JP2793803B2 - 液晶プロジェクション装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明はマトリックス駆動さ
れる液晶パネルを少なくとも３枚用いて加法三原色
（赤、緑、青）の色光をそれぞれ制御し、それらを任意
の割合で加色混合させた小型、軽量のプロジェクション
装置に関するものである。 【０００２】 【従来の技術】大量の情報を効率良く表示するための表
示パネルとして用いられているマトリックス液晶パネル
は、少なくともドットマトリックス状に配列された多数
の絵素電極とそれに印加された電圧に応じて光を変調す
る液晶層を構成要素として含み、各絵素にそれと対応す
る映像信号を印加することにより、中間調を含む任意の
単色映像を表示させるものが一般的である。 【０００３】従来の液晶のテレビジョン（ＴＶ）への応
用例では単一のパネルを用い、モノクロームの画像表示
が行われている。ＭＯＳ−ＦＥＴの集積されたＳｉウエ
ファー基板により駆動されるＧＨ液晶パネルを用いた腕
時計型液晶ＴＶや、ＴＮ液晶パネルを用いたポケッタブ
ルＴＶが商品化されている。液晶についての詳細は、佐
々木編「液晶エレクトロニクスの基礎と応用」オーム社
（１９７９）などに示されている。 【０００４】液晶パネルの個々の絵素を個別に制御する
為には通常次の三方式のいずれかが用いられる。 【０００５】（１） 単純マトリックス方式 二枚の基板のそれぞれにストライプ状の行電極と列電極
を設け、それらが直交するように貼り合わせてパネルを
構成する。行電極には順次行選択信号が印加され、列電
極には行選択信号と同期して画像信号が印加される。行
電極と列電極の交点が絵素となり、両電極に挟まれた部
分の液晶がその電位差に応答して光学特性を変える。 【０００６】液晶は、実効値に応答する素子である為、
電圧平均化法による駆動ではクロストークの発生が問題
となり、走査ライン数をあまり大きく設定することがで
きない。 【０００７】このような問題を克服する為に、次の二つ
の方式が開発されている。 【０００８】（２） 非線形素子の付加 各絵素にバリスター、ＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ／Ｉｎｓｕｌ
ａｔｏｒ／Ｍｅｔａｌ）などの非線形素子を付加し、ク
ロストークを抑制する方式である。 【０００９】（３） スイッチング素子の付加 各絵素にスイッチング・トランジスタを付加し、個別に
駆動する方式である。選択期間中に駆動電圧が印加さ
れ、絵素及び蓄積コンデンサーに電圧が充電されかつそ
れが非選択期間中にも保持される。尚、液晶自体も容量
性の付加であり、その時定数が駆動の繰り返し周期に比
べて十分大きい場合には、蓄積コンデンサーは省略する
ことができる。 【００１０】スイッチング・トランジスタとしては薄膜
トランジスタ（ＴＦＴ）またはシリコン・ウエファ上に
形成されたＭＯＳ−ＦＥＴなどが用いられる。 【００１１】本発明は上記（２）及び（３）において、
コントラスト並びに解像度の面で有効な結果が得られ
る。 【００１２】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来のカラー液晶パネル（たとえば、特公昭５４−１８８
８６号）では同一のパネル上に三原色の着色手段をスト
ライプ状又はモザイク状に配置し、カラーブラウン管
（ＣＲＴ）と同じ原理により加色混合されるので、加法
三原色（赤、緑、青）が用いられる。このような加法混
合が行われるシステムで減法三原色（黄色、シアン、マ
ゼンタ）を用いるのは色再現範囲が狭くなるので得策で
はない。 【００１３】従来のプロジェクションＴＶは、三原色の
それぞれに専用のＣＲＴを用い、それらにより再生され
た画像をレンズによりスクリーン上に投影する方式であ
る。現行の技術ではＣＲＴの明るさは十分では無いの
で、あまり大画面に投影することができない。また、少
しでも明るく見せる為に指向性のスクリーンを用いるの
で視角は非常に狭くなる。 【００１４】さらに、大型のＣＲＴを３本用い、スクリ
ーンと一体化した構成になっているので、非常に大掛り
な装置となり設置場所に制限を受ける。 【００１５】プロジェクションタイプの液晶表示として
はレーザー書き込みのものが既に提案されているが、単
色表示で動画表示ができないものであり本発明とは原理
的に異なり、また装置も大掛りなものになる。 【００１６】 【課題を解決するための手段】本発明は上述した課題の
