JP4165167B2

JP4165167B2 - Illumination device and projection display device

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Publication number: JP4165167B2
Application number: JP2002283627A
Authority: JP
Inventors: 豊土屋; 秀文坂田
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2002-09-27
Filing date: 2002-09-27
Publication date: 2008-10-15
Anticipated expiration: 2022-09-27
Also published as: JP2004118040A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、照明装置およびこの照明装置を備えた投射型表示装置に関し、特に、この照明装置の光量調整用として好適な調光素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、情報機器の発達はめざましく、解像度が高く、低消費電力でかつ薄型の表示装置の要求が高まり、研究開発が進められている。中でも液晶表示装置は液晶分子の配列を電気的に制御して、光学的特性を変化させることができ、上記のニーズに対応できる表示装置として期待されている。このような液晶表示装置の一形態として、照明装置から出射された光を液晶ライトバルブで変調した後、スクリーン上に拡大投射する投射型液晶表示装置（液晶プロジェクタ）が知られている。
【０００３】
投射型液晶表示装置は光変調手段として液晶ライトバルブを用いたものであるが、投射型表示装置には、液晶ライトバルブの他、デジタルミラーデバイス（Digital Mirror Device, 以下、ＤＭＤと略記する）を光変調手段としたものも実用化されている。ところが、従来の投射型表示装置は以下のような問題点を有している。
（１）光学系を構成する様々な光学要素で生じる光漏れや迷光のため、充分なコントラストが得られない。つまり、表示できる明るさの範囲（ダイナミックレンジ）が狭く、陰極線管（Cathode Ray Tube, 以下、ＣＲＴと略記する）を用いた既存の映像モニタと比較すると、映像品質の点で劣ってしまう。
（２）各種の映像信号処理により映像の品質向上を図ろうとしても、ダイナミックレンジが固定されているために、充分な効果を発揮することができない。
【０００４】
このような投射型表示装置の問題点に対する解決策、つまりダイナミックレンジを拡大する方法としては、映像信号に応じて光変調手段（ライトバルブ）に入射させる光量を変化させることが考えられる。この際、高圧水銀ランプ等からなる光源自体の光出力を制御するのは極めて困難であるため、光源とライトバルブとの間に、光の透過量を調整可能な調光素子を配置する方法が提案されている。この種の調光素子として、一対の透明基板間に液晶を挟持した液晶セルを用い、液晶への印加電圧の調整により液晶セルの光透過率を制御するものが提案されている（例えば、特許文献１〜５参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平２−７３２２５号公報
【特許文献２】
特開平４−２５５８３９号公報
【特許文献３】
特開平９−１１６８４０号公報
【特許文献４】
特開平９−１８９８９３号公報
【特許文献５】
特開２００１−８６４２９号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の調光素子用液晶セルにおいては、一対の基板間に挟持した液晶層の液晶分子を配向させる手段として、各基板の内面にポリイミド等の有機材料膜にラビング処理等の配向処理を施した配向膜を用いるのが一般的であった。しかしながら、この調光素子を投射型表示装置に用いた場合、光源から射出される光の強度が極めて高い場合には、ポリイミド等の有機材料膜からなる配向膜では耐光性が不足することがあり、調光素子の信頼性が充分に確保できないという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであって、信頼性が充分に高い調光素子を備えた照明装置と、この照明装置を備え、映像品質に優れた投射型表示装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の照明装置は、光変調装置を照明するための照明装置であって、光源と、前記光源と前記光変調装置との間に配置され、互いに対向する面側に液晶分子を配向可能な凹凸を有する無機材料からなる配向層が設けられた一対の基板間に液晶が挟持されてなる調光素子とを有することを特徴とする。前記配向層のより具体的な構成としては、例えば液晶分子を配向可能な凹凸が平面視ストライプ状に形成され、そのストライプのピッチが１μｍ以下であるものが用いられる。
【０００９】
上記本発明の照明装置においても、被照明領域を照明する光量を調整する手段として、従来の投射型表示装置に用いられたものと同様、一対の基板間に液晶が挟持された調光素子、すなわち液晶セルからなる調光素子が用いられる。ところが、本発明における調光素子が従来のものと異なる点は、従来の場合、有機材料膜からなる配向層が用いられていたのに対し、本発明の場合、液晶分子を配向可能な凹凸を有する無機材料からなる配向層が用いられている点である。ここで言う無機材料とは、例えばアルミニウム、銀等の金属、あるいはインジウム錫酸化物（Indium Tin Oxide, 以下、ＩＴＯと略記する）等の透明導電性材料等を含んでいる。一般に、これらの無機材料はポリイミド等の有機材料に比べて耐光性が高いため、高輝度の光を射出する投射型表示装置用の照明装置に用いた場合でも、調光素子の信頼性を従来に比べて向上することができる。
【００１０】
上述したように、前記無機材料としては、アルミニウム、銀等の光反射性を有する導電性材料、もしくはＩＴＯ等の透明導電性材料を用いることができる。
光反射性導電性材料を用いた場合、ストライプのピッチを可視光の波長よりも小さくすることが望ましい。その場合、この配向層は液晶分子を所定の方向に配向させる機能のみならず、反射型偏光子としての機能も合わせ持つことになる。この種の構造体は、入射する光の偏光方向により有効屈折率が異なるものであり、構造複屈折体と呼ばれる。すなわち、入射する可視光の波長よりも小さいピッチで、異なる屈折率を有する２種類の媒質（本発明の場合、配向層を構成する無機材料と液晶がこれに相当する）をストライプ状に交互に配列した場合、この構造複屈折体に入射した光の偏光方向により有効屈折率が異なる。例えば、アルミニウムの屈折率は液晶の屈折率よりも大きいので、その場合、ストライプの延在方向に対して平行方向に振動する偏光についての有効屈折率がストライプの延在方向に対して垂直方向に振動する偏光についての有効屈折率よりも大きくなる。その結果、この構造複屈折体は、ストライプの延在方向に対して垂直方向に振動する偏光を透過する一方、ストライプの延在方向に対して平行方向に振動する偏光を反射する。このようにして、構造複屈折体は反射型偏光子として機能する。
【００１１】
配向層に光反射性導電性材料を用いた場合、光源側に位置する入射側の基板から反射型偏光子をなす配向層に対して光が入射されると、一方向に振動する偏光のみが配向層を透過して液晶層に入射される。入射側基板と射出側基板のそれぞれの配向層のストライプ方向を適宜設定しておけば、液晶層では電界無印加状態と電界印加状態とで液晶分子の配向状態を切り替えられるので、それによって射出側基板に設けられた配向層のストライプの方向、つまり透過軸の方向に応じて液晶層を透過してきた光が射出側基板から射出される光量を調節することができる。
【００１２】
さらに本構成では、配向層が反射型偏光子として機能するため、上記の方向と直交する方向に振動する偏光は入射側基板の配向層で反射され、光源側に戻る。光源側に戻った偏光は光源で再度反射され、調光素子側に向かうので、光源と調光素子との間を何度も行き来する。ところが、最初に配向層で反射された偏光は、何度も反射を繰り返すうちに偏光解消が生じ、いつかは配向層を透過できるので、最終的には投射表示に寄与することができ、本構成は光の利用効率の高いものとなる。
【００１３】
また、本構成においては、配向層が反射型偏光子としても機能するので、偏光状態が揃った光が射出されて光変調装置に導入されるため、光変調装置が液晶ライトバルブのような偏光を利用する素子であっても、偏光変換素子は特に設けなくても良い。その一方、光源と調光素子との間、もしくは調光素子と光変調装置との間に偏光変換素子を設けても良い。
偏光変換素子を設けた構成によれば、偏光変換素子と配向層の双方で偏光変換を担うこととなるため、たとえ配向層の偏光消光比が不充分であっても、全体として偏光消光比を高めることができる。したがって、偏光変換素子を設けるか否かは、目的に応じて適宜選択すれば良い。すなわち、照明装置の小型化、低コスト化を重視するならば、偏光変換素子は設けない方が良いし、調光の度合や射出光の偏光度を高めることを重視するならば、調光素子の前段または後段に偏光変換素子を設けるのがよい。
