JP2008191466A - Projection display - Google Patents
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Description
本発明は、投射型表示装置に関するもので、より具体的には、画像投射光を導光路を用いて伝播させることにより、薄型化を可能にした導光路型表示装置に関するものである。 The present invention relates to a projection display device, and more specifically, to a light guide type display device that can be made thin by propagating image projection light using a light guide.
投射型表示装置は、液晶表示素子等の小型の表示素子に表示された画像を、投射光学系によってスクリーン上に拡大投射し、大画面の表示画像を表示する表示装置である。 The projection display device is a display device that displays an image displayed on a large screen by enlarging and projecting an image displayed on a small display element such as a liquid crystal display element on a screen by a projection optical system.
このような表示装置は、投射光学系の拡大率を高めることにより、容易に大画面化が可能であり、低コストで大画面の表示装置を実現できる優れた特徴を有する。 Such a display device can be easily enlarged by increasing the magnification ratio of the projection optical system, and has an excellent feature that can realize a large-screen display device at low cost.
しかし、一方で、投射型表示装置は、画像の投射に十分な投射光路を確保するため、装置が大型化し、大きな設置面積が必要になるといった欠点があった。 On the other hand, however, the projection display device has a drawback in that the device becomes large and requires a large installation area in order to secure a sufficient projection optical path for image projection.
このような欠点を改善するため、導光路を用いて投射光を伝播させることにより、薄型化・小型化を可能にした導光路型表示装置が提案されている。(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、導光路を用いて投射光を伝播させる場合、上記特許文献1にも記載されているように、単純に平面で構成された導光路を用いただけでは、投影画像に歪が発生するという問題が生じる。上記特許文献1では、この歪を解消するため、表示素子の画素配列を、導光路によって生じる歪を補正するよう特殊配列に構成する手法や、導光路の面形状に、歪を補正すべく複雑な形状変化を与える手法が記載されている。しかし、これらの手法は、特殊な表示素子配列や複雑な導光路の形成が必要となるため、コスト高になるという問題があった。 However, when propagating projection light using a light guide, as described in Patent Document 1 above, there is a problem that distortion is generated in a projected image only by using a light guide constituted by a plane. Occurs. In the above-mentioned patent document 1, in order to eliminate this distortion, the pixel arrangement of the display element is complicated to correct the distortion by a method of configuring the pixel arrangement in a special arrangement so as to correct the distortion caused by the light guide path, or the surface shape of the light guide path. A method for giving a simple shape change is described. However, these methods have a problem in that the cost is high because a special display element arrangement and a complicated light guide path are required.
また、大型の導光路を製作する場合、導光路の個体差による歪変化や、温度変化よる面形状変化に伴う歪の発生を防止しよとすると、極めて高精度な加工や、温度変化の小さな材料の適用が必要になり、さらにコストが高くなるという問題があった。 In addition, when manufacturing a large-sized light guide, it is extremely high-precision processing and temperature change is small if it is attempted to prevent distortion due to individual differences in the light guide and the occurrence of distortion due to changes in surface shape due to temperature changes. There was a problem that it was necessary to apply a material and the cost was further increased.
本発明は上記のような問題点を解消するためになされたもので、簡単な構成で、画像の歪がなく、小型かつ低コストの、投射型表示装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a projection display device that has a simple configuration, has no image distortion, and is small and low cost.
本発明に係る投射型表示装置は、投射光を発生する投射光源と、前記投射光を空間変調して画像投射光を生成する空間変調素子と、前記画像投射光を拡大投射する投射レンズと、前記投射レンズから出射された画像投射光の投射角を補正する自由曲面レンズと、前記自由曲面レンズから出射された画像投射光をその入射角度に応じた位置から出射する楔状導光板と、前記楔状導光板に略密着させたスクリーンとを備え、
前記自由曲面レンズが、前記楔状導光板による画像歪を補正するように前記画像投射光の投射角度を補正することを特徴とする。
A projection display device according to the present invention includes a projection light source that generates projection light, a spatial modulation element that spatially modulates the projection light to generate image projection light, a projection lens that enlarges and projects the image projection light, and A free-form surface lens that corrects a projection angle of image projection light emitted from the projection lens, a wedge-shaped light guide plate that emits image projection light emitted from the free-form surface lens from a position corresponding to the incident angle, and the wedge shape And a screen substantially in close contact with the light guide plate,
The free-form surface lens corrects the projection angle of the image projection light so as to correct image distortion caused by the wedge-shaped light guide plate.
