JP2008090239A - 投射型画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光利用効率、色光合成効率、色シェーディングなどの特性の良い、高解像度な画像表示を行う投射型画像表示装置を実現すること。
【解決手段】画像光の偏光状態毎の方向に、画像の表示位置を２状態間で変化させ、表示画像データより光路変調手段の状態毎に対応したサブフレーム画像データを生成し、表示データ制御手段で画像表示素子に表示する投射型画像表示装置は、色合成手段に入射する画像光は光路変調手段で１色が他色と異なる方向に光路を変調された画像光で、画像表示素子が１フレーム間に表示する表示画像データは色毎の表示画素配列に合わせ生成する。
【選択図】図１

Description

プロジェクションディスプレイ、ヘッドマウントディスプレイなどの電子ディスプレイ装置、特に、電気信号によって光の方向を変える光路偏向素子、光路偏向デバイス及びこれらの光路偏向素子又は光路偏向デバイスを利用した画像表示装置に関する。

従来、複数の画像表示素子を用いた投射型画像表示装置では、ＬＥＤ光源などの複数の特定色の光源を用いる場合を除き、一般的には光源からの白色光をダイクロイックミラー等を用いて色分離を行い、その分離された色成分ごとの光を画像表示素子を用いて画像変調し、その画像変調した光をダイクロイックプリズム等の色合成手段を用いて合成し、投射レンズなどの光学系により画像を表示している。

光路偏向素子を用いて画素の表示位置をずらすことにより画像表示素子の複数倍の解像度にて画像表示を行なう方法には、例えば、特許文献１がある。図１４にその構成例を示す。複数の画像表示素子(Light Valve)によって画像変調された複数の偏光方向を有する画像光を色合成手段(Dicroic Prism)により合成し、合成された画像光の光路を画像表示素子の画像変調と同期して時分割で変調する光路変調手段を備えることにより、画像表示素子の複数倍の解像度にて画像表示を行っている。

ダイクロイックプリズムによる光の合成では、その入射角依存性や偏光依存性によって生じる特性変化の影響が現れないようにすることが、色光合成効率や色シェーディングなどの特性を向上させるためには重要となる。例えば、ダイクロイックプリズムに３原色を入射させる場合、従来より緑（Ｇ）光をＰ偏光にて、青（Ｂ），赤（Ｒ）光をＳ偏光にて入射する構成が提案されている（例えば、伊藤：”液晶プロジェクターの光学系”、液晶、第4巻、第3号、(2000)、p255)・・・p262、右列第6行目にクロスダイクロイックプリズムに入射する3原色光の偏光方向を記載）。

しかし、特許文献１のようにダイクロイックプリズムなどによる色光の合成後に光路変調手段を配置する方法では、このような構成をとった場合、ＧもしくはＢ，Ｒのいずれかしか光偏向を機能させることができない問題がある。

この問題を解決する方法としては、ダイクロックプリズムへの入射光の偏光方向を同一にし、光路偏向素子を減らす方法があるが、色光合成効率や色シェーディングなどの特性が低下し、双方の特性を同時に向上させることができなかった。ここで、特許文献２にはピクセルシフト構造が開示されている。
特開２００３−２５５２７３号公報 特開２００２−３２８４０２号公報

しかしながら、これらの従来の光路変調手段による高解像度化は、高解像度化した画素の表示位置が一致するようにしていること、各色の表示画像データは同一の解像度であることから、入力画像データを一種類の解像度に変換していた。

また、特定の色のみの光路を変調する場合には、複数の解像度に対応した解像度変換を行うが、全色の表示画像データが等しい解像度ではなく、且つ全色が高解像度化することはなかった。

画像表示素子が一つの場合には回転するカラーフィルタによる時分割表現を用いるため、動きの速い映像を視線で追いかけると、カラーフィルタの動きそのものが視覚され、これがＲＧＢの各フレームがぶれた残像として視覚されるるレインボー視覚現象が発生する。また時間積分式に階調表現を行なうＤＬＰ(Digital Light Processing)では、大画面に投射された映像を見つつ視線を移動させると、正しく視覚情報として色が知覚されず、色がざわついて見えたり、正しい色として知覚できないカラーブレーキング現象が発生する。

以上のことから、レインボー視覚現象やカラーブレーキング現象が発生せず、色光合成効率や色シェーディングなどの特性が良い、低コストで高解像度で高画質の表示を行うことができる投射型画像表示装置が求められていた。