解決を目的としたものであり、請求項１に記載の液晶プ
ロジェクション装置は、アクティブマトリックスにより
絵素単位で表示駆動され、それぞれが独立に加法三原色
の投射光を制御する少なくとも３枚の液晶パネルを配置
し加法混合された表示パターンを投影表示する液晶プロ
ジェクション装置において、単一光源からの出射光を分
割して異なる光路へ投射せしめるダイクロイックミラー
が設けられかつ該ダイクロイックミラーを経由して投射
される投射光の各光路上に前記液晶パネルが配置され、
前記液晶パネルの各々を通過した三原色の投射光は光路
屈折手段により同一光軸上に合致された後投影表示され
るとともに、該液晶パネルの温度上昇を抑制する冷却手
段が具設されることを特徴とする。また、このとき液晶
パネルの温度上昇を抑制する冷却手段は冷却ファンによ
る空冷方式であることを特徴とする。さらに、各パネル
の制御する色光の波長域が、 「赤：λ１より長波長側 緑：λ１〜λ２ 青：λ２より短波長側 ただし、λ１＝５６０〜６００ｎｍ、λ２＝４８０〜５
２０ｎｍであり、それぞれの液晶パネルが制御すべき色
光の強度がピークの５０％になる波長を表す。」となる
ように選定されていることを特徴とする。 【００１７】本発明に従えば、少なくとも３枚の液晶パ
ネルを、それぞれ独立に三原色の色光を制御するライト
バルブとして用いることにより、赤、緑、青の各波長域
の光はそれぞれ対応する液晶パネルによってその強度が
変調され、それらが合成される結果任意の色が再現でき
る小型軽量で明るく視角依存性のない新規有用なプロジ
ェクション装置を提供することができる。 【００１８】また、液晶パネルの温度上昇を抑制する冷
却手段を具設していることにより、液晶パネルの電気光
学特性の温度依存性による表示品位の低下が防止され、
また、液晶材料の電気抵抗値の低下に起因して液晶層へ
の印加電圧実効値が低下することによる表示特性の変化
が防止され、さらに、長時間の動作や保存により液晶材
料中の可動イオンが増加して電気抵抗値が更に低下して
信頼性を損なうということも防止することができる。 【００１９】 【発明の実施の形態】まず、ＴＦＴが集積されたアクテ
ィブ・マトリックス基板を作製する。図１（Ａ）はＴＦ
Ｔの一例を模式的に描いた平面図であり、図１（Ｂ）は
その断面図である。 【００２０】ＴＦＴはガラスなどの透明な絶縁性基板
（１０）の上にゲート電極（１１）、ゲート絶縁膜（１
２）、半導体膜（１３）、ソース電極（１４）、及びド
レイン電極（１５）が順次パターン化され積層されて構
成されている。ドレイン電極（１５）には絵素電極（１
６）及び必要に応じて設けられた蓄積コンデンサー（１
７）が接続される。薄膜形成法としては真空蒸着法、ス
パッタリング法、ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、減圧Ｃ
ＶＤ法などが用いられ、シャドウマスクやフォトリソグ
ラフィーの技術によってパターン化される。このＴＦＴ
が形成された基板で液晶を駆動する為に更に光シールド
及び配向膜を設ける。半導体膜（１３）としてｎ型半導
体を用いた場合、ゲート電極（１１）に正の電圧を印加
すると半導体膜（１３）のゲート絶縁膜（１２）側の界
面に電子の蓄積層が形成されソース電極（１４）とドレ
イン電極（１５）との間の抵抗が減少する。 【００２１】図１（Ｃ）はＴＦＴパネルで液晶を駆動す
る場合の結線図である。 【００２２】ゲート電極（１１）には周期的に走査パル
スが印加され、ＴＦＴは、オン（ＯＮ）状態にされる。
これに同期してソース電極（１４）には画像信号が印加
され、ＴＦＴを通して絵素電極（１６）及び必要に応じ
て設けられた蓄積コンデンサー（１７）に印加され、液
晶を駆動する。蓄積コンデンサー（１７）はＴＦＴがオ
フ（ＯＦＦ）状態の期間中も液晶に印加すべき電圧を保
持する為のものである。液晶の時定数が走査周期に比べ
て十分大きければ蓄積コンデンサーは特に設けなくても
良い。次に、ガラスなどの透明な基板上に透明導電膜、
金属薄膜からなるブラックマトリックス及び液晶を配向
させる為の配向膜が設けられた対向電極側の基板を作製
する。 【００２３】これら二枚の基板をスペーサーを介して貼
り合わせ、両基板の間隔に液晶を注入する。このような
液晶パネルを赤、緑、青の各色用に３枚作製する。液晶
のモードがＴＮの場合には各パネルの両面に偏光板を設
