JP4507616B2 - 投射型表示装置、画像出力機器および投射型表示装置の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、投射型表示装置および投射型表示装置の制御方法に関する。

光変調デバイスとして液晶表示装置（ＬＣＤ）や、例えばＴＩ（テキサスインスツルメンツ）社のＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス、登録商標）素子などのミラーデバイスなどを用いた投射型表示装置（プロジェクタ）が知られ、オフィスでのデータプロジェクタ、家庭でのビデオプロジェクタとして広く使用されている。
従来の投射型表示装置における投射画像のダイナミックレンジは、投射型表示装置の最大出力と最低出力で決まり、映像の中における１部のシーンや、１フレームでのダイナミックレンジは、画素値の最大値と最小値に応じた投射型表示装置からの出力値で決まっている（例えば、非特許文献１参照。）。
「日経 エレクトロニクス」、２００３年１１月２４日、ｐ．１１４

そのため、表示する画像（シーン）によっては、画像の暗い部分や明るい部分においてダイナミックレンジの不足により不鮮明となりやすいという問題があった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、投射画像のダイナミックレンジを増加させ、投射画像の画質を高めることができる投射型表示装置およびその制御方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の投射型表示装置は、光を射出する第１の光源と、第１の光源からの光を変調する第１の光変調手段と、光を射出する第２の光源と、第１の光変調手段により変調された光および第２の光源からの光を重畳させる光合成手段と、重畳された光を投射する投射手段と、を有し、第２の光源から射出された光が、投射する画像に応じて変調されることを特徴とする。

すなわち、本発明の投射型表示装置は、第１の光変調手段により変調された画像を表す光に画像に応じて変調された第２の光源からの光を重畳させて画像を表示しているため、第１の光変調手段により変調された光のみで表示される画像のダイナミックレンジと比較して、当該投射型表示装置により投射される画像のダイナミックレンジを拡大させることができ、投射画像の画質を高めることができる。
つまり、第１の光変調手段により変調された光のみで表示される画像の上に、画像に応じて変調された第２の光源からの光を重畳させることにより、ダイナミックレンジの上限を拡大し、より広いダイナミックレンジでの画像表示を可能としている。

上記の構成を実現するために、より具体的には、第２の光源と光合成手段との間には、第２の光源から射出された光を変調する第２の光変調手段が配置されていることが望ましい。
この構成によれば、第２の光変調手段により第２の光源から射出された光を変調しているため、投射画像の細かい領域（例えば画素）単位でダイナミックレンジを拡大させることができる。そのため、同じ投射画像の中に明るさが大きく異なる領域が存在しても、明るい領域のダイナミックレンジを拡大させることができるため、明るい領域および暗い領域の画像が不鮮明になることを防止することができる。

上記の構成を実現するために、より具体的には、第１の光変調手段に形成された画素数と、第２の光変調手段に形成された画素数とが同じであってもよい。
この構成によれば、第１の光変調手段および第２の光変調手段における画素の数が同じであるため、投射される画像のダイナミックレンジを投射画像の画素ごとに柔軟に制御することができる。
つまり、第１の光変調手段の画素と第２の光変調手段の画素とが１対１に対応しているため、投射される画像の各画素について、第１の光変調手段の画素および第２の光変調手段の画素が対応することになる。その結果、画像の各画素において第１の光変調手段により変調された光と第２の光変調手段により変調された光とが重畳されるため、投射される画像のダイナミックレンジを画素ごとに柔軟に制御することができる。

上記の構成を実現するために、より具体的には、第１の光変調手段に形成された画素数よりも、第２の光変調手段に形成された画素数が多くてもよい。
この構成によれば、投射される画像のダイナミックレンジの制御は、第２の光変調手段に形成された画素に対応する画素ごとに行うことができる。例えば、第１の光変調手段に形成された１つの画素により変調された光の照明領域上に、第２の光変調手段に形成された複数の画素より変調された光が重畳されるため、投射される画像のダイナミックレンジ制御可能な領域は、第２の光変調手段に形成された画素により規定される。

上記の構成を実現するために、より具体的には、第１の光変調手段に形成された画素数よりも、第２の光変調手段に形成された画素数が少なくてもよい。
この構成によれば、例えば、第１の光変調手段に形成された複数の画素により変調された光の複数の照明領域上に、第２の光変調手段に形成された１つの画素により変調された光を重畳させて、投射される画像のダイナミックレンジの制御を行うことができる。
そのため、例えば第２の光変調手段としてミラーデバイスを用いる場合、投射画像の画素よりも大きなマイクロミラーを用いることができ、比較的安価で製造容易なミラーデバイスを用いることができる。

上記の構成を実現するために、より具体的には、第２の光変調手段が、入射した光の射出方向を制御することにより、入射した光を時間変調するミラーデバイスであることが望ましい。
この構成によれば、第２の光変調手段がミラーデバイスであるため、入射光の射出方向をミラーで制御することで光の変調を行うことができる。ミラーデバイスは、例えば液晶パネルを比較すると、光の変調効率が高く（液晶パネルは所定の直線偏光しか変調できない）、光源から発生する熱に対しても劣化し難い（液晶は高熱に弱い）特性を有する。そのため、ミラーデバイスを用いることにより、強い光を射出する光源を用いることができるとともに、光源から射出された光の利用効率を向上させることができる。

