JP3363565B2 - 照明システム及びそのような照明システムを含む表示装置 - Google Patents

照明システム及びそのような照明システムを含む表示装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、所定の偏光状態を持つ
照明ビームを供給する照明システムであって、照射源と
拡散器とを順に有するような照明システムに関する。ま
た、本発明は上記のような照明システムを含む表示装置
にも関する。
【０００２】
【従来の技術】このような表示装置は２つの形式に、即
ち画像投影装置とフラットパネル表示装置とに、分類す
ることができる。画像投影装置は、例えば液晶パネルの
ような表示パネルにより生成された画像が投影レンズ系
により比較的大きな距離離れると共に拡大された形でス
クリーン上に結像されるような装置である。フラットパ
ネル表示装置においても、画像は表示パネルにより生成
される。この装置の上記表示パネルを横切る方向の寸法
は比較的小さい、即ち画像投影装置の寸法よりも非常に
小さい。フラットパネル表示装置においては、視聴者は
表示パネルを直接観るので、この装置は直視装置とも呼
ばれる。このような装置の場合は、上記表示パネルを照
明する照明システムの寸法が該パネルを横切る方向にお
いて小さいのが望ましい。
【０００３】上記表示装置は、例えばビデオ表示装置、
コンピュータシステムのモニタ叉は操作パネルの表示装
置等である。
【０００４】フラットパネル表示装置に用いて好適な本
明細書の冒頭で述べたような形式の照明システムは米国
特許第4,737,896号から既知である。
【０００５】上記米国特許に記載された照明システム
は、透過型表示パネルの直後に配置されると共に、照射
散乱出力面を持つ照射案内部材上に入射する照射の照射
源を有し、該部材は上記照射を液晶表示パネル（以下、
ＬＣＤパネルと呼ぶ）に向かって散乱させる。
【０００６】ＬＣＤパネルを有する表示装置において
は、光源効率、即ち照射源により供給された照射のうち
表示側で視聴者が見ることができる割合、はＬＣＤパネ
ルの低透過性のため比較的低い。その理由は、半透明な
ピクセルは表示パネル面の一部のみをカバーするに過ぎ
ないからである。上記面の他の部分は、これらピクセル
の駆動素子により占められている。ＬＣＤパネルは、各
ピクセルによる当該素子の液晶材料に入射する光の偏光
状態の変化に基づいて動作する。したがって、表示パネ
ルは所定の偏光方向を持つ直線偏光された光、叉は左旋
性若しくは右旋性の円偏光された光のような所定の偏光
状態を持つ照射光により照射されねばならない。したが
って、既知の表示装置には偏光手段が設けられ、該偏光
手段が照射源からの偏光されていない光を所望の偏光状
態を持つ光に変換している。しかしながら、この変換に
は上記光の約半分の損失を伴う。
【０００７】従来の直視型表示装置に使用される偏光手
段は、望ましくない偏光状態を持つ光を吸収する。した
がって、この装置には視聴者に充分な量の光が得られる
ように、高輝度照射源が使用されねばならない。しかし
ながら、このような照射源は比較的大きな寸法を有し且
つ大量のエネルギを使用するので、好ましくは主電源か
ら別れて使用ことができる小型の表示装置にはあまり適
してはいない。また、上記偏光手段に入射する光は高輝
度であるので、この偏光手段はかなりの程度にまで加熱
される。これらの偏光子は当該装置内の上記ＬＣＤパネ
ルの近傍に配置されるので、冷却システムを組み込む必
要があろうが、このようなシステムは装置を複雑且つ高
価にしてしまう。
【０００８】
【発明の目的及び概要】従って、本発明の目的は照射源
からの最大量の照射を所望の方向の偏光性を持つ照射に
変換することができる効率的な照明システムを提供する
ことにある。
【０００９】上記目的を達成するため、本発明による照
明システムは、前記拡散器が偏光を解消する拡散器であ
り、少なくとも略全可視波長範囲内で動作するコレステ
リックフィルタが、前記拡散器の、前記照射源から遠い
方の側に設けられ、反射器が、前記拡散器の、前記フィ
ルタから遠い方の側に反射器が設けられることを特徴と
している。
【００１０】上記において、偏光の解消とは、ある偏光
状態を持つ照射を偏光されていない照射、即ち異なる偏
光成分を持つ照射、に少なくとも部分的に変換すること
を意味すると理解されたい。
【００１１】コレステリックフィルタは、コレステリッ
ク規則性を持つ液晶ポリマ材料の光学層を有する。この
ことは、溶液状態の上記材料の分子が自発的に配列され
てピッチｐを持つ螺旋構造を形成することを意味してい
る。上記溶液が２枚の平行な基板の間に薄い光学的に能
動な層として設けられると、前記螺旋構造は該螺旋の軸
が上記層を横切るように配向される。この螺旋の配向は
上記各基板の対向面上に配向層を設けることにより改善
することができる。
【００１２】偏光されていない照射ビームが上記のよう
なフィルタに入射すると、前記分子螺旋の方向に相当す
る回転方向（左旋性叉は右旋性）を持ち且つ上記螺旋の
ピッチｐに対応する波長を持つ円偏光された照射成分は
反射され、一方反対の回転方向及び上記フィルタに適合
しない波長を持つ円偏光成分は透過される。このコレス
テリックフィルタの反射波長λｏは、 λｏ＝１／２（ｎｏ＋ｎｅ）ｐ で規定され、ここでｎｏ及びｎｅは、各々、当該フィル
タの材料の通常及び異常屈折率であり、ｐは前記分子螺
旋のピッチである。
【００１３】かくして、好ましくない偏光方向を持つ光
は、このコレステリックフィルタによってはもはや吸収
されることはなく、むしろ反射される。この光は次いで
反射器により当該コレステリックフィルタに伝達される
が、拡散器により偏光解消されるので、上記反射光の一
部は再び所望の偏光方向を持つことになり、従って当該
フィルタにより前記表示パネルへと透過される。上記反
射光の残りは該フィルタにより、次いで反射器により反
射されるので、拡散器を用いているおかげで、この反射
光の一部は当該コレステリックフィルタに正しい偏光状
態で入射することになり、従って前記ＬＣＤパネルへと
透過される。このように、このコレステリックフィルタ
が動作する波長帯域の光の例えば８０％を、所望の偏光
状態にすることができる。更に、上記コレステリックフ
ィルタは可視波長範囲にわたって動作するから、望まし
くない偏光状態を持つ成分は、この波長範囲内の全照射
