CN102628974A

CN102628974A - 分布型偏光片及投射型液晶显示装置

Info

Publication number: CN102628974A
Application number: CN2012100249674A
Authority: CN
Inventors: 网干和敬
Original assignee: JVCKenwood Corp
Current assignee: JVCKenwood Corp
Priority date: 2011-02-07
Filing date: 2012-02-06
Publication date: 2012-08-08
Also published as: US20120200788A1; JP2012163786A

Abstract

提供一种分布型偏光片及投射型液晶显示装置，分布型偏光片可控制照明光的偏振方向，并且投射性液晶显示装置通过使用分布型偏光片可实现高辉度化、或高对比度化、或可同时实现这两者，分布型偏光片(4)至少具有：具有第1透过轴方向的第1区域；具有与第1透过轴方向不同的第2透过轴方向的第2区域；以及具有与第1、第2透过轴方向的任意一个均不同的第3透过轴方向的第3区域，投射型液晶显示装置在照明系统的光瞳位置设置分布型偏光片(4)。

Description

分布型偏光片及投射型液晶显示装置

技术领域

本发明涉及一种分布型偏光片及使用了它的投射型液晶显示装置。

背景技术

在使用了透射型液晶显示元件的投影仪中，一般在液晶显示元件的入口及出口设置用于将偏振(偏光)提供到液晶显示元件的偏光片、及对经液晶显示元件调制的偏振成分进行检偏的检偏件。并且，在使用了反射型液晶显示元件的投影仪中，一般在液晶显示元件附近设置偏振分束器(PBS)，其兼具将偏振提供到液晶显示元件的偏光片及对经液晶显示元件调制的偏振成分进行检偏的检偏件的作用。作为提高使用了这些液晶显示元件的投射型显示装置的对比度的方法，除了设置在液晶显示元件附近的偏光片、检偏件、PBS外，在照明光学系统的光路上附加配置偏光片，提高对比度。

在专利文献1、专利文献2中，对反射型投影仪，公开了如下构成：为实现较高的对比度，在作为照明光学系统的配件的偏振变换元件和PBS之间，作为偏光片追加配置起到偏光片作用的线栅式偏振分束器。并且在专利文献3中，提出了将线栅式偏振分束器作为PBS使用的反射型投影仪的方案，其中公开了：通过旋转追加的偏光片，使对比度或光的效率、或这两者优化。这些专利文献中公开的偏光片的前提是，偏振轴在面内是同一方向。

专利文献1：日本特开2003-195221号公报

专利文献2：日本特开2008-275909号公报

专利文献3：日本特开2004-46156号公报

发明内容

如专利文献1～3所示，在反射型投影仪中，现有的偏光片的特性是，在板状的面内具有一样的偏振特性。但是，照明光学系统基本上是非远心的光学系统，并不只存在和光轴平行的光，因此将偏振特性在面内一样的偏光片追加设置到照明光学系统时，在整个区域使画面对比度优化存在界限。在反射型液晶投影仪中，从追加设置到照明光学系统的偏光片射出、入射到线栅式偏振分束器的边界面的各场所的偏振的偏振方向，在所有边界面中，无法与线栅式偏振分束器的偏振轴一致。

本发明鉴于这一问题而出现，其目的在于提供一种可控制照明光的偏振方向的分布型偏光片。并且其目的在于，提供一种通过使用分布型偏光片可实现高辉度化或高对比度化、或这两者的液晶显示装置。

本发明为解决上述现有技术的课题，提供一种分布型偏光片(4)，其特征在于至少具有：具有第1透过轴方向的第1区域；具有与上述第1透过轴方向不同的第2透过轴方向的第2区域；以及具有与上述第1、第2透过轴方向的任意一个均不同的第3透过轴方向的第3区域。

在上述构成中优选，相对于上述第1透过轴方向，上述第2透过轴方向向规定方向倾斜2度到14度地设置，相对于上述第1透过轴方向，上述第3透过轴方向向和上述规定方向不同的方向倾斜2度到14度地设置。

