JP2009156897A - 表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡便且つ小型の構成からなり、輝度の拡大と階調数の増大を実現できる表示装置を提供する。
【解決手段】光源１０と、光源１０からの光を変調するとともに画像を生成する画像生成手段２０と、を有する表示装置１である。画像生成手段２０は、画像情報から分離された色情報に基づき光源１０の光についての色変調を行う色変調素子２１と、画像情報から分離された輝度情報に基づき光源１０の光についての輝度変調を行う輝度変調素子２２と、色変調素子２１及び輝度変調素子２２間において光源１０の光を中継するリレー光学系２３とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、表示装置に関するものである。

近年、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）、ＥＬ（Electro-Luminescence）ディスプレイ、プラズマディスプレイ、ＣＲＴ（Cathode Ray Tube）、プロジェクタ等の表示装置における画質改善は目覚ましく、解像度、色域については人間の視覚特性にほぼ匹敵する性能を有する装置が実現されつつある。しかしながら、輝度ダイナミックレンジについてみると、その再現範囲は１〜１０^２［nit］程度の範囲であり、また階調数は８ビットが一般的である。一方、人間の視覚は、一度に知覚し得る輝度ダイナミックレンジの範囲が１０^−２〜１０^４［nit］程度あり、また輝度弁別能力は０．２［nit］でこれを階調数に換算すると１２ビット相当といわれている。このような視覚特性を経由して現在のディスプレイ装置の表示画像を見ると、輝度ダイナミックレンジの狭さが目立ち、加えてシャドウ部やハイライト部の階調が不足しているため、視聴者は表示画像のリアリティや迫力に対して物足りなさを感じることになる。

また、映画やゲーム等で使用されるＣＧ（Computer Graphics）では、人間の視覚に近い輝度ダイナミックレンジや階調特性を表示データ（以下、ＨＤＲ（High Dynamic Range）表示データという）に持たせて描写のリアリティを追求する動きが主流になりつつある。ところが、それを表示するディスプレイ装置の性能が不足しているため、ＣＧコンテンツが本来有する表現力を充分に発揮できないという課題がある。
さらに、次期ＯＳ（Operating System）においては、１６ビット色空間の採用が予定されており、現在の８ビット色空間と比較してダイナミックレンジや階調数が飛躍的に増大する。そのため、１６ビット色空間を生かすことができる高ダイナミックレンジ、高階調の電子ディスプレイ装置の実現への要求が高まると予想される。

表示装置の中でも、液晶プロジェクタ等の投射型表示装置（プロジェクタ）は、大画面表示が可能であり、表示画像のリアリティや迫力を再現する上で効果的な表示装置である。この分野では上記の問題を解決するために、以下に述べる提案がなされている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載の投射型表示装置は、第１光変調素子により第１の方向に反射された光が第２光変調素子を介して光合成手段に入射され、第１光変調素子により第２の方向に反射された光が光合成手段に直接入射されることにより、光の利用効率を向上させ、輝度の拡大及び階調性能の改善の両方を実現している。
特開２００５−２８４０５８号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の投射型表示装置では、分離した２つの光の経路を合成する必要があるため、光学系の構造が複雑化し、装置構成の小型化を図るのが難しくなってしまう。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、簡便且つ小型の構成からなり、輝度の拡大と階調数の増大を実現できる表示装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の表示装置は、光源と、該光源からの光を変調するとともに画像を生成する画像生成手段と、を有する表示装置であって、前記画像生成手段は、画像情報から分離された色情報に基づき前記光源の光についての色変調を行う色変調素子と、前記画像情報から分離された輝度情報に基づき前記光源の光についての輝度変調を行う輝度変調素子と、前記色変調素子及び前記輝度変調素子間において前記光源の光を中継するリレー光学系と、を含むことを特徴とする。

