JP5409192B2 - 投射型表示装置 - Google Patents

Description

本発明は投射型表示装置に関し、画像表示手段で表示された互いに異なった色光の複数の画像を投射レンズによってスクリーン上に拡大投射するプロジェクターに好適なもので
ある。

投射型表示装置としてのプロジェクターでは、例えばライトバルブ上に表示されたパソコン・ビデオなどの画像を投射レンズによってスクリーン上に大画面で拡大投射する。

近年、プロジェクターは、例えば大講堂での据付設置から家庭での映画鑑賞まで利用シーンが大幅に広がってきている。このためプロジェクターの新たな性能としてプロジェクターの設置の自由度がある。この設置の自由度を高める手段の一つとして、例えば投射レンズを特定の方向へシフトさせる方法がある。これは投射レンズをライトバルブの面法線と投射レンズの光軸が平行状態を維持したままシフトさせる方法である。これによってプロジェクターの設置場所を変えることなく投射像の位置をシフトさせることができる。

投射レンズをシフトすると、投射レンズのシフトに伴って色むらが発生する。この色むらの課題を解決した投射型表示装置が種々と提案されている（特許文献１参照）。

特許文献１の投射型表示装置は、投射レンズのシフトに伴って生じる色むらの変化をメモリに格納された補正データでシフト位置に応じて補正している。具体的には、スクリーン上に投影された映像を複数の領域に分割し、分割したすべての領域（測定ポイント）の照度や色度を撮像装置で撮影することにより測定する。その測定したポイント間での照度
や色度の差が小さくなるように、パネルの駆動レベルを変える発明が開示されている。

特開２００３−１８５０２号公報

しかしながら、特許文献１においては、投射レンズのシフトに伴って生じる各色間の色ずれ、つまり、各色間の投射像（画素）の位置ずれは補正することができないという問題があった。各色間の投射像（画素）の位置ずれの問題とは、投射レンズの倍率色収差に起因してスクリーン上に投射された各色の投射像の大きさが微小に異なるために各色の投射像が完全に重ならない、という問題である。

本発明はレンズシフト機構を有した投射型表示装置において、レンズシフトを行った際に生じる各色間の投射像（画素）の位置ずれを補正することができ、全てのシフト位置で色ずれの少ない解像感の高い画像を表示できる投射型表示装置の提供を目的とする。

本発明の投射型表示装置は、互いに異なる色に対応する画像を表示する画像表示手段と、前記画像表示手段に表示された画像をスクリーン上に投射する投射レンズと、前記投射レンズを、その光軸と垂直な方向にシフトさせるレンズシフト機構と、を備えた投射型表示装置において、前記投射レンズのシフト量を検出するレンズシフト量検出手段と、前記投射レンズのシフト量に応じて、前記互いに異なる色に対応する画像の、前記スクリーン上での位置ずれを低減する色ずれ補正手段とを備え、前記画像表示手段は、互いに異なる複数の色に対応する複数の画像表示素子を有しており、前記色ずれ補正手段は、前記複数の画像表示素子のうち、少なくとも１つの画像表示素子を移動させる機構を有することを特徴としている。
また、本発明の異なる投射型表示装置は、互いに異なる色に対応する画像を表示する画像表示手段と、前記画像表示手段に表示された画像をスクリーン上に投射する投射レンズと、前記投射レンズを、その光軸と垂直な方向にシフトさせるレンズシフト機構と、を備えた投射型表示装置において、前記投射レンズのシフト量を検出するレンズシフト量検出手段と、前記投射レンズのシフト量に応じて、前記互いに異なる色に対応する画像の、前記スクリーン上での位置ずれを低減する色ずれ補正手段とを備え、前記画像表示手段は、互いに異なる複数の色に対応する複数の画像表示素子を有しており、前記色ずれ補正手段は、前記投射レンズと、前記複数の画像表示素子のうちの少なくとも一つの画像表示素子との間に移動可能な光学部材を有することを特徴としている。

