(57)【要約】【課題】ＤＭＤ素子のマイクロミラーのオン／オフのデューティ比に起因して生じるビット拡散ノイズを解消して、高品質の画像で諧調表示を行う。【解決手段】投射型表示装置は、マイクロミラー１を備えたＤＭＤ素子を有し、光源光をそのＤＭＤ素子に入射させ、反射した光により投射画像を生成して投射レンズ５を介してスクリーン等に投射する。ＤＭＤ素子を構成するマイクロミラー１は、傾斜角が互いに異なる３つの状態Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３を取り得るように構成される。そしてこれら３つの傾斜角の状態のうち、中間の傾斜角度の状態Ｓ３における反射光Ｌ３の光路上に、輝度を減衰させる輝度減衰手段（例えばハーフミラー２）を設ける。そしてこの輝度減衰手段で輝度が減衰された反射光を使用することによって、諧調表示を多値化することにより、ビット拡散ノイズを解消して、高品質の投射画像を得ることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＤＭＤ素子を有し、光源光を前記ＤＭＤ素子に入射させ、該ＤＭＤ素子で反射した光により投射画像を生成するようにした投射型表示装置において、前記ＤＭＤ素子を構成するマイクロミラーは、傾斜角が互いに異なる３つの状態を取り得るように構成され、該３つの傾斜角の状態のうち、中間の傾斜角度の状態における反射光の光路上に輝度を減衰させる輝度減衰手段を設け、該輝度減衰手段で輝度が減衰された光を使用することによって諧調表示を多値化することを特徴とする投射型表示装置。
【請求項２】
請求項１に記載の投射型表示装置において、該投射型表示装置は、光源となるランプと、該ランプから出射した光源光を前記ＤＭＤ素子に集光する光学系と、入力する表示映像信号に応じて前記ＤＭＤ素子のマイクロミラーの傾斜動作を制御するＤＭＤ制御手段と、前記ＤＭＤ素子で反射した反射光を投射する投射光学系とを備えることを特徴とする投射型表示装置。
【請求項３】
請求項２に記載の投射型表示装置において、前記マイクロミラーの傾斜角が互いに異なる３つの状態は、前記マイクロミラーの反射光が前記輝度減衰手段で作用を受けることなく前記投射光学系により投射光として利用される第１の状態と、該マイクロミラーの反射光が前記投射光学系に入射せずに投射光として利用されない第２の状態と、前記マイクロミラーの反射光が前記輝度減衰手段で作用を受けた後前記投射光学系により投射光として利用される第３の状態であることを特徴とする投射型表示装置。
【請求項４】
請求項３に記載の投射型表示装置において、該投射型表示装置は、前記マイクロミラーの前記第２の状態と前記第３の状態とを切り替えながら投射画像を生成する制御と、前記マイクロミラーの前記第１の状態と第２の状態とを切り替えながら投射画像を生成する制御とを実行できることを特徴とする投射型表示装置。
【請求項５】
請求項３または４に記載の投射型表示装置において、該投射型表示装置は、前記マイクロミラーの第１の状態における該マイクロミラーから前記投射光学系までの光路長と、前記マイクロミラーの第３の状態における該マイクロミラーから前記投射光学系までの光路長とを一致させるための光路長調整手段を有することを特徴とする投射型表示装置。
【請求項６】
請求項５に記載の投射型表示装置において、前記光路長調整手段は、該光路長調整手段の屈折率及び／または厚みによって光路長の制御を行うことを特徴とする投射型表示装置。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか１に記載の投射型表示装置において、前記輝度減衰手段は、ハーフミラーまたはＮＤフィルタであることを特徴とする投射型表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、投射型表示装置、より詳細には、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）素子を用いて生成した投射画像光を投射する投射型表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図４は、ＤＭＤ素子を用いた単板式投射型表示装置の一般的な光学系の構成例を示す図で、図中、１０は投射型表示装置、１１はランプ、１２はカラーホイール、１３はロッドレンズ、１４はプリズム、１５はＤＭＤ素子、１６は投射レンズ、１７は映像処理回路、１８はＤＭＤ駆動回路である。
