JP2005121688A - 投写型表示装置及びホワイトバランス制御方式 - Google Patents

Abstract

【課題】 発光素子を光源に使ったプロジェクターにおいて、光使用効率の高いホワイトバランス制御方式を提案する。
【解決手段】 基準白色映像を投写するための基準白色信号発生手段と、電流制御あるいは時分割点灯制御あるいは点灯素子個数制御のいずれかあるいはその組み合わせで各色の発光素子の光量を個別に制御する光量制御手段とを備える。また、ライトバルブのダイナミックレンジをフルに活用可能なように、該基準白色信号発生手段において、常に各色同一階調レベルの出力信号、たとえば１００％階調レベル信号を発生するようにする。更に、温度変化に伴う各色発光素子の光量増減に対処するため、各色発光素子の温度を検出する光源温度検出手段と、各色発光素子の温度変化に対する相対出力光量の変化量を保持する温度・相対出力光量特性保持手段を備える。
【選択図】 図1

Description

発光素子を光源とした投写型表示装置におけるホワイトバランス制御方式。

従来の投写型表示装置（以下プロジェクター）の光源としては、白色光源である超高圧水銀ランプやキセノンランプ、メタルハライドランプ等が知られている。例えば液晶プロジェクターでは、ランプからの白色光源は色分離光学系により赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の光の三原色が分光され、それぞれが専用の液晶ライトバルブに入射し、各色の映像信号により変調され、色合成光学系で再びＲ、Ｇ、Ｂの光が合成され、スクリーンに投写される。また、デジタル・マイクロミラー・デバイス（以下ＤＭＤ）を用いたプロジェクターでは、白色光源はカラー・フィルターに入射され、色順次で光が透過し、ＤＭＤにて映像信号に基づく変調を受け、スクリーンに投写される。

いずれにしても、映像の元になる光の三原色のエネルギー量は光源であるランプの特性に依存し、そのエネルギー量を光源の発光エネルギーレベルで個別に増減させることはできない。ホワイトバランス制御においては、ライトバルブに到達するＲ、Ｇ、Ｂのエネルギー量を、ライトバルブ上での変調度を変えて光の使用量を減らすことで行っている。

これに対し、昨今は、特許文献１や特許文献２等により、光源にＬＥＤ等の発光素子を用いたプロジェクターが提案されている。発光素子だと、ランプのような大きな容積を取らない、ランプ点灯に要するバラスト部が不要、低電圧駆動のため安全、高圧パルスの発生回路が不要なのでノイズ対策が容易、色分離光学系が不要、各色の素子毎の発光光量を必要な光量比に合わせて調整ができるため無駄に捨てる光を発生させる必要が無く、高い光使用効率が得られるといった利点を備えている。図５に、光源にＬＥＤ等の発光素子を用いた従来提案のプロジェクターの一例を示す。１００はＲ、Ｇ、Ｂの発光素子を二次元平面パネル上に複数配列した光源であり、ここではＲ、Ｇ、ＢのＬＥＤ（発光ダイオード）を使用している。２００はＬＥＤからの光を効率よく投写利用できるように光を平行光化するための集光光学系、３００と３０１は平行化された入射光を液晶ライトバルブ７００上にムラ無く均一に照射するために蝿の目レンズで構成されたインテグレータ光学系、４００は入射光の偏光のすべてを液晶ライトバルブ７００の偏光方向に変換するための偏光変換素子、５００はインテグレータ光学系３００、３０１からの光を液晶ライトバルブ７００に導くためのコンデンサレンズ、６００はインテグレータ光学系３００、３０１からの個々の蝿の目レンズ単位の光の方向を平行化して液晶ライトバルブ７００に入射させるためのフィールドレンズ、７００は入射される光を映像信号で変調するためのライトバルブで、ここでは液晶ライトバルブを使用している。８００は光源１００を駆動するための発光素子ドライブ部、９００は全体を制御する制御部、１０００は制御部９００で決定された映像信号レベルに基づいて液晶ライトバルブ７００を駆動するためのライトバルブ・ドライブ部である。

