JP2008518244A - 投射ディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

ディスプレイ装置の画像均質性及び光有効性は、偏光依存型拡散器と、ディスプレイ装置システム内の光源とＬＣＤパネルとの間の反射型偏光子との導入によって改良される。拡散器がＬＣＤパネルとの間パネル上の光入射を広げるので、画像品質が改良される。画像ディスプレイパネルの再照明のために、光が光ガイド手段によってディスプレイ装置内で再循環されるよう、偏光子が閉じ込められた非拡散光を反射するので、光有効性は改良される。

Description

本発明は、一般的には、画像を表示するためのディスプレイ装置に関し、より具体的には、光ガイドと、空間光変調器（ＳＬＭ）とを含むディスプレイ装置に関する。

光ガイド及びＳＬＭを含む画像ディスプレイシステムの２つの大きな種類がある。一方は画像投射システム又はプロジェクタであり、他方は直視型ディスプレイ装置である。これらの種類のシステムの両方において、光ガイドは、光源からの照明の大部分又は小部分を画像変調装置の方向に向けるために使用される。

背面及び正面投射システムの両方のためにプロジェクタを使用し得る。背面投射（リアプロジェクション）システムにおいて、プロジェクタは、テレビジョン又はデータグラフィック情報を示す画像を拡散透明スクリーンの背面側上に投射し、その正面側は視聴する視聴者に向けられる。正面投射システムにおいて、プロジェクタはテレビジョン又はデータグラフィック情報を示す画像を反射スクリーンの正面側に投射し、その正面側は視聴する視聴者に向けられる。

従来的な正面ＬＣＤプロジェクタの基本的な記載が以下に与えられる。この投射システムには、光を所望の方向に向けるために、光源と、放物線状反射器とレンズ板とから成る集光システムとがある。さらに、ビームを正しい寸法及び幾何に成形し、且つ、ビームの断面に亘る光強度の均一な分布を得るために、一連の積分器及びレンズがある。プロジェクタは、例えば、平面マルチ偏光ビームスプリッタから成る偏光変換システム（ＰＣＳ）のような事前偏光光学素子も含む。ＰＣＳは、非偏光を偏光に概ね変換し得る。殆どの透過型正面プロジェクタにおけるように、白色光は、然る後、色分離光学素子又は二色性ミラーを用いて、赤色、緑色、青色の原色に分離される。３つの異なる着色光ビームは、３つの異なる光弁を通じて送られる。各光弁は、偏光子と、ＬＣＤパネルと、検光子とを含む。光弁は光を透過し或いは遮断し得る。ＬＣＤパネル内のＬＣ分子の向きを変えることによって、明状態と暗状態との間で切り換えることは可能であり、それはＬＣ層に亘る電場を変えることによって達成され得る。３つの異なる色は、然る後、二色性キューブ又は類似物を用いて、単一のフルカラー画像に再結合され、最終的に、画像は画像投射光学素子を用いて投射される。

加えて、光路のさらなる部分から反射される光が再循環され、且つ、ＬＣＤパネルを再照明するために使用され得るよう、画像投射システムは、光再循環機能性又は導波管を備え得る。例えば、欧州公報ＥＰ１３９１７７６号を参照。このようにして、システム効率及び生成画像の輝度を増大するために、例えば、偏光再循環、色再循環、ピーク輝度生成を使用し得る。

画像投射システムの商業的な要求を満足するために、より小さく、より長い寿命を有し、且つ、より良好なコントラスト及び均質性を備えるより明るい画像を投射するようなシステムを製造する一定の目的がある。

画像投射システムにおける光ガイド手段又は導波管を設計するとき、少なくとも２つの対立する要件を考慮しなければならない。一方では、均質な照明を達成するために、高い数の反射、従って、長い光ガイドが望ましい。他方では、高いシステム効率を及びスモールフォームファクタを達成するために、光ガイドの長さ、反射器の数、及び、光の角分布は制限されなければならない。僅かの光が各反射で失われるからである。

本発明の目的は、ディスプレイ装置における、具体的には、１つ又は幾つかの光学光ガイドを含むディスプレイ装置における使用のための改良された光学配置を提供することである。

