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影像顯示裝置和應用該影像顯示裝置的三維影像顯示裝置.pdf

摘要
申請專利號:

CN201010281532.9

申請日:

2008.05.16

公開號:

CN101950084B

公開日:

2015.01.07

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 專利權的轉移IPC(主分類):G02B 27/22登記生效日:20180302變更事項:專利權人變更前權利人:日立麥克賽爾株式會社變更后權利人:麥克賽爾株式會社變更事項:地址變更前權利人:日本大阪府變更后權利人:日本京都府|||專利權的轉移IPC(主分類):G02B 27/22變更事項:專利權人變更前權利人:日立民用電子株式會社變更后權利人:日立麥克賽爾株式會社變更事項:地址變更前權利人:日本東京都變更后權利人:日本大阪府登記生效日:20150304|||授權|||專利申請權的轉移IPC(主分類):G02B 27/22變更事項:申請人變更前權利人:株式會社日立制作所變更后權利人:日立民用電子株式會社變更事項:地址變更前權利人:日本東京變更后權利人:日本東京都登記生效日:20131209|||實質審查的生效IPC(主分類):G02B 27/22申請日:20080516|||公開
IPC分類號: G02B27/22; H04N13/00 主分類號: G02B27/22
申請人: 日立民用電子株式會社
發明人: 平田浩二; 谷津雅彥; 池田英博
地址: 日本東京都
優先權: 2007.05.16 JP 2007-130003
專利代理機構: 北京尚誠知識產權代理有限公司 11322 代理人: 龍淳
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201010281532.9

授權公告號:

||||||101950084B|||||||||

法律狀態公告日:

2018.03.23|||2015.03.25|||2015.01.07|||2013.12.25|||2011.03.16|||2011.01.19

法律狀態類型:

專利申請權、專利權的轉移|||專利申請權、專利權的轉移|||授權|||專利申請權、專利權的轉移|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明提供一種影像顯示裝置和應用該影像顯示裝置的三維影像顯示裝置。現有的影像顯示裝置在從觀看者看的縱深方向的相異位置上設置有多個顯示面,在該多個顯示面上顯示二維圖像,從而能夠視聽三維圖像,但該裝置很昂貴。本發明構成為,包括:用于根據第一影像信號調制所入射的光并形成第一圖像的第一光調制部;用于根據第二影像信號調制來自光源的光的一個或多個第二光調制部;和配置在所述第一光調制部的光入射側,對在所述第二光調制部調制的光進行放大投影并形成第二圖像的放大像形成部,其中,所述第一光調制部,被射入在所述放大像形成部形成的所述第二圖像的光,根據所述第一影像信號調制該第二圖像的光并形成第一圖像。

權利要求書

1: 一種影像顯示裝置, 其特征在于, 包括 : 投影圖像形成裝置 ; 和用于根據第一影像信號, 對由該投影圖像形成裝置形成的投影 圖像進行調制得到顯示用圖像的第一光調制部, 所述投影圖像形成裝置具有 : 光源 ; 根據第二影像信號對來自該光源的光進行調制的 一個或多個第二光調制部 ; 和用于投影在該第二光調制部調制的光并在所述第一光調制部 的光入射側形成所述投影圖像的投影透鏡裝置, 并且, 所述投影透鏡裝置具有 : 從形成放大圖像的第一光調制部的入射面朝向所述第 二光調制部依次配置的、 含有旋轉非對稱的反射面的第一鏡子 ; 和包括第一組和第二組的 投影透鏡, 其中, 所述第一組包括位于該第一鏡子的第二光調制部側的至少 1 面具有旋轉 非對稱的透鏡面的第一透鏡, 所述第二組作為整體具有正的折射力, 在所述第一鏡子與所述第一光調制部之間至少配置有 1 枚平面鏡。
2: 一種三維影像顯示裝置, 其為在縱深位置相異的多個顯示面上分別顯示二維圖像從 而生成三維立體圖像的三維顯示裝置, 其特征在于, 包括 : 用于根據第一影像信號調制所入射的光并形成第一圖像的第一光調制部 ; 和投影圖像 形成裝置, 所述投影圖像形成裝置是為了獲得位于從觀看者看相異的縱深位置的多個顯示圖像, 而在所述第一光調制部的光入射側形成第二圖像的裝置, 該投影圖像形成裝置包括 : 用于根據影像信號調制來自光源的光的強度的一個或多個 第二光調制部 ; 和用于放大投影在該第二光調制部得到的圖像并形成所述第二圖像的投影 透鏡裝置, 令通過所述投影圖像形成裝置得到的第二圖像為從規定的方向對顯示對象物體進行 投影的二維像, 通過在第一光調制部對該第二圖像的光束進行再次調制形成所述第一圖 像, 令該第一圖像為從與所述第二圖像相異的影像信號形成的二維像, 由此能夠顯示三維 圖像。
3: 如權利要求 2 所述的三維影像顯示裝置, 其為在縱深位置相異的多個顯示面上分別 顯示二維圖像從而生成三維立體圖像的三維顯示裝置, 其特征在于 : 令通過所述投影圖像形成裝置得到的第二圖像為從來自觀看者的一方的眼睛的視線 方向對顯示對象物體進行投影的二維像, 通過在第一光調制部對該第二圖像的光束進行再 次調制形成所述第一圖像, 令該第一圖像為從來自觀看者的另一方的眼睛的視線方向進行 投影的二維像, 由此能夠顯示三維圖像。
4: 如權利要求 2 或 3 所述的三維影像顯示裝置, 其特征在于 : 還包括將來自所述光源的光變換成所希望的偏振波成分的偏振光變換部, 所述第二光 調制部根據影像信號而對來自該偏振光變換部的光的強度進行調制。
5: 如權利要求 2 或 3 所述的三維影像顯示裝置, 其特征在于 : 所述第一圖像的尺寸與所述第二圖像的尺寸能夠相互獨立地變化。
6: 如權利要求 2 或 3 所述的三維影像顯示裝置, 其特征在于 : 使所述第二圖像的亮度比所述第一圖像的亮度高。
7: 如權利要求 2 或 3 所述的三維影像顯示裝置, 其特征在于 : 使所述第二圖像的亮度比所述第一圖像的亮度低。 2
8: 如權利要求 2 或 3 所述的三維影像顯示裝置, 其特征在于 : 使所述第二圖像的尺寸比所述第一圖像的尺寸小。
9: 如權利要求 5 所述的三維影像顯示裝置, 其特征在于 : 使所述第二圖像的尺寸從第一光調制部向縱深方向逐漸變小。
10: 如權利要求 5 所述的三維影像顯示裝置, 其特征在于 : 使所述第二圖像的尺寸從第 一光調制部向縱深方向逐漸變大。

