JP2007114328A

JP2007114328A - 光学部材及びそれを用いた投射型映像表示装置

Info

Publication number: JP2007114328A
Application number: JP2005303836A
Authority: JP
Inventors: 寛則 ▲吉▼田; Hironori Yoshida
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2005-10-19
Filing date: 2005-10-19
Publication date: 2007-05-10

Abstract

【課題】本発明の目的は、表示映像の高画質性を確保できる光学部材及び投射型映像表示装置を提供することにある。
【解決手段】本発明の光学部材は、映像表示素子の光出射側に配置された、偏光を処理する偏光処理層と光の位相差の補償を行う視野角補償素子層とを支持する透明基板を、面積が５５０ｍｍ^２以下、且つ材質を酸化マグネシウムで構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、液晶プロジェクタ等の投射型映像表示装置に係り、特に、映像表示素子と光出射側の偏光素子の間に設けられ、偏光処理や光の位相差補償に行う光学部材に関する。

下記特許文献１には、レンズ、偏光板における偏光体の保持板、液晶パネルを構成する透明基板のうちの少なくとも一種をサファイア基板で形成する構成が開示されている。

特開平１１−３３７９１９号公報

上記特許文献１では、サファイアは結晶軸を有するため、光の複屈折が起こり易く、映像のコントラストが低下し易い。このため、素子を組込む場合に、サファイアの結晶軸方向に合せた位置や角度の調整が必要となる問題があった。また、サファイアはコスト高である。

本発明の課題は、投射型映像表示装置において偏光処理や光の位相差補償を行う光学部材を、（１）組み込みが容易で且つ光の複屈折を起こさないこと、（２）効率の良い放熱性が確保され、温度上昇を抑えられ、且つ表示映像の高画質性を確保できるようにすることである。

本発明の目的は、かかる課題点を解決し、表示映像の高画質性を確保できる光学部材及び投射型映像表示装置を提供することにある。

上記課題点を解決するために、本発明では、映像表示素子の光出射側に配置された、偏光を処理する偏光処理層と光の位相差の補償を行う視野角補償素子層とを支持する透明基板を、面積が５５０ｍｍ^２以下、且つ材質を酸化マグネシウムで構成する。

本発明によれば、表示映像の高画質性を確保できる光学部材及びこれを用いた投射型映像表示装置を提供することが可能となる。

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は、光学部材の断面図である。図２は、図１の光学部材の映像表示素子に対する配置図である。図３は、図２の配置を用いた投射型映像表示装置の構成図である。

図１において、７０は光学部材、７０ｂは立方晶構造の透明基板である酸化マグネシウム基板、７１は外部からの水分を防ぐための無機材である保護層、７２は例えばアクリル酸エステルなどの粘着材である粘着層、７０ａは入射された光の偏光処理を行うための偏光素子層、７０ｃは入射した光の位相差による偏光の乱れを補正する視野角補償素子層である。

図２は、図１に示した光学部材の配置図である。図２において、１９は液晶パネル等の映像表示素子、１８は映像表示素子１９の光入射側に設ける偏光板（以下、入射側偏光板という）、２１は映像表示素子１９の光出射側に設ける偏光板（以下、出射側偏光板という）、７０は光学部材である。光学部材７０は、図１と同様の構成を有する。また、２６は偏光変換されかつ色分離された赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）いずれかの色光の入射光（以下、入射偏光光という）であり、Ｘ-Ｘ’は、入射偏光光２６の直線偏光の偏光光である。本配置においては、光学部材７０は、視野角補償素子層７０ｃを、酸化マグネシウム基板７０ｂに対し映像表示素子１９側に配置し、映像表示素子１９の出射側において、出射側偏光板２１と映像表示素子１９との間に配置する。入射側偏光板１８の偏光素子層１８aはＸ-Ｘ’方向を透過軸とし、光学部材７０の偏光素子層７０ａ及び出射側偏光板２１の偏光素子層２１aはＸ-Ｘ’方向に対し直角な方向を透過軸としているものとする。また、入射側偏光板１８と映像表示素子１９との間、映像表示素子１９と光学部材７０との間及び光学部材７０と出射側偏光板２１との間にはそれぞれ、相互間に所定の空隙を隔てて配置されている。

