JP3983950B2 - 投射型表示装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ：Digital Micromirror Deviceで、以下、ＤＭＤと称す）素子を用いて構成された反射型投射装置に係り、特にこのＤＭＤからの反射光情報を検出し、該検出結果に基づき投射画像のホワイトバランス調整を行うことのできる投射型表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、投射型ディスプレイにおいては、光源からの光利用効率向上や、高解像度化が望まれている。光利用効率を向上させ、また高解像度化を図ることにより、より鮮明で明るい映像を写し出すことが可能である。
【０００３】
このような要求を満足するために、従来より投射型ディスプレイにおいては、光源装置の改良やライトバルブ素子の改良、あるいは駆動回路等の改良がなされている。特にライトバルブ素子の改良は、直接高解像度化に大きく影響するために重要である。
【０００４】
近年、投射型ディスプレイでは、液晶に替わるライトバルブ素子として超精密電子部品ＤＭＤを用いたＤＬＰ（Digital Light Processing）方式のディジタル制御システムが採用されようとしている。
【０００５】
このＤＬＰ方式のキーデバイスである上記ＤＭＤ素子は、例えば図４に示すように、わずか１７ｍｍ×１３ｍｍの小さな長方形の中の半導体素子上に、約８０万個の微細なミラーエレメント３ａ（以下、簡単にミラーと記す）を敷き詰め、１枚のパネル状に形成したものである。シリコン等の半導体素子上のそれぞれの微細なミラー３ａは、図示はしないが支柱に載置された１個以上のヒンジに取り付けられることで、それぞれ±１０度程度傾けることが可能に装着されている。つまり、１つのミラーが１つの画素に対応し、例えば＋１０度に傾いたときに光源からの光が投射レンズに反射するようにし、−１０度に傾いた時には投射レンズに反射光が入らないよう作用させることが可能である。したがって、ミラーひとつひとつが傾斜角度を変え、光源から発せられた光のオン／オフを行う仕組みになっており、オン／オフというデジタルで色階調を制御できるため、色ムラのない鮮明な画像を得ることができるプロジェクタとして構成することが可能である。
【０００６】
このようなＤＭＤ素子の基本的な動作状態が図５に示されている。ＤＭＤ素子３のミラー３ａには、これを駆動するためのデジタル電気信号が供給されるようになっている。このデジタル信号がハイレベル（以下、ＨＩと称す）の場合には、ミラー３ａは波線で示す状態（オン状態）になり、逆にローレベル（以下、ＬＯと称す）の場合には、実線で示す状態（オフ状態）となるように傾きが駆動制御される。したがって、図中に示す光源１から照射される照射光は、デジタル電気信号がＨＩのときはＢ方向へと反射し、逆にＬＯのときにはＡ方向に反射することになる。
【０００７】
図６に上記光学特性を有するＤＭＤ素子を用いて構成された従来の単板式プロジェクタの概略構成を示す。
【０００８】
図６に示す単板式プロジェクタは、光源１，カラーホイール２，ＤＭＤ素子３，投射レンズ４，スクリーン５及び光収集体６等で主に構成されている。なお、前記カラーホイール２とＤＭＤ素子３との間に、該ＤＭＤ素子３へ平方光を与えるためのコンデンサレンズ等の光学系レンズを設けて構成することもある。
【０００９】
上記構成のプロジェクタにおいて、光源１からの光は、カラーホイール２の色フィルタ２ｂを透過し、ＤＭＤ素子３上に照射される。このＤＭＤ素子３は、映像信号に応じて各セルのミラー３ａを傾け、光源からの光はこのミラー３ａの傾きによって、上記の如く２通りの方向に反射することになる。つまり、ＤＭＤ素子３に入力するデジタル電気信号がＨＩのとき、ミラー３ａの反射光は投射レンズ４を介してスクリーン５へと投射され、逆にデジタル電気信号がＬＯのときには、光収集体６の方向へと反射し、スクリーン５には投射されない。
【００１０】
