JP2017083500A - 反射型画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】投影される遮光板の表面や端部を十分暗くし、画像縁辺外の画像に対する視認妨害を低減すること。【解決手段】光源装置と、前記光源装置から射出された光束を変調する反射型画像表示装置と、前記反射型画像表示装置において画像生成領域の縁辺外を覆う遮光板を有し、前記遮光板には、前記画像生成領域に対して前記光束を通過させる開口部が設けられ、前記遮光板の前記光束が照射する面である光束照射面は、前記光軸と直交する面に対して所定角度だけ傾斜しており、前記光軸と前記光束照射面の法線との成す角度をθ１とし、前記光束照射面が光軸寄りに傾く場合にθ１をプラスと定義し、前記画像生成装置に入射する光束のうち前記画像生成装置に対して最も大きな角度で入射する光の入射方向と前記光軸との成す角をθ２としたときに、θ１はプラスであり、前記光束照射面全体でθ１＞θ２なる関係が満たされていることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、反射型画像表示装置に関し、特に、画像生成部周辺に投影光強度を低減する部材を配置した反射型画像表示装置の構造に関する。

プロジェクターなどに用いられる画像表示装置は、光源から射出された光を画素に分割して、各画素で強度変調し画像生成する。該生成画像は、スクリ−ンなどに投影される。画像表示装置の強度変調方法として、光源からの光を画素分割された透明基板に導き、該画素ごとの透過率を制御する透過型と、光源からの光を画素分割された反射基板で反射させ、該画素ごとの反射率を制御する反射型がある。

反射型画像表示装置を内部に構成した投写システムでは、光源から出射された光を照明光学系で均一な強度分布に調整し、該均一強度の光で、反射型画像表示装置の画素領域含む領域を照明する。

該画素領域への照明は、照明光学系組込み時に発生する各部品の位置バラつきを考慮し、該画素領域の縁辺外も照明領域とする。該領域からの反射光が投影されると、生成画像視認の妨げため、該領域の反射率を画像生成領域の反射率以下にする、あるいは、該領域の反射光が投影されにくい光学構成とするなどの対策が必要だが、暗い環境で明るい画像を投影する場合には、前記画素領域縁辺外からの反射光が画像視認妨害を起こす場合がある。

前記透過型画像表示装置では、照明光が画素領域縁辺外をまったく透過しないため、該問題は発生しない。前記反射型画像表示装置において、投写像を明るくするため、強い光源を使用した場合は、前記画素領域縁辺外からの反射光も一層強くなる。したがって、明るい投写を行う場合には、該問題によって、反射型画像表示装置の使用条件が制限される。

前記画素領域縁辺外の領域について、詳述する。画像生成領域を作成するために、元基板を加工する際、画素領域内で均一な反射率を実現するため表面をCMP（Chemical Mechanical Polishing）なる手段で、表面を平坦化するが、画素領域などのように同一パターン繰り返し領域の周辺部では、加工ムラが生じ、その結果、反射率バラつきが起きる。該加工ムラを防ぐため、画像領域縁辺外に画像領域と同一パターン、同一構造の領域を形成し、画素領域の平坦性を向上させている。該画像領域縁辺外の画素領域と同一パターンの領域をダミー画素領域と呼ぶ。該ダミー画素領域が、前記画素領域縁辺外に存在する。

また、画像領域縁辺外の基板内には、反射率制御情報を各画素回路に分配する半導体集積回路が構成されるが、該回路に照明光が到達すると、半導体回路内で光電子が生成し、該電子が回路の誤動作を起こしてしまう。該誤動作を防ぐため該回路が位置する基板表面を第１の遮光板で覆い、照明光を遮断している。該遮光板が前記ダミー画素領域よりさらに外側に配置される。

また液晶を使い反射率を制御する反射型液晶画像表示装置においては、液晶を、２枚の平板形状の基板と、該２枚の基板の周辺で、該２枚の基板を接合している接着剤で形成した閉じた領域に封入しているが、前記接着剤が光照射により劣化することを防ぐため、前記接着剤領域の基板表面には、照明光を遮断する第２の遮光板を配置している。反射型液晶画像表示装置においては、第１の遮光板と第２の遮光板は兼用される。

前記遮光板は照射光を吸収し熱に変換するが、該吸収熱が基板に伝導することを防ぐため、該遮光板と該基板との間に空気層を形成するとともに、別途配置した高熱伝導部材に該遮光板を接触させ、排熱する。従って、投写された像は、該基板にフォーカス調整されるため、該基板との間に空気層を形成した該遮光板の投写像はデフォーカスする。該遮光板が画素領域の近くに配置されていると、該デフォーカスした遮光板像が投写された生成画像に重なってしまう。これを防ぐため、光束と接する遮光板開口端部は、基板表面と平行方向に、画素領域から離して配置している。

