JP4043294B2 - 液晶プロジェクタ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶パネルの映像を拡大投影する液晶プロジェクタに関し、より詳しくは、偏光変換素子の構造の改良に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
液晶プロジェクタは、ランプの光源を使用して液晶パネルの映像を拡大投影する機能を有する。この液晶プロジェクタに関しては、液晶パネルの進歩、ランプや光学技術の進歩に伴い、近時は明るい部屋でも大画面が楽しめる高輝度タイプが登場しているが、その一方で各光学素子に対する光量増加による熱負荷が増加している。このように熱負荷が増加すると、液晶パネル、入出射偏光板、偏光変換素子の位相差フィルムとその貼着用粘着剤が有機物からなり、光学系の中でも特に熱負荷に弱い関係上、問題が生じるので、冷却が必要となる。
【0003】
そこで、液晶パネルや入出射偏光板に関し、特開平11−231277号、特開2001−75070号、特開平9−113906号公報は、熱伝導率の高い伝熱透明基板を用いて冷却効率を高める技術を提案している。しかしながら、これらは、光の利用効率を高める偏光変換素子冷却については対応していない。
【0004】
高輝度プロジェクタには、光の利用効率向上のため、いずれもランプからのランダム光を同一の偏光軸に揃えて照明する偏光変換素子が用いられている。図4に示すような偏光変換素子4Bには、位相差フィルム44と位相差フィルム貼着用の接着剤とが一般的に使用されているが、位相差フィルム44は、80〜100℃の高温になると、フィルムの特性が劣化するという問題がある。このため、ファンによる強制空冷で温度上昇を抑制することが必要となる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、最近の液晶プロジェクタの流れである高輝度化や小型化に伴いランプの電力が増加しているので、偏光変換素子4Bの小型化に基づく光束の集中により、ファンによる強制空冷で温度上昇を抑制することには限界がある。そして温度スペック内に、位相差フィルム44の温度上昇を抑えることができない場合には、位相差フィルム44の変色、焼け、偏光変換素子の低下による入射偏光板への温度上昇等が発生し、製品全体の信頼性低下を招くこととなる。また、冷却効果を高めるためにファンの回転数を上昇させると、それに伴いファンのモータ音や風切り音が大きくなり、結果として製品全体の騒音値が大きくなり、品位の低下を招くこととなる。
【0006】
これらの問題を解消するため、特開2001−318359号公報は、放熱性の高いサファイアガラスを使用して偏光変換素子4Bを構成する技術を提案している。また、特開2001−6281号公報は、偏光変換素子4Bの位相差フィルム44の出射側に、放熱手段としてサファイアガラス等の伝熱透明基材を配置する技術を提案している。
【0007】
しかしながら、特開2001−318359号の技術の場合には、偏光変換素子4Bの全部をサファイアガラスにすると、サファイアガラスに光のP波透過、S波反射させる誘電体膜42と全反射膜43を積層しなければならない。加えて、高硬度のサファイアガラスの切断・研磨に伴うトータルコストの上昇を招き、製品化に支障を来すという問題がある。
【0008】
また、偏光変換素子4Bの全体が同一基材からなるサファイアガラスなので、偏光変換素子4Bによる透過のP波、反射のS波の光路差が必然的に発生し、液晶パネルへの結像光線のズレが発生する。現状においては、そのズレを最小にするため、透過のP波と反射のS波の光路差を平均化するようにコンデンサレンズを光学設計するのが一般的である。
しかし、根本的には、偏光変換素子4BによるP波とS波の光路差による液晶パネル結像の重ね合わせのズレが残るので、結果的に色ムラ等のスクリーン品位が低下することとなる。
【0009】
さらに、特開2001−6281号公報の技術の場合には、サファイアガラス等の伝熱透明基材を追加配置しなければならないので、透過ロスが発生し、結果としてスクリーン輝度が低下するという問題がある。
