의 명칭이 "쿼드-쿼드 릴레이 시스템(QUAD-TO-QUAD RELAY SYSTEM)"인, 미국 가 특허 출원 제 60/430,819호(대리인 참조 번호 PU020475)의 이익을 주장한다.
본 발명은 2단 프로젝터 아키텍쳐를 갖는 디스플레이 시스템에 관한 것이다.
반사형 광 엔진 또는 이미저를 사용하는 액정 디스플레이들(LCD들), 및 특히 실리콘 상의 액정(LCOS: liquid crystal on silicon) 시스템들은 리어 프로젝션 텔레비젼(RPTV: rear projection television)과 같은 이미징 디바이스들에서 점점 우세해지고 있다. LCOS 시스템에서, 투사된 광은 편광 빔 분할기(PBS: polarizing beam splitter)에 의해 편광되고, 픽셀들의 매트릭스를 포함하는 LCOS 이미저 또는 광 엔진 상으로 안내된다. 본 명세서를 통하여, 그리고 관련된 기술의 관례에 일관적으로, 용어 픽셀은 이미지, 광 전송의 대응 부분, 및 그 광 전송을 생성하는 이미저의 부분의 작은 영역 또는 점을 대체하기 위하여 사용되었다.
이미저의 각각의 픽셀은 불연속의 변조된 광 신호들 또는 픽셀들의 매트릭스를 형성하기 위하여 이미저 또는 광 엔진으로의 그레이 스케일 인자 입력에 따라 상기 각각의 픽셀 상에 입사하는 광을 변조한다. 변조된 광 신호들의 매트릭스는 이미저로부터 반사되거나 출력되고, 상기 변조된 광 신호를 디스플레이 스크린 상에 투사하고 가시적인 이미지를 형성하기 위하여 광의 픽셀들을 조합하는 프로젝션 렌즈들의 시스템으로 안내된다. 이 시스템에서, 픽셀 마다의 그레이 스케일 변경은 이미지 신호를 처리하기 위하여 사용되는 비트들의 수에 의해 제한된다. 밝은 상태(즉, 최대 광)에서부터 어두운 상태(최소 광)까지의 콘트라스트 비는 이미저에서 광의 누설(leakage)에 의해 제한된다.
현존하는 LCOS 시스템들의 주요 단점들 중 하나는 어두운 상태에서 광량을 감소시키는 데 있어서의 어려움과, 뛰어난 콘트라스트 비들을 제공하는 데 있어서의 결과적인 어려움이다. 광의 누설로 인하여, 그것은 LCOS 시스템들에서 부분적으로 고유하다.
부가적으로, 입력은 광의 전체 스케일을 기술하여야 하는 비트들의 고정된 수(예를 들어, 8, 10 등)이므로, 화상의 더 어두운 영역들에서 미묘한 차이들을 기술하기 위하여 사용가능한 매우 적은 비트들이기 쉽다. 이것은 콘투어링 아티팩트들(contouring artifacts)을 야기할 수 있다.
어두운 상태에서 LCOS에서의 콘트라스트를 향상시키는 하나의 접근법은 COLORSWITCHTM을 사용하거나, 그 특정 프레임에서 최대 값에 기초하여 전체 화상을 스케일링하는 유사한 디바이스를 사용하는 것이다. 이것은 어떤 화상들을 개선하지만, 높고 낮은 광 레벨들을 포함하는 화상들에 대하여는 별로 개선하지 못 한다. 문제점을 해결하기 다른 시도들이 더 좋은 이미저들 등을 만드는 방향으로 지향되어 왔지만, 이들은 기껏해야 점진적인(incremental) 개선들이다.
특히 어두운 상태에서 비디오 이미지들에 대한 콘트라스트 비를 향상시키고, 콘투어링 아티팩트들을 감소시키는 프로젝션 시스템이 필요하다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 2단 프로젝션 아키텍쳐를 가진 LCOS 프로젝션 시스템의 블록도.
도 2는 도 1의 프로젝션 시스템에 대한 예시적인 렌즈 릴레이 시스템(lens relay system)을 도시한 도면.
도 3은 도 1의 프로젝션 시스템에서 광 누설을 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 대안의 예시적인 실시예에 따라 2단 프로젝션 아키텍쳐를 가진 LCOS 프로젝션 시스템의 블록도.
도 5는 도 4의 프로젝션 시스템에 대한 예시적인 릴레이 렌즈 시스템을 도시한 도면.
도 6은 도 5의 릴레이 렌즈 시스템에 대한 계산된 인스퀘어링된 에너지를 도시한 도면.
도 7은 도 5의 릴레이 렌즈 시스템에 대한 필드 굴곡으로 인한 왜곡을 도시한 도면.
