JPH1184419A

JPH1184419A - 液晶ライトバルブおよび投射型表示装置

Info

Publication number: JPH1184419A
Application number: JP9243958A
Authority: JP
Inventors: Hideo Sato; 秀夫佐藤; Shoichi Hirota; 昇一廣田; Masaya Adachi; 昌哉足立; Makoto Tsumura; 津村　　誠; Akira Arimoto; 昭有本
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1997-09-09
Filing date: 1997-09-09
Publication date: 1999-03-26

Abstract

(57)【要約】【課題】高品質画像の時分割方式単板カラー投射型表
示装置を提供する。【解決手段】液晶ライトバルブ200は、画素回路１を
マトリクス状に配置した表示部210と、垂直走査回路240
と、サンプル・ホールド回路220と、サンプリングタイ
ミングを制御する水平走査回路230とで構成され、画素
回路１は、トランジスタ1aと、保持容量1bと、液晶容量
1cと、電圧転送用トランジスタ2とからなる。サンプル
・ホールド回路220は、サンプリング信号PH1,PH2,…
で、Video信号をサンプリングし保持する。保持されたV
ideo信号は、垂直走査回路240の出力で選択された画素
回路1の保持容量1bに一旦書き込まれる。書き込み終了
後、データ転送信号DTが入力されると、トランジスタ2
が導通し、保持容量1bに保持されたVideo信号を液晶容
量1cに転送する。Video信号は、パネル位置によらず一
斉に液晶に印加され、次のデータ転送信号DTが来るまで
保持され、画像を表示する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、投射型画像表示装
置に係り、特に、中心波長が異なる光源を時分割で切換
え、単一のライトバルブでフルカラー画像を表示できる
時分割単板方式の投射型画像表示装置の高画質化技術に
関する。

【０００２】

【従来の技術】投射型表示装置は、ＣＲＴ(Cathode-Ray
Tube)で形成した画像や、液晶ディスプレイパネルなど
のライトバルブで形成した画像を光学系で拡大投射する
方式を採用し、１００インチ以上の画像でも小型装置で
得られることを特徴としている。投射型画像表示装置の
中でも、液晶パネルのライトバルブを用いるものは、Ｃ
ＲＴを用いるものよりも装置を小型，軽量化できるの
で、近年、多くの製品が市販されるようになった。

【０００３】投射型画像表示装置は、メタルハライドラ
ンプ等の光源と、光源の白色光を赤(Ｒ)，緑(Ｇ)，青
(Ｂ)の３色に分離する色分離光学系と、Ｒ，Ｇ，Ｂに対
応する３枚の液晶パネルと、各液晶パネルで制御された
各色の光を合成する色合成光学系と、その光を拡大投射
する投射光学系とからなる。色分離光学系および色合成
光学系には、例えばダイクロイックミラーなどのフィル
タが使用されている。

【０００４】この方式の投射型画像表示装置では、３枚
の液晶パネルが必要であり、色分離光学系と色合成光学
系とが必要であることなどから、より一層の小型，軽量
化やコストダウンの妨げとなっている。さらに、メタル
ハライドランプ等の光源は、いくつかの強い波長スペク
トルを含んでいるため、色分離光学系で色分離したとき
の色純度の制御が不十分となり、十分な表色範囲を得る
ことができなかった。

【０００５】このような欠点を解決する方法として、レ
ーザ光源を用いた時分割単板カラー方式が提案されてい
る。これは、Ｒ，Ｇ，Ｂ各色の画像を制御する１枚の液
晶パネルとＲ，Ｇ，Ｂの３種類のレーザ光源とを基本構
成として、混色を利用する方式である。この時分割単板
カラー方式では、画像データを液晶パネルに書き込んだ
後に、その画像に対応するレーザ光を照射する動作を
Ｒ，Ｇ，Ｂの三色について繰り返し、カラー画像を得て
いる。

【０００６】時分割単板カラー方式では、理想的な単色
光源であるレーザ光源を利用するために、極めて広い表
色範囲を実現できるとともに、１枚の液晶パネルでカラ
ー画像を表示できる利点がある。さらに、液晶パネルを
３枚使用する３板方式で必要であった各液晶パネルの位
置合わせが、不要になる利点もある。

【０００７】しかし、１枚の液晶パネルでＲ，Ｇ，Ｂ各
色を制御するため、液晶パネルへのデータ書き込み時間
および液晶の応答時間を短縮する必要がある。液晶パネ
ルへのデータ書き込み時間をＴWとし、液晶の応答時間
をＴLCとし、レーザの照射時間をＴlaserとすると、
Ｒ，Ｇ，Ｂの画像表示の繰り返し周期ＴCYCLEは、次式
で示される。

【０００８】ＴCYCLE＝(ＴW+ＴLC+Ｔlaser)×３ (１) この繰り返し周期ＴCYCLEは、フリッカによる不快感を
さけるために、通常は、１／６０秒以下に設定すること
が要求される。この要求を満たすには、液晶パネルへの
データ書き込み時間ＴWと液晶の応答時間ＴLCとを短縮
する必要があり、例えば、ＴW≦２ｍｓ，ＴLC≦２ｍ
ｓ，Tlaser≦１.６ｍｓとなる。この高速応答を実現す
るために従来提案されている方式では、高速のアクティ
ブマトリクスパネルと高速応答の強誘電性液晶を用いて
いた。

【０００９】強誘電性液晶は、シメクティック液晶材料
を用いており、応答時間は数μｓであって極めて速い反
面、光のオン，オフの２値階調だけの制御に限られる。
このため、時分割数を増やして、各分割ごとに明るさの
重み付けをする方法を採用し多階調表示を実現してい
た。しかし、この方法では、例えば、フルカラー表示に
対応する８ビットの階調を得るには、時分割の分割数を
３から２４に増加する必要があり、より一層のデータ書
き込みの高速化と液晶応答の高速化とが必要になる問題
があった。

