JP4860307B2 - Image display device - Google Patents
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Description
本発明は画像表示装置に関し、詳細にはプロジェクションディスプレイなどの電子ディスプレイ装置に応用可能な、画像情報に従って光を制御可能な複数の画素を有する変調素子をレンズなどで拡大して画像を観察するための画像表示装置に関する。 The present invention relates to an image display device, and in particular, for observing an image by enlarging a modulation element having a plurality of pixels capable of controlling light according to image information with a lens or the like, which can be applied to an electronic display device such as a projection display. The present invention relates to an image display apparatus.
従来より、変調素子を用いて変調した画像をスクリーンに投射する液晶プロジェクター装置としては、赤色(R)光、緑色(G)光及び青色(B)光のような3つの単色光をそれぞれ変調素子で変調する構成の装置が知られている。液晶プロジェクター装置において、スクリーンに投射された画像を高解像度にするために高精細化する必要がある。そのために、変調素子の画素数の増加、複数のプロジェクター装置によるマルチ画面の構成、緑色光用の画素を半画素ピッチずらした2倍の配置が考えられている。ところが、変調素子の画素数を増加させると、透過型液晶素子においては画素の開口率が低下し、投射輝度が不足するなどの不具合が発生する。また、マルチ画面の構成では、各画面を滑らかに接続することが難しい。更に、緑色光用の画素の半画素ピッチでの2倍の画素数の配置にすることは、RGB全帯域の光を1つの投射レンズでスクリーン上に結像するため、投射レンズの有する倍率色収差によって各色に像は厳密に同じ大きさにならず、高解像度の画像は得られない。そこで、特許文献1には、投射光路中に配置されたミラーなどの反射型光路偏光素子によって画像シフトを行う提案がなされている。
しかしながら、反射型光路偏向素子の配置のため、投射レンズとパネルの間隔(レンズバック)を大きく取る必要があり、レイアウトの自由度が制約される。更には、別途に平行平板素子のスペースが必要となり、投射レンズのバックフォーカスを長くする必要がある。また、レンズ系内部に反射ミラーを構成するため、特殊な投射レンズとなり、汎用の投射レンズを使うことができない。そして、従来からあるエンジン光学系のレイアウト等も見直す必要がある。 However, because of the arrangement of the reflective optical path deflecting element, it is necessary to increase the distance between the projection lens and the panel (lens back), and the degree of layout freedom is limited. Furthermore, a space for the parallel plate element is required separately, and it is necessary to lengthen the back focus of the projection lens. In addition, since the reflecting mirror is formed inside the lens system, it becomes a special projection lens, and a general-purpose projection lens cannot be used. It is also necessary to review the layout of the conventional engine optical system.
本発明はこれらの問題点を解決するためのものであり、簡単な構成で、光学系レイアウトを変更することなく、画素密度を増やし、表示画像の高精細化を図ることができる画像表示装置を提供することを目的とする。 The present invention is intended to solve these problems, and an image display apparatus that can increase the pixel density and increase the resolution of a display image with a simple configuration and without changing the optical system layout. The purpose is to provide.
前記問題点を解決するために、本発明の画像表示装置は、照明光源と、画像を表示する変調素子と、投射光学系と、変調素子への照明光源からの照明光と投射光学系へ向かう結像光を分離する光路分離素子とを含んで構成している。そして、本発明の画像形成装置は、光路分離素子を変位させる変位手段を有することに特徴がある。よって、投射系の光路長を変化させることなく、光路シフト機能を追加できると共に、光学系のレイアウトを損なうことなく、画素数を増大させることができる。 In order to solve the above problems, an image display device according to the present invention is directed to an illumination light source, a modulation element that displays an image, a projection optical system, illumination light from the illumination light source to the modulation element, and the projection optical system. And an optical path separation element for separating the imaging light. The image forming apparatus of the present invention is characterized in that it has a displacement means for displacing the optical path separation element. Therefore, an optical path shift function can be added without changing the optical path length of the projection system, and the number of pixels can be increased without impairing the layout of the optical system.
また、光路分離素子は偏光分離スプリッタで構成されることにより、偏光ビームスプリッタを用いた光学系にそのまま適用でき、高精細化できる。 Further , since the optical path separation element is constituted by a polarization separation splitter, it can be applied as it is to an optical system using a polarization beam splitter, and high definition can be achieved.
更に、光路分離素子は平板型の偏光分離スプリッタであることにより、高速で変位させることができ、高品質な画像を得ることができる。 Furthermore, since the optical path separation element is a flat type polarization separation splitter, it can be displaced at high speed, and a high quality image can be obtained.
