JP2004077850A - 液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液晶プロジェクタに用いる偏光板の信頼性を向上させる。
【解決手段】偏光板基板に金属粒子を含有する偏光ガラスを用いる。これにより、偏光板の信頼性が向上し、偏光板として偏光フィルムを用いた場合に比べ、金属粒子を含有して偏光作用を示す前記偏光ガラスを用いることで、偏光板の耐熱温度を高めることができ、信頼性のきわめて高い液晶表示装置を提供出来る。液晶高輝度化、長寿命化および低騒音化の両立が可能となる。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光源からの光を液晶表示素子に照射し、液晶表示素子上に形成した光学像である画像を投射レンズで投影する液晶表示装置に係わり、特に画像の高輝度化に伴い高温となる偏光板について、信頼性を向上するための技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光源からの光を液晶表示素子に照射し、映像信号に応じて液晶表示素子上に形成した光学像である画像を投射レンズで投影する液晶表示装置の光学系には、液晶表示素子として透過型液晶表示素子を用いた場合、少なくとも１個の液晶表示素子とその前後に１対の偏光板である偏光フィルムが用いられる。
【０００３】
図５に一般的な透過型液晶表示素子を用いた従来の液晶表示装置の一形態である液晶プロジェクタの光学系の構成を示す。
【０００４】
図５において、光源４から出射した光束は第１レンズアレイ５に入射する。第１レンズアレイ５は、入射した光束をマトリックス状に配置された複数のレンズセルで複数の光束に分割して、効率よく第２レンズアレイ６と偏光変換素子７を通過するように導く。第１レンズアレイ５と同様に、マトリックス状に配置された複数のレンズセルを持つ第２レンズアレイ６は、構成するレンズセルそれぞれが対応する第１レンズアレイ５のレンズセルの形状を透過型の液晶表示素子２Ｒ，２Ｇ，２Ｂ側に投影する。この時、偏光変換素子７は第２レンズアレイ６からの光束を所定の偏光方向に揃える。そして、これら第１レンズアレイ５の各レンズセルの投影像を集光レンズ８、及びコンデンサレンズ１６Ｒ，１６Ｇ，１６Ｂ、第１リレーレンズ１４、第２リレーレンズ１５により各液晶表示素子２Ｒ，２Ｇ，２Ｂ上に重ね合わせる。
【０００５】
その過程で、ダイクロイックミラー９，１０により、光源４より出射された白色光は赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３原色に分離され、それぞれ対応する液晶表示素子２Ｒ，２Ｇ，２Ｂに照射される。なお、ここではダイクロイックミラー９は青反射緑赤透過特性であり、ダイクロイックミラー１０は緑反射赤透過特性である。
【０００６】
各液晶表示素子２Ｒ，２Ｇ，２Ｂは入射側に入射側偏光板１Ｒ，１Ｇ，１Ｂを、出射側に出射側偏光板３Ｒ，３Ｇ，３Ｂを備え、所定の偏光方向の光を通すようになっている。そして、図示しない映像信号駆動回路により液晶表示素子を透過する光量を制御して画素ごとに濃淡を変える光強度変調を行う。
【０００７】
光強度変調で形成された液晶表示素子２Ｒ，２Ｇ，２Ｂ上の画像は、色合成プリズム１７によって色合成され、さらに、投射レンズ１８によってスクリーン１９上へと投射され、大画面映像を得ることができる。
【０００８】
なお、第１リレーレンズ１４と第２リレーレンズ１５は、液晶表示素子２Ｂ，２Ｇに対して液晶表示素子２Ｒの、光源４から液晶表示素子面までの光路長が長くなっていることを補うものである。
【０００９】
また、コンデンサレンズ１６Ｒ，１６Ｇ，１６Ｂは液晶表示素子２Ｒ，２Ｇ，２Ｂ通過後の光線の広がりを押さえ、投射レンズ１８によって効率のよい投射を実現する。
【００１０】
冷却用ファン２０は、例えば入射側偏光板１Ｒ，１Ｇ，１Ｂ、出射側偏光板３Ｒ，３Ｇ，３Ｂや液晶表示素子２Ｒ，２Ｇ，２Ｂ等で光源４からの照射光の一部を吸収して生じる熱を、空気の流れ（風）を図示しない冷却用ダクトを介して送風し、前記偏光板や液晶表示素子への流路２１を形成して冷却する。
