JP2012208216A - 投射型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】信頼性の高い、画素ずらし装置で生じるクロストークを抑制することができる投射型表示装置を提供する。
【解決手段】投射型表示装置は、光源１ａと、光源からの光を偏光にする偏光子１１ａ、１１ｂ、１１ｃと、表示画像の強度に応じて、偏光を変調するとともに、順次走査する液晶表示素子１２ａ、１２ｂ、１２ｃと、表示画像の更新の度に、液晶表示素子からの光の偏光方向をその光軸の周りで９０°回転させる偏光角回転素子２１と、偏光角回転素子からの光をその偏光方向に応じて射出時の光路をずらす複屈折素子３２と、偏光子と液晶表示素子の間に配置され、液晶表示素子の順次駆動方向に複数の領域に分けられて液晶表示素子の表示と連動して分轄駆動される液晶シャッタ１０ａ、１０ｂ、１０ｃと、偏光素子からの光を投射面に向かって拡大投射する投射光学系１６とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、高精細な画像を表示するための画素ずらし技術を用いた投射型表示装置に関する。

大画面を表示する装置として、光源からの光を入力された画像情報に基づき偏光変調し、偏光変調された光をスクリーン等の投射面に拡大投射する投射型表示装置（以下、プロジェクタ）が広く用いられている。プロジェクタは、この偏光変調を行うために、反射型や透過型の画像表示素子を搭載している。一方、プロジェクタの普及に伴い、高精細な画像表示への要求が高まっている。このような要求に応えるには、画像表示素子の画素数を増やすことが考えられる。しかしながら、画素数の増加は製造コストの増大につながる。即ち、画素間のピッチの縮小化には限界があることを考慮すると、画素数の増加は必然的に画像表示素子を大型化させるからである。さらに、周囲の光学系の大型化や、画像表示素子に対する高速な駆動回路の開発に起因する製造コストの増大を招来する。

このようなコストの増大を抑制して高精細な画像表示を図る技術として、画素ずらし技術が知られている。画素ずらし技術は、投射画像を高速度で更新しながら、その更新の度に投射画像の位置を所定の距離の間で交互にずらす技術である。この画素ずらし方式では、視聴者の残像効果によって、投射面における画像の画素数が実際の各画像の画素数よりも擬似的に増加する。従って、画像表示素子の画素数を増やさずに、投射画像の解像度を向上させることが出来る。

ところが、このような画素ずらし方式を用いる表示装置では、画像の表示位置をずらすための画像の移動期間において移動している画面が見えてしまうと、ずらさない画像の各画素と、ずらした画像の各画素同士が繋がって見える現象が起こり、画像間の分離特性の低下や解像度の劣化が生じて、画素ずらしの本来の目的である高精細表示の障害になる。

このような問題に対して、文献１では、合成系と投射レンズの間に機構シャッタを挿入して遮光部を走査線に略平行に移動して遮光することにより、画像の更新期間での照明光を遮光する手法が開示されている。

特開２００５−９１５１９号公報

しかしながら、機構シャッタを挿入する方法では構成部品の信頼性の点から比較的寿命が短くなり修理等の必要があるという不具合が存在していた。
本発明はこのような問題点に鑑みなされたものであり、信頼性の高い、画素ずらし装置で生じるクロストークを抑制することができる投射型表示装置を提供することを目的とする。

本発明は、上述した従来の技術の課題を解決するため、光源（１ａ）と、前記光源からの光を偏光にする偏光子（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ）と、表示画像の強度に応じて、前記偏光を変調するとともに、順次走査する液晶表示素子（１３ａ、１３ｂ、１３ｃ）と、前記表示画像の更新の度に、前記液晶表示素子からの光の偏光方向をその光軸の周りで９０°回転させる偏光角回転素子（２１）と、前記偏光角回転素子からの光をその偏光方向に応じて射出時の光路をずらす複屈折素子（２２）と、前記偏光子と前記液晶表示素子の間に配置され、液晶表示素子の順次走査方向に複数の領域に分けられて前記液晶表示素子の表示と連動して分轄駆動される液晶シャッタ（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ）と、前記偏光素子からの光を投射面に向かって拡大投射する投射光学系（１６）とを備えることを特徴とする投射型表示装置を提供する。