本発明によればレンズシフト機構を有した投射型表示装置において、レンズシフトを行った際に生じる各色間の色ずれを補正することができ、全てのシフト位置で色ずれの少ない解像感の高い画像を表示できる投射型表示装置を達成することができる。

本発明の参考例の投射型表示装置の要部構成図 本発明の参考例の色ずれ補正の効果を示す図 本発明の実施例１における色ずれ補正の概念図 本発明の実施例１による色ずれ補正の効果を示す図 本発明の実施例２における色ずれ補正の概念図 Ｇ色光に対するＲ色光の倍率色収差図 補正手段のない場合にシフト０％で色ずれ調整した場合の説明図

以下に、本発明の参考例および実施例を添付の図面に基づいて詳細に説明する。
［参考例］
図１は本発明の参考例の投射型表示装置の要部概略図である。同図において、１、２各々順にＧ（緑色）用、Ｒ（赤色）用の画像表示素子(液晶表示素子）としてのライトバルブであり、光源手段（不図示）からの光束を映像信号に基づいて光変調している。ライトバルブ１，２は、各々互いに異なる色に対応する画像を表示する画像表示手段の一部を構成している。ライトバルブは、ＰＣ（コンピュータパソコン）、ビデオなどの外部入力機器の信号に応じて映像光を発する。

ライトバルブの種類としては自ら発光して映像光を射出する有機ＥＬなどの自発光型の素子や、光源を別に用意しその光を透過または反射させる際に光変調を行う液晶パネルやマイクロミラーデバイスなどの他光源型の素子などがある。他光源型の素子の場合はライトバルブ以外に光源や照明光学系などが別途必要となる。

なお、一般的な投射型表示装置（プロジェクター）のライトバルブは、Ｒ、Ｇ、Ｂの複数（３つ）の原色毎に存在しているが、本参考例では説明を簡単にするためにＲ用とＧ用の２つのライトバルブについて説明する。Ｇ用及びＲ用のライトバルブ１，２は、それぞれ外部の入力信号に応じて映像光を発する。各々のライトバルブ１，２から射出した光は、色合成素子３によって光路合成され、投射レンズ４に入射した後、画面であるスクリーン上（不図示）に合成映像として拡大投射される。そして、複数の原色（Ｒ，Ｇ）によってスクリーン上（不図示）に画像が拡大表示される。

３は色合成手段(色合成素子)であり、例えばダイクロイックミラーや偏光ビームスプリッターなどより成っている。４は投射レンズであり、色合成手段で合成されたＲ色とＧ色の映像光をスクリーン上に拡大投射している。投射レンズ４は、その光軸に対して垂直な方向（Ｙ方向）にシフト可能である。

図６は投射レンズにおける倍率色収差の一例で、Ｇ色に対するＲ色の倍率色収差図である。ただし、説明を簡略化するため縦軸の倍率色収差をライトバルブの画素単位で示し、横軸の像高は図１のＹ方向で示している。

５はレンズシフト機構であり、投射レンズ４に備えられており、その光軸Ｌとライトバルブの表示面の法線Ｔとが平行状態を維持するように移動（シフト）している。投射レンズ４は、その光軸に対して垂直な方向（Ｙ方向）にシフト可能である。レンズシフト機構５は、この投射レンズをその光軸Ｌがライトバルブの中心から伸びる法線に対して常に平行な状態を保ちつつ（Ｙ方向に）シフトさせることが望ましい。６はレンズシフト量検出手段としてのシフト検出部であり、レンズシフト機構５と連動されており、投射レンズ４の上下方向のシフト量（シフト位置）を検出し、後述する補正部７にそのシフト量を伝達している。

ここでシフト量とはライトバルブの高さ（側面から見た断面なので４：３アスペクト比であれば縦３の断面）をＨ、投射レンズ４の光軸Ｌの法線Ｔからの移動距離をＶとするとき、
シフト量（％）＝Ｖ／Ｈ×１００ ‥‥(ａ)
で表される。

