JP2013011648A - 画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】面発光光源を用いて、複雑な光学系であるオプティカルインテグレータを用いずに、画像表示素子を均一に照明できる画像表示装置を提供する。
【解決手段】面発光光源が結像される画像表示素子により変調され、射出された光束の光量を検出する光量検出手段を備え、画像表示素子の第１領域と第２領域から射出される光束の光量をそれぞれ検出し、第１領域と第２領域から射出された光束の光量とが異なる場合、画像表示素子の変調量もしくは面発光光源の発光量を制御する制御手段を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、画像表示装置に関し、特に、画像を被投射面に拡大投影するプロジェクタに利用できる画像表示装置に関するものである。

従来、プロジェクタに用いられる画像表示素子として、液晶パネルやマイクロミラーアレイデバイスがある。これらは、光束の透過と遮断を制御する、あるいは、偏向を制御して、所望の画像を形成する。プロジェクタでは、投射レンズを用いてその画像をスクリーンに投射する。

ここで、スクリーン上での照度ムラを低減するために、ケーラー照明として、２枚の２次元配列されたレンズアレイを有するオプティカルインテグレータを用いることが知られている。即ち、光源からの光束を第１のレンズアレイによって複数の光束に分割し、第２レンズアレイによりこれらの分割された複数の光束を画像表示素子の表示領域に重ね合わせるものである。この方法においては、分割した複数の光束を重ね合わせるため、均一性の高い照射光束が得られ、スクリーン上での照度むらが大幅に改善される。

なお、ケーラー照明として、光源からの光束をロッド型のオプティカルインテグレータであるカライドスコープを通過させることによって、光源像を均一化させる方法もある。即ち、均一化されたカライドスコープの光出射側の端面の光束を用いて、画像表示素子を照明する方法である。この方法は、ＤＭＤと称されているデジタルミラーデバイス方式の画像表示素子の照明に一般的に使用されているものである。

これらケーラー照明に対し、ＬＥＤの矩形発光領域と、画像表示素子と、を照明光学系に関して光学的に共役とするクリティカル照明の投射型液晶表示装置が知られる（特許文献１）。しかしながら、画像表示素子である液晶パネルの照明均一性に関しては言及がされていない。

特開２００６−３５０１７１号公報

上述じたように２次元配列されたレンズアレイである通称フライアイレンズや、ロッド型インテグレータであるカライドスコープが、オプティカルインテグレータとして用いられるが、このようなオプティカルインテグレータは一般に複雑な光学系となる。これは、明るい輝度放射の面発光光源が無く、従来プロジェクタ用の光源として発光効率が高い高圧水銀ランプやキセノンランプやメタルハライドランプが使用されてきたためである。

そこで、本発明の目的は、面発光光源を用いて、複雑な光学系であるオプティカルインテグレータを用いずに、画像表示素子の各部分域から出射する光照度を均一化できる画像表示装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係る画像表示装置の代表的な構成は、面発光光源と、前記面発光光源を所定面に結像させる結像光学系と、前記所定面に設けられる画像表示素子と、前記画像表示素子により変調され、射出された光束の光量を検出する光量検出手段であって、前記画像表示素子の第１領域と第２領域から射出される光束の光量をそれぞれ検出する光量検出手段と、前記第１領域から射出された光束の光量と前記第２領域から射出された光束の光量とが異なる場合、前記第１領域と前記第２領域から射出される光束の光量が近づくように、前記画像表示素子の変調量もしくは前記面発光光源の発光量を制御する制御手段、を有することを特徴とする。

本発明によれば、複雑な光学系であるオプティカルインテグレータを用いずに、画像表示素子の各部分域から出射する光照度を均一化できる 画像表示装置を提供することができる。

本発明の実施形態である投写型画像表示装置の構成斜視図である。 （Ａ）、（Ｂ）は本発明の実施形態に用いる液晶変調パネルの概略構成図である。 （Ａ）、（Ｂ）は本発明の実施形態に用いるＬＥＤ光源の概略構成図である。 本発明の実施形態に用いる制御ドライバーのブロック構成図である。 フィールドシーケンシャル表示を説明する図である。 本発明の実施形態における均一性制御用センサーを配置した投写型画像表示装置の概略構成図である。 均一性制御の方法を説明するための液晶変調パネルの表示領域説明図である。 均一性制御の制御工程を説明するための説明図である。

