JP5150469B2 - 光学ユニットおよびそれを用いた投射型液晶表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、光学ユニットおよびそれを用いた投射型液晶表示装置を提供する技術に関する。

光源からの光をライトバルブで映像信号に応じて光強度変調し、形成された光学像を拡大して投射する光学ブロックである光学ユニットを、駆動回路，電源回路や冷却用ファンなどと共に筐体内に収納した投射型映像表示装置では、近年、小型化を図りながら高輝度化の実現が求められている。

ところで、ライトバルブとして透過型の液晶パネルを用いた投射型液晶表示装置では、液晶パネルの前後（入射側および出射側）に偏光板が配置される。

この偏光板としては、従来、有機の吸収型偏光板である樹脂製の偏光フィルムが用いられている。偏光フィルムは熱収縮性が高く、光源からの光を吸収して発熱した際に変形するので、一般的には、粘着材によってガラスなどの透光性基板に貼り合わせて使用される。

また、高輝度化が進むにつれ、偏光フィルムで生じた熱を放熱する機能も有する透光性基板として、熱伝導率が高いサファイア基板が用いられてきている（例えば、特許文献１参照）。

また、樹脂製（有機）の偏光フィルムは、透光性基板としてサファイア基板を用いたとしても、高輝度化に伴い、熱による劣化を招く懸念が有るので、液晶パネルの入射側もしくは出射側の少なくとも何れか一方に、偏光フィルムに代えて、形状異方性を有する金属微粒子がガラス中に配向して分散されている偏光ガラス（無機の吸収型偏光板）を用いた投射型液晶表示装置が提案され、実用化されている（例えば、特許文献２参照）。

偏光ガラスは、例えば、ハロゲン化物および金属（例えば銀）を含むガラスを熱処理して、ハロゲン化金属微粒子（例えばハロゲン化銀微粒子）をガラス中に析出分散させた後、当該ガラスを加熱延伸し、該延伸により長径と短径とが所定のアスペクト比とされたハロゲン化金属微粒子を還元して金属微粒子（例えば銀微粒子）とすることにより、光学的異方性を持たせたものである(例えば、特許文献３，４参照)。還元により生成された異方性形状を有する金属微粒子は、その短軸（透過軸）に平行な偏光成分を透過させ、その長軸（吸収軸）に平行な偏光成分を吸収するので、偏光子としての機能を呈することになる。

特許公報第３０９１１８３号公報 特開２００４−７７８５０号公報 特開平５−２０８８４４号公報 特開２００５−４９５２９号公報

特許文献３，４に記載されているように、偏光ガラスは、ハロゲン化金属微粒子が析出分散されたガラスを加熱延伸して形成される。従って、例えば、ヨウ素を含有する樹脂フィルムを一軸延伸した偏光フィルムと異なり、耐熱温度が高い。このため、特許文献２に記載の如く、少なくとも出射側偏光板として偏光ガラスを用いた投射型液晶表示装置においては、光源のパワーを大きくして高輝度化を図ることができる。また、偏光板の信頼性を向上させることができる。

ここで、偏光ガラスが持つ課題について述べる前に、偏光ガラスの構造について説明しておく。図５は偏光ガラスの構造を説明する図であり、同図（ａ）は偏光ガラスの断面図、同図（ｂ）は厚さ方向に対する偏光ガラスの偏光度特性である。

図５（ａ）の断面図に示すように、偏光ガラス９０００は、特許文献３の４頁段落番号

に記載が如く、還元された金属微粒子が分散して偏光性を呈するガラス両面の表層（以下、「還元層」と称する）９０１０と、ガラス両面の還元層９０１０に挟まれた内部の未還元のハロゲン化金属微粒子が分散する偏光性を有しない内層（以下、「ガラス層」と称する）９０２０とからなる三層構造となっている。

なお、還元層９０１０と未還元のガラス層９０２０との境界近傍では、図５（ｂ）に示すように、偏光度は還元層からガラス層に向かって次第に減衰する特性を示すので、便宜上、還元層とガラス層との境界を、還元層の中心部の偏光度を基準（１００）とした場合に偏光度が１／２に落ちる箇所とする。

