JP2006349912A - 直流点灯の高圧放電灯による投射型システムとその作動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】直流電流で点灯する投射型システムにおいて、異なる複数のパターンのパルス電流の組み合わせにより、従来よりも一層画質を向上させる投射型システムの作動方法を提供する。
【解決手段】赤・緑・青又は青、緑、赤を含む複数のカラーセグメントに分割され前記光源から照射された光束を時分割する回転式のカラーフィルタ等を含む投射型システムにおいて、カラーフィルタの回転及び前記光学素子と同期して所定時刻毎に複数のオンオフパターンの同期信号（Ｓ）を発生させ、そのオンオフパターンに応じて、
１）第１のネガティブパルス
２）第２のネガティブパルス
３）パルスなし
のいずれかの電流強度をもつ電流を、赤セグメント又は青セグメントの立ち下がりの時刻を基準として一定時間（Ｔ０）経過した後に、前記直流電流に重畳して印加するように構成する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ＤＭＤ(ディジタル・マイクロミラー・デバイス）とカラーフィルタを搭載した投射型システム（投射型画像表示システム）とその作動方法に関する。

投射型システムは高速で回転するカラーフィルタに光を照射して三原色（すなわち、Ｒ（赤）・Ｇ（緑）・Ｂ（青））を時分割に取り出し、ＤＭＤと呼ばれる反射型の光学素子を用いて画像パターンを作り、投影レンズ系を介してスクリーン上にカラー画像を投射するシステムであり、ホームシアターやＲＰＴＶ（リヤープロジェクションテレビ）などに利用されている（特許文献１、図１参照）。

カラーフィルタは３色（ＲＧＢ）のカラーセグメントが同一円周上に適宜配置（例えばＲ・Ｇ・Ｂ・Ｒ・Ｇ・Ｂの６つのセグメント）されてなるものが一般的である。ＤＭＤはカラーフィルタを通過した赤・緑・青の光に明度を与えて階調付けを行うと共に映像信号による変調を行うための光学素子（光変調素子）であり、例えば半導体メモリーセル上に多数のミラーエレメントが取付けられたものである。その１つ１つのミラーエレメントの傾きは光学素子駆動装置により制御することができ、各ミラーの光の透過と遮断または偏向をスイッチングすることにより所定のパターンを作り出すことができる。

ＤＭＤの解像度は通常８ビット（すなわち２５６階調）であり更に多くの階調数を表現する場合は「ディザ処理」とよばれる画像処理（画素データにディザ係数とよばれる計算値を加算する方法）を行って見かけ上の階調数を増加させる。しかし、ディザ処理の結果、元の画素データとは無関係の疑似模様が予期せず現れて階調が乱れることがある（これを「ディザノイズ（震動ノイズ）」という。）

そこで、光源に直流電流で点灯された高圧放電灯を用いると共に、所定のセグメントに同期して正の矩形パルス電流（以下、本明細書では「ポジティブパルス」という。）を重畳印加することにより第１の目的はアークジャンプに起因するフリッカの抑圧であり、同時に直流電流の階調乱れ等を低減する方法が提案されている（特許文献１）。

例えば図３は直流のランプ電流波形とカラーフィルタの状態及びその同期信号Ｓを表しており、赤セグメント（Ｒ）に同期して直流のランプ電流にポジティブパルスを重畳した様子を表している。一般に、高圧放電灯の分光特性は赤成分が不足気味になるので、赤セグメントを通過する光束にポジティブパルスを重畳印加することで赤色を強調しバランスのよい色調整を行うことができる（同文献第２３段落等参照）。
特開２００４−２１２８９０

このようにポジティブパルスは特定のセグメントの明度を増加させ、階調数を増加させて画像処理を行いやすくするが、逆に暗い色の階調数を増加することはできない。例えば暗い緑色は階調数が不足しがちであるといわれる。そこで、負の矩形パルス電流（以下、本明細書では「ネガティブパルス」という。）を重畳するという方法が考えられる。

例えば緑セグメント（Ｇ）の後半のタイミングで電流強度を前半（定常値）の概ね５０％に低減するネガティブパルスを重畳印加すれば、等価的にＤＭＤのビット数を１ビット増やすことができる。

