JP2000098325A

JP2000098325A - 投写型カラー画像表示装置

Info

Publication number: JP2000098325A
Application number: JP10266608A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Funatsukuri; 康夫船造; Hideyuki Kanayama; 秀行金山
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1998-09-21
Filing date: 1998-09-21
Publication date: 2000-04-07

Abstract

(57)【要約】【課題】単板式の投射型カラー画像表示装置におい
て、液晶表示素子における画素及び光の利用効率を向上
させることにより、高精細且つ高輝度化を図ることを目
的とする。【解決手段】単板式の投射型カラー画像表示装置にお
いて、赤色光を反射して残りの色光を透過させる赤色反
射領域と、緑色光を反射して残りの色光を透過させる緑
色反射領域と、青色光を反射して残りの色光を透過させ
る青色反射領域とが回転方向に沿って均等に配置された
カラーホイール２１、２２、２３を非平行に３枚配置す
るとともに、各カラーホイール２１、２２、２３を回転
させるモータ７１、７２、７３を設けて、各カラーホイ
ール２１、２２、２３の同一色反射領域が重畳しないよ
うに各モータ７１、７２、７３の回転を制御する。そし
て、マクロレンズアレイ３１にて各カラーホイール２
１、２２、２３からの反射光がそれぞれの入射角度に応
じて液晶表示素子３２の対応する画素に集光された後、
投射レンズ５にてスクリーン６に拡大投影される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、色毎に分離された
光を用いて液晶表示素子の表示画像をスクリーン面に拡
大投射する投射型カラー画像表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】液晶表示素子で表示された画像を拡大投
射する投射型カラー画像表示装置には、３枚の液晶表示
素子を用いる３板式と１枚の液晶表示素子を用いる単板
式とがある。３板式の投射型カラー画像表示装置では、
光源の白色光を色分離することにより得られる赤、緑、
青三原色の各色光が、３枚の液晶表示素子のうち各色に
対応する液晶表示素子に入射した後、各液晶表示素子で
表示された画像が光学的に合成され、その合成された画
像が投射レンズによってスクリーン面に投射される。

【０００３】しかしながら、このような３板式の投射型
カラー画像表示装置は、一般に光学系が複雑になり、装
置が大きく高価になってしまう。これに対し、単板式の
投射型カラー画像表示装置では、液晶表示素子を１枚し
か使用しないため、装置の大きさや製造費用の点におい
て３板式のものより有利である。

【０００４】単板式の投射型カラー表示装置の構成とし
ては、例えば特開平５−２７３５１７号公報に開示され
ているようなものが提案されている。

【０００５】この投射型カラー表示装置は、光源からの
光をグレーティング（回折格子）にて波長毎に異なる角
度に分散させ、その分散された光をマイクロレンズにて
収束させることにより、液晶表示素子の赤色画素には赤
色に対応する波長域の光を、緑色画素には緑色に対応す
る波長域の光を、青色画素には青色に対応する波長域の
光をそれぞれ入射させている。そして、液晶表示素子を
透過する各色光は、液晶表示素子にて画像情報に基づい
て変調されてカラー画像光となり、投射レンズにてスク
リーン面に拡大して投射される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな単板式の投射型カラー画像表示装置では、液晶表示
素子の赤色画素、緑色画素、青色画素がそれぞれ固定さ
れてしまい、各色画像毎の画素数が液晶表示素子全体の
画素数の３分の１となってしまうため、画素の利用効率
が悪く高精細化が困難である。

【０００７】また、表示すべき画像のフレーム周波数と
比較して高速に切替を行なうことが可能な、例えば、マ
イクロミラーを用いた表示デバイス、あるいは、強誘電
性液晶を用いた表示デバイスを用いて色分離を行なう場
合には、表示デバイスに照射される各色光を時分割で切
り換えるため、表示デバイス全体の画素を用いた各色画
像が形成される。

【０００８】しかしながら、この場合、時分割で切り換
えて出射される各色光は、光源からの白色光のうちその
色に対応した光しか利用できないため、各色画像の表示
時間が全体の３分の１より短くなってしまい、光の利用
効率が悪く高輝度化が困難である。

