JP2884755B2

JP2884755B2 - 投射型表示装置

Info

Publication number: JP2884755B2
Application number: JP2265059A
Authority: JP
Inventors: 好晴大井; 友紀郡島; 良典平井
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd
Current assignee: AGC Inc
Priority date: 1990-10-04
Filing date: 1990-10-04
Publication date: 1999-04-19
Anticipated expiration: 2014-04-19
Also published as: JPH04142528A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、透過散乱型表示素子を用いた投射型表示装
置に関する。

［従来の技術］投射型表示装置は、従来はCRTを用いたものが一般的
であったが、装置が大型化する欠点があった。このため、小型の投射型表示装
置が望まれていた。

一方、液晶表示素子は平板表示素子であり、小型で軽
く、低消費電力である等の特長を活かして各種表示装置
として使用されている。

近年、この液晶表示素子を投射型表示装置に使用する
ことにより、大きくて重量があった投射型表示装置を小
型化できるとしてその実用化が始まっている。

最初実用化されたものは、通常のTN型液晶表示素子を
用いたものであり、液晶TVとして用いられているような
アクティブマトリクス液晶表示素子を用いていた。しか
し、このTN型液晶表示素子は、偏光板を２枚用いている
ため光の損失が大きく、明るい投射画像が得られないと
いう問題があった。

このため、透過時の透過率の高い平板表示素子が望ま
れており、電圧の印加状態により透過状態と散乱状態と
をとる透過散乱型表示素子を使用することが提案されて
きている。

この透過散乱型表示素子は、偏光板を用いないため、
透過時にはほとんど光の損失無く光が透過するため、明
るい投射画像を得ることができる。

このため、透過散乱型表示素子を用いた各種の投射型
表示装置が提案されている。しかし、それらは従来のTN
型液晶表示素子を用いた投射型表示装置の光学系をその
まま採用していたため、透過散乱型表示素子を用いた明
るいという利点を充分活かしきれていない。

［発明の解決しようとする課題］第６図（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、それらで提案され
ている投射用光源系の側面図であり、これらの図では、
透過散乱型表示素子の光出射側に配置される投射光学系
等は省略して示している。

第６図（Ａ）は、光源71Aと楕円鏡または放物面鏡72A
とを用いた投射用光源系であり、集光用のレンズを用い
ずに透過散乱型表示素子75Aに光が入射するようにされ
ている例を示す。この例では、大型の楕円鏡または放物
面鏡が必要とされるという問題があった。さらに、光源
からの光の一部が直接透過散乱型表示素子に入射し、そ
の光は反射により入射される光とは光束がずれており、
その散乱された光が本来の透過光に混じってしまい、TN
型液晶表示素子を用いた場合には生じなかったコントラ
スト比の低下を生じるという大きな問題があった。

第６図（３）は、光源71Bと球面鏡72Bと集光用のレン
ズ74Bとを用いた投射用光源系であり、レンズ74Bを用い
て透過散乱型表示素子75Bに光が入射するようにされて
いる例を示す。この例では、球面鏡は小型でよいが、光
源の光が充分利用されないという問題があった。

第６図（Ｃ）は、光源71Cと楕円鏡72Cと集光用のレン
ズ74Cとを用いた投射用光源系であり、レンズ74Cを用い
て透過散乱型表示素子75Cに光が入射するようにされて
いる例を示す。この例では、楕円鏡は小型でよく光源の
光もよく利用されるものであった。しかし、（Ａ）の例
と同様に、光源からの光の一部が斜めに直接透過散乱型
表示素子に入射し、その散乱された光が本来の透過光に
混じってしまい、コントラスト比の低下を生じるという
大きな問題があった。

また、光源は点光源といっても、有限の長さを持って
いる。（Ａ）、（Ｃ）のような楕円鏡は、理想的な点光
源であれば、光束が揃うことになるが、有限の長さを持
っているため、光の発散が増え、光束が揃いにくくな
る。

もっとも、TN型液晶表示素子を用いた投射型表示装置
では、投射画像を明るくするために強い光をあてると、
液晶表示素子の偏光板が光を吸収し発熱するため、偏光
板が劣化し、使用できなくなるという問題があり、単に
強い投射用光源系を用いればよいというわけにはいかな
かった。

一方、これらの透過散乱型表示素子は、光を透過させ
るか散乱させるかで作動するため、光が熱になって問題
になることが少ない。もちろん、基板や電極等で光が吸
収されるためわずかに発熱するが、偏光板での吸収に比
べれば少なく、また、その耐熱性も高いので、TN型液晶
表示素子に対して強い入射光に耐えることができ、明る
い表示が可能である。

しかし、透過散乱型表示素子はTN型液晶表示素子に対
して、スクリーン上でのコントラスト比がでにくい傾向
があった。

これは、TN型液晶表示素子がオフ部では光源と反対側
に光が出てこないのに対し、透過散乱型表示素子ではオ
フ部でも光は出射してきているためである。そして、こ
の出射した散乱光を透過散乱型表示素子とスクリーンと
の間に配置した散乱光を除去する手段で除去している。
この散乱光を充分除去できない場合には、スクリーン上
で散乱光が本来の透過光に重なって見えるため、コント
ラスト比が低下することになる。

