(57)【要約】ディスプレイは光変調器を組み込んだスクリーンを有している。このスクリーンは前面投影スクリーンとすることや背面投影スクリーンでありえる。このスクリーンは、制御可能な発光体からなるアレイを備えた光源からの光によって照射を受ける。この制御可能な放出体および光変調器の各素子は、スクリーン上の対応するエリアから放出される光の強度が調整されるように制御を受けることがある。このディスプレイは高いダイナミックレンジを提供することがある。
2005520188.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
各々が制御可能な光出力を有する発光素子のアレイを備える光源と、
前記光源からの光を変調するように配置された複数の制御可能な素子を備える空間光変調器と
を備えたディスプレイ。
【請求項２】
前記空間光変調器は、前記光源が有する発光素子よりも多くの制御可能な素子を有している請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項３】
前記光源の前記発光素子の各々は前記空間光変調器の複数の対応する制御可能な素子を照射するように配置されている請求項２に記載のディスプレイ。
【請求項４】
前記光源の前記発光素子の各々は前記空間光変調器の８個以上の数の対応する制御可能な素子に対応している請求項４に記載のディスプレイ。
【請求項５】
前記光源の各発光素子は前記空間光変調器の１４５個以下の数の対応する制御可能な素子に対応している請求項４に記載のディスプレイ。
【請求項６】
前記光源と前記空間光変調器の中間に配置されたディフューザを備える請求項１乃至５のいずれか一項に記載のディスプレイ。
【請求項７】
前記光源と前記空間光変調器との中間に配置された反射壁式チャンネルのグリッドを備える請求項１乃至５のいずれか一項に記載のディスプレイ。
【請求項８】
前記反射壁式チャンネルは６角形であり、かつハニカム構造で配列されている請求項７に記載のディスプレイ。
【請求項９】
前記発光素子の各々は前記反射壁式チャンネルのうちの１つの中に光を発する請求項７または８に記載のディスプレイ。
【請求項１０】
前記空間光変調器の制御可能な素子の各々は前記反射壁式チャンネルのうちの１つだけからの光で照射を受けている請求項７乃至９のいずれか一項に記載のディスプレイ。
【請求項１１】
前記空間光変調器と観察位置との間に配置されたディフューザを備える請求項１乃至１０のいずれか一項に記載のディスプレイ。
【請求項１２】
前記空間光変調器の位置において前記光源の複数の発光素子の各々から入射する光の分布が、矩形分布と、０．３×ｄ2から３×ｄ2までの範囲内にある半値全幅を有する広がり関数とのコンボリューションからなり、ｄ2は前記光源の隣接する発光素子によって変調された光分布の前記空間光変調器上での中心−中心間隔である請求項１乃至１０のいずれか一項に記載のディスプレイ。
【請求項１３】
前記光源の前記発光素子の各々は離散的で選択可能な輝度レベルの数Ｎを有しており、かつ前記空間光変調器の制御可能な素子は離散的で選択可能な輝度レベルの数Ｍを有しており、かつＮ＜Ｍである請求項１乃至１２のいずれか一項に記載のディスプレイ装置。
【請求項１４】
前記光源の前記発光素子の各々は離散的で選択可能な輝度レベルの数Ｎを有しており、かつ前記空間光変調器の制御可能な素子は離散的で選択可能な輝度レベルの数Ｍを有しており、かつＮ＞Ｍである請求項１乃至１２のいずれか一項に記載のディスプレイ装置。
【請求項１５】
前記光源と前記空間光変調器の間にある１つまたは複数の追加的な光変調段を備える請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項１６】
前記１つまたは複数の追加的な光変調段の各々は、コリメータと、前段の空間光変調器で変調された光がその上に像形成される空間光変調器とを備える請求項１５に記載のディスプレイ。
【請求項１７】
前記１つまたは複数の追加的な光変調段の各々はディフューザを備える請求項１６に記載のディスプレイ。
【請求項１８】
前記光源を前記空間光変調器上に像形成するように配置された像形成用光学機器を備える請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項１９】
前記ディスプレイが光を観察者にむけて反射するように構成された表示画面を備える前面投影型のディスプレイを備える請求項１８に記載のディスプレイ。
【請求項２０】
前記空間光変調器が前記表示画面と一体化されている請求項１９に記載のディスプレイ。
【請求項２１】
対応する発光素子が最大の光出力にありかつ前記空間光変調器の対応する素子が最大の照射を提供するように設定されている点である第１の点と、対応する発光素子が最小の光出力にありかつ前記空間光変調器の対応する素子が最小の照射を提供するように設定されている点である第２の点との照度の比が、１０００：１を超えている請求項１乃至２０のいずれか一項に記載のディスプレイ。
【請求項２２】
対応する発光素子が最大の光出力にありかつ前記空間光変調器の対応する素子が最大の照射を提供するように設定されている点である第１の点と、対応する発光素子が最小の光出力にありかつ前記空間光変調器の対応する素子が最小の照射を提供するように設定されている点である第２の点との照度の比が、１５００：１を超えている請求項１乃至２０のいずれか一項に記載のディスプレイ。
【請求項２３】
前記発光素子の各々は固体発光素子を備える請求項１乃至２２のいずれか一項に記載のディスプレイ。
【請求項２４】
前記固体発光素子は発光ダイオードを備える請求項２３に記載のディスプレイ。
【請求項２５】
前記発光ダイオードは白色光を発する請求項２４に記載のディスプレイ。
【請求項２６】
前記固体発光素子によって発せられる光の色は制御可能である請求項２３に記載のディスプレイ。
【請求項２７】
前記空間光変調器の前記制御可能な素子は透過度可変のディスプレイ素子を備える請求項１乃至２６のいずれか一項に記載のディスプレイ。
【請求項２８】
前記透過度可変のディスプレイ素子は液晶ディスプレイ素子を備える請求項２７に記載のディスプレイ。
【請求項２９】
前記空間光変調器はカラー空間光変調器を備える請求項１乃至２８のいずれか一項に記載のディスプレイ。
【請求項３０】
前記空間光変調器の各制御可能な素子は複数のカラーサブ画素を備える請求項２９に記載のディスプレイ。
【請求項３１】
前記光源と前記空間光変調器の両方に画像データを供給するように接続されているコントローラを備える請求項１乃至３０のいずれか一項に記載のディスプレイ。
【請求項３２】
前記コントローラは、前記制御可能な素子を定期的にリフレッシュし、かつ制御可能な素子がリフレッシュされているときに、対応する発光素子を減光またはオフするように構成されている請求項３１に記載のディスプレイ。
【請求項３３】
前記発光素子のうちの少なくとも１つから迷光を受け取り、前記迷光の強度を表す迷光強度信号を発生させるように結合された光検出器であって、前記コントローラは、前記迷光強度信号を受け取り、前記発光素子のうちの少なくとも１つからの迷光の強度およびある基準値に少なくとも一部で基づいて前記発光素子の前記少なくとも１つに対する電流補正を決定し、前記発光素子の少なくとも１つの制御に関して前記電流補正を使用するように構成されている光検出器を備える請求項３１または３２に記載のディスプレイ。
【請求項３４】
前記コントローラは、前記発光素子のうちのある不良素子が動作していないと判定すると、前記発光素子のうちの前記不良素子に隣接する別の発光素子の強度を増加させるように構成されている請求項３１乃至３３のいずれか一項に記載のディスプレイ。
【請求項３５】
前記コントローラは、前記発光素子のうちのある不良素子が動作していないと判定すると、前記制御可能な素子のうち前記不良の発光素子に対応する素子の透過度を増加させるように構成されている請求項３１乃至３４のいずれか一項に記載のディスプレイ。
【請求項３６】
前記発光素子は正則アレイに配列されている請求項１乃至３５のいずれか一項に記載のディスプレイ。
【請求項３７】
前記アレイは矩形アレイである請求項３６に記載のディスプレイ。
【請求項３８】
前記アレイは６角形アレイである請求項３６に記載のディスプレイ。
【請求項３９】
前記発光素子の隣接する素子間に配置された光バリアを備える請求項１乃至３８のいずれかに記載のディスプレイ。
【請求項４０】
前記発光素子のデューティサイクルを変化させることによって前記発光素子の前記制御可能な光出力を個々に変化させるための制御回路を備える請求項１乃至３９のいずれか一項に記載のディスプレイ。
【請求項４１】
