JP3633361B2

JP3633361B2 - 投写型液晶表示装置

Info

Publication number: JP3633361B2
Application number: JP11363299A
Authority: JP
Inventors: 穣児唐澤
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1999-04-21
Filing date: 1999-04-21
Publication date: 2005-03-30
Anticipated expiration: 2019-04-21
Also published as: JP2000305163A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶パネルに形成された画像をスクリーン上に拡大して投写する投写型液晶表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
投写型液晶表示装置は、赤、緑、青の３原色に対応させて液晶パネルを３枚使用する３板式と、１枚の液晶パネルと色生成手段（色を分離し色毎変調する手段）とから構成される単板式に大別される。単板式は、３板式では構成が複雑で高価である点を克服するために提案されているもので、特に３板式と同等の明るさを期待できるものとして、例えば特開平４−６０５３８号公報に記載の光学系が知られている。この光学系は、３枚の板状のダイクロイックミラーによって異なった方向に分離された赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の色光を液晶パネルに設けられたマイクロレンズによって目的の画素に集光することによりカラー表示を可能とするものであり、Ｒ、Ｇ、Ｂの光束を空間的に分離するため３板式の投写型液晶表示装置に迫る明るさが得られるものと期待されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
こうした光学系では、Ｒ、Ｇ、Ｂの液晶パネルへの入射角を異ならせることによって上記の空間的な分離を実現させているため、光束の液晶層を通過する方向や角度はＲ、Ｇ、Ｂ毎異なっている。
【０００４】
一方、液晶パネルは、液晶分子の光学的異方性を利用し印可電圧に応じて液晶分子の配列を変化させることによって表示を行うものであるため、液晶分子には液晶の動作モードに適した配向処理が施される。従って、液晶分子に対する通過方向によって光線が感じる光学特性（主に屈折率）が異なるため通過光線の偏光状態が影響を受け、特定方向にコントラスト比が最も高くなる最大コントラスト方向（図４参照）が存在し、入射する光線の角度に対してコントラスト異方性がある。
【０００５】
このように、照明光学系（光源および光分離手段）と液晶パネル双方に光学的な異方性があるにもかかわらず、上記の従来技術においては、分離された色光を液晶パネルに入射させる際、Ｒ、Ｇ、Ｂの色光に分離する方向を含む面と液晶パネルの表示面とは直交状態にあり、また、液晶パネルの配向状態にはなんら規定がない。従って、投写された画像にはＲ、Ｇ、Ｂのいずれかの色光のコントラストが高くいずれかの色光のコントラストが低くなることによって投写画像の明るさや色純度が低下したり、特定方向のコントラストが低下することによって投写画像の面内均一性が低下するといった問題が予想される。
【０００６】
本発明の投写型液晶表示装置は、上記した従来の課題を解決するもので、その目的とするところは、第一に、Ｒ、Ｇ、Ｂの色光の分離方向と液層パネルの配向状態とを最適な関係にすることによっていずれの色光のコントラスト比も高め、明るく色純度の高い投写画像を実現することにある。また、第二に、色光の分離方向と液晶パネルの最大コントラスト方向と投写レンズの位置とを最適な関係にすることによって、明るく面内均一性の高い投写画像を実現することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
すなわち本願発明は、光源と、前記光源からの光を異なる複数の色光の光束に分離し、そして前記複数の光束を異なった角度で液晶パネルに照射する光分離手段と、を具備し、前記液晶パネルは前記複数の光束を各前記色光毎に対応する画素に集める光学素子を有する投写型液晶表示装置であって、前記液晶パネルの配向状態によって決まる視角特性においてコントラスト比の最も良好な方向（最大コントラスト方向）と前記液晶パネル表示面中心における法線とを含む面と、前記光分離手段によって色光を分離する方向を含む面とが異なるように、または、略直交するように構成されることを特徴とする。
