JP2014044229A - 画像表示システム - Google Patents

Abstract

【課題】輝点の発生を抑制することにより優れた画像品質を有する画像表示システムを提供すること。
【解決手段】画像表示システム１００は、透過状態と散乱状態とを切り替えることのできるスクリーン２００と、スクリーン２００に映像光を投射する光投射デバイス９００とを備えている。スクリーン２００は、対向配置する第１配向膜２３１および第２配向膜２３２、第１、第２配向膜２３１、２３２の間に挟持され、負の誘電異方性を有する液晶分子２５３および高分子２５２、を含む垂直配向型の高分子分散型液晶層２５０と、を有し、第１配向膜２３１は第１の方向Ａにラビングされており、光投射デバイス９００は、第１配向膜２３１側から、第１の方向Ａと平行な方向に振動する直線偏光である映像光をスクリーン２００に投射する。
【選択図】図６

Description

本発明は、画像表示システムに関するものである。

近年、画像表示システムとして、液晶中に高分子を分散させた高分子分散型液晶表示素子をスクリーンとして用い、このスクリーンにプロジェクター等を用いて画像を表示する装置が注目されている（例えば、特許文献１）。特許文献１では、スクリーンとして、初期配向状態にて垂直配向を呈する液晶を用いた高分子分散型液晶表示素子を用いた構成が開示されている。このような垂直配向を呈する液晶を用いた高分子分散型液晶表示素子では、電圧印加によって散乱部に存在する液晶分子が倒れて散乱状態になったとき、液晶分子の長軸方向は互いにランダムな方向を向いて倒れる。

特開平１１−２３７６１８号公報

しかしながら、このようなスクリーンにプロジェクターから無偏光の光を投射した場合、無偏光の光に含まれるある振動成分の光に着目すると、その振動方向に適して作用する液晶分子／高分子の界面の存在確率がランダムであるため、十分な散乱が得られずに、スクリーンを透過する成分が存在してしまう。このような散乱されない成分によって、スクリーンの表示面に周囲よりも著しく高輝度な点である輝点が発生する。
本発明の目的は、輝点の発生を抑制することにより優れた画像品質を有する画像表示システムを提供することにある。

このような目的は、下記の本発明により達成される。
本発明の画像表示システムは、入射した光を透過させる透過状態と前記入射した光を散乱させる散乱状態とを切り替えることのできるスクリーンと、前記スクリーンに映像光を投射し、前記スクリーンに画像を表示させる光投射デバイスとを備える画像表示システムであって、
前記スクリーンは、対向配置する第１配向膜および第２配向膜、前記第１配向膜と前記第２配向膜との間に挟持され、負の誘電異方性を有する液晶分子および前記液晶分子と異なる高分子を含む垂直配向型の高分子分散型液晶層、を有し、
前記第１配向膜は、第１の方向にラビングされており、
前記光投射デバイスは、前記第１配向膜側から、前記第１の方向と平行な方向に振動する直線偏光である前記映像光を前記スクリーンに投射することを特徴とする。
このような構成によれば、輝点の発生を抑制することにより優れた画像品質を有する画像表示システムが得られる。

本発明の画像表示システムでは、前記光投射デバイスは、光源と、
光源から出射した光の強度を変調して、前記映像光を生成する空間光変調装置と、
前記空間光変調装置によって生成された前記映像光を、前記スクリーンに向けて投射する投射光学系と、
前記空間光変調装置によって生成された前記映像光を直線偏光とする偏光制御素子と、を有していることが好ましい。
このような構成によれば、簡単な構成で直線偏光を出射することができる。

本発明の画像表示システムでは、前記偏光制御素子は、前記空間光変調装置と前記投射光学系との間の光軸上に位置していることが好ましい。
このような構成によれば、例えば、プロジェクター内に偏光制御素子を内蔵することができるため、光投射デバイスの構成が簡単なものとなる。
本発明の画像表示システムでは、前記偏光制御素子は、前記投射光学系と前記スクリーンとの間の光軸上に位置していることが好ましい。
このような構成によれば、例えば、プロジェクター外に偏光制御素子を配置することができるため、プロジェクターの姿勢に影響されずに、スクリーンに対する偏光制御素子の姿勢を所定の姿勢に保つことができる。そのため、常に、適した偏光方向の光をスクリーンに投射することができる。

本発明の画像表示システムでは、前記光投射デバイスは、直線偏光である赤色光、緑色光および青色光を出射する照明光学系と、
前記赤色光を変調する第１空間光変調装置と、
前記緑色光を変調する第２空間光変調装置と、
前記青色光を変調する第３空間光変調装置と、
前記第１空間光変調装置によって変調された前記赤色光、前記第２空間光変調装置によって変調された前記緑色光および前記第３空間光変調装置によって変調された前記青色光のうち１つまたは２つの光の偏光方向を回転させて、前記赤色光、前記緑色光および前記青色光の偏光方向を揃える偏光ローテーターと、を有していることが好ましい。
このような構成によれば、簡単な構成で直線偏光を出射することができる。

本発明の画像表示システムでは、前記偏光ローテーターは、前記赤色光および前記青色光の少なくとも一方の偏光方向を回転させることによって、前記赤色光、前記緑色光、前記青色光の偏光方向を揃えることが好ましい。
緑色光は、赤色光、青色光と比較して比視感度が高い成分である。そのため、緑色光の偏光方向を回転させずに、赤色光および青色光の少なくとも一方の偏光方向を回転させて、これら光の偏光方向を揃えることによって、明るい画像表示が可能となる。

本発明の画像表示システムでは、前記光投射デバイスは、同一方向に振動する直線偏光である赤色光、緑色光および青色光を順次出射する照明光学系と、
前記赤色光、前記緑色光および前記青色光を変調する空間光変調装置と、を有していることが好ましい。
このような構成によれば、簡単な構成で直線偏光を出射することができる。

