JP3281107B2

JP3281107B2 - 投射型表示装置およびそれを用いた照明装置

Info

Publication number: JP3281107B2
Application number: JP11104393A
Authority: JP
Inventors: 好晴大井; 常生若林; 成幸芹澤; 嘉之尊田
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd
Current assignee: AGC Inc
Priority date: 1992-10-09
Filing date: 1993-04-14
Publication date: 2002-05-13
Anticipated expiration: 2017-05-13
Also published as: JPH06175129A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【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およびそれを用いた照明装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】図６〜図８に、特開平４−１４２５２８
号に記載された発明を従来技術として示す。この発明
は、光源からの光の収束性を改善して光の有効利用を図
った投射型表示素子である。図６は、用いられたプリズ
ム５の各部の形状を示す模式図である。その特徴は、底
面（符号５ａおよび５ｂの部位）の断面の面積が上面
（符号５ｅの部位）の断面の面積よりも大きく、長尺の
ほぼ円錐台の形状を有していることである。

【０００３】図７は、光源系を構成するプリズム５、光
源１１ａ、楕円鏡１２、そして第１の絞り１７の配置を
示す模式図である。図８はその１つの実施例で、光源系
に、集光用レンズ１３、透過散乱型表示素子１５、第２
の絞り１８、第２の集光用レンズ１６、そして投射用レ
ンズ１９とが組み合わされて投射表示装置が構成され
た。

【０００４】この投射型表示素子の中でプリズム５は、
ほぼ楕円鏡１２の第２焦点位置に配置されていた。ま
た、このプリズム５は光軸上に対して細長い形状を有す
るほぼ円錐台状のものである。光源１１から発した光
は、楕円鏡１２で反射収束せしめられて、プリズム５の
底面から入射される。この場合、図６の符号５ａ、５ｂ
が入射面に当たる。プリズム５に入射した光は、プリズ
ム５の斜面５ｆで、プリズム５の内部へ全反射せしめら
れて内部に閉じ込められつつ、プリズム５の上面（図６
の符号５ｅが上面に当たる）に導かれて、上面から出射
されるものであった。

【０００５】この発明では、光源１１から発射された光
を楕円鏡１２を用いて集光し、プリズム５の比較的大き
な面積の底面に入射せしめたため、光源からの集光効率
が高く、明るい表示が可能であった。そして、底面に対
して相対的に小さな面積を有する上面に光が導かれ集光
された後、出射するため、指向性の良い光が得やすくな
った。

【０００６】また、楕円鏡１２の第２焦点位置に特定の
形状のプリズム５を設けたことで、光源からの発散光を
除去できた。つまり、光源が理想的点光源でなく有限の
発光長（フィラメントの長さ等）を有するために、楕円
鏡１２の第２焦点位置の近傍に到達できずに集光レンズ
１３に進行する光、および楕円鏡１２を反射せずかつ第
２焦点位置を通過せずに透過散乱型表示素子１５に向か
う光を除去でき、投射画像の明暗のコントラスト比を向
上できた。

【０００７】しかし、この投射型表示装置においては、
投射用光源系から透過散乱型表示素子１５に照射される
光の強度分布の均一性が充分でなかった。なぜなら、プ
リズム５の側面である斜面（図６の符号５ｆ）での全反
射回数が入射光の入射角に応じて異なり、その離散的全
反射回数を反映してプリズム５での出射角度分布が不均
一になりやすく、その結果、透過散乱型表示素子１５の
面内の強度分布の不均一性を招いたからである。