ＤＭＤ素子１５を用いた投射型表示装置１０は、光源となるランプ１１、該ランプ１１からの光をＲＧＢの３原色に時分割するカラーホイール１２、カラーホイール１２から出射した光をプリズム１４の反射面に収束させるロッドレンズ１３、ロッドレンズ１３からの光をＤＭＤ素子１５に反射させるプリズム１４、ＤＭＤ素子１５による反射光をスクリーン等の被投射面に投射する投射レンズ１６とを有している。
【０００３】
ＤＭＤ素子１５は、ピクセルを構成する微小なマイクロミラーを多数（例えば数十万枚）ワンチップに集積し、個々のマイクロミラーを制御して光の反射方向を切り替える。そしてこのときに、マイクロミラーを１秒間に数千回の速度で動作させることによって画像を描く。
また、投射型表示装置１０は、入力された映像信号を処理する映像処理回路１７と、その映像処置回路１７で処理された映像信号に従ってＤＭＤ素子１５の各マイクロミラーを駆動するＤＭＤ駆動回路１８とを有している。
【０００４】
また、カラーホール１２は、ＤＭＤ素子１５に対して３原色に時分割した光を入射させるために使用されるもので、例えば、ランプ１１からの白色光を色分離するための扇型のＲ，Ｇ，Ｂの色分離フィルタによるセグメントを円盤上に順次配置してなり、これを回転させることにより、入射する光源光を時分割でＲ，Ｇ，Ｂに色分離してそれぞれの単色光を順次ＤＭＤ素子１５の表示領域前面に入射させるものである。例えば、フィールドで構成される映像を表示する場合、１枚の画像を表示するにはそれぞれの単色の画像をカラーホイール１２と同期させ、順次Ｒ，Ｇ，Ｂ，Ｒ，Ｇ，Ｂ・・といったように表示していくことで映像表示が実現される。
【０００５】
図５は、ＤＭＤ素子１５の１ピクセルの拡大イメージを示す図で、図中、１はピクセルを構成するマイクロミラーである。ＤＭＤ素子１５は、その各マイクロミラー１のヒンジ部に電圧をかけることで、マイクロミラー１の角度を設定することができる。例えば、図５において、マイクロミラー１の傾斜角度は、Ｓ１とＳ２の状態のいずれかに設定できるものとする。そしてマイクロミラー１がＳ１の状態の場合は、ランプ１１からの入射光Ｉが反射光Ｌ１として反射し、投射レンズ１６を通してスクリーンへ投射されて白が表示される。一方、マイクロミラー１がＳ２の状態の場合は、ランプ１１からの入射光Ｉが反射光Ｌ２として反射し、投射レンズ１６にその反射光Ｌ２が入らないため、スクリーンでは黒が表示される。このときの白表示を行うマイクロミラー１の状態をオン状態といい、黒表示の状態をオフ状態という。
【０００６】
上記のようなＤＭＤ素子を用いた投射型表示装置において、例えば、特許文献１には、入射光を有効にＤＭＤ素子上に集光することで、光利用効率を上げてコントラストを向上させるようにした構成が開示されている。ここでは、ＤＭＤの素子がθだけ傾いた第１の状態と、傾かない第２の状態とをとることができ、第１の状態では、第１の光軸に沿って入射する入射光を第２の光軸に沿って出射させ、第２の状態では、第１の光軸に沿って入射する入射光を、第１の光軸から２θ傾いた第３の光軸に沿って出射させる。そしてマイクロレンズアレイのマイクロレンズの光軸と第１の光軸とのなす角度をθ１、マイクロレンズの光軸と第３の光軸とのなす角度をθ２としたとき、θ１＝θ２＝２θの関係を満足させるようにする。また、第２光軸上で、ＤＭＤ素子の反射面とマイクロレンズアレイのＤＭＤ側の面との距離をｌとしたとき、マイクロレンズの第１、第２、第３の光軸を含む平面上でのピッチｐは、ｐ＝（ｌｔａｎ２θ）／ｎの関係を満足させるようにする。
【０００７】
また特許文献２では、レンズによりカラーホイールからの光を受光して、ＤＭＤの表面へ光を曲げるプリズムの表面にその光を収束させる。そしてこのプリズム面のコリメートレンズにより、ほぼミラーエレメントアレイのサイズのコリメートされた光線が供給される。また、上記レンズとプリズムとの間に光シャッターが配置され、オンオフされてプリズムへ光を送るべきかどうかが決められる。これにより、ＤＭＤのオールオフによる黒色の表示時状態が改善され、表示画像のコントラストが向上する。
【特許文献１】特開平８−１２９１３８号公報
