JP3019825B2 - 投射型カラー液晶表示装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は１枚の液晶表示素子
の表示画像をスクリーン面に拡大投射する単板式の投射
型カラー液晶表示装置に関し、主としてパーソナルコン
ピューターやテレビ、ビデオ等の画像を表示するために
用いられる投射型カラー液晶表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】液晶表示素子で表示された画像を拡大投
射する投射型カラー液晶表示装置には、３枚の液晶表示
素子を用いる３板式と、１枚の液晶表示素子を用いる単
板式とがある。３板式の投射型カラー液晶表示装置で
は、光源の光から赤、緑、青の３原色に色分解された各
色光が、３枚の液晶表示素子のうち各色に対応する液晶
表示素子をそれぞれ照明した後、各液晶表示素子で表示
された画像が光学的に合成され、合成された画像が投射
レンズによって投射される。ところが、３枚の液晶表示
素子を用いるため、一般に高価になってしまう。この３
板式に対し、単板式の投射型カラー液晶表示装置では、
１枚の液晶表示素子のみを使うため、製造費用の点にお
いて３板式のものに比べて有利である。

【０００３】一般的な単板式の投射型カラー液晶表示装
置では、直視型の液晶テレビと同様に、液晶表示素子内
に赤、緑、青の３原色のカラーフィルターがモザイク状
に形成されている。光源からの光が液晶表示素子を照明
すると、各色のカラーフィルターによって選択された色
光が液晶表示素子の各画素を透過する。例えば、赤を表
示する画素には赤のカラーフィルターが形成されてお
り、赤の色光はこの赤のカラーフィルターを透過する
が、緑及び青の色光はこの赤のカラーフィルターで吸収
または反射される。従って、液晶表示素子へ入射する全
光の３分の１しか投射光として利用されず、同じ光源を
用いた３板式の投射型カラー液晶表示装置の場合と比較
して、最終的に投射された画像の明るさが約３分の１に
低下するという問題がある。

【０００４】この問題を解決する方法として、マイクロ
レンズアレイを具備した１枚の液晶表示素子を、後述す
るように特殊な配置の３枚のダイクロイックミラーによ
って色分解した光で照明する方法が、特開平４−６０５
３８号公報に示されている。図４は、この公報による単
板式の投射型カラー画像表示装置の構成を用いた従来の
投射型カラー液晶表示装置の一例を示す概略構成図であ
る。

【０００５】従来の投射型カラー液晶表示装置は、図４
に示すように、光源１０１と、光源１０１に備え付けら
れた放物面鏡１０２と、光源１０１からの光の進行方向
に配置され、後述するようにそれぞれが傾けられた、光
分解手段であるダイクロイックミラー１３１Ｂ、ダイク
ロイックミラー１３１Ｒ及びダイクロイックミラー１３
１Ｇと、３枚のダイクロイックミラー１３１Ｂ、１３１
Ｒ、１３１Ｇでそれぞれ反射された光の進行方向に順次
配置された偏光板１１２、マイクロレンズアレイ１１
０、液晶表示素子１１１、偏光板ｌｌ３、フィールドレ
ンズ１３２及び投射レンズ１１４と、投射レンズ１１４
によってカラー表示画像を投射するスクリーン１１５と
で構成されている。図４の中のＲ、Ｇ、Ｂはそれぞれ
赤、緑、青を表す。また、以下の文中でもＲ、Ｇ、Ｂを
同様の意味として用いる。

【０００６】ダイクロイックミラー１３１Ｂは、青の波
長域の光を反射し、それより長波長域である赤と緑の光
を透過させる特性を有している，ダイクロイックミラー
１３１Ｒは、赤の波長域の光を反射し、それより短波長
域である青と緑の光を透過させる特性を有している。ダ
イクロイックミラー１３１Ｇは、緑と青の波長域の光を
反射し、それより長波長域である赤の光を透過させる特
性を有している。それら３枚のダイクロイックミラー１
３１Ｂ、１３１Ｒ、１３１Ｇがそれぞれ、互いに平行な
状態から図４の紙面に垂直な方向の軸を回転軸として順
次数度ずつ回転して配置されている。隣り合う２つのダ
イクロイックミラーで相互につくる角度は、各ダイクロ
イックミラーで反射された色光が、液晶表示素子１１１
内で各色光に対応する画素にマイクロレンズアレイ１１
０によって集光されるように設計されている。

