JP2009086561A - 投射型液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、光源のエテンデューの増加を軽減し、１方向の直線偏光光を効率よくライトバルブに照射することが可能な投射型液晶表示装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明による投射型液晶表示装置１は、反射面３ｂを隔てて配列した長方形形状の複数のＬＥＤ光源３ａと、複数のＬＥＤ光源３ａの射出面と空間を隔てて相対して形成されたλ／４位相差板３ｃと、λ／４位相差板３ｃの複数のＬＥＤ光源３ａとは反対側の面に形成された反射型偏光板３ｄとを有する光源系３と、光源系３から入射した光に基づいて画像光を射出する液晶ライトバルブ２とを備え、反射面３ｂの面積の和は、複数のＬＥＤ光源３ａの面積の和以下であることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、投射型液晶表示装置に関し、特に、ＬＥＤ光源を用いた投射型液晶表示装置に関する。

投射型液晶表示装置の光源に用いられるＬＥＤは、長寿命、制御が容易、点灯してから明るさが安定するまでにかかる時間が短時間であるという利点がある。ＬＥＤ光源は明るさが飛躍的に向上しているが、従来から光源として用いられている高圧水銀ランプと比較すると明るさが低いため、明るさの向上が問題となっている。

このような問題に対しては、光反射体の上に発光体と１／４波長膜と反射偏光膜が順に積層されており、発光体から射出された無秩序光（複数の偏光成分を有する光）は１／４波長膜を通過した後、反射偏光膜によって一方の偏光光（例えばｐ偏光光）は透過し、他方の偏光光（例えば、ｓ偏光光）は反射される。ここで、１／４波長膜は入射光線に概ね１／４波長の位相差を生じさせる層であり、反射偏光膜は一方の偏光光を選択的に透過し、他方の偏光光を反射する。この構造によって、発光体から射出された光を１方向の偏光光とすることによって明るさを向上させている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−００５２１７号公報（第３頁、第３図） 特開２００７−３４０１２号公報（第１６頁、第１図）

特許文献１に記載の投射型表示装置では、光源のエテンデューが増加することによって、ライトバルブに照射される光束量が減少するという問題があった。

本発明は、これらの問題を解決するためになされたもので、光源のエテンデューの増加を軽減し、１方向の直線偏光光を効率よくライトバルブに照射することが可能な投射型液晶表示装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明による投射型液晶表示装置は、反射面を隔てて配列した長方形形状の複数のＬＥＤ光源と、複数のＬＥＤ光源の射出面と空間を隔てて相対して形成されたλ／４位相差板と、λ／４位相差板の複数のＬＥＤ光源とは反対側の面に形成された反射型偏光板とを有する光学系と、光学系から入射した光に基づいて画像光を射出する液晶ライトバルブとを備え、反射面の面積の和は、複数のＬＥＤ光源の面積の和以下であることを特徴とする。

本発明は、請求項１に記載のように、光学系は、反射面を隔てて配列した長方形形状の複数のＬＥＤ光源と、複数のＬＥＤ光源の射出面と空間を隔てて相対して形成されたλ／４位相差板と、λ／４位相差板の複数のＬＥＤ光源とは反対側の面に形成された反射型偏光板とを有し、反射面の面積の和は、複数のＬＥＤ光源の面積の和以下であるため、光源のエテンデューの増加を軽減し、１方向の直線偏光光を効率よくライトバルブに照射することが可能である。

本発明の実施形態について、図面を用いて以下に説明する。

図１は、本発明の実施形態による投射型液晶表示装置１の構成図である。図１に示すように、光源系３（光学系）から射出された光は、第１のレンズアレイ４ａおよび第２のレンズアレイ４ｂから構成されるインテグレータ光学系４を通過し、集光レンズ５、フィールドレンズ６を経てライトバルブ２に照射される。ライトバルブ２は光源系３から入射した光に基づいて画像光を射出し、ライトバルブ２から射出された光は投射光学系７を経てスクリーン（図示せず）に投射される。なお、図示していないが、光源系３の後段にコリメートレンズ、またはレンズ群を配置してもよい。特に、発散角が大きい光を取り込む場合は、コリメートレンズ、またはレンズ群を配置することが好ましい。

