JP2006251329A - 画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プロジェクタ等の画像表示装置において、黒表示のときのフレア光の影響を低減し、コントラストの低下による「黒浮き」の問題を改善する。
【解決手段】本発明の画像表示装置は、光源１と、液状マイクロレンズアレイ２と、液晶パネル３と、液晶パネルの画素変調タイミングと液状マイクロレンズアレイの屈折力変化のタイミングを同期させる制御装置６を有する。液状マイクロレンズアレイ２の各液状マイクロレンズ２ａは、液晶パネル３の各画素３ａに対応して１つずつ設置されており、液晶パネル３の各画素３ａの、コントラスト制御の一部を、液状マイクロレンズ２ａのバイアス制御による屈折力制御によって行う。このように液晶パネルに液状マイクロレンズアレイを併設し、黒表示を行う時には各液状マイクロレンズの屈折力を変化させることで、画素の表示に有効な領域に入射する漏れ光（フレア光）の光量を減らすことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は画像表示装置に関し、特にプロジェクターやリアプロジェクションテレビなどに応用されるカラー画像表示装置に関する。

近年、ホームユースやビジネスユースともに、画像表示装置としてのプロジェクターの市場は安定的に拡大を続けており、その性能は飛躍的な向上を見せている。特に明るさに関しては、ユーザーが商品購入時に最も考慮する重要スペックの一つであり、明るさの向上は目覚しいものが有る。
しかし、明るさの向上に伴ってコントラストの低下を招き、「黒浮き」と呼ばれる、黒を黒と認識しずらくなる問題が生じている。これは、特に透過型液晶プロジェクターで顕著に起こる問題である。

この透過型液晶プロジェクターの表示素子に透過型液晶パネルを用いた場合、画素の表示は液晶透過光の投射によって行う。すなわち、完全な黒表示を行うには、液晶パネルによって画素照明光の完全な遮光が必要である。しかし、画素の完全遮光は難しく、光が漏洩してしまう傾向があり、黒表示部がこの漏れ光（フレア光）によって白っぽく表示されてしまい、コントラストの低下を招いている。

従来、「黒浮き」の問題を本質的に改善する手法は種々提案されている。例えばホームユースに限定したプロジェクターには、光源輝度を調節することで改善を行うものや、特許文献１に記載の画像表示装置及び表示制御方法のように、表示する映像信号に応じて動的に光源の輝度調整を行うものもあるが、本質的な改善になっておらず、反射型のＤＭＤパネルを用いたプロジェクターのコントラスト比には及ばない。

また、特許文献２に記載の画像表示装置においては、発光ダイオード（ＬＥＤ）光源によって液晶を照明している。これも光源の変調によって「黒浮き」の問題を軽減することができるが、改善のレベルは上記の従来技術と同様である。

さらに特許文献３においては、偏光板と液晶パネルとの間に、入射光に対する液晶の光学異方性を補正するような位相差補正板を備えた液晶表示装置が提案されている。
しかしながら、この液晶表示装置では、補正するための位相差が既知でなければならず、また、液晶パネルのバラツキにも対応することができない。

特許第３５８３１２２号公報 特開平１１−２４９５８２号公報 特開平５−３２３３１１号公報 特開２００３−５０３０３号公報

本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、黒表示のときの液晶パネルからの漏れ光（フレア光）の影響を低減し、コントラストの低下による「黒浮き」の問題を改善することができる画像表示装置を提供するものである。

上記目的を達成するため、本発明では以下のような構成を採っている。
本発明の第１の構成の画像表示装置は、光源と、液状マイクロレンズアレイと、液晶パネルと、前記液晶パネルの画素変調タイミングと前記液状マイクロレンズアレイの屈折力変化のタイミングを同期させる制御装置を有することを特徴とするものである（請求項１）。
また、第２の構成の画像表示装置は、第１の構成の画像表示装置において、前記液状マイクロレンズアレイの各液状マイクロレンズは、前記液晶パネルの各画素に対応して１つずつ設置されていることを特徴とするものである（請求項２）。
さらに第３の構成の画像表示装置は、第１または第２の構成の画像表示装置において、前記液晶パネルが前記光源によって照明される側の面を照明面、その反対側の面を表示面とすると、前記液状マイクロレンズアレイは、前記液晶パネルの照明面側に設置されていることを特徴とするものである（請求項３）。
さらに第４の構成の画像表示装置は、第１乃至第３のいずれか一つの構成の画像表示装置において、前記液晶パネルの各画素の、コントラスト制御の一部を、前記液状マイクロレンズのバイアス制御による屈折力制御によって行うことを特徴とするものである（請求項４）。

