JP2013020222A - 投射型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】偏光変換素子の劣化を低減させることができる投射型表示装置を提供する。
【解決手段】第１のレンズアレイ４は光源ＬＳから発せられた光束を分割する。第２のレンズアレイ５は複数のレンズセルが二次元的に配置されて構成され、第１のレンズアレイ４から射出した光が入射される。偏光変換素子６は、第２のレンズアレイ５より射出した不定偏光をＰ偏光とＳ偏光とに分離し、Ｐ偏光とＳ偏光とのとのいずれか一方に揃えて射出する。駆動機構２０は、偏光変換素子６を、偏光変換素子６の不定偏光が照射される面に沿って偏光分離方向と直交した方向に変位させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、表示素子への入射光を映像信号に応じて変調して射出し、射出光をスクリーンに投射することによって映像を表示する投射型表示装置に係り、特に、偏光変換素子の熱による劣化を抑えることができる投射型表示装置に関する。

入射光を変調して射出する表示素子として液晶表示素子を用いた投射型表示装置が普及している。この種の投射型表示装置においては、液晶表示素子は偏光を入射光として利用するため、光源から射出した不定偏光を偏光変換素子によって第１の偏光と第２の偏光とのいずれか一方に揃えることにより、光の利用効率を高めるということが行われている。偏光変換素子は、不定偏光の入射光を互いに直交する第１の偏光と第２の偏光とに分離する偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）プリズムと、第１の偏光と第２の偏光とのいずれか一方を他方の偏光に変換する１／２波長板とを備える。

偏光変換素子は、光源から射出された光束が集光する部分であるため高温になる。ＰＢＳプリズムと１／２波長板は接着剤で接着され、ＰＢＳプリズム自体も複数のプリズムの接合に接着剤が用いられている。偏光変換素子に光束が集光して高温になると、接着剤が酸化プロセスや光化学反応プロセスにより劣化する。１／２波長板を有機材料であるポリカーボネート製とした場合には、ポリカーボネートは熱に比較的弱いため劣化しやすい。そこで、偏光変換素子を冷却ファンによって空冷するのが一般的である。

特開２００４−３０９８５３号公報 特開２００２−２１４５９８号公報

偏光変換素子を空冷しても、偏光変換素子が長期間に渡って高温になれば偏光変換素子は劣化し、信頼性に影響を与えることになる。これは、１／２波長板を特許文献１に記載されている比較的熱に強い水晶製としたとしても同様に発生する問題点である。そこで、偏光変換素子に光が集光して高温になることによる偏光変換素子の劣化を低減させることが求められている。

本発明はこのような要望に対応するため、偏光変換素子の劣化を低減させることができる投射型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（ＬＳ）と、複数のレンズセル（４ａ）が二次元的に配置され、前記光源から発せられた光束を分割する第１のレンズアレイ（４）と、前記第１のレンズアレイにおける複数のレンズセルそれぞれに対応する複数のレンズセル（５ａ）が二次元的に配置され、前記第１のレンズアレイから射出した光が入射される第２のレンズアレイ（５）と、前記第２のレンズアレイより射出した不定偏光を第１の偏光と第２の偏光とに分離すると共に、前記第１の偏光を前記第２の偏光に変換するか前記第２の偏光を前記第１の偏光に変換することにより前記第１の偏光と前記第２の偏光とのいずれか一方に揃えて射出する偏光変換素子（６）と、前記偏光変換素子を、前記偏光変換素子の前記不定偏光が照射される面に沿って、前記偏光変換素子における偏光分離方向と直交した一の方向に変位させる駆動機構（２０）とを備えることを特徴とする投射型表示装置を提供する。

上記の構成において、前記駆動機構は、前記偏光変換素子を、前記第２のレンズアレイにおける複数のレンズセルの前記一の方向のピッチの半分の距離だけ変位させることが好ましい。

本発明の投射型表示装置によれば、偏光変換素子の劣化を低減させることができる。

本発明の投射型表示装置の一実施形態を示す構成図である。 図１におけるレンズアレイ４，５の構成例を示す図である。 図１における偏光変換素子６の構成例を示す図である。 図１におけるレンズアレイ５と偏光変換素子６との位置関係を示す図である。 図１における液晶表示素子１７ｂ，１７ｇ，１７ｒの概略構成を示す図である。 図１における光源部ＬＳから射出した照明光が液晶表示素子１７ｂ，１７ｇ，１７ｒ上に重ね合わされて結像される状態を概念的に示す図である。 図１における駆動機構２０の構成例を示す図である。 駆動機構２０による偏光変換素子６の変位を説明するための図である。 駆動機構２０による偏光変換素子６の変位によって偏光変換素子６上に照射される光の状態を示す図である。

