WO2014112032A1 - 画像表示装置および画像表示方法 - Google Patents

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伸秀 藤岡
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Ｎｅｃディスプレイソリューションズ株式会社
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    • G09G3/3406—Control of illumination source
    • G09G3/3413—Details of control of colour illumination sources

Definitions

  • the present invention relates to an image display device and an image display method that improve contrast while reducing power consumption by controlling light sources according to images.
  • the luminance signal input to the display element such as a liquid crystal is increased in accordance with the decrease of the output of the light source.
  • the range of luminance that can be modulated is added to the range that is modulated by the luminance signal due to fluctuations in the light source output, and there is an advantage that the luminance range that can be modulated can be effectively increased. This is because a change in luminance due to a change in the output of the light source is superimposed on the luminance range indicated by the luminance signal.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 2007-292823
  • Patent Document 2 Japanese Patent No. 46616955
  • Patent Document 1 discloses a projection apparatus that suppresses power consumption by selecting a gradation conversion mode according to the maximum luminance in the screen and reducing the light amount of the light source.
  • Patent Document 2 discloses an operation such as controlling the light amount of a light source by a histogram calculation of luminance for each line in a projection display device by line scanning using a galvano mirror. By this operation, in a dark area, the light becomes darker by lowering the light amount of the light source, so that the contrast can be improved.
  • JP 2007-292823 A Japanese Patent No. 4616955
  • the light amount adjustment operation disclosed in each of the above-mentioned documents is based on the premise that the light source output is not changed during one frame or sub-frame or during the scanning period for one scanning line. For this reason, the advantages of changing the light source output within one frame or subframe are not taken into consideration at all.
  • An object of the present invention is to display faithfully even an image having a finer luminance difference by appropriately changing the light source output even within one frame or sub-frame.
  • the image display device of the present invention includes a light source, A display element that forms projected image light by incident light from the light source; A controller that controls the light source and the display element according to an image signal, The controller is The output of the light source is changed within one frame which is a minimum display time for displaying one image indicated by the image signal.
  • the image display method of the present invention includes a light source, A display element that forms projected image light by incident light from the light source; An image display method performed by an image display device including the light source and a control unit that controls the display element according to an image signal, The control unit is The output of the light source is changed within one frame which is a minimum display time for displaying one image indicated by the image signal.
  • the bit depth can be effectively increased.
  • FIG. 5B is a graph in which the panel output is plotted linearly
  • FIG. 5B is a conceptual diagram showing the light source output in the time domain.
  • FIG. 5B is a graph in which the panel output is plotted linearly
  • FIG. 5B is a conceptual diagram showing the light source output in the time domain.
  • FIG. 5B is a conceptual diagram showing the light source output in the time domain. It is a figure for demonstrating the output state of the light source in the 1st Embodiment of this invention, (a) is the display output with respect to the input value which shows the brightness
  • FIG. 5B is a graph in which the panel output is plotted linearly
  • FIG. 5B is a conceptual diagram showing the light source output in the time domain. It is a figure for demonstrating the output state of the light source in the 1st Embodiment of this invention, (a) is the display output with respect to the input value which shows the brightness
  • FIG. 5B is a graph in which the panel output is plotted linearly
  • FIG. 5B is a conceptual diagram showing the light source output in the time domain. It is a figure which shows the gradation reproducibility by this invention. It is a figure which shows the gradation reproducibility by this invention. It is a figure which shows the gradation reproducibility by this invention.
  • FIG. 5B is a graph in which the panel output is plotted linearly
  • FIG. 5B is a conceptual diagram showing the light source output in the time domain.
  • FIG. 5B is a graph in which the panel output is plotted linearly
  • FIG. 5B is a conceptual diagram showing the light source output in the time domain.
  • FIG. 5B is a conceptual diagram showing the light source output in the time domain. It is a figure for demonstrating the output state of the light source in the 2nd Embodiment of this invention, (a) is the display output with respect to the input value which shows the brightness
  • FIG. 5B is a graph in which the panel output is plotted linearly
  • FIG. 5B is a conceptual diagram showing the light source output in the time domain. It is a figure for demonstrating the output state of the light source in the 2nd Embodiment of this invention, (a) is the display output with respect to the input value which shows the brightness
  • FIG. 5B is a graph in which the panel output is plotted linearly
  • FIG. 5B is a conceptual diagram showing the light source output in the time domain.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of an optical system of a first embodiment of an image display device according to the present invention.
  • the present embodiment includes light sources 101R, 101G, and 101B, a dichroic mirror 102, a control unit 103, a reflecting mirror 105, a prism 106, a DLP (Digital Light Processing: registered trademark) element 107, and a projection lens 108.
  • the light sources 101R, 101G, and 101B are LEDs (Light Emitting Diodes) that generate red, green, and blue light, respectively.
  • the light emitted from each light source enters the dichroic mirror 102, is emitted in the same direction, is folded by the reflection mirror 105, and enters the prism 106.
  • the incident light to the prism 106 is reflected by the DLP element 107, modulated, and then emitted as projection image light through the projection lens 108.
  • the control unit 103 receives the image signal 104, and controls the light emission states of the light sources 101R, 101G, and 101B and the display state of the DLP element 107 according to the contents.
  • the light sources 101R, 101G, and 101B emit light in order, light of different colors is sequentially incident on the DLP element 107, and projection image light of each color is emitted in a time division manner.
  • FIG. 2 schematically shows time-series operations of the light sources 101R, 101G, and 101B and the DLP element 107 when different colors of light are sequentially incident on the DLP element 107.
  • FIG. 2 shows a case where 8 bits are allocated to the subframe 47 for turning on the green light source while sequentially turning on the red (RED), green (GREEN), and blue (BLUE) light sources in one frame 43. Show.
  • Figure 2 shows a simple binary bit sequence for 8-bit color, assigning different time widths up to bit 7, such that bit 0 is twice bit 1 and bit 1 is twice bit 2. ing. Since 8 bits are assigned by turning on / off these bits, a panel output corresponding to a natural number from 0 to 255 in decimal number can be displayed.