【００１４】
一方、配向層を構成する無機材料として透明導電性材料を用いた場合は、反射性導電性材料を用いた場合と異なり、配向層が反射型偏光子として機能するわけではなく、液晶に対して配向規制力を付与するという通常の配向層の機能を奏するのみである。したがって、光源側の入射側基板から光が入射されると、電界無印加時、電界印加時のいずれかにおいて光は液晶層の持つ旋光性および複屈折性によって入射時の偏光状態とは異なった偏光状態となるか、あるいは入射時の偏光状態のままで射出側基板から射出される。すなわち、本構成の場合には、電界印加状態に応じて、光が射出側基板から射出された時点では光量自体は変化せず、偏光状態が変化することになる。ところが、光変調装置が液晶ライトバルブのような偏光を利用する素子である場合、光変調装置の前段に偏光子が備えられているので、この偏光子によって偏光の透過／非透過が選択され、結果的に光変調装置に入射される光量を調整することができる。
【００１５】
配向層の材料として透明導電性材料を用いた場合、上で述べた調光の原理から光源と調光素子との間に偏光変換素子を配置することが望ましい。調光素子の光変調装置側に偏光変換素子を配置したのでは、調光の程度に応じて調光素子によってわざわざ変化させた偏光状態が偏光変換素子によって揃ってしまい、光変調装置に入射される光量が調整できなくなってしまうからである。
【００１６】
本発明の照明装置において、調光素子と光変調装置との間に、調光素子から射出された光の照度分布を均一化するための照度均一化素子を設けても良い。
配向層として単に液晶分子を配向可能な凹凸を形成しただけでは、液晶分子は凹凸の方向に沿って並ぶだけであり、液晶の配向にプレティルトを付与することはできない。したがって、例えば液晶分子が基板面に平行に寝た状態から電圧印加により立ち上がろうとするとき、場所によっては液晶分子が逆方向から立ち上がる（リバースティルト）領域ができることで液晶分子の配向乱れ（ディスクリネーション）が生じ、照度分布にムラが生じることが考えられる。その場合、調光素子と光変調装置との間に照度均一化素子を設ければ、調光素子から射出された光の照度分布が均一化されるので、照度ムラの少ない照明光を得ることができる。
【００１７】
あるいは、前記凹凸に、液晶分子にプレティルトを付与するための鋸歯状凹凸をストライプの延在する方向に沿って形成しても良い。
この構成によれば、ディスクリネーションによる悪影響をさらに抑制することができるし、また、調光素子の駆動電圧を下げたり、応答時間を速くすることも可能である。
【００１８】
本発明の投射型表示装置は、前記本発明の照明装置と、前記照明装置からの光を変調する光変調装置と、前記光変調装置により変調された光を投射する投射光学系とを備えたことを特徴とする。
この構成によれば、前記本発明の照明装置を備えたことによって信頼性の高い調光素子を備え、映像品質に優れた投射型表示装置を実現することができる。また、射出光量を広い範囲で調節可能な照明装置を備えているため、例えば映像信号に基づく情報、投射拡大率に基づく方法、使用環境下における明るさの状況等の外部情報に基づいて照明光の光量を調整することで、ダイナミックレンジの広い映像表現力に優れた表示を得ることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
［第１の実施の形態］
以下、本発明の照明装置を含む投射型表示装置の第１の実施の形態について図１〜図５を用いて説明する。
本実施の形態は、光変調装置として液晶ライトバルブを用いた投射型液晶表示装置（液晶プロジェクタ）の例である。図１は本実施の形態の投射型表示装置の概略構成図、図２はこの投射型表示装置に用いる調光素子の構成を示す断面図、図３はこの調光素子の一方の基板の構成を示す斜視図、図４はこの調光素子の動作を説明するための模式図、図５は投射型表示装置の駆動、制御部を含むブロック図である。なお、以下の全ての図面においては、図面を見やすくするため、各構成要素の膜厚や寸法の比率などは適宜異ならせてある。
【００２０】
図１に示すように、本実施の形態の投射型表示装置は、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の異なる色毎に透過型液晶ライトバルブ２２〜２４を備えた３板式の投射型カラー液晶表示装置である。そして、光源２、偏光変換素子３、調光素子４、２枚のフライアイレンズ（照度均一化素子、インテグレータ）５，６を有する照明装置１と、ダイクロイックミラー１３，１４，反射ミラー１５〜１７，レンズ１８〜２０，液晶ライトバルブ２２〜２４，クロスダイクロイックプリズム２５，投射レンズ２６を有する投射光学系３０とを備えて構成されている。
【００２１】
光源２は、高圧水銀ランプあるいはメタルハライドランプ等のランプ７と、ランプ７の光を反射して前方に射出させるリフレクタ８とから構成されている。また、光源２の後段に偏光変換素子３が配置されている。偏光変換素子３は、光源２側に設けられた偏光ビームスプリッタアレイ（ＰＢＳアレイ）と、ＰＢＳアレイによって反射された偏光の偏光方向を変換する１／２波長板アレイとから構成されており（図示は省略）、光源光の光強度を損なうことなく光の偏光方向を一方向に揃えるようになっている。
【００２２】
調光素子４は、図２に示すように、一対の基板４１，４２間に液晶４３が挟持された液晶セルから構成されている。双方の基板４１，４２はともにガラス等の透明基板からなり、２枚の基板４１，４２と基板の周縁部に設けられたシール材４４とに囲まれた空間内に液晶４３が封入されている。各基板４１，４２の互いに対向する面には、凹凸を有する無機材料からなる配向層４５，４６が形成されている。本実施の形態の場合、配向層４５，４６は例えばＩＴＯ等の透明導電性材料で形成されており、図３に示すように、凹凸４６ａはストライプ状に形成され、ストライプのピッチが０．０５μｍ〜１μｍ程度となっている。ただし、下限値は現在のフォトリソグラフィー技術で実現可能な値を例示したものであり、この値より小さくても配向性には差し支えない。このように、配向層４５，４６のストライプのピッチが微細であるため、両基板４１，４２間に存在する液晶分子４３ｍは、形状配向作用によってストライプの延在する方向に液晶分子４３ｍの長軸が向くように配向する。ただし、このストライプ形状の場合、液晶分子４３ｍにプレティルトは付与されない。また、入射側基板４１（図２における上側の基板とする）と射出側基板４２（図２における下側の基板とする）とで配向層４５，４６のストライプの延在する方向が直交しており、電界無印加状態において、両基板４１，４２間の液晶４３は９０°ツイストした状態となっている。
【００２３】
また本実施の形態においては、透明導電性材料からなる配向層４５，４６を、液晶４３に対して配向規制力を付与する単なる配向層としてだけではなく、液晶４３に対して電界を印加するための電極としても機能させている。そのため、配向層４５，４６全体に対して一括して電圧を印加するべく、複数のＩＴＯの線状パターンがいずれかの個所で互いに電気的に接続されていることが望ましい。そして、後述の調光素子ドライバからの駆動信号により配向層４５，４６に電圧が印加されることにより透過率が調整され、光量調整された照明光を投射光学系３０に出力するようになっている。
【００２４】
なお、このような凹凸を有する配向層４５，４６を形成するには、透明基板上にスパッタ法等によりＩＴＯ等の透明導電膜を成膜した後、フォトリソグラフィー技術を用いて透明導電膜をストライプ状にパターニングすれば良い。あるいは、エッチングなどにより透明基板の表面にストライプ状の溝を形成した後、ＩＴＯ等の透明導電膜を成膜する方法でも良い。また、ここでは配向層４５，４６が電極を兼ねる例を示したが、配向層の下層側に電極を別途設けても良い。
【００２５】
また図１に示すように、調光素子４の後段には、光源光の照度分布を被照明領域である液晶ライトバルブ２２〜２４にて均一化させるための照度均一化素子として、光源２側から第１フライアイレンズ５、第２フライアイレンズ６が順次設置されている。各フライアイレンズ５，６は、アレイ状に配列された複数のレンズ９，１０から構成されている。そして、調光素子４から射出された光は、フライアイレンズ５，６によって被照明領域である液晶ライトバルブ２２〜２４において照度分布が均一化されるようになっている。以上が照明装置１の構成である。
【００２６】
ダイクロイックミラー１３，１４は、例えばガラス表面に誘電体多層膜を積層したものであって、所定の波長の色光を選択的に反射し、それ以外の波長の色光を透過するようになっている。すなわち、青色光・緑色光反射のダイクロイックミラー１３は、光源２からの光束のうちの赤色光ＬＲを透過させるとともに、青色光ＬＢと緑色光ＬＧとを反射するようになっている。また、緑色光反射のダイクロイックミラー１４は、ダイクロイックミラー１３で反射された青色光ＬＢと緑色光ＬＧのうち、青色光ＬＢを透過し緑色光ＬＧを反射するようになっている。
【００２７】
