(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の色成分の光を順次切替えて時分割に供給する色切替え手段と、
前記色切替え手段から供給される前記複数の色成分の光により照明され、各色成分の画像光を生成する空間光変調手段と、
前記複数の色成分の光または前記各色成分の画像光の輝度をそれぞれ２段階以上切替える、前記色切替え手段とは別体の輝度切替え手段とを有し、
前記色切替え手段は、分光特性の異なる複数の色フィルターが周方向に所定の割合で配置されたカラーホイールを有し、
前記輝度切替え手段は、透過率の異なる複数の輝度フィルターが周方向に所定の割合で配置された輝度ホイールを有し、
前記カラーホイールと前記輝度ホイールとが対向して配置され、光源からの白色光が前記複数の色フィルターにより時分割に色分離されるとともに前記複数の輝度フィルターにより輝度が切替えられることを特徴とするディスプレイシステム。
【請求項２】
輝度ホイールは、カラーホイールの、光源からの白色光が入射する面側に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のディスプレイシステム。
【請求項３】
輝度ホイールは、カラーホイールの、時分割に色分離された光が出射する面側に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のディスプレイシステム。
【請求項４】
輝度ホイールは、カラーホイールの各色フィルターに対応する複数の領域に分割されており、該分割領域毎に、透過率の異なる複数の輝度フィルターが周方向に所定の割合で配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のディスプレイシステム。
【請求項５】
輝度ホイールの各分割領域に配置される輝度フィルターの数が異なることを特徴とする請求項４に記載のディスプレイシステム。
【請求項６】
輝度ホイールの各分割領域に配置される輝度フィルターの数が同じであることを特徴とする請求項４に記載のディスプレイシステム。
【請求項７】
複数の色成分の光を順次切替えて時分割に供給する色切替え手段と、
前記色切替え手段から供給される前記複数の色成分の光により照明され、各色成分の画像光を生成する空間光変調手段と、
前記複数の色成分の光または前記各色成分の画像光の輝度をそれぞれ２段階以上切替える、前記色切替え手段とは別体の輝度切替え手段とを有し、
前記輝度切替え手段は、透過率の切替えが可能な液晶パネルにより構成されていることを特徴とする請求項１に記載のディスプレイシステム。
【請求項８】
複数の色成分の光を順次切替えて時分割に供給する色切替え手段と、
前記色切替え手段から供給される前記複数の色成分の光により照明され、各色成分の画像光を生成する空間光変調手段と、
前記複数の色成分の光または前記各色成分の画像光の輝度をそれぞれ２段階以上切替える、前記色切替え手段とは別体の輝度切替え手段とを有し、
前記輝度切替え手段は、前記空間光変調手段にて生成された各色成分の画像光をスクリーン上へ投射する投射レンズの絞りの量を切替えるように構成されていることを特徴とするディスプレイシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、時分割に色分離された、異なる色成分の光をそれぞれ光変調（空間光変調）してカラー画像を得るディスプレイシステムに関し、特に、光変調にパルス幅変調方式を採用するディスプレイシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
パルス幅変調方式のディスプレイシステムは、光源からの光を部分的に反射または透過して画像光を生成する空間光変調器を備え、この空間光変調器により生成された画像光を順次スクリーン上に投射して画像表示を行うように構成されている。空間光変調器では、外部装置（例えばパーソナルコンピュータやビデオ機器）からの入力映像信号に基づいて画像光が生成され、通常は、空間光変調器のオン・オフを制御する信号のパルス幅を変調することで、スクリーン上における画像の階調を表現している。
【０００３】
このパルス幅変調方式のディスプレイシステムの一例として、特開平１０-７８５５０号公報には、時分割に色分離された、異なる色成分の光を空間光変調器により光変調してカラー画像を得るパルス幅変調方式のディスプレイシステムが記載されている。その公報に記載されたものと同様な構成を有するシステムを図６に示す。
【０００４】
図６に示すディスプレイシステムは、光源１と、該光源１からの白色光を時分割に色分離する色可変フィルターユニット３１と、その時分割に色分離された、異なる色成分の光が順次入射し、入射光が部分的に所定の方向に反射されて各色成分の画像光が順次生成される空間光変調器２と、該空間光変調器２にて順次生成された各色成分の画像光をスクリーン４上へ投射する投射レンズ３と、外部（例えばパーソナルコンピュータ）より入力される映像信号１０１およびフレーム同期信号１０２に基づいて空間光変調器２および色可変フィルターユニット３１をそれぞれ同期させて駆動するドライバ回路５１とを有する。
【０００５】
空間光変調器２は、例えば、傾斜角度の制御が可能な数十万個のマイクロミラーからなるデジタルマクロミラーデバイス（ＤＭＤ）よりなる。このＤＭＤは、各マイクロミラーがそれぞれスクリーン４上に表示される画像の各画素に対応しており、各マイクロミラーの傾斜角度を制御することで任意の画像を表示することができる。具体的には、マイクロミラーからの反射光が投射レンズ３から外れる第１の傾斜角度と、マイクロミラーからの反射光が投射レンズ３に導かれる第２の傾斜角度との間で、各マイクロミラーの角度を選択的に制御することで、スクリーン４上で所望の画像を形成する。このＤＭＤの各マイクロミラーの角度制御は、ドライバ回路５１から供給される変調信号１０３に基づいて行われる。
【０００６】
色可変フィルターユニット３１は、分光透過特性が異なる複数の色フィルター（Ｒ、Ｇ、Ｂ）が周方向に順次配置されてなるカラーホイール４１と、このカラーホイール４１のホイール中心部を支持し、カラーホイール４１を所定の方向に回転させるモータ１１と、カラーホイール４１を挟んで対向して配置された発光素子１２および受光素子１３と、モータ１１の回転を制御するカラーホイール制御回路８１とを有する。