  • the order may be changed or a specific bit may be further divided. Further, it may be considered that other colors are added as sub-frames for each color.
  • the images of the respective colors are displayed in a time-sharing manner.
  • the image recognized by human beings is an image obtained by integrating the light amounts of the respective colors for a time of about one frame.
  • the present invention can be applied to a color image using sub-frames of each color or an image display device that displays a single-color image without using a sub-frame. In the following description, a frame and a sub-frame are equivalently described. Handle and explain.
  • control unit 103 The control of the output state of the light source by the control unit 103 will be described with reference to FIGS.
  • (a) is a graph in which the display output with respect to the input value indicating the luminance of the image signal during one frame or subframe period and the panel output are linearly plotted, and (b) is the graph.
  • the conceptual diagram which represented the light source output in the time domain is shown.
  • the display output represents the brightness of the corresponding pixel projected based on the input value.
  • the display output is a value that depends on both the light source output based on the input value and the panel output.
  • the input value and the display output are analog values from 0 to 1, respectively, and indicate relative values with the maximum value being 1.
  • the conceptual diagram of the light source output in (b) shows the optical waveform in one frame or subframe in correspondence with the simplified bit sequence of the DLP chip and the time axis. Moreover, (a) considers the case where all display the image whose input value is the range of 0 to 0.5.
  • the input value is 0 to 0.5
  • the panel output for obtaining the corresponding display output 0 to 0.5 is 0 to 127 by 7 bits from bit 0 to bit 6, 128 tones will be used.
  • FIG. 3B shows an example in which a double gain is applied electrically to the panel output.
  • the panel output in this case is 0 to 255 by 8 bits from bit 0 to bit 7, and 256 gradations are used.
  • a correct display output cannot be obtained simply by electrically amplifying the panel output. That is, in this case, the display output is 0 to 1 as shown in FIG. 3B.
  • FIG. 3C shows a case where a double gain is applied electrically to the panel output as in FIG. 3B, and the output of the light source is halved.
  • the panel output is 0 to 255, and the display output can be correctly displayed as 0 to 0.5 while using 256 gradations.
  • the number of gradations used in FIG. 3A is 128, while the number of gradations used in FIG. 3C is 256. It has doubled. In other words, compared to FIG. 3A, the gradation reproducibility is doubled in FIG. 3C.
  • FIG. 4 considers a case where an image having an input value in the range of 0.375 to 0.5 is displayed.
  • 4A and 4B are graphs in which the display output and the panel output with respect to the input of the image signal are linearly plotted, and
  • FIG. 4B is a conceptual diagram showing the light source output in the time domain. Show.
  • FIG. 4A shows the case of the reference operation in which the output of the light source is maximum and constant in one frame or subframe.
  • the panel output is 96 to 127 in order to obtain the corresponding display output 0.375 to 0.5, and 32 gradations are used. Become.
  • FIG. 4B shows a case where a double gain is applied electrically to the panel output and the output of the light source is halved, as in FIG. 3C.
  • the panel output is 192 to 255, and the display output can be displayed at 0.375 to 0.5 while using 64 gradations.
  • the number of gradations used in FIG. 4A is 32 while the number of gradations used in FIG. 4B is 64. It has doubled. In other words, compared to FIG. 4A, the gradation reproducibility is doubled in FIG. 4B.
  • FIG. 5 shows a diagram similar to FIG. 4 when displaying an image with an input value in the range of 0.375 to 0.5.
  • FIG. 5 is a graph obtained by linearly plotting the display output and the panel output with respect to the input of the image signal, and (b) is a graph showing the light source output in the time domain. A conceptual diagram is shown.
  • the period from bit 0 to bit 6 is different from the period of bit 7.
  • the light source output is set so that the amount of light corresponding to the minimum display output can be obtained.
  • an appropriate light source output is set for this period so that the remaining bits 0 to 6 can be used for gradation expression.
  • the panel output is 128 to 255, and 128 gradations are used.
  • electrical processing is performed on the panel output so that the panel output corresponding to the input value of 0.375 to 0.5 is 128 to 255.
  • FIG. 4A and FIG. 5 are compared by paying attention to the number of gradations used, the number of gradations used in FIG. 4A as a reference is 32, whereas the number of gradations used in FIG. 5 is 128. It has quadrupled. That is, compared with FIG. 4A, the gradation reproducibility is increased four times in FIG.
  • the effective bit depth can be obtained. May increase.
  • the operation corresponding to FIG. 5 is hereinafter referred to as “dimming 2”.
  • dimming 1 and dimming 2 can be applied to any combination of maximum and minimum input values. Therefore, next, gradation reproducibility obtained by dimming 1 and dimming 2 with respect to the combination of maximum and minimum input values is shown in FIGS. 6A to 6F.
  • 6A to 6F show the calculation results that are valid only for half of the graph because of the relationship between the maximum and minimum values.
  • FIG. 6A shows a ratio between the number of gradations used in the light control 1 and the number of gradations used in the reference operation. This ratio is referred to as a gradation reproducibility improvement ratio for convenience.
  • the gradation reproducibility improvement ratio by the light control 1 depends only on the maximum value of the input value. That is, as the maximum input value decreases, the gradation reproducibility improvement ratio increases inversely proportionally.
  • FIG. 6B shows the gradation reproducibility improvement ratio in the light control 2.
  • the gradation reproducibility improvement ratio by dimming 2 depends on the difference between the maximum and minimum input values. That is, as the difference between the maximum and minimum input values decreases, the gradation reproducibility improvement ratio increases inversely proportionally.
  • FIG. 6C shows a graph in which a large value is plotted among the gradation reproducibility improvement ratios shown in FIGS. 6A and 6B. As described above, the operation as shown in FIG. 6C can be obtained by properly using the light control 1 and the light control 2 according to the combination of the maximum and minimum input values.