また、平板型の偏光分離スプリッタは、結像光を基板内で通過させずに、偏光分離機能面で反射させることにより、僅かな変位であっても、光路シフトが可能となり、偏光ビームスプリッタの機能を低下させることなく、光路シフトを生じさせることができる。 In addition, the flat plate type polarization separation splitter allows the optical path to be shifted even with a slight displacement by reflecting the imaged light on the polarization separation function surface without passing it through the substrate. An optical path shift can be caused without degrading the function.
本発明の画像形成装置は、光路分離素子を変位させる変位手段を有する。よって、投射系の光路長を変化させずに光路シフト機能を追加でき、光学系のレイアウトを損なうことなく画素数を増大させることができる。 The image forming apparatus of the present invention has a displacement means for displacing the optical path separation element. Therefore, an optical path shift function can be added without changing the optical path length of the projection system, and the number of pixels can be increased without impairing the layout of the optical system.
図1は本発明の画像表示装置の原理を示す概略図である。同図を用いて、光路のシフトについての作用について説明する。具体的な偏光ビームスプリッタ11の回転角度を見積る。入射光が透過光である場合、シフト量dは、プリズムの屈折率nの媒質から、屈折率n’の媒質の距離tを入射角θで入射したとき、屈折率n’の媒質内でθ’の角度で進むとすると、スネルの法則のn・sinθ=n’・sinθ’より、以下の式で与えられる。
FIG. 1 is a schematic view showing the principle of the image display apparatus of the present invention. The operation of the optical path shift will be described with reference to FIG. A specific rotation angle of the
シフト量d=t×tanθ’
=t×tan(asin(1/n’×sinθ)) ・・・(1)
ただし、n=1、屈折率n’の媒質の進む距離とプリズム厚はほぼ等しいとした。
Shift amount d = t × tan θ ′
= T × tan (asin (1 / n ′ × sin θ)) (1)
However, the distance traveled by the medium having n = 1 and the refractive index n ′ is substantially equal to the prism thickness.
ここで、図2には図1の偏光ビームスプリッタ11のプリズム厚がt=30mm、40mm、50mm、屈折率が1.54の場合、式(1)より、回転角度と、光路シフト量を求めた結果を示す。また、図3には図1の偏光ビームスプリッタ11のプリズム厚をt=40mmと固定して、回転角度を変化させた場合の光路シフト量を求めた結果を示す。図2,図3からわかるように、プリズム厚がt=40mm前後で、角度を数十秒の変位で、数μmの光路をシフトすることが可能となる。例えば、画素ピッチが14μmであれば、その半ピッチの7μmのシフト量を得るためには、t=40mm、回転角度を55.6秒とするとよいことがわかる。また、プリズムの内部で反射した場合も全く同様な関係となる。画素ピッチの1/2程度であれば、数十秒から数分の角度変位を生じさせればよいため、本来の光路分離機能や、偏光ビームスプリッタの偏光特性等に影響を与えることなく、光路シフトを行うことが可能となる。また、照明光に関しても、パネル面への照明エリアがシフトすることになるが、その値は画素レベルであるため、照明均一性を損なうことはない。このように、偏光ビームスプリッタの厚さと、この偏光ビームスプリッタの変位により光路をシフトすることが可能となる。さらに、微小な変位により所望の光路のシフトが可能となる。なお、プリズム型のビームスプリッタの例を挙げたが、平板でも同様である。
Here, in FIG. 2, when the prism thickness of the polarizing
このようなシフト機能の原理を用い、本発明は画像表示装置の光路分離作像系に本発明のシフト機能を盛り込んだことに特徴がある。 Using the principle of such a shift function, the present invention is characterized in that the shift function of the present invention is incorporated in an optical path separation image forming system of an image display device.