に関して当該フィルタにより反射器方向に反射され且つ
再び該フィルタに伝達されることになり、従って上記の
８０％なる効率は全可視波長範囲に対して当てはまる。
このようなコレステリックフィルタにより透過される光
は白黒の表示パネル及びカラーの表示パネルの両方を照
明するのに適している。
【００１４】コレステリックフィルタ及び偏光解消拡散
器を照射源及び反射器と組み合わせることにより、所望
の偏光状態を持つ白色光を供給すると共に光源効率が照
射源により略決まるような特別な照明システムが得られ
る。照射源として効率的なランプを使用すると、比較的
低消費の電力で所望の光出力を得ることができる。当該
照明システムは主として直視型表示装置用を目的とする
ものであるが、本照明システムは画像投影装置及び所定
の偏光状態を持つ光を使用しなければならないような光
学装置等においても効果的に使用することができる。
【００１５】ここで、コレステリックフィルタを偏光子
として使用すること自体は既知であることに注意された
い。コレステリックフィルタは、例えば1990年のＳＩＤ
国際シンポジウムにおけるDigest of Technical Papers
の第１１０〜１１３頁に掲載されたR. Maurer他による
「コレステリックＬＣシリコーンからなる偏光カラーフ
ィルタ」なる文献から既知である。この文献に記載され
ているコレステリックフィルタはシリコーンを基剤とす
るコレステリック規則性を持つポリマ材料を含む光学的
能動層を有している。Maurerによる上記文献は偏光変換
効率を向上させるために上記コレステリックフィルタを
偏光解消拡散器及び反射器と組み合わせるようなことは
全く提案していない。
【００１６】また、Japanese Journal of Applied Phys
ics第２９巻、第１０号、1990年１０月の第1974〜1984
頁に掲載されたM. Schadt及びJ. Funfschillingによる
「新液晶偏光カラー投影原理」なる文献からは、ＬＣＤ
パネル用の照明システムにおけるコレステリックフィル
タを、該フィルタにより反射されたビームの偏光状態を
反転すると共に次いでこのビームを再び該フィルタに伝
送するような正反射器と組み合わせることは既知であ
る。このようにして、フィルタに対して元々適していな
かった偏光状態の光もＬＣＤパネルに伝達される。しか
しながら、上記のような正反射器の欠点は、該反射器が
コレステリックフィルタにより反射された照射をランプ
の形態の照射源に集中させてしまう点にある。このラン
プはそれ自身の照射を吸収する効果を有するから、該ラ
ンプの形状が表示装置により最終的に形成される画像中
に残存し、視聴者にとって邪魔となる。
【００１７】更に、もし上記コレステリックフィルタの
左旋性及び右旋性円偏光照射に対する選択性が十分に高
い場合は、ＬＣＤパネルの前方に配置されて従来のＬＣ
Ｄパネルの一部を形成すると共に、当該ＬＣＤパネルの
背後に配置される検光子と一緒に形成画像の十分なコン
トラストを保証するような偏光子は省略することが可能
となる。
【００１８】最近の表示装置においては、所定のピクセ
ルの駆動に応じて、所定の第１の偏光方向を持つ直線偏
光された照射を上記第１の偏光方向と垂直な第２の偏光
方向を持つ直線偏光された照射に変換するようなＬＣＤ
パネルが好ましくは使用されている。上記のような表示
装置に非常に適した照明システムは、コレステリックフ
ィルタの拡散器から遠い方の側に広帯域のλ／４板が設
けられることを特徴としている。
【００１９】上記λ／４板は前記フィルタから出力され
る円偏光された照射をＬＣＤパネルに適した偏光方向を
持つ直線偏光された照射に変換する。広帯域λ／４板
は、例えば複数の層からなると共に、可視波長範囲の全
波長（λ）におけるビームにおいて円偏光された照射が
直線偏光された照射に変換されるような位相ずれを実現
するような透明な素子である。このようなλ／４板は、
例えば、米国、マサチューセッツ、ボストン、1992年５
月１７〜２２日のSociery for Information Displayの
ＳＩＤ’９２ Exhibit GuideにNitto Denkoにより掲載
された「Retardation Film for STN-LCD's 'NRF'」なる
文献に記載されている。
【００２０】本発明による照明システムの第１の実施例
は、前記コレステリックフィルタが液晶ポリマ材料の複
数の層を有し、これら層の各々が異なる波長帯域で動作
し、これら波長帯域が共同で少なくとも可視波長範囲を
カバーすることを特徴としている。
【００２１】また、本発明による照明システムの好まし
い実施例は、前記コレステリックフィルタが液晶材料の
単一の層を有し、該層においては分子螺旋のピッチが、
少なくとも全可視波長範囲をカバーするに必要な反射帯
域の下限及び上限に各々対応する２つの値の間で連続的
に変化していることを特徴としている。
【００２２】上記実施例は、コレステリック規則性を持
つ液晶ポリマ材料の分子螺旋のピッチは連続的に変化さ
せることができるという洞察に基づくと共に、出願人が
層中に十分に大きなピッチの変化を持つ単層コレステリ
ックフィルタを実現することに成功し、かくして各々が
異なる波長反射帯域を持つ液晶材料により形成される複
数の層を積み重ねる必要がもはやなくなったという事実
を利用している。本発明による連続的に変化するピッチ
を有するコレステリックフィルタにおいては、前記ポリ
マ層は、各々が自身のピッチを有すると共にその結果と
して自身の波長帯域においてＬＣＤパネルにとって好ま
しくない偏光状態の照射を反射するような仮想的な副層
に分割される。組み合わされたこのような全ての副層が
所望の波長範囲において所望の反射を実現するので、単
一の層で全可視波長範囲（４００ｎｍと７８０ｎｍの
間）をカバーするに十分である。単一の層内におけるピ
ッチの連続した変化により、別個の層を上記と同一の波
長帯域における所望の反射を実現するために積み重ねる
場合に必要とされる合計厚さよりも薄い層厚を用いれば
十分である。
【００２３】上記の利点は当該フィルタの光学品質がよ
り良好となる点にある。事実、上記のようなフィルタの
品質は、コレステリックスに典型的な誤差と分子配列の
損失とにより層の数が増加するにつれて比較的急激に低
下する。５０ｎｍなる反射帯域を持つコレステリック層
