JP4630863B2 - 表示装置及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、表示装置及びその制御方法に関するものであり、液晶ディスプレイ、プロジェクタ等の大画面／高精細表示装置に適用して好適なものである。

マルチメディア時代の到来により、あらゆる場面で表示装置が用いられているが、特に投射型表示装置は、大画面化が他の方式に比べて効率的なため、プレゼンテーション等にフロントプロジェクタが、家庭用シアターとしてリアプロジェクタが普及している。

近年、ＣＲＴ投射に代わり、液晶パネル方式や、ミラーの角度を変えることにより光量を変調するＤＭＤ（ディジタル・ミラー・デバイス、例えば特開平１０−７８５５０号公報参照）方式のプロジェクタが高輝度、高精細化に適しているために広がりを見せている。

しかしながら、これらの投射型表示装置は、一般に使用されているＣＲＴ直視管の画質に達せず、高画質表示（質感が求められている表示）の場合、ユーザーは、画面サイズが小型であっても、ＣＲＴ直視管を用いる場合が多い。ここで言う高画質（質感）とは、高ダイナミックレンジ（高コントラスト、高階調表示可能）ということである。

ＣＲＴは、輝度を電子ビーム強度等で変調可能なため、ダイナミックレンジは、特定領域（一部領域）のみ白を表示する場合等は、１０００：１程度まで実現できる。したがって、白はより白く、黒はより黒くできるポテンシャルがあり、すぐれた画質を実現している。しかしながら、ＣＲＴ方式の場合、チューブ等の限界により大きさがせいぜい４０インチ程度でそれ以上のサイズは技術的に難易度が高いという問題点を有している。

一方、投射型表示装置では、ＣＲＴ方式は、そのエンジンサイズ、明るさ、高精細化等にそれぞれトレードオフがあり、上述したように、高輝度化および高精細化に適した液晶方式やＤＭＤ方式が近年主流となっている。これらの場合、液晶またはＤＭＤが光を変調する光変調器の役割をもち、ランプから上記液晶デバイスまたはＤＭＤへ照明し、投射光学系により拡大投影する。従って、上記ダイナミックレンジは、主に液晶デバイスまたはＤＭＤのもつダイナミックレンジにより決定される。

上記デバイスの実用的ダイナミックレンジは、液晶の場合、約３００〜４００：１程度、ＤＭＤの場合５００〜６００：１程度である。したがって、上述のＣＲＴ方式に、なかなか高画質（高ダイナミックレンジ）の１点で勝てないという問題を有していた。
また、直視型ＬＣＤの場合も同様に、ＣＲＴに比べて、ダイナミックレンジが低いことが問題となっていた。
なお、本発明の背景となる文献としては、特許第２６４３７１２号公報、特開平６−１０２４８４号公報、特開平１１−６５５２８号公報、特開平６−１６７７１７号公報が挙げられる。
特開平１０−７８５５０号 特許第２６４３７１２号公報 特開平６−１０２４８４号公報 特開平１１−６５５２８号公報 特開平６−１６７７１７号公報

本発明が解決しようとする課題は、光変調素子に光を照射してその透過光もしくは反射光により表示画面を構成する投射型表示装置や直視型表示装置において高画質を実現することである。
より具体的には、本発明の目的は、投射型表示装置のもつ、大画面、高精細の特徴に、高ダイナミックレンジという高画質を達成する方式を提供することである。
さらに、上記方式は、液晶デバイス、ＤＭＤといった現行のデバイスのレベルであっても、そのデバイスとの組合せにより上記目的を達成するものであり、低コスト、実用的方式である。
また、バックライトを備えた直視型の液晶表示装置においても、高解像度の特徴に、高ダイナミックレンジという高画質を達成する方式を提供することである。

上記課題を解決するための本発明の表示装置は、光変調素子に光源より発生する光を照射し、該光変調素子より透過または反射した光により表示画面を構成する表示装置において、
入力表示信号に基づいて、１画面又は複数画面の輝度分布のヒストグラムを求め、該ヒストグラムに基づいて照射光量を算出する入力画像演算手段と、
算出された照射光量に基づいて表示信号の調整を行う調整手段と、
前記算出された照射光量に応じて、前記光変調素子に照射される光量を段階的に増加又は減少させる光量制御手段と、
前記光量を増加させる時の速度を、前記光量を減少させる時の速度よりも速くさせる時定数設定手段とを有し、
前記光量制御手段が、前記照射光量を所定の段階である第１の段階から１段階増加した第２の段階に増加させるときの前記ヒストグラムの度数に係る閾値と、前記第２の段階から前記第１の段階に減少させるときの前記ヒストグラムの度数に係る閾値とが異なるものであることを特徴とする。

本発明によれば、光変調器に照射される光量を調整する照明光量変調手段を設けたため、暗い画面は低光量で、明るい画面は高光量で照明することができ、結果として光変調器を一定光量で照明した場合よりも高いダイナミックレンジを実現することができる。

また、上記表示信号を調整する調整回路となる信号処理回路および信号書き込み手段により光量と信号増幅率を略反比例の関係で制御することにより、中間調における表示輝度を一定に保ちながら、高ダイナミックレンジを実現することができる。
以上説明したように、本発明によれば高画質な画像表示が実現できる。

