JPH085979A

JPH085979A - フィルタを備えた投射型表示装置

Info

Publication number: JPH085979A
Application number: JP6139164A
Authority: JP
Inventors: Yoshiharu Oi; 好晴大井; Tsuneo Wakabayashi; 常生若林
Original assignee: AG Technology Co Ltd
Current assignee: AG Technology Co Ltd
Priority date: 1994-06-21
Filing date: 1994-06-21
Publication date: 1996-01-12

Abstract

(57)【要約】【目的】良好な色バランスと高コントラスト比の投射画
像を得る。【構成】光源光学系と、第１のフィルタ１、第１の絞り
１７、集光レンズ１３、液晶表示素子１５と、第２の絞
り１８と、第２のフィルタ２と、投射光学系とがシュリ
ーレン光学系を構成するように設けられた投射型表示装
置であって、液晶表示素子１５の散乱能の波長分光特性
を補償するように第１と第２のフィルタの光通過特性が
変化せしめられてなることを特徴とする投射型表示装
置。【効果】光源光をＲＧＢのスペクトルに応じて透過量も
しくは反射量を調整することで、液晶表示素子の散乱能
の波長依存性を補償し、かつ高い指向性の光源光を得
て、明るく見やすい投射画像光を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、透過散乱型の表示素
子、特に液晶表示素子を用いた投射型表示装置およびそ
れを用いた照明装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】表示素子をその光学作用から大別すると
光吸収型の素子と、光散乱型の素子とがある。前者の例
としては偏光板を用いるＴＮ型液晶表示素子（ＴＮ−Ｌ
ＣＤ）がある。後者としては、ダイナミックスキャッタ
リング型の液晶表示素子（ＤＳ−ＬＣＤ）や、電磁界に
応答する微小ダイポールを電極間に挟持せしめた表示素
子などが既に知られている。

【０００３】この光散乱型の表示素子は、機能層中の光
の散乱と非散乱（透過）を用いて光の変調を行い表示機
能を得る。この光散乱型の新しい液晶表示素子として、
種々の特徴を有する液晶固化物複合体（リキッドクリス
タルソリディファイドマトリックスコンポジッ
ト、以下ＬＣＳＭと呼ぶ）を備えた液晶表示素子が提案
されている（以後、この液晶固化物複合体を備えた液晶
表示素子をＬＣＳＭ−ＬＣＤと称す）。

【０００４】その基本構造は、電極付き基板間に正の誘
電異方性のネマチック液晶が高分子が硬化せしめられた
樹脂などの固化物マトリクス中に分散保持されたＬＣＳ
Ｍ層が挟持されている。そして、固化物マトリクスの屈
折率（ｎ_P ）が用いられる液晶の常光屈折率（ｎ₀ ）、
異常光屈折率（ｎ_e ）、または液晶がランダムに配向し
た場合の屈折率（ｎ_X ）のいずれかと一致せしめられ
る。両電極間への印加電圧のオンとオフによってＬＣＳ
Ｍ層中の液晶分子を電界で制御し、光学的な透明状態
（光の透過）と遮光状態（光の散乱）等を得る。

【０００５】このＬＣＳＭ−ＬＣＤは光の制御原理が屈
折率マッチングおよびＬＣＳＭ層中の微小構造における
光の散乱に依っているために、光散乱性と波長との関係
が必ずしも一定とはならない。そして、ディスプレー機
能を具現化する種々の形態のうち、投射型表示装置に上
記のような波長特性を有する透過散乱型の液晶表示素子
を組み合わせて用いた場合、その表示特性には波長（画
像表示における色あい）に応じて変化が生じる傾向があ
る。例えば、黒部分が茶褐色を帯びるような傾向が生ず
る。

【０００６】通常、透過散乱型の動作モードを有するＬ
ＣＳＭ−ＬＣＤの散乱能は波長に依存し、短波長ほど散
乱能は高い。また、固化物と液晶との組み合わせにも依
存するが、短波長ほど透明状態における透過率が低い。
このようなＬＣＳＭ−ＬＣＤの散乱状態、透明状態およ
び中間状態における分光透過率特性の一例を図２０に示
す。これは、ＬＣＳＭ−ＬＣＤへの入射光の分散角、お
よび、ＬＣＳＭ−ＬＣＤからの出射光のうち、投射レン
ズを介して、スクリーンへ投射される光の集光角を７°
として分光透過率特性を測定したものである。

【０００７】また、透明状態と散乱状態における透過率
比（ある投射画面での明暗比に関連する）で表されるコ
ントラスト比の波長依存特性を図２１に示す。図２０と
同一の条件で測定したものである。長波長側ほどコント
ラスト比が低下している。

【０００８】したがって、ＬＣＳＭ−ＬＣＤを投射型表
示装置に用いた場合、変調された画像光においては短波
長光が不足し長波長光が過剰となるため、光源色に比べ
色温度の低い投射像となる。特に、画像表示の暗いレベ
ルから中間調レベルにおいて長波長光の低散乱能にとも
なう投射光の過多により投射画面の色合いが茶褐色とな
り、画像品位が劣化してしまう。

【０００９】このような問題点を改善するために、以下
に述べる従来例が知られている。従来例１〜４ともＬＣ
ＳＭとほぼ同機能の光変調機能層を備えた液晶表示素子
に関するものである。

【００１０】従来例１は特開平３−９８０２２に開示さ
れている発明である。その投射型液晶表示装置では、単
一光源系から出射された白色光をダイクロイックミラー
によりＲ・Ｇ・Ｂ三色に色分離した後、三個の液晶表示
素子にそれぞれ入射せしめ、出射光をダイクロイックミ
ラーで色合成した後、単一の投射レンズを用いてスクリ
ーン上に投射する。この従来例１の特徴は、各色毎に設
けられた液晶表示素子を色波長に応じた異なった構成と
することにより、各色の投射像コントラスト比のバラン
スを制御できる点にある。

【００１１】具体的には、固化物として用いられる樹脂
中の液晶粒子の粒径がＲ・Ｇ・Ｂ毎に異なって設けら
れ、各色波長域で最大散乱能が得られるようにする。ま
たは、ＬＣＳＭ層の厚さに変化を設けて、長波長に対応
せしめられるＬＣＤ（ＬＣセルまたはパネルとも呼ばれ
る）ほどその厚さを厚くして三枚のＬＣＤをほぼ同一の
散乱能とする。この従来例１の場合、ＲＧＢの三枚のＬ
ＣＤ毎に異なる仕様で作り分ける必要がある。

【００１２】この従来例１の投射型表示装置のシステム
構成例の模式図を図２２に示す。その色分離合成光学系
は、プロシーディングオブジャパンディスプレー
９２年第１１３頁「Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｏｆ
Ｊａｐａｎｄｉｓｐｌａｙ’９２ｐ１１３」に開示
されているものと同様である。

【００１３】次に、従来例２としてＷＯ９３／２３７８
７に開示されている発明を説明する。その構成の特徴
は、赤色を吸収する二色性色素を液晶中に混合し、電圧
を印加した透明状態では赤色吸収が殆ど無く、電圧を印
加しない散乱状態で赤色吸収が生じることにより透過率
を低減し、コントラスト比の波長依存性を低減すること
にある。

【００１４】この場合、赤色の二色性色素が必要とな
る。また、強照度の投射用光源を用いた場合、赤色の光
吸収にともないＬＣＤ内部の温度上昇が無視できなくな
る。一般に、液晶および色素は高温での耐久性・特性維
持に問題があるため、強照度の投射用光源の使用が前提
となる投射型表示装置において、光吸収体を用いるには
例えば別途に冷却手段が必要となる可能性がある。

【００１５】従来例３は特開平５−１５８０１９に開示
されている発明である。この発明では、各画素毎にＲＧ
Ｂのカラーフィルタを形成した単一のＬＣＤ（単板式フ
ルカラー）を用いて投射型カラー表示装置を構成する。
その特徴は、一枚のＬＣＤ内部の各Ｒ・Ｇ・Ｂ三色のカ
ラーフィルタの厚さをそれぞれ変えることで、従来例１
と同様に色毎に異なるＬＣＳＭ層を設けて、各色の投射
像コントラスト比をほぼ同一にすることができる。その
ため、カラーフィルタ或いはその上に形成される膜の厚
みをＲＧＢ毎に調整する必要がある。

【００１６】一般に、ＬＣＳＭ層を保持するガラス基板
間のセルギャップは、対角２サイズ（インチ）以上のＬ
ＣＤの場合、通常スペーサを散布することにより均一化
する。しかし、この従来例３では、セル内に凹凸を設け
るため、ＬＣＤの面内の均一なセルギャップ制御が今ま
でに増して非常に困難となる。または、スペーサレスで
のセルギャップ均一化を達成しなければならない。この
従来例３の凹凸カラーフィルタを有効に機能せしめるに
は新たな製造技術が必要となる。