【０００８】また、プリズム５の斜面での反射を積極的
に利用するために、特に斜面の形状の寸法精度を高めて
光学面としての形成を行わなければならなかった。さら
に、比較的長い形状を必要とするためプリズム５の容積
が大きくなってしまった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、高輝度の画
面が得られる透過散乱型の表示素子を用いた投射型表示
装置および照明装置において、さらに光源１１の光の使
用効率を改良し、また投射画像のコントラスト比と均一
性をさらに改良し、また長尺の形状のプリズムを用いず
に、小型でかつ堅牢な構造にせしめ、さらに投射画像の
部分的光量の調整を達成しようとする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、楕円鏡１２の
第１焦点位置の近傍に光源１１が配置されるとともに楕
円鏡１２の第２焦点位置の近傍にプリズムが配置された
光源系と、プリズムを通過した光を収束せしめる集光レ
ンズ１３と、集光レンズ１３を通過した光が入射される
透過散乱型表示素子１５と、この透過散乱型表示素子１
５を通過した光を投射せしめる投射光学系とを備えた投
射型表示装置において、前記プリズムは、光の出射面の
頂角αが９０゜〜１７５゜である凸錐体状プリズム１ま
たは頂角βが１８５゜〜２７０゜の凹錐体状プリズム２
であることを特徴とする第１の投射型表示装置を提供す
る。また、上記の第１の投射型表示装置において、頂角
αまたは頂角βが光軸を含む少なくとも２つの断面にお
いて異なる第２の投射型表示装置を提供する。また、上
記の第１または第２の投射型表示装置において、凸錐体
状プリズム１または凹錐体状プリズム２の光軸に垂直な
少なくとも１つの断面の形状が楕円形または長方形であ
る第３の投射型表示装置を提供する。また、上記の第１
〜第３の投射型表示装置のいずれかにおいて、凸錐体状
プリズム１または凹錐体状プリズム２の有効面に対応し
た開口を有する第１の絞り１７を備える第４の投射型表
示装置を提供する。また、上記の第１〜第４の投射型表
示装置のいずれかにおいて、投射光学系は、第２の集光
レンズ１６と、この第２の集光レンズ１６のほぼ焦点位
置に開口部を有する第２の絞り１８とを備える第５の投
射型表示装置を提供する。また、上記の第１〜第５の投
射型表示装置のいずれかにおいて、透過散乱型表示素子
１５は、電極付き基板間に誘電異方性が正であるネマチ
ック液晶が樹脂マトリクス中に分散保持された液晶樹脂
複合体を有し、かつ樹脂マトリクスの屈折率が用いられ
る液晶の常光屈折率（ｎ₀ ）と一致せしめられた透過散
乱型表示素子１５である第６の投射型表示装置を提供す
る。また、上記の第１〜第６の投射型表示装置のいずれ
かの投射型表示装置を用いたことを特徴とする照明装置
を提供する。

【００１１】図１を参照して説明する。基本的な配置構
成は、上述した従来技術とほぼ同様である。本発明で
は、用いるプリズムの形状に最も特徴がある。本発明の
投射光源系は、楕円鏡１２と光源１１と光透過型の凸錐
体状プリズム１または凹錐体状プリズム２と集光用レン
ズ１３とを有する。凸錐体状プリズム１の場合は、その
断面が９０゜から１７５゜までの凸状の頂角、凹錐体状
プリズム２の場合は１８５゜から２７０゜までの凹状の
頂角をなしている。つまり、光軸を含む断面での形状が
凸型または凹型のプリズムを構成している。その形状お
よび配置については後で詳述する。

【００１２】楕円鏡１２の第１焦点位置の近傍に光源１
１を配置し、光源１１からの光を第２焦点位置の近傍に
集光し、ここに配置された凸型または凹型の断面形状を
有する錐体状のプリズムに入射される。そして、このプ
リズムの透過散乱型表示素子１５の方向に位置する凸面
または凹面から出射され、ほぼ平行光化された光束とな
る。この、プリズムから出射した光束を第２の集光用レ
ンズ１６で集光して、透過散乱型の表示素子１５に入射
させるように配置した。

【００１３】なお、凸錐体状プリズム１または凹錐体状
プリズム２は、楕円鏡１２の第２焦点位置に配置するこ
とが、最も効率が良いが、場合によってはその光軸方向
の前後にずれて配置されることもありうる。厳密には、
光源１１の光の配向分布によって最適位置は決まる。

【００１４】

【作用】本発明では、楕円鏡１２で光源１１のかなりの
部分を覆っているので、光源１１から出た光の多くが楕
円鏡１２の反射により利用でき効率が向上する。さら
に、集光用レンズ１３を用いているので、小型の楕円鏡
１２ですみ、表示素子の有効面に対応した高価な大型放
物面鏡を用いる必要はなく、投射光源系を小型化でき
る。

【００１５】さらに、楕円鏡の第２焦点位置の近傍に、
凸型または凹型の錐体状プリズムを配置している。そし
て、これらの錐体状プリズムの前後に、錐体状プリズム
の有効面以外に到達した光が集光レンズ１３に届かない
ように、錐体状プリズムの有効面に対応した開口を有す
る第１の絞り１７を設置することが好ましい。実際に
は、錐体状プリズムを保持するホルダーが、絞りの機能
を果たすことになる。円形や、正方形や、楕円形や、長
方形などのように、透過散乱型表示素子１５の光学的形
状に合った開口部を有する絞りが望ましい。

【００１６】これにより、有限長の光源１１と楕円鏡１
２から進行し、第２焦点位置近傍に集光されない光成分
および楕円鏡で反射しなくて第２焦点を通らず直接集光
レンズ１３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１５が散乱状態のときスク
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。

【００１７】特に、透過散乱型表示素子１５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１８を設けておくとこの効果は大きい。そして、楕
円鏡１２を用いた場合に生じる第２焦点位置での光軸の
なす角度の小さな光成分の不足に起因した透過散乱型表
示素子１５の面内光強度分布の不均一性が、光源１１お
よび楕円鏡１２の形状に応じて頂角αが９０゜〜１７５
゜の凸錐体状プリズム１または頂角βが１８５゜〜２７
０゜の凹錐体状プリズム２を使用することにより、大き
く改善され均一化される。