また、光源（１ａ）と、前記光源からの光を偏光にする偏光子（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ）と、表示画像の強度に応じて、前記偏光を変調するとともに、一括書き込みする液晶表示素子（１３ａ、１３ｂ、１３ｃ）と、前記表示画像の更新の度に、前記液晶表示素子からの光の偏光方向をその光軸の周りで９０°回転させる偏光角回転素子（２１）と、前記偏光角回転素子からの光をその偏光方向に応じて射出時の光路をずらす複屈折素子（２２）と、前記偏光子と前記液晶表示素子の間に配置され、液晶表示素子の一括書き込みにおける表示と連動して一括駆動される液晶シャッタ（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ）と、前記偏光素子からの光を投射面に向かって拡大投射する投射光学系（１６）とを備えることを特徴とする投射型表示装置を提供する。

本発明によれば、信頼性の高い、画素ずらし装置で生じるクロストークを抑制することができる投射型表示装置を構成することができる。

本発明の第１の実施形態に係る投射型表示装置の構成図である。 画素ずらし部１５の概略構成図である。 第１の実施形態に係る投射型表示装置の信号処理構成図である。 第１の実施形態に係る投射型表示装置における、入力画像（元画像）の各フィールドに対する画像サンプリングを示す図である。 画素ずらし位置の制御を示す図である。 第１の実施形態に係る投射型表示装置の画素表示と画素シフト制御、シャッタ動作の関係を示す図である。 液晶シャッタ１０ａ、１０ｂ、１０ｃの動作を説明するための図である。 第２の実施形態に係る投射型表示装置の画素表示と画素シフト、シャッタ動作の関係を示す図である。 第２の実施形態に係る液晶シャッタ１０ａ、１０ｂ、１０ｃの動作を説明するための図である。

以下、本発明に係る投射型表示装置の実施形態について、添付図面を参照して説明する。

＜第１の実施の形態＞
図１は本発明の第１の実施形態に係る投射型表示装置の構成図である。光源１ａは超高圧水銀ランプであり、白色光を発する。リフレクタ１ｂは光源から射出した光を反射する。光源からの直接光およびリフレクタで反射された反射光は、第１のインテグレータ２ａ及び第２のインテグレータ２ｂにより光の輝度分布が均一化されたあと、偏光変換素子３により、光の偏光方向が一方向に揃えられる。揃えられた偏光をＰ偏光とする。

偏光変換素子３を射出したＰ偏光は、重ね合わせレンズ４を透過してＹダイクロイックミラー５ａ、Ｂダイクロイックミラー５ｂにより、赤色光と緑色光の混合光と青色光に分離される。赤色光と緑色光の混合光、青色光はミラー６ａ、６ｂによりその光路が曲げられる。赤色光と緑色光の混合光はＧダイクロイックミラー7により、赤色光と緑色光に分離され、緑色光は光路が曲げられる。それぞれ別々の光路を進む赤色光、緑色光、青色光はそれぞれ、フィールドレンズ８ａ、８ｂ、８ｃ、偏光子９ａ、９ｂ、９ｃ、液晶シャッタ１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、ＷＧ−ＰＢＳ１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、補償器１２a、１２ｂ、１２ｃを透過した後、赤色光は赤色用反射型液晶素子１３ａに、緑色光は緑色用反射型液晶素子１３ｂに、青色光は青色用反射型液晶素子１３ｃに入射する。なお、偏光子９ａ、９ｂ、９ｃは、ＷＧ−ＰＢＳでもよいし、吸収型の偏光板でもよい。