図２において、所定の色光のＰ偏光光またはＳ偏光光の入射偏光光２６は、入射側偏光板１８の透明基板１８ｂを通過して、偏光素子層１８aに入射する。偏光素子層１８aは、偏光光のうち偏光素子層１８aの透過軸に平行な偏光方向成分すなわちＸ-Ｘ’方向の成分を通過させる。偏光素子層１８aを通過した偏光光は、映像表示素子１９に照射される。映像表示素子１９では照射された偏光光は映像信号の階調に基づき変調される。変調された色光の偏光光は、視野角補償素子層７０ｃに入射する。視野角補償素子層７０ｃを通過した偏光光は、粘着層７２、保護層７１及び酸化マグネシウム基板７０ｂ、保護層７１、粘着層７２を通過して、偏光素子層７０aに入射し、偏光素子層７０ａの透過軸に平行な偏光方向成分すなわちＸ-Ｘ’方向に垂直な方向の成分を通過させる。偏光素子７０aを通過しない偏光光は、偏光素子層７０aを含む光学部材７０内で吸収されて熱に変わる。偏光素子層７０aを通過した偏光光はさらに、出射側偏光板２１の偏光素子層２１ａに入射し、偏光素子層２１ａの透過軸に平行な偏光方向成分すなわちＸ-Ｘ’方向に垂直な方向の成分を通過させ、透明基板２１ｂを通過して次の光学系側に出射される。

酸化マグネシウム基板７０ｂは、立方晶構造を有するため、複屈折もなく、直線偏光の楕円偏光への変化もない。このため酸化マグネシウム基板７０ｂでの光の吸収や損失も少なく、明るくコントラストの高い映像が得られる。また、酸化マグネシウム基板７０ｂは、立方晶構造であるため、偏光素子層７０aの透過軸（吸収軸）の方向や、視野角補償素子層７０ｃに対しても方向性はなく、このため光学部材７０としての組込時、偏光素子層７０ａや視野角補償素子層７０ｃに対して方向を合わせる作業は不要となる。さらに、酸化マグネシウム基板１８ｂは、立方晶構造であるために、サファイア基板などに比べ製造し易く、低コスト化が可能である。

図４は、主な透明基板の物性値を示す図である。光学部材７０の透明基板である酸化マグネシウム基板７０ｂは、上記引用文献１のサファイアよりも熱伝導率が高いため、サファイアと同等以上の放熱効果が得られ、光学部材７０内の温度上昇を抑えることができる。その一方、酸化マグネシウム基板は、熱膨張率が大きいため、照射される光による温度上昇によって発生する熱膨張に関して考慮する必要がある。

透明基板を光学部材７０に用いた場合の基板の面積（Ｓ）と面積膨張（α）は、（式１）の関係にある。

α＝β^２×Δｔ^２×Ｓ…（式１）
但し、本実施例では、液晶プロジェクタ等の投射型映像表示装置において、透明基板に光が照射された場合の基板面内の温度差（Δｔ）は、一般的に約30℃であるため、基板面内の温度差（Δｔ）を30℃とする。また、βは、図４に示す透明基板の熱膨張率である。

図７は、各々のパネルサイズの基板の面積に基づいて、（式１）により透明基板（酸化マグネシウムとサファイア）の面積膨張を求めた結果を示す図である。また、図５は、当該結果をグラフにした図である。図５より、透明基板（酸化マグネシウムとサファイア）の面積が大きい程、面積膨張が大きくなる。また、酸化マグネシウム基板は、サファイアと比較して面積膨張がより大きくなる。面積膨張が大きい程、液晶プロジェクタ等の映像表示装置の使用時に光漏れが発生し易くなり、高画質の表示映像を得ることができない。