【０００９】本発明は、このような問題点に鑑みてなさ
れたものであって、液晶表示素子における画素及び光の
利用効率を向上させることにより、高精細且つ高輝度の
投射型カラー画像表示装置を提供することを目的とす
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の投射型カラー画
像表示装置は、光源と、その光源からの光を赤、緑、青
の３つの色に分光するとともに、分光された各色光をそ
れぞれ異なる角度で出射する色分離手段と、その色分離
手段から出射された各色光を色毎に集光して対応する画
素に入射させるマイクロレンズアレイと、そのマイクロ
レンズアレイにより集光された各色光を画像情報に基づ
いて変調して出射する液晶表示素子とを備えた投射型カ
ラー表示装置において、色分離手段から出射される各色
光の出射角度を所定期間毎に切り替える切換手段と、そ
の切換手段及び液晶表示素子を同期して駆動させる制御
手段とを設けたものである。

【００１１】このような構成とすることにより、色分離
手段から出射される三原色の各色光の角度が所定期間毎
に切り換えられるため、マイクロレンズアレイにより液
晶表示素子の各画素に集光される色光が所定期間毎に切
り換わる。そして、この各画素に集光される色光の切り
換わりに同期して、その色に対応する画像信号に基づい
た液晶表示素子の駆動制御が行われる。

【００１２】具体的には、色分離手段は、赤色光を反射
して残りの色光を透過させる赤色反射領域と、緑色光を
反射して残りの色光を透過させる緑色反射領域と、青色
光を反射して残りの色光を透過させる青色反射領域とが
回転方向に沿って均等に配置されたカラーホイールを非
平行に３枚配置して構成され、切換手段は、各カラーホ
イールを回転させるモータから構成され、制御手段は、
光源からの光に対して、各カラーホイールの同一色反射
領域が重畳しないようにモータの回転を制御するもので
ある。

【００１３】このような構成において、光源からの光に
対して３枚のカラーホイールの同一色反射領域が重畳し
ないようにモータの回転を制御すると、各カラーホイー
ルから三原色の各色光が所定期間毎に色を切り換えなが
ら反射光としてマイクロレンズアレイに照射される。こ
のとき、マイクロレンズアレイに照射される各色光の入
射角度は、カラーホイールの傾きに依存しているため、
赤、緑、青の各色光が所定期間毎に角度を入れ替えなが
らマイクロレンズアレイに照射される。

【００１４】また、具体的には、色分離手段は、赤色光
を反射して残りの色光を透過させる赤色反射領域と、緑
色光を反射して残りの色光を透過させる緑色反射領域
と、青色光を反射して残りの色光を透過させる青色反射
領域とが回転方向に沿って均等に配置されたカラーホイ
ールを非平行に２枚配置するとともに、そのカラーホイ
ールより光源から離れた位置に反射ミラーを配置して構
成され、切換手段は、各カラーホイールを回転させるモ
ータから構成され、制御手段は、光源からの光に対し
て、各カラーホイールの同一色反射領域が重畳しないよ
うにモータの回転を制御するものである。

【００１５】このような構成において、光源からの光に
対して２枚のカラーホイールの同一色反射領域が重畳し
ないようにモータの回転を制御すると、両カラーホイー
ルから三原色のうちの２色の色光が所定期間毎に色を切
り換えながら反射されるとともに、両カラーホイールに
より反射光として出射された２色の色光を除く色光が反
射ミラーにて反射されて、マイクロレンズアレイに照射
される。このとき、マイクロレンズアレイに照射される
各色光の入射角度は、２枚のカラーホイールと反射ミラ
ーの傾きに依存しているため、赤、緑、青の各色光が所
定期間毎に角度を入れ替えながらマイクロレンズアレイ
に照射される。

【００１６】また、制御手段は、光源から出射された光
がカラーホイールの２つの色反射領域にまたがるとき、
各色光を遮断すべく液晶表示素子を制御するものであ
る。

【００１７】このような構成とすることにより、各カラ
ーホイールから反射光として出射される色光は、常に単
色のものとなり、マイクロレンズにより同一画素に集光
される光が統一される。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につき
図面を参照しつつ詳細に説明する。