装置全体の動作について説明する。プロジェクターの点灯ＯＮ信号（図示せず）を受けて、制御部９００が発光素子ドライブ部８００に点灯指示を出すことで光源１００が点灯する。本実施例では色順次点灯がなされている。光源１００で発光されたＲ、Ｇ、Ｂの光は放射状であり、集光光学系２００において平行光となる。平行化された光はインテグレータ光学系３００、３０１、偏光変換素子４００、コンデンサレンズ５００、フィールドレンズ６００を通過することで、偏光方向の揃ったムラの無い均一な光が液晶ライトバルブ７００上に照射される。液晶ライトバルブ７００には、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色の発光タイミングに同期して、投写するための各色の映像信号が制御部９００からライトバルブ・ドライブ部１０００経由で供給される。液晶ライトバルブ７００で映像信号により変調されたＲ、Ｇ、Ｂの光は投写レンズ（図示せず）経由でスクリーン（図示せず）に投写される。

また他にも、１つの光源パネルに同一色のみの発光素子を配置し、異なる色の光源パネルを複数備え、色合成系を介して出力される各色の合成光の出力部に１つのライトバルブを配置し、各色の光源パネルとライトバルブを同期して色順次点灯制御するようなプロジェクターや、１つの光源パネルには同一色のみの発光素子を配置し、異なる色の光源パネルを複数備え、各色の光源パネルと１対１にライトバルブを備え、色合成系を介して空間的に色合成を行うようなプロジェクターも提案されている。
特開平１１−３２２７８号公報 特開平１１−６５４７７号公報

本発明では、上記に説明した発光素子を使ったプロジェクターにおいて、
第一に、光使用効率の高いホワイトバランス制御方式を提案する。

第二に、自動制御可能な該ホワイトバランス制御方式を提案する。

第三に、ライトバルブのダイナミックレンジをフルに活用可能な該ホワイトバランス制御方式を提案する。

第四に、いつでもすぐにホワイトバランス制御が行える、操作性の良い該ホワイトバランス制御方式を提案する。

第五に、温度変化に伴う各色発光素子の発光光量の増減によるホワイトバランスの崩れに対して、ホワイトバランス制御操作の頻発性を抑え、かつ高い光使用効率で補正可能な該ホワイトバランス制御方式を提案する。

上記第一の課題に対処するため、本発明の投写型表示時装置は、発光素子を光源とし、基準白色映像を投写するための基準白色信号発生手段と、電流制御あるいは時分割点灯制御あるいは点灯素子個数制御のいずれかあるいはその組み合わせで各色の発光素子の光量を個別に制御する光量制御手段とを備える。

上記第二の課題に対処するため、本発明の投写型表示時装置は、投写スクリーン上に投写された該基準白色映像を取り込むための色度検出手段を備え、該色度検出手段からの出力信号をもとに該光量制御手段が動作するようにする。

上記第三の課題に対処するため、本発明の投写型表示時装置は、該基準白色信号発生手段において、常に各色同一階調レベルの出力信号、たとえば１００％階調レベル信号を発生する。

上記第四の課題に対処するため、本発明の投写型表示時装置は、ホワイトバランス制御の専用操作スイッチ手段を備え、必要なときに即ホワイトバランス制御が行えるようにする。

上記第五の課題に対処するため、本発明の投写型表示時装置は、各色発光素子の温度を検出する光源温度検出手段と、各色発光素子の温度変化に対する相対出力光量の変化量を保持する温度・相対出力光量特性保持手段を備え、各色発光素子毎に温度変化に対する光量の制御を行うようにする。

本発明により、発光素子を使った投写型表示装置において、
第一に、電流制御あるいは時分割点灯制御あるいは点灯素子個数制御のいずれかあるいはその組み合わせで各色の発光素子の光量を個別に制御するようにしたため、光使用効率の高いホワイトバランス制御が行えるようになった。

第二に、投写された基準白色映像の色度を検出し、これを基にホワイトバランスを自動で制御できるようにしたため、煩わしい手動動作が軽減できるようになった。

第三に、ホワイトバランスを調整するための基準白色信号として、各色同一階調レベルの信号を出力するようにし、この信号に合わせて光源の各色発光素子の光量を調整するようにしたため、ライトバルブのダイナミックレンジをフルに活用可能なホワイトバランス制御が行えるようになった。

