JP2005189282A - 光学系の光伝搬構造および光学表示装置、並びに光学系の光伝搬方法および光学表示装置の表示方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 コストの上昇を伴わず、結像精度を向上するとともに高精度な変調を行うのに好適な光学系の光伝搬構造を提供する。
【解決手段】 投射型表示装置100は、光源10と、透過率T1を独立に制御可能な複数の画素を有する輝度変調ライトバルブと、輝度変調ライトバルブからの光を入射しかつ透過率T2を独立に制御可能な複数の画素を有する単板式の色変調ライトバルブとを備え、輝度変調部14と色変調部18の光路上に、輝度変調ライトバルブの光学像を色変調ライトバルブの画素面に結像するリレーレンズ16を設けた。
【選択図】 図1
【解決手段】 投射型表示装置100は、光源10と、透過率T1を独立に制御可能な複数の画素を有する輝度変調ライトバルブと、輝度変調ライトバルブからの光を入射しかつ透過率T2を独立に制御可能な複数の画素を有する単板式の色変調ライトバルブとを備え、輝度変調部14と色変調部18の光路上に、輝度変調ライトバルブの光学像を色変調ライトバルブの画素面に結像するリレーレンズ16を設けた。
【選択図】 図1
Description
本発明は、複数の光変調素子を介して光源からの光を変調する光学系に適用される構造および装置、並びに方法に係り、特に、コストの上昇を伴わず、結像精度を向上するとともに高精度な変調を行うのに好適な光学系の光伝搬構造および光学表示装置、並びに光学系の光伝搬方法および光学表示装置の表示方法に関する。
近年、LCD(Liquid Crystal Display)、EL、プラズマディスプレイ、CRT(Cathode Ray Tube)、プロジェクタ等の光学表示装置における画質改善は目覚しく、解像度、色域については人間の視覚特性にほぼ匹敵する性能が実現されつつある。しかしながら、輝度ダイナミックレンジについてみると、その再現範囲は、たかだか1〜102[nit]程度にとどまり、また、階調数は、8ビットが一般的である。一方、人間の視覚は、一度に知覚し得る輝度ダイナミックレンジが10-2〜104[nit]程度であり、また、輝度弁別能力は、0.2[nit]程度で、これを階調数に換算すると、12ビット相当といわれている。このような視覚特性を通じて現在の光学表示装置の表示画像をみると、輝度ダイナミックレンジの狭さが目立ち、加えてシャドウ部やハイライト部の階調が不足しているため表示画像のリアリティさや迫力に対して物足りなさを感じることになる。
また、映画やゲーム等で使用されるコンピュータグラフィックス(以下、CGと略記する。)では、人間の視覚に近い輝度ダイナミックレンジや階調数を表示データ(以下、HDR(High Dynamic Range)表示データという。)に持たせて描写のリアリティを追求する動きが主流になりつつある。しかしながら、それを表示する光学表示装置の性能が不足しているため、CGコンテンツが本来有する表現力を充分に発揮することができないという課題がある。
さらに、次期OS(Operating System)においては、16ビット色空間の採用が予定されており、現在の8ビット色空間と比較して輝度ダイナミックレンジや階調数が飛躍的に増大する。そのため、16ビット色空間を生かすことができる光学表示装置の実現が望まれる。
光学表示装置のなかでも、液晶プロジェクタ、DLPプロジェクタといった投射型表示装置は、大画面表示が可能であり、表示画像のリアリティさや迫力を再現する上で効果的な装置である。この分野では、上記の課題を解決するために、次のような提案がなされている。
光学表示装置のなかでも、液晶プロジェクタ、DLPプロジェクタといった投射型表示装置は、大画面表示が可能であり、表示画像のリアリティさや迫力を再現する上で効果的な装置である。この分野では、上記の課題を解決するために、次のような提案がなされている。
高ダイナミックレンジの投射型表示装置としては、例えば、特許文献1に開示されている技術があり、光源と、光の全波長領域の輝度を変調する第1光変調素子と、光の波長領域のうちRGB3原色の各波長領域についてその波長領域の輝度を変調する第2光変調素子とを備え、光源からの光を第1光変調素子で変調して所望の輝度分布を形成し、その光学像を第2光変調素子の画素面に結像して色変調し、2次変調した光を投射するというものがある。第1光変調素子および第2光変調素子の各画素は、HDR表示データから決定される第1制御値および第2制御値に基づいてそれぞれ別個に制御される。光変調素子としては、透過率が独立に制御可能な画素構造またはセグメント構造を有し、二次元的な透過率分布を制御し得る透過率変調素子が用いられる。その代表例としては、液晶ライトバルブが挙げられる。また、透過率変調素子の代わりに反射率変調素子を用いてもよく、その代表例としては、DMDが挙げられる。
いま、暗表示の透過率が0.2%、明表示の透過率が60%の光変調素子を使用する場合を考える。光変調素子単体では、輝度ダイナミックレンジは、60/0.2=300となる。上記従来の投射型表示装置は、輝度ダイナミックレンジが300の光変調素子を光学的に直列に配置することに相当するので、300×300=90000の輝度ダイナミックレンジを実現することができる。また、階調数についてもこれと同等の考えが成り立ち、8ビット階調の光変調素子を光学的に直列に配置することにより、8ビットを超える階調数を得ることができる。
またその他に、高い輝度ダイナミックレンジを実現する投射型表示装置としては、例えば、特許文献2に開示されている表示装置が知られている。
特許文献2記載の発明は、光源と、第1光変調素子と、第1光変調素子からの光をRGB3原色の光に分離する光分離部と、光分離部で分離した光をそれぞれ入射する複数の第2光変調素子と、各第2光変調素子からの光を合成するクロスプリズムとを備え、第1光変調素子および各第2光変調素子を介して光源からの光を変調して画像を表示するようになっている。特許文献2記載の発明においては、第1光変調素子は照明光学系を構成する光学レンズによって第2光変調素子上に結像されるようになっている。
特開9−116840号公報
特開2001−100689号公報
特許文献2記載の発明は、光源と、第1光変調素子と、第1光変調素子からの光をRGB3原色の光に分離する光分離部と、光分離部で分離した光をそれぞれ入射する複数の第2光変調素子と、各第2光変調素子からの光を合成するクロスプリズムとを備え、第1光変調素子および各第2光変調素子を介して光源からの光を変調して画像を表示するようになっている。特許文献2記載の発明においては、第1光変調素子は照明光学系を構成する光学レンズによって第2光変調素子上に結像されるようになっている。
しかしながら、特許文献1記載の発明は、第1光変調素子と第2光変調素子の間に光分離部が設けられ、第1光変調素子と第2光変調素子が離れているにもかかわらず、その間にレンズ等の結像手段が一切ないため、第1光変調素子の光学像を第2光変調素子の画素面に精度よく伝達するのが困難であるという問題があった。また、特許文献2記載の発明にあっては、照明光学系を構成するレンズやミラー等の光学部品に高精度のものを用いれば結像精度をある程度向上することもできるが、高精度な光学部品で構成するとコストの上昇を招くという問題があった。
図15は、特許文献2記載の投射型表示装置における第1光変調素子および第2光変調素子の光路の構成を示す図である。なお、実際の光路上には、ミラー等の他の光学素子も配置されているが、以下に述べる説明を分かりやすくするため、図15はこれらの光学素子を省略して描いてある。
図15の光学系では、フライアイレンズ112a,112bを挟んで光源側に輝度変調用の第1光変調素子130を配置し、フライアイレンズ112a,112bを挟んで光源の反対側に色変調用の第2光変調素子140を配置している。この光学系では、第1光変調素子130から近いフライアイレンズ112aを構成する各要素レンズの光学像が第2光変調素子140の画素面に結像されている。そのため、所望の輝度分布を得るためには、各要素レンズごとに、この輝度分布を形成しなければならない。ところで、フライアイレンズ112a,112bは、輝度分布を均一化する目的で使用される光学素子であり、その目的においては、要素レンズの数が多いことが望まれる。すると、必然的に各要素レンズのサイズは、第2光変調素子140の各画素サイズに比して小さいものとなる。具体的には、1/3〜1/5程度の大きさのものが用いられる。いま、第2光変調素子140の画素と第1光変調素子130の画素を1対1に対応させることを考えると、第1光変調素子130の画素密度は、第2光変調素子140の画素密度の3〜5倍必要になる。しかしながら、現在の光変調素子(例えば、液晶ライトバルブ)は、高精細化のために微細加工技術の上限に近い画素密度を有しており、その点を考慮すると、第1光変調素子130で3〜5倍の画素密度を実現しようとすることは困難である。したがって、第1光変調素子130で形成可能な輝度分布の精度は、第2光変調素子140の画素密度の3〜5倍粗いものとならざるを得ない。さらに、各要素レンズの光学像は、第1光変調素子130から遠いフライアイレンズ112bと集光レンズ12dのたかだか2枚のレンズで第2光変調素子140の画素面に結像されるため、十分な収差補正ができず、かなりぼけの伴ったものとならざるを得ない。よって、従来の投射型表示装置にあっては、高精度な輝度調整を行うのが困難であるという問題もあった。
図15の光学系では、フライアイレンズ112a,112bを挟んで光源側に輝度変調用の第1光変調素子130を配置し、フライアイレンズ112a,112bを挟んで光源の反対側に色変調用の第2光変調素子140を配置している。この光学系では、第1光変調素子130から近いフライアイレンズ112aを構成する各要素レンズの光学像が第2光変調素子140の画素面に結像されている。そのため、所望の輝度分布を得るためには、各要素レンズごとに、この輝度分布を形成しなければならない。ところで、フライアイレンズ112a,112bは、輝度分布を均一化する目的で使用される光学素子であり、その目的においては、要素レンズの数が多いことが望まれる。すると、必然的に各要素レンズのサイズは、第2光変調素子140の各画素サイズに比して小さいものとなる。具体的には、1/3〜1/5程度の大きさのものが用いられる。いま、第2光変調素子140の画素と第1光変調素子130の画素を1対1に対応させることを考えると、第1光変調素子130の画素密度は、第2光変調素子140の画素密度の3〜5倍必要になる。しかしながら、現在の光変調素子(例えば、液晶ライトバルブ)は、高精細化のために微細加工技術の上限に近い画素密度を有しており、その点を考慮すると、第1光変調素子130で3〜5倍の画素密度を実現しようとすることは困難である。したがって、第1光変調素子130で形成可能な輝度分布の精度は、第2光変調素子140の画素密度の3〜5倍粗いものとならざるを得ない。さらに、各要素レンズの光学像は、第1光変調素子130から遠いフライアイレンズ112bと集光レンズ12dのたかだか2枚のレンズで第2光変調素子140の画素面に結像されるため、十分な収差補正ができず、かなりぼけの伴ったものとならざるを得ない。よって、従来の投射型表示装置にあっては、高精度な輝度調整を行うのが困難であるという問題もあった。
そこで、本発明は、このような従来の技術の有する未解決の課題に着目してなされたものであって、コストの上昇を伴わず、結像精度を向上するとともに高精度な変調を行うのに好適な光学系の光伝搬構造および光学表示装置、並びに光学系の光伝搬方法および光学表示装置の表示方法を提供することを目的としている。
〔発明1〕 上記目的を達成するために、発明1の光学系の光伝搬構造は、
光伝搬特性を独立に制御可能な複数の画素を有する第1光変調素子と、光伝搬特性を独立に制御可能な複数の画素を有する単板式の第2光変調素子とを備え、前記第1光変調素子および前記第2光変調素子を介して光源からの光を変調する光学系に適用される構造であって、
前記第1光変調素子と前記第2光変調素子の光路上に、前記第1光変調素子の光学像を前記第2光変調素子の画素面に結像するリレーレンズを設けたことを特徴とする。
