JPH06308449A

JPH06308449A - ライトバルブ装置およびそれを用いた投写型表示装置

Info

Publication number: JPH06308449A
Application number: JP5092791A
Authority: JP
Inventors: Hideki Omae; 秀樹大前; Hiroshi Takahara; 博司高原
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1993-04-20
Filing date: 1993-04-20
Publication date: 1994-11-04

Abstract

(57)【要約】【目的】光回折状態の変化として光学像を形成するラ
イトバルブ装置およびそれを用いた投写型表示装置に関
するもので、明るく高コントラストの表示画像を得るこ
とを目的とする。【構成】ライトバルブ層１３を２つの透明板１１、１
２で狭持し、少なくとも一方の側に透明結合体６４を介
して透明板６３を結合する。これにより、ライトバルブ
層１３から空気との境界面６８までの厚さを厚くする。【効果】ライトバルブ層１３から空気との境界面６８
までの厚さを厚くすることにより、ライトバルブ層１３
から出射して出射面６８で反射してライトバルブ層１３
に戻る光の照度が低下するので、表示画像のコントラス
トが向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光の回折状態の変化と
して光学像を形成するライトバルブ装置ならびにこのラ
イトバルブ装置に表示された画像をスクリーン上に拡大
投影する投写型表示装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年ホームシアター、プレゼンテーショ
ンと大画面表示がにわかに注目を集めてきている。従来
よりライトバルブを用いた投写装置は多くの方式が提案
されてきたが、最近では小型の液晶パネルの表示画像を
投写レンズなどにより拡大投影し大画面の表示画像を得
る液晶投写装置が商品化されている。

【０００３】液晶パネルは主に電気的にその光学特性を
変化させて表示を行うもので、その動作原理には多くの
種類がある。現在商品化されている液晶投写装置に用い
られているツイストネマチック（以下、ＴＮと呼ぶ）液
晶パネルは、液晶の旋光性が電界により変化する現象を
利用したものである。しかしながら、このＴＮ液晶パネ
ルは、光の変調のために入射側と出射側に偏光板が必要
であり、そのために光利用効率が低いという問題があっ
た。

【０００４】このような偏光板を用いずに光を制御する
方法として散乱現象あるいは回折現象を用いる方法があ
る。光散乱状態の変化により光学像を形成する液晶パネ
ルとして、例えば相変化（ＰＣ）、動的散乱（ＤＳ
Ｍ）、高分子分散液晶等があげられる。中でも近年、特
公平３−５２８４３号公報等に示されるような高分子分
散液晶パネルが盛んに研究されている。ところがこの高
分子分散液晶パネルを用いた液晶投写装置は、画像の明
るさとコントラストにトレードオフの関係があり（Ｔｏ
ｍｉｔａ．Ｐｒｏｃ．ｏｆＳＩＤ．Ｐ５７９．１９９
２）、明るさとコントラストの両方の性能を満足するも
のは得られていない。

【０００５】光の回折状態の変化により光学像を形成す
る液晶パネルの一例として特公昭５３−３９２８号公報
があげられる。回折方式液晶パネルの基本構成と動作の
モデルを（図１５（ａ））、（図１５（ｂ））に示す。
液晶パネルのガラス基板１５１と１５２の内側には透明
電極１５５と１５６が形成され、そのうち少なくとも一
方の基板の液晶層１５３に相対する面上に凹凸断面形状
層１５４を形成している。この凹凸断面形状層１５４は
周期的な凹凸を持っており、回折格子として作用する。
この凹凸断面形状層１５４の屈折率と液晶１５７の常光
屈折率ｎ_oとはほぼ等しい。

【０００６】液晶層１５３に電界を印加しない場合は、
（図１５（ａ））に示すように、液晶１５７はその分子
長軸方向を凹凸断面形状層１５４のストライプの方向と
平行に向きを揃えて、ホモジニアス状態に配向してい
る。このとき紙面と垂直な方向に振動する光線１５８が
この液晶パネルに入射すると、凹凸断面形状層１５４の
凸部分ではその屈折率はｎ_oとなるが、凹部分では液晶
の異常光屈折率ｎ_eとなり、位相回折格子として光線は
変調される。

【０００７】液晶層１５３に十分な電界を印加すると
（図１５（ｂ））に示すように、正の誘電異方性を持っ
た液晶１５７はガラス基板１５１、１５２と垂直な方向
に配向する。そのため凹部分では液晶１５７の常光屈折
率ｎ_oとなり、凸部分との屈折率差がなくなり、入射し
た光線１５８は回折されることなく直進して出射する。

【０００８】回折方式液晶パネルを用いた投写型表示装
置の構成例を（図１６）に示す。ランプ１６１から出た
光は、凹面鏡１６２により集光されて液晶パネル１６３
に入射する。液晶パネル１６３に入射した光は何等変調
されない場合は全て投写レンズ１６４に入射するよう構
成されている。液晶パネル１６３は回折方式液晶パネル
であり、ガラス基板１５１、１５２により液晶層１５３
が狭持されている。一方のガラス基板１５１、１５２の
液晶層１５３側の面にはマトリクス状の画素電極ならび
に回折格子が設けられており、映像信号に応じて回折状
態の変化として液晶パネル１６３に光学像を形成するこ
とができる。十分な電圧を印加された画素から出る光は
全て投写レンズ１６４に入射してスクリーン１６８上に
到達するので、スクリーン１６８上の対応する位置には
明るい画素が表示される。電圧の印加されない画素から
は回折光が出射し、投写レンズ１６４から外れてスクリ
ーン１６８には到達せず、スクリーン１６８上の対応す
る位置には暗い画素が表示される。このようにして、液
晶パネル１６３上に回折状態の変化として形成された光
学像は、投写レンズによりスクリーン１６８上に拡大投
写される。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】以下、（図１７）を用
いて回折方式液晶パネルの課題を説明する。（図１７）
は電界オフでパネルは回折状態である。パネルに入射し
た光線Ａは凹凸断面形状層１７４で回折し、１次から高
次の回折光として出射する。光線Ｂは１次回折光であ
り、そのほとんどが基板１７２を直進してパネルの外部
へ出射する。光線Ｃは高次の回折光であり、基板１７２
と空気の界面で全反射して再び液晶層１７３へ戻る光で
ある。この光線が再度回折を起こし、出射側へ戻り、表
示コントラストを低下させるとともに表示品位を低下さ
せる。