【００１７】次に、光源光を複数の光束に分割して良好
な光学効果を得ている従来例４を説明する。特開平５−
２１０１６５に記載された発明である。その特徴は光源
光を分割されたアパーチャで少なくとも二つの光束に分
けて、その後にＬＣＤに入射せしめ、その他の光学要素
である絞りと組み合わせることで、明るく、高コントラ
スト比の投射画像を得ている。また、そのアパーチャの
開口部の形状を非円形の長方形や、長円（半円＋矩形＋
半円）や、楕円等として、さらに光束の有効利用を図っ
ている。この発明においては、区分されたアパーチャは
新たな二次光源として機能し得るので、光の指向性を向
上せしめることができる。

【００１８】最後に、透過散乱型表示素子を用いた投射
型表示装置における基本的な光学系のシステム構成につ
いて説明する。高コントラスト比の投射像表示をするた
めには、シュリーレン光学系が一般に用いられる。その
構成は、例えば、デイウェイらによってプロシーディン
グオブＳＩＤ第１８／２巻１９７７年第１３
５〜１４６頁（「ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆＳ．
Ｉ．Ｄｖｏｌ．１８／２，１９７７ｐａｇｅ１３
５〜１４６（Ａ．Ｇ．Ｄｅｗｅｙ）」）に記載されてい
る。

【００１９】シュリーレン光学系の基本は、光源光学系
における発光源、あるいは二次的な放射光源の共役像を
透過散乱型表示素子を介した投射光学系側に形成し、透
過散乱型表示素子によって出射光の方位が入射光の方位
に対して変化した成分と変化しない成分を区別し、どち
らか一方をスクリーン等に投射することである。

【００２０】光の回折作用を用いない透過散乱型表示素
子においては、入射光の方位が変化しない光成分（例え
ば、ＬＣＤが透明状態で通過した光）を投射すること
が、投射表示装置のシステム全体としての光利用効率向
上および高コントラスト比達成の点で好ましい。

【００２１】したがって、光源光学系における発光源、
あるいは二次的な放射光源の共役像が形成される位置
に、その共役像と同じ形状の開口部を有する絞りを配置
し、透過散乱型表示素子によって入射光の方位が変化し
た光成分を遮断する構成を投射光学系側に設けることが
好ましい。

【００２２】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、散乱能が波
長に依存して変化する透過散乱型表示素子を用いた投射
型表示装置において、補助光学手段を設けることで、簡
単な配置構成であっても投射画像のコントラスト比の波
長依存性および中間調における色バランスの変化を低減
し、高性能の投射型表示装置およびそれを用いた応用装
置を提供することを目的とする。

【００２３】

【課題を解決するための手段】本発明においては、光源
光学系と、透過散乱型の液晶表示素子と、投射光学系と
が備えられ、光源光学系から発した光源光が液晶表示素
子を通過せしめられ、その後に投射光学系から投射され
る投射型表示装置であって、光源光学系から投射光学系
に至る光路中の、光源光学系と液晶表示素子との間の仮
想光源の位置に液晶表示素子の表示特性を補償せしめる
フィルタが配置される。そして、投射画像のコントラス
ト特性と分光特性とを調整せしめるように機能する。

【００２４】その構成をより具体的に説明する。まず、
光源を備えた光源光学系と、透過散乱型の液晶表示素子
と、投射光学系とが設けられ、光源光学系と液晶表示素
子と投射光学系とがシュリーレン光学系を構成するよう
に配置され、光源から発した光が液晶表示素子を通過せ
しめられ、その後に投射光学系から投射される投射型表
示装置であって、光源から液晶表示素子に至る光路中に
仮想光源が設定され、その仮想光源の位置にフィルタが
配置され、フィルタの光通過面は複数の領域を備え、少
なくとも一つの領域は光の或る波長域のみを通過せし
め、さらに、仮想光源から投射光学系に至る光路中であ
って、仮想光源の非結像位置に液晶表示素子が配置され
てなることを特徴とする第１の投射型表示装置を提供す
る。

【００２５】ここで、光通過面とは光の入射面または出
射面またはフィルタの内部などに設けられ、光の透過と
遮光を決定する機能面を実質的に指す。また、各領域そ
れぞれはいわゆる単独の色補正フィルタと同様の機能を
有する。

【００２６】また、光源を備えた光源光学系と、透過散
乱型の液晶表示素子と、投射光学系とが設けられ、光源
光学系と液晶表示素子と投射光学系とがシュリーレン光
学系を構成するように配置され、光源から発した光が液
晶表示素子を通過せしめられ、その後に投射光学系から
投射される投射型表示装置であって、光源から液晶表示
素子に至る光路中に仮想光源が設定され、その仮想光源
の位置に第１のフィルタ（１）が配置され、第１のフィ
ルタ（１）の光通過面は複数の領域を備え、少なくとも
一つの領域は光の或る波長域のみを通過せしめ、さら
に、仮想光源から投射光学系に至る光路中であって、仮
想光源の非結像位置に液晶表示素子が配置され、さら
に、液晶表示素子の後の光路中であり、第１のフィルタ
（１）の結像位置に第２のフィルタ（２）が配置されて
なることを特徴とする第２の投射型表示装置を提供す
る。

【００２７】また、光源光学系と、透過散乱型の液晶表
示素子（１５）と、投射光学系とが設けられ、光源光学
系から発した光源光が液晶表示素子（１５）を通過せし
められ、その後に投射光学系から投射され、光源光学系
には光源（１１）と楕円鏡（１２）と第１の絞り（１
７）とが備えられ、楕円鏡（１２）の第１焦点の位置近
傍に光源（１１）、楕円鏡（１２）の第２焦点の位置近
傍に第１の絞り（１７）が配置され、第１のフィルタ
（１）が第１の絞り（１７）の近傍にさらに配置され、
第１のフィルタ（１）の光通過面に複数の領域ｓ_X （Ｘ
＝１〜ｎ、ｎ≧２）が備えられ、少なくとも一つの領域
は光の或る波長域のみを通過せしめ、液晶表示素子（１
５）の散乱能が低い波長域に対応した第１のフィルタ
（１）の領域の実効開口面積が、散乱能が高い波長域に
対応した第１のフィルタ（１）の領域の実効開口面積よ
りも相対的に小さくなるように設けられ、光源光学系か
ら投射光学系に至る光路の液晶表示素子（１５）の前ま
たは後のいずれか一方、または前後の両方の位置に集光
レンズ（１３、１３１、１３２）が設けられ、第１の絞
り（１７）を通過した拡散光が集光レンズ（１３、１３
１、１３２）によって集光され、第１の絞り（１７）の
共役な像が投射光学系のほぼ瞳位置に結像され、その結
像面の近傍に第２の絞り（１８）が設けられ、第２の絞
り（１８）の開口形状が第１の絞り（１７）の共役像と
ほぼ一致するように形成され、さらに、第２のフィルタ
（２）が第２の絞り（１８）の近傍に設けられ、第２の
フィルタ（２）の光通過面に第１のフィルタ（１）と同
様に複数の領域ｓ_Y （Ｙ＝１〜ｎ、ｎ≧２）が備えら
れ、少なくとも一つの領域は液晶表示素子（１５）と第
２の絞り（１８）を通過する光の或る波長域のみを通過
せしめることを特徴とする第３の投射型表示装置を提供
する。

【００２８】また、上記の第２または第３の投射型表示
装置において、第１のフィルタ（１）または第２のフィ
ルタ（２）の光通過面に、または第１のフィルタ（１）
と第２のフィルタ（２）の両方の光通過面に、中心波長
がλ_A の波長域Ａのみを通過せしめる領域ｓ_A と、中心
波長がλ_B の波長域Ｂのみを通過せしめる領域ｓ_B とが
形成され、領域ｓ_A と領域ｓ_B が光通過面に占める面積
をそれぞれＫ_A とＫ_Bとすると、数１の関係を満たすよ
うに構成されてなることを特徴とする第４の投射型表示
装置を提供する。ここで、ｓ_A とｓ_B とは複数の領域の
うちの任意の二つの領域を意味する。

【００２９】

【数１】

【００３０】また、上記の第２または第３の投射型表示
装置において、第１のフィルタ（１）または第２のフィ
ルタ（２）のいずれか一方、または第１のフィルタ
（１）と第２のフィルタ（２）の両方がＲ（赤）、Ｇ
（緑）、Ｂ（青）の三つの波長域に応じた領域を備え、
各領域の実効開口面積Ｋ_R 、Ｋ_G 、Ｋ_B が液晶表示素子
の散乱能に応じて変化せしめられてなることを特徴とす
る第５の投射型表示装置を提供する。

【００３１】また、上記の第５の投射型表示装置におい
て、第２のフィルタ（２）のＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ
（青）の三つの波長域に応じた各領域の開口形状が、第
１のフィルタ（１）のＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の
三つの波長域に応じた各領域の開口形状の共役像とほぼ
一致するように設けられてなることを特徴とする第６の
投射型表示装置を提供する。

【００３２】また、上記の第２〜第５のいずれか一つの
投射型表示装置において、第１のフィルタ（１）と第２
のフィルタ（２）はＷ（白）・Ｂ（青）・ＢＧ（青＋
緑）の三つの波長域に応じてそれぞれの領域が分割され
て設けられてなることを特徴とする第７の投射型表示装
置を提供する。ここでＷ（白）とは全可視域の波長を透
過せしめることを意味する。

【００３３】また、上記の第１〜第７のいずれか一つの
投射型表示装置において、光透過型のフィルタが用いら
れてなることを特徴とする第８の投射型表示装置を提供
する。