【００１０】アクティブマトリクス方式の液晶パネル
は、シリコン単結晶上のＭＯＳ(Metal−Oxide Semicond
uctor)トランジスタや、多結晶シリコンの薄膜トランジ
スタ(ＴＦＴ：Thin−Film Transistor)を利用してい
る。いずれも、マトリクス状に配置された信号線と走査
線との交点にトランジスタが配置された表示部と、信号
線と走査線との電圧を制御する駆動回路部とからなる。

【００１１】表示部のトランジスタは、ゲートを走査線
に接続され、ドレインを信号線に接続され、ソースを液
晶容量に接続されている。通常、液晶容量と並列に保持
容量を付加する。ここで、ゲート電極が選択状態になる
と、トランジスタが導通し、信号線の画像データを液晶
容量および保持容量に書き込む。ゲート電極が非選択状
態になると、トランジスタがハイインピーダンスとな
り、液晶容量に書き込まれた画像データを保持する。

【００１２】駆動回路部は、走査線の電圧を制御する走
査回路と、信号線の電圧を制御する信号回路とからな
る。走査回路は、各走査線に１フレーム時間ごとに１回
走査パルスを印加する。通常このパルスのタイミング
は、パネルの上側から下に向かって順にずれている。信
号回路は、走査パルスが印加される１行分の画素に対応
する液晶駆動電圧を各信号線に印加する。走査パルスが
印加された選択画素では、走査線に接続されたトランジ
スタのゲート電極の電圧が高くなり、トランジスタがオ
ン状態になる。このとき、液晶駆動電圧は、信号線から
トランジスタのドレイン−ソース間を経由して液晶に印
加され、液晶容量と保持容量とを合わせた画素容量を充
電する。この動作を繰り返すと、フレーム時間ごとに繰
り返し画像データに対応した電圧が、パネル全面の画素
容量に印加される。

【００１３】以上のように、従来のアクティブマトリク
ス方式の液晶パネルでは、液晶を駆動する電圧の印加タ
イミングがパネルの位置により異なる。このため、液晶
パネルを時分割方式の画像表示装置に適用する場合、１
フレーム時間の最後に印加した画素の液晶が完全に応答
するように、液晶の応答時間を十分に長く取る必要があ
る。長く取らないと、液晶の応答状態の差が輝度傾斜と
なって表示画像に出てしまう問題が生ずるからである。

【００１４】さらに、液晶パネルを使用した投射型画像
表示装置では、初期に特性を調整したりユーザーが独自
に調整するために、カラーバランス，コントラスト，ブ
ライトネス(輝度)などの調整機能が採用されている。こ
の調整機能は、液晶パネルに印加する画像データの電圧
をＲ，Ｇ，Ｂの各パネル毎に調整する方式で実現してい
る。この調整機能は、液晶パネルで制御できる光のダイ
ナミックレンジの範囲内でなされる調整方法なので、調
整の状況によっては、表示階調が狭くなる問題があっ
た。

【００１５】なお、上記時分割方式の画像表示装置およ
びアクティブマトリクス方式の液晶パネルは、小林駿介
著『カラー液晶ディスプレイ』(１９９０年，産業図書)
に記載されており、レーザ光源を用いた時分割方式の投
射型画像表示装置は、特開平５−２１００８２号公報等
に記載されている。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】従来の時分割単板カラ
ー方式では、基本的には２値の階調を時分割で拡げて表
示する方式なので、フルカラー表示することは困難であ
った。

【００１７】本発明の目的は、時分割単板カラー方式で
良好なカラー画像を表示できる液晶ライトバルブを提供
することである。

【００１８】本発明の他の目的は、時分割単板カラー方
式で良好なカラー画像を表示できる液晶ライトバルブを
用いた投射型表示装置を提供することである。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、画素液晶を含む画素回路をマトリクス状
に配置した表示部と、マトリクスの走査線を駆動する垂
直走査回路と、マトリクスの信号線を駆動する信号線駆
動回路とからなる液晶ライトバルブであって、各画素回
路が、走査線および信号線に接続された第１スイッチン
グ素子と、垂直走査回路により当該画素回路が選択され
たときに第１スイッチング素子を介して信号線駆動回路
から書き込まれた画像データを保持する保持容量と、画
像データ書き込み終了後に各画素回路に共通のタイミン
グで印加されるデータ転送信号に応じて保持容量に保持
された画像データを画素液晶に転送する第２スイッチン
グ素子とを備えた液晶ライトバルブを提案する。

【００２０】本発明は、また、上記目的を達成するため
に、画素液晶を含む画素回路をマトリクス状に配置した
表示部と、マトリクスの走査線を駆動する垂直走査回路
と、マトリクスの信号線を駆動する信号線駆動回路とか
らなる液晶ライトバルブであって、各画素回路が、走査
線および信号線に接続された第１スイッチング素子と、
垂直走査回路により当該画素回路が選択されたときに第
１スイッチング素子を介して信号線駆動回路から書き込
まれた画像データを保持する保持容量と、画像データ書
き込み終了後に各画素回路に共通のタイミングで印加さ
れるデータ転送信号に応じて保持容量に保持された画像
データを画素液晶に転送する第２スイッチング素子と、
データ転送に先立ち画素液晶に保持された画像データを
初期化する第３スイッチング素子とを備えた液晶ライト
バルブを提案する。

