JP2012181296A

JP2012181296A - 投写型表示装置

Info

Publication number: JP2012181296A
Application number: JP2011043451A
Authority: JP
Inventors: Naoki Kawamoto; 直紀川本
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2011-03-01
Filing date: 2011-03-01
Publication date: 2012-09-20
Anticipated expiration: 2031-03-01
Also published as: CN102654721A; RU2012107691A; US20120224110A1; JP5808118B2; CN102654721B; RU2015100892A

Abstract

【課題】表示映像に干渉することなく、スクリーン面の輝度変化や色相変化を正確に検出する投写型表示装置の提供を目的とする。
【解決手段】本発明の投写型表示装置は、光源１０，３０と、照射された光を入力信号に対応して変調するＤＭＤチップ２０と、光源１０，３０からの光をＤＭＤチップ２０に照射する照明光学系と、ＤＭＤチップ２０で変調された光をスクリーン２２に投写する投写レンズ２１と、スクリーン２２のスクリーン面と光学的共役位置近傍であって、光源１０，３０からスクリーン２２に至る主光路の外に分岐した分岐光の光路上に配置された光センサー２４とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は投写型表示装置に関し、特に、輝度と色相を検出する光センサーを内蔵し、輝度と色相を補正する機能を有する投写型表示装置に関する。

従来、投写型表示装置では、光源の明るさや色合いの変動などによって生じるスクリーン面の輝度変化や色相変化を内蔵の光センサーで検出し、映像信号出力を制御することによって、輝度変化や色相変化を補正している（特許文献１、２参照）。

特開２０１０−２１０７４２号公報特許第４４０４６１３号

しかし、光源の明るさ変化量とスクリーンの輝度変化量は必ずしも一致しないため、内蔵の光センサーで読み取った輝度変化や色相変化は、スクリーン面の輝度変化や色相変化と異なっており、輝度や色相を適切に補正することが出来ないという問題があった。

特許文献１に示されたプロジェクタは、光路からの漏れ光を光センサーで検出することによってランプの劣化を検知しているが、スクリーン面上の輝度を厳密に測定することは出来ない。

一方、特許文献２では、光センサーをプロジェクタの投写レンズに被せて測定するため、スクリーン面上の輝度変化等を精度良く測定することが可能であるが、測定中は映像の表示が出来ないという問題がある。

本発明は上述の問題点に鑑み、表示映像に干渉することなく、スクリーン面の輝度変化や色相変化を正確に検出することが可能な投写型表示装置の提供を目的とする。

本発明に係る第１の投写型表示装置は、光源と、照射された光を入力信号に対応して変調する光変調器と、前記光源からの光を前記光変調器に照射する照明光学系と、前記光変調器で変調された光をスクリーンに投写する投写光学系と、前記スクリーンのスクリーン面と光学的共役位置近傍であって、前記光源から前記スクリーンに至る主光路の外に分岐した分岐光の光路上に配置された光センサーとを備える。

また、本発明に係る第２の投写型表示装置は、光源と、照射された光を入力信号に対応して変調する光変調器と、前記光源からの光を前記光変調器に照射する照明光学系と、前記光変調器で変調された光をスクリーンに投写する投写光学系と、前記光源から前記スクリーンに至る主光路の外に分岐した分岐光の輝度分布を均一化する均一化手段と、前記均一化手段で均一化された光が入射される光センサーとを備える。

本発明に係る第１の投写型表示装置において、光センサーはスクリーンのスクリーン面と光学的共役位置近傍に配置されるので、スクリーン面の輝度変化や色相変化を正確に検出することが出来る。さらに、光センサーは光源から前記スクリーンに至る主光路の外に分岐した分岐光の光路上に配置されるので、表示映像に干渉することなく前記検出が可能である。

また、本発明に係る第２の投写型表示装置は、光源からスクリーンに至る主光路の外に分岐した分岐光の輝度分布を均一化する均一化手段と、均一化手段で均一化された光が入射される光センサーとを備えるので、表示映像に干渉することなく、スクリーン面の輝度変化や色相変化を正確に検出することが出来る。

