JP4679947B2 - プロジェクタ - Google Patents

Description

本発明は、光源からの光を照明光に変換し、照明光を変調して生成された画像光をスクリーンに投映するプロジェクタに関する。

デジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）や液晶表示パネル等の画像表示パネルを備え、照明光源から得られた白色光を画像表示パネルによって変調して画像光を生成し、生成された画像光を拡大してスクリーンに投映し、大画面サイズの画像を表示するプロジェクタが知られている。プロジェクタには、表示される画像の明るさが不均一にならないように照明光源からの光を均一性の高い照明光に変換するための照明光学系と、画像光をスクリーン上で結像させるための投映光学系とが設けられている。

プロジェクタによって表示される画像は、明るい環境下で観賞する場合、周囲の明るさにより見づらくなるため、画像の明るさを高める必要がある。明るさを高めるとコントラストが損なわれるが、明るい環境下では比較的見やすい画像となる。一方、明るさを高めた画像を暗い環境下で観賞すると、コントラストの劣化が目立つ画質の低いものとなる。そこで、コントラストが低下しても画像の明るさを高めることを重視する輝度重視モードと、画像のコントラストを最適にするコントラスト重視モードの２つの表示モードが選択でき、明るい環境下と暗い環境下でそれぞれ最適な画像を得るために２つの表示モードを切り替えられるようにしたプロジェクタが公知である（特許文献１参照）。

このプロジェクタは、照明光学系の内部と、投映光学系の内部にそれぞれ絞りが設けられ、輝度重視モードではそれぞれの絞りを開放し、コントラスト重視モードではそれぞれの絞りによって光量を制限する。すなわち、輝度重視モードでは絞り開口が大きくされ、コントラスト重視モードでは絞り開口が小さく調節される。絞り径を小さくすると画像の明るさは低下するが、光路中で生じる散乱光が遮断されるのでコントラストの良好な画像を表示することができる。

また、周辺環境の明るさの違いにより光量を変更するだけでなく、明るい画素の多い画像は絞り径を大きくして明るい画像として表示し、暗い画素の多い画像は絞り径を小さくして暗い画像として表示することにより、画像の鮮明さを高めたプロジェクタが公知である（特許文献２参照）。
特開２００３−１０７３９６号公報 特開２００５−００３７４４号公報

しかしながら、画像光の光束は照明光の光束よりも直径が小さく、投映光学系の絞りは、照明光学系の絞りよりも小さい分、絞り開口の大きさを正確に制御するための精度を要する。したがって、上記プロジェクタのように、照明光学系に設けられた絞りと、投映光学系に設けられた絞りとにより照明光と画像光の光量をそれぞれ制限する場合、投映光学系の絞り開口の大きさに誤差が生じやすく、絞りを駆動するたびに画像の明るさやコントラストがばらつくという問題がある。また、投映光学系の絞りに基づく画像の明るさやコントラストのばらつきが、プロジェクタの製品ごとに発生するという問題がある。

本発明は、上記問題点を考慮してなされたもので、投映光学系の絞りに起因する明るさやコントラストのばらつきを軽減することが可能なプロジェクタを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、光源からの光を照明光に変換する照明光学系と、照明光を変調して画像光を生成する画像表示パネルと、生成された画像光をスクリーンに投映する投映光学系とを備え、前記照明光学系に設けられた第１の絞りによって照明光の光量が調節され、前記投映光学系に設けられた第２の絞りによって画像光の光量が調節されるプロジェクタにおいて、前記第１の絞りを開放したときの照明光の光量に対し、前記第１の絞りにより減少した照明光の光量の比率を第１の絞り率とし、前記第２の絞りを開放したときの画像光の光量に対し、前記第２の絞りにより減少した画像光の光量の比率を第２の絞り率としたときに、前記第１の絞り率が前記第２の絞り率よりも大きいことを特徴とする。