【０００７】
カラーホイール制御回路８１は、受光素子１３からのカラーホイール位相信号１１２およびドライバ回路５１からの色切替え制御信号１０４を受けて、モータ１１に対してモータ制御信号１１１を送出する。カラーホイール位相信号１１２は、発光素子１２からの光がカラーホイール４１の所定の位置に設けられた穴を介して受光素子１３に受光されるタイミングより得られる、カラーホイール４１の回転周期の情報を含む。
【０００８】
外部より供給される映像信号（ビデオ信号）１０１は、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色に関する映像信号（輝度情報を含む）がフレーム単位に時分割に送出されたものであり、そのフレーム同期を取るための信号がフレーム同期信号１０２である。変調信号１０３は、空間光変調器２の各マイクロミラーの角度制御を行うための信号であって、映像信号１０１のＲ、Ｇ、Ｂの各色の映像信号に応じて、各マイクロミラーの角度を第１の傾斜角度、第２の傾斜角度のいずれかに設定することができる。色切替え制御信号１０４は、カラーホイール４１による色分離を行う際の色フィルター（Ｒ、Ｇ、Ｂ）の切替えを制御するためのものであって、フレーム同期信号１０２によって与えられる、映像信号１０１のＲ、Ｇ、Ｂの各色の映像信号の切替えタイミングに応じたフィルターの切替えが可能である。フィルターの切替えは、光路中でカラーホイール４１を回転することで行われる。
【０００９】
次に、上記のように構成されたディスプレイシステムにおける画像表示動作を説明する。ここでは、映像信号１０１としてＲ、Ｇ、Ｂの各色の映像信号がドライバ回路５１に供給された場合を例に説明する。
【００１０】
光源１から発せられた光（白色光）は、色可変フィルターユニット３１に入射する。この状態で、映像信号（Ｒ）が入力されると、ドライバ回路５１は、その入力された映像信号（Ｒ）に応じて、各画素に対応するマイクロミラーの角度を制御する。具体的には、ドライバ回路５１は、変調信号１０３を空間光変調器２に供給して、各マイクロミラーの角度を第１の傾斜角度（反射光が投射レンズから外れる角度）と第２の傾斜角度（反射光が投射レンズに導かれる角度）との２つの状態の間で切替える。
【００１１】
また、ドライバ回路５１は、フレーム同期信号１０２に基づいて、上記の映像信号（Ｒ）に応じたマイクロミラーの角度制御（空間光変調器２における空間光変調）と同期して、カラーホイール４１の色フィルターの切替えを行う。具体的には、ドライバ回路５１は、映像信号（Ｒ）が入力されると、光源１から発せられた光の光路中に挿入されるフィルターを色フィルター（Ｒ）に切替えるため色切替え制御信号１０４を色可変フィルターユニット３１のカラーホイール制御回路８１に供給する。カラーホイール制御回路８１は、そのドライバ回路５１から供給された色切替え制御信号１０４と、受光素子１３から供給されるカラーホイール位相信号１１２とに基づいて、光源１から発せられた光が色フィルター（Ｒ）に入射するように、カラーホイール４１を回転移動させるためのモータ制御信号１１１をモータ１１に供給する。
【００１２】
カラーホイール４１が、モータ制御信号１１１を受けたモータ１１によって回転されてフィルターの切替えが行われると、光源１から発せられた光が色フィルター（Ｒ）に入射し、その色フィルター（Ｒ）を透過した光（Ｒ）が空間光変調器２に入射する。空間光変調器２では、入射した光（Ｒ）が空間光変調されて画像光（Ｒ）が生成され、その生成された画像光（Ｒ）が投射レンズ３によってスクリーン４上に投射される。
【００１３】
次いで、映像信号（Ｇ）が入力されると、ドライバ回路５１は、変調信号１０３を空間光変調器２に供給してその入力された映像信号（Ｇ）に応じた角度制御を行うとともに、色切替え制御信号１０４をカラーホイール制御回路８１に供給してカラーホイール４１のフィルターを色フィルター（Ｇ）に切替える。カラーホイール制御回路８１は、ドライバ回路５１から供給された色切替え制御信号１０４と、受光素子１３から供給されるカラーホイール位相信号１１２とに基づいて、光源１から発せられた光が色フィルター（Ｇ）に入射するように、カラーホイール４１を回転させるためのモータ制御信号１１１をモータ１１に供給する。
【００１４】
カラーホイール４１が、モータ制御信号１１１を受けたモータ１１によって回転されて、フィルターの切替えが行われると、光源１から発せられた光が色フィルター（Ｇ）に入射し、その色フィルター（Ｇ）を透過した光（Ｇ）が空間光変調器２に入射する。空間光変調器２では、入射した光（Ｇ）が空間光変調されて画像光（Ｇ）が生成され、その生成された画像光（Ｇ）が投射レンズ３によってスクリーン４上に投射される。
【００１５】
次いで、映像信号（Ｂ）が入力されると、ドライバ回路５１は、変調信号１０３を空間光変調器２に供給してその入力された映像信号（Ｂ）に応じた角度制御を行うとともに、色切替え制御信号１０４をカラーホイール制御回路８１に供給してカラーホイール４１のフィルターを色フィルター（Ｂ）に切替える。カラーホイール制御回路８１は、ドライバ回路５１から供給された色切替え制御信号１０４と、受光素子１３から供給されるカラーホイール位相信号１１２とに基づいて、光源１から発せられた光が色フィルター（Ｂ）に入射するようにカラーホイール４１を回転させるためのモータ制御信号１１１をモータ１１に供給する。
【００１６】
カラーホイール４１が、モータ制御信号１１１を受けたモータ１１によって回転されてフィルターの切替えが行われると、光源１から発せられた光が色フィルター（Ｂ）に入射し、その色フィルター（Ｂ）を透過した光（Ｂ）が空間光変調器２に入射する。空間光変調器２では、入射した光（Ｂ）が空間光変調されて画像光（Ｂ）が生成され、その生成された画像光（Ｂ）が投射レンズ３によってスクリーン４上に投射される。
【００１７】
