JP2006072149A - 液晶プロジェクタ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光源からの光量を調節する光量調節手段を備えた光学系において、投射される画像の色ムラを低減させ、また、光量を調節する光量調節手段における熱対策の構造を備えた液晶プロジェクタ装置を提供する。
【解決手段】光量調節手段２１を入射光側に備えられ、駆動手段であるモータ１０で回転される反射型の偏光板２２と、同反射型の偏光板２２の出射光側に配置された偏光板２３とで構成する。また、偏光板をアルミニュウムや銀などの無機材料からなる半円状に小さく形成された２枚の小偏光板が重なり部で重なり合うように配置し、最終的に円形に形成する。そして、小偏光板の偏光軸を同一方向に揃え、さらに、重なり部の中央と偏光変換素子６から照射される光軸とが一致するように配置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、液晶プロジェクタ装置に関し、より詳細には、光学系の構造において光源ランプの光量を偏光板を用いて調節する構造に関する。

従来、透過光量制御手段として液晶表示装置を使用した、いわゆる液晶プロジェクタ装置の光学系の構造は、例えば図５に示す構造になっている。
この光学系の構造には赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３原色に対応する３個の液晶表示装置が設けられている。

これらの液晶表示装置には、液晶画素がマトリクス状に設けられた液晶パネル１Ｒ、１Ｇ、１Ｂと、その前後に偏光軸がクロスニコルにされた偏光手段２Ｒと３Ｒ、２Ｇと３Ｇ、２Ｂと３Ｂが設けられている。そしてこれらの液晶パネル１Ｒ、１Ｇ、１Ｂに、例えば入力端子４Ｒ、４Ｇ、４Ｂからの３原色の映像信号（Ｒ、Ｇ、Ｂ）が供給されることによって、これらの信号に応じて各液晶画素を通過される光線の偏光軸が変化され、偏光手段２Ｒと３Ｒ、２Ｇと３Ｇ、２Ｂと３Ｂ間で明暗の画像が形成されるものである。

また例えば放電式のランプからなる光源手段５が設けられる。この光源手段５で発生される光線がインテグレータレンズ７を通過した後、光線のＳ偏光成分とＰ偏光成分と同じ光軸の方向に変換する偏光変換素子６に入射される。

そしてこれらの偏光変換素子６を通過した光線が１／２波長板９に入射される。さらにこの１／２波長板９は、例えばモータ１０によって光線と平行な回転軸で回転される。この１／２波長板９とモータ１０とが光量調節手段７１となる。ここで１／２波長板は、例えば雲母ような結晶を光軸がカッティング軸に含まれるように板状に切り出したものであって、この光軸と入射光線の偏光軸との関係によって、入射光線の偏光軸を元の軸に対して０〜±９０度に変化させることができるものである。

さらにこの１／２波長板９からの出射光線が、赤の光線を分離するダイクロイックミラー１１Ｒに入射され、このダイクロイックミラー１１Ｒからの赤の反射光線がミラー１２Ｒで反射されて赤の原色信号（Ｒ）で制御される液晶パネル１Ｒに入射する。そしてこの液晶パネル１Ｒでは、入射された光線の偏光軸が原色信号（Ｒ）に応じて変化され、この偏光軸の変化が偏光手段２Ｒと３Ｒ間での明暗に変換されて、原色信号（Ｒ）に対応する映像光が形成される。

また、ダイクロイックミラー１１Ｒを透過した光線が緑の光線を分離するダイクロイックミラー１１Ｇに入射され、このダイクロイックミラー１１Ｇからの緑の反射光線が緑の原色信号（Ｇ）で制御される液晶パネル１Ｇに入射する。そしてこの液晶パネル１Ｇで
は、入射された光線の偏光軸が原色信号（Ｇ）に応じて変化され、この偏光軸の変化が偏光手段２Ｇと３Ｇ間での明暗に変換されて、原色信号（Ｇ）に対応する映像光が形成される。

