JP2006350040A - 投写型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
マイクロディスプレイをディスプレイパネルとして用いた投写型表示装置において、任意の色の低階調表示時に他の色の混ざりこみを防止して、あらゆる階調における色再現範囲を向上することである。
【解決手段】
本発明は、三原色光を放出する少なくとも一つの光源と、ディスプレイパネルと、そのディスプレイパネルを制御する制御回路と、光源から放出された光によりディスプレイパネルを照明する照明光学系と、ディスプレイパネルにより変調された光を投写する投写レンズとからなる投写型表示装置において、三原色光のうち少なくとも一色の照明光において映像信号に基づいて生成した制御信号により照明光量を変調すると同時に、映像信号に依存せずにディスプレイパネルのダイナミックレンジの上限を使うように変調する。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロディスプレイパネルに表示した映像を拡大投影する投写型表示装置に関するものである。

従来の投写型表示装置について、以下に説明する。

テレビジョン向けにはこれまでＣＲＴ(Cathode Ray Tube) 方式の投写型表示装置が主流であったが、高精細テレビジョン放送の本格化に伴い、固定画素のマイクロディスプレイをディスプレイパネルとして用いた投写型表示装置が市場に浸透しつつある。マイクロディスプレイ方式の投写型表示装置の従来例としては、特許文献１に開示されている。その他本発明に関連する背景技術として特許文献２，特許文献３が挙げられる。

特開平８−３０４７３９号公報 特開２００２−３０３９３１号公報 米国特許６６７８０７８

従来の投写型表示装置のように、ディスプレイパネルヘの照明光量を制御していない場合において、例えば青，緑の階調が０で赤の階調を任意に変調したときの色度特性は、赤の階調が低くなるにしたがって色純度が低下する。これは液晶パネルの階調が０、すなわち黒表示、であっても実際には僅かに光が投写されるためであり、主色の階調が低くなるにしたがってその影響が無視できなくなる。

あるいは特許文献２のように、液晶パネルヘの入射光量を白色光全体について制御したとしても、ディスプレイパネルヘの入射光量を最小にできるのは全ての色の階調が０、すなわち黒表示、の時だけである。黒表示時の漏れ光を低減することは可能であるが、例えば青，緑の階調が０で赤の階調を任意に変調したときの各ディスプレイパネルヘの入射光量は赤の階調に依存するため、赤を低階調表示した場合における緑及び青色光の混ざりこみを完全に防止することはできない。

本発明の目的は、マイクロディスプレイをディスプレイパネルとして用いた投写型表示装置において、任意の色の低階調表示時に他の色の混ざりこみを防止して、あらゆる階調における色再現範囲を向上することである。

本発明は、上記目的を達成するために、三原色光を放出する光源と、ディスプレイパネルと、ディスプレイパネルを制御する制御回路と、光源から放出された光によりディスプレイパネルを照明する照明光学部と、三原色光の各々の照明光量を変調する照明光量制御素子と、ディスプレイパネルにより変調された光を投写する投写レンズと、を有し、制御回路は、入力された映像信号に基づいてディスプレイパネルを制御する制御信号を生成し、照明光量制御素子は、三原色光のうち少なくとも一色の照明光において、制御信号に基づいて照明光量を変調し、且つ映像信号に依存せずにディスプレイパネルのダイナミックレンジの上限を用いて照明光量を変調する構成とする。

また、上記に加えて三原色光を赤，緑，青の各原色光に色分離する色分離光学部を有し、照明光量制御素子は、少なくとも三原色光のうちの一色の光路上において、色分離光学部により色分離された各色光がディスプレイパネルに入射する前に配置された構成とする。

また、三原色光を放出する光源と、液晶パネルと、液晶パネルを制御する制御回路と、光源から放出された光により液晶パネルを照明する照明光学部と、三原色光の各々の照明光量を変調する複数の照明光量制御素子と、液晶パネルにより変調された光を投写する投写レンズと、を有し、制御回路は、入力された映像信号に基づいて液晶パネルを制御する制御信号を生成し、照明光量制御素子は、三原色光を赤，緑，青の各色光に色分離し、色分離された各色光において、制御信号に基づいて照明光量を変調し、且つ映像信号に依存せずにディスプレイパネルのダイナミックレンジの上限を用いる構成とする。

また、上記に加えて、三原色の各色光が前記液晶パネルの互いに異なる部分を照明し、且つ時間とともにその照明位置をずらして照明するスクロール照明光学系を有する構成とする。

また、上記に加えて、光源は、三原色の各色毎の複数の発光ダイオードをアレイ状に配置された構成とする。

任意の色の低階調表示時に他の色の混ざりこみを防止することによりあらゆる階調における色再現範囲を向上することができるので原画像に忠実な色再現を実現可能な投写型表示装置を提供できる。

以下各実施例を図面を用いて説明する。

図１は実施例１の３板方式の投写型表示装置の模式図である。

本実施例の投写型表示装置は、少なくとも、光源１０１と、マルチレンズ１０２及び
１０３と偏光ビームスプリッタアレイ１０４とレンズ１０５及び１０６とを有する照明光学部と、ミラー１０７と、ダイクロイックミラー１０８及び１１０と、ミラー１０９，
１１１，１１２と、レンズ１２１，１２２と、クロスダイクロイックプリズム１２０と、投写レンズ１１３と、複数の照明光量制御素子１１７，１１８，１１９と、液晶パネル
１１４，１１５，１１６と、その照明光量制御素子１１７，１１８，１１９を制御信号
１３０により制御する制御回路１３１と、で構成される。

