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Brightness and Contrast of Images with Laser-Based Video Projectors

  • Michel Doucet
  • Mélanie Leclerc
  • Francis Picard
  • Keith K. Niall
Conference paper

Abstract

Laser based video projectors (LBVP) are relatively new on the scene of video display. LBVPs consist of laser beams that are scanned and synchronously modulated. An important characteristic of the LBVP is the very short lifetime of the pixels. Each pixel produces light only for the very short time during which the laser beam passes on it. The short transients make the measurement of a LBVP image’s properties more difficult to obtain in comparison to conventional display devices. The validity of the results is even questionable when conventional methods are used to measure the characteristics of LBVP images. This paper presents an alternative method for the characterization of brightness and contrast of LBVP images that is expected to provide more reliable results.

Proposed alternative method: A rapidly varying optical signal can be measured accurately provided that it is strong enough. In order to facilitate the measurements of the characteristics of the LBVP images, the detection paradigm must be changed in order to ensure a stronger optical signal on the photodetector. The proposed alternative method aims at achieving this goal. This alternative method involves measuring the irradiance (optical power per unit surface) in the plane before the screen. The radiance or luminance is then determined by computation using the measured reflectivity properties of the screen.

In the proposed method, the irradiance is measured at different points in the plane or surface located immediately in front of the surface normally occupied by the screen. The test pattern proposed for the measurement is a 10 by 10 chequerboard. The irradiance measurement is performed in the middle of each bright square. For each sampling position, a first measurement is performed for the maximum value of irradiance, and a second one is performed for the minimum value with a reverse video test pattern.

Some modern screens possess microstructures allowing control of the directional scattering properties. For such screens, the scattering properties generally depend on the illumination direction. The mathematical representation of the screen’s reflectivity properties that is used for the luminance computation is the Bidirectional Reflectance Distribution Function (BRDF). The BRDF gives the reflected radiance per unit of incident irradiance for any reflection direction and any illumination direction. Specialized devices exist that allow the efficient measurement of the BRDF spectral distribution. The method involves that a part of screen be sacrificed for the BRDF measurement. Having the spectral BRDF of the screen and a sampling of the screen irradiance, the luminance may be determined for any observer position and any point on the screen using a dedicated computer program.

Practical considerations: Parasitic light is generated both by the projector itself and by the environment. The veiling glare comes from the undesirable reflections on the lens surfaces and on mechanical parts of the projector. It increases with the total amount of optical power contained in the projected image. The ambient illumination and the back reflection on walls and objects are the two main sources of parasitic light generated by the environment. Such parasitic light is environment dependent. Parasitic back reflection occurs when light coming from the screen is reflected back toward it by walls and objects. The parasitic light considerably affects the image contrast since it adds background intensity on the screen. The 10 by 10 chequerboard test pattern was chosen in order to generate the unavoidable veiling glare that is representative of a normal image. Such test pattern contains about half of the maximum available optical power and generates about half of the maximum possible veiling glare. Choosing a pattern with less optical power would reduce the amount of veiling glare and result in an estimated contrast not representative of the contrast for a normal image. The signal deterioration, due to environment parasitic light, changes with the configuration of the projection room and this is a problem for standard measurement.

The sampling process required for any measurement must be adapted to take into account the spatial distribution as well as the temporal fluctuations of the phenomenon to be characterized. In the case of a LBVP image, care must be taken to avoid problems related to the pixelization of the image and fast variations due to scanning. Depending on the LBVP technology, there can be dead zones in between pixels or inside each of them. Such periodic structures may induce measurement errors when the detector dimensions do not include an integer number of structure periods. Depending on the relative position of the photodetector with respect to the pixel array, more or less dead zones are included in the effective area of the detector. This means that the signal is dependent on the detector position with respect to the pixel lattice. These potential spatial sampling problems can be avoided if simple rules are respected. These rules concern the number of pixels contained within the detector’s effective surface, the shape of the detector, and its orientation with respect to the pixels.

Keywords

Optical Signal Optical Power Test Pattern Contrast Ratio Spatial Sampling 
These keywords were added by machine and not by the authors. This process is experimental and the keywords may be updated as the learning algorithm improves.

Sommaire

Les projecteurs vidéo à laser (LBVP) sont relativement nouveaux sur la scène de l’affichage vidéo. De tels projecteurs utilisent des faisceaux laser qui sont balayés et modulés en synchronisme avec le balayage. Une particularité du LBVP est la durée de vie très courte des pixels. Chaque pixel produit de la lumière seulement durant le temps très court correspondant au passage du rayon laser sur le pixel. Les variations très rapides du signal optique font en sorte qu’il est plus difficile de mesurer les propriétés des images produites par LBVP en comparaison avec le cas des dispositifs d’affichage conventionnels. On peut même douter de la validité des résultats lorsque des méthodes conventionnelles sont employées pour mesurer les caractéristiques des images produites par un LBVP. Cet article présente une méthode alternative pour la caractérisation de la brillance et du contraste des images de LBVP qui devrait fournir des résultats plus fiables.