以下、本発明の投射型表示装置の一実施形態について、添付図面を参照して説明する。図１において、光源ＬＳは、両口金タイプの放電灯１と、放電灯１から射出される光を光軸方向（Ｚ方向）に反射するリフレクタ２を有する。放電灯１としては、高圧水銀ランプ、メタルハライドランプ等の白色光を射出するものが用いられる。リフレクタ２は、光軸を軸とした回転放物面の反射面を有し、放電灯１から射出された光を反射面で反射して光軸に平行な照明光として射出する。リフレクタ２は光軸を軸とした回転楕円面の反射面を有してもよい。その場合には、リフレクタ２の光の射出側に照明光をほぼ平行光とするレンズ系を設ける。

光源ＬＳから射出した光は、紫外線や赤外線をカットするコールドフィルタ３を透過して第１のレンズアレイ４に入射される。第１のレンズアレイ４は、図２（Ａ），（Ｂ）に示すように、後述する反射型の液晶表示素子１７ｂ，１７ｇ，１７ｒの表示領域と相似である矩形形状のレンズセル４ａを水平方向（Ｘ方向）及び垂直方向（Ｙ方向）に複数配列したものである。図２（Ａ）は第１のレンズアレイ４をＺ方向に見た正面図、図２（Ｂ）は上端面から見た側面図である。レンズセル４ａの垂直方向のピッチはＨである。

第１のレンズアレイ４は、リフレクタ２が光束を射出する開口を空間的に分割するように構成されている。第１のレンズアレイ４より射出した照明光は第２のレンズアレイ５に入射される。第１及び第２のレンズアレイ４，５はフライアイレンズ、フライアイインテグレータとも称される。

第２のレンズアレイ５は第１のレンズアレイ４と同様の構成であり、図２（Ａ），（Ｂ）に示すように、液晶表示素子１７ｂ，１７ｇ，１７ｒの表示領域と相似である矩形形状のレンズセル５ａをＸ方向及びＹ方向に複数配列したものである。レンズセル５ａの垂直方向のピッチはＨである。第１のレンズアレイ４は、第１のレンズアレイ４における複数のレンズセル４ａそれぞれに対応した第２のレンズアレイ５のレンズセル５ａに照明光を入射させ、第２のレンズアレイ５上に第１のレンズアレイ４のレンズセル４ａと同数の２次光源像を形成する。なお、図２では、簡略化のため、レンズセル４ａ，５ａのＸ方向の並びを４列としているが、実際にはさらに多くの列を有する。Ｙ方向の行の数も同様である。

第２のレンズアレイ５から射出された照明光は、偏光変換素子６に入射される。図３（Ａ），（Ｂ）を用いて偏光変換素子６の構成及び作用について説明する。図３（Ａ）は偏光変換素子６をＺ方向に見た正面図、図３（Ｂ）は上端面から見た側面図である。図３（Ｂ）に示すように、偏光変換素子６は、ＰＢＳプリズム６１と１／２波長板６２とを有する。ＰＢＳプリズム６１は、偏光分離面６１ａが形成された複数の短冊状のプリズムを接合して平板状に形成したものである。短冊状のプリズムの境界は反射面６１ｂとなっている。

本実施形態では、偏光変換素子６に入射される不定偏光の内、Ｐ偏光は各偏光分離面６１ａを透過して直進し、Ｓ偏光は各偏光分離面６１ａで反射して不定偏光の入射方向に対して進行方向が９０°曲げられる。不定偏光の入射方向に対して進行方向を９０°曲げた方向が偏光分離方向である。Ｓ偏光は反射面６１ｂで反射してさらに進行方向が９０°曲げられる。図３（Ｂ）に示すように、ＰＢＳプリズム６１のＰ偏光の射出面には、１／２波長板６２が接着されている。従って、ＰＢＳプリズム６１を射出したＰ偏光はＳ偏光に変換されて射出される。

即ち、本実施形態における偏光変換素子６は、Ｐ偏光及びＳ偏光をランダムに含む不定偏光をＳ偏光に揃えて射出するものである。不定偏光をＰ偏光に揃えるようにしてもよい。不定偏光をＰ偏光に揃える場合には、１／２波長板６２を、反射面６１ｂで反射したＳ偏光が通過する部分に設ける。図３（Ａ）において、クロスハッチングを付した部分は、第２のレンズアレイ５から射出された照明光が偏光変換素子６に照射されたときの光強度が強い輝度集中部６ＬＣである。