上記の構成を実現するために、より具体的には、第２の光変調手段によるダイナミックレンジの拡大を、投射画像の１フレームごとに決定してもよい。
この構成によれば、1フレームごとにダイナミックレンジの拡大を決定しているため、複数フレームごとにダイナミックレンジの拡大を決定する場合と比較して、ダイナミックレンジの拡大を決定する回路構成を簡略化することができる。また、ダイナミックレンジの拡大を決定する演算アルゴリズムを簡略化することができる。
例えば、複数フレーム分のデータを一時保存する記憶部を回路構成に追加する必要がない分、回路構成を簡略化することができる。また、複数フレームにわたって階調の整合性を取る演算を行う必要がない分、演算アルゴリズムを簡略化することができる。

上記の構成を実現するために、より具体的には、第２の光変調手段によるダイナミックレンジの拡大を、投射画像の複数フレームごとに決定してもよい。
この構成によれば、複数フレームごとにダイナミックレンジの拡大を決定しているため、１フレームごとにダイナミックレンジの拡大を決定する場合と比較して、連続するフレーム間における画像の輝度の連続性がよくなる。
つまり、1フレームごとにダイナミックレンジの拡大を決定している場合、連続するフレームにおける同一の画素の輝度は、連続して変化しない（急に明るくなったり暗くなったりする）恐れがあるが、複数フレームごとにダイナミックレンジの拡大を決定することにより、前述のような不具合の発生を確実に防止することができる。

上記の構成を実現するために、より具体的には、第２の光変調手段への制御信号の生成を、当該装置内で行ってもよい。
この構成によれば、当該投射型表示装置内で制御信号の生成を行うため、画像情報のみを有する映像信号を入力するだけでダイナミックレンジの拡大された画像を投射することができる。つまり、当該投射型表示装置に、通常のＴＶ信号、ビデオ信号などを入力することにより、ダイナミックレンジの拡大されたＴＶ画像や、ビデオ画像を容易に投射することができる。
また、当該投射型表示装置の外に制御信号の生成を行う機器を備える場合と比べ、当該投射型表示装置のみでダイナミックレンジが拡大された画像を投射できるため、持ち運び性に優れ、設置場所を必要としないといった優れた点を有する。

上記の構成を実現するために、より具体的には、第２の光変調手段への制御信号の生成を、当該装置外の画像出力機器内で行ってもよい。
この構成によれば、当該投射型表示装置外の画像出力機器に画像情報のみを有する映像信号を入力して制御信号の生成を行っているため、当該投射型表示装置内で制御信号の生成を行っている場合と比較して、より細かくダイナミックレンジが拡大された画像を投射することができる。つまり、投射型表示装置よりもスペースの制約が少ない外部の画像出力機器で制御信号の生成を行うため、より複雑、大型な回路を用いることができ、それにより複雑な演算アルゴリズムによるきめ細かな制御を行うことができる。

上記の構成を実現するために、より具体的には、周囲の環境光を検出する光検出手段を備え、光検出手段の出力に応じて、ダイナミックレンジの拡大を決定してもよい。
この構成によれば、環境の明るさに応じてダイナミックレンジの拡大を決定するため、明るい環境の時にはダイナミックレンジをより明るく拡大させ、暗い環境の時にはダイナミックレンジの拡大を抑制することができる。そのため、当該投射型表示装置は周囲の明るさに対して、明るすぎず暗すぎない画像を投射することができ、視聴者に対して見やすい画像を投射することができる。

本発明の投射型表示装置の制御方法は、光を射出する第１の光源と、第１の光源からの光を変調する第１の光変調手段と、光を射出する第２の光源と、第１の光変調手段により変調された光および第２の光源からの光を重畳させる光合成手段と、重畳された光を投射する投射手段と、を有する投射型表示装置の制御方法であって、投射する画像に応じて、第１の光変調手段により変調された光に第２の光源からの光を重畳し、投射される画像のダイナミックレンジを明るい方向に拡大することを特徴とする。

すなわち、本発明の投射型表示装置の制御方法は、第１の光変調手段により変調された画像を表す光に画像に応じて変調された第２の光源からの光を重畳させて画像を表示しているため、第１の光変調手段により変調された光のみで表示される画像のダイナミックレンジと比較して、当該投射型表示装置により投射される画像のダイナミックレンジを拡大させることができ、投射画像の画質を高めることができる。
つまり、第１の光変調手段により変調された光のみで表示される画像の上に、画像に応じて変調された第２の光源からの光を重畳させることにより、ダイナミックレンジの上限を拡大（明るい方向に拡大）し、より広いダイナミックレンジでの画像表示を可能としている。

〔第１の実施の形態〕
以下、本発明の実施の形態に係る投射型表示装置およびその制御方法について図１から図７を参照して説明する。
まず、図１を参照しながら、本発明の一実施形態に係る投射型表示装置について説明する。本実施形態の投射型表示装置は、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の異なる色毎に透過型液晶ライトバルブを備え、透過型液晶ライトバルブにより空間変調された光と、ミラーデバイスにより時間変調された白色光と、を重畳して投射する投射型カラー液晶表示装置である。

