JP2002278516A - 空間光変調装置及び空間光変調方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】少ないサブフレーム数で高階調性の空間光変調
するときに、高い光源利用効率を実現するとともに階調
性再現の信頼性を向上させる。 【解決手段】光源３４からの照射光を変調するときに、
光源制御部４０は、単一の空間光情報が積算的に空間光
変調される単位時間を１フィールドとし、１フィールド
のサブフィールド数をｎとしたとき、１フィールドの期
間でｍ／ｎ≦０．５となる範囲で光源の照射光量を、照
射光量の最大値Ｅmaxと、照射光量の最大値Ｅmaxに対し
て実質的にＥmax＝Ｅmin×２^ｍ−１（ｍは整数、ｍ≧
１）となる光源の照射光量の最小単位値Ｅminとの間で
可変段数ｍ毎に可変するとともに照射タイミングを制御
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】この発明は、光情報処理装置や光情報通信
装置，光情報記憶装置，光情報出力装置，画像表示装置
及び拡大観察装置や拡大投影装置等の映像装置に利用さ
れる空間光変調装置及び空間光変調方法、特に光源から
照射する光の利用効率の向上と階調性再現の信頼性の向
上に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】微小ミラーからなるオンオフ型の空間光
変調素子を用いて画像データの画素毎の階調に応じて光
源からの光を光強度変調して階調表現するとき、通常
は、一定光強度の光源を用い、オンオフ型の空間光変調
素子を時間分割したパルス幅変調による方法が用いられ
ている。この階調表現方法の場合には、フレームを６４
分割した６４ビットフレームでしか６４階調を表示でき
ない。この階調表現方法に対して例えば特開平７−２１
２６８６号公報に開示された階調表現方法は、図８に示
すように、光源から照射する光の強度を最小の明るさの
１，２，４，８，１６，３２倍のように２の累乗に選定
し、この光の強度で等間隔に光源を制御し、この光強度
に同期させてデータの階調数に応じて画素の微小ミラー
のビット状態Ｄ５，Ｄ４，Ｄ３，Ｄ２，Ｄ１を制御する
ことにより、６４階調表示を１フィールドに相当する１
フレームを６分割した６ビットフレームすなわち６つの
サブフィールドで表示して、ビットフレーム数を大幅に
低減するようにしている。

【０００３】また、光強度がアナログ的に変化する光源
に対してオンオフ型の空間光変調素子を用いて階調表現
する場合は、図９に示すように、Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ
４，Ｄ５の各ビットに割り当てられる照射光量、すなわ
ち各時間間隔における光強度の積分値が１，２，…、３
２倍になるように時間間隔を決めている。このため、各
ビットは実質的な照射光量のステップを有し、かつ、こ
のステップで１フレーム内に実質的に変化している。し
たがってデジタル的な光強度で空間光変調することがで
きる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図８に
示す階調表示方法では、光源から照射する光の最大の光
強度が最小の光強度の３２倍であり、この最大の光強度
を６ビットフレームの全期間で空間光変調素子に入射し
たとすると、３２×６＝１９２（倍×ビットフレーム）
の照射光量となるのに対して、実際に有効な光強度は、
３２＋１６＋８＋４＋２＋１＝６３（倍×ビットフレー
ム）の照射光量であり、６３／１９２＝０．３２８の光
源利用効率となってしまう。このため、パルス幅変調に
よる階調表示方法と比べて約３倍の照明光量を有する光
源が必要となる。これは単にＬＥＤやＬＤ等の固体光源
の大きさを増加させるだけでなく、大きな面積の光源か
らの光を空間光変調素子に入射させる照明光学系も必要
となり、光源と照明光学系のコストが増加することにな
る。

【０００５】また、実際のフルカラー表示として好まし
くは６４階調、より好ましくは２５６階調が必要である
が、図８における光源から照射する光の最大の光強度の
３２倍強度は６４階調に相当し、より好ましい２５６階
調にすると、光源利用効率は、０．２４９とさらに低下
してしまう。小型の画像表示装置では、照明光量の絶対
値が小さいために、光源利用効率は小さくても良いが、
大型の画像表示装置でフルカラー表示を行う場合に、光
強度を変化することのできる光源は高価で、かつ、１つ
当たりの照明光量の絶対値が小さいＬＥＤやＬＤである
ため、実用的なものにするには、光源利用効率を前記値
より少なくとも１．５倍に相当する０．５以上、好まし
くは２倍の０．６以上にすることが必要である。

【０００６】また、図９に示す階調表現方法では、正弦
波的に光強度が変化するため光源利用効率が最大でも約
０．５であり、パルス幅変調による階調表示方法と比べ
て約２倍の照明光量を有する光源が必要となり、前記と
同様に光源利用効率が低くなってしまうという短所があ
る。

【０００７】この発明は係る短所を改善し、少ないサブ
フレーム数で高階調性の空間光変調するときに、高い光
源利用効率を実現するとともに階調性再現の信頼性に優
れた空間光変調装置と空間光変調方法を提供することを
目的とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明に係る空間光変
調装置は、光源の照射光量の最大値Ｅmaxと、照射光量
の最大値Ｅmaxに対して実質的にＥmax＝Ｅmin×２
^ｍ−１（ｍは整数、ｍ≧１）となる光源の照射光量の最
小単位値Ｅminとの間で可変段数ｍ毎に光源の照射光量
を可変する照射光量制御手段と、単一の空間光情報が積
算的に空間光変調される単位時間を１フィールドとし、
１フィールドのサブフィールド数をｎとしたとき、１フ
ィールドの期間でｍ／ｎ≦０．５となる範囲で光源の照
射光量を可変するとともに照射タイミングを制御する照
射タイミング制御手段とを有することを特徴とする。