実施の形態１に係る投写型表示装置の構成図である。実施の形態１に係るカラーホイールと映像信号の対応関係を示す図である。インテグレータの出射断面における光源光の輝度分布を示す図である。光源の明るさが変化した場合の、インテグレータの出射断面における光源光の輝度変化を説明する図である。光源像が大きくなった場合の、インテグレータの出射断面における光源光の輝度変化を説明する図である。光源位置がずれた場合の、インテグレータの出射断面における光源光の輝度変化を説明する図である。実施の形態１に係る投写型表示装置における光学的共役関係を説明する図である。光学的共役位置における輝度分布の関係を示す図である。実施の形態２に係る投写型表示装置の構成図である。実施の形態３に係る投写型表示装置の構成図である。実施の形態３の変形例に係る投写型表示装置の構成図である。実施の形態４に係る投写型表示装置の構成図である。実施の形態５に係る投写型表示装置の構成図である。

（実施の形態１）
＜構成＞
図１は、本発明の実施の形態１に係る投写型表示装置の構成図である。実施の形態１に係る投写型表示装置は、ランプ光源１０と、ランプ光源１０の光源光を映像信号に応じて変調するプロジェクタ部１１と、プロジェクタ部１１の変調光をスクリーン２２に投写する投写レンズ２１とを備えている。

プロジェクタ部１１は、ランプ光源１０の光をインテグレータ入射面１３に集光するコンデンサレンズ１２、光の輝度分布を均一にするインテグレータ１４、光の３原色成分を抽出するカラーホイール１６、インテグレータ１４の出射光をＤＭＤチップ２０に結像するためのリレーレンズ１７、ライトバルブとしてのＤＭＤチップ２０を備えている。

ランプ光源１０から放射された光源光は、コンデンサレンズ１２によってインテグレータ入射面１３に集光されインテグレータ１４に取り込まれる。インテグレータ１４に取り込まれた光は内部で全反射を繰り返し、その輝度分布はインテグレータ出射面１５で均一になる。

カラーホイール１６は、赤、緑、青、透明のフィルタを備えた回転板である（図２（ａ））。インテグレータ出射面１５から出た光のうち、フィルタと同色成分のみがカラーホイール１６を通過するため、赤、緑、青、白色の光が順番に生成される。

カラーホイール１６を通過した光は、リレーレンズ１７によってＤＭＤチップ２０上に結像する。ＤＭＤチップ２０上の輝度分布は、インテグレータ出射面１５におけると同様、均一である。なお、リレーレンズ１７からＤＭＤチップ２０に至るまでに、光路は反射ミラー１８と内部全反射プリズム１９で折り曲げられている。ＤＭＤチップ２０では、入力信号に応じてマイクロミラーの傾きが変わり、光がカラーホイール１６のフィルタに対応した色ごとに、オン光とオフ光に変調される。オン光は投写レンズ２１に出力され、スクリーン２２のスクリーン面に映像が投影される。

一方、オフ光は投写レンズ２１に入射しない方向に進む。プロジェクタ１１は、オフ光の光路上に光センサー結像用レンズ２３と光センサー２４を備えており、光センサー結像用レンズ２３が光センサー２４上にＤＭＤチップ２０のオフ光を結像することにより、スクリーン２２における輝度変化や色相変化を検出する。

＜光センサー＞
図２は、カラーホイール１６の回転と映像信号との対応関係を示す図である。カラーホイール１６のフィルタの色が切り替わるときに、画面全体が黒表示となるブランキング期間が存在する。例えば、カラーホイール１６が１２０Ｈｚで回転するとすれば、１回転に要する時間が約８．３３ｍｓ、ブランキング期間は約０．４ｍｓで、ブランキング期間中スクリーン２２には全黒信号を表示し、その間に光センサー２４で値を取得する。

このように、本実施の形態の投写型表示装置では、ランプ光源１０からスクリーン２２に至る光路を主光路とした場合に、主光路から分岐した分岐光の光路上に光センサー２４を配置することにより、表示映像に干渉することなく、光センサー２４による測定を行う事が可能になる。