前記第１の絞りと前記第２の絞りは、照明光，画像光の光量をそれぞれ連続して変化させることの可能な可変絞りからなり、前記第１の絞り率が前記第２の絞り率よりも大きくなるように、前記第１の絞りと前記第２の絞りの開口の大きさを調節する絞り調節手段を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、開口の大きい照明光学系の絞りによって照明光の光量を制限する比率を、開口の小さい投映光学系の絞りによって照明光の光量を制限する比率よりも大きくすることによって、投映光学系の絞りの誤差による明るさ、コントラストの変化を小さくすることができる。また、照明光学系の絞りと投映光学系の絞りの絞り率を同じにした場合と比べ、明るさをほとんど変えずにコントラストを向上できることが判明し、従来よりも画質の優れた画像を表示することが可能となる。

また、照明光学系の絞りと投映光学系の絞りが、照明光と投映光の光量をそれぞれ連続して変化させる可変絞りからなるものでは、照明光学系の絞りの絞り率と投映光学系の絞りの絞り率との大小関係を変えずに絞り開口の大きさを調節するから、明るさ、コントラストの製品ごとのばらつきを小さくでき、コントラスト比の高い高画質の画像を表示することができる。

図１において、画像表示装置１０は、筐体１１の前面に拡散透過型のスクリーン１２が設けられ、その背面に形成された画像を前面側から観賞することができる。筐体１１の内部には投映ユニット１４が組み込まれている。投映ユニット１４からは画像光が投映され、画像光はミラー１６，１７を反射してスクリーン１２の背面側に結像する。画像表示装置１０は、テレビ信号の周波数を振り分けるチューナー回路、映像及び音声の再生用回路等が備えられ、大画面テレビジョンとして使用することができる。

図２において、投映ユニット１４は、マイクロコンピュータ２０を備えた制御部２１と、光学系とからなる。光学系は、光源部２２，照明光学系，全反射プリズム２４，ＤＭＤ２６，投映光学系２７を備えている。投映ユニット１４は、３色の画像光を１つのＤＭＤ２６で生成する単板式を採用している。制御部２１は、映像信号受信部６９に入力される映像信号に基づいて、投映ユニット１４の各部を統括的に制御する。映像信号受信部６９には、チューナー回路や映像入力端子から、例えば、コンポジット信号やコンポーネント信号などの映像信号が入力される。

光源部２２は、光源３１と、この光源３１が放射する照明光を照明光学系に向けて反射するリフレクタ３２とからなる。光源３１としては、例えば、キセノン管や水銀灯などの白色光源が使用される。照明光学系は、コンデンサレンズ３３，カラーホイール３４，ロッドインテグレータ３６，リレーレンズ３７，３８からなる。

カラーホイール３４は、光源部２２から放射されコンデンサレンズ３３によって集光された照明光束をＢ，Ｇ，Ｒの３色に時分割で分離する。カラーホイール３４は、略円板形状の基板に、Ｂ光のみを透過するＢフイルタ，Ｇ光のみを透過するＧフイルタ，Ｒ光のみを透過するＲフイルタの３色のフイルタを基板の回転中心からほぼ等距離に配置したものである。カラーホイール３４は、カラーホイール駆動部６１によって駆動され、その回転開始のタイミングや回転速度は、マイクロコンピュータ２０によって制御される。このカラーホイール３４が回転することにより、各色のフイルタが選択的に光路内に順次挿入される。これにより、照明光がＢ，Ｇ，Ｒの３色に時分割で色分離され、分離された各色の光が順次ＤＭＤ２６に向けて照射される。

ロッドインテグレータ３６は、カラーホイール３４で分離された各色の光束の密度を均一化することにより、ＤＭＤ２６の受光面の光強度分布を、その中心から周辺部まで均一にする。ロッドインテグレータ３６は、例えば、ガラス製のロッドの内部に万華鏡を形成したものである。ロッドインテグレータ３６に入射した光束は、その内部で全反射を繰り返して重畳される。これにより、ロッドインテグレータ３６を出射した光は、その密度が均一化された照明光となる。

リレーレンズ３７，３８は、ロッドインテグレータ３６を出射した照明光を全反射プリズム２４に中継する。全反射プリズム２４は、例えば、異なる屈折率を持つ２つの三角プリズムから構成されており、それら２つの三角プリズムの境界に反射面２４ａが形成される。照明光は、反射面２４ａに対する入射角が臨界角よりも大きいため、反射面２４ａで全反射してＤＭＤ２６に入射する。

