JP4023125B2

JP4023125B2 - 照明装置ならびに投射型表示装置とその駆動方法

Info

Publication number: JP4023125B2
Application number: JP2001311542A
Authority: JP
Inventors: 高司武田; 英仁飯坂
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2001-10-09
Filing date: 2001-10-09
Publication date: 2007-12-19
Anticipated expiration: 2021-10-09
Also published as: JP2003121924A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、照明装置とその駆動方法ならびに投射型表示装置とその駆動方法に関し、特に映像表現力に優れ、使用環境や使用者の好みに合った明るさの映像が得られる投射型表示装置とそれに用いる照明装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、情報機器の発達はめざましく、解像度が高く、低消費電力でかつ薄型の表示装置の要求が高まり、研究開発が進められている。中でも液晶表示装置は液晶分子の配列を電気的に制御して、光学的特性を変化させることができ、上記のニーズに対応できる表示装置として期待されている。このような液晶表示装置の一形態として、液晶ライトバルブを用いた光学系から射出される映像を投射レンズを通してスクリーンに拡大投射する投射型液晶表示装置（液晶プロジェクタ）が知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
投射型液晶表示装置は光変調手段として液晶ライトバルブを用いたものであるが、投射型表示装置には、液晶ライトバルブの他、デジタルミラーデバイス（Digital Mirror Device,以下、ＤＭＤと略記する）を光変調手段としたものも実用化されている。ところが、この種の従来の投射型表示装置は以下のような問題点を有している。
【０００４】
（１）光学系を構成する様々な光学要素で生じる光漏れや迷光のため、充分なコントラストが得られない。そのため、表示できる階調範囲（ダイナミックレンジ）が狭く、陰極線管（Cathode Ray Tube, 以下、ＣＲＴと略記する）を用いた既存のテレビ受像機に比較すると、映像の品質や迫力の点で劣ってしまう。
【０００５】
（２）各種の映像信号処理により映像の品質向上を図ろうとしても、ダイナミックレンジが固定されているために、充分な効果を発揮することができない。
【０００６】
このような投射型表示装置の問題点に対する解決策、つまりダイナミックレンジを拡張する方法としては、映像信号に応じて光変調手段（ライトバルブ）に入射させる光の量を変化させることが考えられる。それを実現するのに最も簡便な方法は、ランプの光出力強度を変化させることである。投射型液晶表示装置において、メタルハライドランプの出力光の制御を行う方法が、特開平３−１７９８８６号公報に開示されている。
【０００７】
しかしながら、投射型液晶表示装置に用いるランプとしては高輝度の高圧水銀ランプが現在主流となっているが、高圧水銀ランプで光出力強度を制御するのは極めて困難な状況である。したがって、充分に高輝度の光が得られるとともに、光変調手段への入射光量を映像信号に応じて変化させることのできる方法が求められている。
【０００８】
さらに上記の問題点に加えて、現行の投射型表示装置では光源の明るさが固定されているため、例えば暗めの鑑賞環境においては画面が明るくなりすぎたり、また、投射距離や投射レンズのズーミングにより投射スクリーンサイズを変化させた際に、それに応じて画面の明るさが変化してしまうという問題点もあった。
【０００９】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、高輝度の光が得られるとともに光変調手段への入射光量を変化させることができ、映像表現力や使用環境への順応性の面で優れた効果を発揮することのできる投射型表示装置とこれに用いる照明装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の第１の照明装置は、投射型表示装置の光変調手段を照明するために用いられる照明装置であって、光出力強度が可変とされた複数の固体発光素子を有する光源と、前記光源から入射される光の照度分布を均一化する均一照明手段とを備え、外部からの情報に基づいて前記固体発光素子の光出力強度を制御することによって前記均一照明手段から射出される光の光量が調節可能とされたことを特徴とする。上記の「外部からの情報」には、例えば光変調手段に供給される映像信号に基づく情報、投射拡大率に基づく情報、使用環境下における明るさの状況に基づく情報、使用者の好みに基づく情報などが挙げられる。
【００１１】
本発明者は、高輝度の光が得られるとともに、被照明領域に入射される光の量を調節するための手段として、光出力強度を比較的容易に制御することのできる固体発光素子、例えば発光ダイオード（Light Emitting Diode, 以下、ＬＥＤと略記する）や半導体レーザ等を有する光源を備え、上記の外部からの情報に基づいて固体発光素子の光出力強度を制御すればよいことを見い出した。
