JP2012145680A - 投射型液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で、遮光マスクにおける発熱を抑えることのできる遮光マスク構造を備えた投射型液晶表示装置を提供する。
【解決手段】投射型液晶表示装置は、光源１ａと、光源からの光を変調する反射型液晶表示素子１１と、反射型液晶表示素子１１の光入射側に配置され有効表示エリアに向かって入射する光を通過させ、かつ有効表示エリア周辺に向かう入射光を遮光する遮光マスク２８と、反射型液晶表示素子１１で変調された光を投射する投射レンズ１３を備えている。遮光マスク２８は、金属材料基板と、金属材料の光入射側に設けられる反射ミラーと反射ミラーの光入射側に設けられる負のＣ−ｐｌａｔｅ特性の位相差補償機能膜が設けられている。
【選択図】図２

Description

本発明は、投射型液晶表示装置に係り、特に液晶表示素子の温度上昇を抑えるようにした投射型液晶表示装置に関する。

投射型液晶表示装置は、赤，青，緑の３原色に対応した液晶表示素子を用い、光源より射出した光を３原色に分解した後に液晶表示素子に照射することによって、映像をスクリーン上に拡大投影する。投射型液晶表示装置において、液晶表示素子には遮光マスクが設けられている。

特許文献１には、液晶表示素子の入射光側に着脱可能に配置され、液晶表示素子の有効表示エリアに入射する入射光を通過させ液晶表示素子の有効表示エリア周辺の入射光を遮光する遮光マスクが開示されている。そして、遮光マスクは光遮光性を有して形成されており、液晶表示素子の入射光側に所定の間隔を置いて設置され、表示に寄与しない入射光による迷光と、液晶パネルの余分な温度上昇を抑制している。

また、特許文献２には、光透過性材料からなる材料であって中央部に矩形の開口部分を有する遮光マスクが開示されている。遮光マスクは、矩形の開口部分の内側側面に傾斜した反射膜が設けられている。遮光マスクに入射する周辺の光が反射膜で反射され、光透過性材料の内面を反射しながら遮光マスクの外周に設けられた放熱部に導かれることで、反射型液晶表示素子の温度上昇を抑えることとした例が開示されている。

特開２００３−４３４４２号公報 特開２００８−３２９０１号公報

投射型液晶表示装置は、その投射光束をより高輝度化したいという要求により、より多くの光を液晶表示素子に照射させる必要がある。液晶表示素子に近接配置されている遮光マスクに強烈な光が照射されると、光吸収材料や黒色処理金属材料により構成される遮光マスクは光吸収して発熱し、遮光マスクの熱が液晶表示素子に伝達される。

反射型液晶表示素子の場合は、熱応力によって表示素子の基板に発生する複屈折により偏光状態が乱れ、画像に色むらが生じたり、コントラスト低下を招くなどの不具合が発生していた。また、透過型・反射型を問わず、遮光マスクの設置する範囲は限られるため、高い位置精度が要求される。また、一般的に、遮光マスクはより構造の簡単であるものが要請されていた。

本発明はこのような問題点に鑑みなされたものであり、遮光マスクにおける発熱を抑えることのできる遮光マスク構造を備えた投射型液晶表示装置を提供することを目的とする。

本発明は、上述した従来の技術の課題を解決するため、光源（１ａ）と、前記光源からの光を変調する反射型液晶表示素子（１１）と、前記反射型液晶表示素子に対する前記光の入射側に配置され前記反射型液晶表示素子の有効表示エリアに向かって入射する光を通過させ、かつ前記反射型液晶表示素子の有効表示エリア周辺に向かう入射光を遮光する遮光マスク（２８）であって、前記遮光マスクは、金属材料基板と、金属材料の光入射側に設けられる反射ミラーと反射ミラーの光入射側に設けられる負のＣ−ｐｌａｔｅ特性の位相差補償機能膜が設けられている遮光マスク（２８）と、前記反射型液晶表示素子により変調された光を投射する投射レンズ（１３）と、を備えることを特徴とする投射型液晶表示装置を提供する。

