JP2007071958A - 表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、反射型光変調素子を利用しながらも高輝度で薄型化可能な表示装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明の表示装置は、二次元状に配置され、光源からの光を変調する複数の反射型光変調素子（Ｄ）と、前記複数の反射型光変調素子（Ｄ）ごとに配置された反射鏡（Ｍ１）を備え、前記光源からの光を前記反射型光変調素子（Ｄ）に照射し、前記光源からの光の入射方向と略同じ方向に前記反射型光変調素子（Ｄ）で変調された光を射出させる光学系とを有することを特徴とする。このように、入射光と射出光の進行方向を揃えておけば、反射型光学素子（Ｄ）の全体を観察者から見て背後から照明することが可能であり、その結果、薄型化することが可能である。しかも、この薄さは、表示画面のサイズに拘わらず保たれる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、表示装置に関する。

透過型の液晶空間光変調素子を利用した大画面薄型ディスプレイは周知である。一方、反射型の液晶空間光変調素子を利用したプロジェクタが製品化されつつあり、特許文献１，２などにも開示されている。
これらの文献に開示されているとおり、反射型の液晶空間光変調素子は、正面又は斜め前方から照明される必要があるので、透過型の液晶空間光変調素子とは異なり、観察者との間にハーフミラーなどの照明光学系を介在させる必要がある。
特開２００２−２６８００９号公報 特開２００４−８５６４５号公報

したがって、反射型の液晶空間光変調素子を、透過型の液晶空間光変調素子の代わりに薄型ディスプレイへ適用して内部光源で照明しようとすると、観察者の側へ照明光学系が大きく張り出すことになる。
そこで本発明は、反射型光変調素子を利用しながらも高輝度で薄型化可能な表示装置を提供することを目的とする。

本発明の表示装置は、二次元状に配置され、光源からの光を変調する複数の反射型光変調素子と、前記複数の反射型光変調素子ごとに配置された反射鏡を備え、前記光源からの光を前記反射型光変調素子に照射し、前記光源からの光の入射方向と略同じ方向に前記反射型光変調素子で変調された光を射出させる光学系とを有することを特徴とする。
なお、前記光源から前記反射型光変調素子に照射される光または前記反射型光変調素子で変調された光は、前記複数の反射型光変調素子の間を通過するとよい。

また、前記光学系は、前記複数の反射型光変調素子ごとに配置され、前記光源からの光の入射方向に対して垂直な方向に複数個配置された微小光学系を有してもよい。
また、前記光学系は、前記光源からの光束を複数の部分光束に分割し、さらに各部分光束のサイズを縮小してから前記反射型光変調素子の各々を照明してもよい。
また、前記光学系は、前記光源からの光束を複数の部分光束に分割し、さらに各部分光束を集光して前記反射型変調素子の各々を照明してもよい。

また、前記光学系は、前記反射型光変調素子の各々の拡大実像を同一面上に隙間無く並べて形成してもよい。
また、本発明の表示装置には、前記拡大実像の形成面又はその近傍に配置され、前記拡大実像の各々から射出する光の広がり角度をそれぞれ拡大する光学部材がさらに備えられてもよい。

また、前記反射型光変調素子は、反射型液晶素子、反射型磁気光学変調素子、マイクロミラー素子、反射型回折光学素子の何れかから構成されるとよい。

本発明によれば、反射型光変調素子を利用しながらも高輝度で薄型化可能な表示装置が実現する。

［第１実施形態］
本発明の第１実施形態を説明する。本実施形態は、照明光学系を搭載したディスプレイの実施形態である。
図１は、本実施形態のディスプレイの全体構成図である。図１に示すように、ディスプレイには、照明光学系として、光源２０，コリメータ３０が備えられると共に、表示パネル１、駆動回路４０などが備えられる。

光源２０から射出した光束は、コリメータ３０において、平行光束からなる照明光束に変換される。その照明光束は、表示パネル１を背後（観察眼Ｅから観たときの背後）から照明する。表示パネル１は、その照明光束に対し空間光変調を施してから前方（観察眼Ｅから観たときの前方）へ射出させる。
表示パネル１には、空間光変調素子を設けた基板（詳細は後述）が配置されており、その空間光変調素子は、駆動回路４０によって駆動制御される。駆動回路４０は、外部から与えられる映像信号に応じてその駆動制御を行い、表示パネル１上に動画像を表示する。

