JP2008191466A - 投射型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 画像投射光を導光路を用いて伝播させることにより、薄型化を可能にした導光路型表示装置の投影画像の歪を、小型かつ低コストの簡単な構成で低減する。
【解決手段】 ランプ光源１から発せられ、液晶表示素子２により空間変調され、投射レンズ３で拡大された画像投射光の投射光路を、２面の軸対称性を持たない自由曲面レンズ４、５により補正し、平面で構成された楔状導光板の入射面６ｉ上の同一の位置Ｉに入射させ、楔状導光板６内を伝播した画像投射光が、楔状導光板の出射面６ｂの所定の位置から出射させ、スクリーン７上の所定の位置に表示させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、投射型表示装置に関するもので、より具体的には、画像投射光を導光路を用いて伝播させることにより、薄型化を可能にした導光路型表示装置に関するものである。

投射型表示装置は、液晶表示素子等の小型の表示素子に表示された画像を、投射光学系によってスクリーン上に拡大投射し、大画面の表示画像を表示する表示装置である。

このような表示装置は、投射光学系の拡大率を高めることにより、容易に大画面化が可能であり、低コストで大画面の表示装置を実現できる優れた特徴を有する。

しかし、一方で、投射型表示装置は、画像の投射に十分な投射光路を確保するため、装置が大型化し、大きな設置面積が必要になるといった欠点があった。

このような欠点を改善するため、導光路を用いて投射光を伝播させることにより、薄型化・小型化を可能にした導光路型表示装置が提案されている。（例えば、特許文献１参照）。
特表2003−1528356号公報（段落0010、0012〜0013、図１、図２）

しかしながら、導光路を用いて投射光を伝播させる場合、上記特許文献１にも記載されているように、単純に平面で構成された導光路を用いただけでは、投影画像に歪が発生するという問題が生じる。上記特許文献１では、この歪を解消するため、表示素子の画素配列を、導光路によって生じる歪を補正するよう特殊配列に構成する手法や、導光路の面形状に、歪を補正すべく複雑な形状変化を与える手法が記載されている。しかし、これらの手法は、特殊な表示素子配列や複雑な導光路の形成が必要となるため、コスト高になるという問題があった。

また、大型の導光路を製作する場合、導光路の個体差による歪変化や、温度変化よる面形状変化に伴う歪の発生を防止しよとすると、極めて高精度な加工や、温度変化の小さな材料の適用が必要になり、さらにコストが高くなるという問題があった。

本発明は上記のような問題点を解消するためになされたもので、簡単な構成で、画像の歪がなく、小型かつ低コストの、投射型表示装置を提供することを目的とする。

本発明に係る投射型表示装置は、投射光を発生する投射光源と、前記投射光を空間変調して画像投射光を生成する空間変調素子と、前記画像投射光を拡大投射する投射レンズと、前記投射レンズから出射された画像投射光の投射角を補正する自由曲面レンズと、前記自由曲面レンズから出射された画像投射光をその入射角度に応じた位置から出射する楔状導光板と、前記楔状導光板に略密着させたスクリーンとを備え、
前記自由曲面レンズが、前記楔状導光板による画像歪を補正するように前記画像投射光の投射角度を補正することを特徴とする。

また、本発明に係る他の投射型表示装置は、強度変調された赤、緑、青の光を発光するシングルモードレーザと、前記シングルモードレーザの光を２次元的に走査する光走査手段と、前記光走査手段により走査されたレーザ光の投射角を補正する自由曲面レンズと、自由曲面レンズから出射されたレーザ光をその入射角度に応じた位置から出射する楔状導光板と、前記楔状導光板に略密着させたスクリーンとを備え、
前記自由曲面レンズが、前記楔状導光板による画像歪を補正するように前記レーザ光の投射角度を補正することを特徴とする。

本発明に係る投射型表示装置によれば、画像投射光が、少なくとも２面の軸対称性を持たない３次元曲面を有する自由曲面レンズを介した後、平面で構成された楔状導光板内を伝播してスクリーン上に到達するよう構成したので、簡単な構成で、画像の歪がなく、小型かつ低コストの、投射型表示装置を得ることが可能となる。

また、本発明に係る他の投射型表示装置は、強度変調され、２次元的に走査された赤、緑、青の光を発光するシングルモードレーザ光が、少なくとも２面の軸対称性を持たない３次元曲面を有する自由曲面レンズを介した後、平面で構成された楔状導光板内を伝播してスクリーン上に到達するよう構成したので、簡単な構成で、画像の歪がなく、小型かつ低コストの、投射型表示装置を得ることが可能となる。