そのため、透過散乱型表示素子に入射する光束が揃っ
ていないと、出射側に精度の良い散乱光を除去する手段
を設けても、表示が暗くなるのみで、コントラスト比は
向上しにくい。

このため、透過散乱型表示素子を用いた投射型表示装
置の明るい表示という利点を活かしつつ、光源の利用効
率を上げて小型化し、コントラスト比を向上させること
が望まれていた。

［問題点を解決するための手段］本発明は、前述の課題を解決すべくなされたものであ
り、投射用光源系と、投射用光源系からの光が入射する
透過散乱型表示素子と、透過散乱型表示素子から出射し
た光をスクリーンに投射する投射光学系とを有する投射
型表示装置において、楕円鏡と光源と底面の断面が上面
の断面よりも大きい錐体状のプリズムと集光用のレンズ
とを有する投射用光源系を用い、楕円鏡の第１の焦点位
置に光源が配置され、楕円鏡の第２の焦点位置近傍に前
記底面が配置され、光源からの光は楕円鏡の第２の焦点
位置に集光され、前記プリズムを通過した光のみを、集
光用のレンズで集光して透過散乱型表示素子に入射させ
ることを特徴とする投射型表示装置を提供する。

本発明の投射型表示装置では、透過散乱型表示素子と
投射用光源系とを組み合わせて用いているため、透過散
乱型表示素子への入射光に対する表示の明るさが明る
い。

さらに、最大の特徴として楕円鏡と光源と錐体状のプ
リズムと集光用のレンズを用いた投射用光源系を用いて
いるので、透過散乱型表示素子に入射する光束が揃って
おり、出射側に設けた散乱光を除去する手段で散乱光を
高い効率で除去することができ、光源の利用効率を上げ
て光源を小型化し、かつ高コントラスト比の投射画像を
得ることができる。

特に、透過散乱型表示素子として、電極付基板間に誘
電異方性が正のネマチック液晶が樹脂マトリクス中に分
散保持され、その樹脂マトリクスの屈折率が使用する液
晶の常光屈折率ｎ。とほぼ一致するようにされた液晶樹
脂複合体を挟持するようにされた透過散乱型液晶表示素
子を用いることが好ましい。

このような液晶樹脂複合体は、透過−散乱特性がよ
く、フィルム状になっているので、基板の加圧による基
板間短絡やスペーサーの移動による能動素子の破壊とい
った問題点も生じにくい。

なお、この液晶樹脂複合体を挟持した透過散乱型表示
素子は、マルチプレックス駆動特性はよくないため、簡
単なパターンの表示以外は通常各画素電極に能動素子を
設けて使用される。

また、この液晶樹脂複合体は、比抵抗が従来のTNモー
ドの場合と同等であり、DSモードのように大きな蓄積容
量を画素電極毎に設けなくてもよく、能動素子の設計が
容易で、かつ、液晶表示素子の消費電力を少なく保つこ
とができる。したがって、TNモードの従来の液晶表示素
子の製造工程から、配向膜形成工程を除くだけで製造が
可能になるので、生産が容易である。

この能動素子としては、トランジスタ、ダイオード、
非線形抵抗素子等があり、必要に応じて１つの画素に２
以上の能動素子が配置されていてもよい。

本発明の投射型表示装置は、投射用光源系、透過散乱
型表示素子、投射光学系を有する。

本発明における投射用光源系は、楕円鏡と光源と維体
状のプリズムと集光用のレンズとを有する。この維体状
のプリズムは、底面断面が上面断面よりも大きい錐体状
のプリズムであればよく、具体的な形状については後で
詳述する。その楕円鏡の第１の焦点位置に光源を配置
し、光源からの光を第２の焦点位置に集光し、第２の焦
点位置に配置された錐体状のプリズムの底面から入射
し、上面から出射した光を、集光用のレンズで集光し
て、透過散乱型表示素子に入射させるように配置する。

なお、維体状のプリズムは第２の焦点位置に配置する
ことが、最も効率がよいが、場合によってはその光軸方
向に前後にずれて配置されることもありうる。

本発明では、楕円鏡で光源のかなりの部分を覆ってい
るので、光源からでた光の多くが反射により利用でき
る。さらに、球面鏡のように大部分の反射光が光源に戻
ってきて、光源自体が反射して戻ってきた光を通過させ
ないことによる損失が少なく、光の利用効率が向上す
る。さらに、集光用のレンズを用いているので、小型の
楕円鏡ですみ、高価な大型楕円鏡を用いる必要がなく、
投射用光源系を小型化できる。