說明書


影像顯示裝置和應用該影像顯示裝置的三維影像顯示裝置

    本申請是申請日為 2008 年 5 月 16 日, 發明名稱為 “影像顯示裝置和應用該影像顯 示裝置的三維影像顯示裝置” , 申請號為 200810096577.1 的專利申請的分案申請。
     技術領域 本發明涉及從觀察者一側觀察在位于組件縱深方向不同位置的多個顯示面上分 別顯示多個二維圖像的影像顯示裝置, 特別涉及即使將二維圖像的顯示尺寸大型化也能夠 廉價地提供的影像顯示裝置。
     背景技術 近年來, 隨著預定在 2011 年的地面波模擬電視 (television) 播放的停播, 能夠接 收已經開始的高精細 ( 例如 1920×1080 像素 ) 的高清晰播放、 高圖像質量的地面波數字 TV(television) 播放的大畫面的直視型影像顯示裝置也越來越普及。
     一般而言, 用于薄型直視型的影像顯示裝置中的顯示面板有 PDP( 等離子體顯示 面板 : Plasma Display Panel)、 液晶面板等, 而與 PDP 相比, 液晶面板的對比度 ( 也稱為對 比度比 ) 稍遜一籌。另一方面, PDP 還殘存有在進行全白顯示時亮度不足等需要解決的問 題。并且, 關于薄型直視型的影像顯示裝置, 雖然面板在總成本中所占的比例較大, 但是隨 著面板制造商的大型設備投資而導致的面板的生產過剩, 面板的單價已經大幅度下跌, 所 以組裝價格也隨之以每年大約 20%以上的速度下跌。
     因此, 組裝制造公司也均在繼續進行附加價值高的影像顯示裝置的開發, 商 品調整的重點為, 面板的析像度從 XGA(1024×768 像素 ) 向對應更高精細度的高清晰 (1920×1080 像素 ) 播放的機型轉移。并且, 作為下一階段, 正在進行能夠進行三維立體圖 像 ( 以下, 稱為 “三維圖像” ) 的顯示的三維影像顯示裝置的開發。
     作為顯示該三維圖像 ( 三維立體圖像 ) 的三維顯示方法, 在開發的初期階段, 已知 有按照影像信號的每一個 field( 場 ) 對右眼用的圖像 ( 二維圖像 ) 和左眼用的圖像 ( 二 維圖像 ) 進行切換, 并與之同步切換安裝在眼鏡中的液晶快門 (shutter) 的液晶快門眼鏡 方式。但是, 在該方式中, 因為需要液晶快門眼鏡, 所以在實際使用上非常不便。并且還存 在以下問題點, 即, 因為在顯示二維圖像的面 ( 以下, 稱為 “顯示面” ) 進行在肉眼的焦點調 整, 容易產生眼睛疲勞等的生理問題。
     作為解決上述問題點的三維顯示方法和應用該三維顯示方法的三維影像顯示裝 置, 已知有專利文獻 1。
     在專利文獻 1 中, 公開有 : 在安裝縱深方向的相異位置在多個顯示面上生成從觀 看者的視線方向對顯示對象物體進行投影的二維圖像 ( 以下, 只要不產生疑義, 就將二維 圖像簡稱為 “圖像” ), 按照每個顯示面個別獨立地控制該圖像的亮度, 由此獲得不協調感較 少的三維圖像的三維顯示方法。 在本三維顯示方法中, 例如, 一定地保持從觀看者看到的總 體的亮度, 同時, 越靠近觀看者的顯示面越提高其圖像的亮度, 越遠離觀看者的顯示面越降 低其圖像的亮度。 由此, 觀看者由于生理或心理上的原因或者說錯覺, 顯示的即使是二維圖
     像, 也感覺到在多個顯示面之間存在三維圖像。
     此外, 在專利文獻 1 中, 公開有多個應用上述三維顯示方法的三維影像顯示裝置 的實施例。
     例如, 在三維影像顯示裝置的第一實施例 ( 專利文獻 1 的圖 20) 中, 公開有 : 通過 半透明反射鏡 (halfmirror) 將多個二維影像顯示裝置 ( 例如, CRT、 液晶顯示器、 LED 顯示 器、 等離子體顯示器、 FED 顯示器、 DMD 顯示器、 投影型顯示器、 線掃描型顯示器等 ) 的圖像 分別配置在縱深方向的相異位置 ( 顯示面 ) 的光學系統。但是, 在此三維影像顯示裝置中, 為了獲得大型的三維圖像, 存在裝置大型化 ( 尤其是裝置的縱深加長加大化 ), 且昂貴的問 題。而且, 因為使用半透明反射鏡, 所以光的利用效率下降, 裝置的明亮度變小。
     在第二實施例 ( 專利文獻 1 的圖 21) 的三維影像顯示裝置中, 公開有 : 在投影圖像 的多個投影機的前面配置用于分別進行光的透過 / 遮斷的快門元件, 在來自各個投影機的 投影圖像的成像位置分別配置對散射 / 透過或反射 / 透過進行控制的散射板, 使散射板的 散射 / 透過的定時 ( タイミング ) 與快門元件的透過 / 遮斷的定時匹配而進行驅動, 由此, 通過時間分割, 控制在散射板上形成的圖像的縱深位置的光學系統。 但是, 在該三維影像顯 示裝置中, 為了獲得大型的三維圖像而使裝置大型化 ( 尤其是裝置的縱深加長加大化 )。 而 且, 控制散射 / 透過或反射 / 透過的散射板在大型化的情況下非常昂貴。
     在第三實施例 ( 專利文獻 1 的圖 22) 的三維影像顯示裝置中, 公開有將三維影像 顯示裝置內部的多個圖像顯示在三維影像顯示裝置的外部的光學系統。但是, 將三維影像 顯示裝置內部的多個圖像變換到三維影像顯示裝置的外部顯示面上的透鏡光學系統 183 的設計很困難。同樣, 高精度地實施第四實施例 ( 例如, 專利文獻 1 的圖 23) 記載的變焦距 反射鏡 (varifocal mirror) 的形狀控制也非常困難, 是不現實的。進一步, 關于之后記載 的實施例 ( 例如專利文獻 1 的圖 24), 不僅技術上的障礙較高難以制造, 而且為了實現三維 影像顯示裝置成本上升的因素也非常多, 最終很可能變得非常昂貴。
     專利文獻 1 : 日本專利特許第 3022558 號公報 發明內容 本發明是鑒于上述問題而完成的, 其目的在于提供能夠低成本顯示高圖像質量的 多個圖像且適宜于三維圖像顯示的影像顯示裝置。
     為了實現上述目的, 本發明提供一種影像顯示裝置, 其特征在于 : 具有設置在距離 觀看側最近的位置的第一顯示用光調制部 ; 和通過影像信號對來自光源的光進行調制, 且 具有比上述顯示用光調制部的顯示面更小的顯示面的第二光調制部 ; 并且, 至少具有一個 包括將在該第二光調制部調制的光向第一光調制部放大投影的投影透鏡裝置的投影裝置。
     根據上述結構, 通過第二光調制部按照像素單位對從光源射出的光量進行光調 制, 獲得第一個二維圖像。 進一步, 利用進行放大投影的放大投影透鏡裝置將該調制過的圖 像光使用為輸向第一顯示用光調制部的輸入光, 由此能夠得到第二個二維圖像。 結果, 能夠 進行多個二維圖像的顯示。如果增加上述第二光調制部和投影透鏡裝置的組合 ( 即投影裝 置 ) 并增加二維圖像的數量, 則能夠實現能夠顯示更真實的三維圖像的影像顯示裝置。
     在本方式中, 因為能夠縮小第二光調制部的尺寸, 所以即使增加二維圖像顯示的 畫面數也能夠以低成本實現大型的三維顯示裝置。 進一步, 通過光多次通過偏振光板, 還能
     夠獲得能夠大幅提升圖像的對比度性能這樣的另外的效果。
     而且, 因為在光源與第二光調制部之間設置有將來自上述光源的光變換為所希望 的方向的偏振光成分的偏振光變換部, 所以能夠使從光源出射的沒有偏振的光與規定的偏 振光方向一致, 能夠高效地利用來自光源的光。
     發明的效果
     根據本發明, 能夠得到低成本且高圖像質量的影像顯示裝置以及應用該影像顯示 裝置的三維顯示裝置。 附圖說明 圖 1 是示意地表示本發明的一個實施方式的影像顯示裝置的結構圖。
     圖 2 是表示本發明的影像顯示裝置中的投影透鏡裝置的基本的光學系統的結構 的截面圖。
     圖 3 是構成投影透鏡裝置的投影透鏡的立體圖。
     圖 4 是投影透鏡的截面圖。
     圖 5 是本實施方式涉及的 YZ 截面的投影光學系統的光線圖。
     圖 6 是本實施方式涉及的 XZ 截面的投影光學系統的光線圖。 圖 7 是表示本實施方式涉及的投影光學系統的畸變性能的圖。 圖 8 是表示本實施方式涉及的投影光學系統的光點 (spot) 性能的圖。 圖 9 是表示本實施方式涉及的菲涅爾透鏡片的示意結構圖。 圖 10 是設定構成折射區域 160D 的折射型菲涅爾透鏡的棱鏡面形狀的方法的說明圖。 圖 11 是表示折射區域 160D 中的棱鏡面 ( プリズム面 ) 與原面 ( オリジナル面 ) 的關系的圖。
     圖 12 是實施例 1 的投影圖像形成裝置的示意結構圖。
     圖 13 是包含光軸沿液晶面板的長邊切斷實施例 1 的偏振光變換元件后的截面結 構圖。
     圖 14 是實施例 2 的投影圖像形成裝置的示意結構圖。
     圖 15 是實施例 3 的影像顯示裝置的示意結構圖。
     圖 16 是用于說明本實施方式涉及的三維顯示方法的原理的圖。
     圖 17 是示意表示本發明的一個實施方式的三維影像顯示裝置的變形例的結構 圖。
     具體實施方式
     以下, 使用附圖對本發明的最佳的實施方式進行詳細的說明。其中, 在各圖中, 對 于具有共同的功能的要素付與相同的符號, 對于已經說明過的內容, 省略其重復說明。并 且, 為了使說明簡單, 雖然對在兩個顯示面中顯示二維圖像的情況進行說明, 但本發明不限 于此。當然, 即使采用兩個以上的顯示面, 也能夠得到后述的同樣的效果。
     在說明本實施方式之前, 首先, 對在本實施方式的影像顯示裝置中, 用于三維立體 圖像顯示的專利文獻 1 所公開的三維顯示方法的原理進行說明。圖 16 是用于說明本實施方式涉及的三維顯示方法的原理的圖。其中, 圖 (a) 是立 體圖, 圖 (b) 是大致從正面看時的圖。
     如圖 16 所示, 在視聽影像的觀看者 250 的前方, 在縱深方向相異的位置設置多個 顯示面, 例如設置第一顯示面 170a 和第二顯示面 160a, 使用后述的本實施方式的影像顯示 裝置, 在這些顯示面上顯示兩個圖像 ( 二維圖像 ) 即第一圖像 175 和第二圖像 155。其中, 第一顯示面 170a 與作為后述的第一光調制部的圖像顯示用液晶面板 170 的顯示面 ( 圖像 形成面 ) 對應, 第二顯示面 160a 與通過投影透鏡裝置 10 對作為后述的第二光調制部的液 晶面板 150 的顯示面 ( 圖像形成面 ) 進行放大投影后的投影圖像面 ( 成像面 ) 對應。
