JP2000305163A - 投写型液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】単板光学系のＲ、Ｇ、Ｂの色光のコントラスト
を高め、明るく色純度の高い投写画像を実現する。 【解決手段】ランプ１からの出射光をダイクロイックミ
ラー７によって赤色光、緑色光、青色光に角度分離した
後液晶パネルを照明し、液晶パネル８によって変調され
た画像を投写レンズ９によってスクリーン１０上に投写
する。その際、赤色光、緑色光、青色光に分離する方向
と、液晶パネル８の最大コントラスト方向とが異なるよ
うに液晶パネル８に配向処理を施す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、液晶パネルに形成
された画像をスクリーン上に拡大して投写する投写型液
晶表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】投写型液晶表示装置は、赤、緑、青の3
原色に対応させて液晶パネルを３枚使用する３板式と、
１枚の液晶パネルと色生成手段（色を分離し色毎変調す
る手段）とから構成される単板式に大別される。単板式
は、３板式では構成が複雑で高価である点を克服するた
めに提案されているもので、特に３板式と同等の明るさ
を期待できるものとして、例えば特開平４−６０５３８
号公報に記載の光学系が知られている。この光学系は、
３枚の板状のダイクロイックミラーによって異なった方
向に分離された赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の色光を
液晶パネルに設けられたマイクロレンズによって目的の
画素に集光することによりカラー表示を可能とするもの
であり、Ｒ、Ｇ、Ｂの光束を空間的に分離するため３板
式の投写型液晶表示装置に迫る明るさが得られるものと
期待されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】こうした光学系では、
Ｒ、Ｇ、Ｂの液晶パネルへの入射角を異ならせることに
よって上記の空間的な分離を実現させているため、光束
の液晶層を通過する方向や角度はＲ、Ｇ、Ｂ毎異なって
いる。

【０００４】一方、液晶パネルは、液晶分子の光学的異
方性を利用し印可電圧に応じて液晶分子の配列を変化さ
せることによって表示を行うものであるため、液晶分子
には液晶の動作モードに適した配向処理が施される。従
って、液晶分子に対する通過方向によって光線が感じる
光学特性（主に屈折率）が異なるため通過光線の偏光状
態が影響を受け、特定方向にコントラスト比が最も高く
なる最大コントラスト方向（図４参照）が存在し、入射
する光線の角度に対してコントラスト異方性がある。

【０００５】このように、照明光学系（光源および光分
離手段）と液晶パネル双方に光学的な異方性があるにも
かかわらず、上記の従来技術においては、分離された色
光を液晶パネルに入射させる際、Ｒ、Ｇ、Ｂの色光に分
離する方向を含む面と液晶パネルの表示面とは直交状態
にあり、また、液晶パネルの配向状態にはなんら規定が
ない。従って、投写された画像にはＲ、Ｇ、Ｂのいずれ
かの色光のコントラストが高くいずれかの色光のコント
ラストが低くなることによって投写画像の明るさや色純
度が低下したり、特定方向のコントラストが低下するこ
とによって投写画像の面内均一性が低下するといった問
題が予想される。

【０００６】本発明の投写型液晶表示装置は、上記した
従来の課題を解決するもので、その目的とするところ
は、第一に、Ｒ、Ｇ、Ｂの色光の分離方向と液層パネル
の配向状態とを最適な関係にすることによっていずれの
色光のコントラスト比も高め、明るく色純度の高い投写
画像を実現することにある。また、第二に、色光の分離
方向と液晶パネルの最大コントラスト方向と投写レンズ
の位置とを最適な関係にすることによって、明るく面内
均一性の高い投写画像を実現することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】すなわち本願発明は、光
源と、前記光源からの光を異なる複数の色光の光束に分
離し、そして前記複数の光束を異なった角度で液晶パネ
ルに照射する光分離手段と、を具備し、前記液晶パネル
は前記複数の光束を各前記色光毎に対応する画素に集め
る光学素子を有する投写型液晶表示装置であって、前記
液晶パネルの配向状態によって決まる視角特性において
コントラスト比の最も良好な方向（最大コントラスト方
向）と前記液晶パネル表示面中心における法線とを含む
面と、前記光分離手段によって色光を分離する方向を含
む面とが異なるように、または、略直交するように構成
されることを特徴とする。

