JP2691784B2

JP2691784B2 - 投写型表示装置

Info

Publication number: JP2691784B2
Application number: JP1333941A
Authority: JP
Inventors: 信介鹿間; 正浩臼井; 博木田; 英一都出; 光重近藤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1989-12-22
Filing date: 1989-12-22
Publication date: 1997-12-17
Anticipated expiration: 2012-12-17
Also published as: JPH03192319A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は，液晶ライトバルブ上に形成された画像をス
クリーン上に拡大投写する投写型表示装置に関し、特に
液晶ライトバルブの照明光源として無偏光の光を出射す
るランプを用いた投写型表示装置に関するものである。

［従来の技術］第７図は従来の投写型表示装置の光学系の説明図であ
る。図において、（１）は光源、（120）はランプ、（1
30）は反射鏡、（２）は光源（１）から出射する照明光
束、（３）は液晶ライトバルブ、（８），（９）は液晶
ライトバルブの前後に配置された偏光板、（４）は投写
レンズ、（５）はスクリーン、（10）はコンデンサレン
ズである。

次に動作について説明する。光源（１）はランプ（12
0）と反射鏡（130）から成り、液晶ライトバルブ（３）
に照明光束（２）を照射する。ランプとしては、例えば
メタルハライドランプ，キセノンランプ等の放電ランプ
及びハロゲンランプ等が用いられる。液晶ライトバルブ
（３）の面上には後述するように画像が表示され、画像
の濃淡及び色に応じて面内の透過率が変化する。液晶ラ
イトバルブ（３）を透過した光束はさらに投写レンズ
（４）を透過して投写光（110）となり、スクリーン
（５）上に拡大結像され鑑賞に供される。なお、コンデ
ンサレンズ（10）は、照明光束を高効率で投写レンズに
入射し高輝度の投写画像を得るために設けられている。

次に、液晶ライトバルブ（３）の構成と動作につい
て、第８図により説明する。液晶（６）は２枚のガラス
基板（７）に挟まれ、さらに両側に偏光板（８），
（９）を配している。電圧無印加Ｖ＝０（第８図
（ａ））においては、入射側偏光板（８）を透過した直
線偏光（2a）は、液晶（６）を透過する際に液晶の旋光
性によって偏光方向が90°回転し、入射側偏光板（８）
と偏光軸が直交するように配された出射側偏光板（９）
を透過する。一方、しきい値電圧Vth以上の電圧Ｖを印
加する（第８図（ｂ））と、液晶の旋光性が小さくなっ
て、出射側偏光板（９）を透過する光量が電圧の増加に
伴って減少する。

この様な透過率の制御作用を利用し、さらに、２次元
アレイ状に電極を構成することにより、２次元の画像表
示素子が形成できる。尚、上記液晶は旋光角が90°のTN
（Twisted Nematic）液晶をノーマリーホワイトモード
で使用した例について説明した。液晶相の種類，旋光角
の大きさ等については公知のごとく、上記の他にも変形
例が知られているが、本発明の主題と直接的に関係しな
いので説明を省略する。

さらに、第２の従来装置として、第９図に３枚の液晶
ライトバルブを用いた装置の光学系を示す。図におい
て、（１）は光源であり、具体的にはメタルハライドラ
ンプ，キセノンランプ，ハロゲンランプ等の白色光を発
生するランプ（120）と、反射鏡（130）から成る。
（２）は光源（１）を出射する照明光束、（14R），（1
4B）は色分離用ダイクロイックミラー、（15B），（15
G）は色合成用ダイクロイックミラー、（11），（12）
はミラー、（3R），（3G），（3B）は液晶ライトバル
ブ、（8R），（8G），（8B）は入射側偏光板、（9R），
（9G），（9B）は出射側偏光板、（10R），（10G），
（10B）はコンデンサレンズである。

