JP2015194662A - 画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】分光的色再現を有する画像表示装置を提供する。【解決手段】画像表示装置１は、アクティブ分光照明２と、複数の可動式微小ミラーを備え、前記アクティブ分光照明からの光を反射するデジタルミラーデバイス３と、を有する画像表示装置であって、前記アクティブ分光照明２は、中心波長及び標準偏差の異なる正規分布からなる複数の光を時間分割により放出する。またこの場合において、前記デジタルミラーデバイス３によって反射された光を投影するスクリーン４と、を備えることが好ましい。【選択図】図１

Description

本発明は、画像表示装置に関する。具体的には、光源からの光をスクリーンや壁面等に投影して画像を表示させるための画像表示装置に関し、より具体的にはプロジェクタ装置

光源からの光をスクリーンや壁面などに投影して画像を表示させるいわゆるプロジェクタは、小さな表示用の素子に形成した画像を光学部材により拡大して表示することが可能であるため、装置を小型化することができるといった利点がある。

一方、画像として表現される色の分光分布が実シーンに近いほど、臨場感溢れた高画質となる。一般のプロジェクタは測色的色再現のため、表示装置の分光的色再現は高画質化において非常に重要な課題である。

上記プロジェクタの分光的色再現に関する公知の技術としては、例えば下記非特許文献１、２がある。

"Ｈｙｐｅｒｓｐｅｃｔｒａｌ ｉｍａｇｅ ｐｒｏｊｅｃｔｏｒ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ"，Ｅｍｅｒｇｉｎｇ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ Ｂａｓｅｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ＩＶ，Ｐｒｏｃ．ｏｆ ＳＰＩＥ Ｖｏｌ．８２５４，２０１２ 「マルチバンドプロジェクタを用いた多重画像投影」第１６回画像の認識・理解シンポジウム，２０１３

しかしながら、上記非特許文献１に記載の技術では、光源としてどのような分光分布を設計するかといった検討はなされていない。

また、上記非特許文献２に記載の技術では、複数台のプロジェクタを用いているために、幾何学的な補正が必要となり、画素単位の厳密なプロジェクションは困難であるといった課題がある。また、通常のプロジェクタ光源を異なる特定をもつフィルタによって分離しているため、透過特性が広帯域にわたっており、精度が劣ってしまうといった課題がある。

そこで本発明は、上記課題に鑑み、簡便に分光的色再現を実現する画像表示装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の一観点に係る画像表示装置は、アクティブ分光照明と、複数の可動式微小ミラーを備え、アクティブ分光照明からの光を反射するデジタルミラーデバイスと、を有する画像表示装置であって、アクティブ分光照明は、中心波長及び標準偏差の異なる正規分布からなる複数の光を時間分割により放出することを特徴とする。

また、本観点において、限定されるわけではないが、デジタルミラーデバイスによって反射された光を投影するスクリーンと、を備えることが好ましい。

また、本観点において、限定されるわけではないが、アクティブ分光照明の発光とデジタルミラーデバイスの動作を同期させる制御装置と、を備えることが好ましい。

また、本観点において、限定されるわけではないが、アクティブ分光照明が放出する複数の光の中心波長は、４４８ｎｍ±５ｎｍ、５３５ｎｍ±５ｎｍ、５９５ｎｍ±５ｎｍ、及び６８４ｎｍ±５ｎｍとなっていることが好ましい。

また、本観点において、限定されるわけではないが、アクティブ分光照明が放出する複数の光は、中心波長４４８ｎｍ±５ｎｍかつ標準偏差５０ｎｍ±５ｎｍ、５３５ｎｍ±５ｎｍかつ標準偏差３３ｎｍ±５ｎｍ、５９５ｎｍ±５ｎｍかつ標準偏差３３ｎｍ±５ｎｍ、及び６８４ｎｍ±５ｎｍかつ標準偏差５７ｎｍ±５ｎｍとなっていることが好ましい。

