JP2008015064A - 照明装置及びプロジェクタ - Google Patents

Abstract

【課題】画像全体を高コントラストで見易くするための調節を可能とし、かつ高い光利用効率を実現するための照明装置、及びプロジェクタを提供すること。
【解決手段】コヒーレント光を供給する光源部１１Ｒと、光源部１１Ｒからのコヒーレント光の位相を変調して被照射面へ入射させる位相変調部１３Ｒと、を有し、位相変調部１３Ｒは、コヒーレント光の位相変調パターンに応じた回折光を生じさせながら位相変調パターンを変化させることにより、被照射面にて設定された単位領域ごとに強度が調節された光を、被照射面へ入射させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、照明装置及びプロジェクタ、特に、プロジェクタに用いられる照明装置の技術に関する。

画像信号に応じた投写光を用いて画像を表示するプロジェクタには、画像信号に応じて光を変調する空間光変調装置として、例えば液晶表示装置やＤＭＤ（Digital Micromirror Device）が用いられる。高コントラストで見易い画像を表示するために、従来、空間光変調装置の制御に応じたダイナミックレンジよりも広いダイナミックレンジで画像を表示するための技術が提案されている（例えば、特許文献１及び２参照）。

特表２００３−３２０８０号公報 特開２００３−１４９７３０号公報

特許文献１には、遮光板を用いることにより、光源部から空間光変調装置へ入射させる光の強度を調節する技術が提案されている。この場合、空間光変調装置の入射面全体に対して光の強度を一様に調節することとなるため、例えば、画像のうちの明るい部分に着目して光の強度を大きくする調節を行うと、暗く表示すべき部分が明るく表示されるいわゆる黒浮きが生じてしまう。これとは逆に画像のうち暗い部分に着目して光の強度を小さくする調節を行うと、明るく表示すべき部分の明るさが不足してしまう。このため、特に、明るい部分と暗い部分とが共存する画像に対しては、画像全体を見易くするための調節を行うことが非常に困難である。特許文献２に提案される技術は、光源部と空間光変調装置との間に設けられた調光用液晶素子を用いて、空間光変調装置へ入射させる光の強度を調節するものである。調光用液晶素子を用いることにより、空間光変調装置の入射面に対して所望の強度分布で光を入射させることが可能である。しかし、調光用液晶素子へ入射した光のうち空間光変調装置へ入射させる成分以外の成分が調光用液晶素子等にて散乱又は吸収されることとなるため、光の強度を調節することによって光の利用効率が低下してしまう。このように、従来の技術によると、画像全体を見易くするための調節を可能とし、かつ高い光利用効率を実現することが困難であるという問題を生じる。本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、画像全体を高コントラストで見易くするための調節を可能とし、かつ高い光利用効率を実現するための照明装置、及びプロジェクタを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明によれば、コヒーレント光を供給する光源部と、光源部からのコヒーレント光の位相を変調して被照射面へ入射させる位相変調部と、を有し、位相変調部は、位相変調パターンに応じた回折光を生じさせながらコヒーレント光の位相を変化させることにより、被照射面にて設定された単位領域ごとに強度が調節された光を、被照射面へ入射させることを特徴とする照明装置を提供することができる。

位相変調部は、被照射面、例えば空間光変調装置の入射面にて設定された単位領域ごとに所望の強度の光が入射するように、光源部からの光を振り分ける。コヒーレント光を位相変調部へ入射させることで、位相変調部において良好な回折特性を得ることができる。位相変調部を用いて光を振り分けることで、光源部からの光を無駄にすること無く画像の明るさ分布に適合させた強度分布の光を空間光変調装置へ入射させることが可能となる。このため、画像全体を高コントラストで見易くするような調節を可能とし、かつ光源部からのコヒーレント光を有効利用することもできる。位相変調部でコヒーレント光の位相を変調可能とすることで、静止画のみならず動画にも対応して光を振り分けることができる。これにより、画像全体を高コントラストで見易くするための調節を可能とし、かつ高い光利用効率を実現するための照明装置を得られる。

また、本発明の好ましい態様としては、位相変調部は、液晶素子を備えることが望ましい。液晶素子を用いることで、電圧印加の制御によって容易にコヒーレント光の位相変調パターンを変化させることができる。

また、本発明の好ましい態様としては、液晶素子は、電界制御複屈折モードの液晶素子であることが望ましい。これにより、位相変調部の高速応答を可能とし、かつ低い駆動電圧で十分な位相変調を行うことができる。

また、本発明の好ましい態様としては、光源部は、強度が調節されたコヒーレント光を供給することが望ましい。これにより、さらに広範なダイナミックレンジで画像を表示することができる。また、空間光変調装置へ入射させる光の強度に応じて光源部の出力を調節可能とすることで、省電力化を実現できる。

