JPH08129177A - 表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】ライトバルブ２と光源の出射光を映像信号に応
じた光学像が形成されるライトバルブ２上に照射させる
照明光学系を備えた表示装置で、光源とライトバルブ２
の間に、その一部分が他の部分と光学特性の異なり光源
からの光がライトバルブ上に均一に照射させる作用を有
する光学素子を介在させた表示装置。 【効果】明るく，小型で、かつ明るさ等の性能が表示画
像全体で均一な、即ち、周辺照度比が大きく、明るさや
色等のむらが少ない高性能な表示装置を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、主に一対の透明基板間
に液晶を注入し液晶の電気光学効果により画像情報を表
示する透過型の液晶表示素子をライトバルブとして用
い、ライトバルブ上に形成される光学像を、光源を含む
照明光学系による照明光で照射する液晶表示装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来より、画像表示装置として例えばラ
イトバルブに光学的特性の変化として映像信号に応じて
形成される光学像を光源を含む照明光学系による照明光
で照射し、光学像を直視する直視型表示装置、あるいは
光学像を投写レンズによりスクリーン上に投写する投写
型表示装置等があり、そうした表示装置に用いられるラ
イトバルブとして、透過型の液晶表示素子を用いている
ものが数多く提案されている。液晶表示素子の代表例で
あるツイステッド・ネマティック（ＴＮ）型液晶表示素
子の構造は、透明な電極被膜をもつ一対の透明基板間に
液晶を注入して成る液晶セルの前後に、各々の偏光方向
が互いに９０°異なるように２枚の偏光子を配置したも
のであり、液晶の電気光学効果により偏光面を回転させ
る作用と、偏光子の偏光成分の選択作用とを組み合わせ
ることにより、入射光の透過光量を制御して画像情報を
表示するようになっている。近年、こうした透過型の液
晶表示素子自体の小型化が進むとともに解像度等の性能
も急速に向上し、液晶表示素子を用いた表示装置の小型
高性能化が進んでいる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】一般に、ライトバルブ
に光を照射する所謂バックライトと透過型の液晶表示素
子を用いた表示装置、あるいは、さらに表示装置による
像を投写レンズによりスクリーン上に投写する投写型表
示装置では、明るく、かつ小型で解像度等の性能が良い
ことが望まれている。こうした表示装置で、像の明るさ
を向上させるためには、光源自体の明るさを増すこと、
光源の放射する全ての光のエネルギに対する透過型の液
晶表示素子等のライトバルブ上に照射される光のエネル
ギの比率(以下、光利用効率と呼ぶ）を高くすること、
液晶表示素子等のライトバルブヘ入射する光のエネルギ
に対するライトバルブを透過して出射する光のエネルギ
の比率が高いこと、さらに、投写型表示装置の場合には
投写レンズの透過率が高く、かつ投写レンズがライトバ
ルブから出射された光束を全て取り込む充分に明るいＦ
値を有していること、などが必要である。

【０００４】上述のように、近年液晶表示素子を用いた
表示装置の小型高性能化が進んでいるが、さらに明るく
小型な表示装置を得るためには、小型化したライトバル
ブを用いて、かつ光利用効率の高い照明光学系とするこ
とが必要である。しかし、小型液晶表示素子の様な小さ
いライトバルブに光源からの光を集め光利用効率の向上
を図ろうとすると、液晶表示素子の様なライトバルブの
中央部の照度に対する周辺部の照度の比率（以下、周辺
照度比と呼ぶ）が小さくなったり、ライトバルブ上の明
るさのむら、また、カラー表示装置である場合には色む
ら等が顕著に現われ、表示装置の画質性能が悪化してし
まう問題があった。

【０００５】本発明の目的は、明るく，小型で、かつ明
るさ等の性能が表示画像全体で均一な、即ち、周辺照度
比が大きく、明るさや色等のむらが少ない高性能な表示
装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明では、課題を解決
するため、少なくとも、光を放射する光源を有し光源の
出射光を映像信号に応じた光学像が形成されるライトバ
ルブ上に照射させる作用を有する照明光学系と、ライト
バルブとで構成される表示装置で、光源とライトバルブ
の間に、その一部分が他の部分と光学特性の異なる光学
素子を介在させた構成としている。

【０００７】

【作用】次に、本発明による作用について説明する。

【０００８】図１は、本発明による表示装置の断面図を
示したものである。図１（ａ）は直視型液晶表示装置の
原理図、図１（ｂ）は投写型表示装置の原理図をそれぞ
れ表している。

