JP3363565B2 - 照明システム及びそのような照明システムを含む表示装置 - Google Patents
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Description
照明ビームを供給する照明システムであって、照射源と
拡散器とを順に有するような照明システムに関する。ま
た、本発明は上記のような照明システムを含む表示装置
にも関する。
ち画像投影装置とフラットパネル表示装置とに、分類す
ることができる。画像投影装置は、例えば液晶パネルの
ような表示パネルにより生成された画像が投影レンズ系
により比較的大きな距離離れると共に拡大された形でス
クリーン上に結像されるような装置である。フラットパ
ネル表示装置においても、画像は表示パネルにより生成
される。この装置の上記表示パネルを横切る方向の寸法
は比較的小さい、即ち画像投影装置の寸法よりも非常に
小さい。フラットパネル表示装置においては、視聴者は
表示パネルを直接観るので、この装置は直視装置とも呼
ばれる。このような装置の場合は、上記表示パネルを照
明する照明システムの寸法が該パネルを横切る方向にお
いて小さいのが望ましい。
コンピュータシステムのモニタ叉は操作パネルの表示装
置等である。
明細書の冒頭で述べたような形式の照明システムは米国
特許第4,737,896号から既知である。
は、透過型表示パネルの直後に配置されると共に、照射
散乱出力面を持つ照射案内部材上に入射する照射の照射
源を有し、該部材は上記照射を液晶表示パネル(以下、
LCDパネルと呼ぶ)に向かって散乱させる。
は、光源効率、即ち照射源により供給された照射のうち
表示側で視聴者が見ることができる割合、はLCDパネ
ルの低透過性のため比較的低い。その理由は、半透明な
ピクセルは表示パネル面の一部のみをカバーするに過ぎ
ないからである。上記面の他の部分は、これらピクセル
の駆動素子により占められている。LCDパネルは、各
ピクセルによる当該素子の液晶材料に入射する光の偏光
状態の変化に基づいて動作する。したがって、表示パネ
ルは所定の偏光方向を持つ直線偏光された光、叉は左旋
性若しくは右旋性の円偏光された光のような所定の偏光
状態を持つ照射光により照射されねばならない。したが
って、既知の表示装置には偏光手段が設けられ、該偏光
手段が照射源からの偏光されていない光を所望の偏光状
態を持つ光に変換している。しかしながら、この変換に
は上記光の約半分の損失を伴う。
段は、望ましくない偏光状態を持つ光を吸収する。した
がって、この装置には視聴者に充分な量の光が得られる
ように、高輝度照射源が使用されねばならない。しかし
ながら、このような照射源は比較的大きな寸法を有し且
つ大量のエネルギを使用するので、好ましくは主電源か
ら別れて使用ことができる小型の表示装置にはあまり適
してはいない。また、上記偏光手段に入射する光は高輝
度であるので、この偏光手段はかなりの程度にまで加熱
される。これらの偏光子は当該装置内の上記LCDパネ
ルの近傍に配置されるので、冷却システムを組み込む必
要があろうが、このようなシステムは装置を複雑且つ高
価にしてしまう。
からの最大量の照射を所望の方向の偏光性を持つ照射に
変換することができる効率的な照明システムを提供する
ことにある。
明システムは、前記拡散器が偏光を解消する拡散器であ
り、少なくとも略全可視波長範囲内で動作するコレステ
リックフィルタが、前記拡散器の、前記照射源から遠い
方の側に設けられ、反射器が、前記拡散器の、前記フィ
ルタから遠い方の側に反射器が設けられることを特徴と
している。
状態を持つ照射を偏光されていない照射、即ち異なる偏
光成分を持つ照射、に少なくとも部分的に変換すること
を意味すると理解されたい。
ク規則性を持つ液晶ポリマ材料の光学層を有する。この
ことは、溶液状態の上記材料の分子が自発的に配列され
てピッチpを持つ螺旋構造を形成することを意味してい
る。上記溶液が2枚の平行な基板の間に薄い光学的に能
動な層として設けられると、前記螺旋構造は該螺旋の軸
が上記層を横切るように配向される。この螺旋の配向は
上記各基板の対向面上に配向層を設けることにより改善
することができる。
なフィルタに入射すると、前記分子螺旋の方向に相当す
る回転方向(左旋性叉は右旋性)を持ち且つ上記螺旋の
ピッチpに対応する波長を持つ円偏光された照射成分は
反射され、一方反対の回転方向及び上記フィルタに適合
しない波長を持つ円偏光成分は透過される。このコレス
テリックフィルタの反射波長λoは、 λo=1/2(no+ne)p で規定され、ここでno及びneは、各々、当該フィル
タの材料の通常及び異常屈折率であり、pは前記分子螺
旋のピッチである。
は、このコレステリックフィルタによってはもはや吸収
されることはなく、むしろ反射される。この光は次いで
反射器により当該コレステリックフィルタに伝達される
が、拡散器により偏光解消されるので、上記反射光の一
部は再び所望の偏光方向を持つことになり、従って当該
フィルタにより前記表示パネルへと透過される。上記反
射光の残りは該フィルタにより、次いで反射器により反
射されるので、拡散器を用いているおかげで、この反射
光の一部は当該コレステリックフィルタに正しい偏光状
態で入射することになり、従って前記LCDパネルへと
透過される。このように、このコレステリックフィルタ