以上の動作により、スクリーン４上には画像光（Ｒ）、画像光（Ｇ）、画像光（Ｂ）が順次拡大投射されて表示されるが、これら画像光（Ｒ、Ｇ、Ｂ）の切替わりは人間の眼では感知できない。したがって、人間の眼には、各画像光（Ｒ、Ｇ、Ｂ）により表示された各色の画像が時間的に重ね合わされ、カラー画像として認識される。スクリーン４上に表示されたカラー画像の階調は、空間光変調器２の動作を制御する変調信号１０３のパルス幅を変調することにより、任意に調節することができる。
【００１８】
次に、上述したディスプレイシステムのカラーホイール制御回路８１およびドライバ回路５１の具体的な構成について説明する。
【００１９】
図７は、カラーホイール制御回路８１の一構成例を示すブロック図である。このカラーホイール制御回路８１は、ドライバ回路５１から供給された色切替え制御信号１０４および受光素子１３から供給されたカラーホイール位相信号１１２をそれぞれ入力とし、これら入力信号について周波数位相比較を行って誤差信号を出力する周波数位相比較器８３と、この周波数位相比較器８３から出力された誤差信号を増幅し、これをモータ制御信号１１１として出力する増幅器８４とからなる。
【００２０】
図８は、ドライバ回路５１の一構成例を示すブロック図である。このドライバ回路５１は、メモリ回路６１、書込み制御回路６３、読出し制御回路６４および色切替えタイミング情報テーブル６５から構成されたパルス幅変調回と、色切替え制御回路６８とを備える。
【００２１】
色切替えタイミング情報テーブル６５は、外部より入力されるフレーム同期信号１０２を基準として、カラーホイール４１の色の切替えタイミングがいつかを示す情報を有している。色切替え制御回路６８は、フレーム同期信号１０２に同期して色切替え制御信号１０４を出力し、図６に示した色可変フィルターユニット３１の切替えを行う。
【００２２】
外部より入力された映像信号１０１はメモリ回路６１に一旦書込まれ、必要なデータがそのメモリ回路６１から読み出されて変調信号１０３として空間光変調器２に供給される。書込み制御回路６３は、映像信号１０１のメモリ回路６１への書込みを制御するもので、フレーム同期信号１０２に基づいてその書込みのタイミングが調整される。読出し制御回路６４は、メモリ回路６１からの必要なデータの読み出しを制御するものであって、フレーム同期信号１０２および色切替えタイミング情報テーブル６５から得られる、カラーホイール４１の色の切替えタイミングに基づいてその読出しタイミングが調整される。
【００２３】
以上説明したディスプレイシステムにおいて、空間光変調器２では、変調信号１０３に従って、各画素毎に光を投射レンズ３へ到達させる状態（ＯＮ状態）と到達させない状態（ＯＦＦ状態）の２つの状態の切替えが制御される。この場合、ＯＮ状態が長いほど再生される映像は明るくなり、これを利用して映像信号の階調を表現するのがパルス幅変調である。このようなパルス幅変調による階調の表現が可能な空間光変調器２としては、ＤＭＤの他に表面安定化強誘電性液晶ディスプレイパネルなどがある。
【００２４】
以下、パルス幅変調についてさらに具体的に説明する。
【００２５】
一例として、入力映像信号１０１の階調がＲ、ＧおよびＢの３色それぞれ８ビットで表現されている場合の動作を考える。図９は、従来のディスプレイシステムにおけるパルス幅変調方式を説明するための図で、映像信号の１フレーム分のデータの構成が模式的に示されている。
【００２６】
１フレームはＲ、Ｇ、Ｂのデータによって時分割されており、Ｒ、Ｇ、Ｂの各データはそれぞれ「１」〜「２５５」のタイムスロットからなり、「２５５」がビット０、「２５４、２５３」がビット１、「２５２〜２４９」がビット２、「２４８〜２４１」ビット３、「２４０〜２２５」がビット４、「２２４〜１９３」がビット５、「１９２〜１２９」がビット６、「１２８〜１」がビット７とされている。
【００２７】
ビット７（最上位ビット（ＭＳＢ）），ビット６，．．．，ビット１，ビット０（最下位ビット（ＬＳＢ））のそれぞれに割当てる時間比率を「２の７乗」，「２の６乗」，．．．，「２の１乗」，「２の１乗」，「２の０乗」とする。ここで、ビット０に割当てる時間をＴとすると、ビット７，ビット６，．．．，ビット２，ビット１に対応する時間はそれぞれ１２８Ｔ，６４Ｔ，．．．，４Ｔ，２Ｔとなる。従って、入力映像信号１０１の階調が２５５，２５４，．．．，２，１，０のとき、各階調に対応するＯＮ状態の時間はそれぞれ２５５Ｔ，２５４Ｔ，．．．，２Ｔ，Ｔ，０となる。
【００２８】
上記の時間とビットの割当てを示す情報がビット割当て情報であり、通常は、ビット割当て情報テーブルとして予め用意されており、このテーブルにしたがって空間光変調器２のオン・オフ制御が行われる。例えば、ある画素において、階調レベル１３０を表す場合は、空間光変調器２のその画素に対応する部分において、ビット７の時間領域（１２８単位時間）とビット１の時間領域（２単位時間）の間だけ光がスクリーン上に到達し、他のビット６〜２の時間領域については、光がスクリーン上に到達しないように制御がなされる。
【００２９】
しかしながら、上述した従来のディスプレイシステムには以下のような問題がある。
【００３０】
例えばＲ、ＧおよびＢの３色のカラーホイールを用いて白色光が時分割に色分離される場合、カラーホイールの回転速度を６０Ｈｚ、各色の階調を８ビットとすると、パルス幅変調の最小スイッチング時間は２２マイクロ秒以下になる。この場合、その最小スイッチング時間よりも応答速度が速い空間光変調器を使う必要がある。また、カラーホイールの回転速度を上げたり、カラーホイールの色数や階調を増したりすると、最小スイッチング時間は更に短くなるため、そのような場合には、更に応答速度が速い空間光変調器が要求される。しかし、空間光変調器の応答速度には限界がある。このため、従来は、空間光変調器の応答速度によってパルス幅変調の最小スイッチング時間が制限されてしまい、データのビット数をある程度以上多くすることは困難であった。なお、空間光変調器の応答速度を超える、パルス幅変調の最小スイッチング時間の設定は、最下位ビットにおける表示画像の輝度の低下、すなわち輝度の低い部分における画質の低下を招くことになる。
【００３１】