各色用の反射型液晶素子１３ａ、１３ｂ、１３ｃは各色の入射光を反射・変調する。ここで、各色用の反射型表示素子で表示可能な最大の有効画素数がｍ×ｎであるとする。反射・変調された赤色光、緑色光は、再度補償器１２ａ、１２ｂ、１２ｃを透過した後、変調されたＳ偏光成分がＷＧ−ＰＢＳ１１ａ、１１ｂ、１１ｃで反射される。反射した赤色光，緑色光，青色光のＳ偏光成分はクロスダイクロイックプリズム１４にて合成され、画素ずらし部１５を透過して投射レンズ１６にて投射される。

図２は、画素ずらし部１５の概略構成図である。画素ずらし部１５は、１／２波長板２１と、偏光角回転素子２２と、偏光角回転素子２２の後段に設けられる複屈折素子２３とを備える。各光学素子２１、２２、２３、は積層構造として構成してもよく、透明ガラス等により形成された部材によって支持された構成でもよい。色合成プリズム１８からの光は１／２波長板３１に入射し、複屈折素子４から射出して、投影光学系としての投影レンズ１６に入射する。
１／２波長板３１は、入射するＳ波の光の偏光方向を４５°回転させるために、１／２波長板３１の光軸（進相軸または遅相軸）Ｔを入射光（Ｓ波）の偏光方向に対して光の進行方向（即ち光軸）の周りで２２．５°傾けて設置される。１／２波長板２１を射出した光は、図３のように、光の進行方向から見て入射光の偏光方向に対し、右４５°に偏光している。

偏光角回転素子２２は、入射光の偏光角（偏光方向）をその光軸の周りで９０°回転させることにより、右４５°方向の偏光を左４５°方向の偏光に変換する。以下の説明の便宜上、右４５°方向の偏光をＲ波と、左４５°方向の偏光をＬ波と称する。この変換は、液晶表示素子１３ａ、１３ｂ、１３ｃにおける表示画像の更新の度に、偏光制御ドライバ２４の出力電圧（出力信号）に基づいて実施される。本実施形態ではこのような旋光機能を持つ光学素子として、例えばネマチック液晶などにより構成された透過型の液晶パネルが用いられる。複屈折素子２３は、複屈折を生じる物質（例えば水晶）で形成された光学素子であり、入射するＲ波、Ｌ波の偏光方向に応じて射出時の光路をずらす。また、複屈折素子２３は、光ローパスフィルタ（ＯＬＰＦ）でもある。液晶表示素子１３ａ、１３ｂ、１３ｃの画素ピッチをＧとすると、本実施形態の複屈折素子２３は、Ｒ波とＬ波での光路間シフト量が約（√２／２）Ｇとなるように形成されている。投射レンズ２６で投射される投射面２５では画素が図２のようにずれて表示される。

図３は、第１の実施形態に係る投射型表示装置の信号処理構成図である。図４は、第１の実施形態に係る投射型表示装置における、入力画像（元画像）の各フィールドに対する画像サンプリングを示す図である。また図５は、画素ずらし位置の制御を示す図である。図６は、第１の実施形態に係る投射型表示装置の画素表示と画素シフト制御、シャッタ動作の関係を示す図である。図７は、液晶シャッタ１０ａ、１０ｂ、１０ｃの動作を説明するための図である。

図３および図６のように、信号処理部１０１は、入力画像（元画像）（AA）、（BB）に対して水平、垂直画素数が半分に間引かれた画像(A)、（B）を生成し、フィールド周期で交互に時分割で出力する。入力画像（元画像）（2ｍ×2ｎ画素）のサンプリングは図４に示すように行う。すなわち、斜め４５度、表示素子（画素数ｍ×ｎ）の画素ピッチに対して水平、垂直0.5画素分の補間関係にあるサンプリング点で奇数フィールドおよび偶数フィールドのサンプリングを実施して、フィールド画像（画素数ｍ×ｎ）を生成し、これを時分割で表示する。フィールド倍速部１０２は画像画像(A)、（B）をフィールド倍速化し、同一フィールドデータを２回ずつ出力し、駆動回路部１０３を経て、表示素子１２へ供給する。フィールド倍速駆動は液晶表示素子では広く採用されている駆動方法であり、表示素子の垂直リフレッシュレートを高めることで画像の明るい部分でのちらつきを低減するとともに、同一画像情報をもとに液晶駆動電圧の正負極性反転を良好な対称性で実現できることから、直流電圧成分の影響による液晶材料の信頼性を高めることができる。

