JP2016102848A - 投射型画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高輝度下でも温度分布による応力の発生を抑え、高輝度、高コントラストであっても画面の輝度ムラ、色ムラのない高品位な投射画像を得ることが出来る投射型画像表示装置を提供すること。【解決手段】位相補償板のうける照明光の照射領域と、位相補償板の形状および大きさを適切に合わせることにより、輝度低下等の影響を最小限に抑えつつ、位相補償板に発生する応力を緩和して輝度ムラを軽減する。【選択図】図１

Description

本発明は、投射型画像表示装置に関するものであり、特に反射型の投射型画像表示装置に関する。

従来より、光源部と、光源からの照明光束を偏光に応じて分離、合成する光学系と、照射された光を画像光へ変換する画像表示素子と、変換された画像光を結像させる投射光学系とを有する投射型画像表示装置が知られている。

投射型画像表示装置においては、一般的に画像表示素子や、画像表示素子近傍に配置される位相補償板の近傍で照明光の強度が集中する。このとき例えば、位相補償板に生じる照度分布は位相補償板の面内に温度分布を生じさせ、その温度分布が応力分布を引き起こして応力複屈折が発生する。

このような形で発生した複屈折は、入射する偏光に対して不要な位相ズレを引き起こし、特に画像表示素子近傍での位相ズレは投射画像の輝度ムラ、色ムラとなって画像に影響を与える場合がある。特に高輝度な投射画像を表示する投射型画像表示装置である場合や、高コントラストな投射型画像表示装置である場合には、微小な応力複屈折による画面ムラの影響であっても目立ちやすくなる。さらに反射型の画像表示素子を用いた光学系では、光の往復によって素子の受ける光強度が増大するためその影響が大きい。

このような課題に対し、特許文献１では光学補償フィルムの端部を切除することにより、特に応力の集中しやすい端部をなくして応力の影響を緩和する方法が開示されている。

特開２００４−２０５８０４号公報

しかしながら、特許文献１の方法では端部以外で生じる応力については緩和されない。

本発明の目的は、高輝度下でも温度分布による応力の発生を抑え、高輝度、高コントラストであっても画面の輝度ムラ、色ムラのない高品位な投射画像を得ることが出来る投射型画像表示装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明は、光源と、液晶を所定の印加電圧により駆動することで画像を表示する少なくとも１枚の反射型液晶画像表示素子と、入射光のうち一方の偏光を透過し、他方の偏光を入射光と異なる方向へ反射する偏光分離素子と、該偏光分離素子と該反射型液晶表示素子の間に配置され、面内位相差を有する少なくとも１枚の位相補償板と、光源からの光を該反射型液晶画像表示素子へと導く照射光学系と、反射型液晶画像表示素子からの画像光を投影する投影光学系と、を有する投射型画像表示装置であって、位相補償板配置箇所において、該光源からの照明光と、該反射型液晶画像表示素子からの反射光により該位相補償板が受ける光の最大強度の５０％以上の強度の領域を照射領域とし、該位相補償板の被照射面の中心から該照射領域の端部までの距離をＡ、位相補償板の光学面の端部までの距離をＢとしたとき、下記条件式を満たすことを特徴とする。

１．１≧Ａ／Ｂ≧０．８５

本発明によれば、高輝度下でも温度分布による応力の発生を抑え、高輝度、高コントラストであっても画面の輝度ムラ、色ムラのない高品位な投射画像を得ることが出来る投射型画像表示装置の提供を実現できる。

本発明の投射型画像表示装置の構成概略図 Ｇ光路の位相補償板近傍の構成概略図 実施例１の位相補償板の照明分布と応力分布 比較例の位相補償板の照明分布と応力分布 実施例２の位相補償板の照明分布と応力分布 実施例３の位相補償板の照明分布と応力分布

以下に、本発明の好ましい実施の形態を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。

図１は本発明の投射型画像表示装置１００の構成概略図である。図中、１は光源、２は光源から出射する光で２ｇ，２ｂ，２ｒはそれぞれ緑色、青色、赤色光を示す。３は偏光変換素子、４ｇ，４ｂ，４ｒは偏光変換された緑色、青色、赤色光を示す。５はダイクロイックミラー、６は偏光板、７は波長選択性位相差板、９ａ，９ｂは緑色用、及び青、赤色用偏光分離プリズムである。１１ｇ，１１ｂ，１１ｒは反射型の画像表示素子、１２ｇ，１２ｂ，１２ｒは位相補償板、１８は合成プリズム、２０は投射レンズ光学系である。

