JP2005181620A - 画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光源のまぶしさを直視することがなく、見やすい表示を提供する。
【解決手段】投射レンズを備えた画像光源１から、直線偏光性を示す画像投射光２が投射され、裏偏光板３を介して、透過−散乱型液晶光学装置４に投射され、この透過−散乱型光学装置４が散乱状態であるときに、画像光が表示され、表偏光板５を通して画像が表側で視認できるように構成されてなる画像表示装置であって、複数の透過散乱型液晶表示装置４を用いて立体的表示を行うことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は投射光を発する光源と、透過−散乱型光学装置とが備えられた画像表示装置に関する。

液晶プロジェクタを画像光源とし、スクリーンに画像光を投射する画像表示装置が広く使用されている（たとえば、特許文献１）。直視型表示装置では難しい大画面表示を容易に得ることができる。また、高輝度・高コントラスト比の表示も達成されている。

そのスクリーンに液晶光学装置を用い、用途・条件によって最適化した動作をさせる機能型のスクリーン装置も知られている（特許文献２）。

また、高分子分散型液晶光学装置を挟持するように一対の偏光板を配置し、液晶光学装置の散乱時に光を透過するように構成した液晶表示装置も知られている（特許文献３）。

特開２００３−１９５２５４号公報 特開平８−１５７７９号公報 特開平６−１７５１１３号公報

しかし、従来の液晶プロジェクタでは、画像光を形成するための光源が、利用者の視野にはいり、スクリーン等の表画面のなかに写ることがあり、それが表示情報と重なることがあり、見づらくなることがあった。また、その光源を間接的に観察することになり、利用者の目に過度な刺激を与える場合も生じていた。

画像光の投射経路の方向においても、光源を視認することなく、他の角度の場合と同等で見やすい画像を形成することができないという問題が生じていた。

すなわち、本発明の態様１は、画像光を出射する画像光源と、スクリーンとが備えられた画像表示装置であって、光源とスクリーンの間に裏偏光板、スクリーンの表側に表偏光板が配置され、裏偏光板の偏光軸と表偏光板の偏光軸とが直交せしめられ、画像光の偏光方向と裏偏光板の偏光軸とが一致せしめられ、スクリーンとして透過−散乱型光学装置が用いられ、透過−散乱型光学装置が散乱したときに、画像が表示されてなる画像表示装置を提供する。

態様２は、画像光源の投射手段がスクリーンの真後ろに配置されてなる態様１に記載の画像表示装置を提供する。

態様３は、画像光が直線偏光性であり、その偏光方向が裏偏光板の偏光軸とほぼ一致せしめられてなる請求項１または２に記載の画像表示装置を提供する。

態様４は、画像光源が液晶プロジェクタである態様１、２または３に記載の画像表示装置を提供する。

態様５は、透過−散乱型光学装置が、透明電極付き基板間に液晶／高分子複合体が挟持され、液晶の誘電異方性が負であり、液晶が基板面に垂直配向せしめられてなる液晶光学装置である態様１、２、３または４に記載の画像表示装置を提供する。

態様６は、スクリーンとして、複数の透過−散乱型光学装置が直列状に配置され、それぞれの光学状態が単独に制御されてなる態様１、２、３、４または５に記載の画像表示装置を提供する。

態様７は、画像のコントラスト比が１０以上である態様１〜６のいずれかの態様５に記載の画像表示装置を提供する。

本発明による画像表示装置は、画像光源の光が利用者の視野のなかに入ることがなく、利用者は光点のない画像をスクリーン上に見ることができる。よって、画像の視認性が格段に向上し、見やすい表示を提供できる。高輝度の光点が遮光されるので、目に負担のない画像表示装置である。

本発明の基本的な光路の構成は、画像光源をスクリーンの背後に設置したものである。また、画像光をミラーを用いて全反射せしめて、その光路を折り曲げて装置全体を薄型にした構成であってもよい。

いずれの場合においても、スクリーンを挟持するように配置した一対の偏光板の組み合わせにより、光源の光点が利用者側に対して遮光され、利用者が見ることはない。偏光板は光吸収性のものがよいが、反射性偏光板であってよい。

この場合、表偏光板と裏偏光板のそれぞれの偏光軸（透過偏光軸）の方向が直交するように配置する。ここで直交とは、８０〜１００度の範囲の交差角度を意味する。

本発明に用いるスクリーンは、液晶層が光線透過状態と光線散乱状態とを繰り返しとることができるようになしたものである。なお、光線透過状態と光線散乱状態とは、可視光に対し適用される状態である。明るい表示を得るには、前方散乱の割合が高い方が好ましい。