【００１０】また、図には記さなかったがＴＦＴなどの
スイッチング素子にこの反射光が飛び込み、ホトコンと
呼ばれる光伝導による漏れ電流が発生し、クロストーク
などの表示不良が発生する。

【００１１】本発明は、回折状態の変化として光学像を
形成するライトバルブ装置、および投写型表示装置のコ
ントラストを改善することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
本発明のライトバルブ装置は、光回折状態の変化として
光学像を形成するライトバルブ層と、前記ライトバルブ
層を狭持する２つの基板とを備え、、前記基板のうち少
なくとも一方が光透過性を有し、かつ光透過性うぃ有す
る前記透明基板のうち少なくとも一方はその透明基板の
中心厚をｔ、屈折率をｎ、前記ライトバルブ層の有効表
示領域の最大径をｄとして、次の条件を満足するように
したものである。

【００１３】

【数３】

【００１４】本発明の他のライトバルブ装置は、光回折
状態の変化として光学像を形成するライトバルブ層を２
つのうち少なくとも一方が透明な基板で狭持したライト
バルブと、透明板と、透明結合体とを備え、前記透明板
は前記ライトバルブの入射側または出射側または両側に
配置し、前記ライトバルブと前記透明板の間は前記透明
結合体により光学的に結合したものでもよい。

【００１５】本発明のさらに他のライトバルブ装置は、
光回折状態の変化として光学像を形成するライトバルブ
層と、前記ライトバルブ層を狭持する２つの透明体とを
備え、前記２つの透明体のうち少なくとも一方は前記ラ
イトバルブ層から遠い面を凹面としたものでもよい。

【００１６】また、以上の構成において透明基板、透明
板、透明体は、ライトバルブ層に接する面に光反射手段
を設ければ、反射型のライトバルブ装置を実現できる。

【００１７】上記構成において、透明基板、透明板、透
明結合体および透明体は無効面に光吸収手段を設けるの
が望ましく、また、透明基板の空気に接する面、透明板
の空気に接する面および凹面は有効領域に反射防止手段
を設けるのが望ましい。凹面に近接して正レンズを配置
すれば、画質均一性が良好となる。

【００１８】本発明の投写型表示装置は、光発生手段
と、前記光発生手段からの出射光が入射し光回折状態の
変化として光学像を形成するライトバルブ装置と、前記
光発生手段が発生した光を前記ライトバルブ装置に導く
第１の光学要素部品と、前記ライトバルブ装置で変調さ
れた光を投影する第２の光学要素部品を備え、ライトバ
ルブ装置として上記のライトバルブ装置を用いたもので
ある。

【００１９】

【作用】まず、回折方式液晶パネルを例にして、その動
作原理について説明する。

【００２０】回折方式液晶パネルのモデルを（図１）に
示す。２枚の透明基板１１、１２の間に液晶１３ならび
に凹凸断面形状層１４が挟持されているものとし、出射
側透明基板１１の厚さは表示領域の大きさに比べて十分
大きいとする。液晶層１３に電圧を印加しないで、表示
領域内の点Ａを中心とする微小領域１５だけに入射側か
ら細い平行偏光１６を照射する場合について考える。

【００２１】電界無印加の状態では、パネル内の液晶層
１３の液晶分子の配向方向はホモジニアスであり、凹凸
断面形状層１４のストライプと平行（紙面と垂直方向）
に分子長軸を向けて並んでいる。このときこの分子軸と
平行に振動する偏光１６に対する液晶層１３の屈折率は
異常光屈折率ｎ_eとなる。それに対して凹凸断面形状層
１４の屈折率はｎ_oであるから、屈折率差Δｎ＝ｎ_e−ｎ
_oに応じて入射光１６は回折する。入射光１６の波長を
λ、凹凸断面形状層１４の溝の深さをｔとすると、０次
の透過回折光の回折効率ηつまり直進光の透過率は、

【００２２】

【数４】

【００２３】と近似して表わすことができる。従ってパ
ネルに電界を印加すると、液晶層１３の液晶分子は基板
に垂直な方向に配向するので入射偏光１６に対する液晶
層の屈折率は常光屈折率ｎ_oであるから、屈折率差Δｎ
＝ｎ_o−ｎ_o＝０となり、０次回折効率ηは１となる。つ
まり回折は起こらず、入射光線はそのまま出射する。

【００２４】またパネルが回折状態の時の回折光の回折
角度は、次のように表わせる。

【００２５】

【数５】

【００２６】但し、ｍは回折次数、λは光線波長、ｎは
透明基板１２の屈折率、Ｐは凹凸断面形状層１４の回折
格子ピッチである。

【００２７】点Ａからθ₀方向に回折したｍ次回折光１
７は出射側透明基板１２の出射面上の点Ｂで透過光線１
８と反射光線１９に分かれる。出射側透明基板１２の屈
折率をｎ、透過光線１８の出射角をθ₁ とすると、スネ
ルの法則から、

