JP2951858B2 - 投影型カラー液晶表示装置 - Google Patents
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Description
ィルターを用いないで一枚の液晶表示素子により、カラ
ー表示を行う単板式の投影型カラー液晶表示装置に関す
るものであり、特に、コンパクトなプロジェクション液
晶テレビシステムや情報表示システムに適用される投影
型カラー液晶表示装置に関するものである。
で別に光源を設ける必要があるが、投影型カラー液晶表
示装置は、投影型ブラウン管表示装置と比較すると、色
再現範囲が広い、小型・軽量であるため持ち運びしやす
い、地磁気に影響されないのでコンバージェンス調整が
不要など非常に優れた特徴をもっている。このため、今
後の発展が期待されている。
示方式には、三原色に応じて液晶表示素子を三枚用いる
三板式と、一枚のみを用いる単板式とがある。前者の三
板式は、白色光を赤・緑・青の三原色の色光をそれぞれ
伝送する光学系と、その色光を制御して画像を形成する
液晶表示素子の対をそれぞれ独立に設けており、各色の
画像を光学的に重畳してフルカラー表示を行うものであ
る。この三板式の構成では、白色光源から放射される光
を有効に利用でき、かつ色の純度も高いという利点があ
るが、上述のように色分離系と色合成系が必要なため、
光学系が繁雑で部品点数が多くなってしまい、低コスト
化及び小型化の点では、後述の単板式に比べて一般的に
不利である。
素子を1枚のみ用いる構成であり、モザイク状、ストラ
イプ状等の三原色カラーフィルターパターンを備えた液
晶表示素子を投影光学系によって投影するもので、例え
ば特開昭59ー230383号公報に開示されたものが
ある。単板式は使用する液晶表示素子が1枚ですみ、か
つ光学系の構成も三板式に比べて単純になるので、低コ
スト、小型の投影型システムに適している。
ーフィルターによる光の吸収または反射が起こるため、
入射光の約1/3しか利用できない。つまり、カラーフ
ィルターを用いる単板式での画面の明るさは、等しい明
るさの光源を用いた三板式と比較して約1/3に低下し
てしまう。
開平4−60538号公報には、図2に示すように、扇
型に配置されたダイクロイックミラー12R・12G・
12Bを用いて、白色光源1からの白色光を赤・緑・青
の各光束に分割し、光の利用効率を向上させるようにし
た単板式のカラー液晶表示装置が提案されている。
ラー12R・12G・12Bにより分割された各光束
は、液晶表示素子8の光源側に配置されているマイクロ
レンズアレイ7にそれぞれ異なった角度で入射する。上
記マイクロレンズアレイ7を通過した各光束は、それぞ
れに対応した色信号が独立して印加される信号電極によ
り駆動される液晶部位に、各光束の入射角度に応じて分
配照射される。この装置では、吸収型のカラーフィルタ
ーを用いないので、光の利用効率が向上し、極めて明る
い画像を提供することができる。
ダイクロイックミラーの波長選択特性の角度依存性によ
る混色の対策として、三原色の分離を長波長側から行
い、迷光の発生を最小限に抑えることにより色純度の向
上を図った投影型カラー液晶表示装置が、本発明者らに
よって提案されている。この手法では、R、G、Bの順
で光束を分離することにより、前述したダイクロイック
ミラーの特性シフトによる迷光が発生しにくくなるた
め、分割した各光束の色純度が高く、色再現範囲の広い
画像を得ることが可能となる。
た特願平5−328805号公報に提案された投影型カ
ラー液晶表示装置は、マイクロレンズを絵素と1:1の
対応にして配置した液晶表示装置と比較すると、図6
(b)に示す液晶表示素子からの光束の出射角βが、図
6(a)に示す光束の出射角αに比べてかなり大きくな
っていることがわかる。液晶表示素子からの全ての出射
光束をスクリーンに投影するためには、大口径(低F
値)の投影レンズを用いなければならず、投影レンズは
F値を小さくするほど作成が難しくなりコストを押し上