は偏光効果を有するから、当該層は５μｍなる最小厚さ
を持たねばならない。従って、可視波長範囲を完全にカ
バーするためには、視野依存性による必要な反射帯域幅
の増加を考慮に入れない場合、最小で７枚から８枚の層
が必要である。これによれば、最小の層厚は３５μｍと
なる。層厚にわたってピッチが連続して変化する単層コ
レステリックフィルタの場合は、偏光子として動作する
には層厚は２０μｍで十分である。一方、視野依存性は
厚さの増加につれて大きくなる。このことは、フィルタ
の有効性は所定の入射角より大きな角度で入射する照射
に対しては層厚が大きくなると大幅に低下することを意
味している。
【００２４】上記に関する本発明のアイデアは、単一の
層内で螺旋ピッチの十分に大きな変化を実現するには適
していないようなコレステリック材料が用いられる場合
でも利用することができる。
【００２５】上記のような場合に当てはまる本発明によ
る照明システムの実施例は、前記コレステリックフィル
タの少なくとも複数の層が分子螺旋のピッチが連続して
変化するような液晶ポリマを有し、これら層が各々異な
る波長帯域で動作することを特徴としている。
【００２６】フィルタの各層叉は複数の層においてピッ
チを変化させることにより、当該層の波長範囲が増加す
る。結果として、全可視波長範囲をカバーするに要する
層の数は非常に限られたものとなるから、この場合にも
前述した小数のフィルタ層の場合の利点が得られる。
【００２７】本発明による照明システムの更に他の実施
例は、前記コレステリックフィルタのポリマ材料が３次
元網構造を形成すると共に当該システムにおける他の素
子に取り付けるに適した自己支持型の膜を形成すること
を特徴としている。
【００２８】３次元網構造を形成する光学的能動層は非
常に頑丈であり、結果として自己支持型の層として使用
することができる。
【００２９】上記の場合、製造に際してコレステリック
フィルタの光学的能動層の配向及び重合のために必要と
された基板は、これら工程が実施された後取り除くこと
ができ、これにより当該照明システムを小型にすること
ができる。
【００３０】コレステリックフィルタの有効性は入射照
射の波長のみならず該照射が当該フィルタに入射する入
射角度にも依存するから、当該照明システムに設けられ
て好ましくない偏光状態を持つ照射の偏光解消を保証す
ると共に直視型表示装置においては特に全表示パネルが
照明されることを保証するような拡散器は、コレステリ
ックフィルタに関する限り、照射がコレステリックフィ
ルタに向かって大きな角度で散乱されてしまうという欠
点を持つ可能性がある。入射角度が変化される場合は、
フィルタが偏光に応じて選択的に反射を行う波長帯域は
ずれる。このことは、当該フィルタが反射的であるべき
波長帯域は、例えば４００ｎｍと７８０ｎｍとの間の可
視波長範囲である実際の波長帯域と、９０°異なる入射
角度で入射する照射に対しても偏光選択的であるように
するための仮想の波長帯域との和に等しい。入射角の変
化の関数としての波長帯域のずれは例えば１度当たり２
ｎｍであるから、入射角の範囲が１８０°であるような
極端な場合、上記仮想波長帯域は３６０ｎｍとなる。従
って、全反射帯域は３８０ｎｍ＋３６０ｎｍ＝７４０ｎ
ｍでなければならない。
【００３１】本発明による他の実施例であって、コレス
テリックフィルタに課される要件を緩和することができ
且つ例えばＬＣＤパネルを照明するに一層適したものと
することができる照明システムは、前記拡散器と前記コ
レステリックフィルタとの間に光学的に透明な素子が設
けられ、該素子の前記フィルタに面する一方の側は少な
くとも一方向に延びる周期的且つ照射を屈折させるよう
な構造を有し、該構造が前記拡散器からの照射を所定の
角度で集中させることを特徴としている。
【００３２】上記ビーム集中素子は照射がコレステリッ
クフィルタに入射する入射角の区域を減少させるので、
前述した仮想帯域は、従って当該フィルタの所要反射帯
域は減少される。結果として、単層フィルタはさほど大
きな螺旋ピッチの変化を必要とせず、多層フィルタも多
数の層は必要としない。
【００３３】表示装置の構成に応じて、前記周期構造は
１次元的なものであっても叉は２次元的なものであって
もよい。
【００３４】ＬＣＤパネルを持つ表示装置においては、
最大のコントラストを得るようにパネルは可能な限り所
定の角度で照射するのが望ましい。前記ビーム集中素子
を調整することにより、照射が当該素子から出力される
平均角度を調整することができ、これにより上記要件の
実現に貢献することができる。
【００３５】前記ビーム集中素子の周期構造は種々の方
法で実現することができる。
【００３６】上記の第１の可能性が適用される本発明に
よる照明システムの実施例は、前記素子が、前記フィル
タに対向する面が当該板体の面内で第１の方向に延在す
る第１の周期的構造を有するような第１の板体と、前記
フィルタに対向する面が当該板体の面内で前記第１の方
向とある角をなす第２の方向に延在する第２の周期的構
造を有するような第２の板体とを具備していることを特
徴としている。
【００３７】また、本発明による照明システムの他の実
施例は、前記素子が単一の板体を有し、該板体の前記フ
ィルタに対向する面が２次元的な照射屈折構造を有して
いることを特徴としている。
【００３８】上記周期的構造の素子は更に種々の形態で
実現することができる。例えば、本発明による照明シス
テムの更に他の実施例は、前記照射屈折構造が第１の表
面領域と、これと交互となる第２の表面領域とを有し、
当該素子の法線に対して前記第１の領域が第１の角度を
内包する一方、前記第２の領域が第２の角度を内包する
ことを特徴としている。
【００３９】前記周期的構造の素子は例えば全内反射で
動作するような小さなレンズ叉はプリズムであってもよ
く、プリズム角及び／叉はプリズム材料の屈折率を適切
に選択することのより最適化することができる。
【００４０】ここで、照明システムにおいてプリズム付
き板体を照射を所定の空間角度で集中させるために使用
すること自体は特許出願公開第2-257188号から既知であ
ることに注意されたい。しかしながら、この文献はコレ
ステリックフィルタとの組み合わせ及びこのような組み
合わせにおけるプリズム板の利点については何等言及し
ていない。
【００４１】また、本発明は照明システムと、投影すべ