光源１から照射される光束は、リフレクタによって反射され略平行光束２となって偏光変換素子３に入射する。この図においては、この白色平行光束２を緑・青・赤色の３原色の光に分解して図示しており、それぞれを緑色光２ｇ、青色光２ｂ、赤色光２ｒとして図示している。勿論、この緑、青、赤色光それぞれは、図上では便宜上空間的に分離して記載しているが、この３つの光はこの段階では空間的に分離されている訳ではない。以下、緑色光はＧ，青色光はＢ、赤色光はＲと省略する。

光源から発せられる各色の光は様々な偏光を含んでおり、偏光変換素子３を透過することにより、一様な偏光方向へ揃えられてＧ偏光４ｇ、Ｂ偏光４ｂ、Ｒ偏光４ｒとなり、ダイクロイックミラー５へ入射する。ダイクロイックミラー５はＧ帯域のみ反射する特性を有しており、Ｇ偏光は反射され、Ｒ、Ｂ偏光は透過することでＧ偏光が色分離される。Ｇ偏光はそのまま偏光分離プリズム９ａに入射し、位相補償板１２ｇを透過してＧ用画像表示素子１１ｇに照射される。

色分離されたＲとＢの偏光は偏光板６を透過することにより偏光度が向上した後に色選択性位相板７に入射する。色選択性位相板７はＢ偏光のみ偏光方向を９０°変換させる特性を有しており、これによりＲ偏光の偏光状態は維持したまま、Ｂ偏光は９０°偏光方向が回転した状態で偏光分離プリズム９ｂに入射する。

偏光分離プリズム９ａ、９ｂは偏光分離面９ａ１，９ｂ１に入射する偏光のうち、Ｐ偏光を透過しＳ偏光を反射する素子である。このような作用を有する素子は、例えば屈折率の異なる薄膜を偏光分離面９ａ１，９ｂ１に積層したものなどがある。偏光分離プリズム９ｂの偏光分離面９ｂ１によりＢ偏光は反射、Ｒ偏光は透過して色分離され、位相補償板１２ｂ、１２ｒを透過して各色に対応する画像表示素子１１ｂ、１１ｒに照射される。画像表示素子１１ｂ、１１ｒ、１１ｇに照明された光は画像信号に応じて画素ごとに照明光の偏光方向を９０°変換され、反射されることにより画像光となる。

ＢとＲの画像光は再び位相補償板１２ｂ、１２ｒを透過した後に偏光分離プリズム９ｂに再入射する。ここでＢ偏光の画像光は透過して青色光１５ｂとなり、Ｒ偏光の画像光は偏光分離面９ｂ１に反射され赤色光１５ｒとなって偏光分離プリズム９ｂを出射することで画像光１５ｂ、１５ｒが合成される。Ｇ偏光の画像光１５ｇも、位相補償板１２ｇを透過した後に偏光分離プリズム９ａの偏光分離面９ａ１により反射され、合成プリズム１８に入射する。

合成プリズム内のダイクロイック膜１９により、Ｇの画像光１５ｇは反射され、ＲとＢの光１５ｂ、１５ｒは透過することでＧとＲとＢの光が合成されて出射される。色合成された画像光は投射レンズ光学系２０により投影、結像される。

ここで、位相補償板１２ｇ，１２ｂ，１２ｒの配置される位置において、位相補償板１２ｇ，１２ｂ，１２ｒの光学面の大きさが照射領域の大きさに対してほぼ相似形状であり、かつ面積比が同程度となるように配置されることを特徴としている。以下、図２を用いて上記の構成について詳細に説明する。

図２（ａ）は図１の投射型画像表示装置のＧ光路の素子配置を詳細に説明する図である。以下代表してＧ光路を用いて説明するが、他の光路でも同様である。図２（ａ）では光源からの照明光のうち最外角度からの光線が細点線で示され、照明光は偏光分離素子９ａ、位相補償板１２ｇを透過し画像表示素子１１ｇに集光照射される。

図２（ｂ）は位相補償板１２ｇが光を受ける光学面における外径と照明光の照射領域を示す図である。位相補償板１２ｇに照射する照明領域Ｓが太点線で表示されている。実際には迷光や散乱光等により、光学面全面に光を受けることが考えられるが、ここではＳは照射強度の最大値の５０％以上の強度の領域とする。ここで位相補償板の中心（図３（ａ）中の一点鎖線の交点）から照射領域Ｓの端までの距離をＡ、位相補償板の光学面の端部までの距離をＢとしたとき、本発明の位相補償板は下記条件式を満たすことを特徴としている。