これにより、照明装置１から入射された光のうち、赤色光ＬＲはダイクロイックミラー１３を透過した後、反射ミラー１７で反射され、赤色光用ライトバルブ２２に入射される。緑色光ＬＧはダイクロイックミラー１４に反射されて緑色光用ライトバルブ２３に入射される。青色光ＬＢはダイクロイックミラー１４を透過した後、リレーレンズ１８、反射ミラー１５、リレーレンズ１９、反射ミラー１６、リレーレンズ２０からなるリレー系２１を経て、青色光用ライトバルブ２４に入射されるようになっている。
【００２８】
ライトバルブ２２〜２４は、例えばアクティブマトリクス型の透過型液晶セルとその入射側、射出側にそれぞれ設けられた偏光板５１，５２とから構成されている。そして、各ライトバルブ２２〜２４で変調された色光ＬＲ，ＬＧ，ＬＢは、クロスダイクロイックプリズム２５に入射されるようになっている。クロスダイクロイックプリズム２５は、直角プリズムが貼り合わされた構造となっており、その内面に赤色光ＬＲを反射するミラー面と青色光ＬＢを反射するミラー面とが十字状に形成されている。そして、三つの色光ＬＲ，ＬＧ，ＬＢがこれらのミラー面によって合成されてカラー画像を表わす光が形成された後、投射レンズ２６によりスクリーン２７上に拡大投射されるようになっている。
【００２９】
次に、本実施の形態の照明装置１における調光の原理について説明する。
液晶４３に電圧を印加していないとき（電界無印加状態）は、図４（Ａ）に示すように、光源２から射出された不定偏光の光Ｌ１が偏光変換素子３に入射されると、偏光状態が例えば図４（Ａ）の紙面に平行な方向の偏光Ｌ２に揃えられて射出される。次に、この偏光Ｌ２が調光素子４に入射されると、液晶４３の持つ旋光性により入射時とは９０°ねじれた方向の偏光Ｌ３に変換されて調光素子４から射出される。
【００３０】
一方、配向層４５，４６を通じて液晶４３に電圧を印加したとき（電界印加状態）は、図４（Ｂ）に示すように、電界印加により液晶分子４３ｍが基板面に垂直な方向に立ち上がるため、偏光変換素子３によって偏光状態が図４（Ｂ）の紙面に平行な方向に揃えられた偏光Ｌ２が調光素子４に入射されると、入射時の偏光方向のまま調光素子４から射出される。なお、図４（Ａ）、（Ｂ）では液晶分子４３ｍが基板面に対して平行な場合と垂直な場合の両極端の場合を示しているが、印加電圧の調整によってこの中間の状態をとり得ることは当然である。
【００３１】
すなわち、本実施の形態の構成においては、調光素子４の射出側に液晶装置で言う「検光子」の機能を持つ光学素子が備えられているわけではないので、調光素子４から光が射出された時点では光量自体は変化せず、偏光状態だけが変化することになる。ところが、被照明領域である液晶ライトバルブ２２〜２４の入射側に偏光板５１が備えられているので、この偏光板５１によって入射された偏光の透過の程度が選択され、結果的に液晶ライトバルブ２２〜２４に入射される光量を調整することができる。すなわち、極端に言えば、図４（Ａ）の電界無印加時に調光素子４から射出される偏光の方向に液晶ライトバルブ２２〜２４の入射側偏光板５１の透過軸を合わせておけば、この時に光透過率が１００％となり、この場合、図４（Ｂ）の電界印加時には光透過率が０％となる（ただし、実際に投射型表示装置に用いる場合には最大に調光をかけたときでも光透過率を０％とすることはない）。
【００３２】
液晶セルを用いた従来の調光素子では、ポリイミド等の有機材料膜からなる配向層が用いられていたのに対し、本実施の形態の調光素子４の場合、液晶分子４３ｍを配向可能な凹凸を有するＩＴＯ等の透明導電性材料からなる配向層４５，４６が用いられている。この種の材料はポリイミド等の有機材料に比べて耐光性が高いため、高輝度の光を射出する投射型表示装置用の照明装置として用いた場合に、光による劣化が少なく、従来に比べて高い信頼性を持つ調光素子を得ることができる。
【００３３】
本実施の形態では、調光素子４の射出側に照度均一化素子であるフライアイレンズ５，６が備えられており、たとえ調光素子４から射出される光に照度ムラがあったとしてもフライアイレンズ５，６の作用によって照度が均一化される。よって、逆に言えば、調光素子４にリバースティルトによる多少のディスクリネーションがあっても許されることになり、プレティルトが要らないことになる。このことからも、本実施の形態ではポリイミド配向膜を使う必然性がなく、高い信頼性を持つ調光素子を実現できる。
【００３４】
なお、本実施の形態では、液晶分子４３ｍにプレティルトを付与しない構成で説明したが、この構成に代えて、図７に示すように、配向層４６のストライプ状の凹凸４６ａに、液晶分子４３ｍにプレティルトを付与するための鋸歯状凹凸４６ｂをストライプの延在する方向に沿って形成しても良い。この構成を採れば、ディスクリネーションによる悪影響をさらに抑制することができ、また、調光素子４の駆動電圧を下げたり、応答時間を速くすることも可能である。
【００３５】
また、無機材料を用いた配向層としては、ＳｉＯ等を斜方蒸着して形成した配向膜が従来から知られている。しかしながら、本実施形態のＩＴＯ等の透明導電性材料からなる配向層４５，４６は、スパッタとフォトリソグラフィーにより形成することができるので、ＳｉＯ等の斜方蒸着膜からなる配向層よりも製造プロセスが簡単になり、量産性の高いものとすることができる。
【００３６】
次に、本実施の形態の投射型表示装置の駆動方法について簡単に説明する。
本実施の形態の投射型表示装置では、図５に示すように、映像信号に基づいて調光素子４を駆動することで照明装置１の光出力を制御するようになっており、デジタル信号処理ブロックであるＤＳＰ（１）〜ＤＳＰ（２）や、映像信号をＡＤ変換あるいはＤＡ変換するためのＡＤコンバータ３１，ＤＡコンバータ３７等の回路を備えている。なお、映像信号に基づいて調光素子４を駆動する方法の他、投射拡大率に基づいて調光する方法、使用環境下における明るさの状況等の外部情報に基づいて調光を行う方法を採用しても良い。
【００３７】
本実施の形態では、図５に示すように、アナログ信号として入力された映像信号がＡＤコンバータ３１を経て第１のデジタル信号処理回路であるＤＳＰ（１）３２（制御信号決定手段）に入力される。そして、このＤＳＰ（１）により、映像信号から調光素子４に印加する電圧値、即ち、調光素子４の透過率を決める明るさ制御信号が決定され、ＤＳＰ（２）３３に入力される。そして、このＤＳＰ（２）３３により、明るさ制御信号に基づいて調光素子ドライバ３４が制御され、最終的に、この調光素子ドライバ３４により調光素子４が駆動される。
一方、ＤＳＰ（１）３２に入力された映像信号は、ＤＡコンバータ３７により再びアナログ信号に変換された後、パネルドライバ３８に入力され、パネルドライバ３８から各ライトバルブ２２〜２４に各色毎の映像信号が供給される。
【００３８】
本実施の形態の投射型表示装置によれば、光源２と投射光学系３０との間に耐光性の高い調光素子４を配置して出力光を調整しているため、光源２の光出力強度が一定のままでも投射光学系３０に対して所望の光量の光を出力することができる。これにより、投射表示装置のダイナミックレンジを拡大でき、映像表現力に優れた投射表示装置を実現することができる。
【００３９】
［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態に係る照明装置について図６を用いて説明する。本実施の形態の照明装置の基本構成は第１の実施の形態とほぼ同様であり、調光素子内の配向素子の構成および材料が異なるのみである。したがって、調光素子の説明は再び図２、図３等を参照しながら行うこととし、第１の実施の形態と共通な部分の説明は省略する。
【００４０】
第１の実施の形態では、配向層４５，４６がＩＴＯ等の透明導電性材料で形成され、ストライプ状の凹凸のピッチが液晶分子を配向させるのに充分な０．０５μｍ〜１μｍ程度であった。ただし、下限値は現在のフォトリソグラフィー技術で実現可能な値を例示したものであり、この値より小さくても配向性には差し支えない。これに対して、本実施の形態では、図６に示す配向層６５，６６がアルミニウム、銀等の光反射性の高い導電性材料で形成されている。また、配向層６５，６６のストライプ状の凹凸の形状は第１の実施の形態と同じで良いが、ピッチは光源２から射出される可視光の波長よりも小さい寸法に形成されている。具体的には、例えば５０ｎｍ〜４００ｎｍ程度である。ただし、下限値は現在のフォトリソグラフィー技術で実現可能な値を例示したものであり、この値より小さくても配向性には差し支えない。本実施の形態の場合も、この配向層６５，６６を液晶駆動用の電極として機能させることができる。また、投射型表示装置の全体構成として第１の実施の形態と異なる点は、第１の実施の形態において光源と調光素子との間に配置した偏光変換素子を設けない点である。それ以外の構成は第１の実施の形態と同様である。なお、本構成の場合、腐食性の高いアルミニウム等が基板上に露出することになるため、例えばアルミニウムからなる配向層６５，６６の上層をＩＴＯで覆い、このＩＴＯを電極とする構成とすれば、アルミニウムの腐食を防止することができる。
【００４１】