但し、移動距離Ｖは、法線Ｔに対して図の上方向が＋（プラス）、図の下方向が−（マイナス）である。例えば、レンズシフト機構５が投射レンズ４を、その光軸Ｌがライトバルブの上端位置まで移動したとすれば、Ｖ＝＋Ｈ／２となり、シフト量は＋５０％となる。

なお、以下、投射レンズのシフト量が＋５０％のときは「＋５０％シフト」、シフト量が０％のときは「０％シフト」、シフト量が−５０％のときは「−５０％シフト」と称す。

補正部７には、投射レンズ４のシフト位置に応じたＲ用のライトバルブ２の画像の表示位置ずらし量が記憶されており、シフト位置の変化に応じて画像の表示位置を色ずれ補正手段としてのライトバルブ駆動回路(機構）８に連絡している。ライトバルブ駆動回路８は、Ｇ用、Ｒ用のライトバルブ１，２とつながっており、投射レンズ４の上下方向（他の方向でも構わない）のシフト量に応じて複数のライトバルブ１，２の画像の表示位置を異ならしめている。

本参考例では、ライトバルブ駆動回路８が、補正部７からの情報に基づいて電子的にＲ用のライトバルブ２の画像の表示位置をずらし、スクリーン上の複数のライトバルブの投射像の間に生じる位置ずれ（色ずれ）を低減している。本参考例では、＋５０％シフト位置(シフト量）においてＧ用のライトバルブ１にＲ用のライトバルブ２が画面中央で色ずれがなくなるよう色ずれ補正手段により電子的に位置調整がなされている。このときの色ずれ補正量は０画素である。この状態のＲ画像とＧ画像の画素の位置関係を図２（ａ）に示す。図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）において、Ｒ，Ｇは各々Ｒ画像とＧ画像の一画素に相当するスクリーン上における投射像である。

一方、−５０％シフト位置のときは色ずれ補正量が１画素となり、Ｒ画像の表示位置を１画素上にずらすことで画面中央のＲ画像とＧ画像の画素ズレを０にしている。この状態を示したのが図２（ｃ）である。ただし、このような電子的な画素ズレ補正は１画素単位でしかすることができないので図２（ａ）、（ｃ）の状態から外れた位置では少しずつ画面中央で色ズレを生じることになる。最も顕著なのが図２（ｂ）の０％シフト位置の状態であって、このとき画面中央で０．５画素の色ズレを生じてしまう。しかし、前述のとおり、０％シフトは、使用用途が特殊であるため使用頻度が低く、したがって色ずれは、ある程度は許容される。

本参考例ではライトバルブの中心に対して投射レンズを、その光軸が特定の方向にシフトした状態（＋５０％シフト）において、複数のライトバルブのスクリーンにおける複数の投射像の間に生じる位置ずれをスクリーンの中心に投射される投射像で補正する。つまり、複数のライトバルブの投射像の表示位置を調整している。また、上記特定の方向と反対の方向にシフトした状態（−５０％シフト）においても、複数のライトバルブのスクリーンにおける複数の投射像の間に生じる位置ずれの補正をスクリーンの中心に投射される複数の投射像が一致するようにしている。つまり、複数のライトバルブの投射像の表示位置を上述した色ずれ補正手段にて調整している。
［比較例］
参考例の比較例として、色ずれ補正を行わない従来の投射型表示装置について説明する。

図７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ図６で示した倍率色収差性能を持つ投射レンズを使って０％シフトでＲ色とＧ色の画面（スクリーン）中央(中心)での画素ズレが０になるよう調整した場合を示した図である。同図（ａ）が＋５０％シフト、同図（ｂ）が０％シフト、同図（ｃ）が−５０％シフトのそれぞれの状態におけるＲ色（実線）とＧ色（点線）の投射像（画素）の位置関係（色ずれ）を示している。

