JP3470628B2 - 投射型表示装置 - 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、投射型表示装置に
関し、特にホログラムカラーフィルタを用いた空間光変
調素子を有する投射型液晶表示装置の照明光学系に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来より、本願出願人等はホログラムレ
ンズアレイをカラーフィルタとして用いた投射型カラー
液晶表示装置の開発を行ってきた。このカラーフィルタ
は、ホログラムの回折分光機能を利用して白色光からＲ
ＧＢの各色光を所定方向に取り出すことができるもので
ある。色素や顔料を用いた通常のカラーフィルタのよう
な吸収による光の損失がほとんどないため、原理的に高
い光利用効率を得ることができる。よって、明るさの改
善が特に求められている投射型カラー液晶表示装置にお
いて有効である。

【０００３】図３は、本願出願人による先願の公開公報
（特開平９−１８９８０９）に開示された投射型カラー
液晶表示装置に用いられる空間光変調素子の構造を模式
的に表した装置断面図である。

【０００４】液晶パネル１１１は、シリコン基板１２１
と、そのシリコン基板１２１上に形成されたアクティブ
マトリクス駆動回路１２２と、そのアクティブマトリク
ス駆動回路１２２によって選択的に制御駆動される画素
電極１２３ｒ、１２３ｇ、１２３ｂを規則的に配列せし
めた画素電極層１２３と、誘電体ミラー膜１２４と、配
向膜１２５と、スペーサで液晶を封止した光変調層１２
６と、配向膜１２７と、透明な共通電極層１２８とを順
に積層させた構造を有している。

【０００５】ホログラムカラーフィルタ１１３は、単位
ホログラムレンズを規則的に配列したいわゆるホログラ
ムレンズアレイで構成されており、Ｒ、Ｇ、Ｂの三原色
を含んだ読み出し光（白色光）を各色光毎に回折分光
し、液晶パネル１１１内のＲ、Ｇ、Ｂに対応する画素電
極１２３ｒ、１２３ｇ、１２３ｂの位置へ略垂直に集光
する機能を有する。即ち、光束の主光線を画素電極１２
３ｒ、１２３ｇ、１２３ｂに対して略垂直に入射させ、
且つそのレンズ作用によって光束を画素電極１２３ｒ、
１２３ｇ、１２３ｂに集束させることができる。従っ
て、入射光を無駄なく利用した投射型カラー液晶表示装
置を提供することができる。なお、同図に示すように、
画素電極１２３上に誘電体ミラー膜１２４を備える場合
は、集光先は誘電体ミラー膜１２４となる。

【０００６】図４は、図３に示す従来の投射型カラー液
晶表示装置における照明光学系を含めた全体構成を示す
概略図である。光変調機能を有する液晶層を光シャッタ
ーとして用いる液晶表示装置では、高いコントラストを
有する画像を得るため、光変調層に対し、偏光波面が揃
った直線偏光の光、例えばＳ偏光波のみもしくはＰ偏光
波のみを入射する必要がある。

【０００７】そこで従来は、図４において示すように、
光源２１１から射出された白色光をまず偏光変換手段２
１２によって不定偏光状態の光からＳ偏光若しくはＰ偏
光を主とする偏光に変換し、さらに入射側偏光板２１４
（偏光選択手段）で一軸方向の波面を有するほぼ完全な
直線偏光にしていた。

【０００８】ここで、偏光変換手段２１２とは、例えば
Ｓ偏光をそのまま透過するとともにＰ偏光についてはＳ
偏光に変換して射出する機能を有する光学部品をいう。
液晶表示装置で良好な表示特性を得るために必要とされ
る入射光の偏光選択比（Ｓ偏光／Ｐ偏光）は、通常数百
対１とされているが、偏光変換手段２１２で得られるＳ
偏光とＰ偏光の選択比率（Ｓ／Ｐ）は、せいぜい１０〜
２０対１であり、射出する光には数％〜十数％のＰ偏光
が残る。そこで、偏光変換手段２１２に加えて、偏光選
択手段（入射側偏光板２１４）を途中に介在させ入射光
をより完全なＳ偏光の光束に近づけている。

