JP2704581B2 - 画像表示装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はもしくはその他の電気光
学効果を利用して２次元マトリクス上で光学スイッチン
グ動作をおこなう装置（２次元光学スイッチ装置）と、
投影用光源を有する投影型画像表示装置と、その装置に
おいて使用される画像表示方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の電気的な画像表示装置としてはブ
ラウン管等の陰極線管（ＣＲＴ）が知られていた。ＣＲ
Ｔは、電子銃から放射された電子ビームを電場や磁場等
の作用によって任意の方向に偏向せしめ、それによって
画像を表示するものである。この方法は極めて簡単であ
り、かつ、明瞭な画像が得られるために、その発明から
７０年以上経過した現在でも表示装置の主要な部分を占
めている。

【０００３】近年は、映像ソフトの発達とともに、より
大画面で画像の品質の高い表示装置が求められる傾向が
ある。この点で、ＣＲＴは優れているとは言い難い。と
いうのは、電子線の走査によって画像を得るために真空
装置が必要であり、その耐久性を考慮すると、ＣＲＴは
かなりの大型のものが要求される。例えば、対角３０イ
ンチのものでは、ＣＲＴのガラスの厚みも１ｃｍを超え
るようになり、全体の重量も１００ｋｇを優に超える。

【０００４】この困難を解決するために、近年、投影型
の表示装置（プロジェクションディスプレー）が提案さ
れ、普及している。そもそも、投影型の表示装置の基本
は、エジソン他によって１９世紀末に発明された映画で
あり、通常の映画が銀塩フィルムに光を透過させ、これ
を拡大させることによって大画面の画像を得るのに対
し、近年の投影型表示装置（プロジェクションディスプ
レー）は、銀塩フィルムの代わりに液晶ディスプレーパ
ネル等の２次元光学スイッチ装置を用いることを特徴と
している。

【０００５】これによって、例えば１００インチ以上の
大画面を得ることができ、装置の重量もＣＲＴに比べる
と格段に小さい。現在、市販されている液晶パネルを使
用したプロジェクションディスプレー装置では、図４に
示すように、通常、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の光
の３原色に対応した専用の３枚の液晶パネルを使用し、
光学系にて１つの画面に合成して拡大表示される。その
ために、この３枚の液晶パネルおよびそれに付随する光
学系は高精度の位置合わせ精度を要求され、具体的には
１μｍ程度の精度が要求される。

【０００６】このようなプロジェクションディスプレー
装置では、対角３インチ程度の液晶パネルを透過した光
を４〜５ｍ離れたスクリーン上に約１００インチの画面
に拡大して表示する。このため、１００インチの表示画
面が粗く、ぼやけた表示とならないように拡大する前の
表示用の液晶パネルは高精細のものが用いられる。

【０００７】図４をもとに、このプロジェクションディ
スプレー装置の画像表示について説明する。まず、光源
（通常はメタル・ハライドランプが用いられる）４０１
から光が光学装置４０２に導入され、ここで、３分割さ
れる。そして、各々の光はミラー等の光学装置４０３、
４０４を経由して、Ｒ、Ｇ、Ｂ３色のフィルター４０５
〜４０７を経て、液晶パネル（通常はＴＮ液晶パネル
で、画素に印加する電圧を加減することによって階調表
示をおこなう）４０８〜４１０を通過する。そして、光
学系４１１、４１２を経由して、光学装置４１３で統合
され、映像としてスクリーンに投影される。

【０００８】この方式の最大の問題点は、光源のスペク
トルがほとんど白色光であるので、そこから、ＲＧＢの
３色を抽出するという構成を有しているために光の多く
が映像に用いられないまま、熱となってしまうことであ
る。このため、既存のプロジェクションディスプレー装
置の画面は暗く、通常の室内照明のもとでは映像を表示
することが出来ないので、映像表示時には部屋を暗くす
る必要がある。

【０００９】より、明るい画面を得ようとするには光源
をより強力なものとすることや、色フィルターの透過ス
ペクトル幅を拡げることが考えられるが、前者の方式
は、さらなる装置の発熱をもたらし、消費電力の増加
と、冷却のための装置の負担の増加のために経済的でな
い。一方、後者の方法では、得られる色彩の範囲が狭め
られる。

【００１０】一般に、液晶ディスプレー装置では、カラ
ー表示をおこなう場合に、色フィルターを使用するた
め、画面の明るさとの兼ね合いから、表示される色の範
囲は従来のＣＲＴに比較して狭い。図６は各種表示装置
で得られる色の多彩さを示したものである。中央の＊印
は白色光を表す。白色光は全ての波長の光がて混合され
た光である。そして、周囲にゆくにしたがって、光の単
色性が強まり、鮮やかな光となる。最外周の曲線は単色
光を示す。この曲線の内部の各３角形が各表示装置で得
られる色の範囲を表す。図から明らかなように、従来の
液晶パネル（カラーフィルターＬＣＤと書かれたもの）
は、ＣＲＴに比べて小さな３角形である。これは、ＲＧ
Ｂ３色の各フィルターを透過する光がスペクトル幅の広
い光であることに由来する。ＲＧＢ３色によって表現さ
れる光は、その３色を頂点とする３角形の内部に限られ
る。また、色彩を豊かにしようと、フィルターの帯域幅
を狭めるとフィルターを通過する光量自体が減り、画像
が暗くなってしまう。

【００１１】これに対し、ＣＲＴは図中の点線の３角形
で示されるが、液晶パネルよりもかなり大きい。これ
は、ＣＲＴでは電子線によって励起した発光材料中のｄ
軌道やｆ軌道の内殻電子の光学遷移によって発光するも
のであり、この発光が極めて鋭い線スペクトルであるた
めである。このように、色彩の表現の自由度、および画
面の明るさという点でプロジェクションディスプレーを
はじめとする液晶ディスプレー装置（ＬＣＤ）はＣＲＴ
に劣っている。

【００１２】一方、光源を理想的なスペクトル幅の狭い
３原色を含むもの、例えば、直視型のＬＣＤで用いられ
るような３色冷陰極管を用いることも考えられるが、プ
ロジェクションディスプレー装置においては、光源は点
光源であることが要求されるので、現実には適切な光源
がない。