ける。尚、各パネルは赤、緑、青の色光を制御できれば
良く、必ずしも各パネル自体はその色の着色手段を備え
ている必要はない。 【００２４】この液晶パネルは次のようにして駆動され
る。駆動回路のブロック図の一例を図２に示す。 【００２５】ＴＶ電波はチューナーから色復調回路に至
る一連のＴＶ受信回路（３０）により処理されて赤、
緑、青の色映像信号となる。各色の映像信号は、液晶の
表示モードに応じた極性で各色に対応する液晶パネル
（２１）〜（２３）にそれぞれ印加される。この各色の
映像信号Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）はシフトレジス
ターとサンプルホールド回路からなるアナログ・ライン
メモリー（３１）〜（３３）に入力され、１ライン分の
映像信号が蓄えられる。 【００２６】次にこの１ライン分の映像信号は、走査パ
ルス発生回路（３４）により発生された走査信号に同期
してソース・ライン（１４）に出力される。ゲート・ラ
イン（１１）には走査パルスが順次印加され、そのライ
ン上のＦＥＴをＯＮ状態にする。このようにして個々の
絵素電極に映像信号がしかるべきタイミングでサンプル
・ホールドされ液晶が制御される。 【００２７】この液晶パネルを図３に示すような、光源
（４０）、コンデンサーレンズ（４１）、投影レンズ
（４２）、ダイクロイックミラー（４３）、（４４）、
ミラー（４５）からなる光学系に組み込み、プロジェク
ションＴＶを構成する。光源としては白熱電球、ハロゲ
ンランプ、キセノンランプなどが用いられるが、光源の
スペクトルは必ずしも連続スペクトルである必要はな
く、赤、緑、青の輝線スペクトルを発する蛍光管又は放
電管であってもよい。 【００２８】ここで、本発明で用いられる色光の波長範
囲の選定基準を次に示す。 【００２９】本発明者は最明色の概念に基づき、加色混
合に於いて白色光源を有効に利用し、かつＮＴＳＣ方式
のＴＶ信号とのコンパティビィリティーを満足させる為
の最適条件が次のような条件であることを見出した。 【００３０】「赤：５９０ｎｍ以下を吸収、５９０ｎｍ
以上を透過 緑：４９５〜５６５ｎｍを透過、４９５ｎｍ以下及び５
６５ｎｍ以上を吸収 青：５１０ｎｍ以下及び６６５ｎｍ以上を透過、５１０
〜６６５ｎｍを吸収」 しかし、本発明の特徴の一つであるダイクロイックミラ
ーを用いて単一の白色光源の光を波長によって三分割し
て用いる場合には、この結果をそのまま用いることはで
きず、若干の修正を要する。つまり三つの色光のスペク
トルがオーバーラップせず、かつ三色を足し合わせた
時、全可視域をカバーすることが必要である。 【００３１】以上の事項を考慮すると各色光の波長域
は、次のように選定すればよいことになる。 【００３２】「赤：約５８０ｎｍより長波長側 緑：約５００〜５８０ｎｍ 青：約５００ｎｍより短波長側」 この場合、輝線スペクトルの中心波長はそれぞれ６１０
ｎｍ、５４０ｎｍ、４６０ｎｍ付近であることが色再現
範囲の点及びＮＴＳＣ方式の信号とのコンパティビィリ
ィティーの点で望ましい。 【００３３】ダイクロイックミラー（４３）、（４４）
は光源の光を赤、緑、青の三波長帯に分割し、それぞれ
の色光を液晶パネルで変調した後、再び合成する為のも
のである。ダイクロイックミラーは屈折率の異なる複数
の薄膜を積層したもので、干渉効果により特定の波長域
の光だけを反射し残りを透過させる。（４３）は赤を選
択的に反射し他の光を透過する。（４４）は青の光を選
択的に反射し他の光を透過する。このような構成によれ
ば単一の光源の各波長の光を有効に利用でき、吸収フィ
ルターによって必要な波長域の光だけを透過させる方式
に比べて光の利用効率が高くなる。 【００３４】再生画像の分解能は各パネルの絵素数によ
って決定されるが、液晶パネルの製造技術、歩留、コス
トなどの点で無制限に多くすることはできない。絵素数
が少ない場合、再生画像は粗い画質になる。本実施例で
は、画像の１画素を３つの絵素の重畳体で構成すること
により、解像度を向上させている。 【００３５】さらに、水平ラインの絵素数がＮＴＳＣ方
式のＴＶ信号の水平解像度（約３５０本）よりも小さい
場合には人間の視覚が明度に対しては空間分解能が高く
色相に対しては低いという特性を利用して、次のように
することにより見掛け上滑らかな画像を得ることができ
る。 【００３６】３枚の液晶パネルは各絵素の像を正確に重
ね合わせるのではなく、図４（Ｂ）に示す如く互いに絵