【０００９】ところで、色素や顔料を用いた一般的なカ
ラーフィルタを使った従来の投射型液晶表示装置では、
フィルタや液晶層の面に対し略垂直な方向から読み出し
光を入射する照明光学系が用いられている。これに対
し、ホログラムカラーフィルタを用いた投射型液晶表示
装置の場合は、同図に示すように、読み出し光をフィル
タ面に対し略６０度の入射角で入射する照明光学系を使
用している。

【００１０】これは、上記公開公報（特開平９−１８９
８０９）中で本願出願人等が開示するように、ホログラ
ムカラーフィルタへの読み出し光の入射角を略６０度に
設定する場合において、最も高い光利用効率を達成でき
るからである。

【００１１】読み出し光は、偏光変換手段２１２を出た
後、レンズ２１３によってホログラムカラーフィルタの
一定領域に照射するため集光され、さらにカップリング
プリズム２１５の手前で入射側偏光板２１４によりＳ偏
光のみが選択的に透過される。ほぼＳ偏光のみとなった
読み出し光は、カップリングプリズム２１５を通り、ホ
ログラムカラーフィルタ２１６に入射される。

【００１２】読み出し光は、ホログラムカラーフィルタ
２１６によって、ＲＧＢの色光ごとに分光され、そこか
ら光変調層である液晶層２１７に入射される。ここで画
素情報に基づく所定の光変調が加えられた後、アクティ
ブマトリクス基板２１８上の画素電極面で反射される。

【００１３】反射光は、液晶層２１７、ホログラムカラ
ーフィルタ２１６、カップリングプリズム２１５を通り
外部に射出され、さらに射出側偏光板２１９を介して、
光変調層で所定の変調を受けた偏光のみ、もしくは変調
を受けなかった偏光のみが選択的に透過され、投射レン
ズ２２０を介してスクリーン２２１上に拡大照射され
る。

【００１４】図５は、吸収型の偏光板２１４による偏光
状態の変化を示す図である。通常入射光は様々な波面の
偏光を含む不定偏光であるが、ここでは水平方向の振動
軸（波面）を有するＳ偏光と縦方向の振動軸（波面）を
有するＰ偏光を含む入射光からＳ偏光のみを選択的に透
過する偏光板の例を示す。この場合、偏光板が透過する
水平方向の振動軸を偏光板の透過軸、吸収する縦方向の
振動軸を偏光板の吸収軸と呼んでおり、吸収軸透過率は
偏光板の偏光選択性を示すひとつの指標となる。通常、
偏光板は入射する光の進行軸に対し板面が垂直になるよ
うに配置して用いる。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】図４に示す従来の投射
型表示装置においても、読み出し光の進行軸に対して偏
光板２１４は垂直に配置する態様で使用していた。しか
し、この構成では、光変調層を介して得られる画像のコ
ントラストは十分なものとはいえなかった。

【００１６】これに対し、最近本願出願人等は、図６に
示すように、入射側偏光板２１４を光変調層である液晶
層２１７の面にほぼ平行となるように設置することで、
光変調層を介して得られる画像のコントラスト特性が大
幅に改善されることを見いだした。

【００１７】一方、このような投射型の液晶表示装置で
は、明るい画面を得るため、１００Ｗ〜数百Ｗの高い出
力を持つ光源を使用する必要がある。このため、読み出
し光の照明光学系に介在する入射側偏光板２１４が受け
る読み出し光の光量は相当なものであり、吸収されるＰ
偏光により入射側偏光板２１４はかなりの高温となる。
特に、光変調層と平行になるように配置された偏光板２
１４は、読み出し光の進行方向に対して傾斜しているた
め、部分的に照射密度の高い領域（領域Ａ）ができ、そ
の領域で焼き付けが起こり易いという問題があった。