本発明の表示装置によれば、例えば色変調素子により変調された色変調光が、リレー光学系により輝度変調素子に中継されるようになる。輝度変調素子に中継された色変調光は重ねて輝度変調が行われることにより画像を生成可能となる。すなわち、画像生成手段は色変調と輝度変調とを重畳して行うことができるので、輝度ダイナミックレンジの拡大と階調数の増大を実現できる。また、二つの変調素子をリレー光学系で中継した画像生成手段を備えるため、装置構成が簡便なものとなる。したがって、構成を簡略化することで装置の小型化を実現するとともに高精細な画像を得ることができる。

また、上記表示装置においては、前記色変調素子は、異なる色の色光をそれぞれ変調する複数のサブ画素からなる画素を複数含む色変調領域を有しており、前記サブ画素毎に異なる色のカラーフィルタが設けられているのが好ましい。
この構成によれば、色変調素子の各画素が複数のサブ画素を有しているので、一つの色変調素子により色変調を行うことが可能とされる。よって、２つの変調素子とリレー光学系とから画像生成手段を構成されるので、装置構成を簡略化することができる。

また、前記輝度変調素子は、前記色変調素子の前記画素毎に対応する輝度変調領域を有するのが好ましい。
この構成によれば、色変調素子の画素構造に比べて画素構造が単純化されるため、コスト低減を図ることができる。
さらに、前記輝度変調領域は、前記色変調素子の前記サブ画素毎に対応するのがより好ましい。
このようにすれば、色変調素子におけるカラーフィルタの形成工程を省略することで輝度変調素子を製造することができる。よって、輝度変調素子の製造コストを低減することができる。

また、上記表示装置においては、前記輝度変調素子は、前記色変調素子の前記画素を複数含んだ領域毎に輝度変調を行うのが好ましい。
この構成によれば、画像上の領域（エリア）毎に輝度情報が制御可能となるので、輝度変調素子における制御を単純化できる。

また、上記表示装置においては、前記色変調素子は前記リレー光学系の前記光源側に配置されるのが好ましい。
この構成によれば、色変調素子により変調した色情報に対し、輝度変調素子により変調した輝度情報が合成されるので、各画像を構成するＲＧＢ各色の境界部をぼかすことができ、柔らかい画像を得ることができる。

また、上記表示装置においては、前記輝度変調素子は前記リレー光学系の前記光源側に配置されるのが好ましい。
この構成によれば、輝度変調素子により変調した輝度情報に対し、色変調素子により変調した色情報が合成されるので、各画像を構成するＲＧＢを明確に表示させることができ、はっきりとした画像を得ることができる。

また、上記表示装置においては、前記画像生成手段の前記光源と反対側に配置され、該画像生成手段により生成された画像を被投射面に投射する投射手段を備えるのが好ましい。
この構成によれば、画像生成手段により生成した画像を被投射面上に拡大投射することが可能となる。よって、小型の画像生成手段を用いることが可能となり、装置全体の小型化を実現できる。

また、前記投射手段が投射レンズであってもよい。
このようにすれば、例えば被投射面としてのスクリーン上に高精細且つ高コントラストの画像を表示可能とする投射型表示装置を提供できる。
あるいは、前記投射手段が接眼レンズであってもよい。
このようにすれば、ユーザに高精細且つ高コントラストの画像を視認させることが可能となり、例えばカメラのファインダーとして用いられるエレクトリックビューファインダーとして好適な表示装置を提供できる。

（第１実施形態）
以下、本発明に係る表示装置の第１実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の図面においては、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。本実施形態の表示装置は、光源の光についての色変調を行う色変調素子と、光源の光についての輝度変調を輝度変調素子との双方に液晶ライトバルブを採用した２変調方式の投射型画像表示装置（プロジェクタ）の例である。

図１は本実施形態のプロジェクタ（表示装置）の概略構成図（平面図）である。図２はプロジェクタの色変調用液晶ライトバルブ（色変調素子）及び輝度変調用ライトバルブ（輝度変調素子）の概略構成を示す図である。なお、本実施形態に係るプロジェクタは、画像情報に色情報と輝度情報とに分離し、色情報に基づいて色変調用液晶ライトバルブが色変調を行い、輝度情報に基づいて輝度変調用液晶ライトバルブが輝度変調を行うようになっている。