【０００８】液晶パネルのコントラスト分布は後述する
ように前述の最大コントラスト方向と同一面内にはコン
トラスト比が最も小さくなる最小コントラスト方向が存
在し、コントラスト比の良好な領域は最大コントラスト
方向および最小コントラスト方向の存在する面に直交す
る方向に広がりをもつ傾向にある。また、その面に対し
て液晶パネルのコントラスト分布はある程度の対称性が
あることがわかっている。従って、本発明によれば、コ
ントラストの良好な領域が広がる方向と、Ｒ、Ｇ、Ｂの
色光に分離する方向とを合わせることにより、あるいは
最小コントラスト方向の存在する方向と異ならせること
により、Ｒ、Ｇ、Ｂいずれの色光に対してもコントラス
ト比を高めることができる。また、有効な光束を高い効
率で出射させることができるため、明るく色純度の高い
投写画像を得ることができる。

【０００９】また、本発明は、前記最大コントラスト方
向が前記色光を分離する方向を含む面内に存在し、前記
液晶パネルに形成された画像を投写するための投写レン
ズが前記最大コントラスト方向と前記液晶パネル表示面
中心における法線とを含む面に平行な方向で前記光分離
手段と反対の方向にシフトされて構成されることを特徴
とする。

【００１０】本発明によれば、空間的な分離による色生
成を可能にしながら、液晶パネルのコントラスト比の高
まる最大コントラスト方向より照明光を入射させそれと
は逆方向に配置した投写レンズにより投写する構成であ
るため、投写画像のコントラスト比を最も高めることが
できる。また、入射する色光と液晶パネルの視角依存性
との間の対称性が高まり液晶パネルの視角依存性による
コントラスト劣化の影響を受けにくいため、コントラス
ト比および明るさの面内均一性を高めることができる。

【００１１】また、本発明は、前記色光を分離する方向
と前記液晶パネルの表示面の水平方向とが略同一方向で
あるように構成されることを特徴とする。

【００１２】本発明によれば、一つの単位画素を構成す
るＲ、Ｇ、Ｂ用のサブ画素を液晶パネルの表示面の水平
方向に並べられるとともに、液晶パネルの最大コントラ
スト方向は液晶パネルの表示面の垂直方向に向けること
ができるため、データ表示にも適した方形ストライプ状
の表示を行うことができる。また、原色光の入射方向を
対称に近づけられるため、光分離手段を構成しやすい。
さらに、前述した最大コントラスト方向に対する照明手
段（光源および光分離手段）、投写レンズの配置方向を
液晶パネルの表示面の垂直方向に合わせられるため、投
写画像を垂直方向に移動させるいわゆるあおり投写との
相性が高い。

【００１３】また、本発明はＴＮ液晶を用いた液晶パネ
ルに対して特に有効である。これは、ＴＮ液晶の場合、
光線の入射方向に対するコントラスト異方性が特に顕著
であるためであるが、本発明を用いることにより、駆動
電圧の低さや光学特性の高さから現在主流となっている
ＴＮ液晶と、空間的な色分離による単板型の投写型液晶
表示装置との両立が可能となる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の具体的な形態を
図面を参照して詳述する。

【００１５】（第一の形態）図１は、本発明の第一の形
態を表す光学系の平面図、図２は、同側面図、図３は、
液晶パネルの部分拡大断面図である。

【００１６】図１、図２において、本発明の投写型液晶
表示装置は、光源を形成するランプ１およびリフレクタ
２、投写画像における面内照度を均一化するためのイン
テグレータ光学系を形成するロッド光学素子３、集光レ
ンズ４、５、６、光分離手段である３枚のダイクロイッ
クミラー７Ｒ、７Ｇ、７Ｂ、液晶パネル８および、投写
レンズ９から構成される。