本実施の形態の場合、配向層６５，６６の構成材料に光反射性の導電性材料を用い、しかもストライプのピッチを可視光の波長よりも小さくしたことにより、この配向層６５，６６は液晶分子を所定の方向に配向させる機能のみならず、反射型偏光子としての機能も合わせ持つことになる。すなわち、この配向層６５，６６は、ストライプの延在方向に対して垂直方向に振動する偏光を透過する一方、ストライプの延在方向に対して平行方向に振動する偏光を反射する。
【００４２】
ここで、本実施の形態の照明装置における調光の原理について図６を用いて説明する。
液晶４３に電圧を印加していないとき（電界無印加状態）は、図６（Ａ）に示すように、光源２から射出された不定偏光の光Ｌ１が調光素子６４に入射されると、ストライプの延在方向に垂直な偏光（図６（Ａ）の紙面に平行な方向の偏光）が入射側基板の配向層６５を透過する。そして、この偏光Ｌ２が、液晶４３を透過し終えた時点で液晶４３の持つ旋光性により入射時とは９０°ねじれた方向の偏光に変換される。このとき、射出側基板の配向層６６のストライプの延在方向は入射側の配向層６５のストライプの延在方向と直交しているので、液晶４３を透過した偏光は射出側基板の配向層６６を透過することができ、調光素子６４から射出される（Ｌ３）。
【００４３】
さらに本構成では、配向層６５が反射型偏光子として機能するため、光源２から射出された不定偏光Ｌ１のうち、ストライプの延在方向に平行な偏光（図６（Ａ）の紙面に垂直な方向の偏光）が入射側基板の配向層６５で反射される（Ｌ４）。入射側基板の配向層６５で反射され、光源２側に戻ったこの偏光Ｌ４は光源２の後側のリフレクタ８で再度反射され、調光素子６４側に向かうので、光源２と調光素子６４との間を何度も行き来するようになる。ところが、この偏光も何度も反射を繰り返すうちに偏光解消が生じ、いつかは配向層６５を透過することができる。このように、最初に配向層６５で反射された偏光も最終的には投射表示に寄与することができ、本構成は光の利用効率の高いものとなる。
【００４４】
一方、配向層６５，６６を通じて液晶４３に電圧を印加したとき（電界印加状態）は、図６（Ｂ）に示すように、電界印加により液晶分子４３ｍが基板面に垂直な方向に立ち上がるため、ストライプの延在方向に垂直な偏光（図６（Ｂ）の紙面に平行な方向の偏光）が入射側基板の配向層６５を透過して液晶４３に入射されると、入射時の偏光方向のまま射出側基板の配向層６６に到達する（Ｌ５）。ここで、射出側基板の配向層６６のストライプの延在方向は入射側の配向層６５のストライプの延在方向と直交しているので、偏光Ｌ５は射出側基板の配向層６６を透過することができず、調光素子６４から射出されない。さらに、この偏光Ｌ５は射出側基板の配向層６６で反射して入射側基板の偏光層６５を透過し（Ｌ６）、光源２側まで戻り、その後、上で述べたのと同様の作用で偏光解消が生じ、投射表示に寄与することができる。なお、図６（Ａ）、（Ｂ）では液晶分子４３ｍが基板面に対して平行な場合と垂直な場合の両極端の場合を示しているが、印加電圧の調整によってこの中間の状態をとり得ることは当然である。
【００４５】
すなわち、第１の実施の形態では、調光素子４から射出した時点では印加電圧によっても光量は変化せず、偏光状態のみが変化しており、液晶ライトバルブ入射側の偏光板５１で実質的に光量が調整されていた。これに対して、本実施の形態では調光素子６４の入射側と射出側に実質的に偏光子が備えられていることになるので、調光素子６４から射出した時点で既に印加電圧によって光量が調整される構成となっている。
【００４６】
本実施の形態の照明装置においても、アルミニウム、銀等の無機材料からなる配向層６５，６６が用いられているため、従来に比べて高い信頼性を持つ調光素子が得られる、調光素子の射出側のフライアイレンズにより照明光の照度を均一化することができる、ＳｉＯ等の斜方蒸着膜からなる無機配向層を用いる場合よりも製造プロセスを簡単化できる等、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。さらに、本実施の形態特有の効果としては、上述したように、配向層６５，６６が反射型偏光子として機能するため、偏光子で反射された偏光を表示に再利用することができ、光の利用効率の高い照明装置を実現することができる。
【００４７】
また、本構成においては、偏光状態が揃った光が調光素子６４から射出されるため、光変調装置が液晶ライトバルブのような偏光を利用する素子であっても、偏光変換素子を設けなくて済むという利点がある。その一方、光源２と調光素子６４との間、もしくは調光素子６４と液晶ライトバルブ２２〜２４との間に偏光変換素子を設けても良い。偏光変換素子を設けた構成によれば、偏光変換素子と配向層の双方で偏光変換を担うこととなるため、たとえ配向層の偏光消光比が不充分であっても、全体として偏光消光比を高めることができる。したがって、偏光変換素子を設けるか設けないかは、目的に応じて適宜選択すれば良い。すなわち、照明装置の小型化、低コスト化を重視するならば、偏光変換素子は設けない方が良いし、調光の度合や射出光の偏光度を高めることを重視するならば、調光素子の前段または後段に偏光変換素子を設けるのがよい。
【００４８】
なお、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。
例えば、均一照明手段に関しては上記実施の形態のようなフライアイレンズ３、４に限ることなく、ロッドレンズ等のロッド状導光体を用いることもできる。また、光変調素子として透過型液晶ライトバルブ２２〜２４を用いた例を挙げたが、反射型液晶ライトバルブやＤＭＤ（Digital Mirror Device）を適用することも可能である。
【００４９】
さらに、上記実施形態では、調光素子５によって、液晶ライトバルブ２２〜２４の被照明領域全面を照明する光量を調節する場合について説明したが、調光素子５の調光領域を複数に分割して、各分割された領域毎に透過光量を調節するようにしてもよい。この場合、例えば調光素子５をセグメント型の液晶素子、あるいはパッシブマトリクス型の液晶素子として構成すれば良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の投射型表示装置の概略構成図である。
【図２】同、投射型表示装置に用いる調光素子を示す断面図である。
【図３】同、調光素子の一方の基板の構成を示す斜視図である。
【図４】同、調光素子の動作を説明するための図である。
【図５】同、投射型表示装置の制御部を含むブロック図である。
【図６】第２の実施形態の調光素子の動作を説明するための図である。
【図７】調光素子の変形例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１…照明装置、２…光源、３…偏光変換素子、４…調光素子、５，６…フライアイレンズ、２２〜２４…液晶ライトバルブ（光変調装置）、３０…投射光学系、４３…液晶、４５，４６，６５，６６…配向層[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an illuminating device and a projection display device including the illuminating device, and more particularly to a light control element suitable for adjusting the amount of light of the illuminating device.
[0002]
[Prior art]
In recent years, the development of information devices has been remarkable, and the demand for high-resolution, low power consumption and thin display devices has been increasing, and research and development have been promoted. Among them, the liquid crystal display device is expected as a display device that can electrically control the alignment of liquid crystal molecules to change the optical characteristics and can meet the above-mentioned needs. As one form of such a liquid crystal display device, there is known a projection type liquid crystal display device (liquid crystal projector) that modulates light emitted from an illuminating device with a liquid crystal light valve and then projects an enlarged projection onto a screen.
