JP2008015064A - Illuminator and projector - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、照明装置及びプロジェクタ、特に、プロジェクタに用いられる照明装置の技術に関する。 The present invention relates to a lighting device and a projector, and more particularly to a technology of a lighting device used for a projector.
画像信号に応じた投写光を用いて画像を表示するプロジェクタには、画像信号に応じて光を変調する空間光変調装置として、例えば液晶表示装置やDMD(Digital Micromirror Device)が用いられる。高コントラストで見易い画像を表示するために、従来、空間光変調装置の制御に応じたダイナミックレンジよりも広いダイナミックレンジで画像を表示するための技術が提案されている(例えば、特許文献1及び2参照)。
For a projector that displays an image using projection light corresponding to an image signal, for example, a liquid crystal display device or a DMD (Digital Micromirror Device) is used as a spatial light modulation device that modulates light according to the image signal. In order to display a high-contrast and easy-to-view image, techniques for displaying an image with a dynamic range wider than the dynamic range according to the control of the spatial light modulator have been proposed (for example,
特許文献1には、遮光板を用いることにより、光源部から空間光変調装置へ入射させる光の強度を調節する技術が提案されている。この場合、空間光変調装置の入射面全体に対して光の強度を一様に調節することとなるため、例えば、画像のうちの明るい部分に着目して光の強度を大きくする調節を行うと、暗く表示すべき部分が明るく表示されるいわゆる黒浮きが生じてしまう。これとは逆に画像のうち暗い部分に着目して光の強度を小さくする調節を行うと、明るく表示すべき部分の明るさが不足してしまう。このため、特に、明るい部分と暗い部分とが共存する画像に対しては、画像全体を見易くするための調節を行うことが非常に困難である。特許文献2に提案される技術は、光源部と空間光変調装置との間に設けられた調光用液晶素子を用いて、空間光変調装置へ入射させる光の強度を調節するものである。調光用液晶素子を用いることにより、空間光変調装置の入射面に対して所望の強度分布で光を入射させることが可能である。しかし、調光用液晶素子へ入射した光のうち空間光変調装置へ入射させる成分以外の成分が調光用液晶素子等にて散乱又は吸収されることとなるため、光の強度を調節することによって光の利用効率が低下してしまう。このように、従来の技術によると、画像全体を見易くするための調節を可能とし、かつ高い光利用効率を実現することが困難であるという問題を生じる。本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、画像全体を高コントラストで見易くするための調節を可能とし、かつ高い光利用効率を実現するための照明装置、及びプロジェクタを提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明によれば、コヒーレント光を供給する光源部と、光源部からのコヒーレント光の位相を変調して被照射面へ入射させる位相変調部と、を有し、位相変調部は、位相変調パターンに応じた回折光を生じさせながらコヒーレント光の位相を変化させることにより、被照射面にて設定された単位領域ごとに強度が調節された光を、被照射面へ入射させることを特徴とする照明装置を提供することができる。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, according to the present invention, a light source unit that supplies coherent light and a phase modulation unit that modulates the phase of the coherent light from the light source unit and causes the light to enter the irradiated surface. And the phase modulation unit adjusts the intensity for each unit region set on the irradiated surface by changing the phase of the coherent light while generating diffracted light according to the phase modulation pattern. It is possible to provide an illuminating device characterized in that light is incident on an irradiated surface.
位相変調部は、被照射面、例えば空間光変調装置の入射面にて設定された単位領域ごとに所望の強度の光が入射するように、光源部からの光を振り分ける。コヒーレント光を位相変調部へ入射させることで、位相変調部において良好な回折特性を得ることができる。位相変調部を用いて光を振り分けることで、光源部からの光を無駄にすること無く画像の明るさ分布に適合させた強度分布の光を空間光変調装置へ入射させることが可能となる。このため、画像全体を高コントラストで見易くするような調節を可能とし、かつ光源部からのコヒーレント光を有効利用することもできる。位相変調部でコヒーレント光の位相を変調可能とすることで、静止画のみならず動画にも対応して光を振り分けることができる。これにより、画像全体を高コントラストで見易くするための調節を可能とし、かつ高い光利用効率を実現するための照明装置を得られる。 The phase modulation unit distributes light from the light source unit so that light of a desired intensity is incident on each unit region set on the irradiated surface, for example, the incident surface of the spatial light modulator. By making the coherent light incident on the phase modulator, good diffraction characteristics can be obtained in the phase modulator. By distributing the light using the phase modulation unit, it is possible to make the light having an intensity distribution adapted to the brightness distribution of the image incident on the spatial light modulation device without wasting light from the light source unit. For this reason, it is possible to make adjustments so that the entire image is easy to see with high contrast, and it is possible to effectively use coherent light from the light source unit. By enabling the phase of the coherent light to be modulated by the phase modulation unit, light can be distributed not only for still images but also for moving images. As a result, it is possible to make an adjustment for making the entire image easy to see with high contrast, and to obtain an illumination device for realizing high light utilization efficiency.
また、本発明の好ましい態様としては、位相変調部は、液晶素子を備えることが望ましい。液晶素子を用いることで、電圧印加の制御によって容易にコヒーレント光の位相変調パターンを変化させることができる。 Moreover, as a preferable aspect of the present invention, it is desirable that the phase modulation unit includes a liquid crystal element. By using a liquid crystal element, the phase modulation pattern of coherent light can be easily changed by controlling voltage application.
