JP2002530718A - 画像投写装置 - Google Patents

画像投写装置

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JP2002530718A
JP2002530718A JP2000584338A JP2000584338A JP2002530718A JP 2002530718 A JP2002530718 A JP 2002530718A JP 2000584338 A JP2000584338 A JP 2000584338A JP 2000584338 A JP2000584338 A JP 2000584338A JP 2002530718 A JP2002530718 A JP 2002530718A
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クウェイペル マールテン
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Abstract

(57)【要約】 本発明は照明ビームを供給する照明系(3)と、前記照明ビームを変調する変調系(11)と、画像を投写する光学系とを具える画像投写装置(1)に関する。前記変調系(11)は少なくとも一つのＴＮ形の画像表示パネルを具える。この画像表示パネルは第１偏光子(12)及び第２偏光子(14)の間に封入された液晶材料の層(13)を有する。前記液晶材料層(13)と前記２つの偏光子の一つ(12,14)との間に単一の複屈折補償素子(27)を存在させる。この補償素子（27)は傾斜光学ディレクタプロファイルを有し、偏光子平面内におけるその投影が前記液晶材料層の活性ラビング方向と０°＜Φ≦１５°の角度をなすものとする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 （発明の属する技術分野） 本発明は、照明ビームを供給する照明系と、前記照明ビームを投写すべき画像
情報に従って変調する変調系と、画像を投写する光学系とを具え、前記変調系が
第１及び第２偏光子の間に封入されたＴＮ(ねじれネマチック)液晶材料の層を有
する少なくとも一つの液晶画像表示パネルを具えている画像投写装置に関するも
のである。 本発明はヘッドマウントディスプレイにも関するものである。
【０００２】 （従来技術） 液晶画像表示パネルを用いる将来の画像投写装置では益々高い画質が目標とさ
れている。投写スクリーン上の画像コントラストはパネルの暗状態において実現
し得る吸収によっても決まる。ＴＮ−ＬＣＤ(ねじれネマチック液晶ディスプレ
イ)の画素は画素間に印可電圧がない場合に最も透明になる。画像内において、
これらの画素は明状態である。電圧が印可された画素は光を吸収し、従って暗状
態になる。しかし、吸収は限界があるとともに、光ビームの全ての入射方向に対
し同一でない。従って、暗状態は特に吸収が悪い光の入射方向においてかなり明
るくなり得る。これは比較的低いコントラストを生ずる。更に、画像表示パネル
の低コントラストはカラー再生に悪影響を与える。
【０００３】 画像コントラストは、特に、光ビームが入射する方向に対する画像表示パネル
の透過特性により決まり、従って画像表示パネルに入射する照明プロファイルに
よっても決まる。更に、投写レンズに所定の角度以内で入射する光のみが通過す
る。この角度を受光角という。この受光角内において最大表示パネルコントラス
トが目標とされる。
【０００４】 画像表示パネルの照明ビームの方向に対する依存性の結果として画像コントラ
ストの観察角の依存性が液晶材料の残留リターデーションにより生ずる。液晶材
料のディレクタに平行でない方向に伝搬する光は小さな複屈折を受ける。頭書に
記載したタイプの画像投写システムは、例えば欧州特許出願ＥＰ０３９０５１１
から既知であり、この欧州特許出願では、単一観察方向における前記残留リター
デーションを補償する光学特性を有する正の複屈折材料からなる少なくとも一つ
の追加の透光性素子を液晶層に設けることによりこの問題を解決している。
【０００５】 既知の装置は、観察方向の極めて狭いコーン領域内においてのみコントラスト
が最適化され、高コントラストエリアが位置に応じて移動するのみである欠点を
有する。
【０００６】 （発明が解決しようとする課題） 本発明の目的は、比較的高い画像コントラストを実現することができ、上述し
た欠点を生じない画像投写装置を提供することにある。
【０００７】 （課題を解決するための手段） 本発明は、この目的のために、頭書に記載したタイプの画像投写装置において