このため、画素領域と、該基板上の前記遮光板開口端部に対抗する位置との間には、反射光が投写される領域が生じる。該領域は、画素領域と同じ表面構成で形成し、ダミー画素領域と呼ぶ。

上述した２種類の画素領域縁辺外からの反射光の問題点を次に述べる。ダミー画素領域は、照明され、反射光が投影されるが、生成画像の視認を妨げないよう、該反射率は低いことが望ましい。該ダミー画素領域の表面は、画素領域と同一のパターン、同一の工程で製作されるため、投影される明るさは、画像生成領域の最も低く制御された明るさとほぼ同等となり、暗い画像を生成し、投影した場合は、画素領域とダミー画素領域の識別は、困難である。

投影画像の鑑賞者が画像表示領域を明確に認識できることは、画像切り替え時に視認位置を安定させるために必要であるが、前記ダミー画素領域が広い場合には、ダミー画素領域と画像生成領域の境目が識別できないため、鑑賞者が画像の表示域を喪失してしまう問題が生じる。このために、ダミー画素領域の幅は狭くする必要が有り、かつ、前記したように遮光板からの投写像は、黒の生成画像の投写像より暗くすることが必要である。

次に、遮光板からの反射光の投写明るさの問題について、詳述する。液晶の偏光変調制御とPBS（偏光ビームスプリッター）で反射率を制御する反射型液晶画像表示装置では、３，０００ルーメン以上の明るさで投写した場合、遮光板からの反射光の投写明るさの問題が発生する。

投写明るさを低減する方法として、黒色塗装や、黒色メッキが使われるが十分で無い場合がある。さらに低減する方法として、表面に、微細で急峻な凹凸を形成し、反射率を下げる方法が有るが、十分に低い反射率を実現するためには、表面の凹凸形状を均一に精度よく形成する必要が有る。該精度を実現するために、ドライエッチング装置のような高価な加工装置が必要となるが、画像表示装置のコストを上げてしまい、汎用のプロジェクター用部品の製造には適当でない。

安価に投影明るさを下げる方法として、特許文献１では、遮光板の照明光受光部の表面を光軸外側に傾け、反射光を投写光学系部品に当てる光学系とすることで、スクリーンに投写されない方法を提案している。しかしながら、該構造では、前記遮光板開口端部において、加工により生じる丸み部で画像表示部と平行な部分が生じ、該領域からの反射光がスクリーン上に投影されてしまう。さらに、遮光板表面を傾けたことで、前記遮光板開口端部と画素領域との光軸方向の距離が大きくなり、前記開口端部の投影像が大きくデフォーカスし、投影された画素領域の像内まで入り込んでしまい、画質を劣化させてしまう問題がある。

該問題を避けるためには、ダミー画素領域を広げる必要があるが、前記したように投写像観賞者が画像領域を喪失すると云う新たな問題を生起してしまう。

特開２０１１−１６４１４７号公報

そこで、本発明の目的は、遮光板の表面や端部の投影像を、黒表示された際の画素領域投影像より十分暗くすることで、投影画像の領域を明確に視認できるようにし、かつ画素領域縁辺外からの投影像による画像への視認妨害を低減することにある。

上記の目的を達成するために、本発明に係る反射型画像表示装置は、
遮光板の照明光受光部を、光軸側に傾けること特徴とする。

本発明によれば、反射型画像表示装置を用いた投写システムにおいて、画像鑑賞者が投写された画像領域を明確に認識できるようになり、かつ遮光板の投影像が、投写像鑑賞者に与える画像の視認妨害を低減することが可能となる。

反射型画像表示装置を組み込んだ反射型液晶プロジェクターの概略図である。 本発明の作用を説明するための、反射型液晶プロジェクターの概略図である。 本発明の偏光変換素子ユニットの説明図である。 本発明を詳細に説明するための反射型液晶画像表示装置の一部を概念的に示す図である。 本発明の液晶パネルへの照度の入射角度分布を示す図である。 遮光板被照明領域に施した低反射処理における、反射率の角度依存性を示す図である。

以下に、本発明の好ましい実施の形態を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。

［実施例］
図１は従来の反射型液晶プロジェクターの構成を示す光路図であり、図２ａ、ｂは、実施例のプロジェクターの構成を示す光路図である。

光源１０からの光束を利用して、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１７を介して画像表示装置である反射型液晶画像表示装置（以下、反射型液晶パネルという）１８を照明し、反射型液晶パネル１８において画素ごとに偏光変調された反射光（画像光）を再度ＰＢＳ１７と投射レンズ３１を介して、スクリーン等の被投射面３３に投射する。構成要素について詳しく説明する。