そこで、本発明では、光路変調手段である光路偏光素子を用いた高解像度化と、色光合成効率、色シェーディングや光利用効率などの特性向上を両立させるために、色光を合成する前に色光の偏光状態により異なった方向に、光路変調素子である光路偏向素子を用いて光路を変調することにより高解像度化を行い、複数の偏光状態の色光をダイクロイックプリズムへ入射することにより、色光合成効率や色シェーディングなどの特性を向上させる。また、光路偏向素子を用いた高解像度化による、色光毎の１フレーム間に表示する画像の解像度の違いは、その表示画像毎に異なる解像度に入力画像データを解像度変換することにより色光毎の１フレーム間に表示する表示画像データを生成し、その表示画像データを各色ごとの画像表示素子の表示に用いることで、高品質の画像表示を行う。また、他の画像表示素子に比べ低コストである透過型液晶画像表示素子を複数用いることにより、低コストでレインボー視覚現象やカラーブレーキング現象が発生しない投射型画像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、画像変調を行う複数の画像表示素子と、これらの画像表示素子に対する画像情報の書き込みを制御する表示データ制御手段と、各画像表示素子を異なる色光で照明する照明装置と、画像光の光路を画像表示素子の画像変調と同期して、時分割で変調する光路変調手段と、画像表示素子によって画像変調され、光路変調手段により光路を変調された複数の画像光を合成する色合成手段と、合成された画像光を結像するレンズと、を備え、画像光の偏光状態毎に定められた方向に、画像の表示位置を少なくとも２つの状態の間で変化させ、表示画像データより光路変調手段の状態毎に対応したサブフレーム画像データを生成し、表示データ制御手段により画像表示素子に表示する投射型画像表示装置において、色合成手段に入射する画像光は光路変調手段により少なくとも１色が他色と異なる方向に光路を変調された画像光であり、画像表示素子が１フレーム間に表示する表示画像データは色毎の表示画素配列に合わせて生成されることを特徴とした投射型画像表示装置である。

請求項２記載の発明は、請求項１に記載の投射型画像表示装置において、色合成手段に入射する画像光の偏光は、直線偏光であり、偏光状態の異なる入射光は他の入射光と偏光方向が直交している。

請求項３記載の発明は、請求項２に記載の投射型画像表示装置において、色合成手段は、ダイクロイックプリズムを備える。

請求項４記載の発明は、請求項２または３に記載の投射型画像表示装置において、色合成手段に入射する偏光を緑(Ｇ)光をＰ偏光とし、他の赤(Ｒ)光及び青(Ｂ)光はＳ偏光としたことを特徴とする。

請求項５記載の発明は、入力された画像データを所定の解像度の画像データに変換する解像度変換手段を備え、画像表示素子が１フレーム間に表示する表示画像データを色毎の表示画素配列に合わせて生成する請求項１から４のいずれかに記載の投射型画像表示装置において、解像度変換は表示画素データの生成に複数の入力画素データを用いることを特徴とした。

請求項６記載の発明は、画像表示素子が透過型液晶表示素子であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の投射型画像表示装置。

請求項７記載の発明は、請求項１から６に記載の投射型画像表示装置において、光路変調手段は、一対の透明基板と、該透明基板間に充填され垂直配向をなすスメクチックＣ相よりなる液晶層と、該液晶層と平行な方向に電界を生じせしめる電極とを有する、所定の偏光方向の光を偏向する光路偏向素子であることを特徴とする。

本発明によれば、光利用効率、色光合成効率、色シェーディングなどの特性の良い、高解像度な画像表示を行う投射型画像表示装置を実現することができる。

次に、本発明の第１の実施の形態の構成について図面を参照して説明する。

図１１に投射型画像表示装置の従来構成例を示す。光源としては、メタルハライドランプ、高圧水銀ランプ、キセノンランプ等のランプやレーザー、ＬＥＤなどの発光素子を利用することができる。ランプから出射した白色光は、2枚のダイクロイックミラーによってＲＧＢの3原色に分光される。分光に先立って、照明均一化の為のインテグレータ（不図示）、無偏光を直線偏光に変えるための偏光変換素子(不図示)を組み込んでもよい。３原色に分光された各光は対応する画像表示素子にそれぞれ導かれる。この際、各光の光路長を補償するためのリレーレンズよりなるリレー光学系を光学レイアウトに合せて設ける必要がある。コンデンサーレンズは光源像を画像表示素子に結像させる。