本発明の好ましい実施の形態に係る表示装置は、光変調器（液晶デバイス、ＤＭＤ）を照明する光量の調整手段と、上記照明光量に基づいた光変調器への信号処理回路およびその信号書き込み手段を設けたことを特徴とする。
本発明の好ましい実施の形態に係る投射型表示装置は、光源と光変調器（液晶デバイス、ＤＭＤ）との間に上記光変調器を照明する光量の調整手段（照明光量変調手段）と、上記照明光量に基づいた光変調器への信号処理回路およびその信号書き込み手段を設けたことを特徴とする。
上記の信号処理回路は、前記光量または光量制御信号に反比例する増幅率で入力映像信号を増幅する増幅手段を備えてもよい。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。
図１は本発明の一実施例に係る信号処理装置のブロック図を示す。
図１において、１８、１７、１６は、Ｒ、Ｇ、Ｂ各色表示対応の液晶パネル、５４は各液晶パネルに印加する信号と電源を供給するドライバ回路、５５はＤ／Ａコンバータ、５６はメモリである。メモリ５６は、現状の表示データと次のフレームで表示するデータ等を保持する。５７はＤＳＰ部で、ガンマ調整、インターレース信号のノンインターレース信号への変換、使用している液晶パネルの画素数と入力信号の画素数とが対応しない場合の解像度変換、および色調整等の処理だけでなく、照明光量制御のために各色の信号レベルを算出する演算等を実行する。５８はタイミング発生回路、５９は電源ＯＮ−ＯＦＦおよび各種設定を行うリモコンである。６０はリモコンからの信号を受け、かつ、各種入力信号切換等を行うための制御パネル、６１は照明光量を変調(制御)するための超音波モータ用のドライバ、６２は超音波モータである。６３はマイコンで、バスを介して、メモリ５６、ＤＳＰ部５７、タイミング発生回路５８、制御パネル６０、ＵＳＭドライバ６１、電源６６、ランプ用バラスト６４等の各ブロックが接続され、それら各ブロックの制御を行っている。バラスト６４には、ランプ６５が接続されている。６７はＡ／Ｄコンバータ、６８はスイッチである。６９は信号処理回路であり、ＮＴＳＣ信号のデコード、ノイズ低減処理、帯域制限フィルタリングおよび信号レベル調節等の信号処理を行う。７１はＰＣ（パソコン）入力端子、７２はＮＴＳＣ入力端子で、本ブロック図には、アナログ入力信号のみ記載されているが、それに限らず、ＬＶＤＳ、ＴＭＤＳ等の入力端子や、デジタルＴＶ用Ｄ３端子等を設けても有効であることは言うまでもない。７５は音声入力端子、７６は音声切換スイッチ、７０は音声処理回路、７３はスピーカ、７４はＡＣインレットである。

図１の電気ブロック図を用いて、本実施例の照明光量変調方式の駆動の基本動作（映像信号により決まる最大輝度レベルに応じた液晶パネルヘの信号書込み方式の動作）について説明する。
入力端子７１、７２から入力した信号は、Ａ／Ｄコンバータ６７を介して、デジタル信号に変換され、一旦メモリ５６へ格納される。その時、そのフレームでの最大輝度レベルを算出し、その最大輝度レベルに対応した照明光量が得られる偏光板もしくは位相板の回転角度またはバラスト６４を介して光源に供給される電流もしくは電圧を算出するとともに、その光量の照明光がパネルに照射した時、各画素で所望の輝度が実現する信号を演算し書込む。メモリ５６からの信号の読み出しは、記憶されている信号に対応する光量制御と同期して行われる。上記最大輝度レベルの算出方法については、後述する。

図２により各表示画像における光量変調と信号ゲインの関係を説明する。
図２（ａ）は、時刻ｔｌの時の画像であり、山に太陽が沈み始め山陰や空が暗くなり始めているシーンを示している。図中の数値は、その画像の輝度レベルを示している。図２の（ｂ）は、（ａ）よりも時間が経過した後の画像であり、更に太陽が沈み暗くなっている。その時のピークは、前回（ａ）に比較して、８０％レベルになっている。更に時間が経過し、夜になり、空には月が出て、最大輝度レベルが３０％となった場合を（ｃ）に示す。

ここで、各画像データに対して、（ａ）に対しては液晶パネルに１００％レベルの光を照明し、（ｂ）に対しては８０％レベル、（ｃ）に対しては３０％レベルの光を照明する。各場合の表示画像は、（ａ’）、（ｂ’）、（ｃ’）となる。ここで、照明光の減少分を信号を増幅することにより補う。（ａ’）は光量低下が無いため、増幅率は１とし、（ｂ’）は増幅率を１．２５倍にし、（ｃ’）は増幅率を３．３倍とする。その結果は、（ａ”）、（ｂ”）、（ｃ”）となり、表示輝度は保たれる。

以上のように、光量変調と信号の増幅を組み合せることにより、黒浮きを抑えることによるダイナミックレンジの改善を、表示輝度を維持しながら行うことが可能となる。

液晶パネルのダイナミックレンジが２００：１レベルのものであれば、１００％光量を照射すると、黒レベルは、０．５という輝度レベル以下は、表示できないが、本実施例によると、画面全体が暗くなるにつれて、黒レベルの表示可能領域が拡大するため、より締まった黒表示が実現できる。画面全体が明るい場合や、外光からの反射光の影響がある場合、人間の目には、黒レベルの細かな差異の認識レベルが低下することもあり、黒の再現性は、それ程目立たない。しかし、暗いシーンになればなるほど、その再現性が重要となるが、それが上記技術とマッチングしており、上記例の場合は、実質的に６６０：１程度にダイナミックレンジが向上する。

映画など暗い映像シーンが多いソースの場合、本効果は絶大であり、黒の再現性の良い、ダイナミックレンジの改善された画像を得ることができた。

本実施例では、照明光量の減少分を信号ゲインの増幅を補うことにより、表示輝度を保ちながらダイナミックレンジを改善する方法について説明したが、ＬＣＤのダイナミックレンジを有効に使うために、信号のゲインを照明光量の減少分より大きくする方法も有効である。

次に、より具体的な画像信号からどのようにして、最大輝度を算出し、更に、その算出された最大輝度データから所望の照明光量レベルを算出するか、そして、照明光量レベルから、映像信号の増幅率をどのように決定するかについて詳細に説明する。

１フレームまたは１フィールド内の入力画像データを順に比較することにより、最大輝度を算出する。この場合、１画素毎の比較を行うと、ノイズなどの影響により、誤った最大輝度を算出する場合があるので、着目画素の近隣の数画素を平均化（または重み付け平均化）した値を各画素値として比較をし、最大輝度を算出することも有効である。

図３は、ＤＳＰ内の処理を説明するためのブロック図であり、図４はフローチャートである。
入力端３０１より入力した入力信号３０１に基づいて輝度分布算出部３０２は、上記の様に最大輝度を算出し（Ｓ４０２）、その結果をもとに照明光量算出部３０３により照明光量が決定される（Ｓ４０３）。そして、光量制御量算出部３０４により、光量制御量が決定される（Ｓ４０４）。次に、投射される表示輝度が保たれるように増幅率算出部３０５により増幅率が決定され（Ｓ４０５）、書込信号変換手段である映像信号増幅部３０６により、入力信号３０１が増幅され出力信号３０７として出力される。

