(57)【要約】【課題】液晶表示装置において、コストが高くなったり装置の寸法が増大することなく高いコントラスト、広い指向性、良好な画面均一性を実現することができる証明方法およびその方法を用いた画像表示装置を提供する。【解決手段】光源１と、この光源が発する光を集め照明対象領域の一部分を照明するスポット照明に変換する光コリメート手段２と、上記スポット照明の光の進路内に設けられ上記照明対象領域全体を上記スポット照明が照明するように走査させることが可能な光走査手段３、４とを有し、上記スポット照明を照明対象領域全体にわたって所定の手順で移動させることにより上記スポット照明が照明対象領域と対向する複数の領域を有するエリア制御光源と概ね等価に機能するようにした構成。【選択図】図１
2007219263.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、この光源が発する光を集め照明対象領域の一部分を照明するスポット照明に変換する光コリメート手段と、上記スポット照明の光の進路内に設けられ上記照明対象領域全体を上記スポット照明が照明するように走査させることが可能な光走査手段とを有し、上記スポット照明を照明対象領域全体にわたって所定の手順で移動させることにより上記スポット照明が照明対象領域と対向する複数の領域を有するエリア制御光源と概ね等価に機能するようにしたことを特徴とする照明方法。
【請求項２】
上記照明対象領域は矩形とされ、上記光走査手段が矩形の照明対象領域の直交する２辺に沿った方向に走査可能とされたことを特徴とする請求項１記載の照明方法。
【請求項３】
上記スポット照明は、概ね照明対象領域と平行な辺を有する矩形とされ、照度分布がなだらかな傾斜を有することを特徴とする請求項１または請求項２記載の照明方法。
【請求項４】
上記照明対象領域の近傍における照度を検出する手段を有し、照度に応じて光源の発する光の強さを変化させることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項記載の照明方法。
【請求項５】
上記光源はレーザであることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項記載の照明方法。
【請求項６】
上記照明対象はライトバルブであり、画像の１フレーム時間または１フィールド時間に上記光源の輝度が数十回以上変化するようにされたことを特徴とする請求項１記載の照明方法またはその照明方法を用いた画像表示装置。
【請求項７】
上記ライトバルブと相似形状で寸法が異なる仮想照明領域と、上記仮想照明領域に達した照明光を上記ライトバルブに投写する投写手段とを有し、上記仮想照明領域を照明することにより実質的に上記ライトバルブを照明するようにしたことを特徴とする請求項６記載の画像表示装置。
【請求項８】
上記投写手段は、少なくとも一つの非球面反射鏡を有することを特徴とする請求項７記載の画像表示装置。
【請求項９】
上記仮想照明領域の近傍で上記光源から上記光走査手段に至る装置と、上記投写手段から上記ライトバルブに至る装置とを分離可能としたことを特徴とする請求項７記載の画像表示装置。
【請求項１０】
上記ライトバルブの画像の走査線と平行に第一光走査軸を設定すると共に、第一光走査軸と直行する方向に第二光走査軸を設定し、スポット照明の領域を第一および第二光走査線に沿って走査するようにしたことを特徴とする請求項６記載の画像表示装置。
【請求項１１】
上記ライトバルブの画像の動きを検出する手段を設け、上記画像の動き量が所定のレベルを超えた場合は、フレーム期間内における光源のオフ時間が長くなるように光源の点灯方法およびスポット照明の走査方法の少なくとも一方を変化させることを特徴とする請求項６記載の画像表示装置。
【請求項１２】
上記ライトバルブの画像の平均輝度検出手段を設け、スポット照明する領域の画像の平均輝度が高い場所は高輝度に、低い場所は低輝度に照明されるように光源の輝度を変化させることを特徴とする請求項６記載の画像表示装置。
【請求項１３】
上記ライトバルブの消光比の最も良好な方向から照明することを特徴とする請求項６記載の画像表示装置。
【請求項１４】
上記ライトバルブの照明光受け入れ面の面法線に対して傾斜した方向から照明光を進行させると共に、上記ライトバルブの照明光受け入れ面側に光偏向手段を設け、照明光がライトバルブに達する直前に照明光の進行方向を補正するようにしたことを特徴とする請求項１３記載の画像表示装置。
【請求項１５】
上記光偏向手段はフレネルレンズであることを特徴とする請求項１４記載の画像表示装置。
【請求項１６】
上記光偏向手段は反射面により構成されていることを特徴とする請求項１４記載の画像表示装置。
【請求項１７】
上記ライトバルブに達する照明光は概ね平行光とされることを特徴とする請求項１３記載の画像表示装置。
【請求項１８】
上記ライトバルブの観察面側に光拡散手段を設けたことを特徴とする請求項１７記載の画像表示装置。
【請求項１９】
上記光拡散手段は反射面により構成されていることを特徴とする請求項１８記載の画像表示装置。
【請求項２０】