また、本発明の好ましい態様としては、光源部は、被照射面における平均照度を基準として決定された強度のコヒーレント光を供給することが望ましい。これにより、広範なダイナミックレンジでの画像表示と省電力化を同時に実現できる。

また、本発明の好ましい態様としては、光源部は、複数のコヒーレント光を供給し、光源部及び位相変調部の少なくとも一方は、コヒーレント光の強度差に応じて制御されることが望ましい。これにより、複数のコヒーレント光の強度差に応じて、光の強度分布の調節を正確に行うことができる。また、各色間におけるコヒーレント光の強度調整を行う場合、良好なホワイトバランスを得ることもできる。

また、本発明の好ましい態様としては、光源部は、略一定の強度のコヒーレント光を供給することが望ましい。この場合、光源部を最大出力として画面全体へ均一に光を照射させる場合よりも高輝度な表示を行ういわゆるピーク輝度制御が可能となる。これにより、さらに広範なダイナミックレンジでの画像表示が可能となる。

さらに、本発明によれば、上記の照明装置からの光を画像信号に応じて変調することにより画像を表示することを特徴とするプロジェクタを提供することができる。上記の照明装置を用いることにより、画像全体を高コントラストで見易くするための調節を可能とし、かつ高い光利用効率を実現できる。これにより、画像全体が高コントラストで見易く、かつ高い光利用効率で明るい画像を表示可能なプロジェクタを得られる。

また、本発明の好ましい態様としては、照明装置からの光を画像信号に応じて変調する空間光変調装置を有し、照明装置は、空間光変調装置の入射面にて設定された単位領域ごとに強度が調節された光を、入射面へ入射させることが望ましい。これにより、全体が高コントラストで見易い画像を形成することができる。

また、本発明の好ましい態様としては、単位領域が、入射面より小さく、かつ空間光変調装置における画素の領域より大きいことが望ましい。入射面より小さい複数の単位領域を設定することにより、単位領域ごとの光の強度調節を行うことが可能となる。また、画像全体を高コントラストとするには、位相変調部は、画素より広い領域ごとに光の強度調節を行うこととすれば十分である。画素の領域より大きい単位領域を設定することにより、位相変調部の構成及び駆動を簡易にできる。これにより、構成及び駆動が簡易な位相変調部を用いて、画像に適合させた強度分布の光を空間光変調装置へ入射させることができる。

また、本発明の好ましい態様としては、照明装置は、光源部からのコヒーレント光の位相を変調させる位相変調部を有し、位相変調部は、画像信号に基づいて生成された位相変調信号に応じて制御されることが望ましい。これにより、画像全体を高コントラストで見易くするための制御を行うことができる。

以下に図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例に係るプロジェクタ１００の概略構成を示す。プロジェクタ１００は、スクリーン１８に光を供給し、スクリーン１８で反射する光を観察することで画像を鑑賞するフロント投写型のプロジェクタである。プロジェクタ１００は、赤色（Ｒ）光を供給するＲ光用照明装置１０Ｒ、緑色（Ｇ）光を供給するＧ光用照明装置１０Ｇ、及び青色（Ｂ）光を供給するＢ光用照明装置１０Ｂを有する。プロジェクタ１００は、照明装置１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂからの光を画像信号に応じて変調することにより画像を表示する。

図２は、Ｒ光用照明装置１０Ｒ、Ｒ光用空間光変調装置１５Ｒ、及びクロスダイクロイックプリズム１６を示す。Ｒ光用照明装置１０Ｒは、Ｒ光用光源部１１Ｒを有する。Ｒ光用光源部１１Ｒは、コヒーレント光であるレーザ光を供給する光源部である。Ｒ光用光源部１１Ｒは、Ｒ光を供給する５つのレーザ光源１２Ｒを有する。５つのレーザ光源１２Ｒは、一列に並列させて配置されている。レーザ光源１２Ｒから供給されるレーザ光は、特定の振動方向の偏光光、例えばｓ偏光光である。レーザ光源１２Ｒとしては、例えば、半導体レーザを用いることができる。５つのレーザ光源１２Ｒは、いずれも略平行なレーザ光を供給する。

レーザ光源１２Ｒからのレーザ光は、位相変調部１３Ｒへ入射する。位相変調部１３Ｒは、液晶素子２０を備える液晶パネルである。位相変調部１３Ｒは、Ｒ光用光源部１１Ｒにより供給されるレーザ光に対応して、液晶素子２０を配置させている。位相変調部１３Ｒは、各レーザ光源１２Ｒからのレーザ光の位相を変調してＲ光用空間光変調装置１５Ｒの入射面へ入射させる。Ｒ光用空間光変調装置１５Ｒの入射面は、Ｒ光用照明装置１０Ｒの被照射面である。

