JP2020173373A - 投射型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 液晶パネルの中心に対して垂直な軸を回転軸として１／４波長板を回転させながらコントラスト調整を行うことが考えられる。しかしながら、１／４波長板では回転角度に対する位相差の変化量が大きいため、１／４波長板を高精度（例えば０．５度以下）で回転させなければならず、コントラストの最適化は困難となってしまう。【解決手段】 光源と、偏光ビームスプリッターと、反射型液晶表示素子と、複数の位相板からなり、複数の位相板の位相差の和が略９０度であり、第１の位相板は調整可能な構成であり、第１の位相板以外の位相板は光学軸を所定の角度に固定されて設置されており、第１の位相板の光学軸のみを調整することにより、位相差が９０度のλ／４位相板１枚での調整より、調整精度を鈍感にすることが可能となり、調整誤差の少ない高コントラストの液晶表示装置を得ることが可能となる。【選択図】 図３

Description

本発明は、光源と偏光ビームスプリッターと反射型液晶表示素子と、黒表示時の漏れ光を低減する位相板を用いた投射型表示装置に関する。

従来、光源と偏光ビームスプリッターと反射型液晶表示素子から構成される投射型表示装置において、偏光ビームスプリッターと反射型液晶表示素子に対して入射する光は平行光だけでなく斜入射する光があり、偏光ビームスプリッターと反射型液晶表示素子から出射する光の偏光状態が乱れ、漏れ光が増加してコントラストが低下する問題があった。この問題を解決するために、下記の公知例があった。

特許文献１では、偏光子および検光子として共用される偏光ビームスプリッターと、１／４波長板を備え、前記偏光ビームスプリッターから出て再び前記偏光ビームスプリッターに入射する光路に前記１／４波長板をその進相軸または遅相軸が前記偏光ビームスプリッターの入射光軸と反射光軸とを含む平面に直交するように配置することで、偏光ビームスプリッターへの斜入射する光の偏光状態を整え、漏れ光を低減し、コントラストを向上させることが可能となる。

また特許文献２では、複屈折性を有し、液晶パネルの残留位相差を補償するための位相差補償板であって、この位相差補償板の面内位相差は、液晶パネルの面内位相差よりも大きく構成されており、より詳しくは、位相差補償板の面内位相差Ｒ０ｃと、液晶パネルの面内位相差Ｒ０ｐとが、１＜Ｒ０ｃ／Ｒ０ｐ≦１０の関係を満たすことを特徴とする。位相差補償板を２枚以上の位相差フィルムの積層体で構成し、少なくとも１枚の位相差フィルムを他の位相差フィルムに対して異なる方向に面内の光学軸（遅相軸）を組み合わせることで、必要とする面内位相差を容易かつ高精度に得ることができる。

特開平２−２５００２６号公報 特許第３９７２３７１号公報

しかしながら、プレチルトによって起こる偏光面の回転は液晶パネルによってバラツキがあるため、補償すべき残留位相差は液晶パネルごとに異なる。また、他の光学部品の設置角度のバラツキ等が存在するため、１／４波長板を液晶パネルと偏光板との間に配置するのみでは、安定したコントラスト調整が困難である。

特許文献１は、液晶パネルの中心に対して垂直な軸を回転軸として１／４波長板を回転させながらコントラスト調整を行うことが考えられる。しかしながら、１／４波長板では回転角度に対する位相差の変化量が大きいため、１／４波長板を高精度（例えば０．５度以下）で回転させなければならず、コントラストの最適化は困難となってしまう。

また、特許文献２では、１／４波長板と位相補償板の組み合わせからなり、１／４波長板の回転位置を調整する際に、１／４波長板では回転角度に対する位相差の変化量が大きいため、１／４波長板を高精度（例えば０．５度以下）で回転させなければならず、コントラストの最適化は困難となってしまう。また、位相差補償板の面内位相差Ｒ０ｃが、液晶パネルの面内位相差Ｒ０ｐより大きい条件となり、位相板調整の精度を更に低下させる原因となってしまう。

