JPH10260375A

JPH10260375A - 液晶プロジェクタおよびその駆動方法

Info

Publication number: JPH10260375A
Application number: JP9244323A
Authority: JP
Inventors: Yoshimoto Ishikawa; 善元石川; Tetsuo Sugano; 哲男菅野
Original assignee: APTY KK; International Business Machines Corp
Current assignee: APTY KK; International Business Machines Corp
Priority date: 1997-01-17
Filing date: 1997-09-09
Publication date: 1998-09-29
Also published as: US6020940A

Abstract

(57)【要約】【課題】新単板方式を基本としつつ、色順次方式の利点
を取り入れ、これら両方式を融合して、解像度、輝度が
良好な液晶プロジェクタ方式を考案すること。【解決手段】白色光を発する光源と、白色光を複数の色
の光束に分解する分離機構と、光束に光学的な変調を与
える液晶パネルと、光束を液晶パネルのそれぞれの画素
に収束して入射するレンズ機構と、液晶パネルから出射
した光束を拡大投影する機構と、光束の液晶パネルの入
射位置を画素のピッチの整数倍分移動する移動機構と、
を有する液晶プロジェクタ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本願発明は液晶セルを光学的
変調手段として用いたプロジェクタ（液晶プロジェク
タ）に関するものである。本願発明は特に、液晶パネル
を一枚のみ用いカラー表示を行う液晶ライトバルブ（単
ライトバルブ式液晶プロジェクタ）と呼ばれるものに関
する。

【０００２】

【従来の技術】テレビジョン等の画像を投影して拡大表
示する装置としては長年の間ＣＲＴ方式が用いられてき
た。これに対して液晶プロジェクタを用いてかかる画像
を表示する方式がある（液晶プロジェクタ方式）。液晶
プロジェクタ方式はＣＲＴ方式と比べて、色の再現範囲
が広く、小型化・軽量化が容易であり、コンバージェン
スの調整等が不要である、等の優れた特性を有してい
る。

【０００３】一方において、液晶プロジェクタ方式はＣ
ＲＴ方式に比べて輝度が小さい、動画表示特性が劣ると
いう表示特性上の欠点の他に、コストが高いという商業
的な欠点があった。しかし、液晶プロジェクタ方式によ
れば画面上で均一な輝度が得られる、画面のちらつきが
少ない等の表示特性上の利点があることも否めない。こ
のような両方式の比較の中で、最も問題視されるのが液
晶プロジェクタ方式のコストであった。コストの問題は
液晶プロジェクタの輝度を向上させることとも関連す
る。つまり、液晶素子自体は発光しないので、別途光源
を設ける必要があるが、高輝度の光源はそれだけコスト
も高く、また、大型化するので液晶プロジェクタ方式の
利点を生かせなくなる。

【０００４】これに加えて、液晶素子自体のコストも問
題となっている。液晶プロジェクタ方式でカラー表示を
行う際に、例えば、液晶ライトバルブと呼ばれるような
液晶パネルを３枚使用する方式がある（三板式）。この
方式は３枚の液晶パネルのそれぞれに赤色光（Ｒ）、緑
色光（Ｇ）、青色光（Ｂ）を入射し、これらの液晶パネ
ルによって変調された光を光学的に重ね合わせて一つの
フルカラー画像を得るという方式である。しかし、この
方式によれば液晶パネルを３枚使用することから深刻な
コストの問題を生じるし、また、液晶プロジェクタ方式
の本来的な利点である小型・軽量性を犠牲にすることに
なりかねない。

【０００５】そこで、近年では一枚の液晶パネルのみを
用いてカラー表示を行う方式（単板式）が主流になりつ
つある。単板式の液晶表示装置、あるいは、液晶プロジ
ェクタの代表的なものは特開昭５９−２３０３８３号公
報に開示されているように、いわゆるモザイク状、スト
ライプ状等の３原色カラーフィルタパターンを備えた液
晶表示パネルに、光学系により白色光を照射する構造を
とる。しかし、この方式によれば、光が全てカラーフィ
ルタを通過するので、白色光源から出射される光のうち
のおよそ三分の一しか利用しないことになる。そこで、
単板式で三板式なみの輝度を得るためには、３倍以上明
るい光源を使用する必要があるが、装置の大型化、重量
化、高コスト化を引き起こすという問題があった。液晶
プロジェクタ方式にとってこのような光利用効率の低下
は輝度の面のみならず、コスト等の面でも致命的であ
る。