本発明の第１実施形態にかかる画像表示システムの構成図である。 図１に示すスクリーンの断面図（図１中のＡ−Ａ線断面図）である。 図２に示すスクリーンの電圧印加状態を示す断面図である。 図１に示すプロジェクターの光学系の構成を示す平面図である。 スクリーンに含まれる液晶分子の配向方向と、スクリーンに照射される映像光の偏光方向との関係を示す平面図である。 図２に示すスクリーン内を通過する映像光を示す図であり、（ａ）が図１中のＡ−Ａ線断面に対応する図、（ｂ）が図１中のＢ−Ｂ線断面に対応する図である。 図２に示すスクリーン内を通過する映像光を示す図であり、（ａ）が図１中のＡ−Ａ線断面に対応する図、（ｂ）が図１中のＢ−Ｂ線断面に対応する図である。 偏光方向が異なる映像光のスクリーン透過率を示すグラフである。 本発明の第２実施形態にかかる画像表示システムが備えるスクリーンの断面図である。 図９に示すスクリーン内を通過する映像光を示す図であり、（ａ）が図１中のＡ−Ａ線断面に対応する図、（ｂ）が図１中のＢ−Ｂ線断面に対応する図である。 所定のツイスト角における映像光の散乱強度を示す図である。 本発明の第３実施形態にかかる画像表示システムが備えるプロジェクターの光学系の構成を示す平面図である。 本発明の第４実施形態にかかる画像表示システムが備えるプロジェクターの光学系の構成を示す平面図である。 本発明の第５実施形態にかかる画像表示システムが備えるプロジェクターの光学系の構成を示す平面図である。

以下、本発明の画像表示システムを図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態にかかる画像表示システムの構成図である。図２は、図１に示すスクリーンの断面図（図１中のＡ−Ａ線断面図）である。図３は、図２に示すスクリーンの電圧印加状態を示す断面図である。図４は、図１に示すプロジェクターの光学系の構成を示す平面図である。図５は、スクリーンに含まれる液晶分子の配向方向と、スクリーンに照射される映像光の偏光方向との関係を示す平面図である。図６および図７は、図２に示すスクリーン内を通過する映像光を示す図であり、（ａ）が図１中のＡ−Ａ線断面に対応する図、（ｂ）が図１中のＢ−Ｂ線断面に対応する図である。図８は、偏光方向が異なる映像光のスクリーン透過率を示すグラフである。

図１に示す画像表示システム１００は、スクリーン２００と、スクリーン２００に画像を投射する光投射デバイス９００と、スクリーン２００および光投射デバイス９００の駆動を制御する制御部４００とを有している。このような画像表示システム１００は、光投射デバイス９００からの映像光Ｌ’をスクリーン２００の背面（観察者と反対側の面）へ投射することによって、スクリーン２００に所望の画像を表示するように構成されている。

以下、スクリーン２００、光投射デバイス９００および制御部４００について、順次詳細に説明する。
（スクリーン）
図２に示すスクリーン２００は、一対の透明基板２１１、２１２と、一対の透明電極２２１、２２２と、一対の配向膜２３１、２３２と、一対の透明基板２１１、２１２の間に設けられた高分子分散型液晶層２５０とを有している。
透明基板２１１、２１２は、透明電極２２１、２２２および配向膜２３１、２３２を支持する機能を有している。また、透明基板２１１がスクリーン２００の背面側に位置しており、透明基板２１２がスクリーン２００の前面側に位置している。

これら透明基板２１１、２１２の構成材料としては、特に限定されないが、例えば、石英ガラス等のガラス材料やポリエチレンテレフタレート等のプラスチック材料等が挙げられる。この中でも特に、石英ガラス等のガラス材料で構成されたものであるのが好ましい。これにより、反り、撓み等の生じにくい、より安定性に優れたスクリーン２００を得ることができる。

一対の透明電極２２１、２２２のうちの透明電極２２１は、透明基板２１１の内側（高分子分散型液晶層２５０側）の面に形成されており、透明電極２２２は、透明基板２１２の内側（高分子分散型液晶層２５０側）の面に形成されている。これら透明電極２２１、２２２は、導電性を有しており、例えば、インジウムティンオキサイド（ＩＴＯ）、インジウムオキサイド（ＩＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ_２）等で構成されている。
一対の配向膜２３１、２３２のうちの配向膜（第１配向膜）２３１は、透明電極２２１の内側（高分子分散型液晶層２５０側）の面に形成されており、配向膜（第２配向膜）２３２は、透明電極２２２の内側（高分子分散型液晶層２５０側）の面に形成されている。また、一対の配向膜２３１、２３２としては、垂直配向が得られるように、例えばポリイミド中にアルキル基やフッ素含有基のような疎水構造を導入したものを用い、このような膜にラビング処理を行なうことにより、プレチルトが８７°程度となるようにする。ここで、一対の配向膜２３１、２３２のラビングの向きは互いに逆方向を向き、且つ互いのラビング方向のなす角度が一致している。すなわち後述する液晶分子２５３のツイスト角がほぼ０°となるようにラビング処理を行なう。

高分子分散型液晶層２５０は、光が入射したときの透過状態（透明状態）と散乱状態とを印加電界の強度により切替えることができる。このような高分子分散型液晶層２５０は、ＰＤＬＣ（高分子分散型液晶）２５１を含んでいる。また、ＰＤＬＣ２５１は、高分子２５２と液晶分子２５３とを含んでいる。なお、高分子２５２と液晶分子２５３とは異なる物質である。また、高分子２５２と液晶分子２５３は、その形状において長軸方向と短軸方向とを有する、長手形状である。液晶分子２５３および高分子２５２は、それぞれ、一対の透明電極２２１、２２２間に電圧を印加していない電圧非印加状態において、配向膜２３１、２３２の間でこれらの向きに沿って所定のチルト角を有しつつ、各分子の長軸方向がほぼ垂直となるように配向している。すなわち、高分子分散型液晶層２５０は、初期配向状態にて垂直配向を呈する垂直配向型（ＶＡ型：Vertical Alignment型）である。

なお、図２中にて、配向膜２３１のラビング方向（第１の方向）を矢印Ａで示し、配向膜２３２のラビング方向を矢印Ｂで示している。以下、単に、ラビング方向Ａ、ラビング方向Ｂとも言う。なお、後述する電圧印加状態において、配向膜２３１に最も近い液晶分子２５３の長軸方向の配向方向はラビング方向Ａと平行となり、配向膜２３２に最も近い液晶分子２５３の長軸方向の配向方向はラビング方向Ｂと平行となる。従って、以下、ラビング方向Ａおよびラビング方向Ｂを、配向方向Ａおよび配向方向Ｂとも言う。

