JP2006106519A - 偏光板及びそれを用いた映像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 冷却用の空気を流す構成を持つ投射型の映像表示装置に採用している偏光板において、伝導性のよい基板の使用による冷却効果の維持、及びコスト低減を実現する。
【解決手段】 映像表示装置は、偏光板として、入射側、出射側の少なくともいずれか一方に配され、偏光素子を水晶基板と大きさの異なるサファイア基板とで貼合する構成にする。この構成により、偏光素子の冷却効果が向上し、低価格化により偏光素子の信頼性向上を実現できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、液晶パネル等の映像表示素子を使用して、スクリーン上に映像を投影する投射装置、例えば、液晶プロジェクタ装置や、投射型リアプロジェクションテレビ等の光学ユニット、および投射型映像表示装置に係わり、特に画像の高輝度化に伴い高温となる偏光素子について、効率良く放熱するための技術に関するものである。

液晶パネル、映像表示素子などを用いたプロジェクタの光学ユニットには、少なくとも1個の液晶表示素子とその前後に1対の偏光素子が用いられる。この偏光素子は熱収縮性が高く、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、下記特許文献１に記載のように、熱伝導率の高い例えばサファイア基板１枚の透明基板に貼合して用いられる。

特開平１１−３３７９１９号公報

一般に、液晶表示装置に用いられる偏光板は、高温となることで、熱収縮による色ムラや、寿命の低下といった問題が発生する。そのため、温度の低減を図るために熱伝導率の高い透明基板の材料としてサファイアを用いている。しかしながら、高輝度化が進むにつれて、サファイア基板の適用だけでは、温度上昇を抑えることができず、偏光透過率の高い補助偏光板を用いる、或いは冷却用の風量を増加することによる対策が必要となる場合がある。補助偏光板を用いることにより、サファイア基板を追加するためにコスト増加につながり、また、冷却用風量を増加するために騒音が大きくなるといった課題が発生する。サファイアは水晶や、白板ガラス等と比べ非常に高価である。また、サファイアは結晶軸を管理することに関しても、コスト増加を伴う。表面積を大きくすることで冷却効果を高めることができるが、構造上の制約条件、ならびに、コストの増大により、困難である。

本発明の目的は、上記従来技術の状況に鑑み、映像表示技術において、（１）冷却用の空気を流す構成を持つプロジェクタにおいて、偏光板の冷却効果を上げること、（２）偏光素子の信頼性確保のために要するコストの増大を抑えられるようにすること、等である。

上記目的を達成するために本願発明は、液晶表示素子の入射側と出射側の少なくとも一方に配置された偏光板であって、有機物からなる偏光素子と、前記偏光素子を保持する透明基板とを有し、前記偏光素子は該透明基板により挟まれるように構成する。

本発明によれば、投射型映像表示装置において、偏光素子の信頼性向上を低コストで実現できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態につき、図面を用いて説明する。
図１〜図３、を用いて、本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明による偏光板構成の概略を示し、図２はその偏光板を用いた透過型液晶プロジェクタの光学ユニットの構成を示す。さらに、図３は、偏光板と液晶表示素子の関係について示す。本実施の形態は、偏光を利用した液晶プロジェクタにおいて、光源から投射レンズにいたる光路上RGBの光路上のうち光エネルギーの大きいG光路に、本発明の偏光板を配置した形態を示す。

図１は、本発明による偏光板の平面図、及び断面図である。偏光素子５２は、サファイア基板５１と水晶基板５３により挟みこまれた構成をなしている。このように構成された偏光板５をG光路に配置した光学ユニットの構成について、図２を用いて、配置の詳細を図３を用いて説明する。

