JP4650922B2 - 画像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、画像表示装置に関し、特に空間光変調素子を使用した画素数増加法による高精細画像表示の画質劣化を防止する画像表示装置に関する。

従来は、画像表示装置としてＣＲＴを用いた画像表示装置が広く用いられてきたが、近年、液晶表示素子等を用いた画像表示装置が一般的に出回るようになってきた。
液晶表示素子等を用いた画像表示装置は、液晶表示素子を構成する画素の数により、表示する画像の精細さが基本的に決定されるが、高精細な画像を得るために画素数を増加させると、液晶表示素子のコストが高くなったり、より高速な信号処理回路が必要となったりすることになる。
そこで、限られた画素数の液晶表示素子を用いて、より高精細な画像を表示するための技術が開発されている。斯かる技術として、複屈折板を用いて表示素子からの光の光軸をシフトするものが知られており、より詳しくは、例えば液晶表示素子から出射される光の光軸を時系列的にシフトさせて、見かけの画素位置を順次ずらすことにより、観察される画素数を増加させるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
さらに、１フレームを４つのサブフィールドに分割して、これらサブフィールド毎に見かけの画素位置を移動させる４点画素ずらしの技術や、さらに多点の画素ずらしを行うことも知られている（例えば、特許文献２参照）。
また、同様なものとしては、画素ずらしを行う際に動作中の表示により、コントラスト等の性能が低下することが知られている（例えば、特許文献３参照）。
また、画素ずらし素子に圧電素子を使用した画像表示装置において、画素ずらし動作中に照明光をＯＦＦにする（例えば、特許文献４参照）ことにより、また、画素ずらし中に表示素子に映像を表示しないこと（例えば、特許文献５参照）により解決する方法も知られている。
以上、述べたような画像表示装置に用いられる表示素子としては、水平方向または垂直方向に偏光した光を出射するタイプのＬＣＤを使用したものなどが一般的である。液晶表示素子である空間光変調素子の画像データ更新には、画面全体のデータを一斉に更新するものや、走査線方向に順次更新するものがある。
特開平４−６３３３２号公報 特開平７−３６０５４号公報 特開２００１−６６６２５公報 特開２００１−３５６４１１公報 特開平９−１５５４８号公報

しかしながら、画素ずらしを行い高解像度の画像を表示する場合、画素ずらしと空間光変調素子（以下ＬＣＯＳと称する）の画像データ更新のタイミングの関係から、本来の位置以外に画像が表示される場面が発生し、このことにより画像品質の劣化が発生し、画素ずらしにより得られる画質にまでは至っていない。
画素ずらし素子に圧電素子を使用した画像表示装置において、シフト動作中に照明をＯＦＦにする方法も発案されているが、照明の照度が瞬時にデジタル的に変化しないため、画質劣化の原因である画像を完全に除去することができず、本来求めている画質を達成できていない。
また表示素子に映像を表示しない方法も考案されているが、表示手段も表示切換え時に過渡的な表示があるため、画質劣化の原因であるノイズ画像を完全に除去することができず、本来求めている画質を達成できないという問題もある。
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、画像情報に従って光を制御可能な複数の画素から発せられる光線に対して、その光軸をシフトすることにより画素ずらしを行い、表示素子の解像度よりも高い解像度の画像表示が可能である画像表示装置において、空間光変調素子のデータ更新方法毎に、データ更新及び、画素ずらしのタイミングを合わせ、遮光手段を用いて画像劣化の原因となる画素ずらし中の画像等を排除し、高品質な画像の表示を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、空間光変調素子として、画像データの更新を走査線順次に行うものを用い、画像情報に従って光を制御可能な複数の画素から発せられる光線に対して、その光軸をシフトすることにより画素ずらしを行い、表示素子の解像度よりも高い解像度の画像表示が可能である画像表示装置において、空間光変調素子のデータ更新のタイミングに画素ずらしのタイミングを合わせ、画素ずらしと画素ずらしのタイミングにより生じた画質劣化の原因となる画像を除去するために、光源からの光をデータ更新と同じ方向に遮光部を、走査線に対して略平行に移動して遮光する遮光手段を備え、前記画像データ更新の時間と前記遮光部の移動時間が同じであるようにする。
ここで、遮光手段は、２つ以上の軸を各々支点とし、該各々の支点を中心に回転する複数の円盤と、各円盤上に前記支点から同距離の軸を持ち、前記軸同士を連結した遮光部としての遮光板とを有し、前記遮光板は前記支点間を結んだ線と平行な面を備え、前記円盤が回転することで、前記遮光板が前記支点間を結んだ線と平行に且つ垂直な方向に移動して、前記光源からの光を走査線に平行に順次遮光するようにする。
また、請求項２に記載の発明は、前記画素ずらし手段と画像表示用投射レンズ間の画像が結像する位置に前記遮光手段を備えたことを特徴とする。
また、請求項３に記載の発明は、遮光開始から終了するまでの時間Ｔをデータ更新時間Ｔ１、画素ずらし時間をＴ２とした時に、Ｔ≦Ｔ１＋Ｔ２とすることを特徴とする。