さらに、楕円鏡の第２の焦点位置に、錐体状のプリズ
ムを配置する。なお、この際に錐体状のプリズムの底面
以外に到達した光が集光レンズに届かないようにするこ
とが好ましい。具体的には、錐体状のプリズムの底面の
位置に、底面と同じ開口部を有する絞りを配置すればよ
い。

これにより、有限長の光源と楕円鏡による球面鏡より
も生じやすい光束のずれた光成分および反射しなく第２
の焦点を通らずに直接集光レンズに向かう光成分を除去
し、光束を揃えることができ、透過散乱型表示素子を出
射してスクリーンに到達する不要な光を減少させ、コン
トラスト比を向上させることができる。

特に、透過散乱型表示素子とスクリーンとの間に、散
乱光を除去する手段、具体的には第２の絞りを設けてお
くとこの効果は大きい。

第１図は本発明の投射型表示装置の基本的な構成を示
した例の模式図である。第１図の例では、光源１は楕円
鏡２の第１の焦点に配置されており、光源１からでた光
は楕円鏡２で反射され、絞り３の開口部にその底面が設
けられた錐体状のプリズム４の底面から入射し、プリズ
ムを通過して光束を揃えられ、上面から出射して、集光
用のレンズ５により集光されて平行光とされ、透過散乱
型表示素子６を通過して、集光用のレンズ７で集光さ
れ、散乱光を除去する手段としての第２の絞り８により
散乱光が除去され、投射用のレンズ９により図示されて
いない右側のスクリーンに投射される。この光源１、楕
円鏡２、絞り３、プリズム４、集光用のレンズ５で投射
用光源系を構成しており、集光用のレンズ７、第２の絞
り８、投射用のレンズ９で投射光学系を構成している。

第２図は錐体状のプリズムの形状を説明するための側
面図である。

第２図（Ａ）は最も単純な形状の錐体状のプリズム11
Aを用いた例であり、円錐台または角錐台状である。こ
の場合には、底面22Aと底面における底面断面14Aとが一
致し、上面13Aと上面における上面断面15Aとが一致す
る。このプリズムの底面および上面は光軸に対して直交
しており、プリズムの側面とは角度ψで交差している。

第２図（Ｂ）はプリズム11Bの底面12Bを錐体状にした
例であり、錐面が底面断面14Bに対して角度φをなして
いる。また、上面側も上面13Bが曲面とされてレンズと
して機能するように設けられており、上面断面15Bから
出射側に凸状に形成されている。

第２図（Ｃ）はプリズム11Cの底面12Cを錐体状にし、
上面13Cを上面断面15C上に形成されたマイクロレンズア
レイにした例であり、（Ｄ）は、プリズム11Dの底面12D
を錐体状にし、上面13Dを上面断面15D上に形成されたロ
ッドレンズアレイにした例である。

なお、（Ｂ）〜（Ｄ）において、底面12B〜12Dを凸状
の錐体状としているが、凹状の錐体状としてもよい。ま
た、錐体状プリズムの側面は、その側面図における断面
の切断線が直線となる以外の曲面でもよい。

第３図は本発明に用いられる投射用光源系の部分を拡
大した断面図であり、楕円鏡22の第１の焦点に光源21を
配置し、第２の焦点に絞り23の開口部およびプリズム24
の底面を配置する。この光源21からでた光は直接に、ま
たは楕円鏡22で反射して絞り23の開口部に到達した光の
みがプリズム24のその底面に入射し、プリズム内を伝搬
してプリズムの上面から出射するようにされている。

このような錐体状のプリズムの形状を、入射光がプリ
ズム内面でほぼ全反射するようにすれば、プリズム内で
の光量損失が実質的になくなる。すなわち、楕円鏡で反
射されて到達する光の最大の入射角θ₂の入射光に対し
てもプリズムが内部で全反射するようにされていればよ
い。このためには、前記した第２図（Ｂ）〜（Ｄ）のよ
うにプリズムの入射側の底面を底面断面よりも入射側に
凸状にされた形状、または逆に入射側に凹状にされた形
状にすることが好ましい。

具体的には、底面断面に対し側面が角度φで交差する
ような円錐状または角錐状にすればよく、角度φは光源
と楕円鏡とプリズム底面との位置に応じて最適な値が存
在し、−20°〜20°程度とされればよい。一般的には、
効率よく光を利用するためには、凸状にした場合には第
２の焦点位置がプリズムの底面のやや外側に位置するよ
うに配置されることが好ましく、凹状にした場合には第
２の焦点位置がプリズムの底面のやや内側に位置するよ
うに配置されることが好ましい。

そして、底面断面＞上面断面のプリズムとすることに
より、見掛け上絞りの直径を小さくした効果が得られ
る。

このため、光量損失をほとんど生じなく、見掛け上絞
りの直径を小さくした効果、すなわち、理想的な点光源
に近い高発光光源が得られることになる。

また、プリズムの上面を球面または非球面レンズ状に
したり、表面をエッチング、研磨等で荒らして光拡散面
にしたり、反射防止膜を形成したり、マイクロレンズア
レイ、ロッドレンズアレイ等を形成したりして、反射に
よる出射光量の低下や不均一さを低減できる。なお、プ
リズムの入射側には入射損失を防ぐため、反射防止膜を
形成しておくことが好ましい。