上記光拡散手段は外光吸収手段により構成されていることを特徴とする請求項１８記載の画像表示装置。
【請求項２１】
上記光源は輝度を独立的に制御可能な少なくとも赤色、緑色、青色の光を発する複数の発光手段により構成され、複数の色の照明光を走査して照明対象の異なる領域を同時に照明すると共に、照明対象領域全体にわたって全ての色の照明光が概ね所定の強度比で照射されるようにしたことを特徴とする請求項６記載の画像表示装置。
【請求項２２】
上記光源は輝度を独立的に制御可能な少なくとも赤色、緑色、青色の光を発する複数の発光手段により構成され、複数の色の照明光を順に走査して照明対象を照明すると共に、照明対象領域全体にわたって全ての色の照明光が概ね所定の強度比で照射されるようにしたことを特徴とする請求項６記載の画像表示装置。
【請求項２３】
上記ライトバルブは透過型液晶素子であることを特徴とする請求項６記載の画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、照明方法およびその方法を用いた画像表示装置、特に液晶表示素子などのライトバルブを用いた画像表示装置において、高いコントラストで忠実に画像を表示するための照明方法および画像表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、テレビジョン信号などの画像を表示するための装置には、様々な方式が利用されている。例示すると第一に陰極線管（以下ＣＲＴという）、プラズマ  ディスプレイ  パネル（以下ＰＤＰという）、液晶表示素子（以下液晶素子という）などを用いた直視型の表示装置、第二にマイクロミラー素子、高温ポリシリコン液晶素子、反射型液晶素子などのマイクロデバイスを用いた投写型の表示装置などがある。
【０００３】
液晶素子を用いた画像表示装置においては、バックライトにより液晶素子の背面を照明し、液晶素子は照明光を受け入れて観察面側に伝えるが、その際に入力画像信号に応じて光の伝達率を変化することにより画像を形成する。液晶素子の光学的特性として、特定方向の照明光の消光比が最も高く、それ以外の方向については消光比が低下する。消光比が低いと光の漏れが発生するので画像の黒い部分が白側に浮き上がり、その結果高いコントラストにより画像を表示することができない。
【０００４】
画像表示装置は指向性が広いほど様々な方向から見ることができて好ましいが、液晶素子を用いた表示装置において指向性を広くするためにバックライトの光の指向性を広くすると液晶素子の光学特性が良好でない方向の光も使い画像を表示することになり、見る角度によっては画像のコントラストが低下したり色合いが変化することがあった。
【０００５】
このため、表示される画像のコントラストが良好となるように概ね平行な光線（以下コリメート光という）を用いて液晶素子を照明する表示装置がある（例えば特許文献１参照）。また、エッジ照明方式の平面バックライトを用いレンズによりコリメート光に変換して液晶素子を照明する装置もある（例えば特許文献２参照）。更に、バックライトの発する光を効率的に利用するため画面を小領域に分割し個々の領域ごとに照度を変更する機能を有するバックライト（以下エリア制御光源という）を用いた装置もある（例えば特許文献３参照）。
【０００６】
更にまた、高いコントラストで表示を行うために投射型の画像表示手段を液晶素子のバックライトとして用いる装置もある（例えば特許文献４参照）。この装置においては投写型表示手段が画像の輝度に応じて明るさを変化するエリア制御光源として機能することにより液晶素子を通常の平面バックライトで照明する場合よりも高いコントラストでの画像表示を実現している。
【０００７】
【特許文献１】特開昭５８−１６９１３２号公報（第３図）
【特許文献２】特開平０２−２１４２８７号公報（第２図）
【特許文献３】特開２００５−８４４９１号公報（段落００４１、図１０）
【特許文献４】米国特許第６８９１６７２号明細書（第３頁、第１Ａ図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来の画像表示装置は上記のように構成されているため以下に述べる課題を有していた。
即ち、バックライトが発する光の中から液晶素子の背面の法線に概ね平行な光だけを照明光として使用する方法によれば液晶素子の消光比や色再現の特性が良好な状態で表示ことができるが、光の利用効率が低下するため、同じ光源を用いた場合には暗くなることが問題であり、より明るい光源を用いるとコストが高くなるうえ光源の発熱が増すという問題点があった。
【０００９】
また、発光ダイオード（以下ＬＥＤという）や平面発光素子をエリア制御光源として使用する場合には、平面発光素子が液晶素子と近接して配置されているために両者の発熱により温度が上昇し易いことが問題であり、温度が上昇すると発光の波長が変化し、発光の効率が低下すると共に、寿命が短くなるなどの問題点があった。
【００１０】
更に、投写型の表示手段をエリア制御光源として用いる場合には高いコントラストで表示を行うことができるが、光源である投写型の表示手段においてライトバルブが必要なため部品のコストが高くなることが問題であり、また、照明光を投写する空間が必要で装置の奥行きが長くなるという問題点もあった。