また、ダイクロイックミラー１１Ｇを透過した光線がミラー１１Ｂ、及びミラー１２Ｂで反射されて青の原色信号（Ｂ）で制御される液晶パネル１Ｂに入射する。そしてこの液晶パネル１Ｂでは、入射された光線の偏光軸が原色信号（Ｂ）に応じて変化され、この偏光軸の変化が偏光手段２Ｂと３Ｂ間での明暗に変換されて、原色信号（Ｂ）に対応する映像光が形成される。このようにしてそれぞれ原色信号（Ｒ、Ｇ、Ｂ）に応じて変調された映像光が形成される。

さらに液晶パネル１Ｒ、１Ｇ、１Ｂで形成された原色信号（Ｒ、Ｇ、Ｂ）の映像光がクロスダイクロイックプリズム１３に入射されて、これらの映像光が合成される。そしてこの合成された映像光が投射レンズ１４を通じてスクリーン（図示せず）に投射される。このようにして、例えば入力端子４Ｒ、４Ｇ、４Ｂに供給される赤、緑、青の３色の原色信号（Ｒ、Ｇ、Ｂ）に応じた映像光が液晶パネル１Ｒ、１Ｇ、１Ｂで形成され、この形成された映像光が合成されてスクリーンに投射される。

そしてこの装置において、図６に示すように１／２波長板９を駆動手段であるモータ１０で回転することにより、通過される偏光の位相がずれ、偏光面が回転する。これによって形成される映像光の輝度が調節される。

すなわち１／２波長板９はモータ１０によって光線と平行な回転軸で回転される。そこで１／２波長板９に入射される光線の偏光軸がＳ波で、この軸が１／２波長板９の光軸と一致している場合には、この光線の偏光軸は変化されずに１／２波長板９から出射される。そして例えば液晶パネル１Ｒ、１Ｇ、１Ｂの前に設けられる偏光手段２Ｒ、２Ｇ、２Ｂの偏光軸が垂直であれば、光線はこの偏光手段２Ｒ、２Ｇ、２Ｂを１００％通過することになる。

これに対して１／２波長板９の光軸が角度θ回転されると、この１／２波長板９から出射される光線の偏光軸は角度２θ変化される。そして液晶パネル１Ｒ、１Ｇ、１Ｂの前に設けられる偏光手段２Ｒ、２Ｇ、２Ｂの偏光軸が垂直であれば、光線は上述の角度２θの分減じられて偏光手段２Ｒ、２Ｇ、２Ｂを通過する。すなわちこの角度２θが０度のとき光線は偏光手段２Ｒ、２Ｇ、２Ｂを１００％通過し、角度２θが９０度になると光線は偏光手段２Ｒ、２Ｇ、２Ｂを全く通過しないことになる。

そこで上述のモータ１０で１／２波長板９の光軸を０〜４５度に回転させることによって、出射される光線の偏光軸を０〜９０度に変化させて、偏光手段２Ｒ、２Ｇ、２Ｂを通過する光線の光量を１００％から０％にまで制御することができる。そしてこの偏光手段２Ｒ、２Ｇ、２Ｂを通過する光量の制御によって、形成される映像光の輝度を変化させることができる（例えば、特許文献１参照）。

以上の説明は光量を調節するために１／２波長板９を回転させることにより、光線の偏光方向を変化させ、この偏光方向のずれに対応して偏光手段２Ｒ、２Ｇ、２Ｂを通過する光量を調節するものである。一方、これとは別の原理を用いて光量を調節する構造として１／２波長板９の代わりに偏光板を用いた構造がある。

図７はこの偏光板７２を用いて光量を調節する構造を説明するための説明図であり、図７の左方向から、つまり、偏光変換素子６により偏光軸が垂直に揃えられた光が偏光板７２と偏光手段２Ｒ、２Ｇ、２Ｂとを通過して図６の右方向へ抜けるまでを図示している。

偏光手段２Ｒ、２Ｇ、２Ｂは予め偏光方向がＳ波におおよそ揃えられており、偏光板７２は偏光方向が位置Ａで垂直に、位置Ｂで左周りに約４５度にずれた位置になっており、必要な減光量に応じて偏光板７２を回転させる。図７の左から入射した光は、偏光板７２が位置Ａの時にそのまま偏光板７２を通過し、また、偏光手段２Ｒ、２Ｇ、２Ｂも通過する。そして、偏光板７２が位置Ａから位置Ｂに向かうに従って、偏光板７２の偏光方向が縦から徐々に斜めになるため、偏光板７２を通過する縦の光は減衰されて偏光手段２Ｒ、２Ｇ、２Ｂを通過する。
従って偏光板７２の回転角度を制御することにより、ここを通過する光の量を調節することができる。

