JP2009081645A - Video image display apparatus - Google Patents
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Images
Abstract
Description
本発明は、表示画面上に2次元画像と3次元画像とを、選択的に切り替えて表示することの可能な映像表示装置に係わり、特に、その表示画面を大型化しても安価に提供できる映像表示装置に関する。 The present invention relates to a video display device capable of selectively switching between a two-dimensional image and a three-dimensional image on a display screen, and in particular, a video that can be provided at low cost even when the display screen is enlarged. The present invention relates to a display device.
近年、2011年に予定されている地上波アナログTV(テレビジョン)放送の停波に
ともない、既に開始されている高精細な(例えば1920x1080画素)ハイビジョン
放送や高画質な地上波デジタルTV(テレビジョン)放送を受信できる大画面の直視型映
像表示装置が普及してきている。
In recent years, with the suspension of terrestrial analog TV (television) broadcasting scheduled in 2011, high-definition (for example, 1920 × 1080 pixels) high-definition broadcasting and high-quality terrestrial digital TV (television) that have already started. ) Large-screen direct-view video display devices that can receive broadcasts have become widespread.
一般に、薄型直視タイプの映像表示装置に用いられる表示パネルには、PDP(Plasma
Display Panel)や液晶パネルなどがあるが、液晶パネルはPDPに較べてコントラスト(コントラスト比ともいう)が約一桁程度悪い。一方PDPは全面白表示した場合の明るさが足りないなど解決すべき課題が残されている。また、薄型直視タイプの映像表示装置は総コストに占めるパネルの割合が大きいが、パネルメーカの大型設備投資によりパネルの生産過剰感からパネル単価が大幅に下落したため、セット価格もこれにつられる形で年率20%以上の価格下落を起している。
Generally, a display panel used in a thin direct-view type video display device includes a PDP (Plasma).
There are display panels and liquid crystal panels, but the contrast (also called the contrast ratio) of the liquid crystal panel is about an order of magnitude worse than that of the PDP. On the other hand, PDP still has problems to be solved, such as insufficient brightness when white display is performed on the entire surface. In addition, thin direct-view type video display devices account for a large percentage of the total cost, but panel unit prices have fallen significantly due to excessive panel production due to large-scale capital investment by panel manufacturers. The price has fallen by more than 20% per year.
このためセットメーカ各社とも付加価値が高い映像表示装置の開発を継続して行っており、パネルの解像度はXGA(1024×768画素)から、より高精細度なハイビジョン(1920×1080画素)放送対応機種へ、商品ラインナップの柱が移行している。更に、次のステップとして3次元立体画像(以下、「3次元画像」という)の表示が可能な3次元映像表示装置の開発が本格化している。 For this reason, each set maker continues to develop high-value-added video display devices, and the panel resolution is compatible with high-definition high-definition (1920 × 1080 pixels) broadcasting from XGA (1024 × 768 pixels). The pillar of the product lineup has shifted to the model. Further, as a next step, development of a 3D video display device capable of displaying a 3D stereoscopic image (hereinafter referred to as “3D image”) is in full swing.
この3次元画像(3次元立体画像)を表示する3次元表示方法として、開発の初期段階では、右目用の画像(2次元画像)と左目用の画像(2次元画像)を映像信号の一フィールドごとに切り替え、これに同期させて眼鏡に組み込まれた液晶シャッターを切り替える液晶シャッター眼鏡方式が良く知られていた。しかしながらこの方式では、液晶シャッター眼鏡が必須であるため実使用上大変不便であった。また肉眼でのピント調整が、2次元画像が表示される面(以下、「表示面」という)で行われるため眼精疲労が生じるなど生理的な問題点もあった。 As a three-dimensional display method for displaying this three-dimensional image (three-dimensional stereoscopic image), at the initial stage of development, a right-eye image (two-dimensional image) and a left-eye image (two-dimensional image) are used as one field of a video signal. A liquid crystal shutter glasses method is known in which the liquid crystal shutters are switched every time and the liquid crystal shutters incorporated in the glasses are synchronized in synchronization therewith. However, this method is very inconvenient in practical use because liquid crystal shutter glasses are essential. Further, since the focus adjustment with the naked eye is performed on the surface on which the two-dimensional image is displayed (hereinafter referred to as “display surface”), there is a physiological problem such as eye strain.
上記した問題点を解決する3次元表示方法およびそれを用いる3次元映像表示装置として特許文献1が知られている。 Patent Document 1 is known as a three-dimensional display method for solving the above-described problems and a three-dimensional video display apparatus using the same.
上記の特許文献1には、セット奥行き方向の異なる位置に複数の表示面に表示対象物体を観視者の視線方向から射影した2次元画像(以下、疑義が生じない限り2次元画像を単に「画像」と省略する)を生成し、この画像の輝度を表示面ごとに個別独立に制御して、違和感の少ない3次元画像を得る3次元表示方法が開示されている。本発明になる3次元表示方法では、例えば、観視者から見た総体的な輝度を一定に保ちながら、観視者に近い表示面ほど画像の輝度を上げ、観視者から遠い表示面ほど画像の輝度を下げるようにする。これにより、観視者は、生理的あるいは心理的要因あるいは錯覚により、表示されているのが2次元画像であっても、複数の表示面の間に3次元画像が位置しているように感じることになる。 In the above-mentioned Patent Document 1, a two-dimensional image obtained by projecting a display target object on a plurality of display surfaces at different positions in the set depth direction from the viewer's line-of-sight direction (hereinafter, a two-dimensional image is simply “ A three-dimensional display method is disclosed in which the image is abbreviated as “image” and the brightness of the image is individually and independently controlled for each display surface to obtain a three-dimensional image with less discomfort. In the three-dimensional display method according to the present invention, for example, while keeping the overall luminance seen from the viewer constant, the display surface closer to the viewer increases the luminance of the image, and the display surface farther from the viewer Reduce the brightness of the image. As a result, the viewer feels that the three-dimensional image is located between the plurality of display surfaces even if the two-dimensional image is displayed due to physiological or psychological factors or illusions. It will be.
また、上記の特許文献1には前記3次元表示方法を用いる3次元映像表示装置の実施例が複数開示されている。 Further, the above-mentioned Patent Document 1 discloses a plurality of examples of a 3D video display device using the 3D display method.
例えば、3次元映像表示装置の第1の実施例(特許文献1の図20)では、ハーフミラーにより複数の2次元映像表示装置(例えばCRT、液晶ディスプレイ、LEDディスプレイ、プラズマディスプレイ、FEDディスプレイ、DMDディスプレイ、プロジェクション型ディスプレイ、線描写型ディスプレイ等)の画像をそれぞれ奥行き方向の異なる位置(表示面)に配置する光学系が開示されている。しかしながら、この3次元映像表示装置では、大型の3次元画像を得るためには、装置が大型化(特に装置奥行きが長大化)し、かつ高価になると言う問題がある。さらには、ハーフミラーを使用するため光の利用効率が低下して、装置の明るさが小さくなる。 For example, in the first embodiment of the three-dimensional video display device (FIG. 20 of Patent Document 1), a plurality of two-dimensional video display devices (for example, CRT, liquid crystal display, LED display, plasma display, FED display, DMD) are provided by a half mirror. An optical system that arranges images of a display, a projection display, a line drawing display, etc.) at different positions (display surfaces) in the depth direction is disclosed. However, in this 3D video display device, in order to obtain a large 3D image, there is a problem that the device becomes large (particularly, the device depth becomes long) and becomes expensive. Furthermore, since the half mirror is used, the light use efficiency is reduced, and the brightness of the apparatus is reduced.
また、その第2の実施例(特許文献1の図21)の3次元映像表示装置では、画像を投写する複数のプロジェクターの前にそれぞれ光の透過/遮断を行うシャッター素子を備え、それぞれのプロジェクターからの投写画像の結像位置に散乱/透過または反射/透過を制御する散乱板をそれぞれ配置し、散乱板の散乱/透過のタイミングとシャッター素子の透過/遮断のタイミングを合わせて駆動することにより、時分割で、散乱板上に形成される画像の奥行き位置を制御する光学系が開示されている。しかしながら、この3次元映像表示装置では、大型の3次元画像を得るためには装置が大型化(特に装置奥行きが長大化)する。更に、散乱/透過または反射/透過を制御する散乱板は、大型化した場合には非常に高価になる。 Further, the 3D video display apparatus of the second embodiment (FIG. 21 of Patent Document 1) includes a shutter element that transmits / blocks light in front of a plurality of projectors that project images, and each projector. A scattering plate that controls scattering / transmission or reflection / transmission is arranged at the image formation position of the projected image from the projector, and the scattering / transmission timing of the scattering plate and the transmission / blocking timing of the shutter element are driven in combination. An optical system for controlling the depth position of an image formed on a scattering plate in a time division manner is disclosed. However, in this 3D video display device, the device becomes larger (particularly, the device depth becomes longer) in order to obtain a large 3D image. Further, the scattering plate for controlling scattering / transmission or reflection / transmission becomes very expensive when the size is increased.
更に、その第3の実施例(特許文献1の図22)に記載された3次元映像表示装置では、3次元映像表示装置内部の複数の画像を3次元映像表示装置の外部に表示する光学系が開示されている。しかし、3次元映像表示装置内部の複数の画像を3次元映像表示装置の外部表示面に変換するレンズ光学系183の設計は困難である。同様に第4の実施例(特許文献1の図23)に記載されたバリフォーカル・ミラーの形状制御を高精度で実施することも困難を極めるため現実的ではない。更に以降記載された実施例(例えば特許文献1の図24)についても、技術的なハードルが高く製造が困難であるばかりか、3次元映像表示装置を実現するためにはコストアップとなる要因が多く、非常に高価になる可能性が高い。
Further, in the 3D video display device described in the third embodiment (FIG. 22 of Patent Document 1), an optical system for displaying a plurality of images inside the 3D video display device outside the 3D video display device. Is disclosed. However, it is difficult to design a lens
本発明は、上記した課題に鑑みてなされたもので、その目的は、2次元画像と3次元画像とを選択的に切り替え可能であり、かつ、低コストで高画質な画像を表示可能な映像表示装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and a purpose thereof is a video that can selectively switch between a two-dimensional image and a three-dimensional image and can display a high-quality image at low cost. It is to provide a display device.
上記目的を実現するため、本発明によれば、表示装置であって、表示画面と、前記表示画面上に、映像信号に応じて変調した第1画像を形成する第1の光変調部と、前記映像信号に応じて変調した第2画像を形成する第2の光変調部と、切換装置とを備えており、前記第2の光変調部は、前記切換装置の切換状態に基づいて、前記表示画面上に形成された第1画像と共に、前記形成した第2画像を、当該第1画像と同一の形態で、又は、異なる形態で、選択的に切り替えて表示する映像表示装置が提供される。 In order to achieve the above object, according to the present invention, there is provided a display device, a first light modulation unit that forms a first image modulated according to a video signal on the display screen, and the display screen; A second light modulation unit that forms a second image modulated in accordance with the video signal; and a switching device, the second light modulation unit based on a switching state of the switching device, Provided is a video display device that selectively switches and displays the formed second image together with the first image formed on the display screen in the same form as the first image or in a different form. .