【００１１】
この発明は、上記のような問題点に対処するためになされたもので、高いコントラスト、広い指向性、良好な画面均一性を有する照明方法およびその方法を用いた画像表示装置をコンパクトかつ安価に提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この発明に係る照明方法は、光源と、この光源が発する光を集め照明対象領域の一部分を照明するスポット照明に変換する光コリメート手段と、上記スポット照明の光の進路内に設けられ上記照明対象領域全体を上記スポット照明が照明するように走査させることが可能な光走査手段とを有し、上記スポット照明を照明対象領域全体にわたって所定の手順で移動させることにより上記スポット照明が照明対象領域と対向する複数の領域を有するエリア制御光源と概ね等価に機能するようにしたものである。
【発明の効果】
【００１３】
この発明に係る照明方法は上記のように構成され、コリメート光を走査することによりエリア制御光源として機能させ液晶素子を照明するようにしたので、液晶素子の最も高い消光比を利用することが可能になると共に、光源の輝度を照明エリアごとに制御することで液晶素子の消光比よりも大幅に広い輝度ダイナミックレンジで画像を表示することが可能となり、光の利用効率が高く、液晶素子の放熱も良好となり、これらの結果として画質が良好な画像表示装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図にもとづいて説明する。図１は、実施の形態１の照明方法および画像表示装置の構成を説明するためのブロック図である。この図において、光源１は表示に用いる緑色などの波長の光を出力し、この光を受け入れた光コリメート手段２が光を集光すると共に、概ね平行なコリメート光によるスポット照明光として第一光走査手段３に出力する。
【００１５】
光源１は人間の目がフリッカを感じない下限周波数の１サイクル期間内において、発光の強度が少なくとも数十回変更可能なものであり、例えばレーザダイオードとされている。
第一光走査手段３は後続する第二光走査手段４と共にミラーをガルバノメータにより回転させるように構成されており、入射した光を反射するときにミラーを回転することにより進行方向を変化させて照明光がライトバルブである液晶素子６に照射される位置を画面の左から右方向（以下Ｘ軸方向という）、上から下方向（以下Ｙ軸方向という）にそれぞれ移動させる。
【００１６】
この場合、Ｘ軸方向の走査は第一光走査手段３によって行い、Ｙ軸方向の走査は第二光走査手段４によって行なっている。走査されたスポット照明光は液晶素子６の前に配設されたフレネルレンズ５に向かって進行し、フレネルレンズ５において進行方向が液晶素子６の背面にほぼ垂直になるように偏向されて液晶素子６を背面からスポット状に照明する。
【００１７】
液晶素子６は画素ごとに光の通過と不通過が切り替えられるように駆動されることで画像を形成する。液晶素子６の観察面側には光拡散手段７が設けられ、液晶素子６を通過した照明光が上下左右方向に指向性を広げられることにより斜め方向から見ても十分に明るい表示を行う。なお、光源１からフレネルレンズ５までの間の矢印は照明光の進行方向を模式的に示すものである。
【００１８】
また、図１において、８は光源１のドライブ手段、９および１０は第一光走査手段３および第二光走査手段４のドライブ手段、１１は液晶素子６のドライブ手段、１４は信号入力手段１３に接続され、信号の特徴を検出する特徴検出手段、１５は同期分離手段、１６は信号変換手段、１７は液晶素子６の画面付近の照度を検出する照度検出手段で、いずれも制御手段１２によって制御されるように構成されている。
【００１９】
図１に示す画像表示装置の機能説明に先立って、先ず制御手段１２の制御フローについて説明し、この制御フローと対応させて図１に示す各手段の機能について説明する。
図２は制御手段１２が液晶素子６の照明を制御する方法を示すフロー図であり、要約すると装置が画像を表示する動作を開始するところがスタートで、以後信号を受け入れてエリア制御照明を行う方法を各ステップにおいて順に決定し、最終的に画像を表示するものである。
【００２０】
先ず、表示されるテレビジョン画像信号などの外部の信号は図１の信号入力端子１３から受け入れられ、入力された信号は特徴検出手段１４、同期分離手段１５、信号変換手段１６の各々に伝達される。同期分離手段１５は入力された画像信号の同期信号を分離し、ステップＳ１で画像のフィールドまたはフレームを表示するための走査の基準タイミング信号を制御手段１２に出力する。
【００２１】
次に、ステップＳ２で特徴検出手段１４が画像を構成する画素のレベルをもとに画像のエリアごとの平均輝度、画像全体の平均輝度、最大輝度、最低輝度、信号のアスペクト比などを求めて制御手段１２にこれらを表す信号を送り出す。制御手段１２は特徴検出手段１４から受けた信号をもとに、ステップＳ３で画像信号がワイドアスペクトか否かを判断し、ワイドアスペクトであればステップＳ４で画像がないエリアの走査をやめ、画像の表示されない画面の上下の領域を照明しないようにする。
