JP2005003744A - 投写型画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】映像シーンに応じて観賞に適した画面表示が可能な投写型画像表示装置を提供する。
【解決手段】投影ユニット１４には、第１及び第２の可変絞り機構４３，４４が設けられている。これら各可変絞り機構４３，４４は、照明光学系と、投影光学系のそれぞれに配置されており、有効光束径を調節する。絞り制御部６４は、入力された映像信号の輝度レベルに応じて、適切な有効光束径になるように、各可変絞り機構４３，４４を制御する。有効光束径は、輝度レベルが高い場合には大きく、輝度レベルが低い場合には小さくなるように調節される。有効光束径を小さくすると、光束の周縁光がカットされるため、コントラストが高くなる。これにより、画面は、映像の輝度レベルが高いシーンでは明るく、輝度レベルが低いシーンでは高コントラストで表示される。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶素子やデジタル・マイクロミラー・デバイス（以下、「ＤＭＤ」と称する）などの画像光生成部を備えたビデオプロジェクタ等の投写型画像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
照明光学系から出力される照明光を受光してこれを光変調することにより画像光を生成し、生成された画像光をスクリーンに投影させる投写型画像表示装置が知られている。この投写型画像表示装置は、光変調方法の違いに応じて液晶プロジェクタやＤＭＤプロジェクタなど各種のものがある。
【０００３】
液晶プロジェクタは、画像光生成部として透過型や反射型の液晶素子を備えている。液晶素子は、周知のように、多数の液晶セルをマトリックス状に配列したものであり、映像信号に応じて各液晶セルを駆動して照明光を偏光変換することで光変調を行う。
【０００４】
ＤＭＤプロジェクタは、画像光生成部としてＤＭＤを備えている。ＤＭＤは、受光した照明光を投影光学系に向けて反射させるオン位置と、投影光学系から外れた方向に向けて反射させるオフ位置との間で可変する光反射角可変ミラー素子をマトリックス状に多数個配列したものである。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移動し、暗く表示させる場合にはミラー素子をオフ位置に移動する。こうして照明光の反射方向を制御することで、映像信号に応じた光変調を行う。
【０００５】
これら投写型画像表示装置には、より観賞しやすい画面を得るために投影像の高輝度化を図るという課題があった。この課題については、近年の技術進歩により達成されつつある。特に、ＤＭＤは、ミラー素子による単純な光反射を光変調に用いるため、液晶素子と比較して光利用効率が高く、投影像の大幅な高輝度化に寄与している。しかし、高輝度化された画面は、室内照明が点灯しているような明るい環境下においては非常に観賞しやすいものの、室内照明が消灯しているような暗い環境下においてはコントラストがはっきりしないため却って観賞しづらくなってしまうという問題がある。
【０００６】
そこで、周辺環境が明るい場合に適した輝度重視モードと、暗い場合に適したコントラスト重視モードの２つの表示モードを備えた投写型画像表示装置が提案されている（例えば、下記特許文献１参照）。この投写型画像表示装置は、投影ユニットの光路内に絞り切り替え機構を備えており、この絞り切り替え機構によって絞り径を２段階に切り替えることにより、前記表示モードを切り替える。すなわち、輝度重視モードでは絞り径が大きくされ、コントラスト重視モードでは絞り径が小さくされる。絞り径を大きくすると有効光束径が大きくなるので、輝度が高い画面が得られる。他方、絞り径を小さくすると、有効光束径が小さくなることによって光量が低下するとともに、有効光束の周縁部が遮断されるので光路中における光の散乱が減少し有害光が低減される。これによりコントラストが高い画面を得ることができる。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００３−１０７３９６号公報
【０００８】
しかしながら、周辺環境の明暗に関わらず、映像のシーンによっては輝度を重視した方が適切な場合やコントラストを重視した方が適切な場合がある。例えば、白い部分が多いシーンのように映像の輝度レベルが高いシーンでは、周辺環境が暗い場合であっても輝度が高い方が、白い部分がはっきりと映し出されるため観賞に適していると言える。また、黒い部分が多いシーンのように映像の輝度レベルが低いシーンでは、周辺環境が明るくてもコントラストが高い方が、黒い部分が鮮明に映し出されるため観賞に適していると言える。上述の従来の投写型画像表示装置は、周辺環境の明暗に応じて表示モードを切り替えるものであるので、映像のシーンによっては観賞しにくい場合があるという問題があった。
【０００９】
本発明は、映像のシーンに応じて観賞に適した画面表示が可能な投写型画像表示装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明の投写型画像表示装置は、照明光を照射する照明光学系と、入力された映像信号に応じて受光した照明光を光変調して画像光を生成する画像光生成部と、生成された画像光をスクリーンに投影する投影光学系とを有する投写型画像表示装置において、前記照明光学系内から前記投影光学系内に至る光路内の所定位置に配置され、前記所定位置における有効光束径を変化させる絞り調節機構と、前記映像信号の輝度レベルに応じて前記絞り調節機構を制御する制御手段とを設けたことを特徴とする。
