JP2001100699A

JP2001100699A - 投射型表示装置とその応用システム

Info

Publication number: JP2001100699A
Application number: JP27703499A
Authority: JP
Inventors: Mamoru Miyawaki; 守宮脇
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1999-09-29
Filing date: 1999-09-29
Publication date: 2001-04-13
Also published as: US6683657B1

Abstract

(57)【要約】【課題】大画面、高精細な投射型表示装置の高ダイナ
ミックレンジ化を図る。【解決手段】光変調器で形成される画像を投射表示す
る投射型表示装置において、光変調器を照明する光源と
該光変調器との間に該光変調器を照明する光量を調整す
る照明光量変調手段を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、投射型表示装置に
関するものである。

【０００２】

【従来技術】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。

【０００３】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広がりを見せている。

【０００４】しかしながら、これらの投射型表示装置
は、一般的に使用されている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
管を用いるケースが多い。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、１００
０：１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度が高いという
問題点を有している。

【０００５】一方、投射型表示装置は、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。
したがって、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。

【０００６】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点を有していた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】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。

【０００８】さらに、上記方式は、液晶デバイス、ＤＭ
Ｄ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。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の投射型表示装置は、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）を設けたことを特徴
とする。また、本発明の投射型表示システムは、上記の
投射型表示装置に加え、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。

【００１０】

【作用】本発明によれば、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ダイナミック
レンジを実現することができる。

【００１１】

【実施例】以下、図面を用いて本発明の実施例を説明す
る。実施例１次に、本発明の第１の実施例について説明する。図１
は、本発明の一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、７，９，１
１，１２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。

【００１２】図１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。

【００１３】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。

【００１４】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。

【００１５】光学素子５に偏光板を用いた場合、上記Ｐ
Ｓ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１
５％を除く光量（約８５％）が透過する。

【００１６】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。

【００１７】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、サファイア性の偏光板を用いて耐光耐熱特性を高め
ることができる。

【００１８】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１０
００〜５０００ｒｐｍ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。

【００１９】モータとしては、超音波モータ以外にＰＣ
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。

【００２０】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２を用い
て説明する。図２の光学系は、図１のものに対し、ミラ
ー７をハーフミラー２０１に置き換え、ハーフミラー２
０１を透過した光を集光する集光レンズ２０２と、その
光量を検出する光量検出器２０３を付加したものであ
る。ハーフミラー２０１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２０１から
の透過光束は、集光レンズ２０２を経て光量検出器２０
３に入る。

【００２１】図２の光学系におけるパネルへの照明光量
の制御方法を図３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。

【００２２】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２０３で測定する。集光レンズ２
０２によりしぼられた光ゆえ、検出器自身は小型のｐｉ
ｎ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１〜１．３ｍ
ｍ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。

【００２３】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。

【００２４】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。

【００２５】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２−３％しかロスがなく、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。

【００２６】図１および２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。

【００２７】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。

【００２８】（電気系の説明）図４に、図１および２の
光学系と組み合わせて用いられる電気系のブロック図を
示す。図４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ＤＡ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、δ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との画素数とが対応しない場合
の解像度変換、および色調整節等の処理だけでなく、照
明光変調にともなう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Ｏ
Ｎ−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、各種入力信号切替
等を行うための制御パネル、６１は上述の偏光板または
位相板等を回転する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５
８、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なっている。バラスト６４には
ランプ６５が接続されている。６７はＡＤコンバータ、
６８はスイッチである。６９は信号処理回路で、ＮＴＳ
Ｃ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なう。７
１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端子等も設けても有効で
あることは言うまでもない。７０は音声回路アンプ、７
３はスピーカ、７４はＡＣインレットである。

【００２９】図４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への信号書き
込み方式の動作）について説明する。

【００３０】入力端子７１，７２から入力した信号は、
ＡＤ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書
き込む。上記算出される最大輝度レベルの演算方法につ
いては、後述する。

