JP2008026355A - 光源制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光源の駆動電流と出力映像を最適化し、消費電力を低減する光源制御装置を提供する。
【解決手段】それぞれ異なる色で順次発光する複数の光源１４２と、複数の光源１４２を駆動する光源駆動部１３２と、各光源に対応する色の最大輝度を入力映像信号から検出し、光源の最大輝度出力との比率を輝度係数として出力する輝度係数算出部１１１と、輝度係数を用いて入力映像信号の１フレーム内の各画素の輝度を変換した輝度変換信号を生成する出力画像変換部１２１と、輝度変換信号に基づいて空間変調素子の制御を行う空間変調素子制御部１３１と、輝度係数に基づいて複数の光源１４２の制御量を算出し光源駆動部１３２へ出力する光源制御量算出部１２２からなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光源制御装置に関し、より詳細には、表示する映像に影響を与えることなく光源の消費電力を削減する技術に関する。

発光ダイオード素子、半導体レーザー等の固体発光素子は、小型かつ軽量であり、近年の開発により発光輝度が著しく向上していることから、映像表示装置の光源に用いられている。固体発光素子を光源とした映像表示装置は、固体発光素子が時系列的に発光したＲ，Ｇ，Ｂの３原色光を整形光学系によって平行光に整形し、合成光学系で合成した後、２次元マイクロ偏向ミラーアレイに入射し、２次元マイクロ偏向ミラーアレイ等によって各色の画像信号に応じて時系列的に空間変調を施し、投影光学系によってスクリーンに映像を拡大投影する。

代表的な空間変調素子として、微小なミラー素子が並んだ半導体で、光源からの光を反射することで映像を投影するＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）や、２枚のガラス板の間に特殊な液体を封入し、電圧をかけることによって液晶分子の向きを変え、光の透過率を増減させることで映像を表示するＬＣＤ(Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ)や、シリコンのウェハー上に液晶パネルを形成し、外部から光を当てて、反射光で表示するという仕組みであるＬＣＯＳ(Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ)などがある。以降は空間変調素子に反射型を用いたものを例として説明する。

図４（ａ）に示す通り、空間変調素子が映像を作成するために、映像信号に基づいてＲ（Ｒｅｄ）光源、Ｇ（Ｇｒｅｅｎ）光源、Ｂ（ＢＬＵＥ）光源が時系列的に発光し、空間変調素子が映像信号の輝度に応じて空間変調素子内の各ミラー素子の反射時間を変化させることにより、映像を表現している。

Ｒ・Ｇ・Ｂの各光源は、照射光が所定の輝度（ここでは２５５を所定値とする。）となる電流量で一定時間点灯しており、各ミラー素子が作成した映像の各Ｒ・Ｇ・Ｂの階調はミラー素子の反射時間に各光源の輝度を乗算することにより表現される。

図４は、ミラー素子の反射時間が最長の時に階調が２５５となる場合の階調表現について示したものである。横軸は光源点灯時間を表し、黒の部分が反射している時間を意味している。例えば、反射時間を光源点灯時間の半分にした場合には最大階調２５５の半分である１２７の階調が得られる（例えば、特許文献１参照。）。

図５は、空間変調素子の最大階調の半分の階調を表現する場合（ａ）と、最大階調の３分の１の階調を表現する場合（ｂ）のミラー素子の反射時間の例を示したものである。図５に示すように、光源を高い輝度で点灯させ、ミラー素子の反射時間を制御して階調表現を調整している。
特開平１１−３２２７８号公報（第８頁、第１図）

しかしながら、前記従来の技術では、複数の単色光源がホワイトバランスの取れた高輝度で一定光量の光を所定の時間で空間変調器に入射させ、空間変調素子にて入射された光の反射時間を変え、階調を表現している。とりわけ映像の階調を高精細にするため、光源には高い輝度で発光するための電力が供給されており、映像作成で必要となる最大階調が低い場合においても光源の輝度を変更していないため、無駄な電力消費が発生しているという課題を有している。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、表示する映像に影響を与えることなく映像によって必要となる最大階調に応じて光源の輝度を変更し、光源の消費電力を削減する光源制御装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の光源制御装置は、それぞれ異なる色で順次発光する複数の光源と、前記複数の光源を駆動する光源駆動部と、入力映像信号から検出された各光源に対応する色の最大輝度と前記光源の最大輝度出力との比率を輝度係数として出力する輝度係数算出部と、前記輝度係数を用いて前記入力映像信号の１フレーム内の各画素の輝度を変換した輝度変換信号を生成する出力画像変換部と、前記輝度変換信号に基づいて空間変調素子の制御を行う空間変調素子制御部と、前記輝度係数に基づいて前記複数の光源の制御量を算出し前記光源駆動部へ出力する光源制御量算出部からなることを特徴とするものである。