【００１１】
以上のように構成された液晶プロジェクタでは、特に小型であることと、明るい画像が得られることが要求されているので、液晶表示素子の小型化が進み、また光源の効率化も進み、高輝度化が図られている。これに伴い、小型化した液晶表示素子に光が集中し光吸収による発熱で温度が上昇する。また、液晶表示素子の前後に配設された液晶表示素子と略同サイズの１対の偏光板でも光吸収による発熱で温度が上昇する。
【００１２】
図６は、入射側偏光板１、出射側偏光板３、および透過型液晶表示素子２について詳細に示したものである。矢印２５の方向に入射側偏光板１に入射した光線は、入射側偏光板１の透過軸に直交する偏光成分は入射側偏光板１で吸収され、透過軸に平行な偏光成分のみが入射側偏光板１を通過する。通過した光は、液晶表示素子２により映像信号（図示せず）の階調に応じて偏光方向が変化させられ、出射側偏光板３に入射し、出射側偏光板３の透過軸に平行な偏光成分は出射側偏光板３を透過するが、それ以外は出射側偏光板３で吸収される。このように、入射側および出射側の偏光板は、透過軸以外の偏光成分を吸収して発熱するため、表面を空冷することにより、発熱による温度上昇を抑制する。特に、液晶表示素子２で光源からの照射光を透過させないように制御する場合、出射側偏光板３は照射光を吸収して著しく発熱する。
【００１３】
従来は、上記偏光板として樹脂製の偏光フィルムを用いている。この偏光フィルムは熱収縮性が高く、光源からの光を吸収して発熱した際に変形するのを防止するために、一般的には粘着材によりガラス等の透明基板に貼合して用いられる。また、この透明基板は偏光フィルムで発生した熱を放熱する役割を有している。
さらに、最近はこの透明基板としては、例えば特許公報第３０９１１８３号で開示されているように、熱伝導率が高いという特性に注目してサファイヤが用いられてきている。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
偏光フィルムは高温になると熱収縮性により面内での特性にムラが生じ、これが画像の色ムラおよび輝度ムラとなる。また、偏光フィルムの偏光度は使用するにつれて熱のよる劣化で低下していき、これは偏光フィルムが高温であるほど、また偏光フィルムへの入射光量が多いほど進行が早く進む。
【００１５】
上記理由により、透明基板にサファイヤ等を用いることで放熱効率を向上する手法をとっているが、画像の高輝度化のために必然的に偏光フィルムへの入射光量が増加し、従来の構成では温度上昇が避けられない。
【００１６】
表１は、図５に示す液晶プロジェクタにおいて、サファイヤを偏光フィルムの透明基板に用いた場合の、偏光フィルム温度を実測したもので、温度測定の条件は次の通りである。
【００１７】
【表１】

【００１８】
周囲温度はＴａ２５℃、光源は１５５Ｗ仕様の超高圧水銀ランプ、透過型液晶表示素子は０．７インチ、偏光フィルムのサイズは２１．５ｍｍ　Ｘ　１８．０ｍｍ、透明基板サイズは２３．５ｍｍ　Ｘ　２０．０ｍｍ、入力信号は全黒表示である。ファンはシロッコファン（２Ｗ用）を各Ｒ，Ｇ，Ｂ光路（チャンネル）の偏光板及び液晶表示素子をそれぞれ冷却するために各光路に１個合わせて合計３個使用し、Ｒ，Ｇ光路用のファンの駆動電源電圧は７Ｖ、Ｂ光路用のファンの駆動電源電圧は９Ｖである。なお、Ｂ光路用のファンの駆動電源電圧が高いのは、Ｂ光用の液晶表示素子は紫外線の影響により、他の液晶表示素子より劣化を受け易いので、ファンの回転数を上げ、他の液晶表示素子より温度を一段と低くする必要があるためである。
【００１９】
一般に、偏光フィルムは耐用年数と熱変形による色ムラ（輝度ムラ）の点から、信頼性を考慮すると、７０℃以下で使用するのが望ましい。周囲温度の許容上限温度である３５℃で偏光フィルムの温度を７０℃以下とするためには、周囲温度が常温の２５℃の場合、偏光フィルムの温度は６０℃以下とする必要がある。しかし、表１から明らかなように、全てのチャンネル（光路）においてこの温度を超えている。