【００１３】この困難を解決するためには、本発明人ら
の発明である特願平３−７７３１４に記述される如く、
光源として３色のレーザー光を用いる方法が提案されて
いる。すなわち、レーザー光は、極めて理想的な単色光
であり、点光源であるからである。

【００１４】その構成例を図５に示す。まず、３色のレ
ーザー光発生装置５１２〜５１４から放射されたレーザ
ー光は、次にビームエキスパンダー等の光学装置５０９
〜５１１によって、適当な断面積を有する光線とし、こ
れをミラー等の光学装置５０７、５０８を経て、各３色
に対応する液晶パネル５０４〜５０６に入射される。そ
して、その後は、従来のプロジェクションディスプレー
装置と同様に３色が光学装置５０３で合成され、別な光
学装置５０２によって拡大し、スクリーン５０１上に投
影するものである。

【００１５】この方式では、ＲＧＢの原色として極めて
理想的な単色光であるレーザー光を利用するために、極
めて豊富な色彩再現性を有する。その様子は図６に『レ
ーザーＬＣＤ』として示されるが、これは、Ｒとして、
Ｈｅ−Ｎｅレーザー、Ｇとして、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー
の第２高調波、ＢとしてＡｒ⁺ レーザーを利用した場合
を示している。図から明らかなように、従来のＬＣＤは
もちろん、ＣＲＴをもしのぐ色再現性を有している。特
に、従来のＣＲＴでは困難であった、緑系統の色の再現
性に格段に優れている。また、フィルターでの光の吸収
がないので画面は明るく、冷却はレーザー装置のみで、
それも近年の小型レーザー装置ではほとんど日常の家電
製品と同じ程度あるいはそれ以下の冷却で十分である。
また、例えば、固体レーザーの代表であるＮｄ：ＹＡＧ
レーザーや気体レーザーの典型であるＨｅ−Ｎｅレーザ
ー、Ａｒ⁺ レーザーでは、保守も容易であり、ほとんど
メンテナンスフリーである。

【００１６】しかしながら、ＲＧＢの３色の画面を最終
的に合成するという点では従来のプロジェクションディ
スプレー装置と同様に、高い精度が要求され、保守・整
備・調整に極めて手間がかかる。特に、湿度や気温によ
ってセッティングは微妙に変化するものであるので、大
きな需要が見込まれる温帯では、逆にその気温・湿度の
変化の大きさのために実際に使用するに際して多大な問
題を抱えている。

【００１７】特に、この方式は、レーザーを単なる単色
光の光源として利用したに過ぎず、レーザー光の特徴で
ある平行度の良さと、それによって得られる光軸あわせ
の容易さという点に対しては何ら考慮されていない。図
５からも明らかなように、本来のレーザー光はビームの
幅が極めて狭いのにも関わらず、わざわざ、それを拡大
して液晶パネルに入射するようになっている。そのた
め、光軸が液晶パネルと同じ３インチ程度のものが３本
も装置の中を走り、装置の小型化の最大のネックとなっ
ている。また、ＲＧＢ各レーザー光のビームの平行度は
同じに保たれる必要があるので、従来のプロジェクショ
ンディスプレー装置に比べれば容易とはいえ、保守・調
整に手間がかかる。特に、液晶パネル通過後の光の平行
度を全て同じにするということはとてつもなく難しく、
実際、１００インチ以上の映像を得ることはほとんど困
難である。

【００１８】さらに、いずれの方法にしても最低３枚の
液晶パネルを使用するが、液晶パネルの価格は歩留りが
低いこともあって高く、コストアップの要因となる。さ
らに、液晶パネル以上に、３本もの光軸を分離し、統合
するための光学系の価格はべらぼうで、装置の価格の半
分を占めるようになる。また、その保守・点検はプロ級
の技術が要求され、一般の消費者はもちろん、家電販売
要員ですら困難である。したがって、低価格のプロジェ
クションディスプレーを製造するには、液晶パネル等の
２次元光学スイッチのパネルを減らし、光学系も簡単で
調整の容易なものにする必要がある。

【００１９】また、従来のプロジェクション型表示装置
では、２次元光学スイッチ装置として、ＴＮ液晶を用い
たアクティブマトリクス型液晶表示装置を採用していた
が、この方式の表示装置で階調表示をおこなうには、画
素に印加する電圧を加減する方法（アナログ階調方式）
によって、液晶の光透過性を制御するという方式を使用
していた。この方式では、例えば、６４階調の表示をお
こなうには２０ｍＶもの細かな電圧制御が必要であっ
た。しかしながら、使用されるアクティブマトリクスの
ＴＦＴ間のばらつきや、ＴＦＴや液晶による保持電荷の
リーク等によって、現実的には１００ｍＶの電圧制御、
すなわち１６階調が精一杯であった。

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、以上のべた
ようなプロジェクションディスプレー装置の問題点を解
決するためになされたものである。すなわち、本発明で
は、保守・点検・調整が容易なプロジェクション装置を
提案する。また、それは価格の低いものであることが望
ましい。より、好ましくは、それは小型のもので、設置
に問題の無いようなものが望ましい。例えば、多大な発
熱を伴うものでは、設置する場所に多くの制約が加わ
る。

【００２１】本発明の他の目的は、このような装置の駆
動方法・表示方法を提案することである。特に、豊富な
色彩再現性を十分に引き出すには、従来にも増して、階
調表示技術が要求される。本発明では、優れた階調表示
技術を提案する。

【００２２】

【問題を解決するための手段】以上の課題を解決するた
めに、本発明では、ＲＧＢ各色に対応する画面を時間的
に分割し１つの画面でおこなわせることを提案する。す
なわち、ある特定の時間では、赤（Ｒ）の画面を投影
し、次の時間では、緑（Ｇ）の画面を投影し、次の時間
では青（Ｂ）の画面を投影する。これを繰り返すことに
よって、視覚的にはカラー映像を得るのである。

【００２３】そのためには、光源である各色レーザー
と、液晶パネルあるいはその他の電気的な手法によって
光の透過率、散乱率を変化させることによって光学的な
スイッチングをおこなうマトリクス状の装置（２次元光
学スイッチ装置）とは緊密に連携しなければならない。

