JPH10228063A

JPH10228063A - 投射型光学装置

Info

Publication number: JPH10228063A
Application number: JP9029404A
Authority: JP
Inventors: Yoshiharu Oi; 好晴大井; Minoru Sekine; 実関根
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd
Current assignee: AGC Inc
Priority date: 1997-02-13
Filing date: 1997-02-13
Publication date: 1998-08-25

Abstract

(57)【要約】【課題】高コントラスト比、明るい投射表示が可能な投
射型光学装置を得る。【解決手段】光源１１と楕円鏡１２を持つ光源系１、プ
リズム１６、集光レンズ１４、透過散乱型で反射機能層
を持つ光学素子１５からなる光変調手段２、および投射
光学系３０が備えられ、光源系１から発した主光束は光
軸ＣＸでプリズムに入射され、偏向され光軸ＡＸで出射
され、光変調手段から光軸ＢＸで出射される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、反射型の投射型光
学装置およびそれに用いる光学素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】投射型光学装置は画像を一定の距離だけ
離れたスクリーンに投射し、直視型の光学装置に比べて
大きな投射画像を得ることを目的とする。例えば、映写
機も基本的に同様の構造を備えている。つまり、光源か
ら供給される強い光を画像データで変調し、レンズ光学
系を経て、投射する投射光学装置の構造が古くから知ら
れていた。

【０００３】また、投射型光学装置に用いる光変調手段
として種々の光学素子がある。散乱性を有する光学素子
としては、サスペンジョンディスプレー素子、レーザ書
き込みモード液晶素子やダイナミック・スキャッタリン
グ（ＤＳＭ）の液晶素子などが従来から知られていた。

【０００４】ＳＩＤプロシーディングズＶｏｌ．１８
／２第２クオーター１９７７、１３４〜１４６頁、
「ライトバルブのためのプロジェクションシステム」
（従来例１）に各種の光変調手段とシュリーレン光学系
とを組み合わせた投射光学装置に関する説明が開示され
た。光変調手段として、ＰＬＺＴや液晶素子が例示さ
れ、シュリーレン光学系と組み合わせた投射光学装置で
あり、従来例１の図８〜図１０に反射モードの構成が示
された。

【０００５】また、新しい動作モードを持つ液晶素子を
投射型光学装置に用いた発明が特開平５−１９６９２３
（従来例２）や、特開平７−５４１９（従来例３）に示
された。この従来例２、３に採用された液晶素子は液晶
／高分子複合体素子、高分子／分散型液晶素子、あるい
は単に分散型液晶素子（以後、ＬＣ／ＰＣとも呼ぶ）な
どと呼ばれ、電界駆動で高い散乱性能と透過率を有し、
従来の偏光板を内蔵する光吸収型のツイスト・ネマチッ
ク（ＴＮ）液晶素子やスーパーツイストネマチック（Ｓ
ＴＮ）液晶素子よりも明るく、コントラストの高い表示
を行うことが可能となった。

【０００６】従来例２では、ＬＣ／ＰＣを反射型液晶表
示素子として構成し、反射型の投射型液晶光学装置を形
成した。従来例３では、デルタ型に配置した２枚のダイ
クロイックミラー面を挟むように配置した３枚の反射型
ＬＣ／ＰＣ素子によって、投射表示を行うものであっ
た。

【０００７】また、ＳＩＤ９５ダイジェストの２２７頁
に、透過散乱型の液晶光学素子を反射型の光学装置とし
て用いた投射型光学装置が記載された。その平面図を図
１８に、側面図を図１９に示す（従来例４）。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、これらの従来
例の共通の光路配置を備えており、反射方式に起因する
課題を内蔵していた。従来例の一つである投射型光学装
置５００の全体構成を示した図１８と図１９を参照しな
がら説明する。なお、共通要素についての説明は省略す
る。

【０００９】すなわち、光源系１から出射した主光束の
光軸ＡＸは、集光レンズ１４を通過後に反射型光学素子
１５の反射面に対して一定の角度傾斜で入射するように
配置され、反射型光学素子１５の反射面で正規反射され
た光は反射型光学素子１５の反射面に対して一定の角度
傾斜して反射型光学素子１５を出射し、集光レンズ１４
を通過して投射光学系３へと伝搬する出射光の光軸ＢＸ
となる。反射型光学素子１５の表示面に密着したレンズ
の対称軸がＤＸである。

【００１０】このとき、光軸ＡＸと光軸ＢＸとは有限の
角度γを有する光路配置となる。この角度γが３０°以
上となるように配置すると、光源系と投射系とが十分空
間的に離れ、相互に干渉しない構成が得られやすいが、
反射型光学素子の像をスクリーン上に結像して用いる場
合、光利用効率を維持して解像度の高い投射レンズを実
現するのが困難であった。

【００１１】特に、高い投射像拡大率を必要とする広角
投射レンズや多数枚のレンズ群から構成される投射ズー
ムレンズの場合、表示精細度の高い反射型表示素子の投
影解像度を確保することが技術的に難しかった。

【００１２】一方、角度γが３０°以下さらに２０°以
下となるように配置しようとすると、高い光利用効率を
維持し、かつ解像度の高い投射レンズを用いることが可
能であった。しかし、光源系と投射系とが空間的に接近
するため、相互に干渉してしまい新たな問題が生まれて
いた。

【００１３】特に、高い投射像拡大率を必要とする広角
投射レンズや多数枚のレンズ群から構成される投射ズー
ムレンズの場合、投射レンズ自体が大型化する。また、
投射光量を増大させるため大電力ランプを光源系に用い
た場合、放熱量が大きいため集光鏡等の光源系に使用さ
れる光学素子を大型化する必要が生じるとともに投射レ
ンズが接近しているとその温度上昇が問題であった。何
れの場合も光源系と投射系との適切な配置がより困難と
なっていた。