また、本発明の好ましい態様としては、液晶素子は、電界制御複屈折モードの液晶素子であることが望ましい。これにより、位相変調部の高速応答を可能とし、かつ低い駆動電圧で十分な位相変調を行うことができる。 As a preferred embodiment of the present invention, the liquid crystal element is preferably a liquid crystal element of electric field controlled birefringence mode. Thereby, a high-speed response of the phase modulation unit is possible, and sufficient phase modulation can be performed with a low drive voltage.
また、本発明の好ましい態様としては、光源部は、強度が調節されたコヒーレント光を供給することが望ましい。これにより、さらに広範なダイナミックレンジで画像を表示することができる。また、空間光変調装置へ入射させる光の強度に応じて光源部の出力を調節可能とすることで、省電力化を実現できる。 As a preferred embodiment of the present invention, it is desirable that the light source unit supplies coherent light whose intensity is adjusted. Thereby, an image can be displayed with a wider dynamic range. Further, power saving can be realized by making it possible to adjust the output of the light source unit in accordance with the intensity of light incident on the spatial light modulator.
また、本発明の好ましい態様としては、光源部は、被照射面における平均照度を基準として決定された強度のコヒーレント光を供給することが望ましい。これにより、広範なダイナミックレンジでの画像表示と省電力化を同時に実現できる。 As a preferred aspect of the present invention, it is desirable that the light source unit supplies coherent light having an intensity determined with reference to the average illuminance on the irradiated surface. Thereby, it is possible to simultaneously realize image display and power saving in a wide dynamic range.
また、本発明の好ましい態様としては、光源部は、複数のコヒーレント光を供給し、光源部及び位相変調部の少なくとも一方は、コヒーレント光の強度差に応じて制御されることが望ましい。これにより、複数のコヒーレント光の強度差に応じて、光の強度分布の調節を正確に行うことができる。また、各色間におけるコヒーレント光の強度調整を行う場合、良好なホワイトバランスを得ることもできる。 As a preferred aspect of the present invention, it is desirable that the light source unit supplies a plurality of coherent lights, and at least one of the light source unit and the phase modulation unit is controlled according to the intensity difference of the coherent light. As a result, the light intensity distribution can be accurately adjusted according to the intensity difference between the plurality of coherent lights. In addition, when adjusting the intensity of coherent light between colors, a good white balance can be obtained.
また、本発明の好ましい態様としては、光源部は、略一定の強度のコヒーレント光を供給することが望ましい。この場合、光源部を最大出力として画面全体へ均一に光を照射させる場合よりも高輝度な表示を行ういわゆるピーク輝度制御が可能となる。これにより、さらに広範なダイナミックレンジでの画像表示が可能となる。 As a preferred embodiment of the present invention, it is desirable that the light source unit supplies coherent light having a substantially constant intensity. In this case, so-called peak luminance control can be performed in which a display with higher luminance than that in the case where light is uniformly emitted to the entire screen with the light source unit as the maximum output. As a result, it is possible to display an image with a wider dynamic range.
さらに、本発明によれば、上記の照明装置からの光を画像信号に応じて変調することにより画像を表示することを特徴とするプロジェクタを提供することができる。上記の照明装置を用いることにより、画像全体を高コントラストで見易くするための調節を可能とし、かつ高い光利用効率を実現できる。これにより、画像全体が高コントラストで見易く、かつ高い光利用効率で明るい画像を表示可能なプロジェクタを得られる。 Furthermore, according to the present invention, it is possible to provide a projector characterized in that an image is displayed by modulating light from the above-described illumination device according to an image signal. By using the illumination device described above, it is possible to make adjustments to make the entire image easy to see with high contrast, and it is possible to realize high light utilization efficiency. As a result, it is possible to obtain a projector that can easily display a bright image with high light utilization efficiency and easy to see the entire image.
また、本発明の好ましい態様としては、照明装置からの光を画像信号に応じて変調する空間光変調装置を有し、照明装置は、空間光変調装置の入射面にて設定された単位領域ごとに強度が調節された光を、入射面へ入射させることが望ましい。これにより、全体が高コントラストで見易い画像を形成することができる。 In addition, as a preferable aspect of the present invention, a spatial light modulation device that modulates light from the illumination device according to an image signal is provided, and the illumination device is provided for each unit region set on the incident surface of the spatial light modulation device. It is desirable that the light whose intensity is adjusted to be incident on the incident surface. As a result, it is possible to form an easy-to-see image with high contrast as a whole.