【００１２】
すなわち、本発明の第１の照明装置によれば、光出力強度が可変とされた複数の固体発光素子を有する光源を備え、上記の外部からの情報に基づいて固体発光素子の光出力強度を制御する構成となっているため、投射型表示装置に用いたときに、例えば外部からの情報が映像信号に基づく情報の場合、その時の映像シーンが明るい場面であれば光量が多くなるように、暗い場面であれば光量が少なくなるように光源からの射出光の光量が調節される。このようにして、被照明領域において映像に応じた明るさの光を得ることができ、投射型表示装置のダイナミックレンジの拡張に寄与することができる。同様に、投射拡大率、使用環境下における明るさの状況、または使用者の好み等に応じた明るさの光を得ることができる。
【００１３】
さらに、固体発光素子から射出される光の強度を検出する光強度検出手段を備え、光強度検出手段が検出した光強度に基づいて固体発光素子の光出力強度を制御することが望ましい。
一般に、ＬＥＤなどの固体発光素子は使用環境や経時変化により光出力変動が生じるものであるが、本発明の第１の照明装置の上記の構成に加えて、固体発光素子からの光の強度を検出する光強度検出手段を備え、この検出結果をフィードバックして固体発光素子の光出力強度を制御することにより、使用環境や経時変化による光出力変動が少なく、安定した光出力を得ることができる。
【００１４】
前記光強度検出手段を実際に設置する際には映像表示に寄与しない光の強度を検出するような位置に設置することが望ましい。
この構成によれば、光強度検出手段を設置したことで被照明領域での照度分布が低下することがない。
【００１５】
本発明の第２の照明装置は、光源と、前記光源から射出される光の偏光方向を所定の方向に規定する偏光変換手段と、前記偏光変換手段から射出される光の偏光方向を回転させる偏光回転素子からなる調光手段と、前記偏光回転素子から射出される光が入射される偏光子と、を備え、外部からの情報に基づいて前記調光手段の偏光回転素子における偏光方向の回転角を制御することによって前記偏光子から射出される光の光量が調節可能とされたことを特徴とする。
【００１６】
本発明の第１の照明装置が、光源を構成するＬＥＤ等の固体発光素子の光出力強度を外部からの情報に基づいて制御するものであったのに対し、本発明の第２の照明装置は、光源の後段に、光源からの光の偏光方向を所定の方向に規定する偏光変換手段と、その光の偏光方向を回転させる偏光回転素子からなる調光手段と、偏光子とを備え、外部からの情報に基づいて偏光回転素子における偏光方向の回転角を制御する構成としたものである。
【００１７】
すなわち、本発明の第２の照明装置においては、まず最初に、光源から出射された時点では不定偏光状態であった光が偏光変換手段によって偏光方向が所定の方向に規定される。次に調光手段において、例えば透明圧電素子、ファラデー素子等、電場や磁場によって光の偏光方向を回転させる作用を持つ偏光回転素子を用いて偏光変換手段から射出された光の偏光方向を回転させた後、この光を一定方向の透過軸を有する偏光子に入射させると、偏光方向の回転角に応じて偏光子の透過軸に一致する偏光成分の大きさが変化するため、偏光子を透過する光の量が変化する。したがって、外部からの情報に基づいて電場や磁場を変化させ、偏光回転素子における偏光方向の回転角を制御することによって、本発明の第１の照明装置と同様、被照明領域において映像、投射拡大率、使用環境下における明るさの状況、または使用者の好み等に応じた明るさの光を得ることができ、投射型表示装置のダイナミックレンジの拡張に寄与することができる。
【００１８】
さらに、調光手段から射出される光の強度を検出する光強度検出手段を備え、光強度検出手段が検出した光強度に基づいて偏光回転素子における偏光方向の回転角を制御することが望ましい。
一般に透明圧電素子、ファラデー素子等の偏光回転素子は使用環境や経時変化により特性変動が生じるものであるが、本発明の第２の照明装置の上記の構成に加えて、光強度検出手段を備え、この検出結果をフィードバックして偏光回転素子における偏光方向の回転角を制御することにより、使用環境や経時変化による光出力変動が少なく、安定した光出力を得ることができる。
【００１９】
前記光強度検出手段を実際に設置する際には映像表示に寄与しない光の強度を検出するような位置に設置することが望ましい。
この構成によれば、光強度検出手段を設置したことで被照明領域での照度分布が低下することがない。
【００２０】
前記調光手段が、光軸に垂直な面上に配置された複数の偏光回転素子を有することが望ましい。
この構成によれば、後述するように、投射型表示装置におけるコントラストの低下を抑えることができる。
【００２１】
本発明の第１の照明装置の駆動方法は、上記第１の照明装置の駆動方法であって、平面的に配置された前記複数の固体発光素子のうち、周辺側に位置する固体発光素子の光出力強度が中央側に位置する固体発光素子の光出力強度よりも小さくなるように前記複数の固体発光素子を駆動することを特徴とする。
【００２２】
本発明の第２の照明装置の駆動方法は、上記第２の照明装置の駆動方法であって、平面的に配置された前記複数の偏光回転素子のうち、周辺側の偏光回転素子に対応する部分の前記偏光子での光透過量が中央側の偏光回転素子に対応する部分の前記偏光子での光透過量よりも小さくなるように前記複数の偏光回転素子を駆動することを特徴とする。