[0003]
The projection type liquid crystal display device uses a liquid crystal light valve as a light modulation means. In addition to the liquid crystal light valve, the projection type display device includes a digital mirror device (hereinafter abbreviated as DMD). A light modulation means has also been put into practical use. However, the conventional projection display device has the following problems.
(1) A sufficient contrast cannot be obtained due to light leakage and stray light generated by various optical elements constituting the optical system. That is, the range of brightness (dynamic range) that can be displayed is narrow, and the video quality is inferior to that of an existing video monitor using a cathode ray tube (hereinafter abbreviated as CRT).
(2) Even if an attempt is made to improve the quality of video by various video signal processing, the dynamic range is fixed, so that a sufficient effect cannot be exhibited.
[0004]
As a solution to the problem of such a projection display device, that is, a method of expanding the dynamic range, it is conceivable to change the amount of light incident on the light modulation means (light valve) according to the video signal. At this time, since it is extremely difficult to control the light output of the light source such as a high-pressure mercury lamp, there is a method of arranging a light control element capable of adjusting the amount of light transmission between the light source and the light valve. Proposed. As this type of light control device, a device that uses a liquid crystal cell with a liquid crystal sandwiched between a pair of transparent substrates and controls the light transmittance of the liquid crystal cell by adjusting the voltage applied to the liquid crystal has been proposed (for example, patents). Reference 1-5).
[0005]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 2-73225
[Patent Document 2]
Japanese Patent Laid-Open No. 4-255839
[Patent Document 3]
JP-A-9-116840
[Patent Document 4]
Japanese Patent Laid-Open No. 9-189893
[Patent Document 5]
JP 2001-86429 A
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In a conventional liquid crystal cell for a light control element, as a means for aligning liquid crystal molecules in a liquid crystal layer sandwiched between a pair of substrates, an alignment material such as a rubbing process is applied to an organic material film such as polyimide on the inner surface of each substrate. In general, an alignment film is used. However, when this light control element is used in a projection display device, if the intensity of light emitted from the light source is extremely high, the alignment film made of an organic material film such as polyimide may lack light resistance. There is a problem that the reliability of the light control element cannot be sufficiently secured.
[0007]
The present invention has been made to solve the above-described problems, and includes an illumination device including a dimming element with sufficiently high reliability, and a projection display having the illumination device and excellent in image quality. An object is to provide an apparatus.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, an illumination device of the present invention is an illumination device for illuminating a light modulation device, which is disposed between a light source, the light source and the light modulation device, and faces each other. And a light control element in which liquid crystal is sandwiched between a pair of substrates provided with an alignment layer made of an inorganic material having unevenness capable of aligning liquid crystal molecules on the side. As a more specific configuration of the alignment layer, for example, an unevenness capable of aligning liquid crystal molecules is formed in a stripe shape in plan view, and the stripe pitch is 1 μm or less.
[0009]
Also in the illumination device of the present invention, as a means for adjusting the amount of light that illuminates the illuminated area, a light control element in which liquid crystal is sandwiched between a pair of substrates, similar to that used in a conventional projection display device, That is, a light control element composed of a liquid crystal cell is used. However, the light control element in the present invention is different from the conventional one in that the alignment layer made of an organic material film is used in the conventional case, whereas in the present invention, the unevenness capable of aligning the liquid crystal molecules is used. An alignment layer made of an inorganic material is used. The inorganic material mentioned here includes, for example, metals such as aluminum and silver, or transparent conductive materials such as indium tin oxide (hereinafter abbreviated as ITO). In general, since these inorganic materials have higher light resistance than organic materials such as polyimide, the reliability of light control elements has been improved even when used in lighting devices for projection display devices that emit high-luminance light. Compared to
[0010]
As described above, as the inorganic material, a light reflective conductive material such as aluminum or silver, or a transparent conductive material such as ITO can be used.
When a light-reflective conductive material is used, it is desirable to make the stripe pitch smaller than the wavelength of visible light. In this case, the alignment layer has not only a function of aligning liquid crystal molecules in a predetermined direction but also a function as a reflective polarizer. This type of structure has a different effective refractive index depending on the polarization direction of incident light, and is called a structural birefringent body. That is, two types of media having different refractive indexes at a pitch smaller than the wavelength of incident visible light (in the case of the present invention, the inorganic material constituting the alignment layer and the liquid crystal correspond to this) are alternately arranged in stripes. When arranged, the effective refractive index varies depending on the polarization direction of light incident on the structural birefringent body. For example, since the refractive index of aluminum is larger than the refractive index of liquid crystal, the effective refractive index for polarized light that vibrates in a direction parallel to the extending direction of the stripe is perpendicular to the extending direction of the stripe. It is larger than the effective refractive index for the oscillating polarized light. As a result, the structural birefringent body transmits polarized light that oscillates in a direction perpendicular to the extending direction of the stripe, and reflects polarized light that oscillates in a direction parallel to the extending direction of the stripe. In this way, the structural birefringent body functions as a reflective polarizer.
[0011]
When a light-reflective conductive material is used for the alignment layer, when light is incident on the alignment layer forming the reflective polarizer from the incident-side substrate located on the light source side, only polarized light that vibrates in one direction is generated. The light passes through the alignment layer and enters the liquid crystal layer. If the stripe direction of each alignment layer of the incident side substrate and the emission side substrate is set appropriately, the alignment state of the liquid crystal molecules can be switched between the non-electric field application state and the electric field application state in the liquid crystal layer. The amount of light emitted from the emission-side substrate can be adjusted according to the direction of the stripe of the alignment layer provided on the substrate, that is, the direction of the transmission axis.
[0012]
Furthermore, in this configuration, since the alignment layer functions as a reflective polarizer, polarized light that vibrates in a direction orthogonal to the above direction is reflected by the alignment layer of the incident side substrate and returns to the light source side. The polarized light that has returned to the light source side is reflected again by the light source and travels to the light control element side, so that it goes back and forth between the light source and the light control element many times. However, the polarized light first reflected by the alignment layer is depolarized as it is reflected many times and can eventually pass through the alignment layer, so it can ultimately contribute to the projection display. Has a high light utilization efficiency.
[0013]
In this configuration, since the alignment layer also functions as a reflective polarizer, light having a uniform polarization state is emitted and introduced into the light modulation device. Therefore, the light modulation device is a polarized light like a liquid crystal light valve. Even if it is an element using this, it is not necessary to provide a polarization conversion element. On the other hand, a polarization conversion element may be provided between the light source and the light control element, or between the light control element and the light modulation device.
According to the configuration in which the polarization conversion element is provided, both the polarization conversion element and the alignment layer are responsible for polarization conversion. Therefore, even if the polarization extinction ratio of the alignment layer is insufficient, the polarization extinction ratio as a whole is reduced. Can be increased. Accordingly, whether or not to provide a polarization conversion element may be appropriately selected depending on the purpose. In other words, it is better not to provide a polarization conversion element if it is important to reduce the size and cost of the lighting device, and if it is important to increase the degree of dimming and the degree of polarization of the emitted light, the dimming element It is preferable to provide a polarization conversion element at the front stage or the rear stage.
[0014]
On the other hand, when a transparent conductive material is used as the inorganic material constituting the alignment layer, unlike the case where a reflective conductive material is used, the alignment layer does not function as a reflective polarizer. It only functions as a normal alignment layer that imparts alignment regulating force. Therefore, when light is incident from the incident-side substrate on the light source side, the light is different from the polarization state at the time of incidence due to optical rotation and birefringence of the liquid crystal layer when no electric field is applied or when an electric field is applied. It is emitted from the exit side substrate in the polarization state or in the polarization state at the time of incidence. That is, in the case of this configuration, according to the electric field application state, the amount of light itself does not change and the polarization state changes when light is emitted from the emission side substrate. However, when the light modulation device is an element using polarized light such as a liquid crystal light valve, a polarizer is provided in front of the light modulation device, so that transmission / non-transmission of polarized light is selected by this polarizer, As a result, the amount of light incident on the light modulation device can be adjusted.
[0015]
When a transparent conductive material is used as the material of the alignment layer, it is desirable to dispose a polarization conversion element between the light source and the light control element from the principle of light control described above. If the polarization conversion element is arranged on the light modulation device side of the light control device, the polarization state that is changed by the light control device according to the degree of light control is aligned by the polarization conversion device and is incident on the light modulation device. This is because the amount of light to be adjusted cannot be adjusted.
