JP2007225890A - 投写型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装置の大型化や高価格化を抑えつつ、高精細の映像を表示できる投写型表示装置を提供することを目的とする。
【解決手段】投写型表示装置１５は、光源１０と、照明光学系２０および表示パネル５０と、投写レンズ６０およびマイクロミラーアレイＭＥＭＳ素子７０とを備えている。表示パネル５０は、光源１０から出射される光束を、所定の周期で画像情報に応じた光学像に変調する。マイクロミラーアレイＭＥＭＳ素子７０は、マトリックス状に並んだ複数の可動ミラー７１よりなる。可動ミラー７１は、所定の周期と同期的に動作し、光学像の投写位置を周期的に変化させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、投写型表示装置、特にライトバルブを用いた投写型表示装置に関する。

投写型表示装置（プロジェクター）は大きな画面サイズを得ることができるため、プレゼンテーション用途やホームシアター用途等に使われている。大画面で高品位な映像を表示するには、映像を構成する画素数が多いほど、つまり高精細なほど良い。しかし、表示パネルは、高精細になるほど高価になり、かつ１画素のサイズは小さくなる。例えば、表示パネルが液晶の場合、表示パネルサイズが同じで有れば、光が通過する１画素の面積は高精細になるに従って小さくなり、開口効率の低下や混色による画質の低下の原因になる。この混色を防止し、色純度を向上させかつ光利用効率を向上させる手段として、マイクロレンズアレイで表示パネルに入る光束を適切にコントロールする方式が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−９８３２７号公報

一方、投写型表示装置に対しては、小型化、低価格化への要求が高まっている。すなわち、投写型表示装置で高精細でかつ高輝度の映像を表示するためには、表示パネルのサイズを大型化しなければならず、このような表示パネルを備える投写型表示装置では、装置が大型化してしまうとともに、高価格となってしまう。
そこで本発明は、装置の大型化や高価格化を抑えつつ、高精細の映像を表示できる投写型表示装置を提供することを目的とする。

第１の発明としての投写型表示装置は、光源と、変調光学系と、投写光学系と、を備えている。変調光学系は、光源から出射される光束を、所定の周期で画像情報に応じた光学像に変調する。投写光学系は、マトリックス状に並んだ複数の可動ミラーよりなるミラー素子を含み、変調光学系から出射される光学像を投写する。ミラー素子は、所定の周期と同期的に動作し、光学像の投写位置を周期的に変化させる。
変調光学系は、例えば、少なくとも１枚のレンズと、電気信号により動作する複数のミラーを搭載する半導体デバイスや液晶パネルなどの表示パネルと、表示パネルに照射する光あるいは表示パネルから出射する光の色変調を行う色変調手段とを備えていてもよい。色変調手段は、例えば、複数の色フィルタを円周方向に並べたカラーホイルなどであってもよい。
本発明のミラー素子は、光学像が変調される所定の周期と同期的に動作し、光学像の投写位置を周期的に変化させる。光学像の投写位置が周期的に変化するため、投写された光学像を視覚する者は、変化の前の画像を残像として変化の後の画像と合わせて視覚する。これにより、投射される光学像の解像度よりも高解像度の画像が視覚される。このため、本発明では、例えば、比較的低い解像度や小型の表示パネルなどを用いて装置の大型化や高価格化を抑えつつ、高精細の映像を表示できる投写型表示装置を提供することが可能となる。

第２の発明としての投写型表示装置では、ミラー素子は、投写光学系が含む複数のレンズ素子の間に配置される。
本発明では、ミラー素子を光路上の光源側に配置することにより、小型のミラー素子を用いることが可能となり、装置のコスト増大を抑えることが可能となる。
第３の発明としての投写型表示装置では、可動ミラーの高さと角度とは、任意の値に可変である。
本発明では、可動ミラーは、高さと角度とを任意に変化させることができる。このため、より適切に光学像の投写位置を変化させることが可能となる。
第４の発明としての投写型表示装置では、光学像の投写位置は、光学像を構成する画素の半分の大きさだけ周期的に変化する。
本発明では、ミラー素子は、投写される光学像の投写位置は、画素の半分の大きさだけ周期的に変化する。このため、投写された光学像を視覚する者は、変化の前後の画像を、光学像の解像度よりも高解像度の画像として視覚する。例えば、ミラー素子により光学像が垂直方向に半画素ずれて投写される場合には、垂直方向に２倍の解像度を持つ光学像を投写した場合とほぼ同様の解像度の画像として視覚される。