【００２４】本発明の画像表示装置の概念図を図１に示
す。図１では本発明の根幹となる構成が示されている
が、実際に動作させるにあたってはそれ以外にさまざま
な装置を付加しなければならない。以下、本発明の技術
思想を説明する目的で図１に示された装置を説明する。

【００２５】まず、図５の場合と同様に本発明でも３色
のレーザー光源１０４〜１０６を用意する。このレーザ
ー光源は、パルス的にレーザー光あるいはそれと同等な
平行度を有する単色光を発生させることが要求される。
したがって、この光源としては、単なるレーザー発振装
置だけに限らず、レーザー発振装置にレーザー増幅装置
が組み合わされた装置であってもよい。また、レーザー
発振装置に、非線型光学装置等の波長変換装置が組み合
わされたものであってもよい。この場合には、レーザー
発振周波数の２倍、３倍、あるいは４倍の周波数のコヒ
ーレント光（それぞれ、第２高調波、第３高調波、第４
高調波）が取り出される。同様に、非線型光学効果を利
用して、１つ以上のレーザー発振装置を用いて発生させ
た２つの異なる波長のレーザー光を合成することによっ
て、その周波数の和、あるいは差を取り出すことも可能
である。

【００２６】このような装置によって放射された極めて
平行度の高く、細いビームは、ミラー等の光学装置１０
２、１０３によって、１軸上に合わされる。この光軸を
合わせる作業は比較的容易におこなわれる。というの
は、この段階では、これらのレーザー光は画像情報を何
ら含んでいないので、光は極めて平行度が高く、また、
ビームも細いからである。従来のプロジェクションディ
スプレー装置では、液晶パネルを透過した光を１軸上に
合わせでいたが、その場合には、画像情報による光の回
折等の理由のためにビームの平行度は極めて悪く、ま
た、光軸自体も大きかったので、光軸合わせは非常に難
しかった。

【００２７】ついで、１軸となった光軸は光学装置１１
４によって、適当な大きさに光線が拡大される。この光
学装置１１４は従来、使用されたような高価なビームエ
キスパンダーを用いる必要はなく、単レンズであっても
よい。というのは、この段階においては、既に、ビーム
は１軸に合わせられており、以後はその平行度は必要と
されないからである。したがって、例えば、極めて色収
差の大きなレンズであっても構わない。

【００２８】その後、ビームは液晶パネル等の２次元光
学スイッチ装置１０１を透過する。映像はこのまま、ス
クリーンに投影されてもよい。また、図１に示すように
さらに拡大のための光学装置１１３を通してもよい。こ
の場合には、光学装置は、色収差や樽状収差の少ない上
質なレンズを用いる必要があるが、これは従来の映写機
の場合と同じである。

【００２９】２次元光学スイッチ装置として、液晶パネ
ルを用いる場合には、レーザーの偏光方向を予め１方向
に揃えておけば、液晶パネルのレーザー入射側の偏光板
を不要とすることができる。従来の非コヒーレントな光
源（白色光源）を用いる場合には、液晶パネルに入射す
る光の偏光方向はばらばらであり、したがって、偏光を
えるために偏光板をその前に置いていた。そのため、入
射した光の大半が利用されないまま熱として放出され、
偏光板を通すため光量は減少した。

【００３０】本発明において、特にレーザーのようなコ
ヒーレントな光源を利用することの利点はまさにこの部
分にあると言える。もっとも、光の散乱を利用する分散
型液晶（ポリマー液晶ともいう）では、偏光を必要とし
ないので、その点ではコヒーレント光であっても、非コ
ヒーレント光であっても変わらない。

【００３１】また、本発明においては、後述するように
光学スイッチのＯＮ状態とＯＦＦ状態の時間等の組み合
わせによって階調表示を得るという方式（デジタル階調
方式）を採用するため、高速で液晶のスイッチングをお
こなう必要があり、また、その際のＯＮ／ＯＦＦの応答
は完全に１／０である必要がある。すなわち、電圧の時
間平均に応答することや、中途半端な透過率を示すこと
は避けなければならない。

【００３２】この目的には強誘電性液晶もしくは反強誘
電性液晶が適している。例えば、強誘電性液晶では、印
加電圧±８Ｖで光学応答時間が５０μｓｅｃであり、し
かも、一定電圧が印加されている状態では、ＯＮ状態、
ＯＦＦ状態での透過率は、印加電圧に依存しない。具体
的には強誘電性液晶を用いて、従来のＴＮアクティブマ
トリクスと同様なＴＦＴマトリクスを形成した場合に
は、強誘電性液晶にはほぼ一定の電圧が印加されるの
で、その間の光学特性は少々の電圧変化には応答せず、
一定の状態を保つこととなる。

【００３３】強誘電性液晶以外にも反強誘電性液晶でも
同じ効果が得られ、また、強誘電性液晶あるいは反強誘
電性液晶を高分子材料中に分散せしめた、ポリマー液晶
を使用しても同様な効果が得られる。さらには、液晶以
外にも、ポッケルスセルに使用するような電場の印加に
よって光学応答特性が変動し、しかもその応答速度が１
ｍｓｅｃ以下、好ましくは１００μｓｅｃ以下の材料で
あれば、有機、無機を問わず利用することができる。た
だし、材料によっては光学応答性能が小さすぎて、十分
なコントラストが得られない場合もある。

【００３４】さて、先述の通り、本発明では、１枚の２
次元光学スイッチ装置で時分割動作させて、ＲＧＢ各色
の映像を表示するので、２次元光学スイッチ装置と各レ
ーザー装置は緊密に連携して動作しなければならない。
そこで、これらはケーブル１０７〜１１０によって画像
制御用装置に接続されている。従来では、液晶パネルの
みがこの画像制御装置に接続されていた。

【００３５】次に、本発明による表示方法について説明
する。図２（Ａ）は本発明の基本的な動作を示したもの
である。この例では、液晶材料として強誘電性液晶を用
いたアクティブマトリクスを使用した例を示している。
各画素には、正もしくは負の電圧が印加され、１フレー
ムをＲＧＢ３色に対応する３つの色フレーム（Ｒフレー
ム、Ｇフレーム、Ｂフレーム）に分割し、かつ、各色フ
レームを４つのサブフレームに分割し、すなわち４階調
の表示が可能である。もちろん、カラー映像において
は、１６階調、３２階調というように、より高い階調度
が要求されるが、煩雑さを避けるためにここでは４階調
に留める。より高い階調表示であっても、ＴＦＴ等のス
イッチング素子の能力が許せば、同様に動作することは
明らかであろう。