【０００９】この発明に係る第２の空間光変調装置は、
光源の照射光量の最大値Ｅmaxと、照射光量の最大値Ｅm
axに対して実質的にＥmax＝Ｅmin×２^ｍ−１（ｍは整
数、ｍ≧１）となる光源の照射光量の最小単位値Ｅmin
との間で可変段数ｍ毎に光源の照射光量を可変する照射
光量制御手段と、単一の空間光情報が積算的に空間光変
調される単位時間Ｔｆを１フィールドとし、１フィール
ドの期間に光源の照射光量が最小値minと最大値Ｅmaxと
の間で変化する実質的な期間をＴｇとし、１フィールド
の期間でＴｇ／Ｔｆ≦０．５となる範囲で光源の照射光
量を可変するとともに照射タイミングを制御する照射タ
イミング制御手段を有することを特徴とする。

【００１０】この発明に係る第３の空間光変調装置は、
２^ｘ階調（ｘは整数、ｘ≧０）に空間光変調するとき
に、単一の空間光情報が積算的に空間光変調される単位
時間を１フィールドとし、１フィールドのサブフィール
ド数をｎとしたとき、１フィールドの期間でｍ／ｎ≦
０．５及びｎ≧（ｘ＋４）と（ｘ−２）≧ｍの範囲で光
源の照射光量を、照射光量の最大値Ｅmaxと、照射光量
の最大値Ｅmaxに対して実質的にＥmax＝Ｅmin×２
^ｍ−１（ｍは整数、ｍ≧１）となる照射光量の最小単位
値Ｅminとの間で可変段数ｍ毎に可変するとともに照射
タイミングを制御することを特徴とする。

【００１１】この発明に係る第４の空間光変調装置は、
ほぼ６４階調に空間光変調するときに、単一の空間光情
報が積算的に空間光変調される単位時間を１フィールド
とし、１フィールドのサブフィールド数をｎとしたと
き、１フィールドの期間でｍ／ｎ≦０．５及びｎ≧１７
の範囲で光源の照射光量を、照射光量の最大値Ｅmax
と、照射光量の最大値Ｅmaxに対して実質的にＥmax＝Ｅ
min×２^ｍ−１（ｍは整数、ｍ≧１）となる照射光量の
最小単位値Ｅminとの間で可変段数ｍ毎に可変するとと
もに照射タイミングを制御することを特徴とする。

【００１２】この発明に係る第５の空間光変調装置は、
ほぼ２５６階調に空間光変調するときに、単一の空間光
情報が積算的に空間光変調される単位時間を１フィール
ドとし、１フィールドのサブフィールド数をｎとしたと
き、１フィールドの期間でｍ／ｎ≦０．５及びｎ≧１９
の範囲で光源の照射光量を、照射光量の最大値Ｅmax
と、照射光量の最大値Ｅmaxに対して実質的にＥmax＝Ｅ
min×２^ｍ−１（ｍは整数、ｍ≧１）となる照射光量の
最小単位値Ｅminとの間で可変段数ｍ毎に可変するとと
もに照射タイミングを制御することを特徴とする。

【００１３】この発明に係る空間光変調方法は、単一の
空間光情報が積算的に空間光変調される単位時間を１フ
ィールドとし、１フィールドのサブフィールド数をｎと
したとき、１フィールドの期間でｍ／ｎ≦０．５となる
範囲で光源の照射光量を、照射光量の最大値Ｅmaxと、
照射光量の最大値Ｅmaxに対して実質的にＥmax＝Ｅmin
×２^ｍ−１（ｍは整数、ｍ≧１）となる照射光量の最小
単位値Ｅminとの間で可変段数ｍ毎に可変するとともに
照射タイミングを制御することを特徴とする。

【００１４】この発明の第２の空間光変調方法は、単一
の空間光情報が積算的に空間光変調される単位時間Ｔｆ
を１フィールドとし、１フィールドの期間に光源の照射
光量が最小値minと最大値Ｅmaxとの間で変化する実質的
な期間をＴｇとし、１フィールドの期間でＴｇ／Ｔｆ≦
０．５となる範囲で光源の照射光量を、照射光量の最大
値Ｅmaxと、照射光量の最大値Ｅmaxに対して実質的にＥ
max＝Ｅmin×２^ｍ−１（ｍは整数、ｍ≧１）となる照射
光量の最小単位値Ｅminとの間で可変するとともに照射
タイミングを制御することを特徴とする。

【００１５】

【発明の実施の形態】この発明の空間光変調装置は、照
射光量が可変可能な光源と、照射光学系と、空間光変調
手段と、画像情報を入力して装置全体の動作を制御する
制御部と、光源の照射光量を可変する光源制御部及び空
間光変調手段制御部を有する。制御部は入力した画像情
報に応じて空間光情報を光源制御部に送り制御するとと
もに、これと同期して空間光変調手段制御部を制御す
る。光源制御部により照射光量が可変される光源から照
射された光は照射光学系を通り空間光変調手段に照射さ
れる。空間光変調手段に照射された光は、空間光変調手
段を通るときに空間光変調されて出射する。