  • 6D, 6E, and 6F show the number of bits that can be effectively increased by dimming 1 and dimming 2 with respect to the actual number of bits used in the reference operation. This corresponds to the gradation reproducibility improvement ratio shown in FIGS. 6A, 6B, and 6C expressed in logarithm with a base of 2.
  • dimming 1 and dimming 2 improve the gradation reproducibility with respect to the reference operation.
  • Solid light sources such as LEDs and lasers often have a higher peak output during pulse lighting than during continuous lighting. If this property is used, the bit depth may be increased while the time of one frame or subframe is kept constant.
  • FIG. 7A and 7B are graphs in which the display output and the panel output with respect to the input of the image signal are linearly plotted, and FIG. 7B shows the light source output in the time domain. A conceptual diagram is shown.
  • FIG. 7A is the same as FIG. 3A and FIG. 4A.
  • FIG. 7A shows a reference operation in which the light source output is constant at 1.
  • FIG. 7B the light source output is changed in the first half and the second half by dividing the bit 7 in FIG.
  • bit 8 is assigned to the latter half of the driving of the DLP element in one frame.
  • the light source output is changed by a factor of two in order to correctly represent the gradation. That is, as shown in FIG. 7B, the light source outputs during the period of bit 6, bit 7, and bit 8 are 0.5, 1, and 2, respectively. With this output value, the total light amount of the light source in one frame (or sub-frame) in FIGS. 7A and 7B becomes equal. For the latter, by adding bit 8, the bit depth can be increased by 1 bit.
  • FIG. 7C shows a case where the period of bit 7 and bit 8 in FIG. 7B is changed to be 1: 2.
  • the light source output in the period of bit 7 and bit 8 is 1.5, which can be lower than the above output.
  • the bit period can be selected according to the performance and characteristics of the light source.
  • the maximum display luminance is the same and the power consumption of the light source does not change.
  • bit period can be made variable according to the luminance range of the input image, the degree of freedom of operation can be increased, such as further increasing the bit depth.
  • FIG. 8A and 8B are graphs in which the display output and the panel output with respect to the input of the image signal are linearly plotted, and FIG. 8B is the light source output. Is a conceptual diagram representing this in the time domain.
  • FIG. 8A corresponds to FIG. 7C and shows an operation under a reference condition in which both the electrical gain with respect to the panel output and the light source output of each bit in the frame are not changed according to the image. It can be seen from the graph of FIG. 8A that the panel output is 192 to 255 (64 gradations).
  • bit 8 is turned off for all pixels, but bit 7 and bit 6 are turned on for all pixels.
  • the remaining bits 0 to 5 represent the gradation of the image.
  • FIG. 8B shows a case where a double gain is applied electrically and the light source output at each bit in the frame is halved. At this time, it can be seen from the graph that the panel output is 384 to 511 (128 gradations). When this corresponds to the bit sequence, all the pixels are turned on for bit 8 and bit 7, and the gradation of the image is expressed by the remaining bits 0 to 6.
  • FIG. 8C shows a case where the light source output is set so that the light amount corresponding to the minimum display output can be obtained in the period of bit 8 in order to further increase the bit depth as in FIG.
  • the panel output is 256 to 511 (256 gradations), and it can be seen that the bit depth can be further increased by 1 bit.
  • 8B and 8C correspond to the operations of “light control 1” and “light control 2” described in the first embodiment. Therefore, any of these can be applied to any combination of maximum and minimum input values. In addition, as in FIG. 6C, these operations may be properly used according to the combination of the maximum and minimum input values.
  • the light source output is set so that the minimum display value can be obtained in bit 8, but this is not limited to bit 8.
  • bit 8 and bit 7 can be used together, or only bit 7 may be used.
  • the light source and the DLP element are operated as shown in FIGS. 5 and 8C.
  • all the pixels are turned on for the specific bit, and the light amount assigned to the specific bit is the light amount corresponding to the minimum display output.
  • the light amount allocated to the specific bit is different from the light amount corresponding to the minimum display output. A case where the amount of light is used will be described.
  • FIG. 9 corresponding to FIG. 8C is shown.
  • 9A and 9B are graphs in which the display output and the panel output with respect to the input of the image signal are linearly plotted, as in FIGS. 3 to 5, FIG. 7, and FIG. Shows a conceptual diagram showing the light source output in the time domain.
  • the panel output value is shown in a graph including the case where bit 8 is turned off. As can be seen from this graph, the display output is switched from 0.125 to 0.375 at the panel outputs 255 and 256 which are the boundaries for turning bit 8 on or off. On the other hand, under these operating conditions, the panel outputs 0 to 255 correspond to the display outputs 0 to 0.125, and these display output ranges can also be displayed.
  • the driving conditions of the light source and the DLP element according to the present invention may be applicable depending on the luminance histogram of the display image.
  • it can be determined whether the driving condition is applicable according to the luminance histogram of the display image, and the driving condition can be changed based on the result. That is, according to the luminance histogram of the display image, the amount of light allocated to a specific bit is not necessarily the amount of light corresponding to the minimum display output, but can be different from the amount of light corresponding to the minimum display output.
  • the gradation reproducibility can be improved.
  • the gradation reproducibility is improved by setting the light amount allocated to a specific bit in driving the DLP element to a light amount different from the light amount corresponding to the minimum display output according to the luminance histogram of the display image. Can do.
  • an LED is used as a light source
  • a laser may be used, or a combination of an LED, a laser, and a phosphor may be used.