なお、書込信号変換のための回路には、乗算器を用いてもよいし、より変換特性が詳細に設定できる変換表（ＬＵＴ：Ｌｏｏｋ Ｕｐ Ｔａｂｌｅ）を用いてもよい。また、映像信号処理回路（例えば図１の信号処理回路６９、図５の映像信号処理部５０８）の中に既に存在するダイナミックレンジ調整回路を用いてもよい。

図５は本発明の第２の実施例に係る光量制御演算および信号ゲイン設定部のブロック図である。
実施例１では光変調素子として液晶パネルを用いる構成を示したが、本実施例では光変調素子としてＤＭＤとして知られる、微小ミラーを集積し、各ミラーによる照射光の反射方向を制御することにより画像を表示する光変調素子を用いる。実施例１と重複する部分については説明を省略する。

図５において、信号入力端子５０１より入力した映像信号は、調整回路を構成するアナログ増幅部５０２により、増幅率算定部５０７により演算された増幅率により増幅される。次にＡ／Ｄ変換器５０３によりデジタル信号に変換された後、入力画像演算手段を構成する輝度検出部５０４により最大輝度が決定される。なお本実施例においては最大輝度の決定が増幅後に行われるので、増幅状態を考慮して最大輝度が決められる。最大輝度に応じて照明光量演算部５０５により照明光量が算出され、次の光量制御量演算部５０６により光量制御量が決定される。光量演算部５０５と光量制御量演算部５０６が光量制御手段を構成する。前記増幅率算定部５０７で増幅率を求め、その結果により前述のアナログ増幅器の増幅率が決定される。信号処理部５０８では、照明光量制御以外の各種の信号処理が行われる。信号処理部５０８より出力された信号はＤＭＤドライバ回路５０９を介してＤＭＤパネル５１０へ書込まれる。

図５は、実施例１における信号ゲイン設定部をアナログ回路で実現したものであり、増幅器の増幅率を可変にしたり、Ａ／Ｄ変換器の基準電圧を可変に設定できるようにすればよい。
更に基準電圧の与え方を工夫することにより、非線型な増幅も可能となり、その結果、階調再現性を改善することが可能となる。

本実施例の様に、Ａ／Ｄ変換器で変換される前のアナログ信号の段階で、光量制御に基づいた映像信号の増幅を行うことにより、実施例１に比較して、量子化による誤差を抑えることが可能となり、ダイナミックレンジを改善した画像においても、階調性の劣化の少ない良好な画質を得ることが可能となる。
ＤＭＤに対して、本発明を適用することにより、ダイナミックレンジの改善に加えて、信号レベルの伸長により、ＤＭＤ特有の低輝度側での誤差拡散等の２値化処理による粒状の画質劣化も改善することが可能となる。
本実施例では、ＤＭＤパネルの場合について説明したが、液晶パネルの場合でも同様に行うことができる。

図６は本発明の第３の実施例に係る光量制御部および信号ゲイン設定部のブロック図である。本実施例において、光量制御は、光変調素子に照射される光量を演算部にフィードバックして行う。
図６においては、入力端６０１より入力された映像信号に基づいて、輝度検出部６０２により輝度分布を算出し、照明光量演算部６０３により照明光量を算出する。次に光量制御量演算部６０４により光量制御量を算出し、照明制御装置６０８により照明６０９を駆動する。

照明光量検出センサ６１０では、照明６０９からの照明光の輝度を検出し、光量制御量算出部６０４およびゲイン算出部６０５へ与える。ゲイン算出部６０５では、設定する照明光量または検出した照明光量に応じて、パネルヘの書込みゲインを決定する。ゲイン部６０６では入力信号６０１を入力しゲイン算出部６０５で決定された係数に応じて、入出力特性を変化させる。信号処理部６０７では、各種の信号処理を行い、パネル駆動回路（例えば図１のパネルドライバ５４）へ映像信号を送信する。

次に図７のフローチャートを用いて、処理／制御方法について説明する。
まず映像信号から決まる所望の照明光量（Ｓ７０１）と、照明光量検出センサから得られる現在の照明光量（Ｓ７０２）とを比較する。ここで、所望の照明光量が現在の照明光量より、大きいか否かにより、照明光量変化方向が決定される（Ｓ７０３）。次に時定数算出手段により１制御サイクルあたりの変化量が算出される。次に、各々の変化方向に対応した照明光量変化量を算出し（Ｓ７０５）、その変化量に応じた制御をモータに対して行う（Ｓ７０６）。次に、光量検出器で、再度、制御後の照明光量を検出し（Ｓ７０７）、Ｓ７０１に戻る。
Ｓ７０８では、制御後の照明光量から、現状の照明光量に適した信号レベルを算出し、信号に対する増幅率を決定し、光変調器へ書込むための信号に変換する（Ｓ７０９）。ここで、Ｓ７０３は破線で示すように、Ｓ７０６で決定された照明光量をもとにして行ってもよい。

照明光を検出するためのセンサは、後述の実施例に示されるように、光変調器へ入射される光に比例した光を検知するために、光路内または漏れ光が検出できる位置に設定される。

ここで、本例のようなフィードバック系を用いない場合は、Ｓ７０２で用いられる現在の照明光量を、Ｓ７０７にて前回設定した値とすれば、この制御フローを用いることができる。
ここで、時定数は、モータの動作速度や、モータに制御信号を与えてから制御信号に応じた動作を終了するまでの時間等から決められる。

本実施例によれば、照明光量を検出するセンサを用いて、フィードバック制御を行うことにより、照明の設定と信号増幅率の設定を精度良く行うことが可能となるため、表示画像の輝度を安定して制御できるという効果がある。

また、動作速度の遅いモータを使用した場合や、モータの制御に時定数などを用いて速度制御を行う場合には特に効果が得られる。

図８は、本発明による信号処理装置を含む表示装置のブロック構成図である。この図は図１のＤＳＰ５７に相当する部分および本実施例における制御に特に関連する部分を含んでいる。なお、本実施例では表示信号と光量制御タイミングの同期は図１のメモリ５６とは別に設けた映像信号遅延部１１０で行うようにしている。本実施例では、ＬＣＤ等の表示デバイスに照射される照明光量が表示デバイス上で一様に変調される場合について説明する。

