JP5116288B2 - 画像投影装置及び画像投影方法 - Google Patents

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Description

本発明は、画像投影装置及び画像投影方法に関する。
電子情報媒体の発達に伴い、光源を含む照明光学系と、照明光学系から出射された光束を外部から入力された画像情報に従って変調する液晶ライトバルブ等の光変調装置と、光変調装置により変調された光束をスクリーン上に拡大投影して画像をディスプレーする投射レンズ等の投射光学系とを備えた画像投影装置（プロジェクタともいう。）が利用される機会が増えている。プロジェクタの中でも、光変調装置として液晶表示素子を用いた液晶プロジェクタが有名である。この液晶プロジェクタは画面の大きさを容易に調節でき、色再現性に優れており、会議室用のプロジェクタ等として広く使われている。
液晶プロジェクタは、液晶表示素子を画像生成手段として用いて画像を生成し、この生成された画像を、投射光学系を通してスクリーンに拡大投射することによって、所望の映像を生成にしている。この液晶表示素子は、例えば、液晶モードによってポリマー分散液晶（ＰＤＬＣ）のような散乱型と、ツイストネマチック（ＴＮ）のような偏光型とに分けられ、映像光の透過または反射モードによって透過形と反射型とに分けられる。また、液晶プロジェクタは、液晶パネルの使用枚数によって単板式と三板式等に区分される。透過形液晶プロジェクタの場合、その概略の光学的配置構造は図１に示すように、光源１から照射される光束を液晶光変調装置３により各画素単位領域毎に透過するか否かを決定して画像を生成し、この画像を投射レンズ４によってスクリーンに結像させる。液晶光変調装置３には、画像信号１４として各画素単位で画像情報が提供される。なお、最近は光変調装置としては、液晶表示素子の他にもマイクロミラーアレーデバイスを用いたＤＭＤなども開発されている。
このようなプロジェクタが普及するに従って、プロジェクタの簡素化、小型化に対する要求も急速に強まってきている。プロジェクタの簡素化、小型化を実現するためには、投射光学系を構成する投射レンズの小型化、軽量化が一つの重要な課題となっている。投射レンズの小型化、軽量化のためは、レンズ枚数の削減が有効である。しかし、一般に、レンズ枚数を少なくすると、高解像度の低下や歪曲収差・倍率色収差・非点収差等の結像性の劣化の問題が発生する。
投射レンズの収差の問題に対しては、投射レンズで発生する各種収差を設計段階で把握しておき、光変調装置の形状や構造を調整して投射レンズにより発生する収差分を事前に補償しておくことにより、スクリーンに投射される画像の収差を低減する方法が提案されている。例えば、特許文献１では、色収差を補正できるように、光変調装置の画像を生成する有効面の大きさを、波長により相違させる方法が提案されている。また、特許文献２では、投射レンズにより発生する歪曲/湾曲収差に対応した形態に歪曲/湾曲された形状構造を有する光変調装置が提案されている。
特許 第３２６４９１６号公報 特許 第３３５７０２６号公報
上述のように、投射レンズによる各種の収差については、光変調装置の形状や構造を工夫することによりある程度の改善が可能である。しかし、このような方法では、投射レンズの解像力低下を回復することは困難である。特に、プロジェクタの小型化のために投射レンズを小型化、簡素化した場合、スクリーンに投影された画面における周辺部の結像性能の低下が起こりやすく、従来の方法ではこのような画面の一部領域の結像性能の低下を補償することは困難であった。
本発明においては、投射光学系における結像性能の低下による画像の劣化を低減し、入力された画像情報に近い投影画像を生成する画像投影装置及び画像投影方法を提供することを目的とする。
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、下記の手段により、上記課題が解決できることを見出し、本発明を完成した。
本発明は、光束を出射する照明光学系と、画像情報を処理する画像処理装置と、前記画像処理装置で処理された画像情報に基づいて前記照明光学系から出射された光束を変調する光変調装置と、前記光変調装置で変調された光束をスクリーンに投影して投影画像を形成する投射光学系とを有する画像投影装置であって、且つ、２色以上の色彩の投影画像をスクリーンに投影する画像投影装置であって、前記画像処理装置及び前記光変調装置は２組以上あり、それぞれの画像処理装置と光変調装置の組合せは異なった色彩に対してそれぞれ画像情報の処理及び光束の変調を実施し、それぞれの画像処理装置は、投射光学系によりスクリーンに投影された投影画像における、画像情報の処理及び光束の変調を実施される色彩に対応する周波数成分の、投射光学系による強度の低下を補うよう、画像情報を１画素以上の単位画素領域毎に画像処理する第一の画像処理手段と、第一の画像処理手段により画像処理された単位画素領域毎の画像情報につき、前記光変調装置で表現可能な変調範囲内にあるか否かを判別する判別手段と、前記判別手段で判別された表現不可能な画素領域の画像情報に対して、前記光変調装置で表現可能な画像情報となるように画像処理する第二の画像処理手段と、を有する画像投影装置である。
そして、前記画像投影装置は、前記それぞれの画像処理装置のうち、任意の画像処理装置において、第二の画像処理手段は、第一の画像処理手段により画像処理された画素領域毎の画像情報のうち、光変調装置で表現可能な変調範囲の上限を超える画像情報については光変調装置で表現可能な上限とし、光変調装置で表現可能な変調範囲の下限より小さい画像情報については光変調装置で表現可能な下限とする画像処理を行い、前記任意の画像処理装置における画素領域と同じ他の画像処理装置における画素領域において、第一の画像処理手段により画像処理された画像情報が光変調装置で表現可能な変調範囲内にある場合には、前記他の画像処理装置における第二の画像処理手段は、前記任意の画像処理装置における第二の画像処理手段により画像処理した際の画像情報の変化比率と同じ変化比率で画像情報を変化させる画像処理を行う。
