JP2005203942A - 投射型映像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 この発明は、入力映像の輝度変化に対するランプ出力変化の遅延を緩和することができるようになる投射型映像表示装置を提供することを目的とする。
【解決手段】 光源ランプと光源ランプの光の強度を変調することによって画像を表示するライトバルブとを備え、入力映像の輝度変化に応じて光源ランプの照度を変化させることのできる投射型映像表示装置において、入力映像の輝度変化に対する光源ランプの照度変化の遅延時間に相当する時間分、映像信号を遅延させてライトバルブに送るための遅延手段を備えている。
【選択図】 図４

Description

この発明は、光源ランプと光源ランプの光の強度を変調することによって画像を表示するライトバルブとを備えた、液晶プロジェクタ等の投射型映像表示装置に関する。

従来の投射型映像表示装置（プロジェクタ）は、液晶だけでなく、微小な反射鏡を集積したＤＭＤなどといったライトバルブ（光弁）を用いて、高輝度出力を目指して開発されてきた。昨今は、高輝度のみならず高画質を目指す製品が多くなっている。高画質を実現するための一つの要素として、高いコントラスト感が挙げられる。

コントラストとは最大輝度と最小輝度の比率であり、この比率が高いほどコントラストが高いという。最大輝度の入力画像に対してはより明るくスクリーンを照らし、最小輝度の入力画像に対してはより暗くスクリーンを照らすことが求められる。しかしながら、ライトバルブにおける最大輝度時での光透過率は物理的に１００％を越えることは不可能であるし、また一方で最小輝度時での光透過率を完全に０％にすることも難しい。特に問題とされるのが後者である。暗い場面の投影時にライトバルブは画素の光透過率を下げるが、なお若干の光透過によって、充分に暗いスクリーン出力が提供できないために、使用者はコントラストに関する不満を抱くことが多い。

そこで、暗い場面に特に着目して、コントラストを高める手法として、入力画像の輝度の高低に応じて光源の照度を変化させるという手法を用いるプロジェクタが開発されるようになった。しかしながら、光源は一定照度で動作することを考慮されているものが多く、入力画像の輝度の変化の速度に光源の照度変化が追従できないことがある。光源の照度変化が遅れるにもかかわらず、ライトバルブに書き込まれる画像は随時変化するために、使用者に対して不自然なスクリーン出力を提供することとなる。

この場合のランプ出力調整に関わる信号処理を詳しく以下に説明する。プロジェクタの光源ランプは、使用時には常時一定の光出力で点灯しているものが多いが、近年は、光強度（照度）を変化させるものがある。入力映像信号の信号強度から平均輝度を求めて、その大小に応じて光源ランプの光出力（照度）を変化させている。この入出力の関係は任意であるが、一般には入力信号の増加に対して光出力が単調増加となるようにする。

たとえば、最も単純な例では、図１に示すように、平均輝度に比例した強度で光出力を行うようなものを考えることができる。入力画像が最大輝度となる一様な白色となったときにランプ出力が最大となり、入力画像が最小輝度となる一様な黒色となったときにランプ出力が零となるようなものである。しかし、一般的なプロジェクタで用いられる水銀ランプやキセノンランプといった放電を用いた光源においては、印加電圧を下げて光出力を下げていくと、一定以下の光出力となったところで放電が停止して、すなわち発光がなくなってしまう。このようにいったん発光が止まってしまうと、再び放電させて発光させ、光出力が安定するまでに数十秒という時間がかかることとなって、動画像を表示することを主目的とするプロジェクタにおいてはまったく実用的でない。

そこで、入力画像の平均輝度に対して、図２に示すようにある一定の範囲内でのみ光出力が単調増加となり、しきい値以下の値を取らないような関数を用いて、ランプ出力を下げすぎないようにする。単調増加部分に関しては任意の関数とすればよい。

ここで述べたような方法でランプ出力を制御することにより、輝度の少ない映像信号の投射時にランプ出力を下げることから、使用者は暗い場面が提示されているときに、より暗い映像を視認することとなる。これによりコントラスト感の向上が得られる。

しかしその一方で、ランプ電源や光源ランプの制御に遅延量があることが問題となることがある。光源ランプやランプ電源は大電力を扱うために高速な電力制御が困難であるために、映像信号の輝度変化にランプ出力の変化が追従できずにこれが遅延となる。この遅延量が無視できないほど大きいため、たとえば輝度の変化がめまぐるしく変化するような映像信号がプロジェクタに入力されると、使用者にとって不自然なスクリーン出力を提供することとなっている。

この問題のために、ランプ出力の変化幅を大きく取ると、コントラスト感が上昇する一方で時間遅れの不自然さも増すこととなる。よって、より変化幅を大きく取るような設計を行うことは難しくなる。

なお、このようなランプ出力の遅延には、図３（ａ）に示すように信号処理に伴って全体的に遅れを生じる群遅延と、図３（ｂ）に示すようにランプの駆動制御信号の変化に対して緩やかにランプ出力が変化するといった漸進的遅延とがある。
特開平０３−１７９８８６号公報 特開平０８−２０１８１２号公報