さらに光源制御装置において、前記輝度係数算出部は、前記入力映像信号の１フレーム内の全ての画素の輝度を検出し、各光源の色毎に最大輝度となる画素の輝度値を最大輝度情報として出力する輝度計測部と、光源毎に前記最大輝度情報と前記光源の最大輝度出力との比率を算出し、輝度係数として出力する係数算出部で構成されることを特徴とするものである。

さらに光源制御装置において、前記複数の光源の出力特性を記憶した光源出力特性記憶部をさらに備え、前記光源制御量算出部は、前記輝度係数から各光源に必要な輝度値を求め、前記出力特性から所望の輝度値を出力するために必要な電流値を選択し、前記複数の光源の制御量として前記光源駆動部に出力することを特徴とするものである。

さらに光源制御装置において、前記光源駆動部が、ＬＥＤ光源またはレーザー光源を駆動することを特徴とするものである。

さらに光源制御装置において、前記空間変調素子制御部が、反射型もしくは透過型の空間変調素子を制御することを特徴とするものである。

さらに光源制御装置において、１つの単色光源のみを利用して、複数の光源色を実現する場合は、前記光源制御量算出部は、前記入力映像の輝度係数の中で最も小さい輝度係数を用いて前記単色光源の制御量を算出することを特徴とするものである。

以上のように、本発明の光源制御装置によれば、入力映像の輝度情報と光源の出力特性から、駆動電流の算出と出力映像の輝度変換をするようにしたので、出力映像の１フレームに要求される最大階調が低い場合には、表示する映像に影響を与えることなく光源の消費電力を削減することができる。

以下に、本発明の光源制御装置の実施の形態を図面とともに詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の実施例における光源制御装置を用いた投射型表示装置のシステム構成図を示す。図１において、１００は、本発明である光源制御装置である。１０１は、外部から本システムに入力される１フレームずつの入力映像信号である。１１２は、入力映像信号１０１の輝度値から算出する輝度係数である。１１１は、入力映像信号１０１から、構成色毎の輝度係数１１２を算出する輝度係数算出部である。１４２は、１つあるいは複数の固体発光素子からなる光源である。１２４は、入力映像信号１０１を輝度係数１１２にて輝度値を変換した輝度変換映像信号である。１２１は、入力映像信号１０１を輝度係数１１２で輝度変換して輝度変換映像信号１２４を出力する出力画像変換部である。１２３は、光源１４２の出力特性を記憶している光源出力特性記憶部である。１２５は、光源１４２の駆動に用いる光源制御量である。１２２は、輝度係数１１２と光源出力特性記憶部１２３の出力特性から、光源制御量１２５を算出する光源制御量算出部である。１４１は、入射された光の反射時間または透過率を変え、映像に変換する空間変調素子である。１３３は、空間変調素子１４１の反射時間または透過率を制御する空間変調素子制御信号である。１３１は、輝度変換映像信号１２４に従って、空間変調素子制御信号１３３を生成する空間変調素子制御部である。１３２は、光源制御量１２５に従って光源１４２を駆動する光源駆動部である。１５１は、光源１４２で照射された光を整形する整形光学レンズである。１５２は、整形光学レンズ１５１で整形された光を空間変調素子１４１で変調して作成した映像をスクリーンに投射する投射光学レンズである。１５３は、投射光学レンズ１５２にて投射された映像を表示するスクリーンである。以降、空間変調素子１４１に反射型のものを適用した例を示す。この時、反射時間を変更するのは空間変調素子１４１内の複数のミラー素子であり、入力映像信号１０１の１フレーム内の一画素に一つのミラー素子が対応するものとする。

以下に、入力映像信号から１フレームの画像を取得し、スクリーンへ投影を行う手順を示す。
なお、本実施例１において、１フレームの入力映像信号１０１は、Ｒ・Ｇ・Ｂの３色で構成され、各色２５６値の輝度を持つとし、光源１４２は表１に示す出力特性を持つこととして説明する。
ここで、入力映像はＲ・Ｇ・Ｂ以外の色と各色２５６値以外の輝度を用いてもよい。また、光源１４２は、ＬＥＤ光源またはレーザー光源を用いても良い。

表１は、光源出力特性記憶部１２３が記憶する光源１４２のＲ・Ｇ・Ｂ各光源の光源制御量（駆動電流）に対する輝度値の出力特性の例を示したものであり、この出力特性テーブルは、ホワイトバランス決定時や、各光源の輝度をセンシングすることにより予め作成される。

光源１４２は、光源制御量によって制御される。光源を制御するには主に電圧量を制御するか電流量を制御するかの方法がある。本実施例では、電流量を制御する場合について説明する。