【００１９】図１は本発明の一実施の形態における投射
型カラー画像表示装置の概略構成を表す構成図、図２は
図１に示すカラー画像表示装置が備えるカラーホイール
の概略構成を表す平面図、図３は図１に示すカラー画像
表示装置の要部拡大断面図、図４は図１に示すカラー画
像表示装置の制御ブロック図、図５は図２に示すカラー
ホイールの各色反射領域における分光特性を表すグラフ
である。

【００２０】本実施の形態におけるカラー画像表示装置
は、図１に示すように、放射面鏡１１が備え付けられた
光源１から出射される光の出射方向に沿って、色分離部
２と、液晶パネル３と、コンデンサレンズ４と、投射レ
ンズ５とを備え、投射レンズ５から出射された画像がカ
ラースクリーン６に表示される構成となっている。

【００２１】光源１は、メタルハライドランプからなる
白色光源であり、その光は放射面鏡１１からの反射光と
あわせて平行光となるように構成されている。

【００２２】色分離部２は、光源１に近い側から第１〜
第３のカラーホイール２１、２２、２３を備え、各カラ
ーホイール２１、２２、２３には切換手段としての第１
〜第３のモータ７１、７２、７３がそれぞれ取り付けら
れている。

【００２３】第１のカラーホイール２１は、図２に示す
ように、分光特性の異なる光反射膜を組み合わせて円板
状に形成したものであり、その中心から１２０度ずつ分
光特性に応じた３つの領域２１ｒ、２１ｇ、２１ｂに分
かれている。２１ｒは、赤色反射領域であり、図５
（ａ）に示すように、光源１からの白色光のうち赤色に
対応する波長域（５９０〜６８０ｎｍ）の光を選択的に
反射し、それ以外の波長域の光を透過する分光特性を有
している。２１ｇは、緑色反射領域であり、図５（ｂ）
に示すように、緑色に対応する波長域（５００〜５８０
ｎｍ）の光を選択的に反射し、それ以外の波長域の光を
透過する分光特性を有している。２１ｂは、青色反射領
域であり、図５（ｃ）に示すように、青色に対応する波
長域（４２０〜４９０ｎｍ）の光を選択的に反射し、そ
れ以外の波長域の光を透過する分光特性を有している。
これにより、光源１からの白色光が照射される領域に応
じて、第１のカラーホイール２１から反射される光の色
が異なるようになる。

【００２４】また、第１のカラーホイール２１は、その
中心にモータ７１の回転軸が固定されており、その軸と
一体回転するように構成されている。このため、モータ
７１を駆動してカラーホイール２１をＳ方向に回転させ
ることにより、光源１からの白色光が照射される領域
は、青色反射領域２１ｂ、緑色反射領域２１ｇ、赤色反
射領域２１ｒの順に繰り返し変化する。

【００２５】尚、第１〜第３のカラーホイール２１、２
２、２３の各構成はそれぞれ同一であるため、第２、第
３のカラーホイール２２、２３の構成についての説明は
者略する。

【００２６】そして、第１〜第３のカラーホイール２
１、２２、２３は、図１に示すように、各カラーホイー
ル２１、２２、２３が互いに非平行となるように紙面と
垂直な軸について数度ずつ傾けて配置される。これによ
り、各カラーホイール２１、２２、２３から反射される
光の角度が数度ずつ傾くようになる。

【００２７】液晶パネル３は、図３に示すように、入射
光を映像信号に基づいて変調して出力する液晶表示素子
３２と、その液晶表示素子３２の光源１側に配置された
マイクロレンズアレイ３１とを備えている。

【００２８】マイクロレンズアレイ３１は、液晶表示素
子３２内の３画素に１個の割合で微小なレンズが平面状
に形成されたものであり、プラスチック、ガラス等を成
型することにより得られる。

