JP3797342B2 - バックライト型色順次表示装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、色順次方式でカラー画像を形成する空間光変調素子を用い、放電ランプの放射光を用いて、これに同期した色順次切り替えの照明光を形成し、変調されたカラー光学像を、直視する、或いは、投写など間接的な手段により視認するバックライト型の色順次表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶パネルや、ＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）などの空間光変調素子は、外部より映像信号を供給して、透過または反射する照明光を空間的に変調し、光学像を形成する。この光学像は、直視型液晶ディスプレイのようにユーザが直視する場合と、投写レンズによりスクリーン上に拡大投影されて、間接的に視認される場合がある。いずれの場合も、１個の空間光変調素子によってカラー画像を表示するには、例えば、モザイク状に三原色の色フィルタを備えた赤、緑、青の画素を配列して空間光変調素子を構成する。或いは、高速に駆動できる空間光変調素子の場合、これを照明する照明光を高速に三原色の色光に切り替え、同期させて赤、緑、青、の原色画像を色順次表示する事で、フルカラーの画像を呈示できる。このような単板色順次方式のバックライト型表示素子は、高精細な白黒表示の空間光変調素子を１個だけ用いて、明るく、表示品位の優れた画像を、シンプルなシステム構成で実現できる利点がある。
【０００３】
例えば、図４はこのような色順次型表示装置の従来の構成の一例である（例えば、特開平８−２１９７７）。点灯回路１０３は、放電ランプ１０１に電力を供給し、白色光を放射する発光体１０２を形成する。発光体１０２の放射光は、楕円面鏡１０４により集光反射され、楕円面鏡の焦点近傍に照明光を収斂させて発光スポットを形成する。当該発光スポットの形成位置には、回転型の色フィルタ１０５が配置される。これは照明光の色切替手段であり、映像信号に同期制御して駆動されるモータ１０６に、赤、緑、青の色透過フィルタを円板状に貼付して回転させたものである。高速に回転する三原色の色フィルタが、収斂した発光スポットに作用して、時系列に、赤、緑、青の照明光を形成できる。
【０００４】
このようにして形成された色順次照明光は、フィールドレンズ１０７により、平行に近い照明光束となり、空間光変調素子１０８を照明する。この例では、高速駆動される透過型の液晶パネルを用いる。液晶層が非常に薄いツイストネマティク型液晶や、強誘電液晶などは、この用途に適した高速応答のタイプを実現できる。空間光変調素子１０８は、外部から供給される映像信号により色順次駆動され、表示される三原色の原画像の出現と、照明光の色順次切替を同期させる。変調されたフルカラーの光学像は、例えば、拡散板を空間光変調素子１０８の入射側に配置すれば、直視型の表示装置を実現できる。或いは、投写レンズを用いて、当該画像を拡大投影すれば、プロジェクタを実現でき、スクリーン上にコンピュータのプレゼンテーション画像や、ＤＶＤなどのシアター画像を呈示できる。
【０００５】
放電ランプ１０１は、超高圧型の水銀ランプや、メタルハライドランプなどが用いられる。この場合、ランプと点灯回路は、交流電流にて駆動点灯されるＡＣ型と、直流電流にて駆動点灯されるＤＣ型がある。ＡＣ型は、ＤＣ型に比較し、ランプ電極などの形状設計を対称構造にし易く、発光管内部の均熱化を図りやすい、高い耐圧のガラス発光管を加工形成し易い、など利点がある。
【０００６】
図５は、このようなＡＣ型放電ランプにおける駆動波形：ランプ電流の時間変化の一例である。一般に、ＤＣ成分が重畳しないように、＋Ｉ_L、−Ｉ_L、の正負一定の絶対値電流により、所定周波数の方形波パルスにより、ランプ発光管内の対向する電極間に、アーク放電を生じさせて発光体１０２を形成する。
【０００７】
【特許文献１】
特開平８−２１９７７号公報
【特許文献２】
特表平１０−５０１９１９号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