     如專利文獻 1 的圖 2 所述那樣, 在第一顯示面 170a 和第二顯示面 160a 中顯示的 圖像 ( 二維圖像 )175、 155 為, 從觀看者的兩眼的視線方向將希望呈現給觀看者的三維物體 ( 顯示對象物 ) 向上述顯示面 170a、 160a 投影的圖像。
     作為向這些顯示面 170a、 160a 投影的圖像的形成方法, 例如列舉出, 使用通過照 相機從視線方向對三維物體進行拍照而獲得的二維圖像的方法、 或對從其它方向拍照而獲 得的多張二維圖像進行合成的方法、 或使用基于計算機圖片處理的合成技術、 模型化的方 法等各種方法。 而且, 在后述的本實施方式的影像顯示裝置中使用的第一影像信號、 第二影 像信號通過使用上述方法中的任一個生成, 第一影像信號與第一圖像對應, 第二影像信號 與第二圖像對應, 經常具有相異的信號成分。 另一方面, 除了專利文獻 1 所示的方法以外, 本發明者們也確認到, 通過在試制的 影像顯示裝置中顯示 2 種圖像, 通過改變第一圖像和第二圖像的大小、 使亮度信號的電平 相異, 顯示畫面的內容即使相同, 能夠在視覺上也如同近似地進行三維顯示。并且, 通過增 加第二圖像的數目, 能夠得到更逼真的三維圖像。
     如圖 16(b) 所示, 分別在第一顯示面 170a 和第二顯示面 160a 這兩個面上顯示以 上述方式生成的第一圖像 175 和第二圖像 155, 使得從連接觀看者 250 的右眼和左眼的線上 的一點觀看時重合。在后述的本實施方式的影像顯示裝置中, 因為能夠使顯示面的尺寸為 27 ~ 100 英寸 ( インチ ) 左右, 并且能夠以與畫面尺寸匹配的方式使第一顯示面 170a 與第 二顯示面 160a 之間的距離 L 為例如大致 0mm ~ 50mm 左右的最佳顯示距離, 所以能夠充分 地滿足上述條件。
     然后, 為了使得能夠從兩個圖像 ( 二維圖像 ) 感覺到三維圖像 ( 三維立體圖像 ), 將從觀看者 250 看到的總體的亮度保持不變, 同時使其按照三維物體距離觀看者的縱深位 置進行改變。
     參照圖 16 對該亮度的改變方法的一個例子進行說明。而且, 在此, 為了更容易理 解, 對亮度較高的圖像較濃地進行表示。
     即, 例如, 將從觀看者 250 看到的總體的亮度保持不變, 同時距離觀看者越近的顯 示面 ( 此處為第一顯示面 170a) 越提高圖像的亮度, 距離觀看者越遠的顯示面 ( 此處為第 二顯示面 155a) 越降低圖像的亮度。由此, 觀看者通過生理或心理的原因或者說錯覺, 即使 顯示的是二維圖像, 也感覺到在多個顯示面 ( 此處為第一顯示面 170a 和第二顯示面 155a) 之間存在三維圖像。
     通過使用以上所述的三維顯示方法, 通過在從觀看者看縱深位置相異的多個顯示 面上分別形成多個圖像 ( 二維圖像 ), 能夠顯示三維圖像 ( 立體視圖 )。
     接著, 對本實施方式的影像顯示裝置進行說明。
     本實施方式的影像顯示裝置, 為了在從觀看者看縱深位置相異的多個顯示面上分 別形成多個圖像 ( 二維圖像 ), 具有至少兩個用于形成作為圖像的光學像的光調制部。而 且, 其特征在于, 具有 : 用于按照第一影像信號光調制入射的光從而形成第一圖像的第一光 調制部 ; 用于按照第二影像信號光調制來自光源的光的一個或多個第二光調制部 ; 和配置 在上述第一光調制部的光入射側, 對在上述第二光調制部光調制過的光進行放大投影從而 在第一光調制部的光入射側附近形成 ( 投射 ) 第二圖像的放大像形成部, 其中, 上述第一光 調制部, 被射入通過上述放大像形成部形成的上述第二圖像的光, 并按照上述第一影像信 號光調制該第二圖像的光從而形成上述第一圖像。 在本實施方式中, 如上所述, 在放大像形 成部對在第二光調制部形成的光學像 ( 圖像 ) 進行放大投影 ( 投射 ) 形成第二圖像。 因此, 因為能夠使得第二光調制部的畫面尺寸與第一光調制部的畫面尺寸相比足夠小, 所以能夠 實現低成本的影像顯示裝置以及應用該裝置的三維影像顯示裝置。 另外, 在以下的說明中, 為了將在第二光調制部形成的光學像 ( 圖像 ) 與放大投影后的第二圖像區分出來, 將其稱 為 “原圖像” 或 “第二原圖像” 。
     圖 1 是示意地表示本發明的一個實施方式的影像顯示裝置的結構圖。在以下的實 施例中, 以使用透過型的液晶面板作為第二光調制部的情況為例進行說明。為了得到彩色 圖像, 雖然需要與將白色光分離成 RGB 三原色的顏色分離單元分別對應的 3 塊液晶面板以 及將通過各液晶面板形成的各色光的圖像合成為彩色圖像的合成棱鏡, 但是在圖 1 中, 為 了使說明簡單而將它們省略, 并且, 對于各構成要素, 沒有顧及其實際的尺寸, 只是示意地 加以表示。 在圖 1 中, 本實施方式的影像顯示裝置 100 構成為具有以下部件 : 作為用于形成 第一圖像的第一光調制部的圖像顯示用液晶面板 170 ; 形成第二圖像的投影圖像形成裝置 200 ; 作為配置于圖像顯示用液晶面板 170 的入射側附近的光方向變換部的菲涅爾透鏡片 (Fresnel lens sheet)160 ; 驅動圖像顯示用液晶面板 170 使之形成第一圖像的第一面板驅 動電路 192 ; 和驅動投影圖像形成裝置 200 使之形成第二圖像的第二面板驅動電路 192。
     另外, 根據影像顯示裝置 100 的組裝結構, 也有可以使用光散射片代替菲涅爾透 鏡片 160 的情況。
     投影圖像形成裝置 200 從圖像顯示用液晶面板 ( 也可以簡稱為 “液晶面板” )170 的背后對放大圖像進行投影, 在圖像顯示用液晶面板 170 的光入射側附近形成第二圖像, 其中, 該圖像顯示用液晶面板 170 作為按照第一影像信號 193 對光進行調制 ( 光調制 ) 的 第一光調制部進行彩色顯示。即, 使用圖 16 說明過的第二顯示面 160a 位于圖像顯示用液 晶面板 170 的光入射側附近。而且, 投影圖像形成裝置 200 朝向圖像顯示用液晶面板 170, 依次包括 : 射出大致白色光的光源 110 ; 作為將從光源 110 射出的沒有起偏的光變換為所希 望方向的偏振光成分并使其一致的偏振光變換部的偏振光變換元件 130 ; 作為對來自偏振 光變換元件 130 的光 ( 白色光 ) 進行光調制而形成第二原圖像的第二光調制部的液晶面板 150 ; 和作為放大像形成部的投影透鏡裝置 10, 其中, 該投影透鏡裝置 10 將在液晶面板 150 對應于第二影像信號 196 而被光調制的光束 ( 第二原圖像 ) 放大并朝作為第一光調制部的 圖像顯示用液晶面板 170 投影, 從而在圖像顯示用液晶面板 170 的光入射側附近 ( 例如, 未 圖示的入射側偏振光板附近 ) 的第二顯示面 160a 形成第二圖像 155。
     另外, 在設置于圖像顯示用液晶面板 170 的光入射側附近的第二顯示面 160a 的顯 示面位置, 以使得來自投影透鏡裝置 10 的光束幾乎垂直地向圖像顯示用液晶面板 170 的入 射面入射的方式, 設置有作為進行變換的光方向變換部的菲涅爾透鏡片 160。 因為通過該菲 涅爾透鏡片 160 使來自投影透鏡裝置 10 的光束為大致平行光束, 所以僅向圖像顯示用面板 入射對比度性能優異的角度成分的光, 結果是能夠大幅提高影像顯示裝置整體的對比度性 能。 另一方面, 為了節約成本也能夠省略菲涅爾透鏡片 160, 但是在此情況下, 因為必須追加 光漫射效果較大的漫射片, 所以不能得到上述效果, 于是不能得到大幅提高對比度性能的 效果。
     作為第一光調制部的圖像顯示用液晶面板 170, 通過第一面板驅動電路 192 根據 第一影像信號 193 對從投影圖像形成裝置 200 照射的第二原圖像被放大后的投影圖像 ( 第 二圖像 155) 的影像光再次進行光調制, 形成作為主顯示圖像的第一圖像 175, 然后射出。 在 此, 采用用于橫縱比為 16 ∶ 9、 像素數為 1920×1080、 畫面尺寸 ( 畫面顯示有效區域的對角 尺寸 L1) 為 27 ~ 60 英寸左右的大畫面直視型液晶 TV 中的有源矩陣驅動的 TFT(Thin Film Transistor : 薄膜晶體管 ) 型液晶面板。一般而言, TFT 型液晶面板的對比度為 1000 ∶ 1 左右。
     另外, 設置在投影圖像形成裝置 200 中的作為第二光調制部的液晶面板 150 和作 為第一光調制部的圖像顯示用液晶面板 170, 為了得到高對比度的影像, 雖然在入射側和出 射側具有偏振光板, 但是省略其圖示。并且, 當不重視對比度性能時, 因為省略任意一個偏 振光板均能夠得到所希望的性能, 所以不一定需要所有的偏振光板。 在此情況下, 能夠節約 與省略的偏振光板的材料費用相同程度的成本。而且, 因為在本發明的投影圖像形成裝置 200 設置有將從光源 110 射出的沒有起偏的光變換為所希望方向的偏振光成分并使其一致 的偏振光變換部, 所以光的利用效率與通常的直視型液晶 TV 相比非常高。
     光源 110 例如包括 : 射出大致白色光的高亮度的高壓水銀燈等的燈 101, 和從背后 覆蓋燈 101 并反射來自燈 101 的白色光將其變換成平行光的旋轉拋物面形狀的反射鏡 ( リ フレクタ一 )102。 在本實施方式中, 如后所述, 因為從光源 110 射出的光照射到與圖像顯示 用液晶面板 170 相比足夠小且作為第二光調制部的液晶面板 150 上, 所以能夠使用高壓水 銀燈等的放電燈。
     從燈 101 射出的光例如被具有旋轉拋物面形狀的反射面的反射鏡 102 反射, 變得 與光軸 115 大致平行, 于是, 從光源 110 射出大致平行的光束。從光源 110 射出的光向偏振 光變換元件 130 入射。
     偏振光變換元件 130 使從光源 110 射出的沒有起偏的光與規定的偏振方向的偏振 光一致。在偏振光變換元件 130 變換為規定偏振光的光向液晶面板 150 入射。
     作為第二光調制部的液晶面板 150 通過第二面板驅動電路 195 根據第二影像信號 196 進行光調制形成光學像 ( 第二原圖像 )。在此, 為了降低影像顯示裝置的價格, 當不太 重視析像度時, 也有降低液晶面板 150 的析像度, 使用更低價格的面板的情況。例如, 在液 晶面板 170 的橫縱比為 16 ∶ 9、 HD 的像素數為 1920×1080 的情況下, 在成本優先的情況下 也可以使用 WSVGA 的像素數 852×480。另一方面, 作為畫面尺寸 ( 畫面顯示有效區域的對 角尺寸為 L2), 使用 0.4 ~ 1.3 英寸左右的單矩陣 (single matrix) 驅動的 TN 型液晶面板 ( 透過型液晶面板 )。一般而言, TN 型液晶面板的對比度比為 700 ∶ 1 左右, 比 TFT 型低。但是, 在本發 明中, 因為對比度比為作為第二光調制部的液晶面板 150 的對比度比和作為第一光調制部 的圖像顯示用液晶面板 170 的對比度比的乘積, 所以雖然使用價格低廉的面板, 但是具有 能夠顯著提高對比度比的其他效果。
