JP2010079172A - 液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 無機偏光板の偏光度不足によるコントラスト低下や不要光の多重反射による画質劣化を解消することができる液晶表示装置を提供する。
【解決手段】 液晶表示パネル２１３の光出射側に相対的に偏光度の高い無機偏光板２１４を配置し、この無機偏光板２１４の光出射側には当該無機偏光板２１４より偏光度の低い吸収型偏光板２１５を配置して、偏光度の高い無機偏光板２１４と偏光度の低い吸収型偏光板２１５の光透過軸を対応させた。
【選択図】 図２

Description

本願発明は、投射型の液晶表示装置に係わり、特にその液晶表示ユニットに関するものである。

近年、投射型液晶表示装置の高輝度化，高コントラスト化に伴い、液晶表示パネルと共に偏光板の光学寿命が重要となってきている。特に、青色波長帯域は短波長の強力な光により偏光板のフィルムに焼けが発生することがあった。この対策として、無機偏光板が開発され、その代表的なものにMOXTEK社のワイヤーグリッド方式無機偏光板がある。この偏光板は、ある一定方向の偏光のみを透過し、それ以外の偏光は反射する，いわゆる反射型偏光板である。そのため、光照射による経時劣化がほとんどなく、長寿命を要求されるリアプロジェクションＴＶなどへ利用する投射型液晶表示装置に用いられることがあった。

特許文献１には、液晶表示パネルの光入射側に吸収型偏光板を配置し、この吸収型偏光板の光入射側に反射型偏光板を配置したものが開示されている。

一方、液晶表示パネルの光出射側においては、上記のような反射型偏光板をそのまま使用すると、液晶表示パネルを透過した光のうち当該偏光板を透過しない光のほとんど全部が液晶表示パネルへ反射されることになる。これにより、液晶表示パネル駆動素子であるTFTのフォトリーク、及び多重反射による偏光乱れが発生して、十分なコントラストが得られない画像となるので、反射型偏光板は液晶表示パネルの光出射側には通常使用されない。ただし、反射型偏光板を光軸に対して４５°の角度で配置し、反射光が液晶表示パネルへ戻らない光学配置にすれば使用可能であるが、複雑な構成によるセットの大型化、不要光の処理などの対策が必要となる。

そのため、例えば特許文献２の段落００５２において図１０を参照して説明されているように、ワイヤーグリッド表面に光吸収層を設けて吸収型偏光板とすることにより、液晶表示パネルの光出射側にも用いられるようになった。
特開２０００−３５６７７０号公報 特開２００８−１０２４１６号公報

しかしながら、液晶表示パネルの光出射側に上記のような無機偏光板を使用した場合、従来の吸収型有機(フイルム)偏光板使用時と比較して、コントラストの低下が起こったり、或いは反射型無機偏光板の場合は前述したように当該偏光板で液晶表示パネル側へ反射され、液晶表示パネルに組み込まれてブラックマトリクスを形成する金属薄膜で反射した光が再度無機偏光板に照射され、幾度かの多重反射を繰り返した後、最終的に表示画像の中に不要光として入り、図３に示すように数本の線状ムラが発生して画質を劣化させたりしていた。なお、図３は、線状のムラの発生箇所を分かりやすく示すため、黒表示画面を灰色で示して、線状ムラを強調表示している。特に、液晶表示パネルの光入射側に高コントラスト化を目的として、光学補償板を配置した構造とした場合や、液晶表示パネルの光入射側に反射型偏光板を設置した場合には、前記多重反射を重畳し画質劣化が顕著なものになっていた。

また、前述したようにワイヤーグリッド表面に光吸収層を設けて吸収型偏光板とした場合でも、光吸収層の性能バラツキにより多重反射は生じる。経験的には、反射率が１０％以上であれば顕著となる。

そこで、本願発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、無機偏光板の偏光度不足によるコントラスト低下や不要光の多重反射による画質劣化を解消することができる液晶表示装置を提供することを目的とするものである。