図４に示すバックライトを用いた色順次方式の表示装置には、最適な白色バランスを得にくい、また、最適な白色バランスに調整すると、表示装置全体の光利用効率が低下し、呈示画像の明るさが暗くなると言う問題がある。この理由を述べる。
【０００９】
放電ランプ１０２の放射するスペクトルは、必ずしも、表示装置に最適な三原色の光量バランスにはなっていない。例えば、超高圧型の水銀ランプの場合、可視域においては、水銀固有の輝線スペクトル成分（約４３６ｎｍ、約５４６ｎｍ、約５７７ｎｍ、約５７９ｎｍ）が強い発光を支配し、これに可視波長全体の連続発光成分が発光管内気圧の上昇と共に増加して、演色性を向上させる。従って、ランプの発光成分全体から見ると、緑〜黄色成分の発光強度が相対的に強い。次に、紫に近い青成分の発光強度が強く、赤色の発光成分は最も弱く、表示装置に適用して最適な白色バランスの画像を呈示する上で問題となる。メタルハライドランプの場合、添加する金属ヨウ化物の種類により、発光スペクトルは多様なケースがあるが、いずれの場合も、水銀の輝線スペクトルは含んでおり、緑成分が相対的に強くなることは変わらない。
【００１０】
従って、このような放電ランプと組み合わせる場合、回転型色フィルタ１０５の緑色フィルタにおいて、緑成分の光強度を弱める様に、透過率を下げるＮＤ（ニュートラル・デンシティ）フィルタの多層膜を追加構成する場合がある。この様なＮＤフィルタの追加は、部材コストを高価にすると共に、量産性、性能の再現性と安定性に問題を生じる。或いは、光強度を弱めたい回転型色フィルタのセグメント角を相対的に小さくし、三原色の色順次シーケンス時間の配分を制御して、白色バランスの改善を図る場合がある。しかし、この場合、空間光変調素子の機能上の制約から、１つの原色画像の表示期間について、短くできる時間にも制約がある。
【００１１】
すなわち、光源となる放電ランプの発光スペクトルは、一般に、比視感度の高い緑の発光強度が相対的に強くなる課題があり、このまま表示装置に適用すると、緑の強い白色バランスの画像を呈示するので、印象が悪く問題がある。また、相対的に強い緑成分を弱めるような構成を導入すると、システム全体の光利用効率が低下する、或いは、その為に追加導入する減光手段の為に、余分な部材コストが発生する、量産性、安定性が低下する、などの課題がある。
【００１２】
一方、この用途に用いる放電ランプには、発光体ができるだけ小さく、輝度の高いものが要求される。特に、投写型の表示装置を構成する場合、放射光を小型の空間光変調素子に集めて照明し、空間光変調素子からの出射光を所定Ｆナンバの投写レンズで集光利用するために、発光体は点光源に近いほど、光利用効率が高く明るい表示装置を構成できる。 点光源に近い発光体を高輝度で形成するには、ランプ点灯時の発光管内圧を高圧にする程良く、発光管内の対向電極の間隔を短くするほど良い。このようなランプを交流アーク放電により点灯させると、交番するランプ電流の切り替え毎に、電極間でアーク放電する電流経路が安定せず、不安定なフリッカ状態を生じる事が知られている（例えば、特表平１０−５０１９１９号公報）。対向する電極の損耗形状や、ハロゲンサイクルでのタングステン材料再形成による変位、温度分布条件などの不安定変動要因に依り、アーク放電が不安定で、集光された照明光には、発光体位置の移動や発光条件の変動に基づき、不安定なフリッカ状態を生じる。これは、表示装置に用いた場合、呈示画像の輝度がフリッカ状態で不安定となるので、大きな問題を生じる。
【００１３】
これに対し、上記文献：特表平１０−５０１９１９号公報は、不安定となるランプフリッカの対策手段を示している。すなわち、ランプ電流の半周期の所定数分の１で電流パルスを発生させ、この電流パルスの極性をランプ電流の極性と同一にすると共に、この電流パルスを、その発生した半周期の後の部分、すなわち、電流極性の切り替え直前に、当該電流パルスをランプ電流に重畳している。
【００１４】
これは、交流点灯の電流極性切り替え直前に、当該パルス電流の印可により電極温度を一時的に高め、高温度条件にてアーク放電の安定性を高めて、ランプ電流の極性、つまり電極の極性を切り替える方式を提案し、これによりフリッカを抑えることができるとしている。図６は、このような対策を施したランプ駆動波形：ランプ電流の時間変化の一例を示す。
【００１５】