しかしながら、偏光変換素子により正しく偏光方向が揃えられた光は、もとの光源の約８割程度であり、残りの約２割は偏光方向が不規則なまま、正しく偏光方向が揃えられた光と共に前述した光量調節用の偏光板７２に照射されており、光量を調節するためにこれらを回転させると、ある角度で偏光方向の不規則な光、つまり位相差を持った光が偏光手段２Ｒ、２Ｇ、２Ｂにそのまま通過する場合があるため、この回転角度のときに意図に反して光量が増加し、結果的に色ムラとして投射映像に現れる問題があった。

この問題を図７を用いて詳細に説明する。偏光変換素子６により縦方向に正しく偏光方向が揃えられた光Ａと、偏光方向が不規則な光Ｂとは混在して偏光板７２に照射される。偏光板７２が位置Ａの場合は偏光板７２の偏光軸がＳ波（縦）方向のため光Ａは偏光板をそのまま通過し、また、偏光手段２Ｒ、２Ｇ、２Ｂもそのまま通過する。この時、偏光方向が不規則な光Ｂは偏光板７２に阻まれて通過することができず、熱となって吸収されて消滅する。

そして、光量を調節するため偏光板７２を位置Ｂに回転させると、偏光板７２の偏光軸も回転して斜めになる。すると縦方向に正しく偏光方向が揃えられた光Ａは、この角度に対応して偏光板７２を通過する光の量が減少し、意図する光の調節を行なうことができる。

しかしながら、もし、この時に偏光板７２の偏光軸の方向と偏光方向が不規則な光Ｂの偏光軸方向が一致していたら、光Ｂはそのまま偏光板７２を通過して偏光手段２Ｒ、２Ｇ、２Ｂを照射し、偏光手段２Ｒ、２Ｇ、２Ｂの偏光軸方向と光Ｂの偏光軸方向との角度に対応して減衰した光が偏光手段２Ｒ、２Ｇ、２Ｂを通過し、前述した意図する光の量に加算されて液晶パネルを照射する。従って、この余分に照射された光が映像の色ムラとして現れることになる。

ところで、最近は無機物質からなる反射型の偏光板が使用されるようになって来ているが、この偏光板においても、ランプからの光線が偏光板の中心付近に集中して温度が上昇し、熱膨張により偏光板の中心付近に応力が発生し、この結果、偏光軸の方向が乱れてしまい、これも色ムラの原因の一つとなっていた。さらにこの熱は入射側の偏光板の寿命を縮める要因となっていた。

特開２０００−３４７１３７号公報（第３−４頁、図１）

本発明は以上述べた問題点を解決し、光源からの光量を調節する光量調節手段を備えた光学系において、投射される画像の色ムラを低減させ、また、光量を調節する光量調節手段における熱対策の構造を備えた液晶プロジェクタ装置を提供することを目的とする。

本発明は上述の課題を解決するため、光源より照射される光の偏光軸が同一方向に偏光された光線を入力し、同光線の光量を調節して画像制御用の液晶パネルへ出力する光量調節手段を備えた液晶プロジェクタ装置において、
前記光量調節手段を、対向する偏光板と、光線の光軸方向を回転軸として一方の前記偏光板を回転させる駆動手段とで構成する。

また、回転される前記偏光板を前記光量調節手段の入射側に配置する。

また、光源より照射される光の偏光軸が同一方向に偏光された光線を入力し、同光線の光量を前記光線の光軸を中心として偏光板を回転させることにより調節して画像制御用の液晶パネルへ出力する光量調節手段を備えた液晶プロジェクタ装置において、
前記偏光板を、それぞれの偏光軸方向が同一となり、互いに重なり合う重なり部を備えた複数の小偏光板を組み合わせて形成する。

