JP4059233B2 - 画像表示装置およびプロジェクタ - Google Patents
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Description
特に、前記リレーレンズ系は、前記第1光変調素子から入射した光の進行方向を、前記反射光学素子により反転させて、前記第2光変調素子に出射することが望ましい。
このように、反射光学素子を採用して光路を折り曲げたリレーレンズ系の水平方向の長さは、反射光学素子を採用しない場合と比べて短くなる。したがって、画像表示装置を小型化することができる。
両側テレセントリック性を有することにより、画面の各領域における画像コントラストが略同一となり、良好な画像表示品質を有する画像表示装置を提供することができる。そして、両側テレセントリック性を有するリレーレンズ系は、多くのレンズで構成されるため、水平方向の長さが長くなる。したがって、反射光学素子を採用して光路を折り曲げることにより、画像表示装置を小型化することができる。
この構成によれば、リレーレンズ系の光学設計が容易になる。
反射型偏光子は、光束のうちの一部の偏光を透過し一部の偏光を反射するものであるから、各光変調素子の偏光板として機能させることができる。これにより、各光変調素子の偏光板を省略することができるので、コストを低減することができる。
このワイヤグリッド型偏光フィルタは、構造が単純なので容易に製造することができる。また、無機素材で構成されるため、極めて耐熱性に優れるとともに、光吸収をほとんど生じない。そして、各光変調素子の偏光板を省略してワイヤグリッド型偏光フィルタを用いることにより、画像表示装置の耐熱性を向上させることができる。
なお、前記反射光学素子は、偏光ビームスプリッタであってもよい。
反射プリズムを採用することにより、リレーレンズ系の空気換算光路長が短くなる。したがって、リレーレンズ系の光学設計上の制約が少なくなる。
この構成によれば、プロジェクタを小型化することができる。
図1および図2は、本実施形態の画像表示装置及びプロジェクタの一例であり、プロジェクタPJ1の主たる光学構成を示す図である。図1は側面図であり、図2(a)は図1のA−A線における平面断面図であり、図2(b)は図1のB−B線における平面断面図である。
図1および図2に示すように、プロジェクタPJ1は、光源10と、光源10から入射した光の輝度分布を均一化する均一照明系20と、均一照明系20から入射した光の波長領域のうちのRGB3原色の輝度をそれぞれ変調する色変調部25(第1変調手段としての3つの透過型液晶ライトバルブ60B,60G,60Rを含む)と、色変調部25から入射した光をリレーするリレーレンズ系90と、リレーレンズ系90から入射した光の全波長領域の輝度を変調する第2変調手段としての透過型液晶ライトバルブ100と、液晶ライトバルブ100から入射した光をスクリーン(不図示)に投射する投射レンズ110と、を含んで構成されている。
光源10は、超高圧水銀ランプやキセノンランプ等からなるランプ11と、ランプ11からの射出光を反射・集光するリフレクタ12とを含んで構成されている。
投射レンズ110は、液晶ライトバルブ100の表示面上に形成された光学像を、図示しないスクリーン上に投射してカラー画像を表示する。
次に、リレーレンズ系の構成および機能につき、図を用いて詳しく説明する。
図3は、本実施形態のリレーレンズ系90の構成を示す側面図である。なお図3では、理解を容易にするため、3原色用の3個の色変調ライトバルブを1個の色変調ライトバルブ60で代表して描き、なおかつ色変調ライトバルブ60とリレーレンズ系90との間にあるクロスダイクロイックプリズムを省略して描いているが、光学的には図1および図2の構成と等価なものである。
図4(b)のリレーレンズ系190では、色変調ライトバルブ60から出射された光が、レンズ195を介して、輝度変調ライトバルブ100に伝達されている。この場合、色変調ライトバルブ60の各領域から所定の角度範囲に出射された光61のうち、一部の角度範囲に出射された光191のみが輝度変調ライトバルブ100に伝達されている。そして、色変調ライトバルブ60の各領域では、異なる角度範囲に出射された光が輝度変調ライトバルブ100に伝達されている。一方、輝度変調ライトバルブ100の各領域に対しては、異なる角度で光が入射するようになっている。ところで、一般に液晶ライトバルブは視角依存性を有するため、光の出入射角度によってコントラストが異なることになる。そして、液晶ライトバルブの各領域に対して異なる角度で出入射する光を利用すると、画面の各領域において表示画像のコントラストが区々となり、プロジェクタの画像表示品質が低下することになる。
次に、表示画像データに基づく色変調ライトバルブ及び輝度変調ライトバルブの変調の具体例について詳しく説明する。