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Abstract

　１フレームまたはサブフレーム内においても、光源出力を適切に変動させることにより、よりきめ細かい輝度の差を有する画像であっても忠実に表示させるものであり、光源と、前記光源からの入射光により投写画像光を形成する表示素子と、画像信号に応じて前記光源と前記表示素子を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記画像信号に示される１枚の画像を表示する最小表示時間である１フレーム内において、前記光源の出力を変化させる。

Description

画像表示装置および画像表示方法
　本発明は、画像に応じた光源制御によって、消費電力を低減しながらコントラストを向上する画像表示装置および画像表示方法に関する。
　近年、表示する画像の輝度に応じて光源の出力を下げることにより、ディスプレイの消費電力を下げる技術が開発されている。この技術は、調光等と称されている。例えば、全体的に暗い画像を表示する場合には、それに応じて光源出力を下げるというものである。
　ここで、光源の出力を下げても表示される画像の輝度を変えないためには、光源の出力の低下に合わせて、液晶等の表示素子に入力する輝度信号を上げることが行われる。その結果、変調できる輝度の範囲は、輝度信号により変調される範囲に光源出力の変動による範囲が加算されることとなり、変調できる輝度の範囲を実効的に増加できるというメリットが生じる。輝度信号に示される輝度範囲に対して、光源の出力変化による輝度の変化が重畳されることになるからである。
　上記のような調光の動作を実現する方法が特許文献１（特開２００７－２９２８２３号公報）および特許文献２（特許４６１６９５５号公報）に開示されている。
　特許文献１には、画面内の最大輝度に応じて階調変換モードを選択し、光源の光量を低下させることによって消費電力を抑える投影装置が開示されている。
　また、特許文献２には、ガルバノミラーを用いたラインスキャンによる投射型表示装置において、ラインごとの輝度のヒストグラム演算により、光源の光量を制御する等の動作が示されている。この動作により、暗い領域においては光源の光量を下げることによってより暗くなることから、コントラストを向上させることができる。
特開２００７－２９２８２３号公報 特許４６１６９５５号公報
　上述した各文献に開示される光源の光量の調整動作は、１フレームまたはサブフレームにおいて、あるいは１本の走査ラインについての走査期間中においては、光源出力を変動させないことを前提としている。このため、１フレームまたはサブフレーム内において、光源出力を変動させることによる利点等は、全く考慮されていない。
　本発明は、１フレームまたはサブフレーム内においても、光源出力を適切に変動させることにより、よりきめ細かい輝度の差を有する画像であっても忠実に表示させることを目的とする。
　本発明の画像表示装置は、光源と、
　前記光源からの入射光により投写画像光を形成する表示素子と、
　画像信号に応じて前記光源と前記表示素子を制御する制御部と、を備え、
　前記制御部は、
　前記画像信号に示される１枚の画像を表示する最小表示時間である１フレーム内において、前記光源の出力を変化させることを特徴とする。
　本発明の画像表示方法は、光源と、
　前記光源からの入射光により投写画像光を形成する表示素子と、

　画像信号に応じて前記光源と前記表示素子を制御する制御部と、を備えた画像表示装置で行われる画像表示方法であって、
　前記制御部が、
　前記画像信号に示される１枚の画像を表示する最小表示時間である１フレーム内において、前記光源の出力を変化させることを特徴とする。
　表示させる輝度範囲に対してパネル出力の階調数をより多く割り当てられるため、ビット深度を実効的に増加させることができる。
本発明による画像表示装置の第１の実施形態の光学系の概略構成を示すブロック図である。 ＤＬＰ素子に異なる色の光を順次入射させる場合の、各光源およびＤＬＰ素子の時系列の動作を模式的に示している。 本発明の第１の実施形態における光源の出力状態を説明するための図であり、（ａ）は、１フレーム（もしくはサブフレーム）期間中の画像信号の輝度を示す入力値に対する表示出力、および、パネル出力を線形にプロットしたグラフであり、（ｂ）は光源出力を時間領域で表した概念図を示している。 本発明の第１の実施形態における光源の出力状態を説明するための図であり、（ａ）は、１フレーム（もしくはサブフレーム）期間中の画像信号の輝度を示す入力値に対する表示出力、および、パネル出力を線形にプロットしたグラフであり、（ｂ）は光源出力を時間領域で表した概念図を示している。 本発明の第１の実施形態における光源の出力状態を説明するための図であり、（ａ）は、１フレーム（もしくはサブフレーム）期間中の画像信号の輝度を示す入力値に対する表示出力、および、パネル出力を線形にプロットしたグラフであり、（ｂ）は光源出力を時間領域で表した概念図を示している。 本発明の第１の実施形態における光源の出力状態を説明するための図であり、（ａ）は、１フレーム（もしくはサブフレーム）期間中の画像信号の輝度を示す入力値に対する表示出力、および、パネル出力を線形にプロットしたグラフであり、（ｂ）は光源出力を時間領域で表した概念図を示している。 本発明の第１の実施形態における光源の出力状態を説明するための図であり、（ａ）は、１フレーム（もしくはサブフレーム）期間中の画像信号の輝度を示す入力値に対する表示出力、および、パネル出力を線形にプロットしたグラフであり、（ｂ）は光源出力を時間領域で表した概念図を示している。 本発明の第１の実施形態における光源の出力状態を説明するための図であり、（ａ）は、１フレーム（もしくはサブフレーム）期間中の画像信号の輝度を示す入力値に対する表示出力、および、パネル出力を線形にプロットしたグラフであり、（ｂ）は光源出力を時間領域で表した概念図を示している。 本発明による階調再現性を示す図である。 本発明による階調再現性を示す図である。 本発明による階調再現性を示す図である。 本発明による階調再現性を示す図である。 