【０００７】このように構成された従来の投射型カラー
液晶表示装置では、光源１０１から発せられた白色光は
放物面鏡１０２によりほぼ平行光となり、ダイクロイッ
クミラー１３１Ｂに入射して青の光が反射される。この
ダイクロイックミラー１３１Ｂで反射されずに透過した
赤と緑の光がダイクロイックミラー１３１Ｒに入射し、
赤の色光が反射される。同様に、このダイクロイックミ
ラー１３１Ｒで反射されずに透過した緑の光がダイクロ
イックミラー１３１Ｇに入射し、反射される。反射され
た３原色の各光が偏光板１１２に入射し、この偏光板ｌ
ｌ２で、表示画像に利用される直線偏光と呼ばれる、あ
る特定方向の偏光成分の光のみが透過して、色光ごとに
異なった角度でマイクロレンズアレイ１１０に入射す
る、ここで、前述したように傾けられた３枚のダイクロ
イックミラー１３１Ｂ、１３１Ｒ、１３１Ｇにより各色
光が反射されたことで、その各色光がマイクロレンズア
レイ１１０の各マイクロレンズにより、液晶表示素子１
１１内における色光に対応する各画素に集光される。こ
のようにしてＲ、Ｇ、Ｂの各色光がそれぞれ、液晶表示
素子１１１内の対応した色の画素に選択的に入射し、表
示画像となって液晶表示素子１１１から出射する。出射
した光は偏光板１１３に入射し、直線偏光の成分のみが
透過してフィールドレンズ１３２に入射する。このフィ
ールドレンズ１３２で、液晶表示素子１１１を透過して
拡がっていく光が収束され、この光が投射レンズ１１４
によりスクリーン１１５に拡大投影される。フィールド
レンズ１３２が特に用いられる必要はないが、フィール
ドレンズ１３２を用いることにより投射レンズ１１４の
口径を小さくできる。

【０００８】以上の説明のように、マイクロレンズアレ
イを用いた投射型カラー液晶表示装置では、各色光に対
応した液晶表示素子内の各画素に対して選択的に色光を
入射させるので、カラーフィルターが不要である。その
結果、カラーフィルターでの光の損失がないことで、カ
ラーフィルターを用いる場合より光を効率良く利用する
ことができる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たマイクロレンズアレイを用いた従来の投射型カラー液
晶表示装置では、波長選択性を有する３枚のダイクロイ
ックミラー１３１Ｂ、１３１Ｒ、１３１Ｇを用いて白色
光を赤、緑、青の光に色分解したが、光源からの光は自
然光のままであるので、液晶表示素子で光を表示画像と
して利用するために、光源からの自然光を直線偏光化す
る偏光板１１２を使う必要がある。従って、自然光に含
まれるｐ偏光とｓ偏光のうちどちらかの偏光成分は偏光
板１１２により吸収されて損失となる。すなわち、光源
から発せられる全光の半分程度の損失は避けられない。
また、偏光板１１２で吸収された光が熱に変わり偏光板
１１２の性能を劣化させるという問題も引き起こし、高
光出力光源の採用が制限される。以上で説明した通り、
従来の投射型カラー液晶表示装置では、偏光板での光の
吸収によって光源からの光の利用効率が低いということ
と、光の吸収に伴い偏光板が劣化するという欠点があ
る。

【００１０】本発明の目的は、上述した従来技術の問題
点に鑑み、マイクロレンズアレイを用いて１枚の液晶表
示素子の表示画像を拡大投射する単板式の投射型カラー
液晶表示装置において、液晶表示素子における光の入射
側に配置された偏光板での光の吸収による光の損失をな
くし、光源から発せられる光の利用効率が高く、明るい
投射画像を得ることが可能な投射型カラー液晶表示装置
を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明は、光源からの光を赤、緑、青の３原色の色光
に分解し、分解された各色光を液晶表示素子に入射させ
て液晶表示素子の画像を投射表示する投射型カラー液晶
表示装置において、光源と液晶表示素子との間の光路
に、光源からの光のほぼ全てをｐ偏光とｓ偏光のいずれ
か一方の偏光に統一する偏光変換手段が配置されてい
る。

【００１２】

【００１３】また、偏光変換手段は、第１の偏光分離素
子と第２の偏光分離素子と第３の偏光分離素子と光反射
素子と第１の位相差板と第２の位相差板とから構成さ
れ、第１の偏光分離素子と第２の偏光分離素子、及び第
３の偏光分離素子と光反射素子が、液晶表示素子の表示
面に対して平行方向に並んで配置され、第１の偏光分離
素子と第３の偏光分離素子、及び第２の偏光分離素子と
光反射素子が、液晶表示素子の表示面に対して垂直方向
に並んで配置され、第１の偏光分離素子と第２の偏光分
離素子の間、及び第１の偏光分離素子と第３の偏光分離
素子の間とに、それぞれ第１と第２の位相差板が挿入さ
れ、第１の偏光分離素子には第１の位相差板と隣接する
面の反対側から３原色の色光の一つである第１の色光が
入射し、第２の偏光分離素子には第１の位相差板と隣接
する面の反対側から３原色の色光の一つである第２の色
光が入射し、第３の偏光分離素子には第２の位相差板と
隣接する面の反対側から３原色の色光の一つである第３
の色光が入射する。