前記発光素子に供給される駆動用電流を変化させることによって前記発光素子の前記制御可能な光出力を個々に変化させるための制御回路を備える請求項１乃至４０のいずれか一項に記載のディスプレイ。
【請求項４２】
前記光検出器は、前記迷光が平板導波路によって受け取られるように結合されている請求項３３に記載のディスプレイ。
【請求項４３】
前記発光素子は、平板状導波路のアパーチャ内に受け容れられており、かつ前記導波路は前記発光素子が横方向に発した光を取り込んでいる請求項４２に記載のディスプレイ。
【請求項４４】
前記平板状導波路は前記発光素子の後ろに位置している請求項４３に記載のディスプレイ。
【請求項４５】
前記発光素子の前に位置する平板状導波路と、前記発光素子が発した光を検出するように前記平板状導波路と結合されている光センサとを備える請求項３１または３２に記載のディスプレイ。
【請求項４６】
前記平板状導波路の１つの表面は前記発光素子が発した光の一部分を前記平板状導波路内に導けるのに十分なように粗面処理されている請求項４５に記載のディスプレイ。
【請求項４７】
各々が制御可能な光透過を提供する制御可能な素子のアレイを備える空間光変調器と、
前記空間光変調器の複数の対応する制御可能な素子を照射するように配置されており、かつ各々が制御可能な光出力を有する固体発光素子のアレイを備える光源と、
ディフューザとを備え、
前記ディフューザ上のある点の照度は、前記発光素子のうちの前記点に対応する素子の光出力を制御し、かつ前記制御可能な素子のうちの前記点に対応する素子の光透過を制御することによって制御され得るディスプレイ。
【請求項４８】
厚さが１０センチメートルを超えない請求項４７に記載のディスプレイ。
【請求項４９】
第１の空間分解能で空間変調された光を提供するための光提供手段と、
前記第１の分解能と異なる第２の分解能で光をさらに空間変調するための空間変調手段と、
画像データによって規定される画像を表示すべく前記第１および第２の空間変調手段を制御するための手段と、
を備えるディスプレイ。
【請求項５０】
前記光提供手段は個々に制御可能な発光素子のアレイを備える請求項４９に記載のディスプレイ。
【請求項５１】
光源と、
前記光源からの光を変調するように配置した第１の空間光変調器と、
第２の空間光変調器を備える表示画面と、
前記第１の空間光変調器によって前記表示画面の第１の面上に変調された光を像形成するように構成されている光学系と、
を備えるディスプレイ。
【請求項５２】
光源と、
前記光源からの光を変調するように配置されている、制御可能な画素のアレイを備える第１の空間光変調器と、
前記第１の空間光変調器が変調した光を変調するように配置されている、制御可能な画素のアレイを備える第２の空間光変調器と、
を備えるディスプレイ。
【請求項５３】
本明細書に記載した特徴の新規の組み合わせまたは新規の部分的組み合わせを備えるディスプレイまたはディスプレイの構成要素。
【請求項５４】
高いダイナミックレンジを有する画像を表示するための方法であって、
第１の画像データの組によって決定される明度を有するように個々に制御可能な発光素子のアレイを制御する工程と、
空間光変調器の面を前記発光素子のアレイからの光によって照射する工程であって、前記空間光変調器は各々が制御可能な透過度を有している素子のアレイを備える照射工程と、
前記空間光変調器の素子の透過度を第２の画像データの組によって制御する工程と、
を含む方法。
【請求項５５】
前記第２の画像データの組は前記第１の画像データの組と比べて分解能がより高い請求項５４に記載の方法。
【請求項５６】
本明細書に記載した動作の新規の組または新規の部分組を含む画像を表示するための方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディジタル画像を表示するためのディスプレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
本出願は、２００２年３月１３日に出願された「ＨＩＧＨ  ＤＹＮＡＭＩＣ  ＲＡＮＧＥ  ＤＩＳＰＬＡＹ  ＤＥＶＩＣＥＳ」と題する米国特許出願第６０／３６３，５６３号の出願日の優先権を主張するものである。
【０００３】
ダイナミックレンジとは、あるシーンの最も照度が高い部分とシーンの最も照度が低い部分との強度の比である。例えば、映像投影システムによって投影された画像は３００：１の最大ダイナミックレンジを有してもよい。
【０００４】
人間の視覚系は、非常に高いダイナミックレンジを有するシーン内のフィーチャを認識することが可能である。例えば、ある人が日差しの明るい日に照明をつけていないガレージ内をのぞき込んだ場合に、隣接する日照を受けているエリアの照度がそのシーンの影になった部分の照度と比べて数千倍より大きい場合であっても対象物のディテールを確認することが可能である。こうしたシーンのリアルなレンダリングを生成させるには、１０００：１を超えるダイナミックレンジを有するディスプレイが必要となることがあり得る。「高いダイナミックレンジ」という用語は、ダイナミックレンジが８００：１以上であることを意味している。
【０００５】
現在のディジタル式イメージングシステムは、そのシーンのダイナミックレンジが保全されているようなシーンのディジタル表現を取り込みかつ記録することが可能である。コンピュータ式イメージングシステムは高いダイナミックレンジを有する画像を合成することが可能である。しかし、近年の表示テクノロジは、高いダイナミックレンジを忠実に再生させる方式での画像のレンダリングが可能ではない。
【０００６】
ブラックハムらの米国特許第５，９７８，１４２号には、画像をスクリーン上に投影するためのシステムが開示されている。このシステムは、そのいずれもが光源からの光を変調している第１および第２の光変調器を有している。これらの光変調器の各々は、光源からの光をその画素レベルにおいて変調している。これら光変調器の両者が変調された光がスクリーン上に投影される。
【０００７】
ギボンらのＰＣＴ出願ＰＣＴ／ＵＳ０１／２１３６７には、事前変調器（ｐｒｅ  ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）を含む投影システムが開示されている。この事前変調器は、変形可能なミラーディスプレイ装置上に入射する光の量を制御する。選択したエリア（例えば、四分円の１つ）を暗転させるために別の事前変調器を使用することもある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
表示された画像内に広い範囲の光強度を再生することを可能とする、経済性に優れたディスプレイが求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は画像を表示するためのディスプレイを提供する。本発明の一実施形態は、発光素子のアレイを備える光源を備えたディスプレイを提供する。この素子の各々は１つの制御可能な光出力と、光源からの光を変調するように配置された複数の制御可能な素子を備えた空間光変調器とを有している。空間光変調器による変調を受けた光源からの光は、ディフューザによって観察するエリアまで導かれる。
【００１０】
本発明の別の態様は、各々が制御可能な光透過を提供する制御可能な素子のアレイを備える空間光変調器と、空間光変調器の複数の対応する制御可能な素子を照射するように配置されており、かつ各々が制御可能な光出力を有している固体発光素子のアレイを備える光源と、ディフューザとを備えるディスプレイを提供する。ディフューザ上のある点の照度は、発光素子のうちの前記点に対応する素子の光出力を制御しかつ前記制御可能な素子のうちの前記点に対応する素子の光透過を制御することによって制御されえる。
【００１１】
本発明のさらに別の態様は、第１の空間分解能で空間変調された光を提供するための光提供手段と、前記第１の分解能と異なる第２の分解能で光をさらに空間変調するための空間変調手段と、画像データによって規定される画像を表示するように前記第１および第２の空間変調手段を制御するための手段とを備えるディスプレイを提供する。
【００１２】
本発明はさらに、画像を表示するための方法を提供する。本方法は、第１の画像データの組によって決定される明度を有するように個々に制御可能な発光素子のアレイを制御する工程と、空間光変調器の面を前記発光素子のアレイからの光によって照射する工程であって、前記空間光変調器は各々が制御可能な透過度を有している素子のアレイを備える照射工程と、前記空間光変調器の素子の透過度を第２の画像データの組によって制御する工程とを含んでいる。
【００１３】
本発明の別の態様、ならびに本発明の具体的な実施形態の特徴について以下に記載する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
