JP2006292781A - 投射型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 投射型表示装置において、光利用効率を大幅に向上させ、消費電力の少ない大型ディスプレイを提供すること。さらに、投射型表示装置において、良好な動画表示特性の大型ディスプレイを提供すること。
【解決手段】 投射型表示装置の横の画素数に合わせたＬＥＤアレーにより発光させた画像データを、凸レンズを用いて集光し、その焦点近傍に設置されたポリゴンミラーを介してスクリーンに投影する構成とした。ポリゴンミラーはＬＥＤに書き込まれた画像データと連動して回転し、集光された光を投射型表示装置の縦方向に走査して全面を表示する。
また、ポリゴンミラーが走査できる範囲で、投射型表示装置に表示する範囲以外の場所にセンサーを設け、ＬＥＤ個々の色相と輝度特性のばらつきを測定し補正する構成とした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、プロジェクターやリアプロジェクション方式などの投射型表示装置に関する。詳しくは、投影部の構造および駆動方法に関するものである。

従来から、液晶パネルを光源からの光束により照明し、液晶パネルからの透過光又は反射光に基づく画像を、投影レンズにより、スクリーン又は壁に拡大投影する液晶プロジェクターが種々提案されており、動画表示を主たる用途とするプロジェクターが市場規模拡大のために今後広く求められる。

現在発表されているプロジェクターは主に液晶表示素子を用いた液晶プロジェクターとデジタル・ミラー・デバイス（ＤＭＤ）を用いたデジタル・ライト・プロセッシング（ＤＬＰ）による投射型プロジェクター（以下単にＤＬＰと称する）の２種類が代表的なものとして挙げられる。（図５参照）
ＤＬＰは半導体基板上につくりこまれたミラーデバイスの角度を高速で切り替えることによって光のオンオフを制御し、１フレーム内でそのオン状態となっている時間の割合を制御することによって階調表示させている。一方、液晶表示素子では時分割階調は利用しておらず、液晶表示素子に印加する電圧の値を表示画像情報に応じて変化させることにより階調情報を表示させるアナログ階調による階調表示法が利用されている。

表示特性についてはいずれのデバイスでも人間の感じる動画高速応答特性が得られないことが最近の研究などから明らかになってきている。

ここで、液晶表示素子の場合には、上記報告では例えば液晶の応答時間が限りなくゼロになるまで高速化した場合でも人間の目は高速で表示しているとは感じないということが指摘されている。その原因は従来までの液晶表示素子がいわゆる「ホールド型表示」という原理に基づいているためである。これは観察者の目に、常時表示情報がはいるために、目の残像効果により画像の切れが悪くなる現象である。この「ホールド型表示」は液晶表示素子だけでなく、ＤＬＰなどの時分割で階調を表示させる方法にも共通する表示法である。

この表示法を取りつづける限りにおいては動画表示性能が大きくは改善されることはなく、前記研究成果では、人間が高速な動画表示であると感じる手法として、シャッターを用いて時間開口率を５０％以下にする方式、または２倍速以上の表示方式を挙げており、動画質改善に効果的であるとの結論が得られている。（非特許文献１参照）
プロジェクターにおいてこの問題を解決する手段として、光源の超高圧水銀ランプからの光を集光し、液晶表示素子またはＤＭＤなどの画像情報表示素子の一部の領域に照射され、その領域をポリゴンミラーによりその領域を時間的に変化させて画像情報表示素子全面を照射することにより、光の利用効率を下げることなく「非ホールド表示」をさせる方法（下記特許文献を参照）などがある。
石黒秀一・栗田泰市郎、「８倍速ＣＲＴによるホールド発光型ディスプレイの動画質に関する検討」、信学技報ＥＩＤ９６−４、Ｐ．１９ 特開２００４−１６３９１５号公報

しかしながら、上記２種類の方式ではいずれも光源に超高圧水銀ランプを用い、各デバイスに均一に照明している。そのため光の利用効率は、表示させる画像データによりオンオフが半分ずつの場合、１／２になってしまう。つまり黒を表示している時も超高圧水銀ランプは点灯していて、その時の光は捨てられることとなる。液晶表示素子の場合は偏光板でさらに半分になり合計１／４になってしまう。以上はすべてが理想的な状態であり現実的には画素の開口率等があり光の利用効率はさらに下がることとなる。

従来のプロジェクターでは、少しでも光利用効率を高めるべく、光学系や表示素子など様々なアプローチの積み重ねにより、少しでも明るい表示を実現しようという努力がなされている。しかしながら、前述したように理想的な光学系や表示素子ができたとしてもＤＬＰで１／２、液晶方式では１／４程度にしかならない。本発明の第一の目的は、光利用効率を大幅に向上させ、消費電力の少ない大型ディスプレイを提供することにある。

