JP2018200485A - マルチハーフトーンのイメージングおよび二重変調投影または二重変調レーザ投影 - Google Patents

Abstract

【課題】好適な二重変調投影システムを提供すること。
【解決手段】より小さいハーフトーンのタイルを二重変調投影システムの第１の変調器で実施する。この技術では、予備変調器で１フレームにつき複数のハーフトーンを使用し、これを主変調器で修正したビットシーケンスと同期させて、ハーフトーン変調器での所与のタイルサイズで得たレベル数を効果的に上げる。これによりタイルサイズが小さい場合に低い光レベルではコントラスト比が低い問題に対処し、投影画像内のハローアーチファクトを減らして３Ｄ投影および３Ｄ視野で使用できるより小さいＰＳＦを使用できるようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、表示装置に関し、さらに詳細には、（レーザプロジェクタを含む）二重変調プロジェクタおよびプロジェクタの予備変調器でのハーフトーン画像の作成に関する。

二重変調プロジェクタおよびディスプレイには、表示装置（例えばＷｈｉｔｅｈｅａｄによる特許文献１、およびＤａｌｙによる特許文献２）およびプロジェクタ（例えばＳａｙａｇによる特許文献３）などがある。

米国特許第７４０３３３２号 米国特許第７０６４７４０号 米国特許第７００２５３３号

本発明者らは、予備変調器の画像のハーフトーンを改善するために必要なことを実現した。本発明により、二重変調投影システムの第１の変調器で、より小さいハーフトーンタイルを使用することが可能になる。この技術では、主変調器で修正したビットシーケンスと同期された予備変調器で１フレームにつき複数のハーフトーンを使用して、ハーフトーン変調器での所与のタイルサイズで得られるレベル数を効果的に上げる。これによりタイルサイズが小さい場合に低い光レベルではコントラスト比が低いという問題に対処し、投影画像内のハローアーチファクトを減らすより小さいＰＳＦを使用できるようにする。ハーフトーンは、色の投影または偏光分離した３Ｄイメージを改善するのにも使用できる。

汎用コンピュータ、またはネットワーク化したコンピュータ上でプログラムする際に、本デバイスと本方法との両方の部分を好適に実施でき、結果は、汎用コンピュータ、ネットワーク化したコンピュータのいずれかに接続した出力デバイスに表示されてもよいし、出力または表示するためのリモートデバイスに伝送されてもよい。このほか、コンピュータプログラム、データシーケンス、および／または制御信号に現れる本発明のどの要素も、無線放送、ならびに（１つまたは複数の）銅線、（１つまたは複数の）光ファイバケーブル、および（１つまたは複数の）同軸ケーブルなどを介する伝送などだがこれに限定されない任意の媒体で、任意の周波数で電子信号送信として具体化され（または伝送され）てよい。

本発明のさらに完全な理解およびそれに伴う多くの利点は、以下の詳細な説明を参照して添付の図面と合わせて検討した際によりよく理解できるようになるため、これを容易に得られるであろう。

局所コントラストでの離散予備変調レベルの数の作用を示す図である。 ハーフトーン画像が４つのサブフレームにわたって分散された際に得られた改善結果の図である。 例示的なＰＳＦおよび修正後のＰＳＦの図である。 例示的なビットシーケンスの図である。

現在の二重変調ＰＯＣ ＥＤＲプロジェクタは、予備変調器で１フレームにつき１つのハーフトーン画像を使用するものである。小さく明るい特徴部のハローサイズ（halo size）を制限し、高い局所コントラストを実現するためには、ＰＳＦが小さいことが望ましい。最初のゼロ以外の予備変調レベルは、ＰＳＦのフィールドを重ね合わせて比較的均一な（flat）光のフィールドを実現することによって実現される。所与の（小さい）ＰＳＦサイズの場合、ハーフトーンのゼロ以外の画素の間隔は、ＰＳＦよりも小さくなくてはならず、この均一なフィールドを実現するのに十分小さくなくてはならない。これによって、ゼロ以外でなければならない画素の割合を一定レベルに制限し、これによって、最初のゼロ以外の平均レベル、および離散線形予備変調レベル（discrete linear pre-modulation level）の数を決定する。例えば、５Ｘ５のグリッドで反復しなければならないＰＳＦは、オンにすべき２５個の予備変調器画素のうちの１つが必要になり、その結果、最小で１／２５のゼロ以外のレベル、および２５の離散予備変調レベルになる。