本発明は、光束を出射する照明光学系と、画像情報を処理する画像処理装置と、前記画像処理装置で処理された画像情報に基づいて前記照明光学系から出射された光束を変調する光変調装置と、前記光変調装置で変調された光束をスクリーンに投影して投影画像を形成する投射光学系とを有する画像投影装置であって、前記画像処理装置は、投射光学系により投影された画像の劣化を補うよう、画像情報を１画素以上の単位画素領域毎に画像処理する第一の画像処理手段と、第一の画像処理手段により画像処理された単位画素領域毎の画像情報につき、前記光変調装置で表現可能な変調範囲内にあるか否かを判別する判別手段と、前記判別手段で判別された表現不可能な画素領域の画像情報に対して画像処理する第二の画像処理手段とを有する画像投影装置である。
そして、第二の画像処理手段は、第一の画像処理手段により画像処理された画像情報を、第一の画像処理手段により画像処理を行う前の画像情報に戻す画像処理を行う前記画像投影装置である。
本発明は、２色以上の色彩に対する画像情報を処理する画像投影装置であって、２色以上の色彩に対してそれぞれ画像処理装置を備え、一つの色（Ａ）に対する画像処理装置（Ａ）における第一の画像処理手段により処理された画像情報が光変調装置で表現可能な変調範囲にない画素領域において、画像処理装置（Ａ）における第二の画像処理手段は、第一の画像処理手段により画像処理された画像情報を、第一の画像処理手段により画像処理を行う前の画像情報に戻す画像処理を行い、他の色（Ｂ）に対する画像処理装置（Ｂ）における第一の画像処理手段により画像処理された画像情報が、前記画素領域において、光変調装置で表現可能な変調範囲内にある場合には、画像処理装置（Ｂ）における第二の画像処理手段は、色（Ａ）に対して第二の画像処理手段により処理した際の画像情報の変化における変化比率と同じ変化比率で色（Ｂ）に対して変化させる画像処理を行う前記画像投影装置である。
本発明は、２色以上の色彩に対する画像情報を処理する前記画像投影装置であって、２色以上の色彩に対してそれぞれ画像処理装置を備え、少なくとも一つの色（Ａ）に対する画像処理装置（Ａ）における第一の画像処理手段により処理された画像情報が光変調装置で表現可能な変調範囲にない画素領域において、画像処理装置（Ａ）における第二の画像処理手段は、光変調装置で表現可能な変調範囲の上限を超える画像情報については光変調装置で表現可能な上限とし、光変調装置で表現可能な変調範囲の下限より小さい画像情報については光変調装置で表現可能な下限とし、他の色（Ｂ）に対する画像処理装置（Ｂ）における第一の画像処理手段により画像処理された画像情報が、前記画素領域において、光変調装置で表現可能な変調範囲内にある場合には、画像処理装置（Ｂ）における第二の画像処理手段は、色（Ａ）に対して第二の画像処理手段により処理した際の画像情報の変化における変化比率と同じ変化比率で色（Ｂ）に対して変化させる画像処理を行う前記画像投影装置である。
好ましい本発明は、前記照明光学系は、光束に対する垂直断面における光量分布を調整する光量分布調整手段を備えている前記画像投影装置である。
さらに好ましい本発明は、前記光量分布調整手段は、光束に対する垂直断面における光量分布を均一にする光量均一化手段と、光束に対する垂直断面において中心部から周辺部に向かうにつれて光量が大となる光量分布を形成する光量分布変換手段とを有する前記画像投影装置である。
さらに好ましい本発明は、前記光量分布変換手段は、両面非球面形状のレンズである前記画像投影装置である。
好ましい本発明は、前記光量分布調整手段は、計算されたデジタルパターンを記録した計算機ホログラム素子を有する前記画像投影装置である。
本発明は、光束を出射する照明光学系と、画像情報を処理する画像処理装置と、前記画像処理装置で処理された画像情報に基づいて前記照明光学系から出射された光束を変調する光変調装置と、前記光変調装置で変調された光束をスクリーンに投影して投影画像を形成する投射光学系とを有する画像投影装置によってスクリーンに投影画像を投影する画像投影方法であって、前記画像投影装置は、２色以上の色彩の投影画像をスクリーンに投影する画像投影装置であって、前記画像処理装置及び前記光変調装置は、２組以上あり、それぞれの画像処理装置と光変調装置の組合せは異なった色彩に対してそれぞれ画像情報の処理及び光束の変調を実施し、それぞれの画像処理装置は、投射光学系によりスクリーンに投影された投影画像における、画像情報を処理される色彩に対応する周波数成分の、投射光学系による強度の低下を補うよう、１画素以上の単位画素領域毎に画像情報の処理をする第一の画像処理工程と、第一の画像処理工程により処理された画像情報につき、単位画素領域毎に前記光変調装置で表現可能な変調範囲内にあるか否かを判別する判別工程と、前記判別工程で判別された表現不可能な画素領域の画像情報に対して、前記光変調装置で表現可能な画像情報となるように画像処理をする第二の画像処理工程とを有する画像投影方法である。
そして、この画像投影方法は、前記それぞれの画像処理装置のうちの任意の画像処理装置において、第二の画像処理工程は、第一の画像処理工程において画像処理された単位画素領域毎の画像情報のうち、光変調装置で表現可能な変調範囲の上限を超える画像情報については光変調装置で表現可能な上限とし、光変調装置で表現可能な変調範囲の下限より小さい画像情報については光変調装置で表現可能な下限とする画像処理を行い、前記任意の画像処理装置における画素領域と同じ他の画像処理装置における画素領域において、第一の画像処理工程により画像処理された画像情報が光変調装置で表現可能な変調範囲内にある場合には、前記他の画像処理装置における第二の画像処理工程は、前記任意の画像処理装置における第二の画像処理工程において画像処理した際の画像情報の変化比率と同じ変化比率で画像情報を変化させる画像処理を行う。
本発明は、光束を出射する照明光学系と、画像情報を処理する画像処理装置と、前記画像処理装置で処理された画像情報に基づいて前記照明光学系から出射された光束を変調する光変調装置と、前記光変調装置で変調された光束をスクリーンに投影して投影画像を形成する投射光学系とを有する画像投影装置によってスクリーンに投影画像を投影する画像投影方法であって、前記画像処理装置において、投射光学系により投影された投影画像の劣化を補うよう、１画素以上の単位画素領域毎に画像情報の処理をする第一の画像処理工程と、第一の画像処理工程により処理された画像情報につき、単位画素領域毎に前記光変調装置で表現可能な変調範囲内にあるか否かを判別する判別工程と、前記判別工程で判別された表現不可能な画素領域の画像情報に対して画像処理をする第二の画像処理工程とを有する画像投影方法であって、第二の画像処理工程は、第一の画像処理工程により画像処理を行う前の画像情報に戻す画像処理をする画像投影方法である。