第５の発明としての投写型表示装置では、ミラー素子のそれぞれの可動ミラーは、それぞれの可動ミラーに対して予め設定された高さおよび角度についての２つの状態の間を周期的に変化する。
本発明では、可動ミラーは、予め設定された２つの状態の間を周期的に変化し、光学像の投写位置を周期的に変化させる。

本発明により、装置の大型化や高価格化を抑えつつ、高精細の映像を表示できる投写型表示装置を提供することが可能となる。

（第１実施形態）
〈概要〉
第１実施形態としての投写型表示装置は、投写レンズ系にマイクロミラーアレイＭＥＭＳ素子を導入し、光学像の変調の周期と同期的にマイクロミラーアレイＭＥＭＳ素子を動作させ、光学像の投写位置を周期的に変化させることで、視覚される光学像を高解像度とする点に特徴を有している。
〈構成・動作〉
図１に、第１実施形態としての投写型表示装置１５の構成を示す。
投写型表示装置１５は、光源１０（以上、「光源」）と、照明光学系２０、カラーホイル３０および表示パネル５０（以上、「変調光学系」）と、投写レンズ６０およびマイクロミラーアレイＭＥＭＳ素子７０（以上、「投写光学系」）とを備えている。また、照明光学系２０と表示パネル５０との間、表示パネル５０と投写レンズ６０との間には、凸レンズ４０が配置されている。また、カラーホイル３０、表示パネル５０、マイクロミラーアレイＭＥＭＳ素子７０の制御を司る制御部８０が設けられている。
光源１０は、発光を行うランプ１１と、ランプ１１が発光した光を集光するリフレクタ１２とを備えている。

照明光学系２０は、光源１０から出射された光束を表示パネル５０に導く。具体的には、光源１０より出射した光は、ロッドレンズ２１で矩形の照明光となり、コンデンサーレンズ２２および凸レンズ４０を通過し、表示パネル５０に照射する。表示パネル５０に照射される光は、表示パネル５０とほぼ相似の矩形の照明光となる。
ロッドレンズ２１とコンデンサーレンズ２２との間には、カラーホイル３０が配置されている。カラーホイル３０は、図２に示すように、複数の色フィルタを円周方向に並べた円盤状の部材であり、カラーディスクとも呼ばれる部材である。図２では、Ｒ，Ｇ，Ｂの３色の色フィルタを、円周方向に３枚並べた場合を示しているが、色フィルタの色やその枚数は、これに限らない。
カラーホイル３０は、回転することにより、照明光を時系列的に順次色変調する。なお、投写型表示装置１５がモノクロ画像を投写するのに用いられる装置である場合には、カラーホイル３０は無くてもよい。
表示パネル５０は、電気信号により動作する複数のミラーを搭載する半導体デバイスや反射型液晶パネルなどの表示素子であり、照明光学系２０を通過し、カラーホイル３０により色変調された照明光を画像情報に応じた光学像に変調する。

表示パネル５０がミラーを搭載する半導体デバイスである場合には、表示パネル５０の作用により、光学像の形成に寄与する光（例えば、反射光８１）は、投写レンズ６０に入射する。一方、光学像の形成に寄与しない光（例えば、反射光８２）は、投写レンズ６０に入射せず、投写レンズ６０の外に配置される光吸収板などに吸収される。
投写レンズ６０は、形成された光学像を拡大投写する。これにより、時分割のカラー画像がスクリーン上に表示される。なお、図１では、投写レンズ６０は、第１投写レンズ６１と、第２投写レンズ６２とを備えている。しかし、投写レンズ６０の構成は、図示したものに限らず、全体として負のパワーのレンズを構成していればよい。
マイクロミラーアレイＭＥＭＳ素子７０は、投写レンズ６０から出射する光（例えば、出射光８３）を反射させ（例えば、反射光８４や反射光８４ａ）、スクリーンに導く素子である。スクリーンに導かれた反射光８４や反射光８４ａは、投写像として視覚される。この投写像は、表示パネル５０により変調された光学像が投写レンズ６０により拡大されたものである。
図３は、マイクロミラーアレイＭＥＭＳ素子７０の概要構成を示す平面図、図４は、マイクロミラーアレイＭＥＭＳ素子７０が備える可動ミラー７１の動作を示す説明図である。