上記のような目的を達成するために、本願の請求項１に係る発明は、照射された光を映像信号に基づいて変調する液晶表示パネルと、前記液晶表示パネルにて変調された光を拡大投射する投射レンズと、前記液晶表示パネルを照射する光を出射する光源とを備えた液晶表示装置において、前記液晶表示パネルの光出射側に相対的に偏光度の高い無機偏光板を配置し、前記無機偏光板の光出射側には前記無機偏光板より偏光度の低い吸収型偏光板を配置して、前記偏光度の高い無機偏光板と前記偏光度の低い吸収型偏光板の光透過軸を対応させたことを特徴とするものである。

請求項２に係る発明は、前記請求項１記載の液晶表示装置において、前記偏光度の高い無機偏光板が吸収型偏光板から成ることを特徴とするものである。

請求項３に係る発明は、前記請求項１記載の液晶表示装置において、前記偏光度の低い吸収型偏光板が無機物質から成ることを特徴とするものである。

請求項４に係る発明は、前記請求項１記載の液晶表示装置において、前記偏光度の低い吸収型偏光板が有機物質から成ることを特徴とするものである。

請求項５に係る発明は、前記請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の液晶表示装置において、前記偏光度の高い無機偏光板と前記偏光度の低い吸収型偏光板の少なくともいずれか一方が光軸に直交する面内において回動調整可能に構成されていることを特徴とするものである。

本願発明によれば、液晶表示パネルの光出射側に順に、相対的に偏光度の高い無機偏光板と、当該無機偏光板より偏光度の低い吸収型偏光板を光透過軸を対応させて配置することにより、コントラストは２枚の偏光板の偏光度の積に依存するので、無機偏光板の偏光度不足によるコントラスト低下が解消されると共に、偏光度の低い吸収型偏光板による不要反射光の吸収で無機偏光板表面での不要光の多重反射による画質劣化が解消される。

以下、本願発明を液晶プロジェクタに適用した実施形態を図面を参照して詳細に説明する。図１は、本実施形態の３板式液晶プロジェクタの光学系を示した平面図である。

メタルハライドランプ等から成る光源１０から出射された白色光は、インテグレータレンズ１１、及び集光レンズ１２を経た後、全反射ミラー１３よって光路を９０°変更されて第１ダイクロイックミラー１４へと導かれる。

上記のインテグレータレンズ１１は、一対のレンズ群から構成され、個々のレンズ部分が後述する液晶表示パネルの全面を照射するように設計されており、光源１０から出射された光に存在する部分的な輝度ムラを平均化し、画面中央と周辺部とでの光量差を低減する。

第１ダイクロイックミラー１４は、赤色波長帯域の光を透過し、シアン（緑＋青）の波長帯域の光を反射する。第１ダイクロイックミラー１４を透過した赤色波長帯域の光は、全反射ミラー１５にて反射されて光路を変更され、赤色光用の透過型の液晶表示パネルと偏光板等から成る液晶表示ユニット２１ｒに導かれて、ここで映像信号に基づき光変調される。

一方、第１ダイクロイックミラー１４にて反射したシアンの波長帯域の光は、第２ダイクロイックミラー１６に導かれる。第２ダイクロイックミラー１６は、青色波長帯域の光を透過し、緑色波長帯域の光を反射する。第２ダイクロイックミラー１６にて反射した緑色波長帯域の光は、緑色光用の透過型の液晶表示パネルと偏光板等から成る液晶表示ユニット２１ｇに導かれて、ここで映像信号に基づき光変調される。

また、第２ダイクロイックミラー１６を透過した青色波長帯域の光は、リレーレンズ１７，１９、全反射ミラー１８，２０を経て青色光用の透過型の液晶表示パネルと偏光板等から成る液晶表示ユニット２１ｂに導かれて、ここで映像信号に基づき光変調される。