第四に、いつでも１操作でホワイトバランス制御が行えるよう専用操作部を備えたため、操作性が大幅に向上した。

第五に、温度変化に伴う各色発光素子の発光光量の増減に対して、高い光使用効率で、かつ自動的に各色発光素子の光量を補正できるようにしたため、ホワイトバランス制御操作の頻発性を大きく抑えることができるようになった。

（実施例１）
図１に第一の実施例を示す。１００はＲ、Ｇ、Ｂの発光素子を二次元平面パネル上に複数配列した光源であり、ここではＲ、Ｇ、ＢのＬＥＤ（発光ダイオード）を使用している。２００はＬＥＤからの光を効率よく投写利用できるように光を平行光化するための集光光学系、３００と３０１は平行化された入射光を液晶ライトバルブ７００上にムラ無く均一に照射するために蝿の目レンズで構成されたインテグレータ光学系、４００は入射光の偏光のすべてを液晶ライトバルブ７００の偏光方向に変換するための偏光変換素子、５００はインテグレータ光学系３０１からの光を液晶ライトバルブ７００に導くためのコンデンサレンズ、６００はインテグレータ光学系３０１からの個々の蝿の目レンズ単位の光の方向を平行化して液晶ライトバルブ７００に入射させるためのフィールドレンズ、７００は入射される光を映像信号で変調するためのライトバルブで、ここでは液晶ライトバルブを使用している。８００は光源１００を駆動するための発光素子ドライブ部、９００は全体を制御する制御部、９０１は光源１００のＬＥＤの光量の制御量を色別に決定し発光素子ドライブ部８００に指示を出す光量制御部であり、本実施例では光源１００として同一平面上にＲ、Ｇ、ＢのＬＥＤを配置しているため、これらの色順次点灯制御も行うことになる。９０２はホワイトバランス制御において基準となる白信号を投写するための基準白色信号発生部であり、例えば液晶ライトバルブ７００の各色表示に対して１００％階調レベルの信号を出力する。１０００は制御部９００で決定された映像信号レベルに基づいて液晶ライトバルブ７００を駆動するためのライトバルブ・ドライブ部、１１００はスクリーンに投写された基準白色映像の色度を検出するための色度検出部である。

図５の従来例と異なる部分について説明する。まずは光量制御部９０１の動作について説明する。発光素子は発光色によって発光光量や発光効率が異なる。同一個数の各色発光素子を同一電流容量でかつ同一点灯時間で点灯させると当然色バランスが崩れる。白色光源のランプを用いたプロジェクターでは各色の発光エネルギー量を製品レベルで容易に変更することはできないため、ライトバルブ７００で光を変調する際に、高いエネルギー成分をカットする方向で電気的に色バランスを合わせている。しかし発光素子では各色の発光エネルギーレベルでの制御が可能である。その制御方法として、（ａ）発光素子に流す電流制御、（ｂ）発光素子の時分割点灯制御、（ｃ）発光素子の点灯個数制御があげられる。それぞれについて説明する。但し、白を投写するためのＲ、Ｇ、Ｂの混合エネルギー比を３：６：１とし、ここで使用するＬＥＤの定格電流とそのときの投写可能光束を以下と仮定する。

Ｒ：５００ｍＡ、１５０ｌｍ
Ｇ：１Ａ、２００ｌｍ
Ｂ：１Ａ、５０ｌｍ
（ａ）電流制御（Ｒ、Ｇ、Ｂの点灯素子数、点灯時間は同じ場合）
Ｒ：Ｇ：Ｂ＝３：６：１
＝１００ｌｍ：２００ｌｍ：３３ｌｍ
＝１００／１５０：２００／２００：３３／５０
＝３４０ｍＡ：１Ａ：７００ｍＡ
⇒ このまま均一に電流容量を下げることで、省電力モードとしたり、輝度調整を行うこともできる。