【０００８】
液晶パネルのコントラスト分布は後述するように前述の最大コントラスト方向と同一面内にはコントラスト比が最も小さくなる最小コントラスト方向が存在し、コントラスト比の良好な領域は最大コントラスト方向および最小コントラスト方向の存在する面に直交する方向に広がりをもつ傾向にある。また、その面に対して液晶パネルのコントラスト分布はある程度の対称性があることがわかっている。従って、本発明によれば、コントラストの良好な領域が広がる方向と、Ｒ、Ｇ、Ｂの色光に分離する方向とを合わせることにより、あるいは最小コントラスト方向の存在する方向と異ならせることにより、Ｒ、Ｇ、Ｂいずれの色光に対してもコントラスト比を高めることができる。また、有効な光束を高い効率で出射させることができるため、明るく色純度の高い投写画像を得ることができる。
【０００９】
また、本発明は、前記最大コントラスト方向が前記色光を分離する方向を含む面内に存在し、前記液晶パネルに形成された画像を投写するための投写レンズが前記最大コントラスト方向と前記液晶パネル表示面中心における法線とを含む面に平行な方向で前記光分離手段と反対の方向にシフトされて構成されることを特徴とする。
【００１０】
本発明によれば、空間的な分離による色生成を可能にしながら、液晶パネルのコントラスト比の高まる最大コントラスト方向より照明光を入射させそれとは逆方向に配置した投写レンズにより投写する構成であるため、投写画像のコントラスト比を最も高めることができる。また、入射する色光と液晶パネルの視角依存性との間の対称性が高まり液晶パネルの視角依存性によるコントラスト劣化の影響を受けにくいため、コントラスト比および明るさの面内均一性を高めることができる。
【００１１】
また、本発明は、前記色光を分離する方向と前記液晶パネルの表示面の水平方向とが略同一方向であるように構成されることを特徴とする。
【００１２】
本発明によれば、一つの単位画素を構成するＲ、Ｇ、Ｂ用のサブ画素を液晶パネルの表示面の水平方向に並べられるとともに、液晶パネルの最大コントラスト方向は液晶パネルの表示面の垂直方向に向けることができるため、データ表示にも適した方形ストライプ状の表示を行うことができる。また、原色光の入射方向を対称に近づけられるため、光分離手段を構成しやすい。さらに、前述した最大コントラスト方向に対する照明手段（光源および光分離手段）、投写レンズの配置方向を液晶パネルの表示面の垂直方向に合わせられるため、投写画像を垂直方向に移動させるいわゆるあおり投写との相性が高い。
【００１３】
また、本発明はＴＮ液晶を用いた液晶パネルに対して特に有効である。これは、ＴＮ液晶の場合、光線の入射方向に対するコントラスト異方性が特に顕著であるためであるが、本発明を用いることにより、駆動電圧の低さや光学特性の高さから現在主流となっているＴＮ液晶と、空間的な色分離による単板型の投写型液晶表示装置との両立が可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の具体的な形態を図面を参照して詳述する。
【００１５】
（第一の形態）
図１は、本発明の第一の形態を表す光学系の平面図、図２は、同側面図、図３は、液晶パネルの部分拡大断面図である。
【００１６】
図１、図２において、本発明の投写型液晶表示装置は、光源を形成するランプ１およびリフレクタ２、投写画像における面内照度を均一化するためのインテグレータ光学系を形成するロッド光学素子３、集光レンズ４、５、６、光分離手段である３枚のダイクロイックミラー７Ｒ、７Ｇ、７Ｂ、液晶パネル８および、投写レンズ９から構成される。
【００１７】
ランプ１は例えばメタルハライドランプ等の高圧放電ランプであり、照明光の平行性を上げる目的から短アーク長のランプが選択されている。リフレクター２は例えば回転楕円面鏡であり、その第一焦点にほぼ一致するようにランプ１の発光部が配置され、その第二焦点はロッド光学素子３の入射面に一致するように配置される。これにより、ランプ１を出射した光束はリフレクタ２によって反射されてロッド光学素子３の入射面上に集光され光源像を形成する。
【００１８】