が動作する波長帯域の光の例えば80%を、所望の偏光
状態にすることができる。更に、上記コレステリックフ
ィルタは可視波長範囲にわたって動作するから、望まし
くない偏光状態を持つ成分は、この波長範囲内の全照射
に関して当該フィルタにより反射器方向に反射され且つ
再び該フィルタに伝達されることになり、従って上記の
80%なる効率は全可視波長範囲に対して当てはまる。
このようなコレステリックフィルタにより透過される光
は白黒の表示パネル及びカラーの表示パネルの両方を照
明するのに適している。
器を照射源及び反射器と組み合わせることにより、所望
の偏光状態を持つ白色光を供給すると共に光源効率が照
射源により略決まるような特別な照明システムが得られ
る。照射源として効率的なランプを使用すると、比較的
低消費の電力で所望の光出力を得ることができる。当該
照明システムは主として直視型表示装置用を目的とする
ものであるが、本照明システムは画像投影装置及び所定
の偏光状態を持つ光を使用しなければならないような光
学装置等においても効果的に使用することができる。
として使用すること自体は既知であることに注意された
い。コレステリックフィルタは、例えば1990年のSID
国際シンポジウムにおけるDigest of Technical Papers
の第110〜113頁に掲載されたR. Maurer他による
「コレステリックLCシリコーンからなる偏光カラーフ
ィルタ」なる文献から既知である。この文献に記載され
ているコレステリックフィルタはシリコーンを基剤とす
るコレステリック規則性を持つポリマ材料を含む光学的
能動層を有している。Maurerによる上記文献は偏光変換
効率を向上させるために上記コレステリックフィルタを
偏光解消拡散器及び反射器と組み合わせるようなことは
全く提案していない。
ics第29巻、第10号、1990年10月の第1974〜1984
頁に掲載されたM. Schadt及びJ. Funfschillingによる
「新液晶偏光カラー投影原理」なる文献からは、LCD
パネル用の照明システムにおけるコレステリックフィル
タを、該フィルタにより反射されたビームの偏光状態を
反転すると共に次いでこのビームを再び該フィルタに伝
送するような正反射器と組み合わせることは既知であ
る。このようにして、フィルタに対して元々適していな
かった偏光状態の光もLCDパネルに伝達される。しか
しながら、上記のような正反射器の欠点は、該反射器が
コレステリックフィルタにより反射された照射をランプ
の形態の照射源に集中させてしまう点にある。このラン
プはそれ自身の照射を吸収する効果を有するから、該ラ
ンプの形状が表示装置により最終的に形成される画像中
に残存し、視聴者にとって邪魔となる。
左旋性及び右旋性円偏光照射に対する選択性が十分に高
い場合は、LCDパネルの前方に配置されて従来のLC
Dパネルの一部を形成すると共に、当該LCDパネルの
背後に配置される検光子と一緒に形成画像の十分なコン
トラストを保証するような偏光子は省略することが可能
となる。
ルの駆動に応じて、所定の第1の偏光方向を持つ直線偏
光された照射を上記第1の偏光方向と垂直な第2の偏光
方向を持つ直線偏光された照射に変換するようなLCD
パネルが好ましくは使用されている。上記のような表示
装置に非常に適した照明システムは、コレステリックフ
ィルタの拡散器から遠い方の側に広帯域のλ/4板が設
けられることを特徴としている。
る円偏光された照射をLCDパネルに適した偏光方向を
持つ直線偏光された照射に変換する。広帯域λ/4板
は、例えば複数の層からなると共に、可視波長範囲の全
波長(λ)におけるビームにおいて円偏光された照射が
直線偏光された照射に変換されるような位相ずれを実現
するような透明な素子である。このようなλ/4板は、
例えば、米国、マサチューセッツ、ボストン、1992年5
月17〜22日のSociery for Information Displayの
SID’92 Exhibit GuideにNitto Denkoにより掲載
された「Retardation Film for STN-LCD's 'NRF'」なる
文献に記載されている。
は、前記コレステリックフィルタが液晶ポリマ材料の複
数の層を有し、これら層の各々が異なる波長帯域で動作
し、これら波長帯域が共同で少なくとも可視波長範囲を
カバーすることを特徴としている。
い実施例は、前記コレステリックフィルタが液晶材料の
単一の層を有し、該層においては分子螺旋のピッチが、
少なくとも全可視波長範囲をカバーするに必要な反射帯
域の下限及び上限に各々対応する2つの値の間で連続的
に変化していることを特徴としている。
つ液晶ポリマ材料の分子螺旋のピッチは連続的に変化さ
せることができるという洞察に基づくと共に、出願人が
層中に十分に大きなピッチの変化を持つ単層コレステリ
ックフィルタを実現することに成功し、かくして各々が
異なる波長反射帯域を持つ液晶材料により形成される複
数の層を積み重ねる必要がもはやなくなったという事実
を利用している。本発明による連続的に変化するピッチ
を有するコレステリックフィルタにおいては、前記ポリ
マ層は、各々が自身のピッチを有すると共にその結果と
して自身の波長帯域においてLCDパネルにとって好ま
しくない偏光状態の照射を反射するような仮想的な副層