図８は、透明基板（酸化マグネシウムとサファイア）の面積膨張と実測により求めた黒表示における色ムラ（以下、黒ムラΔｙという）との関係を示す図である。また、図６は、当該関係をグラフにした図である。Δｙとは、スクリーン上中心とコーナーのｙ値の差である。ここで、ｙ値とは、CIE（Commission Internationale de l'Eclairage、国際照明委員会）標準表色系として各表色系の基礎となっているＹ_ｘｙ座標系（Ｙは照度、ｘ及びｙは色を示す）のｙの値である。一般的に、Δｙを0.100以下とすれば、黒ムラがほとんど分からないレベルとなる。図６より、Δｙを0.100以下に抑えるためには、面積膨張を10×10⁻⁵ｍｍ²以下にする必要がある。従って、図５より、酸化マグネシウム基板の面積は約550ｍｍ^２以下にする必要がある。これにより、黒ムラが抑えられ、高画質の映像を表示することが可能となる。

図３は、図２の配置を用いた投射型映像表示装置の構成図である。１はランプなどの光源、２はリフレクタ、３は複数のレンズセルより成り複数の２次光源像を形成する第１のアレイレンズ、４は同じく複数のレンズセルより成り第１のアレイレンズの個々のレンズ像を結像する第２のアレイレンズ、５は偏光ビームスプリッタ（図示なし）と１／２波長位相差板（図示なし）から構成され、第２のアレイレンズ４側からの光をＰ偏光光とＳ偏光光とに分離した後、両偏光光のうち一方の偏光方向を回転してＰ、Ｓいずれかの偏光光に揃え、偏光光を出射する偏光変換素子、６は集光レンズ、７、８、９、１０は反射ミラー、１１、１２は入射された光を赤、緑、青の各色光（以下、Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光という）に色分離する色分離部としてのダイクロイックミラー、１３Ｒ、１３Ｇ、１３Ｂはコンデンサレンズ、１５、１６はリレーレンズ、１９Ｒ、１９Ｇ、１９Ｂはそれぞれ、Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光用の透過型液晶パネルなどの映像表示素子、１８Ｒ、１８Ｇ、１８Ｂはそれぞれ、映像表示素子１９Ｒ、１９Ｇ、１９Ｂの入射側偏光板、２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂはそれぞれ、映像表示素子１９Ｒ、１９Ｇ、１９Ｂの出射側偏光板、７０Ｒ、７０Ｇ、７０Ｂはそれぞれ光学部材、２２は色合成用の色合成部としてのダイクロイックプリズム、２３は映像光を拡大投射するための投射レンズ、１００は映像表示素子１９Ｒ、１９Ｇ、１９Ｂを映像信号に基づき駆動する駆動回路、２７は冷却用ファン、２８は冷却用空気の流路である。光学部材７０Ｒ、７０Ｇ、７０Ｂはそれぞれ、図１に含まれる範囲の構成を備えているものとする。映像表示素子１９Ｒ、１９Ｇ、１９Ｂはそれぞれ、映像信号に基づき駆動回路１００により駆動され、入射された偏光光を変調して出射する。また、リレ−レンズ１５、１６は、映像表示素子１９Ｂの、光源１からの光路長が、映像表示素子１９Ｒ、１９Ｇの場合に比べて長いのを補う作用をする。光源１から投射レンズ２３までの上記した諸要素は、投射型映像表示装置における光学ユニットを構成している。