具体的にプロジェクタ１は、図１に示されるように、光源１０と、この光源１０からの光を変調するとともに画像を生成する画像生成手段２０と、投射レンズ（投射手段）３０とを備えている。そして、プロジェクタ１は、画像生成手段２０により生成された画像を、投射レンズ３０を介してスクリーン（被投射面）Ｓ上に拡大投射するようになっている。

光源１０は、光を射出する高圧水銀ランプ１１ａと、高圧水銀ランプ１１ａから射出された光を反射させるリフレクタ１１ｂとを備えている。高圧水銀ランプ１１ａは、白色光を射出するランプである。

なお、図示しないものの、光源１０と上記画像生成手段２０との間に、光源１０から入射した光の輝度分布を均一化させる一対のフライアイレンズを設けてもよい。また、これらフライアイレンズに続けて、均一化された不定偏光状態の光を特定の偏光方向の光に変換する偏光変換素子を設けてもよい。偏光変換素子は、例えばＰＢＳアレイと、１／２波長板とで構成され、ランダム偏光を特定の直線偏光に変換することができる。

画像生成手段２０は、光源１０からの光の色変調を行う色変調用液晶ライトバルブ２１と、光源１０からの光の輝度変調を行う輝度変調用液晶ライトバルブ２２と、これら色変調用液晶ライトバルブ２１及び輝度変調用液晶ライトバルブ２２間において光源１０の光を中継するリレーレンズ（リレー光学系）２３と、を含んでいる。すなわち、リレーレンズ２３は、詳細について後述するように色変調用液晶ライトバルブ２１により変調された光（光学像）を輝度変調用液晶ライトバルブ２２上に重ねるようになっている。

本実施形態では、光源１０側から色変調用液晶ライトバルブ２１、リレーレンズ２３、及び輝度変調用液晶ライトバルブ２２が順番に配置されている。色変調用液晶ライトバルブ２１は、入射された光源１０の光を画像データから分離された色情報に基づいて色変調した光学像を内包する色変調光を射出する。そして、色変調光は、リレーレンズ２３により輝度変調用液晶ライトバルブ２２に重ねて入射される。輝度変調用液晶ライトバルブ２２は、画像データから分離された輝度情報に基づき、光源１０の光（色変調光）をさらに輝度変調することで画像を生成する。

色変調用液晶ライトバルブ２１は、透過型の液晶装置から構成されている。具体的には、色変調用液晶ライトバルブ２１は、画素電極およびこれを駆動するための薄膜トランジスタや薄膜ダイオード等のスイッチング素子がマトリクス状に形成されたＴＦＴアレイ基板と、全面にわたって共通電極が形成された対向基板との間に、ＴＮ（Twisted Nematic）型の液晶を挟み込むとともに、外面に偏光板を配置したアクティブマトリクス型の液晶表示素子である。

色変調用液晶ライトバルブ２１は、電圧無印加状態で白／明（透過）状態となるノーマリーホワイトモード、或いは電圧印加状態で黒／暗（非透過）状態となるノーマリーブラックモードで駆動され、印加電圧値に応じて明暗間の階調がアナログ制御される。

図２に示されるように、色変調用液晶ライトバルブ２１は、異なる色の色光をそれぞれ変調する複数のサブ画素からなる画素５０を複数含む色変調領域４０を有している。また各画素５０は、異なる色の色光をそれぞれ変調するサブ画素５１を複数含んで構成されている。本実施形態においては、各画素５０が三つのサブ画素５１により構成される。また、各サブ画素５１には異なる色のカラーフィルタが設けられている。ここで、Ｒ（赤）光を透過させるカラーフィルタが形成されたサブ画素５１をサブ画素５１Ｒと称し、Ｇ（緑）光を透過させるカラーフィルタが形成されたサブ画素５１をサブ画素５１Ｇと称し、Ｂ（青）光を透過させるカラーフィルタが形成されたサブ画素５１をサブ画素５１Ｂと称す。