図１は、本実施の形態に係る投射型表示装置の概略を示す図である。
投射型表示装置は、図１に示すように、白色光を射出する照明装置１と、白色の光をＲ、Ｇ、Ｂの異なる色光に分光するダイクロイックミラー４１、４２と、各色光を空間変調する液晶ライトバルブ（第１の光変調手段）５１、５２、５３と、空間変調された各色光を合成するクロスダイクロイックプリズム６０と、白色光を射出する照明装置２と、白色光を時間変調するミラーデバイス（第２の光変調手段）３０と、空間変調され合成された画像光および時間変調された光を合成するクロスプリズム（光合成手段）６２と、合成された光を投射する投射レンズ（投射手段）７０とから概略構成されている。

照明装置１は、照明光としての白色光を射出する光源（第１の光源）１０Ａと白色光の照度分布を均一化するインテグレータレンズ２１、２２と、照明光を一方の直線偏光にそろえる偏光変換素子２３と、から構成されている。光源１０Ａは高圧水銀ランプ等のランプ１１Ａとランプ１１Ａの光を反射するリフレクタ１２とから構成されている。
照明装置２は、白色光を射出する光源（第２の光源）１０Ｂと白色光の照度分布を均一化するインテグレータレンズ２１、２２とから構成されている。光源１０Ｂは高圧水銀ランプ等のランプ１１Ｂとランプ１１Ｂの光を反射するリフレクタ１２とから構成されている。
なお、光源１０Ａおよび光源１０Ｂは、前述のように高圧水銀ランプ等のランプおよびリフレクタから構成されてもよいし、発光ダイオード（ＬＥＤ）のような固体光源から構成されてもよい。

また、光源光の照度分布を被照明領域である液晶ライトバルブ５１、５２、５３、およびミラーデバイス３０において均一化させるため、光源１０Ａ、１０Ｂ側から第１のインテグレータレンズ２１、第２のインテグレータレンズ２２が順次設置されている。ここで、インテグレータレンズ２１、２２は複数のマイクロレンズを平面状に配列したマイクロレンズアレイとして形成され、第１のインテグレータレンズ２１は光源１０Ａ、１０Ｂから射出された光（照明光）を複数の光束に分割し、第２のインテグレータレンズ２２はライトバルブ位置においてそれらを重畳する重畳レンズとしての機能を有する。場合によっては２次光源像を重畳するためのコンデンサーレンズを第２のインテグレータレンズ２２の位置、もしくはその後段に配しても良い。以下では重畳レンズとして第２のインテグレータレンズが用いられた場合について説明を行う。

偏光変換素子２３は、第２のインテグレータレンズ２２に光射出側に設けられた偏光ビームスプリッタアレイ（ＰＢＳアレイ）と、ＰＢＳアレイによって反射された偏光の偏光方向を変換する１／２波長板アレイとから構成され、光源光の光強度を損なうことなく光の偏光方向を一方向にそろえるようになっている。
ダイクロイックミラー４１、４２は、例えばガラス表面に誘電体多層膜を積層したもので、所定の色光を選択的に反射し、それ以外の波長の光を透過するようになっている。すなわち、青色光・緑色光反射のダイクロイックミラー４１は、光源１０Ａからの白色光のうちの赤色光Ｌ_Ｒを透過させるとともに、青色光Ｌ_Ｂと緑色光Ｌ_Ｇとを反射するようになっている。また、緑色光反射のダイクロイックミラー４２は、ダイクロイックミラー４１で反射された青色光Ｌ_Ｂと緑色光Ｌ_Ｇの内、青色光Ｌ_Ｂを透過し緑色光Ｌ_Ｇを反射するようになっている。

青色光・緑色光反射のダイクロイックミラー４１は、光源１０Ａからの白色光のうちの赤色光Ｌ_Ｒを透過させるとともに、青色光Ｌ_Ｂと緑色光Ｌ_Ｇとを反射させるものである。ダイクロイックミラー４１を透過した赤色光Ｌ_Ｒは反射ミラー４５で反射されて赤色光用液晶ライトバルブ５１に入射される。
一方、ダイクロイックミラー４１で反射した色光のうち、緑色光Ｌ_Ｇは緑色光反射用のダイクロイックミラー４２によって反射され、緑色光用液晶ライトバルブ５２に入射される。一方、青色光Ｌ_Ｂはダイクロイックミラー４２も透過し、リレーレンズ４６、反射ミラー４３、リレーレンズ４７、反射ミラー４４、リレーレンズ４８を経て青色光用液晶ライトバルブ５３に入射される。