【００２１】液晶ライトバルブの画素液晶は、具体的に
は、ポリマー分散型液晶または複屈折電界制御型液晶で
ある。

【００２２】本発明は、上記他の目的を達成するため
に、中心波長が異なる複数の光源と、画像データに応じ
て光の強度を制御する液晶ライトバルブと、複数の光源
の光で液晶ライトバルブを照射する照明光学系と、液晶
ライトバルブで制御した光を拡大する投射光学系と、液
晶ライトバルブで制御した光を投影するスクリーンと、
複数の光源の中心波長に対応する画像データを液晶ライ
トバルブに出力した後に対応する光源をパルス状に点灯
させる制御回路とからなりカラー画像を表示する投射型
表示装置において、制御回路が、液晶ライトバルブに画
像データを出力した後にデータ転送信号を出力する手段
を備え、液晶ライトバルブが、画素液晶を含む画素回路
をマトリクス状に配置した表示部と、マトリクスの走査
線を駆動する垂直走査回路と、マトリクスの信号線を駆
動する信号線駆動回路とからなり、各画素回路が、走査
線および信号線に接続された第１スイッチング素子と、
垂直走査回路により当該画素回路が選択されたときに第
１スイッチング素子を介して信号線駆動回路から書き込
まれた画像データを保持する保持容量と、画像データ書
き込み終了後に各画素回路に共通のタイミングで印加さ
れるデータ転送信号に応じて保持容量に保持された画像
データを画素液晶に転送する第２スイッチング素子とを
備えた投射型表示装置を提案する。

【００２３】本発明は、さらに、上記他の目的を達成す
るために、中心波長が異なる複数の光源と、画像データ
に応じて光の強度を制御する液晶ライトバルブと、複数
の光源の光で液晶ライトバルブを照射する照明光学系
と、液晶ライトバルブで制御した光を拡大する投射光学
系と、液晶ライトバルブで制御した光を投影するスクリ
ーンと、複数の光源の中心波長に対応する画像データを
液晶ライトバルブに出力した後に対応する光源をパルス
状に点灯させる制御回路とからなりカラー画像を表示す
る投射型表示装置において、制御回路が、液晶ライトバ
ルブに画像データを出力した後にリセット信号とデータ
転送信号とを出力する手段を備え、液晶ライトバルブ
が、画素液晶を含む画素回路をマトリクス状に配置した
表示部と、マトリクスの走査線を駆動する垂直走査回路
と、マトリクスの信号線を駆動する信号線駆動回路とか
らなり、各画素回路が、走査線および信号線に接続され
た第１スイッチング素子と、垂直走査回路により当該画
素回路が選択されたときに第１スイッチング素子を介し
て信号線駆動回路から書き込まれた画像データを保持す
る保持容量と、画像データ書き込み終了後に各画素回路
に共通のタイミングで印加されるデータ転送信号に応じ
て保持容量に保持された画像データを画素液晶に転送す
る第２スイッチング素子と、データ転送に先立ちリセッ
ト信号に応じて画素液晶に保持された画像データを初期
化する第３スイッチング素子とを備えた投射型表示装置
を提案する。

【００２４】本発明の照明光学系は、複数の光源から出
力される光を平行化するコリメートレンズと、コリメー
トレンズとライトバルブとの間に配置されライトバルブ
の画像表示面と相似な形状を持つ複数の単レンズを光源
から出力される光束の主軸に垂直な面内に並べたレンズ
板を少なくとも一枚含む均一照明手段とにより構成して
もよい。

【００２５】いずれの場合も、前記複数の光源は、異な
る中心波長の光を発する少なくとも３種類の半導体レー
ザを備えた光源である。

【００２６】複数の光源が、少なくとも３種類の半導体
レーザである場合は、各色のレーザ照射時間を半導体レ
ーザの出力パワーに反比例するように設定する手段と、
各色のレーザ照射時間の絶対値を制御する手段とを備え
ることができる。

【００２７】本発明の信号線駆動回路内のサンプル・ホ
ールド回路は、画像データをサンプリングし、その電圧
を保持する。保持された画像データは、垂直走査回路の
出力で選択された画素回路の保持容量に一旦書き込まれ
る。データ書き込み終了後、データ転送信号が入力され
ると、トランジスタが導通し、保持容量に保持された画
像データを画素液晶の容量に転送する。この結果、画像
データは、データ転送信号により、一斉に液晶に印加さ
れ、画像を表示する。本発明では、液晶に印加する電圧
のタイミングが、パネル位置によらず斉一であるととも
に、印加された電圧は、次のデータ転送信号が来るまで
の期間保持される。

【００２８】データ転送信号のタイミングは、各色のデ
ータ書き込みが終了した時点であり、各色のレーザ照射
期間は、データ転送信号の終了時点から次のデータ転送
の開始前までである。本発明では、データ書き込み中
は、画素の電圧が変化しないので、データ書き込み期間
とレーザ照射期間とを重ねることができる。さらに、本
発明では、液晶ライトバルブの画素は、一斉に切換わる
ので、液晶の応答時間による輝度傾斜の問題がなくな
り、遅れ時間を短くできる。これらの結果、レーザ照射
の期間を長くとることができ、高輝度の投射型表示装置
が得られる。

【００２９】したがって、本発明の投射型表示装置で
は、液晶への電圧書き込みのタイミングを表示パネルの
全領域で同一にできる。この結果、液晶の応答時間を長
くとることができ、ポリマー分散型液晶(ＰＤＬＣ)，電
界制御複屈折型液晶(ＥＣＢ)などのアナログ制御可能な
液晶を利用でき、時分割単板カラー方式で高品質のフル
カラー表示画像が得られる。さらに、単一の液晶ライト
バルブでフルカラー画像表示が可能なので、小型化，軽
量化，コスト削減できるだけでなく、Ｒ，Ｇ，Ｂ間のパ
ネルの位置調整が不要になる。

【００３０】半導体レーザの出力パワーは、青色，緑
色，赤色の順に大きくできるので、各色のレーザ照射時
間は、各色のパワーに反比例するように設定する。この
ように設定すると、出力パワーの異なるレーザ光源を使
用しても、カラー画像のホワイトバランスを調整でき
る。また、これらのレーザ照射時間の絶対値を制御すれ
ば、コントラストを調整できる。

【００３１】また、リセット信号により、画素液晶の容
量に保持された電荷をリセットし、次のタイミングで入
力されるデータ転送信号で、保持容量の電圧を画素液晶
の容量に転送する。このように、データ転送前に画素液
晶の容量の電荷をリセットするので、データ転送前のデ
ータ、つまり表示する他の色のデータによる影響を防止
でき、高品質の画像を表示する投射型表示装置が得られ
る。