【００３１】表示画像と設定駆動電圧との関係を図５に
示す。図５の（ａ）は、時刻ｔ₁ の時の画像で、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５の（ｂ）は、（ａ）よりも時間が経過した
後の画像で、より太陽が沈みより暗くなってきており、
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。さらに、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。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。各場合の液晶に印加する電圧と絶対輝
度レベルの関係（Ｖ−Ｔカーブ）は、（ａ）（ｂ）
（ｃ）各図の下に示したグラフのようになる。したがっ
て、（ａ）の場合、輝度８０％レベルを表示する画素に
は１．１Ｖ、輝度６０％レベルを表示する画素には１．
５Ｖ、４％レベルを表示する画素には２．９Ｖを印加す
る。（ｂ）の場合、最大輝度は８０％であり、その画素
は０Ｖ、６０％レベルの画素には、１．３Ｖ、４％レベ
ルの画素には２．８Ｖ、３％レベルの画素には２．９Ｖ
を印加する。（ｃ）の場合、最大輝度３０％の画素には
０Ｖ、２％レベルの画素には、２．６Ｖ、１％レベルの
画素には２．８Ｖを印加する。

【００３２】これらの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
明すると、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、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。

【００３３】次に、より具体的な画像信号からどのよう
にして、最大輝度を算出するか、さらに、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どのよう
に算出するか。また、その照明光量制御の液晶パネルへ
の信号書き込みとの同期をどうとるかについて、詳細に
説明する。

【００３４】上記の映像信号から、最大輝度算出方式に
ついて、いくつかの例を挙げ説明する。＜１＞１フィールド（フレーム）中の画素の最大輝度を
画像最大輝度とする方式この方法は、最大輝度算出としては、最も簡素な方法で
画像データをメモリに格納する時にコンパレータを設
け、最大輝度のデータを検出すれば良い。

【００３５】＜２＞輝度レベルを複数の階層に分類し
て、分類した中の最大輝度層にある中での期待値を最大
輝度とする方式映像信号は、通常、最大振幅０．７Ｖｐｐで、図４に示
すＡＤコンバータ６７に入力されるが、０．７Ｖに対し
て１２０％相当のレベルが入力されることもある。その
１２０％を最大値とし、輝度レベルを１０階層に分類
し、１２０％でノーマライズした時の輝度が９１％から
１００％の画像データの中での輝度分布を表１に示す。

【００３６】

【表１】

【００３７】この期待値（輝度レベル平均値）を算出す
ると、９４％となった。これにより、最大輝度グループ
内での平均的な輝度が最大輝度となるために、全体の傾
向をより反映できる利点を有している。上記階層での分
類は、等間隔にきざむ方法以外に、各層の画素数がほぼ
同一になるように分類し、その最上位層で期待値を計算
する方式も有効である。

【００３８】＜３＞画素領域の所望の割合を占めるしき
い値を最大輝度とする方式人間の目には、輝度のレベルがある一定の面積で存在し
ないと、目につかない特性を有している。したがって、
画素を輝度の高い順に並べた時、画面の全画素数の所望
の割合になる輝度を最大輝度と定める方式が本方式であ
る。表１のデータにおいて、全画素の２％となる輝度レ
ベルは９１％となる。ただし、この場合、全画素は７８
万６４３２画素で、その２％とすると１５７２９画素が
それに相当する。輝度レベルが９１％までの画素数は１
７１３０画素であるから、本方式を採用した場合の最大
輝度レベルは９１％となる。

【００３９】＜４＞画面を分割し、その分割画面内で＜
１＞〜＜３＞のいずれかの方式で最大輝度を算出し、そ
の最大値を最大輝度レベルとする方式。高輝度画素が、画面内の複数領域に、かつ分散して少な
い画素単位で存在している場合、最大輝度レベルは、人
間が見て感じるよりは見かけ上、上昇してしまう場合が
ある。本方式は、ある程度かたまって高輝度領域が存在
するのかしないのかを見極める時、有効な方式である。
以上説明したように、映像信号に応じて、どの最大輝度
算出方法が最も良いかは変わってくる。したがって、本
装置においては、これら複数の算出方式がユーザーによ
り選択できるモードもしくは、映像信号により自動的に
適切な演算方式が選択できるようになっている。

