JP2005084480A

JP2005084480A - 投写型表示装置

Info

Publication number: JP2005084480A
Application number: JP2003318015A
Authority: JP
Inventors: Takaaki Tanaka; 孝明田中; Motoyuki Okuo; 元幸奧尾; Takehiro Okada; 武博岡田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-09-10
Filing date: 2003-09-10
Publication date: 2005-03-31

Abstract

【課題】投写画像のコントラスト比を大幅に向上した投写型表示装置を提供することを目的とする。
【解決手段】光源３０と、照明光学手段３８と、色分離光学手段４１と、入射側偏光板５０，５１，５２と、光学位相補償板５３，５４，５５と、液晶パネル５６，５７，５８と、色合成光学手段７２と、投写レンズ７３と、赤および青光路の出射側偏光板６２，６４とを備え、緑の光路の出射側偏光板には偏光度の高い２枚の偏光板６０，６１とを備えて、投写型表示装置を構成している。
【選択図】図１

Description

本発明はライトバルブ上に形成される画像を照明光で照射し、投写レンズによりスクリーン上に拡大投写する投写型表示装置に関するものである。

大画面の画像を得るために、映像信号に応じた画像を形成する小型のライトバルブに、光源からの光を照明し、投写レンズによりその光学像をスクリーン上に投写、拡大する投写型表示装置が用いられている。ライトバルブには、アクティブマトリクス方式であって、偏光を利用して光を変調する透過型の液晶ライトバルブが広く実用的に用いられている。液晶ライトバルブは、対向する２枚のガラス基板に、配向方向が９０度ねじれたネマチック液晶を封入した液晶セルと、その両側に透過軸が互いに直交するように配置した２枚の偏光板とから構成される。液晶層に電圧を印加しない場合には、入射光側の偏光板を透過した直線偏光は液晶分子のねじれに沿って進み、偏光方向が９０度回転し、出射光側偏光板を透過する（白表示モード）。一方、液晶セルにしきい値より十分高い電圧を印加した場合には、入射光側の偏光板を透過した直線偏光は、液晶セル基板付近を除く、大部分の液晶分子が電界方向に並んだホメオトロピック配向となり、偏光方向が回転せず、出射光側の偏光板で吸収される（黒表示モード）。このようにして、印加電圧により液晶のねじれ配向を変化させ、透過率を制御することにより画像を形成している。このような液晶ライトバルブを用いた投写型表示装置は、近年、投写画像の高コントラスト化が要求されている。

コントラスト比の低下要因としては、液晶ライトバルブの配線近傍の液晶配向乱れによる光漏れ、液晶ライトバルブの液晶層の入射角依存性、偏光板の偏光吸収特性や光入射角依存性での光漏れ、などが挙げられる。液晶の配向乱れによるコントラスト比の低下は画素構造の最適化や配向乱れを生じる液晶部位をブラックマスクにより遮光することなどで改善されている。また、液晶層の入射角依存については、液晶の残留位相差を補償する光学位相補償板を用いることにより、コントラスト比の向上が図られている（例えば、特開２００２−１３１７５０号公報）。

一方、出射側に配置される偏光板の構成として、２枚の偏光板を用いる技術が開示されている（特開２００１−２０１７３９号公報，特開２００２−７２１６２号公報）。これは、偏光板での光吸収による偏光板の温度上昇を抑制するため、光の吸収量を２枚の偏光板で分担させ、温度上昇を抑制し、偏光板劣化を軽減するためである。この場合、２枚の偏光板において、液晶ライトバルブ側の偏光板には偏光度が低い偏光板が用いられる。
特開２００２−１３１７５０号公報特開２００１−２０１７３９号公報特開２００２−７２１６２号公報

さらに、投写型表示装置のコントラストの向上を図るには、液晶配向乱れによる光漏れの低減や液晶層の残留位相差の補償だけではなく、偏光板の偏光吸収特性や光入射角依存での光漏れを改善する必要があった。

