JP2010085819A - 投射型表示装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】ダイクロイックミラー等を用いずに複数の光源から出射された光を集光させて製品コストを抑制する。
【解決手段】投射型表示装置10は、画像信号に応じて変調された光を出射する複数の光源12と、この複数の光源からの光を互いに平行なビーム光線に変換するコリメートレンズ14と、変換された複数のビーム光線をほぼ同一光軸上に集光する集光手段と、集光された光を立ち上げ反射させる反射ミラー18と、反射された光を被投射面上に二次元走査する光走査手段としての角度可変ミラー20により構成される。特に、集光手段は、変換された複数のビーム光線のビーム間隔を絞ってほぼ同一光軸上に集光する集光レンズ16(レンズ16a及びレンズ16bからなるビームエキスパンダ)により構成されてなる。
【選択図】図1

Description

本発明は、複数の光源からの光ビームを集光して角度可変ミラーにより被投射面に投射して走査し画像を映し出す投射型表示装置に関するものである。
走査型プロジェクタなどの投射型表示装置は、画像信号に応じて複数の光源(例えば赤色,緑色,青色の3色のレーザ光光源)を直接、若しくは外部変調器により間接的に変調し、各光源から出射された光をコリメートレンズで平行光に変換する。そして、変換された平行光を1つの光軸上に集光した後、例えばMEMSミラーを用いてスクリーン上に二次元に走査して画像を投影するものである。
ここで、例えば特許文献1に記載されているように、一般的に複数の光源からの光を1つの光軸上に集光するためには、ダイクロイックミラーやダイクロイックプリズム(以下、まとめてダイクロイックミラー等という)を用いることが知られている。ダイクロイックミラー等は、所定波長帯域の光を選択的に反射するとともに、残る波長帯域の光を選択的に透過する特徴を有するものである。
特開2003−021800号公報
しかしながら、複数の光源から出射された光の集光にダイクロイックミラー等を用いる場合、この部品自体が高価であるため製品コストの増大は避け難い。
また、集光された光をMEMSミラーに導くために反射ミラーを用いることが知られているが、集光部品としてダイクロイックミラー等を用いる場合、集光部品と反射ミラーとが別部品となるため、光学的位置合わせが煩雑になるおそれがある。
そこで、本発明は、ダイクロイックミラー等を用いずに複数の光源から出射された光を集光させて製品コストを抑制することを課題とする。
また、本発明は、光学的位置合わせを簡素化させることを他の課題とする。
本発明の投射型表示装置は、画像信号に応じて変調された光を出射する複数の光源と、この複数の光源からの光を互いに平行なビーム光線に変換するコリメートレンズと、変換された複数のビーム光線をほぼ同一光軸上に集光する集光手段と、ほぼ同一光軸上に集光された光を角度可変ミラーにより反射して被投射面上に二次元走査する光走査手段とを基本構成として備えている。
特に、上述の課題を解決するため、集光手段は、変換された複数のビーム光線のビーム間隔を絞ってほぼ同一光軸上に集光する集光レンズ系により構成されてなることを特徴としている。集光レンズ系には、ビームエキスパンダやプリズムなどのレンズを適宜用いることができる。
本発明は、複数の光源から出射された光を厳密に同一光軸上に集光させる必要はなく、ほぼ同一光軸上に集光すれば現実的には問題ないという点に着目している。すなわち、従来技術で集光に用いられていたダイクロイックミラー等は、複数の光源から出射された光を厳密に同一光軸上に集光可能なものである。これに対して、本発明は、集光レンズ系を用いて複数のビーム光線のビーム間隔を絞ることにより、ほぼ同一光軸上に集光することができる。ここで、ほぼ同一光軸上とは、被投射面上の1画素内に複数のビーム光線が投射される範囲をいう。被投射面上の1画素内に複数のビーム光線が集光されていれば、人間には同一光軸上に集光されているのと同様に認識され、同一光軸上に集光されているのと同様の視覚効果を得られる。
これにより、高価な部品であるダイクロイックミラー等を用いることなく、集光を行なうことができるので、製品コストを抑制することが可能となる。
