JP2691785B2

JP2691785B2 - 投写型表示装置

Info

Publication number: JP2691785B2
Application number: JP1333942A
Authority: JP
Inventors: 信介鹿間
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: JPH03192320A

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５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）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６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６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６図（ｂ））と液晶の旋光性が小さくなっ
て、透過側偏光板（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
時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。液晶用の
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７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。また、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。また、各液晶ライトバルブ（3R），
（3G），（3B）の構成及び動作は、先に第６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）または（8R），（8G），
（8B）によって選択される直線偏光成分のみである。一
方、従来の装置において使用されるランプ（120）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）または（8R），（8
G），（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）または（8R），（8G），
（8B）に吸収されて熱となり、入射側偏光板（８）また
は（8R），（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）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うるこ
とを目的とする。

［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
の互いに直交する第１及び第２の全反射面と斜面を有す
る全反射プリズムより成り、該全反射面の交線が、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、前記斜面の前記交線を境界とする半面に反射ミ
ラーを形成した構成で、前記反射ミラーを形成していな
い前記斜面の半面から入射した前記第２の直線偏光光束
を、前記第１の全反射面，第２の全反射面の順に反射し
て前記反射ミラーに導き、該反射ミラーで反射された光
束を、前記第２の全反射面，第１の全反射面の順に反射
し、前記第２の直線偏光光束に対して偏光方向が90°回
転された第３の直線偏光光束を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を
具備し、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
収も小さくできる。

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図は本発明の実施例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（偏光ビームスプ
リッタ）、（21）は偏光回転手段であり、２枚の互いに
直交する全反射ミラー面（21a），（21b）と斜面より成
る全反射プリズムより構成されている。（21c）は偏光
回転手段（21）の斜面の１部に形成された反射ミラー、
（23）は光路変換手段（ミラー）である。

次に実施例の動作について説明する。

光源（１）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
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（33
a）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（10）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）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（110）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）は偏光回転機能の説明図，第２図（ｂ）
は偏光分離手段と偏光回転手段の平面図、第２図（ｃ）
は正面図を示している。

偏光回転手段（21）は、互いに直交する全反射面（21
a），（21b）と斜面（21c），（21d）より構成された全
反射プリズムの形態である。前記斜面のうち、交線（2
2）の位置を境界とする右半分（21c）には斜線で示すよ
うに反射光路変換手段が形成されている。偏光回転手段
（21）に、前記斜面のうち光路変換手段が形成されてい
ない半面（21d）から入射する光線（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、図の左下の円内に示したように、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）と平行にしている。図のように入射光線（30）は全
反射面（21a），（21b）で反射されて反射光路変換手段
部（21c）にいたる。光路変換手段（21c）で反射された
光線は、全反射面（21b），（21a）で順次反射されて、
斜面の左半面（21d）より出射し、光線（31）となる。
ここで、全反射の条件として、 x,y偏光の反射率がほぼ等しいこと x,y方向の偏光を全反射する際の位相差が全反射面
（21a），（21b）による往復計４回の反射により180°
となること。

という２つの条件を満たす場合に、出射光線（31）の偏
光Ｅ₂は図示したようにＥ₁と直交する直線偏光となる。
上記は面（21a），（21b）で全反射が生じれば必然的
に満たされる。第２図（ａ）のように光線（30）が面
（21a）に対して45°で入射し、面（21b）に対しても同
様に45°で入射する場合、全反射が生じる条件は、プリ
ズムの屈折率をｎとして（１）式で与えられる。

但し、プリズムの外側の媒質は空気と仮定した。

次に、上記の条件について説明する。

45°入射の１回の全反射によって生じるx,y偏光間の
位相差Δはｎをプリズム硝材の屈折率として、となる。前述のように、光路変換手段（21c）による反
射のために計４回の全反射が生じるので、出射光線（3
1）に付与されるx,y偏光間の位相差は４Δとなる。（I
I）式にｎ＝1.55378を代入して４Δを計算すると、４Δ＝π ……（III）となる。従って、ｎ＝1.55378近傍では第２図（ａ）に
示した反射光の（31）のx,y成分の間には入射光（30）
の状態と比較して180°の位相差が生じる。従って、第
２図（ａ）の右下の円内に示したように出射光（31）の
偏光方向（Ｅ₂）はＥ₁に対して90°回転する。尚、偏光
回転手段（21）の斜面は第２図（ｂ），（ｃ）に平面図
及び正面図を示したように、交線（22）を境にして偏光
分離手段（20）上の半面が透過面、他の半面が反射光路
変換手段面（斜線を施して示した）となっている。

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）として偏光分離手段（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、偏光回転手段（21）を構成するプリズム硝
材の屈折率ｎが1.55378近傍の硝材としては、HOYA社製
のPCD3（ｎ_d＝1.55232）,SbF1（ｎ_d＝1.55115）や、SCH
OTT社製のBaLF8（ｎ_d＝1.55361）,PSK3（ｎ_d＝1.55232
等が好適である。

しかし、これ以外の硝材、例えば、HOYA社またはSCHO
TT社製のBK7（ｎ_d＝1.5168）でも上記硝材よりは改善度
合が低いものの本発明に使用することができる。これ
は、付与された位相差が180°でないためにやや楕円偏
光となった光線（31）が、偏光ビームスプリッタ（20）
を透過してＰ偏光（32）に変換され、光線（33a），（3
3b）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）を有する直交全反射面（21
a），（21b）及び斜面の半面に反射光路変換手段（21
c）を設けた全反射プリズムに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（3
0）と逆方向に進行するＳ偏光（31）となる。Ｓ偏光（3
1）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図と同様の偏
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７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。また、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。

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＝0.00
55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（3R），（3G），（3
B）の入射側偏光板（８）または（8R），（8G），（8
B）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）から生成される光線（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），（3G），（3B）は、入射側偏光板
（８）または（8R），（8G），（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 controlled birefringen
ce）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（自然偏光）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図はそれぞれ本発明の実施例1,2,3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動作原理と構
成の説明図、第5,7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６図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），（3
G），（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、（21a），（21b）は偏光回転手段中の
全反射面、（21C）は偏光回転手段（21）中の反射光路
変換手段、（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。

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第１及び第２
の全反射面と斜面を有する全反射プリズムより成り、該
全反射面の交線を、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、前記斜面の前記交線を
境界とする半面に反射ミラーを形成した構成で、前記反
射ミラーを形成していない前記斜面の半面から入射した
前記第２の直線偏光光束を、前記第１の全反射面，第２
の全反射面の順に反射して前記反射ミラーに導き、該反
射ミラーで反射された光束を、前記第２の全反射面，第
１の全反射面の順に反射し、前記第２の直線偏光光束に
対して偏光方向が90°回転された第３の直線偏光光束を
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を具備し、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。