シフト量は、ライトバルブの高さをＨ、投射レンズ４の光軸Ｌの法線Ｔからの移動距離をＶとするとき、
シフト量（％）＝Ｖ／Ｈ×１００ ‥‥(ａ)
で表されることとする。但し、移動距離Ｖは、法線Ｔに対して図の上方向が＋（プラス）、図の下方向が−（マイナス）である。例えば、投射レンズ４を、その光軸Ｌがライトバルブの上端位置まで移動したとすれば、Ｖ＝＋Ｈ／２となり、シフト量は＋５０％となる。

図７（ｂ）のシフト位置では画面中央でＧ色とＲ色の投射像（画素）のズレがなくなり最も解像感が得られる。なぜなら、投射画像においては視聴者の視線は主に画面中央にあるため、画面中央の投射像のズレを低減した状態が最も解像感があることになるからである。しかしながら、このとき、同図（ａ）や同図（ｃ）の状態では画面中央での投射像は０．５画素の画素ズレが発生しているだけでなく、画面の上端または下端で完全にＲ色の画素とＧ色の画素が分裂してしまっており、解像感は同図（ｂ）に比べると大きく劣化する。またリア投射などの特殊な用途を除くとスクリーン前面にプロジェクター本体があることは視聴環境的に好ましくない。つまり、プロジェクターは、一般的には５０％シフト或いは−５０％シフトなどのように、シフト可能な最大の量をシフトさせた状態で使用される頻度が高くなる。従って、０％シフト時（図７（ｂ））の色ずれ量の低減と同等かそれ以上に、５０％シフト時や−５０％シフト時の色ずれ量を低減することが望ましい。

これに対して本参考例の投射型表示装置では、レンズシフト量検出手段で投射レンズのシフト量を検出する。そしてレンズシフト量検出手段で得られる投射レンズのシフト量に応じて、ライトバルブに表示された画像の各原色に基づくスクリーン上での投射像の位置ずれを色ずれ補正手段を用いて低減している。
［実施例１］
図３（ａ），（ｂ），（ｃ）は各々本発明の実施例１の投射型表示装置における色ずれ補正の概念図であり、それぞれ順に投射レンズ４が＋５０％シフト、０％シフト、−５０％シフトしているときを示している。同図（ａ），（ｂ），（ｃ）において、前記図１に示した要素と同一要素には同符番を付している。

本実施例において前述の参考例と異なる点は、色ずれ補正手段が、複数の原色用のライトバルブのうち、少なくとも１つのライトバルブを、その法線と直交する方向(光軸と直交する方向）に移動させていることである。この他の構成及び光学的作用は参考例と略同様であり、これにより同様な効果を得ている。

本実施例では参考例と同様に投射レンズのシフト位置（シフト量）に応じて、画像表示手段を構成する複数のライトバルブのスクリーン上における複数の投射像の間に生じる位置ずれ（色ずれ）を低減している。具体的にはＲ用のライトバルブ２を、その法線と直交する方向に微小移動させている。

例えば同図（ｂ）に示す０％シフトにおいては、Ｇ用のライトバルブ１にＲ用のライトバルブ２が画面中央で色ずれがなくなるよう、Ｒ用のライトバルブ２の位置を０．５画素分、図中矢印の方向へ物理的に移動させている。また、同図（ｃ）に示す−５０％シフトにおいては、Ｇ用のライトバルブ１にＲ用のライトバルブ２が画面中央で色ずれがなくなるよう、Ｒ用のライトバルブの位置を１．０画素分、図中矢印の方向へ物理的に移動させている。これによって図４（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように全ての投射レンズ４のシフト位置で画面中央の色ずれを０にしている。図４（ａ），（ｂ），（ｃ）は、各々本実施例による色ずれ補正の効果を示す図である。

