JP4488337B2 - 表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、液晶表示装置に関し、特に、光変調素子で変調した光の照射方向を偏向する偏向素子の制御方法に関する。

従来、液晶パネルで、画素容量以上の高解像度化を行うために、画素ずらしやウォブリングと呼ばれる光軸をシフトする手段を用い、光軸のシフトに対応した画像を液晶パネルに表示する方法が提案されている。
画像更新が線順次走査型の液晶では、画像の更新に有限の時間がかかることにより、光軸のシフト時に異なるフレームでの画像が混在することによる画質劣化が起る。これに対し、光軸のシフトを行う期間には、液晶パネルに表示を行わないとする方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。この方法では、光軸シフト時には異なるフレームの画像は混在しないが、表示を行わない期間が生じることから、画像の輝度、光の利用効率が低下する。
また、光軸をシフトする素子を複数に分割し、画像の更新に同期して、順次切り換えることで、シフトの有無に対応した画像を表示することを可能としている方法が開示されている（例えば、特許文献２参照）。この場合、分割した光軸シフトを行うための素子は、結像面付近に設置する必要がある。具体的には、液晶パネル表面か、別途結像系を光学的に準備する必要がある。光学的に結像位置を準備することは、装置が大型化することは避けられず、また、液晶パネル表面に設置する場合は、ヘッドマウントディスプレイ等の複雑な投写系を持たないので、比較的低光量の装置に限定されることになる。
また別に、光軸をそれぞれ逆方向にシフトするように形状を加工した硝子基板を、扇状に加工し、交互に設置することで、液晶パネルの画像更新（走査線）に同期させて回転させて、異なるフレームの画像混在を防いでいる方法が開示されている（例えば、特許文献３参照）。この場合も、光軸をシフトさせる機能は、液晶パネル表面か、別途、結像系を準備して設置する必要が有る。
特開平９−１５５４８号公報 特許第３２３０３７７号 特開平６−３２４３２０号公報

上述のように、従来の方法では、画像の輝度、光の利用効率が低下、低光量の装置に限定される、別途、結像系の準備が必要等という問題がある。
本発明は、上述した実情を考慮してなされたものであって、更新が完了した画像での光軸のシフトによる画像の乱れを無くし、画像の乱れが、画面内の一定の位置に常に現れることを防ぎ、定常位置で視認されやすい画面の乱れを見えにくくし、偏向素子の安定動作を実現し、高画質を実現することができる、低コスト化の可能な液晶画像表示装置を得ることを目的とする。

本発明は、２次元配列の画素をもち、画素毎に電気信号を入力することで透過光または反射光を変調し、入力する電気信号の更新を少なくとも１走査線毎に行う光変調素子と、光変調素子で変調した光を偏向する偏向素子を使用し、１フレームを複数のサブフレームに分割して、前述偏向素子によりに偏向された位置に対応したサブフレーム画像を時分割に該光変調素子に表示する表示装置において、偏向素子で光の方向を一方から他方への切替に必要な時間を偏向素子の動作時間として、偏向素子の動作時間は、光変調素子が画像を更新するために必要な時間である画像更新時間以内であり、かつ光変調素子が画像を更新している時間内で偏向素子の動作が開始し終了する表示装置であって、偏向素子動作を開始するタイミングは、１フレームをサブフレームに分割する分割数をｎ、ｍを自然数として、ｍ×ｎであらわされる周期で変更され、各周期前後で偏向素子が動作を開始するタイミングは異なり、かつｍ×ｎで示される周期について、複数の周期間でランダムなタイミングで偏向素子が動作を開始することを特徴とする。

本発明によれば、画像の更新時間のみで光軸のシフトを完了することで、更新が完了した画像での光軸のシフトによる画像の乱れを無くし、高画質を実現することが可能となる。特に、偏向動作を開始するタイミングを、ｍ×ｎで示される周期毎にかえ、かつ複数の周期にまたがった周期性を示さないようタイミングを調整することで、偏向に伴う画像の乱れの影響を分散させ、高画質を実現することが可能となる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
本発明は、光変調素子からの変調された光を、偏向素子により偏向を行い、偏向された位置に対応する画像をサブフレームとして光変調素子に表示することで、光変調素子の画素数以上の表示を実現するものである。本発明は、光変調素子の画像更新方法が、線順次で行われるものに関するものである。
画像更新時間は、光変調素子のアーキテクチャにより制限される。線順次駆動の光変調素子では、１走査線にデータを読み込む時間をかける走査線数でおおよその画像更新時間を求めることができる。１画面の更新には、１〜２ｍｓｅｃ程度の時間が必要である。
上記画像更新の他に、画像の表示位置を変化させる表示方法では、有限の時間をかけて画像を偏向する。本発明は、この偏向動作に関するものである。

