JP4178819B2 - 画像表示装置、および画像表示装置の制御方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体発光素子を用いたカラー表示用の照明装置および画像表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
カラー表示可能なプロジェクタでは、回転式のカラーフィルタ等で白色光を３原色に時分割し、それに同期してライトバルブを駆動し、色毎の光を変調してカラー画像を形成する方式が採用されている。この方式では、高輝度キセノン、メタルハライド、高圧水銀灯ランプなどの白色光を照射する光源が用いられる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
高輝度キセノン、メタルハライド、高圧水銀灯ランプなどの白色電球を用いた照明装置は、得られる光量が大きく、明るい画像が表示できるが消費電力が大きく、高圧電源が必要であるために大きな電源ユニットが必要とされ、コンパクトなプロジェクタを実現するための大きなネックとなっている。さらに、ランプ寿命は１５００時間程度と短く、ランニングコストがかかると共に、ランプを交換したり、ランプの交換時期が近くなると光量が低下しカラーバランスが変動するなどの問題もある。
【０００４】
そこで、本発明においては、コンパクトなプロジェクタに適した低消費電力の照明装置を提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記のような放電型のランプ光源に変わり、ＬＥＤなどの半導体発光素子を用いた低消費電力の光源が注目を集めている。しかしながら、半導体発光素子は、長時間連続して発光させると輝度が低下し、得られる光量が少なく、放電型のランプ光源の代わりとしては出力が不足している。半導体発光素子が個々には小さくても、所望の光量を得るために大量の半導体発光素子が必要となるのでは、コンパクトなプロジェクタに適した低消費電力の照明装置を実現することができない。
【０００６】
そこで、本発明においては、常時点灯型の照明装置ではなく、常時はオフである照明装置を半導体光源で実現することにより、低消費電力で明るく、コンパクトな照明装置を提供するようにしている。上記の放電型のランプは、安定発光するまで数分間立ち上げ時間が必要であり、短時間の間歇発光が不可能である。したがって、光源を連続発光し、ライトバルブによりスイッチングすることで画像を表現している。同様の方法で半導体光源を備えた照明装置を使用しようとすると、得られる光量が小さくなり、使用が限られたものとなる。しかしながら、半導体光源は、一般に、オンした直後の照度が最も高く、その後、発熱すると共に照度が低下する特性を備えている。したがって、オンした直後の照度の最も高いタイミングで半導体光源を利用すれば、光量の大きな照明光を半導体光源から得ることができる。
【０００７】
このため、本発明においては、複数色の半導体発光素子を備えた光源と、半導体発光素子に対し、通常は半導体発光素子をオフとする駆動信号を供給する駆動装置とを有する照明装置を提供する。通常は半導体発光素子がオフになっているので、この照明装置から出力される各色の光束を変調して画像を形成する光変調部（ライトバルブ）と、形成された画像を投射する投射レンズとを有するプロジェクタなどの画像表示装置においては、駆動装置により光変調部と同期して駆動信号を制御すると、光変調部のある画素がオンになったときに半導体発光素子をオンにできる。このため、半導体発光素子がオンになった直後の最も高出力の光で光変調部を照明することができ、低消費電力で明るい画像を表示することが可能となる。したがって、複数色の半導体発光素子を備えた光源に対し、通常は半導体発光素子をオフとする駆動信号を供給する照明装置の制御方法を採用することにより、ライトバルブなどの出力された光を利用する側から見ると、低消費電力で、高出力のコンパクトな照明装置とすることができる。
【０００８】
さらに、通常は半導体発光素子がオフになっているので、光変調部の少なくとも１つの画像素子がオンおよびオフになるときに、半導体発光素子をオンおよびオフする制御方法を採用することにより、光変調部がオフのときは画像表示装置からは光が出力されず、光変調部がオンになったときに初めて画像データにより変調された光が出力される画像表示装置を提供できる。この画像表示装置は、変調部がオフのときには光が出力されず、変調部がオンになったときに光が初めて出力されるので、オンオフのコントラストが非常に大きい。したがって、オンしたときに出力される光量がたとえ小さくても、コントラストが大きく、鮮明な画像を表示することができる。このため、本発明の照明装置およびそれを用いた画像表示装置は、この点でも、省電力で明るい画像を表示できるものであり、コンパクトなプロジェクタを実現できる。
