JPH10227906A

JPH10227906A - 投射型光学装置

Info

Publication number: JPH10227906A
Application number: JP9029405A
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】高いコントラスト比で明るい画像を投射する投
射型光学装置を得る。【解決手段】光源系１と透過散乱型の動作モードを有す
る光学素子１５と反射機能層とが備えられた光変調手段
２と、投射光学系３とが設けられ、光源系１と投射光学
系３の間の光路に偏心性結像手段１４が配置され、偏心
性結像手段１４の曲面の中心軸が光学素子１５の面外に
配置される。

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
８に、側面図を図９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
例の投射型光学装置において、光学素子を反射型の光路
配置として設定すると、光反射層と平行な素子界面にお
けるフレネル反射光が反射層における反射光に重畳する
ため、特に暗レベルの増大を招いていた。その結果、投
射画像のコントラスト比が劣化するためなんらかのフレ
ネル反射光低減対策が必要となっていた。

【０００９】従来例４における対策、つまり反射型の液
晶光学素子界面の反射低減手段として、第１案は光入射
側ガラス基板面と透過散乱型材料との界面の、ガラス基
板面側に微細な凹凸を形成し入射光を乱反射させること
によって、投射レンズの開口部を通過し投射スクリーン
に到達されないようにしている。第２案は反射型液晶素
子の光入射側ガラス基板に接合された平凸レンズの空気
との界面に反射防止膜を形成し、フレネル反射率を低減
している。

【００１０】この場合、反射防止膜を用いた通常の反射
防止によって可能な反射率値の低減は反射防止波長帯域
に依存し、波長帯域が１００ｎｍ以下と狭い場合０. ２
％以下維持することが可能であるが、可視波長域全域の
ような２００ｎｍ以上に及ぶ広波長帯域において０. ２
％以下の残留反射率に安定して維持することは難しく、
０. ３〜０. ５％程度が限界であった。

【００１１】このため、平凸レンズの回転対称軸が液晶
光学素子の反射機能層の内部に位置するような図９の場
合、反射機能層と平行な平凸レンズの凸面界面が必ず存
在するため、このような残留反射が残った投射型光学装
置を用いた場合、投射像に平凸レンズの凸面における残
留反射波長域の界面反射光が投射像に重畳し、明るい色
付いたスポットが出現する。

【００１２】ダイクロイックミラー等の色分離合成素子
を組み合わせて配置し、光源光をいったんＲＧＢ各色光
に分離した後、３板のＲＧＢごとの各反射型光学素子に
入射せしめる場合は、各入射光の波長帯域が１００ｎｍ
以下と狭いため、低反射率の反射防止膜形成は比較的容
易である。

【００１３】しかし、単一の反射型光学素子を用い、か
つ白色光源を投射用光源として用いた場合、上記界面反
射に起因したスポットの低減が強く要求されていた。ま
た、ＲＧＢ各色毎に反射型光学素子が配置された３板構
成の場合もＲＧＢ波長域ごとに反射防止膜を作り分ける
必要が生じ、生産性を向上することが困難であった。

【００１４】

【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、明るく高コントラスト
比を有する投射型光学装置、およびそれに用いる液晶光
学素子を提供するものである。

【００１５】すなわち、本発明の請求項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、光源系と投射光学
系の間の光路に偏心性結像手段が配置され、偏心性結像
手段の曲面の中心軸が光学素子の面外に配置されたこと
を特徴とする投射型光学装置を提供する。

【００１６】また、請求項２の発明は、光変調手段に入
射される入射光の光軸ＡＸと、光変調手段の光学素子が
透過状態のときに反射機能層で反射されて、光変調手段
から出射される出射光の光軸ＢＸ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。

【００１７】また、請求項３の発明は、偏心性結像手段
が偏心平凸レンズであって、光変調手段への入射光の光
軸ＡＸと出射光の光軸ＢＸとによって規定される平面内
に偏心平凸レンズの凸面の回転対称軸が存在することを
特徴とする請求項１または２記載の投射型光学装置を提
供する。