次に第２の従来装置の動作について説明する。

照明光束（２）は白色光源ランプ（120）を出射後、
反射鏡（130）で反射され光源（１）を出射する。ダイ
クロイックミラー（14R）は赤色光を反射し、青・緑色
光を透過する。又、ダイクロイックミラー（14B）は青
色光を反射し、緑色光を透過させる。従って、液晶ライ
トバルブ（3G），（3B），（3R）には、各々緑・青・赤
の照明光束が照射される。液晶ライトバルブ（3G），
（3B），（3R）には、特に図示しない外部回路によって
緑・青・赤の色光に相当する画像が形成され、照射光を
ライトバルブ面内で透過変調する。液晶ライトバルブ
（3G），（3B），（3R）の出射光は、青色光を反射する
ダイクロイックミラー（15B）、緑色光を反射するダイ
クロイックミラー（15G）及び反射ミラー（12）によっ
て合成光束（100）として投写レンズ（４）に入射し、
投写光束（110）としてスクリーン（５）上に結像さ
れ、拡大されたカラー画像が鑑賞に供される。なお、コ
ンデンサレンズ（10R），（10G），（10B）は、各々赤
・緑・青色光を高効率で投写レンズ（４）に入射させる
ために用いられる。又、各液晶ライトバルブ（3R），
（3G），（3B）の構成及び動作は、先に第８図で説明し
たものと同様である。

［発明が解決しようとする課題］従来の投写型表示装置は、以上のように構成されてい
るので、液晶ライトバルブで画像表示に利用される光束
は、前記入射側偏光板（８）又は（8R），（8G），（8
B）によって選択される直線偏光成分のみである。一
方、従来装置で使用されるランプ（120）は、メタルハ
ライドランプ，キセタノランプ，ハロゲンランプ等の無
偏光（自然偏光）光源であり、照明光（２）も無偏光で
あった。

この結果、入射側偏光板（８）又は（8R），（8G），
（8B）を透過する際、照明光束（２）の約半分しか液晶
層内に入射していなかった。残り半分の光エネルギー
は、主に入射側偏光板（８）又は（8R），（8G），（8
B）に吸引されて熱となり、入射側偏光板（８）又は（8
R），（8G），（8B）の温度上昇による偏光特性劣化，
隣接する液晶層の温度上昇による液晶動作特性の変動等
の原因となっていた。

本発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、照明光束のエネルギーを有効に利用し、かつ
入射側偏光板（８）又は（8R），（8G），（8B）の温度
上昇を防止でき、結果として高輝度な画像表示が実現で
きる投写型表示装置を得ることを目的とするものであ
る。

［課題を解決するための手段］本発明に係る投写型表示装置は、無偏光光束を第１及
び第２の直線偏光光束に分離する偏光分離手段と、２つ
の互いに直交する反射面を有し、該直交反射面の交線が
前記第２の直線偏光光束の偏光方向と45°をなす基準角
の方向とした構成で、前記第２の直線偏光光束の偏光方
向を90°回転した第３の直線偏光光束として前記偏光分
離手段に再入射させる偏光回転手段と、前記第３の直線
偏光光束が前記偏光分離手段に再入射した後出射して得
られる光束を、前記第１の直線偏光光束とほぼ同じ進行
方向及び偏光方向を有する第４の直線偏光光束とする光
路変換手段とから構成され、前記第１の直線偏光光束お
よび前記第４の直線偏光光束により前記液晶ライトバル
ブを照明するものである。

いわば、光源から出射する無偏光である照明光束を直
線偏光に変換する光学手段を有し、液晶ライトバルブの
入射側偏光板の偏光軸と照明光束の直線偏光の方向を一
致するように構成したものである。

［作用］上記のように照明光束を直線偏光化することにより、
入射側偏光板を透過する光量が倍増し、偏光板による吸
引も小さくできる。

さらに、前記光学手段によって直線偏光化された照明光
束の消光比が良好な場合には、入射側偏光板なしで装置
を構成できる。

［実施例］第１図は実施例１における投写型表示装置の光学系を
示す説明図である。図において、（20）は偏光分離手
段、（21）は偏光回転手段であり、２枚の互いに直交す
るミラー（21a），（21b）より構成されている。（23）
は光路変換手段である。

次に実施例の動作について説明する。

光源（１）より出射した照明光束（２）は従来例と同
様に無偏光状態であり、偏光分離手段の接合面（20a）
よって反射Ｓ偏光（30），透過Ｐ偏光（33a）に分離さ
れる。反射Ｓ偏光は偏光回転手段（21）に入射する。該
偏光回転手段（21）は、交線（22）が図のｘ方向からｚ
軸回りに基準角として45°回転した方向となるよう配置
された。直交するミラー（21a），（21b）から構成され
ており、後述するように入射光の偏光方向を90°回転し
て出射させる作用をする。