図８において、１０１は映像入力端子、１０２はゲイン（ダイナミックレンジ）コントロール部、１０３は信号処理部、１０４はガンマ変換部、１０５はＤ／Ａ変換器、１０６はＬＣＤなどの表示デバイスであり、１０７は照明変調係数演算部、１０８は照明変調デバイスドライバ、１０９は照明変調デバイスである。また、１１０は映像信号遅延部、１１１は制御信号遅延部である。

映像入力端子１０１より入力された映像信号は、照明変調係数演算部１０７に入力され、ここで、照明変調デバイスドライバ１０８へ出力される光量制御量、および、ゲインコントロール部またはガンマ部ヘ出力されるゲイン制御量を算出する。

図９を用いて、図８の照明変調係数演算部１０７内の動作ステップについて、説明する。図８の映像入力端子１０１より入力された映像信号は、照明変調係数演算部１０７に入力され、輝度分布算出部１０７−１により、輝度分布が演算される。ここで、輝度分布としては、１画面または複数画画の映像信号データの最大値、最小値、平均値、ヒストグラム等が算出される。

次に、照明光量算出部１０７−２において、輝度分布算出結果より、目標となる光量値を算出する。算出方法の詳細は、後述する。後述の「処理フロー１」および「処理フロー２」では、輝度の最大値を用いたフローについて説明し、「処理フロー３」では、輝度のヒストグラムを用いた方法について説明する。

次に、光量制御量算出部１０７−３において、目標光量値から、光量制御量を算出する。ここで、現在の光量値より目標となる光量値が大きければ、後述の時定数算出部により、予め決めた値だけ光量が大となるように、光量制御信号を決定し、逆に、現在の光量値より目標となる光量値が小さければ予め決めた値だけ光量が小さくなるように光量制御量を決定する。

次に信号ゲイン演算部１０７−４では、前記光量制御信号により決まる光量に合わせて、映像信号のゲインおよびオフセットを決定する。ここで、照明光量×信号ゲインが常に一定となるように制御を行い、表示される映像の明るさが保たれる。

前述の時定数設定部１０７−５により、光量の変化量が設定される。ここで、光量の変化率は一定でもよいし、目標値と現在値の差により変化させてもよい。但し、立ち下がり方向（照明光が暗くなる方向）では、光量の減少により、映像信号を増幅すれば、制御のスピードに関わらず、表示される輝度を再現することはできるが、立ち上がり方向（照明光を明るくする方向）では、照明光を明るくする速度が遅いと映像信号を変化させても、表示輝度を再現できない。よって本実施例では、立ち下がりの時定数よりも立上りの時定数を速くした。これにより急な白表示を再現できる。なお光量の変化率の設定方法には種々の方法があるが、ここでは一制御サイクルあたりの変化量によって変化率を設定した。

立上り／立ち下がり方向は輝度変化方向検出手段により検出される。変化率を小さく設定することにより、急激な照明輝度の変化を行った場合に発生する、フリッカのように見える現象を抑制することが出来る。なお、本実施例に拠れば、特に光量を減らしていく方向には照明の制御スピードがあまり速くなくても、不自然に見えないことがわかった。

また、本実施例では、照明の明／暗の方向がある程度安定しないとフリッカのように見えるという問題に対応するため、輝度情報から照明光量を算出するためのしきい値にヒステリシスを持たせ、立上り方向のしきい値と立ち下がり方向のしきい値を変える（立上りの方を大きくする）ことにより安定した制御を行う。

また、検出された映像フレームが表示される時と、実際に光量が変わるまでには、時間的なずれが生じる。これを改善するために、本実施例でも、光量の変化と表示映像を同期させる。

そのため、映像信号遅延部１１０では、光量が変化するタイミングに同期させて演算に用いた画像を表示することができるように、映像信号を一時記憶したのち出力することにより遅延させる。
映像信号遅延部１１０は、フレームメモリ等を用いて実現することができる。

また、映像信号を遅延する代わりに、制御信号遅延部１１１により、制御信号を遅延させてもよい。この場合、算出した映像と実際に制御する映像に遅延が生じるが、フレームメモリなどを用いなくとも数個のフリップフロップなどの遅延素子で実現できるため、低コストで、光量の変化と表示映像の変化を合せることは可能である。

以下に、本実施例による処理フロー例を示す。
映像信号を８ビットとした場合、その入力信号は０〜２５５の２５６階調となる。ここで、０を黒、２５５を白表示とする。

［処理フロー１］
（１）ＲＧＢ各色の１フレームまたは１フィールド内の最大値ＲＭＡＸ、ＧＭＡＸ、ＢＭＡＸを算出する。

（２）ＲＭＡＸ，ＢＭＡＸ，ＧＭＡＸの中で最も大きな値を最大輝度ＲＧＢｍａｘとすると、目標照明光量Ｌｔｇ［％］は、
Ｌｔｇ＝ＲＧＢｍａｘ／２５５＊１００
となる。

ここで、実際の設定値は下記の様に目標照明光量は１０段階とし、しきい値にヒステリシスを持たせる。
※立上り（照明光量を明るくする）の場合
ＲＧＢｍａｘ Ｌｔｇ
２３０〜２５５ → １００％
２０４〜２２９ → ９０％
１７９〜２０３ → ８０％
以下同様
※立下り（照明光量を暗くする）の場合
ＲＧＢｍａｘ Ｌｔｇ
２２０〜２５５ → １００％
１９４〜２１９ → ９０％
１６９〜１９３ → ８０％
以下同様

（３）立上り（暗→明）の時の一制御サイクルあたりの光量変化量をＤｕｐ、立下り（明→晴）の時の一制御サイクルあたりの光量変化量をＤｄｎとすると、
目標照射光量と前回の設定光量とを比較し、目標照射光量が前回の設定光量よりも大きい場合は、設定照射光量を増加させる。このとき、目標照射光量と前回の照射光量の差が、Ｄｕｐよりも大きいときは、一制御サイクルで目標照射光量まで光量を増加させることはせず、光量の増加はＤｕｐにとどめる。
また目標照射光量と前回の設定光量とを比較し、目標照射光量が前回の設定光量よりも小さい場合は、設定照射光量を減少させる。このとき、目標照射光量と前回の照射光量の差が、Ｄｄｎよりも大きいときは、一制御サイクルで目標照射光量まで光量を減少させることはせず、光量の減少はＤｄｎにとどめる。
この制御プロセスを実行するプログラム例は以下のように表される。