本発明の画像投影装置及び本発明の画像投影方法によれば、投射光学系における結像性能の低下による画像の劣化を回復、低減し、入力された画像情報を忠実に再現した投影画像を提供できる。
本発明の画像投影装置及び画像投影方法をいくつかの実施形態として説明する。なお、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的の範囲内で変形、変更することができる。
（実施形態１）
図１に本発明の第一の実施形態である画像投影装置（プロジェクタともいう。）の構成図を示す。このプロジェクタは、光源１、ロッドインテグレータ２、液晶型光変調装置３、投射レンズ４を備えている。液晶型光変調装置３に送られる各画素領域毎の画像情報である画像信号１４は、画像処理装置１１から提供される。画像処理装置１１は、第一の画像処理手段１６、判別手段１７、第二の画像処理手段１３、画像生成手段１２を有し、外部から入力される画像情報である元画像１５を処理して画像信号１４として出力する。
＜光源＞
光源１は発光ダイオード（ＬＥＤという。）を複数個、例えば二次元的に集積して構成されている。光源１は、ロッドインテグレータ２の内側にＬＥＤの発光部を収納可能に配置することが、光の漏れを無くする上で好ましい。各ＬＥＤは、図示してない外部の電源によって同時に発光可能に構成されている。ＬＥＤの発光色は、赤色、緑色、青色の３原色の単色光を所定のパターンで配置し、全てを点灯させて全体として白色平面光としている。なお、上記構成では光源１としてＬＥＤを使用したが、他の発光原理による光源、例えば、さらに小電力で発光する点光源である半導体レーザ素子などを使用してもよい。また、光の強度ムラをなくす手段としては、照明光学系には、図９に示すようなフライアイインテグレータ９を追加してもよい。
＜ロッドインテグレータ＞
ロッドインテグレータ２は、複数（例えば四面）の壁面で構成された末広がりのテーパ型の中空の角柱構造である。その内壁は反射面で構成されている。ロッドインテグレータ２は例えば同一の大きさの鏡を２枚ずつの鏡面が対向するように４枚貼り合わせて構成されている。或いは、樹脂板などにアルミニウムなどの金属薄膜を蒸着したり反射性フィルムを接着剤で貼りつけたりしたものを４枚貼り合わせて構成してもよい。どのような構成を採用するにしろ、光の損失を抑えるために、ロッドインテグレータ２の内壁は光が全反射可能な程度に滑らかな鏡面に仕上げられていることが好ましい。このようなロッドインテグレータ２の中を導光された光束は、壁面で反射することで、ロッドインテグレータ２の出口側端面で均一な光量分布となっている。これは、追って説明するが、光量分布調節手段でもある。なお、ロッドインテグレータ２の構成としては、上記のような構成に限らず、導光機能を有する中実の透明材料であってもよく、またテーパに限定されず角柱形状や円柱形状であってもよい。
＜画像処理＞
本実施形態では、投射光学系における投射レンズの簡素化のため、その構成枚数の削減による投射レンズの結像性能低下による投影画像の劣化を、光変調装置に入力する画像情報を画像処理手段で処理して、光変調装置から出射する光束に化体した画像情報を調節することにより補償することができる。その画像処理の例を以下に示す。画像処理のフローチャートを図１０に示す。画像投影装置に入力される元画像１５は、画像処理装置１１における第一の画像処理として、投射レンズによる投影画像の劣化を補償する逆フィルタ処理がなされる（ステップ２０）。例えば、投射レンズのＭＴＦ低下（コントラスト再現性を評価するレンズ性能の指標）の逆フィルタなどを用いる。次に、逆フィルタ処理された画像が光変調装置で表現可能な変調範囲であるか否かを、1画素以上の画素単位で判別する（ステップ２１）。ここでは（２画素×２画素＝４画素）の単位画素領域毎に判別している。逆フィルタ処理された画像情報が、光変調装置で表現可能な範囲内であれば、その表現可能な画素領域の画像情報（２２）はそのまま画像生成手段へと送られる。表現不可能な画素領域の画像情報（２３）は、各画素領域毎に第二の画像処理手段で、元画像１５の画像情報に戻すフィルタ処理を行い（ステップ２４）、元画像１５と同じ画像情報として画像生成手段へ送られ、表現可能な画素領域の画像情報（２２）と合成されて最終的な画像情報として生成される（ステップ２５）。
図４を用いて、この画像処理について説明する。図４（ａ）の各チャートにおける横軸は光変調装置の（例えば横方向の）位置を示しており、真ん中が光軸中心となっている。縦軸は各画素領域の光量のレベル（強度レベル）である。画像情報における表現可能範囲とは、光変調装置を用いてプロジェクタで投影できる光量の強度レベルの範囲にある画像情報であり、最大レベル（上限）が白、最小レベル（下限）が黒に相当する。光量のレベルが表現可能範囲外にある画像情報は、光変調装置によって正確に照射光を変調できず、得られた変調光による投影画像には、歪みや解像度の低下、色むらなどの結像性能の低下が生じ易い。このため、通常は、プロジェクタに外部から入力される画像情報である元画像は、光変調装置で表現可能範囲な光量レベルに対応する画像情報とされる。
さて、光変調装置により生成された元画像Ｉ）に対応する投影画像の光束は、投射レンズにより結像されてスクリーン上に投影されると、投射レンズの結像性能II）により、投影画像III）に示すように光量レベルが劣化することが知られている。特に、投射レンズは光軸中心から周辺部に行くほど劣化が大きく結像性能が低下するため、図４（ａ）に示すように、投影画像は光軸中心から周辺部に行くほど精細さが低下する。このレンズの結像性能の劣化を補正するため、光変調装置に入力する前の画像情報に対し画像処理が施されている。