（ｂ）時分割点灯制御
（Ｒ、Ｇ、Ｂの点灯素子数は同じで、各素子の電流は定格電流の場合）
Ｒ：Ｇ：Ｂ＝３：６：１
＝１００ｌｍ：２００ｌｍ：３３ｌｍ
＝１００／１５０：２００／２００：３３／５０
＝点灯時間比 ２：３：２
例えば６０ｆｐｓの映像信号に対して倍速で点灯するとすると、１／（６０＊２）ｓｅｃの中でＲ、Ｇ、Ｂの点灯時間配分を２：３：２にすればよい。連続点灯の場合の各色の点灯時間は、
Ｒ＝｛１／（６０＊２）｝＊（２／７）ｓｅｃ
Ｇ＝｛１／（６０＊２）｝＊（３／７）ｓｅｃ
Ｂ＝｛１／（６０＊２）｝＊（２／７）ｓｅｃ
となるが、これを更に細かく時間分割し点灯タイミングを制御することで、よりフリッカーの目立たない滑らかなＲ、Ｇ、Ｂの映像が投写されることになる。（勿論ライトバルブ７００もその点灯切り替え周期に同期して追随できる必要がある）。

⇒ 同一時間点灯に対してはＧが最も光量が多いため、Ｒ、Ｂの点灯時間を少し落とし、その分Ｇを点灯させることで、色バランス優先モードから明るさ優先モードを実現したりもできる。

（ｃ）点灯素子個数制御
（Ｒ、Ｇ、Ｂの点灯時間は同じで、各素子の電流は定格電流の場合）
Ｒ：Ｇ：Ｂ＝３：６：１
＝１００ｌｍ：２００ｌｍ：３３ｌｍ
＝１００／１５０：２００／２００：３３／５０
＝点灯個数比 ２：３：２
⇒ Ｒ、Ｇ、Ｂの配置個数を２：３：２になるように配置してすべて点灯させれば良いことがわかるが、例えばＧを１つ多めに配置しておくことで、色バランス優先か明るさ優先かをＧの点灯個数を切り替えることで実現できる。勿論同一比で各色のＬＥＤを消灯することで輝度制御が可能となる。

以上が光量制御部９０１の説明であるが、前記の（ａ）（ｂ）（ｃ）の方式を組み合わせた制御を行うことで、複雑ではあるが、より柔軟で細やかな制御を実現することができるようになる。

次にホワイトバランス制御時の動作について説明する。図２にフローチャートを示す。操作部（図示せず）より操作を行うことでホワイトバランス制御モードに入る（Ｓ２０１）。基準白色信号発生部９０２より、光源の色順次点灯タイミングに同期してＲ、Ｇ、Ｂの各１００％レベルの信号を出力する（Ｓ２０２）。白色光源のランプを用いたプロジェクターでは、光源の各色の発光エネルギーを調整できないため色バランスは常にこのＲ、Ｇ、Ｂの出力信号レベルを合わせ込むことで行われる。すなわち多い色光を遮断する方向で調整が行われざるをえず、例えば１００％の明るさの映像をライトバルブ７００の２５６レベルの諧調信号で出力したくとも、実際は２５０レベルの出力信号でしか対応させざるを得なくなる。しかし発光素子を用いた本プロジェクターでは、光源側の発光エネルギーを調整することができるため、ホワイトバランス制御後もライトバルブ７００上での各色のダイナミックレンジはフルに保つことができる。よって基準白色信号も常に１００％フルレベルに対応した諧調信号を出力すれば良い。基準白色信号発生部９０２から出力された１００％レベルの基準信号は、ライトバルブ・ドライブ部１０００を介してライトバルブ７００に出力される（Ｓ２０３）。ライトバルブ７００上の映像は投写レンズ（図示せず）を介してスクリーン上に基準白色映像として投写される（Ｓ２０４）。色度検出部１１００はスクリーン上の基準白色映像を取込み、その色度あるいは色差を検出する（Ｓ２０５）。色度検出においては光電色彩計が用いられたりするが、高価であるために一般的にはＣＣＤやＣ−ＭＯＳ等の撮像素子を用い、撮像映像より色差信号（Ｒ−Ｙ、Ｂ−Ｙ）を取り出し、これらの値が所定のレベルに達するように各Ｒ−ＹとＢ−Ｙのゲインを調整するようにしてホワイトバランス制御する方式が取られたりする。いずれにしても、基準白色映像の色度あるいは色差が許容範囲内の適正な位置にあるか判断し（Ｓ２０６）、許容範囲外であればＲ、Ｇ、Ｂの光量の補正量を決定し（Ｓ２０７）、光量制御部９０１において光量補正量に見合った補正制御を行う（Ｓ２０８）。発光素子ドライブ部８００を介して補正された光量値にて光源１００を駆動し（Ｓ２０９）、再び投写された基準白色映像の色度（あるいは色差）を判定し（Ｓ２０６）、許容範囲に入った時点で各色光源への制御量を記憶し（Ｓ２１０）、ホワイトバランス制御を終了する（Ｓ２１１）。