【００１４】したがって、従来の投射型光学装置におい
ては、光源系と投射系とが干渉しないように配置するこ
とと投射像の高い品質を達成することの両立がきわめて
困難であった。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は、前述の課題を
解決すべくなされたものであり、光源系と投射系とが干
渉しないように配置するとともに投射像の高い品質を達
成できる投射型光学装置を提供する。

【００１６】すなわち、請求項１の発明は、光源系と、
透過散乱型の動作モードを有する光学素子と反射機能層
とが備えられた光変調手段と、投射光学系とが設けられ
た投射型光学装置において、光源系と光変調手段との間
の光路にプリズムが配置され、光源系から出射した主光
束は頂角αを有するプリズム、光変調手段、投射光学系
を通過して投射され、その際、プリズムに入射するとき
の光軸ＣＸと、プリズムを通過せしめられ、光変調手段
に入射するときの光軸ＡＸが交差角度を有することを特
徴とする投射型光学装置を提供する。

【００１７】また、請求項２記載の発明は、光変調手段
に入射された主光束が透過状態の光学素子を通過せしめ
られ、反射機能層で反射されて光変調手段から出射さ
れ、この出射光の光軸ＢＸと光軸ＡＸとが交差角度γ＝
４〜３０°を有することを特徴とする請求項１記載の投
射型光学装置を提供する。

【００１８】また、請求項３記載の発明は、光軸ＡＸと
光軸ＢＸとによって規定される平面において頂角αを有
するプリズムが配置され、光軸ＣＸは前記平面内に設け
られ、光軸ＣＸと光軸ＢＸとの交差角度ηは、交差角度
η＞交差角度γを満足するように、頂角αが設定された
ことを特徴とする請求項２記載の投射型光学装置を提供
する。

【００１９】また、請求項４記載の発明は、頂角α＝１
０〜７０°とされたことを特徴とする請求項１、２また
は３記載の投射型光学装置を提供する。

【００２０】また、請求項５記載の発明は、光源系に光
源、楕円鏡、第１の開口絞りが備えられ、楕円鏡の第１
焦点近傍に光源の発光部が配置され、楕円鏡の第２焦点
近傍に第１の開口絞りの開口部とプリズムが位置するよ
うに第１の開口絞りとプリズムが配置され、光変調手段
にレンズ手段が配置され、第１の開口絞りの開口部を通
過した主光束が光変調手段に入射せしめられ、レンズ手
段を通過し集光されて光学素子に入射され、反射機能層
によって正規反射された主光束は再び前記レンズ手段を
通過せしめられて集光され、第２の開口絞りを通過せし
められ、この際、第１の開口絞りの共役像の近傍に第２
の開口絞りが配置され、第２の開口絞りの開口部は第１
の開口絞りの共役像とほぼ同じ形状とされたことを特徴
とする請求項１〜４のいずれか１項記載の投射型光学装
置を提供する。

【００２１】また、請求項６記載の発明は、光学素子は
透明電極を有する表電極基板と反射機能層を有する裏電
極基板との間に、液晶／高分子複合体層が挟持され、電
圧の印加時または非印加時のいずれかの状態においてそ
の高分子相の屈折率が液晶の屈折率とほぼ一致するよう
にされた反射型の液晶光学素子であることを特徴とする
請求項１〜５のいずれか１項記載の投射型光学装置を提
供する。

【００２２】本発明の投射型光学装置では、光変調手段
として透過散乱の動作モードを有する光学素子を用い
て、他の光学要素と組み合わせて反射型の投射型光学装
置を構成する。この場合、散乱状態の画素では、散乱さ
れずに裏側まで到達した光は反射機能層で反射され、光
路を戻る際に、再度セル内の散乱部分を通過することで
散乱され、結果として薄い光変調層で高い散乱率が得ら
れる。また、透過型の光学素子に対して同じ散乱能とし
た場合、光変調層を薄く形成できるので、その結果駆動
電圧が低減できる。

【００２３】また、この光学素子が画素からなる表示素
子で、画素ごとに能動素子が形成されたアクティブマト
リックス駆動方式である場合、各画素ごとに蓄積容量を
形成する際に、反射型にすることにより蓄積容量形成に
伴う画素開口率の減少が低減される。そのため透過型に
比べて高開口率が得られやすいとともに、能動素子の設
計自由度が増すので有利となる。

【００２４】具体的には上記のＬＣ／ＰＣを用いること
が好ましい。なぜなら、電気的に散乱状態と透過状態と
を直接制御でき、明るい光源を使用でき、かつ透過時の
光の透過率を大幅に向上できるからである。また、光学
素子の表側の電極基板の界面における光の反射率を低減
することが好ましい。高コントラスト比が容易に得られ
るからである。ＬＣ／ＰＣのセルギャップとして、およ
そ８〜１２μｍとすると、駆動電圧を７〜８Ｖに設定で
きる。

【００２５】本発明に用いるＬＣ／ＰＣセル内の液晶／
高分子複合体層の比抵抗としては、５×１０¹⁰Ωｃｍ以
上のものが好ましい。さらに、漏れ電流等による電圧降
下を最小限にし、高精細度の表示を得るためには、１０
¹¹Ωｃｍ以上がより好ましく、この場合には大きな蓄積
容量を画素電極毎に付与する必要がない。