【００２８】

【数６】

【００２９】の関係が成り立つ。液晶層１３からのｍ次
回折光の出射面２０における反射率Ｒ(θ₀)は次のよう
に表わせる。

【００３０】

【数７】

【００３１】ただし、θ_0Tは全反射の臨界角であり、

【００３２】

【数８】

【００３３】と表わせる。全反射した光はすべて液晶層
１３に戻り、再び回折する。点Ａから点Ｃまでの距離ｒ
は、次のように表わせる。

【００３４】

【数９】

【００３５】（数８）を利用すると、（数９）は次のよ
うに変形できる。

【００３６】

【数１０】

【００３７】ある画素から出た回折光が本来黒表示とな
るべき他の画素に入射すると、そこで再び回折されるの
で、本来黒表示となるべき画素の輝度が高くなってしま
う。しかも、（数１０）に示した距離ｒ_R だけ離れた画
素から出射する回折光の影響を最も受けやすい。

【００３８】以上から、回折方式液晶パネルを用いた投
写型表示装置の投写画像のコントラストが良くないとい
う問題は、上記のメカニズムが原因となっていることが
分かる。

【００３９】以下に、本発明の作用について説明する。
点Ｐから出て出射面で反射する光により、液晶層１３上
に再出射光による回折像２３が現れる。このとき、有効
表示領域２１全体で再出射光の輝度を抑制するには、点
Ｑが回折像２３の内側に存在する必要がある。つまり、
点Ｐから点Ｑまでの長さをｄとして、

【００４０】

【数１１】

【００４１】の関係が成り立つ必要がある。（数８）、
（数９）、（数１０）からθ_0Tとｒ_Rを消去すると、

【００４２】

【数１２】

【００４３】となる。（数１１）の条件が満足されれ
ば、有効表示領域の全体で不要光による輝度上昇は抑制
されコントラストが向上する。なお、本発明者らは種々
の実験を繰り返し、有効表示領域２１の最大径が回折像
２３までの距離より小さければ、つまり、

【００４４】

【数１３】

【００４５】であれば、実用上十分なコントラスト向上
の効果が得られることを確認している。この場合、（数
８）、（数１１）、（数１３）からθ_0Tとｒ_R を消去す
ると、

【００４６】

【数１４】

【００４７】となる。従って、出射側透明基板１２の厚
さｔは、（数１４）を満足するように選ぶとよい。

【００４８】次に、出射側透明基板の出射側面が凹面の
場合について説明する。出射側透明基板１２の材質と中
心厚を同一として、出射面２０だけを凹面に変え、（図
３）に示すように、液晶層１３に電圧を印加しないで表
示領域内の点Ａを中心とする微小領域１５だけに入射側
から細い平行偏光１６を照射する。液晶層１３上の点Ａ
から出て凹面３０上の点Ｂで反射し液晶層１３上の点Ｃ
に入射する光線を考えると、出射面が平面から凹面に変
わることにより、点Ｃで見る微小領域１５の虚像から点
Ｃまでの距離が長くなり、また点Ｂで反射して点Ｃに入
射する光線の入射角が大きくなるから、点Ｃからの再出
射光の輝度が低下する。また、点Ａから点Ｃまでの距離
が長くなる。従って、出射側透明基板１２の出射面２０
を平面から凹面に変えることにより、再出射光の輝度を
低減することができ、表示画像のコントラストを向上さ
せることができる。このことは、出射側透明基板の出射
面が凹面の場合、出射面が平面の場合と比較して、中心
厚が薄くてもコントラスト向上の効果が大きいことを意
味する。

【００４９】次に、無効面で光が反射されると、その光
は液晶層１３に戻り黒表示部の輝度上昇を招く。この問
題は、（図４）、（図５）に示すように、出射側透明基
板１２の無効面に光吸収手段４６を施し、不要光が吸収
されるようにすれば解決できる。さらに、出射側透明基
板１２の出射面２０あるいは３０の有効領域に反射防止
膜４７を付ければ、小さな角度で液晶層１３から出射す
る光の出射面２０あるいは３０における反射率が減少す
るので、黒表示部の輝度上昇を低減できる。

【００５０】以上のようにすれば、液晶パネル上の黒表
示部の輝度を低減することができるので、明るく高コン
トラストの画像を表示するライトバルブ装置を提供する
ことができる。また、このライトバルブ装置を投写型表
示装置に用いれば、明るくコントラストの良好な画像を
得ることができる。

【００５１】

【実施例】本発明の実施例について、図面を参照しなが
ら説明する。

【００５２】本発明の投写型表示装置の第１の実施例の
構成を（図６）に示す。６１はライトバルブ装置、６２
は液晶パネル、６３は透明板、６４は透明体、７０は光
源、７４は投写レンズ、７６はスクリーンである。

【００５３】ライトバルブ装置６１は、液晶パネル６
２、透明板６３、透明体６４により構成される。液晶パ
ネル６２は、２枚のガラス基板１１、１２とシール部材
により密閉容器を構成し、内部に液晶１３を封入したも
のである。（図７）に示すように、入射側ガラス基板５
１の液晶層５３側には、透明導電膜による共通電極５５
ならびに凹凸断面形状層５４（以下、回折格子と呼ぶ）
が形成されている。出射側ガラス基板５２の液晶層５３
側には画素電極５６がマトリックス状に形成され、各画
素電極５６の近傍にはスイッチング素子としてＴＦＴ５
０が設けられている。回折格子５４は画素電極５６上に
形成してもよい。各ＴＦＴ５０は、ソース電極５７が信
号線に接続され、ゲート電極５８が走査線に接続され、
ドレイン電極５９が画素電極５６に接続されている。信
号線は信号供給回路に接続され、走査線は走査回路に接
続されている。信号供給回路と走査回路により、各画素
に信号電圧が供給される。液晶５３は、十分な電界が印
加されると液晶５３と回折格子５４の屈折率差がなくな
って入射光を直進させ、電界が印加されない場合には液
晶５３と回折格子５４の屈折率差によって入射光を回折
させるので、各画素の液晶層は印加電圧により光回折状
態を制御することができる。こうして、液晶パネル６２
に映像信号に応じて回折状態の変化として光学像を形成
することができる。