この例は、１個の透過散乱型表示素子で説明している
が、単色表示以外の場合には、通常は色毎に複数個の透
過散乱型表示素子を用いる。例えば、カラーTV表示のよ
うにフルカラー表示させる場合には、RGB3色用の３個の
透過散乱型表示素子を用いればよい。もちろん、１個の
透過散乱型表示素子に３色のカラーフィルターを組み込
んで表示しても、同じTN型液晶表示素子を用いた場合よ
りは明るくなるが、カラーフィルターによる光の吸収に
より投射画像が大幅に暗くなる。このため、通常はダイ
クロイッタミラー、ダイクロイックプリズム等でRGB3色
に分光し、夫々カラーフィルターを設けていない透過散
乱型表示素子により透過散乱を制御して、それらの透過
光を合成投射するようにされる。

第４図はその例を示しており、ダイクロイックミラー
を用いた例の模式図である。第４図において、31は光
源、32は楕円鏡、33は絞り、34はプリズム、35は集光用
のレンズ、41、43は分光用ダイクロイックミラー、42は
鏡であり、これらで投射用光源系を構成する。37A、37
B、37Cは各色に対応したレンズ、36A、36B、36Cは各色
に対応した透過散乱型表示素子、44、46は合成用ダイク
ロイックミラー、45は鏡、これら44〜46と、図示されて
いない（図の右側になる）拡散光を減ずる手段としての
第２の絞り、投射レンズで投射光学系を構成しており、
これにより図の右側のスクリーンに投射する。

第５図は反射型透過散乱型表示素子を用いた投射型表
示装置の例である。第５図において、51は光源、52は楕
円鏡、60は鏡、53は絞り、54はプリズム、55は集光用の
レンズ、61は分光用兼合成用ダイクロイックプリズムで
あり、これらで投射用光源系を構成する。56A、56B、56
Cは各色に対応した反射型の透過散乱型表示素子、58は
拡散光を減ずる手段としての第２の絞り、59は投射用レ
ンズであり、これらと分光用兼合成用ダイクロイックプ
リズム61とで投射光学系を構成しており、これにより図
の左側のスクリーンに投射する。

これらの投射用光源系に用いられる光源としては、ハ
ロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノンランプ
等の発光長の短いものが使用できる。

楕円鏡は、その第１の焦点位置に前記の光源を配置で
き、第２の焦点位置に後述するプリズムの底面を配置で
きるものであればよい。なおかつ、光源の光を効率よく
使用できる程度の大きさとされていればよい。通常はコ
ールドミラーとされるため、小型ですむことは大きな利
点となる。

第２の焦点位置に配置されるプリズムは、第２の焦点
位置に集光されてきた光の光束の揃った光のみを利用す
るようにするためのものである。特に、このプリズムの
底面部分以外は遮光するように絞りとなるものを配置し
ておくことが好ましい。具体的には、前記した例に示し
たような孔の開いたアパチャーや、小型の鏡等が使用で
きる。小型の鏡を用いた場合には、光源と透過散乱型表
示素子とを直線上に配置しなくてすむ。

アパチャーの場合には、その孔がその開口部になり、
その孔を透過した光のみが集光用のレンズにより集光さ
れ、小型の鏡の場合には、その反射面がその開口部にな
り、その反射面で反射した光のみがプリズムに入射し、
集光用のレンズにより集光される。

このプリズムの底面断面の径D₁（絞りを設ければ開口
部の径と同じ）およびプリズムの上面断面の径D₂は、光
源の大きさ、所望の明るさ、コントラスト比等を考慮し
て定めればよい。

通常は、第１図の例のように、平行光にする場合に
は、プリズムの上面断面の径D₂と集光用のレンズの焦点
距離f₁との比D₂／f₁を0.02〜0.18にしておくことが好ま
しい。

この投射用光源系は、本発明の効果を損しない範囲内
でこのほか、他の鏡、オプティカルファイバー、ファイ
バーアレイ、レンズ、冷却系、赤外線カットフィルタ
ー、紫外線カットフィルター等を組み合わせて用いても
よい。

投射光学系は、従来から公知のレンズ等の投射光学系
が使用できる。この投射光学系は、透過散乱型表示素子
から出射してきた光のうち、直線透過光のみをスクリー
ンに投射し、散乱光は除去されるような構成を持ってい
ればよい。

最も簡単な構成では透過散乱型表示素子の直後に投射
用のレンズを設けるのみの構成があり、必要に応じて集
光用のレンズ、反射用の鏡等を併用してもよい。

しかし、このままでは投射距離を長くしないと散乱光
を充分に除去できず、実用的でないので、散乱光を除去
する手段を設けることが好ましい。具体的には、透過散
乱型表示素子を通過後にいったん透過光を集光し、その
焦点位置に第２の絞りを設ければよい。この第２の絞り
としても前記した投射用光源系の絞りと同様の孔の開い
たアパチャーや、小型の鏡等が使用できる。