Méthode alternative proposée: Un signal optique à variation rapide peut être mesuré et caractérisé avec précision à condition d’être assez fort. Afin de faciliter la mesure des caractéristiques des images de LBVP, il y aurait avantage à changer le paradigme de détection de manière à assurer un plus fort signal optique sur le détecteur de l’appareil de mesure. La méthode alternative proposée vise à atteindre ce but. Cette méthode alternative implique de mesurer l’éclairement (puissance optique par unité de surface) dans le plan situé juste devant l’écran. La radiance ou la luminance est alors déterminée par calcul en utilisant les mesures des propriétés de réflectivité de l’écran.

Dans la méthode proposée, l’éclairement est mesuré à différents points dans le plan ou la surface située immédiatement devant la surface normalement occupée par l’écran. La figure de test proposée pour la mesure est un échiquier de 10 carreaux (5 éclairés, 5 noirs) sur 10. La mesure de l’éclairement est effectuée au milieu de chacun des carreaux brillant. Pour chaque position d’échantillonnage, une première mesure est effectuée pour la valeur maximum de l’éclairement, et une seconde est effectuée pour la valeur minimum avec la figure de test en inverse vidéo.

Certains types d’écrans modernes possèdent des microstructures permettant le contrôle des propriétés directionnelles de dispersion de la lumière. Pour de tels écrans, les propriétés de dispersion dépendent généralement de la direction incidente de l’illumination. La représentation mathématique des propriétés de la réflectivité de l’écran qui est employée pour le calcul de luminance est la fonction de distribution bidirectionnelle de la réflectivité (BRDF). La BRDF donne la radiance réfléchie par unité d’éclairement incident pour n’importe quelle direction de réflexion et n’importe quelle direction d’illumination. Il existe des appareils spécialisés permettant la mesure de la distribution spectrale de la BRDF de façon efficace. La méthode implique qu’une portion de l’écran soit sacrifiée pour la mesure de la BRDF. Disposant de la BRDF spectrale de l’écran et d’un échantillonnage de l’éclairement d’écran, la luminance peut être déterminée pour n’importe quelle position d’observateur et n’importe quel point sur l’écran en utilisant un logiciel dédié.

Considérations pratiques: La lumière parasite est produite par le projecteur lui-même et par l’environnement ambiant. Le voile lumineux (veiling glare) est généré par des réflexions indésirables sur les surfaces optiques de l’objectif et sur les pièces mécaniques du projecteur. Il augmente avec la quantité totale de puissance optique contenue dans l’image projetée. L’illumination ambiante et la rétroréflexion sur les murs et les objets sont les deux principales sources de lumière parasite causée par l’environnement. Une telle lumière parasite est spécifique au lieu où se fait la projection. La rétroréflexion parasite se produit quand la lumière venant de l’écran est rétroréfléchie vers l’écran par les murs et les objets présents dans la pièce. La lumière parasite affecte considérablement le contraste de l’image projetée puisqu’elle ajoute une intensité de fond sur l’écran. L’échiquier de 10 par 10 a été choisi de manière à produire l’inévitable voile lumineux dans une proportion représentative de ce que l’on retrouve dans le cas de la projection d’une image normale.

Une telle figure de test contient environ la moitié de la puissance optique maximum disponible et produirait donc environ la moitié de la quantité de voile lumineux possible. Le choix d’une figure de test avec moins de puissance optique réduirait la quantité de voile lumineux produit et résulterait en une estimation du contraste qui serait non représentative du contraste pour une image type. La détérioration du signal par la lumière parasite de cause environnementale change d’un endroit à l’autre et constitue donc un problème pour la standardisation des mesures.

Le procédé d’échantillonnage requis pour la caractérisation d’un phénomène doit pouvoir tenir compte de la distribution spatiale aussi bien que des fluctuations temporelles du phénomène en question. Dans le cas de la caractérisation d’une image LBVP, une attention particulière doit être portée aux problèmes liés au tramage de l’image et aux variations rapides du signal optique dues au balayage. Selon la technologie de LBVP, il peut y avoir des zones mortes entre les pixels ou à l’intérieur de chacun d’eux. De telles structures périodiques peuvent induire des erreurs de mesure lorsque les dimensions du détecteur optique ne comprennent pas un nombre entier de périodes de la structure. Selon la position du détecteur optique relativement à la matrice de pixels, un nombre plus ou moins important de zones mortes sont inclues dans la surface active du détecteur. Ceci signifie que le signal dépend de la position relative du détecteur optique relativement au treillis de pixels. Ces éventuels problèmes d’échantillonnage spatial peuvent être évités si certaines règles simples sont respectées. Ces règles concernent le nombre de pixel contenus dans la surface efficace du détecteur optique, la forme du détecteur et son orientation par rapport à l’agencement des pixels de l’image.

References

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Copyright information

© Springer Science+Business Media, LLC 2010

Authors and Affiliations

  • Michel Doucet
    • 1
  • Mélanie Leclerc
    • 1
  • Francis Picard
    • 1
  • Keith K. Niall
    • 2
  1. 1.INO, Québec (siège social)QuébecCanada
  2. 2.Defence Research and Development Canada, Embassy of CanadaWashingtonUSA

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