第５の構成の画像表示装置は、第１乃至第４のいずれか一つの構成の画像表示装置において、前記光源は白色光源であることを特徴とするものである（請求項５）。
また、第６の構成の画像表示装置は、第１乃至第４のいずれか一つの構成の画像表示装置において、前記光源は発光ダイオードであることを特徴とするものである（請求項６）。
さらに第７の構成の画像表示装置は、第６の構成の画像表示装置において、前記発光ダイオードは、少なくとも赤、緑、青の３色の発光ダイオードからなり、各発光ダイオードは時分割で点灯することを特徴とするものである（請求項７）。

第８の構成の画像表示装置は、第１乃至第７のいずれか一つの構成の画像表示装置において、前記液晶パネルの表示画像を投射する投射レンズを有することを特徴とするものである（請求項８）。
また、第９の構成の画像表示装置は、第１乃至第７のいずれか一つの構成の画像表示装置において、前記液晶パネルの表示画像を投射する投射レンズと、その投射画像を表示する画像表示用スクリーンを有することを特徴とするものである（請求項９）。
さらに第１０の構成の画像表示装置は、第８または第９の構成の画像表示装置において、前記投射レンズは、フレアカット絞りを有することを特徴とするものである（請求項１０）。

本発明の画像表示装置では、液晶パネルのマイクロレンズとして、液状マイクロレンズアレイを採用しており、黒表示を行う時には液状マイクロレンズアレイの各液状マイクロレンズの屈折力を変化させることで、画素の表示に有効な領域に入射する漏れ光（フレア光）の光量を減らすことができる。また、例え画素に入射しても、漏れ光自体に発散性を持たせることで、投射レンズの入射瞳に入る漏れ光量を劇的に減らすことができる。従って本発明によれば、漏れ光（フレア光）によるコントラストの低下を抑えることができ、「黒浮き」の問題を改善することができる。

プロジェクターなどの画像表示装置において、画像表示素子に用いる液晶パネルによっては、各画素にマイクロレンズを設置しているものがある。液晶の一画素領域全体の内、表示に有効な領域の面積比は、通常５０％程度とされている。マイクロレンズを各画素に設置する目的は、照明光をより確実に、この５０％の領域に導くことにある。

近年開発された新技術に、「液状レンズ」または「液体レンズ」と呼ばれるものがある。例えば特許文献４に記載の液状マイクロレンズは、絶縁層と、透明な導電性液体からなる小滴と、複数の電極からなる液状マイクロレンズである。この発明によると、複数の電極間にバイアスをかけることにより、レンズの位置および焦点長さ（屈折力）の調節が可能となる。

また、ロイヤルフィリップス エレクトロニクスは、自身のホームページ（http://www.philips.co.jp/about/news/section-13914/article-2631.html）で、「FluidFocusレンズ」という名称の液体レンズを発表している。これによると、FluidFocusレンズとは、異なる屈折率（光学特性）を持つ２つの不混和性の（混じり合わない）液体と、伝導性を持つ水性溶液および非伝導のオイルで構成されるものであり、これらが透明なエンドキャップの付いた短いチューブの中に入っており、チューブの内壁とエンドキャップの一端は、疎水性の（撥水性の）コーティングで覆われている。チューブの反対の端では、水性溶液が半球状の固まりになり、球状レンズとして機能する。そして、このレンズ形状は、電荷の制御によって、最初に凹レンズだった表面を完全に平らにしたり、凸状にしたりすることができる。

本発明は、液晶パネルに併設するマイクロレンズとして、上述のような「液状マイクロレンズ」や「液体レンズ」を採用する。そして、黒表示を行う時には「液状マイクロレンズ」や「液体レンズ」の屈折力を変化させることで、画素の表示に有効な領域に入射する光量を減らす。また、例え画素に入射しても、漏れ光自体に発散性を持たせることで、投射レンズの入射瞳に入る漏れ光量を劇的に減らすことができる。

以下、本発明に係る画像表示装置の具体的な構成、動作及び作用を図面を参照して詳細に説明する。

［実施例１］
本発明に係る画像表示装置の第１の実施例として、プロジェクターの一実施例について説明する。
図１は本発明に係るプロジェクターの一実施例を示す概略構成図であり、このプロジェクターは、光源１と、液状マイクロレンズアレイ２と、透過型液晶パネル３と、投射レンズ４と、液晶パネル３の画素変調タイミングと液状マイクロレンズアレイ２の屈折力変化のタイミングを同期させる制御装置６とを有する構成である。光源１としては、白色光源あるいは発光ダイオード（ＬＥＤ）等が用いられる。また、液晶パネル３が光源１によって照明される側の面を照明面、その反対側の面を表示面とすると、液状マイクロレンズアレイ２は、液晶パネル３の照明面側に設置されている。さらに液状マイクロレンズアレイ２の各液状マイクロレンズ２ａは、液晶パネル３の各画素３ａに対応して１つずつ設置されている。そして液晶パネル３の各画素３ａのコントラスト制御の一部を、液状マイクロレンズアレイ２の各液状マイクロレンズ２ａのバイアス制御による屈折力制御によって行う。