本発明による階調再現性を示す図である。 本発明による階調再現性を示す図である。 本発明の第２の実施形態における光源の出力状態を説明するための図であり、（ａ）は、１フレーム（もしくはサブフレーム）期間中の画像信号の輝度を示す入力値に対する表示出力、および、パネル出力を線形にプロットしたグラフであり、（ｂ）は光源出力を時間領域で表した概念図を示している。 本発明の第２の実施形態における光源の出力状態を説明するための図であり、（ａ）は、１フレーム（もしくはサブフレーム）期間中の画像信号の輝度を示す入力値に対する表示出力、および、パネル出力を線形にプロットしたグラフであり、（ｂ）は光源出力を時間領域で表した概念図を示している。 本発明の第２の実施形態における光源の出力状態を説明するための図であり、（ａ）は、１フレーム（もしくはサブフレーム）期間中の画像信号の輝度を示す入力値に対する表示出力、および、パネル出力を線形にプロットしたグラフであり、（ｂ）は光源出力を時間領域で表した概念図を示している。 本発明の第２の実施形態における光源の出力状態を説明するための図であり、（ａ）は、１フレーム（もしくはサブフレーム）期間中の画像信号の輝度を示す入力値に対する表示出力、および、パネル出力を線形にプロットしたグラフであり、（ｂ）は光源出力を時間領域で表した概念図を示している。 本発明の第２の実施形態における光源の出力状態を説明するための図であり、（ａ）は、１フレーム（もしくはサブフレーム）期間中の画像信号の輝度を示す入力値に対する表示出力、および、パネル出力を線形にプロットしたグラフであり、（ｂ）は光源出力を時間領域で表した概念図を示している。 本発明の第２の実施形態における光源の出力状態を説明するための図であり、（ａ）は、１フレーム（もしくはサブフレーム）期間中の画像信号の輝度を示す入力値に対する表示出力、および、パネル出力を線形にプロットしたグラフであり、（ｂ）は光源出力を時間領域で表した概念図を示している。 本発明の第３の実施形態における光源の出力状態を説明するための図であり、（ａ）は、１フレーム（もしくはサブフレーム）期間中の画像信号の輝度を示す入力値に対する表示出力、および、パネル出力を線形にプロットしたグラフであり、（ｂ）は光源出力を時間領域で表した概念図を示している。
　以下、本発明の各実施形態について図面を参照して説明する。まず、本発明の第１の実施形態について述べる。
　図１は、本発明による画像表示装置の第１の実施形態の光学系の概略構成を示すブロック図である。
　本実施形態は、光源１０１Ｒ，１０１Ｇ，１０１Ｂ、ダイクロイックミラー１０２、制御部１０３、反射ミラー１０５、プリズム１０６、ＤＬＰ（Digital Light Processing:登録商標）素子１０７、投写レンズ１０８から構成されている。
　光源１０１Ｒ，１０１Ｇ，１０１Ｂは、赤色、緑色、青色の光をそれぞれ発生するＬＥＤ（Light Emitting Diode）である。各光源の出射光は、ダイクロイックミラー１０２に入射して、同じ方向に向けて出射され、反射ミラー１０５により折り返されてプリズム１０６に入射する。
　プリズム１０６への入射光は、ＤＬＰ素子１０７に折り返されて変調された後に投写レンズ１０８を通って投写映像光として出射される。
　制御部１０３は、画像信号１０４を入力し、その内容に応じて光源１０１Ｒ，１０１Ｇ，１０１Ｂの発光状態、および、ＤＬＰ素子１０７の表示状態を制御する。光源１０１Ｒ，１０１Ｇ，１０１Ｂは、順番に発光して、異なる色の光が順次ＤＬＰ素子１０７に入射され、各色の投写画像光が時分割で出射される。
　図２は、ＤＬＰ素子１０７に異なる色の光を順次入射させる場合の、光源１０１Ｒ，１０１Ｇ，１０１ＢおよびＤＬＰ素子１０７の時系列の動作を模式的に示している。
　１フレーム４３内で、赤（ＲＥＤ）、緑（ＧＲＥＥＮ）、青（ＢＬＵＥ）の光源を順次点灯させる中、緑の光源を点灯させるサブフレーム４７に対し、８ビットを割り当てた場合を図２に示している。
　赤に対するサブフレーム４５、緑に対するサブフレーム４７、青に対するサブフレーム４９の各ビット期間において、ＤＬＰ素子の各画素のミラーは、オンまたはオフとする。図２は８ビットカラーについて、単純なバイナリのビットシーケンスを示しており、ビット０の２倍がビット１、ビット１の２倍がビット２、というように、ビット７までそれぞれ異なる時間幅を割り当てている。これらの各ビットのオン・オフにより、８ビットが割り当てられていることから、１０進数で０から２５５までの自然数に対応するパネル出力を表示できる。
　なお、各ビットについては、順番を入れ替えたり、特定のビットをさらに分割したりすることもある。また、各色のサブフレームとしては、さらに他の色を加える場合も考えられる。このように各色の画像を時分割で表示するが、人間の認識する画像は、１フレーム程度の時間の間、各色の光量を積算した画像となる。本発明は、各色のサブフレームを用いるカラー画像や、サブフレームを用いることのない単色の画像を表示する画像表示装置に適用可能であり、以下の説明では、フレームとサブフレームとを等価的に扱って説明する。
　図３ないし図５を用いて、制御部１０３による光源の出力状態の制御について説明する。
　図３Ａ－図３Ｃのうち、（ａ）は、１フレームまたはサブフレーム期間中の画像信号の輝度を示す入力値に対する表示出力、および、パネル出力を線形にプロットしたグラフであり、（ｂ）は光源出力を時間領域で表した概念図を示している。表示出力は、入力値に基づき投写された対応画素の輝度を表している。また、表示出力は、入力値に基づく光源出力とパネル出力の双方に依存した値である。入力値と表示出力は、それぞれ０から１のアナログ値とし、それぞれの最大値を１とした相対値を示す。
　表示出力とパネル出力は互いに線形な関係となるため、（ａ）のグラフでは縦軸を並べて表示している。
　また、（ｂ）の光源出力の概念図は、１フレームまたはサブフレームにおける光波形を、ＤＬＰチップの単純化したビットシーケンスと時間軸を対応させて示している。また、（ａ）はいずれも、入力値が０から０．５の範囲となる画像を表示する場合を考えている。
　図３Ａに示す例では、１フレームまたはサブフレームにおいて、光源の出力を最大かつ一定とする、基準動作の場合を示している。