ところで、ＬＥＤと言えども長時間使用していくうちに光量は低下してゆく。しかしランプ光源と異なり、光量が低下しても電流容量を上げることで再び明るさは向上することができる。当然のことながら、使用可能な電流容量の最大電流値ではじめから点灯させている場合は、その光量が下がったからといっても電流容量を増加させるわけには行かない。しかし、各色のＬＥＤの光量減衰特性や流せる電流値、発光光量は異なっており、ホワイトバランスを合わせる上で能力以下の電流値で点灯させているＬＥＤについては、光量が落ちてきたときに電流を増やすことで元の明るさまで戻して使用することができる。また、各色のＬＥＤにおいては温度に対する出力光量の変化量も異なるため、ある温度でホワイトバランスを合わせても、温度が変化することでホワイトバランスが崩れてくることになる。また、投写するスクリーンや壁等の色付き具合によってもホワイトバランスは異なる。つまりホワイトバランス制御すべき機会は案外多いと考えられ、必要と感じたときに簡単にホワイトバランス制御が行えるようにしたほうが使い勝手が向上するであろう。そのために本体あるいはリモコン等の操作部に、ワンプッシュ・ホワイトバランス・スイッチとして独立した操作スイッチを備えるようにする。そしてこのスイッチが操作されることで、前述のホワイトバランス制御を行うようにする。

（実施例２）
図３に第二の実施例を示す。第一の実施例の終わりに触れた、発光素子の温度変化に対するホワイトバランス制御について説明するものである。図１の第一の実施例をベースとして、光源１００の発光素子の温度を検出するための光源温度検出部１２００と、温度−相対出力光量特性データ部９０３を備えるようにしている。

動作について説明する。図４にＬＥＤのＲ、Ｇ、Ｂに対する「温度−相対出力光量」の特性カーブの例を示す。例えばプロジェクターを室温２３℃の状態で点灯させこの時点でホワイトバランス制御を行い、その後しばらくしてＬＥＤのジャンクション温度が６０℃になったとすると、何の補正もしなければこの時点で各色の光量は、Ｒ：８０％、Ｇ：９０％、Ｂ：９５％となり、大きくホワイトバランスは崩れることになる。このときワンプッシュ・ホワイトバランスを行えば色バランスは補正されるが、点灯後の温度変化は激しく、初めにホワイトバランスを合わせても、必ずその後何度かの再補正が必要となる。しかし、プロジェクターの設置時のホワイトバランス制御は不自然ではないが、プロジェクターの使用中における幾度かの補正は、その都度基準白色映像が投写されなければならず、大変煩わしいものである。そこで、各色の発光素子毎の「温度−相対出力光量」特性データを保持しておき、検知温度に応じてこの変化量分の光量を制御してやれば、少なくともこの温度によるホワイトバランスの崩れに対しては自動で行えることになり、温度上昇による色バランスの変化を感じる度にホワイトバランス制御操作を行うという煩わしさが大幅に軽減されることになる。当然のことながら、温度−相対出力光量特性データ部９０３はテーブルデータとしてだけでなく演算式として持つことも可能である。