光伝搬特性を独立に制御可能な複数の画素を有する第1光変調素子と、光伝搬特性を独立に制御可能な複数の画素を有する単板式の第2光変調素子とを備え、前記第1光変調素子および前記第2光変調素子を介して光源からの光を変調する光学系に適用される構造であって、
前記第1光変調素子と前記第2光変調素子の光路上に、前記第1光変調素子の光学像を前記第2光変調素子の画素面に結像するリレーレンズを設けたことを特徴とする。
このような構成であれば、第1光変調素子が光源側に配置されている場合、第1光変調素子により、光源からの光が1次変調され、第1光変調素子の光学像がリレーレンズを介して第2光変調素子の画素面に結像される。そして、第2光変調素子により、第1光変調素子からの光が2次変調される。
これにより、第1光変調素子および第2光変調素子を介して光源からの光を変調するので、比較的高い輝度ダイナミックレンジおよび階調数を実現することができるという効果が得られる。また、リレーレンズを介して第1光変調素子の光学像を第2光変調素子の画素面に結像するので、第1光変調素子の光学像を第2光変調素子の画素面に比較的精度よく結像することができるとともに、第1光変調素子の画素面を小さくしなくてすむことから比較的高精度な変調を行うことができる。したがって、従来に比して、画質が劣化する可能性を低減することができるという効果も得られる。さらに、照明光学系の光学部品に高精度のものを用いなくてもすむので、コストの上昇を抑えることができるという効果も得られる。
これにより、第1光変調素子および第2光変調素子を介して光源からの光を変調するので、比較的高い輝度ダイナミックレンジおよび階調数を実現することができるという効果が得られる。また、リレーレンズを介して第1光変調素子の光学像を第2光変調素子の画素面に結像するので、第1光変調素子の光学像を第2光変調素子の画素面に比較的精度よく結像することができるとともに、第1光変調素子の画素面を小さくしなくてすむことから比較的高精度な変調を行うことができる。したがって、従来に比して、画質が劣化する可能性を低減することができるという効果も得られる。さらに、照明光学系の光学部品に高精度のものを用いなくてもすむので、コストの上昇を抑えることができるという効果も得られる。
ここで、光伝搬特性とは、光の伝搬に影響を与える特性をいい、例えば、光の透過率、反射率、屈折率その他の伝搬特性が含まれる。以下、発明2の光学表示装置、発明8の光学系の光伝搬方法、および発明9の光学表示装置の表示方法において同じである。
また、光源は、光を発生する媒体であればどのようなものを利用することもでき、例えば、ランプのような光学系に内蔵の光源であってもよいし、太陽や室内灯のような外界の光源であってもよい。以下、発明8の光学系の光伝搬方法において同じである。
また、光源は、光を発生する媒体であればどのようなものを利用することもでき、例えば、ランプのような光学系に内蔵の光源であってもよいし、太陽や室内灯のような外界の光源であってもよい。以下、発明8の光学系の光伝搬方法において同じである。
また、第1光変調素子は、光伝搬特性を独立に制御可能な複数の画素を有する光変調素子であればどのような構成であってもよく、構造としては、例えば、単一の光変調素子からなる単板式のものであってもよいし、複数の光変調素子からなる多板式のものであってもよい。また、機能としては、例えば、光の全波長領域の輝度を変調するようになっていてもよいし、光の波長領域のうち異なる複数の特定波長領域についてその特定波長領域の輝度を変調するようになっていてもよい。以下、発明2の光学表示装置、発明8の光学系の光伝搬方法、および発明9の光学表示装置の表示方法において同じである。
また、第2光変調素子は、光伝搬特性を独立に制御可能な複数の画素を有する単板式の光変調素子であればどのような構成であってもよく、機能としては、例えば、光の全波長領域の輝度を変調するようになっていてもよいし、光の波長領域のうち異なる複数の特定波長領域についてその特定波長領域の輝度を変調するようになっていてもよい。以下、発明2の光学表示装置、発明8の光学系の光伝搬方法、および発明9の光学表示装置の表示方法において同じである。
〔発明2〕 一方、上記目的を達成するために、発明2の光学表示装置は、
光源と、光伝搬特性を独立に制御可能な複数の画素を有する第1光変調素子と、光伝搬特性を独立に制御可能な複数の画素を有する単板式の第2光変調素子とを備え、前記第1光変調素子および前記第2光変調素子を介して前記光源からの光を変調して画像を表示する装置であって、
前記第1光変調素子と前記第2光変調素子の光路上に、前記第1光変調素子の光学像を前記第2光変調素子の画素面に結像するリレーレンズを設けたことを特徴とする。
光源と、光伝搬特性を独立に制御可能な複数の画素を有する第1光変調素子と、光伝搬特性を独立に制御可能な複数の画素を有する単板式の第2光変調素子とを備え、前記第1光変調素子および前記第2光変調素子を介して前記光源からの光を変調して画像を表示する装置であって、
前記第1光変調素子と前記第2光変調素子の光路上に、前記第1光変調素子の光学像を前記第2光変調素子の画素面に結像するリレーレンズを設けたことを特徴とする。
このような構成であれば、第1光変調素子が光源側に配置されている場合、光学表示装置では、第1光変調素子により、光源からの光が1次変調され、第1光変調素子の光学像がリレーレンズを介して第2光変調素子の画素面に結像される。そして、第2光変調素子により、第1光変調素子からの光が2次変調される。
これにより、第1光変調素子および第2光変調素子を介して光源からの光を変調するので、比較的高い輝度ダイナミックレンジおよび階調数を実現することができるという効果が得られる。また、リレーレンズを介して第1光変調素子の光学像を第2光変調素子の画素面に結像するので、第1光変調素子の光学像を第2光変調素子の画素面に比較的精度よく結像することができるとともに、第1光変調素子の画素面を小さくしなくてすむことから比較的高精度な変調を行うことができる。したがって、従来に比して、画質が劣化する可能性を低減することができるという効果も得られる。さらに、照明光学系の光学部品に高精度のものを用いなくてもすむので、コストの上昇を抑えることができるという効果も得られる。
これにより、第1光変調素子および第2光変調素子を介して光源からの光を変調するので、比較的高い輝度ダイナミックレンジおよび階調数を実現することができるという効果が得られる。また、リレーレンズを介して第1光変調素子の光学像を第2光変調素子の画素面に結像するので、第1光変調素子の光学像を第2光変調素子の画素面に比較的精度よく結像することができるとともに、第1光変調素子の画素面を小さくしなくてすむことから比較的高精度な変調を行うことができる。したがって、従来に比して、画質が劣化する可能性を低減することができるという効果も得られる。さらに、照明光学系の光学部品に高精度のものを用いなくてもすむので、コストの上昇を抑えることができるという効果も得られる。
〔発明3〕 さらに、発明3の光学表示装置は、発明2の光学表示装置において、
前記第1光変調素子および前記第2光変調素子は、液晶ライトバルブであることを特徴とする。
このような構成であれば、既存の光学部品を利用することができるので、コストの上昇をさらに抑えることができるという効果が得られる。
前記第1光変調素子および前記第2光変調素子は、液晶ライトバルブであることを特徴とする。
このような構成であれば、既存の光学部品を利用することができるので、コストの上昇をさらに抑えることができるという効果が得られる。
〔発明4〕 さらに、発明4の光学表示装置は、発明3の光学表示装置において、
前記第1光変調素子は、輝度変調ライトバルブであり、前記第2光変調素子は、色変調ライトバルブであることを特徴とする。
このような構成であれば、第1光変調素子により、光の全波長領域の輝度が変調され、第2光変調素子により、光の波長領域のうち異なる複数の特定波長領域のそれぞれについて輝度が変調される。
前記第1光変調素子は、輝度変調ライトバルブであり、前記第2光変調素子は、色変調ライトバルブであることを特徴とする。
このような構成であれば、第1光変調素子により、光の全波長領域の輝度が変調され、第2光変調素子により、光の波長領域のうち異なる複数の特定波長領域のそれぞれについて輝度が変調される。
これにより、従来の光学表示装置に光変調素子を1つだけ追加すればよいので、本発明に係る光学表示装置を比較的容易に構成することができるという効果が得られる。
〔発明5〕 さらに、発明5の光学表示装置は、発明3の光学表示装置において、
前記第1光変調素子は、色変調ライトバルブであり、前記第2光変調素子は、輝度変調ライトバルブであることを特徴とする。
〔発明5〕 さらに、発明5の光学表示装置は、発明3の光学表示装置において、
前記第1光変調素子は、色変調ライトバルブであり、前記第2光変調素子は、輝度変調ライトバルブであることを特徴とする。
このような構成であれば、第1光変調素子により、光の波長領域のうち異なる複数の特定波長領域のそれぞれについて輝度が変調され、第2光変調素子により、光の全波長領域の輝度が変調される。
これにより、従来の光学表示装置に光変調素子を1つだけ追加すればよいので、本発明に係る光学表示装置を比較的容易に構成することができるという効果が得られる。
これにより、従来の光学表示装置に光変調素子を1つだけ追加すればよいので、本発明に係る光学表示装置を比較的容易に構成することができるという効果が得られる。
〔発明6〕 さらに、発明6の光学表示装置は、発明2ないし5のいずれかの光学表示装置において、
前記光源と前記第1光変調素子との光路上に、前記光源からの光の輝度分布を均一化する輝度分布均一化手段を設けたことを特徴とする。
このような構成であれば、輝度分布均一化手段により、光源からの光の輝度分布が均一化されて第1光変調素子に入射される。
前記光源と前記第1光変調素子との光路上に、前記光源からの光の輝度分布を均一化する輝度分布均一化手段を設けたことを特徴とする。
このような構成であれば、輝度分布均一化手段により、光源からの光の輝度分布が均一化されて第1光変調素子に入射される。
これにより、輝度ムラが生じる可能性を低減することができるという効果が得られる。
〔発明7〕 さらに、発明7の光学表示装置は、発明6の光学表示装置において、
前記輝度分布均一化手段は、前記光源からの光を第1光変調素子の偏光方向に応じて偏光する偏光変換素子を有することを特徴とする。
このような構成であれば、偏光変換素子により、光源からの光が第1光変調素子の偏光方向に応じて偏光され、偏光された光が第1光変調素子に入射される。
〔発明7〕 さらに、発明7の光学表示装置は、発明6の光学表示装置において、
前記輝度分布均一化手段は、前記光源からの光を第1光変調素子の偏光方向に応じて偏光する偏光変換素子を有することを特徴とする。
このような構成であれば、偏光変換素子により、光源からの光が第1光変調素子の偏光方向に応じて偏光され、偏光された光が第1光変調素子に入射される。
これにより、光源からの光量の多くが第1光変調素子の変調対象となるので、表示画像の輝度を向上することができるという効果が得られる。
〔発明8〕 一方、上記目的を達成するために、発明8の光学系の光伝搬方法は、
光伝搬特性を独立に制御可能な複数の画素を有する第1光変調素子と、光伝搬特性を独立に制御可能な複数の画素を有する単板式の第2光変調素子とを備え、前記第1光変調素子および前記第2光変調素子を介して光源からの光を変調する光学系に適用される方法であって、
前記第1光変調素子と前記第2光変調素子の光路において、リレーレンズを介して前記第1光変調素子の光学像を前記第2光変調素子の画素面に結像することを特徴とする。
〔発明8〕 一方、上記目的を達成するために、発明8の光学系の光伝搬方法は、
光伝搬特性を独立に制御可能な複数の画素を有する第1光変調素子と、光伝搬特性を独立に制御可能な複数の画素を有する単板式の第2光変調素子とを備え、前記第1光変調素子および前記第2光変調素子を介して光源からの光を変調する光学系に適用される方法であって、
前記第1光変調素子と前記第2光変調素子の光路において、リレーレンズを介して前記第1光変調素子の光学像を前記第2光変調素子の画素面に結像することを特徴とする。