また、本発明の好ましい態様としては、単位領域が、入射面より小さく、かつ空間光変調装置における画素の領域より大きいことが望ましい。入射面より小さい複数の単位領域を設定することにより、単位領域ごとの光の強度調節を行うことが可能となる。また、画像全体を高コントラストとするには、位相変調部は、画素より広い領域ごとに光の強度調節を行うこととすれば十分である。画素の領域より大きい単位領域を設定することにより、位相変調部の構成及び駆動を簡易にできる。これにより、構成及び駆動が簡易な位相変調部を用いて、画像に適合させた強度分布の光を空間光変調装置へ入射させることができる。 As a preferred embodiment of the present invention, it is desirable that the unit region is smaller than the incident surface and larger than the pixel region in the spatial light modulator. By setting a plurality of unit regions smaller than the incident surface, it is possible to adjust the light intensity for each unit region. Further, in order to make the entire image have high contrast, it is sufficient for the phase modulation unit to adjust the light intensity for each region wider than the pixel. By setting a unit region larger than the pixel region, the configuration and driving of the phase modulation unit can be simplified. As a result, light having an intensity distribution adapted to an image can be incident on the spatial light modulator using a phase modulator that is simple in configuration and drive.
また、本発明の好ましい態様としては、照明装置は、光源部からのコヒーレント光の位相を変調させる位相変調部を有し、位相変調部は、画像信号に基づいて生成された位相変調信号に応じて制御されることが望ましい。これにより、画像全体を高コントラストで見易くするための制御を行うことができる。 As a preferred aspect of the present invention, the illumination device includes a phase modulation unit that modulates the phase of the coherent light from the light source unit, and the phase modulation unit corresponds to the phase modulation signal generated based on the image signal. It is desirable to be controlled. Thereby, it is possible to perform control for making the entire image easy to see with high contrast.
以下に図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明する。 Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明の実施例に係るプロジェクタ100の概略構成を示す。プロジェクタ100は、スクリーン18に光を供給し、スクリーン18で反射する光を観察することで画像を鑑賞するフロント投写型のプロジェクタである。プロジェクタ100は、赤色(R)光を供給するR光用照明装置10R、緑色(G)光を供給するG光用照明装置10G、及び青色(B)光を供給するB光用照明装置10Bを有する。プロジェクタ100は、照明装置10R、10G、10Bからの光を画像信号に応じて変調することにより画像を表示する。
FIG. 1 shows a schematic configuration of a
図2は、R光用照明装置10R、R光用空間光変調装置15R、及びクロスダイクロイックプリズム16を示す。R光用照明装置10Rは、R光用光源部11Rを有する。R光用光源部11Rは、コヒーレント光であるレーザ光を供給する光源部である。R光用光源部11Rは、R光を供給する5つのレーザ光源12Rを有する。5つのレーザ光源12Rは、一列に並列させて配置されている。レーザ光源12Rから供給されるレーザ光は、特定の振動方向の偏光光、例えばs偏光光である。レーザ光源12Rとしては、例えば、半導体レーザを用いることができる。5つのレーザ光源12Rは、いずれも略平行なレーザ光を供給する。
FIG. 2 shows the R light illumination device 10 </ b> R, the R light spatial light modulation device 15 </ b> R, and the cross
レーザ光源12Rからのレーザ光は、位相変調部13Rへ入射する。位相変調部13Rは、液晶素子20を備える液晶パネルである。位相変調部13Rは、R光用光源部11Rにより供給されるレーザ光に対応して、液晶素子20を配置させている。位相変調部13Rは、各レーザ光源12Rからのレーザ光の位相を変調してR光用空間光変調装置15Rの入射面へ入射させる。R光用空間光変調装置15Rの入射面は、R光用照明装置10Rの被照射面である。
Laser light from the
位相変調部13Rは、液晶素子20により形成された位相変調パターンに応じた回折光を生じさせる。位相変調部13Rからの回折光は、フィールドレンズ14Rへ入射する。フィールドレンズ14Rは、位相変調部13Rからの光を平行化し、R光用空間光変調装置15Rへ入射させる。フィールドレンズ14Rは、位相変調部13Rから見て斜め前方であって、位相変調部13Rからのゼロ次光が入射する位置以外の位置に設けられている。
The phase modulation unit 13 </ b> R generates diffracted light corresponding to the phase modulation pattern formed by the
R光用空間光変調装置15Rは、R光を画像信号に応じて変調する透過型の液晶表示装置である。R光用空間光変調装置15Rに設けられた不図示の液晶パネルは、2つの透明基板の間に、画像表示のための液晶層を封入する。液晶パネルに入射したs偏光光は、画像信号に応じた変調によりp偏光光に変換される。R光用空間光変調装置15Rは、変調によりp偏光光に変換されたR光を出射する。R光用空間光変調装置15Rで変調されたR光は、色合成光学系であるクロスダイクロイックプリズム16へ入射する。
