CN102804034A - 投射型显示装置 - Google Patents

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田中绚子
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Abstract

本发明的投射型显示装置的特征在于，具备：包含至少一个发出相干光的光源(11)的光源部；对所述光源部发出的光进行调制而生成图像光的图像光生成部(15)；投射所述图像光的投射部(16)；配置在所述光源部与所述图像光生成部之间的光路中，使通过的光的散射状态随时间发生变化的液晶散射元件(20)；在所述液晶散射元件的多个透明基板的对置的各个面上形成的透明电极；被夹在所述透明电极之间且具有液晶的液晶层，其中该液晶由在电压施加状态下发生自发极化的近晶相构成，经由所述透明电极向所述液晶层施加交流电压。

Description

投射型显示装置
技术领域
本发明涉及投射型显示装置，尤其是涉及使用了具有相干性的光源的投射型显示装置。
背景技术
作为在数据投射器或背面投射型电视接收机那样的屏幕上显示投影图像的显示装置的光源，以往使用了超高压水银(UHP)灯，但从光源寿命的观点出发，提出有激光器。
另外，UHP灯从其性质出发，红色的波长即645nm附近的波长带域成为广谱的光谱，因此也提出有使用激光器作为红色光源，并在蓝色、绿色波长带中使用UHP灯的并用型的光源。
然而，在以激光器为光源的投射型显示装置中，在投影图像中会产生因激光的相干性引起的粒状的散斑噪声，存在投影图像的图像质量劣化这样的问题。
因此，作为减少散斑噪声的投射型显示装置，形成有在作为光源的激光的光路中配置扩散元件，并使该扩散元件以比人眼能够识别的速度高的速度进行旋转/振动的方式。通过如此使扩散元件机械性地动作而将具有相干性的激光形成为空间上相位偏离的状态，来消除散斑噪声(例如，专利文献1)。
另外，作为没有使扩散元件等机械性地振动的作用而消除散斑噪声的方式，提出了在从半导体激光二极管发射出的光的光路中配置复合液晶膜，并对该复合液晶膜施加电压而使入射的光的相位发生变化的图像显示装置(专利文献2)。同样地，作为消除散斑噪声的方式，提出了对在形成有铌酸锂等的不规则的极化反转领域的铁电性基体(结晶)上形成了电极的电光学元件施加电压，从而使介电性基体的折射率随时间发生变化的光学装置(专利文献3)。
专利文献1：日本国特开平6-208089号公报
专利文献2：日本国特开2005-338520号公报
专利文献3：国际公开第99/049354号小册子
发明内容
然而，在专利文献1那样的结构中，为了使扩散元件旋转或振动而需要包含电动机或线圈的驱动装置，因此不仅装置变得大型化，而且存在因机械性的振动而产生噪声等可靠性的问题。
另外，专利文献2通过利用在液晶透镜(复合液晶膜)中使用的液晶的折射率各向异性而施加的电压，来调制透过的光的相位，因此例如由向列液晶构成时，必须以能够充分地减少散斑噪声的方式增大变化的相位量(迟缓值：“折射率各向异性”与“液晶膜的厚度”的积)。这种情况下，为了增大相位量而必须增大液晶膜的厚度，随着液晶膜的厚度增大而响应速度延迟。另外，存在为了得到所希望的响应速度而必须施加高电压这样的问题。
专利文献3也通过对铁电性基体施加的电压来调制透过的光的相位，因此为了增大变化的相位量而同样地必须增厚铁电性基体，另外，需要控制重叠了直流电压的交流电压而对该铁电性基体中不规则地形成的领域施加。此外由于使用无机结晶，因此具有在加工等的制作中存在困难性的问题。另外，除此之外，作为与对透过的光的相位进行调制的功能不同而使光散射的方式，作为动态的散射模式(DSM：Dynamic Scattering Mode)，例如，向列液晶内的离子(导电性材料)可动而产生空间电荷效果，由此，液晶进行不规则的分子运动，从而能够期待使光散射的效果。可是，由于电流效果型驱动，而引起液晶、导电性材料发生分解劣化，长期使用导致可靠性存在问题。
本发明为了解决现有技术的上述问题而作出，其目的在于提供一种高可靠性的投射型显示装置，该投射型显示装置能够在使用了具有相干性的光源时通过简易的结构使散斑噪声稳定减少。
本发明提供一种投射型显示装置，其特征在于，具备：包含至少一个发出相干光的光源的光源部；对所述光源部发出的光进行调制而生成图像光的图像光生成部；投射所述图像光的投射部；配置在所述光源部与所述图像光生成部之间的光路中，使通过的光的散射状态随时间发生变化的液晶散射元件；在所述液晶散射元件的多个透明基板的对置的各个面上形成的透明电极；被夹在所述透明电极之间且具有液晶的液晶层，其中该液晶由在电压施加状态下发生自发极化的近晶相构成，经由所述透明电极向所述液晶层施加交流电压。
另外，也可以在所述液晶散射元件与所述图像生成部之间的光路中配置有使散射光聚光的聚光透镜。
另外，也可以是所述液晶层的界面未进行取向处理。
另外，也可以是所述液晶是手性近晶C相液晶。
另外，也可以是所述液晶具有Iso-N(＊)-SmC＊的相变系列。
另外，也可以是所述液晶散射元件将所述液晶层重叠多层而构成。
另外，也可以是向多个所述液晶层中的第一液晶层施加的交流电压的相位和向多个所述液晶层中的第二液晶层施加的交流电压的相位不同。
另外，也可以是所述液晶散射元件具有棱镜阵列片。
另外，也可以是所述液晶散射元件具有对入射的光进行反射的反射层。
另外，也可以是成为所述散射状态的电压为3～100Vrms。
另外，也可以是成为所述散射状态的电压的频率为70～1000Hz。
另外，也可以是在所述光源部与所述液晶散射元件之间的光路中、及所述液晶散射元件与所述图像光生成部之间的光路中配置有光散射元件，所述光散射元件使入射的光散射并出射。此外，也可以在所述光源部与所述液晶散射元件之间的光路中配置有使入射的光散射并出射的光散射元件。此外，也可以在所述液晶散射元件与所述图像光生成部之间的光路中配置有使入射的光散射并出射的光散射元件。