説明されるシステムから得た画像は、主変調器の約２５倍のコントラスト比（contrast ratio : ＣＲ）を有することができる。主変調器の元のＣＲが１８００であった場合、最終画像のＣＲは４５，０００：１になる。これは、２５画素のうちの１つが常にオンである（on）と仮定される。予備変調ＤＭＤは、予備変調画素がオフ（off）の状態で１８００：１のＣＲより大きいことであることが可能なため、ブラックレベルは、ピークホワイトの１／４５０００よりも遙かに良好になる可能性がある。しかしながら、予備変調画素をすべてオフにすると有害な作用が出ることがある。このような作用は、いくつかの画素がオンになっていても光のレベルが低い画像でも見られる。例えば、いくつかの画像特徴は、予備変調の光フィールドで表せる特徴を超えた空間周波数によって変化する。これらの画像特徴の場合、予備変調の光フィールドは、一定で変調されない。予備変調の光フィールドのレベルは、局所で最大の画像特徴によって算出される。主ＤＭＤは、予備変調の光フィールドを縮小して局所的な画像特徴の全レベルを生成しなければならない。ゼロ以外の第１の予備変調レベルに応じて、主ＤＭＤは、最低レベルを生成するのに十分なコントラストがなく、その外観に影響を及ぼすほどその画像特徴の局所コントラストを制限することがある。これは、予備変調タイルにある最後の画素がオフになっている領域の周囲では特に重要である。

この領域では、局所コントラストは約２０まで下がる。このような問題は、ＰＳＦおよびタイルのサイズを大きくすることで解決できる可能性があるが、これによってハローサイズが増し、これによって目に見えるアーチファクトが生じるおそれもある。

図１は、問題をわかりやすく示している。（１０Ｅ−６と１０Ｅ−５との間の水平軸から始まっている）青線は、最良のコントラスト比を表し、これは、理想的な無限コントラスト比１００ニト（nit）が可能であるプロジェクタを備えるこの特定の講堂で実現できることである。この限界は、スクリーンで測定した際に部屋が０．０００５ニトのダークレベルであるために生じる。これは、スクリーンから観察者に到達し反射される部屋の環境の室内光に起因するものである。（１０Ｅ−４と１０Ｅ−３との間の水平軸から始まっている）赤線は、１つの変調プロジェクタを表している。プロジェクタは、１８００：１のコントラスト比を有する（同時かつ連続的なもの）。このプロジェクタを用いて局所画像のピークレベルが暗くなるにつれて、ダークレベルは一定なため、局所画像内のコントラスト比は比例的に低下する。これは当然であり、予測された挙動である。

薄緑線（細い方の線）は、（予備変調が局所で一定である）空間周波数成分が高い二重変調プロジェクタで可能なコントラスト比を表している。投影された画像が局所で暗くなってちょうどピークホワイトから出ると、コントラスト比の曲線は、前段の事例と正確に一致する。しかしながら、（この例で）レベルがピークホワイトの約２４／２５に達したとき、予備変調は、オンになっている２５／２５画素から２４／２５画素にその値を変更でき、主変調器は再びその全範囲を使用できる。