図４（ｂ）は第一の画像処理手段及び第二の画像処理手段を用いた場合の画像情報の変化を示す概念図である。元画像（１）を第一の画像処理手段のみで処理したときは、元画像に逆フィルタ処理を施した画像情報を生成する。逆フィルタ処理とは、投射レンズのＭＴＦ低下による画像情報の変形を補償するように逆演算して、逆に変形処理しておくことである。このような画像処理方法は、画像処理された画像情報が光変調装置で表現可能な変調範囲内であれば、つまり元画像が極端に白や黒に近くない場合であれば、表現可能な変調範囲内の画像処理された画像情報が得られ、レンズの結像性能が劣化しても、逆フィルタ処理を行うことにより、投影画像は元の画像を正確に再現することができる。したがって、ＭＴＦが低いレンズにおいても、第一の画像処理手段で補正することで、高品質に投影画像を提供できる。
しかし、図４（ｂ）の中央の図のように、逆フィルタ処理後の画像情報（２）が光変調装置で表現可能な変調範囲をはみ出した部分（画素領域）がある場合、つまり元画像に極端に白や黒またはそれに近い部分（画素領域）がある場合は、かえって光変調装置による変調で投影画像に結像不良を生じてしまう。特に、逆フィルタ処理の特性から、光軸中心から離れた周辺部分では、変調装置で表現可能な変調範囲をはみ出してしまう画素領域が発生しやすい。これは、投射レンズの性能として光軸中心から離れた周辺部分で結像性能が低下しやすく、これを補償するために元画像に強い逆フィルタ処理をするためである。このような画像情報を光変調装置に提供してそのまま投影画像を形成すると、投影画像に歪が生じてしまう。
そこで、本発明においては、第二の画像処理手段により、この逆フィルタ処理された画像情報を処理する。逆フィルタ処理を施された画像情報は、光変調装置で表現可能な変調範囲の下限を下回るアンダーフロー、表現可能な変調範囲の上限を上回るオーバーフローの２種類の表現不可能な画素領域が存在する。そこで、アンダーフロー、またはオーバーフローした部分を1画素以上の単位画素の画素領域毎に検出し、アンダーフローまたはオーバーフローした部分の画素領域についてのみ、表現不可能領域として判別し、その画素領域の画像情報を元画像のレベルに戻して、オーバーフロー及びアンダーフローを回避する。つまり画素領域毎に、部分的に元画像のレベルに修正する第二の画像処理を施している。図４（ｂ）の右の（３）補正後画像がこの状態の画像情報を示している。この状態の画像情報に基づいて光変調装置により変調光束を生成し、投射光学系を介してスクリーンに投影すると、結像した投影画像は、元画像を完全には再現しないまでも、高品質なものとなる。
＜カラープロジェクタ＞
カラープロジェクタにおいて、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の三色の光束を合成して投影画像を生成している場合、画像処理装置も光変調装置も３組あり、Ｒ、Ｇ、Ｂのいずれか一色でも表現不可能領域と判別された画素領域については、同一画素領域に存在する他の色の画像情報についても、表現不可能領域と判別し、その画素領域の画像情報に対しては上述の第二の画像処理を施して、それぞれ対応する画素領域の画像情報を元画像の強度レベルに修正することが望ましい。このようにすれば、投影画像における歪みを抑えるだけでなく、Ｒ、Ｇ、Ｂの色のバランスを崩さないため、色再現性が良い。なお、カラー毎の画像処理における光変調装置の表現可能範囲の限界は、白黒に代わってそれぞれのカラーの表現できる明度の上限、下限である。
図６に、上記実施形態を具体的に実行したシミュレーション結果を示す。図６(a)は元画像１５である。元画像１５をそのまま投影すると図６（ｂ）のようになり、レンズの結像性能によりぼけが生じており、解像力が低下している。図６（ｃ）は画像処理装置においてレンズのＭＴＦ低下の逆フィルタを用いて画像処理した後画像生成手段で生成した画像である。この画像処理後の画像情報を画像信号１４として液晶型光変調装置３へ送り、液晶型光変調装置３で変調された光速を投射レンズ４で投影したのが、図６(d)である。図６（ｂ）と比較しても解像力が上がり、高品質な画像を投影できている。なお、この図６はモノカラーであるが、実際にはフルカラーで実施した。
（実施形態２）
実施形態１における第二の画像処理手段における画像処理方法とは異なった画像処理方法を用いる第二の画像処理手段を備えたプロジェクタについて、実施形態２として説明する。上述の実施形態１と同じように、判別手段により画像情報がオーバーフロー、又はアンダーフローしたと判別された画素領域は、第二の画像処理手段で、それぞれ光変調装置で表現可能な範囲の上限、又は下限に置き換える画像処理を行い、第二の画像処理手段で画像処理した画像情報に基づいて、光変調装置で照射光学系からの光束を変調し、変調された光束を投射光学系でスクリーンに投影して投影画像を生成する画像投影方法および画像投影装置である。
＜第二の画像処理＞
図４（ｃ）を用いて画像処理について説明する。左側に示した（１）元画像に、実施形態１と同じように逆フィルタ処理を施すと中央に示したチャートの（２）逆フィルタ後の画像情報となる。この画像情報は、一部の画素領域において、表現可能範囲を超えてオーバーフロー及びアンダーフローしており、表現不可能な画素領域が存在する。このような画像情報を元にそのまま投影画像を生成すると、すでに説明したように、投影画像に歪が生じてしまう。そこで、判別手段によって、表現可能な変調範囲の下限を下回るアンダーフロー、または表現可能な変調範囲の上限を上回るオーバーフローした部分を単位画素領域毎に検出し、アンダーフローまたはオーバーフローした画素領域についてのみ、表現不可能領域として判別する。そして、この実施形態における第二の画像処理として、オーバーフローした画像情報は光変調装置で表現可能な最大値である変調範囲の上限に、アンダーフローした画像情報は光変調装置で表現可能な最小値である変調範囲の下限に変更して、画像情報のオーバーフローおよびアンダーフローを補正する。つまり、判別手段により表現不可能領域と判別された画素領域のみを、画素領域毎に限定的に上述のような第二の画像処理を施す。この第二の画像処理結果を図４（ｃ）の右側の（３）補正後画像に示す。この状態の画像情報をもとに上述のように投影画像を生成すると、投影画像は、元画像を完全には再現しないまでも、元画像に近い高品質な画像となる。
＜カラープロジェクタ＞