光源１０１から放出される三原色の白色光１００はマルチレンズ１０２及び１０３と、偏光ビームスプリッタアレイ１０４により偏光変換される。

偏光変換された白色光１００はレンズ１０５，１０６及びミラー１０７を介してダイクロイックミラー１０８に入射する。ダイクロイックミラー１０８により赤色光とシアン光に分離され、赤色光はミラー１０９によって反射されて照明光量制御素子１１７に入射する。シアン光はダイクロイックミラー１１０により緑色光と青色光に分離され、緑色光は照明光量制御素子１１８に入射する。

照明光学部は、光源から放出された光により液晶パネル１１４，１１５，１１６を照明する。

ダイクロイックミラー１０８及びダイクロイックミラー１１０が白色光を赤，緑，青の三原色の各色光に色分離する色分離光学部を構成している。

青色光はレンズ１２１，ミラー１１１，レンズ１２２，ミラー１１２を介して照明光量制御素子１１９に入射する。照明光量制御素子１１７，１１８，１１９を通過した赤色光，緑色光，青色光は、それぞれディスプレイパネルである液晶パネル１１４，１１５，
１１６に入射する。液晶パネル１１４，１１５，１１６としては、少なくとも高温ポリシリコンにより形成された薄膜半導体からなるトランジスタにより駆動される画素をマトリクス状に配置したアクティブマトリクス基板と、透明共通電極を備えた透明基板と、その２枚の基板により挟持されたツイストネマティック液晶層と、を有する透過型の液晶パネルを適用している。

また、液晶パネル１１４，１１５，１１６は両面に偏光板を備えている。液晶パネル
１１４，１１５，１１６により画像変調を受けた各赤色光，緑色光，青色光はクロスダイクロイックプリズム１２０によって色合成され、投写レンズ１１３により投写される。

液晶パネル１１４，１１５，１１６及び照明光量制御素子１１７，１１８，１１９は、入力された映像信号１０に応じて制御回路１３１において生成された制御信号１３０により制御される。

照明光量制御素子１１７，１１８，１１９は、三原色光の各々の照明光量を変調し、少なくとも三原色の光のうち一色の光路上において、色分離光学部により色分離された各色光がディスプレイパネルである液晶パネル１１４，１１５，１１６に入射する前に配置される。

また照明光量制御素子１１７，１１８，１１９の具体的な構成例としては、透明電極を備えた２枚のガラス基板に挟持された液晶層から構成される液晶セルが挙げられる。

液晶セルの前後に偏光板を設けても良いが、入射側の偏光板はマルチレンズ１０２及び１０３と、偏光ビームスプリッタアレイ１０４からなる偏光変換光学系により予め入射光が偏光しているため省略可能であり、出射側の偏光板は液晶パネルの入射側に配置されている偏光板により代用可能であるので省略可能である。

ネマティック液晶をホモジニアス配向，ホメオトロピック配向、ないしはツイストネマティック配向させた液晶層を用いることができる。あるいは、強誘電性液晶セルを用いてもよい。ネマティック液晶をホモジニアス配向させたセルを用いる場合、液晶配向方向は入射偏光方向に対して４５度方向としておく。

液晶層厚は入射光の波長領域に対して概ね２分の１波長相当のリターデーションとなるように設定しておく。

青色の照明光について説明する。ミラー１０７に反射された白色光１００は、ダイクロイックミラー１０８によって赤色光とシアン光に分離される。シアン光はさらにダイクロイックミラー１１０により緑色光と青色光に分離される。青色光はレンズ１２１，１２２，ミラー１１１，１１２を介して照明光量制御素子１１９に入射する。

照明光量制御素子１１９に十分な電圧を印加した場合には、液晶層は概ねホメオトロピック配向となり、リターデーションは概ねゼロとなり、照明光量制御素子１１９に入射した偏光の偏光状態はほとんど変化せずに液晶パネル１１６に入射される。

一方、照明光量制御素子１１９への印加電圧が低い場合には、液晶層は概ねホモジニアス配向であり、リターデーションが概ね２分の１波長で、かつ液晶配向方向が入射偏光の偏光方向と４５度であるために入射偏光の偏光方向は９０°回転し、液晶パネル１１６の光源側の偏光板に吸収され、照明光は液晶パネル１１６の液晶層には入射しない。

このように照明光量制御素子１１９への印加電圧を制御することにより、入射光の液晶パネル１１６の光源側偏光板の透過率をアナログ的に変調することができる。赤色及び緑色の照明光に対応した照明光量制御素子１１７，１１８についても同様に作用する。

また、照明光量制御素子に入射する前の照明光の偏光方向と、液晶パネルの光源側の偏光板との関係を９０度反転させておいてもよい。その場合には、照明光は照明光量制御素子への印加電圧が低い場合には液晶パネルの光源側の偏光板を透過し、印加電圧が高い場合には吸収される。

あるいはまた、照明光量制御素子１１７，１１８，１１９への印加電圧をデジタル的に制御することにより時間幅変調を行うことも可能である。時間幅変調を行う場合には、照明光量制御素子１１７，１１８，１１９の液晶層として強誘電性液晶層を適用すると、光学応答が１ｍｓ以下となり精密な制御を行えるため望ましい。

本発明を適用したことにより、液晶パネル１１４，１１５，１１６の照明光が入射する側に設けられた偏光板（以下入射側偏光板）における入射光の吸収量が従来方式に比べ増加する。従来は照明の偏光方向と入射側偏光板の透過軸は平行であったため、入射側偏光板での吸収は小さく発熱は抑制できた。