なお、照明光学系（光源２０及びコリメータ３０）については、前述した照明光束、又はそれと同等の照明光束を生成できるのであれば、図１に示したものとは異なる形態であってもよい。例えば、薄型化のために、回折光学素子やマイクロミラー素子などが用いられてもよい。
図２は、表示パネル１の部分断面図である。図２には、一列に並ぶ３画素分の断面のみを示した。図２中の左方が光源側、右方が観察者側である。図２に示すように、表示パネル１は、複数の微小光学系Ｓを互いに並列の関係で二次元状に配置した微小光学系アレイからなる。複数の微小光学系Ｓの各々が画素に相当し、それらは互いに同じ構成をしている。これらの複数の微小光学系Ｓは、互いの光路を妨げない範囲でなるべく密に配置される。

個々の微小光学系Ｓ内には、光の入射順に、偏光子１１，レンズ面Ｌ１，レンズ面Ｌ２，反射面Ｍ１，反射型液晶素子（LCOS：Liquid Crystal on Silicon）Ｄ，プリズム面Ｐ１，レンズ面Ｌ３，検光子１４，拡散面ＤＦが配置される。このうち、主に、反射面Ｍ１及び反射型液晶素子Ｄの２要素が光路を折り曲げるので、微小光学系Ｓの全体は、概略Ｚ字状の光路を描く。これによって、微小光学系Ｓに対する入射光と射出光の進行方向は揃えられる。

なお、偏光子１１は、全ての微小光学系Ｓに共通する１枚の部材からなる。同様に、検光子１４も、全ての微小光学系Ｓに共通する１枚の部材からなる。これらの偏光子１１，検光子１４の偏光軸の方向は、互いに９０°の角度を成すように設定される。
また、拡散面ＤＦは、全ての微小光学系Ｓに共通する１枚の部材（光拡散材）１５上に形成されている。

また、レンズ面Ｌ１，レンズ面Ｌ２，反射型液晶素子Ｄは、全ての微小光学系Ｓに共通する１枚の透明基板１２上に設けられる。このうち、レンズ面Ｌ１は、透明基板１２の光源側の面に設けられ、レンズ面Ｌ２及び反射型液晶素子Ｄは、透明基板１２の観察者側の面に並べて設けられる。よって、複数の反射型液晶素子Ｄを離散的に配置してなる空間光変調素子が、透明基板１２の観察者側の面上に形成される。レンズ面Ｌ２が設けられるのは、個々の反射型液晶素子Ｄの間隙である。

また、反射面Ｍ１，プリズム面Ｐ１，レンズ面Ｌ３は、全ての微小光学系Ｓに共通する１枚の透明基板１３上に設けられる。このうち、反射面Ｍ１及びプリズム面Ｐ１は、透明基板１３の光源側の面に並べて設けられ、レンズ面Ｌ３は、透明基板１３の観察者側の面に設けられる。
また、反射型液晶素子Ｄの近傍には、駆動回路や読み出し回路を設ける必要があるが、それら回路の形成箇所は、透明基板１２において、光路を妨げない箇所（反射型液晶素子Ｄの裏側など）とされる。

以上の構成の表示パネル１は、その背後から照明光束で一括照明される。その照明光束は、偏光子１１を介して直線偏光した状態で透明基板１２へ入射し、複数のレンズ面Ｌ１により、複数の部分光束に分割される。なお、その分割時の光量損失を抑えるため、互いに隣接するレンズ面Ｌ１同士の間隙は、なるべく小さく設定される。
分割後の各部分光束は、レンズ面Ｌ１及びレンズ面Ｌ２の集光作用を受けて、その径を縮小させ平行光束になる。縮小後の部分光束は、反射面Ｍ１にて反射し、反射型液晶素子Ｄを斜め方向から照明する。なお、その縮小倍率は、反射型液晶素子Ｄのサイズに対応しており、レンズ面Ｌ１によって捉えられた光線の全体が、反射型液晶素子Ｄを効率的に照明するように設定される。これによって、照明光束は有効利用される。

反射型液晶素子Ｄへ入射した光は、その反射型液晶素子Ｄにて反射することで、その偏光方向を変化させ、輝度の情報を含んだ信号光となる。その信号光は、プリズム面Ｐ１へ入射し、その光路を若干偏向させてから、レンズ面Ｌ３及び検光子１４を介して拡散面ＤＦへ入射する。ここで、検光子１４を通過できるのは、信号光に含まれる特定の偏光成分のみなので、拡散面ＤＦへ到達する光の振幅は、信号光の偏光方向に応じた値をとる。