添付の図面は本発明の非限定的な実施形態を示している。
以下の説明の全体を通じ、本発明に関するより完全な理解が得られるように具体的な詳細を記述している。しかし、本発明はこれらの個別項目なしに実施されることもある。別の件として、本発明を不必要に不明瞭にすることを避けるために、よく知られている素子は詳細に図示したり記載したりしていない。したがって、本明細書および図面は、限定の意味ではなく、例示の意味と見なすべきである。
【００１５】
本発明は、高いダイナミックレンジによって画像をレンダリングすることが可能なディスプレイを提供する。本発明によるディスプレイは、２つの光変調段を備えている。光は各段を直列に通過してダイナミックレンジの向上された画像を生ずる。
【００１６】
図１は、本発明の単純な実施形態に従うディスプレイ１０を模式的に示す。図１における素子の大きさおよびこれらの間の距離は縮尺通りではない。ディスプレイ１０は光源１２を備えている。光源１２は、例えば白熱ランプやアーク灯などの投影ランプ、レーザー、あるいは、適当な別の光源を備えてもよい。光源１２は、光をディスプレイ１０の残りの部分に伝えるために協働する、１つまたは複数のミラー、レンズ、あるいは他の光学素子を備えた光学系を備えてもよい。
【００１７】
図示した実施形態では、光源１２からの光は、第１の光変調器１６の方向に導かれている。光源１２は、第１の光変調器１６に対して実質的に均一な照射を提供することが好ましい。光変調器１６は、個々にアドレス指定可能な素子からなるアレイを備えている。光変調器１６は例えば、透過型の光変調器の一例であるＬＣＤ（液晶ディスプレイ）、または反射型の光変調器の一例であるＤＭＤ（変形可能なミラーデバイス）を備えてもよい。ディスプレイドライバ回路（図１には図示せず）は、表示されている画像を規定するデータに従って光変調器１６の素子を制御する。
【００１８】
第１の光変調器１６によって変調された光は、適当な光学系１７によって背面投影スクリーン２３上に像形成している。第１の光変調器１６のある小さいエリアからの光は、光学系１７によって、背面投影スクリーン２３上の対応するエリアにまで導かれている。図示した実施形態では、光学系１７は、焦点距離ｆを有するレンズを備えている。一般に、第１の光変調器１６が変調した光を背面投影スクリーン２３上に像形成する光学系１７は、１つまたは複数のミラー、レンズまたは別の光学素子を備えてもよい。こうした光学系は、第１の光変調器が変調した光を第２の光変調器上に像形成させる機能を有する。光学系１７は像形成手段と言うこともある。
【００１９】
図示した実施形態では、背面投影スクリーン２３は第２の光変調器２０およびコリメータ１８を備えている。コリメータ１８の主たる機能は、背面投影スクリーン２３を通過させて、光を観察するエリアの方向に優先的に導くことである。コリメータ１８は、フレネルレンズ、ホログラフィックレンズ、または代替的には、観察エリアの方向に光を導くように動作する１つまたは複数のレンズや別の光学素子の別の配列を備えてもよい。
【００２０】
図示した実施形態では、コリメータ１８はスクリーン２３に対してほぼ直交する方向に第２の光変調器２０の素子を通過するように光を伝播させる。コリメータ１８から入射する光は、第２の光変調器２０を通過するに連れてさらに変調を受ける。次いでこの光は、送出される光をある方向範囲にわたって散乱させるディフューザ２２を通過し、これによって第１の光変調器１６からみてディフューザ２２の反対側に位置する観察者がスクリーン２３の全体エリアから発せられる光を見ることが可能となる。一般に、ディフューザ２２は、光を水平及び垂直面内の異なる角度範囲まで散乱させてもよい。ディフューザ２２は、少なくとも所望の観察箇所から見た際にその最大散乱角度がスクリーン２３によって限定される角度と等しいような角度範囲にわたって第２の光変調器２０によって変調された光が散乱されるように選択されるべきである。
【００２１】
背面投影スクリーン２３は、第１の光変調器１６と面積が異なってもよい。例えば、背面投影スクリーン２３は第１の光変調器１６と比べて面積がより大きくてもよい。このような場合、光学系１７は第１の光変調器１６による変調を受けた光のビームを拡張させ、背面投影スクリーン２３上において第１の光変調器１６と比べてより大きな対応するエリアを照射する。
【００２２】
第２の光変調器２０は、第１の光変調器１６と同じタイプとする場合や、別のタイプとする場合があり得る。第１の光変調器１６および第２の光変調器２０の両者が光を偏光させるタイプのものである場合、第２の光変調器２０は実現可能な程度で、その偏光面が第１の光変調器１６から該面上に入射する光面と一致する方向とすべきである。
【００２３】
ディスプレイ１０はカラーディスプレイであってもよく、次のようなさまざまな方式によって達成できる。
・第１の光変調器１６と第２の光変調器２０のうちの一方をカラー光変調器とすること。
・さまざまなカラーに関して並列に動作している複数のさまざまな第１の光変調器１６を提供すること。
・さまざまなカラーフィルタを第２の光変調器２０の前でその光経路内に迅速に導入するためのメカニズムを提供すること。
【００２４】
上述した第１の手法の一例として、第２の光変調器２０は、各々が多数の色付きサブ画素を備える複数の画素を有するＬＣＤパネルを備えてもよい。例えば、各画素は３つのサブ画素であって、その１つが赤色フィルタに関連付けされており、その１つが緑色フィルタに関連付けされており、またその１つが青色フィルタに関連付けされているような３つのサブ画素を備えてもよい。これらのフィルタはＬＣＤパネルと一体化させてもよい。
【００２５】
図１Ａに示すように、光源１２、第１の光変調器１６および光学系１７はすべて、コントローラ３９からの信号３８Ａによって規定される画像を背面投影スクリーン２３の後ろ側に投影させるように配置されたディジタル映像プロジェクタ３７の一部でありえる。第２の光変調器２０の素子は、高いダイナミックレンジを有する画像を観察者に提供するようにコントローラ３９からの信号３８Ｂによって制御されている。
【００２６】
コントローラ３９は、適当な任意のデータプロセッサを備えてもよい。コントローラ３９は、コントローラ３９に対して本発明によるディスプレイの動作制御を可能にするインタフェースと協働した適当な制御ソフトウェアを動作させている１つまたは複数のマイクロプロセッサを備えてもよい。こうしたコントローラの全体的な構造、ならびに所望の機能を提供するようにこうしたコントローラをプログラムするための全般的な技法は当業者にはよく知られており、本明細書では詳細に記載していない。
【００２７】
図２に示すように、本発明によるディスプレイ１０Ａは１つまたは複数の追加的な光変調段２４を備えてもよい。追加的な光変調段２４の各々は、コリメータ２５と、光変調器２６と、光変調器２６からの光を次の追加的な光変調段２４上またはコリメータ１８上のいずれかに集束させている光学系２７とを備えている。図２のデバイス１０Ａでは、２つの追加的な光変調段２４を存在させている。本発明のこの実施形態によるデバイスは、１つまたは複数の追加的な光変調段２４を有してもよい。
【００２８】
出力ディフューザ２２上の任意の点の照度は、光変調器１６、２０および２６の対応する素子が通過させる光の量を制御することによって調整することが可能である。この制御は、光変調器１６、２０および２６の各々を駆動するように接続した適当な制御系（図２では図示せず）が行ってもよい。
【００２９】
上述したように、光変調器１６、２０および２６はすべてが同じタイプであってもよく、２種類以上のタイプであってもよい。図３は、変形可能なミラーデバイスを備える第１の光変調器１６Ａを含む、本発明の代替的実施形態によるディスプレイ１０Ｂを示す。変形可能なミラーデバイスは、各画素が「オン」か「オフ」のいずれかとなり得るという意味で「バイナリ」デバイスである。画素を迅速にオンとオフにさせることによってさまざまな見かけ上の輝度レベルを生成することができる。こうしたデバイスは例えば、米国特許第４，４４１，７９１号および同第４，９５４，７８９号に記載されており、ディジタル映像プロジェクタにおいて通常使用されている。光源１２および第１の光変調器１６（または、１６Ａ）は、例えば市販のディジタル映像プロジェクタからの光源および変調器でありえる。
【００３０】