本発明は、もし光の１つの偏光方向が、光が光変調パネルに達する前に拡散され、且つ、有利に、他の変更方向が、拡散されることなしに、光ガイド内に反射されて戻るならば、光源と、画像変調パネルとを含むディスプレイ装置によって、光の如何なる実質的な損失もなしに、より均質な強度分布を備える画像を生成し得るという着想に基づいている。このようにして、反射されずに直接的に透過される光は僅かに拡散され、従って、より均質な画像を生成する。同時に、光ビームは閉じ込められ、小さな分布角を有する。これは、例えば、より少ない光が光ガイド内で失われ或いは吸収されることを意味する。結果的に、より多くの反射光が拡散器に再出現し得る。その上、初期的に前記第一偏光方向を有する光は光ガイド内部で反射された後、変更された偏光状態を有する拡散器に再出現する。このようにして、偏光子によって初期的に反射される光の実質的部分が、変更された偏光状態を備えた拡散器に再出現し、従って、投射画像内に使用され得るし、そこに実質的に閉じ込められる。

本発明はＬＣＤパネルを含む画像装置に関して記載されるが、それは多くの他の光変調システムにも適用可能であることが当業者に明らかであろう。

本発明の目的は、添付の請求項１、９、及び、１１に従った画像投射システム、光学素子、及び、使用によって達成される。好適実施態様は、従属請求項に定められる。

その第一の特徴によれば、本発明は、光源と、照明システムと、画像情報で照明ビームを変調するための変調パネルと、変調された照明ビームをスクリーン上に投射するための投射手段とを含むディスプレイ装置を提供する。それは、第一偏光方向を有する照明ビームの第一部分を拡散し、且つ、第二偏光方向を有する照明ビームの閉じ込められた第二部分を透過するための拡散手段も含む。さらに、それは、照明ビームの第一部分を変調パネルに透過し、且つ、照明ビームの第二部分が変調パネルに達するのを阻止するために、拡散手段と変調パネルとの間に機能的に配置される偏光手段を含む。

この記載において、「第一素子と第二素子との間に機能的に配置される装置」という表現は、装置はこれらの素子の間に配置されるが、素子の１つと装置との間に配置される他の素子もあり得ることを意味する。

その第二の特徴によれば、本発明は、上記されたような画像投写システムにおける使用のための光学素子を提供する。

その第三の特徴によれば、本発明は、拡散する偏光子の使用に関する。

上述の３つの特徴に関連する１つの利点は、より均質な強度分布の故に、それらが投射画像のより良好な知覚品質をもたらすことである。他の利点は、光学系に如何なる実質的な容積或いは如何なる時間のかかる整列手続きを追加することなしに、これが達成されることである。第三の利点は、偏光する拡散器が費用効率的であり、製造が容易であることである。

本発明の１つの実施態様によれば、ディスプレイ装置は、画像投射システムである。

本発明の他の実施態様によれば、ディスプレイ装置は、直視型システムである。

有利に、偏光手段は、前記閉じ込められた第二偏光方向が偏光子によって反射され、且つ、前記拡散される第一偏光方向が偏光子を通じて透過されるよう配置される反射型偏光子である。上述のように、前記拡散される第一偏光方向は、投射画像内により均一な強度分布を与える。しかしながら、第二方向の偏光を有する光が反射されるとき、光は拡げられずに拡散器を二度目に通り、好ましくは、照明システム内に再進入する。そこでは、それが吸収されず或いは散乱されないならば、それはそれが最終的に拡散器に再出現するまで、光ガイド手段の壁に対して反射される。これらの反射で、反射光の偏光方向は、光が拡散器に再出現するときに、光が前記第一偏光方向を有するよう変化し得る。代替的に、再出現光の偏光方向は、例えば、拡散器と偏光子との間の壁内の反射によって、拡散器と反射偏光子との間で変更される。故に、それは今や第一方向の偏光を有するので、それは拡散器によって拡散され反射型偏光子によって透過され、変調パネルによって変調され、最終的に、投射光学素子によって例えばスクリーン上に投射される。換言すれば、第一の例で、その偏光状態の故に不適切と考えられた光が、再循環され、初期的に所望の偏光状態を有する光と共にスクリーン上に投射される。結果的に、より多くの光有効システムが達成され、より明るい画像が生成される。