カラープロジェクタにおいて、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の三色の光束を合成して投影画像を生成している場合、Ｒ、Ｇ、Ｂのいずれか一色でも表現不可能領域と判別された画素領域は、同一画素領域に存在する他の色においても、表現不可能領域と判別し、第二の画像処理を施すことが望ましい。その場合、表現不可能領域と判別された色が、画素領域毎にオーバーフローした部分は表現可能な最大値に、アンダーフローした部分は表現可能な最小値に置き換え、その他の色は、元画像の画像情報におけるＲＧＢの比率と同じ比率になるようにそれぞれの色における画像情報を処理する。このようにすれば、投影画像における歪みを抑えるだけでなく、Ｒ、Ｇ、Ｂの画像情報のバランスを崩さないため、色再現性が良い。なお、カラー毎の画像処理における光変調装置の表現可能範囲の限界は、白黒に代わってそれぞれのカラーの表現できる明度の上限、下限である。
図１２に、上記実施形態を具体的に実行したシミュレーション結果を示す。図１２(a)は元画像１５である。元画像１５をそのまま投影すると図１２（ｂ）のようになり、レンズの結像性能によりぼけが生じており、解像力が低下している。図１２（ｃ）は画像処理装置においてレンズのＭＴＦ低下の逆フィルタを用いて画像処理した後画像生成手段で生成した画像である。この画像処理後の画像情報を画像信号１４として液晶型光変調装置３へ送り、液晶型光変調装置３で変調された光速を投射レンズ４で投影したのが、図１２(d)である。図１２（ｂ）と比較しても解像力が上がり、高品質な画像を投影できている。なお、この図１２はモノカラーで示しているが、実際にはフルカラーで実施した。
（実施形態３）
本実施形態３は、実施形態１で説明したプロジェクタの照明光学系に光量分布調整手段を備えている。光量分布調整手段としては、すでに説明した光束に対して垂直な断面における光量分布を均一にするロッドインテグレータのような光量均一化手段がある。その他にも上述の光量均一化手段と、光束に対する垂直断面において光軸中心部から周辺部に向かうにつれて光量が大となる光量分布を形成する光量分布変換手段とを有することが望ましい。図１５に示すように光量分布変換手段の具体例として、図１５に示すような光量分布変換素子５がある。従来の照明光学系は光変調装置に均一に照明するよう構成されていたが、本実施形態では、ロッドインテグレータ２より均一な光量分布を有する光束を得、さらにこの均一な光量分布を有する光束から所望の光量分布を持った光束を生成する。このような光量分布変換素子は、小型の投射レンズに要求されるレンズ枚数を削減することで発生する収差を補正する目的で用いることができる。
＜光量分布調整手段＞
図３には、図１５に示すプロジェクタの照明光学系における光量分布変換素子５の前後における光束の光量分布を示す。光量分布変換素子５へ入射する光束は図３(a)に示すようにロッドインテグレータ２からほぼ均一に照射されている。この均一な光量分布を有する光束が、光量分布変換素子５により図３（ｂ）に示すように光軸中心から周辺部へ向かうに従って、強度が高くなるように変換される。この光量分布が変換された光束が、液晶型光変調装置３へ照射される。なお、本実施形態では、光変調装置として、透過型の液晶型光変調装置３を用いているが、これに限定されず、反射型の液晶型光変調装置３、ＤＭＤ等を用いていてもよい。光量分布変換手段の別の実施形態として、例えば図１３のように、特別に光量分布素子を設けることなく、ロッドインテグレータ３のみで構成してもよい。
また、ロッドインテグレータ３のテーパの角度や長さ、光源との配置関係を調整することで、図１４のように、周辺部の光量を大きくすることができる。このばあいは、ロッドインテグレータ３が光量分布調整手段として機能している。また、光量分布変換素子としては、上述のレンズのような屈折系に限定されず回折素子などを用いてもよい。
＜光量分布変換レンズ＞
光量分布変換素子の一例を図２に示す。光量分布素子は両面非球面形状レンズであり、面の頂点を原点とし、光源から投射面へ向かう光軸方向を+Ｘ軸とした直交座標系において、rを近軸曲率半径、κを円錐係数、Ａ,B,C,D,E,F,G,H,J,・・・・を非球面係数、xを面の光軸方向の距離、ｙを面の光軸方向に対して垂直な距離、ｚを面の光軸方向に対して垂直かつｙ軸に対して垂直な距離とするとき、面の光軸方向の距離xと半径Rの関係より、非球面形状は、下式で表される。
上記両面非球面形状レンズの各面及び各領域の面データを表１、表２に示す。
このように、従来の画像投影装置に多用されていた均一な光束とは異なり、周辺部の光量分布を大きくすることで、投射レンズを小型化、簡素化することにより発生する、解像力の低下、歪曲収差・倍率色収差・非点収差等による投影画像の劣化を補償することができる。
＜画像処理＞
本実施形態における画像処理のフローチャートを図１１に示す。プロジェクタに入力される画像情報である元画像１５は、第一の画像処理手段で、投射レンズによる投影画像の劣化を補う逆フィルタ処理を行う（ステップ２０）。例えば、実施形態1で説明したように、投射レンズのＭＴＦ低下の逆フィルタ処理などを用いればよい。次に、逆フィルタ処理された画像情報に、各画像領域毎に、照射光学系から光変調装置３に照射される光束の光量分布の逆数となる演算をする光量逆演算を行い（ステップ２６）、その結果が光変調装置で表現可能な変調範囲であるか否かを、単位画素領域毎に判別する（ステップ２１）。ここでは（２画素×２画素＝４画素）の単位画素領域で判別している。逆フィルタ処理された画像が、光変調装置で表現可能な範囲であればそのまま画像生成手段へと送られる。表現不可能な範囲であれば第二の画像処理手段で、画像情報を元画像のレベルに戻すフィルタ処理（ステップ２４）を行い、画像生成手段へ送られ、光変調装置で表現可能な範囲の画像情報と合成され最終的な画像情報としての画像信号が生成される（ステップ２５）。
図５を参照して、さらに詳細に説明する。光量分布変換素子により周辺部の光量が大きい（１）元画像に、逆フィルタ処理を施し（２）逆フィルタ処理後の画像情報とする。逆フィルタ処理は、レンズのＭＴＦ低下を逆演算して行う。表現可能か否かを判別するために、（３）照明光束の光量分布の逆数になるよう逆演算処理を施す。そして、（４）表現可能な変調範囲の下限を下回るアンダーフロー、または表現可能な変調範囲の上限を上回るオーバーフローした部分を画素領域単位で判別し、アンダーフローまたはオーバーフローした部分についてのみ、表現不可能領域と判断する。（５）第二の画像処理として、表現不可能領域の画像情報を元画像のレベルに修正して、オーバーフロー及びアンダーフローを回避する。つまりアンダーフローまたはオーバーフローした部分についてのみ単位画素領域毎に、実施形態１と同様の第二の画像処理を施している。この第二の画像処理を施した状態の画像情報を基に、図１５に示すような画像投射装置により生成した投影画像は、元画像を完全には再現しないまでも、高品質に画像を投影できる。