【００２０】
なお、表２は液晶表示素子の温度を実測したものである。
【００２１】
【表２】

【００２２】
周囲温度の許容上限温度である３５℃で液晶表示素子の許容温度７５℃以下とするためには、周囲温度が常温の２５℃の場合、偏光フィルムの温度は６５℃以下とする必要があるが、表２から明らかなようにこの温度に対しマージンを有している。
【００２３】
偏光フィルムの温度を下げるためには、図５において、効率よくファン２０から偏光板や液晶表示素子に送風できるように送風の流路２１を詳細に検討する必要が生じ、検討に長時間を要し、開発期間にも影響を与える。また、ファン２０の回転数を上げて送風能力を上げる必要も生じ、これにともない、ファン２０の回転で生じる騒音も増大し、耳障りとなる。
【００２４】
本発明の目的は、上記した課題を解決し、前記偏光フィルムの代替として耐熱性に極めて優れた偏光板を用いた液晶表示装置を提供することにある。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、白色光を放射する光源ユニットと、液晶表示素子と、該光源ユニットの出射光を所定の直線偏光に変換して該液晶表示素子に照射する照明光学ユニットと、該液晶表示素子上に映像信号に応じて形成された光学像を投射する投射ユニットを有する液晶表示装置であって、該液晶表示素子の入射側もしくは出射側の少なくともいずれか一方に偏光板を備え、該偏光板に金属粒子を含有する偏光ガラスを用いるように構成する。
【００２６】
この構成により、偏光板として偏光フィルムを用いた場合に比べ、金属粒子を含有して偏光作用を示す前記偏光ガラスを用いることで、偏光板の耐熱温度を高めることができ、信頼性のきわめて高い液晶表示装置を提供出来る。
【００２７】
一般に、液晶表示素子として透過型を使用する場合、透過型液晶表示素子の前後に１対の偏光板を使用し、また反射型を使用する場合、例えば、色分離光学素子（例えばダイクロイックミラー）の後反射型液晶表示素子の間にあるいは反射型表示素子での変調後色合成を行う色合成光学素子（例えば色合成プリズム）の間に偏光板を挿入して各色の偏光度を高めて色純度を高める。このような偏光板に金属を含有する前記偏光ガラスを適用する。
【００２８】
また、前記偏光ガラスの板厚を、０．３ｍｍ以下とすることで、高温時に熱膨張で発生する複屈折性の影響を低減することができる。
【００２９】
さらに、前記偏光ガラスを薄くしたことに起因する強度低下を軽減するために、前記偏光ガラスを、偏光性を持たないガラス基板に貼合せて、前記偏光ガラス強度の向上を図る。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、図を用いて本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００３１】
本発明は、液晶プロジェクタに使用する偏光板として、ガラス中にアスペクト比の大きな金属粒子を一方向に配列させた偏光ガラスを用いることに特徴を有する。
【００３２】
このような偏光ガラスとしては、銅或いは、銅とハロゲンとを含有するガラスを加熱してガラス中にハロゲン化銅粒子を析出させ、得られたハロゲン化銅粒子含有ガラスを所定の粘度を示す温度で延伸し、延伸したガラス中のハロゲン化銅粒子を例えば水素で還元してガラス表面の両面に金属銅粒子を生成するものがある。この偏光ガラスでは、ガラス表面の還元層で生成された金属粒子が偏光特性を示す。
【００３３】
図３は金属粒子による偏光特性を説明するものである。
【００３４】
図３において、一般の光は光の電気ベクトルの方向が互いに直交する３１ａと３１ｂの成分からなる。偏光ガラス２４中に異方性形状を有する金属粒子３４があるので、光はその電気ベクトルの方向が金属粒子３４の短軸に平行な成分３１ｂと長軸に平行な成分３１ａに対して吸収の差が生じる。即ち、偏光ガラス２４を透過すると金属粒子３４の短軸に平行な成分３１ｂは大きな減衰を受けることなく透過して成分３２ｂとなるが、長軸に平行な成分３１ａは大きな減衰を受けて成分３２ａとなる。このように金属粒子３４の短軸に平行な成分と長軸に平行な成分との間で吸収の差が生じ、一方向の直線偏光成分のみを透過させる偏光板が得られる。なお、３３は光の進行方向である。