【００１８】また、請求項４の発明は、光源系は光源と
楕円鏡と第１の開口絞りとが備えられ、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が位置するように第１の開
口絞りが配置され、第１の開口絞りの開口部を通過した
光が光変調手段に入射せしめられ、偏心性結像手段を通
過して光学素子に入射され、反射機能層によって正規反
射された光が再び前記偏心性結像手段を通過し、集光さ
れ、第１の開口絞りと空間的に重ならない位置に第１の
開口絞りの共役像が形成され、その共役像の近傍に共役
像とほぼ同じ開口形状の第２の開口絞りが配置されたこ
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。

【００１９】また、請求項５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り、偏心性結像手段が偏
心平凸レンズであり、液晶光学素子の光入射側に偏心凸
レンズの平面が接合され、平凸レンズはその凸面の回転
対称軸が液晶光学素子の反射機能層の外部に位置するよ
うに配置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。

【００２０】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。

【００２１】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。

【００２２】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。

【００２３】本発明に用いるＬＣ／ＰＣセル内の液晶／
高分子複合体層自身の比抵抗としては、５×１０¹⁰Ωｃ
ｍ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、
１０¹¹Ωｃｍ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。

【００２４】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。

【００２５】液晶の常光屈折率（ｎ_o ）は高分子相の屈
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＜ｎ_p ＜ｎ_o ＋０．０５の関係を満たすことが
好ましい。

【００２６】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（ｎ_o ）と高分子
相の屈折率（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。

【００２７】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。

【００２８】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。

【００２９】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
折率が一致した時には透過状態（正規反射して光が出
射）となり、屈折率が異なった時には散乱状態（拡散光
が出射）となる。

【００３０】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。

【００３１】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、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。

【００３２】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よりも高くでき、１５Ｖ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。

【００３３】図１は、本発明の投射型液晶光学装置の基
本的構成を示す全体図である。また、図２は本発明の投
射型液晶光学装置の基本的構成を示す平面図の模式図で
ある。図３は、本発明の投射型液晶光学装置の基本的構
成を示す側面図の模式図である。

【００３４】図２および図３において、楕円鏡１２の第
１焦点位置にメタルハライドランプ等の光源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焦点位置に配置
された第１の開口絞り１３を通過した光が偏心平凸レン
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ってきて、再度、偏心平凸
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、投射光学系の投射レン
ズ１９により図示されていないスクリーンに投射され
る。

【００３５】図１〜図３において、楕円鏡１２の第２焦
点位置近傍に配置された錐体状プリズム１７は液晶表示
素子に照射される光の分布を均一化するとともに光利用
効率を改善する効果を有する。

【００３６】偏心平凸レンズ１４の平面側は液晶光学素
子１５の光入射側ガラス基板に平凸レンズ１４、および
ガラス基板と屈折率がほぼ等しいカップリングオイル１
５６を用いて接合することによって、界面反射は生じな
い。

【００３７】図４に光変調手段である液晶光学素子１５
と偏心平凸レンズ１４の側面図を示す。偏心平凸レンズ
１４の凸面は回転対称形状を有し、その対称軸ＣＸは液
晶光学素子１５の面内、つまり光変調層内部には位置し
ないような構成とする。つまり、元の曲面の中心軸に相
当する対象軸が光変調手段の領域の外に位置するように
設けられる。これにより、液晶光学素子内の反射層１５
４と平行な平凸レンズ１４の凸面は存在しないため、偏
心平凸レンズ１４に入射した光のうち、凸面で生じるフ
レネル反射光は、図４の点線で示されるように、拡散光
となって投射光学系の第２の絞り１８の開口部に入射せ
ず、したがって投射像に重畳しない。