このＤＭＤ素子３をコントロールするデジタル電気信号は、周期的にＨＩ／ＬＯを繰り替えすような信号であり、このデジタル電気信号のデューティレシオを制御することにより、スクリーン５上に投射される映像の輝度をコントロールすることが可能である。つまり、ＨＩの時間が長いほど、スクリーン５上に投射される映像は明るくなる。
【００１１】
また、上記構成の単板式プロジェクタに用いられたＤＭＤ素子３では、単に光の反射をコントロールするのみであるので、色を表現することは不可能である。そこで、図中に示すようなカラーホイール２と呼ばれるものを使用している。
【００１２】
カラーホイール２は、円盤にＲＧＢ各色のフィルター２ｂを取り付けたものである。これを光路上に設置し、軸着されるモータ２ａで超高速回転させることにより、ＤＭＤ素子３を照明する光の色がＲ，Ｇ，Ｂと順番に変化する。つまり、カラーホイール２を超高速回転させることにより、光源１からの白色光をＲ，Ｇ，Ｂの３つの色に時間的に分ける役割を果たす。
【００１３】
したがって、カラーフィルタ２ａを透過しＤＭＤ素子３に照射される光は、ある時間はＲのみ、ある時間はＧのみ、ある時間はＢのみの光となる。つまり、ＤＭＤ素子３上にＲの光が当たっているときには、ＤＭＤ素子３のミラー３ａの傾きをＲの映像信号によってコントロールし、Ｇの光が当たっているときには、ＤＭＤ素子３のミラー３ａの傾きをＧの映像信号によってコントロールし、Ｂの光が当たっているときには、ＤＭＤ素子３のミラー３ａの傾きをＢの映像信号でコントロールしてあげれば、スクリーン５上には、カラーの投射画像を表現することが可能となる。このように、投射画像は、ＲＧＢが順番に表示されることになるが、十分に速く切り替わるので、色が混ざって知覚されることになる。
【００１４】
ところで、このようなＤＬＰ方式の投射型表示装置では、その投射画像をより鮮明に映出するためには、ホワイトバランス調整が重要である。
【００１５】
通常、上記構成において、スクリーン５上のホワイトバランスは、光源１の白色純度、ミラーの反射特性、投射レンズ４の特性やスクリーン５の特性によってばらつきが生じることがある。この場合、これらのばらつき要因の内、投射レンズ４やスクリーン５との特性が占める割合は低く、殆どが投射レンズ４に入射される以前での光学系経路による要因が支配的である。よって、支配的な投射レンズ入射以前の光学経路において、このばらつきを防止し、安定したホワイトバランスが得られるような手段が望まれている。
しかしながら、例えば複数のプロジェクタで構成されたマルチスクリーンディスプレイ等のシステムでは、ホワイトバランス調整をするためには、各々のプロジェクタにホワイトバランス測定用の治具を配置しなければならず、またこのホワイトバランス測定用の治具を用いたホワイトバランス調整方法が採用されていることから、結果として、システムを設置した後で、スクリーン上に映出された画像を見ながらホワイトバランスの調整をする必要があり、非常に面倒であるという問題点があった。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
上記の如く、従来のＤＭＤ素子を用いた投射型表示装置では、より鮮明な投射画像を得るために、ホワイトバランス調整を行っているが、特に複数のプロジェクタで構成されたマルチスクリーンディスプレイ等のシステムでは、ホワイトバランス調整をするためには、各々のプロジェクタにホワイトバランス測定用の治具を配置しなければならず、またこのホワイトバランス測定用の治具を用いたホワイトバランス調整方法が採用されていることから、結果として、システムを設置した後で、スクリーン上に映出された画像を見ながらホワイトバランスの調整をする必要があり、非常に面倒であるという問題点があった。
【００１７】
そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、簡単な構成で通常の映像を拡大投影しながらも、安定したホワイトバランス調整を行うことができ、画像品位を向上させることのできる投射型表示装置の提供を目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、白色光源と、前記白色光源からの光を入力し、複数の原色光を順次連続的に出力するカラーホイールと、前記カラーホイールからの光が照射される複数のミラーエレメントを有し、各ミラーエレメントの傾斜状態を映像信号に応答して制御することにより、前記照射された光を第１，又は第２の方向に反射するデジタルマイクロミラーデバイスと、前記第１の方向に反射された光をスクリーンに投射して画像を表示するための投射手段と、前記第２の方向に反射された光を受光し、受光した光情報を測定する測定手段と、前記カラーホイールの原色光の切り替わり時にタイミングパルスを発生する手段と、前記測定手段によって測定された光情報レベルに応じて、前記映像信号のレベルを制御するホワイトバランス調整手段とを具備し、前記ホワイトバランス調整手段は、前記タイミングパルスに応答して前記原色光の切り替わり目に前記測定手段で測定した光情報を利用してホワイトバランス調整を行うことを特徴とする投射型表示装置である。
【００１９】
本発明によれば、前記カラーホイールの複数の原色光の切り替わり時、前記デジタルマイクロミラデバイスの各ミラーエレメントがオフするという性質を利用し、この切り替わりのタイミングにおいて、前記測定手段で測定した光情報に基づいて前記映像信号のレベルを制御する。これにより、スクリーン以外に反射される光を測定してホワイトバランスの調整に利用することができ、且つ通常の映像を拡大投影しながらも、安定したホワイトバランスの調整が可能である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は本発明の投射型表示装置の一実施の形態を示し、該装置の構成を示す構成図である。尚、図１に示す装置は、図６に示す装置と同様の構成要素については同一の符号を付している。
【００２１】
本発明の投射型表示装置は、図１に示すように、光源１，カラーホイール２，ＤＭＤ素子３，投射レンズ４，スクリーン５、光センサ６ａ、ホワイトバランス制御部７、映像回路部８、及びカラーホイールタイミングパルス発生回路１０等で主に構成されている。なお、前記カラーホイール２とＤＭＤ素子３との間に、該ＤＭＤ素子３へ平方光を与えるためのコンデンサレンズ等の光学系レンズを設けて構成することもある。
【００２２】
上記構成のプロジェクタにおいて、光源１からの光は、カラーホイール２の色フィルタ２ｂを透過し、ＤＭＤ素子３上に照射される。このＤＭＤ素子３は、映像信号に応じて各セルのミラー３ａを傾け、光源からの光はこのミラー３ａの傾きによって、従来技術で説明したように２通りの方向に反射することになる。つまり、ＤＭＤ素子３に入力するデジタル電気信号がＨＩのとき、ミラー３ａの反射光は投射レンズ４を介してスクリーン５へと投射され、逆にデジタル電気信号がＬＯのときには、光センサ６ａの方向へと反射し、スクリーン５には投射されない。
【００２３】
このＤＭＤ素子３をコントロールするデジタル電気信号は、周期的にＨＩ／ＬＯを繰り替えすような信号であり、このデジタル電気信号のデューティレシオを前記映像回路部８によって制御することにより、スクリーン５上に投射される映像の輝度をコントロールすることが可能である。つまり、ＨＩの時間が長いほど、スクリーン５上に投射される映像は明るくなる。
【００２４】
また、上記構成の単板式プロジェクタに用いられたＤＭＤ素子３では、単に光の反射をコントロールするのみであるので、色を表現することは不可能である。そこで、図中に示すようなカラーホイール２と呼ばれるものを使用している。
【００２５】
カラーホイール２は、図３に示すように円盤にイエロー（Ｙ），シアン（Ｃ），マゼンタ（Ｍ）各色のフィルター２ｂを取り付けたものである。これを光路上に設置し、軸着されるモータ２ａで超高速回転させることにより、ＤＭＤ素子３を照明する光の色がイエロー（Ｙ），シアン（Ｃ），マゼンタ（Ｍ）と順番に変化する。つまり、カラーホイール２を超高速回転させることにより、光源１からの白色光をイエロー（Ｙ），シアン（Ｃ），マゼンタ（Ｍ）の３つの色に時間的に分ける役割を果たす。