本発明によれば、請求項１では、ＬＣＯＳとして、画像データの更新を走査線順次に行うものを用い、画像情報に従って光を制御可能な複数の画素から発せられる光線に対して、その光軸をシフトすることにより画素ずらしを行い、表示素子の解像度よりも高い解像度の画像表示が可能である画像表示装置において、ＬＣＯＳのデータ更新のタイミングに画素ずらしのタイミングを合わせ、光源からの光をデータ更新と同じ方向に遮光部を、走査線に対して略平行に移動して遮光することにより、画素ずらしによるデータの更新と更新方向に合わせた遮光が行え、画素ずらしと画素ずらしのタイミングにより生じた画質劣化の原因となる画像を排除するとともに、遮光を必要とする期間を短くすることで光利用効率を上げることができ、且つ高品質の画像を表示することができるようになる。さらに、データ更新速度と遮光移動速度が同じであることにより、全画面均一なデータの更新に合わせた遮光を行うことができ、全画面で均一な高品質光解像度の画像を表示することができる。
また、遮光手段は、２つ以上の軸を各々支点とし、該各々の支点を中心に回転する複数の円盤と、各円盤上に前記支点から同距離の軸を持ち、前記軸同士を連結した遮光部としての遮光板とを有し、遮光板は前記支点間を結んだ線と平行な面を備え、円盤が回転することで、遮光板が前記支点間を結んだ線と平行に且つ垂直な方向に移動して、光源からの光を走査線に平行に順次遮光することにより、支店の軸の円運動を利用して、画像左右を同条件で遮光することができる。

また、請求項２では、画素シフト素子と投射レンズ間の画像が結像する位置に遮光手段を備えることにより、遮光を行う為に、遮光手段以外の新たな部品は必要とならず、低コストで遮光手段による遮光を実現することができる。
また、請求項３では、遮光開始から終了するまでの時間Ｔをデータ更新時間をＴ１、画素ずらし時間をＴ２とした時に、Ｔ≦Ｔ１＋Ｔ２とすることで、不要な画像表示をなくすと共に、光の利用効率の低下を押さえた高品質高解像度の画像を表示することができる。

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、１フレームを複数のサブフィールドに分割する画素ずらし素子と、ＬＣＯＳ、光源からの光を遮光するための遮光手段と、それらの制御を行う手段を備えた画像表示装置である。

本実施例はＬＣＯＳとして、画像データの更新を走査線順次に行うものを用い、１つの画素を画素ずらし素子２つを使用して４つの画素を表示し、画像情報に従って光を制御可能な複数の画素から発せられる光線に対して、その光軸をシフトすることにより画素ずらしを行うことにより高解像度化するとともに、ＬＣＯＳのデータ更新のタイミングと、画素ずらしのタイミングに合わせ、画素ずらしと画素ずらしのタイミングにより生じた画質劣化の原因となる画像を光源からの光をデータ更新方向に時間的に移動して遮光する遮光手段を備えた画像表示装置の例である。
図１は本実施例の表示画像データと、画素の位置及び、遮光の関係を示したタイミングチャートの一例である。画像表示データは画面上から下の方向でデータが更新され、更新されるデータはＤ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ１’の順である。更新時にはＬＣＯＳの特性から過渡期がある。画像表示素子の位置は１フィールドの期間内に、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４の位置に順に変位し、それぞれの位置で４つのサブフィールドを形成させる。
この画素の位置をシフトさせる時には例えばＰ１からＰ２にシフトする間にＰ１でもＰ２でもない位置に画素がシフトされる移動中の期間がある。上記のようにデータは画面上から下に順次更新されるが、画素ずらしは画面一斉に行われる為と、画素ずらしと画像データ更新のタイミングのずれにより、画像データが意図した位置以外に表示されることが起ってくる。そこで本例ではこのような画像を排除する為に、データ更新と画素の位置が本来の位置に表示されない期間を全画面上で均一に排除する為に、その期間、データ更新とほぼ同じ移動時間で遮光を行っている。このことにより正しい位置へのデータのみ表示されることになり高画質、高解像度の画像表示を実現することができる。