しかし、セグメントの途中でネガティブパルスを印加すると、その副作用として電流過渡特性により画質が乱れてしまうという問題が発生する。この問題は、ポジティブパルスを印加する場合でも同様である。このように、画質を向上させるために異なる複数のパターンのパルス電流を組み合わせるとタイミングによっては過渡電流特性によって画質が乱れるといった問題を生ずる。また、ネガティブパルスを印加する従来の作動方法は、１種類のパターンに限定されていたため、より多くの階調数を必要とする場合に対応することができなかった。

本発明は、上記に鑑みなされたものであり、直流電流で点灯する投射型システムにおいて、異なる複数のパターンのパルス電流の組み合わせにより、全階調領域においてすぐれた階調表現を実現させることができる、従来よりも一層画質を向上させた投射型システムの作動方法を提供することを技術的課題とする。

本発明に係る投射型システムの作動方法は、光源（Ｅ）と、前記光源から照射された光束（φ１）を赤、緑、青に時分割する複数のカラーセグメントに分割された回転式のカラーフィルタ（３）と、このカラーフィルタを通過した光束（φ２）に階調付けと映像信号による変調とを行う反射型の光学素子（４）と、前記光源を駆動する直流電流を発生させる直流電源回路及び前記直流回路に重畳してパルス電流を印加するパルス回路を含む直流点灯手段（５）と、この光学素子によって反射され光束（φ３）をスクリーン上に投影する投影レンズ系（６）とを含む投射型システムにおいて、
前記パルス回路により、前記カラーフィルタの回転速度及び前記光学素子と同期する複数のオンオフパターンからなる同期信号（Ｓ）を発生させ、そのオンオフパターンに応じて、
１）第１のネガティブパルス
２）第２のネガティブパルス
３）パルスなし
のいずれか１つの電流強度をもつ電流を、赤セグメント又は青セグメントの立ち下がりの時刻を基準として一定時間（Ｔ０）経過した後に、前記直流電流に重畳して印加することにより、前記直流電流を緑セグメントの一定時間（ハ、ヘ）、定常値以下に制御することを特徴とする。

なお、第１及び第２のネガティブパルスは、大きさの異なる２種類のネガティブパルスであって、例えば、第１のネガティブパルスを重畳印加すると電流値は一定時間定常値の概ね５０％に低減し、第２のネガティブパルスを重畳印加すると電流値は一定時間定常値の概ね２５％に低減する。なお、光源に用いられる放電ランプの光強度は電流値に対し通常は非線形の関係にあるので、光出力を考慮してネガティブパルスの大きさを定めてもよい。

このように制御すると、等価的にＤＭＤのビット数を１ビット乃至２ビット増加することができると共に、印加するパルスの大きさが異なっていてもパルスの印加開始時刻を一致させることができる。従って、異なる大きさのネガティブパルスを印加しても電流過渡特性により画質が乱れにくい。

この場合、前記青セグメント又は赤セグメントに対応する電流強度は、ポジティブパルスを印加することにより、アークジャンプに起因するフリッカを抑圧すると共に、前記直流電流を青セグメント及び赤セグメントを含む一定時間（イ、ニ、ト、リ）、前記直流電流を定常値よりも大きくなるように制御することが好ましい。このように制御すると、赤成分と青成分を強調してよりクリアーな映像を表示することができる。

この場合、前記ポジティブパルスの終了のタイミングは、前記青セグメント又は赤セグメントの立ち下がりの時刻と同期させるようにすることが好ましい。セグメントの境界では色が混合するので、ここに配置すれば画質が乱れにくいためである。

なお、以上のような投射型システムは、具体的には、予め必要な電流波形パターン（例えば、図２に示すような電流波形パターン）が得られるようなパルス回路によって実現することができる。

本発明に係る投射型システムの作動方法では、ネガティブパルスの印加のタイミングは緑セグメントの所定の位置において発生する同期信号（すなわち、Ｔｓ１乃至Ｔｓ３経過後）と同期させ、且つ前記同期信号と光学素子とが同期するように構成しているため、ネガティブパルスと光学素子とが確実に同期する。そのため、正確なタイミングでネガティブパルスの開始に合わせて光学素子の駆動装置のＤＭＤビットをデジタル処理することができ、画質が乱れやすいネガティブパルスの立ち下がり途中の過渡状態において、最適な画像処理ができる。