【００１８】光の使用効率および投射スクリーン上での
輝度分布の点で、頂角αは、１００゜〜１４０゜、頂角
βは２２０゜〜２６０゜の範囲がより好ましい。

【００１９】さらに、凸錐体状プリズム１または凹錐体
状プリズム２と第１の絞り１７を通過した光のみが透過
散乱型表示素子１５に入射するため光束の指向性がよく
揃うことになる。そして、透過散乱型表示素子１５を通
過した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。

【００２０】さらに、本発明では楕円鏡１２の第２焦点
位置の近傍に設置された凸錐体状プリズム１または凹錐
体状プリズム２のそれぞれの頂角に応じて、集光用レン
ズ１３に入射する光の指向性が調整できるため、透過散
乱型表示素子１５が非正方形の場合でも有効に表示素子
面に光を集光できる。

【００２１】例えば、縦横比が３：４のＮＴＳＣおよび
９：１６のハイビジョンに対しては、光軸を含むプリズ
ムの断面において、凸錐体状プリズム１を用いる場合は
縦方向の頂角が横方向（長手方向）の頂角より小さな角
度となるよう、凹錐体状プリズム２を用いる場合には、
縦方向の頂角が横方向の頂角より大きな角度になるよ
う、光軸に垂直な断面での形状が楕円形または長方形で
あるプリズムを用いることにより可能となった。

【００２２】また、楕円鏡１２の第２焦点位置の近傍に
設置された第１の絞り１７と散乱光を除去する手段とし
て設置された第２の絞り１８との開口度を可変とすれ
ば、例えば、周囲が暗い際には、周囲からの光によるス
クリーンへの影響は少なく、投射型表示装置による暗い
点も判別できるので、２つの絞りを絞りこんで通過光量
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。

【００２３】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
る投射像の暗部が、ある程度明るく見えてしまうため、
この際には２つの絞りを開けて、投射光量を上げ、スク
リーンを明るくすることにより、コントラスト比を高く
することができ、より見やすくすることができる。

【００２４】

【実施例】（実施例１）図１に、本発明の第１の実施例である投射型表示装置１
０を示す。本実施例では、光源１１は楕円鏡１２の第１
焦点位置に配置され、光源１１からでた光は楕円鏡１２
で反射され、ほぼ第２焦点位置に設けられた透過型の凸
錐体状プリズム１の入射面に入射し、その内部を光が進
行し、凸面から出射する際に、屈折して光束方位角が変
化し、集光用レンズ１３に向かって進行せしめられた。
そして集光用レンズ１３でほぼ平行にされた。また、凸
錐体状プリズム１とレンズ１３との間に第１の絞り１７
が設けられた。

【００２５】さらに、光束が揃えられて平行となった光
は、透過散乱型表示素子１５を通過して、第２の集光用
レンズ１６で集光され、散乱光を除去する手段としての
第２の絞り１８により散乱光を除去され、投射用レンズ
１９により図示されていないスクリーンに投射された。

【００２６】この図１の投射型表示装置１０において、
光源１１、楕円鏡１２、凸錐体状プリズム１、第１の絞
り１７で投射用光源系が構成された。そして第２の集光
用レンズ１６、第２の絞り１８、投射用レンズ１９で投
射光学系が構成された。

【００２７】光源１１としては、放電発光型のメタルハ
ライドランプ、キセノンランプおよびフィラメント発光
型のハロゲンランプ等が通常使用される。これらはいず
れも光源１１を構成する電極、管球ガラス、保温膜、フ
ィラメント等の遮光部が存在する。したがって、光源１
１から放出される光は、光軸と平行方位近傍の出射光が
少なくなるため、楕円鏡１２からの反射光も光軸と平行
方位近傍の出射光成分が少なくなる。

【００２８】上述した従来技術では、楕円鏡１２の第２
焦点における光軸とのなす角度が約１０゜以下の光が不
足し、透過散乱型表示素子１５の中心付近に影が生じた
が、凸錐体状プリズム１を用いた本実施例では、出射方
向での界面をなすその凸面での屈折により、出射後の光
束方位角が変化し、光軸とのなす角度が約１０゜以下の
光の不足を補い、透過散乱型表示素子１５の中心付近
（およそ光軸の近傍）の光強度不均一性が修正され、面
全体でも光強度が均一化された。