【００２６】液晶／高分子複合体の構造は種々のものが
あるが、本発明では、特に、細かな孔が多数連通して形
成された高分子相（ネットワーク構造）と、連通した孔
の部分に充填された液晶相とから構成されていることが
好ましい。そして、液晶と高分子相は電圧の印加時また
は非印加時のいずれかの状態においてその高分子の屈折
率が使用する液晶の常光屈折率（ｎ_o ）または異常光屈
折率（ｎ_e ）とほぼ一致するように設けられる。

【００２７】液晶の常光屈折率（ｎ_o ）は固化物マトリ
ックスの屈折率（ｎ_p ）とほぼ一致することが好まし
く、この時電界印加時に高い透明性が得られる。具体的
にはｎ_o −０．０３＜ｎp ＜ｎ_o ＋０．０５の関係を満
たすことが好ましい。

【００２８】これに所望の画素の電極間に電圧を印加す
る。この電圧を印加された画素部分では、液晶が電界方
向に平行に配列し、液晶の常光屈折率（ｎ₀ ）と固化物
マトリックスの屈折率（ｎ_p ) とが一致することにより
透過状態を示し、当該所望の画素で光が透過することと
なり、投射スクリーンに明るく表示される。

【００２９】液晶の屈折率異方性Δｎ（＝ｎ_e −ｎ_o ）
は、散乱性に寄与し、高い散乱性を得るには、ある程度
以上大きいことが好ましく、具体的にはΔｎ≧０．１８
が好ましく、特にΔｎ≧０．２０が好ましい。

【００３０】また、誘電異方性が正のネマチック液晶を
用いることが好ましい。また、液晶の体積分率Φは、お
よそ６０〜７０％とすることが好ましい。６３〜６７％
とすることがより好ましい。また、液晶に求められる動
作温度範囲、動作電圧など種々の要求性能を満たすには
組成物を用いた方が有利である。

【００３１】このＬＣ／ＰＣを表電極基板と、反射膜を
有する裏電極基板との間に挟持して反射型の液晶光学素
子とする。この反射型の液晶光学素子の電極間への電圧
の印加状態により、その液晶の屈折率が変化し、高分子
相の屈折率と液晶の屈折率との関係が変化し、両者の屈
折率が一致したときには透過状態（正規反射して光が出
射）となり、屈折率が異なったときには散乱状態（拡散
光が出射）となる。

【００３２】本発明に用いるＬＣ／ＰＣは光励起重合相
分離法で形成することが好ましい。ＬＣＰＣを構成する
高分子相の材料としては、未硬化の硬化性化合物として
光硬化性化合物の使用が好ましく、なかでも、オリゴマ
ーを含有した光硬化性ビニル系化合物の使用が好まし
い。例えば、特開昭６３−２７１２３３、特開昭６３−
２７８０３５、特開平３−９８０２２に開示された技術
である。もちろん、他の手法によるＬＣ／ＰＣも基本的
には採用できる。

【００３３】また、これらの液晶と硬化性化合物との未
硬化の混合物には、基板間隙制御用のセラミック粒子、
プラスチック粒子、ガラス繊維等のスペーサー、顔料、
色素、粘度調整剤、その他本発明の性能に悪影響を与え
ない添加剤を添加してもよい。なお、このＬＣ／ＰＣを
使用した反射型の液晶表示素子の透過状態での透過率は
高いほどよく、散乱状態でのヘイズ値は８０％以上であ
ることが好ましい。

【００３４】本発明で能動素子としてＴＦＴを用いる場
合には、半導体材料としてはシリコンが好適である。特
に多結晶シリコンは、非結晶シリコンよりも高速動作可
能であって、面積の小さなＴＦＴで動作可能となり、高
い開口率を達成でき明るい表示が得られる。また、裏電
極基板としてＭＯＳ半導体基板を用いることもできる。
この場合、駆動電圧をＴＦＴよりも高く設定でき、１５
Ｖ駆動のときに、セルギャップを１５μｍ程度まで厚く
することができる。

【００３５】図１は、本発明の投射型液晶光学装置１０
０の基本的構成を示す斜視図である。図１において、メ
タルハライドランプなどの光源１１から出射した光は集
光鏡１２によって光軸ＣＸ方向に集光され進行した後、
その光路中に配置されたプリズム１６に入射し、プリズ
ム１６の通過時に光線が屈折されて、その進路が変化
し、光軸ＡＸに沿ってプリズム１６を出射する。

【００３６】さらに、集光レンズ１４によって集光さ
れ、反射型の液晶光学素子１５に入射し、裏側の反射機
能層で反射されて入射面側に戻って来る。そして、再度
集光レンズ１４を通過し、投射光学系の方向に集光さ
れ、投射光学系のレンズ３により図示されていないスク
リーンに投射される。図１の構成例においては、光軸Ｃ
Ｘを光軸ＡＸへと変化させる光学素子として、三角柱の
プリズム１６を用いている。

【００３７】図２は本発明の構成要素であるプリズムの
一般的な作用について説明する断面図である。主光束の
光路の変化を示している。頂角αを有するプリズム１６
に光軸ＣＸを有する主光束の入射光が入射角θ₁ で入射
し、プリズム１６の入射面と出射面で屈折した後、出射
角θ₂ であって光軸ＡＸを持つ主光束となって出射する
光路を示す。このとき、スネルの屈折則によりプリズム
の屈折率をｍとすると光軸ＣＸと光軸ＡＸの交差角度θ
は次式でまとめられる。

【００３８】

【数１】 θ＝θ₁ ＋θ₂ −α ・・・・・・・・・・・・・・・・・・（式１） sin^-1(sin θ₁ ／ｍ) ＋sin^-1(sin θ₂ ／ｍ) ＝α ・・・・（式２）

