JP4731142B2 - カラー表示装置、プロジェクタ及び接眼型表示装置 - Google Patents

カラー表示装置、プロジェクタ及び接眼型表示装置 Download PDF

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Description

本発明はプロジェクタやリアプロジェクションテレビなどのカラー画像表示装置に関する。
プロジェクタのカラー表示方法として現在一般には、以下の二通りの方式が採用されている。
一つの方式は、白色の熱光源から出た光を赤色、緑色、青色の三原色の光に分離して、三枚のライトバルブをそれぞれの色光で照明し、各ライトバルブで変調された光をクロスダイクロイックプリズムのような色合成光学系で合成し、スクリーン上の各画素に三原色の照明光が常時投射され混色される方式である。この方式は、ライトバルブを三枚使うことから、通常「三板式」と呼ばれる。
もう一つの方式は、三原色の光を時間的に分割して順番に投射する時分割混色方式である。この方式は、ライトバルブが一枚で済むことから、通常「単板式」と呼ばれる。
三板式は色分離光学系のスペースを必要とするため、プロジェクタを小型化する上では単板式の方が望ましい。また、三板式は三枚のライトバルブを必要とするため、コスト面からも単板式の方が望ましい。
従来プロジェクタの分野では、単板式にしても三板式の場合と同様に、超高圧水銀灯やキセノンランプ等のいわゆる熱光源ランプが使用されている。熱光源ランプは、その入力電力から光への変換効率の低さから、入力電力が大きい。また、熱光源ランプは、電源とランプ(多くは反射鏡付き)の寸法も大きく、冷却ファンなども必要とする。そのため、熱光源ランプの重量は重く、また、ライトバルブ(特に液晶ライトバルブ)の寿命は熱のために短縮されているといった問題があった。
そこで、近年開発が活発に行われている発光ダイオード(Light Emitting Diode:以下、「LED」という)をプロジェクタ用の光源として採用する案が提案されている。LEDは、一般的に長寿命、高効率、高速応答、単色発光などの利点を有しており、LED素子の明るさの急激な高まりも相俟って、多くの照明分野への応用が期待されている。
LEDをプロジェクタに用いる案(たとえば、特許文献1参照)によると、光源に発光素子アレイを用い、アレイ内の発光素子それぞれがライトバルブ(光変調装置)の光変調領域全体を照明し、高速で三原色の発光素子をオン・オフすることでカラー表示するとある。
たしかに、反射型液晶表示素子や、DMD(Digital Micromirror Device)のようにライトバルブ面上の変調情報を一括で変えることができる単板カラー表示装置(たとえば、特許文献2または3参照)であれば、このような方式のカラー表示は可能である。しかし、現在最も一般的に利用されている透過型のTFT液晶では、このようなカラー表示を行うことができない。
透過型TFT液晶を用いた単板カラー表示を可能とした技術も提案されている(特許文献4または5参照)。特許文献4または5の図3の説明にあるように、TFT液晶を用いた表示装置の分野では、画像情報は行ドライバによって、一行ずつ逐次入力される。したがって、透過型TFT液晶による単板カラー表示を行うには、特許文献4に記載されているように、カラーバンドをライトバルブ上の色情報と同期させて、プリズム手段を回転させることでカラーバンドを逐次移動させる方式(以下、「カラースクロール方式」という)が有効である。
ただし、この方式も前述の熱光源を分光することが前提であり、LED光源を用いる場合には三原色のLEDを用いる方法が望ましい。
しかしながら、三原色のLEDを用いた場合にも、回転プリズム手段はいかにも大型な部品であり、小型化には不向きである。
特開2001−249400号公報 特開2002−244211号公報 特開2003−186110号公報 特許第3352100号明細書 特許第3280984号明細書
本発明は、LED照明によって電源と光源を小型軽量化し、さらに単板式とすることで装置全体の小型化が可能な表示装置を提供することを目的とし、同時に、ライトバルブ・光源ともに長寿命化を図った表示装置を提供することを目的とする。
