JP2018021992A - 直視型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】局所的な明暗の差が大きい画像を広色域で再現する直視型表示装置を提供すること。【解決手段】直視型表示装置１は、レーザー光源を有するプロジェクタ２０と、プロジェクタ２０のカラーの光出力をバックライトとして用いるモノクロ液晶パネル１０と、入力映像信号をプロジェクタ用の色信号に変調すると共に、モノクロ液晶パネル用の輝度信号に変調する信号処理部５０と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、直視型表示装置に関するものである。

従来、本願発明者らは、スーパーハイビジョン（ＳＨＶ）用広ダイナミックレンジプロジェクタを開発してきた（非特許文献１参照）。また、国際標準規格ＩＴＵ−Ｒ勧告ＢＴ．２０２０（以下、単に規格又はＢＴ．２０２０という）では８Ｋスーパーハイビジョンの広色域が規定されている。しかし、高解像度で、高いダイナミックレンジ（High Dynamic Range：以下、ＨＤＲともいう）の映像を表示し、且つ、上記規格に規定される広色域を再現するような直視型表示装置は存在しないのが現状である。

例えば通常の液晶素子を用いた直視型表示装置やプロジェクタでは、バックライトの光を液晶素子が完全に遮断することができないため、いわゆる、黒浮きのような現象が生じ、ＨＤＲの映像を表示することができない。つまり、バックライトの光を明るくすれば、液晶デバイス（liquid crystal device：以下、ＬＣＤ又は液晶パネルという）は、白のレベルが上がって明るく表示できるが、それにつられて黒い部分もレベルが上がってしまい（黒浮き）、比率が変わらなくなってしまう。

そのため、ＬＣＤを用いた直視型のＨＤＲディスプレイでは、ローカルディミング（局所的な調光）という手法が用いられる。図６に模式的に示す従来の直視型表示装置１００は、例えば液晶パネル１１０に、多数のＲＧＢのカラーフィルタ１１１を備え、この液晶パネル１１０のバックライト１２０として、複数の領域をそれぞれ照射する発光ダイオード（light emitting diode：以下、ＬＥＤという）１２１からなるＬＥＤアレイを用いることが多い。

ローカルディミングには、直下方式のバックライトとしてＬＥＤアレイを用いることでバックライト１２０自体に局所的な明暗を付け、それを液晶パネル１１０で再変調することによってダイナミックレンジを増す技術が用いられる。ＬＥＤを用いたローカルディミングによると、バックライトが一様に光るのではなく、領域毎にＬＥＤ１２１が強く光ったり、弱く光ったり、という動きを繰り返すことによって黒のレベルを下げることができる。例えば、液晶パネル１１０のダイナミックレンジがＭ：１であり、且つ、ＬＥＤアレイを用いるバックライト１２０のダイナミックレンジがＮ：１であれば、ローカルディミングを持つ表示装置のダイナミックレンジはＭ×Ｎ：１に拡大することができる。例えば、明るい方を１、Ｍ＝０．０１、Ｎ＝０．０１とするならば、１０^-4：１のダイナミックレンジで表示装置に映像を表示させることができる。

日下部裕一、他：「スーパーハイビジョン用二重変調方式広ダイナミックレンジプロジェクタ」、映像情報メディア学会誌、2011年、第65巻、第7号、p. 1045−1056

しかしながら、従来のＬＣＤを用いた直視型のＨＤＲディスプレイでは、ＬＥＤアレイを構成するＬＥＤの個数は、液晶パネルの画素数に比べて圧倒的に少ない。例えばＨＤＴＶ（High Definition TeleVision）の場合、液晶パネルの画素数は約２００万画素（１９２０×１０８０画素）あるのに対して、ＬＥＤの個数は数千程度である。そのため、非常に解像度が高く高周波成分を含む画像で、画素の明暗が局所的に大きく変化するような画像（例えば金属の鏡面反射やダイヤモンドダストの映像等）では、バックライトを十分に細かな領域毎に制御することができず、局所的なコントラストが下がってしまう。つまり、ＬＥＤアレイを用いるローカルディミングでは、十分な画質の映像を表示することができないという問題がある。