げる要因となっている。
F値よりも大きなF値、つまり小口径の投影レンズを用
いると、図6に示すように、投影レンズの瞳位置でR光
及びB光のケラレが発生(斜線部)してしまい、これら
2つの色光のスクリーン到達光束が減少してしまう。ま
た、液晶プロジェクターによく用いられる光源のうち、
例えばメタルハライドランプ、ハロゲンランプ等の場合
にはスペクトル分布が一様ではなく、メタルハライドラ
ンプは赤域に輝線スペクトルがないため赤が弱くハロゲ
ンランプは青が弱いというようなスペクトル分布となっ
ている。このため特願平5−328805号公報に提案
された手法により小口径の投影レンズ及び上記の各ラン
プを用いると、ランプにおいてもともと少ない色光が、
更に投影レンズの瞳位置においてケラレが発生するた
め、ホワイトバランスが大きくG側へシフトしてしま
う。
提案された手法では、一様でない光源を使ってコストダ
ウンの為に必要なF値よりも大きなF値の投影レンズを
用いた場合に、投影レンズの瞳位置でのケラレの発生の
ために、ホワイトバランスが悪化してしまうという欠点
を有していた。
されたものであって、その目的は、光源の発光スペクト
ルが偏ったものを用い、投影レンズを必要とされるF値
よりも大きなF値のものを用いても、ホワイトバランス
を悪化させることなく、良好な色再現性が得られ、大幅
なコストダウンを実現できる投影型カラー液晶表示装置
を提供することにある。
め、本発明の投影型カラー液晶表示装置は、光源と、こ
の光源からの光束を複数の色の光束に分割し、かつ該分
割した光束をそれぞれ異なる角度で同一の液晶表示素子
に照射する手段と、該液晶表示素子により変調された光
束を投影する投影手段とを備えた投影型カラー液晶表示
装置において、前記光源として前記複数の色の発光スペ
クトル強度が異なる光源を用い、該光源の発光スペクト
ル強度が最も弱い色の光束を前記液晶表示素子に入射す
る複数の色の光束のうちで液晶表示素子の表示面法線に
近い角度で入射させることを特徴としている。また、こ
のときの光源として赤域の発光スペクトル強度が弱い光
源を用い、前記液晶表示素子に入射する複数の色光のう
ち赤の色の光束を液晶表示素子の表示面法線に近い角度
で入射させてもよい。また、このときの光源として青域
の発光スペクトル強度が弱い光源を用い、前記液晶表示
素子に入射する複数の色光のうち青の色の光束を液晶表
示素子の表示面法線に近い角度で入射させてもよい。
る角度で共通の液晶表示素子へ入射させ、それらを各色
に対応した画素によって光変調を行い、透過された光束
を投影することによってスクリーン上にカラー画像を表
示する単板式の投影型カラー液晶表示装置において、コ
ストダウンの為に小口径(高F値)の投影レンズを用い
る場合に、発光スペクトルの最も弱い色光を液晶表示素
子に入射する複数の色光のうちで液晶表示素子の表示面
法線に近い角度で入射させることにより、最も光量の少
ない色光の投影レンズ瞳位置でのケラレが無くなるた
め、良好なホワイトバランスを維持することができる。
また、光量の最も少ない色光の色純度が向上するため、
色再現範囲が広くなり、鮮やかな画像を得ることもでき
る。
の投影型カラー液晶表示装置の一実施例の構成図を示
す。ただし、図1(b)は、図1(a)の色分割手段
(斜線部)を示している。
ク長AL =5mm、アークの径Aφ=2.2mm、スペ
クトル分布が図10に示すようなメタルハライドランプ
を白色光源1として用いている。白色光源1は、そのア
ークが図において紙面に垂直になるように配置されてい
る。白色光源1としては、上記のメタルハライドランプ
以外に、ハロゲンランプやキセノンランプ等を使用する
ことも可能である。
れている。この球面鏡2は、その中心が、上記白色光源
1における発光部の中心と一致するように配置されてい
る。白色光源1の前面には口径80mmφ、焦点距離f
c =60mmのコンデンサーレンズ3が設けられてい
る。このコンデンサーレンズ3は、その焦点が、上記白