【００２３】
上記いずれの駆動方法においても、周辺側の固体発光素子、もしくは周辺側の偏光回転素子に対応する部分から射出される光は角度成分が大きく、映像表示に用いたときにコントラストを低下させる成分となるが、ここでの減光量を中央部から射出される光の減光量よりも大きくしているので、映像のコントラストを維持することができる。
【００２４】
本発明の投射型表示装置は、照明手段と、前記照明手段から射出される光を変調する光変調手段と、前記光変調手段により変調された光を投射する投射手段とを有する投射型表示装置であって、照明手段として、上記本発明の照明装置を備えたことを特徴とする。
【００２５】
この構成によれば、被照明領域において所望の明るさの光が得られる照明装置を備えているため、投射型表示装置のダイナミックレンジを拡張することができ、映像表現力や使用環境への順応性に優れた投射型表示装置を実現することができる。
【００２６】
上記本発明の投射型表示装置の駆動手段としては、映像を構成する１フレームあたりの映像信号に基づいて前記光源または前記調光手段を制御する制御信号を決定する制御信号決定手段と、前記制御信号に基づいて前記光源または前記調光手段を制御する制御手段と、前記映像信号を前記制御信号に基づいて伸張する映像信号伸張手段とを備えることが望ましい。
【００２７】
この構成によれば、まず制御信号決定手段において映像を構成する１フレームあたりの映像信号に基づいて光源または調光手段を制御するための制御信号が決定され、制御手段がこの制御信号に基づいて光源または調光手段を制御することにより映像に応じて明るさが変化する光を光変調手段に供給する一方、映像信号伸張手段が制御信号に基づいて映像信号を伸張する。この動作によって、投射型表示装置のダイナミックレンジを拡張することができ、映像表現力や使用環境への順応性に優れた投射型表示装置を実現することができる。
【００２８】
本発明の投射型表示装置の駆動方法は、上記本発明の投射型表示装置の駆動方法であって、映像を構成する１フレームあたりの映像信号に基づいて前記光源または前記調光手段を制御する制御信号を決定し、前記制御信号に基づいて前記光源または前記調光手段を制御することにより前記光変調手段を照明する光の光量を調節するとともに、前記映像信号を前記制御信号に基づいて伸張し、この伸張した映像信号を前記光変調手段に供給することによって映像を生成することを特徴とする。
【００２９】
この構成によれば、投射型表示装置のダイナミックレンジを拡張することができ、映像表現力が高い映像を得ることができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
［投射型表示装置］
以下、本発明の第１の実施の形態を図面を参照して説明する。
まず最初に、本発明の照明装置を備えた投射型表示装置の一例である投射型液晶表示装置について図１〜図５を用いて説明する。
本実施の形態の投射型液晶表示装置は、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の異なる色毎に透過型液晶ライトバルブを備えた３板式の投射型カラー液晶表示装置である。図９はこの投射型液晶表示装置を示す概略構成図であって、図中、符号１は照明装置、２は光源、３，４はフライアイレンズ（均一照明手段）、１３，１４はダイクロイックミラー、１５，１６，１７は反射ミラー、２２，２３，２４は液晶ライトバルブ（光変調手段）、２５はクロスダイクロイックプリズム、２６は投射レンズ（投射手段）を示している。
【００３１】
本実施の形態における照明装置１は、光源２とフライアイレンズ３，４とから構成されている。光源２はＬＥＤ、半導体レーザなどの固体発光素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄがアレイ状に複数配列されたものである。また、光源光の照度分布を被照明領域である液晶ライトバルブ２２，２３，２４において均一化させるための均一照明手段として、光源２側から第１のフライアイレンズ３、第２のフライアイレンズ４が順次設置されている。本実施の形態において調光を行う際には、光源２を構成する各固体発光素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄに印加する電流を調節することによって各固体発光素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄの光出力強度（照度）を調節する。
【００３２】
上記構成の照明装置１において実際に調光を行う際には、液晶ライトバルブ２２，２３，２４に入射する光線の角度が大きい光源から光出力強度を低下させることが望ましい。したがって、図１においては、固体発光素子５ａ，５ｄの光出力強度を優先的に低下させた後、固体発光素子５ｂ，５ｃの光出力強度を低下させて調光を行う。
【００３３】
照明装置１の後段の構成を以下、各構成要素の作用とともに説明する。