【００２９】液晶表示素子３２は、画素を形成するため
の透明電極（図示省略）を一方の面に施すとともに他方
の面に偏光板（図示省略）をそれぞれ取り付けた２枚の
ガラス基板３３、３４間に液晶を封入して液晶層３５を
形成したものであり、液晶としては、反応速度の速い強
誘電液晶を使用している。この液晶層３５の各画素３５
ｘ、３５ｙ、３５ｚは、ブラックマトリックスＢＭで１
画素毎に区切られている。

【００３０】また、液晶の駆動方式としては、一方のガ
ラス基板３３に透明電極としてｘ電極を設け、他方のガ
ラス基板３４に透明電極としてｙ電極を設け、両電極が
交差する部分を表示画素３５ｘ、３５ｙ、３５ｚとして
液晶を駆動させる単純マトリックス方式を使用してい
る。

【００３１】次に、本実施の形態における投射型カラー
画像表示装置の制御系について図４を用いて説明する。

【００３２】投射型カラー画像表示装置の制御系は、図
４に示すように、所定のタイミング信号に基づいて各種
制御信号を生成する制御部９１を中心に構成されてい
る。

【００３３】制御部９１から出力されるカラーホイール
制御信号は、第１〜第３のカラーホイール２１、２２、
２３にそれぞれ取り付けられた第１〜第３のモータ７
１、７２、７３のドライバ回路７１ｄ、７２ｄ、７３ｄ
にそれぞれ供給され、その制御信号に基づいて第１〜第
３のモータ７１、７２、７３の回転が制御される。この
とき、制御部９１から出力されるカラーホイール制御信
号は、第１〜第３のモータ７１、７２、７３それぞれに
設けた回転位相を検出するエンコーダ７１ｅ、７２ｅ、
７３ｅから出力される位相信号に基づいて生成されてお
り、第１〜第３のカラーホイール２１、２２、２３の各
色反射領域が互いに１２０度ずつずれて一定速度（３６
００ｒｐｍ）で回転するように、各モータ７１、７２、
７３の回転を制御するものである。

【００３４】そして、このカラーホイール制御信号に基
づいて第１〜第３のモータ７１、７２、７３の回転を制
御すると、各カラーホイール２１、２２、２３が１回転
する期間のうち略３分の１の期間、第１のカラーホイー
ル２１から青色光が反射されるとともに、第２、第３の
カラーホイール２２、２３からそれぞれ緑色光、赤色光
が反射光として出射され、続く３分の１の期間、第１〜
第３のカラーホイール２１、２２、２３からそれぞれ緑
色光、赤色光、青色光が反射光として出射され、残りの
略３分の１の期間、第１〜第３のカラーホイール２１、
２２、２３からそれぞれ赤色光、青色光、緑色光が反射
光として出力される。このとき、各カラーホイール２
１、２２、２３から反射光として出射される各色光の角
度は、各カラーホイール２１、２２、２３の角度に依存
していることから、各色光の出射角度が各カラーホイー
ル２１、２２、２３の周期の略３分の１の期間毎に切り
換わることになる。

【００３５】従って、マイクロレンズアレイ３１により
液晶表示素子３２の各画素３５ｘ、３５ｙ、３５ｚに集
光される光も、各色光の入射角度の変化に応じて順次切
り換わっていくため、、全ての画素３５ｘ、３５ｙ、３
５ｚにおいて赤色、緑色、青色の画像が表示されること
になり、輝度を低下させることなく高精細化を図ること
ができる。

【００３６】制御部９１から出力される液晶制御信号
は、液晶表示素子３２のドライバ回路３２ｄに供給さ
れ、その制御信号に基づいて液晶表示素子３２の駆動が
制御される。このとき、制御部９１から出力される液晶
制御信号は、上述したカラーホイール制御信号と同期し
て映像信号処理部９２から出力される映像信号に基づい
て液晶表示素子３２を駆動するものである。この映像信
号処理部９２は、入力されたカラー画像情報から、各カ
ラーホイール２１、２２、２３の位置に対応した三原色
各色の画像信号を生成するものである。