また、本観点において、限定されるわけではないが、アクティブ分光照明が放出する複数の光の中心波長は、４２０ｎｍ±５ｎｍ、４８０ｎｍ±５ｎｍ、５３５ｎｍ±５ｎｍ、５９０ｎｍ±５ｎｍ、６３０ｎｍ±５ｎｍ、及び６９０ｎｍ±５ｎｍとなっていることが好ましい。

また、本観点において、限定されるわけではないが、アクティブ分光照明が放出する複数の光は、中心波長４２０ｎｍ±５ｎｍかつ標準偏差３０ｎｍ±５ｎｍ、４８０ｎｍ±５ｎｍかつ標準偏差３０ｎｍ±５ｎｍ、５３５ｎｍ±５ｎｍかつ標準偏差３０ｎｍ±５ｎｍ、５９０ｎｍ±５ｎｍかつ標準偏差３０ｎｍ±５ｎｍ、６３０ｎｍ±５ｎｍかつ標準偏差２５ｎｍ±５ｎｍ、及び６９０ｎｍ±５ｎｍかつ標準偏差４０ｎｍ±５ｎｍとなっていることが好ましい。

以上、本発明によって、簡便で分光的色再現を有する画像表示装置を提供することができる。

実施形態に係る画像表示装置の概略を示す図である。 実施例において構築したシステムの写真図である。 実施例において用いた４種類の基底関数を示す図である。 実施例においてスクリーンに投影されたＣｏｌｏｒＣｈｅｃｋｅｒを示す図である。 実施例においてスクリーンに投影された色を分光放射輝度計によって計測した結果を示す図である。 正解の分光分布を示す図である。 実施例において求めた６種類の基底関数を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は多くの異なる形態による実施が可能であり、以下に示す実施形態、実施例の例示にのみ限定して解釈されるものではない。

図１は、本実施形態に係る画像表示装置（以下「本装置」という。）１の概略図である。本図で示すように、本装置１は、アクティブ分光照明２と、複数の可動式微小ミラーを備え、アクティブ分光照明２からの光を反射するデジタルミラーデバイス３と、デジタルミラーデバイス３によって反射された光を投影するスクリーン４と、アクティブ分光照明２とデジタルミラーデバイス３に接続され、これらを制御する制御装置５と、を備えて構成されている。

本実施形態において、アクティブ分光照明２は、スクリーン４に投影される光を発するものであって、更に、所定の期間毎に様々な波長領域の光を発することができる装置である。本装置１は、アクティブ分光照明２を用いることで所望の波長領域の光を所定の期間毎に順番に出力させていくことが可能となるため、観測者はこの色領域の光を時間分割して短時間に複数見ることによって脳内で合成し一つのカラー画像として認識するができる。

また本実施形態においてアクティブ分光照明２が発する光は、中心波長及び標準偏差の異なる正規分布（基底関数）からなる複数の光を時間分割により放出するものである。本装置では、鋭いピークを有する波長の光ではなく、あえて広い分布を有する光を採用し、これをデジタルミラーデバイスに照射し、ミラーデバイスを操作することで画素毎に任意の分光分布を有する光のプロジェクションが可能となる。

本実施形態において、「複数の光を時間分解により放出する」とは、上記の記載からも明らかなように、複数の光を時間を異ならせて順次放出することをいう。またここで複数の光それぞれは、互いに中心波長及び標準偏差の異なる正規分布からなるものであり、更には、ピーク波長も異ならせたものであることがより高精度な装置を実現する観点から好ましい。

アクティブ分光照明２の構造としては、公知のものを採用することができ、構成については特段限定されるものではないが、例えば、光源と、この光源が発する光を分光する分光部材と、分光部材によって分光された光のうち所望の波長領域の光を取り出す光取出部材と、を備えていることが好ましい。なお光源としては、上記取り出す光の波長範囲をすべて含んでいる光源であることが好ましく、光源としては限定されるわけではないが例えばキセノンランプ、タングステンハロゲンランプ等を例示することができる。また、分光部材としては、分光させることができる限りにおいて限定されるわけではないが、例えば回折格子、プリズム等を用いることができる。また、光取出部材も、分光された光を所望の方向に取り出すことができるものである限りにおいて限定されないが、例えばデジタルミラーデバイスを備えていることが好ましい。