The spatial
図1に戻って、G光用照明装置10G及びB光用照明装置10Bは、いずれもR光用照明装置10Rと同様の構成を有する。G光用照明装置10Gは、G光用光源部11Gを有する。G光用光源部11Gは、コヒーレント光であるレーザ光を供給する光源部である。G光用光源部11Gは、G光を供給する5つのレーザ光源12Gを有する。レーザ光源12Gからのレーザ光は、位相変調部13G、フィールドレンズ14Gを経た後、G光用空間光変調装置15Gへ入射する。G光用空間光変調装置15Gは、G光を画像信号に応じて変調する透過型の液晶表示装置である。G光用空間光変調装置15Gは、変調によりp偏光光に変換されたG光を出射する。G光用空間光変調装置15Gで変調されたG光は、R光とは異なる側からクロスダイクロイックプリズム16へ入射する。
Returning to FIG. 1, the G
B光用照明装置10Bは、B光用光源部11Bを有する。B光用光源部11Bは、コヒーレント光であるレーザ光を供給する光源部である。B光用光源部11Bは、B光を供給する5つのレーザ光源12Bを有する。レーザ光源12Bからのレーザ光は、位相変調部13B、フィールドレンズ14Bを経た後、B光用空間光変調装置15Bへ入射する。B光用空間光変調装置15Bは、B光を画像信号に応じて変調する透過型の液晶表示装置である。B光用空間光変調装置15Bは、変調によりp偏光光に変換されたB光を出射する。B光用空間光変調装置15Bで変調されたB光は、R光、G光とは異なる側からクロスダイクロイックプリズム16へ入射する。
The B
クロスダイクロイックプリズム16は、互いに略直交するように配置された2つのダイクロイック膜16a、16bを有する。第1ダイクロイック膜16aは、R光を反射し、G光及びB光を透過させる。第2ダイクロイック膜16bは、B光を反射し、R光及びG光を透過させる。クロスダイクロイックプリズム16は、それぞれ異なる側から入射したR光、G光及びB光を合成し、投写レンズ17の方向へ出射させる。投写レンズ17は、クロスダイクロイックプリズム16で合成された光をスクリーン18へ投写する。
The cross
なお、位相変調部13R、13G、13Bは、ゼロ次光が入射する位置以外の位置に設けられたフィールドレンズ14R、14G、14Bへ光を入射させる構成に限られない。位相変調部13R、13G、13Bは、回折光をフィールドレンズ14R、14G、14Bへ入射させることが可能であれば良く、ゼロ次光が入射する位置に設けられたフィールドレンズ14R、14G、14Bへ光を入射させることとしても良い。プロジェクタ100は、空間光変調装置として透過型液晶表示装置を用いる構成に限られない。空間光変調装置としては、反射型液晶表示装置やDMDを用いても良い。
The
照明装置10R、10G、10Bは、レーザ光源12R、12G、12Bを備える光源部11R、11G、11Bを用いることで、色分離のための構成や特定の振動方向の偏光光を供給するための偏光分離素子を省略することが可能となる。レーザ光は、単一波長であるため、色純度が高い、コヒーレンスが高いという特徴を持つ。また、紫外光を含まないため、液晶素子の劣化を低減できるという利点もある。さらに、レーザ光源12R、12G、12Bを小型にできることでプロジェクタ100を小型にできる、レーザ光源12R、12G、12Bの瞬時点灯が可能であるという利点もある。
The
各光源部11R、11G、11Bは、5つのレーザ光源を備える構成に限られず、1つ又は複数のレーザ光源を備える構成であれば良い。光源部11R、11G、11Bは、複数のレーザ光源12R、12G、12Bを一方向に並列させる構成に限らず、アレイ状に配列させても良い。複数のレーザ光源12R、12G、12Bによりレーザ光を供給することで、各光源部11R、11G、11Bを高出力にすることができる。また、光源部11R、11G、11Bにより複数のレーザ光を供給することで、スペックルノイズを低減できるという利点もある。各光源部11R、11G、11Bは、複数のレーザ光源を備える構成に代えて、複数の発光部を有するレーザ光源を備える構成としても良い。
Each
各光源部11R、11G、11Bは、半導体レーザからのレーザ光の波長を変換する波長変換素子、例えば、第二高調波発生(Second-Harmonic Generation、SHG)素子を用いる構成としても良い。レーザ光源としては、半導体レーザに代えて、半導体レーザ励起固体(Diode Pumped Solid State、DPSS)レーザや、固体レーザ、液体レーザ、ガスレーザ等を用いても良い。
Each of the
図3は、位相変調部13R、13G、13Bに設けられる液晶素子20の断面構成を示す。液晶素子20は、第1透明基板21及び第2透明基板24により液晶層32を封止して構成されている。第1透明基板21と液晶層32との間には、第1透明電極22が形成されている。第1透明電極22は、例えば金属酸化物であるITOやIZOにより構成することができる。第1透明電極22と液晶層32との間のうち一部領域に、遮光層23が設けられている。この他、ラビング処理が施された不図示の配向膜が形成されている。
FIG. 3 shows a cross-sectional configuration of the
第2透明基板24上の一部領域には、半導体層25、半導体層25の上に形成されたゲート絶縁膜26、ゲート絶縁膜26の上に形成されたゲート電極27が設けられている。かかる部分は、半導体層25の一部をソース及びドレインとする薄膜トランジスタ(TFT)を構成する。第2透明基板24及びTFTの上には、酸化シリコン等からなる絶縁膜28が形成されている。TFTの上には、絶縁膜28を介して信号線29が設けられている。信号線29は、TFTのソースに接続されている。また、不図示の走査線は、TFTのゲートであるゲート電極27に接続されている。
In a partial region on the second
絶縁膜28、信号線29、及び走査線の上には、PSG(Phosphosillicate glass)膜30が形成されている。PSG膜30のうちTFTに対応する部分以外の部分の上には、第2透明電極31が設けられる。第2透明電極31は、第1透明電極22と同様、ITOやIZOにより構成することができる。TFT及び第2透明電極31は、画素ごとに形成される。この他、第2透明基板24側にも、配向膜が形成される。第2透明基板24側の配向膜のラビング方向は、第1透明基板21側の配向膜のラビング方向に対して平行かつ逆向きとされる。これにより、液晶素子20は、全体として均一な配向状態を得ることができる。
A PSG (Phosphosillicate glass)
液晶素子20は、第1透明基板21、液晶層32及び第2透明電極31を順次透過した光を第2透明基板24から出射させる。液晶素子20は、第1透明基板21へ入射するレーザ光の偏光方向が、第1透明基板21側における液晶分子の配向方向に一致するように配置されている。これにより、光源部11R、11G、11Bからのレーザ光を効率良く液晶素子20へ入射させることができる。
The