に分割される。組み合わされたこのような全ての副層が
所望の波長範囲において所望の反射を実現するので、単
一の層で全可視波長範囲(400nmと780nmの
間)をカバーするに十分である。単一の層内におけるピ
ッチの連続した変化により、別個の層を上記と同一の波
長帯域における所望の反射を実現するために積み重ねる
場合に必要とされる合計厚さよりも薄い層厚を用いれば
十分である。
り良好となる点にある。事実、上記のようなフィルタの
品質は、コレステリックスに典型的な誤差と分子配列の
損失とにより層の数が増加するにつれて比較的急激に低
下する。50nmなる反射帯域を持つコレステリック層
は偏光効果を有するから、当該層は5μmなる最小厚さ
を持たねばならない。従って、可視波長範囲を完全にカ
バーするためには、視野依存性による必要な反射帯域幅
の増加を考慮に入れない場合、最小で7枚から8枚の層
が必要である。これによれば、最小の層厚は35μmと
なる。層厚にわたってピッチが連続して変化する単層コ
レステリックフィルタの場合は、偏光子として動作する
には層厚は20μmで十分である。一方、視野依存性は
厚さの増加につれて大きくなる。このことは、フィルタ
の有効性は所定の入射角より大きな角度で入射する照射
に対しては層厚が大きくなると大幅に低下することを意
味している。
層内で螺旋ピッチの十分に大きな変化を実現するには適
していないようなコレステリック材料が用いられる場合
でも利用することができる。
る照明システムの実施例は、前記コレステリックフィル
タの少なくとも複数の層が分子螺旋のピッチが連続して
変化するような液晶ポリマを有し、これら層が各々異な
る波長帯域で動作することを特徴としている。
チを変化させることにより、当該層の波長範囲が増加す
る。結果として、全可視波長範囲をカバーするに要する
層の数は非常に限られたものとなるから、この場合にも
前述した小数のフィルタ層の場合の利点が得られる。
例は、前記コレステリックフィルタのポリマ材料が3次
元網構造を形成すると共に当該システムにおける他の素
子に取り付けるに適した自己支持型の膜を形成すること
を特徴としている。
常に頑丈であり、結果として自己支持型の層として使用
することができる。
フィルタの光学的能動層の配向及び重合のために必要と
された基板は、これら工程が実施された後取り除くこと
ができ、これにより当該照明システムを小型にすること
ができる。
射の波長のみならず該照射が当該フィルタに入射する入
射角度にも依存するから、当該照明システムに設けられ
て好ましくない偏光状態を持つ照射の偏光解消を保証す
ると共に直視型表示装置においては特に全表示パネルが
照明されることを保証するような拡散器は、コレステリ
ックフィルタに関する限り、照射がコレステリックフィ
ルタに向かって大きな角度で散乱されてしまうという欠
点を持つ可能性がある。入射角度が変化される場合は、
フィルタが偏光に応じて選択的に反射を行う波長帯域は
ずれる。このことは、当該フィルタが反射的であるべき
波長帯域は、例えば400nmと780nmとの間の可
視波長範囲である実際の波長帯域と、90°異なる入射
角度で入射する照射に対しても偏光選択的であるように
するための仮想の波長帯域との和に等しい。入射角の変
化の関数としての波長帯域のずれは例えば1度当たり2
nmであるから、入射角の範囲が180°であるような
極端な場合、上記仮想波長帯域は360nmとなる。従
って、全反射帯域は380nm+360nm=740n
mでなければならない。
テリックフィルタに課される要件を緩和することができ
且つ例えばLCDパネルを照明するに一層適したものと
することができる照明システムは、前記拡散器と前記コ
レステリックフィルタとの間に光学的に透明な素子が設
けられ、該素子の前記フィルタに面する一方の側は少な
くとも一方向に延びる周期的且つ照射を屈折させるよう
な構造を有し、該構造が前記拡散器からの照射を所定の
角度で集中させることを特徴としている。
クフィルタに入射する入射角の区域を減少させるので、
前述した仮想帯域は、従って当該フィルタの所要反射帯
域は減少される。結果として、単層フィルタはさほど大
きな螺旋ピッチの変化を必要とせず、多層フィルタも多
数の層は必要としない。
1次元的なものであっても叉は2次元的なものであって
もよい。
最大のコントラストを得るようにパネルは可能な限り所
定の角度で照射するのが望ましい。前記ビーム集中素子
を調整することにより、照射が当該素子から出力される
平均角度を調整することができ、これにより上記要件の
実現に貢献することができる。
法で実現することができる。
よる照明システムの実施例は、前記素子が、前記フィル
タに対向する面が当該板体の面内で第1の方向に延在す
る第1の周期的構造を有するような第1の板体と、前記
フィルタに対向する面が当該板体の面内で前記第1の方
向とある角をなす第2の方向に延在する第2の周期的構
造を有するような第2の板体とを具備していることを特
徴としている。
施例は、前記素子が単一の板体を有し、該板体の前記フ
ィルタに対向する面が2次元的な照射屈折構造を有して
いることを特徴としている。
実現することができる。例えば、本発明による照明シス
テムの更に他の実施例は、前記照射屈折構造が第1の表
面領域と、これと交互となる第2の表面領域とを有し、
当該素子の法線に対して前記第1の領域が第1の角度を