以下に、本発明の好ましい実施形態として、小型であって低価格化が可能な画像表示装置につき、図面に基づいて詳細に説明する。

《第１の実施形態》
（照明光学系）
先ず、本実施形態に用いられる照明光学系について図１に基づき説明する。図１は投写型画像表示装置を構成する主要な構成斜視図である。光源となるＬＥＤは、赤緑青の色の３原色に相当する３個のＲＧＢ色ＬＥＤを用いており、１ＲはＲ色（レッド色）用ＬＥＤ光源、１ＧはＧ色（グリーン色）用ＬＥＤ光源、１ＢはＢ色（ブルー色）用ＬＥＤ光源である。ＲＧＢ色それぞれの各色のＬＥＤからの放射光束は、Ｒ色用のコリメータレンズ２Ｒ、Ｇ色用のコリメータレンズ２Ｇ、Ｂ色用のコリメータレンズ２Ｂによって略平行光束に変換され、ダイクロイックフィルターであるクロスダイクロイックプリズム３に入射する。

色合成光学系としてのクロスダイクロイックプリズム３は、Ｇ色光束に関しては透過する特性を有しており、Ｒ色とＢ色に関しては、クロス状に配されたダイクロイック膜によって反射する特性を有している。ＲＧＢそれぞれの光束を図中右奥側に導光するように配されている。ＲＧＢの３色が同じ光路を通過するように、クロスダイクロイックプリズム３は配置されている。次にクロスダイクロイックプリズム３から出射した光束は偏光板４によって図中上下方向の偏光成分のみを通過させる。

ここで、偏光板４を通過した光束はリレーレンズ５によって、液晶変調パネル８の有効表示領域に、各ＬＥＤ光源の発光領域の像（ＬＥＤの発光光束のニアフィールドパターン）を投影する。即ち、コリメータレンズ２とリレーレンズ５の組合せ光学系により、ＬＥＤ光源は液晶変調パネルが設けられる所定面に結像され、ＬＥＤ光源と液晶変調パネルは光学的に共役となる。

この略結像投影の光路において、偏光ビームスプリッタ６によって、図中上下方向の偏光成分を反射し、液晶変調パネル８が配されている方向へ光束を導く。また、波長板７を通過させることにより、光束の偏光方向が液晶変調パネル８の黒表示状態のリタデーションにマッチングするように微調整される。液晶変調パネル８に到達した光束は、液晶変調パネルの表示領域に配された複数の画素の変調状態に応じて、各画素領域で位相差を与えられ反射する。

ここで液晶の表示される画像情報や、ＲＧＢの表示フレームの制御に関しては、制御ドライバー２００がＬＥＤ光源のＲＧＢ発光色を選択し、発光色に合わせた液晶変調パネルの表示画像を決定し時系列に制御している。また、制御ドライバー２００は、液晶変調パネルへの光照度の均一化の制御を行なうが、光照度の均一化制御に関しては、後に詳細に述べる。

液晶変調パネル８によって画像の位相差変調を受けた光束は反射し、再度液晶のリタデーションを補正する波長板７を通過し、偏光ビームスプリッタ６に入射する。偏光ビームスプリッタ６に入射した光束は、図中上下方向の偏光成分は反射され光源側へ戻り、図中左右方向の偏光成分は偏光分離膜を通過し、投射レンズ９側へ導かれる。つまり、液晶変調パネル８によって各画素に位相差変調を与えた状態が光画像として情報化され、位相差を与えられた部分が光画像として投射レンズ９へ転送される。

投射光学系である投射レンズ９は、液晶変調パネル８の画像表示領域面を投射面であるスクリーン１０に拡大共役投影を行い、スクリーン１０に光画像が投影される。スクリーン１０は光拡散面で構成されており、照射された光を拡散反射することによって、スクリーンを見ることで画像を視認出来るようになる。

ここで、Ｒ色用、Ｇ色用、Ｂ色用のＬＥＤ光源の液晶変調パネルへの結像状態に関して、各色用のコリメータレンズを個別に調整することで、結像状態の差異を無くしたフォーカス調整を行うことができる。

コリメータレンズを調整すれば、コリメータレンズ以後の光学部品である、クロスダイクロイックプリズム３、リレーレンズ５、偏光ビームスプリッタ６等を介したＲ色、Ｇ色、Ｂ色の光束の結像状態の差異が吸収できる。

本実施形態で説明している投写型画像表示装置は、液晶変調パネル８が１個配置された系で説明を行っているが、液晶表示パネルをＲ色用、Ｇ色用、Ｂ色用と３個使用した一般に呼ばれている３板色液晶プロジェクターの系にて用いることも可能である。