図３に示すように、マイクロミラーアレイＭＥＭＳ素子７０は、マトリックス状に複数の可動ミラー７１を備えており、個々の可動ミラー７１で、投写レンズ６０から出射する光を反射する。可動ミラー７１は、表示パネル５０の画素数よりも少ない個数だけ設けられており、表示パネル５０から出射する光学像の複数の画素に対応する光を反射する。なお、可動ミラー７１は、表示パネル５０からの個々の画素に対応する光をそれぞれ反射してもよい。すなわち、表示パネル５０の画素数と同じまたは多い個数だけ可動ミラー７１が設けられていてもよい。この場合には、さらに高画質に画像の投写を行うことが可能となる。
図４に示すように、個々の可動ミラー７１は、所定範囲の角度および高さの間で、任意の角度および高さに調節可能である。
以上により、マイクロミラーアレイＭＥＭＳ素子７０は、任意に全体の面形状を変化させることが可能となる。
制御部８０は、表示パネル５０とマイクロミラーアレイＭＥＭＳ素子７０とを同期的に動作させる。具体的には、制御部８０は、表示パネル５０が１フレームのカラー画像（または１フィールドのカラー画像）を変調する毎（例えば、Ｒ，Ｇ，Ｂの光学像を形成するために表示パネル５０を３回駆動する毎）に、マイクロミラーアレイＭＥＭＳ素子７０の可動ミラー７１を１回駆動する。駆動は、予めＲＯＭなどに記憶された可動ミラー７１の設定値を読み出し、この設定値を電圧に変換してマイクロミラーアレイＭＥＭＳ素子７０に与えることで行われる。より詳しくは、この設定値は、それぞれの可動ミラー７１毎に、可動ミラー７１の高さおよび角度を設定するものであり、１つの可動ミラー７１に対して、周期的に取りうる２つの状態を定めている。この２つの状態により、可動ミラー７１により反射された光は、反射光８４や反射光８４ａのように投写位置が変化するように投写され、投写された光学像を構成する画素が半画素分だけ周期的に位置ずらしされる。

この位置ずらしについて、図５と図６とを用いて説明する。
図５は、投写型表示装置１５により投写される光学像１００（マイクロミラーアレイＭＥＭＳ素子７０の全体から投写される光学像）と、１つの可動ミラー７１により投写される部分光学像１０１との関係を示している。
図６は、可動ミラー７１の変化の前後における部分光学像１０１の投写位置の変化（部分光学像１０１ａおよび部分光学像１０１ｂ）と、部分光学像１０１ａを残像として部分光学像１０１ｂと合わせて視覚される部分光学像１０１ｃとの関係を示している。
投写レンズからの出射光８３は、可動ミラー７１で反射する。可動ミラー７１の変化の前後で、反射光の光路は、反射光８４と反射光８４ａとで示すように変化する。反射光８４は、部分光学像１０１ａとして投写され、反射光８４ａは、部分光学像１０１ｂとして投写される。部分光学像１０１ａと部分光学像１０１ｂとは、それぞれの部分光学像を構成する画素の垂直方向高さＰの半分（１／２・Ｐ）の大きさだけ位置ずらしされて投写される。このように、マイクロミラーアレイＭＥＭＳ素子７０の駆動によって、１／２画素相当ずらす場合の光学像とずらさない場合の光学像とを交互に（周期的に）スクリーン上に投写することにより、投写された光学像を視覚する者は、２倍の解像度の光学像を視覚する。すなわち、部分光学像１０１ａと部分光学像１０１ｂとを交互に投写すると、それらの２倍の垂直方向解像度を有する部分光学像１０１ｃが視覚される。よって、表示パネル５０の解像度の２倍の解像度の光学像を投写するのと同様の投写を行うことが可能となる。

なお、表示パネル５０において変調される画像情報は、投写型表示装置１５で投写するために予め処理される。例えば、投写型表示装置１５に入力された画像情報は、投写型表示装置１５内のメモリ（ＶＲＡＭ）などに順次記憶され、所定の周期で表示パネル５０を駆動するための信号に変換されて表示パネル５０に与えられる。この処理は、例えば、各色（Ｒ，Ｇ，Ｂ）に対して行われ、１フレームのカラー画像（１フィールドのカラー画像）が投写表示される。さらに、次のフレーム（フィールド）のカラー画像が投写表示される際には、前のフレーム（フィールド）と同様の処理が画像情報について行われるとともに、可動ミラー７１が上述の様に可動される。これにより、前に表示したフレーム（フィールド）と半画素だけずれた位置に次のフレーム（フィールド）を表示する。
〈効果〉
一般に、スクリーン上に高解像度（高精細）の光学像を投写するには、光学像を変調する表示パネルも同じ解像度を有する必要がある。一方、本発明の投写型表示装置１５では、マイクロミラーアレイＭＥＭＳ素子７０を配置して、変調の周期と同期的にマイクロミラーアレイＭＥＭＳ素子７０を駆動し、表示パネル５０の解像度よりも高解像度の光学像をスクリーン上に投写することが可能となる。