なお、照明光源としては、ハロゲンランプ、キセノンランプ、メタルハライドランプ、超高圧水銀ランプなどが用いられる。また、LEDランプ、LDなどの単色光も用いられる。近年高輝度な白色LEDが登場し、本発明の照明光源として適用してもよい。高効率な照明効率を得られるように照明光学系を搭載してもよい。照明光学系の具体例としては、超高圧水銀ランプなど、光源近傍に配置されたリフレクター(光源と一体となっている)や、このリフレクターにより反射されて指向性を持った光束をインテグレータ光学系(フライアイレンズ対)といわれる照度均一化手段でパネル面上へと均一に照明分布を得られるように、照明光学系を搭載してもよい。変調素子であるライトバルブが反射型タイプの場合、図示はしないが、偏光変換素子など用いて、効率の良い照明を行うとよい。 As the illumination light source, a halogen lamp, a xenon lamp, a metal halide lamp, an ultrahigh pressure mercury lamp, or the like is used. In addition, monochromatic light such as an LED lamp or LD is also used. In recent years, white LEDs with high luminance have appeared and may be applied as the illumination light source of the present invention. An illumination optical system may be mounted so that high illumination efficiency can be obtained. Specific examples of the illumination optical system include a reflector (integrated with the light source) arranged near the light source, such as an ultra-high pressure mercury lamp, and an integrator optical system (direct light beam reflected by this reflector). An illumination optical system may be mounted so that an illumination distribution can be obtained uniformly on the panel surface by means of illuminance equalization called a fly-eye lens pair. When the light valve, which is the modulation element, is a reflection type, although not shown, it is preferable to perform efficient illumination using a polarization conversion element or the like.
このように、従来のミラーで行っていた光路シフトの方式、装置であると、投射レンズとパネルの間に、これらの偏向素子を配置する必要があり、それらのスペース等が必要となっていたが、本発明の構成を採用することで、光路長を変化させることなく、光路シフト機能を追加できる。また、光路シフト機能の追加によって生じる光学系のレイアウトを損なうこともない。 As described above, in the optical path shift method and apparatus performed by the conventional mirror, it is necessary to dispose these deflecting elements between the projection lens and the panel, and the space and the like thereof are necessary. However, by adopting the configuration of the present invention, an optical path shift function can be added without changing the optical path length. Further, the layout of the optical system caused by the addition of the optical path shifting function is not impaired.
図4は本発明の第1の実施の形態例に係る画像表示装置の構成を示す概略図である。同図に示す本実施の形態例の画像表示装置は、少なくとも、照明光源(図示せず)と、画像を表示する変調素子であるライトバルブ21と、投射光学系(図示せず)と、光路分離素子22とを含んで構成されている。ライトバルブ21は、反射型の液晶パネル(Lcos)や、マイクロミラーデバイスなどが好適である。また、光路分離素子22としては、全反射プリズム23,24を用い、全反射プリズム23と全反射プリズム24は同じ屈折率を有し、互いに対向する間にエアギャップ25が設けられている。光路分離素子はガラス、セラミック、サファイア、プラスティックなどの材料で構成されているものが挙げられる。同図の(a)に示すように、照明光は全反射プリズム23の偏光面で反射してライトバルブ21に入射され、一点鎖線で囲む部分の拡大図に示すようにライトバルブ21で形成された変調画像光が全反射プリズム23の偏光面とエアギャップ25で屈折し、更に全反射プリズム24に屈折されて入射されて結像光として全反射プリズム24から出射され、スクリーン(図示せず)に結像される。そして、光路分離素子22全体の回転角度を変化させた場合、図4の(b)に示すように、照明光が全反射プリズム23の偏光面で反射してライトバルブ21に同図の(a)と異なる入射角で入射され、一点鎖線で囲む部分の拡大図に示すようにライトバルブ21で形成された変調画像光が全反射プリズム23の偏光面とエアギャップ25で屈折し、更に全反射プリズム24に屈折されて入射されて所定のシフト量でシフトされた結像光として全反射プリズム24から出射され、スクリーン(図示せず)に結像される。このように、図4の(a)に示す状態と図4の(b)に示す状態(実線)を交互に切り替えることによって、それぞれの画像投射位置で画像を高速に切り替える。この全反射プリズムで反射する光線の実質厚みt’が、図1で説明したプリズム厚みtに置き換えれば、シフト量の算出が可能である。このような構成であって、偏光を取り扱わない光学系であっても、全反射プリズムを光路シフト機能として用いることにより、光学系のレイアウトを損なうことなく、画素数増大させることができる。
FIG. 4 is a schematic diagram showing the configuration of the image display apparatus according to the first embodiment of the present invention. The image display apparatus according to this embodiment shown in the figure includes at least an illumination light source (not shown), a