また、本実施形態で説明している投写型画像表示装置は画像変調に液晶変調パネルを使用したものであるが、画像変調デバイスとしてデジタルミラーデバイス等の画素を構成する複数のマイクロミラーが個別に偏向変調するデバイスを用いても構わない。この場合には、偏光板４、波長板７は不要となり、偏光ビームスプリッタの代りに全反射チルトプリズムと呼ばれる照明光がデジタルミラーデバイスに斜入射し、変調反射方向がデジタルミラーデバイスの表示面に対して垂直に反射する構成の光学系に代えれば良い。

（液晶変調パネル）
次に、この投写型画像表示装置の構成に用いられている液晶変調パネルについて、図２を用いて説明する。図２は液晶変調パネルの概略構成図であって、（Ａ）は斜視図（Ｂ）は上面図である。液晶表示パネルの画像表示領域は８０４に示す領域であって、液晶は、液晶回路基板８０１と対向ガラス基板８０２に挟まれた領域に配されている。液晶層はギャップ約３μｍの厚さを維持して、ビーズ等のギャップ維持材料を混入したシール材で画像表示領域外周でシーリングして維持されている。

画像表示領域８０４は、複数のマトリックス状に配された画素によって構成されており、各画素はフレキ端子８０３から入力された画像信号と制御信号によって、電気的にコントロールされる。電気的にコントロールされた各画素は、画像に応じた所定電圧が印加され、対向するガラス基板はＩＴＯ全面電極が配されており、ＩＴＯ電極には所定一定電圧が印加されている。この状態によって、液晶回路基板８０１と対向ガラス基板８０２とに挟まれた液晶には各画素の位置で、画像情報に応じた電圧が印加される。

この電圧によって液晶は分子配列の方向を変位させ、複屈折を有している液晶が方向を変えることによって、通過する光に位相差を与えて、画像を表示するものである。ここで、画像表示領域８０４は複数の画像が配列された長方形形状の形をしたものになっている。

（ＬＥＤ光源）
次に、この投写型表示装置の構成に用いられている、１チップ構成の面発光光源であるＬＥＤ光源について、図３を用いて説明する。図３はＬＥＤ光源の概略構成図であって、（Ａ）は斜視図（Ｂ）は上面図である。ＬＥＤ光源の構成はＲ色用、Ｇ色用、Ｂ色用それぞれ同等の構成となっている。ＬＥＤ光源の光放射領域はＬＥＤ素子１０１の表面領域であって、ＬＥＤ素子１０１は内部に発光層を有し、発光層は、電子を発光層に注入する電極とホールを発光層に注入する電極で挟まれた構造である。

図中上面からホールを注入する電極にワイヤーボンディング１０４が接続されており、図中ＬＥＤ素子の下裏面から電子を注入する電極にＬＥＤ素子基板１０２上にパターニングされた配線が接続されている。この２つの配線が端子パッド１０３に接続されており、端子パッド１０３に電力を供給することによって、ＬＥＤ素子１０１が発光層内で電子とホールのエキシトン結合が成され光子が生成され、外部に放出される構造となっている。ここで、ＬＥＤ素子１０１の上面である発光領域が長方形形状の形をしたものになっている。

本実施形態では面発光光源にＬＥＤ素子を用いているものであるが、面発光特性を有するものであれば、有機ＥＬ（有機材料がエキシトン結合のよって光子放出する素子）やＦＥＤ（電子のフールドエミッションによって蛍光体を発光させる素子）を用いても良い。

これまで述べてきた液晶変調パネルの画像表示領域８０４と、ＬＥＤ素子１０１の発光領域が共に長方形形状をしている。さらに好ましくは液晶変調パネルの画像表示領域８０４の長方形の長辺と短辺の縦横比であるアスペクト比と、ＬＥＤ素子１０１の発光領域の長方形のアスペクト比が同一であって相似形に対応しているものが最も好ましいものである。そこで、本実施形態では、投写型表示装置の光学系が、ＬＥＤ素子の発光のニアフィールドパターンを液晶変調パネルの画像表示領域８０１へ、同一の縦横比となるよう、変倍投影する。

略共役投影とは、ＬＥＤ素子１０１に電力を供給するワイヤーボンディング１０４の像が画像表示領域８０４上にくっきりと投影されることを避けるために、適度にＬＥＤ発光ニアフィールド像をボケさせることを意味しているものである。

また、複数のＬＥＤ素子が近接した状態でＮ個掛けるＮ個の配列で並べられて一つの色をつかさどる光源として使用する場合には、図３中のＬＥＤ素子１０１の上面である光放射面のニアフィールドパターンはＮ掛けるＮの発光領域のパターンになる。この場合には、投写型表示装置の光学系はＬＥＤ素子の発光のニアフィールドパターンを液晶変調パネルの画像表示領域８０１へ適度に像をボケさせる。このことによって液晶変調パネルの画像表示領域８０４はほぼ均等に光照明することもできる。