【００１４】更に、第１の偏光分離素子の内部には、第
１、第２の光反射膜が特定の角度で交差するように形成
され、第２の偏光分離素子の内部には、第３、第４の光
反射膜が特定の角度で交差するように形成され、第３の
偏光分離素子には、第５の光反射膜が内部に形成されて
いる。

【００１５】更に、第１の偏光分離素子の内部に形成さ
れた第１の光反射膜は、第１の色光の波長域におけるｓ
偏光を反射して、残りの波長域におけるｓ偏光と可視光
領域全てにおけるｐ偏光を透過させるものであり、第２
の光反射膜は、第２の色光の波長域におけるｓ偏光を反
射して、残りの波長域におけるｓ偏光と可視光領域全て
におけるｐ偏光を透過させるものであることが好まし
い。

【００１６】更に、第２の偏光分離素子の内部に形成さ
れた第３の光反射膜は、第１の色光の波長域におけるｓ
偏光を反射して、残りの波長域におけるｓ偏光と可視光
領域全てにおけるｐ偏光を透過させるものであり、第４
の光反射膜は、第２の色光の波長域におけるｓ偏光を反
射して、残りの波長域におけるｓ偏光と可視光領域全て
におけるｐ偏光を透過させるものであることが好まし
い。

【００１７】更に、第３の偏光分離素子の内部に形成さ
れた第５の光反射膜は、少なくとも第３の色光の波長域
に対してｓ偏光を反射してｐ偏光を透過させるものであ
ることが好ましい。

【００１８】更に、光反射素子として第３の偏光分離素
子と同一である第４の偏光分離素子を用いることができ
る。また、光反射素子として全反射ミラーまたはプリズ
ムを用いることもできる。

【００１９】上記の偏光変換手段では、３原色の色光の
一つである第１の色光のｓ偏光は、第１の偏光分離素子
内に形成された第１の光反射膜によって液晶表示素子に
向けて反射される。一方、第１の色光のｐ偏光は、第１
の偏光分離素子を通過した後に第１の位相差板でｓ偏光
に変換され、第２の偏光分離素子内に形成された第３の
光反射膜によって液晶表示素子に向けて反射される。

【００２０】３原色の色光の一つである第２の色光のｓ
偏光は、第２の偏光分離素子内に形成された第４の光反
射膜によって液晶表示素子に向けて反射される。一方、
第２の色光のｐ偏光は、第２の偏光分離素子を通過した
後に第１の位相差板でｓ偏光に変換され、第１の偏光分
離素子内に形成された第２の光反射膜によって液晶表示
素子に向けて反射される。

【００２１】また、３原色の色光の一つである第３の色
光のｓ偏光は第３の偏光分離素子内に形成された第５の
光反射膜によって反射し、更に光反射素子である第４の
偏光分離素子または全反射ミラーまたはプリズムで反射
した後、第２の偏光分離素子を通過して液晶表示素子に
入射する。一方、第３の色光のｐ偏光は、第３の偏光分
離素子を通過した後に第２の位相差板でｓ偏光に変換さ
れ、第１の偏光分離素子を通過して液晶表示素子に入射
する。

【００２２】更に、偏光変換手段と液晶表示素子との間
の光路には、３原色の色光がそれぞれ異なる入射角で入
射されることにより各色光を液晶表示素子内の異なる画
素に集光させるマイクロレンズアレイが配置されてい
る。

【００２３】更に、第１の偏光分離素子または第２の偏
光分離素子から出射して液晶表示素子に入射する第１の
色光と第２の色光の進行方向がなす角度をθ、マイクロ
レンズアレイの各マイクロレンズの焦点距離をｆ、液晶
表示素子の画素間隔をｄとする時、ｔａｎ（θ／２）＝
ｄ／ｆを満たすように第１、第２の光反射膜の交差する
角度及び第３、第４の光反射膜の交差する角度が特定の
角度に決定される。

【００２４】上記の発明では、光源から発せられた、ｐ
偏光及びｓ偏光を含む光がＰ偏光またはｓ偏光のうち一
方の偏光に統一されて液晶表示素子に入射するので、光
源からの光に含まれるｐ偏光及びｓ偏光の両偏光成分が
ほぼ全て、液晶表示素子を照明する光として利用され、
明るい投射画像が得られる。また、本発明に係る投射型
カラー液晶表示装置で液晶表示素子の前後に偏光板が配
置された場合、液晶表示素子における光の入射側に配置
された偏光板で光が吸収されないので、偏光板の劣化が
起こらない。 またマイクロレンズアレイが配置され、偏
光変換手段を構成する偏光分離素子内の光反射膜が適当
な特定の角度で交差した配置となっていることにより、
偏光変換手段から射出した３原色の色光がそれぞれ異な
る入射角でマイクロレンズアレイに入射されると、それ
ぞれの色光がマイクロレンズアレイによって液晶表示素
子内の異なる画素に集光される。従って、液晶表示素子
内において、赤に対応する画素には赤の色光が集光さ
れ、緑に対応する画素には緑の色光が集光され、青に対
応する画素には青の色光が集光される。その結果、光源
からの光の利用効率が高い投射型カラー液晶表示装置が
得られる。