（４）設定照明光量に対応したパルスモータの設定および信号ゲインの設定を垂直同期信号ＶＤに同期して行う。
（５）上記（１）（２）（３）（４）を△Ｔ時間毎に繰り返す。

ここで、△Ｔは、光量を制御する手段の動作速度、ここでは光量を変化させる偏向板を回転させるモータの動作速度にも依存するが、この処理フローでは、十分な速度を持ったモータを用いて、１フレーム間隔を制御サイクルとした。また、１フレームを複数フィールドで構成する場合はフィールド間隔であることが望ましい。

［処理フロー２］
また、モータの動作速度がフレームレートに比べて遅い場合は、次のフローを用いることにより、光量制御を効果的に実現できる。
（１）前述の処理フロー１と同じ。
（２）前述の処理フロー１と同じ。
（３）設定光量Ｌｗ（ｎ）＝Ｌｔｇ
（４）設定光量に対応したパルスモータの設定を行う。

ここで、信号ゲインの設定は、パルスモータが設定値に到達するまでの期間中、照明光量の変化に合せて、垂直同期信号ＶＤに同期して目標値までリニアに設定を繰り返す。
（５）パルスモータが設定値に到達した後に、上記１）（２）（３）（４）を繰り返す。
以上により、モータの動作速度が遅い場合も、表示輝度を一定に保つことが可能となる。

［処理フロー３］
輝度分布のヒストグラムを用いた処理方法について説明する。
（１）入力信号は比較器のしきい値Ａ０からＡ（ｎ−１）によりｎ分割され、各々の範囲内の信号の数をカウントすることにより輝度分布が作成される。ｎ分割したカウント数を各々Ｃ０〜Ｃｎとする。ここで、Ａ（ｎ−１）＞Ａ（ｎ−２）＞…＞Ａ０である。
（２）次に輝度の大きい範囲から順に予め決めた個数より多いか否かを判断し、目的となる光量値を算出する。

ここで、実際の設定値は下記の様に目標照明光量は１０段階とし、しきい値にヒステリシスを持たせる。
※立上り（照明光量を明るくする）の場合

※立下り（照明光量を明るくする）の場合

ここで、比較値およびヒステリシス量△Ｈは、比較を行うカウント値ごとに変えてもよい。
（３）前述の処理フロー１または２と同じ
（４）前述の処理フロー１または２と同じ
（５）前述の処理フロー１または２と同じ
以上、本実施例によれば、目標照明光量をｎ分割し、照明光量の制御方向により、照明光量を決定するための判定値であるしきい値にヒステリシスを持たせることによって、しきい値近辺で、照明光量の変化が頻繁に起きる現象を無くし、安定した画像を得ることが可能になり、画質が更に改善される。
また、時定数設定部に、時間軸変化量制御、具体的には一制御サイクルあたりの光量変化を実質的に生じさせる時間を調整する機能を与えることにより、ランプに対する光量変化速度を制御（制限）することができるため、好適な表示が実現できる。
また、動作速度の遅い照明制御手段を用いることもでき、コスト的に有利である。
また、フリッカのような現象を抑制することが可能となる。

このように、入力された画像信号のレベル（分布、特性）に従い、照明光量を可変し、照明光量に合わせて映像信号のゲイン或いは電圧−輝度特性を変換する手段を持つことにより、表示される輝度を保ちながら、ダイナミックレンジを改善することが可能となった。

次に、本発明の第５の実施例について説明する。
図１０は、本発明の５実施例に係る液晶プロジェクタの光学系の構成を示す図で、１はランプ用リフレクタ、２は発光管（ランプ）、３ははえの目インテグレータ、４はＰＳ変換光学素子、５は照明光量変調器である。照明光量変調器５は、位相板もしくは偏光板が超音波モータに取り付けられている。６、２４はリレーレンズ、７、９、１１、１２はミラー、８、１０はダイクロミラー、１３、１４、１５はフィールドレンズ、１６、１７、１８は液晶パネル、１９、２０、２１は偏光板、２２はクロスプリズム、２３は投射レンズである。

図１０により、液晶パネル１６、１７、１８への照明光量が変調される原理を説明する。ランプ２より出射した光束２５は、リフレクタ１に反射して、平行光束２６となる。本実施例では、リフレクタ１の形状が放物型で平行光束へ変換されるが、リフレクタ形状を楕円型とし、集光光束へ変換しても良いことは言うまでもない。上記光束２６は、はえの目インテグレータ３へ入射し、入射側はえの目のレンズ３ａの各々は、液晶パネルと共役な関係となっている。このインテグレータ３により、ランプ２から出射した光束の分布は均一化され、また、ランプ２の発光領域ごとの色分布も同時に均一化される。

インテグレータ３を出射した光束は、無偏光光束であり、ＰＳ変換素子４により直線偏光光束へ変換される。これらのＰＳ変換素子としては、例えば、偏光ビームスプリッタと１／２波長板から構成されるものを用いることができる。この方式の場合、Ｐ光とＳ光との比率は２０：１以上が十分得られた。

この直線偏光光束が、偏光板もしくは位相板を連続的に回転するように構成された光学素子５を通過すると、液晶パネルへの照明光量が連続的に変わる。

光学素子５に偏光板を用いた場合、上記ＰＳ変換素子４通過後の直線偏光方向と偏光板の偏光子方向が平行配置のとき、偏光板での吸収表面反射成分約１５％を除く光量（約８５％）が透過する。

上記直線偏光光束の偏光方向に対して、偏光板を回転すると、偏光板の偏光子方向への射影成分のみが透過するために、連続的に光量を落とすことができる。上記光学素子５に入射する直線偏光光束のＰＳ比率が、２０：１の場合、パネルへの照明光量を１／２０まで変化させることができた。

上述の如く、ＰＳ変換素子４通過後、光束は直線偏光光へ変換され（部分直線変換もあり得る）、その後に直線偏光光が通過する偏光板を回転することにより、パネルへの照明光量を変更することができる。この偏光板の位置は、ＰＳ変換後であれば、基本的にどこでも良いが、光源に近い位置に配置すると光量が強く、偏光板自身が変質するので、離して配置することが望ましい。また、光源から離して配置することが難しい場合、サファイア製の偏光板を用いて耐光耐熱特性を高めることができる。