（画像表示装置の動作過程）
次に、図４、図５を用いて本実施形態の投写型画像表示装置が画像を表示する動作過程を説明する。図１に示されている制御ドライバー２００の構成の詳細を図４に示してある。表示しようとしている画像信号は装置の本体または外部のＰＣ装置またはビデオプレイヤー装置からフレームメモリ２０１に格納される。フレームメモリ２０１はＲ色Ｇ色Ｂ色用の３フレームの画像情報を格納できるようになっている。一方、制御ドライバー２００は制御クロック２０２を有しており、このクロック信号をもとにタイミングを同期させて動作している。制御クロック２０２から同期基本クロックをタイミング制御部２０３が受け取る。

タイミング制御部２０３は、液晶変調パネル８のドライブに関しては、フレームメモリ２０１からの情報転送、液晶変調パネル８へ画像情報を転送するための画像出力制御部２０４の動作タイミング制御を行っている。一方、タイミング制御部２０３は、ＬＥＤ光源１Ｒ、１Ｇ、１Ｂに関しては、発光をドライブするＲドライバー２０６Ｒ、Ｇドライバー２０６Ｇ、Ｂドライバー２０６Ｂの動作切換えを行う切替制御部２０５の動作タイミング制御を行っている。また、液晶変調パネル８への電力供給を司る液晶用電源２０７、ＬＥＤ光源１Ｒ、１Ｇ、１Ｂへ電力供給を司るＬＥＤ用電源２０８を備えているものである。

（画像表示過程）
上記した制御ドライバーによって、画像の表示過程を図５を用いて説明する。液晶変調パネル８に表示される画像情報はＲ色用Ｇ色用Ｂ色用を１セットとしてサイクリックに繰り返される。このサイクリックに繰り返される液晶表示画像に同期して、Ｒ色用の画像を表示している時間はＲ色用のＬＥＤ光源１Ｒが発光点灯し、Ｇ色用の画像を表示している時間はＧ色用のＬＥＤ光源１Ｇが発光点灯する。そして、Ｂ色用の画像を表示している時間はＢ色用のＬＥＤ光源１Ｂが発光点灯しする過程が繰り返される。スクリーン１０上では、１つの画像フレームに対して、Ｒ色成分、Ｇ色成分、Ｂ色成分が時系列で表示されるものである。

一般にフィールドシーケンシャル表示方式と呼ばれているものであって、１つの画像フレームのＲＧＢ色画像の表示時間が短ければ、画像を観察しているユーザーはＲＧＢ色の混合色を認識することとなって、カラー画像を観察するものである。現在表示するソースである画像情報データは一般的には６０Ｈｚの画像信号が広く使用されており、６０Ｈｚの画像情報に対してＲＧＢの色表示を１８０Ｈｚで表示した場合には、通常の視認ではカラー画像を認識できるものである。

（光照度の均一化制御）
今、ＬＥＤ光源が、ＬＥＤ光源の個体差により発光面内の発光強度ムラが有った場合、クリティカル照明を行うと光源の発光ムラがそのまま画像表示素子の照明ムラへと転送されてしまう。また、ＬＥＤ光源を長時間発光させた時、計時変化により発光強度ムラの状態が変化した場合にも、スクリーン上に投影される光量にムラが生じ、好ましくない。
また、ＬＥＤ光源自体の発光面の発光強度が均一であっても、光源と画像表示素子の結像関係の波長依存性、角度依存性がある場合にも画像表示素子上の照度ムラが発生する。

本発明では、画像表示素子の各部分から射出する光照度を均一化する制御手段を設けているので上記課題を解決できる。

画像表示素子の各部分域から出射する光照度を均一化する制御方法を、図６乃至図８を用いて説明する。図６は、画像表示素子である液晶変調パネル８の第１領域と第２領域から射出し投射レンズ９に入射する光束の光量を検出する、光量検出手段としての光量センサー３００を、投写型画像表示装置に挿入する場合を示す。

光量センサー３００は、光照度を均一化する制御を行なうときのみ、液晶変調パネル８から出射し投射レンズ９に入射する投射レンズの光入射側位置に、光受光面を偏光ビームスプリッタ６側に向けて挿入され、固定される。ここで、光照度を均一化する制御を行なうとき、図７に示すように、液晶変調パネル８の画像表示領域８０４は、Ｎ掛けるＭ個に分割した領域で、時間順に白（反射率最大状態）を表示してゆく。なお、白を表示していない領域は黒（反射率最小状態）を表示している。