上記の課題を解決するために、本発明に係る液晶表示装置は、
光源と、偏光ビームスプリッターと、反射型液晶表示素子と、複数の位相板からなり、複数の位相板の位相差の和が略９０度であり、第１の位相板は調整可能な構成であり、第１の位相板以外の位相板は光学軸を所定の角度に固定されて設置されており、第１の位相板の光学軸のみを調整することを特徴とする。

本発明に係る液晶表示装置によれば、位相差が９０度のλ／４位相板１枚での調整より、調整精度を鈍感にすることが可能となり、調整誤差の少ない高コントラストの液晶表示装置を得ることが可能となる。つまり、位相板を複数設けて、調整する位相板の位相差を小さくすることで、調整敏感度を低下させることが可能となり、ばらつきの少ない、高コントラストの液晶表示装置を得ることができる。

実施例１の液晶投影装置の全体図である。 位相板を光の入射方向から見た図である。 実施例１の位相板調整敏感度をコントラストで表した図である。 実施例２の位相板調整敏感度をコントラストで表した図である。 実施例３の液晶投影装置の全体図である。 実施例３の位相板調整敏感度をコントラストで表した図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図３は、本発明の位相板の調整敏感度のグラフである。横軸は位相板の面内の調整角度を表し、０度が最適な調整角度である。縦軸は入射光に対する漏れ光の比率をコントラストで表現した。また、位相差の大きい方の位相板は位置決めされて固定し、位相差の小さい方の位相板を漏れ光が最小になるように角度調整する。従来（点線）は、本発明より調整角度に対する敏感度が高く、位相板の調整角度が０．２度ずれた場合にコントラストは９０％になり１０％低下することになるが、一方本発明では、調整する位相差が小さいために、同じく位相板の調整角度が０．２度ずれた場合にコントラストは９８％になり低下量は２％にとどまることで、より調整敏感度を低減することができ、ばらつきの少ない高いコントラストの投影装置をえることが可能となる。

本発明の光源装置の実施形態を図１に基づき説明する。

図１には、本発明の第１実施例である反射型液晶表示装置の全体図を示す。

図中、１は高圧水銀ランプなどからなる光源、２は光源１から光を所定の方向に放射するためのリフレクター、３は均一な照明強度を有する照明領域を形成するためのインテグレータであり、フライアイレンズ３ａ、３ｂから構成されており、４は無偏光な光を所定の偏光方向に揃える偏光変換素子であり偏光分離膜４ａと反射膜４ｂと１／２波長板４ｃとから構成されており、５は照明光を集光するコンデンサーレンズ、６はミラー、７は照明光をテレセントリックな光にするフィールドレンズ、８は緑の波長帯域光を透過するダイクロイックミラー、９ａ１、９ｂ１、９ｃ１はそれぞれＳ偏光を反射してＰ偏光を透過させる特性をもつ偏光分離膜、９ａ、９ｂ、９ｃはそれぞれ偏光分離膜９ａ１、９ｂ１、９ｃ１を有する偏光ビームスプリッター、１０ａ、１０ｂはそれぞれ所定波長帯域の光の偏光方向を９０°変換（回転）する色選択性波長板、１１ｒ、１１ｇ、１１ｂはそれぞれ入射した照明光を反射するとともに画像信号に応じて変調して画像光を形成する反射型液晶表示素子、１２ｒ１、１２ｒ２、１２ｇ１、１２ｇ２、１２ｂ１、１２ｂ２はそれぞれ位相板、１３は紫外波長帯域の光を遮断するＵＶカットフィルター、１４は投射レンズ系である。