図４に示す様な表示装置の光源として、放電ランプ１０１を図６に示す駆動波形で点灯させて場合、新たに、以下に述べる課題を生じる。例えば、空間光変調素子１０８として、強誘電性液晶パネルやデジタルマイクロミラーデバイスの様に２値表示のデジタル変調素子を用いた場合、自然画表示に必要となる階調は、ＰＷＭ（パルス幅変調）を用いて表現される。これは、表示素子のＯｎ時間の積分値によって、その画素に対応した階調レベルを表現する方式である。この場合に、ランプ駆動電流が、図６に示すような不連続なパルス成分を含む事は、すなわち、バックライトの光強度が、不連続に、微小時間はパルス的に変化する事となり、上記ＰＷＭ方式の空間光変調素子との組み合わせにおいて、階調を正しく表現できないという問題を生じる。
【００１６】
本発明は、上記課題見識に立脚してなされたものであり、白色バランスが良く、発光体フリッカの問題が少なく、ＰＷＭ方式の空間光変調素子と組み合わせて、良好な画質、階調再現性を得ることのできるバックライト型の色順次表示装置に関する。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために本発明のバックライト型色順次表示装置は、白色光を放射する放電ランプと、放電ランプを駆動して発光体を形成する点灯回路と、放電ランプの放射する光を集めて照明光を形成する集光手段と、照明光の光路に配置されて時系列的に三原色（赤・緑・青）の色順次照明光を形成する色切り替え手段と、三原色の色順次照明光により照明されると共に照明光の色に同期して時系列的に三原色の画像を表示する空間光変調素子とを備え、空間光変調素子上に形成されるカラー光学像を、直接あるいは投影されるなどの間接的に視認する表示装置であって、点灯回路は交流のランプ電流を供給すると共に、交番する極性一定の１／２周期期間と、色切り替え手段のＲＧＢ色順次の一周期を同一の期間として同期させ、ランプ電流は、極性切り替え直後のランプ電流絶対値Ｉｓ、１／２周期経過した極性切り替え直前のランプ電流絶対値Ｉｅ、として、Ｉｓ＜Ｉｅとするとと共に、時間経過と共に、ＩｓからＩｅに対し略直線変化でランプ電流を増加させ、ランプ電流切り替え直後の色切り替え一周期開始において、照明光と空間光変調素子の表示色組み合わせとして緑を選択するとよい。
【００１８】
或いは、放電ランプは、主たる発光要素として水銀を含み、色切り替えの一周期において、順次、緑、青、赤、の順序を選択するとなお良い。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明のバックライト型色順次表示装置について、好ましい構成の一例を示す。以下、図面に沿って、本発明の実施の形態について、実例を述べる。
【００２０】
放電ランプ１は、点灯時に内圧が２００気圧程度となる超高圧型の水銀ランプを用いる。点灯回路３は、放電ランプ１の対向する電極間にランプ電流を交流にて供給し、アーク放電を形成して白色光を放射する発光体２を形成する。この放射光は、水銀固有の輝線スペクトルと超高圧状態における可視全域の連続発光スペクトルから成立し、表示装置全体の白色バランスとの整合性から見て、緑の色光成分が相対的に最も多く、青の色光成分が次に多く、赤の色光成分が最も少ない。
【００２１】
発光体２から放射される光の大部分は、楕円面鏡４の反射面にて補足され、光軸上にある楕円面鏡４の焦点近傍に、照明光を収斂させて発光スポットを形成する。発光スポット近傍には、回転型の円板状色フィルタ５が、モータ６に直結されて配置される。これは、図２に示す構成であり、モータ６の回転軸に直結されたハブ構造体１２の周囲に、三原色の各原色光のみを透過させる、緑色透過の色フィルタ１３Ｇ、青色透過の色フィルタ１３Ｂ、赤色透過の色フィルタ１３Ｒ、を配列している。１４は発光スポットの断面を模式的に示し、回転型色フィルタ全体が高速に回転し、時系列的に、Ｇ−Ｂ−Ｒの原色光を順次切り替えて、空間光変調素子の照明光を形成する。図２に示す構成において、回転型色フィルタの回転方向は、反時計回りを選択している。
【００２２】
色順次切り替えされた照明光は、フィールドレンズ７を経て、光軸に沿っておよそ平行に進行する照明光束を形成し、空間光変調素子８の表示光学像を照明して変調される。空間光変調素子８から出射する光は、投写レンズ９の瞳に到達し、スクリーン（図示せず）上にフルカラーの大画面画像を呈示できる。
