JP4207797B2 - 光変調装置および光学表示装置、並びに光変調方法および画像表示方法 - Google Patents
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Description
光学表示装置のなかでも、液晶プロジェクタ、DLPプロジェクタといった投射型表示装置は、大画面表示が可能であり、表示画像のリアリティさや迫力を再現する上で効果的な装置である。この分野では、上記の課題を解決するために、次のような提案がなされている。
特許文献2記載の発明は、複数の画素をライン状に配列したDMD(Digital Micromirror Device)と、DMDへ光束を照射する照明部と、入力映像信号をDMDの駆動信号に変換する処理部と、DMDで光変調された光束を走査する光走査部と、光走査部からの光束をスクリーン面上に投射する投射レンズとを備え、照明部は、入力映像信号に応じて照射光量を変調する。
透過型液晶ライトバルブは、画素電極を駆動するトランジスタや信号配線が各画素面内に設けられていることから、図20に示すように、各画素における開口部(光が透過する部位をいう。)が窓状となり、開口率が60%以下となるのが一般的である。
したがって、特許文献1記載の発明にあっては、表示画像の輝度を確保するため、第1光変調素子の各画素の開口部の光学像を、第2光変調素子の対応する画素の開口部に正確に結像するようにアライメントしなければならず、高いアライメント精度が要求される。
図21の光学系では、フライアイレンズ112a,112bを挟んで光源側に輝度変調用の第1光変調素子130を配置し、フライアイレンズ112a,112bを挟んで光源の反対側に色変調用の第2光変調素子140を配置している。この光学系ではフライアイレンズ112a,112bおよび集光レンズ112dにより第1光変調素子の光学像が第2光変調素子に結像される。ところで、フライアイレンズ112a,112bおよび集光レンズ112dは、輝度分布を均一化する目的で使用される光学素子であり結像性能は低い。
図22は、反射型光変調素子の各画素の画素面を示す図である。
透過型液晶表示素子に対し、DMD等の反射型光変調素子は、信号線および駆動トランジスタ等の遮光部位が反射画素電極の下に作り込まれているので、図22に示すように、各画素における開口部(光を反射する部位をいう。)の開口率は90%以上になるのが一般的である。したがって、第1光変調素子または第2光変調素子を反射型光変調素子で構成すれば、表示画像の輝度を向上することができる。
DMDを用いた投射型表示装置としては、DMDに対して斜めに光を入射し、その入射方向とは異なる方向に出射光を出射させる方式の「オフアクシス光学系」を採用した投射型表示装置が提案されている。
そこで、本発明は、このような従来の技術の有する未解決の課題に着目してなされたものであって、輝度ダイナミックレンジおよび階調数の拡大、表示画像の輝度および画質の向上、並びに装置の小型化を実現するのに好適な光変調装置および光学表示装置、並びに光変調方法および画像表示方法を提供することを目的としている。
第1光変調素子と、前記第1光変調素子からの光を入射する第2光変調素子とを備え、前記第1光変調素子および前記第2光変調素子を介して光源からの光を変調する装置であって、
前記第2光変調素子を反射型光変調素子で構成し、
前記第1光変調素子を介して前記第2光変調素子に入射する入射光の光軸と、前記入射光が前記第2光変調素子で反射して前記第2光変調素子から出射する出射光の光軸とが所定角をなすオフアクシス光学系となるように前記第2光変調素子を配置し、
前記第1光変調素子で形成される画像に対して、前記所定角に応じた歪みを与える画像変形手段を備えることを特徴とする。
また、第1光変調素子は、光を変調する素子であればどのような構成であってもよく、構造としては、例えば、単一の光変調素子からなる単板式のものであってもよいし、複数の光変調素子からなる多板式のものであってもよい。また、機能としては、例えば、光の全波長領域の輝度を変調するようになっていてもよいし、光の波長領域のうち異なる複数の特定波長領域についてその特定波長領域の輝度を変調するようになっていてもよい。以下、発明2の光学表示装置、発明8の光変調方法、および発明9の画像表示方法において同じである。
光源と、前記光源からの光を異なる複数の特定波長領域の光に分離する光分離手段と、前記光分離手段で分離した光をそれぞれ入射する複数の第1光変調素子と、前記各第1光変調素子からの光を合成する光合成手段と、前記光合成手段からの光を入射する第2光変調素子とを備え、前記各第1光変調素子および前記第2光変調素子を介して前記光源からの光を変調して画像を表示する装置であって、
前記第2光変調素子を反射型光変調素子で構成し、
前記第1光変調素子を介して前記第2光変調素子に入射する入射光の光軸と、前記入射光が前記第2光変調素子で反射して前記第2光変調素子から出射する出射光の光軸とが所定角をなすオフアクシス光学系となるように前記第2光変調素子を配置し、
前記各第1光変調素子で形成される画像に対して、前記所定角に応じた歪みを与える画像変形手段を備えることを特徴とする。
前記第1光変調素子は、光伝搬特性を独立に制御可能な複数の画素を有する光変調素子であり、
前記第2光変調素子は、光の反射特性を独立に制御可能な複数の画素を有する光変調素子であり、
前記画像変形手段は、前記所定角に応じた歪みを考慮して前記第1光変調素子の画素および前記第2光変調素子の画素の対応関係を規定した画素対応関係テーブルおよび表示データに基づいて、前記第1光変調素子の光伝搬特性および制御値、並びに前記第2光変調素子の反射特性および制御値のうちいずれかを決定するようになっていることを特徴とする。
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。また、Tpは、光変調率である。