図４は、本発明による前面投影タイプのディスプレイ１０Ｃを示す。ディスプレイ１０Ｃはスクリーン３４を備える。プロジェクタ３７は画像３８をスクリーン３４上に投影する。プロジェクタ３７は、適当な光源１２と、第１の光変調器１６と、第１の光変調器１６によって規定される画像をスクリーン３４上に投影するのに適した光学系１７とを備える。プロジェクタ３７は、市場で入手可能なディスプレイプロジェクタを備えてもよい。スクリーン３４は第２の光変調器３６を組み込んでいる。第２の光変調器３６はスクリーン３４の対応するエリアに対する照度に影響を及ぼすように個々に制御することが可能な多数のアドレス指定可能な素子を備えている。
【００３１】
光変調器３６はさまざまな構造のうちのいずれかを有する。例えば、光変調器３６は、各々が反射性バッキングの前に制御可能な透過度を有するＬＣＤ素子からなるアレイを備えてもよい。プロジェクタ３７が投影した光は、各ＬＣＤ素子を通過し、さらに反射性バッキングによって反射されＬＣＤ素子を通過して戻される。スクリーン３４上の任意の点における照度は、当該の点においてプロジェクタ３７が受け取った光の強度、ならびに光変調器３６（例えば、当該の点にあるＬＣＤ素子）がその中を通って伝播する光をどの程度吸収するかによって決定される。
【００３２】
光変調器３６はさらに、可変の再帰反射性能を有する素子からなるアレイを備えることも可能である。これらの素子はプリズム状でありえる。こうした素子は例えば、ホワイトヘッドによる「Ｐａｓｓｉｖｅ  Ｈｉｇｈ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  Ｖａｒｉａｂｌｅ  Ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｉｔｙ  Ｉｍａｇｅ  Ｄｉｓｐｌａｙ  Ｄｅｖｉｃｅ」と題する米国特許第５，９５９，７７７号、ならびにホワイトヘッドらによる「Ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｔｉｃ，  Ｈｉｇｈ  Ｉｎｄｅｘ  ａｎｄ  Ｐｈａｓｅ  Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  ｏｆ  Ｔｏｔａｌ  Ｉｎｔｅｒｎａｌ  Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ  ｉｎ  Ｈｉｇｈ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  Ｖａｒｉａｂｌｅ  Ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｉｔｙ  Ｉｍａｇｅ  Ｄｉｓｐｌａｙｓ」と題する米国特許第６，２１５，９２０号に記載されている。
【００３３】
光変調器３６はさらに、例えば、アルバートらによる「Ｓｈｕｔｔｅｒ  Ｍｏｄｅ  Ｍｉｃｒｏｅｎｃａｐｓｕｌａｔｅｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｔｉｃ  Ｄｉｓｐｌａｙ」と題する米国特許第６，１７２，７９８号、コミスキーらによる「Ｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｓｍｏｔｉｃ  Ｄｉｓｐｌａｙｓ  ａｎｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  ｆｏｒ  Ｍａｋｉｎｇ  ｔｈｅ  Ｓａｍｅ」と題する米国特許第６，１２０，８３９号、ヤコブソンによる「Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｌｌｙ  Ａｄｄｒｅｓｓａｂｌｅ  Ｍｉｃｒｏｅｎｃａｐｓｕｌａｔｅｄ  Ｉｎｋ  ａｎｄ  Ｄｉｓｐｌａｙ」と題する米国特許第６，１２０，５８８号、ヤコブソンらによる「Ｅｌｅｄｔｒｏｐｈｏｒｅｔｉｃ  Ｄｉｓｐｌａｙｓ  Ｕｓｉｎｇ  Ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ」と題する米国特許第６，３２３，９８９号、アルバートによる「Ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｔｉｃ  Ｄｉｓｐｌａｙｓ  ｗｉｔｈ  Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ  Ｐａｒｔｉｃｌｅｓ  ａｎｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  ｆｏｒ  Ｍａｋｉｎｇ  ｔｈｅ  Ｓａｍｅ」と題する米国特許第６，３００，９３２号、あるいはコミスキーらによる「Ｍｉｃｒｏｃｅｌｌ  Ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｔｉｃ  Ｄｉｓｐｌａｙｓ」と題する米国特許第６，３２７，０７２号に記載されている電気泳動ディスプレイ素子からなるアレイを備えることも可能である。
【００３４】
図６Ａおよび６Ｂに示しているように、スクリーン３４は、光を観察者の眼の方向に優先的に導くように機能するレンズ素子４０を備えることが好ましい。図示した実施形態では、レンズ素子４０はプロジェクタ３７から発せられた光円錐の頂点と実質的に一致した焦点を有するフレネルレンズを備えている。レンズ素子４０は、ホログラフィックレンズなどの別の種類のレンズを備えることも可能である。レンズ素子４０は、スクリーン３４から反射された光に所望の度合いの拡散を提供する散乱中心４５を組み込んでいる。図示した実施形態では、第２の光変調器３６は反射層４３が裏打ちされかつバッキング４７上に取り付けられた多数の画素４２を有する反射性ＬＣＤパネルを備えている。
【００３５】
光変調器３６が可変の再帰反射性能を有する素子からなるアレイを備える場合には、これらの素子自体を、再帰反射した光をスクリーン３４の前において観察エリアの方向に優先的に導くように設計することが可能である。反射層４３は散乱中心４５の効果の増強、あるいは散乱中心４５の代用のいずれかのために光を散乱させるパターンであってもよい。
【００３６】
図４に示すように、コントローラ３９は、画像３８を規定するデータを第１の光変調器１６および第２の光変調器３６の各々に提供する。コントローラ３９は例えば、適当なディスプレイアダプタを装備したコンピュータを備えることが可能である。スクリーン３４上の任意の点の照度は、第１の光変調器１６および第２の光変調器３６内における当該の点に対応する画素の合成効果によって決定される。最小照度は、第１および第２の光変調器の対応する画素がその「最も暗い」状態に設定されている点に存在する。最大照度は、第１および第２の光変調器の対応する画素がその「最も明るい」状態に設定されている点に存在する。別の点は中間的な照度値を有する。最大照度値は例えば、１０5ｄ／ｍ2オーダーとすることがあり得る。最小照度値は例えば、１０-2ｃｄ／ｍ2オーダーとすることがあり得る。
【００３７】
光変調器ならびにその関連する制御回路のコストはその光変調器内のアドレス指定可能な素子の数に伴って増大する傾向がある。本発明の幾つかの実施形態では、その光変調器のうちの１つは、その光変調器の別の１つまたは複数の光変調器と比べて有意に高い空間分解能を有する。１つまたは複数の光変調器がより低分解能のデバイスである場合、本発明のこうした実施形態によるディスプレイのコストを低減させることができる。光変調器のうちの１つがカラー光変調器（複数のモノクロ光変調器の組み合わせによって、例えば図６に示すようなカラー光変調器を構成させることがある）であり、かつ光変調器のうちの１つがより高分解能の光変調器であるような２つ以上の光変調器を備えるカラーディスプレイでは、このより高分解能の光変調器もカラー光変調器とすべきである。幾つかの実施形態では、より高分解能の光変調器がより低い分解能の光変調器上に像形成されている。別の実施形態では、より低い分解能の光変調器がより高分解能の光変調器上に像形成されている。
【００３８】
図５は、図１に示すようなディスプレイ１０の画素に関する可能な１構成を示す。第２の光変調器２０の９個の画素４２が第１の光変調器１６の各画素４４に対応している。第２の光変調器２０のうち第１の光変調器１６の各画素４４に対応する画素４２の数は、設計選択の問題として変更されえる。第１および第２の光変調器１６および２０（または３６）のうちより高い方の分解能の光変調器の画素４４は、所望の全体分解能が得られるように十分に小さくすべきである。一般に、分解能の上昇とコストの上昇との間にはトレードオフの関係がある。典型的なディスプレイの１つでは、より高分解能の光変調器は各方向に少なくとも数百個の画素、またより典型的には各方向で１０００個を超える画素を有する画素のアレイを提供することになる。
【００３９】