また、集光レンズ系によりほぼ同一光軸上に集光された光を角度可変ミラーへ反射するのに反射ミラーを用いる場合、集光レンズ系と反射ミラーとを樹脂体により一体形成するのが好ましい。
つまり、集光機能を集光レンズ系により実現可能としたことで、集光部品と反射ミラーとを樹脂体により一体形成することが可能となる。これによれば、集光部品と反射ミラーとを別部品として光学位置合わせする場合と比べて、光学位置合わせを簡素化することができる。
ここで、集光レンズ系と反射ミラーとが樹脂体により一体形成されてなる素子は、板状のベース部の板面から起立して形成された集光レンズ系と、ベース部の側面から連続するとともに板厚が集光レンズ系の先端部まで厚くなっている板状の導波モジュールの集光されたビーム光線の通過領域に形成された空気層の反射ミラーにより形成することができる。例えば、ナノインプリント技術を用いて、素子は、ベース部上の集光レンズ系以外の部分の形状の突部(集光レンズ系の反転パターン)と、反射ミラーの空気層の部分の形状の突部とを有してなるモールドを、紫外線硬化樹脂或いは熱硬化樹脂に押し付けて、その後紫外線或いは熱で樹脂を硬化させ、モールドを離すという工程で形成することができる。
また、反射ミラーは、樹脂体のほぼ同一光軸上に集光された光の通過領域に形成された空気層と樹脂体との界面での全反射により、或いは界面に形成された光反射材料の膜により、この界面に入射する光を反射するよう構成することができる。
また、集光レンズ系と反射ミラーとが樹脂体により一体形成されてなる素子は、少なくとも角度可変ミラーからの反射光が透過する面に反射防止膜を形成することにより反射光の損失を抑制することができるので好ましい。
本発明によれば、ダイクロイックミラー等を用いずに複数の光源から出射された光を集光させて製品コストを抑制することができる。
また、本発明によれば、光学的位置合わせを簡素化させることができる。
以下、本発明を適用してなる投射型表示装置の実施形態を説明する。なお、以下の説明では、同一機能部品については同一符号を付して重複説明を省略する。また、本発明は、以下の各実施形態に限定されるものではなく、それぞれの実施形態を必要に応じて適宜に組み合わせて用いることができる。
図1は本発明の投射型表示装置の第1実施を示す構成図であり、(A)は平面図、(B)は(A)のB−B線での断面図である。図2は本実施例の投射型表示装置の斜視図である。
投射型表示装置10は、画像信号に応じて変調された光を出射する複数の光源12と、複数の光源12からの光を互いに平行なビーム光線に変換するコリメートレンズ14と、変換された複数のビーム光線をほぼ同一光軸上に集光する集光手段としての集光レンズ16と、ほぼ同一光軸上に集光された光を立ち上げ反射させる反射ミラー18と、立ち上げ反射された光を反射して被投射面上に二次元走査する光走査手段としての角度可変ミラー(MEMSミラー)20とを備えて構成されている。
角度可変ミラー20は中央にミラー面20aを有して構成されている。また、角度可変ミラー20は上面開口の箱型のモールド22内に固定されており、その上から集光レンズ16及び反射ミラー18が一体となった集光反射素子24が接着固定されている。これにより、集光反射素子24が封止のパッケージの一部としても機能する。例えば真空封止することにより、角度可変ミラー20の空気抵抗の低減が可能となる。
複数の光源12及びコリメータレンズ2は、例えばアルミニウムなどの熱伝導性の良好な材料で形成されたレーザマウント26に固定されている。これにより光源12からの放熱性能を高めて、光源の特性を安定化させることができる。
また、レーザマウント26と、角度可変ミラー20と、集光反射素子24とが、それぞれ突き当て固定により組み立てられるようになっているため、精密調整不要なプロセスにより組立て可能である。また、角度可変ミラー20と、コリメートレンズ14と複数光源を一体化したレーザマウント26とをモジュール化することにより、光学的位置合わせを容易化することができる。
光源12は、赤色半導体レーザからなる赤色光源12aと、例えば赤外線半導体レーザ12b−1及び波長変換素子12b−2からなる緑色光源12bと、青色半導体レーザからなる青色光源12cとを有して構成されている。