これにより、発明1の光学系の光伝搬構造と同等の効果が得られる。
〔発明9〕 一方、上記目的を達成するために、発明9の光学表示装置の表示方法は、
光源と、光伝搬特性を独立に制御可能な複数の画素を有する第1光変調素子と、光伝搬特性を独立に制御可能な複数の画素を有する単板式の第2光変調素子とを備え、前記第1光変調素子および前記第2光変調素子を介して光源からの光を変調して画像を表示する光学表示装置の表示方法であって、
前記第1光変調素子と前記第2光変調素子の光路において、リレーレンズを介して前記第1光変調素子の光学像を前記第2光変調素子の画素面に結像することを特徴とする。
〔発明9〕 一方、上記目的を達成するために、発明9の光学表示装置の表示方法は、
光源と、光伝搬特性を独立に制御可能な複数の画素を有する第1光変調素子と、光伝搬特性を独立に制御可能な複数の画素を有する単板式の第2光変調素子とを備え、前記第1光変調素子および前記第2光変調素子を介して光源からの光を変調して画像を表示する光学表示装置の表示方法であって、
前記第1光変調素子と前記第2光変調素子の光路において、リレーレンズを介して前記第1光変調素子の光学像を前記第2光変調素子の画素面に結像することを特徴とする。
これにより、発明2の光学表示装置と同等の効果が得られる。
〔発明10〕 さらに、発明10の光学表示装置の表示方法は、発明9の光学表示装置の表示方法において、
前記第1光変調素子および前記第2光変調素子は、液晶ライトバルブであることを特徴とする。
〔発明10〕 さらに、発明10の光学表示装置の表示方法は、発明9の光学表示装置の表示方法において、
前記第1光変調素子および前記第2光変調素子は、液晶ライトバルブであることを特徴とする。
これにより、発明3の光学表示装置と同等の効果が得られる。
〔発明11〕 さらに、発明11の光学表示装置の表示方法は、発明10の光学表示装置の表示方法において、
前記第1光変調素子は、輝度変調ライトバルブであり、前記第2光変調素子は、色変調ライトバルブであることを特徴とする。
〔発明11〕 さらに、発明11の光学表示装置の表示方法は、発明10の光学表示装置の表示方法において、
前記第1光変調素子は、輝度変調ライトバルブであり、前記第2光変調素子は、色変調ライトバルブであることを特徴とする。
これにより、発明4の光学表示装置と同等の効果が得られる。
〔発明12〕 さらに、発明12の光学表示装置の表示方法は、発明10の光学表示装置の表示方法において、
前記第1光変調素子は、色変調ライトバルブであり、前記第2光変調素子は、輝度変調ライトバルブであることを特徴とする。
〔発明12〕 さらに、発明12の光学表示装置の表示方法は、発明10の光学表示装置の表示方法において、
前記第1光変調素子は、色変調ライトバルブであり、前記第2光変調素子は、輝度変調ライトバルブであることを特徴とする。
これにより、発明5の光学表示装置と同等の効果が得られる。
〔発明13〕 さらに、発明13の光学表示装置の表示方法は、発明9ないし12のいずれかの光学表示装置の表示方法において、
前記光源と前記第1光変調素子との光路において、輝度分布均一化手段を介して前記光源からの光の輝度分布を均一化することを特徴とする。
〔発明13〕 さらに、発明13の光学表示装置の表示方法は、発明9ないし12のいずれかの光学表示装置の表示方法において、
前記光源と前記第1光変調素子との光路において、輝度分布均一化手段を介して前記光源からの光の輝度分布を均一化することを特徴とする。
これにより、発明6の光学表示装置と同等の効果が得られる。
〔発明14〕 さらに、発明14の光学表示装置の表示方法は、発明13の光学表示装置の表示方法において、
前記光源と前記第1光変調素子との光路において、偏光変換素子を介して前記光源からの光を第1光変調素子の入射可能偏光方向に応じて偏光することを特徴とする。
〔発明14〕 さらに、発明14の光学表示装置の表示方法は、発明13の光学表示装置の表示方法において、
前記光源と前記第1光変調素子との光路において、偏光変換素子を介して前記光源からの光を第1光変調素子の入射可能偏光方向に応じて偏光することを特徴とする。
これにより、発明7の光学表示装置と同等の効果が得られる。
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。図1ないし図12は、本発明に係る光学系の光伝搬構造および光学表示装置、並びに光学系の光伝搬方法および光学表示装置の表示方法の実施の形態を示す図である。
本実施の形態は、本発明に係る光学系の光伝搬構造および光学表示装置、並びに光学系の光伝搬方法および光学表示装置の表示方法を、図1に示すように、投射型表示装置100に適用したものである。
本実施の形態は、本発明に係る光学系の光伝搬構造および光学表示装置、並びに光学系の光伝搬方法および光学表示装置の表示方法を、図1に示すように、投射型表示装置100に適用したものである。
まず、投射型表示装置100の構成を図1を参照しながら説明する。
図1は、投射型表示装置100のハードウェア構成を示すブロック図である。
投射型表示装置100は、図1に示すように、光源10と、光源10から入射した光の輝度分布を均一化する輝度分布均一化部12と、輝度分布均一化部12から入射した光の全波長領域の輝度を変調する輝度変調部14と、輝度変調部14から入射した光をリレーするリレーレンズ16と、リレーレンズ16から入射した光の波長領域のうちRGB3原色の輝度をそれぞれ変調する色変調部18と、色変調部18から入射した光をスクリーン(不図示)に投射する投射部20とで構成されている。
図1は、投射型表示装置100のハードウェア構成を示すブロック図である。
投射型表示装置100は、図1に示すように、光源10と、光源10から入射した光の輝度分布を均一化する輝度分布均一化部12と、輝度分布均一化部12から入射した光の全波長領域の輝度を変調する輝度変調部14と、輝度変調部14から入射した光をリレーするリレーレンズ16と、リレーレンズ16から入射した光の波長領域のうちRGB3原色の輝度をそれぞれ変調する色変調部18と、色変調部18から入射した光をスクリーン(不図示)に投射する投射部20とで構成されている。
光源10は、高圧水銀ランプ等のランプ10aと、ランプ10aからの出射光を反射するリフレクタ10bとで構成されている。
輝度変調部14は、透過率を独立に制御可能な複数の画素をマトリクス状に配列した液晶ライトバルブ30と、フィールドレンズ32aと、集光レンズ32bとで構成されている。そして、輝度分布均一化部12からの光をフィールドレンズ32aを介して入射し、入射した光の全波長領域の輝度を液晶ライトバルブ30により変調し、変調した光を集光レンズ32bにより集光してリレーレンズ16に出射する。
輝度変調部14は、透過率を独立に制御可能な複数の画素をマトリクス状に配列した液晶ライトバルブ30と、フィールドレンズ32aと、集光レンズ32bとで構成されている。そして、輝度分布均一化部12からの光をフィールドレンズ32aを介して入射し、入射した光の全波長領域の輝度を液晶ライトバルブ30により変調し、変調した光を集光レンズ32bにより集光してリレーレンズ16に出射する。
液晶ライトバルブ30は、画素電極およびこれを駆動するための薄膜トランジスタ素子や薄膜ダイオード等のスイッチング素子がマトリクス状に形成されたガラス基板と、全面にわたって共通電極が形成されたガラス基板との間にTN型液晶を挟み込むとともに、外面に偏光板を配置したアクティブマトリックス型の液晶表示素子である。液晶ライトバルブ30は、電圧印加状態で白/明(透過)状態、電圧非印加状態で黒/暗(非透過)状態となるノーマリーホワイトモードまたはその逆のノーマリーブラックモードで駆動され、与えられた制御値に応じて明暗間の階調がアナログ制御される。
色変調部18は、透過率を独立に制御可能な複数の画素をマトリクス状に配列しかつ液晶ライトバルブ30よりも高い解像度を有する単板式のカラー液晶ライトバルブ40と、フィールドレンズ42とで構成されている。そして、リレーレンズ16からの光をフィールドレンズ42を介して入射し、入射した光の波長領域のうちRGB3原色の輝度をそれぞれカラー液晶ライトバルブ40により変調し、変調した光を投射部20に出射する。
カラー液晶ライトバルブ40は、液晶ライトバルブ30と同一機能を有して構成されており、液晶ライトバルブ30と異なるのは、RGB3原色のカラーフィルターが外面に設けられている点である。これにより、光の波長領域のうちRGB3原色の輝度をそれぞれ変調することができる。
輝度分布均一化部12は、2枚のフライアイレンズ12a,12bと、偏光変換素子12cと、集光レンズ12dとで構成されている。そして、光源10からの光の輝度分布をフライアイレンズ12a,12bにより均一化し、均一化した光を偏光変換素子12cにより液晶ライトバルブ30の入射可能振幅方向に偏光し、偏光した光を集光レンズ12dにより集光して輝度変調部14に出射する。
輝度分布均一化部12は、2枚のフライアイレンズ12a,12bと、偏光変換素子12cと、集光レンズ12dとで構成されている。そして、光源10からの光の輝度分布をフライアイレンズ12a,12bにより均一化し、均一化した光を偏光変換素子12cにより液晶ライトバルブ30の入射可能振幅方向に偏光し、偏光した光を集光レンズ12dにより集光して輝度変調部14に出射する。
偏光変換素子12cは、例えば、PBSアレイと、1/2波長板とで構成されている。波長板は、特定の波長の光が通過する際、S偏光とP偏光との間に位相差が生じる複屈折素子である。特定の波長に対応してそれぞれに厚みを設定して人工水晶を研磨し、各々の結晶の光学軸が直交するように貼り合わせてある。1/2波長板は、直線偏光をそれと直交する直線偏光に変換し、その位相差を180°(π)にするものである。
図2は、リレーレンズ16の構成を示す図である。
リレーレンズ16は、液晶ライトバルブ30の光学像を各液晶ライトバルブ40R〜40Bの画素面に結像するものであって、図2に示すように、開口絞りに対してほぼ対称に配置された前段レンズ群および後段レンズ群からなる等倍結像レンズである。前段レンズ群および後段レンズ群は、複数の凸レンズと、1枚の凹レンズとで構成されている。ただし、レンズの形状、大きさ、配置間隔および枚数、テレセントリック性、倍率その他のレンズ特性は、要求される特性によって適宜変更され得るものであり、図2の例に限定されるものではない。なお、リレーレンズ16を両側テレセントリックに構成する場合は、集光レンズ32b、フィールドレンズ42R、42G、42B3を省略することが可能である。また、図2のレンズ構成は、サブリレーレンズ50a,50bの構成にも同様に適用することができる。
リレーレンズ16は、液晶ライトバルブ30の光学像を各液晶ライトバルブ40R〜40Bの画素面に結像するものであって、図2に示すように、開口絞りに対してほぼ対称に配置された前段レンズ群および後段レンズ群からなる等倍結像レンズである。前段レンズ群および後段レンズ群は、複数の凸レンズと、1枚の凹レンズとで構成されている。ただし、レンズの形状、大きさ、配置間隔および枚数、テレセントリック性、倍率その他のレンズ特性は、要求される特性によって適宜変更され得るものであり、図2の例に限定されるものではない。なお、リレーレンズ16を両側テレセントリックに構成する場合は、集光レンズ32b、フィールドレンズ42R、42G、42B3を省略することが可能である。また、図2のレンズ構成は、サブリレーレンズ50a,50bの構成にも同様に適用することができる。
図3は、リレーレンズ16の動作原理を示す図である。
リレーレンズ16は、図3に示すように、典型的には等倍結像のものが用いられるので、液晶ライトバルブ30および液晶ライトバルブ40R〜40Bの画素密度を同一としても、液晶ライトバルブ30の画素と液晶ライトバルブ40R〜40Bの画素を1対1に対応させることができる。また、リレーレンズ16は、多数枚のレンズから構成されるので、収差補正が良く、液晶ライトバルブ30で形成される輝度分布を正確に液晶ライトバルブ40R〜40Bに伝達することができる。