【００３２】均一照明手段のレンズ板を構成する単レン
ズの形状は、液晶ライトバルブの表示部の形状と相似で
あるから、各単レンズ板を通過し液晶ライトバルブに照
射される光束の断面形状は、液晶ライトバルブの表示部
と同形状となり、液晶ライトバルブの表示部が、過不足
無く照明される。

【００３３】

【発明の実施の形態】次に、図１〜図９を参照して、本
発明による液晶ライトバルブの実施例およびこの液晶ラ
イトバルブを用いる投射型表示装置の実施例を説明す
る。

【００３４】《液晶ライトバルブの実施例１》図１は、
本発明の投射型表示装置に用いる液晶ライトバルブの実
施例１の回路構成を示すブロック図である。液晶ライト
バルブ２００は、画素回路１をマトリクス状に配置した
表示部２１０と、複数の走査線３０を駆動する垂直走査
回路２４０と、複数の信号線２０を駆動するサンプル・
ホールド回路２２０と、サンプル・ホールド回路２２０
のサンプリングタイミングを制御する水平走査回路２３
０とで構成されている。

【００３５】画素回路１は、トランジスタ１ａと、保持
容量１ｂと、液晶容量１ｃと、電圧転送用トランジスタ
２とからなる。トランジスタ１ａのゲート端子は、走査
線３０に接続され、ドレイン端子は、信号線２０に接続
され、ソース端子は、保持容量１ｂおよび電圧転送用ト
ランジスタ２のドレイン端子に接続される。電圧転送用
トランジスタ２のソース端子は、各画素回路１の液晶容
量１ｃに接続され、ゲート端子は、各画素回路１のトラ
ンジスタ２に共通して、制御端子ＤＴに接続されてい
る。液晶容量１ｃの他端と保持容量１ｂとは、表示部２
１０と対向して配置され、液晶を挾持する対向基板の電
極と同電位に接続される。

【００３６】サンプル・ホールド回路２２０は、各信号
線毎に接続されたＭＯＳトランジスタ２２１とホールド
容量２２２とからなり、ＭＯＳトランジスタ２２１のド
レイン端子は、画像データVideoを出力するように、信
号線２０に接続され、ソース端子は、Video端子の画像
データに接続され、ゲート端子は、水平走査回路２３０
に接続されている。

【００３７】図２は、図１に示した液晶ライトバルブの
実施例１の動作を示すタイミングチャートである。スタ
ート信号ＦＳＴとクロック信号ＣＫＶとは、垂直走査回
路２４０に入力する制御信号である。スタート信号ＦＳ
Ｔは、表示する画像のフレームの先頭を示し、クロック
信号ＣＫＶは、走査線の切換えタイミングを示してい
る。垂直走査回路２４０は、クロック信号ＣＫＶの立ち
上がりのタイミングで、スタート信号ＦＳＴを取り込
み、走査線の信号ＰＶ１，ＰＶ２…を出力する。

【００３８】画像データVideoは、スタート信号ＦＳＴ
に同期して、Ｒ，Ｇ，Ｂの順に入力される。この電圧
は、図２に示すように、対向電極の電圧ＶＣＯＭを基準
にしており、その極性を各フレーム毎に切換えて、液晶
に印加する電圧を交流化している。

【００３９】スタート信号ＳＴＡとクロック信号ＣＫＨ
とは、水平走査回路２３０に入力する制御信号である。
スタート信号ＳＡＴは、表示する画素の先頭を示し、ク
ロック信号ＣＫＨは、画素に対応する走査のタイミング
を示している。水平走査回路２３０は、クロック信号Ｃ
ＫＨの立ち上がりのタイミングで、スタート信号ＳＴＡ
を取り込み、サンプル・ホールド回路２２０のサンプリ
ング信号ＰＨ１，ＰＨ２，…を出力する。

【００４０】サンプル・ホールド回路２２０は、サンプ
リング信号ＰＨ１，ＰＨ２，…の立ち下がりのタイミン
グで、画像データVideoをサンプリングし、その電圧を
保持する。保持された画像データVideoは、垂直走査回
路２４０の出力で選択された画素回路１の保持容量１ｂ
に一旦書き込まれる。データ書き込み終了後、データ転
送信号ＤＴが入力されると、トランジスタ２が導通し、
保持容量１ｂに保持された画像データVideoを液晶容量
１ｃに転送する。この結果、画像データVideoは、デー
タ転送信号ＤＴにより、一斉に液晶に印加され、画像を
表示する。

【００４１】本実施例では、液晶に印加する電圧のタイ
ミングが、パネル位置によらず斉一であるとともに、印
加された電圧は、次のデータ転送信号ＤＴが来るまでの
期間保持される。

【００４２】《投射型表示装置の実施例１》図３は、本
発明による投射型表示装置の実施例１の構成を示すブロ
ック図である。この投射型表示装置は、赤色(Ｒ)，緑色
(Ｇ)，青色(Ｂ)の３原色に相当する波長帯域の光を出力
する光源１１０，１２０，１３０と、これらの光源から
出力される光を平行光に変換するコリメートレンズ１１
１，１２１，１３１と、３原色の光を同一の主軸に変換
するミラー１１２，１１３，１３２，１３３と、液晶ラ
イトバルブ２００と、投射レンズ３１０と、スクリーン
３２０と、液晶ライトバルブ２００を駆動する駆動回路
４５０と、画像メモリ４１０〜４３０と、制御回路５０
０とからなる。制御回路５００は、データ転送信号ＤＴ
を駆動回路４５０に出力する。

【００４３】ミラー１１２は、赤色を反射し、ミラー１
１３は、赤色を反射し、緑色を透過する。ミラー１３２
は、青色を反射し、ミラー１３３は、青色を反射し、他
の色を透過する。画像メモリ４１０〜４３０には、Ｒ，
Ｇ，Ｂの３原色に対応する画像データを格納する。