また、空間光変調器の画素数が１０２４×７６８の場合、空間光変調器へのパルス幅変調信号の最大転送速度は６４ビット幅で５６４ＭＨｚ（＝６０Ｈｚ＊３＊２５５＊１０２４＊７６８／６４）と非常に高速なものとなる。ここで、「＊」、「／」はそれぞれ「×」、「÷」と同義である。信号周波数が高くなると、それに伴って発生するノイズが大きくなって周辺回路を誤動作させ易くなる他、消費電力も多くなる。
【００３２】
そこで、性能は維持しつつ、応答速度の遅い空間光変調器を使用することができる、パルス幅変調信号の転送速度の遅いシステムが検討されている。その一例として、特開平9-149350号公報に記載されたシステムを以下に説明する。
【００３３】
図１０は、上記公報に記載されたシステムに用いられるカラーホイールの模式図である。このカラーホイールは、分光透過特性が異なる複数の色フィルター（Ｒ、Ｇ、Ｂ）が周方向に所定の割合（分割角度１２０°）で配置されている。色フィルターＢの、色フィルターＧとの境界から所定の角度の範囲は、低濃度領域（Ｂ＋ＮＤＦ（濃度フィルターのことで、ここでは輝度フィルターと記す。））３４とされている。この低濃度領域３４は、他の領域（Ｂフィルタのみ）３２に比べて白色光の透過率が低くなる。これと同様に、他の色フィルターＲ、Ｇにおいても、それぞれ低濃度領域（Ｒ＋ＮＤＦ）、（Ｇ＋ＮＤＦ）が設けられている。
【００３４】
図６に示したシステムと同様に、光源からの白色光の光路中に上記のカラーホイールを挿入して回転させ、このカラーホイールで時分割に色分離されたＲ光、Ｇ光、Ｂ光で空間光変調器であるＤＭＤを照明し、このＤＭＤからの画像光（Ｒ、Ｇ、Ｂ）をスクリーン上に順次重ね合わせることでカラー画像を得る。カラーホイールの各色フィルターＲ、Ｇ、Ｂには、それぞれに低濃度領域３４が設けられていることから、時分割に色分離されたＲ光、Ｇ光、Ｂ光は、それぞれ低濃度領域において光強度が低下する。したがって、映像信号の下位ビット、すなわちビット１の時間領域（２単位時間）での光のオン・オフが、低濃度領域を通過した光に対して行われるようにすることで、映像信号の下位ビットに対する時間を長くすることが可能になる。ＤＭＤの応答速度は、下位ビットの時間の長さで制限されることから、下位ビットに対する時間が長くなった分だけ、応答速度も遅くすることができる。
【００３５】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明した従来のディスプレイシステムには、以下のような問題点がある。
【００３６】
特開平10-78550号公報に記載のシステムを適用した図６に記載のディスプレイシステムにおいては、上述したように、使用できる空間光変調器の応答速度に制限があり、またパルス幅変調信号の転送速度にも制限があるため、設計上、どうしても不利なもとならざるを得ない。
【００３７】
特開平9-149350号公報に記載されたシステムにおいては、上記の制限は解消されるものの、以下のような新たな問題を生じる。
【００３８】
よりスムーズな階調を表現するには、上位ビットと下位ビットの間の中間ビットにおいても輝度フィルターを用いることが望ましい。すなわち、良好な階調表現を得るには、各色フィルターに対して、複数の濃度の異なる輝度フィルターを設ける必要がある。しかしながら、図１０に示したカラーホイールは、１つの色フィルターに対して１の輝度フィルターしか設けられていないため、良好な階調表現は困難である。
【００３９】
図１０に示したカラーホイールにおいて、各色フィルターに対して、濃度の異なる複数の輝度フィルターを設けることは可能である。しかし、この場合には、カラーホイールの製造工程数が増え、コストがかかる、という問題を生じる。この問題について、以下に簡単に説明する。
【００４０】
カラーホイールの製造方法には、一般に、透明なディスクに色フィルターを貼り付ける方法と、真空チャンバー内でフィルター材料を透明なディスクの表面に蒸着させる方法がある。図１０に示したカラーホイールは、３種類の色フィルターに対してそれぞれ２つの濃度の異なる領域を形成しているから、３×２の計６枚のフィルターが必要になる。よって、貼り付けであれば、６回の貼り付け工程、蒸着であれば６回の蒸着工程が必要になる。これに対して、３種類の色フィルターに対して３つの濃度の異なる領域を形成した場合は、３×３の計９枚のフィルターが必要になり、貼り付けであれば、９回の貼り付け工程、蒸着であれば９回の蒸着工程が必要になる。このように、１枚のディスクでカラーホイールを構成する場合は、｛（色フィルターの枚数）×（１つの色フィルターに形成される濃度領域の数）｝回の工程が必要となる。したがって、図１０のカラーホイールにおいて濃度の異なる複数の輝度フィルターを設けることは、製造工程数の増加を招き、コストを増加させることになる。
【００４１】
さらに加えて、輝度切替えとして複数のパターンの輝度切替えを設計する場合、図１０のカラーホイールのように１枚のホイールで色分離および輝度切替えを行う場合は、各輝度切替えパターン毎にカラーホイールを作製することになり、非常にコストがかかるという問題もある。
【００４２】
本発明の目的は、上記の各問題を解決し、空間光変調器の応答速度およびパルス幅変調信号の転送速度の各制限を緩和することができる、低コストなディスプレイシステムを提供することにある。
【００４３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明のディスプレイシステムは、複数の色成分の光を順次切替えて時分割に供給する色切替え手段と、前記色切替え手段から供給される前記複数の色成分の光により照明され、各色成分の画像光を生成する空間光変調手段と、前記複数の色成分の光または前記各色成分の画像光の輝度をそれぞれ２段階以上切替える、前記色切替え手段とは別体の輝度切替え手段とを有し、前記色切替え手段は、分光特性の異なる複数の色フィルターが周方向に所定の割合で配置されたカラーホイールを有し、前記輝度切替え手段は、透過率の異なる複数の輝度フィルターが周方向に所定の割合で配置された輝度ホイールを有し、前記カラーホイールと前記輝度ホイールとが対向して配置され、光源からの白色光が前記複数の色フィルターにより時分割に色分離されるとともに前記複数の輝度フィルターにより輝度が切替えられることを特徴とする。