ロッド光学素子３は、例えばガラス製の中実矩形ロッドであり、入射面に形成された光源像がロッド光学素子３の内面で反射される際に、その反射面および反射回数の違いから複数の２次光源像が形成され、複数の２次光源像からの光束がロッド光学素子３の出射面上で重畳され、その出射面に対するロッド光学素子３内からの光出射方向も様々となるため、その出射面上には明るさのムラが低減され照度比を高められた照明情報が形成されることになる。一方、ロッド光学素子３の出射面と液晶パネル８とは集光レンズ４、５、６によって共役な関係に構成されており、この照度比が高められた照明情報が相似拡大されて液晶パネル８を照明することになる。
【００１９】
ダイクロイックミラー７は、インテグレータ光学系を形成する集光レンズ５および６の間に配置され、赤色光、緑色光、青色光を選択的に反射または透過する互いに異なる波長選択反射膜が形成された３枚のダイクロイックミラー７Ｒ、７Ｇ、７Ｂを備えている。例えば、ダイクロイックミラー７Ｒは、赤色光を反射し、緑色光、青色光を透過するミラーである。ダイクロイックミラー７Ｇは、ダイクロイックミラー７Ｒを透過した緑色光、青色光をさらに分離するミラーであって、緑色光を反射して、青色光を透過する。ダイクロイックミラー７Ｂは、ダイクロイックミラー７Ｇを透過した青色光を反射するミラーである。各ダイクロイックミラー７Ｒ、７Ｇ、７Ｂは、互いに所定の角度を持って配置されており、反射された光はそれぞれ異なる方向から液晶パネル８に入射する。本実施形態では液晶パネル８入射前に集光レンズ６が配置されそれを透過する光束は集光レンズ６の屈折作用を受けるが、光束の分離状態は保つことができる。なお、ダイクロイックミラー７は３枚のダイクロイックミラーとしているが、光学的に最後のミラー（７Ｂ）は全反射ミラーでもよく、少なくとも２つのダイクロイックミラーを用いれば光分離手段は構成できる。また、ダイクロイックミラーでなくとも波長選択反射膜が形成されたプリズムに置き換えてもよい。また、赤色光、緑色光、青色光の色光の分光の順序はいずれでも構わない。
【００２０】
図３は、図１における液晶パネル８の部分拡大断面図である。液晶パネル８は、上記の各光束をそれぞれ対応する画素に集光するためのマイクロレンズアレイ１１を備えたアクティブマトリクス液晶パネルであり、それらの前後には不図示の一対の偏光板が配置される。液晶パネル８は、２枚の硝子等の透明基板１２、１３の間にツイステッドネマチック（ＴＮ）液晶１４が封入され、一方の基板１２には共通電極１５および不要光を遮光するためのブラックマトリクス１６等が形成され、他方の基板１３には画素電極１７、スイッチング素子としての薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）１８等が形成され、ＴＦＴ１８を介して画素電極１７に電圧が印加されると共通電極１５との間に挟まれた液晶１４が駆動される構成である。なお、他方の基板１３には、複数の走査線と複数のデータ線が交差して配置され、その交差部付近にＴＦＴ１８がゲートを走査線、ソースをデータ線、ドレインを画素電極１７に接続して配置される。そして、走査線には順次選択電圧が印加され、それに応じてオンした水平方向の画素のＴＦＴ１８を介して各画素の駆動電圧が画素電極１７に書き込まれる。ＴＦＴ１８は非選択電圧の印加によりオフとなり印加された駆動電圧を図示されない蓄積容量等に保持する。液晶パネルの開口部（ブラックマトリクス１６の開口部）に相当する領域に画素電極１７は配置され、ＴＦＴ１８と画素電極１７（必要に応じて画素電極に接続された蓄積容量）により各画素が構成される。なお、液晶１４はＴＮだけでなく、強誘電型や反強誘電型、この他水平配向型、垂直配向型など種々用いることが可能である。
【００２１】
また、エッチング等により硝子板上に形成されたマイクロレンズアレイ１１と一方の基板１２とが、低屈折率の樹脂層（接着剤）１９を介して互いに接着されている。マイクロレンズアレイ１１の単位レンズ（レンズの凸部または凹部）は、液晶パネル８の水平方向（走査線方向）の画素ピッチの３倍に相当するピッチを有し、ダイクロイックミラー７を異なる角度で反射して出射する赤色光、緑色光、青色光がマイクロレンズアレイ１１の各単位レンズに異なる角度で入射し、この各単位レンズにより赤色光、緑色光、青色光がそれぞれ水平方向に隣接して単位レンズと対応する３つのサブ画素の画素電極１７付近に集光されるようになる。マイクロレンズアレイ１１の各単位レンズは、各色光をこのレンズと対応する３つの隣接するサブ画素の画素電極に集光するような焦点距離を有する。図においては、液晶パネルに対して略直進して入射される緑色光Ｇはマイクロレンズアレイ１１の単位レンズにより画素電極１７Ｇに集光されてそのまま出射される。一方、ダイクロイックミラー７Ｒと７Ｂが７Ｇに対して有する角度に対応した角度で、緑色光Ｇに対して互いに略対称に入射される赤色光Ｒと青色光Ｂは、単位レンズにより画素電極１７Ｒと１７Ｂにそれぞれ集光され、緑色光Ｇと略対称な角度をもって出射される。なお、ダイクロイックミラー７での分光の順序が異なれば、それに応じて図３に示される液晶パネル８への色光の入射位置も異なる。