当該構成において、光源１から出射された光（白色光）（リフレクタ２での反射光も含む）は、第１のアレイレンズ３で複数の２次光源像を形成した後、第２のアレイレンズ４で複数の２次光源像を結像し、結像光が、偏光変換素子５内で、偏光ビームスプリッタ（図示なし）でＰ偏光光とＳ偏光光とに分離され、１／２波長位相差板（図示なし）により、例えばＰ偏光光が偏光方向を回転されてＳ偏光光とされ、偏光ビームスプリッタで分離されたＳ偏光光と併せ、集光レンズ６に入射される。集光レンズ６で集光された白色光のＳ偏光光は、反射ミラー７で反射され、ダイクロイックミラー１１に約45゜の入射角で入射する。ダイクロイックミラー１１では、Ｒ光のＳ偏光光は反射され、Ｇ光及びＢ光のＳ偏光光は透過される。反射されたＲ光のＳ偏光光は反射ミラー１０で反射されて光路方向を変更され、コンデンサレンズ１３Ｒを介してＲ光用の映像表示素子１９Ｒの入射側偏光板１８Ｒに入射する。Ｒ光のＳ偏光光は、入射側偏光板１８Ｒにおいて入射側偏光板１８Ｒの透過軸方向のものが透過されることで偏光方向を揃えられ、Ｒ光用の映像表示素子１９Ｒに照射される。映像表示素子１９Ｒでは、Ｒ光のＳ偏光光が透過時に映像信号に基づいて変調され、Ｒ光のＳ偏光光が透過時に映像信号に基づいて変調され、Ｒ光のＰ偏光光の光学像を形成したとして出射される。映像表示素子１９Ｒから出射されたＲ光のＰ偏光光は、光学部材７０Ｒに入射し、光学部材７０Ｒの視野角補償素子層７０ｃの中で光の位相差を補償され、かつ、光学部材７０Ｒの偏光素子層７０ａにおいて透過軸方向のものが透過されることで偏光方向が揃えられる。さらに出射側偏光板２１Ｒに入射し、出射側偏光板２１Ｒにおいて出射側偏光板２１Ｒの透過軸方向のものが透過されることで偏光方向を揃えられ、ダイクロイックプリズム２２に入射される。ダイクロイックプリズム２２では、そのダイクロイック面で反射され、投射レンズ２３に入る。

一方、ダイクロイックミラー１１を透過したＧ光及びＢ光のＳ偏光光は、さらに、ダイクロイックミラー１２に約45゜の入射角で入射し、ダイクロイックミラー１２で、Ｇ光のＳ偏光光は反射され、Ｂ光のＳ偏光光は透過される。反射されたＧ光のＳ偏光光は、コンデンサレンズ１３Ｇを介してＧ光用の映像表示素子１９Ｇの入射側偏光板１８Ｇに入射される。

Ｇ光のＳ偏光光は、入射側偏光板１８Ｇにおいて入射側偏光板１８Ｇの透過軸方向のものが透過されることで偏光方向を揃えられ、Ｇ光用の映像表示素子１９Ｇに照射される。映像表示素子１９Ｇでは、Ｇ光のＳ偏光光が透過時に映像信号に基づいて変調され、Ｇ光のＰ偏光光の光学像を形成した光として出射される。映像表示素子１９Ｇから出射されたＧ光のＰ偏光光は、光学部材７０Ｇに入射し、光学部材７０Ｇの視野角補償素子層７０ｃの中で光の位相差を補償され、かつ、光学部材７０Ｇの偏光素子層７０ａにおいて透過軸方向のものが透過されることで偏光方向が揃えられる。さらに出射側偏光板２１Ｇに入射し、出射側偏光板２１Ｇにおいて出射側偏光板２１Ｇの透過軸方向のものが透過されることで偏光方向を揃えられ、ダイクロイックプリズム２２に入射する。ダイクロイックプリズム２２では、そのダイクロイック面を透過し、投射レンズ２３に入る。