内包する一方、前記第2の領域が第2の角度を内包する
ことを特徴としている。
動作するような小さなレンズ叉はプリズムであってもよ
く、プリズム角及び/叉はプリズム材料の屈折率を適切
に選択することのより最適化することができる。
き板体を照射を所定の空間角度で集中させるために使用
すること自体は特許出願公開第2-257188号から既知であ
ることに注意されたい。しかしながら、この文献はコレ
ステリックフィルタとの組み合わせ及びこのような組み
合わせにおけるプリズム板の利点については何等言及し
ていない。
き画像を生成する少なくとも1個の透過型表示パネルを
有する表示装置と、生成された画像を投影スクリーン上
に投影する投影レンズ系とを具備する画像投影装置にも
関する。そして、本発明によるこのような装置は上記照
明システムが前述したような照明システムであることを
特徴としている。
示パネルとを有するフラットパネル型表示装置にも関
し、本発明によるこの装置は該照明システムが前述した
ような照明システムであることを特徴としている。
示装置の光源効率は、前記表示パネルの各ピクセルに対
応するダイクロイック・ミラーのパターンがこれらピク
セルの前側近傍に配置され、これらミラーの各々は、対
応するピクセルに該当する波長帯域の照射を透過させる
一方該波長帯域外の照射は略完全に反射することを特徴
とすることにより一層向上される。
ダイクロイックミラーのマトリクスを持つカラー表示パ
ネルを開示し、且つ、このようなミラーマトリクスを反
射器と組み合わせることにより如何に光源効率が改善さ
れるかを述べている。上記のようなパネルを前述したよ
うな形式の照明システムと組み合わせることにより、非
常に効率的なカラー表示装置が得られる。
明側5と視聴者9に向けられた表示側7とを持つ透過型
表示パネル3を有している。この表示装置1は、更に、
本発明による照明システム11を有している。この照明
システム11は、照射源13と、この照射源の背後に配
置された反射器15とを有している。照射源13からの
照射を表示パネル3に向かって散乱させる拡散器17が
照射源13と表示パネル3との間に配置されて、該パネ
ルを一様に照明する。
(LCDパネル)で、この表示パネルは2つのガラス基
板により形成されると共に、これら基板間に配向された
液晶層が設けられている。上記のような表示パネルは、
該パネルを通過する光の偏光状態の変化叉は非変化に基
づいて動作するもので、所定の偏光状態を持つ光により
照射されねばならない。前記照射源13により放出され
る照射は偏光されていないから、該照射は先ず上記パネ
ル3に適した偏光状態に変換されねばならない。
る偏光状態の変換は、全可視波長範囲内で作用する新規
なコレステリックフィルタ19により非常に効率的に実
現される。このフィルタ19は、上記波長範囲に対する
その透過光偏光が表示パネル13に適した偏光に相当す
るように設計される。上記コレステリックフィルタ19
は拡散器17と表示パネル3との間に配置される。前記
照射源13からの偏光されていない照射は拡散器17を
介してコレステリックフィルタ19に入射する。
リックフィルタは、例えば50nm程度の限られた波長
帯域内のみで動作するが、この帯域は例えば380nm
もの可視波長範囲よりも非常に狭い。既知のフィルタの
反射帯域外の波長の照射は偏光されない形で透過される
が、このことは該フィルタが限られた波長範囲に対して
のみ偏光子として動作するということを意味する。この
ような理由により、既知のフィルタはカラーフィルタと
しては非常に適しているものの、画像投影装置叉はフラ
ットパネル表示装置等の装置における上述したような応
用の偏光フィルタとして使用するには反射帯域幅が十分
に広くはない。
により規定され、ここでΔn=ne− noは複屈折で
あり、ne及びnoは各々異常及び通常屈折率であり、
na=(ne +no)/2は平均屈折率である。ま
た、λoは照射が垂直に入射する場合の選択的反射帯域
の中心波長であってλo=nap=(ne+no)p/
2により規定され、ここでpは上記フィルタの分子螺旋
のピッチである。可視波長範囲においては、反射帯域の
幅はコレステリック材料の複屈折Δnにより主に決ま
り、この複屈折は僅かな程度にしか変化することができ
ない。一般に、Δnは0.3よりも小さいから、帯域幅
は100nmよりも狭く、通常約50nmである。
タ、即ち全可視波長範囲で動作するコレステリックフィ
ルタを得るために、各々が異なる反射帯域を持つ複数の
狭帯域コレステリック層を積み重ねることができる。こ
の場合、このような複合フィルタは別々の層の反射帯域
幅の和に等しい総合反射帯域幅を有し、この帯域幅は全
可視波長範囲において光を偏光するのに十分なほど広
い。
一の層からなり、且つ分子螺旋のピッチpが該層厚にわ
たって下限と上限との間で変化することにより結果とし
ての反射帯域幅が全可視波長範囲内で動作するに必要な
帯域幅に相当するようなコレステリックフィルタが使用
される。
ィルタの利点は、その光学品質が非常に良いということ
にある。何故なら、層を重ねるとコレステリックス(ch
olesterics)の誤差の存在及び平らな分子規則性による
損失が原因して層の数の増加につれて光学品質が低下す
るからである。更に、層の厚さ、従って層の数の増加に