第２のレンズアレイ５の各レンズセル５ａと偏光変換素子６との具体的な位置関係は、図４（Ａ），（Ｂ）に示すようになっている。図４（Ａ），（Ｂ）に示すように、偏光変換素子６は、各レンズセル５ａの中心が１／２波長板６２のＸ方向の中心に位置するように位置決めされて配置されている。レンズセル５ａのＸ方向の幅は、偏光変換素子６における短冊状のプリズム２列の幅に対応する。図４（Ａ），（Ｂ）に示すように、第１及び第２のレンズアレイ４，５と偏光変換素子６とは実際には大きさが異なり、中心位置がずれている。これらの光学部品を筐体内に組み込む際に、外形寸法が同一となっていた方が都合がよい。そこで、図１に示すように、第１及び第２のレンズアレイ４，５と偏光変換素子６と見かけ上の外形寸法を同一としている。

図１において、偏光変換素子６から射出されたＳ偏光は、重ね合わせレンズ７に入射される。重ね合わせレンズ７は、第１のレンズアレイ４の各レンズセル４ａの像の中心を液晶表示素子１７ｂ，１７ｇ，１７ｒの中心に一致させ、各レンズセル４ａの像を液晶表示素子１７ｂ，１７ｇ，１７ｒの表示面上で重なり合った状態で結像させるように作用する。

重ね合わせレンズ７から射出されたＳ偏光は、Ｂ／ＲＧ分離クロスダイクロイックミラー１０で青色光と赤色・緑色光とに分離される。青色光はＢミラー１１で光路が曲げられ、青色用フィールドレンズ１４ｂ，青色用ワイヤグリッドＰＢＳ１５ｂ，青色用波長板１６ｂを通過し、青色用液晶表示素子１７ｂに入射する。青色用液晶表示素子１７ｂで変調され、反射したＰ偏光は青色用ワイヤグリッドＰＢＳ１５ｂで反射して、クロスダイクロイックプリズム１８へと向かう。

Ｂ／ＲＧ分離クロスダイクロイックミラー１０で分離された赤色・緑色光はＲＧミラー１２で光路が曲げられる。ＲＧダイクロイックミラー１３で赤色光と緑色光とに分離される。赤色光は、赤色用フィールドレンズ１４ｒ，赤色用ワイヤグリッドＰＢＳ１５ｒ，赤色用波長板１６ｒを通過し、赤色用液晶表示素子１７ｒ入射する。赤色用液晶表示素子１７ｒで変調され、反射したＰ偏光は赤色用ワイヤグリッドＰＢＳ１５ｒで反射して、クロスダイクロイックプリズム１８へと向かう。緑色光は、緑色用フィールドレンズ１４ｇ，緑色用ワイヤグリッドＰＢＳ１５ｇ，緑色用波長板１６ｇを通過し、緑色用液晶表示素子１７ｇ入射する。緑色用液晶表示素子１７ｇで変調され、反射したＰ偏光は緑色用ワイヤグリッドＰＢＳ１５ｇで反射して、クロスダイクロイックプリズム１８へと向かう。

クロスダイクロイックプリズム１８は、入射された赤色光，青色光，緑色光を合成する。合成光は投射レンズ１９でスクリーン上に投射される。赤色用，青色用，緑色用の液晶表示素子１７ｂ，１７ｇ，１７ｒは、入射された赤色光，青色光，緑色光それぞれを映像信号の赤色成分，青色成分，緑色成分に応じて変調するので、スクリーン上には映像信号に応じた投射画像が表示されることになる。

図５を用いて、液晶表示素子１７ｂ，１７ｇ，１７ｒの概略構成について説明する。図５（Ａ）は液晶表示素子１７ｂ，１７ｇ，１７ｒの平面図、図５（Ｂ）は液晶表示素子１７ｂ，１７ｇ，１７ｒの断面図である。図５（Ｂ）に示すように、液晶表示素子１７ｂ，１７ｇ，１７ｒは、表面に透明電極を形成した透明基板１７１と、画素毎の反射電極をマトリクス状に配置したアクティブマトリクス基板１７５とが、透明電極と反射電極とが向き合うように対向している。透明基板１７１側が光の入射側である。

透明基板１７１とアクティブマトリクス基板１７５との間には、例えばネマティック液晶が所定のプレチルト角を付与した状態で封入された液晶層１７３が形成されている。透明基板１７１とアクティブマトリクス基板１７５における液晶層１７３側の各表面には配向膜１７２，１７４が形成されている。