また本実施形態において、アクティブ分光照明２が発する光は、正規分布である限りにおいて限定されるわけではなく、鋭いピークの波長を一定期間内で時系列的に連続にピーク強度を変えながら変化させて放出し、その一定の期間内での分光分布が結果的に正規分布となるように光を発する構成としてもよく、また、ある瞬間におけるアクティブ分光照明２から発せられる光そのものの分布が広く正規分布を示しているものであってもよい。

本実施形態において、アクティブ分光照明２が発する光の時間間隔としては、上記のとおり、複数の単色画像を観測者が一つのカラー画像として認識することができる程度に短い時間であることが好ましく、限定されるわけではないが、一つの波長範囲の光を発する時間としては３ｍｓ以上３０ｍｓ以下、より好ましくは１６ｍｓ以下であり、複数の波長範囲の光を発する繰り返しの時間としては、２０ｍｓ以上１００ｍｓ以下、より好ましくは２５ｍｓ以上５０ｍｓ以下の範囲内である。

アクティブ分光照明２が時間分解により発する光の数としては限定されるわけではないが、少なくとも３以上であり、好ましくは４以上、さらに好ましくは６以上である。

また本実施形態において、限定されるわけではないが、アクティブ分光照明が放出する複数の光が４である場合、中心波長４４８ｎｍ±５ｎｍかつ標準偏差５０ｎｍ±５ｎｍ、５３５ｎｍ±５ｎｍかつ標準偏差３３ｎｍ±５ｎｍ、５９５ｎｍ±５ｎｍかつ標準偏差３３ｎｍ±５ｎｍ、及び６８４ｎｍ±５ｎｍかつ標準偏差５７ｎｍ±５ｎｍとなっていることが好ましい。これは１２０ｆｐｓ程度のレートにおいてＸ−Ｒｉｔｅ ＣｏｌｏｒＣｈｅｃｋｅｒの２４色の分光反射率に対してガウス関数の位置及び分散を最適化することによって得られる結果であり、この範囲の光を採用することで十分に高い精度の光を得ることができる。

また本実施形態において、限定されるわけではないが、アクティブ分光照明が放出する複数の光の数が６である場合、中心波長４２０ｎｍ±５ｎｍかつ標準偏差３０ｎｍ±５ｎｍ、４８０ｎｍ±５ｎｍかつ標準偏差３０ｎｍ±５ｎｍ、５３５ｎｍ±５ｎｍかつ標準偏差３０ｎｍ±５ｎｍ、５９０ｎｍ±５ｎｍかつ標準偏差３０ｎｍ±５ｎｍ、６３０ｎｍ±５ｎｍかつ標準偏差２５ｎｍ±５ｎｍ、及び６９０ｎｍ±５ｎｍかつ標準偏差４０ｎｍ±５ｎｍとなっていることが好ましい。これはＸ−Ｒｉｔｅ ＣｏｌｏｒＣｈｅｃｋｅｒの２４色の分光反射率に対してガウス関数の位置及び分散を最適化することによって得られる結果であり、この範囲の光を採用することで十分に高い精度の光を得ることができる。これはＸ−Ｒｉｔｅ ＣｏｌｏｒＣｈｅｃｋｅｒの２４色の分光反射率に対してガウス関数の位置及び分散を最適化することによって得られる結果であり、この範囲の光を採用することで十分に高い精度の光を得ることができる。

なお本実施形態において、複数の光の形状（基底関数）は、実物体の照明光や反射率から主成分分析等の直交関数として導出することができる。ただし、一般的な主成分分析等の直交関数として導出される基底および係数は、通常負値を有するため、そのまま投影することができない。そこで、本実施形態では、基底関数にガウス関数を用いることで基底と係数を非負とし、複数の光の数、中心波長、標準偏差、ピーク強度等を最適化することで、高精度な画像表示装置を実現することができる。