アパチャーの場合には、その孔がその開口部になり、
直線透過光（画素部分が透過状態の部分を透過する光）
のみがその孔を透過でき、小型の鏡の場合には、その反
射面がその開口部になり、直線透過光のみがその反射面
で反射されて通過でき、いずれも散乱光（画素部分が散
乱状態の部分で散乱される光）は焦点位置にほとんど到
達しないので、ほとんど除去され、本来の画像に必要な
直線透過光のみが投射されることになる。

この第２の絞りの開口部の径D₂は、所望の明るさ、コ
ントラスト比等を考慮して定めればよい。また、それを
調整可能にできるように開口部の大きさを変えうるよう
にしておくことも好ましい。

複数の透過散乱型表示素子を各色毎に設けた場合に
は、前記した例のようにダイクロイックプリズムやダイ
クロイックミラー等で合成してから投射するように構成
してもよいし、個々に投射してスクリーン上で合成され
るようにしてもよいが、合成してから投射する方が光軸
が一本になるので、小型持ち運び可能な用途においては
有利である。

なお、散乱光を除去する手段も、透過散乱型表示素子
とスクリーンとの間に配置されればよいので、前記した
例のように合成後の光路中に配置されてもよいし、個々
の透過散乱型表示素子の直後に集光レンズとともに配置
されて、散乱光を除去した後合成され、投射されるよう
にされてもよい。

本発明の透過散乱型表示素子は、電圧の印加状態によ
り、透過状態と散乱状態とをとりうる平面型の表示素子
であれば使用できる。

具体的には、DSM（動的散乱モード）の液晶表示素
子、液晶が樹脂マトリクス中に分散保持され、その液晶
の屈折率と樹脂マトリクスの屈折率との一致不一致によ
り透過散乱を制御する液晶樹脂複合体を用いた液晶表示
素子、微細な針状粒子を溶液に分散させておき、電圧の
印加状態により透過散乱を制御する素子等がある。

なかでも、液晶樹脂複合体を用いた液晶表示素子が透
過−散乱性能がよく、従来のTN型液晶表示素子と類似の
製造プロセスで製造でき、同じ駆動用ICを用いて駆動可
能なため、使用しやすい。

液晶樹脂複合体を用いた液晶表示素子の液晶樹脂複合
体は、細かな孔の多数形成された樹脂マトリクスとその
孔の部分に充填された液晶とからなり、電圧の印加状態
により、液晶の屈折率と樹脂マトリクスの屈折率が一致
した時に光が透過し、一致しない時に散乱される。

より好ましくは、誘電異方性が正のネマチック液晶を
用い、樹脂マトリクスの屈折率が使用する液晶の常光屈
折率n_oとほぼ一致するようにされることにより、電圧を
印加した時に高い透過性を示すこと、および、電極のな
い画素間の部分が散乱状態になっている（スクリーンに
投射した際に黒くなる）ため、画素間に遮光膜を設けな
くても投射画像のコントラスト比が高くなるので好まし
い。

この細かな孔の多数形成された樹脂マトリクスとその
孔の部分に充填された液晶とからなる液晶樹脂複合体
は、マイクロカプセルのような液泡内に液晶が封じ込め
られたような構造であるが、個々のマイクロカプセルが
完全に独立していなくてもよく、多孔質体のように個々
の液晶の液泡が細隙を介して連通していてもよい。

この液晶樹脂複合体は、液晶と樹脂マトリクスを構成
する材料とを混ぜ合わせて溶液状またはラテックス状に
しておいて、これを光硬化、熱硬化、溶媒除去による硬
化、反応硬化等させて樹脂マトリクスを分離し、樹脂マ
トリクス中に液晶が分散した状態をとるようにすればよ
い。

特に、使用する樹脂として、光硬化または熱硬化タイ
プにすることにより、密閉系内で硬化できるため好まし
く、そのうちでも、光硬化タイプの樹脂が、熱による影
響を受けなく、短時間で硬化させることができより好ま
しい。

より具体的には、光硬化ビニル系樹脂の使用が好まし
く、光硬化性アクリル系樹脂が例示され、特に、光照射
によって重合硬化するアクリルオリゴマーを含有するも
のが好ましい。

具体的な製法としては、従来の通常のTN型液晶表示素
子と同様にシール材を用いてセルを形成し、注入口から
未硬化の液晶と樹脂マトリクスとの混合物を注入し、注
入口を封止して後、光照射をするか加熱して硬化させる
こともできる。

また、電極付基板上に液晶と樹脂マトリクスとの未硬
化混合物を供給し、その後、もう一枚の電極付基板を重
ねて、光照射等により硬化させることもできる。

また、この未硬化混合物に、基板間隙制御用のセラミ
ック粒子、プラスチック粒子、ガラス繊維等のスペーサ
ー、顔料、色素、粘度調整剤、その他本発明の性能に悪
影響を与えない添加剤を添加してもよい。