画像表示素子としては液晶タイプ、ミラータイプが主に流通しているが、図１１では透過型液晶画像表示素子を示している。透過型液晶画像表示素子は、ミラータイプに比べ、現状ではコスト的に有利である。ミラータイプのＤＬＰなどを用いて低コストにする方法としては、画像表示素子の数を減らし、カラーフィルタを用いる方法がある。しかし、時間積分式に階調表現を行なうため、画面に投射された映像を見つつ視線を移動させると、正しく視覚情報として色が知覚されず、色がざわついて見えたり、正しい色として知覚できない色破壊現象が発生したり、回転するカラーフィルタを使ってＲＧＢ三原色のそれぞれの階調表現までを時分割表現することから、動きの速い映像を視線で追いかけると、カラーフィルタの動きそのものが視覚され、ＲＧＢの各フレームがぶれた残像として視覚されるレインボー視覚現象が発生する場合がある。

しかし、図１１のような透過型液晶画像表示素子を複数用いると、色表現に時分割を使わないため、カラーブレーキングは起こらず、フルカラーも時分割ではなく３枚の液晶パネルから出力されたＲＧＢ階調フレームをプリズム合成するため、レインボー視覚現象も発生しない。画像表示素子には２次元に配列された画素が形成されており、それぞれの画素の透過光強度を変調することで画素数に等しい解像度の画像を形成する。各画像表示素子から出射する画像光は、ダイクロイックプリズムによって合成されプロジェクションレンズを介してスクリーンに結像される。図中のＧ光に対してはＰ偏光、Ｂ，Ｒ光についてはＳ偏光をダイクロイックプリズムに入射させることで、斜め入射光に対する色シェーディングが低減し、色光合成効率が向上する。それぞれの偏光方向は各画像表示素子とダイクロイックプリズムの間の光線上に矢印にて示している。この偏光状態でダイクロイックプリズムを出射した光は偏光方向を維持した状態であるため、Ｇ光とＲ，Ｂ光で偏光方向が異なる。

図１に本発明の第１の実施の形態の投射型画像表示装置の構成例を示す。図１１の構成の画素表示素子毎の後段に光路変調手段として光路偏向素子(PS Device)を設けた構成である。各光の光路上には、光路偏向素子が１つだけ配置される構成となっており、高解像度化するために発生する光の減衰構成要因は１つだけであることから、光の減衰要因は最少となり、高解像度化する際の光利用効率は最上の構成となる。

図１では図１１と同様に、Ｇ光は偏光方向がＢ，Ｒに比べ９０°回転している為、光路偏向素子での偏光方向が９０°異なる。そのため、Ｇ光とＢ，Ｒ光とは異なった方向に偏向され、各々異なった解像度の画像を表示することになる。

図１２は、画像表示素子の画素配列の一例であり、図の黒丸を中心に所定の面積を有する４×３の画素からなっている。表示画像の高解像度化は、１つのフレームの画像データを２つのサブフレームに分け、サブフレーム毎の画像データを画像表示素子で表示し、その表示画像データに合わせて光路偏向素子の作用状態を変えることにより、光の光路を高速に偏向することで、図２のように光路偏向素子の作用状態による表示が重畳され、Ｇ光の画素が図１２の画素を上下方向にずらした画素配列で、Ｒ,Ｂ光の画素が図１２の画素を左右方向にずらした画素配列で表示される。

これらの画素は、各々の画素を表した丸の中心から所定の面積を有している。つまり、Ｇ光の解像度は図３のように画像表示画素の解像度より縦方向で２倍となり、Ｒ,Ｂ光は図４のように横方向に２倍の解像度となる。このように異なる解像度の画像データを表示データとして用いることから、入力画像データを各々の解像度するための補間処理である解像度変換を行う必要が発生する。

この補間処理の説明図を図５から８に示す。入力画像データの画素(元画素)配列が図中の黒丸であり、図５,７ではＧ光の画素配列が白丸、図６,８ではＲ，Ｂ光の画素配列がしろ丸で示されている。図５では８×６の画素を４×６の画素に、図６では８×６の画素を８×３の画素に各々異なる解像度変換を行う。また、図７では４×３の画素を４×６の画素に、図６では４×３の画素を８×３の画素に各々異なる解像度変換を行う。

入力画像データの解像度と各画像表示素子より表示される表示画像データの解像度が異なる場合には、表示する画素（補間画素）を生成する際に、座標上にて補間画素の近傍に位置する複数の元画素(参照画素)の画素値を用いることにより補間画素の画素値を生成する。補間画素の画素値の生成に、近傍の参照画素から１つの画素値のみを用いる方法がある。その例としては、入力画像データの方が表示画像データより解像度が低い場合には、最近傍法などの方法がある。

解像度が高い図５,６の例のような場合にはダウンサンプリング法などの方法がある。最近傍法を図７,８の例で実施すると、Ｇ画素、Ｒ，Ｂ画素ともに画素数は増加するが、光路を変調した画素が同一の参照画素の画素値を用いることから、表示する画素数は増加しても参照する画素数が変わらないために高解像化せず、かえって変調して同一参照画素値での表示範囲が広がることにより、隣接する異なる画素値と表示が重なることにより、かえって画質が低下することになる。