、前記画像表示パネルは液晶材料層と２つの偏光子の一つとの間に単一の複屈折
補償素子を具え、該補償素子は傾斜した光学ディレクタプロファイルを有し、偏
光子平面におけるその投影が液晶材料層の活性ラビング方向と０と異なる角度Φ
をなすことを特徴とする。
【０００８】 活性ラビング方向とは、この方向に垂直の（コントラストを改善すべき）観察
方向のコントラストを決定するラビング方向を意味する。所定の観察方向のコン
トラストはラビング方向がこの観察方向にほぼ垂直である液晶層の部分により決
まる。
【０００９】 本発明は、照明系に対し比較的小さい観察角が画像投写装置内の液晶表示パネ
ルに対し十分であり、有利に使用し得るという認識に基づくものである。高コン
トラストエリアを、画像表示パネルを照明する主照明ビームが発する方向に拡大
するとともに移動させる必要がある。コントラストを改善すべき観察角は照明ビ
ームの拡り角及び投写レンズの受光角により決まる。
【００１０】 投写のためには、高コントラストエリアを水平及び垂直方向に延在させるべき
である直視装置と異なり、照明系の主照明ビームの方向に延在する高コントラス
トエリアで十分であるため、単一の複屈折補償素子を使用すれば十分である。更
に、この補償素子は、この素子の光軸が液晶材料の活性ラビング方向と０と異な
る角度Φをなすように回転させる。このようにすると、コントラスト曲線の対称
性の大きな変化により種々の投写用途が悪影響を受けることはない。Φは０でな
いため、改善されたコントラストが垂直入射時にも得られる。
【００１１】 単一素子を用いるため、材料コストが減少するとともに、明状態における吸収
が小さくなる。更に、トレランス要件が既知の装置より低くなる。
【００１２】 液晶材料は正の複屈折を有するため、これを補償するには負の複屈折及び傾斜
光学ディレクタプロファイルを有する補償素子が最適である。更に、この素子は
高コントラストエリアも所望の観察方向に拡大する。
【００１３】 画像表示パネルに負の複屈折箔を設けること自体は、例えば米国特許ＵＳ−Ａ
５，５８３，６７９から既知である。しかし、米国特許では、単一素子の場合、
この素子をΦ＝４５°の角度に配置して、全体的な拡大を得るだけであり、主照
明ビームが画像表示パネルから出る方向に最大コントラストを得るように最適化
されていない。更に、箔の光軸を偏光子に対し４５°に位置させるために、トレ
ランスが極めて厳しい。
【００１４】 本発明画像表示装置の他の実施例では、０＜｜Φ｜≦１５°であることを特徴
とする。 本発明では、｜Φ｜は僅か数度であるため、画像表示パネルのコントラストは
厚さ、傾き及びリターデーションに著しく不感応になる。
【００１５】 本発明画像投写装置の他の実施例では、前記補償素子が液晶材料の活性ラビン
グ方向を有する側に存在することを特徴とする。 この位置では、補償素子は最適な効果を有する。
【００１６】 傾斜光学ディレクタプロファイルを有する負複屈折補償素子は種々の方法で得
ることができる。 本発明画像投写装置の第１の実施例では、前記補償素子は傾斜光学ディレクタ
プロファイルを有する負複屈折箔を具えることを特徴とする。
【００１７】 本発明画像投写装置の第２の実施例では、前記補償素子は複数の正複屈折箔を
具え、それらの少なくとも一つの箔が傾斜光学ディレクタプロファイルを有する
ことを特徴とする。
【００１８】 上述した画像投写装置は、例えばＬＣＤ投写装置又はヘッドマウントディスプ
レイにすることができる。ＬＣＤ投写装置の場合には、光学系を投写レンズ系で
構成する。どちらの用途においても、高コントラストエリアを広げるとともに、
高コントラストエリアを不利な結果をもたらすコントラスト曲線の変化を伴なう
ことなく所定の観察方向に移動させるのが有利である。
【００１９】 （発明の実施の形態） 本発明のこれらの特徴及び他の特徴は以下に記載する実施例を参照すると明ら
かになる。 図１に線図的に示すＬＣＤ投写装置１は照明ビームを供給する照明系３を具え
る。照明系３は光源５を具える。光源５は例えば放物面状反射器７により部分的
に囲まれ、且つコンデンサレンズ８の前に位置する。光源５は球面反射器で取り
囲むこともできる。この場合には、コンデンサレンズは省略することができる。
光源５により発生された光は偏光変換系９に入射する。この系９は光源からの光
のほぼ全部を変調系１１に入射する前に同一の偏光方向を有する光に変換する。
このような偏光変換系は、例えば公開国際特許出願ＷＯ９６/０５５３４から既
知である。
【００２０】 変調系１１は照明系３により供給される光を投写すべき情報に従って変調する