【００３８】図４では液晶光学素子１５への入射光の光
軸ＡＸが反射機能層（反射電極）に対して略垂直になる
ように配置している。この場合、液晶／高分子複合体の
層が透明状態のとき、偏心性の平凸レンズの凸面で屈折
した入射光は反射機能層に一定の角度を有して入射し、
正規反射した光は再び平凸レンズの凸面で屈折して空気
側に出射する。その結果、入射光の光軸ＡＸと出射光の
光軸ＢＸとは偏心平凸レンズの形状に応じて、一定の角
度γをなすこととなり、投射光の光軸が水平から傾いた
「あおり投射」が実現する。

【００３９】図４において、液晶光学素子１５のＹ軸方
向の有効面長さをｐとし、偏心平凸レンズ１４の焦点距
離をｆとすると、入射光の光軸ＡＸが液晶光学素子の有
効面の中心にくるように配置した場合、次式の関係とな
るような焦点距離ｆの偏心平凸レンズ１４を用いればよ
い。

【００４０】

【数１】ｔａｎ（γ）≧ｐ／ｆ・・・（１）

【００４１】角度γを３０°以上の大きな値に設定した
場合、投射レンズの高い解像性能の達成や偏心平凸レン
ズ１４の作製が困難となるため、実用的にはγは３０°
以下が好ましい。さらに、全体の小型化のためには、角
度γは４〜２０°程度が好ましい。

【００４２】この偏心平凸レンズ１４は平凸レンズの回
転対称軸ＣＸを含む面を一つの切断面とした長方形形状
にしている。具体的には、通常の円形平凸レンズを図５
のように切断して作製すればよい。１枚のレンズから２
枚の偏心平凸レンズが形成できる。さらに、切断された
側面に光吸収層１４１を形成することにより光変調素子
内部に伝搬する迷光を吸収することが好ましい。これに
より、迷光に起因するフレアやコントラスト比の劣化が
改善される。

【００４３】ここで用いられる偏心平凸レンズ１４の素
材はガラスあるいはプラスティックのいずれでも構わな
い。また、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偏心平凸レンズを薄厚化
し、軽量・安価にしてもよい。

【００４４】本発明の光源系は、図１〜図３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光学系と
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
フィルターや紫外線カットフィルタ等を組み合わせても
よい。

【００４５】また、凸錐体状プリズム１７の凸面を光源
側に配置しても構わないし、代わりに凹錐体状プリズム
を用いてもよい。このような光学素子を用いることによ
り、投射光の照度均一性および光利用効率が向上する。
また、効果は低減するが、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
しても構わない。

【００４６】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
り分光してもよい。具体的に図３および図４の装置に適
用するとすれば、偏心平凸レンズ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をさら
に配置し、ＲＧＢの各色光に対して３個の光変調素子が
配置されることになる。

【００４７】その構成例の平面図を図６に側面図を図７
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枚構成で光源系からの入射白色光をＲＧＢに色分離
するとともにＲＧＢ各液晶光学素子１５Ｒ、１５Ｇ、１
５ＲからのＲＧＢ反射光を色合成用している。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。

【００４８】本発明の投射系は、図１〜図３では模式的
に単一の投射レンズ１９と第２の絞り１８の構成を示し
たが、液晶光学素子が微細な画素からなる表示素子でス
クリーン上に画像を結像する場合、表示面の隅々まで表
示画素を分解できる投射レンズの解像度が要求されるた
め、投射レンズは一般に複数枚の材質・形状の異なるレ
ンズから構成されている。

【００４９】このような場合、第２の開口絞り１８の相
対的位置は投射レンズ内の瞳位置、すなわち、光源系の
第１の開口絞り１３のレンズ１４によって形成される共
役像位置に設け、かつ、第１の開口絞り１３の開口形状
の共役像とほぼ一致するように第２の開口絞り１８の開
口形状が設定されることが好ましい。

【００５０】図４は、本発明の投射型光学装置に用いる
反射型の液晶光学素子１５の断面図である。液晶光学素
子１５は、内面に透明電極１５２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／ＰＣ
１５５が封入された構成となっている。この透明電極１
５２と反射電極膜１５４との間に電圧を印加することに
よりＬＣ／ＰＣ１５５が光散乱と光透過の状態が変化す
る。