【００５４】液晶パネル６２の出射側には、透明体６４
を介して透明板６３が結合されている。ガラス基板１２
と透明板６３との間には周囲にスペーサが設けられてお
り、このスペーサにより透明体６４の厚さを規制してい
る。透明板６３の側面６６には黒色塗料６７が塗布さ
れ、透明板６３の出射面６８の有効領域には反射防止膜
６９が施されている。ガラス基板１２は厚さ１ｍｍのガ
ラス板であり、透明板６３は厚さ１０ｍｍのガラス板で
あり、屈折率はいずれも１．５２である。透明体６４は
信越化学工業（株）製の透明シリコーン樹脂ＫＥ１０５
１であり、厚さは２ｍｍ、屈折率は１．４０である。こ
れは、２種類の液体で供給されており、２液を混合して
室温放置または加熱すると、付加重合反応によりゲル状
に硬化する。

【００５５】透明板６３として、アクリル樹脂などの透
明樹脂を用いてもよい。透明体６４は透明であればよ
く、エチレングリコールなどの液体、エポキシ系透明接
着剤、紫外線照射によりゲル状に硬化する透明シリコー
ン樹脂などを用いることができる。いずれの場合も、ガ
ラス基板１２と透明板６３の間に空気層があるとそこで
画質異常を生じるので、空気層を含まないようにする必
要がある。

【００５６】光源７０はランプ７１と凹面鏡７２で構成
され、ランプ７１から出た光は凹面鏡７２により集光さ
れて、指向性の比較的狭い光が出射する。光源７０から
の出射光は、フィールドレンズ７３、液晶パネル６２、
透明体６４、透明板６３の順に透過し、投写レンズ７４
に入射する。投写レンズ７４の瞳の大きさは、液晶パネ
ル６２の画面中心にある画素が透明状態の場合に、その
画素から拡がって出射する光のうち光量で約９０％が入
射する大きさにしている。フィールドレンズ７３は、液
晶パネル６２の表示領域の周辺部を通過する光を内側に
屈折させて投写レンズ７４の瞳に入射させ、投写画像の
周辺部が暗くならないようにするために用いる。投写レ
ンズ７４は、透明体６３と組み合わせることにより、良
好な結像特性が得られるようにしている。投写画像のフ
ォーカス調整は、投写レンズ７４を光軸７５に沿って移
動することにより行う。

【００５７】液晶パネル６２には映像信号に応じて回折
状態の変化として光学像が形成される。投写レンズ７４
は、各画素から出射する光のうちある立体角に含まれる
光を取り込む。各画素からの出射光の回折状態が変化す
れば、その立体角に含まれる光量が変化するので、液晶
パネル６２上に回折状態の変化として形成された光学像
はスクリーン７６上で照度の変化に変換される。こうし
て、液晶パネル６２に形成された光学像は、投写レンズ
７４によりスクリーン７６上に拡大投写される。

【００５８】（図６）に示した構成にすると液晶層１３
から空気に接する境界面６８までの厚さが厚くなるの
で、液晶層１３に電圧を印加しない場合、液晶層１３か
ら出射する回折光が透明板６３の出射面６８で反射され
て液晶層１３に戻り液晶層１３により再回折する光の輝
度は、透明板６３がない場合に比較して小さくなる。ま
た、透明板６３の側面６６に入射する光は、側面６６に
塗布されている黒色塗料６７により吸収され液晶層１３
に戻る不要光が減少するので、液晶層１３上の表示画像
のコントラストが向上する。また、透明板６３の出射面
６８には反射防止膜６９を施しているので、液晶層１３
から小さな出射角で出射する光の出射面６８における反
射が低減し、これも表示画像のコントラスト向上に寄与
する。

【００５９】本発明の投写型表示装置の第２の実施例の
構成を（図８）に示す。６２は液晶パネル、７０は光
源、７４は投写レンズ、８１はライトバルブ装置、８３
は平凹レンズである。液晶パネル６２、光源７０は、
（図７）に示したものと同一である。

【００６０】ライトバルブ装置８１は、液晶パネル６
２、平凹レンズ８３、透明接着剤８４で構成される。液
晶パネル６２の出射側には透明接着剤８４を用い凹面８
８を出射側に向けて平凹レンズ８３を結合し、平凹レン
ズ８３の側面８６には黒色塗料８７を塗布し、凹面８８
には反射防止膜８９を蒸着している。平凹レンズ８３は
アクリル樹脂を用い、成型加工により作成している。成
型加工は金型があれば、同一のレンズを作成できるので
量産性がよい。

【００６１】投写レンズ８２は平凹レンズ８３を組み合
わせた状態で、液晶層１３上の光学像がスクリーン７６
上に結像するようにしている。凹面８８からの出射光が
投写レンズ８２に入射する必要があるので、液晶パネル
６２への入射光は収束光とする必要がある。投写画像の
フォーカス調整は、投写レンズ８２を光軸７５に沿って
移動することにより行う。