青色光・緑色光反射のダイクロイックミラー１３は、光源２からの光束のうちの赤色光Ｌ_Rを透過させるとともに、青色光Ｌ_Bと緑色光Ｌ_Gとを反射させるものである。ダイクロイックミラー１３を透過した赤色光Ｌ_Rは反射ミラー１７で反射されて赤色光用液晶ライトバルブ２２に入射される。一方、ダイクロイックミラー１３で反射した色光のうち、緑色光Ｌ_Gは緑色光反射用のダイクロイックミラー１４によって反射され、緑色光用液晶ライトバルブ２３に入射される。一方、青色光Ｌ_Bはダイクロイックミラー１４も透過し、リレーレンズ１８、反射ミラー１５、リレーレンズ１９、反射ミラー１６、リレーレンズ２０からなるリレー系２１を経て青色光用液晶ライトバルブ２４に入射される。
【００３４】
各液晶ライトバルブ２２，２３，２４によって変調された３つの色光は、クロスダイクロイックプリズム２５に入射される。このプリズムは４つの直角プリズムが貼り合わされ、その内面に赤色光を反射する誘電体多層膜と青色光を反射する誘電体多層膜とが十字状に形成されている。これらの誘電体多層膜によって３つの色光が合成されてカラー画像を表す光が形成される。合成された光は投射光学系である投射レンズ２６によりスクリーン２７上に投射され、拡大された画像が表示される。
【００３５】
次に、本実施の形態の投射型液晶表示装置３０の駆動方法について説明する。図２は本実施の形態の投射型液晶表示装置３０の駆動回路の構成を示すブロック図である。調光機能を持たない従来の投射型液晶表示装置の場合、入力された映像信号は適当な補正処理を経て、そのまま液晶パネルドライバに供給されるが、調光機能を有し、かつそれを映像信号に基づいて制御する本実施の形態の場合、基本的な構成として、以下に説明するようにデジタル信号処理ブロックであるＤＳＰ（１）〜ＤＳＰ（３）などの回路が必要となる。
【００３６】
本実施の形態では、図２に示すように、アナログ信号として入力された映像信号がＡＤコンバータ３１を経て第１のデジタル信号処理回路であるＤＳＰ（１）３２（制御信号決定手段）に入力される。ＤＳＰ（１）３２では、映像信号から明るさ制御信号が決定される。ＤＳＰ（２）３３（調光制御手段）では、明るさ制御信号に基づいて調光素子ドライバ３４を制御し、最終的には調光素子ドライバ３４が調光素子３５（本実施の形態の場合は固体発光素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ）を実際に駆動する。
【００３７】
一方、ＤＳＰ（１）３２で決定された明るさ制御信号は、映像信号とともにＤＳＰ（３）３６（映像信号伸張手段）にも入力される。ＤＳＰ（３）３６では明るさ制御信号に基づいて映像信号を適当な階調範囲に伸張する。伸張処理後の映像信号はＤＡコンバータ３７により再びアナログ信号に変換された後、パネルドライバ３８に入力され、パネルドライバ３８から赤色光用液晶ライトバルブ２２（図１０中のＲパネル）、緑色光用液晶ライトバルブ２３（同、Ｇパネル）、青色光用液晶ライトバルブ２４（同、Ｂパネル）のそれぞれに供給される。
【００３８】
ここで、照明装置１の制御方法に関しては、[１]表示映像適応型の制御の他、[２]投射拡大率による制御、[３]外部からの制御、などが考えられる。以下にそれぞれの方法について説明する。
[１]表示映像適応型の制御
まず、表示映像適応型の制御、すなわち明るい映像シーンでは光量が多くなり、暗いシーンでは光量が少なくなるような表示映像に適応した明るさ制御を行う場合について考える。この時は、上記のように、ＤＳＰ（１）３２において映像信号に基づいて明るさ制御信号が決定されるが、その方法には例えば次の３通りが考えられる。
【００３９】
（ａ）注目しているフレームに含まれている画素データのうち、明るさが最大の階調数を明るさ制御信号とする方法。
例えば０〜２５５の２５６ステップの階調数を含む映像信号を想定する。連続した映像を構成する任意の１フレームに着目した場合、そのフレームに含まれる画素データの階調数毎の出現数分布（ヒストグラム）が、図３（ａ）のようになったとする。この図の場合、ヒストグラムに含まれる最も明るい階調数が１９０であるので、この階調数１９０を明るさ制御信号とする。この方法は、入力される映像信号に対し、最も忠実に明るさを表現できる方法である。
【００４０】
（ｂ）注目しているフレームに含まれている階調数毎の出現数分布（ヒストグラム）より、最大の明るさから出現数について一定の割合（例えば１０％）となる階調数を明るさ制御信号とする方法。
例えば映像信号の出現数分布が図４のようであった場合、ヒストグラムより明るい側から１０％の領域をとる。１０％に相当するところの階調数が２３０であったとすると、この階調数２３０を明るさ制御信号とする。図４に示したヒストグラムのように、階調数２５５の近傍に突発的なピークがあった場合、上記（ａ）の方法を採用すれば、階調数２５５が明るさ制御信号となる。しかしながら、この突発的なピーク部分は画面全体における情報としてはあまり意味をなしていない。これに対して、階調数２３０を明るさ制御信号とする本方法は、画面全体の中で情報として意味を持つ領域によって判定する方法と言うことができる。なお、上記の割合は２〜５０％程度の範囲で変化させてもよい。
【００４１】
（ｃ）画面を複数のブロックに分割して、ブロック毎、含まれている画素の階調数の平均値を求め、最大のものを明るさ制御信号とする方法。
例えば図５に示すように、画面をｍ×ｎ個のブロックに分割し、それぞれのブロックＡ₁₁，…，Ａ_mn毎の明るさ（階調数）の平均値を算出し、そのうちで最大のものを明るさ制御信号とする。なお、画面の分割数は６〜２００程度とすることが望ましい。この方法は、画面全体の雰囲気を損なうことなく、明るさを制御できる方法である。