【００２３】
ランプ点灯回路３は、図３に示す駆動波形に基づき、交流のランプ電流が時間軸方向について制御される。すなわち、周波数ｆ［Ｈｚ］、周期Ｔ＝１／ｆ［ｓｅｃ］の交流駆動であり、そのある一周期において、ランプ電流が正（＋）の１／２周期期間Δｔの開始時刻ｔ１、ｔ１から１／２周期Δｔだけ経過し、ランプ電流が正（＋）から負（−）へ切り替わる時刻ｔ２、ｔ２から同じく１／２周期Δｔだけ経過し、ランプ電流が負（−）から正（＋）へ切り替わる時刻ｔ３、とする。ＤＣ成分の残存を排除するために、正負各極性の周期時間は、各々Δｔで同一とする。
【００２４】
以上の定義を用いて、正極性状態でのランプ電流＋Ｉ_Lと、負極性状態でのランプ電流−Ｉ_Lは、各々、以下の数式（数１）
【００２５】
【数１】

で表されるように駆動する。但し、ランプ電流Ｉｓは、１／２周期開始時点（ｔ１）における絶対電流値であり、ランプ電流Ｉｅは、１／２周期経過時点（ｔ２）における絶対電流値であり、Ｉｅ＞Ｉｓである。この定義は、正負にて交番するランプ電流の各１／２周期期間は、ランプ電流の絶対値がＩｓから線形に単調増加し、各１／２周期を経過後、絶対値がＩｅに到達した時点で、ランプ電流の極性を切り替える。
【００２６】
更に、本発明の表示装置は、映像信号回路１０により空間光変調素子８に表示される三原色の色順次画像の出現フレームレートと、点灯回路３により上記交流のランプ電流を供給するタイミングと、モータ駆動回路１１により、回転型色フィルタ５を駆動制御するタイミングを、下記に示すような手順で、同期させると共に、最適化している。
【００２７】
図３を参照し、まず、正負で極性の交番するランプ駆動の１／２周期と、Ｇ−Ｂ−Ｒの三原色一対のフルカラー色順次駆動の一単位を、同期させて組み合わせている。言い換えれば、時刻ｔ１→ｔ２のランプ駆動の１／２周期期間に、回転型色フィルタはＧ−Ｂ−Ｒの３個の色フィルタが一回転し、緑→青→赤の三原色の色光を、順次、切り替えて発生させる。これと同期し、空間光変調素子８上には、映像信号回路１０の作用により、緑→青→赤の三原色の原画像が、順次表示されて、対応する色光の照明光を変調する。
【００２８】
上記各々の作用と同期制御は、映像信号回路１０においてランプ同期制御信号を発生させて、点灯回路３へ供給すると良い。同時に、映像信号回路１０において、モータ同期制御信号を発生させて、モータ駆動回路１１へ供給すると良い。また、回転型色フィルタ５の一部には、位相検出の為のインデックスマーカを取付け、光センサによりこの位置情報を検出の上、その位相タイミングをモータ駆動回路にフィードバックするとよい。これらの同期制御作用を行う為の信号接続は図４に明示していないが、上記構成と作用を適切に行えば、上記発明の構成を実現できる。
【００２９】
上記構成において、特に、ランプ電流切り替え直後、例えば、時刻ｔ１、時刻ｔ２の直後には、緑の色光切替と緑の原画像表示の組み合わせを行う様に構成すると、白色バランスの優れた表示装置を実現できる。つまり、ランプ２の放射する光成分は緑成分が多く、緑成分をできるだけ少なくすることが、最適な白色バランスを構成する上で好ましい。一方、図３に示すランプ電流の駆動方式の場合、ランプ電流の絶対値が最も低い、例えば、時刻ｔ１、時刻ｔ２の直後が、最も発光強度が低い。従って、このタイミングと、緑の原画像表示のタイミングを同期させて組み合わせると、相対的に緑の色光成分の少ない表示装置を実現できるので、最適な白色バランスを実現する上で極めて都合がよい。
【００３０】
一方、図３に示すランプ電流の駆動方式は、ランプ電流切り替え時の直前に、最も大きなランプ電流を供給しており、電流切り替え時の電極の温度変化を抑制し、ランプ発光体の局所的な移動、ランプフリッカの問題を抑制できる利点がある。
【００３１】
同時に、上記構成に依れば、空間光変調素子８が、白黒２値表示のデジタル変調素子の場合で、ＰＷＭにより階調を表現する場合にも、極めて都合がよい。つまり、ＰＷＭを厳密に行って、より正確な階調表示を行う場合、ランプ電流は、大きさと極性が一定のＤＣ駆動か、絶対値が一定の完全な方形波によるＡＣ駆動が好ましい。これに対し、ＤＣ駆動の放電ランプはその特性が安定しにくく、長期の信頼性を得る上で課題が大きく、完全方形波のＡＣ駆動は、アーク放電経路の移動に伴うランプフリッカの問題がある。これらの要因に対し、図３のランプ電流駆動方式は、単調増加の一次元でランプ電流が増加しており、また、これらの電流変化タイミングと、空間光変調素子のＰＷＭ表示タイミングは、完全に同期させて再現性良く組み合わせることができる。従って、ランプ電流の単調一次元変化による発光の強度変化を、ＰＷＭ駆動パターンのビット幅制御で吸収して校正し、ＰＷＭ方式の表示素子であっても、容易かつ簡便に、優れた階調レベルの再現を行う事ができる。