【０００９】
半導体発光素子は、単色の光を出力する。したがって、駆動装置が駆動信号を各色毎の半導体発光素子に対し供給することにより、色調を自由に調整することが可能となる。
【００１０】
また、駆動信号を複数のサブパルスにより構成し、単位時間当りの発光時間を制御することにより、その発光時間内で半導体発光素子をオンオフすることが可能となり、半導体発光素子がオンした直後の高出力の光の利用効率をさらに向上することができる。また、光変調部と同期して駆動信号のオンオフを高速で制御することにより、サッケード現象を防止でき、カラーブレークアップの回避にも効果がある。
【００１１】
さらに、常時オフとなるように制御するので、半導体発光素子の発光頻度を最低限に抑えることが可能となり、半導体発光素子の寿命を延ばす効果も得ることができる。半導体発光素子は、ＬＥＤ素子に限らず、有機ＥＬ素子または無機ＥＬ素子を用いることも有用である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。図１に、本発明の画像表示装置１の概略構成を示してある。この画像表示装置１はプロジェクタであり、照明装置１０と、その照明装置１０から出力された光を変調して映像を表示するための光変調デバイス２と、光変調デバイス２を駆動および制御するための画像駆動装置４０と、表示画像を投影するための投射レンズ４を備えている。照明装置１０は色切替え式の半導体光源２０と、半導体光源２０を駆動・制御する光源駆動装置３０とを備えている。
【００１３】
半導体光源２０は、赤色の光７１Ｒを照射する赤発光光源２１Ｒと、緑色の光７１Ｇを照射する緑発光光源２１Ｇと、青色の光７１Ｂを照射する青発光光源２１Ｂと、これらから出射される色光を光変調デバイス２に向けて反射するリフレクタ２５を備えている。なお、半導体光源２０としては、ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）発光素子、ＬＥＤなど各種の色光の発光源を適用することが可能である。これらの半導体発光素子は立ち上がり、立下りに要するスイッチング時間は2〜３μ秒と非常に早く、光変調デバイス２を構成するスイッチング素子のスイッチング時間に比べると１／１００以下である。したがって、光変調デバイス２のスイッチング時間に同期させて半導体光源２０をオンオフするだけで、画像を表示するのに充分な光量を得る事ができる。そして、半導体光源２０を同時に全てオフにする時間を常時設けることで、コントラストを向上することができる。
【００１４】
光源駆動回路３０は、マイクロプロセッサ３１と、タイミングジェネレータ３２と、光源ドライバ３３と、光源用電源３４を備えている。また、画像駆動回路４０は、フレームメモリ４１と、サブフレーム変換回路４２とを備えている。このカラー画像表示装置１では、タイミングジェネレータ３２で光源ドライバ３３の発光オフタイミングφ３１と、光変調デバイス２の色画像生成タイミングφ３２を制御する。まず、画像データφ０をサンプリング回路５でサンプリングすると共に、サンプリングされた画像入力信号の同期信号φ１は、マイクロプロセッサ３１およびタイミングジェネレータ３２に送られる。それと同時に、画像入力信号の画像データφ２がタイミングジェネレータ３２によって制御されたタイミングでフレームメモリ４１に書き込まれる。光変調デバイス２の各色画像の生成タイミングに同期するように、タイミングジェネレータ３２により制御される光源ドライバ３３で、赤発光光源２１Ｒ、緑発光光源２１Ｇ、青発光光源２１Ｂが時間順次に繰り返し点灯される。このようにして半導体光源２０によって、光変調デバイス２で表示される表示色の画像と同一の色順次で色光７１Ｒ〜７１Ｂが生成されて光変調デバイス２に照明される。そして、光変調デバイス２が色光７１Ｒ〜７１Ｂを光変調して色順次で出力し、レンズ４によりスクリーンに投影されてカラー画像表示が行われる。
【００１５】