また、本発明では、前記に記載した映像表示装置において、前記第2画像を前記第1画像と同一の形態で表示する場合には、当該第2画像を、前記第1画像が表示されると同一の面上の同一位置上に形成し、他方、前記第2画像を前記第1画像とは異なる形態で表示する場合には、当該第2画像を、観察方向から見て前記第1画像に対して奥行きが異なる表示面上の位置に形成することが好ましく、又は、前記第2画像を前記第1画像と同一の形態で表示する場合には、当該第2画像を、前記第1画像と同一の大きさで形成し、他方、前記第2画像を前記第1画像とは異なる形態で表示する場合には、当該第2画像を、前記第1画像に対して拡大して表示面上に形成することが好ましい。或いは、前記第2画像を前記第1画像とは異なる形態で表示する場合には、当該第2画像を、観察方向から見て前記第1画像に対して奥行きが異なる表示面上の位置に形成すると共に、その輝度レベルを第1画像とは異ならせて表示面上に表示すること、又は、当該第2画像を、前記第1画像の精細度よりも低い精細度で表示することが好ましい。ここで、第1画像及び第2画像の基となる映像信号が全体的に暗い、すなわち映像信号の輝度に関する情報が所定値よりも低いときは、第2画像の輝度レベルを第1画像の輝度レベルよりも高くすることが好ましい。また、映像信号が全体的に明るい、すなわち映像信号の輝度に関する情報が所定値よりも高いときは、第2画像の輝度レベルを第1画像の輝度レベルよりも低くすることが好ましい。 According to the present invention, in the video display device described above, when the second image is displayed in the same form as the first image, the second image is displayed as the first image. When the second image is formed in the same position on the same surface and the second image is displayed in a form different from the first image, the second image is changed to the first image when viewed from the observation direction. It is preferable that the second image is formed at a position on the display surface having a different depth, or when the second image is displayed in the same form as the first image, the second image is the same as the first image. When the second image is displayed in a form different from the first image, the second image is enlarged with respect to the first image on the display surface. It is preferable to form. Alternatively, when the second image is displayed in a form different from the first image, the second image is formed at a position on the display surface having a depth different from that of the first image when viewed from the observation direction. In addition, it is preferable that the luminance level is displayed on the display surface different from that of the first image, or the second image is displayed with a definition lower than the definition of the first image. Here, when the video signal that is the basis of the first image and the second image is entirely dark, that is, when the information relating to the luminance of the video signal is lower than a predetermined value, the luminance level of the second image is set to the luminance of the first image. It is preferable to make it higher than the level. Further, when the video signal is generally bright, that is, when the information related to the luminance of the video signal is higher than a predetermined value, the luminance level of the second image is preferably made lower than the luminance level of the first image.
更に、本発明では、前記に記載した映像表示装置において、前記第1の光変調部及び前記第2の光変調部は、それぞれ、映像信号に対応して画素毎に光を変調可能な液晶パネルであることが好ましく、更には、前記第2の光変調部を形成する液晶パネルは、前記第1の光変調部を形成する液晶パネルより、その表示面積が小さいことが好ましい。加えて、本発明では、前記に記載した映像表示装置において、更に、光源を備えており、当該光源から順に、前記第2の光変調部を形成する液晶パネル、前記第1の光変調部を形成する液晶パネルが配置されていることが、更に、前記光源からの光を所望の偏波成分に変換する偏光変換部を更に備えており、かつ、前記第2の光変調部は、当該偏光変換部からの光の強度を映像信号に対応して変調することが、そして、前記第2の光変調部からの第2画像の拡大像を拡大投写する前記拡大像形成部は、更に、投写レンズ装置を備えており、該投写レンズ装置は、回転非対称なミラーとレンズを含むことが好ましい。 Furthermore, according to the present invention, in the video display device described above, the first light modulation unit and the second light modulation unit can each modulate light for each pixel corresponding to a video signal. Further, it is preferable that the liquid crystal panel forming the second light modulation unit has a smaller display area than the liquid crystal panel forming the first light modulation unit. In addition, according to the present invention, the video display device described above further includes a light source, and in order from the light source, a liquid crystal panel that forms the second light modulation unit, and the first light modulation unit. The liquid crystal panel to be formed further includes a polarization conversion unit that converts light from the light source into a desired polarization component, and the second light modulation unit includes the polarization The magnified image forming unit that modulates the intensity of light from the conversion unit corresponding to the video signal, and that magnifies and projects a magnified image of the second image from the second light modulation unit, further projects Preferably, the projection lens apparatus includes a rotationally asymmetric mirror and a lens.
本発明によれば、2次元画像と3次元画像とを選択的に切り替え可能であり、かつ、低コストで高画質な画像を表示可能な映像表示装置を提供することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to provide a video display device capable of selectively switching between a two-dimensional image and a three-dimensional image and capable of displaying a high-quality image at low cost.
以下、本発明による最良の形態について、図を用いながら詳細に説明する。なお、各図において、共通な機能を有する要素には同一符号を付して示し、一度説明したものについて、その重複する説明を省略する。また説明を簡略化するために、2つの表示面に2次元画像を表示する場合について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。2つ以上の表示面としても後述する同様の効果が得られることは言うまでもない事である。 Hereinafter, the best mode of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, in each figure, the element which has a common function is attached | subjected and shown, and the overlapping description is abbreviate | omitted about what was once demonstrated. In order to simplify the description, a case where a two-dimensional image is displayed on two display surfaces will be described, but the present invention is not limited to this. It goes without saying that the same effect as described later can be obtained with two or more display surfaces.
本実施形態の説明の前に、先ず、本実施形態の映像表示装置において、3次元立体画像表示に用いる特許文献1で開示された3次元表示方法の原理について説明する。 Before describing the present embodiment, first, the principle of the three-dimensional display method disclosed in Patent Document 1 used for displaying a three-dimensional stereoscopic image in the video display device of the present embodiment will be described.
図16は、本実施形態に係わる3次元表示方法の原理を説明するための図である。その(a)図は斜視図で、(b)図はほぼ正面から見た図である。 FIG. 16 is a diagram for explaining the principle of the three-dimensional display method according to the present embodiment. The (a) figure is a perspective view, and the (b) figure is the figure seen from the front.
図16に示されるように、映像を視聴する観視者250の前方に、奥行き方向の異なる位置に複数の表示面、例えば、第1の表示面170aと第2の表示面160aを設定し、後述する本実施形態による映像表示装置を用いて、これらの表示面に2つの画像(2次元画像)つまり第1画像175と第2画像155を表示する。なお、第1の表示面170aは、後述する第1の光変調部としての画像表示用液晶パネル170の表示面(画像形成面)に対応し、第2の表示面160aは、後述する第2の光変調部としての液晶パネル150の表示面(画像形成面)が投写レンズ装置10によって拡大投写された投影画像面(結像面)に対応する。
As shown in FIG. 16, a plurality of display surfaces, for example, a
第1の表示面170aと第2の表示面160aに表示する画像(2次元画像)175,155は、特許文献1の図2で述べられているように、観視者に提示したい3次元物体(表示対象物)を、観視者の両眼の視線方向から、前記表示面170a,160aへ射影した画像である。
The images (two-dimensional images) 175 and 155 displayed on the
これらの表示面170a,160aへ射影した画像の生成方法としては、例えば、視線方向から3次元物体をカメラで撮影した2次元画像を用いる方法、あるいは、別の方向から撮影した複数枚の2次元画像から合成する方法、更には、コンピュータグラフィックによる合成技術やモデル化を用いる方法など種々の方法が挙げられている。なお、後述する本実施形態による映像表示装置で用いられる第1の映像信号,第2の映像信号は、これらのいずれかを用いて生成されたもので、第1の映像信号は第1画像に対応し、第2の映像信号が第2画像に対応するものであって異なる信号成分を有している場合が多い。
As a method for generating images projected onto the
一方、上記特許文献1に示された方法以外にも、本発明者らは、試作した映像表示装置に2種類の画像を表示し、第1画像と第2画像の大きさを変えることや、輝度信号のレベルを異ならせることで表示画面の内容が同一でも擬似的に3次元表示されたがごとくに視認できることも確認している。また、第二画像の数を増やすことでよりリアルな3次元画像を得ることが出来る。 On the other hand, in addition to the method disclosed in Patent Document 1, the present inventors display two types of images on a prototype video display device, change the sizes of the first image and the second image, It has also been confirmed that even though the content of the display screen is the same by changing the level of the luminance signal, it is displayed in a pseudo three-dimensional manner but can be visually recognized. Further, a more realistic three-dimensional image can be obtained by increasing the number of second images.
このようにして生成された第1画像175と第2画像155を、図16(b)に示すように、それぞれ、第1の表示面170aと第2の表示面160aの双方に、観視者250の右眼と佐眼とを結ぶ線上の一点から見て重なるように表示する。後述する本実施形態による映像表示装置では、表示面のサイズが27〜100インチ程度と十分大きく、かつ、第1の表示面170aと第2の表示面160aとの間の距離Lを、例えば、ほぼ0mmから50mm程度まで、画面サイズに合わせて最適な表示間隔とできるので、この条件を十分満足することができる。
As shown in FIG. 16B, the
そして、2つの画像(2次元画像)から3次元画像(3次元立体画像)が感じ取られるようにするため、観視者250から見た総体的な輝度を一定に保ちながら、3次元物体の観視者からの奥行き位置に応じて変えるようにする。なお、2次元画像を表示するためには、2つの画像(2次元画像)を表示すればよい。 Then, in order to make a three-dimensional image (three-dimensional stereoscopic image) sensed from two images (two-dimensional images), it is possible to view the three-dimensional object while keeping the overall luminance viewed from the viewer 250 constant. Change according to the depth position from the viewer. In order to display a two-dimensional image, two images (two-dimensional images) may be displayed.
次に、その輝度の変え方の一例を、図16を参照して説明する。なお、ここでは、分かり易くするため、輝度の高い方を濃くして示す。 Next, an example of how to change the luminance will be described with reference to FIG. Here, for the sake of easy understanding, the higher luminance is shown darker.
すなわち、例えば、観視者250から見た総体的な輝度を一定に保ちながら、観視者に近い表示面(ここでは第1の表示面170a)ほど画像の輝度を上げ、観視者から遠い表示面(ここでは第2の表示面155a)になるほど画像の輝度を下げるようにする。これにより、観視者は、生理的あるいは心理的要因あるいは錯覚により、表示されているのが2次元画像であっても、複数の表示面(ここでは第1の表示面170aと第2の表示面155a)の間に3次元画像が位置しているように感じることになる。更には、第1の表示面の精細度を第2の表示面の精細度よりも高くしてもよい。
That is, for example, while keeping the overall luminance as viewed from the viewer 250 constant, the display surface closer to the viewer (here, the
以上述べた3次元表示方法を用いることにより、複数の画像(2次元画像)を観視者から見て奥行き位置の異なる複数の表示面にそれぞれ形成することで、3次元画像の表示(立体視)が可能となると共に、複数の画像(2次元画像)を同一表示面上に形成することで、2次元画像と3次元画像とを選択的に切り替え可能な画像を表示可能な映像表示装置が得られる。 By using the three-dimensional display method described above, a plurality of images (two-dimensional images) are formed on a plurality of display surfaces having different depth positions as viewed from the viewer, thereby displaying a three-dimensional image (stereoscopic view). And a video display device capable of displaying an image capable of selectively switching between a two-dimensional image and a three-dimensional image by forming a plurality of images (two-dimensional images) on the same display surface. can get.
次に、本実施形態に係る映像表示装置について説明する。 Next, the video display apparatus according to the present embodiment will be described.
本実施形態に係る映像表示装置は、複数の画像(2次元画像)を観視者から見て奥行き位置の異なる複数の表示面にそれぞれ形成するために、画像としての光学像を形成する光変調部を少なくとも2つ備える。そして、入射された光を第1の映像信号に応じて光変調して第1画像を形成するための第1の光変調部と、光源からの光を第2の映像信号に応じて光変調するための1または複数の第2の光変調部と、前記第1の光変調部の光入射側に配置され、前記第2の光変調部で光変調された光を拡大投写して、第1の光変調部の光入射側近傍に第2画像を形成(写像)する拡大像形成部とを備えている。そして、第2の光変調部は、前記切換装置の切換状態に基づいて、表示画面上に形成された第1画像と共に、形成した第2画像を、当該第1画像と同一の形態で、又は、異なる形態で、選択的に切り替えて表示する。 The video display apparatus according to the present embodiment forms an optical image as an image in order to form a plurality of images (two-dimensional images) on a plurality of display surfaces having different depth positions as viewed from the viewer. At least two parts. Then, the first light modulation unit for modulating the incident light according to the first video signal to form the first image, and the light from the light source according to the second video signal One or a plurality of second light modulators to be arranged, and the light that is arranged on the light incident side of the first light modulator and is light-modulated by the second light modulator, An enlarged image forming unit for forming (mapping) a second image in the vicinity of the light incident side of the first light modulation unit. Then, the second light modulator is configured to display the formed second image together with the first image formed on the display screen based on the switching state of the switching device in the same form as the first image, or , Selectively display in different forms.