【００１７】ランプ1は例えばメタルハライドランプ等
の高圧放電ランプであり、照明光の平行性を上げる目的
から短アーク長のランプが選択されている。リフレクタ
ー２は例えば回転楕円面鏡であり、その第一焦点にほぼ
一致するようにランプ1の発光部が配置され、その第二
焦点はロッド光学素子３の入射面に一致するように配置
される。これにより、ランプ１を出射した光束はリフレ
クタ２によって反射されてロッド光学素子３の入射面上
に集光され光源像を形成する。

【００１８】ロッド光学素子３は、例えばガラス製の中
実矩形ロッドであり、入射面に形成された光源像がロッ
ド光学素子３の内面で反射される際に、その反射面およ
び反射回数の違いから複数の２次光源像が形成され、複
数の２次光源像からの光束がロッド光学素子３の出射面
上で重畳され、その出射面に対するロッド光学素子３内
からの光出射方向も様々となるため、その出射面上には
明るさのムラが低減され照度比を高められた照明情報が
形成されることになる。一方、ロッド光学素子３の出射
面と液晶パネル８とは集光レンズ４、５、６によって共
役な関係に構成されており、この照度比が高められた照
明情報が相似拡大されて液晶パネル８を照明することに
なる。

【００１９】ダイクロイックミラー７は、インテグレー
タ光学系を形成する集光レンズ５および６の間に配置さ
れ、赤色光、緑色光、青色光を選択的に反射または透過
する互いに異なる波長選択反射膜が形成された３枚のダ
イクロイックミラー７Ｒ、７Ｇ、７Ｂを備えている。例
えば、ダイクロイックミラー７Ｒは、赤色光を反射し、
緑色光、青色光を透過するミラーである。ダイクロイッ
クミラー７Ｇは、ダイクロイックミラー７Ｒを透過した
緑色光、青色光をさらに分離するミラーであって、緑色
光を反射して、青色光を透過する。ダイクロイックミラ
ー７Ｂは、ダイクロイックミラー７Ｇを透過した青色光
を反射するミラーである。各ダイクロイックミラー７
Ｒ、７Ｇ、７Ｂは、互いに所定の角度を持って配置され
ており、反射された光はそれぞれ異なる方向から液晶パ
ネル８に入射する。本実施形態では液晶パネル８入射前
に集光レンズ６が配置されそれを透過する光束は集光レ
ンズ６の屈折作用を受けるが、光束の分離状態は保つこ
とができる。なお、ダイクロイックミラー７は３枚のダ
イクロイックミラーとしているが、光学的に最後のミラ
ー（７Ｂ）は全反射ミラーでもよく、少なくとも２つの
ダイクロイックミラーを用いれば光分離手段は構成でき
る。また、ダイクロイックミラーでなくとも波長選択反
射膜が形成されたプリズムに置き換えてもよい。また、
赤色光、緑色光、青色光の色光の分光の順序はいずれで
も構わない。