実施の形態１．
以下、図面により、本発明に係る実施の形態１の投射型表示装置について説明する。
図1は、本発明に係る実施の形態１の投射型表示装置の構成を示す図である。図において、ランプ光源１から発せられた光は、液晶表示素子２により空間変調され画像情報を付与され、投射レンズ3、および、第1の自由曲面レンズ４、第2の自由曲面レンズ５を透過後、楔状導光板６を経由してスクリーン７上に表示される。

楔状導光板６に入射した光は、全反射によって楔状導光板６内を伝播するが、楔状導光板６の傾斜面で反射するたびに、楔状導光板６内での伝播角度が変化する。この伝播角度、言換えれば、楔状導光板６の反射面への入射角度が全反射角度条件を満たさなくなると、楔状導光板６からスクリーン７に出射する。

ここで、図２により楔状導光板６内の光伝播経路について説明する。
図２に示すように、楔状導光板の入射面６ｉ上の位置Iに入射した光は、その入射角により楔状導光板６内の光伝播経路が決定され、全反射角度条件を満たさなくなることにより楔状導光板６から出射する位置も決定される。例えば、入射位置Iより入射角αで、楔状導光板６に入射した光は、楔状導光板の形状によって伝播経路が決定されているので、常に出射位置Ａにおいて楔状導光板６から出射する。入射角αの場合には、出射位置Ａ、入射角βの場合には、出射位置Ｂというように、入射角と出射位置は、1対１に対応した関係になる。

以上のように、楔状導光板６に入射した光は、その入射角に対応した位置から出射するので、楔状導光板６への入射光に、入射角に応じた強度分布を付与すれば、楔状導光板の出射面６ｄの所定の位置から入射角に応じた強度分布の光が出射され、スクリーン７によって、観察方向に偏向されると共に、視野角を調整され、画像が形成される。

次に、図3により、液晶表示素子２と投射レンズ３による画像投射光学系の投射光角度特性について説明する。図３に示すように、液晶表示素子２と投射レンズ３による画像投射光学系は、液晶表示素子２上に表示された画像を、投射レンズ3によって、所定の投射面上に、結像転写するよう構成されている。その際、投射面上の異なる位置に到達する光、すなわち、液晶表示素子２の異なる画素から出射された光の、投射レンズ３からの出射角γは、投射面上の位置によってすべて異なっている。このことから、液晶表示素子２と投射レンズ３による画像投射光学系では、投射レンズ3からの出射光は、液晶表示素子２に表示された画像に応じて、出射角強度分布が与えられた光となっている。

液晶表示素子２と投射レンズ３による画像投射光学系から出射された画像投影光を楔状導光板６に入射させると、楔状導光板６から画像投影光の入射角と強度分布に基づいた光が出射され、楔状導光板の出射面６ｄ上に画像が形成される。

このような、液晶表示素子２と投射レンズ３による画像投射光学系から出射された画像投影光を、楔状導光板６の内部を伝播させ、画像を表示する導光路型表示装置は、投射光路が楔状導光板６によって構成されているので、極めて小型の投射型表示装置を実現することができる。

しかし、楔状導光板６を平面のみで構成した単純な楔形状とした場合、楔状導光板６へ入射する光の入射角と出射位置は1対１に対応してはいるが、入射角と出射位置の関係が線形でないため、液晶表示素子２に直交配列を採用した通常の表示素子を用いると、液晶表示素子２に表示された画像と、楔状導光板６の出射面上の投影画像は、相似形とならず、図４のような、歪を生じてしまうという問題点がある。

このような画像歪の問題は、楔状導光板６の面形状を、単純な平面ではなく、歪を補正する複雑な曲面形状とすることにより回避することができるが、この場合、楔状導光板６の大面積の表面に、複雑な曲面形状を高精度で形成することが困難であるため、楔状導光板６が極めて高コストになってしまう。

また、液晶表示素子２の画素配列を、楔状導光板６によって生じる歪を補正するよう特殊配列に構成することによっても、画像歪の問題を回避することができるが、この場合も、特殊な表示素子が必要となるため、同様に高コストになってしまう。

本実施の形態１の構成では、平面のみで構成した単純な楔状導光板６と通常の直交配列を採用した液晶表示素子２を用い、液晶表示素子２と投射レンズ３による画像投射光学系と、楔状導光板６との間に、片面に軸対称性を持たない3次元曲面である自由曲面を有し、反対面は平面で構成された自由曲面レンズ４，５を2枚挿入することにより、画像の歪を解消している。自由曲面レンズは、複雑な曲面形状を有するものの、楔状導光板６と比べて小型の光学素子であるため、製作が容易で、大きなコストアップとはならない。