また、投射型液晶表示装置１は、ライトバルブ２の後段に配置された投射光学系７と、投射光学系７の後段に配置されたスクリーンとをさらに備えており、ライトバルブ２から射出された光は投射光学系７を経てスクリーンに投射される。なお、図１に示す投射型液晶表示装置１は、光源系３から射出される光の１色の光路に関する構成を示しているが、赤、緑、青の各色についても各々ライトバルブ２を経て、ライトバルブ２の後段に備えられた光合成素子（図示せず）によって各色の画像光を合成した後に投射光学系７によってスクリーンに投射させるようにしてもよい。

ライトバルブ２は、投射する画像光の各画素に対応する多数（例えば、数十万個）の液晶表示素子を平面的に配列したものであり、画素情報に応じて各液晶表示素子を動作させることによって、入射してきた光に基づいて画像光を射出する。なお、本発明の実施形態ではライトバルブ２として透過型液晶ライトバルブを用いたが、反射型液晶表示素子のようなライトバルブであってもよい。

図２は、本発明の実施形態による光源系３の構成の一例を示す図である。図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、光源系３は、銀（Ａｇ）またはアルミニウム（Ａｌ）等の反射面３ｂの上に、反射面３ｂを隔てて配列した長方形形状の複数のＬＥＤ３ａ（ＬＥＤ光源）と、ＬＥＤ３ａの射出面と空間を隔てて相対して形成されたλ／４位相差板３ｃと、λ／４位相差板３ｃのＬＥＤ３ａとは反対側の面に形成された反射型偏光板３ｄとから構成される。ここで、ｄ１、ｄ２、ｄ３、ｄ５、ｄ６、ｄ７の間隔は全て等しい。また、ｄ４は、ｄ１、ｄ２、ｄ３、ｄ５、ｄ６、ｄ７の２倍以下の間隔である。反射面３ｂ１〜３ｂ３は、反射型偏光板３ｄから反射した光が照射される領域である。

反射型偏光板３ｄを反射してＬＥＤ３ａに照射した光は、ＬＥＤ３ａ内にて拡散されるため、ほとんどの光はλ／４位相差板３ｃに到達しない。ＬＥＤ３ａ内での拡散を防ぐために、例えば特開２００７−３４０１２号公報に記載のように、ＬＥＤの光の射出表面にフォトニック結晶体を堆積させることによって、ＬＥＤに照射した光を反射させることが可能である。しかし、ＬＥＤの構造が複雑となるため好ましくはない。

図１に示すインテグレータ光学系４は、第１のレンズアレイ４ａおよび第２のレンズアレイ４ｂから構成される。第１のレンズアレイ４ａおよび第２のレンズアレイ４ｂは、ｘ軸方向に長辺、ｙ軸方向に短辺を有する長方形の凸レンズ（レンズセルまたはセルともいう）を複数行複数列（マトリクス状）に配置した構造となっている。第１のレンズアレイ４ａを構成する複数の凸レンズの各々と、第２のレンズアレイ４ｂを構成する複数の凸レンズの各々とは、それぞれｚ軸方向に対向配列している。本発明の実施形態では、光源系３から射出される光の分布が不均一なためライトバルブ２に対して均一な光を照射する必要がある。従って、インテグレータ光学系４が必要となる。

集光レンズ５は、インテグレータ光学系４の第２レンズアレイ４ｂから射出された分割光束を、ライトバルブ２に重畳している。

ここで、有効光束に関して説明する。図７にＬＥＤ光源７１ａの発光面積がＳ３の場合（ａ）、Ｓ３の半分（Ｓ４＝Ｓ３／２）の場合（ｂ）の直線偏光光がライトバルブ２に照射される過程を示す。また、簡単のため、図１におけるＬＥＤ光源３からライトバルブ２に至るまでの照明光学系の構成は図示していない。ＬＥＤ光源７１ａから射出する光束量をＥとした場合、投射型液晶表示装置１に有効となる光束量はＥ／２、つまり射出する光束量の半分となる。これは、ＬＥＤ光源７１ａから射出する光束はランダム偏光光であるため、直線偏光光に分離すると、
Ｅ（ランダム偏光光）＝光束量Ｅｐ（ｐ偏光光）＋光束量Ｅｓ（ｓ偏光光）
となる。光束量Ｅｐと光束量Ｅｓの光束量比は、概ね１：１となるため、有効光束量は、ＥｐあるいはＥｓとなりＥ／２となる。本実施形態のライトバルブ２は、液晶素子からなるため、ｐ偏光光あるいはｓ偏光光の一方の直線偏光光しか利用できない。従って、図７（ａ）のように、ＬＥＤ光源７１ａからライトバルブ２の間に特定の直線偏光光のみ透過する偏光板７２を配置する必要がある。透過させる直線偏光光は、ここではｐ偏光光としているが、ｐ偏光光あるいはｓ偏光光のどちらでもよい。また、図７（ｂ）の場合は、ＬＥＤ光源７１ｂの発光面積がＳ３の半分（Ｓ４＝Ｓ３／２）となるため、有効光束量はＥ／４となる。