【００１６】この光源からの照射光を変調するときに、
光源制御部は、単一の空間光情報が積算的に空間光変調
される単位時間を１フィールドとし、１フィールドのサ
ブフィールド数をｎとしたとき、１フィールドの期間で
ｍ／ｎ≦０．５となる範囲で光源の照射光量を、照射光
量の最大値Ｅmaxと、照射光量の最大値Ｅmaxに対して実
質的にＥmax＝Ｅmin×２^ｍ−１（ｍは整数、ｍ≧１）と
なる光源の照射光量の最小単位値Ｅminとの間で可変段
数ｍ毎に可変するとともに照射タイミングを制御して、
高い光源利用効率を実現する。

【００１７】

【実施例】図１はこの発明の一実施例の映像装置の構成
図である。図に示すように、映像装置３０は、空間光変
調装置３１と投影レンズ３２と拡散スクリーン３３を有
する。空間光変調装置３１は、照射光量が可変可能な例
えばＬＥＤアレイ等からなる光源３４と集光レンズ３５
とガラス柱３６と照射用レンズ３７及び空間光変調手段
３８とを有する光学系と、映像情報を入力して空間光変
調装置３１全体の動作を制御する制御部３９と、光源制
御部４０と、空間光変調手段制御部４１を有する。

【００１８】光源制御部４０は、図２のブロック図に示
すように、照射光量制御部４２と照射タイミング制御部
４３と電源４４と光強度検出部４５と照射状態フィード
バック部４６を有する。照射光量制御部４２は光源３４
から照射する光の光量、すなわち光強度を可変制御す
る。照射タイミング制御部４３は、入力した映像情報に
より制御部３９から送られる信号により光強度を変える
タイミングを制御する。電源４４は照射光量制御部４２
で可変した光強度に応じて光源３４を発光させる。この
光源３４から照射する光の強度を光強度検出部４５で検
出し、照射状態フィードバック部４６は検出した光強度
信号を照射光量制御部４２に送りフィードバック制御す
る。

【００１９】この映像装置３０の制御部３９は入力した
映像情報に応じて空間光情報を光源制御部４１に送り制
御するとともに、これと同期して空間光変調手段制御部
４１を制御する。光源制御部４１で照射光量を可変する
光源３４から照射された光は集光レンズ３５で集光され
てガラス柱３６に入射し、ガラス柱３６を通って出射さ
れた光は照射用レンズ３７により空間光変調手段３２に
照射される。空間光変調手段３２に照射された光は、空
間光変調手段３２を通るときに空間光変調され、空間長
変調された光は投影レンズ３２によって拡散スクリーン
３３に拡大投射されて映像を形成する。

【００２０】光源制御部４０の照射光量制御部４２は、
光源３４の照射光量の最大値Ｅmaxと、照射光量の最大
値Ｅmaxに対して実質的にＥmax＝Ｅmin×２^ｍ−１（ｍ
は整数、ｍ≧１）となる光源の照射光量の最小単位値Ｅ
minとの間で可変段数ｍ毎に光源３４の照射光量を可変
する。照射タイミング制御部４３は、単一の空間光情報
が積算的に空間光変調される単位時間を１フィールドと
し、１フィールドのサブフィールド数をｎとしたとき、
１フィールドの期間でｍ／ｎ≦０．５となる範囲で光源
の照射光量を可変するとともに照射タイミングを制御す
る。

【００２１】上記のように構成した空間光変調装置３１
で入力した映像情報の空間光変調動作を、図３（ａ）の
光源３４から照射する光の照射光量の変化と（ｂ）の照
射光が照射された空間光変調手段３８の動作を示す模式
図を参照して説明する。図３において（ａ）の縦軸は光
源３４から照射する照射光量の可変倍率２^ｍ−１を示
し、横軸の１１ａ，１１ｂは、それぞれ積算的に空間光
変調する基本単位となるフィールドを示し、１１ａは第
１フィールド、１１ｂは第２フィールドであり、１ａ，
２ａ〜１０ａ及び１ｂ，２ｂ〜１０ｂは、それぞれの第
１フィールド１１ａと第２フィールド１１ｂを構成する
サブフィールドである。また、２２ａ，２２ｂは、それ
ぞれのフィールドにおいて、光源３４の照射光量が最大
値Ｅmaxから最小値Ｅminまでｍ段階で変化するサブフィ
ールドを示す。（ｂ）の１Ａ，２Ａ〜１０Ａ及び２Ｂ，
４Ｂ、７Ｂ，１０Ｂは、それぞれのサブフィールドに対
して同期して動作する空間光変調手段３８の変調率を示
す。このときの照射光量の可変段数ｍはサブフィールド
数ｎと一致するときに完全に指数的に変化する光強度か
らなる状態となることを基準とした。

【００２２】図３において、サブフィールド数ｎ＝１０
であり、照射光量の可変倍率２^{ｍ− １}＝１６＝２^４より
可変段数ｍ＝４＋１＝５であり、ｍ／ｎ＝０．５≦０．
５である。このとき、第１フィールド１１ａは最大光量
で空間光変調する場合であり、１６×６＋８＋４＋２＋
１＝１１１より、１１２階調の空間光変調が可能であ
る。このときの光源利用効率η＝１１１／（１６×１
０）＝０．６９４であり、ｎ＝１０のときにサブフィー
ルドをすべて光強度を変化させた場合の光源利用効率
０．２０と比較して約３．５倍大きくすることができ
る。さらに、１１２階調よりかなり小さい階調の６４階
調の場合に、ｎ＝６としてサブフィールドをすべて光強
度が変化させたと場合の光源利用効率０．３２８と比較
しても２倍以上も大きい。したがって光源３４を小型化
して光源３４や照明光学系のコストを低減できるととも
に装置全体を小型化することができる。