【００２２】
ステップＳ３でワイドアスペクトでない場合及びステップS４に続き、ステップＳ５で制御手段１２は画像のエリアごとの平均輝度などの値について過去の値を記憶しておいて現在と比較することにより画像の変化の多さを分析して画像の動きが多いか否かを判定する。動きが多い場合には、ステップＳ６で液晶素子６に照明が当たらず黒画面が表示される期間を増すようにして動画のボケを減少し、表示画質を改善する。
【００２３】
ステップＳ５で画像の動きが多くない場合及びステップＳ６に続き、照度検出手段１７は液晶素子６の画面付近の照度を測定して照度レベルを表す信号を制御手段１２に出力する。制御手段１２は照度検出手段１７が検出した信号をもとにステップＳ７で画面の照度が所定のレベルよりも低いか否かを判定する。低い場合にはステップＳ９で光源１の発する光の平均強度が減少するように光源のドライブ手段８を制御し、表示装置がまぶしく見えることを防止する。
【００２４】
ステップＳ７で照度が低くない場合には、ステップＳ８で制御手段１２は画像の平均輝度が低い画像フレームが連続するか否かを判定する。連続する場合には上述した照度の低い場合と同様にステップＳ９で光源１の発する光の平均強度を減少させる。連続しない場合には、ステップＳ１０および１１で制御手段１２は照明エリアのうち表示する画像の平均輝度が高い領域と低い領域を選び、画像を表示しないエリアを除いて、ステップＳ１２で照明を行うエリアの照明順を決めると共に、ステップＳ１３で各照明エリアを照明するときに光源の発する光の強さをあらかじめ設定する。
【００２５】
その際に平均輝度が高い画像を表示する照明エリアは強い光で照明し、逆に輝度が低い画像を表示する照明エリアは弱い光で照明する。次に、ステップＳ１４で制御手段１２は光源の発光強度の変化シーケンスを表す信号を光源のドライブ手段８および信号変換手段１６に送り、信号変換手段１６は制御手段１２が決めたシーケンスに基づいて画像信号を光源１の輝度を変化させるためのエリア制御信号と液晶素子６を動作さるための変換画像信号に分けて光源ドライブ手段８と液晶素子６のドライブ手段１１に出力する。
【００２６】
光源のドライブ手段８が光源１をドライブする際には制御手段１２の出力するシーケンス信号と信号変換手段１６が出力するエリア制御信号に基づき、画像の１フィールド時間、例えばＮＴＳＣ方式テレビジョン信号においては６０分の１秒の間に数十回以上光源の輝度が変化するようにドライブ出力を変化させる。
【００２７】
第一光走査ドライブ手段９および第二光走査ドライブ手段１０は制御手段１２の出力するシーケンス信号を受け、指定された方法で照明光が走査されるようにそれぞれ第一光走査手段３、第二光走査手段４をドライブする。液晶素子６のドライブ手段１１は制御手段１２の発したシーケンス信号を受け、信号変換手段１６の出力する変換画像信号をもとにステップＳ１５で液晶素子６の各画素の光の透過率が変化するように液晶素子６をドライブすることにより画像を表示する。
【００２８】
図３は、実施の形態１の画像表示装置におけるスポット照明の形状と照明エリアの走査方法を説明するための図である。図３（ａ）において、ＳＡはスポット照明領域、ＩＬは照明エリアの外形、６は観察側から見た液晶素子の表示エリア外形、Ｘは第一光走査軸、Ｙは第二光走査軸、L1ないしLnはスポット照明中心の走査軌跡、P11…P1m、P21…P2m、…Pnmはそれぞれ走査の開始および終了時のスポット照明中心位置であり、例えばPnmにスポット照明があるときの照明範囲を照明エリアPnmと言うこととする。
【００２９】
位置を表す名称Pnmにおいてｎおよびｍは各照明エリアの行と列の数を示す数字であり、行と列とも概ね５以上の数が望ましく、実施の形態１では例えばｎは８、ｍは１４とされている。照明エリアの外形ＩＬは個々の照明エリアの総和として液晶素子６の表示領域を内部に含むように決める。図３（ｂ）において縦軸はスポット照明の照度、ＳＰはスポット照明の照度のＸ軸方向形状である。画像はフレーム単位で表示され、フレームの始まりは同期信号で示される。
【００３０】
制御手段１２は画像の同期タイミングをもとに画像を表示する前には光源１が光を発生しないように制御する。画像の表示を開始するときにはスポット照明の中心がP11にあるように第一光走査手段３および第二光走査手段４を制御し、光源１を点灯してスポット照明領域ＳＡの中心が位置P11、次にP12と移動しP1mまで線分Ｌ１上をステップ状に移動するように走査した後に光源１を消灯する。その後ＳＡの中心をP21まで移動してから光源１が点灯され、ＳＡの中心がP21からP2mまで線分Ｌ２上を移動した後に光源１が消灯される。以後同様に走査が繰り返され、線分Ｌｎ上をスポット照明が走査し終わってPnmに達したときにフレームの表示が終了する。
【００３１】
スポット照明の照度形状は図３（ｂ）においてＳＰに示すように、なだらかな傾斜を有するので、例えば線分Ｌ１およびＬ２の上を一定の光強度のスポット照明が移動したときには、フレーム表示期間全体で照度を積分すると、線分Ｌ１と線分Ｌ２の中間の画素を含め液晶素子６のどの画素も概ね同一の照度で照明されることになる。