位相変調部13R、13G、13Bは、例えば、空間光変調装置15R、15G、15Bと同様に、アクティブマトリクス方式により駆動される。液晶素子20としては、電界制御複屈折モードの液晶、例えば強誘電性液晶を用いることができる。低分子で比較的高い複屈折率を備える強誘電性液晶を用いることにより、位相変調部13R、13G、13Bの高速応答を可能とし、かつ低い駆動電圧で十分な位相変調を行うことができる。なお、液晶素子20は、電界制御複屈折モードの液晶であれば強誘電性液晶以外の他の液晶、例えば、ネマティック液晶やツイステッド・ネマティック液晶等を用いても良い。位相変調部13R、13G、13Bは、画素間隔が狭ピッチな液晶素子20を用いることで、大きな回折角を得ることができる。良好な回折特性を得るために、液晶素子20の画素ピッチは10μm以下とすることが好ましい。
The
各位相変調部13R、13G、13Bは、それぞれ液晶素子20にて回折光を生じさせることにより、レーザ光を分岐させる。位相変調部13R、13G、13Bは、液晶素子20を用いてレーザ光を振り分けることにより、図4にてハッチング等を付すように、入射面40にて設定された単位領域41ごとに入射光の強度を変化させる。単位領域41は、例えば、入射面40を64(=8×8)等分した1つと設定することができる。
Each of the
位相変調部13R、13G、13Bから所定距離z離れた入射面40に形成される位相変調パターンΦと、入射面40における回折光の光波Tとの間には、以下の式が成立する。
T(x,y,z)=a(x,y,z)・exp[−iΦ(x,y,z)]
The following formula is established between the phase modulation pattern Φ formed on the
T (x, y, z) = a (x, y, z) · exp [−iΦ (x, y, z)]
ここで、(x、y)は、光軸と直交する面内の座標、a(x,y,z)は、光波の振幅を示す。光波の強度は、振幅a(x,y,z)の2乗で与えられる。目標となる強度分布を得るために最適化された位相変調パターンは、例えば反復フーリエ変換等、所定の演算手法(シミュレーション手法)を用いて得ることができる。位相変調部13R、13G、13Bでレーザ光の位相を変調可能とすることで、静止画のみならず動画にも対応して光を振り分けることができる。なお、照明装置10R、10G、10Bは、位相変調部13R、13G、13Bの位相変調パターンが基準状態であるとき、入射面40へ略均一な強度の光を入射させる。位相変調部13R、13G、13Bは、略均一な強度の光を入射させる状態を基準として位相変調パターンを変化させる。
Here, (x, y) is a coordinate in a plane orthogonal to the optical axis, and a (x, y, z) is the amplitude of the light wave. The intensity of the light wave is given by the square of the amplitude a (x, y, z). A phase modulation pattern optimized for obtaining a target intensity distribution can be obtained by using a predetermined calculation method (simulation method) such as an iterative Fourier transform. By making it possible to modulate the phase of the laser beam by the
図5は、プロジェクタ100を駆動するためのブロック構成を示す。図中破線で囲んだ部分は、プロジェクタ100のうち照明装置10R、10G、10Bを駆動するための部分である。ADコンバータ50は、外部機器等によりアナログ信号として入力された画像信号をディジタル信号へ切り換える。ディジタル信号処理回路であるDSP(1)51は、ディジタル信号に変換された画像信号から、像の明るさを制御するための明るさパラメータを抽出する。
FIG. 5 shows a block configuration for driving the
明るさパラメータは、単位領域41(図4参照)ごとに抽出される。明るさパラメータとしては、例えば、注目するフレームに含まれている画素データの階調数ごとの出現数分布(ヒストグラム)を用いて、出現数が最大階調から一定の割合、例えば1%となる階調数を抽出することができる。例えば、最大階調を明るさパラメータとして抽出する場合、最大階調がノイズや突発的な階調ピークによるものであることにより明るさパラメータとしての信頼性を低下させることが考えられる。そこで、最大階調からある程度の出現数が認められる情報を明るさパラメータとすることで高い信頼性を確保し、正確な明るさ制御が可能となる。なお、最大の明るさからの割合は1%とする場合に限らず、例えば0〜50%の範囲で適宜決定することができる。 The brightness parameter is extracted for each unit region 41 (see FIG. 4). As the brightness parameter, for example, using the appearance number distribution (histogram) for each number of gradations of the pixel data included in the frame of interest, the number of appearances is a certain ratio from the maximum gradation, for example, 1%. The number of gradations can be extracted. For example, when the maximum gradation is extracted as the brightness parameter, it is conceivable that the reliability as the brightness parameter is lowered because the maximum gradation is caused by noise or an unexpected gradation peak. Therefore, by using information that allows a certain number of appearances from the maximum gradation as the brightness parameter, high reliability is ensured and accurate brightness control is possible. The ratio from the maximum brightness is not limited to 1%, and can be determined as appropriate within a range of 0 to 50%, for example.