また本実施形態に係るデジタルミラーデバイス３は、上記のとおり、複数の可動式微小ミラーを備え、アクティブ分光照明２からの光を所望の方向に反射することができるものである。より具体的には、導体基板上に形成された集積回路上に微小なミラーをマトリクス状に複数配置し、各ミラーを可動的に動かすことで入射された光をミラーの領域に対応した複数の領域に分割し、そのそれぞれの反射方向を制御することで、表示される画像の各画素における光強度、分光分布を調製することができ、これを光ごとに異ならせることで分光分布を線形に結合し、任意の分光分布を有する光を生成することができる。なおデジタルミラーデバイスとしては、一般に市販されているものを使用することができる。

また、本実施形態において、スクリーン４は、デジタルミラーデバイス３によって反射された光が投影されるものであって、この投影された光が画像として表示されることになる。スクリーン４としては、一般に市販されているものを用いることができ、特に限定はされない。

なお本実施形態においてスクリーン４は、投影する対象としての一例であり、光を投影して観測者が画像として認識することができる限り限定されず、例えば建物の壁面等であっても差し支えない。

また、本実施形態では、制御装置５を備えている。制御装置５は、上記アクティブ分光照明２、デジタルミラーデバイス３に電気的に接続されており、アクティブ分光照明２が光を発するタイミングと、デジタルミラーデバイス３がスクリーン４に画像を表示させるために行うミラー駆動のタイミングを同期させる機能を有するものである。このようにすることで、アクティブ分光照明の発光毎に一つの画像を形成することができ、これを短時間で順番に表示させることで観測者にカラー画像として認識させることができるようになる。

なお、本実施形態において制御装置５は、アクティブ分光照明２、デジタルミラーデバイス３と別の構成として説明しているが、アクティブ分光照明２、デジタルミラーデバイス３と特段別の構成として設ける必要は必ずしもなく、制御装置５と同様の機能を有する回路を備えた構成としておいてもよい。この場合、例えば、デジタルミラーデバイス３が表示させる画像情報を書き換えた際、その信号を発する回路を備え、アクティブ分光照明２がこの信号を受信し当該画像情報に対応する光の波長を発するよう同期をとる回路を備えることとしてもよい。

また、本実施形態では、デジタルミラーデバイス３及び制御装置５に画像データを出力する情報処理装置６を備えていることも好ましい。デジタルミラーデバイス３は、情報処理装置６が出力した画像データに基づき、順次画像を形成するよう各微小ミラーの角度を調整する。なお、画像データは、本装置外部から受信した画像データであってもよいが、情報処理装置６によって別途本装置１のアクティブ分光照明に対応するよう各色領域の光用に最適化された画像データであることが好ましい。また画像データは、全画素におけるカラー情報及び強度情報を備えたものであってもよいが、前フレームに表示された画像データとの差分のみのデータであってもよい。

以上、これら装置の組み合わせによって、分公的な色再現を有する画像表示装置を提供することができる。

次に、本装置１を用いた画像表示方法について説明する。まず、表示に先立ち、アクティブ分光照明２に対し、発する光の数、その光の分布（正規分布）の中心位置、標準偏差、ピーク強度、その発光時間等の各種パラメータを設定する。ここで発光時間の設定に関しては、フレーム期間を設定すること、より好ましくはフレーム期間及びサブフレーム期間を設定することが好ましい。ここで「フレーム期間」とは、設定された複数の色領域全体の発光を繰り返す時間をいい、「サブフレーム間隔」とは、フレーム期間内において、設定された各色領域の発光を行う時間をいう。具体的には、発する色領域の数を６とし、各色領域の光を３ｍｓずつ発光させ、１ｍｓインターバルを置いた後、この６つの色領域の光を繰り返し発光させていく場合、サブフレーム期間は４ｍｓ（３ｍｓ＋１ｍｓ）、フレーム期間は２４ｍｓ（４ｍｓ×６）ということになる。