コリメータレンズ2は、光源12から出射された赤色,緑色,青色の各光をそれぞれ互いに平行なビーム光線L1,L2,L3に変換する個別の曲面を持つコリメータレンズ2a,2b,2cを有するマイクロレンズアレイで構成されている。マイクロレンズアレイとすることで装置組立てを容易にすることができる。
角度可変ミラー20は、単数、若しくは複数のミラー素子からなり、ミラー素子は例えばガルバノミラーや電磁・静電・圧電駆動方式のMEMSミラーを用いることにより、小型化を図ることができる。
ところで、投射型表示装置においては、複数のビーム光線L1,L2,L3は同一の光軸上に集光され、反射ミラー18によって立ち上げ反射されて角度可変ミラー20へ導かれた後、角度可変ミラー20によりスクリーンなどの被投射面上に二次元走査されて画像を形成する。ここで、複数のビーム光線を1つの光軸上に集光するために、従来技術では、ダイクロイックミラー等を用いて集光がなされていた。すなわち、従来は、図3に示すようにダイクロイックプリズム28を配置して、所定波長帯域の光を選択的に反射するとともに、残る波長帯域の光を選択的に透過する特徴を利用して各ビーム光線を1つの光軸上に集光させていた。
ビーム光線L1はダイクロイックプリズム28aにより反射され、ビーム光線L2はダイクロイックプリズム28bにより反射される。ビーム光線L3はダイクロイックプリズム28a,bを透過する。その結果、ビーム光線L1,L2,L3は同一光軸上に集光されてビーム光線L4を形成する。なお、この場合、ビーム光線L4は図示30のように、3つのビーム光線L1,L2,L3を厳密に同一光軸上に集光、合成することができる。
ところが、ダイクロイックミラー等は高価であり、投射型表示装置のコストに与える影響が大きいため、ダイクロイックミラー等を用いることなくより安価な構成で同様に複数のビーム光線を集光させることが望まれる。また、集光された光は反射ミラー18を用いて角度可変ミラー20へ立ち上げ反射することが知られているが、従来技術のようにダイクロイックミラー等を用いる場合、集光部品と反射ミラーとが別部品となるため、光学的位置合わせが煩雑になるおそれがある。
このような問題に鑑みてなされた本発明の投射型表示装置の特徴部について説明する。図1,2に示すように、本実施例の投射型表示装置10では、複数のビーム光線L1,L2,L3の集光には、2枚のレンズ16a,16bからなる集光レンズ16が用いられている。レンズ16aは凸レンズ、レンズ16bは凹レンズであり、これら2枚のレンズによりビームエキスパンダを構成している。
本実施例によれば、図4に示すように、各ビーム光線L1,L2,L3は、2枚のレンズ16a,16bからなる1次元のビームエキスパンダにより各ビーム光線間隔が絞られて縮小され、近似的にほぼ同一光軸に合波されてビーム光線L4を形成する。
ここで、集光レンズ16により集光されたビーム光線L4は、3つのビーム光線L1,L2,L3が厳密に同一光軸上に集光、合成されたものではなく、図示32のように赤色,緑色,青色のビーム光線が分離してほぼ同一光軸上に集光、合成されたものとなる。ここで、ほぼ同一光軸上とは、被投射面上の1画素内に複数のビーム光線が投射される範囲をいう。
すなわち、本発明は、複数の光源から出射された光を厳密に同一光軸上に集光させる必要はなく、ほぼ同一光軸上に集光すれば現実的には問題ないという点に着目している。被投射面上の1画素内に複数のビーム光線が集光されていれば、人間には同一光軸上に集光されているのと同様に認識され、同一光軸上に集光されているのと同様の視覚効果を得られるからである。
本実施例によれば、高価な部品であるダイクロイックミラー等を用いることなく、集光を行なうことができるので、製品コストを抑制することが可能となる。
また、集光レンズ16は、板状のベース部34から起立して形成されている。また、ベース部34の側面から連続するとともに板厚が集光レンズ16の先端部まで厚くなっている板状の導波モジュール36が形成されている。導波モジュール36のほぼ中央部には、ベース部34の集光レンズ16が起立されていない面と連続する導波モジュール36の面から板内部に向けて形成された空気層により反射ミラー18が形成されている。
