JP4810941B2 - プロジェクタ - Google Patents

Description

本発明は、スクリーン上にカラー画像を投射することができるプロジェクタに関する。

従来、ＬＥＤ（発光ダイオード）を用いた小型のプロジェクタが提案されている（例えば、特許文献１参照）。ＲＧＢ各色のＬＥＤを別々に備えてカラー表示の投影を行う場合、ＬＥＤの発光効率がＲＧＢで異なることや、ＬＥＤに個体差があったりして、ホワイトバランス調整が問題となる。一般的には、製造時における投射光の色バランスを実測し、その測定結果に基づいてＲＧＢ各々の駆動電流値もしくは駆動デューティ比を微調整することにより、ホワイトバランス調整を行っている。それらの調整値は予め装置に記憶されている。

特開２００５−３９００号公報

しかしながら、ＬＥＤの発光効率には温度依存性があり、その温度依存性はＲ，Ｇ，Ｂ毎に異なる。従って、出荷段階で上述したような調整を行っても、実際に使用している時の環境温度が調整時の温度と異なっていると、色バランスが崩れてしまうことになる。また、経時変化によりＬＥＤの発光特性が変化した場合も、色バランスが崩れる。

請求項１の発明によるプロジェクタは、異なる色光を発生する複数の光源を有し、それらを独立に発光することができる照明手段と、照明手段からの照明光を偏光方向の異なる２つの偏光光に分離する偏光分離素子と、偏光分離素子で分離された一方の偏光光が入射し、入射した偏光光を画像情報に基づいて変調する空間光変調素子と、空間光変調素子により変調された光から投射用偏光光を分離してスクリーン上に投射する分離投射手段と、偏光分離素子で分離された他方の偏光光を受光し、受光量に応じた信号を出力する光電変換素子と、光電変換素子の出力信号に基づいて複数の光源をそれぞれ駆動制御して、スクリーン上に投影された投影画像の色バランス調整を行う制御手段とを備えたことを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１に記載のプロジェクタにおいて、投射用偏光光の強度と、光電変換素子の受光量または光電変換素子の信号出力値との相関関係を、予めデータとして記憶する記憶部を備え、制御手段は、記憶部に記憶されたデータに基づいて色バランス調整を行うようにしたものである。
請求項３の発明は、請求項１または２に記載のプロジェクタにおいて、照明手段は、複数の光源毎に、第１の強度による第１発光と第１の強度より弱い第２の強度による第２発光とを切り換え可能であって、制御手段は、第２発光時における光電変換素子の出力信号に基づいて色バランス調整を行うようにしたものである。
請求項４の発明は、請求項３に記載のプロジェクタにおいて、空間光変調素子は強誘電液晶を用いた反射型ライトバルブであり、第１発光時に通常画像表示を行い、第２発光時に反転画像表示を行うようにしたものである。

本発明によれば、偏光分離素子で分離された２つの偏光光の内の投影に利用されない偏光光を光電変換素子で受光し、光電変換素子の出力信号に基づいて異なる色光を発生する複数の光源をそれぞれ駆動制御し、スクリーン上に投影された投影画像の色バランス調整を行うようにしたので、温度変化や経時変化により光源光が変化しても、色バランスの良い投影画像を得ることができる。

以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。図１は本発明によるプロジェクタの一実施の形態を示すブロック図である。プロジェクタは、照明光を発生する照明部１、偏光ビームスプリッタ（以下では、ＰＢＳを記す）２、反射型液晶ライトバルブの一種であるＬＣＯＳ３、ＣＭＯＳ受光素子４、投影レンズ５およびコントローラ６を備えている。コントローラ６には、ＬＥＤ制御回路６１，ＬＣＯＳ制御回路６２,ＣＭＯＳ制御回路６３，ＣＰＵ６４およびメモリ６５が設けられている。メモリ６５には、ＣＰＵ６４で処理されるプログラムや種々のデータ等が記憶される。

照明部１は光源である高輝度ＬＥＤ１１と、ＬＥＤ１１からの光を略平行光とする集光レンズ１２とを備えている。ＬＥＤ１１はＲ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）の３色のＬＥＤを一つのパッケージ内に備えたものであり、これらを切り換え発光することによりＲ光，Ｇ光およびＢ光を個別に発光することができる。ＬＥＤ１１の発光制御は、コントローラ６に設けられたＬＥＤ制御回路６１によって行われる。各色のＬＥＤの駆動電流値や点灯時間（デューティ比）などを制御することにより、ＲＧＢそれぞれの発光強度を制御することが可能であり、これにより投影画像のホワイトバランス（色バランス）を調整することができる。