【００１１】
前記絞り調節機構は、前記有効光束径の大きさを連続的に変化させることが好ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は、投写型画像表示装置１０の外観を示す。投写型画像表示装置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、その背面に投影された画像が前面側から観察される。筐体１１の内部には投影ユニット１４が組み込まれ、その投影画像はミラー１６，１７で反射されスクリーン１２の背面に結像される。この投写型画像表示装置１０は、筐体１１の内部にチューナー回路などのほか、映像信号及び音声信号再生用の周知の回路ユニットを組み込み、投影ユニット１４に組み込まれた液晶素子を映像信号に基づいて駆動することにより、大画面のテレビジョンとして使用することができる。
【００１３】
図２は投影ユニット１４の構成を概略的に示す構成図である。投影ユニット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，投影光学系２７を備えている。投影ユニット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、投影ユニット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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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から射出する光束は、その密度が均一化される。
【００１７】
リレーレンズ３７，３８は、ロッドインテグレータ３６から射出した光束を全反射プリズム２４に中継する。全反射プリズム２４は、リレーレンズ３７，３８からＤＭＤ２６へ入射する入射光と、ＤＭＤ２６で反射する反射光とを分離するためのものである。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。入射光は、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へ入射する。他方、ＤＭＤ２６で反射した反射光は、その入射角が臨界角よりも小さいため、反射面２４ａを透過する。
【００１８】
ＤＭＤ２６は、投影ユニット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光として投影光学系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光として投影光学系２７から外れた方向に向けて反射させる。画像光は、投影光学系２７に向かうｏｎ光の集合により構成される。
【００１９】
投影光学系２７は、図上、鏡筒４１内に１枚の投影レンズ４２を配置した形に簡略化して示しているが、実際には、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からなる。ＤＭＤ２６によって生成された画像光は、投影光学系２７によってスクリーン１２上に結像される。
【００２０】
また、照明光学系と投影光学系２７のそれぞれの光路内には、所定位置に第１及び第２の可変絞り機構４３，４４が設けられている。これら各可変絞り機構４３，４４は、有効光束径の大きさを調節することにより、投影像の明るさを変化させる。
【００２１】
図３に示すように、第１の可変絞り機構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の一部を覆って有効光束径を調節する絞り羽根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。
【００２２】
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。
【００２３】
絞り羽根４９は、絞り開口４８ａから退避して有効光束径を最大にする開放絞り位置（図上、実線で示す）と、絞り開口４８ａの周縁部を覆い有効光束径を最小にする最小絞り位置（図上、二点鎖線で示す）との間で揺動する。絞り羽根４９の揺動範囲は、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。
【００２４】
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。もちろん、パルスモータの代わりにＤＣモータを使用してもよい。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。以上、第１の可変絞り機構４３について説明したが、第２の可変絞り機構４４についても同様の構成であるので、第２の可変絞り機構４４の説明を省略する。
【００２５】
絞り制御部６４は、入力される映像信号に基づいて、モータ４７の回転方向及び回転量を決定する。これにより、有効光束径が連続的に調節される。絞り制御部６４には、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。
【００２６】