【００６２】光源７０からの出射光はフィールドレンズ
７８を透過して、液晶パネル６２に入射する。ライトバ
ルブ装置８１の出射面８８が凹面であることにより、作
用の項で説明したように、液晶層１３からの再回折光に
よる輝度上昇を抑制できるので、液晶層１３上の表示画
像のコントラストは良好となり、投写画像のコントラス
トが向上する。また、平凹レンズ８３の側面８６に塗布
した黒色塗装８７、凹面８８に蒸着している反射防止膜
８９は、第１の実施例と同様の作用を示し、投写画像の
コントラストを向上させる。

【００６３】本発明の投写型表示装置の第３の実施例の
構成を（図９）に示す。６２は液晶パネル、７０は光
源、７６はスクリーン、９１はライトバルブ装置、９０
は正レンズ、９２は投写レンズ、９３は平凹レンズであ
る。液晶パネル６２、光源７０は（図７）に示したもの
と同一である。

【００６４】ライトバルブ装置９１は、液晶パネル６
２、平凹レンズ９３、透明接着剤９４、正レンズ９０で
構成されている。平凹レンズ９３は、ガラス基板１２の
出射側に凹面９５を出射側に向けて透明接着剤９４を介
して結合されている。平凹レンズ９３の出射側には、正
レンズ９０が近接して配置されている。正レンズ９０の
凸面９８の曲率半径は、平凹レンズ９３の凹面９５の曲
率半径と等しい。凹面９５と凸面９８の間に薄い空気間
隔を設けている。平凹レンズ９３の側面９６には黒色塗
料９７が塗布され、凹面９５には反射防止膜が蒸着され
ている。正レンズ９０の両面９８、９９にも反射防止膜
が蒸着されている。また、投写レンズ９２は、平凹レン
ズ９３、正レンズ９０を組み合わせた状態で、液晶層１
３上の光学像がスクリーン７６上に結像するようにして
いる。投写画像のフォーカス調整は投写レンズ９２を光
軸７５に沿って移動することにより行う。

【００６５】（図９）に示した構成の場合も、液晶パネ
ル６２の出射側に平凹レンズ９３を結合し、平凹レンズ
９３の側面９６に黒色塗料９７を塗布することにより、
（図８）に示した構成の場合と同様に、コントラストの
良好な投写画像を得ることができる。

【００６６】回折方式液晶パネルは、ＴＮ液晶パネルほ
ど光学特性の入射角依存性が強くないが、入射光の入射
角があまり大きい場合には、液晶層１３を通過するとき
の光の見かけの波長が長くなるために回折効率が変化す
る。つまり、液晶パネル６２に入射する光線の入射角が
場所により異なれば、投写画像の画質が不均一となる。
一方、（図８）に示した構成の場合、凹面８８の曲率半
径を小さくしようとすると、液晶パネル６２に収束角の
大きな収束光を入射させるか、または投写レンズ８２の
有効径を大きくする必要がある。前者は液晶パネル６２
上の場所により画質が均一でないために、投写画像の画
質が不均一となり、後者は投写レンズ８２が大型化しコ
スト高になるという問題がある。液晶パネル６２の回折
効果の入射角依存性が大きい場合、（図９）に示したよ
うに、平凹レンズに正レンズを組み合わせれば、投写レ
ンズ９２を大型化することなく、液晶パネル６２に平行
に近い光を入射させることができるので、投写画像の画
質均一性を確保しやすい。

【００６７】正レンズ９０の液晶パネル６２側の面９８
の曲率半径は、凹面９５の曲率半径と同一または小さく
するとよい。こうすると、正レンズ９０が凹面９５に入
り込む形になるので、液晶層１３から正レンズ９０の投
写レンズ９２側の頂点までの長さを短くすることができ
る。

【００６８】本発明の投写型表示装置の第４の実施例を
（図１０）に示す。６２は液晶パネル、７０は光源、１
０１はライトバルブ装置、１０３は透明板、１０４は透
明体である。ライトバルブ装置１０１は（図６）に示し
た構成と同様である。

【００６９】さらにシュリーレンレンズ７８とシュリー
レンストップである入力マスク７７と出力マスク７９を
配置し、液晶パネルが回折状態の時に白表示を、非回折
状態の時に黒表示を行うものである。これまでに例をあ
げた実施例はすべて液晶パネルが回折状態の時に黒表示
を、非回折状態の時に白表示を行うものであった。多数
の開口部を有する入力マスク７７と出力マスク７９の間
にシュリーレンレンズ７８を設置して、入力マスク７７
の像を出力マスク７９上に結像させるようにした構造の
シュリーレン光学系を構成し、本発明のライトバルブ装
置１０１をシュリーレン光学系の中に配置する。液晶パ
ネル６２を直進する光線は出力マスク７９の遮光部で遮
られ、回折した光線のみ出力マスク７９の開口部より投
写レンズ７４を用いてスクリーンに到達する。図示して
いないが光源７０と入力マスク７７の間にフライアイレ
ンズならびに入力マスク７７近傍にフィールドレンズア
レイを配置してもよい。フライアイレンズにより光源像
が入力マスク７７の開口部に形成され、微小光源アレイ
を形成する役割をする。これらを配置することにより光
源の光利用効率を高める。

【００７０】一方パネルが電圧無印加の場合、パネルの
反射光も回折を生じる。すなわち（図１）で示したこと
がパネルの入射側でも起こっている。そのため、（図
６）に示した構成では、反射回折光は入射側ガラス基板
５１の入射面で反射して再び液晶層５３に入射する。液
晶層５３に再入射する光は、黒表示部における輝度を高
くするので、投写画像のコントラストを低下させる。パ
ネルの入射側にも透明板を配置した構成の場合は、反射
回折光が透明板６３の入射面で反射して液晶層５３に再
入射することが防げる。そのため本発明の実施例で示し
た構成に、さらに入射側に透明板を配置することで、透
明板がない場合に比べてよりコントラストの良好な投写
画像が得られる。