【００３４】また、上記の第１〜第７のいずれか一つの
投射型表示装置において、光反射型のフィルタが用いら
れてなることを特徴とする第９の投射型表示装置を提供
する。

【００３５】また、上記の第１〜第９のいずれか一つの
投射型表示装置において、フィルタを通過する光の波長
域に応じて区分された各領域が扇形であり、かつ全体と
して略放射状に配置されたフィルタが用いられてなるこ
とを特徴とする第１０の投射型表示装置を提供する。

【００３６】また、上記の第１〜第９のいずれか一つの
投射型表示装置において、フィルタを通過する光の波長
域に応じて区分された各領域がストライプ状に設けられ
たフィルタが用いられてなることを特徴とする第１１の
投射型表示装置を提供する。

【００３７】また、上記の第１〜第９のいずれか一つの
投射型表示装置において、フィルタを通過する光の波長
域に応じて区分された領域の形状が略円形であるフィル
タが用いられてなることを特徴とする第１２の投射型表
示装置を提供する。

【００３８】また、上記の第１〜第１２のいずれか一つ
の投射型表示装置において、光源光学系には楕円鏡（１
２）とその第１焦点位置近傍に光源が配置され、第２焦
点位置近傍に錐体物が配置され、該錐体物は光透過性の
錐体状プリズムであって、前記錐体状プリズムの錐体面
の頂角α１が９０゜〜１７５゜の凸型錐体状プリズム、
または頂角β１が１８５゜〜２７０゜の凹型錐体状プリ
ズムであることを特徴とする第１３の投射型表示装置を
提供する。

【００３９】また、上記の第１〜第１２のいずれか一つ
の投射型表示装置において、光源光学系には楕円鏡（１
２）とその第１焦点位置近傍に光源が配置され、第２焦
点位置近傍に錐体物が配置され、該錐体物は光反射性の
錐体状反射体であって、前記錐体状反射体の錐体面の頂
角α２が１５０゜〜１７７゜の凸型錐体状反射体、また
は頂角β２が１８３゜〜２１０゜の凹型錐体状反射体で
あることを特徴とする第１４の投射型表示装置を提供す
る。

【００４０】また、上記の第１〜第１４のいずれか一つ
の投射型表示装置において、液晶表示素子は電極付き基
板間に、正の誘電異方性のネマチック液晶が固化物マト
リクス中に分散保持された液晶固化物複合体を有し、か
つ固化物マトリクスの屈折率が用いられる液晶の常光屈
折率（ｎ₀ ）と一致せしめられた透過散乱型の液晶表示
素子であることを特徴とする第１５の投射型表示装置を
提供する。

【００４１】また、上記の第１〜第１５のいずれか一つ
の投射型表示装置において、液晶表示素子は反射層を有
し、入射光がその反射層で正規反射された後出射された
光を投射することを特徴とする第１６の投射型表示装置
を提供する。

【００４２】また、上記の第１〜第１６のいずれか一つ
の投射型表示装置を用いたことを特徴とする照明装置を
提供する。

【００４３】なお、本発明で波長域またはスペクトルと
は、少なくとも１００ｎｍ以上の波長帯域において連続
的あるいは離散的なスペクトルを有する光を意味する。
多くの場合は、可視波長域スペクトルの光を示す。

【００４４】

【作用】本発明のフィルタは、いわゆる単純な色補正フ
ィルタとは異なり、投射画像のコントラスト比と色バラ
ンスの相方を調整し得る。つまり、当該フィルタを通過
する光のスペクトル光量とスペクトル光束調整（形状と
大きさ）を行い、通常全スペクトルを有する白色の光源
光を、波長依存性のある液晶表示素子の分光透過特性に
応じて補償せしめて、光の指向性をスペクトル毎に調整
し、投射画像を明るく、かつ高コントラスト比のものと
する。

【００４５】一般的に透過散乱型表示素子を用いた投射
型表示装置において、光源光学系と投射光学系と透過散
乱型表示素子とをシュリーレン光学系の配置関係を満た
すように構成することにより、投射画像の明暗（コント
ラスト）表示が可能となる。このとき、投射画像の明暗
は、光源光学系から放射され表示素子へと入射する光の
指向性と表示素子の散乱能、さらに、投射光学系の集光
角を定める開口数（Ｆナンバー）に応じて変わる。これ
は、明暗（コントラスト）表示が表示素子そのものの特
性によって決まり、光学系への依存性が少ない透過吸収
型の表示素子の場合と大きく異なる。

【００４６】特に、完全な透明状態に成りきらない散乱
状態（中間状態）において、投射光に寄与する散乱透過
光の割合はシュリーレン光学系における光源光学系から
透過散乱型表示素子へ入射する光の指向性と投射光学系
の集光角によって変化する。すなわち、透過散乱型表示
素子の散乱能が波長に依存して異なる場合、その波長依
存性を低減するようにシュリーレン光学系の中で、本発
明におけるフィルタを波長に応じて前述の構成により変
化させればよい。

【００４７】図２０に示したように。ＬＣＳＭ−ＬＣＤ
においては透明状態（Ｔ_ON）に至るまでの散乱状態（Ｔ
_OFF ）および中間状態（Ｔ_M ）において、長波長域ほど
散乱能が通常低く、従来の投射型表示光学系では長波長
の透過率が相対的に高い値となる傾向が見られた。

【００４８】本発明の投射型表示装置の構成によれば、
透明状態（Ｔ_ON）に至るまでの散乱状態（Ｔ_OFF ）およ
び中間状態（Ｔ_M ）において、透過率の波長依存性が低
減され、スペクトル光に対して暗レベルから明レベルに
渡って色バランスの変化を抑えることが可能となり、色
毎のオン／オフのコントラスト比を揃えることができ
る。

【００４９】また、本発明のフィルタは、表示素子と距
離を隔てて設置され、フィルタ透過光は拡散光となって
表示素子に入射されるため、フィルタ面に存在する色分
布は表示素子面には反映され難い。言い換えれば、光源
の仮想結像位置にフィルタを配置し、波長域（スペクト
ル）毎の光量と光束調整（実際には絞り面積）を行う。
そして、上述したシュリーレン光学系においては、この
光源光は光路途中において分散され、ほぼ平均的に照射
される位置がある（光源および仮想光源の非結像位
置）。

【００５０】この位置に表示素子を配置することで、ほ
ぼ均一なフルカラー表示画像が得られることになる。ま
た、このフィルタの共役像が集光レンズによって形成さ
れ、その位置を投射レンズの瞳位置と一致させることに
よりフィルタ面に存在する照度分布および色分布は投射
画像に影響しない。このような表示素子の照明法は均一
照明法（ケラー照明法）と呼ばれている。

【００５１】本発明におけるシステム構成例を集光レン
ズの配置別に図１〜図４に示す。図１〜図３は透過散乱
型表示素子が透過型（スルー・モード）で用いられる場
合を示し、図４は透過散乱型表示素子の内部または非入
射面側に反射層が設けられて、光が光変調機能層（光の
散乱を生ぜしめる層）を往復する反射型（リフレクショ
ン・モード）で用いられる場合を示す。ここでは、光源
光学系における発光源、または二次的な放射光源の共役
像を形成する光学素子としてレンズを用いているが、代
わりに楕円鏡や球面鏡等の結像作用を利用してもよい。

【００５２】図１〜図４において、各構成要素を説明す
る。第１のフィルタ１、第１の絞り１７、第１の集光レ
ンズ１３１（略平行光化レンズとして用いられる）、液
晶表示素子１５、第２の集光レンズ１３２、第２のフィ
ルタ２、第２の絞り１８が設けられている。集光レンズ
は二枚構成ではなく、図２〜図４のように集光レンズ１
３のように一枚構成でもよい。第１のフィルタおよび第
２のフィルタは第１の絞り、第２の絞りの近傍に配置さ
れる。ほとんど一体的に構成することができる。なお、
色分離合成光学系については図示を省略している。

【００５３】このとき、光源光学系における発光源また
は二次的な放射光源（仮想光源）を形成することになる
第１の絞りの大きさ・形状と、透過散乱型表示素子また
は集光レンズとの位置関係によって透過散乱型表示素子
への入射光の指向性が定まる。そして、光源光学系にお
ける発光源または二次的な放射光源の共役像とほぼ同じ
形状の開口部を有する第２の絞りと透過散乱型表示素子
または集光レンズとの位置関係によって透過散乱型表示
素子の透過光のうち、投射光学系を通過してスクリーン
等へ投射される出射光の指向性が定まる。

【００５４】本発明では、散乱特性に波長依存性が存在
する透過散乱型表示素子を用いた投射型表示装置におい
て、上述したシュリーレン光学系の基本構成における透
過散乱型表示素子への入射光の指向性と、透過散乱型表
示素子を透過してスクリーン等へ投射される出射光の指
向性を波長に応じて異なるように調整することによって
透過散乱型表示素子の散乱特性における波長依存性を補
償し、投射画像のコントラスト比の波長依存性および中
間調における色バランスの変化を低減するようにする。