液晶ライトバルブ５１、５２、５３は、本実施形態の場合、画像を表示する画素がマトリクス状に配置されたアクティブマトリクス型の透過型液晶パネルから構成されており、信号処理した映像信号に基づいて入射した光を画素ごとに光の透過率を変える（空間変調する）ように駆動される。つまり、液晶ライトバルブの光透過性電極に印加する電圧を制御することにより、光の透過率を０％に近い値から１００％の間で制御している。
また、液晶ライトバルブ５１、５２、５３には、画素スイッチング用素子として薄膜トランジスタ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、以下、ＴＦＴと略記する）を用いたＴＮ（Ｔｗｉｓｔｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ）モードのアクティブマトリクス方式透過型液晶セルが使用されている。
そして、液晶ライトバルブ５１、５２、５３は、変調した色光Ｌ_Ｒ、Ｌ_Ｇ、Ｌ_Ｂがクロスダイクロイックプリズム６０の異なる面に入射されるように配置されている。

クロスダイクロイックプリズム６０は、直角プリズムが貼り合わされた構造となっており、その内面に赤色光Ｌ_Ｒを反射するミラー面と青色光Ｌ_Ｂを反射するミラー面とが十字状に形成されている。そして、三つの色光Ｌ_Ｒ、Ｌ_Ｇ、Ｌ_Ｂがこれらのミラー面によって合成されてカラー画像を表す光が形成される。
クロスダイクロイックプリズム６０のカラー画像光の射出面には、リレーレンズ６１が配置され、カラー画像光をクロスプリズム６２に集光させている。

ミラーデバイス３０は、画像の画素に対応するマイクロミラーがマトリクス状に配置されるとともに、マイクロミラーの反射面の向きを変えられるように（首振り可能に）、配置されている。また、信号処理した映像信号に基づいて光源１０Ｂからの光を時間変調するように駆動される。ミラーデバイス３０に配置されたマイクロミラーの数は、液晶ライトバルブ５１、５２、５３に形成された画素の数と同じ数であるとともに、その配置パターンも同じとされている。

クロスプリズム６２は、直角プリズムが貼り合わされた構造となっており、その内面にカラー画像光を反射するミラー面と、光源１０Ｂからの光を反射するミラー面とが十字状に形成されている。そして、カラー画像光および光源１０Ｂからの光がこれらミラー面によって重畳されて、投射レンズ７０に向けて射出される。
投射レンズ７０は、ミラーデバイス３０に時間変調された光をスクリーン７１上に拡大投射するように配置されている。

次に、上記の構成からなる投射型表示装置における作用について説明する。
照明装置１のランプ１１Ａから射出された照明光（白色光）の一部は、図１に示すように、直接第１のインテグレータレンズ２１に入射する。残りの光は、リフレクタ１２に反射されて第１のインテグレータレンズ２１に入射する。
第１のインテグレータレンズ２１に入射された照明光は、第１のインテグレータレンズ２１および第２のインテグレータレンズ２２により液晶ライトバルブ５１、５２、５３においてその照度分布が均一化するように重畳される。

照度分布が均一化された照明光は、偏光変換素子２３のＰＢＳアレイにより互いに直交する直線偏光に分離され、１／２波長板アレイにより一方の直線偏光にそろえられる。
一方の直線偏光となった照明光はダイクロイックミラー４１に入射し、ダイクロイックミラー４１は赤色光Ｌ_Ｒを透過させるとともに青色光Ｌ_Ｂおよび緑色光Ｌ_Ｇを反射する。反射された青色光Ｌ_Ｂおよび緑色光Ｌ_Ｇはダイクロイックミラー４２に入射し、ダイクロイックミラー４２は青色光Ｌ_Ｂを透過するとともに緑色光Ｌ_Ｇを反射する。

赤色光Ｌ_Ｒは反射ミラー４５で反射されて赤色光用液晶ライトバルブ５１に入射され、緑色光Ｌ_Ｇは緑色光用液晶ライトバルブ５２に入射される。青色光Ｌ_Ｂは、リレーレンズ４６、反射ミラー４３、リレーレンズ４７、反射ミラー４４、リレーレンズ４８を経て青色光用液晶ライトバルブ５３に入射される。

各液晶ライトバルブ５１、５２、５３に入射された各色光は、投射型表示装置に入力された映像信号に基づいて画素ごとに空間変調されてクロスダイクロイックプリズム６０に入射される。空間変調された各色光は、クロスダイクロイックプリズム６０において合成され、カラー画像を表す光としてリレーレンズ６１を介してクロスプリズム６２に射出される。

一方、照明装置２のランプ１１Ｂから射出された照明光（白色光）は、図１に示すように、第１のインテグレータレンズ２１に入射する。第１のインテグレータレンズ２１に入射された照明光は、第１のインテグレータレンズ２１および第２のインテグレータレンズ２２によりミラーデバイス３０においてその照度分布が均一化するように重畳される。

照度分布が均一化された照明光はミラーデバイス３０のマイクロミラーが配置された面に入射する。マイクロミラーは、入力される映像信号に基づいてマイクロミラーごとに反射される光の射出方向を、クロスプリズム６２方向と、それ以外の方向、例えば光を吸収する吸収体（図示せず）方向とに制御する。