素ピッチの約１／３ずつ二方向にずらせてセッティング
する。図４（Ａ）の如く各色の絵素をずらさないで正確
に重ね合わせると絵素間にゲート・ライン、ソース・ラ
インの影が格子状に生じ、再生画像は粗いものになる
が、各色の絵素を１／３ピッチずつずらすと互いに前述
の格子状の影を埋めることになり、滑らかな画像が得ら
れる。図中、Ｒ，Ｇ，Ｂはそれぞれ赤、緑、青の絵素で
ある。この時、色相の変化には高い空間周波数成分を生
じるが、これは視覚特性上人間の目には感じられない。
尚、各色の絵素に印加されるべき映像信号のサンプリン
グは、各絵素のずらせた位置に応じたタイミングで行え
ばより良いことは当然である。 【００３７】ここで、液晶表示パネル、特にアクティブ
マトリックス方式の液晶表示パネルを液晶プロジェクシ
ョン装置に使用した場合の液晶パネルの温度上昇につい
て説明する。 【００３８】アクティブマトリックス方式の液晶パネル
には、ＴＦＴ等のスイッチング素子に対する遮光手段と
してブラックマトリックスが設けられているため、開口
率（画素開口部面積／液晶パネルの表示領域面積）が低
く、入射光の利用効率は、ブラックマトリックスを必要
としない単純マトリックス方式の液晶パネルよりも低い
のが一般的であり、そのため、アクティブマトリックス
方式の液晶プロジェクション装置では、投影倍率（スク
リーン面積／液晶パネルの表示面積）に比例して液晶パ
ネルに入射する光の強度（照度）を高くする必要があ
る。 【００３９】このことから、例えば、３型で開口率３０
％のアクティブマトリックス方式の液晶パネルを３枚用
いた３板式の液晶プロジェクション装置において、４０
型のスクリーン上で照度１０００（ｌｕｘ）を得るため
には、 １０００(lux) ÷０．８ （投影レンズの透過率および
口径食）÷０．８ （出射側偏光板の透過率）÷０．３
（アクティブマトリックス型液晶パネルの開口率）×
４０² ／３² （面積拡大率）×０．６ （白色光に含
まれる緑色光の割合）≒５６００００(lux) のように、非常に強い照度でアクティブマトリックス方
式の液晶パネルを照射することが必要となる。このと
き、上述のブラックマトリックスとしては一般に金属薄
膜が用いられているが、これにより入射光の約１０％〜
数十％が吸収されて熱となり、アクティブマトリックス
方式の液晶パネルの温度を上昇させている。さらに、ア
クティブマトリックス方式の液晶パネルの入射面および
／または反射面に偏光板が貼付けられている場合には、
それらに吸収される光エネルギーもアクティブマトリッ
クス方式の液晶パネルの温度を上昇させる熱源となる。 【００４０】上述したように、照明光の吸収により液晶
パネルの温度が上昇してしまうと、極端な場合には液晶
パネルに封入されている液晶材料の液晶相の温度範囲を
超えてしまい、等方的な液体になり液晶パネルとして動
作しなくなってしまう。また、それほど極端ではない場
合であっても液晶パネルの電気光学特性の温度依存性に
より表示品位が損なわれてしまう。さらに、アクティブ
マトリックス方式の液晶パネルはＤＲＡＭのようにサン
プルホールド動作を行っているので、液晶材料の電気抵
抗値が低下すると液晶層に印加される電圧実効値が低下
し表示特性が変化してしまう。液晶材料の電気抵抗値は
一般に高温で低下する傾向があり（短時間では可逆的変
化）、その上、長時間高温下で長時間動作または保存を
行うと液晶材料中の可動イオンが増加して電気抵抗値が
更に低下し（長時間では不可逆変化）、信頼性を損なう
と可能性も生じる。 【００４１】このように、非常に強度の高い照明光が照
射される液晶プロジェクション装置においては、アクテ
ィブマトリックス方式の液晶パネルの温度が過度に上昇
しないように、必要に応じてファンによる空冷あるいは
液晶パネルを絶縁油の中に浸漬して液冷するなどの冷却
手段を設ける必要がある。 【００４２】このようにして構成されたプロジェクショ
ンＴＶはスライド・プロジェクター程度にコンパクトに
なり、従来のプロジェクションＴＶにくらべて設置場所
の自由度が増し、例えば天井に投影したり天井から吊り
下げて壁面に投影したりすることができるようになる。
又、投影距離を変えたり投影レンズを交換すれば画面サ
イズを自由に変更することも可能である。 【００４３】この場合、被照射体の投影面が光学系の光
軸に垂直でない場合、即ち投影面に対して斜め方向から
投影表示された場合、矩形の画面が台形に変形したりピ