【０００６】上述した輝度（光利用効率）の問題を解決
した単板式の液晶プロジェクタ方式が特開平４−６０５
３８号公報に開示されている。この方式ではカラーフィ
ルタを除去することに成功し、カラーフィルターによる
光の吸収を皆無にしている。この方式によれば、光の進
行方向に対して微妙に異なった角度で配置された複数の
ダイクロイックミラーに白色光を照射して、Ｒ、Ｇ、Ｂ
の光束に分割し、これらＲ、Ｇ、Ｂの光束をマイクロレ
ンズアレイを介して光束ごとに異なる位置で液晶パネル
の光入射面に入射するものである（新単板方式）。本願
発明は新単板方式に係わる液晶プロジェクタを基礎とし
て、これを改良した発明である。

【０００７】新単板方式の液晶プロジェクタについて図
３を用いて詳しく説明する。白色光は光源１から発せら
れ、コンデンサレンズ３によって略平行な光線とされ
る。白色光はその後角度が微妙に異なる３つのダイクロ
イックミラー５によって方向を変えて液晶パネル９の位
置する方向に反射される。ダイクロイックミラー５は白
色光をＲ、Ｇ、Ｂの各色に分離するとともに、分離した
各色光を微妙に異なった方向を有する３つの方向に反射
する機能を有する。例えば、Ｒに係わるダイクロイック
ミラー５_Rは図中θ＝４４．５°に配置され、Ｇに係わ
るダイクロイックミラー５_Gはθ＝４５°に配置され、
Ｂに係わるダイクロイックミラー５_Bはθ＝４５．５°
に配置されている。これらのダイクロイックミラー５で
分解された光はレンズアレイ７を介して、液晶パネル９
の光入射面の法線に対して微妙に異なった角度（例え
ば、−１°、０°、１°）で入射する。

【０００８】この詳細を示すために図３の点線部２０の
拡大図を図４に示す。液晶パネル９に対して入射する複
数の色ごとの光束に分離された白色光は液晶パネルのセ
ルピッチの略３倍のピッチの凹凸を有するレンズアレイ
７を通過する。レンズアレイ７の焦点は液晶パネル９の
光入射面にあわせてあり、液晶パネル９の光入射面上で
複数の光束は焦点を結び、それぞれＢ、Ｇ、Ｒの順に縞
を作る。この縞の位置に対応して液晶パネルの一つの画
素を形成すると、画素ごとに透過率を制御することによ
り、一枚の液晶パネルでカラー表示を行うことが可能と
なる。

【０００９】図３に戻ると、このように液晶パネル９で
画素ごとに変調を受けた光は液晶パネルを制御された透
過率で透過し、フィールドレンズ１１によって収束を受
けた後に、投射レンズ１３によって拡大されてスクリー
ン１５に投影される。

【００１０】かかる新単板方式はカラー表示を行うに際
してカラーフィルタを除去することにより高輝度を実現
できるという点で画期的なものである。しかし、単板式
と同様に液晶パネルの３つの画素によって一つのカラー
画素を構成するために、三板式に比べて液晶パネル自体
の解像度を３倍に高めなければならないという問題があ
った。例えば、新単板方式ではＶＧＡの横６４０ドッ
ト、縦４８０ドットのカラー表示には９２万セルを有す
る液晶パネルが必要であるが、このような液晶パネルは
極めて高価となる上に、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）や
配線の占める割合が高くなるために開口率が低くなり、
投射画面が暗くなる。この問題を解決しようとすると、
パネルの大型化を図ることになるが、レンズ、ミラーの
周辺部品の大型化により、軽量・小型という液晶プロジ
ェクタ本来の利点を殺してしまうことになる。