     為了降低成本, 當使作為第二光調制部的液晶面板 150 的析像度比作為第一光調 制部的液晶面板 170 低時, 第二面板驅動電路 195 形成為具有按比例縮放 (scaling) 功能 ( 未圖示 ) 的結構, 也存在對第二影像信號 196 按照液晶面板 150 的析像度進行按比例縮放 等圖像處理的情況。之后, 驅動液晶面板 150, 形成第二原圖像 ( 光學像 )。另外, 也可以從 第一液晶面板驅動電路 192 向液晶面板 150 供給用于供向圖像顯示用液晶面板 170 的 RGB 信號 ( 根據需要, 與液晶面板 150 的析像度對應地進行按比例縮放處理 )。
     作為放大像形成部的投影透鏡裝置 10 構成為, 將在液晶面板 150 形成的圖像放大 后向作為第一光調制部的圖像顯示用液晶面板 170 投影。這時, 如果使用現有方式的投影 透鏡裝置, 則影像顯示裝置的縱深尺寸變大。因此, 在本實施例中雖然在后面詳細敘述, 但 是為了盡量使縱深尺寸較小, 使用斜投影。
     本發明的投影透鏡裝置 10 因為將液晶面板 150 的圖像向著作為第一光調制部的 圖像顯示用液晶面板 170 放大投影, 所以必須滿足以下條件。 ( 數學式 1)
     10 < L1/L2 < 150
     作為第二光調制部的液晶面板, 其最小的型號現在為 0.48 英寸 ( 對角尺寸 ) 左 右, 認為 0.4 英寸是其極限。因此, 如果令液晶面板 150 的圖像尺寸為 L2 = 0.4 英寸且令 圖像顯示用液晶面板 170 的畫面尺寸為 L1 = 60 英寸, 則 L1/L2 = 150。如果 L1/L2 超過 150, 則會產生照射到作為第一光調制部的圖像顯示用液晶面板 170 的亮度變暗的問題。因 此, 優選令 L1/L2 為 150 以下。下限雖然與液晶面板 150 的畫面尺寸相關, 但是如果接近圖 像顯示用液晶面板 170 的畫面尺寸, 則不能削減成本, 所以優選至少令 L1/L2 = 10 以上。 一 般而言, 如果令用于投影型影像顯示裝置的接近上限的畫面尺寸 L2 = 1.3 英寸的面板為作 為第二光調制部的液晶面板 150, 且令作為第一光調制部的圖像顯示用液晶面板 170 的畫 面尺寸為 L1 = 27 英寸, 則 L1/L2 = 20 左右, 能夠滿足上述條件。
     菲涅爾透鏡片 160 設置在第二顯示面 160a 的位置附近, 為按照使來自投影透鏡裝 置 10 的斜光大致垂直地向圖像顯示用液晶面板 170 的入射面入射的方式進行變換的光方 向變換部。在構成菲涅爾透鏡片 160 的基體材料 161 的一個面 ( 此處為與圖像顯示用液 晶面板 170 一側相反的一側的面 ) 上, 同心圓狀地形成有多個折射型菲涅爾透鏡 162 和全 反射型菲涅爾透鏡 167, 其中, 折射型菲涅爾透鏡 162 將入射角為規定值以內的光折射并射 出, 全反射型菲涅爾透鏡 167 將入射角為規定值以上的光全反射并射出。于是, 通過折射型 菲涅爾透鏡 162 和全反射型菲涅爾透鏡 167 按照入射角度將來自投影透鏡裝置 10 的光折 射或全反射, 使得大致垂直地向圖像顯示用液晶面板 170 的入射面入射 ( 后面詳細敘述 )。
     如上所述, 在本實施方式中, 使用尺寸小的液晶面板 150, 與第二影像信號對應地 對光進行調制 ( 光調制、 光強度調制 ), 通過投影透鏡裝置 10 將得到的圖象 ( 第二原圖像 ) 向作為第一光調制部的圖像顯示用液晶面板 170 放大投影, 在圖像顯示用液晶面板 170 的 光入射側附近 ( 例如入射側偏振光板附近 ) 形成第二圖像 155, 并與第二影像信號對應地對
     射入上述液晶面板 170 的光束再次進行光調制 ( 形成第一圖像 ), 由此, 能夠經由液晶面板 170 不是時間分割而是同時地顯示從觀看者看縱深位置相異的兩個圖像 ( 第二圖像和第一 圖像 )。 但是, 利用本實施方式的影像顯示裝置 100 僅僅同時顯示從觀看者看的縱深位置相 異的多個圖像, 立體感不充分。因此, 應用在上述專利文獻 1 公開的三維顯示方法。即, 例 如, 將從觀看者 250 看到的總體的亮度保持不變, 同時按照三維物體距離觀看者的縱深位 置改變亮度。作為具體的一個例子, 例如, 將從觀看者 250 看到的總體的亮度保持不變, 同 時越靠近觀看者的顯示面 ( 此處為第一顯示面 170a) 越提高其圖像的亮度, 越遠離觀看者 的顯示面 ( 此處為第二顯示面 155a) 越降低其圖像的亮度。
     為了進行上述控制, 當將影像顯示裝置 100 應用于三維影像顯示裝置 300 中時, 三 維影像顯示裝置 300 除了具有影像顯示裝置 100 之外, 還具有控制電路 310。
     控制電路 310 對于驅動作為第一光調制部的圖像顯示用液晶面板 170 的第一面板 驅動電路 192 和驅動作為第二光調制部的液晶面板 150 的第二面板驅動電路 195, 以使得在 第一圖像和第二圖像之間產生亮度差的方式進行控制。例如, 對于第一面板驅動電路 192 以提高亮度的方式進行控制, 而對于第二面板驅動電路 195 以降低亮度的方式進行控制。 當然, 也可以簡單地僅對第二面板驅動電路 195 以降低亮度的方式進行控制。 當然, 控制電路不限于此。例如, 如圖 17 所示, 三維影像顯示裝置 300A 也可以具 有控制電路 310A 而代替控制電路 310, 向控制電路 310A 輸入影像信號 191, 通過控制電路 310A 進行規定的信號處理, 生成具有亮度差的第一影像信號 ( 第一光調制部用 ) 和第二影 像信號 ( 第二光調制部用 ), 將生成的第一影像信號 193’ 和第二影像信號 196’ 分別供向第 一面板驅動電路 192、 第二面板驅動電路 195。
     而且, 很明顯, 三維顯示方法不限定于上述內容, 也可以使用專利文獻 1 公開的各 種亮度控制方法。
     在此, 對于本實施方式的影像顯示裝置 100 所具有的三維顯示以外的其它特征, 簡單加以說明。
     在本實施方式的影像顯示裝置 100 中, 如上所述, 因為圖像的對比度比為液晶面 板 150 的對比度比和圖像顯示用液晶面板 170 的對比度比的乘積, 所以能夠顯著地提高對 比度比。
     另一方面, 能夠使用與作為第一光調制部的圖像顯示用液晶面板 170 相比足夠小 的作為第二光調制部的液晶面板 150, 而且, 還能夠使光源 110 的尺寸較小。 因此, 與使用與 圖像顯示用液晶面板 170 為相同尺寸的昂貴的液晶面板的方式相比, 雖然需要追加投影裝 置、 菲涅爾透鏡片, 但是在能夠使用低析像度的液晶面板的情況下, 能夠將影像顯示裝置的 成本降低至 2/3 ~ 1/2。
     另外, 通過將液晶面板 150 與合成棱鏡 ( 未圖示 ) 模塊 (block) 化, 成為使光源 110 能夠分別交換的方式, 能夠大幅提高服務性。
     并且, 與通常的直視型液晶影像顯示裝置不同, 在圖像顯示用液晶面板 170 的附 近, 沒有必要鄰接設置作為發熱源的光源 ( 通常為冷陰極線管或 LED), 也能夠容易地設計 冷卻結構。
     以上雖然沒有詳細地敘述, 即使使作為第二光調制部的液晶面板 150 的一個像素 與作為第一光調制部的圖像顯示用液晶面板 170 的多個像素對應, 或者相反, 使液晶面板
     150 的多個像素與圖像顯示用液晶面板 170 的一個像素對應, 本發明也并不限定于此。當 然, 也可以使圖像顯示用液晶面板 170 的一個像素 ( 一個像素包括一組 R 像素、 G 像素、 1B 像素 ) 與液晶面板 150 的一個像素對應。
     另外, 雖然使用高壓水銀燈作為光源, 但是也可以使用白色光的 LED、 激光器。 當一 個 LED、 激光器的光量不夠時, 也可以使用排列有多個 LED、 激光器的裝置。
     另外, 作為與第二影像信號對應地對來自光源的光束進行光調制的第二光調制 部, 雖然使用透過型的液晶面板, 但是也可以代替該透過型的液晶面板, 使用反射型光調 制元件, 例如, 反射型液晶面板 (LCOS : Liquid Crystal on Silicon)、 微小鏡元件 (DMD : Digital MicroMirror Device) 等。
     接著, 對投影透鏡裝置的一個實施例進行說明。此處, 為了使影像顯示裝置的縱 深尺寸盡量薄, 應用發明者申請的日本專利特開 2006-292900 號公報中記載的投影透鏡裝 置。
     圖 2 是表示影像顯示裝置中的投影透鏡裝置的基本光學系統的結構的截面圖, 以 XYZ 正交坐標系中的 YZ 截面表示光學系統的結構。此處, 令 XYZ 正交坐標系的原點為液晶 面板 150 的顯示畫面的中央, 令 Z 軸與圖像顯示用液晶面板 170 的法線 8 平行。令 Y 軸與 圖像顯示用液晶面板 170 的顯示畫面的短邊平行, 且與圖像顯示用液晶面板 170 的縱 ( 上 下 ) 方向相等。令 X 軸與圖像顯示用液晶面板 170 的顯示畫面的長邊平行, 且與圖像顯示 用液晶面板 170 的橫 ( 左右 ) 方向相等。另外, 圖 3 是構成投影圖像形成裝置的投影透鏡 裝置的立體圖, 圖 4 是省略投影透鏡裝置中的光路的折曲而表示的投影透鏡的截面圖。其 中, 在圖 2 中, 為了使圖示簡單, 省略作為光方向變換部的菲涅爾透鏡片 160。 如圖 2 所示, 投影透鏡裝置 10 包括 : 在從液晶面板 150 朝向菲涅爾透鏡片 160、 圖 像顯示用液晶面板 170 的光路上從液晶面板 150 一側起依次配置的投影透鏡 2、 作為第一反 射鏡的自由曲面鏡 4、 和作為第二反射鏡的平面反射鏡 5。