位相変調部１３Ｒは、液晶素子２０により形成された位相変調パターンに応じた回折光を生じさせる。位相変調部１３Ｒからの回折光は、フィールドレンズ１４Ｒへ入射する。フィールドレンズ１４Ｒは、位相変調部１３Ｒからの光を平行化し、Ｒ光用空間光変調装置１５Ｒへ入射させる。フィールドレンズ１４Ｒは、位相変調部１３Ｒから見て斜め前方であって、位相変調部１３Ｒからのゼロ次光が入射する位置以外の位置に設けられている。

Ｒ光用空間光変調装置１５Ｒは、Ｒ光を画像信号に応じて変調する透過型の液晶表示装置である。Ｒ光用空間光変調装置１５Ｒに設けられた不図示の液晶パネルは、２つの透明基板の間に、画像表示のための液晶層を封入する。液晶パネルに入射したｓ偏光光は、画像信号に応じた変調によりｐ偏光光に変換される。Ｒ光用空間光変調装置１５Ｒは、変調によりｐ偏光光に変換されたＲ光を出射する。Ｒ光用空間光変調装置１５Ｒで変調されたＲ光は、色合成光学系であるクロスダイクロイックプリズム１６へ入射する。

図１に戻って、Ｇ光用照明装置１０Ｇ及びＢ光用照明装置１０Ｂは、いずれもＲ光用照明装置１０Ｒと同様の構成を有する。Ｇ光用照明装置１０Ｇは、Ｇ光用光源部１１Ｇを有する。Ｇ光用光源部１１Ｇは、コヒーレント光であるレーザ光を供給する光源部である。Ｇ光用光源部１１Ｇは、Ｇ光を供給する５つのレーザ光源１２Ｇを有する。レーザ光源１２Ｇからのレーザ光は、位相変調部１３Ｇ、フィールドレンズ１４Ｇを経た後、Ｇ光用空間光変調装置１５Ｇへ入射する。Ｇ光用空間光変調装置１５Ｇは、Ｇ光を画像信号に応じて変調する透過型の液晶表示装置である。Ｇ光用空間光変調装置１５Ｇは、変調によりｐ偏光光に変換されたＧ光を出射する。Ｇ光用空間光変調装置１５Ｇで変調されたＧ光は、Ｒ光とは異なる側からクロスダイクロイックプリズム１６へ入射する。

Ｂ光用照明装置１０Ｂは、Ｂ光用光源部１１Ｂを有する。Ｂ光用光源部１１Ｂは、コヒーレント光であるレーザ光を供給する光源部である。Ｂ光用光源部１１Ｂは、Ｂ光を供給する５つのレーザ光源１２Ｂを有する。レーザ光源１２Ｂからのレーザ光は、位相変調部１３Ｂ、フィールドレンズ１４Ｂを経た後、Ｂ光用空間光変調装置１５Ｂへ入射する。Ｂ光用空間光変調装置１５Ｂは、Ｂ光を画像信号に応じて変調する透過型の液晶表示装置である。Ｂ光用空間光変調装置１５Ｂは、変調によりｐ偏光光に変換されたＢ光を出射する。Ｂ光用空間光変調装置１５Ｂで変調されたＢ光は、Ｒ光、Ｇ光とは異なる側からクロスダイクロイックプリズム１６へ入射する。

クロスダイクロイックプリズム１６は、互いに略直交するように配置された２つのダイクロイック膜１６ａ、１６ｂを有する。第１ダイクロイック膜１６ａは、Ｒ光を反射し、Ｇ光及びＢ光を透過させる。第２ダイクロイック膜１６ｂは、Ｂ光を反射し、Ｒ光及びＧ光を透過させる。クロスダイクロイックプリズム１６は、それぞれ異なる側から入射したＲ光、Ｇ光及びＢ光を合成し、投写レンズ１７の方向へ出射させる。投写レンズ１７は、クロスダイクロイックプリズム１６で合成された光をスクリーン１８へ投写する。

なお、位相変調部１３Ｒ、１３Ｇ、１３Ｂは、ゼロ次光が入射する位置以外の位置に設けられたフィールドレンズ１４Ｒ、１４Ｇ、１４Ｂへ光を入射させる構成に限られない。位相変調部１３Ｒ、１３Ｇ、１３Ｂは、回折光をフィールドレンズ１４Ｒ、１４Ｇ、１４Ｂへ入射させることが可能であれば良く、ゼロ次光が入射する位置に設けられたフィールドレンズ１４Ｒ、１４Ｇ、１４Ｂへ光を入射させることとしても良い。プロジェクタ１００は、空間光変調装置として透過型液晶表示装置を用いる構成に限られない。空間光変調装置としては、反射型液晶表示装置やＤＭＤを用いても良い。