第１および第２の光変調器のうちより低い方の分解能の光変調器の画素４２のサイズによって、そのスケールにわたって最大強度から最小強度まで高信頼に移行することが可能なスケールが決定される。例えば、最大照度の小さいスポットの画像を最小照度の大きいバックグラウンド上に表示したいと希望する状況を表す図５Ａを検討してみる。スポット４７内に最大の照度を得るには、第１および第２の光変調器の各々のうちスポット４７に対応する画素をその最大照度値になるように設定すべきである。ある光変調器の画素がこれ以外の光変調器の画素と比べて分解能がより低い場合には、このより低分解能の光変調器の幾つかの画素をスポット４７の境界に跨らせることになる。例えば図５Ａがこのケースとなる。
【００４０】
スポット４７の外部には２つの領域が存在する。領域４８ではより低分解能の光変調器がその最も高照度の値に設定されるため、この領域ではその照度を最小値に設定することが可能ではない。領域４９ではその光変調器の両方をその最低の照度値に設定することが可能である。例えば、第１および第２の光変調器の各々が１から１００単位の照度範囲を有している場合には、領域４７は１００×１００＝１０，０００単位の照度を有する可能性があり、領域４８は１００×１＝１００単位の照度を有することになり、かつ領域４９は１×１＝１単位の照度を有することになる。
【００４１】
光変調器の一方がもう一方と比べてより低い分解能を有しているため、より低分解能の光変調器の各画素はより高分解能の光変調器の複数の画素に対応する。より低分解能の光変調器の任意の１つの画素に対応する点およびより高分解能の光変調器の別の画素に対応する点が、デバイスのダイナミックレンジの両極にある照度値を有することは不可能である。こうした点の間での照度の最大差は、より高分解能の光変調器により提供されるダイナミックレンジによって決定される。
【００４２】
ディスプレイが接近した間隔とした点の照度をディスプレイのフルダイナミックレンジだけ互いに異ならせることが不可能であることは一般に問題とならない。人間の眼の有する固有の散乱は大きいため、任意のイベントにおいて非常に短い距離にわたって生じるような照度の大きな変化を認識することは不可能である。
【００４３】
より低分解能の空間光変調器とより高分解能の空間光変調器との両方を含む本発明によるディスプレイでは、コントローラ３９は、より低分解能の空間光変調器の各画素に関する値を決定し、さらにより高分解能の空間光変調器を制御する信号を調整し、より低分解能の空間光変調器の各画素がこのより高分解能の空間光変調器の複数の画素に共通であるということに由来するアーチファクトを低減させている。このことは、数多くの方法のうちのいずれかによって実施できる。
【００４４】
単に一例を挙げると、より低分解能の空間光変調器の各画素がより高分解能の空間光変調器の複数の画素に対応するケースを検討してみる。所望の画像を指定する画像データはコントローラに供給される。この画像データは、より高分解能の空間光変調器の画素の各々に対応する画像エリアに関する所望の照度を示している。このコントローラは、所望の画像に関する１つの近似が提供されるようにより低分解能の光変調器の画素を設定されえる。このことは例えば、より低分解能のディスプレイの各画素に対応する画像エリアに関する所望の照度値の平均値または重み付き平均値を決定することによって達成させることが可能である。
【００４５】
次いで、コントローラは、得られる画像を所望の画像に接近させることにより、より高い分解能ディスプレイの画素を設定することがある。このことは例えば、所望の照度値を、より低分解能の光変調器からより高分解能の光変調器の対応する画素上に入射する光の強度によって割ることによって実施することが可能である。より低分解能の光変調器からより高分解能の光変調器のうちのある画素上に入射する光の強度は、より低分解能の空間光変調器の各画素からの光をより高分解能の空間光変調器上に分布させている周知の方法から計算することが可能である。より低分解能の空間光変調器の画素のうちの１つまたは複数からの寄与を足し合わせることによって、より低分解能の空間光変調器の画素を設定する際の方式に関して、より高分解能の空間光変調器の任意の画素が照射を受ける強度を決定することが可能である。
【００４６】
低い分解能の画素が大きすぎると、観察者はある画像内の明るい素子の周囲に光暈（ｈａｌｏ）を認識し得るほどになることがある。こうした低分解能の画素は十分に小さくし、暗いバックグラウンド上への明るい斑点（ｐａｔｃｈ）の出現や、明るいバックグラウンド上への暗いスポットの出現を受容不可能なほどに劣化させないことが好ましい。より低分解能の光変調器の画素ごとにより高分解能の光変調器上で、約８個から約１４４個の範囲の画素、より好ましくは約９個から３６個の範囲の画素を提供することが近年のところ現実的であると考えられる。
【００４７】
画素４２および４４の各々によってその画像上の点（複数のこともある）の照度を調整することが可能であるようなステップのサイズは、必ずしも等しくはない。より低分解能の光変調器の画素はより高分解能の光変調器の画素と比べてより粗いステップで光強度を調整してもよい。例えば、より低分解能の光変調器は、各画素の光強度を８ステップで１から５１２単位の強度範囲にわたって調整することを可能としており、一方より高分解能の光変調器は各画素の光強度を５１２ステップで同じ範囲にわたって調整することを可能でありえる。図５では画素４２および４４をいずれも正方形として図示しているが、このことは必須ではない。画素４２および／または４４は、矩形、３角形、６角形、円形、あるいは長円形など別の形状とさせることも可能である。
【００４８】
より低分解能の光変調器の画素は、その光強度がより低分解能の光変調器の画素を横断するのに連れて適度に滑らかに変化するように若干拡散するような光を発することが好ましい。これは、より低分解能の光変調器の画素の各々からの光が図７に示すような隣接する画素内に拡がるケースである。図７Ａに示すように、より低分解能の光変調器内の画素の強度プロファイルは、多くの場合、その画素の有効幅に等しい幅ｄ1を有する矩形プロファイルとコンボリューションされたガウス広がり関数（ｓｐｒｅａｄ  ｆｕｎｃｔｉｏｎ）によって近似することが可能である。この広がり関数は、所望な滑らかに変化する光強度が得られるように、ｄ2が画素間の中心−中心の間隔であるとして０．３×ｄ2から３×ｄ2までの範囲にある半値全幅を有することが好ましい。典型的には、ｄ1は概ねｄ2に等しい。
【００４９】
図５の実施形態において、各画素４２は３つのサブ画素４３Ｒ、４３Ｇおよび４３Ｂ（明瞭にするため、図５では幾つかの画素４２に関してはサブ画素を省略している）を備えている。サブ画素４３Ｒ、４３Ｇおよび４３Ｂは独立にアドレス指定可能である。これらの画素は、第２の光変調器２０内に組み込まれた赤色、緑色および青色のカラーフィルタのそれぞれに関連付けされている。多数の色付きサブ画素を含むと共に本発明での使用に適したＬＣＤパネルのさまざまな構造は当技術分野において周知である。
【００５０】
前面投影タイプのディスプレイ（例えば、図４のディスプレイ１０Ｃ）は、第１の光変調器１６に対してカラー情報を提供する高分解能の光変調器を備え、かつ光変調器３６にモノクロ光変調器を備えることが典型的に最も実用的である。光変調器３６は、その素子の境界が視覚的に目障りなパターンを形成させることがないように、適度に小さいアドレス指定可能な素子を有することが好ましい。例えば、光変調器３６は、プロジェクタ３７と同じ数のアドレス指定可能な素子を有することがある（ただし、こうした素子はそれぞれ、典型的には、プロジェクタ３７の光変調器１６内の対応する素子と比べて有意に大きな寸法を有する）。
【００５１】
プロジェクタ３７は適当な任意の構造を有してもよい。そのプロジェクタ３７にとって必要なことは、スクリーン３４上に画像が提供されるように空間変調を受けた光を投影することが可能であることがそのすべてである。図６は、本発明の別の代替的実施形態による表示システム１０Ｄを示す。システム１０Ｄは、図４を参照しながら上述したように組み込んだ光変調器３６を有するスクリーン３４を備えている。システム１０Ｄは、３つのカラーのそれぞれに対する別々の光変調器１６Ｒ、１６Ｇおよび１６Ｒを有するプロジェクタ３７Ａを備えている。光変調器１６Ｒ、１６Ｇおよび１６Ｂの各々によって変調された光は、３つの色付きフィルタ４７Ｒ、４７Ｇおよび４７Ｂのうちの対応する１つによってフィルタ処理されている。この変調光は、光学系１７によってスクリーン３４上に投影されている。単一の光源１２によって３つの光変調器１６Ｒ、１６Ｇ、および１６Ｂのすべてに対して光を供給することや、別々の光源（図示せず）を設けることもある。
【００５２】