また、図4に示す実施の形態例以外に、例えば偏光ビームスプリッタ、反射型液晶パネル(Lcos)をライトバルブとして用いる作像系、偏光ビームスプリッタ(PBS)を用いる実施の形態例が考えられる。光路分離素子としての偏光ビームスプリッタが光路分離機能として作用する理由は、照明光の偏光と、ライトバルブで変調されて偏光が変わることにより、照明光と分離することができる。例えば、照明光がP偏光で、偏光ビームスプリッタを透過させてライトバルブへ照明しているとする。変調画像光は、白表示のとき、S偏光となって、反射され、偏光ビームスプリッタで反射し、投射レンズへの照明光と分離するこの光路分離素子を微小角度変位させることにより、投射画像の光路を偏向させ、隣接画素に重ならない位置に画素シフトを行い、その位置でのサブフレーム画像をライトバルブにより高速に変調させ、見かけ上、画素数を増やして表示させることができる。なお、図4には、説明のため、ライトバルブ、偏光ビームスプリッタ、投射レンズへの光路のみを記載し、シフト量は誇張して記載している。 In addition to the embodiment shown in FIG. 4, for example, a polarizing beam splitter, an image forming system using a reflective liquid crystal panel (Lcos) as a light valve, and an embodiment using a polarizing beam splitter (PBS) are conceivable. The reason why the polarization beam splitter as the optical path separating element functions as an optical path separating function is that it can be separated from the illumination light by changing the polarization of the illumination light and the polarization by being modulated by the light valve. For example, it is assumed that the illumination light is P-polarized light and illuminates the light valve through the polarization beam splitter. The modulated image light is reflected as S-polarized light in white display, reflected by the polarization beam splitter, and separated from the illumination light to the projection lens by displacing the optical path separation element by a minute angle so that the projection image The optical path is deflected, pixel shift is performed at a position that does not overlap with adjacent pixels, and the sub-frame image at that position is modulated at high speed by the light valve, so that the number of pixels can be apparently increased and displayed. In FIG. 4, only the light path to the light valve, the polarization beam splitter, and the projection lens are shown for explanation, and the shift amount is exaggerated.
また、ライトバルブに変調画像を表示させるための駆動制御手段や、サブフレーム画像表示に応じ、光路シフト機能を制御する手段は、図示はしていないが、高精細化表示のためには必要である。 In addition, drive control means for displaying a modulated image on the light valve and means for controlling the optical path shift function in accordance with subframe image display are not shown, but are necessary for high-definition display. is there.
更に、サブフレーム数、それに応じたシフト位置は、必ずしも2つに限ったことではなく、3つあるいは、4つのシフト位置として、3倍、あるいは4倍の高精細化も可能である。 Furthermore, the number of subframes and the shift position corresponding to the number of subframes are not necessarily limited to two, and three or four shift positions can be achieved with three or four times higher definition.
また、シフト方向も、一方向のみだけでなく、多方向に行ってもよい。また、多段に行ってもよい。例えば、縦方向と横方向にそれぞれ2つのシフト位置となるような変位を与えることで,縦横それぞれ2倍、合計4倍の画素増大も可能となる。もちろん、一方向のみ本発明を適用し、多方向は、従来の画素シフト技術と組み合わせてもよい。 Further, the shift direction may be performed not only in one direction but also in multiple directions. Further, it may be performed in multiple stages. For example, by giving a displacement that results in two shift positions in the vertical direction and the horizontal direction, it is possible to increase the number of pixels by two times in the vertical and horizontal directions, for a total of four times. Of course, the present invention may be applied only in one direction, and the multi-direction may be combined with a conventional pixel shift technique.
更に、必ずしも、画素倍増のための手段に本発明を用いるだけでなく、同一フレーム画像として、シフト表示させることで、特に動画表示には、スムージング効果が働き、より視認性の高い画像を得ることも期待できる。 Furthermore, not only the present invention is necessarily used as a means for doubling the pixels, but also by displaying the same frame image as a shift, a smoothing effect works particularly in moving image display, and an image with higher visibility can be obtained. Can also be expected.