この光線透過状態と光線散乱状態との切り替えは、スクリーンが、液晶層と、液晶層を挟持する透明な一対の電極付き基板とを備え、たとえば、透明電極間に電圧を印加した時には液晶層が光線散乱状態をとり、透明電極間の電圧印加を停止した時には液晶層が光線透過状態をとることによって実現できる。

液晶層としては液晶と硬化樹脂とよりなる複合体を使用することができる。液晶と硬化樹脂とよりなる液晶層は、透明な一対の電極付き基板に液晶と硬化性化合物とを含有する組成物を挟持し、熱や紫外線、電子線などの手段を用いてこの硬化性化合物を硬化させて、液晶／硬化樹脂複合体層として形成できる。その形成方法の一例は、たとえば、特開２０００−１１９６５６号公報のものを用いることができる。

本発明に係る硬化樹脂としては、透明性を持ち、本発明の趣旨に反しない限り、公知のどのようなものでもよいが、電圧を印加した場合に実質的に液晶のみが応答するように液晶と硬化樹脂とが分離した構造を持つことが、高い応答性を有する液晶層を実現する上で好ましい。

このような構造を持つ硬化樹脂を形成するための硬化性化合物としては、液晶に溶解可能な硬化性化合物を選択することで、未硬化時の混合物の配向状態を制御可能となり、硬化樹脂を硬化する際に高い透明性を保持することが可能となる。なお、本発明において、画像には文字情報も含まれることはいうまでもない。さらに、時間的に表示内容が変更される画像、コマ飛ばしのような動画、通常の動画等が含まれる。

さらに、基板が液晶層と接触する側には液晶分子のプレチルト角が、基板表面に対して６０度以上であるようにする処理が施されていると配向欠陥を少なくすることができ、透明性が向上するため好ましい。この際、ラビング処理はされていてもされていなくてもよい。プレチルト角は７０度以上であることがより好ましい。なお、このプレチルト角は、基板表面に垂直の方向を９０度として規定したものである。

硬化性化合物としては、下記式１の化合物や、式２の化合物を例示できる。

Ａ¹−Ｏ−（Ｒ¹）_m−Ｏ−Ｚ−Ｏ−（Ｒ²）_nＯ−Ａ² ・・・ （１）
Ａ³−（ＯＲ³）_o−Ｏ−Ｚ’−Ｏ−（Ｒ⁴Ｏ）_p−Ａ⁴ ・・・ （２）。

ここで、Ａ¹，Ａ²，Ａ³，Ａ⁴は、それぞれ独立に、アクリロイル基、メタクリロイル基、グリシジル基またはアリル基であり、Ｒ¹，Ｒ²，Ｒ³，Ｒ⁴は、それぞれ独立に、炭素数２〜６のアルキレン基であり、Ｚ，Ｚ’は、それぞれ独立に、２価のメソゲン構造部であり、ｍ，ｎ，ｏ，ｐは、それぞれ独立に、１〜１０の整数である。

式１，２のメソゲン構造部Ｚ，Ｚ’と硬化部位Ａ¹，Ａ²，Ａ³，Ａ⁴との間に、Ｒ¹，Ｒ²，Ｒ³，Ｒ⁴を含む分子運動性の高いオキシアルキレン構造を導入することで、硬化に際して、硬化過程における硬化部位の分子運動性を向上でき、短時間で十分な硬化が可能となる。

式１，２の硬化部位Ａ¹，Ａ²，Ａ³，Ａ⁴としては、光硬化や熱硬化が可能な上記の官能基であればいずれでもよいが、なかでも、硬化時の温度を制御できることから光硬化に適するアクリロイル基、メタクリロイル基が好ましい。

式１，２のＲ¹，Ｒ²，Ｒ³およびＲ⁴の炭素数については、その分子運動性の観点から１〜６が好ましく、炭素数２のエチレン基および炭素数３のプロピレン基がさらに好ましい。

式１，２のメソゲン構造部Ｚ，Ｚ’としては、１，４−フェニレン基の連結したポリフェニレン基を例示できる。この１，４−フェニレン基の一部または全部を１，４−シクロへキシレン基で置換したものであってもよい。また、これら１，４−フェニレン基や置換した１，４−シクロへキシレン基の水素原子の一部または全部が、炭素数１〜２のアルキル基、ハロゲン原子、カルボキシル基、アルコキシカルボニル基などの置換基で置換されていてもよい。