본 발명은, 2단 프로젝션 아키텍쳐를 사용하여 픽셀 단위로 광 신호의 향상된 콘트라스트 및 콘투어링을 제공하여 모든 비디오 화상들을 향상시키는 프로젝션 시스템을 제공한다. 본 발명의 예시적인 실시예에서, 이 프로젝션 시스템은, 제 1 출력 매트릭스를 제공하기 위하여 이미지의 각각의 픽셀에 제공된 그레이 스케일 값들에 비례하여 픽셀 단위로 광 대역를 변조하도록 구성된 제 1 이미저를 포함한다. 제 2 이미저는 상기 이미지의 각각의 픽셀에 제공된 제 2 그레이 스케일 값에 비례하여 픽셀 단위로 변조된 픽셀들의 상기 제 1 출력 매트릭스를 수신하고, 상기 제 1 이미저로부터의 개별 변조된 광의 픽셀들을 변조하도록 위치되고 구성된다. 제 2 이미저의 각각의 픽셀은 제 1 이미저에서 대응 픽셀의 변조된 광 출력 및 제 2 이미저에서 그 픽셀에 대하여 선택된 그레이 스케일 값에 비례하여 세기의 광출력을 제공한다.
이제 본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 기술될 것이다.
본 발명은, 향상된 콘트라스트 비 및 감소된 콘투어링을 가진, 예컨데 텔레비전 디스플레이용의, 프로젝션 시스템을 제공한다. 도 1에 도시된, 예시적인 LCOS 시스템에서, 백색 광(1)이 램프(10)에 의해 생성된다. 램프(10)는 LCOS 시스템에서 사용되기에 적합한 임의의 램프일 수 있다. 예를 들어, 쇼트-아크(short-arc) 수은 램프가 사용될 수 있다. 백색 광(1)은 프로젝션 시스템(30)을 향하여 백색 광(1)의 텔레센트릭 빔(telecentric beam)을 안내하는 인테그레이터(integrator: 20)에 진입한다. 백색 광(1)은 컴포넌트, 광 2의 적색, 녹색 및 청색(RGB) 대역들로 분할된다. RGB 광(2)는 다이크로익 미러들(dichroic mirrors)(도시되지 않음)에 의해 분할될 수 있고, 변조를 위하여 개별적인 적색, 녹색, 및 청색 프로젝션 시스템들(30)으로 안내될 수 있다. 변조된 RGB 광(2)는 그후, 프리즘 어셈블리(prism assembly)(도시되지 않음)에 의해 재조합되고, 프로젝션 렌즈 어셈블리(40)에 의해 디스플레이 스크린(도시되지 않음) 상에 투사된다.
대안으로, 백색 광(1)은 타임 도메인에서 예를 들어, 컬러 휠(color wheel)(도시되지 않음)에 의해서, 광(2)의 RGB 대역들로 분할될 수 있고, 따라서, 한번에 하나씩 단일 LCOS 프로젝션 시스템(30)으로 안내될 수 있다.
본 발명에 따라 2단 프로젝션 아키텍쳐를 사용하는 예시적인 LCOS 프로젝션 시스템(30)은 도 1에 도시된다. 도 2의 단색의 RGB 대역들은 픽셀 단위로 2개의 상이한 이미저들(50, 60)에 의해 순차적으로 변조된다. 광(2)의 RGB 대역들은 p-편광된 컴포넌트(3) 및 s-편광된 컴포넌트(4)(도 3에 도시)를 포함한다. 광(2)의 이들 RGB 대역들은 제 1 PBS(71)의 제 1 표면(71a)에 진입하고, 상기 제 1 PBS(71) 내에서 편광 표면(71p)에 의해 편광된다. 편광 표면(71p)은 광(2)의 RGB 대역들의 p-편광된 컴포넌트(3)로 하여금 상기 제 1 PBS(71)을 통하여 제 2 표면(71b)으로 통과하는 것을 허용하는 반면에, 제 4 표면(71d)을 통하여 제 1 PBS(71)의 외부로 통과하는 프로젝션 경로로부터 떨어져 비스듬히 s-편광된 컴포넌트를 반사한다. 제 1 이미저(50)은, 광의 RGB 대역들이 제 1 PBS(71)에 진입하는 제 1 페이스(face: 71a)에 반대인 제 1 PBS(71)의 제 2 표면(71b)의 너머에 배치된다. PBS(71)을 통하여 통과하는 p-편광된 컴포넌트(3)는 따라서, 제 1 이미저(50)에 입사한다.
도 2에 도시된 예시적인 실시예에서, 제 1 이미저(50)는 디스플레이 이미지(도시되지 않음)의 픽셀들에 대응하는 편광된 액정들의 매트릭스를 포함하는 LCOS 이미저이다. 이들 결정들은, 제 1 이미저(50)에 제공되는 신호에 의해 생성되는 전기장의 강도에 따라 차례로 변하는 상기 결정들의 오리엔테이션에 따라, 광을 전송한다. 이미저 픽셀들은 각각의 개별 픽셀에 대하여 제 1 이미저(50)에 제공되는 그레이 스케일 값에 비례하여 픽셀 단위로 p-편광된 광(3)을 변조한다. 개별 픽셀들의 변조의 결과로, 제 1 이미저(50)은 픽셀들의 매트릭스 또는 광의 불연속 점들을 포함하는 제 1 광 매트릭스(5)를 제공한다. 제 1 광 매트릭스(5)는 제 1 이미저(50)으로부터 제 1 PBS(71)의 제 2 표면(71b)의 뒤를 통하여 반사된 변조된 s-편광된 광의 출력이며, 여기서, 그것은 제 3 표면(71c)을 통하여 제 1 PBS(71)의 외부로 편광 표면(71p)에 의해 비스듬히 반사된다. 제 1 광 매트릭스(5)의 각각의 픽셀은 제 1 이미저(50)에서 그 픽셀에 제공된 개별 그레이 스케일 값에 비례하여 세기 또는 휘도를 가진다.
