JP2021043287A - ２重変調方式プロジェクタの制御装置及びそのプログラム、並びに、２重変調方式プロジェクタ - Google Patents

Abstract

【課題】高階調表示を容易にした２重変調方式プロジェクタを提供する。【解決手段】２重変調方式プロジェクタ１は、光学ＬＰＦ１５が、ＤＭＤ素子１３からの光を画素ブロック単位で平均化し、制御装置２０が、全駆動パターン及び複数の部分駆動パターンが予め設定される駆動パターン設定部２２と、映像信号に基づいて、ＤＭＤ素子を全駆動パターン及び部分駆動パターンのそれぞれで駆動する第１変調制御部２３と、映像信号に基づいて、ＤＭＤ素子１６を全駆動パターン及び部分駆動パターンのそれぞれで駆動する第２変調制御部２４と、を備える。【選択図】図５

Description

本発明は、２重変調方式プロジェクタの制御装置及びそのプログラム、並びに、２重変調方式プロジェクタに関する。

従来より、高ダイナミックレンジ（ＨＤＲ：High Dynamic Range）表示の大画面ディスプレイ装置として、２重変調方式プロジェクタが知られている（特許文献１）。この２重変調方式プロジェクタは、２台のプロジェクタを備えており、１台目のプロジェクタの光出力を２台目のプロジェクタの光源として用いることで、暗部での不要光を抑え、ＨＤＲ表示を実現するものである。暗部の輝度を低下させるだけでは暗部の偽輪郭が目立ってしまうため、ＨＤＲ表示では高階調化が必須になる。

ここで、プロジェクタとして、ＤＭＤ（Digital Mirror Device）素子９を用いることがある。ＤＭＤ素子９は、微小鏡面素子とも呼ばれ、図１５に示すように、画素としての微小鏡面９Ａ及び駆動回路９Ｂの組を２次元方向で平面状に配列したものである（図１５には１画素のみ図示）。このＤＭＤ素子９は、微小鏡面９Ａの方向を高速に変化させることにより、階調を表現することができる。すなわち、ＤＭＤ素子９は、微小鏡面９Ａをある方向に駆動すると光が反射され（図１５（ａ））、微小鏡面９Ａを別の方向に駆動すると光が光吸収板（不図示）でカットされる（図１５（ｂ））。以後、図１５（ａ）に示すように光を反射して出力する状態を「Ｏｎ」と記載し、図１５（ｂ）に示すように光をカットして出力しない状態を「Ｏｆｆ」と記載する。

特開２０１９−３２４８７号公報

前記したように、ＤＭＤ素子９では、ＯｎとＯｆｆの割合で出力光の大きさ（輝度）が決まる。また、２重変調方式プロジェクタでは、２台のＤＭＤ素子９で構成されているため、１台目と２台目のＤＭＤ素子９が両方ともＯｎでなければ、出力光が発生しない。このように、２重変調方式プロジェクタでは、どちらか一方のＤＭＤ素子９で階調が決まってしまうため、高階調表示が困難であった。

そこで、本発明は、高階調表示を容易にした２重変調方式プロジェクタの制御装置及びそのプログラム、並びに、２重変調方式プロジェクタを提供することを課題とする。

前記した課題に鑑みて、本発明に係る２重変調方式プロジェクタの制御装置は、光源と、平面状に配列された画素が光源からの光を反射又は遮蔽することで光を変調する第１表示素子と、第１表示素子からの光を投射する１対のリレーレンズと、１対のリレーレンズの間に配置され、第１表示素子からの光を画素ブロック単位で平均化する光学ローパスフィルタと、平面状に配列された画素がリレーレンズからの光を反射又は遮蔽することで光を変調する第２表示素子と、を備える２重変調方式プロジェクタの制御装置であって、駆動パターン設定部と、第１変調制御部と、第２変調制御部と、を備える構成とした。

かかる構成によれば、光学ローパスフィルタが、第２表示素子の各画素で生じる輝度差を緩和するので、第２表示素子の制御が容易になる。
駆動パターン設定部は、画素ブロックの全画素を駆動する全駆動パターンと、画素ブロックで駆動する画素数が２の累乗で表される複数の部分駆動パターンとが予め設定される。

第１変調制御部は、映像信号が入力され、入力された映像信号に基づいて、第１表示素子を全駆動パターン及び部分駆動パターンのそれぞれで駆動する。
第２変調制御部は、映像信号に基づいて、第２表示素子を全駆動パターン及び部分駆動パターンのそれぞれで駆動する。このとき、第２変調制御部は、映像信号に対応する光出力が得られるように、第１表示素子の出力に応じて第２表示素子を駆動することが好ましい。
このように、制御装置は、映像信号を第１表示素子及び第２表示素子で２重変調するので、高階調表示が容易になる。

また、前記した課題に鑑みて、本発明に係る２重変調方式プロジェクタは、光源と、平面状に配列された画素が光源からの光を反射又は遮蔽することで光を変調する第１表示素子と、第１表示素子からの光を投射する１対のリレーレンズと、１対のリレーレンズの間に配置され、第１表示素子からの光を画素ブロック単位で平均化する光学ローパスフィルタと、平面状に配列された画素がリレーレンズからの光を反射又は遮蔽することで光を変調する第２表示素子と、前記した２重変調方式プロジェクタの制御装置と、を備える構成とした。

かかる構成によれば、２重変調方式プロジェクタは、光学ローパスフィルタが第２表示素子の各画素で生じる輝度差を緩和するので、第２表示素子の制御が容易になる。そして、２重変調方式プロジェクタは、制御装置が映像信号に応じて第１表示素子及び第２表示素子で入射光を２重変調するので、高階調表示が容易になる。