【００３６】また、各画素はいわゆる線準次モードで、
各サブフレームごとに上の行から下の行に順に走査され
てゆくものとし、画素Ａは画素Ｂよりも上にあるとす
る。画素の電圧状態は、『画素Ａの電圧』、『画素Ｂの
電圧』に示されるが、この様子は従来の液晶パネルの場
合と同様である。したがって、ここでは、その詳細は省
略する。一方、レーザーのパルス発振の様子は図中の
『レーザーＧ』（緑の発光レーザー）、『レーザーＢ』
（青の発光レーザー）、『レーザーＲ』（赤の発光レー
ザー）に示されている。図から明らかなように、各レー
ザーは間隔を開けて順にパルス状に発光する。

【００３７】例えば、赤のレーザーが発光している状態
に注目すると、その期間は極めて短い。例えば１フレー
ムが３０ｍｓｅｃであると、その理論的な最長期間は
２．５ｍｓｅｃであり、実際には１ｍｓｅｃ以下である
ことが望ましい。この制限は主に、画像処理上の問題か
ら生じる。すなわち、液晶パネルとして、各種半導体に
よってできたアクティブマトリクス装置を使用した場合
には、１サブフレームあたりに残された時間は、 ３０〔ｍｓｅｃ／フレーム〕÷３〔色フレーム〕÷４
〔サブフレーム〕＝２．５ｍｓｅｃ であるが、もし、各レーザーの発光パルス幅が１ｍｓｅ
ｃであったとすると、各色フレームにおいて画像の処理
に残された時間は１．５ｍｓｅｃであり、走査線数を５
００として、線準次モードで画像表示をおこなった場合
に、１行を処理するのに残された時間は、 １．５ｍｓｅｃ÷５００＝３μｓｅｃ である。もちろん、より高速で動作する半導体材料を使
用すれば、レーザーパルスの幅を画像の処理時間に比し
て大きく取ることも可能である。

【００３８】パルス状のレーザー光を取り出すには、連
続発振レーザー光を光学シャッター装置によって、パル
ス状に取り出してもよいし、パルス状にレーザーを励起
することによっておこなってもよい。あるいはＱスイッ
チによって、レーザーの発振状態をパルス状に制御して
もよい。後述する階調方法においてはレーザーのパルス
幅を制御する必要が生じることがある。一般にパルス励
起やＱスイッチ法ではパルス幅を制御することはほとん
ど不可能であるので、機械的あるいは電気的な光学シャ
ッタを用いると良い。

【００３９】図２（Ａ）の例では、緑のレーザーの４つ
のパルスが連続して照射されたときには、画素Ａは、全
て正の電圧状態にあり、画素Ｂは、２回は正の電圧状態
で、他の２回は負の電圧状態にある。さらに、青のレー
ザーが照射された時には、画素Ａは１回だけ正の電圧状
態であり、他は負の電圧状態であり、一方、画素Ｂは３
回が正の電圧状態であり、１回だけ負の電圧状態にあ
る。このときの各画素の透過率は図に示すようになって
おり、結果的に、画素Ａでは緑は４／４、青が１／４、
画素Ｂでは緑は２／４、青が３／４の表示ができる。こ
のように、液晶のＯＮ状態の時間とＯＦＦ状態の時間を
組み合わせることによって、中間的な色調を表示するこ
とができる。

【００４０】実際には、画素の電圧は図に示すように、
時間とともにさまざまな理由によって降下してゆくもの
であり、従来のＴＮ液晶を用いた場合には電圧降下によ
って画素の透過率を一定に維持することは困難であっ
た。例えば、レーザー光が照射されるまでの時間を考え
た場合、画面の上の方にある画素Ａの方が、画素Ｂより
も時間が長いわけであるので、レーザーが照射されたと
き（図２（Ａ）の時間ｔ₁ のとき）には放電によって画
素Ａの方が電圧の低下が大きい。

【００４１】しかしながら、液晶材料として、強誘電性
液晶等を使用した場合には、それ自信が十分なメモリー
性を有しておれば、このような電圧降下が影響すること
はなく、また、メモリー性が不十分でも、あるいは究極
的にはメモリー性が全く無くても、一定の正もしくは負
の電圧が印加されていれば、常に同じ透過率を維持し続
けることができる。典型的には強誘電性液晶において
は、常に＋５Ｖ以上の電圧もしくは−５Ｖ以下の電圧の
いずれかの状態にあるようにすることが望ましい。その
中間的な状態では液晶中にドメインが生成して、完全な
ＯＮ／ＯＦＦの切替えが困難となる。

【００４２】この方法で、例えば、１６階調の表示をお
こなおうとすれば、行数５００のマトリクスで１フレー
ムを３０ｍｓｅｃとしても、１行の処理に許される時間
は１．２５μｓｅｃであり、もはやアモリファスシリコ
ンＴＦＴでは駆動することができないので、結晶性シリ
コンＴＦＴやＣｄＳｅＴＦＴ等のＴＦＴを使用する必要
が生じる。

【００４３】図２（Ｂ）は、同じ方式の階調表示方法で
あるが、同じく４階調表示をおこなう際に、１フレーム
を４つのサブフレームに分割し、各サブフレームにＲＧ
Ｂ３色に対応する色フレームを有していることを特徴と
する。レーザー光の照射を最初のサブフレーム（１／４
フレーム）の間にＧ、Ｂ、Ｒを一通り照射して、以下、
これをさらに３回繰り返す方式を示している。やはり、
図に示すような電圧を印加することによって、階調表示
をおこなうことが可能である。