図１において、各画素毎に輝度情報を有する１フレームの入力映像信号１０１は輝度係数算出部１１１と出力画像変換部１２１に入力される。

輝度係数算出部１１１は、図２に示すように、入力映像信号１０１より、最大輝度を計測し出力する輝度計測部２０１と輝度係数１１２を算出する係数算出部２０２とで構成される。

輝度計測部２０１は、入力映像信号１０１内の１フレームの全ての画素の輝度値情報から構成色毎の最大輝度を計測し出力する。係数算出部２０２は、輝度計測部２０１で計測された最大輝度と光源が出力できる最大表現輝度から数式１により算出し、構成色毎の輝度係数とする。
（数１）
Ｒ＿ｆ ＝ Ｃ＿ｃ ／ Ｒ＿ｎ
Ｇ＿ｆ ＝ Ｃ＿ｃ ／ Ｇ＿ｎ
Ｂ＿ｆ ＝ Ｃ＿ｃ ／ Ｂ＿ｎ

ここで、最大表現輝度はＣ＿ｃ（各光源で同じとする。）、Ｒ光源の最大輝度をＲ＿ｎ、Ｇ光源の最大輝度をＧ＿ｎ、Ｂ光源の最大輝度をＢ＿ｎ、Ｒの輝度係数１１２をＲ＿ｆ、Ｇの輝度係数１１２をＧ＿ｆ、Ｂの輝度係数１１２をＢ＿ｆとする。

次に、輝度係数１１２から輝度変換映像信号１２４を作成する方法について説明する。
従来技術において記載した通り、空間変調素子１４１の各ミラー素子は、入射された光の反射時間を変えることにより、映像の階調を表現するものである。空間変調素子１４１の各ミラー素子において光の反射時間を長くすれば、映像の輝度が高くなり、光の反射時間を短くすれば、映像の輝度が低くなる。

そこで、出力画像変換部１２１は、入力映像信号１０１の構成色毎の最大輝度となる画素に対応する空間変調素子１４１のミラー素子の反射時間を最大とした場合に、入力映像信号１０１の各画素の輝度を輝度係数算出部１１１にて算出された輝度係数１１２を用いて数式２にて輝度値を変換し、輝度変換映像信号１２４として出力する。
（数２）
Ｒ＿ｏ ＝ Ｒ＿ｉ × Ｒ＿ｆ
Ｇ＿ｏ ＝ Ｇ＿ｉ × Ｇ＿ｆ
Ｂ＿ｏ ＝ Ｂ＿ｉ × Ｂ＿ｆ

ここで、入力映像信号１０１のＲ光源の輝度をＲ＿ｉ、Ｇ光源の輝度をＧ＿ｉ、Ｂ光源の輝度をＢ＿ｉ、輝度変換映像信号１２４のＲ光源の輝度をＲ＿ｏ、Ｇ光源の輝度をＧ＿ｏ、Ｂ光源の輝度をＢ＿ｏとする。

空間変調素子制御部１３１は、出力画像変換部１２１から出力された輝度変換映像信号１２４に従い、数式３によって空間変調素子１４１の各ミラー素子の反射時間を決定し、空間変調素子制御信号１３３として出力する。空間変調素子１４１は、空間変調素子制御信号１３３の大きさに応じて各ミラー素子の反射時間を制御する。
（数３）
（解像度変換映像信号１２４）× Ｔ ／ Ｃ＿ｃ

ここで、Ｔは各光源が点灯する最長時間を表す。
例えば、入力映像信号１０１を１秒間に６０フレーム、Ｒ・Ｇ・Ｂの発光比率を１：１：１とすると、反射型の空間変調素子の場合、最大反射時間は約５．５ミリ秒となる。最大階調を表現する場合、５．５ミリ秒の間反射させ、中間階調を表現する場合、２．２５ミリ秒の間反射させる。

次に、輝度係数１１２から光源制御量を算出する方法について説明する。
光源制御量算出部１２２は、輝度係数算出部１１１にて算出された輝度係数１１２から各光源の輝度値を数式４にて算出し、それぞれの輝度値に対応する光源制御量１２５を出力特性テーブルより求める。
（数４）
Ｒ＿ｃ ＝ Ｃ＿ｃ ／ Ｒ＿ｆ
Ｇ＿ｃ ＝ Ｃ＿ｃ ／ Ｇ＿ｆ
Ｂ＿ｃ ＝ Ｃ＿ｃ ／ Ｂ＿ｆ

ここで、Ｒ＿ｃはＲ光源の輝度値、Ｇ＿ｃはＧ光源の輝度値、Ｂ＿ｃはＢ光源の輝度値である。

光源駆動部１３２は、光源制御量算出部１２２にて算出された構成色毎の光源制御量１２５にて光源１４２を駆動する。

図３は従来の図５に対応した本発明の輝度と空間変調素子１４１のミラー素子の反射時間を示したものである。１フレームの最大階調が図５（ａ）の場合には図３（ａ）のように光源の輝度値を小さくし、ミラー素子の反射時間を最長にする。そして同じフレーム内で必要とされる階調が最大階調の３分の１である場合には、図３（ｂ）に示すように図３（ａ）と同じ輝度で、ミラー素子の反射時間を短く調整している。このように本発明では、光源の点灯時間は従来技術と同じであるが、光源の輝度を低くして同じ階調を得ている。従って、光源の駆動電流を小さくすることができ、消費電力の低下を実現できる。