より具体的には、第2画像を第1画像と同一の形態で表示する場合には、当該第2画像を、第1画像が表示されると同一の面上の同一位置上に形成し、他方、第2画像を第1画像とは異なる形態で表示する場合には、当該第2画像を、観察方向から見て前記第1画像に対して奥行きが異なる表示面上の位置に形成する。又は、第2画像を第1画像と同一の形態で表示する場合には、当該第2画像を、第1画像と同一の大きさで形成し、他方、第2画像を前記第1画像とは異なる形態で表示する場合には、当該第2画像を、第1画像に対して拡大して表示面上に形成する。更には、第2画像を前記第1画像とは異なる形態で表示する場合には、当該第2画像を、観察方向から見て第1画像に対して奥行きが異なる表示面上の位置に形成すると共に、その輝度レベルを第1画像とは異ならせて表示面上に表示すること、又は、第2画像を前記第1画像とは異なる形態で表示する場合には、当該第2画像を、第1画像の精細度よりも低い精細度で表示することでも同様の効果を得ることが出来る。
ここで、第1画像及び第2画像の基となる映像信号が全体的に暗い、すなわち映像信号の輝度に関する情報が所定値よりも低いときは、第2画像の輝度レベルを第1画像の輝度レベルよりも高くすることが好ましい。また、映像信号が全体的に明るい、すなわち映像信号の輝度に関する情報が所定値よりも高いときは、第2画像の輝度レベルを第1画像の輝度レベルよりも低くすることが好ましい。上記映像信号の輝度に関する情報は、例えば映像信号の一画面分(1フレームまたは1フィールド期間)における平均輝度レベル(APL)である。つまり、本実施形態では、入力される映像信号のAPLを検出しておき、これが所定の閾値よりも低いときは、第2画像の輝度レベルを第1画像の輝度レベルよりも高くするように、第2画像に対応する第2の映像信号のブライトネスもしくはコントラストを制御する。また、検出されたAPLが所定の閾値よりも高いときは、第2画像の輝度レベルを第1画像の輝度レベルよりも低くするように、第2画像に対応する第2の映像信号のブライトネスもしくはコントラストを制御する。勿論、第1画像に対応する第1の映像信号のブライトネスもしくはコントラストを制御するようにしてもよい。
更にまた、上記映像信号の輝度に関する情報として、映像信号の一画面分(1フレームまたは1フィールド期間)における輝度ヒストグラムを用いてもよい。この輝度ヒストグラムは、輝度(階調)の最小から最大までの範囲を予め複数の領域に分割し、映像信号の一画面分の期間において、この分割階調領域に属する画素がいくつ存在するかを示す統計情報である。例えば、階調の表現範囲が8ビット、すなわち0〜255である場合は、それを32階調ずつ分割して合計8個の分割階調領域を得る。そして、分割階調領域毎に、その分割会長領域に属する画素数をカウントすることで、輝度ヒストグラムを得る。この輝度ヒストグラムのうち、例えば最も低い分割階調領域に属する画素数と所定の閾値とを比較する。当該画素数が所定の閾値よりも大きい場合は、全体的に暗い画像と判定し、例えば第2画像に対応する第2の映像信号を第1画像の輝度レベルよりも高くするように制御する。反対に、当該画素数が所定の閾値よりも小さい場合、または最も高い分割階調領域に属する画素数が所定の閾値よりも高い場合は、全体的に明るい画像と判定し、例えば第2画像に対応する第2の映像信号を第1画像の輝度レベルよりも低くするように制御する。
上述したAPLの検出、輝度ヒストグラムの作成、第1なたは第2の映像信号の制御は、後述する制御回路310により実行される。
More specifically, when the second image is displayed in the same form as the first image, the second image is formed on the same position on the same surface when the first image is displayed, On the other hand, when the second image is displayed in a form different from the first image, the second image is formed at a position on the display surface having a depth different from that of the first image when viewed from the observation direction. Alternatively, when the second image is displayed in the same form as the first image, the second image is formed in the same size as the first image, while the second image is the first image. When displaying in a different form, the said 2nd image is expanded with respect to a 1st image, and it forms on a display surface. Furthermore, when the second image is displayed in a form different from that of the first image, the second image is formed at a position on the display surface that is different in depth from the first image when viewed from the observation direction. In addition, when the brightness level is displayed on the display surface different from the first image, or when the second image is displayed in a form different from the first image, the second image is The same effect can be obtained by displaying with a definition lower than the definition of one image.
Here, when the video signal that is the basis of the first image and the second image is entirely dark, that is, when the information relating to the luminance of the video signal is lower than a predetermined value, the luminance level of the second image is set to the luminance of the first image. It is preferable to make it higher than the level. Further, when the video signal is generally bright, that is, when the information related to the luminance of the video signal is higher than a predetermined value, the luminance level of the second image is preferably made lower than the luminance level of the first image. The information relating to the luminance of the video signal is, for example, an average luminance level (APL) for one screen (one frame or one field period) of the video signal. That is, in this embodiment, the APL of the input video signal is detected, and when this is lower than a predetermined threshold, the luminance level of the second image is set higher than the luminance level of the first image. The brightness or contrast of the second video signal corresponding to the second image is controlled. In addition, when the detected APL is higher than a predetermined threshold, the brightness of the second video signal corresponding to the second image or the brightness level of the second image is set to be lower than the luminance level of the second image. Control the contrast. Of course, the brightness or contrast of the first video signal corresponding to the first image may be controlled.
Furthermore, a luminance histogram for one screen (one frame or one field period) of the video signal may be used as the information relating to the luminance of the video signal. This luminance histogram divides the range from minimum to maximum luminance (gradation) into a plurality of areas in advance, and shows how many pixels belong to this divided gradation area in the period of one screen of the video signal. This is statistical information. For example, when the gradation expression range is 8 bits, that is, 0 to 255, it is divided into 32 gradations to obtain a total of 8 divided gradation areas. Then, a luminance histogram is obtained by counting the number of pixels belonging to the divided chairman area for each divided gradation area. In this luminance histogram, for example, the number of pixels belonging to the lowest divided gradation region is compared with a predetermined threshold value. When the number of pixels is larger than a predetermined threshold, it is determined that the image is entirely dark, and for example, the second video signal corresponding to the second image is controlled to be higher than the luminance level of the first image. On the other hand, when the number of pixels is smaller than a predetermined threshold value, or when the number of pixels belonging to the highest divided gradation area is higher than the predetermined threshold value, it is determined that the entire image is bright, for example, the second image The corresponding second video signal is controlled to be lower than the luminance level of the first image.
The above-described APL detection, luminance histogram generation, and control of the first or second video signal are executed by the
これにより、前記拡大像形成部により形成された前記第2画像の光が入射し当該第2画像の光を前記第1の映像信号に応じて光変調して前記第1画像を形成する。そして、本実施形態では、上記したように、第2の光変調部で形成された光学像(画像)を拡大像形成部で拡大投写(写像)して第2画像とし、そして、切換装置により、適宜、2次元画像と3次元画像とを選択的に切り替えが可能となる。加えて、かかる構成によれば、第1の光変調部の画面サイズに較べ、第2の光変調部の画面サイズを十分小さくできるので、低コストな映像表示装置及びこれを適用した3次元映像表示装置が実現できる。なお、以下の説明では、第2の光変調部で形成された光学像(画像)を拡大投写された第2画像と区別するために、「原画像」あるいは「第2原画像」と称するものとする。 Accordingly, the light of the second image formed by the magnified image forming unit is incident, and the light of the second image is optically modulated according to the first video signal to form the first image. In the present embodiment, as described above, the optical image (image) formed by the second light modulation unit is enlarged and projected (mapped) by the enlarged image forming unit to form the second image, and then by the switching device. As appropriate, the two-dimensional image and the three-dimensional image can be selectively switched. In addition, according to such a configuration, the screen size of the second light modulation unit can be made sufficiently smaller than the screen size of the first light modulation unit, so that a low-cost video display device and a three-dimensional video to which this is applied. A display device can be realized. In the following description, an optical image (image) formed by the second light modulator is referred to as an “original image” or a “second original image” in order to distinguish it from the enlarged and projected second image. And
図1は、本発明による一実施形態の映像表示装置を模式的に示した構成図である。以下の実施例では第2の光変調部として透過型の液晶パネルを用いる場合を例にして説明する。カラー画像を得るためには白色光をRGBの三原色光に分離する色分離手段とそれぞれに対応した3枚の液晶パネル及び各液晶パネルで形成された各色光の画像をカラー画像として合成する合成プリズムが必要となるが、図1では、説明を分かり易くするために省略
し、更に、各構成要素は実際の寸法を無視して模式的に示されている。
FIG. 1 is a configuration diagram schematically showing an image display apparatus according to an embodiment of the present invention. In the following embodiments, a case where a transmissive liquid crystal panel is used as the second light modulator will be described as an example. In order to obtain a color image, color separation means for separating white light into RGB three primary color lights, three liquid crystal panels corresponding to each, and a composite prism for combining the color light images formed by the liquid crystal panels as a color image However, in FIG. 1, it is omitted for easy understanding, and each component is schematically shown by ignoring actual dimensions.