き画像を生成する少なくとも１個の透過型表示パネルを
有する表示装置と、生成された画像を投影スクリーン上
に投影する投影レンズ系とを具備する画像投影装置にも
関する。そして、本発明によるこのような装置は上記照
明システムが前述したような照明システムであることを
特徴としている。
【００４２】更に、本発明は照明システムと透過型の表
示パネルとを有するフラットパネル型表示装置にも関
し、本発明によるこの装置は該照明システムが前述した
ような照明システムであることを特徴としている。
【００４３】カラー表示パネルを備える上記のような表
示装置の光源効率は、前記表示パネルの各ピクセルに対
応するダイクロイック・ミラーのパターンがこれらピク
セルの前側近傍に配置され、これらミラーの各々は、対
応するピクセルに該当する波長帯域の照射を透過させる
一方該波長帯域外の照射は略完全に反射することを特徴
とすることにより一層向上される。
【００４４】米国特許第5,029,986号は、組み込まれた
ダイクロイックミラーのマトリクスを持つカラー表示パ
ネルを開示し、且つ、このようなミラーマトリクスを反
射器と組み合わせることにより如何に光源効率が改善さ
れるかを述べている。上記のようなパネルを前述したよ
うな形式の照明システムと組み合わせることにより、非
常に効率的なカラー表示装置が得られる。
【００４５】
【実施例】図１に概念的に示す直視型表示装置１は、照
明側５と視聴者９に向けられた表示側７とを持つ透過型
表示パネル３を有している。この表示装置１は、更に、
本発明による照明システム１１を有している。この照明
システム１１は、照射源１３と、この照射源の背後に配
置された反射器１５とを有している。照射源１３からの
照射を表示パネル３に向かって散乱させる拡散器１７が
照射源１３と表示パネル３との間に配置されて、該パネ
ルを一様に照明する。
【００４６】上記表示パネル３は例えば液晶表示パネル
（ＬＣＤパネル）で、この表示パネルは２つのガラス基
板により形成されると共に、これら基板間に配向された
液晶層が設けられている。上記のような表示パネルは、
該パネルを通過する光の偏光状態の変化叉は非変化に基
づいて動作するもので、所定の偏光状態を持つ光により
照射されねばならない。前記照射源１３により放出され
る照射は偏光されていないから、該照射は先ず上記パネ
ル３に適した偏光状態に変換されねばならない。
【００４７】本発明による上記照明システム１１におけ
る偏光状態の変換は、全可視波長範囲内で作用する新規
なコレステリックフィルタ１９により非常に効率的に実
現される。このフィルタ１９は、上記波長範囲に対する
その透過光偏光が表示パネル１３に適した偏光に相当す
るように設計される。上記コレステリックフィルタ１９
は拡散器１７と表示パネル３との間に配置される。前記
照射源１３からの偏光されていない照射は拡散器１７を
介してコレステリックフィルタ１９に入射する。
【００４８】既知の表示装置に使用されているコレステ
リックフィルタは、例えば５０ｎｍ程度の限られた波長
帯域内のみで動作するが、この帯域は例えば３８０ｎｍ
もの可視波長範囲よりも非常に狭い。既知のフィルタの
反射帯域外の波長の照射は偏光されない形で透過される
が、このことは該フィルタが限られた波長範囲に対して
のみ偏光子として動作するということを意味する。この
ような理由により、既知のフィルタはカラーフィルタと
しては非常に適しているものの、画像投影装置叉はフラ
ットパネル表示装置等の装置における上述したような応
用の偏光フィルタとして使用するには反射帯域幅が十分
に広くはない。
【００４９】反射帯域Δλの幅はΔλ＝λｏΔｎ／ｎａ
により規定され、ここでΔｎ＝ｎｅ− ｎｏは複屈折で
あり、ｎｅ及びｎｏは各々異常及び通常屈折率であり、
ｎａ＝（ｎｅ ＋ｎｏ）／２は平均屈折率である。ま
た、λｏは照射が垂直に入射する場合の選択的反射帯域
の中心波長であってλｏ＝ｎａｐ＝（ｎｅ＋ｎｏ）ｐ／
２により規定され、ここでｐは上記フィルタの分子螺旋
のピッチである。可視波長範囲においては、反射帯域の
幅はコレステリック材料の複屈折Δｎにより主に決ま
り、この複屈折は僅かな程度にしか変化することができ
ない。一般に、Δｎは０．３よりも小さいから、帯域幅
は１００ｎｍよりも狭く、通常約５０ｎｍである。
【００５０】表示装置に好適なコレステリックフィル
タ、即ち全可視波長範囲で動作するコレステリックフィ
ルタを得るために、各々が異なる反射帯域を持つ複数の
狭帯域コレステリック層を積み重ねることができる。こ
の場合、このような複合フィルタは別々の層の反射帯域
幅の和に等しい総合反射帯域幅を有し、この帯域幅は全
可視波長範囲において光を偏光するのに十分なほど広
い。
【００５１】しかしながら、本発明によれば原則的に単
一の層からなり、且つ分子螺旋のピッチｐが該層厚にわ
たって下限と上限との間で変化することにより結果とし
ての反射帯域幅が全可視波長範囲内で動作するに必要な
帯域幅に相当するようなコレステリックフィルタが使用
される。
【００５２】積み重ねたフィルタに対して、この単層フ
ィルタの利点は、その光学品質が非常に良いということ
にある。何故なら、層を重ねるとコレステリックス（ch
olesterics）の誤差の存在及び平らな分子規則性による
損失が原因して層の数の増加につれて光学品質が低下す
るからである。更に、層の厚さ、従って層の数の増加に
伴って視角依存性が増加する。このことは、所定の値よ
り大きな入射角で入射する照射に関しては、フィルタの
有効性は層厚の増加に伴って大幅に減少することを意味
する。
【００５３】全可視波長範囲に対しては、７８０ｎｍ−
４００ｎｍ＝３８０ｎｍなる反射帯域幅が必要とされ
る。コレステリックフィルタの有効性は偏光されるべき
照射が入射する入射角によっても決まる。フィルタの反
射帯域は、例えば１度当たり２ｎｍのように入射角の関
数としてずれる。このことは、入射角の変化により、可
視波長範囲に対して必要とされる反射帯域は仮想波長帯
域により補足しなければならないことを意味する。入射
角の最大範囲、即ち１８０゜に対しては、全反射帯域は
３８０ｎｍ＋１８０ｘ２ｎｍ＝７４０ｎｍでなければな
らない。可視波長範囲においては既知のコレステリック
層に対する反射帯域の幅は平均して５０ｎｍであるか
ら、従来の積み重ねフィルタは約１５の層を有さねばな
らない。