照明装置１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂは、レーザ光源１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂを備える光源部１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂを用いることで、色分離のための構成や特定の振動方向の偏光光を供給するための偏光分離素子を省略することが可能となる。レーザ光は、単一波長であるため、色純度が高い、コヒーレンスが高いという特徴を持つ。また、紫外光を含まないため、液晶素子の劣化を低減できるという利点もある。さらに、レーザ光源１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂを小型にできることでプロジェクタ１００を小型にできる、レーザ光源１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂの瞬時点灯が可能であるという利点もある。

各光源部１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂは、５つのレーザ光源を備える構成に限られず、１つ又は複数のレーザ光源を備える構成であれば良い。光源部１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂは、複数のレーザ光源１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂを一方向に並列させる構成に限らず、アレイ状に配列させても良い。複数のレーザ光源１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂによりレーザ光を供給することで、各光源部１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂを高出力にすることができる。また、光源部１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂにより複数のレーザ光を供給することで、スペックルノイズを低減できるという利点もある。各光源部１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂは、複数のレーザ光源を備える構成に代えて、複数の発光部を有するレーザ光源を備える構成としても良い。

各光源部１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂは、半導体レーザからのレーザ光の波長を変換する波長変換素子、例えば、第二高調波発生（Second-Harmonic Generation、ＳＨＧ）素子を用いる構成としても良い。レーザ光源としては、半導体レーザに代えて、半導体レーザ励起固体（Diode Pumped Solid State、ＤＰＳＳ）レーザや、固体レーザ、液体レーザ、ガスレーザ等を用いても良い。

図３は、位相変調部１３Ｒ、１３Ｇ、１３Ｂに設けられる液晶素子２０の断面構成を示す。液晶素子２０は、第１透明基板２１及び第２透明基板２４により液晶層３２を封止して構成されている。第１透明基板２１と液晶層３２との間には、第１透明電極２２が形成されている。第１透明電極２２は、例えば金属酸化物であるＩＴＯやＩＺＯにより構成することができる。第１透明電極２２と液晶層３２との間のうち一部領域に、遮光層２３が設けられている。この他、ラビング処理が施された不図示の配向膜が形成されている。

第２透明基板２４上の一部領域には、半導体層２５、半導体層２５の上に形成されたゲート絶縁膜２６、ゲート絶縁膜２６の上に形成されたゲート電極２７が設けられている。かかる部分は、半導体層２５の一部をソース及びドレインとする薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を構成する。第２透明基板２４及びＴＦＴの上には、酸化シリコン等からなる絶縁膜２８が形成されている。ＴＦＴの上には、絶縁膜２８を介して信号線２９が設けられている。信号線２９は、ＴＦＴのソースに接続されている。また、不図示の走査線は、ＴＦＴのゲートであるゲート電極２７に接続されている。

絶縁膜２８、信号線２９、及び走査線の上には、ＰＳＧ（Phosphosillicate glass）膜３０が形成されている。ＰＳＧ膜３０のうちＴＦＴに対応する部分以外の部分の上には、第２透明電極３１が設けられる。第２透明電極３１は、第１透明電極２２と同様、ＩＴＯやＩＺＯにより構成することができる。ＴＦＴ及び第２透明電極３１は、画素ごとに形成される。この他、第２透明基板２４側にも、配向膜が形成される。第２透明基板２４側の配向膜のラビング方向は、第１透明基板２１側の配向膜のラビング方向に対して平行かつ逆向きとされる。これにより、液晶素子２０は、全体として均一な配向状態を得ることができる。

液晶素子２０は、第１透明基板２１、液晶層３２及び第２透明電極３１を順次透過した光を第２透明基板２４から出射させる。液晶素子２０は、第１透明基板２１へ入射するレーザ光の偏光方向が、第１透明基板２１側における液晶分子の配向方向に一致するように配置されている。これにより、光源部１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂからのレーザ光を効率良く液晶素子２０へ入射させることができる。