一方、制御装置５は、まず、１フレーム期間の開始を意味するフレームトリガー信号をアクティブ分光照明２及びデジタルミラーデバイス３の少なくとも一方に出力する。アクティブ分光照明２は、このフレームトリガー信号を受信した後、予め設定された内容に従い、複数の光を順次発光させ、発光が終了したら次のフレームトリガー信号が入力されるまで待機する。なお、サブフレーム期間を設定する場合、制御装置５はフレームトリガー信号の後、アクティブ分光照明２に順次サブフレームトリガー信号も出力し、アクティブ分光照明２はこのサブフレームトリガー信号を受信した後、予め設定された次の光を発し、次のサブフレームトリガー信号又はフレームトリガー信号が出力されてくるまで待機する。

また、デジタルミラーデバイス３も、制御装置５からフレームトリガー信号を受信した後、情報処理装置から予め又は順次受け取った画像データに基づき複数の微小ミラーを駆動し、当該画像データに対応した状態に角度を調整する。なお、アクティブ分光照明２では、１フレーム内に複数の光を発しこれら光を合成して一つのカラー画像とする必要から、これらの光領域毎に微小ミラーの状態を変更させる必要があるため、上記設定したサブフレーム期間毎に画像データに基づき微小ミラーの回転角度を変化させる。なお、この場合においても、上記と同様、サブフレーム期間を設けている場合、制御装置５がデジタルミラーデバイス３にサブフレームトリガー信号を出力し、そのサブフレームトリガー信号を受信した後、微小ミラーの回転を変化させ次のサブフレームトリガー信号を受信するまで待機するようにしてもよい。

そして、上記動作をフレームごとに繰り返していくことで、観測者はフレーム毎にカラー画像として認識することができる。

なお、ここの例では制御装置５が積極的にフレームトリガー信号、サブフレームトリガー信号を発する構成としているが、制御装置５を別の構成として設けずにデジタルミラーデバイス３又はアクティブ分光照明２の回路として構成する場合は、例えば、デジタルミラーデバイス３がサブフレーム期間毎に画像データに基づき微小ミラーの回転角度の変化処理の完了後次の画像データに基づき微小ミラーの回転角度の変化処理を開始する前にトリガー信号を発し、このトリガー信号をアクティブ分光照明２が受信した場合、アクティブ分光照明２が特定の波長領域の光を発するようにし、この処理をサブフレーム期間毎に繰り返す構成としてもよい。このようにすることで、制御装置５を特別に設けることなく簡便な構成で実現できる。

以上、本実施形態により、分光的な色再現を有する画像表示装置を提供することができる。

ここで、本装置について、実際に試作を行いその効果を確認した。以下具体的に説明する。まず、アクティブ分光照明として、Ｇｏｏｃｈ ａｎｄ Ｈｏｕｓｅｇｏ社製の波長可変光源ＯＬ４９０を採用した。また、デジタルミラーデバイスは、テキサス・インスツルメンツ社製のＤＬＰ Ｌｉｇｈｔ Ｃｒａｆｔｅｒ（登録商標）（ＤＬＰプロジェクタ）に内蔵されているデジタルミラーデバイスを採用することとし、このＤＬＰに上記アクティブ分光照明からの光が入射されるようにした。なお、ＤＬＰプロジェクタには上記デジタルミラーデバイスを駆動するためのシステムが内蔵されており、画像データを入力することで、タイミングに合わせて微小ミラーを駆動させることができる。この構築したシステムの図を図２に示しておく。

（実施例１）
まず、本実施例では、４種類のガウス関数を基底関数としたシステムとした。４種類としたのは、実験に用いたＤＬＰプロジェクタの動作が１２０ｆｐｓであることから、１枚あたりのフレームレートを３０ｆｐｓで動作させるためである。本実施例で用いた基底関数を図３に示しておく。これらの基底関数は、Ｘ−Ｒｉｔｅ ＣｏｌｏｒＣｈｅｃｋｅｒの２４色の分光反射率に対して、ガウス関数の位置及び分散を最適化することによって導出したものである。最適化は、係数も非負となるように行った。最適化されたそれぞれのガウス関数の中心位置μと標準偏差σを下記表１に示しておく。