また、前記偏光板を、２枚の前記小偏光板を組み合わせて形成すると共に、前記光線の光軸が前記重なり部を通過するように配置する。

以上の手段を用いることにより、本発明による液晶プロジェクタ装置によれば、
請求項１に係わる発明は、光量調節手段を、対向する偏光板と、光線の光軸方向を回転軸として一方の偏光板を回転させる駆動手段とで構成することにより、
投射される画像の色ムラを低減させ、また、光量を調節する光量調節手段における熱対策の構造となるため、偏光板の寿命を延ばすことができる。さらに、偏光板を２枚使用しているために偏光度が向上し、コントラストを向上させることができる。

請求項２に係わる発明は、回転される偏光板を光量調節手段の入射側に配置することにより、意図する光量以外の光を前面側に反射でき、発熱を抑制させることができるため、回転される偏光板を光量調節手段の出射側に配置した場合に比較して、熱による変形歪を低減させて色ムラを減少させることができる。

請求項３に係わる発明は、偏光板を、それぞれの偏光軸方向が同一となり、互いに重なり合う重なり部を備えた複数の小偏光板を組み合わせて形成することにより、
外周が固定された偏光板に、熱膨張による変形の逃げ場を作ったため、膨張が起こったとしても歪を発生することが少なく、従って偏光軸方向の乱れも少なく、色ムラを低減させることができる。

請求項４に係わる発明は、偏光板を、２枚の小偏光板を組み合わせて形成すると共に、光線の光軸が重なり部を通過するように配置することにより、
最も熱膨張による変形が著しい偏光板の中心部に、熱膨張による変形の逃げ場を作ったため、膨張が起こったとしても歪を発生することがなく、従って偏光軸方向の乱れもない。

以下、本発明の実施の形態を、添付図面に基づいた実施例として詳細に説明する。

図１は本発明による液晶プロジェクタ装置の光学系の構造を示す説明図である。なお、本発明の特徴は光量調節手段の構造にあり、これ以外の部分については、図５で説明した通り、または他の構造でもよい。ここでは図４を基本とし、光量調節手段の構造以外の同一部分については同じ番号を付与して詳細な説明を省略する。

図１において、光量調節手段２１は背景技術で説明した通り、偏光変換素子６と、ダイクロイックミラー１１Ｒとの間に配置されている。そして、光量調節手段２１は入射光側に備えられ、駆動手段であるモータ１０で回転される反射型の偏光板２２と、同反射型の偏光板２２の出射光側に配置された偏光板２３とで構成されている。

偏光板２２と偏光板２３とは所謂反射型の偏光板であり、アルミニュウムや銀などの無機材料で形成されており、偏光軸が異なる光を反射する特性により、有機材料を用いて形成し、偏光軸が異なる光を熱に変換して吸収する従来の偏光板に比べて熱に強いという特徴がある。また、この結果、背景技術で説明した１／２波長板を用いて光量調節を行なう構造に比べて熱に弱いという弱点が克服され、逆に偏光板を用いた光量調節により熱に強い構造にすることができる。

本発明の第一の特徴はこの偏光板を対向させて配置することにより、図７で説明した偏光方向が不規則な光Ｂを偏光板２３で減衰させることにある。前述したように反射型の偏光板は熱に強いという特徴があり、ここで偏光方向が不規則な光Ｂをある程度減衰させておくことにより、色ムラを減少させると共に、偏光手段２Ｒ、２Ｇ、２Ｂの熱負担を減少させて寿命を長くすることができる。
また、本発明の第二の特徴は偏光板を分割して熱膨張による変形歪を減少させ、結果的に色ムラを減少させることにある。

まず図２の説明図を用いて本発明による第一の特徴について説明する。
偏光変換素子により縦方向に正しく偏光方向が揃えられた光Ａと、偏光方向が不規則な光Ｂとは混在して偏光板２２に照射される。偏光板２２が位置Ａの場合は偏光板２２の偏光軸が縦方向のため光Ａは偏光板２２をそのまま通過し、また、偏光手段２Ｒ、２Ｇ、２Ｂもそのまま通過する。この時、偏光方向が不規則な光Ｂは反射型偏光板２２に阻まれて通過することができず、偏光板２２の表面で反射される。