【００１８】本発明の目的は、上述のような問題点に鑑
み、偏光板の焼けを回避するとともに高いコントラスト
画像が得られる投射型表示装置を提供することである。

【００１９】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の本発明
の投射型表示装置の特徴は、ホログラムカラーフィル
タ、光変調層および画素電極を少なくとも有する空間光
変調素子と、前記空間光変調素子への入射光を生成およ
び調整する読み出し光の照明光学系と、前記空間光変調
素子からの射出光をスクリーン面に投影する出射光の照
明光学系とを有する投射型表示装置において、前記読み
出し光の照明光学系が、光源と、前記光源より射出され
た不定偏光から主に該所定一方向の波面を有する偏光を
取り出す偏光変換手段と、前記光源から直接もしくは前
記偏光変換手段を介して射出される光を前記空間光変調
素子の所定領域に集光照射する集光手段と、前記集光手
段と前記空間光変調素子との間の光路中に配置され、該
所定一方向の波面を有する偏光のみを選択的に透過する
複数の偏光選択手段とを有しており、前記複数の偏光選
択手段は、少なくとも前記集光手段に近接して配置され
る第１の偏光選択手段と、前記空間光変調素子に近接し
て光変調層面に略平行に配置される第２の偏光選択手段
とを有することである。

【００２０】なお、ここで偏光変換手段とは、所定一方
向の波面を有する偏光についてはそのまま、他方向の波
面を有する偏光については該所定一方向の波面を有する
偏光に変換して出射しうる光学部品をいう。

【００２１】上記請求項１の特徴によれば、読み出し光
の照明光学系において複数の偏光選択手段を使用するこ
とにより、各偏光選択手段が偏光波選択の際吸収する光
量を各偏光選択手段で分散できる。このため、各偏光選
択手段で焼き付けの問題を回避できる。また、空間光変
調素子に近接配置する第２の偏光選択手段を光変調素子
面に平行に配置することにより、光変調層を介して得ら
れる画像について高いコントラスト比を得ることができ
る。

【００２２】請求項２に記載の本発明の投射型表示装置
の特徴は、請求項１に記載の投射型表示装置において、
前記第１の偏光選択手段と前記第２の偏光選択手段のい
ずれもが吸収型の偏光板であり、前記第１の偏光選択手
段である一の偏光板は、吸収軸透過率が前記第２の偏光
選択手段である他の偏光板より低いことである。

【００２３】上記請求項２の特徴によれば、集光手段に
近接する側に吸収軸透過率の低い偏光板を配置してい
る。吸収軸透過率が低いとは、不要な偏光軸の光をより
多く吸収し、偏光選択性が高いことを意味するが、集光
手段に近接する位置では、読み出し光の照射密度が低い
ため、そもそも焼き付けが起こりにくい。そのため、光
の照射密度が低い位置には不要光をより多く吸収する偏
光板を配置すれば、各偏光板での焼き付けを効果的に回
避できる。

【００２４】請求項３に記載の本発明の投射型表示装置
の特徴は、請求項１に記載の投射型表示装置において、
前記第１の偏光選択手段が偏光ビームスプリッタであ
り、前記第２の偏光選択手段が吸収型の偏光板であり、
前記偏光ビームスプリッタの反射軸透過率が前記第２の
偏光手段である該偏光板の吸収軸透過率より低いことで
ある。

【００２５】上記請求項３の特徴によれば、第一の偏光
選択手段として偏光ビームスプリッタを用いているが、
この偏光ビームスプリッタは上述する吸収型偏光板等と
は異なり、多層膜による干渉作用を利用して不要な偏光
軸の光の透過を阻止する偏光選択手段である。よって、
吸収型の偏光板と異なり焼き付きの問題が少ない。