また、検光子１４の偏光軸は偏光子１１の偏光軸と直交しているので、ディスプレイの光源の波長が仮に拡がりを持ったスペクトルを有していたとしても、反射型液晶素子Ｄによる変調量をゼロに設定すれば、拡散面ＤＦへ到達する光の振幅を完全にゼロとすること、つまり、完全な黒表現をすることが可能である。
拡散面ＤＦへ到達する光は、レンズ面Ｌ３の作用を受けて、反射型液晶素子Ｄの拡大実像をその拡散面ＤＦ上に形成する。その拡大倍率は、隣接する微小光学系Ｓによる拡大実像との間隙がなるべく小さくなるように設定される。そして、拡大実像から射出した光は、拡散面ＤＦの作用により、拡散しながら観察眼Ｅへ向かう。これによって、表示パネル１の視野角が拡大される。

以上、本実施形態の表示パネル１には、その背後から入射する照明光束の進行方向と、拡散面ＤＦに到達する光束の主光線とを平行にする機能があるので、反射型液晶素子Ｄを利用しているにも拘わらず、薄型化することが可能である。例えば、表示パネル１の各部のサイズを、以下のとおりに設定することも可能である。
・反射型液晶素子Ｄのサイズ…２０μｍ程度，
・微小光学系Ｓの配置ピッチ≒拡大実像の配置ピッチ＝画素ピッチ…５〜１００μｍ，
・表示パネル１の厚さ…数百μｍ，
さらに、この表示パネル１の厚さは、ディスプレイを大画面にした場合であっても、同様に保たれる。したがって、照明光学系さえ適切に構成すれば、ディスプレイを大画面かつ薄型化することが可能である。

また、本実施形態の表示パネル１においては、微小光学系Ｓの各々の光路を確保するために、反射型液晶素子Ｄが離散的に配置されるが、レンズ面Ｌ１，Ｌ２によって入射光束のサイズが適当なサイズに縮小されるので、照明光束が無駄なく有効利用される。
また、本実施形態の表示パネル１においては、レンズ面Ｌ３によって反射型液晶素子Ｄの拡大実像が形成されるので、反射型液晶素子Ｄが離散的に配置されているにも拘わらず、観察眼Ｅから見ると、反射型液晶素子Ｄが密に配置されているかのように見える。

［第２実施形態］
本発明の第２実施形態を説明する。ここでは、第１実施形態との相違点のみ説明する。相違点は、微小光学系Ｓの構成にある。
図３は、本実施形態の表示パネル１の部分断面図である。図３の表記は、図２のそれと同じである。図３に示すように、本実施形態の微小光学系Ｓ内には、光の入射順に、偏光子１１，レンズ面Ｌ１，プリズム面Ｐ１，反射型液晶素子Ｄ，凹の反射面Ｍ１，検光子１４，拡散面ＤＦが配置される。

このうち、レンズ面Ｌ１，プリズム面Ｐ１，反射面Ｍ１は、全ての微小光学系Ｓに共通する１枚の透明基板１２上に設けられる。レンズ面Ｌ１は、透明基板１２の光源側の面に設けられ、プリズム面Ｐ１及び反射面Ｍ１は、透明基板１２の観察者側の面に並べて設けられる。
また、反射型液晶素子Ｄ，検光子１４は、全ての微小光学系Ｓに共通する１枚の透明基板１３上に設けられる。このうち、反射型液晶素子Ｄは、透明基板１３の光源側の面に設けられ、検光子１４は、透明基板１３の観察者側の面に設けられる。

以上の構成の表示パネルに入射した照明光束は、複数のレンズ面Ｌ１により、複数の部分光束に分割される。分割後の各部分光束は、レンズ面Ｌ１の作用により集光しながら進行し、プリズム面Ｐ１でその光路を若干偏向させてから、反射型液晶素子Ｄを照明する。なお、レンズ面Ｌ１のパワーは、反射型液晶素子Ｄのサイズに対応しており、レンズ面Ｌ１によって捉えられた光線の全体が、反射型液晶素子Ｄを効率的に照明するように設定される。

反射型液晶素子Ｄへ入射した光は、反射型液晶素子Ｄにて反射し、信号光となる。その信号光は、凹の反射面Ｍ１にて反射し、検光子１４を介して拡散面ＤＦへ入射する。この信号光は、反射面Ｍ１の作用を受けて、反射型液晶素子Ｄの拡大実像を拡散面ＤＦ上に形成する。
以上、本実施形態の表示パネル１は、第１実施形態と同じ機能を有した微小光学系Ｓからなるので、第１実施形態と同じ効果を得ることができる。特に、本実施形態の表示パネル１においては、検光子１４が他の要素と共通の透明基板（透明基板１３）上に形成されているので、部品点数が１つ減るという利点もある。