光センサー２４では赤、緑、青、白全ての輝度を取得して、輝度、色相の補正を行う。あるいは、白だけ若しくは緑だけの光センサー値を取得して、輝度の補正のみを行っても良い。ランプ光源１０の使用初期に取得した光センサー値を基準として、輝度及び色相の経時的な変化を取得する。

光センサー２４は、単色の輝度センサーでも、カラーセンサー（例えば、赤、緑、青の３色カラーセンサー）でも良く、波長ごとの強度を測定する分光センサーを使用しても良い。光センサー２４に単色の輝度センサーを使う場合には、輝度のみの変化を補正しても良いし、赤、緑、青それぞれの輝度を測定した上で、輝度と色相の両方の補正を行ってもよい。光センサー２４にカラーセンサー、もしくは分光センサーを使用する場合は、輝度と色相の両方を補正が可能である。

＜輝度変化＞
次に、ランプ光源１０の明るさ変化と、スクリーン２２に投影される映像の輝度変化について説明する。

図３（ａ）に示すように、ランプ光源１０から出た光はコンデンサレンズ１２によってインテグレータ入射面１３に集光される。図３（ｂ）の上図は、インテグレータ入射面１３と出射面１５のそれぞれにおける輝度分布を示しており、下図は、上図の点線に沿った輝度分布を示している。

インテグレータ入射面１３を中心として円形に集光するため、インテグレータ入射面１３の中心で輝度が最も高い。インテグレータ入射面１３に取り込まれた光はインテグレータ１４内で平均化されるため、インテグレータ出射面１５における輝度分布は均一になる。

図４は、光源の位置やインテグレータ入射面１３における集光位置を変えずに、ランプ光源１０の明るさが低下した場合の輝度分布を示している。インテグレータ出射面１５における輝度は、ランプ光源１０の明るさの減衰率に比例して低下する。

一方、図５は、ランプ光源１０の明るさは変わらず、インテグレータ入射面１３に集光された輝度分布が大きくなった、すなわち光源像が大きくなった場合の輝度分布を示している。この場合、インテグレータ１４への光の取り込み量が減衰するため、インテグレータ出射面１５での輝度は低下する。

また、図６は、ランプ光源１０の明るさは変わらず、その位置が変化した場合を示している。この場合、インテグレータ入射面１３における輝度分布の位置が変わり、インテグレータ１４への光の取り込み量が減衰するため、インテグレータ出射面１５での輝度は低下する。

図５、図６に示したように、光源像の大きさが変化したり、ランプ光源１０の位置が変化した場合には、光源自体の明るさに変化はなくともインテグレータ出射面１５での輝度が変化する。そのため、このような場合には、ランプ光源１０の漏れ光の輝度を測定しても、スクリーン２２における輝度変化を反映したものとはならない。

図７は、本実施の形態の投写型表示装置の光学的結像関係を示すもので、説明のためカラーホイール１６、内部全反射プリズム１９等を除いている。図７においてスクリーン２２と光学的共役関係となっているのは、ＤＭＤチップ２０の表面及びインテグレータ出射面１５である。インテグレータ出射面１５の均一な輝度分布は、リレーレンズ１７によってＤＭＤチップ２０面上に結像されている。また、ＤＭＤチップ２０面上に結像された均一な輝度分布は、投写レンズ２１によってスクリーン２２面上に結像される。よって、インテグレータ出射面１５、ＤＭＤチップ２０、スクリーン２２は同じ輝度分布を保つ。

図８に光学的共役位置と輝度分布の関係を示す。図８（ａ）において、上図はスクリーンと光学的共役位置にあるＤＭＤチップ２０、スクリーン２２、光センサー２４の輝度分布を示しており、下図は上図の点線に沿った輝度分布を示している。ＤＭＤチップ２０、スクリーン２２、光センサー２４において、均一な同じ輝度分布が示されている。

図８（ｂ）において、上図はランプ光源１０の集光位置、すなわちインテグレータ入射面１３とその光学的共役位置における輝度分布を示しており、下図は上図の点線に沿った輝度分布を示している。ここで、リレーレンズ付近断面２６、投写レンズ付近断面２７、および、光センサー結像用レンズ付近断面２８の輝度分布は、インテグレータ１４内で反射した回数と方向によってランプ光源１０の集光した像が細分化されるため、碁盤目状の離散した分布となる。この離散状の輝度分布は、光源の大きさや位置の変化により変化するため、これらの位置に光センサー２４を設置して輝度測定をしても、スクリーン２２の輝度との正確な相関を得ることは出来ない。