上記の構成において、前記遮光マスク（２８）の光源側にさらに正のＡ−ｐｌａｔｅ特性を有する位相差補償板（１０）が備えられており、前記遮光マスク（２８）は前記位相差補償板と等しい位相差で同じ正のＡ−ｐｌａｔｅ特性を有し、遅相軸を、前記位相差補償板と直交させた位相差補償機能膜をさらに備えていてもよい。

あるいは、前記した構成において、前記遮光マスク（２８）の光源側にさらに負のＣ−ｐｌａｔｅ特性を有する位相差補償板（１０）が備えられており、前記遮光マスクは前記位相差補償板と等しい位相差で正のＣ−ｐｌａｔｅ特性を有する位相差補償機能膜をさらに備えていてもよい。

また、前記した構成において、前記遮光マスク（２８）の光源側にさらにハイブリッド配向させた光学的に負の一軸性の特性を有する化合物からなる位相差補償板（１０）が備えられており、前記遮光マスクは前記位相補償板と等しい位相差でハイブリッド配向させた逆の特性である光学的に正の一軸性を有する位相差補償機能膜をさらに備えていてもよい。

本発明の投射型液晶表示装置によれば、遮光マスクにおける発熱を抑えることができる。

本発明の第１の実施の形態に係る投射型液晶表示装置の構成図である。 本発明の第１の実施の形態に係る投射型液晶表示装置の遮光マスクを示す図である。 本発明の第１の実施の形態における、反射型液晶表示素子から投射レンズに至る光学系を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る投射型液晶表示装置の構成図である。 本発明の第２の実施の形態における、反射型液晶表示素子から投射レンズに至る光学系を示す図である。

以下、本発明に係る投射型液晶表示装置の実施形態について、添付図面を参照して説明する。

＜第１の実施の形態＞
図１は本発明の第１の実施形態に係る投射型液晶表示装置の構成図である。光源１ａは超高圧水銀ランプであり、白色光を発する。キセノンランプなどの他のランプを用いてもよい。リフレクタ１ｂは光源から射出した光を反射する。光源からの直接光およびリフレクタで反射される反射光は、第１のインテグレータ２ａ及び第２のインテグレータ２ｂにより光の輝度分布を均一化されたあと、偏光変換素子３により、光の偏光方向が一方向に揃えられる。図１では偏光方向は紙面の面内方向に揃えられている。これ以降、図１における紙面の面内方向の偏光をＰ偏光と呼ぶ。

偏光変換素子３を射出したＰ偏光は、重ね合わせレンズ４を透過してＹダイクロイックミラー５ａ、Ｂダイクロイックミラー５ｂにより、赤色光と緑色光の混合光と青色光に分離される。赤色光と緑色光の混合光はミラー６ａで、青色光はミラー６ｂによりそれらの光路が曲げられる。赤色光と緑色光の混合光はＧダイクロイックミラー7により、赤色光と緑色光に分離され、緑色光は光路が曲げられる。それぞれ別々の光路を進む赤色光、緑色光、青色光は、それぞれ、フィールドレンズ８ａ、８ｂ、８ｃを透過したあと、ワイヤーグリッド型偏光ビームスプリッタ９ａ、９ｂ、９ｃに入射される。

ワイヤーグリッド型偏光ビームスプリッタは、ガラス基板上に金属がグリッド形状に形成された構造の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）である。以下、ワイヤーグリッド型偏光ビームスプリッタをＷＧ−ＰＢＳと称する。図１において、ＷＧ−ＰＢＳ９は、光軸に対して４５度傾斜させて設けられている。ＷＧ−ＰＢＳ９のワイヤーグリッドは紙面と直交する方向を向いており、ワイヤーグリッドの方向と直交する方向（紙面の面内方向）が偏光を透過させる透過軸方向である。ＷＧ−ＰＢＳ９は入射光から偏光を透過させる偏光子としての役割と反射型液晶素子にて変調された変調光を検光する役割を果たす。