クロスプリズム６２に入射したカラー画像光とミラーデバイス３０に変調された光は、重畳されて投射レンズ７０に入射し、スクリーン７１上に拡大投射される。

ここで、液晶ライトバルブ５１、５２、５３およびミラーデバイス３０により、投射される画像のダイナミックレンジが拡大する作用について説明する。
図２（ａ）は、照明光が液晶ライトバルブにより変調される概念を示す図である。図２（ｂ）は、液晶ライトバルブに変調された光に、ミラーデバイスにより変調され光が重畳される概念を示す図である。
液晶ライトバルブ５１、５２、５３における所定の画素においては、図２（ａ）に示すように、入力される映像信号に基づいて各色光Ｒ、Ｇ、Ｂが所定の照度となるように空間変調されている。その後、空間変調された各色光Ｒ、Ｇ、Ｂに、図２（ｂ）に示すように、映像信号に基づいてミラーデバイス３０により、時間変調された光源１０Ｂの白色光が重畳され、所定の画素におけるダイナミックレンジが明るい方向に拡大されている。

図３（ａ）は、照明光が液晶ライトバルブにより空間変調される概念を示す図である。図３（ｂ）は、空間変調された光にミラーデバイスにより時間的に変調された光が重畳される概念を示した図である。
上述した光の変調を、時間を横軸に表して示したのが図３（ａ）、（ｂ）となる。ここでは、説明を簡単にするために、ＲＧＢ値が同じ白色光を例に挙げて説明する。
液晶ライトバルブにおける所定の画素においては、図３（ａ）に示すように、時間的に連続する光が、映像信号に基づいてフレームごとに所定の照度となるように空間変調されている。その後、空間変調された光に、図３（ｂ）に示すように、映像信号に基づいてミラーデバイス３０により時間変調された光源１０Ｂの光が重畳され、所定の画素におけるダイナミックレンジが明るい方向に拡大されている。
なお、重畳させるミラーデバイス３０の変調光強度は、フレーム毎に制御することができ、例えば図３（ｂ）においては、時間が経過するにつれてミラーデバイス３０の変調光強度が増加する場合を示している。

図４（ａ）は、ミラーデバイスによる変調が無い場合の出力値のダイナミックレンジを説明する図であり、図４（ｂ）は、ミラーデバイスによる変調がある場合の出力値のダイナミックレンジを説明する図である。
図４（ａ）、（ｂ）は、横軸に映像信号の画素値、縦軸に出力値を示したものであり、液晶ライトバルブ５１、５２、５３により空間変調を行った光に、ミラーデバイス３０により時間変調を行った光を重畳させて、投射画像のダイナミックレンジを拡大する概念を示している。
例えば、液晶ライトバルブ５１、５２、５３による空間変調のみの場合、図４（ａ）に示すように、画素値が０からｍａｘ１まで増加するのに応じて、出力値が０からｍａｘまで増加するダイナミックレンジとして表現することができる。
一方、液晶ライトバルブ５１、５２、５３の変調光およびミラーデバイス３０の変調光を重畳させる場合、図４（ｂ）に示すように、画素値が０からｍａｘ１まで増加するのに応じて、出力値が０から光源１０Ｂの光が重畳された値であるｍａｘ２まで増加する拡大されたダイナミックレンジとして表現することができる。

図５は、ミラーデバイスによる変調がある場合の出力値の階調を説明する図である。
図５は、横軸に映像信号の画素値、縦軸に出力値を示したものであり、液晶ライトバルブ５１、５２、５３により空間変調を行った光に、ミラーデバイス３０により時間変調を行った光を重畳させて、投射画像の階調を増加する概念を示している。
例えば、液晶ライトバルブ５１、５２、５３およびミラーデバイス３０による表現可能な階調が８階調の場合、液晶ライトバルブ５１、５２、５３およびミラーデバイス３０の組合せで表現可能な階調は、図中の曲線と縦線との交点として表すことができる（この場合、６４階調となる）。
液晶ライトバルブ５１、５２、５３のみで表現可能な階調は、前述した８階調であるので、液晶ライトバルブ５１、５２、５３およびミラーデバイス３０を組み合わせることで投射画像の階調を増加させることができる。

図６（ａ）は、ミラーデバイスによる変調が無い場合の出力値のダイナミックレンジおよび階調を説明する図であり、図６（ｂ）は、ミラーデバイスによる変調がある場合の出力値のダイナミックレンジおよび階調を説明する図である。
上述したように、液晶ライトバルブ５１、５２、５３による空間変調を行った光に、ミラーデバイス３０による時間変調を行った光を重畳させることで、投射画像のダイナミックレンジを拡大させることができるとともに、階調を増加させることができる。このことを図で示したのが、図６（ａ）、（ｂ）であり、横軸に映像信号の画素値、縦軸に出力値を示したものである。
例えば、液晶ライトバルブ５１、５２、５３による空間変調のみの場合、図６（ａ）に示すように、画素値ｉ１からｉ２に対して出力値ｏ１からｏ２というダイナミックレンジとして表現することができる。また、画素値ｉ１からｉ２の間を３段階に分割し、出力値ｏ１からｏ２の間を３段階の階調として表現することができる。
一方、液晶ライトバルブ５１、５２、５３の変調光およびミラーデバイス３０の変調光を重畳させる場合、図６（ａ）に示すように、画素値ｉ１からｉ２に対して出力値ｏ′１からｏ′２という明るい方向に拡大されたダイナミックレンジとして表現することができる。
また、画素値ｉ１からｉ２の間を３段階に分割した上に、ミラーデバイス３０による空間変調で各段階を２段階に分割し（全体として６段階に分割し）、出力値ｏ′１からｏ′２を６段階の階調として表現することができる。