そのため、このように光レベルが低い場合、１８００：１の完全な局所コントラスト比を再び得る。予備変調がその値を（２３／２５に）変更する直前の状況では、局所コントラスト比は２４／２５＊１８００まで低下する。この状況は、予備変調で変更がある度に進行し、各変更の後に可能なＣＲの再設定が最大で１８００まで戻る。例えば２画素がアクティブになっているとき、ＣＲは１４４（２／２５＊１８００）まで下がる。１画素のみがアクティブになっているとき、予備変調は、予備変調器を介した漏れた光が主変調器単独で（完全にオンにして）所望の出力レベルに到達するほど高くなるまで変更できない。この例示的な例では、このレベルは、出力ピークの１／１８００である。１／２５のハーフトーンで達成される最低変調レベルと１／１８００との間には大きな隔たりがあり、この領域で予備変調は１／２５のレベルに維持されなければならない。主変調器は、この領域に対する唯一の変調器であり、コントラスト比は、予備変調のハーフトーンをゼロに設定できる前に約１／２５のレベルまで落ちる。このレベルは、理想的なプロジェクタを備えた部屋で得られる可能性があるものよりも遙かに低い（青線の４分の１）。

本発明の１つの目的は、これらのアーチファクトの作用を、予備変調器でレベル数を上げるがタイルサイズまたはＰＳＦサイズを上げずに低減することである。この概念は、比較的単純で、１フレームにつき２つ以上のハーフトーン画像を使用することである。前述の説明では、５Ｘ５のタイルを検討した。以下では、５Ｘ５のタイルを用いるが、１フレームにつき４つのサブフレームのハーフトーンを使用して説明する。この例では、各タイルに対して個別の画素ベースで、画素は、５つの連続する値を取ることができ、これらは０、１、２、３、または４のサブフレーム（０、1/4フレーム、1/2フレーム、3/4フレーム、または１フレーム）である。これによって５Ｘ５のタイルは、元の２５の値（および０）ではなく１００の正の値（および０）を表現できる。主変調器にＤＭＤ（ＴＩ（テキサス・インスツルメンツ）によるＤｉｇｉｔａｌ Ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）を使用する場合、変調器チップ（modulation chip）に対するビットシーケンスの修正が必要になる。ＤＭＤは、パルス幅変調の形態を用いて光を変調する。したがって、光は、フレーム期間全体にわたって一定であることが求められる。フレーム（４倍）中に予備変調ハーフトーンを変更すると、一定ではない光が生成し、ＰＷＭの結果を妨害する。

通常ＤＭＤは、１フレームあたり１つのシーケンスで使用されて、画素を変調するごとに１６ビットを得る。上位ビットがフレーム期間にわたって広がるようにビットシーケンスを修正することを提案する。したがって、上位ビットは何度も反復される。例えば、（１６ビットの）上位１４ビットが反復されると、これによって上位１４ビットが４回反復されたパターンになる。重要な下位ビットは、影響を受けないままになる（フレーム期間全体にわたって広がる）。この種の反復シーケンスは、文献に記載されており、ＤＭＤベースの投影システムを用いてモーションアーチファクトを低減するために使用される。米国特許第５９８６６４０号には、同様の技術が記載されている。予備変調器のハーフトーン画像は、主変調器の反復シーケンスと同期し、それによって両方の変調器が同時に新たなシーケンスに変更する。

図２は、ハーフトーン画像が前述したように４つのサブフレームにわたって分布した際に得られた改善結果を示している。

この状況では、プロジェクタから生じた最小のコントラスト比は、この部屋で理想的なプロジェクタを用いて得られる結果とほぼ同じである。この技術により、タイルサイズおよびそれに対応するＰＳＦサイズを上げることなく不要なコントラスト比の低下が減少する。

図面に示して説明している本発明の好適な実施形態では、明瞭にするために特定の用語を用いている。ただし、本発明は、選択した通りの特定の用語に限定されるものではない。また、各々の特定の要素は、同様の方法で動作する技術上の均等物をすべて含むことを理解すべきである。さらに、発明者らは、新規に開発した公知ではない技術が、記載した部分の代わりになることもあり、本発明の範囲を依然として逸脱しないことを認識している。記載したその他の項目もすべて、変調器、フレーム、サブフレームなどだがこれに限定されないものを含め、何らかのおよびすべての利用可能な均等物に照らし合わせて考慮されるべきである。