发明效果
本发明能够提供一种具有如下效果的投射型显示装置，即能够在使用具有相干性的光源时简易地使散斑噪声稳定减少。
附图说明
图1是第一实施方式的投射型显示装置的结构概念图。
图2是液晶散射元件的剖视示意图。
图3是具有其他结构的液晶散射元件的剖视示意图。
图4A是表示液晶散射元件的散射角的示意图。
图4B是表示透过的光的半值全宽的图形。
图5是第二实施方式的投射型显示装置的结构概念图。
图6是第三实施方式的投射型显示装置的结构概念图。
图7是第四实施方式的投射型显示装置的结构概念图。
图8是反射型的液晶散射元件的剖视示意图。
图9是透射率相对于液晶散射元件的施加电压的实测值(实施例1)。
具体实施方式
(第一实施方式)
图1是表示本实施方式的投射型显示装置10的结构的例子的示意图。从作为发光单元的发出相干光的光源，例如半导体激光器、固体激光器等的至少一个激光器11射出的光由准直透镜12以成为大致平行光的方式聚光，并通过偏振光镜13。作为激光器11，例如，半导体激光器射出直线偏振光的光，但由于制造偏差、使用环境温度变化，该偏振光方向有时具有偏差、时间性的变动。偏振光镜13用于将该光的偏振光状态形成为一定。通过了偏振光镜13的光利用本发明的液晶散射元件20而使光的散射状态发生历时变化，从而对空间性的光干涉性进行平均化而射出。透过了液晶散射元件20的散射光利用聚光透镜14而向作为图像生成单元的空间光调制器15聚光。另外，从激光器11射出的光也可以是通过使用光纤等进行导光而散射的光，这种情况下，投射型显示装置10也可以形成为不包含准直透镜12、偏振光镜13的结构。
在液晶散射元件20发生散射的光通过聚光透镜14后，被均质化而向空间调制器15照射。作为聚光透镜14，例如，可以使用开口数大的聚光透镜，以便对于因液晶散射元件20而发生散射的散射角大的光也能够聚光。具体而言，开口数优选为0.55以上，开口数越大，越能够高效率地将光取入，能够提高光利用效率。作为空间光调制器15，典型地能够使用透射型液晶面板，但也可以使用反射型的液晶面板、数字微镜装置(DMD)等。如此，向空间光调制器15入射的光束根据图像信号进行调制，利用投影透镜16向屏幕17等投影。需要说明的是，光源既可以是仅使用一个激光器光源的结构，也可以是配置多个射出不同波长的光的激光器光源的结构，还可以是将不具有相干性的光源和激光器光源组合使用的结构。
接下来，使用图2说明本发明的液晶散射元件20的具体的结构的剖视图。液晶散射元件20在平坦的两张透光性基板21a、21b的各自的一个面上设置透明电极22a、22b，使彼此的透明电极面对置而大致平行地配置，并向透光性基板间的空隙填充液晶。另外，利用密封材料24对透光性基板的四周进行密封。为了对填充有液晶的液晶层23施加交流电压，而对透明电极22a、22b施行供给电压的布线，并与电源25连接。另外，为了防止透明电极彼此的短路，可在透光性基板21a、21b上设置未图示的绝缘膜、取向膜中的任一者或这两者。
本发明的液晶散射元件20具有通过使入射的相干光的光的散射状态随时间发生变化而表现出散斑图的历时变化的功能。由此能以散斑噪声减少的状态来观测所投射的图像。该液晶散射元件20的特征在于使用了光散射模式，该光散射模式通过如下方式产生，即通过对产生自发极化的近晶相液晶施加交流电压而使自发极化的方向高速反转。
另外，如后所述，本发明的液晶散射元件20使用了对产生自发极化的近晶相液晶施加了电压的光散射模式，但只要使用了产生自发极化且因施加的电压的变化而能够时间性地使入射的光的散射状态发生变化的材料的元件即可，并不局限于此。例如，作为其他的材料，也可以是使用了高分子-液晶复合膜、电场响应胆甾相液晶的元件等。
另外，在使用了液晶的相位调制的通常的显示器中，为了限制液晶分子的取向，而形成实施了摩擦处理等取向处理的取向膜，但本发明的投射型显示装置的液晶散射元件20无需限制液晶分子的取向状态。为了减少散斑噪声，而使入射的光的散射状态发生变化，因此除了在电压施加时之外，而且在未进行电压施加的初始状态下，液晶的取向状态也是随机的，在没有施加电压时，透过的光也成为散射状态，因此也可以是不对液晶层23的界面进行取向处理的状态，即未形成取向膜。根据该结构，透过液晶散射元件20的光中的偏振光的一部分被消除或偏振光完全被消除，因此在投射型显示装置中，能够使用消除后的光。
另外，作为与液晶散射元件20不同的结构，也可以使用图3所示的液晶散射元件26。液晶散射元件26除了液晶散射元件20的结构之外，还具有在光出射侧设有棱镜阵列片27的结构。棱镜阵列片27具有对后述的散射角的扩展进行校正的作用。另外，在图3中，棱镜阵列片27既可以是将槽的长度方向沿着一方向延伸的一张棱镜阵列片层叠在透光性基板21b上而形成，另外，也可以配置成以槽的长度方向相互正交的方式将两张棱镜阵列片重合。在使用两张棱镜阵列片时，可得到能够控制二维地射出的光的发散角的效果。
另外，也可以在激光器11与液晶散射元件20、26之间的光路中设置未图示的多光生成部，该多光生成部用于将向液晶散射元件20、26入射的光形成为光轴大致相同且开口数NA小的多个收敛光或平行光。这种情况下，液晶层23使由多光生成部生成的这多个光散射，从而利用液晶层23模拟地生成多个发光源。并且，聚光透镜14可以使用具有将射出液晶层23的多个发光源的每一个的发散光高效率地取入并将入射的这些光形成为平行光或收敛光的多个透镜结构的聚光透镜。这种情况下，例如聚光透镜14优选一体化了的阵列型的聚光透镜，在此定义为出射侧聚光透镜阵列。并且，出射侧聚光透镜阵列所包含的各个透镜的结构、焦点距离及与液晶层23的间隔等可以适当设计，以便于能够实现所希望的功能。