ＤＭＤ２６は、投映ユニット１４に入力された映像信号に基づいて、マイクロコンピュータ２０に接続されたＤＭＤ駆動部６２によって駆動される。ＤＭＤ２６は、受光面に画素に対応する多数のミラー素子がマトリックス状に配列されている。各ミラー素子は、前記映像信号に基づいて、角度を変化させることにより、受光した照明光の反射方向を変化させる。画素を明るく表示させる場合には、ミラー素子をオン位置に変位させて受光した光をｏｎ光として投映光学系２７に向けて反射させる。他方、画素を暗く表示する場合には、ミラー素子をオフ位置に変位させて受光した光をｏｆｆ光として投映光学系２７から外れた方向に向けて反射させる。照明光は、投映光学系２７に向かうｏｎ光が集合した画像光に変調され、全反射プリズム２４を透過し、投映光学系２７に入射する。

投映光学系２７は、光軸上に配置された複数のレンズ群と、変倍や焦点調節を行うためのレンズ移動機構とを備えている。なお、図面上では、鏡筒４１内に１枚の投映レンズ４２を配置した形に簡略化している。ＤＭＤ２６によって生成された画像光は、投映光学系２７によってスクリーン１２上に結像される。

照明光学系の光路と投映光学系２７の光路の内部には、第１可変絞り機構４３及び第２可変絞り機構４４がそれぞれ設けられている。第１可変絞り機構４３及び第２可変絞り機構４４は、照明光及び画像光の光量を調節することにより、スクリーン１２に表示される画像の明るさを変化させる。

図３において、第１可変絞り機構４３は、絞り機構本体４６とモータ４７とからなる。絞り機構本体４６は、中央部に照明光が通過する円形の絞り開口４８ａが形成された基板４８と、略三日月形状をしており、絞り開口４８ａの一部を覆って照明光の光束を絞る絞り羽根４９と、この絞り羽根４９を駆動する駆動部材５１とからなる。絞り機構本体４６は、絞り開口４８ａの中心が光軸と一致するように配置される。また、光軸方向では、照明光学系における光束の開口絞りとして機能するのに効果的な位置、例えば、照明光学系内の入射瞳位置や射出瞳位置もしくはその近傍に配置される。

基板４８上には、絞り開口４８ａの近傍に、絞り羽根４９を揺動自在に軸支するピン４８ｂが設けられている。絞り羽根４９の一端には、ピン４８ｂが挿通される孔４９ａが形成されており、他端には、駆動部材５１の駆動ピン５１ａと係合する長孔４９ｂが形成されている。駆動部材５１は、基板４８上に立設されたピン４８ｃに揺動自在に軸支されている。駆動部材５１が揺動すると、駆動ピン５１ａが変位し、長孔４９ｂとの係合により、絞り羽根４９がピン４８ｂを中心に揺動する。

絞り羽根４９は、絞り開口４８ａから退避する開放絞り位置（図上、実線で示す）と、絞り開口４８ａの周縁部を覆い、絞り開口４８ａを透過する照明光の光量を最小にする最小絞り位置（図上、二点鎖線で示す）との間で移動する。絞り羽根４９の移動範囲は、基板４８に設けられた規制ピン４８ｄ，４８ｅによって規制される。駆動部材５１は、モータ４７によって駆動される。駆動部材５１には、伝達ギヤ５２と噛合する歯列５１ｂが形成されている。モータ４７の回転力は、伝達ギヤ５２を介して駆動部材５１に伝達される。絞り羽根４９は、開放絞り位置と最小絞り位置との間で揺動するが、その変位量は、モータ４７の回転量に応じて連続的に変化する。

モータ４７としては、例えば、与えられた駆動パルスに応じて回転量及び回転方向が決定するパルスモータが使用される。このモータ４７は、駆動部６３によって駆動される。なお、パルスモータではなく、ＤＣモータを使用することもできる。この場合には、ロータリーエンコーダを用いて回転量及び回転方向が制御される。

第１可変絞り機構４３と第２可変絞り機構４４は同じ構成であるが、第１可変絞り機構４３と比べて、第２可変絞り機構４４の方が絞り開口４８ａが小さく、これに対応して絞り羽根４９も小さい。すなわち、第１可変絞り機構４３と第２可変絞り機構４４は、絞り羽根４９が開放絞り位置にある時、照明光よりも画像光の方が光束の直径は小さくなる。