【００２３】この空間光変調装置３０で最大値以外の階
調で空間光変調する場合には、光源３４の照射タイミン
グに同期して空間光変調手段３８を動作させる必要であ
る。第１フィールド１１ａは１１２階調として最小光量
の１１２倍の最大光量を空間光変調した場合を示すが、
空間光変調手段３８の動作と組み合わせることにより、
６４階調として最小光量の６３倍の照射光量を空間光変
調することも、単に空間光変調器手段３８の動作を変更
すれば良いだけなので非常に容易に変更できる。また、
このままで１１２階調より大きい１２８階調にすること
はできないので、通常の２の累乗を基本とする階調デー
タに対しては、６４階調制御が好ましい場合がある。例
えば第２フィールド１１ｂは空間光変調手段３８を適切
に動作させることにより、１６＋１６＋８＋１＝４１よ
り最小光量の４１倍の照射光量を空間光変調している例
である。このように空間光変調手段３８を適切に動作さ
せることにより、照射光量が高精度で再現性のある６４
階調制御をすることができる。

【００２４】また、この場合のサブフィールド数ｎ＝１
０と小さいのにも係わらず、通常のパルス幅階調をした
場合に１０階調しかできないことと比較して、１０倍以
上の階調がある。したがって空間光変調手段３８として
比較的応答速度の遅い空間光変調素子を用いた場合にお
いても、光源利用効率の低下を減少しながら、高い階調
を実現することができる。また、これらの階調性は空間
光変調手段３８が「０」か「１」の２値を取り得るデジ
タル的階調を用いて構成できるので、ＴＦＴ素子やＣＭ
ＯＯＳ素子によるＴＮ液晶等のアナログ階調と比較し
て、階調性の再現性に優れており信頼性を向上すること
ができる。

【００２５】また、これらの照射光量の可変状態は、図
３の形状に限定されるものでなく、基本単位のフィール
ドの内において、光強度が最初に増加して最大値なって
から一定となっても良く、離散的に最大値のサブフィー
ルドが存在しても、複数のフィールドが混合されていて
良く、さらには別の光源の種類のフィールドが混合され
ていても良い。また、照射光量は光強度を可変とするの
ではなく、光強度を一定として照射光のパルス幅で可変
としても構わない。

【００２６】上記実施例は光源３４の照射光量を階段的
に変化させた場合について説明したが、図４の模式図に
示すように、光源３４の照射光量をアナログ的に変化さ
せても良い。図４において（ａ）の縦軸は光源３４から
照射する照射光量の可変倍率２^ｍ−１を示し、横軸の１
１ｃは、積算的に空間光変調する基本単位となるフィー
ルドを示し、１ｃ，２ｃ〜１０ｃはフィールド１１ｃを
構成するサブフィールド、２２ｃはフィールド１１ｃに
おいて、光源３４の照射光量がＥmaxからＥminまで変化
するサブフィールドを示す。（ｂ）の２Ｃ，４Ｃ，７
Ｃ，１０Ｃはサブフィールドに対して同期して動作する
空間光変調手段３８の変調率を示す。

【００２７】図４において、サブフィールド数ｎ＝１０
であり、１６＝２^４よりｍ＝４＋１＝５であり、ｍ／ｎ
＝０．５≦０．５である。このときフィールド１１ｃ
は、空間光変調装置として最大光量を変調する場合であ
り、実効的な照射光量を、説明の簡略化のためサブフィ
ールドの中心時間での光強度の最大値でサブフィールド
の照射光量を代表して用いると、１６×６＋８＋４＋２
＋１＝１１１より、１１２階調の空間光変調が可能であ
る。このときの光源利用効率η＝１１１／（１６×１
０）＝０．６９４であり、光源利用効率ηを向上させる
ことができる。但し、この場合の実際の平均的な照射光
量は、サブフィールドの中心時間の最大値とは照射光量
が最小値に近付くほど異なってくるので、実際の階調性
は１１２階調はない。このため、実際にはサブフィール
ドの期間に対応して照射光量の可変プロファイルを決定
する必要がある。

【００２８】また、光源３４の照射光量をアナログ的に
変化させる空間光変調装置３１で最大値以外の階調で空
間光変調する場合には、光源３４の照射タイミングに同
期して空間光変調手段３８を動作することが必要であ
る。説明の簡略化のためサブフィールドの中心時間での
照射光量の最大値でサブフィールドの照射光量を代表し
て用いると、フィールド１１ｃは１１２階調として空間
光変調する最大光量は最小光量の１１２倍であるが、空
間光変調手段３８の動作と組み合わせることにより、６
４階調として最小光量の６３倍の照射光量を空間光変調
することは、単に空間光変調器手段３８の動作を変更す
ればよいだけなので非常に容易に変更できる。この場合
もこのままで１１２階調より大きい１２８階調にするこ
とはできないので、２の累乗を基本とする階調データに
対しては、６４階調制御が好ましい。また、図４におい
て、４１倍の照射光量に制御する場合は、図３の第２フ
ィールド１１ｂの場合と同様である。

【００２９】また、光源３４の照射光量をアナログ的に
変化させるために、空間光変調手段３８の動作を照射光
量と高精度に同期する必要がある。この同期にずれがあ
ると、空間光変調する光の階調誤差となって映像品質が
大きく低下する。また、空間光変調素子の変調に時間的
な不均一であると、これも大きく影響しやすい。これは
照射光量の大きく変化し続ける期間が存在するからで、
これは図４における最大値から最小値へ照射光量が変化
する場合の初期、すなわちのサブフレーム６ｃ，７ｃの
期間に相当する。