【００３２】
表示する画像の特徴に適応させて走査方法は変更することができ、例えば動きが多い画像である場合には画像を表示する期間全体にわたってスポット照明が各照明位置に留まる時間を短くし、スポット照明が走査位置Pnmを照明した後に光源１が消灯してスポット中心が走査位置P11に移動し、次のフレームを表示するまでの期間が長くなるようにすることにより黒画像を挿入することと同等な効果を得て動画像のボケを改善することができる。
【００３３】
表示する画像が映画などの暗い場面である場合には、暗い画面に目が順応する効果により、液晶素子６の消光比が不足し輝度レベルの浮き上がりが顕著に観察されることがあるが、そのような画面の暗い領域をスポット照明が走査するときだけ光源１の輝度を低下させることにより画像の浮き上がりを防止することができる。逆に特定の画面位置が他の部分よりも明るい場合には、当該領域をスポット照明が走査している期間だけ光源１の輝度を一時的に増加させてもよい。その場合には光源１を瞬時動作可能な範囲内の電力で発光させることになる。
【００３４】
図４は、実施の形態１による画像表示装置における表示画像と光源１の発光強度変化の手順および照明エリアの照度分布の具体例を示す図である。図４（ａ）において閉曲線Ｂの内側および外側は、それぞれ表示される画像の明るい領域、暗い領域であり、P11、P12などを中心とする矩形領域は照明エリアである。画像として見るときには暗い背景の中に明るい物体Ｂがあると理解される。
【００３５】
図４（ｂ）はスポット照明領域ＳＡが各照明エリアを走査する時刻を横軸に、光源１の発光強度を縦軸に示す図であり、スポット照明の中心が位置P11にあるときの時刻の中心がt11、以後Ｘ軸方向に隣接する照明エリアの中心にある時刻の中心が順次t12、t13と示されており、同様に位置P21にあるときの時刻がt21であり、以後順にt22、t23と示される。
【００３６】
スポット照明は位置P11からＸ軸方向に位置P1mまで移動するが、各エリアの中心で停止し所定の時間が経過すると次の位置まで移動することでエリア制御光源の機能を実現する。発光強度I1は光源１が連続的に動作できる電力における通常の発光レベル、I2は短時間なら光源が動作できる高い発光レベル、I3は画像の暗い領域を照明するときの低い発光レベルである。
【００３７】
図４（ａ）の領域Ｂは３個の照明エリアに跨っており、t22、t23、t32において光源１が発光強度I2で明るく液晶素子６を照明することにより高輝度で表示する。領域Ｂの外側は暗い画像であるので、光源１の発光強度は低いレベルのI3とすることにより画像の暗い領域の浮き上がりを防止する。液晶素子６の消光比は通常数百対１程度であるので、光源１の発光強度をI1で固定とした場合と比較すると、図４（ｂ）に示すように発光強度を変化する方が画像を高いコントラストで表示することができる。
【００３８】
数値例を示すと、液晶素子６の消光比が400対１、光源１が通常一定に動作するときにI1の強度とし、そのとき画面輝度が一例として400ntとなるとき、画面の領域Ｂの外側の最低輝度は入力画像が完全な黒レベルであっても液晶素子６の消光比で制約され１ntとなるが、この実施の形態の装置においては図４（ｂ）に示すように照明エリアごとに光源の輝度を変更することによりI2がI1の２５％高いレベル、I3がI1の７５％低いレベルでエリア照明を行うので、最大輝度は500nt、最低輝度は0.25ntで表示することができる。
【００３９】
図４（ｃ）は液晶素子６の各領域ごとに各画素のドライブ状態を説明する図であり、Ａ１および左下がりのハッチングで区別したＡ２は光が通過しない状態の画素領域、右下がりのハッチングで区別したＡ３は光が通過する状態の画素領域である。この状態の液晶素子６をスポット照明領域ＳＡが順次走査しながら照明するが、照明光の強度は領域Ａ２とＡ３を照明するときに強くなるので、これらの結果として領域Ａ３が500ntで表示され、領域Ａ１は0.25nt、Ａ２は1.25ntで表示される。
【００４０】
Ａ２のように明るい領域に近接した暗い領域については視覚的に黒レベルの浮き上がりは目立たないので、これらの結果として輝度のピークが高く、暗部も一層暗く、元画像に忠実な表示を行うことができる。なお、この実施の形態においては液晶素子６をほぼ平行な光線により照明しているので、広がりのある照明光において消光比が４００である液晶素子であっても、最も消光比の良好な方向だけから照明するようにすることで消光比を一層高くすることができる。
【００４１】
なお、スポット照明領域を走査する方法は上記の例に制約されるものではなく、例えば一定の速度で位置P11からP1mまで移動するようにしてもよく、光源１をパルス状に点灯してもよく、光源の輝度は光源を点灯するパルスの幅でコントロールするようにしてもよい。いずれの走査方法や照明方法を適用した場合についても、元の画像に忠実な画像が表示できるように画像のフレーム期間で平均したときのバックライトの輝度分布と液晶素子６の各画素の透過率を設定する。