【００３７】また、この液晶制御信号は、各カラーホイ
ール２１、２２、２３において、光源１からの光が２つ
の領域にまたがって照射される期間、液晶表示素子３２
に照射される光を遮断するように制御するものである。
これにより、各カラーホイール２１、２２、２３から反
射され、マイクロレンズアレイ３１により集光される光
の混色が防止され、色純度の高い画像を生成することが
できる。

【００３８】次に、本実施の形態における投射型カラー
画像表示装置の光学的な作用について、図３を用いて説
明する。尚、上述したように色分離部２には、第１〜第
３のカラーホイール２１、２２、２３の位置に応じて３
つの状態があるが、いずれの状態においても各カラーホ
イール２１、２２、２３から反射光として出射される光
の色が入れ替わるだけであるため、ここでは、第１〜第
３のカラーホイール２１、２２、２３から反射光として
それぞれ青色光Ｂ、緑色光Ｇ、赤色光Ｒが出射される状
態についてのみ説明する。即ち、光源からの光に対し
て、１のカラーホイール２１の青色反射領域２１ｂ、第
２のカラーホイール２２の緑色反射領域２２ｂ、第３の
カラーホイール２３の赤色反射領域２３ｒが重畳してい
る状態である。

【００３９】光源１から色分離部２に入射された白色光
は、第１のカラーホイール２１の青色反射領域２１ｂに
よって青色の反射光Ｂとそれ以外の色の透過光とに分離
され、また、その透過光は第２のカラーホイール２２の
緑色反射領域２２ｇによって緑色Ｇの反射光とそれ以外
の色の透過光とに分離され、更に、その透過光は第３の
カラーホイール２３の赤色反射領域２３ｒによって赤色
の反射光Ｒとそれ以外の色の透過光とに分離される。こ
のように光源１からの光は、各カラーホイール２１、２
２、２３の対応する色反射領域により青色光Ｂ、緑色光
Ｇ、赤色光Ｒの順に色分離されるとともに、液晶パネル
３のマイクロレンズ３１の方向へ反射される。

【００４０】ここで、各カラーホイール２１、２２、２
３は、互いになす角度が数度の傾きを持つように非平行
に配置されているため、各カラーホイール２１、２２、
２３から反射される反射光も非平行で、互いに数度の角
度を有している。このため、色毎に異なる角度でマイク
ロレンズアレイ３１に入射された各色光は、それぞれ入
射角の違いにより異なった３つの場所に焦点を結ぶこと
になる。その焦点と、液晶表示素子３２の画素３５ｘ、
３５ｙ、３５ｚとが一致しているため、青色に対応する
画素３５ｘには青色光Ｂ、緑色に対応する画素３５ｙに
は緑色光Ｇ、赤色に対応する画素３５ｚには赤色光Ｒが
選択的に入射される。

【００４１】そして、図１に示すように、液晶表示素子
３２を透過した光は、コンデンサレンズ４で集光された
後、投射レンズ５によりスクリーン６に投射される。そ
の結果、液晶表示素子３２に表示された画像が、スクリ
ーン６に拡大投射されることになる。

【００４２】尚、本実施の形態では、色分離手段とし
て、３枚のカラーホイール２１、２２、２３を使用した
が、図６に示すように、光源１から最も遠い位置にある
第３のカラーホイール２３を、アルミ等からなる反射板
１２３とすることができる。この場合、第３のモータ７
３が不要となり構成が簡単となるだけでなく、光源１か
らの白色光のうち第１、第２のカラーホイール２１、２
２を透過した全ての光を反射して利用できるため、表示
画像が明るくなる。

【００４３】また、本実施の形態では、液晶として強誘
電液晶を使用したが、ネマチック液晶等を使用すること
ができる。そのような場合には、液晶の駆動方式として
単純マトリックス方式だけでなくアクティブマトリック
ス方式を使用することができる。

【００４４】また、本実施の形態では、光源としてメタ
ルハライドランプを使用したが、キセノンランプ、ハロ
ゲンランプ等の白色光源を使用することができる。

【００４５】また、本実施の形態では、光源からの光を
カラーホイールに直接照射する構成としたが、光源とカ
ラーホイールとの間にコリメートレンズを配置して、カ
ラーホイールに照射される光の平行度を高くすることが
できるまた、本実施の形態で説明した投射型カラー画像
表示装置は、スクリーンの光源側から映像を観察するフ
ロント方式にも、スクリーンの光源と反対側から映像を
観察するリア方式にも使用することができる。