スクリーン２２と光学的共役な位置で輝度を測定すれば、スクリーン２２の輝度と相関のある値を得られるが、インテグレータ出射面１５やＤＭＤチップ２０面上に光センサー２４を配置すると表示映像に干渉するという問題が発生する。そこで、主光路上に光センサー２４を配置するのではなく、ＤＭＤチップ２０のオフ光を光センサー結像用レンズ２３で光センサー２４上に結像させることにより、光センサー２４をスクリーン２２と光学的共役位置に配置しながらも、主光路と干渉することなく、スクリーン２２の輝度変化や色相変化と相関のあるセンサー値を取得することが出来る。よって、スクリーン２２の輝度変化、色相変化の正確な補正が可能となる。

＜効果＞
本実施の形態の投写型表示装置は、光源（ランプ光源１０）と、照射された光を入力信号に対応して変調する光変調器（ＤＭＤチップ２０）と、ランプ光源１０からの光をＤＭＤチップ２０に照射する照明光学系と、ＤＭＤチップ２０で変調された光をスクリーン２２に投写する投写光学系（投写レンズ２１）と、スクリーン２２のスクリーン面と光学的共役位置近傍であって、ランプ光源１０からスクリーン２２に至る主光路の外に分岐した分岐光の光路上に配置された光センサー２４とを備えるので、表示映像に干渉することなく、スクリーン２２の輝度変化や色相変化を正確に検出することが可能である。

また、本実施の形態の投写型表示装置において、光センサー２４はＤＭＤチップ２０のオフ光の光路上に配置されるので、表示映像に干渉することなく、スクリーン２２の輝度変化や色相変化を検出することが可能である。

（実施の形態２）
＜構成＞
スクリーン２２と光学的共役位置に光センサー２４を設置する限り、光センサー２４はスクリーン２２上の輝度変化や色相変化を正確に検出することができるため、光センサー２４の配置は実施の形態１に示したＤＭＤチップ２０のオフ光の光路上に限らず、照明光学系や投写レンズ２１の漏れ光の光路上に設けても良い。本実施の形態に係る投写型表示装置では、反射ミラー１８の漏れ光を用いてインテグレータ出射面１５と光学的共役位置をつくり、その位置に光センサー２４を設置する。

図９は本発明の実施の形態２に係る投写型表示装置の構成図である。本実施の形態に係る投写型表示装置では、反射ミラー１８の後ろに光センサー結像用レンズ２３を設け、反射ミラー１８の透過光（漏れ光）を光センサー２４に結像する。

インテグレータ出射面１５と光センサー２４が光学的共役関係となるように光センサー結像用レンズ２３を設計することにより、光センサー２４でスクリーン２２の輝度変化、色相変化に対応した光センサー値を取得できる。よって、スクリーン２２の輝度変化、色相変化の正確な補正が可能となる。

なお、光センサー２４の配置位置はプロジェクタ内部でスクリーンと光学的共役位置であれば良く、反射ミラー１８の後段に限らない。

＜効果＞
本実施の形態の投写型表示装置は、光源（ランプ光源１０）と、照射された光を入力信号に対応して変調する光変調器（ＤＭＤチップ２０）と、ランプ光源１０からの光をＤＭＤチップ２０に照射する照明光学系と、ＤＭＤチップ２０で変調された光をスクリーン２２に投写する投写光学系（投写レンズ２１）と、スクリーン２２のスクリーン面と光学的共役位置近傍であって、ランプ光源１０からスクリーン２２に至る主光路の外に分岐した分岐光の光路上に配置された光センサー２４とを備えるので表示映像に干渉することなく、スクリーン２２の輝度変化や色相変化を正確に検出することが可能である。

また、本実施の形態の投写型表示装置において、光センサー２４は照明光学系又は投写光学系の漏れ光の光路上に配置されるので、表示映像に干渉することなく、スクリーン２２の輝度変化や色相変化を検出することが可能である。