【００７１】（図６）に示した第１の実施例にさらにパ
ネルの入射側に透明板を組み合わせると、つまり回折方
式液晶パネル６２の入射側と出射側とに透明板を結合す
ると、投写画像のコントラストはさらに向上する。そう
すると、本発明のライトバルブ装置には、多くの変形が
考えられる。変形として考えられる構成の例を（図１１
（ａ））から（図１１（ｉ））に示す。いずれも、図面
の右側が入射側であり、透明板１１１、平凹レンズ１１
２は透明接着剤により液晶パネル６２に結合されてい
る。また、透明板１１１、平凹レンズ１１２の無効面に
は黒色塗料１１３が塗布されている。平凹レンズ１１２
を用いる場合には、正レンズ１１４を組み合わせること
ができる。なお、ライトバルブ装置の入射側には、投写
画像の周辺部を明るくするためにフィールドレンズを配
置するのがよいが、液晶パネル６２の入射側に平凹レン
ズ１１２を用い、その入射側に正レンズ１１４を近接配
置する場合には、その正レンズ１１４はフィールドレン
ズとして機能することになる。（図１１（ａ））から
（図１１（ｉ））に示したいずれの構成も、前述の実施
例と同様に、従来例の構成と比較してコントラストの良
好な投写画像が得られる。なお、ライトバルブ装置の液
晶層から空気と接する面までを１つの材料で構成しても
よいし、複数の材料を組み合わせてもよい。

【００７２】本発明の第５の実施例の構成を（図１２）
に示す。１２１、１２２、１２３はライトバルブ装置、
６２ａ、６２ｂ、６２ｃは液晶パネル、７０は光源、７
４は投写レンズ、１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃは平凹
レンズ、１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃは正レンズ、１
１５ａ、１１５ｂ、１１５ｃは平凹レンズ、１１７ａ、
１１７ｂ、１１７ｃは正レンズ、１２４、１２６、１２
７、１２９はダイクロイックミラー、１２５、１２８は
平面ミラーである。

【００７３】ライトバルブ装置１２１、１２２、１２３
は、同一の構成であり、それぞれ液晶パネル６２ａ、６
２ｂ、６２ｃ、平凹レンズ１１２ａ、１１２ｂ、１１２
ｃ、平凹レンズ１１５ａ、１１５ｂ、１１５ｃ、正レン
ズ１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ、正レンズ１１７ａ、
１１７ｂ、１１７ｃで構成される。液晶パネル６２ａ、
６２ｂ、６２ｃは回折方式液晶パネルであり、いずれも
（図７）に示したものと同一である。平凹レンズ１１２
ａ、１１２ｂ、１１２ｃは、それぞれ液晶パネルの入射
側に透明接着剤を用いて結合され、平凹レンズ１１５
ａ、１１５ｂ、１１５ｃは、それぞれ液晶パネルの出射
側に透明接着剤を用いて結合されている。正レンズ１１
４ａ、１１４ｂ、１１４ｃは、それぞれ平凹レンズ１１
２ａ、１１２ｂ、１１２ｃの入射側に薄い空気間隔を設
けて配置され、正レンズ１１７ａ、１１７ｂ、１１７ｃ
は、それぞれ平凹レンズ１１５ａ、１１５ｂ、１１５ｃ
の出射側に薄い空気間隔を設けて配置されている。平凹
レンズ１１５ａ、１１５ｂ、１１５ｃ、１１７ａ、１１
７ｂ、１１７ｃの側面には黒色塗料１１３ａ、１１３
ｂ、１１３ｃ、１１６ａ、１１６ｂ、１１６ｃが塗布さ
れている。

【００７４】光源７０はランプ７１、凹面鏡７２、フィ
ルタ１２０で構成される。ランプ７１は、メタルハライ
ドランプであり、赤、緑、青の３原色の色成分を含む光
を出射する。凹面鏡７２はガラス製で、反射面に可視光
を反射し赤外光を透過させる多層膜を蒸着したものであ
る。フィルタ１２０は、ガラス基板の上に可視光を透過
し赤外光と紫外光を反射する多層膜を蒸着したものであ
る。ランプ７１からの放射光に含まれる可視光は、凹面
鏡７２の反射面により反射し、その反射光は平行に近い
光になる。凹面鏡７２から出射する反射光は、フィルタ
１２０により赤外光と紫外光とが除去されて出射する。

【００７５】光源７０からの光はダイクロイックミラー
１２６、１２７と平面ミラー１２８を組み合わせた色分
解光学系に入射し、３つの原色光に分解される。各原色
光は、それぞれフィールドレンズとして機能する正レン
ズ１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃを透過してライトバル
ブ装置１２１、１２２、１２３に入射する。ライトバル
ブ装置１２１、１２２、１２３から出射する光は、ダイ
クロイックミラー１２４、１２９と平面ミラー１２５と
を組み合わせた色合成光学系により１つの光に合成され
た後、投写レンズ７４に入射する。液晶パネル６２ａ、
６２ｂ、６２ｃは、それぞれ映像信号に応じて回折状態
の変化として光学像が形成され、その光学像は投写レン
ズ７４によりスクリーン上に拡大投写される。

【００７６】液晶パネル６２ａ、６２ｂ、６２ｃの入射
側と出射側に迷光を抑制する平凹レンズ１１５ａ、１１
５ｂ、１１５ｃ、１１７ａ、１１７ｂ、１１７ｃを結合
しているので、迷光によるコントラスト低下が抑制され
る。また、３つの液晶パネル６２ａ、６２ｂ、６２ｃを
それぞれ赤用、緑用、青用として用いるので、明るさと
解像度の良好な投写画像が得られる。３つの液晶パネル
６２ａ、６２ｂ、６２ｃのうち少なくとも１枚のパネル
の回折格子の高さあるいはピッチのいずれかを他のパネ
ルと異なる構成にしてもよい。