また、第二の目的は、色再現性の向上にある。各色のＬＥＤの発光は単色光であるので、広い色再現領域を持っている。ＣＲＴなどの蛍光体、液晶パネルなどのカラーフィルタ、プロジェクターの光源等はいずれも単色光ではないので狭い色再現領域しか得られていない。

また、第三の目的は、動画表示特性の改善にある。

上記課題を解決するために、まず、スクリーンの横の画素数に合わせてＬＥＤを一列に並べ、1個のＬＥＤが１画素に対応する１行分のＬＥＤアレーを用い、それぞれのＬＥＤに画像データに対応した輝度に発光させる。次に凸レンズを用い集光し、その焦点近傍に設置されたポリゴンミラーを介してスクリーンに投影される。ポリゴンミラーはＬＥＤに書き込まれた画像データと連動して回転し、集光された光をスクリーン上の縦方向に走査して全面を表示する。

本発明のプロジェクターおよびリアプロジェクション方式の表示装置の投射部の構造によると、ＬＥＤで発光された光は集光レンズ、反射板を経てスクリーンに投影されるので、光利用効率は100％に近い値になる。ＬＥＤで消費される電流は、表示データにより白表示のときだけ流れ、黒表示のときはゼロとなり、低消費電力の投射型表示装置を提供できる。

また、各色のＬＥＤの光はスペクトル分布がなく単一波長であるので、図６に示すようにＣＲＴより広い色再現領域を実現できる。

また、本方式ではライン状の光を走査することにより全画面を表示するので、「非ホールド表示」になり、かつ、従来技術（特許文献を参照）より狭い領域で走査するのでより良好な動画表示特性を得られる。

以上により、第一から第三の目的は達成される。

図１は本発明の投射型表示装置の一例であり、リアプロジェクション方式の場合を示したものである。ＬＥＤアレー１０１で発光した１行分の光は、集光レンズ１０２で集光されポリゴンミラー１０３に投射される。ポリゴンミラー１０３は回転し入射された光を縦方向に走査する。その後は従来技術と同様にプロジェクションレンズ１０４、非球面ミラー１０５、反射板１０６を経てスクリーン１０７に拡大投影される。ＬＥＤアレー１０１はＲＧＢの各色の3本から構成され、それぞれが平行でかつポリゴンミラー１０３と並行に設置され、発光する１行分のデータはポリゴンミラー１０３の回転に合せ、スクリーン１０７上で同じ行になるように転送される。つまり各色のＬＥＤアレー１０１は異なるタイミングで発光しスクリーン１０７上の同じ画素に投射される。

プロジェクターは上記構成で、非球面ミラー１０５、反射板１０６を経てスクリーン１０７がないものである。

ＬＥＤの特性は、一般的に発光波長と輝度が個々に異なるものであり、印加電圧により発光波長と輝度が変わり、パルス幅で輝度が変わる。このバラツキをセンサーで測定し補正する。

ラインセンサー１０８は、本実施例ではプロジェクションレンズ１０４の横に設置したが、ポリゴンミラー１０３が回転してスクリーン１０７の上から下まで走査する範囲外で、かつポリゴンミラー１０３で反射される光路上の位置であればよい。また、図３のように上記位置に反射板と集光レンズを設置しその反射光がラインセンサーに入るようにしてもよい。

図２は本発明の回路ブロック図の一例で、入力された画像データは、加算器２０２で補正データメモリ２０１に蓄えられた輝度の補正値を加えられ、ＬＥＤアレー駆動回路２０４に送られる。ＬＥＤアレー駆動回路は補正されたデータにしたがってパルス幅変調を行うとともに、補正データメモリ２０１より送られてくる色相の補正値に従い各出力の電圧値を補正してＬＥＤアレー２０６を発光させる。また、同時に入力された同期信号より同期制御回路２０３で同期タイミング信号を発生し、ポリゴンミラー駆動回路２０７、ＬＥＤアレー駆動回路２０４、センサー２０５、補正データメモリ２０１に送られる。本実施例では、電圧とパルス幅の両方を用いているが、ＬＥＤの特性によっては片方のみで補正できる場合もある。

上記ラインセンサー１０８に補正データを取り込むタイミングは、同期制御回路２０３で発生し、画像を走査する期間以外の帰線期間に行われる。その期間にＬＥＤアレー１０１を一瞬一定値に発光させてラインセンサー１０８に色度と輝度データを取り込み補正データとし、補正データメモリに蓄えられる。

また、ＬＥＤアレー１０１の測定は１回の走査ですべてのＬＥＤの補正値を測定する必要はなく、並んだＬＥＤで間隔をあけて測定し、複数回の走査ですべてのＬＥＤの補正値が補正データメモリに蓄えられるようにしてもよい。このようにすることによりラインセンサー１０８に入射する光の焦点が完全にあっている必要はなくなる。当然のことながら、１個の光センサーを用い１回の走査で１個のＬＥＤを測定し、ＬＥＤアレー１０１のＬＥＤチップの個数回の走査で補正値を測定してもよい。