ダウンサンプリング法では、エリアシングが発生し、どちらも画質を低下させることと、入力画像データ中に補間画素の生成に用いられない参照画素が発生することにより、画像データの抜けが発生し、高解像度化の効果が減少してしまうからである。その効果の減少を避けるために、複数の参照画素を用いて補間画素の画素値を求める方法を用いる。一般的には線形補間方法などがあるが、本発明では複数の参照画素の画素値を用いる方法であるならば、これに限定されるものではない。複数の参照画素の画素値を用いることにより、より多くの元画素の情報が用いられることとなり、高解像度化の効果が発揮される。

全画面を表示するのに必要な画像フレーム期間を、図３、図４のように光路偏向素子の作用状態の数で分割したサブフレームで構成し、表示データ制御手段が当該サブフレーム期間中に光路偏向素子によって決定される表示位置に対応する画像データを書き込み、画像表示素子が表示する。

図１３は図１１の構成での表示例を示す。図１０は１つの参照画素を用いた解像度変換を行った例を示す。図９は複数の参照画素を用いて解像度変換を行った例である。複数の参照画素を用いた解像度変換の方が、ジャギーの程度が少なく、図１３との比較では高解像度化の効果が見ることができる。

以上のように、画像表示素子として透過型液晶画像表示素子を用い、ダイクロイックプリズムによって合成する光をＧ光はＰ偏光、Ｂ，Ｒ光についてはＳ偏光として入射させ、表示画像データの解像度に合わせ補間処理を行うことにより、カラーブレーキングやレインボー視覚現象が発生せず、斜め入射光に対する色シェーディングが低減し、色光合成効率が向上し、高画質な高解像度画像表示を実現する低コストの投射型画像表示装置を実現することができた。

次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図１の光路偏向素子の液晶層に、ホメオトロピック配向をなすスメクチックＣ相を形成可能な液晶層を用いた例を示す。

スメクチックＣ相を形成可能な液晶層である「スメクチック液晶」は、液晶分子の長軸方向を層状(スメクチック層)に配列してなる液晶層である。このような液晶に関し、層の法線方向（層法線方向）と液晶分子の長軸方向とが一致していない液晶を「スメクチックＣ相」と呼んでいる。スメクチックＣ相よりなる強誘電液晶は、一般的に外部電界が働かない状態において各スメクチック層毎に液晶ダイレクタ方向が螺旋的に回転しているいわゆる螺旋構造をとる。

また、スメクチックＣ相反強誘電液晶は各層毎に液晶ダイレクタが対向する方向を向く。これらのスメクチックＣ相よりなる液晶は、不斉炭素を分子構造に有し、これによって自発分極しているため、この自発分極と外部電界により定まる方向に液晶分子が再配列することで光学特性が制御される。また強誘電液晶を用いることにより反応速度が速くなる。このように一対の透明基板と、該透明基板間に充填され垂直配向をなすスメクチックＣ相よりなる液晶層と、該液晶層と平行な方向に電界を生じせしめる電極とを有する光路偏向素子を用いることにより、低コストで光量損失、光学ノイズが少なく、高速な光路偏向による高画質な高解像度画像表示を実現することができた。

（請求項１に対する作用効果）色合成手段で合成する光を少なくとも１色の偏光状態が他の色光の偏光状態と異ならせることにより、色光合成効率が向上し、色シェーディングが低減する。また光路変調手段を色合成手段の前段にすることにより、光利用効率が向上した。さらに色光毎に表示画像データを生成することにより、画像表示の高解像度化を行うことができる投射型画像表示装置を実現した。

（請求項２に対する作用効果）色合成手段に入射する光の偏光を直線偏光とし、偏光状態の異なる入射光は他の入射光と偏光方向を直交させることで、画像表示素子に対する画像情報の書き込み位置の補正で適正に対処可能となり、色合成手段の入射角依存性に起因する表示むらを抑えるとともに、高効率の色合成を行わせることができることから、色光合成効率が向上し、色シェーディングが低減することができた。

（請求項３に対する作用効果）ダイクロイックプリズムを用いることにより、入射する複数の画像光のうち少なくとも１色の偏光状態を他の色光の偏光状態と異ならせることにより、色合成手段の入射角依存性に起因する表示むらを抑えるとともに、高効率の色合成を行わせることができることから、色光合成効率が向上し、色シェーディングが低減することができた。