１．１≧Ａ／Ｂ≧０．８５ ・・・（１）
条件式（１）は任意方向におけるＡ，Ｂの比が一定の範囲内に収まることを意味する。つまり位相補償板の形状と照射領域の形状は相似に近く、かつその大きさが同程度となることを意味する。

ここで図３（ａ）に位相補償板の光学面における照度分布を示す。強度が高いほど白く、弱いほど黒く表示されている。また前述の照射領域Ｓの範囲内を太点線で示している。照度分布の側部に示したのは強度分布のグラフ（縦軸：規格化照射強度、横軸：規格化寸法）であり、この値から、Ｓは照射強度の最大値の５０％以上の強度の領域となっていることが判る。このとき、図３（ｂ）に図３（ａ）の照度分布により生じる応力分布を有限要素法により計算した結果を示す。応力が大きいほど白く、小さい程黒く表示されている。また最小主応力の方向を矢印で示す。

比較例として、図４（ａ）に条件式（１）を満たさない場合の位相補償板での照度分布と、図４（ｂ）に図４（ａ）における応力分布の結果を示す。なおここでの応力分布とは、最小主応力と最大主応力の差の値としている。図３（ｂ）と図４（ｂ）を比較すると、応力自体の大きさが図３（ｂ）の方が小さくなっており、また応力方向の傾き方も図３（ｂ）の方が緩和されている。このように位相補償板および照射領域を選択することで、位相補償板に発生する応力を緩和させることができる。

応力複屈折による輝度ムラは、応力の大きさが屈折率異方性の大きさに関係し、主応力方向が屈折率異方性の主軸方向に関係する。図１、図２から判るように位相補償板１２ｇに入射する偏光は偏光分離素子９ａ，９ｂからの透過または反射光を受けるため、位相補償板の短辺方向もしくは長辺方向に平行に振動する偏光が主である。そのため図３（ｂ）、図４（ｂ）に示した応力方向の矢印に着目すると、特に応力方向が斜めになっている対角方向で偏光の振動方向と応力方向のなす角度が大きいために位相ズレが大きい。しかしそれ以外の領域でも、入射角度特性等を考慮すれば微小な位相ズレは発生するため、応力が大きければ位相ズレは増大し、黒浮きや輝度ムラの原因となる。

ここで図４（ｂ）のうち特に応力の強い領域に着目すると、概ね照射領域Ｓの境界近傍である事が判る。照射領域Ｓの境界は光の強度が大きく変化するため温度変化の大きい領域であり、その結果、熱による膨張量の違いが応力となっていると考えられる。そこで図３（ａ）のように照射領域と位相補償板の形状や大きさを合わせることにより、位相補償板に生じる温度分布自体を軽減して発生する応力を緩和することができ、投射画像に現れる輝度ムラ等を軽減する事が出来る。

このとき、条件式（１）は任意の方向で満たされる事が望ましく、どこか１方向でも満たさない箇所があれば、その領域で応力が高まるため輝度ムラの原因となる可能性がある。また条件式の下限値以下では位相補償板面内における非照射領域が増大して図４（ａ）のような結果となり、応力が増大する。反対に条件式の上限値以上では、位相補償板を透過せずに画像表示素子に照明されるため、漏れ光となってしまうか、もしくは照明光の損失により投射画像の輝度が低下する。ただし、条件式（１）では上限値が１．０、すなわち照射領域Ｓよりも位相補償板が小さい場合を含んでいる。

一般に画像表示素子を照明する場合、画素調整等を考慮し画素領域の外側まで余裕を持って照明されており、場合によっては照射領域Ｓの最外部の面積の１０％程度が使えないとしても、実質的な輝度損失は小さいと考えられる。条件式（１）の上限と下限内に照射領域と位相補償板の形状を合わせ込むことにより、応力を緩和しつつ、それにより生じる課題を最小限に抑制することができる。

なお、これまでの説明はガラス基板の様な等方性媒質に対しても適用することは可能である。しかし、一般的な位相補償板に用いられる異方性媒質は、その屈折率だけでなく、線膨張係数や熱伝導率にも異方性があり、一般的な等方性媒質とは振る舞いが異なる。単純な温度差による膨張応力だけでなく、膨張の異方性により生じる応力差が重なっている。そのため形状の端部に生じる応力の対策だけでは十分とは言えず、これまで説明したような位相補償板の光学面全体を考慮し、精密な対策が必要となる。