【００３５】
この偏光ガラスは、光通信用アイソレター用の偏光子であるが、金属銅粒子のアスペクト比が２：１以下より小さいと可視光領域で偏光特性を示すことが記述されており、本号公報で開示された偏光ガラスを液晶プロジェクタに適用することは可能である。
【００３６】
図２は、図５に示す液晶プロジェクタにおいて、液晶表示素子の前後に配置される一対の偏光板である偏光フィルムを上記した金属粒子を含有する偏光ガラスに置き換えた本発明の実施の形態を示すものである。図２において、１００Ｒ，１００Ｇ，１００Ｂは上記偏光ガラスの入射側偏光板、３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂは上記偏光ガラスの出射側偏光板である。図２において、図５に同一な部分には同一符号を付して、その説明を省略する。
【００３７】
上記した金属粒子を含有する偏光ガラスは、一般のガラスと同様、耐熱温度が略４００℃であり、この偏光ガラスを、図２に示す液晶プロジェクタの液晶表示素子の前後に配置される一対の偏光板として用いれば、表１に示す実使用温度と比べ十分にマージンがあり、温度的に問題となる恐れはない。また、十分なマージンがあるのでファンの回転数を下げることも可能となり、ファンの回転に伴う騒音を低減することができる。さらに、温度的なマージンが十分あるので、ファンによる送風の流路を確保するダクトの設計も容易となり、開発期間を短縮することも可能となる。
【００３８】
液晶プロジェクタに使用する金属粒子を含有する偏光ガラスは、表裏のガラス表面にハロゲン化金属粒子を還元して金属粒子を生成させたものであり、偏光性を呈するのはこの部分である。したがって、偏光ガラスの熱膨張に伴い内部応力が生じることにより、偏光ガラスに複屈折が発生する。この複屈折は直線偏光を乱すことにより画像のコントラストを低下させる要因となり、偏光ガラスの板厚が厚い程顕著である。１００℃に加熱した板厚の異なる一般的なガラス（サイズ：２３．５ｍｍ×２０．０ｍｍ）を、クロスニコルに配置した２枚のフィルムタイプ偏光板で挟んで複屈折性を調べた結果、板厚０．３ｍｍ以上で著しい光抜けが発生した。したがって、１００℃で使用する場合は金属粒子を含有する偏光ガラスの板厚は０．３ｍｍ以下とすることが望ましい。しかし、偏光ガラスの板厚を薄くすると割れやすくなるので、偏光ガラスを偏光性のないガラスに接着して使用することで、部品強度を向上させることができる。図１に、この実施の形態を示す。図１に示すように、偏光ガラス２４の板厚を０．３ｍｍ、偏光性のないガラス２２を０．５ｍｍとし、ＵＶ接着材２３で接着したところ、実使用上十分な強度を確保できることを確認した。この際、偏光性のないガラス２２の複屈折による偏光の乱れを回避する為に、入射側偏光板と出射側偏光板いずれに使用する場合にも、偏光ガラスは液晶表示素子側に配置する必要がある。
【００３９】
一般に、液晶プロジェクタでは、偏光板として、消光比３０００：１〜１００００：１のものが使用されるが、前記した金属粒子を含有する偏光ガラスの消光比が上記を満足せず、例えば、消光比が１０：１程度の場合、前記偏光ガラスをプリ偏光板とし、後段に従来の偏光フィルムをメイン偏光板とした２段構成で一つの偏光板として機能するようにすればよい。図４はこのような２段構成の偏光板を示す一実施の形態である。図４において、液晶表示素子２の入射側偏光板１は、従来の偏光フィルムであるが、出射側偏光板としては、液晶表示素子２側に金属粒子を含有する偏光ガラスのプリ偏光板３００’ａを配置し、プリ偏光板３００’ａの出射側に従来の偏光フィルムであるメイン偏光板３００’ｂを配置し、プリ偏光板３００’ａとメイン偏光板３００’ｂで一つの出射側偏光板３００’として機能する。出射側偏光板は図６で述べたように、液晶表示素子２で光源からの照射光を透過させないように制御する場合、出射側偏光板３は照射光を吸収して著しく発熱する。