図5は本発明の第2の実施の形態例に係る画像表示装置の構成を示す概略図である。同図において、図4と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。本実施の形態例の画像表示装置における光路分離素子としてはキューブ型の偏光ビームスプリッタ31を用いており、照明光を反射で、結像系を透過させている。本実施の形態例の画像表示装置でも、図5の(a)に示す状態と図5の(b)に示す状態(実線)を交互に切り替えることによって、それぞれの画像投射位置で画像を高速に切り替えることができる。プリズムを透過させる場合は、光路中のどの位置に置かれても、そのプリズムの回転角と光路シフトの量は、変わらない。式(1)に示すように、プリズムの厚みの関数であり、よってパネルと光路分離素子の位置関係が変わる場合、例えば投射画面で焦点合わせを行う場合など、パネルとプリズムの相対位置関係を変化させることが必要になってくるが、その位置合わせにより、シフト量への影響がなく、安定したシフト量が得られる。
FIG. 5 is a schematic diagram showing the configuration of an image display apparatus according to the second embodiment of the present invention. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 4 denote the same components. A cube-type
図6は本発明の第3の実施の形態例に係る画像表示装置の構成を示す概略図である。同図において、図4と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。本実施の形態例の画像表示装置における光路分離素子としては平板型の偏光分離スプリッタ41を用いている。図6に示したように、ライトバルブ21からの変調画像光が平板型の偏光分離スプリッタ41を通過する際に、光路がシフトされるが、この平板型の偏光分離スプリッタ41が微小に変位、つまり微小角度回転することによって、式(1)の関係により、光路シフトを生じさせることができ、画素数増大させることができる。このような構成であって、変位させる部材が平板型であるので、質量が比較的に軽量となり、高速で変位させることに対して非常に有効である。具体的な平板型の偏光分離スプリッタとしては、誘電体多層膜をガラス基板上に形成したものや、ナノ構造周期で金属のパターンをガラス基板上に形成した金線格子型の偏光ビームスプリッタ、いわれるワイヤーグリッドタイプのPBS(偏光ビームスプリッタ)などが好適である。
FIG. 6 is a schematic diagram showing the configuration of an image display apparatus according to the third embodiment of the present invention. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 4 denote the same components. A plate-type
図7は本発明の第4の実施の形態例に係る画像表示装置の構成を示す概略図である。同図において、図4と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。本実施の形態例の画像表示装置における光路分離素子としては平板型の偏光分離スプリッタ41を用いているとともに、結像光は偏光分離スプリッタ41を通過させずに、偏光分離機能面で反射させている。このような構成であって、僅かな変位であっても、光路シフトが可能となり、光路分離素子の機能を低下させることなく、光路シフトを生じさせることができ、画素数増大させることができる
FIG. 7 is a schematic diagram showing the configuration of an image display apparatus according to the fourth embodiment of the present invention. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 4 denote the same components. As the optical path separation element in the image display apparatus according to the present embodiment, a flat plate type
図8は本発明の画像表示装置の具体的な構成の一例を示す概略図である。同図において、図4と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示すように、光路分離素子としての偏光分離スプリッタ41を保持する保持部材51を設け、その保持部材51を微小変位させることにより光路分離素子としての偏光分離スプリッタ41を微小量変位させている。変位させる手段としては、圧電素子などのアクチュエータ52などを保持部材51の一端に取り付け、変位を起す方法としては、固定部材53を保持部材51の他端に取り付けてこの固定部材53を支点としてアクチュエータ52を往復運動させることにより保持部材51によって保持されている偏光分離スプリッタ41を微小角度で変位させる。なお、角度のみならず、図9に示すように、保持部材51の全体をシフトさせてもよい。なお、アクチュエータ52として、圧電素子以外として電磁コイルなどを用いることができる。なお、光路分離素子としての光学部品への影響を与えないために保持部材を介して偏光ビームスプリッタ等の光路分離素子の微小変位、微小角度を生じさせるならば、変位手段、保持部材の形状、支持位置や、変位手段による変位作用させる位置を限定するものではない。
FIG. 8 is a schematic view showing an example of a specific configuration of the image display apparatus of the present invention. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 4 denote the same components. As shown in the figure, a holding
なお、本発明は上記実施の形態例に限定されるものではなく、特許請求の範囲内の記載であれば多種の変形や置換可能であることは言うまでもない。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and it goes without saying that various modifications and substitutions are possible as long as they are described within the scope of the claims.
11,31;偏光ビームスプリッタ、21;ライトバルブ、
22;光路分離素子、23,24;全反射プリズム、
25;エアギャップ、41;偏光分離スプリッタ、
51;保持部材、52;アクチュエータ、53;固定部材。
11, 31; polarizing beam splitter, 21; light valve,
22; optical path separation element; 23, 24; total reflection prism;
25; air gap, 41; polarization separation splitter,
51; holding member; 52; actuator; 53; fixing member.
Claims (4)
前記光路分離素子を変位させる変位手段を有することを特徴とする画像表示装置。 An illumination light source, a modulation element that displays an image, a projection optical system, and an optical path separation element that separates the illumination light from the illumination light source to the modulation element and the imaging light toward the projection optical system In the image display device to
An image display device comprising a displacement means for displacing the optical path separation element.
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