【００２２】
上記のようにして液晶パネル８の画素電極１７に対して集光した各光束は、液晶パネル８に印加された信号に応じた変調を受けて出射し、投写レンズ９によって前方のスクリーン１０上に拡大投写される。隣接する３つのサブ画素により変調された３つの色光は、以上の過程においてスクリーン１０上では同位置に重なるように投写される。なお、本投写型表示装置は、スクリーン１０を背面から投写するリア型でも、前面から投写するフロント型でも構わない。
【００２３】
図４は、本発明の液晶パネル８における配向状態を説明するための図である。まず、図４（ａ）により、以下の説明に必要な座標系と、液晶パネル８の配向状態について説明する。液晶パネル８の表示面の中心を通る法線をＺ軸とし、Ｚ軸と直交し液晶パネル８の表示面内の２軸をそれぞれＸ、Ｙ軸とする。また、Ｘ軸が液晶パネル８の走査線方向（水平方向）とする。また、Ｚ軸からＸＹ平面に対する振れ角をθとする。さらに、配向処理は上基板では方向２０で示す４５゜方向にラビングが施され、下基板では方向２１で示す４５゜方向にラビングが施されている。
【００２４】
図４（ｂ）は、図４（ａ）に示す配向処理を施された液晶パネル８のコントラスト特性を示す模式図であり、ＴＮ液晶における典型的な一例である。同図における同心円２２は振れ角θを表し、外周に行くに従って振れ角θが大きくなることを表している。また、曲線２３・・２６は等コントラスト線を表し、曲線２３が囲む領域が最大コントラスト領域を示し、外周に行くに従ってコントラスト比が低下することを表している。こうした特性の液晶パネルに対しては同図のＹ軸上で−Ｙ方向に振れ角を変えていった場合に最もコントラストの良好な状態が得られるため、本願においてはこの方向を最大コントラスト方向と定義した。すなわち、同図に示したように−Ｙ方向から液晶パネルに向かう方向２７が最大コントラスト方向であり、＋Ｙ方向から液晶パネルに向かう方向２８が最小コントラスト方向と定義し、両者はともにＹＺ面内に存在する。また、コントラスト比の等しい領域は最大コントラスト方向および最小コントラスト方向の存在するＹＺ面に直交する方向に広がりをもち、ＹＺ面に対してある程度の対称性があるように構成されている。従って、Ｘ軸方向にはコントラスト変化が緩やかでＹ軸方向にはコントラスト変化が急峻であるといえる。このように振れ角θおよび方位角に対してコントラスト比に異方性があることは、前述したように液晶分子に対する通過方向によって光線が感じる光学特性（主に屈折率）が異なることにより通過光線の偏光状態が影響を受けることに起因するものである。
【００２５】
以上のように、本発明においては、前述したＲ、Ｇ、Ｂのサブ画素をこのＸ軸方向に配置し照明光を供給するための照明光学系をこれに合わせるとともに、前述の配向処理を液晶層に施したため、液晶層に対する入射角の異なるＲ、Ｇ、Ｂの各光束に対してコントラスト比を高めることが可能である。換言すれば、Ｒ、Ｇ、Ｂ光束とも有効な光束を高い効率で出射させることができるため、明るく色純度の高い投写画像を得ることができる。さらに、一つの単位画素を構成するＲ、Ｇ、Ｂ用のサブ画素を液晶パネルの表示面の水平方向に並べられるとともに、液晶パネルの最大コントラスト方向は液晶パネルの表示面の垂直方向に向ける構成であるため、データ表示にも適した方形ストライプ状の表示を行うことができる。また、原色光の入射方向を対称に近づけられるため、分離手段を構成しやすい。
【００２６】
（第二の形態）
図５は、本発明の第二の形態を表す光学系の側面図である。図５において、第一の形態と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【００２７】
本形態の第一の形態との違いは、液晶パネル８に対して光源とインテグレータ光学系から構成される照明系をＹＺ面内でチルトさせ、投写レンズ９をＹＺ面内でシフトさせてあおり光学系を構成した点にある。