本発明者等は、鋭意検討を重ねた結果、T1およびT2の決定の仕方によって画質が劣化するのは、次のような要因が影響していることを見出した。
以上のことから、画質を向上する観点からは、第1光変調素子および第2光変調素子のうち表示解像度を決定するものの反射率または透過率(以下、反射率等という。)の方を後に決定する方が誤差の影響が少なくてよいという結論が得られる。
前記第2光変調素子は、表示解像度を決定する光変調素子であり、
さらに、前記第2光変調素子の各画素の反射特性を仮決定する反射特性仮決定手段と、前記反射特性仮決定手段で仮決定した反射特性および前記表示データに基づいて前記第1光変調素子の各画素の光伝搬特性を決定する光伝搬特性決定手段と、前記光伝搬特性決定手段で決定した光伝搬特性に基づいて前記第1光変調素子の各画素の制御値を決定する第1制御値決定手段と、前記光伝搬特性決定手段で決定した光伝搬特性および前記表示データに基づいて前記第2光変調素子の各画素の反射特性を決定する反射特性決定手段と、前記反射特性決定手段で決定した反射特性に基づいて前記第2光変調素子の各画素の制御値を決定する第2制御値決定手段とを備え、
前記画像変形手段を、前記光伝搬特性決定手段、前記第1制御値決定手段、前記反射特性決定手段および前記第2制御値決定手段のうちいずれかに適用したことを特徴とする。
ここで、光伝搬特性とは、光の伝搬に影響を与える特性をいい、例えば、光の透過特性、反射特性、屈折特性その他の伝搬特性が含まれる。以下、発明5の光学表示装置、並びに発明11および12の画像表示方法において同じである。
前記第1光変調素子は、表示解像度を決定する光変調素子であり、
さらに、前記第1光変調素子の各画素の光伝搬特性を仮決定する光伝搬特性仮決定手段と、前記光伝搬特性仮決定手段で仮決定した光伝搬特性および前記表示データに基づいて前記第2光変調素子の各画素の反射特性を決定する反射特性決定手段と、前記反射特性決定手段で決定した反射特性に基づいて前記第2光変調素子の各画素の制御値を決定する第1制御値決定手段と、前記反射特性決定手段で決定した反射特性および前記表示データに基づいて前記第1光変調素子の各画素の光伝搬特性を決定する光伝搬特性決定手段と、前記光伝搬特性決定手段で決定した光伝搬特性に基づいて前記第1光変調素子の各画素の制御値を決定する第2制御値決定手段とを備え、
前記画像変形手段を、前記反射特性決定手段、前記第1制御値決定手段、前記光伝搬特性決定手段および前記第2制御値決定手段のうちいずれかに適用したことを特徴とする。
ここで、光伝搬特性決定手段は、反射特性決定手段で決定した反射特性および表示データに基づいて第1光変調素子の各画素の光伝搬特性を決定するようになっていればどのような構成であってもよく、反射特性決定手段で決定した反射特性そのものに限らず、反射特性決定手段で決定した反射特性に基づいて演算または変換を行い、その演算結果または変換結果に基づいて第1光変調素子の各画素の光伝搬特性を決定するようになっていてもよい。例えば、第1制御値決定手段で決定した制御値は、反射特性決定手段で決定した反射特性に基づいて決定されるので、光伝搬特性決定手段は、第1制御値決定手段で決定した制御値および表示データに基づいて第1光変調素子の各画素の光伝搬特性を決定することができる。
前記第2光変調素子をDMDで構成したことを特徴とする。
このような構成であれば、第2光変調素子を開口率の高いDMDで構成したので、第1光変調素子と第2光変調素子の間のアライメント精度が高くなくても、表示画像の輝度をある程度確保することができるという効果が得られる。また、第2光変調素子をディジタル駆動することができるという効果も得られる。
前記第2光変調素子を反射型液晶表示素子で構成したことを特徴とする。
このような構成であれば、第2光変調素子を開口率の高い反射型液晶表示素子で構成したので、第1光変調素子と第2光変調素子の間のアライメント精度が高くなくても、表示画像の輝度をある程度確保することができる。また、第1光変調素子と第2光変調素子の間の光伝達において偏光特性を保持することができる。したがって、表示画像の輝度が低下するのをさらに抑制することができるという効果が得られる。また、DMDで構成する場合に比して、高精細化ができるので画質を向上することができるとともに、製造コストを低減することができるという効果も得られる。
第1光変調素子を介して光源からの光を変調する第1次変調ステップと、第2光変調素子を介して前記第1光変調素子からの光を変調する第2次変調ステップとを含み、前記光源からの光を変調する方法であって、
前記第2光変調素子は、反射型光変調素子であり、前記第1光変調素子を介して前記第2光変調素子に入射する入射光の光軸と、前記入射光が前記第2光変調素子で反射して前記第2光変調素子から出射する出射光の光軸とが所定角をなすオフアクシス光学系となるように配置されており、
前記第1光変調素子で形成される画像に対して、前記所定角に応じた歪みを与える画像変形ステップを含むことを特徴とする。
これにより、発明1の光変調装置と同等の効果が得られる。
光を異なる複数の特定波長領域の光に分離する光分離手段を介して光源からの光を分離する光分離ステップと、前記光分離手段からの各分離光ごとに、第1光変調素子を介して当該分離光を変調する第1次変調ステップと、光を合成する光合成手段を介して前記各第1光変調素子からの分離光を合成する光合成ステップと、第2光変調素子を介して前記光合成手段からの光を変調する第2次変調ステップとを含み、前記光源からの光を変調して画像を表示する方法であって、
前記第2光変調素子は、反射型光変調素子であり、前記第1光変調素子を介して前記第2光変調素子に入射する入射光の光軸と、前記入射光が前記第2光変調素子で反射して前記第2光変調素子から出射する出射光の光軸とが所定角をなすオフアクシス光学系となるように配置されており、