     液晶面板 150 的顯示畫面上的第二原圖像被投影透鏡 2 向作為第一光調制部的圖 像顯示用液晶面板 170 投影。這時, 如果進行直線投影則需要規定的距離, 影像顯示裝置 100 的縱深尺寸變長。即, 影像顯示裝置 100 的縱深變厚。于是, 以自由曲面鏡 4 和平面反 射鏡 5 折回從投影透鏡 2 朝向圖像顯示用液晶面板 170 的光路 ( 例如, 光線 21、 22、 23 表示 的光路 ), 從而使得影像顯示裝置 100 的縱深較小。而且, 令從液晶面板 150 的畫面的中央 射出并朝向圖像顯示用液晶面板 170 的畫面中央的光線 21( 以下, 稱為 “畫面中央光線” ) 相對于圖像顯示用液晶面板 170 的入射面非垂直 ( 一般而言, 稱這樣的投影為 “斜投影” ), 使影像顯示裝置 100 的縱深較小。
     從圖 2、 圖 4 明顯可知, 投影透鏡 2 由前組 12 和后組 13 構成, 其中, 前組 12 由具有 旋轉對稱的面形狀的多個折射透鏡構成, 后組 13 包括至少一個面具有旋轉非對稱的自由 曲面的形狀的透鏡 ( 以下, 稱為 “自由曲面透鏡” )。
     在圖 2 中, 因為投影透鏡 2 的長度較長, 所以可能看起來液晶面板 150 的位置相對 于圖像顯示用液晶面板 170 的法線 8 的方向較遠, 縱深變得較厚。但是, 此處, 如圖 3 所示, 在與 X 軸 ( 即, 圖像顯示用液晶面板的長邊 ) 平行配置的前組 12 的途中配置有光路折彎鏡 14, 將前組 12 的光軸 9( 即投影透鏡的光軸 ) 向 Z 軸方向 ( 即, 與圖像顯示用液晶面板 170 的法線 8 平行的方向 ) 折彎, 防止縱深的增大。當然, 本發明不限于此, 也可以在自由曲面
     鏡 4 與投影透鏡 2 的后組 13 之間、 或投影透鏡 2 的前組 12 與后組 13 之間配置折彎光路的 光路折彎鏡。
     在本實施方式中, 如圖 2 所示, 液晶面板 150 的顯示畫面的中央配置在投影透鏡 2 的光軸 9 上。因此, 從液晶面板 150 的顯示畫面的中央射出通過投影透鏡 2 的入射光瞳的 中央后朝向圖像顯示用液晶面板 170 的畫面中央的畫面中央光線 21 沿投影透鏡的光軸前 進。該畫面中央光線 21 在自由曲面鏡 4 的反射面上的點 P2 被反射后, 在平面反射鏡 5 上 的點 P5 被反射, 相對于圖像顯示用液晶面板的入射面的法線 8 按照規定的角度 (θs)( 即 傾斜 ) 入射到圖像顯示用液晶面板 170 的畫面中央的點 P8。
     該狀態為沿投影透鏡 2 的光軸 9 通過的光線相對于圖像顯示用液晶面板 170 傾斜 入射的狀態, 實質上被設定為投影透鏡 2 的光軸相對于圖像顯示用液晶面板 170 傾斜。如 果以這樣的方法向圖像顯示用液晶面板 170 傾斜入射, 則除了投影的長方形的形狀成為梯 形的所謂梯形畸變以外, 還會產生相對于光軸不旋轉對稱的各種像差。 于是, 在本實施方式 中, 通過投影透鏡 2 的后組 13 和自由曲面鏡 4 的反射面對以上情況進行修正。
     在圖 2 所示的截面內, 令從液晶面板 150 的畫面下端通過投影透鏡 2 的入射光瞳 的中央后射出且入射到與此對應的圖像顯示用液晶面板 170 的畫面上端的點 P9 的光線為 光線 22。并且, 令從液晶面板 150 的畫面上端通過投影透鏡 2 的入射光瞳的中央后射出且 入射到與此對應的圖像顯示用液晶面板 170 的畫面下端的點 P7 的光線為光線 23。觀察圖 2 可知, 從點 P3 經由點 P6 到達點 P9 的光路長比從點 P1 經由點 P4 到達點 P7 的光路長更 長。這意味著, 從投影透鏡 2 看, 圖像顯示用液晶面板 170 的像點 P9 位于比像點 P7 更遠的 位置。因此, 如果與圖像顯示用液晶面板 170 的像點 P9 對應的物點 ( 液晶面板 150 的顯示 畫面上的點 ) 比距離投影透鏡 2 較近的點, 或與像點 P7 對應的物點為距離投影透鏡 2 較遠 的點, 就能夠修正像面的傾斜。為此, 令液晶面板 150 的顯示畫面的中央的法線矢量相對于 投影透鏡 2 的光軸傾斜。具體而言, 使上述法線矢量在 YZ 平面內以朝向圖像顯示用液晶面 板 170 的所處位置的方式傾斜即可。已知為了得到相對于光軸傾斜的像平面而傾斜物平面 的方法。 但是, 如果利用實用大小的視角, 則基于物平面的傾斜的像面相對于光軸產生非對 稱的變形, 因此利用旋轉對稱的投影透鏡難以進行修正。于是, 在本實施方式中, 使用非旋 轉對稱即旋轉非對稱的自由曲面, 對應非對稱的像面的變形。 因此, 通過傾斜物平面能夠大 幅降低低程度的像面的畸變, 在輔助基于自由曲面的像差修正方面有效果。
     接著, 對各光學要素的作用進行說明。投影透鏡 2 中的前組 12 為用于將作為第二 光調制部的液晶面板 150 的第二原圖像 ( 通過光調制得到的二維圖像 ) 放大投影到作為第 一光調制部的圖像顯示用液晶面板 170( 正確而言, 使之在圖像顯示用液晶面板 170 的入射 側附近例如未圖示的入射側偏振光板附近成像 ) 的主透鏡, 修正旋轉對稱的光學系統中的 基本的像差。投影透鏡 2 的后組 13 包括旋轉非對稱的自由曲面透鏡。此處, 從圖 2、 圖 3、 圖 4 明顯可知, 自由曲面透鏡以相對于其光射出方向凹下的方式彎曲。并且, 使自由曲面透 鏡的朝向圖像顯示用液晶面板 170 的下端的光線 23 透過的部分的曲率比朝向圖像顯示用 液晶面板 170 的上端的光線 22 透過的部分的曲率大。
     自由曲面鏡 4 具有旋轉非對稱的自由曲面形狀的反射面。此處, 令自由曲面鏡 4 為其一部分以相對于光的反射方向凸起的方式彎曲的旋轉非對稱的凸面鏡。具體而言, 令 自由曲面鏡 4 的反射朝向圖像顯示用液晶面板 170 的下方的光的部分 (P1) 的曲率比反射朝向圖像顯示用液晶面板 170 的上方的光的部分 (P3) 的曲率大。換言之, 在自由曲面鏡 4 的 YZ 截面 ( 圖像顯示用液晶面板 170 的畫面縱方向截面 ) 中, 對于畫面中央光線 21 被自 由曲面鏡 4 反射的位置 P2, 使 P1-P2 之間的尺寸與 P3-P2 之間的尺寸相異, 從而使得以下數 學式成立。
     ( 數學式 2)
     P1-P2 之間的尺寸< P3-P2 之間的尺寸
     另外, 也可以使得, 自由曲面鏡 4 的反射朝向圖像顯示用液晶面板 170 的下方的光 的部分 (P1) 為向該光的反射方向凸出的形狀, 反射朝向圖像顯示用液晶面板 170 的上方的 光的部分 (P3) 為向光的反射方向凹下的形狀。
     通過上述自由曲面透鏡和自由曲面鏡的作用, 主要對因傾斜入射產生的像差進行 修正。即, 在本實施方式中, 自由曲面鏡 4 主要修正梯形畸變, 投影透鏡 2 的后組 13 主要進 行像面的畸變等非對稱的像差的修正。
     這樣, 本實施方式中, 投影透鏡 2 至少包括一個旋轉非對稱的自由曲面透鏡, 自由 曲面鏡 4 為旋轉非對稱的自由曲面形狀的反射鏡。因此, 能夠同時修正因斜投影產生的梯 形畸變和像差。結果是, 根據第二影像信號將通過液晶面板 150 光調制過的第二原圖像放 大, 向圖像顯示用液晶面板投影, 并且將該影像光束作為近似的二次光源, 通過圖像顯示用 液晶面板根據第一影像信號再次進行光調制。 從觀看側能夠不是時間分割而是同時地觀察 縱深位置相異的兩個圖像即第二圖像 155 和第一圖像 175。
     進一步, 作為這兩個圖像 ( 第二圖像和第一圖像 ), 使用從觀看者的視線方向對顯 示對象物進行投影后的二維圖像, 通過作為第二光調制部的液晶面板 150 的放大像 ( 投影 圖像 ) 生成從其中的觀看側看的里側的二維圖像, 通過作為上述第一光調制部的圖像顯示 用液晶面板 170 顯示從另一方的觀看側看的跟前側的二維圖像, 由此, 能夠實現能夠顯示 三維圖像的三維影像顯示裝置 ( 例如, 參照圖 16)。 這時, 當然, 為了增加圖像的縱深方向的 信息量從而提高三維圖像的精細度, 增加作為上述第二圖像的投影圖像 ( 二維圖像 ) 的顯 示圖像數即可。
     接著, 使用圖 5、 圖 6 和表 1 ~表 4, 例示具體的數值, 同時對以上所述的投影透鏡 裝置 10 的光學系統進行說明。
     圖 5 和圖 6 表示基于數值例的本實施方式涉及的投影透鏡裝置的光學系統的光線 圖。在上述的 XYZ 正交坐標中, 圖 5 表示 YZ 截面的結構, 圖 6 表示 XZ 截面的結構。投影透 鏡 2, 如圖 3 所述, 在前組 12 的途中配置有光路折彎鏡 14, 但是在圖 5 中, 省略該光路折彎 鏡 14, 將光學系統在 Z 軸方向展開加以表示。該情況在圖 4 中也相同。光路折彎鏡在設置 的位置、 角度上有若干的任意性, 并且不會影響各光學要素的功能。 因此, 在以下的說明中, 省略光路折彎鏡進行說明。
     從表示于圖 5 的下側的液晶面板 150 射出的光, 首先通過包括多個透鏡的投影透 鏡 2 中的、 僅由只具有旋轉對稱形狀的面的透鏡構成的前組 12。 然后, 通過包括旋轉非對稱 的自由曲面透鏡的后組 13, 在自由曲面鏡 4 的反射面被反射。該反射光在平面反射鏡 5 被 反射后, 入射到圖像顯示用液晶面板 170。
     此處, 投影透鏡 2 的前組 12 全部由具有旋轉對稱的形狀的折射面的多個透鏡構 成, 各折射面中的四個為旋轉對稱的非球面, 其它為球面。此處使用的旋轉對稱的非球面,使用每個面的局部的圓柱坐標系, 用以下數學式表示。
     ( 數學式 3)
     此處, r 是距離光軸的距離, Z 表示下垂 (sag) 量。并且, c 是在頂點的曲率, k是 圓錐常數, A ~ J 是 r 的冪乘的項的系數。
     投影透鏡 2 的后組 13 中的自由曲面透鏡使用以各面的面頂點為原點的局部的正 交坐標系 (x、 y、 z), 以包括 X、 Y 的多項式的以下的數學式表示。
     ( 數學式 4)
     此處, Z 表示在與 X、 Y 軸垂直的方向自由曲面的形狀的下垂量, c 是在頂點的曲率, r 是在 X、 Y 軸的平面內的距離原點的距離, k 是圓錐常數, C(m、 n) 是多項式的系數。
     表 1 表示本實施方式涉及的光學系統的數值數據。在表 1 中, S0 ~ S23 與圖 4 所 示的符號 S0 ~ S23 分別對應。此處, S0 表示液晶面板 150 的顯示面、 即物面, S23 表示自由 曲面鏡 4 的反射面。另外, S24 雖然在圖 4 中沒有表示, 但是表示圖像顯示用液晶面板 170 的入射面、 即像面。其中, 在圖 4 中, 上圖表示本實施方式涉及的投影透鏡 2 和自由曲面鏡 4 的 YZ 截面圖, 下圖表示該光學系統的 XZ 截面圖。