具体的には、最終的に視覚される光学像の解像度の２分の１の解像度の光学像を、周期的に位置ずらしして投写する。より具体的には、光学像の画素の２分の１のサイズだけ垂直方向に位置ずらしして投写する。これにより、投写された光学像を視覚する者は、表示パネル５０の解像度の倍の解像度の光学像が投写されている場合と同様の光学像を視覚する。
投写型表示装置１５では、マイクロミラーアレイＭＥＭＳ素子７０を備えている。マイクロミラーアレイＭＥＭＳ素子７０は、任意に全体の面形状を変化させることが可能となる。これにより、中心から周辺まで精度良く画素ずらしを行うことが可能となり、より高精細の映像を投写可能となる。
（第２実施形態）
図７に、第２実施形態としての投写型表示装置１６の構成を示す。
投写型表示装置１６は、第１実施形態の投写型表示装置１５とほぼ同様であるが、マイクロミラーアレイＭＥＭＳ素子７０が、投写レンズ６０に内蔵された点に特徴を有している。
具体的には、投写レンズ６０の第１投写レンズ６１と第２投写レンズ６２との間にマイクロミラーアレイＭＥＭＳ素子７０が配置されている。一般に投写される光学像に寄与する光束の大きさは、投写レンズ６０から出射した後より投写レンズの内部の方が小さい。よってマイクロミラーアレイＭＥＭＳ素子７０を投写レンズ６０に内蔵すれば、マイクロミラーアレイＭＥＭＳ素子７０を小型化しつつ、高画質の画像を投写することが可能となる。

なお、マイクロミラーアレイＭＥＭＳ素子７０は、投写レンズ６０の光源１０側に配置されていてもよい。
（その他）
上記実施形態では、マイクロミラーアレイＭＥＭＳ素子７０の設定値は、それぞれの可動ミラー７１毎に、可動ミラー７１の高さおよび角度を定めていると説明した。しかし、例えば、設定値は、可動ミラー７１の角度だけを定めるものであってもよい。また、投写レンズ６０がズームレンズ系を構成する場合には、そのズーム倍率に応じて設定値が定められていてもよい。

本発明は、装置の大型化や高価格化を抑えつつ、高精細の映像を表示することが求められる分野において、投写型表示装置（投写型プロジェクター、や一体型プロジェクションＴＶ）などとして有用である。

第１実施形態における投写型表示装置の構成図 カラーホイルの平面図 マイクロミラーアレイＭＥＭＳ素子の平面図 マイクロミラーアレイＭＥＭＳ素子の個々の可動ミラーの概略動作を示す説明図 投写される光学像について説明する説明図 投写される光学像の部分光学像について説明する説明図 第２実施形態における投写型表示装置の構成図

符号の説明

１０ 光源
１５ 投写型表示装置
２０ 照明光学系
３０ カラーホイル
５０ 表示パネル
６０ 投写レンズ
７０ マイクロミラーアレイＭＥＭＳ素子
７１ 可動ミラー

Claims (5)

1. 光源と、
   前記光源から出射される光束を、所定の周期で画像情報に応じた光学像に変調する変調光学系と、
   マトリックス状に並んだ複数の可動ミラーよりなるミラー素子を含み、前記変調光学系から出射される前記光学像を投写する投写光学系と、
   を備え、
   前記ミラー素子の前記可動ミラーは、前記所定の周期と同期的に動作し、前記光学像の投写位置を周期的に変化させる、
   投写型表示装置。
2. 前記ミラー素子は、前記投写光学系が含む複数のレンズ素子の間に配置される、
   請求項１に記載の投写型表示装置。
3. 前記可動ミラーの高さと角度とは、任意の値に可変である、
   請求項１または２に記載の投写型表示装置。
4. 前記光学像の投写位置は、前記光学像を構成する画素の半分の大きさだけ周期的に変化する、
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の投写型表示装置。
5. 前記ミラー素子のそれぞれの前記可動ミラーは、それぞれの前記可動ミラーに対して予め設定された高さおよび角度についての２つの状態の間を周期的に変化する、
   請求項１〜４のいずれか１項に記載の投写型表示装置。
   
   

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