并且，提供一种投射型液晶显示装置，其特征在于具有：光源(1a)；照明光学系统，将来自上述光源的光向反射型液晶元件(12)照明；偏振分束器(10)，使从照明光学系统入射的光偏振，并且对经上述反射型液晶元件调制的调制光进行检偏；反射型液晶元件(12)，对经上述偏振分束器偏振的光进行调制；投射透镜(15)，投射经上述偏振分束器检偏的光；以及配置在上述照明光学系统的光瞳位置的上述构成的分布型偏光片(4、40)。

在上述投射型液晶显示装置中优选，上述偏振分束器是线栅式偏振分束器。

根据本发明涉及的分布型偏光片，可控制照明光的偏振方向。并且，通过在投射型液晶显示装置中使用分布型偏光片，可实现高辉度化、或高对比度化、或这两者。

附图说明

图1是本发明的第1实施方式涉及的投射型显示装置的构成图。

图2是表示现有的偏光片的透过轴的图。

图3是表示本发明的第1实施方式中的偏光片的透过轴的图。

图4表示透过了偏光片4的光朝向WG-PBS10、反射型液晶元件12、由反射型液晶元件12反射并朝向检偏件13的光路。

图5是表示将现有的偏光片设置在光瞳位置时的、透过了偏光片的光的偏振方向的图。

图6是表示将第1实施方式中的分布型偏光片4设置在光瞳位置时的、透过了偏光片的光的偏振方向的图。

图7是示例了以某一角度入射到WG-PBS10的偏振的偏振方向与WG-PBS10的透过轴方向的关系的图。

图8是用于说明偏光片的透过轴的角度的图。

图9是表示对方位角0度、90度、180度、270度的光，使偏光片的透过轴旋转θ度时的利用效率的图。

图10是表示对方位角0度、90度、180度、270度的光，使偏光片的透过轴旋转θ度时的对比度的图。

图11是表示反射型液晶元件12的图。

图12是表示第2实施方式中的分布型偏光片及将分布型偏光片设置在光瞳位置时的、透过了偏光片的光的偏振方向的图。

图13是表示第3实施方式的偏光片的图。

具体实施方式

以下参照附图说明本发明涉及的投射型显示装置的实施方式。

(第1实施方式)

图1是本发明的第1实施方式涉及的投射型显示装置的构成图。光源1a是超高压水银灯，发出白色光。反射器1b反射从光源射出的光。来自光源的直接光及由反射器反射的反射光通过第1积分器2a及第2积分器2b使光的辉度分布平均化后，通过偏振变换元件3使光的偏振方向在一个方向对齐。将对齐的偏振作为P偏振(P偏光)。

从偏振变换元件3射出的P偏振透过分布型偏光片4、重叠透镜5，通过Y分色镜6a、B分色镜6b，分离为红色光和绿色光的混合光及蓝色光。红色光和绿色光的混合光、蓝色光的光路通过反射镜7a、7b弯曲。红色光和绿色光的混合光通过G分色镜8分离为红色光和绿色光，绿色光的光路弯曲。分别在不同光路上行进的红色光、绿色光、蓝色光分别透过向场透镜10a、10b、10c、线栅式偏振分束器(以下称为WG-PBS)10a、10b、10c、补偿器11a、11b、11c后，红色光入射到红色用反射型液晶元件12a，绿色光入射到绿色用反射型液晶元件12b，蓝色光反射到蓝色用反射型液晶元件12c。

各色用反射型液晶元件12a、12b、12c将各色入射光反射/调制。经反射/调制的红色光、绿色光再次透过补偿器11a、11b、11c后，调制的S偏振成分被WG-PBS10a、10b、10c反射。反射的红色光、绿色光、蓝色光的S偏振成分透过检偏件13a、13b、13c，在交叉分色棱镜14中合成，通过投射镜头15投射。