このようなＰＤＬＣ２５１は、例えば、液晶性モノマー等の高分子前駆体と液晶分子との混合物により形成することができる。具体的には、前記混合物を配向膜２３１、２３２により配向させた状態で前記混合物に紫外線光等のエネルギーを照射し、液晶性モノマーを重合させる。すると、液晶性モノマーは、配向を保持したまま重合し、配向規制力を有する高分子２５２になる。液晶分子２５３は、高分子２５２から相分離され、高分子２５２の配向規制力により配向する。

高分子前駆体としては、液晶分子２５３に溶解し、その混合液が液晶性を有するものであればよく、例えば、高分子中にベンゼン骨格、好ましくはビフェニル骨格が導入されているものが挙げられる。また、ベンゼン骨格を有しなくても、液晶分子２５３とともに配向する高分子であれば同様に使用することができる。高分子２５２および高分子前駆体の具体例としては、例えば、ビフェニルメタノールもしくはナフトールのメタクリル酸エステルもしくはアクリル酸エステル、または、これらの化合物の誘導体がある。また、これらに、ビフェノールのメタクリル酸エステルもしくはアクリル酸エステル誘導体を混合して用いてもよい。また、その他の例として、α−メチルスチレン、エポキシ樹脂等を用いることもできる。

一方、液晶分子２５３としては、屈折率異方性および負の誘電率異方性を有するものであればよく、公知の液晶材料から適宜選択することができる。また、液晶分子２５３としては、長軸方向の屈折率が高分子２５２の長軸方向の屈折率とほぼ等しく、かつ、短軸方向の屈折率が高分子２５２の短軸方向の屈折率とほぼ等しく、さらには、短軸方向の屈折率が高分子２５２の長軸方向の屈折率と十分に異なる材料が用いられる。

本実施形態のＰＤＬＣ２５１は、いわゆるリバース型である。そのため、高分子分散型液晶層２５０は、一対の透明電極２２１、２２２間に電圧を印加していない電圧非印加状態において光の透過性を有する透過状態となり、一対の透明電極２２１、２２２間に電圧を印加している電圧印加状態において拡散性を有する散乱状態となる。
具体的に説明すれば、電圧非印加状態においては、液晶分子２５３と高分子２５２との間で屈折率が連続しており、ＰＤＬＣ２５１に入射した光はほとんど拡散されずに射出され、透過状態となる。反対に、電圧印加状態では、図３に示すように、高分子２５２の長軸方向の方位角が変化しないのに対して、液晶分子２５３の長軸方向の方位角が電界に応じて変化し、これにより、高分子２５２と液晶分子２５３との間で屈折率が不連続に変化することにより入射した光が散乱されて射出され、光散乱状態となる。
なお、前記「電圧非印加状態」とは、一対の透明電極２２１、２２２間に全く電圧を印加しない状態のみならず、一対の透明電極２２１、２２２間に、実質的に液晶分子２５３に作用しない程度の電圧が印加されている状態も含む。

高分子分散型液晶層２５０の厚さとしては、特に限定されないが、１０μｍ以上であるのが好ましい。高分子分散型液晶層２５０の厚さを１０μｍ以上とすることにより、後述するような映像光Ｌ’の散乱をより効果的に発生させることができる。すなわち、電圧印加状態における映像光Ｌ’の透過率を１％以下に押さることが可能となる。
このようなスクリーン２００によれば、スクリーン２００を使用しない場合には、スクリーン２００を透明としておくことができる。そのため、例えば、スクリーン２００を生活空間にて使用する場合には、スクリーン２００が与える圧迫感を低減することができる。また、スクリーン２００は、リバース型のＰＤＬＣ２５１を用いているため、スクリーン２００に画像を表示している時間（散乱状態の時間）が、スクリーン２００に画像を表示しない時間（透過状態の時間）よりも短い用途に用いるのが好ましい。このような用い方をすることによって、画像表示システム１００の省電力駆動が可能となる。

（光投射デバイス）
光投射デバイス９００は、プロジェクター６００と、プロジェクター６００から出射される映像光Ｌの偏光制御を行う偏光制御素子８００とを有している（図１参照）。
図４に示すように、プロジェクター６００は、光源装置６２０と、均一照明光学系６３０と、空間光変調装置６４０と、投射光学系（投射レンズ群）６５０とを有している。このようなプロジェクター６００は、光源装置６２０から射出された光の強度を与えられた画像情報に応じて空間光変調装置６４０によって変調することにより光像（すなわち映像光Ｌ）を形成し、この光像を投射光学系６５０からスクリーン２００上に拡大投射するための光学機器である。

光源装置６２０は、光源である超高圧水銀ランプ６２１と、リフレクター６２２とを備えている。このような構成では、超高圧水銀ランプ６２１から放射された光は、リフレクター６２２で反射されて前方側に収束される。なお、光源としては、超高圧水銀ランプに限らず、例えば、メタルハライドランプ等を採用してもよい。
均一照明光学系６３０は、ロッドインテグレーター６３１と、カラーホイール６３２と、リレーレンズ群６３３と、反射ミラー６３４を有している。このような均一照明光学系６３０では、光源装置６２０から射出された光束がカラーホイール６３２を通過し後、ロッドインテグレーター６３１に角度を付けて入射する。

カラーホイール６３２は、図示しないモーター等の駆動源によって回転可能に設けられている。また、カラーホイール６３２には、ロッドインテグレーター６３１の入射側の端に形成されたポートと対向するフィルター面６３２ａが形成されており、このフィルター面６３２ａには、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の３色のフィルターが領域を隔てて周方向に並んで形成されている。なお、カラーホイール６３２は、ロッドインテグレーター６３１の出射側に設けられていてもよい。

カラーホイール６３２に入射した光束は、フィルター面６３２ａによって、赤色（Ｒ）光、緑色（Ｇ）光、青色（Ｂ）光の３色に時系列的に色分離される。Ｒ、Ｇ、Ｂの３色への分離は、スクリーン２００に表示する画像のフレーム周波数よりも高速な周波数で行う。このような周波数で色分離を行うことにより、スクリーン２００にフルカラー画像を表示することが可能となる。