ディジタル信号処理回路であるDSP(2)52は、DSP(1)51で抽出された明るさパラメータを用いて、入射面40(図4参照)における照度分布を決定する。照度は、明るさパラメータに基づいて、単位領域41ごとに決定される。明るさパラメータから照度への変換には、例えばLUT(look up table)を用いることができる。位相変調信号生成部56は、DSP(2)52からの出力に応じて、位相変調信号を生成する。
The DSP (2) 52, which is a digital signal processing circuit, determines the illuminance distribution on the incident surface 40 (see FIG. 4) using the brightness parameter extracted by the DSP (1) 51. The illuminance is determined for each
位相変調信号生成部56は、反復フーリエ変換等の演算手法を用いて、位相変調パターンを決定する。位相変調信号生成部56として、高速な演算処理が可能な構成、例えばGPU(Graphics Processing Unit)やASIC(Application Specific Integrated Circuit)を用いることで、DSP(2)52による出力に応じたリアルタイムな演算処理を可能とすることができる。これにより、予め格納が必要となるデータを少なくでき、メモリ容量を削減することができる。この他、位相変調信号生成部56は、予めLUTに格納されたデータを参照し、演算結果を出力する構成としても良い。この場合、位相変調信号生成部56における演算処理を簡素化できる。また、高速な演算処理を不要とすることで、位相変調信号生成部56の回路構成を簡素化できる。
The phase modulation
位相変調駆動部57は、位相変調信号生成部56からの位相変調信号に応じて、位相変調部13R、13G、13Bを駆動する。位相変調部13R、13G、13Bは、画像信号に基づいて生成された位相変調信号に応じて制御される。位相変調部13R、13G、13Bは、位相変調信号に応じて位相変調パターンを変化させることにより、単位領域41ごとに強度が調節された光を、入射面40へ入射させる。
The
DSP(2)52は、明るさパラメータに基づいて決定した光の照度分布を実現するために必要な光源部11R、11G、11Bからの光量を演算する。各光源部11R、11G、11Bの光量は、空間光変調装置の入射面40における光の平均照度を基準として決定される。パルス幅変調(Pulse Width Modulation、PWM)信号生成部58は、DPS(2)52からの出力に基づいてパルス幅が変調されたPWM信号を生成する。光源駆動部59は、PWM信号生成部58からのPWM信号に応じて、光源部11R、11G、11Bを駆動する。光源部11R、11G、11Bは、PWM信号に応じて変調された光を供給する。これにより、光源部11R、11G、11Bは、強度が調節されたレーザ光を供給する。位相変調部13R、13G、13Bの制御によって単位領域41ごとの光の相対強度が決定されるのに対して、光源部11R、11G、11Bの制御により入射面40全体の光の強度が決定される。
The DSP (2) 52 calculates the amount of light from the
入射面40における平均照度をmとすると、位相変調部13R、13G、13Bは、平均照度mより低い照度となる単位領域41から、平均照度mより高い照度となる単位領域41へ回折光を振り分ける。また、光源部11R、11G、11Bを最大出力Lとして入射面40全体を均一に照明するときの照度をnとしたとき、光源部11R、11G、11Bの出力は、最大出力Lのm/n倍とすることができる。例えば、平均照度mを1、最大出力Lのときの照度nを2としたとき、光源部11R、11G、11Bの出力は、L/2にまで減少させることができる。入射面40へ入射させる光の強度に応じて光源部11R、11G、11Bの出力を調節可能とすることで、プロジェクタ100は省電力化を実現できる。
When the average illuminance on the
ディジタル信号処理回路であるDSP(3)53は、DSP(1)51からの明るさパラメータに基づき、画像信号の階調範囲の伸張を行う。階調範囲の伸張を行うことで、空間光変調装置15R、15G、15Bのダイナミックスレンジを最大限に活用した高コントラストな画像を表示することが可能となる。DAコンバータ54は、DSP(3)53で伸張処理が施された画像信号をアナログ信号に変換する。空間光変調駆動部55は、アナログ信号に変換された画像信号に応じて、空間光変調装置15R、15G、15Bを駆動する。空間光変調装置15R、15G、15Bは、画像信号に応じて照明装置10R、10G、10Bからの光を変調する。
The DSP (3) 53, which is a digital signal processing circuit, expands the gradation range of the image signal based on the brightness parameter from the DSP (1) 51. By extending the gradation range, it is possible to display a high-contrast image that makes the best use of the dynamic range of the spatial
コヒーレント光であるレーザ光を位相変調部13R、13G、13Bへ入射させる構成とすることで、位相変調部13R、13G、13Bにて良好な回折特性を得ることができる。位相変調部13R、13G、13Bを用いて光を振り分けることで、光源部11R、11G、11Bからの光を無駄にすること無く画像に適合させた照度分布の光を入射面40へ入射させることが可能となる。このため、画像全体を高コントラストで見易くするような調節を可能とし、かつ光源部からのレーザ光を有効利用することもできる。
By adopting a configuration in which laser light that is coherent light is incident on the
さらに、入射面40へ入射させる光の強度に応じて光源部11R、11G、11Bの出力を調節することにより、さらに広範なダイナミックレンジで画像を表示することができる。これにより、画像全体を高コントラストで見易くするための調節を可能とし、かつ高い光利用効率を実現することができるという効果を奏する。プロジェクタ100は、画像全体が高コントラストで見易く、かつ高い光利用効率で明るい画像を表示することができる。
Furthermore, by adjusting the output of the