また、ダイクロイックミラー１２を透過したＢ光のＳ偏光光は、リレーレンズ１５を経て反射ミラー８で反射され、さらにリレーレンズ１６を経て反射ミラー９で反射され、コンデンサレンズ１８Ｂを介してＢ光用の映像表示素子１９Ｂの入射側偏光板１８Ｂに入射する。Ｂ光のＳ偏光光は、入射側偏光板１８Ｂにおいて入射側偏光板１８Ｂの透過軸方向のものが透過されることで偏光方向を揃えられ、Ｂ光用の映像表示素子１９Ｂに照射される。映像表示素子１９Ｂでは、Ｂ光のＳ偏光光が透過時に映像信号に基づいて変調され、Ｂ光のＰ偏光光の光学像を形成した光として出射される。映像表示素子１９Ｂから出射されたＢ光のＰ偏光光は、光学部材７０Ｂに入射し、光学部材７０Ｂの視野角補償素子層７０ｃの中で光の位相差を補償され、かつ、光学部材７０Ｂの偏光素子層７０ａにおいて透過軸方向のものが透過されることで偏光方向が揃えられる。さらに出射側偏光板２１Ｂに入射し、出射側偏光板２１Ｂにおいて出射側偏光板２１Ｂの透過軸方向のものが透過されることで偏光方向を揃えられ、ダイクロイックプリズム２２に入射する。ダイクロイックプリズム２２内においてＢ光のＰ偏光光はダイクロイック面で反射され、投射レンズ２３に入る。

上記のように、ダイクロイックプリズム２２からは、映像信号により変調されたＲ光のＰ偏光光と、Ｇ光のＰ偏光光と、Ｂ光のＰ偏光光とが互いに色合成された状態で出射され、白色光のＰ偏光光として投射レンズ２３に入り、投射レンズ２３によりスクリーンなどに映像光として拡大投射される。

本構成において、光学部材７０Ｒ、７０Ｇ、７０Ｂでは、光の照射により、それぞれの視野角補償素子層７０ｃおよび偏光素子層７０ａを通過できない光は、それぞれの視野角補償素子層７０ｃおよび偏光素子層７０ａを含む光学部材内で吸収されて熱に変わり温度を上昇させる。酸化マグネシウム基板は、その放熱特性（熱伝導性）により熱を外部に放熱し、偏光素子層、視野角補償素子層と光学部材全体の温度上昇を抑える。冷却用ファン２７は、冷却用ダクト（図示なし）等により流路２８を形成し、各入射側偏光板１８Ｒ、１８Ｇ、１８Ｂ、各出射側偏光板２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂ、各映像表示素子１９Ｒ、１９Ｇ、１９Ｂ等への冷却用空気の送風を行う。冷却用空気は、各入射側偏光板１８Ｒ、１８Ｇ、１８Ｂと各映像表示素子１９Ｒ、１９Ｇ、１９Ｂとの間の空隙部や、各映像表示素子１９Ｒ、１９Ｇ、１９Ｂと各光学部材７０Ｒ、７０Ｇ、７０Ｂとの間の空隙部や、各光学部材７０Ｒ、７０Ｇ、７０Ｂと各出射側偏光板２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂとの間の空隙部などを流動し、これら入射側偏光板１８Ｒ、１８Ｇ、１８Ｂ、映像表示素子１９Ｒ、１９Ｇ、１９Ｂ、光学部材７０Ｒ、７０Ｇ、７０Ｂ、各出射側偏光板２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂを冷却する。各光学部材７０Ｒ、７０Ｇ、７０Ｂでは、各酸化マグネシウム基板から冷却用空気に放熱され、上記した空気の流動により放熱効果が高められる。

なお、図３の構成では偏光変換素子５からは、偏光変換の結果、Ｓ偏光光が出射されるようにしたが、これに限らず、Ｐ偏光光が出射されるようにしてもよい。この場合は、Ｒ、Ｇ、Ｂ各色光のＰ偏光光がそれぞれ、各入射側偏光板１８Ｒ、１８Ｇ、１８Ｂを透過し、対応する映像表示素子１９Ｒ、１９Ｇ、１９Ｂに照射され、映像表示素子１９Ｒ、１９Ｇ、１９Ｂにおいて、透過時に映像信号に基づいて変調され、Ｒ、Ｇ、Ｂ各色光のＳ偏光光となって出射され、ダイクロイックプリズム２２で色合成される。