次に、本実施形態の投射型表示装置の駆動方法について説明する。
図７は本実施形態における投射型表示装置の駆動回路の構成を示すブロック図である。
本実施形態では、図７に示すように、例えばＰＣや、ＤＶＤ、ＴＶアンテナから出力されたアナログ信号である映像信号がＡ／Ｄ変換部８１に入力され、デジタル信号に変換されて制御部８２に入力される。
なお、投射型表示装置に入力される映像信号がデジタル信号である場合には、アナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部８１は不要となり、制御部８２へ直接デジタル信号を入力してもよい。また、投射型表示装置に入力される映像信号が、例えばＭＰＥＧ２などの圧縮されたデータの場合、Ａ／Ｄ変換部８１の代わりに圧縮データをデコードするデコーダ部を備え、デコーダ部に圧縮信号を入力してもよいし、制御部８２にデコード機能を持たせ、制御部８２に圧縮信号を入力してもよい。

また、投射型表示装置には、周囲の環境の明るさを検知する光センサ（光検出手段）９５が備えられている。光センサ９５としては、例えばＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）を用いることができ、環境の明るさに応じて信号を出力することができる。光センサ９５から出力された信号は、Ａ／Ｄ変換部９６を介して制御部８２に入力される。
なお、光センサ９５と制御部８２との間には、前述のようにＡ／Ｄ変換部９６を配置してもよいし、配置しなくてもよい。

制御部８２では、複数フレーム分の映像信号および光センサ９５の出力から、各色光に対応した液晶ライトバルブ５１、５２、５３の１フレーム当たりの光透過率の制御信号値と、ミラーデバイス３０の反射率に対応する制御信号値と、を画素ごとに決定する。複数フレーム分の映像信号は、制御部８２からデータ記憶部８３に一時的に記憶されていて、必要に応じて制御部８２へ読み込まれる。
なお、複数フレーム分の映像信号から前述の各信号値を決定してもよいし、１フレーム分の映像信号から前述の各信号値を決定してもよい。この場合、複数フレーム分の映像信号を一時的に記憶するデータ記憶部８３は用いられないため、データ記憶部８３を設けない構成であってもよい。

液晶ライトバルブ５１、５２、５３の光透過率の制御信号（デジタル信号）は、各液晶ライトバルブ５１、５２、５３に対応するＤ／Ａ変換部８４、８５、８６に入力され、アナログ信号の制御信号に変換される。制御信号（アナログ信号）は、各液晶ライトバルブ５１、５２、５３に対応するパネルドライバ８７、８８、８９に入力され、パネルドライバ８７、８８、８９は、制御信号に基づき液晶ライトバルブ５１、５２、５３の各画素における光透過率を制御する。
ミラーデバイス３０の反射率に対応する制御信号（デジタル信号）は、ミラーデバイスドライバ２９に入力され、ミラーデバイスドライバ２９は制御信号に基づきミラーデバイス３０の各ミラーにおける反射率を制御する。

上記の構成によれば、液晶ライトバルブ５１、５２、５３により変調された光のみで表示される画像の上に、ミラーデバイス３０により変調された第２の光源からの光を重畳させることにより、投射画像のダイナミックレンジの上限を拡大し、より広いダイナミックレンジでの画像表示を可能とし、投射画像の画質を高めることができる。

液晶ライトバルブ５１、５２、５３の画素とミラーデバイス３０のマイクロミラーとが同じ数だけ形成され、１対１に対応しているため、投射される画像の各画素について、液晶ライトバルブ５１、５２、５３の画素およびミラーデバイス３０の画素が対応することになる。その結果、画像の各画素において液晶ライトバルブ５１、５２、５３により変調された光とミラーデバイス３０により変調された光とが重畳されるため、投射される画像のダイナミックレンジを画素ごとに柔軟に制御することができる。

ミラーデバイス３０は、例えば液晶パネルと比較すると、光の変調効率が高く（液晶パネルは所定の直線偏光しか変調できない）、光源から発生する熱に対しても劣化しにくい（液晶は高熱に弱い）特性を有する。そのため、ミラーデバイス３０を用いることにより、強い光を射出する光源を用いることができるとともに、光源から射出された光の利用効率を向上させることができる。

複数フレームごとに階調の増加を決定しているため、連続するフレーム間における画像の輝度の連続性を考慮することができ、画素の輝度が不連続に変化することを確実に防止することができる。

投射型表示装置内に配置された制御部８２でダイナミックレンジの拡大を決定する計算を行うため、通常のＴＶ信号、ビデオ信号などを入力することにより、ダイナミックレンジが拡大されたＴＶ画像や、ビデオ画像を投射することができる。
また、投射型表示装置の外にダイナミックレンジ拡大の計算を行う機器を備える場合と比べ、投射型表示装置のみでダイナミックレンジが拡大された画像を投射できるため、持ち運び性に優れ、設置場所を必要としないといった優れた点を有する。