伴って視角依存性が増加する。このことは、所定の値よ
り大きな入射角で入射する照射に関しては、フィルタの
有効性は層厚の増加に伴って大幅に減少することを意味
する。
400nm=380nmなる反射帯域幅が必要とされ
る。コレステリックフィルタの有効性は偏光されるべき
照射が入射する入射角によっても決まる。フィルタの反
射帯域は、例えば1度当たり2nmのように入射角の関
数としてずれる。このことは、入射角の変化により、可
視波長範囲に対して必要とされる反射帯域は仮想波長帯
域により補足しなければならないことを意味する。入射
角の最大範囲、即ち180゜に対しては、全反射帯域は
380nm+180x2nm=740nmでなければな
らない。可視波長範囲においては既知のコレステリック
層に対する反射帯域の幅は平均して50nmであるか
ら、従来の積み重ねフィルタは約15の層を有さねばな
らない。
化するような単一の層からなるコレステリックフィルタ
は以下のようにして作成することができる。先ず、反応
性モノマの混合物が作成される。この混合物は異なる重
量%のカイラル(chiral)成分とネマトジェニアス(ne
matogeneous)成分とを有し、これら成分は例えば2及
び1のように各々異なる数の反応性基を有するので上記
の2つのモノマは異なる反応性を持つ。次いで、この混
合物には安定化剤及び一定量の染料が加えられる。この
ようにして作成された混合物は、次いで、各々が例えば
ポリイミドの層を持つような2つの透明な基板の間に配
される。これらの各層は上記コレステリック混合物中に
自然に作り出される分子螺旋を配向するために使用され
る。不連続性(disclinations)の形成を防止するため
に、上記の2つの基板は平らな規則 性が得られるまで
短い距離にわたってせん断される。次いで、上記反応性
混合物は周囲温度において紫外線照射により光重合され
るので、3次元網構造が形成される。このようにして形
成された光学的能動層の強度により、該光学層を前記基
板から外して自己支持型のコレステリックフィルタとし
て使用することが可能である。例えば全可視波長範囲に
相当する反射帯域幅のような所望の反射帯域幅は、染料
の量並びに紫外線光の波長及び出力を変化させることに
より得ることができる。
pが一定であるようなコレステリックフィルタの反射ス
ペクトルを示している。このフィルタは染料を加えない
で得た。このフィルタの反射帯域幅は約45nmに過ぎ
なかった。
在したコレステリックフィルタの反射スペクトルを示し
ている。このフィルタの反射帯域幅は約230nmであ
る。
であって層厚にわたって連続して変化するピッチpを有
するようなフィルタの製造方法自体は本発明の要旨では
ないが、このようなフィルタの製造方法は出願人により
本特許出願と同日になされる出願(整理番号:PHN1
4629)に詳細に記されている。
つ視角依存性が多数の狭帯域コレステリック層からなる
コレステリックフィルタにおけるよりも顕著でない実施
例は、少なくとも幾つかの層が層厚にわたって連続的に
変化するような分子螺旋のピッチpを持つような複数の
層からなるコレステリックフィルタである。
層は前述した単層のフィルタの場合と同様の方法で製造
することができる。
層の帯域幅が例えば150nm程度に増加されたとすれ
ば、可視波長範囲に対して必要とされる層の数は15か
ら5へと減少させることができる。
より、分子螺旋の方向に対応する方向に円偏光された照
射は照射源13の方向に反射され、一方反対に円偏光さ
れた照射はフィルタ19により透過される。上記の反射
された照射はその後再び拡散器17に到達し、この分散
器において偏光解消される。この偏光解消された照射は
次いで反射器15に入射し、この反射器上ではフィルタ
19の方向への反射がなされる。再びフィルタに到達す
る偏光されていない照射の一部は透過に適した円偏光状
態を有する。残りの部分は再び上述した照射通路を往復
し、その都度照射の一部が透過する。反射損失は別とし
て、略全部の偏光されていない照射が上記のようにして
表示パネル3に適した円偏光された照射に変換される。
うに、拡散器17により略180゜の角度区域にわたり
散乱される。コレステリックフィルタの有効性は入射す
る照射の波長のみならず該照射の入射角によっても決ま
るが、上記のような拡散器は照射をフィルタに向けて大
きな入射角で散乱する。結果として、所定の波長範囲を
カバーするに要するフィルタの反射帯域は、仮想波長帯
域により増加して大きな入射角に対しても同様に有効と
なるようにしなければならない。入射角の関数としての
反射帯域のずれは、例えば1度当たり2nmである。結
果として、180゜の角度区域に対しては反射帯域は1
80x2nm=360nmだけ増加されねばならない。
散器17とコレステリックフィルタ19との間に設ける
ことにより、入射角の区域が大幅に減少し、この結果当
該コレステリックフィルタの必要とされる全反射帯域が
減少される。
入射角区域が90°に減少されるようなプリズム箔の形
態の拡散器を使用することにより、全可視波長範囲をカ
バーするに要する50nmなる反射帯域幅を持つ従来の
層の数は、プリズム箔を設けないない場合の層の数は約
15であるのに対して、[780nm−400nm+
(2x90)]/50=約11となる。
nmなる反射帯域を持つようなコレステリック層を有す