前記各第1光変調素子で形成される画像に対して、前記所定角に応じた歪みを与える画像変形ステップを含むことを特徴とする。
これにより、発明2の光学表示装置と同等の効果が得られる。
前記第1光変調素子は、光伝搬特性を独立に制御可能な複数の画素を有する光変調素子であり、
前記第2光変調素子は、光の反射特性を独立に制御可能な複数の画素を有する光変調素子であり、
前記画像変形ステップは、前記所定角に応じた歪みを考慮して前記第1光変調素子の画素および前記第2光変調素子の画素の対応関係を規定した画素対応関係テーブルおよび表示データに基づいて、前記第1光変調素子の光伝搬特性および制御値、並びに前記第2光変調素子の反射特性および制御値のうちいずれかを決定することを特徴とする。
これにより、発明3の光学表示装置と同等の効果が得られる。
前記第2光変調素子は、表示解像度を決定する光変調素子であり、
さらに、前記第2光変調素子の各画素の反射特性を仮決定する反射特性仮決定ステップと、前記反射特性仮決定ステップで仮決定した反射特性および前記表示データに基づいて前記第1光変調素子の各画素の光伝搬特性を決定する光伝搬特性決定ステップと、前記光伝搬特性決定ステップで決定した光伝搬特性に基づいて前記第1光変調素子の各画素の制御値を決定する第1制御値決定ステップと、前記光伝搬特性決定ステップで決定した光伝搬特性および前記表示データに基づいて前記第2光変調素子の各画素の反射特性を決定する反射特性決定ステップと、前記反射特性決定ステップで決定した反射特性に基づいて前記第2光変調素子の各画素の制御値を決定する第2制御値決定ステップとを含み、
前記画像変形ステップを、前記光伝搬特性決定ステップ、前記第1制御値決定ステップ、前記反射特性決定ステップおよび前記第2制御値決定ステップのうちいずれかに適用したことを特徴とする。
ここで、反射特性決定ステップは、光伝搬特性決定ステップで決定した光伝搬特性および表示データに基づいて第2光変調素子の各画素の反射特性を決定すればどのような方法であってもよく、光伝搬特性決定ステップで決定した光伝搬特性そのものに限らず、光伝搬特性決定ステップで決定した光伝搬特性に基づいて演算または変換を行い、その演算結果または変換結果に基づいて第2光変調素子の各画素の反射特性を決定してもよい。例えば、第1制御値決定ステップで決定した制御値は、光伝搬特性決定ステップで決定した光伝搬特性に基づいて決定されるので、反射特性決定ステップは、第1制御値決定ステップで決定した制御値および表示データに基づいて第2光変調素子の各画素の反射特性を決定することができる。
前記第1光変調素子は、表示解像度を決定する光変調素子であり、
さらに、前記第1光変調素子の各画素の光伝搬特性を仮決定する光伝搬特性仮決定ステップと、前記光伝搬特性仮決定ステップで仮決定した光伝搬特性および前記表示データに基づいて前記第2光変調素子の各画素の反射特性を決定する反射特性決定ステップと、前記反射特性決定ステップで決定した反射特性に基づいて前記第2光変調素子の各画素の制御値を決定する第1制御値決定ステップと、前記反射特性決定ステップで決定した反射特性および前記表示データに基づいて前記第1光変調素子の各画素の光伝搬特性を決定する光伝搬特性決定ステップと、前記光伝搬特性決定ステップで決定した光伝搬特性に基づいて前記第1光変調素子の各画素の制御値を決定する第2制御値決定ステップとを含み、
前記画像変形ステップを、前記反射特性決定ステップ、前記第1制御値決定ステップ、前記光伝搬特性決定ステップおよび前記第2制御値決定ステップのうちいずれかに適用したことを特徴とする。
ここで、光伝搬特性決定ステップは、反射特性決定ステップで決定した反射特性および表示データに基づいて第1光変調素子の各画素の光伝搬特性を決定すればどのような方法であってもよく、反射特性決定ステップで決定した反射特性そのものに限らず、反射特性決定ステップで決定した反射特性に基づいて演算または変換を行い、その演算結果または変換結果に基づいて第1光変調素子の各画素の光伝搬特性を決定してもよい。例えば、第1制御値決定ステップで決定した制御値は、反射特性決定ステップで決定した反射特性に基づいて決定されるので、光伝搬特性決定ステップは、第1制御値決定ステップで決定した制御値および表示データに基づいて第1光変調素子の各画素の光伝搬特性を決定することができる。
前記第2光変調素子は、DMDであることを特徴とする。
これにより、発明6の光学表示装置と同等の効果が得られる。
前記第2光変調素子は、反射型液晶表示素子であることを特徴とする。
これにより、発明7の光学表示装置と同等の効果が得られる。
本実施の形態は、本発明に係る光変調装置および光学表示装置、並びに光変調方法および画像表示方法を、図1に示すように、投射型表示装置100に適用したものである。
図1は、投射型表示装置100のハードウェア構成を示すブロック図である。
投射型表示装置100は、図1に示すように、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輝度分布均一化部12と、輝度分布均一化部12から入射した光の波長領域のうちRGB3原色の輝度をそれぞれ変調する色変調部14と、色変調部14から入射した光をリレーするリレーレンズ16と、リレーレンズ16から入射した光の全波長領域の輝度を変調する輝度変調部18と、輝度変調部18からから入射した光をスクリーン(不図示)に投射する投射部20とで構成されている。
色変調部14は、透過率を独立に制御可能な複数の画素をマトリクス状に配列した3枚の透過型液晶ライトバルブ40R,40G,40Bと、5枚のフィールドレンズ42R,42G,42B1〜42B3と、2枚のダイクロイックミラー44a,44bと、3枚のミラー46a,46b,46cと、ダイクロイックプリズム48とで構成されている。まず、輝度分布均一化部12からの光をダイクロイックミラー44a,44bにより赤色、緑色および青色のRGB3原色に分光するとともに、フィールドレンズ42R,42G,42B1〜42B3およびミラー46a〜46cを介して透過型液晶ライトバルブ40R〜40Bに入射する。そして、分光したRGB3原色の光の輝度を各透過型液晶ライトバルブ40R〜40Bにより変調し、変調したRGB3原色の光をダイクロイックプリズム48により合成してリレーレンズ16に出射する。