図５により、２枚の自由曲面レンズ４，５により画像の歪を解消する構成について説明する。まず、楔状導光板６で発生する歪は、液晶表示素子２の各画素から発せられ、投射レンズ３を透過した光の角度を、楔状導光板６で発生する歪を補正するよう、それぞれ角度変換することによって、補正することができる。図５に示された、２枚の自由曲面レンズ４，５では、液晶表示素子２の各画素から発せられ、投射レンズ３を透過した画像投射光の角度を、楔状導光板６で発生する歪を補正するよう角度変換し、画像投射光が楔状導光板の入射面６ｉ上の同一の位置Iから入射するよう構成されている。

液晶表示素子２の画素から発せられ、投射レンズ３を透過して、出射角δ1で投射レンズを出射した光は、第1の自由曲面レンズ4の自由曲面屈折面上では、出射角δ1で規定された位置Jに到達する。一方で、所定の位置Iから、楔状導光板６に所定の入射角δ2で光を入射させようとすると、楔状導光板６への入射光は、第2の自由曲面レンズ５の自由曲面屈折面上では、出射位置Kから出射されなければならない。

出射角δ1で投射レンズ3を出射し、第1の自由曲面レンズ４の自由曲面屈折面に位置Jに入射した光を、第1の自由曲面レンズ４の自由曲面屈折面により、第2の自由曲面レンズ５の自由曲面屈折面上の位置Kに到達するよう偏向し、さらに、第2の自由曲面レンズ５の自由曲面屈折面により、位置K出射後、楔状導光板６の位置Iに到達するよう偏向すれば、出射角δ1で投射レンズ3を出射した光を、楔状導光板の入射面６ｉの所定の位置Iに所定の入射角δ2で入射する光に角度変換できる。

図５の光学系では、液晶表示素子２の各表示画素から発せられ、投射レンズ３を透過した全ての画像投射光に対し、それぞれ、楔状導光板６により発生する画像歪を補正するよう設定された入射角に変換し、同一の入射位置から楔状導光板６に入射するよう、２枚の自由曲面レンズ４，５の自由曲面形状を構成しているので、楔状導光板６により発生する歪を解消することができる。

楔状導光板６による画像歪の発生は、液晶表示素子２と投射レンズ３による画像投射光学系の光軸に対して軸対称とならないため、これを補正する光学系も、軸対称の非球面レンズでは補正することができず、軸対称性を持たない自由曲面レンズが必要になる。

また、図６に示すように、楔状導光板６に入射する画像投射光の入射角が同じでも、入射位置がＩsにずれると、楔状導光板６から出射する位置がＡｓにずれてしまう。本実施の形態１の構成では、この点についても、液晶表示素子２のすべての画素から発せられた光が、同一の入射位置Ｉから楔状導光板６に入射するよう構成しているので、入射位置の違いによって発生する画像歪も解消される。

本実施の形態１では、２枚の独立した自由曲面レンズ４，５を用いて歪補正光学系を構成しているが、楔状導光板６によって発生する画像歪を解消する効果は、少なくとも２面の自由曲面を有する光学系を用いれば同様に実現可能であることは、画像歪を補正する角度変換の原理から明らかである。２面の自由曲面を有する光学系を、自由曲面反射ミラーや両面に自由曲面を有する単独のレンズを用いて構成することも可能である。更に、２面の自由曲面を、投射レンズ３の構成要素の中に配置することも可能である。

表示素子や光源についても、本実施の形態では、それぞれ、液晶表示素子２と、ランプ光源１を用いているが、これに限定されるものではないことは言うまでもない。

以上説明した実施の形態１の投射型表示装置によれば、投射光を、楔状導光板６によって伝播し、その際発生する画像歪を、2枚の小型の自由曲面レンズ４、５によって補正するようにしたので、極めて小型で低コスト、かつ画像歪のない投射型表示装置を実現することができる。

実施の形態２．
次に、図７により、本発明に係る実施の形態２の投射型表示装置について説明する。
図７は、本発明に係る実施の形態２の投射型表示装置の構成を示す図である。図において、映像信号に基づいて強度変調された赤、緑、青の光を発光するシングルモードレーザ８、９、１０から発せられた光は、ダイクロイックミラー１１、１２、１３により同一光軸上に重ね合わされ、光走査装置１４により２次元に走査され、第１の自由曲面レンズ４、第２の自由曲面レンズ５、楔状導光板６を介してスクリーン７に表示される。

同一光軸上に重ね合わされた後、光走査装置１４により２次元に走査された赤、緑、青の投射レーザ光は、第1の自由曲面レンズ４と第２の自由曲面レンズ５により入射角度が補正され、常に楔状導光板の入射面６ｉの所定の同一入射位置に入射する。