【００２５】更に、液晶表示素子における光の入射側及
び出射側には、それぞれ偏光板が配置されている。この
場合、投射型カラー液晶表示装置の内部における外光や
迷光からの影響により投射画像のコントラストが劣化す
ることが防止される。

【００２６】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。図１は、本発明の投射型カ
ラー液晶表示装置の実施形態を示す概略構成図である。
この図１では、図中のｐ、ｓはそれぞれｐ偏光、ｓ偏光
を表す。図２は、図１に示される偏光変換手段の構成及
び光学的作用を説明するための図である。この図２で
は、図中のＢｓ、Ｂｐはそれぞれ青色のｓ偏光、青色の
ｐ偏光を表す。同様に、Ｒｓ、Ｒｐ、Ｇｓ、Ｇｐは、赤
色のｓ偏光、赤色のｐ偏光、緑色のｓ偏光、緑色のｐ偏
光に各々対応する。なお、図２では、説明の都合上、各
構成部品を個別に離して表示しているが、実際には図１
の通り、各構成部品は互いに密着され一体化している。

【００２７】本実施形態の投射型カラー液晶表示装置
は、図１に示すように、光源１と、この光源からの光を
平行光とする放物面鏡２と、この平行光を赤、緑、青に
分解する３枚のダイクロイックミラー３Ｂ、３Ｇ、３Ｒ
と、２枚の光反射用のミラー４、５と、光の偏光方向を
ｐまたはｓのいずれかの偏光に統一する偏光変換手段６
を備えている。また、投射画像を形成するための液晶表
示素子１１と、これに付設されているマイクロレンズア
レイ１０、偏光子と検光子に相当する２枚の偏光板１
２、１３を備えている。更に、投射光学系として、投射
レンズ１４、スクリーン１５とから構成される。

【００２８】偏光変換手段６は３枚のダイクロイックミ
ラー３Ｂ、３Ｇ、３Ｒと液晶表示素子１１の間の光路に
配置され、３つの偏光分離素子７ａ、７ｂ、７ｃおよび
光反射素子２２を組み合わせたものである。偏光分離素
子７ａと偏光分離素子７ｂ、及び偏光分離素子７ｃと光
反射素子２２が液晶表示素子１１の表示面に対して平行
方向に、また、偏光分離素子７ａと偏光分離素子７ｃ、
及び偏光分離素子７ｂと光反射素子２２が液晶表示素子
１１の表示面に対して垂直方向に並んで配置されてい
る。また、偏光分離素子７ａと偏光分離素子７ｂの間に
位相差板８、及び偏光分離素子７ａと偏光分離素子７ｃ
の間に位相差板９が挟み込まれている。

【００２９】図２に示すように、偏光分離素子７ａの内
部には、特定の波長域におけるｓ偏光を反射して、残り
の波長域のｓ偏光と可視光領域全てにおけるｐ偏光とを
透過させる光反射膜１６、１７が互いに直交から僅かに
傾いた角度で交差するような配置で形成されている。同
様に、偏光分離素子７ｂの内部には光反射膜１８、１９
が非直交な配置で形成されている。更に、偏光分離素子
７ｃの内部には光反射膜２０が、光反射素子２２の内部
には光反射膜２１が形成されている。

【００３０】図３は、図１に示される３つの偏光分離素
子７ａ、７ｂ、７ｃ及び光反射素子２２の内部に形成さ
れた光反射膜１６、１７、１８、１９、２０、２１の分
光反射特性の一例を示す図である。図３において、
（ａ）が光反射膜１６と１８、（ｂ）が光反射膜１７と
１９、（ｃ）が光反射膜２０、２１の分光反射特性に対
応し、横軸が波長、縦軸が反射率を示している。また、
図中のｐ、ｓはそれぞれｐ偏光、ｓ偏光を表している。
本実施形熊においては、Ｂは波長４２０〜４９０ｎｍ、
Ｇは波長５００〜５６５ｎｍ、Ｒは波長５９０〜６８０
ｎｍとした。