s-편광된 광의 제 1 광 매트릭스(5)는 릴레이 렌즈 시스템(80)을 통하여 PBS(71)에 의해 반사되고, 이것은 제 1 광 매트릭스(5)의 1대1 전송을 제공한다. 도 2에 도시된 예시적인 실시예에서, 릴레이 렌즈 시스템(80)은, 제 1 이미저(50)에서의 각각의 픽셀의 출력이 제 2 이미저(60)의 대응하는 픽셀 상에 투사되도록 1의 배율을 가지며 전송되는 낮은 왜곡률의 이미지를 제공하도록 구성된 직렬의 비구면(aspherical) 및 아크로매틱(acromatic) 렌즈들을 포함한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 예시적인 릴레이 렌즈 시스템(80)은 제 1 PBS(71)과 렌즈 시스템 또는 시스템 스톱(83)의 초점 간의 제 1 비구면 렌즈(81) 및 제 1 아크로매틱 렌즈(82)를 포함한다. 시스템 스톱(83)과 제 2 이미저(72) 간에서 렌즈 시스템(80)은 제 2 아크로매틱 렌즈(84) 및 제 2 비구면 렌즈(85)를 포함한다. 제 1 비구면 렌즈(81)는 제 1 PBS(71)으로 부터의 발산 광 패턴을 렌즈 시스템(80)의 광학 축으로 수렴하는 광 패턴으로 밴딩(bend)하는 제 1 표면(81a) 및 제 2 표면(81b)을 가진다. 제 1 아크로매틱 렌즈(82)는, 제 1 비구면 렌즈(81)로부터 시스템 스톱(83)으로의 수렴 광 패턴을 집중시키는 제 1 표면(82a), 제 2 표면(82b), 및 제 3 표면(82c)를 가진다. 시스템 스톱(83)에서, 광 패턴은 인버팅되고 발산한다. 제 1 표면(84a), 제 2 표면(84b) 및 제 3 표면(84c)를 가지는 제 2 아크로매틱 렌즈(84)는 제 1 아크로매틱 렌즈(82)의 미러 이미지이다(즉, 제 2 아크로매틱 렌즈(84)의 제 1 표면(84a)은 제 1 아크로매틱 렌즈(82)의 제 3 표면(82c)와 동일하고 제 2 아크로매틱 렌즈(84)의 제 3 표면(84c)은 제 1 아크로매틱 렌즈(82)의 제 1 표면(82a)와 동일하도록 반대로 돌려진 동일 렌즈). 제 2 아크로매틱 렌즈(84)의 표면들(84a, 84b 및 84c)은 발산 광 패턴을 제 2 비구면 렌즈(85) 상으로 분포한다. 제 1 표면(85a) 및 제 2 표면(85b)을 가진 제 2 비구면 렌즈(85)는 제 1 비구면 렌즈(81)의 미러 이미지이다. 표면들(85a 및 85b)은 제 1 이미저(50)으로부터의 물체 또는 픽셀들의 매트릭스에 1대1 대응을 가지는 제 2 이미저(72) 상에 인버팅된 이미지를 형성하기 위하여 수렴하도록 광 패턴을 밴딩한다. 릴레이 렌즈 시스템(80)의 표면들은 제 1 이미저(50) 및 제 2 이미저(60)의 픽셀들의 1대1 대응을 달성하기 위하여 이미저들(50,60) 및 PBS들(71, 72)와 함께 작동하도록 구성된다. 예시적인 2단 프로젝션 시스템(30)의 표면들의 요약은 테이블 1에 제공되고, 표면들(81a, 81b 및 81c)에 대한 비구면 계수들은 테이블 2에 제공된다. 다양한 수정들이 비용, 크기, 휘도 레벨들, 및 다른 디자인 요소들과 같은 요소들에 기초하여 이 예시적인 프로젝션 시스템에 대하여 만들어 질 수 있다. 릴레이 렌즈 시스템(80)에서, 아크로매틱 렌즈들(82 및 84)은 동등하고, 비구면 렌즈들(81 및 85)은 동등하다. 따라서, 더 적은 고유의 부분들이 필요로 되고, 제조 효율들 및 감소된 비용을 제공한다.
제 1 광 매트릭스(5)가 릴레이 렌즈 시스템(80)을 떠난 후에, 그것은 제 1 표면(72a)을 통하여 제 2 PBS(72)로 진입한다. 제 2 PBS(72)는 제 2 표면(72b)을 통하여 제 2 이미저(60) 상으로 s-편광된 제 1 광 매트릭스(5)를 반사하는 편광 표면(72p)를 가진다. 도 2에 도시된 예시적인 실시예에서, 제 2 이미저(60)는, 각각의 개별 픽셀에 대하여 제 2 이미저(60)에 제공된 그레이 스케일 값에 비례하여 픽셀 단위로 이전에 변조된 제 2 광 매트릭스(5)를 변조하는 LCOS 이미저이다. 제 2 이미저(60)의 픽셀들은 제 1 이미저(50)의 픽셀들 및 디스플레이 이미지의 픽셀들과 1대1에 기초하여 대응한다. 따라서, 제 2 이미저(60)으로의 특정 픽셀(i,j)의 입력은 제 1 이미저(50)의 대응하는 픽셀(i,j)로부터의 출력이다.