【００３９】すなわち、入射角θ₁ に対して、（式２）
により出射角θ₂ が定まり、（式１）により交差角θが
求まる。交差角θは頂角αに対してθ₁ ＝θ₂ の時最小
値θ_min となり、屈折率１. ５のプリズムの場合は、頂
角α≒１９°であるときに、θ_min ＝１０°となり、頂
角α≒６７°のときに、θ_min ＝４５°となる。実際に
は、プリズムの屈折率は用いられる光学材料によって
１. ４〜１. ８程度の違いがあり、θ₁ がθ₂ とが異な
るような配置の場合は交差角はθ_min より大きな値とな
る。

【００４０】本発明の投射型光学装置においては、交差
角θが１０〜４５°程度になるようにプリズム形状・配
置を選ぶことが好ましい。このとき、プリズムの頂角α
は１０〜７０°の範囲に設ければよい。

【００４１】次に、本発明に用いるプリズムの形状につ
いて説明する。図３に示すプリズム１６は円柱状のロッ
ドの底面を斜めに切断したような構造である。光軸ＡＸ
と光軸ＣＸとによって規定される平面において、図２に
示した作用が得られる。

【００４２】図４に本発明の投射型光学装置２００のよ
り好ましい構成を斜視図で示す。また、図５は本発明の
投射型液晶光学装置２００の基本的構成を模式的に示す
平面図である。図６は本発明の投射型液晶光学装置２０
０の基本的構成を模式的に示した側面図である。

【００４３】集光鏡として楕円鏡１２を用い、楕円鏡１
２の第１焦点位置に光源１１の発光部が配置され、光源
１１から出射した光は楕円鏡１２でその第２焦点近傍に
集光された後、第２焦点位置近傍に配置された複合プリ
ズム１６、１７および第１の開口絞り１３を通過した光
が平凸レンズ１４で集光され反射型の液晶光学素子１５
に入射し、裏側で反射されて入射側に戻されてきて、再
度平凸レンズ１４を通過し集光され、拡散光を減ずる装
置である第２の開口絞り１８を通過し、投射光学系３の
レンズ１９により図示されていないスクリーンに投射さ
れる。

【００４４】集光鏡として楕円鏡１２を用い、集光位置
である第２焦点近傍にプリズムが配置される場合、光軸
ＡＸあるいは光軸ＣＸに関して軸対称または回転対称で
ある錐体状プリズムと楔形プリズムとを併用して、ある
いは一体形状として複合プリズム１６、１７の形態とし
て用いることが好ましい。複合プリズムの具体的な形態
を図７〜１２に示す。

【００４５】図７および図８は光軸ＡＸに関して回転対
称である錐体状プリズム１７を楔形プリズム１６と併用
した例である。図７は斜視図で、図８はその断面図であ
る。楔形プリズム１６は光軸ＣＸを光軸ＡＸに偏向させ
る作用に対して、錐体状プリズム１７はその入射および
出射面での光屈折により、入射した広がった光束の配光
分布を狭い領域に整えて出射する作用を有する。その結
果、光束密度の増大および配光分布の均一化が達成され
る。

【００４６】このとき、錐体状プリズム１７の頂角β₁
は９０〜１７５°の角度範囲であることが好ましい。ま
た、図の例は全て凸型錐体状プリズムであるが、凹型錐
体状プリズムでも構わない。その場合の頂角β₂ は１８
５〜２７０°の角度範囲であることが好ましい。

【００４７】図７および図８は錐体状プリズム１７と楔
形プリズム１６とを分離して用いる形態の例であるが、
図９（斜視図）および図１０（断面図）のように一体化
して用いても構わない。また、図１１（斜視図）および
図１２（断面図）のように光源側に、光軸ＣＸに関して
回転対称である錐体状プリズム１７を配置し、楔形プリ
ズム１６を光出射側に配置した構成としてもよい。次
に、本発明における光変調手段について説明する。

【００４８】本発明で用いる集光レンズの素材はガラス
あるいはプラスティックの何れでも構わない。また、集
光レンズの凸面の形状は球面が一般的だが、投射像の解
像度および投射レンズと組み合わせたときの収差を低減
するために非球面形状とすることが好ましい。また、フ
レネル形状とすることによってレンズを薄厚化し、軽量
・安価にしてもよい。

【００４９】また、集光レンズはその空気界面のフレネ
ル反射を低減するため、光学素子１５と一体化すること
により界面反射を生じないように設けることが好ましい
が、十分反射率の低い反射防止膜が形成されていれば光
学素子とレンズとを分離して配置しても構わない。

【００５０】また、図５および図６では平凸レンズの凸
面が略回転対称形状で、その対称軸ＤＸが液晶光学素子
の反射面の略中心に位置する構成を示しているが、対称
軸ＤＸが液晶光学素子の反射面の中心でなくても構わな
い。対称軸ＤＸが液晶光学素子の反射面内に位置しない
ような偏心レンズを用いた構成とすることによりレンズ
の凸面における全ての領域の界面反射光が投射光学系３
の開口絞り１８を通過することがなくなるため、レンズ
凸面の反射防止膜が設けられていない状態であっても均
一な黒表示が可能となる。具体的な構成例（投射型光学
装置３００）の平面図を図１４に側面図を図１５に示
す。

【００５１】本発明の光源系は、図４〜図６、図１４、
図１５では楕円面鏡を集光鏡として用いた例を示した
が、放物面鏡、球面鏡やレンズ等を適当に組み合わせた
ものも光源系として使用できる。ランプとしては、ハロ
ゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノンランプ等
がある。さらに、この光源系には冷却系を付加したり、
赤外線カットフィルタや紫外線カットフィルタ等を組み
合わせてもよい。