【００３１】図３の（ａ）に示すように、光反射膜１
６、１８はｓ偏光のＢのみを選択的に反射し、ｓ偏光の
Ｇ、Ｒと、ｐ偏光のＢ、Ｇ、Ｒを透過させる特性を持
つ。図３の（ｂ）に示すように、光反射膜１７、１９は
ｓ偏光のＲを反射し、ｓ偏光のＢ、Ｇとｐ偏光のＢ、
Ｇ、Ｒを透過させる特性を持つ。図３の（ｃ）に示すよ
うに、光反射膜２０、２１はｓ偏光のＢ、Ｇ、Ｒを反射
し、ｐ偏光のＢ、Ｇ、Ｒを透過させる特性を持つ。
（ｃ）に関しては、実際にはＧ以外の色が偏光分離素子
７ｃと光反射素子２２に入射することはないため、Ｇの
ｓ偏光が反射しｐ偏光が透過する特性であれば、ＢとＲ
のそれぞれｓ偏光とｐ偏光については透過であっても反
射であっても任意である。

【００３２】次に、上述した構成による投射型カラー液
晶表示装置の光学的な作用について図１及び図２を参照
して説明する。

【００３３】本実施形態の投射型カラー液晶表示装置で
は、図１に示すように、光源１から発せられた白色光は
放物面鏡２で集光され、ほぼ平行光となって、３枚のダ
イクロイックミラー３Ｂ、３Ｇ、３Ｒで順次、Ｂ、Ｇ、
Ｒの色光に分解される。Ｂの光はミラー４で反射した
後、偏光分離素子７ａにほぼ垂直に入射する。更に図２
に示すように、ｓ偏光は偏光分離素子７ａ内の光反射膜
１６で反射し、液晶表示素子１１に向かう。ｐ偏光は偏
光分離素子７ａ内の光反射膜１６、１７を透過した後、
位相差板８でｓ偏光に変換されて、偏光分離素子７ｂ内
の光反射膜１８で反射し、液晶表示素子１１に向かう。

【００３４】Ｒの光はミラー５で反射した後、Ｂと逆方
向から偏光分離素子７ｂにほぼ垂直に入射する。Ｒに関
しては、ｓ偏光が偏光分離素子７ｂ内の光反射膜１９で
反射し、液晶表示素子１１に向かう。ｐ偏光は偏光分離
素子７ｂ内の光反射膜１８、１９を透過した後、位相差
板８でｓ偏光に変換されて、偏光分離素子７ａ内の光反
射膜１７で反射し、液晶表示素子１１に向かう。

【００３５】Ｇの光は液晶表示素子１１の表示面に垂直
な方向から偏光分離素子７ｃにほぼ垂直に入射する。偏
光分離素子７ｃ内の光反射膜２０でｐ偏光が透過し、ｓ
偏光が反射する。ｐ偏光は偏光分離素子７ｃ内の光反射
膜２０を透過した後、位相差板９でｓ偏光に変換され、
更に偏光分離素子７ａ内の光反射膜１６、１７を透過し
て液晶表示素子１１に向かう。ｓ偏光は光反射膜２０で
反射した後、光反射素子２２内の光反射膜２１で再度反
射し、偏光分離素子７ｂ内の光反射膜１８、１９を透過
して液晶表示素子１１に向かう。

【００３６】ここで、偏光分離素子７ａの内部には光反
射膜１６、１７が、偏光分離素子７ｂの内部には光反射
膜１８、ｌ９が形成されているが、それらは互いに直交
ではなく、数度直交から外れた特定の角度で交差して配
置されている。このため、互いに逆方向から偏光分離素
子７ａまたは７ｂに垂直入射したＢとＲの光は対応する
光反射膜で反射され、偏光分離素子の出射面で屈折し、
出射面の法線に対して各々、逆方向に数度の角度を持っ
て出射する。Ｇ光は出射面に対する法線方向に直進する
ので、Ｒ、Ｇ、Ｂの光は各々異なる角度でマイクロレン
ズ１０が付いた液晶表示素子１１に入射することにな
る。

【００３７】更に、Ｒ、Ｇ、Ｂの各光はマイクロレンズ
アレイ１０の各マイクロレンズを透過した後、異なった
三つの場所に焦点を結ぶ。その焦点と液晶表示素子１１
に形成された画素が一致しているため、Ｒに対応する画
素にはＲの光、Ｇに対応する画素にはＧの光、Ｂに対応
する画素にはＢの光が選択的に入射する。この原理につ
いては、従来の投射型カラー液晶表示装置と同様であ
る。液晶表示素子１１を透過した光は投射レンズ１４に
より集光され、スクリーン１５に向かって投射される。
その結果、液晶表示素子１１に表示された画像がスクリ
ーン１５に拡大投射されることになる。

【００３８】なお、偏光分離素子７ａ内の光反射膜１６
と光反射膜１７の交差角と偏光分離素子７ｂ内の光反射
膜１８と光反射膜１９の交差角は同一値であり、この特
定の交差角度は、偏光分離素子７ａまたは偏光分離素子
７ｂから出射して液晶表示素子１１に入射する３原色の
色光のうちＢとＲの光の進行方向がなす角度をθ、マイ
クロレンズアレイ１０の各マイクロレンズの焦点距離を
ｆ、液晶表示素子の画素間隔をｄとする時、ｔａｎ（θ
／２）＝ｄ／ｆを満たすように決定される。