光源１０から出射した光は、楕円リフレクター１１および並行化レンズ１２によって略平行な光束となり、照明光学系１９に入射する。光源１０は、例えばメタルハライドランプ、キセノンランプ、高圧水銀ランプ、ハロゲンランプ等により構成される。また、楕円リフレクター１１の代わりに放物面リフレクター、球面リフレクター等によりリフレクターを構成してもよい。リフレクターの形状に応じて、リフレクターから射出された光を平行化する平行化レンズが用いられないことがある。

照明光学系１９は、第１のフライアイレンズ１３、第２のフライアイレンズ１４、偏光変換素子１５、およびコンデンサーレンズ１６を有している。第１のフライアイレンズ１３は、入射光束を複数の光束に分割する複数のレンズ要素１３ａを有し、第２のフライアイレンズ１４は、複数のレンズ要素１４ａを有し、偏光変換素子１５は、複数の変更変換ユニット１５ａを有している。第１のフライアイレンズに入射する光束は、第１のフライアイレンズ１３の複数のレンズ要素１３ａに入射した光束ごとに集光される。

レンズ要素１３ａにより集光された光束は、レンズ要素１３ａと対応するレンズ要素１４ａに結像する。すなわち、第２のフライアイレンズ１４の複数のレンズ要素１４ａの各々に二次光源像が形成される。レンズ要素１４ａに形成された二次光源像からの光束は、該レンズ要素１４ａに対応する偏光変換ユニット１５ａに入射する。

図３を参照して、偏光変換素子ユニット１５ａを説明する。

偏光変換ユニット１５ａは、偏光分離面１５ｂと、反射面１５ｃと、１／２波長板１５ｄとを有する。偏光分離面１５ｂに入射した光のうち所定の偏光方向と直交する偏光成分は偏光分離面１５ｂを透過して、１／２波長板１５ｄでその偏光方向が９０度変換されて偏光変換素子ユニット１５ａから射出する。一方、偏光分離面１５ｂに入射した光のうち所定の偏光方向に平行な偏光成分は、偏光分離面１５ｂで反射し反射面１５ｃで反射し射出される。この結果、偏光変換素子ユニット１５ａは、入射した無偏光光を所定の偏光方向を有する直線偏光光に変換して射出する。

偏光変換素子１５から出射した光束は、コンデンサーレンズ１６に入射して屈折し、液晶パネル１８の被照明領域に重畳される。第１のフライアイレンズ１３により空間的に分割された複数の光束の各々が、被照明領域の略全域を照明することにより、複数の光束で照度分布が平均化され、被照明領域での照度が均一化される。

前記被照明領域には、遮光板２０の一部が含まれ、該遮光板２０の被照明領域２０ａは、光軸側に２０°傾けてある。該被照明領域２０ａの表面は、黒色クロームメッキを施してあり、可視領域の分光反射率は１．０％である。該メッキ表面には５〜５０ｕｍピッチの微細な凹凸が有り、該メッキ表面の反射光強度は、一方向からの照明光に対して正反射の角度を最大値とした角度分布を有する。

次に、遮光板２０の被照明領域２０ａの投写像を暗くするメカニズムを説明する。

液晶パネル１８への照度の入射角度分布を図５に示す。最大入射角度Ｂは１５°である。仮に、前記遮光板被照明領域２０ａの表面の反射角度依存性がなく、正反射光のみを反射する場合、該被照明領域２０ａは１５°以上傾ければ、反射光はすべて投影光学系開口絞り３２乃至は、投影光学系内部に当たる。該反射光が強い場合は、開口絞り３２からの再反射光が投影光学系３１内で散乱し、スクリーン３３に投影され、ゴーストやフレアとなる場合がある。ゆえに、前記被照明領域２０ａからの反射光は弱い必要があり、従って、前記被照明領域２０ａの表面は、低反射処理が必要である。

低反射処理には、黒色塗装や黒色メッキがあるが、いずれの場合も反射率２〜３％以下の低反射処理は、表面に光吸収率の高い材料を生成するだけでは所定の反射率を実現できないため、表面の低反射材に凹凸を形成し、照明光を該凹凸構造内で複数回反射させ、再入射時に起きる吸収で吸収率を上げるメカニズムを採用している。該表面構造では、反射光は、正反射光の反射角度周辺の角度に反射強度分布を持つ。したがって、上述した照明光の最大入射角度と同じ角度で、非照明領域２０ａを傾けても、被照明領域２０ａからの投影光は大きく減少しない。

投影光学系開口絞り３２の透過率を求めるためには、被照明領域２０ａに対する入射角度ごとの光束に対し、反射角度依存性を考慮して開口絞り３２を透過する光束を求め、積算する必要がある。

図６に前記黒色クロームメッキの、垂直入射光に対する反射光強度の角度特性を示すが、照射面法線方向を０°とすると、該角度で最大であり角度が増すに従い反射光強度は低下する。１０°傾けると最大強度の５０％となる。