カラーホイール６３２を通過した光（Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光）は、ロッドインテグレーター６３１の入射ポートからその内部に導入される。ロッドインテグレーター６３１の内部に導入された光は、ロッドインテグレーター６３１内にて複数回の反射をおこし、これによって、ロッドインテグレーター６３１の出射面に均一な照度が確保される。そのため、ロッドインテグレーター６３１の出射ポートから出射された光は、均一な照明分布を有するものとなる。
ロッドインテグレーター６３１から出射された光は、リレーレンズ群６３３および反射ミラー６３４を介して、均一な照明光として空間光変調装置６４０へ入射する。

空間光変調装置６４０は、基板６４１と、基板上に配列された複数の光変調素子６４２（例えば、ＤＭＤ（デジタル・マイクロミラー・デバイス：ただし「ＤＭＤ」は、米国テキサスインスツルメント株式会社の登録商標）とを有している。複数の光変調素子６４２は、基板６４１上にマトリクス状に配置されている。光変調素子６４２の数としては特に限定されない。プロジェクター６００では、１つの光変調素子６４２が１画素を構成するため、光変調素子６４２は、画素数分、例えば、横×縦＝１２８０×１０２４、６４０×４８０のように配置されている。

各光変調素子６４２は、入射した光束を反射するための可動ミラーを有しており、この可動ミラーは、反射した光が投射光学系６５０へ導かれるＯＮ状態と、ＯＮ状態に対して傾きが異なり、反射した光がアブソーバー（図示せず）へ導かれるＯＦＦ状態とに姿勢が変化する。
空間光変調装置６４０は、例えば、ＰＣ（パーソナルコンピューター）５００等から与えられた画像情報に基づいて各光変調素子６４２のＯＮ状態／ＯＦＦ状態を独立して切り替えることにより所定の光像を形成する。そして、形成された光像は、投射光学系６５０に入射する。

投射光学系６５０は、投射レンズ６５１を備えており、投射光学系６５０に導かれた光像を映像光Ｌとしてスクリーン２００の方向へ投射する。
偏光制御素子８００は、プロジェクター６００から出射されたランダム偏光である映像光Ｌを、所定の方向に振動する直線偏光とする偏光子である。このような偏光制御素子８００としては、上記の効果を発揮することができれば、特に限定されず、例えば、ワイヤグリッドアレイ、液晶デバイス等の公知の偏光子を用いることができる。

（制御部）
図１に示すように、制御部４００は、例えば、パーソナルコンピューター５００からの画像信号Ｉに所定の処理を行い、処理して得られた画像信号Ｉ’をプロジェクター６００へ送信する画像信号処理部４１０と、パーソナルコンピューター５００からの信号に基づいてスクリーン２００の駆動（ＯＮ／ＯＦＦ）を制御するスクリーン制御部４２０とを有している。画像信号処理部４１０からの画像信号を受けたプロジェクター６００は、その画像信号に基づく映像光Ｌを出射する。

このような制御部４００は、画像信号処理部４１０からプロジェクター６００へ画像信号Ｉ’を出力するのに対応させて、スクリーン制御部４２０によってスクリーン２００の駆動を制御するように構成されている。具体的には、制御部４００は、画像信号処理部４１０から画像信号Ｉ’を出力していない状態では、スクリーン制御部４２０によってスクリーン２００を光の透過状態とする。反対に、制御部４００は、画像信号処理部４１０から画像信号Ｉ’を出力している状態では、スクリーン制御部４２０によってスクリーン２００を光の散乱状態とする。

このような制御部４００によれば、光投射デバイス９００から偏光制御素子８００を透過した映像光Ｌ’が出射されていないとき、すなわちスクリーン２００に表示する画像が存在しないときには、スクリーン２００を透過状態とすることができる。また、光投射デバイス９００から偏光制御素子８００を透過した映像光Ｌ’が出射されているときは、スクリーン２００を散乱状態とすることができ、スクリーン２００に映像光Ｌ’に対応する画像を表示することができる。

以上、画像表示システム１００を構成する各部について説明した。このような構成の画像表示システム１００は、図５に示すように、スクリーン２００の背面側の配向膜２３１のラビング方向Ａと、偏光制御素子８００を通過した映像光Ｌ’の偏光方向Ｃとが平行となる（一致する）ように構成されている。言い換えれば、スクリーン２００の背面側（配向膜２３１側）に位置する液晶分子２５３の配向方向Ａと、映像光Ｌ’の偏光方向Ｃとが平行である。このような構成によれば、映像光Ｌ’をスクリーン２００にて効率的に散乱させることができるため、スクリーン２００上での輝点の発生を効果的に抑制することができる。したがって、表示される画像の品質が高まる。

なお、前記「平行」には、液晶分子２５３の配向方向Ａと、映像光Ｌ’の偏光方向Ｃとが平行である場合の他、配向方向Ａに対して偏光方向Ｃが僅かに傾いている場合も含まれる。具体的には、スクリーン２００の平面視にて、配向方向Ａと偏光方向Ｃとのなす角が１０°以内である場合も含まれる。このような範囲内であれば、十分に効果を発揮することができる。

具体的に説明すると、電圧印加状態では、図６（ａ）、（ｂ）に示すように液晶分子２５３が配向しており、映像光Ｌ’は、高分子２５２と液晶分子２５３とを交互に通過する。また、この際、映像光Ｌ’は、高分子２５２を短軸方向に通過し、液晶分子２５３を長軸方向に通過する。前述したように、高分子２５２の短軸方向の屈折率と液晶分子２５３の長軸方向の屈折率とが異なるように設計されているため、映像光Ｌ’は、高分子２５２と液晶分子２５３との界面にて散乱する。このように、スクリーン２００の背面側での液晶分子２５３の配向方向Ａと、映像光Ｌ’の偏光方向Ｃとを一致させることにより、映像光Ｌ’を高分子分散型液晶層２５０内にて効率的に散乱させることができる。言い換えれば、散乱せずに高分子分散型液晶層２５０を通過する映像光Ｌ’を効果的に低減することができる。そのため、著しい輝点（周囲よりも著しく高輝度な点）の発生を防止することができる。輝点の発生が防止されることにより、映像品質が向上する。