【００４４】
上記のとおりの本発明においては、空間光変調手段による画像光の生成は外部より入力された映像信号に基づいて行われ、輝度切替え手段による輝度の切替えにより、明るい方のタイミングで映像信号の上位ビット側をパルス幅変調信号として割当て、輝度フィルターの暗い方のタイミングで映像信号の下位ビット側をパルス幅変調信号として割当てることが可能になる。この結果、パルス幅変調の最小スイッチング時間を長くすることができ、これにより、応答速度が遅い空間光変調器を用いることが可能になるとともに、空間光変調器へのパルス幅変調信号の転送速度を遅くすることが可能になる。
【００４５】
本発明によれば、色切替え手段と輝度切替え手段は別体のものであるので、色切替え手段による色切替えと輝度切替え手段による輝度切替えは別々に制御されることになる。例えば、色切替えについては、カラーホイールを用いて行い、輝度切替えについては、カラーホイールとは別に設けられた輝度ホイールを用いて行う。したがって、本発明の場合は、１つのカラーホイールに対して、異なる複数の輝度ホイールを適用することが可能であり、輝度切替えとして複数のパターンの輝度切替えを設計する場合には、各輝度切替えパターンに応じて輝度ホイールのみを作製すればよく、図１０に示したカラーホイールを使用した場合のように、カラーホイールをその都度作製する必要はない。
【００４６】
また、上記のようにカラーホイールと輝度ホイールとを別体としたことにより、ホイールの製造工程数の削減が可能となる。例えば、３種類の色フィルターに対して３つの濃度の異なる領域を形成した場合、図１０に示したカラーホイールにおいては、３×３の計９枚のフィルターが必要になり、貼り付けであれば、９回の貼り付け工程、蒸着であれば９回の蒸着工程が必要になる。これに対して、本発明の場合は、貼り付け工程（または蒸着工程）は、カラーホイールの製造において３工程、輝度ホイールの製造において３工程、の合計６となり、従来に比べて３工程少ない。この工程数の差は、濃度の異なる領域が多くなればなるほど大きくなる。
【００４７】
本発明のうち、輝度切替えに、液晶パネルによる輝度の切替え、投射レンズの絞り量の切替えを適用するものにおいては、輝度ホイールを用いる必要がなくなるため、複雑な同期制御が必要なくなる。
【００４８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００４９】
図１は、本発明の一実施形態であるディスプレイシステムを示すブロック図である。本実施形態のディスプレイシステムは、前述の図６に示したディスプレイシステムにおいて、輝度可変フィルターユニット３２を加え、さらに、ドライバ回路５１に代えてドライバ回路５２を設けた構成となっている。図１中、図６に示したものと同じものには同じ符号を付しており、ここではそれらの詳細な説明は省略する。
【００５０】
ドライバ回路５２は、映像信号１０１およびフレーム同期信号１０２を入力とし、変調信号１０３を空間光変調器２に供給し、色切替え制御信号１０４を色可変フィルターユニット３１に供給し、輝度切替え制御信号１０５を輝度可変フィルターユニット３２に供給する。
【００５１】
輝度可変フィルターユニット３２は、色可変フィルターユニット３１のカラーホイール４１を透過した光の輝度を調整するものであって、輝度ホイール４２と、この輝度ホイール４２をそのホイール中心部を軸に所定の方向に回転させるモータ１４と、輝度ホイール４２を挟んで対向して配置された発光素子１５および受光素子１６と、モータ１４の回転を制御する輝度ホイール制御回路８２とを有する。
【００５２】
輝度ホイール４２はカラーホイール４１と対向して配置されており、カラーホイール４１のＲ、Ｇ、Ｂの各色フィルターと対応する位置に第１、第２、第３の領域を有し、これら各領域において、透過率の異なる複数のフィルター（ＮＤＦ）Ｆ１〜Ｆ３が周方向に所定の割合（面積率）で順次配置されている。輝度ホイール制御回路８２は、受光素子１６からの輝度ホイール位相信号１１４およびドライバ回路５２からの輝度切替え制御信号１０５を受けて、モータ１４に対してモータ制御信号１１３を送出する。
【００５３】
輝度ホイール位相信号１１４は、発光素子１５からの光が輝度ホイール４２の所定の位置に設けられた穴を介して受光素子１６に受光されるタイミングより得られる、輝度ホイール４２の回転周期の情報を含む。輝度替え制御信号１０５は、輝度ホイール４２のフィルターＦ１〜Ｆ３の切替えを制御するためのものであって、映像信号１０１のＲ、Ｇ、Ｂの各色の映像信号の各ビットに応じたフィルター（ＮＤＦ）の切替えが可能である。フィルター（ＮＤＦ）の切替えは、光路中で輝度ホイール４２を回転することで行われる。
【００５４】
上記のように構成された本実施形態のディスプレイシステムでは、光源１から発せられた光は色可変フィルターユニット３１のカラーホイール４１および輝度可変フィルターユニット３２の輝度ホイール４２を順次通過し、空間光変調器２に入射する。空間光変調器２は、ドライバ回路５２から供給された変調信号１０３によって入射光を変調し、映像化された光（画像光）を生成する。空間光変調器２にて生成された画像光は、投射レンズ３のよってスクリーン４上に拡大投射される。
【００５５】
スクリーン４上では画像光（Ｒ）、画像光（Ｇ）、画像光（Ｂ）が順次拡大投射されて表示されるが、人間の眼には、残像現象により、それら画像光（Ｒ、Ｇ、Ｂ）により表示された各色の画像が重ね合わされ、カラー画像として認識される。スクリーン４上に表示されたカラー画像の階調は、空間光変調器２の動作を制御する変調信号１０３のパルス幅変調と輝度ホイール４２による輝度切替えにより調節することができる。
【００５６】
次に、上述したディスプレイシステムの輝度ホイール制御回路８２およびドライバ回路５２の具体的な構成について説明する。
【００５７】
図２は、輝度ホイール制御回路８２の一構成例を示すブロック図である。この輝度ホイール制御回路８２は、ドライバ回路５２から供給された輝度切替え制御信号１０５および受光素子１６から供給された輝度ホイール位相信号１１４をそれぞれ入力とし、これら入力信号について周波数位相比較を行って誤差信号を出力する周波数位相比較器８５と、この周波数位相比較器８５から出力された誤差信号を増幅し、これをモータ制御信号１１３として出力する増幅器８６とからなる。