なお、本発明は、コンピュータが備えるＣＰＵ、メモリ、ハードディスクなどのハードウェア資源を、前記した制御装置として動作させるプログラムで実現することもできる。

本発明によれば、２重変調方式プロジェクタで高階調表示が容易になる。

実施形態において、（ａ）〜（ｆ）は、光学ＬＰＦを説明する説明図である。 実施形態に係る２重変調方式プロジェクタの概略構成図である。 実施形態において、カラー表示に対応した２重変調方式プロジェクタの構成を示すブロック図である。 （ａ）は図３の色分解手段を説明する説明図であり、（ｂ）は図３の色合成手段を説明する説明図である。 実施形態において、モノクロ表示に対応した２重変調方式プロジェクタの構成を示すブロック図である。 実施形態に係る光学ＬＰＦの概略図である。 図６の光学ＬＰＦを説明する説明図である。 実施形態において、（ａ）はパラメータを説明する説明図であり、（ｂ）は駆動パターンを説明する説明図である。 従来のプロジェクタにおいて、ＤＭＤ素子の駆動信号と光出力の関係を説明する説明図である。 実施形態において、粗調整期間及び微調整期間を説明する説明図である。 実施形態において、駆動タイミングの調整を説明する説明図である。 実施形態において、１台目のＤＭＤ素子の駆動信号と、２台目のＤＭＤ素子の駆動信号と、２台目のＤＭＤ素子の光出力との関係を説明する説明図である。 図５の制御装置の動作を示すフローチャートである。 実施例のシミュレーション結果を示すグラフである。 従来の微小鏡面素子の説明図であり、（ａ）は微小鏡面素子が光を反射するＯｎの状態を表し、（ｂ）は微小鏡面素子が光を反射しないＯｆｆの状態を表す。

（実施形態）
［光学ＬＰＦ］
図１を参照し、実施形態を説明する前提として、光学ローパスフィルタ（ＬＰＦ：low pass filter）について説明する。
図１（ａ）に示すように、光学ＬＰＦ２は、複屈折素子２Ａと、１／４位相板２Ｂとの組を積層することで、２次元のローパスフィルタとして構成したものである。複屈折素子２Ａは、直線偏光の方向（水平、垂直）で異なる屈折率を有し、適切な膜厚にすることで入射光の位置を１画素ずらすものである。１／４位相板２Ｂは、入射光の位相を１／４波長ずらすことで、直線偏光を円偏光に変換するものである。ここで、１層目の複屈折素子２Ａ_１では垂直方向の位置ずれ、２層目の複屈折素子２Ａ_２では水平方向の位置ずれを生じさせるように予め設置方向を調整する。

なお、図１では、説明を分かりやすくするために、複屈折素子２Ａと１／４位相板２Ｂとを離して図示したが、実際には密着している。図１（ａ）では、左側が入力側であり、右側が出力側である。図１（ｂ）〜（ｆ）では、各マス目が画素を示し、マス目内に図示したマルが円偏光を示し、マス目内の矢印が直線偏光を示す。図１（ａ）には、図１（ｂ）〜（ｆ）が表している位置を図示した。

１層目の複屈折素子２Ａ_１は、１画素分の円偏光（図１（ｂ））を、同じ画素位置で偏光方向が直交する水平方向及び垂直方向の直線偏光に変換し、その一方である水平方向の直線偏光を１画素垂直方向に移動させる。これにより、図１（ｃ）に示すように、水平方向及び垂直方向の直線偏光が縦に２画素並んだ状態となる。１層目の１／４位相板２Ｂ_１は、水平方向及び垂直方向の直線偏光をそれぞれ円偏光に変換するので、図１（ｄ）に示すように、円偏光が縦に２画素並んだ状態となる。２層目の複屈折素子２Ａ_２は、２画素分の円偏光を同じ画素位置でそれぞれ水平方向及び垂直方向の直線偏光に変換し、その一方である水平方向の直線偏光を１画素水平方向に移動させる。これにより、図１（ｅ）に示すように、水平方向及び垂直方向の直線偏光が２×２画素並んだ状態となる。２層目の１／４位相板２Ｂ_２は、水平方向及び垂直方向の直線偏光をそれぞれ円偏光に変換するので、図１（ｆ）に示すように、円偏光が２×２画素並んだ状態となる。

このように、光学ＬＰＦ２は、１画素分の円偏光を２×２画素分の円偏光に変換する。つまり、光学ＬＰＦ２は、１画素分の入力光を２×２画素分の光として平均化するので、入力光の空間周波数成分を低下させるローパスフィルタとして機能する。この複屈折素子２Ａと１／４位相板２Ｂとの組をさらに積層させることで、より広い範囲のローパスフィルタを構築できる。

図２には、本実施形態に係る２重変調方式プロジェクタ１の概略構成図を図示した。図２に示すように、２重変調方式プロジェクタ１では、ＤＭＤ素子１３（第１表示素子）からの光を投射する１対のリレーレンズ１４の間に、光学ＬＰＦ１５が配置されている。これにより、２重変調方式プロジェクタ１では、光学ＬＰＦ１５がＤＭＤ素子（第１表示素子）１３の各画素による光出力を平均化するので、ＤＭＤ素子１６の制御が容易になる。

［２重変調方式プロジェクタの構成］
図３を参照し、２重変調方式プロジェクタ１の構成について説明する。
２重変調方式プロジェクタ１は、ＨＤＲ表示を行う２重変調方式のプロジェクタであり、図３に示すように、プロジェクタ装置１０と、制御装置２０とを備える。

＜プロジェクタ装置＞
プロジェクタ装置１０は、光源１１と、色分解手段１２と、ＤＭＤ素子１３と、リレーレンズ１４と、光学ＬＰＦ１５と、ＤＭＤ素子１６と、反射鏡１７と、色合成手段１８と、投射レンズ１９とを備える。

光源１１は、例えば、一般的なレーザ光源である。
色分解手段１２は、図４（ａ）に示すように、光源１１からの光をＲＧＢの３色に分解するものであり、例えば、ダイクロイックミラーである。

ＤＭＤ素子１３は、後記する第１変調制御部２３からの駆動信号に基づいて、平面状に配列された画素が光を反射又は遮蔽することで、色分解手段１２で分解された各色の光を変調するものである。ここで、ＤＭＤ素子１３_Ｒが赤色光に対応し、ＤＭＤ素子１３_Ｇが緑色光に対応し、ＤＭＤ素子１３_Ｂが青色光に対応する。なお、ＤＭＤ素子１３の構成は、従来のＤＭＤ素子９（図１５）と同様のため、これ以上の説明を省略する。

リレーレンズ１４は、ＤＭＤ素子１３からの光をＤＭＤ素子１６に投射（中継）する１対の光学レンズ（例えば、両凸レンズ）である。ここで、１個目のリレーレンズ１４_１がＤＭＤ素子１３の側に配置され、２個目のリレーレンズ１４_２がＤＭＤ素子１６の側に配置される。なお、リレーレンズ１４_１，１４_２の中間位置に仮想的な像が形成され、この像がＤＭＤ素子１６に投射される（参考文献１）。
参考文献１：「レンズ光学の基礎４：光学系の瞳 図６ 対物レンズとリレーレンズ」、加藤欣也、視覚の科学、第３６巻第４号（２０１５年１２月）