【００４０】次に、上記決められた最大輝度レベルを用
いて、パネルへの照明光量をどう決めるかについて、い
くつかの例を用いて説明する。＜照明光学方式＞の方式は、画面単位で、上述最大
輝度となるように照明光量をリアルタイムに変調するも
のである。最大輝度レベルは、画面（フィールドまたは
フレーム）単位データをメモリ５６に取り込み、ＤＳＰ
５７により演算することにより求められる。したがっ
て、メモリ領域は、入力データの書き込み部と、最大輝
度算出から決まる液晶パネル１６〜１８への書き込み信
号を算出したもののバッファメモリ部と、上記バッファ
から逐次読み出しを行なう読み出し部となる。バッファ
メモリ部は、演算後の結果を一次記憶させておけば良
く、各色Ｒ、Ｇ、Ｂのラインメモリで実現できる。

【００４１】照明光量変調器５は、入力信号と同期して
入力される垂直同期信号と同期し、上記照明光量になる
ように制御すれば良い。通常、液晶の書き込みは、ラス
タースキャンで、上側から下側へ順次書き込むが、照明
光量変調速度が液晶等の応答速度より、事実上速く、画
面に同期して、照明光量変調できれば、必ずしも、垂直
同期信号に同期している必要はない。また、液晶パネル
の液晶応答速度が数ｍｓと速く、照明光量変調との同期
が重要となる場合は、バッファを設け、ＴＦＴ液晶パネ
ルの各画素に信号を一括書き込みし、その書き込みと同
期させて照明光量を変調する方式が有効となる。

【００４２】＜照明光量方式＞は、算出された最大
輝度と連動して、リアルタイムに照明光量を変調するモ
ード（期間）と、１００％レベルの照明光量を連続的に
照明するモード（期間）とを切り換えて行なう方式であ
る。実際の映像信号においては、例えば、ＰＣデータで
エクセル等の表を表示している場合、図面の一部（記入
される数字文字）は変更されるが、ほぼ静止画で、輝度
も１００％レベルで変化がない。このような表示画面の
時、上記の照明光量変調機能をすべての期間に使用して
もそれ程効果がない。したがって、１００％輝度レベル
である所望のレベル以下にならない場合は、たとえ９５
％と最大輝度レベルが１００％をきっても照明光量を１
００％レベルに連続して設定しておく。

【００４３】図６に時刻ｔ＝１からｔ＝１０までの画像
データにおける算出された最大輝度レベル、それに対応
した実際の照明光量レベルの一例を挙げた。図６からわ
かるように、シーンの変化は、ｔ＝４とｔ＝５との間、
ｔ＝８とｔ＝９との間であり、輝度の変化が急速に生じ
ている。図６の例では、最大輝度が５０％超の場合１０
０％照明とし、５０％以下の時には最大輝度に適応させ
た照明光量とするようにしているので、ｔ＝５からｔ＝
８までの期間のみ、照明光量を映像信号に連動して変化
させた。これにより、照明光量が連動して変化する期間
が、プロジェクタ使用時間の中で限られたものとなり、
低消費電力、かつ長寿命が達成できた。

【００４４】また、この方式で、明るいシーンから暗い
シーンへ変化した時は、適応照明になるまで、ゆるやか
に変化させ、一方、暗いシーンから明るいシーン変化を
した時は、それより速く変化させることも有効である。
この例を図７に示す。図７のｔ＝５での照明レベルを最
大輝度レベルの３０でなく７０に、ｔ＝６を４０でなく
５０とし、３画面で実際の最大輝度レベルに調整した。
人間の目は、急速に明るさが変化した時、物の細かいデ
ィテール等よりは、物の輪郭を検出する処理が行なわれ
るため、数〜数十フィールド（フレーム）という時定数
をもち、照明光量を変化させても、実際問題ない。ま
た、照明光量変化がゆっくりであるため、モータ等の高
速対応も必要なく、低コストであるばかりでなく、違和
感の少ない画面が実現できた。一方、明るくなる画面で
は、その時のピーク輝度表示を実現したい時、少なくと
も、暗くなるシーンより急速に立ち上げることが有効で
あった。