各液晶表示ユニット２１ｒ，２１ｇ，２１ｂを経て得られた変調光（各色映像光）は、ダイクロイックプリズム２２によって合成されてカラー映像光となる。このカラー映像光は、投写レンズ２３によって拡大投写され、図示しないスクリーン上に投影表示されることになる。

図２（ａ）は、上記各液晶表示ユニット２１ｒ，２１ｇ，２１ｂの構成を示す図、図２（ｂ）は液晶表示パネルから無機偏光板とそれより偏光度の低い吸収型偏光板に至る光の偏光状態による透過状況を示した説明図である。この図２（ｂ）において実線の矢印は光の偏光方向を示し、点線の矢印は偏光板の光透過軸方向を示している。

上記各液晶表示ユニット２１ｒ，２１ｇ，２１ｂは、図２（ａ）に示すように、入射側偏光板である反射型偏光板２１１及び光学補償板２１２と、一対のガラス基板（画素電極や配向膜を形成してある）間に液晶を封入して成る液晶表示パネル２１３と、出射側偏光板である偏光度の高い無機偏光板２１４及び当該無機偏光板２１４より偏光度の低い吸収型偏光板２１５とを備えて成っている。

反射型偏光板２１１は、これに垂直に入射した無偏光の入射光のうち、その光透過軸方向に振動方向が一致する直線偏光（必要な偏光）は透過し、光透過軸方向に振動方向が直交する直線偏光（不要な偏光）の殆どを反射する。この反射型（無機）偏光板２１１は、主に長寿命化を目的として使用するもので、ワイヤーグリッド方式やフォトニック結晶方式等いずれの方式も使用可能である。

同様に、出射側偏光板である偏光度の高い無機偏光板２１４も主に長寿命化を目的として使用するもので、ここでは例えば前述の特許文献２に示されているような光吸収層を付加したワイヤーグリッド方式の無機偏光板を用いることができるが、金属微粒子をガラス中に分散形成した吸収型の無機偏光板を使用しても良い。このように、偏光度の高い無機偏光板２１４を吸収型偏光板とすることにより、当該無機偏光板２１４による不要反射光の吸収で、液晶表示パネル２１３に組み込まれてブラックマトリクスを形成する金属薄膜と無機偏光板２１４との間での不要光の多重反射による画質劣化も解消される。

ところで、偏光板の平行透過率（Tp）と直交透過率（Tc）の比（Tp/Tc）を『偏光板のコントラスト』（プロジェクタのセットコントラストとは別）と仮定すると、通常の染料系偏光板は５０００：１以上であるが、無機偏光板は２０００：1程度のものがほとんどであり、通常の染料系偏光板に比べると偏光度が低い。これくらいの特性では、LOW ENDモデル（セットコントラスト≒１０００：１未満）には使用可能であるが、HIGH ENDモデル（セットコントラスト≒２０００：１以上）には性能不足になる。また、下述する「偏光度の低い吸収型偏光板」はTp/Tc≒２〜２０であり、それ単独では全く使用できないものある。従って、上述した「偏光度の高い無機偏光板」とは、「通常の染料系偏光板に比べると偏光度は低いが相対的に偏光度の高い偏光板」ということになる。

一方、無機偏光板２１４より偏光度の低い吸収型偏光板２１５は、コントラストの補償（向上）と不要反射光を吸収して表示画質を向上させる目的で使用するもので、不要な偏光は吸収し、必要な偏光を透過する。このとき、通常の染料系（有機）偏光板を使用した場合でも、不要な偏光を吸収することで発生する熱をできるだけ抑制するために、吸収型偏光板２１５の偏光度は、無機偏光板２１４よりも低いものとしている。これは、吸収型偏光板２１５が例えば染料系偏光板の場合、染料の含有量をコントロールすることにより実現できる。このように偏光度の低い吸収型偏光板２１５に通常の染料系（有機）偏光板を用いることにより、量産性に優れ、部品の低コスト化が図れる。なお、有機偏光板としては、染料系以外にも、ヨウ素系他いずれの方式も使用可能である。