つまり、図７（ｂ）の場合、図７（ａ）の半分の有効光束量しかＬＥＤ光源７１ｂから射出されないこととなる。しかし、図２に示す構成にすることにより、ライトバルブ２に到達する光束量をＥ／２以上とすることが可能となる。これは、図７（ｂ）で利用していない光束（ｓ偏光光）をｐ偏光光に変換してライトバルブ２に射出し、さらに冷却効率の向上による電力供給の増加により可能となる。

図８に反射型偏光板３ｄとλ／４位相差板３ｃの作用を説明する図を示す。反射型偏光板３ｄの偏光軸がｘ軸に並行あるいは直交している場合、λ／４位相差板３ｃの光学軸はｘ軸と４５度（γ１＝γ２＝４５度）の角度を有している必要がある。つまり、光学軸が８１あるいは８２である必要がある（図８（ａ）参照）。図８（ｂ）より、ＬＥＤ３ａ２より射出したランダム偏光光（ｐ偏光光およびｓ偏光光）は、λ／４位相差板３ｃを通過し、反射型偏光板３ｄによりｐ偏光光のみ透過し、ｓ偏光光は反射面３ｂ２側に反射される。反射型偏光板３ｄに反射されたｓ偏光光は、λ／４位相差板３ｃを通過し、偏光軸が９０度回転されて円偏光光となる。反射面３ｂ２側に反射された円偏光光は、λ／４位相差板３ｃを通過し、偏光軸が９０度回転されて円偏光光が直線偏光光であるｐ偏光光となり、反射型偏光板３ｄを透過する。また、反射型偏光板３ｄは、ランダム偏光光をｐ偏光光とｓ偏光光の直線偏光に分離する作用を有する。

図３は、本発明の実施形態による光源系３の構成の一例を示す図である。また、図４は、本発明の実施形態による光源系３とライトバルブ２とのエテンデューの関係を示す図である。エテンデューは光源の面積と発散角との積で表され、光源の有効エテンデューはライトバルブ２の面積と照明光学系のＦナンバ（取り込み角）により規定される。光源の面積を大きくすると有効発散角が小さくなるため、ライトバルブ２に取り込める光束量が少なくなってしまう。従って、光源から射出された光束をできるだけ多く取り込むためには、光源の面積を大きくすることは避ける必要がある。図４に示すように、レンズ４１は光源系３から射出された光束をライトバルブ２に集光する。光源系３の面積をＳ１、ライトバルブ２の面積をＳ２とすると、以下の式（１）の関係が成り立つ。
Ｓ１×ｓｉｎ²（β１）＝Ｓ２×ｓｉｎ²（β２） ・・・（１）

照明光学系のＦナンバを２．５とした場合において、以下に示す式（２）よりβ２≒１１．５°となる。
Ｆ＝１／（２×ｓｉｎ（β２）） ・・・（２）

また、光源系３の面積Ｓ１：ライトバルブ２の面積Ｓ２＝１：１０とした場合は、β１≒３９．２°となる。β≒３９．２°は、光源系３から射出される光のうちのライトバルブ２に取り込まれる有効発散角度を示している。従って、光源系３から±３９．２°で射出する光がライトバルブ２に取り込まれる。

図３に示す構造において、β１≒３９．２°のとき、α１＝α２＝３９．２°となり、ｔ２は以下の式（５）あるいは式（６）によって示される。
ｄ２＝（ｔ２−ｔ１）ｔａｎ３９．２°＋ｔ２×ｔａｎ３９．２° ・・（３）
ｔ２＝（ｄ２＋ｔ１×ｔａｎ３９．２°）／（２×ｔａｎ３９．２°） ・・（４）
ｔ２＝（ｄ２＋ｔ１×０．８１５）／１．６３ ・・（５）
反射面３ｂとＬＥＤ３ａ表面とのｚ方向の差がほとんど無い場合、ｔ１≒０となる。従って、式（５）より、ｔ２は式（６）によって表される。
ｔ２＝ｄ２／１．６３ ・・（６）