このような素子の場合、この硬化工程の際に特定の部
分のみに十分高い電圧を印加した状態で硬化させること
により、その部分を常に光透過状態にすることができる
ので、固定表示したいものがある場合には、そのような
常透過部分を形成してもよい。

このような液晶樹脂複合体を使用した液晶表示素子の
応答時間は、電圧印加の立ち上りが３〜50msec程度、電
圧除去の立ち下がり10〜80msec程度であり、従来のTN型
液晶表示素子よりも速く、その電圧−透過率の電気光学
特性も階調表示のための駆動に好適である。

また、液晶樹脂複合体中の動作可能な液晶の体積分率
Φは、無電界時の散乱性の点からΦ＞20％が好ましく、
Φ＞35％がより好ましい。一方Φがあまり大きくなる
と、液晶樹脂複合体の構造安定性が悪くなるため、Φ＜
70％が好ましい。

このような液晶樹脂複合体を電極付基板で挟持して用
いる。この液晶樹脂複合体を用いた液晶表示素子は、マ
ルチプレックス駆動特性はよくないので、画素数の多い
液晶表示素子とする場合には、各画素に能動素子を配置
する。もちろん、ほかの透過散乱型表示素子の場合に
も、必要に応じて能動素子を配置する。

この能動素子としてTFT（薄膜トランジスタ）等の３
端子素子を使用する場合、他方の電極付基板は全画素共
通のベタ電極を設ければよいが、MIM素子、PINダイオー
ド等の２端子素子を用いる場合には、他方の電極付基板
はストライプ状のパターニングが施される。

また、能動素子として、TFTを用いる場合には、半導
体材料としてはシリコンが好適でありる。特に多結晶シ
リコンは、非結晶シリコンのように感光性がないため、
光源からの光を遮光膜により遮光しなくても誤動作せ
ず、好ましい。非結晶シリコンを用いる場合には、遮光
膜を併用する。

また、電極は通常は透明電極とされるが、反射型の液
晶表示素子として使用する場合には、クロム、アルミニ
ウム等の反射電極としてもよい。

投射型表示装置は、通常は前述のように透過散乱型表
示素子を透過型として使用し、別置したスクリーンに投
射するようにされる。この場合、前面投射型（観察者が
投射型表示装置側に位置して見る）であっても、背面投
射型（観察者が投射型表示装置と反対側に位置して見
る）であってもよい。

また、反射電極を用いたまたは素子の裏側に反射層を
設けた反射型の液晶表示素子を用い、出射光を入射側に
導き出して投射する反射型の投射型表示装置とすること
もできる。この場合には、素子表面での反射を少なくす
るために基板表面を無反射処理しておくことが好まし
い。

この透過散乱型表示素子を全面ベタ電極の透過散乱型
表示素子としたり、簡単な電極パターニングを形成した
透過散乱型表示素子とし、他の光学素子と組み合わせて
投射型表示装置として使用したり、これを照明装置とし
て使用できる。

例えば、第１図のような装置自体をそのような構成と
し、壁、天井等に埋め込んで配置しておくことにより、
高速で色を変化させずに調光することができる。また、
第４図または第５図の装置自体をそのような構成とし、
壁、天井等に埋め込んで配置しておくことにより、高速
で色を変化させずに調光したり、または、色を変化させ
つつ調光したりすることができる。

［作用］本発明によれば、楕円鏡と光源と錐体状のプリズムと
集光用のレンズとを用いた投射用光源系を用いている。
このため、小型の楕円鏡により光源からの多くの光が利
用でき、光源の利用効率を上げて光源を小型化すること
ができる。

また、プリズムを使用し、入射光範囲は大きくとって
有効光量を増やし、出射側の径を小さくしてより点光源
に近い、すなわち、より光束が揃った光が得られる。こ
のため、プリズムを用いないで、プリズム底面断面と同
じ径の単なる絞りだけ用いた場合よりも、光束が揃って
おり、また逆にプリズム上面と同じ径の単なる絞りだけ
用いた場合よりも、光量が多く明るくなる。

さらに、透過散乱型表示素子に入射する光束が揃って
いるので、透過散乱型表示素子を通過した直線透過光か
ら高い効率で散乱光を除去でき、高コントラスト比の投
射画像を得ることができる。

本発明では、このプリズムは、円錐台状または角錐台
状とされ、プリズムヘの入射光がプリズム側面でほぼ全
反射されるようなプリズムが使用される。

例えば、第２図（Ｂ）のプリズム内に光軸から角度θ
傾いてプリズム底面に角度θ＋φ（底面に垂直な方向に
対して）で入射した光は、プリズムの屈折率ｎで定まる
角度ｎ・sinθ′＝sin（θ＋φ）を満たす角度θ′でプ
リズム内に侵入する。この光はプリズム側面に、角度ｘ
（ｘ＝φ＋ψ−θ′）で入射し、このｘが全反射臨界角
θ_c（＝Sin^-1（1/n））より大きな値であれば、プリズ
ム側面で全反射する。このようにして側面で反射をする
度に入射角は（180−２φ）ずつ減少してゆき、臨界角
θ_c以下になると、全反射せずに側面から出射してしま
うことになる。