光学ＬＰＦ１５は、リレーレンズ１４_１，１４_２の間に配置されており、ＤＭＤ素子１３からの光を平均化するものである。例えば、光学ＬＰＦ１５は、仮想的な像が形成されるリレーレンズ１４_１，１４_２の中間位置に配置される。なお、光学ＬＰＦ１５については、詳細を後記する。

ＤＭＤ素子１６は、後記する第２変調制御部２４からの駆動信号に基づいて、平面状に配列された画素が光を反射又は遮蔽することで、リレーレンズ１４_２からの各色の光を変調するものである。ここで、ＤＭＤ素子１６_Ｒが赤色光に対応し、ＤＭＤ素子１６_Ｇが緑色光に対応し、ＤＭＤ素子１６_Ｂが青色光に対応する。なお、ＤＭＤ素子１６の構成は、従来のＤＭＤ素子９（図１５）と同様のため、これ以上の説明を省略する。

反射鏡１７は、ＤＭＤ素子１６で変調された各色の光を色合成手段１８に向けて反射するミラーである。ここで、反射鏡１７_ＧがＤＭＤ素子１６_Ｇからの緑色光を反射し、反射鏡１７_ＢがＤＭＤ素子１６_Ｂからの青色光を反射する。
色合成手段１８は、図４（ｂ）に示すように、ＤＭＤ素子１６_Ｒからの赤色光と、反射鏡１７_Ｇで反射された緑色光と、反射鏡１７_Ｂで反射された青色光とを合成するものであり、例えば、ダイクロイックプリズムである。
投射レンズ１９は、色合成手段１８で合成された光を外部に投射するレンズである。

なお、２重変調方式プロジェクタ１は、ＲＧＢのカラー表示を行っているが、図５に示すように、色分解手段１２、反射鏡１７及び色合成手段１８を省略し、単色表示を行うこともできる。単色表示及びカラー表示の原理は同様のため、以後の説明においては、２重変調方式プロジェクタ１が図５の構成であることとする。

＜＜光学ＬＰＦ＞＞
図６及び図７を参照し、プロジェクタ装置１０が備える光学ＬＰＦ１５について説明する。
図６に示すように、光学ＬＰＦ１５は、複屈折素子１５Ａと１／４位相板１５Ｂとの組を４層積層したものである。この複屈折素子１５Ａ及び１／４位相板１５Ｂは、図１の複屈折素子２Ａ及び１／４位相板２Ｂと同様のものである。
なお、３層目及び４層目の複屈折素子１５Ａ_３，１５Ａ_４は、１層目及び２層目の複屈折素子１５Ａ_１，１５Ａ_２に比べて、２倍の膜厚である。これは１層目及び２層目では１画素分の移動なのに対し、３層目及び４層目では２画素分の移動になるためである。また、図６の矢印（塗りつぶし有り無し）は、図７のそれぞれ矢印と丸印に対応するが、図７（ｆ）以降で矢印の数が多くなるため、太くして４画素分であることを表している。

図７（ａ）〜（ｅ）に示すように、光学ＬＰＦ１５は、１層目及び２層目において、前記と同様に１画素分の円偏光を２×２画素分の円偏光に変換する。３層目の複屈折素子１５Ａ_３は、４画素分の円偏光を８画素分の水平方向及び垂直方向の直線偏光に変換し、その一方である水平方向の直線偏光を２画素垂直方向に移動させる。これにより、図７（ｆ）に示すように、水平方向及び垂直方向の直線偏光が２×４画素並んだ状態となる。３層目の１／４位相板１５Ｂ_３は、水平方向及び垂直方向の直線偏光をそれぞれ円偏光に変換するので、図７（ｇ）に示すように、円偏光が２×４画素並んだ状態となる。４層目の複屈折素子１５Ａ_４は、８画素分の円偏光を１６画素分の水平方向及び垂直方向の直線偏光に変換し、その一方である水平方向の直線偏光を２画素水平方向に移動させる。これにより、図７（ｈ）に示すように、水平方向及び垂直方向の直線偏光が４×４画素並んだ状態となる。４層目の１／４位相板１５Ｂ_４は、水平方向及び垂直方向の直線偏光をそれぞれ円偏光に変換するので、図７（ｉ）に示すように、円偏光が４×４画素並んだ状態となる。このように、光学ＬＰＦ１５は、１画素分の円偏光を４×４画素分の円偏光に変換するので、４×４画素のローパスフィルタとして機能する。

＜制御装置＞
図５に戻り、制御装置２０について説明する。
図５に示すように、制御装置２０は、ＤＭＤ素子１３，１６を駆動するものであり、パラメータ設定部２１と、駆動パターン設定部２２と、第１変調制御部２３と、第２変調制御部２４とを備える。

＜＜パラメータ設定部＞＞
パラメータ設定部２１は、ＤＭＤ素子１３，１６の制御に必要な各種パラメータを設定するものである。本実施形態では、パラメータ設定部２１は、２重変調方式プロジェクタ１用に予め決められたパラメータを設定することとする。このパラメータは、後記する第１変調制御部２３及び第２変調制御部２４によって参照される。

例えば、このパラメータとしては、画素ブロックサイズと、１フレーム期間と、粗調整期間と、微調整期間と、粗調整ブロック数とがあげられる。
画素ブロックとは、ＤＭＤ素子１３，１６を駆動する画素単位のことであり、複数の画素で構成されている。画素ブロックサイズとは、画素ブロックを構成する画素数のことであり、光学ＬＰＦ１５で平均化を行う画素数と同一である（例えば、４×４画素）。
１フレーム期間（Ｎ）とは、図８（ａ）に示すように、映像信号の１フレームを表示する期間（クロック数）のことである。クロックとは、ＤＭＤ素子１３，１６を駆動する時間単位のことである。
粗調整期間（Ｎ_ｓ）とは、１フレーム期間のうち、後記する全駆動パターンで駆動する期間（クロック数）のことである。
微調整期間（Ｎ_ｄ）とは、１フレーム期間のうち、後記する部分駆動パターンのそれぞれで駆動する期間（クロック数）のことである。
粗調整ブロック数（Ｍ）とは、所定クロック数の時間ブロックに１フレーム期間を分割したときに、粗調整期間に含まれる時間ブロックの個数のことである。