位相変調部１３Ｒ、１３Ｇ、１３Ｂは、例えば、空間光変調装置１５Ｒ、１５Ｇ、１５Ｂと同様に、アクティブマトリクス方式により駆動される。液晶素子２０としては、電界制御複屈折モードの液晶、例えば強誘電性液晶を用いることができる。低分子で比較的高い複屈折率を備える強誘電性液晶を用いることにより、位相変調部１３Ｒ、１３Ｇ、１３Ｂの高速応答を可能とし、かつ低い駆動電圧で十分な位相変調を行うことができる。なお、液晶素子２０は、電界制御複屈折モードの液晶であれば強誘電性液晶以外の他の液晶、例えば、ネマティック液晶やツイステッド・ネマティック液晶等を用いても良い。位相変調部１３Ｒ、１３Ｇ、１３Ｂは、画素間隔が狭ピッチな液晶素子２０を用いることで、大きな回折角を得ることができる。良好な回折特性を得るために、液晶素子２０の画素ピッチは１０μｍ以下とすることが好ましい。

各位相変調部１３Ｒ、１３Ｇ、１３Ｂは、それぞれ液晶素子２０にて回折光を生じさせることにより、レーザ光を分岐させる。位相変調部１３Ｒ、１３Ｇ、１３Ｂは、液晶素子２０を用いてレーザ光を振り分けることにより、図４にてハッチング等を付すように、入射面４０にて設定された単位領域４１ごとに入射光の強度を変化させる。単位領域４１は、例えば、入射面４０を６４（＝８×８）等分した１つと設定することができる。

位相変調部１３Ｒ、１３Ｇ、１３Ｂから所定距離ｚ離れた入射面４０に形成される位相変調パターンΦと、入射面４０における回折光の光波Ｔとの間には、以下の式が成立する。
Ｔ（ｘ，ｙ，ｚ）＝ａ（ｘ，ｙ，ｚ）・ｅｘｐ[−ｉΦ（ｘ，ｙ，ｚ）]

ここで、（ｘ、ｙ）は、光軸と直交する面内の座標、ａ（ｘ，ｙ，ｚ）は、光波の振幅を示す。光波の強度は、振幅ａ（ｘ，ｙ，ｚ）の２乗で与えられる。目標となる強度分布を得るために最適化された位相変調パターンは、例えば反復フーリエ変換等、所定の演算手法（シミュレーション手法）を用いて得ることができる。位相変調部１３Ｒ、１３Ｇ、１３Ｂでレーザ光の位相を変調可能とすることで、静止画のみならず動画にも対応して光を振り分けることができる。なお、照明装置１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂは、位相変調部１３Ｒ、１３Ｇ、１３Ｂの位相変調パターンが基準状態であるとき、入射面４０へ略均一な強度の光を入射させる。位相変調部１３Ｒ、１３Ｇ、１３Ｂは、略均一な強度の光を入射させる状態を基準として位相変調パターンを変化させる。

図５は、プロジェクタ１００を駆動するためのブロック構成を示す。図中破線で囲んだ部分は、プロジェクタ１００のうち照明装置１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂを駆動するための部分である。ＡＤコンバータ５０は、外部機器等によりアナログ信号として入力された画像信号をディジタル信号へ切り換える。ディジタル信号処理回路であるＤＳＰ（１）５１は、ディジタル信号に変換された画像信号から、像の明るさを制御するための明るさパラメータを抽出する。

明るさパラメータは、単位領域４１（図４参照）ごとに抽出される。明るさパラメータとしては、例えば、注目するフレームに含まれている画素データの階調数ごとの出現数分布（ヒストグラム）を用いて、出現数が最大階調から一定の割合、例えば１％となる階調数を抽出することができる。例えば、最大階調を明るさパラメータとして抽出する場合、最大階調がノイズや突発的な階調ピークによるものであることにより明るさパラメータとしての信頼性を低下させることが考えられる。そこで、最大階調からある程度の出現数が認められる情報を明るさパラメータとすることで高い信頼性を確保し、正確な明るさ制御が可能となる。なお、最大の明るさからの割合は１％とする場合に限らず、例えば０〜５０％の範囲で適宜決定することができる。

ディジタル信号処理回路であるＤＳＰ（２）５２は、ＤＳＰ（１）５１で抽出された明るさパラメータを用いて、入射面４０（図４参照）における照度分布を決定する。照度は、明るさパラメータに基づいて、単位領域４１ごとに決定される。明るさパラメータから照度への変換には、例えばＬＵＴ（look up table）を用いることができる。位相変調信号生成部５６は、ＤＳＰ（２）５２からの出力に応じて、位相変調信号を生成する。

位相変調信号生成部５６は、反復フーリエ変換等の演算手法を用いて、位相変調パターンを決定する。位相変調信号生成部５６として、高速な演算処理が可能な構成、例えばＧＰＵ（Graphics Processing Unit）やＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）を用いることで、ＤＳＰ（２）５２による出力に応じたリアルタイムな演算処理を可能とすることができる。これにより、予め格納が必要となるデータを少なくでき、メモリ容量を削減することができる。この他、位相変調信号生成部５６は、予めＬＵＴに格納されたデータを参照し、演算結果を出力する構成としても良い。この場合、位相変調信号生成部５６における演算処理を簡素化できる。また、高速な演算処理を不要とすることで、位相変調信号生成部５６の回路構成を簡素化できる。

