JP5556287B2 - 投射型表示装置 - Google Patents
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Description
投射型表示装置は、光源からの照明光を液晶表示素子に照射し、液晶表示素子に表示されている画像をスクリーン上に拡大投射するものである。
半導体光源は、光源の高速制御が可能な点や、小型軽量で長寿命な点から実用化に向けての検討が盛んになっている。
また、半導体光源の高速制御性を利用して、1個の光変調素子を用いるフィールドシーケンシャル駆動の検討もおこなわれている。
LED光源を用い、フィールドシーケンシャル駆動により映像を表示する投射型表示装置が特許文献1に記載されている。
特許文献1に記載の表示装置は、赤(R)、緑(G)及び青(B)の各LEDと、1つの空間変調素子と光源調整部とを備える。映像の1フレームは、R光、G光及びB光に対応して3つのサブフレームに分割され、各サブフレームには、R、G及びBの各映像信号が空間変調素子に供給される。R、G及びBの各LEDは高速で駆動されている。光源調整部は、映像を目標色空間とするため、R、G及びBの各LEDのそれぞれの発光量の混合比を決定し、この混合比に基づいてR、G及びBの各LEDそれぞれに流すLED駆動電流を設定する。
サブフレーム毎に、G及びBの各LEDそれぞれに流すLED駆動電流を調整することにより、色空間を所望の位置に設定して色域調整がおこなうと共に、空間変調素子に照射する光の輝度を高め明るい投射映像得ることができる。
しかしながら、アナログ駆動の空間変調素子は、次にあげるような課題を有している。アナログ駆動の空間変調素子は、ディスクリネーションと呼ばれる配向欠陥が生じやすく、映像のコントラストを向上することが困難である。また、アナログ駆動の空間変調素子は、駆動回路の構造が複雑であり生産性を高めることが困難であり、コストが高くなってしまう。更に、アナログ駆動の空間変調素子は、液晶に印加する電圧が対象に印加されず一方の電極側に偏ってしまい、液晶に直流成分が加えられ焼き付きと呼ばれる不良が発生しやすい。
上記の目的を達成するために、本発明は、次の1)乃至3)を提供する。
1)パルス駆動で駆動され、それぞれ波長の異なる光を発光する複数の半導体光源(2r,2g,2b)と、素子駆動信号に基づいてパルス駆動され、入射した前記半導体光源(2r,2g,2b)からの光を光変調して出力する空間変調素子(5)と、映像信号から階調信号を抽出して、前記映像信号及び前記階調信号を出力する階調信号抽出部(22)と、前記映像信号から同期信号を抽出して出力すると共に、前記映像信号から前記素子駆動信号を生成して前記空間変調素子(5)に対して出力する素子駆動回路(21)と、前記複数の半導体光源(2r,2g,2b)から射出する光を混色する際の混合比率の情報を含む混合比率信号と、前記階調信号抽出部(22)から出力された階調信号とに基づいて前記複数の半導体光源(2r,2g,2b)をパルス駆動するパルス情報を決定し、周波数信号として出力する周波数決定部(33)と、前記周波数決定部(33)から出力した前記周波数信号と、前記素子駆動回路(21)から出力した前記同期信号に基づいて前記映像信号に同期した光源駆動パルス信号を生成する光源駆動パルス生成部(31)と、前記光源駆動パルス生成部(31)で生成された前記光源駆動パルス信号に基づいて光源駆動信号を生成し、前記素子駆動信号と同期して前記半導体光源(2r,2g,2b)を発光させる光源駆動信号を出力する光源駆動回路(32)と、を備え、前記パルス情報には、前記複数の半導体光源(2r,2g,2b)のそれぞれに対応したパルス数,パルス周波数及びパルス幅の情報を含み、前記パルス幅は、前記混合比率信号に基づいて制御されることを特徴とする投射型表示装置(1)。