従来、回折光を生じさせる素子として、微細な凹凸が形成されたフィルム状の回折光学素子が用いられている。フィルム状の回折光学素子を用いる場合と比較すると、液晶素子20を用いる位相変調部13R、13G、13Bは、電圧印加の制御によって位相変調パターンを容易に変化させることが可能であるという利点を有する。また、フィルム状の回折光学素子は、階調数が増加するほど製造が困難となる。例えば、マスクを用いた露光工程を経て回折光学素子を製造する場合、階調数が増加するほど多くのマスクが必要となる。これに対して、位相変調部13R、13G、13Bは、液晶素子20を用いることで、階調数の増加に対して比較的容易に対処可能であるという利点も得られる。
Conventionally, a film-like diffractive optical element in which fine irregularities are formed is used as an element for generating diffracted light. Compared with the case where a film-like diffractive optical element is used, the
ある単位領域41について隣接するフレーム間において光の強度の差が顕著である場合、ちらつき等として観察者に違和感を与えることがあり得る。位相変調部13R、13G、13Bによる光の強度の調節は、残像として光が積分される時間、例えば2フレーム期間において、例えば2%以内の変化とすることが望ましい。また、隣接する単位領域41同士について光の強度の差が顕著である場合も、画像の不自然さ等、観察者に違和感を与えることがあり得る。光が積分される空間範囲内においても、位相変調部13R、13G、13Bによる光の強度の調節は、例えば2%以内の変化とすることが望ましい。このように、時間的あるいは空間的に光の強度の変化を緩やかにすることで、違和感を低減し、快適な画像観察が可能となる。
When the difference in light intensity between adjacent frames in a
位相変調部13R、13G、13Bは、液晶素子20として、電界制御複屈折モードの液晶の他、散乱型液晶を用いる構成としても良い。但し、散乱型液晶を用いる場合、光の散乱により光利用効率が低下する場合があり得る。また、位相変調部13R、13G、13Bは、アナログ信号に応じて位相変調を行う構成の他、ディジタル信号に応じて位相変調を行う構成としても良い。ディジタル信号に応じた位相変調を行う構成としては、例えば、MEMS(Micro Electro Mechanical System)デバイスを用いることができる。但し、ディジタル変調の場合、階調表現が不連続となるために位相変調パターンの細かな再現ができなければ、回折角の十分な制御が困難になる。アナログ信号に応じた位相変調を行う構成は、連続的な階調表現が可能であるから位相変調パターンの細かな再現、回折角の十分な制御により正確な照度分布が得られるという利点がある。
The phase modulators 13 </ b> R, 13 </ b> G, and 13 </ b> B may be configured to use, as the
照明装置10R、10G、10Bは、画像信号に基づいて強度が調節されたレーザ光を光源部11R、11G、11Bにより供給する構成に限られない。光源部11R、11G、11Bは、略一定の強度のレーザ光を供給することとしても良い。この場合、光源部11R、11G、11Bを最大出力として画面全体へ均一に光を照射させる場合よりも高輝度な表示を行ういわゆるピーク輝度制御が可能となる。ピーク輝度制御は、従来、CRTディスプレイやプラズマディスプレイの特徴とされている。これにより、液晶型のプロジェクタ100において、さらに広範なダイナミックレンジでの画像表示が可能となる。
The
さらに、DSP(2)52は、図5にて破線矢印で示すように、外部から直接入力された制御信号に応じた調整を行うこととしても良い。DSP(2)52へ直接入力される制御信号とは、各レーザ光の強度差に応じた設定を行うためのものであって、例えば各レーザ光源12R、12G、12Bの個体差による出力のばらつきを補正するものである。光源部11R、11G、11Bは、各レーザ光源12R、12G、12Bの強度差に基づいて設定されたPWM信号に応じて制御される。位相変調部13R、13G、13Bは、各レーザ光源12R、12G、12Bの強度差に基づいて設定された位相変調信号に応じて制御される。これにより、複数のレーザ光源の出力差に応じた効果的な制御ができる。また、各色間におけるレーザ光の強度調整を行うことで、良好なホワイトバランスを得ることもできる。なお、光源部11R、11G、11B、位相変調部13R、13G、13Bのいずれか一方について、レーザ光の強度差に応じて制御することとしても良い。
Furthermore, the DSP (2) 52 may perform adjustment according to a control signal directly input from the outside, as indicated by a dashed arrow in FIG. The control signal directly input to the DSP (2) 52 is for setting according to the difference in intensity of each laser beam. For example, output variation due to individual differences among the
空間光変調装置15R、15G、15Bの入射面40に設定される単位領域41は、入射面40より小さく、かつ空間光変調装置15R、15G、15Bにおける画素の領域より大きければ良い。入射面40より小さい複数の単位領域41を設定することにより、単位領域41ごとの光の強度調節を行うことが可能となる。また、画像全体を高コントラストとするには、位相変調部13R、13G、13Bは、画素より広い領域ごとに光の強度調節を行うこととすれば十分である。画素の領域より大きい単位領域41を設定することにより、位相変調部13R、13G、13Bの構成及び駆動を簡易にできる。これにより、構成及び駆動が簡易な位相変調部13R、13G、13Bを用いて、画像に適合させた強度分布の光を空間光変調装置15R、15G、15Bへ入射させることができる。
The
なお、プロジェクタ100は、フロント投写型のプロジェクタに限られない。スクリーンの一方の面に光を供給し、スクリーンの他方の面から出射される光を観察することで画像を鑑賞する、いわゆるリアプロジェクタであっても良い。また、本発明は、液晶表示装置を用いる直視型のディスプレイに適用しても良い。
The
以上のように、本発明に係る照明装置は、画像信号に応じた光を投写するプロジェクタに用いる場合に適している。 As described above, the illumination device according to the present invention is suitable for use in a projector that projects light according to an image signal.