プロジェクタPJ1(図1参照)では、映像信号から生成された色変調信号で色変調ライトバルブ(図1に示す液晶ライトバルブ60B,60G,60R)を、輝度変調信号で輝度変調ライトバルブ(図1に示す液晶ライトバルブ100)を駆動することにより、輝度ダイナミックレンジの拡大と階調数の増大を実現する。液晶ライトバルブの変調制御は、次に説明する表示制御装置によって行う。
表示制御装置200は、図8に示すように、制御プログラムに基づいて演算及びシステム全体を制御するCPU170と、所定領域にあらかじめCPU170の制御プログラム等を格納しているROM172と、ROM172等から読み出したデータやCPU170の演算過程で必要な演算結果を格納するためのRAM174と、外部装置に対してデータの入出力を媒介するI/F178とで構成されており、これらは、データを転送するための信号線であるバス179で相互にかつデータ授受可能に接続されている。
また、図2の色変調ライトバルブ60B,60Gに対応する制御値登録テーブルのデータ構造については特に図示しないが、図10の制御値登録テーブル420Rと同様のデータ構造を有している。ただし、同一の制御値に対して異なる透過率が登録されている場合もある。
次に、上述したHDR画像データから各ライトバルブの制御値を生成して、プロジェクタを駆動する方法について説明する。
いま、HDR画像データにおける画素pの輝度レベルをRp、プロジェクタ全体における画素pに対応する領域の光変調率をTp,輝度変調ライトバルブにおける画素pに対応する領域の透過率をT1、色変調ライトバルブにおける画素pに対応する領域の透過率をT2とすると、下式(1),(2)が成立する。
Rp = Tp×Rs (1)
Tp = T1×T2×G (2)
ただし、上式(1),(2)において、Rsは光源の輝度、Gはゲインであり、いずれも定数である。
例えば、画素pの輝度レベルRp(R,G,B)が(1.2,5.4,2.3)、光源の輝度Rs(R,G,B)が(10000,10000,10000)であるとすると、画素pの光変調率Tpは、(1.2,5.4,2.3)/(10000,10000,10000)=(0.00012,0.00054,0.00023)となる。
まず、ステップS100では、CPU170が記憶装置182からHDR画像データを読み出す。
図12は、トーンマッピング処理の説明図である。HDR画像データを解析した結果、HDR画像データに含まれる輝度レベルの最小値がSminで、最大値がSmaxであるとする。また、プロジェクタの輝度ダイナミックレンジの最小値がDminで、最大値がDmaxであるとする。図12の例では、SminがDminよりも小さく、SmaxがDmaxよりも大きいので、このままでは、HDR画像データを適切に表示することができない。そこで、Smin〜SmaxのヒストグラムがDmin〜Dmaxのレンジに収まるように正規化する。
次に、色変調ライトバルブ(液晶ライトバルブ60B,60G,60R)及び輝度変調ライトバルブ(液晶ライトバルブ100)に入力する制御値の生成過程を、図11〜図16に基づいて説明する。
以下では、色変調ライトバルブ(液晶ライトバルブ60B,60G,60R)は、横18画素×縦12画素の解像度及び4ビットの階調数を有し、輝度変調ライトバルブ(液晶ライトバルブ100)は、横15画素×縦10画素の解像度及び4ビットの階調数を有する場合を例にとって説明を行う。また、色変調ライトバルブおよび輝度変調ライトバルブの図はいずれも光源10の側から見たものである。
ステップS110(図11参照、以下同じ)では、色変調ライトバルブの各画素の透過率T2が仮決定される。色変調ライトバルブの左上4区画の画素をp21(左上)、p22(右上)、p23(左下)、p24(右下)とした場合、画素p21〜p24の透過率T2には、図13に示すように、初期値T20が与えられる。
ステップS112では、色変調ライトバルブの各画素に対応する輝度変調ライトバルブの領域について透過率T1’が算出される。色変調ライトバルブの画素p21〜p24に着目した場合、これに対応する輝度変調ライトバルブの領域における透過率T11〜T14は、図14に示すように、画素p21〜p24の光変調率をTp1〜Tp4、ゲインGを「1」とすれば、下式(3)〜(6)により算出することができる。
T11 = Tp1/T20 (3)
T12 = Tp2/T20 (4)
T13 = Tp3/T20 (5)
T14 = Tp4/T20 (6)
ステップS114では、輝度変調ライトバルブの各画素の透過率T1が決定される。輝度変調ライトバルブと色変調ライトバルブとは、リレーレンズ系90によって互いに倒立結像する関係にあるので、色変調パネルの左上4区画の画素は輝度変調ライトバルブの右下部に結像される。そこで、図15(a)に示すように、輝度変調ライトバルブの右下4区画の画素をp11(右下)、p12(左下)、p13(右上)、p14(左上)とする。ここで、色変調ライトバルブと輝度変調ライトバルブとは解像度が異なることから、画素p11は画素p21〜画素p24(図14参照)と光路上で重なり合う。色変調ライトバルブの解像度が18×12で、輝度変調ライトバルブの解像度が15×10であるので、各ライトバルブの画素数の最小公倍数に基づいて、図15(b)に示すように画素p11は6×6の矩形領域に区分することができる。そして、画素p11が画素p21〜p24とそれぞれ重なり合う面積比は、25:5:5:1となる。したがって、画素p11の透過率T15は、下式(7)により算出することができる。