また、本発明に係る他の投射型表示装置は、強度変調された赤、緑、青の光を発光するシングルモードレーザと、前記シングルモードレーザの光を2次元的に走査する光走査手段と、前記光走査手段により走査されたレーザ光の投射角を補正する自由曲面レンズと、自由曲面レンズから出射されたレーザ光をその入射角度に応じた位置から出射する楔状導光板と、前記楔状導光板に略密着させたスクリーンとを備え、
前記自由曲面レンズが、前記楔状導光板による画像歪を補正するように前記レーザ光の投射角度を補正することを特徴とする。
Another projection display device according to the present invention includes a single mode laser that emits intensity-modulated red, green, and blue light, and an optical scanning unit that two-dimensionally scans the light of the single mode laser. A free-form surface lens that corrects the projection angle of the laser light scanned by the optical scanning means, a wedge-shaped light guide plate that emits laser light emitted from the free-form surface lens from a position corresponding to the incident angle, and the wedge-shaped guide With a screen substantially in close contact with the light plate,
The free-form surface lens corrects the projection angle of the laser beam so as to correct image distortion caused by the wedge-shaped light guide plate.
本発明に係る投射型表示装置によれば、画像投射光が、少なくとも2面の軸対称性を持たない3次元曲面を有する自由曲面レンズを介した後、平面で構成された楔状導光板内を伝播してスクリーン上に到達するよう構成したので、簡単な構成で、画像の歪がなく、小型かつ低コストの、投射型表示装置を得ることが可能となる。 According to the projection display device of the present invention, the image projection light passes through a free-form surface lens having a three-dimensional curved surface having no axial symmetry of at least two surfaces, and then the inside of the wedge-shaped light guide plate constituted by a plane. Since it is configured to propagate and reach the screen, it is possible to obtain a small-sized and low-cost projection display device with a simple configuration and no image distortion.
また、本発明に係る他の投射型表示装置は、強度変調され、2次元的に走査された赤、緑、青の光を発光するシングルモードレーザ光が、少なくとも2面の軸対称性を持たない3次元曲面を有する自由曲面レンズを介した後、平面で構成された楔状導光板内を伝播してスクリーン上に到達するよう構成したので、簡単な構成で、画像の歪がなく、小型かつ低コストの、投射型表示装置を得ることが可能となる。 In another projection display device according to the present invention, the single-mode laser light emitting red, green, and blue light that is intensity-modulated and two-dimensionally scanned has at least two planes of axial symmetry. After passing through a free-form surface lens having no three-dimensional curved surface, it is configured to propagate through the planar wedge-shaped light guide plate and reach the screen. A low-cost projection display device can be obtained.
実施の形態1.
以下、図面により、本発明に係る実施の形態1の投射型表示装置について説明する。
図1は、本発明に係る実施の形態1の投射型表示装置の構成を示す図である。図において、ランプ光源1から発せられた光は、液晶表示素子2により空間変調され画像情報を付与され、投射レンズ3、および、第1の自由曲面レンズ4、第2の自由曲面レンズ5を透過後、楔状導光板6を経由してスクリーン7上に表示される。
Embodiment 1 FIG.