換言すれば、画質の乱れを最小化して暗部（特に緑成分）を表現するときに、階調力不足により発生する微細なディザノイズを改善することができる。

また同期信号のオンオフ比を可変してそのオンオフパターンに応じて電流強度を制御して、第１のネガティブパルス（例えば、電流値を定常値の概ね５０％に減ずる矩形パルス）、第２のネガティブパルス（例えば、電流値を定常値の概ね２５％に減ずる矩形パルス）、パルスなし（印加しても電流値は定常値と変わらない）の３通りを自由に組み合わせた電流波形パターンを供給することにより、ビット数が等価的に増大し一層自由度の高い画像処理ができる。

また、ネガティブパルスの終了時刻と同期してポジティブパルスを正確に後続する青セグメント又は赤セグメントに発すると、前記緑セグメントの場合も含め、全階調領域においてすぐれた階調表現を実現させることができる。また、緑セグメントに継続する青セグメントと赤セグメントに対応する電流強度を緑セグメントの前半の電流強度より増加させるポジティブパルスとなるよう直流電流を制御することは、デューティ比の大きい直流パルス電流が重畳されたのと等価なパルス重畳電流波形になっていることから、アークジャンプに起因するフリッカ(画面のちらつき)に対してランプ内のアーク安定化を図ることができる。

更に、ポジティブパルスの終了のタイミングは青セグメント又は赤セグメント終了付近の所定の位置に同期させる（換言すれば、ポジティブパルスの立ち下がりを、例えば赤と緑セグメントの境界の休止期間に配置する）ことで、画質の乱れを最小化できる。これにより、正確なタイミングで青セグメント及び赤セグメントのポジティブパルスの平坦部に合わせて光学素子駆動装置のＤＭＤビットをデジタル処理することができる。

（システム構成について）
図１は本発明に係る投射型システムのシステム構成図を表すブロック図の一例を示している。本システムは高圧放電灯１及びリフレクタ２より構成される光源Ｅと、カラーフィルタ３と光学素子４と投影レンズ系６とから構成される。高圧放電灯１から照射された光束φ１は直接に又はリフレクタ２に反射されてカラーフィルタ３に照射され、光学素子４によって光変調された後、所定の画像パターンが投影レンズ系６を介してスクリーン７に投射される。

カラーフィルタ３は可視光の波長を選択的に通過させる性質をもつダイクロイックフィルタによりなる複数のカラーセグメント（例えばＲ（赤）Ｇ（緑）、Ｂ（青）、Ｒ（赤）Ｇ（緑）、Ｂ（青）の６色のカラーセグメント（３ａ乃至３ｆ））に分割構成された回転円盤よりなる。

光学素子４はＤＭＤ（ディジタル・ミラー・デバイス）のような反射型の光変調素子よりなり、カラーセグメント（３ａ乃至３ｆ）を通過してそれぞれの色に分解された赤、緑、青の色光φ２を反射し、光学素子駆動装置１４より供給される映像信号（例えばビデオ信号など）により光変調を行う。

直流点灯手段５は直流電源回路とパルス回路とを内蔵しており、高圧放電灯１を点灯させるためのランプ電流を供給する装置である。この装置は、直流電源に所定のパルスを所定のタイミングで重畳印加することができ、適切なパルスを印加することにより光学素子の分解能（ビット数）を等価的に増加させる作用がある。ランプ電流の駆動パターンの詳細については後述する。