ＬＣＤを用いた直視型のＨＤＲディスプレイにおいて、ＬＥＤアレイを用いて十分な画質の映像を表示するためには、ＬＣＤの背面にＬＥＤを非常に細かく敷き詰める必要がある。しかしながら、現実的にはＬＣＤの背面にそのように精緻に敷き詰めるほどＬＥＤを小さく製作することは出来ず、また出来たとしても発熱量の問題があるため、この方法は現実的な解決方法とは言えない。

加えて、ＬＥＤのバックライトでは、そもそも上記規格を満たすような広色域を実現することができない。さらに、広色域を実現するためにレーザーを直下方式のバックライトとしてそのまま用いると、ローカルディミングを実現することができない。

本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、局所的な明暗の差が大きい画像を広色域で再現する直視型表示装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明に係る直視型表示装置は、レーザー光源を有するプロジェクタと、前記プロジェクタのカラーの光出力をバックライトとして用いるモノクロ液晶パネルと、入力映像信号を前記プロジェクタ用の色信号に変調すると共に、前記モノクロ液晶パネル用の輝度信号に変調する信号処理部と、を備える構成とする。

かかる構成によれば、直視型表示装置では、モノクロ液晶パネルに光を投影するバックライトとしてプロジェクタのカラーの光出力を用いるので、バックライト自体に局所的な明暗の変化をつけることができる。加えて、プロジェクタ用の信号と液晶パネル用の信号とによって、レーザー光源からの光を二重変調することで、画素ごとの精緻なディミングを実現すると共に、ダイナミックレンジを広げることができる。また、プロジェクタはレーザー光源を有するので、プロジェクタのカラーの光出力をバックライトとして用いるモノクロ液晶パネルに表示される映像は、ＢＴ．２０２０に規定される広色域を再現することができる。

本発明に係る直視型表示装置によれば、局所的な明暗の差が大きい画像を広色域で再現することができる。また、本発明に係る直視型表示装置は、プロジェクタからカラー映像を投射するため、カラーフィルタを用いないモノクロ液晶パネルを使用することができ、構造を簡易化し、コストを低減すると共に、光の利用効率を高くすることができる。

本発明の第１実施形態に係る直視型表示装置の構成を示す模式図である。 プロジェクタの構成例を表す概略図である。 信号処理部による信号処理の概略を説明する説明図である。 プロジェクタの光出力を説明する説明図である。 本発明の第２実施形態に係る直視型表示装置の内部構成の概略を示す模式図である。 従来の直視型表示装置の構成を示す模式図であって、液晶パネルと複数のＬＥＤが配列されたバックライトとを示している。

（第１実施形態）
［直視型表示装置の構成］
図１を参照し、本発明の第１実施形態に係る直視型表示装置１の構成について説明する。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするために誇張していることがある。図１に示すように、直視型表示装置１は、モノクロ液晶パネル１０と、プロジェクタ２０と、信号処理部５０と、を備えている。
この直視型表示装置１は、リアプロジェクション方式の直視型表示装置であるが、表示面に拡散板を使用する通常のリアプロジェクション表示装置とは異なり、本実施形態では、表示面にモノクロ液晶パネル１０を備えている。

モノクロ液晶パネル１０は、一般的なカラーの液晶パネルからカラーフィルタを取り除いて構成されている。つまり、モノクロ液晶パネル１０は、例えば、下部偏光フィルタと、下部ガラス基板と、下部透明電極と、下部配向膜と、液晶と、上部配向膜と、上部透明電極と、上部ガラス基板と、上部偏光フィルタと、を備えている。このモノクロ液晶パネル１０は、プロジェクタ２０のカラーの光出力をバックライトとして用いる。
モノクロ液晶パネル１０は、高解像度であることが好ましく、例えば８Ｋの解像度を有する（７６８０×４３２０画素）。モノクロ液晶パネル１０のサイズは、直視型としての一般的なサイズを有し、例えば６０型（６０インチ）以上であることが好ましい。なお、投射型表示装置用の一般的なスクリーンよりは小さい。