光センサ９５の出力に基づいてダイナミックレンジの拡大を決定しているため、明るい環境の時にはダイナミックレンジをより明るく拡大させ、暗い環境の時にはダイナミックレンジの拡大を抑制することができる。そのため、投射型表示装置は周囲の明るさに対して、明るすぎず暗すぎない画像を投射することができ、視聴者に対して見やすい画像を投射することができる。

なお、液晶ライトバルブ５１、５２、５３に形成された画素の数と、ミラーデバイス３０に形成されたマイクロミラーの数が、上述のように同じであり、１対１に対応していてもよいし、液晶ライトバルブ５１、５２、５３に形成された画素の数がミラーデバイス３０に形成されたマイクロミラーの数よりも多くてもよいし、逆に液晶ライトバルブ５１、５２、５３に形成された画素の数がミラーデバイス３０に形成されたマイクロミラーの数よりも少なくてもよい。さらには、ミラーデバイス３０に形成されたマイクロミラーの数が１つであってもよい。

液晶ライトバルブ５１、５２、５３に形成された画素の数がミラーデバイス３０に形成されたマイクロミラーの数よりも多い場合には、例えば、液晶ライトバルブ５１、５２、５３に形成された複数の画素により変調された光の複数の照明領域上に、ミラーデバイス３０に形成された１つのマイクロミラーにより変調された光を重畳させて、投射される画像のダイナミックレンジの制御を行うことができる。
そのため、ミラーデバイス３０を用いる場合、投射画像の画素よりも大きなマイクロミラーを用いることができ、比較的安価で製造容易なミラーデバイスを用いることができる。

液晶ライトバルブ５１、５２、５３に形成された画素の数がミラーデバイス３０に形成されたマイクロミラーの数よりも少ない場合には、例えば、液晶ライトバルブ５１、５２、５３に形成された１つの画素により変調された光の照明領域上に、ミラーデバイス３０のマイクロミラーにより変調された光が重畳されるため、投射される画像のダイナミックレンジ制御可能な領域は、ミラーデバイス３０のマイクロミラーにより規定される。また、階調も同時にミラーデバイス３０のマイクロミラーに対応した領域ごとに制御できるため、投射画像の画素よりも大きな画素を有する液晶ライトバルブを用いることができ、比較的安価で製造容易な液晶ライトバルブを用いることができる。

ミラーデバイス３０に形成されたマイクロミラーの数が１つの場合であっても、液晶ライトバルブ５１、５２、５３により空間変調された各色光に、複数フレームにわたって時間変調された光源１０Ｂの光を重畳させることにより、ダイナミックレンジを拡大させることができる。

なお、投射型表示装置には、上述のように、光センサ９５を設けて周囲の明るさに応じてダイナミックレンジの拡大を制御してもよいし、光センサ９５の代わりに視聴者が好みによりダイナミックレンジの拡大量を指示する入力部を備え、入力部からの信号に基づいてダイナミックレンジを拡大させてもよい。

なお、投射型表示装置に入力される映像信号（アナログ信号）は、上述のように、Ａ／Ｄ変換部８１に直接入力されてもよいし、図８に示すように、外部のＰＣや専用コンバータなどの画像出力機器９１に入力させて、ミラーデバイス３０を制御する制御信号を画像出力機器９１において算出し、映像信号をＡ／Ｄ変換部８１に入力し、制御信号を制御部８２に入力させてもよい。
この構成によれば、投射型表示装置よりもスペースの制約が少ない外部の画像出力機器９１に制御部８２より複雑、大型な回路を配置することができ、それにより複雑な演算アルゴリズムによるきめ細かな階調制御を行うことができる。

なお、光源１０Ｂから射出される光は、上述のように白色光でもよいし、白色光でなくてもよい。例えば、液晶ライトバルブ５１、５２、５３により合成されたカラー画像のバランスが取れていない場合、カラー画像のバランスを取る色光を光源１０Ｂから射出させてもよい。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記の実施の形態においては、光源１０Ｂからの光をミラーデバイス３０により時間変調する構成に適応して説明したが、このミラーデバイス３０により時間変調する構成に限られることなく、ミラーデバイスの代わりに液晶ライトバルブを用いる構成など、その他各種のライトバルブを用いる構成に適応することができるものである。

また、上記の実施の形態においては、光源１０Ｂを常時点灯させて、ミラーデバイス３０により時間変調する構成に適応して説明したが、このミラーデバイス３０により時間変調する構成に限られることなく、光源１０Ｂを点灯、消灯させて時間変調させる構成など、その他各種の構成に適応することができるものである。

本発明による第１の実施形態に係る投射型表示装置を示す概略図である。 照明光が空間変調および時間変調される概念を示す図である。 照明光が空間変調および時間変調される概念を示す図である。 投射画像のダイナミックレンジが拡大される概念を示す図である。 投射画像の階調が増加される概念を示す図である。 投射画像のダイナミックレンジおよび階調が増加される概念図である。 投射型表示装置の駆動回路の構成を示すブロック図である。 投射型表示装置における駆動回路の別の構成例を示すブロック図である。