反射ミラー18は、集光レンズ16から導かれた光を角度可変ミラー20へ立ち上げ反射する反射面18aを有して形成されている。このように、本実施例では、集光レンズ16と反射ミラー18とが一体に形成されて集光反射素子24が形成されている。
集光反射素子24は、例えば、ナノインプリント技術を用いて、紫外線硬化樹脂或いは熱硬化樹脂などの樹脂体に、集光レンズ16の形状の反転パターンの突部及び反射ミラー18の反射面を形成する突部を有するモールドを押し付けて、その後紫外線或いは熱で樹脂を硬化させ、モールドを離すという工程で形成することができる。
言い換えると、集光レンズ16の形状の反転パターンの突部とは、ベース部34上に形成される空気層(集光レンズ16以外の部分)の形状の突部であり、反射ミラー18の反射面を形成する突部とは、反射面18aに対応する面を有しており、かつその面のビーム光線L4の進行方向の後ろ側に空気層を形成可能な突部である。
また、集光反射素子24は、少なくとも角度可変ミラー20からの反射光が透過する面すなわち反射光の入射面24aと出射面24bに、例えば誘電体多層膜などの反射防止膜が形成されている。これにより、角度可変ミラー20から反射される光線ビームの透過光効率を向上する事ができる。
以上のように、本実施例によれば、集光機能を集光レンズ16により実現可能としたことで、集光部品と反射ミラーとを樹脂体により一体形成することが可能となっている。これにより、従来のように集光部品と反射ミラーとを別部品として光学位置合わせする場合と比べて、光学位置合わせを簡素化することができる。
集光されたビーム光線L4は、導波モジュール36に導かれ、樹脂体で形成された導波モジュール36と空気層で形成された反射ミラー18の界面(反射面18a)で両者の屈折率の比により角度可変ミラー20へ立ち上げるように全反射される。なお、反射ミラー18の形状や屈折率比などの関係で全反射させることができない場合は、界面に例えばアルミニウムなどの光反射材料の膜を形成し、これにより界面に入射する光を反射させてもよい。
角度可変ミラー20へ導かれたビーム光線は、図5に示すように、角度可変ミラー20のミラー面20aの上下左右の2次元の傾き調整によりスクリーンなど被投射面40の任意の位置に走査投射される。なお、図5に示すように、ビーム光線L4は、厳密には赤色42a,緑色42b,青色42cの各ビーム光線が分離しているが、被投射面40の各画素44の範囲内に納まるように集光されている。
つまり、被投射面40からある程度離れた観測者には、これら近接した赤色42a,緑色42b,青色42cの光は、これらが混ざった画像46として認識され、結果として、図3に示した完全に同一光軸上に合成した画像と同様の画像を得ることができる。
なお、本実施例では、赤色42a,緑色42b,青色42cの光は高さ方向の位置が揃えられているが、必ずしもこれには限られない。要は、各ビーム光線のビーム間隔を集光レンズ系で狭めて被投射面上の1画素内に各ビーム光線が投射されるようになっていればよい。
図6は、本発明の投射型表示装置の第2実施例を示す構成図である。本実施例は、第1実施例に対して、導波モジュール36に形成される反射ミラー18の構造が異なるのみである。したがって、それ以外の部分の説明は省略する。
第1実施例では、反射ミラー18は導波モジュール36の角度可変ミラー20と反対側の面から板内に向けて形成された空気層により構成されている。これに対して本実施例では、図6に示すように、反射ミラー18は導波モジュール36の角度可変ミラー20側の面から板内に向けて形成された空気層により構成されている。
すなわち、紫外線硬化樹脂等に、集光レンズ16の形状の反転パターンの突部及び反射ミラー18の反射面を形成する突部を有するモールドを押し付けて、集光反射素子24を形成する場合、第1実施例では、集光反射素子24の両方の面から突部を押し付ける必要がある。これに対して本実施例では、集光反射素子24の一方の面から突部を押し付ければ足りるので生成工程が簡略化される。