【００４４】３原色の光を発生する光源１１０，１２
０，１３０には、各色を発生する半導体レーザが用いら
れる。赤色には、ＧａＡｓが用いられ、緑色には、Ｇａ
Ｐなどの化合物半導体が用いられ、青色には、ＺｎＳ
ｅ，ＺｎＳなどのII−VI族化合物半導体や、ＧａＮなど
のIII−Ｖ族窒化物半導体が用いられる。

【００４５】光源１１０，１２０，１３０から出力され
る発散光束は、それぞれ個別のコリメータレンズ１１
１，１２１，１３１により、平行光束に変換される。平
行光束に変換された各色の光束は、ミラー１１２，１１
３，１３２，１３３で同一の光軸に変換され、液晶ライ
トバルブ２００を照明する。すなわち、光源１１０で発
生した赤色レーザは、ミラー１１２とミラー１１３で反
射した後、ミラー１３２を透過し、光源１２０で発生し
た緑色レーザは、ミラー１１３，１３３を透過し、光源
１３０で発生した青色レーザは、ミラー１３２とミラー
１３３で反射し、液晶ライトバルブ２００を照明する。
照明光は、液晶ライトバルブ２００でその強度を制御さ
れた後、投射光学系３１０で拡大され、スクリーン３２
０に投影される。

【００４６】図４は、図３に示した投射型表示装置の実
施例１の動作を示すタイミングチャートである。液晶ラ
イトバルブ２００へのデータ書き込みタイミング信号
は、３原色に相当するＲ，Ｇ，Ｂのデータからなる。各
色のデータ書き込みは、Ｒ，Ｇ，Ｂの順に繰り返し、１
フレーム期間に１回のタイミングでなされ、画像メモリ
４１０〜４３０のデータを液晶ライトバルブ２００に書
き込む。その後、転送信号ＤＴのタイミングで画像デー
タを画素に転送した後、対応する各色のレーザを点灯す
る。各色のレーザは、各色のデータを転送してから液晶
が応答するまでの時間Ｔｄを経過した後に、照射する。

【００４７】各色のレーザ照射時間ＴＲ，ＴＧ，ＴＢ
は、各色のパワーに反比例するように設定する。例え
ば、半導体レーザの出力パワーは、青色，緑色，赤色の
順に大きくできるので、各色のレーザ照射時間をＴＲ＜
ＴＧ＜ＴＢの関係に設定する。このように設定すると、
出力パワーの異なるレーザ光源を使用しても、カラー画
像のホワイトバランスを調整できる。また、これらのレ
ーザ照射時間の絶対値を制御すれば、コントラストを調
整できる。

【００４８】データ転送信号ＤＴのタイミングは、各色
のデータ書き込みが終了した時点であり、各色のレーザ
照射期間は、データ転送信号の終了時点のＴｄ後から次
のデータ転送の開始前までである。本実施例では、デー
タ書き込み中は、画素の電圧が変化しないので、データ
書き込み期間とレーザ照射期間とを重ねることができ
る。さらに、本実施例では、液晶ライトバルブの画素
は、一斉に切換わるので、液晶の応答時間による輝度傾
斜の問題がなくなり、遅れ時間Ｔｄを短くできる。これ
らの結果、レーザ照射の期間を長くとることができ、高
輝度の投射型表示装置が得られる。

【００４９】次に、本発明に適用できる液晶表示モード
について説明する。本発明では、アナログ階調表示で、
しかも３ｍｓ以下の応答が必要である。この要求を満た
すものとして、電界制御複屈折モード，反強誘電液晶モ
ード等がある。一例として、電界制御複屈折モードを応
用した場合について述べる。

【００５０】一般に、液晶の応答時間は、セルギャップ
の自乗に比例するので、高速応答を実現するには、セル
ギャップを薄くする必要がある。一方、光の強度を制御
するには、所定の光路長を確保する必要がある。これら
のことを併せて考えると、透過型素子よりも反射型素子
の方が、光路長を確保しながらセルギャップを半分にで
きるので、高速応答に適する。

【００５１】図５は、本発明による液晶ライトバルブの
画素構造を示す断面図である。この液晶ライトバルブ
は、ＭＯＳトランジスタを用いた反射型素子の例であ
り、単結晶シリコン６１０上に、ＭＯＳトランジスタ６
１２，６１３，ＭＯＳ容量６１４を形成したＭＯＳ基板
と、ガラス基板６８０上に透明電極６８２を形成した対
向基板と、これらの基板に挾持される液晶層６５０とか
らなる。ＭＯＳトランジスタ６１２，６１３で制御され
た電圧は、メタル配線層６１６を介して、反射電極６１
８に導かれる。液晶層６５０は、配向膜６２０，６８４
を介して挾持され、そのギャップは、ビーズ６６０によ
り制御される。

【００５２】液晶材料の一例としては、負の誘電率異方
性で、屈折率異方性が０.２の液晶材料がある。セルギ
ャップは、例えば１μｍである。液晶の配向は、基板に
対してほぼ垂直に配向させるいわゆるホメオトロピック
配向である。液晶を垂直に配向させるには、長鎖アルキ
ル基を含有するポリイミド膜を予め各基板に配向膜とし
て塗布する。電界により液晶が倒れる方向を規定するた
めに、配向膜に対してラビング処理し、基板界面におけ
る液晶の配向方向を完全な垂直方向から僅かにずらして
ある。液晶を垂直配向させる方法としては、他に、酸化
珪素の斜方蒸着と垂直配向膜とを組み合わせる方法があ
る。

【００５３】セルギャップを維持する方法には、図５に
示すように、セルギャップと同一の粒径のビーズ６６０
をスペーサ材として分散させる方法や、セルギャップに
相当する高さの支柱を予め基板上に形成しておく方法が
ある。