るフィルタの場合は、約5枚の層の代わりに、[780
nm−400nm+(2x90)]/150=約4なる
枚数の層を使用すれば充分である。変化するピッチを持
つフィルタの場合、ピッチpの下限値と上限値とは互い
に接近している。
からなり、図4に示すように例えば拡散器17上に直に
設けるようにするとよい。この素子21のフィルタ19
に対向する表面は、例えばプリズム構造のような周期的
な照射を屈折させるような構造を有している。
単にプリズム箔と称する例えば1次元プリズム構造を持
つ素子21の拡散器17からの照射に対する効果を示し
ている。この図を図3のaと比較すると、上記照射は角
度β内のビームへと集中され、この角度は前記角度αよ
り小さい。結果として、上記拡散器の明るさは前方向に
増加する。この角度区域βはプリズム縁の傾斜角を変化
させることにより変化させることができる。
方向に延在する構造を持つ例を参照して図示している。
拡散器17とプリズム箔21との間の境界に垂直に入射
する照射ビーム23は、入射角が臨界角より大きいの
で、プリズム箔21の縁部33及び34において全内反
射をうける。他方、上記各縁部33及び34に臨界角よ
り小さな角度で入射する照射ビーム27、29は、これ
ら縁部33及び34を介して当該プリズムから出力され
る。このように、プリズム箔21は前記照射が90°−
θ1と90°−θ2との間の範囲内の角度のみにおい
て、即ち当該箔の法線を伴い各プリズム縁により囲まれ
る角度内で、出力されることを保証する。上記角度θ1
及びθ2を、即ち拡散器17の面を伴う上記箔構造の縁
部33、34により囲まれる角度を、調整することによ
り、照射ビームの方向を決めることが可能である。プリ
ズム箔21により反射された照射ビーム31は、拡散器
17を介して照射源13の背後の反射器15に戻され、
ここで反射された後再び当該システムに供給される。
々の実施例を示している。図6のaは前記フィルタに面
する表面がθ1=θ2なる対称三角形構造を持つような
単一板体を有するプリズム箔を示している。また、図6
のbは前記フィルタに面する表面がθ1≠θ2なる鋸歯
状構造を持つような単一板体を有するプリズム箔を示し
ている。このようにして、前記照射は所定の角度でビー
ムに集中するされるのみならず、当該プリズム箔から出
力されるビームの軸をθ1及びθ2を変化させることに
より調整することができる。また、図6のcは2次元的
に動作するプリズム箔を示している。ここでは、上記照
射はビームに2次元的に集中される。このプリズム箔
は、各々にビーム集中素子が設けられた2つの板体2
0、22を有している。第1の板体20は前記フィルタ
に面する表面に第1の方向に延在する第1の周期的構
造、例えば図6のaに示されるような規則的な三角形構
造、を有している。また、第2の板体22も前記フィル
タに面する表面に第2の周期的構造、例えば図6のaに
示されるような構造、を有している。これら2つの構造
は互いに所定の角度、例えば直角、に向けられている。
目的とする照射の集中度に応じて、図6のbに示す構造
の2つの組み合わせ、叉は図6のaの構造と図6のbに
示す構造との組み合わせ等が可能である。2次元的に動
作するビーム集中素子は、他の例として、レンズのマト
リクス叉はピラミッド状プリズムを持つような板体を有
してもよい。前記フィルタに面するプリズム箔面上にプ
リズムのマトリクスを有するようなプリズム箔の実施例
が図6のdに示されている。
の組み合わせで生成し得るモアレ効果は、上記箔の構造
の周期を前記表示パネルのピクセルの周期に適合させる
ことにより低減することが可能である。
変換されるように、図1の装置と同様に図3の装置にお
いても前記コレステリックフィルタ19の背後にλ/4
板23を選択的に配置することができる。現在最もよく
使用されている液晶表示パネルは直線偏光された照射で
動作する。λ/4板の使用は表示パネル3の性質に依存
するから、図1及び図4においては、このλ/4板23
は破線で示されている。また、円−直線変換は可視波長
範囲内で実現されねばならないから、例えば米国特許第
5,029,986号に述べられているような広帯域のλ/4板
が使用される。
造を形成する光学的能動層を持つ単層フィルタであっ
て、この特別な頑丈さのために自己支持型の膜を構成す
る場合は、当該フィルタは拡散器17叉はλ/4板23
等の他の素子に取り付けることができる。このようにし
て非常に小型の照明システムを得ることができる。
照射を非常に効率的に使用することができる方法を、偏
光の方向及び照射の伝搬方向並びに上記のようなシステ
ムの表示装置における利点等に関して述べた。この表示
装置が直視型カラー表示装置である場合は、照射効率は
上述した本発明と米国特許第5,029,986号に記載された
発明との新規な組み合わせにより更に高めることができ
る。この場合、色に関する限り光源効率も上昇される。
れた表示装置を概念的に示している。この装置の照明シ
ステム11は照射源13と、拡散器17と、コレステリ
ック偏光フィルタ19と、選択的に設けるビーム集中素
子21とを有している。上記照射源は例えば折れ曲がり
形状のランプであり、該ランプは反射内壁15を持つホ
ルダ内に配置されている。また、カラー表示パネル40
は符号41、42及び43で示される3つの群に分割さ
れる多数のピクセルを有し、各々が所定の色、即ち赤、
