JP3215209B2 - 投射形ディスプレイ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、構成が簡単で明るい表
示を実現するカラー用の投射形ディスプレイに関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来、投射形カラーディスプレイでは、
例えば薄膜トランジスタを駆動素子として内蔵したアク
ティブマトリクス形液晶ライトバルブが広く用いられて
いる（例えば「フラットパネルディスプレイ、９０」、
日経ＢＰ社編）。上記液晶ライトバルブを用いた投射形
ディスプレイの概略図を図５に示す。光源２０７からの
光をダイクロイックミラー２０４，２０５，２０６で
青、緑、赤色光にそれぞれ分割し、分割した各光を液晶
ライトバルブ２０１，２０２，２０３によって上記青、
緑、赤色光を独立に調光し、調光された光を合成して投
射形ディスプレイの表示とした。

【０００３】従来の液晶ライトバルブを構成するツィス
トネマティック液晶光学素子の基本的な構造および動作
原理を図６に示す。２枚の偏光板３０６と３０７との間
に、ガラス基板３０１，３０２と、透明電極３０３と３
０４とに挾まれたツィストネマティック液晶３０５と、
それを駆動する電源３０８が配置されている。上記光学
素子は特定の偏光のみを制御する機能を有している。液
晶に電圧を印加しない場合は、図６（ａ）に示すように
光源からの入射光３０９のうちから、偏光板３０６によ
って特定偏光３１０のみを取り出し、液晶３０５の旋光
性により偏光方向を回転させる。回転した偏光３１１は
偏光板３０７によって遮断され、光は透過しない。上記
液晶に電圧を印加すると、図６（ｂ）に示すように液晶
３０５の旋光性がなくなり、液晶３０５の偏光方向は変
化せず偏光板３０７を通過できるようになる。上記のよ
うにツィストネマティック液晶光学素子を用いた場合に
は、特定偏光の光しか利用することができない。このた
め、光の利用効率が悪く明るい表示が得られないという
問題があった。また、ダイクロイックミラーで一度赤、
緑、青色光に分割し、調光後に合成するという複雑な処
理が必要であり、投射形ディスプレイの構成が極めて複
雑になるばかりでなく、上記のような処理には長い光路
長が必要である。このため、投射レンズ２０８において
十分長いバックフォーカスが必要で、上記投射レンズ２
０８の設計が複雑化するという問題があった。

【０００４】また、近年、明るい投射形ディスプレイに
用いるライトバルブとして、高分子分散形液晶を用いる
研究が行われている（例えば「フラットパネルディスプ
レイ、９１」日経ＰＢ社編）。投射形ディスプレイの基
本的な構造は、図５に示す従来の投射形ディスプレイと
同様であり、ツィストネマティック液晶光学素子の代わ
りに高分子分散形液晶光学素子を使用する。上記高分子
分散形液晶光学素子の基本構造および動作原理の概略を
図７に示す。上記素子は透明電極４０３と４０４との間
の高分子材料４０６の中に液晶ドロップレット４０５を
分散させた構造を有している。図７（ａ）に示すよう
に、電圧を印加しない状態においては、高分子材料４０
６と液晶４０５との屈折率差が大きいため、入射光４０
８は散乱される。一方、図７（ｂ）に示すように電圧４
０７を印加すると、上記高分子材料４０６と液晶４０５
との屈折率差が殆どなくなり、入射光４０８がそのまま
直進した透過光４１０が得られる。このように電界によ
って光の散乱／透過を制御することができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記光学素子では、偏
光板を使用しない。このため原理的には光源の光を１０
０％利用でき、明るい投射形ディスプレイを作製するこ
とができる。しかしながら、ダイクロイックミラーで光
を赤、緑、青色光に分割し、調光後に合成するという複
雑な処理はやはり必要であり、この処理を行うために、
投射形ディスプレイの構成や投射レンズの構成が極めて
複雑になるという問題は従来と変わらない。