【００５１】図４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で接合されている。図４で
は液晶光学素子１５の表電極基板１５１と平凸レンズ１
４とが個別に存在し後で接合する形態を示しているが、
偏心平凸レンズ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を偏心平凸レンズ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。

【００５２】本発明の反射型の液晶光学素子１５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。

【００５３】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。

【００５４】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。

【００５５】裏電極基板は、電極を有するとともに反射
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、半導体等いずれでもよい。

【００５６】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、ＴＦ
Ｔ、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。また、ＭＯＳ半導体基板を裏電極基板として用いた
場合、駆動電圧を高めることができる。

【００５７】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。

【００５８】また、裏電極の１つ毎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。

【００５９】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
る絞り１８を通過する光となるので、投射スクリーン上
で明るく表示される。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
光はほとんどが拡散光を減ずる装置である第の開口絞り
１８を通過できないので、投射スクリーン上で暗く見え
ることになる。

【００６０】本発明の投射型光学装置は、光源系からの
光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。

【００６１】

【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液晶光学素子を採用し、素子
自体の特性として高コントラスト比が得られる。そし
て、この反射型の液晶光学素子に接合された平凸レンズ
が偏心レンズでありその凸面からの反射光が投射像に重
畳しない構成となっているため、暗レベル画面での明る
いスポットが発生することがなく、均一な黒表示、すな
わち均一なコントラスト比が得られる。以下、実施例に
より、本発明を具体的に説明する。

【００６２】

【実施例】

（実施例１）図１〜図３に、本発明の第１の実施例であ
る投射型表示装置１００を示す。本実施例で用いる楕円
鏡１２、プリズム１７、偏心平凸レンズ１４の構成を以
下に説明する。まず、楕円鏡１２は第１焦点距離ｆ₁ ＝
１５ｍｍ、第２焦点距離ｆ₂＝７０ｍｍ、深さＨ＝３０
ｍｍ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。

【００６３】プリズム１７は、ＢＫ７ガラスを頂角１１
４°、直径３０ｍｍ、高さ１２ｍｍの円錐体形状で、光
入射面には波長４００ｎｍ以下の紫外線をカットするフ
ィルタが形成され、出射面には可視波長帯の反射防止膜
が形成されている。

【００６４】偏心平凸レンズ１４は焦点距離ｆ＝１２０
ｍｍの平凸形状のＢＫ７であり、元のレンズの直径が９
２ｍｍで、図５に示すように回転軸対称の形態のものか
ら回転対称軸を含まないように縦４０ｍｍ横４５ｍｍに
２個切り出した長方形状とする。

【００６５】この偏心平凸レンズ１４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。このような偏心平凸レンズ１４の平面側を、表示
部形状が３０. ５ｍｍ×４０. ６ｍｍで対角長が２イン
チである液晶光学素子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
手段を形成する。

【００６６】この場合、光源系から出射された光の光軸
ＡＸが、液晶光学素子の反射電極面の垂線に一致するよ
うに光源系と反射型の液晶光学素子とが配置され、偏心
平凸レンズ１４の対称軸ＣＸが偏心してＡＸと一致して
いないため、液晶光学素子１５が透明時に、その反射電
極面で正規反射された後、偏心平凸レンズ１４を透過し
た光の光軸ＢＸは結果的にＡＸに対して約１８°程度傾
いて出射され、第２の開口絞り１８を通過する光が投射
レンズによりスクリーンへ投射する。

【００６７】楕円鏡１２の第２焦点位置にプリズム１７
と第１の絞り１３を設置し、上記の各光学部品を図１〜
図３のように配置する。第１の絞り１３はその開口直径
が可変となる虹彩絞りとする。また、光学素子の反射光
が偏心性の平凸レンズ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の開口部の像とほぼ一
致するように設置する。

【００６８】この第２の絞り１８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の瞳位置に配置されることが好ま
しい。

【００６９】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、表示素子入射光の
分散角Φと投射光の指向性を示す集光角δは偏心平凸レ
ンズの焦点距離ｆを用いて、次の（式２）、（式３）で
規定される。