【００３０】図５，図６は図３の模式図に示す空間光変
調動作を行う空間光変調装置３１において、４≦ｎ≦２
０の場合におけるｍ／ｎ値と光源利用効率ηとの関係を
示し、図５は全データを一覧で示したものであり、図６
は図５の左上の１／４の部分を拡大して示したものであ
る。図に示す光源利用効率ηの変化特性は、ｍ≦ｎ（た
だし、ｍは整数、ｍ≧０）の範囲内で、ｍを変化させた
値をプロットしてこれを直線で結んだものである。これ
らの値は、以下のようにして空間光変調装置３１に対し
て求めた。基本単位のフィールドがｎ個のサブフィール
ドを有し、照明光量が、最大値Ｅmaxに対してＥmax＝Ｅ
min×２^ｍ−１と可変可能であるとし、光源利用効率η
の基準として、その最大値にすべてのサブフィールドで
パルス幅変調を行った場合の、照射光量の階調２^ｍ＋１
をもとにＰ＝２^ｍ＋１×ｎとし、ｍが変化した場合の最
大可能な利用効率の階調Ｃ＝（２^ｍ＋１×（ｎ−（ｍ＋
１）＋１）―１）とし、η＝Ｃ／Ｐとした。このとき
の、各サブフィールド数ｎ毎の光源利用効率ηの変化特
性は上に少し凸形状の折れ線を描くことがわかる。

【００３１】図５において、η＝１付近で光源利用効率
ηの変化特性が水平方向に直線状に配列しており、これ
はｍ＝１の場合、すなわちパルス幅変調のみの場合に相
当する。このパルス幅変調のみの場合に対して、照明光
量が２つの異なる部分を含むｍ＝２の場合には、ｍ＝１
の配列の付近でかつ下に、少し右下がりに傾いて、それ
ぞれの直線と交差する形でプロットが直線状に配列して
いる。以下、ｍ＝３以上のときはこれと同様に、順にそ
れぞれ、ｍ−１の配列の付近でかつその下に、だんだん
右下がりの傾きが大きくなりながら、それぞれの直線と
交差する形でプロットが直線状に配列している。これら
の、同じｍ同士の直線的な配列は、ｎが少ないとき限ら
ず、図６から判るように、ｎが大きな２０の場合でも同
様に存在している。これはｍが一定であると、ｍ／ｎ値
と光源利用効率ηは直線的に変化することを示す。

【００３２】また、図５に示すように、ｎ数を増加する
ほど、光源利用効率ηが大きく低下することがわかる。
この絶対値は、マルチカラーとしての１６階調以下の場
合には、最低でも０．４６９と約１／２であるのに対
し、フルカラーとして実際に使用されている６４階調、
２５６階調では、それぞれ光源効率の最低値は０．３３
４，０．２４９と１／３以下になり、小型のヘッドマウ
ンテッドディスプレイ等以外には、実用性が乏しい光源
利用効率である。これらの光源利用効率は、２０型以上
の大型映像装置に非常に重要な要素であり、光源だけで
３倍の余裕を確保することは、これにさらに光利用効率
を乗ずることを考えると、実用性を全く想定できない。
しかしながら、図５において、ｍ／ｎ≦０．５のときに
は光源利用効率ηが０．６以上を実現できることがわか
る。しかも、この最低値のとき、すなわちｍ／ｎ＝０．
５及びｎ＝２０とき、空間光変調装置３１の階調は１画
素単色「４０９６０」という１５〜１６ビット階調に相
当する非常に大きい階調を実現することができる。１６
ビット階調は超高階調の１つの目安の数であり、通常の
光情報検出装置では冷却機構を設けて実現するほどの階
調であるが、これ相当する空間光変調装置３１を実現す
ることができる。さらに高階調化のために、ｎ数を無限
大に近づけた場合においても、これらの直線は（ｍ／
ｎ、η）が（０，１）と（１，０）を結ぶ直線よりも左
下にはならないので、光利用効率は理論的に０．５以上
になる。これは、ｍ／ｎ≦０．５の条件を維持しながら
光源３４の照射光量と空間光変調手段３８の制御を行う
ことにより、如何なる場合に置いても、光源利用効率η
が２分の１となる０．５以上を確保できることを示し、
このため２倍程度の光源３４を確保するだけで良い。

【００３３】図７は、図５の値に対して、空間光変調装
置３１の階調に着目して、ｍ／ｎ値と正規化した光利用
効率η／η（ｎ＝ｍ）との関係を示す。図７において、
各変化特性は上から順々に２５６階調と１２８階調と６
４階調を確保できるｎとｍの組み合わせ（但し、同じｎ
で異なるｍが２つ以上ある場合には、ｍは最小の値）に
関して、プロットしてこれを直線で結んだものである。
具体的には、例えば図７で６４階調を確保できるｎとｍ
の組み合わせとは、６４階調から１２７階調の範囲にあ
る組み合わせである。これは、通常の画像表示が２の指
数を基本とする階調で処理、ランク分けせれることに基
づく。また、ここでの正規化光源利用率η／η（ｎ＝
ｍ）とは、ｍ＝ｎ、すなわちｎ／ｍ＝１の場合の光源利
用効率ηを１としたときの相対比である。