次に、上記構成の光学的な作用を説明する。

光源１から出射した光はリフレクター２を反射し、紫外波長帯域の光をカットするＵＶカットフィルター１３を透過し、フライアイレンズ３ａの方向に集光される。この光束は、フライアイレンズ３ａにより複数の光束に分割された後、複数の光束はフライアイレンズ３ｂ、コンデンサーレンズ５およびフィールドレンズ７の作用によって各反射型液晶表示素子１１ｒ、１１ｇ、１１ｂ上に重ね合わされ、均一な照明強度の照明領域を各反射型液晶表示素子１１ｒ、１１ｇ、１１ｂ上に形成する。また、このときフライアイレンズ３ｂから出射した多数の光束はそれぞれの光束に対応した偏光分離膜４ａでＰ偏光とＳ偏光とに分離される。

Ｐ偏光は１／２波長板４ｃによりＳ偏光と同方向の偏光成分に変換され、Ｓ偏光は反射膜４ｂにより反射される。これにより、フライアイレンズ３ｂから出射した多数の光束は、所定の偏光方向を有する光として同一方向に出射される。偏光変換素子４によりほぼＳ偏光にそろえられた光は、緑の波長帯域の光を透過するダイクロイックミラー８に入射し、緑の波長帯域の光は透過し、赤と青の波長帯域の光は反射する。ダイクロイックミラー８を透過した緑帯域の光は偏光ビームスプリッター９ａに入射し、偏光分離膜９ａ１において反射して、位相板１２ｇ１と１２ｇ２を透過し、反射型液晶表示素子１１ｇに入射する。

一方、ダイクロイックミラー８を反射した赤と青の波長帯域の光は、第１の色選択性波長板１０ａによって青の波長帯域の光のみ偏光方向を９０°変換されてＰ偏光となり、赤の波長帯域の光はＳ偏光のままで、偏光ビームスプリッター９ｂに入射する。更に偏光ビームスプリッター９ｂの偏光分離膜９ｂ１において、Ｐ偏光である青の波長帯域の光は透過し、Ｓ偏光である赤の波長帯域の光は反射する。これにより、互いに偏光方向が直交する赤と青の波長帯域に分離される。偏光ビームスプリッター９ｂを反射した赤の波長帯域の光は、位相板１２ｒ１と１２ｒ２を透過し、反射型液晶表示素子１１ｒに入射し、偏光ビームスプリッター９ｂを透過した青の波長帯域の光は、位相板１２ｂ１と１２ｂ２を透過し、反射型液晶表示素子１１ｂに入射する。

さらに、反射型液晶表示素子１１ｇによって１８０度位相差変調され反射した緑の波長帯域の光は、位相板１２ｇ１と１２ｇ２を透過し、Ｐ偏光となって偏光ビームスプリッター９ａ、９ｃを透過する。また、反射型液晶表示素子１１ｒによって１８０度位相差変調され反射した赤の波長帯域の光は、位相板１２ｒ１と１２ｒ２を透過し、Ｐ偏光となって偏光ビームスプリッター９ｂを透過し、第２の色選択性波長板１０ｂに入射する。

また反射型液晶表示素子１１ｂによって１８０度位相差変調され反射した青の波長帯域の光は、位相板１２ｂ１と１２ｂ２を透過し、Ｓ偏光となって偏光ビームスプリッター９ｂを反射し、第２の色選択性波長板１０ｂに入射する。赤の波長帯域の光のみ偏光方向を９０°変換する第２の色選択性波長板１０ｂに入射した赤と青の波長帯域の光は第２の色選択性波長板１０ｂにより赤の波長帯域の光のみ偏光方向を９０°変換されてＳ偏光となり、青の波長帯域の光はＳ偏光のままで、偏光ビームスプリッター９ｃに入射し、反射する。そして、ＲＧＢの全波長帯域の光は偏光ビームスプリッター９ｃによって合成され、投射レンズ１４に導かれ、不図示のスクリーン等に投射される。

本実施例における位相板１２ｒ１は１／４位相板の半分の４５度の位相差を持つ１／８位相板であり、かつ、位相板１２ｒ２も同様に１／８位相板である。また、位相板１２ｇ１は１／４位相板の半分の４５度の位相差を持つ１／８位相板であり、かつ、位相板１２ｇ２も同様に１／８位相板である。更に、位相板１２ｂ１は１／４位相板の半分の４５度の位相差を持つ１／８位相板であり、かつ、位相板１２ｂ２も同様に１／８位相板である。