그후, 제 2 이미저(60)는 p-편광된 광의 출력 매트릭스(6)를 생성한다. 출력 매트릭스(6)에서 광의 각각의 픽셀은 제 2 이미저(60)의 상기 픽셀에 대하여 이미저에 제공된 그레이 스케일 값 만큼 세기에서 변조된다. 따라서, 출력 매트릭스(6)(i,j)의 특정 픽셀은 제 1 이미저에 대응하는 픽셀(i,j)1 및 제 2 이미저(60)에 대응하는 픽셀(i,j)2 모두에 비례하는 세기를 가질 수 있다.
특정 픽셀(i,j)의 광 출력(L)은 제 1 이미저(50)의 주어진 픽셀 상에 입사하는 광, 제 1 이미저(50)에서 주어진 픽셀을 위하여 선택된 그레이 스케일 값, 및 제 2 이미저(60)에서 선택된 그레이 스케일 값의 곱에 의해서 주어진다,
L=L0xG1xG2.
L0는 주어진 픽셀을 위한 상수이다(램프(10) 및 조명 시스템의 함수임). 따라서, 광 출력(L)은 각각의 이미저(50,60) 상의 이 픽셀들을 위하여 선택된 그레이 스케일 값들에 의해 실질적으로 일차적으로 결정된다. 예를 들어, 그레이 스케일들을 최대 1로 표준화하고 각각의 이미저가 매우 적당한 200:1의 콘트라스트 비를 가진다고 가정하면, 픽셀(i,j)의 밝은 상태는 1 이고, 픽셀(i,j)의 어두운 상태는 1/200이다(누설 때문에 0은 아님). 따라서, 2단 프로젝터 아키텍쳐는 40,000:1의 휘도 범위를 가진다.
Lmax=1x1=1;
Lmin=.005x.005=.000025
이들 제한들에 의해 정의된 휘도 범위는 1/.000025:1 또는 40,000:1의 콘트라스트 비를 제공한다. 중요하게, 가설의 이미저가 현존하는 단일 이미저 아키텍쳐에 사용되었다면, 예시적인 2단 프로젝터 아키텍쳐는 밝은 상태의 200 분의 1이기보다 단지 밝은 상태의 휘도의 40000 분의 1일 것이다. 당업자들에게 이해될 바와 같이, 낮은 콘트라스트 비를 가진 이미저는 높은 콘트라스트 비를 가진 이미저보다 상당히 저렴한 비용으로 제공될 수 있다. 따라서, 200:1의 콘트라스트 비를 가진 2개의 이미저들을 사용하는 2단 프로젝션 시스템은 40,000:1의 콘트라스트 비를 제공할 것이지만, 500:1을 가진 훨씬 비싼 이미저를 사용하는 1단 프로젝션 시스템은 단지 500:1의 콘트라스트를 제공할 것이다. 또한, 500:1 콘트라스트 비를 가지는 하나의 이미저 및 200:1 비율을 가지는 저렴한 이미저를 갖는 2단 프로젝션 시스템은 100,000:1의 시스템 콘트라스트 비를 가질 것이다. 따라서, 비용/성능 트레이드-오프는 최적 프로젝션 시스템을 생성하기 위하여 수행될 수 있다.
출력 매트릭스(6)는 제 2 표면(72b)을 통하여 제 2 PBS(72)에 진입하고, 그것이 p-편광된 광을 포함하기 때문에, 그것은 편광 표면(72p)를 통해서 통과하고 제 3 표면(72c)을 통하여 제 2 PBS(72)의 외부로 나간다. 출력 매트릭스(6)가 제 2 PBS(72)를 떠난 후에, 그것은 프로젝션 렌즈 어셈블리(40)에 진입하고, 시청을 위해 디스플레이 이미지(7)을 스크린에 투사한다.
도 3은 본 발명의 2단 프로젝터 아키텍쳐의 감소된 누설을 도시한다. 위에 기술된 바와 같이, 제 1 PBS(71)의 편광 표면(71p)은 p-편광된 광(3)을 전송하고, p-편광된 광(3)은 제 2 표면(71p)을 통하여 제 1 PBS를 떠난다. 제 1 PBS(71)의 편광 표면(71p)은 제 4 표면(71d)을 통하여 s-편광된 광(4)을 반사한다. 최상의 PBS 조차도 약간의 누설을 가질 것이지만, s-편광된 광의 매우 작은 일부, 제 1 누설 4'는 전송되거나 또는 제 1 PBS(71)의 편광 표면(71p)을 통하여 누설되고 제 2 표면(71b)을 통하여 제 1 이미저(50)로 나갈 것이다. 제 1 누설 4'의 대부분은 제 1 이미저(50)에 의하여 p-편광된 광으로 인버팅될 것이고, 편광 표면(71p)을 통하여 통과될 것이며 제 1 PBS(71)의 제 1 표면(71a)으로 광(10)을 향해 나갈 것이다. 유사하게, p-편광된 광(3)의 작은 일부는 p-편광된 제 2 누설 3'처럼 제 1 이미저(50)에 의해 반사될 것이다. 제 2 누설 3'이 p-편광된 광이기 때문에, 그것의 대부분은 제 1 PBS(71)의 편광 표면(71p)을 통해 거꾸로 통과(pass back)할 것이고 광(10)을 향하여 제 1 표면(71a)를 나갈 것이다.