本実施例はＬＣＯＳに画像データの更新を走査線順次に行うものを用い、１つの画素を画素ずらし素子を使用して高解像度化するとともに、ＬＣＯＳのデータ更新のタイミングに画素ずらしのタイミングを合わせた上、光源からの光をデータ更新方向と同じ方向に移動して遮光する遮光手段を備えたプロッタの一例である。
図２は本実施例の表示画像データと、画素の位置及び、遮光の関係を示したタイミングチャートの一例である。画像表示データは画面上から下の方向でデータが更新され、更新されるデータはＤ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ１’の順である。更新時にはＬＣＯＳの特性から過渡期がある。画像表示素子の位置は１フィールドの期間内に、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４の位置に順に変位し、それぞれの位置で４つのサブフィールドを形成させる。この画素の位置をシフトさせる時には例えばＰ１からＰ２にシフトする間にＰ１でもＰ２でもない位置に画素がシフトされる移動中の期間がある。上記のようにデータは画面上から下に順次更新されるが、画素ずらしは画面一斉に行われる為、画像データが意図した位置以外に表示されることが起ってくる。
そこで本例ではこのような画像を排除する為に、データ更新と画素の位置が本来の位置に表示されない期間を全画面上で均一に排除するとともに、データ更新期間のタイミングに画素ずらし期間のタイミングを合わせることで排除の為の遮光期間を短縮し、その期間データ更新とほぼ同じ移動時間で遮光を行っている。このことにより正しい位置へのデータのみ表示されるとともに、遮光を必要とする期間を短くすることで光利用効率を上げることができ、且つ高品質の画像を表示することができるようになる。
図３は、回転円盤による遮光手段の構造の一例である。回転円盤１はモータ２で回転する扇形の遮光板５をもっており、この遮光板にて遮光を行う。遮光部と非遮光部の角度の比は、遮光時間と非遮光時間の比となっている。
図４は遮光手段として、回転円盤を用いた場合のタイミングチャートの一例である。回転円盤を使用しているために、画面の左右方向になる円盤の内外で、若干遮光タイミングと期間が異なるものの簡単な機構で、ＬＣＯＳとして画像データ更新を走査線順次に行うものを用いた場合に、正しい位置へのデータのみ表示されることになり高画質での高解像度画像の表示を実現することができる。

本実施例はＬＣＯＳに画像データの更新を走査線順次に行うものを用い、１つの画素を画素ずらし素子を使用して高解像度化する場合、光源からの光をデータ更新方向と同じ方向に、走査線に対して平行に移動して遮光する遮光手段を備えたプロッタの一例である。
図５はそのタイミングチャートの一例であり、データ更新時間と遮光移動時間がほぼ同じものである。遮光を走査線に対して平行に移動して行える為、画面左右で均一な遮光が行え、遮光時間を短く且つ、全画面均一な高画質での高解像度画像の表示を実現することができる。
図６は遮光手段の構造の一例である。モータ２で駆動する軸と固定された軸を各々支点３とし、その各々の支点で回転する円盤上に支点から同距離の軸をもち、この軸同士を連結した遮光板５を備える。遮光板５は支点間を結んだ線と平行な面を備えている。モータが駆動すると下図に示す円盤６が回転する。その円盤上の軸４は円運動を行うがこれと固定された支点３を中心とする円盤状の軸４と遮光板５で連結されている為に、固定された側の円盤６もモータ側と等しい運動を行う。この軸を連結した遮光板は支点間を結んだ線と平行な面を備えているので、駆動中は常に支点間を結んだ線と平行に移動する。また遮光板は円形に移動し、遮光する光の光路７は、支点間を結んだ線と垂直な方向に遮光板が移動するので、平行な方向の光路が遮光時は全て遮光板に遮られ、非遮光時は全て遮らないようになる。
遮光板の位置制御はモータにホームポジションを設ける等、遮光板の回転開始位置を決めたり、遮光板の位置を検知するセンサ等の仕組を設けること等で実現できる。