上記（ａ）〜（ｃ）の方法について、明るさ制御信号の判定を、表示領域全体に対して行う他に、例えば表示領域の中央部分など、特定の部分だけに上記方法を適用することもできる。この場合、視聴者が注目している部分から明るさを決定するような制御の仕方が可能となる。
【００４２】
次にＤＳＰ（２）３３において、上記の方法で決定した明るさ制御信号に基づいて発光素子ドライバ３４を制御するが、この方法にも例えば次の３通りが考えられる。
【００４３】
（ａ）出力された明るさ制御信号に応じてリアルタイムで制御する方法。
この場合はＤＳＰ（１）３２から出力された明るさ制御信号をそのまま発光素子ドライバ３４に供給すればよいため、ＤＳＰ（２）３３での信号処理は不要となる。この方法は映像の明るさに完全に追従する点で理想的ではあるが、映像の内容により画面の明暗が短い周期で変化することもあり、鑑賞時に余計なストレスを感じるなどの問題が発生する恐れがある。
【００４４】
（ｂ）出力された明るさ制御信号にＬＰＦ（ローパスフィルター）をかけ、その出力で制御する方法。
例えばＬＰＦによって１〜３０秒以下の明るさ制御信号の変化分をカットし、その出力によって制御する。この方法によれば、細かい時間の変化分はカットされるため、上記のような短い周期での明暗の変化を避けることができる。
【００４５】
（ｃ）明るさ制御信号の切り替わりエッジを検出する方法。
明るさ制御信号に所定の大きさ以上（例えば６０階調以上）の変化があった場合にのみ発光素子３４を制御する。この方法によれば、シーンの切り替わりなどに応じた制御を行うことができる。
【００４６】
このようにして、例えば階調数１９０の映像信号が明るさ制御信号に決定された場合、最大明るさ（階調数２５５）の光量を１００％とすると、１９０／２５５＝７５％の光量が得られるように発光素子３５を駆動する。本実施の形態の場合、発光素子３５は具体的にはＬＥＤなどの固体発光素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄであるから、光出力強度が最大明るさの７５％となるように固体発光素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄを駆動する。同様に、階調数２３０の映像信号が明るさ制御信号である場合、２３０／２５５＝９０％の光量が得られるように固体発光素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄを駆動する。
【００４７】
一方、ＤＳＰ（３）３６では、ＤＳＰ（１）３２で決定された明るさ制御信号と映像信号に基づいて映像信号を適当な階調範囲まで伸張する。例えば最大階調範囲にまで伸張する場合、上記の例では表示可能な最大階調数が２５５であるから、図３（ａ）の例で明るさ制御信号が階調数１９０の場合、階調数０〜１９０までの映像信号を図３（ｂ）に示すように階調数０〜２５５まで伸張する。このような照明光量と映像信号の伸張処理によって、映像のダイナミックレンジを拡張しつつ、滑らかな階調表現を実現することができる。
【００４８】
[２]投射拡大率による制御
投射レンズ２６のズーミングに対応させて制御する。通常は液晶ライトバルブ（被照明領域）における単位面積あたりの光量が一定であるから、拡大側では画面が暗くなり、縮小側で明るくなる傾向にある。したがって、これを補正するように、拡大側に変化させた場合には光量が増えるように、縮小側に変化させた場合には光量が減るように発光素子３５を制御する。
【００４９】
[３]外部からの制御
使用者が好みに応じて発光素子３５を制御できるようにする。例えば暗い鑑賞環境においては光量が少なく、明るい鑑賞環境においては光量が多くなるように発光素子３５を制御する。この場合、使用者がコントローラを用いて、もしくは調光素子を直接操作するなどして調節する構成としてもよいし、明るさセンサなどを設けて自動的に制御される構成としてもよい。ただし、これら[２]、[３]の制御を行う場合には、図２で示した以外の回路構成が必要になる。
【００５０】
本実施の形態の照明装置１によれば、光出力強度が可変とされた複数の固体発光素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄを有する光源２を備え、映像信号をはじめとする外部からの情報に基づいて固体発光素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄの光出力強度を制御する構成となっているため、投射型表示装置に用いたときに、例えば外部からの情報が映像信号に基づく情報の場合、その時の映像シーンが明るい場面であれば光量が多くなるように、暗い場面であれば光量が少なくなるように光源２からの射出光の光量が調節される。このようにして、被照明領域において映像に応じた明るさの光を得ることができ、投射型表示装置のダイナミックレンジの拡張に寄与することができる。同様に、投射拡大率、使用環境下における明るさの状況、または使用者の好み等に応じた明るさの光を得ることができる。
【００５１】
さらに調光を行うに際して、光源２を構成する複数の固体発光素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄの中でも液晶ライトバルブ２２，２３，２４に入射する光線の角度が大きくなる周辺部の固体発光素子５ａ，５ｄから優先的に照度を低下させるような制御を行うことができ、このような制御によりコントラストに優れた映像を得ることができる。