ＬＵＴ６７には、輝度レベルと、その輝度レベルに対応する有効光束径との対応関係が予め記憶されている。図４は、この対応関係を示すグラフである。有効光束径は、輝度レベルが高い場合には大きく、輝度レベルが低い場合には小さくなるように調節される。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、有効光束径を大きくして光量を増加させる。他方、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、有効光束径を小さくして光量を低下させる。しかも、有効光束径を小さくすると、有効光束の周縁部が遮断されるので、周縁部の光に起因する光路内の光の散乱が減少し有害光が低減されて、画面のコントラストを高めることができる。こうした有効光束径の調節は、例えば、各フレーム毎に行われる。
【００２７】
また、こうした有効光束径の調節を行うことにより、輝度レベルが高いシーンでは光量が増加され、輝度レベルが低いシーンでは光量が減少されるので、各シーン間のコントラストも高くなる。実験によれば、有効光束径を最大にした時の白の輝度が７００ルーメン、有効光束径を最小にした時の黒の輝度が０．２ルーメンという実験結果が得られており、明暗比は、３５００：１となる。従来の投写型画像表示装置のコントラストは最高でも２５００：１程度であったので、前記実験結果から、従来と比較して高いコントラストが得られることがわかる。
【００２８】
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対応する有効光束径をＬＵＴ６７から読み出して、読み出した有効光束径と、絞り羽根４９の現在位置とに基づいて、モータの回転方法及び回転量を決定する。駆動部６３には、決定された回転量及び回転方向に応じた駆動パルスを、モータ４７に与える。
【００２９】
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、他方、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。
【００３０】
以下、上記構成による作用について図５に示すフローチャートに基づいて説明する。投影ユニット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、投影を開始する。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を回転させるとともに、絞り制御部６４は、駆動部６３を介して絞り制御を行う。
【００３１】
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、輝度レベルを算出し、算出した輝度レベルに基づいて最適な有効光束径を決定する。そして、決定した有効光束径になるように絞り羽根を移動する。これにより、映像の輝度レベルが高い場合には、より明るい画面がスクリーン１２に映し出され、映像の輝度レベルが低い場合には、コントラストの高い画面が映し出される。しかも、有効光束径は輝度レベルに応じて連続的に調節されるので、観賞に適した最適な画面を表示することができる。
【００３２】
上記実施形態では、輝度レベルに応じて有効光束径を調節した例で説明したが、これに加えて、周辺環境の明暗を考慮して有効光束径を決定するようにしてもよい。また、可変絞り機構を１枚の絞り羽根で構成した例で説明したが、複数の絞り羽根で構成してもよい。また、可変絞り機構を照明光学系と投影光学系の両方に設けた例で説明しているが、いずれか一方でもよい。
【００３３】
上記実施形態では、画像光生成部としてＤＭＤを用いた例で説明したが、ＤＭＤでなくてもよく、反射型又は透過型の液晶素子を用いてもよい。この場合には、それに応じて光学系の構成が変更される。また、１つの画像光生成部で３色の画像光を生成する単板式の装置の例で説明したが、各色毎に画像光生成部が設けられる三板式の装置でもよい。
【００３４】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明の投写型画像表示装置は、照明光学系内から前記投影光学系内に至る光路内の所定位置に配置され、前記所定位置における有効光束径を変化させる絞り調節機構と、入力される映像信号の輝度レベルに応じて前記絞り調節機構を制御する制御手段とを設けたから、映像の輝度レベルに応じて観賞に適した画面を表示することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】投写型画像表示装置の外観図である。
【図２】投影ユニットの構成図である。
【図３】可変絞り機構の構成図である。
【図４】ＬＵＴに記憶された輝度レベルと有効光束径の対応関係を示すグラフである。
【図５】絞り制御手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０ 投写型画像表示装置
１４ 投影ユニット
２０ マイクロコンピュータ
２１ 制御ユニット
２６ ＤＭＤ
４３，４４ 可変絞り機構
６４ 絞り制御部
６６ 輝度レベル算出部
６７ ＬＵＴ

Claims (2)

1. 照明光を照射する照明光学系と、入力された映像信号に応じて受光した照明光を光変調して画像光を生成する画像光生成部と、生成された画像光をスクリーンに投影する投影光学系とを有する投写型画像表示装置において、
   前記照明光学系内から前記投影光学系内に至る光路内の所定位置に配置され、前記所定位置における有効光束径を変化させる絞り調節機構と、前記映像信号の輝度レベルに応じて前記絞り調節機構を制御する制御手段とを設けたことを特徴とする投写型画像表示装置。
2. 前記絞り調節機構は、前記有効光束径の大きさを連続的に変化させることを特徴とする請求項１記載の投写型画像表示装置。

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