なお、楔状導光板６による光伝播や、２枚の自由曲面レンズ４、５によって、楔状導光板６で発生する歪を補正する効果は、実施の形態１と同様である。

楔状導光板６が大型になった場合は、楔状導光板６の製作時の形状個体差や、温度変化よる面形状変化に伴う歪の変化が発生する可能性がある。このような歪変化は、楔状導光板６の個体それぞれや、環境変化によって異なるので、２枚の自由曲面レンズ４、５による歪補正手法では補正できないことがある。

しかしながら、本実施の形態２では、投射光学系に、3色のシングルモードレーザ８、９、１０と、光走査装置１４を用いているので、光走査装置１４の走査条件の変更により、画像の歪をある程度補正できる。例えば、図８に示すように、スクリーン７に例えばクロスハッチなどのテストパターン１５を表示し、そのテストパターン１５を撮像装置１６により観測することにより楔状導光板６の形状個体差や、温度変化よる面形状変化による歪変化を検出し、光走査制御部１７で発生させる２次元走査信号（図示せず）に補正を加え、光走査駆動部１８により光走査装置１４を駆動することにより歪を修正することができる。このように、光走査装置１４の走査条件を、楔状導光板６の個体差や環境変化に適応して設定することにより、歪を最小化することが可能になる。

以上説明した実施の形態２の投射型表示装置によれば、３色のシングルモードレーザ８、９、１０と、光走査装置１４で構成された、画像投射光学系を用い、投射光を楔状導光板６によって伝播し、その際発生する画像歪を、２枚の小型の自由曲面レンズ４、５によって補正することができるので、極めて小型で低コスト、かつ、環境変化に対しても、画像歪のない投射型表示装置を実現することができる。

本発明に係る実施の形態１の投射型表示装置の構成を示す図である。 楔状導光板を伝播する光の光路を示す図である。 液晶表示素子と投射レンズによる画像投射光学系の投射光角度特性を示す図である。 楔状導光板によって発生する画像歪を示す図である。 本発明に係る実施の形態１の自由曲面レンズを用いた歪補正光学系を示す図である。 異なる入射位置から楔状導光板に入射する光の光路を示す図である。 本発明に係る実施の形態２の投射型表示装置の構成を示す図である。 本発明に係る実施の形態２の投射型表示装置の適応型歪補正を説明する図である。

符号の説明

１ ランプ光源、２ 液晶表示素子、３ 投射レンズ、４ 第１の自由曲面レンズ、５ 第２の自由曲面レンズ、６ 楔状導光板、７ スクリーン、８ 赤色シングルモードレーザ、９ 緑色シングルモードレーザ、１０ 青色シングルモードレーザ、１１ 第１のダイクロイックミラー、１２ 第２のダイクロイックミラー、１３ 第３のダイクロイックミラー、１４ 光走査装置。

Claims (6)

1. 投射光を発生する投射光源と、
   前記投射光を空間変調して画像投射光を生成する空間変調素子と、
   前記画像投射光を拡大投射する投射レンズと、
   前記投射レンズから出射された画像投射光の投射角を補正する自由曲面レンズと、
   前記自由曲面レンズから出射された画像投射光をその入射角度に応じた位置から出射する楔状導光板と、
   前記楔状導光板に略密着させたスクリーンとを備え、
   前記自由曲面レンズが、前記楔状導光板による画像歪を補正するように前記画像投射光の投射角度を補正することを特徴とする投射型表示装置。
2. 前記自由曲面レンズから出射された画像投射光が、前記楔状導光板の同一の位置に入射するよう構成されていることを特徴とする請求項１に記載の投射型表示装置。
3. 強度変調された赤、緑、青の光を発光するシングルモードレーザと、
   前記シングルモードレーザの光を２次元的に走査する光走査手段と、
   前記光走査手段により走査されたレーザ光の投射角を補正する自由曲面レンズと、
   自由曲面レンズから出射されたレーザ光をその入射角度に応じた位置から出射する楔状導光板と、
   前記楔状導光板に略密着させたスクリーンとを備え、
   前記自由曲面レンズが、前記楔状導光板による画像歪を補正するように前記レーザ光の投射角度を補正することを特徴とする投射型表示装置。
4. 前記自由曲面レンズから出射されたレーザ光が、前記楔状導光板の同一の位置に入射するよう構成されていることを特徴とする請求項３に記載の投射型表示装置。
5. 前記自由曲面レンズが、少なくとも２面の軸対称性を持たない３次元曲面を有することを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れかに記載の投射型表示装置。
6. 前記楔状導光板の端面が、平面で構成されたことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れかに記載の投射型表示装置。

Images