色光源1の発光部の中心と一致するように配置されてい
る。このような配置により、コンデンサーレンズ3から
は、略平行な白色光束が得られる。
1において紙面に垂直な方向)の平行度は約2.2°、
アーク径方向(図1において紙面に平行な方向)の平行
度は約1°である。
は、上記の構成に限らず、例えば回転放物面鏡を用いる
方法、回転楕円面鏡とインテグレーターを併用する方法
等が適宜選択される。
1(b)に示すような分光光学系が配置されている。該
分光光学系は、三種のダイクロイックミラー5B・5R
・5C(光束分割手段)によって構成され、それぞれ異
なる角度で配置されている。これらのダイクロイックミ
ラー5B・5R・5Cは、周知の薄膜蒸着技術により形
成される。
波長に対するスペクトルを図10に示す。これより、こ
の白色光源1は赤のスペクトルが弱いため、赤の色光を
液晶表示素子に入射する三原色の光束のうちで、液晶表
示素子の表示面法線に近い角度で入射させるように配置
してある。ダイクロイックミラー5B、5R、5Cは白
色光源1の光軸に対して、それぞれα、α−θ、α−2
θの角度を持つように配置されており、αは30°〜6
0°程度、θは後述する液晶表示素子8の絵素配列ピッ
チP及びマイクロレンズアレイ7の焦点距離fμから求
めることができる。
は、それぞれ、青、赤、青と緑の各波長帯の光を選択的
に反射し、他は透過する特性を有しており、光源側から
この順に光軸上に配置されている。ここで青、緑、赤の
波長帯とは、それぞれ約400〜495nm、約495
〜600nm、約600〜700nmの波長域を示す。
但し、これらの各波長域の光を全て利用すればスクリー
ン照度は高くなるが、各原色の色純度は低下するので、
色純度を重視する場合には495nm付近及び575n
m付近の光をカットする場合もある。この配置により
青、赤、緑の光束にそれぞれ分離されている。通常緑の
色光の分離には緑反射のダイクロイックミラーを用いる
が、光源側の青及び赤反射ダイクロイックミラー5B、
5Rの波長選択性が高ければ(すなわち透過域の透過率
が100%に近く、反射域での透過率が0%に近く、境
界域で急峻に分離する)、シアン(青と緑)反射のダイ
クロイックミラーを用いても所望の効果が得られる。シ
アン反射のダイクロイックミラーを用いることの利点と
して、 1、緑反射のダイクロイックミラーと比較して、薄膜の
総膜数が少なくて済むため、作製が容易であり、コスト
を低くできる。 2、緑反射のダイクロイックミラーはバンドカットフィ
ルターであり、分光特性が高性能のものを作製すること
が難しいが、シアン反射のダイクロイックミラーはハイ
パスフィルターであり、波長選択性の高いものが作製可
能である。であることが挙げられる。
るには、青及び赤のダイクロイックミラー5B、5Rで
青と緑、赤と緑の境界域を急峻に分離することが前提と
なるが、自然光入射を前提とした赤反射ダイクロイック
ミラーでは、特性の急峻さを示す立ち上がり幅を40n
m以下にすることが難しい。但し、本実施例の説明にお
ける立ち上がり幅とは、透過率が10%と90%となる
波長の差のことである。立ち上がり幅を40nm以下に
することが難しいという理由は、s偏光(電場が図1
(a)の紙面に垂直に振動する光)と、p偏光(電場が
図1(a)の紙面に平行に振動する光)とに対する分光
特性の不一致がおこってしまうためである。従って偏光
状態をs、もしくはp偏光に限定することにより改善が
望める。自然光ではなく、sもしくはp偏光成分のみを
用いることにすると、実用レベルの層数で、立ち上がり
幅を20nm前後までにすることが可能である。
はp偏光入射設計時の赤反射ダイクロイックミラーのp
偏光成分の透過率特性を示しており、点線は自然光入射
設計時の赤反射ダイクロイックミラーの自然光に対する
透過率特性を示している。図3のように非偏光(自然
光)設計のダイクロイックミラーを用いるより、偏光状
態を規定したものの方が特性が急峻になることが分か
る。(s偏光成分設計のダイクロイックミラーも図3の