別の第二の画像処理手段として、実施形態２で説明したように、（５'）補正後画像で示した表現不可能領域のうち、オーバーフローは表現可能な最大値に、アンダーフローは表現可能最小値に置き換える方法でもよい。
また、カラープロジェクタの場合は、ＲＧＢいずれか一つの色で表現不可能領域と判別された場合は、同一領域に存在する他の色においても、表現不可能領域と判別し、第二の画像処理を施すことが望ましい。その場合、上述したカラープロジェクタの画像処理方法に従って、表現不可能領域と判別された色が、オーバーフローした部分は表現可能な最大値に、アンダーフローした部分は表現可能な最小値に置き換え、その他の色はＲＧＢの比率を一定にしたまま置き換えることが望ましい。あるいは、一色でも表現不可能範囲に画像情報があると判別された画素領域については、全ての色について第一の画像処理前の画像情報に戻す画像処理を行ってもよい。このように第二の画像処理を行うことで、ＲＧＢのバランスを崩さないため、色再現性が良い。
＜光量分布調整の結像性能補償＞
上記のように単位画素領域毎に光変調装置で表現可能か否かを判別し、判別された画素領域に第二の画像処理を施すような画像処理装置を用いる場合、光変調装置で表現可能な第二の画像処理を行わない画素領域の方が投影画像の結像性能が優れている。そこで、光変調装置の表現可能範囲を広げることで、特に、投射レンズのＭＴＦの劣化量が大きい領域に対して、光変調装置の表現可能範囲を広げることで、投影画像の結像性能がより優れたプロジェクタとすることができる。言い換えると、光変調装置に入力できる元画像の黒レベルと白レベル（カラー光の場合は光の明度レベル）のダイナミックレンジを広げることで、より高品質な画像を提供できる。
通常、投射レンズは画角を広げるとＭＴＦは劣化し、レンズの枚数を減らすとその傾向はより顕著となる。このＭＴＦの劣化を補償するために、第一の画像処理手段で処理した画像情報は、画面の周辺部に相当する画像情報ほど拡大されている傾向がある。そこで、画角が広い領域つまり光変調装置の周辺部ほど光量を多くして、光変調装置における周辺部の表現可能範囲を拡大することにより、実質的に光変調装置で表現可能な領域を広げることができる。そこで、本実施形態のような均一ではなく周辺部の光量分布を大きくする照明光学系を用いることが有効である。
照射光学系からの光束の光量分布が一定の照明光を用いたときの図４（ｂ），（ｃ）における（３）補正後画像と比較して、投射レンズのＭＴＦの劣化が大きい周辺部ほど光量が強い照明光を用いたときの図５の（５），（５'）補正後画像は、表現不可能領域が少なくなり、より正確に（１）元画像を再現することができ、より高精細な投影画像を提供することができる。
図１６に投影画像をフーリエ変換した結果を示す。横軸が投影画像の空間周波数、縦軸が強度である。元画像３０は図中点線で示しており、空間周波数に対して線形となる画像を使用している。元画像３０を投射レンズで投影すると図中の実線３３のように、レンズの結像性能の劣化により、高周波成分を中心に強度が低下し投影画像がぼけていることがわかる。実施形態１、２に記載の第一、第二の画像処理を用い、この画像情報を基に投影が沿いを生成すると、図中破線３２のように、結像性能劣化による投影画像のボケが補正され、より高品質な画像が提供できる。さらに、実施形態３に記載の周辺光量が強い照明光学系を用い、第一、第二の画像処理を施して、この画像情報を基に投影が沿いを生成すると、図中一点破線３１のように、結像性能劣化による画像のボケが補正され、さらに元
画像３０に近い高品質な画像が提供できる。
このように本発明のプロジェクタは、従来のように照明光学系と画像処理装置と光変調装置と投射光学系とを別々に最適設計するのではなく、投射レンズの結像性能と画像処理方法に合わせて、総合的に設計することにより投影画像の結像性能を向上させている。
（実施例４）
図７に、本実施形態のプロジェクタの概略構成図を示す。このプロジェクタの照明光学系には、ホログラム光学素子６が用いられている。ホログラムは、元来２つの光の干渉縞（振幅と位相）が記録された乾板であるが、ここでは、計算されたデジタルパターンを記録した計算機ホログラム（コンピュータジェネレーテッドホログラム：ＣＧＨともいう。）素子が好ましい。ホログラムの原理を図８に示す。波長λのレーザ光が、周波数ｆｉで変調される位相板に入射されると、角度λｆｉ、及び−λｆｉの２方向に分割される。計算機ホログラムは、回折光学素子の一種で、入射レーザ光の波面に対して周期的な光路差を与え、光を伝搬したい方向に空間変調をかける位相板と考えることができる。重ね合わせの原理により、同時に多数の周波数ｆ１，ｆ２，ｆ３，・・・で変調すれば、それぞれの周波数の方向に分割することが可能となる。
ホログラム光学素子の設計ではホログラムパターンのフーリエ変換スペクトルが、像を置きたい位置に対応した周波数において、鋭いピークを持つように計算機で設計する。例えば、ホログラム光学素子として、ガラスを直接エッチングして多段階の位相差を付ける表面レリーフ型の透過型位相ホログラム（キノフォーム）を採用する。通常、ホログラムパターンは、画素サイズで１〜２μｍの正方形を単位として、２５６×２５６〜１０２４×１０２４画素から構成される。
実際の計算では、最初に各画素に対してランダムな位相を与え、そのフーリエ変換スペクトルが必要な周波数において、高いピークを有したときに目標値に近づいていると判断できる誤差関数（評価関数）を設定し、各画素の位相を順次入れ替えて誤差関数を最小にするようにして収束計算を行う。
図７において、光源１から出射される光線は、平行光線である方が望ましい。そのため、光源１から出射される光線は、コリメートレンズ７により平行光線にしている。ホログラム光学素子６は、入射光の進行方向に対して所定の角度に進行方向を変換するものであるから、光源１から入射される光線は、平行度が高いことが望ましい。