     在表 1 中, Rd 是各面的曲率半徑, 在圖 5 中, 當曲率的中心位于面的左側時以正值 表示, 在相反的情況下以負值表示。并且, 在表 1 中, TH 是面間距離, 表示從其透鏡面的頂 點到下一透鏡面的頂點的距離。當相對于某一透鏡面其后續的透鏡面在圖 5 中位于左側時 面間距離以正值表示, 當位于右側時以負值表示。而且, 在表 1 中, S5、 S6、 S17、 S18 是旋轉 對稱的非球面, 在表 1 中在面號碼的旁邊注上 * 便于理解地表示。表 2 表示這四個面的非 球面的系數。
     在表 1 中, S19 ~ S22 是投影透鏡 2 的后組 13 所包括的自由曲面透鏡的各個折射 面, 如上所述, S23 是自由曲面境 4 的反射面, 在面號碼的旁邊注上 # 表示。將表示這五個 自由曲面的形狀的系數的值表示于表 3 中。
     在本實施方式中, 使作為影像顯示元件 11 的顯示畫面的物面相對于投影透鏡 2 的 光軸傾斜 -1.163 度。傾斜的方向為, 令在圖 5 的截面內物面的法線逆時針旋轉的方向以正 值表示。因此, 在本實施例內在圖 5 的截面內使物面從垂直于投影透鏡 2 的光軸的位置向 順時針方向傾斜 1.163 度。
     S23 的自由曲面鏡 4 將局部坐標的原點設置在投影透鏡 2 的光軸上。并且, 令在 自由曲面鏡 4 的局部坐標的原點的法線、 即 Z 軸從與投影透鏡 2 的光軸平行的位置傾斜 29 度而加以配置。與上述物面同樣地令在圖 5 的截面內逆時針旋轉的方向為正, 因此傾斜的 方向逆時針傾斜。由此, 從液晶面板 150 的畫面中央射出并大致沿投影透鏡 2 的光軸前進 的畫面中央光線, 在 S23 反射后, 向相對于投影透鏡 2 的光軸只傾斜上述傾斜角度的 2 倍的 58 度的方向前進。在此, 令通過 S23 的坐標原點且相對于投影透鏡 2 的光軸的 S23 的傾斜 角度的 2 倍的傾斜方向為反射后的新光軸, 令以后的面為配置在該光軸上的面。 表 1 的 S23 所示的面間隔的值 -400 表示, 后續的 S24 表示位于 S23 的右側, 且將局部坐標的原點配置
     在沿上述反射后的光軸 400mm 的距離的點。以下的面也根據同樣的規則配置。
     表 4 表示本實施例中的各面的局部坐標系的傾斜或偏心的情況。在表 4 中, 在面 號碼的右側表示傾斜角度、 偏心的值。ADE 是在與圖 5 的截面平行的面內的傾斜的大小, 其 顯示規則如以上所說明的那樣。另外, YDE 是偏心的大小, 偏心被設定在與圖 5 的截面平行 的面內且與光軸垂直的方向, 在圖 5 的截面內令向下側的偏心為正。并且, 在本實施例中, 令 YDE 為 0( 即沒有偏心 )。
     在本實施方式中, 所有的光學要素的傾斜、 偏心均被設定在與圖示的截面平行的 截面內的方向。
     根據表 1、 表 3 可知, 在本實施例中, 曲率 c 和錐形系數 ( コ一ニツク數 )k 為0。 基于斜入射的梯形畸變在斜入射的方向上極端地發生, 而與此垂直的方向上的畸變量較 小。因此, 在斜入射的方向和與之垂直的方向上, 需要有很大不同的功能, 通過不使用旋轉 對稱且在全方向上發揮作用的上述曲率 c、 錐形系數 k, 能夠良好地修正非對稱的像差。
     ( 表 1)
     Surface S0 S1 S2 S3 S4 S5* S6* S7 S8 S9 S10 S11Rd Infinity Infinity Infinity 246.358 -84.858 -83.708 -75.314 41.651 -42.282 29.550 29.476 -79.153TH 10.00 31.34 7.06 4.65 18.00 9.00 0.10 9.32 2.50 0.10 9.00 25.90ndvd1.5182748.01.8530617.21.4924542.91.49811 1.7601460.9 20.01.4981160.916101950084 A CN 101950087說Infinity -265.353 -53.869 -24.898 -58.225 -27.332 -32.424 Infinity Infinity Infinity Infinity Infinity Infinity Infinity 9.10 6.00 65.00 4.19 9.00 10.00 2.50 8.00 20.51 8.00明書14/22 頁S12 S13 S14 S15 S16 S17* S18* S19# S20# S21# S22# S23# S24 S25
     1.8530617.21.7470233.21.4924542.91.4924542.91.4924542.9160.99 -400.00 305.00 --REFL REFL( 表 2)
     ( 表 3)
     ( 表 4) Surface S0 ADE(° ) -1.163 YDE(mm) 0.018101950084 A CN 101950087說S23 S24 S25 29.000明書0.0 0.0 0.016/22 頁-43.000 30.000上述表 1 ~ 4 的數值是將液晶面板 150 的畫面上的 16×9 的范圍的被光調制后的 光學像 ( 調光像 ) 投影為圖像顯示用液晶面板 170 的畫面上的 1452.8×817.2 的大小的情 況的一個例子。圖 7 表示這時的圖形畸變。圖 7 的縱方向為圖 5 的上下方向, 是 Y 軸的方 向。圖 7 的橫方向在圖像顯示用液晶面板 170 上是與 Y 軸正交的方向, 圖中的長方形的中 央是畫面的中央。該圖表示將畫面的縱方向分成 4 部分、 將橫方向分成 8 部分的直線的彎 曲的狀態并表示圖形畸變的情況。
     圖 8 表示本數值實施例的光點圖。在圖 8 中, 在液晶面板 150 的顯示畫面上, 從上 部依次顯示從 X、 Y 坐標的值為 (8、 4.5)、 (0、 4.5)、 (4.8、 2.7)、 (8、 0)、 (0、 0)、 (4.8、 -2.7)、 (8、 -4.5)、 (0、 -4.5) 的 8 點射出的光束的光點圖。單位為 mm。各光點圖的橫方向是在圖像 顯示用液晶面板 170 上的 X 方向, 縱方向是在圖像顯示用液晶面板 170 上的 Y 方向。這樣, 兩方面均能夠維持良好的性能。以上, 對投影透鏡裝置的一個實施例進行了說明。而且, 在 上述中, 雖然以下述方式構成, 即從投影透鏡 2 射出的光線在自由曲面鏡 4 被反射, 進一步 在平面反射鏡 5 被折回, 然后朝向圖像顯示用液晶面板 170, 但本發明不限于此, 根據投影 透鏡的配置位置, 當然也可以省略上述折回用的平面反射鏡。
     接著, 對作為光方向變換部的菲涅爾透鏡片 160 的一個實施例進行說明。
     圖 9 是菲涅爾透鏡片的示意構成圖, 其 (a) 圖是從投影裝置側看菲涅爾透鏡片時 的立體結構圖, 其 (b) 圖是沿 G-G 線的截面結構圖。
     如圖 9 所示, 菲涅爾透鏡片 160 由處于與圖像顯示用液晶面板 170 的畫面大致中 央側對應的位置的折射區域 160D、 和處于與圖像顯示用液晶面板 170 的畫面的周邊側對應 的位置且以包圍折射區域 160D 的方式配置的全反射區域 160E 構成。在折射區域 160D 在 基體材料 161 的與圖像顯示用液晶面板 170 相反一側的面上同心圓狀地形成有多個折射型 菲涅爾透鏡 162。 折射型菲涅爾透鏡 162 具有將從投影透鏡裝置 10 投影的入射角為規定值 以內的光線 L61 折射并使之向圖像顯示用液晶面板 170 垂直地射出的功能。另外, 在全反 射區域 160E 在基體材料 161 的與圖像顯示用液晶面板 170 相反一側的面上同心圓狀地形 成有多個全反射型菲涅爾透鏡 167。 全反射型菲涅爾透鏡 167 具有將從投影裝置 10 投影的 入射角為規定值以上的光線 L66 全反射并使之向圖像顯示用液晶面板 170 垂直地射出的功 能。
     眾所周知, 如果僅以折射型菲涅爾透鏡構成菲涅爾透鏡片 ( フレネルレンズシ一 ト ), 則隨著向菲涅爾透鏡片入射的入射角 ( 與法線所成的角度 ) 變大, 容易在菲涅爾透鏡 的入射面產生反射, 因反射損失大幅增加而導致畫面的周邊部變暗。因此, 在本實施例中, 適用 WO2004/049059 號公報的技術, 在第一圖像顯示用液晶面板 170 的周邊部, 在來自投影 裝置 10 的入射角為規定值以上的區域, 配置全反射型棱鏡。
     首先, 對折射區域 160D 中的折射型菲涅爾透鏡 162 進行說明。
     如果將菲涅爾透鏡片 160 的折射區域 160D 中的任意的截面中的各折射型菲涅爾 透鏡的棱鏡面 163 連在一起, 則得到一個曲線 ( 即, 包絡線 )。得到的包絡線的所有截面中 的集合形成一個假想面。以下, 稱該假想面為 “原面” 。
     附隨構成折射區域 160D 的折射型菲涅爾透鏡的原面在投影型影像顯示裝置中, 一般為球面, 但是在本實施方式中, 應用日本專利特開 2006-154719 號公報所公開的菲涅 爾透鏡片的技術, 為與從投影裝置 10 向圖像顯示液晶面板 170 入射的光線的入射角對應的 非球面形狀。
     這時, 各棱鏡面的菲涅爾角在折射區域 160D 中, 上部比下部大。由此, 入射到菲涅 爾透鏡片 160 的折射區域 160D 的入射面的光線被變換為, 漫及圖像顯示用液晶面板 170 的 大致整個面上, 幾乎垂直地向圖像顯示用液晶面板 170 的入射面入射。