これに対して、例えば、図７（ａ）、（ｂ）に示すように、配向方向Ａに対して、偏光制御素子８００を通過した映像光Ｌ’の偏光方向Ｃが直交していると、映像光Ｌ’は、高分子２５２を短軸方向に通過し、液晶分子２５３を短軸方向に通過する。前述したように、高分子２５２の短軸方向の屈折率と液晶分子２５３の短軸方向の屈折率とがほぼ等しく設計されているため、映像光Ｌ’は、高分子２５２と液晶分子２５３との界面にてほとんど散乱せず、そのまま高分子分散型液晶層２５０を透過する。そのため、著しい輝点（周囲よりも著しく高輝度な点）が発生し、映像品質が低下する。また、場合によっては、観察者の眼精疲労を誘発する原因となる。

図８に、配向方向Ａと偏光方向Ｃとが一致する場合（実線）と直交する場合（点線）との映像光Ｌ’の透過率の一例を示す。図８では、リバース型の高分子分散液晶層を用い、横軸に高分子分散液晶層に印加する電圧を、縦軸に高分子分散液晶層の透過率を取ってプロットしている。図８から明らかなように、配向方向Ａと偏光方向Ｃとが一致する場合には、印加電圧が大きくなって液晶分子が倒れると、映像光Ｌ’は、高分子分散型液晶層２５０内をほとんど透過せず、高分子分散型液晶層２５０内にて効率的に散乱している。一方、配向方向Ａと偏光方向Ｃとが直交する場合には、印加電圧が大きくなって液晶分子が倒れても、映像光Ｌ’は、高分子分散型液晶層２５０内をほとんど透過している。

以上、本実施形態の画像表示システム１００について説明した。このような画像表示システム１００では、偏光制御素子８００が、投射光学系６５０よりも映像光Ｌの進行方向下流側に位置している。言い換えれば、偏光制御素子８００は、プロジェクター６００と別体として設けられ、プロジェクター６００（すなわち、投射光学系６５０）とスクリーン２００との間の光軸上に配置されている。このような構成とすることにより、プロジェクター６００の姿勢に関わらず、スクリーン２００に対する偏光制御素子８００の姿勢を所定の姿勢に保つことができる。そのため、偏光制御素子８００によって、常に、偏光方向が配向膜２３１の配向方向と一致する映像光Ｌ’が得られる。
また、プロジェクター６００および偏光制御素子８００を上記のような構成とすることにより、これらによって構成される光投射デバイス９００の構成を簡単なものとすることができる。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の画像表示システムの第２実施形態について説明する。
図９は、本発明の第２実施形態にかかる画像表示システムが備えるスクリーンの断面図、図１０は、図９に示すスクリーン内を通過する映像光を示す図であり、図１０（ａ）が図１中のＡ−Ａ線断面に対応する図であり、図１０（ｂ）が図１中のＢ−Ｂ線断面に対応する図、図１１は、所定のツイスト角における映像光の散乱強度を示す図である。また、図９は、スクリーンに電圧が印加されて、液晶分子が倒れた状態を示している。

以下、第２実施形態の画像表示システムについて、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
本発明の第２実施形態にかかる画像表示システムは、スクリーンの構成が異なること以外は、前述した第１実施形態と同様である。なお、前述した第１実施形態と同様の構成には、同一符号を付してある。

図９に示すように、スクリーン２００Ａでは、配向膜２３１、２３２のラビング方向が９０°ずれて配置されている。これに対応して、配向膜２３１、２３２の間に位置する液晶分子２５３の長軸方向も９０°捩じれて配置されている。
このような高分子分散型液晶層２５０内を通過する映像光Ｌ’は、液晶分子２５３に沿って９０°旋光する。ここで、映像光Ｌ’の旋光性に影響を与える因子は、液晶分子２５３である。一般的なＰＤＬＣ２５１では液晶分子２５３の含有率が９０％以上程度と、高分子２５２に対して非常に高い。そのため、映像光Ｌ’を液晶分子２５３に沿って十分に旋光させることができる。

図１０（ａ）（ｂ）に示すように、電圧印加状態の高分子分散型液晶層２５０に入射する映像光Ｌ’は、旋光しながら、高分子２５２を短軸方向に通過し、液晶分子２５３を長軸方向に通過する。したがって、このような構成のスクリーン２００Ａによっても前述した第１実施形態のスクリーン２００と同等の映像光Ｌ’の散乱性を発揮することができる。
なお、本実施形態のスクリーン２００Ａでは、液晶分子２５３のツイスト角を９０°に設定してあるが、液晶分子２５３のツイスト角は、９０°に限定されない。例えば、ツイスト角は、１８０°、３６０°等の９０°の偶数倍であってもよい。このようなツイスト角の場合には、図１１（ａ）に示すように、全角度方向に均一な映像光Ｌ’の散乱強度を有する。すなわち、全角度方向に対して視野角依存のない配光分布を示すことができ、明るく、全角度方向に広い視野角を有するスクリーン２００Ａとなる。

また、例えば、ツイスト角は、２７０°、４５０°等の９０°の奇数倍であってもよい。このようなツイスト角の場合には、図１１（ｂ）に示すように、高分子分散型液晶層２５０の映像光Ｌ’の散乱強度が異方性を有している。そのため、例えば、スクリーン２００Ａの横方向の明るさおよび視野角を高くするためには、スクリーン２００Ａの横方向に沿って、散乱強度が伸びるように配向方向Ａ、Ｂを規定すればよい。反対に、スクリーン２００Ａの縦方向の明るさおよび視野角を高くするためには、スクリーン２００Ａの縦方向に沿って、散乱強度が伸びるように配向方向Ａ、Ｂを規定すればよい。