このとき、従来の位相板はＲＧＢ共に１枚構成の１／４位相板であり、図２に本実施例との調整敏感度を見積もった。横軸は位相板の面内の調整角度を表し、０度が最適な調整角度である。縦軸は入射光に対する漏れ光の比率をコントラストで表現した。図１ａは本発明の位相板を光の入射方向から見た図であり、偏光ビームスプリッターのＳ偏光方向およびＰ偏光方向にほぼ平行に、位相板の進相軸および遅相軸が向いている。進相軸と遅相軸は入れ替わっても良い。位相板調整は図１ａの面内で太い矢印の方向に調整される。従来（点線）は、本発明より調整角度に対する敏感度が高く、位相板の調整角度が０．２度ずれた場合にコントラストは９０％になり１０％低下することになるが、一方本発明では、調整する位相差が小さいために、同じく位相板の調整角度が０．２度ずれた場合にコントラストは９４％になり低下量は６％にとどまることで、調整敏感度を低減することができ、ばらつきの少ない高いコントラストの投影装置をえることが可能となる。

本実施例において、実施例１と共通する構成要素については実施例１と同じ符号を付している。図１には、本発明の第２実施例である反射型液晶表示装置の全体図を示す。

本実施例における位相板１２ｒ１は１／４位相板の１／４の位相差２２．５度の位相差を持つ１／１６位相板であり、かつ、位相板１２ｒ２は１／４位相板の３／４の位相差６７．５度の位相差を持つ３／１６位相板である。また、位相板１２ｇ１は１／４位相板の１／４の位相差２２．５度の位相差を持つ１／１６位相板であり、かつ、位相板１２ｇ２は１／４位相板の３／４の位相差６７．５度の位相差を持つ３／１６位相板である。更に、位相板１２ｂ１は１／４位相板の１／４の位相差２２．５度の位相差を持つ１／１６位相板であり、かつ、位相板１２ｂ２は１／４位相板の３／４の位相差６７．５度の位相差を持つ３／１６位相板である。

このとき、従来の位相板はＲＧＢ共に１枚構成の１／４位相板であり、図３に本実施例との調整敏感度を見積もった。横軸は位相板の面内の調整角度を表し、０度が最適な調整角度である。縦軸は入射光に対する漏れ光の比率をコントラストで表現した。

また、位相差の大きい方の位相板１２ｒ２と１２ｇ２と１２ｂ２は位置決めされて固定し、位相差の小さい方の位相板１２ｒ１と１２ｇ１と１２ｂ１を漏れ光が最小になるように角度調整する。

従来（点線）は、本発明より調整角度に対する敏感度が高く、位相板の調整角度が０．２度ずれた場合にコントラストは９０％になり１０％低下することになるが、一方本発明では、調整する位相差が小さいために、同じく位相板の調整角度が０．２度ずれた場合にコントラストは９８％になり低下量は２％にとどまることで、より調整敏感度を低減することができ、ばらつきの少ない高いコントラストの投影装置をえることが可能となる。

本実施例において、実施例１と共通する構成要素については実施例１と同じ符号を付している。図４には、本発明の第３実施例である反射型液晶表示装置の全体図を示す。

本実施例における位相板１２ｒ１は１／４位相板の１／４の位相差２２．５度の位相差を持つ１／１６位相板であり、かつ、位相板１２ｒ２は１／４位相板の３／４の位相差６７．５度の位相差を持つ３／１６位相板である。また、位相板１２ｇ１は１／４位相板の１／４の位相差２２．５度の位相差を持つ１／１６位相板であり、かつ、位相板１２ｇ２は１／４位相板の３／４の位相差６７．５度の位相差を持つ３／１６位相板である。更に、位相板１２ｂ１は１／４位相板の１／４の位相差２２．５度の位相差を持つ１／１６位相板であり、かつ、位相板１２ｂ２は１／４位相板の３／４の位相差６７．５度の位相差を持つ３／１６位相板である。