【００２６】また、偏光ビームスプリッタの反射軸透過
率が低いとは、不要な波面の偏光をより阻止し易く、偏
光選択性が高いことを意味する。よって、前記偏光ビー
ムスプリッタの反射軸透過率を前記第２の偏光手段であ
る該偏光板の吸収軸透過率より低くすれば、不要な偏光
軸の光の多くを偏光ビームスプリッタで阻止できるた
め、他の偏光選択手段の焼き付きの問題を回避できる。

【００２７】一方、第２の偏光選択手段を、高いコント
ラストを得るために光変調層と平行に配置すると、第２
の偏光選択手段に対しては読み出し光が斜めから入射さ
れることとなる。吸収型の偏光板は、多層膜による干渉
作用を利用した偏光ビームスプリッタに較べ斜めから入
射する光に対しての偏光選択性が高い。そこで、第２の
偏光選択手段については吸収型偏光板を用いることによ
り光変調層を介して得られる画像については高いコント
ラスト比を確保できる。

【００２８】

【発明の実施の形態】（第１の実施の形態）図１は、第
１の実施の形態に係る液晶表示装置の構成図である。以
下、図１を参照しながら第１の実施の形態について説明
する。

【００２９】第１の実施の形態に係る投射型液晶表示装
置も図３に示した従来の液晶表示と同様にカップリング
プリズム６、ホログラムカラーフィルタ７、液晶層８と
アクティブマトリクス基板９を備えた空間光変調素子を
有する。

【００３０】また、読み出し光の照明光学系も従来と同
様に、光源１と、不定偏光中のＰ偏光をＳ偏光に変換し
て、全体としてＳ偏光を主とする偏光に揃える偏光変換
手段２と、読み出し光を一定領域の空間光変調素子に集
光照射するレンズ３と、偏光選択手段４Ａ、５とを備え
ている。

【００３１】但し、本実施の形態における投射型液晶表
示装置は、従来の場合と異なり複数の偏光選択手段、例
えばここに示すように２枚の偏光板を有している。この
ように、本実施の形態における投射型液晶表示装置にお
いては、従来１枚のみ使用していた偏光板を２枚に増や
すことにより、各偏光板で吸収すべき不要な偏光軸の光
を分散して吸収させることができる。即ち、各偏光板の
吸収による熱負担を軽減し、偏光板の焼き付けを防止で
きる。

【００３２】また、この２枚の偏光板を光源側から第１
偏光選択手段、第２偏光選択手段とする場合において、
光源近くに配置する偏光板４Ａ（第１偏光選択手段）
は、偏光板５（第２偏光選択手段）より偏光選択性の高
いものを用い、偏光板５（第２偏光選択手段）は、偏光
板４Ａ（第１偏光選択手段）より偏光選択性が低い偏光
板を用いる。即ち偏光板５（第２偏光選択手段）として
は、吸収軸の偏光光をあまり吸収しない吸収軸透過率が
高いものを選択する。

【００３３】図１に示すように、光源１から発せられる
読み出し光はレンズ３によって集光されるため、レンズ
３に近い程読み出し光の照射密度が小さく吸収による偏
光板の焼き付けが起こりにくい。このため、焼き付けが
起こりにくい照射密度の小さい領域でより多くの不要光
を吸収しようとするものである。

【００３４】一方、光変調層に入る読み出し光の最終的
な偏光状態を調整する偏光板５（第２偏光選択手段）
は、光変調層の面に平行となるように配置する。本願出
願人等の知見によれば、偏光板を光変調層である液晶層
の面に対し平行になるように設置した場合において、光
変調層を介して得られる画像について十分なコントラス
ト比を得られるからである。

【００３５】なお、偏光板４Ａ（第１偏光選択手段）に
ついては光変調層面に対し平行となるように傾けると、
偏光板上の照射密度の違いから照射密度が高い部分では
焼き付きが起こり易くなるので、専ら焼き付けが起こら
ない範囲で不要波面の光を多く吸収することを目的とし
て可能な範囲で傾ける。即ち、この傾斜角θ１を、焼け
が生じない範囲で傾斜させるものとする。この角度θ１
は偏光板に入射する光量と偏光板の耐熱性により定めら
れる。