2)混合比率設定部(34)を更に備え、前記混合比率設定部(34)は、希望する色域に関する色度情報、あるいは目標とする輝度に関する輝度情報に基づいて前記複数の半導体光源(2r,2g,2b)から射出する光を混色する際の混合比率の情報を含む混合比率信号を設定することを特徴とする1)記載の投射型表示装置(1)。
3)前記空間変調素子(5)は1個であり、前記素子駆動信号は、投影画像の1フレームが前記複数の半導体光源(2r,2g,2b)の個数に対応した数のサブフレームに分割された時分割駆動用の信号であり、前記複数の半導体光源は(2r,2g,2b)、対応するサブフレームに応じて発光することを特徴とする1)または2)記載の投射型表示装置(1)。
なお、全図において、共通な機能を有する部品には同一符号を付して示し、一度説明したものに関しては、繰り返した説明を省略する。
図1は、第1の実施形態の投射型表示装置1の構成を示す概略図である。
投射型表示装置1は、半導体光源2と、照明光学系3と、偏光分離素子4と、空間変調素子5と、投射光学系6と、制御部7とを有する。
照明光学系3は、複数の光学素子からなり、半導体光源2を発光した各色光の照明光が入射し入射した照明光の照度むらを低減すると共に、照明光の光束の大きさを空間変調素子5の大きさに合わせるように調整する。
投射光学系6は、入射した光を拡大し図示しないスクリーンに対して映像を拡大投射する
素子制御部11は、外部から入力した映像信号に基づいて、空間変調素子5を光変調する際の素子駆動信号を出力する。LED制御部12は、各色用半導体光源2r,2g,2bを駆動する光源(LED)駆動信号を出力する。電源回路部13は、素子制御部11及びLED制御部12に対して、素子駆動信号及び光源駆動信号を生成するための電源をそれぞれ供給する。
LED制御部12入力した光源駆動信号に基づいて各色用半導体光源2r,2g,2bは、R光,G光及びB光を発光する。発光された各色光は、照明光として照明光学系3に入射する。
照明光学系3に入射した照明光は、照明光の照度むらを低減すると共に、照明光の光束の大きさを空間変調素子5の大きさに合わせるように調整され射出する。
反射型液晶素子5で反射した変調光は、再び偏光分離素子4に入射し、偏光分離面41で変調光のうちの変調成分であるS偏光が反射し、90度折り曲げられ偏光分離素子4から射出する。
図2(a)は、一般的なアナログ駆動を用いる反射型液晶素子5の駆動方法を示しており、所定周期(1フレーム)の交流電圧で液晶が変調されるものである。また、アナログ駆動の場合の階調制御は、駆動電圧の振幅値で制御する。すなわち、図2(a)では、1フレームは+V,−Vの100%(全白)で駆動した状態であり、2フレームは、+V/2,−V/2の50%(中間調)で駆動した状態を示している。この駆動方式では、表示される映像の階調特性は電圧に応じて決定されるため良い特性を示す。
図2(b)示すようにデジタル駆動の反射型液晶素子5では、ピーク電圧が一定のパルスによって液晶を変調するものである。デジタル駆動の反射型液晶素子5における映像の階調制御は、パルスに分割したサブフレームのデジタルパルス電圧の平均電位による液晶変調によっておこなっている。
したがって、図2(b)に示すように、1フレームで100%の全白を表示するためには、+V,−Vのサブフレームのパルスで時間t駆動すればよい。一方、2フレームで50%の中間調を表示するためには、+V,−Vのサブフレームのパルスで時間t/2駆動する。
図3を用いて第1の実施形態の投射型表示装置1に用いるLED光源2r,2g,2bの駆動方法について説明する。
図3(a)は、従来技術に記載した連続駆動によるLED光源2r,2g,2bの駆動状態を示す図である。連続駆動によるLED光源2r,2g,2bでは、最大出力である輝度100%を出力する場合、電圧を+Vの状態で連続発振させる。輝度を変化させる場合は、輝度に応じて電圧を変化させ連続発振させる。
第1の実施形態の投射型表示装置1に用いるパルス駆動のLED光源2r,2g,2bでは、パルスの数で輝度を制御する。