このため、プリズム側面から光が出射しないようにプ
リズム側面の傾斜角ψおよびプリズムの長さ（底面と上
面の距離）を定めればよい。これにより、光量を多く
し、かつ光束の揃った投射用光源系が得られる。これに
より、明るく、コントラスト比の高い投射型表示装置が
得られる。

また、第２の絞りを可変として、例えば、周囲が暗い
際には、周囲からの光によるスクリーンヘの影響は少な
く、投射型表示装置による暗い点も判別できるので、絞
りを絞り光量は減っても、コントラスト比は高くなるよ
うに調整することもでき、コントラスト比が高く見やす
い明るさの表示画像が得られる。

また、逆に、周囲が明るい際には、周囲からの光がス
クリーンに写り込むため、投射型表示装置による暗い点
も暗く見えなく、ある程度明るく見えてしまうため、こ
の際には第２の絞りを開けて、投射光量を上げ、スクリ
ーンを明るくすることにより、見やすく、コントラスト
比は高く見える。

［実施例］以下、実施例により、本発明を具体的に説明する。

「実施例１」各画素に多結晶シリコンTFTを設けたITO画素電極を設
けたガラス基板と、全面にベタのITO電極を設けたガラ
ス基板とを、内部にスペーサーを散布して、その周辺を
注入口部分を除き、エポキシ系のシール材でシールし
て、空セルを製造した。

これに、アクリル系モノマーとアクリルオリゴマーと
を含有する光硬化性樹脂材料と、正の誘電異方性のネマ
チック液晶とを混合し、溶解した混合物を注入し、注入
口後、紫外線を照射して液晶樹脂複合体を硬化させ、透
過散乱型の液晶表示素子を作成した。

投射用光源系としては、光源（発光アーク長3mm、250
Wのメタルハライドランプ）、楕円鏡（第１の焦点位置F
₁＝15mm、第２の焦点位置F₂＝200mm、奥行全長Ｈ＝100m
m、開口直径D₁＝105mm）、プリズム（底面傾斜角φ＝５
°、側面傾斜角ψ＝86°、底面断面直径16mm、上面断面
直径8mm（上記のD₂に相当する）、底面断面と上面断面
との距離＝57.2mm、上面は表面を拡散面とした球面レン
ズ状とし曲率半径＝6mm）、透過散乱型の液晶表示素子
の前に配置される集光用の凸レンズ（焦点距離f₁＝80m
m）およびプリズム底面の位置にその直径と同じ開口部
を有する絞り（アパチャー）を用いた。

プリズム上面と集光用の凸レンズとの距離を120mmと
し、集光用の凸レンズと第２の絞りとの距離を240mmと
し、液晶表示素子を集光用の凸レンズと第２の絞りとの
間の位置であって第２の絞りから200mmの位置に配置し
た。

この投射型表示装置を用いて、40インチ、スクリーン
ゲイン５の反射型スクリーンに表示を投射した。この際
の暗い室内におけるスクリーン上の最大輝度（ft−Ｌ）
とコントラスト比は、第１表に示すようになった。

また、プリズムを用いずに絞りのみを用いた投射用光
源系の比較例（比較例１、２）および球面鏡とレンズを
用いた従来の投射用光源系を用いた比較例３も同時に示
す。

この結果からも明らかなように、本発明によれば、絞
りの径を大きくしたと同様に明るい表示が可能になり、
絞りを絞った際と同様に高いコントラスト比が得られ
る。

「実施例２」第４図のように、ダイクロイックミラーを用いて、光
源からの光をRGB3色に分離し、各色毎に実施例１と同様
の液晶表示素子を配置して、さらに液晶表示素子の前に
集光用のレンズを配置して、集光しつつダイクロイック
ミラーで合成して、その焦点の位置に配置した第２の絞
りを通し、投射用のレンズによりスクリーンに投射し
た。

ただし、プリズムはその上面に焦点距離2mm、外径約1
mmのマイクロレンズアレイを設けたほかは実施例１と同
様のプリズムを用いた。レンズ35は焦点位置にプリズム
上面がくるように配置し、ダイクロイックミラー41にほ
ぼ平行光が入射するようにした。第２の集光用のレンズ
37を各液晶表示素子36の直前に配置した。

なお、PS偏光による色純度の低下を低減するために、
各液晶表示素子にカラーフィルターを併用することが好
ましかった。

この結果、明るさ、コトラスト比は実施例１と同様で
あったが、光量のスクリーンの面内分布はより均一であ
った。

「実施例３」実施例２の液晶表示素子を全面ベタ電極による液晶表
示素子としたほかは、実施例２と同様にして投射型表示
装置を得た。この投射型表示装置を壁面にはめ込んだと
ころ、カラー照明装置として使用できた。