本発明を適用できる位相補償板の種類については、位相差や軸方向など、補償対象に応じた様々な位相補償板に対して適用可能である。ただし、位相差の大きい位相補償板を用いる場合に、より影響が大きくなるため、特に面内リターダンスＲｅが１６０ｎｍ以上の位相補償板を用いる際に本発明を適用する事が好ましい。

さらに言えば、偏光分離素子に射入射する光線の偏光軸ズレを補償したり、画像表示素子での回折を補償するために光学軸が位相補償板の面外方向に傾いた位相補償板を用いる際には特に有効である。このような位相補償板を用いる場合、高コントラストが得られる上に、軸方向や位相差に対する敏感度が高い傾向がある。さらに軸方向が非対称であるため、応力発生時に非対称な位相差が増大し、それが加算されるため、応力による位相ズレが大きな輝度ムラとなって目立つ可能性がある。そのような場合に本発明の構成を適用することで輝度ムラを軽減する事が出来る。

また位相補償板を構成する材料については、特に限定はなく、液晶材料や誘電体結晶、斜方蒸着膜または構造異方性を用いる等、様々な異方性材料を用いることができる。

しかし、高密度の光を受けるため、当然ながら可能な限り光吸収の小さい材料および素子構成とすることが望ましい。そのうえで、材料のヤング率Ｅ（ＧＰａ），線膨張係数α（／１０^−６℃）が小さい材料を選ぶことで、温度差が生じたとしても、そこで発生する応力自体を軽減できる。ただし、どちらか一方が小さくても、もう一方が大きい場合では応力は緩和されにくい。具体的にはＥとαの積の値が１５００を下回ることが望ましい。この値が１５００を上回る場合には、温度差により生じる応力の敏感度が高く、５℃以下の微小な温度差でも応力の影響を受けやすくなる。またここでいうヤング率、線膨張係数は各異方性軸方向のうち、最大の値が前述の値を下回ることが特に望ましい。

また、位相補償板に生じる応力分布は温度分布、ひいては照明光の強度に比例し、特に高輝度かつ反射型の画像表示素子を用いた投射型画像表示装置の場合には熱による応力の影響が大きく、本発明の効果が期待される。位相補償板の照明領域における照度Ｌは、２．０×１０^７［ｌｍ／ｍ^２］以上であるときには本発明の効果が期待される。このとき位相補償板の受ける照度は光源からの照明光だけでなく、画像表示素子からの反射光も考慮する必要がある。

本発明の第１の実施例の投射型画像表示装置について説明する。第１の実施例の投射型画像表示装置１００の構成概略は図１に示した通りである。位相補償板１２ｇ，１２ｂ，１２ｒとしてサファイアからなるλ／２板（λは各光路の照明光帯域の中心波長）が配置されており、またその光学軸が面法線から傾斜した構造を有する。

光学軸を位相補償板光学面に射影した時の面内方向は短辺に平行となるように加工されており、さらに偏光分離素子９ａ，９ｂの画像表示素子側の光入出射面に接合されている。その時の位相補償板１２ｇの光学面内における照度分布は図３（ａ）の通りである。条件式（１）を計算すると、最も小さい対角方向において、Ａ＝１１．５ｍｍ、Ｂ＝１３．０ｍｍ、Ａ／Ｂ＝０．８８５となり、条件式（１）を満たす。比較例として図４（ａ）の場合の条件式（１）の値を計算すると、Ａ＝１１．５ｍｍ、Ｂ＝１７．０ｍｍ、Ａ／Ｂ＝０．６７６となり、条件式（１）を満たさない。

実施例１と比較例１の位相補償板面内における応力分布の結果を図３（ｂ）および図４（ｂ）に示す。位相差に直結する応力（最大主応力と最小主応力の差）の大きさは１／５程度に軽減されており、その結果、投射画像の画面内での輝度差は１／１０以下に軽減された。

本発明の第２の実施例の投射型画像表示装置について説明する。第２の実施例の投射型画像表示装置の構成概略、および位相補償板の構成は実施例１と同様であるが、位相補償板１２ｇ，１２ｂ，１２ｒの受ける照射領域Ｓを図５（ａ）のように変更した。その結果、条件式（１）の値はＡ＝１１．５ｍｍ、Ｂ＝１０．８ｍｍ、Ａ／Ｂ＝１．０７となり、１．０を超えているものの、条件範囲は満足している。実施例１に比べて位相補償板の光学面における照度分布はより均一化している。図５（ｂ）に実施例２の位相補償板の応力分布を示す。実施例１と比較してもさらに応力の大きさが低減している。また主応力の方向も明確な分布はなくなり、ほぼ位相補償板の異方性の方向となっており、熱による影響が大きく抑制されていることが判る。