このような構成に基づいて、色変調用液晶ライトバルブ２１は、各サブ画素５１Ｒ，５１Ｇ，５１Ｂを透過する光を変調するとともに各画素５０にて種々の色変調を行うことが可能となり、色変調領域４０に種々の色情報を作成できる。このように各画素５０が複数のサブ画素５１を有することで色変調素子を一つの液晶ライトバルブにより構成することが可能となっている。

一方、輝度変調用液晶ライトバルブ２２は、上述した色変調用液晶ライトバルブ２１と同様の構成を有する透過型の液晶装置から構成される。輝度変調用液晶ライトバルブ２２は輝度変調領域４１を有しており、輝度変調領域４１は複数の画素６０を含む。この画素６０は上記色変調用液晶ライトバルブ２１における各画素５０に対応するもので、それぞれにて輝度変調が可能となっている。

ここで、画素５０と画素６０とが対応するとは、ある画素５０における変調光（色変調）が所定の画素６０に重ねて入射されることを意味する。すなわち、光源１０の光は、画素５０，６０を透過することで色変調と輝度変調とが重畳して行われる。

なお、輝度変調用液晶ライトバルブ２２における画素６０はサブ画素を有しない構成となっている。また、輝度変調用液晶ライトバルブ２２は輝度変調のみを行うものであることから上記のカラーフィルタは有しない。このように輝度変調用液晶ライトバルブ２２においてサブ画素構造を無くし、輝度変調用液晶ライトバルブ２２の画素構造を簡略化することでプロジェクタ１のコスト低減を図っている。

上記リレーレンズ２３は、開口絞りに対して略対称に配置された前段レンズ群、後段レンズ群からなる等倍結像レンズである。また、リレーレンズ２３は、各ライトバルブ２１，２２の視野角特性を考慮して両側テレセントリック特性を有するのが好ましい。前段レンズ群、後段レンズ群は、複数の凸レンズ及び凹レンズを含んで構成されているが、レンズの形状、大きさ、配置間隔及び枚数、テレセントリック性、倍率その他のレンズ特性は、要求される特性によって適宜変更され得るものである。

本実施形態においては、色変調用液晶ライトバルブ２１が光源１０側に配置されているので、色変調後の光学像に対し、輝度変調用液晶ライトバルブ２２により輝度変調を重畳して行うことで画像を生成するため、画像を構成する各画素のＲＧＢ各色の境界部がぼけることで、柔らかい画質を得ることができる。

画像生成手段２０により生成された画像は、投射レンズ３０を介してスクリーンＳ上に拡大投射される。このようにプロジェクタ１は、投射レンズ３０により画像をスクリーンＳ上に拡大投射が可能となっているので、各液晶ライトバルブ２１，２２を小型化できる。したがって、画像生成手段２０が小さくなり、結果的にプロジェクタ１自体の小型化が図られたものとなる。

以上述べたように、本実施形態に係るプロジェクタ１は、光源１０の光についての色変調を行う色変調用液晶ライトバルブ２１と、光源１０の光についての輝度変調を行う輝度変調用液晶ライトバルブ２２と、これらの間を中継するリレーレンズ２３とを備えている。これにより、色変調用液晶ライトバルブ２１の各画素５０で変調された色変調光が、リレーレンズ２３により輝度変調用液晶ライトバルブ２２の各画素６０上に中継される。輝度変調用液晶ライトバルブ２２に中継された色変調光は、重畳して輝度変調が行われることで、輝度ダイナミックレンジが拡大された多階調の画像を生成できる。また、画像生成手段２０が簡便な構成となっているので、小型且つ高精細な画像を得ることができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について、図３を参照にして説明する。なお、以下に説明する各実施形態の図面において、上述した第１実施形態に係るプロジェクタ１と共通の構成については同一符号を付し、その説明については省略若しくは簡略化することにする。