図1において、本実施形態による映像表示装置100は、第1画像を形成するための第1の光変調部としての画像表示用液晶パネル170と、第2画像を形成する投写画像形成装置200と、画像表示用液晶パネル170の入射側近傍に配置された光方向変換部としてのフレネルレンズシート160と、画像表示用液晶パネル170を駆動して第1画像を形成させる第1のパネル駆動回路192と、投写画像形成装置200を駆動して第2画像を形成させる第2のパネル駆動回路192とを含んで構成されている。
In FIG. 1, an
尚、映像表示装置100のセット構成によってはフレネルレンズシート160の代わりに光拡散シートを使用すれば良い場合もある。
Depending on the set configuration of the
投写画像形成装置200は、第1の映像信号193に対応して光を変調(光変調)する第1の光変調部としてのカラー表示を行う画像表示用液晶パネル(単に、「液晶パネル」ともいう)170の背後から拡大画像を投写し、画像表示用液晶パネル170の光入射側近傍に第2画像を形成するものである。すなわち、図16を用いて説明した第2の表示面160aは、画像表示用液晶パネル170の光入射側近傍に位置している。そして、投写画像形成装置200は、画像表示用液晶パネル170に向かって順に、略白色光を出射する光源110と、光源110から射出される偏りのない光を所望方向の偏光成分に変換して揃える偏光変換部としての偏光変換素子130と、偏光変換素子130からの光(白色光)を光変調して第2原画像を形成する第2の光変調部としての液晶パネル150と、液晶パネル150で第2の映像信号196に対応して光変調された光束(第2原画像)を拡大して第1の光変調部としての画像表示用液晶パネル170に向けて投写し画像表示用液晶パネル170の光入射側近傍(例えば、図示しない入射側偏光板近傍)の第2の表示面160aに第2画像155を形成する拡大像形成部としての投写レンズ装置10を含んでなる。
The projection
なお、画像表示用液晶パネル170の光入射側近傍に設けた第2表示面160aの表示面位置には、投写レンズ装置10からの光束が画像表示用液晶パネル170の入射面にほぼ垂直に入射するように変換する光方向変換部としてのフレネルレンズシート160が設けられている。このフレネルレンズシート160によって投写レンズ装置10からの光束を略平行光束とするので、画像表示用パネルに対してはコントラスト性能に優れた角度成分の光のみが入射することになり、結果として映像表示装置トータルのコントラスト性能は大幅に向上する。一方、コスト低減を実現するためにフレネルレンズシート160を省くことも可能であるが、この場合には光拡散効果の大きな拡散シートを追加することが必要となるため上述した効果が得られずコントラスト性能の大幅向上効果が得られない。
Note that the light flux from the
第1の光変調部としての画像表示用液晶パネル170は、投写画像形成装置200から照射された第2原画像が拡大された投写画像(第2画像155)の映像光を、第1のパネル駆動回路192を介して第1の映像信号193に基づいて再度光変調して、主表示画像としての第1画像175を形成し、出射する。ここでは、横縦比16:9、画素数1920x1080、画面サイズ(画面表示有効領域の対角寸法L1)が27〜60インチ程度の大画面直視型液晶TVに用いられるアクティブマトリックス駆動のTFT(Thin Film Transistor)型液晶パネルとする。一般に、TFT型液晶パネルのコントラスト比は1000:1程度である。
The image display
なお、投写画像形成装置200に設けられた第2の光変調部としての液晶パネル150と第1の光変調部としての画像表示用液晶パネル170は、高コントラストな映像を得るため、入射側および出射側に偏光板を有しているが、図示を省略している。また、コントラスト性能を重視しない場合には、いずれかの偏光板を省略しても所望の性能が得られる場合があるので、必ずしも全ての偏光板を必要としない。この場合には、省略した偏光板の材料費分のコスト低減が可能となる。更に、本願発明の投写画像形成装置200には、光源110から射出される偏りのない光を所望方向の偏光成分に変換して揃える偏光変換部を設けているため、光の利用効率が通常の直視型液晶TVに比べて極めて高い。
Note that the
光源110は、例えば略白色光を出射する高輝度の高圧水銀ランプなどのランプ101と、ランプ101を背後から覆い、ランプ101からの白色光を反射して平行光に変換する回転放物面形状のリフレクタ102とを含んでなる。本実施形態では、光源110から射出される光は、後述するように、画像表示用液晶パネル170と較べ十分に小さな、第2の光変調部としての液晶パネル150に照射されるので、高圧水銀ランプなどの放電ランプを用いることができる。
The
ランプ101から射出された光は、例えば回転放物面形状の反射面を有するリフレクタ102によって反射され、光軸115に略平行となり、光源110から略平行の光束が射出される。光源110から射出された光は、偏光変換素子130に入射する。
The light emitted from the
偏光変換素子130は、光源110から射出された偏りのない光を所定の偏光方向の偏光光に揃える。偏光変換素子130で所定偏光光とされた光は、液晶パネル150に入射する。
The
第2の光変調部としての液晶パネル150は、第2のパネル駆動回路195を介して第2の映像信号196に基づいて光変調して光学像(第2原画像)を形成する。ここでは、映像表示装置の価格を低減するため、解像度をそれほど重要視しない場合には、液晶パネル150の解像度を落し、より低価格なパネルを使用することもある。例えば、液晶パネル170が横縦比16:9、HDの画素数1920×1080の場合には、コスト優先ではWSVGAの画素数852×480を用いても良い。一方、画面サイズ(画面表示有効領域の対角寸法L2)としては0.4〜1.3インチ程度のシングルマトリックス駆動のTN型液晶パネル(透過型液晶パネル)を用いるものとする。
The
一般に、TN型液晶パネルのコントラスト比は700:1程度とTFT型より低い。しかし、本発明では、コントラスト比は、第2の光変調部としての液晶パネル150のコントラスト比と第1の光変調部としての画像表示用液晶パネル170のコントラスト比との積となるため、価格の安いパネルを用いながら、コントラスト比を格段に向上できるという別の効果もある。
In general, the contrast ratio of a TN liquid crystal panel is about 700: 1, which is lower than that of a TFT type. However, in the present invention, the contrast ratio is the product of the contrast ratio of the
第2のパネル駆動回路195は、コスト低減のため、第2の光変調部としての液晶パネル150の解像度を第1の光変調部としての液晶パネル170に比べて低くする場合には、スケーリング機能(図示せず)を有する構成とし、第2の映像信号196に対して、液晶パネル150の解像度に対応してスケーリングなどの画像処理を行う場合もある。その後、液晶パネル150を駆動し、第2原画像(光学像)を形成させる。また、第1のパネル駆動回路192から、画像表示用液晶パネル170に供給されるRGB信号を(必要に応じ液晶パネル150の解像度に対応してスケーリング処理をして)液晶パネル150に供給してもよい。
The second
拡大像形成部としての投写レンズ装置10は、液晶パネル150で形成された画像を拡大して第1の光変調部としての画像表示用液晶パネル170に向けて投写する構成とする。この時、従来方式の投写レンズ装置を用いると映像表示装置の奥行き寸法が大きくなる。そこで、本願実施例では詳細は後述するが、奥行き寸法を極力薄くするために、斜め投写を用いる。
The
本願発明の投写レンズ装置10は、液晶パネル150の画像を第1の光変調部としての画像表示用液晶パネル170に向けて拡大投写するので、次の条件を満足させる必要がある。
Since the
フレネルレンズシート160は、第2の表示面160aの位置近傍に設けられ、投写レンズ装置10からの斜め光が画像表示用液晶パネル170の入射面にほぼ垂直に入射するように変換する光方向変換部である。フレネルレンズシート160を構成する基材161の一方の面(ここでは画像表示用液晶パネル170側とは逆側の面)には、入射角が所定値以内の光を屈折して出射させる屈折型フレネルレンズ162と、入射角が所定値以上の光を全反射して出射させる全反射型フレネルレンズ167が同心円状に複数形成されている。そして、屈折型フレネルレンズ162および全反射型フレネルレンズ167により投写レンズ装置10からの光を入射角度に応じて屈折または全反射して、画像表示用液晶パネル170の入射面にほぼ垂直に入射するようにする(詳細は後述する)。
The
以上述べたように、本実施形態では、サイズの小さな液晶パネル150を用い、第2の映像信号に対応して光を変調(光変調,光強度変調)し、得られた画像(第2原画像)を投写レンズ装置10により第1の光変調部としての画像表示用液晶パネル170に向けて拡大投写し、画像表示用液晶パネル170の光入射側近傍(例えば入射側偏光板近傍)に第2画像155を形成するとともに、前記液晶パネル170に入射する光束に対して第2の映像信号に対応して再度光変調(第1画像を形成)することで、液晶パネル170を介して観視者から見て奥行き位置の異なる二つの画像(第2画像および第1画像)を時分割ではなく、同時に表示することができる。しかしながら、本実施形態による映像表示装置100により、観視者からみて奥行き位置の異なる複数の画像を同時に表示するだけでは、立体視が不十分である。そこで、前記した特許文献1で開示された3次元表示方法を適用する。すなわち、例えば、観視者250から見た総体的な輝度を一定に保ちながら、3次元物体の観視者からの奥行き位置に応じて輝度を変えるようにする。具体的な一例として、例えば、観視者250から見た総体的な輝度を一定に保ちながら、観視者に近い表示面(ここでは第1の表示面170a)ほど画像の輝度を上げ、観視者から遠い表示面(ここでは第2の表示面155a)になるほど画像の輝度を下げるようにする。
As described above, in the present embodiment, the
上記した制御を行うため、映像表示装置100を、2次元映像表示と3次元映像表示とが選択可能な3次元映像表示装置300に適用する場合には、3次元映像表示装置300は、映像表示装置100に加えて、制御回路310と共に、更に、表示選択を切り替えるための切替装置311を設け、もって、例えばユーザが自由に切換可能とする。なお、切替装置311は、少なくとも「2次元表示」と「3次元表示」の状態(即ち、スイッチの切換状態)を備えている。
In order to perform the control described above, when the
制御回路310は、第1の光変調部としての画像表示用液晶パネル170を駆動する第1のパネル駆動回路192および第2の光変調部としての液晶パネル150を駆動する第2のパネル駆動回路195に対して、第1画像と第2画像とで輝度差が生じるように制御する。例えば、第1のパネル駆動回路192に対して輝度を上げるように制御し、第2のパネル駆動回路195に対しては輝度を下げるように制御する。勿論、簡易的に、第2のパネル駆動回路195に対してのみ輝度を下げるようにしてもよい。又は、切替装置311の状態に対応して、上記拡大像形成部としての投写レンズ装置10の位置を調整して、第2画像の精細度や表示画面の位置を変えてもよい。
The
勿論、制御回路310は、これに限定されるものではない。例えば、図17に示すように、3次元映像表示装置300Aは制御回路310に代えて制御回路310Aを備え、制御回路310Aに映像信号191を入力し、制御回路310Aで所定の信号処理を行って、輝度差を有する第1の映像信号(第1の光変調部用)と、第2の映像信号(第2の光変調部用)を生成し、生成した第1の映像信号193'と第2の映像信号196'をそれぞれ第1のパネル駆動回路192,第2のパネル駆動回路195に供給するようにしてもよい。
Of course, the
なお、3次元表示方法は上記で述べたものに限定されるものではなく、上記特許文献1に開示されている種々の輝度制御方法を採用してもよいことは明らかである。 Note that the three-dimensional display method is not limited to the one described above, and it is obvious that various brightness control methods disclosed in Patent Document 1 may be adopted.
ここで、本実施形態の映像表示装置100が持つ3次元表示以外の他の特徴について、その一部を説明する。
Here, a part of the features other than the three-dimensional display of the
本実施形態の映像表示装置100においては、上記したように、画像のコントラスト比は、液晶パネル150のコントラスト比と画像表示用液晶パネル170のコントラスト比との積となるため、コントラスト比を格段に向上させることができる。
In the
一方、第1の光変調部としての画像表示用液晶パネル170と較べ、十分小さな第2の光変調部としての液晶パネル150を用い、加えて、光源110のサイズも小さくすることができる。従って、画像表示用液晶パネル170と同サイズの高価な液晶パネルを用いる方式に較べて、投写装置やフレネルレンズシートが追加されることになるが、低解像度の液晶パネルが使用できる場合には、映像表示装置のコストを2/3〜1/2に低減することができる。
On the other hand, compared with the image display
また、液晶パネル150を合成プリズム(図示せず)とブロック化し、光源110と共に、それぞれを交換可能な方式とすることで、サービス性も大幅に向上する。
Further, the serviceability is greatly improved by making the
また、通常の直視型液晶映像表示装置とは異なり、画像表示用液晶パネル170の近傍に、熱源である光源(通常は冷陰極線管またはLED)が隣接配置する必要がなく冷却構造の設計も容易となる。
Further, unlike a normal direct-view type liquid crystal display device, it is not necessary to place a light source (usually a cold cathode ray tube or LED) as a heat source in the vicinity of the image display
上記では詳細に述べてないが、第2の光変調部としての液晶パネル150の1画素に第1の光変調部としての画像表示用液晶パネル170の複数画素とを対応させても、また逆に、液晶パネル150の複数画素と画像表示用液晶パネル170の1画素とを対応させてもよく、さらに、本発明はこれらに限定されるものではない。液晶パネル150の1画素に画像表示用液晶パネル170の1画素(1画素は一組のR画素,G画素,1B画素を含む)を対応させるようにしてもよいことはいうまでもない。
Although not described in detail above, even if one pixel of the
また、光源には高圧水銀ランプを用いたが、白色光のLEDやレーザを用いてもよい。1個のLEDやレーザでは光量が不足する場合には、複数のLEDやレーザを配列したものを用いてもよい。 Moreover, although the high pressure mercury lamp was used as the light source, a white light LED or laser may be used. When the amount of light is insufficient with one LED or laser, an array of a plurality of LEDs or lasers may be used.
また、第2の映像信号に対応して光源から光束を光変調する第2の光変調部として透過型の液晶パネルを用いたが、これに代えて、反射型光変調素子例えば反射型液晶パネル(LCOS:Liquid Crystal on Silicon)や微小ミラー素子(DMD:Digital Micro Mirror Device)などを用いてもよい。 In addition, a transmissive liquid crystal panel is used as a second light modulation unit that modulates a light beam from a light source corresponding to the second video signal. Instead, a reflective light modulation element such as a reflective liquid crystal panel is used. (LCOS: Liquid Crystal on Silicon) or a micro mirror device (DMD: Digital Micro Mirror Device) may be used.
次に、投写レンズ装置の一実施例について説明する。ここでは、映像表示装置の奥行き寸法を極力薄くするために、発明者らが出願した特開2006−292900号公報に記
載の投写レンズ装置を適用する。
Next, an embodiment of the projection lens device will be described. Here, in order to make the depth dimension of the image display device as thin as possible, the projection lens device described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-292900 filed by the inventors is applied.