     接著, 參照圖 10 的示意圖, 對在形成于上述折射區域 160D 的折射型菲涅爾透鏡 162 中, 設定同心圓狀地形成的多個棱鏡面 163 的面形狀 ( 所謂的菲涅爾透鏡的原面 ) 的方 法進行詳細說明。而且, 如上所述, 構成折射區域 160D 的折射型菲涅爾透鏡的棱鏡面形成 為以某一點 ( 旋轉軸 ) 為中心的同心圓狀。并且, 用于決定各折射型菲涅爾透鏡的棱鏡面 的菲涅爾角 ( 即, 棱鏡面與菲涅爾透鏡片 160 的主平面所成的角度 ) 的原面為非球面形狀。 此處, 如上所述, 所謂原面是用于決定各棱鏡面的菲涅爾角的面, 指當令菲涅爾透鏡片 160 的折射區域 160D 整體為一個透鏡時的該透鏡面。即, 當設定折射型菲涅爾透鏡的棱鏡面的 菲涅爾角時, 首先假定菲涅爾透鏡片 160 的折射區域 160D 整體具有某一個透鏡特性, 將該 透鏡的面形狀設定為原面。然后, 在折射區域 160D 的面上展開與該原面的折射區域 160D 各點對應的形狀 ( 例如, 該各點的原面的切線 )。 由此, 折射區域 160D 的各點的棱鏡面的菲 涅爾角被設定。因此, 按照該菲涅爾角將菲涅爾透鏡片的折射區域 160D 整體的各棱鏡面連 在一起的曲線, 即包括菲涅爾透鏡片的折射區域 160D 整體的所有棱鏡面的集合的包絡線, 表示上述原面。即, 折射區域 160D 的各點的棱鏡面的光的折射方向由與各個棱鏡對應的上 述原面的形狀決定。其中, 令上述旋轉軸與菲涅爾透鏡片 160 的主平面 ( 圖 10 的 XY 面 ) 正交 ( 包含圖的 Z 軸的面 )。并且, 該旋轉軸包含向菲涅爾透鏡片 160 射的光線 25 與將菲 涅爾透鏡片 160 左右相等地垂直分割的面 165( 與 YZ 面平行的面 ) 相交的點 P15。即, 旋轉 軸為與菲涅爾透鏡片 160 的主平面垂直 ( 與第一圖像顯示用液晶面板 170 的法線 8 平行 ) 的軸、 即圖 10 的軸 166。
     但是, 在上述中, 因為入射的光線 25 根據圖像顯示用液晶面板 170 上的位置其入 射角度 ( 相對于入射面的法線的角度 ) 而變化, 所以在此, 通過上述方法求得的軸 166 存在 多個。并且, 從這多個軸中, 令位于其大致中央的軸為折射型菲涅爾透鏡的旋轉軸 ( 即, 構 成折射型菲涅爾透鏡的同心圓狀棱鏡的中心位置 )。
     接著, 以下述方式求取上述各棱鏡面的菲涅爾角的形狀 ( 角度 )。首先, 在折射區 域 160D 的棱鏡面使入射向圖像顯示用液晶面板 170 的入射光線折射, 同時對于折射區域 160D 各點, 分別根據菲涅耳定律求取用于使之向上述法線方向 ( 出射角為 0 度 ) 射出的棱 鏡的角度。接著, 使該求得的棱鏡面連續, 形成上述折射型菲涅爾透鏡的原面 ( 非球面 )。
     其中, 該求取的原面由數學式 3 的非球面式近似求得。
     ( 數學式 5)此處, Z 是與 Z 軸平行的面的下垂量, r 是距離旋轉軸的距離, c 是在頂點的曲率, k 是錐形常數 ( 圓錐常數 ), A ~ F 是 r 的乘冪項的系數 ( 非球面系數 )。
     這時, 進一步進行近似的非球面系數與實際的光線射出角的比較, 以使得射出角 成為接近 0 度的方式對旋轉軸的位置、 非球面系數施加適當且必要的修正和 / 或變更。
     如上所述, 通過上述求取的要素, 即成為構成折射型菲涅爾透鏡的同心圓狀的棱 鏡部的旋轉中心的旋轉軸的位置、 由該各個棱鏡面的集合形成的原面的非球面系數, 構成 上述菲涅爾透鏡片 160 的折射區域 160D 部分。
     圖 11 表示經過上述過程而構成的菲涅爾透鏡片 160 的示意截面圖。圖 11 表示菲 涅爾透鏡片 160 的與該菲涅爾透鏡片 160 的法線平行且包含上述旋轉軸的截面。
     在圖 11 中, Z = f(r) 是表示附隨菲涅爾透鏡片 160 的折射區域 160D 中的折射型 菲涅爾透鏡的非球面形狀的原面 164 的多項式, 以數學式 5 表示。r 與上述數學式 5 的 r 對 應, 表示距離旋轉軸的距離。 距離 r1 的折射型菲涅爾透鏡的棱鏡面 163 的菲涅爾角 θ1( 菲 涅爾透鏡片 160 的主平面與棱鏡面成的角度 ) 與距離 r1 的原面 164 的傾斜 ( 切線 ) 大致 相等。即, 當令以數學式 3 表示的原面的非球面式為 Z = f(rn) 且 n 為 1 以上的整數時, 折 射區域 160D 的各位置的菲涅爾角 θn 由數學式 6 表示。
     ( 數學式 6)
     θn = f(rn)’
     由此, θ1 = f(r1)’ , θ2 = f(r2)’ , θ3 = f(r3)’ ……。這樣, 折射區域 160D 的 各位置的菲涅爾角 θn 與非球面式的各位置 ( 各距離 rn) 的微分值大致對應。這樣, 菲涅 爾透鏡片 160 中的折射區域 160D 的各位置的菲涅爾角 θn 被設定。
     如上所述, 從投影透鏡裝置 10 向菲涅爾透鏡片 160 的折射區域 160D 入射的光線 被折射型菲涅爾透鏡的各棱鏡面 163 折射。 如上所述, 如果令折射型菲涅爾透鏡的原面 164 為與向折射區域 160D 各位置入射的入射光線的入射角對應的非球面形狀, 則被各棱鏡面 163 折射的各光線與菲涅爾透鏡片 160 的法線大致平行。 此處, 從圖 11 明顯可知, 位于菲涅 爾透鏡片 160 的折射區域 160D 上部的 ( 即, 在圖像顯示用液晶面板的縱方向上部遠離旋轉 軸的位置的 ) 棱鏡面 163 的菲涅爾角 θ, 比位于菲涅爾透鏡片 160 的折射區域 160D 下部 的 ( 即, 在圖像顯示用液晶面板的縱方向下部接近旋轉軸的位置的 ) 棱鏡面 163 的菲涅爾 角 θ 大。這是因為, 在本實施方式中的斜投影中, 圖像顯示用液晶面板上部與圖像顯示用 液晶面板下部相比其光線的入射角較大。
     接著, 參照圖 11, 對全反射區域 160E 中的全反射型菲涅爾透鏡 167 進行說明。
     如圖 11 所示, 全反射區域 160E 的全反射型菲涅爾透鏡包括折射面 1671 和全反射 面 1672。入射到位于全反射區域 160E 的全反射型菲涅爾透鏡 167 的光線 L66 在其折射面 1671 被折射, 然后朝向全反射面 1672。然后, 在全反射面 1672 被全反射, 從菲涅爾透鏡片 160 射出, 垂直地向圖像顯示用液晶面板 170 入射。
     為了使入射光線向圖像顯示用液晶面板 170 垂直地射出, 對全反射面 1672 與主平 面所成的角 α 進行設定, 使得從與投影裝置 10 較近的全反射型菲涅爾透鏡到較遠的全反 射型菲涅爾透鏡逐漸變小, 或者, 也可以對折射面 1671 與主平面所成的角 β 進行設定, 相
     反地使得從與投影裝置 10 較近的全反射型菲涅爾透鏡到較遠的全反射型菲涅爾透鏡逐漸 變大。這樣, 能夠使入射到全反射區域的光線向圖像顯示用液晶面板 170 垂直地射出。
     如果如上述那樣構成菲涅爾透鏡片 160, 則能夠將從投影透鏡裝置 10 向圖像顯示 用液晶面板 170 投影的光線加以變換并使之射出, 使得其向圖像顯示用液晶面板 170 入射 的入射角大致為 0 度。 因此, 如果使用本實施方式的菲涅爾透鏡片, 則來自投影透鏡裝置 10 的光線能夠與圖像顯示用液晶面板 170 的法線平行地 ( 即, 與圖像顯示用液晶面板 170 垂 直 ) 入射, 所以能夠在圖像顯示用液晶面板 170 上顯示高對比度的圖像。
     另外, 在上述菲涅爾透鏡片 160 中, 在片的入射側設置有折射區域和全反射區域, 但本發明不限于此。例如, 如本發明者所申請的日本專利特開 2005-91541 號公報所示那 樣, 也可以在片的入射側在入射角為規定以上的周邊部設置全反射區域, 而在片的射出側 在入射角為規定以下的中央部設置折射區域。
     ( 實施例 1)
     在圖 1 所示的影像顯示裝置中, 因為從光源 110 向液晶面板照射的光量分布 ( 也 稱為光強度分布, 照度分布 ) 不一樣 ( 不均勻 ), 所以在圖像顯示用液晶面板上的圖像中在 明亮度上存在發生不均勻的問題。 于是, 使用圖 12, 對在光源與液晶面板之間插入有用于使 來自光源的照明光的光量分布均勻的聯合組件 (integrater) 的實施例 1 的投影圖像形成 裝置進行說明。 圖 12 是實施例 1 的投影圖像形成裝置的示意結構圖。
     如圖 12 所示, 本實施例的投影圖像形成裝置包括 : 光源 110、 成對并作為多透鏡方 式聯合組件 120 發揮作用的第一多透鏡元件 121 以及第二多透鏡元件 122、 偏振光變換元件 130A、 重疊透鏡 141、 場透鏡 145、 第二液晶面板 150、 和投影透鏡裝置 10。
     光源 110 由燈 101 和反射鏡 102 構成。燈 101 是高壓水銀燈的白色燈。反射鏡 102 以從背后側覆蓋燈 101 的方式配置, 例如具有旋轉拋物面形狀的反射面, 且具有圓形或 多角形的射出開口。
     從燈 101 射出的光被具有旋轉拋物面形狀的反射面的反射鏡 102 反射, 變得與光 軸 115 大致平行, 于是從光源 110 射出大致平行的光束。從光源 110 射出的光向多透鏡方 式的聯合組件入射。
     多透鏡方式的聯合組件 120 由第一多透鏡元件 121 和第二多透鏡元件 122 構成。
     第一多透鏡元件 121 以矩陣狀配置有多個透鏡單元, 以多個透鏡單元將從光源入 射的光分割成多路光, 以使得其高效率地通過第二多透鏡元件 122 和偏振光變換元件 130A 的方式加以引導, 其中, 該透鏡單元從光軸 115 方向看具有與作為第二光調制部的液晶面 板 150、 作為第一光調制部的圖像顯示用液晶面板 170 大致相似的矩形形狀。即, 第一多透 鏡元件 121 被設計為與燈 101 和第二多透鏡元件 122 的各透鏡單元成光學上的共軛關系。
     第二多透鏡元件 122 與第一多透鏡元件 121 同樣, 從光軸 115 方向看具有矩陣狀 地配置有矩形形狀的多個透鏡單元的結構, 其將構成的透鏡單元分別對應的第一多透鏡元 件 121 的透鏡單元的形狀分別與重疊透鏡 141 一起投影 ( 投射 ) 到液晶面板 150 上。
     在該過程中, 利用偏振光變換元件 130A, 使來自第二多透鏡元件 122 的光與規定 的偏振光方向一致。 然后, 第一多透鏡元件 121 的各透鏡單元的投影像分別被重疊透鏡 141 重疊, 經場透鏡 145 調整為與光軸 115 大致平行后, 在液晶面板 150 上重合。
     另外, 因為第二多透鏡元件 122 和與之接近配置的聚光透鏡 141, 以使得第一多透 鏡元件 121 的各透鏡單元與液晶面板 150 為光學上的物體與像的關系 ( 即共軛關系 ) 的方 式設計, 所以被第一多透鏡元件 121 分割為多路的光束, 通過第二多透鏡元件 122 和重疊透 鏡 141, 被重疊投影在液晶面板 150 上, 使液晶面板 150 上的光量分布均勻。
     在此, 使用圖 13, 對偏振光變換元件 130A 的偏振光變換作用進行說明。 圖 13 是包 含光軸沿液晶面板的長邊將偏振光變換元件切斷后的截面結構圖。