上記第１実施形態では、光源１０側から色変調用液晶ライトバルブ２１、リレーレンズ２３、及び輝度変調用液晶ライトバルブ２２が順番に配置されたプロジェクタ１であった。これに対し、本実施形態に係るプロジェクタ１００は、光源１０側から輝度変調用液晶ライトバルブ２２、リレーレンズ２３、及び色変調用液晶ライトバルブ２１が順番に配置されている。輝度変調用液晶ライトバルブ２２は、入射された光源１０の光を画像データから分離された輝度情報に基づいて輝度変調した光学像を内包する輝度変調光を射出する。そして、輝度変調光は、リレーレンズ２３により色変調用液晶ライトバルブ２１に入射される。色変調用液晶ライトバルブ２１は、画像データから分離された色情報に基づき、光源１０の光（輝度変調光）をさらに色変調することで画像を生成する。

したがって、本実施形態に係るプロジェクタ１００によれば、輝度変調用液晶ライトバルブ２２により変調した輝度変調光が、色変調用液晶ライトバルブ２１の画素５０に入射される。本実施形態においては、輝度変調用液晶ライトバルブ２２が光源１０側に配置されているので、輝度変調光に対し、色変調用液晶ライトバルブ２１により色変調を重畳して行うことで画像を生成するため、画像を構成する各画素のＲＧＢ各色を明確に表示させることが可能となり、メリハリのある画質を得ることができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について、図４を参照にして説明する。なお、以下に説明する各実施形態の図面において、上述した第１、第２実施形態に係るプロジェクタ１、１００と共通の構成については同一符号を付し、その説明については省略若しくは簡略化することにする。

上記第１、第２実施形態では、輝度変調用液晶ライトバルブ２２における画素６０はサブ画素を有しない構成となっていた。
これに対し、本実施形態に係るプロジェクタは、輝度変調用液晶ライトバルブ２２における画素６０が色変調用液晶ライトバルブ２１の画素５０と同一構成を有している。すなわち、輝度変調用液晶ライトバルブ２２における画素６０は三つのサブ画素６１を備えている。したがって、輝度変調用液晶ライトバルブ２２は、カラーフィルタ以外の構成が色変調用液晶ライトバルブ２１と同一となっている。

したがって、本実施形態によれば、色変調用液晶ライトバルブ２１におけるカラーフィルタの形成工程を無くした液晶装置を輝度変調用液晶ライトバルブ２２として利用している。よって、輝度変調用液晶ライトバルブ２２の製造コストを低減することができ、結果的にプロジェクタ自体の低コスト化を実現できる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において種々の変更が可能である。例えば、上記第１、第２、第３実施形態においては、輝度変調用液晶ライトバルブ２２を画素構造によらず、画素６０毎に輝度変調を行うようにした。しかしながら、表示する画像によっては、必ずしも画素６０毎に輝度変調を行う必要がない場合もある。このような場合、本発明は、図５に示されるように、輝度変調用液晶ライトバルブ２２が輝度変調領域における複数の画素６０を含む領域毎に輝度変調を行うことができる。すなわち、画像における所望のエリア毎に輝度変調を行うことが可能となる。
したがって、このような構成によれば、画像上の領域（エリア）毎に輝度変調が生後可能となるので、輝度変調用液晶ライトバルブ２２における制御を単純化することができる。

また、上記実施形態においては、リレーレンズ２３と、色変調用液晶ライトバルブ２１及び輝度変調用液晶ライトバルブ２２とを離間した状態に配置しているが、これらを接触した状態に構成することもできる。また、色変調用液晶ライトバルブ２１及び輝度変調用液晶ライトバルブ２２のうち、いずれか一方のみを接触させた状態としてもよい。このようにすれば、画像生成手段２０を小型化でき、プロジェクタ自体をより小型なものとすることができる。

また、上記実施形態においては、光源１０として、高圧水銀ランプ１１ａとリフレクタ１１ｂとを備えたものを例示したが、本発明はこれに限定されない。例えば、光源１０として、液晶装置に用いられるバックライトや、有機ＥＬ素子等の従来から照明装置として用いられるものであれば種々のものに置き換え可能である。