請求項1記載の発明は、単一のライトバルブと、このライトバルブを照明するための照明系とを有してなり、上記照明系は、赤色、緑色、青色の発光ダイオードを各々少なくとも二つずつと、これらの発光ダイオードから射出された照明光によって上記ライトバルブを複数ライトバンドで照明するレンチキュラーレンズを少なくとも一枚備えていて、上記各ライトバンドには、上記各色の発光ダイオードが少なくとも一つずつ対応していて、上記各発光ダイオードのオン・オフにより上記各ライトバンドの色が切り替わることを特徴とする。
請求項2記載の発明は、請求項1記載の発明において、レンチキュラーレンズに代えてアナモフィックレンズとしたことを特徴とする。
請求項記載の発明は、請求項1または2記載の発明において、異なる色のライトバンド間のライトバンドは、赤色、緑色、青色の発光ダイオードをそれぞれオフすることによって無照明状態とすることを特徴とする。
請求項記載の発明は、請求項1または2記載の発明において、異なる色のライトバンド間のライトバンドは、赤色、緑色、青色の発光ダイオードをそれぞれオンすることによって白色照明状態とすることを特徴とする。
請求項記載の発明は、請求項1または2記載の発明において、赤色、緑色、青色の発光ダイオードそれぞれのオン・オフ信号と、ライトバルブの画素の変調信号を同期させることでカラー表示を行うことを特徴とする。
請求項記載の発明は、ライトバンドにより照射される各ライトバルブ部分をアドレス指定して、この部分に当該ライトバンドの色の画像情報を提供させるとともに、当該ライトバンドをこの情報によって変調させるためのライトバルブ駆動回路を有することを特徴とする。
請求項記載の発明は、請求項1または2記載の発明において、赤色、緑色、青色それぞれの発光ダイオードはアレイ状に配列されていることを特徴とする。
請求項記載の発明は、請求項1または2記載の発明において、赤色、緑色、青色それぞれの発光ダイオードからの赤色、緑色、青色の照明光をそれぞれの入射面に入射し、残り1面の射出面から各色あるいは各色が合成された照明光を射出するクロスダイクロイックプリズムを有することを特徴とする。
請求項記載の発明は、請求項1乃至のいずれかに記載の発明において、発光ダイオードごとに少なくとも一つずつのカップリングレンズを備えることを特徴とする。
請求項10記載の発明は、請求項1乃至のいずれかに記載の発明において、発光ダイオードと照明系を構成するレンズの間に少なくとも一つのマイクロレンズアレイを有することを特徴とする。
請求項11記載の発明は、請求項1乃至10のいずれかに記載の発明において、ライトバルブは透過型液晶素子であることを特徴とする。
請求項12記載の発明は、請求項1乃至10のいずれかに記載の発明において、ライトバルブは反射型液晶素子であることを特徴とする。
請求項13記載の発明は、請求項1乃至10のいずれかに記載の発明において、ライトバルブはデジタルマイクロミラーデバイス(DMD)であることを特徴とする。
請求項14記載の発明は、表示装置により形成される画像を被投射面上に投射表示するプロジェクタであって、表示装置は請求項1乃至13のいずれかに記載のカラー表示装置であることを特徴とする。
請求項15記載の発明は、表示装置により形成される画像を観察するための接眼レンズを有してなる接眼型表示装置であって、表示装置は請求項1乃至13のいずれかに記載のカラー表示装置であることを特徴とする。
本発明によれば、例えば、TFT液晶ライトバルブ、その他のライトバルブと、LED照明を用い、単板のライトバルブでカラー表示が可能であり、なおかつ省電力で光源・ライトバルブともに寿命の長い小型の表示装置を得ることができる。
また、ライトバルブに投影光学系を取り付けることでプロジェクタやリアプロジェクションテレビのような投射型表示装置を得ることができる。
さらに、ライトバルブに接眼光学系を取り付けることで接眼型表示装置を得ることもできる。
以下、図面を参照しながら、本発明にかかるカラー表示装置、プロジェクタ及び接眼型表示装置の実施の形態について説明する。