一方、本発明においては映像信号によっては照明光のほぼ全光量が入射側偏光板で吸収されることが起こり得る。吸収された光は熱に変換されるため、映像信号によっては入射側偏光板の温度が従来に比べ大幅に上昇してしまう可能性がある。したがって、本発明を適用した場合、入射側偏光板の耐熱性については十分な配慮が必要である。この間題を解決するための手段の一つとして入射側偏光板として反射／透過型の偏光板を適用する方法が挙げられる。

反射／透過型の偏光板の一例は金属ワイヤーグリッド方式の偏光板が挙げられる。具体的には透明基板上にフォトエッチングプロセスによりサブミクロン間隔で金属の紬線が形成された光学素子である。従来の投写型表示装置のように、自色光を波長によらず均一に制御、すなわち赤，緑，青毎に独立に液晶パネルヘの入射光量を制御していない場合において、例えば、青，緑の階調が０で赤の階調を任意に変調したときの色度特性は、赤の階調が低くなるにしたがって色純度が低下する。これは液晶パネルの階調が０、すなわち黒表示、であっても実際には僅かに光が投写されるため主色の階調が低くなるにしたがってその影響が無視できなくなる。あるいは従来の投写型表示装置のように、液晶パネルヘの入射光量を赤，緑，青毎に独立ではなく白色光全体について制御したとしても、液晶パネルヘの入射光量を最小にできるのは全ての色の階調が０、すなわち黒表示、の時だけである。

例えば、青，緑の階調が０で赤の階調を任意に変調したときの各液晶パネルへの入射光量は赤の階調に依存するため、赤を低階調表示した場合における緑及び青色光の混ざりこみを完全に防止することはできない。これに対し、本発明のように赤，緑，青毎に独立に液晶パネルヘの入射光量を制御した場合、上記の例においては階調が０の青及び緑の液晶パネルヘの入射光量を最小に絞り、赤の液晶パネルの階調に従って赤の液晶パネルヘの入射光量を制御する。緑及び青の液晶パネルヘの入射光量が最小であるため、例え赤を低階調表示した場合においても緑及び青色の光の混ざりこみが非常に少なく色純度の高い表示が可能である。本実施例においては、入射側偏光板は液晶パネルに張付けられている構成としたが、独立に設けても、照明光量制御素子に張付ける構成としてもよい。

本発明による効果の一つとして、液晶パネルの寿命を延ばす効果が挙げられる。

平均的な映像の明るさは自然画の場合約３０％といわれている。白色光全体の照明光量を変調する場合、Ｒ，Ｇ，Ｂのうち最も明るい映像信号が照明光量を決定するため、映像の平均的な明るさが３０％程度であっても照明光量を３０％とすることはできない。

一方、Ｒ，Ｇ，Ｂの各色の照明光量を独立に変調した場合には、照明光量を映像の平均的な明るさと同等に低減でき、各液晶パネルヘの入射光量を白色光全体を変調した場合に比べてより低減することができる。

液晶パネルの寿命を決定する大きな要因の一つが照明光による光劣化である。

Ｒ，Ｇ，Ｂの各色の照明光量を独立に変調した場合には、照明光量を映像の平均的な明るさと同等に低減できるため、液晶パネルヘの照射光量を大幅に低減できる。映像の平均的な明るさが約３０％であることを考慮すると、液晶パネルの光劣化による寿命を、照明光量をまったく変調しない場合に比べて３倍以上にできるという効果がある。

本実施例は主としてＲ，Ｇ，Ｂの各色毎に照明光の位相制御を行い液晶パネルヘの入射光量を独立に制御する構成について述べてきた。本実施例の変形として、例えば、照明光量制御素子１１９のみを設けて、Ｂの液晶パネル１１６の照明光量のみを変調する構成とすることが考えられる。Ｒ，Ｇ，Ｂの各色のうち液晶パネルの劣化に最も影響する光はＢ
（青色光）である。したがって、少なくとも映像信号に応じてＢの液晶パネル１１６への照明光量を変調することは装置の寿命延長に非常に効果があるといえる。

もう一つの効果としては黒表示の着色防止効果が挙げられる。

透過型液晶パネルの液晶表示方式としては通常ツイストネマティック表示方式が適用される。本表示方式の一つの課題として挙げられるのは、液晶の屈折率異方性の波長分散が青側でより大きいために、Ｒ，Ｇ，Ｂの各液晶パネルに同じ駆動電圧をかけた場合においてもＢの液晶パネルの残留位相差が最も大きく、Ｂの液晶パネルのコントラスト比が最も低い。したがって、黒表示をした場合青色に着色してしまう。本発明を適用することによりＢの液晶パネルの実質的なコントラスト比を大幅に向上させることにより黒表示の着色を防止することができる。

次に、図２を用いて制御回路１３１の構成及び作用について説明する。

図２は、タイミング信号及び画像データ信号からなる映像信号１９０に基づきディスプレイパネルである液晶パネル１１４，１１５，１１６に表示する画像信号及び制御信号の生成、及び照明光量を制御する照明光量制御素子１１７，１１８，１１９の制御信号を生成する制御回路１３１のブロック図である。