p-편광된 제 1 누설 3' 및 p-편광된 제 2 누설 4"의 작은 부분은 제 4 누설 3", 4"'처럼 제 1 PBS(71)의 편광 표면(71p)에 의해 제 2 PBS(72)를 향하여 반사될 것이다. 대부분의 이 제 3 누설 3", 4"'은 그것이 p-편광된 광이기 때문에, 제 2 PBS(72)의 편광 표면(72p)을 통하여 통과하고 제 4 표면(72d)을 통하여 이미지 경로로부터 멀어진다. 제 3 누설 3", 4"'의 작은 일부는 제 4 누설 3"', 4""처럼 제 2 이미저(60) 상으로 반사될 것이다. 대부분의 제 4 누설 3"', 4""는 s-편광된 광으로 인버팅될 것이고, 제 1 PBS(71)을 향하여 거꾸로 반사될 것이다. 당업자가 인지하는 바와 같이, PBS를 통한 광 누설 또는 반사가 PBS(71, 72)를 통하여 전송되는 각각의 서브시퀀스 타임 마다, 대부분의 광 누설은, 이전 부분의 일부가 이미지 경로에 지속되도록 이미지 경로로부터 전환된다. 따라서, 매 시간마다, 광 신호는 PBS를 통하여 통과하고, 인버팅된 편광된 누설은 감소된다.
PBS를 가진 경우에서 처럼, 어떤 이미저도 완벽하지 않고, 광의 작은 일부는 어두운 상태로 설정된 그레이 스케일 값을 가진 제 1 이미저(50)의 픽셀들에 의해 s-편광된 제 5 누설 8처럼 반사될 것이다. p-편광된 제 4 누설에 대한 샤프(sharp) 콘트라스트에서, 대부분의 s-편광된 제 5 누설 8은 편광 표면(71p) 및 제 2 이미저(60) 상에서의 편광 표면(72p)에 의해 반사될 것이고, 이는 s-편광된 제 5 누설 8이 제 1 광 매트릭스(5)와 동일한 편광을 가지기 때문이다. 제 2 이미저(60)의 대응 픽셀이 어두운 상태로 설정될 때, 제 5 누설 8은 위에 기술된 바와 같이, 제 2 이미저(60)의 콘트라스트 비 만큼 더 감소되고, 어두운 상태에서의 광을 제 6 누설 8'으로 감소시켜 콘트라스트 비를 향상시킨다.
부가적인 광 누설(9)는 제 2 이미저(60)에서 일어난다. 이 부가적인 누설 9는, 그러나, 제 1 광 매트릭스(5)로부터 오고, 제 1 이미저(71)에 의해 사전 변조되고, 따라서, 제 1 이미저(71) 상에 입사하는 RGB 대역들(3)보다 훨씬 더 작은 광 신호의 부분일 수 있다. 따라서, 본 발명의 2단 프로젝션 아키텍쳐는 부가적인 편광 필터링 및 일련의 이미저들(50, 60)의 누적 콘트라스트 비 모두를 통하여 누설을 감소시킨다.
본 발명에 따른 2단 프로젝터 시스템의 다른 진보성은 콘투어링을 감소시켜 다수의 비트들이 이미지의 더 어두운 영역들에서의 명암을 나타내는 것에서의 미묘한 차이를 기술하기 위하여 사용 가능하다. 예를 들어, 8개의 비트들이 이미저의 각각의 픽셀에 대하여 그레이 스케일 값을 생성하기 위하여 사용되면, 그레이의 28 또는 256 명암들은 정의될 수 있다. 2개의 이미저(50,60)이 본 발명에서 순차적으로 이미지의 동일한 픽셀을 변조하기 때문에, 그러나, 그레이의 216 또는 65,536는 정의될 수 있다. 따라서, 콘투어링은 매우 감소될 수 있다.