【００２９】楕円鏡１２の第２焦点位置付近において不
足する平行光近傍角度成分は、光源１１の遮光部の形状
および楕円鏡１２の形状に応じて変わる。したがって、
凸錐体状プリズム１の頂角αの形状は光源１１の発光角
度分布、楕円鏡１２の形状および必要とする透過散乱型
表示素子１５における光強度分布に応じて最適値が存在
する。その原理については後に詳述する。また、本実施
例では、１個の透過散乱型表示素子１５としているが、
各色毎に複数個の透過散乱型表示素子１５を用いフルカ
ラー表示を行うこともできる。

【００３０】本実施例を構成する各部についてさらに説
明する。透過散乱型表示素子１５は液晶樹脂分散型の液
晶表示素子を用いたもので、その表示部は対角３. ４イ
ンチ、ＴＦＴの開口率は５０％で、透過時の光の最大透
過率は３８％であった。

【００３１】投射用光源系としては、光源１１（発光ア
ーク長５ｍｍ、２５０Ｗのメタルハライドランプ）、楕
円鏡１２（第１焦点距離Ｆ₁ ＝１５ｍｍ、第２焦点距離
Ｆ₂＝１００ｍｍ、奥行全長Ｈ＝５０ｍｍ、開口直径Ｄ
＝７６．８ｍｍ）、凸錐体状プリズム１（頂角１２０
゜、底面断面直径３０ｍｍ、高さ１２ｍｍ、ただし錐体
状のプリズムの傾斜面の高さは８. ６６ｍｍ）、そして
透過散乱型表示素子１５の前に配置される集光用レンズ
１３（焦点距離１６０ｍｍの凸レンズ）を用いた。およ
び、凸錐体状プリズム１の光出射側の凸面に近接して直
径１７ｍｍの開口部を有する第１の絞り１７（アパーチ
ャ）を用いた。

【００３２】投射用光源系の部分拡大図を図２に示す。
光源１１ａは、その構造のため全方位に光を出射するこ
とができず、特に光軸の方位の光が不足する。図２にお
いてハッチングで示す範囲が光の進行する主な光路であ
り、凸錐体状プリズム１から光源１１ａ側においては光
軸付近に光路がないことが示されている。しかし、凸錐
体状プリズム１を出射した光は、光軸部分を含んでほぼ
一様な光束となって進行していく。

【００３３】図１に戻り説明を続ける。凸錐体状プリズ
ム１、および第１の絞り１７の開口部を通過した光は、
光軸上で凸錐体状プリズム１から１６０ｍｍ離れた位置
に設けられた集光用レンズ１３で平行光化され液晶表示
素子からなる透過散乱型表示素子１５に入射した。液晶
表示素子は、誘電異方性が正であるネマチック液晶をカ
プセルに封入したものが用いられた。

【００３４】この透過散乱型表示素子１５を透過した光
のうち、散乱光の除去のために配置された第２の集光用
レンズ１６（焦点距離２００ｍｍの凸レンズ）とその焦
点位置に設置された第２の絞り１８（開口直径２１ｍ
ｍ）を通過した光のみが、投射レンズ１９を通してスク
リーン上に液晶表示画像として結像された。

【００３５】この投射型表示装置１０を用いて、４０イ
ンチ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照度分布（中心、最大、周辺：ｌ
ｕｘ）、光束（ｌｍ）およびコントラスト比は表１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１とプリズムと絞りの両方
を全く用いない投射用光源系の場合の比較例２も同時に
示す。

【００３６】

【表１】

【００３７】この結果からも明らかなように、本発明に
よれば、投射像の照度分布を均一化するとともに、スク
リーン面内の積算光量である光束をコントラスト比を劣
化させることなく増すことができた。特に、従来技術に
おけるスクリーン中心付近の著しい光量不足（前述した
光軸付近の光量不足）が改善され、スクリーン中心で最
大照度が得られ、大面積表示画面として明るく見やすい
表示となった。

【００３８】図３に、凸錐体状プリズム１の拡大断面図
を示す。これは四角錐、円錐、または入射面に平行な断
面がほぼ楕円形である楕円状円錐であり、その光軸に沿
って切った断面はほぼ三角形となる。これらに類似する
形状で光学的に同じ作用を果たすことができればよい。
図３は、楕円鏡１２から放射されて進行してきた入射光
Ａが、凸錐体状プリズム１の底面１ｃに入射角度γ₁ で
入射し、出射面１ａで主に屈折し（入射光Ｂは、入射角
度γ₂ であり出射面１ｂで屈折する）、光軸とほぼ平行
化された後、集光用レンズ１３へ出射光Ｃとして放出さ
れる状態を示す。

【００３９】凸錐体状プリズム１の頂角αの角度は、光
源１１の幾何学的な発光分布、楕円鏡１２の形状、集光
レンズ１３の焦点距離、透過散乱表示素子１５の表示面
の大きさ、および投射光学系の有効Ｆナンバーなどで最
適の値があった。頂角αの頂点は光軸上に位置し、頂角
αの２等分線は光軸に一致している。