このように形成された液晶表示素子１７ｂ，１７ｇ，１７ｒにおいて、入射される偏光の方向は、図５（Ａ）に示すように、液晶表示素子１７ｂ，１７ｇ，１７ｒの平面上の水平方向または垂直方向である。

図６は、光源部ＬＳから射出した照明光の光束が第１のレンズアレイ４によって複数のレンズセル４ａによって分割され、分割された光束が第２のレンズアレイ５，偏光変換素子６，重ね合わせレンズ７を通って液晶表示素子１７ｂ，１７ｇ，１７ｒ上に重ね合わされて結像される状態を概念的に示している。第１のレンズアレイ４のレンズセル４ａに入射した光は、各レンズセル４ａの屈折力によって第２のレンズアレイ５のレンズセル５ａ上に集光し、レンズセル４ａと同数の２次光源像を形成する。偏光変換素子６より射出した光は重ね合わせレンズ７の作用によって液晶表示素子１７ｂ，１７ｇ，１７ｒ上に重ね合わされて結像する。一点鎖線で示す偏光変換素子６の面と直交する方向（Ｚ方向）に進む光は、液晶表示素子１７ｂ，１７ｇ，１７ｒの中心に集光する。破線で示す偏光変換素子６の面と直交する方向に対して傾斜した方向に進む光は、液晶表示素子１７ｂ，１７ｇ，１７ｒの端部に集光する。なお、反射面６１ｂで反射した光も傾斜した方向に進む光を含むが、ここでは簡略化のため１／２波長板６２を傾斜した方向で通過する光の一部のみを図示している。

図１に戻り、偏光変換素子６は駆動機構２０によってＹ方向、即ち、短冊状のプリズムの長手方向に変位されるようになっている。図７を用いて、駆動機構２０の具体的構成例について説明する。図７に示すように、偏光変換素子６はハウジング２０１内に収納されている。ハウジング２０１の内面の上端部には、弾性部材としての一例である板ばね２０２が取り付けられている。ハウジング２０１の内面の左右方向（Ｘ方向）の一方の側にも、板ばね２０３が取り付けられている。偏光変換素子６の上端部は板ばね２０２と接触しており、板ばね２０２によって下方への力が加えられている。偏光変換素子６の下端部は、偏心カム２０４と接触している。偏心カム２０４は図示していないモータ等によって駆動されてＲ方向に回転する。

偏光変換素子６は板ばね２０２と偏心カム２０４とによって挟まれており、偏心カム２０４が回転することによって、偏光変換素子６は上下方向（Ｙ方向）の位置が変位することになる。図７に示す状態が、偏光変換素子６が最も上方に位置している状態である。板ばね２０３は、偏光変換素子６を図７の右方向に押圧している。これによって偏光変換素子６はＸ方向の位置が固定されている。図４で説明したように、第２のレンズアレイ５と偏光変換素子６とはＸ方向に正確に位置決めされる必要がある。板ばね２０３によって偏光変換素子６をハウジング２０１の内面に押し付けることによって、偏光変換素子６はＸ方向の所定の位置に位置決めされる。なお、偏光変換素子６はＹ方向に変位するが、Ｘ方向の位置に影響を与えない。

図８（Ａ），（Ｂ）を用いて、偏光変換素子６のＹ方向の変位についてさらに説明する。図８（Ａ）は、偏光変換素子６が最も下方に位置している状態の第２のレンズアレイ５と偏光変換素子６との位置関係を示している。この状態で、第２のレンズアレイ５のＹ方向の中央位置と、偏光変換素子６のＹ方向の中央位置とはほぼ同じ位置にある。図８（Ｂ）は、偏光変換素子６が最も上方に位置している状態の第２のレンズアレイ５と偏光変換素子６との位置関係を示している。図８（Ｂ）の偏光変換素子６の位置は図７に示す位置である。偏光変換素子６は偏心カム２０４によって上方に押し上げられている。

偏光変換素子６の位置を変位させる機構として偏心カム２０４を使用した機構を実施形態として示したが、これに限定されるものではない。偏光変換素子６の位置を変位させる他の機構として例えば、リードスクリューを使用してリードスクリューの回転量に応じて偏光変換素子６の位置が変位するような機構としてもよい。また、次のような機構としてもよい。光源ＬＳの使用時間に伴って、光源ＬＳは徐々に劣化して発光量が減少する。これに伴って偏光変換素子６を通過する光量が減少し、偏光変換素子６周辺の温度が下がる。そこで、温度によって弾性や形状が変化する形状記憶合金やバイメタルで偏光変換素子６を押す板ばねを構成する。板ばねの温度に応じて偏光変換素子６の位置が変位するような機構とする。