本発明の投写型表示装置は、光源と、前記光源からの光を集光し被照明領域に照明する照明光学手段と、前記光源からの白色光を青、緑、赤の３原色光に分離する色分離光学手段と、前記色分離光学手段からの光が照明され、映像信号に応じて画像を形成する３つの液晶ライトバルブと、前記液晶ライトバルブの光入射側に配置される入射側偏光手段と、前記液晶ライトバルブの光出射側に配置される出射側偏光手段と、前記液晶ライトバルブからの青、緑、赤の出射光を受け青、緑、赤の色光を合成する色合成光学手段と、前記液晶ライトバルブ上の画像をスクリーン上に投写する投写レンズとを備え、少なくとも１つの前記液晶ライトバルブの光出射側に配置される出射側偏光手段は、偏光度の高い２枚の偏光板を備えたものである。

液晶ライトバルブの出射側に配置される偏光板を、２枚の高偏光度の偏光板で構成することにより、明るさ低下を招くことなく、投写型表示装置のコントラストを大幅に向上させることができるという非常に大きな効果がある。

以下本発明の実施例の投写型表示装置について図面を参照しながら説明する。

（発明の実施の形態）
（図１）は本発明における投写型表示装置の構成を示したものである。液晶ライトバルブとして、透過型の液晶パネルを３枚用い、入射側偏光手段および出射側偏光手段として偏光板を用いる。

３０は光源である放電ランプ、３１は放物面鏡、３２は第１のレンズアレイ板、３３は第２のレンズアレイ板、３４は偏光分離プリズムアレイ、３５は偏光回転手段である１／２波長板、３６は３４，３５から構成される偏光変換光学素子、３７は集光レンズ、３８は照明光学手段である。３９は赤反射のダイクロイックミラー、４０は緑反射のダイクロイックミラー、４１は３９，４０のダイクロイックミラーから構成される色分離光学手段である。４２，４３，４４は反射ミラー、４５，４６はリレーレンズ、４７，４８，４９はフィールドレンズ、５０，５１，５２は入射側偏光板、５３，５４，５５は光学位相補償板、５６，５７，５８は液晶パネル、５９，６０，６１はそれぞれ緑の光路に配置される第１の出射側偏光板と支持基板と第２の出射側偏光板、６２，６３はそれぞれ赤の光路に配置される出射側偏光板と支持基板、６４，６５はそれぞれ青の光路に配置される出射側偏光板と支持基板である。６８は赤反射のダイクロイックミラー６６と青反射のダイクロイックミラー６７から構成される色合成光学手段であるダイクロイックプリズム、６９は投写レンズである。

超高圧水銀ランプ、キセノンランプ等のランプ３０から放射される光は放物面鏡３１により集光され、略平行光に変換される。略平行光に変換された光は、複数のレンズ素子から構成される第１のレンズアレイ板３２に入射する。第１のレンズアレイ板３２に入射した光束は多数の光束に分割される。分割された多数の光束は、複数のレンズから構成される第２のレンズアレイ板３３に収束する。第１のレンズアレイ板３２のレンズ素子の焦点距離は、第１のレンズアレイ板３２と第２のレンズアレイ板３３の距離としている。第１のレンズアレイ板３２のレンズ素子は液晶パネルと相似形の開口形状である。第２のレンズアレイ板３３のレンズ素子は第１のレンズアレイ板３２と液晶パネルとが略共役関係となるように焦点距離を決めている。第２のレンズアレイ板３３から出射した光は偏光変換素子３６に入射する。偏光変換素子３６は、偏光分離プリズムアレイと偏光回転手段である１／２波長板３５により構成されている。偏光分離プリズムアレイ３４は、偏光分離プリズムを第２のレンズアレイ板３３のレンズ素子の約１／２ピッチで配列したものであり、一つの偏光分離プリズムに入射した光は偏光分離され、Ｐ偏光は透過し、Ｓ偏光は反射する。反射したＳ偏光の光は、隣の反射面に入射し再び反射される。透過したＰ偏光は、偏光方向を９０°回転する１／２波長板３５に入射し、Ｐ偏光の光をＳ偏光に変換する。偏光変換光学素子３６により自然光を一つの偏光方向の光に変換された光は集光レンズ３７に入射する。集光レンズ３７は第２のレンズアレイ板３３の各レンズ素子からの出射した光を液晶パネル６０，６１，６２上に重畳照明するためのレンズである。このようにして、液晶パネル上に、均一で効率よく照明する。