T15=(T11×25+T12×5+T13×5+T14×1)/36 (7)
図15(c)に示す画素p12〜p14の透過率T16〜T18についても、画素p11と同様に、面積比による重み付け平均値を算出することにより求めることができる。
ステップS118では、色変調ライトバルブの各画素の透過率T2が決定される。上述したように、色変調ライトバルブと輝度変調ライトバルブとは解像度が異なることから、図16(a)に示すように、画素p24は画素p11〜画素p14(図15参照)と光路上で重なり合う。また、色変調ライトバルブの解像度が18×12で、輝度変調ライトバルブの解像度が15×10であるので、輝度変調ライトバルブの画素数の最小公倍数に基づいて、図16(b)に示すように画素p24は5×5の矩形領域に区分することができる。そして、画素p24が画素p11〜p14とそれぞれ重なり合う面積比は、1:4:4:16となる。したがって、画素p24に対応する輝度変調ライトバルブの透過率T19は、画素p11〜p14の透過率の重み付け平均値として、下式(8)により算出することができる。
T19=(T15×1+T16×4+T17×4+T18×16)/25 (8)
そして、画素p24の透過率T24は、ゲインGを「1」として、下式(9)により算出することができる。
T24=Tp4/T19 (9)
図16(c)に示す画素p21〜p23の透過率T21〜T23についても、画素p24と同様に、面積比による重み付け平均値を算出することにより求めることができる。
上記実施形態では、3板式のプロジェクタを例にして説明したが、単板式のプロジェクタに本発明を適用することも可能である。この単板式のプロジェクタは、光源、均一照明系、第1光変調素子、リレーレンズ系、第2光変調素子および投射レンズを主として構成され、光源として白色光源を採用した場合には、第1光変調素子または第2光変調素子としての液晶ライトバルブにカラーフィルタが配設される。
Claims (9)
- 表示画像データに基づき光源からの光を変調して画像を表示する装置であって、
前記光源からの光を変調する第1光変調素子と、
前記第1光変調素子からの光を変調する第2光変調素子と、
前記第1光変調素子と前記第2光変調素子との間に配され、前記第1光変調素子の光学像を前記第2光変調素子の受光面に結像するリレーレンズ系と、
前記リレーレンズ系を構成する複数のレンズの間に配置された少なくとも1個の反射光学素子と、を備え、
前記反射光学素子は、前記リレーレンズ系を構成する複数のレンズのうち前記反射光学素子の前段レンズ群と前記反射光学素子の後段レンズ群とが、対称となる位置に配置されていることを特徴とする画像表示装置。 - 前記リレーレンズ系は、両側テレセントリック性を有することを特徴とする請求項1に記載の画像表示装置。
- 表示画像データに基づき光源からの光を変調して画像を表示する装置であって、
前記光源からの光を変調する第1光変調素子と、
前記第1光変調素子からの光を変調する第2光変調素子と、
前記第1光変調素子と前記第2光変調素子との間に配され、前記第1光変調素子の光学像を前記第2光変調素子の受光面に結像するリレーレンズ系と、
前記リレーレンズ系を構成する複数のレンズの間に配置された少なくとも1個の反射光学素子と、を備え、
前記リレーレンズ系は、両側テレセントリック性を有することを特徴とする画像表示装置。 - 前記リレーレンズ系は、前記第1光変調素子から入射した光の進行方向を、前記反射光学素子により反転させて、前記第2光変調素子に出射することを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれかに記載の画像表示装置。
- 前記反射光学素子は、反射型偏光子であることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれかに記載の画像表示装置。
- 前記反射光学素子は、ワイヤグリッド型偏光フィルタであることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれかに記載の画像表示装置。
- 前記反射光学素子は、偏光ビームスプリッタであることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれかに記載の画像表示装置。
- 前記反射光学素子は、反射プリズムのプリズム面に形成されていることを特徴とする請求項1ないし請求項7のいずれかに記載の画像表示装置。
- 請求項1ないし請求項8のいずれかに記載の画像表示装置と、
投射手段と、を備えることを特徴とするプロジェクタ。
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