　図３Ａに示す例では、入力値が０～０．５であり、それに対応した表示出力０～０．５を得るためのパネル出力はビット０からビット６の７ビットによる０～１２７であり、１２８階調が使用されることになる。
　図３Ｂは、パネル出力に対して、電気的に２倍のゲインを適用した例を示している。この場合のパネル出力は、ビット０からビット７の８ビットによる０～２５５となり、２５６階調を使用することになる。しかし、パネル出力を電気的に増幅しただけでは、正しい表示出力は得られない。すなわち、この場合には図３Ｂに示しているように、表示出力は０～１となる。
　図３Ｃは、図３Ｂと同様にパネル出力に対して、電気的に２倍のゲインを適用し、さらに、光源の出力を１／２倍にした場合を示している。この場合には、パネル出力は０～２５５となり、２５６階調を使用しながらも、表示出力は０～０．５と正しく表示できることになる。
　図３Ａと図３Ｃとを使用する階調数に注目して比較すると、基準となる図３Ａで使用する階調数は１２８であるのに対して、図３Ｃで使用する階調数は２５６と２倍となっている。つまり、図３Ａと比較して、図３Ｃでは階調再現性が２倍に増加していることになる。
　これは、図３Ａと図３Ｃに示しているビットシーケンスにおいて、図３Ａでは全画素にわたってオフにされていたビット７を、図３Ｃにおいては使用していることにより得られた効果であると理解することができる。つまり、図３Ａにおいては、実際には７ビット分しか使用されていなかったのに対して、図３Ｃでは８ビット分を使用しており、実効的にビット深度を１ビット増加したことになる。このように、階調再現性の増加は、実効的なビット深度の増加としても理解することができる。
　図４では、入力値が０．３７５～０．５の範囲となる画像を表示する場合について考えている。図４は図３と同様に、（ａ）は、画像信号の入力に対する表示出力、および、パネル出力を線形にプロットしたグラフであり、（ｂ）は光源出力を時間領域で表した概念図を示している。
　図４Ａは、１フレームまたはサブフレームにおいて、光源の出力を最大かつ一定とする、基準動作の場合を示している。この場合、入力値が０．３７５～０．５であるため、それに対応した表示出力０．３７５～０．５を得るために、パネル出力は９６～１２７となり、３２階調を使用することになる。
　図４Ｂは、図３Ｃと同様に、パネル出力に対して、電気的に２倍のゲインを適用し、さらに、光源の出力を１／２倍にした場合を示している。この場合には、パネル出力は１９２～２５５となり、６４階調を使用しながらも、表示出力は０．３７５～０．５で表示できることになる。
　図４Ａと図４Ｂとを使用する階調数に注目して比較すると、基準となる図４Ａで使用する階調数は３２であるのに対して、図４Ｂで使用する階調数は６４と２倍となっている。つまり、図４Ａと比較して、図４Ｂでは階調再現性が２倍に増加していることになる。
　これは、図４Ａと図４Ｂに示しているビットシーケンスにおいて、図４Ａでは全画素にわたってオフにされていたビット７を、図４Ｂにおいては使用していることにより得られた効果であると理解することができる。つまり、図４Ａにおいては、実際には５ビット分しか使用されていなかったのに対して、図４Ｂでは６ビット分を使用しており、実効的にビット深度を１ビット増加したことになる。
　図３と図４においては、光源出力をフレーム内において一定とすることを前提としている。このうち、図３Ｃと図４Ｂに示した、光源の出力が入力値の上限となるように係数（１／２）を乗じ、該係数の逆数（２）をパネル出力に対して乗じる動作を以下では「調光１」と称する。
　本発明においては、光源出力をフレーム内においても変動させる動作を考える。この具体例を示すために、入力値が０．３７５～０．５の範囲となる画像を表示する場合について、図４と同様の図を図５に示した。
　図５においても、図３および図４と同様に、（ａ）は、画像信号の入力に対する表示出力、および、パネル出力を線形にプロットしたグラフであり、（ｂ）は光源出力を時間領域で表した概念図を示している。
　図５の光源出力の波形を見るとわかるように、ビット０からビット６までの期間と、ビット７の期間とでは異なる出力とする。ここで、ビット７の期間においては、最小表示出力に相当する光量が得られるように光源出力を設定する。そして、階調表現に残りのビット０からビット６を用いることができるように、この期間についての適切な光源出力を設定する。この結果、パネル出力は１２８～２５５となり、１２８階調を使用することになる。さらに、パネル出力に対しては、入力値０．３７５～０．５に相当するパネル出力が１２８～２５５となるように、電気的な処理を行う。
　図４Ａと図５とを使用する階調数に注目して比較すると、基準となる図４Ａで使用する階調数は３２であるのに対して、図５で使用する階調数は１２８と４倍になっている。つまり、図４Ａと比較して、図５では階調再現性が４倍に増加していることになる。
　同様に、図４Ｂと図５とを使用する階調数に注目して比較すると、「調光１」に対応する図４Ｂで使用する階調数は６４であるのに対して、図５で使用する階調数は１２８と２倍になっている。つまり、図４Ｂと比較して、図５では階調再現性が２倍に増加していることになる。
　これは、図４Ｂと図５に示しているビットシーケンスにおいて、図４Ｂでは全画素にわたってオンにされていたビット６，７を、図５においてはビット７のみとしたことにより得られた効果であると理解することができる。つまり、図４Ｂにおいては、実際には６ビット分しか使用されていなかったのに対して、図５では７ビット分を使用しており、実効的にビット深度をさらに１ビット増加したことになる。
　このように、最小入力値が零でない画像を表示する場合には、最上位ビットであるビット７の期間に最小表示値が得られるように光源出力を設定することで、ビット深度の実効的な増加を図れる場合がある。図５に対応する動作を以下では「調光２」と称する。
　調光１と調光２の動作は、入力値の最大・最小値のあらゆる組み合わせに対して適用できる。そこで、次に、入力値の最大・最小値の組み合わせに対して、調光１および調光２により得られる階調再現性について図６Ａ－図６Ｆに示す。