【００４６】

【発明の効果】本発明によれば、光源からの白色光を三
原色に色分離するとともに、色分離した各色光の出射角
度を所定期間毎に切り換えてマイクロレンズアレイに入
射させることにより、液晶表示素子の各画素に集光され
る光の色を切り換えているため、光源からの白色光を効
率よく利用することができ、且つ、全ての画素において
三原色各色の画像を表示させることができる。このた
め、輝度を低下させることなく高精細化を図ることが可
能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態における投射型カラー
画像表示装置全体の構成を表す概略構成図である。

【図２】図１の投射型カラー画像表示装置におけるカ
ラーホイールの構成を表す平面図である。

【図３】図１の投射型カラー画像表示装置の要部構成
を表す拡大断面図である。

【図４】図１の投射型カラー画像表示装置の制御系を
表すブロック図である。

【図５】図２のカラーホイールの各色反射領域におけ
る分光特性を表すグラフである。

【図６】本発明の別の実施の形態における投射型カラ
ー画像表示装置の要部構成を表す構成図である。

【符号の説明】

１：光源２１：第１のカラーホイール２２：第２のカラーホイール２３：第３のカラーホイール３：液晶パネル３１：マイクロレンズアレイ３２：液晶表示素子４：コンデンサレンズ５：投射レンズ６：スクリーン７１：第１のモータ７２：第２のモータ７３：第３のモータ９１：制御部９２：映像信号処理部

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Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源と、該光源からの光を赤、緑、青の
３つの色に分光するとともに、分光された各色光をそれ
ぞれ異なる角度で出射する色分離手段と、該色分離手段
から出射された前記各色光を色毎に集光して対応する画
素に入射させるマイクロレンズアレイと、該マイクロレ
ンズアレイにより集光された前記各色光を画像情報に基
づいて変調して出射する液晶表示素子とを備えた投射型
カラー表示装置において、前記色分離手段から出射される各色光の出射角度を所定
期間毎に切り替える切換手段と、該切換手段及び前記液
晶表示素子を同期して駆動させる制御手段とを設けたこ
とを特徴とする投写型カラー画像表示装置。
【請求項２】前記色分離手段は、赤色光を反射して残
りの色光を透過させる赤色反射領域と、緑色光を反射し
て残りの色光を透過させる緑色反射領域と、青色光を反
射して残りの色光を透過させる青色反射領域とが回転方
向に沿って均等に配置されたカラーホイールを非平行に
３枚配置して構成され、前記切換手段は、前記各カラー
ホイールを回転させるモータから構成され、前記制御手
段は、前記光源からの光に対して、前記各カラーホイー
ルの同一色反射領域が重畳しないように前記モータの回
転を制御することを特徴とする請求項１記載の投写型カ
ラー画像表示装置。
【請求項３】前記色分離手段は、赤色光を反射して残
りの色光を透過させる赤色反射領域と、緑色光を反射し
て残りの色光を透過させる緑色反射領域と、青色光を反
射して残りの色光を透過させる青色反射領域とが回転方
向に沿って均等に配置されたカラーホイールを非平行に
２枚配置するとともに、該カラーホイールより前記光源
から離れた位置に反射ミラーを配置して構成され、前記
切換手段は、前記各カラーホイールを回転させるモータ
から構成され、前記制御手段は、前記光源からの光に対
して、前記各カラーホイールの同一色反射領域が重畳し
ないように前記モータの回転を制御することを特徴とす
る請求項１記載の投写型カラー画像表示装置。
【請求項４】前記制御手段は、前記光源から出射され
た光が前記カラーホイールの２つの色反射領域にまたが
るとき、前記各色光を遮断すべく前記液晶表示素子を制
御することを特徴とする請求項２または３記載の投写型
カラー画像表示装置。