図７と図８はデータ更新期間Ｔ１とデータ更新に伴う過渡現象期間Ｔ２から、データ更新時間と遮光移動時間の関係を示したタイミングチャートの例である。図７のようにデータ更新期間Ｔ１がデータ更新に伴う過渡現象期間Ｔ２以下の場合、データ更新時間と遮光移動時間を等しくすると、画面全体を均一条件で、正しい位置へのデータのみ表示でき、高画質高解像度の画像表示を実現することができる。
また図８のようにデータ更新期間Ｔ１がデータ更新に伴う過渡現象期間Ｔ２より長い場合、データ更新時間より遮光移動時間を早くし、データ更新期間中に画素ずらし期間を含め、且つデータ更新開始時間とデータ更新に伴う過渡現象期間終了時間の中間に、画素ずらし期間の中間にもってくると、遮光期間が短くなる。つまり遮光による光利用効率低下を押さえた上で、画面全体を均一条件で、正しい位置へのデータのみ表示でき、高画質高解像度の画像表示を実現することができる。
図９、１０はこの遮光手段を備えた三板式プロッタの構造の一例である。図９ではランプ９、フィルタ１０、インテグレータ１１、偏向板８が配置されるとともに、３つのＬＣＯＳであるＬ、ＰＢＳであるＰ、及び画素ずらし素子１２が設けられ、遮光手段５は画素ずらし素子１２と投射レンズ１３間に設けてある。この方法では、遮光を行う為に遮光手段以外に新たに部品は必要とならず、簡単に遮光手段５による遮光を実現することができる。
また図１０ではマイクロレンズ１４を設けることにより部品点数は増えるが、先の方式に比べ、光利用効率が良い遮光を実現することができる。両構造とも、画像が結像するところに遮光手段を設けることにより、データ更新方向へ移動する遮光を画像に合わせて行うことができる。

本実施例は、ＬＣＯＳに画像データの更新を全画面一斉に行い、全画面分の光を一斉に遮光する遮光手段を備えるプロッタの一例である。図１１、１２は三板式のプロッタで、遮光手段として回転円盤１７を用いたものの構造図である。ここでは回転円盤を遮光手段としているが、他にも液晶シャッタ、光シャッタ、機械的シャッタ等の手段がある。図１１はインテグレータ１１の前段に、集光レンズ１５とインテグレータに垂直な光に戻す為の凸レンズ１６を置き、その間の光が集光する地点に遮光手段である回転円盤１７を設置してある。
図１２はランプのミラーとして回転楕円体ミラー１８を用い、それにより光が集光される地点に遮光手段である回転円盤１７を設置し、その後段にインテグレータに垂直な光に戻す為の凸レンズを配置してある。図１１は集光点を小さく出来る点が利点であり、図１２は部品点数が減らせるのが利点である。
図１３、１４はＬＣＯＳに画像データの更新を全画面一斉に行うものを用い、画像情報に従って光を制御可能な複数の画素から発せられる光線に対して、その光軸をシフトすることにより画素ずらしを行い、表示素子の解像度よりも高い解像度の画像表示が可能である画像表示装置において、データ更新及び、画素ずらしに合わせ、光源からの光を全画面一斉に行う場合のタイミングチャートである。
一斉の遮光方法としては、光源からの光を一点に集光し、物理的に遮光する方法や、液晶シャッタ、光シャッタ等の光路上の光をそれほど集光することなく遮光したり光路を変える方法がある。この時、遮光板として遮光板の光の来る方向をミラーまたはミラー加工し、遮光時の光を照明側に反射するものにすると、遮光した光が光源のミラー側に光軸の対称の光路を辿り戻り、その光は光源のミラーにて反射され再利用されることにより、光利用効率がアップする。
図１３、１４で遮光開始から終了するまでの時間をＴ、データ更新の開始時間をＴ３、終了時間をＴ４、画素ずらしの開始時間をＴ５、終了時間をＴ６とすると、図１３はＴ４−Ｔ３≧Ｔ６−Ｔ５の場合、図１４はＴ４−Ｔ３≦Ｔ６−Ｔ５の場合を表している。データ更新、遮光ともに全画面一斉に行われる為、データの更新に伴う過渡期の画像は全画面で均一の条件で表示されるため、光利用効率を考えた場合、遮光はできる限り短い時間で行うのがよいので、図１３の場合には、画素ずらしの移動期間をデータ更新の過渡期間内にした上で、画像に影響ある移動期間を遮光する。この時に、過渡期間内でも画像表示位置が違わないように移動期間のタイミングを設定する必要がある。
図１４の場合には、データ更新の過渡期間を画素ずらしの移動期間内にした上で、画像に影響ある移動期間を遮光する。図１３、図１４のように遮光を行うことにより、ＬＣＯＳに画像データの更新を全画面一斉を用いた場合、全画面一斉に遮光する方法で光利用効率の低下を押さえた上で、正しい位置へのデータのみ表示した高画質、高解像度の画像表示を実現することができる。