例えば、１フレーム期間が１／６０秒であり、１時間ブロックが１６クロックであり、１クロックが１／６１４４０秒であることとする。この場合、例えば、１フレーム期間が１０２４クロック（６４時間ブロック）、粗調整期間が１００８クロック（６３時間ブロック）、微調整期間が１６クロック（１時間ブロック）となる。

＜＜駆動パターン設定部＞＞
駆動パターン設定部２２は、駆動パターンを設定するものである。本実施形態では、駆動パターン設定部２２は、２重変調方式プロジェクタ１用のパラメータに対応して予め決められた駆動パターンを設定することとする。この駆動パターンは、後記する第１変調制御部２３及び第２変調制御部２４によって参照される。

図８（ｂ）に示すように、駆動パターンとして、１つの全駆動パターンＰ_Ａと、複数の部分駆動パターンＰ_１／２〜Ｐ_１／１６とを設定する。なお、図８（ｂ）では、その駆動パターンで駆動せずに必ずＯｆｆになる画素をハッチングで図示した。
全駆動パターンＰ_Ａとは、画素ブロックの全画素を駆動する駆動パターンのことである。例えば、全駆動パターンＰ_Ａは、画素ブロックに含まれる４×４画素の全部をＯｎ／Ｏｆｆする。

部分駆動パターンＰ_１／２〜Ｐ_１／１６とは、画素ブロックを構成する画素のうち、一部画素を駆動する駆動パターンのことである。以下で説明するように、部分駆動パターンＰ_１／２〜Ｐ_１／１６は、画素ブロックで駆動する画素数が１、２、４、８、１６のように２の累乗で表される。つまり、部分駆動パターンＰ_１／２〜Ｐ_１／１６は、画素ブロックの全画素のうち１／２〜１／１６を駆動するので、ＤＭＤ素子１６の光入力を１／２〜１／１６に減少させる。

部分駆動パターンＰ_１／２とは、画素ブロックを構成する画素の１／２を駆動する駆動パターンのことである。例えば、部分駆動パターンＰ_１／２では、画素ブロックの全１６画素のうち、水平方向及び垂直方向で１画素おきに計８画素をＯｎ／Ｏｆｆする。
部分駆動パターンＰ_１／４とは、画素ブロックを構成する画素の１／４を駆動する駆動パターンのことである。例えば、部分駆動パターンＰ_１／４では、画素ブロックの全１６画素のうち、水平方向で左１，３列目及び垂直方向で上１，３列目の計４画素をＯｎ／Ｏｆｆする。
部分駆動パターンＰ_１／８とは、画素ブロックを構成する画素の１／８を駆動する駆動パターンのことである。例えば、部分駆動パターンＰ_１／８では、画素ブロックの全１６画素のうち、水平方向で左１，３列目及び垂直方向で上１，３列目、かつ、水平座標と垂直座標とが等しくなる２画素をＯｎ／Ｏｆｆする。
部分駆動パターンＰ_１／１６とは、画素ブロックを構成する画素の１／１６を駆動する駆動パターンのことである。例えば、部分駆動パターンＰ_１／１６では、画素ブロックの全１６画素のうち、左上に位置する１画素をＯｎ／Ｏｆｆする。なお、本実施形態では、駆動する画素数が１個の部分駆動パターンＰ_１／１６が、駆動する画素数が最小の部分駆動パターンとなる。

ここで、フレーム期間と駆動パターンの関係について説明する。
図８（ａ）に示すように、粗調整期間では、ＤＭＤ素子１３，１６が全駆動パターンＰ_Ａで駆動する。また、微調整期間では、ＤＭＤ素子１３が部分駆動パターンＰ_１／２〜Ｐ_１／１６で駆動する。例えば、微調整期間では、駆動パターンＰ_１／２，Ｐ_１／４，Ｐ_１／８をそれぞれ２クロックとする。また、微調整期間では、後記するディザを行うために、部分駆動パターンＰ_１／１６を１０クロックとする。

なお、部分駆動パターンＰ_１／２〜Ｐ_１／１６で駆動する画素の位置は、図８の例に限定されない。また、微調整期間において、部分駆動パターンＰ_１／２〜Ｐ_１／１６のクロック数も図８の例に限定されない。

図５に戻り、制御装置２０の説明を続ける。
第１変調制御部２３は、４Ｋ等の映像信号が入力され、入力された映像信号に基づいて、ＤＭＤ素子１３を全駆動パターンＰ_Ａ及び部分駆動パターンＰ_１／２〜Ｐ_１／１６で駆動するものである。
第２変調制御部２４は、４Ｋ等の映像信号が入力され、映像信号に対応する光出力が得られるように、ＤＭＤ素子１３の光出力に応じてＤＭＤ素子１６を駆動するものである。

＜＜ＤＭＤ素子の駆動方法＞＞
以下、第１変調制御部２３及び第２変調制御部２４によるＤＭＤ素子１３，１６の駆動方法について詳細に説明する。
なお、説明を簡易にするため、ＲＧＢの各色のうち、何れか１色（例えば、緑色光）を説明するが、残り２色（赤色光、青色光）も同様である。

１台のＤＭＤ素子を用いた従来のプロジェクタでは、映像信号ｖ（ｉ，ｊ）に応じた光出力となるように、ＤＭＤ素子のＯｎ／Ｏｆｆを制御する。ここで、ｉ，ｊは、画素の座標を表しており、解像度が４Ｋの場合、ｉ＝０〜３８３９、ｊ＝０〜２１５９となる。１フレーム期間におけるＤＭＤ素子の光出力Ｌ（ｉ，ｊ）は、式（１）で表される。

ここで、Ｉ（ｎ）は、ｎクロック目におけるＤＭＤ素子の光入力の大きさを表す。Ｄ（ｉ，ｊ，ｎ）は、ＤＭＤ素子の駆動信号、つまり、ｎクロック目における座標（ｉ，ｊ）の画素の駆動状態を表す。つまり、Ｄ（ｉ，ｊ，ｎ）が‘１’の場合、ｎクロック目で座標（ｉ，ｊ）の画素がＯｎとなり、Ｄ（ｉ，ｊ，ｎ）が‘０’の場合、ｎクロック目で座標（ｉ，ｊ）の画素がＯｆｆとなる。