例えば、照明装置１０が赤色光２１Ｒを発光するように、光源駆動装置３０のタイミングジェネレータ３２から光源ドライバ（駆動回路）３３に供給される信号は、光源切替えのタイミング同期信号φ３３と、Ｒ光２１Ｒ、Ｇ光２１Ｇ、Ｂ光２１Ｂの発光オフタイミング信号φ３１であり、この２つの信号φ３１および３３により選択された光源に対して光源用電源３４から電源供給がなされて赤色光光源２１Ｒが点灯する。この光源ドライバ３３での切替えタイミングに同期するように、タイミングジェネレータ３２から読み出しタイミング信号φ３４がフレームメモリ４１に供給され、これよりも前の駆動周期において予め記憶させた赤色成分の画像データφ３が順次読み出される。その画像データφ３を受けるサブフレーム変換回路４２は赤色成分用の色画像の階調の重み付けに応じて、半導体光源３０で設定された対応するカラーサブフレーム期間に先駆けて光変調デバイス２へ色画像デジタル信号φ４を出力する。この色画像デジタル信号φ４を受ける光変調デバイス２では、各画素部分に色画素デジタル信号の書き込みを行ない、対応する面順次で表示されるカラーサブフレーム期間に同期したこのカラーサブフレーム期間全体に亙って赤色用の色画像の生成する。このように、三色の色光の色画像７２が半導体光源２０Ｒ〜２１Ｂで対応するカラーサブフレーム期間順次に生成されて、これを１フレーム期間内でサイクリックに繰り返すことにより、カラー画像が表示されることになる。
【００１６】
赤色光２１Ｒによって画像が表示された後、光変調デバイス２の光変調素子がオフとなるサブフレームが終了するタイミングでは、半導体発光素子２０の発光源２１Ｒもオフとなる。すなわち、本例の照明装置１０では、光変調デバイス２の光変調素子がオフした後、次に光変調素子がオンするまでの間は、半導体発光素子２１Ｒ〜２１Ｂはオフ状態が維持される。したがって、半導体光源２０では、光変調デバイス２の全変調素子（スイッチング素子）がオフ状態であると、半導体光源２０の全半導体発光素子２１Ｒ〜２１Ｂはオフ状態となり、プロジェクタ１で投影される画像のコントラスト比を向上できる。
【００１７】
したがって、本例の照明装置１０では、半導体光源２０の半導体発光素子２１Ｒ〜２１Ｂは、通常はオフであることが前提として制御される。このため、図２に示すように、タイミングジェネレータ３２から出力される発光オフ信号φ３１は、高レベルが半導体発光素子２１Ｒ〜２１Ｂのオフ状態を示しており、低レベルが半導体発光素子２１Ｒ〜２１Ｂをオンすることを示している。したがって、半導体発光素子２１Ｒ〜２１Ｂをオン制御する場合の反転信号がオフ信号φ３１として出力されている。したがって、マイクロプロセッサ３１から発光素子スタンバイ信号φ３５が光源ドライバ回路３３に出力されると、光源ドライバ回路３３から各発光素子２１Ｒ〜２１Ｂに供給されている発光オフドライブ信号φ３６は、発光オフ信号φ３１により制御され、所定のタイミングで発光オフドライブ信号φ３６が低レベルとなり、各色の発光素子２１Ｒ〜２１Ｂが、発光オフドライブ信号φ３６が低レベルの間だけ点灯する。
【００１８】
一方、画像駆動装置４０では、タイミングジェネレータ３２から供給される光変調デバイス２の同期クロックφ３７とサブフレーム変換回路画像信号φ３２により同期クロック３７に同期して光変調デバイス２の画素（スイッチング素子）がオンオフ制御される。このため、光変調デバイス２からは、各色の光２１Ｒ〜２１Ｂが変調された画像光線７２が出力される。
【００１９】
図２から分かるように、同期クロックφ３３に同期して、同期クロックφ３３の立ち上がりで、いずれかの色の発光素子２１Ｒ〜２１Ｂがオンし、オンした発光素子２１Ｒ〜２１Ｂは、同期クロックφ３３の立下りでオフになる。したがって、次に同期クロックφ３３が立ち上がるまでの期間は、全ての色の発光素子２１Ｒ〜２１Ｂがオフとなり、本発明の通常は半導体発光素子２１Ｒ〜２１Ｂがオフになる制御を実現できる。
【００２０】
本例の照明装置１０に採用されている半導体発光素子は、図３（ａ）に示すように、発光時間と共に発熱し、発熱と共に照度が低下する。したがって、半導体発光素子から効率的に照明光を得るためには、サブフレーム内に於いて短いパルスを複数回行い充分な輝度を得ることが有効である。本例の照明装置１０においては、カラーサブフレーム期間ｓｆの各色光を生成の発光タイミング内では、図３（ｂ）に示すように、光源ドライブ回路３３から各発光素子２１Ｒ〜２１Ｂに供給されるドライブ信号φ３６を単一のパルスＰで半導体発光素子に電力を供給しても良く、図３（ｃ）に示すようにサブパルスＳＰに分けて電力を供給しても良い。ただし、図３では、分かりやすくするためにオフドライブではなく、オンドライブタイプの駆動信号で示している。さらに、各々のサブパルスＳＰは、図３（ｄ）に示すように、立ち上がり時に高レベルとなって短時間に電力を供給した方が効率良く半導体発光素子を発光させることができる。