p偏光限定ダイクロイックミラーの分光特性と同等の分
光特性を有するように設計することができる。) 他の色を反射するダイクロイックミラーも偏光状態を規
定することにより、赤反射のダイクロイックミラー同
様、波長選択性の向上を計ることができる。また、ダイ
クロイックミラーの裏面(色分離を行わない面)に何も
処理を施さない場合、ガラス基板と空気との境界で不要
な反射が起こり、色分離特性が悪くなるため反射防止膜
を形成した。反射防止膜は電子ビーム蒸着法を用い、S
iO2 とTiO2 を積層して作成した。積層膜厚として
は、SiO2 (35nm)/TiO2 (16nm)/S
iO2 (35nm)/TiO2 (124nm)/SiO
2 (92nm)として5層の反射防止膜とした。成膜時
の基板温度は300〜350°Cである。本反射防止膜
を形成することで、裏面反射が大幅に低減し、反射防止
膜を作成しない場合4%程度あった裏面反射が、0.2
〜0.8%に低減できた(図11(b)参照)。但し、
膜構成については、上記の構成は1例に過ぎず、構成を
変えることにより図11(a)、(c)の様な特性にす
ることも可能である。
ることに限定したダイクロイックミラーを用いる。p偏
光に限定したことで、ダイクロイックミラー出射時の光
量は、自然光を用いる場合に比べて半分に落ちてしまう
ことになるが、ツイステッド・ネマティック・モード
(TN)や、スーパー・ツイステッド・ネマティック・
モード(STN)のように偏光を利用するモードでは、
液晶表示素子に入射する段階で、総光量の半分を偏光板
により吸収または反射しているため、ダイクロイックミ
ラー出射時に偏光状態を限定しても、投影レンズ出射時
の光量は変化しない。
面、及び光の進行方向に垂直に振動しているが、液晶表
示素子の入射側の偏光板の透過軸は通常、液晶層のラビ
ング方向に平行もしくは垂直となるように配置される。
後者は、液晶表示素子の最適視覚方向を画面に対して1
2時または6時方向とするために、画面に対して斜め4
5°に設定され、前者と一致しない場合が多い。そこで
本発明は、図1(a)のように色分割手段であるダイク
ロイックミラーと液晶表示素子8との間に半波長板6を
配置した。半波長板は複屈折性の物質によって形成され
た光学素子で、偏光方向を回転させることが可能であ
る。この半波長板6を配置したことにより、ダイクロイ
ックミラー群を反射した各色の光束のp偏光成分を回転
させ、液晶表示素子8の入射側偏光板の透過軸方向と一
致させることが可能となる。尚、ダイクロイックミラー
に自然光を入射させても、液晶表示素子の入射側偏光板
で利用する偏光成分が決まるので、ダイクロイックミラ
ーの入射側に偏光板を新たに付加する必要はない。
ズアレイ7及び液晶表示素子8の断面の模式図を示す。
ただし、図7では液晶表示素子8の構成要素である偏光
板、配向膜等は簡略化のために省略してあり、半波長板
6を透過したR、G、Bの各光束はマイクロレンズアレ
イ7にそれぞれ異なる角度で入射し、本実施例では赤の
光束をマイクロレンズアレイ7に垂直入射とし、緑及び
青の各光束は赤の光束に対して図1(a)の紙面に対し
て対称に角度がつけられている。
に、厚さ1.1mmt のガラス基板20と22との間に
液晶を液晶層23に封入し、前記液晶を単純マトリック
ス駆動するためにストライプ状の信号電極24R、24
G、24Bとそれに直交する走査電極21がそれぞれガ
ラス基板20と22の内面に配置されている構造を持っ
ている。信号電極24R、24B、24G、及び走査電
極21は、ともに透明導電膜で形成されており、信号電
極24R、24G、24Bにはそれぞれ、赤、緑、青の
信号が入力される。本実施例では、走査電極本数220
本、走査電極ピッチ200μm、信号電極本数600
本、信号電極ピッチ100μmのスーパー・ツィステッ
ド・ネマティック・モード(STN)で動作する単純マ
トリックス型液晶表示素子を用いた。
ないが、駆動信号の割当は縦ストライプ型とし、対応す