＜第３実施形態＞
次に、本発明の画像表示システムの第３実施形態について説明する。
図１２は、本発明の第３実施形態にかかる画像表示システムが備えるプロジェクターの光学系の構成を示す平面図である。
以下、第３実施形態の画像表示システムについて、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
本発明の第３実施形態にかかる画像表示システムは、偏光デバイスがプロジェクターに内蔵されている以外は、前述した第１実施形態と同様である。なお、前述した第１実施形態と同様の構成には、同一符号を付してある。

図１２に示すように、偏光制御素子８００は、プロジェクター６００に内蔵されている。具体的には、偏光制御素子８００は、空間光変調装置６４０と投射光学系６５０との間の光軸上、すなわち、投射光学系６５０よりも映像光Ｌおよび映像光Ｌ’の進行方向上流側に位置している。このように、偏光制御素子８００をプロジェクター６００に内蔵することにより、画像表示システム１００の構成の簡易化を図ることができる。
このような第３実施形態によっても、前述した第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

＜第４実施形態＞
次に、本発明の画像表示システムの第４実施形態について説明する。
図１３は、本発明の第４実施形態にかかる画像表示システムが備えるプロジェクターの光学系の構成を示す平面図である。
以下、第４実施形態の画像表示システムについて、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
本発明の第４実施形態にかかる画像表示システムは、光投射デバイスの構成が異なる以外は、前述した第１実施形態と同様である。

図１３に示すように、光投射デバイスであるプロジェクター３００は、照明光学系３１０と、色分離光学系３２０と、平行化レンズ３３０Ｒ、３３０Ｇ、３３０Ｂと、空間光変調装置３４０Ｒ、３４０Ｇ、３４０Ｂと、クロスダイクロイックプリズム３５０と、投射光学系（投射レンズ群）３６０と、偏光ローテーター３７０とを有している。
照明光学系３１０は、光源３１１と、リフレクター３１２と、第１のレンズアレイ３１３と、第２のレンズアレイ３１４と、偏光変換素子３１５と、重畳レンズ３１６とを有している。

光源３１１は、超高圧水銀ランプであり、リフレクター３１２は、放物面鏡を有して構成されている。光源３１１から射出された放射状の光束は、リフレクター３１２で反射されて略平行光束となり、第１のレンズアレイ３１３へと射出される。なお、光源３１１としては、超高圧水銀ランプに限らず、例えば、メタルハライドランプ等を採用してもよい。また、リフレクター３１２としては、放物面鏡に限らず、楕円面鏡からなるリフレクター３１２の射出面に平行化凹レンズを配置した構成を採用してもよい。

第１のレンズアレイ３１３および第２のレンズアレイ３１４は、小レンズをマトリクス状に配列して形成されている。光源３１１から射出された光束は、第１のレンズアレイ３１３によって複数の微小な部分光束に分割され、各部分光束は、第２のレンズアレイ３１４および重畳レンズ３１６によって照明対象である３つの空間光変調装置３４０Ｒ、３４０Ｇ、３４０Ｂの表面で重畳される。

偏光変換素子３１５は、ランダム偏光の光束を一方向に振動する直線偏光（Ｓ偏光若しくはＰ偏光）に揃える機能を有しており、本実施形態では、色分離光学系３２０での光束の損失が少ないＳ偏光に揃えている。
色分離光学系３２０は、照明光学系３１０から射出された光束を、赤色（Ｒ）光、緑色（Ｇ）光、青色（Ｂ）光の３色の色光に分離する機能を有しており、Ｂ光反射ダイクロイックミラー３２１、ＲＧ光反射ダイクロイックミラー３２２、Ｇ光反射ダイクロイックミラー３２３、および反射ミラー３２４、３２５を備えている。

照明光学系３１０から射出された光束のうち、Ｂ光の成分は、Ｂ光反射ダイクロイックミラー３２１によって反射され、さらに反射ミラー３２４、３６１によって反射されて平行化レンズ３３０Ｂに至る。一方、照明光学系３１０から射出された光束のうち、Ｇ光、Ｒ光の成分は、ＲＧ光反射ダイクロイックミラー３２２によって反射され、さらに反射ミラー３２５によって反射されてＧ光反射ダイクロイックミラー３２３に至る。その中のＧ光の成分は、Ｇ光反射ダイクロイックミラー３２３および反射ミラー３６２に反射されて平行化レンズ３３０Ｇに至り、Ｒ光の成分は、Ｇ光反射ダイクロイックミラー３２３を透過して、反射ミラー３６３に反射されて平行化レンズ３３０Ｒに至る。

平行化レンズ３３０Ｒ、３３０Ｇ、３３０Ｂは、照明光学系３１０からの複数の部分光束を、空間光変調装置３４０Ｒ、３４０Ｇ、３４０Ｂをそれぞれ照明するように各部分光束が、それぞれ略平行な光束となるように設定されている。
平行化レンズ３３０Ｒを透過したＲ光は、空間光変調装置（第１空間光変調装置）３４０Ｒに至り、平行化レンズ３３０Ｇを透過したＧ光は、空間光変調装置（第２空間光変調装置）３４０Ｇに至り、平行化レンズ３３０Ｂを透過したＢ光は、空間光変調装置（第３空間光変調装置）３４０Ｂに至る。

空間光変調装置３４０Ｒは、Ｒ光を画像信号に応じて変調する空間光変調装置であって、透過型液晶表示装置（ＬＣＤ）である。空間光変調装置３４０Ｒに設けられた図示しない液晶パネルは、２つの透明基板の間に、光を画像信号に応じて変調するための液晶層を封入している。空間光変調装置３４０Ｒで変調されたＲ光は、色合成光学系であるクロスダイクロイックプリズム３５０へ入射する。なお、空間光変調装置３４０Ｇ、３４０Ｂの構成および機能は、空間光変調装置３４０Ｒと同様である。

クロスダイクロイックプリズム３５０は、三角柱状の４つのプリズムを貼り合わせることにより、略正方形断面の角柱状に形成されたものであり、Ｘ字状の貼り合わせ面に沿って誘電体多層膜３５１、３５２が設けられている。誘電体多層膜３５１は、Ｇ光を透過してＲ光を反射し、誘電体多層膜３５２は、Ｇ光を透過してＢ光を反射する。そして、クロスダイクロイックプリズム３５０は、空間光変調装置３４０Ｒ、３４０Ｇ、３４０Ｂから出射された各色光の変調光をそれぞれ入射面３５０Ｒ、３５０Ｇ、３５０Ｂから入射して合成し、カラー画像を表す画像光を形成し、その画像光を投射光学系３６０へ向けて射出する。