図１から図３を用いて述べた実施例によれば、光学部材において、酸化マグネシウム基板は立方晶構造を有するため、複屈折や、直線偏光の楕円偏光への変化もない。このため、偏光素子層、視野角補償素子層での光の吸収や損失も少なく、明るくコントラストの高い映像を表示することが可能となる。また、酸化マグネシウム基板は、立方晶構造を有するため、偏光素子層７０ａの透過軸（吸収軸）及び視野角補償素子層７０ｃに対して方向性はない。このため、光学部材としての組込時、偏光素子層や視野角補償素子層に対して方向を合わせる作業が不要となる。また、酸化マグネシウム基板自体の製造もし易いため、製造コストの低減化が可能となる。また、酸化マグネシウム基板は、熱伝導性が良好なため、偏光素子層や視野角補償素子層や光学部材内に発生した熱を有効に放熱し、光学部材の温度上昇を抑えられる。更に、光学部材は、その基板面積を約550ｍｍ^２以下とすることにより、熱膨張による黒ムラを抑えることができ、高画質の映像を表示することが可能となる。

また、実施例では、３枚の映像表示素子を使用した場合について説明したが、１枚の映像表示素子を用いた投射型映像表示装置に適用しても同様の効果が得られることは言うまでもない。

光学部材７０の構成図である。図１の光学部材７０の映像表示素子に対する配置図である。図２の配置を用いた投射型映像表示装置の構成図である。主な透明基板の物性値を示す図である。透明基板（酸化マグネシウムとサファイア）の面積と面積膨張との関係をグラフにした図である。透明基板（酸化マグネシウムとサファイア）の面積膨張と黒ムラとの関係をグラフにした図である。透明基板（酸化マグネシウムとサファイア）の面積と面積膨張との関係を示す図である。透明基板（酸化マグネシウムとサファイア）の面積膨張と黒ムラとの関係を示す図である。

符号の説明

１…光源、２…リフレクタ、３…第１のアレイレンズ、４…第２のアレイレンズ、５…偏光変換素子、６…集光レンズ、７、８、９、１０…反射ミラー、１１、１２…ダイクロイックミラー、１３Ｒ、１３Ｇ、１３Ｂ…コンデンサレンズ、１５、１６…リレーレンズ、１９、１９Ｒ、１９Ｇ、１９Ｂ…映像表示素子、１８、１８Ｒ、１８Ｇ、１８Ｂ…入射側偏光板、２１、２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂ…出射側偏光板、２２…ダイクロイックプリズム、２３…投射レンズ、２６…入射偏光光、２７…冷却用ファン、２８…冷却用空気の流路、７０、７０Ｒ、７０Ｇ、７０Ｂ…光学部材、１００…駆動回路。

Claims

光の偏光処理を行う偏光素子層と、
偏光の乱れを補正する視野角補償素子層と、
面積が５５０ｍｍ^２以下、且つ材質が酸化マグネシウムであって、前記偏光素子層と前記視野角補償素子層との間に挟まれた透明基板と、
前記偏光素子層と前記透明基板と前記視野角補償素子層とを固定する粘着層とを有することを特徴とする光学部材。
請求項１記載の光学部材であって、
前記光学部材は、少なくとも外部からの水分を防ぐための無機材からなる保護層を有することを特徴とする光学部材。
光を出射する光源と、
前記光源からの光を変調する映像表示素子と、
前記映像表示素子の光出射側に配置された出射側偏光板と、
前記映像表示素子と前記出射側偏光板との間に配置された請求項１又は２記載の光学部材と、
前記光学部材からの光を投射する投射レンズとを有することを特徴とする投射型映像表示装置。
光を出射する光源と、
前記光源からの光をＲ、Ｇ、Ｂの３原色に分離する色分離部と、
前記３原色の各々の色に対応して配置された複数の映像表示素子と、
前記複数の映像表示素子の各々の光出射側に配置された複数の出射側偏光板と、
前記映像表示素子と前記出射側偏光板との間に配置された複数の請求項１又は２記載の光学部材と、
前記複数の遮光ユニットからの光を合成する色合成部と、
前記色合成部からの光を投射する投射レンズとを有することを特徴とする投射型映像表示装置。