【００５４】ピッチｐが層の厚みにわたって連続的に変
化するような単一の層からなるコレステリックフィルタ
は以下のようにして作成することができる。先ず、反応
性モノマの混合物が作成される。この混合物は異なる重
量％のカイラル（chiral）成分とネマトジェニアス（ne
matogeneous）成分とを有し、これら成分は例えば２及
び１のように各々異なる数の反応性基を有するので上記
の２つのモノマは異なる反応性を持つ。次いで、この混
合物には安定化剤及び一定量の染料が加えられる。この
ようにして作成された混合物は、次いで、各々が例えば
ポリイミドの層を持つような２つの透明な基板の間に配
される。これらの各層は上記コレステリック混合物中に
自然に作り出される分子螺旋を配向するために使用され
る。不連続性（disclinations）の形成を防止するため
に、上記の２つの基板は平らな規則 性が得られるまで
短い距離にわたってせん断される。次いで、上記反応性
混合物は周囲温度において紫外線照射により光重合され
るので、３次元網構造が形成される。このようにして形
成された光学的能動層の強度により、該光学層を前記基
板から外して自己支持型のコレステリックフィルタとし
て使用することが可能である。例えば全可視波長範囲に
相当する反射帯域幅のような所望の反射帯域幅は、染料
の量並びに紫外線光の波長及び出力を変化させることに
より得ることができる。
【００５５】図２の曲線ａは層の厚みにわたってピッチ
ｐが一定であるようなコレステリックフィルタの反射ス
ペクトルを示している。このフィルタは染料を加えない
で得た。このフィルタの反射帯域幅は約４５ｎｍに過ぎ
なかった。
【００５６】一方、図２の曲線ｂは重合の際に染料が存
在したコレステリックフィルタの反射スペクトルを示し
ている。このフィルタの反射帯域幅は約２３０ｎｍであ
る。
【００５７】上記のような単層コレステリックフィルタ
であって層厚にわたって連続して変化するピッチｐを有
するようなフィルタの製造方法自体は本発明の要旨では
ないが、このようなフィルタの製造方法は出願人により
本特許出願と同日になされる出願（整理番号：ＰＨＮ１
４６２９）に詳細に記されている。
【００５８】フィルタの光学品質が大幅に優れており且
つ視角依存性が多数の狭帯域コレステリック層からなる
コレステリックフィルタにおけるよりも顕著でない実施
例は、少なくとも幾つかの層が層厚にわたって連続的に
変化するような分子螺旋のピッチｐを持つような複数の
層からなるコレステリックフィルタである。
【００５９】ピッチｐが層厚にわたって変化するような
層は前述した単層のフィルタの場合と同様の方法で製造
することができる。
【００６０】本発明が提案するように、コレステリック
層の帯域幅が例えば１５０ｎｍ程度に増加されたとすれ
ば、可視波長範囲に対して必要とされる層の数は１５か
ら５へと減少させることができる。
【００６１】コレステリックフィルタの前述した特性に
より、分子螺旋の方向に対応する方向に円偏光された照
射は照射源１３の方向に反射され、一方反対に円偏光さ
れた照射はフィルタ１９により透過される。上記の反射
された照射はその後再び拡散器１７に到達し、この分散
器において偏光解消される。この偏光解消された照射は
次いで反射器１５に入射し、この反射器上ではフィルタ
１９の方向への反射がなされる。再びフィルタに到達す
る偏光されていない照射の一部は透過に適した円偏光状
態を有する。残りの部分は再び上述した照射通路を往復
し、その都度照射の一部が透過する。反射損失は別とし
て、略全部の偏光されていない照射が上記のようにして
表示パネル３に適した円偏光された照射に変換される。
【００６２】照射源１３からの光は、図３のａに示すよ
うに、拡散器１７により略１８０゜の角度区域にわたり
散乱される。コレステリックフィルタの有効性は入射す
る照射の波長のみならず該照射の入射角によっても決ま
るが、上記のような拡散器は照射をフィルタに向けて大
きな入射角で散乱する。結果として、所定の波長範囲を
カバーするに要するフィルタの反射帯域は、仮想波長帯
域により増加して大きな入射角に対しても同様に有効と
なるようにしなければならない。入射角の関数としての
反射帯域のずれは、例えば１度当たり２ｎｍである。結
果として、１８０゜の角度区域に対しては反射帯域は１
８０ｘ２ｎｍ＝３６０ｎｍだけ増加されねばならない。
【００６３】図４に示すようにビーム集中素子２１を拡
散器１７とコレステリックフィルタ１９との間に設ける
ことにより、入射角の区域が大幅に減少し、この結果当
該コレステリックフィルタの必要とされる全反射帯域が
減少される。
【００６４】これを数値例を参照して示す。例えば前記
入射角区域が９０°に減少されるようなプリズム箔の形
態の拡散器を使用することにより、全可視波長範囲をカ
バーするに要する５０ｎｍなる反射帯域幅を持つ従来の
層の数は、プリズム箔を設けないない場合の層の数は約
１５であるのに対して、［７８０ｎｍ−４００ｎｍ＋
（２ｘ９０）］／５０＝約１１となる。
【００６５】ピッチが連続的に変化し結果として１５０
ｎｍなる反射帯域を持つようなコレステリック層を有す
るフィルタの場合は、約５枚の層の代わりに、［７８０
ｎｍ−４００ｎｍ＋（２ｘ９０）］／１５０＝約４なる
枚数の層を使用すれば充分である。変化するピッチを持
つフィルタの場合、ピッチｐの下限値と上限値とは互い
に接近している。
【００６６】ビーム集中素子２１は光学的に透明な材料
からなり、図４に示すように例えば拡散器１７上に直に
設けるようにするとよい。この素子２１のフィルタ１９
に対向する表面は、例えばプリズム構造のような周期的
な照射を屈折させるような構造を有している。
【００６７】図３のｂは、上記のような構造として以下
単にプリズム箔と称する例えば１次元プリズム構造を持
つ素子２１の拡散器１７からの照射に対する効果を示し
ている。この図を図３のａと比較すると、上記照射は角
度β内のビームへと集中され、この角度は前記角度αよ
り小さい。結果として、上記拡散器の明るさは前方向に
増加する。この角度区域βはプリズム縁の傾斜角を変化
させることにより変化させることができる。
【００６８】図５のａ及びｂは、プリズム箔の動作を一
方向に延在する構造を持つ例を参照して図示している。
拡散器１７とプリズム箔２１との間の境界に垂直に入射
する照射ビーム２３は、入射角が臨界角より大きいの