【００３６】上述の例では、偏光選択手段として２枚の
偏光板を用いているが、偏光板の数をさらに増やせば、
さらに各偏光板の熱負担を軽減できる。但し、むやみに
増やせば、コスト負担の増大、装置構成の複雑化、組立
工程の負担をもたらすこととなる。

【００３７】（第２の実施の形態）図２は、第２の実施
の形態に係る液晶表示装置の構成図である。以下、図２
を参照しながら第２の実施の形態について説明する。

【００３８】第２の実施の形態に係る投射型液晶表示装
置も第１の実施の形態と同様に、読み出し光の照明光学
系中に偏光変換手段とは別に２枚の偏光選択手段を備え
ている。第１の実施の形態においてはいずれの偏光選択
手段も吸収型の偏光板を用いているが、第２に実施の形
態においては、第１偏光選択手段として板状の偏光ビー
ムスプリッタ（ＰＢＳ）４Ｂを用い、第２偏光選択手段
として第１の実施の形態と同様に吸収型の偏光板５を用
いている点が特徴である。なお、これ以外の空間光変調
素子および投射光学系の構成は第１の実施の形態におけ
る液晶表示装置と共通する。

【００３９】ＰＢＳ４Ｂは、上述する吸収型の偏光板と
同様にＳ偏光もしくはＰ偏光のいずれかを選択的に透過
する機能を有するものであるが、吸収型の偏光板と違っ
て一般に誘電体多層膜で構成されており、不要な偏光軸
の光を選択的に反射する性質を有する。このため、吸収
型の偏光板と異なり吸収による焼き付けがほとんど問題
とならない。しかし、その一方で偏光選択特性は、読み
出し光の入射角に依存し易く、斜めから入射する光に対
しては良好な偏光選択性を発揮できない。

【００４０】そこで、第２の実施の形態における液晶表
示装置では、上述する偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）
の特徴を考慮し、光源１に近接して配置する第１偏光選
択手段としてはＰＢＳ４Ｂを用い、焼き付けの問題と切
り離して多くの不要な波面の偏光をまずここでカットす
る。

【００４１】一方、光変調層に入る読み出し光の最終的
な偏光状態を調整する第２偏光選択手段としては、光変
調層の面に平行となるように偏光選択手段を配置する必
要がある。即ち、読み出し光の光軸に対して偏光選択手
段の面は大きく傾斜させる必要がある。よって、偏光選
択性の傾斜依存性が偏光ビームスプリッタより少ない吸
収型の偏光板を第２偏光選択手段として用いることによ
り良好な選択特性が得られる。

【００４２】偏光板５（第２偏光選択手段）は、すでに
偏光ビームスプリッタ（第１偏光選択手段）によって不
要な波面の偏光の多くがカットされているので、当該偏
光板５の吸収による焼き付けの問題は回避できる。

【００４３】例えば、本願発明者等の実験によれば、偏
光板５として吸収軸透過率が５３．３％、透過軸透過率
が９５．１％の吸収型の偏光板を用いた場合、これを図
４に示す従来のように光変調層に平行に一枚のみ配置す
ると、偏光板表面温度は７５℃に達して焼き付けの虞が
ある。しかし、本実施の形態に示すように、光源に近接
する位置に第１偏光選択手段として読み出し光の光軸に
対し面が約３０度の傾斜になるように偏光ビームスプリ
ッタ４Ｂを配置し、第２偏光選択手段として上記特性を
有する偏光板５を選択すると、該偏光板５の表面温度は
４３℃にまで低下し、焼き付けの問題が回避できること
を確認した。