尚、発光素子は、本実施例ではＬＥＤ（発光ダイオード）として記載したが、その他ＬＤ（レーザダイオード）、ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）、ＦＥＤ（フィールドエミッションディスプレイ）、ＯＬＥＤ（有機発光ダイオード）、ＰＤ（プラズマ・ディスプレイ）等でも同様に実施可能である。

また、本実施例では１枚の二次元平面パネル上に複数色の発光素子を配置し、これを色順次点灯するプロジェクターを示したが、この他にも、１つの光源パネルには同一色のみの発光素子を配置し、異なる色の光源パネルを複数備え、色合成系を介して出力される各色の合成光の出力部に１つのライトバルブを配置し、各色の光源パネルとライトバルブを同期して色順次点灯制御するようなプロジェクターや、１つの光源パネルには同一色のみの発光素子を配置し、異なる色の光源パネルを複数備え、各色の光源パネルと１対１にライトバルブを供え、色合成系を介して空間的に色合成を行うようなプロジェクターにも同様に適用できることは明らかである。

本発明の第一の実施例である投写型表示装置のブロック図を示す。 本発明のホワイトバランス制御動作のフローチャートを示す。 本発明の第二の実施例である投写型表示装置のブロック図を示す。 ＬＥＤのＲ、Ｇ、Ｂに対する「温度−相対出力光量」の特性カーブの例を示す。 光源に発光素子を用いた投写型表示装置の従来提案例のブロック図を示す。

符号の説明

１００ 光源
２００ 集光光学系
３００ インテグレータ光学系１
３０１ インテグレータ光学系２
４００ 偏光変換素子
５００ コンデンサレンズ
６００ フィールドレンズ
７００ 液晶ライトバルブ
８００ 光量制御部
９００ 制御部
９０１ 発光素子ドライブ部
９０２ 基準白色信号発生部
９０３ 温度−相対出力光量特性データ部
１０００ ライトバルブ・ドライブ部
１１００ 色度検出部
１２００ 光源温度検出部

Claims (7)

1. 複数色の発光素子を配置した光源と、該光源の光を映像信号で変調する光変調手段と、該光変調手段によって変調された光を投写するための投写光学系を備えた投写型表示装置において、基準白色映像を投写するための基準白色信号発生手段と、各色の発光素子の光量を制御する光量制御手段とを備え、該光量制御手段では、各色の発光素子毎の電流あるいは点灯時間あるいは点灯素子個数のいずれか、あるいはそれらの複数を制御することことで、ホワイトバランス制御を行うことを特徴とする投写型表示装置及びホワイトバランス制御方式。
2. 投写スクリーン上に投写された該基準白色映像を取り込むための色度検出手段を備え、該色度検出手段からの出力信号をもとに該光量制御手段が動作するようになされた、請求項第一記載の投写型表示装置及びホワイトバランス制御方式。
3. 該基準白色信号発生手段において、常に各色同一階調レベルの出力信号を発生するようにしたことを特徴とする請求項第一及び請求項第二記載の投写型表示装置及びホワイトバランス制御方式。
4. 各色の出力信号が１００％階調レベルであることを特徴とする請求項第三の投写型表示装置及びホワイトバランス制御方式。
5. ホワイトバランス制御の専用操作スイッチ手段を備えたことを特徴とする請求項第一乃至請求項第四記載の投写型表示装置及びホワイトバランス制御方式。
6. 各色発光素子の温度を検出する光源温度検出手段と、各色発光素子の温度変化に対する相対出力光量の変化量を保持する温度・相対出力光量特性保持手段を備え、各色発光素子毎に温度変化に対する光量を制御するようにしたことを特徴とする請求項第一乃至請求項第五記載の投写型表示装置及びホワイトバランス制御方式。
7. 発光素子がＬＥＤ（発光ダイオード）、ＬＤ（レーザダイオード）、ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）、ＦＥＤ（フィールドエミッションディスプレイ）、ＯＬＥＤ（有機発光ダイオード）あるいはＰＤ（プラズマディスプレイ）であることを特徴とする請求項第一から請求項第六記載の投写型表示装置及びホワイトバランス制御方式。
   

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