【００２６】
したがって、カラーフィルタ２ａを透過しＤＭＤ素子３に照射される光は、ある時間はイエロー（Ｙ）のみ、ある時間はシアン（Ｃ）のみ、ある時間はマゼンタ（Ｍ）のみの光となる。つまり、ＤＭＤ素子３上にイエロー（Ｙ）の光が当たっているときには、ＤＭＤ素子３のミラー３ａの傾きをイエロー（Ｙ）の映像信号によってコントロールし、シアン（Ｃ）の光が当たっているときには、ＤＭＤ素子３のミラー３ａの傾きをシアン（Ｃ）の映像信号によってコントロールし、マゼンタ（Ｍ）の光が当たっているときには、ＤＭＤ素子３のミラー３ａの傾きをマゼンタ（Ｍ）の映像信号でコントロールしてあげれば、スクリーン５上には、カラーの投射画像を表現することが可能となる。このように、投射画像は、イエロー（Ｙ），シアン（Ｃ），マゼンタ（Ｍ）が順番に表示されることになるが、十分に速く切り替わるので、色が混ざって知覚されることになる。
【００２７】
ところで、本実施の形態では、投射型表示装置におけるホワイトバランス調整を、通常の映像を拡大投影しながらでも可能とするために、ホワイトバランス測定手段としての光センサ６ａ，カラーホイールタイミングパルス発生回路１０が設けられている。
【００２８】
光センサ６ａは、ＤＭＤ素子３がオフしたときに受光できる光路上に配置される。この光センサ６ａとしては、その応答時間が前記カラーホイール２が一回転する時間より長い特性を備えたものが使用される。また、この光センサ６ａは、光センサ駆動手段（図示せず）によってその光検出動作が制御されるようになっており、この光センサ駆動手段（図示せず）は後述するカラーホイールタイミングパルス発生回路１０からのタイミング信号に基づいて駆動制御される。駆動時、光センサ６ａは、受光した光情報をホワイトバランス制御部７に与える。
【００２９】
一方、カラーホイールタイミングパルス発生回路１０は、カラーホイール２に接続され、該カラーホイール２の回転と同期して色フィルタ２ｂのイエロー（Ｙ），シアン（Ｃ），マゼンタ（Ｍ）の各色の切り替わり時のタイミングを検出して前記光センサ駆動手段にタイミング信号を供給するとともに、ＤＭＤ素子３のオン／オフを制御する信号を図示しないＤＭＤ素子駆動手段に与える。
【００３０】
つまり、カラーホイール２の各色の切り替わり時は、ＤＭＤ素子３の全てミラー３ａがオフするので、各色の切り替わりを前記カラーホイールタイミングパルス発生回路１０によって検出し、この検出結果を図示しない光センサ駆動手段及びＤＭＤ素子駆動手段に供給するようにしている。
【００３１】
したがって、ＤＭＤ素子３に入力するデジタル電気信号がＨＩのとき、ミラー３ａの反射光は投射レンズ４を介してスクリーン５へと投射されるが、逆にデジタル電気信号がＬＯのときには、光センサ６ａの方向へと反射されることになるというＤＭＤ素子３の基本的な動作を利用することにより、ホワイトバランス調整に必要な光情報を上記光センサ６ａによって検出するようにしている。
【００３２】
さらに詳細に本実施の形態における動作原理を図２を用いて説明する。
図２はＤＭＤ素子３の基本的な反射特性を説明するためのもので、図２（ａ）はＤＭＤ３のミラー３ａがオフ状態の場合の光学経路を示し、図２（ｂ）はミラー３ａがオン状態の場合の光学経路を示している。
【００３３】
即ち、図２（ｂ）は、スクリーン５に表示する映像として、全白信号を供給した場合を示している。この場合、ＤＭＤ素子３の各ミラー３ａはＨＩの電気信号が入力されて、オン状態となり、ＤＭＤ素子３に入射した光は全て投射レンズ４に向かって反射され、スクリーン５には全白画像が表示される。
【００３４】
また、図２（ａ）は、スクリーン５に表示する映像として、全黒映像を供給した場合を示している。この場合、ＤＭＤ素子３の各ミラー３ａはＬＯの電気信号が入力されて、オフ状態となり、ＤＭＤ素子３に入射した光は全て光センサ６ａの側に反射され、スクリーン５には全黒画像が表示される。