[0016]
In the illuminating device of the present invention, an illuminance equalizing element for making the illuminance distribution of light emitted from the dimming element uniform may be provided between the dimming element and the light modulation device.
By simply forming irregularities capable of aligning liquid crystal molecules as the alignment layer, the liquid crystal molecules are merely aligned along the direction of the irregularities, and pretilt cannot be imparted to the alignment of the liquid crystals. Therefore, for example, when a liquid crystal molecule tries to stand up by applying voltage from a state lying parallel to the substrate surface, depending on the location, a liquid crystal molecule rises in the reverse direction (reverse tilt), thereby creating a disordered alignment of the liquid crystal molecules (disclination). ) Occurs, and the illuminance distribution may be uneven. In that case, if an illuminance equalizing element is provided between the light control element and the light modulation device, the illuminance distribution of the light emitted from the light control element is made uniform, so that illumination light with less illuminance unevenness can be obtained. Can do.
[0017]
Alternatively, serrated irregularities for imparting pretilt to liquid crystal molecules may be formed along the irregularities along the direction in which the stripes extend.
According to this configuration, it is possible to further suppress an adverse effect due to disclination, to lower the drive voltage of the light control element, and to increase the response time.
[0018]
A projection display device according to the present invention includes the illumination device according to the present invention, a light modulation device that modulates light from the illumination device, and a projection optical system that projects light modulated by the light modulation device. It is characterized by that.
According to this configuration, by providing the illumination device of the present invention, it is possible to realize a projection display device that includes a highly reliable light control element and is excellent in video quality. In addition, since it has an illumination device that can adjust the amount of emitted light over a wide range, for example, illumination light based on external information such as information based on video signals, a method based on the projection magnification, and brightness conditions under the usage environment. By adjusting the amount of light, it is possible to obtain a display with a wide dynamic range and excellent image expression.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
[First Embodiment]
Hereinafter, a first embodiment of a projection display device including the illumination device of the present invention will be described with reference to FIGS.
This embodiment is an example of a projection type liquid crystal display device (liquid crystal projector) using a liquid crystal light valve as a light modulation device. 1 is a schematic configuration diagram of a projection display device according to the present embodiment, FIG. 2 is a cross-sectional view showing a configuration of a light control element used in the projection display device, and FIG. 3 is a configuration of one substrate of the light control device. FIG. 4 is a schematic diagram for explaining the operation of the light control device, and FIG. 5 is a block diagram including a drive and control unit of the projection display device. In all the drawings below, the film thicknesses and dimensional ratios of the constituent elements are appropriately changed in order to make the drawings easy to see.
[0020]
As shown in FIG. 1, the projection display device according to the present embodiment is a three-plate type provided with transmissive liquid crystal light valves 22 to 24 for different colors of R (red), G (green), and B (blue). This is a projection type color liquid crystal display device. And the illuminating device 1 which has the light source 2, the polarization conversion element 3, the light control element 4, two fly-eye lenses (illuminance equalization element, integrator) 5,6, the dichroic mirrors 13 and 14, and the reflection mirrors 15-17 , Lenses 18 to 20, liquid crystal light valves 22 to 24, a cross dichroic prism 25, and a projection optical system 30 having a projection lens 26.
[0021]
The light source 2 includes a lamp 7 such as a high-pressure mercury lamp or a metal halide lamp, and a reflector 8 that reflects the light from the lamp 7 and emits it forward. In addition, a polarization conversion element 3 is disposed at the subsequent stage of the light source 2. The polarization conversion element 3 includes a polarization beam splitter array (PBS array) provided on the light source 2 side and a half-wave plate array that converts the polarization direction of polarized light reflected by the PBS array (illustrated). Is omitted), and the polarization direction of the light is aligned in one direction without impairing the light intensity of the light source light.
[0022]
As shown in FIG. 2, the light control element 4 includes a liquid crystal cell in which a liquid crystal 43 is sandwiched between a pair of substrates 41 and 42. Both the substrates 41 and 42 are made of a transparent substrate such as glass, and the liquid crystal 43 is sealed in a space surrounded by the two substrates 41 and 42 and a sealing material 44 provided at the peripheral edge of the substrate. . Alignment layers 45 and 46 made of an inorganic material having irregularities are formed on the surfaces of the substrates 41 and 42 facing each other. In the case of the present embodiment, the alignment layers 45 and 46 are formed of a transparent conductive material such as ITO, for example. As shown in FIG. 3, the unevenness 46a is formed in a stripe shape, and the stripe pitch is 0.05 μm. It is about ˜1 μm. However, the lower limit value exemplifies a value that can be realized by the current photolithography technology, and even if it is smaller than this value, there is no problem in the orientation. As described above, since the pitch of the stripes of the alignment layers 45 and 46 is fine, the liquid crystal molecules 43m existing between both the substrates 41 and 42 have long axes of the liquid crystal molecules 43m in the direction in which the stripes extend due to the shape alignment action. Oriented so that However, in the case of this stripe shape, pretilt is not given to the liquid crystal molecules 43m. Further, the direction in which the stripes of the alignment layers 45 and 46 extend is perpendicular to the incident side substrate 41 (referred to as the upper substrate in FIG. 2) and the emission side substrate 42 (referred to as the lower substrate in FIG. 2). In the state where no electric field is applied, the liquid crystal 43 between the substrates 41 and 42 is twisted by 90 °.
[0023]
In the present embodiment, the alignment layers 45 and 46 made of a transparent conductive material are not only used as alignment layers for imparting alignment regulating force to the liquid crystal 43 but also for applying an electric field to the liquid crystal 43. It also functions as an electrode. Therefore, it is desirable that a plurality of ITO linear patterns are electrically connected to each other at any point in order to apply a voltage to the entire alignment layers 45 and 46 at once. The transmittance is adjusted by applying a voltage to the alignment layers 45 and 46 by a drive signal from a light control element driver described later, and the illumination light whose light amount has been adjusted is output to the projection optical system 30. Yes.
[0024]
In order to form the alignment layers 45 and 46 having such irregularities, a transparent conductive film such as ITO is formed on a transparent substrate by sputtering or the like, and then the transparent conductive film is striped using a photolithography technique. Patterning may be performed. Alternatively, a method of forming a transparent conductive film such as ITO after forming a stripe-shaped groove on the surface of the transparent substrate by etching or the like may be used. In addition, although the example in which the alignment layers 45 and 46 also serve as electrodes is shown here, an electrode may be separately provided on the lower layer side of the alignment layer.
[0025]
As shown in FIG. 1, on the light source 2 side, as the illuminance equalizing element for equalizing the illuminance distribution of the light source light with the liquid crystal light valves 22 to 24 that are the illuminated areas, the light control element 4 has a subsequent stage. The first fly eye lens 5 and the second fly eye lens 6 are sequentially installed. Each fly-eye lens 5 and 6 is composed of a plurality of lenses 9 and 10 arranged in an array. The light emitted from the light control element 4 is made uniform in the illuminance distribution by the fly-eye lenses 5 and 6 in the liquid crystal light valves 22 to 24 which are illuminated areas. The above is the configuration of the lighting device 1.
[0026]
The dichroic mirrors 13 and 14 are formed by, for example, laminating a dielectric multilayer film on the glass surface, and selectively reflect color light of a predetermined wavelength and transmit color light of other wavelengths. In other words, the blue / green light reflecting dichroic mirror 13 transmits the red light LR of the light flux from the light source 2 and reflects the blue light LB and the green light LG. The green light reflecting dichroic mirror 14 transmits the blue light LB and reflects the green light LG among the blue light LB and the green light LG reflected by the dichroic mirror 13.
[0027]
As a result, among the light incident from the illumination device 1, the red light LR passes through the dichroic mirror 13, is reflected by the reflection mirror 17, and enters the red light light valve 22. The green light LG is reflected by the dichroic mirror 14 and enters the green light valve 23. The blue light LB passes through the dichroic mirror 14 and then enters the blue light valve 24 through the relay system 21 including the relay lens 18, the reflection mirror 15, the relay lens 19, the reflection mirror 16, and the relay lens 20. It has become.
[0028]
The light valves 22 to 24 include, for example, an active matrix type transmissive liquid crystal cell and polarizing plates 51 and 52 provided on the incident side and the emission side, respectively. The color lights LR, LG, and LB modulated by the light valves 22 to 24 are incident on the cross dichroic prism 25. The cross dichroic prism 25 has a structure in which right angle prisms are bonded to each other, and a mirror surface that reflects the red light LR and a mirror surface that reflects the blue light LB are formed in a cross shape on the inner surface. The three color lights LR, LG, and LB are combined by these mirror surfaces to form light representing a color image, and then enlarged and projected onto the screen 27 by the projection lens 26.