图11是表示反射型液晶元件12的图。反射型液晶元件12的单元间隙是1.3μm，长宽比是16∶9。反射型液晶元件12是，使表面形成了透明电极的透明基板以及使每个像素的反射电极和驱动电路矩阵状配置的主动矩阵基板彼此相对配置，以使透明电极和反射电极相对，在其间隙中夹持介电各向异性为负的向列液晶。对透明基板和主动矩阵基板中的液晶层一侧的各表面，通过蒸镀表面处理方法实施SiO_x化合物的取向膜。SiO_x化合物的取向膜在像素侧(主动矩阵基板侧)液晶的取向方向和SiO_x化合物的取向膜在入射侧液晶取向方向(透明基板侧液晶的取向方向)有120度的差异。约120的角度称为扭转角度。将像素侧液晶的取向方向和入射侧液晶取向方向之间的方向的、距像素侧液晶的取向方向和入射侧液晶取向方向具有相等角度的角度的方向，称为基准轴。基准轴与入射光的偏振方向设定为45度。

分布型偏光片4配置在照明光学系统的光瞳位置附近。在图1所示的光学系统中，偏振变换元件3和重叠透镜5之间是光瞳位置，因此在偏振变换元件3和重叠透镜5之间设置分布型偏光片4。其中，照明光学系统是用于照明显示元件的光学系统，在本实施方式中，是由光源、第1积分器2a、第2积分器2b、偏振变换元件3、重叠透镜5、向场透镜10a、10b、10c构成的光学系统，照明反射型液晶元件。图3是表示第1实施方式中的分布型偏光片4的图。现有技术中，如图2所示，使用透过轴方向在面内平均的偏光片。与之相对，图3所示的第1实施方式的偏光片区域分为三个，每个区域中透过轴的方向改变。通过偏光片的这一特性，可使透过分布型偏光片4的光线的偏振方向在适于WG-PBS10a、10b、10c的偏振方向上对齐。稍后详述。

图4表示透过了偏光片4的光朝向WG-PBS10、反射型液晶元件12、由反射型液晶元件12反射并朝向检偏件13的光路。从偏光片4射出的光朝向WG-PBS10。此外在图4中，省略了偏光片4到WG-PBS10之间存在的反射镜、分色镜等。WG-PBS10是在玻璃基板上使金属栅格状形成的线栅式偏振分束器，相对光轴以45度倾斜设置。即，WG-PBS10的法线矢量和光轴所成的角度是45度。与线栅方向正交的方向是使偏振透过的透过轴方向。WG-PBS10起到作为从入射光偏振的偏光片的作用、及对经反射型液晶元件调制的调制光进行检偏的作用。透过偏光片4、WG-PBS9的光入射到反射型液晶元件12。

因照明系统的光源1a具有有限大小的发光部，所以入射到照明系统中的某一地点的光线具有有限的角度分布。具有有限角度分布的光线通常表现为由以主光线为中心的多个圆锥状光束构成。其中，对入射到WG-PBS9的光，如图4所示定义主光线周围的圆锥状光束的极角、方位角。极角表示光的宽阔程度，表示存在从主光线延伸到极角的圆锥状的光。极角也称为圆锥角。

注意该具有有限角度分布的光的各个光，“由极角、方位角定义的角度的光”具有什么方向的偏振方向，由是否透过偏光片4来决定。并且，根据具有各角度的偏振的方向和线栅的透过轴方向的关系，决定入射到WG-PBS时的透过率、消光比。综合相对各个光的透过率、消光比，结果决定了反射型投影仪的对比度和辉度。即，具有各角度的光的偏振方向和线栅的透过轴方向的位置关系是对于反射型投影仪的对比度和辉度的主导因素。