位相変調駆動部５７は、位相変調信号生成部５６からの位相変調信号に応じて、位相変調部１３Ｒ、１３Ｇ、１３Ｂを駆動する。位相変調部１３Ｒ、１３Ｇ、１３Ｂは、画像信号に基づいて生成された位相変調信号に応じて制御される。位相変調部１３Ｒ、１３Ｇ、１３Ｂは、位相変調信号に応じて位相変調パターンを変化させることにより、単位領域４１ごとに強度が調節された光を、入射面４０へ入射させる。

ＤＳＰ（２）５２は、明るさパラメータに基づいて決定した光の照度分布を実現するために必要な光源部１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂからの光量を演算する。各光源部１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂの光量は、空間光変調装置の入射面４０における光の平均照度を基準として決定される。パルス幅変調（Pulse Width Modulation、ＰＷＭ）信号生成部５８は、ＤＰＳ（２）５２からの出力に基づいてパルス幅が変調されたＰＷＭ信号を生成する。光源駆動部５９は、ＰＷＭ信号生成部５８からのＰＷＭ信号に応じて、光源部１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂを駆動する。光源部１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂは、ＰＷＭ信号に応じて変調された光を供給する。これにより、光源部１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂは、強度が調節されたレーザ光を供給する。位相変調部１３Ｒ、１３Ｇ、１３Ｂの制御によって単位領域４１ごとの光の相対強度が決定されるのに対して、光源部１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂの制御により入射面４０全体の光の強度が決定される。

入射面４０における平均照度をｍとすると、位相変調部１３Ｒ、１３Ｇ、１３Ｂは、平均照度ｍより低い照度となる単位領域４１から、平均照度ｍより高い照度となる単位領域４１へ回折光を振り分ける。また、光源部１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂを最大出力Ｌとして入射面４０全体を均一に照明するときの照度をｎとしたとき、光源部１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂの出力は、最大出力Ｌのｍ／ｎ倍とすることができる。例えば、平均照度ｍを１、最大出力Ｌのときの照度ｎを２としたとき、光源部１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂの出力は、Ｌ／２にまで減少させることができる。入射面４０へ入射させる光の強度に応じて光源部１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂの出力を調節可能とすることで、プロジェクタ１００は省電力化を実現できる。

ディジタル信号処理回路であるＤＳＰ（３）５３は、ＤＳＰ（１）５１からの明るさパラメータに基づき、画像信号の階調範囲の伸張を行う。階調範囲の伸張を行うことで、空間光変調装置１５Ｒ、１５Ｇ、１５Ｂのダイナミックスレンジを最大限に活用した高コントラストな画像を表示することが可能となる。ＤＡコンバータ５４は、ＤＳＰ（３）５３で伸張処理が施された画像信号をアナログ信号に変換する。空間光変調駆動部５５は、アナログ信号に変換された画像信号に応じて、空間光変調装置１５Ｒ、１５Ｇ、１５Ｂを駆動する。空間光変調装置１５Ｒ、１５Ｇ、１５Ｂは、画像信号に応じて照明装置１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂからの光を変調する。

コヒーレント光であるレーザ光を位相変調部１３Ｒ、１３Ｇ、１３Ｂへ入射させる構成とすることで、位相変調部１３Ｒ、１３Ｇ、１３Ｂにて良好な回折特性を得ることができる。位相変調部１３Ｒ、１３Ｇ、１３Ｂを用いて光を振り分けることで、光源部１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂからの光を無駄にすること無く画像に適合させた照度分布の光を入射面４０へ入射させることが可能となる。このため、画像全体を高コントラストで見易くするような調節を可能とし、かつ光源部からのレーザ光を有効利用することもできる。

さらに、入射面４０へ入射させる光の強度に応じて光源部１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂの出力を調節することにより、さらに広範なダイナミックレンジで画像を表示することができる。これにより、画像全体を高コントラストで見易くするための調節を可能とし、かつ高い光利用効率を実現することができるという効果を奏する。プロジェクタ１００は、画像全体が高コントラストで見易く、かつ高い光利用効率で明るい画像を表示することができる。