【００５２】また、楔形プリズム１６と併用する錐体状
プリズム１７の代わりに、レンズ、マイクロレンズアレ
イ、ロッドインテグレータや拡散板等の光学要素を配置
してもよい。また、複数の光変調手段に色光を入射させ
る場合には、最初から３色の光源を準備してもよいし、
ダイクロイックミラー、ダイクロイックプリズム等によ
り白色光源光を分光して用いてもよい。具体的に図１４
および図１５の投射型光学装置に適用するならば、平凸
レンズ１４と光源系１および投射光学系３との間にダイ
クロイックミラー系４を配置し、ＲＧＢの各色光に対し
て３個の光変調素子がそれぞれ配置されることになる。

【００５３】その構成例の投射型光学装置４００の平面
図を図１６に、側面図を図１７に示す。この例では、Ｒ
反射ＧＢ透過のダイクロイックミラー４１とＢ反射Ｇ透
過のダイクロイックミラー４２の２枚構成とした。ここ
で、Ｒは赤色帯域の波長光、Ｇとは緑色帯域の波長光、
Ｂとは青色帯域の波長光を意味する。そして、光源系１
からのダイクロイックミラー系４に入射した主光束であ
る白色光をＲＧＢの３色の色光束に色分離するとともに
ＲＧＢ各液晶光学素子１５Ｒ、１５Ｇ、１５ＲからのＲ
ＧＢ反射光を色合成してフルカラーの主光束を形成し、
フルカラー画像を得る。

【００５４】図１３は、本発明の投射型光学装置の光変
調手段２の部分断面図である。レンズ手段１４と光学素
子１５の組み合わせ状態を図示する。光学素子１５は具
体的には液晶光学素子であって、その内面に透明電極１
５２が形成された表電極基板１５１と内面に反射電極膜
１５４が形成された裏電極基板１５３とによってセル組
みされた素子にＬＣ／ＰＣ１５５が封入された構成を備
えている。

【００５５】この透明電極１５２と反射電極膜１５４と
の間に電圧を印加することにより上述したＬＣ／ＰＣ１
５５が制御され、光散乱と光透過の状態が変化する。

【００５６】図１３の光変調手段では、このような液晶
光学素子１５に平凸レンズ１４がインデックスマッチン
グされたカップリング材１５６で接合される。図１３で
は液晶光学素子１５の表電極基板１５１と平凸レンズ１
４とが個別に準備され、後で接合する形態を示している
が、平凸レンズ１４の平面側に透明電極１５２が形成さ
れたものを用いることにより、液晶光学素子１５の表電
極基板１５１を平凸レンズ１４で代用できる。この場
合、後からレンズを接合する必要はなくなる。

【００５７】本発明に用いる、反射型の液晶光学素子１
５の表電極基板１５１は、ガラス、プラスチック等の透
明基板であり、その内面にIn₂O₃-SnO₂（ＩＴＯ）、SnO₂
等の透明電極が形成されており、通常はベタ電極にされ
ている。

【００５８】この液晶光学素子１５に接合された平凸レ
ンズ１４の凸面の表面には反射防止膜１４２を形成する
ことが界面反射光による透過率損失を低減するために好
ましい。この反射防止膜は、レンズ材質と空気との界面
反射を低減するように設計されたSiO₂、TiO₂、ZrO₂、Mg
F₂、Al₂O₃ 、CeF₃等の無機物やポリイミド等の有機物の
単層、多層の干渉膜である。

【００５９】また、液晶光学素子の透明電極が形成され
た面にも、表電極基板の基板自体と透明電極１５２との
間に反射防止膜を設けてもよい。さらに、多層反射防止
膜において、構成要素として透明電極の屈折率、膜厚を
調製して用いてもよい。また表電極基板の基板自体に微
細な凹凸を形成した後透明電極膜を形成することにより
界面反射を散乱させることにより正規反射を防止する構
成であってもよい。裏電極基板は、電極を有すると共に
反射膜により反射機能を有するので、ガラス、プラスチ
ック、金属、セラミックス、半導体等何れでもよい。

【００６０】そして、この裏電極は画素電極として、パ
ターニングされて用いられるので、必要に応じて、薄膜
トランジスタ（ＴＦＴ）、薄膜ダイオード、ＭＩＭ等の
能動素子を設けて接続する。なお、好ましくない反射を
低減させるためには、このような能動素子は裏電極基板
に設けることが好ましい。

【００６１】また、反射膜１５４は屈折率が相対的に高
い透光性誘電体薄膜と屈折率が相対的に低い透光性誘電
体薄膜とを積層してなる誘電体多層膜でもよい。多層膜
は、Si0₂、MgF₂、Na₃AlF₆ 等の低屈折率透光性誘電体薄
膜とTiO₂、ZrO₂、Ta₂O₅ 、ZnS 、ZnSe、ZnTe、Si、Ge、
Y₂O₃、Al₂O₃ 等の高屈折率透光性誘電体薄膜とを交互に
積層した構造からなり、必要とする反射および透過波長
帯、反射率に応じて、材料・膜厚・層数が異なり、設計
自由度が金属膜に比べ広い。

【００６２】また、裏電極の１つごとに能動素子が形成
される場合、反射型の液晶光学素子に入射した光が直接
能動素子に到達しないよう、遮光膜としての機能も果た
す。その結果、光導電効果の大きなアモルファスシリコ
ン等の能動素子を用いた場合でも、別途遮光層を設けな
くとも、光誘起電流の発生を低減することができる。