【００５４】《液晶ライトバルブの実施例２》図６は、
本発明の投射型表示装置に用いる液晶ライトバルブの実
施例２の回路構成を示すブロック図である。本実施例２
が、図１の実施例１と異なるのは、画素回路１におい
て、液晶容量１ｃとコモン電極との間に、データリセッ
ト用トランジスタ３を接続してある点である。データリ
セット用トランジスタ３のゲート電極は、各画素回路１
からの信号を共通に、制御端子ＲＥＳＴに接続してい
る。図７は、図６の液晶ライトバルブを投射型表示装置
に適用したときの動作を示すタイミングチャートであ
る。実施例２は、データ転送信号ＤＴの直前にリセット
信号ＲＥＳＴを入力する点が、図１の実施例とは異な
る。リセット信号ＲＥＳＴにより、液晶容量１ｃに保持
された電荷をリセットし、次のタイミングで入力される
データ転送信号ＤＴで、保持容量１ｂの電圧を液晶容量
１ｃに転送する。このように、データ転送前に液晶容量
１ｃの電荷をリセットするので、データ転送前のデー
タ、つまり表示する他の色のデータによる影響を防止で
き、高品質の画像を表示する投射型表示装置が得られ
る。

【００５５】《投射型表示装置の実施例２》図８は、本
発明による投射型表示装置の実施例２の構成を示すブロ
ック図である。この投射型表示装置は、Ｒ，Ｇ，Ｂの３
原色に相当する波長帯域の光を出力する複数の半導体レ
ーザ１４０，１４１，１４２と、これら半導体レーザ１
４０，１４１，１４２から出力される発散光束を平行光
束に変換するコリメートレンズ１５０，１５１，１５２
と、平行となったレーザ光束の主軸に垂直な面内に複数
の単レンズを配列した第１レンズ板１６１および第２レ
ンズ板１６２と第３レンズ板１６３とで構成される均一
照明光学手段１７０と、液晶ライトバルブ２００と、液
晶ライトバルブ２００の光入射側に配置されたフィール
ドレンズ１８０と、投射レンズ３１０とからなり、液晶
ライトバルブ２００と半導体レーザ１４０，１４１，１
４２とは、ケーブルで画像制御装置５１０に接続されて
いる。

【００５６】赤色半導体レーザ１４０，緑色半導体レー
ザ１４１，青色半導体レーザ１４２から出力されるレー
ザ光束は、それぞれ個別にコリメータレンズ１５０〜１
５２により、全て平行光束に変換された後、第１レンズ
板１６１に入射する。

【００５７】第１レンズ１６１と第２レンズ板１６２と
は、それぞれ同数同形の単レンズからなり、第１レンズ
板１６１の単レンズと第２レンズ板１６２の単レンズと
は、１対１に対応している。第２レンズ板１６２の単レ
ンズおよび第３レンズ板１６３は、第１レンズ板１６１
の対応する単レンズ近傍の像を液晶ライトバルブの表示
部に伝達して重畳する。

【００５８】第１レンズ板１６１は、第２レンズ板１６
２および第３レンズ板１６３による光の伝達効率を高め
る役割を持っている。このため、第１レンズ板１６１
は、液晶ライトバルブ２００の表示部と相似な複数の矩
形単レンズをマトリクス状に配した構成となっている。
さらに、第１レンズ板１６１の各単レンズに入射する平
行光束を第２レンズ板１６２の対応する単レンズ上に集
光するために、各単レンズの焦点距離は、第１レンズ板
１６１と第２レンズ板１６２との距離にほぼ等しくなっ
ている。

【００５９】第２レンズ板１６２を構成する単レンズ
は、対応する第１レンズ板１６１の単レンズ近傍の像を
無限遠に結像する。このため、第３レンズ板１６３は無
限遠にできるはずの像を液晶ライトバルブ２００の表示
部に伝達して重畳するように、その焦点距離が、第３レ
ンズ板１６３と液晶ライトバルブと２００の距離にほぼ
等しくなっている。

【００６０】なお、第１レンズ板１６１の単レンズ近傍
の像を液晶ライトバルブ２００の表示部に過不足なく伝
達するために、第２レンズ板１６２および第３レンズ板
１６３による拡大率は、第１レンズ板１６１の単レンズ
の大きさと液晶ライトバルブ２００の表示部の大きさと
の比に対応させる。

【００６１】液晶ライトバルブ２００の光束入射側に
は、フィールドレンズ１８０が配置される。フィールド
レンズ１８０は、第２レンズ板１６２から液晶ライトバ
ルブ２００への照明光束が発散光束となっているため、
これを平行光束にして入射させるためである。フィール
ドレンズ１８０の焦点距離は、第２レンズ板１６２とフ
ィールドレンズ１８０との距離にほぼ等しくなってい
る。

【００６２】このような構造により、第１レンズ板１６
１を構成する各単レンズを通過した複数の光束は、それ
ぞれ対応する第２レンズ板１６２の単レンズに集光し、
第３レンズ板１６３およびフィールドレンズ１８０を介
して、液晶ライトバルブ２００の表示部に伝達して重畳
される。この際、第１レンズ板１６１を構成する単レン
ズの形状は、液晶ライトバルブ２００の表示部の形状と
相似であるから、各単レンズ板を通過し、液晶ライトバ
ルブ２００に照射される光束の断面形状は、液晶ライト
バルブ２００の表示部と同形状となり、液晶ライトバル
ブ２００の表示部が、過不足無く照明される。

【００６３】図９は、図８の投射型表示装置の実施例２
に適用する第１レンズ板の構造の一例を示す図である。
図９の第１レンズ板１６１には、第１レンズ板１６１上
でのレーザ光束の断面形状１９１〜１９４を併せて示し
てある。各色のレーザ光束１９１〜１９４は、第１レン
ズ板１６１上で複数の単レンズにまたがるように照射さ
れる。したがって、各レーザ光束は、第１レンズ板１６
１により複数の光束に分割された後、液晶ライトバルブ
２００の表示部に伝達して重畳される。