　図６Ａ－図６Ｆにおいては、最大・最小値の大小関係から、グラフの半分についてのみ有効な計算結果を示している。
　図６Ａは、調光１において使用する階調数と基準動作において使用する階調数との比を示している。この比を便宜的に階調再現性改善比と呼ぶ。図６Ａを見てわかるように、調光１による階調再現性改善比は、入力値の最大値にのみ依存していることがわかる。つまり、最大入力値が小さくなるほど、それに反比例して階調再現性改善比が増大する。
　図６Ｂは、調光２における階調再現性改善比を示している。図６Ｂを見てわかるように、調光２による階調再現性改善比は、入力値の最大・最小値の差に依存していることがわかる。つまり、最大・最小入力値の差が小さくなるほど、それに反比例して階調再現性改善比は増大する。
　ここで、図６Ａと図６Ｂを比較すると、最大・最小入力値の組み合わせにより、調光１と調光２による階調再現性改善比の大小関係が異なっていることがわかる。そこで、調光１と調光２は、最大・最小入力値の組み合わせに応じて使い分けることが望ましい。図６Ｃは、図６Ａと図６Ｂに示した階調再現性改善比のうち、大きい値をプロットしたグラフを示している。このように、最大・最小入力値の組み合わせに応じて、調光１と調光２を使い分けることにより、図６Ｃに示したような動作を得ることができる。
　なお、図６Ｄ、図６Ｅ、図６Ｆは、基準動作において使用される実際のビット数に対して、調光１および調光２によって、実効的に増加することのできるビット数を示している。これは、図６Ａ、図６Ｂ，図６Ｃに示した階調再現性改善比を、底数を２とする対数で表したものに相当する。
　いずれにせよ、図６を見れば、調光１、調光２によって、基準動作に対して階調再現性が改善されることがわかる。
　次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
　これまでの説明は、ＤＬＰ素子の駆動において、各ビットに対して等比級数的に時間幅を割り当てることを前提としていた。以下では、ＤＬＰ素子の駆動において、各ビットに対して等比級数的でない時間幅を割り当てる場合について説明する。
　ＬＥＤやレーザー等の固体光源は、パルス点灯時には連続点灯時と比較して高いピーク出力の得られることが多い。この性質を利用すれば、１フレームまたはサブフレームの時間は一定としたまま、ビット深度を増大できる場合がある。
　図７は、図３ないし図５と同様に、（ａ）は、画像信号の入力に対する表示出力、および、パネル出力を線形にプロットしたグラフであり、（ｂ）は光源出力を時間領域で表した概念図を示している。
　図７Ａは、図３Ａや図４Ａと同じものである。
　図７Ａは、光源出力を１で一定とする基準動作である。これに対して、図７Ｂは、図７Ａにおけるビット７を時間的に２等分して前半部と後半部で光源出力を変化させている。また、１フレーム内のＤＬＰ素子の駆動において、この後半部にビット８を割り当てたものとして説明する。
　図７Ｂのようにビット６からビット８までの期間をそれぞれ等しくしたときには、階調を正しく表現するために、光源出力をそれぞれ２倍ずつ変える。つまり、図７Ｂに示しているように、ビット６、ビット７、ビット８の期間中の光源出力をそれぞれ０．５、１、２とする。この出力値により、図７Ａと図７Ｂの１フレーム（またはサブフレーム）における光源の総光量は等しくなる。そして、後者については、ビット８を加えたことにより、ビット深度を１ビット増加できる。
　しかし、ビット８において光源出力は２となり、光源によっては対応できない場合も考えられる。そこで、図７Ｂのビット７とビット８の期間を変更して、１：２となるようにした場合を図７Ｃに示す。図７Ｃに示す場合には、ビット７とビット８の期間における光源出力は１．５となり、上記の出力より下げることができる。このように、ビットの期間は光源の性能や特性に合わせて選択することができる。ただし、図７Ａから図７Ｃまでの光源のフレーム内の総光量はいずれも等しいため、最大表示輝度はいずれも等しく、光源の消費電力は変わらない。
　また、同様に考えれば、その他のビットの期間や光源出力を適切に設定すると、同一のビット深度を短いフレーム期間で実現することも可能である。また、入力画像の輝度範囲に応じてビット期間も可変にできれば、さらにビット深度を増大させる等、動作の自由度を高めることができる。
　次に、図４と同様に、入力値が０．３７５から０．５の範囲となる画像を表示する場合を考える。このとき、図４と同様の図を図８に示した。図８は、図３ないし図５、および、図７と同様に、（ａ）は、画像信号の入力に対する表示出力、および、パネル出力を線形にプロットしたグラフであり、（ｂ）は光源出力を時間領域で表した概念図を示している。
　図８Ａは、図７Ｃに対応するもので、パネル出力に対する電気的なゲインおよびフレーム内の各ビットの光源出力の双方とも画像に応じて変化させない基準条件における動作を示している。図８Ａのグラフから、パネル出力は１９２から２５５（６４階調）となることがわかる。
　これをビットシーケンスに対応させると、ビット８については全画素についてオフにするが、ビット７とビット６については、全画素ともオンにすることとなる。そして、残りのビット０からビット５で画像の階調を表現することになる。これに対して、図８Ｂに、電気的に２倍のゲインを適用し、さらに、フレーム内の各ビットにおける光源出力を１／２倍にした場合を示す。このとき、グラフからパネル出力は３８４から５１１（１２８階調）となることがわかる。これをビットシーケンスに対応させると、ビット８とビット７については全画素ともオンにして、残りのビット０からビット６で画像の階調を表現することになる。
　上記のようなビット８の活用により、ビット深度は実効的に１ビット増加できる。さらにビット深度を増加させるために、図５と同様にビット８の期間において、最小表示出力に相当する光量が得られるように光源出力を設定した場合を図８Ｃに示す。この結果、パネル出力は２５６から５１１（２５６階調）となり、ビット深度をさらに１ビット増加できていることがわかる。
　この図８Ｂと図８Ｃの動作は、実施の形態１で述べた「調光１」と「調光２」の動作に対応する。したがって、これらはいずれも最大・最小入力値のあらゆる組み合わせに対して適用できる。また、図６Ｃと同様に、最大・最小入力値の組み合わせに応じて、これらの動作を使い分ければよい。