図５の入射角度分布と、図６の反射角度分布を元に計算すると、非照明領域２０ａの傾け角度を、最大入射角度Ｂ＋Ａ／２とすれば、従来の被照明領域の形状の場合に比べ、投影光学系開口絞り３２の透過率を１０分の１に低減できることが分かった。ここで、Ａは、非照明領域２０ａの表面において、垂直入射光に対して正反射光強度の５０％の反射強度となる反射角度を言う。

本構成では、Ｂ＋Ａ／２＝２０°となり、実施例では、該角度で被照明領域２０ａを傾けた。

図２ａ、ｂ、図４を参照して、遮光板２０の被照明領域２０ａからの反射光路を説明する。

前記被照射領域２０ａからの反射光の大部分はＰＢＳ１７の偏光膜１７ａを透過せず反射するが、一部の光はＰＢＳの特性により透過する。図２ａ、ｂに示したごとく、前記被照射領域２０ａからの反射光のうち光軸に近い光束３６は投写光学系の開口絞り３２にあたり、光軸から離れた光束３７は、プリズム１７内壁に当たり、再反射されるが、光学系内の再投写面に不図示の吸収体を配置しているので吸収される。その結果、遮光板２０からの投写光は、略１０分の１に減少した。

図４を参照して、本発明によるダミー画素領域狭化について述べる。

遮光板２０の被照射領域２０ａは光軸側に傾くため、従来遮光板に比べ、光束と接する開口部端部２０ｂは基板に近づき、投写像のデフォーカスは小さくなった。これにより、図４に示したダミー画素領域２７ａを狭くでき、２０ａからの反射光投影低減による効果と併せて、画素領域の縁辺外は、画素領域２６直近まで非常に暗い領域を形成できた。この結果、投写像鑑賞者の画像領域の視認性が著しく向上し、かつ、遮光板投写像による生成画像視認妨害も著しく低減させることができた。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

本発明は、反射型画像表示装置に関するものである。特に、画素領域縁辺外に配置された遮光板の構造に関するものであり、該遮光板の投写明るさを低減する発明である。

１０ 光源、１３ 第１のフライアイレンズ、１４ 第２のフライアイレンズ、
１５ 偏光変換素子、１７ 偏光ビームスプリッタ、１７ａ 偏光分離面、
１８ 反射型液晶パネル（反射型画像表示装置）、
１８ａ １８内に構成された反射基板、１８ｂ １８に構成された透明基板、
１８ｃ １８に構成された液晶層、１８ｄ １８に構成された画素反射面、
１８ｅ １８に構成された液晶駆動回路、
１８ｆ １８に構成された液晶駆動情報分配回路、
１８ｇ １８に構成された基板接着剤、１９ 照明光学系、２０ 遮光板、
２０ａ 遮光板の被照射面、２１ 反射型液晶パネル照明光、
２２ ２０ａからの反射光、２３ ２１の光軸、２４ ２２の光軸、
２５ ２０ａの法線、２６ 画素領域、２７ ダミー画素領域、
２７ａ ２７の投影される領域、３１ 投写光学系、３２ 投写光学系の開口絞り、
３３ スクリーン、３４ 画素領域からの反射光の投写光学系光路、
３５ａ，３５ｂ 従来技術で構成された２０ａからの反射光の投写光学系光路、
３６ 本発明で構成された２０ａからの反射光のうち光軸に近い光束、
３７ 本発明で構成された２０ａからの反射光のうち光軸から離れた光束

Claims (3)

1. 光源装置と、
   前記光源装置から射出された光束を変調する反射型画像表示装置と、
   前記反射型画像表示装置において画像生成領域の縁辺外を覆う遮光板を有し、
   前記遮光板には、前記画像生成領域に対して前記光束を通過させる開口部が設けられ、
   前記遮光板の前記光束が照射する面である光束照射面は、前記光軸と直交する面に
   対して所定角度だけ傾斜しており、
   前記光軸と前記光束照射面の法線との成す角度をＣとし、
   前記光束照射面が光軸寄りに傾く場合にＣをプラスと定義し、
   前記画像生成装置に入射する光束のうち前記画像表示装置に対して最も大きな角度で
   入射する光の入射方向と前記光軸との成す角をＢとしたときに、
   Ｃはプラスであり、
   前記光束照射面全体でＣ＞Ｂなる関係が満たされていること
   を特徴とする反射型画像表示装置。
2. 前記光束照射面が、垂直入射光に対して最大反射光強度が法線方向で最大となり、法線方向から
   Ａ倒れた角度で前記法線方向反射強度の５０%となる低反射率処理を施されたとき、
   Ｃ＞Ｂ＋Ａ／２なる関係が満たされていること
   を特徴とする請求項１に記載の反射型画像表示装置。
3. 前記反射型画像表示装置が、液晶駆動により画像を生成すること
   を特徴とする請求項２に記載の反射型画像表示装置。