照明光学手段３９から出射した光は、色分離光学手段４１に入射する。色分離光学手段４１に入射した光は、赤反射のダイクロイックミラー３９、緑反射のダイクロイックミラー４０により、青、緑、赤の色光に分離される。緑の色光はフィールドレンズ４７、入射側偏光板５０、光学位相補償板５３を透過して、液晶パネル５６に入射する。赤の色光は反射ミラー４２で反射した後、フィールドレンズ４８、入射側偏光板５１、光学位相補償板５４を透過して液晶パネル５７に入射する。青の色光はリレーレンズ４５、４６や反射ミラー４３，４４を透過屈折および反射して、フィールドレンズ４９、入射側偏光板５２、光学位相補償板５５を透過して、液晶パネル５８に入射する。３枚の液晶パネル５６，５７，５８はアクティブマトリックス方式であって、映像信号に応じた画素への印加電圧の制御により入射する光の偏光状態を変化させ、それぞれの液晶パネル５６，５７，５８の両側に透過軸を直交するように配置したそれぞれの入射側偏光板５０，５１，５２および出射側偏光板（５９，６１），６２，６４とを組み合わせて光を変調し、それぞれ緑、赤、青の画像を形成する。出射側偏光板５９，６１，６２，６４を透過した各色光は、色合成光学手段であるダイクロイックプリズム６８により、赤、青の各色光がそれぞれ赤反射のダイクロイックミラー６６、青反射のダイクロイックミラー６７によって反射し、緑の色光と合成され、投写レンズ６９によりスクリーン（図示せず）上に拡大投写される。このような投写型表示装置は、光源からの自然光を効率よく直線偏光の光に変換し、均一に液晶パネルに照明する照明光学手段と、３枚の液晶パネルを用いているため、明るく、解像度の高い投写画像を得ることができる。また、黒表示モードでの液晶層の残留位相差を補償する光学位相補償板により、高コントラストな投写画像を得ることができる。

緑の光路に配置される出射側偏光手段には、サファイア支持基板６０の両側に、偏光度がそれぞれ９９．８％以上である第１の出射側偏光板５９と第２の出射側偏光板６１を配置している。偏光度を平行ニコルＴｐとクロスニコルＴｃでの透過率を用いて（式１）で表す。
偏光度＝（（Ｔｐ−Ｔｃ）／（Ｔｐ＋Ｔｃ））×１００［％］――――（式１）
偏光度の高い２枚の偏光板を用いることにより、偏光膜層が厚くなる。このため、黒表示モードにおいて、第１の出射側偏光板の入射角依存や偏光吸収特性により、吸収されず光漏れした光を第２の出射偏光板にて吸収することができる。このため、投写画像のコントラスト比を高くすることができる。（表１）に、本発明における投写型表示装置のコントラスト比の向上効果を示す、出射側偏光板が１枚の高偏光度の偏光板を用いた場合と、光吸収を分散する目的で低偏光度と高偏光度の２枚の偏光板で構成した場合と比較している。光吸収を分散する目的の低偏光度の偏光板は、黒表示モードで約５４％の光を吸収する仕様の場合、その偏光度は約５３％である。（表２）には、各偏光度の偏光板の平行ニコルとクロスニコルでの透過率を示している。

（表１）より、出射側偏光板を偏光度の高い２枚の偏光板を用いて構成することにより、明るさの低下が６％以下で、１．２倍以上のコントラスト比が向上できる。高偏光度の偏光板の偏光度が９９．８％以上での検証例を示したが、偏光度が９９．４％以上であれば、コントラストの一定の向上効果がある。

緑の光路に配置される出射偏光板のみに、偏光度の高い２枚の偏光板を用いて投写型表示装置を構成しているのは、白色光でのコントラスト比の中で緑光のコントラスト比が支配的であることから、投写型表示装置を安価に構成するためである。青や赤の光路の出射側偏光板にも、同様に、偏光度の高い２枚の偏光板を用いてもよい。この場合、緑の光路だけに配置する場合よりも、さらに、コントラスト比が向上できる。