【００４５】以上の説明の如く、グレー画像での黒レベ
ルの浮きの低下とその黒レベルからの白レベル表示した
時のピークの再現がよくなり、液晶等で問題になってい
た狭いダイナミックレンジを追加光学素子と画像処理に
より広くすることができた。

【００４６】投射型表示用ランプとしては、超高圧水銀
ランプ、メタルハライドランプ、キセノンランプ、ハロ
ゲンランプ等が用いられるが、安定な発光特性、長寿命
化のためには、所望の温度下で、一定パワー印加で、一
定光量を発光することが要求され、投射型表示装置にお
いて、本実施例の方式が極めて、実用的にも優れている
ことが言える。

【００４７】実施例２本発明の第２実施例について、図８および図９を用いて
説明する。図８は光学構成図で、図９は電気ブロック図
である。ともに、図１および図２と同等機能の素子およ
びブロックは同一番号で記す。

【００４８】上記の第１実施例は、ランプから出射した
輝度レベルを変調した照明光を液晶パネルへ照明したの
に対して、第２実施例はＲ、Ｇ、Ｂ色ごとに照明光量を
変調するものである。図８において、１０１は、赤外、
紫外カットフィルタ、１０２はＲ光照明光量変調器、１
０３はＧ光照明光量変調器、１０４はＢ光照明光量変調
器である。

【００４９】図８から分かるように、各色の液晶パネル
１６、１７、１８の照明光入射側表面には、偏光板が設
けられており、この偏光板の手前でかつ各色分離した光
束部の領域に上記各色対応の照明光量変調器が設けられ
ている。本図面上ではフィールドレンズと液晶パネル間
に設けられている。

【００５０】上記、各色ごとに照明光量を変調するため
に、図９に示す如く、Ｒ、Ｇ、Ｂ各色の超音波モータド
ライバ１１０，１１１，１１２、それに対応した超音波
モータ１１３，１１４，１１５が接続されている。本第
２実施例の方式の場合、ある色のみ高輝度で、他色は、
中もしくは低輝度つまり、ある特定色の色再現およびそ
の時の高輝度表示が実現できる利点をもつ。第１実施例
で説明した最大輝度の算出や照明光量決定する方式は本
第２実施例の各Ｒ、Ｇ、Ｂへ同様に適応できることは言
うまでもない。

【００５１】実施例３図１０は本発明の第３実施例を示す概略図である。図１
０において、メタルハライドランプやキセノランプなど
の光源３０１から発せられた光は放物面リフレクタ３０
２により略平行光とされ、ミラー３０３で反射後、集光
レンズ３０４を介してインテグレータ３０５の前側端面
（第１の端面）位置に光源像を形成する。この光源像の
近くに、３１０に示す絞りが設けられている。絞り３１
０を絞るとインテグレータ３０５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３０５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）から出射する。

【００５２】図１１は図１０のインテグレータ３０５に
好適なガラスロッドの形状を示したものである。ガラス
ロッドの外形は四角錐の頂部を底部に平行に切り落とし
た６面体形状である。ガラスロッドは光束が入射する前
側端面３０５−１と光束が出射する後側端面３０５−２
を有し、後側端面３０５−２の面積は前側端面３０５−
１よりも大きく、両端面３０５−１，３０５−２をテー
パ状の４つの側面にて繋いでいる。

【００５３】図１１では、４つの側面はいずれも光軸に
対して非平行であり、テーパ角を有しているが、例えば
４つの側面のうちの２つが光軸に対して平行な平面であ
っても良い。両端面３０５−１，３０５−２と４つの側
面はいずれも光学的に滑らかになるように研磨され、テ
ーパ角は４つの側面で光束が全反射されるような角度が
選択されている。ガラスロッドに入射した光束のうち、
前側端面３０５−１に対し垂直入射に近い状態で入射し
たものは、ガラスロッド内部で４つの側面で１回から数
回全反射され、後側端面３０５−２より出射される。