ＷＧ−ＰＢＳ９ａ、９ｂ、９ｃを透過したＰ偏光である赤色光は赤色用反射型液晶表示素子１１ａに、Ｐ偏光である緑色光は緑色用反射型液晶表示素子１１ｂに、Ｐ偏光である青色光は青色用反射型液晶表示素子１１ｃに入射する。各色用の反射型液晶表示素子１１ａ、１１ｂ、１１ｃは各色の入射光を反射・変調する。反射・変調された赤色光、緑色光、青色光のＳ偏光成分がＷＧ−ＰＢＳ９ａ、９ｂ、９ｃで反射される。反射した赤色光，緑色光，青色光のＳ偏光成分はクロスダイクロイックプリズム１２にて合成され、投射レンズ１３にて投射される。

図２は、第１の実施の形態に係る反射型液晶表示素子に取り付けられた遮光マスク２８を示す図である。図３は、第１の実施の形態において、反射型液晶表示素子１１から投射レンズ１３に至る光学系を示す図である。

反射型液晶表示素子１１は、光が入射する面に金属膜からなる反射膜が画素毎に形成され、下層に液晶を駆動するトランジスタ回路が構成されている反射基板２２と、透明電極を有する透明基板２３の間に液晶２４が封止されて構成されている。液晶２４を封止している反射基板２２と透明基板２３の接合は、硬化性樹脂からなるシール部２５で行っている。反射型液晶表示素子１１はフィン形状を有する金属性のベース２６に固定されている。電気的配線を含んだプリント基板をベースとして固定される場合も有る。

次に、遮光マスク２８について説明する。遮光マスク２８の役割は、反射型液晶表示素子１１の画素領域２２ａの外側のパターンを遮光することである。また、遮光マスク２８は、シール部２５の内縁部分への光入射を防止する約割も有する。なぜならば、シール部２５の内縁部分は液晶２４の配向が乱れており、入射する光が散乱し、迷光となるため、抑制する必要があるからである。一般的には、液晶２４への水分などの不純物浸入を抑制して反射型液晶表示素子１１の信頼性を確保するため、シール部２５の幅はある程度広くする必要がある。一方、反射型液晶表示素子１１へ照射される光はなるべく多くしたいことから、画素領域２２ａを露出させる遮光マスク開口部２８ａをなるべく広くしたい。これらの要求から、遮光マスク２８の開口の大きさ及び位置の尤度は少ない。その結果、遮光マスク２８は１０μｍオーダーの寸法精度が要求される。

遮光マスク２８は投射型液晶表示装置の明るさを確保するため、遮光マスク２８と反射型液晶表示素子１１との距離は、なるべく近接させたい。しかし、遮光マスク２８からの熱伝導による複屈折現象を避けるため、遮光マスクは反射型液晶表示素子１１と接触しないように配置される。具体的には、遮光マスク２８の固定は反射型液晶表示素子１１に直接固定せず、取り付け部材２７によってベース２６に取り付けられている。

遮光マスク２８の基材はアルミやステンレスなどを用いる。遮光マスク２８の面のうち、反射型液晶表示素子１１と対向する面２８ｃおよび遮光マスク２８の開口部の端面２８ａは、黒色酸化処理が施されるか、真空成膜法によるクロム膜の成膜、または黒色顔料を含有する光吸収樹脂材料の成膜がなされる。ここで、クロム膜や光吸収樹脂材料は、ブラックマトリクスなどに用いられている。投射型液晶表示装置の照明光学系中のある場所に入射する光線は、有限の角度分布を持つので、反射型液晶表示素子１１に入射する光には反射型液晶表示素子１１の画像表示面に対して垂直に入射する光だけでなく、斜めに入射する光も含まれている。反射型液晶表示素子１と遮光マスク２８の間で、斜め入射光が多重反射すると結果として迷光となる。上述のように、遮光マスク８の光入射と逆の面２８ｃを黒色にすることで、斜め入射光の多重反射が抑制される。

一方、遮光マスク２８の面のうち、光入射側の表面２８ｂは黒色処理ではなく、鏡面処理が施される。金属材料の採用により機械強度を確保するとともに、高い熱伝導率により放熱性を高め、鏡面処理とすることで光吸収による発熱を抑えている。鏡面処理された面２８ｂは、次に、ミラーとなるＡｇやＡｌを主成分とした膜が蒸着やスパッタなどの真空成膜法により成膜される。