【００５５】具体的には、まず光源光学系における発光
源または二次的な放射光源となる第１の絞りの大きさ・
形状および集光レンズによって形成される第１の絞りの
共役像と同じ形状の開口部を有する第２の絞りの大きさ
・形状を変える。

【００５６】本発明は一般的に透過散乱型表示素子を用
いた光学システムに応用できるが、具体的には特に汎用
されている液晶表示素子（ＬＣＤ）を対象としている。

【００５７】透過散乱型（光散乱型）のＬＣＤとしては
ＤＳ−ＬＣＤや液晶相変化モード等、幾つかの方式が報
告されている。そのなかでも、上述のＬＣＳＭ−ＬＣＤ
は、低電圧動作（≦１０Ｖ）が可能であり、かつ高い散
乱能を有するので特に好ましい。通常、投射型表示素子
に用いられるＬＣＳＭ−ＬＣＤの構造は、電極と駆動素
子を形成した第１基板と、対向電極を形成した第２基板
間に、正の誘電異方性のネマチック液晶が高分子が硬化
せしめられた樹脂などの固化物マトリクス中に分散保持
されて構成されたＬＣＳＭ層を挟持する。また、通常は
固化物マトリクスの屈折率が用いられる液晶の常光屈折
率（ｎ₀ ）と一致せしめられている。

【００５８】ＬＣＭＳ層の構造としては、樹脂等からな
る固化物マトリクスの液泡内に液晶が封じ込められて、
ほぼ単独の粒子形状（球状もしくは回転楕円体形状な
ど）の形態が光学的作用からは好ましいが、個々の液晶
カプセルが完全に独立せずに一部が連通していてもよ
い。実質的に単独粒子と同等に機能し得るような微小構
造を有していればよい。また、多孔質ガラスや多孔質樹
脂等の多孔質のように個々の液晶の液泡が細隙を介して
連通していてもよい。

【００５９】用いる液晶の物性値としては、０．２０≦
△ｎ≦０．２５、かつ、５＜△ε＜１３の範囲がＶＴカ
ーブにおける低ヒステリシス特性と、透過散乱時のコン
トラスト比（高透過性と高散乱性）が得られるので好ま
しい。また、固化物マトリクスとして用いられる樹脂等
の屈折率（ｎ_P ）と液晶の常光屈折率（ｎ_O ）とがほぼ
一致することにより透過状態となる。例えば、ｎ_O −
０．０３＜ｎ_P ＜ｎ_O ＋０．０５の関係を満たすように
用いることが好ましい。

【００６０】このような透過散乱型の動作モードを有す
るＬＣＳＭ−ＬＣＤを用いた投射型表示装置の場合、図
２２に示されたシステム全体の光学系（投射型表示装置
１００）を用いて投射画像のコントラスト比（印加電圧
７Ｖ時の透過率Ｔ_ONと無印加電圧時の透過率Ｔ_OFF の
比、Ｔ_ON／Ｔ_OFF ）の集光角依存性（波長６１０ｎｍで
の赤コントラスト比Ｃ_R 、波長５４０ｎｍでの緑コント
ラスト比Ｃ_G 、波長４７０ｎｍでの青コントラスト比Ｃ
_B ）を図２３に示す。

【００６１】この投射型表示装置１００は、光源光学系
に楕円鏡１２と光源１１と第１の絞り１７を備える。全
反射ミラーＭと平行光化レンズ７３１で光源光の光束調
整を行っている。さらに、３０°の入射角度で設定され
たダイクロイックミラー１４１、１４２と全反射ミラー
Ｍ２、Ｍ３が備えられている。また、各色光毎に液晶光
学素子７５Ｒ、７５Ｇ、７５Ｂとそれぞれの光路の後に
集光レンズ７３２Ｒ、７３２Ｇ、７３２Ｂが設けられて
いる。光路中の第１の絞り１７の共役像が形成される位
置に第２の絞り１８が配置されている。さらに、投射レ
ンズ１９を含む投射光学系が配置されている。

【００６２】図２３において、集光角は後述される投射
光の指向性を示す。本図に示すように、集光角が小さく
なればなるほど（より、平行光に近づくことを意味す
る）、コントラスト比が高くなり、集光角が大きくなれ
ばなるほどコントラスト比が低下する傾向がある。

【００６３】また、ＲＧＢの各帯域の主波長で計測した
Ｃ_R 、Ｃ_G 、Ｃ_B から分かるように波長に応じてコント
ラスト比の集光角依存性が変化する。したがって、一般
的にＬＣＳＭ−ＬＣＤを用いた場合、長波長ほどコント
ラスト比が低く、特に暗レベルにおける投射画像が灰色
とならず、茶褐色を帯びることとなる。さらに、図２０
に示したように、透明状態（Ｔ_ON）になりきらない中間
調領域においても、散乱状態（Ｔ_OFF ）と同様に長波長
ほど透過率（Ｔ_M ）は高くなる。

【００６４】一方、コントラスト比は表示素子への入射
光の指向性および投射光の指向性に依存し、指向性の高
いほどコントラスト比は高い値を示す。また、中間調領
域においても、散乱状態の透過率（Ｔ_OFF ）と同様に指
向性の高い光ほど透過率（Ｔ _M ）は低くなる。したがっ
て、長波長域の投射光ほど指向性の高い光となるような
光学系を設けることにより、投射画像のコントラスト比
における波長依存性および中間調領域における色バラン
スの変化を低減することが可能である。

【００６５】図１〜図４において、光源光学系における
発光源または二次的な放射光源の大きさ・形状によって
定まる開口径をＤ１とし、この発光源または二次的な放
射光源の共役像が形成される位置に配置されたその共役
像と同じ形状の開口部を有する絞りの開口径をＤ２とす
る。ここで、発光源の発光部に対応する場合、あるいは
発光源から放射された光を楕円鏡等で焦点位置に集光
し、その焦点位置に開口絞りを配置しその開口部を二次
的な放射光源とした場合、Ｄ１はその平均直径を意味す
る。

【００６６】すなわち、この発光部（図１〜４では第１
の絞りの開口面積に相当する）の総面積をＳ１とする
と、次式で定義される。

【００６７】

【数２】

【００６８】ここで、発光部が複数存在し、あるいは複
数の分離した領域または開口部ｓ_X（Ｘ＝１〜ｎ、ｎ≧
２）から開口絞りが構成されている場合、Ｓ１はその総
面積Σｓ_X で近似される。

【００６９】また、この発光部の共役像が生成される位
置に設けられる第２の絞りに関しても同様に、第２の開
口絞りの開口部の総面積をＳ２とすると、Ｄ２は次式で
表される。ここで、ｓ_Y もｓ_X と同様に定義される。Ｓ
２＝Σｓ_Y （Ｙ＝１〜ｎ、ｎ≧２）。

【００７０】

【数３】

【００７１】このとき、光源光学系から放出され透過散
乱型表示素子へ入射する光の指向性を表す分散角φ（φ
_A 、φ_B 、φ_C ）は、発光部と集光レンズおよび透過散
乱型表示素子の間隔のうちの短い方をＬ１とすると、次
式で近似される。

【００７２】

【数４】

【００７３】また、透過散乱型表示素子の透過光の内投
射光学系を通過してスクリーン等へ投射される出射光の
指向性を表す集光角δ（δ_A 、δ_B 、δ_C ）は、第２の
絞りと集光レンズおよび透過散乱型表示素子の間隔のう
ち、短い方をＬ２とすると、次式で近似される。

【００７４】

【数５】

【００７５】したがって、波長に応じて透過散乱型表示
素子への入射光および投射光の指向性φ、δを変えるた
めには、数４および数５で関係付けられたＤ１、Ｌ１、
Ｄ２、Ｌ２のいずれかを波長に応じて変えればよい。本
発明では、このうちＤ１とＤ２をスペクトル毎に実質的
に調整して指向性を改善することを意味する。

【００７６】投射画像のコントラスト比を劣化させない
で明るさすなわち投射効率を維持するためには分散角φ
と集光角δとをほぼ等しくなるようにＤ１、Ｌ１、Ｄ
２、Ｌ２を設定することが好ましい。Ｌ１とＬ２を調整
するには、光学レンズの焦点距離を変化させることが必
要となるためシステム全体の構成がより複雑になる。特
に、ＲＧＢ三色の色分離合成光学系を構成する場合には
三種類の光学レンズが必要となる。これに対してＤ１と
Ｄ２とを調整する場合には、色分離合成光学系を用いて
も単一の構成要素で達成することが可能となる。

【００７７】また、用いる透過散乱型表示素子の散乱能
が低い場合、第１の開口絞り、および第２の絞りが複数
の分離した領域または開口部ｓ_X 、ｓ_Y から構成されて
いる場合あるいは外周長の長い開口部の場合の方が単一
の円形開口絞りに比べてコントラスト比が増加するため
好ましい。なお、ここでは絞りとフィルタが実質的に一
体化されたものとして説明している。

【００７８】図２０、図２１、および図２３に示すよう
に透過率およびコントラスト比の波長依存性または集光
角依存性の傾向を示すＬＣＳＭ−ＬＣＤを用いた場合、
第１のフィルタ（１）および第２のフィルタ（２）の光
通過面に通過特性（透過およびカットオフ）の異なる複
数の領域を設ける。