照明部１を出射した無偏光状態の光はＰＢＳ２に入射し、偏光分離膜が形成された分離面２ａでＳ偏光光とＰ偏光光とに分離される。偏光分離膜はＰ偏光光を透過しＳ偏光光を反射するように構成されており、分離面２ａを透過したＰ偏光光はＣＭＯＳ受光素子４に入射する。Ｐ偏光光を受光したＣＭＯＳ受光素子４の検出信号は、ＣＭＯＳ制御回路６３に入力される。本実施の形態では、ＣＭＯＳ受光素子４でＰ偏光光を受光することにより、照明部１から出射される照明光の光量を検出することができる。

一方、分離面２ａで反射されたＳ偏光光は、ＬＣＯＳ３に入射する。本実施の形態のプロジェクタでは、フィールドシーケンシャル駆動によるカラー表示を行うため、ＬＣＯＳ３には高速駆動が可能な強誘電液晶（ＦＬＣ）が用いられている。

ＬＣＯＳ制御回路６２はＣＰＵ６４から入力される画像情報に基づいて、ＬＣＯＳ３の各画素の印加電圧を制御する。ＬＣＯＳ３の各画素は印加電圧により液晶分子の配列が変化し、液晶層が位相板の役目を果たすようになる。印加電圧を制御することにより、入射した偏光光の偏光方向を９０度回転して出射する状態と、入射した偏光光の偏光方向を変えることなく出射する状態とを形成することができる。ここでは、偏光方向を９０度回転する状態の画素を白画素と呼び、偏光方向を変えない状態の画素を黒画素と呼ぶことにする。すなわち、ＬＣＯＳ３には、画像情報に応じた白画素と黒画素とから成る画像パターンが形成される。

ＰＢＳ２からＬＣＯＳ３に入射したＳ偏光光は、各画素の状態が白画素か黒画素かに応じて変調される。すなわち、ＬＣＯＳ３の黒画素に入射したＳ偏光光は、偏光状態が変わらずＳ偏光光としてＰＢＳ２方向に出射される。一方、白画素に入射したＳ偏光光は偏光方向が９０度回転されて、Ｐ偏光光としてＰＢＳ２へと出射される。このように、ＬＣＯＳ３は入射した偏光光を入力された画像情報に応じて空間光変調を行い、変調光として出射する。

ＬＣＯＳ３から出射された変調光に含まれるＳ偏光光（すなわちＬＣＯＳ３の黒画素部分から出射されたＳ偏光光）は、ＰＢＳ２の分離面２ａで反射されて照明部１へと戻る。照明部１へ戻った偏光光は照明部１の内部で反射され、一部は再び照明光として利用される。一方、ＬＣＯＳ３の白画素部分から出射されたＰ偏光光は、ＰＢＳ２の分離面２ａを透過し、投影レンズ５により不図示のスクリーン上に投影される。

強誘電液晶を用いたＬＣＯＳ３の場合、上述したように高速駆動が可能であるが、画像の焼き付き現象を防止するために、液晶の極性を反転させた反転駆動による反転画像表示と通常画像表示とを交互に行う必要がある。一般的には、この反転画像表示の際には照明光を消灯して、反転画像がスクリーン上に投影されるのを防止している。本実施の形態では、この反転画像表示の際には照明光の光量を下げて、反転画像がスクリーン上に投影されることによる影響を抑えるとともに、受光素子４の検出値に基づいて照明光のセンシングを行って照明部１のホワイトバランス調整を行うようにした。

《制御シーケンスの説明》
図２は、画像投影および照明光のセンシングを行う場合の、第１の制御例を説明する図である。図２において、１段目はＬＥＤ１１の制御シーケンスを、２段目はＬＣＯＳ３の制御シーケンスを、３段目はＣＭＯＳ受光素子４の制御シーケンスをそれぞれ示している。１フレームは６つのフィールドで構成されている。第１，第２フィールドはＲ画像データに関するもので、第３，第４フィールドはＧ画像データに関するもので、第５，第６フィールドはＢ画像データに関するものである。

ここで、ＬＣＯＳ３を通常表示とする場合を第１の状態と呼び、ＬＣＯＳ３を反転表示とする場合を第２の状態と呼ぶことにする。第１の状態ではＬＥＤ１１を高輝度でパルス点灯し、第２の状態では低輝度でパルス点灯する。すなわち、ＬＥＤ１１は高輝度点灯と低輝度点灯とが切り換え可能であり、高輝度点灯と低輝度点灯とが連続して交互に繰り返される。また、ＣＭＯＳ受光素子４による光量のセンシングに関しては、ＬＥＤ１１が高輝度発光される第１の状態ではセンシングを行わず、ＬＥＤ１１が低輝度発光される第２の状態においてセンシングを行うようにした。