リレーレンズ16は、図3に示すように、典型的には等倍結像のものが用いられるので、液晶ライトバルブ30および液晶ライトバルブ40R〜40Bの画素密度を同一としても、液晶ライトバルブ30の画素と液晶ライトバルブ40R〜40Bの画素を1対1に対応させることができる。また、リレーレンズ16は、多数枚のレンズから構成されるので、収差補正が良く、液晶ライトバルブ30で形成される輝度分布を正確に液晶ライトバルブ40R〜40Bに伝達することができる。
一方、投射型表示装置100は、液晶ライトバルブ30およびカラー液晶ライトバルブ40を制御する表示制御装置200(不図示)を有している。以下、カラー液晶ライトバルブ40を色変調ライトバルブと総称し、色変調ライトバルブと区別するため、液晶ライトバルブ30を輝度変調ライトバルブという。また、本実施の形態では、色変調ライトバルブが表示解像度(投射型表示装置100の表示画像を観測者が見たときに観測者が知覚する解像度をいう。)を決定する。
次に、表示制御装置200の構成を図4ないし図8を参照しながら詳細に説明する。
図4は、表示制御装置200のハードウェア構成を示すブロック図である。
表示制御装置200は、図4に示すように、制御プログラムに基づいて演算およびシステム全体を制御するCPU70と、所定領域にあらかじめCPU70の制御プログラム等を格納しているROM72と、ROM72等から読み出したデータやCPU70の演算過程で必要な演算結果を格納するためのRAM74と、外部装置に対してデータの入出力を媒介するI/F78とで構成されており、これらは、データを転送するための信号線であるバス79で相互にかつデータ授受可能に接続されている。
図4は、表示制御装置200のハードウェア構成を示すブロック図である。
表示制御装置200は、図4に示すように、制御プログラムに基づいて演算およびシステム全体を制御するCPU70と、所定領域にあらかじめCPU70の制御プログラム等を格納しているROM72と、ROM72等から読み出したデータやCPU70の演算過程で必要な演算結果を格納するためのRAM74と、外部装置に対してデータの入出力を媒介するI/F78とで構成されており、これらは、データを転送するための信号線であるバス79で相互にかつデータ授受可能に接続されている。
I/F78には、外部装置として、輝度変調ライトバルブおよび色変調ライトバルブを駆動するライトバルブ駆動装置80と、データやテーブル等をファイルとして格納する記憶装置82と、外部のネットワーク199に接続するための信号線とが接続されている。
記憶装置82は、HDR表示データを記憶している。
HDR表示データは、従来のsRGB等の画像フォーマットでは実現できない高い輝度ダイナミックレンジを実現することができる画像データであり、画素の輝度レベルを示す画素値を画像の全画素について格納している。現在は、特にCGの世界において、CGオブジェクトを実際の風景に合成するために用いられている。画像形式としては様々なものが存在するが、従来のsRGB等の画像フォーマットよりも高い輝度ダイナミックレンジを実現するために浮動小数点形式で画素値を格納する形式が多い。また、格納する値としては、人間の視覚特性を考慮しない物理的な放射輝度(Radiance=W/(sr・m2))や、人間の視覚特性を考慮した輝度(luminance=cd/m2)に関する値であるという点も特徴である。本実施の形態では、HDR表示データとして、1つの画素についてRGB3原色ごとに放射輝度レベルを示す画素値を浮動小数点値として格納した形式を用いる。例えば、1つの画素の画素値として(1.2,5.4,2.3)という値が格納されている。
記憶装置82は、HDR表示データを記憶している。
HDR表示データは、従来のsRGB等の画像フォーマットでは実現できない高い輝度ダイナミックレンジを実現することができる画像データであり、画素の輝度レベルを示す画素値を画像の全画素について格納している。現在は、特にCGの世界において、CGオブジェクトを実際の風景に合成するために用いられている。画像形式としては様々なものが存在するが、従来のsRGB等の画像フォーマットよりも高い輝度ダイナミックレンジを実現するために浮動小数点形式で画素値を格納する形式が多い。また、格納する値としては、人間の視覚特性を考慮しない物理的な放射輝度(Radiance=W/(sr・m2))や、人間の視覚特性を考慮した輝度(luminance=cd/m2)に関する値であるという点も特徴である。本実施の形態では、HDR表示データとして、1つの画素についてRGB3原色ごとに放射輝度レベルを示す画素値を浮動小数点値として格納した形式を用いる。例えば、1つの画素の画素値として(1.2,5.4,2.3)という値が格納されている。
HDR表示データは、高い輝度ダイナミックレンジのHDR画像を撮影し、撮影したHDR画像に基づいて生成する。しかしながら、現在のフィルムカメラおよびデジタルスチルカメラでは、自然界における高い輝度ダイナミックレンジのHDR画像を一度に撮影することはできない。そこで、何らかの方法で露出を変化させた複数の撮影画像から1枚のHDR画像を生成する。なお、HDR表示データの生成方法の詳細については、例えば、公知文献1「P.E.Debevec, J.Malik, "Recovering High Dynamic Range Radiance Maps from Photographs", Proceedings of ACM SIGGRAPH97 , pp.367-378 (1997)」に掲載されている。
HDR表示データにおける画素pの輝度レベルをRp、輝度変調ライトバルブの画素pに対応する画素の透過率をT1、色変調ライトバルブの画素pに対応する画素の透過率をT2とすると、下式(1),(2)が成立する。
Rp = Tp×Rs …(1)
Tp = T1×T2×G …(2)
ただし、上式(1),(2)において、Rsは光源10の輝度、Gはゲインであり、いずれも定数である。また、Tpは、光変調率である。
Rp = Tp×Rs …(1)
Tp = T1×T2×G …(2)
ただし、上式(1),(2)において、Rsは光源10の輝度、Gはゲインであり、いずれも定数である。また、Tpは、光変調率である。
上式(1),(2)から、画素pについてT1およびT2の組み合わせが無数に存在することが分かる。しかしながら、T1およびT2を任意に決定してよいわけではない。決定の仕方によっては画質が劣化することがあるので、T1およびT2は、画質を考慮して適切に決定する必要がある。
輝度変調ライトバルブおよび色変調ライトバルブがそれぞれ異なる解像度を有する場合、輝度変調ライトバルブの1つの画素p1について画素p1が色変調ライトバルブの複数の画素と光路上で重なり合い、また逆に、色変調ライトバルブの1つの画素p2について画素p2が輝度変調ライトバルブの複数の画素と光路上で重なり合うことがある。ここで、輝度変調ライトバルブの画素p1について透過率T1を算出する場合、色変調ライトバルブの重なり合う複数の画素の透過率T2が決定されていれば、それら透過率T2の平均値等を算出し、算出した平均値等を色変調ライトバルブの画素p1に対応する画素の透過率T2と見立てて、上式(1),(2)により透過率T1を算出することが考えられる。しかしながら、あくまで平均値等を色変調ライトバルブの透過率T2と見立てているので、そこにはどうしても誤差が生じる。この誤差は、輝度変調ライトバルブの透過率T1の方を先に決定する場合でも、色変調ライトバルブの透過率T2の方を先に決定する場合でも、決定順序にかかわらず発生するが、輝度変調ライトバルブおよび色変調ライトバルブのうち表示解像度を決定するものについては、視覚的な影響力が大きいので誤差を極力小さくした方がよい。
輝度変調ライトバルブおよび色変調ライトバルブがそれぞれ異なる解像度を有する場合、輝度変調ライトバルブの1つの画素p1について画素p1が色変調ライトバルブの複数の画素と光路上で重なり合い、また逆に、色変調ライトバルブの1つの画素p2について画素p2が輝度変調ライトバルブの複数の画素と光路上で重なり合うことがある。ここで、輝度変調ライトバルブの画素p1について透過率T1を算出する場合、色変調ライトバルブの重なり合う複数の画素の透過率T2が決定されていれば、それら透過率T2の平均値等を算出し、算出した平均値等を色変調ライトバルブの画素p1に対応する画素の透過率T2と見立てて、上式(1),(2)により透過率T1を算出することが考えられる。しかしながら、あくまで平均値等を色変調ライトバルブの透過率T2と見立てているので、そこにはどうしても誤差が生じる。この誤差は、輝度変調ライトバルブの透過率T1の方を先に決定する場合でも、色変調ライトバルブの透過率T2の方を先に決定する場合でも、決定順序にかかわらず発生するが、輝度変調ライトバルブおよび色変調ライトバルブのうち表示解像度を決定するものについては、視覚的な影響力が大きいので誤差を極力小さくした方がよい。
そこで、決定順序の違いで誤差の大きさがどのように変化するかを検討してみる。まず、色変調ライトバルブの透過率T2の方を先に決定することを考える。輝度変調ライトバルブの画素p1の透過率T1は、色変調ライトバルブの重なり合う複数の画素の透過率T2の平均値等を算出し、算出した平均値等およびHDR表示データに基づいて上式(1),(2)により算出することができる。その結果、輝度変調ライトバルブの画素p1からみれば、その透過率T1は、色変調ライトバルブの重なり合う複数の画素の透過率T2に対して誤差が生じるものの、誤差の度合いは、平均値等の統計的演算により生じる誤差程度である。これに対し、色変調ライトバルブの画素p2からみれば、その透過率T2は、輝度変調ライトバルブの重なり合う複数の画素の透過率T1の平均値等を算出しても、その平均値等に対して上式(1),(2)を満たさないほど大きな誤差が生じることがある。これは、画素p1を基準として色変調ライトバルブの重なり合う複数の画素との関係(上式(1),(2)を満たす関係)を規定しても、その逆の関係が必ずしも成立しないことに起因するものと考えられる。したがって、色変調ライトバルブの透過率T2の誤差の方が大きくなる可能性が高い。
逆の場合も同様であり、輝度変調ライトバルブの透過率T1の方を先に決定する場合は、輝度変調ライトバルブの透過率T1の誤差の方が大きくなる可能性が高い。
以上のことから、画質を向上する観点からは、輝度変調ライトバルブおよび色変調ライトバルブのうち表示解像度を決定するものの透過率の方を後に決定する方が誤差の影響が少なくてよいという結論が得られる。本実施の形態では、色変調ライトバルブが表示解像度を決定するので、色変調ライトバルブの透過率T2の方を後に決定する。
以上のことから、画質を向上する観点からは、輝度変調ライトバルブおよび色変調ライトバルブのうち表示解像度を決定するものの透過率の方を後に決定する方が誤差の影響が少なくてよいという結論が得られる。本実施の形態では、色変調ライトバルブが表示解像度を決定するので、色変調ライトバルブの透過率T2の方を後に決定する。
また、記憶装置82は、輝度変調ライトバルブの制御値を登録した制御値登録テーブル400を記憶している。
図5は、制御値登録テーブル400のデータ構造を示す図である。
制御値登録テーブル400には、図5に示すように、輝度変調ライトバルブの各制御値ごとに1つのレコードが登録されている。各レコードは、輝度変調ライトバルブの制御値を登録したフィールドと、輝度変調ライトバルブの透過率を登録したフィールドとを含んで構成されている。
図5は、制御値登録テーブル400のデータ構造を示す図である。
制御値登録テーブル400には、図5に示すように、輝度変調ライトバルブの各制御値ごとに1つのレコードが登録されている。各レコードは、輝度変調ライトバルブの制御値を登録したフィールドと、輝度変調ライトバルブの透過率を登録したフィールドとを含んで構成されている。
図5の例では、第1段目のレコードには、制御値として「0」が、透過率として「0.003」がそれぞれ登録されている。これは、輝度変調ライトバルブに対して制御値「0」を出力すると、輝度変調ライトバルブの透過率が0.3%となることを示している。なお、図5は、輝度変調ライトバルブの階調数が4ビット(0〜15値)である場合の例を示したが、実際には、輝度変調ライトバルブの階調数に相当するレコードが登録される。例えば、階調数が8ビットである場合は、256個のレコードが登録される。