【００４２】
エリア制御照明のエリア中心位置P11ないしPnmと液晶素子６との相対位置、Ｘ軸方向とＹ軸方向の照明エリア数、スポット照明の照度プロファイル、ＳＰの形状および寸法は光源１の特性、光走査手段の動作速度や動作のばらつきなどを考慮することにより種々の変形が有り得ることは勿論である。
【００４３】
照明エリアは小面積にするほどＡ２に示したような領域が少なくできるので好ましいが、そのときには照明エリアの数が増加するので光源の明るさを制御する速度が速くなるうえ、スポット照明の液晶素子６上の位置精度も高くすることが必要となるので光源の特性や光走査手段の精度を考慮し適切な面積に設定すれば良い。
【００４４】
スポット照明を走査する順番は概ね元画像の画素の走査の順番に近い方が元画像の本来の表示方法に忠実で好ましいが、インターレース信号を非インターレース信号に変換するために画像信号を一旦フレーム単位で記憶してから表示する場合にはこれに制約されるものではなく、例えば線分Ｌ２上はマイナスＹ軸方向に走査してもよい。
【００４５】
その場合には、光源１を消灯して位置P12からP21まで移動する距離を、位置P12からP2mまで移動する距離にまで少なくすることができるので、その分消灯している時間を減らし点灯している時間を長くすることができる。実施の形態１によれば、従来の装置よりも高い消光比およびコントラストで画像を表示することができると共に、暗いシーンでも画像が浮き上がらず、周囲が暗い時にも画像がまぶしくなく、動画を表示しても画像のボケが発生しない。
【００４６】
実施の形態１は図１に示すように構成したが、他の構成としてもよい。即ち、第二光走査手段４とフレネルレンズ５との間に一枚または複数枚の反射鏡を設けて照明光の進路を折り曲げるようにしても良い。その場合には背面の空間が減少するので画像表示装置の奥行きが短くなり、装置を小型化することができる。また、照明光を液晶素子６の背面に法線方向から傾斜して照射してもよい。その場合にはフレネルレンズの光学中心を画面中心からずらすとか、全反射を使ったフレネルレンズを設けるなど公知の技術を利用することができる。
【００４７】
以上の説明では、この発明の光源は単色のレーザダイオードであるとしたが、複数の波長の光を同時に発生するレーザでもよい。その場合には従来の白色バックライトを用いる場合と同様に液晶素子６の画素ごとに複数の画素を用意し、これらの個々に光源が発する複数の色の光の中のどれかを選択的に通過させる色フィルタを設けることによりカラー画像の表示を行うことができる。
【００４８】
その場合にはコントラストが良好で構成が簡易なカラー画像の表示装置を実現することができる。光源のレーザダイオードが単一方向の偏向光を出力する場合には、通常は液晶素子６の照明側と観察側に設けられている２枚の偏向板のうち照明側の偏向板を除去してもよい。その場合には装置を安価にすることができる。
【００４９】
実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２を図にもとづいて説明する。図５は、実施の形態２による画像表示装置の構成を示す概略図である。この図において、図１と同一または相当部分には同一符号を付して説明を省略する。
【００５０】
図５において、１Ｒ、１Ｇ、１Ｂはそれぞれ赤色、緑色、青色の光を発生する光源であるレーザダイオード、２Ｒ、２Ｇ、２Ｂはそれぞれ赤色、緑色、青色の光のコリメート手段である。また、図中の矢印は照明光の進行方向を模式的に示すものである。３個の光源から出た原色の光は各々コリメート手段２Ｒ、２Ｇ、２Ｂにおいて集光され概ね平行なコリメート光とされる。
【００５１】
コリメート光となった３色の光は相互に所定の光軸間角度で第一光走査手段３に向けて進行し、第一光走査手段３は受け入れた３色の光をミラーの概ね同じ位置において反射することによりＸ軸方向に走査し、進行した３色の光は第二光走査手段４に向けて進行し、第二光走査手段４は受け入れた光をＹ軸方向に走査する。
【００５２】
図６（ａ）（ｂ）は実施の形態２による画像表示装置におけるスポット照明の形状と走査方法を説明するための図であり、ＳＲ、ＳＧ、ＳＢはそれぞれ赤色、緑色、青色の光のスポット照明領域、ＡＲは液晶素子６の黒表示と赤表示の境界、ＡＧは赤表示と緑表示の境界である。図６（ａ）はフレーム表示の最初の照明スポットの位置を表し、図において赤色スポット照明の領域ＳＲは位置P11にある。そのとき液晶素子６は境界ＡＲより下側（Ｙ軸のプラス方向）では黒表示、上側（Ｙ軸のマイナス方向）では画像の赤色成分の表示を行うようにドライブされる。
【００５３】
以後の走査の方法は上述した実施の形態１における領域ＳＡの走査の方法と概ね同じであり、液晶素子６を照明しながらＸ軸方向に走査し、液晶素子６の右端に達したら光源を消灯し、マイナスＸ軸方向に液晶素子６の左端まで移動しつつＹ軸方向に１エリア分移動する。ただし赤色の照明に引き続いて他の２色の照明を行うために走査の速度は異なる。液晶素子６に重なっていないスポットＳＢおよびＳＧに対応する光源１Ｂおよび１Ｇは消灯状態である。