【００５８】
モータ１４が、上記の輝度ホイール制御回路８２から供給されたモータ制御信号１１３によって制御されることで、輝度ホイール４２がフレーム同期信号１０２に同期して回転して輝度の切替えが行われる。
【００５９】
図３は、ドライバ回路５２の一構成例を示すブロック図である。このドライバ回路５２は、図８に示した回路構成に、輝度切替えタイミング情報テーブル６６、ビット割当て情報テーブル６７、および輝度切替え制御回路６９を加えたものである。図３中、図８に示したものと同じものには同じ符号を付している。本実施形態では、メモリ回路６１、書込み制御回路６３、読出し制御回路６４、色切替えタイミング情報テーブル６５、輝度切替えタイミング情報テーブル６６、およびビット割当て情報テーブル６７によってパルス幅変調回路が構成されている。
【００６０】
色切替えタイミング情報テーブル６５は、フレーム同期信号１０２を基準として、カラーホイール４１の色の切替えタイミングがいつかを示す情報を有ししている。輝度切替えタイミング情報テーブル６６は、フレーム同期信号１０２を基準として、輝度ホイール４２の輝度の切替えタイミングがいつかを示す情報を有している。ビット割当て情報テーブル６７は、フレーム同期信号１０２を基準として、映像信号１０１の階調を示すビットのうちのどのビットをいつメモリ回路６１から読出すかを示す情報を有している。輝度切替え制御回路６９は、フレーム同期信号１０２に同期して輝度替え制御信号１０５を出力し、輝度可変フィルターユニット３２の輝度フィルターＦ１〜Ｆ３の切替えを行う。
【００６１】
上記のように構成されたドライバ回路５２では、フレーム同期信号１０２によってタイミング調整された書込み制御回路６３による制御により、映像信号１０１がメモリ回路６１に書込まれ、フレーム同期信号１０２によってタイミング調整された読出し制御回路６４に従って、メモリ回路６１から必要なデータが読出され、その読出されたデータが変調信号１０３として空間光変調器２に供給される。読出し制御回路６４によるメモリ回路６１からのデータの読出しは、色切替えタイミング情報テーブル６５、輝度切替えタイミング情報テーブル６６およびビット割当て情報テーブル６７から取得した色切替えタイミング、輝度切替えタイミング、階調を示すビットの読出しタイミングに基づいて行われる。
【００６２】
次に、上述のように構成された本実施形態のディスプレイシステムの動作について具体的に説明する。ここでは、映像信号１０１の階調がｋビットで表現され、色可変フィルターユニット３１によって切替えられる色がｍ色であり、輝度可変フィルターユニット３２によって輝度がｎ（ｎ≧２）段階に切替えられるものとして動作説明を行う。
【００６３】
色可変フィルターユニット３１のｍ個の色フィルターをそれぞれＥ１、Ｅ２、．．．、Ｅｍとし、輝度可変フィルターユニット３２のｎ段階の輝度フィルターをそれぞれ出射光の輝度が小さい順にＦ１、Ｆ２、．．．、Ｆｎとする。輝度フィルターＦ１〜Ｆｎの出射光の輝度比を
Ｆ１：Ｆ２：．．．：Ｆｎ＝Ｓ１：Ｓ２：．．．：Ｓｎ
とする。但し、Ｓ１＝１である。また、パルス幅変調において、映像信号１０１のビットｈ、色フィルターＥｉ、輝度フィルターＦｊに対する１フレーム時間当りの割当て時間を T(h,i,j) とする。但し、
【００６４】
【数１】
０≦ｈ≦ｋ−１
１≦ｉ≦ｍ
１≦ｊ≦ｎ
Ｔ（０，ｉ，１）＝Ｔ０
である。
【００６５】
本例のディスプレイシステムでは、次式で示される条件を満たすようになっている。
【００６６】
【数２】
(S1*T(h,i,1) + S2*T(h,i,2) + ... + Sn*T(h,i,n))/T0 = pow(2,h)...(１)
ここで、pow(2,h) は２のｈ乗を示す。また、「＊」は乗算を意味し、「×」と同義である。この式（１）は、複数の輝度切替えを行う場合に、映像信号の階調をパルス幅変調によって表現するための条件を示す。
【００６７】
色フィルターＥｉと輝度フィルターＦｊが組合わされたときの１フレーム時間当りの表示時間を Tc(i,j) とすると、
【００６８】
【数３】
Tc(i,j) = T(0,i,j) + T(1,i,j) + ... + T(k-1,i,j)          ...（２）
である。この式（２）は、輝度フィルターの切替え時間を決めるための条件を示す。
【００６９】
また、本例のシステムでは、次式で示される条件を満たすようになっている。
【００７０】
【数４】
(Tc(i,1) + Tc(i,2) + ... + Tc(i,n))/T0 < (pow(2,k)-1)     ......（３）
この式（３）は、パルス幅変調における最小単位時間を従来のディスプレイシステムよりも長くするための条件を示す。
【００７１】
図３に示した輝度切替えタイミング情報テーブル６６は、上記の式(１）から（３）で条件付けられる Tc(i,j)の情報を有し、これが読出し制御回路６４の制御に用いられる。また、ビット割当て情報テーブル６７は、上記式(１）から（３）で条件付けられる T(h,i,j)の情報を有し、これが読出し制御回路６４の制御に用いられる。
【００７２】
次に、上記式（１）から（３）を満たす変数の値が必ず存在することについて説明する。
【００７３】
色可変フィルターユニット３１によって時分割に分離される色のうちの、ある色に注目した場合、式（１）はｋ個のｈについて成立し、式（２）はｎ個のｊについて成立する。従って、式（１）および（２）による条件式は（ｋ＋ｎ）個になる。一方、変数は、Ｓｊがｎ個、T(h,i,j)/T0 が（ｋ＊ｎ）個、ｈがｋ個であるので、合計（ｎ＋（ｋ＊ｎ）＋ｋ）個になる。また、映像信号の階調ビット数ｋおよび輝度フィルターの個数ｎが決まると、式（３）による条件式は１つである。つまり、独立変数の個数は（ｋ＊ｎ）個であり、最低でも２個である。故に、式（１）から（３）を満たす変数の値は必ず存在する。
【００７４】
以上説明した条件において、輝度フィルター切替えによる輝度比を２の整数乗の比とし、かつ、映像信号のどのビットに対してもそのビットを割当てる輝度フィルターは１つのみとしてもよい。この条件を式に表すと、