【００３５】
つまり、光センサ６ａに入る光情報と、スクリーン５に表示される画像の光情報は、互いにネガティブ等価な情報であり、スクリーンに全黒画像を表示しているときは、前記光センサ６ａには全白画像の光情報が入力されることになるから、このときに光センサ６ａに入力された光情報を利用すれば、ホワイトバランスの調整が可能となる。
【００３６】
そして、本発明では、ホワイトバランス調整を行う場合には、図２（ａ）に示すようにミラー３ａがオフしているときの全黒映像における光情報を、光センサ６ａによって得るようにしている。
【００３７】
しかも、本実施の形態では、スクリーンにホワイトバランス調整用の特殊な信号を表示せずともホワイトバランスの調整を行うことが可能である。
【００３８】
つまり、本発明では、カラーホイール２の色の切り替わり目の映像を光センサ６ａで検出し、この検出結果をホワイトバランスの調整に利用しようとするものである。即ちスクリーン５に通常の映像を表示している場合であっても、カラーホイール２の色の切り替わり目はＤＭＤ素子３の各ミラー３ａがオフし、その期間スクリーン５には全黒映像が表示される。スクリーン５で全黒映像の表示期間は、いいかえれば光センサ６ａには全白信号が供給されることになるから、この期間の光センサ６ａの出力を利用すればホワイトバランスの調整に利用できる訳である。したがって、通常の映像信号を受像しながらホワイトバランスの調整を行うことが可能である。
【００３９】
本実施の形態のホワイトバランス調整回路において、カラーホイール２の色の切り替わり時には、カラーホイールタイミングパルス発生回路１０からのタイミング信号に基づき、図示しないＤＭＤ素子駆動手段によってＤＭＤ素子３の各ミラー３ａがオフすると同時に、光センサ駆動手段（図示せず）によって光センサ６ａが駆動し、この光センサ６ａは、ミラー３ａがオフしているときの反射光を検出する。この場合、光センサ６ａはカラーホイール２の切り替わり時には前後の２色も検出することになるが、光センサ６ａの応答時間をカラーホイール２が一回転する時間よりも長くしているため、その積分値である白の情報を取得することができる。
【００４０】
即ち、図２（ｃ）の（ｃ１）に示すように、カラーホイール２の色が切り替わるとき、ミラー３ａはオフとなるが、スクリーン５に全黒の映像が表示される期間に完全に一致させてオフすることが難しいため、（ｃ２）に示すように全黒の映像期間以外に切り替わる前後の色情報（ｘ１，ｘ２，ｘ３）も光センサ６ａで検出されてしまう。したがって光センサ６ａの応答速度が早いと、検出された前後の色情報を基にホワイトバランスが調整されることになり、不都合を生じてしまう。
【００４１】
そこで、光センサ６ａの応答速度をカラーホイール２が１回転する速度よりも長くすることにより、光センサ６ａで検出された色情報は積分されて白情報に近づく結果、正しいホワイトバランスの調整が実現可能である。
【００４２】
その後、光センサ６ａによって得られた検出光情報は、図１に示すように該プロジェクタ内部に搭載されたホワイトバランス制御部７に与えられる。
ホワイトバランス制御部７は、供給された光情報に基づき最適なホワイトバランスとなるように、映像回路部８を制御する。これにより、通常の映像、すなわち全白画像を受像しながらでも、投射画像のホワイトバランス調整を行うことが可能となる。またホワイトバランスのばらつきは、主に投射レンズ以前の光学系経路において生じるが、前記光センサ６ａで検出される光情報は上記主要因となる光学経路を経たものであるため、ホワイトバランスの調整により上記ばらつきを十分に補正できる。
【００４３】
なお、図１に示すホワイトバランス制御部７は、光センサ６ａからの検出光情報に基づき、自動的にホワイトバランス調整を行うものであるが、必要であれば、ユーザが任意に手動操作で調整することができるように操作部等の調整手段１１を、前記ホワイトバランス調整制御部７に接続するように設けて構成しても良い。