輝度変調部18は、反射率を独立に制御可能な複数の画素をマトリクス状に配列しかつ透過型液晶ライトバルブ40R〜40Bよりも高い解像度を有するDMD50と、TIRプリズム52とで構成されている。まず、リレーレンズ16からの光をTIRプリズム52で反射してDMD50に入射し、入射した光の全波長領域の輝度をDMD50により変調して反射する。そして、反射した光束のうち所定の成分をTIRプリズム52を介して投射部20に出射する。
図2(a)は、図1に示す全体の構成のうち、透過型液晶ライトバルブ40R〜40BとDMD50の間を模式的に示したものであり、さらに説明を分かりやすくするために、3枚の透過型液晶ライトバルブ40R〜40Bを1枚の透過型液晶ライトバルブに置き換えかつダイクロイックプリズム48を省略して記載してある。
この様子を図4を用いてより詳しく説明する。
いま、透過型液晶ライトバルブ40R〜40Bで図4(a)のような格子状の画像を形成し、これをリレーレンズ16を介してDMD50の画素面に倒立結像しようとしても、DMD50がオフアクシス光学系となるように配置されているため、DMD50の画素面に結像される画像は、図4(b)に示すような(図4(a)の上側部分が縮小し、下側部分が拡大した倒立画像)台形状に歪んだものとなってしまう。
図5は、リレーレンズ16の構成を示す図である。
リレーレンズ16は、各透過型液晶ライトバルブ40R〜40Bの光学像をDMD50の画素面に結像するものであって、図5に示すように、開口絞りに対してほぼ対称に配置された前段レンズ群および後段レンズ群からなる等倍結像レンズである。前段レンズ群および後段レンズ群は、複数の凸レンズと、1枚の凹レンズとで構成されている。ただし、レンズの形状、大きさ、配置間隔および枚数、テレセントリック性、倍率その他のレンズ特性は、要求される特性によって適宜変更され得るものであり、図5の例に限定されるものではない。
リレーレンズ16は、図6に示すように、典型的には等倍結像のものが用いられるので、透過型液晶ライトバルブ40R〜40Bの光学像をDMD50の画素面に倒立結像する。また、リレーレンズ16は、多数枚のレンズから構成されるので、収差補正が良く、各透過型液晶ライトバルブ40R〜40Bで形成される輝度分布を正確にDMD50に伝達することができる。
図7は、表示制御装置200のハードウェア構成を示すブロック図である。
表示制御装置200は、図7に示すように、制御プログラムに基づいて演算およびシステム全体を制御するCPU70と、所定領域にあらかじめCPU70の制御プログラム等を格納しているROM72と、ROM72等から読み出したデータやCPU70の演算過程で必要な演算結果を格納するためのRAM74と、外部装置に対してデータの入出力を媒介するI/F78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79で相互にかつデータ授受可能に接続されている。
記憶装置82は、HDR表示データを記憶している。
図8は、制御値登録テーブル400Rのデータ構造を示す図である。
制御値登録テーブル400Rには、図8に示すように、透過型液晶ライトバルブ40Rの各制御値ごとに1つのレコードが登録されている。各レコードは、透過型液晶ライトバルブ40Rの制御値を登録したフィールドと、透過型液晶ライトバルブ40Rの透過率を登録したフィールドとを含んで構成されている。
また、記憶装置82は、輝度変調素子の制御値を登録した制御値登録テーブル420を記憶している。
制御値登録テーブル420には、図9に示すように、輝度変調素子の各制御値ごとに1つのレコードが登録されている。各レコードは、輝度変調素子の制御値を登録したフィールドと、輝度変調素子の反射率を登録したフィールドとを含んで構成されている。
図9の例では、第1段目のレコードには、制御値として「0」が、反射率として「0.003」がそれぞれ登録されている。これは、輝度変調素子に対して制御値「0」を出力すると、輝度変調素子の反射率が0.3%となることを示している。なお、図9は、輝度変調素子の階調数が4ビット(0〜15値)である場合の例を示したが、実際には、輝度変調素子の階調数に相当するレコードが登録される。例えば、階調数が8ビットである場合は、256個のレコードが登録される。
次に、CPU70の構成およびCPU70で実行される処理を説明する。
CPU70は、マイクロプロセッシングユニット(MPU)等からなり、ROM72の所定領域に格納されている所定のプログラムを起動させ、そのプログラムに従って、図10のフローチャートに示す表示制御処理を実行するようになっている。
表示制御処理は、HDR表示データに基づいて色変調ライトバルブおよび輝度変調素子の制御値をそれぞれ決定し、決定した制御値に基づいて色変調ライトバルブおよび輝度変調素子を駆動する処理であって、CPU70において実行されると、図10に示すように、まず、ステップS100に移行するようになっている。
次いで、ステップS102に移行して、読み出したHDR表示データを解析し、画素値のヒストグラムや、輝度レベルの最大値、最小値および平均値等を算出する。この解析結果は、暗めのシーンを明るくしたり、明るすぎるシーンを暗くしたり、中間部コントラストを協調するなどの自動画像補正に使用したり、トーンマッピングに使用したりするためである。
図11は、トーンマッピング処理を説明するための図である。