先ず、本発明にかかるカラー表示装置について説明する。なお、以下の説明では、図1に示すように、横方向をX方向、縦方向をY方向とする。Y方向は、後で説明するようにR,G,BのLEDの配列方向であり、X方向はライトバンドの配列方向である。
図2と図3は、三原色LEDによってカラースクロールを行う本発明にかかるカラー表示装置の実施の形態を示す構成図であり、図2はX断面図、図3はY断面図である。
カラー表示装置は、単一のライトバルブ1と、このライトバルブ1を照明するための照明系とを有してなる。照明系は、照明光源3と、少なくとも一枚のレンチキュラーレンズとを備える。
ライトバルブ1の例としては、透過型液晶素子、反射型液晶素子、DMD(Digital Micromirror Device)があるが、以下の説明ではTFT液晶ライトバルブとする。
照明光源3は、赤色(R)、緑色(G)、青色(B)の発光ダイオード(LED)を各々少なくとも二つずつ備えている。また、各色のLEDはアレイ状に配列されている。すなわち、LEDアレイを構成している。
レンチキュラーレンズ2は、照明光源3を構成するR,G,B各色の発光ダイオードから射出された照明光によってライトバルブ1を複数の色ライトバンドで照明するためのレンズである。
このように、カラー表示装置は、照明光源3からの照明光によってライトバルブ1を照明するように構成されていて、ライトバルブ1は、照明系により複数の色ライトバンドで照明される。より具体的には、上記LEDアレイを構成するR,G,Bのうちの一つのLEDが選択されて発光することにより、そのLEDによる色ライトバンドが形成され、この色ライトバンドでライトバルブ1が照明される。またカラー表示装置は、照明光源3を構成するLEDそれぞれのオン・オフ信号と、ライトバルブ1の画素の変調信号を同期させることでカラー表示を行う。
ここで、カラー表示装置が備えるライトバルブ駆動回路について説明する。このライトバルブ駆動回路は、色ライトバンドにより照射される各ライトバルブ部分をアドレス指定して、この部分に当該色ライトバンドの色の画像情報を提供させるとともに、当該バンドをこの情報によって変調させるためのものである。
図4は、照明されたTFT液晶ライトバルブ1上のライトバンドと各々のライトバンドの色を示している。実施例1では、図3または図4に示すように、TFT液晶ライトバルブ1をY方向に五分割して、五本のライトバンドで照明する。ここで、各色ライトバンドには、照明光源3を構成する各色のLEDが各々少なくとも一つずつ対応している。
照明方法としては、照明系にレンチキュラーレンズを用いることで、図2または図3に示すように赤色、緑色、青色の三LEDが一本のライトバンドに対応しており、X断面においてはテレセントリック照明によってそれぞれのLEDがTFT液晶ライトバルブ1のX方向全体を照明し、Y断面においては焦点ずれのクリティカル照明(この場合には無限遠焦点)によってTFT液晶ライトバルブ1の1/5を照明する。これにより、X方向に並んだ赤色、緑色、青色の三LEDの一セットがそれぞれ一本のライトバンドを形成する。
なお、各色のLEDのオン・オフによって各色ライトバンドの色を切り替えることができる。ここで各LEDは、別々にオン・オフの制御が可能であるため、TFT液晶ライトバルブ1を照明する五本のライトバンドの色は、ライトバンドごとに別々に制御可能である。したがって、逐次LEDのオン・オフを行うことにより、TFT液晶ライトバルブ1のカラースクロール照明が可能となる。
例えば図5に示すNTSC(National Television Standards Committee)方式のようにフィールド周波数60ヘルツ、つまり1/60秒ごとに一コマのカラー画像を作る場合、TFT液晶ライトバルブ1上のライトバンドの色を(1/60)×(1/3)×(1/5)=1/900秒で逐次切り替え、TFT液晶ライトバルブ1の方は(1/60)×(1/3)=1/180秒ごとに各色の画像一コマを作ることでカラー表示を行うことができる。
なお、ライトバンド数を増やし、ライトバルブの照明分割数を増やすことで、よりシームレスなカラースクロールを達成することができる。