式（５）あるいは式（６）を満足する場合、ｄ２＝ｄ４とすることが可能となる。特に図３のように有効発散角度が小さい場合は、ｄ２＝ｄ４とすることが可能となる。従って、反射面３ｂのうちの反射型偏光板３ｄから反射した光が照射される面積（３ｂ１〜３ｂ３）の総和をＬＥＤ３ａの面積（３ａ１〜３ａ４の面積の総和）より小さくすることができる。この場合、全てのＬＥＤ３ａ１〜３ａ４は等間隔で配列されることになる。ここで、投射型液晶表示装置１において偏光変換を行なわない場合は、ｓ偏光光またはｐ偏光光のいずれかのみを用いるため、光源から射出される半分の光束量を損失する。エテンデューの関係より、ＬＥＤの面積を半分にして有効面積をＬＥＤの面積の２倍にし、偏光変換を１００％行なえば、ＬＥＤの面積を変化させずに（半分とせず）、ＬＥＤの面積と有効面積を等しくして、偏光変換を行わない場合と同等の光束量をライトバルブ２に照射することが可能である。一般的に、偏光変換を１００％行なうことは困難であるため、有効面積をＬＥＤの面積の２倍よりも小さくすることによって、ＬＥＤの面積を変化させずに（半分とせず）、ＬＥＤの面積と有効面積を等しくして、偏光変換を行わない場合と同等の光束量をライトバルブ２に照射することが可能となる。

式（５）より、λ／４位相差板３ｃのｚ方向厚みをｔ３とした場合、ｔ２＞ｔ１＋ｔ３を満足するとき、図２において、ＬＥＤ光源３ａ１、３ａ２、３ａ３、３ａ４と反射面３ｂ１、３ｂ２、３ｂ３のｘ方向幅ｄ２が等しい方が好ましい。また、ｔ２＞ｔ１＋ｔ３を満足しない場合は、反射面３ｂ２のｘ方向幅ｄ４をｄ２×２≧ｄ４＞ｄ２とすることが好ましい。これは、式（１）の関係によって決定される。すなわち、光源系３の面積Ｓ１とライトバルブ２の面積Ｓ２および照明光学系のＦナンバにより決定する。ここで、ＬＥＤ光源３ａのｘ方向幅ｄ２の２倍以下としたのは、図７ｂに示されるように、ＬＥＤ光源の面積が半分となっているため、有効発光面積をＬＥＤ光源の面積の２倍以上とすると、システムのエテンデューが増加するため、図４のβ１の有効発散角度が小さくなり、有効光束量が減少して好ましくない。ただし、冷却効率が上昇してＬＥＤ光源から射出される光束量が増加する場合、図９のように反射面３ｂの面積をＬＥＤ光源の面積より大きくしても構わない。ただし、ＬＥＤ光源３ａ１〜３ａ４のｘ方向幅と反射面３ｂ１〜３ｂ５のｘ方向幅は等しいとする。

図３に示す構造の場合では有効発散角度が小さいが、例えば有効発散角度が６０°の場合では、ｄ２＜ｄ４とすることによって光軸近傍に照射される光の偏光変換を効率よく行なうことが可能となる。従って、有効発散角度が６０°の場合には、ｄ２≦ｄ４≦２×ｄ２であることが好ましい。なお、図３において、ＬＥＤ３ａの厚さをｔ１としたが、反射面３ｂの領域に銀（Ａｇ）またはアルミニウム（Ａｌ）などの反射作用を有する材料をｔ１の厚みに堆積させてもよく、堆積させることによってより偏光変換率の向上が可能となる。

本発明の実施形態では光源として用いるＬＥＤを４個としたが、複数個のＬＥＤを等間隔で配列することが好ましい。例えば、ＬＥＤを１０個配列したときの方が、ＬＥＤを４個配列したときよりも光利用効率が高くなる。また、本発明の実施形態による構造は、ｘ軸両端のＬＥＤ３ａ１およびＬＥＤ３ａ４の両端側に戻る光を利用する構成とはなっていないため、両端に配置されるＬＥＤのｘ軸方向の幅を狭くすることによって光の損失が減少して光利用効率が向上する。このとき、両端に配置されるＬＥＤ３ａ１およびＬＥＤ３ａ４は、エテンデューの増加を防ぐために偏光変換を行なわない。なお、ＬＥＤ３ａの形状は全て同形状であってもよい。