このプロジェクターでは、液晶パネル３による表示画像を投射レンズ４によって任意の位置に配置されたスクリーン５に投射して画像表示を行う。
また、光源１として発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いる場合、発光ダイオードは、少なくとも赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３色の発光ダイオードで構成し、各色の発光ダイオードを時分割で点灯することにより、カラー画像の表示を行うことができる。

次にこのプロジェクターにおいて、液状マイクロレンズアレイ２を液晶パネル３にカップリングさせる効果について説明する。
図３、図４はプロジェクターの光源１によって照明されている液晶パネル３内の任意の一画素３ａと、それに対応した液状マイクロレンズ２ａを示している。図３、図４では、液晶パネル３の画素３ａは、黒画像表示状態、すなわち、遮光状態にある。しかし、液状マイクロレンズ２ａが図３に示すように凸の状態では、液晶パネル３の各画素３からの僅かな漏れ光が収束光となり、図５に示すように漏れ光が投射画像とともにスクリーン５に投射されてしまい、図６に示すように、スクリーン５に投影された黒画像のコントラストが低下し、「黒の度合い」を下げる原因になる。

より詳しく述べると、図３及び図５に示す例では、液状マイクロレンズアレイ２の各液状マイクロレンズ２ａが凸の状態にある例を示している。通常、黒以外の画像を表示する場合には、光の利用効率を上げるために、液状マイクロレンズ２ａはこの凸の状態（あるいは平板状態）で構わない。液状マイクロレンズ２ａがこの状態であれば（投射レンズのバックフォーカス調整を別にすれば）、通常のプロジェクターと変化なく、通常の画像表示を行うことができる。しかし、黒画像を表示する場合には、液晶パネル３の各画素３ａから漏洩した光が収束光あるいは平行光の状態で投射レンズ４の入射瞳に入ってしまい、投射画像と共にスクリーン５に投影されて、黒表示部がこの漏れ光によって白っぽく表示されてしまう。これにより、図６（ｂ）に示すように、スクリーン５に投影された黒画像のコントラストが低下してしまう。

そこで本発明では、黒画像を表示する場合には、液晶パネル３の各画素３ａの黒表示（遮光状態）への移行と同期して、制御装置６により液状マイクロレンズアレイ２の各液状マイクロレンズ２ａの屈折力変化のタイミングを同期させて、液状マイクロレンズ２ａを図１及び図４に示すように凹レンズ（あるいは曲率の強い凸レンズ）の状態にさせる。これにより漏れ光自体に発散性を持たせることができ、投射レンズ４の入射瞳に入る漏れ光量を減らすことができる。この方法によって、液晶パネル３からの漏れ光があったとしても、投射レンズ４に入る漏れ光の光量を劇的に減らすことができる。

ここで、図４に示す液状マイクロレンズ２ａから投射レンズ４の入射瞳に引いた線は、投射レンズ４の開口数（ＮＡ）を示している。従って、この範囲の外に漏れ光をはじき出すことで、図１、図４に示すように、漏れ光の影響を低減でき、図２（ｂ）に示すように、スクリーン５に投射される投影像のコントラストを向上でき、より正確な黒表示が可能となる。

なお、入射瞳の外にはじき出された光が、フレア光となってスクリーン５への投射像に紛れ込まないように、投射レンズ４内、あるいは投射レンズ４の近傍にフレアカット絞り７を設けることが望ましい。

［実施例２］
次に本発明に係る画像表示装置の第２の実施例として、リアプロジェクションテレビの一実施例について説明する。
図７は本発明に係るリアプロジェクションテレビの一実施例を示す概略構成図である。このリアプロジェクションテレビのプロジェクター部の基本的な構成は図１と同様であり、光源１と、液状マイクロレンズアレイ２と、透過型液晶パネル３と、投射レンズ４と、液晶パネル３の画素変調タイミングと液状マイクロレンズアレイ２の屈折力変化のタイミングを同期させる制御装置６とを有する構成である。そして、この構成に加えて、プロジェクター部からの投射画像の光路を偏向するミラー８と、フレアカット絞り７、及び画像が投射されるスクリーン５を有している。