在配置于光瞳位置的偏光片4的面上距光轴规定距离入射并透过的光，以具有和距光轴的距离对应的极角、方位角的状态入射到WG-PBS10。换言之，以某极角、方位角入射到WG-PBS10的光，像透过偏光片4的该点一样，建立偏光片2的面内位置和WG-PBS10的入射角(极角、方位角)的对应。其中，在配置于光瞳位置的分布型偏光片4的面内，在每个一定区域将偏振轴方向指定为不同方向时，透过分布型偏光片4的一定区域并入射到WG-PBS10的光，结果可在对应的不同的偏振方向上设定。

通过上述要领，控制具有规定极角、方位角的光的偏振方向和线栅的透过轴方向的位置关系，可使反射型投影仪的对比度和辉度优化。以下具体进行说明。

图5是表示将图2所示的现有的偏光片42设置在光瞳位置时的、透过了偏光片42的光的偏振方向的图。当存在方位方向为0度、90度、180、270度的光时，透过现有的偏光片42的光的偏振方向的全部角度是同一方向。这是因为，偏光片的偏振方向在面内相同。图7是示例了以某一角度入射到WG-PBS10的偏振的偏振方向与WG-PBS10的透过轴方向的关系的图。在图7中，示例了入射光的角度为“极角10度、方位角0度”时、及入射光的角度为“极角10度、方位角90度”的情况。此时，如图7所示，方位角0度、180度的光的偏振方向与WG-PBS的透过轴方向一致。其结果是，方位角0度、180的光的对比度、效率均变得最大。另一方面，对于方位角90度和270度的光，光的偏振方向与WG-PBS的透过轴方向不一致。其结果是，对方位角90度和270度的光，对比度、效率均未变为最大值。

图6是表示将第1实施方式中的将分布型偏光片4设置在光瞳位置时的、透过了偏光片4的光的偏振方向的图。和方位角0度、180度的光对应的部分与现有的偏光片42相同，方位角0度、180度的光的对比度、效率均变得最大。另一方面，对于方位角90度和270度的光，使光的偏振方向和WG-PBS的透过轴方向一致，因此和90度、270度的光对应的偏光片的面内部分的透过轴如图6所示改变。其结果是，也可使方位角90度、270度的光的偏振方向与WG-PBS的透过轴方向一致。结果对所有光，对比度、效率变为最大值。其中，将图6的分布型偏光片4的中央区域称为第1区域，将其角度称为第1透过轴方向。规定方向在图8中的θ为正的方向时，将左侧的区域称为第2区域，将第2区域中的透过轴方向称为第2透过轴方向，将右侧的区域称为第3区域，将第3区域中的透过轴方向称为第3透过轴方向。

接着在图4的设定中，对对比度及效率，表示进行了数值计算的结果。图9是表示对方位角0度、90度、180度、270度的光，使偏光片的透过轴旋转θ度时的效率的图。偏光片的透过轴的角度如图8所示。图10是表示对方位角0度、90度、180度、270度的光，使偏光片的透过轴旋转θ度时的对比度的图。

对于方位角0度及180度的光，偏光片的透过轴的倾角θ为0度时，效率、对比度均最大。另一方面，关注方位角90度的光，则由图9可知，θ＝4度时效率最大，由图10可知，θ＝8度时对比度最大。关注方位角270度的光，则由图9可知，θ＝-4度时效率最大，由图10可知，θ＝-8度时对比度最大。对于方位角90度的光，即使θ＝8度，效率从4度开始基本不降低。并且，θ＝14度的效率相对θ＝0度的效率止于1～2％的下降。对于方位角270度的光，即使θ＝-8度效率也从-4度开始基本不降低，θ＝14度的效率相对θ＝0度的效率止于1～2％的下降。

其中，图3及图6所示的第1实施方式中的分布型偏光片4在中央区域中将偏光片的透过轴设定为θ＝0度，左右区域的透过轴的方向相对中央区域的透过轴倾斜8度地设定。关注对比度时，如将左右区域的偏光片透过轴的角度的绝对值设定在2～14度的范围，则可提高对比度。也想提高效率时，可知将左右区域的偏光片透过轴的角度的绝对值设定为2度～6度左右即可。如上所述，通过将偏光片的透过轴的角度设定为规定状态，可实现效率、对比度的优化，或两者的平衡。