另外，将向液晶散射元件20、26入射的光形成为多个光的多光生成部例如可以是一体化了的阵列型的聚光透镜，在此定义为入射侧聚光透镜阵列。入射侧聚光透镜阵列例如可以将纵横长度比为9∶16的矩形形状的聚光透镜排列成纵16个×横9个的阵列状，且与光轴大致正交的平面的外形形成为正方形，以下，说明具有该结构的情况。
从激光器11射出的光成为大致平行光后，向配置在由多光生成部(入射侧聚光透镜阵列)所聚光的焦点位置附近的液晶层23入射。在此，入射侧聚光透镜阵列中所包含的各个透镜可以利用生成焦点距离比较长的收敛光的开口数NAin为0.1以下的透镜。此时，在液晶层23生成纵16个×横9个的模拟的发光源，因此只要与这些模拟的发光源以1∶1对应的出射侧聚光透镜阵列也形成为将纵横长度比9∶16的矩形形状聚光透镜排列成纵16个×横9个的结构即可。
在此，在将入射侧聚光透镜阵列和液晶散射元件20、26隔着空气配置时，出射侧聚光透镜阵列的各个聚光透镜的开口数NAout与光取入角的半角θ以NAout＝sinθ建立关系。因此，具有NAout＞NAin的关系，且优选以成为高效率地取入由液晶层23散射的光的NAout的方式设定出射侧聚光透镜阵列的焦点距离。具体而言，优选形成为与θ＝15°(取入角30°)～40°(取入角80°)相当的NAout＝0.26～0.64。需要说明的是，即使在将入射侧聚光透镜阵列和液晶散射元件20、26隔着折射率n＞1的粘接剂等透明介质配置时，也可以以出射侧聚光透镜阵列具有所希望的焦点距离的方式设定NAout。
此外，也可以在出射侧聚光透镜阵列的光出射侧配置对光束整体进行覆盖的单一的聚光透镜。这种情况下，通过将出射侧聚光透镜阵列的各个聚光透镜的主光线向空间光调制器15聚集而能够高效率地向空间光调制器15聚光。另外，通过将出射侧聚光透镜阵列形成为后述的由一对凸透镜阵列构成的所谓复眼透镜，从而对每一个出射侧聚光透镜阵列的出射光的空间光量分布进行平均化，因此能得到空间光调制器15的照射光的光量分布被均一化的投射图像。
另外，液晶散射元件20、26的液晶层23由1层构成，但并不局限于此，也可以形成为具有2层以上的液晶层且能够对各液晶层施加电压的结构。这种情况下，通过多个液晶层能够进一步增大入射的光的散射状态，从而可得到能够较大地减少散斑噪声的效果。此外，在层叠有多个液晶层时，能够任意地设定对各液晶层施加的电压的大小、交流电压的相位。例如，通过使对每一个液晶层施加的交流电压的相位不同，从而能够使入射的光的散射状态相对于时间大幅地变化。另外，在层叠多个液晶层来构成液晶散射元件时，既可以使液晶散射元件20的结构为多个层叠而成的元件，另外，也可以是包含液晶散射元件20和液晶散射元件26这双方的结构。
接下来，具体地说明形成液晶层23的材料及模式。作为表示本光散射模式的材料，例如，作为铁电液晶组成物，可列举手性近晶(SmC＊)相液晶，该手性SmC＊相液晶具有螺距的结构。并且，目前为止，作为封入到使该手性SmC＊相液晶对置配置的带取向膜的基板之间的结构，例示了以下的两个模式。一个是通过封入到比该螺距狭窄的间隔的空间，从而在没有施加电压时表现出铁电性的表面稳定化铁电性液晶(Surface Stabilized Ferroelectric Liquid Crystal＝SSFLC)模式(例如，N.A.Clark，S.T.Lagerwall：Appl.Phys.Lett.36，899(1980))。另一个是通过封入到比该螺距充分宽的间隔(厚度)的空间中，而以残留手性SmC＊相液晶的螺旋结构的方式取向的DHFLC(Deformed HelixFerroelectric Liquid Crystal：螺旋形变铁电液晶)模式。
DHFLC模式中自发极化的方向沿着螺旋周期进行旋转，因此相互抵消。因此，在初始状态(没有施加电压时)下，铁电性表观上被消除。另一方面，在施加电压时，是产生螺旋结构的连续的形变且表现出自发极化的模式(例如，L.A.Beresnev，et al.：Liq.Cryst.5，(4)1171(1989))。本发明的液晶散射元件20的液晶层23形成为比手性SmC＊相液晶的螺距充分宽的间隔(厚度)的空间，且形成为残留有螺旋结构的结构。
另外，作为与DHFLC模式同样地利用自发极化的特性的模式，还可以利用Twisted FLC(例如，V.Pertuis and J.S.Patel：Ferroelectrics，149，193(1993))、τ-Vmin模式(例如，J.R.Hughes，et.al：Liq.Cryst.13，597(1993))。
另外，也可以利用由进行了取向处理的带取向膜的基板能够对手性近晶CA(SmCA ＊)相液晶实施任一取向的反铁电性液晶。这种情况下，自发极化的方向也在层内随机，因此在没有施加电压时，铁电性表观上被消除，但伴随着电压施加而产生向铁电相的相变，为表现出自发极化的模式。另外，也可以利用electroclinic模式，该electroclinic模式使用了手性近晶A(SmA＊)相液晶。
另外，除了手性近晶C相液晶以外，以具有从层法线倾斜的斜度的六角相液晶作为相结构，作为六角相液晶而存在SmI相液晶、SmF相液晶。此外，作为SmI相液晶及SmF液晶具有三维秩序的相，包括结晶J、G、K、H相液晶，包含SmI相液晶及SmF相液晶在内的这些液晶相已知通过非对称点的导入而显示铁电性，能够同样利用。
如此，在液晶层23中使用了具有近晶相的液晶组成物，该近晶相发生自发极化，但在没有施加电压时，未必要显示铁电性，而只要通过所希望的电压施加而发生自发极化就包含在该范畴中。另外，通过高分子稳定化等，在被聚合物化的结构、结晶中也同样能够利用。此外，显示铁电性的侧链型高分子液晶也同样能够利用。这种情况下，高分子稳定化、高分子量化带来液晶相的稳定化，因此具有使用温度范围广且稳定的效果。