画像表示素子の各部分域から出射する光照度が均一化された理想状態では、画像表示素子の各部分域から順次出射する光束を受光する光量センサー３００の出力が時間的に一定値となる。光量センサー３００の出力が時間的に一定値とならない場合は、画像表示素子あるいは面発光光源の各部分域毎に変調して、光量センサー３００の出力が時間的に一定値となるようにする。

図８に、画像表示素子の各部分域から出射する光照度を均一化するシーケンスを説明する。先ず光量センサー３００を前述した位置へ挿入し、液晶変調パネルをＲ色表示時の黒状態として表示する。次にＬＥＤ光源はＲ色用を点灯する。液晶変調パネルのＮ掛けるＭ分割された領域をｉのループｊのループで順次白状態に変調してゆき、このループ順と同期して光量センサー３００の出力値を順次読み取って、制御ドライバー２００内のメモリーにデータをセットしてゆく。

上述したＲ色表示を、Ｇ色表示、Ｂ色表示の順に繰り返す。ＲＧＢ全色の表示位置の白状態の光量センサー出力値のデータを読み取り、メモリーにデータセットされた後、光量センサー３００を光路から退避させる。

上記メモリーにセットされた、ＲＧＢ各色の白状態表示光量データを基に、装置の製造初期の状態（理想状態）となるように、制御ドライバー２００は、画像表示素子の変調量あるいは面発光光源の発光量を各部分域毎に制御する。画像表示素子を各部分域毎に変調する場合、各部分域とは画素あるいは画素グループ（隣接する複数個の画素をグループ化したもの）の領域となる。面発光光源を各部分域毎に変調する場合、各部分域とは面発光光源を構成する単位光源の領域となる。

なお、面発光光源の発光強度が時間的に変動する場合であっても、液晶変調パネル８から出射した各部分域から順次出射する光束を光量センサー３００で受光し、上述したものと同様に照度の均一化が図られる。即ち、光量センサー３００の出力が時間的に一定値とならない場合、画像表示素子である液晶変調パネル８あるいは面発光光源であるＬＥＤ光源１の各部分域毎に変調することで、同様の補正が可能となる。

（変形例）
上述した実施形態において、液晶変調パネルは反射型を用いたが、透過型であっても良い。更に、結像光学系としては、上述した実施形態以外の任意のレンズ光学系、あるいは任意のミラー光学系を用いることができる。

１・・ＬＥＤ光源、２・・コリメータレンズ、３・・クロスダイクロイックプリズム、４・・偏光板、５・・リレーレンズ、６・・偏光ビームスプリッタ、７・・波長板、８・・液晶変調パネル、９・・投射レンズ、１０・・スクリーン、２００・・制御ドライバー、３００・・光量センサー

Claims (7)

1. 面発光光源と、
   前記面発光光源を所定面に結像させる結像光学系と、
   前記所定面に設けられる画像表示素子と、
   前記画像表示素子により変調され、射出された光束の光量を検出する光量検出手段であって、前記画像表示素子の第１領域と第２領域から射出される光束の光量をそれぞれ検出する光量検出手段と、
   前記第１領域から射出された光束の光量と前記第２領域から射出された光束の光量とが異なる場合、前記第１領域と前記第２領域から射出される光束の光量が近づくように、前記画像表示素子の変調量もしくは前記面発光光源の発光量を制御する制御手段、
   を有することを特徴とする画像表示装置。
2. 前記面発光光源は、３原色であるレッド色、グリーン色、ブルー色を夫々放射する複数の光源であり、レッド色、グリーン色、ブルー色のそれぞれの色光を放射する夫々の光源からの放射光束をダイクロイックフィルターを介して合成し、前記画像表示素子を照明することを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
3. 前記夫々の面発光光源から放射する光束を夫々平行光束に変換する複数のコリメータレンズを有し、
   夫々の前記面発光光源を前記画像表示素子に結像させるフォーカス調整は、夫々の前記コリメータレンズの調整によって行うことを特徴とする請求項２に記載の画像表示装置。
4. 前記面発光光源は、ＬＥＤ光源であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の画像表示装置。
5. 前記面発光光源は、１チップ構成の面発光光源であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の画像表示装置。
6. 前記面発光光源の光放射領域の縦横比は、前記画像表示素子の画像表示領域の縦横比と同一であり、
   前記面発光光源の光放射領域の長辺と短辺は、前記画像表示素子の画像表示領域の長辺と短辺に対応して変倍投影されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の画像表示装置。
7. 前記画像表示素子から出射した光束を投射面に投射する投射光学系を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の画像表示装置。