Hereinafter, the projection type display apparatus according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a projection display apparatus according to Embodiment 1 of the present invention. In the figure, light emitted from a lamp light source 1 is spatially modulated by a liquid
楔状導光板6に入射した光は、全反射によって楔状導光板6内を伝播するが、楔状導光板6の傾斜面で反射するたびに、楔状導光板6内での伝播角度が変化する。この伝播角度、言換えれば、楔状導光板6の反射面への入射角度が全反射角度条件を満たさなくなると、楔状導光板6からスクリーン7に出射する。
The light incident on the wedge-shaped
ここで、図2により楔状導光板6内の光伝播経路について説明する。
図2に示すように、楔状導光板の入射面6i上の位置Iに入射した光は、その入射角により楔状導光板6内の光伝播経路が決定され、全反射角度条件を満たさなくなることにより楔状導光板6から出射する位置も決定される。例えば、入射位置Iより入射角αで、楔状導光板6に入射した光は、楔状導光板の形状によって伝播経路が決定されているので、常に出射位置Aにおいて楔状導光板6から出射する。入射角αの場合には、出射位置A、入射角βの場合には、出射位置Bというように、入射角と出射位置は、1対1に対応した関係になる。
Here, the light propagation path in the wedge-shaped
As shown in FIG. 2, the light incident on the position I on the entrance surface 6i of the wedge-shaped light guide plate determines the light propagation path in the wedge-shaped
以上のように、楔状導光板6に入射した光は、その入射角に対応した位置から出射するので、楔状導光板6への入射光に、入射角に応じた強度分布を付与すれば、楔状導光板の出射面6dの所定の位置から入射角に応じた強度分布の光が出射され、スクリーン7によって、観察方向に偏向されると共に、視野角を調整され、画像が形成される。
As described above, the light incident on the wedge-shaped
次に、図3により、液晶表示素子2と投射レンズ3による画像投射光学系の投射光角度特性について説明する。図3に示すように、液晶表示素子2と投射レンズ3による画像投射光学系は、液晶表示素子2上に表示された画像を、投射レンズ3によって、所定の投射面上に、結像転写するよう構成されている。その際、投射面上の異なる位置に到達する光、すなわち、液晶表示素子2の異なる画素から出射された光の、投射レンズ3からの出射角γは、投射面上の位置によってすべて異なっている。このことから、液晶表示素子2と投射レンズ3による画像投射光学系では、投射レンズ3からの出射光は、液晶表示素子2に表示された画像に応じて、出射角強度分布が与えられた光となっている。
Next, the projection light angle characteristic of the image projection optical system by the liquid
液晶表示素子2と投射レンズ3による画像投射光学系から出射された画像投影光を楔状導光板6に入射させると、楔状導光板6から画像投影光の入射角と強度分布に基づいた光が出射され、楔状導光板の出射面6d上に画像が形成される。
When image projection light emitted from the image projection optical system including the liquid
このような、液晶表示素子2と投射レンズ3による画像投射光学系から出射された画像投影光を、楔状導光板6の内部を伝播させ、画像を表示する導光路型表示装置は、投射光路が楔状導光板6によって構成されているので、極めて小型の投射型表示装置を実現することができる。
Such a light guide type display device that propagates the image projection light emitted from the image projection optical system by the liquid
しかし、楔状導光板6を平面のみで構成した単純な楔形状とした場合、楔状導光板6へ入射する光の入射角と出射位置は1対1に対応してはいるが、入射角と出射位置の関係が線形でないため、液晶表示素子2に直交配列を採用した通常の表示素子を用いると、液晶表示素子2に表示された画像と、楔状導光板6の出射面上の投影画像は、相似形とならず、図4のような、歪を生じてしまうという問題点がある。
However, when the wedge-shaped
このような画像歪の問題は、楔状導光板6の面形状を、単純な平面ではなく、歪を補正する複雑な曲面形状とすることにより回避することができるが、この場合、楔状導光板6の大面積の表面に、複雑な曲面形状を高精度で形成することが困難であるため、楔状導光板6が極めて高コストになってしまう。
Such a problem of image distortion can be avoided by making the surface shape of the wedge-shaped
また、液晶表示素子2の画素配列を、楔状導光板6によって生じる歪を補正するよう特殊配列に構成することによっても、画像歪の問題を回避することができるが、この場合も、特殊な表示素子が必要となるため、同様に高コストになってしまう。
Also, the problem of image distortion can be avoided by configuring the pixel array of the liquid