【0010】
本発明は、上記に鑑みなされたもので、トータルコストの上昇を抑制して製品化に資することができ、液晶パネルに対する結像光線のズレの発生や色ムラ等のスクリーン品位が低下するのを抑制防止し、しかも、スクリーン輝度が低下するのを防ぐことのできる液晶プロジェクタを提供することを目的としている。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明においては上記課題を解決するため、白色光を発生させる光源と、複数の矩形レンズからなる第一のレンズアレイと、第一のレンズアレイの各レンズセルに対応する複数の矩形レンズからなる第二のレンズアレイと、光源からの光の偏光方向を一つに揃える偏光変換素子と、この偏光変換素子から出射した一方向の偏光光を変調する液晶パネルと、変調された光を液晶パネルにより投影する投射レンズとを含んでなるものであって、
偏光変換素子を、熱伝導率の異なる二種類の透明基材を交互に配列することにより構成して、熱伝導率が高い方の透明基材を熱伝導率が40〜45W/(m・K)のサファイアガラスあるいは熱伝導率が5〜10W/(m・K)の水晶ガラスとし、前記偏光変換素子の光出射面のうち、前記熱伝導率が高い方の透明基材の部分のみに位相差フィルムを設け、
熱伝導率が低い方の透明基材の前記熱伝導率が高い方の透明基材と対向する二つの側部のうち、一側部には、光のP波を透過させ、S波を反射させる誘電体膜を積層し、他側部には、全反射膜あるいは誘電体膜を積層したことを特徴としている。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態を説明すると、本実施形態における液晶プロジェクタは、図1ないし図3に示すように、白色光を発生させる白色光源1と、複数の矩形レンズからなる第一のレンズアレイ2と、第一のレンズアレイ2の各レンズセルに対応する複数の矩形レンズからなる第二のレンズアレイ3と、白色光源1からの光の偏光方向を一つに揃える偏光変換素子4と、この偏光変換素子4から出射した一方向の偏光光を変調する液晶パネル7と、変調された光を液晶パネル7により投影する投射レンズ10とを備える。
【0015】
図中、1は白色光源であり、この白色光源1は、液晶パネル7に均一な照明をするために複数のレンズを有する第一のレンズアレイ2と、第一のレンズアレイ2の各レンズセルに対応するセル数で光源のアーク像を二次光源像として結像する複数の矩形レンズからなる第二のレンズアレイ3と、白色光源1からの光利用効率向上のために光の偏光方向を一つに揃える偏光変換素子4とが配置される。また、第二のレンズアレイ3、第一、第二のコンデンサレンズ5・6により、第一のレンズアレイ2上の各セルが液晶パネル7に結像するよう光学設計・配置される。
【0016】
第一、第二のコンデンサレンズ5・6を透過した光は、複数のダイクロイックミラーユニット8により赤、緑、青に色彩分離され、各液晶パネル7に入射する。各液晶パネル7を透過した光は、クロスプリズム9で色彩合成され、投射レンズ10によりスクリーン11に拡大投影される。
【0017】
次に、第二のレンズアレイ3と偏光変換素子4の拡大図を図2に示す。同図における偏光変換素子4は、異なる二種類の透明基材40・41が交互に配列することにより構成される。第二のレンズアレイ3を透過したランダム光(PS波)は、誘電体膜42によりP波が透過し、S波が反射され、全反射膜43によりP波と同一方向に反射される。
なお、本実施形態では全反射膜43を示すが、この全反射膜43の代わりに誘電体膜42を使用しても良い(以下、同じ)。
【0018】
反射されたS波は、位相差フィルム44によりP波に回転され、P波と同一の偏光として偏光変換素子4を出射する。
なお、図2ではP波で偏光変換素子4を出射した場合を説明するが、S波で偏光変換素子4を出射する場合には、誘電体膜42を透過したP波を位相差フィルム44で回転、誘電体膜42で反射されたS波は、全反射膜43により反射され、S波のまま偏光変換素子4を出射する。
【0019】