クロスダイクロイックプリズム３５０と投射光学系３６０との間には偏光ローテーター３７０が配置されている。偏光ローテーター３７０は、波長選択性を有しており、所定の波長の光の偏光方向を９０°回転させる機能（すなわち、Ｓ偏光をＰ偏光へ、または、Ｐ偏光をＳ偏光へ変換する機能）を有している。このような偏光ローテーター３７０としては、特に限定されないが、例えば、カラーリング社製のカラーセレクト（登録商標）を用いることができる。

クロスダイクロイックプリズム３５０は、Ｓ偏光を反射し、Ｐ偏光を透過する単偏光素子であるため、クロスダイクロイックプリズム３５０に反射されるＲ光およびＢ光をＳ偏光とし、クロスダイクロイックプリズム３５０を透過するＧ光をＰ偏光とする必要がある。このように、Ｒ光およびＢ光とＧ光とでクロスダイクロイックプリズム３５０から出射された偏光方向が異なっているため、Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光の偏光方向を揃えるために偏光ローテーター３７０が配置されている。

偏光ローテーター３７０は、Ｒ光およびＢ光の偏光を９０°回転させ、Ｇ光の変更を回転させない構成となっている。そのため、偏光ローテーター３７０を通過したＲ光、Ｇ光、Ｂ光は、その偏光方向が互いに同じ光となる。ここで、Ｇ光は、Ｒ光、Ｂ光と比較して比視感度が高い成分である。そのため、偏光ローテーター３７０のように、Ｇ光の偏光を回転させずに、Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光の偏光を揃えることによって、Ｇ光の損失を抑制し、観察者にとって明るい画像表示が可能となる。

偏光ローテーター３７０を通過した映像光は、映像光Ｌ’として投射光学系３６０から出射される。
このような構成のプロジェクター６００によれば、直線偏光である映像光Ｌ’を出射することができるため、前述した第１実施形態のような偏光制御素子８００が不要となり、画像表示システム１００の構成が簡易化される。

このような第４実施形態によっても、前述した第１実施形態と同様の効果を奏することができる。
なお、本実施形態では、３つの透過型液晶表示装置（ＬＣＤ：Liquid Crystal Display）を用いたプロジェクターについて説明したが、プロジェクターの構成としては、これに限定されない。例えば、３つの反射型液晶表示装置（ＬＣＤ）を用いた構成であってもよい。また、透過型／反射型を問わず、２つの液晶表示装置を用いた構成であってもよい。すなわち、偏光を利用したマイクロディスプレイであって、２つ以上のマイクロディスプレイを用いるプロジェクターであれば、本実施形態を適用することができる。

＜第５実施形態＞
次に、本発明の画像表示システムの第５実施形態について説明する。
図１４は、本発明の第５実施形態にかかる画像表示システムが備えるプロジェクターの光学系の構成を示す平面図である。
以下、第５実施形態の画像表示システムについて、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。

本発明の第５実施形態にかかる画像表示システムは、光投射デバイスの構成が異なる以外は、前述した第１実施形態と同様である。
図１４に示すように、光投射デバイスであるプロジェクター７００は、光源ユニット７１０と、ＰＢＳ（偏光ビームスプリッター）プリズム７３０と、反射型液晶パネル７４０と、投射光学系（投射レンズ群）７５０とを有している。

光源ユニット７１０は、赤色、緑色、青色のレーザー光源７１１Ｒ、７１１Ｇ、７１１Ｂと、レーザー光源７１１Ｒ、７１１Ｇ、７１１Ｂに対応して設けられたコリメーターレンズ７１２Ｒ、７１２Ｇ、７１２Ｂおよびダイクロイックミラー７１３Ｒ、７１３Ｇ、７１３Ｂとを備えている。
レーザー光源７１１Ｒ、７１１Ｇ、７１１Ｂは、それぞれ、図示しない光源と駆動回路とを有している。そして、レーザー光源７１１Ｒは、赤色のレーザー光を射出し、レーザー光源７１１Ｇは、緑色のレーザー光を出射し、レーザー光源７１１Ｂは、青色のレーザー光を出射する。これらレーザー光源７１１Ｒ、７１１Ｇ、７１１Ｂから出射される各色のレーザー光は、直線偏光であって、互いに偏光方向（光の振動方向）が同一となっている（例えば、Ｓ波）。

各レーザー光源７１１Ｒ、７１１Ｇ、７１１Ｂから出射された各色のレーザー光は、コリメーターレンズ７１２Ｒ、７１２Ｇ、７１２Ｂによって平行化され、ダイクロイックミラー７１３Ｒ、７１３Ｇ、７１３Ｂに入射する。ダイクロイックミラー７１３Ｒは、赤色のレーザー光を反射する特性を有している。ダイクロイックミラー７１３Ｂは、青色のレーザー光を反射するとともに、赤色のレーザー光を透過する特性を有している。ダイクロイックミラー７１３Ｇは、緑色のレーザー光を透過するとともに、赤色、青色のレーザー光を反射する特性を有している。

レーザー光源７１１Ｒ、７１１Ｇ、７１１Ｂは、順次点滅するように駆動が制御されており、これにより、赤色のレーザー光、緑色のレーザー光、青色のレーザー光が順次出射される。出射された各色のレーザー光は、それぞれ、コリメーターレンズ、ダイクロイックミラーを通過し、ＰＢＳ（偏光ビームスプリッター）プリズム７３０の反射面で反射されて反射型液晶パネル７４０に投射される。

反射型液晶パネル７４０は、ＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ）であって、反射層を有するものである。したがって、この反射層で反射されてＰＢＳプリズム７３０を通過した各色のレーザー光は、映像光Ｌ’として投射光学系７５０から出射される。なお、反射型液晶パネル７４０によって反射された各色のレーザー光は、偏光方向が９０°回転し、Ｐ偏光となる。