図2は、映像表示装置における投写レンズ装置の基本的な光学系の構成を示す断面図で、光学系の構成をXYZ直交座標系におけるYZ断面で示している。ここで、XYZ直交座標系の原点は、液晶パネル150の表示画面の中央とし、Z軸は画像表示用液晶パネル170の法線8と平行であるものとする。Y軸は画像表示用液晶パネル170の表示画面の短辺と平行であり、画像表示用液晶パネル170の縦(上下)方向と等しいものとする。X軸は、画像表示用液晶パネル170の表示画面の長辺と平行であり、画像表示用液晶パネル170の横(左右)方向と等しいものとする。また、図3は投写画像形成装置を構成する投写レンズ装置の斜視図で、図4は投写レンズ装置における光路の折り曲げを省略して示した投写レンズの断面図である。なお、図2において、図示を簡略化するために、光方向変換部としてのフレネルレンズシート160を省略している。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing the basic optical system configuration of the projection lens apparatus in the video display device, and the optical system configuration is shown as a YZ cross section in the XYZ orthogonal coordinate system. Here, the origin of the XYZ orthogonal coordinate system is the center of the display screen of the
図2に示すように、投写レンズ装置10は、液晶パネル150からフレネルレンズシート160,画像表示用液晶パネル170に向かう光路上において、液晶パネル150側から順に配置された、投写レンズ2と、第1反射ミラーとしての自由曲面ミラー4と、第2反射ミラーとしての平面反射ミラー5とを含んでなる。
As shown in FIG. 2, the
液晶パネル150の表示画面上の第2原画像は、投写レンズ2で第1の光変調部としての画像表示用液晶パネル170に向けて投写される。このとき、直線的に投写すると所定の距離が必要となり、映像表示装置100の奥行き寸法が長くなる。つまり、映像表示装置100の奥行きが厚くなる。そこで、投写レンズ2から画像表示用液晶パネル170に向かう光路(例えば光線21,22,23で示される光路)を自由曲面ミラー4と平面反射ミラー5とで折り返し、映像表示装置100の奥行きを小さくするようにしている。さらに、液晶パネル150の画面の中央から出て画像表示用液晶パネル170の画面中央に向かう光線21(以下、「画面中央光線」という)を、画像表示用液晶パネル170の入射面に対して非垂直(一般に、このような投写を「斜め投写」という)として、映像表示装置100の奥行きを小さくしている。
The second original image on the display screen of the
投写レンズ2は、図2,図4から明らかなように、回転対称な面形状を有する複数の屈折レンズから構成される前群12と、少なくとも一方の面が回転非対称の自由曲面の形状を有するレンズ(以下、「自由曲面レンズ」と称する)を含む後群13とからなる。
As is apparent from FIGS. 2 and 4, the
図2において、投写レンズ2の長さが長いことから、液晶パネル150の位置が画像表示用液晶パネル170の法線8の方向に対して遠くなり、奥行きが厚くなるように見受けられるかもしれない。しかしながら、ここでは、図3に示すように、X軸(つまり、画像表示用液晶パネルの長辺)に平行に配置された前群12の途中に光路折り曲げミラー14を配置し、前群12の光軸9(つまり投写レンズの光軸)をZ軸方向(つまり、画像表示用液晶パネル170の法線8に平行な方向)に折り曲げ、奥行きの増大を防止するようにしている。勿論、本発明はこれに限定されるものではなく、自由曲面ミラー4と投写レンズ2の後群13との間、あるいは投写レンズ2の前群12と後群13の間に光路を折り曲げる光路折り曲げミラーを配置するようにしてもよい。
In FIG. 2, since the length of the
本実施形態では、図2に示すように、液晶パネル150は、その表示画面の中央が投写レンズ2の光軸9上に配置されている。従って、液晶パネル150の表示画面の中央から出て投写レンズ2の入射瞳の中央を通って画像表示用液晶パネル170の画面中央に向かう画面中央光線21は、投写レンズの光軸に沿って進む。この画面中央光線21は、自由曲面ミラー4の反射面上の点P2で反射された後、平面反射ミラー5上の点P5で反射されて、画像表示用液晶パネル170の画面中央の点P8に画像表示用液晶パネルの入射面の法線8に対して所定の角度(θs)を以って(すなわち斜めに)入射される。
In the present embodiment, as shown in FIG. 2, the center of the display screen of the
このことは、投写レンズ2の光軸9に沿って通過した光線が画像表示用液晶パネル170に対して斜めに入射していることであり、実質的に投写レンズ2の光軸が画像表示用液晶パネル170に対して斜めに設けられていることになる。このような方法で画像表示用液晶パネル170に斜め入射させると、投写した長方形の形状が台形になる所謂台形歪の他にも光軸に対して回転対称でない種々の収差が生じる。そこで、本実施形態では、これ等を投写レンズ2の後群13と自由曲面ミラー4の反射面とで補正するようにしている。
This means that the light beam that has passed along the optical axis 9 of the
図2に示す断面内において、液晶パネル150の画面下端から投写レンズ2の入射瞳の中央を通って射出され、これに対応する画像表示用液晶パネル170の画面上端の点P9に入射する光線を光線22とする。また、液晶パネル150の画面上端から投写レンズ2の入射瞳の中央を通って射出され、これに対応する画像表示用液晶パネル170の画面下端の点P7に入射する光線を光線23とする。図2を見ると、点P3から点P6を経由して点P9に到る光路長は、点P1から点P4を経由して点P7に到る光路長よりも長くなっている。これは、投写レンズ2から見て、画像表示用液晶パネル170の像点P9が像点P7よりも遠くにあることを意味している。そこで、画像表示用液晶パネル170の像点P9に対応する物点(液晶パネル150の表示画面上の点) がより投写レンズ2に近い点に、また、像点P7に対応する物点がより投写レンズ2から遠い点にあれば、像面の傾きを補正できる。そのためには、液晶パネル150の表示画面の中央における法線ベクトルを、投写レンズ2の光軸に対し傾けるようにする。具体的には、上記法線ベクトルを、YZ平面内において、画像表示用液晶パネル170の位置する方へ向けるように傾ければよい。光軸に対して傾いた像平面を得るのに物平面を傾ける方法は知られている。しかしながら、実用的な大きさの画角では、物平面の傾きによる像面は光軸に対して非対称な変形を生じ、回転対称な投写レンズでは補正が困難である。そこで、本実施形態では、回転対称でない、すなわち回転非対称の自由曲面を用い、非対称な像面の変形に対応している。このため、物平面を傾けることで低次の像面の歪を大きく低減でき、自由曲面による収差補正を補助する上で効果的である。
In the cross section shown in FIG. 2, a light beam emitted from the lower end of the screen of the
次に、各光学要素の作用について説明する。投写レンズ2は、その前群12が第2の光変調部としての液晶パネル150の第2原画像(光変調により得られた2次元画像)を第1の光変調部としての画像表示用液晶パネル170に拡大投写する(正確に言うならば、画像表示用液晶パネル170の入射側近傍で例えば図示しない入射側偏光板近傍に結像させる)ための主レンズであり、回転対称な光学系における基本的な収差を補正する。投写レンズ2の後群13は、回転非対称の自由曲面レンズを含んでいる。ここでは、自由曲面レンズは、図2,図3,図4から明らかなように、その光出射方向に対して凹を向くように湾曲されている。そして、自由曲面レンズの、画像表示用液晶パネル170の下端に向かう光線23が通過する部分の曲率を、画像表示用液晶パネル170の上端に向かう光線22が通過する部分の曲率よりも大きくしている。
Next, the operation of each optical element will be described. The
自由曲面ミラー4は、回転非対称な自由曲面形状の反射面を有している。ここでは、自由曲面ミラー4は、その一部が光の反射方向に対して凸を向くように湾曲された、回転非対称の凸面ミラーとしている。具体的には、自由曲面ミラー4の、画像表示用液晶パネル170の下方に向かう光を反射する部分(P1)の曲率を画像表示用液晶パネル170の上方に向かう光を反射する部分(P3)の曲率よりも大きくしている。換言すれば、自由曲面ミラー4のYZ断面(画像表示用液晶パネル170の画面縦方向断面)において、画面中央光線21が自由曲面ミラー4で反射される位置P2に対して、P1−P2間の寸法とP3−P2間の寸法とを異ならせ、次式が成立するようにしている。
The free-
上記自由曲面レンズと自由曲面ミラーの作用により、主として、斜め入射によって生じる収差の補正が行われる。すなわち、本実施形態では、自由曲面ミラー4が主として台形歪を補正し、投写レンズ2の後群13が、主として像面の歪みなどの非対称な収差の補正を行なう。
By the action of the free-form surface lens and the free-form surface mirror, correction of aberrations caused by oblique incidence is mainly performed. That is, in the present embodiment, the free-form
このように、本実施形態は、投写レンズ2が回転非対称の自由曲面レンズを少なくとも一枚含み、自由曲面ミラー4が回転非対称の自由曲面形状の反射ミラーをなしている。このために、斜め投写によって生じる台形歪と収差の両方を補正可能としている。この結果、第2の映像信号に基づいて液晶パネル150で光変調した第2原画像を拡大し、画像表示用液晶パネルに向けて投写するとともに、この映像光束を擬似的な2次光源として再度画像表示用液晶パネルにより第1の映像信号に基づいて光変調する。観視側からは奥行き位置の異なる2つの画像即ち第2画像155および第1画像175を時分割ではなく、同時に観察することが出来る。
As described above, in this embodiment, the
更に、これらの2つの画像(第2画像および第1画像)として、表示対象物を観視者の視線方向から投影した2次元画像を用い、その内の観視側から見て奥側の2次元画像を第2の光変調部としての液晶パネル150の拡大像(投写画像)で生成し、他方の観視側から見て手前側の2次元画像を前記第1の光変調部としての画像表示用液晶パネル170で表示することで、3次元画像の表示が可能な映像表示装置とすることが出来る(例えば、図16の説明参照)。このとき、画像の奥行き方向の情報量を増やして3次元画像の精細度を高めるには、前記第2画像としての投写画像(2次元画像)の表示画像数を増やせば良い事は言うまでも無い。
Further, as these two images (second image and first image), two-dimensional images obtained by projecting the display object from the direction of the line of sight of the viewer are used. A two-dimensional image is generated as an enlarged image (projected image) of the
次に、以上述べた投写レンズ装置10の光学系について、図5,図6と表1乃至表4を用いて具体的な数値を例示しつつ説明する。
Next, the optical system of the
図5と図6は、数値例に基づく本実施形態に係わる投写レンズ装置の光学系の光線図を示している。前述したXYZ直交座標において、図5はYZ断面、図6はXZ断面での構成を示している。投写レンズ2は、図3で述べたように前群12の途中に光路折り曲げミラー14が配置されているが、図5では、この光路折り曲げミラー14を省略しており、光学系をZ軸方向に展開して示している。このことは図4でも同様である。光路折り曲げミラーは、設置の位置や角度に若干の任意性があり、また各光学要素の機能に影響を及ぼさない。従って、以下の説明では、光路折り曲げミラーを省略して説明することにする。
5 and 6 are ray diagrams of the optical system of the projection lens apparatus according to the present embodiment based on numerical examples. In the XYZ orthogonal coordinates described above, FIG. 5 shows a configuration in the YZ section, and FIG. 6 shows a configuration in the XZ section. In the
図5の下側に表示した液晶パネル150から射出した光は、複数のレンズを含む投写レンズ2のうち、まず回転対称形状の面のみを有するレンズのみで構成される前群12を通過する。そして、回転非対称の自由曲面レンズを含む後群13を通り、自由曲面ミラー4の反射面で反射される。その反射光は、平面反射ミラー5で反射された後、画像表示用液晶パネル170に入射される。
The light emitted from the
ここで、投写レンズ2の前群12は、全て回転対称な形状の屈折面を持つ複数のレンズで構成されており、各屈折面のうち4つは回転対称な非球面であり、他は球面である。ここで用いられた回転対称な非球面は、各面ごとのローカルな円筒座標系を用いて、次の数式で表される。
Here, the
投写レンズ2の後群13にある自由曲面レンズは、各面の面頂点を原点とするローカルな直交座標系(x、y、z)を用い、X、Yの多項式を含む次の式で表わされる。
The free-form surface lens in the
表1は、本実施形態に係る光学系の数値データを示している。表1において、S0〜S23は、図4に示された符号S0〜S23にそれぞれ対応している。ここで、S0は液晶パネル150の表示面、すなわち物面を示しており、S23は自由曲面ミラー4の反射面を示している。またS24は、図4では示されていないが、画像表示用液晶パネル170の入射面、すなわち像面を示している。なお、図4において、上図は本実形態に係る投写レンズ2および自由曲面ミラー4のYZ断面図、下の図は、その光学系のXZ断面図を表している。
Table 1 shows numerical data of the optical system according to the present embodiment. In Table 1, S0 to S23 correspond to the codes S0 to S23 shown in FIG. Here, S0 indicates the display surface of the
表1において、Rdは各面の曲率半径であり、図5の中で面の左側に曲率の中心がある場合は正の値で、逆の場合は負の値で表わしている。また表1においてTHは面間距離であり、そのレンズ面の頂点から次のレンズ面の頂点までの距離を示す。あるレンズ面に対して、次のレンズ面が図5の中で左側に位置するときには面間距離は正の値、右側に位置する場合は負の値で表している。さらに、表1においてS5、S6、S17、S18は回転対称な非球面であり、表1では面の番号の横に*を付けて分かり易く示している。これら4つ面の非球面の係数を表2に示している。 In Table 1, Rd is the radius of curvature of each surface. In FIG. 5, when the center of curvature is on the left side of the surface, it is expressed as a positive value, and in the opposite case, it is expressed as a negative value. In Table 1, TH is the inter-surface distance, and indicates the distance from the apex of the lens surface to the apex of the next lens surface. When a next lens surface is located on the left side in FIG. 5 with respect to a certain lens surface, the inter-surface distance is represented by a positive value, and when located on the right side, it is represented by a negative value. Further, in Table 1, S5, S6, S17, and S18 are rotationally symmetric aspherical surfaces. In Table 1, the surface number is indicated with an asterisk for easy understanding. Table 2 shows the coefficients of these four aspheric surfaces.