以上のように、ホログラムの原理を元に、コンピュータで設計されたホログラム光学素子６を用い、光源１からの光線を空間的に変調し、即ち、光の進行方向を変えることで、液晶型光変調装置３に強度のムラがなく、かつ光量分布を任意に変換された光束を照射することができる。
本発明のプロジェクタの構成図 光量分布変換素子 光量分布図 画像処理の説明図 画像処理の説明図 画像処理の例 本発明のプロジェクタの構成図 ホログラムの原理説明図 本発明のプロジェクタの構成図 画像処理フローチャート 画像処理フローチャート 画像処理の例 本発明のプロジェクタの構成図 光量分布図 本発明のプロジェクタの構成図 投影画像のフーリェ変換結果
符号の説明
１：光源 ２：ロッドインテグレータ ３：液晶型光変調装置 ４：投射レンズ
５：光量分布変換素子 ６：ホログラム光学素子 ７：コリメートレンズ
８：重畳レンズ ９：フライアイインテグレータ
１１：画像処理装置 １２：画像生成手段 １３：第二の画像処理手段
１４：画像信号 １５：元画像 １６：第一の画像処理手段 １７：判別手段
１８：光量逆演算手段
２０：第一の画像処理ステップ ２１：判別処理ステップ
２２：表現可能画素領域 ２３：表現不可能画素領域
２４：第二の画像処理ステップ ２５：画像生成ステップ ２６：光量逆演算ステップ
３０：元画像 ３１：光量分布変換処理及び画像処理後の投影画像
３２：画像処理後の投影画像 ３３：画像処理なしの投影画像

Claims (10)

  1. 光束を出射する照明光学系と、画像情報を処理する画像処理装置と、前記画像処理装置で処理された画像情報に基づいて前記照明光学系から出射された光束を変調する光変調装置と、前記光変調装置で変調された光束をスクリーンに投影して投影画像を形成する投射光学系とを有する画像投影装置であって、
    且つ、２色以上の色彩の投影画像をスクリーンに投影する画像投影装置であって、
    前記画像処理装置及び前記光変調装置は２組以上あり、それぞれの画像処理装置と光変調装置の組合せは異なった色彩に対してそれぞれ画像情報の処理及び光束の変調を実施し、
    それぞれの画像処理装置は、投射光学系によりスクリーンに投影された投影画像における、画像情報の処理及び光束の変調を実施される色彩に対応する周波数成分の、前記投射光学系による強度の低下を補うよう、前記画像情報を１画素以上の単位画素領域毎に画像処理する第一の画像処理手段と、
    第一の画像処理手段により画像処理された単位画素領域毎の画像情報につき、前記光変調装置で表現可能な変調範囲内にあるか否かを判別する判別手段と、
    前記判別手段で判別された表現不可能な画素領域の画像情報に対して、前記光変調装置で表現可能な画像情報となるように画像処理する第二の画像処理手段と、を有し、
    前記それぞれの画像処理装置のうち、任意の画像処理装置において、第二の画像処理手段は、第一の画像処理手段により画像処理された画素領域毎の画像情報のうち、光変調装置で表現可能な変調範囲の上限を超える画像情報については光変調装置で表現可能な上限とし、光変調装置で表現可能な変調範囲の下限より小さい画像情報については光変調装置で表現可能な下限とする画像処理を行い、
    前記任意の画像処理装置における画素領域と同じ他の画像処理装置における画素領域において、第一の画像処理手段により画像処理された画像情報が光変調装置で表現可能な変調範囲内にある場合には、前記他の画像処理装置における第二の画像処理手段は、前記任意の画像処理装置における第二の画像処理手段により画像処理した際の画像情報の変化比率と同じ変化比率で画像情報を変化させる画像処理を行うことを特徴とする画像投影装置。
  2. 光束を出射する照明光学系と、画像情報を処理する画像処理装置と、前記画像処理装置で処理された画像情報に基づいて前記照明光学系から出射された光束を変調する光変調装置と、前記光変調装置で変調された光束をスクリーンに投影して投影画像を形成する投射光学系とを有する画像投影装置であって、
    前記画像処理装置は、投射光学系により投影された画像の劣化を補うよう、画像情報を１画素以上の単位画素領域毎に画像処理する第一の画像処理手段と、
    第一の画像処理手段により画像処理された単位画素領域毎の画像情報につき、前記光変調装置で表現可能な変調範囲内にあるか否かを判別する判別手段と、
    前記判別手段で判別された表現不可能な画素領域の画像情報に対して画像処理する第二の画像処理手段とを有する画像投影装置であって、
    第二の画像処理手段は、第一の画像処理手段により画像処理された画像情報を、第一の画像処理手段により画像処理を行う前の画像情報に戻す画像処理を行うことを特徴とする画像投影装置。
  3. 光束を出射する照明光学系と、画像情報を処理する画像処理装置と、前記画像処理装置で処理された画像情報に基づいて前記照明光学系から出射された光束を変調する光変調装置と、前記光変調装置で変調された光束をスクリーンに投影して投影画像を形成する投射光学系とを有する画像投影装置であって、
    且つ、前記画像処理装置は、投射光学系により投影された画像の劣化を補うよう、画像情報を１画素以上の単位画素領域毎に画像処理する第一の画像処理手段と、
    第一の画像処理手段により画像処理された単位画素領域毎の画像情報につき、前記光変調装置で表現可能な変調範囲内にあるか否かを判別する判別手段と、
    前記判別手段で判別された表現不可能な画素領域の画像情報に対して画像処理する第二の画像処理手段とを有する画像投影装置であって、
    且つ、２色以上の色彩に対する画像情報を処理する画像投影装置であって、
    ２色以上の色彩に対してそれぞれ画像処理装置を備え、
    一つの色（Ａ）に対する画像処理装置（Ａ）における第一の画像処理手段により処理された画像情報が光変調装置で表現可能な変調範囲にない画素領域において、
    画像処理装置（Ａ）における第二の画像処理手段は、第一の画像処理手段により画像処理された画像情報を、第一の画像処理手段により画像処理を行う前の画像情報に戻す画像処理を行い、
    他の色（Ｂ）に対する画像処理装置（Ｂ）における第一の画像処理手段により画像処理された画像情報が、前記画素領域において、光変調装置で表現可能な変調範囲内にある場合には、画像処理装置（Ｂ）における第二の画像処理手段は、色（Ａ）に対して第二の画像処理手段により処理した際の画像情報の変化における変化比率と同じ変化比率で色（Ｂ）に対して変化させる画像処理を行うことを特徴とする画像投影装置。