また、TFT液晶ライトバルブ1を複数の色ライトバンドで照明する場合、実際にはTFT液晶ライトバルブ1上のライトバンド内において隣り合う色どうしの変調情報が混ざることがある。
そこで、図6に示すように隣り合う色どうしの間のライトバンド(異なる色ライトバンド間のライトバンド)は、無照明状態または白色照明状態にするとよい。無照明状態のライトバンドは、ライトバンドに対応する全LEDをオフにすることで実現できる。また、白色照明状態のライトバンドは、全LEDをオンすることで実現できる。
実施例2は、LED光源数を増やすことで、実施例1に比べてTFT液晶ライトバルブ上の照度を倍加させるものである。
LED光源数を増やすために、照明光源3を構成するLEDアレイの配列数、すなわちX方向のLEDの数を単純に増やしたのでは、照明装置の径方向が大型化されてしまい、また、放熱あるいは光利用効率の面でも望ましいものではない。
そこで、クロスダイクロイックプリズム4の周辺に各色LEDアレイ3とレンチキュラーレンズ2を配置する。図7は実施例2のカラー表示装置のY断面図であり、レンチキュラーレンズ2のテレセントリック照明によってTFT液晶ライトバルブ1のX方向は全域照明される(図示は省略する)。
ここで、クロスダイクロイックプリズム4は、各色LED(2R,2G,2B)からの照明光の入射面(4R,4G,4B)と、ライトバルブ1を照明する照明光を射出する射出面41とを備える。射出面41から射出される照明光は、各色(R,G,B)あるいは各色が合成された照明光である。
なお、図7は、ライトバンドが三本の場合を例として示しているが、LEDアレイのY断面方向の行を増やすことで、よりシームレスなカラースクロールを行うことができる。
また、実施例2においても、各色LEDのオン・オフで各ライトバンドの色を別々に制御可能であることは実施例1と同様である。
実施例3は、実施例1または実施例2よりもさらに光利用効率を上げ、なおかつライトバルブ上の照度ムラを減少させるものである。
図8と図9は、実施例3のカラー表示装置のX断面図とY断面図である。実施例3は、偏向変換素子としてのカップリングレンズ5によってLEDからの光取り出し効率を上げ、なおかつ、マイクロレンズアレイ6を用いることで、TFT液晶ライトバルブ1上での照度ムラを減少させるものである。
図9に示すように、クロスダイクロイックプリズム4の3辺それぞれに、赤(R)のLED3Rが3個、緑(G)のLED3Gが3個、青(B)のLED3Bが3個、X方向に配列されている。符号5Rは各LED3Rに対応するカップリングレンズで、6Rはマイクロレンズアレイ、2Rはレンチキュラーレンズを示す。同様に、5Gは各LED3Gに対応するカップリングレンズで、6Gはマイクロレンズアレイ、2Gはレンチキュラーレンズを示す。同様に、5Bは各LED3Bに対応するカップリングレンズで、6Bはマイクロレンズアレイ、2Bはレンチキュラーレンズを示す。
カップリングレンズ5は、LEDごとに少なくとも一つずつ設ける。また、マイクロレンズアレイ6は、LEDとレンチキュラーレンズ2との間(光路上)に、少なくとも一つ設ける。
実施例3は、実施例1、実施例2と異なり、X、Yの両方向においてケーラー照明を行う。特に、マイクロレンズアレイ6によって光束分割を行うことで、照度ムラを減少させることができる。
各色とも、LEDアレイを構成するLEDの数は3×3=9個であり、実施例2と同様にライトバンドは三本とした。X方向の照明を図8に示すが、理解を容易にするために緑のLEDアレイ3G以外は図示を省略し、なおかつX方向に並ぶLEDのうち、一個のLEDの光線経路だけを示して、各LEDがケーラー照明によってTFT液晶ライトバルブ1のX方向全体を照明することを示した。このような方法で、実施例3においては1/900秒間に、通常三個のLEDが一本のライトバンドを照明する。
実施例4は、レンチキュラーレンズに代えて、アナモフィックレンズを用いる場合である。アナモフィックレンズを用いた場合であっても、レンチキュラーレンズを用いた実施例1から3と同様にカラースクロールを行うことができることを示す。