上述のサンプリングに対応して画素ずらし部１５では、図５に示すような画素ずらし位置の制御を行う。具体的には、画素ずらし部１５の偏光角回転素子２２において偏光切り替え制御を行い複屈折素子２３を経ることで、投射面２５上でフィールドのサンプリング点のずれに相当した画素ずらしが実行される。

次に、この液晶シャッタ１０ａ、１０ｂ、１０ｃと画素ずらし制御の動作の詳細について、図６を参照して説明する。画素ずらし部１５は、図６（ｃ）に示すようにサンプリング位相（Ａ）の時点では図５における（Ａ）に対応する位置に、サンプリング位相（Ｂ）の時点では図５における（Ｂ）に対応した位置に画素をずらす。一方、画素の駆動については、図６の下段の表示画像（ｄ）、（ｆ）、（ｈ）に示すタイミングで、表示素子の画像エリアの上部、中央、下部にわたって垂直走査により倍速フィールド走査に相当する時間差をもちながら順次走査にて、（Ａ）から（Ｂ）または（Ｂ）から（Ａ）へと更新される。

ここで、画素シフト制御タイミング（ｃ）と、画像上部から下部にかけての画像更新タイミング（ｄ）、（ｆ）、（ｈ）の関係に着目すると、例えば、画面上部について期間Ｔ１では、表示される画像のサンプリング条件と画素シフト制御が本来の関係と逆転しており、画面下部では期間Ｔ２で同じ逆転が生じることになる。このように、画素シフト制御と表示する画像のサンプリング条件が合わない期間の画像を表示すると、画素ずらしの解像度向上効果が低減してしまう。

本発明では、図７に示すように、３つの領域に分けられ、分轄駆動される液晶シャッタ１０ａ、１０ｂ、１０ｃを用いてサンプリング条件が合わない期間の画像を遮蔽する。図６（ｅ）、（ｇ）、（ｉ）において、図の黒い時刻では液晶シャッタは閉じられており、図の白い時刻では液晶シャッタは開けられている。これによって、上記表示上好ましくない期間（Ｔ１、Ｔ２など）で投影光をカットすることで表示エリア全体にわたって良好な解像度向上効果が得られる。

図６、図７において、液晶シャッタ１０ａ、１０ｂ、１０ｃは３つの領域に分けられ、分轄駆動されるが、３分割に限らず、例えば２分割、または４分割でも良い。

＜第２の実施の形態＞
本発明の第１の実施形態に係る液晶表示装置においては、順次書き込み型の液晶表示素子を用いているため、画素は、上述のように、表示素子の画像エリアの上部から下部にわたって垂直走査により倍速フィールド走査に相当する時間差をもちながら順次走査される。それに対して、第２の実施形態に係る投射型表示装置では一括書き込み型の液晶表示素子を用いている。一括書き込み型の液晶表示素子における表示タイミングは画像エリアの各部分で同じである。例えば、印加電圧の時間幅を変えることにより、液晶の画素に印加する実効電圧値を制御するデジタル方式であって、サブフィールド法を用いる場合には、ゲートドライバ（Ｙドライバ）に転送、セットして同じタイミングで表示（オン）させる。ここで第２の実施形態に係る投射型表示装置の構成および画素ずらし部、各フィールドに対する画像サンプリング、画素ずらし位置の制御については、第１の実施形態における、図１から図５と同様であるので説明は省略する。

図８は、第２の実施形態に係る投射型表示装置の画素表示と画素シフト、シャッタ動作の関係を示す図である。図９は、第２の実施形態に係る液晶シャッタ１０ａ、１０ｂ、１０ｃの動作を説明するための図である。