従って、前記偏光回転手段に入射したＳ偏光（30）
は、Ｐ偏光（31）となって出射し、偏光分離手段（20）
をＰ偏光のまま透過し、光路変換手段（23）によって反
射され、前述の透過Ｐ偏光（33a）と同じ偏光方向・進
行方向の直線偏光（33b）としてコンデンサレンズ（1
0）を通して液晶ライトバルブ（３）に入射する。液晶
ライトバルブ（３）の入射側偏光板（８）の偏光軸は前
記入射直線偏光（33a），（33b）の方向と揃えて配置し
ている。この結果、従来の無偏光光束が入射する場合に
比べて約２倍の光エネルギーが液晶層に入射し、画像表
示に寄与する。液晶ライトバルブ（３）を出射した光は
従来例と同様に、投写レンズ（４）によって投写光（11
0）となり、スクリーン（５）上に拡大投写される。

次に、本発明において特徴的な偏光回転手段（21）の
動作について、第２図により詳述する。

第２図（ａ）は斜視図，第２図（ｂ）は平面図を示し
ている。偏光回転手段（21）は互いに直交する光路変換
手段（21b）より構成されている。偏光回転手段（21）
に入射する光線（30）は図のように交線（22）に対して
45°をなす直線偏光（振幅Ｅ₁）であり、等振幅の直交
成分ｘ₁,y₁に分けられる。但し、ｙ₁の方向は交線（2
2）と平行にとった。図のようにｘ₁,y₁成分の光路変換
手段（21b）の反射による鏡像は順次ｘ₂,y₂及びｘ₃,y₃
で示される方向になる。ｙ₃はｙ₁と同一方向であり、ｘ
₃はｘ₁と反対方向となっている。

従って、 x,y偏光の反射率がほぼ等しいこと x,y方向の偏光を反射する際の位相差が小さいことという２つの条件を満たす場合に、ｘ₃,y₃は等振幅で同
位相の成分となるので、偏光Ｅ₃は図示したようにＥ₁と
直交する直線偏光となる。同様にして、第２図（ａ）で
光路変換手段（21b）に入射した直線偏光（Ｅ₁方向の偏
光）は、光路変換手段（21b），（21a）で順次反射され
て、Ｅ₁と直交する直線偏光となる。

以上の様に、第１図において、偏光分離手段（20）で
反射されたＳ偏光（30）は、交線（22）に対して45°を
なす直線偏光であるため、偏光回転手段（21）によって
偏光方向が90°回転した状態で入射光と逆の進行方向に
反射され、Ｐ偏光（31）となって偏光分離手段（20）に
再入射し、そのまま透過Ｐ偏光（32）となって偏光分離
手段（20）を出射する。なお、光路変換手段（21b）
は、強い反射光（31）を得るために、上記，の条件
に加えて、 x,y方向の偏光の反射率が共に高いことが必要であ
る。これら，，の条件を満たす光路変換手段とし
ては、ガラス基板上に光学多層膜を形成して所望の特性
を実現する構成が好適である。しかし、単なる金属蒸着
光路変換手段（例えば、Al,Ag,Cr等をガラス基板上に蒸
着した光路変換手段）、または金属板光路変換手段等で
も、上記光学多層膜光路変換手段よりは改善度合が低い
ものの本発明の効果は得られる。これは、光線（31）が
偏光分離手段（20）を透過する際に、Ｐ偏光（32）に変
換され、光線（33a），（33b）の偏光方向が同じになる
ためである。

［他の実施例］次に、本発明の第２の実施例について、第３図により
説明する。図において、（23a），（23b）は反射光路変
換手段である。光源（１）を出射した無偏光照明光
（２）は、偏光分離手段（20）によって、反射Ｓ偏光
（33a）と、透過Ｐ偏光（30）に分離される。透過Ｐ偏
光は偏光回転手段（21）に入射する。

偏光回転手段（21）は第１の実施例と同様に、ｘ軸の
方向からｚ軸回りに45°回転した方向の交線（22）を有
する直交するミラー（21b）より構成されている。透過
Ｐ偏光（30）は交線（22）と45°をなすので、偏光回転
手段（21）によって偏光方向が90°回転され光線（30）
と逆方向に進行するＳ偏光（31）となる。Ｓ偏光（31）
は偏光分離手段（20）によって反射Ｓ偏光（32）とな
り、光路変換手段（23a），（23b）によって反射されて
前述の反射Ｓ偏光（33a）と同一の偏光方向・進行方向
を有する直線偏光（33b）となって、コンデンサレンズ
（10）を通して液晶ライトバルブ（３）に入射する。入
射側偏光板（８）の偏光軸は、前記入射直線偏光（33
a），（33b）の方向と揃えて配置してあり、従来のよう
に無偏光の照明光が入射する場合に比べて、約２倍の光
エネルギーが液晶層に入射し、画像表示に寄与する。液
晶ライトバルブを出射した光は従来例と同様に、投写レ
ンズ（４）によって投写光（110）となり、スクリーン
（５）上に拡大投写される。