【００４０】凸錐体状プリズム１の材質は透光性材料な
らばいずれでもよい。界面反射に伴う光量損失を低減す
るため光の入射面（底面１ｃ）および出射面（凸面１
ａ、１ｂ）に反射防止膜を形成することが好ましい。不
要な光を表示素子に照射しないために、光学研磨した光
学ガラスの表面に必要な波長域の光を透過し、不要な光
を反射したり吸収するような、例えば可視光を透過し熱
線を反射する赤外線カットフィルター、または紫外線カ
ットフィルターを形成することが好ましい。また、プリ
ズムホルダーが絞りとしての機能を有することがある。

【００４１】図４は、凹錘体状プリズム２の拡大断面図
を示している。その頂角βが凹面によって形成される以
外は凸錐体状プリズム１と同様である。頂角βが１８５
゜から２７０゜までの範囲であり、凹円錐、凹角錐、ま
たは底面に平行な断面の切り口の形状がほぼ楕円形とな
る楕円状の凹円錐である。凸錐体状プリズム１と同様
に、底面２ｃに入射光Ｄと入射光Ｅが斜めに入射し（入
射角度γ₃ 、γ₄ ）、出射面２ａ、２ｂの界面で主に屈
折した後、光軸とほぼ平行に出射光Ｆとして出射され
る。

【００４２】なお、プリズムの錐体部は円錐または正四
角錐が加工しやすいが、錐体部の頂角の光軸上での２等
分線に垂直なプリズムの断面は円形または正方形である
必要はなく、楕円形または長方形であってもよい。この
とき、錐体部の頂角の値は１つでなく複数または分布し
た値となるがその範囲は９０゜から１７５゜まで、また
は１８５゜から２７０゜までである。また、錐体状プリ
ズムの側面は直線以外の曲面でもよい。つまり、錐体状
プリズムの形状は曲面体であってもよい。

【００４３】楕円鏡１２の第２焦点位置の近傍に配置さ
れた凸錐体状プリズム１または凹錐体状プリズム２は、
第２焦点位置の近傍に集光された光のみを利用するとと
もに光軸とのなす角度が約１０゜以下の光軸付近の光の
不足を補う。この結果、透過散乱型表示素子１５の面内
光強度分布を均一化することができる。特に、この凸錐
体状プリズム１の有効面以外からの光が集光レンズ１３
に到達しないようにまたは遮光されるようにすることが
好ましい。このためには黒色の絞りとなるものを配置し
ておくことが好ましい。

【００４４】第２焦点位置の近傍において、プリズムへ
の入射光束の大きさを規定することとなるプリズム底面
の寸法および絞りの有効面積部の寸法は、光源１１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、図１のように、平行光にする場合に
は、第２焦点位置において光束の大きさを規定するプリ
ズムの有効面積の径または第１の絞り１７の開口部の平
均径Ｄ₁ と集光用レンズ１３の焦点距離ｆ₁ との比Ｄ₁
／ｆ₁ を０. ０４〜０.２１にしておくことが好まし
い。

【００４５】次に他の構成部について説明する。投射光
源系には、本発明の効果を損しない範囲内でこのほか、
他の平面反射鏡、オプティカルファイバー、ファイバー
アレイプレート、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も用い
てもよい。投射光学系は、従来からの公知のレンズ等の
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１５から出射してきた光のうち、非散乱透過
光のみをスクリーンに投射し、散乱透過光は除去される
ような構成を持っていればよい。

【００４６】最も簡単な構成では、透過散乱型表示素子
１５の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、このままでは透過散乱型表示素子１５
と投射レンズとの距離を長くしないと散乱光を充分に除
去できなく、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。

【００４７】具体的には、透過散乱型表示素子１５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１８を設ければよい。この第２の絞り１８としても
前記した投射光源系の第１の絞り１７と同様の穴の開い
たアパーチャや、小型の鏡等が使用できる。

【００４８】アパーチャの場合には、その孔がその開口
部になり、直線透過光（画素部分が透明状態の部分を透
過する光）のみがその孔を透過することができ、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。

【００４９】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
変えれるようにしておくことも好ましい。通常は、図１
のように第２の集光用レンズ１６（焦点距離ｆ₂ ）と第
２の絞り１８（開口部の平均径Ｄ₂ ）を用いた場合、そ
の比Ｄ₂ ／ｆ₂ は、前述の比Ｄ₁／ｆ₁ に比べて等しい
または大きな値であることが好ましい。

【００５０】複数の透過散乱型の表示素子を各色毎に設
けた場合には、図５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、小型で携帯を必要とする用途に
おいては有利である。