HDR表示データを解析した結果、HDR表示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、投射型表示装置100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11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表示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。
次いで、ステップS106に移行して、輝度変調素子の解像度に合わせてHDR画像をリサイズ(拡大または縮小)する。このとき、HDR画像のアスペクト比を保持したままHDR画像をリサイズする。リサイズ方法としては、例えば、平均値法、中間値法、ニアレストネイバー法(最近傍法)が挙げられる。
次いで、ステップS110に移行して、輝度変調素子の各画素の反射率T2として初期値(例えば、0.2)を与え、輝度変調素子の各画素の反射率T2を仮決定する。
次いで、ステップS114に移行して、色変調ライトバルブの各画素ごとに、その画素と光路上で重なり合う輝度変調素子の画素について算出した透過率T1’の重み付け平均値をその画素の透過率T1として算出する。重み付けは、重なり合う画素の面積比により行う。また、画素の対応関係は、記憶装置82の画素対応関係テーブルを参照して求めることができる。
次に、本実施の形態の動作を図12ないし図15を参照しながら説明する。
なお、本実施の形態では、色変調ライトバルブが3枚の透過型液晶ライトバルブ40R〜40Bから構成されていることから、以降の説明は、RGB3原色ごとに適用されるものであるが、動作の基本的な考え方はすべて同じであるので、説明が煩雑になるのを避ける目的で、3枚の透過型液晶ライトバルブ40R〜40Bを1枚の透過型液晶ライトバルブに置き換えて説明する。
次いで、ステップS110を経て、輝度変調素子の各画素の反射率T2が仮決定される。輝度変調素子の各画素は、図12(a)に示すように番号付けする。すなわち、各画素の番号は、接頭記号の「pd」を付けた4桁で与えられ、上側2桁が行番号を表し、下2桁が列番号を表す。行番号および列番号は、輝度変調素子の最も左上の行または列を「01」とする。この画素の番号付けは、色変調ライトバルブも同様に行うが色変調ライトバルブの場合は接頭記号として「pl」を用いる。
図13は、輝度変調素子の画素単位で色変調ライトバルブの透過率T1’を算出する場合を示す図である。
次いで、ステップS112を経て、輝度変調素子の画素単位で色変調ライトバルブの透過率T1’が算出される。
T1’(0101)=Tp0101/T20 …(3)
T1’(0102)=Tp0102/T20 …(4)
T1’(0103)=Tp0103/T20 …(5)
T1’(0201)=Tp0201/T20 …(6)
T1’(0202)=Tp0202/T20 …(7)
T1’(0203)=Tp0203/T20 …(8)
T1’(0301)=Tp0301/T20 …(9)
T1’(0302)=Tp0302/T20 …(10)
T1’(0303)=Tp0303/T20 …(11)
実際に数値を用いて計算する。Tp0101=0.00012、Tp0102=0.05、Tp0103=0.02、Tp0201=0.01、Tp0202=0.03、Tp0203=0.005、Tp0301=0.009、Tp0302=0.035、Tp0303=0.0006、T20=0.1である場合は、上式(3)〜(11)によりT1’(0101)=0.0012、T1’(0102)=0.5、T1’(0103)=0.2、T1’(0201)=0.1、T1’(0202)=0.3、T1’(0203)=0.05、T1’(0301)=0.09、T1’(0302)=0.35、T1’(0303)=0.006となる。
図14は、色変調ライトバルブの各画素の透過率T1を決定する場合を示す図である。
次いで、ステップS114を経て、色変調ライトバルブの各画素の透過率T1が決定される。
T1(0913)=(T1’(0101)×2.5+T1’(0102)×10+T1’(0103)×4+T1’(0201)×3.5+T1’(0202)×41+T1’(0203)×16+T1’(0301)×1+T1’(0302)×15+T1’(0303)×7)/100 …(12)
実際に数値を用いて計算する。T1’(0101)=0.0012、T1’(0102)=0.5、T1’(0103)=0.2、T1’(0201)=0.1、T1’(0202)=0.3、T1’(0203)=0.05、T1’(0301)=0.09、T1’(0302)=0.35、T1’(0303)=0.006である場合は、下式(12)により画素pl(0913)の透過率は、T1(0913)=0.2463となる。
次いで、ステップS116を経て、色変調ライトバルブの各画素ごとに、その画素について算出された透過率T1に対応する制御値が制御値登録テーブル400R〜400Bから読み出され、読み出された制御値がその画素の制御値として決定される。例えば、Rの色変調ライトバルブについてT1(0913)=0.2463であるとすると、制御値登録テーブル400Rを参照すると、図8に示すように、0.24が最も近似した値となる。したがって、制御値登録テーブル400Rからは、画素pl(0913)の制御値として「10」が読み出される。
図15は、輝度変調素子の各画素の反射率T2を決定する場合を示す図である。
次いで、ステップS118を経て、輝度変調素子の各画素の反射率T2が決定される。
図13(a)で説明した理由と同様の理由により色変調ライトバルブの透過率T1(0913)〜T1(1015)は、輝度変調素子の画素面では、図15(a)に示す位置に光学的に対応することとなる。図15(b)は、輝度変調素子の左上9画素と、T1(0913)〜T1(1015)の重なり具合を拡大して示した図である。
T1(pd0101)=(T1(0913)×1+T1(0914)×4+T1(1013)×6+T1(1014)×20)/31 …(13)