【００５２】
［第２の実施の形態］
以下、本発明の第２の実施の形態を図６、図７を参照して説明する。
本実施の形態の投射型液晶表示装置の基本構成は第１の実施の形態と同様であり、光源からの射出光の光量をモニターすることにより光源のフィードバック制御を行う点のみが異なっている。よって、図６は本実施の形態の投射型液晶表示装置の基本構成を示す図であるが、この図において図１と共通の構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。図７は本実施の形態で用いたフィードバック回路の概略構成を示す回路図である。
【００５３】
一般にＬＥＤなどの固体発光素子は使用環境や経時変化により光出力の変動が生じるため、本実施の形態ではこの光出力変動を抑え、安定した光出力を得ることを目的としている。そこで、光源２を構成する各固体発光素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄに対応してこれら固体発光素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄの射出光の強度をモニターする複数の受光素子６（光強度検出手段）が第１のフライアイレンズ３の近傍に配置されている。図面上では第１のフライアイレンズ３上に配置されているように見えるが、実際には液晶ライトバルブ２２，２３，２４の照明に寄与しない光の照射領域、すなわち第１のフライアイレンズ３から外れた領域に配置されている。
【００５４】
フィードバック回路は、図７に示すように、各固体発光素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄからの射出光を各受光素子６に入射させ、受光素子６の出力信号（検出結果）を電流電圧変換及び増幅回路４０にて電流電圧変換し、増幅して得た検出信号と、固体発光素子５ａからの射出光を制御する制御信号とを比較回路４１にて比較し、電流駆動回路４２により固体発光素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄに所定の電流を印加する。
【００５５】
本実施の形態においては、このような光源２のフィードバック制御を行うことにより使用環境や経時変化による光出力変動が少なく、安定した光出力を得ることができる。また、フィードバック制御を行う際に表示に使わない不要光をモニターする構成となっているので、受光素子６を設置しても液晶ライトバルブ２２，２３，２４での照度が低下することがない。
【００５６】
［第３の実施の形態］
以下、本発明の第３の実施の形態を図８、図９を参照して説明する。
第１、第２の実施の形態の照明装置は光源に複数の固体発光素子を用いており、固体発光素子、すなわち光源自体の光出力強度を調節するものであったのに対し、本実施の形態の照明装置は電場によって偏光方向が変化する偏光回転素子を調光手段として用いた点が異なっている。図８（ａ）、（ｂ）は偏光回転素子近傍の構成のみを示す概略構成図である。
【００５７】
本実施の形態の照明装置は、光源と、例えば２枚のフライアイレンズからなる均一照明手段と、例えば偏光ビームスプリッタアレイ７（以下、ＰＢＳアレイと略記する）からなる偏光変換手段とを備えている。このＰＢＳアレイ７は、投射型液晶表示装置の液晶ライトバルブでは一方向の偏光しか表示に用いないため、入射光を表示に用いる偏光に揃えるためのものである。そして本実施の形態の場合、ＰＢＳアレイ７の後段に透明圧電素子８（ＰＬＺＴ）からなる調光手段が配置されている。透明圧電素子８は、印加電圧がＶ＝Ｖ０の状態では入射光の偏光方向を変化させず、印加電圧がＶ＝Ｖ１の状態で偏光方向を角度θだけ変化させる特性を有する偏光回転素子の一種である。なお、透明圧電素子８に代えてファラデー素子などを用いてもよく、電場や磁場によって偏光方向を回転し得る特性を有する素子を適宜用いることが可能である。
【００５８】
図８（ａ）に示すように、印加電圧をＶ＝Ｖ０としたとき、ＰＢＳアレイ７から射出された偏光は透明圧電素子８を透過しても偏光方向が変化せず（偏光方向を矢印Ｐ１で示す）、液晶ライトバルブ２２，２３，２４の入射側に設置された偏光板１０の透過軸方向（矢印Ｐ０で示す）と一致するため、光量の損失なしに液晶ライトバルブ２２，２３，２４に入射される。一方、図８（ｂ）に示すように、印加電圧をＶ＝Ｖ１とすると、ＰＢＳアレイ７から射出された偏光は透明圧電素子８を透過した後、偏光方向が角度θだけ回転する（偏光方向を矢印Ｐ２で示す）。この場合、液晶ライトバルブ２２，２３，２４の入射側の偏光板１０の透過軸方向（矢印Ｐ０で示す）とずれているため、その分光量の損失が発生し、液晶ライトバルブ２２，２３，２４に入射される光量は減少する。このようにして、透明圧電素子８に印加する電圧を調節することによって液晶ライトバルブ２２，２３，２４を照明する光の光量を制御することができる。
【００５９】
ここでも第２の実施の形態と同様、調光手段を構成する透明圧電素子８のフィードバック制御を行う構成となっており、液晶ライトバルブ２２，２３，２４の入射側に設置された偏光板１０の入射側には受光素子１２が設けられている。
【００６０】