ＬＥＤ１１が高輝度発光されるときにＣＭＯＳ受光素子４でセンシングを行わない理由は、高輝度発光時の受光量が大き過ぎてＣＭＯＳ受光素子４の出力が飽和してしまい、正確なセンシングが行えないおそれがあるからである。高速シャッタなどの機能により短時間での露光が可能な受光素子であれば、高輝度発光時においてもセンシングが可能であるが、そのような機能を有しない安価な受光素子を使用することを考慮して、上述したように光輝度発光時にはセンシングを行わないような制御とした。

Ｒ画像データに関して第１状態とされる第１フィールドでは、ＬＥＤ１１はＲ光を高輝度でパルス点灯し、ＬＣＯＳ３はＲ画像の通常表示が表示されるように制御される。Ｒ画像データに関して第２状態とされる第２フィールドでは、ＬＥＤ１１はＲ光を低輝度でパルス点灯し、ＬＣＯＳ３にはＲ画像の反転表示が表示される。そして、Ｐ偏光光が入射するＣＭＯＳ受光素子４の出力信号に基づいて、そのときの受光量を算出する。このように第２フィールドでＲ画像の反転表示を行うことで、ＬＣＯＳ３における画像の焼きつき現象を防止することができる。Ｇ画像データに関する第３，第４フィールドおよびＢ画像データに関する第５，第６フィールドに関しても、同様に第１の状態、第２の状態の順で制御を行い、第２状態のときにＣＭＯＳ受光素子４による光量のセンシングが行われる。

なお、図２に示した制御シーケンスでは、低輝度発光時における反転表示の画像がスクリーン上に投影されるので、画像品質の観点からは厳密には好ましくない。しかし、高輝度投影時との光量差が大きければ、目の残像効果によりわずかな反転像が重なったとしても、ほとんど認識できないレベルに抑えることができる。

図３は第２の制御例を示したものであり、図２と同様の制御シーケンスを示す図である。第２の制御例の場合、前半の第１〜第３フィールドにおいて画像投影を行い、後半の第４〜第６フィールドにおいてＣＭＯＳ受光素子４による照明光のセンシングを行うようにした。すなわち、第１フィールドでは、ＬＥＤ１１はＲ光を高輝度でパルス点灯するとともに、ＬＣＯＳ３にはＲ画像の通常表示を行い、第２、第３フィールドではＧ光およびＢ光に関する同様の制御を行う。

一方、第４フィールドでは、ＬＥＤ１１はＲ光を低輝度でパルス点灯するとともに、ＬＣＯＳ３にＲ画像の反転表示を表示する。そして、ＣＭＯＳ受光素子４による光量のセンシングを行う。第５、第６フィールドではＧ光およびＢ光に関する同様の制御を行う。この場合も、１フレーム内において通常表示に対応して反転表示が行われ、画像焼き付きが防止される。第２の制御例においても、各色のＬＥＤについてみると、消灯状態をはさんで高輝度点灯と低輝度点灯とが交互に繰り返されている。

ところで、照明部１からスクリーンまでの光路と、照明部１からＣＭＯＳ受光素子４までの光路とは異なり、また、画像投影時は高輝度発光されるが、光量センシング時には低輝度発光とされるため、ＣＭＯＳ受光素子４の受光量の変化と投射輝度（投射像の輝度）の変化とが一致するとは限らない。そのため、図４に示すような、投射輝度とＣＭＯＳ受光素子４の出力との相関を求めておき、その相関に基づいてＬＥＤ１１の輝度調整を行う必要がある。

図４は、高輝度発光時の投射輝度と低輝度発光時のＣＭＯＳ受光素子４の出力との相関関係をＲ，Ｇ，Ｂのそれぞれの光に関して図示したものであり、縦軸は高輝度発光時の投射輝度を表し、横軸は低輝度発光時のＣＭＯＳ受光素子４の出力を表している。これらの相関関係は、製造検査時に予め実測しておき、データテーブルとしてメモリ６５に記憶しておく。例えば、Ｒ光に関して、低輝度発光時のＣＭＯＳ出力がｂの場合には、高輝度発光したときに投射輝度ａが得られる。また、Ｇ光およびＢ光を高輝度発光した時に同一輝度ａが得られるためには、低輝度発光時のＣＭＯＳ出力がｃ、ｄとなるように発光制御すれば良い。