（実施の形態３）
＜構成＞
実施の形態１では、光センサー結像用レンズ２３を用いて光センサー２４がスクリーン２２と光学的共役位置となるように設定した。もし、光センサー２４がスクリーン２２と光学的共役関係になければ、光センサー２４における輝度分布は離散的なものになる。

そこで、実施の形態３では、光センサー２４をスクリーン２２と光学的共役位置に配置しない代わりに、離散的な輝度分布を均一にする均一化手段を設けることとする。

図１０は本発明の実施の形態３に係る投写型表示装置の構成図である。本実施の形態の投写型表示装置は、ＤＭＤチップ２０のオフ光が入射する均一化手段としての積分球３５と、積分球３５の輝度を測定する光センサー２４を備えている。

ＤＭＤチップ２０から出たオフ光は、プロジェクタ部１１内に配置した積分球３５に取り込まれる。取り込まれた光は積分球３５で均一化され、その光の強度を光センサー２４で測定する。積分球３５に取り込む時点でオフ光の輝度分布は離散的であって均一でないが、積分球３５にて平均化することで、スクリーン２２上の輝度変化を正確に反映した光センサー値の取得が可能となり、輝度、色相の正確な補正が可能となる。

＜変形例＞
なお、離散的な輝度分布を均一にする均一化手段として積分球３５の他に、図１１に示す拡散板３６を用いても同様の効果を奏する。

＜効果＞
本実施の形態の投写型表示装置は、光源（ランプ光源１０）と、照射された光を入力信号に対応して変調する光変調器（ＤＭＤチップ２０）と、ランプ光源１０からの光をＤＭＤチップ２０に照射する照明光学系と、ＤＭＤチップ２０で変調された光をスクリーン２２に投写する投写光学系（投写レンズ２１）と、ランプ光源１０からスクリーン２２に至る主光路の外に分岐した分岐光の輝度分布を均一化する均一化手段と、前記均一化手段で均一化された光が入射される光センサーとを備えるので、表示映像に干渉することなく、スクリーン２２の輝度変化や色相変化を正確に検出することが可能である。

また、本実施の形態の投写型表示装置において、均一化手段は積分球３５であるので、積分球３５にて均一化したオフ光の輝度分布を光センサー２４で測定することにより、スクリーン２２の輝度変化や色相変化を正確に検出することが可能である。

あるいは、本実施の形態の投写型表示装置において、均一化手段は拡散板３６であるので、拡散板３６にて均一化したオフ光の輝度分布を光センサー２４で測定することにより、スクリーン２２の輝度変化や色相変化を正確に検出することが可能である。

また、本実施の形態の投写型表示装置は、光変調器（ＤＭＤチップ２０）のオフ光の輝度分布を均一化する均一化手段を備えるので、均一化手段にて均一化したオフ光の輝度分布を光センサー２４で測定することにより、スクリーン２２の輝度変化や色相変化を正確に検出することが可能である。

（実施の形態４）
実施の形態２では、反射ミラー１８の漏れ光を光センサー２４に結像させ、光センサー２４がスクリーン２２と光学的共役関係にあるように設計した。実施の形態４は、実施の形態２の構成において光センサー２４をスクリーン２２と光学的共役位置に配置しない代わりに、反射ミラー１８の漏れ光の輝度分布を均一化する均一化手段を設けるものである。

図１２は本発明の実施の形態４に係る投写型表示装置の構成図である。本実施の形態の投写型表示装置では、集光レンズ３７によって反射ミラー１８の漏れ光を積分球３５に集光させ、積分球３５で輝度分布を均一化し、その光の強度を光センサー２４で測定する。

集光レンズ３７は、反射ミラー１８の漏れ光を全て積分球３５に取り込むためのものであり、結像関係は問わない。

以上のように、実施の形態４に係る投写型表示装置は、離散的な輝度分布をすべて積分球３５に取り込み平均化することで、スクリーン２２上の輝度変化を正確に反映した光センサー値の取得が可能となり、輝度、色相の正確な補正が可能となる。