偏光板の支持基板６０として、白板ガラスより熱伝導率が高いサファイア基板を用い、支持基板の両側に第１の出射側偏光板５９と第２の出射側偏光板６０を貼合している。熱伝導率が高いサファイア支持基板により、偏光板の温度上昇を抑制でき、偏光板の劣化を軽減できる。基材の両側に偏光板を貼合するのは、偏光板の放熱効果を高めるためである。また、支持基板として、サファイアよりも熱伝導率は低下するが、比較的安価な水晶を用いてもよい。

本発明にかかる投写型表示装置は、液晶ライトバルブの出射側に配置される偏光板を、２枚の高偏光度の偏光板で構成することにより、明るさ低下を招くことなく、投写型表示装置のコントラストを大幅に向上させることができるという効果を有し、ライトバルブ上に形成される画像を照明光で照射し、投写レンズによりスクリーン上に拡大投写する投写型表示装置にとって有用な技術である。

本発明の実施の形態における投写型表示装置の構成図

符号の説明

３０ランプ
３１放物面鏡
３２第１のレンズアレイ板
３３第２のレンズアレイ板
３４偏光分離プリズムアレイ
３５１／２波長板
３６偏光変換光学素子
３７集光レンズ
３８照明光学手段、
３９、６６赤反射のダイクロイックミラー
４０緑反射のダイクロイックミラー
４１色分離光学手段
４２、４３、４４反射ミラー
４５、４６リレーレンズ
４７、４８、４９フィールドレンズ
５０、５１、５２入射側偏光板
５３、５４、５５光学位相補償板
５６、５７、５８液晶パネル
５９、６１、６２、６４出射側偏光板
６０、６３、６５支持基板
６７青反射のダイクロイックミラー
６８ダイクロイックプリズム
６９投写レンズ

Claims

光源と、
前記光源からの光を集光し被照明領域に照明する照明光学手段と、
前記光源からの白色光を青、緑、赤の３原色光に分離する色分離光学手段と、
前記色分離光学手段からの光が照明され、映像信号に応じて画像を形成する３つの液晶ライトバルブと、
前記液晶ライトバルブの光入射側に配置される入射側偏光手段と、
前記液晶ライトバルブの光出射側に配置される出射側偏光手段と、
前記液晶ライトバルブからの青、緑、赤の出射光を受け青、緑、赤の色光を合成する色合成光学手段と、
前記液晶ライトバルブ上の画像をスクリーン上に投写する投写レンズとを備え、
少なくとも１つの前記液晶ライトバルブの光出射側に配置される出射側偏光手段は、偏光度の高い２枚の偏光板を備えたことを特徴とする投写型表示装置。
少なくとも１つの液晶ライトバルブの光出射側に配置される２枚の偏光板はそれぞれ偏光度が９９．４％以上である請求項１記載の投写型表示装置。
少なくとも１つの液晶ライトバルブの光出射側に配置される偏光度の高い２枚の偏光板が緑の光路に配置される請求項１載の投写型表示装置。
２枚の偏光板は支持基材の両側に貼合される請求項１記載の投写型表示装置。
入射側偏光手段または出射側偏光手段と前記液晶ライトバルブの液晶層との間に、前記液晶ライトバルブの黒表示画像における前記液晶層の残留位相差を補償する光学位相補償板とを備えた請求項１記載の投写型表示装置。
支持基板はサファイアガラスである請求項１記載の投写型表示装置。
支持基板は水晶である請求項１記載の投写型表示装置。
照明光学手段は、光源からの放射光を集光する反射鏡と、反射鏡からの光が入射し、複数のレンズ素子から構成され前記集光手段からの光を多数の光束に分割する第１のレンズアレイ板と、複数のレンズ素子から構成され前記第１のレンズアレイ板からの光が入射する第２のレンズアレイ板と、偏光分離プリズムアレイと偏光回転手段から構成され、前記第２のレンズアレイ板からの自然光を一方向の偏光方向の光に変換する偏光変換光学手段とを備えた請求項１記載の投写型表示装置。