また、本発明の実施形態では、有効面積をＬＥＤの面積の２倍としてシステム上のエテンデューを半減させているが、各々のＬＥＤ３ａは間隔を空けて配列されているため冷却効率が向上する。図５は、好ましくない光源系３の一例を示した図である。図５に示すように、反射面３ｂの半分がＬＥＤ３ａによって隙間なく配置されている。図２の構造と図５の構造とを比較すると、図２の構造の方が間隔を有しているため冷却効率がよく、ＬＥＤ３ａから射出される光の発光効率が向上する。従って、システム上のエテンデューを維持した場合、すなわち図５の反射面３ｂをＬＥＤとした場合と比較して、図２の構造の方が１方向の偏光光の光束量は等しいかそれ以上とすることが可能である。なお、図５に示す構造のＬＥＤの発光面積は、図２に示す構造のＬＥＤの発光面積と等しい。

図２に示すように、Ｙ軸を中心軸として反射面３ｂを形成する方が、Ｙ軸を中心軸としてＬＥＤを配置する（図２において反射面の位置とＬＥＤの位置が入れ替わる）よりも、個々のＬＥＤが間隔を有するため、冷却効率が向上し、電力供給を増加させることが可能となる。ただし、ｄ４＝ｄ２の場合は、ＬＥＤと反射面が交互に配置されるため、反射面３ｂの位置を固定する必要はない（図６（ａ）および（ｂ）等の配置でかまわない。ただし、有効面積＝ＬＥＤ面積×２としている）。

ＬＥＤを所定の間隔で配置しているため、ＬＥＤが発光する際に生じる熱は分散され、ＬＥＤの熱抵抗を低減できる。その結果、ＬＥＤの冷却系が同じであれば、間隔を空けて配置した方がＬＥＤのジャンクション温度を低減することができるためより多くの電力の供給が可能となり、ＬＥＤの光束量が増加する。本発明の実施形態では、ＬＥＤ３ａの発光面積は有効面積の半分であるとき、熱抵抗は約半分、ＬＥＤの温度上昇も約半分となるため、２倍の電力を供給することができ、ＬＥＤの光束量を２倍にすることが可能となる。

以上のことから、光源となるＬＥＤを反射面を等間隔に隔てて複数配列することによって、１方向の直線偏光光を効率よくライトバルブに照射することが可能となり、エテンデューの増加を軽減することができる。

本発明の実施形態による投射型液晶表示装置の構成図である。 本発明の実施形態による光源系の構成の一例を示す図である。 本発明の実施形態による光源系の構成の一例を示す図である。 本発明の実施形態による光源系とライトバルブのエテンデューの関係を示す図である。 好ましくない光源系の一例を示す図である。 本発明の実施形態による光源系の構成の一例を示す図である。 光源系から射出された光が偏光板を通過する様子を示す図である。 反射型偏光板とλ／４位相差板の作用を示す図である。 本発明の実施形態による光源系の構成の一例を示す図である。

符号の説明

１ 投射型液晶表示装置、２ ライトバルブ、３ 光源系、３ａ ＬＥＤ、３ｂ 反射面、３ｃ λ／４位相差板、３ｄ 反射型偏光板、４ インテグレータ光学系、４ａ 第１のレンズアレイ、４ｂ 第２のレンズアレイ、５ 集光レンズ、６ フィールドレンズ、７ 投射光学系。

Claims (4)

1. 反射面を隔てて配列した長方形形状の複数のＬＥＤ光源と、
   前記複数のＬＥＤ光源の射出面と空間を隔てて相対して形成されたλ／４位相差板と、
   前記λ／４位相差板の前記複数のＬＥＤ光源とは反対側の面に形成された反射型偏光板と、
   を有する光学系と、
   前記光学系から入射した光に基づいて画像光を射出する液晶ライトバルブと、
   を備え、
   前記反射面の面積の和は、前記複数のＬＥＤ光源の面積の和以下であることを特徴とする、投射型液晶表示装置。
2. 前記複数のＬＥＤ光源は、全て同形状であることを特徴とする、請求項１に記載の投射型液晶表示装置。
3. 前記複数のＬＥＤ光源は、等間隔で配列されていることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の投射型液晶表示装置。
4. 前記光学系の光軸に前記反射面が設けられたことを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の投射型液晶表示装置。

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