少なくとも一つの画像表示パネル１３を具える。画像表示パネルはモノクロ又は
カラーパネルとすることができる。或いは又、２又は３つの表示パネルを所望の
解像度及び色に依存して種々に組み合わせて設けることもできる。画像表示パネ
ル１３を第１偏光子１２と第２偏光子１４（検光子という）とで囲む。
【００２１】 画像を投写スクリーン上に投写する投写レンズ系（簡単のために単一レンズ１
５で示されている）を変調系の背後に配置する。
【００２２】 照明系３は更に系の光出力及び画像の均一性を最適化する積分系１７を具える
。積分系１７は第１レンズ板１９と第２レンズ板２１とで構成することができる
。各レンズ板１９、２１は行列配置された複数のレンズ２３、２５をそれぞれ具
える。第１レンズ板１９の各レンズ２３は第２レンズ板２１の対応するレンズ２
５内に光源像を形成する。第２レンズ板２１の各レンズ２５は第１レンズ板１９
の対応するレンズ２３の像を表示スクリーン上に形成し、全ての像を表示パネル
上で重ね合わせる。
【００２３】 積分系１７は光学的に透明な棒体で形成することもできる。このような棒体に
結合された光は側壁で多数回反射されるため、光源と反対側の棒体の端面に均一
な光分布が実現される。
【００２４】 上記の画像表示パネル、又は２以上のパネルを使用する場合には複数の画像表
示パネルは、例えばＴＮ(ねじれネマチック)形とすることができる。このような
パネルは画素に分割され、これらの画素は電極により表示すべき画像情報に従っ
て駆動することができる。液晶材料層が光源側で第１偏光子により囲まれ、投写
レンズ側で第２偏光子（検光子という）により囲まれる。このようなパネルの画
素は画素間に印可電圧がないとき透明状態になる。このような画素は画像内にお
いて明状態である。画素間に電圧が印可されると、入射光の偏光方向が回転する
。この場合には光は直交偏光子により阻止されるため、これらの画素は画像内に
おいて暗状態になる。しかし、ＴＮ画像表示パネルは、それらの観察方向が入射
光ビームに敏感であるので、画像表示パネルのコントラストも観察方向に依存す
る欠点を有する。実際上、吸収は限界があるとともに光ビームの全ての入射方向
に対し同一でない。その結果として、暗状態は、いまだに、特に吸収が悪い光の
入射方向においてかなり明るくなり得る。その結果として比較的低い画像コント
ラストを生ずる。
【００２５】 本発明は、液晶材料層と、該液晶材料層を両側で囲む第１及び第２偏光子の一
つとの間に一つの複屈折補償素子２７を設けることを提案する。この補償素子２
７は傾斜した光学ディレクタプロファイルを有し、偏光子平面内のその投影が液
晶材料層の活性ラビング方向と０度と異なる角度Φをなすものとする。活性ラビ
ング方向はこの方向に垂直な観察方向のコントラストを決定するラビング方向を
意味し、観察方向のコントラストを改善する必要がある。所定の観察方向におけ
るコントラストはラビング方向がこの観察方向にほぼ垂直である液晶層の部分に
より決まる。図２(a)は一例を示す。液晶層１３は２つの基板３１及び３３間に
存在する。これらの基板内に、当該基板上の液晶材料のラビング方向を矢印２９
及び３５で示してある。活性ラビング方向は矢印２９で示す方向であるものとす
る。複屈折補償素子２７は厚さｄを有し、偏光子１２と液晶層１３との間に存在
する。矢印３７は素子２７のディレクタの方向を示し、矢印３９は素子２７の法
線を示す。従って、θは素子２７のディレクタプロファイルの傾斜角である。
【００２６】 図２(b)は角度Φを示す。矢印４１は偏光子平面内における素子２７の光学デ
ィレクタの投影を示す。従って、角度Φは活性ラビング方向２９と偏光子平面内
における素子２７の光学ディレクタの投影とのなす角度である。図２(a)及び２(
b)は同一の座標系(x,y,z)に関連する。
【００２７】 素子２７の光軸の平面、即ち(x-z)平面に垂直の方向に伝搬する光は大きな複
屈折を受けるが、(x-z)平面内の方向に伝搬する光は小さな複屈折を受ける。素
子２７の光軸の投影が両偏光子の光軸の一つと一致するとき、素子２７の光軸の
平面(即ちx-z平面)内を伝搬する光は複屈折を受けない。この場合には、傾斜し
た光軸に垂直の光ビームのみが複屈折を受ける。その理由は、偏光の通過方向が
この光軸と９０°と異なる角度をなすためである。光軸の平面内を伝搬する光は
リターデーションを受けない。その理由は、この光は常光軸に従って又は有効異
常光軸に従って偏光されるためである。
【００２８】 複屈折補償素子２７は負の複屈折を有する素子とするのが好適である。実際上
、液晶材料は正の複屈折を有する。負の複屈折を有する素子は種々に実現するこ