緑及び青の画像を生成する。上記各ピクセルに合わせた
色フィルタのマトリクス50が前記パネル40の前方に
配置されるが、この色フィルタも符号51、52及び5
3で示される3つの群に分割されている。対応するピク
セル41、42及び43に対して適切な色の光のみを透
過する上記フィルタは、この実施例においては、ダイク
ロイックミラーである。このようなミラーは、入射され
た副ビームのうちの当該ピクセルに関係しない色成分を
前記照射源に向かって反射する。前記ホルダの反射性内
壁は上記副ビームを当該照明システム内に送り返す。こ
の副ビームが前記マトリクス50に到達すると、該副ビ
ームは最初に反射されたのとは異なるミラーに当たる。
何故なら、この副ビームはその経路において方向が変化
されているからである。この場合、この副ビームの第2
の色成分は対応するピクセルへ透過される。上記副ビー
ムの残りの成分は再び照射源ホルダとの間で往復し、他
の色フィルタにより対応するピクセルへ通過される。全
ての副ビームは上述したようなやり方で当該照射システ
ムを数回往復するので、照射源の照射の大部分は正しい
色で各ピクセルに入射し、これにより色に関する限り高
効率も達成される。
る。これは該λ/4板を設けることは、LCDパネル4
0が直線偏光された照射で動作するか叉は円偏光された
照射で動作するかに依存するからである。
対する前記コレステリックフィルタ19の選択性が充分
に大きい場合は、前記LCDパネル3の前部に設けられ
ると共に従来のLCDパネルの一部を形成し、且つ、L
CDパネル3の背後の検光子53と一緒に形成された画
像の充分なコントラストを保証するような従来の偏光子
54は省略することができる。
る。この図において、ブロックAは本発明による照明シ
ステムを示し、該システムは主軸が当該画像投影装置の
光学軸OO’に一致するような光ビームbを出力する。
この光ビームは、白黒画像を投影する場合には1個の表
示パネル3を持つような表示システムBに入射する。こ
の表示パネルは、例えばガラス製の2枚の透明板体61
及び63の間に封入された例えばネマチック型の液晶材
料60の層を持つ液晶パネル等である。上記各板体上に
は駆動電極65及び67が各々設けられている。これら
の電極は当該表示パネルに多数のピクセルを規定するた
めに多数の行及び列に分割することができる。この場
合、異なるピクセルは駆動端子69及び68により図に
概念的に示したマトリクス電極を駆動することにより駆
動される。かくして、電場が前記液晶材料60の両端間
に所望の位置で印加される。上記のような電場は上記液
晶材料60の有効な屈折率を変化させ、従ってピクセル
を通過する光は、当該ピクセルの位置に局部電場が存在
するか存在しないかに依存して偏光状態の変化を受ける
か叉は受けない。
て、アクティブ駆動型パネルを用いることもできる。こ
の後者のパネルの場合は、一方の支持板体が電極を有
し、他方の支持板体には半導体駆動電子回路が設けられ
る。この場合、各ピクセルは例えば薄膜トランジスタ等
の自身のアクティブ駆動素子により駆動される。上記両
形式の直接駆動型表示パネルは例えばヨーロッパ特許出
願公開第EP0266184号に記載されている。
光、好ましくは直線偏光、されねばならない。この目的
のため、前記照明システムAには単層叉は多層形式の偏
光子及び前述したような拡散器が設けられる。更に、上
記表示パネルにより透過された光の経路には検光子53
が配設され、この検光子は、例えば駆動されると共にビ
ームの偏光状態を変化させないピクセルからの光を投影
レンズ系Cへ通過させる。なお、ビームの偏光状態を変
化させる駆動されていないピクセルからの光は、上記検
光子53により阻止される。このように、上記検光子は
ビームの偏光変調を輝度変調に変換する。投影レンズ系
Cは前記パネル3上に形成された画像を投影スクリーン
D上に投影する。このようにして投影された画像は上記
投影スクリーンの背後の空間に位置する視聴者により観
られる。
くは直線偏光された光により照射され、一方該パネルの
素子は偏光の方向を90゜回転したり叉は回転させなか
ったりする。原理的には、液晶表示パネルを持つ画像投
影装置を直線偏光された光の代わりに円叉は楕円偏光さ
れた光で動作させることも可能である。この場合、この
表示パネルは上記の円偏光された光の回転方向叉は楕円
偏光された光の楕円軸の比を変化させることができるも
のである。このような変化は他の偏光手段を用いること
により輝度変調に変換することができる。
ある場合は、前記表示系Bは各々が3原色の赤、緑及び
青の1つに対応する3個の表示パネルと、前記ビームb
をこれらのパネルのうちの対応する1つに入射させる多
数のダイクロイック・ミラーとを有する。また、他のダ
イクロイック・ミラーが上記各パネルを通過したビーム
を1つのビームに合成し、このビームが前記投影レンズ
系を通る。
のカラー表示パネルを使用することも可能である。この
場合は、好ましくは図7を参照して説明したようにピク
セルの前に配置されるダイクロイック・ミラーのマトリ
クスが使用され、したがって同図を参照して述べたよう
な利点をこのカラー画像投影装置においても得ることが
できる。
ネマチック型叉はスーパーツイステッド型等の液晶表示
パネルを持つような表示装置を参照して説明したが、本
発明はこれらに限定されるものではない。即ち、前記表