図4は、ＬＥＤアレー１０１にレンチキュラーレンズ３０５と集光レンズ１０２を組み合わせた場合の発光部の１部分の拡大図である。一般的なＬＥＤチップのサイズは３００μｍ角で、それを３５０μｍピッチで電極兼放熱板３０３に接着し、横に回路基板３０２を配置して、ＬＥＤの電極をそれぞれワイヤーボンディングして接続した。

レンチキュラーレンズ３０５は、ＬＥＤチップ３０１の真上に設置されＬＥＤアレー１０１の長辺方向を集光し、１方向を平行光に近づける。その後光は集光レンズ１０２を介してポリゴンミラー１０３に集光される。このとき、集光レンズ１０２はフレネルレンズもしくはプリズムレンズであってもよい。
スクリーン１０７が５０インチで解像度が１９２０×１０８０とすると１画素の大きさは５７０μｍ角となり普通にレンズを用いて投射すればスクリーン上で結像できることとなる。また、本実施例はスクリーン１０７に結像させるための最小のレンズ枚数であり、より焦点を合わせるためにレンズ枚数が増える場合もある。

本実施例においては、プラズマＴＶの１／４、液晶ＴＶ、ＦＥＤＴＶ、液晶プロジェクションＴＶの１／２程度の消費電力で同等の輝度を実現できる。加えて色再現性はＬＥＤの原色を表示できるのでＮＴＳＣに非常に近い値を実現できる。

本発明の実施例の構造図である。 本発明のブロック図である。 本発明の別の実施例の構造図である。 本発明のＬＥＤアレーの発光部の構造図である。 従来技術の構造図である。 ＬＥＤをＮＴＳＣと比較した色度図

符号の説明

１０１ ＬＥＤアレー
１０２ 集光レンズ
１０３ ポリゴンミラー
１０４ プロジェクションレンズ
１０５ 非球面ミラー
１０６ 反射板
１０７ スクリーン
２０１ 補正データメモリ
２０２ 加算器
２０３ 同期制御回路
２０４ ＬＥＤアレー駆動回路
２０５ ポリゴンミラー駆動回路
３０１ 反射板と集光レンズ
４０１ ＬＥＤチップ
４０２ 回路基板
４０３ 電極兼放熱板
４０４ ワイヤーボンディング
４０５ レンチキュラーレンズ
５０１ 光源
５０２ ＤＭＤ
５０３ 光アブソーバー

Claims (10)

1. プロジェクターおよびリアプロジェクション方式の投射型液晶表示装置において、投射部がスクリーンの横もしくは縦の画素数に合わせて一列に並べられたＬＥＤアレーと、集光レンズと、縦方向もしくは横方向に走査するためのポリゴンミラーからなることを特徴とする投射型液晶表示装置。
2. 前記ＬＥＤアレーの各ＬＥＤの輝度特性と色相を補正するためにラインセンサーが設置されたことを特徴とする請求項１記載の投射型液晶表示装置。
3. 前記ラインセンサーは、前記ポリゴンミラーから前記スクリーンまでの光の通過経路の画像データが走査される経路の外側に設置されたことを特徴とする請求項２記載の投射型液晶表示装置。
4. 前記ラインセンサーは、前記ポリゴンミラーから前記スクリーンまでの光の通過経路の画像データが走査される経路の外側に設置された反射角度の異なる反射鏡および集光レンズからの光が入射されることを特徴とする請求項２記載の投射型液晶表示装置。
5. 前記ＬＥＤアレーの各ＬＥＤの輝度特性と色相を補正するために１個の光センサーが設置されたことを特徴とする請求項１記載の投射型液晶表示装置。
6. １回の走査で１個のＬＥＤの色相および輝度特性を測定し、複数回の走査で前記ＬＥＤアレーのすべてのＬＥＤの特性を測定することを特徴とする請求項５記載の投射型液晶表示装置。
7. 前記ＬＥＤアレーは赤、緑、青の３原色の３本で構成されることを特徴とする請求項１記載の投射型液晶表示装置。
8. 各色のＬＥＤアレーに送られる画像データは前記ポリゴンミラーの回転に合わせて各色のタイミングをずらすことによって、スクリーン上の各画素の位置を合わせることを特徴とする請求項７記載の投射型液晶表示装置。
9. 前記ＬＥＤアレー上に、レンチキュラーレンズを設け、縦方向を集光した後、横方向を集光レンズによりスクリーン上に結像させることを特徴とする請求項１記載の投射型液晶表示装置。
10. 前記ＬＥＤアレー上に設置される集光レンズがフレネルレンズもしくはプリズムレンズであることを特徴とする請求項１記載の投射型液晶表示装置。

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