ここで、例えば、透過型液晶パネルの出射側に配置された出射側偏光板としての偏光ガラス９０００に液晶パネルから例えば楕円偏光光Ｌ９０００が入射するものとする。当該入射に伴い、図示しない吸収軸に平行な偏光光は還元層９０１０で吸収され熱が発生する（つまり、還元層９０１０は熱源となる）。

偏光ガラス９０００の還元層９０１０で生じた熱のうち、偏光ガラス９０００の表面９０００ａに伝導する熱は表面から空気中に放熱されるが、一方の還元層９０１０で生じた熱のうち、偏光ガラス９０００の内部に向かう熱は逆側の還元層９０１０の熱源に阻まれ、放熱ができない。つまり、前記した内部のガラス層９０２０の温度が偏光ガラス表面温度より高くなる。

また、内部のガラス層９０２０の温度は楕円偏光光Ｌ９０００が入射する光束領域の中心部が最も高くなり、端部に向かうにつれて低下する（還元層の熱は偏光ガラスの側面９０００ｃからも空気中に放熱されるので）。つまり、ガラス層の中心部と端部の間で大きな温度傾斜が生じることになる。

従って、高輝度化に伴って光源から液晶パネルに照射される光源光量が著しく増大すると、特許文献２の６頁段落番号００３８に記載の如く、偏光ガラス９０００のガラス層９０２０は中心部と端部との間の温度傾斜による内部応力で複屈折を生じる。

この複屈折は直線偏光を乱すことになるので、その結果、コントラストが低下し、輝度ムラや色ムラが生じることになる。偏光の乱れは偏光ガラスの板厚が厚い程顕著となる。

この問題に対し、特許文献２では、偏光ガラスの温度が１００℃となる場合を想定し、この温度で複屈折による著しい偏光の乱れが認め難くなる板厚（具体的には０．３ｍｍ）以下とすることで、複屈折による偏光の乱れを軽減している。偏光ガラスの板厚を定めた温度１００℃は、従来の偏光フィルムの許容温度（例えば７０℃）に比べかなり高い温度であり、高輝度化が可能となっている。

なお、特許文献２では、偏光ガラスの板厚を薄くすると機械的な衝撃により割れ易くなるので、薄い偏光ガラスを偏光性のないガラス基板（透光性基板）にＵＶ接着材で貼り合わせて機械的強度を確保している。以下、説明の都合上、偏光ガラスを透光性基板に貼り合わせた偏光板を「偏光ガラスユニット」と称するものとする。

しかしながら、近年では、投射型液晶表示装置の小型化に伴い、特許文献２の検討時期より液晶パネルサイズがより小さくなり（例えば、０．７インチが０．６インチ以下となり）、また、高輝度化に伴い、液晶パネルへの単位面積当たりの照射光量が増大（例えば、約２倍程度）しており、偏光ガラスの温度が１００℃を大幅に超える場合も想定しておかなければならない状況にある。

偏光ガラスの温度が１００℃を大幅に超える場合、特許文献２では、偏光ガラスの一方の還元層がＵＶ接着材を介して熱伝導率が低いガラス基板に接合されているので、ガラス基板側還元層で生じた熱を効率よく放熱することができない。また、効率のよい放熱ができないため、偏光ガラスの温度が上昇し、熱膨張により偏光ガラスが割れるなどの懸念も生じる。

そこで、偏光ガラスを貼り付ける透光性基板として、ガラス基板に代えて、熱伝導率の高いサファイア基板を用いれば、効率のよい放熱が可能となる。しかしながら、２つの還元層に挟まれたガラス層の温度の低減は難しく、複屈折による偏光の乱れや熱膨張による偏光ガラスの割れなどの懸念が依然として残る。

また、偏光ガラスとサファイア基板（あるいはガラス基板）とを接合するＵＶ接着材は有機であり、例えば、１１０℃を超えると信頼性が低下し、剥がれるという懸念もある。

本発明は上記した実情に鑑みてなされたもので、その目的は、偏光ガラスで生じる複屈折による偏光の乱れや、偏光ガラスの割れを低減すると共に、透光性基板と偏光ガラスとの接合の信頼性を向上させることができる偏光ガラスユニットを用いた光学ユニットおよびそれを用いた投射型液晶表示装置を提供することにある。