好ましいメソゲン構造部Ｚ，Ｚ’としては、１，４−フェニレン基が２個連結したビフェニレン基（以下、１，４−フェニレン基が２個連結したビフェニレン基を４，４−ビフェニレン基ともいう。）、３個連結したターフェニレン基、およびこれらの水素原子の１〜４個が炭素数１〜２のアルキル基、フッ素原子、塩素原子もしくはカルボキシル基に置換されたものを挙げることができる。最も好ましいものは、置換基を有しない４，４−ビフェニレン基である。メソゲン構造部を構成する１，４−フェニレン基または１，４−シクロへキシレン基同士の結合は全て単結合でもよいし、以下に示すいずれかの結合でもよい。

式１，２のｍ，ｎ，ｏ，ｐは、それぞれ独立に、１〜１０であることが好ましく、１〜４がさらに好ましい。あまり大きいと液晶との相溶性が低下し、硬化後のスクリーンの透明性を低下させるからである。

図１には、本発明に使用できる硬化性化合物の例を示してある。液晶と硬化性化合物とを含有する組成物には、上記式１，２で表される硬化性化合物を含め、複数の硬化性化合物を含有していてもよい。たとえば、この組成物に、式１，２で、ｍ，ｎ，ｏ，ｐの異なる複数の硬化性化合物を含有させると、液晶との相溶性を向上させることができる場合がある。

液晶と硬化性化合物とを含有する組成物は硬化触媒を含有していてもよい。光硬化の場合、ベンゾインエーテル系、アセトフェノン系、フォスフィンオキサイド系などの一般に光硬化に用いられる光重合開始剤を使用できる。熱硬化の場合は、硬化部位の種類に応じて、パーオキサイド系、チオール系、アミン系、酸無水物系などの硬化触媒を使用でき、また、必要に応じてアミン類などの硬化助剤も使用できる。

硬化触媒の含有量は、含有する硬化性化合物の２０重量％以下が好ましく、硬化後に硬化樹脂の高い分子量や高い比抵抗が要求される場合は１〜１０重量％とすることがさらに好ましい。

液晶分子を、基板表面に対してプレチルト角が６０度以上になるように配向させる処理方法としては、垂直配向剤を用いる方法がある。垂直配向剤は、たとえば界面活性剤を用いる方法や、アルキル基やフルオロアルキル基を含むシランカップリング剤などで基板表面を処理する方法、または日産化学工業社製のＳＥ１２１１やＪＳＲ社製のＪＡＬＳ−６８２−Ｒ３等の市販の垂直配向剤を用いる方法がある。垂直配向状態から任意の方向に液晶分子が倒れた状態を作るためには、公知のどのような方法を採用してもよい。垂直配向剤をラビングしてもよい。また、電圧が基板に対して斜めに印加されるように、電極にスリットを設け、あるいは電極上に三角柱を配置する方法を採用してもよい。

本発明に係る液晶としては、公知の液晶から適宜選択できるが、誘電率異方性が負のものを用いるのが好ましい。また駆動電圧を低下させるためには誘電率異方性が大きい方が好ましい。

スクリーンに用いる基板としては、透明性が確保できればどのような公知のものを使用することもできる。ガラス基板を使用できる。プラスチックやフイルムでもよい。また、スクリーン面は平面状である必要はなく、曲げた形状のスクリーンでもよい。

基板上に設ける電極としてはＩＴＯ（酸化インジウム−酸化スズ）のような金属酸化物の透明電極材料を使用できる。

一対の配向処理済み基板の配向方向の組み合わせとしては、平行、直交のいずれでもよく適当な角度で配置すればよい。電極付き基板の電極表面上に樹脂薄膜を設け、これをラビングするなどして、電極表面の液晶を配向させる公知の機能を付与することもできる。

二つの基板間にある液晶層の厚さは、スペーサー等で規定することができる。その間隔は１〜５０μｍが好ましく、３〜３０μｍがさらに好ましい。液晶層の厚さが狭すぎるとコントラストが低下し、大きすぎると駆動電圧が上昇する傾向が増大するため好ましくない場合が多い。

図３には、本発明のスクリーンとして用いることができ、上述した構造を有する液晶光学装置の一例の模式的断面図を示している。図３において、一対のガラス基板１０Ａ，１０Ｂの相対する面には、透明電極１１Ａ，１１Ｂが設けられる。さらに、液晶光学装置の内面側には、配向膜１２Ａ、１２Ｂがそれぞれ設けられている。