【００３４】図７において各プロットは図５の場合と比
較して、離散的に集団を形成している。これは通常の階
調が２の累乗の階調を基本としてデータの入力、演算、
転送、出力されている場合が多いのに対し、図５の各プ
ロットは、例えば６４階調と１２８階調の間のいろいろ
な階調が、最大値として可能な階調となることに基づ
く。このため、図３においてｎ＝９で、ｍ＝５では９６
階調可能であるにもかかわらず、これを通常の階調数に
合わせて６４階調として使用するならば、３２階調分も
無駄が生じる。しかし、ｎ＝１０にすると、ｍ＝４で正
確に６４階調可能となり無駄がなくなる。図５でわかる
ように、ｍ＝５であったものが、ｍ＝４でよいとなる
と、同じｍの値の配列を１つ上へシフトした状態となる
ので、光源利用効率が直線的ではなくステップ的に増加
することができる。

【００３５】また、図７から明らかなように、フルカラ
ーに好ましい６４階調、１２８階調、２５６階調におけ
るステップ的な光源利用効率の増加は、ｍ／ｎ≦０．５
のときに、ｎ＝ｍの状態から２ステップ存在している。
このため、フルカラー表示のような高階調の場合には、
ｍ／ｎ≦０．５であることにより、光源利用効率を確実
に５０％以上の実用レベルにすることができる。この２
ステップ分は、フルカラーに好ましい６４階調、１２８
階調、２５６階調の場合において、ｍ＝ｎの状態からｎ
を１つづつ増加させていった場合に、いずれも、共通で
４つめで生じることが図７からわかる。このため、２^ｘ
階調に空間光変調したい場合には、ｎ≧（ｘ＋４）及び
（ｘ−２）≧ｍの範囲で照射光量を可変することによ
り、光源利用効率を２ステップすなわち２つ分のｍの減
少に相当する分だけ大きくすることができる。

【００３６】また、ｎを増加したときに、このステップ
的な光源利用効率の増加が生じたプロットに相当するｍ
とｎで光源３４の照射光量と空間光変調手段３８の制御
を行うことにより、ｎの無駄をなくすることができる。
もちろん、さらにｎを１、２，３と増加した場合にも、
次のステップ的増加が生じなかったとしても、そのｎと
ｍに応じた階調にすることにより、光源利用効率は増加
する。ただし、通常の例えば図３の場合に、最大値とし
て１１２階調できるのに、１２８階調未満であるので６
４階調表示を行うと、６４／１１２＝０．５７１であ
り、結果として、６３／１６０＝０．３９４の光利用効
率となってしまうので、そのｎとｍに応じた最大の階調
にすることにより光源利用効率を増加することが好まし
い。

【００３７】上記の２ステップ分の増加により、十分に
実用的な光源利用効率にすることができるが、サブフィ
ールド数に余裕がある場合には、ｍ＝ｎの状態からから
ｎを１つづつ増加させていった場合に、図７に示すよう
に、いずれも共通に１１個めで３ステップめの増加が生
じる。このため、２^ｘ階調に空間光変調したい場合に
は、ｎ≧（ｘ＋１１）と（ｘ−３）≧ｍの範囲で照射光
量を可変することにより、光源利用効率を３ステップ、
つまりは３つ分のｍの減少に相当する分だけ大きくする
ことができ、このときの、正規化光源利用効率は約３倍
と非常に大き苦することができる。

【００３８】より具体的には、図６と図７からわかるよ
うに、フルカラーに必要な６４階調と２５６階調の場合
に、それぞれ、ｎ＞１７とｎ＞１９にすることにより、
０．９以上と０．８以上の非常に大きい光源利用効率を
得ることができる。この光源利用効率の低下が２０％以
内であると、この損失自体は他の光学部品の光学設計で
吸収できる範囲であり、照明最大光量はパルス変調と同
じ量で良くなる。また、光源利用効率の低下が１０％以
内であると、この損失自体を他の光学部品で吸収しなく
ても良い範囲であり、照明最大光量および照明光学系
は、パルス変調と同じ量で良くなる。また、例えば、２
５６階調においては、サブイールド数が２０であり、従
来の２０／２５６＝０．０７８と１桁以上小さく、この
ため空間光変調手段３８の応答速度が１０倍以上遅いも
のを使用することもできる。

【００３９】図４に示すように、光源３４の光強度をア
ナログ的に可変して空間光変調を行う場合も、図５、図
６及び図７と同様に、１フィールド１１ｃの期間をＴｆ
とし、光源３４の照射光量がＥmaxからＥminまで変化す
るサブフィールド２２ｃの期間をＴｇとし、Ｔｇ／Ｔｆ
≦０．５とすることにより、高階調の場合においても光
源利用効率を０．５以上にすることができる。

【００４０】前記実施例は空間光変調装置３１を映像装
置に適用した場合について説明したが、光情報処理装置
や光情報通信装置，光情報記憶装置，光情報出力装置，
画像表示装置に適用することにより階調性に優れた画像
等を安定して形成したり処理することができる。

【００４１】

【発明の効果】この発明は以上説明したように、単一の
空間光情報が積算的に空間光変調される単位時間を１フ
ィールドとし、１フィールドのサブフィールド数をｎと
したとき、１フィールドの期間でｍ／ｎ≦０．５となる
範囲で光源の照射光量を、照射光量の最大値Ｅmaxと、
照射光量の最大値Ｅmaxに対して実質的にＥmax＝Ｅmin
×２^ｍ−１（ｍは整数、ｍ≧１）となる光源の照射光量
の最小単位値Ｅminとの間で可変段数ｍ毎に可変すると
ともに照射タイミングを制御することにより、光源の利
用効率を高めることができる。したがって光源を小型化
して光源や照明光学系のコストを低減できるとともに装
置全体を小型化することができるとともに階調性再現の
信頼性を向上することができる。