「実施例４」実施例１の液晶表示素子の電極の片面を反射電極とし
て、３個の反射型液晶表示素子を製造した。なお、この
液晶表示素子には、透明電極を形成した側のガラス基板
表面に反射防止膜を形成した。

この液晶表示素子を用い、第５図のように楕円鏡、光
源、鏡、プリズム、絞り、集光用のレンズを用い、楕円
鏡52の第２の焦点位置の直前に45°からやや傾斜させた
鏡60を配置し、鏡で反射させた光が焦点を結ぶ第２の焦
点位置にプリズム54およびその底面と同じ形状の開口部
を有する絞り53を配置した。その背後に集光用のレンズ
55、次いでRGB分光用のダイクロイックプリズム61を設
けて３色に分光し、３個の反射型液晶表示素子56に入射
させ、電極面で反射させて再度同じダイクロイックプリ
ズム61に出射させ、３色の光を合成した。この合成され
た光は同じ集光用のレンズ55に逆方向から入射し、集光
され前記絞りと同じ距離だけ集光用のレンズからは離れ
ているが、横方向では位置が異なっている第２の絞り58
を通過し、投射用のレンズ59を通じて左側のスクリーン
に投射するようにした。

この場合も、PS偏光による色純度の低下を低減するた
めに、各液晶表示素子にカラーフィルターを併用するこ
とが好ましかった。

「実施例５」実施例４の液晶表示素子を全面ベタ電極による液晶表
示素子としたほかは、実施例４と同様にして投射型表示
装置を得た。この投射型表示装置を壁面にはめ込んだと
ころ、カラー照明装置として使用できた。

［発明の効果］本発明の投射型表示装置では、光源から出射された光
を楕円鏡を用いて集光しているため、集光効率が高く、
明るい表示が可能である。

また、その第２の焦点位置に特定の形状のプリズムを
設けて、発散光を除去しているため、光源が有効長を有
するため楕円鏡で反射して第２の焦点位置に到達しない
光、および、直接反射せずにかつ第２の焦点位置を通過
せずに透過散乱型表示素子に向かう光を除去でき、投射
画像のコントラスト比を向上できる。

また、このプリズムでは底面断面＞上面断面としてい
るので、入射光を広い底面から多く取り込みながら、出
射光は小さい面積から出射させるので、光量を多く取り
ながら、光束が揃うことになり、明るく、高コントラス
ト比の投射型表示装置を得ることができる。

本発明は、このほか、本発明の効果を損しない範囲内
で種々の応用が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の投射型表示装置の基本的な例の構成を
示す模式図である。第２図（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）は本発明で用い
るプリズムの形状を説明する側面図である。第３図は本発明の投射用光源系の拡大断面図である。第４図および第５図は本発明のカラー投射型表示装置の
例の構成を示す模式図である。第６図（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は従来の投射型表示装置
の例の構成を示す模式図である。光源 :1、21、31、51 楕円鏡 :2、22、32、51 絞り :3、23、33 プリズム :4、11A、11B、11C、11D、24、
34、54 レンズ :5、７、９、35、37A、37B、37
C、55 透過散乱型表示素子 :6、36A、36B、36C、56A、56
B、56C ダイクロイッタミラー :41、43、44、46 鏡 :42、45、60 ダイクロイックプリズム:61

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G03B 21/14 G03B 21/20 G02F 1/13

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】投射用光源系と、投射用光源系からの光が
入射する透過散乱型表示素子と、透過散乱型表示素子か
ら出射した光をスクリーンに投射する投射光学系とを有
する投射型表示装置において、楕円鏡と光源と底面の断
面が上面の断面よりも大きい錐体状のプリズムと集光用
のレンズとを有する投射用光源系を用い、楕円鏡の第１
の焦点位置に光源が配置され、楕円鏡の第２の焦点位置
近傍に前記底面が配置され、光源からの光は楕円鏡の第
２の焦点位置に集光され、前記プリズムを通過した光の
みを、集光用のレンズで集光して透過散乱型表示素子に
入射させることを特徴とする投射型表示装置。
【請求項２】前記プリズムが円錐台状または角錐台状で
あることを特徴とする請求項１記載の投射型表示装置。
【請求項３】透過散乱型表示素子に反射電極が備えら
れ、反射型の光路が設けられたことを特徴とする請求項
１または２記載の投射型表示装置。
【請求項４】前記底面が錐体状であることを特徴とする
請求項１、２または３記載の投射型表示装置。
【請求項５】前記上面が曲面であることを特徴とする請
求項１、２、３または４記載の投射型表示装置。
【請求項６】前記プリズムの上面断面の径D₂と前記集光
用のレンズの焦点距離f₁との比D₂／f₁が0.02〜0.18であ
ることを特徴とする請求項１、２、３、４または５記載
の投射型表示装置。