100 プロジェクタ、10R R光用照明装置、10G G光用照明装置、10B B光用照明装置、11R R光用光源部、11G G光用光源部、11B B光用光源部、12R、12G、12B レーザ光源、13R、13G、13B 位相変調部、14R、14G、14B フィールドレンズ、15R R光用空間光変調装置、15G G光用空間光変調装置、15B B光用空間光変調装置、16 クロスダイクロイックプリズム、16a 第1ダイクロイック膜、16b 第2ダイクロイック膜、17 投写レンズ、18 スクリーン、20 液晶素子、21 第1透明基板、22 第1透明電極、23 遮光層、24 第2透明基板、25 半導体層、26 ゲート絶縁膜、27 ゲート電極、28 絶縁膜、29 信号線、30 PSG膜、31 第2透明電極、32 液晶層、40 入射面、41 単位領域、50 ADコンバータ、51 DSP(1)、52 DSP(2)、53 DSP(3)、54 DAコンバータ、55 空間光変調駆動部、56 位相変調信号生成部、57 位相変調駆動部、58 PWM信号生成部、59 光源駆動部
100 projector, 10R R light illumination device, 10G G light illumination device, 10B B light illumination device, 11R R light source unit, 11G G light source unit, 11B B light source unit, 12R, 12G, 12B Laser light source, 13R, 13G, 13B phase modulation unit, 14R, 14G, 14B field lens, 15R R light spatial light modulation device, 15G G light spatial light modulation device, 15BB light spatial light modulation device, 16 cross dichroic Prism, 16a first dichroic film, 16b second dichroic film, 17 projection lens, 18 screen, 20 liquid crystal element, 21 first transparent substrate, 22 first transparent electrode, 23 light shielding layer, 24 second transparent substrate, 25 semiconductor layer , 26 Gate insulating film, 27 Gate electrode, 28 Insulating film, 29 Signal line, 30 PSG film, 3 DESCRIPTION OF
Claims (11)
前記光源部からの前記コヒーレント光の位相を変調して被照射面へ入射させる位相変調部と、を有し、
前記位相変調部は、位相変調パターンに応じた回折光を生じさせながら前記コヒーレント光の位相を変化させることにより、前記被照射面にて設定された単位領域ごとに強度が調節された光を、前記被照射面へ入射させることを特徴とする照明装置。 A light source for supplying coherent light;
A phase modulation unit that modulates the phase of the coherent light from the light source unit and enters the surface to be irradiated; and
The phase modulation unit changes the phase of the coherent light while generating diffracted light according to a phase modulation pattern, thereby adjusting light whose intensity is adjusted for each unit region set on the irradiated surface, An illumination device that is incident on the irradiated surface.
前記光源部及び前記位相変調部の少なくとも一方は、前記コヒーレント光の強度差に応じて制御されることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の照明装置。 The light source unit supplies a plurality of the coherent lights,
6. The illumination device according to claim 1, wherein at least one of the light source unit and the phase modulation unit is controlled according to an intensity difference of the coherent light.
前記照明装置は、前記空間光変調装置の入射面にて設定された単位領域ごとに強度が調節された光を、前記入射面へ入射させることを特徴とする請求項8に記載のプロジェクタ。 A spatial light modulator that modulates light from the illumination device according to the image signal;
The projector according to claim 8, wherein the illumination device causes light having an intensity adjusted for each unit region set on the incident surface of the spatial light modulator to be incident on the incident surface.
前記位相変調部は、前記画像信号に基づいて生成された位相変調信号に応じて制御されることを特徴とする請求項8〜10のいずれか一項に記載のプロジェクタ。 The illumination device has a phase modulation unit that modulates the phase of coherent light from the light source unit,
The projector according to claim 8, wherein the phase modulation unit is controlled according to a phase modulation signal generated based on the image signal.
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