本実施例において、投射レンズ４の任意のシフト位置における色ずれ量をΔとするとき、
Ｒ用のライトバルブの補正シフト量＝Δ
となる。

なお、本実施例では、投射レンズのレンズシフト量に応じて、Ｒ用のライトバルブ２を投射像の位置が色ずれを補正するように移動したが、これに限ることはない。例えばＲ用のライトバルブ以外の少なくとも一つの原色用のライトバルブ、もしくは全てのライトバルブが投射レンズのレンズシフト量に応じて互いにその色ずれを補正するように移動するようにしても良い。
［実施例２］
図５（ａ），（ｂ），（ｃ）は各々本発明の実施例２の投射型表示装置における色ずれ補正の概念図であり、それぞれ順に投射レンズ４が＋５０％シフト、０％シフト、−５０％シフトしているときを示している。同図（ａ），（ｂ），（ｃ）において、前記図１に示した要素と同一要素には同符番を付している。

本実施例において前述の参考例と異なる点は、投射レンズ４と、画像表示手段を構成する複数のライトバルブのうちの少なくとも一つのライトバルブとの間に色ずれ補正手段としての駆動可能な光学部材１１を配置したことである。この他の構成及び光学的作用は参考例と略同様であり、これにより同様な効果を得ている。

つまり、図５（ａ），（ｂ），（ｃ）において、１１は駆動可能な光学部材であり、平行平板ガラス（色ずれ補正ガラス）より成っており、本実施例では、色合成素子３とＲ用のライトバルブ２との間に配置されている。

本実施例では前述の参考例と同様に投射レンズのシフト位置（シフト量）に応じてＲ用のライトバルブ２と色合成素子３との間に配置された平行平板ガラス１１をＲ用のライトバルブ２の素子面に対して、その傾きを任意に変える。

その傾きによって、任意の厚さを有した平行平板ガラス１１を通過した光は光路シフトされるため光路シフトに応じて色ずれ補正を行うことが可能である。具体的にはＲ用のライトバルブ２の素子面に対して、平行平板ガラス１１の傾きをθ、平行平板ガラス１１の材料の屈折率をＮ、その厚さをｄとするとき、光路シフト量は、
光路シフト量＝ｄ（1―1/N）tanθ
で表わされる。例えばライトバルブの画素のピッチをｐとし、Ｇ色とＲ色の色ずれ量がｓ発生しているとき、これをＲ光路に配置した平行平板ガラス１１だけで補正する場合、
θ＝tan^-1(ｓ/d(1-1/N)) ‥‥(1)
だけ平行平板ガラス１１をＲ用のライトバルブ２の素子面に対して傾けることで色ずれを補正することができる。

さらに具体的には、ｐ＝0.010mm、ｓ＝0.5画素、ｎ＝1.5、ｄ＝１mmとするとき、
θ＝0.859°
となる。上記関係式(1)から容易に分かるように厚い平行平板ガラスほどその傾き角θを緩くすることが可能である。ただし、厚い平行平板ガラスをライトバルブと色合成素子との間に配置する場合、投射レンズのバックフォーカスを伸ばすことになる。これは、投射レンズの設計が難しくなってくる。逆に平行平板ガラスの厚さが薄すぎる場合は、傾き角θを大きくとる必要があり、やはり投射レンズのバックフォーカスの伸長につながる。したがって補正量を極端に大きくすることはできない。

そこで、本実施例では、平行平板ガラス１１の最大傾き角をθｍａｘとするとき
０．１ｐ＜ｄ（１−１／Ｎ）tanθｍａｘ＜３ｐ ‥‥(2)
なる条件を満足するように、平行平板ガラス１１の板厚ｄや最大傾き角θｍａｘ、及びその材料の屈折率Ｎを選択している。

さらに好ましくは、上記条件式(2)を
０．３ｐ＜ｄ（１−１／Ｎ）tanθｍａｘ＜１．５ｐ ‥‥(2ａ)
なる条件を満足するように、各要素を設定することにより、投射レンズのバックフォーカス伸長を抑えることができる。

本実施例において前述の参考例と比較して優れている点は、色ずれ補正を連続的に行うことができる点である。これによって図４（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように全てのシフト位置で画面中央の色ずれを０にすることが可能である。