とができる。素子２７は傾斜光学ディレクタプロファイルを有する一つの負複屈
折箔又は少なくとも一つの箔が傾斜光学ディレクタプロファイルを有する複数の
正複屈折箔を具えるものとすることができる。
【００２９】 図３(a)は積分板を具えるＬＣＤ投写装置内の画像表示パネルに与えることが
できる照明プロファイルの一例を示す。図３(a)−３(d)において、Ｖは垂直観察
方向を示し、Ｈは水平観察方向を示す。主光ビーム４３、４５、４７、４９は垂
直方向から出る。ここでは、画像表示パネルのコントラストの改善は垂直方向に
望まれる。破線の円５１は投写レンズの受光角を示す。例えば５３のような各光
スポットは積分レンズ内の光源の像である。 本発明では、垂直観察方向に対し垂直の光軸を有する補償素子を用いることを提
案する。このようにすると、暗状態に対する吸収が著しく改善される。
【００３０】 補償素子２７のリターデーションは素子２７の厚さｄ及び常光線屈折率ｎｏと
異常光線屈折率ｎｅとの差により、即ちｄ（ｎｅ−ｎｏ）により決まる。最適状
態は、液晶層の中間面ディレクタに向け回転させることにより達成することがで
きる。好ましくは、Φは０°〜５°である。中間面ディレクタは液晶層内でねじ
れる分子の平均的方向である。
【００３１】 例えば、米国特許ＵＳ−Ａ５，５１８，７８３から既知である負複屈折素子を
用いて、図３(a)に示す照明プロファイルに適合する高コントラスト領域を、｜
Φ｜＝５°、１５５ｎｍのリターデーション及び３０°の傾斜角で、得ることが
できた。
【００３２】 Φ＝５°は偏光子平面における素子２７の光軸の投影が偏光子平面における中
間面ディレクタの投影の方向に５°回転していることを意味する。
【００３３】 図３(b)は補償素子がない画像表示パネルに対する等コントラスト曲線を示す
。図３(c)は本発明で使用するような傾斜光学ディレクタプロファイルを有する
がΦ＝０°である負複屈折補償素子具える表示パネルに対する等コントラスト曲
線を示す。図３(d)は本発明による画像投写装置に使用される表示パネルに対す
る等コントラスト曲線を示す。角度Φは５°である。図３(c)及び３(d)において
、リターデーションは−１５５ｎｍ及びθ＝３０°である。
【００３４】 補償素子２７は液晶層１３の前又は背後に配置することができる。補償素子２
７は、液晶層の、活性ラビング方向を有する側に密接して設け、この方向により
補償を生じさせるべき方向を決めるのが好ましい。その理由は、補償素子２７は
この場合に最適効果を有するためである。補償素子２７は両側に存在させること
もでき、この可能性も図１に破線で示されている。
【００３５】 補償素子２７の傾斜角θ、リターデーションｄ.Δｎ及び活性ラビング方向に
対する方位Φを変化させることにより構成を最適化することができる。
【００３６】 本発明では、偏光子とＬＣ材料との間に補償素子を設けて照明ビームに対する
画像表示パネルの観察角依存性と照明系の照明プロファイルとを互いに適合させ
ることによりスクリーン上のコントラストが著しく改善される。高コントラスト
エリアは主照明ビームが発する方向に拡大されるとともにシフトされる。従って
、これらの方向において、画像表示パネルは暗状態において著しく多量に吸収す
る。従ってコントラスト曲線は照明プロファイルに適合する。コントラストを改
善すべき観察角は照明コーンの拡開角及び投写レンズの受光角により決まる。
【００３７】 図４は本発明を有利に使用し得るヘッドマウントディスプレイの一実施例を示
す。ヘッドマウントディスプレイでは、例えば、高コントラストエリアを拡大す
るとともに水平方向にシフトするのが極めて望ましい。投写すべき画像情報が供
給される画像表示パネルにより二次元画像が発生される。発生された二次元画像
は２つの直交ハーフビームスプリッタ５７、５９により両目にそれぞれ対応する
２つのビーム部分に分割される。図４は表示パネルの１画素から到来する光線の
光路を示す。光線の約半分がハーフビームスプリッタ５７、５９の各々を透過す
る。次に、２つの光線部分の各々は凹面鏡６１により反射され、ハーフビームス
プリッタ５７、５９に向って像が収束され、それぞれのビームスプリッタそれぞ
れ１つの光路に反射される。反射された像はそれぞれの光路において平面鏡６３
、６５を経て接眼組合せレンズ６７、６９に投写されるため、像が各眼ごとにコ
リメートされ、射出ひとみ７１、７３に投写される。画像表示パネル５５は液晶
層７５及び第１偏光子７７及び第２偏光子７９を具える。本発明では、画像表示
パネル５５に複屈折補償素子８１を設けるため、この場合にも、高コントラスト