本発明の一部は、従来の汎用のデジタルコンピュータまたはマイクロプロセッサ、または本開示の技術に沿ってプログラムされた専門のデジタルコンピュータまたはマイクロプロセッサを用いて好都合に実施されてよく、このことはコンピュータ分野の当業者には自明であろう。

適切なソフトウェア符号化は、本開示の教示に基づいて熟練のプログラマが容易に準備できることであり、このことはソフトウェア分野の当業者には自明であろう。本発明は、特定用途向け集積回路を準備するか、従来のコンポーネント回路からなる適切なネットワークを相互接続して実施されてもよく、このことは本開示に基づけば当業者には容易に明らかであろう。

本発明は、コンピュータプログラム製品を含み、このコンピュータプログラム製品は、同製品に格納された命令を有する（１つまたは複数）のストレージ媒体であり、同製品を用いてコンピュータを制御し、あるいはコンピュータに本発明のいずれかのプロセスを実行させることができる。ストレージ媒体には、フロッピー（登録商標）ディスク、ミニディスク（ＭＤ）、光学ディスク、ＤＶＤ、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤもしくはＤＶＤＲＷ＋／−、マイクロドライブ、および光磁気ディスクなどの何らかの種類のディスク、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＤＲＡＭ、ＶＲＡＭ、フラッシュメモリデバイス（フラッシュカード、メモリスティックなど）、磁気式カードもしくは光学式カード、ＳＩＭカード、ＭＥＭＳ、ナノシステム（分子メモリＩＣなど）、ＲＡＩＤデバイス、リモートデータストレージ／アーカイブ／ウェアハウジング、または命令および／もしくはデータを格納するのに適した何らかの種類の媒体もしくはデバイスなどがあってよいが、これに限定されない。

（１つまたは複数の）コンピュータ可読媒体のうちの１つに格納された本発明は、汎用のコンピュータまたはマイクロプロセッサと専門のコンピュータまたはマイクロプロセッサとの両方のハードウェアを制御するため、かつコンピュータまたはマイクロプロセッサが本発明の結果を利用する人間のユーザまたはその他の機構と相互作用できるためのソフトウェアを備えている。このようなソフトウェアには、デバイスドライバ、オペレーティングシステム、およびユーザアプリケーションなどがあってよいが、これに限定されない。最後に、このようなコンピュータ可読媒体は、前述したような本発明を実行するためのソフトウェアをさらに備えている。

汎用／専門のコンピュータまたはマイクロプロセッサのプログラミング（ソフトウェア）に含まれるのは、画像データに対応するハーフトーン画像を準備すること、フレームを分割すること、ビットシーケンスをＤＭＤに同期させて適用すること、および本発明のプロセスによる結果を表示、格納または通信することなどだがこれに限定されない本発明の教示を実施するためのソフトウェアモジュールである。
またプロジェクタのレーザ光源は、局所的かつ全体的に変調される。レーザ光源は、少なくとも２組の光の波長を放出するように構成される。少なくとも２組の光の波長は、赤、緑および青の波長の光をそれぞれ含む。異なる組の同じ色の波長のうち少なくとも１つは、標準の映画館もしくはテーマパークでの映画上映またはテーマパークの乗り物の一部で見られる正常視および軸外視でメガネの通過帯域を通してクロストークなしで軸外視を達成するのに必要な最小帯域幅によって分離される。軸外視は、およそ２０度、２０度以下、および上映中に通常見られる最大角度のうちの１つである。
以下に、上記各実施形態から把握できる技術思想を記載する。
（付記１）
方法であって、
二重変調ディスプレイシステムの主変調器を制御するための主変調器制御信号及び前記二重変調ディスプレイシステムの予備変調器を制御するための予備変調器制御信号を含む二重変調制御信号を生成するステップを備え、
前記予備変調器制御信号は、
前記主変調器制御信号と同期し、前記主変調器制御信号の単一のフレーム期間中に、前記予備変調器に２つ以上のハーフトーンの像を生成させるように構成される、方法。
（付記２）
前記予備変調器制御信号は、前記主変調器制御信号の単一のフレームと同期した前記２つ以上のハーフトーン画像をそれぞれ生成する複数のサブフレームを含む、付記１に記載の方法。
（付記３）
前記予備変調器制御信号は、前記２つ以上のハーフトーンの像をそれぞれ生成する複数のサブフレームを含み、
前記複数のサブフレームの各々は、前記主変調器の制御間隔および前記主変調器の信号と同期したそれ自身のサブフレームの時間間隔で設定される、付記１に記載の方法。
（付記４）
前記方法は、前記予備変調器を照射するレーザ光源を有する映画館のプロジェクタで実施される、付記１〜３のうちいずれか一項に記載の方法。
（付記５）
前記レーザ光源は、局所的又は全体的に変調される、付記４に記載の方法。