この配向膜１２Ａ、１２Ｂを設けずに、電極面が直接液晶に接するようにする場合や、無機物の保護膜を配置する場合もある。そして、この配向膜１２Ａ、１２Ｂの間に、柱状スペーサー１４により、厚みを規定し、周辺を周辺シール１９により取囲んだ液晶層１３が挟持される。一方の基板の端部に電極を引き回して接続端子を設ける。

一般的に、液晶光学装置による散乱・透過モードでは、電極間に電圧が印加されると光線透過状態をとり、電圧印加を停止した時には光線散乱状態をとるようになし、あるいは電圧印加時には光線散乱状態をとり、電圧印加を停止した時には光線透過状態をとるようになすことが可能である。

本発明の場合、電源をオフにして、画像表示装置を使用しないときは透明で、スクリーンの存在自体が目障りになったり、圧迫感を与えることが少なく、開放感があるスクリーンを実現するためには、後者の条件が好ましい。このため、本明細書においては、主に、電圧印加時には光線散乱状態をとり、電圧印加を停止した時には光線透過状態をとるようになすスクリーン構造について説明する。しかし、本発明においては、その逆の状態をとる液晶層を使用することもできる。

上記のようにして作製されたスクリーンの液晶層は、光線透過状態と光線散乱状態との間の応答速度も３ｍｓ以下と非常に速くできる場合が多い。また、従来の散乱透過モードと比べると、斜めから見たときにも非常に良好な透過状態を得ることができるようにすることができる。たとえば、上記に例示した組成の熱硬化性組成物を使用した場合、垂直から４０度傾けて見た場合もほとんどヘイズがないようにすることができる。すなわち、光線透過状態の視野角依存性が良好であり、一般の透明なガラス板のように、方向に依存することなく基板の向う側を見えるようにすることができる。

画像投射装置としては、市販のプロジェクター等を使用することができる。たとえば、エプソン社製のプロジェクター（型番：ＥＬＰ−５０）を例示することができる。また、通常のネマチック液晶を使用した液晶プロジェクター、ＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ）や強誘電性液晶を用いたプロジェクターを使用できる。本発明において、直線偏光性を有する画像光を用いてスクリーンに投射する方式が好ましい。

（例１）
本例の構成を図１を参照し説明する。投射手段として投射レンズを備えた画像光源１から直線偏光性を有する画像投射光２が投射され、偏光軸７を有する裏偏光板３を介して、透過−散乱型液晶光学装置４に投射される。この透過−散乱型光学装置４が散乱状態であるときに、画像光が結像され表示される。そして、表偏光板５を通して画像が表側で視認できるように構成されている。

偏光板は光吸収性のものであり、画像光源の光源から発せられる直線偏光性の光束のうち、裏偏光板３の偏光軸６の方向と一致しない偏光成分は、裏偏光板３によって吸収される。現在広く使用されている液晶プロジェクタのように、直線偏光性の画像光が投射される場合は、その直線偏光方向と裏偏光板３の偏光軸の方向とをほぼ一致せしめておくようにする。

散乱−透過型光学装置４には、液晶と樹脂とがセル内で分散配置された分散型液晶光学装置（または、液晶／高分子複合体液晶光学装置、その製造方法については、上述したような手法があげられる。）が散乱状態である場合に画像光が結像される。利用者にとっては、表偏光板を介して表示画像として視認できることになる。表偏光板５によって、透過−散乱型光学装置で結像される表示画像の明るさが約１／２に低下するが、実使用上での充分な明るさとコントラスト比が得られればよい。

本例において、光源から出射されるランダムな偏光成分のうち、表偏光板の偏光軸方向と一致しない成分は遮光されるので、光源のぎらつきを利用者が感じることがない。いわゆる投射型の表示装置で、光源を直接視認することがなく、利用者にとっては使いやすく、目にやさしい画像表示装置である。

（例２）
本例では、スクリーンを構成する透過−散乱型光学装置を３枚構成とする。それぞれの透過−散乱型光学装置の駆動（透過状態と散乱状態との切り替え）と、画像光の投射のタイミングとを連動して制御し、奥行き方向における位置に応じて、順番に透過−散乱を繰り返すようにする（図２の画像表示装置５０を参照。）。

画像光源１から投射される画像光２は、裏偏光板３を透過し、透過−散乱型光学装置４Ａ・・・４Ｎのうちの最も画像光源側に位置し、かつ散乱状態である透過−散乱型光学装置の表示面上に結像される。透過−散乱型光学装置の枚数は原理上制限はなく、５〜１０枚、あるいは２０枚以上設置することもできる。用途に応じて、適宜構成すればよい。複数枚の透過−散乱型光学装置を密着して成型するには、あらかじめ密着用空間を設けて容器のなかに配置したものに、透明性接着剤を徐々に充填し気泡の発生を防止しながら固化する方法がある。あるいは、一枚ずつを順次接着していくこともできる。