【００２０】図３は、図１における液晶パネル８の部分
拡大断面図である。液晶パネル８は、上記の各光束をそ
れぞれ対応する画素に集光するためのマイクロレンズア
レイ１１を備えたアクティブマトリクス液晶パネルであ
り、それらの前後には不図示の一対の偏光板が配置され
る。液晶パネル８は、2枚の硝子等の透明基板１２、１
３の間にツイステッドネマチック（ＴＮ）液晶１４が封
入され、一方の基板１２には共通電極１５および不要光
を遮光するためのブラックマトリクス１６等が形成さ
れ、他方の基板１３には画素電極１７、スイッチング素
子としての薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）１８等が形成さ
れ、ＴＦＴ１８を介して画素電極１７に電圧が印加され
ると共通電極１５との間に挟まれた液晶１４が駆動され
る構成である。なお、他方の基板１３には、複数の走査
線と複数のデータ線が交差して配置され、その交差部付
近にＴＦＴ１８がゲートを走査線、ソースをデータ線、
ドレインを画素電極１７に接続して配置される。そし
て、走査線には順次選択電圧が印加され、それに応じて
オンした水平方向の画素のＴＦＴ１８を介して各画素の
駆動電圧が画素電極１７に書き込まれる。ＴＦＴ１８は
非選択電圧の印加によりオフとなり印加された駆動電圧
を図示されない蓄積容量等に保持する。液晶パネルの開
口部（ブラックマトリクス１６の開口部）に相当する領
域に画素電極１７は配置され、ＴＦＴ１８と画素電極１
７（必要に応じて画素電極に接続された蓄積容量）によ
り各画素が構成される。なお、液晶１４はＴＮだけでな
く、強誘電型や反強誘電型、この他水平配向型、垂直配
向型など種々用いることが可能である。

【００２１】また、エッチング等により硝子板上に形成
されたマイクロレンズアレイ１１と一方の基板１２と
が、低屈折率の樹脂層（接着剤）１９を介して互いに接
着されている。マイクロレンズアレイ１１の単位レンズ
（レンズの凸部または凹部）は、液晶パネル８の水平方
向（走査線方向）の画素ピッチの３倍に相当するピッチ
を有し、ダイクロイックミラー７を異なる角度で反射し
て出射する赤色光、緑色光、青色光がマイクロレンズア
レイ１１の各単位レンズに異なる角度で入射し、この各
単位レンズにより赤色光、緑色光、青色光がそれぞれ水
平方向に隣接して単位レンズと対応する３つのサブ画素
の画素電極１７付近に集光されるようになる。マイクロ
レンズアレイ１１の各単位レンズは、各色光をこのレン
ズと対応する３つの隣接するサブ画素の画素電極に集光
するような焦点距離を有する。図においては、液晶パネ
ルに対して略直進して入射される緑色光Ｇはマイクロレ
ンズアレイ１１の単位レンズにより画素電極１７Ｇに集
光されてそのまま出射される。一方、ダイクロイックミ
ラー７Ｒと７Ｂが７Ｇに対して有する角度に対応した角
度で、緑色光Ｇに対して互いに略対称に入射される赤色
光Ｒと青色光Ｂは、単位レンズにより画素電極１７Ｒと
１７Ｂにそれぞれ集光され、緑色光Ｇと略対称な角度を
もって出射される。なお、ダイクロイックミラー７での
分光の順序が異なれば、それに応じて図３に示される液
晶パネル８への色光の入射位置も異なる。

【００２２】上記のようにして液晶パネル８の画素電極
１７に対して集光した各光束は、液晶パネル８に印加さ
れた信号に応じた変調を受けて出射し、投写レンズ９に
よって前方のスクリーン１０上に拡大投写される。隣接
する３つのサブ画素により変調された３つの色光は、以
上の過程においてスクリーン１０上では同位置に重なる
ように投写される。なお、本投写型表示装置は、スクリ
ーン１０を背面から投写するリア型でも、前面から投写
するフロント型でも構わない。

【００２３】図４は、本発明の液晶パネル８における配
向状態を説明するための図である。まず、図４（ａ）に
より、以下の説明に必要な座標系と、液晶パネル８の配
向状態について説明する。液晶パネル８の表示面の中心
を通る法線をＺ軸とし、Ｚ軸と直交し液晶パネル８の表
示面内の２軸をそれぞれＸ、Ｙ軸とする。また、Ｘ軸が
液晶パネル８の走査線方向（水平方向）とする。また、
Ｚ軸からＸＹ平面に対する振れ角をθとする。さらに、
配向処理は上基板では方向２０で示す４５゜方向にラビ
ングが施され、下基板では方向２１で示す４５゜方向に
ラビングが施されている。

