JP2016224446A - 画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】動画像を表示する際に動画視認性を向上させた場合においても、フリッカの低減と、波長変換効率の維持との両立が可能な画像表示装置を提供する。
【解決手段】励起光を発する光源１０と、励起光を蛍光光に変換すると共に回転する蛍光体ホイール３０と、蛍光光を変調する画像表示素子５０と、画像表示素子が、画像信号に基づく第１の表示と、第１の表示よりも暗い第２の表示とを所定周波数で繰り返して行うように、画像表示素子を制御する制御手段と、を備える画像表示装置であって、所定周波数と、蛍光体ホイールの回転周波数のうち高い周波数をＦｈｉｇｈ、低い周波数をＦｌｏｗとするとき、｜Ｆｈｉｇｈ／２−Ｆｌｏｗ｜＜１５を満足する。
【選択図】図１

Description

本発明は、励起された蛍光体からの蛍光を用いた画像表示装置、特に被照明面に設けた液晶パネル等の画像表示素子を照明し、画像表示素子からの光をスクリーン等の被投射面に投射する画像投射装置（液晶プロジェクター等）に好適なものである。

近年、液晶表示素子などの画像表示素子を用いて、画像情報に対応して変調された光束を投射光学系（投射レンズ系）によってスクリーンなどに拡大投射する構成のプロジェクタが種々提案されている。

液晶表示素子を用いたプロジェクタに用いられる光源装置（発光装置）として、従来、水銀ランプなど全方位へ放射する光束を放物面リフレクタによって取り込むものが用いられている。それだけでなく、発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザなどの半導体を利用した短波長光（励起光）を出射する光源（以下、固体光源）が、使われ始めている。

また、固体光源からの光を蛍光体に照射し、波長変換された光（蛍光）を利用する方法がある。更に、光出力の増大により、固体光源による照射光強度が増大し、蛍光体が発熱するため、蛍光体を塗布した円盤状のホイール（以下、蛍光体ホイール）を回転させることで発熱を抑える方式が知られている。ここで、蛍光体ホイールに塗布された蛍光体の厚みムラや回転ムラによる照射位置ムラによって、光変換効率は異なり、回転周期内で変動している。しかし、回転周波数を十分に上げることで平均化されるため、例えば６０Ｈｚを超えるとほとんど知覚されない。

しかしながら、固体光源の照射強度を時間変化させる場合には、蛍光体ホイールの回転周期と固体光源の強度変化の周期の合成によって、回転周波数よりも低いビート周波数成分が発生する。このビート周波数成分は、その強度によって表示品位を落とすフリッカ（明滅）として表示画像の品位を落とすことがある。

特許文献１では、ビート周波数成分を２０Ｈｚ以上、或いは光源の明滅周波数を蛍光体ホイールの回転周波数と一致あるいは倍数に制限することで、ビート成分を抑制し、フリッカの発生を抑制する手法を開示している。

また、特許文献２では、画像表示性能を向上させるための黒挿入として、１フレーム期間の内の特定期間だけ、点灯を遮断する間欠的点灯を行うことにより、表示画像をインパルス型表示に似せた疑似インパルス駆動を開示している。

特開２０１２−１０３３９８号公報 特開２０１２−１５５０５９号公報

ここで、特許文献１に開示された従来技術では、２０Ｈｚより高速なビート成分の明滅に関してはフリッカが問題とならないとしている。しかしながら、現実には固体光源の強度変調量によっては、２０Ｈｚより高速なビート成分（例えば３０Ｈｚ程度のビート成分）が問題となる。特に、動画性能の向上のために光源の消灯期間を長くする場合（いわゆる疑似インパルス駆動を行う黒挿入時）には、明滅周波数成分の強度（輝度変化の振幅）が大きいために十分なフリッカ抑制が出来ない。

また、特許文献１に開示されるように、蛍光体ホイールの回転周波数を、（固体）光源の明滅周波数の倍数とする場合においては、光源からの光束は蛍光体上の同一位置を照射し続けることになる。このような場合においては、蛍光体ホイールの局所的な温度上昇により波長変換効率の低下と耐久性能の低下が発生する。