画像更新時間が偏向動作時間より長い場合で、更新中に変更動作を行うものである。光変調素子として解像度ＸＧＡ（１０２４×７６８）の反射型液晶を１枚使用した。図１に１サブフレーム時間を示すタイムチャートを示す。特に、図１は光変調素子の走査線と時間経過を示したものである。縦軸は光変調素子の走査線の位置、横軸は時間である。光変調素子は、線順次で画像を更新するため、画像更新時間と示された期間で更新されている。
１サブフレーム時間は、画像更新が始まってから次に表示されるサブフレームの画像への更新が開始されるまでの期間である。１フレームを４サブフレームで表示を行う場合について具体的な時間例を示す。
１フレーム時間１／６０秒＝１６．７ｍｓｅｃ、１サブフレーム時間１／６０／４＝４．１７ｍｓｅｃ、画像更新時間１．５ｍｓｅｃ（この例は、時間の一例を示すのみで、この時間配分により、本発明は制限をうけるものではない。）である。
偏向素子の駆動条件を調整することで、図２に示すタイムチャートの駆動を実現した。図２中、偏向動作時間は画像更新時間内で偏向動作を行っている。偏向動作は、動作開始時間から動作終了時間までの期間で、偏向に必要な動作を完了する。この期間は、光変調素子からの光軸が移動を行っている。
図３は、画像更新時間外で、偏向動作を行った例である。実際に画像を表示して、画質を比較した。評価は、ポイント数を変化させた文字、写真による自然画、直線によるグラフ、ＣＡＤ画像を使用した。被験者は２５人で、本発明による図２に示すタイムチャートによる画像（画像１）と図３に示すタイムチャートによる画像（画像２）それぞれを比較し、もう一方より画質がより良いと感じた方へ投票を行った。結果を表１に示す。

結果、本発明による画像更新時間内で偏向動作をおこなうことで、少なくとも画質の劣化を防ぐことができることがわかった。

サブフレーム内で偏向動作時間を変化させる（ｍ×ｎ単位）。
本発明の実施例として、図８に示すブロック図の偏向動作時間を調整する回路を作成した。以下に動作を説明する。
乱数発生回路３１は、０から１までの任意の乱数を発生する。発生した乱数をｒ１とする。偏向時間の調整は、偏向時間は一定なので、偏向動作開始時点を調整し、動作開始後は、一定の偏向動作時間で動作させた。
図４に動作開始時間として調整する部分を動作開始時間１、動作開始時間２として示した。この期間で任意に偏向素子の動作開始時間を変化させる。
（動作開始時間２）−（動作開始時間１）＝ｔとする。
乱数ｒ１を使用して、偏向素子の動作開始時間は、ｔ×ｒ１で求められる。
サブフレームは、垂直同期信号から一定時間後に走査線単位に画像の更新が開始される。
上記により決定された動作開始時間は、画像の更新と同じく垂直同期信号後、一定時間後に、画像の更新が開始された時間からカウンタ３２による時間の計測が始まり、求められた動作開始時間後に偏向素子駆動回路３３を制御して偏向素子３４を動作させる（図８参照）。
なお、乱数発生回路には、出力段に２段のレジスタ３５をもうけ、新たな乱数発生時に、前回の乱数出力と比較し、同じ場合には破棄して新たに乱数を発生する乱数制御回路３６を付加した。これにより、同じ位置での偏向動作を防ぐことができる。偏向動作は、サブフレームの分割数をｎとして、自然数ｍとの積ｎ×ｍ単位で行う。本実施例では、ｎ＝４、ｍ＝１で行った。

本発明により、連続した４サブフレームは同じ条件で駆動し、４サブフレームの表示毎に、乱数発生器により異なったタイミングで表示を行った。
フレームの計数は、カウンタ制御回路３７で、垂直同期信号（１フレーム更新に１回入力される）を計数することで行われる。
同じタイミングで動作中は、乱数制御回路３６からは同じ数値が出力され、４サブフレーム表示後は、新たな乱数が出力される。
乱数については、本発明では、４サブフレーム毎に変更されるタイミングに対応するので、同じ乱数が出力されても、前回と異なる乱数に変更されるまでの時間は確保された。
実施例１と同じく、画像の比較を行った。
評価は、ポイント数を変化させた文字、写真による自然画、直線によるグラフ、ＣＡＤ画像を使用した。被験者は２５人で、図２に示すタイムチャートによる画像（画像１）と本実施例により偏向動作時間を変更した画像（画像３）それぞれを比較し、もう一方より画質がより良いと感じた方へ投票を行った。結果を表２に示す。