このような構成のプロジェクター７００によれば、直線偏光である映像光Ｌ’を出射することができるため、前述した第１実施形態のような偏光制御素子８００が不要となり、画像表示システム１００の構成が簡易化される。
このような第５実施形態によっても、前述した第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

なお、本実施形態では、１枚の反射型液晶パネル７４０を用いた単板方式であるが、プロジェクター７００の構成は、これに限定されない。例えば、赤色光、緑色光、青色光ごとに反射型液晶パネルを設けた３板方式であってもよいし、反射型液晶パネルに換えて透過型液晶パネルを用いた構成であってもよい。また、その他、光源ユニット７１０からの各色の光が予め同一方向の振動成分のみを持つ直線偏光となっているプロジェクター（例えば、偏光制御型の単板プロジェクター、各色の光の偏光方向を制御したスキャンプロジェクター等）であれば、プロジェクターの構成としては特に限定されない。

以上、本発明の画像表示システムについて、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明の画像表示システムは、これに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。
また、前述した実施形態では、リバース型のスクリーンを用いたが、ノーマル型のスクリーン、すなわち、電圧非印加状態において散乱状態となり、電圧印加状態において透過状態となるスクリーンを用いてもよい。

１００…画像表示システム ２００、２００Ａ…スクリーン ２１１、２１２…透明基板 ２２１、２２２…透明電極 ２３１、２３２…配向膜 ２５０…高分子分散型液晶層 ２５１…ＰＤＬＣ ２５２…高分子 ２５３…液晶分子 ３００…プロジェクター ３１０…照明光学系 ３１１…光源 ３１２…リフレクター ３１３…レンズアレイ ３１４…レンズアレイ ３１５…偏光変換素子 ３１６…重畳レンズ ３２０…色分離光学系 ３２１…Ｂ光反射ダイクロイックミラー ３２２…ＲＧ光反射ダイクロイックミラー ３２３…Ｇ光反射ダイクロイックミラー ３２４…反射ミラー ３２５…反射ミラー ３３０Ｂ…平行化レンズ ３３０Ｇ…平行化レンズ ３３０Ｒ…平行化レンズ ３４０Ｂ…空間光変調装置 ３４０Ｇ…空間光変調装置 ３４０Ｒ…空間光変調装置 ３５０…クロスダイクロイックプリズム ３５０Ｂ、３５０Ｇ、３５０Ｒ…入射面 ３５１…誘電体多層膜 ３５２…誘電体多層膜 ３６０…投射光学系 ３６１…反射ミラー ３６２…反射ミラー ３６３…反射ミラー ３７０…偏光ローテーター ４００…制御部 ４１０…画像信号処理部 ４２０…スクリーン制御部 ５００…パーソナルコンピューター ６００…プロジェクター ６２０…光源装置 ６２１…超高圧水銀ランプ ６２２…リフレクター ６３０…均一照明光学系 ６３１…ロッドインテグレーター ６３２…カラーホイール ６３２ａ…フィルター面 ６３３…リレーレンズ群 ６３４…反射ミラー ６４０…空間光変調装置 ６４１…基板 ６４２…光変調素子 ６５０…投射光学系 ６５１…投射レンズ ７００…プロジェクター ７１０…光源ユニット ７１１Ｂ、７１１Ｇ、７１１Ｒ…レーザー光源 ７１２Ｂ、７１２Ｇ、７１２Ｒ…コリメーターレンズ ７１３Ｂ、７１３Ｇ、７１３Ｒ…ダイクロイックミラー ７３０…ＰＢＳプリズム ７４０…反射型液晶パネル ７５０…投射光学系 ８００…偏光制御素子 ９００…光投射デバイス

Claims (7)

1. 入射した光を透過させる透過状態と前記入射した光を散乱させる散乱状態とを切り替えることのできるスクリーンと、前記スクリーンに映像光を投射し、前記スクリーンに画像を表示させる光投射デバイスとを備える画像表示システムであって、
   前記スクリーンは、対向配置する第１配向膜および第２配向膜、前記第１配向膜と前記第２配向膜との間に挟持され、負の誘電異方性を有する液晶分子および前記液晶分子と異なる高分子を含む垂直配向型の高分子分散型液晶層、を有し、
   前記第１配向膜は、第１の方向にラビングされており、
   前記光投射デバイスは、前記第１配向膜側から、前記第１の方向と平行な方向に振動する直線偏光である前記映像光を前記スクリーンに投射することを特徴とする画像表示システム。
2. 前記光投射デバイスは、光源と、
   光源から出射した光の強度を変調して、前記映像光を生成する空間光変調装置と、
   前記空間光変調装置によって生成された前記映像光を、前記スクリーンに向けて投射する投射光学系と、
   前記空間光変調装置によって生成された前記映像光を直線偏光とする偏光制御素子と、を有している請求項１に記載の画像表示システム。
3. 前記偏光制御素子は、前記空間光変調装置と前記投射光学系との間の光軸上に位置している請求項２に記載の画像表示システム。
4. 前記偏光制御素子は、前記投射光学系と前記スクリーンとの間の光軸上に位置している請求項２に記載の画像表示システム。
5. 前記光投射デバイスは、直線偏光である赤色光、緑色光および青色光を出射する照明光学系と、
   前記赤色光を変調する第１空間光変調装置と、
   前記緑色光を変調する第２空間光変調装置と、
   前記青色光を変調する第３空間光変調装置と、
   前記第１空間光変調装置によって変調された前記赤色光、前記第２空間光変調装置によって変調された前記緑色光および前記第３空間光変調装置によって変調された前記青色光のうち１つまたは２つの光の偏光方向を回転させて、前記赤色光、前記緑色光および前記青色光の偏光方向を揃える偏光ローテーターと、を有している請求項１に記載の画像表示システム。
6. 前記偏光ローテーターは、前記赤色光および前記青色光の少なくとも一方の偏光方向を回転させることによって、前記赤色光、前記緑色光、前記青色光の偏光方向を揃える請求項５に記載の画像表示システム。
7. 前記光投射デバイスは、同一方向に振動する直線偏光である赤色光、緑色光および青色光を順次出射する照明光学系と、
   前記赤色光、前記緑色光および前記青色光を変調する空間光変調装置と、を有している請求項１に記載の画像表示システム。

Images