　以上の説明においては、ビット８において最小表示値が得られるように光源出力を設定したが、これはビット８のみに限られるものではない。例えば、ビット８とビット７を併せて使用することも可能であるし、ビット７のみを使用してもよい。
　このように、ＤＬＰ素子の駆動において、各ビットに対して等比級数的でない時間幅を割り当てる場合も、階調再現性を改善することができる。
　次に、本発明の第３の実施形態について説明する。
　これまで説明した第１、第２の実施形態において、入力値が０．３７５から０．５の場合について、図５や図８Ｃのように光源とＤＬＰ素子を動作させる。これらの動作においては、特定のビットは全画素オンとし、かつ、この特定のビットに割り当てる光量を最小表示出力に相当する光量としていた。以下では、特定のビットを全画素オンにするのではなく、特定の画素についてはオフにする場合であって、かつ、この特定のビットに割り当てる光量を、最小表示出力に相当する光量とは異なる光量とする場合について説明する。
　図８Ｃに対応する図９を示す。図９は、図３ないし図５、図７、および、図８と同様に、（ａ）は、画像信号の入力に対する表示出力、および、パネル出力を線形にプロットしたグラフであり、（ｂ）は光源出力を時間領域で表した概念図を示している。
　図９においては、ビット８をオフにする場合を含め、パネル出力値をグラフに示している。このグラフからわかるように、ビット８をオンまたはオフにする境界となるパネル出力２５５と２５６において、表示出力は０．１２５から０．３７５に切り替わることになる。一方、この動作条件下においては、パネル出力０から２５５は表示出力０から０．１２５に対応し、これらの表示出力範囲についても表示することができる。
　上記のように、表示画像の輝度ヒストグラムによっては、本発明による光源およびＤＬＰ素子の駆動条件を適用できる場合がある。これを逆から言えば、表示画像の輝度ヒストグラムに応じて前記の駆動条件が適用可能か判定し、その結果に基づいて駆動条件を変更させることができる。つまり、表示画像の輝度ヒストグラムに応じて、特定のビットに割り当てる光量を、必ずしも最小表示出力に相当する光量にするのではなく、最小表示出力に相当する光量とは異なる光量にすることができる。そして、第１、第２の実施形態と同様に、階調再現性を改善することができる。
　このように、ＤＬＰ素子の駆動における特定のビットに割り当てる光量を、表示画像の輝度ヒストグラムに応じて、最小表示出力に相当する光量とは異なる光量にすることによって、階調再現性を改善することができる。
　なお、表示素子としては、表示画素が反射型表示素子であるＤＬＰ素子を用いることとして説明したが、この他にも反射型もしくは透過型の液晶表示素子を用いることとしてもよい。
　また、光源としてはＬＥＤを用いることとして説明したが、レーザーを用いてもよく、また、ＬＥＤ、レーザー、蛍光体の組み合わせを用いることとしてもよい。

Claims (10)

  1. 光源と、
    　前記光源からの入射光により投写画像光を形成する表示素子と、
    　画像信号に応じて前記光源と前記表示素子を制御する制御部と、を備え、
    　前記制御部は、
    　前記画像信号に示される１枚の画像を表示する最小表示時間である１フレーム内において、前記光源の出力を変化させることを特徴とする画像表示装置。
  2. 請求項１記載の画像表示装置において、
    　前記制御部は、
    　前記画像信号に示される１枚の画像を表示する最小表示時間である１フレーム内において、前記画像信号に応じて前記光源の出力を変化させることを特徴とする画像表示装置。
  3. 請求項１または請求項２に記載の画像表示装置において、
    　前記表示素子は、画素に対応して設けられ、前記１フレーム内にて時分割の複数のビットに対応してオン、オフ制御される表示画素を備え、
    　前記制御部は、前記表示画素を制御する複数のビットに対して、前記光源を異なる出力とすることを特徴とする画像表示装置。
  4. 請求項３に記載の画像表示装置において、
    　前記複数のビットの期間が等比級数的でないことを特徴とする画像表示装置。
  5. 請求項３または請求項４に記載の画像表示装置において、
    　前記制御部は、前記複数のビットのうちの特定の１つまたは複数に対応する期間において、前記画像の最小輝度に相当する光量を出力するように前記光源を制御することを特徴とする画像表示装置。
  6. 請求項３ないし請求項５のいずれかに記載の画像表示装置において、
    　前記制御部は、前記画像の最大輝度に合わせて光源出力を一律に低下させて光源を駆動することを特徴とする画像表示装置。
  7. 請求項３ないし請求項６のいずれかに記載の画像表示装置において、
    　前記制御部は、前記画像の最小輝度に相当する光量を出力する前記複数のビットのうちの特定の１つまたは複数に対応する期間において、前記複数の表示画素のすべてをオンにすることを特徴とする画像表示装置。
  8. 請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の画像表示装置において、
    　前記表示素子が反射型画像表示素子であることを特徴とする画像表示装置。
  9. 請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の画像表示装置において、
    　前記光源に、ＬＥＤ、レーザー、蛍光またはそれらの組み合わせが用いられていることを特徴とする画像表示装置。
  10. 光源と、
    　前記光源からの入射光により投写画像光を形成する表示素子と、
    　画像信号に応じて前記光源と前記表示素子を制御する制御部と、を備えた画像表示装置で行われる画像表示方法であって、
    　前記画像信号に示される１枚の画像を表示する最小表示時間である１フレーム内において、前記光源の出力を変化させることを特徴とする画像表示方法。
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