通常、従来のプロジェクタでは、図９に示すように、光入力Ｉ（ｎ）が常時存在する。ＤＭＤ素子の光出力Ｌ（ｉ，ｊ）の最小値を‘０．０’及び最大値を‘１．０’とすると、光出力Ｌ（ｉ，ｊ）が、０，１／Ｎ，２／Ｎ，…，１．０のＮ＋１通りの値となる（階調数＝Ｎ＋１）。このように、従来のプロジェクタの階調数がＮ＋１であったが、４×４画素で平均化する光学ＬＰＦ１５を用いるので、２重変調方式プロジェクタ１の階調数が１６・Ｎ＋１となる。つまり、画素ブロックの画素数だけ、階調数が倍増する。
なお、フリッカを避けるため１フレーム期間を幾つかのサブフレームに分けるのが一般的であるが、説明を簡単にするため、以降ではサブフレームは無しとして説明する。もしサブフレームがある場合、１サブフレームの取り扱いを１フレーム期間と同等とすればよい。

２重変調方式プロジェクタ１では、ＤＭＤ素子１３の光出力Ｌ_１（ｉ，ｊ）に応じて、ＤＭＤ素子１６の光入力Ｉ_２（ｉ，ｊ，ｎ）が変化するため、式（１）が以下の式（２−１）及び式（２−２）で表される。つまり、２重変調方式プロジェクタ１の最終的な光出力は、Ｌ_２（ｉ，ｊ）となる。

なお、添え字‘１’が、１台目のＤＭＤ素子１３を表し、添え字’２’が２台目のＤＭＤ素子１６を表す。つまり、ＤＭＤ素子１３の光出力がＬ_１（ｉ，ｊ）、ＤＭＤ素子１３の光入力がＩ_１（ｎ）、ＤＭＤ素子１３の駆動信号がＤ_１（ｉ，ｊ，ｎ）である。また、ＤＭＤ素子１６の光出力がＬ_２（ｉ，ｊ）、ＤＭＤ素子１６の光入力がＩ_２（ｉ，ｊ，ｎ）、ＤＭＤ素子１６の駆動信号がＤ_２（ｉ，ｊ，ｎ）である。Ｌ_１（ｉ，ｊ）及びＬ_２（ｉ，ｊ）の両方とも、最小値が０．０であり、最大値が１．０である。

まず、第１変調制御部２３は、予め設定された信号変換式により、映像信号ｖ（ｉ，ｊ）を光出力Ｌ_０（ｉ，ｊ）に変換する。この信号変換式は、電気光変換特性をγとすると、以下の式（３）で表される。例えば、４Ｋ映像がＨＬＧ方式に対応する場合、信号変換式として、式（４）を利用できる（参考文献２）。この式（４）では、Ｅ´がｖ（ｉ，ｊ）に対応し、ＥがＬ_０（ｉ，ｊ）に対応する。
参考文献２：ITU-R BT.2100-2,“Image parameter values for high dynamic range television for use in production and international programme exchange”

図１０に示すように、Ｎクロックの１フレーム期間が、Ｎ_ｓクロック期間の粗調整期間とＮ_ｄクロックの微調整期間とに分かれている。粗調整期間は、Ｍ個の時間ブロックに分かれている（１時間ブロックはＮ_ｓ／Ｍクロック）。微調整期間は、部分駆動パターンＰ_１／２〜Ｐ_１／１６のそれぞれで駆動するサブブロックに分かれている。それぞれの部分駆動パターンＰ_１／２〜Ｐ_１／１６で駆動する期間のクロック数をＮ_１／２〜Ｎ_１／１６とする。

微調整期間に含まれるＮ_１／２，Ｎ_１／４，Ｎ_１／８，Ｎ_１／１６は、最低各１クロックあればよい。図１０では、Ｎ_１／２，Ｎ_１／４，Ｎ_１／８は１クロック間隔で１クロックの長さとし、Ｎ_１／１６は１０クロックとする。Ｎ_１／１６が長いのは後記するディザのためである。なお、Ｎ_１／２〜Ｎ_１／１６が連続してもよく、微調整期間では、Ｎ_１／２＋Ｎ_１／４＋Ｎ_１／８＋Ｎ_１／１６クロック幅のものが１個でもよい。また、図１０では、粗調整期間の後に微調整期間を図示したが、微調整期間の位置は任意である。

光学ＬＰＦ１５が４×４画素の画素ブロック単位で平均化を行うため、階調の制御も４×４画素の画素ブロック単位で行う。このため、第１変調制御部２３は、以下の式（５）を用いて、映像信号ｖ（ｉ，ｊ）の光出力Ｌ_０（ｉ，ｊ）から、画素ブロック毎の光出力最大値Ｌ_Ｍを算出する。ここで、第１変調制御部２３は、隣接する画素の影響を受ける場合、式（５）の代わりに式（６）を用いて、より広い範囲で光出力最大値Ｌ_Ｍを算出してもよい。なお、‘ｍａｘ’は、最大値を抽出する関数である。

４×４画素の画素ブロック単位で制御し、図１０の粗調整期間及び微調整期間に合わせるため、式（２−１）の駆動信号Ｄ_１（ｉ，ｊ，ｎ）を以下の式（７）で表す。式（７）の右辺上段が粗調整期間に対応し、右辺下段が微調整期間に対応する。また、ｍ＝Ｍが微調整期間を表し、‘ｍｏｄ’が除数で割ったときの剰余を求める関数を表す。
以上より、第１変調制御部２３は、式（７）で表されるＤＭＤ素子１３の駆動信号Ｄ_１（ｉ，ｊ，ｎ）を生成し、ＤＭＤ素子１３に出力する。

図８（ｂ）の部分駆動パターンＰ_１／２〜Ｐ_１／１６で駆動するので、式（７）のＤ_１ｄ（ｉ_ｄ，ｊ_ｄ，Ｐ_ｄ）を以下の式（８）で表し、式（７）のＤ_１ｓ（ｉ_ｓ，ｊ_ｓ，ｍ）を以下の式（９）で表すことができる。なお、式（９）のＭ_０は、粗調整期間において、全駆動パターンＰ_ＡでＯｎになる時間ブロックの数である。また、‘integer’が整数を意味し、‘others’が上段の条件に該当しないときを意味する。