制御回路１３１は少なくとも、赤色（Ｒ），緑色（Ｇ），青色（Ｂ）の各色の映像信号における１画面のデータ内の最大値及び最小値を検出する回路部及び検出されたデータを保存しておくレジスタとにより構成される最大最小検出回路部１９１と、その最大最小検出回路部１９１において得られた結果に基づき、映像信号１９０を変換するためのパラメータの生成、及び照明光量を制御するパラメータを生成する制御信号生成部１９４と、その制御信号生成部１９４で生成された制御信号に基づき液晶パネル（Ｒ）１１４，（Ｇ）１１５，（Ｂ）１１６を制御する表示制御部１９５と、制御信号生成部１９４で生成された制御信号に基づき照明光量制御素子（Ｒ）１１７，（Ｇ）１１８，（Ｂ）１１９、を制御する照明光量制御部１９６の各ブロックの集積により構成されている。表示可能な最大階調をＬｏとし、ある画像について最大最小検出回路部１９１において得られたＲ，Ｇ，Ｂの各色毎の階調の最大値をそれぞれＬ_RM，Ｌ_GM，Ｌ_BMとする。

制御信号生成部１９４においては、上記Ｒ，Ｇ，Ｂの各色毎の階調の最大値Ｌ_RM，Ｌ_GM，Ｌ_BM、に基づき各画像信号の階調の変換倍率がＬｏ／Ｌ_RM，Ｌｏ／Ｌ_GM，Ｌｏ／Ｌ_BMで与えられる。

表示制御部１９５においては、制御信号生成部１９４で得られた階調の変換倍率に基づき、Ｒ画像については０階調からＬ_RM階調までを０階調からＬｏ階調に伸長するように変換する。同様にして、Ｇ画像については０階調からＬ_GM階調までを０階調からＬｏ階調、Ｂ画像については０階調からＬ_BM階調までを０階調からＬｏ階調に変換する。伸長変換であるので、足りないデータについては補間により求める。これらのデータ変換を行うことにより映像信号に依存せず液晶パネルのダイナミックレンジの上限を使って照明光量を変調することが可能となり、特に低階調表示におけるＳ／Ｎが向上する効果が得られる。

また、照明光量の低減倍率については、階調特性（γ特性）を考慮に入れ、制御信号生成部１９４において、例えば次のように決定する。輝度（Ｉ）と階調（Ｌ）との関係が、Ｉ＝(Ｌ／Ｌｏ)^γである場合について述べる。

ある画像について得られたＲ，Ｇ，Ｂの各色毎の階調の最大値をそれぞれＬ_RM，Ｌ_GM，Ｌ_BMとすると、照明光量の低減倍率は、夫々、(Ｌ_RM／Ｌｏ)^γ，(Ｌ_GM／Ｌｏ)^γ，(Ｌ_BM／Ｌｏ)^γで与えられる。

上記照明光量の低減倍率に基づき照明光量制御部１９６において、照明光量制御素子
（Ｒ）１１７，（Ｇ）１１８，（Ｂ）１１９の制御信号を生成する。

図３は実施例２の投写型表示装置の模式図である。

実施例１との大きな相違点は、液晶パネル１４１，１４２，１４３として反射型の液晶パネルを適用している点である。

本実施例の投写型表示装置は、少なくとも、光源１０１と、マルチレンズ１０２及び
１０３と偏光ビームスプリッタアレイ１０４とレンズ１０５及び１０６からなる照明光学部と、ミラー１０７，ダイクロイックミラー１３５，１３６と、ミラー１３７と、偏光ビームスプリッター１３８，１３９，１４０と、クロスダイクロイックプリズム１２０と、投写レンズ１１３と、液晶パネル１４１，１４２，１４３と、照明光量制御素子１１７，１１８，１１９と、液晶パネル１４１，１４２，１４３及び照明光量制御素子１１７，
１１８，１１９を制御信号１３０により制御する制御回路１３１と、から構成される。

本実施例における照明光量制御素子１１７，１１８，１１９は実施例１のそれと同様である。

反射型の液晶パネル１４１，１４２，１４３の一例としては、液晶層にホメオトロピック配向のネマティック液晶を適用し、マトリクス状に形成した画素を駆動するアクティブマトリクス基板として単結晶シリコン基板を用いた方式が挙げられる。あるいは、液晶層としては強誘電性液晶層を適用しても良い。

本実施例における照明光量制御素子１１７，１１８，１１９の作用は以下の通りである。青色の照明光について説明する。

光源１０１を放出され、照明光学部を介して、ミラー１０７に反射された三原色光の白色光１００は、ダイクロイックミラー１３５により赤色光とシアン光に分離され、シアン光はさらにダイクロイックミラー１３６により緑色光と青色光に分離される。分離された青色光は照明光量制御素子１１９に入射し、照明光量制御素子１１９の駆動状態によって決まる量の位相変調を受ける。照明光量制御素子１１９のリターデーションがほぼゼロで位相変調量が十分小さい場合には、偏光ビームスプリッター１３８の内部反射面で反射されて液晶パネル１４１に照明光が入射する。

一方、照明光量制御素子１１９のリターデーションが２分の１波長の場合、照明光量制御素子１１９により位相変調を受けた光は偏光ビームスプリッター１３８の内部反射面で反射されず透過し、液晶パネル１４１には照明光のほとんどが到達しない。このように照明光量制御素子１１９を制御することにより液晶パネル１４１に入射する照明光の光量を制御することができる。赤色及び緑色の照明光用の照明光量制御素子１１７，１１８についても同様に作用する。本発明を適用したことによって生じる課題として、照明光量制御素子１１７，１１８，１１９により位相変調を受けた入射光のうち液晶パネル１４１，
１４２，１４３に到達しない偏光成分が大幅に増大する点が挙げられる。

液晶パネル１４１，１４２，１４３に到達しない偏光成分は偏光ビームスプリッター
１３８，１３９，１４０の貼り合せ界面で反射されずに透過する。

図３中には図示されていないが、上記液晶パネル１４１，１４２，１４３に到達しない偏光成分が迷光とならないように吸収する部材を偏光ビームスプリッターの出射面に隣接して配置しておく必要がある。本構成をとらないと上記液晶パネル１４１,１４２,１４３に到達しない偏光成分が迷光となりコントラストを低下させてしまう。