【０００９】図１に示すように、光源１から出射した光
は、図１に示す様な反射鏡等により構成された照明光学
系の作用を受けた後、その一部分が他の部分と光学特性
の異なる光学素子３を通過し、ライトバルブ２を照射す
る。ライトバルブは、光学特性の変化として、映像信号
に応じて光学像を形成する作用を有している。また、図
１（ｂ）に示した投写型表示装置では、光源より出射し
光学素子３を通過しライトバルブ２に入射し通過した後
の光を投写レンズ５に入射させ、投写レンズ５はライト
バルブによる光学像を拡大してスクリーン６上に投写す
る作用を有している。

【００１０】次に、光学素子３の作用を図を用いて詳細
に説明する。

【００１１】図２は本発明による、光学素子３の作用を
示す原理図である。

【００１２】図２で、例えば、白色光を発する光源１か
ら出射した光は、例えばその断面が楕円面形状を有する
様な凹面鏡４で反射され、光学素子３を通過した後、透
過型の液晶表示素子の様なライトバルブ２を照射する。
上述の様に、表示装置における明るさを向上するために
は、ライトバルブ２上に照射する光利用効率を上げる必
要があり、そのためには一般に光源から出射した光の多
くをライトバルブ上に集光させる必要がある。そうした
方法の一例として、例えば、楕円面形状を有する凹面鏡
４で、楕円面の第一焦点距離に光源を設け、楕円面の第
二焦点距離の位置にライトバルブ２を設けた構成とす
る、いわゆる、クリティカル照明とする方法がある。し
かし、そうしたライトバルブ上に集光させた構成とする
と、光源の像近くにライトバルブが存在することになる
ため、光源の明るさあるいは色のむらがそのまま表示画
像に現われたり、また、ライトバルブの周辺照度比が顕
著に小さくなる等の画質性能の劣化が問題となってい
た。本発明によれば、そうした光利用効率の高い構成と
しても、その一部分が他の部分と光学特性の異なる光学
素子３をライトバルブの光源側に設けることにより、例
えば、図２に示すように、光学素子３が無い場合にライ
トバルブ中央部に入射する光のみを拡散させるような作
用を光学素子３に持たせるようにすることで、ライトバ
ルブ中央部に入射する光量を減少させ、ライトバルブ周
辺部に入射する光量を上げる、すなわちライトバルブ上
の周辺照度比を大きくすることが可能となる。

【００１３】図３は、ライトバルブ上の照度の一例を示
す分布図である。

【００１４】図３の（ａ）は、光学素子３が無い場合の
ライトバルブ上の一方向の照度分布を示したものであ
り、図３の（ｂ）は、光源からの光が光学素子３を通過
してライトバルブを照射した場合のライトバルブ上の一
方向の照度分布を示したものである。図でＥ_C はライト
バルブの中央部における照度、Ｅ_P はライトバルブ周辺
部における照度を示している。尚、周辺照度比は、Ｅ_P
／Ｅ_Cで表される。本図に示す様に、光学素子３により
周辺照度比の大きい、すなわち均一な明るさの画像表示
装置が得られる。

【００１５】

【実施例】次に本発明による実施例について具体的に図
面に従って説明する。

【００１６】図４に、本発明による表示装置の１実施例
を示す。

【００１７】図は、ライトバルブとして透過型液晶表示
素子を用いた投写型の表示装置の場合である。本実施例
では、液晶表示素子をいわゆる色の３原色であるＲ（赤
色），Ｇ（緑色），Ｂ（青色）の３色にそれぞれ対応し
て、合計３枚用いた３板式投写型表示装置を示してい
る。図４に示す実施例で、例えば、メタルハライド，キ
セノン，ハロゲン等を用いた光源１より出射した光線
は、直接あるいは例えばその断面が放物面あるいは楕円
面形状であるような凹面鏡２で反射され、赤外光のよう
な熱線を反射し可視光を通過させる熱線カットフィルタ
９を通過した後、光線の光軸に対して４５°の角度に配
置されたＧ（緑色）反射ダイクロイックミラー１０によ
り、Ｇの光は反射され、Ｒ（赤色）とＢ（青色）の光は
透過する。反射したＧ光線は、全反射ミラー１２により
その光路を折り曲げられて前記光学素子３及び入射側偏
光板１６を通過し、対向電極，液晶等で構成された液晶
表示素子であるライトバルブ２に入射される。一方、Ｇ
反射ダイクロイックミラー１０を透過したＲ及びＢ光線
は、光線の光軸に対して４５°の角度に配置されたＢ反
射ダイクロイックミラー１１に入射しＢ反射ダイクロイ
ックミラー１１によりＢ光線は反射され、Ｒ光線は透過
する。反射したＢ光線はそのまま光学素子３及び入射側
偏光板１６を通過し、上述の様な液晶表示素子であるラ
イトバルブ２に入射される。一方、Ｂ反射ダイクロイッ
クミラー１１を透過したＲ光線は、全反射ミラー１３に
よりその光路を折り曲げられて光学素子３及び入射側偏
光板１６を通過した後、液晶表示素子であるライトバル
ブ２に入射される。次に各液晶表示素子であるライトバ
ルブ２の液晶面上に表示されるＲ，Ｇ，Ｂそれぞれに対
応する画像を合成して投写する系に関して説明する。液
晶表示素子であるライトバルブ２に入射したＧ光線は、
出射側偏光板１７を通過した後、Ｂ反射ダイクロイック
ミラー１４を透過し、また、Ｒ反射ダイクロイックミラ
ー１５をも透過し投写レンズ５に入射する。また、液晶
表示素子であるライトバルブ２に入射したＢ光線は、出
射側偏光板１７を通過した後、Ｂ反射ダイクロイックミ
ラー１４により反射され、Ｇ光線と共にＲ反射ダイクロ
イックミラー１５を透過し投写レンズ５に入射する。一
方、液晶表示素子であるライトバルブ２に入射したＲ光
線は、出射側偏光板１７を通過した後、Ｒ反射ダイクロ
イックミラー１４により反射され投写レンズ５に入射す
る。以上により、Ｒ，Ｇ，Ｂそれぞれに対応した光線が
合成され、投写レンズ５によって拡大し、スクリーン上
に各色の画像を合成し拡大した実像を得るものである。
本実施例における光学素子３は、液晶表示素子であるラ
イトバルブ２に入射するＲ，Ｇ，Ｂそれぞれの光線のエ
ネルギ強さを各ライトバルブ２上、あるいは各色を合成
したスクリーン上で均一にする作用を有し、これによ
り、最終的に得られる画像の明るさのむら、および色の
むらを最小限に抑えることが可能となる。