従来、回折光を生じさせる素子として、微細な凹凸が形成されたフィルム状の回折光学素子が用いられている。フィルム状の回折光学素子を用いる場合と比較すると、液晶素子２０を用いる位相変調部１３Ｒ、１３Ｇ、１３Ｂは、電圧印加の制御によって位相変調パターンを容易に変化させることが可能であるという利点を有する。また、フィルム状の回折光学素子は、階調数が増加するほど製造が困難となる。例えば、マスクを用いた露光工程を経て回折光学素子を製造する場合、階調数が増加するほど多くのマスクが必要となる。これに対して、位相変調部１３Ｒ、１３Ｇ、１３Ｂは、液晶素子２０を用いることで、階調数の増加に対して比較的容易に対処可能であるという利点も得られる。

ある単位領域４１について隣接するフレーム間において光の強度の差が顕著である場合、ちらつき等として観察者に違和感を与えることがあり得る。位相変調部１３Ｒ、１３Ｇ、１３Ｂによる光の強度の調節は、残像として光が積分される時間、例えば２フレーム期間において、例えば２％以内の変化とすることが望ましい。また、隣接する単位領域４１同士について光の強度の差が顕著である場合も、画像の不自然さ等、観察者に違和感を与えることがあり得る。光が積分される空間範囲内においても、位相変調部１３Ｒ、１３Ｇ、１３Ｂによる光の強度の調節は、例えば２％以内の変化とすることが望ましい。このように、時間的あるいは空間的に光の強度の変化を緩やかにすることで、違和感を低減し、快適な画像観察が可能となる。

位相変調部１３Ｒ、１３Ｇ、１３Ｂは、液晶素子２０として、電界制御複屈折モードの液晶の他、散乱型液晶を用いる構成としても良い。但し、散乱型液晶を用いる場合、光の散乱により光利用効率が低下する場合があり得る。また、位相変調部１３Ｒ、１３Ｇ、１３Ｂは、アナログ信号に応じて位相変調を行う構成の他、ディジタル信号に応じて位相変調を行う構成としても良い。ディジタル信号に応じた位相変調を行う構成としては、例えば、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）デバイスを用いることができる。但し、ディジタル変調の場合、階調表現が不連続となるために位相変調パターンの細かな再現ができなければ、回折角の十分な制御が困難になる。アナログ信号に応じた位相変調を行う構成は、連続的な階調表現が可能であるから位相変調パターンの細かな再現、回折角の十分な制御により正確な照度分布が得られるという利点がある。

照明装置１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂは、画像信号に基づいて強度が調節されたレーザ光を光源部１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂにより供給する構成に限られない。光源部１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂは、略一定の強度のレーザ光を供給することとしても良い。この場合、光源部１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂを最大出力として画面全体へ均一に光を照射させる場合よりも高輝度な表示を行ういわゆるピーク輝度制御が可能となる。ピーク輝度制御は、従来、ＣＲＴディスプレイやプラズマディスプレイの特徴とされている。これにより、液晶型のプロジェクタ１００において、さらに広範なダイナミックレンジでの画像表示が可能となる。

さらに、ＤＳＰ（２）５２は、図５にて破線矢印で示すように、外部から直接入力された制御信号に応じた調整を行うこととしても良い。ＤＳＰ（２）５２へ直接入力される制御信号とは、各レーザ光の強度差に応じた設定を行うためのものであって、例えば各レーザ光源１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂの個体差による出力のばらつきを補正するものである。光源部１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂは、各レーザ光源１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂの強度差に基づいて設定されたＰＷＭ信号に応じて制御される。位相変調部１３Ｒ、１３Ｇ、１３Ｂは、各レーザ光源１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂの強度差に基づいて設定された位相変調信号に応じて制御される。これにより、複数のレーザ光源の出力差に応じた効果的な制御ができる。また、各色間におけるレーザ光の強度調整を行うことで、良好なホワイトバランスを得ることもできる。なお、光源部１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂ、位相変調部１３Ｒ、１３Ｇ、１３Ｂのいずれか一方について、レーザ光の強度差に応じて制御することとしても良い。

空間光変調装置１５Ｒ、１５Ｇ、１５Ｂの入射面４０に設定される単位領域４１は、入射面４０より小さく、かつ空間光変調装置１５Ｒ、１５Ｇ、１５Ｂにおける画素の領域より大きければ良い。入射面４０より小さい複数の単位領域４１を設定することにより、単位領域４１ごとの光の強度調節を行うことが可能となる。また、画像全体を高コントラストとするには、位相変調部１３Ｒ、１３Ｇ、１３Ｂは、画素より広い領域ごとに光の強度調節を行うこととすれば十分である。画素の領域より大きい単位領域４１を設定することにより、位相変調部１３Ｒ、１３Ｇ、１３Ｂの構成及び駆動を簡易にできる。これにより、構成及び駆動が簡易な位相変調部１３Ｒ、１３Ｇ、１３Ｂを用いて、画像に適合させた強度分布の光を空間光変調装置１５Ｒ、１５Ｇ、１５Ｂへ入射させることができる。