在液晶层23中所使用的近晶相液晶组成物的自发极化(Ps)的值的上限、下限均未特别限制，但为了使入射的相干光散射，而优选对外部电场的响应良好的值，因此通常优选自发极化的绝对值大的组成物。另外，自发极化越大的组成物越具有能够降低驱动电压的效果，因此自发极化的绝对值在常温(25℃)下优选为10nC/cm2以上，更优选为20nC/cm2以上，进一步优选为40nC/cm2以上。
接下来，说明在液晶层23中使用的近晶相液晶组成物的自发极化的温度特性。通常，通过表现出手性近晶C相而得到的铁电液晶组成物是棒状液晶分子由从液晶层的层方向的倾斜而表现的间接型铁电体，根据分子极化和该倾角来决定自发极化的值。大多数的情况下，表示近晶C相的液晶组成物在比近晶C相温度区域靠高温侧向近晶A相转变，但此时的相变是二次相变，以液晶层的厚度方向为基准时的倾角伴随着温度的上升而逐渐接近0°，因此自发极化也随着温度的上升而接近0。
另一方面，从近晶C相向(手性)向列相转变的情况下，此时的相变是一次相变，倾角在转变点从有限值至0急剧变化，因此在相变温度附近，自发极化也保持成不为0的一定的值。即，手性近晶相液晶组成物中，相对于具有相变系列即Iso-N(＊)-SmA-SmC＊的液晶组成物，具备没有近晶A相的Iso-N(＊)-SmC＊的液晶组成物即使在表现近晶C相的上限的温度附近，自发极化也不成为0附近，因此能够高效率地得到光散射模式，该光散射模式通过如下方式产生，即通过施加交流电压而使自发极化的方向进行高速反转。
在此，具有Iso-N(＊)-SmA-SmC＊的液晶组成物相对于具有Iso-N(＊)-SmC＊的液晶组成物，对取向膜的取向性良好。另外，本发明的液晶元件为不包含取向膜的结构时，这些液晶组成物均可以使用，但由于上述的理由，具有Iso-N(＊)-SmC＊的液晶组成物即使在高温下也具有不为0的自发极化，因此优选。
接下来，作为液晶层23的厚度(单元间隔)，作为上述的螺旋结构残留的间隔，优选为5μm以上。另外，在降低散斑噪声方面，对入射的相干光的散射的程度越大越有效果，因此通常液晶层23的单元间隔优选厚的间隔，但由于因厚度增加而必须增大施加的电压，因此优选为200μm以下。此外，为了得到上述的螺旋结构可靠地残留且能够抑制施加的电压的效果，而该间隔(厚度)更优选为20μm以上且100μm以下。
优选向液晶层23施加的交流电压的频率在5～1000Hz中使用。另外，相对于入射的光，能得到充分的时间性的散射状态，并且通过形成为低频驱动而降低减少散斑噪声所需的施加电压，因此更优选以70～200Hz左右进行驱动。另外，以该范围的频率进行驱动时，作为必要的电压，为3～100Vrms，优选为10～60Vrms，更优选为2～40Vrms左右。
另外，为了减少散斑噪声，利用液晶层23得到一定的散射角。需要说明的是，散射角被定义为对于透过了液晶层23的光的强度分布满足半值全宽(FWHM)的角度。关于散射角，具体地使用图4A及图4B来说明。图4A是表示了向液晶散射元件20入射的光和发生散射而透过的光的情况的示意图，表示在从液晶散射元件20充分离开的距离L处，与入射的光的直线前进方向正交的截面A-A′。需要说明的是，距离L[mm]是可以忽视液晶散射元件20的厚度的程度的距离。图4B是表示光轴、设以液晶散射元件20与光轴相交的点为基点而朝向A-A′截面的光线与光轴所成的角度为横轴时的光强度分布的图。在此，设作为光强度的半值全宽的角度为扩散角θ[°]，设作为扩散角θ的A-A′截面的扩散区域为W[mm]时，散射角θ和距离L可以由tanθ＝W/2L表示。
散射角θ的值越大，沿着直线前进方向透过的光的强度越小，但另一方面，若值小，则不能充分地散射，不能充分地减少散斑噪声。因此，散射角θ优选为10°～70°的范围，更优选为20°～60°的范围，进一步优选为30°～50°的范围。另外，液晶散射元件20优选由直线前进而透过的光的光量相对于直线前进入射的光的光量之比所表示的直线前进透射率为70％以下，更优选为20％以下，进一步优选为10％以下。另外，最优选为5％以下。需要说明的是，若光以一定的散射角散射，则直线前进透射率的下限也可以为0％。
透光性基板21a、21b例如也可以使用丙烯酸系树脂、环氧系树脂、氯化乙烯系树脂、聚碳酸酯等，但从耐久性等观点出发优选玻璃基板。作为透明电极22a、22b，可以使用由Au、Al等构成的金属膜，但在使用由ITO、SnO3等构成的膜的情况下，与金属膜相比，光的透过性良好，机械耐久性优良，因此优选。
密封材料24用于防止液晶层23的铁电性液晶从透光性基板21a、21b之间漏出，设置在应确保的光学性的有效区域的外周。作为密封材料24用的材料，在处理上优选环氧、丙烯酸等树脂系粘接剂，但也可以利用加热或UV光的照射而硬化。另外，为了得到所希望的单元间隔，也可以混入数％的玻璃光纤等间隔件。
需要说明的是，在透光性基板21a、21b的各基板面中的与液晶层23未相接的基板面上设置反射防止膜会改善光的利用效率，因此优选。作为所述反射防止膜，可以使用电介质多层膜、波长等级的薄膜等，但也可以是其他的膜。这些膜可以使用蒸镀法、溅射法等形成，但也可以利用其他的方法形成。
另外，在形成绝缘膜时，使用SiO2、ZrO2、TiO2等无机材料，可以利用由溅射等进行真空成膜的方法、由溶胶凝胶法进行化学成膜的方法等。需要说明的是，在使液晶分子取向时，能够通过使液晶与由下述方法制成的取向膜的表面接触而进行设定，即摩擦聚酰亚胺、聚乙烯醇(PVA)等膜的方法、将向特定方向偏振的UV光等向具有光反应性官能团的化学物质照射而进行光取向的方法、倾斜地蒸镀SiO等而得到的方法、向类金刚石碳等照射离子射线照射而得到的方法等。绝缘膜、取向膜能够防止透明电极彼此的短路或防止因液晶层长时间的通电驱动而发生影响残留(image sticking)的情况，因此合适。