絞り制御部６４は、輝度レベル算出部６６，ＬＵＴ（ルックアップテーブルメモリ）６７，パルスカウンタ６８が設けられている。輝度レベル算出部６６は、受信した映像信号に基づいて各フレームの輝度レベルを算出する。輝度レベルは、例えば、フレームを構成する各画素の平均輝度を求めることにより算出される。つまり、白い部分が多いフレームは輝度レベルが高く、黒い部分が多いフレームは輝度レベルが低くなる。

ＬＵＴ６７には、算出されたフレームの輝度レベルに対応して、第１可変絞り機構４３及び第２可変絞り機構４４について、それぞれの絞り羽根４９を開放絞り位置から移動させる移動量が予め記憶されている。輝度レベルが高いほど絞り羽根４９の移動量は小さく、輝度レベルが低いほど絞り羽根４９の移動量は大きく設定されている。これは、輝度レベルが高い映像は、明るさを重視した方が白い部分など明るい部分がより輝くので、光量を多くする方がよいためである。また、輝度レベルが低い映像は、明るさを低下させた方が黒い部分が鮮やかに写るので、光量を少なくする方がよいためである。

図４に示すグラフは、フレームの輝度レベルに対し、ＬＵＴ６７に記憶された絞り羽根４９の移動量により決まる絞り率を、第１可変絞り機構４３と第２可変絞り機構４４についてそれぞれ示したものである。絞り率は、絞り羽根４９が開放絞り位置にあるとき絞り開口４８ａを透過する光量と、絞り羽根４９が絞り開口４８ａの一部を覆うことにより遮られる光量の比率を表し、絞り率が大きいほど光量は少なくなり、絞り率が小さいほど光量は多くなる。図中Ａの直線は、第１可変絞り機構４３の絞り率であり、図中Ｂの直線は、第２可変絞り機構４４の絞り率である。第１可変絞り機構４３の絞り率は、第２可変絞り機構４４の絞り率よりも常に大きく、照明光は画像光よりも大きい比率で光量が調節されることになる。

照明光の絞り率を大きくし、画像光の絞り率を小さくした場合、照明光と画像光の絞り率を同じにした場合と明るさをほぼ等しくして比較すると、スクリーン１２に表示される画像のコントラストが向上することが確認されている。実験例として、光源３１により得られる光束を１０００ルーメンとし、第１可変絞り機構４３による照明光の絞り率と、第２可変絞り機構４４による画像光の絞り率をともに２０％とした場合、３０００：１のコントラストが得られる。これに対し、照明光の絞り率を２５％，画像光の絞り率を１５％とした場合は、３０００：１より高いコントラストが得られる。これは、照明光の絞り率を高くすることにより、コントラストを低下させる原因となる散乱光が減少したためと考えられる。

絞り制御部６４は、輝度レベル算出部６６で算出した輝度レベルに基づき、絞り羽根４９の開放絞り位置からの移動量をＬＵＴ６７から読み出し、それぞれの絞り羽根４９の現在位置との差分からモータの回転方向及び回転量を算出する。駆動部６３は、絞り制御部６４により算出された回転方向及び回転量に応じた駆動パルスを、第１可変絞り機構４３と第２可変絞り機構４４のモータ４７にそれぞれ与える。

パルスカウンタ６８は、モータ４７に与えられる駆動パルスをカウントする。予め設定された正方向にモータ４７を回転させる場合には、カウント値を増加させ、逆方向に回転させる場合には、カウント値を減少させる。絞り制御部６４は、このカウント値に基づいて、絞り羽根４９の現在位置を把握する。

次に、画像表示装置１０の作用について説明する。投映ユニット１４に映像信号が入力されると、マイクロコンピュータ２０は、各部を制御して、投映を開始する。ＤＭＤ駆動部６２は、映像信号に基づいてＤＭＤ２６を駆動する。このＤＭＤ２６の駆動タイミングに合わせて、カラーホイール駆動部６１はカラーホイール３４を回転させ、絞り制御部６４は駆動部６３を介して絞り制御を行う。