【００５１】なお、散乱光を除去する手段も、透過散乱
型表示素子４７Ａ、４７Ｂ、４７Ｃとスクリーンとの間
に配置されればよいので、図５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４７
Ａ、４７Ｂ、４７Ｃ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。

【００５２】本発明に用いる透過散乱型の表示素子は、
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。

【００５３】中でも、液晶樹脂複合体を用いた液晶表示
素子は光学的な透過−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。

【００５４】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
折率が一致したときに光が透過し、一致しないときに散
乱される。

【００５５】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、電圧を印加したとき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。

【００５６】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。

【００５７】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。

【００５８】特に、使用する樹脂を、光硬化タイプまた
は熱硬化タイプにすると、密閉系内で硬化できるため好
ましく、さらに中でも、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好ま
しい。

【００５９】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、注入口から液晶と樹脂マトリクスとの未
硬化混合物を注入し、注入口を封止して後に、光照射を
するか加熱して硬化させることもできる。

【００６０】また、電極付き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
極付き基板を重ねて、光照射等により硬化させることも
できる。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。

【００６１】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充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。

【００６２】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３〜５０
ｍｓｅｃ程度、電圧除去の立ち下がり１０〜８０ｍｓｅ
ｃ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。液晶樹脂複合体中の動作可能な液晶の
体積分率ξは、無電界時の散乱性の点からξ＞２０％が
好ましく、ξ＞３５％がより好ましい。一方ξ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、ξ＜７０％が好ましい。

【００６３】このような液晶樹脂複合体を電極付き基板
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。他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、他方の電極付き基板に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、他方の電極付き基板は
ストライプ状のパターニングをされる。

【００６４】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
誤動作しなく、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。

【００６５】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。

【００６６】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。この透過散乱型表示素子として、
全面ベタ電極の透過散乱型表示素子や簡単な電極パター
ニングをした透過散乱型表示素子を用いることにより、
本発明の投射型表示装置を照明装置として用いることが
できる。

【００６７】例えば、図１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することができる。ま
た、図１または図５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。

【００６８】（実施例２）図５のように、ダイクロイックミラー５１、５３、５
４、５６と金属ミラー５２，５５を用いて、光源系から
の光をＲＧＢ３色に分離し、各色毎に実施例１と同様の
液晶表示素子からなる透過散乱型表示素子４７Ａ、４７
Ｂ、４７Ｃを配置して、さらに透過散乱型示素子の前ま
たは後に集光用のレンズ４６Ａ、４６Ｂ、４６Ｃ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
の焦点位置に配置した絞りと投射用のレンズ（図示を省
略してある）によりスクリーンに投射した。

【００６９】ただし、液晶からなる透過散乱型表示素子
４７Ａ、４７Ｂ、４７Ｃの表示部の形状は縦横比がハイ
ビジョン仕様である９：１６の長方形とし、凸錐体状プ
リズム１はその底面形状が縦横比９：１６の楕円形で横
方向の頂角が１２０゜となるようにした。また、ＰＳ偏
光による色純度の劣化を低減するために、液晶表示素子
である透過散乱型表示素子４７Ａ、４７Ｂ、４７Ｃにカ
ラーフィルターを併用することが好ましかった。

【００７０】この結果、表示部の形状は縦横比がハイビ
ジョン仕様である９：１６の長方形の場合でも、周辺で
の光損失は抑えられて、かつ実施例１と同程度のスクリ
ーン面内照度分布均一性が得られた。次に、本発明の特
徴である凸錐体状プリズム１または凹錐体状プリズム２
の形状と角度についてさらに説明する。

【００７１】実際の錐体状プリズムは、３次元構造体で
あるが、錐体状プリズムの回転中心軸（通常は、投射表
示装置の光軸と一致する）を含む平面内で光の進行を考
えればよい。図９に、光が左方からプリズム体に入射さ
れ、入射面と出射面で屈折して透過出射される様子を示
す。この場合、入射角γの入射光がプリズム体で屈折さ
れ透過後、光路Ｌを進行するが、光路Ｌは光軸に平行で
あるものとする。

【００７２】図９において、γ：プリズム体への入射
角、ｘ：入射面側での屈折角、ｙ：出射面側での出射面
に対するプリズム内部での入射角、α：凸部の頂角（α
の２等分線は、光軸と平行とする、理想的には一致す
る。）、β：凹部の頂角（α＋β＝３６０°であ
る。）、ｎ：プリズム体の屈折率を示す。

【００７３】このとき、スネルの法則等により、つぎの
ようになる。

【００７４】

【数１】

【００７５】そして、数２の関係が成立する。

【００７６】

【数２】

【００７７】この数２中で、物理的な特性値は用いる材
料によって決まる。表２はホウケイ酸ガラス、プラスチ
ックの場合のデータ、表３はフリントガラスの場合のデ
ータを示す。γは入射角度であり、αはプリズム体の凸
部の頂角の角度を示す。