【００４４】図３もやはりデジタル階調方式に関するも
のであるが、以上とは別な方式に関するものである。こ
こでは、照射するレーザーのパルスの幅、あるいはパル
スの波高を複数用意し、その組合せによって、明るさを
変化させようとするものである。図３では、いずれも８
階調表示の例が示されている。図３（Ａ）では、３つ連
続するレーザーパルスの幅が、順に倍々に増加してゆ
く。また、図３（Ｂ）では、３つ連続するレーザーパル
スの波高が、順に倍々に増加してゆく。このようにし
て、例えば、画素Ａには、Ｇ、Ｂ、Ｒが、それぞれ、
“５”、“３”、“２”、画素Ｂにはそれぞれ、
“１”、“３”、“６”の階調表示をおこなうことがで
きる。

【００４５】一般に、通常のレーザーの動作において、
パルスの幅を変えることや、パルスの波高を変えること
は容易なことではなく、したがって、レーザー発振装置
に何らかの装置を付加することによっておこなわなけれ
ばならない。

【００４６】例えば、電気的に光学特性の変化する素子
をレーザー発振装置の内部あるいは外部に装着すること
によってパルスの幅や波高を変化させることができる。
このような素子としては液晶を利用することもできる。
しかしながら、このような素子を具備する場合には十分
に気をつけなければならない。例えば、レーザーのパル
ス幅を変えようとして、レーザー発振装置の内部（共振
器の間）にこのような素子を具備した場合、不透明な状
態では発光は増幅されず、レーザー発振はおこらない
が、透明な状態になった場合にはレーザー発振が起こ
り、いったん発振が開始するとそのエネルギーは急激に
増加する。例えば、レーザー光が１回共振器を往復する
間の利得は１０以上となることも珍しくない。その場合
には、共振器の内部の光学スイッチ素子の透明度が高く
ないと、光の一部を吸収して焼損する場合がある。

【００４７】したがって、レーザーのパルス幅を変化さ
せる場合には、光学シャッターは共振器の外部に取りつ
けることが望ましい。また、このような場合には、レー
ザーをパルス発振で用いることは動作原理上、困難であ
るので連続発振（ＣＷ）状態で使用することになるが、
その場合には、光シャッターがＯＦＦ状態であると、レ
ーザー光は画像に使用されないまま熱となってしまい、
ロスが生じる。このロスを減らすには、レーザー光の照
射されている時間を、２次元光学スイッチ装置において
画像の書換えに費やされる時間に比して大きくすると良
いが、先述の通り、画像処理に要する時間は、画素のア
クティブ素子の性能に関わる問題であるので、簡単に変
更することはできない。

【００４８】一方、レーザーパルスの波高を可変させる
場合には、共振器の内部に電気光学装置を具備すること
によって、制御することはほとんど不可能で、共振器の
外部に共学装置を設けて制御をおこなうことが望まれ
る。例えば、ＯＮ状態ではＯＦＦ状態の２倍の透過率を
有する電気光学素子を６枚設けることによって、６段階
（１、２分の１、４分の１、８分の１、１６分の１、３
２分の１）の光量の調節が可能であり、結果、６４階調
の階調表示が可能である。この場合には、液晶のような
比較的透明度の低い材料を用いることも出来る。また、
レーザーをパルス励起やＱスイッチ法などの方法によっ
て発振させた場合には、発光は、電気光学素子によって
利用されない部分を除けば、極めて効率的に利用され
る。

【００４９】

【実施例】

〔実施例１〕 青の光源としてＡｒ⁺ レーザー、緑の光
源としてＮｄ：ＹＡＧレーザーの第２高調波、赤の光源
としてＨｅ−Ｎｅレーザーの発光を利用した本発明の実
施例を以下に記述する。図７において、７０４はＡｒガ
スの封入された放電管、７０５はＮｄ：ＹＡＧの結晶ロ
ッド、７０７はＨｅ−Ｎｅ放電官である。Ｎｄ：ＹＡＧ
のロッドの延長上にはＫＤＰ、ＫＴＰあるいはＬｉＮｂ
Ｏ₃ 等の非線型光学素子７０６が挿入され、Ｎｄ：ＹＡ
Ｇの１．０６μｍの発振レーザー光の第２高調波（５３
２ｎｍ）を生じるようになっている。この非線型素子は
有機非線型光学材料であってもよい。Ｎｄ：ＹＡＧの励
起には、クリプトンアークランプによる励起を用いても
よいが、半導体レーザーの近赤外光を励起光源として用
いれば、小型で、冷却も容易である。

【００５０】これらの発光体の長軸方向の両端には反射
鏡が設けられ、共振器を構成している。また、図には示
されていないが、各発光体の側面は発光を効率良く反射
して、レーザー発振をおこなうように、反射材で覆われ
ている。この鏡のうち、７０１〜７０３は全反射鏡であ
り、７１１と７１３はハーフミラーである。また、７１
２は、赤外光に対しては全反射であり、可視光に対して
は透明もしくは半透明な材料で構成されている。そし
て、本発明では、各レーザーの発振をパルス的にしか
も、電気的に制御しておこなう必要があることから、各
共振器の内部にはポッケルスセル７０８〜７１０が設け
られ、電気的にスイッチングをおこなうような構成にな
っている。

【００５１】Ａｒ⁺ レーザーでは、発振波長は４７６．
５ｎｍ、４８８ｎｍ、５１４．５ｎｍの３つがある。３
つの発振光が混合された状態では、色の再現性がよくな
いので、不要な波長の光を削除することが望まれる。そ
のため、図には示されていないが、共振器の外部に色フ
ィルターを設けて、出力光を選択したり、あるいは共振
器の内部にエタロンのように光学的な干渉効果によって
波長選択性を示す素子によって、不要な波長の発振その
ものをなくしてしまうことが望まれる。

【００５２】このように、３つの発振装置から出力され
た各色光は、プリズムやハーフミラー等の光学素子７１
４〜７１７によって、１軸上に１本の光線として集めら
れる。各レーザー発振装置内のポッケルスセルが同時に
ＯＮとなれば、３色の混じった光（白色光）が出力され
るのであるが、本発明では、各ポッケルスセルは別々に
ＯＮとなるので、厳密には各色は別々に出力される。