ここで、位相差フィルム44の温度上昇を抑制するため、位相差フィルム44を貼着した透明基材40側に、熱伝導率が40〜45W/Mkのサファイアガラス、あるいは熱伝導率が5〜10W/Mkの水晶ガラスを用いる。このような構成により、偏光変換素子4の冷却効率が向上して位相差フィルム44の性能劣化が低減するので、製品の長寿命化を図ることができ、しかも、ファンの騒音の小さい液晶プロジェクタを得ることができる。
【0020】
また、コストメリットを向上させるため、サファイアガラスあるいは水晶ガラスではない低熱伝導率を有する透明基材41の一側部に誘電体膜42を積層し、透明基材41の他側部に、全反射膜43又は誘電体膜42を積層する。この構成と、コスト的に高価なサファイアガラスあるいは水晶ガラスを偏光変換素子4の約半分にすることにより、偏光変換素子4の全部をサファイアガラスにした特開2001−318359号公報の場合と比べ、トータルコストを著しく抑制することができる。
【0021】
また、特開2001−318359号公報の場合、偏光変換素子4全体がサファイアガラスなので、偏光変換素子4による透過のP波と反射のS波の光路差が必然的に発生し、これにより液晶パネル7に対する結像光線のズレが発生した。
これに対し、本実施形態によれば、二種類の異なる透明基材40・41で偏光変換素子4を構成することにより、透明基材40・41の屈折率の差が偏光変換素子4によるP波とS波の光路差を小さくすることが可能になる。また、その後のコンデンサレンズの光学設計も無理なく実施でき、液晶パネル7結像の重ね合わせが良好になり、結果的に色ムラ等のスクリーン品位が大幅に向上する。
【0022】
以下、これを第2の実施形態として図3に基づき説明する。同図の偏光変換素子4Aは、異なる二種類の屈折率を有する透明基材40A・41Aが交互に配列されることにより構成される。第二のレンズアレイ3を通過したランダム光(PS波)は、誘電体膜42によりP波が透過し、S波が反射して全反射膜43によりP波と同一方向に反射する。反射したS波は、位相差フィルム44によりP波に回転され、上記P波と同一の偏光として偏光変換素子4Aを出射する。
なお、図3ではP波で偏光変換素子4Aを出射した場合を説明するが、S波で偏光変換素子4Aを出射する場合には、誘電体膜42を透過したP波を位相差フィルム44で回転、誘電体膜42で反射されたS波は、全反射膜43により反射され、S波のまま偏光変換素子4Aを出射する。
【0023】
ここで、偏光変換素子4Aを構成する二種類の透明基材40A・41A中、高屈折率を有する一種類の透明基材40Aの屈折率をn2、低屈折率を有する他種類の透明基材41Aの屈折率をn1としたとき、n1<n2の関係が成立し、かつ交互に位置する透明基材40A・41Aのピッチをdとすると、図3のP1、P2の光路長差は以下のようになる。
((3/n2)−(1/n1))×d/2 …式(1)
【0024】
次に、図4に単一の透明基材40Bによる従来の偏光変換素子4Bを示す。この透明基材40Bの屈折率をn1とすると、P1´、P2´の光路長差は以下のようになる。
d/n1 …式(2)
【0025】
式(2)から式(1)を減算すると、以下のようになる。
((1/n1)−(1/n2))×3×d/2 …式(3)
n1<n2の関係により、
((1/n1)−(1/n2))×3×d/2>0 …式(4)
と常に正となり、本発明の光路長差が小さくなっていることを示している。
【0026】
以下、具体的な実施例を用いて説明すると、透明基材40A・41Aのピッチdを3.5mm、透明基材40Aにサファイアガラス、透明基材41BにBK7ガラスをそれぞれ使用した場合、透明基材40Aの屈折率n2=1.8、透明基材41Aの屈折率n1=1.5となり、P1´、P2´の光路長差は式(1)により約1.75mmとなる。
これに対して一般的なBK7ガラスを使用した従来の均一の透明基材40Bの場合、P1´、P2´の光路長差は式(2)により約2.33mmとなる。
【0027】
本実施例によれば、従来の比較例に比べ、約25%のP波、S波の光路長差を低減することができる。これにより、P波、S波に分離されたそれぞれの光路長差が小さくなり、その後のコンデンサレンズの光学設計も無理なく実施することができる。また、偏光変換による液晶パネル7に対する結像光線のズレが小さくなり、結像の重ね合わせが良好になり、スクリーン品位の向上が大いに期待できる。