また、記憶装置82は、RGB3原色ごとに、色変調ライトバルブの制御値を登録した制御値登録テーブル420R,420G,420Bを記憶している。
図6は、制御値登録テーブル420Rのデータ構造を示す図である。
制御値登録テーブル420Rには、図6に示すように、色変調ライトバルブの各制御値ごとに1つのレコードが登録されている。各レコードは、色変調ライトバルブの制御値を登録したフィールドと、色変調ライトバルブの画素のうち赤色のカラーフィルターに対応する画素の透過率を登録したフィールドとを含んで構成されている。
図6は、制御値登録テーブル420Rのデータ構造を示す図である。
制御値登録テーブル420Rには、図6に示すように、色変調ライトバルブの各制御値ごとに1つのレコードが登録されている。各レコードは、色変調ライトバルブの制御値を登録したフィールドと、色変調ライトバルブの画素のうち赤色のカラーフィルターに対応する画素の透過率を登録したフィールドとを含んで構成されている。
図6の例では、第1段目のレコードには、制御値として「0」が、透過率として「0.004」がそれぞれ登録されている。これは、色変調ライトバルブの画素のうち赤色のカラーフィルターに対応する画素に対して制御値「0」を出力すると、その画素の透過率が0.4%となることを示している。なお、図6は、色変調ライトバルブの階調数が4ビット(0〜15値)である場合の例を示したが、実際には、色変調ライトバルブの階調数に相当するレコードが登録される。例えば、階調数が8ビットである場合は、256個のレコードが登録される。
また、制御値登録テーブル420G,420Bのデータ構造については特に図示しないが、制御値登録テーブル420Rと同様のデータ構造を有している。ただし、制御値登録テーブル420Rと異なるのは、制御値登録テーブル420Gが緑色のカラーフィルターに対応する画素の透過率を登録し、制御値登録テーブル420Bが青色のカラーフィルターに対応する画素の透過率を登録している点である。
次に、CPU70の構成およびCPU70で実行される処理を説明する。
CPU70は、マイクロプロセッシングユニット(MPU)等からなり、ROM72の所定領域に格納されている所定のプログラムを起動させ、そのプログラムに従って、図7のフローチャートに示す表示制御処理を実行するようになっている。
図7は、表示制御処理を示すフローチャートである。
CPU70は、マイクロプロセッシングユニット(MPU)等からなり、ROM72の所定領域に格納されている所定のプログラムを起動させ、そのプログラムに従って、図7のフローチャートに示す表示制御処理を実行するようになっている。
図7は、表示制御処理を示すフローチャートである。
表示制御処理は、HDR表示データに基づいて輝度変調ライトバルブおよび色変調ライトバルブの制御値をそれぞれ決定し、決定した制御値に基づいて輝度変調ライトバルブおよび色変調ライトバルブを駆動する処理であって、CPU70において実行されると、図7に示すように、まず、ステップS100に移行するようになっている。
ステップS100では、HDR表示データを記憶装置82から読み出す。
ステップS100では、HDR表示データを記憶装置82から読み出す。
次いで、ステップS102に移行して、読み出したHDR表示データを解析し、画素値のヒストグラムや、輝度レベルの最大値、最小値および平均値等を算出する。この解析結果は、暗めのシーンを明るくしたり、明るすぎるシーンを暗くしたり、中間部コントラストを協調するなどの自動画像補正に使用したり、トーンマッピングに使用したりするためである。
次いで、ステップS104に移行して、ステップS102の解析結果に基づいて、HDR表示データの輝度レベルを投射型表示装置100の輝度ダイナミックレンジにトーンマッピングする。
図8は、トーンマッピング処理を説明するための図である。
HDR表示データを解析した結果、HDR表示データに含まれる輝度レベルの最小値がSminで、最大値がSmaxであるとする。また、投射型表示装置100の輝度ダイナミックレンジの最小値がDminで、最大値がDmaxであるとする。図8の例では、SminがDminよりも小さく、SmaxがDmaxよりも大きいので、このままでは、HDR表示データを適切に表示することができない。そこで、Smin〜SmaxのヒストグラムがDmin〜Dmaxのレンジに収まるように正規化する。
図8は、トーンマッピング処理を説明するための図である。
HDR表示データを解析した結果、HDR表示データに含まれる輝度レベルの最小値がSminで、最大値がSmaxであるとする。また、投射型表示装置100の輝度ダイナミックレンジの最小値がDminで、最大値がDmaxであるとする。図8の例では、SminがDminよりも小さく、SmaxがDmaxよりも大きいので、このままでは、HDR表示データを適切に表示することができない。そこで、Smin〜SmaxのヒストグラムがDmin〜Dmaxのレンジに収まるように正規化する。
なお、トーンマッピングの詳細については、例えば、公知文献2「F.Drago, K.Myszkowski, T.Annen, N.Chiba, "Adaptive Logarithmic Mapping For Displaying High Contrast Scenes", Eurographics 2003, (2003)」に掲載されている。
次いで、ステップS106に移行して、色変調ライトバルブの解像度に合わせてHDR画像をリサイズ(拡大または縮小)する。このとき、HDR画像のアスペクト比を保持したままHDR画像をリサイズする。リサイズ方法としては、例えば、平均値法、中間値法、ニアレストネイバー法(最近傍法)が挙げられる。
次いで、ステップS106に移行して、色変調ライトバルブの解像度に合わせてHDR画像をリサイズ(拡大または縮小)する。このとき、HDR画像のアスペクト比を保持したままHDR画像をリサイズする。リサイズ方法としては、例えば、平均値法、中間値法、ニアレストネイバー法(最近傍法)が挙げられる。
次いで、ステップS108に移行して、リサイズ画像の各画素の輝度レベルRpおよび光源10の輝度Rsに基づいて、上式(1)により、リサイズ画像の各画素ごとに光変調率Tpを算出する。
次いで、ステップS110に移行して、色変調ライトバルブの各画素の透過率T2として初期値(例えば、0.2)を与え、色変調ライトバルブの各画素の透過率T2を仮決定する。
次いで、ステップS110に移行して、色変調ライトバルブの各画素の透過率T2として初期値(例えば、0.2)を与え、色変調ライトバルブの各画素の透過率T2を仮決定する。
次いで、ステップS112に移行して、算出した光変調率Tp、仮決定した透過率T2およびゲインGに基づいて、上式(2)により、色変調ライトバルブの画素単位で輝度変調ライトバルブの透過率T1’を算出する。ここで、色変調ライトバルブがカラー液晶ライトバルブ40から構成されていることから、同一の画素についてRGB3原色ごとに透過率T1’が算出される。これに対し、輝度変調ライトバルブが液晶ライトバルブ30から構成されていることから、それらの平均値等をその画素のT1’として算出する。
次いで、ステップS114に移行して、輝度変調ライトバルブの各画素ごとに、その画素と光路上で重なり合う色変調ライトバルブの画素について算出した透過率T1’の重み付け平均値をその画素の透過率T1として算出する。重み付けは、重なり合う画素の面積比により行う。
次いで、ステップS116に移行して、輝度変調ライトバルブの各画素ごとに、その画素について算出した透過率T1に対応する制御値を制御値登録テーブル400から読み出し、読み出した制御値をその画素の制御値として決定する。制御値の読出では、算出した透過率T1に最も近似する透過率を制御値登録テーブル400のなかから検索し、検索により索出した透過率に対応する制御値を読み出す。この検索は、例えば、2分探索法を用いて行うことにより高速な検索を実現する。
次いで、ステップS116に移行して、輝度変調ライトバルブの各画素ごとに、その画素について算出した透過率T1に対応する制御値を制御値登録テーブル400から読み出し、読み出した制御値をその画素の制御値として決定する。制御値の読出では、算出した透過率T1に最も近似する透過率を制御値登録テーブル400のなかから検索し、検索により索出した透過率に対応する制御値を読み出す。この検索は、例えば、2分探索法を用いて行うことにより高速な検索を実現する。
次いで、ステップS118に移行して、色変調ライトバルブの各画素ごとに、その画素と光路上で重なり合う輝度変調ライトバルブの画素について決定した透過率T1の重み付け平均値を算出し、算出した平均値、ステップS108で算出した光変調率TpおよびゲインGに基づいて、上式(2)により、その画素の透過率T2を算出する。重み付けは、重なり合う画素の面積比により行う。
次いで、ステップS120に移行して、色変調ライトバルブの各画素ごとに、その画素について算出した透過率T2に対応する制御値を制御値登録テーブル420R〜420Bから読み出し、読み出した制御値をその画素の制御値として決定する。制御値の読出では、算出した透過率T2に最も近似する透過率を制御値登録テーブル420R〜420Bのなかから検索し、検索により索出した透過率に対応する制御値を読み出す。この検索は、例えば、2分探索法を用いて行うことにより高速な検索を実現する。
次いで、ステップS122に移行して、ステップS116,S120で決定した制御値をライトバルブ駆動装置80に出力し、輝度変調ライトバルブおよび色変調ライトバルブをそれぞれ駆動して表示画像を投影し、一連の処理を終了して元の処理に復帰させる。
次に、本実施の形態の動作を図9ないし図12を参照しながら説明する。
以下では、色変調ライトバルブはいずれも、横18画素×縦12画素の解像度および4ビットの階調数を有し、輝度変調ライトバルブは、横15画素×縦10画素の解像度および4ビットの階調数を有する場合を例にとって説明を行う。
次に、本実施の形態の動作を図9ないし図12を参照しながら説明する。
以下では、色変調ライトバルブはいずれも、横18画素×縦12画素の解像度および4ビットの階調数を有し、輝度変調ライトバルブは、横15画素×縦10画素の解像度および4ビットの階調数を有する場合を例にとって説明を行う。
表示制御装置200では、ステップS100〜S104を経て、HDR表示データが読み出され、読み出されたHDR表示データが解析され、その解析結果に基づいて、HDR表示データの輝度レベルが投射型表示装置100の輝度ダイナミックレンジにトーンマッピングされる。次いで、ステップS106を経て、色変調ライトバルブの解像度に合わせてHDR画像がリサイズされる。
次いで、ステップS108を経て、リサイズ画像の各画素ごとに光変調率Tpが算出される。例えば、リサイズ画像における画素pの光変調率Tpは、画素pの輝度レベルRp(R,G,B)が(1.2,5.4,2.3)、光源10の輝度Rs(R,G,B)が(10000,10000,10000)であるとすると、(1.2,5.4,2.3)/(10000,10000,10000)=(0.00012,0.00054,0.00023)となる。
図9は、色変調ライトバルブの透過率T2を仮決定する場合を示す図である。
次いで、ステップS110を経て、色変調ライトバルブの各画素の透過率T2が仮決定される。色変調ライトバルブの左上4区画の画素をp21(左上)、p22(右上)、p23(左下)、p24(右下)とした場合、画素p21〜p24の透過率T2には、図9に示すように、初期値T20が与えられる。
次いで、ステップS110を経て、色変調ライトバルブの各画素の透過率T2が仮決定される。色変調ライトバルブの左上4区画の画素をp21(左上)、p22(右上)、p23(左下)、p24(右下)とした場合、画素p21〜p24の透過率T2には、図9に示すように、初期値T20が与えられる。
図10は、色変調ライトバルブの画素単位で輝度変調ライトバルブの透過率T1’を算出する場合を示す図である。