【００３２】
上記構成は、ランプ電流が最小となる、例えば時刻ｔ１とｔ２の直後に、緑の色光選択と原画像表示を組み合わせる事を示し、その利点を述べた。この作用と効果は、各種放電ランプについて、一般に、比視感度の高い緑の成分が多いので、汎用的である。更に、放電ランプを水銀を含むランプに限定して考えた場合、赤色の成分が最も弱く、不足する事が一般である。従って、ランプ電流が最も大きくなる時刻、つまりランプ電流切り替え直前のタイミング、例えば時刻ｔ２、ｔ３の直前に、赤の色光選択と原画像表示を組み合わせると、尚、最適な白色バランスの表示装置を実現できる。従って、図４と上記好ましい実施の形態は、色順次の出現手順を、ランプ電流切り替え直後から、緑→青→赤、の繰り返しとして述べた。
【００３３】
図１は、投写レンズ９を組み合わせた投写型表示装置として、その作用と効果を述べた。本発明は特に投写型表示装置に限定されず、同様の構成を用いた直視型の表示装置であっても同様である。
【００３４】
【発明の効果】
以上述べた様に、本発明のバックライト型色順次表示装置は、ランプ発光の緑成分を相対的に抑制するので、優れた白色バランスの画像を呈示できる。ＡＣ駆動される放電ランプの発光において、フリッカの発生を抑制して、安定した表示を実現できる。加えて、ＰＷＭ方式で階調表示を行う空間光変調素子を用いても、容易かつ簡便に、ランプ輝度の時間軸変化を校正し、優れた階調表現のＰＷＭ表示パターンを設計導入できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のバックライト型色順次表示装置の一例を示す略構成図
【図２】回転型色フィルタの構成の一例を示す略構成図
【図３】本発明のバックライト型色順次表示装置におけるランプ電流駆動方式を示す略線図
【図４】従来のバックライト型色順次表示装置の一例を示す略構成図
【図５】従来のバックライト型色順次表示装置におけるランプ電流駆動方式を示す略線図
【図６】従来のバックライト型色順次表示装置における多のランプ電流駆動方式を示す略線図
【符号の説明】
１ 放電ランプ
２ 発光体
３ 点灯回路
４ 楕円面鏡
５ 回転型色フィルタ
６ モータ
７ フィールドレンズ
８ 空間光変調素子
９ 投写レンズ
１０ 映像信号回路
１１ モータ駆動回路

Claims (2)

1. 白色光を放射する放電ランプと、前記放電ランプを駆動して発光体を形成する点灯回路と、前記放電ランプの放射する光を集めて照明光を形成する集光手段と、前記照明光の光路に配置されて時系列的に三原色（赤・緑・青）の色順次照明光を形成する色切り替え手段と、前記三原色の色順次照明光により照明されると共に照明光の色に同期して時系列的に三原色の画像を表示する空間光変調素子とを備え、前記空間光変調素子上に形成されるカラー光学像を、直接あるいは投影されるなどの間接的に視認する表示装置であって、前記点灯回路は交流のランプ電流を供給すると共に、交番する極性一定の１／２周期期間と、前記色切り替え手段のＲＧＢ色順次の一周期を同一の期間として同期させ、前記ランプ電流は、極性切り替え直後のランプ電流絶対値Ｉｓ、１／２周期経過した極性切り替え直前のランプ電流絶対値Ｉｅ、として、Ｉｓ＜Ｉｅとするとと共に、時間経過と共に、ＩｓからＩｅに対し略直線変化でランプ電流を増加させ、ランプ電流切り替え直後の色切り替え一周期開始において、照明光と空間光変調素子の表示色組み合わせとして緑を選択することを特徴とするバックライト型色順次表示装置
2. 放電ランプは、主たる発光要素として水銀を含み、色切り替えの一周期において、順次、緑、青、赤、の順序を選択することを特徴とする請求項１記載のバックライト型色順次表示装置

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