上記課題点を解決するために、本発明では、液晶表示素子の出射側に配置される出射側偏光板として、液晶表示素子側に配置された還元層からなる偏光ガラスと、当該偏光ガラスの出射側に配置されたガラス基板より熱伝導率の高い透光性基板とを有する偏光ガラスユニットを用いるものとする。

なお、前記ガラス基板より熱伝導率の高い透光性基板としては、具体的には、水晶基板，サファイア基板または酸化マグネシウム基板を用いる。

そして、偏光ガラスと透光性基板とを無機接着材で貼り合わせて、前記偏光ガラスユニットとする。

上記のように、本発明では、出射側偏光板として、例えば、一方の還元層のみを残し、他方の還元層とガラス層を削り落とした、還元層からなる偏光ガラスを、ガラス基板より熱伝導率の高い透光性基板に無機接着材で接合した偏光ガラスユニットを用いる。

従って、偏光ガラスがガラス層を持たないので、複屈折による直線偏光の乱れが生じる懸念が低減される。また、還元層で不要偏光光を吸収して生じた熱を直接透光性基板に伝導することができ、熱の伝導効果を高めることができる。また、還元層を有する偏光ガラスを保持すると共に、放熱板として機能する透光性基板として、ガラス基板より熱伝導率の高い水晶基板，サファイア基板または酸化マグネシウム基板のいずれかを用いるので、偏光ガラス（還元層）から伝導された熱を効率よく空気中に放熱できる。

これによって、偏光ガラス（還元層）で生じた熱を、一方では偏光ガラス表面（液晶表示素子側表面および側面端部表面）から放熱し、他方では透光性基板を介して放熱して、偏光ガラスの温度を下げることができ、複屈折の影響や偏光ガラスの割れを低減することができる。また、偏光ガラスと透光性基板とを接合する接着材として無機接着材を用いるので、信頼性が向上し、偏光ガラスと透光性基板との接合の剥がれの懸念を抑えることが可能となる。

本発明によれば、偏光ガラスで生じる複屈折による偏光の乱れや、偏光ガラスの割れを低減すると共に、透光性基板と偏光ガラスとの接合の信頼性を向上させることができる。

以下、本発明の最良の形態について、図を参照して説明する。なお、各図において、共通な機能を有する要素には同一な符号を付して示し、一度説明したものについては、その重複する説明を省略する。

発明者らは、偏光ガラスを構成するガラス層をなくせば、複屈折によるコントラスト低下を低減することができ、また、熱伝導率の低いガラス層がなくなるので、偏光ガラスの還元層で生じる発熱を効率よく外部に放熱できる点に着目し、鋭意検討し、本発明に基づく実施例を得た。

すなわち、本発明の実施例では、液晶パネルの出射側偏光板として、一方の還元層のみを残し、例えば他方の還元層とガラス層を削り落とした偏光ガラスを、つまり、ガラス層を持たない還元層のみで構成された偏光ガラスを、ガラス基板より熱伝導率の高い透光性基板に無機接着材で接合した偏光ガラスユニットを用いることに特徴を有する。

まず、図１を用いて本実施形態の偏光ガラスユニットについて説明する。

図１は、本実施形態による偏光ガラスユニットの模式構成図である。図１に示すように、映像表示素子として透過型の液晶パネル８０を用いる場合には、その入射側に入射側偏光板７０が配置され、その出射側に出射側偏光板９０が配置される。

入射側偏光板７０に入射する光Ｌ７０ａは、後述する照明光学系に含まれる偏光変換素子により偏光方向が所定の直線偏光光(以下便宜上、この直線偏光光を「Ｓ偏光」とする)に揃えられているので、光Ｌ７０ａに含まれる不要偏光光成分（Ｐ偏光光成分）は少ない。そこで、通常、入射側偏光板７０としては樹脂製（有機）の偏光フィルムが用いられる。入射側偏光板７０は、入射した光Ｌ７０ａに含まれる不要偏光光成分（Ｐ偏光光成分）を吸収し、Ｓ偏光光の純度を高めた直線偏光光（Ｓ偏光光）である光Ｌ７０ｂを出射する。