表1において、S19からS22は、投写レンズ2の後群13に含まれる自由曲面レンズの各屈折面であり、S23は、上述したように自由曲面ミラー4の反射面であって、面の番号の横に#を付けて示している。これら5つの自由曲面の形状を表す係数の値を表3に示す。
In Table 1, S19 to S22 are the refractive surfaces of the free-form surface lens included in the
本実施形態では、映像表示素子11の表示画面である物面を、投写レンズ2の光軸に対して−1.163度傾けている。傾けの方向は、図5の断面内で物面の法線が反時計回りに回転する方向を正の値で表わすことにする。従って、本実施例では物面を図5の断面内で、投写レンズ2の光軸に垂直な位置から時計回り方向に1.163度傾けていることになる。
In the present embodiment, the object surface that is the display screen of the video display element 11 is inclined by −1.163 degrees with respect to the optical axis of the
S23の自由曲面ミラー4は、そのローカル座標の原点を投写レンズ2の光軸上に置いている。そして、自由曲面ミラー4のローカル座標の原点での法線、すなわちZ軸を、投写レンズ2の光軸と平行な位置から29度傾けて配置している。傾けの方向は前記物面と同様に図5の断面内で反時計回りに回転する方向を正とし、従って反時計回りに傾けていることになる。これによって、液晶パネル150の画面中央から出てほぼ投写レンズ2の光軸に沿って進んできた画面中央光線は、S23で反射後、投写レンズ2の光軸に対して前記傾き角度の2倍の58度だけ傾いた方向に進む。ここで、S23の座標原点を通り、投写レンズ2の光軸対するS23の傾き角度の2倍傾いた方向を、反射後の新たな光軸とし、以後の面はこの光軸上に配置されるものとする。表1のS23に示した面間隔の値−400は、次のS24が、S23の右側にあり前記反射後の光軸に沿って400mmの距離の点にローカル座標の原点を配置されていることを示している。以下の面も同じ規則により配置されている。
The free-
本実施例における、各面のローカル座標系の傾け又は偏心の様子を表4に示す。表4において、面番号の右側に傾き角度、偏心の値を示しており、ADEは図5の断面と平行な面内での傾きの大きさであり、その表示規則は上に示した通りである。また、YDEは偏心の大きさであり、偏心は図5の断面と平行な面内でかつ光軸に垂直な方向で設定され、図5の断面において下側への偏心を正とする。尚、本実施例においては、YDEを0(すなわち偏心なし)としている。 Table 4 shows the state of inclination or decentering of the local coordinate system of each surface in this example. In Table 4, the inclination angle and the value of eccentricity are shown on the right side of the surface number, ADE is the magnitude of the inclination in the plane parallel to the cross section of FIG. 5, and the display rule is as shown above. is there. YDE is the magnitude of the eccentricity, and the eccentricity is set in a direction parallel to the cross section of FIG. 5 and perpendicular to the optical axis, and the downward eccentricity in the cross section of FIG. 5 is positive. In this embodiment, YDE is set to 0 (that is, no eccentricity).
本実施形態では、全ての光学要素の傾きや偏心は、図示した断面に平行な断面内での方向で設定される。 In the present embodiment, the inclinations and decentrations of all the optical elements are set in directions in a cross section parallel to the illustrated cross section.
表1、表3から、本実施例では、曲率cとコーニック係数kが0となっていることがわかる。斜め入射による台形歪は、斜め入射の方向に極端に大きく発生し、これと垂直な方向に歪量は小さい。従って、斜め入射の方向とこれに垂直な方向とでは、大幅に異なる機能が必要であり、回転対称で全方向に機能する上記曲率cやコーニック係数kを利用しないことにより、非対称な収差を良好に補正することができる。 From Tables 1 and 3, it can be seen that the curvature c and the conic coefficient k are 0 in this embodiment. Trapezoidal distortion due to oblique incidence occurs extremely large in the direction of oblique incidence, and the amount of distortion is small in the direction perpendicular thereto. Therefore, a significantly different function is required between the direction of oblique incidence and the direction perpendicular thereto, and asymmetric aberrations are excellent by not using the curvature c and the conic coefficient k that function in all directions in rotational symmetry. Can be corrected.
本数値実施例のスポットダイアグラムを図8に示す。図8では、液晶パネル150の表示画面上、X,Y座標の値で、(8,4.5)、(0,4.5)、(4.8,2.7)、(8,0)、(0,0)、(4.8、−2.7)、(8、−4.5)、(0、−4.5)の8点から射出した光束のスポットダイアグラムを上から順に示す。単位はmmである。各スポットダイアグラムの横方向は画像表示用液晶パネル170上でのX方向、縦方向は画像表示用液晶パネル170上でのY方向である。このように、両者ともに、良好な性能を維持している。
A spot diagram of this numerical example is shown in FIG. In FIG. 8, the values of the X and Y coordinates on the display screen of the
以上、投写レンズ装置の一実施例について述べた。なお、上記では、投写レンズ2から出射された光線は自由曲面ミラー4で反射され、さらに平面反射ミラー5で折り返されて画像表示用液晶パネル170に向かうように構成されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、投写レンズの配置位置によっては、上記した折り返し用の平面反射ミラーを省略してもよいことはいうまでもない。
The embodiment of the projection lens apparatus has been described above. In the above description, the light beam emitted from the
次に、光方向変換部としてのフレネルレンズシート160の一実施例について説明する。
Next, an example of the
図9は、フレネルレンズシートの模式構成図で、その(a)図はフレネルレンズシートを投写装置側から見たときの斜視構成図、その(b)図はG−G線に沿った断面構成図である。 FIG. 9 is a schematic configuration diagram of a Fresnel lens sheet. FIG. 9A is a perspective configuration diagram when the Fresnel lens sheet is viewed from the projection device side, and FIG. 9B is a cross-sectional configuration along line GG. FIG.
図9に示すように、フレネルレンズシート160は、画像表示用液晶パネル170の画面略中央側に対応して位置する屈折領域160Dと、画像表示用液晶パネル170の画面周縁側に対応して位置し、屈折領域160Dを取り囲むように配置された全反射領域160Eで構成されている。屈折領域160Dには、基材161の画像表示用液晶パネル170側とは逆側の面上に、複数の屈折型フレネルレンズ162が同心円状に複数形成されている。屈折型フレネルレンズ162は、投写レンズ装置10から投写された入射角が所定値以内の光線L61を屈折して画像表示用液晶パネル170へ垂直に出射させる機能を有する。また、全反射領域160Eには、基材161の画像表示用液晶パネル170側とは逆側の面上に、複数の全反射型フレネルレンズ167が同心円状に複数形成されている。全反射型フレネルレンズ167は、投写装置10から投写された入射角が所定値以上の光線L66を全反射して画像表示用液晶パネル170へ垂直に出射させる機能を有する。
As shown in FIG. 9, the
周知のように、フレネルレンズシートを屈折型フレネルレンズのみで構成すると、フレネルレンズシートに入射する入射角(法線とのなす角度)が大きくなると共に、フレネルレンズの入射面での反射が生じ易くなり、反射ロスが大幅に増加するために画面の周縁部で暗くなる。そこで、本実施例では、WO2004/049059号公報の技術を適用し、第一の画像表示用液晶パネル170の周縁部で、投写装置10からの入射角が所定値以上となる領域に、全反射型プリズムを配置する。
As is well known, when the Fresnel lens sheet is composed only of a refractive Fresnel lens, the incident angle (angle formed with the normal line) incident on the Fresnel lens sheet increases and reflection at the incident surface of the Fresnel lens is likely to occur. Thus, the reflection loss greatly increases, and the image becomes dark at the peripheral edge of the screen. Therefore, in the present embodiment, the technique of WO2004 / 049059 is applied, and the total reflection is performed in the peripheral portion of the first image display
まず、屈折領域160Dにおける屈折型フレネルレンズ162について説明する。
First, the
フレネルレンズシート160の屈折領域160Dにおける任意の断面における各屈折型フレネルレンズのプリズム面163を繋ぎ合わせると一つの曲線(すなわち、包絡線)が得られる。得られた包絡線の全ての断面における集合は一つの仮想的な面を形成する。以下、この仮想面を「オリジナル面」というものとする。
When the prism surfaces 163 of the respective refractive Fresnel lenses in an arbitrary cross section in the
屈折領域160Dを構成する屈折型フレネルレンズに付随するオリジナル面は、投写型映像表示装置では、一般に球面とされるが、本実施形態では、特開2006−154719号公報で開示されたフレネルレンズシートの技術を適用し、投写レンズ装置10から画像表示液晶パネル170に入射する光線の入射角に応じた非球面形状とする。
The original surface associated with the refractive Fresnel lens constituting the
このとき、各プリズム面のフレネル角は、屈折領域160Dにおいて、下部よりも上部の方が大きくされる。これにより、フレネルレンズシート160の屈折領域160Dの入射面に入射された光線が、画像表示用液晶パネル170の略全面に亘って、画像表示用液晶パネル170の入射面にほぼ垂直に入射するように変換される。
At this time, the Fresnel angle of each prism surface is larger in the upper part than in the lower part in the
次に、上記した屈折領域160Dに形成される屈折型フレネルレンズ162において、同心円状に形成された複数のプリズム面163の面形状(所謂、フレネルレンズのオリジナル面)を設定する方法について、図10の模式図を参照して詳細に説明する。なお、上述したように、屈折領域160Dを構成する屈折型フレネルレンズのプリズム面は、ある一点(回転軸)を中心とする同心円状に形成されている。そして、各屈折型フレネルレンズのプリズム面のフレネル角(すなわち、プリズム面とフレネルレンズシート160の主平面とのなす角度)を定めるためのオリジナル面は、非球面形状である。ここでオリジナル面とは、上述したように、各プリズム面のフレネル角を定めるためのものであり、フレネルレンズシート160の屈折領域160D全体を一つのレンズとしたときの、このレンズ面を指す。すなわち、屈折型フレネルレンズのプリズム面のフレネル角を設定する場合には、まずフレネルレンズシート160の屈折領域160D全体がある一つのレンズ特性をもつものと想定し、そのレンズの面形状をオリジナル面として設定する。そして、そのオリジナル面の屈折領域160D各点に対応する形状(例えば当該各点におけるオリジナル面の接線)を屈折領域160Dの面上に展開する。これにより、屈折領域160Dの各点におけるプリズム面のフレネル角が設定される。従って、フレネルレンズシートの屈折領域160D全体における各プリズム面を、そのフレネル角に応じて繋ぎ合わせた曲線、すなわちフレネルレンズシートの屈折領域160D全体における全プリズム面の集合を含む包絡線が、上記オリジナル面を表している。つまり、屈折領域160Dの各点のプリズム面における光の屈折方向は、その各プリズムに対応する上記オリジナル面の形状によって定まる。なお、上記回転軸は、フレネルレンズシート160の主平面(図10のXY面)と直交するものとする(図のZ軸を含む面)。また、この回転軸は、フレネルレンズシート160に入射する光線25と、フレネルレンズシート160を左右に等しく垂直に分割する面165(YZ面に平行な面)とが交わる点P15とを含む。すなわち、回転軸はフレネルレンズシート160の主平面に垂直(第一の画像表示用液晶パネル170の法線8と平行)な軸、すなわち、図10の軸166となる。
Next, a method of setting the surface shape of the plurality of concentric prism surfaces 163 (so-called Fresnel lens original surfaces) in the refraction
但し、上記において、入射する光線25は画像表示用液晶パネル170上の位置によってその入射角度(入射面の法線に対する角度)が変化することから、ここでは、上記によって求められる軸166も複数個が存在することとなる。なお、これら複数の軸の中から、そのほぼ中央にある軸を屈折型フレネルレンズの回転軸(即ち、屈折型フレネルレンズを構成する同心円状プリズムの中心位置)とする。
However, in the above description, since the incident angle of the
続いて、上記各プリズム面のフレネル角の形状(角度)を次のように求める。まず、画像表示用液晶パネル170への入射光線を屈折領域160Dのプリズム面で屈折させながら、上記法線方向(出射角が0度)に出射させるためのプリズムの角度を、屈折領域160D各点のそれぞれについてスネルの法則により求める。次に、当該求めたプリズム面を連続させて、上記屈折型フレネルレンズのオリジナル面(非球面)を形成する。
Subsequently, the Fresnel angle shape (angle) of each prism surface is obtained as follows. First, the angle of the prism for emitting the incident light to the image display
なお、この求められるオリジナル面は、数3の非球面式により近似される。
The obtained original surface is approximated by the aspherical expression of
このとき、更に、近似した非球面係数と実際の光線出射角との比較を行い、出射角が略0度になるように、回転軸の位置や非球面係数に、適宜、必要な修正及び/又は変更を加える。 At this time, the approximate aspheric coefficient is compared with the actual light beam exit angle, and the position of the rotation axis and the aspheric coefficient are appropriately modified and / or appropriately adjusted so that the exit angle is approximately 0 degrees. Or make a change.