接下来，对作为散斑噪声的指标的散斑对比度Cs进行说明。该散斑对比度如(3)式表示那样，是作为像素的明亮度标准偏差σ的由(1)式表示值相对于作为像素的明亮度的平均值的由(2)式表示的值的值。在此，N表示全部像素数，In表示相对于各像素的明亮度，Iavr表示全部像素的明亮度的平均。随着该散斑对比度Cs成为低的值而在投射的图像中观察到的散斑噪声减少。以下，利用该散斑对比度来评价配置有本发明的液晶散射元件的投射型显示装置。需要说明的是，散斑对比度只要为25％以下即可，优选为20％以下，另外，更优选为15％以下。
[数学式1]
σ = Σ n = 1 N | I avr - I n | 2 N . . . ( 1 )
[数学式2]
I avr = Σ n = 1 N I n N . . . ( 2 )
[数学3]
C s = σ I avr . . . ( 3 )
(第二实施方式)
图5表示本实施方式的投射型显示装置30的结构示意图，构成投射型显示装置30的各光学部件等中的与构成投射型显示装置10的光学部件等相同的部件标注相同标号而避免重复说明。投射型显示装置30构成为在从作为光源的激光器11到作为显示对象的屏幕17之间的光路中，在偏振光镜13与液晶散射元件20之间的光路中配置光散射元件31，且在液晶散射元件20与聚光透镜14之间的光路中配置光散射元件32。这些光散射元件31、32与散射能时间性地发生变化的液晶散射元件20不同，具有相对于入射的光不发生历时变化的一定的水平的散射能。另外，可以将光散射元件31、32都配置，但也可以配置光散射元件31或光散射元件32中的任一方，还可以具有层叠于液晶散射元件20的结构。
光散射元件31、32例如可以使用散射能不发生历时变化的散射板，但并不局限于此，只要使入射的光均质地散射即可，例如，可以由高分子分散型液晶、胆甾型液晶构成。另外，散射角基于在第一实施方式中说明的定义，光散射元件31、32的散射角的上限优选为液晶散射元件的散射角的上限以下，另外，优选为10°以上。如此，像本实施方式的投射型显示装置30那样将至少一个光散射元件(光散射元件31及/或光散射元件32)和液晶散射元件20组合使用时，与由液晶散射元件20单独地减少散射能的情况同样地，能够利用光学系统整体充分地减少散斑噪声。由此，能够将向光散射元件20的液晶层施加的电压抑制得较低，因此起到能够提高光散射元件20的可靠性的效果。
(第三实施方式)
图6表示本实施方式的投射型显示装置40的结构示意图，构成投射型显示装置40的各光学部件等中的与构成投射型显示装置30的光学部件等相同的部件标注相同标号，避免重复的说明。投射型显示装置40在聚光透镜14与空间光调制器15之间的光路中具备光量均一化单元41，以便于将由液晶散射元件20或26散射的光以在空间光调制器15中的形成图像的区域内的光强度均一的方式照射。需要说明的是，表示了投射型显示装置40具备光散射元件31、32，但也可以像第一实施方式的投射型显示装置10那样，不具备光散射元件31、32。
作为光量均一化单元41，考虑了积分棒42与聚光透镜43的组合。例如，积分棒42的至少光的出射面具有与空间光调制器15的形成图像的面(以下，称为“图像形成面”)相似形的玻璃块，向该玻璃块入射的光在其侧面进行全反射而导波后射出。另外，为了减少从积分棒42的侧面漏出的光的损失，也可以在侧面形成反射膜、保护膜。并且，为了使从积分棒射出的光在空间光调制器15的图像形成面上成像而配置开口数及焦点距离已设定了的聚光透镜43。需要说明的是，在由液晶散射元件20或26散射而前进的光的散射角窄时，也可以不配置聚光透镜43。即，这种情况下，也可以使射出积分棒42的端部的光直接向空间光调制器15入射。
另外，作为其他的光量均一化单元41，也可以通过成为与空间光调制器15的图像形成面相似形的一对凸透镜阵列和聚光透镜的组合来构成。需要说明的是，凸透镜阵列将以最小单位的透镜所定义的单位透镜进行二维配置而构成。此时，为了使从一方的凸透镜阵列的单位透镜射出的光在空间光调制器15的图像形成面上成像，也可以形成配置有另一方的凸透镜阵列的单位透镜的所谓复眼透镜。这种情况下，也可以在凸透镜阵列的光出射部配置聚光透镜，以使得各个单位透镜的光轴的偏差在空间光调制器15的图像形成面上一致。
另外，在空间光调制器15具有偏振光依赖性的情况下，向光量均一化单元41入射的光为未保持偏振光状态的均一性的光时，通过转换成特定的直线偏振光的光而能够抑制利用的光的损失。作为该结构，例如，在一对凸透镜阵列之间的光路中设有被配置成阵列状的偏振光射线分裂器和仅在光入射的区域中的特定的区域具有1/2波长板的空间分割1/2波长板，从而能够转换成特定的直线偏振光的光来射出。在此种结构中，空间光调制器15在由相对于入射的光具有偏振光依赖性的液晶元件等构成时，尤其是能够提高光利用效率，因此有效。
(第四实施方式)
图7表示本实施方式的投射型显示装置50的结构示意图，构成投射型显示装置50的各光学部件等中的与构成投射型显示装置10的光学部件等相同的部件标注相同标号，避免重复说明。投射型显示装置50利用抛物面反射镜51对由液晶散射元件60散射及反射的光进行反射，利用聚光透镜14聚光而向空间光调制器15入射，并通过投影透镜16投影到屏幕17等上。需要说明的是，投射型显示装置50也可以将第三实施方式所示的光散射元件31、32配置在液晶散射元件60的前后的光路中，另外，也可以在抛物面反射镜51与空间光调制器15之间的光路中如图6所示那样配置光量均一化单元41，作为光量均一化单元41，可以配置图6所示那样的积分棒42与聚光透镜43的组合。
图8是液晶散射元件60的具体的结构的剖视图，对与构成液晶散射元件20的光学部件等相同的部件标注相同标号，避免重复说明。液晶散射元件60在光入射侧的相反侧形成有以高反射率对光进行反射的反射层61。另外，这种情况下，液晶散射元件60也可以不具有透光性基板21b。反射层既可以由金等金属膜构成，也可以由将高折射率的材料与低折射率的材料交替层叠而成的光学多层膜构成。