図９はフィードバック回路の概略構成を示す回路図である。フィードバック回路は、この図に示すように、受光素子１２の出力信号を電流電圧変換回路４４にて電流電圧変換して得た検出信号と、透明圧電素子８を制御する制御信号とを比較回路４５にて比較し、圧電素子駆動回路４６により透明圧電素子８の偏光角の回転を制御する。
【００６１】
本実施の形態の照明装置においても、偏光角の回転を制御し得る透明圧電素子８を有する調光手段を備え、映像信号をはじめとする外部からの情報に基づいて透明圧電素子８による偏光角の回転を制御する構成となっているため、投射型表示装置に用いたときに、例えば外部からの情報が映像信号に基づく情報の場合、その時の映像シーンが明るい場面であれば光量が多くなるように、暗い場面であれば光量が少なくなるように照明光量が調節される。このようにして、液晶ライトバルブにおいて映像に応じた明るさの光を得ることができ、投射型表示装置のダイナミックレンジの拡張に寄与することができる。同様に、投射拡大率、使用環境下における明るさの状況、または使用者の好み等に応じた明るさの光を得ることができる。
【００６２】
また、第１の実施の形態で用いた固体発光素子と同様、透明圧電素子、ファラデー素子等の偏光回転素子も使用環境や経時変化により特性変動が生じるものであるが、受光素子１２の光強度検出結果をフィードバックして偏光回転素子における偏光方向の回転角を制御することにより、使用環境や経時変化による光出力変動が少なく、安定した光出力を得ることができる。
【００６３】
［第４の実施の形態］
以下、本発明の第４の実施の形態を図１０、図１１を参照して説明する。
本実施の形態の照明装置も第３の実施の形態と同様、調光手段に偏光回転素子を用いたものであるが、本実施の形態では、偏光回転素子をエリア毎に分割し、独立して偏光角の回転制御が行える点が異なっている。図１０は偏光回転素子を示す斜視図、図１１は投射型液晶表示装置の概略構成図である。
【００６４】
本実施の形態の照明装置では、図１０に示すように、エリア毎に複数（図１０では４×４）に分割されて独立に偏光角の回転を制御することができる透明圧電素子５０が用いられている。個々の透明圧電素子５０ａには独立に電圧が印加される構成となっており、偏光角の回転を個々に制御することが可能である。
【００６５】
この照明装置を第１の実施の形態と同様の投射型液晶表示装置に用いたものが図１１に示す投射型液晶表示装置である。光源２に近い側から均一照明手段を構成する２枚のフライアイレンズ３，４、偏光変換手段をなすＰＢＳアレイ７が設置され、その後段に図１０に示した透明圧電素子５０が設置されている。照明装置以外の構成は第１の実施の形態と全く同様である。
【００６６】
本実施の形態の照明装置によれば、エリア毎に分割された各々の透明圧電素子５０ａ，５０ｂ，５０ｃ，５０ｄにおける偏光角の回転を独立して制御することができるので、液晶ライトバルブ２２，２３，２４に入射する光線の角度が大きいエリアから光出力強度を低下させることが望ましい。したがって、図１１においては、周辺部の透明圧電素子５０ａ，５０ｄの偏光方向の回転角を優先的に大きくした後、中央部の透明圧電素子５０ｂ，５０ｃの偏光方向の回転角を大きくして調光を行うようにする。
【００６７】
本実施の形態の照明装置においても、液晶ライトバルブ２２，２３，２４において映像に応じた明るさの光を得ることができ、投射型表示装置のダイナミックレンジの拡張に寄与することができる。同様に、投射拡大率、使用環境下における明るさの状況、または使用者の好み等に応じた明るさの光を得ることができる、といった上記実施の形態と同様の効果を得ることができる。さらに透明圧電素子５０をエリア毎に分割したことで液晶ライトバルブ２２，２３，２４に入射する光線の角度が大きくなる周辺部から優先的に照度を低下させるような制御を行うことができ、この制御によりコントラストに優れた映像を得ることができる。
【００６８】
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば光源を構成する固体発光素子の種類や数、配置、調光手段を構成する偏光回転素子の種類や数、配置等に関しては上記実施の形態に限ることなく、適宜変更が可能である。また、上記実施の形態では光変調手段として液晶ライトバルブを用いた投射型表示装置の例を挙げたが、光変調手段としてＤＭＤを用いた投射型表示装置に本発明を適用することも可能である。
【００６９】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明の照明装置によれば、複数の固体発光素子を有する光源や偏光回転素子を用いた調光手段を用いたことで充分に高輝度の光が得られるとともに、被照明領域において映像に応じた明るさの光が得られ、投射型表示装置のダイナミックレンジの拡張に寄与することができる。そして、この照明装置の使用により、映像表現力や使用環境への順応性の面で優れた効果を持つ投射型表示装置を実現することができる。さらに本発明の構成によれば、周辺部の照度を低下させるように駆動することもでき、高いコントラストを維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の投射型液晶表示装置の概略構成を示す図である。
【図２】同、投射型液晶表示装置の駆動回路の構成を示すブロック図である。
【図３】同、投射型液晶表示装置において、（ａ）映像信号から明るさ制御信号を決定する第１の方法を説明するための図、（ｂ）映像信号の伸張処理の方法を説明するための図である。