【００２４】図４（ｂ）は、図４（ａ）に示す配向処理
を施された液晶パネル８のコントラスト特性を示す模式
図であり、ＴＮ液晶における典型的な一例である。同図
における同心円２２は振れ角θを表し、外周に行くに従
って振れ角θが大きくなることを表している。また、曲
線２３・・２６は等コントラスト線を表し、曲線２３が
囲む領域が最大コントラスト領域を示し、外周に行くに
従ってコントラスト比が低下することを表している。こ
うした特性の液晶パネルに対しては同図のＹ軸上で−Ｙ
方向に振れ角を変えていった場合に最もコントラストの
良好な状態が得られるため、本願においてはこの方向を
最大コントラスト方向と定義した。すなわち、同図に示
したように−Ｙ方向から液晶パネルに向かう方向２７が
最大コントラスト方向であり、＋Ｙ方向から液晶パネル
に向かう方向２８が最小コントラスト方向と定義し、両
者はともにＹＺ面内に存在する。また、コントラスト比
の等しい領域は最大コントラスト方向および最小コント
ラスト方向の存在するＹＺ面に直交する方向に広がりを
もち、ＹＺ面に対してある程度の対称性があるように構
成されている。従って、Ｘ軸方向にはコントラスト変化
が緩やかでＹ軸方向にはコントラスト変化が急峻である
といえる。このように振れ角θおよび方位角に対してコ
ントラスト比に異方性があることは、前述したように液
晶分子に対する通過方向によって光線が感じる光学特性
（主に屈折率）が異なることにより通過光線の偏光状態
が影響を受けることに起因するものである。

【００２５】以上のように、本発明においては、前述し
たＲ、Ｇ、Ｂのサブ画素をこのＸ軸方向に配置し照明光
を供給するための照明光学系をこれに合わせるととも
に、前述の配向処理を液晶層に施したため、液晶層に対
する入射角の異なるＲ、Ｇ、Ｂの各光束に対してコント
ラスト比を高めることが可能である。換言すれば、Ｒ、
Ｇ、Ｂ光束とも有効な光束を高い効率で出射させること
ができるため、明るく色純度の高い投写画像を得ること
ができる。さらに、一つの単位画素を構成するＲ、Ｇ、
Ｂ用のサブ画素を液晶パネルの表示面の水平方向に並べ
られるとともに、液晶パネルの最大コントラスト方向は
液晶パネルの表示面の垂直方向に向ける構成であるた
め、データ表示にも適した方形ストライプ状の表示を行
うことができる。また、原色光の入射方向を対称に近づ
けられるため、分離手段を構成しやすい。

【００２６】（第二の形態）図５は、本発明の第二の形
態を表す光学系の側面図である。図５において、第一の
形態と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省
略する。

【００２７】本形態の第一の形態との違いは、液晶パネ
ル８に対して光源とインテグレータ光学系から構成され
る照明系をＹＺ面内でチルトさせ、投写レンズ９をＹＺ
面内でシフトさせてあおり光学系を構成した点にある。

【００２８】このときのチルトおよびシフト量は、前述
の最大コントラスト方向から決定され、最大コントラス
ト方向とＺ軸とが形成する角度に照明光学系のチルト角
δを一致させている。また、このときの照明光学系と液
晶パネル８とが形成する光軸２９が投写レンズ９の入射
瞳の中心で投写レンズ９の光軸と交わるように投写レン
ズのシフト量が決定されている。