本実施の形態1の構成では、平面のみで構成した単純な楔状導光板6と通常の直交配列を採用した液晶表示素子2を用い、液晶表示素子2と投射レンズ3による画像投射光学系と、楔状導光板6との間に、片面に軸対称性を持たない3次元曲面である自由曲面を有し、反対面は平面で構成された自由曲面レンズ4,5を2枚挿入することにより、画像の歪を解消している。自由曲面レンズは、複雑な曲面形状を有するものの、楔状導光板6と比べて小型の光学素子であるため、製作が容易で、大きなコストアップとはならない。
In the configuration of the first embodiment, a simple wedge-shaped
図5により、2枚の自由曲面レンズ4,5により画像の歪を解消する構成について説明する。まず、楔状導光板6で発生する歪は、液晶表示素子2の各画素から発せられ、投射レンズ3を透過した光の角度を、楔状導光板6で発生する歪を補正するよう、それぞれ角度変換することによって、補正することができる。図5に示された、2枚の自由曲面レンズ4,5では、液晶表示素子2の各画素から発せられ、投射レンズ3を透過した画像投射光の角度を、楔状導光板6で発生する歪を補正するよう角度変換し、画像投射光が楔状導光板の入射面6i上の同一の位置Iから入射するよう構成されている。
With reference to FIG. 5, a configuration for eliminating image distortion by using two free-
液晶表示素子2の画素から発せられ、投射レンズ3を透過して、出射角δ1で投射レンズを出射した光は、第1の自由曲面レンズ4の自由曲面屈折面上では、出射角δ1で規定された位置Jに到達する。一方で、所定の位置Iから、楔状導光板6に所定の入射角δ2で光を入射させようとすると、楔状導光板6への入射光は、第2の自由曲面レンズ5の自由曲面屈折面上では、出射位置Kから出射されなければならない。
The light emitted from the pixel of the liquid
出射角δ1で投射レンズ3を出射し、第1の自由曲面レンズ4の自由曲面屈折面に位置Jに入射した光を、第1の自由曲面レンズ4の自由曲面屈折面により、第2の自由曲面レンズ5の自由曲面屈折面上の位置Kに到達するよう偏向し、さらに、第2の自由曲面レンズ5の自由曲面屈折面により、位置K出射後、楔状導光板6の位置Iに到達するよう偏向すれば、出射角δ1で投射レンズ3を出射した光を、楔状導光板の入射面6iの所定の位置Iに所定の入射角δ2で入射する光に角度変換できる。
The light which has exited the
図5の光学系では、液晶表示素子2の各表示画素から発せられ、投射レンズ3を透過した全ての画像投射光に対し、それぞれ、楔状導光板6により発生する画像歪を補正するよう設定された入射角に変換し、同一の入射位置から楔状導光板6に入射するよう、2枚の自由曲面レンズ4,5の自由曲面形状を構成しているので、楔状導光板6により発生する歪を解消することができる。
In the optical system of FIG. 5, the image distortion generated by the wedge-shaped
楔状導光板6による画像歪の発生は、液晶表示素子2と投射レンズ3による画像投射光学系の光軸に対して軸対称とならないため、これを補正する光学系も、軸対称の非球面レンズでは補正することができず、軸対称性を持たない自由曲面レンズが必要になる。
Generation of image distortion by the wedge-shaped
また、図6に示すように、楔状導光板6に入射する画像投射光の入射角が同じでも、入射位置がIsにずれると、楔状導光板6から出射する位置がAsにずれてしまう。本実施の形態1の構成では、この点についても、液晶表示素子2のすべての画素から発せられた光が、同一の入射位置Iから楔状導光板6に入射するよう構成しているので、入射位置の違いによって発生する画像歪も解消される。
Moreover, as shown in FIG. 6, even if the incident angle of the image projection light incident on the wedge-shaped
本実施の形態1では、2枚の独立した自由曲面レンズ4,5を用いて歪補正光学系を構成しているが、楔状導光板6によって発生する画像歪を解消する効果は、少なくとも2面の自由曲面を有する光学系を用いれば同様に実現可能であることは、画像歪を補正する角度変換の原理から明らかである。2面の自由曲面を有する光学系を、自由曲面反射ミラーや両面に自由曲面を有する単独のレンズを用いて構成することも可能である。更に、2面の自由曲面を、投射レンズ3の構成要素の中に配置することも可能である。
In the first embodiment, the distortion correction optical system is configured by using two independent free-
表示素子や光源についても、本実施の形態では、それぞれ、液晶表示素子2と、ランプ光源1を用いているが、これに限定されるものではないことは言うまでもない。
Regarding the display element and the light source, the liquid
以上説明した実施の形態1の投射型表示装置によれば、投射光を、楔状導光板6によって伝播し、その際発生する画像歪を、2枚の小型の自由曲面レンズ4、5によって補正するようにしたので、極めて小型で低コスト、かつ画像歪のない投射型表示装置を実現することができる。
According to the projection display device of the first embodiment described above, the projection light is propagated by the wedge-shaped
実施の形態2.