そして、光量を調節するため、偏光板２２を入射光線の光軸を中心として位置Ｂに、モータ１０を用いて回転させると、偏光板２２の偏光軸も回転して斜めになる。すると縦方向に正しく偏光方向が揃えられた光Ａは、この角度に対応して偏光板２２を通過する光の量が減少し、意図する光の調節を行なうことができる。

もしこの時に偏光板２２の偏光軸の方向と偏光方向が不規則な光Ｂの偏光軸方向が一致していたら、光Ｂはそのまま偏光板７２を通過して偏光板２３を照射する。偏光板２３の偏光軸は縦方向に固定されているため、照射された不規則な光Ｂは偏光板２３の偏光軸方向と光Ｂの偏光軸方向との角度に対応して減衰した光が偏光手段２Ｒ、２Ｇ、２Ｂを照射する。ここで、減衰して照射された不規則な光Ｂは同様に偏光手段２Ｒ、２Ｇ、２Ｂで減衰し、ほとんど色ムラを認識できる以下のレベルになって液晶パネルへ出力される。

一方、偏光方向が揃えられた光Ａは調節されて偏光板２３を照射するが、偏光軸が同じためそのままのレベルで通過し、さらに、偏光手段２Ｒ、２Ｇ、２Ｂを通過して液晶表示パネルを照射する。従って、液晶パネルを照射する光は調節された光Ａのみとなり、色ムラを発生させることがない。また、偏光板を２枚使用しているために偏光度が向上し、コントラストを向上させることができる。

また、不規則な光Ｂは偏光板２３でほとんど反射されるため、偏光手段２Ｒ、２Ｇ、２Ｂに到達しても熱を発生させることがほとんどない。従って偏光手段２Ｒ、２Ｇ、２Ｂの寿命を延ばすことができる。

図３は本発明の第二の特徴を備えた偏光板であり、図２で説明した光量調節手段に用いられる偏光板の別の実施例である。図３（Ａ）は正面図、図３（Ｂ）は上面図である。

この偏光板３０はアルミニュウムや銀などの無機材料からなる半円状に小さく形成された小偏光板３０ａと３０ｂとが、重なり部３０ｃで重なり合っており、最終的に円形に形成されている。小偏光板３０ａと３０ｂとの偏光軸は同一方向に揃えられており、図１の偏光板２２、２３と交換して使用できる。
また、重なり部３０ｃの中央と偏光変換素子から照射される光線の光軸の中心とが一致するように配置されている。これは光軸の中心付近が最も温度が高くなるためであり、光軸の中心付近を重なり部３０ｃを貫くように配置することにより、熱膨張による歪を逃がし易くしている。

この偏光板３０を図１の光量調節手段の偏光板として用いると、前述のように偏光板３０の中心付近に熱が集中して熱膨張が発生するが、小偏光板３０ａと３０ｂとが別体で形成されているため、図３（Ｂ）の矢印で示すように小偏光板３０ａと３０ｂとの直線部分がそれぞれ方向Ａ、方向Ｂの方向に膨張する。偏光板３０の外周は図示しない固定金具により固定されているため、熱膨張による変形はこの２つの方向に向かって集中する。

従来のように分割されていない１枚の偏光板では熱膨張による変形の逃げ場がないため偏光板の中心付近で歪が発生し、これに対応して偏光軸の方向が乱れており、また、最悪の場合は偏光板自体が割れる場合も発生していたが、偏光板３０では分割によってこの歪の逃げ場を作ったため、膨張が起こったとしても歪を発生することが少なく、従って偏光軸方向の乱れも少く、熱膨張による破損もない。

また、図３（Ｂ）に示すように、偏光変換素子から出力される光（実線矢印）は全てが偏光板３０に対して直角に入射するわけでない。従って偏光板の重なり部３０ｃが存在しても斜めに入射する光により、偏光板３０の重なり部３０ｃから出る光（点線矢印）がムラになることが少ない。また、偏光板３０と同一方向の偏光軸を持つ光の場合は、偏光板３０の光の透過率が高いため、重なり部３０ｃの影響も少なくて実用上問題が無い。