【００７８】

【表２】

【００７９】

【表３】

【００８０】楕円鏡１２を集光源とし、その第１焦点位
置に光源１１を設け、楕円鏡１２の反射面で収束せしめ
られ第２焦点位置の近傍に集光させられた光は、そこに
配置された錐体状プリズムに入射される。この場合図１
０に示すように光源系において、数３の関係にあり、実
用的な光源の発光管球径は＝１０〜３０ｍｍであり図中
に示すＤの値も近似した範囲にある。

【００８１】

【数３】

【００８２】また、実用的な楕円鏡１２の第２焦点距離
Ｆ₂ は、５０〜２００ｍｍ程度である。したがって、数
３からγは、およそ３°〜３０°となる。実用的には、
γの値は小さく抑えた方が好ましいとともに、Ｄ＝３０
ｍｍとＦ₂ ＝５０ｍｍの組み合わせでも決まるγ＝３０
°の場合は実際的ではない。

【００８３】表２と表３に示す、入射角γとαの関係か
ら、凸錐体状プリズム１の場合の頂角αの値は９０°〜
１７５°の範囲が適切であることがわかる。凹錐体状プ
リズム２の場合の頂角βの値は１８５°〜２７０°の範
囲が適切であることがわかる。

【００８４】（実施例３）実施例１の投射用光源系の代わりに、楕円鏡１２（第１
焦点距離Ｆ₁ ＝２０ｍｍ、第２焦点距離Ｆ₂ ＝１０５ｍ
ｍ、奥行全長Ｈ＝５０ｍｍ、開口直径Ｄ＝９０ｍｍ、ラ
ンプ導入用穴径１１ｍｍ）、凸錐体状プリズム１（頂角
１１４°、底面の断面直径３０ｍｍ、高さ１２ｍｍ、た
だし錐体状のプリズムの傾斜面の高さは９．７４ｍ
ｍ）、そして透過散乱型表示素子１５の前に配置される
集光用レンズ１３（焦点距離１６９ｍｍの両凸レンズ）
を用いた。

【００８５】凸錐体状プリズム１の底面および凸面には
可視光の波長帯域用の反射防止膜を形成した。また、集
光用レンズ１３は、ＢＫ７をガラス材とする焦点距離１
０００ｍｍの平凸レンズと焦点距離２００ｍｍの平凸レ
ンズとを用意し、有機材質の紫外線吸収フィルムを２種
の平凸レンズの平坦面側を対向させてその間に挟み、光
学接着剤で接着して作製し、焦点距離１０００ｍｍの平
凸レンズを光入射側に、焦点距離２００ｍｍの平凸レン
ズを光出射側に配置した。

【００８６】このような構成および配置とすることによ
り、球面単レンズの収差が低減されるとともに、紫外線
吸収フィルムと空気との界面がなくなり界面反射に伴う
光利用効率の低下（約８％）が解消された。さらに、凸
錐体状プリズム１の光出射側の凸面に近接して直径１
７．７ｍｍの開口部を有する第１の絞り１７（アパーチ
ャ）を用いた。他の構成は実施例１と同様とした。

【００８７】その結果、実施例１の場合に比較して、ス
クリーン投射光束が約１０％増大した。このとき、２５
０Ｗ、発光長５ｍｍのメタルハライドランプの発光分布
測定に基づいて３次元発光体モデルを作成し、液晶表示
素子が透明状態の場合において、光線追跡法により、ス
クリーンに到達する光束およびスクリーン上での光量分
布を計算した。変数として、楕円鏡１２の形状（第１焦
点距離Ｆ₁ と第２焦点距離Ｆ₂ の比Ｆ₂ ／Ｆ₁ ）、凸錐
体状プリズム１の頂角αおよび集光レンズ１３の焦点距
離Ｆ_Lを選んだ。

【００８８】また、楕円鏡１２の第１焦点距離Ｆ₁ は１
０〜３０ｍｍ程度とし、奥行全長ＨをＨ＝２・（Ｆ₁ ＋
Ｆ₂ ）とした。液晶表示素子の表示部が縦横比３：４の
場合について、各表示部の対角寸法に対して計算した結
果、表４に示す範囲において良好なスクリーン光束が得
られることがわかった。ただし、表示部の対角１０イン
チの液晶表示素子については、Ｆ_L＝４００ｍｍの場合
についての結果を示す。

【００８９】

【表４】

【００９０】

【発明の効果】本発明の投射型表示装置では、光源１１
から出射された光を楕円鏡１２を用いて集光しているた
め、集光効率が高く、明るい表示ができる。また、その
第２焦点位置の近傍に特定の形状の凸錐体状プリズム１
または凹錐体状プリズム２を設けて、発散光を除去して
いるため、楕円鏡１２で反射して第２の焦点位置を通過
せずに透過散乱型表示素子１５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た。