【００５３】本実施例では、２次元光学スイッチ装置と
して、薄膜トランジスタを使用したマトリクス回路を使
用した。これは従来の液晶表示装置として用いられてい
たアクティブマトリクスと回路的には同じである。ただ
し、ＴＦＴに対する負担を軽減する目的から補助容量は
設けていない。また、液晶材料としては強誘電性液晶を
用いた。

【００５４】強誘電性液晶もしくは反強誘電性液晶はそ
れ自体メモリー性を有しているので、従来のアクティブ
マトリクスに必要とされたような補助容量（画素容量に
並列に挿入される容量）がなく、画素電極が放電した場
合でもＯＮ状態を持続することは可能である。しかしな
がら、このような強誘電性（もしくは反強誘電性）が強
い材料は、いわゆる『焼け』という現象が発生しやす
く、信頼性に欠ける面があった。これに対し、強誘電性
（もしくは反強誘電性）が小さい材料は、『焼け』等の
表示に関する欠陥は少ないが、画素容量の放電が激し
く、表示を持続するのに十分な電圧が維持できない場合
にはＯＮ状態（もしくはＯＦＦ状態）を持続することが
難しくなる。したがって、従来通りに補助容量が必要と
される。

【００５５】もちろん、画素の放電が充分に小さけれ
ば、補助容量はなくても構わない。特に、過大な補助容
量の存在は、充電あるいは放電の動作に時間がかかり、
本発明を実施するにおいて望ましいものではない。画素
の放電を小さくするには、例えば、薄膜トランジスタの
ＯＦＦ抵抗を充分大きくし、リーク電流を減らすこと
と、液晶等の画素自身の電極間抵抗を充分大きくするこ
とが必要である。特に後者の目的のためには、画素電極
を、窒化珪素、あるいは酸化珪素等、酸化タンタル、酸
化アルミニウムの絶縁性材料で被覆してしまうことが有
効である。

【００５６】このような回路において、各薄膜トランジ
スタのゲイト電圧やソース・ドレイン間電圧をコントロ
ールすることによって、画素に印加される電圧のＯＮ／
ＯＦＦを制御することが可能である。この例では、マト
リクスは６４０×４８０ドットとした。また、駆動方式
は図２（Ａ）に示したものと同様におこない、本実施例
では１つの色フレームを３２のサブフレームに分割し
て、３２階調の表示をおこなった。１サブフレームの時
間は３１２．５μｓｅｃであった。また、アクティブマ
トリクスの走査パルスの幅は、５００ｎｓｅｃとし、走
査パルスの間隔を１００ｎｓｅｃとした。この結果、１
サブフレームの間に３００μｓｅｃが画面の走査（書換
え）に使用され、残りの１２．５μｓｅｃの間にレーザ
ーが照射されるようにして動作をおこなった。

【００５７】各画素の電位は、ＴＦＴのゲイト電極と画
素電極の寄生容量と自然放電によって変動し、時間の経
過とともに０に近づく。しかし、画素の透過率に注目す
ると図２（Ａ）に示すように、画素電位が降下してゆく
にも関わらず、透過率は一定に保たれる。自発分極の大
きな液晶材料であれば、画素電位の降下はさほど問題と
ならない。しかし、自発分極が小さく、メモリー性の良
くない液晶材料を用いる場合には画素電位の低下が許容
できるように他のパラメータ（データ電位等）を設定し
なければならない。

【００５８】設計上のポイントとしては、最も特性の悪
いＴＦＴを基準として駆動信号電位（走査電位、データ
電位）を設定すればよい。例えば、最も電荷の保持特性
の悪い画素において、サブフレームの持続時間の間に電
位が＋３Ｖ以上、好ましくは＋５Ｖ以上あるように、デ
ータ電位を設定する。そして、左記データ電位を駆動す
るのに適切なゲイト電位を設定する。

【００５９】本実施例では、マトリクスに印加する走査
信号パルスの波高は＋１５Ｖ、データ信号は±１０Ｖと
した。液晶材料は強誘電性液晶のフェニルピリミジン系
強誘電性液晶を使用し、液晶セルの厚さは２．５μｍと
した。セルの一方の基板には上記アクティブマトリクス
基板を使用し、他の基板としては全面にＩＴＯ膜を形成
し、その上にショート防止用の酸化珪素膜を形成した基
板を用いた。なお、液晶に印加される電圧が５Ｖ以下で
は液晶中にドメイン構造が生成しているのが確認され
た。このようなドメイン構造はデジタル階調表示をおこ
なう上で特性を悪化することになるので、ドメインが発
生しないように、印加する電圧を高めにすることが望ま
れる。

【００６０】以上の動作において、サブフレームの持続
時間の決定は重要である。既に述べたように、強誘電性
（もしくは反強誘電性）液晶の光学応答時間は印加され
る電圧に依存する。上記のように８Ｖ程度の電圧であれ
ば５０μｓｅｃの応答時間である。一般に光学応答時間
は、印加電圧に反比例する。ところで、１フレームは動
画の表示特性やフリッカーの防止の目的で１フレームは
１００ｍｓｅｃ以下、好ましくは３０ｍｓｅｃ以下であ
る必要がある。したがって、１色フレームは、その１／
３になる。例えば１フレームを３０ｍｓｅｃとすれば、
１色フレームは１０ｍｓｅｃであり、最大の階調度数
は、１０ｍｓｅｃを５０μｓｅｃで除した２００階調が
限度であるが、実際には、光学応答が完全に行われるた
めには上記光学応答時間の数倍が必要であるので、５０
階調程度の階調が限度となる。このような制約は、液晶
に印加する電圧（あるいは電場）の大きさを大きくし、
光学応答時間を短縮することによって改善されるが、Ｔ
ＦＴの耐圧がそれに伴って向上することが必要である。

【００６１】〔実施例２〕 色素レーザーを用いて本発
明を実施する装置の例を図８示す。また、液晶光シャッ
ターによって、出力パルスの波高を可変させる機構に付
いても記述する。