【００５４】この時放物面リフレクタ３０２と集光レン
ズ３０４には、放物面リフレクタ３０２の焦点距離をＦ
３、集光レンズ３０４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３０５の前側端
面位置３０５−１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３０５からの光束は凸レ
ンズ３０６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を透過し、反射鏡３０７の近傍
に光源３０１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３０７は投影レンズ３１４
の開口絞３１３の位置に配置されている。

【００５５】再び図１０に戻り、インテグレータ３０５
からの光束は、反射鏡３０７で反射されて平凸レンズ３
０８に入射し、平凸レンズ３０８により略平行光とされ
て、光変調器であるＤＭＤパネル３０９を照明する。Ｄ
ＭＤパネル３０９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１および第
２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。

【００５６】本実施例の光学系で重要なことは、インテ
グレータ３０５の後側端面３０５−２が凸レンズ３０６
と平凸レンズ３０８とにより、ＤＭＤパネル３０９上に
結像されることである。インテグレータ３０５の後側端
面３０５−２においては、インテグレータ３０５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３０５−２を凸レンズ３０６と平凸レンズ
３０８とによりＤＭＤパネル３０９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３１５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３０５の後側端面３０５−２の形状をＤＭＤパネル
３０９の表示面とほぼ相似な矩形としてインテグレータ
３０５の後側端面３０５−２を適当な倍率でＤＭＤパネ
ル３０９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。

【００５７】なお、図１０では、レンズ３０４とレンズ
３０６とレンズ３０８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、本願で「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。

【００５８】ＤＭＤパネル３０９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３０８により集
光され、少なくとも一部の光束が開口絞り３１３の開口
部を通過し、投影レンズ３１４を介してスクリーン３１
５上に投影される。この時絞り３１３の開口部には、Ｄ
ＭＤパネル３０９で正反射した光により光源像と相似形
な光源像が形成される。これは、光源３０１とインテグ
レータ３０５の前側端面３０５−１と反射鏡３０７と開
口絞り３１３が互いに共役な位置にあるからである。投
影レンズ３１４と集光レンズ３０８より成る光学系はＤ
ＭＤパネル側がテレセントリックな系である。

【００５９】図１２は、図１０の光学系の光路説明図で
ある。図１２において、光源３０１から発せられた光
は、放物面リフレクタ３０２により略平行とされ、不図
示のミラーで反射後、集光レンズ３０４を介してインテ
グレータ３０５の前側端面３０５−１に光源３０１の像
を形成する。インテグレータ３０５に入射した光束のう
ち、一部の光はインテグレータ３０５内を反射しないで
透過して残りの光は内部で１回から数回反射して後側端
面３０５−２から射出する。

【００６０】インテグレータ３０５からの光束は、凸レ
ンズ３０６に入射し、凸レンズ３０６はこの光束によ
り、反射型の場合には投影レンズ３１４の開口絞り３１
３の位置に配置されている、不図示の反射鏡３０７近傍
に光源像Ａを形成する。反射鏡３０７により反射された
光束は、平凸レンズ３０８を経て、ＤＭＤパネル３０９
を照明する。インテグレータ３０５の後側端面３０５−
２は、前述のように凸レンズ３０６と平凸レンズ３０８
により、ＤＭＤパネル面上に像Ｂとして結像される。

【００６１】したがって、光量調整用の絞りは、ＤＭＤ
パネルと共役な関係でない位置に入れることにより、パ
ネルへの照明ムラが生じない。さらに、光源像が共役な
位置であるインテグレータの入口とＡの位置とは光束が
絞られていないため、絞りを入れた時、絞りの大きさを
小さく配置できる利点がある。また、ランプの高輝度化
にともない、光学素子の温度上昇がいろいろな面で問題
になるが、ランプに近い位置で絞りをいれ、光量調整す
ると、その後への光束量が落ち、特にデバイス領域の冷
却等を減らし、低コストになるばかりか静音特性に優れ
たプロジェクタを実現することができる。