【００６３】反射型の液晶光学素子の透過状態の画素の
部分では、光が透過し、反射膜で正規反射した後空気側
に出射してくる。この直進光は拡散光を減ずる装置であ
る第２の絞り１８を通過する主光束となるので、投射ス
クリーン上で明るく表示される。

【００６４】一方、散乱状態の画素の部分では、光が散
乱されて、拡散光として出射してくる。この光は拡散光
を減ずる装置である第２の絞り１８をほとんど通過でき
ないので、投射スクリーン上で暗く見えることになる。

【００６５】本発明の投射型液晶光学装置は、投射用の
光源からの主光束を反射型の液晶光学素子に入射させ、
その反射して出射した光を用いるものであればよい。こ
のため、大型の投射スクリーンに画像を投射する表示装
置のみでなく、反射型光変調器をも含むものである。

【００６６】

【作用】本発明では、投射型光学装置の用途に最適化さ
れた高い光学特性を有する光学素子を採用し、素子自体
の特性として高コントラスト比が得られる。図２におい
て本発明の構成要素であるプリズムの一般的な作用につ
いて説明したように、光源系１から出射した主光束の光
軸ＣＸが光軸ＡＸに変換されるようなプリズムを配置す
ることにより、光源系１と投射光学系３とを距離を隔て
て配置することが可能となる。

【００６７】具体的には頂角αが１０〜７０°の範囲の
プリズムを用いることにより、光軸ＣＸと光軸ＡＸとの
交差角θが１０〜４５°程度にすることができる。その
結果、高い投射像拡大率を必要とする広角投射レンズや
多数枚のレンズ群から構成される投射ズームレンズの場
合でも、光源系１と投射光学系３とが干渉しないように
配置することと投射像の高い品質を達成することの両立
が可能となり、表示精細度の高い反射型光学素子の投影
解像度を確保することができる。

【００６８】また、投射光量を増大させるため大電力ラ
ンプを光源系に用いた場合でも、放熱量が大きい集光鏡
等の光源系を投射レンズと離して設置できるため、その
温度上昇の問題でも回避できる。以下、実施例により、
本発明を具体的に説明する。

【００６９】

【実施例】

（実施例１）図４〜図６に、本発明の第１の実施例であ
る投射型表示装置２００を示す。楕円鏡１２は第１焦点
距離ｆ₁ ＝１５ｍｍ、第２焦点距離ｆ₂ ＝７０ｍｍ、深
さＨ＝３０ｍｍの形状に加工されてパイレックスガラス
の内面にコールドミラーが形成されている。

【００７０】本例で用いるプリズムの形態は複合プリズ
ムである。屈折率約１. ５のＢＫ７ガラスを加工・研磨
したもので、頂角β₁ ＝１１４°、直径３５ｍｍ、高さ
１５ｍｍの円錐体形状プリズム１７と、頂角α＝３０
°、直径３５ｍｍの楔形状プリズム１６１を一体化した
もので、図９および図１０に示した形状のものである。

【００７１】光入射面および光出射面には可視波長帯の
反射防止膜が形成される。このような複合プリズムを用
いることにより光軸ＣＸと光軸ＡＸとの交差角度がθ＝
１８. ６°となる。

【００７２】平凸レンズ１４は焦点距離ｆ＝１２０ｍｍ
の平凸形状であり、材質はＢＫ７である。そして、縦４
０ｍｍ横４５ｍｍの長方形状とする。この平凸レンズ１
４の切断面には黒色塗料を塗布し、側面に入射した光は
吸収されるようにする。また、凸面には可視域用の反射
防止膜が形成されている。このような平凸レンズ１４の
平面側を、表示部形状が３０. ５ｍｍ×４０. ６ｍｍで
対角長が２インチサイズである液晶表示素子１５の表電
極基板１５１に屈折率１. ５２のカップリングオイルを
用いて接合して光変調手段２とした。

【００７３】楕円鏡１２の第２焦点位置近傍に複合プリ
ズム１６、１７と第１の絞り１３を設置し、上記の各光
学部品を図４〜図６に示すように配置する。このとき、
平凸レンズ１４への入射光の光軸ＡＸと光学素子１５の
反射機能層で正規反射された反射光が平凸レンズ１４に
よって集光されて出射される光の光軸ＢＸとの成す角度
γが２０°となるように設定している。

【００７４】第１の絞り１３および第２の絞り１８はそ
の開口直径が可変となる虹彩絞りとする。また、光学素
子１５の反射機能層で正規反射された反射光が平凸レン
ズ１４によって集光され、第１の絞り１３の開口部の像
が結像される位置に第２の絞り１８をその開口部が第１
の絞り１３の開口部の像と一致するように設置する。

【００７５】この第２の絞りの開口部を透過した光が投
射レンズ１９を通してスクリーン上に投射される。第２
の絞り１８は投射レンズ１９と分離して配置しても構わ
ないが投射レンズ系の瞳位置に配置されることが好まし
い。

【００７６】第１の絞り１３の開口部直径をａ、第２の
絞り１８の開口部直径をｂとすると、液晶表示素子への
入射光の分散角Φと、投射光の指向性を示す集光角δは
偏心性の平凸レンズ１４の焦点距離ｆを用いて、次の
（式３）、（式４）で規定される。