【００６２】色素レーザーは、各種紫外レーザーやフラ
ッシュランプ等の励起によって発振する波長可変レーザ
ーとして知られており、また、色素を変えることによっ
て、各色の発振をえることが容易にできることでも極め
て利用価値が高い。例えば実施例１の例では各色を発振
させるために、あるものは放電励起を、あるものはラン
プ励起をおこなわなければならなかった。しかしなが
ら、色素レーザーでは、青色から赤色に到るまで、全て
同じ方式で発振させることができるので装置の構造が簡
単である。色素としては、赤はローダミンＢ（６０５〜
６３５ｎｍ）、緑はソディウム・フルオレセイン（５３
０〜５６０ｎｍ）、青は７−ヒドロキシクマリン（４５
０〜４７０ｎｍ）を用いればよい。もちろん、その他に
も各種色素を利用することができる。

【００６３】これらの色素を光励起して、共振させる
と、かなりブロードなスペクトルの発光が生じるが、そ
のままでは本発明で使用するには不十分であるので、共
振器の中に回折格子やプリズム、エタロン等の波長選択
素子を挿入し、発振波長を選択するようにする。分光用
の波長可変レーザーとして用いる場合には、発振波長幅
も狭く、分光性もよい回折格子が用いられるが、本発明
ではそのような分光に比べると発振波長幅は１０倍以上
ブロードでよく、さらに、発振波長は可変である必要は
なく、むしろメンテナンスの容易さが要求されるので、
エタロンが適している。

【００６４】本実施例では、色素レーザーの励起光源と
しては、比較的小型の装置の得られる窒素レーザー８０
１を用いた。窒素レーザーは通常、パルス放電によって
パルス幅１０ｎｓｅｃ程度、波長３３０ｎｍ程度の紫外
光を発振させることができる。したがって、パルス放電
のタイミングを各色の発振のタイミング、さらには液晶
パネルの画像処理のタイミングに合わせる。したがっ
て、窒素レーザーの繰り返し周波数は、画像情報に合わ
せて決定される。例えば、図３（Ｂ）の方法によって、
毎秒３０フレーム、８階調の表示をおこなおうとすれ
ば、窒素レーザーの発振繰り返し周波数は、２７０Ｈｚ
（＝３０フレーム／秒×３色×３パルス／色）が必要で
ある。

【００６５】色素レーザーは、図に示すように色素セル
８０５、エタロン（波長選択素子）とポッケルス素子の
複合した光学シャッター８１６、全反射鏡８１５、ハー
フミラー８１４という構成を、それぞれ有する。

【００６６】窒素レーザーから得られた紫外光は、シリ
ンドリカルレンズ（図示せず）等の光学装置によって、
細長い形状に加工され、ミラー８０２〜８０４によっ
て、各色素レーザー８０５（Ｂ）、８０６（Ｇ）、８０
７（Ｒ）の色素セルに照射される。そして、各色素レー
ザーから出力される光は、ミラー８０８〜８１２によっ
て、１軸上に集められる。

【００６７】さらに、図８の下に図示するように、１軸
上に合わせられたレーザー光は、３つの光学シャッター
が重ね合わせられた光学素子を透過する。この光学素子
には液晶光シャッターを用いてもよい。ただし、各光学
シャッターは、ＯＦＦ状態であっても、半分の光を透過
するような構造を有していることが求められる。そのた
めには、各光シャッターに微細加工を施して、全体の５
０％の面積に窓を形成してやればよい。例えば、３つの
光学シャッターが全てＯＮ状態であるときの透過光量を
１とすれば、１つのシャッターがＯＦＦになったときの
透過光量は、半分であり、２つのシャッターがＯＦＦに
なったときの透過光量は、４分の１である。３つの光学
シャッターとのＯＦＦになった場合には、透過光量は８
分の１になる。このように、光量を可変することによっ
て、図３に示したような階調表示が可能となる。その
後、レーザービームはレンズ８１８を透過して、液晶パ
ネルに照射される。液晶光学シャッターには、特願平４
−１３１５１２（平成４年４月２４日出願）に記述され
ているものを用いた。

【００６８】以上の場合においては、光学スイッチ素子
８１７の透明度には十分な注意を払わなくてはならな
い。レーザーのビームは強力なパルス光であるので、部
分的に不透明な箇所が存在するとその部分から焼損等に
よる破壊が拡がり、素子全体に及ぶ。したがって、レー
ザーの強度（パワー密度やエネルギー密度）と光学スイ
ッチ素子の耐性を十分考慮しなければならない。

【００６９】例えば、レーザーのビーム径を１ｍｍとし
て、これを１ｍの画面に拡大投影する場合には、レーザ
ーのビームのエネルギー密度は、従来のプロジェクショ
ンディスプレー装置（ビーム径は〜１ｃｍ）の少なくと
も１００倍であり、また、それが、１００ｎｓｅｃ程度
のパルスであれば、その尖頭出力は、ｃｗ的な光源の照
射による従来のプロジェクションディスプレー装置の１
０億倍ものパワー密度である。

【００７０】したがって、このような強い光を直接、光
学スイッチ素子に入れることが問題である場合には、そ
の前段にレンズ等の光学系を挿入して、ビームのエネル
ギー密度を低くしておくとよい。例えば、ビーム径を１
０倍拡げると、エネルギー密度は１００分の１に低下す
る。また、本発明では、この段階では各レーザーから放
射されたレーザー光は１軸上に合わせられ、かつ、何の
映像情報も含んでいないので、その光軸を合わせる作業
は極めて容易である上、光学系も簡単なものでよい。例
えば、図８において、レンズ８１８と光学スイッチ素子
８１７の順番を入れ替えるだけでもよい。ただ、その際
には、光学スイッチに照射されるレーザービームの面積
は大きいので、光学スイッチに欠陥がある場合には、そ
れを避けることが難しくなる。

【００７１】本実施例は図３（Ｂ）に示されたように１
フレームを３つの色フレームに分割し、さらに各色フレ
ームを３つのサブフレームによって構成し、各サブフレ
ームにおいて照射されるレーザー光の強度比を１：２：
４とすることによって、８階調のデジタル階調表示をお
こなったものである。各サブフレームの持続時間を３．
５ｍｓｅｃとし、１フレームは３１．５ｍｓｅｃとし
た。