【００２９】本発明によれば、コントラストの変化の少
ないＸ軸方向における空間的な分離により高コントラス
トで色を生成しながら、液晶パネル８のコントラスト比
の高まる最大コントラスト方向より照明光を入射させ逆
方向に配置した投写レンズ９により投写する構成である
ため、投写画像のコントラスト比を最も高めることがで
きる。また、入射する色光と液晶パネルの視角依存性と
の間の対称性が高まり液晶パネルの視角依存性によるコ
ントラスト劣化の影響を受けにくいため、コントラスト
比および明るさの面内均一性を高めることができる。さ
らに、前述した最大コントラスト方向に対する照明手段
（光源および光分離手段）、投写レンズの配置方向を液
晶パネルの表示面の垂直方向に合わせられるため、投写
画像を垂直方向に移動させるいわゆるあおり投写との相
性が高い。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
Ｒ、Ｇ、Ｂの色光の分離方向と液層パネルの配向状態と
を最適な関係にすることによっていずれの色光のコント
ラストも高め、明るく色純度の高い投写画像を実現する
ことができる。また、色光の分離方向と液晶パネルの最
大コントラスト方向と投写レンズの位置とを最適な関係
にすることによって、明るく面内均一性の高い投写画像
を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の形態を表す光学系の平面図。

【図２】本発明の第一の形態を表す光学系の側面図。

【図３】本発明における液晶パネルの部分拡大断面図。

【図４】本発明における液晶パネルの配向状態の説明図
であり、（ａ）が座標系の定義図、（ｂ）がコントラス
ト特性の模式図。

【図５】本発明の第二の形態を表す光学系の側面図。

【符号の説明】

１ ランプ ２ リフレクター ３ ロッド光学素子 ４ 集光レンズ ５ 集光レンズ ６ 集光レンズ ７ ダイクロイックミラー ８ 液晶パネル ９ 投写レンズ １０ スクリーン １１ マイクロレンズアレイ １２ 硝子基板 １３ 硝子基板 １４ 液晶

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光源と、前記光源からの光を異なる複数の
   色光の光束に分離し、そして前記複数の光束を異なった
   角度で液晶パネルに照射する光分離手段と、を具備し、
   前記液晶パネルは前記複数の光束を各前記色光毎に対応
   する画素に集める光学素子を有する投写型液晶表示装置
   であって、前記液晶パネルの配向状態によって決まる視
   角特性においてコントラスト比の最も良好な方向（以後
   最大コントラスト方向と称す）と前記液晶パネル表示面
   中心における法線とを含む面と、前記光分離手段によっ
   て色光を分離する方向を含む面とが異なるように構成さ
   れることを特徴とする投写型液晶表示装置。
2. 【請求項２】光源と、前記光源からの光を異なる複数の
   色光の光束に分離し、そして前記複数の光束を異なった
   角度で液晶パネルに照射する光分離手段と、を具備し、
   前記液晶パネルは前記複数の光束を各前記色光毎に対応
   する画素に集める光学素子を有する投写型液晶表示装置
   であって、前記液晶パネルの配向状態によって決まる視
   角特性においてコントラスト比の最も良好な方向（以後
   最大コントラスト方向と称す）と前記液晶パネル表示面
   中心における法線とを含む面と、前記光分離手段によっ
   て色光を分離する方向を含む面とが略直交するように構
   成されることを特徴とする投写型液晶表示装置。
3. 【請求項３】請求項1または請求項２に記載の投写型液
   晶表示装置であって、前記最大コントラスト方向が前記
   色光を分離する方向を含む面内に存在し、前記液晶パネ
   ルに形成された画像を投写するための投写レンズが前記
   最大コントラスト方向と前記液晶パネル表示面中心にお
   ける法線とを含む面に平行な方向で前記光分離手段と反
   対の方向にシフトされて構成されることを特徴とする投
   写型液晶表示装置。
4. 【請求項４】請求項1から請求項３のいずれかに記載の
   投写型液晶表示装置であって、前記色光を分離する方向
   と前記液晶パネルの表示面の水平方向とが略同一方向で
   あるように構成されることを特徴とする投写型液晶表示
   装置。
5. 【請求項５】請求項1から請求項４のいずれかに記載の
   投写型液晶表示装置であって、前記液晶パネルを構成す
   る液晶がツイステッドネマティック（ＴＮ）液晶である
   ことを特徴とする投写型液晶表示装置。