また、小偏光板３０ａや３０ｂの表面には図示しない表面処理が施されているが、この表面処理は非常にもろい性質がある。従って、これらに保護用のカバー処理を施さない場合は、偏光板３０として組み立てる場合に、小偏光板３０ａと３０ｂとの間に僅かな隙間を設けるとよい。

図４は重なり部３０ｃの幅を規定する式を説明する説明図であり、偏光板３０を下面から見た図である。ここで、重なり部幅：Ｌ 、偏光板に対し斜めに入射する光線の入射角（光軸に対する角度）：θ、 偏光板の間隔：ｄとすると、重なり部幅の寸法は以下の式で表される。

この式１で表される重なり部幅の寸法に小偏光板３０ａと３０ｂとを配置することにより、偏光板に対して斜めに入射する光線の偏光板３０に対する抜けがなく、従って色ムラを減少させることができる。

以上、２つの実施例では偏光板を無機材料を用いたもので説明しているが、本願はこれに限るものではなく、有機材料を用いたものであってもよい。また、実施例２では偏光板の分割を直径方向で２分割しているが、これに限るものではなく、偏光板の中心から所定の角度となる扇型に分割し、それぞれに重なり部分を設けてもよい。つまり、熱膨張が発生する部分（偏光板の中心付近）をできるだけ分割して膨張の逃げ場を設けるようにしてもよい。

本発明による液晶プロジェクタ装置の光学系の実施例を示すブロック図である。 本発明による光量調節手段の原理を説明するための説明図である。 本発明による偏光板の構造を示す、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は上面図である。 本発明による偏光板の重なり部の寸法を規定する計算式を説明する説明図である。 従来の液晶プロジェクタ装置の光学系を示すブロック図である。 従来の液晶プロジェクタ装置の光量調節手段を説明するための斜視図である。 従来の液晶プロジェクタ装置の他の光量調節手段の例を説明するための説明図である。

符号の説明

１Ｂ 液晶パネル
１Ｇ 液晶パネル
１Ｒ 液晶パネル
２Ｂ 偏光手段
２Ｇ 偏光手段
２Ｒ 偏光手段
４Ｒ、４Ｇ、４Ｂ 入力端子
５ 光源手段
６ 偏光変換素子
７ インテグレータレンズ
９ １／２波長板
１０ モータ（駆動手段）
１１Ｇ ダイクロイックミラー
１１Ｒ ダイクロイックミラー
１１Ｂ ミラー
１２Ｂ ミラー
１２Ｒ ミラー
１３ クロスダイクロイックプリズム
１４ 投射レンズ
２１ 光量調節手段
２２ 偏光板
２３ 偏光板
３０ 偏光板
３０ａ、３０ｂ 小偏光板
３０ｃ 重なり部
７１ 光量調節手段
７２ 偏光板

Claims (4)

1. 光源より照射される光の偏光軸が同一方向に偏光された光線を入力し、同光線の光量を調節して画像制御用の液晶パネルへ出力する光量調節手段を備えた液晶プロジェクタ装置において、
   前記光量調節手段を、対向する偏光板と、光線の光軸方向を回転軸として一方の前記偏光板を回転させる駆動手段とで構成してなることを特徴とする液晶プロジェクタ装置。
2. 回転される前記偏光板を前記光量調節手段の入射側に配置してなることを特徴とする請求項１記載の液晶プロジェクタ装置。
3. 光源より照射される光の偏光軸が同一方向に偏光された光線を入力し、同光線の光量を前記光線の光軸方向を軸として偏光板を回転させることにより調節して画像制御用の液晶パネルへ出力する光量調節手段を備えた液晶プロジェクタ装置において、
   前記偏光板を、それぞれの偏光軸方向が同一となり、互いに重なり合う重なり部を備えた複数の小偏光板を組み合わせて形成してなることを特徴とする液晶プロジェクタ装置。
4. 前記偏光板を、２枚の前記小偏光板を組み合わせて形成すると共に、前記光線の光軸が前記重なり部を通過するように配置してなることを特徴とする請求項３記載の液晶プロジェクタ装置。

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