上記偏光板は超音波モータにより回転する。超音波モータ（ＵＳＭ）は、高速かつ回転角の制御性が良く、本目的の光量調整には好適である。
超音波モータの回転速度は、負荷トルクにも依存するものの１０００〜５０００ｒｐｍは、十分達成可能で、回転角９０°（白黒変換に相当）に換算すると、３〜１５ｍｓで照明光量は変更できる。映像信号が白から黒に急激に変化する場合はほとんどなく、光量変化が１０％とした場合、必要な回転角は２６°でその場合の照明光量変更速度は１〜５ｍｓと液晶の応答速度１０〜２０ｍｓより速い。回転精度に関しては、モータに取りつけられたエンコーダにより回転角を制御でき、±０．１°以下の精度が十分得られた。

モータとしては、超音波モータ以外にステッピングモータでも同等の速度と精度が実現可能である。
上記例は、後述する所望の照明光量を映像信号から算出し、その決められた照明光量を実現するための偏光板の回転角を計算し、その回転角になるように、モータを動かす方式である。

次に、照明光量自身をモニタし、サーボをかけ、所望の光量に制御する方式について、図１１を用いて説明する。図１１の光学系は、図１０のものに対し、ミラー７をハーフミラー１１０１に置き換え、ハーフミラー１１０１を透過した光を集光する集光レンズ１１０２と、その光量を検出する光量検出器１１０３を付加したものである。ハーフミラー１１０１は反射成分が９９％、透過成分が１％とほぼ反射する構成で良い。したがって、パネルへの照明光量は、このハーフミラーでわずかに低下するが問題になるレベルではない。ハーフミラー１１０１からの透過光束は、集光レンズ１１０２を経て光量検出器１１０３に入る。

図１１の光学系におけるパネルへの照明光量の制御方法を図１２のフローチャートで示す。映像信号から算出された照明光量と現状の照明光量から次の照明光量をどのレベルに設定するかを決める。現状の照明光量をも勘案するのは、シーンの変化等により、輝度レベルが白から黒へ急速に変化した場合でも、それに急速に追従せず、数〜数１０フィールドでゆるやかに変化させた方が、液晶パネル等の駆動等も容易であり、かつ、人間の目には異和感がなく見えるので、そのような場合に適応するためである。

上記照明光量のレベルが決まった後、その照明レベルになるように、モータを回転し、制御後の実際の光量を光量検出器１１０３で測定する。集光レンズ１１０２によりしぼられた光ゆえ、検出器自身は小型のｐｉｎ型のもので足り、高速アンプと組み合わすことにより数１０μｓで光量検出ができる。この光量が所望のレベルになるように、モータを制御すれば、仮に、ランプ自身の光量変化が生じた時も、一定光量の照明が実現し、安定した画面が実現する。特にアーク長が１〜１．３ｍｍと短く、プロジェクタエンジンの小型化に有効な超高圧水銀ランプやメタルハライドランプを用いる場合、ランプ２の発光領域の移動にともない、インテグレータ３に入射する光量が変化し、パネルへの実質照明光量が変動して表示性能を落とすことがあり、その解決が求められていたが、その有効な対策にもなり、表示性能を高める利点がある。

また、実際の検出した光量に対応した信号が計算され、液晶パネル等に書き込まれるために、照明光量を映像が白から黒へ変化する時はゆっくり、黒から白へ変化する時は速く切り替わるような駆動も可能になる。これにより、黒から白へ変化した時の白のピーク輝度の確保ができ、表示性能が向上するばかりでなく、モータの負荷も減り、消費電力のセーブも可能となり、また、モータの寿命も長くなる利点を有する。

ここでは、偏光板の回転に超音波モータを用いており、高速でバックラッシュのない、静音性に優れた照明光量制御を行なっている。しかし、超音波モータ以外の他のモータでも利用可能であることは言うまでもない。

前述の構成では、偏光板の回転により、照明光量の制御を行なったが、この偏光板の代わりに位相板を用いると光量ロスがほとんどなく、さらに高輝度プロジェクタとして適している。位相板としてλ／２板を用いると、ＰＳ変換素子４から出射される直線偏光光束に対して、λ／２板の回転角θとともに、λ／２板通過後の直線偏光光束の位相は２θ回転する。したがって、偏光板に対しλ／２板の回転角は半分でよく、より高速な光量変調が可能となる。回転した偏光光束の光量は、位相板でのロスは２〜３％しかなく、高輝度化にも優れている。液晶パネル手前の偏光板により、その傾影成分のみが液晶パネルに照明されるために、照明光量が変調可能である。

図１０および１１の光学系において、照明光量変調用光学素子（照明光量変調器）５を透過した光束はリレーレンズ６および２４を介して、各色の液晶パネルへ照明される。ダイクロミラー８は青色を透過し、それ以外を反射する。ダイクロミラー１０は赤色を透過し、緑色を反射する。この場合、１６は青色用液晶パネル、１７は緑色用液晶パネル、１８は赤色用液晶パネルで、例えばＴＦＴを用いて駆動するＴＮ液晶パネルである。さらに、各画素にマイクロレンズを設けたものは、開口部での光のケラレが減少し、高輝度化が図れた。

照明光量変調にともない、上記液晶パネルの駆動も新しい方式を用いる。この駆動方式に対しては、後述する。各色の液晶パネルで変調を受けた各色の光束はクロスプリズム２２で合成され、投射レンズ２３を介して写し出される。

図１３は本発明の第６実施例を示す概略図である。図１３において、メタルハライドランプやキセノンランプなどの光源１３０１から発せられた光は放物面リフレクタ１３０２により略平行光とされ、ミラー１３０３で反射後、集光レンズ１３０４を介してインテグレータ１３０５の前側端面（第１の端面）１３０５−１位置に光源像を形成する。この光源像の近くに、１３１０で示す絞りが設けられている。絞り１３１０を絞るとインテグレータ１３０５への入射光量を減少させることができる。インテグレータ１３０５に入射した光束は、一部はインテグレータを透過し、残りの一部は内部の反射面で１回から数回反射して後側端面（第２の端面）１３０５−２から出射する。