＜変形例＞
なお、離散的な輝度分布を均一にする均一化手段として積分球３５の他に、拡散板を用いても同様の効果を奏する。

また、本実施の形態の投写型表示装置において、前記分岐光は、照明光学系又は投写レンズ２１の漏れ光であるので、表示映像に干渉することなく、光センサー２４にてスクリーン２２の輝度変化や色相変化を検出することが可能である。

（実施の形態５）
＜構成＞
実施の形態１〜４ではランプ光源１０を用いたが、ＬＥＤやレーザーなどの固体光源でも同様の効果を得ることが可能である。実施の形態５ではランプ光源の代わりにＬＥＤ光源ユニットを用いる。

図１３は、本発明の実施の形態５に係る投写型表示装置の構成図である。実施の形態５の投写型表示装置は、実施の形態１の構成において、ランプ光源１０をＬＥＤ光源ユニット３０に置き換えたものであり、それ以外の構成は同様である。

ＬＥＤ光源ユニット３０は赤ＬＥＤ３１Ｒ、緑ＬＥＤ３１Ｇ、青ＬＥＤ３１Ｂを備えている。赤ＬＥＤ３１Ｒ、緑ＬＥＤ３１Ｇ、青ＬＥＤ３１Ｂの後段には光源光を平行光にするコリメータレンズ３２がそれぞれ設けられる。コリメータレンズ３２を通過した平行光は、ダイクロイックミラー３３，３４に入射する。ダイクロイックミラー３３は赤色光を反射し、それ以外の波長の光を透過するものであり、ダイクロイックミラー３４は青色光を反射し、それ以外の波長の光を透過するものである。その結果、赤色光、青色光、緑色光が合成されてプロジェクタ部１１のコリメータレンズ１２に入射する。

なお、図１３ではＬＥＤ光源ユニット３０を実施の形態１に適用した例を示したが、実施の形態２〜４にも適用することが可能である。

＜効果＞
本実施の形態に係る投写型表示装置によれば、光源はＬＥＤであるので、消費電力を抑えることが出来る。

１０ランプ光源、１１プロジェクタ部、１２コンデンサレンズ、１３インテグレータ入射面、１４インテグレータ、１５インテグレータ出射面、１６カラーホイール、１７リレーレンズ、１８反射ミラー、１９内部全反射プリズム、２０ＤＭＤチップ、２１投写レンズ、２２スクリーン、２３光センサー結像用レンズ、２４光センサー、２６リレーレンズ付近断面、２７投写レンズ付近断面、２８光センサー結像用レンズ付近断面、３０ＬＥＤ光源ユニット、３１Ｒ赤ＬＥＤ、３１Ｇ緑ＬＥＤ、３１Ｂ青ＬＥＤ、３２コリメータレンズ、３３，３４ダイクロイックミラー、３５積分球、３６拡散板、３７集光レンズ。

Claims

光源と、
照射された光を入力信号に対応して変調する光変調器と、
前記光源からの光を前記光変調器に照射する照明光学系と、
前記光変調器で変調された光をスクリーンに投写する投写光学系と、
前記スクリーンのスクリーン面と光学的共役位置近傍であって、前記光源から前記スクリーンに至る主光路の外に分岐した分岐光の光路上に配置された光センサーと
を備える、投写型表示装置。
光源と、
照射された光を入力信号に対応して変調する光変調器と、
前記光源からの光を前記光変調器に照射する照明光学系と、
前記光変調器で変調された光をスクリーンに投写する投写光学系と、
前記光源から前記スクリーンに至る主光路の外に分岐した分岐光の輝度分布を均一化する均一化手段と、
前記均一化手段で均一化された光が入射される光センサーと
を備える、投写型表示装置。
前記均一化手段は積分球である、請求項２に記載の投写型表示装置。
前記均一化手段は拡散板である、請求項２に記載の投写型表示装置。
前記分岐光は前記光変調器のオフ光である、請求項１〜４のいずれかに記載の投写型表示装置。
前記分岐光は、前記照明光学系又は前記投写光学系の漏れ光である、請求項１〜４のいずれかに記載の投写型表示装置。
前記光源はＬＥＤである、請求項１〜６のいずれかに記載の投写型表示装置。