また、上記実施形態においては、画像生成手段２０により生成された画像を被投射面（スクリーンＳ）上に投射手段（投射レンズ３０）により投射することで、投射型表示装置（プロジェクタ）に本発明を適用した場合について説明した。

本発明は、投射型表示装置ではなく、直視型の表示装置にも適用可能である。すなわち、上記投射レンズ３０を設けず、画像生成手段２０により生成された画像を直接視認する表示装置としても適用可能である。この表示装置によれば、簡便な構成により、輝度ダイナミックレンジが拡大された多階調の画像を得ることができる。
また、上記画像生成手段２０により生成された画像を被投射面上に投射する投射手段として接眼レンズを用いることができる。この構成によれば、接眼レンズを覗くことにより、ユーザに高精細且つ高コントラストの画像を視認させることが可能となる。したがって、デジタルカメラのファインダーに用いられるエレクトリックビューファインダー（ＥＶＦ）への応用も可能である。その他、小型且つ高精細であるという特徴を活かして、自動車のヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）、携帯機器用のマイクロプロジェクタ、ＡＶ機器のインパネ表示、大型の情報表示板（電光掲示板等）等の情報表示装置への応用も可能である。例えばヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）は、自動車のフロントウィンドウシールド（部分反射手段）上に画像を投射するものであり、主に速度メータやガソリン残量、警告等の情報を表示可能なものである。そのため、ヘッドアップディスプレイは、自動車の狭いダッシュボードに設置されるため、小型高精細のパネルが望ましく、本発明の表示装置は好適である。

プロジェクタの概略構成平面図である。 色変調用及び輝度変調用ライトバルブの概略構成を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る構成を示す図である。 本発明の第３実施形態に係る構成を示す図である。 本発明の変形例に係る構成を示す図である。

符号の説明

１…プロジェクタ、１０…光源、２０…画像生成手段、２１…色変調用液晶ライトバルブ（色変調素子）、２２…輝度変調用液晶ライトバルブ（輝度変調素子）、２３…リレーレンズ（リレー光学系）、３０…投射レンズ（投射手段）、４０…色変調領域、４１…輝度変調領域、５０…画素、５１，５１Ｒ，５１Ｇ，５１Ｂ…サブ画素、６０…画素、１００…プロジェクタ

Claims (10)

1. 光源と、該光源からの光を変調するとともに画像を生成する画像生成手段と、を有する表示装置であって、
   前記画像生成手段は、画像情報から分離された色情報に基づき前記光源の光についての色変調を行う色変調素子と、前記画像情報から分離された輝度情報に基づき前記光源の光についての輝度変調を行う輝度変調素子と、前記色変調素子及び前記輝度変調素子間において前記光源の光を中継するリレー光学系と、を含むことを特徴とする表示装置。
2. 前記色変調素子は、異なる色の色光をそれぞれ変調する複数のサブ画素からなる画素を複数含む色変調領域を有しており、前記サブ画素毎に異なる色のカラーフィルタが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
3. 前記輝度変調素子は、前記色変調素子の前記画素毎に対応する輝度変調領域を有することを特徴とする請求項２に記載の表示装置。
4. 前記輝度変調領域は、前記色変調素子の前記サブ画素毎に対応することを特徴とする請求項３に記載の表示装置。
5. 前記輝度変調素子が、前記輝度変調領域における複数の前記画素を含む領域毎に輝度変調を行うことを特徴とする請求項３又は４に記載の表示装置。
6. 前記色変調素子は、前記リレー光学系の前記光源側に配置されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の表示装置。
7. 前記輝度変調素子は、前記リレー光学系の前記光源側に配置されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の表示装置。
8. 前記画像生成手段の前記光源と反対側に配置され、該画像生成手段により生成された画像を被投射面に投射する投射手段を備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の表示装置。
9. 前記投射手段が投射レンズであることを特徴とする請求項８に記載の表示装置。
10. 前記投射手段が接眼レンズであることを特徴とする請求項８に記載の表示装置。

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