このように、上記求められる要素、つまり屈折型フレネルレンズを構成する同心円状のプリズム部の回転中心となる回転軸の位置や、その各プリズム面の集合で形成されるオリジナル面の非球面係数によって、上記フレネルレンズシート160の屈折領域160D部分が構成される。
In this way, depending on the required element, that is, the position of the rotation axis serving as the rotation center of the concentric prism portion constituting the refractive type Fresnel lens, and the aspherical coefficient of the original surface formed by the set of the prism surfaces. The
上記過程を経て構成されたフレネルレンズシート160の模式断面図を図11に示す。図11は、フレネルレンズシート160の、該フレネルレンズシート160の法線と平行であって、かつ上記回転軸を含む断面を示している。
FIG. 11 shows a schematic cross-sectional view of the
図11において、Z=f(r)はフレネルレンズシート160の屈折領域160Dにおける屈折型フレネルレンズに付随する非球面形状のオリジナル面164を表す多項式であり、数5で表されるものである。rは上記数5のrに対応するもので、回転軸からの距離を表す。距離r1における屈折型フレネルレンズのプリズム面163のフレネル角θ1(フレネルレンズシート160の主平面とプリズム面のなす角度)は、距離r1におけるオリジナル面164の傾き(接線)とほぼ等しい。すなわち、数3で表されるオリジナル面の非球面式をZ=f(rn )、nを1以上の整数としたとき、屈折領域160Dの各位置のフレネル角θnは、数6で表される。
In FIG. 11, Z = f (r) is a polynomial that represents the aspherical
上述したように、投写レンズ装置10からフレネルレンズシート160の屈折領域160Dに入射された光線は、屈折型フレネルレンズの各プリズム面163によって屈折される。上述したように、屈折型フレネルレンズのオリジナル面164を、屈折領域160D各位置への入射光線の入射角に応じた非球面形状にすれば、各プリズム面163によって屈折されたそれぞれの光線は、フレネルレンズシート160の法線とほぼ平行になる。ここでは、図11から明らかなように、フレネルレンズシート160の屈折領域160D上部に位置する(すなわち、画像表示用液晶パネルの縦方向上部で回転軸から遠い位置の)プリズム面163のフレネル角θは、フレネルレンズシート160の屈折領域160D下部に位置する(すなわち、画像表示用液晶パネルの縦方向下部で回転軸に近い位置の)プリズム面163のフレネル角θよりも大きくしている。これは、本実施形態における斜め投写では、画像表示用液晶パネル下部よりも画像表示用液晶パネル上部の方が光線の入射角が大きいためである。
As described above, the light beam incident on the
次に、全反射領域160Eにおける全反射型フレネルレンズ167について、図11を参照して説明する。
Next, the total reflection
図11に示すように、全反射領域160Eの全反射型フレネルレンズは、屈折面1671と全反射面1672とを含んでなる。全反射領域160Eにある全反射型フレネルレンズ167に入射した光線L66は、その屈折面1671で屈折を受け、全反射面1672に向かう。そして、全反射面1672で全反射され、フレネルレンズシート160を出射して、画像表示用液晶パネル170に垂直に入射する。
As shown in FIG. 11, the total reflection type Fresnel lens in the
入射光線を画像表示用液晶パネル170へ垂直に出射させるためには、全反射面1672と主平面とのなす角αを、投写装置10に近い全反射型フレネルレンズから遠い全反射型フレネルレンズに掛けて徐々に小さくなるように設定し、また、屈折面1671と主平面とのなす角βを、逆に、投写レンズ装置10に近い全反射型フレネルレンズから遠い全反射型フレネルレンズに掛けて徐々に大きく設定するようにすればよい。このようにして、全反射領域に入射した光線を画像表示用液晶パネル170へ垂直に出射させることができる。
In order to emit incident light vertically to the image display
以上述べたようにフレネルレンズシート160を構成すれば、投写レンズ装置10から画像表示用液晶パネル170に向けて投写される光線を、画像表示用液晶パネル170への入射角が略0度となるように変換して出射させることが可能となる。従って、本実施形態によるフレネルレンズシートを用いれば、投写レンズ装置10からの光線が画像表示用液晶パネル170の法線に平行(つまり、画像表示用液晶パネル170に垂直)に入射するので、画像表示用液晶パネル170において高コントラストの画像を表示することができることになる。
If the
なお、上記したフレネルレンズシート160では、シートの入射側に、屈折領域と全反射領域を設けることとしたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、本発明者らが出願した特開2005−91541号公報に記載が如く、シートの入射側で、入射角が所定以上の周縁部に全反射領域を設け、シートの出射側で、入射角が所定以下の中央部に屈折領域を設けるようにしてもよい。
In the
図1に示す映像表示装置では、光源110から液晶パネルに照射される光量分布(光強度分布、照度分布ともいう)が一様化(均一化)されてないため、画像表示用液晶パネル上の画像において明るさにムラが生じる恐れがある。そこで、光源と液晶パネルとの間に光源からの照明光の光量分布を一様化するインテグレータを挿入した実施例1による投写画像形成装置について、図12を用いて説明する。
In the video display device shown in FIG. 1, the light amount distribution (also referred to as light intensity distribution or illuminance distribution) emitted from the
図12は、実施例1による投写画像形成装置の模式構成図である。 FIG. 12 is a schematic configuration diagram of the projection image forming apparatus according to the first embodiment.
図12に示すように、本実施例の投写画像形成装置は、光源110と、対をなしてマルチレンズ方式インテグレータ120として機能する第1のマルチレンズ素子121および第2のマルチレンズ素子122と、偏光変換素子130Aと、重畳レンズ141と、フィールドレンズ145と、第二の液晶パネル150と、投写レンズ装置10と、を含んでなる。
As shown in FIG. 12, the projection image forming apparatus of the present embodiment includes a
光源110は、ランプ101と、リフレクタ102とからなる。ランプ101は、高圧水銀ランプの白色ランプである。リフレクタ102は、ランプ101を背後側から覆うように配置された、例えば回転放物面形状の反射面を有するもので、円形ないし、多角形の出射開口を持つ。
The
ランプ101から射出された光は、回転放物面形状の反射面を有するリフレクタ102によって反射され、光軸115に略平行となり、光源110から略平行の光束が射出される。光源110から射出された光は、マルチレンズ方式のインテグレータに入射する。
The light emitted from the
マルチレンズ方式インテグレータ120は、第1のマルチレンズ素子121と第2のマルチレンズ素子122とからなる。
The
第1のマルチレンズ121は、光軸115方向から見て第2の光変調部としての液晶パネル150,第1の光変調部としての画像表示用液晶パネル170とほぼ相似な矩形形状を有する複数のレンズセルがマトリックス状に配設されたもので、光源から入射した光を複数のレンズセルで複数の光に分割して、効率よく第2のマルチレンズ素子122と偏光変換素子130Aを通過するように導く。すなわち、第1のマルチレンズ素子121は、ランプ101と第2のマルチレンズ素子122の各レンズセルとが光学的に共役な関係になるように設計されている。
The
第1のマルチレンズ素子121と同様に、光軸115方向から見て矩形形状の複数のレンズセルがマトリクス状に配設された構成を有する第2のマルチレンズ素子122は、構成するレンズセルそれぞれが対応する第1のマルチレンズ素子121のレンズセルの形状を、それぞれ重畳レンズ141と共に液晶パネル150上に投影(写像)する。
Similar to the first
この過程で、偏光変換素子130Aで第2のマルチレンズ素子122からの光は所定の偏光方向に揃えられる。そして、第1のマルチレンズ素子121の各レンズセルによる投影像は、それぞれ重畳レンズ141により重畳され、フィールドレンズ145で光軸115にほぼ平行となるようにされた後、液晶パネル150上に重ね合わせられる。
In this process, the light from the second
なお、第2のマルチレンズ素子122とこれに近接して配設される集光レンズ141とは、第1のマルチレンズ素子121の各レンズセルと液晶パネル150とが、光学的に物体と像の関係(即ち、共役な関係)になるように設計されているので、第1のマルチレンズ素子121で複数に分割された光束は、第2のマルチレンズ素子122と重畳レンズ141によって、液晶パネル150上に重畳して投影され、液晶パネル150上の光量分布が一様とされる。
Note that the second
ここで、偏光変換素子130Aの偏光変換作用について図13を用いて説明しておく。図13は、偏光変換素子を光軸を含み液晶パネルの長辺に沿って切断した断面構成図である。
Here, the polarization conversion action of the
図13に示すように、偏光変換素子130Aは、第二の液晶パネル150の短辺に平行な方向に沿って伸びた平行四辺形柱である透光性部材31が、光軸115方向に対して直交する面に平行して、液晶パネル150の長辺に平行な方向に複数アレイ状に配列され、アレイ状に配列され隣接する透光性部材31間の界面に交互に偏光ビームスプリッタ膜(以下、「PBS膜」と省略する)32と反射膜33が形成されている。また、偏光変換素子130Aの入射側の開口部35を通り、PBS膜32を透過した光が出射する出射面にはλ/2位相差板34が備えられている。また、偏光変換素子130Aは、光軸115と平行四辺形柱の透光性部材51の延伸方向とで形成される面(光軸115を平面であり、以下、この面を便宜上「光軸面」と称する)S115に対して対称に構成されている。
As shown in FIG. 13, the
以上のように構成された偏光変換素子130Aに、第1のマルチレンズ素子121,第2のマルチレンズ素子122を通って開口部35に入射した光線37のうち、例えばS偏光光はPBS膜32で反射され、対向する反射ミラー33で反射されてS偏光光で出射する。またP偏光の光はPBS膜32を透過し、出射面のλ/2位相差板34によりS偏光の光に変換されて出射する。このような基本と成る偏光変換部30が複数構成され、偏光変換素子130Aは入射した光の偏光方向を所定偏光方向の光(ここではS偏光の光)に揃えて出射させる。P偏光の光の揃える場合には、S偏光光の出射面にλ/2位相差板34を設けるようにすればよい。
Of the light rays 37 incident on the
以上述べたように、対をなす第1のマルチレンズ素子121と第2のマルチレンズ素子122で構成されたマルチレンズ方式インテグレータ120で液晶パネル150を均一照明することができる。
As described above, the
実施例1では、照明光を一様化(均一化)するインテグレータとして、対をなす第1のマルチレンズ素子と第2のマルチレンズ素子とからなるマルチレンズ方式インテグレータ120を用いた。次に、インテグレータの一種であるロッド型インテグレータを用いた実施例2による投写画像形成装置について図14を参照しながら説明する。
In the first embodiment, a
なお、ロッド型インテグレータとしては、ライトファネルやロッドレンズなどがあるが、ここではライトファネルを用いる。また、液晶パネルとして、反射型の液晶パネルを用いる。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、ライトファネルに代えてロッドレンズを用いてもよく、また、光学系の構成が変わるが、反射型液晶パネルに代えて微小ミラーを複数2次元配列したDMD(Digital Micro Mirror Device)素子や透過型の液晶パネルを用いてよい。 The rod type integrator includes a light funnel and a rod lens. Here, a light funnel is used. A reflective liquid crystal panel is used as the liquid crystal panel. However, the present invention is not limited to this, and a rod lens may be used instead of the light funnel, and the configuration of the optical system is changed. An arranged DMD (Digital Micro Mirror Device) element or a transmissive liquid crystal panel may be used.
図14は、実施例2による投写画像形成装置の模式構成図である。 FIG. 14 is a schematic configuration diagram of a projection image forming apparatus according to the second embodiment.