ところで、無機偏光板２１４より偏光度の低い吸収型偏光板２１５を用いる理由としては、吸収型偏光板２１５の劣化の加速要因である温度上昇を防ぐためであるが、偏光度の低い吸収型偏光板としては、例えば、金属微粒子をガラス中に分散した吸収型の無機偏光板を使用しても良い。この無機偏光板は、金属微粒子の分散量，形状（長楕円），金属の種類などで偏光度を制御できる。このように偏光度の低い吸収型偏光板２１５に無機偏光板を用いることにより、耐熱性に優れ、部品の長寿命化が図れる。

また、光学補償板２１２は、液晶の複屈折を補償するもので、コントラスト向上と黒表示ムラの解消を目的に使用している。

上記無機偏光板２１４の光透過軸と吸収型偏光板２１５の光透過軸は対応させて平行に設定する。これらの光透過軸がずれて設定された場合には、十分な表示性能が得られないので、後述する第２の実施形態では図示しない回動調整機構を用いて、図２（ｂ）に一点鎖線の矢印で示す方向に回動調整して完全に一致するように設定する。

上記の無機偏光板２１４については前述したように良好な偏光度を望むことができないが、この無機偏光板２１４を透過した直線偏光は、吸収型偏光板２１５を透過することでその偏光度を高められることになるから、投写映像において十分なコントラストを得ることが可能となる（コントラストは２枚の偏光板の偏光度の積に依存する）。

そして、吸収型偏光板２１５にて吸収されることになる，その光透過軸に垂直な振動方向の直線偏光の殆どは予め無機偏光板２１４にて吸収されるから、吸収型偏光板２１５は僅かな量の光を吸収するに過ぎない。すなわち、吸収型偏光板２１５への入射光量が増大しても、その殆どは当該吸収型偏光板２１５を透過する光であり、吸収は僅かしか生じないから、従来の有機偏光板のみを設置するときに比べ、吸収型偏光板２１５の温度上昇は抑えられる。なお、光透過軸に垂直な振動方向の直線偏光の殆どを予め吸収することになる無機偏光板２１４は温度上昇するが、通常の有機偏光板の場合は８０℃以下で使用するところ、無機物質であれば２００℃程度でも問題は生じない。

次に、実際の実験結果を以下に説明する。

例えば、液晶表示パネル２１３の光出射側に吸収型の無機偏光板２１４のみを使用した場合は、コントラスト比が約９００：１であった。次に吸収型の無機偏光板２１４の光出射側に吸収透過率が４０％（Tp≒９５％、Tc≒４０％となり、偏光板コントラスト比は２．４：１）の吸収型偏光板２１５を配置した場合、コントラスト比は約１１００：１まで向上した。さらに、図示はしないが、表示画像中や外周に見られた線状ムラも解消された。

次に、第２の実施形態について説明する。

この第２の実施形態は、上記図２（ａ）に示した第１の実施形態の光学系構成と同様に光学補償板２１２を配置し、更に、図２（ｂ）に示すように液晶表示パネル２１３の出射側偏光板である無機偏光板２１４と吸収型偏光板２１５を、それぞれ図示しない回動調整機構を用いて光軸に直交する面内において回動調整可能な構成として、それらの光透過軸（または光吸収軸）が完全に一致するように調整可能としたものである。

上記第１の実施形態の実験同様に、吸収型の無機偏光板２１４の光出射側に吸収透過率が４０％の吸収型偏光板２１５を配置して、更に、回動調整により、それらの光透過軸が完全に一致するように調整した場合、コントラスト比は約１１００：１から約１２７０：１まで向上した。このように、無機偏光板２１４や吸収型偏光板２１５の回動調整により、それらの光透過軸をより完全に一致させることで、更なるコントラスト向上を図ることができる。