LED光源2r,2g,2bで最大出力である輝度100%を出力する場合、時間tの間にピーク電圧+Vのパルスをn個発振する。同様に輝度50%を出力する場合、時間tの間にピーク電圧+Vのパルスをn/2個発振する。同様に輝度33%を出力する場合、時間tの間にピーク電圧+Vのパルスをn/3個発振する。このようにして、LED光源2r,2g,2bから出力される光の輝度を制御する。
図4に示すように、素子制御部11は素子駆動回路21を備えている。また、LED制御部12は光源(LED)駆動パルス生成部31と光源(LED)駆動回路32を備えている。素子駆動回路21,LED駆動パルス生成部31及びLED駆動回路32には、電源回路部13から電力が供給されている。
素子駆動回路21では、外部から入力した映像信号とLED駆動パルス生成部31から入力した同期信号に基づいて、反射型液晶素子5をデジタル駆動するためのピーク電圧が一定のパルスである素子駆動信号を生成し反射型液晶素子5に出力する。
これにより、LED光源2r,2g,2bではLED駆動信号に応じた輝度の光を出力し、反射型液晶素子5では素子駆動信号に応じた階調で入射した照明光を光変調し変調光として出力する。
図5(a)は、素子駆動信号をR色に対応する部分,G色に対応する部分及びB色に対応する部分を理解しやすいように、R,G及びBの3つの素子駆動信号として分けて表示している。第1フレームは、R,G及びBの3つのサブフレームに分けられ、第1サブフレームがR色に,第2サブフレームがG色に,第3サブフレームがB色に対応している。第2フレームは、第4サブフレームがR色,第5サブフレームがG色,第6サブフレームがB色となっており、以下フレームは、R,G及びBの3つのサブフレームが繰り返されて構成されている。
図5(b)は、図5(a)のR,G及びBの3つのサブフレームに対応したR色のLED駆動信号,G色のLED駆動信号及びB色のLED駆動信号を示している。
このようにデジタル駆動の反射型液晶表示素子5と、パルス駆動のLED光源2r,2g,2bを用いることにより、LEDの色合いの変化が少なく、表示される映像の階調制御が容易な投射映像を得ることができる。
次に、第1の実施形態の投射型表示装置1で明るい投射映像及び投射される映像の色域の拡大をおこなうことができる構成について、第2の実施例として説明する。
投射映像を明るくする技術としては、同一波長のLED光源を複数個使用する方法,LED光源の出力光の光量を大きくする方法,及び各色のLED光源から発光した光を混色する方法がある。LED光源を複数個使用する方法とLED光源の出力光の光量を大きくする方法とは、光源のコストが上昇すると共に発熱が増え出力光の波長がシフトする虞がある。一方、各色のLED光源から発光した光を混色する方法は、光源の数が増えないためコストが上昇することがなく、発熱が増えることもない。
この場合も、各色のLED光源2r,2g,2bから発光した光を混色することにより、コストが上昇することがなく、輝度の上昇も合わせて達成することができる。
R色を表示する第1サブフレームでは、LED駆動信号は主光線であるR光用のLED光源2rは連続発光するのに対して、G光用のLED光源2gは第1サブフレームの1/4期間のみ発光している。また、B光用のLED光源2bは第1サブフレームの1/8期間のみ発光している。
同様に、B色を表示する第3サブフレームでは、LED駆動信号は主光線であるB光用のLED光源2bは連続発光するのに対して、第2光線であるG光用のLED光源2gは第1サブフレームの1/4期間のみ発光している。また、第3光線であるR光用のLED光源2rは第2サブフレームの1/8期間のみ発光している。
一方、反射型液晶表示素子5が50%の変調度で変調をおこなう第2フレームの場合、反射型液晶表示素子5は各サブフレームの期間の半分の期間駆動される。そのため、主光線に対応するLED光源の駆動期間は、反射型液晶表示素子5の駆動期間の1/2になる。