【００７５】
【数５】
j1 + 1 = j2
1 <=  j1 <  j2 <= n
0 <= Xj1 < Xj2 <= k-1
を満たす整数 j1, j2, Xj1, Xj2 を用いて、
【００７６】
【数６】
0003693959.tif 000002
【００７７】
となる。式（４）および式（５）による条件は式（１）を満たすことは容易にわかる。
【００７８】
次に、この条件が２以上の整数ｋに対して式（３）を満たすことについて説明する。
【００７９】
映像信号の階調がｋビットで輝度フィルターの数がｎ個の場合、式（２）を用いて不等式（３）の左辺を計算すると、
【００８０】
【数７】
0003693959.tif 000003
となる。但し、k1, k2, ..., kn はk1 + k2 + ... kn = k を満たす正の整数である。
【００８１】
式（６）の値を最大にするn, k1, k2, ..., kn の組合せは
n=2, k1=1, k2=k-1
である。このとき式（６）、即ち不等式（３）の左辺はpow(2,k-1)となり、２以上の整数ｋに対して、不等式（３）を満たすことがわかる。
【００８２】
具体例について、図１を参照しながら説明する。例えば、映像信号１０１の階調が８ビットで表現され、色可変フィルターユニット３１によって切替えられる色が３色であり、輝度可変フィルターユニット３２によって輝度が３段階に切替えられるとする。この場合、ｋ＝８、ｍ＝３、ｎ＝３となる。
【００８３】
輝度フィルターＦ１、Ｆ２、Ｆ３の出射光の輝度比を
S1:S2:S3 = 1:4:32
とし、
【００８４】
【数８】
T(0,i,1) = 1*T0, T(0,i,2) = 0*T0, T(0,i,3) = 0*T0
T(1,i,1) = 2*T0, T(1,i,2) = 0*T0, T(1,i,3) = 0*T0
T(2,i,1) = 0*T0, T(2,i,2) = 1*T0, T(2,i,3) = 0*T0
T(3,i,1) = 0*T0, T(3,i,2) = 2*T0, T(3,i,3) = 0*T0
T(4,i,1) = 0*T0, T(4,i,2) = 4*T0, T(4,i,3) = 0*T0
T(5,i,1) = 0*T0, T(5,i,2) = 0*T0, T(5,i,3) = 1*T0
T(6,i,1) = 0*T0, T(6,i,2) = 0*T0, T(6,i,3) = 2*T0
T(7,i,1) = 0*T0, T(7,i,2) = 0*T0, T(7,i,3) = 4*T0
とすると、式（１）の条件は満たされる。また、式(２)より、
Tc(i,1):Tc(i,2):Tc(i,3) = 3:7:7
となる。これは、つまり、定速で回転する輝度ホイール４２上の輝度フィルターＦ１、Ｆ２、Ｆ３の面積比は３：７：７とすればよいことを意味する。この場合の映像信号のフレームの構成を図４に模式的に示す。
【００８５】
図４において、Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３は、図１におけるカラーホイール４１の色フィルタがＧで、かつ、輝度ホイール４２の輝度フィルタがそれぞれＦ１、Ｆ２、Ｆ３である場合を示す。同様に、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３は、カラーホイール４１の色フィルタがＲで、かつ、輝度ホイール４２の輝度フィルタがそれぞれＦ１、Ｆ２、Ｆ３である場合を示し、Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３はカラーホイール４１の色フィルタがＢで、かつ、輝度ホイール４２の輝度フィルタがそれぞれＦ１、Ｆ２、Ｆ３である場合を示す。
【００８６】
上記のような映像信号のフレームの場合、パルス幅変調における最小単位時間は、１フレーム時間／３／(７＋７＋３)となる。これに対して、図６に示した従来のシステムでは、輝度可変フィルターユニット３２が存在しないので、ｎ＝１の場合に相当し、パルス幅変調における最小単位時間は、図９に示したように、１フレーム時間／３／２５５となる。このことから分かるように、本実施形態のディスプレイシステムによれば、パルス幅変調における最小単位時間が従来と比べて飛躍的に長くなり、その分、応答速度の遅い空間光変調器を用いることができる。
【００８７】
さらに、空間光変調器へ変調データを送る際に、パルス幅変調における最小単位時間の間に画素数分のデータを送らなければならないが、従来のシステムでは１画素当たりのデータ転送時間は１フレーム時間／３／２５５／画素数となる。これに対して、上述の本実施形態のディスプレイシステムでは、１フレーム時間／３／(７＋７＋３)／画素数となり、１画素当たりのデータ転送に割当てられる時間が従来のものより長くなり、その結果、電気回路の動作速度を遅くすることが可能となる。このことは、消費電力の低減、部品コストの削減、回路設計コスト削減、信頼性向上に寄与する他、回路設計のマージンを得ることができる。
【００８８】
なお、図１に示したシステムでは、輝度可変フィルターユニット３２は色可変フィルターユニット３１の後に設けられているが、色可変フィルターユニット３１の前に設けてもよい。
【００８９】
また、色可変フィルターユニット３１で切替えられる色は赤色、緑色、青色でなくてもよく、３色でなくてもよい。
【００９０】
さらに、図１の色可変フィルターユニット３１、図３に示した色切替えタイミング情報テーブル６５および色切替え制御回路６８はなくてもよい。
【００９１】
また、本発明は空間光変調器が３枚ある、いわゆる３板式のディスプレイシステムにも適用することが可能である。
【００９２】
また、図１のシステムにおいて、輝度ホイール４２を図５に示すような輝度ホイール４３に置換えてもよい。この輝度ホイール４３は、３つの輝度フィルターＦ１、Ｆ２、Ｆ３が周方向に所定の割合で配置されたものである。各輝度フィルターの割合は、輝度ホイール４２における、輝度フィルターＦ１、Ｆ２、Ｆ３の割合と同じである。この場合は、輝度ホイール４３の回転速度はカラーホイール４１の３倍とすればよい。これにより、カラーホイール４１の各色フィルターに対して輝度ホイール４３が１回転することとなり、上述した輝度切替えと同じ作用を奏する。