代替的に、偏光手段は偏光ビームスプリッタであり、好ましくは、偏光プレートは、第一偏光方向を有するビームスプリッタ方向変更光を受光し、且つ、第二偏光方向を有する光は、ビームスプリッタを通じて透過されるように配置される。さらに、ビームスプリッタの背後にミラーが有利に配置されることで、第二方向の偏光を有するビームスプリッタ透過光は、変調パネルの再照明のために、ミラーによって光ガイド手段内に反射されて戻る。これはコンパクトな光効率的配置をもたらし、それは整列が容易である。その上、この配置は反射型変調パネルが使用されるときに特に適している。

本発明の実施態様によって得られる幾つかの利点が上記に記載された。前記光学素子及び前記使用の対応する実施態様によって、類似の利点も達成し得る。

本発明の要旨は、第一の有用な偏光方向を有する、実質的に閉じ込められた照明ビームの第一部分を拡散し、第二の望ましくない偏光方向を有する、実質的に閉じ込められた照明ビームの第二部分を反射することである。第二部分の反射は、反射ビームが可能な限り閉じ込められ続けるよう遂行される。好ましくは、この反射光は、最終的に、変更された偏光状態を備えて拡散器に再出現する。反射光は、瞬間的に拡散され且つ透過される光に比べ、その前の長い光路が拡散器及び偏光子の対に再出現するときに、ほぼ三度目に横断するので、この光はより高い均質性の照明場をもたらす。従って、光の第二偏光方向が拡散されることを阻止することは、システム光効率を向上すると同時に、他の偏光方向を拡散することは、表示画像の均質性を向上する。

本発明のこれらの並びに他の特徴は、以下に記載される実施態様を参照して明瞭に解明されるであろう。

本発明のより良好な理解を提供するために、本発明に従った好適実施態様の記載が与えられる。この記載が添付の図面と読まれるときに、これは促進される。図面において、同等参照符号は、概略的な図面を通じて、同等の或いは対応する部分を指し示している。図面は原寸に比例して描写されていない。

全ての画像発生システムは、例えば、光源及び画像パネルを動作するための従来的な電子回路を適切に含む。それは従来技術において既知であり、従って、より詳細には記載されない。

本発明は、ＬＣＤに基づく画像発生システムに関して記載されているがそれは他の種類の光変調システム、例えば、画像投射システム又は反射型液晶シリコン（ＬＣＯＳ）ディスプレイパネルを含む「直視型ディスプレイ」においても使用され得ることが理解されよう。

図１は、照明ビームをもたらすための照明システム５と、照明ビーム１０を変調するための画像表示システム１５とを含む第一画像生成装置１の概略図である。照明システム５は、光源６と、反射器７と、集光レンズ８と、光ガイド手段９、例えば、光学的に透明な材料のロッドとを含む。反射器７は、光源６によって光ガイド手段から離れる方向に初期的に発光される光のより大きな部分が、画像表示システム１５に達することを保証する。画像表示システム１５は、偏光依存型拡散器１６と、反射型偏光子１７と、透過型ＬＣＤパネル１８又は光変調パネルと、検光子１９と、映写レンズ２０とを含む。偏光依存型拡散器１６は、光源６から発光される光を透過し且つ拡散し、光源はそれが拡散器に達するときに第一偏光方向を有する。第二偏光方向を有する前記光源６から発光される光も、前記拡散器１６によって透過されるが、この光は拡散されない。拡散器によって透過され、且つ、場合によっては拡散された後、光は反射型偏光子１７に達し、それは拡散器１６とＬＣＤパネル１８との間に機能的に配置される。偏光子１７は、前記第二偏光方向を有する光、即ち、拡散器１６によって拡散されない光を反射し、前記第一偏光方向を有する光、即ち、拡散器によって拡散される光を透過する。次に、反射型偏光子１７によって透過される光は、透過型ＬＣＤパネル１８に進む。

透過型ＬＣＤパネル１８はＬＣＤ素子の配列を含み、電場の適用又は除去によって、各素子を明状態又は暗状態に切り換え得る。２つの状態の間の差は、明状態において、発光は第一方向の偏光を有し、暗状態において、発光は前記第一方向と異なる第二方向の偏光を有する。好ましくは、前記第一及び第二の偏光方向は互いに直交する。