このため、反射型液晶表示素子5の駆動期間と、第2光線に対応するLED光源の駆動期間と、第3光線に対応するLED光源の駆動期間とは、第1フレームでは1:1/4:1/8であるのに対して、第2フレームでは1/2:1/4:1/8となり第2光線と第3光線の割合が増加する。結果として、第1フレームの場合のLED光源の混色比率と異なってしまい、第1フレームと第2フレームのように階調が異なる場合に色合いが変化してしまう。
図7(a)は、図3(b)に示す第1の実施形態の駆動方法を表している。この場合、パルスの数で輝度を制御する。 LED光源2r,2g,2bで最大出力である輝度100%を出力する場合、時間tの間にピーク電圧+Vのパルスをn個発振する。同様に輝度50%を出力する場合、時間tの間にピーク電圧+Vのパルスをn/2個発振する。同様に輝度33%を出力する場合、時間tの間にピーク電圧+Vのパルスをn/3個発振する。このようにして、LED光源2r,2g,2bから出力される光の輝度を制御する。
具体的には、図7(b)に示すように、パルス数は同一であるため、パルス周期は同一であり、パルスがON状態の長さであるパルス幅が輝度と比例関係になっている。すなわち、輝度100%のパルス幅をxとしたとき、輝度50%のパルス幅がx/2となり、輝度33%のパルス幅はx/3となる。
図7に示すように、素子制御部11は素子駆動回路21と階調信号抽出部22を備えている。また、LED制御部12はLED駆動パルス生成部31とLED駆動回路32を備えている。素子駆動回路21,LED駆動パルス生成部31とLED駆動回路32と周波数決定部33と混合比率設定部34を備えている。また、素子制御部11及びLED制御部12の各部には電源回路部13から電力が供給されている。
投影する映像に対応する映像信号は、素子制御部11の階調信号抽出部22に入力する。階調信号抽出部22では、入力した映像信号から各フレームの階調の情報が抽出され階調信号として出力されると共に、入力した映像情報が素子駆動回路21に出力する。
LED制御部12では、外部から色域を設定するための色度情報、あるいは輝度を設定する輝度情報が混合比率設定部34に入力する。色度情報、あるいは輝度情報は、投射型表示装置1に予め記憶されていても、使用者が入力してもよい。混合比率設定部34では、入力した色度情報あるいは輝度情報に基づいてR光用LED光源2r,G光用LED光源2g,及びB光用LED光源2bそれぞれから出力される出力光の混合比率を決定し、混合比率信号として周波数決定部33に出力する。
LED駆動パルス制御部31では、周波数信号と素子駆動回路21から入力した同期信号とに基づいてLED駆動パルス信号が生成されLED駆動回路32に出力される。
LED駆動回路32では、LED駆動パルス制御部31から入力したLED駆動パルス信号に基づいてLEDの出力光の輝度に応じたパルス数をLED駆動信号としてLED光源2r,2g,2bに出力する。
図9(a)は、素子駆動信号をR色に対応する部分,G色に対応する部分及びB色に対応する部分を理解しやすいように、R,G及びBの3つの素子駆動信号として分けて表示している。第1フレームは、R,G及びBの3つのサブフレームに分けられ、第1サブフレームがR色に,第2サブフレームがG色に,第3サブフレームがB色に対応している。第2フレームは、第4サブフレームがR色,第5サブフレームがG色,第6サブフレームがB色となっており、以下フレームは、R,G及びBの3つのサブフレームが繰り返されて構成されている。
図9(b)は、図9(a)のR,G及びBの3つのサブフレームに対応したR色のLED駆動信号,G色のLED駆動信号及びB色のLED駆動信号を示している。