次に、本発明の第３の実施例を第４図により説明す
る。本実施例は、第１の実施例を示す第１図の偏光分離
手段（20），偏光回転手段（21），光路変換手段（23）
を、第２の従来例を示す第９図の光学系に適用した例で
ある。第１の実施例同様に光線（33a），（33b）は同一
の偏光方向・進行方向を有する直線偏光となっている。
又、入射側偏光板（8R），（8G），（8B）の偏光軸は光
線（33a），（33b）の偏光方向と同一の向きに配置され
ている。以上の構成により、第１の実施例と同様に、液
晶ライトバルブの入射側偏光板による光エネルギー損失
を低減できる。

次に、本発明の第４の実施例を第５図により説明す
る。本実施例では、第１の実施例を示す第１図の２つの
直線偏光（33a），（33b）中で液晶ライトバルブ（３）
よりも手前の位置に、新たにウェッジプリズム（50）を
配置している。その結果、光線（33a）および光線（33
b）で代表する各半光束は、ウェッジプリズムの中心線
（51）を境にして別々の方向に屈折されて光束（53），
（52）となり、液晶ライトバルブ（３）上の同一場所に
重なって照射される。光線（33a），（33b）は光路が異
なるので、第１図のように液晶ライトバルブ上の別の位
置に照射されると投写画像の輝度むら，色むらを生じる
ことが懸念される。しかし、本実施例では２つの半光束
が重なって照明されるので、このような問題が解決され
る。

次に本発明の第５の実施例を第６図により説明する。
本実施例では、第１の実施例を示す第１図の２つの直線
偏光（33a），（33b）中で液晶ライトバルブ（３）より
も手前の位置に、新たに正の円筒レンズ（55a），負の
円筒レンズ（55b）より成る光束径調整光学系（55）を
挿入している。略平行状態で入射する光線（33a），（3
3b）を正の円筒レンズ（55a）により集束光に変換し、
負の円筒レンズ（55b）で再び平行化することにより、
ｚ方向の径が縮小された光束（58）が得られる。円筒レ
ンズ（55a），（55b）はｙ方向の光に対してはレンズ作
用がないので、ｙ方向の光束径は変化しない。以上のよ
うに本実施例では、光束径調整光学系（55）でｚ方向の
光束径だけを独立に変化できるので、液晶ライトバルブ
のz,y方向の表示領域の大きさに応じて、最適な断面形
状を有する照明光束を得られる。特に、円筒レンズ（55
b）を透過した光束58が再び平行状態となるので、光束
調整光学系（55）を挿入することによって、それより後
段の光学系の設定に影響を及ぼすことがなく、また、円
筒レンズ（55b）とコンデンサレンズ（10）との離反距
離も自由に設定することができる。尚、ｚ方向の光束径
を拡大するには、正，負の円筒レンズの順序を第６図と
逆にすればよい。又、光学系を小さく構成するには、公
知のフレネルレンズで円筒レンズ（55a），（55b）を構
成してもよい。

以上の各実施例では、直交反射面の交線が45°をなす
基準角の方向とした場合について述べたが、この角度に
自由度があることは言うまでもない。即ち、前記45°の
角度が、仮にθ°ずれたとすると、偏光回転手段（21）
から出射される偏光（31）は２θ°ずれることになる
が、このずれ成分は偏光分離手段（20）で吸収され、そ
こから出射される偏光（32）は、ずれのない偏光とな
る。そして、この場合のエネルギー損失PLは、PL＝｛１
−COS²（２θ）｝であり、例えばθ＝３°としても、PL
＝0.0055と１％以下であり、この意味で、請求項１に記
載する角度45°の値に多少の自由度、幅をもたせても、
同項記載の発明の同一性を損なうものではない。

また、いずれも液晶ライトバルブ（３）または（3
R），（3G），（3B）の入射側偏光板（８）を従来構成
と同様に使用する場合について説明した。しかし、光束
（２）ら生成される光線（33a）（33b）は直線偏光であ
るため、液晶ライトバルブ（３）または（3R），（3
G），（3B）は、入射側偏光板（８）または（8R），（8
G），（8B）を用いなくても画像形成が可能である。偏
光板は偏光選択特性による光損失のほか、材料自身の吸
収損失があるが、上記のように入射側偏光板（８）また
は（8R），（8G），（8B）を省略すれば、材料の吸収損
失がなくせるので、より高輝度な投写型表示装置が実現
できる。