検光子１９は、１つのＬＣＤ素子がその明状態にあるときに、そのＬＣＤ素子から発光される光が検光子を通過し得るよう配置される。さらに、検光子１９は、ＬＣＤ素子がその暗状態にあるときに、発光が検光子１９によって遮断されるよう配置される。一部のＬＣＤ素子を２つの状態の一方に配置し、残りを他方に配置し、ＬＣＤ配列を照明することによって、画像を生成し得る。検光子によって透過される光は画像情報を担持する、即ち、照明ビームは画像情報で変調され、もし変調された照明ビームが例えばスクリーン２１上に投射されるならば、視聴可能とされ得る。

反射型変調器１７によって反射される光は、拡散されることなく拡散器１６を二度目に通過し、光ガイド素子９に再入射する。光ガイド手段９の内部で、光は、光の少なくとも一部が、前記第一方向の偏光を有する拡散器１６に再び現れるよう再循環される。この光は、次に、拡散器１６によって拡散され且つ透過され、反射型偏光子１７によって透過され、ＬＣＤパネル１８によって変調され、最終的に、投射光学素子２１によってスクリーン２１上に投射される。

光ガイド手段９は、好ましくは、光を偏光解消する材料から成るが、光ガイド手段９は、光が光ガイドシステム内で再循環されるときに光の偏光方向が変えられるのを保証する複屈折膜も含み得る。

図２は、透過型ＬＣＤパネルの代わりに反射型ＬＣＤパネル２２が使用されているという事実を除き、図１に関して記載されたのと同様に配置された本発明の第二実施態様を例証している。さらに、前記第一偏光方向を有する光が前記反射型ＬＣＤパネル２２上に反射され、且つ、前記第二偏光方向を有する光が前記ビームスプリッタを一直線に通じてミラー２４上に透過されるよう、反射型偏光子１７は、偏光ビームスプリッタ２３として配置されている。反射型偏光子２２は、その暗状態において、その偏光方向を偏光せずに入射光を反射するよう配置されている。故に、この光は反射されて拡散器１６に向かって戻る。さらに、反射型偏光子２２は、その明状態において、入射光の偏光方向を前記第二偏光方向にシフトするよう配置されている。故に、この光は、方向変更されずに前記ビームスプリッタ２３に一直線に透過される。投射光学素子２０は、前記反射型ＬＣＤ２２と比べ前記ビームスプリッタ２３の反対側に配置されている。投射光学素子２０は光を投射し、光はＬＣＤ２２からその明状態においてスクリーン２１上に反射される。

図３は、本発明の第三実施態様を例証しており、３つの光弁を含む。この実施態様は、光が、それぞれの偏光依存型拡散器１６，２６，３６と、それぞれの反射型偏光子１７，２７，３７と、それぞれのＬＣＤパネル１８，２８，３８とを含む、それぞれの画像表示構成１５，２５，３５に達する前に、光は光ガイド手段９の内部で３つのチャネルに分割されているという事実を除き、図１に関して記載されたものと類似している。緑色光は、第一光軸１に沿って、そのそれぞれのがぞ得表示構成２５を横断する。赤色光は、第二光軸２に沿って、そのそれぞれの画像表示構成２５を横断し、第二光軸は前記第一光軸に対して直交して配置されている。青色光は、第三光軸３に沿って、そのそれぞれの画像表示構成３５を横断し、第三光軸は、前記第一光軸に対して、且つ、前記第二光軸２と反対方向に配置されている。青色及び赤色照明ビームは、それぞれの折畳みプリズム４２，４３によって、その画像表示構成に向かって方向付けられる。反射型偏光子によって反射される光は、図１に関して記載されたように、循環のために光ガイド９に戻るよう方向付けられる。

それぞれの変調プレート１８，２８，３８を通じて透過される各変調照明ビームが、単一の光学出力軸４に沿って、マルチカラー変調光ビームに結合されるよう、Ｘキューブ又は二色性プリズムのような色結合素子２３が、光軸１，２，３の交差点に配置されている。これらは、然る後、映写レンズのような投射光学素子２０によってスクリーン２１上に投射される。