［第３実施形態］
本発明の第３実施形態を説明する。ここでは、第２実施形態との相違点のみ説明する。相違点は、反射型液晶素子Ｄ，検光子１４，及び拡散面ＤＦを共通の透明基板上に形成した点にある。
図４は、本実施形態の表示パネル１の部分断面図である。図４の表記は、図３のそれと同じである。図４に示すように、本実施形態の表示パネル１は、偏光子１１，透明基板１２，透明基板１３の３つの部品からなる。透明基板１３の光源側の面に、反射型液晶素子Ｄが設けられ、透明基板１３の観察者側の面に、拡散面ＤＦが設けられる。また、透明基板１３の内部の層に、検光子１４が設けられる。

したがって、本実施形態の表示パネル１によれば、第２実施形態と同じ効果を得ながら、部品点数の削減効果も得られる。
［その他］
なお、上述した各実施形態の微小光学系Ｓでは、反射型液晶素子Ｄを含めた反射面の枚数が「２」であったが、微小光学系Ｓに対する入射光と射出光の進行方向が揃うのであれば、３以上であっても構わない。但し、その枚数を偶数とした方が、入射光と射出光の進行方向を効率的に揃えることができるので望ましい。なお、最も望ましい枚数は、要素数を最小にすることのできる「２」である。

また、微小光学系Ｓの構成（反射面，レンズ面，プリズム面の形状，枚数，配置関係，材料など）は、微小光学系Ｓの全体に上述した各機能が付与されるのであれば、様々に変更可能である。また、偏光子１１の配置箇所は、反射型液晶素子Ｄの前段であれば、他の箇所であってもよい。また、検光子１４の配置箇所は、反射型光変調素子Ｄと拡散面ＤＦとの間であれば、他の箇所であってもよい。

また、上述した各実施形態では、反射型光変調素子として反射型液晶素子（ＬＣＯＳ）が用いられたが、マイクロミラー素子（DMD：Digital Micro Mirror Deviceなど）、反射型回折光学素子（GLV：Grating Light Valveなど）、反射型磁気光学変調素子（MOM：Magnet Optic Modulatorなど）の何れかを用いることもできる。さらに言えば、本発明の表示装置には、光の振幅（見た目の明るさ）を変調することのできる各種の反射型光変調素子を適用することができる。

因みに、透過型の空間光変調素子よりも反射型の空間光変調素子の方が動作速度が速いので、反射型の空間光変調素子を利用した各実施形態のディスプレイによれば、動画像の高品質化を図ることもできる。
なお、反射型磁気光学変調素子は、反射型液晶素子と同様に、偏光子及び検光子を組み合わせることによって光の振幅を変調することができる。また、マイクロミラー素子及び反射型回折光学素子は、その単体で、光の振幅を変調することができる。

因みに、マイクロミラー素子は、角度変化可能なミラーを有し、そのミラーの角度を高速に変化させて、単位時間当たりの反射量を制御する素子である。また、反射型回折光学素子は、複数のリボンを有し、それらリボンの高さの組み合わせを変化させることで、そこで生じる回折光の強度を制御する素子である。
また、反射型磁気光学変調素子の原理は、図５に示すとおりである。図５には、反射型磁気光学変調素子Ｄ’に対し、ベクトルＰｉで表される方向に偏光した光Ｂｉが入射する様子を示した。このとき、反射型磁気光学変調素子Ｄ’に対しベクトルＨで表される方位及び強度の磁場が掛けられていると、ファラデー効果により、その光Ｂｉの偏光方向は角度θだけ回転し、光Ｂｉの反射光Ｂｒは、ベクトルＰｒで表される方向に偏光する。しかも、その角度θは、磁場の方位や強度に応じて変化する。

したがって、この反射型磁気光学変調素子Ｄ’を使用するときには、反射型液晶素子を使用するときと同様に、入射光Ｂｉの光路に偏光子を、反射光Ｂｒの光路に検光子をそれぞれ挿入し、両者の偏光軸の方向を９０°だけずらしておく。この状態で反射型磁気光学変調素子Ｄ’に掛ける磁場の方位や強度を変調すれば、検光子を透過した後の反射光Ｂｒの振幅を変調することができる。