る信号電極24R、24G、24Bに印加される。これ
に対応するマイクロレンズアレイ7としては、上記信号
電極24R、24G、24B三本分に相当する幅300
μmの縦方向のレンチキュラーレンズ(蒲鉾状のレンズ
が平行に配列されたもの)が用いられる。その焦点距離
は、液晶表示素子におけるガラス基板20の厚さt=
1.1mmとほぼ等しくなるように設定されている。た
だし、マイクロレンズの焦点距離を空気中で測定する
と、t/n=1.1mm/1.53=0.72mmとな
る。尚、ここでnはガラス基板の屈折率を示す。
ン交換法(Appl.Opt.Vol.21p.105
2(1984)、またはElectoron.Let
t.Vol.17、p.452(1981))、膨潤法
(鈴木他、”プラスチックマイクロレンズの新しい作成
方法”、第24回微小光学学会)、熱ダレ法(Zora
n D.Popovic et al.”techni
que for monolithic fabric
ation of microlenz array
s”、Appl.Opt.Vol.27、p.1281
(1988))、蒸着法(特開昭55−135808号
公報)、熱転写法(特開昭61−64158号公報)、
機械加工法、特開平3−248125号公報に示されて
いる方法等が利用できる。
から平行光束を照射すると、各マイクロレンズアレイ7
の出射側近傍にレンチキュラーレンズのピッチに対応し
て300μm間隔のライン状に各光束が集光される。こ
の集交ラインの幅Wは、 W=Aφ (光源のアークの径)×fμ (マイクロレンズの焦点距離) /fc (コンデンサーレンズの焦点距離) =2.2mm×0.72mm/60mm =26.4μm となり、ストライプ状の信号電極の中に収まる。
角度は、絵素ピッチをP、マイクロレンズの焦点距離を
fμ、各光束の入射角の差をθとすると、 P=fμ ×tanθ の関係を満たせば、最初の集光ラインのそれぞれピッチ
分だけずれた位置に集光ラインが形成され、隣の信号電
極の中に収まる。
定されており、 θ=tan-1(100/720)=8° となる。
の平行光束でマイクロレンズ7を照射すると、三原色の
集光ラインが100μm間隔で順次隣接した信号電極上
に形成される。三原色の各光束は液晶表示素子8を透過
後、投影レンズ10によりスクリーン11に投影されカ
ラー画像表示が行われる。
の最大出射角は約21°となり、全ての出射光束をスク
リーンに反映させるためにはF値が1.3以下の投影レ
ンズが必要となる。F=1.3の投影レンズは大口径で
作成が難しく、コストも高いので、F=1.8の投影レ
ンズを用いたところ、G及びBの色光の光束にケラレが
発生しスクリーン到達光束が減少し、多少色温度が低下
したものの、極めて良好なホワイトバランスを維持でき
た。
に色光を分離した場合して、F=1.8の投影レンズを
用いてみたところ、白画面表示が緑がかってしまい、表
示画質が大きく低下してしまった。
表示素子に単純マトリックス型液晶表示素子を用いた場
合について説明したが、周知のマトリックス上に配列さ
れた矩形絵素をスイッチングするアモルファス・シリコ
ン半導体薄膜トランジスタを介してダイナミック表示駆
動されるツイステッド・ネマティック・モード(TN)
のアクティブ・マトリックス型液晶表示素子を用いるこ
とも可能であり、その実施例について説明する。
100μm、絵素の開口部の大きさは縦50×横70μ
m、絵素数は縦450×横600のデルタ配列とした。
絵素の開口率は35%である。光源部及びダイクロイッ
クミラーの配置は実施例1と同じであるが、光源となる
メタルハライドランプのアークの向きは紙面と平行とし
た。絵素配列がデルタ配列の場合には、レンチキュラー
レンズでは不適当である。個々のマイクロレンズの形状
は必ずしもそれに対応する絵素の組の形状と相似形であ
る必要はないので、球面レンズの外周部が相互に融合し
た六角形のマイクロレンズを稠密に配列したマイクロレ
ンズアレイをイオン交換法により作成した。