ただこのような構成の場合、組付け時に照明分布に対する位置合わせや反射防止膜を付与する際に生じる非有効領域の扱いが困難となる場合がある。そのような場合には、例えば、まず位相補償板を放熱性の高い等方性基板などに接合した上で、投射画像への影響がないように位置合わせを行う。その上で位相補償板の反対面を偏光分離素子の光入出射面に接合することが望ましい。位相補償板の両面を接合構成にすることで、位相補償板光学面の反射防止を行わなくても反射を抑制し、ゴースト等の影響を抑えることができる。

本発明の第３の実施例の投射型画像表示装置について説明する。第３の実施例の投射型画像表示装置の構成概略は実施例１と同様であるが、実施例３では位相補償板の材料はサファイアから水晶に変更した。位相補償板の光学面における照度分布は図６（ａ）に示す。Ａ＝１１．５ｍｍ、Ｂ＝１３．０ｍｍ、Ａ／Ｂ＝０．８８５となり、条件式（１）を満たしている。

図６に実施例３の位相補償板に生じる応力分布の結果を示す。応力分布の傾向に大きな差はないものの、応力の大きさ自体は軽減していることが判る。サファイアのヤング率Ｅは４７０（ＧＰａ）、線膨張係数αは７．０（／１０^−６℃）であり、その積は３２９０である。一方、水晶のヤング率Ｅは９４（ＧＰａ），線膨張係数αは１３．８（／１０^−６℃）であり、その積は１２９７である。サファイアと水晶を比較すると、特にヤング率Ｅの大きさの違いにより、水晶の方が応力自体が小さく抑えられている。

以上、様々な実施例について説明したが、本発明の構成は上記に限定されるものではなく、様々な光学系、位相補償板の適用が可能である。前述の位相補償板だけでなく、面内に光学軸を持つ位相補償板や面法線方向に軸を持つ位相補償板に対して本発明を適用しても前述と同様の効果が期待できる。またこれらの位相補償板を複数配置する場合であっても良い。また他の光学系としては、偏光分離素子を各色光路に対し１つ用いる光学系や、プリズム型でなく、平板型の偏光分離素子を用いた構成などであっても本発明の効果は何ら限定されない。

１ 光源、２ 照明光、３ 偏光変換光学系、４ 偏光照明光、
５ ダイクロイックミラー、６ 偏光子、７ 色選択性位相差板、
９ａ，９ｂ 偏光分離素子、１１ｇ，１１ｂ，１１ｒ 画像表示素子、
１２ｇ，１２ｂ，１２ｒ 位相補償板、１５ 画像光、１８ 合成プリズム、
２０ 投影光学系、１００ 投射型画像表示装置

Claims (5)

1. 光源と、
   液晶を所定の印加電圧により駆動することで画像を表示する少なくとも１枚の反射型の画像表示素子と、
   入射光のうち一方の偏光を透過し、他方の偏光を入射光と異なる方向へ反射する偏光分離素子と、
   該偏光分離素子と該画像表示素子の間に配置され、面内位相差を有する少なくとも１枚の位相補償板と、
   光源からの光を該画像表示素子へと導く照射光学系と、該画像表示素子からの画像光を投影する投影光学系と、
   を有する投射型画像表示装置であって、
   位相補償板の配置箇所において、
   該光源からの照明光と、該画像表示素子からの反射光により該位相補償板が受ける光の最大強度の５０％以上の領域を照射領域とし、
   該位相補償板の被照射面の中心から該照射領域の端部までの距離をＡ、位相補償板の光学面の端部までの距離をＢとしたとき、
   下記条件式を満たすことを特徴とする投射型画像表示装置。
   １．１≧Ａ／Ｂ≧０．８５
2. 位相補償板の面内リターダンスＲｅとしたとき、Ｒｅは１６０ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の投射型画像表示装置。
3. 位相補償板の光学軸は、面法線および面内方向に対し傾いていることを特徴とする請求項１に記載の投射型画像表示装置。
4. 前記位相補償板の照明領域における照度Ｌは、２．０×１０^７［ｌｍ／ｍ^２］以上であることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の投射型画像表示装置。
5. 前記位相補償板の材料のヤング率Ｅ（ＧＰａ），線膨張係数α（／１０−６℃）としたとき、Ｅとαの積が１５００以下の材料であることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の投射型画像表示装置。