本発明の目的は、動画像を表示する際に動画視認性を向上させた場合においても、フリッカの低減と、波長変換効率の維持との両立が可能な画像表示装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係る画像表示装置は、励起光を発する光源と、前記励起光を蛍光光に変換すると共に回転する蛍光体と、前記蛍光光を変調する画像表示素子と、前記画像表示素子が、画像信号に基づく第１の表示と、該第１の表示よりも暗い第２の表示とを所定周波数で繰り返して行うように、該画像表示素子を制御する制御手段と、を備える画像表示装置であって、前記所定周波数と、前記蛍光体の回転周波数のうち高い周波数をＦｈｉｇｈ、低い周波数をＦｌｏｗとするとき、
｜Ｆｈｉｇｈ／２−Ｆｌｏｗ｜＜１５
を満足することを特徴とする。

本発明によれば、動画像を表示する際に動画視認性を向上させた場合においても、フリッカの低減と、波長変換効率の維持との両立が可能な画像表示装置を提供することができる。

本発明の実施形態における画像表示装置の概略構成図である。 本発明の実施形態における励起光と蛍光の波長分布の一例を説明する図である。 本発明の実施形態におけるダイクロイック偏光ビームスプリッタの波長特性を説明する図である。 実施例１における蛍光体ホイールの回転数とフリッカの関係を説明する図である。 実施例２における蛍光体ホイールの回転数とフリッカの関係を説明する図である。 実施例３における蛍光体ホイールの回転数とフリッカの関係を説明する図である。 実施例４における蛍光体ホイールの回転数とフリッカの関係を説明する図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

《第１の実施形態》
（画像表示装置）
図１は、本発明の実施形態に係る画像表示装置としての画像投射装置の概略構成を示す。図１で、発光装置（光源装置）１を通過した光は、ｐ偏光とｓ偏光が混在した光となっている。そして、偏光変換素子１３を通過することで、ｐ偏光に揃えられてコンデンサレンズ２３へと導かれる。コンデンサレンズ２３によって集光された光は、偏光ビームスプリッタ１４を透過して画像表示素子（反射型或いは透過型液晶パネル、デジタルミラーデバイスなど）５０へと導入される。そして、画像表示素子５０で変調され、偏光ビームスプリッタ１４を反射して、投射レンズ（投射光学系）６０へと導かれ、不図示のスクリーン面（被投射面）などへと拡大されて投影される。

（発光装置（光源装置））
以下、図１を用いて本実施形態に係る蛍光体を用いた発光装置（光源装置）１を説明する。図中、１０はレーザ光源、１１はコリメータレンズ、１２はダイクロイック偏光ビームスプリッタ、２１、２２はコンデンサレンズ、２０は２１、２２からなるコンデンサレンズ系、３０は回転蛍光板としての蛍光体ホイールである。また、３１はモーター、４０はレーザ光源の制御手段である。

レーザ光源１０からの光束は、コリメータレンズ１１で平行光束に変換される。ダイクロイック偏光ビームスプリッタ１２はレーザ光源１０の波長帯域の光を偏光方向に応じて透過と反射を選択し、蛍光体ホイール３０の光を反射する特性を有している。

図２に、本実施形態におけるレーザ光源１０と蛍光体ホイール３０に塗布されている蛍光体の発光スペクトルを示す。また、図３に、ダイクロイック偏光ビームスプリッタ１２の特性を示す。

本実施形態においては、レーザ光源１０からの光はｐ偏光とし、ダイクロイック偏光ビームスプリッタ１２はレーザ光源１０の波長帯域において、ｐ偏光光を透過する特性としている。そのため、レーザ光源１０からの光は、ダイクロイック偏光ビームスプリッタ１２を透過し、コンデンサレンズ系２０によって蛍光体ホイール３０へと集光される。ここで、蛍光体ホイール３０の回転周期の期間内で蛍光体ホイール３０を介したレーザ光源からの光の強度は一定でない。

蛍光体３０に入射した光の大部分（少なくとも一部）は、レーザ光源（励起光）１０とは異なる波長の光（蛍光光、変換光）に変換される。蛍光体ホイール３０を照射した光のうち波長変換されなかった一部の光（非変換光、非蛍光光）は、拡散反射される。拡散反射されたレーザ光源１０からの光は、ランダムな偏光状態となっている。蛍光体ホイール３０からの蛍光および拡散反射光は、再びコンデンサレンズ系２０を通過することで平行光束となる。