【００３９】以上で説明した本実施形態の投射型カラー
液晶表示装置では、３個の偏光分離素子７ａ、７ｂ、７
ｃと光反射素子２２と２枚の位相差板８、９から構成さ
れる偏光変換手段６を用いることで、光源１からの自然
光のｐ偏光とｓ偏光の両成分を投射光として利用でき
る。このため、原理的には１００％近い光利用効率が得
られ、従来の技術に比べても２倍程度の光利用効率の向
上が図れる。また、偏光板１２に入射する光は直線偏光
であるため、偏光板１２による吸収はほとんど無く、従
来の問題点であった偏光板の劣化は起こり得ない。偏光
方向が統一されるため、仮に偏光板１２を使用しない場
合であっても装置としての機能は果たすが、偏光変換手
段６のｐ偏光とｓ偏光とを分離する性能を補い、外光や
迷光によるコントラスト劣化を防止するために偏光板１
２は用いる方が望ましい。

【００４０】

【実施例】ここで、本実施形態において使用した各構成
部品の具体的な実施例について説明する。光源１はｌ２
５Ｗのメタルハライドランプを用いた。他にキセノンラ
ンプ、ハロゲンランプ等の高輝度白色光源を使用するこ
とができる。放物面鏡２はガラスを成型したもので、光
源からの赤外光成分を除去するために光源側の表面には
誘電体多層膜からなるコールドミラーが蒸着により形成
されている。なお、放物面鏡に限らず、球面鏡や楕円面
鏡、その他の非球面鏡でも構わない。また、反射された
白色光をコンデンサーレンズで一旦点状に集束し、スリ
ットまたはピンホール等で不要な光を除去するような構
成としてもよい。但し、このような場合には、集束した
光を再び平行光とするための光学系を加える必要があ
る。

【００４１】光源からの光を赤、緑、青に分解するため
には、３枚のダイクロイックミラーを用いた。通常、ダ
イクロイックミラーは、反射波長に関してｓ偏光とｐ偏
光で多少のずれが生じるが、本実施形態ではこのずれが
極力少なくなるように配慮する必要がある。これには、
誘電体多層膜からなる光反射膜の形成方法を工夫する
他、図１では４５度となっている各ダイクロイックミラ
ーへの入射角度をより小さくするような配置をとること
が有効である。また、ダイクロイックミラーの代わりに
ダイクロイックプリズムを用いて色分解を行うことも可
能である。

【００４２】偏光分離素子７ａ、７ｂ、７ｃは無色透明
な４つの三角柱を貼り合わせた構造であり、各辺の長さ
や高さは主に液晶表示素子１１の大きさを基に決定され
る。ここでは、その材料として屈折率の大きい重フリン
トガラス（ＳＦ１０）を用いているが、図３で示した分
光反射特性を満たす光反射膜の形成が可能であるなら
ば、ＳＦ１０に限らずどのような材料でも構わない。そ
して、各偏光分離素子内部の光反射膜は、三角柱同士の
貼り合わせ面上に誘電体多層膜で形成されている。

【００４３】位相差板８、９は、ポリカーボネイトフィ
ルムを一軸延伸し所望の複屈折性を持たせたものであ
り、光が一回透過した際の位相差が１／２波長になるよ
うに調整されている。従って、一回通過すると偏光方向
が９０度回転し、ｓ偏光はｐ偏光に、ｐ偏光はｓ偏光に
変換されることになる。本実施形態では、いずれもｐ偏
光をｓ偏光に変換するために用いている。ミラー４、５
は金属を蒸着させた一般的なものを用いたが、誘電体ミ
ラーを用いることもできる。

【００４４】マイクロレンズアレイ１０は、液晶表示素
子１１のＲ、Ｇ、Ｂの３画素に１個の割合で微小なレン
ズが面上に形成されている。ここでは、選択的イオン交
換によって屈折率分布を形成し、凸レンズの作用を持た
せた。マイクロレンズアレイの形成方法としては、選択
的イオン交換による方法の他にプラスチックあるいはガ
ラス基板を金型によって成型する方法等が知られてい
る。本発明の投射型カラー液晶表示装置では、どのよう
な方法でも適用可能である。また、本実施例ではマイク
ロレンズアレイが液晶表示索子の入射側対向基板に張り
合わされているものを用いたが、液晶表示素子の入射側
対向基板の内部に一体形成されているものであっても構
わない。