本発明の画像データ更新、画素ずらし、遮光手段のタイミングを示す説明図である。 本発明の更新、ずらし、遮光のタイミングの他の例を示す説明図である。 本発明の遮光手段に使用した回転円盤の概略構造図である。 本発明の遮光手段が回転円盤の場合のタイミングチャートである。 本発明の遮光手段が走査線に平行移動の場合のタイミングチャートである。 本発明の回転運動を行う円盤と遮光板を有する遮光手段の平面及び断面構造図である。 本発明の遮光手段がデータ更新期間中に画素ずらし期間を含めた場合のタイミングチャートである。 本発明の遮光手段がデータ更新がデータ更新に伴う過渡現象期間より長い場合のタイミングチャートである。 本発明の画素ずらし素子と投射レンズ間に遮光手段を備えたプロッタの構造図である。 本発明のＰＢＳ後にマイクロレンズを設け、画像結像位置に遮光手段を備えたプロッタの構造図である。 本発明のフライアイレンズ前段に凸レンズを備え集光位置に遮光手段を設けたプロッタの構造図である。 本発明の、回転楕円体ミラーを使用し集光場所に遮光手段を備えたプロッタの構造図である。 本発明の一斉にデータ更新し画素ずらし後光源の光を一斉に遮光したタイミングチャートである。 本発明の一斉にデータ更新し画素ずらし後光源の光を一斉に遮光した他のタイミングチャートである。

符号の説明

１ 回転円盤
２ モータ
３ 支点
４ 軸
５ 遮光板
６ 円盤
７ 光路
８ 偏光板
９ ランプ
１０ フィルタ
１１ インテグレータ
１２ 画像ずらし素子
１３ 投射レンズ
１４ マイクロレンズ
１５ 集光レンズ
１６ 凸レンズ
１７ 遮光手段
１８ 回転楕円体ミラー

Claims (3)

1. 空間光変調素子として、画像データの更新を走査線順次に行うものを用い、画像情報に従って光を制御可能な複数の画素から発せられる光線に対して、その光軸をシフトすることにより画素ずらしを行う画像ずらし手段を備え、表示素子の解像度よりも高い解像度の画像表示が可能である画像表示装置において、
   前記空間光変調素子のデータ更新のタイミングに画素ずらしのタイミングを合わせ、画素ずらしと画素ずらしのタイミングにより生じた画質劣化の原因となる画像を除去するために、光源からの光をデータ更新と同じ方向に遮光部を走査線に対して略平行に移動して遮光する遮光手段を備え、前記画像データ更新の時間と前記遮光部の移動時間がほぼ同じであり、
   前記遮光手段は、２つ以上の軸を各々支点とし、該各々の支点を中心に回転する複数の円盤と、各円盤上に前記支点から同距離の軸を持ち、前記軸同士を連結した遮光部としての遮光板とを有し、前記遮光板は前記支点間を結んだ線と平行な面を備え、前記円盤が回転することで、前記遮光板が前記支点間を結んだ線と平行に且つ垂直な方向に移動して、前記光源からの光を走査線に平行に順次遮光することを特徴とする画像表示装置。
2. 前記画素ずらし手段と画像表示用投射レンズ間の画像が結像する位置に前記遮光手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
3. 遮光開始から終了するまでの時間Ｔを、データ更新時間Ｔ１、画素ずらし時間をＴ２としたときに、Ｔ≦Ｔ１＋Ｔ２とすることを特徴とする請求項１または２に記載の画像表示装置。

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