【特許文献２】特開平８−２１９７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ＤＭＤ素子は、そのマイクロミラーの角度を変えることにより映像表示を実現する。このときに、映像の階調表現を行う場合は、マイクロミラーがオン状態にある時間を適宜短時間で変化させるＰＷＭ制御方式を適用する。しかしながら、マイクロミラーのオン／オフのスイッチング速度には限界があり、オン／オフのデューティ比で暗い階調を表現する際に、マイクロミラーのオン／オフの切り替わりが視認できるため、投射画像の品位が悪くなるという問題が生じる。このような画像劣化は、通称、ビット拡散ノイズと称されている。
【０００９】
ＤＭＤ素子による投射型表示装置では、通常、８ｂｉｔの階調表現が可能であるが、上記のようなビット拡散ノイズを緩和するために、カラーホイールにＲＧＢのセグメントの他にＧｒｅｅｎのＮＤフィルタセグメントを追加し、暗部の階調表現の際にはＮＤフィルタセグメントを映像表現に使用することで擬似的に１０ビット化をはかり、暗部のビット拡散ノイズを改善する技術がある。しかしながら、この場合に、カラーホイールに透過率の低いＮＤフィルタのセグメント領域が存在しているため、白のピーク輝度が落ちてしまうという弊害が生じる。
【００１０】
上記特許文献１及び特許文献２では、入射光を有効にＤＭＤ上に集光することで、光利用効率を上げてコントラストを向上させるようにした構成や、レンズとプリズムとの間に配置した光シャッターにより、ＤＭＤのオールオフによる黒色の表示時状態を改善して表示画像のコントラストを向上させるようにした構成が開示されているものの、上記のようなビット拡散ノイズについては、なんら解決策を提示するものではない。
【００１１】
本発明は、上記問題点を鑑みてなされたもので、ＤＭＤ素子のマイクロミラーのオン／オフのデューティ比に起因して生じるビット拡散ノイズを解消して、高品質の画像で諧調表示を行うことができるようにした投射型表示装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、第１の技術手段は、ＤＭＤ素子を有し、光源光をＤＭＤ素子に入射させ、ＤＭＤ素子で反射した光により投射画像を生成するようにした投射型表示装置において、ＤＭＤ素子を構成するマイクロミラーは、傾斜角が互いに異なる３つの状態を取り得るように構成され、３つの傾斜角の状態のうち、中間の傾斜角度の状態における反射光の光路上に輝度を減衰させる輝度減衰手段を設け、輝度減衰手段で輝度が減衰された光を使用することによって諧調表示を多値化することを特徴としたものである。
【００１３】
第２の技術手段は、第１の技術手段において、投射型表示装置が、光源となるランプと、ランプから出射した光源光をＤＭＤ素子に集光する光学系と、入力する表示映像信号に応じてＤＭＤ素子のマイクロミラーの傾斜動作を制御するＤＭＤ制御手段と、ＤＭＤ素子で反射した反射光を投射する投射光学系とを備えることを特徴としたものである。
【００１４】
第３の技術手段は、第２の技術手段において、マイクロミラーの傾斜角が互いに異なる３つの状態は、マイクロミラーの反射光が輝度減衰手段で作用を受けることなく投射光学系により投射光として利用される第１の状態と、マイクロミラーの反射光が投射光学系に入射せずに投射光として利用されない第２の状態と、マイクロミラーの反射光が輝度減衰手段で作用を受けた後投射光学系により投射光として利用される第３の状態であることを特徴としたものである。
【００１５】
第４の技術手段は、第３の技術手段において、投射型表示装置が、マイクロミラーの第２の状態と第３の状態とを切り替えながら投射画像を生成する制御と、マイクロミラーの第１の状態と第２の状態とを切り替えながら投射画像を生成する制御とを実行できることを特徴としたものである。
【００１６】
第５の技術手段は、第３または第４の技術手段において、投射型表示装置が、マイクロミラーの第１の状態におけるマイクロミラーから投射光学系までの光路長と、マイクロミラーの第３の状態におけるマイクロミラーから投射光学系までの光路長とを一致させるための光路長調整手段を有することを特徴としたものである。
【００１７】
第６の技術手段は、第５の技術手段において、光路長調整手段が、光路長調整手段の屈折率及び／または厚みによって光路長の制御を行うことを特徴としたものである。
【００１８】