【０００６】本発明は、構成が簡単で光の利用効率が高
く、明るい表示が得られる投射形ディスプレイを得るこ
とを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の第１の投写形ディスプレイは、画素電極ご
とに能動素子を設けたアクティブマトリクス基板と、対
向電極基板間に液晶材料を挟持してなる特定波長帯の光
の反射／透過が制御できる複数のライトバルブと、投射
用光源と、投射光学系とを備えた投射形ディスプレイで
あって、前記投射用光源の光を反射／透過する第１のラ
イトバルブと、前記第１のライトバルブを透過した光を
反射／透過する第２のライトバルブと、前記第２のライ
トバルブを透過した光を反射／透過する第３のライトバ
ルブと、前記第１のライトバルブにより反射された光を
全反射し、前記投射光学系に入射するための全反射鏡
と、前記第２のライトバルブにより反射された光を前記
投射光学系に入射するための第１のダイクロイックミラ
ーと、前記第３のライトバルブにより反射された光を前
記投射光学系に入射するための第２のダイクロイックミ
ラーと、を有することを特徴とする。また、本発明の第
２の投写形ディスプレイは、画素電極ごとに能動素子を
設けたアクティブマトリクス基板と、対向電極基板間に
液晶材料を挟持してなる特定波長帯の光の反射／透過が
制御できるライトバルブと、投射用光源と、投射光学系
とを備えた投射形ディスプレイであって、前記ライトバ
ルブは、青色光の反射／透過が制御できるライトバルブ
と緑色光の反射／透過が制御できるライトバルブと赤色
光の反射／透過が制御できるライトバルブとを重ねた構
成を有し、前記投射光学系は、前記投射用光源から出た
光が前記ライトバルブにより反射される方向に配置さ
れ、入射された前記投射用光源から出た光を前記ライト
バルブにより調光、反射することにより投射することを
特徴とする。 また、本発明の第３の投写形ディスプレイ
は、画素電極ごとに能動素子を設けたアクティブマトリ
クス基板と、対向電極基板間に液晶材料を挟持してなる
特定波長帯の光の反射／透過が制御できるライトバルブ
と、投射用光源と、投射光学系とを備えた投射形ディス
プレイであって、前記ライトバルブは、青色光の反射／
透過が制御できるライトバルブと緑色光の反射／透過が
制御できるライトバルブと赤色光の反射／透過が制御で
きるライトバルブとを重ねた構成を有し、前記投射光学
系は、前記投射用光源から出た光の投射方向に前記ライ
トバルブを挟んで配置され、入射された前記投射用光源
から出た光を前記ライトバルブにより調光、透過するこ
とにより投射することを特徴とする。また、本発明の第
４の投写形ディスプレイは、前記第３の投写形ディスプ
レイにおいて、前記投射用光源と前記ライトバルブとの
間に光学フィルタを有し、前記ライトバルブが反射でき
ない波長帯の光を前記光学フィルタによりカットするこ
とを特徴とする。

【０００８】

【作用】本発明の投射形ディスプレイの液晶材料として
は、屈折率がそれぞれ異なる複数の薄層を積層した多層
構造であり、該多層構造は、各薄層において液晶と高分
子材料との混合物を用い、上記液晶と高分子材料との比
率あるいは上記高分子材料中の液晶領域（ドロップレッ
ト）の大きさにより、層状に屈折率の差を生じさせた液
晶樹脂複合体であって、偏光板を使用せずに特定波長帯
の光の反射／透過を制御できる機能を有するものを用い
ることができる。上記液晶樹脂複合体は、電圧により簡
単に特定波長帯の光の反射／透過が制御できる（特願平
３−２９５６１７）。つぎに反射／透過を制御する光学
素子の構造および動作原理を図８に示す。上記光学素子
は透明電極５０３と５０４との間に、高分子材料５０５
と液晶５０６の多層構造が形成されている。上記液晶５
０６は電界により屈折率が変化するため、上記液晶と高
分子材料との屈折率差を変化させることができる。図８
（ａ）に示すように電圧を印加しない場合は、高分子材
料５０５と液晶５０６との屈折率を有する多層構造とな
り、上記多層構造の光学的性質から（例えば、「光学薄
膜」、藤原史朗編、石黒浩三、池田英生、横田英嗣著、
共立出版）特定波長帯の反射光５０９が得られ、他の波
長の光は透過光５１０として得られる。図において
（ｂ）は入射光５０８のスペクトルを示し、（ｃ）は反
射光５０９のスペクトル、（ｄ）は透過光５１０のスペ
クトルをそれぞれ示している。また、図８（ｅ）に示す
ように電圧を印加し、液晶５０６の屈折率を変え高分子
材料５０５と液晶５０６との屈折率差を小さくすると、
上記多層構造は消失し入射光５０８はそのまま透過光５
１０として得られる。したがって、特定波長帯の光の反
射／透過を電気的に制御できる。上記光学素子は偏光依
存性がなく、明るい反射光が得られ、また、特定波長帯
を青色光、緑色光または赤色光とすることにより、それ
ぞれの波長帯の光の反射／透過を制御できる。