図８（Ａ）の偏光変換素子６を最も下方に位置させた状態と図８（Ｂ）の偏光変換素子６を最も上方に位置させた状態とで、偏光変換素子６を、垂直方向（Ｙ方向）に、第２のレンズアレイ５におけるレンズセル５ａの垂直方向のピッチＨの１／２だけ変位させることが好ましい。偏光変換素子６の変位方向は、偏光変換素子６における光が照射される面に沿った方向で、図４（Ｂ）で説明した偏光分離方向と直交する一の方向である。偏光変換素子６が図８（Ｂ）の位置になると、偏光変換素子６の面に照射される光はＨ／２だけ下方へと変位する。

偏光変換素子６が図８（Ａ），（Ｂ）に示すように変位すると、輝度集中部６ＬＣは図９に示すような状態となる。偏光変換素子６をＨ／２だけ変位させることによって、図８（Ａ）における輝度集中部６ＬＣのＹ方向の位置と図８（Ｂ）における輝度集中部６ＬＣのＹ方向の位置とがずれることになる。図８（Ｂ）の輝度集中部６ＬＣはＹ方向でほぼ図８（Ａ）の輝度集中部６ＬＣの間に位置することになる。従って、輝度集中部６ＬＣが常時同じ位置にならず分散されるので、偏光変換素子６の劣化を抑えることが可能となる。

以上の説明では、偏光変換素子６をＹ方向に図８（Ａ）に示す位置と図８（Ｂ）に示す位置とで選択的に変位させるように説明したが、偏心カム２０４を所定の時間をかけて常時回転させることにより、偏光変換素子６のＹ方向の位置を図８（Ａ）に示す位置と図８（Ｂ）に示す位置との間で連続的に変化させるようにしてもよい。偏光変換素子６のＹ方向の位置を連続的に変化させると、輝度集中部６ＬＣはＹ方向につながったような状態となる。

また、本実施形態では偏光変換素子６の位置の変位量をＨ／２としたが、これに限定されるものではない。偏光変換素子６に対して光が常時照射される箇所がなるべく少なくなるように偏光変換素子６を変位させればよい。勿論、光が常時照射される箇所がなくなるように偏光変換素子６を変位させることが望ましい。

本発明は以上説明した本実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。本実施形態では、表示素子として反射型の液晶表示素子１７ｂ，１７ｇ，１７ｒを用いた構成を例にしたが、透過型の液晶表示素子を用いた構成としてもよい。光源ＬＳとしては、ランプに限定されず、発光ダイオード（ＬＥＤ），レーザ，励起光源等、任意である。

１ 放電灯
２ リフレクタ
３ コールドフィルタ
４ 第１のレンズアレイ
４ａ，５ａ レンズセル
５ 第２のレンズアレイ
６ 偏光変換素子
７ 重ね合わせレンズ
１５ｒ，１５ｇ，１５ｂ ワイヤグリッド偏光ビームスプリッタ
１７ｒ，１７ｇ，１７ｂ 液晶表示素子
１８ クロスダイクロイックプリズム
１９ 投射レンズ
ＬＳ 光源

Claims (2)

1. 光源と、
   複数のレンズセルが二次元的に配置され、前記光源から発せられた光束を分割する第１のレンズアレイと、
   前記第１のレンズアレイにおける複数のレンズセルそれぞれに対応する複数のレンズセルが二次元的に配置され、前記第１のレンズアレイから射出した光が入射される第２のレンズアレイと、
   前記第２のレンズアレイより射出した不定偏光を第１の偏光と第２の偏光とに分離すると共に、前記第１の偏光を前記第２の偏光に変換するか前記第２の偏光を前記第１の偏光に変換することにより前記第１の偏光と前記第２の偏光とのいずれか一方に揃えて射出する偏光変換素子と、
   前記偏光変換素子を、前記偏光変換素子の前記不定偏光が照射される面に沿って、前記偏光変換素子における偏光分離方向と直交した一の方向に変位させる駆動機構と、
   を備えることを特徴とする投射型表示装置。
2. 前記駆動機構は、前記偏光変換素子を、前記第２のレンズアレイにおける複数のレンズセルの前記一の方向のピッチの半分の距離だけ変位させることを特徴とする請求項１記載の投射型表示装置。