このとき、従来の位相板はＲＧＢ共に１枚構成の１／４位相板であり、図５に本実施例との調整敏感度を見積もった。横軸は位相板の面内の調整角度を表し、０度が従来の１枚構成の１／４位相板での最適な調整角度である。縦軸は入射光に対する漏れ光の比率をコントラストで表現した。

また、位相差の大きい方の位相板１２ｒ２と１２ｇ２と１２ｂ２は位置決めされて固定し、偏光ビームスプリッター９ａ、および９ｂに張り付けられている。更に、位相差の小さい方の位相板１２ｒ１と１２ｇ１と１２ｂ１を漏れ光が最小になるように角度調整する。

本実施例では、位相板１２ｒ２と１２ｇ２と１２ｂ２の面内の張り付け誤差が１度発生している場合を想定した。このとき、位相差の小さい方の位相板１２ｒ１と１２ｇ１と１２ｂ１を角度調整したときのコントラスト値が図５の本発明（実線）である。

従来（点線）は、本発明より調整角度に対する敏感度が高く、位相板の調整角度が０．２度ずれた場合にコントラストは９０％になり１０％低下することになるが、一方本発明では、調整する位相差が小さいために、同じく位相板の調整角度が０．２度ずれた場合にコントラストは９８％になり低下量は２％にとどまることで、より調整敏感度を低減することができる。

またこのとき、位相差の小さい方の位相板１２ｒ１と１２ｇ１と１２ｂ１の最適調整角度（最大コントラスト調整）は１．６度程度ずれて調整されることになる。これは、位相板１２ｒ２と１２ｇ２と１２ｂ２の面内の張り付け誤差が１度発生していることによる位相差誤差が原因となる。

このように、複数の位相板の一方を固定したときの角度誤差が生じた場合でも、調整敏感度を低減し、かつ、ばらつきの少ない高いコントラストの投影装置をえることが可能となる。

本発明は、画像表示素子に関するものである。特に、画像パターンを液晶変調素子によって偏光状態による変調画像を生成し、偏光状態を選択する偏光選択手段により強度変調画像に変換して可視画像生成する表示装置に関するものであり、また、偏光ビームスプリッターと位相板を用いた投射画像装置に関するものである。

１ 光源、２ リフレクター、３ フライアイレンズ、４ 偏光変換素子、
５ コンデンサーレンズ、６ ミラー、７ レンズ、８ ダイクロイックミラー、
９ａ，９ｂ，９ｃ 偏光ビームスプリッター、１０ 色選択性波長板、
１１ｒ，１１ｇ，１１ｂ 反射型液晶表示素子、
１２ｒ１，１２ｒ２，１２ｇ１，１２ｇ２，１２ｂ１，１２ｂ２位相板、
１３ ＵＶカットフィルター、１４ 投射レンズ

Claims (6)

1. 光源と、
   偏光ビームスプリッターと、
   反射型液晶表示素子と、
   複数の位相板からなり、
   前記複数の位相板の位相差の和が９０度であることを特徴とする液晶表示装置。
2. 前記第１の位相板は調整可能な構成であり、前記第１の位相板以外の位相板は光学軸を所定の角度に固定されて設置されており、前記第１の位相板の光学軸のみを調整することを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
3. 前記第１の位相板以外の光学軸は、前記偏光ビームスプリッターのＳ偏光およびＰ偏光の軸に平行であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の液晶表示装置。
4. 前記第１の位相板の位相差は、前記第１の位相板以外の位相板の位相差以下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液晶表示装置。
5. 前記複数の位相板は、前記偏光ビームスプリッターと、反射型液晶表示素子の間に配置されてい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液晶表示装置。
6. 前記第１の位相板の光学軸は、前記偏光ビームスプリッターのＳ偏光およびＰ偏光の軸に平行であることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載の液晶表示装置。