また、式（２−１）を以下の式（１０）に変形できる。この式（１０）は、ＤＭＤ素子１３の光出力Ｌ_１（ｉ，ｊ）が、粗調整期間において、全駆動パターンＰ_ＡでＯｎにした時間ブロックの数と、微調整期間において、部分駆動パターンＰ_１／２〜Ｐ_１／１６でＯｎにしたクロック数によって決まることを表している。

式（１０）が１フレーム期間での光出力の加算を表しているが、式（２−２）で必要なのは、１フレーム期間での光出力の変化量（低下量）である。さらに、ＤＭＤ素子１３の光出力Ｌ_１（ｉ，ｊ）は、光学ＬＰＦ１５で平均化されている。そこで、ＤＭＤ素子１６の光入力Ｉ_２（ｉ，ｊ，ｎ）を以下の式（１１）で表すこととする。

式（２−２）でＤＭＤ素子１６の駆動信号Ｄ_２（ｉ，ｊ，ｎ）を算出するため、映像信号ｖ（ｉ，ｊ）の光出力Ｌ_０（ｉ，ｊ）を以下の式（１２）で表す（但し、Ｎ_０＝Ｎ×Ｌ_０）。この式（１２）の右辺カッコ内には、後記する整数部分と小数部分と残差Δとが含まれている。整数部分は、全駆動パターンＰ_Ａの駆動で得られる光出力Ｎ_０である。小数部分は、部分駆動パターンＰ_１／２〜Ｐ_１／１６の駆動で得られる１／２〜１／１６精度の光出力Ｌ_１／２〜Ｌ_１／１６である。残差Δは、映像信号ｖ（ｉ，ｊ）の光出力Ｌ_０（ｉ，ｊ）と、整数部分及び小数部分の合計値との差分である。

式（１２）を用いて、ＤＭＤ素子１６の駆動信号Ｄ_２（ｉ，ｊ，ｎ）は、以下の式（１３）で表される。以上より、第２変調制御部２４は、式（１３）で表されるＤＭＤ素子１６の駆動信号Ｄ_２（ｉ，ｊ，ｎ）を生成し、ＤＭＤ素子１６に出力する。

なお、ＤＭＤ素子１３，１６は、図１１に示すように、回路構成の影響により駆動タイミングがずれる場合がある（例えば、１クロック程度）。この場合、第２変調制御部２４は、式（１３）のＮ_１／２〜Ｎ_１／１６のタイミングをずらせばよい（ｎ＝Ｎ_ｓの代わりにｎ＝Ｎ_ｓ＋１）。前記したように１クロックずらす場合、微調整期間の部分駆動パターンＰ_１／２〜Ｐ_１／１６を２クロック以上確保する必要がある。

以下、図１２を参照し、ＤＭＤ素子１３の駆動信号Ｄ_１（ｉ，ｊ，ｎ）、ＤＭＤ素子１６の駆動信号Ｄ_２（ｉ，ｊ，ｎ）、最終的なＤＭＤ素子１６の光出力Ｌ_２（ｉ，ｊ）の関係について具体的に説明する。

図１２に示すように、第１変調制御部２３は、式（７）を用いてＤＭＤ素子１３の駆動信号Ｄ_１（ｉ，ｊ，ｎ）を生成し、ＤＭＤ素子１３の光出力Ｌ_１（ｉ，ｊ）がその近傍の光出力最大値Ｌ_Ｍ（ｉ，ｊ）以上なるようにＤＭＤ素子１３のＯｎ／Ｏｆｆを制御する。つまり、２台目のＤＭＤ素子１６の制御後でも光出力最大値Ｌ_Ｍ（ｉ，ｊ）を出力できるように、ＤＭＤ素子１３の光出力Ｌ_１（ｉ，ｊ）を映像信号ｖ（ｉ，ｊ）の光出力Ｌ_０（ｉ，ｊ）以上にしておく。

そして、第２変調制御部２４は、式（１３）で表されるＤＭＤ素子１６の駆動信号Ｄ_２（ｉ，ｊ，ｎ）を生成し、ＤＭＤ素子１６の光入力Ｉ_２（ｉ，ｊ，ｎ）の１フレーム期間合計が映像信号ｖ（ｉ，ｊ）で決まる光出力Ｌ_０（ｉ，ｊ）まで低減するようにＤＭＤ素子１６のＯｎ／Ｏｆｆを制御する。これにより、ＤＭＤ素子１６の光出力Ｌ_２（ｉ，ｊ）を、従来の１６倍の階調数で映像信号ｖ（ｉ，ｊ）の光出力Ｌ_０（ｉ，ｊ）に合わせることができる。

図１２では、粗調整期間において、ＤＭＤ素子１３がＯｎの状態でも、ＤＭＤ素子１６がＯｆｆになる期間（符号α_１，α_２）や、ＤＭＤ素子１６が短い周期でＯｎ／Ｏｆｆを繰り返す期間を設けている（符号α_３）。さらに、部分駆動パターンＰ_１／２，Ｐ_１／８，Ｐ_１／１６でＯｎになるクロック数が、ＤＭＤ素子１３よりもＤＭＤ素子１６の方を少なくしている。部分駆動パターンＰ_１／４については、ＤＭＤ素子１３でＯｎになっているが、ＤＭＤ素子１６ではＯｆｆになっている（符号α_４参照）。これにより、微調整期間で段階的に光出力Ｌ_２（ｉ，ｊ）が低下することになる（符号β）このように、微調整期間で光出力Ｌ_２（ｉ，ｊ）を調整可能とし、高階調表示に対応した最終的な光出力Ｌ_２（ｉ，ｊ）を得ることができる。

さらに、微調整期間において、部分駆動パターンＰ_１／１６で駆動するクロック数を他の部分駆動パターンＰ_１／２〜Ｐ_１／８より長くしている。これにより、第２変調制御部２４は、式（１２）で残りの期間（Ｎ_ｓ＋Ｎ_１／２＋Ｎ_１／４＋Ｎ_１／８＜ｎ）において、後記する時空間のディザを行うことで、より細かな階調表現を行うことができる。