【００７９】例えば、光をＢＧＲの三つの波長域に区分
し、そのうちいずれか二つの波長域を波長域Ａと波長域
Ｂとし、それぞれの波長域の中心波長をλ_A とλ_B と
し、またそれぞれの波長域がフィルタの光通過面に占め
る面積をＫ_A とＫ_B とした場合に、前記した数１の関係
を満たすように第１のフィルタ１および第２のフィルタ
２を構成することが好ましい。さらに、数６の関係を満
たすことがより好ましい。

【００８０】

【数６】

【００８１】なお、本発明において波長域を示すＲとは
およそ、５９０〜６７０ｎｍの波長帯域、Ｇとはおよそ
５００〜５６０ｎｍの波長帯域、Ｂとはおよそ４２０〜
４９０ｎｍの波長帯域を指している。用いる他の光学要
素との関係でカットオフ波長をシフトして用いてもよ
い。また、色純度を向上する等のために各波長帯域の間
に間隙を設けているが、その間隙量を全体システムとの
関係で調整することができる。

【００８２】

【実施例】

（実施例１）図５は投射型表示装置１０を示す。本実施
例では、光源１１は楕円鏡１２（回転楕円体鏡）の第１
焦点に配置されており、光源１１からでた光は楕円鏡１
２で反射され、ほぼ第２焦点位置に設けられた凸型の錐
体状プリズム３の平面側から入射し、光がその平面で屈
折してプリズム内を伝搬し、さらに錐体面で屈折し凸錐
体状プリズム３の錐面から出射することで、屈折透過を
経て出射した後の光束方位角分布が変化する。そして、
第１の集光レンズ１３１に入射し、ほぼ平行光となり透
過散乱型の液晶表示素子１５に入射する。

【００８３】液晶表示素子１５の機能層で散乱されずに
透過し、液晶表示素子１５を通過した非散乱光は、第２
の集光レンズ１３２により投射レンズ１９の位置にほぼ
集光され、図示されていないスクリーンに投射される
が、液晶表示素子１５で散乱された散乱光は、正規の光
路から外れ、例えば第２の絞り１８により除去されスク
リーンには投影されない。

【００８４】第１の絞り１７の開口近傍と第２の絞り１
８の開口近傍に、第１のフィルタと第２のフィルタがそ
れぞれ配置される。本実施例で用いるフィルタとは通過
する光の波長域（スペクトル）に応じて、それぞれの光
路面積と通過光量を調整できるよう形成されたフィルタ
のことである。実際には第１または第２の絞りとほぼ一
体的に構成されてもよい。

【００８５】ここで用いられる光源１１としては、放電
発光型のメタルハライドランプ、キセノンランプおよび
フィラメント発光型のハロゲンランプ等であるが、いず
れも光源部の電極、管球ガラス、保温膜、フィラメント
等の遮光部が存在し、光源から放出される光軸と平行方
位角度近傍の出射光が少ないとともに、楕円鏡１２から
の反射光も光軸と平行方位角度近傍の出射光成分が少な
い。

【００８６】その結果、錐体状プリズム３が用いられな
い図２２に示す従来例の場合、楕円鏡１２の第２焦点に
おける光軸とのなす角度が約１０゜以下の光が不足し、
透過散乱型表示素子（７５Ｒ、７５Ｇ、７５Ｂ）の中心
付近に影が生じたが、錐体状プリズム３を用いた場合、
プリズム界面での屈折により光束方位角が変化し、光軸
とのなす角度が約１０゜以下の光の不足を補い、透過散
乱型表示素子の中心付近の光強度不均一性を修正し均一
化された。

【００８７】なお、錐体状プリズムは図示した配置以外
にその平面を出射面側に、錐面を入射面側に配置しても
用いることができる。また、この場合平面側に本発明の
フィルタを設けることができるのでより簡便な一体的な
構造をとることができるのでより好ましい。虹彩絞りを
用いて開口口径を調節する場合に有利となる。

【００８８】また、光源光学系の集光鏡としては通常回
転楕円鏡が用いられるが、原理的には二次的に点光源を
形成する機能を有していればよい。例えば、指向性が低
下するが放物面鏡と集光レンズを組み合わせたものがあ
る。また、楕円鏡としては滑らかな二次曲面を用いたも
のでなく、微小領域を複雑に組み合わせて、全体として
楕円鏡を構成するマルチミラー楕円鏡を用いることがで
きる。また、二種類以上の楕円面を組み合わせた楕円鏡
を用いることができる。また、絞りの形状や液晶表示素
子の形状に合わせて、光軸を法線とする面において、楕
円鏡の断面が略楕円を示すような扁平な楕円鏡体を用い
ることができる。

【００８９】本実施例（図５）を構成する各部について
説明する。本実施例では、ＩＴＯ透明電極が形成された
対向基板と画素ＩＴＯ電極毎にＴＦＴが形成されたアク
ティブマトリクス駆動基板を用い、シール材を塗布して
一定の空間ギャップを有するセルを作製する。その後、
セル中に液晶と高分子の混合液を注入し、紫外線を照射
して高分子を硬化せしめて樹脂としＬＣＳＭを形成す
る。特に、高分子を用いて形成したものを液晶高分子複
合体（リキッドクリスタルポリマーコンポジッ
ト：以下ＬＣＰＣと呼ぶ）と呼ぶ。

【００９０】そして透過散乱型の液晶表示素子とした。
ここで、液晶表示素子中に設けられたＬＣＰＣ層は正の
誘電異方性のネマチック液晶を樹脂中に分散保持せしめ
られた形態を有している。この場合、いわゆる液晶カプ
セルは一部が連通しているか、またはほぼ独立粒子の形
態を有していることが高い散乱能を得るために好まし
い。

【００９１】この液晶表示素子１５の表示部は対角３サ
イズ、画素の開口率は４０％で、その最大透過率は３０
％である。

【００９２】光源光学系としては、光源１１（発光アー
ク長４ｍｍ、１５０Ｗのメタルハライドランプ）、楕円
鏡１２（第１焦点距離ｆ１＝２２ｍｍ、第２焦点距離ｆ
２＝１０５ｍｍ、奥行全長Ｈ＝５０ｍｍ）、凸型錐体状
プリズム１（頂角α１＝１１４゜、底面断面直径３０ｍ
ｍ、高さ１２ｍｍ、ただし錐体状プリズムの傾斜面の高
さは９. ７４ｍｍ）を用いる。集光レンズとして、第１
の集光レンズ１３１（焦点距離１５０ｍｍの平凸レン
ズ）と、第２の集光レンズ１３２（焦点距離１５０ｍｍ
の平凸レンズ）を用いる。

【００９３】また、楕円鏡１２の第２焦点位置近傍で錐
体状プリズム３と集光レンズ１３１との間に開口径可変
の虹彩絞りを用いた第１の絞り１７を設ける。

【００９４】この液晶表示素子１５を透過した光のう
ち、第２の絞り１８を通過した光のみが、投射レンズ１
９を通してスクリーン上に液晶表示画像として結像され
る。

【００９５】このとき、第１の絞り１７の開口径の共役
像が第２の集光レンズ１３２によって結像される位置で
ある投射レンズの瞳位置に、開口径可変の虹彩絞りを同
様に用いた第２の絞り１８を配置する。

【００９６】次に、本実施例における光の指向性を波長
に応じて異なるようにする構成を以下に説明する。

【００９７】第１の絞り１７の開口近傍および第２の絞
り１８の開口近傍に、図６に示すような光軸を対称軸と
した放射状の第１のフィルタ１と第２のフィルタ２をそ
れぞれ設置し、長波長域ほど開口径に占める面積が小さ
いようにする。その分光特性を図７に示す。

【００９８】具体的には、図６に示すようにＲ・Ｇ・Ｂ
の三色のスペクトル毎に光路面積が分割されたフィルタ
を用いる。このフィルタは各色の波長域に応じた占有面
積Ｓに応じて上述した数３、数４より開口径を定める。
また、式数４、数５によって分散角φおよび集光角δが
定まる。ここではδ＝φとし、第１の集光レンズ１３１
と第２の集光レンズ１３２の焦点距離が１５０ｍｍのた
めＬ１＝Ｌ２＝１５０ｍｍである。よって、Ｒに関して
δ＝６°とすると、占有面積はＫ_R ＝１. ９５ｃｍ² と
なる。

【００９９】ここで、液晶表示素子の特性との関係につ
いて述べる。図２３に示すコントラスト比の波長依存性
および集光角依存性を有するＬＣＰＣ層を備えた透過散
乱型の液晶表示素子を用いた場合、ＧおよびＢにおいて
もＲと同程度のコントラスト比をうるためには、集光角
δを６. ６°（Ｇ）、７. ４°（Ｂ）とすればよい。

【０１００】したがって、第１のフィルタ１および第２
のフィルタ２において波長域Ｇ、Ｂに対する各占有面積
はＫ_G ＝２. ３６ｃｍ² 、Ｋ_B ＝２. ９８ｃｍ² とな
る。すなわち、図６のフィルタのＲＧＢの占有面積比
が、Ｋ_R ：Ｋ_G ：Ｋ_B ＝１：１.２１：１. ５３を満た
すように分割されていればよい。図６の例では、Ｒ・Ｇ
・Ｂそれぞれ二か所の領域を有しており、合計で６分割
されている。