【００６４】ところで、半導体レーザから出力されたレ
ーザ光束の光強度は、一般にガウス分布となっており、
そのままでは、液晶ライトバルブ２００を均一に照明で
きない。しかし、図９の第１レンズ板１６１では、この
レーザ光束を複数の光束に分割し、分割後の光強度分布
がより小さな光束を液晶ライトバルブ２００の表示部で
重ね合わせるため、液晶ライトバルブ２００の表示部の
面内を均一な光強度で照明できる。したがって、各半導
体レーザから出力された光束は、それぞれ独立に液晶ラ
イトバルブ２００の表示部を均一に照明できる。

【００６５】上記均一照明のための光学手段としては、
露光機などに一般に使用されるインテグレータが好適で
あり、本実施例の他にも、類似の構成が幾つか考えられ
る。具体的な内容については、例えば特開平３−１１１
８０６号公報等に詳しく記載されている。

【００６６】本発明の投射型表示装置では、液晶ライト
バルブ２００に対し、赤色，緑色，青色のレーザ光束を
独立に照射できる。液晶ライトバルブに照射された光束
は、画像情報に応じて変調された後、投射レンズによ
り、スクリーンに拡大投射される。ここで、液晶ライト
バルブは、赤のレーザ光が照射されているときは、赤色
の画像データを表示し、緑色のレーザ光が照射されてい
るときは、緑色の画像データを表示し、青色のレーザ光
が照射されているときは、青色の画像データを表示する
という動作を繰り返す。すなわち、１枚の液晶ライトバ
ルブを時分割動作させて、赤色，緑色，青色の各色の画
像を繰り返し投射すると、フルカラー画像が得られる。

【００６７】なお、本実施例では、第１レンズ板１６１
が４８個の単レンズから構成され、赤色，緑色，青色の
３種類の半導体レーザがそれぞれ２個ずつ、合計６個用
いられているが、この数は半導体レーザ１個あたりの出
力と表示装置として必要な明るさや画像の均一性などの
性能に応じて変えればよいことは、いうまでもない。上
記の通り、本発明の投射型表示装置では、照明光として
複数の半導体レーザからのレーザ光を合成して利用すた
めに、明るい投射画像を実現できる。また、第１レンズ
板で分割し、液晶ライトバルブ上で合成した光束の断面
形状は、液晶ライトバルブの表示部とほぼ同形状となる
ため、過不足無く高効率の照明を実現できる。すなわ
ち、照明光と液晶ライトバルブ表示部の形状とのミスマ
ッチによる光損失がほとんど無いので，光利用効率が高
く、明るい投射画像が得られる。さらに、合成後の光束
の光強度分布が均一となるので、面内の明るさが均一で
高品位な投射画像が得られる。

【００６８】また、半導体レーザと液晶ライトバルブと
の間にあったダイクロイックミラー等の色合成手段が不
要となり、光学系が簡略化され、投射型表示装置を小
型，低コストに製造できる。

【００６９】

【発明の効果】本発明の投射型表示装置では、液晶への
電圧書き込みのタイミングを表示パネルの全領域で同一
にできる。この結果、液晶の応答時間を長くとることが
でき、ポリマー分散型液晶(ＰＤＬＣ)，電界制御複屈折
型液晶(ＥＣＢ)などのアナログ制御可能な液晶を利用で
き、時分割単板カラー方式で高品質のフルカラー表示画
像が得られる。また、光源として理想的な単色光である
レーザ光を使用するので、十分に広い表色範囲が得られ
る。さらに、単一の液晶ライトバルブでフルカラー画像
表示が可能なので、小型化，軽量化，コスト削減できる
だけでなく、Ｒ，Ｇ，Ｂ間のパネルの位置調整が不要に
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の投射型表示装置に用いる液晶ライトバ
ルブの実施例１の回路構成を示すブロック図である。