第７の技術手段は、第１ないし第６のいずれか１の技術手段において、輝度減衰手段が、ハーフミラーまたはＮＤフィルタであることを特徴としたものである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、ＤＭＤ素子を有し、光源光をそのＤＭＤ素子に入射させ、ＤＭＤ素子で反射した光により投射画像を生成するようにした投射型表示装置において、ＤＭＤ素子のマイクロミラーのオン／オフのデューティ比に起因して生じるビット拡散ノイズを解消して、高品質の画像で諧調表示を行うことができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１は、本発明による投射型表示装置の一実施形態である１チップＤＭＤプロジェクタの構成例を説明するための図で、図中、１はＤＭＤ素子のマイクロミラー、２は輝度減衰手段を構成するハーフミラー、３は光路長調整手段を構成するダミーグラス、４はプリズム、５は投射レンズ（投射光学系）である。
マイクロミラー１を備えたＤＭＤ素子に光を入射させる構成は、例えば、上述の図４の構成が適用できる。すなわち、ランプ１１から出射した光源光は、カラーホイール１２でＲＧＢに時分割され、ロッドレンズ１３やプリズム１４等の光学系を介してＤＭＤ素子１５に入射させることができる。
【００２１】
光源であるランプからの光は、投影する映像内容に応じて制御されたＤＭＤ素子のマイクロミラー１で反射され、投射レンズ５（図４の投射レンズ１６に該当する）によってスクリーン等に投射される。そして投射型表示装置は、図４に示したような、入力された映像信号を処理する映像処理回路１７、及び該映像処理回路１７で処理された映像信号に従ってＤＭＤ素子のマイクロミラーを駆動するＤＭＤ駆動回路１８を有し、このＤＭＤ駆動回路１８によって駆動されたＤＭＤ素子のマイクロミラー１によって、投射映像が形成される。これら駆動回路は、入力する表示映像信号に応じてＤＭＤ素子のマイクロミラー１の傾斜動作を制御するＤＭＤ制御手段として機能する。
【００２２】
本実施形態においては、ＤＭＤ素子のマイクロミラー１は、その傾斜角がＳ１の状態，Ｓ２の状態，及びＳ３の状態の３つの状態のいずれかをとる。Ｓ１は本発明の第１の状態に該当し、Ｓ２は本発明の第２の状態に該当し、Ｓ３は本発明の第３の状態に該当する。
Ｓ１の状態とＳ２の状態は、従来例で説明したように、白表示と黒表示をそれぞれ行うための角度位置が設定されたものである。すなわち、ＤＭＤ素子のマイクロミラー１がＳ１の状態の場合は、ランプからの入射光Ｉが反射光Ｌ１として反射し、投射レンズ５を通してスクリーンへ投射されて白が表示される。一方、マイクロミラー１がＳ２の状態の場合は、ランプからの入射光Ｉが反射光Ｌ２として反射し、投射レンズ５にその反射光Ｌ２が入らないため、スクリーンでは黒が表示される。
【００２３】
そして、マイクロミラー１がＳ３の状態のときに、マイクロミラー１から反射する反射光Ｌ３の光路上には、投射画像の輝度を減衰させる輝度減衰手段が設けられる。この輝度減衰手段としては、ＮＤフィルタ、あるいは蒸着膜によるハーフミラー等を用いることができるが、本実施形態では、輝度減衰手段としてハーフミラー２を使用し、反射光の輝度を減衰させる効果を持たせるようにする。すなわち、ＤＭＤ素子のマイクロミラー１がＳ３の角度状態のときに、その反射光Ｌ３の輝度はハーフミラー２で減衰され、プリズム４で反射して投射レンズ５によって投射される。
【００２４】
このときに、ＤＭＤ素子のマイクロミラー１がＳ１の状態とＳ３の状態の映像は、互いに投射位置が合致するように設定される。しかしながら、マイクロミラー１の角度状態がＳ１とＳ３の場合では、その光路長が互いに異なるため、このままではＳ１とＳ３との間で、投射画像のフォーカス調整を一致させることができない。
【００２５】
ここでダミーグラス７は、マイクロミラー１がＳ１の角度状態のときの光路長を、Ｓ３の角度状態のときの光路長に合わせるように配置される。この場合、ダミーグラス７の屈折率及び厚みのいずれかまたは両方を調整することで、Ｓ１とＳ３における投射画像のフォーカス深度を適合させる。
【００２６】
投射型表示装置は、マイクロミラー１のＳ２の角度状態とＳ３の角度状態とを切り替えながら投射画像を生成する制御と、マイクロミラーのＳ１の角度状態とＳ２の角度状態とを切り替えながら投射画像を生成する制御とを行うことができる。また、これらのいずれかの制御を行うかを選択可能にすることもできる。
【００２７】