投影レンズ系６は光学素子４の表面で反射された光（φ３）をスクリーン７上に投射するための光学レンズである。

カラーフィルタ駆動装置８はカラーフィルタ３を回転させるための駆動装置であり、カラーフィルタ３を一定速度で回転させる働きをする。

例えば１フレームの周波数５０Ｈｚ(１画面が毎秒５０回で変化すること)のビデオ信号を投射する場合、カラーフィルタ３は例えば３倍の速度で回転（即ち周波数１５０Ｈｚ）する。光源Ｅからの照射された光束φ１は定速回転しているカラーフィルタ３の各セグメント３ａ乃至３ｆを透過したときに時分割で赤・緑・青の色分解が行われ、それぞれの色に分解された赤、緑、青の色光φ２は、集光レンズやプリズム（これらは任意でありいずれも図示を省略する）などを介して光学素子４に入射される。

（ランプ電流駆動パターンについて）
図２は、本発明に係る投射型システムにおけるカラーフィルタのセグメントの状態と直流ランプ電流波形Ａと同期信号Ｓの波形の一例を示している。

同図のランプ電流波形Ａにおける１００％のラインは、パルスを印加していない状態の直流電流の大きさを表している（この電流値を便宜上、「定常値」という。）。ここに、ポジティブパルスを印加すると、一定時間ランプ電流波形Ａの電流値は定常値よりも大きくなり、ネガティブパルスを加えると、一定時間ランプ電流波形Ａの電流値は定常値よりも小さくなる。

一般に高圧放電灯の放射スペクトラムは、赤成分と青成分が出にくく、緑成分は階調不足になりやすい。図２の例では、このような高圧放電灯の分光特性を考慮して、赤セグメント（Ｒ）と青セグメント（Ｂ）を通過する光束をポジティブパルスによって強調し（イ・ニ・ト・リ）、一方、緑セグメント（Ｇ）を通過する光束を大きさの異なる２種類のネガティブパルスによって弱めている（ハ・ヘ）。

図２におけるタイミング−１は、緑セグメント（Ｇ）の途中（後半のタイミング）で電流強度を定常値の概ね５０％に低減するネガティブパルス（第１のネガティブパルス）を、タイミング−２は、電流強度を定常値の概ね２５％に低減するネガティブパルス（第２のネガティブパルス）をそれぞれ重畳印加した様子を、タイミング３はパルスなしの様子を示している。

すなわち、ネガティブパルスの印加による電流波形Ａの大きさの変化は、次のとおりである：
（１）第１のネガティブパルスを印加・・・定常値の概ね５０％に減少
（２）第２のネガティブパルスを印加・・・定常値の概ね２５％に減少
（３）パルスなし・・・定常値を維持

なお、電流強度と放電灯の光強度は必ずしも比例せず、電流値を５０％にしても、光強度は５０％にならない。「概ね５０％」、「概ね２５％」と表記したのはこのためである。両者の相関はランプ特性に依存するが、高圧放電灯の場合、電流強度を約４０％に設定すると概ね５０％の光出力、電流強度を約２０％に設定すると概ね２５％の光出力を得ることができる。

−パルスのタイミング制御について−
以上のように２種類のネガティブパルスを使い分けるときは、電流の過渡特性により画質が乱れるおそれがある。そこで、ネガティブパルスの大きさが異なっていても同じタイミングでネガティブパルスが印加されるようにタイミング制御を行うことが必要となる。

ネガティブパルスの印加開始（立ち下がり）のタイミングは、特定のセグメント（例えば赤セグメント）の立ち下がりのタイミングを基準としてＬｏｗレベルの信号を一定時間（Ｔｓ）経過したのち、再びＨｉｇｈレベルに戻して一定時間（Ｔｄ）経過後にネガティブパルスを印加することとして、
Ｔｓ１＋Ｔｄ１＝Ｔｓ２＋Ｔｄ２（＝Ｔ０）・・・・・・・（１）
となるようにタイミング制御する。このようにすると、印加するネガティブパルスの大きさが異なっていてもネガティブパルスの印加開始時刻を赤セグメントの立ち下がりの時刻を基準として一定時間（Ｔ０）経過した時刻に一致させることができる。

図２の例では、タイミング−１において同期信号ＳがＬｏｗレベルの時間Ｔｓ１が最も短く設定され、Ｔｄ１［秒］経過後に第２のネガティブパルスを印加する。タイミング−２において同期信号ＳがＬｏｗレベルの時間Ｔｓ２がＴｓ１より長く設定され、Ｔｄ２［秒］経過後に第２のネガティブパルスを印加している。タイミング−３において、同期信号ＳのＬｏｗレベルの時間Ｔｓ３が最も長く設定されており、この場合はパルスは印加しない。