なお、本実施例では投射レンズ４とＲ用のライトバルブ２との間に平行平板ガラス１１を配置したが、これに限定されることはない。例えば投射レンズ４とＲ用のライトバルブ２以外の少なくとも一つの原色用のライトバルブとの間、もしくは投射レンズ４と全てのライトバルブとの間に平行平板ガラスを配置しても良い。

以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されないことはいうまでもない。例えばシフト検出部６は、シフト機構５と必ずしも連動している必要はなく、投射された画面をカメラで取り込んでシフト位置を判断するなど異なる手段でシフト位置を検出してもかまわない。また、各実施例では簡単のため投射レンズの上下方向のみの例を説明したが、これに限るものではなく、左右方向、斜め方向についても前述した同様の手段で補正が可能である。色ずれ補正を行う色についても各実施例中ではＲ色で補正を行っているが、他の色（Ｇ色やＢ色）や全ての色で補正を行っても同様に可能である。

また、参考例の電子的な色ずれ補正手段は、例えば画像表示手段として１枚のライトバルブを用い、それを時分割に用いて各色の画像を表示するような方式でも実現可能である。また、実施例２の色ずれ補正手段は、例えばクサビ状のガラスや反射ミラー等でも可能である。また実施例２は、Ｒ色だけで補正するのでなくＲ色とＧ色で補正量をシェア(分配）することで、傾き角θを押さえる工夫も可能である。要するにここで述べられている各実施例は本発明の要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

１ Ｇ用の画像表示素子（ライトバルブ）
２ Ｒ用の画像表示素子（ライトバルブ）
３ 色合成素子
４ 投射レンズ
５ レンズシフト機構
６ レンズシフト量検出手段
７ 補正部
８ 色ずれ補正手段

Claims (3)

1. 互いに異なる色に対応する画像を表示する画像表示手段と、前記画像表示手段に表示された画像をスクリーン上に投射する投射レンズと、前記投射レンズを、その光軸と垂直な方向にシフトさせるレンズシフト機構と、を備えた投射型表示装置において、前記投射レンズのシフト量を検出するレンズシフト量検出手段と、前記投射レンズのシフト量に応じて、前記互いに異なる色に対応する画像の、前記スクリーン上での位置ずれを低減する色ずれ補正手段とを備え、
   前記画像表示手段は、互いに異なる複数の色に対応する複数の画像表示素子を有しており、前記色ずれ補正手段は、前記複数の画像表示素子のうち、少なくとも１つの画像表示素子を移動させる機構を有することを特徴とする投射型表示装置。
2. 互いに異なる色に対応する画像を表示する画像表示手段と、前記画像表示手段に表示された画像をスクリーン上に投射する投射レンズと、前記投射レンズを、その光軸と垂直な方向にシフトさせるレンズシフト機構と、を備えた投射型表示装置において、前記投射レンズのシフト量を検出するレンズシフト量検出手段と、前記投射レンズのシフト量に応じて、前記互いに異なる色に対応する画像の、前記スクリーン上での位置ずれを低減する色ずれ補正手段とを備え、
   前記画像表示手段は、互いに異なる複数の色に対応する複数の画像表示素子を有しており、前記色ずれ補正手段は、前記投射レンズと、前記複数の画像表示素子のうちの少なくとも一つの画像表示素子との間に移動可能な光学部材を有することを特徴とする投射型表示装置。
3. 前記光学部材は、平行平板ガラスより成り、前記画像表示素子の画素のピッチをｐ、前記平行平板ガラスの材料の屈折率、厚さ、前記画像表示素子の素子面に対しての最大傾き角をそれぞれ順にＮ、ｄ、θｍａｘとするとき、
   ０．１ｐ＜ｄ（１−１／Ｎ）tanθｍａｘ＜３ｐ
   なる条件を満足するように駆動されることを特徴とする請求項２に記載の投射型表示装置。