図10と図11は、実施例3のカラー表示装置のX断面図とY断面図である。図10に示すように、レンズLa,Lbは、X断面においてはTFT液晶ライトバルブ1を各LEDがテレセントリック照明するような屈折力を有し、Y断面においては焦点ずれのクリティカル照明するような屈折力を有している。焦点ずれのクリティカル照明を行うことで、Y断面においてはTFT液晶ライトバルブ1を五分割して照明することができ、前述の実施例1〜3と同様にカラースクロールが可能となる。
なお、焦点ずれクリティカル照明は、光源側・ライトバルブ側共にテレセントリックな光学系であることが望ましい。
次に、これまで説明した本発明にかかるカラー表示装置を適用した画像投射装置や接眼型表示装置について説明する。
図12は、画像投射装置であるプロジェクタの実施の形態を示す光学配置図(Y断面図)であり、10はTFT液晶ライトバルブ、20は照明系を構成するレンチキュラーレンズ、30は照明光源、40はクロスダイクロイックプリズム、11は偏光素子としての偏光ビームスプリッタ、12は投射レンズ、13は被投射面としてのスクリーンを示す。
プロジェクタは、照明光源30から射出された光束をライトバルブ10に照明するための表示装置と、ライトバルブ10上の画像をスクリーン13に投射するための投射光学系とを有してなる。図12に示すプロジェクタを構成する表示装置は、前述の図7に示した、クロスダイクロイックプリズムの周辺に各色LEDアレイとレンチキュラーレンズを配置した実施例2に相当するカラー表示装置を用いたものである。また、投射レンズ12は、投射光学系を構成する光学素子である。
照明光源30から射出された光束は、レンズ20、クロスダイクロイックプリズム40を通過して、偏光ビームスプリッタ11により偏光されてライトバルブ10に照明される。ライトバルブ10で変調された光束は、偏光ビームスプリッタ11を通過して投射レンズ12によりスクリーン13に投射される。このように、プロジェクタは、表示装置により形成される画像を被投射面上に投射する。
このようなプロジェクタの表示装置として、前述の本発明にかかるカラー表示装置を用いることで、プロジェクタの小型化と共に、ライトバルブや光源の長寿命化を図ることができる。
なお、図12は、反射型のライトバルブを用いたプロジェクタを示しているが、本発明にかかる画像投射装置としては、反射型に限らず透過型のライトバルブを備えたものであってもよい。
また、前述の画像投射装置と同様に、接眼型表示装置の表示装置として、本発明にかかるカラー表示装置を用いることもできる。
図13は、接眼型表示装置の実施の形態を示す光学配置図(Y断面図)であり、符号100はライトバルブ、14は接眼レンズを示す。ライトバルブ100は、透過型である。
接眼レンズ14は、表示装置により形成された画像、すなわちライトバルブ100上に表示された画像を観察するためのレンズである。照明光源30から射出された光束は、レンズ20、クロスダイクロイックプリズム40を通過してライトバルブ100を照明する。ライトバルブ100上に表示された画像は、接眼レンズ14の紙面右側に位置する人眼から接眼レンズ14を介して観察される。
このような接眼型表示装置の表示装置として、本発明にかかるカラー表示装置を用いることで、接眼型表示装置の小型化と共に、ライトバルブや光源の長寿命化を図ることができる。
本発明に係るカラー表示装置は、プロジェクタなどの画像投射装置や接眼型表示装置を構成する表示装置に適用することができる。