【００４２】また、単一の空間光情報が積算的に空間光
変調される単位時間Ｔｆを１フィールドとし、１フィー
ルドの期間に光源の照射光量が最小値minと最大値Ｅmax
との間で変化する実質的な期間をＴｇとし、１フィール
ドの期間でＴｇ／Ｔｆ≦０．５となる範囲で光源の照射
光量を、照射光量の最大値Ｅmaxと、照射光量の最大値
Ｅmaxに対して実質的にＥmax＝Ｅmin×２^ｍ−１（ｍは
整数、ｍ≧１）となる照射光量の最小単位値Ｅminとの
間で可変するとともに照射タイミングを制御することに
より、光源の利用効率を高めることができる。

【００４３】さらに、２^ｘ階調（ｘは整数、ｘ≧０）に
空間光変調するときに、単一の空間光情報が積算的に空
間光変調される単位時間を１フィールドとし、１フィー
ルドのサブフィールド数をｎとしたとき、１フィールド
の期間でｍ／ｎ≦０．５及びｎ≧（ｘ＋４）と（ｘ−
２）≧ｍの範囲で光源の照射光量を、照射光量の最大値
Ｅmaxと、照射光量の最大値Ｅmaxに対して実質的にＥma
x＝Ｅmin×２^ｍ−１（ｍは整数、ｍ≧１）となる照射光
量の最小単位値Ｅminとの間で可変段数ｍ毎に可変する
とともに照射タイミングを制御することにより、光源の
強度をすべて指数的に変化させる場合よりも２倍以上大
きいの光源利用効率を実現することができるとともに階
調性再現の信頼性を高めることができる。

【００４４】また、ほぼ６４階調に空間光変調するとき
に、単一の空間光情報が積算的に空間光変調される単位
時間を１フィールドとし、１フィールドのサブフィール
ド数をｎとしたとき、１フィールドの期間でｍ／ｎ≦
０．５及びｎ≧１７の範囲で光源の照射光量を、照射光
量の最大値Ｅmaxと、照射光量の最大値Ｅmaxに対して実
質的にＥmax＝Ｅmin×２^ｍ−１（ｍは整数、ｍ≧１）と
なる照射光量の最小単位値Ｅminとの間で可変段数ｍ毎
に可変するとともに照射タイミングを制御することによ
り、９０％より大きい光源利用効率を実現できるととも
に階調性再現の信頼性を高めることができる。

【００４５】また、ほぼ２５６階調に空間光変調すると
きに、単一の空間光情報が積算的に空間光変調される単
位時間を１フィールドとし、１フィールドのサブフィー
ルド数をｎとしたとき、１フィールドの期間でｍ／ｎ≦
０．５及びｎ≧１９の範囲で光源の照射光量を、照射光
量の最大値Ｅmaxと、照射光量の最大値Ｅmaxに対して実
質的にＥmax＝Ｅmin×２^ｍ−１（ｍは整数、ｍ≧１）と
なる照射光量の最小単位値Ｅminとの間で可変段数ｍ毎
に可変するとともに照射タイミングを制御することによ
り、８０％より大きい光源利用効率を実現できるととも
に階調性再現の信頼性を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例の映像装置の構成図である。

【図２】光源制御部の構成を示すブロック図である。

【図３】上記実施例の空間光変調動作を示す模式図であ
る。

【図４】他の空間光変調動作を示す模式図である。

【図５】空間光変調動作の原理を示す光源利用効率の変
化特性図である。

【図６】上記光源利用効率の変化特性図の部分詳細図で
ある。

【図７】他の空間光変調動作の原理を示す正規化光源利
用効率の変化特性図である。

【図８】従来例の階調表示方法を示すタイムチャートで
ある。

【図９】従来例の他の階調表示方法を示すタイムチャー
トである。

【符号の説明】

ｎ；１フィールド中のサブフィールド数、ｍ；照射光量
の可変段数、１〜１０；サブフィールド、１１；１フィ
ールドの範囲、２２；照射光量が最大値Ｅmaxから最小
値Ｅminまで変化するサブフィールドの範囲、３０；映
像装置、３１；空間光変調装置、３２；投影レンズ、３
３；拡散スクリーン、３４；光源、３５；集光レンズ、
３６；ガラス柱、３７；照射用レンズ、３８；空間光変
調手段、３９；制御部、４０；光源制御部、４１；空間
光変調手段制御部、４２；照射光量制御部、４３；照射
タイミング制御部、４４；電源。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０９Ｇ 3/20 ６１１ Ｇ０９Ｇ 3/20 ６１１Ａ ６４１ ６４１Ｅ Ｈ０４Ｎ 5/74 Ｈ０４Ｎ 5/74 Ｂ