次いで、ステップS112を経て、色変調ライトバルブの画素単位で輝度変調ライトバルブの透過率T1’が算出される。画素p21〜p24に着目した場合、これに対応する輝度変調ライトバルブの透過率T11〜T14は、図10に示すように、画素p21〜p24の光変調率をTp1〜Tp4、ゲインGを「1」とすると、下式(3)〜(6)により算出することができる。
次いで、ステップS112を経て、色変調ライトバルブの画素単位で輝度変調ライトバルブの透過率T1’が算出される。画素p21〜p24に着目した場合、これに対応する輝度変調ライトバルブの透過率T11〜T14は、図10に示すように、画素p21〜p24の光変調率をTp1〜Tp4、ゲインGを「1」とすると、下式(3)〜(6)により算出することができる。
実際に数値を用いて計算する。Tp1=0.00012、Tp2=0.05、Tp3=0.02、Tp4=0.01、T20=0.1である場合は、下式(3)〜(6)によりT11=0.0012、T12=0.5、T13=0.2、T14=0.1となる。
T11 = Tp1/T20 …(3)
T12 = Tp2/T20 …(4)
T13 = Tp3/T20 …(5)
T14 = Tp4/T20 …(6)
図11は、輝度変調ライトバルブの各画素の透過率T1を決定する場合を示す図である。
T11 = Tp1/T20 …(3)
T12 = Tp2/T20 …(4)
T13 = Tp3/T20 …(5)
T14 = Tp4/T20 …(6)
図11は、輝度変調ライトバルブの各画素の透過率T1を決定する場合を示す図である。
次いで、ステップS114を経て、輝度変調ライトバルブの各画素の透過率T1が決定される。輝度変調ライトバルブの左上4区画の画素をp11(左上)、p12(右上)、p13(左下)、p14(右下)とした場合、画素p11は、図11(a)に示すように、色変調ライトバルブと輝度変調ライトバルブの解像度が異なることから、画素p21〜画素p24と光路上で重なり合う。色変調ライトバルブの解像度が18×12で、輝度変調ライトバルブの解像度が15×10であるので、画素p11は、その最小公倍数から6×6の矩形領域に区分することができる。そして、画素p11と画素p21〜p24との重なり合う面積比は、図11(b)に示すように、25:5:5:1となる。したがって、画素p11の透過率T15は、図11(c)に示すように、下式(7)により算出することができる。
実際に数値を用いて計算する。T11=0.0012、T12=0.5、T13=0.2、T14=0.002である場合は、下式(7)によりT15=0.1008となる。
T15=(T11×25+T12×5+T13×5+T14×1)/36 …(7)
画素p12〜p14の透過率T16〜T18についても、画素p11と同様に、面積比による重み付け平均値を算出することにより求めることができる。
T15=(T11×25+T12×5+T13×5+T14×1)/36 …(7)
画素p12〜p14の透過率T16〜T18についても、画素p11と同様に、面積比による重み付け平均値を算出することにより求めることができる。
次いで、ステップS116を経て、輝度変調ライトバルブの各画素ごとに、その画素について算出された透過率T1に対応する制御値が制御値登録テーブル400から読み出され、読み出された制御値がその画素の制御値として決定される。例えば、T15=0.1008であるので、制御値登録テーブル400を参照すると、図5に示すように、0.09が最も近似した値となる。したがって、制御値登録テーブル400からは、画素p11の制御値として「8」が読み出される。
図12は、色変調ライトバルブの各画素の透過率T2を決定する場合を示す図である。
次いで、ステップS118を経て、色変調ライトバルブの各画素の透過率T2が決定される。画素p24は、図12(a)に示すように、色変調ライトバルブと輝度変調ライトバルブの解像度が異なることから、画素p11〜画素p14と光路上で重なり合う。色変調ライトバルブの解像度が18×12で、輝度変調ライトバルブの解像度が15×10であるので、画素p24は、その最小公倍数から5×5の矩形領域に区分することができる。そして、画素p24と画素p11〜p14との重なり合う面積比は、図12(b)に示すように、1:4:4:16となる。したがって、画素p24に着目した場合、これに対応する輝度変調ライトバルブの透過率T19は、下式(8)により算出することができる。そして、画素p24の透過率T24は、ゲインGを「1」とすると、図12(c)に示すように、下式(9)により算出することができる。
次いで、ステップS118を経て、色変調ライトバルブの各画素の透過率T2が決定される。画素p24は、図12(a)に示すように、色変調ライトバルブと輝度変調ライトバルブの解像度が異なることから、画素p11〜画素p14と光路上で重なり合う。色変調ライトバルブの解像度が18×12で、輝度変調ライトバルブの解像度が15×10であるので、画素p24は、その最小公倍数から5×5の矩形領域に区分することができる。そして、画素p24と画素p11〜p14との重なり合う面積比は、図12(b)に示すように、1:4:4:16となる。したがって、画素p24に着目した場合、これに対応する輝度変調ライトバルブの透過率T19は、下式(8)により算出することができる。そして、画素p24の透過率T24は、ゲインGを「1」とすると、図12(c)に示すように、下式(9)により算出することができる。
実際に数値を用いて計算する。T15=0.09、T16=0.33、T17=0.15、T18=0.06、Tp4=0.01である場合は、下式(8),(9)によりT19=0.1188、T24=0.0842となる。
T19=(T15×1+T16×4+T17×4+T18×16)/25 …(8)
T24=Tp4/T19 …(9)
画素p21〜p23の透過率T21〜T23についても、画素p24と同様に、面積比による重み付け平均値を算出することにより求めることができる。
T19=(T15×1+T16×4+T17×4+T18×16)/25 …(8)
T24=Tp4/T19 …(9)
画素p21〜p23の透過率T21〜T23についても、画素p24と同様に、面積比による重み付け平均値を算出することにより求めることができる。
次いで、ステップS120を経て、色変調ライトバルブの各画素ごとに、その画素について算出された透過率T2に対応する制御値が制御値登録テーブル420R〜420Bから読み出され、読み出された制御値がその画素の制御値として決定される。例えば、色変調ライトバルブの画素p24についてT24=0.0842である場合、制御値登録テーブル420Rを参照すると、図6に示すように、0.07が最も近似した値となる。したがって、制御値登録テーブル420Rからは、画素p24の制御値として「7」が読み出される。
そして、ステップS122を経て、決定された制御値がライトバルブ駆動装置80に出力される。これにより、輝度変調ライトバルブおよび色変調ライトバルブがそれぞれ駆動し、輝度変調ライトバルブおよび色変調ライトバルブの画素面に光学像が形成される。
投射型表示装置100では、輝度変調ライトバルブにより、光源10からの光が1次変調され、ダイクロイックミラー44a,44bにより、輝度変調ライトバルブからの光がRGB3原色の光に分離され、分離された光がそれぞれ色変調ライトバルブに入射される。このとき、輝度変調ライトバルブの光学像は、リレーレンズ16を介して色変調ライトバルブの画素面に結像される。そして、色変調ライトバルブにより、リレーレンズ16からの光がそれぞれ2次変調され、ダイクロイックプリズム48により、色変調ライトバルブからの光が合成されて画像が表示される。
投射型表示装置100では、輝度変調ライトバルブにより、光源10からの光が1次変調され、ダイクロイックミラー44a,44bにより、輝度変調ライトバルブからの光がRGB3原色の光に分離され、分離された光がそれぞれ色変調ライトバルブに入射される。このとき、輝度変調ライトバルブの光学像は、リレーレンズ16を介して色変調ライトバルブの画素面に結像される。そして、色変調ライトバルブにより、リレーレンズ16からの光がそれぞれ2次変調され、ダイクロイックプリズム48により、色変調ライトバルブからの光が合成されて画像が表示される。
このようにして、本実施の形態では、光源10と、透過率T1を独立に制御可能な複数の画素を有する輝度変調ライトバルブと、輝度変調ライトバルブからの光を入射しかつ透過率T2を独立に制御可能な複数の画素を有する単板式の色変調ライトバルブとを備え、輝度変調部14と色変調部18の光路上に、輝度変調ライトバルブの光学像を色変調ライトバルブの画素面に結像するリレーレンズ16を設けた。
これにより、輝度変調ライトバルブおよび色変調ライトバルブを介して光源10からの光を変調するので、比較的高い輝度ダイナミックレンジおよび階調数を実現することができる。また、リレーレンズ16を介して輝度変調ライトバルブの光学像を色変調ライトバルブの画素面に結像するので、輝度変調ライトバルブの光学像を色変調ライトバルブの画素面に比較的精度よく結像することができるとともに、輝度変調ライトバルブの画素面を小さくしなくてすむことから比較的高精度な変調を行うことができる。したがって、従来に比して、画質が劣化する可能性を低減することができる。さらに、照明光学系の光学部品に高精度のものを用いなくてもすむので、コストの上昇を抑えることができる。
さらに、本実施の形態では、輝度変調ライトバルブおよび色変調ライトバルブは、液晶ライトバルブである。
これにより、既存の光学部品を利用することができるので、コストの上昇をさらに抑えることができる。
さらに、本実施の形態では、光源10と輝度変調部14との光路上に、光源10からの光の輝度分布を均一化する輝度分布均一化部12を設けた。
これにより、既存の光学部品を利用することができるので、コストの上昇をさらに抑えることができる。
さらに、本実施の形態では、光源10と輝度変調部14との光路上に、光源10からの光の輝度分布を均一化する輝度分布均一化部12を設けた。
これにより、輝度ムラが生じる可能性を低減することができる。
さらに、本実施の形態では、輝度分布均一化部12は、光源10からの光を輝度変調ライトバルブの入射可能振幅方向に偏光する偏光変換素子12cを有する。
これにより、光源10からの光量の多くが輝度変調ライトバルブの変調対象となるので、表示画像の輝度を向上することができる。
さらに、本実施の形態では、輝度分布均一化部12は、光源10からの光を輝度変調ライトバルブの入射可能振幅方向に偏光する偏光変換素子12cを有する。
これにより、光源10からの光量の多くが輝度変調ライトバルブの変調対象となるので、表示画像の輝度を向上することができる。
さらに、本実施の形態では、色変調ライトバルブの各画素の透過率T2を仮決定し、仮決定した透過率T2およびHDR表示データに基づいて輝度変調ライトバルブの各画素の透過率T1を決定し、決定した透過率T1に基づいて輝度変調ライトバルブの各画素の制御値を決定し、決定した透過率T1およびHDR表示データに基づいて色変調ライトバルブの各画素の透過率T2を決定し、決定した透過率T2に基づいて色変調ライトバルブの各画素の制御値を決定するようになっている。
これにより、表示解像度を決定する色変調ライトバルブの透過率T2の方を後に決定するので、誤差の影響を抑制することができ、画質が劣化する可能性を低減することができる。さらに、階調数に相当する数の階調テーブルを保持しなくてもすむので、階調数を増加させても、階調テーブルのサイズおよび生成時間がさほど増大することがない。
さらに、本実施の形態では、仮決定した透過率T2およびHDR表示データに基づいて、色変調ライトバルブの画素単位で輝度変調ライトバルブの透過率T1’を算出し、算出した透過率T1’に基づいて輝度変調ライトバルブの各画素の透過率T1を算出するようになっている。
さらに、本実施の形態では、仮決定した透過率T2およびHDR表示データに基づいて、色変調ライトバルブの画素単位で輝度変調ライトバルブの透過率T1’を算出し、算出した透過率T1’に基づいて輝度変調ライトバルブの各画素の透過率T1を算出するようになっている。