図５に示すように、絞り制御部６４は、映像信号が入力されると、フレームごとに輝度レベルを算出し、算出した輝度レベルに基づいて第１可変絞り機構４３と第２可変絞り機構４４の各絞り羽根４９の開放絞り位置からの移動量をＬＵＴ６７から読み出す。また、読み出された絞り羽根４９の移動量と、絞り羽根４９の現在位置からモータ４７の回転方向及び回転量を算出する。駆動部６３は、算出された回転方向及び回転量に基づく駆動パルスをモータ４７に送る。モータ４７は絞り羽根４９を移動させ、第１可変絞り機構４３と第２可変絞り機構４４によって照明光と画像光の光量がそれぞれ調節される。

映像の輝度レベルが高い場合、絞り羽根４９の開放絞り位置からの移動量は小さく、明るい画像が投映される。映像の輝度レベルが低い場合には、絞り羽根４９の開放絞り位置からの移動量は大きく、明るさの抑えられた画像が投映される。光源３１からの光束は輝度レベルに応じて細かく調節される。第１可変絞り機構４３による照明光の絞り率は、第２可変絞り機構４４による画像光の絞り率よりも大きい。これにより、第２可変絞り機構４４の絞り羽根４９を移動させる際、その移動量に多少の誤差が含まれていても、映像の輝度レベルが同じ場合に投映される画像の明るさやコントラストのばらつきは小さくなる。また、照明光の絞り率と画像光の絞り率を同じにした場合と比べ、コントラストの良好な画像が得られる。

以上のように、画像表示装置１０は、映像のフレームごとの輝度レベルに応じて照明光及び画像光の光束を変化させることで、観賞に最適な画像を得ることができる。なお、本発明は、光束を変える際に絞り羽根４９の移動量を映像の輝度レベルに応じて決めることに限られず、周辺環境の明るさに基づいて決定するようにしてもよい。また、第１可変絞り機構４３と第２可変絞り機構４４は、１枚の絞り羽根４９によって絞り開口の細かい調節を可能としているが、円形に近い絞り開口が得られるように複数の絞り羽根を備えた可変絞りや、開放絞りと所定の大きさの絞り開口の２通りしか選択できない可変絞りを備えた構成であってもよい。

また、画像表示装置１０は、画像表示パネルとしてＤＭＤを備えているが、反射型又は透過型の液晶表示パネルを備えたものでもよい。また、画像表示装置１０は、１枚の画像表示パネルを備えた単板式であるが、本発明は３枚の画像表示パネルを備えた三板式のプロジェクタに適用してもよい。

画像表示装置の外観図である。 投映ユニットの構成図である。 可変絞り機構の構成図である。 輝度レベルと絞り率の対応関係を示すグラフである。 絞り制御の流れを示すフローチャートである。

符号の説明

１０ 画像表示装置
１２ スクリーン
１４ 投映ユニット
２１ 制御部
２６ ＤＭＤ
２７ 投映光学系
３１ 光源
４３ 第１可変絞り機構
４４ 第２可変絞り機構
４７ モータ
４８ａ 絞り開口
４９ 絞り羽根
６４ 絞り制御部
６６ 輝度レベル算出部
６７ ＬＵＴ

Claims (2)

1. 光源からの光を照明光に変換する照明光学系と、照明光を変調して画像光を生成する画像表示パネルと、生成された画像光をスクリーンに投映する投映光学系とを備え、前記照明光学系に設けられた第１の絞りによって照明光の光量が調節され、前記投映光学系に設けられた第２の絞りによって画像光の光量が調節されるプロジェクタにおいて、
   前記第１の絞りを開放したときの照明光の光量に対し、前記第１の絞りにより減少した照明光の光量の比率を第１の絞り率とし、
   前記第２の絞りを開放したときの画像光の光量に対し、前記第２の絞りにより減少した画像光の光量の比率を第２の絞り率としたときに、
   前記第１の絞り率が前記第２の絞り率よりも大きいことを特徴とするプロジェクタ。
2. 前記第１の絞りと前記第２の絞りは、照明光，画像光の光量をそれぞれ連続して変化させることの可能な可変絞りからなり、
   前記第１の絞り率が前記第２の絞り率よりも大きくなるように、前記第１の絞りと前記第２の絞りの開口の大きさを調節する絞り調節手段を備えたことを特徴とする請求項１記載のプロジェクタ。
   

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