一方、ネガティブパルスの終了（立ち上がり）のタイミングは、セグメントの境界に配置するとよい。セグメントの境界では色が混合するので、ここに配置すれば画質が乱れる影響を最小限に抑えられるためである。

図２の例では、図２の例では緑と青セグメントとの境界の休止期間にネガティブパルスの立ち上がり（ネガティブパルス印加終了時刻）を配置し、後続する青セグメントと赤セグメントの立ち上がりはネガティブパルスの立ち上がりをそのまま利用して、今度はポジティブパルスを印加している。

そして同期信号の立ち下がりにタイミングを一致させてポジティブパルスを終了し、電流強度を定常値（１００％）にもどしている。

同期信号Ｓは赤セグメント終了付近の所定のタイミングに同期信号の立ち下がりのタイミングを一致させ、ポジティブパルスの立ち下がりは赤と緑セグメントの境界の休止期間に配置する。これにより、正確なタイミングで青セグメント及び赤セグメントのポジティブパルスの平坦部（イ・ニ・ト・リ）に合わせて光学素子駆動装置のＤＭＤビットをデジタル処理することができる。また、同期信号の立ち下がりのタイミングで後続の緑セグメントに正確に定常値（電流強度１００％）をわたすことができる。

−まとめ−
このように上述した式（１）に示す関係を満たしながら同期信号Ｓのオンオフパターン（ＴｓとＴｄの組み合わせパターン）に応じて電流強度を制御（選択）することで、ネガティブパルスを用いてＤＭＤのビット数を等価的に増加させても立ち下がり途中の過度領域の画質が乱れることを最小限に抑え、最適な画像処理ができる（ここでいう、画像処理とは例えばＤＭＤビットのレベル補正などを指し、ネガティブパルスの立ち下がりにタイミングを一致させることで、レベル補正を正確に行うことなどを指す。）。

第１のネガティブパルス１つでＤＭＤの分解能を１ビット増加させることができ、第１及び第２のネガティブパルスを両方用いるとＤＭＤの分解能を２ビット増加させることができる。

なお、ネガティブパルスを繰り返し印加すると高圧放電灯に含まれるタングステンイオンのハロゲンサイクルを乱すおそれもあるので、ランプの寿命を損なわないために、ネガティブパルスなしの場合を組み合わせてパルス印加パターンを決定するとよい。

その場合、なるべく第２のネガティブパルス（定常値の概ね２５％に減少させるパルス）の発生回数を減らし、パルスなし又は第１のネガティブパルスを適用するパルス印加パターンを用いることが好ましい。第２のネガティブパルスは第１のネガティブパルスよりもパルスが深いため、放電灯のタングステン電極を変形させるおそれがあるからである。

ところで、図２の青セグメントと赤セグメントにおける長いポジティブパルスのランプ電流波形は画像処理における白バランスの点で有利であると共に、デューティ比の大きい直流パルス電流が重畳されたのと等価なパルス重畳電流波形になっており、これが結果的に前述のアークジャンプに起因するフリッカ（画面のちらつき）を防止することにも役立っている。

なお、ポジティブパルスの配置はこれに限る訳ではない。例えば青セグメントのみをポジティブパルスとすることもでき、画質作りによっては有効である。さらには赤セグメントのみポジティブパルスとすることもできる。この場合カラーフィルタは、順次青（Ｂ）→緑（Ｇ）→赤（Ｒ）の順に構成するとよい。

本発明に係る投射型システムの作動方法はパルス電流の印加パターンによって従来鮮明な色を出すことが困難であった特定の色を強調して鮮明に表示したり、従来困難であった特定の色のビット数を等価的に増やして微妙な色合いを表現できるなど、プロジェクタやリヤープロジェクションテレビ等の画質を飛躍的に高めることができる技術として、産業上の利用可能性は極めて大きい。