輝度変調ライトバルブおよび色変調ライトバルブがそれぞれ異なる解像度を有する場合は、仮決定された透過率T2に基づいて輝度変調ライトバルブの各画素の透過率T1を直接算出するよりも、一旦、仮決定された透過率T2に基づいて色変調ライトバルブの画素単位で輝度変調ライトバルブの透過率T1’を算出してから、輝度変調ライトバルブの各画素の透過率T1を算出した方が処理が簡単になる。したがって、輝度変調ライトバルブおよび色変調ライトバルブがそれぞれ異なる解像度を有する場合に、輝度変調ライトバルブの各画素の透過率T1を比較的簡単に算出することができる。
さらに、本実施の形態では、輝度変調ライトバルブの各画素ごとに、その画素と光路上で重なり合う色変調ライトバルブの画素について算出した透過率T1’に基づいて、その画素の透過率T1を算出するようになっている。
これにより、輝度変調ライトバルブおよび色変調ライトバルブがそれぞれ異なる解像度を有する場合に、輝度変調ライトバルブの各画素の透過率T1が、その画素と光路上で重なり合う色変調ライトバルブの画素の透過率T2に対して比較的適切な値となるので、画質が劣化する可能性をさらに低減することができる。また、輝度変調ライトバルブの各画素の透過率T1をさらに簡単に算出することができる。
これにより、輝度変調ライトバルブおよび色変調ライトバルブがそれぞれ異なる解像度を有する場合に、輝度変調ライトバルブの各画素の透過率T1が、その画素と光路上で重なり合う色変調ライトバルブの画素の透過率T2に対して比較的適切な値となるので、画質が劣化する可能性をさらに低減することができる。また、輝度変調ライトバルブの各画素の透過率T1をさらに簡単に算出することができる。
さらに、本実施の形態では、輝度変調ライトバルブの各画素ごとに、その画素と光路上で重なり合う色変調ライトバルブの画素について算出した透過率T1’の重み付け平均値を、その画素の透過率T1として算出するようになっている。
これにより、輝度変調ライトバルブおよび色変調ライトバルブがそれぞれ異なる解像度を有する場合に、輝度変調ライトバルブの各画素の透過率T1が、その画素と光路上で重なり合う色変調ライトバルブの画素の透過率T2に対してさらに適切な値となるので、画質が劣化する可能性をさらに低減することができる。また、輝度変調ライトバルブの各画素の透過率T1をさらに簡単に算出することができる。
これにより、輝度変調ライトバルブおよび色変調ライトバルブがそれぞれ異なる解像度を有する場合に、輝度変調ライトバルブの各画素の透過率T1が、その画素と光路上で重なり合う色変調ライトバルブの画素の透過率T2に対してさらに適切な値となるので、画質が劣化する可能性をさらに低減することができる。また、輝度変調ライトバルブの各画素の透過率T1をさらに簡単に算出することができる。
さらに、本実施の形態では、色変調ライトバルブの各画素ごとに、その画素と光路上で重なり合う輝度変調ライトバルブの画素について決定した透過率T1に基づいて、その画素の透過率T2を算出するようになっている。
これにより、輝度変調ライトバルブおよび色変調ライトバルブがそれぞれ異なる解像度を有する場合に、色変調ライトバルブの各画素の透過率T2が、その画素と光路上で重なり合う輝度変調ライトバルブの画素の透過率T1に対して比較的適切な値となるので、画質が劣化する可能性をさらに低減することができる。また、色変調ライトバルブの各画素の透過率T2を比較的簡単に算出することができる。
これにより、輝度変調ライトバルブおよび色変調ライトバルブがそれぞれ異なる解像度を有する場合に、色変調ライトバルブの各画素の透過率T2が、その画素と光路上で重なり合う輝度変調ライトバルブの画素の透過率T1に対して比較的適切な値となるので、画質が劣化する可能性をさらに低減することができる。また、色変調ライトバルブの各画素の透過率T2を比較的簡単に算出することができる。
さらに、本実施の形態では、色変調ライトバルブの各画素ごとに、その画素と光路上で重なり合う輝度変調ライトバルブの画素について決定した透過率T1の重み付け平均値を算出し、その平均値に基づいてその画素の透過率T2を算出するようになっている。
これにより、輝度変調ライトバルブおよび色変調ライトバルブがそれぞれ異なる解像度を有する場合に、色変調ライトバルブの各画素の透過率T2が、その画素と光路上で重なり合う輝度変調ライトバルブの画素の透過率T1に対してさらに適切な値となるので、画質が劣化する可能性をさらに低減することができる。また、色変調ライトバルブの各画素の透過率T2をさらに簡単に算出することができる。
これにより、輝度変調ライトバルブおよび色変調ライトバルブがそれぞれ異なる解像度を有する場合に、色変調ライトバルブの各画素の透過率T2が、その画素と光路上で重なり合う輝度変調ライトバルブの画素の透過率T1に対してさらに適切な値となるので、画質が劣化する可能性をさらに低減することができる。また、色変調ライトバルブの各画素の透過率T2をさらに簡単に算出することができる。
さらに、本実施の形態では、1段目の光変調素子として輝度変調ライトバルブを、2段目の光変調素子として色変調ライトバルブをそれぞれ利用するようになっている。
これにより、従来の投射型表示装置に光変調素子を1つだけ追加すればよいので、投射型表示装置100を比較的容易に構成することができる。
上記実施の形態において、輝度変調ライトバルブは、発明1ないし4、6ないし11、13または14の第1光変調素子に対応し、色変調ライトバルブは、発明1ないし4、8ないし11の第2光変調素子に対応し、輝度分布均一化部12は、発明6、7または13の輝度分布均一化手段に対応している。
これにより、従来の投射型表示装置に光変調素子を1つだけ追加すればよいので、投射型表示装置100を比較的容易に構成することができる。
上記実施の形態において、輝度変調ライトバルブは、発明1ないし4、6ないし11、13または14の第1光変調素子に対応し、色変調ライトバルブは、発明1ないし4、8ないし11の第2光変調素子に対応し、輝度分布均一化部12は、発明6、7または13の輝度分布均一化手段に対応している。
なお、上記実施の形態においては、光源10からみて前段に配置される光変調素子を輝度変調ライトバルブとし、光源10からみて後段に配置される光変調素子を色変調ライトバルブとして構成したが、これに限らず、光源10からみて前段に配置される光変調素子を色変調ライトバルブとし、光源10からみて後段に配置される光変調素子を輝度変調ライトバルブとして構成することもできる。この場合、輝度変調ライトバルブが単板式であればよく、色変調ライトバルブは、単板式であっても多板式であってもよい。色変調ライトバルブが多板式である場合、色変調部18は、例えば、輝度分布均一化部12からの入射した光をRGB3原色の光に分離するダイクロイックミラーと、ダイクロイックミラーで分離した光をそれぞれ入射する3枚の液晶ライトバルブと、各液晶ライトバルブからの光を合成するダイクロイックプリズムとで構成することができる。
この場合において、輝度変調ライトバルブは、発明5または12の第1光変調素子に対応し、色変調ライトバルブは、発明5または12の第2光変調素子に対応している。
また、上記実施の形態においては、液晶ライトバルブ30およびカラー液晶ライトバルブ40としてアクティブマトリックス型の液晶表示素子を用いて構成したが、これに限らず、液晶ライトバルブ30およびカラー液晶ライトバルブ40としてパッシブマトリックス型の液晶表示素子およびセグメント型の液晶表示素子を用いて構成することもできる。アクティブマトリックス型の液晶表示は、精密な階調表示ができるという利点があり、パッシブマトリックス型の液晶表示素子およびセグメント型の液晶表示素子は、安価に製造できるという利点を有する。
また、上記実施の形態においては、液晶ライトバルブ30およびカラー液晶ライトバルブ40としてアクティブマトリックス型の液晶表示素子を用いて構成したが、これに限らず、液晶ライトバルブ30およびカラー液晶ライトバルブ40としてパッシブマトリックス型の液晶表示素子およびセグメント型の液晶表示素子を用いて構成することもできる。アクティブマトリックス型の液晶表示は、精密な階調表示ができるという利点があり、パッシブマトリックス型の液晶表示素子およびセグメント型の液晶表示素子は、安価に製造できるという利点を有する。
また、上記実施の形態においては、輝度変調ライトバルブが1枚の液晶ライトバルブ30から構成されていることから、1つの制御値登録テーブル400を用意し、制御値登録テーブル400に基づいて輝度変調ライトバルブの各画素の制御値を決定するように構成したが、これに限らず、RGB3原色ごとに制御値登録テーブル400R,400G,400Bを用意し、制御値登録テーブル400R〜400Bに基づいて輝度変調ライトバルブの各画素の制御値を決定するように構成することもできる。輝度変調ライトバルブは、光の全波長領域の輝度を変調するため、制御値登録テーブル400には、代表的な波長の光の透過率が登録されている。しかしながら、RGB3原色のそれぞれの波長については、必ずしも登録されている透過率とはならない。
そこで、輝度変調ライトバルブについては、厳密に、RGB3原色ごとに制御値に対応する透過率を測定し、制御値登録テーブル400R〜400Bを構成する。次いで、輝度変調ライトバルブの各画素の透過率T1をRGB3原色ごとに決定し、Rについて算出した透過率T1に最も近似する透過率を制御値登録テーブル400Rのなかから検索し、検索により索出した透過率に対応する制御値を読み出す。同様に、Gについて算出した透過率T1およびBについて算出した透過率T1に基づいて制御値登録テーブル400G,400Bから該当の制御値を読み出す。そして、輝度変調ライトバルブの同一の画素について読み出した制御値の平均値等をその画素の制御値として算出する。
これにより、輝度変調ライトバルブの各画素の制御値が、その画素と光路上で重なり合う色変調ライトバルブの画素のRGB3原色ごとの透過率に対して比較的適切な値となるので、画質が劣化する可能性をさらに低減することができる。
また、上記実施の形態においては、色変調ライトバルブを、表示解像度を決定する光変調素子として構成したが、これに限らず、輝度変調ライトバルブを、表示解像度を決定する光変調素子として構成することもできる。この場合、色変調ライトバルブの各画素の透過率T1(先に決定される光変調素子の透過率をT1とする。)を決定してから、輝度変調ライトバルブの各画素の透過率T2(後に決定される光変調素子の透過率をT2とする。)を決定する。また、上記と同様に、RGB3原色ごとに制御値登録テーブル400R〜400Bを用意し、制御値登録テーブル400R〜400Bに基づいて輝度変調ライトバルブの各画素の制御値を決定するように構成することもできる。
また、上記実施の形態においては、色変調ライトバルブを、表示解像度を決定する光変調素子として構成したが、これに限らず、輝度変調ライトバルブを、表示解像度を決定する光変調素子として構成することもできる。この場合、色変調ライトバルブの各画素の透過率T1(先に決定される光変調素子の透過率をT1とする。)を決定してから、輝度変調ライトバルブの各画素の透過率T2(後に決定される光変調素子の透過率をT2とする。)を決定する。また、上記と同様に、RGB3原色ごとに制御値登録テーブル400R〜400Bを用意し、制御値登録テーブル400R〜400Bに基づいて輝度変調ライトバルブの各画素の制御値を決定するように構成することもできる。
具体的には、輝度変調ライトバルブの各画素の透過率T2をRGB3原色ごとに決定し、Rについて算出した透過率T2に最も近似する透過率を制御値登録テーブル400Rのなかから検索し、検索により索出した透過率に対応する制御値を読み出す。同様に、Gについて算出した透過率T2およびBについて算出した透過率T2に基づいて制御値登録テーブル400G,400Bから該当の制御値を読み出す。そして、輝度変調ライトバルブの同一の画素について読み出した制御値の平均値等をその画素の制御値として算出する。
これにより、輝度変調ライトバルブの各画素の制御値が、その画素と光路上で重なり合う色変調ライトバルブの画素のRGB3原色ごとの透過率に対して比較的適切な値となるので、画質が劣化する可能性をさらに低減することができる。