【００５４】
図６（ｂ）は同図（ａ）からおよそ５分の１フレーム時間経過した後の各スポット照明の位置を示しており、緑色の照明領域ＳＧが位置P11にある。液晶素子６においてＡＲよりも上側かつＡＧよりも下側は画像の赤色成分を表示するようにドライブされ、ＡＧよりも上側は緑色成分を表示するようにドライブされる。同様に青色スポット照明が液晶素子６に達する時には、液晶素子６が青色の成分を表示するようにドライブされる。青色の照明領域ＳＢが液晶素子６の右端下部に達した後、光源１Ｂは消灯され図６（ａ）に示される状態に戻ることで1フレームの画像の表示が終了する。
【００５５】
光源１Ｒ、１Ｇおよび１Ｂは各々の発する光の作る照明領域が液晶素子６に達しているときにだけ点灯することにより無駄に電力を使うことは無い。特定の液晶素子の領域を明るく表示する場合には、各色の照明スポットが該当する液晶素子のエリアに達したときに対応する光源の発光強度を高めるようにすることで任意の輝度分布のエリア照明を行うことができる。実施の形態２は以上のように構成されているので従来の装置よりも高いコントラストで自然色の画像を表示することができる。
【００５６】
なお、実施の形態２は上述の説明に限定されるものではない。図５では光源の数を３つとして三色としたが、光源の数が４個以上、色数が４色以上であっても良い。その場合には一層広い範囲の色を表示することができる。また、同じ色の光を発する光源を２個以上設けても良い。その場合には同じ場所を複数の光源で照明することにより照明領域を一層明るく照明したり、各色の強さの比を適切な値にすることにより所望の色温度で表示を行うことができる。
【００５７】
また、照明光の照射方法は液晶素子に複数の色を同時に照射するようにしたが、一色だけでも良い。その場合には液晶素子の画素の書き換えのコントロールが容易になることが利点である。更に、図５において各色の照明光は異なる光路を進行するように表したが、同時に一色だけを照射する場合には、同一の光路を進行して光走査手段に到達するようにしても良い。その場合には各色の光源が発した相互に波長の異なる光をダイクロイックフィルタにより進路が重なり合うように合成すれば良い。
【００５８】
また、照明スポットはＸ軸方向に走査するようにしたが、光走査手段の構成によってはＹ軸方向あるいは軸から傾斜した方向としてもよい。その場合には液晶素子の各画素の表示を行うドライブ信号が照明スポットの走査と符合して更新されるようにする。照明スポットの形状は概ね正方形に近い矩形としたが、液晶素子全体をカバーできるエリア照明として機能すれば良く、円形、楕円、長方形でも良い。
【００５９】
実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３を図にもとづいて説明する。図７は、実施の形態３による画像表示装置の構成を示す概略図である。この図において、図５と同一または相当部分には同一符号を付して説明を省略する。
【００６０】
図７において、２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂは赤、緑、青の光コリメート手段、３１は第一光走査手段、４１は第二光走査手段、ＩＭは仮想的な照明領域、１８は投写手段で、レンズ等の集光手段１８１および非球面反射鏡１８２を有する。５１は光学中心をずらしたフレネルレンズ、６１はライトバルブであるところの液晶素子、７１は光拡散手段である。また、図中に示した矢印は照明光の進行方向を模式的に示すものである。
【００６１】
コリメート手段２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂは各々赤色、緑色、青色の照明光線を光源１Ｒ、１Ｇ、１Ｂから受け入れてコリメートすることにより小さな断面積の平行光線とし、この平行光線を第一光走査手段３１に進行させる。第一光走査手段３１は後続する第二光走査手段４１と共に受け入れた平行光線を走査して出力し後続する矩形の仮想照明領域ＩＭをエリア制御光源として照明する。
【００６２】
仮想照明領域ＩＭは液晶素子６１と相似形状であるが寸法は小さく、そのため第一光走査手段３１および第二光走査手段４１の走査の広がり角度は小さくてもよく、光路がコンパクトにできるので小型のものを用いることができる。照明エリアごとに照明された仮想照明領域ＩＭを通過した光を投写手段１８が受け入れて投写することにより光の進行範囲が拡大される。
【００６３】
投写手段１８においてはレンズ１８１は仮想照明領域ＩＭを通過した光を集めて後続する非球面反射鏡１８２に向けて進行させ、非球面反射鏡１８２は受け入れた光の進路を急角度に曲げてフレネルレンズ５１に向けて進行させる。フレネルレンズ５１は受け入れた光線の進行方向を急角度で曲げて液晶素子６１の背面から概ね垂直に照明するように進行させる。
【００６４】