相対的な位置関係の例を示す。図に示すように、四角形
のR、G、Bの各絵素電極がデルタ配列をなしており、
絵素電極を示していない部分は遮光層である。マイクロ
レンズアレイは六角形のマイクロレンズが蜂の巣状に配
列されている。赤の光は液晶表示素子及びマイクロレン
ズアレイに垂直(図では紙面に垂直)に照射され、各マ
イクロレンズの光軸上に配置されている赤の絵素内に集
光スポットが形成される。緑及び青の色光は赤の光に対
してそれぞれ左右8°傾いた方向から照射され、各色の
絵素内にそれぞれの色光の集光スポットが形成される。
このようにして赤、緑、青の各絵素にそれぞれの色の光
束が集光される。集光スポットの大きさは、実施例1と
同様の計算により60μm×26.4μmとなり、絵素
開口部に収まる。
束の最大出射角は約22°であり、投影レンズのF値は
約1.2以下のものが必要であるが、コストを抑えるた
めF=1.8の投影レンズを用いてみたところ、G、B
の色光は投影レンズの瞳にてケラレが発生し、スクリー
ン到達光束も多少減少したが、良好なホワイトバランス
と色再現範囲を得ることができた。
ミラーにより三原色に分離する例を示したが、本発明は
4色以上に分離するような構成にすることも可能で、例
えばグラフィック表示用にも適用することが可能であ
る。
三枚のダイクロイックミラーを用いたが、図1(b)の
5Cの代わりに全反射ミラーを用いてもよい。その場
合、ランプの発光スペクトルに色純度の悪い光が多く含
まれる時には、その部分をカットする光学フィルターを
併用すると良い。
表示装置に適用することにより、光源の発光スペクトル
が偏ったものを用い、投影レンズを必要とされるF値よ
り大きなF値のものを用いても、ホワイトバランスを悪
化させることなく、良好な色再現範囲が得られ、大幅な
コストダウンが可能である。
装置の一実施例の概略的構成図である。図1(b)は、
図1(a)の色分割手段の一例を示した図面である。
の概略的構成図である。
は異なる角度で入射する様子を示した図面である。図3
(b)は、図3(a)のときの特性の変化を表した図面
である。
面である。
る差を示した図面である。
対応にて配置した液晶表示装置の出射角を示す図面であ
る。図6(b)は、特願平5−328805号公報に記
載された投影型カラー液晶表示装置の出射角を示す図面
である。
要部詳細図である。
相対的な位置関係を示す図面である。
を示す図面である。
ランプの波長に対するスペクトルの分布図である。
面に施した反射防止膜の特性例を示した図面である。図
11(b)は、ダイクロイックミラーの裏面に施した反
射防止膜の特性例を示した図面である。図11(c)
は、ダイクロイックミラーの裏面に施した反射防止膜の
特性例を示した図面である。
Claims (3)
- 【請求項1】 光源と、この光源からの光束を複数の色
の光束に分割し、かつ該分割した光束をそれぞれ異なる
角度で同一の液晶表示素子に照射する手段と、該液晶表
示素子により変調された光束を投影する投影手段とを備
えた投影型カラー液晶表示装置において、 前記光源として前記複数の色の発光スペクトル強度が異
なる光源を用い、該光源の発光スペクトル強度が最も弱
い色の光束を前記液晶表示素子に入射する複数の色の光
束のうちで液晶表示素子の表示面法線に近い角度で入射
させることを特徴とする投影型カラー液晶表示装置。 - 【請求項2】 前記光源として赤域の発光スペクトル強
度が弱い光源を用い、前記液晶表示素子に入射する複数
の色光のうち赤の色の光束を液晶表示素子の表示面法線
に近い角度で入射させることを特徴とする請求項1に記
載の投影型カラー液晶表示装置。 - 【請求項3】 前記光源として青域の発光スペクトル強
度が弱い光源を用い、前記液晶表示素子に入射する複数
の色光のうち青の色の光束を液晶表示素子の表示面法線
に近い角度で入射させることを特徴とする請求項1に記
載の投影型カラー液晶表示装置。
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