【００７２】石英基板上に形成した結晶性シリコンＴＦ
Ｔを用いたアクティブマトリクスの規模は６４０×４８
０とし、実施例１と同様に補助容量を設けなかった。Ｔ
ＦＴはシングルゲイトのＰＭＯＳを用いたが、これはリ
ーク電流が小さく、ＯＮ／ＯＦＦが大きくとれるためで
ある。典型的にはリーク電流は１ｐＡ以下（ゲイト電圧
＋１５Ｖ、ドレイン電圧−１０Ｖ）以下、ＯＮ／ＯＦＦ
比７．５桁以上（ゲイト電圧−１５Ｖ／＋１５Ｖ、ドレ
イン電圧−１０Ｖ）であった。

【００７３】画素の大きさは２０μｍ×６０μｍとし
た。各画素の電荷保持特性を調べたところ、データ信号
として、−１０Ｖを印加した時の最も悪いものは３．５
ｍｓｅｃ（１サブフレーム持続時間）後の電圧は約−
５．５Ｖであった。

【００７４】マトリクスに印加する走査信号パルスの幅
は５μｓｅｃとし、パルスの波高は−１５Ｖ、データ信
号は±１０Ｖとした。１サブフレームの期間において、
２．４ｍｓｅｃが走査（書換え）に使用され、残りの
１．１ｍｓｅｃの間にパルス状のレーザー光が照射され
るようにした。液晶材料はフェニルピリミジン系強誘電
性液晶を使用し、液晶セルの厚さは２．５μｍとした。
セルの一方の基板には上記アクティブマトリクス基板を
使用し、他の基板としては全面にＩＴＯ膜を形成し、そ
の上にショート防止用の酸化珪素膜を形成した基板を用
いた。なお、液晶に印加される電圧が５Ｖ以下では液晶
中にドメイン構造が生成しているのが確認された。この
ようなドメイン構造はデジタル階調表示をおこなう上で
特性を悪化することになるので、ドメインが発生しない
ように、印加する電圧を高めにすることが望まれる。以
上の液晶表示装置によって、最大コントラスト比１８
０、８階調の表示を得ることができた。

【００７５】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によって、全く新しいプロジェクションディスプレー装
置が作製される。従来のプロジェクショディスプレー装
置が、画像情報を付加したのちに、光軸を合わせるとい
う構成を有していたのに対し、本発明のプロジェクショ
ンディスプレー装置は、光軸を合わせたのちに、画像情
報が付加されるという構成を有しているため、画面のぼ
けが少なく、極めて鮮明な画像が得られることを特徴と
している。しかも、振動や温度サイクル等によって、光
軸がずれた場合においても、その調整は容易であり、一
般の家庭で使用するに適している。また、本発明の技術
思想から、本発明でのプロジェクションディスプレー装
置は、前方投影型であっても後方投影型であっても構わ
ないことは明らかである。

【００７６】また、本発明のプロジェクションディスプ
レー装置は、理想的な単色光であるレーザー光を使用す
るため色再現性に優れ、また、その輝度が強いことか
ら、通常の明るさの室内において画像を表示するには何
ら問題はない。

【００７７】また、本発明のプロジェクショディスプレ
ー装置では、従来のアナログ階調表示方式に代わって、
従来にはない新しいデジタル階調方式を採用するが、こ
の方式は、従来のいかなる階調表示方式に対しても劣る
ものではない。また、本発明では、ことにカラー表示を
目的としたが、この階調表示方式はカラー映像のみなら
ず、単色表示においてもデジタル階調表示方式として利
用できるものである。

【００７８】このように、本発明は、従来のプロジェク
ションディスプレー装置にはない数々の新しい概念を伴
った画期的な発明である。本発明では使用する２次元光
学スイッチ装置が重要である。強誘電性液晶や反強誘電
性液晶、それらのポリマー液晶を用いたアクティブマト
リクスは理想的であるが、それ以外にも、有機もしくは
無機の各種光学応答材料を使用することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明のプロジェクショディスプレー装置の
基本構成を示す。

【図２】 本発明における階調表示方式（デジタル階調
方式）の例を示す。

【図３】 本発明における階調表示方式（デジタル階調
方式）の例を示す。

【図４】 従来のプロジェクショディスプレー装置の例
を示す。

【図５】 従来のプロジェクショディスプレー装置の例
を示す。

【図６】 各種表示方法における色再現性を示す。

【図７】 本発明における光学系の例を示す。

【図８】 本発明における光学系の例を示す。 １０１・・・２次元光学スイッチ装置 １０２、１０３・・・ミラー １０４、１０５、１０６・・・レーザー発光装置 １０７、１０８、１０９、１１０・・・信号ケーブル １１１・・・制御用装置 １１２・・・スクリーン １１３、１１４・・・光学系

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−109596（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−113426（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−262822（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−102588（ＪＰ，Ａ)

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】異なる色のレーザー光を出力する複数のレ
   ーザー発振装置と、 前記複数のレーザー発振装置から出力されるレーザー光
   を同一光軸とする光学系と、 前記光学系により同一光軸とされたレーザー光を拡大す
   る拡大手段と、 前記拡大手段によって拡大された前記レーザー光が入射
   される２次元光学スイッチ装置と、 前記２次元光学スイッチ装置を透過した前記レーザー光
   が照射されるスクリーンと、 を有すること を特徴とする画像表示装置。
2. 【請求項２】請求項１において、前記光学系は複数のハ
   ーフミラーを有することを特徴とする画像表示装置。
3. 【請求項３】請求項１において、前記２次元光学スイッ
   チ装置は、前記スクリーン側にのみ偏光板が設けられた
   液晶表示装置であり、 前記液晶表示装置に入射されるレーザー光は、一方向に
   偏光していること を特徴とする画像表示装置。
4. 【請求項４】請求項３において、前記液晶表示装置は、
   液晶材料として強誘電性もしくは反強誘電性を有する材
   料を用いていることを特徴とする画像表示装置。
5. 【請求項５】請求項１乃至３において、前記２次元光学
   スイッチ装置に入射されるレーザー光はパルス光であ
   り、該パルス光のパルス幅を周期的に変化させることに
   よって階調表示されることを特徴とする画像表示装置。
6. 【請求項６】請求項１乃至３において、前記２次元光学
   スイッチ装置に入射されるレーザー光はパルス光であ
   り、該パルス光のパルス波高を周期的に変化させること
   によっ て階調表示されることを特徴とする画像表示装
   置。