図４は、照明ビームをもたらすための照明システム５０と、照明ビーム８０が観察者の眼に達する前に照明ビームを変調するための画像表示システム１５０とを含む直視型ＬＣＤ装置を例証している。照明システム５０は、光源６０と、反射パターン３７０と、例えば、光学的に透明な材料から成る光ガイド手段９０とを含む。光源６０は、例えば、多数の蛍光管、又は、１つ若しくはそれよりも多くのＬＥＤ光源、例えば、一群の赤色ＬＥＤ、一群の緑色ＬＥＤ、及び、一群の青色ＬＥＤ、又は、一群の白色ＬＥＤを含み得る。この実施態様において、光源６０は、一群の白色ＬＥＤを含み、その光は入口表面２００を通じて光ガイド手段９０内に放射される。市口表面２００は、光ガイド手段の反射内壁を形成する。照明源の前に配置される入口表面の一部が小さな孔を備えることで、照明源発光の大部分はこれらを通じて光ガイド手段内に通り得る。

図面中に見られるように、光ガイド手段は、光源の主発光方向に均質な照明を提供するよう配置されている。そのような光ガイドは従来技術において既知であり、さらに記載されない。

画像表示システム１５０は、偏光依存型拡散器１６０と、反射型偏光子１７０と、透過型ＬＣＤパネル１８０又は光変調パネルと、検光子１９０とを含む。これらは、図１に関して記載されたのと同様に配置され且つ動作される、即ち、第一偏光方向を有する入射光は拡散され、且つ、ＬＣＤパネルに向かって透過される。第二の異なる偏光方向を有する光は、反射されて光ガイド手段内に戻る。

反射光は、拡散されずに拡散器１６０を二度目に通過し、そのような角光分布を備えて光ガイド手段９０に再進入するので、この再進入光は、システム内の如何なる大きな光損失をもなしに、効率的に反射されて入口表面２００に戻される。光有効性は、主として、この光の角分布が拡散器１６０によって殆ど変更されないことに起因する。さらに、再進入光は入口表面を均一に照明し、再進入光の大部分は入口表面２００の反射部分に当たる。故に、この光は再循環され、即ち、光の少なくとも一部は、前記第一方向の変更を有する拡散器１６０で再び現れる。

好ましくは、光ガイド手段９０は、光を偏光解消する材料から成る。光が光ガイドシステム内で再循環されるときに光の偏光方向が変えられることを保証するために、それは複屈折膜も含み得る。加えて、反射型変調器１７０の偏光の度合いが不十分である場合に、ディスプレイシステムのコントラストを増大するために、反射型偏光子１７０と光変調器パネル１８０との間に吸収型の偏光子２９０を適用し得る。そのような偏光子を本発明の他の実施態様、例えば、図１乃至３に関して記載された実施態様においても使用し得る。

図５は、拡散層５１６と偏光層５１７とを備える第一ガラス基板５０１を含む光学素子５００の実施態様を示す概略図である。拡散層５１６は、実質的に全ての入射光を透過するのに対し、第一偏光方向を有する光を拡散だけするように配置されている。偏光層５１７は、前記第一偏光方向を有する光を透過し、且つ、第二偏光方向を有する光を反射するよう配置されている。この実施態様において、２つの層は、基板５０１の同一側に配置され、拡散層５１６は、基板上に配置された偏光層５１７の上に配置されている。拡散層５１６及び反射層を基板５０１の２つの反対側に配置することも可能である。さらに、吸収偏光層５９０が基板５０１上に配置され得ることで、反射偏光層５１７が前記拡散層５１６と前記吸収偏光層５９０との間に配置される。好ましくは、全ての３つの層５１６，５１７，５９０は、前記基板の同一側上に配置される。

選択的に、光変調層が、前記第一基板５０１と第二ガラス基板５０２との間に挟装される。これは拡散層及び偏光層が第一基板上に配置される前に遂行されるのが好ましい。その上、検光子層５１９を、第二基板５０２上に、好ましくは、前記光変調層５１８と反対側に設け得る。