以上のように本実施例１においては、入力される１フレームの画像情報からフレーム内の最大輝度を検出し、空間変調素子内のミラー素子の最大反射時間を最大輝度にあわせることにより、光源からの輝度を小さくしても従来と同様の階調を得られるようにしたため、出力映像の品質を落とすことなく光源の駆動電流を小さくでき、消費電力の低下に寄与するものである。

なお、光源１４２に単色光源を用いて、複数の光源色を実現する場合は、特定の波長を透過・反射させ複数の単色光に分解するダイクロイックプリズムや特定の波長のみ透過させ単色光に変換するカラーフィルター等があり、それらは構成色毎に光源制御量１２５を変化させると他の構成色に影響がでる。そのため、１つの輝度係数１１２で、光源１４２を制御する必要があり、入力映像情報１０１の中で、最も多くの最大輝度が必要な色の輝度係数１１２を共通に用いる必要がある。

なお、本実施例においては空間変調素子に反射型のものを用いた場合について説明したが、ＬＣＤのように透過率及び時間を用いた場合についても同様に実施可能である。
また、本実施例１の光源をＬＥＤ光源にした場合、ＬＥＤ光源は半導体を用いているため寿命が長くなる効果がある。

本発明にかかる光源制御装置は、表示する映像に影響を与えることもなく光源の消費電力を削減する画像表示装置等として有用である。

本発明の実施例１における光源制御装置１００を用いた投射型表示装置のシステム構成図 本発明の実施例１における輝度係数算出部１１１のシステム構成図 本発明の実施例１における階調表現を示す図 従来の技術における光源点灯、空間変調素子、階調の関係を示す図 従来の技術における階調表現を示す図

符号の説明

１００ 光源制御装置
１０１ 入力映像信号
１１１ 輝度係数算出部
１１２ 輝度係数
１２１ 出力画像変換部
１２２ 光源制御量算出部
１２３ 光源出力特性記憶部
１２４ 輝度変換映像信号
１２５ 光源制御量
１３１ 空間変調素子制御部
１３２ 光源駆動部
１３３ 空間変調素子制御信号
１４１ 空間変調素子
１４２ 光源
１５１ 整形光学レンズ
１５２ 投影光学レンズ
１５３ スクリーン
２０１ 輝度計測部
２０２ 係数算出部

Claims (6)

1. それぞれ異なる色で順次発光する複数の光源と、
   前記複数の光源を駆動する光源駆動部と、
   入力映像信号から検出された各光源に対応する色の最大輝度と前記光源の最大輝度出力との比率を輝度係数として出力する輝度係数算出部と、
   前記輝度係数を用いて前記入力映像信号の１フレーム内の各画素の輝度を変換した輝度変換信号を生成する出力画像変換部と、
   前記輝度変換信号に基づいて空間変調素子の制御を行う空間変調素子制御部と、
   前記輝度係数に基づいて前記複数の光源の制御量を算出し前記光源駆動部へ出力する光源制御量算出部からなる、
   ことを特徴とする光源制御装置。
2. 前記輝度係数算出部は、前記入力映像信号の１フレーム内の全ての画素の輝度を検出し、各光源の色毎に最大輝度となる画素の輝度値を最大輝度情報として出力する輝度計測部と、
   光源毎に前記最大輝度情報と前記光源の最大輝度出力との比率を算出し、輝度係数として出力する係数算出部で構成される、
   ことを特徴とする請求項１に記載の光源制御装置。
3. 前記複数の光源の出力特性を記憶した光源出力特性記憶部をさらに備え、
   前記光源制御量算出部は、前記輝度係数から各光源に必要な輝度値を求め、前記出力特性から所望の輝度値を出力するために必要な電流値を選択し、前記複数の光源の制御量として前記光源駆動部に出力する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の光源制御装置。
4. 前記光源駆動部が、ＬＥＤ光源またはレーザー光源を駆動することを特徴とする請求項１に記載の光源制御装置。
5. 前記空間変調素子制御部が、反射型もしくは透過型の空間変調素子を制御することを特徴とする請求項１に記載の光源制御装置。
6. １つの単色光源のみを利用して、複数の光源色を実現する場合は、前記光源制御量算出部は、前記入力映像の輝度係数の中で最も小さい輝度係数を用いて前記単色光源の制御量を算出する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の光源制御装置。
   
   

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