【００１１】新単板方式のこのような欠点を解消するた
めに、解像度を上げることなく、一枚の液晶パネルでカ
ラー表示を実現する方法としては、近年開発された強誘
電性液晶などの高速応答性液晶材料を用いた液晶パネル
を用いた図５のような構造のものが考えられる。この方
式はダイクロイックミラーを複数用いることによって色
を分離するのではなく、回転カラーフィルタ１７に白色
光を通過させることによって色を分離し、液晶パネル９
の一画素を順次Ｒ、Ｇ、Ｂ各色に使用する方式（色順次
方式）である。この方式では液晶パネル一画素で一つの
カラー画素を目の残像による錯覚を利用して作り出すの
で、新単板方式のような解像度の問題は生じない。な
お、図３において説明した他の構成部品については基本
的には同様の機能を有するので、同一の付番を付した。

【００１２】確かに色順次方式によれば、新単板方式に
比べて解像度が向上し、また、装置の大型化、高コスト
化の問題は少ない。しかし、色の分離のためにカラーフ
ィルタを用いているので、旧単板方式の欠点である輝度
が低いという問題を抱えることになる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、現在知
られている液晶プロジェクタの各方式は解像度、輝度の
いずれかの点で問題があり、これらを全て満たす方式は
知られていない。本願発明では新単板方式を基本としつ
つ、色順次方式の利点を取り入れ、これら両方式を融合
して、解像度、輝度が良好な液晶プロジェクタ方式を考
案することを課題とする。より具体的に言うと、本願発
明の第一の目的は新単板方式の液晶プロジェクタにおい
て一つの画素で複数の色を順次表現できるようにして、
高解像度を有する液晶プロジェクタを提供することであ
る。また、本願発明の第ニの目的は色順次方式の液晶プ
ロジェクタにおいてカラーフィルタを除去し、輝度の高
い液晶プロジェクタを提供することである。本願発明の
第三の目的は高輝度、高解像度を実現しつつ、液晶プロ
ジェクタ方式の利点である小型・軽量性を損なわない液
晶プロジェクタを提供することである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本願発明の上述した課題
は、白色光を発する光源と、白色光を複数の色の光束に
分解する分離機構と、光束に光学的な変調を与える液晶
パネルと、光束を液晶パネルのそれぞれの画素に収束し
て入射するレンズ機構と、液晶パネルから出射した光束
を拡大投影する機構と、光束の液晶パネルの入射位置を
画素のピッチの整数倍分移動する移動機構と、を有する
液晶プロジェクタによって解決することができる。

【００１５】このときに、移動機構として好適な例はレ
ンズ機構と接続され、レンズ機構を液晶パネルの光入射
面と平行な方向に移動する作用を有するものである。ま
た、移動機構はそれぞれの画素に出現する色が時間的に
均等になるように制御して光束の液晶パネル上への入射
位置を移動することが望ましい。この移動機構の位置は
移動機構に接続された制御回路から発せられる位置制御
信号によって規定され、液晶パネルの画素ごとの透過率
は制御回路から発せられる透過率制御信号によって規定
される。制御回路は位置制御信号と透過率制御信号とを
同期することによってまとまりのある画像を作り出す。

【００１６】

【発明の実施の形態】本願発明の一つの実施の形態を図
１に示す。従来技術で説明した構成要素のうち、本願発
明の実施の形態においても同一の機能を有するものにつ
いては同一の付番を付している。本願発明の基本的な構
造は新単板方式と同一である。

【００１７】つまり、光源１から発せられた白色光がコ
ンデンサレンズ３によって略平行な光線とされ、その
後、角度が微妙に異なる３つのダイクロイックミラー５
によって白色光は複数の色の光束に分離され、それぞれ
の光束は異なった方向で液晶パネル９の位置する方向に
反射される。ダイクロイックミラー５で分離された光は
レンズアレイ７を介して、液晶パネル９に対して微妙に
異なった角度（例えば、−１°、０°、１°）で入射す
る。液晶パネル９に対して入射する分離された白色光は
液晶パネルのセルピッチの略３倍のピッチの凹凸を有す
るレンズアレイ７を通過することによって液晶パネル９
上で焦点を結び、それぞれＢ、Ｇ、Ｒの順に縞を作る。
この縞の位置に対応して液晶パネルの一つの画素を形成
し、画素ごとに透過率を制御することにより、一枚の液
晶パネルでカラー表示を行うことが可能となる。そし
て、液晶パネル９で画素ごとに変調を受けた光は液晶パ
ネルを制御された透過率で透過し、フィールドレンズ１
１によって収束を受けた後に、投射レンズ１３によって
拡大されてスクリーン１５に投影される。以上の点につ
いては、新単板方式をそのまま踏襲したものである。