本発明のブロック図 本発明のランプ電流波形と同期信号の関係を示す図 従来例のランプ電流波形と同期信号の関係を示す図

符号の説明

Ａ 直流ランプ電流
Ｅ 光源
Ｓ 同期信号
φ 光（光束）
１ 高圧放電灯
２ リフレクタ
３ カラーフィルタ
３ａ〜３ｆ カラーセグメント
４ 光学素子
５ 直流点灯手段
６ 投影レンズ系
７ スクリーン
８ カラーフィルタ駆動装置
１３ ビデオ入力部
１４ 光学素子駆動装置

Claims (6)

1. 光源（Ｅ）と、前記光源から照射された光束（φ１）を赤、緑、青に時分割する複数のカラーセグメントに分割された回転式のカラーフィルタ（３）と、このカラーフィルタを通過した光束（φ２）に階調付けと映像信号による変調とを行う反射型の光学素子（４）と、前記光源を駆動する直流電流を発生させる直流電源回路及び前記直流回路に重畳してパルス電流を印加するパルス回路を含む直流点灯手段（５）と、この光学素子によって反射され光束（φ３）をスクリーン上に投影する投影レンズ系（６）とを含む投射型システムにおいて、
   前記パルス回路により、前記カラーフィルタの回転速度及び前記光学素子と同期する複数のオンオフパターンからなる同期信号（Ｓ）を発生させ、そのオンオフパターンに応じて、
   １）第１のネガティブパルス
   ２）第２のネガティブパルス
   ３）パルスなし
   のいずれか１つの電流強度をもつ電流を、赤セグメント又は青セグメントの立ち下がりの時刻を基準として一定時間（Ｔ０）経過した後に、前記直流電流に重畳して印加することにより、前記直流電流を緑セグメントの一定時間（ハ、ヘ）、定常値以下に制御することを特徴とする投射型システムの作動方法。
2. 前記青セグメント又は赤セグメントに対応する電流強度は、ポジティブパルスを印加することにより、前記直流電流を青セグメント及び赤セグメントを含む一定時間（イ、ニ、ト、リ）、前記直流電流を定常値よりも大きくなるように制御することを特徴とする請求項１記載の投射型システムの作動方法。
3. 前記ポジティブパルスの終了のタイミングは、前記青セグメント又は赤セグメントの立ち下がりの時刻と同期させることを特徴とする請求項２記載の投射型システムの作動方法。
4. 光源（Ｅ）と、前記光源から照射された光束（φ１）を赤、緑、青に時分割する複数のカラーセグメントに分割された回転式のカラーフィルタ（３）と、このカラーフィルタを通過した光束（φ２）に階調付けと映像信号による変調とを行う反射型の光学素子（４）と、前記光源を駆動する直流電流を発生させる直流電源回路及び前記直流回路に重畳してパルス電流を印加するパルス回路を含む直流点灯手段（５）と、この光学素子によって反射され光束（φ３）をスクリーン上に投影する投影レンズ系（６）とを含む投射型システムであって、
   前記パルス回路は、前記カラーフィルタの回転速度及び前記光学素子と同期する複数のオンオフパターンからなる同期信号（Ｓ）を発生させ、そのオンオフパターンに応じて、
   １）第１のネガティブパルス
   ２）第２のネガティブパルス
   ３）パルスなし
   のいずれか１つの電流強度をもつ電流を、赤セグメント又は青セグメントの立ち下がりの時刻を基準として一定時間（Ｔ０）経過した後に、前記直流電流に重畳して印加することにより、前記直流電流を緑セグメントの一定時間（ハ、ヘ）、定常値以下に制御することを特徴とする投射型システム。
5. 前記直流点灯手段（５）は、前記青セグメント又は赤セグメントに対応する電流強度は、ポジティブパルスを印加することにより、前記直流電流を青セグメント及び赤セグメントを含む一定時間（イ、ニ、ト、リ）、前記直流電流を定常値よりも大きくするポジティブパルス回路を更に含むことを特徴とする請求項４記載の投射型システム。
6. 前記ポジティブパルス回路は、ポジティブパルスの終了のタイミングを前記青セグメント又は赤セグメントの立ち下がり時刻と同期させることを特徴とする請求項５記載の投射型システム。

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