＜＜ディザ＞＞
第２変調制御部２４は、部分駆動パターンＰ_１／２〜Ｐ_１／１６のうち、駆動する画素数が最小の部分駆動パターンＰ_１／１６でＤＭＤ素子１６を駆動する時空間のディザを行う。このディザとは、ＤＭＤ素子１６の光出力Ｌ_２（ｉ，ｊ）と映像信号ｖ（ｉ，ｊ）で決まる光出力Ｌ_０（ｉ，ｊ）との差分が最小となるように、以下で述べるように部分駆動パターンＰ_１／１６でＤＭＤ素子１６を駆動することである。

ここで、式（１２）のうち、微調整期間のＮ_１／２＋Ｎ_１／４＋Ｎ_１／８で再現できる範囲が以下の式（１４）で表され、その残差が以下の式（１５）で表される。ディザは、この残差を、微調整期間の残期間Ｎ−（Ｎ_１／２＋Ｎ_１／４＋Ｎ_１／８）でなるべく正確に再現するものである。部分駆動パターンＰ_１／１６では、全駆動パターンＰ_Ａに比べ、ＤＭＤ素子１６に入射する光量が１／１６となる。この場合、例えば、２フレーム期間のうち１フレーム期間だけ部分駆動パターンＰ_１／１６でＯｎにすると時間方向のディザとなり、近傍の画素の平均光量に応じて部分駆動パターンＰ_１／１６でＯｎ／Ｏｆｆすると空間方向のディザとなる。

［制御装置の動作］
図１３を参照し、制御装置２０の動作について説明する。
図１３に示すように、ステップＳ１０において、パラメータ設定部２１は、ＤＭＤ素子１３，１６の制御に必要な各種パラメータを設定する。例えば、このパラメータとしては、画素ブロックサイズと、１フレーム期間と、粗調整期間と、微調整期間と、粗調整ブロック数とがあげられる。
ステップＳ１１において、駆動パターン設定部２２は、全駆動パターンＰ_Ａ、及び、部分駆動パターンＰ_１／２〜Ｐ_１／１６を設定する。

ステップＳ１２において、第１変調制御部２３は、映像信号ｖ（ｉ，ｊ）に基づいて、ＤＭＤ素子１３を全駆動パターンＰ_Ａ及び部分駆動パターンＰ_１／２〜Ｐ_１／１６で駆動する。具体的には、第１変調制御部２３は、前記した式（３）の信号変換式により、映像信号ｖ（ｉ，ｊ）を、光出力Ｌ_０（ｉ，ｊ）に変換する。次に、第１変調制御部２３は、前記した式（５）を用いて、映像信号ｖ（ｉ，ｊ）の光出力Ｌ_０（ｉ，ｊ）から画素ブロック毎の光出力最大値Ｌ_Ｍを算出する。そして、第１変調制御部２３は、前記した式（７）で表されるＤＭＤ素子１３の駆動信号Ｄ_１（ｉ，ｊ，ｎ）を生成し、ＤＭＤ素子１３に出力する。

ステップＳ１３において、第２変調制御部２４は、映像信号ｖ（ｉ，ｊ）に基づいて、ＤＭＤ素子１６を全駆動パターンＰ_Ａ及び部分駆動パターンＰ_１／２〜Ｐ_１／１６で駆動する。具体的には、第２変調制御部２４は、前記した式（１３）で表されるＤＭＤ素子１６の駆動信号Ｄ_２（ｉ，ｊ，ｎ）を生成し、ＤＭＤ素子１６に出力する。

［作用・効果］
以上のように、２重変調方式プロジェクタ１は、光学ＬＰＦ１５がＤＭＤ素子１６の各画素で生じる輝度差を平均化して緩和するので、第２変調制御部２４がＤＭＤ素子１６を容易に制御できる。そして、２重変調方式プロジェクタ１は、映像信号ｖ（ｉ，ｊ）をＤＭＤ素子１３，１６で２重変調するので、高ダイナミックレンジで高階調表示が容易になる。

（変形例）
以上、本発明の実施形態を詳述してきたが、本発明は前記した実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
前記した実施形態では、画素ブロックが２^４＝１６画素であることとして説明したが、これに限定されない。例えば、画素ブロックが２^５＝３２画素であってもよい。この場合、１、２、４、８、１６、３２画素という５つの部分駆動パターンを設定すればよい。

前記した実施形態では、表示素子がＤＭＤ素子であることとして説明したが、これに限定されない。例えば、表示素子として、デジタル駆動の反射型液晶があげられる（参考文献３）。このデジタル駆動の反射型液晶は、０°及び９０°という２つの偏光方向で反射型液晶を駆動し、光の反射又は遮蔽することで階調表現を行うものである。
参考文献３：［令和１年７月８日検索］、インターネット＜URL[https://www.jstage.jst.go.jp/article/itej/60/9/60_9_1356/_pdf]＞

前記した実施形態では、制御装置を独立したハードウェアとして説明したが、本発明は、これに限定されない。例えば、本発明は、コンピュータが備えるＣＰＵ、メモリ、ハードディスク等のハードウェア資源を、前記した制御装置として動作させるプログラムで実現することもできる。これらのプログラムは、通信回線を介して配布してもよく、ＣＤ−ＲＯＭやフラッシュメモリ等の記録媒体に書き込んで配布してもよい。

以下、実施例として、実施形態に係る２重変調方式プロジェクタと従来のプロジェクタとの階調再現特性及びコントラストを比較したシミュレーション結果を説明する。
映像信号は、４Ｋ解像度の１０ビットＨＬＧ（Hybrid Log Gamma）信号であり、（白ピークレベル９４０から黒レベル６４までのなだらかな波形となるシェーディングパターンを有する。ＤＭＤ素子を用いるロジェクタでは、Ｏｆｆであっても一部の光が漏れるため、完全な黒を表示できない。この光の漏れの割合をＣ_ｏｕｔとすると、座標（ｉ，ｊ）における光出力Ｌ_ｏｕｔ（ｉ，ｊ）は、従来のプロジェクタでは式（１６）で表され、２重変調方式プロジェクタでは式（１７）で表される。なお、式（１６）のＬ（ｉ，ｊ）が式（１）で定義されており、式（１７）のＬ_２（ｉ，ｊ）が式（２−２）で定義されている。