【００７０】

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

【００７１】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。

【００７２】このような構成により、平凸レンズに形成
された反射防止膜の残留反射率が０. ５％程度以上の場
合でも、投射像の黒表示レベルは全面に一様な黒表示が
可能となる。

【００７３】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である。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。

【００７４】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。本実施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
ランプ等もよい。

【００７５】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％程度のものとする。

【００７６】また、駆動素子として、駆動電圧が８ＶＴ
ＦＴ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。

【００７７】投射型表示装置は、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
察者が投射型光学装置側に位置して見る）であっても、
背面投射型（観察者が投射型光学装置と反対側に位置し
て見る）であってもよい。

【００７８】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。例えば、図１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。

【００７９】本実施例において、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。

【００８０】（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毎に設けた
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、小型で携帯を必要とする用途においては有利で
ある。

【００８１】ＲＧＢ各色毎に３個の透過散乱型の表示素
子（１５Ｂ、１５Ｇ、１５Ｒ）を用いた場合の投射型表
示装置２００の例の平面図を図６に、側面図を図７に示
す。

【００８２】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度になるよう、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。

【００８３】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にダイク
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。

【００８４】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。

【００８５】

【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。

【００８６】本発明では、偏心平凸レンズの凸面の界面
反射が残留する場合であっても、安定して均一な黒表示
が可能となる。特に、単板の反射型表示素子を用いた投
射型表示装置を構成する場合、可視波長帯全域で低反射
性の反射防止膜を安定して作成することは困難なため、
偏心性レンズを用いて、レンズ凸面の界面反射をスクリ
ーンに到達させないことが表示品位を大きく向上させ
る。

【００８７】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の構成例を示す
斜視図。

【図２】本発明の投射型表示装置の第１の構成例を示す
平面図。

【図３】本発明の投射型表示装置の第１の構成例を示す
側面図。

【図４】本発明の投射型表示装置の光学素子とレンズの
構成例を示す断面図。

【図５】本発明の投射型表示装置に用いられる偏心平凸
レンズの作製例を示すブロック図。

【図６】本発明の投射型表示装置の第２の構成例を示す
平面図。

【図７】本発明の投射型表示装置の第２の構成例を示す
側面図。

【図８】従来技術の投射型表示装置の構成例を示す平面
図。

【図９】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：偏心平凸レンズ１５、１５Ｂ、１５Ｇ、１５Ｒ：光学素子１７：錐体状プリズム１８：第２の開口絞り１９：投射レンズ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
源系と投射光学系の間の光路に偏心性結像手段が配置さ
れ、偏心性結像手段の曲面の中心軸が光学素子の面外に
配置された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る入射光の光軸ＡＸ
と、光変調手段の光学素子が透過状態のときに反射機能
層で反射されて、光変調手段から出射される出射光の光
軸ＢＸ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】偏心性結像手段が偏心平凸レンズであっ
て、光変調手段への入射光の光軸ＡＸと出射光の光軸Ｂ
Ｘとによって規定される平面内に偏心平凸レンズの凸面
の回転対称軸が存在することを特徴とする請求項１また
は２記載の投射型光学装置。
【請求項４】光源系は光源と楕円鏡と第１の開口絞りと
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
部が位置するように第１の開口絞りが配置され、第１の
開口絞りの開口部を通過した光が光変調手段に入射せし
められ、偏心性結像手段を通過し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光が再び前記偏
心性結像手段を通過し、集光され、第１の開口絞りと空
間的に重ならない位置に第１の開口絞りの共役像が形成
され、その共役像の近傍に共役像とほぼ同じ開口形状の
第２の開口絞りが配置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
であり、偏心性結像手段が偏心平凸レンズであり、液晶
光学素子の光入射側に偏心凸レンズの平面が接合され、
平凸レンズはその凸面の回転対称軸が液晶光学素子の反
射機能層の外部に位置するように配置されたことを特徴
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。