【０００９】また本発明では、特定波長帯の光の反射／
透過が制御可能である光学素子を用いたアクティブマト
リクス形ライトバルブを、投射形ディスプレイに用いる
が、上記ライトバルブの構成例を図９に示す。上記ライ
トバルブの画素１つ１つに特定波長帯の光の反射／透過
が制御可能な光学素子６０２と、例えば薄膜トランジス
タによる駆動素子６０１を設ける。上記構成では、従来
のアクティブマトリクス形液晶ライトバルブにおけるツ
ィストネマティック液晶または高分子分散形液晶を、図
８に示す液晶樹脂複合体に置き換えたものである。

【００１０】上記光学素子は、レーザ光照射により容易
に作製することができる。また上記光学素子は特定波長
の光を反射しダイクロイックミラーとしての機能も有す
るために、使用するダイクロイックミラーの枚数を削減
でき、構成が簡単な投射形ディスプレイを得ることがで
きる。

【００１１】

【実施例】つぎに本発明の実施例を図面とともに説明す
る。図１は本発明による投射形ディスプレイの第１実施
例を示す概略図、図２は上記投射形ディスプレイの第２
実施例を示す概略図、図３は上記投射形ディスプレイの
第３実施例を示す概略図、図４は上記投射形ディスプレ
イの第４実施例を示す概略図、図８は反射／透過を制御
する光学素子の構造および動作原理を示す図、図９は特
定波長帯の光の反射／透過を制御できる光学素子を用い
たアクティブマトリクス形ライトバルブの構成例を示す
図である。

【００１２】第１実施例 光源１０７から出た光を青色光の反射／透過が制御でき
るライトバルブ１０１により上記青色光の調光を行い、
全反射ミラー１０４を経て調光された上記青色光を、投
射レンズ１０８を経てスクリーン１０９に投写する。ま
た、上記青色光反射ライトバルブ１０１を透過した緑色
光は、緑色光の反射／透過が制御できるライトバルブ１
０２によって調光され、緑色光反射ダイクロイックミラ
ー１０５を経て調光された上記緑色光を、投射レンズ１
０８を介しスクリーン１０９に投写する。また、上記緑
色光反射ライトバルブ１０２を透過した赤色光は、赤色
光の反射／透過が制御できる赤色光反射ライトバルブ１
０３によって調光され、赤色光反射ダイクロイックミラ
ー１０６を経て、投射レンズ１０８を介しスクリーン１
０９に投影する。各色ごとの反射／透過が制御できる上
記ライトバルブは図９に示すような構成をもち、ライト
バルブの画素ごとに特定波長帯の光の反射／透過を制御
可能な光学素子６０２と、薄膜トランジスタ６０１とを
設け、上記光学素子６０２における液晶材料としては液
晶樹脂複合体を用いている。

【００１３】従来の投射形ディスプレイでは、ダイクロ
イックミラーが少なくとも５枚必要であったが、本発明
の投射形ディスプレイでは２枚でよく、構成が簡単にな
る。

【００１４】第２実施例 本発明第２実施例の投射形ディスプレイを図２に示す。
本実施例のライトバルブは、青色光反射ライトバルブ１
０１、緑色光反射ライトバルブ１０２、赤色光反射ライ
トバルブ１０３を重ねた構成になっている。光源１０７
から出た光は上記重ねたライトバルブに入射され、青、
緑、赤のそれぞれの波長帯の光を青色光反射ライトバル
ブ１０１、緑色光反射ライトバルブ１０２、赤色光反射
ライトバルブ１０３で調光し、同一方向に光を反射させ
る。上記調光されたそれぞれの光を、直接投射レンズ１
０８に入射しスクリーン１０９に投影する。本実施例の
構成では、全反射ミラーやダイクロイックミラーが不要
で、上記第１実施例の場合より構成が簡単になる。ま
た、光の光路長が極めて短くなる。そのため、従来のバ
ックフォーカスが長い投射レンズを使用する必要がな
く、簡単な構成の投射レンズを用いることができる。