【図２】図１に示した液晶ライトバルブの動作を示すタ
イミングチャートである。

【図３】本発明による投射型表示装置の構成を示すブロ
ック図である。

【図４】図３に示した投射型表示装置の動作を示すタイ
ミングチャートである。

【図５】本発明による液晶ライトバルブの画素構造を示
す断面図である。

【図６】本発明の投射型表示装置に用いる液晶ライトバ
ルブの実施例２の回路構成を示すブロック図である。

【図７】図６の液晶ライトバルブを投射型表示装置に適
用したときの動作を示すタイミングチャートである。

【図８】本発明による投射型表示装置の実施例２の構成
を示すブロック図である。

【図９】図８の投射型表示装置の適用する第１レンズ板
の構造の一例を示す図である。

【符号の説明】

１画素回路１ａトランジスタ１ｂ保持容量１ｃ液晶容量２電圧転送用トランジスタ３データリセット用トランジスタ２０信号線３０走査線１１０赤色光源１２０緑色光源１３０青色光源１１１，１２１，１３１レンズ１１２，１１３，１３２，１３３ミラー１４０，１４１，１４２半導体レーザ１５０，１５１，１５２コリメートレンズ１６１第１レンズ板１６２第２レンズ板１６３第３レンズ板１７０均一照明光学手段１８０フィールドレンズ１９１，１９２，１９３，１９４レーザ光束の断面形
状２００液晶ライトバルブ２１０表示部２２０サンプル・ホールド回路２３０水平走査回路２４０垂直走査回路３１０投射レンズ３２０スクリーン４１０，４２０，４３０画像メモリ４５０液晶ライトバルブ駆動回路５００制御回路５１０画像制御装置６１０単結晶シリコン６１２，６１３ＭＯＳトランジスタ６１４ＭＯＳ容量６１６メタル配線層６１８反射電極６２０配向膜６５０液晶層６６０ビーズ６８０ガラス基板６８２透明電極６８４配向膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＧ０９Ｇ 3/36 Ｇ０９Ｇ 3/36 (72)発明者津村誠茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者有本昭東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】画素液晶を含む画素回路をマトリクス状
に配置した表示部と、前記マトリクスの走査線を駆動す
る垂直走査回路と、前記マトリクスの信号線を駆動する
信号線駆動回路とからなる液晶ライトバルブであって、前記各画素回路が、前記走査線および信号線に接続され
た第１スイッチング素子と、前記垂直走査回路により当
該画素回路が選択されたときに前記第１スイッチング素
子を介して前記信号線駆動回路から書き込まれた画像デ
ータを保持する保持容量と、画像データ書き込み終了後
に前記各画素回路に共通のタイミングで印加されるデー
タ転送信号に応じて前記保持容量に保持された画像デー
タを前記画素液晶に転送する第２スイッチング素子とを
備えたことを特徴とする液晶ライトバルブ。
【請求項２】画素液晶を含む画素回路をマトリクス状
に配置した表示部と、前記マトリクスの走査線を駆動す
る垂直走査回路と、前記マトリクスの信号線を駆動する
信号線駆動回路とからなる液晶ライトバルブであって、前記各画素回路が、前記走査線および信号線に接続され
た第１スイッチング素子と、前記垂直走査回路により当
該画素回路が選択されたときに前記第１スイッチング素
子を介して前記信号線駆動回路から書き込まれた画像デ
ータを保持する保持容量と、画像データ書き込み終了後
に前記各画素回路に共通のタイミングで印加されるデー
タ転送信号に応じて前記保持容量に保持された画像デー
タを前記画素液晶に転送する第２スイッチング素子と、
前記データ転送に先立ち前記画素液晶に保持された画像
データを初期化する第３スイッチング素子とを備えたこ
とを特徴とする液晶ライトバルブ。
【請求項３】請求項１または２に記載の液晶ライトバ
ルブにおいて、前記液晶ライトバルブの画素液晶が、ポリマー分散型液
晶または複屈折電界制御型液晶であることを特徴とする
液晶ライトバルブ。
【請求項４】中心波長が異なる複数の光源と、画像デ
ータに応じて光の強度を制御する液晶ライトバルブと、
前記複数の光源の光で前記液晶ライトバルブを照射する
照明光学系と、前記液晶ライトバルブで制御した光を拡
大する投射光学系と、前記液晶ライトバルブで制御した
光を投影するスクリーンと、前記複数の光源の中心波長
に対応する画像データを前記液晶ライトバルブに出力し
た後に対応する前記光源をパルス状に点灯させる制御回
路とからなりカラー画像を表示する投射型表示装置にお
いて、前記制御回路が、前記液晶ライトバルブに画像データを
出力した後にデータ転送信号を出力する手段を備え、前記液晶ライトバルブが、画素液晶を含む画素回路をマ
トリクス状に配置した表示部と、前記マトリクスの走査
線を駆動する垂直走査回路と、前記マトリクスの信号線
を駆動する信号線駆動回路とからなり、前記各画素回路が、前記走査線および信号線に接続され
た第１スイッチング素子と、前記垂直走査回路により当
該画素回路が選択されたときに前記第１スイッチング素
子を介して前記信号線駆動回路から書き込まれた画像デ
ータを保持する保持容量と、画像データ書き込み終了後
に前記各画素回路に共通のタイミングで印加される前記
データ転送信号に応じて前記保持容量に保持された画像
データを前記画素液晶に転送する第２スイッチング素子
とを備えたことを特徴とする投射型表示装置。
【請求項５】中心波長が異なる複数の光源と、画像デ
ータに応じて光の強度を制御する液晶ライトバルブと、
前記複数の光源の光で前記液晶ライトバルブを照射する
照明光学系と、前記液晶ライトバルブで制御した光を拡
大する投射光学系と、前記液晶ライトバルブで制御した
光を投影するスクリーンと、前記複数の光源の中心波長
に対応する画像データを前記液晶ライトバルブに出力し
た後に対応する前記光源をパルス状に点灯させる制御回
路とからなりカラー画像を表示する投射型表示装置にお
いて、前記制御回路が、前記液晶ライトバルブに画像データを
出力した後にリセット信号とデータ転送信号とを出力す
る手段を備え、前記液晶ライトバルブが、画素液晶を含む画素回路をマ
トリクス状に配置した表示部と、前記マトリクスの走査
線を駆動する垂直走査回路と、前記マトリクスの信号線
を駆動する信号線駆動回路と回路とからなり、前記各画素回路が、前記走査線および信号線に接続され
た第１スイッチング素子と、前記垂直走査回路により当
該画素回路が選択されたときに前記第１スイッチング素
子を介して前記信号線駆動回路から書き込まれた画像デ
ータを保持する保持容量と、画像データ書き込み終了後
に前記各画素回路に共通のタイミングで印加されるデー
タ転送信号に応じて前記保持容量に保持された画像デー
タを前記画素液晶に転送する第２スイッチング素子と、
前記データ転送に先立ち前記リセット信号に応じて前記
画素液晶に保持された画像データを初期化する第３スイ
ッチング素子とを備えたことを特徴とする投射型表示装
置。
【請求項６】請求項４または５に記載の投射型表示装
置において、前記照明光学系が、前記複数の光源から出力される光を
平行化するコリメートレンズと、前記コリメートレンズ
と前記ライトバルブとの間に配置され前記ライトバルブ
の画像表示面と相似な形状を持つ複数の単レンズを前記
光源から出力される光束の主軸に垂直な面内に並べたレ
ンズ板を少なくとも一枚含む均一照明手段とからなるこ
とを特徴とする投射型表示装置。
【請求項７】請求項４ないし６のいずれか一項に記載
の投射型表示装置において、前記複数の光源が、異なる中心波長の光を発する少なく
とも３種類の半導体レーザを備えた光源であることを特
徴とする投射型表示装置。
【請求項８】請求項７に記載の投射型表示装置におい
て、各色のレーザ照射時間を前記半導体レーザの出力パワー
に反比例するように設定する手段と、各色のレーザ照射
時間の絶対値を制御する手段とを備えたことを特徴とす
る投射型表示装置。