図２において、光源１から出射した光束は第1レンズアレイ６に入射する。第1レンズアレイ６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７と偏光変換素子８を通過するように導く。第１レンズアレイと同様に、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７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６のレンズセルの形状を透過型の液晶表示素子２０Ｒ、２０Ｇ、２０Ｂ側に投影する。この時、偏光変換素子８は第２レンズアレイ７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６の各レンズセルの投影像を集光レンズ９、及びコンデンサレンズ１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂ、第１リレ−レンズ１７、第２リレ−レンズ１８により各液晶表示素子２０Ｒ，２０Ｇ，２０Ｂ上に重ね合わせる。尚,１４，１５，１６は反射ミラーである。その過程で、ダイクロイックミラ−１２，１３により、光源１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２０Ｒ、２０Ｇ、２０Ｂに照射される。尚、ここではダイクロイックミラ−１２は赤反射緑青透過特性であり、ダイクロイックミラ−１３は緑反射青透過特性である。入射側に入射側偏光板４Ｒ、４Ｇ、４Ｂを、出射側に出射側偏光板５Ｒ、５Ｇ、５Ｂを備え、所定の偏光方向の各液晶表示素子２０Ｒ、２０Ｇ、２０Ｂは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。光強度変調で形成された液晶表示素子２０Ｒ、２０Ｇ、２０Ｂ上の画像は、色合成プリズム１１によって色合成され、更に、投射レンズ３によってスクリ−ン１９上へと投射され、大画面映像を得ることができる。尚、第１リレ−レンズ１７と第２リレ−レンズ１８は、液晶表示素子２０Ｒ、２０Ｇに対して、光源１から液晶表示素子２０Ｂの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。また、コンデンサレンズ１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂは液晶表示素子２０Ｒ、２０Ｇ、２０Ｂ通過後の光線の広がりを押さえ、投射レンズ３によって効率のよい投射を実現する。冷却用ファン２６は、例えば入射側偏光板４Ｒ、４Ｇ、４Ｂ、出射側偏光板５Ｒ、５Ｇ、５Ｂや液晶表示素子２０Ｒ、２０Ｇ、２０Ｂ等で光源１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、偏光板や液晶表示素子への流路２７を形成して冷却する。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偏光板でも光吸収による発熱で温度が上昇する。そこで、偏光板の放熱効果を高め、冷却用ファン等により冷却して温度上昇を防いでおり、特に、偏光板では更に放熱効果を高め温度上昇を改善している。

図３は、入射側偏光板４Ｇ、出射側偏光板５Ｇ、及び透過型液晶表示素子２０Ｇについて詳細に示したものである。図３において、４bと５bは偏光素子、４aと５aは偏光素子４bと５bを貼合する透明基板であるサファイア基板であり、４cと５cは、サファイア基板とは別の側面に貼合する透明基板である水晶基板である。入射側偏光板４Gは偏光素子４bをサファイア基板４aと水晶基板４cで挟みこむ構造であり、出射側偏光板５Gは偏光素子５bをサファイア基板５aと水晶基板５cで挟みこむ構造である。偏光素子を挟みこむ2つの基板の大きさを異ならせる、例えば、液晶表示素子２０とは逆側に配置したサファイア基板４a,５aの面積を水晶基板４c,５cの面積よりも大とすることにより、1つの基板に偏光素子を貼合する従来の偏光板構成と構造上同様の構成を採用することができる。偏光変換素子８にて変換された直線偏光の偏光方向を光路２１に直交する紙面に平行なＸ−Ｘ'方向（以下、鉛直方向と称する）とすると、Ｘ-Ｘ'方向の直線偏光が偏光素子４ｂに入射する。この際、サファイア基板４ａの結晶軸が偏光に影響を与えないようにするためには、サファイア基板４ａの結晶軸を偏光素子４ｂの透過軸と同じ略鉛直方向もしくはこれに略直交する方向にする必要がある。この結晶軸角度がずれた場合は、直線偏光が楕円偏光に大きく変化されてしまい、偏光素子４ｂでの光の吸収量が増加するため、光量の損失や発熱量の増大が発生する。次に、偏光素子４ｂの透過軸を通過した光は、液晶表示素子２０Ｇ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、水晶基板５ｃに入射した後、偏光素子５ｂに入射し、偏光素子５ｂの透過軸に平行な偏光成分は偏光素子５ｂを透過するが、それ以外は偏光素子５ｂで吸収される。偏光素子４ｂ及び５ｂは、透過軸以外の偏光成分を吸収して発熱するため、偏光素子４ｂ及び５ｂの表面、及びサファイア基板４ａ及び５ａ、及び水晶基板４ｃ及び５ｃの表面を空冷することにより、偏光素子４ｂ及び５ｂの光吸収による温度上昇を抑制する。サファイア基板４ａ及び５ａ、及び水晶基板４ｃ及び５ｃに高い熱伝導性が求められるのは、サファイア基板４a及び５a、及び水晶基板４ｃ及び５ｃの表面からの放熱効果を向上させるためである。