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 照射光量を可変可能な光源と、光源と同
   期して空間光変調可能な空間光変調手段を有する空間光
   変調装置において、 光源の照射光量の最大値Ｅmaxと、照射光量の最大値Ｅm
   axに対して実質的にＥmax＝Ｅmin×２^ｍ−１（ｍは整
   数、ｍ≧１）となる光源の照射光量の最小単位値Ｅmin
   との間で可変段数ｍ毎に光源の照射光量を可変する照射
   光量制御手段と、単一の空間光情報が積算的に空間光変
   調される単位時間を１フィールドとし、１フィールドの
   サブフィールド数をｎとしたとき、１フィールドの期間
   でｍ／ｎ≦０．５となる範囲で光源の照射光量を可変す
   るとともに照射タイミングを制御する照射タイミング制
   御手段とを有することを特徴とする空間光変調装置。
2. 【請求項２】 照射光量を可変可能な光源と、光源と同
   期して空間光変調可能な空間光変調手段を有する空間光
   変調装置において、 光源の照射光量の最大値Ｅmaxと、照射光量の最大値Ｅm
   axに対して実質的にＥmax＝Ｅmin×２^ｍ−１（ｍは整
   数、ｍ≧１）となる光源の照射光量の最小単位値Ｅmin
   との間で可変段数ｍ毎に光源の照射光量を可変する照射
   光量制御手段と、単一の空間光情報が積算的に空間光変
   調される単位時間Ｔｆを１フィールドとし、１フィール
   ドの期間に光源の照射光量が最小値minと最大値Ｅmaxと
   の間で変化する実質的な期間をＴｇとし、１フィールド
   の期間でＴｇ／Ｔｆ≦０．５となる範囲で光源の照射光
   量を可変するとともに照射タイミングを制御する照射タ
   イミング制御手段を有することを特徴とする空間光変調
   装置。
3. 【請求項３】 照射光量を可変可能な光源と、光源と同
   期して空間光変調可能な空間光変調手段を有し、２^ｘ階
   調（ｘは整数、ｘ≧０）に空間光変調する空間光変調装
   置において、 光源の照射光量の最大値Ｅmaxと、照射光量の最大値Ｅm
   axに対して実質的にＥmax＝Ｅmin×２^ｍ−１（ｍは整
   数、ｍ≧１）となる光源の照射光量の最小単位値Ｅmin
   との間で可変段数ｍ毎に光源の照射光量を可変する照射
   光量制御手段と、単一の空間光情報が積算的に空間光変
   調される単位時間を１フィールドとし、１フィールドの
   サブフィールド数をｎとしたとき、１フィールドの期間
   でｍ／ｎ≦０．５及びｎ≧（ｘ＋４）と（ｘ−２）≧ｍ
   の範囲で光源の照射光量を可変するとともに照射タイミ
   ングを制御する照射タイミング制御手段を有することを
   特徴とする空間光変調装置。
4. 【請求項４】 照射光量を可変可能な光源と、光源と同
   期して空間光変調可能な空間光変調手段を有し、ほぼ６
   ４階調に空間光変調する空間光変調装置において、 光源の照射光量の最大値Ｅmaxと、照射光量の最大値Ｅm
   axに対して実質的にＥmax＝Ｅmin×２^ｍ−１（ｍは整
   数、ｍ≧１）となる光源の照射光量の最小単位値Ｅmin
   との間で可変段数ｍ毎に光源の照射光量を可変する照射
   光量制御手段と、単一の空間光情報が積算的に空間光変
   調される単位時間を１フィールドとし、１フィールドの
   サブフィールド数をｎとしたとき、１フィールドの期間
   でｍ／ｎ≦０．５及びｎ≧１７の範囲で光源の照射光量
   を可変するとともに照射タイミングを制御する照射タイ
   ミング制御手段を有することを特徴とする空間光変調装
   置。
5. 【請求項５】 照射光量を可変可能な光源と、光源と同
   期して空間光変調可能な空間光変調手段を有し、ほぼ２
   ５６階調に空間光変調する空間光変調装置において、 光源の照射光量の最大値Ｅmaxと、照射光量の最大値Ｅm
   axに対して実質的にＥmax＝Ｅmin×２^ｍ−１（ｍは整
   数、ｍ≧１）となる光源の照射光量の最小単位値Ｅmin
   との間で可変段数ｍ毎に光源の照射光量を可変する照射
   光量制御手段と、単一の空間光情報が積算的に空間光変
   調される単位時間を１フィールドとし、１フィールドの
   サブフィールド数をｎとしたとき、１フィールドの期間
   でｍ／ｎ≦０．５及びｎ≧１９の範囲で光源の照射光量
   を可変するとともに照射タイミングを制御する照射タイ
   ミング制御手段を有することを特徴とする空間光変調装
   置。
6. 【請求項６】 照射光量を可変可能な光源からの照射光
   を変調する空間光変調方法において、 単一の空間光情報が積算的に空間光変調される単位時間
   を１フィールドとし、１フィールドのサブフィールド数
   をｎとしたとき、１フィールドの期間でｍ／ｎ≦０．５
   となる範囲で光源の照射光量を、照射光量の最大値Ｅma
   xと、照射光量の最大値Ｅmaxに対して実質的にＥmax＝
   Ｅmin×２^ｍ−１（ｍは整数、ｍ≧１）となる照射光量
   の最小単位値Ｅminとの間で可変段数ｍ毎に可変すると
   ともに照射タイミングを制御することを特徴とする空間
   光変調方法。
7. 【請求項７】 照射光量を可変可能な光源からの照射光
   を変調する空間光変調方法において、 単一の空間光情報が積算的に空間光変調される単位時間
   Ｔｆを１フィールドとし、１フィールドの期間に光源の
   照射光量が最小値minと最大値Ｅmaxとの間で変化する実
   質的な期間をＴｇとし、１フィールドの期間でＴｇ／Ｔ
   ｆ≦０．５となる範囲で光源の照射光量を、照射光量の
   最大値Ｅmaxと、照射光量の最大値Ｅmaxに対して実質的
   にＥmax＝Ｅmin×２^ｍ−１（ｍは整数、ｍ≧１）となる
   照射光量の最小単位値Ｅminとの間で可変するとともに
   照射タイミングを制御することを特徴とする空間光変調
   方法。