プロジェクタ２０は、例えばカラー液晶プロジェクタである。プロジェクタ２０は、レーザー光源を有する。なお、蛍光体で励起された光を用いるタイプのプロジェクタでは前記規格を満たすことができないので、本実施形態では、プロジェクタ２０の光源は、３原色をそれぞれ発光する単色光の半導体レーザーを備えることとしている。ＲＧＢの半導体レーザーの波長は、ＢＴ．２０２０に準拠したものを採用する。

このようなＢＴ．２０２０に準拠した広色域表示が可能なプロジェクタとしては、例えば下記参考文献に記載されたものを採用することができる。なお、参考文献に記載されたプロジェクタは、例えば赤色（Ｒ）発光の半導体レーザーの波長：６３９ｎｍ、緑色（Ｇ）発光の半導体レーザーの波長：５３２ｎｍ、青色（Ｂ）発光の半導体レーザーの波長：４６２ｎｍとしている。このプロジェクタの性能は、ダイナミックレンジが５０００：１、光出力が３０００ＡＮＳＩｌｕｍｅｎである。
参考文献：日下部裕一、他：「広色域スーパーハイビジョンプロジェクタ」、映像情報メディア学会年次大会講演予稿集、2013年、16-1

プロジェクタ２０の画素数は、モノクロ液晶パネル１０の画素数に一致する必要はない。その理由は、表示装置としての画素数はモノクロ液晶パネル１０によって決まるからである。そのため、プロジェクタ２０の画素数は、モノクロ液晶パネル１０の画素数に比べて少なくてもよい。以下では、一例として、モノクロ液晶パネル１０の４画素にプロジェクタ２０の１画素が対応することして説明する。なお、直視型表示装置１では、プロジェクタ２０からの光をモノクロ液晶パネル１０の背面に位置合わせして投射させ、プロジェクタ２０の光出力をバックライトとして有効に利用できるように構成されている。

ここで、プロジェクタの構成例について図２を参照して説明する。
図２において、光源からの光は、コンデンサレンズ２２、コールドミラー２３、インテグレータ２４及びフィールドレンズ２５を介して各液晶素子に導かれる。レーザー発振部４４は、このプロジェクタ２０の光源として、３原色をそれぞれ発光する単色光の半導体レーザーを備える。すなわち、レーザー発振部４４は、赤色（Ｒ）発光の半導体レーザーと、緑色（Ｇ）発光の半導体レーザーと、青色（Ｂ）発光の半導体レーザーと、を備える。ＲＧＢのレーザー光は、光ファイバ４５を介してプロジェクタ内部に引き込まれる。

図２に示すプロジェクタ２０は、一例として、反射型液晶素子（ＬＣＯＳ：Liquid Crystal on Silicon）を用いて構成されている。具体的には、プロジェクタ２０は、ダイクロイックミラー２６と、ミラー２７，２８と、ダイクロイックミラー２９と、フィールドレンズ３０と、ＰＢＳ（Polarized Beam Splitter）３１と、１／４波長板３２と、Ｇ用液晶素子３３と、フィールドレンズ３４と、ＰＢＳ３５と、１／４波長板３６と、Ｒ用液晶素子３７と、フィールドレンズ３８と、ＰＢＳ３９と、１／４波長板４０と、Ｂ用液晶素子４１と、ダイクロイックプリズム４２と、投射レンズ４３と、を備えている。

このプロジェクタ２０では、レーザー光源からの光は、ダイクロイックミラー２６，２９により、ＲＧＢの各色に分解され、Ｒ用液晶素子３７、Ｇ用液晶素子３３及びＢ用液晶素子４１にてそれぞれの色に対応する映像信号で変調される。各色で変調された光は、ダイクロイックプリズム４２で結合される。この結合された光（三原色光）は、投射レンズ４３から投射されモノクロ液晶パネル１０上で結像する。結像した光はＬＣＤ用信号で更に変調され、カラー画像が表示される。

図１に戻って直視型表示装置１の構成の説明を続ける。
信号処理部５０は、入力信号（入力映像信号）をプロジェクタ２０用の色信号に変調すると共に、モノクロ液晶パネル１０用の輝度信号に変調するものである。ここで、入力信号は、フレームレート１２０Ｈｚのスーパーハイビジョンの伝送信号であり、例えばスーパーハイビジョンカメラからの映像信号である。信号処理部５０は、１つの入力映像から、プロジェクタ用の映像と、ＬＣＤ用の映像と、を作り出す。以下では、プロジェクタ２０用の変調された色信号（色変調信号）のことをプロジェクタ用信号といい、モノクロ液晶パネル１０用の変調された輝度信号（輝度変調信号）のことをＬＣＤ用信号という。