次に、図7により、本発明に係る実施の形態2の投射型表示装置について説明する。
図7は、本発明に係る実施の形態2の投射型表示装置の構成を示す図である。図において、映像信号に基づいて強度変調された赤、緑、青の光を発光するシングルモードレーザ8、9、10から発せられた光は、ダイクロイックミラー11、12、13により同一光軸上に重ね合わされ、光走査装置14により2次元に走査され、第1の自由曲面レンズ4、第2の自由曲面レンズ5、楔状導光板6を介してスクリーン7に表示される。
Next, the projection type display apparatus according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 7 is a diagram showing the configuration of the projection display apparatus according to the second embodiment of the present invention. In the figure, light emitted from
同一光軸上に重ね合わされた後、光走査装置14により2次元に走査された赤、緑、青の投射レーザ光は、第1の自由曲面レンズ4と第2の自由曲面レンズ5により入射角度が補正され、常に楔状導光板の入射面6iの所定の同一入射位置に入射する。
The red, green, and blue projected laser beams that are two-dimensionally scanned by the
なお、楔状導光板6による光伝播や、2枚の自由曲面レンズ4、5によって、楔状導光板6で発生する歪を補正する効果は、実施の形態1と同様である。
The effect of correcting the light propagation by the wedge-shaped
楔状導光板6が大型になった場合は、楔状導光板6の製作時の形状個体差や、温度変化よる面形状変化に伴う歪の変化が発生する可能性がある。このような歪変化は、楔状導光板6の個体それぞれや、環境変化によって異なるので、2枚の自由曲面レンズ4、5による歪補正手法では補正できないことがある。
When the wedge-shaped
しかしながら、本実施の形態2では、投射光学系に、3色のシングルモードレーザ8、9、10と、光走査装置14を用いているので、光走査装置14の走査条件の変更により、画像の歪をある程度補正できる。例えば、図8に示すように、スクリーン7に例えばクロスハッチなどのテストパターン15を表示し、そのテストパターン15を撮像装置16により観測することにより楔状導光板6の形状個体差や、温度変化よる面形状変化による歪変化を検出し、光走査制御部17で発生させる2次元走査信号(図示せず)に補正を加え、光走査駆動部18により光走査装置14を駆動することにより歪を修正することができる。このように、光走査装置14の走査条件を、楔状導光板6の個体差や環境変化に適応して設定することにより、歪を最小化することが可能になる。
However, in the second embodiment, since the three-color single-
以上説明した実施の形態2の投射型表示装置によれば、3色のシングルモードレーザ8、9、10と、光走査装置14で構成された、画像投射光学系を用い、投射光を楔状導光板6によって伝播し、その際発生する画像歪を、2枚の小型の自由曲面レンズ4、5によって補正することができるので、極めて小型で低コスト、かつ、環境変化に対しても、画像歪のない投射型表示装置を実現することができる。
According to the projection type display apparatus of the second embodiment described above, the projection light is guided in a wedge shape using the image projection optical system composed of the three color
1 ランプ光源、2 液晶表示素子、3 投射レンズ、4 第1の自由曲面レンズ、5 第2の自由曲面レンズ、6 楔状導光板、7 スクリーン、8 赤色シングルモードレーザ、9 緑色シングルモードレーザ、10 青色シングルモードレーザ、11 第1のダイクロイックミラー、12 第2のダイクロイックミラー、13 第3のダイクロイックミラー、14 光走査装置。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Lamp
Claims (6)
前記投射光を空間変調して画像投射光を生成する空間変調素子と、
前記画像投射光を拡大投射する投射レンズと、
前記投射レンズから出射された画像投射光の投射角を補正する自由曲面レンズと、
前記自由曲面レンズから出射された画像投射光をその入射角度に応じた位置から出射する楔状導光板と、
前記楔状導光板に略密着させたスクリーンとを備え、
前記自由曲面レンズが、前記楔状導光板による画像歪を補正するように前記画像投射光の投射角度を補正することを特徴とする投射型表示装置。 A projection light source for generating projection light;
A spatial modulation element that spatially modulates the projection light to generate image projection light;
A projection lens for enlarging and projecting the image projection light;
A free-form surface lens that corrects the projection angle of the image projection light emitted from the projection lens;
A wedge-shaped light guide plate that emits image projection light emitted from the free-form surface lens from a position corresponding to the incident angle;
A screen substantially in close contact with the wedge-shaped light guide plate,
The projection display device, wherein the free-form surface lens corrects a projection angle of the image projection light so as to correct image distortion caused by the wedge-shaped light guide plate.
前記シングルモードレーザの光を2次元的に走査する光走査手段と、
前記光走査手段により走査されたレーザ光の投射角を補正する自由曲面レンズと、
自由曲面レンズから出射されたレーザ光をその入射角度に応じた位置から出射する楔状導光板と、
前記楔状導光板に略密着させたスクリーンとを備え、
前記自由曲面レンズが、前記楔状導光板による画像歪を補正するように前記レーザ光の投射角度を補正することを特徴とする投射型表示装置。 A single-mode laser that emits intensity-modulated red, green, and blue light;
Optical scanning means for two-dimensionally scanning the light of the single mode laser;
A free-form surface lens that corrects the projection angle of the laser beam scanned by the optical scanning means;
A wedge-shaped light guide plate that emits laser light emitted from a free-form surface lens from a position corresponding to the incident angle;
A screen substantially in close contact with the wedge-shaped light guide plate,
The projection display device, wherein the free-form surface lens corrects a projection angle of the laser light so as to correct image distortion caused by the wedge-shaped light guide plate.
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