【００１８】しかし、本願発明ではレンズアレイ７を通
過した光の液晶パネル９の光入射面上の位置を画素のピ
ッチの整数倍分移動させる点が異なる。本願発明の実施
の形態においてはこのためにレンズアレイ７に対して移
動機構２７を接続し、移動機構２７と液晶パネル９を制
御するために制御回路２９を設けた。移動機構２７は制
御回路２９から発せられる位置制御信号に従って、レン
ズアレイ７を液晶パネル９の光入射面と平行に液晶パネ
ル９の画素のピッチの整数倍移動する機能を有する。移
動機構２７の具体的な実施の態様としては例えば、リニ
アステッピングモータによる駆動、ボイスコイルモータ
と位置センサーとの組み合わせによる駆動などが考えら
れる。レンズアレイ７は移動機構２７によって液晶パネ
ル９の画素のピッチの整数倍移動するので、ある画素が
時刻によってＲの画素になったり、Ｇの画素になった
り、Ｂの画素になったりする。従って、一つの画素で色
順次方式と同様に、３原色を表現することが可能となる
ので新単板方式の欠点である解像度の問題が解消される
とともに、カラーフィルタを全く用いることなくこれを
実現するので色順次方式のように輝度を犠牲にしない。
当該画素の隣の画素は同様に、Ｇの画素として作用する
時刻から始まり、Ｂの画素、Ｒの画素というように順次
色調を変える。そして、このような画素単位の色調の変
化と同期して制御回路２９からは画素ごとの透過率を変
化させるべく透過率制御信号が液晶パネル９に対して供
給される。従って、液晶プロジェクタ全体として一つの
まとまりのあるカラー画像を表示することが可能とな
る。

【００１９】本願発明の実施の態様の作用について図２
を用いて説明する。まず、図２（ｂ）に示すように、あ
る時刻ｔ₁でレンズアレイ７のある領域３０を通過する
光が縞を構成する３つの画素３１、３２、３３がそれぞ
れＢ、Ｇ、Ｒの状態にあると仮定する。その後、時刻ｔ
₂においてレンズアレイ７が左方向に１画素分移動した
場合を図２（ａ）に示す。このとき、レンズアレイ７の
領域３０を通過した光束のうちＧに係わるものは画素３
１を照射し、Ｒに係わるものは画素３２を照射する。ま
た、レンズアレイ７の領域３０を通過した光束のうちＢ
に係わるものは図２（ｂ）では表示されていなかった画
素３１に隣接する画素３５を照射することになる。ま
た、画素３３はレンズアレイ７の領域３０の右隣の領域
４０を通過する光束のうちＢに係わるものによって照射
される。従って、画素３１、３２、３３に着目すれば、
これらの画素は図２（ｂ）の左からＢ、Ｇ、Ｒの状態の
配列から図２（ａ）の左からＧ、Ｒ、Ｂの状態の配列へ
と変化したことになる。

【００２０】同様に時刻ｔ₃においてレンズアレイ７を
右方向に１画素分移動した場合を図２（ｃ）に示す。こ
のとき、レンズアレイ７の領域３０を通過した光束のう
ちＢに係わるものは画素３２を照射し、Ｇに係わるもの
は画素３３を照射する。また、レンズアレイ７の領域３
０を通過した光束のうちＲに係わるものは図２（ｂ）で
は表示されていなかった画素３３に隣接する画素３６を
照射することになる。また、画素３１はレンズアレイ７
の領域３０の左隣の領域５０を通過する光束のうちＲに
係わるものによって照射される。従って、画素３１、３
２、３３に着目すれば、これらの画素は図２（ｂ）の左
からＢ、Ｇ、Ｒの状態の配列から図２（ｃ）の左から
Ｒ、Ｂ、Ｇの状態の配列へと変化したことになる。