図４は、ガラス、水晶、サファイアを偏光素子の透明基板に用いた場合と大きさの異なる水晶とサファイアを偏光素子で挟み込み貼合した場合の偏光素子の温度を示す概念図ある。光束量、及び、基板への冷却風量を一定とした場合、偏光板の温度は、偏光素子を保持する透明基板の熱伝導率によって変化する。熱伝導率は、ガラスが０．５５〜０．７５(Ｗ／ｍＫ)に対して、水晶が５．４(Ｗ／ｍＫ)、サファイアが４２（Ｗ／ｍＫ）である。水晶は熱伝導率としてはサファイアより劣るが、サファイアと合わせて用いることにより、偏光板基板として使用した場合のサファイア単体に対する温度低減効果を得ることが可能となる。

図５にサファイア基板、及び水晶基板の結晶軸角度ずれに対する損失光量の計算値を示す。図5において、横軸は結晶軸角度ずれであり、縦軸は偏光素子で生じる損失光量である。基板の結晶軸と偏光素子の吸収軸に対して平行な偏光を持つ光が偏光板に入射される場合、結晶軸角度ずれが大きいと急激に損失光量が増加する。偏光素子で光が吸収されると損失光量が増加し、輝度低下を引き起こす。従って、この偏光素子による光吸収を防ぐためには、入射基板4a及び４ｃの結晶軸を管理する必要がある。また基板の結晶軸と偏光素子の吸収軸に対して垂直な偏光を持つ光が偏光板に入射される場合、光学ユニットのコントラストに影響する。この場合の結晶軸角度ずれの影響は基板の結晶軸と偏光素子の吸収軸に対して平行な偏光を持つ場合よりも大きい。次に、結晶軸とコントラストの関係を説明する。

図６にサファイア基板、及び水晶基板の結晶軸角度ずれに対するコントラスト変化のシミュレーションを示す。図６において、横軸は結晶軸角度ずれであり、縦軸は結晶軸角度ずれで生じる光学ユニットのコントラスト変化である。偏光素子に入射する前の入射基板の結晶軸ずれは、コントラスト低下を引き起こす。従って、この偏光素子による光学ユニットのコントラスト低下を防ぐためには、液晶表示素子２０Gに直線偏光を入射させる入射偏光板４Gの透明基板4a,4cの結晶軸と、出射側偏光素子５ｂに直線偏光を入射させる役割をなす透明基板５ｃの結晶軸を厳密に管理する必要がある。すなわち、透明基板４ａ、４ｂ、５ｃには、サファイアに比べて、結晶軸を管理しやすい水晶とすることで、光束量、コントラスト性能の低下を防止し、５aにはサファイアを用いることで、冷却効果をあげることが可能となる。

尚、上記実施例では、入射偏光板、出射基板共に偏光素子を水晶基板とサファイア基板とで挟み込む構成を説明したが、これに限定されるものではなく、温度条件によって基板の組み合わせを変えたり、基板の面積を変えることによっても効果が得られることはいうまでもない。また、特に温度が厳しい出射偏光板にのみ使用することも可能である。

図７ａ、ｂを用いて、２枚の透明基板の空隙を、例えばアクリル系樹脂を用いたシール材で埋めた場合の構成について説明する。図７ａは平面図、図７ｂは断面図である。偏光板５０において、偏光素子５０ｂは、２枚の透明基板５０ｃと５０ｄにより挟みこまれ、かつ、空隙を水分の浸入を防止することが可能なシール材５０ｄ埋めた構成をなしている。このような構成により、高湿環境下における、偏光素子の信頼性を高めることができる。