細かい表示では、本実施例による表示が良好であった。
本発明により良好な画質が得られることがわかった。

本発明の実施例として、偏向時間は、サブフレーム時間の２０％、３３％、４０％、５０％とした場合の画像比較を実施例１と同じ方法でおこなった。
時間の調整は、駆動波形を調整して、変位量の時間当たりの変化率を調整することで行った。同じ偏向動作時間をもつ素子を使用して、実際に画像を表示して、画質を比較した。
評価は、ポイント数を変化させた文字、写真による自然画、直線によるグラフ、ＣＡＤ画像を使用した。被験者は２５人で、偏向動作時間をサブフレーム時間に対して、２０％、３３％、４０％、５０％に変更した偏向素子を使用して、同じ画像の比較を行った。評価は、各画像毎に、偏向動作時間を変えて観察し、良好と判断する偏向動作時間に投票を行った。結果を表３、グラフを図９に示す。

結果、サブフレーム時間に対して、３３％以内では、良好な画像と判断された事がわかった。３３％を超えて、サブフレーム時間に対する偏向動作時間が長くなると、急激に画質が悪いと判断されることがわかった。
本発明によりサブフレーム時間に対して、３３％以内で偏向動作を行うことで、良好な画像が得られることがわかった。

偏向時間の調整、画像比較回路について図９に基づき説明する。実施例として、入力されるサブフレームを記憶するフレームバッファを設け、画像の２サブフレーム分の比較を行う回路を構成した。
図１０にブロック図を示す。サブフレームデータはフレームバッファ制御回路４１に入力される。フレームバッファには、それぞれサブフレームの画像データを記憶する（フレームバッファ制御回路には、同期信号やクロック信号、イネーブル信号等の画像データの制御信号も入力される）。説明のために仮にフレームバッファ１である４２に、ｎ−１フレームで表示した画像データを記憶しているとする。ｎフレームで表示する画像データがフレームバッファに入力されると、フレームバッファ制御回路４１はフレームバッファ２である４３へｎフレームの画像データを入力すると同時にフレームバッファ１内のｎフレームデータとの比較を行う。
また、同時にフレームバッファ１内のｎフレームデータを表示するために、光変調素子４４へ出力する。比較器１である４５は、単純に２つのデータが均しいか異なるかのみを判断する。これにより、比較器の回路規模を小型化することができた。比較の結果異なる場合はフラグをたてる。
このフラグをカウンタ４６で計数し、条件（この実施例では全体の１０％以下）を記憶した条件用ＲＯＭ４７（好ましくは電気的に書き換えが可能なフラッシュＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ等を使用することで、必要に応じて外部から書き換えを行うことができる）へ記憶する。記憶された条件に対して、カウンタの計数結果を比較器２である４８で比較する。比較結果を元に、次の画像更新時の偏向素子５０の駆動条件を、偏向素子制御回路４９で調整した。
比較のために本発明による偏向素子５０の動作時間を調整する機能をはずし、その他の構成は同じ装置を試作し、本発明による表示装置と、比較例による表示装置を連続動作させた。結果、比較例では、偏向素子の一部に配向の乱れによると考えられる白濁が見られた。本発明により、偏向素子の安定動作を実現できることがわかった。

偏向時間の調整、外部入力による偏向時間変更、使用者、スクリーンセイバーに関し、本発明の実施例として、実施例４構成の偏向時間を調整する機能を作製した。偏向時間を調整する機能として、表示装置外部に切り替えスイッチを設置した。使用者は、自然画が主体の場合は、偏向時間を長くすることで、画像の境界が混合され、スムージングの効果がえられ、一方、文字やＣＡＤが主体の場合は、通常の偏向時間を短く切り替えることで、高精細の表示を実現するこができた。本発明により、使用者が必要とする画質を実現することができた。

垂直配向強誘電性液晶による偏向についての実験を行った。
本発明の実施例として、光学系と光変調素子を３枚（ＲＧＢ用）を使用して、投射型表示装置を試作した。光源として超高圧水銀灯１１を放物面リフレクタに組み合わせたランプを使用した（図５参照）。光を均一化するために、インテグレータと、偏光を一方向に揃えるために、偏光変換素子を使用して、光変調素子の光変調を行う部分を略均一に照明した。色分解と合成は図５に示す光学系を作成して行った。
インテグレータ、偏光変換素子１２を通過した光は、各ダイクロイックミラー１４、１６で、各波長帯（それぞれ赤。緑、青に相当）で反射、または透過される。
図５では、各ダイクロイックミラーは、反射する色を付けた名称記載している。青反射ダイクロイックミラー１４は、青を反射して、緑・赤を透過する。それぞれのダイクロイックミラーで反射または透過される光を矢印で示す。
各色に分解された光は、ＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）２１で反射されて光変調素子２２へ入射する（尚、図中のリレーレンズは、緑、赤を示す光路に対して、青のみ光路長が異なるため、これを調整するためのものである。）。
光変調素子で変調した光変調を加えた光は９０度偏光が回転している。この光はダイクロイックプリズム２３で色合成され、光偏向素子２４へ入射する。光偏向素子で偏向したのち、投射レンズ２５を介してスクリーンへ投射することで表示を行う。ここでは、光偏向素子として、強誘電性液晶を使用して垂直配向させた偏向素子を使用した。