また、各サブフレームにおいてLED光源から出力する出力光を輝度の高い順に。主光線,第2光線,第3光線とする。具体的には、R色を表示する第1,第4サブフレームの場合、主光線はR光用のLED光源2rからの出力光であり、第2光線はG光用のLED光源2gからの出力光であり、第3光線はB光用のLED光源2bからの出力光である。G色を表示する第2,第5サブフレームの場合、主光線は、G光用のLED光源2gからの出力光であり、第2光線はR光用のLED光源2rからの出力光であり、第3光線はB光用のLED光源2bからの出力光である。B色を表示する第3,第6サブフレームの場合、主光線は、B光用のLED光源2bからの出力光であり、第2光線はG光用のLED光源2gからの出力光であり、第3光線はR光用のLED光源2rからの出力光である。
また、
更に、第3,第6サブフレームでは、B光用のLED光源2bはパルス幅がxのパルスによって駆動され、G光用のLED光源2gはパルス幅がx/2のパルスによって駆動され、R光用のLED光源2rはパルス幅がx/3のパルスによって駆動される。
反射型液晶表示素子5において100%の階調(全白)である第1、第2,第3サブフレームと50%の階調(中間調)である第4,第5,第6サブフレームとでは、第2フレームでは第1フレームに対して反射型液晶表示素子5が各サブフレームの期間の半分の期間しか駆動されない。しかしながら、LED光源2r,2g,2bは、パルスの数ではなくパルス幅で輝度を調整しているため、第1フレームと第2フレームとでLED光源2r,2g,2bからの出射光の混合比率が変化することはなく、階調が異なる場合に色合いが変化することもない。
1…投射型表示装置、2,2r,2g,2b…半導体光源(LED光源)、3…照明光学系、4…偏光分離素子、5…空間変調素子(反射型液晶表示素子)、6…投射光学系、7…制御部、11…素子制御部、12…光源(LED)制御部、13…電源回路部、21…素子駆動回路、22…階調信号抽出部、31…光源(LED)駆動パルス生成部、32…光源(LED)駆動回路、33…周波数決定部、34…混合比率設定部、41…偏光分離面
Claims (3)
- パルス駆動で駆動され、それぞれ波長の異なる光を発光する複数の半導体光源と、
素子駆動信号に基づいてパルス駆動され、入射した前記半導体光源からの光を光変調して出力する空間変調素子と、
映像信号から階調信号を抽出して、前記映像信号及び前記階調信号を出力する階調信号抽出部と、
前記映像信号から同期信号を抽出して出力すると共に、前記映像信号から前記素子駆動信号を生成して前記空間変調素子に対して出力する素子駆動回路と、
前記複数の半導体光源から射出する光を混色する際の混合比率の情報を含む混合比率信号と、前記階調信号抽出部から出力された階調信号とに基づいて前記複数の半導体光源をパルス駆動するパルス情報を決定し、周波数信号として出力する周波数決定部と、
前記周波数決定部から出力した前記周波数信号と、前記素子駆動回路から出力した前記同期信号に基づいて前記映像信号に同期した光源駆動パルス信号を生成する光源駆動パルス生成部と、
前記光源駆動パルス生成部で生成された前記光源駆動パルス信号に基づいて光源駆動信号を生成し、前記素子駆動信号と同期して前記半導体光源を発光させる光源駆動信号を出力する光源駆動回路と、
を備え、
前記パルス情報には、前記複数の半導体光源のそれぞれに対応したパルス数,パルス周波数及びパルス幅の情報を含み、前記パルス幅は、前記混合比率信号に基づいて制御されることを特徴とする投射型表示装置。 - 混合比率設定部を更に備え、
前記混合比率設定部は、希望する色域に関する色度情報、あるいは目標とする輝度に関する輝度情報に基づいて前記複数の半導体光源から射出する光を混色する際の混合比率の情報を含む混合比率信号を設定することを特徴とする請求項1記載の投射型表示装置。 - 前記空間変調素子は1個であり、
前記素子駆動信号は、投影画像の1フレームが前記複数の半導体光源の個数に対応した数のサブフレームに分割された時分割駆動用の信号であり、
前記複数の半導体光源は、対応するサブフレームに応じて発光することを特徴とする請求項1または請求項2記載の投射型表示装置。
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