示パネルは多結晶材料PZLT(Lanthanum doped Lead
Zirconate Titanate)が用いられるSCD(Solid Cer
amic Display)パネル、叉は超複屈折効果が利用される
ようなパネル等であってもよい。
によるフラットパネル型の表示装置の一実施例の概念
図、
トルを示し、曲線aは層厚にわたってピッチpが一定の
場合を、曲線bは層厚にわたってピッチpが連続的に変
化する場合を示す、
し、aはプリズム箔を設けない場合を、bはプリズム箔
を設けた場合を示す、
装置の実施例の概念図、
を説明するための説明図、
されるプリズム箔の種々の例を示す斜視図、
ットパネルカラー表示装置の実施例を示す分解斜視図、
投影装置の実施例を示す概念図である。
11…照明システム、 13…照射源、1
5…反射器、 17…拡散器、19
…コレステリックフィルタ。
Claims (13)
- 【請求項1】 所定の偏光状態を持つ照明ビームを供給
する照明システムであって、照射源と拡散器とを順に有
するような照明システムにおいて、 前記拡散器が偏光を解消する拡散器であり、 少なくとも略全可視波長範囲内で動作するコレステリッ
クフィルタが、前記拡散器の、前記照射源から遠い方の
側に設けられ、 反射器が、前記拡散器の、前記フィルタから遠い方の側
に設けられている、 ことを特徴とする照明システム。 - 【請求項2】 請求項1に記載の照明システムにおい
て、前記コレステリックフィルタの、前記拡散器から遠
い方の側に広帯域のλ/4板が配置されていることを特
徴とする照明システム。 - 【請求項3】 請求項1叉は請求項2に記載の照明シス
テムにおいて、前記コレステリックフィルタが液晶材料
の複数の層を有し、これら層の各々が異なる波長帯域で
動作し、これら波長帯域が共同で少なくとも可視波長範
囲をカバーすることを特徴とする照明システム。 - 【請求項4】 請求項1叉は請求項2に記載の照明シス
テムにおいて、前記コレステリックフィルタが液晶ポリ
マ材料の単一の層を有し、該層においては分子螺旋のピ
ッチが、少なくとも全可視波長範囲をカバーするに必要
な反射帯域の下限及び上限に各々対応する2つの値の間
で連続的に変化していることを特徴とする照明システ
ム。 - 【請求項5】 請求項3に記載の照明システムにおい
て、前記コレステリックフィルタの各層のうちの少なく
とも複数個の層は分子螺旋のピッチが変化するような液
晶ポリマを有し、これら層が各々異なる波長帯域で動作
することを特徴とする照明システム。 - 【請求項6】 請求項4に記載の照明システムにおい
て、前記コレステリックフィルタの前記ポリマ材料が3
次元網構造を形成すると共に当該システムにおける他の
素子に取り付けるに適した自己支持型の膜を形成するこ
とを特徴とする照明システム。 - 【請求項7】 請求項1ないし請求項5の何れか一項に
記載の照明システムにおいて、前記拡散器と前記コレス
テリックフィルタとの間に光学的に透明な素子が設けら
れ、該素子の前記フィルタに面する一方の側は少なくと
も一方向に延びる周期的且つ照射を屈折させるような構
造を有し、該構造が前記拡散器からの照射を所定の角度
で集中させることを特徴とする照明システム。 - 【請求項8】 請求項7に記載の照明システムにおい
て、前記素子は前記フィルタに対向する面が当該板体の
面内で第1の方向に延在する第1の周期的構造を有する
ような第1の板体と、前記フィルタに対向する面が当該
板体の面内で前記第1の方向とある角をなす第2の方向
に延在する第2の周期的構造を有するような第2の板体
とを具備していることを特徴とする照明システム。 - 【請求項9】 請求項7に記載の照明システムにおい
て、前記素子は単一の板体を有し、該板体の前記フィル
タに対向する面が2次元的な照射屈折構造を有している
ことを特徴とする照明システム。 - 【請求項10】 請求項7、請求項8叉は請求項9に記
載の照明システムにおいて、前記照射屈折構造は第1の
表面領域と、これと交互となる第2の表面領域とを有
し、当該素子の法線に対して前記第1の領域が第1の角
度を内包する一方、前記第2の領域が第2の角度を内包
することを特徴とする照明システム。 - 【請求項11】 照明システムと、投影すべき画像を生
成する少なくとも1個の透過型表示パネルを有する表示
装置と、前記生成された画像を投影スクリーン上に投影
する投影レンズ系とを具備する画像投影装置において、 前記照明システムが請求項1、2、3、4、5叉は10
に記載のシステムである、 ことを特徴とする画像投影装置。 - 【請求項12】 照明システムと、透過型の表示パネル
とを有するフラットパネル型表示装置において、 前記照明システムが請求項1ないし請求項10の何れか
一項に記載のシステムである、 ことを特徴とするフラットパネル型表示装置。 - 【請求項13】 請求項12に記載のフラットパネル型
表示装置において、前記表示パネルの各ピクセルに対応
するダイクロイック・ミラーのパターンがこれらピクセ
ルの前側近傍に配置され、これらミラーの各々は、対応
するピクセルに該当する波長帯域の照射を透過させる一
方該波長帯域外の照射は略完全に反射することを特徴と
するフラットパネル型表示装置。
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