另外，在图7的投射型显示装置50中，液晶散射元件60设置成光按照液晶层23、反射层61的顺序入射、另外入射角成为大致45°，从而能够使例如前进方向偏转90°。如此，使液晶散射元件60倾斜大致45°时，可以以反射而前进的光的中心部(光轴)对合在抛物面反射镜51的焦点位置附近的方式设置液晶散射元件60。另外，与一般的聚光透镜相比，抛物面反射镜51能够使反射及散射的光的取入角度、即开口数(NA)较大地设定液晶散射元件60，因此能够将向屏幕17侧投射的光的利用效率设定得较高。
实施例
(实施例1)
在厚度为约1.1mm的两张由石英玻璃构成的透明基板上的各一个面上成膜作为透明电极的方块电阻值约100Ω/□的ITO，将聚酰亚胺成膜成约50nm并进行摩擦处理，而形成具有相对于液晶成为大致水平的作用的取向膜。使一对透明基板的形成有取向膜的面对置，利用混入有间隔件的密封材料对透明基板的外周进行密封，并设置约25μm的单元间隔。需要说明的是，上述的ITO、绝缘膜未设置在该密封材料的部分。
接下来，将作为近晶相液晶组成物的Felix017/100a(AZ电子材料(ELECTRIC MATERIAL)公司)从设置于密封材料的未图示的注入口注入，利用密封材料将注入口密封而制成液晶散射元件。另外，液晶散射元件具有设置电极取出部分且能够对所夹持的液晶层施加电压的结构，并能够由电极取出部分与外部电源连接。需要说明的是，该铁电液晶组成物的比电阻值为2.6×1012Ω·cm，自发极化的值在室温(25℃)下为47nC/cm2。
研究了使向制作的液晶散射元件投射波长633nm的激光而施加的电压(Vsup[Vrms])改变时的激光的直线前进透射率(Tr[％])。使利用外部电源经由透明电极以100Hz的矩形交流波向液晶层施加的电压值从0Vrms增大时，在3Vrms入射的激光的散射开始。图9表示对于施加电压的大小测定了激光的直线前进透射率的图形。根据该结果，确认了表现出在约8Vrms较大地散射，直线前进透射率成为约10％。因此，在投射型显示装置设置该液晶散射元件，调整向液晶层施加的电压而表现光的散射状态，由此能够减少散斑噪声而进行投射显示。另外，将施加电压增加，在达到约18Vrms确认到了散斑噪声的减少效果，但进一步增加施加电压时，铁电液晶在电场方向上容易对齐，因此散射的程度下降，因此，直线前进透射率增加而观测到了散斑噪声。
具体而言，研究了由液晶散射元件而表现出散射状态的施加约8Vrms、100Hz的矩形交流电压的状态下的散斑对比度。在图1的投射型显示装置中，作为光源使成为波长约633nm的相干光的He-Ne激光发光，在射出液晶散射元件的光的直线前进方向上配置散射角为10°的扩散板，并利用数码相机拍摄了在屏幕17上映出的图像。数码相机的摄影拍摄了从与屏幕面大致垂直的角度到屏幕的中央附近的约1.5cm见方的正方形区域。此时，数码相机的摄影条件在纵方向200像素×横方向200像素＝40000像素的像素数中，以0～255这256等级对各像素的明亮度进行了分析，并计算了散斑对比度。
此时的像素明亮度平均Iavr为104，像素明亮度的标准偏差σ为18，由此产生的散斑对比度Cs为约17％，能够得到目视下的散斑噪声也不显眼的图像。
(实施例2)
实施例2基于与实施例1同样的制法制作了液晶散射元件，但不进行实施例1中的对聚酰亚胺的摩擦处理，在没有施加电压时，铁电性液晶成为随机的取向。
向制作的液晶散射元件投射波长633nm的激光并施加电压，从而研究了激光的直线前进透射率。使利用外部电源经由透明电极以100Hz的矩形交流波向液晶层施加的电压值从0Vrms增大时，确认了在约10Vrms表现出较大的散射，直线前进透射率成为约1.7％。
使用上述元件，研究了利用液晶散射元件表现散射状态的施加了约10Vrms、100Hz的矩形交流电压的状态下的散斑对比度。此时的像素明亮度平均Iavr为107，像素明亮度的标准偏差σ成为16，由此产生的散斑对比度Ca为约15％，确认了与对取向膜实施摩擦处理而对初始取向进行限制时相比，能够有效地减少散斑噪声。
(实施例3)
在实施例3中，使用在实施例1中制作的液晶散射元件，研究了耐激光特性。具体而言，在85℃的温度条件下，将Ar激光(460～520nm多光谱)的激光以90mW/mm2的照射密度照射280小时。然后，确认到了该液晶散射元件的外观未发生大的变化，将交流矩形电压以100Hz施加10Vrms时，与照射前相比，未明显地观察到散斑噪声，且与照射前同样地毫无问题地进行动作。
(实施例4)
在实施例4中，制作了如下所述的液晶散射元件，即除了液晶层的单元间隔为约50μm，取代取向膜而在ITO膜上制成SiO2的绝缘膜之外，与实施例1中制作的液晶散射元件为同样的结构，且在没有施加电压时铁电液晶的取向状态为随机的。
使用上述元件，利用与实施例1同样的测定方法研究了由液晶散射元件表现散射状态的施加了约30Vrms、200Hz的矩形交流电压的状态下的散斑对比度。此时，作为光源，使发出波长约532nm的相干光的固体激光发光。此时的像素明亮度平均Iavr为102，像素明亮度的标准偏差σ为12，由此产生的散斑对比度Cs为约12％，确认到能够充分有效地减少散斑噪声。
另外，此时制作的液晶散射元件的散射角为60°，具有减少散斑噪声所需的充分的散射角。另外，根据本实施例，确认了，通过增加液晶单元的单元间隔，从而散斑噪声的减少效果进一步增大，另外，与未使用取向膜的结构同样地能得到散斑噪声的减少效果。
(实施例5)