放物面リフレクタ１３０２と集光レンズ１３０４には、放物面リフレクタ１３０２の焦点距離をＦ３、集光レンズ１３０４の焦点距離をＦ４とする時、４≦Ｆ４／Ｆ３≦１０（但し、Ｆ３は前記放物面リフレクタの底面から前記焦点までの距離）を満たすものを用いるのが良い。なぜならば、インテグレータ１３０５の前側端面位置１３０５−１に小さな光源像を形成することが出来るからである。インテグレータ１３０５からの光束は凸レンズ１３０６に入射し、ＲＧＢもしくはＲＧＢＷ光のみ透過するダイクロフィルタ１３１１を透過し、反射鏡１３０７の近傍に光源１３０１の像を形成する。上記ダイクロフィルタは透過型の例を示したが、反射型を用いても有効であることは言うまでもない。反射鏡１３０７は投影レンズ１３１４の開口絞り１３１３の位置に配置されている。

図１３において、インテグレータ１３０５からの光束は、反射鏡１３０７で反射されて平凸レンズ１３０８に入射し、平凸レンズ１３０８により略平行光とされて、光変調器であるＤＭＤパネル１３０９を照明する。ＤＭＤパネル１３０９は、映像信号に応じて画素毎に入射光を散乱したり散乱しなかったりといった光変調を行なうことにより画像情報を形成する。前述した第５実施例の液晶表示パネルも同様の構成、機能を有するが、必要に応じて、別のタイプの液晶表示パネルを使用することも可能である。

本実施例の光学系で重要なことは、インテグレータ１３０５の後側端面１３０５−２が凸レンズ１３０６と平凸レンズ１３０８とにより、ＤＭＤパネル１３０９上に結像されることである。インテグレータ１３０５の後側端面１３０５−２においては、インテグレータ１３０５内部を反射せずに透過した光束と１回から数回反射された光束が重なり合うために、光源の色ムラや輝度ムラが無くなってほぼ一様な光強度分布になっている。したがって、この後側端面１３０５−２を凸レンズ１３０６と平凸レンズ１３０８とによりＤＭＤパネル１３０９の表示面と共役関係とすれば、ＤＭＤパネルの表示面で色ムラや輝度ムラが軽減され、その結果スクリーン１３１５上に表示される画像の色ムラや輝度ムラが軽減される。また、インテグレータ１３０５の後側端面１３０５−２の形状をＤＭＤパネル１３０９の表示面とほぼ相似な矩形としてインテグレータ１３０５の後側端面１３０５−２を適当な倍率でＤＭＤパネル１３０９上に結像することにより、パネルを効率良く照明している。

なお、図１３では、レンズ１３０４とレンズ１３０６とレンズ１３０８がそれぞれ一枚のレンズであるが、これらのレンズ系をそれぞれ複数枚のレンズにより構成しても構わない。前述した実施例の各レンズも同様である。したがって、本明細書で「凸レンズ」と述べているのは正の屈折力を有するレンズ系のことである。

ＤＭＤパネル１３０９で、画像信号に応じて変調された各色の反射光は、平凸レンズ１３０８により集光され、少なくとも一部の光束が開口絞り１３１３の開口部を通過し、投影レンズ１３１４を介してスクリーン１３１５上に投影される。この時絞り１３１３の開口部には、ＤＭＤパネル１３０９で正反射した光により光源１３０１の像と相似形な光源像が形成される。これは、光源１３０１とインテグレータ１３０５の前側端面１３０５−１と反射鏡１３０７と開口絞り１３１３が互いに共役な位置にあるからである。投影レンズ１３１４と集光レンズ１３０８より成る光学系はＤＭＤパネル側がテレセントリックな系である。

本実施例は、図１３に示すダイクロフィルタ１３１１の回転により、時分割でＲＧＢを表示する方式であり、一回転に同期して光量調整用の絞り１３１０を変調すれば、第５実施例と同様の輝度変調を行なうことができる。また、ＲＧＢ時分割の各色のレベルに同期して、絞り１３１０を調整し、照明光量を変調することもできる。

本構成もほとんどコストをかけずに、照明光量変調し、高ダイナミックレンジのＤＭＤをさらに高ダイナミックレンジ高画質化できる利点を有する。

上記実施例では、ＤＭＤパネルを例に説明したが、これは液晶パネルでも有効であることは言うまでもない。

図１４は、本発明の第７の実施例に係る電気系のブロック図を示す。図１４において、１４００はＤＭＤ、１４０１はＤＭＤドライバユニットである。ドライバユニット１４０１内部には、時分割等の信号変換処理部１４０２、メモリ１４０３、制御ユニット１４０４およびリセットドライバ１４０５を備えている。

信号処理に連動して、カラーフィルタシステム１４０６（図１３の１３１１に対応）があり、回転の同期やサーボコントロール１４０７およびカラーフィルタ１４０８自身から構成されている。

絞り１４０９、電源ユニット１４１０、およびＤＭＤドライバユニット１４０１はマイコン１４６２に接続されており、全体的に制御されている。

電源ユニット１４１０は、バラスト１４１１、電源１４１２、ランプ１４１３、ランプ用ファン１４１４、電源・電装基板冷却用ファン１４１５からなる。また、リモコンやボタンからなるユーザインターフェイスユニット１４１６は、リモコン１４１７、リモコンから発光するＬＥＤ１４１８、ボタンやキー１４１９、およびスイッチ１４２０から構成されている。

音響系１４２１は、ＬＶＤＳやＴＭＤＳといったデジタル信号Ｉ／Ｆの出力信号をＤ／Ａ変換するＤ／Ａユニット１４２２、音量（ＶＯＬ）調整回路１４２３、アンプ１４２４およびスピーカ１４２５からなる。

モニタ機能１４６１としては、Ｓ端子１４２６、コンポーネントビデオ端子１４２７、コンポジットビデオ端子１４２８、デジタル放送の端子（Ｄ３）１４２９等が設けられている。

一方、ＰＣからのアナログ信号は、Ｄｓｕｂ１５ピン１４３０から入力され、位相調整１４３１およびＰＬＬ１４３２ならびにプリアンプ１４３３を介してＡ／Ｄコンバータ１４３４でディジタル信号に変換され、マルチプレクサ１４３５を介して、スキャンコンバータ１４３６に入る。