信号処理部５０は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）等の演算装置と、メモリ等の記憶手段と、入出力インタフェースと、を備えている。信号処理部５０が、プロジェクタ２０用の信号と、モノクロ液晶パネル１０用の信号とを生成し、これによってレーザー光源からの光を二重変調する方法としては、例えば非特許文献１に記載された信号処理手法を用いることができる。なお、非特許文献１には、液晶素子を有する投射型表示装置内にてキセノンランプからの光を二重変調する方式が記載されている。

ここで、信号処理部５０による信号処理手法の概略について図３を参照して説明する。
まず、入力映像信号よりも低解像度の色変調信号であるプロジェクタ用信号の算出方法について記す。最初に、入力映像信号（７６８０×４３２０画素）を逆ガンマ補正（γ^-1）によりリニア領域の信号に変換する（Ｓ５１）。そして、低解像度の色変調信号に画素数を合わせるため、低域通過フィルタ（ＬＰＦ：Low Pass Filter）とサブサンプリングにより３８４０×２１６０画素ヘダウンサンプリングを行う（Ｓ５２）。

続いて、前記Ｓ５２で得られた色変調信号（ＲＧＢｓ）に入力映像信号の輝度成分の平方根を割り当てるため、画素ごとにＲＧＢの最大値（ＭＡＸ）を検出し（Ｓ５３）、その平方根の逆数で定義された係数Ｃを算出し（Ｓ５４）、この係数Ｃを色変調信号（ＲＧＢｓ）に掛ける（Ｓ５５）。なお、輝度成分の平方根を割り当てるためにこのような処理を行う理由は、入力信号の彩度が高い場合に信号の飽和が生じるのを防ぐためである。最後に、前記Ｓ５５で得られた信号をガンマ補正（γ_C）によりビデオ領域の信号に変換することで（Ｓ５６）、低解像度の色変調信号であるプロジェクタ用信号を得る。

次に、入力映像信号と同様の高解像の輝度変調信号であるＬＣＤ用信号の算出方法について記す。まず、前記Ｓ５１で得られた信号、すなわち、入力映像信号を逆ガンマ補正（γ^-1）によりリニア領域の信号に変換した信号、を用いて公知のマトリクス演算（Ｓ５７）により、入力映像信号の輝度成分Ｙ_inを得ておく。

一方、前記Ｓ５６で得られた色変調信号すなわちプロジェクタ用信号を、再度逆ガンマ補正（γ^-1 _C）によりリニア領域の信号に変換し（Ｓ５８）、続いて、投射レンズ４３（図２参照）の影響を模擬したデフォーカスフィルタを通す（Ｓ５９）。この信号から、公知のマトリクス演算（Ｓ６０）により、プロジェクタ用信号の輝度成分Ｙ_colを得ておく。

そして、前記Ｓ５７で得られた入力映像信号の輝度成分Ｙ_inと、前記Ｓ６０で得られたプロジェクタ用信号の輝度成分Ｙ_colとの比を算出する（Ｓ６１）。最後に、前記Ｓ６１で得られた信号をガンマ補正（γ_Y）によりビデオ領域の信号に変換することで（Ｓ６２）、輝度変調信号であるＬＣＤ用信号を得る。

この直視型表示装置１からの出力信号は、ＬＣＤ用信号とプロジェクタ用信号との積として得られる。この出力信号は、入力信号の輝度成分は高解像度のまま保存し、色成分は局所的な平均値を待つ信号となる。