【０１０１】そして、開口部の円形形状をほぼ保ったま
ま、その外周を大きくするか、小さくして開口面積を可
変する虹彩絞りが第１の絞り１７と第２の絞り１８とし
て用いられる。実際の開口径を決定する虹彩絞りよっ
て、全体の開口面積をＳ＝Ｋ_R+K_G ＋Ｋ_B ＝７. ２９ｃ
ｍ² となるように、すなわち、開口直径を３０. ５ｍｍ
とすればよい。この場合、投射画像の波長依存性が低減
されて、ほぼ可視光域全般にわたってコントラスト比１
００：１以上が得られる。

【０１０２】第１のフィルタ１と第２のフィルタ２の色
分割を図６のような形状にすることにより、開口径Ｄ
１、Ｄ２が虹彩絞りによって変化しても波長域毎の面積
比は変わらずにほぼ一定となる。したがって、投射画像
を利用しようとする周囲の明るさに応じて開口径Ｄ１、
Ｄ２を虹彩絞りによって変化させることにより、投射画
像の明るさとコントラスト比を同時に調整することがで
きる。或る明るさ環境のもとで、最適なコントラスト比
を得るように両開口絞りを設定しても、見やすい表示が
得られるうえにも色バランスも一定となる。

【０１０３】一般に、点光源でない光源を用いた場合、
光源光学系から指向性の高い光を効率よく得ることは難
しく、分散角φが小さな程光利用効率は低下する。した
がって、本実施例のようにＲ・Ｇ・Ｂの指向性が波長域
毎に異なり、長波長側ほど集光角δ＝φが小さな場合、
投射光束の比率は光源から放出される光のスペクトル分
布に比べて相対的に長波長光が減少した配分となりやす
い。

【０１０４】したがって、投射用光源として用いられる
ランプの発光スペクトルはＲ成分を比較的多く含んだ色
温度の低いものが好ましい。具体的には、色温度が３０
００Ｋ〜７０００Ｋの発光スペクトルを有するランプが
有効である。

【０１０５】特に、色温度の低いハロゲンランプを投射
用光源として用いた場合において、二次放射光源光そし
て投射画像光の色温度を高くし自然色に近い白色に改善
される。

【０１０６】図６では、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）
の三色に対するそれぞれの占有面積Ｋ_R 、Ｋ_G 、Ｋ_B
が、

【０１０７】

【数７】

【０１０８】の大小関係を満足するように、Ｒ・Ｇ・Ｂ
三色の透過型干渉フィルタが用いられる。その分光透過
率を模式的に図７に示す。図６にはフィルタをＲＧＢ合
わせて６分割した例を示したが、他の分割数でもよい。
分割数が多ければ、画面全体の光量分布もさらに均一化
されるので好ましい。少ない分割数でもシュリーレン光
学系の光路中における光の拡散作用で実効的に問題のな
い投射画像が得られる。実用的には６〜１８分割程度が
用いられ得る。さらに好ましくは、１２〜１８分割が用
いられる。

【０１０９】このような目的に用いられるフィルタは、
高い耐熱性および耐光性が要求されるため、光吸収型フ
ィルタより透過反射型フィルタである誘電体多層膜干渉
フィルタを用いることが好ましい。この場合、色分離特
性および透過率が光吸収型フィルタに比較して優れてい
るため、色純度の高い分光フィルタとなる。

【０１１０】誘電体多層膜干渉フィルタは基板上に真空
蒸着法やスパッタリング法により屈折率の異なる誘電体
膜を交互に積層することにより形成される。また、図６
のようなＲＧＢのフィルタのパターニングは、マスク蒸
着法や下地の銅膜をレジストの代用としたリフトオフ等
の従来技術により形成が可能である。

【０１１１】他のフィルタ構成として、図８に示すよう
に開口部の一部に放射状にＲのみ反射し、ＢＧを透過す
る干渉フィルタとＲＧのみ反射し、Ｂを透過する干渉フ
ィルタと、残りの領域（Ｗ）は全波長域を透過する透過
面とを形成し、数７の大小関係を満足するようにしても
よい。その分光透過率を図９に示す。

【０１１２】また、用いられるフィルタは必ずしも光軸
を対称軸とした放射状である必要はなく、図１０に示す
ようなストライプ状、図１１に示すような格子状（ジグ
ザグ・モザイク）、図１２に示すような斑点状（円
形）、図１３に示すような中心部に完全な開口を有する
ドーナツ形状でもよい。何れの場合も、ＲＧＢ三色に対
するそれぞれの占有面積Ｋ_R 、Ｋ_G 、Ｋ_B が式（５）の
大小関係を満足するように構成されていればよい。ま
た、開口形状は円形状である必要はなく、矩形状でもよ
い。

【０１１３】本発明のフィルタは、誘電体多層膜干渉フ
ィルタが形成されたガラス基板を光路中に設けてもよい
し、上述した光源光学系中の錐体状プリズム３の光出射
側の表面（錐面または平面）に形成されてもよい。ま
た、耐熱性および耐光性の点で許容し得る範囲であるな
らば光吸収型のフィルタを用いてもよい。

【０１１４】光源光の高い指向性を確保するには、錐体
物（錐体状プリズムまたは錐体状反射体）を用いるのが
好ましいが、錐体物の代わりにレンズアレイや拡散板を
設置して投射光の均一性を改善してもよい。錐体物を用
いた場合、光の集光角として２°〜１０°、好ましくは
６°〜１０°の光源光が得られる。高い光源光利用効率
と高指向性とを両立させることができる点に大きな特徴
がある。

【０１１５】本実施例では光路中に設けられたフィルタ
の透過光を利用する構成を示したが、反射型の色分離フ
ィルタ（ダイクロイックミラ−）を用いてもよい。例え
ば、図１４に示すように、ＲＧＢの各色を反射するダイ
クロイックミラ−の各色に対する領域ｒ、ｇ、ｂのそれ
ぞれの占有面積Ｋ_r 、Ｋ_g 、Ｋ_b が数７の大小関係を満
足するように用いられる。その分光反射率を図１５に示
す。反射型で用いた方が、光損失が少なくシステム全体
での光利用効率がさらに向上する。

【０１１６】この場合、錐体状プリズムの代わりに図２
４に示すような錐体状反射体（凸型の頂角α２＝１６５
゜、底面断面直径３０ｍｍ、高さ１２ｍｍ、ただし錐体
状反射体の傾斜面の高さは１. ９７ｍｍ）を用い、その
傾斜面（錐面）上に上述のダイクロイックミラーを形成
する。

【０１１７】また、赤外線と紫外線を透過・吸収し、可
視光のみを反射するコールドミラーが大半の開口部を占
有し、部分的にＲのみ透過または吸収、ＲＧのみ透過ま
たは吸収する色分離フィルタが形成されていてもよい。

【０１１８】このような反射型の色分離フィルタ（ダイ
クロイックミラー）の場合も、錐体状反射体の表面ある
いはレンズアレイや拡散板の表面にダイクロイックミラ
ーを形成して構成してもよい。

【０１１９】その結果、本発明によれば、投射画像のコ
ントラスト比の対波長依存性が低減され、単一の透過散
乱型の液晶表示素子を用いた場合でも、暗レベルから明
レベルにわたって色ズレの少ない白黒諧調性を有する投
射画像が効率よく得られるとともに、高いコントラスト
比と明るく均一性の高い投射画像が達成される。

【０１２０】なお、本実施例において、透過散乱型の液
晶表示素子の対向電極基板に画素毎にモザイク状のＲＧ
Ｂカラーフィルタが形成されたカラー液晶表示素子を用
いることにより、単一の透過散乱型表示素子を用いた投
射型カラー表示装置が、上述したような特性改善をとも
なって実現できる。

【０１２１】なお、同じ絞り開口面積で比較すると、フ
ィルタを用いない場合に比して本実施例では光源光がフ
ィルタの部分でおよそ１／３程度損失することになる。
しかし、本実施例のフィルタを用いる場合には、開口径
を大きくして全体の光量を上げるようにし、かつ分割さ
れた各領域に対応した波長域の光における高指向性を確
保する。

【０１２２】例えば、或る対角サイズの液晶表示素子お
よびその他の光学要素の条件のもとで、フィルタなしで
集光角５°〜６°を得るのにおよそ１．５ｃｍの開口径
（第１の絞り）であったとする。本実施例のフィルタを
配置する場合には、１．７ｃｍ程度として、その開口径
を大きくする。そして全体の光量を同程度とし、さらに
集光角は同等またはそれ以上とすることができる。

【０１２３】（実施例２）実施例１において、単一の透
過散乱型表示素子の代わりに、同仕様のＬＣＰＣ層を備
えた三枚の透過散乱型の液晶表示素子（三枚はほぼ同一
規格のものであってほぼ同じ特性を有する）をＲＧＢの
各色毎に用いた。その投射型表示装置２０のシステム全
体構成を図１６に示す。

【０１２４】光源光学系を出射した光は色分離合成系と
して用いられる二種のダイクロイックミラー１４１ａ、
１４１ｂによってＢ・Ｇ・Ｒの三色に色分離された後、
第１の集光レンズ１３１Ｂ、１３１Ｇ、１３１Ｒにそれ
ぞれ入射し、ほぼ平行光となる。