また、上述した各実施形態のディスプレイにカラー表示の機能を付与する場合には、ディスプレイの光源に対し、所定の波長スペクトル（赤色，青色，緑色の各波長にピークを有した波長スペクトル）を持たせると共に、例えば、図６に示すように、表示パネル１内の偏光子１１と透明基板１２との間にカラーフィルタアレイ１６を配置すればよい。カラーフィルタアレイ１６は、入射光の赤色成分のみを透過するフィルタＲと、緑色成分のみを透過するフィルタＧと、青色成分のみを透過するフィルタＢとをモザイク状に配列したものである（所謂ベイヤ配列など）。各画素（各微小光学系）の光路に、フィルタＲ，Ｇ，Ｂのうち何れか１つが配置される。なお、図６には、第１実施形態の表示パネルに対しカラー表示の機能を付与した例を示したが、他の実施形態の表示パネルに対しても同様にカラー表示の機能を付与することができる。

また、通常、反射型の空間光変調素子は透過型の空間光変調素子よりも動作速度が速いので、入射光の波長が所定のスペクトル（赤色、青色、緑色の各波長にピークを有した波長スペクトル）になるように時分割で切り替え、それと同期して、各スペクトルを有する入射光に対して異なる輝度変調を掛けても良い。カラーフィルタアレイを用いる方式の場合、最低３個の光変調素子で１つのカラー表示を行うのに対して、時分割法では、１個の光変調素子で１つのカラー表示を行うことができるので、より高精細なカラー画像が得られる。

最後に、上述した各実施形態の表示パネルは、光源から射出した照明光により、反射型の光空間光変調素子を適切に照明するので、外乱光が原因で表示画像のコントラストが低下する可能性は低い。このため、上述した各実施形態のディスプレイは、室内で利用されるディスプレイの他、太陽光などの外乱光が入射し易い車載用のディスプレイとしても有効である。

実施形態のディスプレイの全体構成図である。 第１実施形態の表示パネルの部分断面図である。 第２実施形態の表示パネルの部分断面図である。 第３実施形態の表示パネルの部分断面図である。 反射型磁気光学変調素子を説明する図である。 カラー表示の機能を説明する図である。

符号の説明

２０…光源，３０…コリメータ，１…表示パネル，１１…偏光子，１２，１３…透明基板，１４…検光子，１５…光拡散材，Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３…レンズ面，Ｍ１…反射面，Ｄ…反射型液晶素子，Ｐ１…プリズム面，ＤＦ…拡散面

Claims (8)

1. 二次元状に配置され、光源からの光を変調する複数の反射型光変調素子と、
   前記複数の反射型光変調素子ごとに配置された反射鏡を備え、前記光源からの光を前記反射型光変調素子に照射し、前記光源からの光の入射方向と略同じ方向に前記反射型光変調素子で変調された光を射出させる光学系と
   を有することを特徴とする表示装置。
2. 請求項１に記載の表示装置において、
   前記光源から前記反射型光変調素子に照射される光または前記反射型光変調素子で変調された光は、前記複数の反射型光変調素子の間を通過すること
   を特徴とする表示装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の表示装置において、
   前記光学系は、前記複数の反射型光変調素子ごとに配置され、前記光源からの光の入射方向に対して垂直な方向に複数個配置された微小光学系を有すること
   を特徴とする表示装置。
4. 請求項１〜請求項３の何れか一項に記載の表示装置において、
   前記光学系は、
   前記光源からの光束を複数の部分光束に分割し、さらに各部分光束のサイズを縮小してから前記反射型光変調素子の各々を照明する
   ことを特徴とする表示装置。
5. 請求項１〜請求項４の何れか一項に記載の表示装置において、
   前記光学系は、
   前記光源からの光束を複数の部分光束に分割し、さらに各部分光束を集光して前記反射型変調素子の各々を照明する
   ことを特徴とする表示装置。
6. 請求項１〜請求項５の何れか一項に記載の表示装置において、
   前記光学系は、
   前記反射型光変調素子の各々の拡大実像を同一面上に隙間無く並べて形成する
   ことを特徴とする表示装置。
7. 請求項６に記載の表示装置において、
   前記拡大実像の形成面又はその近傍に配置され、前記拡大実像の各々から射出する光の広がり角度をそれぞれ拡大する光学部材をさらに備えた
   ことを特徴とする表示装置。
8. 請求項１〜請求項７の何れか一項に記載の表示装置において、
   前記反射型光変調素子は、
   反射型液晶素子、反射型磁気光学変調素子、マイクロミラー素子、反射型回折光学素子の何れかからなる
   ことを特徴とする表示装置。
   

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