【００４５】液晶表示素子１１は、画素を形成する透明
電極膜を施した２枚のガラス基板間に液晶を封入したも
ので、液晶にはツイステッドネマティック（ＴＮ）液晶
を使用している。各画素の印加電圧による液晶の状態変
化は入射光の偏光状態を変化させ、偏光板を利用するこ
とで光強度の変化となる。液晶の駆動方式には、各画素
毎にスイッチング素子である薄膜トランジスタを形成し
液晶を駆動するアクティブマトリクス方式を採用してい
る。液晶はＴＮ液晶以外でも、スーパーツイステッドネ
マティック液晶、強誘電性液晶、複屈折制御型液晶等を
利用することができる。また、液晶の駆動方式は、アク
ティブマトリクス方式に限らず、時分割駆動の単純マト
リクス方式等でも問題ない。

【００４６】投射レンズ１４は、液晶表示素子１１に表
示された画像をスクリーン１５に拡大投射するものであ
る。投射画像のピント調整を行なうためのフォーカス調
整機構が付いている。投射距離を変えすに画面の大きさ
を変化させるためのズーム機構を加えても良い。また、
図４で示した従来例のように、偏光板１３と投射レンズ
１４の間にフィールドレンズを挿入して集光効果を高め
ることも有効である。

【００４７】本実施形態では、偏光分離素子７ｃで反射
したＧのｓ偏光を再び液晶表示素子１１の方向に反射さ
せるための光反射素子２２として、偏光分離素子を用い
た。この偏光分離素子は偏光分離素子７ｃと同一形状で
あり、更にそれぞれの内部に形成された光反射膜２０、
２１の分光反射特性も全く同一である。従って、この場
合、投射画像の色均一性の点で好ましい。ただし、光反
射素子２２にはＧのｓ偏光以外は入射しないので、一般
的な全反射ミラーやプリズム等で代用することもでき
る。この場合、軽量化、低コスト化という点で有利とな
る。

【００４８】また、本実施形態では、光源１からの光を
ダイクロイックミラー３Ｂ、３Ｇ、３Ｒにより青、緑、
赤の順序で分解し、それぞれ偏光分離素子７ａ、７ｂ、
７ｃへ入射する構成とした。しかしながら、色分解の順
序はこれに限定されるものではなく、入射する色光に対
して偏光分離素子内の光反射膜が適当な特性を有してい
れば、どのような順序で分解を行っても構わない。

【００４９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、１枚の
液晶表示素子の表示画像をスクリーン面に拡大投射する
単板式の投射型カラー液晶表示装置において、光源から
発せられる光のｐあるいはｓ偏光成分をいずれかの偏光
成分に統一し、偏光成分が統一された光によって液晶表
示素子を照明するので、液晶表示素子と共に配置した入
射側の偏光板で同一の偏光成分の光が透過し、吸収また
は反射される光がほとんどなく、光源から発せられる光
の大部分を損失なく有効に利用できる効果がある。マイ
クロレンズアレイを用いた従来の投射型カラー液晶表示
装置に同じ光源を用いた場合と比較して、光利用効率が
２倍程度に向上する。このため、小型軽量、低コストと
いう単板式の投射型カラー液晶表示装置の利点を生かし
た上で、３板式の投射型カラー液晶表示装置に匹敵する
明るい投射画像を得ることができ、産業上極めて有益で
ある。更には、液晶表示素子の入射側に配置した偏光板
での光の吸収がないので、偏光板の劣化が起こらない投
射型カラー液晶表示装置を実現する効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の投射型カラー液晶表示装置の実施形態
を示す概略構成図である。

【図２】図１に示される偏光変換手段の構成及び光学的
作用を説明するための図である。

【図３】図１に示される偏光分離素子の内部に形成され
た光反射膜の分光反射特生を示す線図である。

【図４】従来の技術による投射型カラー液晶表示装置を
示す概略構成図である。

【符号の説明】

１、１０１ 光源 ２、１０２ 放物面鏡 ３Ｂ、３Ｇ、３Ｒ ダイクロイックミラー ４、５ ミラー ６ 偏光変換手段 ７ａ、７ｂ、７ｃ 偏光分離素子 ８、９ 位相差板 １０、１１０ マイクロレンズアレイ １１、１１１ 液晶表示素子 １２、１３、１１２、１１３ 偏光板 １４、１１４ 投射レンズ １５、１１５ スクリーン １６、１７、１８、１９、２０、２１ 光反射膜 ２２ 光反射素子 １３１Ｂ、１３１Ｒ、１３１Ｇ ダイクロイックミラ
ー １３２ フィールドレンズ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−114026（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−39084（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−18825（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−76517（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−146064（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−56922（ＪＰ，Ａ) 実開 平４−104681（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02F 1/1335 G02F 1/13 505