要約すると、上記に記載されたものは、ディスプレイ装置の異なる実施態様であり、それらは改良された画像均質性並びにより高い光有効性の両方をもたらすが、２つの特性は同時に提供することが困難であると概ね考えられている。それは、ディスプレイ装置システム内の光源とＬＣＤパネルとの間の光路において反射型偏光子の前に偏光依存型拡散器を導入することによって達成される。拡散器がＬＣＤパネル上に入射する光を広げるので、画像品質は改良される。画像表示パネルの再照明のために、光を表示装置内で光ガイド素子によって再循環し得るよう、偏光子が閉じ込められた非拡散光を反射するので、光有効性は改良される。

この文書において、「含む」という言葉は、他の素子又はステップを排除せず、不定冠詞（単一形表示）は複数を排除せず、単一素子は請求項内に引用される幾つかの手段の機能を充足し得る。

導波管及び透過型変調パネルと共に配置された本発明の１つの実施態様に従った画像生成システムを示す概略図である。 導波管及び反射型変調パネルと共に配置された本発明の第二実施態様に従った画像生成システムを示す概略図である。 ３つの光弁光学システムと共に配置された本発明の第三実施態様に従った画像生成システムを示す概略図である。 本発明に従った直視型照明システムを示す概略図である。 本発明の第五実施態様に従った光学素子を示す概略図である。

Claims (12)

1. 照明ビームをもたらすための照明システムと、
   画像情報で前記照明ビームを変調するための変調パネルと、
   第一偏光方向を有する前記照明ビームの第一部分を拡散し、第二偏光方向を有する前記照明ビームの閉じ込められた第二部分を透過するための拡散手段と、
   前記照明ビームの前記第一部分を前記変調パネルに透過し、且つ、前記照明ビームの前記第二部分が前記変調パネルに達するのを阻止するために、前記拡散手段と前記変調パネルとの間に機能的に配置される偏光手段とを含む、
   ディスプレイ装置。
2. 当該ディスプレイ装置は、投射システムであり、前記変調された照明ビームをスクリーンの上に投射するための投射手段をさらに含む、請求項１に記載のディスプレイ装置。
3. 当該ディスプレイ装置は、直視型システムである、請求項１に記載のディスプレイ装置。
4. 前記偏光手段は、再循環のために、前記照明ビームの前記第二部分を前記照明システム内に反射して戻すよう配置される反射型偏光子である、請求項２に記載の画像投射システム。
5. 前記偏光手段は、前記第一偏光方向を有する光を前記変調パネルに向かって第一方向に向け、且つ、前記第二偏光方向を有する光を前記第一方向と異なる第二方向に向けるための偏光ビームスプリッタである、請求項２に記載の画像投射システム。
6. 前記第二方向に進められる光が前記照明システム内に反射されて戻るよう配置されるミラーをさらに含む、請求項５に記載の画像投射システム。
7. 二色性カラーフィルタが前記拡散手段と前記偏光手段との間に配置される、上記請求項のうちのいずれか１項に記載の画像投射システム。
8. 前記変調パネルは、ＬＣＤパネルである、上記請求項のうちのいずれか１項に記載の画像投射システム。
9. 上記請求項のうちのいずれか１項に記載の画像投射システムにおける使用のための、基板を含む光学素子であって、
   前記基板は、
   第一偏光方向を有する光を拡散し、且つ、第二偏光方向を有する光を透過するための第一層と、
   前記第一偏光方向を有する光を有する光を透過し、且つ、前記第二変調方向を有する光を反射するための第二層とを備え、
   前記第一層及び前記第二層は、好ましくは、前記基板の反対側に配置される、
   光学素子。
10. 第三光変調層をさらに含み、前記第二層は、前記第一層と前記第三層との間に配置される、請求項９に記載の光学素子。
11. 画像情報で照明ビームを変調するために配置される変調パネルの上に入射する照明ビームの均質性を改良するための、画像投射システム内の変調依存型拡散器の使用であって、
    前記拡散器は、第一偏光方向の前記照明ビームを拡散し、第二偏光方向の前記照明ビームを透過する、
    使用。
12. 前記拡散器は、前記照明ビーム路内の偏光素子の前で使用され、前記偏光素子は、好ましくは、前記第二偏光方向を反射する反射型偏光子である、請求項１１に記載の使用。

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