なお、プロジェクタ１００は、フロント投写型のプロジェクタに限られない。スクリーンの一方の面に光を供給し、スクリーンの他方の面から出射される光を観察することで画像を鑑賞する、いわゆるリアプロジェクタであっても良い。また、本発明は、液晶表示装置を用いる直視型のディスプレイに適用しても良い。

以上のように、本発明に係る照明装置は、画像信号に応じた光を投写するプロジェクタに用いる場合に適している。

本発明の実施例に係るプロジェクタの概略構成を示す図。 照明装置、空間光変調装置、及びクロスダイクロイックプリズムを示す図。 液晶素子の断面構成を示す図。 空間光変調装置の入射面に設定された単位領域を示す図。 プロジェクタを駆動するためのブロック構成を示す図。

符号の説明

１００ プロジェクタ、１０Ｒ Ｒ光用照明装置、１０Ｇ Ｇ光用照明装置、１０Ｂ Ｂ光用照明装置、１１Ｒ Ｒ光用光源部、１１Ｇ Ｇ光用光源部、１１Ｂ Ｂ光用光源部、１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂ レーザ光源、１３Ｒ、１３Ｇ、１３Ｂ 位相変調部、１４Ｒ、１４Ｇ、１４Ｂ フィールドレンズ、１５Ｒ Ｒ光用空間光変調装置、１５Ｇ Ｇ光用空間光変調装置、１５Ｂ Ｂ光用空間光変調装置、１６ クロスダイクロイックプリズム、１６ａ 第１ダイクロイック膜、１６ｂ 第２ダイクロイック膜、１７ 投写レンズ、１８ スクリーン、２０ 液晶素子、２１ 第１透明基板、２２ 第１透明電極、２３ 遮光層、２４ 第２透明基板、２５ 半導体層、２６ ゲート絶縁膜、２７ ゲート電極、２８ 絶縁膜、２９ 信号線、３０ ＰＳＧ膜、３１ 第２透明電極、３２ 液晶層、４０ 入射面、４１ 単位領域、５０ ＡＤコンバータ、５１ ＤＳＰ（１）、５２ ＤＳＰ（２）、５３ ＤＳＰ（３）、５４ ＤＡコンバータ、５５ 空間光変調駆動部、５６ 位相変調信号生成部、５７ 位相変調駆動部、５８ ＰＷＭ信号生成部、５９ 光源駆動部

Claims (11)

1. コヒーレント光を供給する光源部と、
   前記光源部からの前記コヒーレント光の位相を変調して被照射面へ入射させる位相変調部と、を有し、
   前記位相変調部は、位相変調パターンに応じた回折光を生じさせながら前記コヒーレント光の位相を変化させることにより、前記被照射面にて設定された単位領域ごとに強度が調節された光を、前記被照射面へ入射させることを特徴とする照明装置。
2. 前記位相変調部は、液晶素子を備えることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
3. 前記液晶素子は、電界制御複屈折モードの液晶素子であることを特徴とする請求項２に記載の照明装置。
4. 前記光源部は、強度が調節された前記コヒーレント光を供給することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の照明装置。
5. 前記光源部は、前記被照射面における平均照度を基準として決定された強度の前記コヒーレント光を供給することを特徴とする請求項４に記載の照明装置。
6. 前記光源部は、複数の前記コヒーレント光を供給し、
   前記光源部及び前記位相変調部の少なくとも一方は、前記コヒーレント光の強度差に応じて制御されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の照明装置。
7. 前記光源部は、略一定の強度の前記コヒーレント光を供給することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の照明装置。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の照明装置からの光を画像信号に応じて変調することにより画像を表示することを特徴とするプロジェクタ。
9. 前記照明装置からの光を前記画像信号に応じて変調する空間光変調装置を有し、
   前記照明装置は、前記空間光変調装置の入射面にて設定された単位領域ごとに強度が調節された光を、前記入射面へ入射させることを特徴とする請求項８に記載のプロジェクタ。
10. 前記単位領域が、前記入射面より小さく、かつ前記空間光変調装置における画素の領域より大きいことを特徴とする請求項９に記載のプロジェクタ。
11. 前記照明装置は、光源部からのコヒーレント光の位相を変調させる位相変調部を有し、
    前記位相変調部は、前記画像信号に基づいて生成された位相変調信号に応じて制御されることを特徴とする請求項８〜１０のいずれか一項に記載のプロジェクタ。

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