【００１８】次に、本発明による表示装置における光学
素子３の具体的な実施例について説明する。

【００１９】図５は、光学素子３の第一の実施例を示す
外観図である。

【００２０】図５に示す光学素子３は、硝子板の一部が
擦り硝子状に形成されているものである。例えば、図に
おいて破線で囲われた部分が擦り硝子状であった場合、
その部分に入射する光線は拡散される。このため、図３
の（ａ）に示したようなライトバルブ上での照度分布を
有していたものが、中央部の光を拡散されるために、図
３の（ｂ）に示すような照度分布を有するようになり、
明るさの均一性が向上する。尚、本図では、その中央部
が擦り硝子状になった例を示したが、周辺部が擦り硝子
状であっても、また、他の一部分が擦り硝子状であって
も、光学素子３に入射する光のエネルギの大きい部分
等、光学素子３の用いられる表示装置に適切な部分に用
いられていれば、ライトバルブ上での明るさの均一性を
向上させる効果が得られる。

【００２１】図６は、光学素子３の第二の実施例を示す
説明図である。

【００２２】図に示す光学素子３は、例えば屈折率Ｎ₀
の硝子基板内に屈折率Ｎ₀と異なる屈折率Ｎの領域を形
成している、いわゆる、分布屈折率型の光学素子であ
る。この、分布屈折率型光学素子は、例えば、イオン交
換法により形成することができる。

【００２３】このイオン交換法は平板状のガラスに所要
のパターンのマスク層を、例えば、金属によって形成
し、これを溶融塩槽に浸すことにより、硝子中に含まれ
るＮａ＋（ナトリウムイオン），Ｋ＋（カリウムイオ
ン）等の陽イオンが溶融塩中に含まれるＴｌ＋（タリウ
ムイオン）等の陽イオンと硝子の露出面を通して交換さ
れる。こうしてイオン交換された領域は、元の硝子と屈
折率が異なるようになり、光を屈折させる作用を有する
分布屈折率領域１９になる。これにより、分布屈折率領
域１９に入射した光線は、他の部分と異なる光学特性を
有する分布屈折率領域１９の作用を受け、その光線の持
つエネルギをライトバルブ上全体に分散させること、す
なわち、ライトバルブ３への光の均一な照射が可能とな
る。一方、イオン交換法により、分布屈折率領域１９を
有する光学素子３を形成することにより、平板硝子の内
部に光を屈折させるレンズ作用を持たせることができる
ため表面が平らである光学素子３を形成することがで
き、また、さらに所要のパターンのマスク層の形状及び
イオン交換の時間等を調整することによりイオン交換さ
れる領域の形状を変えることが可能となる。これによ
り、分布屈折率領域１９の形状を、光学素子３の用いら
れる光線の状態に合わせたり、また、図４に示すような
Ｒ，Ｇ，Ｂに分離し合成する、いわゆる、３板式の表示
装置の場合には、各色の特性を考慮し合成した画像の色
合いが均一になるように合わせたりすることが可能とな
る。