画像光源から投射する画像光を、上記のスクリーンのなかで、散乱状態となる透過−散乱型光学装置の位置と関係するようにし、奥行き方向、および画面の平面内方向を物体が移動するような立体的表示をさせることができる。

装置全体として小型であり、実用に適した立体的表示を達成することができる。多層のスクリーンの場合、透過散乱型光学装置の応答速度は数ｍｓ程度であるため、一つのスクリーンから別のスクリーンに切り換えるときに、画像が奥行方向にぼけるのを防ぐために、全てのスクリーンが透明に近い状態をとるように制御する。

このような場合、従来技術によると、画像光源からの画像光が投射されるので利用者においては、まぶしく見える。しかし、本例においては、スクリーンが透明状態となる場合であっても、画像を表示させると同時に、光源からの不要な光成分を遮光するので、光源のぎらつき感を抑制することができる。

（例３）
透過−散乱型光学装置として、透明時に液晶分子が基板面に対して、ほぼ垂直となる場合、直交した二枚の偏光板に挟んで見ると、垂直方向から見ると、遮光できるが、斜め方向から見ると、光漏れが生じてくる。

これは、液晶分子を斜め方向から見ると異方性が発生するからである。これを抑制するためには、基板面に対して垂直方向の屈折率が小さい異方性フィルムを貼ることによって改善できる。

このように構成し、人間２１が走っている様子を表示させた応用例５１を図４に示す。本例はシミュレーション装置やゲーム機器、広告装置に用いることができる。

（例４）
例３と同様の装置を用いて、水槽のなかで魚２２が泳いでいるような様子を実現する応用例５２を示す（図５参照）。表示動作を制御することにより、魚２２を装置の奥行き方向に移動させることにより、かつ投射する画像光のなかで、画像を動かすことによって、あたかも生きている魚が泳いでいるような感じを視認者に与えることができる。

複数の魚が泳いでいるような様子を実現することもできる。

本発明は、人間の視覚を利用し、高度な情報を認識させることができるものであり、自動車のインパネ表示装置、シミュレーション装置、広告装置、公衆表示装置、映画の投射表示装置等々に用いることができる。

本発明の基本構成の一例を示す模式図。 本発明の別の構成例を示す模式図。 本発明の透過−散乱型光学装置として用いることができる液晶光学装置の模式的断面図。 本発明の一例により立体表示を行なう様子の模式図。 本発明の他の例により立体表示を行なう様子の模式図。

符号の説明

１：画像光源
２：画像光
３：裏偏光板
４：透過−散乱型光学装置
５：表偏光板
６：画像光の偏光方向
７：裏偏光板の偏光軸
８：表偏光板の偏光軸

Claims (7)

1. 画像光を出射する画像光源と、
   スクリーンとが備えられた画像表示装置であって、
   光源とスクリーンの間に裏偏光板、スクリーンの表側に表偏光板が配置され、
   裏偏光板の偏光軸と表偏光板の偏光軸とが直交せしめられ、
   画像光の偏光方向と裏偏光板の偏光軸とが一致せしめられ、
   スクリーンとして透過−散乱型光学装置が用いられ、
   散乱状態の透過−散乱型光学装置に画像光が投射され、画像が表示されてなる画像表示装置。
2. 画像光源の投射手段がスクリーンの真後ろに配置されてなる請求項１に記載の画像表示装置。
3. 画像光が直線偏光性であり、その偏光方向が裏偏光板の偏光軸とほぼ一致せしめられてなる請求項１または２に記載の画像表示装置。
4. 画像光源が液晶プロジェクタである請求項１、２または３に記載の画像表示装置。
5. 透過−散乱型光学装置が、透明電極付き基板間に液晶／高分子複合体が挟持され、液晶の誘電異方性が負であり、液晶が基板面に垂直配向せしめられてなる液晶光学装置である請求項１、２、３または４に記載の画像表示装置。
6. スクリーンとして、複数の透過−散乱型光学装置が直列状に備えられ、それぞれの光学状態が単独に制御されてなる請求項１、２、３、４または５に記載の画像表示装置。
7. 画像のコントラスト比が１０以上である請求項１〜６のいずれか１項に記載の画像表示装置。
   

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