以下に上記偏向素子の構成と作用を説明する。液晶層を挟持するガラス基板に対して、強誘電性液晶を垂直に配向したものである。電界を印加することで、液晶分子の状態が遷移して、基板に対して垂直方向に光軸をもつ入射光が、液晶分子の状態に応じて偏向し、出射光は入射光に平行である。強誘電性液晶を使用しているため、応答速度がはやい。また、基板に対して垂直に配向した液晶の状態で偏向するため、偏向量の制御性が良好で、必要な位置に偏向させることが可能となった。もちろん、液晶を使用することで可動部品がないため、静粛性を実現することができた。
説明図として、図６にガラス基板３、配向膜２、液晶１からなる偏向素子の断面図を示す。図中電極４により液晶に電界を印加する。入射光は液晶の状態により第１、第２の射出光にシフトされる。
図７は液晶の状態を示している。この配向状態に応じて図６に示す２方向のシフトを実現する。図６に示すように、１素子で水平または垂直の１方向のシフトを実現する。本発明に使用するために、シフト方向が互いに直交する２素子を使用する。本偏向素子は、駆動電圧により偏向量が増加し、ある電圧以上では、ほぼ一定量となる。電圧による偏向量が一定になる部分では、電圧が高いほど偏向動作の時間は短くなる。本偏向素子は、電圧の制御により、偏向動作時間が短い状態と長い状態を設定した。設定に従い、表示するためのコンピュータが省電力モード（消費電力を低減するために、ハードディスクのスピンドル回転停止、表示装置の表示内容を黒一色等にする。一般には、入力装置からの入力が停止した後、一定時間でこのモードが開始される。入力装置からの入力を検知すると通常の動作モードに復帰する）に入ることで黒一色表示となるよう設定した。省電力モードでは、全画面黒一色となり、偏向素子の動作速度は通常使用状態より長くなった。
比較のために本発明による偏向素子の動作時間を調整する機能をはずし、その他の構成は同じ装置を試作した。本発明による表示装置と、比較例による表示装置を連続動作させた。結果、比較例では、偏向素子の一部に配向の乱れによると考えられる白濁が見られた。本発明により、偏向素子の安定動作を実現できることがわかった。

本発明の光変調素子の走査線と時間経過を示す説明図。 本発明の偏向素子の駆動条件を調整するタイムチャートの説明図。 本発明の画像更新時間外で偏向動作を行った場合のチャート説明図。 本発明の偏向素子の動作開始時間を調整した場合の説明図。 本発明の３板式反射型の色分解と合成の光学系の概念図。 本発明の強誘電性液晶を使用し垂直配向させた偏向素子の断面図。 本発明に使用する偏向子の液晶の配向状態を示す説明図。 本発明に使用する偏向動作時間を調整する回路のブロック図。 本発明の偏向動作時間による画像の画質を比較したグラフを示す図。 本発明の偏向時間の調整、画像比較回路のブロック図。

符号の説明

１ 液晶
２ 配向膜
３ ガラス基板
４ 電極
１１ 超高圧水銀灯
１２ インテグレータ、偏光変換素子
１３ ミラー
１４ 青反射ダイクロイックミラー
１５ 赤
１６ 緑反射ダイクロイックミラー
１７ 緑
１８ 青
１９ ミラー
２０ リレーレンズ
２１ 偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）
２２ 光変調素子
２３ ダイクロイックプリズム
２４ 偏向素子
２５ 投射レンズ

Claims (1)

1. ２次元配列の画素をもち、画素毎に電気信号を入力することで透過光または反射光を変調し、入力する電気信号の更新を少なくとも１走査線毎に行う光変調素子と、該光変調素子で変調した光を偏向する偏向素子を使用し、１フレームを複数のサブフレームに分割して、前記偏向素子によりに偏向された位置に対応したサブフレーム画像を時分割に前記光変調素子に表示する表示装置において、
   前記偏向素子で光の方向を一方から他方への切替に必要な時間を偏向素子の動作時間として、前記偏向素子の動作時間は、前記光変調素子が画像を更新するために必要な時間である画像更新時間以内であり、かつ前記光変調素子が画像を更新している時間内で偏向素子の動作が開始し終了する表示装置であって、
   前記偏向素子の動作を開始するタイミングは、１フレームをサブフレームに分割する分割数をｎ、ｍを自然数として、ｍ×ｎであらわされる周期で変更され、各周期前後で偏向素子が動作を開始するタイミングは異なり、かつｍ×ｎで示される周期について、複数の周期間でランダムなタイミングで偏向素子が動作を開始することを特徴とする表示装置。

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