で、プリズム箔２１の縁部３３及び３４において全内反
射をうける。他方、上記各縁部３３及び３４に臨界角よ
り小さな角度で入射する照射ビーム２７、２９は、これ
ら縁部３３及び３４を介して当該プリズムから出力され
る。このように、プリズム箔２１は前記照射が９０°−
θ１と９０°−θ２との間の範囲内の角度のみにおい
て、即ち当該箔の法線を伴い各プリズム縁により囲まれ
る角度内で、出力されることを保証する。上記角度θ１
及びθ２を、即ち拡散器１７の面を伴う上記箔構造の縁
部３３、３４により囲まれる角度を、調整することによ
り、照射ビームの方向を決めることが可能である。プリ
ズム箔２１により反射された照射ビーム３１は、拡散器
１７を介して照射源１３の背後の反射器１５に戻され、
ここで反射された後再び当該システムに供給される。
【００６９】図６のａ、ｂ、ｃ及びｄはプリズム箔の種
々の実施例を示している。図６のａは前記フィルタに面
する表面がθ１＝θ２なる対称三角形構造を持つような
単一板体を有するプリズム箔を示している。また、図６
のｂは前記フィルタに面する表面がθ１≠θ２なる鋸歯
状構造を持つような単一板体を有するプリズム箔を示し
ている。このようにして、前記照射は所定の角度でビー
ムに集中するされるのみならず、当該プリズム箔から出
力されるビームの軸をθ１及びθ２を変化させることに
より調整することができる。また、図６のｃは２次元的
に動作するプリズム箔を示している。ここでは、上記照
射はビームに２次元的に集中される。このプリズム箔
は、各々にビーム集中素子が設けられた２つの板体２
０、２２を有している。第１の板体２０は前記フィルタ
に面する表面に第１の方向に延在する第１の周期的構
造、例えば図６のａに示されるような規則的な三角形構
造、を有している。また、第２の板体２２も前記フィル
タに面する表面に第２の周期的構造、例えば図６のａに
示されるような構造、を有している。これら２つの構造
は互いに所定の角度、例えば直角、に向けられている。
目的とする照射の集中度に応じて、図６のｂに示す構造
の２つの組み合わせ、叉は図６のａの構造と図６のｂに
示す構造との組み合わせ等が可能である。２次元的に動
作するビーム集中素子は、他の例として、レンズのマト
リクス叉はピラミッド状プリズムを持つような板体を有
してもよい。前記フィルタに面するプリズム箔面上にプ
リズムのマトリクスを有するようなプリズム箔の実施例
が図６のｄに示されている。
【００７０】単一叉は複合プリズム箔とＬＣＤパネルと
の組み合わせで生成し得るモアレ効果は、上記箔の構造
の周期を前記表示パネルのピクセルの周期に適合させる
ことにより低減することが可能である。
【００７１】円偏光された照射が直線偏光された照射に
変換されるように、図１の装置と同様に図３の装置にお
いても前記コレステリックフィルタ１９の背後にλ／４
板２３を選択的に配置することができる。現在最もよく
使用されている液晶表示パネルは直線偏光された照射で
動作する。λ／４板の使用は表示パネル３の性質に依存
するから、図１及び図４においては、このλ／４板２３
は破線で示されている。また、円−直線変換は可視波長
範囲内で実現されねばならないから、例えば米国特許第
5,029,986号に述べられているような広帯域のλ／４板
が使用される。
【００７２】前記コレステリックフィルタが３次元網構
造を形成する光学的能動層を持つ単層フィルタであっ
て、この特別な頑丈さのために自己支持型の膜を構成す
る場合は、当該フィルタは拡散器１７叉はλ／４板２３
等の他の素子に取り付けることができる。このようにし
て非常に小型の照明システムを得ることができる。
【００７３】照明システムにおいて照射源の利用可能な
照射を非常に効率的に使用することができる方法を、偏
光の方向及び照射の伝搬方向並びに上記のようなシステ
ムの表示装置における利点等に関して述べた。この表示
装置が直視型カラー表示装置である場合は、照射効率は
上述した本発明と米国特許第5,029,986号に記載された
発明との新規な組み合わせにより更に高めることができ
る。この場合、色に関する限り光源効率も上昇される。
【００７４】図７は、上記の新規な組み合わせが使用さ
れた表示装置を概念的に示している。この装置の照明シ
ステム１１は照射源１３と、拡散器１７と、コレステリ
ック偏光フィルタ１９と、選択的に設けるビーム集中素
子２１とを有している。上記照射源は例えば折れ曲がり
形状のランプであり、該ランプは反射内壁１５を持つホ
ルダ内に配置されている。また、カラー表示パネル４０
は符号４１、４２及び４３で示される３つの群に分割さ
れる多数のピクセルを有し、各々が所定の色、即ち赤、
緑及び青の画像を生成する。上記各ピクセルに合わせた
色フィルタのマトリクス５０が前記パネル４０の前方に
配置されるが、この色フィルタも符号５１、５２及び５
３で示される３つの群に分割されている。対応するピク
セル４１、４２及び４３に対して適切な色の光のみを透
過する上記フィルタは、この実施例においては、ダイク
ロイックミラーである。このようなミラーは、入射され
た副ビームのうちの当該ピクセルに関係しない色成分を
前記照射源に向かって反射する。前記ホルダの反射性内
壁は上記副ビームを当該照明システム内に送り返す。こ
の副ビームが前記マトリクス５０に到達すると、該副ビ
ームは最初に反射されたのとは異なるミラーに当たる。
何故なら、この副ビームはその経路において方向が変化
されているからである。この場合、この副ビームの第２
の色成分は対応するピクセルへ透過される。上記副ビー
ムの残りの成分は再び照射源ホルダとの間で往復し、他
の色フィルタにより対応するピクセルへ通過される。全
ての副ビームは上述したようなやり方で当該照射システ
ムを数回往復するので、照射源の照射の大部分は正しい
色で各ピクセルに入射し、これにより色に関する限り高
効率も達成される。
【００７５】図７はλ／４板２３を再び破線で示してい
る。これは該λ／４板を設けることは、ＬＣＤパネル４
０が直線偏光された照射で動作するか叉は円偏光された
照射で動作するかに依存するからである。
【００７６】左旋性の及び右旋性の円偏光された照射に
対する前記コレステリックフィルタ１９の選択性が充分
に大きい場合は、前記ＬＣＤパネル３の前部に設けられ
ると共に従来のＬＣＤパネルの一部を形成し、且つ、Ｌ
ＣＤパネル３の背後の検光子５３と一緒に形成された画