以下では、この液晶シャッタ１０ａ、１０ｂ、１０ｃと画素ずらし制御の動作について、図８、図９を参照しながら説明する。

第２の実施形態に係る投射表示装置では、液晶シャッタ１０ａ、１０ｂ、１０ｃは分割駆動ではなく、一括駆動である。また、図８において、画素の駆動については、表示画像（ｆ）に示すタイミングで、図５に示す（Ａ）から（Ｂ）または（Ｂ）から（Ａ）へと更新される。画素シフト制御タイミング（ｃ）と図６（ｇ）において、図の黒い時刻では液晶シャッタは閉じられており、図の白い時刻では液晶シャッタは開けられている。これによって、表示上好ましくない期間で投影光をカットすることで良好な解像度向上効果が得られる。

以上のように、本発明では、信頼性の高い、画素ずらし装置で生じるクロストークを抑制することができる投射型表示装置を提供することができる。また、第１、第２の実施形態において、反射型液晶素子を用いて説明したが、透過型液晶素子を用いてもよい。

１ａ 光源、１ｂ リフレクタ、２ａ 第１インテグレータ、
２ｂ 第２インテグレータ、３ 偏光変換素子、４ 重ね合わせレンズ
５ａ Ｙダイクロイックミラー、５ｂ Ｂダイクロイックミラー
６ａ、６ｂ ミラー、７ Ｇダイクロイックミラー
８ａ 赤色用フィールドレンズ、８ｂ 緑色用フィールドレンズ、
８ｃ 青色用フィールドレンズ、
９ａ 赤色用偏光子、９ｂ 緑色用偏光子、９ｃ 青色用偏光子、
１０ａ 赤色用液晶シャッタ、１０ｂ 緑色用液晶シャッタ、
１０ｃ 青色用液晶シャッタ、
１１ａ 赤色用ＷＧ−ＰＢＳ、１１ｂ 緑色用ＷＧ−ＰＢＳ、
１１ｃ 青色用ＷＧ−ＰＢＳ、
１２ａ 赤色用補償器、１２ｂ 緑色用補償器、
１２ｃ 青色用補償器、
１３ａ 赤色用反射型液晶素子、１３ｂ 緑色用反射型液晶素子、
１３ｃ 青色用反射型液晶素子、
１３ 反射型液晶素子、
１４ クロスダイクロイックプリズム、１５ 画素ずらし部、
１６ 投射レンズ、２１ １／２波長板、２２ 偏光角回転素子、
２３ 複屈折素子、２４ 偏光制御ドライバ、２５ 投射面
１０１ 信号処理部、１０２ フィールド倍速処理部、
１０３ 駆動回路部

Claims (2)

1. 光源と、
   前記光源からの光を偏光にする偏光子と、
   表示画像の強度に応じて、前記偏光を変調するとともに、順次走査する液晶表示素子と、
   前記表示画像の更新の度に、前記液晶表示素子からの光の偏光方向をその光軸の周りで９０°回転させる偏光角回転素子と、
   前記偏光角回転素子からの光をその偏光方向に応じて射出時の光路をずらす複屈折素子と、
   前記偏光子と前記液晶表示素子の間に配置され、液晶表示素子の順次走査方向に複数の領域に分けられて前記液晶表示素子の表示と連動して分轄駆動される液晶シャッタと、
   前記偏光素子からの光を投射面に向かって拡大投射する投射光学系と
   を備えることを特徴とする投射型表示装置。
2. 光源と、
   前記光源からの光を偏光にする偏光子と、
   表示画像の強度に応じて、前記偏光を変調するとともに、一括書き込みする液晶表示素子と、
   前記表示画像の更新の度に、前記液晶表示素子からの光の偏光方向をその光軸の周りで９０°回転させる偏光角回転素子と、
   前記偏光角回転素子からの光をその偏光方向に応じて射出時の光路をずらす複屈折素子と、
   前記偏光子と前記液晶表示素子の間に配置され、液晶表示素子の一括書き込みにおける表示と連動して一括駆動される液晶シャッタと、
   前記偏光素子からの光を投射面に向かって拡大投射する投射光学系と
   を備えることを特徴とする投射型表示装置。

Images