上述した実施形態では、光源からの光は第１の光変調器によって空間変調させ、次いで第２の光変調器上に像形成されている。本発明者らは、この光源の機能と第１の光変調器の機能とは、各々が制御可能な輝度を有する発光素子からなるアレイを備える光源を設けることによって組み合わせることが可能であるものと理解している。これらの発光素子は半導体デバイスでありえる。例えば、発光素子は発光ダイオード（ＬＥＤ）を備えることがある。これらのＬＥＤの各々は、ＬＥＤを通って流れる電流の制御を可能にしており、これによりＬＥＤが発する光の輝度に対する制御を可能にするドライバ回路によって駆動させている。このコントローラはさらに、あるいは代替的に、対応するＬＥＤのデューティサイクルを制御することがある。以下に記載するが、この駆動用回路は、各ＬＥＤまたはＬＥＤの各グループに供給されている電流を監視することがあり、また各ＬＥＤまたはＬＥＤの各グループに供給されている電流の大きさが予期しない値である場合にエラー信号を発生させることがある。こうしたエラー信号は、コントローラによって不良のＬＥＤを補償するために使用されてもよい。
【００５３】
本発明の好ましい一実施形態では、そのＬＥＤは白色光を発するタイプのものである。例えば、そのＬＥＤは３色のＬＥＤからなるアレイを備えてもよい。各々が赤色、緑色および青色のＬＥＤのすべてを単一のハウジング内部に封入して含んでいるような３色ＬＥＤが一般に市販されている。１つまたは複数の白色ＬＥＤを用いて第２の光変調器の各画素グループを照射することもある。
【００５４】
図８は、拡散層２２を備える背面投影スクリーン５３がＬＥＤ５２のアレイ５０によって照射されている本発明の一実施形態によるディスプレイ６０を通過するあるセクションを示す。各ＬＥＤ５２の輝度はコントローラ３９によって制御されている。スクリーン５３は光変調器２０を含んでいる。光変調器２０の後ろ側の面がＬＥＤアレイ５０によって照射される。図８Ａは、光変調器２０の制御可能な素子（画素）４２が各ＬＥＤ５２に対応する場合におけるディスプレイ６０の一部分の正面概略図である。この制御可能な素子４２の各々は複数の色付きサブ画素を備えることがある。
【００５５】
ＬＥＤ５２は適当な任意の方式によってアレイ５０の形に配列させてもよい。ＬＥＤ５２に関する同様の２つの配列を図９Ａおよび９Ｂに示す。図９Ａは、光源５１の矩形アレイ５０Ａを示す。図９Ｂは、光源５１の６角形アレイ５０Ｂを示す。光源５１はＬＥＤ５２を備えることがある。光源５１が離散的なデバイスを備える場合には、例えば光源５１を図９Ａまたは９Ｂに示すようにして互いに詰め込むことによって光源５１同士の間で規則正しい間隔を維持させることがある。
【００５６】
ディフューザ２２ＡはＬＥＤ５２の発光特性と連携して、光変調器２０の後ろ側の面全体にわたってＬＥＤ５２からの光の強度変動を滑らかにさせている。
同様の効果は、光変調器２０をＬＥＤ５２から離して間隔をとることによってディフューザ２２Ａを用いずに得ることが可能である。光変調器２０をＬＥＤ５２から離して間隔をとっている場合、各ＬＥＤ５２からの光を、近傍にあるＬＥＤ５２に対応する空間光変調器２０のエリアのエッジ部に対する照射に寄与させることが可能である。
【００５７】
ディスプレイをある大きな角度範囲にわたって視認可能とする必要があるケースでは、こうした間隔があると視差の問題を生じさせることがあり得る。図８Ｂに示すように観察者がディスプレイを真正面から見ていない場合には、この観察者には空間光変調器２０のある画素がその画素に対応しないＬＥＤ５２によって照射されて見えることがある。例えば、図８Ｂでは、エリア２１ＡはＬＥＤ５２Ａに対応しており、かつエリア２１ＢはＬＥＤ５２Ｂに対応する。しかし、視差があるために、観察者にはエリア２１Ａ内の画素がＬＥＤ５２Ｂによって照射されているように見える。
【００５８】
図８Ｃは、図８Ｂに図示した視差の問題を回避する代替的な構造を示す。図８Ｃでは、反射壁式チャンネル１２３のグリッド１２２は、アレイ５０と空間光変調器２０の間に配置させている。好ましい一実施形態では、チャンネル１２３は断面が６角形であり、かつグリッド１２２は図８Ｄに示すようなハニカム構造を備えている。チャンネル１２３はさらに、正方形、３角形、矩形、その他など別の断面形状を有することも可能である。チャンネル１２３を画定する壁は薄くすることが好ましい。グリッド１２２は、例えばアルミニウムハニカム材料からなるセクションを備えることが可能である。
【００５９】
チャンネル１２３は中空とすることがあるが、必ずしも必須ではない。チャンネル１２３は、光を透過させる材料からなる柱状部（ｃｏｌｕｍｎ）が、光をその位置で内部反射させる（好ましくは、内部全反射させる）壁を有するようにすることによって設けられることがある。この柱状部は、狭いエアギャップ、あるいは光をその位置で内部反射させている界面を提供するような１つまたは複数の材料内のクラッド（ｃｌａｄ）によって分離させることがある。この柱状部は、ＬＥＤ５２をその内部に封入している材料と一体化させることがある。図８Ｇは、内部反射壁を有する柱状部１２３ＡがＬＥＤ５２Ｃと一体化となって形成されている本発明の一実施形態を示す。柱状部１２３Ａは６角形、３角形、正方形、その他などさまざまな断面形状を有してもよい。
【００６０】
各ＬＥＤ５２からの光はチャンネル１２３を通過する。図８Ｅに示すように、ＬＥＤからの光の一部はチャンネル１２３を真っ直ぐに通過し、また光の一部はチャンネル１２３の反射壁１２４から反射される。空間光変調器２０上のある点における照度は、反射した光と非反射の光の両方による寄与を受けている。反射成分はチャンネル１２３のエッジの周囲でより強くなる傾向があり、一方非反射成分はチャンネル１２３の中心に向かってより強くなる傾向がある。この結果、各ＬＥＤ５２の空間光変調器２０の対応する部分の照射に関する均一性は、グリッド１２２を存在させることによって改善されることになる。均一性のこの増加を図８Ｆに示す。
【００６１】
グリッド１２２はギャップ５７（図８Ｃおよび８Ｅ参照）だけ空間光変調器２０から若干間隔をとり、これにより、グリッド１２２の隣接するチャンネル１２３を分離させている壁によって識別可能な影が生じるのを回避している。
【００６２】
チャンネル１２３の幾何学構成は設計目標を達成させるように変更してもよい。各チャンネル１２３の幅によって主に、空間光変調器２０に当たる光の強度を変更可能とする際に用いる分解能が決定される。所与のチャンネル幅および断面形状では、チャンネル１２３がより長くなるように製作することによって、各チャンネル１２３によって提供される照射の均一性を増大させることが可能である。しかし、こうすると、光を空間光変調器２０に伝える際の効率は低下する。
【００６３】
照射の効率と均一性との間における適度なトレードオフは、チャンネルエッジの近傍で、非反射と１回反射の光成分の各々がＬＥＤ５２の軸上の非反射成分の強度の概ね半分の長さＬを有するようにチャンネル１２３を設けることによって達成させてもよい。これを近似的に達成させるための１方法は、ＬＥＤ５２の軸とチャンネル１２３のエッジとの間の角度θがＬＥＤ５２の半角度θ1/2と等しくなるように長さＬを選択することである。この半角度（ｈａｌｆ  ａｎｇｌｅ）とは、ＬＥＤ５２によって提供される照射が、ＬＥＤ５２の軸上における前進方向の照射強度の半分に等しい強度となるような角度である。この条件は、Ｌが式（１）の条件を満足するようにする（ここで、Ｒはチャンネル１２３の半値幅である）ことによって提供される。
【００６４】
【数１】
2005520188.tif 000003
【００６５】
各ＬＥＤにつき１つのチャンネル１２３または別の光源を設けることが一般に望ましい。本発明の幾つかの実施形態では、各チャンネル１２３は複数のＬＥＤを有する。本発明の一実施形態では、各チャンネル１２３は異なる色相（例えば、赤色、緑色および青色）を有する３つのＬＥＤを有する。こうした実施形態では、人間の眼は色相の違いに敏感であるためＬＥＤの各々からの光が空間光変調器２０の位置で均一に分布するようにそのチャンネル１２３を十分に長くすることが重要である。
【００６６】
上述のように、図７および７Ａを参照すると、光変調器２０は、ＬＥＤアレイ５０による光変調器２０の照射が光変調器２０上での位置に従って滑らかに変化するような方式で照射を受けることが好ましい。このことは、ＬＥＤアレイ５０内に光変調器２０上で若干重複したパターンで光を発するＬＥＤ５２を設けることによって達成することが可能である。各ＬＥＤ５２が発した光は、光変調器２０上に入射するＬＥＤ５２からの光の強度変動が矩形プロファイルと広がり関数とのコンボリューションとなるようにして広がり関数によって特徴付けすることがある。この広がり関数は、０．３×ｄ2から３×ｄ2（ここで、ｄ2は光変調器２０上の隣接するＬＥＤ５２の照射パターン同士の間の光変調器２０上での中心−中心間隔である）の範囲にある半値全幅を有することが好ましい。光変調器２０上のＬＥＤ５２の照射パターンが広げられるように、ディフューザ２２Ａ（図８の破線で示す）をアレイ５０と光変調器２０の間に配置させてもよい。