像の充分なコントラストを保証するような従来の偏光子
５４は省略することができる。
【００７７】図８は画像投影装置の一実施例を示してい
る。この図において、ブロックＡは本発明による照明シ
ステムを示し、該システムは主軸が当該画像投影装置の
光学軸ＯＯ’に一致するような光ビームｂを出力する。
この光ビームは、白黒画像を投影する場合には１個の表
示パネル３を持つような表示システムＢに入射する。こ
の表示パネルは、例えばガラス製の２枚の透明板体６１
及び６３の間に封入された例えばネマチック型の液晶材
料６０の層を持つ液晶パネル等である。上記各板体上に
は駆動電極６５及び６７が各々設けられている。これら
の電極は当該表示パネルに多数のピクセルを規定するた
めに多数の行及び列に分割することができる。この場
合、異なるピクセルは駆動端子６９及び６８により図に
概念的に示したマトリクス電極を駆動することにより駆
動される。かくして、電場が前記液晶材料６０の両端間
に所望の位置で印加される。上記のような電場は上記液
晶材料６０の有効な屈折率を変化させ、従ってピクセル
を通過する光は、当該ピクセルの位置に局部電場が存在
するか存在しないかに依存して偏光状態の変化を受ける
か叉は受けない。
【００７８】上記のパッシブ駆動型表示パネルに代え
て、アクティブ駆動型パネルを用いることもできる。こ
の後者のパネルの場合は、一方の支持板体が電極を有
し、他方の支持板体には半導体駆動電子回路が設けられ
る。この場合、各ピクセルは例えば薄膜トランジスタ等
の自身のアクティブ駆動素子により駆動される。上記両
形式の直接駆動型表示パネルは例えばヨーロッパ特許出
願公開第EP0266184号に記載されている。
【００７９】前記表示パネル３に入射するビームは偏
光、好ましくは直線偏光、されねばならない。この目的
のため、前記照明システムＡには単層叉は多層形式の偏
光子及び前述したような拡散器が設けられる。更に、上
記表示パネルにより透過された光の経路には検光子５３
が配設され、この検光子は、例えば駆動されると共にビ
ームの偏光状態を変化させないピクセルからの光を投影
レンズ系Ｃへ通過させる。なお、ビームの偏光状態を変
化させる駆動されていないピクセルからの光は、上記検
光子５３により阻止される。このように、上記検光子は
ビームの偏光変調を輝度変調に変換する。投影レンズ系
Ｃは前記パネル３上に形成された画像を投影スクリーン
Ｄ上に投影する。このようにして投影された画像は上記
投影スクリーンの背後の空間に位置する視聴者により観
られる。
【００８０】前述したように、上記表示パネルは好まし
くは直線偏光された光により照射され、一方該パネルの
素子は偏光の方向を９０゜回転したり叉は回転させなか
ったりする。原理的には、液晶表示パネルを持つ画像投
影装置を直線偏光された光の代わりに円叉は楕円偏光さ
れた光で動作させることも可能である。この場合、この
表示パネルは上記の円偏光された光の回転方向叉は楕円
偏光された光の楕円軸の比を変化させることができるも
のである。このような変化は他の偏光手段を用いること
により輝度変調に変換することができる。
【００８１】上記画像投影装置がカラー画像投影装置で
ある場合は、前記表示系Ｂは各々が３原色の赤、緑及び
青の１つに対応する３個の表示パネルと、前記ビームｂ
をこれらのパネルのうちの対応する１つに入射させる多
数のダイクロイック・ミラーとを有する。また、他のダ
イクロイック・ミラーが上記各パネルを通過したビーム
を１つのビームに合成し、このビームが前記投影レンズ
系を通る。
【００８２】また、カラー画像投影装置においては単一
のカラー表示パネルを使用することも可能である。この
場合は、好ましくは図７を参照して説明したようにピク
セルの前に配置されるダイクロイック・ミラーのマトリ
クスが使用され、したがって同図を参照して述べたよう
な利点をこのカラー画像投影装置においても得ることが
できる。
【００８３】上記においては、本発明をツイステッド・
ネマチック型叉はスーパーツイステッド型等の液晶表示
パネルを持つような表示装置を参照して説明したが、本
発明はこれらに限定されるものではない。即ち、前記表
示パネルは多結晶材料ＰＺＬＴ（Lanthanum doped Lead
Zirconate Titanate）が用いられるＳＣＤ（Solid Cer
amic Display）パネル、叉は超複屈折効果が利用される
ようなパネル等であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１はコレステリックフィルタを含む本発明
によるフラットパネル型の表示装置の一実施例の概念
図、
【図２】 図２はコレステリックフィルタの反射スペク
トルを示し、曲線ａは層厚にわたってピッチｐが一定の
場合を、曲線ｂは層厚にわたってピッチｐが連続的に変
化する場合を示す、
【図３】 図３は拡散器による照射ビームの散乱を示
し、ａはプリズム箔を設けない場合を、ｂはプリズム箔
を設けた場合を示す、
【図４】 図４はプリズム箔を備える本発明による表示
装置の実施例の概念図、
【図５】 図５のａ及びｂはプリズム箔による散乱原理
を説明するための説明図、
【図６】 図６のａ〜ｄは本発明による表示装置に使用
されるプリズム箔の種々の例を示す斜視図、
【図７】 図７は本発明による照明システムを含むフラ
ットパネルカラー表示装置の実施例を示す分解斜視図、
【図８】 図８は本発明による照明システムを含む画像
投影装置の実施例を示す概念図である。
【符号の説明】
１…表示装置、 ３…表示パネル、
１１…照明システム、 １３…照射源、１
５…反射器、 １７…拡散器、１９