【０１２５】液晶表示素子１５Ｂ、１５Ｇ、１５Ｒを通
過した非散乱光は、第２の集光レンズ１３２Ｂ、１３２
Ｇ、１３２Ｒにより投射レンズ１９の位置に集光され投
射光学系レンズにより図示されていないスクリーンに投
射されるが、散乱光は第２の絞り１８により除去されス
クリーンには投影されない。他の構成は、実施例１と同
様の構成とする。

【０１２６】また、従来例として示した図２２の投射型
表示装置１００の光学系において、第１の絞り１７の近
傍と第２の絞り１８の近傍にそれぞれ本発明の第１のフ
ィルタ１、第２のフィルタ２をさらに設置してもよい。

【０１２７】このように、三枚の同一構造の透過散乱型
表示素子を用いたシステム構成にフィルタを組み合わせ
て用いることにより、従来例に比べて明るさが向上する
とともに、単板型モザイクカラーフィルタのパネルに比
して表示素子の精細度が高く維持された投射型カラー表
示装置が実現できる。

【０１２８】また、同一構造の透過散乱型表示素子を用
いても、ＲＧＢの色の相違にともなうコントラスト比の
相違が低減されるため、波長毎に表示素子を作り分ける
必要がなくなる。この場合、単一製品の大量生産が可能
となり有利なシステム構成といえる。

【０１２９】本実施例では、通常色分離合成系として用
いられる４５°入射角のダイクロイックミラーの代わり
に、色純度を低減することなく、光利用効率を向上する
ために入射角が約３０°になるようにダイクロイックミ
ラーを配置したが、従来通り４５°入射角のダイクロイ
ックミラー配置でも構わない。

【０１３０】また、少なくとも第１のフィルタとして図
７または図１５に示すような分光特性を有するものを用
いることにより、光源光のＲＧＢの波長域の色純度が規
定され得るため、色分離合成光学系に用いられるダイク
ロイックミラーの色分離合成波長精度は緩和される。特
に、ＧおよびＲの色純度を劣化させる原因となる５７０
〜５９０ｎｍの波長域の黄色光を第１のフィルタで除去
しておくことにより、Ｇ・Ｒの高い色純度が達成され
る。

【０１３１】（実施例３）実施例１において、透過散乱
型の液晶表示素子の光入射側と反対側に光反射層を形成
することにより、反射型の液晶表示素子とする。具体的
には、画素毎に形成されたＩＴＯ透明電極を反射電極と
して、対向電極側から光を入射する構成とする。反射電
極はアルミニウム、銀等の金属膜でもよいし、屈折率の
異なる透光性誘電体膜を光波長オーダの膜厚で、屈折率
を変化せしめ（屈折率大／屈折率小）て交互に積層した
構成である誘電体多層膜ミラーでも構わない。

【０１３２】このような反射型表示素子を用い、図１７
と図１８に示すような投射型表示装置３０を作製する。
反射型液晶表示素子の反射面の垂線に対して入射光は２
〜１０°（あおり角）程度傾斜させて入射することによ
り、光源光学系から出射された光は光軸ａｘに沿って進
み集光レンズ１３により反射型の液晶表示素子１５に集
光される。この入射光が液晶表示素子１５の反射面で正
規反射され（その入射角をτとする）、再び集光レンズ
１３を通過して光源光学系の第１の開口絞り１７と共役
な像が第１の開口絞り１７と重ならない位置に結像され
る。この共役像位置に第２の絞り１８が配置される。

【０１３３】ここで、第１の開口絞り１７および第２の
開口絞り１８の近傍に配置されるフィルタは実施例１と
同様であり、種々の形態が用いられ得る。また、不要な
界面反射の投射像への重畳を回避するため、対向基板の
ＩＴＯ電極面に反射防止膜や微細な凹凸を形成する、さ
らに集光レンズを対向基板に接合して界面をなくす等に
より界面反射を低減することが好ましい。

【０１３４】透過散乱型の液晶表示素子１５を反射型で
用いることにより、ＬＣＰＣ層を光が往復するため、散
乱能が透過型に比べて飛躍的に向上し、その結果、投射
画像のコントラスト比が向上する。

【０１３５】実施例１と同様に、画素毎にモザイク状の
ＲＧＢカラーフィルタが形成されたカラー表示素子を用
いることにより、単一の透過散乱型の液晶表示素子を用
いたフルカラーの投射型表示装置３０が実現できる。

【０１３６】（実施例４）実施例３の光学系において、
単一の反射型構成の透過散乱型表示素子の代わりに、同
じ構成の三枚の反射型の透過散乱型の液晶表示素子をＲ
ＧＢの各色毎に用いた。その投射型表示素子４０の全体
構成を図１９に示す。

【０１３７】光源光学系を出射した光は色分離合成系と
して用いられる二種のダイクロイックミラー１４４、１
４５によってＲ・Ｇ・Ｂの三色に色分離された後、集光
用レンズ１３Ｂ、１３Ｇ、１３Ｒにそれぞれ入射し、ほ
ぼ平行光となる。

【０１３８】反射層を裏面に備え、透過散乱型の動作モ
ードを有する液晶表示素子１５Ｂ、１５Ｇ、１５Ｒを反
射・往復して通過した非散乱光は、集光レンズ１３Ｂ、
１３Ｇ、１３Ｒにより投射レンズ１９の位置に集光され
図示されていない投射光学系レンズにより同じく図示さ
れていないスクリーンに投射されるが、散乱光は第２の
絞り１８により除去されスクリーンには投影されない。

【０１３９】また、反射型の液晶表示素子１５の表示部
の対角長は２サイズ（インチ）で、集光鏡として楕円鏡
１２ａ（第１焦点距離ｆ１＝２０ｍｍ、第２焦点距離ｆ
２＝１００ｍｍ、奥行全長Ｈ＝２５ｍｍ）と球面鏡１２
ｂ（曲率半径Ｒ＝４５ｍｍ、表示素子側開口径ＤＱ＝４
５ｍｍ）からなる複合集光鏡を用い、球面鏡の曲率中心
を楕円鏡の第１焦点に一致するように配置する。

【０１４０】また、凸型錐体状プリズム３（頂角１３０
゜、底面断面直径４０ｍｍ、高さ１２ｍｍ、ただし錐体
状プリズム３の傾斜面の高さは９. ３３ｍｍ）と、その
出射面側の錐面に第１のフィルタ１を設ける。また、第
２のフィルタ２を第２の絞り１８の後に配置する。他の
構成は、実施例３とほぼ同様とする。

【０１４１】このような三枚の同一構造の透過散乱型表
示素子を用いた構成とすることにより、実施例３に比べ
て明るさが向上するとともに表示素子の精細度が高く維
持される。

【０１４２】特に、光源光学系において、集光鏡を楕円
鏡と球面鏡の複合鏡とすることにより、さらにシステム
全体として集光効率が向上し投射画像の明るさが増す。

【０１４３】本実施例では、通常色分離合成系として用
いられる４５°入射角のダイクロイックミラー、４５°
入射ダイクロイックプリズムの代わりに、色純度を低減
することなく、光利用効率を向上するために入射角が約
３０°になるようにダイクロイックミラーを配置した
が、従来通り４５°入射角のダイクロイックミラー、ダ
イクロイックプリズム等を用いた構成でもよい。

【０１４４】（実施例５）実施例１の光学系において、
アクティブマトリクス基板の代わりにＩＴＯ透明電極が
全面に形成された基板を二枚用いてセルを作製し、透過
散乱型シャッターとする。そして、投射レンズの代わり
に光ファイバーを束ねてバンドル・ファイバーとしたも
のを第２の絞り１８の直後に配置する。他の構成は実施
例１と同じである。

【０１４５】また、本発明では上述した投射型表示装置
に用いることのできる各種のフィルタを提供する。その
各波長域に応じた領域の面積およびパターニング配置を
変更することで種々のＬＣＳＭ−ＬＣＤや、その他の透
過散乱型表示素子に適用することができる。

【０１４６】また、本発明の投射型表示装置を一つの光
学装置として照明装置に用いることにより、色温度変化
の少ない高速調光装置が得られる。また、実施例３と同
様に反射型の透過散乱型シャッターを用いて照明装置と
してもよい。

【０１４７】

【発明の効果】本発明の投射型表示装置では、同じ素子
構成である単一または複数の透過散乱型の液晶表示素子
を用いているにもかかわらず、投射画像のコントラスト
比における波長依存性が低減され、高い色再現性が達成
される。

【０１４８】また、従来の透過散乱型表示素子を用いた
投射型表示装置に比べて、同じコントラスト比の場合に
はより高い光利用効率が得られ、同じ光利用効率の場合
にはより高いコントラスト比が得られる。

【０１４９】また、フィルタの色分離フィルタのＲＧＢ
分光特性を適当に定めることにより、光源の発光スペク
トルを補正することも可能であり、色純度の改善がなし
得る。