本発明におけるX方向とY方向について説明する模式図である。 本発明にかかるカラー表示装置の実施の形態を示す光学配置図(X断面図)である。 本発明にかかるカラー表示装置の実施の形態を示す光学配置図(Y断面図)である。 上記カラー表示装置により照明されたライトバルブ上のライトバンドの例を示す模式図である。 上記ライトバンドの色の切り替えについて示す模式図である。 異なる色ライトバンド間を、無照明状態または白色照明状態とすることを示す模式図である。 本発明にかかるカラー表示装置の別の実施の形態を示す光学配置図(Y断面図)である。 本発明にかかるカラー表示装置のさらに別の実施の形態を示す光学配置図(X断面図)である。 本発明にかかるカラー表示装置のさらに別の実施の形態を示す光学配置図(Y断面図)である。 本発明にかかるカラー表示装置のさらに別の実施の形態を示す光学配置図(X断面図)である。 本発明にかかるカラー表示装置のさらに別の実施の形態を示す光学配置図(Y断面図)である。 本発明にかかるプロジェクタの実施の形態を示す光学配置図(Y断面図)である。 本発明にかかる接眼型表示装置の実施の形態を示す光学配置図(Y断面図)である。
符号の説明
1 ライトバルブ
2 照明系を構成するレンズ
3 照明系を構成する照明光源
4 クロスダイクロイックプリズム
5 カップリングレンズ
6 マイクロレンズアレイ
La,Lb レンズ

Claims (15)

  1. 単一のライトバルブと、このライトバルブを照明するための照明系とを有してなり、
    上記照明系は、赤色、緑色、青色の発光ダイオードを各々少なくとも二つずつと、これらの発光ダイオードから射出された照明光によって上記ライトバルブを複数ライトバンドで照明するレンチキュラーレンズを少なくとも一枚備えていて、
    上記各ライトバンドには、上記各色の発光ダイオードが少なくとも一つずつ対応していて、
    上記各発光ダイオードのオン・オフにより上記各ライトバンドの色が切り替わることを特徴とするカラー表示装置。
  2. レンチキュラーレンズに代えてアナモフィックレンズとした請求項1記載のカラー表示装置。
  3. 異なる色のライトバンド間のライトバンドは、赤色、緑色、青色の発光ダイオードをそれぞれオフすることによって無照明状態とする請求項1または2記載のカラー表示装置。
  4. 異なる色のライトバンド間のライトバンドは、赤色、緑色、青色の発光ダイオードをそれぞれオンすることによって白色照明状態とする請求項1または2記載のカラー表示装置。
  5. 赤色、緑色、青色の発光ダイオードそれぞれのオン・オフ信号と、ライトバルブの画素の変調信号を同期させることでカラー表示を行う請求項1または2記載のカラー表示装置。
  6. ライトバンドにより照射される各ライトバルブ部分をアドレス指定して、この部分に当該ライトバンドの色の画像情報を提供させるとともに、当該ライトバンドをこの情報によって変調させるためのライトバルブ駆動回路を有する請求項1または2記載のカラー表示装置。
  7. 赤色、緑色、青色それぞれの発光ダイオードはアレイ状に配列されている請求項1または2記載のカラー表示装置。
  8. 赤色、緑色、青色それぞれの発光ダイオードからの赤色、緑色、青色の照明光をそれぞれの入射面に入射し、残り1面の射出面から各色あるいは各色が合成された照明光を射出するクロスダイクロイックプリズムを有する請求項1または2記載のカラー表示装置。
  9. 発光ダイオードごとに少なくとも一つずつのカップリングレンズを備える請求項1乃至のいずれかに記載のカラー表示装置。
  10. 発光ダイオードと照明系を構成するレンズの間に少なくとも一つのマイクロレンズアレイを有する請求項1乃至のいずれかに記載のカラー表示装置。
  11. ライトバルブは透過型液晶素子である請求項1乃至10のいずれかに記載のカラー表示装置。
  12. ライトバルブは反射型液晶素子である請求項1乃至10のいずれかに記載のカラー表示装置。
  13. ライトバルブはデジタルマイクロミラーデバイス(DMD)である請求項1乃至10のいずれかに記載のカラー表示装置。
  14. 表示装置により形成される画像を被投射面上に投射表示するプロジェクタであって、
    上記表示装置は請求項1乃至13のいずれかに記載のカラー表示装置であることを特徴とするプロジェクタ。
  15. 表示装置により形成される画像を観察するための接眼レンズを有してなる接眼型表示装置であって、
    上記表示装置は請求項1乃至13のいずれかに記載のカラー表示装置であることを特徴とする接眼型表示装置。
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