【００６７】
幾つかの用途では、間隔を近づけた画素同士のその上での照射レベルが大幅に異なるようなディスプレイを提供することが望ましいことがある。このことは、光変調器２０上での隣接する光源の照射パターンが大幅に重なり合わないようにアレイ５０の光源の各々から発せられた光を限定することによって、ある程度の平滑度を犠牲にして達成させることがある。このことは例えば、図９Ｃに示すようにアレイ５０の光源の各々からの光の広がりを限定する光バリア５６を設けることによって達成させることがある。光バリア５６を用いると、アレイ５０の各光源は光変調器２０の対応する画素だけを照射することになる。このことはさらに、実質的に重複のない照射パターンを光変調器２０上に投影する光源５２を設けることによって達成させることがある。いずれのケースにおいても、観察者に対して表示される最終画像は、各光源５２からの光が隣接する光源に対応する幾つかの画素に有意の照射が提供されるほどに十分に拡がることを許容するような実施形態の場合と比べて若干より鮮鋭に見えることがある。多くのケースでは、人間の眼の限界のために、この鮮鋭度レベルの増大は認識されないことになる。
【００６８】
光変調器２０はモノクロ光変調器でありえる。別法として、光変調器２０は高分解能のカラー光変調器でありえる。光変調器２０は例えば、ＬＣＤアレイを備えることがある。ディスプレイ６０は極めて薄肉とすることが可能である。例えば、ディスプレイ６０は厚さが１０センチメートル以下でありえる。
【００６９】
図１０は、光源５２のアレイ５０が適当な光学系１７によって光変調器２０上に像形成されている点を除けば、図８のディスプレイ６０と同様の投影タイプのディスプレイ７０を示す。
【００７０】
コントローラ３９は、低分解能バージョンの画像を空間光変調器２０上に表示させるようにアレイ５０の素子を制御することがある。コントローラ３９は、高い空間分解能を有するフィーチャを提供するか、さもなければ上述のようにアレイ５０によって提供される画像を補正するように空間光変調器２０の素子を制御することがある。
【００７１】
高分解能で高品質のディスプレイの光源としてＬＥＤ５２を使用することに関する問題点の１つは、ある指定された電流レベルで発された光の輝度が個々のＬＥＤ間で大きく変動する可能性があることである。この変動は製造過程の変動に起因する。さらに、ＬＥＤ５２が発生させることになる光の輝度はＬＥＤの経年に従って予測不可能な様式でゆっくりと低下する傾向がある。したがって、アレイ５０内の異なるＬＥＤ５２間での輝度の違いを補償するようにＬＥＤアレイ５０を較正するためのメカニズムを提供することが望ましい。
【００７２】
図１１に模式的に表す較正メカニズム７８は、ＬＥＤ５２の各々が発する光を検出する光検出器８０を提供する。光検出器８０は、異なる各ＬＥＤ５２からの光を取り込むために異なる各位置に移動させることがある。別法として、ＬＥＤ５２からの光を光検出器８０まで導くための適当な光学系を設けることがある。コントローラ３９は光検出器８０から信号８１を受け取っている。信号８１は、アレイ５０内の各ＬＥＤ５２が発した光の所与の電流に対する輝度を示している。ＬＥＤ５２が発した光の輝度が所望の値と異なる場合には、コントローラ３９は、各ＬＥＤ５２に加えられる電流に適用するための補正値を決定する。コントローラ３９は引き続きこの補正値を適用する。較正メカニズム７８は、ディスプレイの初期較正のために使用できる。較正メカニズム７８は、任意選択では、各ＬＥＤ５２に加える電流に適用する補正値を決定すること、ならびに得られた較正情報をコントローラ３９に利用可能とすること、などの幾つかの較正タスクを実行する較正コントローラ３９Ａを含みえる。
【００７３】
較正メカニズムはディスプレイの通常の動作を妨害しないようにして設けることが望ましい。これを達成するための方法の１つは、前進方向以外の方向にＬＥＤが発した光を検出することである。図１１Ａは典型的なＬＥＤ５２を示す。ＬＥＤ５２が発した光の大部分は、矢印５５Ａによって示すように前進方向に導かれている。各ＬＥＤ５２が発した光のうちの常に少ない一部分は矢印５５Ｂによって示すような横方向、あるいは矢印５５Ｃによって示すような後ろ方向に発される。前進方向以外の方向に発された光は「迷光」と呼ばれることがある。１つまたは複数の光検出器８０Ａを、各ＬＥＤ５２からの迷光を検出するように配置させてもよい。
【００７４】
本発明の一実施形態による較正メカニズム９０を図１１Ｂに示す。較正メカニズム９０では、小型の光学導波路８２によってＬＥＤ５２からの迷光を光検出器８０まで伝えている。各ＬＥＤ５２が発した光のうちのごくわずかな部分のみが導波路８２によって取り込まれる。導波路８２と対応するＬＥＤ５２との間の結合に変化がない限り、ＬＥＤ５２が発した光のうち導波路８２によって取り込まれる比率は一定のままである。１つの光検出器８０Ａまたは幾つかの光検出器８０Ａを、アレイ５０のエッジの位置など都合のよい箇所に配置させてもよい。
【００７５】
図１１Ｃは本発明の別の実施形態による較正メカニズム９０Ａを示す。メカニズム９０Ａでは、個々の光学導波路８２を平板状光学導波路８２Ａに置き換えている。ＬＥＤ５２のための電源導線は導波路８２Ａ内の穴８３を通過させている。１つまたは複数の光検出器８０Ａは、光学導波路８２Ａのエッジの位置に配置させている。ＬＥＤ５２のいずれかによって後ろ方向に発された光は光学導波路８２Ａの内部でトラップされ光検出器（複数のこともある）８０Ａによって検出される。
【００７６】
図１１Ｄは、平板状光学導波路８２ＢによってＬＥＤ５２が横方向に発した光を収集しかつこの光を１つまたは複数の光検出器８０Ａに伝える別の光学較正メカニズム９０Ｂを示す。
【００７７】
図１１Ｅは、平板状光学導波路８２ＣによってＬＥＤ５２が前進方向に発した光のある少ない一部分を収集しかつこの光を１つまたは複数の光検出器８０Ａに伝える別の光学較正メカニズム９０Ｃを示す。導波路８２Ｃは、この内部を前進方向で通過する光の一部が導波路８２Ｃ内でトラップされ光検出器８０Ａ（複数のこともある）に伝えられるような構造である。これを達成させるには、導波路８２Ｃの表面の１つ（典型的には、ＬＥＤ５２と向かい合った表面）を若干粗面処理し、光の一部を概して導波路８２Ｃの面内に散乱されるようにすることや、幾つかの散乱中心を導波路８２Ｃの材料内に設けてもよい。図示した実施形態では、導波路８２Ｃは、ギャップ５７をグリッド１２２と空間光変調器２０の間に維持するスペーサの役割をしている。較正メカニズム８０Ｃは、光検出器８０Ａ（複数のこともある）への光の伝播を妨害する可能性があるような、光学導波路８２Ｃ内への穴８３の貫通が必要ないという利点を有する。
【００７８】
動作時においては、アレイ５０は先ず、例えば較正メカニズム７８（図１１）を用いて工場出荷較正される。工場出荷較正の後、または工場出荷較正の間に、ＬＥＤ５２はある較正レベルの電流を用いて１度に１つずつオンにする。光検出器８０Ａ（複数のこともある）は、各ＬＥＤ５２に関する迷光の計測に使用される。各ＬＥＤ５２に関して検出した迷光の量に関する情報は基準値として格納されることがある。ＬＥＤアレイ５０の寿命の全体にわたって、メカニズム９０を用いて各ＬＥＤ５２の輝度を監視することが可能である。その用途に応じて、こうした輝度計測は、そのディスプレイを初期化した時点で、あるいはディスプレイを使用中において定期的に実施されることがある。１つまたは複数のＬＥＤ５２に関する輝度計測は連続する画像フレームを表示させる合間に実施されてもよい。
【００７９】
ＬＥＤ５２の輝度の経時的な変化（典型的には、格納された基準値と比較して光検出器８０Ａ（複数のこともある）が検出した迷光の量が減少することによって示されるような変化）をメカニズム９０が検出すると、コントローラ３９は、そのＬＥＤ５２の輝度の変化を補償するようにＬＥＤ５２に提供される電流を自動的に調整することが可能である。
【００８０】
較正メカニズム９０はさらに、ＬＥＤ５２の不良を検出するためにも使用することが可能である。ＬＥＤ５２は傾向として極めて高信頼であるが、これらは不良となることもあり得る。較正メカニズム９０は、コントローラ３９がＬＥＤ５２を「ＯＮ」とするように制御したときにＬＥＤ５２からの光がまったく検出されないことによってＬＥＤ５２の不良を検出することが可能である。ＬＥＤ５２またはＬＥＤ５２の横列のある種の不良状況は、コントローラ３９と関連付けしたＬＥＤ駆動用電子機器によって検出させることもある。１つまたは複数のＬＥＤ５０を通るように電流を通過した時点で供給される電流がまったくないか、その電流が予期しない値であることを駆動用電子機器が検出した場合、この駆動用電子機器はコントローラ３９によって検出可能なエラー信号を発生させることがある。