T2(0101)=Tp0101/T1(pd0101) …(14)
実際に数値を用いて計算する。T1(0913)=0.2463、T1(0914)=0.1735、T1(1013)=0.0876、T1(1014)=0.0752である場合は、下式(13)によりT1(pd0101)=0.0958、画素pd(0101)の反射率はT2(0101)=0.0013となる。
次いで、ステップS120を経て、輝度変調素子の各画素ごとに、その画素について算出された透過率T2に対応する制御値が制御値登録テーブル420から読み出され、読み出された制御値がその画素の制御値として決定される。例えば、輝度変調素子の画素pd(0101)についてT2(0101)=0.0013である場合、制御値登録テーブル420を参照すると、図9に示すように、0.003が最も近似した値となる。したがって、制御値登録テーブル420からは、画素pd(0101)の制御値として「0」が読み出される。
このようにして、本実施の形態では、光源10と、光源10からの光をRGB3原色の光に分離するダイクロイックミラー44a,44bと、ダイクロイックミラー44a,44bで分離した光をそれぞれ入射しかつ透過率T1を独立に制御可能な複数の画素を有する複数の色変調ライトバルブと、各色変調ライトバルブからの光を合成するダイクロイックプリズム48と、ダイクロイックプリズム48からの光を入射しかつ反射率T2を独立に制御可能な複数の画素を有するDMD50とを備え、オフアクシス光学系となるようにDMD50を配置し、色変調ライトバルブで形成される画像に対して、DMD50の画素面で生じる歪みを補正する歪みを与えるようになっている。
また、輝度変調素子を開口率の高いDMD50で構成したので、色変調ライトバルブとDMD50の間のアライメント精度が高くなくても、表示画像の輝度をある程度確保することができる。したがって、従来に比して、表示画像の輝度が低下するのを抑制することができる。
さらに、光源として固体レーザや半導体レーザを利用しなくてもすむので、従来に比して、装置の小型化や高輝度化を図ることができる。
これにより、色変調ライトバルブで形成される画像に対して与える歪みを考慮して透過率T1および反射率T2を比較的容易に決定することができる。
さらに、本実施の形態では、各色変調ライトバルブの光学像をDMD50の画素面に結像するリレーレンズ16を備える。
さらに、本実施の形態では、色変調ライトバルブは、液晶ライトバルブである。
さらに、本実施の形態では、光源10と色変調部14との光路上に、光源10からの光の輝度分布を均一化する輝度分布均一化部12を設けた。
これにより、輝度分布ムラが生じる可能性を低減することができる。
これにより、光源10からの光量の多くが色変調ライトバルブの変調対象となるので、表示画像の輝度を向上することができる。
さらに、本実施の形態では、輝度変調素子の各画素の反射率T2を仮決定し、仮決定した反射率T2およびHDR表示データに基づいて色変調ライトバルブの各画素の透過率T1を決定し、決定した透過率T1に基づいて色変調ライトバルブの各画素の制御値を決定し、決定した透過率T1およびHDR表示データに基づいて輝度変調素子の各画素の反射率T2を決定し、決定した反射率T2に基づいて輝度変調素子の各画素の制御値を決定するようになっている。
さらに、本実施の形態では、仮決定した反射率T2およびHDR表示データに基づいて、輝度変調素子の画素単位で色変調ライトバルブの透過率T1’を算出し、算出した透過率T1’に基づいて色変調ライトバルブの各画素の透過率T1を算出するようになっている。
これにより、色変調ライトバルブおよび輝度変調素子がそれぞれ異なる解像度を有する場合に、色変調ライトバルブの各画素の透過率T1が、その画素と光路上で重なり合う輝度変調素子の画素の反射率T2に対して比較的適切な値となるので、画質が劣化する可能性をさらに低減することができる。また、色変調ライトバルブの各画素の透過率T1をさらに簡単に算出することができる。
これにより、色変調ライトバルブおよび輝度変調素子がそれぞれ異なる解像度を有する場合に、色変調ライトバルブの各画素の透過率T1が、その画素と光路上で重なり合う輝度変調素子の画素の反射率T2に対してさらに適切な値となるので、画質が劣化する可能性をさらに低減することができる。また、色変調ライトバルブの各画素の透過率T1をさらに簡単に算出することができる。
これにより、色変調ライトバルブおよび輝度変調素子がそれぞれ異なる解像度を有する場合に、輝度変調素子の各画素の反射率T2が、その画素と光路上で重なり合う色変調ライトバルブの画素の透過率T1に対して比較的適切な値となるので、画質が劣化する可能性をさらに低減することができる。また、輝度変調素子の各画素の反射率T2を比較的簡単に算出することができる。
これにより、色変調ライトバルブおよび輝度変調素子がそれぞれ異なる解像度を有する場合に、輝度変調素子の各画素の反射率T2が、その画素と光路上で重なり合う色変調ライトバルブの画素の透過率T1に対してさらに適切な値となるので、画質が劣化する可能性をさらに低減することができる。また、輝度変調素子の各画素の反射率T2をさらに簡単に算出することができる。
これにより、従来の投射型表示装置に光変調素子を1つだけ追加すればよいので、投射型表示装置100を比較的容易に構成することができる。
上記実施の形態において、色変調ライトバルブは、発明1ないし4、8ないし11の第1光変調素子に対応し、DMD50は、発明1ないし4、6、8ないし11若しくは13の第2光変調素子、または発明1、2、8若しくは9の反射型光変調素子に対応し、ダイクロイックミラー44a,44bは、発明2または9の光分離手段に対応している。また、ダイクロイックプリズム48は、発明2または9の光合成手段に対応し、ステップS110は、発明4の反射特性仮決定手段、または発明11の反射特性仮決定ステップに対応し、ステップS112,S114は、発明4の光伝搬特性決定手段、または発明11の光伝搬特性決定ステップに対応している。