【００９１】また、頂角αが９０゜から１７５゜までの
凸錐体状プリズム１または頂角βが１８５゜から２７０
゜までの凹錐体状プリズム２としたので、遮光部を有す
る光源１１と楕円鏡１２を用いた場合に生じる楕円鏡１
２の第２焦点位置における光軸と平行な光成分の不足に
起因した透過散乱型表示素子１５の面内光強度分布の不
均一性が著しく改善され、投射像の光量を多く取りなが
ら、特に中心部の照度均一性が優れた、明るく、高コン
トラスト比の投射表示装置を得ることができた。また、
高性能の照明装置として用いることができた。

【００９２】本発明では、楕円鏡１２の第２焦点位置の
近傍に設置された凸錐体状プリズム１または凹錐体状プ
リズム２のそれぞれの頂角に応じて、集光用レンズ１３
に入射する光の指向性が調整できるため、透過散乱型表
示素子１５が非正方形の場合でも有効に表示素子面に光
を集光できた。

【００９３】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。例えば、線光源
と、これに対応して光の出射方向に平行な断面が楕円形
である長尺の形状を有する反射鏡を用い、さらに一方向
に長尺である凹凸面を備えた錐体状プリズムと透過散乱
型表示素子を組み合わせることによって光プリンタ用の
シャッタアレイが構成できる。この場合には、高コント
ラストのプリント像を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の投射型表示装置の実施例１の構成を示
すブロック図。

【図２】本発明の光源系および透過型プリズムの構成を
示すブロック図。

【図３】本発明の凸錐体状プリズムを示す概念図。

【図４】本発明の凹錐体状プリズムを示す概念図。

【図５】実施例２を示すブロック図。

【図６】従来例におけるプリズムの概念図。

【図７】従来例における光源系を示す部分ブロック図。

【図８】従来例における投射表示装置を示すブロック
図。

【図９】プリズム体への光の入射、屈折、出射を示す模
式図。

【図１０】本発明における光源系での幾何学的関係を示
す模式図。

【符号の説明】

１：凸錐体状プリズム２：凹錐体状プリズム１１：光源１２：楕円鏡１５：透過散乱型表示素子１３：集光レンズ１９：投射用レンズ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き審査官藤岡善行 (56)参考文献特開平４−142528（ＪＰ，Ａ) 特開平４−249234（ＪＰ，Ａ) 特開平３−266824（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−298217（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02F 1/13357 G02F 1/13 G02F 1/1334

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】楕円鏡（１２）の第１焦点位置の近傍に光
源（１１）が配置されるとともに楕円鏡（１２）の第２
焦点位置の近傍にプリズムが配置された光源系と、プリ
ズムを通過した光を収束せしめる集光レンズ（１３）
と、集光レンズ（１３）を通過した光が入射される透過
散乱型表示素子（１５）と、この透過散乱型表示素子
（１５）を通過した光を投射せしめる投射光学系とを備
えた投射型表示装置において、前記プリズムは、光の出射面の頂角αが９０゜〜１７５
゜である凸錐体状プリズム（１）または頂角βが１８５
゜〜２７０゜の凹錐体状プリズム（２）であることを特
徴とする投射型表示装置。
【請求項２】頂角αまたは頂角βが光軸を含む少なくと
も２つの断面において異なる請求項１記載の投射型表示
装置。
【請求項３】凸錐体状プリズム（１）または凹錐体状プ
リズム（２）の光軸に垂直な少なくとも１つの断面の形
状が楕円形または長方形である請求項１または２記載の
投射型表示装置。
【請求項４】凸錐体状プリズム（１）または凹錐体状プ
リズム（２）の有効面に対応した開口を有する第１の絞
り（１７）を備える請求項１〜３いずれか１項記載の投
射型表示装置。
【請求項５】投射光学系は、第２の集光レンズ（１６）
と、この第２の集光レンズ（１６）のほぼ焦点位置に開
口部を有する第２の絞り（１８）とを備える請求項１〜
４いずれか１項記載の投射型表示装置。
【請求項６】透過散乱型表示素子（１５）は、電極付き
基板間に誘電異方性が正であるネマチック液晶が樹脂マ
トリクス中に分散保持された液晶樹脂複合体を有し、か
つ樹脂マトリクスの屈折率が用いられる液晶の常光屈折
率（ｎ₀ ）と一致せしめられた透過散乱型表示素子（１
５）である請求項１〜５いずれか１項記載の投射型表示
装置。
【請求項７】請求項１〜６のいずれか１項記載の投射型
表示装置を用いたことを特徴とする照明装置。