ミラーとなるＡｇやＡｌを主成分とした膜を成膜する理由は以下の通りである。図３において、ＷＧ−ＰＢＳ９の偏光分離面は光軸に対して４５度で設置されており、入射するＰ偏光は透過させ、Ｓ偏光は直角に反射させる特性を有する。まずＰ偏光がＷＧ−ＰＢＳ９の偏光分離面を透過する。透過したＰ偏光は反射型液晶表示素子１１で反射される過程で変調を受け、変調されたＳ偏光成分のみがＷＧ−ＰＢＳ９で反射され投射レンズ１３へ向かう。ここで、遮光マスク８のミラー面に入射するＰ偏光がＰ偏光のまま反射すれば、ＷＧ−ＰＢＳ９の偏光分離面で反射されることなく透過するため、投影映像では、遮光マスク２８の部分は黒に表示される。そして、遮光マスク２８は光を吸収しないため、発熱は抑制される。

ところで、前述の通り、光学系には斜めに入射する光も含まれるため、ＷＧ−ＰＢＳ９にも斜め光が入射している。一般的にＷＧ−ＰＢＳの偏光分離特性には角度依存性があり、斜め入射光は、垂直入射光に比べて、偏光分離性能が低下する。そのため、斜め入射光は、所望の明るさで透過・反射しない。そこで、遮光マスク２８のミラー面上に、負のＣ−ｐｌａｔｅ特性を有する位相差補償機能膜３１が設けられる。

ここで、負のＣ−ｐｌａｔｅ特性とは、面内方向に屈折率異方性がなく、面内方向に対して厚み方向に屈折率異方性を有し、面方向の屈折率より厚み方向の屈折率が小さいという特性をいう。このような材料には、ＴＡＣ（トリアセチルセルロース）フィルムや、波長よりも充分短い膜厚で屈折率の異なる誘電体を積層して構造性複屈折の特性を利用したものがある。また、水平配向型の液晶ポリマーや、延伸フィルムなどのＡ−ｐｌａｔｅ材料を、同じ位相差を持たせて遅相軸を直交させた膜を組み合わせたものもある。

遮光マスク２８のミラー面上に、上記特性を有する位相差補償機能膜３１を設けることにより、斜め入射光の位相差を補償することで遮光マスク２８を反射した斜め入射光がＰＢＳの偏光分離膜をほぼ透過するように調整できる。

＜第２の実施の形態＞
図４は、本発明の第２の実施の形態に係る投射型液晶表示装置の構成図である。図１に示す第１の実施の形態との相違点は、位相補償板１０a、１０ｂ、１０ｃが付加されている点である。以下、相違点について具体的に説明する。ＷＧ−ＰＢＳ９ａ、９ｂ、９ｃを透過したＰ偏光の赤色光、緑色光、青色光は位相差補償板１０a、１０ｂ、１０ｃを透過した後、赤色光は赤色用反射型液晶表示素子１１ａに、緑色光は緑色用反射型液晶表示素子１１ｂに、青色光は青色用反射型液晶表示素子１１ｃに入射する。各色用の反射型液晶表示素子１１ａ、１１ｂ、１１ｃは各色の入射光を反射・変調する。反射・変調された赤色光、緑色光、青色光は、再度位相差補償板１０ａ、１０ｂ、１０ｃを透過した後、変調されたＳ偏光成分がＷＧ−ＰＢＳ９ａ、９ｂ、９ｃで反射される。図５は、本発明の第２の実施の形態における、反射型液晶表示素子から投射レンズに至る光学系を示す図である。図３に対して位相差補償板１０が付加されている。その他の構成は図３と同じである。

前述の通り、第２の実施の形態では、反射型液晶表示素子１１の光入射側に位相差補償板１０が付加的に設けられている。位相差補償板１２は、反射型液晶表示素子１に入射して反射した光の位相差を補償するように最適化されている。一方、遮光マスク２８のミラー２８ｂに入射して反射する光については、位相差補償板１０を２回透過した分の位相差が余分に付加される結果となる。したがって、余分に付加された位相差をキャンセルする位相差補償機能を遮光マスクにさらに付加することが必要である。