【００１５】第３実施例 図３は本発明による投射形ディスプレイの第３実施例を
示す図である。本実施例では図３（ａ）に示すように、
ライトバルブの透過光を投射表示光として使用する。た
だし、青色光反射ライトバルブ１０１、緑色光反射ライ
トバルブ１０２、赤色光反射ライトバルブ１０３におけ
る反射波長帯の和によって、図３（ｂ）に示す光源１０
７のスペクトル全域を図３（ｃ）のように反射できなけ
ればならない。スクリーン１０９に白色光を投射する場
合は、上記青色光反射ライトバルブ１０１、緑色光反射
ライトバルブ１０２、赤色光反射ライトバルブ１０３
で、特定波長帯の反射を行わずに光を通過させる。ま
た、光を透過しない黒表示の場合には、青色光反射ライ
トバルブ１０１、緑色光反射ライトバルブ１０２、赤色
光反射ライトバルブ１０３でそれぞれ特定波長帯の光を
反射させ、光を透過させないようにする。カラー表示の
場合には、各反射ライトバルブにおける反射光をそれぞ
れ調整することによって、スクリーン１０９への投射光
を調整する。

【００１６】本実施例に示す投射形ディスプレイでは、
第２実施例と同様に、ダイクロイックミラーが必要なく
簡単に構成でき、また、従来のバックフォーカスが長い
投射レンズを必要とせず、簡単な構成の投射レンズを用
いることができる。

【００１７】第４実施例 図４は本発明による投射形ディスプレイの第４実施例を
示す図である。本実施例の動作原理は上記第３実施例と
同様で、図４（ａ）に示すように反射ライトバルブ１０
１，１０２，１０３の透過光を投射表示光として使用す
る。ただし、青色光反射ライトバルブ１０１、緑色光反
射ライトバルブ１０２、赤色光反射ライトバルブ１０３
における反射波長帯の和でも、図４（ｂ）に示す光源１
０７のスペクトル全域を反射できない場合の構成を示す
ものである。ライトバルブで反射できない光が光源１０
７から照射される場合は、上記反射できない光が洩れ光
となって、良好な黒表示がスクリーン１０９上に得られ
ない。このため、上記青色光反射ライトバルブ１０１、
緑色光反射ライトバルブ１０２、赤色光反射ライトバル
ブ１０３で光源のスペクトル全域を反射できるように、
光学フィルタ１１１を用いて光源１０７からの出射光の
うち、上記反射できない一部の波長帯を図４（ｃ）のよ
うにあらかじめカットする。上記のように構成すること
によりカットされた波長帯の残りの光は、それぞれライ
トバルブで反射され、図４（ｄ）に示すように良好な黒
表示が得られる投射形ディスプレイになる。

【００１８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の投射形デ
ィスプレイによれば、従来に比べ、全反射ミラーやダイ
クロイックミラーなどの光路変更デバイス、波長分離・
合成用デバイスの使用量を削減できるか、全く使用しな
くてもよくなる。このため、投射形ディスプレイの構造
が大幅に簡略化でき、ライトバルブの光の利用効率が高
いため、明るい表示を得ることができる。また、投射レ
ンズとライトバルブ間の距離を短くできるので、バック
フォーカスが短い投射レンズが使用でき、投射レンズを
大幅に簡略化することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による投射形ディスプレイの第１実施例
を示す図である。

【図２】上記投射形ディスプレイの第２実施例を示す図
である。

【図３】上記投射形ディスプレイの第３実施例を示す図
で、（ａ）は構成を示す図、（ｂ）は光源のスペクトル
を示す図、（ｃ）は各ライトバルブの反射光スペクトル
を示す図である。

【図４】上記投射形ディスプレイの第４実施例を示す図
で、（ａ）は構成を示す図、（ｂ）は光源のスペクトル
を示す図、（ｃ）光学フィルタ透過後の光源のスペクト
ルを示す図、（ｄ）は上記透過に対する各ライトバルブ
反射光のスペクトル図である。