分布型偏光片可通过将改变了透过轴的短帘状偏振板粘贴到3块玻璃基板上来制造。并且，也可用框架保持3个配件。

(第2实施方式)

图12是表示第2实施方式中的分布型偏光片40及将分布型偏光片设置在光瞳位置时的、透过了偏光片的光的偏振方向的图。在第2实施方式中，如图12所示，将偏光片40的区域分为9份。在图12的上图中，中央列的3个区域中，偏振透过轴的方向一致。在图12的上图中，左侧的3个区域及右侧的3个区域中，在每个面内改变偏振透过轴的方向。这样一来，可使透过分布型偏振板之后的光线的偏振方向相对WG-PBS10a、10b、10c优化。如进行一般化表述的话，则是一种分布型偏光片(40)，具有3个以上区域的分布型偏光片(40)，其特征在于，第1区域具有第1透过轴方向，相对于第1透过轴方向，透过轴向规定方向最倾斜设置的区域的透过轴的倾角为2～14度，在和规定方向相反的方向上透过轴最倾斜设置的区域的透过轴的倾角为2～14度。第1区域是倾角θ为0度的中央列的3个区域中的任意一个。规定方向是在图8中的θ为正的方向时，第2区域是图12中的左列中段的区域，第3区域是图12中的右侧中段的区域。

(第3实施方式)

图13是表示第3实施方式的分布型偏光片的图。在第3实施方式中，如图13所示，在透过轴在面内平均的偏光片40之后，配置1/2波长板41，按照面内的每个区域改变其滞后轴方向。可等价制作每个区域中偏振透过轴的方向不同的分布型偏光片。在图13中为便于说明，偏光片40和1/2波长板41分离地作图，但在实际制作时，偏振板40和1/2波长板41通过机械性保持或粘合等实质上一体化。或者，也可使两个部件保持规定位置地安装到光学系统上。第3实施方式中的1/2波长板的分割数为3个以上即可。

在上述实施方式中，作为发挥使偏振从入射光透过的偏光片的作用、及发挥对经反射型液晶元件调制的调制光进行检偏的作用的装置，以线栅式偏振分束器(WG-PBS)为例进行了说明，但也可使用在玻璃多板镜之间形成了偏振分离膜的类型的偏振分束器。并且，分布型偏光片4、40、41的设置位置最好在照明系统的光瞳位置上，即设置在偏振变换元件3和重叠透镜5之间。也可设置在重叠透镜5的后面。在本申请中，光瞳位置包括重叠透镜5后面的位置。

Claims

1.一种分布型偏光片，其特征在于，至少具有：

具有第1透过轴方向的第1区域；

具有与上述第1透过轴方向不同的第2透过轴方向的第2区域；以及

具有与上述第1、第2透过轴方向的任意一个均不同的第3透过轴方向的第3区域。

2.根据权利要求1所述的分布型偏光片，其特征在于，

相对于上述第1透过轴方向，上述第2透过轴方向向规定方向倾斜2度到14度地设置，

相对于上述第1透过轴方向，上述第3透过轴方向向和上述规定方向不同的方向倾斜2度到14度地设置。

3.一种投射型液晶显示装置，其特征在于，具有：

光源；

照明光学系统，将来自上述光源的光向反射型液晶元件照明；

偏振分束器，使从上述照明光学系统入射的光偏振，并且对经上述反射型液晶元件调制的调制光进行检偏；

反射型液晶元件，对经上述偏振分束器偏振的光进行调制；

投射透镜，投射经上述偏振分束器检偏的光；以及

配置在上述照明光学系统的光瞳位置的权利要求1或权利要求2所述的分布型偏光片。

4.根据权利要求3所述的投射型液晶显示装置，其特征在于，上述偏振分束器是线栅式偏振分束器。