例えば、ハーフミラー８の反射率が１／８の場合を例にして、投射画像の生成処理について詳細な説明を行う。マイクロミラー１の角度状態Ｓ１をホールドして１００％白の映像を表示し、角度状態Ｓ２をホールドして０％黒の映像を表示する制御を行って、１／１６階調の映像を表現する場合、通常、図２に示すように角度状態Ｓ１と角度状態Ｓ２のデューティ比を１：１５に設定して１／１６の階調を表現する。白１００％の角度状態Ｓ１の時間と、黒０％の角度状態Ｓ２の時間が１：１５であれば、１００×１／１６の時間積分で、見た目の明るさが１／１６になり１／１６階調の映像を表現できる。しかしながら、１：１５のデューティ比では、オフの時間が長くなって、ビット拡散ノイズが目立つようになる。
【００２８】
図３は、マイクロミラーのＳ３の角度状態を利用して諧調表現する制御について説明するための図である。１／８の明るさ（１２.５％）の角度状態Ｓ３と、黒（０％）の角度状態Ｓ２とのデューティ比で１／１６の階調を表現する場合は、１：１のデューティ比で１／８×１／２の時間積分で、見た目の明るさ１／１６を達成できる。ここでは、上記の図２に示すような制御に比べて、オフ時間が短く、また角度状態Ｓ２とＳ３の輝度差が少ないため、ビット拡散ノイズを緩和することができる。
一方、１００％白を表示する場合は、従来と同じく角度状態Ｓ１をホールドすれば輝度の低下を伴わずに同等の明るさを得ることができる。
【００２９】
本実施形態においては、ハーフミラー２の反射率（％）以下の入力信号レベルの時には、マイクロミラー１角度状態Ｓ３とＳ２を用いて階調を表現し、ハーフミラー２の反射率（％）以上の入力信号レベルのときは、角度状態Ｓ１とＳ２を用いて階調を表現するとよい。
なお上記実施例では、輝度減衰手段としてハーフミラー２を用いた例を説明したが、ミラーとＮＤフィルタ等の組み合わせでも同様な効果を得ることができ、本発明は減衰手段を限定するものではない。
【００３０】
なお、ＤＭＤ方式の場合は、角度状態Ｓ２の状態においても僅かな迷光が投射レンズ５に入射してコントラストの低下を引き起こす。本実施形態ではその点に鑑み、ＤＭＤ素子からの反射光の光路上に設ける輝度減衰手段は、マイクロミラーの角度状態Ｓ１と角度状態Ｓ２との中間の角度状態Ｓ３における反射光の光路上に設けるようにする。
【００３１】
また図１では説明の簡略化のため、投射レンズ５を１ユニットとして扱い、光路も簡略化して説明しているが、通常投射レンズ５は複数枚のレンズで構成され、ズーム機能の付与、フォーカス機能の付与、その他の光学補正等の目的に応じてその構成が異なる。従って本発明は投射レンズ５の構成を限定するものではない。
また、上記実施例ではプリズム４を用いて、減衰光と非減衰光との光路を制御しているが、光路の制御手段としては様々な手法を適用することができ、本発明はその構成を限定するものではない。同様に、上記実施例の構成の他に、レンズの構成が異なったり、ミラーを用いる光学構造も適用できるため、本発明はその光学系を限定するものではない。
【００３２】
さらに、上記実施例ではカラーホイールを用いた単板式ＤＭＤ方式で説明したが、本発明はその構成を限定するものではなく、２チップ方式、３チップ方式の投射型表示装置においても本発明を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明による投射型表示装置の一実施形態である１チップＤＭＤプロジェクタの構成例を説明するための図である。
【図２】マイクロミラーの角度状態Ｓ１（第１の状態）と角度状態Ｓ２（第２の状態）のデューティ比を１：１５に設定して１／１６の階調を表現する例を説明するための図である。
【図３】マイクロミラーの角度状態Ｓ３（第３の状態）を利用して諧調表現する制御例について説明するための図である。
【図４】ＤＭＤ素子を用いた単板式投射型表示装置の一般的な光学系の構成例を示す図である。
【図５】ＤＭＤ素子の１ピクセルの拡大イメージを示す図である。
【符号の説明】
【００３４】
１…マイクロミラー、２…ハーフミラー、３…ダミーグラス、４…プリズム、５…投射レンズ、７…ダミーグラス、８…ハーフミラー、１０…投射型表示装置、１１…ランプ、１２…カラーホイール、１３…ロッドレンズ、１４…プリズム、１５…ＤＭＤ素子、１６…投射レンズ、１７…映像処理回路、１８…ＤＭＤ駆動回路。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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