【００７７】本発明で色分解および色合成光学系に用い
たダイクロイックフィルターは単に色フィルターであっ
てもよいし、また色合成光学系を用いずに３本の投写レ
ンズを用いてスクリーン上に重ね合わせて投写してもよ
い。

【００７８】（図１２）に示した構成において、ライト
バルブ装置の構成を（図６）、（図８）、（図９）、
（図１０）に示したライトバルブ装置、あるいは（図１
１）に示した他のライトバルブ装置に置き換えることも
できる。ライトバルブ装置は、投写型表示装置の用途、
制約条件などを考慮して最適な構成を選択するとよい。

【００７９】本発明の投写型表示装置の第６の実施例の
構成を（図１３）に示す。７０は光源、１３１はライト
バルブ装置、１３２は液晶パネル、１３４は投写レンズ
である。光源７０は（図６）に示したものと同一であ
る。

【００８０】ライトバルブ装置１３１は、反射型の液晶
パネル１３２、平凹レンズ１３３、正レンズ１３０で構
成されている。液晶パネル１３２は、第１のガラス基板
１４２と第２のガラス基板１４１とシール部材により密
閉空間を形成し、内部に液晶１４３を封入したものであ
る。（図１４）に示すように、第１のガラス基板１４２
の上には、マトリックス状にＴＦＴ１４０が形成され、
その上には絶縁層１４７を挟んでアルミニウムによる画
素電極１４６が形成されている。各画素電極１４６は各
ＴＦＴ１４０のドレイン電極１４９に接続されている。
第２のガラス基板１４１の上には透明導電膜による共通
電極１４５ならびに回折格子１４４が形成されている。

【００８１】投写レンズ１３４は液晶パネル１３２側の
第１レンズ群１３７とスクリーン側の第２レンズ群１３
８とで構成され、第１レンズ群１３７と第２レンズ群１
３８との間には平面ミラー１３６が配置されている。液
晶パネル１３２の画面中心にある画素から出射する散乱
光は、第１レンズ群１３７を透過した後、約半分が平面
ミラー１３６に入射し、残りが平面ミラー１３６に入射
せずに第２レンズ群１３８に入射する。平面ミラー１３
６の反射面の法線は投写レンズ１３４の光軸１３５に対
して４５°傾いている。光源７０からの光は平面ミラー
１３６で反射されて第１レンズ群１３７を透過し、正レ
ンズ１３０、平凹レンズ１３３を順に透過して液晶パネ
ル１３２に入射する。液晶パネル１３２からの反射光
は、平凹レンズ１３３、正レンズ１３４、第１レンズ群
１３７、第２レンズ群１３８の順に透過してスクリーン
に到達する。投写レンズ１３４は、平凹レンズ１３３と
正レンズ１３０とを組み合わせることにより、液晶層１
４３上の光学像がスクリーン上に結像するようにしてい
る。また、投写レンズ１３４の絞りの中心から出て液晶
パネル１３２に向かう光線は、液晶層１４３にほぼ垂直
に入射するように、つまりテレセントリックとしてい
る。

【００８２】回折方式液晶パネルを用いた投写型表示装
置において投写画像のコントラストを良好にするには０
次回折効率を小さく、できるだけ０に近くする必要があ
る。（数４）より回折格子の深さｄが一定ならば液晶層
と回折格子の屈折率差Δｎをできるだけ大きくすること
が望ましい。しかしながら現在知られている液晶はその
異常光屈折率ｎ_eが１．７乃至１．８が最大であり、Δ
ｎ＝ｎ_e−ｎ_o＝０．２程度である。するとこの屈折率差
で０次光を０にする回折格子の深さは２μｍ必要であ
る。液晶パネルが反射型の場合、光は液晶層を２回通過
するので、液晶層の厚さが同一の透過型液晶パネルの場
合に比較して、回折格子の深さを約半分にすることがで
きる。そのため、投写画像のコントラストは、反射型の
方が透過型の場合より有利である。つまり、回折格子の
高さを低くして、コントラストの良好な投写画像を得る
ことができる。しかも、（図１３）に示した構成の場合
には、液晶パネル１３２の入射側と出射側の両方で平凹
レンズ１３３によるコントラスト向上の効果が得られる
ので、投写画像のコントラストは非常に良好となる。
（図１３）に示した構成において、投写レンズ１３４を
修正することにより、正レンズ１３０を省くこともでき
るし、平凹レンズ１３３を厚い透明板に置き換えること
もできる。

【００８３】以上の実施例ではライトバルブとして液晶
パネルを用いた例を示したが、エラストマーなど、光回
折状態の変化として光学像を形成するものであれば、本
発明のライトバルブとして用いることができる。

【００８４】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、回折状態
の変化として光学像を形成するライトバルブ装置におい
てその透明基板を厚くすることにより、また透明基板に
透明板あるいは平凹レンズを組み合わせることにより、
明るくコントラストが良好で、ホトコンによるクロスト
ークの起こらない高品位な画像を表示するライトバルブ
装置を提供することができる。また、このライトバルブ
を用いることにより、明るく高コントラストの画像を表
示できる投写型表示装置を提供することができ、非常に
大きな効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のライトバルブ装置の作用を説明するモ
デルの概略図