在实施例5中，使用在实施例4中制作的液晶散射元件，研究了耐激光特性。具体而言，在80℃的温度条件下，将Ar激光(460～520nm多光谱)的激光以100mW/mm2的照射密度从元件的正面照射了750小时。然后，确认到了该液晶散射元件的外观没有大的变化，与实施例4同样地以200Hz施加30Vrms的交流矩形电压而测定了散斑对比度Cs时，像素明亮度平均Iavr为95，像素明亮度的标准偏差σ为12，由此产生的散斑对比度Cs为约13％，与照射前相比，未明显观察到散斑噪声，且与照射前同样地毫无问题地进行动作。此外，通过使用作为无机物的SiO2绝缘膜，能够期待可靠性和耐激光性能进一步提高。
(实施例6)
在实施例6中，进行了实施例4中制作的液晶散射元件的光利用效率的测定。需要说明的是，光利用效率是投射的影像的光量相对于射出液晶散射元件的光的光量之比。在实施例6中，具体而言，在对实施例4中制作的液晶散射元件施加了约30Vrms、200Hz的矩形交流电压的状态下，作为光源，使成为波长约633nm的相干光的He-Ne激光发光，在射出液晶散射元件的方向上，配置了散射角为10°的扩散板、积分棒、空间光调制器、投影透镜。此时的光利用效率为约24％。此外，在积分棒与空间光调制器之间的光路中配置了开口数为0.58的聚光透镜时的光利用效率为约29％。需要说明的是，该结构相当于图6的从液晶散射元件20到投影透镜16的排列。另外，通过增大(相当于图6的聚光透镜43的)聚光透镜的开口数，而能够进一步增大光利用效率。
(实施例7)
在实施例7中，制作出除了使用Felix016/000(AZ电子材料(ELECTRIC MATERIAL)公司)作为液晶层内的近晶相液晶组成物以外与在实施例4中制作的液晶散射元件同样的结构的液晶散射元件。需要说明的是，该铁电液晶组成物的自发极化在室温(25℃)下为-4.7nC/cm2。
使用上述元件，与实施例4同样地，通过使用了波长约532nm的相干光的测定方法研究了由液晶散射元件表现散射状态的施加了约30Vrms、200Hz的矩形交流电压的状态下的散斑对比度。此时的像素明亮度平均Iavr为107，像素明亮度的标准偏差σ为17，由此产生的散斑对比度Cs为约15％，虽然比使用Felix017/100a时的值增大，但确认了能够充分地发挥减少散斑噪声的效果。
同样地，使用上述元件，研究了由液晶散射元件表现进一步增大的散射状态的施加了约40Vrms、70Hz的矩形交流电压的状态下的散斑对比度。此时的像素明亮度平均Iavr为100，像素明亮度的标准偏差σ为14，由此产生的散斑对比度Cs为约14％，确认了能够更有效地减少散斑噪声。
(实施例8)
在实施例8中，制作了将实施例4中制作的液晶散射元件两张重叠，并利用透明的光硬化性粘接剂将它们之间粘接的具有双层的液晶层的液晶散射元件。
使用上述元件，与实施例4的测定方法不同地，在射出液晶散射元件的光的方向上未配置扩散板而研究了由液晶散射元件表现散射状态的施加了约30Vrms、200Hz的矩形交流电压的状态下的散斑对比度。此时的像素明亮度平均Iavr为87，像素明亮度的标准偏差σ为8.5，由此产生的散斑对比度Cs为约10％，确认了即使在未配置扩散板的情况下，也能够充分有效地减少散斑噪声。
(实施例9)
在实施例9中，使用在实施例8中制作的具有双层的液晶层的液晶散射元件，在液晶散射元件的光的出射侧配置了在实施例1中使用的扩散板。在对液晶散射元件的各液晶层分别以同相的状态施加了约60Vrms，100Hz的矩形交流电压的状态下，利用与实施例1相同的测定方法，作为光源使成为波长约532nm的相干光的固体激光发光，而研究了散斑对比度。此时，像素明亮度平均Iavr为100，像素明亮度的标准偏差σ为13.0，由此产生的散斑对比度Cs为约13％，确认了能够充分有效地减少散斑噪声。
(实施例10)
在实施例10中，使用与实施例9相同的具有双层的液晶层的液晶散射元件，在液晶散射元件的光的出射侧配置了在实施例1中使用的扩散板。对液晶散射元件的各液晶层分别施加约60Vrms、100Hz的矩形交流电压，但在它们之间赋予约90deg的相位差的状态下，利用与实施例1相同的测定方法，作为光源使成为波长约532nm的相干光的固体激光发光，研究了散斑对比度。此时，像素明亮度平均Iavr为108，像素明亮度的标准偏差σ为11.9，由此产生的散斑对比度Cs为约11％，确认了能够充分有效地减少散斑噪声。
(实施例11)
在实施例11中，对于在实施例4中制作的液晶散射元件，评价了相对于使用温度的特性。具体而言，在对液晶散射元件的液晶层提供约30Vrms、200Hz的矩形交流电压的状态下，作为光源，使发出波长约532nm的相干光的固体激光发光，利用与实施例1相同的测定方法，研究了散斑对比度，该结果如表1所示。通过表1确认到了在30℃的动作温度下能够充分有效地减少散斑噪声。
[表1]
Figure BDA0000118731990000231
(实施例12)
在实施例12中，制作了取代使用于在实施例4中制作的液晶散射元件的液晶层的Felix017/100a，而使用FelixR0424(AZ电子材料(ELECTRIC MATERIAL)公司)作为近晶相液晶组成物，除此以外与实施例4为相同的结构的液晶散射元件。另外，FelixR0424具有相变系列为Iso-N-SmC＊且近晶C相的上限温度区域为97.8℃的特性。并且，在对制作的液晶散射元件的液晶层施加了约100Vrms、100Hz的矩形交流电压的状态下，作为光源，使发出波长约532nm的相干光的固体激光发光，利用与实施例1相同的测定方法，研究了散斑对比度，其结果如表2所示。根据表2，确认了在30～90℃的动作温度下能够充分有效地减少散斑噪声。
[表2]
Figure BDA0000118731990000241
(比较例1)
在比较例1中，在取代液晶散射元件而配置了散射状态不随着时间而变化的(静止型)散射板的投射型显示装置中，利用与实施例1同样的规格的数码相机拍摄了屏幕中央附近的约1.5cm见方的正方形区域。此时的像素明亮度平均Iavr为103，像素明亮度的标准偏差σ为30，由此产生的散斑对比度Cs为约29％，与实施例相比成为约2倍的值。另外，目视下，未明显地观察到粒状的散斑噪声。