【図４】同、第２の方法を説明するための図である。
【図５】同、第３の方法を説明するための図である。
【図６】本発明の第２の実施形態の投射型液晶表示装置の概略構成を示す図である。
【図７】同、投射型液晶表示装置の光源のフィードバック回路の概略構成を示す回路図である。
【図８】本発明の第３の実施形態の投射型液晶表示装置の要部を示す図であり、（ａ）、（ｂ）は透明圧電素子への印加電圧が異なる状態をそれぞれ示している。
【図９】同、投射型液晶表示装置の調光手段を構成する透明圧電素子のフィードバック回路の概略構成を示す回路図である。
【図１０】本発明の第４の実施形態の投射型液晶表示装置に用いる透明圧電素子を示す斜視図である。
【図１１】同、投射型液晶表示装置の概略構成図である。
【符号の説明】
１照明装置
２光源
３第１のフライアイレンズ（均一照明手段）
４第２のフライアイレンズ（均一照明手段）
５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ固体発光素子
６，１２受光素子
７ＰＢＳアレイ
８透明圧電素子（偏光回転素子、調光手段）
１０偏光板
２２，２３，２４液晶ライトバルブ（光変調手段）
２６投射レンズ（投射手段）
３０投射型液晶表示装置（投射型表示装置）
３２ＤＳＰ（１）（制御信号決定手段）
３３ＤＳＰ（２）（調光制御手段）
３５発光素子
３６ＤＳＰ（３）（映像信号伸張手段）

Claims

投射型表示装置の光変調手段を照明するために用いられる照明装置であって、
光出力強度が可変とされた複数の固体発光素子を有する光源と、前記光源から入射される光の照度分布を均一化する均一照明手段とを備え、外部からの情報に基づいて前記固体発光素子の光出力強度を制御することによって前記均一照明手段から射出される光の光量が調節可能とされ、
平面的に配置された前記複数の固体発光素子のうち、周辺側に位置する固体発光素子の光出力強度を優先的に低下させた後、中央側に位置する固体発光素子の光出力強度を低下させる手順で前記複数の固体発光素子の光出力強度を制御して、周辺側に位置する固体発光素子の光出力強度が中央側に位置する固体発光素子の光出力強度よりも小さくなるように前記複数の固体発光素子を駆動することを特徴とする照明装置。
前記固体発光素子から射出される光の強度を検出する光強度検出手段を備え、該光強度検出手段が検出した光強度に基づいて前記固体発光素子の光出力強度を制御することを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
前記光強度検出手段が映像表示に寄与しない光の強度を検出することを特徴とする請求項２に記載の照明装置。
投射型表示装置の光変調手段を照明するために用いられる照明装置であって、
光源と、前記光源から射出される光の偏光方向を所定の方向に規定する偏光変換手段と、前記偏光変換手段から射出される光の偏光方向を回転させるとともに前記偏光方向の回転角が調節可能とされた偏光回転素子からなる調光手段と、前記偏光回転素子からの射出光が入射される偏光子とを備え、外部からの情報に基づいて前記調光手段の偏光回転素子における偏光方向の回転角を制御することによって前記偏光子から射出される光の光量が調節可能とされ、
前記調光手段が、光軸に垂直な面上に配置された複数の偏光回転素子を有し、
平面的に配置された前記複数の偏光回転素子のうち、周辺側の偏光回転素子の偏光方向の回転角を優先的に大きくした後、中央側の偏光回転素子の偏光方向の回転角を大きくする手順で前記複数の偏光回転素子の偏光方向の回転角を制御して、周辺側の偏光回転素子に対応する部分の前記偏光子での光透過量が中央側の偏光回転素子に対応する部分の前記偏光子での光透過量よりも小さくなるように前記複数の偏光回転素子を駆動することを特徴とする照明装置。
前記調光手段から射出される光の強度を検出する光強度検出手段を備え、該光強度検出手段が検出した光強度に基づいて前記偏光回転素子における偏光方向の回転角を制御することを特徴とする請求項４に記載の照明装置。
前記光強度検出手段が映像表示に寄与しない光の強度を検出することを特徴とする請求項５に記載の照明装置。
照明手段と、前記照明手段から射出される光を変調する光変調手段と、前記光変調手段により変調された光を投射する投射手段とを有する投射型表示装置であって、
前記照明手段として、請求項１ないし６のいずれか一項に記載の照明装置を備えたことを特徴とする投射型表示装置。
映像を構成する１フレームあたりの映像信号に基づいて前記光源または前記調光手段を制御する制御信号を決定する制御信号決定手段と、前記制御信号に基づいて前記光源または前記調光手段を制御する制御手段と、前記映像信号を前記制御信号に基づいて伸張する映像信号伸張手段とを備えたことを特徴とする請求項７に記載の投射型表示装置。
請求項７に記載の投射型表示装置の駆動方法であって、
映像を構成する１フレームあたりの映像信号に基づいて前記光源または前記調光手段を制御する制御信号を決定し、前記制御信号に基づいて前記光源または前記調光手段を制御することにより前記光変調手段を照明する光の光量を調節するとともに、前記映像信号を前記制御信号に基づいて伸張し、この伸張した映像信号を前記光変調手段に供給することによって映像を生成することを特徴とする投射型表示装置の駆動方法。