     如圖 13 所示, 偏振光變換元件 130A 中, 作為沿與第二液晶面板 150 的短邊平行的 方向延伸的平行四邊形柱的透光性部件 31, 與相對于光軸 115 方向正交的面平行, 在與液 晶面板 150 的長邊平行的方向上排列成多個陣列狀, 在以陣列狀排列且鄰接的透光性部件 31 之間的界面處交替地形成有偏振光分束膜 ( 以下, 省略為 “PBS 膜” )32 和反射膜 33。并 且, 在通過偏振光變換元件 130A 的入射側的開口部 35 后透過 PBS 膜 32 的光射出的的射出 面處設置有 λ/2 相位差板 34。并且, 偏振光變換元件 130A 構成為, 相對于在光軸 115 和平 行四邊形柱的透光性部件 51 的延伸方向形成的面 ( 令光軸 115 為平面, 以下, 為了方便, 將 該面稱為 “光軸面” )S115 對稱。
     在以上述方式構成的偏振光變換元件 130A 中, 通過第一多透鏡元件 121、 第二多 透鏡元件 122 后入射到開口部 35 的光線 37 之中, 例如 S 偏振光被 PBS 膜 32 反射, 并被相對 的反射鏡 33 反射后以 S 偏振光射出。另外, P 偏振光的光透過 PBS 膜 32, 被射出面的 λ/2 相位差板 34 變換成 S 偏振光的光后射出。這樣作為基礎的偏振光變換部 30 構成有多個, 偏振光變換元件 130A 使入射的光的偏振方向與規定偏振方向的光 ( 在此為 S 偏振光的光 ) 一致并射出。當使 P 偏振光的光一致時, 在 S 偏振光的光的射出面設置 λ/2 相位差板 34 即可。
     如上所述, 能夠通過以成對的第一多透鏡元件 121 和第二多透鏡元件 122 構成的 多透鏡方式聯合組件 120 均勻照明液晶面板 150。
     ( 實施例 2)
     在實施例 1 中, 作為使照明光同樣化 ( 均勻化 ) 的聯合組件, 使用由成對的第一多 透鏡元件和第二多透鏡元件構成的多透鏡方式聯合組件 120。接著, 參照圖 14, 對使用作為 聯合組件的一種的桿 ( ロツド ) 型聯合組件的實施例 2 的投影圖像形成裝置進行說明。
     其中, 作為桿型聯合組件, 有光漏斗 (light funnel)、 棒形透鏡 ( ロツドレンズ ) 等, 此處使用光漏斗。 另外, 作為液晶面板, 使用反射型的液晶面板。 但是, 本發明不限于此, 既可以使用棒形透鏡代替光漏斗, 或者, 也可以改變光學系統的結構, 使用二維排列有多個 微小鏡的 DMD(Digital Micro Mirror Device : 數字微鏡器件 ) 元件、 透過型的液晶面板代 替反射型液晶面板。
     圖 14 是實施例 2 的投影圖像形成裝置的示意結構圖。
     如圖 14 所示, 本實施例的投影圖像形成裝置包括 : 光源 110B、 作為聯合組件發揮 作用的光漏斗 125、 偏振光變換元件 130B、 聚光透鏡 142、 場透鏡 146、 偏振光板 151、 偏振分 束棱鏡 ( 以下, 省略為 “PBS 棱鏡” )152、 反射型液晶面板 150B、 偏振光板 153、 和投影透鏡裝 置 10。
     光源 110B 由燈 101 和反射鏡 103 構成。燈 101 是高壓水銀燈的白色燈。反射鏡 103 以從背后側覆蓋燈 101 的方式配置, 具有旋轉橢圓面形狀的反射面。從配置于反射鏡 103 的第一焦點處的燈 101 射出的光被具有旋轉橢圓面形狀的反 射面的反射鏡 103 反射, 向配置于反射鏡 103 的第二焦點位置附近的光漏斗 125 的入射面 125a 聚光并入射。
     即, 反射鏡 103 作為將從燈 101 射出的光聚光到光漏斗 125 的入射面 125a 的聚光 部而發揮作用。當然, 與實施例 1 相同, 作為反射鏡 103 也可以使用旋轉拋物面形狀的反射 鏡, 以聚光透鏡向光漏斗 125 的入射面 125a 聚光。
     光漏斗 125 如萬花筒 ( 萬華鏡 ) 那樣以中空的光管 ( 所謂光導管 ) 構成, 具有將 入射的光反復多次全反射而使入射光的光量分布均勻 ( 一樣 ) 的功能。在此, 使用與光軸 115 正交的截面的面積朝射出側逐漸變大的光導管。但是, 也可以使用實心的棒形透鏡。
     入射到光漏斗 125 的光線在光漏斗的側面反復全反射, 在射出面 125b 成為各種各 樣的角度的光重疊的狀態, 光量分布變均勻。并且, 因為光漏斗 125 的截面形狀朝射出側變 大, 所以從射出面 125b 射出的光線角度與光軸大致平行。從光漏斗 125 射出的光向偏振光 變換元件 130B 入射。
     偏振光變換元件 130B 包括 : 設置于光漏斗 125 的射出面 125b 的具有 PBS 膜 41a 的 PBS 棱鏡 41、 配置于被 PBS 棱鏡 41 的 PBS 膜 41a 反射的 S 偏振光前進的一側的具有全反 射膜 42a 的全反射棱鏡 42、 和設置于射出面 41b 的 λ/2 相位差板 43, 其中, 該射出面 41b 為透過 PBS 棱鏡 41 的 PBS 膜 41a 的 P 偏振光射出的面。
     從光漏斗 125 入射到偏振光變換元件 130B 的 PBS 棱鏡 41 的光量分布均勻且沒有 偏倚的光之中, S 偏振光的光 (S 偏振光 ) 被 PBS 膜 41a 反射, 入射到全反射棱鏡 42, 被全反 射膜 42a 反射, 最后從全反射棱鏡的射出面 42b 射出。另外, 入射到 PBS 棱鏡 41 的 P 偏振 光的光 (P 偏振光 ) 透過 PBS 膜 41a, 從射出面 41b 射出, 進一步被 λ/2 相位差板 43 變換成 S 偏振光而射出。這樣, 入射到偏振光變換元件 130B 的沒有偏倚的光通過偏振光變換元件 130B 與 S 偏振光一致。
     而且, 通過射出側變寬的光漏斗 125 而成為與光軸 115 大致平行的光線向偏振光 變換元件 130B 入射, 所以能夠利用 PBS 膜 41a 高效地進行偏振光分離。并且, 由射出面 41b 和射出面 42b 構成的偏振光變換元件 130B 的射出面的形狀形成為與反射型液晶面板 150B 大致相似。
     聚光透鏡 142 為將偏振光變換元件 130B 的射出面投影向反射型液晶面板 150B 的 中繼透鏡。
     從偏振光變換元件 130B 射出的 S 偏振光被聚光透鏡 142 聚光, 被場透鏡 146 變換 為與光軸 116 大致平行, 然后通過偏振光板 151, 最后被 PBS 棱鏡 152 反射而向反射型液晶 面板 150B 入射。
     因為被反射型液晶面板 150B 調制而成的調光像為 P 偏振光, 所以這次透過 PBS 棱 鏡 152, 被偏振光板提高對比度, 然后被投影透鏡裝置 10 朝圖像顯示用液晶面板放大投影。
     ( 實施例 3)
     使用圖 15 對實施例 3 的影像顯示裝置進行說明。
     本實施例的影像顯示裝置與實施例 2 相比在光漏斗 125 的入射面 125a 附近配置 有作為時間分割顏色分離部的顏色轉輪 (color wheel) 這方面是不同的。如果使用顏色轉 輪, 則能夠在進行單色顯示 ( 例如黑白顯示 ) 的圖像顯示用光調制部對彩色圖像進行時間分割顯示 ( 顏色順序顯示 )。因此, 當進行彩色顯示時, 1 個像素由一組彩色像素 (R 像素、 G 像素、 B 像素 ) 構成, 但是在進行單色顯示時, 因為以一個像素進行顯示, 所以能夠使用整 體的像素數較少的面板。因此, 能夠實現成本的降低。
     圖 15 是實施例 3 的影像顯示裝置的示意結構圖。
     在圖 15 中, 180 是顏色轉輪, 170B 是進行上述單色顯示的圖像顯示用液晶面板。
     顏色轉輪 180 例如是在周方向以規定的比例形成有透過 R 光 ( 紅色光 ) 的 R 光濾 色片 181、 透過 G 光 ( 綠色光 ) 的 G 光濾色片 182、 透過 B 光 ( 藍色光 ) 的 B 光濾色片 183 的圓盤, 在其中心具有旋轉軸 ( 未圖示 ), 通過未圖示的驅動部高速旋轉。這樣構成的顏色 轉輪 180 在光源 110B 與光漏斗 125 之間配置在光漏斗 125 的入射面 125a 的附近。
     從光源 110B 射出的大致白色的會聚光被顏色轉輪 180 以時間分割而顏色分離為 R 光、 G 光、 B 光。
     然后, 被顏色轉輪 180 顏色分離的色光向光漏斗 125 入射, 在光量分布被均勻化后 被偏振光變換元件 130B 形成為 S 偏振光, 進一步, 被作為第二光調制部的反射型液晶面板 根據第二影像信號進行調制, 該調制后的圖像通過投影透鏡裝置 10 被放大照射到作為第 一光調制部的圖像顯示用液晶面板 170B 上。圖像顯示用液晶面板 170B 將照射的調制放大 圖像作為近似的二次光源根據第一影像信號再次進行調制, 由此, 形成高對比度的圖像。 經 過這樣的過程, 在圖像顯示用液晶面板 170B 上以時間分割形成 R 光的圖像、 G 光的圖像、 B 光的圖像, 在視覺上被識別為彩色圖像。
     通過本實施例, 能夠實現彩色直視型影像顯示裝置的成本降低。
     另外, 在上述內容中, 雖然在第二光調制部使用反射型液晶面板, 但是也可以使用 二維排列有微小鏡的 DMD 元件。DMD 元件與液晶面板相比, 其對比度比較大, 能夠更加適于 使用。
     在以上所述的實施例中, 在圖像顯示用液晶面板 170B 的入射側和射出側設置有 偏振光板。但是, 在直視型影像顯示裝置的情況下, 畫面尺寸較大。因此, 當使用液晶面板 作為第二光調制部時, 如果使用 2 塊配置于液晶面板的光路上的前后的偏振光板、 例如射 出側偏振光板來提高偏振度, 則有消除作為第一光調制部的圖像顯示用液晶面板 170B 的 入射側偏振光板的可能性。在此情況下, 附隨液晶面板的偏振光板的尺寸大致與液晶面板 相同, 相比于將射出側偏振光板采用 2 塊結構的成本增加, 消除圖像顯示用液晶面板 170B 的入射側偏振光板的成本下降更大, 因此能夠實現影像顯示裝置的成本降低。 并且, 當使用 DMD 元件作為第二光調制部時, 因為 DMD 元件比液晶面板能夠獲得足夠大的對比度比, 所以 也能夠消除作為第一光調制部的圖像顯示用液晶面板 170B 的入射側偏振光板。

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影像 顯示裝置 應用 三維
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