(比较例2)
在比较例2中，取代表示铁电性的液晶而使用具有负的介电各向异性的向列相液晶组成物同样地研究了散斑对比度。结构与上述实施例2相同，对于注入了具有负的介电各向异性的向列液晶组成物的液晶元件，利用外部电源经由透明电极，以100Hz的矩形交流波向液晶层施加的电压值从0Vrms至40Vrms增大。然而，未观察到由透过液晶层的光而在屏幕上映出的图像发生变化。另外，研究施加了10Vrms的交流矩形电压时的散斑对比度时，像素明亮度平均Iavr为105，像素明亮度的标准偏差σ为33，由此产生的散斑对比度Cs为约31％，未确认到散斑噪声减少效果。需要说明的是，具有负的介电各向异性的向列液晶组成物的比电阻值为1.9×1014Ωcm。
(比较例3)
在比较例3中，作为使用了基于动态散射模式(DSM)方式的驱动方法的液晶散射元件，取代显示出铁电性的液晶而向具有负的介电各向异性的向列相液晶组成物添加0.1wt％的季铵盐，除此以外的结构与上述实施例1相同。
如此，对向列液晶添加导电性成分(季铵盐)，制作了使用DSM方式的液晶元件，与实施例3同样地在85℃的温度条件下，将Ar激光(460～520nm多光谱)的激光以90mW/mm2的照射密度照射而研究了耐激光特性。此时，利用上述条件经过了30小时后，以14Vrms施加了70Hz的交流矩形电压时，确认到会较大地损害散斑噪声减少效果。在DSM方式下的驱动中，由于导电性成分的添加，因此该元件的比电阻值需要为108Ωcm～1010Ωcm左右，若测定耐激光试验时的比电阻值，则从照射前的108Ωcm经过了30小时照射后成为1010cm。由于比电阻值的上升，而DSM表现所需的电压也上升，确认到使用具有负的介电各向异性的向列液晶的DSM的方式在耐激光特性方面存在问题。
详细或参照特定的实施方式说明了本申请，但不脱离本发明的精神和范围而能够施加各种变更或修正的情况对于本领域技术人员来说不言自明。本申请基于2009年6月12日提出的日本专利申请(特愿2009-141259)、2009年11月10日提出的日本专利申请(特愿2009-257354)、以及2010年3月18日提出的日本专利申请(特愿2010-062949)，并将其内容作为参照包含于此。
工业实用性
如以上所述，本发明的光学头装置能够提供一种在使用具有相干性的光源时具有能够简便且稳定地减少散斑噪声这一效果的投射型显示装置。
标号说明：
10、30、40、50投射型显示装置
11激光器
12准直透镜
13偏振光镜
14、43聚光透镜
15空间光调制器
16投影透镜
17屏幕
20、26、60液晶散射元件
21a、21b透光性基板
22a、22b  透明电极
23液晶层
24密封材料
25电源
27棱镜阵列片
31、32光散射元件
41光量均一化单元
42积分棒
51抛物面反射镜
61反射层

Claims (14)

1.一种投射型显示装置，其特征在于，具备：
包含至少一个发出相干光的光源的光源部；
对所述光源部发出的光进行调制而生成图像光的图像光生成部；
投射所述图像光的投射部；
配置在所述光源部与所述图像光生成部之间的光路中，使通过的光的散射状态随时间发生变化的液晶散射元件；
在所述液晶散射元件的多个透明基板的对置的各个面上形成的透明电极；
被夹在所述透明电极之间且具有液晶的液晶层，其中该液晶由在电压施加状态下发生自发极化的近晶相构成，
经由所述透明电极向所述液晶层施加交流电压。
2.根据权利要求1所述的投射型显示装置，其中，
在所述液晶散射元件与所述图像生成部之间的光路中配置有使散射光聚光的聚光透镜。
3.根据权利要求1或2所述的投射型显示装置，其特征在于，
所述液晶层的界面未进行取向处理。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的投射型显示装置，其中，
所述液晶是手性近晶C相液晶。
5.根据权利要求4所述的投射型显示装置，其中，
所述液晶具有Iso-N(＊)-SmC＊的相变系列。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的投射型显示装置，其中，
所述液晶散射元件将所述液晶层重叠多层而构成。
7.根据权利要求6所述的投射型显示装置，其中，
向多个所述液晶层中的第一液晶层施加的交流电压的相位和向多个所述液晶层中的第二液晶层施加的交流电压的相位不同。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的投射型显示装置，其中，
所述液晶散射元件具有棱镜阵列片。
9.根据权利要求1～8中任一项所述的投射型显示装置，其中，
所述液晶散射元件具有对入射的光进行反射的反射层。
10.根据权利要求1～9中任一项所述的投射型显示装置，其中，
成为所述散射状态的电压为3～100Vrms。
11.根据权利要求1～10中任一项所述的投射型显示装置，其中，
成为所述散射状态的电压的频率为70～1000Hz。
12.根据权利要求1～11中任一项所述的投射型显示装置，其中，
在所述光源部与所述液晶散射元件之间的光路中、及所述液晶散射元件与所述图像光生成部之间的光路中配置有光散射元件，所述光散射元件使入射的光散射并出射。
13.根据权利要求1～11中任一项所述的投射型显示装置，其中，
在所述光源部与所述液晶散射元件之间的光路中配置有使入射的光散射并出射的光散射元件。
14.根据权利要求1～11中任一项所述的投射型显示装置，其中，
在所述液晶散射元件与所述图像光生成部之间的光路中配置有使入射的光散射并出射的光散射元件。
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