【００２８】
このときのチルトおよびシフト量は、前述の最大コントラスト方向から決定され、最大コントラスト方向とＺ軸とが形成する角度に照明光学系のチルト角δを一致させている。また、このときの照明光学系と液晶パネル８とが形成する光軸２９が投写レンズ９の入射瞳の中心で投写レンズ９の光軸と交わるように投写レンズのシフト量が決定されている。
【００２９】
本発明によれば、コントラストの変化の少ないＸ軸方向における空間的な分離により高コントラストで色を生成しながら、液晶パネル８のコントラスト比の高まる最大コントラスト方向より照明光を入射させ逆方向に配置した投写レンズ９により投写する構成であるため、投写画像のコントラスト比を最も高めることができる。また、入射する色光と液晶パネルの視角依存性との間の対称性が高まり液晶パネルの視角依存性によるコントラスト劣化の影響を受けにくいため、コントラスト比および明るさの面内均一性を高めることができる。さらに、前述した最大コントラスト方向に対する照明手段（光源および光分離手段）、投写レンズの配置方向を液晶パネルの表示面の垂直方向に合わせられるため、投写画像を垂直方向に移動させるいわゆるあおり投写との相性が高い。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、Ｒ、Ｇ、Ｂの色光の分離方向と液層パネルの配向状態とを最適な関係にすることによっていずれの色光のコントラストも高め、明るく色純度の高い投写画像を実現することができる。また、色光の分離方向と液晶パネルの最大コントラスト方向と投写レンズの位置とを最適な関係にすることによって、明るく面内均一性の高い投写画像を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の形態を表す光学系の平面図。
【図２】本発明の第一の形態を表す光学系の側面図。
【図３】本発明における液晶パネルの部分拡大断面図。
【図４】本発明における液晶パネルの配向状態の説明図であり、（ａ）が座標系の定義図、（ｂ）がコントラスト特性の模式図。
【図５】本発明の第二の形態を表す光学系の側面図。
【符号の説明】
１ランプ
２リフレクター
３ロッド光学素子
４集光レンズ
５集光レンズ
６集光レンズ
７ダイクロイックミラー
８液晶パネル
９投写レンズ
１０スクリーン
１１マイクロレンズアレイ
１２硝子基板
１３硝子基板
１４液晶

Claims

光源と、前記光源からの光を異なる複数の色光の光束に分離し、そして前記複数の光束を異なった角度で液晶パネルに照射する光分離手段と、を具備し、前記液晶パネルは前記複数の光束を各前記色光毎に対応する画素に集める光学素子を有する投写型液晶表示装置であって、前記液晶パネルの配向状態によって決まる視角特性においてコントラスト比の最も良好な方向（以後最大コントラスト方向と称す）と前記液晶パネル表示面中心における法線とを含む面と、前記光分離手段によって色光を分離する方向を含む面とが異なるように構成されることを特徴とする投写型液晶表示装置。
光源と、前記光源からの光を異なる複数の色光の光束に分離し、そして前記複数の光束を異なった角度で液晶パネルに照射する光分離手段と、を具備し、前記液晶パネルは前記複数の光束を各前記色光毎に対応する画素に集める光学素子を有する投写型液晶表示装置であって、前記液晶パネルの配向状態によって決まる視角特性においてコントラスト比の最も良好な方向（以後最大コントラスト方向と称す）と前記液晶パネル表示面中心における法線とを含む面と、前記光分離手段によって色光を分離する方向を含む面とが略直交するように構成されることを特徴とする投写型液晶表示装置。
請求項１または請求項２に記載の投写型液晶表示装置であって、前記最大コントラスト方向が前記色光を分離する方向を含む面内に存在し、前記液晶パネルに形成された画像を投写するための投写レンズが前記最大コントラスト方向と前記液晶パネル表示面中心における法線とを含む面に平行な方向で前記光分離手段と反対の方向にシフトされて構成されることを特徴とする投写型液晶表示装置。
請求項１から請求項３のいずれかに記載の投写型液晶表示装置であって、前記色光を分離する方向と前記液晶パネルの表示面の水平方向とが略同一方向であるように構成されることを特徴とする投写型液晶表示装置。
請求項１から請求項４のいずれかに記載の投写型液晶表示装置であって、前記液晶パネルを構成する液晶がツイステッドネマティック（ＴＮ）液晶であることを特徴とする投写型液晶表示装置。