蛍光発光した光（蛍光光、変換光）は、ダイクロイック偏光ビームスプリッタ１２で反射される。拡散反射された励起光のうち、入射時と直交する偏光となっている成分はダイクロイック偏光ビームスプリッタ１２で反射される。このようにして、発光装置（光源装置）１から画像表示素子５０へ向けて光が照射される。

なお、コンデンサレンズ系２０を構成するレンズ枚数は、蛍光体ホイール３０への集光および蛍光体３０からの光の取り込み効率の設定によって変わる。そのため、レンズ枚数は１枚であっても良いし、３枚以上であっても良い。

蛍光体ホイール３０は、レーザ光源１０からの光束による温度上昇を低減させるため、モーター３１と接続され、回転駆動されている。回転周波数は３６００ｒｐｍから１４４００ｒｐｍ程度であり、冷却の観点からはより高速に回転させることが求められる。ここで、蛍光体ホイール３０は、アルミニウムなどからなる基板材料に、蛍光体の粉体が透明なバインダーと呼ばれる接着材で塗布されたものである。製法上、塗布された円周内での厚みムラがあり、蛍光の発光効率が厚みによって変化するため、回転周期での発光強度振動が発生する。

また、コンデンサレンズ系による取り込み効率は、コンデンサレンズ２３の最終面と蛍光体ホイール３０の間隔に敏感であるため、部品取り付け精度によって回転周期内でレンズとの間隔が変動する場合にも回転周期に応じた発光強度振動が発生する。しかしながら、回転周波数が３６００ｒｐｍ（６０Ｈｚ）以上であり、取り付け精度等による強度変化も数パーセントなので、目視観察では上記の発光強度振動は平均化され、認識出来ない。

一方、レーザ光源１０からの光は、制御手段４０によって強度変調が可能となっている。通常状態ではレーザ光源１０の強度を一定に保つ、所謂ＣＷ（連続波）駆動を行っているために、発光強度振動は起きない。しかし、制御手段４０によって強度変調が生ずると、発光強度振動（ビート成分）が生ずる。特に、動画性能の向上のために光源の消灯期間を長くする場合（いわゆる疑似インパルス駆動、黒挿入時）には、ビート成分の強度も大きくなる。以下、黒挿入時について説明する。

（黒画像の挿入（黒挿入））
液晶表示素子などのホールド型表示を行う画像表示素子に対して、動画解像度を上げる手法の一つとして、黒挿入（疑似インパルス駆動）が知られている。本実施形態における画像表示素子５０も、ホールド型表示を行う画像表示素子である。

画像表示素子は駆動周波数で表示画像を切り替えるが、その切り替えのタイミングに合わせて黒画像を挿入、あるいは入射光を遮断することで映像が認識されない状態にする。これにより、２つの画像間のぼけを抑制することが出来る。

（光源の明滅周波数Ａと回転蛍光板の回転周波数Ｂの関係）
本実施形態においては、光源の明滅周波数をＡ、回転蛍光板の回転周波数をＢとするとき、動画像を表示可能な前提として、先ず以下の式（１）を満足させる。
｜Ｂ−Ａ｜≧３０ ・・・・・・（１）
更に好ましくは
｜Ｂ−Ａ｜≧６０ ・・・・・・（１ａ）
を満足すると良い。

ここで、レーザ光源の明滅周波数Ａと蛍光体ホイールの回転周波数Ｂが整数倍になると、蛍光体ホイールの同一箇所が照射され続けることになる。その結果、照射位置が固定されるため、温度緩和に与えられる時間が短くなる。これに対し、本発明では、繰り返し照射を回避することで、温度上昇を抑制しつつ、フリッカの改善が可能になる。即ち、本発明では、ｔ×Ａ＝ｕ×Ｂ（ｔ、ｕは１以上１０以下の自然数）を満足しない。