도 4 및 5에 도시된 바와 같이 본 발명의 대안의 실시예에서, 2단 프로젝션 시스템은 픽셀 단위로 각각 적색, 녹색, 및 청색 광을 변조하기 위하여 3개의 제 1 단 이미저들(150R, 150B 및 150G)을 가지는 제 1 단(100)을 포함한다. 각각의 제 1 단 이미저(150R, 150B, 150G)는 변조된 단색 광 픽셀들(151P)의 매트릭스를 제공한다. 제 1 단 이미저들은 출력 매트릭스들(151P)이 p-편광된 광이도록 광의 편광(polarization)을 회전한다. 도시된 실시예에서, 제 1 단(100)은 4개의 컬러-선택 빔 분할기들(color-selective beam splitter)(120)이 스퀘어(square) 패턴을 형성하기 위하여 인접되고(abutted), 그들이 선택적으로 광의 다양한 컬러들을 통과하고 반사하여 제 1 단(100)에 진입하는 광의 각각의 컬러가 상이한 제 1 단 이미저(150R, 150B, 150G)로 안내되도록 배열된 COLORQUADTM 아키텍쳐에서 구성된다. COLORQUADTM 아키텍쳐는 단지 적색 광을 적색 이미저(150R), 단지 청색 광을 청색 이미저(150B), 그리고 단지 녹색 광을 녹색 이미저(150G)로 안내한다. COLORQUADTM 아키텍쳐는 그후 변조된 단색 광 픽셀들의 3개의 매트리스들(151P)을 제 2 단(200)을 향하여 제 1 단(100)의 외부로 안내한다. 광의 다양한 컬러들 각각은 제 1 단(100)에서 동일한 거리를 이동한다는 것에 유의하여야 한다. 따라서, 3개의 컬러들은 동시에 변조되고 투사될 수 있다. 도 4에 도시된 실시예는, 또한, 광을 3개의 상이한 컬러들: 적색, 청색 및 녹색으로 분할하고, 그들을 3개의 제 2 단 이미저들(160R, 160B, 160G)로 안내하는 COLORQUADTM 아키텍쳐에 배열된 3개의 제 2 단 이미저들 (160R, 160B, 160G)을 가지는 제 2 단(160)을 포함한다. 제 2 단 이미저들(160R, 160B, 160G)은 단색광 픽셀들(201)의 두번 변조된 매트릭스들을 형성하기 위하여, 픽셀 단위로, 제 1 단 이미저들(150R, 150B, 150G)로부터의 광 출력을 변조한다. 이들 단색 광 픽셀들(201)의 두번 변조된 매트릭스들은 가시적인 컬러 이미지를 형성하기 위해 스크린(도시되지 않음) 상에 상기 매트릭스들을 투사하는 프로젝션 렌즈 시스템(도시되지 않음)으로 COLORQUADTM 아키텍쳐에 의해 안내된다.
대안의 예시적인 릴레이 렌즈 시스템(380)은, 제 1 단의 이미저들(150R, 150B, 150G)의 픽셀들의 출력을 제 2 단의 이미저들(160R, 160B, 160C)의 대응 픽셀들 상으로 투사하기 위하여, 제 1 단(150) 및 제 2 단(160) 간에 배치되서, 제 2 단의 출력의 특정 픽셀이 각각 두번 변조되는 적색 픽셀, 청색 픽셀 및 녹색 픽셀을 포함한다(제 1 단 이미저(150R, 150B, 150G)에 의해 한번 그리고 제 2 단 이미저(160R, 160B, 160G)에 의해 한번).
COLORQUADTM 아키텍쳐는 단지 s-편광된 광을 수신해야 한다. 따라서, s-편광된 광(101)은 제 1 단(100) 내에 도입되고, 여기서, s-편광된 광(101)은 3개의 이미저들(150R, 150B, 150G)에 의해 개별적으로 동시에 변조되는 3개의 컬러들로 분할된다. 제 2 단(200)의 COLORQUADTM 아키텍쳐가 s-편광된 입력을 수신해야 하고 제 1 단(100)으로부터의 광(151)의 변조된 단색 픽셀들의 매트릭스들이 p-편광된 광이기 때문에, 편광은 제 1 단(100) 및 제 2 단(200) 간에서 회전해야 한다. 따라서, 반파장 플레이트(383)는 도 4 및 도 5에 도시된 실시예에서, 제 1 단(100) 및 제 2 단(200) 간에 배치된다. 반파장 플레이트(383)의 가장 효과적인 위치는 릴레이 렌즈 시스템의 개구 또는 렌즈 스톱이다.
도 5에서 도시된 바와 같이, 대안의 예시적인 릴레이 렌즈 시스템(380)은 제 1 단(100)과 렌즈 스톱 또는 시스템 스톱 간의 제 1 비구면 렌즈(381) 및 제 1 아크로매틱 렌즈(382)를 포함한다. 시스템 스톱과 제 2 단(200) 간에, 대안의 예시적인 렌즈 시스템(380)은 제 2 아크로매틱 렌즈(384) 및 제 2 비구면 렌즈(385)를 포함한다. 제 1 비구면 렌즈(381)는 제 1 단(100)으로부터 렌즈 시스템(380)의 광학 축을 향하여 수렴하는 광 패턴으로 발산 광 패턴을 밴딩하는 제 1 표면(381a) 및 제 2 표면(381b)을 가진다. 제 1 아크로매틱 렌즈(382)는 제 1 표면(382a), 제 2 표면(382b), 및 제 3 표면(382c)을 가지고, 이들은 제 1 비구면 렌즈(381)로부터 시스템 스톱으로 수렴 광을 집중시킨다. 시스템 스톱에서, 광 패턴은 인버팅되고 발산한다. 제 1 표면(384a), 제 2 표면(384b), 및 제 3 표면(384c)을 가지는 제 2 아크로매틱 렌즈(384)는 동일한 구성을 가지지만 제 1 아크로매틱 렌즈(382)의 반대의 오리엔테이션을 가진다(즉, 제 2 아크로매틱 렌즈(384)의 제 1 표면(384a)이 제 1 아크로매틱 렌즈(382)의 제 3 표면(382c)와 동일하고 제 2 아크로매틱 렌즈(384)의 제 3 표면(384c)은 제 1 아크로매틱 렌즈(382)의 제 1 표면(382a)와 동일하도록 반대로 돌려진 동일 렌즈). 