この発明は、入力映像の輝度変化に対するランプ出力変化の遅延を緩和することができるようになる投射型映像表示装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、光源ランプと光源ランプの光の強度を変調することによって画像を表示するライトバルブとを備え、入力映像の輝度変化に応じて光源ランプの照度を変化させることのできる投射型映像表示装置において、入力映像の輝度変化に対する光源ランプの照度変化の遅延時間に相当する時間分、映像信号を遅延させてライトバルブに送るための遅延手段を備えていることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、入力映像の輝度変化の時間変化分を強調する時間変化強調手段を備えており、時間変化強調手段の出力に基づいて光源ランプの照度が制御されることを特徴とする。

この発明によれば、入力映像の輝度変化に対するランプ出力変化の遅延を緩和することができるようになる。

以下、図４〜図７を参照して、この発明の実施例について説明する。

図４は、投射型映像表示装置の電気的構成を示している。

投射型映像表示装置に入力されたアナログ映像信号は、Ａ／Ｄ変換器１によってデジタル映像信号に変換される。Ａ／Ｄ変換器１によって得られたデジタル映像信号は、解像度変換回路２に送られるとともに、平均輝度算出回路１１に送られる。

解像度変換回路２によって解像度変換が行われたデジタル映像信号は、上述したランプ出力の群遅延を緩和するためにデジタル映像信号を遅延させて出力するためのバッファメモリ（遅延手段）３に一旦格納される。バッファメモリ３から読み出されたデジタル映像信号は、ライトバルブ４に書き込まれる。ライトバルブ４に書き込まれた映像は、光源ランプ１４によって図示しないスクリーン上に投射される。

一方、平均輝度算出回路１１では、１フレーム毎に入力映像信号の平均輝度が算出される。平均輝度算出回路１１によって算出された平均輝度は、例えば、微分フィルタから構成される時間変化強調回路（時間変化強調手段）１２に送られる。時間変化強調回路１２では、平均輝度の変化が強調せしめられる。時間変化強調回路１２の出力は、ランプ電源回路１３に送られる。ランプ電源回路１３は、時間変化強調回路１２の出力に応じて光源ランプ１４の駆動電圧を制御する。

この実施例では、解像度変換回路２から出力されるデジタル映像信号はバッファメモリ３を通ってから出力される。ここで遅延時間が加わり、その遅延量はバッファメモリ３のバッファ量に比例する。たとえば１フレームの画像を保持すれば数十ミリ秒の遅延時間となる。毎秒６０フレームの信号ならば遅延時間は約１６．７ミリ秒である。このバッファメモリ３による映像信号の遅延時間は、群遅延時間に相当する時間に設定される。バッファメモリ３による映像信号が遅延されるので、ランプ出力の群遅延に対しての不自然さが緩和されることとなる。なお、バッファメモリ３を解像度変換回路２の前段に配置してもよいが、解像度変換回路２の後段に配置するとバッファメモリ３の必要量が一定となるため、設計がより安易となる。

バッファメモリ３として必要なバッファ量Ｍは、群遅延時間をＴ_D 秒とし、１秒あたりのフレーム数をＦとし、ライトバルブ総画素数をＰとし、１画素あたりビット数をＢ_ppとすると、次式（１）で表される。

Ｍ＝Ｔ_D ×Ｆ×Ｐ×Ｂ_pp …（１）

たとえば、６０フレーム毎秒の速度で映像を表示するＸＧＡ解像度（１，０２４×７６８）画素のプロジェクタで、一般的な１画素あたりＲ，Ｇ，Ｂ各８ビットで合計２４ビットで保持していれば、１２８Ｍビットのメモリ素子１個で７フレーム保持することができ、このときの遅延量は約１１７ミリ秒となる。

なお、上述したランプ出力の漸新的遅延も、上記のような全体的な遅延処理を用いていくらか目立たなくすることも可能である。つまり、図５に示すように、群遅延に相当する時間量に加えて漸新的遅延に相当する時間量を、バッファ手法を用いて全体的に映像信号を遅らせてやれば、相当の緩和を行うことができる。図５の左側の図は、映像信号を群遅延に相当する時間量だけバッファ手法によって遅延させた場合の遅延後の入力映像信号（平均輝度）ａの変化とランプ出力光の変化を示し、図５の右側の図は、映像信号を群遅延に相当する時間量に漸新的遅延に相当する時間量を加えた時間量だけバッファ手法によって遅延させた場合の遅延後の入力映像信号（平均輝度）ａの変化とランプ出力光ｂの変化を示している。

しかしながら、使用者から見ると、映像信号の変化に対する光出力の遅れは緩和され、全体的にランプ出力の遅れが伴っているという印象は薄くなるものの、厳密に見れば映像信号の変化よりも先にランプ出力の変化が起こっているように見えてしまう。