【0028】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、白色光を発生させる光源と、複数の矩形レンズからなる第一のレンズアレイと、第一のレンズアレイの各レンズセルに対応する複数の矩形レンズからなる第二のレンズアレイと、光源からの光の偏光方向を一つに揃える偏光変換素子と、この偏光変換素子から出射した一方向の偏光光を変調する液晶パネルと、変調された光を液晶パネルにより投影する投射レンズとを含み、偏光変換素子を、熱伝導率の異なる二種類の透明基材を交互に配列することにより構成して、熱伝導率が高い方の透明基材を熱伝導率が40〜45W/(m・K)のサファイアガラスあるいは熱伝導率が5〜10W/(m・K)の水晶ガラスとし、前記偏光変換素子の光出射面のうち、前記熱伝導率が高い方の透明基材の部分のみに位相差フィルムを設け、熱伝導率が低い方の透明基材の前記熱伝導率が高い方の透明基材と対向する二つの側部のうち、一側部には、光のP波を透過させ、S波を反射させる誘電体膜を積層し、他側部には、全反射膜あるいは誘電体膜を積層しているので、トータルコストの上昇を抑制して製品化に資することができ、液晶パネルに対する結像光線のズレの発生や色ムラ等のスクリーン品位が低下するのを抑制防止し、しかも、スクリーン輝度が低下するのを防ぐことができるという効果がある。
【0029】
具体的には、冷却効率が向上し、位相差フィルムの性能劣化を低減することができるので、製品の長寿命化を図ることができ、ファン騒音の小さいプロジェクタを得ることができる。また、コスト的に高価なサファイアガラス、水晶ガラスを全部ではなく、必要個所に部分的に採用するので、コストの上昇を抑制防止することが可能になる。さらに、異なる二種類の屈折率を有する透明基材を交互に配列して偏光変換素子を構成し、二種類の透明基材の屈折率差により光路長を補正するので、液晶パネルに対する結像光線のズレが小さくなって結像の重ね合わせが良好となり、スクリーンの品位が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る液晶プロジェクタの実施形態における光学系配置の構成図である。
【図2】本発明に係る液晶プロジェクタの実施形態における偏光変換素子等を示す構成図である。
【図3】本発明に係る液晶プロジェクタの第2の実施形態における偏光変換素子等を示す構成図である。
【図4】従来の液晶プロジェクタにおける偏光変換素子等を示す構成図である。
【符号の説明】
1 白色光源(光源)
2 第一のレンズアレイ
3 第二のレンズアレイ
4 偏光変換素子
4A 偏光変換素子
7 液晶パネル
10 投射レンズ
40 透明基材
40A 透明基材
41 透明基材
41A 透明基材
42 誘電体膜(膜)
43 全反射膜(膜)
44 位相差フィルム
Claims (1)
- 白色光を発生させる光源と、複数の矩形レンズからなる第一のレンズアレイと、第一のレンズアレイの各レンズセルに対応する複数の矩形レンズからなる第二のレンズアレイと、光源からの光の偏光方向を一つに揃える偏光変換素子と、この偏光変換素子から出射した一方向の偏光光を変調する液晶パネルと、変調された光を液晶パネルにより投影する投射レンズとを含んでなる液晶プロジェクタであって、
偏光変換素子を、熱伝導率の異なる二種類の透明基材を交互に配列することにより構成して、熱伝導率が高い方の透明基材を熱伝導率が40〜45W/(m・K)のサファイアガラスあるいは熱伝導率が5〜10W/(m・K)の水晶ガラスとし、前記偏光変換素子の光出射面のうち、前記熱伝導率が高い方の透明基材の部分のみに位相差フィルムを設け、
熱伝導率が低い方の透明基材の前記熱伝導率が高い方の透明基材と対向する二つの側部のうち、一側部には、光のP波を透過させ、S波を反射させる誘電体膜を積層し、他側部には、全反射膜あるいは誘電体膜を積層したことを特徴とする液晶プロジェクタ。
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