図14に示すように、本実施例の投写画像形成装置は、光源110Bと、インテグレータとして機能するライトファネル125と、偏光変換素子130Bと、集光レンズ142と、フィールドレンズ146と、偏光板151と、偏光ビームスプリッタプリズム(以下、「PBSプリズム」と省略する)152と、反射型液晶パネル150Bと、偏光板153と、投写レンズ装置10と、を含んでなる。
As shown in FIG. 14, the projection image forming apparatus of the present embodiment includes a
光源110Bは、ランプ101と、リフレクタ103とからなる。ランプ101は、高圧水銀ランプの白色ランプである。リフレクタ103は、ランプ101を背後側から覆うように配置された、回転楕円面形状の反射面を有する。
The
リフレクタ103の第1焦点に配置されたランプ101から射出された光は、回転楕円面形状の反射面を有するリフレクタ103によって反射され、リフレクタ103の第2焦点位置近傍に配置されているライトファネル125の入射面125aに集光し入射する。
The light emitted from the
すなわち、リフレクタ103は、ランプ101から射出された光をライトファネル125の入射面125aに集光する集光部として機能する。勿論、実施例1と同様に、リフレクタ103として回転放物面形状の反射ミラーを用い、集光レンズでライトファネル125の入射面125aに集光するようにしてもよい。
That is, the
ライトファネル125は、万華鏡のように中空の光パイプ(所謂ライトパイプ)で構成され、入射した光を複数回全反射を繰り返して入射光の光量分布を一様(均一)にする機能を有する。ここでは、光軸115に直交する断面の面積が出射側に次第に大きくなるライトパイプをもちいる。しかし、中身が詰まったロッドレンズを用いてもよい。
The
ライトファネル125に入射した光線は、ライトファネルの側面で全反射を繰り返し、出射面125bでは様々な角度の光が重畳された状態となり、光量分布が一様となる。また、ライトファネル125の断面形状が出射側に大きくなっているので、出射面125bから出射する光線角度は光軸にほぼ平行となっている。ライトファネル125を出射した光は偏光変換素子130Bに入射する。
The light incident on the
偏光変換素子130Bは、ライトファネル125の出射面125bに設けられたPBS膜41aを有するPBSプリズム41と、PBSプリズム41のPBS膜41aで反射されるS偏光光が向かう側に配置された全反射膜42aを有する全反射プリズム42と、PBSプリズム41のPBS膜41aを透過するP偏光光が出射する出射面41bに設けられたλ/2位相差板43とを含んでなる。
The
ライトファネル125から偏光変換素子130BのPBSプリズム41に入射した光量分布が一様な偏りのない光の内、S偏光の光(S偏光光)はPBS膜41aで反射され、全反射プリズム42に入射し、全反射膜42aで反射されて、全反射プリズムの出射面42bから出射する。また、PBSプリズム41に入射したP偏光の光(P偏光光)はPBS膜41aを透過し、出射面41bから出射し、さらにλ/2位相差板43でS偏光光に変換され出射する。このようにして、偏光変換素子130Bに入射した偏りのない光は、偏光変換素子130BでS偏光光に揃えられる。
Of the light having a uniform light quantity distribution incident on the
なお、偏光変換素子130Bには、出射側に広がったライトファネル125でほぼ光軸115に平行とされた光線が入射するので、PBS膜41aで効率よく偏光分離することができる。また、出射面41bと出射面42bで構成される偏光変換素子130Bの出射面の形状は、反射型液晶パネル150Bとほぼ相似とされている。
In addition, since the light beam approximately parallel to the
集光レンズ142は、偏光変換素子130Bの出射面を、反射型液晶パネル150Bに写像するリレーレンズである。
The
偏光変換素子130Bから出射したS偏光光は、集光レンズ142で集光され、フィールドレンズ146で光軸116にほぼ平行とされ、偏光板151を通り、PBSプリズム152で反射されて反射型液晶パネル150Bに入射する。
The S-polarized light emitted from the
反射型液晶パネル150Bで変調されて形成された調光像はP偏光光なので、今度はPBSプリズム152を透過し、偏光板153でコントラストが高められ、投写レンズ装置10で画像表示用液晶パネルに向けて拡大投写される。
Since the dimming image formed by being modulated by the reflective
実施例3による映像表示装置について、図15を用いて説明する。 A video display apparatus according to Example 3 will be described with reference to FIG.
本実施例の映像表示装置は、実施例2と、ライトファネル125の入射面125a近傍に時分割色分離部としてカラーホイールを配置した点で異なる。カラーホイールを用いれば、単色表示(例えば、白黒表示)を行う画像表示用光変調部でカラー画像を時分割表示(色順次表示)することができる。従って、カラー表示を行う場合、1画素は一組のカラー画素(R画素,G画素,B画素)で構成されるが、単色表示の場合、1画素で表示するので、全体の画素数が少ないパネルを用いることができる。このため、コストダウンを図ることができる。
The video display apparatus according to the present embodiment is different from the second embodiment in that a color wheel is disposed as a time-division color separation unit in the vicinity of the
図15は、実施例3による映像表示装置の模式構成図である。 FIG. 15 is a schematic configuration diagram of a video display apparatus according to the third embodiment.
図15において、180はカラーホイール、170Bは上記した単色表示を行う画像表示用液晶パネルである。
In FIG. 15,
カラーホイール180は、例えばR光(赤色光)を透過するR光フィルタ181、G光(緑色光)を透過するG光フィルタ182、B光(青色光)を透過するB光フィルタ183が周方向に所定の割合で形成された円盤であり、その中心に回転軸(図示せず)を有しており、図示しない駆動部により高速回転する。このように構成されたカラーホイール180は、光源110Bとライトファネル125との間で、ライトファネル125の入射面125aの近傍に配置されている。
The
光源110Bから射出される略白色の集束光は、カラーホイール180により時分割でR光,G光,B光に色分離される。
The substantially white focused light emitted from the
そして、カラーホイール180で色分離された色光はライトファネル125に入射し、光量分布が一様化された後、偏光変換素子130BでS偏光光とされ、さらに、第2の光変調部としての反射型液晶パネルにより第2の映像信号に従い変調され、該変調された画像は投写レンズ装置10により第1の光変調部としての画像表示用液晶パネル170B上に拡大照射される。画像表示用液晶パネル170Bは、照射された変調拡大画像を擬似的な2次光源として第1の映像信号に従い再度変調を行うことで高コントラストな画像を形成する。このような過程により、画像表示用液晶パネル170Bには、時分割でR光の画像、G光の画像、B光の画像が形成され、視覚的にカラー画像として認識される。
Then, the color light color-separated by the
本実施例により、カラー直視型映像表示装置のコストダウンを図ることが可能となる。 According to the present embodiment, it is possible to reduce the cost of the color direct-view image display device.
なお、上記では、第2の光変調部に反射型液晶パネルを用いたが、微小ミラーを2次元配列したDMD素子を用いてもよい。DMD素子は、液晶パネルよりもコントラスト比が大きいので、より好適に用いることができる。 In the above description, the reflective liquid crystal panel is used for the second light modulation unit. However, a DMD element in which micromirrors are two-dimensionally arranged may be used. Since the DMD element has a larger contrast ratio than the liquid crystal panel, it can be used more suitably.
ところで、以上述べた実施例では、画像表示用液晶パネル170Bの入射側と出射側に偏光板を備えるものとした。しかし、直視型映像表示装置の場合、画面サイズが大きい。そこで、第2の光変調部として液晶パネルを用いる場合、液晶パネルの光路上の前後に配置される偏光板、例えば出射側偏光板を2枚として偏光度を高めれば、第1の光変調部としての画像表示用液晶パネル170Bの入射側偏光板を削除することが可能となる可能性がある。この場合、液晶パネルに付随する偏光板のサイズは、ほぼ液晶パネルと同等であり、出射側偏光板を2枚構成とするコストアップよりも、画像表示用液晶パネル170Bの入射側偏光板を削除するコストダウンが大きく、映像表示装置のコストダウンを図ることができる。また、第2の光変調部としてとしてDMD素子を用いる場合、DMD素子は、液晶パネルよりもコントラスト比が十分に大きく取れるので、第1の光変調部としての画像表示用液晶パネル170Bの入射側偏光板を削除できる可能もある。
In the embodiment described above, polarizing plates are provided on the incident side and the emission side of the image display
2…投写レンズ、4…自由曲面ミラー、5…平面反射ミラー、9…光軸、10…投写レ
ンズ装置、12…前群、13…後群、14…光路折り曲げミラー、21…画面中央光線、
22,23…光線、25…光線、30…偏光変換部、31…透光性部材、32…PBS膜
、33…反射膜、34…λ/2位相差板、35…開口部、37…光線、41…PBSプリ
ズム、41a…PBS膜、41b…出射面、42…全反射プリズム、42a…全反射膜、
42b…出射面、43…λ/2位相差板、101…ランプ、102…リフレクタ、103
…リフレクタ、110…光源、115…光軸、S115…光軸面、116…光軸、120
…マルチレンズ方式インテグレータ、121…第1のマルチレンズ素子、122…第2の
マルチレンズ素子、125…ライトファネル、125a…入射面、125b…出射面、1
30,130A,130B…偏光変換素子、141…重畳レンズ、142…集光レンズ、
145…フィールドレンズ、146…フィールドレンズ、150…液晶パネル、150B
…液晶パネル、151…偏光板、152…PBSプリズム、153…偏光板、155…第
2画像、160…フレネルレンズシート、160a…第2の表示面、160D…屈折領域
、160E…全反射型領域、161…基材、162…屈折型フレネルレンズ、163…プ
リズム面、164…オリジナル面、165…フレネルレンズシートを左右均等に垂直分割
する面、166…回転軸、167…反射型フレネルレンズ、1671…屈折面、1672
…全反射面、170,170B…画像表示用液晶パネル、170a…第1の表示面、17
5…第1画像、180…カラーホイール、181…R光フィルタ、182…G光フィルタ
、183…B光フィルタ、191…映像信号、192…第1のパネル駆動回路、193…
第1の映像信号、195…第2のパネル駆動回路、196…第2の映像信号、200…投
写画像形成装置、300,300A…3次元映像表示装置、310,310A…制御回路
、311…切換装置、L61…光線、L66…光線、100…映像表示装置。
DESCRIPTION OF
22, 23 ... light, 25 ... light, 30 ... polarization converter, 31 ... translucent member, 32 ... PBS film, 33 ... reflection film, 34 ... λ / 2 phase difference plate, 35 ... opening, 37 ... light 41 ... PBS prism, 41a ... PBS film, 41b ... outgoing surface, 42 ... total reflection prism, 42a ... total reflection film,
42b: exit surface, 43: λ / 2 phase difference plate, 101: lamp, 102: reflector, 103
... multi-lens integrator, 121 ... first multi-lens element, 122 ... second multi-lens element, 125 ... light funnel, 125a ... incident surface, 125b ... exit surface, 1
30, 130A, 130B ... polarization conversion element, 141 ... superimposing lens, 142 ... condensing lens,
145 ... Field lens, 146 ... Field lens, 150 ... Liquid crystal panel, 150B
DESCRIPTION OF SYMBOLS ...
... Total reflection surface, 170, 170B ... Liquid crystal panel for image display, 170a ... First display surface, 17
5 ... 1st image, 180 ... Color wheel, 181 ... R light filter, 182 ... G light filter, 183 ... B light filter, 191 ... Video signal, 192 ... 1st panel drive circuit, 193 ...
First video signal, 195... Second panel drive circuit, 196... Second video signal, 200... Projection image forming apparatus, 300, 300 A. Three-dimensional video display apparatus, 310, 310 A ... control circuit, 311. Device, L61 ... light, L66 ... light, 100 ... video display device.
Claims (14)
表示画面と、
前記表示画面上に、映像信号に応じて変調した第1画像を形成する第1の光変調部と、
前記映像信号に応じて変調した第2画像を形成する第2の光変調部と、
切換装置とを備えており、
前記第2の光変調部は、前記切換装置の切換状態に基づいて、前記表示画面上に形成された第1画像と共に、前記形成した第2画像を、当該第1画像と同一の形態で、又は、異なる形態で、選択的に切り替えて表示することを特徴とする映像表示装置。 A display device,
A display screen;
A first light modulation unit for forming a first image modulated in accordance with a video signal on the display screen;
A second light modulator for forming a second image modulated in accordance with the video signal;
A switching device,
The second light modulation unit, based on the switching state of the switching device, together with the first image formed on the display screen, the formed second image in the same form as the first image, Alternatively, a video display device that selectively switches and displays in different forms.
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