【００２１】
駆動パルスＰをサブパルスＳＰに分けて供給し、電力を制御する方法はＰＷＭ（パルスワイドモデュレーション）などとして公知の技術である。しかしながら、本例の照明装置１０の光源ドライブ回路３３では、電力制御というよりは、発光時間内に半導体発光素子の照度が低下するのを防止して効率良く光を出力させるためにサブパルスＳＰに分けて駆動パルスを供給している。したがって、サブパルスＳＰのオンオフのデューティは、変動させても良いが、一定にセットすることで充分な効果を得ることができる。
【００２２】
図３（ｅ）に示すように、デューティが０．５から１程度の範囲内（オン：オフが１：１〜１：２）であるときに高い照度が得られる。したがって、サブパルスＳＰのデューティは、予め、この範囲内の適当な値にセットしておくことが可能である。なお、カラーサブフレーム期間の発光数は限定されるものではない。また、カラーサブフレーム期間の数は、１フレーム期間内で色毎に異なる数としてもよい。さらに、カラーサブフレーム期間の色の発生順序は、Ｒ、Ｇ、Ｂの順序に限定されるものではなく、いかなる順序でも構わない。
【００２３】
図４に光源ドライバ３３の一例を示してある。このドライバ回路３３では、タイミングジェネレータ３１で発せられた、画像信号と同期した信号φ３３と、マイクロプロセッサ３１から受ける半導体発光素子スタンバイ信号φ３５と、タイメイングジェネレータ３１から得られた発光オフ信号φ３１をアンドゲート回路３３ａで演算する。さらに、所定のデューティでオンオフするデューティ設定回路３３ｃとの論理和をアンドゲート回路３３ｄで演算し、高速パルス駆動に適合したドライバ回路３３ｂでＲ発光オフドライブ信号φ３６を駆動し、半導体光源２１Ｒを制御する。平行して、半導体発光素子２０Ｒで発光する色光線に同期して光変調デバイス２の駆動が行なわれ、光源から出力された色の画像が表示される。
【００２４】
このように、ＬＥＤ光源などの半導体光源２０では、発光の立ちあがり時間は１μｓｅｃから数１０μｓｅｃであり、反射型光変調器である光変調デバイス２として高速スイッチングの可能なＤＭＤ（デジタルミラーデバイス）を考えたとしても、そのスイッチング時間は約１５μｓｅｃ程度で、ＬＥＤ光源の立ち上がり速度とほぼ同等であるので双方のスイッチングは同じレベルで制御できる。すなわち、ＤＭＤ２のスイッチングに同期させて、光源２０のＬＥＤ発光素子２１を発光させることが充分に可能である。そして、ＤＭＤ２のスイッチングに合わせて光源２０をスイッチングすることで、不要な電力消費を抑える事ができる。それと共に、ＬＥＤ発光素子２１の寿命の長期化にも貢献できる。さらに、本例の照明装置１０は、通常はオフとなるように制御するので、ＤＭＤ２の切り替えタイミングに消灯する。したがって、切り替え時の迷光をなくし、この点でもコントラストの向上が図れる。
【００２５】
また、ＤＭＤ２がオンにスイッチングされたタイミングで半導体光源２０を発光させると、図３（ａ）に示したように、電源が供給された発光直後の最も発光効率が高い状態でＤＭＤ２に光を照射することが可能となり、変換効率の高い状態でＤＭＤ２を照明できる。したがって、低消費電力で発光量の大きな照明装置１０を提供することができる。
【００２６】
さらに、この照明装置１０は、個々の色の半導体発光素子２０Ｒ〜２０Ｂを個別に駆動することができる。したがって、単位時間あたりの色配分を任意に調節できることが可能であり、欧州で好まれる柔らかい色調や、日本で好まれる硬い色調にカラーバランスを変更しても照度を低下させることがない。さらに、３色の半導体発光素子２０Ｒ〜２０Ｂを同時に点灯することも可能であり、白色を出力することも可能である。したがって、プレゼンモード、シネマモードにも柔軟に対応できる。さらに、カラーホイールのように単位時間あたりの色専有時間が固定されないので、白色の発光時間も含めて柔軟に変化させることができる。このため、本例の照明装置１０を備えた画像表示装置１では、シネマモードでは鮮やかな自然色を表示でき、プレゼンモードでは白を交えた明るい画面を投影できる。
【００２７】