【００７７】

【数２】ｔａｎ（Φ）＝ａ／ｆ・・・（式３）ｔａｎ（δ）＝ｂ／ｆ・・・（式４）

【００７８】ここで、Φ＝δとなるように第１の開口絞
り１３と第２の開口絞り１８の開口径ａ、ｂを同時に調
整した。光源１１としては、放電発光型のメタルハライ
ドランプを用いる。その消費電力は１５０Ｗでアーク発
光電極長が３ｍｍのＤＣ放電ランプである。

【００７９】このような構成により、光軸ＡＸと光軸Ｂ
Ｘとのなす角度γが２０°と小さな配置の場合でも、プ
リズム１６、１７を用いることにより光軸ＣＸと光軸Ａ
Ｘとの交差角度がθ＝１８. ６°となり、最終的に光軸
ＣＸと光軸ＢＸとの成す角度はγ＋θ＝３８. ６°と大
きな交差角が得られる。その結果、光源系１と投射光学
系３とを干渉することなく配置できるとともに投射系の
高い解像度性能を実現できる。

【００８０】分散角Φ＝集光角δの設定で、第１の絞り
１３と第２の絞り１８を連動して変えることにより、集
光角δを４°から１０°へと変化させた場合、投射像の
黒表示レベルの一様性を保ったまま、コントラスト比と
明るさを調整ことが可能となる。すなわち、集光角δを
小さく設定した場合は明るさは低下するが１００以上の
コントラスト比が達成されるため、比較的暗い部屋で鮮
明な画像が得られる。

【００８１】一方、集光角δを大きく設定した場合はコ
ントラスト比は低下するが明るさが向上するため、比較
的明るい部屋では実際のコントラスト比が向上し、鮮明
な画像が得られる。本例では光源として放電発光型のメ
タルハライドランプを用いる例を示したが、それ以外
に、超高圧水銀ランプやキセノンランプや無電極マイク
ロ波放電ランプおよびフィラメント発光型のハロゲンラ
ンプ等を使用することも好適である。

【００８２】本例に用いる透過散乱型の光学素子は、電
圧の印加状態により、透過状態と散乱状態とをとりうる
平面型ものであれば使用できる。具体的には、上述した
光励起重合相分離法によって形成したＬＣ／ＰＣで、立
ち上がり時間が４０ｍｓ、電圧除去の立ち下がり時間が
１５ｍｓ程度のものを用いることが好ましい。透過率は
７８％、ヘイズ値は８２％のものとする。

【００８３】また、駆動素子として、駆動電圧が８Ｖの
ＴＦＴを用いる。画素数は６４０×４８０のＶＧＡサイ
ズとする。また、電極として入射面側にＩＴＯ、反射機
能層兼用のアルミニウムの反射電極を形成する。

【００８４】投射型光学装置は、別置したスクリーンに
投射するように配置される。この場合、前面投射型（観
察者が投射型表示装置側に位置して見る）であっても、
背面投射型（観察者が投射型表示装置と反対側に位置し
て見る）であってもよい。

【００８５】この透過散乱型の光学素子を全面ベタ電極
の光学素子としたり、簡単な電極パターニングを施した
光学素子に形成して、これを照明装置として用いること
ができる。

【００８６】例えば、図４の装置自体をそのような構成
とし、壁、天井等に埋め込んで配置しておくことによ
り、高速で色を変化させずに調光することができる。本
例において、カラー表示を実現するためには、表示面が
反射表示画素からなる透過散乱型の光学素子１５の画素
毎にＲＧＢのモザイク・カラーフィルタを形成し、各色
画素にＲＧＢの画像信号を印加してカラー画像とすれば
よい。

【００８７】（実施例２）実施例１では、透過散乱型の
光学素子１５を単体で用いる例を示したが、各色毎に複
数個の光学素子１５を用いフルカラー表示を行うことも
できる。複数の透過散乱型の光学素子を各色ごとに設け
た場合には、ダイクロイックミラーやダイクロイックプ
リズム等で合成してから投射するように構成してもよい
し、個々に投射してスクリーン上で合成されるようにし
てもよいが、合成してから投射する方が光軸が一本にな
るので、小型で携帯性を必要とする用途においては有利
である。

【００８８】ＲＧＢ各色毎に３個の透過散乱型の表示素
子（１５Ｂ、１５Ｇ、１５Ｒ）を用いた場合の投写型表
示装置４００の例の平面図を図１６に、側面図を図１７
に示す。

【００８９】ここでは、Ｒ波長光を反射しＧとＢの波長
光を透過するダイクロイックミラー４１とＢ波長光を反
射しＧ波長光を透過するダイクロイックミラー４２とを
入射光の光軸に対して入射角が３０°になるよう、また
各々のダイクロイックミラー４１と４２が６０°の角度
をなすように配置されている。

【００９０】そして、Ｒ用の反射型液晶表示素子１５Ｒ
と偏心平凸レンズ１４Ｒがダイクロイックミラー４１の
反射面に対して面対称位置に配置され、Ｂ用の反射型液
晶表示素子１５B と偏心性の平凸レンズ１４Ｂがダイク
ロイックミラー４２の反射面に対して面対称位置に配置
されている。このような構成とすることにより、ダイク
ロイックミラー４１、４２を色分離系および色合成系と
して共用できるため、小型化しやすい。

【００９１】このようなダイクロイックミラーを用いた
ＲＧＢ３板反射型表示素子構成とすることにより、実施
例１の単板反射型表示素子構成に比べて、ＲＧＢの色純
度を保ったまま高い光利用効率が実現できる。

【００９２】

【発明の効果】本発明によって、従来得られなかった高
輝度、かつきれいな投射表示が可能になる。基本的に
は、従来困難であった、コントラスト比の面内均一性を
向上できるようになる。また、投射画面の明るさは１０
００ＡＮＳＩルーメン程度が可能となる。また、フルカ
ラーの色純度の発色も良好で、高品位の高密度カラー表
示を達成できる。