液晶素子６１は垂直な方向から照明する場合に最も消光比が良いものを用いる。液晶素子６１において画素ごとに照明光線の通過する割合が変化するように液晶素子６１のドライブ手段（図示せず）によってドライブされることにより画像が形成され、出力された画像を表す光は拡散手段７１に向けて進行して進路を広げられ広い指向性が与えられて出力される。仮想照明領域ＩＭと液晶素子６１が投写手段１８により光学共役の関係にあるので、小さい寸法の仮想照明領域ＩＭをエリア照明することにより大きな寸法の液晶素子６１も等価的にエリア制御光源により照明される。
【００６５】
投写される照明光の進路が狭いほど装置の体積も小さくすることができる。仮想照明領域ＩＭと液晶素子６１が光学共役な関係であるので、従来の投写型表示装置がこの実施の形態の仮想照明領域ＩＭにマイクロデバイスを設けた場合に相当すると考えれば、装置を小型化するために公知の手段を適用することができる。この実施の形態は投写手段の構成要素として非球面反射鏡１８２を用いたものであり、その結果として公知の手段のように後段で大面積の鏡を設けて照明光を曲げることが不要となる。
【００６６】
広く用いられているガラスやプラスチックなどの光学材料は屈折率の波長分散があるため、屈折を用いて光を急角度で曲げようとすると波長の異なる光がプリズムを通過するときと同様に異なる方向に進行する。カラー画像を表示するときに複数の原色の照明光の進行方向が異なると表示画像の色が画面を見る位置によって異なることがあり好ましくない。光の進行方向を急角度で曲げる場合には屈折によらず、主として反射または全反射を用いることが望ましい。
【００６７】
従って、この実施の形態におけるフレネルレンズ５１は光の損失が少なく、かつ急角度で光の進路を曲げることができ、全反射を用いたものが望ましい。また、拡散手段７１は広い指向性を有し、観察側に外光を吸収する光吸収部を設けることが可能であり、明るい画像の領域の光が隣接する暗い画像領域に漏れないように光学的に分離されたものが高いコントラストの表示に適しているので望ましく、例えば反射鏡を用いる。
【００６８】
この実施の形態において仮想照明領域ＩＭが空間または透明物体であることから、照明光線の光路に沿って見たときに仮想照明領域ＩＭの位置またはその近傍を境界として光源から光走査手段に至る装置と、投写手段から液晶素子に至る装置とを分離可能としてもよい。その場合には故障した部分を迅速に交換して修理を行うことが可能であり、更に、一層大型の液晶素子に交換したり、光源を一層明るいものに交換するなど利用者の要求の変化あるいは使用環境の変化に応じることが容易になり、装置の利便性が向上する。
【００６９】
図８は、装置を上述した形で２分割可能とした場合の装置外郭の断面図を示すものであり、Ｃ１およびＣ２はそれぞれ第一の分割部外郭、第二の分割部外郭である。Ｃ１とＣ２の接合部に仮想照明領域ＩＭが設けられており、Ｃ１とＣ２は相互に所定の位置関係で固定されることにより仮想照明領域ＩＭを共有する。Ｃ１の内部には仮想照明領域ＩＭから光源側の構成手段を内包し、Ｃ２の内部には拡散手段７１までの構成手段を内包する。
実施の形態３は以上のように構成されているため、高いコントラストである自然色表示可能な画像表示装置がコンパクトでかつメンテナンス容易な構造で実現できる。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
この発明の活用例として、装置の寸法がコンパクトであり、かつ高い表示コントラストが求められるテレビジョン受信機、コンピュータの表示端末、診断画像表示装置、ナビゲーション装置などを挙げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】この発明の実施の形態１の照明方法および画像表示装置の構成を示すブロック図である。
【図２】実施の形態１の照明を制御する方法を示すフロー図である。
【図３】実施の形態１による画像表示装置におけるスポット照明の形状と照明エリアの走査方法を説明するための図である。
【図４】実施の形態１による画像表示装置における表示画像と光源の輝度変化の手順および照明エリアの照度分布の具体例を示す図である。
【図５】この発明の実施の形態２による画像表示装置の構成を示す概略図である。
【図６】実施の形態２による画像表示装置におけるスポット照明の形状と走査方法を説明するための図である。
【図７】この発明の実施の形態３による画像表示装置の構成を示す概略図である。
【図８】実施の形態３による画像表示装置の外郭を２分割した構成の例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００７２】
１  光源、  ２  光コリメート手段、  ３  第一の光走査手段、  ４  第二の光走査手段、  ５  光偏向手段、  ６  液晶素子、  ７  光拡散手段、  １２  制御手段、
１４  特徴検出手段、  １５  同期分離手段、  １６  信号変換手段、  １７  照度検出手段、  １８  投写手段、  ＩＭ  仮想照明領域、  ＩＬ  照明対象領域、  ＳＡ  スポット照明領域。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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