[0029]
Next, the principle of light control in the illumination device 1 of the present embodiment will be described.
When no voltage is applied to the liquid crystal 43 (no electric field applied state), as shown in FIG. 4A, when indefinitely polarized light L1 emitted from the light source 2 is incident on the polarization conversion element 3, For example, the polarization state is aligned with the polarization L2 in a direction parallel to the paper surface of FIG. Next, when this polarized light L2 is incident on the light control element 4, it is converted into polarized light L3 in a direction twisted by 90 ° from the time of incidence due to the optical rotation of the liquid crystal 43 and is emitted from the light control element 4.
[0030]
On the other hand, when a voltage is applied to the liquid crystal 43 through the alignment layers 45 and 46 (electric field applied state), as shown in FIG. 4B, the liquid crystal molecules 43m rise in a direction perpendicular to the substrate surface by applying the electric field. When polarized light L2 whose polarization state is aligned in the direction parallel to the paper surface of FIG. 4B by the polarization conversion element 3 is incident on the light control element 4, the light is emitted from the light control element 4 with the polarization direction at the time of incidence. The 4A and 4B show both extreme cases where the liquid crystal molecules 43m are parallel to the substrate surface and perpendicular to the substrate surface, this intermediate state can be obtained by adjusting the applied voltage. It is natural.
[0031]
In other words, in the configuration of the present embodiment, an optical element having a function of “analyzer” as used in a liquid crystal device is not provided on the emission side of the light control element 4. At the time of emission, the amount of light itself does not change, and only the polarization state changes. However, since the polarizing plate 51 is provided on the incident side of the liquid crystal light valves 22 to 24 that are the illuminated areas, the degree of transmission of the polarized light incident by the polarizing plate 51 is selected, and as a result, the liquid crystal light valve. The amount of light incident on 22-24 can be adjusted. That is, extremely speaking, if the transmission axis of the incident-side polarizing plate 51 of the liquid crystal light valves 22 to 24 is aligned with the direction of polarized light emitted from the light control element 4 when no electric field is applied in FIG. At this time, the light transmittance is 100%. In this case, the light transmittance is 0% when the electric field is applied as shown in FIG. 4B (however, the light is adjusted to the maximum when actually used in a projection display device). Even when the light transmittance is 0%).
[0032]
In a conventional light control device using a liquid crystal cell, an alignment layer made of an organic material film such as polyimide is used, whereas in the light control device 4 of the present embodiment, the liquid crystal molecules 43m can be aligned. Alignment layers 45 and 46 made of a transparent conductive material such as ITO having unevenness are used. This type of material has higher light resistance than organic materials such as polyimide, so when used as an illumination device for a projection display device that emits high-brightness light, there is little deterioration due to light, compared to the conventional case. A light control device having high reliability can be obtained.
[0033]
In the present embodiment, the fly-eye lenses 5 and 6 that are illuminance equalizing elements are provided on the emission side of the light control element 4, and even if the light emitted from the light control element 4 has uneven illuminance. Illuminance is made uniform by the action of the fly-eye lenses 5 and 6. Therefore, in other words, even if the dimming element 4 has some disclination due to the reverse tilt, it is allowed and no pretilt is required. For this reason as well, there is no necessity to use a polyimide alignment film in the present embodiment, and a light control device having high reliability can be realized.
[0034]
In the present embodiment, the configuration in which the pretilt is not applied to the liquid crystal molecules 43m has been described, but instead of this configuration, the stripe-shaped unevenness 46a of the alignment layer 46 is formed on the liquid crystal molecules 43m as shown in FIG. The serrated irregularities 46b for applying pretilt may be formed along the direction in which the stripes extend. By adopting this configuration, it is possible to further suppress adverse effects due to disclination, to lower the drive voltage of the light control element 4, and to increase the response time.
[0035]
As an alignment layer using an inorganic material, an alignment film formed by oblique deposition of SiO or the like is conventionally known. However, since the alignment layers 45 and 46 made of a transparent conductive material such as ITO of the present embodiment can be formed by sputtering and photolithography, the manufacturing process is more than that of an alignment layer made of an obliquely deposited film such as SiO. It becomes simple and can be made mass-productive.
[0036]
Next, a method for driving the projection display device of this embodiment will be briefly described.
In the projection display device of the present embodiment, as shown in FIG. 5, the light output of the lighting device 1 is controlled by driving the light control element 4 based on the video signal, and digital signal processing is performed. The circuit includes DSP (1) to DSP (2) which are blocks, an AD converter 31 and a DA converter 37 for AD conversion or DA conversion of the video signal. In addition to the method of driving the light control element 4 based on the video signal, a method of performing light control based on the projection magnification ratio, and a method of performing light control based on external information such as brightness conditions under the usage environment. It may be adopted.
[0037]
In the present embodiment, as shown in FIG. 5, the video signal input as an analog signal is input to the DSP (1) 32 (control signal determining means) which is the first digital signal processing circuit via the AD converter 31. The Then, the DSP (1) determines a voltage value to be applied to the light control element 4 from the video signal, that is, a brightness control signal that determines the transmittance of the light control element 4, and is input to the DSP (2) 33. . Then, the DSP (2) 33 controls the dimming element driver 34 based on the brightness control signal, and finally the dimming element driver 34 drives the dimming element 4.
On the other hand, the video signal input to the DSP (1) 32 is converted again to an analog signal by the DA converter 37 and then input to the panel driver 38, and the video for each color is input from the panel driver 38 to each light valve 22-24. A signal is supplied.
[0038]
According to the projection type display device of the present embodiment, the light output of the light source 2 is adjusted because the dimming element 4 having high light resistance is arranged between the light source 2 and the projection optical system 30 to adjust the output light. Even when the intensity remains constant, a desired amount of light can be output to the projection optical system 30. Thereby, the dynamic range of a projection display apparatus can be expanded and the projection display apparatus excellent in the image expression power is realizable.
[0039]
[Second Embodiment]
Next, a lighting device according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The basic configuration of the illumination device of the present embodiment is almost the same as that of the first embodiment, and only the configuration and materials of the alignment elements in the light control element are different. Therefore, the description of the light control element will be made again with reference to FIGS. 2 and 3 and the like, and the description of the parts common to the first embodiment will be omitted.
[0040]
In the first embodiment, the alignment layers 45 and 46 are formed of a transparent conductive material such as ITO, and the pitch of the stripe-shaped unevenness is about 0.05 μm to 1 μm sufficient to align liquid crystal molecules. . However, the lower limit value exemplifies a value that can be realized by the current photolithography technology, and even if it is smaller than this value, there is no problem in the orientation. On the other hand, in the present embodiment, the alignment layers 65 and 66 shown in FIG. 6 are formed of a highly light-reflective conductive material such as aluminum or silver. Further, the shape of the stripe-shaped unevenness of the alignment layers 65 and 66 may be the same as that of the first embodiment, but the pitch is formed to be smaller than the wavelength of visible light emitted from the light source 2. Specifically, it is about 50 nm to 400 nm, for example. However, the lower limit value exemplifies a value that can be realized by the current photolithography technology, and even if it is smaller than this value, there is no problem in the orientation. Also in this embodiment, the alignment layers 65 and 66 can function as liquid crystal driving electrodes. In addition, the overall configuration of the projection display apparatus is different from that of the first embodiment in that a polarization conversion element arranged between the light source and the light control element in the first embodiment is not provided. The other configuration is the same as that of the first embodiment. In the case of this configuration, since highly corrosive aluminum or the like is exposed on the substrate, for example, the upper layers of the alignment layers 65 and 66 made of aluminum are covered with ITO, and this ITO is used as an electrode. Can prevent the corrosion of aluminum.
[0041]
In the case of the present embodiment, a light-reflective conductive material is used as the constituent material of the alignment layers 65 and 66, and the stripe pitch is made smaller than the wavelength of visible light, so that the alignment layers 65 and 66 are liquid crystal. In addition to the function of orienting molecules in a predetermined direction, it also has a function as a reflective polarizer. That is, the alignment layers 65 and 66 transmit polarized light that oscillates in a direction perpendicular to the extending direction of the stripes, and reflects polarized light that oscillates in a direction parallel to the extending direction of the stripes.
[0042]
Here, the principle of light control in the lighting apparatus of this embodiment will be described with reference to FIG.