また液晶プロジェクタの実施の形態として図２で示した液晶表示素子を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、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であってもよい。また、透過型液晶プロジェクタのみならず反射型液晶プロジェクタでも、偏光方向を揃えるためにまたは所望でない偏光方向成分を削減するために偏光板が用いられている。

本発明による偏光板の平面図、及び断面図である。 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図である。 本発明による偏光板の構成例図である。 ガラス、水晶、サファイアを偏光素子の透明基板に用いた場合と大きさの異なる水晶とサファイアを偏光素子で挟み込み貼合の場合の偏光素子温度を示す概念図ある。 サファイア基板、及び水晶基板の結晶軸角度ずれに対する損失光量を示すシミュレーション結果である。 サファイア基板、及び水晶基板の結晶軸角度ずれに対するコントラスト変化を示すシミュレーション結果である。 本発明による２枚の基板の空隙をシール材で埋めた偏光板の構成を示す図である。

符号の説明

１・・・光源、２０・・・液晶表示素子、３・・・投射レンズ、４・・・入射側偏光板、５・・・出射側偏光板、６・・・第１レンズアレイ、７・・・第２レンズアレイ、８・・・偏光変換素子、９・・・集光レンズ、１０・・・コンデンサレンズ、１１・・・色合成プリズム、１２・・・ダイクロイックミラ−、１３・・・ダイクロイックミラ−、１４、１５、１６・・・反射ミラ−、１７、１８・・・リレ−レンズ、１９・・・スクリ−ン、２１・・・光路、２４・・・液晶表示素子２０上に形成された正常な画像例、２５・・・スクリーン１９上に投影された歪曲した画像例、２６・・・冷却用ファン、２７・・・流路、４a、５ｃ・・・水晶基板、４ｂ、５ｂ・・・偏光素子、４ｃ・・・水晶基板、５a・・・サファイア基板、５４ｄ・・・シール材。

Claims (9)

1. 液晶表示素子の入射側と出射側の少なくとも一方に配置された偏光板であって、
   有機物からなる偏光素子と、
   前記偏光素子を保持する透明基板とを有し、
   前記偏光素子は該透明基板により挟まれるように構成したことを特徴とする偏光板。
2. 前記透明基板は、熱伝導率が５Ｗ/ｍＫ 以上の高熱伝導率の材料で構成されたことを特徴とする請求項１に記載の偏光板。
3. 前記透明基板は、少なくとも１枚を水晶基板で構成することを特徴とする請求項１乃至請求項２の何れか１項に記載の偏光板。
4. 前記透明基板の面積は、前記偏光素子の面積よりも大であることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の偏光板。
5. 前記透明基板は、水晶基板とサファイア基板で構成され、前記液晶表示素子側に前記水晶基板を配置するように構成したことを特徴とする請求項１乃至請求項２の何れか１項に記載の偏光板。
6. 前記水晶基板の結晶軸と前記偏光素子の吸収軸との成す角が、９０°±１°又は、０°±１°の何れかであることを特徴とする請求項５に記載の偏光板。
7. 前記サファイア基板の面積をＳＧ１，前記水晶基板の面積をＳＧ２，前記偏光素子の面積をＳＰとしたとき、ＳＧ１＞ＳＧ２＞ＳＰの関係を満たすことを特徴とする請求項５乃至請求項６の何れか１項に記載の偏光板。
8. 前記透明基板で挟まれた隙間を、水分を遮断する材料で埋めたことを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載の偏光板。
9. 白色光を放射する光源ユニットと、該光源ユニットからの出射光を直線偏光に変換する偏光変換素子と、前記白色光を赤、緑、青の３色光に分離する色分離ユニットと、各色の映像信号に応じて変調する液晶表示素子と、該液晶表示素子からの映像光を拡大投影する投射ユニットを有する液晶プロジェクタであって、
   前記液晶表示素子の入射側と出射側の少なくとも一方に、請求項１乃至請求項８の何れか１項に記載の偏光板を配置したことを特徴とする映像表示装置。
   

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