ントがずれるなどの問題が生じるが、図５に示すような
光学系に「あおり」（それぞれの液晶パネルと各液晶パ
ネルにおける光軸のなす角度を変化させること）を導入
し、図に示したように３枚の液晶パネルそれぞれに形成
された画像の一軸合成像と光学系の光軸に垂直な面との
なす角度（ＡとＢとのなす角度）と、投影面と光学系の
光軸に垂直な面とのなす角度（Ａ´とＢ´とのなす角
度）とが同一になるようにすることにより投影画像の歪
やピントのずれを解決することができる。 【００４４】 【発明の効果】本発明によれば、小型軽量で明るく視覚
依存性のない液晶プロジェクション装置を実現でき、そ
の実用的価値は多大である。 【００４５】また、液晶パネルの温度上昇を抑制する冷
却手段を具設していることにより、液晶パネルの電気光
学特性の温度依存性による表示品位の低下が防止され、
また、液晶材料の電気抵抗値の低下に起因して液晶層へ
の印加電圧実効値が低下することによる表示特性の変化
が防止され、さらに、長時間の動作や保存により液晶材
料中の可動イオンが増加して電気抵抗値が更に低下して
信頼性を損なうということも防止することができる。 【００４６】尚、本発明の適用範囲はＴＶに限定される
ものではなく、各種の情報処理装置のディスプレイとし
て、文字表示やグラフィック表示にも適用できることは
明らかである。

【図面の簡単な説明】 【図１】図１（Ａ）、（Ｂ）、及び（Ｃ）はそれぞれ本
発明液晶プロジェクション装置におけるＴＦＴの模式平
面図、模式断面図、及び結線図である。 【図２】図２は本発明の一実施例を示す液晶プロジェク
ション装置のブロック図である。 【図３】図３は図２に示す液晶プロジェクション装置の
光学系の構成図である。 【図４】図４（Ａ）、及び（Ｂ）は同装置における絵素
の配置構成を説明する説明図である。 【図５】図５は同装置における「あおり機構」の説明図
である。 【符号の説明】 １１ ゲート電極 １２ ゲート絶縁膜 １３ 半導体膜 １４ ソース電極 １５ ドレイン電極 １６ 絵素電極 １７ 蓄積コンデンサー ２１ 液晶パネル ２２ 液晶パネル ２３ 液晶パネル ３０ ＴＶ信号受信回路 ３１ アナログ・ラインメモリ ３２ アナログ・ラインメモリ ３３ アナログ・ラインメモリ ３４ 走査パルス発生回路 ４０ 光源 ４１ コンデンサー・レンズ ４２ 投影レンズ ４３ ダイクロイックミラー ４４ ダイクロイックミラー ４５ ミラー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭51−52233（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−2916（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G02F 1/13 505 G02F 1/1335 G03B 21/16 G03B 33/12

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 １．アクティブマトリックスにより絵素単位で表示駆動
   され、それぞれが独立に加法三原色の投射光を制御する
   少なくとも３枚の液晶パネルを配置し加法混合された表
   示パターンを投影表示する液晶プロジェクション装置に
   おいて、 単一光源からの出射光を分割して異なる光路へ投射せし
   めるダイクロイックミラーが設けられかつ該ダイクロイ
   ックミラーを経由して投射される投射光の各光路上に前
   記液晶パネルが配置され、前記液晶パネルの各々を通過
   した三原色の投射光は光路屈折手段により同一光軸上に
   合致された後投影表示されるとともに、該液晶パネルの
   温度上昇を抑制する冷却手段が具設されることを特徴と
   する液晶プロジェクション装置。 ２．前記液晶パネルの温度上昇を抑制する冷却手段は冷
   却ファンによる空冷方式であることを特徴とする請求項
   １に記載の液晶プロジェクション装置。 ３．各パネルの制御する色光の波長域が、「赤：λ１よ
   り長波長側 緑：λ１〜λ２ 青：λ２より短波長側 ただし、λ１＝５６０〜６００ｎｍ、λ２＝４８０〜５
   ２０ｎｍであり、それぞれの液晶パネルが制御すべき色
   光の強度がピークの５０％になる波長を表す。」となる
   ように選定されたことを特徴とする請求項１または２に
   記載の液晶プロジェクション装置。