また、第1実施形態に比べて、集光レンズ16と反射ミラー18とのアライメント誤差が生じ難い。また、反射ミラー18の空気層は導波モジュール36と角度可変ミラー20のモールド22とで密閉封止されるため、反射面18aにアルミニウム等の反射材料を蒸着する場合、空気との作用による劣化を生じ難い。
図7は、本発明による投射型表示装置の第3実施例を示す構成図である。本実施例は、第1実施例に対して、複数の光源12a,12b,12cから出射される光1L,2L,3Lをそれぞれコリメートレンズ14に導く導光手段として、複数の光ファイバ、又はプリズム及びミラーの少なくとも一方からなる光学系が備えられている点が異なるのみである。したがって、それ以外の部分の説明は省略する。
図7に示すように、レーザマウント26のモールド22と反対側の端部には他の面より一段高い台座52が形成されており、台座52にはコリメートレンズ14a,14b,14cに対応させた位置に光ファイバ50a,50b,50cを保持する凹状の保持部54がそれぞれ形成されている。台座52及び保持部54によりホルダ構造が形成されている。
本実施例によれば、光ファイバ50の出射端面からコリメートレンズ14a,14b,14cに出射する角度は、レーザ固有のバラつきに起因せず、それぞれ光ファイバ50a,50b,50cを保持するホルダの構造で制御できる。そのため、各光源12a,12b,12cから出射した光をいったん光ファイバ50a,50b,50c内で導波する本実施例では、光源12a,12b,12cの高精度な配置位置調整や傾き補正が不要となる。
また、複数の光源12a,12b,12cからコリメートレンズ14側に導光する手段として、光ファイバ50の他に、プリズムやミラーなどの光学系を用いた間接的導光を採用することにより、レーザの取り付け位置や、素子サイズの自由度を向上させる事ができる。
図8は、本発明による投射型表示装置の第4実施例を示す構成図である。本実施例は、第1実施例の集光レンズ16の変形例である。したがって、それ以外の部分の説明は省略する。
第1実施例では、凸レンズであるレンズ16aと凹レンズである16bとによりビームエキスパンダを構成している。これに対して、本実施例では、2枚の凸レンズであるレンズ16c,16dによりビームエキスパンダを構成している。要は、集光レンズ16は、複数のビーム光線のビーム間隔を絞ってほぼ同一光軸上に集光する光学系であればよい。
図9は、本発明による投射型表示装置の第5実施例を示す構成図である。本実施例は、第1実施例の集光レンズ16の変形例である。したがって、それ以外の部分の説明は省略する。
図9に示すように、集光レンズ16は、プリズム56により構成することができる。この場合、プリズム56に入射された各ビーム光線L1,L2,L3は、屈折により互いのビーム間隔が絞られて縮小される。
図10は、本発明による投射型表示装置の第5実施例を示す構成図である。本実施例は、第1実施例の集光レンズ16の変形例である。したがって、それ以外の部分の説明は省略する。
図10に示すように、集光レンズ16は、2枚のプリズム56,58により構成することができる。まずプリズム56に入射された各ビーム光線L1,L2,L3は屈折により互いのビーム間隔が絞られて縮小され、続いてプリズム58での屈折によりさらにビーム間隔が縮小される。
また、本実施例によれば、プリズム58の角度θを変更することにより、2枚のプリズム56,58を透過した光線4Lの光軸位置を変更できる。これによりレーザの取り付け位置の自由度を増大させることができる。
本発明の投射型表示装置の第1実施を示す構成図であり、(A)は平面図、(B)は(A)のB−B線での断面図である。 図2は本実施例の投射型表示装置の斜視図である。 複数のビーム光線を同一光軸上に集光させるための従来技術の例を示す図である。 第1実施例の集光レンズの構成を示す図である。 集光したビーム光線を角度可変ミラーにより被投射面に投射される様子を示す図である。 本発明の投射型表示装置の第2実施例を示す構成図である。 本発明の投射型表示装置の第3実施例を示す構成図である。 第4実施例の集光レンズの構成を示す図である。 第5実施例の集光レンズの構成を示す図である。 第6実施例の集光レンズの構成を示す図である。
符号の説明
10 投射型表示装置
12 光源
14 コリメートレンズ
16 集光レンズ