図16は、TIRプリズム52を設けずに投射型表示装置100を構成した場合を示す図である。
投射型表示装置100は、図16に示すように、光源10、輝度分布均一化部12、色変調部14、リレーレンズ16、輝度変調部18および投射部20で構成されている。
図17は、反射型液晶ライトバルブ54を利用して投射型表示装置100を構成した場合を示す図である。
輝度変調部18は、反射率T2を独立に制御可能な複数の画素をマトリクス状に配列した反射型液晶ライトバルブ54と、反射型液晶ライトバルブ54のコントラスト特性を向上させるためのλ/4板56と、偏光板58とで構成されている。反射型液晶ライトバルブ54は、リレーレンズ16からの入射光の光軸と、投射部20への出射光の光軸とが所定角をなすオフアクシス光学系となるように配置されている。まず、リレーレンズ16からの光をλ/4板56を介して反射型液晶ライトバルブ54に入射し、入射した光の全波長領域の輝度を反射型液晶ライトバルブ54により変調して反射する。そして、反射した光をλ/4板56および偏光板58を介して投射部20に出射する。
また、上記実施の形態においては、画素対応関係テーブルを参照して透過率T1および反射率T2を決定するように構成したが、これに限らず、画素対応関係テーブルを参照して、色変調ライトバルブの透過率T1および制御値、並びに輝度変調素子の反射率T2および制御値のうちいずれかを決定するように構成することができる。
また、上記実施の形態においては、輝度変調素子を、表示解像度を決定する光変調素子として構成したが、これに限らず、色変調ライトバルブを、表示解像度を決定する光変調素子として構成することもできる。この場合、輝度変調素子の各画素の反射率T1(先に決定される光変調素子の反射率等をT1とする。)を決定してから、色変調ライトバルブの各画素の透過率T2(後に決定される光変調素子の反射率等をT2とする。)を決定する。また、上記と同様に、RGB3原色ごとに制御値登録テーブル400R〜400Bを用意し、制御値登録テーブル400R〜400Bに基づいて色変調ライトバルブの各画素の制御値を決定するように構成することもできる。
この場合において、色変調ライトバルブは、発明5または12の第1光変調素子に対応し、輝度変調素子は、発明5または12の第2光変調素子に対応している。
そのために、図18の入力値登録テーブル440を用いれば、通常のRGB画像の0〜255という入力値から物理的な反射率等Tpへの変換を行うことができ、かつ、このテーブルの反射率等Tpの設定の仕方によって簡単に通常のRGB画像に対する表示の見た目(階調特性)を変更することが可能となる。このテーブルにおける反射率等Tpは、上式(2)におけるTpであるため、この値が決定されれば後は、上記実施の形態と同様の処理を行うことにより、複数の光変調素子の透過率T1および反射率T2が決定され表示が行える。
図19の入力値登録テーブル460は、反射率等Tpの代わりに輝度レベルRpを用いたものである。このテーブルにおける輝度レベルRpは、上式(1)におけるRpであるため、この値が決定されれば後は、上記実施の形態と同様の処理を行うことにより、複数の光変調素子の透過率T1および反射率T2が決定され表示が行える。
また、上記実施の形態においては、説明を簡単にするため、ゲインG=1.0と設定したが、ハードウェア構成によっては、ゲインG=1.0ではなくなる。また、実際の計算コストを考えたときには、ゲインGの影響を含んだかたちで制御値および反射率等を制御値登録テーブルに登録しておく方とよい。
ここで、記憶媒体とは、RAM、ROM等の半導体記憶媒体、FD、HD等の磁気記憶型記憶媒体、CD、CDV、LD、DVD等の光学的読取方式記憶媒体、MO等の磁気記憶型/光学的読取方式記憶媒体であって、電子的、磁気的、光学的等の読み取り方法のいかんにかかわらず、コンピュータで読み取り可能な記憶媒体であれば、あらゆる記憶媒体を含むものである。
Claims (12)
- 光源と、前記光源からの光を異なる複数の特定波長領域の光に分離する光分離手段と、前記光分離手段で分離した光をそれぞれ入射する複数の第1光変調素子と、前記各第1光変調素子からの光を合成する光合成手段と、前記光合成手段からの光を入射する第2光変調素子とを備え、前記各第1光変調素子および前記第2光変調素子を介して前記光源からの光を変調して画像を表示する装置であって、
前記第2光変調素子を反射型光変調素子で構成し、
前記第1光変調素子を介して前記第2光変調素子に入射する入射光の光軸と、前記入射光が前記第2光変調素子で反射して前記第2光変調素子から出射する出射光の光軸とが所定角をなすオフアクシス光学系となるように前記第2光変調素子を配置し、
前記各第1光変調素子で形成される画像に対して、前記所定角に応じた歪みを与える画像変形手段を備えることを特徴とする光学表示装置。 - 請求項1において、
前記第1光変調素子は、光伝搬特性を独立に制御可能な複数の画素を有する光変調素子であり、
前記第2光変調素子は、光の反射特性を独立に制御可能な複数の画素を有する光変調素子であり、
前記画像変形手段は、前記所定角に応じた歪みを考慮して前記第1光変調素子の画素および前記第2光変調素子の画素の対応関係を規定した画素対応関係テーブルおよび表示データに基づいて、前記第1光変調素子の光伝搬特性および制御値、並びに前記第2光変調素子の反射特性および制御値のうちいずれかを決定するようになっていることを特徴とする光学表示装置。 - 請求項2において、
前記第2光変調素子は、表示解像度を決定する光変調素子であり、