【００２４】図７は、光学素子３の第三の実施例を示す
説明図である。

【００２５】図７に示す光学素子３は、硝子板の一部に
レンズとしての作用を有するレンズ部２０が形成されて
いるものである。例えば、図におけるレンズ部２０は、
硝子板より凹部分を削られており、凹レンズとしての作
用を有しているものである。光学素子により光線の受け
る作用は、上記した図６に示した実施例と同等であり、
詳細説明は省略する。尚、図７に示したものは凹レンズ
形状であるが、例えば、凸レンズ状にしてもライトバル
ブ上の明るさの均一性を向上させるものであれば良い。

【００２６】図８は、光学素子３の第四の実施例を示す
説明図である。

【００２７】光学素子３は、硝子板の一部に例えばダイ
クロイックコーティング等によりダイクロイックコート
２１を形成したものである。これにより、例えば図４で
示した１実施例で、最終的に合成されたスクリーン上で
の画像において、中央部の青色が強すぎた場合にはＢ光
線の入射する液晶表示素子であるライトバルブの光の入
射側に、中央部のＢ光線のみ透過率を小さくするような
ダイクロイックコート２１を施した光学素子３を設ける
ことにより、前記スクリーン上での画像の中央部の青色
を抑えることができる。従って、これにより、表示装置
において最終的に得られる画像の明るさ、色の均一性を
向上することが可能である。

【００２８】図９は、光学素子３の第五の実施例を示す
説明図である。

【００２９】光学素子３は、光学素子３に入射側偏光板
１６を一体として形成したものである。例えば、光学素
子３を少なくとも片側平板とすることにより、偏光板を
貼り付けることも可能である。これにより、光学素子３
および入射側偏光板１６の取り付けが簡易化される。

【００３０】この様に、本実施例によれば、光学素子３
を設けることにより、ライトバルブ上の明るさおよび色
を均一にすることができ、これにより高性能な画像を有
する表示装置が実現できる。さらに、光学素子３を設け
ることにより、従来光のエネルギが集中していた箇所の
エネルギを分散するため、例えば入射側偏光板１６や液
晶表示素子の様な熱の影響を受けやすいものに対しても
有効である。

【００３１】尚、本発明における光学素子３は、例え
ば、図５に示すその一部に擦り硝子部１８を設けた光学
素子３の一部に、図８に示すようなダイクロイックコー
ト２１を同時に設ける等、実施例を複数個併せて備えた
ものでも良いことは言うまでもない。

【００３２】

【発明の効果】本発明によれば、明るく，小型で、かつ
明るさ等の性能が表示画像全体で均一な、即ち、周辺照
度比が大きく、明るさや色等のむらが少ない高性能な表
示装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の表示装置の断面図。

【図２】本発明の表示装置における光学素子の作用を示
す原理の説明図。

【図３】ライトバルブ上の照度の一例を示す分布図。

【図４】本発明の表示装置の１実施例を示す説明図。

【図５】本発明の１実施例における光学素子の第一の実
施例の説明図。

【図６】本発明の１実施例における光学素子の第二の実
施例の説明図。

【図７】本発明の１実施例における光学素子の第三の実
施例の説明図。

【図８】本発明の１実施例における光学素子の第四の実
施例の説明図。

【図９】本発明の１実施例における光学素子の第五の実
施例の説明図。

【符号の説明】

１…光源、２…ライトバルブ、３…光学素子、４…凹面
鏡、５…投写レンズ、６ スクリーン。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 稲毛 久夫 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式 会社日立製作所映像メディア研究所内 (72)発明者 丸山 竹介 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式 会社日立製作所映像メディア研究所内

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光源を有し前記光源の出射光を映像信号に
   応じた光学像が形成されるライトバルブ上に照射させる
   作用を有する照明光学系と、前記ライトバルブとで構成
   される表示装置において、前記光源と前記ライトバルブ
   の間に、その一部分が他の部分と光学特性の異なる光学
   素子を介在させたことを特徴とする表示装置。
2. 【請求項２】請求項１において、前記ライトバルブは、
   透過型液晶表示素子である表示装置。
3. 【請求項３】請求項１または２において、前記光学素子
   は、その一部分の透過率が他の部分の透過率と異なる表
   示装置。
4. 【請求項４】請求項１，２または３において、前記光学
   素子は、その一部分がレンズ作用を有する表示装置。
5. 【請求項５】請求項１，２，３または４において、前記
   光学素子は、その一部分が擦り硝子が形成されている表
   示装置。
6. 【請求項６】請求項１，２，３，４または５において、
   前記光学素子は、平板型である表示装置。
7. 【請求項７】請求項１，２，３，４，５または６におい
   て、前記光学素子は、前記照明光学系による光の入射側
   あるいは光の出射側の少なくとも一方に偏光板を有する
   表示装置。
8. 【請求項８】請求項１，２，３，４，５，６または７に
   おいて、前記光学素子は、その一部分にダイクロイック
   コートを形成して成る表示装置。