【００６２】本実施例は、図１０に示すダイクロミラー
３１１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３１０を変調
すれば、第１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３１０を調整し、照明光量を変調することもでき
る。

【００６３】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。

【００６４】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。

【００６５】図１３は、本第３実施例の電気系のブロッ
ク図を示す。図１３において、３５０はＤＭＤ、３５１
はＤＭＤドライバユニットである。ドライバユニット３
５１内部には、時分割等の信号変換処理部３５２、メモ
リ３５３、制御ユニット３４９およびリセットドライバ
３５４を備えている。

【００６６】信号処理に連動して、カラーフィルタシス
テム３５５（図１０の３１１に対応）があり、回転の同
期やサーボコントロール３５６およびカラーフィルタ３
５７自身から構成されている。

【００６７】絞り３５８、電源ユニット３６２、および
ＤＭＤドライバユニット３５１はマイコン３５９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３
６２は、バラスト３６４、電源３６３、ランプ３６７、
ランプ用ファン３６６、電源・電装基板冷却用ファン３
６５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３６８は、リモコン３６９、
リモコンから発光するＬＥＤ３７０、ボタンやキー３７
１、およびスイッチ３７２から構成されている。

【００６８】音響系３７３は、ＬＶＤＳやＴＭＤＳとい
ったデジタル信号Ｉ／Ｆの出力信号をＤＡ変換するＤＡ
ユニット３７７、音量（ＶＯＬ）調整回路３７６、アン
プ３７５およびスピーカ３７４からなる。モニタ機能と
しては、Ｓ端子３８２、コンポーネントビデオ端子３８
１、コンポジットビデオ端子３８０、デジタル放送の端
子（Ｄ３）３７９等が設けられている。

【００６９】一方、ＰＣからのアナログ信号は、Ｄｓｕ
ｂ１５ピン３９０から入力され、位相調整３９１および
ＰＬＬ３８９ならびにプリアンプ３８８を介してＡＤコ
ンバータ３９２でディジタル信号に変換され、マルチプ
レクサ４１１を介して、スキャンコンバータ４１２に入
る。

【００７０】また、ＤＴＶ用信号は、チューナ部３９
３、ＭＰＥＧデコーダ４２０を介して、スキャンコンバ
ータ４１２へ入る。通常のＮＴＳＣは、ＡＤコンバータ
４０５でＡＤ変換後、スキャンコンバータ４１２を介し
入力される。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。

【００７１】図１３において、ＤＴＶチューナ部３９３
は、チューナ３９４、ＳＡＷフィルタ３９５、ＡＤコン
バータ３９６、ＶＳＢ復調器３９７およびデミクサ３９
８を備えている。ＮＴＳＣチューナ３９９は、チューナ
４００、ＳＡＷフィルタ４０１、ＮＴＳＣ復調器４０
２、オーディオデコーダ４０３およびＡＤコンバータ４
０４，４０５を備えている。

【００７２】

【発明の効果】以上のように本発明によると、光源と光
変調器との間に照明光量変調器を設けたため、映像デー
タから算出される最大輝度に応じて光変調器を照明する
光量および光変調器の表示輝度を調節することにより、
光変調器単体で実現できるダイナミックレンジより高ダ
イナミックレンジの表示を行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１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２】図１の光量変調器部分の変形例を示す図であ
る。

【図３】図２の光量変調器の動作を示すフロー図であ
る。

【図４】図１のプロジェクタの電気系の構成を示すブ
ロック図である。

【図５】図１のプロジェクタにおける表示映像例とそ
の照明光量および表示階調対画素駆動電圧の関係を示す
図である。

【図６】図１のプロジェクタにおいて、時々変化する
ある画像データに対して算出された最大輝度レベルとそ
れに対応する照明光量レベルとの関係の一例を説明する
図である。