また、本発明の各実施例は液晶ライトバルブとして透
過型のものを使用しているが、反射型液晶ライトバルブ
を使用した投写型表示装置も公知である。本発明の核心
をなす偏光分離手段（20），偏光回転手段（21），光路
変換手段（23）または（23a），（23b）からなる直線偏
光化光学系は反射型液晶ライトバルブを使用した装置に
も問題なく適用できる。さらに、以上の実施例では液晶
ライトバルブとして、液晶の旋光性を利用した方式を例
にとって説明したが、このほかにも液晶の複屈折を電気
的に制御する方式、例えばECB（electrically controll
ed birefringence）形等も公知であり、これら入射側偏
光板を必要とする液晶ライトバルブを使用する投写型表
示装置にも、本発明が適用出来ることもちろんである。
また、ライトバルブの枚数も３枚に限らず３枚以上、あ
るいは１〜２枚でも問題なく適用できる。

［発明の効果］以上に詳述したように、本発明の投写型表示装置によ
れば、光源から出射する無偏光の照明光束を液晶ライト
バルブに入射すべき偏光方向を有する直線偏光に変換す
る光学手段を具備しているので、液晶ライトバルブの入
射側偏光板を透過する光量が倍増し、高輝度な投写画像
を実現できる。また、従来問題であった入射側偏光板の
発熱による偏光特性の劣化，液晶の動作特性変動を低減
できる。さらに、従来必要であった液晶ライトバルブの
入射側偏光板を省略すれば、偏光板の材料自身の吸収損
失が無くなるので、より高輝度でかつ簡素な投写型表示
装置が実現できる。

【図面の簡単な説明】

第1,3,4,5,6,図はそれぞれ本発明の実施例1,2,3,4,5に
おける投写型表示装置の光学系を示す説明図、第２図は
本発明の投写型表示装置に用いられる偏光回転手段の構
成と動作の説明図、第7,9図はそれぞれ従来の投写型表
示装置の光学系の説明図、第８図（ａ），（ｂ）は液晶
ライトバルブの動作原理の説明図である。図において、（３），（3R），（3G），（3B）は液晶ラ
イトバルブ、（４）は投写レンズ、（１）は光源手段、
（20）は偏光分離手段、（21）は偏光回転手段（23），
（23a），（23b）は光路変換手段である。なお、各図中、同一符号は同一または相当部分を示す。

フロントページの続き (72)発明者都出英一京都府長岡京市馬場図所１番地三菱電機株式会社電子商品開発研究所内 (72)発明者近藤光重京都府長岡京市馬場図所１番地三菱電機株式会社電子商品開発研究所内 (56)参考文献特開昭61−122626（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−100702（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−197913（ＪＰ，Ａ) 特開平３−157621（ＪＰ，Ａ) 特開平３−191318（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】画像形成の為の液晶ライトバルブと、該液
晶ライトバルブに形成された画像を拡大投写する投写レ
ンズと、該ライトバルブを照明する無偏光光束を出射す
る光源手段よりなる光学系を有する投写型表示装置にお
いて、前記無偏光光束を第１及び第２の直線偏光光束に分離す
る偏光分離手段と、２つの互いに直交する反射面を有
し、該直交反射面の交線を前記第２の直線偏光光束の偏
光方向と45°をなす基準角の方向とした構成で、前記第
２の直線偏光光束の偏光方向を90°回転した第３の直線
偏光光束として前記偏光分離手段に再入射させる偏光回
転手段と、前記第３の直線偏光光束が前記偏光分離手段
に再入射した後出射して得られる光束を、前記第１の直
線偏光光束と同じ進行方向及び偏光方向を有する第４の
直線偏光光束とする光路変換手段とから構成され、前記
第１の直線偏光光束及び前記第４の直線偏光光束により
前記液晶ライトバルブを照明することを特徴とする投写
型表示装置。
【請求項２】第１及び第４の直線偏光光束の光路上で、
液晶ライトバルブよりも手前の位置に、正の円筒レンズ
と負の円筒レンズとより成る光束径調整光学系を挿入す
ることにより、前記両直線偏光光束を平行状態のまま、
光束軸に直角な一方向の光束径を調整可能としたことを
特徴とする請求項１記載の投写型表示装置。