温度変化や経時変化等に等によりＲ光に関するＣＭＯＳ出力がｂ’（投射輝度ｅに対応）に変化した場合、ＲＧＢ輝度バランスを修正すべく、Ｒ光に関するＣＭＯＳ出力がｂとなるように発光制御する。すなわち、ＣＭＯＳ出力の変化から投射像のＲＧＢ輝度変化を検出することができ、その検出結果をフィードバックしてＬＥＤ１１の発光輝度制御を行うことにより、投影像のホワイトバランスを最適に保つことができる。なお、図４では横軸をＣＭＯＳ出力としたが、ＣＭＯＳ受光素子４が受光する受光量であってもかまわない。ＣＭＯＳ出力を用いた場合には、ＣＭＯＳ受光素子４における受光量と出力との関係も含めた相関関係となっている。

ところで、上述した実施の形態ではＬＣＯＳ３に強誘電液晶を用いた例を説明したが、ＴＮ型液晶を用いたＬＣＯＳ３の場合にも本発明を適用できる。ＴＮ型液晶を用いたＬＣＯＳ３では、強誘電液晶を用いた場合のように焼き付き防止の反転表示を行う必要はなく、図５の制御シーケンスに示すように、ＬＥＤ１１が低輝度発光されるフィールドにおいても通常表示が行われる。

さらに、図１のＰＢＳ２とＣＭＯＳ受光素子４との間にＮＤフィルターのような減光手段を配設すれば、図６の制御シーケンスに示すようにＬＥＤ１１の低輝度発光を行わず、Ｒ，Ｇ，Ｂ光の高輝度発光による画像投影とＣＭＯＳ受光素子４による光量のセンシングを同時に行うことができる。この場合、図５の場合のように、投影画像が暗くなるタイミングが無く、さらに高速な切り換えを必要としない。

なお、上述した実施の形態ではフィールドシーケンシャル駆動によりカラー表示を行うプロジェクタを例に説明したが、Ｒ，Ｇ，Ｂ光を独立制御できる照明部１を備えるプロジェクタであれば、本発明を適用することができる。例えば、カラーフィルタ付きＬＣＯＳにＲＧＢのＬＥＤからなる照明部１からＲ光、Ｇ光、Ｂ光を同時に発光させて白色照明光を入射させるプロジェクタにも適用できる。また、反射型ＬＣＯＳではなく透過型ＬＣＯＳを用いたプロジェクタにも適用できる。

図７は、透過型液晶表示素子を用いたプロジェクタに適用した例を示す図である。図１に示した実施の形態と同じ構成要素については、同じ番号を付し、説明を省略する。ＲＧＢ３色のＬＥＤを含む照明部１は、ＲＧＢ３色同時に発光する。照明部１を出射した光は、ダイクロイックミラーＤ１でＲＧＢのうちの第１の色の光が反射され、第１の光を除いた色の光が透過する。また、ダイクロイックミラーＤ１を透過した光は、ダイクロイックミラーＤ２で第２の色が反射され、残りの色成分（第３の色）の光が透過する。

ダイクロイックミラーＤ１，Ｄ２で反射された光は、各々ミラーＭ１，Ｍ２で反射され、図２の符号２で示されるＰＢＳと同様の構成のＰＢＳ２−１、２−２に入射される。また、ダイクロイックミラーＤ２を透過した光は、ミラーＭ５，Ｍ４で反射され、図２の符号２で示されるＰＢＳと同様の構成のＰＢＳ２−３に入射される。ＰＢＳ２−１、２−２、２−３に入射した光のうち、Ｐ偏光光は、各々、図２の符号４で示される受光素子と同じ構成の受光素子４−１，４−２，４−３に入射される。また、Ｓ偏光光は、各ＰＢＳの偏光分離膜で反射されて、透過型液晶表示素子３−１，３−２，３−３に導かれる。すなわち、ＰＢＳ２−１，２−２，２−３は、照明部１からの照明光を偏光方向の異なる２つの偏光光分離する偏光分離素子としての機能を司る。

図７において、Ｍ２，Ｍ６は各々ミラーを示している。透過型液晶表示素子３−１，３−２，３−３に入射した各色光は、各々空間光変調されて、偏光板７−１，７−２，７−３を介してダイクロイックプリズムＤ３に入射される。ここで、偏光板７−１，７−２，７−３は、透過型液晶表示素子３−１，３−２，３−３により変調された透過光から、投射用偏光光を分離する。