Claims (10)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源からの光を赤、緑、青の３原色の色
   光に分解し、分解された各色光を液晶表示素子に入射さ
   せて該液晶表示素子の画像を投射表示する投射型カラー
   液晶表示装置において、前記光源と前記液晶表示素子と
   の間の光路に、前記光源からの光のほぼ全てをｐ偏光と
   ｓ偏光のいずれか一方の偏光に統一する偏光変換手段が
   配置され、 前記偏光変換手段は、第１の偏光分離素子と第２の偏光
   分離素子と第３の偏光分離素子と光反射素子と第１の位
   相差板と第２の位相差板とから構成され、 前記第１の偏光分離素子と前記第２の偏光分離素子、及
   び前記第３の偏光分離素子と前記光反射素子が前記液晶
   表示素子の表示面に対して平行方向に並んで配置され、 前記第１の偏光分離素子と前記第３の偏光分離素子、及
   び前記第２の偏光分離素子と前記光反射素子が前記液晶
   表示素子の表示面に対して垂直方向に並んで配置され、 前記第１の偏光分離素子と前記第２の偏光分離素子の
   間、及び前記第１の偏光分離素子と前記第３の偏光分離
   素子の間とに、それぞれ前記第１と第２の位相差板が挿
   入され、 前記第１の偏光分離素子には前記第１の位相差板と隣接
   する面の反対側から３原色の色光の一つである第１の色
   光が入射し、前記第２の偏光分離素子には前記第１の位
   相差板と隣接する面の反対側から３原色の色光の一つで
   ある第２の色光が入射し、前記第３の偏光分離素子には
   前記第２の位相差板と隣接する面の反対側から３原色の
   色光の一つである第３の色光が入射することを特徴とす
   る 投射型カラー液晶表示装置。
2. 【請求項２】 前記第１の偏光分離素子の内部には、第
   １、第２の光反射膜が特定の角度で交差するように形成
   され、前記第２の偏光分離素子の内部には、第３、第４
   の光反射膜が特定の角度で交差するように形成され、前
   記第３の偏光分離素子には、第５の光反射膜が内部に形
   成されている、請求項１に記載の投射型カラー液晶表示
   装置。
3. 【請求項３】 前記第１の偏光分離素子の内部に形成さ
   れた前記第１の光反射膜は、前記第１の色光の波長域に
   おけるｓ偏光を反射して、残りの波長域におけるｓ偏光
   と可視光領域全てにおけるｐ偏光を透過させるものであ
   り、 前記第２の光反射膜は、前記第２の色光の波長域におけ
   るｓ偏光を反射して、残りの波長域におけるｓ偏光と可
   視光領域全てにおけるｐ偏光を透過させるものである、
   請求項１または２に記載の投射型カラー液晶表示装置。
4. 【請求項４】 前記第２の偏光分離素子の内部に形成さ
   れた前記第３の光反射膜は、前記第１の色光の波長域に
   おけるｓ偏光を反射して、残りの波長域におけるｓ偏光
   と可視光領域全てにおけるｐ偏光を透過させるものであ
   り、 前記第４の光反射膜は、前記第２の色光の波長域におけ
   るｓ偏光を反射して、残りの波長域におけるｓ偏光と可
   視光領域全てにおけるｐ偏光を透過させるものである、
   請求項１または２に記載の投射型カラー液晶表示装置。
5. 【請求項５】 前記第３の偏光分離素子の内部に形成さ
   れた前記第５の光反射膜は、少なくとも前記第３の色光
   の波長域に対してｓ偏光を反射してｐ偏光を透過させる
   ものである、請求項１または２に記載の投射型カラー液
   晶表示装置。
6. 【請求項６】 前記光反射素子として、前記第３の偏光
   分離素子と同一である第４の偏光分離素子を用いてい
   る、請求項１に記載の投射型カラー液晶表示装置。
7. 【請求項７】 前記光反射素子として全反射ミラーまた
   はプリズムを用いている、請求項１に記載の投射型カラ
   ー液晶表示装置。
8. 【請求項８】 前記偏光変換手段と前記液晶表示素子と
   の間の光路には、３原色の色光がそれぞれ異なる入射角
   で入射されることにより各色光を前記液晶表示素子内の
   異なる画素に集光させるマイクロレンズアレイが配置さ
   れている、請求項１〜７のいずれか１項に記載の投射型
   カラー液晶表示素子。
9. 【請求項９】 前記第１の偏光分離素子または前記第２
   の偏光分離素子から出射して前記液晶表示素子に入射す
   る、前記第１の色光と前記第２の色光の進行方向がなす
   角度をθ、前記マイクロレンズアレイの各マイクロレン
   ズの焦点距離をｆ、前記液晶表示素子の画素間隔をｄと
   する時、ｔａｎ（θ／２）＝ｄ／ｆを満たすように前記
   特定の角度が決定される、請求項２または請求項８に記
   載の投射型カラー液晶表示装置。
10. 【請求項１０】 前記液晶表示素子における光の入射側
    及び出射側には、それぞれ偏光板が配置されている請求
    項１〜９のいずれか１項に記載の投射型カラー液晶表示
    素子。