【図７】前記画像データに対して算出された最大輝度
レベルとそれに対応する照明光量レベルとの関係の他の
例を説明する図である。

【図８】本発明の第２の実施例に係るプロジェクタの
光学系の構成を示す図である。

【図９】図８のプロジェクタの電気系の構成を示すブ
ロック図である。

【図１０】本発明の第３の実施例に係るＤＭＤプロジ
ェクタの光学系の構成を示す図である。

【図１１】図１０中のインテグレータの詳細を示す拡
大斜視図である。

【図１２】図１０の光学系の光路説明図である。

【図１３】図１０の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】

１：ランプ用リフレクタ、２：発光管、３：はえの目イ
ンテグレータ、４：ＰＳ変換光学素子、５：照明光量変
調器、６，２４：リレーレンズ、７，９，１１，１２：
ミラー、８，１０：ダイクロミラー、１３，１４，１
５：フィールドレンズ、１６，１７，１８：液晶パネ
ル、１９，２０，２１：偏光板、２２：クロスプリズ
ム、２３：投射レンズ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｇ０９Ｆ 9/00 ３６０Ｇ０９Ｆ 9/00 ３６０Ｄ５Ｃ０８０Ｇ０９Ｇ 3/20 ６４１Ｇ０９Ｇ 3/20 ６４１Ｋ５Ｇ４３５６８０６８０Ｃ 3/36 3/36 Ｈ０４Ｎ 5/74 Ｈ０４Ｎ 5/74 ＧＢ 9/31 9/31 ＣＦターム(参考） 2H088 EA15 EA18 HA12 HA13 HA15 HA18 HA21 HA23 HA24 HA28 MA04 2H093 NA62 NC42 NC44 NC49 NC50 ND07 NE06 NG02 5C006 AF44 AF45 BB11 EA01 FA54 5C058 BA25 BA35 BB11 BB16 EA11 EA12 EA26 5C060 BA04 BC05 GA02 GB07 HC00 JA00 JA11 5C080 AA09 AA10 BB05 CC03 DD01 EE19 EE29 JJ02 JJ05 JJ06 JJ07 5G435 AA03 BB12 BB15 BB16 BB17 CC09 CC12 DD02 DD05 DD09 DD10 DD13 EE14 EE16 EE25 EE30 EE31 FF05 FF07 FF12 FF15 GG02 GG03 GG04 GG08 GG09 GG12 GG14 GG23 GG41 GG46 HH02 LL15