エリアを照明プロファイルに適合させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ＬＣＤ投写装置の形態の本発明画像投写装置の第１実施例を示す。
【図２】 (a)は本発明画像投写装置に使用される画像表示パネル内の複屈折補償素子の
一実施例を示し、 (b)は偏光子平面内における種々の光軸の位置を示す。
【図３】 (a)は画像表示パネルに供給される可能な照明プロファイルの一例を示し、 (b)は補償素子がない画像表示パネルに対する等コントラスト曲線の一例を示
し、 (c)は傾斜したディレクタプロファイルを有するがΦ＝０である負複屈折補償
素子を有する画像表示パネルに対する等コントラスト曲線の一例を示し、 (d)は傾斜したディレクタプロファイルを有するとともにΦ＝５°である負複
屈折補償素子を有する画像表示パネルに対する等コントラスト曲線の一例を示す
。
【図４】 ヘッドマウントディスプレイの形態の本発明画像投写装置の第２実施例を示す
。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０２Ｂ 27/28 Ｇ０２Ｂ 27/28 Ｚ Ｇ０２Ｆ 1/13 ５０５ Ｇ０２Ｆ 1/13 ５０５ Ｇ０３Ｂ 21/00 Ｇ０３Ｂ 21/00 Ｅ (71)出願人 Ｇｒｏｅｎｅｗｏｕｄｓｅｗｅｇ １， 5621 ＢＡ Ｅｉｎｄｈｏｖｅｎ， Ｔｈ ｅ Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ Ｆターム(参考） 2H049 BA02 BA06 BA42 BB03 BC04 BC22 2H052 BA02 BA03 BA09 BA14 2H088 EA10 EA12 HA16 HA18 HA24 JA05 KA30 MA02 2H091 FA08X FA08Z FA11X FA11Z FA15X FA26 FA41 FD10 GA06 HA07 LA17 MA02 MA07 2H099 AA12 BA09 CA11

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 照明ビームを供給する照明系と、前記照明ビームを投写すべき画
    像情報に従って変調する変調系と、画像を投写する光学系とを具え、前記変調系
    が第１及び第２偏光子の間に封入されたＴＮ(ねじれネマチック)液晶材料の層を
    有する少なくとも一つの液晶画像表示パネルを具えている画像投写装置において
    、前記画像表示パネルは前記液晶材料層と前記２つの偏光子の一つとの間に単一
    の複屈折補償素子を具え、該補償素子が傾斜光学ディレクタプロファイルを有し
    、偏光子平面内におけるその投影が前記液晶材料層の活性ラビング方向と０と異
    なる角度Φをなすことを特徴とする画像投写装置。
  2. 【請求項２】 前記複屈折補償素子は負の複屈折を有する素子であることを特徴
    とする請求項１記載の画像投写装置。
  3. 【請求項３】 ０＜｜Φ｜≦１５°であることを特徴とする請求項１又は２記載
    の画像投写装置。
  4. 【請求項４】 前記補償素子が前記液晶材料の活性ラビング方向を有する側に存
    在することを特徴とする請求項１、２又は３記載の画像投写装置。
  5. 【請求項５】 前記補償素子は傾斜光学ディレクタプロファイルを有する負複屈
    折箔を具えることを特徴とする請求項１−４の何れかに記載の画像投写装置。
  6. 【請求項６】 前記補償素子は複数の正複屈折箔を具え、それらの少なくとも一
    つの箔が傾斜光学ディレクタプロファイルを有することを特徴とする請求項１−
    ４の何れかに記載の画像投写装置。
  7. 【請求項７】 液晶画像表示パネルと、画像を観察者の眼に決像させる光学系と
    、ヘッド支持手段とを具えるヘッドマウントディスプレイにおいて、前記液晶表
    示パネルを請求項１−６に記載された画像投写装置内の画像表示パネルとして実
    現されていることを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
  8. 【請求項８】 第１及び第２偏光子の間に封入されたＴＮ(ねじれネマチック)液
    晶材料の層を具える液晶画像投写装置用の液晶表示パネルにおいて、前記液晶画
    像表示パネルが請求項１−６の何れかに記載された構成に実現されていることを
    特徴とする液晶画像表示パネル。
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