符号の説明

１０Ａ・・・光源（第１の光源）、 １０Ｂ・・・光源（第２の光源） ３０・・・ミラーデバイス（第２の光変調手段）、 ５１、５２、５３・・・液晶ライトバルブ（第１の光変調手段）、 ６２・・・クロスプリズム（光合成手段）、 ７０・・・投射レンズ（投射手段）、 ９１・・・画像出力機器、 ９５・・・光センサ（光検出手段）

Claims (15)

1. 光を射出する第１の光源と、
   前記第１の光源から射出される光を変調する第１の光変調手段と、
   白色光を射出する第２の光源と、
   前記第２の光源から射出される白色光を変調する第２の光変調手段と、
   前記第１の光変調手段により変調された光および前記第２の光変調手段により変調された前記白色光を重畳させる光合成手段と、
   前記重畳された光を投射する投射手段と、
   を有し、
   前記第２の光変調手段は、前記第１の光変調手段に入力される映像信号の画素値に基づき、相対的に大きい画素値を示す画素に対しては重畳される前記白色光の出力値が大きく、相対的に小さい画素値を示す画素に対しては重畳される前記白色光の出力値が小さくなるように前記白色光を変調することを特徴とする投射型表示装置。
2. 前記第２の光変調手段は、前記第２の光源と前記光合成手段との間に配置されていることを特徴とする請求項１記載の投射型表示装置。
3. 前記第１の光変調手段に形成された画素数と、前記第２の光変調手段に形成された画素数とが同じであることを特徴とする請求項１または２に記載の投射型表示装置。
4. 前記第１の光変調手段に形成された画素数よりも、前記第２の光変調手段に形成された画素数が多いことを特徴とする請求項１または２に記載の投射型表示装置。
5. 前記第１の光変調手段に形成された画素数よりも、前記第２の光変調手段に形成された画素数が少ないことを特徴とする請求項１または２に記載の投射型表示装置。
6. 前記第２の光変調手段が、入射した光の射出方向を制御することにより、入射した光を時間変調することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の投射型表示装置。
7. 前記第２の光変調手段が、ミラーデバイスであることを特徴とする請求項６に記載の投射型表示装置。
8. 前記第２の光変調手段への制御信号の値は、前記投射手段にて投射される画像の１フレームごとに決定されることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の投射型表示装置。
9. 前記第２の光変調手段への制御信号の値は、前記投射手段にて投射される画像の複数フレームごとに決定されることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の投射型表示装置。
10. 前記第２の光変調手段への制御信号の生成を行う制御手段を有することを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の投射型表示装置。
11. 前記投射型表示装置の周囲の環境光を検出し、前記検出した環境光に応じた信号を出力する光検出手段を有し、
    前記第２の光変調手段への制御信号の値は前記光検出手段から出力された信号に応じて決定されることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の投射型表示装置。
12. 前記第２の光変調手段への制御信号は、前記投射手段にて投射される画像のダイナミックレンジの拡大に用いられる信号であることを特徴とする請求項７から１１のいずれかに記載の投射型表示装置。
13. 前記第１の光源から出射された光を複数の色光に分離する色光分離光学系と、
    前記色光分離光学系によって分離された前記複数の色光のそれぞれを変調する複数の前記第１の光変調手段と、
    前記複数の第１の光変調手段によって変調された光を合成する色光合成光学系と、を有し、
    前記光合成手段は、前記色光合成光学系で合成された光および前記第２の光変調手段により変調された前記白色光を重畳させることを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載の投射型表示装置。
14. 光を射出する第１の光源と、前記第１の光源から射出される光を変調する第１の光変調手段と、前記第１の光源とは異なるものであり且つ白色光を射出する第２の光源と、前記第２の光源から射出される光を変調する第２の光変調手段と、前記第１の光変調手段により変調された光および前記第２の光変調手段により変調された前記白色光を重畳させる光合成手段と、前記重畳された光を投射する投射手段と、を有する投射型表示装置に接続される画像出力機器であって、
    前記第１の光変調手段に入力される映像信号の画素値に基づき、相対的に大きい画素値を示す画素に対しては重畳される前記白色光の出力値が大きく、相対的に小さい画素値を示す画素に対しては重畳される前記白色光の出力値が小さくなるように前記白色光を変調する前記第２の光変調手段への制御信号の生成を行う制御手段と、
    前記生成された制御信号を前記投射型表示装置に出力する出力手段と、
    を有することを特徴とする画像出力機器。
15. 光を射出する第１の光源と、前記第１の光源からの光を変調する第１の光変調手段と、白色光を射出する第２の光源と、前記第２の光源からの光を変調する第２の光変調手段と、前記第１の光変調手段により変調された光および前記第２の光変調手段により変調された前記白色光を重畳させる光合成手段と、前記重畳された光を投射する投射手段と、を有する投射型表示装置の制御方法であって、
    前記第１の光変調手段により変調された光に前記第２の光変調手段により変調された光を重畳し、投射される画像のダイナミックレンジを明るい方向に拡大することを特徴とする投射型表示装置の制御方法。

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