제 2 아크로매틱 렌즈(384)의 표면들(384a, 384b 및 384c)은 발산 광 패턴을 제 2 비구면 렌즈(385) 상으로 분포한다. 제 1 표면(385a) 및 제 2 표면(385b)을 가진 제 2 비구면 렌즈(385)는 동일한 구성을 가지지만 제 1 비구면 렌즈(381)의 반대의 오리엔테이션을 가진다. 표면들(385a 및 385b)은 제 1 단(100)으로부터의 물체 또는 픽셀들의 매트릭스에 1대1 대응을 가지는 제 2 단(200) 상에 인버팅된 이미지를 형성하기 위하여 수렴하도록 광 패턴을 밴딩한다. 릴레이 렌즈 시스템(380)의 표면들은 제 1 단 이미저들(150R, 150B, 150G) 및 제 2 단 이미저들(160R, 160B, 160G)의 픽셀들의 1대1 대응을 달성하기 위하여 이미저들(150R, 150B, 150G, 160R, 160B, 160G) 및 COLORQUADTM 아키텍쳐와 함께 작동하도록 구성된다. 대안의 예시적인 릴레이 렌즈 시스템(380)의 표면들의 요약은 테이블 3에 제공되고, 표면들(381a, 381b, 385a 및 385c)에 대한 비구면 계수들은 테이블 4에 제공된다. 적색 이미저들(150R 및 160R)이 도시되었지만, 릴레이 렌즈 시스템은 청색 및 녹색 이미저들에 대하여 동일하다. 다양한 수정들이 비용, 크기, 휘도 레벨들, 및 다른 디자인 요소들과 같은 요소들에 기초하여 이 대안의 예시적인 릴레이 렌즈 시스템(380)에 대하여 만들어 질 수 있다. 대안의 예시적인 릴레이 렌즈 시스템(380)에서, 아크로매틱 렌즈들(382 및 384)은 동등하고, 비구면 렌즈들(381 및 385)은 동등하다. 따라서, 더 적은 고유의 부분들이 필요로 되고, 제조 효율들 및 감소된 비용을 제공한다.
인스퀘어링된 에너지 및 필드 굴곡 왜곡은 ZEMAXTM 소프트웨어를 사용하여 대안의 예시적인 릴레이 렌즈 시스템을 위하여 계산되었다. 도 6에 도시된 바와 같이, 제 1 단 이미저(150R, 150B, 150G) 상에서의 특정 픽셀로부터의 적어도 약 50%의 광 에너지는 12마이크론2 상에 집중된다(예를 들어, 제 2 단 이미저들(160R, 160B, 160G)의 대응 픽셀). 도 7에 되시된 바와 같이, 대안의 예시적인 릴레이 시스템(380)의 필드 굴곡으로인한 왜곡은 약 0.5% 이하이다.
앞의 설명은 본 발명을 실용화하기 위한 일부 가능성들이다. 많은 다른 실시예들이 본 발명의 범위 및 의도 내에서 가능하다. 예를 들어, 앞의 설명 및 도면들은 LCOS 이미저를 도시하고, 디지털 광 프로세싱을 이용하는 유사한 시스템은 또한 본 발명의 범위 내에서 고려된다. 따라서, 앞의 설명은 제한적이라기보다 설명적으로 여겨지고, 본 발명의 범위는 등가물들의 전체 범위들과 함께 첨부된 청구범위에 의해 주어진다.

Claims (26)

  1. 변조된 휘도를 갖는 광 픽셀들의 매트릭스를 포함하는 이미지를 투사하는 프로젝션 시스템에 있어서,
    제 1 출력 매트릭스를 제공하기 위하여 상기 이미지의 각 픽셀에 제공된 그레이 스케일 값들에 비례하여, 픽셀 단위로 광 대역(light band)을 변조하도록 구성된 제 1 이미저; 및
    변조된 광의 픽셀들의 상기 제 1 출력 매트릭스를 수신하고, 상기 이미지의 각각의 픽셀에 제공된 제 2 그레이 스케일 값에 비례하여 픽셀 단위로 상기 제 1 이미저로부터의 개별 변조된 광의 픽셀들을 변조하도록 위치되고 구성된 제 2 이미저를 포함하는, 프로젝션 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 이미저 및 상기 제 2 이미저 중 적어도 하나는 LCOS 이미저인, 프로젝션 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 이미저 및 상기 제 2 이미저 모두는 LCOS 이미저들인, 프로젝션 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 제 1 이미저 및 상기 제 2 이미저는 크기가 상이한, 프로젝션 시스템.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 제 1 이미저 및 상기 제 2 이미저는 누설(leakage)의 상이한 레벨들을 허용하는, 프로젝션 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 이미저들 중 적어도 하나는 DLP 이미저인, 프로젝션 시스템.
  7. 제 2 항에 있어서, 상기 LCOS 이미저에 편광을 제공하는 적어도 하나의 편광 빔 스플리터를 더 포함하는, 프로젝션 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 이미저의 각각의 픽셀로부터 상기 제 2 이미저의 대응하는 픽셀까지 변조된 광 출력을 안내하는 릴레이 렌즈 시스템(relay lens system)을 더 포함하는, 프로젝션 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 제 2 이미저로부터의 변조된 광을 디스플레이 스크린 상에 투사하는 프로젝션 렌즈 어셈블리를 더 포함하는, 프로젝션 시스템.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 릴레이 렌즈 시스템은 대칭적인, 프로젝션 시스템.