本発明は、いずれかの要素（本発明の様々な部分または特徴および本明細書に記載したその均等物）を適切に備えていてもよいし、それで構成されてもよいし、あるいはそれで本質的に構成されてもよい。さらに、本明細書に説明的に開示した本発明は、本明細書に具体的に開示されているかどうかに関わらず、いずれかの要素がなくとも実行できるものである。当然ながら、上記の教示に照らし合わせて、本発明の多くの修正および変形例が可能である。したがって、付属の特許請求の範囲内であれば、本明細書に具体的に記載したこと以外の方法で本発明を実施できることを理解すべきである。

Claims (20)

1. 予備変調器を照明する光源と、前記予備変調器からの光を主変調器に伝送する一組のリレー光学系とを備える二重変調器ディスプレイ用の二重変調器活性化信号を提供する方法であって、
   単一のフレーム期間に一回以上適用される一組の予備変調器活性化信号を決定することであって、各予備変調器活性化信号は、前記予備変調器に、単一のフレーム期間中の複数のサブフレーム期間において二重変調器ディスプレイシステムの予備変調器で表示されるかまたは活性化される複数のハーフトーンの像を生成させて、前記複数のハーフトーンの像は、前記一組のリレー光学系における不完全性を補償する所望の点広がり関数を生成し、前記単一のフレーム期間は、前記主変調器の変調期間であり、前記サブフレーム期間は、前記予備変調器の変調期間であり、前記主変調器の複数の画素素子が単一のフレーム期間に１回オンまたはオフされ、前記予備変調器の複数の画素素子は、前記単一のサブフレーム期間に１回オンまたはオフされ、前記単一のフレーム期間は、複数のサブフレーム期間を含む、前記一組の予備変調器活性化信号を決定すること、
   前記二重変調器ディスプレイシステムの主変調器で表示されるかまたは活性化される像を生成するために、前記予備変調器活性化信号と同期して活性化される一組の主変調器信号を決定すること、を備える方法。
2. 前記ハーフトーンの像は、前記主変調器の信号と同期した複数のサブフレーム期間にそれぞれ表示される、請求項１に記載の方法。
3. 前記予備変調器活性化信号は、複数のサブフレームの像に分割され、
   前記複数のサブフレームの像の各々は、前記主変調器の活性化間隔および前記主変調器の信号と同期したそれ自身のサブフレームの時間間隔で活性化される、請求項１に記載の方法。
4. 前記方法は、前記予備変調器を照明するレーザ光源を有する映画館のプロジェクタで実施される、請求項１〜３のうちいずれか一項に記載の方法。
5. 前記レーザ光源は、局所的かつ全体的に変調される、請求項４に記載の方法。
6. 前記レーザ光源は、少なくとも２組の光の波長を放出するように構成され、
   少なくとも２組の光の波長は、赤、緑および青の波長の光をそれぞれ含み、
   異なる組の同じ色の波長のうち少なくとも１つは、正常視野および軸外視野でメガネの通過帯域を通してクロストークなしで軸外視野に到達するのに必要な最小帯域幅によって分離される、請求項４に記載の方法。
7. 前記軸外視野は、およそ２０度である、請求項６に記載の方法。
8. 二重変調器構造を含む表示装置であって、
   複数の画素を含み、低解像度画像を生成するように構成された予備変調器であって、各画素は、前記予備変調器の複数の変調素子を含み、前記複数の画素は、前記低解像度画像を一緒に生成する、前記予備変調器と、