図４は実施例３の投写型表示装置の模式図である。実施例２との大きな相違点は、液晶パネルとして単板カラー方式の液晶パネルを適用した点である。

本実施例の投写型表示装置は、少なくとも、光源１０１と、マルチレンズ１０２及び
１０３と偏光ビームスプリッタアレイ１０４とレンズ１０５，１０６とからなる照明光学部と、ダイクロイックミラー１７０，１７２とレンズ１７１，１７９とミラー１８０とからなる色分離光学部と、回転プリズム１７３，１７７，１８１とレンズ１７４，１７６，１７８，１８２とダイクロイックミラー１８３，１８４とミラー１７５とからなるスクロール照明光学系と、レンズ１５６と、偏光板１５７と、偏光ビームスプリッター１５８と、位相差板１５９と、液晶パネル１６０と、偏光板１６１と、投写レンズ１１３と、照明光量制御素子１１７，１１８，１１９と、液晶パネル１６０と照明光量制御素子１１７，１１８，１１９を制御信号１３０により制御する制御回路１３２から構成される。

本実施例における照明光量制御素子１１７，１１８，１１９は、実施例１，実施例２のそれと基本的には同様である。

照明光量の変調方式としてアナログ変調が必要な理由は、本実施例の液晶パネルの照明方法がスクロール照明光学系によるスクロール方式であることと関係している。光源101からレンズ１０６までの照明光学部からの三原色光である白色光は、ダイクロイックミラー１７０により赤色光とシアン光に分離され、シアン光はさらにダイクロイックミラー
１７２により緑色光と青色光に分離される。分離された三原色光はそれぞれ相対的に回転角度の異なる回転プリズム１７３，１７７，１８１により光路が変調される。つづいて三原色光はダイクロイックミラー１８３及び１８４により色合成されるが、各三原色光は液晶パネル１６０上においては異なった領域を照明し、時間とともにその照明位置をずらして照明する。また、各三原色光は同時に液晶パネル１６０を照明しているため、単板カラー方式ではあっても光利用効率は高い。

回転プリズム１７３，１７７，１８１は時間とともに回転しており、各三原色の照明光の液晶パネル１６０上における位置は時間とともにスクロールしていく。つまり、スクロール照明光学系は、各三原色の照明光が液晶パネル１６０上において時間とともに照明位置がずれて照明するように配置される。

照明光ラスタは複数ラインを同時に照明し、かつ時間とともに照明位置がスクロールしていく構成であるので、あるラインにおける照明光量は照明光ラスタの先端がかかってから終端に至るまでの積算光量である。照明光量制御素子１１７，１１８，１１９の位相変調方式はアナログ方式であった方が本実施例への適用は容易である。デジタル方式を適用する場合には、照明光ラスタが１ライン分スクロールする時間幅で時間幅変調すればよい。

図５（ａ）〜（ｃ）は照明光ラスタが液晶パネルの表示部をどのようにスクロール照明するかを模式的に示した図である。ここで照明光ラスタとは、液晶パネルの表示部における帯状の領域を照明する照明光の形状を言う。

スクロール照明方式においては、液晶パネルの表示部がＲ，Ｇ，Ｂの三原色の照明光により同時に照明される。

図５（ａ）はある時間における三原色の照明光ラスタの配置を示しており、時間とともに三原色の照明光ラスタがスクロールされて移動していく様子が図５（ｂ），図５（ｃ）に示されている。

三原色の各照明光ラスタ１２６，１２７，１２８のスクロール方向の幅をライン数で表たものをＷとする。照明光ラスタのスクロール方向の端部がｍ番目のラインに位置する照明光ラスタが照明する領域は、ｍ−Ｗ＋１番目のラインからｍ番目のラインまでとなる。照明光ラスタが表示部の下部方向にスクロールされていくと表示部からはみ出る。はみ出た色の照明光ラスタは表示部の上部から再びスクロールされてくる。

図５（ｂ）は赤色光（Ｒ）の照明光ラスタ１２６が表示部の下部からはみ出して、表示部の上部から再びスクロールされている様子を示している。ここでは、画像信号の階調変換倍率及び照明光量の低減倍率を求めるための方法について説明する。また、簡単のため、三原色のうちの１色について説明する。ｍ番目のラインの画像信号のうちの最大階調をＬ(ｍ)とする。スクロール方向の端部がｍ番目のラインに位置する照明光ラスタに対応する表示領域の各ラインの最大階調Ｌ_M(ｍ)は、数式１で表される。

関数ｍａｘは続く括弧内の数列のうち最大値をとることを意味している。

表示可能な最大階調をＬｏとすると、スクロール方向の端部がｍ番目のラインに位置する照明光ラスタの波高値Ｉ(ｍ)は数式２のように決めることとする。光量の最大波高値は１に規格化されている。

このときｍ番目のラインにスクロール照明される照明光の積算平均光量の波高値Ｑ(ｍ)は数式３で表される。Ｆは照明光ラスタの形状因子であり、照明光ラスタが完全な矩形波状であれば常に１となる。実際の照明光ラスタの端部の波高値は中央部のそれに比べて低下するので、その影響を補正するための因子である。

数式３はスクロール方向の端部がｍ番目のラインに位置する照明光ラスタから、Ｗずれてｍ＋Ｗ−１番目のラインに位置する照明光ラスタまでの平均値を表している。Ｑ(ｍ)を用いて、ｍ番目のラインの階調変換倍率Ｂ(ｍ)は数式４で表される。