  11. 제 1 이미저 및 제 2 이미저를 포함하는 이미지 프로젝션 시스템에 있어서,
    각각의 상기 제 1 및 제 2 이미저들은 픽셀에 제공된 그레이 스케일 값들에 비례하여 변조된 광 출력을 제공하도록 구성된 대응하는 픽셀들의 매트릭스를 포함하고, 상기 프로젝션 시스템은 상기 제 1 이미저의 특정 픽셀로부터의 변조된 출력이 상기 제 2 이미저의 대응하는 픽셀 상에 투사되도록 구성되고, 상기 제 2 이미저의 특정 픽셀의 상기 광 출력은 그 픽셀에 제공된 상기 그레이 스케일 값 및 상기 제 1 이미저의 상기 대응하는 픽셀에 제공된 상기 그레이 스케일 값 모두에 비례하는, 이미지 프로젝션 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 제 1 이미저 및 제 2 이미저 중 적어도 하나는 실리콘상 액정 광 엔진인, 이미지 프로젝션 시스템.
  13. 제 11 항에 있어서, 상기 제 1 이미저의 상기 특정 픽셀로부터의 광 출력을 상기 제 2 이미저의 상기 대응하는 픽셀 상으로 안내하기 위한 릴레이 렌즈 시스템을 더 포함하는, 이미지 프로젝션 시스템.
  14. 광 프로젝션 시스템에 있어서,
    픽셀들의 어레이를 가지는 제 1 이미저로서, 각각의 픽셀은 그 픽셀에 대하여 선택된 그레이 스케일 값에 비례하는 세기의 변조된 광 출력을 제공하는, 상기 제 1 이미저;
    상기 제 1 이미저에서 상기 픽셀들의 어레이에 대응하는 픽셀들의 어레이를 갖는 제 2 이미저로서, 각각의 픽셀은 상기 제 1 이미저에서 대응하는 픽셀의 변조된 광 출력 및 그 픽셀에 대한 선택된 그레이 스케일 값에 비례하는 세기의 광 출력을 제공하는, 상기 제 2 이미저; 및
    상기 제 1 이미저의 각각의 픽셀로부터의 변조된 광 출력을 상기 제 2 이미저의 대응하는 픽셀로 안내하는 릴레이 렌즈 시스템을 포함하는, 광 프로젝션 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 제 1 이미저 및 상기 제 2 이미저 중 적어도 하나는 실리콘상 액정 반사형 광 엔진인, 광 프로젝션 시스템.
  16. 제 14 항에 있어서, 상기 제 1 이미저 및 상기 제 2 이미저 중 적어도 하나는 디지털 광 펄스 이미저인, 광 프로젝션 시스템.
  17. 제 14 항에 있어서, 상기 제 2 이미저로부터의 변조된 광을 디스플레이 스크린 상에 투사하는 투사 렌즈 어셈블리를 더 포함하는, 광 프로젝션 시스템.
  18. 제 14 항에 있어서, 상기 릴레이 렌즈 시스템은 대칭적인, 광 프로젝션 시스템.
  19. 제 14 항에 있어서, 상기 제 1 이미저 및 상기 제 2 이미저는 동등한, 광 프로젝션 시스템.
  20. 2단 프로젝션 시스템에 있어서,
    픽셀 단위로 광을 변조하기 위한 하나 이상의 이미저들을 갖는 제 1 단;
    픽셀 단위로 광을 변조하기 위한 하나 이상의 이미저들을 갖는 제 2 단; 및
    상기 제 1 단 이미저들의 픽셀들의 출력을 상기 제 2 단 이미저들의 대응하는 픽셀들 상에 투사하는 릴레이 렌즈 시스템을 포함하는, 2단 프로젝션 시스템.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 제 1 단은 각각 적색, 녹색, 청색 광을 변조하기 위한 3개의 이미저들 및 원하는 컬러의 광을 각각의 이미저에 안내하도록 구성된 아키텍쳐를 포함하는, 2단 프로젝션 시스템.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 제 2 단은 각각 적색, 녹색, 청색 광을 변조하기 위한 3개의 이미저들 및 원하는 컬러의 광을 각각의 이미저에 안내하도록 구성된 아키텍쳐를 포함하는, 2단 프로젝션 시스템.
  23. 제 22 항에 있어서, 상기 제 1 단과 상기 제 2 단 간에 배치된 반파장 플레이트(half-wave plate)를 더 포함하는, 2단 프로젝션 시스템.
  24. 제 23 항에 있어서, 상기 반파장 플레이트는 상기 릴레이 렌즈 시스템의 시스템 스톱에 배치되는, 2단 프로젝션 시스템.
  25. 제 20 항에 있어서, 상기 릴레이 렌즈 시스템은 제 1 단 이미저의 특정 픽셀로부터의 에너지의 적어도 약 50%를 제 2 단 이미저의 상기 대응하는 픽셀 상에 인스퀘어링(ensquare)하는, 2단 프로젝션 시스템.
  26. 제 20 항에 있어서, 상기 릴레이 렌즈 시스템은 약 0.5%보다 적은 필드 굴곡으로 인한 왜곡을 제공하는, 2단 프로젝션 시스템.
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