まず、正のＡ−ｐｌａｔｅ特性の位相差補償板１０が、反射型液晶表示素子１１の光入射側に用いられる場合について説明する。正のＡ−ｐｌａｔｅ特性の位相差補償板１０が用いられる理由は以下である。すなわち、垂直配向型液晶において液晶の倒れる方向を常に一定方向とするために配向膜近傍の液晶を傾斜させると、液晶の傾斜分だけ位相差のズレが生じてしまうため、その位相差のずれを位相差補償板１０で補償するためである。

正のＡ−ｐｌａｔｅ特性の位相差補償板１０が、反射型液晶表示素子１１の光入射側に付加的に用いられる場合において、付加された位相差をキャンセルするためには、位相差補償板１０と等しい位相差で同じ正のＡ−ｐｌａｔｅ特性を有し、遅相軸を位相差補償板１０と直交させた膜またはシート３１を位相差補償機能膜３１に付加すればよい。すなわち、位相差補償板１０と等しい位相差で正のＡ−ｐｌａｔｅ特性を有する位相差補償機能膜３１の遅相軸が直交すると、位相差補償板１０の位相差分をゼロにキャンセルできる。ここで、位相差補償板１０と位相差補償機能膜３１とが等しい位相差を持つときは、位相差補償機能膜３１の遅相軸を、位相差補償板１０と直交させれば正確にゼロにキャンセルすることができる。一方、位相差補償機能膜３１の位相差が位相差補償板１０より小さいときは、直行させても正確にはキャンセルしきれない。また、位相差補償機能膜３１の位相差が位相差補償板１０より大きいときは、正確な直交条件から僅かにずれた角度でキャンセルする。実際には、投射型表示装置で要求されるコントラスト特性に応じて、位相差補償機能膜３１と位相差補償板１０との位相差が実質的に等しく、また、実質的に直交していればよい。

正のＡ−ｐｌａｔｅ特性を有する材料としては、水平配向型の液晶ポリマーまたは、延伸フィルムまたは、波長より充分短いピッチで誘電体や硬化性樹脂により凸形状を形成し構造性複屈折を利用したものがあげられる。負のＣ−ｐｌａｔｅ特性を有する位相差補償機能膜３１に正のＡ−ｐｌａｔｅ特性を有する材料を付加するのではなく、その代わりに、正のＡ−ｐｌａｔｅ特性と負のＣ−ｐｌａｔｅ特性を合わせ持つ２軸延伸フィルムを一つの部材として用いることもできる。

次に、負のＣ−ｐｌａｔｅ特性の位相差補償板１０が、反射型液晶表示素子１１の光入射側に付加的に用いられる場合について説明する。負のＣ−ｐｌａｔｅ特性の位相差補償板１０が用いられる理由は、垂直配向液晶の視野角補償といった斜め入射光に対する補償を行うためである。この場合において付加された位相差をキャンセルするためには、位相差補償板１０と等しい位相差で正のＣ−ｐｌａｔｅ特性を有する膜またはシート３１を位相差補償機能膜３１に付加して設ければよい。材料としては、二軸性の延伸フィルムなどが用いられる。実際には、投射型表示装置で要求されるコントラスト特性に応じて、付加された位相差補償機能膜３１と位相差補償板１０との位相差が実質的に等しければよい。

さらに、ＴＮ配向液晶の視野角補償などに用いられるハイブリッド配向させた光学的に負の一軸性の特性を有する化合物が位相差補償板１０として付加的に用いられる場合について説明する。ＴＮ配向液晶の視野角補償などに用いられるハイブリッド配向させた光学的に負の一軸性の特性を有する化合物が位相差補償板１０として用いられる場合において、付加された位相差をキャンセルするためには、位相補償板１０と等しい位相差でハイブリッド配向させた逆の特性を有する化合物を位相差補償機能膜３１に付加して設ければよい。すなわち、上記逆の特性とは、光学的に正の一軸性である。つまり、屈折率の大小の関係が逆のものを用いれば良い。ここで、光学的に負の一軸性の特性を有する化合物とは、ディスコティック液晶化合物などがある。実際には、投射型表示装置で要求されるコントラスト特性に応じて、付加された位相差補償機能膜３１と位相差補償板１０との位相差が実質的に等しければよい。