【０１５０】実施例１の効果は、特に単板パネルを用い
ているため、小型の投射型表示装置が得られる。

【０１５１】実施例２の効果は、特に三枚パネルを用い
ているため、画像の精細度を低下しないで明るい投射型
表示装置が得られる。

【０１５２】実施例３の効果は、特に単板反射型パネル
を用いているため、透過型パネルに比べて、同じ明るさ
で高いコントラスト比、あるいは同じコントラスト比で
より明るい投射型表示装置が得られる。

【０１５３】実施例４の効果は、特に三板反射型パネル
を用いているため、画像の精細度を低下させないで、明
るい投射型カラー表示装置が得られる。

【０１５４】本発明は、その効果を失わない範囲で他の
種々の応用に用いることができる。例えば、液晶光学素
子を用いたレーザシャッタや光導電材料を反射型ＬＣＳ
Ｍ−ＬＣＤの画像書き込み媒体として用いた空間光変調
器（ＳＬＭ等）に用いられ得る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の表示素子と集光レンズとの配置関係の
第１例を示す模式図。

【図２】本発明の表示素子と集光レンズとの配置関係の
第２例を示す模式図。

【図３】本発明の表示素子と集光レンズとの配置関係の
第３例を示す模式図。

【図４】本発明の表示素子と集光レンズとの配置関係の
第４例を示す模式図。

【図５】本発明の投射型表示装置の実施例１を示す模式
図。

【図６】本発明におけるフィルタの第１例の平面図。

【図７】第１例のフィルタの分光透過率特性を示すグラ
フ。

【図８】本発明におけるフィルタの第２例の平面図。

【図９】第２例のフィルタの分光透過率特性を示すグラ
フ。

【図１０】本発明におけるフィルタの第３例の平面図。

【図１１】本発明におけるフィルタの第４例の平面図。

【図１２】本発明におけるフィルタの第５例の平面図。

【図１３】本発明におけるフィルタの第６例の平面図。

【図１４】本発明におけるフィルタの第７例の平面図。

【図１５】第７例のフィルタの分光透過率特性を示すグ
ラフ。

【図１６】本発明の投射型表示装置の実施例２を示す模
式図。

【図１７】本発明の投射型表示装置の実施例３の平面の
模式図。

【図１８】本発明の投射型表示装置の実施例３の側面の
模式図。

【図１９】本発明の投射型表示装置の実施例４の模式
図。

【図２０】従来の投射型表示装置を用いた場合における
液晶固化物複合体を備えた液晶表示素子の分光特性を示
すグラフ。

【図２１】従来の投射型表示装置を用いた場合の透過散
乱型の表示素子のコントラスト比の波長依存性を示すグ
ラフ。

【図２２】従来例の投射型表示装置を示す模式図。

【図２３】従来の透過散乱型の投射型表示装置を用いた
場合のコントラスト比の波長依存性と集光角依存性を示
すグラフ。

【図２４】本発明の投射型表示装置の実施例５のおける
光源光学系を示す模式図。

【符号の説明】

１、２：フィルタ３：錐体状プリズム４：錐体状反射体１０、２０、３０、４０、５０：投射型液晶表示装置１１：光源１２、１２Ａ：楕円鏡１２Ｂ：球面鏡１３：集光レンズ１５：液晶表示素子１７：第１の絞り１８：第２の絞り１９：投射レンズ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源を備えた光源光学系と、透過散乱型の
液晶表示素子と、投射光学系とが設けられ、光源光学系と液晶表示素子と投射光学系とがシュリーレ
ン光学系を構成するように配置され、光源から発した光が液晶表示素子を通過せしめられ、そ
の後に投射光学系から投射される投射型表示装置であっ
て、光源から液晶表示素子に至る光路中に仮想光源が設定さ
れ、その仮想光源の位置にフィルタが配置され、フィルタの光通過面は複数の領域を備え、少なくとも一つの領域は光の或る波長域のみを通過せし
め、さらに、仮想光源から投射光学系に至る光路中であっ
て、仮想光源の非結像位置に液晶表示素子が配置されて
なることを特徴とする投射型表示装置。
【請求項２】光源を備えた光源光学系と、透過散乱型の
液晶表示素子と、投射光学系とが設けられ、光源光学系と液晶表示素子と投射光学系とがシュリーレ
ン光学系を構成するように配置され、光源から発した光が液晶表示素子を通過せしめられ、そ
の後に投射光学系から投射される投射型表示装置であっ
て、光源から液晶表示素子に至る光路中に仮想光源が設定さ
れ、その仮想光源の位置に第１のフィルタ（１）が配置さ
れ、第１のフィルタ（１）の光通過面は複数の領域を備え、少なくとも一つの領域は光の或る波長域のみを通過せし
め、さらに、仮想光源から投射光学系に至る光路中であっ
て、仮想光源の非結像位置に液晶表示素子が配置され、さらに、液晶表示素子の後の光路中であり、第１のフィ
ルタ（１）の結像位置に第２のフィルタ（２）が配置さ
れてなることを特徴とする投射型表示装置。
【請求項３】光源光学系と、透過散乱型の液晶表示素子
（１５）と、投射光学系とが設けられ、光源光学系から発した光源光が液晶表示素子（１５）を
通過せしめられ、その後に投射光学系から投射される投
射型表示装置であって、光源光学系には光源（１１）と楕円鏡（１２）と第１の
絞り（１７）とが備えられ、楕円鏡（１２）の第１焦点
の位置近傍に光源（１１）、楕円鏡（１２）の第２焦点
の位置近傍に第１の絞り（１７）が配置され、第１のフィルタ（１）が第１の絞り（１７）の近傍にさ
らに配置され、第１のフィルタ（１）の光通過面に複数の領域ｓ_X （Ｘ
＝１〜ｎ、ｎ≧２）が備えられ、少なくとも一つの領域
は光の或る波長域のみを通過せしめ、液晶表示素子（１５）の散乱能が低い波長域に対応した
第１のフィルタ（１）の領域の実効開口面積が、散乱能
が高い波長域に対応した第１のフィルタ（１）の領域の
実効開口面積よりも相対的に小さくなるように設けら
れ、光源光学系から投射光学系に至る光路の液晶表示素子
（１５）の前または後のいずれか一方、または前後の両
方の位置に集光レンズ（１３、１３１、１３２）が設け
られ、第１の絞り（１７）を通過した拡散光が集光レンズ（１
３、１３１、１３２）によって集光され、第１の絞り
（１７）の共役な像が投射光学系のほぼ瞳位置に結像さ
れ、その結像面の近傍に第２の絞り（１８）が設けられ、第２の絞り（１８）の開口形状が第１の絞り（１７）の
共役像とほぼ一致するように形成され、さらに、第２のフィルタ（２）が第２の絞り（１８）の
近傍に設けられ、第２のフィルタ（２）の光通過面に第１のフィルタ
（１）と同様に複数の領域ｓ_Y （Ｙ＝１〜ｎ、ｎ≧２）
が備えられ、少なくとも一つの領域は液晶表示素子（１
５）と第２の絞り（１８）を通過する光の或る波長域の
みを通過せしめることを特徴とする投射型表示装置。
【請求項４】請求項２または３の投射型表示装置におい
て、第１のフィルタ（１）または第２のフィルタ（２）の光
通過面に、または第１のフィルタ（１）と第２のフィルタ（２）の
両方の光通過面に、中心波長がλ_A の波長域Ａのみを通過せしめる領域ｓ_A
と、中心波長がλ_B の波長域Ｂのみを通過せしめる領域ｓ_B
とが形成され、領域ｓ_A と領域ｓ_B が光通過面に占める面積をそれぞれ
Ｋ_A とＫ_B とすると、０．５≦（Ｋ_A ／Ｋ_B ）^0.5 ×（λ_A ／λ_B ）≦１．５の関係を満たすように構成されてなることを特徴とする
投射型表示装置。
【請求項５】請求項２または３の投射型表示装置におい
て、第１のフィルタ（１）または第２のフィルタ（２）のい
ずれか一方、または第１のフィルタ（１）と第２のフィルタ（２）の
両方がＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の三つの波長域に
応じた領域を備え、各領域の実効開口面積Ｋ_R 、Ｋ_G 、Ｋ_B が液晶表示素子
の散乱能に応じて変化せしめられてなることを特徴とす
る投射型表示装置。
【請求項６】請求項５の投射型表示装置において、第２のフィルタ（２）のＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）
の三つの波長域に応じた各領域の開口形状が、第１のフィルタ（１）のＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）
の三つの波長域に応じた各領域の開口形状の共役像とほ
ぼ一致するように設けられてなることを特徴とする投射
型表示装置。
【請求項７】請求項１〜６のいずれか１項の投射型表示
装置において、フィルタを通過する光の波長域に応じて区分された各領
域が扇形であり、かつ全体として略放射状に配置された
フィルタが用いられてなることを特徴とする投射型表示
装置。
【請求項８】請求項１〜７のいずれか１項の投射型表示
装置において、液晶表示素子は電極付き基板間に、正の
誘電異方性のネマチック液晶が固化物マトリクス中に分
散保持された液晶固化物複合体を有し、かつ固化物マト
リクスの屈折率が用いられる液晶の常光屈折率（ｎ₀ ）
と一致せしめられた透過散乱型の液晶表示素子であるこ
とを特徴とする投射型表示装置。