【００８１】
コントローラ３９が１つまたは複数のＬＥＤ５２の不良を検出した場合、コントローラ３９は、１つまたは複数の近傍にあるＬＥＤ５２の輝度を増加させること、空間光変調器２０のその不良のＬＥＤ５２に対応した素子を調整して光の透過を大きくすること、あるいはこの両方によってその不良（複数のこともある）を補償することがある。本発明のこの実施形態によるフォールトトレラントなディスプレイでは、ＬＥＤ５２が不良となった後に、隣接するＬＥＤ５２からのスピルオーバ光によってこの不良のＬＥＤ５２に対応するエリアを照射し、当該エリアでその画像が十分に見えるようにする。
【００８２】
コントローラ３９が近傍にあるＬＥＤ５２の輝度を増加するように構成されている場合、コントローラ３９は、空間光変調器２０のうち不良のＬＥＤに対応するエリアの画像コンテンツにその一部で基づくことによって増加量を決定することがある。画像コンテンツがそのエリアを明るくさせることを求めている場合には、画像コンテンツがそのエリアを暗くさせることを求めている場合と比べて近傍にあるＬＥＤの輝度をさらに増加させることがある。得られる画像品質は劣化することになるが、破滅的な障害は避けられることになる。
【００８３】
本発明の幾つかの実施形態では、空間光変調器の対応する素子がリフレッシュを受けている間には、各ＬＥＤ５２を暗くするか、あるいはオフにする。幾つかの空間光変調器は、リフレッシュを観察者が認識可能となる程度に十分にゆっくりとリフレッシュする。このために、「モーションブラー」と呼ぶ望ましくない効果を生じることになる。
【００８４】
適正なタイミングを用いると、空間光変調器２０の各横列をリフレッシュする時点で、対応するＬＥＤ５２をオフにするか、あるいは暗くすることが可能である。これ以外のときには、対応するＬＥＤ５２を、観察者が所望の輝度を認識するように十分にオーバードライブさせることが可能である。観察者の眼はＬＥＤ５２の速いフリッカを認識することが不可能である。その代わりに観察者は平均輝度を認識している。典型的には、ＬＥＤ５２の動作を多重化（ｍｕｌｔｉｐｌｅｘ）することが望ましい。ＬＥＤを多重化方式で動作させている場合、ＬＥＤ５２の多重化を空間光変調器５２のリフレッシュと同期させることによってモーションブラーの補正を実行することが可能である。
【００８５】
上の開示に照らして当業者には明らかであろうが、本発明の精神および趣旨を逸脱することなく本発明の実施に際して多くの代替形態および修正形態が可能である。例えば以下がある。
【００８６】
ディフューザ２２とコリメータ１８を互いに結合させることが可能である。
ディフューザ２２とコリメータ１８の順序を逆にすることが可能である。
光の拡散および／またはコリメーションを実行させるように協働する複数の素子を設けることが可能である。
【００８７】
別の素子に光を拡散させかつ何か別の機能を実行させることによって、ディフューザ２２の機能を提供することが可能である。こうしたケースでは、この別の素子はディフューザを設えていると言われることがあり、かつこうした素子を備えた装置はディフューザを備えている。
【００８８】
スクリーン２３内における第２の光変調器２０、コリメータ１８およびディフューザ２２の順序はさまざまとすることが可能である。
第１の光変調器１６を駆動する信号３８Ａは、第２の光変調器２０を駆動する同じデータを備えることがあり、あるいは別のデータを備えることもある。
【００８９】
固定の較正電流に関する光出力を計測する代わりに、あるいはこうした光の計測に追加して、較正メカニズム７８および／または９０によって、ＬＥＤ５２が所望の輝度を提供し得るまでＬＥＤ５２への電流を調整することが可能である。
【００９０】
このように、本発明の趣旨は、添付の特許請求の範囲によって規定される内容を含んでいるが、これに限るものではない。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】本発明の一実施形態によるディスプレイを表した概略図。
【図１Ａ】図１のディスプレイの具体的実施形態の概略図。
【図２】４つの空間光変調器を備える本発明の代替的実施形態によるディスプレイを表した概略図。
【図３】本発明の別の実施形態による背面投影タイプのディスプレイを表した概略図。
【図４】本発明のまた別の実施形態による前面投影タイプのディスプレイを表した概略図。
【図５】本発明によるディスプレイ内にあるより高分解能の空間光変調器の画素とより低分解能の空間的光変調器の画素との間の可能な関係の１つを表した図。
【図５Ａ】ある光変調器が別の光変調器と比べてより低い分解能を有するようにすることによる効果を表した図。
【図６】代替的なプロジェクタ構造を有する前面投影タイプのカラーディスプレイを表した概略図。
【図６Ａ】図６のカラーディスプレイの前面投影スクリーンの一部分の拡大断面図。
【図６Ｂ】図６のカラーディスプレイの前面投影スクリーンの一部分の拡大断面図。
【図７】位置の違いによって滑らかに変動する光強度が生成されるように、より低分解能の光変調器の画素からより高分解能の光変調器上に像形成される光を重複させる方法を示すグラフ。
【図７Ａ】光変調器のある画素の画像に関する位置の違いによる光強度の変動を正方形プロファイルと広がり関数のコンボリューションとして表現することを可能にする方法を表すグラフ。
【図８】本発明の代替的実施形態によるディスプレイの断面概略図。
【図８Ａ】図８のディスプレイの正面概略図。
【図８Ｂ】その内部で空間光変調器がアレイ状の光源の正面に間隔を空けているディスプレイの断面概略図。
【図８Ｃ】アレイ状の光源と空間光変調器の間に配置されたグリッドを有するディスプレイの概略図。
【図８Ｄ】６角形グリッドの等角図。
【図８Ｅ】グリッドを貫通する１つのチャンネルにおいて、空間光変調器上に入射する反射された光成分と非反射の光成分を表す概略図。
【図８Ｆ】照射の均一性を改善させるように反射された光成分と非反射の光成分を足し合わせることを可能にする方法を表したグラフ。
【図８Ｇ】１つのグリッドを形成する内部反射部材がＬＥＤを封入している材料と一体化させて形成されているディスプレイを表した概略図。
【図９Ａ】図８の実施形態で使用することが可能である発光素子のアレイの可能な構成の１つを表した図。
【図９Ｂ】図８の実施形態で使用することが可能である発光素子のアレイの可能な構成の１つを表した図。
【図９Ｃ】鮮鋭度を増大させるための光バリアの使用を表した図。
【図１０】本発明の代替的実施形態による投影タイプのディスプレイを表す概略図。
【図１１】較正メカニズムのブロック図。
【図１１Ａ】迷光がＬＥＤから出る経路を示しているＬＥＤの図。
【図１１Ｂ】代替的な較正メカニズムの概略図。
【図１１Ｃ】代替的な較正メカニズムの概略図。
【図１１Ｄ】代替的な較正メカニズムの概略図。
【図１１Ｅ】代替的な較正メカニズムの概略図。
【図１】
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【図１Ａ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図５Ａ】
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【図６】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図７Ａ】
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【図８】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図８Ｅ】
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【図８Ｆ】
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【図８Ｇ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１１Ｄ】
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【図１１Ｅ】
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【国際調査報告】
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