例えば、漏れの割合Ｃ_ｏｕｔ＝２０００、１フレーム期間Ｎ＝１０２４、粗調整期間Ｎ_ｓ＝１００８、粗調整期間Ｎ_ｄ＝１６、時間ブロック数Ｍ＝６４とした場合のシミュレーション結果を図１４に図示した。図１４では、点線が映像信号の光出力（Input light）であり、太線が従来のプロジェクタの光出力（1008 level,normal）であり、細線が２重変調方式プロジェクタの光出力（1008×16 levels,DM HDR）であり、細破線が２重変調方式プロジェクタでディザを行ったときの光出力（1008×16×8 levels,DM HDR）である（２×２画素の空間方向のディザと２フレーム期間での時間方向のディザ）。

図１４に示すように、従来のプロジェクタでは、光出力（輝度）が白ピークから１／１０００まで正確に表示でき、１／２０００で一定となる（太線参照）。一方、２重変調方式プロジェクタでは、光出力が１／１６０００まで正確に表示でき、１／４００００で一定となる（細線参照）。このように、２重変調方式プロジェクタは、従来のプロジェクタに比べて、高ダイナミックレンジで（白ピークが同じでより黒くできる）、再現できる階調数も多くなる。さらに、２重変調方式プロジェクタでディザを行った場合、白ピークから１／１０００００まで正確な表示が可能となる。このように、２重変調方式プロジェクタでは、高ダイナミックレンジ表示と高階調表示が実現できる。

１ ２重変調方式プロジェクタ
２ 光学ＬＰＦ
２Ａ，２Ａ_１，２Ａ_２ 複屈折素子
２Ｂ，２Ｂ_１，２Ｂ_２ １／４位相板
１０ プロジェクタ装置
１１ 光源
１２ 色分解手段
１３，１３_Ｒ，１３_Ｇ，１３_Ｂ ＤＭＤ素子（第１表示素子）
１４，１４_１，１４_２ リレーレンズ
１５ 光学ＬＰＦ（光学ローパスフィルタ）
１５Ａ，１５Ａ_１〜１５Ａ_４ 複屈折素子
１５Ｂ，１５Ｂ_１〜１５Ｂ_４ １／４位相板
１６，１６_Ｒ，１６_Ｇ，１６_Ｂ ＤＭＤ素子（第２表示素子）
１７，１７_Ｇ，１７_Ｂ 反射鏡
１８ 色合成手段
１９ 投射レンズ
２０ 制御装置
２１ パラメータ設定部
２２ 駆動パターン設定部
２３ 第１変調制御部
２４ 第２変調制御部
Ｐ_Ａ 全駆動パターン
Ｐ_１／２〜Ｐ_１／１６ 部分駆動パターン

Claims (7)

1. 光源と、平面状に配列された画素が前記光源からの光を反射又は遮蔽することで当該光を変調する第１表示素子と、前記第１表示素子からの光を投射する１対のリレーレンズと、前記１対のリレーレンズの間に配置され、前記第１表示素子からの光を画素ブロック単位で平均化する光学ローパスフィルタと、平面状に配列された画素が前記リレーレンズからの光を反射又は遮蔽することで当該光を変調する第２表示素子と、を備える２重変調方式プロジェクタの制御装置であって、
   前記画素ブロックの全画素を駆動する全駆動パターンと、前記画素ブロックで駆動する画素数が２の累乗で表される複数の部分駆動パターンとが予め設定される駆動パターン設定部と、
   映像信号が入力され、入力された前記映像信号に基づいて、前記第１表示素子を前記全駆動パターン及び前記部分駆動パターンのそれぞれで駆動する第１変調制御部と、
   前記映像信号に基づいて、前記第２表示素子を前記全駆動パターン及び前記部分駆動パターンのそれぞれで駆動する第２変調制御部と、
   を備えることを特徴とする２重変調方式プロジェクタの制御装置。
2. 前記映像信号の１フレームを表示するクロック数を示す１フレーム期間と、前記１フレーム期間のうち前記全駆動パターンで駆動するクロック数を示す粗調整期間と、前記１フレーム期間のうち前記部分駆動パターンのそれぞれで駆動するクロック数を示す微調整期間とが予め設定されるパラメータ設定部、をさらに備え、
   前記第１変調制御部は、予め設定された信号変換式により前記映像信号を当該映像信号の光出力に変換し、前記映像信号の光出力から前記画素ブロック毎の光出力最大値を算出し、前記第１表示素子の光出力が前記光出力最大値以上となるように、前記粗調整期間内で前記第１表示素子を前記全駆動パターンで駆動する共に、前記微調整期間内で前記第１表示素子を前記部分駆動パターンのそれぞれで駆動し、
   前記第２変調制御部は、前記第２表示素子の光出力が前記映像信号の光出力まで低減するように、前記粗調整期間内で前記第２表示素子を前記全駆動パターンで駆動する共に、前記微調整期間内で前記第２表示素子を前記部分駆動パターンのそれぞれで駆動することを特徴とする請求項１に記載の２重変調方式プロジェクタの制御装置。
3. 前記第２変調制御部は、前記第２表示素子の光出力と前記映像信号の光出力との差分が最小となるように、駆動する画素数が最小の部分駆動パターンで前記第２表示素子を駆動するディザを行うことを特徴とする請求項２に記載の２重変調方式プロジェクタの制御装置。
4. 光源と、
   平面状に配列された画素が前記光源からの光を反射又は遮蔽することで当該光を変調する第１表示素子と、
   前記第１表示素子からの光を投射する１対のリレーレンズと、
   前記１対のリレーレンズの間に配置され、前記第１表示素子からの光を画素ブロック単位で平均化する光学ローパスフィルタと、
   平面状に配列された画素が前記リレーレンズからの光を反射又は遮蔽することで当該光を変調する第２表示素子と、
   請求項１から請求項３の何れか一項に記載の２重変調方式プロジェクタの制御装置と、
   を備えることを特徴とする２重変調方式プロジェクタ。
5. 前記第１表示素子及び前記第２表示素子は、前記画素としての微小鏡面が平面状に配列された微小鏡面素子であることを特徴とする請求項４に記載の２重変調方式プロジェクタ。
6. 前記光学ローパスフィルタは、複屈折素子と１／４位相板との組を積層させたことを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の２重変調方式プロジェクタ。
7. コンピュータを、請求項１から請求項３の何れか一項に記載の制御装置として機能させるためのプログラム。

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