【図２】（図１）に示したモデルに関する輝度分布を説
明する概略図

【図３】本発明のライトバルブ装置の作用を説明するモ
デルの概略図

【図４】本発明のライトバルブ装置の一実施例に係る構
成を示す概略図

【図５】本発明のライトバルブ装置の他の実施例に係る
構成を示す概略図

【図６】本発明の投写型表示装置の第１の実施例におけ
る概略構成図

【図７】（図６）に示した液晶パネルの要部拡大断面図

【図８】本発明の投写型表示装置の第２の実施例におけ
る概略構成図

【図９】本発明の投写型表示装置の第３の実施例におけ
る概略構成図

【図１０】本発明の投写型表示装置の第４の実施例にお
ける概略構成図

【図１１】本発明のライトバルブ装置の種々の構成を示
す概略構成図

【図１２】本発明の投写型表示装置の第５の実施例にお
ける概略構成図

【図１３】本発明の投写型表示装置の第６の実施例にお
ける概略構成図

【図１４】（図１３）に示した液晶パネルの要部拡大断
面図

【図１５】回折方式液晶パネルの作用を説明するための
概略図

【図１６】従来の投写型表示装置の構成を示す概略構成
図

【図１７】回折方式液晶パネルの作用を説明するための
概略図

【符号の説明】

１１、１２透明基板１３ライトバルブ層１４凹凸断面形状層（回折格子）６１、８１、９１、１０１、１３１ライトバルブ装置６２液晶パネル６３透明板６４、８４、９４、１０４透明体６７、８７、９７、１０７、１１３、１１６黒色塗料６９、８９、１０９反射防止膜７０光源７３フィールドレンズ７４、８２、９２、１３４投写レンズ７６スクリーン７７入力マスク７８シュリーレンレンズ７９出力マスク８３、９３、１１２、１１５、１３３平凹レンズ９０、１１４、１１７、１３０正レンズ１２１、１２２、１２３ライトバルブ装置１２４、１２６、１２７、１２９ダイクロイックミラー１２５、１２８平面ミラー１３２反射型液晶パネル１３７、１３８レンズ１３６平面ミラー

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光の回折状態の変化として光学像を形成す
るライトバルブ層と、前記ライトバルブ層を狭持する２
つの基板とを備え、前記基板のうち少なくとも一方が光
透過性を有し、かつ光透過性を有する前記透明基板のう
ち少なくとも一方はその透明基板の中心厚みをｔ、屈折
率をｎ、前記ライトバルブ層の有効表示領域の最大径を
ｄとして、次の条件を満足することを特徴とするライト
バルブ装置。【数１】
【請求項２】透明基板の無効面に光吸収手段を設けた請
求項１記載のライトバルブ装置。
【請求項３】透明基板の空気に接する面の有効領域に反
射防止手段を設けた請求項１または請求項２記載のライ
トバルブ装置。
【請求項４】光の回折状態の変化として光学像を形成す
るライトバルブ層を、２つのうち少なくとも一方が透明
な基板で狭持したライトバルブと、透明板と、透明結合
体とを備え、前記透明板は前記ライトバルブの入射側あ
るいは出射側またはその両側に配置され、前記ライトバ
ルブと前記透明板の間は前記透明結合体により光学的に
結合されたことを特徴とするライトバルブ装置。
【請求項５】透明板の空気に接する面から液晶層までの
中心厚をｔ、屈折率をｎ、前記液晶層の有効表示領域の
最大径をｄとして、次の条件を満足する請求項４記載の
液晶パネル。【数２】
【請求項６】透明板の無効面に光吸収手段を設けた請求
項４または請求項５記載のライトバルブ装置。
【請求項７】透明板の空気に接する面の有効領域に反射
防止手段を設けた請求項４から請求項６のいずれかに記
載のライトバルブ装置。
【請求項８】光の回折状態の変化として光学像を形成す
るライトバルブ層と、前記ライトバルブ層を狭持する２
つの基板とを備え、前記基板のうち少なくとも一方が光
透過性を有し、かつ前記透明基板のうち少なくとも一方
は前記ライトバルブ層から遠い面が凹面であることを特
徴とするライトバルブ装置。
【請求項９】凹面を有する透明基板は、ライトバルブ層
に接する透明基板と、前記ライトバルブ層から遠い面が
凹面である凹レンズと、透明結合体を備え、前記透明基
板と前記凹レンズとの間は前記透明結合体により光学的
に結合されたことを特徴とする請求項８記載のライトバ
ルブ装置。
【請求項１０】凹面を有する透明基板の無効面に光吸収
手段を設けた請求項８または請求項９記載のライトバル
ブ装置。
【請求項１１】凹面を有する透明基板の空気に接する面
の有効領域に反射防止手段を設けた請求項８から請求項
１０のいずれかに記載のライトバルブ装置。
【請求項１２】凹面に近接して凸レンズを配置した請求
項８から請求項１１のいずれかに記載のライトバルブ装
置。
【請求項１３】請求項１から請求項１２のいずれかに記
載のライトバルブ装置と、光発生手段と、前記光発生手
段が発生した光を前記ライトバルブ装置に導く第１の光
学要素部品と、前記ライトバルブ装置で変調された光を
投影する第２の光学要素部品を具備することを特徴とす
る投写型表示装置。
【請求項１４】光発生手段が発生する光は色フィルタで
青色光、緑色光および赤色光の３つの所定範囲の波長の
光に分離され、かつライトバルブ装置は前記３つの所定
範囲の波長の光の少なくとも１つに対して配置されてい
ることを特徴とする請求項１３記載の投写型表示装置。
【請求項１５】色フィルタはダイクロイックミラーであ
ることを特徴とする請求項１４記載の投写型表示装置。
【請求項１６】青色光を変調するライトバルブ装置の光
学像と、緑色光を変調するライトバルブ装置の光学像
と、赤色光を変調するライトバルブ装置の光学像がスク
リーンの同一位置に重ね合わせて投影されることを特徴
とする請求項１４記載の投写型表示装置。