【００９３】本発明では、プリズムを用いて光源系の光
軸ＣＸと投射系の光軸ＢＸとの交差角を実質的に広角化
できるため、その結果、高い投射像拡大率を必要とする
広角投射レンズや多数枚のレンズ群から構成される投射
ズームレンズ等の比較的大型のレンズの場合でも、光源
系と投射系とが干渉しないように配置することと投射像
の高い品質を達成することの両立が可能となり、表示精
細度の高い反射型表示素子の投影解像度を確保すること
ができる。

【００９４】また、投射光量を増大させるため大電力ラ
ンプを光源系に用いた場合でも、放熱量が大きいため集
光鏡等の光源系を投射レンズと離して設置できるため、
その温度上昇の問題でも回避できる。

【００９５】本発明は、このほか、本発明の効果を損し
ない範囲内で種々の応用が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の投射型表示装置の第１の構成例の斜視
図。

【図２】本発明の投射型表示装置のプリズムの作用を示
す断面図。

【図３】本発明の投射型表示装置のプリズムの第２の構
成例を示す斜視図。

【図４】本発明の投射型表示装置の第２の構成例（複合
プリズムの使用例）を示す斜視図。

【図５】本発明の投射型表示装置の第２の構成例の平面
図。

【図６】本発明の投射型表示装置の第２の構成例の側面
図。

【図７】本発明の投射型表示装置のプリズムの第４の構
成例の斜視図。

【図８】本発明の投射型表示装置のプリズムの第４の構
成例の断面図。

【図９】本発明の投射型表示装置のプリズムの第５の構
成例を斜視図。

【図１０】本発明の投射型表示装置のプリズムの第５の
構成例の断面図。

【図１１】本発明の投射型表示装置のプリズムの第６の
構成例の斜視図。

【図１２】本発明の投射型表示装置のプリズムの第６の
構成例の断面図。

【図１３】本発明の投射型表示装置の光変調手段の一部
拡大断面図。

【図１４】本発明の投射型表示装置の第３の構成例を示
す平面図。

【図１５】本発明の投射型表示装置の第３の構成例を示
す側面図。

【図１６】本発明の投射型表示装置の第４の構成例を示
す平面図。

【図１７】本発明の投射型表示装置の第４の構成例を示
す側面図。

【図１８】従来技術の投射型表示装置の構成例を示す平
面図。

【図１９】従来技術の投射型表示装置の構成例を示す側
面図。

【符号の説明】

１：光源系２：光変調手段３：投射光学系４：色分離合成系１１：光源１２：楕円鏡１３：第１の開口絞り１４、１４Ｒ、１４Ｂ、１４Ｇ：集光レンズ１５、１５Ｂ、１５Ｇ、１５Ｒ：光学素子１６：楔形プリズム１７：錐体状プリズム１８：第２の開口絞り１９：投射用レンズ４１、４２：ダイクロイックミラー

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源系と、透過散乱型の動作モードを有す
る光学素子と反射機能層とが備えられた光変調手段と、
投射光学系とが設けられた投射型光学装置において、光
源系と光変調手段との間の光路にプリズムが配置され、
光源系から出射した主光束は頂角αを有するプリズム、
光変調手段、投射光学系を通過して投射され、その際、
プリズムに入射するときの光軸ＣＸと、プリズムを通過
せしめられ、光変調手段に入射するときの光軸ＡＸが交
差角度を有することを特徴とする投射型光学装置。
【請求項２】光変調手段に入射された主光束が透過状態
の光学素子を通過せしめられ、反射機能層で反射されて
光変調手段から出射され、この出射光の光軸ＢＸと光軸
ＡＸとが交差角度γ＝４〜３０°を有することを特徴と
する請求項１記載の投射型光学装置。
【請求項３】光軸ＡＸと光軸ＢＸとによって規定される
平面において頂角αを有するプリズムが配置され、光軸
ＣＸは前記平面内に設けられ、光軸ＣＸと光軸ＢＸとの
交差角度ηは、交差角度η＞交差角度γを満足するよう
に、頂角αが設定されたことを特徴とする請求項２記載
の投射型光学装置。
【請求項４】頂角α＝１０〜７０°とされたことを特徴
とする請求項１、２または３記載の投射型光学装置。
【請求項５】光源系に光源、楕円鏡、第１の開口絞りが
備えられ、楕円鏡の第１焦点近傍に光源の発光部が配置
され、楕円鏡の第２焦点近傍に第１の開口絞りの開口部
とプリズムが位置するように第１の開口絞りとプリズム
が配置され、光変調手段にレンズ手段が配置され、第１
の開口絞りの開口部を通過した主光束が光変調手段に入
射せしめられ、レンズ手段を通過し集光されて光学素子
に入射され、反射機能層によって正規反射された主光束
は再び前記レンズ手段を通過せしめられて集光され、第
２の開口絞りを通過せしめられ、この際、第１の開口絞
りの共役像の近傍に第２の開口絞りが配置され、第２の
開口絞りの開口部は第１の開口絞りの共役像とほぼ同じ
形状とされたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか
１項記載の投射型光学装置。
【請求項６】光学素子は透明電極を有する表電極基板と
反射機能層を有する裏電極基板との間に、液晶／高分子
複合体層が挟持され、電圧の印加時または非印加時のい
ずれかの状態においてその高分子相の屈折率が液晶の屈
折率とほぼ一致するようにされた反射型の液晶光学素子
であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記
載の投射型光学装置。