本アルゴリズムに用いられている式は原理式を示しており、実際の回路構成として実装する際には画像信号をデジタル処理するための適切な適合化がなされているのはいうまでもない。また、画像信号の階調変換倍率及び照明光量の低減倍率の算出は三原色のそれぞれについて行う必要がある。

図６（ａ）〜（ｃ），図７（ａ）〜（ｃ）は画像信号を上記のアルゴリズムにより処理した結果の例を示している。表示可能な最大階調が２５５、ライン総数が１０８０ライン、Ｗが３２０ライン、γが２.２ の例である。

本例も簡単のために三原色のうちの単色の画像信号について示している。

図６（ａ）はｍ番目のラインの画像データのうちの最大階調（Ｌ(ｍ)）である。画像信号の一例として、階段状の画像信号を示している。図６（ｂ）は、スクロール方向の端部がｍ番目のラインに位置する照明光ラスタに対応する表示領域の各ラインの最大階調
（Ｌ_M(ｍ)）を示している。Ｌ_M(ｍ)とＬ(ｍ)の関係は数式１に示されている。

ライン番号にして０から約３００までは、照明光ラスタが画面の上部と下部に分裂していることの影響を受けている。図６（ｃ）はスクロール方向の端部がｍ番目のラインに位置する照明光ラスタの光量（Ｉ(ｍ)）を示している。Ｉ(ｍ)とＬ_M(ｍ) との関係は数式２に示されている。

図７（ａ）はｍ番目のラインにスクロール照明される照明光の積算平均光量の波高値
（Ｑ(ｍ)）を示している。図７（ｂ）はｍ番目のラインの階調変換倍率（Ｂ(ｍ)）を示している。図７（ｃ）は図６（ａ）に示した画像信号データを図７（ｂ）に示した階調変換倍率Ｂ(ｍ)により変換した時のｍ番目のラインの最大値を示している。

図８は、単板カラー方式のプロジェクタにおける、液晶パネルヘのスクロール照明の照明光量制御を行う照明光量制御素子１１７,１１８,１１９と、液晶パネル１６０と、三原色の各照明光ラスタの液晶パネル１６０上における照明位置とを制御する制御回路１３２の一実施例を示すブロック図である。

本実施例の制御回路１３２における最大最小検出回路部１９１は、ライン毎の最大階調Ｌ(ｍ)を検出し、その値に基づきスクロール方向の端部がｍ番目のラインに位置する照明光ラスタに対応する表示領域の各ラインの最大階調Ｌ_M(ｍ)を求め、メモリに格納する。

制御信号生成部１９４は、Ｌ_M(ｍ) に基づきＱ(ｍ) ，Ｂ(ｍ) を算出し、表示制御部
１９５及び照明光量制御部１９６の制御信号を生成する。表示制御部１９５は、制御信号生成部１９４において生成された三原色の各色に対応するＢ(ｍ)に基づき映像信号１９０の画像信号を変換して再生画像データを生成し、映像信号１９０のタイミング信号に基づき、その再生画像データを表示パネル１６０に送信する。照明光量制御部１９６は、制御信号生成部１９４において生成された三原色の各色に対応するＱ(ｍ)に基づき、三原色の各色に対応した照明光量制御素子１１７（Ｒ），１１８（Ｇ），１１９（Ｂ）を制御する制御信号を生成し、それぞれの素子に送信する。照明光ラスタ位置制御部１９７は、映像信号１９０のタイミング信号に基づき、三原色の照明光ラスタの表示パネル１６０上における照明位置を制御する。

図９は実施例４の投写型表示装置の模式図である。

本実施例の投写型表示装置も実施例３と同様に反射型液晶パネル１６０を用いた単板カラー方式であるが、スクロール照明光学系としてポリゴンミラーを適用し、かつＲ，Ｇ，Ｂ毎の光量変調を行う照明光量制御素子１１７，１１８，１１９としてダイクロイック反射率可変ミラーを用いた点が実施例３との相違点である。

本実施例における照明光量制御素子１１７，１１８，１１９であるダイクロイック反射率可変ミラーの具体的な構成例としては、電気的に回折光量を変調することができるホログラフィックグレーティングが挙げられる。

電気的に回折光量を変調することができるホログラフィックグレーティングの例としては、ホログラフィック高分子分散液晶素子や光カー効果を応用したホログラフィックグレーティング素子が挙げられる。ホログラフィック高分子分散液晶素子は、それぞれ透明電極を設けた２枚のガラス基板と、その２枚のガラス基板により挟持された樹脂と、その樹脂中に該ガラス基板と平行な方向に配向をそろえて周期的に分布した液晶粒からなる。この光学素子に入射した照明光は、電圧無印加時には周期的に分布した液晶粒により形成されたホログラフィックグレーティングにより特定の波長領域の光が回折され反射光となる。回折されない波長領域の光は透過する。一方、電圧が十分に印加された時には照明光に対する液晶粒と樹脂の屈折率差は無くなり全ての波長領域の光が透過する。上記２状態の間の任意の印加電圧に設定することにより特定の波長領域の反射光量を連続的に制御できる。

本実施例における照明光量制御素子１１７，１１８，１１９であるダイクロイック反射率可変ミラーの他の構成例としては、カー効果を応用したホログラフィックグレーティング素子が挙げられる。