【００２１】図２（ｂ）に示したレンズアレイ７の位置
を０と仮定して、図２（ａ）に示したレンズアレイ７の
位置を左方向を負として−１とし、また、図２（ｃ）に
示したレンズアレイ７の位置を右方向を正として１とす
る。そうすると、例えば０→−１→１→０→−１→１・
・・と繰返しレンズアレイ７を移動することによって、
画素３１はＢ→Ｇ→Ｒ→Ｂ→Ｇ→Ｒと変化する。同様
に、画素３２はＧ→Ｒ→Ｂ→Ｇ→Ｒ→Ｂと変化し、画素
３３はＲ→Ｂ→Ｇ→Ｒ→Ｂ→Ｇと変化することになる。
そして、このような各時刻ｔ₁〜ｔ₃における各画素の色
の変化に対応して各画素に所望の電位を付与し、透過率
を制御することで１画素がカラーの１画素であるような
カラー画像を再現することができる。一つの画素に出現
する色を順次変えてカラー表示を行うという点は色順次
方式と同様の特徴を有する。

【００２２】レンズアレイ７の動かし方としては時間的
な平均をとった場合に各画素に均等にＲ、Ｇ、Ｂが表れ
るようにすることが好ましい。Ｒ、Ｇ、Ｂを均等に出現
させる他の移動のパターンとしては例えば、レンズアレ
イ７の位置を上述したように定義して、０→１→２→３
→４→５→５→４→３→２→１→０・・・というパター
ンも考えうる。

【００２３】もっとも、動画表示特性を重視するような
場合は必ずしもＲ、Ｇ、Ｂが均等に出現することにこだ
わる必要もない。例えば０→−１→０→１→０→−１→
０→１・・・と繰返しレンズアレイ７を移動することも
可能である。この場合は、例えば画素３１はＢ→Ｇ→Ｂ
→Ｒ→Ｂ→Ｇ→Ｂ→Ｒと変化し、Ｂを表示する時間が
Ｒ、Ｇを表示する時間に比べて２倍となる。従って、画
質の点では劣るが、一つの駆動ごとのレンズアレイ７の
移動距離が短くなるので、より応答性のよい動画表示が
可能となる。

【００２４】また、以上の説明ではレンズアレイを移動
することによって光束の液晶パネルに対する入射位置を
変えたが、他の方法もとることも可能である。例えば、
レンズアレイを静止しておき液晶パネルを動かす方法、
レンズアレイと液晶パネルを両方同時に動かす方法、ダ
イクロイックミラーを全体的に傾け反射方向をずらす方
法、ダイクロイックミラーとレンズアレイとの間にガル
バノミラー、可変形状プリズム等を挿入し光束を偏向さ
せる方法等が考えられる。つまり、結果として光束の液
晶パネル上への入射位置を画素ピッチの整数倍分移動す
る手段であれば本願発明の趣旨は達成可能である。

【００２５】なお、上記の実施例は、ランプより発せら
れた白色光を複数の色の光束に分解するために、ダイク
ロックミラーによる反射を用いた例について説明した。
しかしながら、透過型位相体積ホログラム(Transmissiv
e Phase Volume Hologram)または透過型位相体積グレー
ティング（Transmissive Phase Volume Grating）と呼
ばれるものを用いれば、それに白色光を透過ささせるこ
とで、複数の色の光束に分解することもできる。

【００２６】

【発明の効果】以上のように、本願発明によれば新単板
方式を基本としつつ、色順次方式の利点を取り入れてい
るので、解像度、輝度において優れた液晶プロジェクタ
を提供することが可能である。

【００２７】より具体的に言うと、本願発明は色順次方
式の液晶プロジェクタを基調としつつ、カラーフィルタ
を除去し、その代わりにダイクロイックミラーによる色
分離を行っているので、色順次方式の液晶プロジェクタ
の欠点である輝度の低さを解消した液晶プロジェクタを
提供することができる。

【００２８】また、本願発明は新単板方式の液晶プロジ
ェクタを基調としつつ、一つの画素で３つの色を順次表
現できるようにするために、回転形のカラーフィルタを
用いる代わりに、レンズアレイを液晶パネルの表面と平
行な方向に移動する。従って、新単板方式の液晶プロジ
ェクタの欠点である解像度の低さを解消した液晶プロジ
ェクタを提供することができる。