  4. 光束を出射する照明光学系と、画像情報を処理する画像処理装置と、前記画像処理装置で処理された画像情報に基づいて前記照明光学系から出射された光束を変調する光変調装置と、前記光変調装置で変調された光束をスクリーンに投影して投影画像を形成する投射光学系とを有する画像投影装置であって、
    且つ、前記画像処理装置は、投射光学系により投影された画像の劣化を補うよう、画像情報を１画素以上の単位画素領域毎に画像処理する第一の画像処理手段と、
    第一の画像処理手段により画像処理された単位画素領域毎の画像情報につき、前記光変調装置で表現可能な変調範囲内にあるか否かを判別する判別手段と、
    前記判別手段で判別された表現不可能な画素領域の画像情報に対して画像処理する第二の画像処理手段とを有する画像投影装置であって、
    且つ、２色以上の色彩に対する画像情報を処理する画像投影装置であって、
    ２色以上の色彩に対してそれぞれ画像処理装置を備え、
    一つの色（Ａ）に対する画像処理装置（Ａ）における第一の画像処理手段により処理された画像情報が光変調装置で表現可能な変調範囲にない画素領域において、
    画像処理装置（Ａ）における第二の画像処理手段は、光変調装置で表現可能な変調範囲の上限を超える画像情報については光変調装置で表現可能な上限とし、光変調装置で表現可能な変調範囲の下限より小さい画像情報については光変調装置で表現可能な下限とし、
    他の色（Ｂ）に対する画像処理装置（Ｂ）における第一の画像処理手段により画像処理された画像情報が、前記画素領域において、光変調装置で表現可能な変調範囲内にある場合には、画像処理装置（Ｂ）における第二の画像処理手段は、色（Ａ）に対して第二の画像処理手段により処理した際の画像情報の変化における変化比率と同じ変化比率で色（Ｂ）に対して変化させる画像処理を行うことを特徴とする画像投影装置。
  5. 前記照明光学系は、光束に対する垂直断面における光量分布を調整する光量分布調整手段を備えていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の画像投影装置。
  6. 前記光量分布調整手段は、光束に対する垂直断面における光量分布を均一にする光量均一化手段と、光束に対する垂直断面において中心部から周辺部に向かうにつれて光量が大となる光量分布を形成する光量分布変換手段とを有することを特徴とする請求項５に記載の画像投影装置。
  7. 前記光量分布変換手段は、両面非球面形状のレンズであることを特徴とする請求項６に記載の画像投影装置。
  8. 前記光量分布調整手段は、計算されたデジタルパターンを記録した計算機ホログラム素子を有することを特徴とする請求項５又は６に記載の画像投影装置。
  9. 光束を出射する照明光学系と、画像情報を処理する画像処理装置と、前記画像処理装置で処理された画像情報に基づいて前記照明光学系から出射された光束を変調する光変調装置と、前記光変調装置で変調された光束をスクリーンに投影して投影画像を形成する投射光学系とを有する画像投影装置によってスクリーンに投影画像を投影する画像投影方法であって、
    前記画像投影装置は、２色以上の色彩の投影画像をスクリーンに投影する画像投影装置であって、
    前記画像処理装置及び前記光変調装置は、２組以上あり、それぞれの画像処理装置と光変調装置の組合せは異なった色彩に対してそれぞれ画像情報の処理及び光束の変調を実施し、
    それぞれの画像処理装置は、投射光学系によりスクリーンに投影された投影画像における、画像情報を処理される色彩に対応する周波数成分の、投射光学系による強度の低下を補うよう、１画素以上の単位画素領域毎に画像情報の処理をする第一の画像処理工程と、
    第一の画像処理工程により処理された画像情報につき、単位画素領域毎に前記光変調装置で表現可能な変調範囲内にあるか否かを判別する判別工程と、
    前記判別工程で判別された表現不可能な画素領域の画像情報に対して、前記光変調装置で表現可能な画像情報となるように画像処理をする第二の画像処理工程と、を有し、
    前記それぞれの画像処理装置のうち、
    任意の画像処理装置において、第二の画像処理工程は、第一の画像処理工程において画像処理された単位画素領域毎の画像情報のうち、光変調装置で表現可能な変調範囲の上限を超える画像情報については光変調装置で表現可能な上限とし、光変調装置で表現可能な変調範囲の下限より小さい画像情報については光変調装置で表現可能な下限とする画像処理を行い、
    前記任意の画像処理装置における画素領域と同じ他の画像処理装置における画素領域において、第一の画像処理工程により画像処理された画像情報が光変調装置で表現可能な変調範囲内にある場合には、前記他の画像処理装置における第二の画像処理工程は、前記任意の画像処理装置における第二の画像処理工程において画像処理した際の画像情報の変化比率と同じ変化比率で画像情報を変化させる画像処理を行うことを特徴とする画像投影方法。
  10. 光束を出射する照明光学系と、画像情報を処理する画像処理装置と、前記画像処理装置で処理された画像情報に基づいて前記照明光学系から出射された光束を変調する光変調装置と、前記光変調装置で変調された光束をスクリーンに投影して投影画像を形成する投射光学系とを有する画像投影装置によってスクリーンに投影画像を投影する画像投影方法であって、
    前記画像処理装置において、投射光学系により投影された投影画像の劣化を補うよう、１画素以上の単位画素領域毎に画像情報の処理をする第一の画像処理工程と、
    第一の画像処理工程により処理された画像情報につき、単位画素領域毎に前記光変調装置で表現可能な変調範囲内にあるか否かを判別する判別工程と、
    前記判別工程で判別された表現不可能な画素領域の画像情報に対して画像処理をする第二の画像処理工程とを有する画像投影方法であって、
    第二の画像処理工程は、第一の画像処理工程により画像処理を行う前の画像情報に戻す画像処理をすることを特徴とする画像投影方法。
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