【００９３】
さらに、図１における色可変フィルターユニット３１として「２０００年４月、エス・アイ・ディー  '００  ダイジェスト、第３１巻、９２ページ（SID '00 Digest, Vol.31, p.92）」に示されるようなカラースイッチを用いてもよい。この場合は、色切替え制御信号１０４をカラースイッチを制御するための信号とすればよい。
【００９４】
さらに、図１における輝度可変フィルターユニット３２として、ねじれネマティック液晶パネルを用いてもよい。この場合、輝度切替え制御信号１０５はねじれネマティック液晶パネルの透過率を制御するための信号とすればよい。
【００９５】
さらに、図１の輝度ホイール４２は、可視光全域にわたる輝度フィルターで構成されたものに限定されるものではない。例えば、色可変フィルターユニット３１が出射する光の波長域に対する輝度を切替えることができるフィルターを用いることができる。
【００９６】
輝度を可変させる手段として、輝度可変フィルターユニット３２の代わりに、光源自体の輝度を変化させてもよい。つまり、図１のシステムにおいて、輝度可変フィルターユニット３２を削除し、輝度切替え制御信号１０５を、光源１の輝度を制御する回路に入力し、この制御回路にて上述したような輝度制御を行うようにしてもよい。
【００９７】
また、輝度を可変させる手段として、カメラなどでよく知られている絞り機構を利用することも可能である。例えば、図１のシステムにおいて、輝度可変フィルターユニット３２を削除し、投射レンズ３の絞りを変化させることのできる絞り機構を設け、この絞り機構における絞り量を制御する回路に輝度切替え制御信号１０５を入力して、この制御回路にて上述したような輝度制御を行うようにしてもよい。
【００９８】
色を可変させる手段として、色可変フィルターユニット３１を用いる代わりに、発光色の異なる複数の光源を用い、各光源からの光を切替えるようにしてもよい。つまり、図１のシステムにおいて、色可変フィルターユニット３１を削除し、光源１を発光色の異なる複数の光源に置換えて、色切替え制御信号１０４によって光源の切替え制御を行えばよい。
【００９９】
また、各色毎に輝度切替え数が異なるようにしてもよい。例えば、図１のシステムでは、カラーホイール４１の各色フィルターＲ、Ｇ、Ｂに対して、それぞれ３つの輝度フィルターＦ１、Ｆ２、Ｆ３が同じ割合で設けられているが、各色フィルター毎に、輝度フィルターの数が異なるようにしてもよい。
【０１００】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、従来のものと比較して、ホイールの製造工程数を削減することが可能であるので、低コストなディスプレイシステムを提供することができる。
【０１０１】
また、輝度切替えに、液晶パネルによる輝度の切替え、光源の輝度の切替え、投射レンズの絞り量の切替えを適用し、色切替えに、発光色の異なる複数の光源を用いることで、輝度ホイールやカラーホイール自体を用いる必要がなくなるので、制御が容易になるとともに、さらにコストの削減を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態であるディスプレイシステムを示すブロック図である。
【図２】図１に示すディスプレイシステムの輝度ホイール制御回路の一構成例を示すブロック図である。
【図３】図１に示すディスプレイシステムのドライバ回路の一構成例を示すブロック図である。
【図４】図１に示すディスプレイシステムに入力される映像信号のフレームの構成を示す模式図である。
【図５】図１に示すディスプレイシステムに適用される輝度ホイールを示す模式図である。
【図６】特開平１０−７８５５０号公報に記載されているパルス幅変調方式のディスプレイシステムの概略構成を示すブロック図である。
【図７】図６に示すディスプレイシステムのカラーホイール制御回路の一構成例を示すブロック図である。
【図８】図６に示すディスプレイシステムのドライバ回路の一構成例を示すブロック図である。
【図９】図６に示すディスプレイシステムに入力される映像信号のフレームの構成を示す模式図である。
【図１０】特開平9-149350号公報に記載されたシステムに用いられるカラーホイールの模式図である。
【符号の説明】
１  光源
２  空間光変調器
３  投射レンズ
４  スクリーン
１１  モータ
１２  発光素子
１３  受光素子
１４  モータ
１５  発光素子
１６  受光素子
３１  色可変フィルターユニット
３２  輝度可変フィルターユニット
４１  カラーホイール
４２  輝度ホイール
４３  輝度ホイール
４４  カラーホイール
５１  ドライバ回路
５２  ドライバ回路
６１  メモリ回路
６３  書込み制御回路
６４  読出し制御回路
６５  色切替えタイミング情報テーブル
６６  輝度切替えタイミング情報テーブル
６７  ビット割当て情報テーブル
６８  色切替え制御回路
６９  輝度切替え制御回路
８１  カラーホイール制御回路
８２  輝度ホイール制御回路
８３  周波数位相比較器
８４  増幅器
８５  周波数位相比較器
８６  増幅器
１０１  映像信号
１０２  フレーム同期信号
１０３  変調信号
１０４  色切替え制御信号
１０５  輝度切替え制御信号
１１１  モータ制御信号
１１２  カラーホイール位相信号
１１３  モータ制御信号
１１４  輝度ホイール位相信号
【図１】
0003693959.tif 000004
【図２】
0003693959.tif 000005
【図３】
0003693959.tif 000006
【図４】
0003693959.tif 000007
【図５】
0003693959.tif 000008
【図６】
0003693959.tif 000009
【図７】
0003693959.tif 000010
【図８】
0003693959.tif 000011
【図９】
0003693959.tif 000012
【図１０】
0003693959.tif 000013