（回転蛍光板の回転周波数Ｂと画像表示素子の駆動周波数Ｃの関係）
ここで、画像表示素子の駆動周波数とは、擬似的に動画解像度を上げるための黒挿入（擬似インパルス駆動）の周波数（所定周波数）のことである。また、黒挿入とは、入力された画像信号に基づく第１の表示と、それよりも暗い第２の表示（或いは黒表示）とを所定周波数で繰り返すことである。つまり相対的に明るい画像表示である第１の表示の間に、第１の表示よりも暗い第２の表示（第２の表示は画像信号に依っていても、依っていなくても良い）を挿入することにより、動画の視認性を高めることができる。すなわち、本実施例の画像表示装置は少なくとも動画を表示する動画表示モードで動作可能であって、この動画表示モードにおいて黒挿入が実行されるのが一般的である。また、静止画表示モードにおいて黒挿入を行っても構わないが、動きが無い画像を表示する場合には黒挿入を行うメリットがほぼ無い（むしろ暗くなる、というデメリットがある）ため、黒挿入は行わないのが一般的である。

ここで、上記周波数ＢとＣとは、ＢとＣのうち高い方の周波数をＦｈｉｇｈ、低い方の周波数をＦｌｏｗとするとき、
｜Ｆｈｉｇｈ／２−Ｆｌｏｗ｜＜１５ ・・・・・・（２）
を満足することが望ましい。更に好ましくは、上限値を９、或いは５にすると更に望ましい効果が得られる。

また、ＢとＣの値が近すぎると、ビート成分が大きくなってしまうため、
｜Ｆｈｉｇｈ−Ｆｌｏｗ｜≧３０ ・・・・・・（３）
を、更に好ましくは
｜Ｆｈｉｇｈ−Ｆｌｏｗ｜≧６０ ・・・・・・（３ａ）
を満足すると良い。

（光源の明滅周波数Ａと画像表示素子の駆動周波数Ｃの関係）
ここで、本実施形態において、画像表示素子の駆動周波数をＣとするとき、以下の式（３）を満足する。
０．９５×ｍ×Ｃ≦ｎ×Ａ≦１．０５×ｍ×Ｃ（ｎ、ｍは自然数）・・・（３）
より好ましくは
ｎ×Ａ＝ｍ×Ｃ（ｎ、ｍは自然数）・・・・・・（３ａ）
を満足すると尚良い。

（本実施形態の効果）
このようにして、固体光源によって励起される蛍光体を利用し、動画視認性を向上する際に、固体光源の明滅と蛍光体の回転周期の合成波による光強度の明滅（フリッカ）を抑制すると共に、冷却性能に優れ長期信頼性の向上を図ることができる。

（具体的な実施例）
黒挿入を実施する際、画像表示素子の駆動周波数は６０Ｈｚから２４０Ｈｚ程度である（ここで、画像表示素子の駆動周波数でレーザ光源１０を消灯しても構わない）。以下、画像表示素子の駆動周波数Ｃを異なる値にした場合のフリッカ成分の有無に関する実験結果を示す。

（実施例１）
以下、画像表示素子の駆動周波数（上述の第１の表示と第２の表示とを交互に繰り返す際の周波数）Ｃが６０Ｈｚの場合の実験結果を示す。この場合、画像表示素子の駆動周波数と蛍光体ホイール３０の回転数との差分で低周波でのフリッカ成分が生じる。図４に、蛍光体ホイール３０の回転数によって発生する低周波成分とフリッカの程度を示す。

レーザ光源１０を６０Ｈｚで明滅させているため、低周波成分がなくてもフリッカ自体は存在している。図でフリッカの程度と記載している列における「無し」とは程度の劣化が無いことを示し、「良い」とは程度に変化はあるものの問題とならないことを示す。「やや良くない」「良くない」と表記している周波数では、程度の変化が問題となることを示す。

蛍光体ホイール３０の回転数（回転周波数）を変化させた際に、画像表示素子の駆動周波数Ｃとの差分（ビート周波数成分）が３０Ｈｚ未満だとフリッカの程度が良くないことを確認した。この蛍光体ホイールの回転数と画像表示素子の駆動周波数との差分は、前述の（３）を満足する、或いは（３ａ）を満足することが望ましい。一方で、画像表示素子の駆動周波数Ｃと、蛍光体ホイールの回転周波数（蛍光体ホイールの回転周波数が画像表示素子の駆動周波数よりも高い場合）を半分にしたものとの差分が１５Ｈｚ未満だとフリッカの程度が良くなることを確認した。