直視型表示装置１は、信号処理部５０からのプロジェクタ用信号によって、Ｒ用液晶素子３７、Ｇ用液晶素子３３及びＢ用液晶素子４１にてそれぞれの色に対応する映像信号で光源からの光を変調してモノクロ液晶パネル１０の背面にバックライトとして投射する。さらに、信号処理部５０からのＬＣＤ用信号によって、モノクロ液晶パネル１０にて輝度に対応する映像信号で、バックライトを再変調する。直視型表示装置１は、このように光源からの光を二重変調することで、黒のレベルを沈めて黒浮きを防止するので、ダイナミックレンジを拡大することができる。例えば、モノクロ液晶パネル１０のダイナミックレンジがＭ：１であり、且つ、プロジェクタ２０のダイナミックレンジがＮ：１であれば、直視型表示装置１のダイナミックレンジをＭ×Ｎ：１に拡大することができる。例えば、明るい方を１、Ｍ＝０．０１、Ｎ＝２×１０^-4とするならば、２×１０^-6：１のダイナミックレンジで表示装置に映像を表示させることができる。

また、直視型表示装置１は、レーザー光源を有するプロジェクタ２０からのカラーの光出力を、モノクロ液晶パネル１０のバックライトに用いている。本実施形態では、プロジェクタ２０の画素数は、モノクロ液晶パネル１０の例えば１／４としており、従来のＬＥＤによるバックライトを使ったローカルディミングのような制御を、従来よりも非常に精緻に行うことができる。直視型表示装置１は、この非常に精緻なバックライト制御によって、局所的な明暗の差が大きいＨＤＲ画像も忠実に再現することができる。

また、プロジェクタ２０は、一般的なプロジェクタと同様にスクリーンや白壁等に映像を投射するような強力な光出力を有している。具体的には、前記参考文献に記載された３０００ＡＮＳＩｌｕｍｅｎの光出力のプロジェクタを用いた場合、このプロジェクタから出力される光を、例えば６０型（インチ）でゲイン１．０のスクリーンに投射すると、およそ１０００ｃｄ／ｍ²のピーク輝度が得られる。ただし、本実施形態の場合、プロジェクタ２０から出力される光を、スクリーンではなく、モノクロ液晶パネル１０に投射する。そのモノクロ液晶パネル１０が例えば６０型（インチ）のサイズであれば、図４に示すように、モノクロ液晶パネル１０の横幅Ｓ１は約１．３ｍとなる。このとき、プロジェクタ２０が、モノクロ液晶パネル１０に映像を投射するために必要な距離Ｌ１は例えば２〜３ｍとなる。なお、図４では信号処理部５０の図示を省略した。

一方、プロジェクタ２０が、直視型表示装置１の外部に仮想的に配置された例えば３００型（インチ）のスクリーン２００（横幅Ｓ２は約６．６ｍ）に対して映像を投射するために必要な距離Ｌ２は例えば１０ｍ以上となる。なお、公知のフルスペック８Ｋスーパーハイビジョンプロジェクタは例えば４５０型（インチ）の大スクリーンに映像を投影することができる。このように直視型表示装置１は、通常はスクリーンや白壁等に映像を投射するようなプロジェクタからの光を、直視型表示装置で通常用いられるようなサイズの液晶パネルに集めるので、白のレベルが上がり、観察者Ｐは非常に明るい映像を見ることができる。

以上説明したように、直視型表示装置１は、本来は広い範囲に投射することが可能な強力な光を狭い範囲に集めることによって白のレベルを上げつつ、光源からの光を二重変調することによって黒のレベルをあまり変えずに、ＨＤＲの映像を表示することができる。さらに、プロジェクタ２０はレーザー光源を有しているので、このカラーの光出力をバックライトとして用いるモノクロ液晶パネル１０に表示される映像は、ＢＴ．２０２０に規定される広色域を再現することができる。そのため、直視型表示装置１は、局所的な明暗の差が大きい画像を広色域で再現することができる。

さらに、直視型表示装置１は、カラーフィルタを用いないモノクロ液晶パネル１０を備えている。一般に、液晶ディスプレイで広色域を実現するためには、特殊なカラーフィルタを用いることが必要であるが、カラーフィルタを用いる必要がなく、構造を簡易化し、コストを低減することができる。また、一般的なローカルディミング付きのＬＣＤでは、白色ＬＥＤとカラーフィルタ付きのＬＣＤとを用いることでカラー表示を行うが、その際にカラーフィルタがあるために光の利用効率は１／３程度に減少してしまう。これに対して、直視型表示装置１は、カラーフィルタを用いないので、光の利用効率を高くすることができる利点もある。