また、ＤＴＶ用信号は、チューナ部１４３７、ＭＰＥＧデコーダ１４３８を介して、スキャンコンバータ１４３６へ入る。通常のＮＴＳＣは、Ａ／Ｄコンバータ１４５１でＡ／Ｄ変換後、スキャンコンバータ１４３６を介し入力される。また、ＤＴＶ用信号およびＮＴＳＣ信号から分離されたオーディオ信号はマルチプレクサ１４５２を介してＬＶＤＳインターフェースの送信部１４５５へ入る。スキャンコンバータ１４３６からのビデオ信号およびマルチプレクサ１４５２からのオーディオ信号はＬＶＤＳインターフェースの送信部１４５５および受信部１４５３を介して、フロントエンド１４５４および音響系１４２１に入る。フロントエンド１４５４の出力信号はＤＭＤドライバユニット１４０１に入る。

本構成により、オフィス用のフロントプロジェクタ、リアプロジェクタをして高画質が得られるだけでなく、コンシューマ用の大画面のリア、フロントのＴＶやホームシアター、ミニシアター等へも適用できる。

図１４において、ＤＴＶチューナ部１４６３は、チューナ１４６４、ＳＡＷフィルタ１４３９、Ａ／Ｄコンバータ１４４０、ＶＳＢ復調器１４４１およびデミクサ１４４２を備えている。ＭＰＥＧデコーダ１４３８は、ビデオデコーダ１４４３およびオーディオデコーダ１４４４を備えている。ＮＴＳＣチューナ１４４５は、チューナ１４４６、ＳＡＷフィルタ１４４７、ＮＴＳＣ復調器１４４８、オーディオデコーダ１４４９およびＡ／Ｄコンバータ１４５０を備えている。

以上のように、本発明の実施例によれば、光変調器に照射される光量を調整する照明光量制御手段を設けたため、暗い画面は低光量で、明るい画面は高光量で照明することができ、結果として光変調器を一定光量で照明した場合よりも高いコントラストを実現することができる。

本発明の実施例によれば、光源と光変調器との間に照明光量変調手段を設けたため、暗い画面は低光量で、明るい画面は高光量で照明することができ、結果として光変調器を一定光量で照明した場合よりも高いコントラストを実現することができる。

本発明の実施例によれば、光変調器に照射される光を発生する光源を直接制御する照明光量変調手段を設けたため、暗い画面は低光量で、明るい画面は高光量で照明することができ、結果として光変調器を一定光量で照明した場合よりも高いコントラストを実現することができる。

本発明の実施例によれば、光量と信号増幅率を略反比例の関係で制御することにより、中間調における表示輝度を一定に保ちながら、高コントラストを実現することができる。

本発明の第１の実施例に係る電気系ブロック図である。 本発明による表示例の説明図である。 本発明の第１の実施例に係る処理フローブロック図である。 本発明の第１の実施例に係るフローチャートである。 第２の実施例のブロック図である。 第３の実施例のブロック図である。 第３の実施例の処理方法のフローチャートである。 第４の実施例のブロック図である。 第４の実施例の照明変調係数演算部の処理フロー説明図である。 本発明の第５の実施例に係る液晶プロジェクタの光学系の構成を示す図である。 図１０の光変調器部分の変形を示す図である。 図１１の光変調器の動作を示すフロー図である。 本発明の第６の実施例に係るＤＭＤプロジェクタの光学系の構成図である。 本発明の第７の実施例に係るＤＭＤプロジェクタの電気系の構成を示すブロック図である。

符号の説明

６９：信号処理、６８：スイッチ、６７：Ａ／Ｄ変換器、５６：メモリ、５７：ＤＳＰ、５８：ＴＧ、５５：Ｄ／Ａ変換器、５４：パネルドライバ、１６，１７，１８：液晶パネル、５９：リモコン、６０：制御パネル、６３：マイコン、６１：ＵＳＭドライバ、６２：ＵＳＭ、６４：バラスト、６６：電源、７０：音声回路、７３：スピーカ。

Claims (4)

1. 光変調素子に光源より発生する光を照射し、該光変調素子より透過または反射した光により表示画面を構成する表示装置において、
   入力表示信号に基づいて、１画面又は複数画面の輝度分布のヒストグラムを求め、該ヒストグラムに基づいて照射光量を算出する入力画像演算手段と、
   算出された照射光量に基づいて表示信号の調整を行う調整手段と、
   前記算出された照射光量に応じて、前記光変調素子に照射される光量を段階的に増加又は減少させる光量制御手段と、
   前記光量を増加させる時の速度を、前記光量を減少させる時の速度よりも速くさせる時定数設定手段とを有し、
   前記光量制御手段が、前記照射光量を所定の段階である第１の段階から１段階増加した第２の段階に増加させるときの前記ヒストグラムの度数に係る閾値と、前記第２の段階から前記第１の段階に減少させるときの前記ヒストグラムの度数に係る閾値とが異なるものであることを特徴とする表示装置。
2. 更に前記光変調素子に照射される光量を検出するセンサを有しており、前記光量制御手段は、前記入力画像演算手段による演算の結果と前記センサによる検出結果とに基づいて前記照射光量を制御する請求項１に記載の表示装置。
3. 前記調整手段は、前記演算の結果と前記センサによる検出結果とに応じて前記表示信号の調整を行う請求項２記載の表示装置。
4. 光変調素子に光源より発生する光を照射し、該光変調素子より透過または反射した光により表示画面を構成する表示装置の制御方法において、
   入力表示信号に基づいて、１画面又は複数画面の輝度分布のヒストグラムを求め、該ヒストグラムに基づいて照射光量を算出するステップと、
   算出された照射光量に基づいて表示信号の調整を行うステップと、
   前記算出された照射光量に応じて、前記光変調素子に照射される光量を段階的に増加又は減少させるステップと、
   前記光量を増加させる時の速度を、前記光量を減少させる時の速度よりも速くさせるステップとを有し、
   前記照射光量を所定の段階である第１の段階から１段階増加した第２の段階に増加させるときの前記ヒストグラムの度数に係る閾値と、前記第２の段階から前記第１の段階に減少させるときの前記ヒストグラムの度数に係る閾値とが異なるものであることを特徴とする表示装置の制御方法。

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