【図５】従来の投射形ディスプレイを示す図である。

【図６】ツィストネマティック液晶光学素子を示す図
で、（ａ）は液晶に電圧を印加しない状態、（ｂ）は液
晶に電圧を印加した状態をそれぞれ示す図である。

【図７】高分子分散形液晶光学素子を示す図で、（ａ）
は液晶に電圧を印加しない状態、（ｂ）は液晶に電圧を
印加した状態をそれぞれ示す図である。

【図８】反射／透過を制御する光学素子の構造と動作を
示す図で、（ａ）は液晶樹脂複合体に電圧を印加しない
状態、（ｂ）は液晶樹脂複合体に電圧を印加した状態を
それぞれ示す図である。

【図９】特定波長帯の光の反射／透過が制御可能な光学
素子を用いたアクティブマトリクス形ライトバルブの構
成例を示す図である。

【符号の説明】

１０１，１０２，１０３…ライトバルブ １０７…投射用光源 ５０３，５０４…対向透明電極 ５０５…高分子材料 ５０６…液晶

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 酒井 重信 東京都千代田区内幸町一丁目１番６号 日本電信電話株式会社内 (56)参考文献 特開 平４−9005（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−181156（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−216057（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−102491（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−178624（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−202099（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−225319（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−98022（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−58022（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−210124（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−28623（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−353824（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−237027（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02F 1/13 505 G02F 1/1334 G02F 1/1335

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】画素電極ごとに能動素子を設けたアクティ
   ブマトリクス基板と、対向電極基板間に液晶材料を挟持
   してなる特定波長帯の光の反射／透過が制御できる複数
   のライトバルブと、投射用光源と、投射光学系とを備え
   た投射形ディスプレイであって、 前記投射用光源の光を反射／透過する第１のライトバル
   ブと、 前記第１のライトバルブを透過した光を反射／透過する
   第２のライトバルブと、 前記第２のライトバルブを透過した光を反射／透過する
   第３のライトバルブと、 前記第１のライトバルブにより反射された光を全反射
   し、前記投射光学系に入射するための全反射鏡と、 前記第２のライトバルブにより反射された光を前記投射
   光学系に入射するための第１のダイクロイックミラー
   と、 前記第３のライトバルブにより反射された光を前記投射
   光学系に入射するための第２のダイクロイックミラー
   と、 を有する ことを特徴とする投写形ディスプレイ。
2. 【請求項２】画素電極ごとに能動素子を設けたアクティ
   ブマトリクス基板と、対向電極基板間に液晶材料を挟持
   してなる特定波長帯の光の反射／透過が制御できるライ
   トバルブと、投射用光源と、投射光学系とを備えた投射
   形ディスプレイであって、 前記ライトバルブは、青色光の反射／透過が制御できる
   ライトバルブと緑色光の反射／透過が制御できるライト
   バルブと赤色光の反射／透過が制御できるライトバルブ
   とを重ねた構成を有し、 前記投射光学系は、前記投射用光源から出た光が前記ラ
   イトバルブにより反射される方向に配置され、 入射された前記投射用光源から出た光を前記ライトバル
   ブにより調光、反射することにより投射することを特徴
   とする投写形ディスプレイ。
3. 【請求項３】画素電極ごとに能動素子を設けたアクティ
   ブマトリクス基板と、対向電極基板間に液晶材料を挟持
   してなる特定波長帯の光の反射／透過が制御できるライ
   トバルブと、投射用光源と、投射光学系とを備えた投射
   形ディスプレイであって、 前記ライトバルブは、青色光の反射／透過が制御できる
   ライトバルブと緑色光の反射／透過が制御できるライト
   バルブと赤色光の反射／透過が制御できるライトバルブ
   とを重ねた構成を有し、 前記投射光学系は、前記投射用光源から出た光の投射方
   向に前記ライトバルブを挟んで配置され、 入射された前記投射用光源から出た光を前記ライトバル
   ブにより調光、透過することにより投射することを特徴
   とする投写形ディスプレイ。
4. 【請求項４】前記投射用光源と前記ライトバルブとの間
   に光学フィルタを有し、前記ライトバルブが反射できな
   い波長帯の光を前記光学フィルタによりカットすること
   を特徴とする請求項３記載の投写形ディスプレイ。