さらに、前記第2光変調素子の各画素の反射特性を仮決定する反射特性仮決定手段と、前記反射特性仮決定手段で仮決定した反射特性および前記表示データに基づいて前記第1光変調素子の各画素の光伝搬特性を決定する光伝搬特性決定手段と、前記光伝搬特性決定手段で決定した光伝搬特性に基づいて前記第1光変調素子の各画素の制御値を決定する第1制御値決定手段と、前記光伝搬特性決定手段で決定した光伝搬特性および前記表示データに基づいて前記第2光変調素子の各画素の反射特性を決定する反射特性決定手段と、前記反射特性決定手段で決定した反射特性に基づいて前記第2光変調素子の各画素の制御値を決定する第2制御値決定手段とを備え、
前記画像変形手段を、前記光伝搬特性決定手段、前記第1制御値決定手段、前記反射特性決定手段および前記第2制御値決定手段のうちいずれかに適用したことを特徴とする光学表示装置。 - 請求項2において、
前記第1光変調素子は、表示解像度を決定する光変調素子であり、
さらに、前記第1光変調素子の各画素の光伝搬特性を仮決定する光伝搬特性仮決定手段と、前記光伝搬特性仮決定手段で仮決定した光伝搬特性および前記表示データに基づいて前記第2光変調素子の各画素の反射特性を決定する反射特性決定手段と、前記反射特性決定手段で決定した反射特性に基づいて前記第2光変調素子の各画素の制御値を決定する第1制御値決定手段と、前記反射特性決定手段で決定した反射特性および前記表示データに基づいて前記第1光変調素子の各画素の光伝搬特性を決定する光伝搬特性決定手段と、前記光伝搬特性決定手段で決定した光伝搬特性に基づいて前記第1光変調素子の各画素の制御値を決定する第2制御値決定手段とを備え、
前記画像変形手段を、前記反射特性決定手段、前記第1制御値決定手段、前記光伝搬特性決定手段および前記第2制御値決定手段のうちいずれかに適用したことを特徴とする光学表示装置。 - 請求項1ないし4のいずれか1項において、
前記第2光変調素子をDMDで構成したことを特徴とする光学表示装置。 - 請求項1ないし4のいずれか1項において、
前記第2光変調素子を反射型液晶表示素子で構成したことを特徴とする光学表示装置。 - 光を異なる複数の特定波長領域の光に分離する光分離手段を介して光源からの光を分離する光分離ステップと、前記光分離手段からの各分離光ごとに、第1光変調素子を介して当該分離光を変調する第1次変調ステップと、光を合成する光合成手段を介して前記各第1光変調素子からの分離光を合成する光合成ステップと、第2光変調素子を介して前記光合成手段からの光を変調する第2次変調ステップとを含み、前記光源からの光を変調して画像を表示する方法であって、
前記第2光変調素子は、反射型光変調素子であり、前記第1光変調素子を介して前記第2光変調素子に入射する入射光の光軸と、前記入射光が前記第2光変調素子で反射して前記第2光変調素子から出射する出射光の光軸とが所定角をなすオフアクシス光学系となるように配置されており、
前記各第1光変調素子で形成される画像に対して、前記所定角に応じた歪みを与える画像変形ステップを含むことを特徴とする画像表示方法。 - 請求項7において、
前記第1光変調素子は、光伝搬特性を独立に制御可能な複数の画素を有する光変調素子であり、
前記第2光変調素子は、光の反射特性を独立に制御可能な複数の画素を有する光変調素子であり、
前記画像変形ステップは、前記所定角に応じた歪みを考慮して前記第1光変調素子の画素および前記第2光変調素子の画素の対応関係を規定した画素対応関係テーブルおよび表示データに基づいて、前記第1光変調素子の光伝搬特性および制御値、並びに前記第2光変調素子の反射特性および制御値のうちいずれかを決定することを特徴とする画像表示方法。 - 請求項8において、
前記第2光変調素子は、表示解像度を決定する光変調素子であり、
さらに、前記第2光変調素子の各画素の反射特性を仮決定する反射特性仮決定ステップと、前記反射特性仮決定ステップで仮決定した反射特性および前記表示データに基づいて前記第1光変調素子の各画素の光伝搬特性を決定する光伝搬特性決定ステップと、前記光伝搬特性決定ステップで決定した光伝搬特性に基づいて前記第1光変調素子の各画素の制御値を決定する第1制御値決定ステップと、前記光伝搬特性決定ステップで決定した光伝搬特性および前記表示データに基づいて前記第2光変調素子の各画素の反射特性を決定する反射特性決定ステップと、前記反射特性決定ステップで決定した反射特性に基づいて前記第2光変調素子の各画素の制御値を決定する第2制御値決定ステップとを含み、
前記画像変形ステップを、前記光伝搬特性決定ステップ、前記第1制御値決定ステップ、前記反射特性決定ステップおよび前記第2制御値決定ステップのうちいずれかに適用したことを特徴とする画像表示方法。 - 請求項8において、
前記第1光変調素子は、表示解像度を決定する光変調素子であり、
さらに、前記第1光変調素子の各画素の光伝搬特性を仮決定する光伝搬特性仮決定ステップと、前記光伝搬特性仮決定ステップで仮決定した光伝搬特性および前記表示データに基づいて前記第2光変調素子の各画素の反射特性を決定する反射特性決定ステップと、前記反射特性決定ステップで決定した反射特性に基づいて前記第2光変調素子の各画素の制御値を決定する第1制御値決定ステップと、前記反射特性決定ステップで決定した反射特性および前記表示データに基づいて前記第1光変調素子の各画素の光伝搬特性を決定する光伝搬特性決定ステップと、前記光伝搬特性決定ステップで決定した光伝搬特性に基づいて前記第1光変調素子の各画素の制御値を決定する第2制御値決定ステップとを含み、
前記画像変形ステップを、前記反射特性決定ステップ、前記第1制御値決定ステップ、前記光伝搬特性決定ステップおよび前記第2制御値決定ステップのうちいずれかに適用したことを特徴とする画像表示方法。 - 請求項7ないし10のいずれか1項において、
前記第2光変調素子は、DMDであることを特徴とする画像表示方法。 - 請求項7ないし10のいずれか1項において、
前記第2光変調素子は、反射型液晶表示素子であることを特徴とする画像表示方法。
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