上記に基づき、アクティブ分光照明及びデジタルミラーデバイスを同期させ、Ｘ−Ｒｉｔｅ ＣｏｌｏｒＣｈｅｃｋｅｒの２０色（Ｎｏ．１−１９、２４）の分光反射率となるように各規定の係数を算出して投影した結果を図４に示す。また、スクリーンの色を分光放射輝度計（ＰｈｏｔｏＲｅｓｅａｒｃｈ ＰＲ−６５５）によって計測した結果を図５に、正解の分光反射率と合わせて図６に示す。また、これらのＲＭＳＥ及び色差の平均と最大の値を下記表２に示しておく。

この結果、本実施例では高い精度で所望の分光分布を有する光を照射できており、本発明の有効性を確認することができた。

（実施例２）
上記と同様の解析を行い、６種類のガウス関数を基底関数としたシミュレーションを行った。導出された基底関数を図７に示しておく。またこの最適化されたそれぞれのガウス関数の中心位置μ及び標準偏差σを下記表３に示しておく。また、Ｘ−Ｒｉｔｅ ＣｏｌｏｒＣｈｅｃｋｅｒの２０色に対するＲＭＳＥ及び色差の平均と最大値を下記表４に示しておく。この結果、本実施例でも高い精度で所望の分光分布を有する光を照射でき、本発明の有効性を確認することができる。

本発明は、画像表示装置として産業上の利用可能性がある。

Claims (7)

1. アクティブ分光照明と、
   複数の可動式微小ミラーを備え、前記アクティブ分光照明からの光を反射するデジタルミラーデバイスと、を有する画像表示装置であって、
   前記アクティブ分光照明は、中心波長及び標準偏差の異なる正規分布からなる複数の光を時間分割により放出する画像表示装置。
2. 前記デジタルミラーデバイスによって反射された光を投影するスクリーンと、を備える
   請求項１記載の画像表示装置。
3. 前記アクティブ分光照明の発光と前記デジタルミラーデバイスの動作を同期させる制御装置と、を備える請求項１記載の画像表示装置。
4. 前記アクティブ分光照明が放出する複数の光の中心波長は、４４８ｎｍ±５ｎｍ、５３５ｎｍ±５ｎｍ、５９５ｎｍ±５ｎｍ、及び６８４ｎｍ±５ｎｍとなっている請求項１記載の画像表示装置。
5. 前記アクティブ分光照明が放出する複数の光は、中心波長４４８ｎｍ±５ｎｍかつ標準偏差５０ｎｍ±５ｎｍ、５３５ｎｍ±５ｎｍかつ標準偏差３３ｎｍ±５ｎｍ、５９５ｎｍ±５ｎｍかつ標準偏差３３ｎｍ±５ｎｍ、及び６８４ｎｍ±５ｎｍかつ標準偏差５７ｎｍ±５ｎｍとなっている請求項１記載の画像表示装置。
6. 前記アクティブ分光照明が放出する複数の光の中心波長は、４２０ｎｍ±５ｎｍ、４８０ｎｍ±５ｎｍ、５３５ｎｍ±５ｎｍ、５９０ｎｍ±５ｎｍ、６３０ｎｍ±５ｎｍ、及び６９０ｎｍ±５ｎｍとなっている請求項１記載の画像表示装置。
7. 前記アクティブ分光照明が放出する複数の光は、中心波長４２０ｎｍ±５ｎｍかつ標準偏差３０ｎｍ±５ｎｍ、４８０ｎｍ±５ｎｍかつ標準偏差３０ｎｍ±５ｎｍ、５３５ｎｍ±５ｎｍかつ標準偏差３０ｎｍ±５ｎｍ、５９０ｎｍ±５ｎｍかつ標準偏差３０ｎｍ±５ｎｍ、６３０ｎｍ±５ｎｍかつ標準偏差２５ｎｍ±５ｎｍ、及び６９０ｎｍ±５ｎｍかつ標準偏差４０ｎｍ±５ｎｍとなっている請求項１記載の画像表示装置。