【００２９】さらに、本願発明では単一の液晶パネルを
用いて高輝度、高解像度のカラー表示を実現しているの
で、ＣＲＴ方式に比べた場合の液晶プロジェクタ方式の
本来の利点である小型・軽量性を損なわないカラー表示
装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本願発明の一つの実施の態様を示す模式図であ
る。

【図２】本願発明の実施の態様に係わるレンズアレイと
液晶パネルの画素との位置関係を示す図である。

【図３】従来の新単板方式に係わる液晶プロジェクタの
模式図である。

【図４】新単板方式に係わる液晶プロジェクタのレンズ
アレイと液晶パネルの画素との位置関係を示す図であ
る。

【図５】従来の色順次方式に係わる液晶プロジェクタの
模式図である。

【符号の説明】

１光源３コンデンサレンズ５ダイクロイックミラー７レンズアレイ９液晶パネル１１フィールドレンズ１３投射レンズ１５スクリーン２７レンズアレイ移動機構２９制御回路３１、３２、３３液晶パネル上の画素

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＨ０４Ｎ 9/31 Ｈ０４Ｎ 9/31 Ｃ (72)発明者石川善元神奈川県藤沢市桐原町１番地日本アイ・ビー・エム株式会社藤沢事業所内 (72)発明者菅野哲男神奈川県藤沢市藤沢1031 株式会社アプティ内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】白色光を発する光源と、前記白色光を複数の色の光束に分解する分離機構と、前記光束に光学的な変調を与える液晶パネルと、前記光束を前記液晶パネルのそれぞれの画素に収束して
入射するレンズ機構と、前記液晶パネルから出射した前記光束を拡大投影する機
構と、前記光束の前記液晶パネルの入射位置を前記画素のピッ
チの整数倍分移動する移動機構と、を有する液晶プロジェクタ。
【請求項２】白色光を発する光源と、前記白色光を複数の色の光束に分解し、前記光束を異な
った角度で反射する分離機構と、前記光束に光学的な変調を与える液晶パネルと、前記光束を前記液晶パネルのそれぞれの画素に収束して
入射するレンズ機構と、前記液晶パネルから出射した前記光束を拡大投影する機
構と、前記光束の前記液晶パネルの入射位置を前記画素のピッ
チの整数倍分移動する移動機構と、を有する液晶プロジェクタ。
【請求項３】前記移動機構は前記レンズ機構と接続さ
れ、前記レンズ機構を前記液晶パネルの光入射面と平行
な方向に移動する、請求項１または２の液晶プロジェク
タ。
【請求項４】前記移動機構は前記画素に出現する前記色
が時間的に均等になるように制御して前記入射位置を移
動する、請求項１または２の液晶プロジェクタ。
【請求項５】白色光を発する光源と、前記白色光を複数
の色の光束に分解する分離機構と、前記光束を収束する
レンズ機構と、前記レンズ機構によって収束された光束
に光学的な変調を与える液晶パネルと、前記液晶パネル
から出射した前記光束を拡大投影する機構と、を具備す
る液晶プロジェクタの駆動方法であって、前記レンズ機
構を前記液晶パネルの光入射面と平行な方向に移動し
て、前記液晶パネルの画素に時間的に均等に前記複数の
色が出現するようにする、液晶プロジェクタの駆動方
法。
【請求項６】白色光を発する光源と、前記白色光を複数
の色の光束に分解し、前記光束を異なった角度で反射す
る分離機構と、前記光束を収束するレンズ機構と、前記
レンズ機構によって収束された光束に光学的な変調を与
える液晶パネルと、前記液晶パネルから出射した前記光
束を拡大投影する機構と、を具備する液晶プロジェクタ
の駆動方法であって、前記レンズ機構を前記液晶パネル
の光入射面と平行な方向に移動して、前記液晶パネルの
画素に時間的に均等に前記複数の色が出現するようにす
る、液晶プロジェクタの駆動方法。
【請求項７】前記光束の前記液晶パネル上への入射位置
を前記液晶パネルに係わる画素のピッチの整数倍の距離
分、一回の駆動で移動する、請求項５または６の液晶プ
ロジェクタの駆動方法。