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光変調器で形成される画像を投射表示す
る投射型表示装置において、光変調器を照明する光源と
該光変調器との間に該光変調器を照明する光量を調整す
る照明光量変調手段を備えたことを特徴とする投射型表
示装置。
【請求項２】前記光変調器が液晶パネルであることを
特徴とする請求項１記載の投射型表示装置。
【請求項３】前記光変調器がＤＭＤであることを特徴
とする請求項１記載の投射型表示装置。
【請求項４】前記照明光量変調手段は、偏光板を取り
付けられた回転系からなることを特徴とする請求項１ま
たは２記載の投射型表示装置。
【請求項５】前記偏光板が、少なくとも前記光源から
の光束を偏光するＰＳ変換素子の後に配置されているこ
とを特徴とする請求項４記載の投射型表示装置。
【請求項６】前記照明光量変調手段は、位相板を取り
付けられた回転系からなることを特徴とする請求項１ま
たは２記載の投射型表示装置。
【請求項７】前記位相板が、少なくとも前記光源から
の光束を偏光するＰＳ変換素子の後に配置されているこ
とを特徴とする請求項６記載の投射型表示装置。
【請求項８】前記回転系は、入力画像データから演算
された信号に応じて制御されることを特徴とする請求項
４〜７のいずれかに記載の投射型表示装置。
【請求項９】前記回転系が、モータおよびエンコーダ
からなることを特徴とする請求項４〜７のいずれかに記
載の投射型表示装置。
【請求項１０】前記回転系は、前記モータを前記光変
調器の照明光量を検出する光量検出器の出力データが入
力画像データから演算された信号に応じた所望の値とな
るように制御されることを特徴とする請求項９記載の投
射型表示装置。
【請求項１１】前記照明光量変調手段は、絞りとステ
ッピングモータとからなることを特徴とする請求項１〜
３のいずれかに記載の投射型表示装置。
【請求項１２】前記絞りが、前記光変調器と共役関係
にならない位置に配置されたことを特徴とする請求項１
１記載の投射型表示装置。
【請求項１３】前記絞りは、入力画像データから演算
された信号に応じて、絞り量を制御されることを特徴と
する請求項１１または１２記載の投射型表示装置。
【請求項１４】前記モータは、前記光変調器を照明す
る照明光量の検出データが入力画像データから演算され
た信号に応じた所望の値になるように制御されることを
特徴とする請求項１１または１２記載の投射型表示装
置。
【請求項１５】前記照明光量変調手段を、色分解光学
系の後に設けたことを特徴とする請求項１〜１４のいず
れか１つに記載の投射型表示装置。
【請求項１６】請求項１記載の投射型表示装置と、入
力画像データから表示輝度レベルを算出する輝度レベル
算出演算処理手段と、該輝度レベルに応じて照明光量を
算出する照明光量算出演算処理手段と、該照明光量に基
づいて前記光量変調装置を制御する照明光制御処理手段
と、前記輝度レベルおよび照明光量に基づいて光変調器
への書き込み信号を演算する書き込み信号演算処理手段
とを備えたことを特徴とする投射型表示システム。
【請求項１７】前記照明光量算出演算処理手段は、各
フィールドまたはフレーム内の画素の輝度の最大値を最
大輝度として算出し、該最大輝度に基づいて前記照明光
量を算出することを特徴とする請求項１６記載の投射型
表示システム。
【請求項１８】前記照明光量算出演算処理手段は、各
フィールドまたはフレーム内の輝度レベルをｎ等分し、
その最上位層内をｍ分割した内の輝度の期待値を最大輝
度として算出し、該最大輝度に基づいて前記照明光量を
算出することを特徴とする請求項１６記載の投射型表示
システム。
【請求項１９】前記照明光量算出演算処理手段は、各
フィールドまたはフレーム内の画素を輝度の高い順に選
択し、選択した画素が全画素に対し所定の割合以上にな
った時の輝度レベルを最大輝度として算出し、該最大輝
度に基づいて前記照明光量を算出することを特徴とする
請求項１６記載の投射型表示システム。
【請求項２０】前記照明光量算出演算処理手段は、前
記最大輝度を各フィールドまたはフレーム毎の照明光量
とすることを特徴とする請求項１７〜１９のいずれかに
記載の投射型表示システム。
【請求項２１】前記照明光制御処理手段は、表示すべ
き画像の垂直同期信号に同期して、照明光量を変更する
ことを特徴とする請求項１６〜２０のいずれかに記載の
投射型表示システム。
【請求項２２】前記照明光制御処理手段は、前記算出
された最大輝度が１００％レベルになった後、所定レベ
ルより高い間は１００％照明を行ない、算出された最大
輝度が前記所定レベル以下になった後、１００％レベル
に回復するまでは、各フィールドまたはフレーム毎、照
明光量をリアルタイムで変化させることを特徴とする請
求項１７〜２０のいずれかに記載の投射型表示システ
ム。
【請求項２３】前記照明光制御処理手段は、前記照明
光量をリアルタイムで変化させる時は、入力画像データ
または表示すべき画像の垂直同期信号に同期して照明光
量を変更することを特徴とする請求項２２記載の投射型
表示システム。
【請求項２４】前記投射型表示装置は前記光変調器へ
の照明光量を検出する光量検出手段を備え、前記照明光
制御処理手段は該光量検出手段の出力に基づいてサーボ
で照明光量を変更するものであり、前記照明光量算出演
算処理手段は入力映像信号から所望の照明光量を決定
し、前記書き込み信号演算処理手段は実際照明された光
量が測定された後、その光量に応じて書き込み信号レベ
ルを決定することを特徴とする請求項１６〜２３のいず
れかに記載の投射型表示システム。