ダイクロイックプリズムＤ３は、透過型液晶表示素子３−１，３−２，３−３で空間光変調され、偏光板７−１，７−２，７−３を介して受光した各色画像光を合成して、合成画像を投射レンズ５を介して外部のスクリーンに向けて投射する。受光素子４−１，４−２，４−３は、図１に示す実施の形態と同様に、各色の光を受光し、この受光量に応じて照明部１の各色ＬＥＤの発光量を制御する。

図７の実施の形態の場合には、照明部１からの照明光を偏光方向の異なる２つの偏光光に分離する偏光分離素子（ＰＢＳ２−１，２−２，２−３）と、透過型液晶表示素子によって変調された光から投射用偏光光を分離して投射する分離投射手段の一部（偏光板７−１，７−２，７−３）とを別の素子を用いる構成について説明したが、図１の実施の形態のように同一の素子（ＰＢＳ２）を用いる構成としてもかまわない。また、図７において、透過型液晶表示素子として、強誘電液晶表示素子を用いる構成としてもかまわない。

また、受光素子４としてＣＭＯＳ受光素子を用いる例をについて説明したが、ＣＣＤ受光素子等のその他の受光素子であっても良い。上記の実施の形態において説明したＣＭＯＳ受光素子４によるＬＥＤ光のセンシングは、必ずしも各フレーム毎に行われる必要はなく、複数フレームに１回行われるものであっても、操作者の指示に基づいてその都度行われるものであっても良い。すなわち、ＬＥＤ光源の高輝度点灯と低輝度点灯とを連続して行わせる動作は、複数フレームあるいは所定時間に１回行われるものであっても、操作者の指示に基づいてその都度行われるものであっても良い。ここで、ＬＥＤ光源の高輝度点灯と低輝度点灯とを連続して行う動作は、例えば、図３の制御シーケンスのように両点灯の間に消灯状態を含むものであっても良い。

本発明によるプロジェクタの一実施の形態を示すブロック図である。 第１の制御例を説明する図である。 第２の制御例を説明する図である。 高輝度発光時の投射輝度と低輝度発光時のＣＭＯＳ受光素子４の出力との関係を示す図である。 ＴＮ型液晶のＬＣＯＳ３を用いた場合の制御シーケンスを示す図である。 ＴＮ型液晶のＬＣＯＳ３とＮＤフィルタを用いた場合の制御シーケンスを示す図である。 透過型液晶表示素子を用いたプロジェクタの一例を示す図である。

符号の説明

１：照明部
２，２−１，２−２，２−３：偏光ビームスプリッタ
３：ＬＣＯＳ ４：ＣＭＯＳ受光素子
５：投射レンズ ６：コントローラ
６１：ＬＥＤ制御回路 ６２：偏光制御回路
６３：ＬＯＳ制御回路 ６４：ＣＰＵ
６５：メモリ
７−１，７−２，７−３：偏光板
３−１，３−２，３−３：透過型液晶表示素子

Claims (4)

1. 異なる色光を発生する複数の光源を有し、それらを独立に発光することができる照明手段と、
   前記照明手段からの照明光を偏光方向の異なる２つの偏光光に分離する偏光分離素子と、
   前記偏光分離素子で分離された一方の偏光光が入射し、入射した偏光光を画像情報に基づいて変調する空間光変調素子と、
   前記空間光変調素子により変調された光から投射用偏光光を分離してスクリーン上に投射する分離投射手段と、
   前記偏光分離素子で分離された他方の偏光光を受光し、受光量に応じた信号を出力する光電変換素子と、
   前記光電変換素子の出力信号に基づいて前記複数の光源をそれぞれ駆動制御して、前記スクリーン上に投影された投影画像の色バランス調整を行う制御手段とを備えたことを特徴とするプロジェクタ。
2. 請求項１に記載のプロジェクタにおいて、
   前記投射用偏光光の強度と、前記光電変換素子の受光量または前記光電変換素子の信号出力値との相関関係を、予めデータとして記憶する記憶部を備え、
   前記制御手段は、前記記憶部に記憶された前記データに基づいて色バランス調整を行うことを特徴とするプロジェクタ。
3. 請求項１または２に記載のプロジェクタにおいて、
   前記照明手段は、前記複数の光源毎に、第１の強度による第１発光と前記第１の強度より弱い第２の強度による第２発光とを切り換え可能であって、
   前記制御手段は、前記第２発光時における前記光電変換素子の出力信号に基づいて色バランス調整を行うことを特徴とするプロジェクタ。
4. 請求項３に記載のプロジェクタにおいて、
   前記空間光変調素子は強誘電液晶を用いた反射型ライトバルブであり、前記第１発光時に通常画像表示を行い、前記第２発光時に反転画像表示を行うことを特徴とするプロジェクタ。

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