（実施例２）
以下、画像表示素子の駆動周波数Ｃが２４０Ｈｚの場合の実験結果を示す。図５に、画像表示素子の駆動周波数Ｃが２４０Ｈｚの際の、蛍光体ホイールの回転数（回転周波数）によって発生する低周波成分とフリッカの程度を示す。

本実施例においても、蛍光体ホイール３０の回転に関し、画像表示素子の駆動周波数Ｃとの差分（ビート周波数成分）が３０Ｈｚ未満だとフリッカの程度が良くないことを確認した。また、蛍光体ホイールの回転数Ｂと画像表示素子の駆動周波数Ｃのうち高い方を１／２にしたものと他方との差分を１５Ｈｚ未満とするとフリッカの程度が良くなることを確認した。

（実施例３）
以下、画像表示素子の駆動周波数Ｃが１２０Ｈｚの場合の実験結果を示す。図６に、画像表示素子の駆動周波数Ｃが１２０Ｈｚの際の、蛍光体ホイールの回転数（回転周波数）によって発生する低周波成分とフリッカの程度を示す。

本実施形態においても、実施例１、２と同様のことが確認された。

（実施例４）
以下、画像表示素子の駆動周波数Ｃが９６Ｈｚの場合の実験結果を示す。図７に、画像表示素子の駆動周波数Ｃが９６Ｈｚの際の、蛍光体ホイールの回転数（回転周波数）によって発生する低周波成分とフリッカの程度を示す。

本実施例においても、前述の実施例１〜３と同様のことが確認された。

（変形例）
上述した実施形態では、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形が可能である。

（変形例１）
上述した実施形態では、反射型の画像表示素子を用いたが、本発明はこれに限らず透過型の画像表示素子を用いることもできる。また、画像表示素子としては液晶に限らず、任意の画像表示素子に適用できる。

１０ レーザ光源
３０ 蛍光体ホイール
５０ 画像表示素子

Claims (7)

1. 励起光を発する光源と、
   前記励起光を蛍光光に変換すると共に回転する蛍光体と、
   前記蛍光光を変調する画像表示素子と、
   前記画像表示素子が、画像信号に基づく第１の表示と、該第１の表示よりも暗い第２の表示とを所定周波数で繰り返して行うように、該画像表示素子を制御する制御手段と、
   を備える画像表示装置であって、
   前記所定周波数と、前記蛍光体の回転周波数のうち高い周波数をＦｈｉｇｈ、低い周波数をＦｌｏｗとするとき、
   ｜Ｆｈｉｇｈ／２−Ｆｌｏｗ｜＜１５
   を満足することを特徴とする画像表示装置。
2. ｜Ｆｈｉｇｈ−Ｆｌｏｗ｜≧３０
   を満足することを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
3. 前記制御手段は、前記第１の表示と前記第２の表示とを繰り返す動画表示モードと、前記第１の表示と前記第２の表示の繰り返しを行わない静止画表示モードとで動作可能であることを特徴とする請求項１又は２に記載の画像表示装置。
4. 前記光源の明滅周波数をＡとし、前記所定の周波数をＣとするとき、
   ０．９５×ｍ×Ｃ≦ｎ×Ａ≦１．０５×ｍ×Ｃ（ｎ、ｍは自然数）
   を満足することを特徴とする請求項１乃至３いずれか１項に記載の画像表示装置。
5. 前記光源は固体光源である、ことを特徴とする請求項１乃至４いずれか１項に記載の画像表示装置。
6. 前記回転蛍光板の回転周期の期間内で前記回転蛍光板から出射される前記蛍光光の強度が変化する、ことを特徴とする請求項１乃至５いずれか１項に記載の画像表示装置。
7. 前記画像表示素子に表示される画像を被投射面に投射する投射光学系を有する、ことを特徴とする請求項１乃至６いずれか１項に記載の画像表示装置。

Images