（第２実施形態）
図５は、本発明の第２実施形態に係る直視型表示装置の内部構成の概略を示す模式図である。直視型表示装置１Ｂは、モノクロ液晶パネル１０と、プロジェクタ２０と、信号処理部５０と、鏡６０と、を備えている。鏡６０は、プロジェクタ２０からモノクロ液晶パネル１０までの光路の途中に設けられている。なお、図５では信号処理部５０の図示を省略した。この直視型表示装置１Ｂも、直視型表示装置１と同様に、局所的な明暗の差が大きい画像を広色域で再現することができる。

さらに、直視型表示装置１Ｂは、プロジェクタ２０の光出力を、鏡６０を用いて反射させてモノクロ液晶パネル１０に投射させることができるので、直視型表示装置１Ｂの奥行き距離Ｄ２は、図４の直視型表示装置１の奥行き距離Ｄ１よりも小さくすることができる。例えば、プロジェクタ２０から鏡６０までの距離Ｌ３と、鏡６０からモノクロ液晶パネル１０までの距離Ｌ４との和は、図４に示すプロジェクタ２０からモノクロ液晶パネル１０までの距離Ｌ１と概ね等しい。よって、奥行き距離Ｄ２が奥行き距離Ｄ１の半分程度になるように直視型表示装置１Ｂを小型化することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、その趣旨を変えない範囲で実施することができる。例えば、モノクロ液晶パネル１０の４画素にプロジェクタ２０の１画素が対応するものとしたが、モノクロ液晶パネル１０の１６画素にプロジェクタ２０の１画素が対応する程度までは問題なく画像が表示できる。例えば、モノクロ液晶パネル１０で８Ｋ（７６８０×４３２０画素）の画素数で表示する場合には、ＨＤ（１９２０×１０８０画素）相当の画素数を持つプロジェクタを用いればよい。これにより、製造コストをさらに低減することができる。

また、前記実施形態では、プロジェクタ２０が、反射型液晶素子（ＬＣＯＳ）を用いて構成されているものとしたが、透過型の液晶素子を用いたプロジェクタであってもよい。

プロジェクタ２０として、ＤＬＰ（登録商標）方式のプロジェクタを用いて構成してもよい。その場合、ＤＬＰ方式のプロジェクタからの出力光がモノクロ液晶パネル１０に入射する光路の途中に、例えば円偏光を直線偏光にする偏光板を必要とする。なお、カラー液晶プロジェクタを使用した場合には偏光板は不要なので、直視型表示装置の全体構成が簡単になる。また、ＤＬＰ方式のプロジェクタを採用するときに追加する偏光板は、光のパワーを損失させる原因になる。一方、カラー液晶プロジェクタの出力光は、偏光が揃っているので、モノクロ液晶パネル１０に直接入射しても、明るさの強弱をつけることができる。よって、プロジェクタ２０は、カラー液晶プロジェクタで構成されることが好ましい。

１，１Ｂ 直視型表示装置
１０ モノクロ液晶パネル
２０ プロジェクタ
４３ 投射レンズ
４４ レーザー発振部
４５ 光ファイバ
５０ 信号処理部
６０ 鏡

Claims (5)

1. レーザー光源を有するプロジェクタと、
   前記プロジェクタのカラーの光出力をバックライトとして用いるモノクロ液晶パネルと、
   入力映像信号を前記プロジェクタ用の色信号に変調すると共に、前記モノクロ液晶パネル用の輝度信号に変調する信号処理部と、
   を備える直視型表示装置。
2. 前記プロジェクタの画素数が、前記モノクロ液晶パネルの画素数よりも少ない、請求項１に記載の直視型表示装置。
3. 前記プロジェクタの光出力を、鏡を用いて反射させて前記モノクロ液晶パネルに投射する、請求項１又は請求項２に記載の直視型表示装置。
4. 前記レーザー光源は、３原色をそれぞれ発光する単色光の半導体レーザーを備える、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の直視型表示装置。
5. 前記プロジェクタは、カラー液晶プロジェクタである、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の直視型表示装置。

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