そこで、耐熱温度の高い偏光ガラスのプリ偏光板３００’ａで主に照射光を吸収させて温度を上昇させ、消光比については主に後段のメイン偏光板３００’ｂで負うようにすれば、温度と消光比の両方を満足させることができる。なお、入射側偏光板１に従来の偏光フィルムを使用するので、温度上昇が問題となるが、この場合は、従来、ファンからの冷風が入射側偏光板と液晶表示素子と出射側偏光板とに当たるようにそれぞれにダクト（図示せず）が設けられているが、出射側偏光板３００’ａ，３００’ｂは温度的にマージンがあるので、出射側偏光板用のダクトからの送風量を少なくして、その分入射側偏光板用のダクトからの送風量を増やして許容温度内となるようにする。
【００４０】
なお、上記では、金属粒子を含有する偏光ガラスを、図２で示した透過型液晶表示素子を３枚使用する３板式の液晶プロジェクタの透過型液晶表示素子の前後に配置される１対の偏光板に適用する場合について述べたが、これに限定されるものではなく、例えば、透過型液晶表示素子を１枚使用する単板式の液晶プロジェクタに用いられる透過型液晶表示素子の前後に配置される１対の偏光板や、反射型液晶表示素子を使用する液晶プロジェクタに用いられる例えばダイクロイックミラーによる色分離の後や色合成の前に（即ち、反射型表示素子での変調前や変調後に）挿入して各色の偏光度を高めて色純度を高める偏光板等に適用してもよい。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、偏光板の信頼性を向上させた液晶表示装置を提供できる。またこれにより、従来方式ほど偏光板の冷却効率を要求されなくなる為、冷却に用いているファンの回転数を低減することができ、低騒音化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による偏光板を示す構成図である。
【図２】本発明による偏光板を用いた透過型液晶プロジェクタの構成を示すブロック図である。
【図３】金属粒子による偏光特性を説明する説明図である。
【図４】２段構成の偏光板を示す構成図である。
【図５】透過型液晶表示素子を用いた従来の液晶プロジェクタの光学系の構成を示すブロック図である。
【図６】入射側偏光板、出射側偏光板、および透過型液晶表示素子の詳細説明図である。
【符号の説明】
１・・・入射側偏光板、２・・・液晶表示素子、３・・・出射側偏光板、４・・・光源、５・・・第１レンズアレイ、６・・・第２レンズアレイ、７・・・偏光変換素子、８・・・集光レンズ、９・・・ダイクロイックミラー、１０・・・ダイクロイックミラー、１１，１２，１３・・・反射ミラー、１４，１５・・・リレーレンズ、１６・・・コンデンサレンズ、１７・・・色合成プリズム、１９・・・スクリーン、２０・・・ファン、２１・・・流路、２２・・・ガラス、２３・・・ＵＶ接着剤、２４・・・偏光ガラス、２５・・・光の進行方向３１・・・一般の光、３２・・・偏光、３３・・・光の進行方向、３４・・・金属粒子、１００・・・入射側偏光板、３００，３００’・・・出射側偏光板、３００’ａ・・・プリ偏光板、３００’ｂ・・・メイン偏光板。

Claims (3)

1. 白色光を放射する光源ユニットと、液晶表示素子と、該光源ユニットの出射光を所定の直線偏光に変換して該液晶表示素子に照射する照明光学ユニットと、該液晶表示素子上に映像信号に応じて形成された光学像を投射する投射ユニットを有する液晶表示装置であって、
   該液晶表示素子の入射側もしくは出射側の少なくともいずれか一方に偏光板を備え、
   該偏光板として金属粒子を含有する偏光ガラスを用いることを特徴とする液晶表示装置。
2. 前記偏光ガラスの板厚を、０．３ｍｍ以下とすることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
3. 前記偏光ガラスを、偏光性を持たないガラス基板に貼合することを特徴とする請求項１乃至請求項２の何れかに記載の液晶表示装置。

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