図１０はダイクロイック反射率可変ミラーの構成例であるカー効果を応用したホログラフィックグレーティング素子の断面図である。

電気光学材料基板２１５上に櫛歯状に透明電極群２１４を形成した後、液晶エピタキシャル成長法により電気光学材料薄膜２１３を形成する。電気光学材料薄膜２１３上に櫛歯状の透明電極群２１４とは水平方向にずらした位置にさらに櫛歯状の透明電極群２１２を形成する。上記基板の両面に接着層２１１，２１６を介して透明基板２１０，２１７を張り合わせることによりダイクロイック反射率可変ミラーが形成される。

各ダイクロイック反射率可変ミラーはそれぞれ所定の波長帯域の光を所定の角度方向に反射するように透明電極群２１２，２１４のピッチ、透明電極群２１２と２１４の水平方向のずらし量及び電気光学材料薄膜２１３の膜厚は設計されている。

透明電極群２１２と２１４との間に電圧を印加することにより、電気光学材料薄膜213中に屈折率分布が生じ、ホログラフィック回折格子が形成され、電圧に応じて回折光（反射光）の強度がアナログ的に変調される。電気光学材料薄膜２１３の具体的な材料の侯補としては、ＫＴＮ（ＫＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃）,ＬｉＴａＯ₃，ＫＮｂＯ₃，ＳＢＮ,ＢａＴｉＯ₃，ＰＬＺＴ等が挙げられる。

図１１は実施例５の投写型表示装置の模式図である。

本実施例の投写型表示装置も実施例１と同様にＲ,Ｇ,Ｂ毎に液晶パネル１１４，１１５，１１６を設けた３板方式であるが、Ｒ，Ｇ，Ｂ毎の光量変調を行う照明光量制御素子
１６５として、リターダースタック素子と液晶素子を組み合わせた色選択光変調素子165を用いた点が実施例１との相違点である。

２つのリターダースタック素子に挟まれた液晶セルを１ステージとして、それぞれ三原色のうち異なった原色に対応したステージを３つ連続して使うことにより、三原色の各原色毎に独立して位相状態を変調することができる。本実施例の色選択光変調素子１６５を用いた方式は反射型の液晶パネルによる３板方式光学系にも適用可能である。

色選択光変調素子１６５の前後に偏光板を設けても良いが、入射側の偏光板はマルチレンズ１０２及び１０３と、偏光ビームスプリッタアレイ１０４からなる偏光変換光学系により予め入射光が偏光しているため省略可能であり、出射側の偏光板は液晶パネルの入射側に配置されている偏光板により代用可能であるので省略可能である。

図１２は投写型表示装置の光源の一実施例が示した図である。

本実施例の特徴は光源に三原色の発光ダイオード(以下ＬＥＤ：Light Emitting Diode)を用いた点である。本実施例における光源は、アレイ状に配置した発光ダイオード２２０と、各発光ダイオードに対応して配置される第１のレンズアレイであるマルチレンズ102及び第２のレンズアレイであるマルチレンズ１０３を含んで構成される。その発光ダイオードから放出された光はそれぞれの発光ダイオードに対応する第１のレンズアレイによって集光され、さらに第２のレンズアレイにより液晶表示素子２２１全体に照射される。これにより液晶表示素子２２１上において均一な照射強度分布を持つ光源を得ることができる。

本発明は、テレビジョン用途として背面投写型表示装置に適用する他、装置外部に設けられたスクリーンに映像を投写するフロントプロジェクタにも適用できる。

本発明に係る投写型表示装置の一実施例を示す図である。 本発明の投射型表示装置の制御回路の一構成例を示す図である。 本発明に係る投写型表示装置の他の実施例を示す図である。 本発明に係る投写型表示装置の他の実施例を示す図である。 本発明の投写型表示装置の照明光ラスタのスクロール照明を示す図である。 図４の投写型表示装置における画像信号の処理結果の一例を示した図である。 図４の投写型表示装置における画像信号の処理結果の他の例を示した図である。 本発明の投射型表示装置の制御回路の他の構成例を示す図である。 本発明に係る投写型表示装置の他の実施例を示す図である。 本発明の投射型表示装置におけるホログラフィックグレーティング素子の断面を示す図である。 本発明に係る投写型表示装置の他の実施例を示す図である。 本発明に係る投写型表示装置の光源にＬＥＤを適用した一実施例を示す図である。

符号の説明

１００…白色光、１０１…光源、１０２，１０３…マルチレンズ、１０４…偏光ビームスプリッタアレイ、１０５，１０６，１２１，１２２…レンズ、１０７，１０９，１１１，１１２…ミラー、１０８，１１０…ダイクロイックミラー、１１３…投写レンズ、114，１１５，１１６…液晶パネル、１１７，１１８，１１９…照明光量制御素子、１２０…クロスダイクロイックプリズム、１３０…制御信号、１３１…制御回路。

Claims (18)