ところで、染料系（有機）偏光板の場合、出射側偏光板の光量負担を軽減するために、一般に液晶表示パネルと出射側偏光板の間にプリ偏光板として偏光度の低い偏光板を装着するが、このとき、プリ偏光板の微妙な熱収縮により光学補償板を配置していても黒表示における均一性が劣化する場合がある。これに対して、上記実施形態において、黒表示における均一性は、画面の均一性の指標となるＣＩＥ色度座標（ｘ，ｙ）値が、偏光度の低い吸収型偏光板２１５の設置前は(0.021，0.031)であったのが、設置後は(0.021，0.028)であり、ほとんど変わらず良好であった。

なお、上記の偏光板の回動調整は、無機偏光板２１４と吸収型偏光板２１５のいずれか一方を回動調整可能としてもほぼ同様な効果が得られる。

さらに、特開２００６−３９０８７号公報に記載されているように、光学補償板を光軸に対して傾斜調整可能に構成しても良い。また、光学補償板は、液晶表示パネルの光入射側だけに配置されるものに限定されるものではなく、光入射側と光出射側に分離して配置されても良い。また、偏光度の低い吸収型偏光板は、全ての液晶表示ユニット２１ｒ，２１ｇ，２１ｂに配置されるものに限定されるものではなく、何れか１つの液晶表示ユニットに配置されても良い。

また、光学系は図１に示したものに限定されるものではなく、本願発明は各種の光学系を備えたものに適用することができる。

また、液晶表示パネルは、ＴＮ(Twisted Nematic)／ＶＡ(Vertically Aligned)／ＩＰＳ(In-Plane-Switching)方式や、ＮＷ(Normally White)モード／ＮＢ(Normally Black)モードを問わない。

本願発明を３板式液晶プロジェクタに適用した実施形態の光学系を示した平面図。 （ａ）は液晶表示ユニットの構成を示す図で、（ｂ）は液晶表示パネルから偏光度の高い無機偏光板と偏光度の低い吸収型偏光板に至る光の偏光状態による透過状況を示した説明図。 光学系内の光多重反射による表示画面の線状ムラを示す図。

符号の説明

１０ 光源
１１ インテグレータレンズ
１２ 集光レンズ
１３，１５，１８，２０ 全反射ミラー
１４ 第１ダイクロイックミラー
１６ 第２ダイクロイックミラー
１７，１９ リレーレンズ
２１ｒ，２１ｇ，１２ｂ 液晶表示ユニット
２１１ 反射型偏光板
２１２ 光学補償板
２１３ 液晶表示パネル
２１４ 無機偏光板
２１５ 吸収型偏光板
２２ ダイクロイックプリズム
２３ 投写レンズ

Claims (5)

1. 照射された光を映像信号に基づいて変調する液晶表示パネルと、前記液晶表示パネルにて変調された光を拡大投射する投射レンズと、前記液晶表示パネルを照射する光を出射する光源とを備えた液晶表示装置において、
   前記液晶表示パネルの光出射側に相対的に偏光度の高い無機偏光板を配置し、前記無機偏光板の光出射側には前記無機偏光板より偏光度の低い吸収型偏光板を配置して、前記偏光度の高い無機偏光板と前記偏光度の低い吸収型偏光板の光透過軸を対応させたことを特徴とする液晶表示装置。
2. 前記偏光度の高い無機偏光板が吸収型偏光板から成ることを特徴とする請求項１記載の液晶表示装置。
3. 前記偏光度の低い吸収型偏光板が無機物質から成ることを特徴とする請求項１記載の液晶表示装置。
4. 前記偏光度の低い吸収型偏光板が有機物質から成ることを特徴とする請求項１記載の液晶表示装置。
5. 前記偏光度の高い無機偏光板と前記偏光度の低い吸収型偏光板の少なくともいずれか一方が光軸に直交する面内において回動調整可能に構成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の液晶表示装置。