18 反射ミラー
18a 反射面
20 角度可変ミラー
24 集光反射素子
26 レーザマウント
40 被投射面
50 光ファイバ
56,58 プリズム

Claims (14)

  1. 画像信号に応じて変調された光を出射する複数の光源と、該複数の光源からの光を互いに平行なビーム光線に変換するコリメートレンズと、変換された複数のビーム光線をほぼ同一光軸上に集光する集光手段と、ほぼ同一光軸上に集光された光を角度可変ミラーにより反射して被投射面上に二次元走査する光走査手段とを備え、
    前記集光手段は、前記変換された複数のビーム光線のビーム間隔を絞ってほぼ同一光軸上に集光する集光レンズ系により構成されてなる投射型表示装置。
  2. 請求項1記載の投射型表示装置において、前記集光レンズ系は、ビームエキスパンダである投射型表示装置。
  3. 請求項1記載の投射型表示装置において、前記集光レンズ系は、プリズムである投射型表示装置。
  4. 請求項1の投射型表示装置において、前記集光レンズ系によりほぼ同一光軸上に集光された光を前記角度可変ミラーへ反射する反射ミラーを備え、
    前記集光レンズ系と前記反射ミラーとが樹脂体により一体形成されてなる投射型表示装置。
  5. 請求項4の投射型表示装置において、前記集光レンズ系と前記反射ミラーとが樹脂体により一体形成されてなる素子は、板状のベース部の板面から起立して形成された集光レンズ系と、前記ベース部の側面から連続するとともに板厚が前記集光レンズ系の先端部まで厚くなっている板状の導波モジュールの前記集光されたビーム光線の通過領域に形成された空気層の反射ミラーにより形成されており、
    前記素子は、前記ベース部上の前記集光レンズ系以外の部分の形状の突部と、前記反射ミラーの空気層の部分の形状の突部とを有してなるモールドを、紫外線硬化樹脂或いは熱硬化樹脂に押し付けて、その後紫外線或いは熱で樹脂を硬化させ、前記モールドを離すという工程で形成されてなる投射型表示装置。
  6. 請求項4の投射型表示装置において、前記反射ミラーは、前記樹脂体の前記ほぼ同一光軸上に集光された光の通過領域に形成された空気層と樹脂体との界面での全反射により、或いは前記界面に形成された光反射材料の膜により、該界面に入射する光を反射する投射型表示装置。
  7. 請求項4に記載の投射型表示装置において、前記集光レンズ系と前記反射ミラーとが樹脂体により一体形成されてなる素子は、少なくとも前記角度可変ミラーからの反射光が透過する面に、反射防止膜が形成されてなる投射型表示装置。
  8. 請求項4の投射型表示装置において、前記集光レンズ系と前記反射ミラーとが樹脂体により一体形成されてなる素子は、前記光走査手段の封止パッケージの一部として機能する投射型表示装置。
  9. 請求項4の投射型表示装置において、前記複数の光源と、前記コリメートレンズと、前記光走査手段と、前記集光レンズ系と前記反射ミラーとが樹脂体により一体形成されてなる素子とは、それぞれ突き当て固定により組立てられるパッシブアライメントである投射型表示装置。
  10. 請求項1の投射型表示装置において、前記複数の光源は、赤色、緑色、青色のそれぞれの半導体レーザである投射型表示装置。
  11. 請求項1の投射型表示装置において、前記複数の光源から出射される光をそれぞれ前記コリメートレンズに導く導光手段として、複数の光ファイバ、又はプリズム及びミラーの少なくとも一方からなる光学系が備えられてなる投射型表示装置。
  12. 請求項1の投射型表示装置において、前記光走査手段は、少なくとも1つのガルバノミラー、又は電磁駆動、静電駆動、電気歪駆動のいずれかの方式のマイクロマシンミラーである投射型表示装置。
  13. 請求項1の投射型表示装置において、前記コリメートレンズは、複数の光源にそれぞれ対応する複数のコリメートレンズからなるマイクロレンズアレイである投射型表示装置。
  14. 請求項1の投射型表示装置において、前記複数の光源が固定されるレーザマウントを備え、該レーザマウントは、アルミニウムで形成されてなる投射型表示装置。
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