【００４４】また、偏光選択手段として偏光ビームスプ
リッタのみを用いた場合であって、その面を読み出し光
の光軸に対し３０度傾斜させて使用した場合、液晶層を
射出する画像のコントラストは３５０対１であるのに対
し、第２の実施の形態に示すように、第１偏光選択手段
として偏光ビームスプリッタ４Ｂを用い、第２偏光選択
手段として上記特性を有する偏光板を組み合わせて用い
た場合は、液晶層を射出する画像のコントラストを５０
０対１にまで向上させることができることを確認した。
尚、偏光ビームスプリッタとして、板状のＰＢＳのみな
らずプリズム形状のものを用いてもよい。

【００４５】

【発明の効果】このように、本発明の投射型液晶表示装
置においては、従来１枚のみ使用していた偏光選択手段
を複数にすることにより、各偏光選択手段で吸収すべき
不要な偏光軸の光を分散して吸収させることができる。
即ち、各偏光手段の吸収による焼き付きの問題を回避で
きる。

【００４６】また、光変調層に近接して配置する偏光選
択手段については、光変調層の面に平行に設置するた
め、光変調層を介して得られる画像について十分なコン
トラスト比を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施の形態に係る投射型液晶表示装置の
概略構成を示す構成図である。

【図２】第２の実施の形態に係る投射型液晶表示装置の
概略構成を示す構成図である。

【図３】従来のホログラムフィルターを用いた空間光変
調素子の構成を示す図である。

【図４】従来の一般的な投射型液晶表示装置の概略構成
を示す構成図である。

【図５】吸収型偏光板による偏光状態の変化の様子を示
す図である。

【図６】本願発明者等による投射型液晶表示装置の概略
構成を示す構成図である。

【符号の説明】

１ 光源 ２ 偏光変換手段 ３ レンズ ４Ａ、４Ｂ、５ 偏光選択手段 ６ カップリングプリズム ７ ホログラムフィルタ ８ 液晶層 ９ アクティブマトリクス基板 １０ 射出側偏光板 １１ 投射レンズ １２ スクリーン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ Ｇ０２Ｆ 1/13357 Ｇ０３Ｂ 21/00 Ｄ Ｇ０３Ｂ 21/00 Ｇ０２Ｆ 1/1335 ５３０

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ホログラムカラーフィルタ、光変調層お
   よび画素電極を少なくとも有する空間光変調素子と、 前記空間光変調素子への入射光を生成および調整する読
   み出し光の照明光学系と、 前記空間光変調素子からの射出光をスクリーン面に投影
   する投射光の照明光学系とを有する投射型表示装置にお
   いて、 前記読み出し光の照明光学系が、 光源と、 前記光源より射出された不定偏光から主に所定一方向の
   波面を有する偏光を取り出す偏光変換手段と、 前記光源から直接もしくは前記偏光変換手段を介して射
   出される光を前記空間光変調素子の所定領域に集光照射
   する集光手段と、 前記集光手段と前記空間光変調素子との間の光路中に配
   置され、該所定一方向の波面を有する偏光を選択的に透
   過する複数の偏光選択手段とを有しており、 前記複数の偏光選択手段は、少なくとも前記集光手段に
   近接して配置される第１の偏光選択手段と、前記空間光
   変調素子に近接して光変調層面に略平行に配置される第
   ２の偏光選択手段とを有することを特徴とする投射型表
   示装置。
2. 【請求項２】 前記第１の偏光選択手段と前記第２の偏
   光選択手段のいずれもが吸収型の偏光板であり、 前記第１の偏光選択手段である一の偏光板は、吸収軸透
   過率が前記第２の偏光手段である他の偏光板より低いこ
   とを特徴とする請求項１に記載の投射型表示装置。
3. 【請求項３】 前記第１の偏光選択手段が偏光ビームス
   プリッタであり、前記第２の偏光選択手段が吸収型の偏
   光板であり、 前記偏光ビームスプリッタは、反射軸透過率が前記第２
   の偏光手段である該偏光板の吸収軸透過率より低いこと
   を特徴とする請求項１に記載の投射型表示装置。