このような漸新的な遅延に対して高精度に処理を行うならば、全体的な遅延とは別の補正を行う必要がある。そこで、この実施例では、時間変化強調手法を用いている。

図６に示すように、微分フィルタのような時間変化強調回路１２を用いて、ランプ電源回路１３に入力する信号（平均輝度）の立ち上がりを急峻にしておくことで、ランプ出力光の漸新的な遅れを改善することができる。

図６の左側の図は、映像信号を、群遅延に相当する時間量だけバッファ手法によって遅延させた場合の遅延後の入力映像信号（平均輝度）ａの変化とランプ出力光ｂの変化を示し、図６の右側の図の破線は、入力映像信号の平均輝度の変化を時間変化強調回路１２を用いて強調した場合の時間変化強調回路１２の出力信号ｃの変化を示している。

また、図７は、時間変化強調回路１２の出力信号ｃの変化とランプ出力光ｄの変化とを示している。

ただし、時間変化強調回路１２によって平均輝度信号の立ちあがりを急峻にする量を多くするほど、図５の右側の図に示すように、全体的な遅延を多く伴うことになる。したがって、その分、バッファ手法による入力映像信号の遅延量を多くさせる必要がある。

バッファメモリ３によって入力映像信号を遅延させる手法（バッファ手法）と、時間変化強調回路１２によって平均輝度変化を強調させる手法（平均輝度変化強調手法）とを組み合わせることにより、全体的な群遅延の緩和と、漸新的な遅延の緩和とを図ることができる。平均輝度変化強調手法においては、漸新的な遅れの改善のために、全体的な遅延の増加を伴うことになるが、全体的な遅延の増加についてはバッファメモリ３を増やすことで対処可能である。

また、バッファメモリ３によって入力映像信号を遅延させる手法（バッファ手法）の代わりに、線形予測手法のような予測手段を用いて、輝度変化を予測してもかまわない。たとえば、しだいに明るくなるような映像信号においては、その途中において、この先も明るくなりつづけるであろうというような予測ができるから、これによってランプ出力の変化の遅延を緩和させることができる。

当然、変化強調手段と予測手段を両方用いてもかまわない。変化を予測することでランプ制御信号を早く送ることができるから、バッファメモリを削除することができる。

なお、時間変化強調回路１２としては、たとえば、特開２００３−４４０１９号公報（発明の名称：表示制御装置及び画像表示装置）に開示された「応答速度改善手段」のように、過去から時間方向に対する輝度変化の差分を求めて、現在の輝度信号に足し合わせることで立ちあがりを改善するものが用いられる。アナログ的な電圧値の変化のみならず、輝度の高さを示すデジタルの値に対しても、同様に微分フィルタによって強調を行う。

たとえば輝度信号が２５６段階あってもランプ電源の制御が１６段階しかないような構成の場合のこともある。平均輝度値を求めた後１６段階の制御信号に置きかえられてランプ電源回路に送られ、ランプ電源回路の内部で電源電圧のアナログ値にデコードされてそれぞれのランプ出力で発光する。この場合、１６段階の値の範囲などは任意であり、等間隔な階段であるとは限らない。

平均輝度に基づいてランプの光出力を制御するプロジェクタにおける平均輝度と光出力との関係の例を示すグラフである。 平均輝度に基づいてランプの光出力を制御するプロジェクタにおける平均輝度と光出力との関係の他の例を示すグラフである。 信号処理に伴って全体的に遅れを生じる群遅延と、ランプの駆動制御信号の変化に対して緩やかにランプ出力が変化するといった漸進的遅延とを説明するためのタイムチャートである。 投射型映像表示装置の電気的構成を示すブロック図である。 ランプ出力の漸新的遅延も、全体的な遅延処理を用いていくらか目立たなくすることも可能であることを説明するためのタイムチャートである。 時間変化強調回路１２を用いて、ランプ電源回路１３に入力する信号（平均輝度）の立ち上がりを急峻にしておくことで、ランプ出力光の漸新的な遅れを改善することができることを説明するためのタイムチャートである。 時間変化強調回路１２の出力信号ｃの変化とランプ出力光ｄの変化とを示すタイムチャートである。

符号の説明

１ Ａ／Ｄ変換器
２ 解像度変換回路
３ バッファメモリ（遅延手段）
４ ライトバルブ
１１ 平均輝度算出回路
１２ 時間変化強調回路（時間変化強調手段）
１３ ランプ電源回路
１４ 光源ランプ

Claims (2)

1. 光源ランプと光源ランプの光の強度を変調することによって画像を表示するライトバルブとを備え、入力映像の輝度変化に応じて光源ランプの照度を変化させることのできる投射型映像表示装置において、
   入力映像の輝度変化に対する光源ランプの照度変化の遅延時間に相当する時間分、映像信号を遅延させてライトバルブに送るための遅延手段を備えていることを特徴とする投射型映像表示装置。
2. 入力映像の輝度変化の時間変化分を強調する時間変化強調手段を備えており、時間変化強調手段の出力に基づいて光源ランプの照度が制御されることを特徴とする請求項１に記載の投射型映像表示装置。

Images