…コレステリックフィルタ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 アドリアヌス ヨハネス ステファヌス マリア デ ファーン オランダ国 5621 ベーアー アインド ーフェン フルーネヴァウツウェッハ １ (72)発明者 パウルス バルソロメウス ヨハネス シャーレマン オランダ国 5621 ベーアー アインド ーフェン フルーネヴァウツウェッハ １ (56)参考文献 特開 平３−45906（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−12124（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−281814（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−66503（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−66504（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−66367（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−66368（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−149881（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−168626（ＪＰ，Ａ) 実開 平４−89924（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G02F 1/13 - 1/141 G02B 27/28

Claims (13)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 所定の偏光状態を持つ照明ビームを供給
    する照明システムであって、照射源と拡散器とを順に有
    するような照明システムにおいて、 前記拡散器が偏光を解消する拡散器であり、 少なくとも略全可視波長範囲内で動作するコレステリッ
    クフィルタが、前記拡散器の、前記照射源から遠い方の
    側に設けられ、 反射器が、前記拡散器の、前記フィルタから遠い方の側
    に設けられている、 ことを特徴とする照明システム。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載の照明システムにおい
    て、前記コレステリックフィルタの、前記拡散器から遠
    い方の側に広帯域のλ／４板が配置されていることを特
    徴とする照明システム。
  3. 【請求項３】 請求項１叉は請求項２に記載の照明シス
    テムにおいて、前記コレステリックフィルタが液晶材料
    の複数の層を有し、これら層の各々が異なる波長帯域で
    動作し、これら波長帯域が共同で少なくとも可視波長範
    囲をカバーすることを特徴とする照明システム。
  4. 【請求項４】 請求項１叉は請求項２に記載の照明シス
    テムにおいて、前記コレステリックフィルタが液晶ポリ
    マ材料の単一の層を有し、該層においては分子螺旋のピ
    ッチが、少なくとも全可視波長範囲をカバーするに必要
    な反射帯域の下限及び上限に各々対応する２つの値の間
    で連続的に変化していることを特徴とする照明システ
    ム。
  5. 【請求項５】 請求項３に記載の照明システムにおい
    て、前記コレステリックフィルタの各層のうちの少なく
    とも複数個の層は分子螺旋のピッチが変化するような液
    晶ポリマを有し、これら層が各々異なる波長帯域で動作
    することを特徴とする照明システム。
  6. 【請求項６】 請求項４に記載の照明システムにおい
    て、前記コレステリックフィルタの前記ポリマ材料が３
    次元網構造を形成すると共に当該システムにおける他の
    素子に取り付けるに適した自己支持型の膜を形成するこ
    とを特徴とする照明システム。
  7. 【請求項７】 請求項１ないし請求項５の何れか一項に
    記載の照明システムにおいて、前記拡散器と前記コレス
    テリックフィルタとの間に光学的に透明な素子が設けら
    れ、該素子の前記フィルタに面する一方の側は少なくと
    も一方向に延びる周期的且つ照射を屈折させるような構
    造を有し、該構造が前記拡散器からの照射を所定の角度
    で集中させることを特徴とする照明システム。
  8. 【請求項８】 請求項７に記載の照明システムにおい
    て、前記素子は前記フィルタに対向する面が当該板体の
    面内で第１の方向に延在する第１の周期的構造を有する
    ような第１の板体と、前記フィルタに対向する面が当該
    板体の面内で前記第１の方向とある角をなす第２の方向
    に延在する第２の周期的構造を有するような第２の板体
    とを具備していることを特徴とする照明システム。
  9. 【請求項９】 請求項７に記載の照明システムにおい
    て、前記素子は単一の板体を有し、該板体の前記フィル
    タに対向する面が２次元的な照射屈折構造を有している
    ことを特徴とする照明システム。
  10. 【請求項１０】 請求項７、請求項８叉は請求項９に記
    載の照明システムにおいて、前記照射屈折構造は第１の
    表面領域と、これと交互となる第２の表面領域とを有
    し、当該素子の法線に対して前記第１の領域が第１の角
    度を内包する一方、前記第２の領域が第２の角度を内包
    することを特徴とする照明システム。
  11. 【請求項１１】 照明システムと、投影すべき画像を生
    成する少なくとも１個の透過型表示パネルを有する表示
    装置と、前記生成された画像を投影スクリーン上に投影
    する投影レンズ系とを具備する画像投影装置において、 前記照明システムが請求項１、２、３、４、５叉は１０
    に記載のシステムである、 ことを特徴とする画像投影装置。
  12. 【請求項１２】 照明システムと、透過型の表示パネル
    とを有するフラットパネル型表示装置において、 前記照明システムが請求項１ないし請求項１０の何れか
    一項に記載のシステムである、 ことを特徴とするフラットパネル型表示装置。
  13. 【請求項１３】 請求項１２に記載のフラットパネル型
    表示装置において、前記表示パネルの各ピクセルに対応
    するダイクロイック・ミラーのパターンがこれらピクセ
    ルの前側近傍に配置され、これらミラーの各々は、対応
    するピクセルに該当する波長帯域の照射を透過させる一
    方該波長帯域外の照射は略完全に反射することを特徴と
    するフラットパネル型表示装置。
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