1. 三原色光を放出する光源と、
   ディスプレイパネルと、
   前記ディスプレイパネルを制御する制御回路と、
   前記光源から放出された光により前記ディスプレイパネルを照明する照明光学部と、
   前記三原色光の各々の照明光量を変調する照明光量制御素子と、
   前記ディスプレイパネルにより変調された光を投写する投写レンズと、を有し、
   前記制御回路は、入力された映像信号に基づいて前記ディスプレイパネルを制御する制御信号を生成し、
   前記照明光量制御素子は、前記三原色光のうち少なくとも一色の照明光において、前記制御信号に基づいて照明光量を変調し、且つ前記映像信号に依存せずに前記ディスプレイパネルのダイナミックレンジの上限を用いるように照明光量を変調する投写型表示装置。
2. 請求項１記載の投写型表示装置において、
   前記三原色光を赤，緑，青の各原色光に色分離する色分離光学部を有し、
   前記照明光量制御素子は、少なくとも三原色光のうちの一色の光路上において、前記色分離光学部により色分離された各色光が前記ディスプレイパネルに入射する前に配置された投写型表示装置。
3. 請求項２記載の投写型表示装置において、
   前記照明光量制御素子から出射された照明光を反射面で反射させて前記ディスプレイパネルへ入射する偏光ビームスプリッター（１３８−１４０）を有する投写型表示装置。
4. 請求項１記載の投写型表示装置において、
   前記照明光量制御素子は、前記光源から放出された三原色光が概ね同一光路上にある位置に配置された投写型表示装置。
5. 請求項１記載の投写型表示装置において、
   前記ディスプレイパネルは、液晶ディスプレイであって、
   前記照明光量制御素子は、前記三原色光の各色光毎に独立して位相を変調する色選択光変調素子であって、
   前記色選択光変調素子は、２つのリターダースタックに液晶セルが挟み込まれた素子である投写型表示装置。
6. 請求項１記載の投写型表示装置において、
   前記照明光量制御素子は、２枚のガラス基板と前記２枚のガラス基板間に狭持された液晶層とで構成された液晶セルであって、特定の波長領域に対応するリターデーションが概ね２分の１波長である投写型表示装置。
7. 請求項１記載の投写型表示装置において、
   前記制御回路は、入力された赤，緑，青の各色の映像信号における１画面のデータ内の最大値及び最小値を検出する最大最小検出回路部と、
   前記最大最小検出回路部で検出された最大値及び最小値に基づいて前記制御信号を生成する制御信号生成部と、
   前記制御信号生成部で生成された制御信号に基づいて前記ディスプレイパネルを制御する表示制御部と、
   前記制御信号生成部で生成された制御信号に基づいて前記照明光量制御素子を制御する照明光量制御部と、を有する投射型表示装置。
8. 請求項１記載の投写型表示装置において、
   前記三原色の各色光が前記ディスプレイパネルの互いに異なる部分を照明し、且つ時間とともにその照明位置をずらして照明するスクロール照明光学系を有する投射型表示装置。
9. 請求項８記載の投写型表示装置において、
   前記ディスプレイパネルの表示部における帯状の領域を照明する照明光ラスタに対応する映像信号の最大階調により照明光ラスタの波高値を決定し、
   前記ディスプレイパネルの表示部の各ラインにおける照明光の積分光量により階調変換倍率を決定し、
   前記照明光ラスタの波高値並びに階調変換倍率は、照明光ラスタの移動に伴い更新される投写型表示装置。
10. 請求項１記載の投写型表示装置において、
    前記光源は、三原色の各色毎の複数の発光ダイオードをアレイ状に配置されて構成された投写型表示装置。
11. 三原色光を放出する光源と、
    液晶パネルと、
    前記液晶パネルを制御する制御回路と、
    前記光源から放出された光により前記液晶パネルを照明する照明光学部と、
    前記三原色光の各々の照明光量を変調する複数の照明光量制御素子と、
    前記液晶パネルにより変調された光を投写する投写レンズと、を有し、
    前記制御回路は、入力された映像信号に基づいて前記液晶パネルを制御する制御信号を生成し、
    前記照明光量制御素子は、前記三原色光を赤，緑，青の各色光に色分離し、色分離された各色光において、前記制御信号に基づいて照明光量を変調し、且つ前記映像信号に依存せずに前記ディスプレイパネルのダイナミックレンジの上限を用いるように照明光量を変調する投写型表示装置。
12. 請求項１１記載の投写型表示装置において、
    前記複数の照明光量制御素子は、互いに角度の異なる複数のダイクロイックミラーであって、
    前記複数のダイクロイックミラーの少なくとも一つは、特定の波長領域の反射光量を制御するダイクロイック反射率可変ミラーである投写型表示装置。
13. 請求項１１記載の投写型表示装置において、
    前記複数の照明光量制御素子によって色分離された各色光の光路を変調するポリゴンミラー（１５４）を有する投写型表示装置。
14. 請求項１２記載の投写型表示装置において、
    前記ダイクロイック反射率可変ミラーは、透明高分子媒体中に液晶ドロップレットの層が周期的に配置された高分子分散型液晶層を透明電極を備えたガラス基板により挟持された構成の電界制御方式のホログラフィックグレーティング素子である投写型表示装置。
15. 請求項１２記載の投写型表示装置において、
    前記ダイクロイック反射率可変ミラーは、互いに重ならないようにずらして配置された２つの櫛歯状電極で、電圧に応じて屈折率が変化する電気光学材料薄膜を挟持した構成の電界制御方式のホログラフィックグレーティング素子である投写型表示装置。
16. 請求項１１記載の投写型表示装置において、
    前記三原色の各色光が前記液晶パネルの互いに異なる部分を照明し、且つ時間とともにその照明位置をずらして照明するスクロール照明光学系を有する投射型表示装置。
17. 請求項８記載の投写型表示装置において、
    前記液晶パネルの表示部における帯状の領域を照明する照明光ラスタに対応する映像信号の最大階調により照明光ラスタの波高値を決定し、
    前記液晶パネルの表示部の各ラインにおける照明光の積分光量により階調変換倍率を決定し、
    前記照明光ラスタの波高値並びに階調変換倍率は、照明光ラスタの移動に伴い更新される投写型表示装置。
18. 請求項１１記載の投写型表示装置において、
    前記光源は、三原色の各色毎の複数の発光ダイオードをアレイ状に配置されて構成された投写型表示装置。
    

Images