【００４４】
このように、本実施の形態によれば、ＤＭＤを用いて構成されたプロジェクタにおいて、特殊な調整用信号を受像しなくても、通常の映像を受像しながらでも、自動的にホワイトバランスの調整を行うことができ、調整の簡略化に大きく寄与し、また画像品位も向上させることができる。
【００４５】
尚、上記実施の形態では、光情報測定手段として、光センサ６を配置した場合について説明したが、光情報を検出できれば、これに変えて他の測定手段、あるいは検出手段を同じ位置に配置して設けても良い。
【００４６】
また上記実施の形態では、通常の映像を受像しながらホワイトバランス調整するモードと、全黒映像を受像しながらホワイトバランス調整するモードとの少なくとも２つのモードがユーザー操作によって選択実行できるように構成しても良い。
【００４７】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明によれば、簡単な構成で通常の映像を拡大投影しながらも、安定したホワイトバランス調整を行うことができ、画像品位を向上させることのできる投射型表示装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の投射型表示装置の構成を示す構成図。
【図２】本発明の投射型表示装置に使用するホワイトバランス調整回路の動作を概略的に説明する説明図。
【図３】図１のカラーフィルタの構成を示す構成図。
【図４】ＤＬＰ方式の単板式プロジェクタに用いられたＤＭＤ素子を示す概略構成図。
【図５】ＤＭＤ素子における基本的な光学作用を説明するための説明図。
【図６】ＤＭＤ素子を用いて構成された従来のＤＬＰ方式の単板式プロジェクタの一例を示す概略構成図。
【符号の説明】
１…光源、
２…カラーホイール、
２ａ…色フィルタ、
２ｂ…モータ、
３…ＤＭＤ素子（デジタルマイクロミラーデバイス）、
３ａ…ミラー、
４…投射レンズ、
５…スクリーン、
６ａ…光センサ（光情報測定手段）、
７…ホワイトバランス制御部、
８…映像回路部、
１０…カラーホイールタイミングパルス発生回路。

Claims (3)

1. 白色光源と、
   前記白色光源からの光を入力し、複数の原色光を順次連続的に出力するカラーホイールと、
   前記カラーホイールからの光が照射される複数のミラーエレメントを有し、各ミラーエレメントの傾斜状態を映像信号に応答して制御することにより、前記照射された光を第１，又は第２の方向に反射するデジタルマイクロミラーデバイスと、
   前記第１の方向に反射された光をスクリーンに投射して画像を表示するための投射手段と、
   前記第２の方向に反射された光を受光し、受光した光情報を測定する測定手段と、
   前記カラーホイールの原色光の切り替わり時にタイミングパルスを発生する手段と、
   前記測定手段によって測定された光情報レベルに応じて、前記映像信号のレベルを制御するホワイトバランス調整手段とを具備し、
   前記ホワイトバランス調整手段は、前記タイミングパルスに応答して前記原色光の切り替わり目に前記測定手段で測定した光情報を利用してホワイトバランス調整を行うことを特徴とする投射型表示装置。
2. 前記ホワイトバランス調整手段は、前記原色光の切り替わりタイミングで、前記デジタルマイクロミラーデバイスの各ミラーエレメントをオフ状態にして前記スクリーンに全黒の画像を表示するとともに、このときに前記測定手段で測定した光情報に基づいて前記映像信号のレベルを制御するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の投射型表示装置。
3. 前記測定手段は、光センサを含むものであり、その応答時間が前記カラーホイールが１回転する時間よりも長い特性を有していることを特徴とする請求項１に記載の投射型表示装置。

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