このリアプロジェクションテレビでは、プロジェクター部からの投射像をスクリーン５に投影する点や、黒表示の際に液状マイクロレンズアレイ２の各液状マイクロレンズ２ａの屈折率変化を行う点では実施例１と同様である。しかし、リアプロジェクションテレビの場合は、光路を偏向するミラー８やスクリーン５の位置は固定されおり、光路長が変わることがなく、プロジェクター部とスクリーンの関係を一定に保持できるので、入射瞳の外にはじき出したフレア光が、スクリーン５に紛れ込まないように、より厳しく規制することができる。

また、この第２の実施例においては、投射レンズ内あるいは投射レンズ４の近傍に設けたフレアカット絞り７とは別に、投射レンズ４とミラー８の間、またはミラー内、あるいはミラー８とスクリーンの間等に、ミラー８の表示に関わる有効部以外からの光をカットするような絞り９を設けるとよい。

以上説明したように、本発明の画像表示装置では、液晶パネル３に併設して「液状マイクロレンズアレイ２」を用い、液晶パネル３の各画素３ａのコントラスト制御の一部を、液状マイクロレンズアレイ２の各液状マイクロレンズ２ａのバイアス制御による屈折力制御によって行うことにより、液晶プロジェクターやリアプロジェクションテレビにおいて、よりコントラストの高い画像の表示が可能となる。

本発明に係る画像表示装置の第１の実施例を示すプロジェクターの概略構成図である。 図１に示すプロジェクターの液晶パネルによる入力画像とスクリーンへの投影像の一例を示す図である。 プロジェクターの光源によって照明されている液晶パネル内の任意の一画素と、それに対応した液状マイクロレンズ、及び液状マイクロレンズが凸状態のときの漏れ光と投射レンズの入射瞳との関係を示す図である。 プロジェクターの光源によって照明されている液晶パネル内の任意の一画素と、それに対応した液状マイクロレンズ、及び液状マイクロレンズが凹状態のときの漏れ光と投射レンズの入射瞳との関係を示す図である。 図１に示すプロジェクタにおいて、液状マイクロレンズが凸状態のときの例を示す図である。 図５に示すプロジェクターの液晶パネルによる入力画像とスクリーンへの投影像の一例を示す図である。 本発明に係る画像表示装置の第２の実施例を示すリアプロジェクションテレビの概略構成図である。

符号の説明

１：光源
２：液状マイクロレンズアレイ
２ａ：液状マイクロレンズ
３：液晶パネル
３ａ：画素
４：投射レンズ
５：スクリーン
６：制御装置
７：フレアカット絞り
８：ミラー
９：絞り

Claims (10)

1. 光源と、液状マイクロレンズアレイと、液晶パネルと、前記液晶パネルの画素変調タイミングと前記液状マイクロレンズアレイの屈折力変化のタイミングを同期させる制御装置を有することを特徴とする画像表示装置。
2. 請求項１記載の画像表示装置において、
   前記液状マイクロレンズアレイの各液状マイクロレンズは、前記液晶パネルの各画素に対応して１つずつ設置されていることを特徴とする画像表示装置。
3. 請求項１または２記載の画像表示装置において、
   前記液晶パネルが前記光源によって照明される側の面を照明面、その反対側の面を表示面とすると、前記液状マイクロレンズアレイは、前記液晶パネルの照明面側に設置されていることを特徴とする画像表示装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか一つに記載の画像表示装置において、
   前記液晶パネルの各画素のコントラスト制御の一部を、前記液状マイクロレンズのバイアス制御による屈折力制御によって行うことを特徴とする画像表示装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか一つに記載の画像表示装置において、
   前記光源は白色光源であることを特徴とする画像表示装置。
6. 請求項１乃至４のいずれか一つに記載の画像表示装置において、
   前記光源は発光ダイオードであることを特徴とする画像表示装置。
7. 請求項６記載の画像表示装置において、
   前記発光ダイオードは、少なくとも赤、緑、青の３色の発光ダイオードからなり、各発光ダイオードは時分割で点灯することを特徴とする画像表示装置。
8. 請求項１乃至７のいずれか一つに記載の画像表示装置において、
   前記液晶パネルの表示画像を投射する投射レンズを有することを特徴とする画像表示装置。
9. 請求項１乃至７のいずれか一つに記載の画像表示装置において、
   前記液晶パネルの表示画像を投射する投射レンズと、その投射画像を表示する画像表示用スクリーンを有することを特徴とする画像表示装置。
10. 請求項８または９記載の画像表示装置において、
    前記投射レンズは、フレアカット絞りを有することを特徴とする画像表示装置。
    

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