（請求項４に対する作用効果）ダイクロックプリズムで合成するＧ光をＰ偏光、Ｂ，Ｒ光をＳ偏光とすることにより、色光合成効率が向上し、色シェーディングが低減することができた。

（請求項５に対する作用効果）１フレーム間に表示する表示画像データを色毎の表示画素配列に合わせて、複数の入力画素データを用いる解像度変換により生成することで、光路変調手段によって変調された光路の方向が異なる場合にも、高画質な画像表示を実現することができた。

（請求項６に対する作用効果）画像表示素子として透過型液晶表示素子を用いることにより、色破壊現象とレインボー視覚現象が発生しない、低コストの投射型画像表示装置を実現することができた。

（請求項７に対する作用効果）光路偏向素子として、一対の透明基板と、該透明基板間に充填され垂直配向をなすスメクチックＣ相よりなる液晶層と、該液晶層と平行な方向に電界を生じせしめる電極と、を有する光路偏向素子を用いることにより、高速な光路偏向による高画質な高解像度画像表示を実現することができた。

なお、上述する各実施の形態は、本発明の好適な実施の形態であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更実施が可能である。

本発明の第１の実施の形態の投射型画像表示装置の構成例を示す図である。 本発明の第１の実施の形態の表示画素配列例 本発明の第１の実施の形態のＧ光のサブクレーム毎の表示画素画素配列例を示す図である。 本発明の第１の実施の形態のＲ,Ｂ光のサブクレーム毎の表示画素画素配列例を示す図である。 本発明の第１の実施の形態のＧ光の画素配列と参照画素例を示す図である。 本発明の第１の実施の形態のＲ,Ｂ光の画素配列と参照画素例を示す図である。 本発明の第１の実施の形態のＧ光の画素配列と参照画素例を示す図である。 本発明の第１の実施の形態のＲ,Ｂ光の画素配列と参照画素例を示す図である。 複数の参照画素を用いて解像度変換を行った例を示す図である。 １つの参照画素を用いた解像度変換を行った例を示す図である。 投射型画像表示装置の従来構成例を示す図である。 画像表示素子の画素配列例を示す図である。 図１１の表示画像例を示す図である。 従来の投射型画像表示装置の構成例を示す図である。

Claims (7)

1. 画像変調を行う複数の画像表示素子と、これらの前記画像表示素子に対する画像情報の書き込みを制御する表示データ制御手段と、前記各画像表示素子を異なる色光で照明する照明装置と、画像光の光路を前記画像表示素子の画像変調と同期して、時分割で変調する光路変調手段と、前記画像表示素子によって画像変調され、前記光路変調手段により光路を変調された複数の画像光を合成する色合成手段と、合成された画像光を結像するレンズと、を備え、前記画像光の偏光状態毎に定められた方向に、画像の表示位置を少なくとも２つの状態の間で変化させ、表示画像データより前記光路変調手段の前記状態毎に対応したサブフレーム画像データを生成し、前記表示データ制御手段により前記画像表示素子に表示する投射型画像表示装置において、前記色合成手段に入射する画像光は前記光路変調手段により少なくとも１色が他色と異なる方向に光路を変調された画像光であり、前記画像表示素子が１フレーム間に表示する表示画像データは色毎の表示画素配列に合わせて生成されることを特徴とした投射型画像表示装置。
2. 前記色合成手段に入射する画像光の偏光は、直線偏光であり、偏光状態の異なる入射光は他の入射光と偏光方向が直交している請求項１に記載の投射型画像表示装置。
3. 前記色合成手段は、ダイクロイックプリズムを備える請求項２に記載の投射型画像表示装置。
4. 前記色合成手段に入射する偏光を緑(Ｇ)光をＰ偏光とし、他の赤(Ｒ)光及び青(Ｂ)光はＳ偏光としたことを特徴とする請求項２または３に記載の投射型画像表示装置。
5. 入力された画像データを所定の解像度の画像データに変換する解像度変換手段を備え、前記画像表示素子が１フレーム間に表示する表示画像データを色毎の表示画素配列に合わせて生成する請求項１から４のいずれかに記載の投射型画像表示装置において、前記解像度変換は表示画素データの生成に複数の入力画素データを用いることを特徴とした投射型画像表示装置。
6. 画像表示素子が透過型液晶表示素子であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の投射型画像表示装置。
7. 前記光路変調手段は、一対の透明基板と、該透明基板間に充填され垂直配向をなすスメクチックＣ相よりなる液晶層と、該液晶層と平行な方向に電界を生じせしめる電極とを有する、所定の偏光方向の光を偏向する光路偏向素子であることを特徴とする請求項１から６に記載の投射型画像表示装置。

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