無機材料および有機材料の双方を用いて、位相差補償機能膜３１や付加される位相差補償機能を積層構造にする際には、無機材料の製作プロセスを先に行い、有機材料の製作プロセスを後にすることがプロセス上好ましい。ただし、構造性複屈折を用いたＡ−ｐｌａｔｅの膜の上へ、他のものを積層することはできない。また、以上の実施の形態において、ワーヤ-グリッド型偏光ビームスプリッタ（ＷＧ−ＰＢＳ）の代わりに三角柱状のガラスブロックに誘電体多層膜を形成して貼り合わせたタイプの偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）を用いることもできる。

１ａ 光源、１ｂ リフレクタ
２ａ 第１インテグレータ、２ｂ 第２インテグレータ、
３ 偏光変換素子
４ 重ね合わせレンズ
５ａ Ｙダイクロイックミラー、５ｂ Ｂダイクロイックミラー
６ａ、６ｂ ミラー
７ Ｇダイクロイックミラー
８ａ 赤色用フィールドレンズ、８ｂ 緑色フィールドレンズ、
８ｃ 青色用フィールドレンズ、
９ａ 赤色用ＷＧ−ＰＢＳ、９ｂ 緑色用ＷＧ−ＰＢＳ、
９ｃ 青色用ＷＧ−ＰＢＳ、９ ＷＧ−ＰＢＳ、
１０ａ 赤色用位相差補償板、１０ｂ 緑色用位相差補償板、
１０ｃ 青色用位相差補償板、１０ 位相差補償板
１１ａ 赤色用反射型液晶素子、１１ｂ 緑色用反射型液晶素子、
１１ｃ 青色用反射型液晶素子、１１ 反射型液晶素子、
１２ クロスダイクロイックプリズム、１３ 投射レンズ
２２ 反射基板、２２ａ 画素部、２３ 透明基板、２４ 液晶、
２５ シール部、
２６ 素子固定ベース、２７ 取り付け部材、
２８ 遮光マスク、２８ａ 開口部
２８ｂ 光入射側表面(ミラー)、２８ｃ 光入射側表面の逆面(光吸収膜)
３１ 位相差補償機能膜

Claims (4)

1. 光源と、
   前記光源からの光を変調する反射型液晶表示素子と、
   金属材料基板と、前記金属材料の光入射側に設けられる反射ミラーと、前記反射ミラーの光入射側に設けられる負のＣ−ｐｌａｔｅ特性の位相差補償機能膜とを有し、前記反射型液晶素子に対する前記光の入射側に配置されるとともに、前記反射型液晶表示素子の有効表示エリアに向かって入射する光を通過させ、かつ前記反射型液晶表示素子の有効表示エリア周辺に向かう入射光を遮光する遮光マスクと、
   前記反射型液晶表示素子により変調された光を投射する投射レンズと、
   を備えることを特徴とする投射型液晶表示装置。
2. 前記遮光マスクの光源側にさらに正のＡ−ｐｌａｔｅ特性を有する位相差補償板が備えられており、
   前記遮光マスクは前記位相差補償板と等しい位相差で同じ正のＡ−ｐｌａｔｅ特性を有し、遅相軸を、前記位相差補償板と直交させた位相差補償機能膜をさらに備えていることを特徴とする請求項１記載の投射型液晶表示装置。
3. 前記遮光マスクの光源側にさらに負のＣ−ｐｌａｔｅ特性を有する位相差補償板が備えられており、
   前記遮光マスクは前記位相差補償板と等しい位相差で正のＣ−ｐｌａｔｅ特性を有する位相差補償機能膜をさらに備えていることを特徴とする請求項１記載の投射型液晶表示装置。
4. 前記遮光マスクの光源側にさらにハイブリッド配向させた光学的に負の一軸性の特性を有する化合物からなる位相差補償板が備えられており、
   前記遮光マスクは前記位相補償板と等しい位相差でハイブリッド配向させた逆の特性である光学的に正の一軸性を有する位相差補償機能膜をさらに備えていることを特徴とする請求項１記載の投射型液晶表示装置。
   
   

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