   前記予備変調器からの光を主変調器に伝送するように構成された一組のリレー光学系であって、前記一組のリレー光学系は、不完全性を含む所与の伝達関数を備えて、前記予備変調器は、前記一組のリレー光学系における不完全性を補償する単一のフレーム期間の複数のサブフレーム期間において二重変調器ディスプレイシステムの予備変調器で表示されるかまたは活性化される複数のハーフトーンの像を生成する一組の予備変調器活性化信号により活性化され、前記単一のフレーム期間は、前記主変調器の変調期間であり、前記サブフレーム期間は、前記予備変調器の変調期間であり、前記主変調器の複数の画素素子が単一のフレーム期間に１回オンまたはオフされ、前記予備変調器の複数の変調素子は、前記単一のサブフレーム期間に１回オンまたはオフされ、前記単一のフレーム期間は、複数のサブフレーム期間を含む、前記一組のリレー光学系と、
   前記複数の予備変調器活性化信号と同期して動作する一組の主変調器活性化信号を用いて一組のリレー光学系から伝送された光をさらに変調して表示用の所望の画像を生成するように構成された複数の変調要素を含む主変調器と、を備える表示装置。
9. 前記主変調器において補償された低解像度画像の光フィールドを計算し、前記光フィールドのシミュレーションを利用して前記主変調器の駆動値を計算するように構成されたコントローラをさらに備える請求項８に記載の表示装置。
10. 前記光フィールドのシミュレーションおよび前記主変調器の駆動値は、前記表示装置の別々の光チャネルのそれぞれについて計算される、請求項９に記載の表示装置。
11. 前記表示装置は、プロジェクタであり、
    前記予備変調器は、一連の少なくとも３つの変調デバイスを含み、各変調デバイスは、
    異なる色の光チャネルに割り当てられる、請求項８に記載の表示装置。
12. 表示のための画像のブラックレベルは、オフホワイトの１／４５０００よりも良好であり、
    格子状に配置された場合、前記予備変調器の所与の数の画素のうちの少なくとも１つがオンして点広がり関数を生成する、請求項８に記載の表示装置。
13. 前記予備変調器は、少なくとも２５個の輝度値を有し、１８００：１のコントラスト比よりも大きい、請求項１１に記載の表示装置。
14. 前記表示装置は、プロジェクタであり、
    表示される前記画像は、投影レンズを通って観察者が見るためのスクリーン上に提供される、請求項８に記載の表示装置。
15. 前記プロジェクタのダークレベル性能は、前記プロジェクタが使用される部屋の暗いレベルによって主に影響される、請求項１４に記載の表示装置。
16. 前記コントローラは、表示される前記画像の複数の輝度レベルに応じて、前記予備変調器の複数の画素の割合およびコントラスト比を変更する、請求項９に記載の表示装置。
17. 前記コントローラは、
    表示される前記画像のうちの対応する領域の輝度に基づいて、前記予備変調器の局所的な領域の輝度範囲をシフトして、前記主変調器が前記領域のうちの前記対応する領域の全体にわたって完全な忠実度範囲を使用し続けるように構成される、請求項９に記載の表示装置。
18. コントローラは、表示される各画像のための予備変調器に関する複数のハーフトーンの設定を設定するように構成される、請求項９に記載の表示装置。
19. 各ハーフトーン画像は、前記ハーフトーン画像の画素を含む各ブロックのハーフトーンのｎ×ｎブロックを含む、請求項１８に記載の表示装置。
20. 前記コントローラは、
    表示される前記画像の対応する領域の輝度に基づいて、前記予備変調器の局所な領域の輝度範囲をシフトして前記主変調器が前記領域のうちの前記対応する領域の全体にわたって完全な忠実度範囲を使用し続けるように前記複数のハーフトーン画像を調整する、請求項１９に記載の表示装置。