When no voltage is applied to the liquid crystal 43 (no electric field applied state), as shown in FIG. 6A, when the indefinitely polarized light L1 emitted from the light source 2 enters the light control element 64, Polarized light perpendicular to the stripe extending direction (polarized light parallel to the plane of FIG. 6A) passes through the alignment layer 65 of the incident side substrate. The polarized light L2 is converted into polarized light in a direction twisted by 90 ° from the incident time due to the optical rotation of the liquid crystal 43 when it has been transmitted through the liquid crystal 43. At this time, since the extending direction of the stripe of the alignment layer 66 on the exit side substrate is orthogonal to the extending direction of the stripe on the incident side alignment layer 65, the polarized light transmitted through the liquid crystal 43 is aligned on the alignment layer 66 of the exit side substrate. And is emitted from the light control element 64 (L3).
[0043]
Further, in this configuration, since the alignment layer 65 functions as a reflective polarizer, the indefinite polarized light L1 emitted from the light source 2 is polarized parallel to the stripe extending direction (perpendicular to the plane of FIG. 6A). Direction polarization) is reflected by the alignment layer 65 of the incident side substrate (L4). The polarized light L4 reflected by the alignment layer 65 of the incident side substrate and returned to the light source 2 side is reflected again by the reflector 8 on the rear side of the light source 2 and travels to the dimming element 64 side. Go back and forth between you and again. However, depolarization occurs while this polarized light is repeatedly reflected many times, and can eventually pass through the alignment layer 65. Thus, the polarized light first reflected by the alignment layer 65 can ultimately contribute to the projection display, and this configuration has high light use efficiency.
[0044]
On the other hand, when a voltage is applied to the liquid crystal 43 through the alignment layers 65 and 66 (electric field application state), as shown in FIG. 6B, the liquid crystal molecules 43m rise in a direction perpendicular to the substrate surface by application of the electric field. When polarized light perpendicular to the extending direction of the stripe (polarized light in a direction parallel to the paper surface of FIG. 6B) passes through the alignment layer 65 of the incident side substrate and enters the liquid crystal 43, the polarization direction at the time of incidence is changed. The alignment layer 66 of the emission side substrate is reached as it is (L5). Here, since the extending direction of the stripe of the alignment layer 66 on the exit side substrate is orthogonal to the extending direction of the stripe on the alignment layer 65 on the incident side, the polarized light L5 is transmitted through the alignment layer 66 of the exit side substrate. Cannot be emitted from the light control element 64. Further, the polarized light L5 is reflected by the alignment layer 66 on the exit side substrate, passes through the polarizing layer 65 on the incident side substrate (L6), returns to the light source 2 side, and then polarized by the same action as described above. Cancellation can occur and contribute to the projection display. 6A and 6B show both extreme cases where the liquid crystal molecules 43m are parallel to the substrate surface and perpendicular to the substrate surface, but this intermediate state can be taken by adjusting the applied voltage. It is natural.
[0045]
That is, in the first embodiment, when the light is emitted from the light control element 4, the amount of light is not changed by the applied voltage, only the polarization state is changed, and the polarizing plate 51 on the liquid crystal light valve incident side is substantially changed. The amount of light was adjusted. On the other hand, in the present embodiment, since the polarizer is substantially provided on the incident side and the emission side of the light control element 64, the light amount is already applied by the applied voltage at the time of emission from the light control element 64. Is configured to be adjusted.
[0046]
Also in the illumination device of the present embodiment, since the alignment layers 65 and 66 made of an inorganic material such as aluminum or silver are used, a light control device with higher reliability than the conventional light control device can be obtained. The illuminance of the illumination light can be made uniform by the fly-eye lens on the exit side of the first embodiment, and the manufacturing process can be simplified as compared with the case of using an inorganic alignment layer made of an obliquely deposited film such as SiO. The same effect as the form can be obtained. Further, as an effect peculiar to the present embodiment, as described above, since the alignment layers 65 and 66 function as a reflective polarizer, the polarized light reflected by the polarizer can be reused for display. Can be realized.
[0047]
Further, in this configuration, since light having the same polarization state is emitted from the light control element 64, even if the light modulation device is an element using polarized light such as a liquid crystal light valve, no polarization conversion element is provided. There is an advantage that it can be done. On the other hand, a polarization conversion element may be provided between the light source 2 and the light control element 64 or between the light control element 64 and the liquid crystal light valves 22 to 24. According to the configuration provided with the polarization conversion element, both the polarization conversion element and the alignment layer are responsible for polarization conversion. Therefore, even if the polarization extinction ratio of the alignment layer is insufficient, the polarization extinction ratio as a whole is reduced. Can be increased. Accordingly, whether or not the polarization conversion element is provided may be appropriately selected depending on the purpose. In other words, it is better not to provide a polarization conversion element if it is important to reduce the size and cost of the lighting device, and if it is important to increase the degree of dimming and the degree of polarization of emitted light, the dimming element It is preferable to provide a polarization conversion element at the front stage or the rear stage.
[0048]
In addition, this invention is not limited to the above-mentioned embodiment, A various deformation | transformation is possible in the range which does not deviate from the meaning of this invention.
For example, the uniform illumination means is not limited to the fly-eye lenses 3 and 4 as in the above embodiment, and a rod-shaped light guide such as a rod lens can also be used. Moreover, although the example which used the transmissive | pervious liquid crystal light valve 22-24 as a light modulation element was given, it is also possible to apply a reflective liquid crystal light valve and DMD (Digital Mirror Device).
[0049]
Furthermore, although the said embodiment demonstrated the case where the light quantity which illuminates the to-be-illuminated area | region whole surface of liquid crystal light valve 22-24 was adjusted with the light control element 5, the light control area | region of the light control element 5 was divided | segmented into plurality. Thus, the amount of transmitted light may be adjusted for each divided area. In this case, for example, the light control element 5 may be configured as a segment type liquid crystal element or a passive matrix type liquid crystal element.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a projection display device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a light control element used in the projection display device.
FIG. 3 is a perspective view showing the configuration of one substrate of the light control element.
FIG. 4 is a diagram for explaining the operation of the light control element.
FIG. 5 is a block diagram including a control unit of the projection display device.
FIG. 6 is a diagram for explaining the operation of the light control device of the second embodiment.
FIG. 7 is a perspective view showing a modification of the light control element.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Illuminating device, 2 ... Light source, 3 ... Polarization conversion element, 4 ... Dimming element, 5, 6 ... Fly eye lens, 22-24 ... Liquid crystal light valve (light modulation apparatus), 30 ... Projection optical system, 43 ... Liquid crystal, 45, 46, 65, 66 ... alignment layer

Claims

An illumination device for illuminating a light modulation device,
A light source;
The liquid crystal is sandwiched between a pair of substrates that are disposed between the light source and the light modulation device and provided with an alignment layer made of an inorganic material having irregularities capable of aligning liquid crystal molecules on opposite surfaces. A light control element,
The illumination device is characterized in that the unevenness capable of aligning the liquid crystal molecules is formed in a stripe shape in plan view, and the stripe pitch is 1 μm or less.

The lighting device according to claim 1, wherein a pitch of the stripe is smaller than a wavelength of visible light.

3. The illumination device according to claim 1, wherein the unevenness includes sawtooth unevenness for applying pretilt to the liquid crystal molecules along a direction in which the stripe extends.

An illumination device for illuminating a light modulation device,
A light source;
The liquid crystal is sandwiched between a pair of substrates that are disposed between the light source and the light modulation device and provided with an alignment layer made of an inorganic material having irregularities capable of aligning liquid crystal molecules on opposite surfaces. A light control element,
The lighting device, wherein the inorganic material is a light-reflective conductive material.

The illumination device according to claim 4, wherein a polarization conversion element is provided between the light source and the light control element or between the light control element and the light modulation device.

An illumination device for illuminating a light modulation device,
A light source;
The liquid crystal is sandwiched between a pair of substrates that are disposed between the light source and the light modulation device and provided with an alignment layer made of an inorganic material having irregularities capable of aligning liquid crystal molecules on opposite surfaces. A light control element,
The lighting device, wherein the inorganic material is a transparent conductive material.

The illumination device according to claim 6, wherein a polarization conversion element is provided between the light source and the light control element.

An illumination device according to any one of claims 1 to 7, comprising a light modulator that modulates the light from the lighting device, and a projection optical system for projecting the light modulated by the light modulation device A projection type display device characterized by that.