また、光源２０の半導体発光素子２０Ｒ〜２０Ｂは、光変調デバイス２の変調クロックφ３７に同期して発光させることにより、ＲＧＢ各色の光の発光周期は１５０Ｈｚ以上とすることによりサッケード現象を防止でき、カラーブレークアップの回避にも効果がある。発光周期は３００Ｈｚ以上にすることが望ましく、５００Ｈｚ以上の色周波数にすることがさらに望ましい。半導体発光素子を採用することにより、このような高周波数で発光周期を制御することができる。
【００２８】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明では、光源にＬＥＤ、有機ＥＬ、無機ＥＬなどの高輝度半導体発光素子を用い、さらに、常時はオフにする制御を採用することにより、高輝度半導体発光素子がオンした直後の高出力の光をプロジェクタなどの画像表示装置の照明光として得ることができる。したがって、半導体光源を採用した照明装置であって、低消費電力で、実効的には高出力の照明装置を提供できる。
【００２９】
また、半導体光学素子は寿命が長く、特にＬＥＤの寿命は１５０００〜３００００時間と通常のランプの１０倍以上であるが、本発明の照明装置では、不要な時間帯は半導体光源を消灯させているので、消費電力を低減させると共に、半導体光源の寿命を更に長くできる。
【００３０】
さらに、半導体発光素子を用いて低消費電力で高出力の照明装置を提供できるので、半導体光源の色調を自由に変更できるメリットをフルに活かすことができる。すなわち、三原色の半導体発光素子を同時に発光させることで、白色を用いるプレゼンモードと白色を用いないシネマモードに自由に切り替えることが可能でとなり、また、それらの各色の発光割合を変化させることで、照度を低下させること無く色調を変化させることが可能となる。
【００３１】
また、光変調部、すなわちライトバルブがオフのときは全ての半導体発光素子がオフになるので、ライトバルブ切り替わり時の迷光を防止しコントラストの向上が図れる。このため、より明るい画面を得ることができる。また、ライトバルブのスイッチング素子と同期して半導体発光素子をオンオフすることができるので、発光色周波数を１５０Ｈｚ以上で発光することで、サッケード現象時のカラーブレークアップを低減させることも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の照明装置を用いたプロジェクタの概要を示す図である。
【図２】図１に示すプロジェクタの制御信号を示すタイミングチャートである。
【図３】半導体発光素子の特性を示す図である。
【図４】図１に示すプロジェクタの光源ドライバの構成例を示す回路図である。
【符号の説明】
１ プロジェクタ
２ 光変調デバイス
４ レンズ
１０ 照明装置
２０ 光源
２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂ 半導体発光素子
３０ 光源駆動装置
３１ マイクロプロセッサ
３２ タイミングジェネレータ
３３ 光源ドライバ回路
４０ 画像駆動装置
４１ フレームメモリ
４２ サブフレーム変換回路
７１Ｒ、７１Ｇ、７１Ｂ 各色の光束

Claims (4)

1. 複数色の半導体発光素子を備えた光源と、前記半導体発光素子に対し、通常は前記半導体発光素子をオフとする駆動信号を供給する駆動装置とを有する照明装置と、
   この照明装置から出力される各色の光束を変調して画像を形成する光変調部とを有する画像表示装置であって、
   前記駆動装置は、前記光変調部と同期して、前記駆動信号を複数のサブパルスにより構成し、単位時間当たりの発光時間を制御する画像表示装置。
2. 請求項１において、前記駆動装置は、前記光変調部の少なくとも１つの画像素子がオンおよびオフになるときに、前記半導体発光素子をオンおよびオフする画像表示装置。
3. 請求項１において、前記駆動装置は、前記駆動信号を各色毎の前記半導体発光素子に対し供給し、前記光変調部の画像素子がオンおよびオフになるときに、その画像素子に対応する色の前記半導体発光素子をオンおよびオフする画像表示装置。
4. 複数色の半導体発光素子を光源とする照明装置から出力される各色の光束を変調して画像を形成する光変調部を有する画像表示装置の制御方法であって、
   前記半導体発光素子に対し通常はオフとする駆動信号を供給し、
   前記光変調部と同期して、前記駆動信号を複数のサブパルスにより構成し、単位時間当たりの発光時間を制御する画像表示装置の制御方法。

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