また、上記実施の形態においては、HDR表示データに基づいて輝度変調ライトバルブおよび色変調ライトバルブの制御値を決定するように構成したが、通常の各色8ビットRGB画像データを利用する場合、通常のRGB画像データの0〜255という値は、輝度の物理量ではなくあくまで相対的な0〜255という値である。そのため、通常のRGB画像データに基づいて本発明の表示装置の表示を行うためには、通常のRGB画像から、表示すべき物理的な輝度Rpまたは表示装置全体の透過率Tpを決めなければいけない。
また、上記実施の形態においては、HDR表示データに基づいて輝度変調ライトバルブおよび色変調ライトバルブの制御値を決定するように構成したが、通常の各色8ビットRGB画像データを利用する場合、通常のRGB画像データの0〜255という値は、輝度の物理量ではなくあくまで相対的な0〜255という値である。そのため、通常のRGB画像データに基づいて本発明の表示装置の表示を行うためには、通常のRGB画像から、表示すべき物理的な輝度Rpまたは表示装置全体の透過率Tpを決めなければいけない。
図13は、入力値登録テーブル440のデータ構造を示す図である。
そのために、図13の入力値登録テーブル440を用いれば、通常のRGB画像の0〜255という入力値から物理的な透過率Tpへの変換を行うことができ、かつ、このテーブルの透過率Tpの設定の仕方によって簡単に通常のRGB画像に対する表示の見た目(階調特性)を変更することが可能となる。このテーブルにおける透過率Tpは、上式(2)におけるTpであるため、この値が決定されれば後は、上記実施の形態と同様の処理を行うことにより、複数の光変調素子の透過率T1,T2が決定され表示が行える。
そのために、図13の入力値登録テーブル440を用いれば、通常のRGB画像の0〜255という入力値から物理的な透過率Tpへの変換を行うことができ、かつ、このテーブルの透過率Tpの設定の仕方によって簡単に通常のRGB画像に対する表示の見た目(階調特性)を変更することが可能となる。このテーブルにおける透過率Tpは、上式(2)におけるTpであるため、この値が決定されれば後は、上記実施の形態と同様の処理を行うことにより、複数の光変調素子の透過率T1,T2が決定され表示が行える。
図14は、入力値登録テーブル460のデータ構造を示す図である。
図14の入力値登録テーブル460は、透過率Tpの代わりに輝度Rpを用いたものである。このテーブルにおける輝度Rpは、上式(1)におけるRpであるため、この値が決定されれば後は、上記実施の形態と同様の処理を行うことにより、複数の光変調素子の透過率T1,T2が決定され表示が行える。
図14の入力値登録テーブル460は、透過率Tpの代わりに輝度Rpを用いたものである。このテーブルにおける輝度Rpは、上式(1)におけるRpであるため、この値が決定されれば後は、上記実施の形態と同様の処理を行うことにより、複数の光変調素子の透過率T1,T2が決定され表示が行える。
また、上記実施の形態においては、色変調ライトバルブの各画素ごとに、その画素と光路上で重なり合う輝度変調ライトバルブの画素について決定した透過率T1の重み付け平均値を算出し、その平均値に基づいてその画素の透過率T2を算出するように構成したが、これに限らず、色変調ライトバルブの各画素ごとに、その画素と光路上で重なり合う輝度変調ライトバルブの画素について決定した制御値をもとに、その制御値に対応する透過率T1tableを制御値登録テーブル400から読み出し、読み出した透過率T1tableの重み付け平均値を算出し、その平均値に基づいてその画素の透過率T2を算出するように構成することもできる。
また、上記実施の形態においては、同一の画素についてRGB3原色ごとに算出した透過率T1’の平均値等をその画素のT1’として算出するように構成したが、これに限らず、透過率T1’はそのままRGB3原色ごとに算出し、ステップS114において、同一の画素についてRGB3原色ごとに算出した透過率T1の平均値等をその画素のT1として算出するように構成することもできる。
また、上記実施の形態においては、色変調ライトバルブの各画素ごとに、その画素と光路上で重なり合う輝度変調ライトバルブの画素について決定した透過率T1の重み付け平均値を算出し、その平均値に基づいてその画素の透過率T2を算出するように構成したが、これに限らず、色変調ライトバルブの各画素ごとに、その画素と光路上で重なり合う輝度変調ライトバルブの画素について決定した透過率T1の最大値、最小値または平均値を算出し、その算出値に基づいてその画素の透過率T2を算出するように構成することもできる。
また、上記実施の形態において、投射型表示装置100は、透過型の光変調素子を設けて構成したが、これに限らず、輝度変調ライトバルブまたは色変調ライトバルブをDMD(Digital Mirror Device)等の反射型の光変調素子で構成することもできる。この場合、HDR表示データに基づいて反射率を決定する。
また、上記実施の形態においては、説明を簡単にするため、画素数および階調数が小さい光変調素子を用いているが、画素数および階調数が大きい光変調素子を用いる場合においても上記実施の形態と同様に処理することができる。
また、上記実施の形態においては、説明を簡単にするため、画素数および階調数が小さい光変調素子を用いているが、画素数および階調数が大きい光変調素子を用いる場合においても上記実施の形態と同様に処理することができる。
また、上記実施の形態においては、説明を簡単にするため、ゲインG=1.0と設定したが、ハードウェア構成によっては、ゲインG=1.0ではなくなる。また、実際の計算コストを考えたときには、ゲインGの影響を含んだかたちで制御値および透過率を制御値登録テーブルに登録しておく方とよい。
また、上記実施の形態において、図7のフローチャートに示す処理を実行するにあたっては、ROM72にあらかじめ格納されている制御プログラムを実行する場合について説明したが、これに限らず、これらの手順を示したプログラムが記憶された記憶媒体から、そのプログラムをRAM74に読み込んで実行するようにしてもよい。
また、上記実施の形態において、図7のフローチャートに示す処理を実行するにあたっては、ROM72にあらかじめ格納されている制御プログラムを実行する場合について説明したが、これに限らず、これらの手順を示したプログラムが記憶された記憶媒体から、そのプログラムをRAM74に読み込んで実行するようにしてもよい。
ここで、記憶媒体とは、RAM、ROM等の半導体記憶媒体、FD、HD等の磁気記憶型記憶媒体、CD、CDV、LD、DVD等の光学的読取方式記憶媒体、MO等の磁気記憶型/光学的読取方式記憶媒体であって、電子的、磁気的、光学的等の読み取り方法のいかんにかかわらず、コンピュータで読み取り可能な記憶媒体であれば、あらゆる記憶媒体を含むものである。
また、上記実施の形態においては、本発明に係る光学系の光伝搬構造および光学表示装置、並びに光学系の光伝搬方法および光学表示装置の表示方法を、図1に示すように、投射型表示装置100に適用したが、これに限らず、本発明の主旨を逸脱しない範囲で他の場合にも適用可能である。
100…投射型表示装置, 10…光源, 10a…ランプ, 10b…リフレクタ, 12…輝度分布均一化部, 12a,12b…フライアイレンズ, 12c…偏光変換素子, 12d…集光レンズ, 14…輝度変調部, 30…液晶ライトバルブ, 32a…フィールドレンズ, 32b…集光レンズ, 16…リレーレンズ, 18…色変調部, 40…カラー液晶ライトバルブ, 42…フィールドレンズ, 20…投射部, 70…CPU, 72…ROM, 74…RAM, 78…I/F, 79…バス, 80…ライトバルブ駆動装置, 82…記憶装置, 199…ネットワーク, 400,400R〜400G,420R〜420G…制御値登録テーブル, 440,460…入力値登録テーブル, 112a,112b…フライアイレンズ, 112d…集光レンズ, 130…第1光変調素子, 140…第2光変調素子
Claims (9)
- 光伝搬特性を独立に制御可能な複数の画素を有する第1光変調素子と、光伝搬特性を独立に制御可能な複数の画素を有する単板式の第2光変調素子とを備え、前記第1光変調素子および前記第2光変調素子を介して光源からの光を変調する光学系に適用される構造であって、
前記第1光変調素子と前記第2光変調素子の光路上に、前記第1光変調素子の光学像を前記第2光変調素子の画素面に結像するリレーレンズを設けたことを特徴とする光学系の光伝搬構造。 - 光源と、光伝搬特性を独立に制御可能な複数の画素を有する第1光変調素子と、光伝搬特性を独立に制御可能な複数の画素を有する単板式の第2光変調素子とを備え、前記第1光変調素子および前記第2光変調素子を介して前記光源からの光を変調して画像を表示する装置であって、
前記第1光変調素子と前記第2光変調素子の光路上に、前記第1光変調素子の光学像を前記第2光変調素子の画素面に結像するリレーレンズを設けたことを特徴とする光学表示装置。 - 請求項2において、
前記第1光変調素子および前記第2光変調素子は、液晶ライトバルブであることを特徴とする光学表示装置。 - 請求項3において、
前記第1光変調素子は、輝度変調ライトバルブであり、前記第2光変調素子は、色変調ライトバルブであることを特徴とする光学表示装置。 - 請求項3において、
前記第1光変調素子は、色変調ライトバルブであり、前記第2光変調素子は、輝度変調ライトバルブであることを特徴とする光学表示装置。 - 請求項2ないし5のいずれかにおいて、
前記光源と前記第1光変調素子との光路上に、前記光源からの光の輝度分布を均一化する輝度分布均一化手段を設けたことを特徴とする光学表示装置。 - 請求項6において、
前記輝度分布均一化手段は、前記光源からの光を第1光変調素子の偏光方向に応じて偏光する偏光変換素子を有することを特徴とする光学表示装置。 - 光伝搬特性を独立に制御可能な複数の画素を有する第1光変調素子と、光伝搬特性を独立に制御可能な複数の画素を有する単板式の第2光変調素子とを備え、前記第1光変調素子および前記第2光変調素子を介して光源からの光を変調する光学系に適用される方法であって、
前記第1光変調素子と前記第2光変調素子の光路において、リレーレンズを介して前記第1光変調素子の光学像を前記第2光変調素子の画素面に結像することを特徴とする光学系の光伝搬方法。 - 光源と、光伝搬特性を独立に制御可能な複数の画素を有する第1光変調素子と、光伝搬特性を独立に制御可能な複数の画素を有する単板式の第2光変調素子とを備え、前記第1光変調素子および前記第2光変調素子を介して光源からの光を変調して画像を表示する光学表示装置の表示方法であって、
前記第1光変調素子と前記第2光変調素子の光路において、リレーレンズを介して前記第1光変調素子の光学像を前記第2光変調素子の画素面に結像することを特徴とする光学表示装置の表示方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2003427209A JP2005189282A (ja) | 2003-12-24 | 2003-12-24 | 光学系の光伝搬構造および光学表示装置、並びに光学系の光伝搬方法および光学表示装置の表示方法 |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2015081973A (ja) * | 2013-10-22 | 2015-04-27 | セイコーエプソン株式会社 | プロジェクター |
US9819917B2 (en) | 2013-11-13 | 2017-11-14 | Seiko Epson Corporation | Projector |
-
2003
- 2003-12-24 JP JP2003427209A patent/JP2005189282A/ja not_active Withdrawn
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US9632397B2 (en) | 2013-10-22 | 2017-04-25 | Seiko Epson Corporation | Projector with series positioned pixel matrices |
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