液晶パネル８０は、入射側偏光板７０から入射する光Ｌ７０ｂに対して、図示しない映像信号に応じてＳ偏光光の光Ｌ７０ｂの偏光方向を変える、つまり、Ｐ偏光光とする光強度変調を行う。

液晶パネル８０から出射するＰ偏光光の光Ｌ７０ｃには、不要偏光光成分（ここではＳ偏光光成分）が多く含まれている。そこで、出射側偏光板９０は不要偏光光であるＳ偏光光を吸収し、Ｐ偏光光の純度を高めた光７０ｄを出射する。

所で、出射側偏光板９０で吸収されたＳ偏光光は熱となる。そこで、本実施形態でも、特許文献２と同様に、出射側偏光板９０として、偏光ガラスを透光性基板に保持した偏光ガラスユニット９００を用いる。但し、本実施形態の偏光ガラスユニット９００の構成は、特許文献２とは異なる。

一般に、偏光ガラスは、図５で述べたように、偏光ガラス両面の表層に形成された、還元された金属微粒子が分散して偏光性を呈する還元層と、２つの還元層に挟まれた内部の未還元のハロゲン化金属微粒子が分散する偏光性を有しないガラス層とからなる三層構造である。しかし、ガラス層はその内部（例えば光が通る中央部と端部との間）での温度傾斜が大きくなると複屈折性を帯び、偏光を乱すことになる。また、偏光ガラスの基体はガラス（例えば、ホウケイ酸ガラス）なので、ガラス層の熱伝導率が低く（例えば、１［Ｗ/(ｍ／Ｋ)］）、還元層で生じた熱を効率よく伝導することができない。このため、温度上昇による熱膨張で偏光ガラスが割れる懸念も生じる。

そこで本実施形態では、従来の偏光ガラスに対して、他方の還元層とガラス層を例えば公知の研磨機で削り落とし、一方の還元層のみを残した偏光ガラスとする。つまり、ガラス層を持たない還元層のみで構成された偏光ガラスとする。

なお、ここでは、偏光ガラスは液晶パネル８０から出射するＰ偏光光を透過させ、これに直交するＳ偏光光を吸収するものとする。

また、還元層と未還元のガラス層との境界近傍では、偏光度は還元層からガラス層に向かって次第に減衰する特性を示すので、還元層とガラス層との境界を、ここでは、還元層の中心部の偏光度を基準（１００）とした場合に偏光度が所定の値（例えば１／２）に落ちる箇所とする。但し、本実施形態はこれに限定されるものではなく、偏光度が例えば１／５に落ちる箇所を境界としてもよい。

また、一つの還元層のみで不要偏光光（Ｓ偏光光）を吸収することになるので、従来と同等の偏光度を得るには、還元層の厚さを従来の倍程度とする必要がある。例えば、従来、還元層の厚さが１００μｍ（ミクロン）であれば、本実施形態では２倍の２００μｍとする。これは、従来の偏光ガラスにおける還元工程の時間を長くすることにより実現できる。

図１に戻って説明を続ける。出射側偏光板９０としての偏光ガラスユニット９００は、液晶パネル８０側から順に配置された、上記したガラス層を有しない還元層のみからなる偏光ガラス９１０と、偏光ガラス９１０を保持すると共に、偏光ガラス９１０で生じた熱を放熱する放熱板として機能する高熱伝導率の透光性基板９６０と、偏光ガラス９１０と透光性基板９６０とを接着する無機接着材９５０とからなる。

本実施形態としては、高熱伝導率の透光性基板９６０として、熱伝導率が大きい例えば４９［Ｗ/(ｍ／Ｋ)］の酸化マグネシウム基板、例えば４２［Ｗ/(ｍ／Ｋ)］のサファイア基板を用いる。勿論、これに限定されるものではなく、許容される場合には例えば３［Ｗ/(ｍ／Ｋ)］の水晶基板を用いてもよい。但し、少なくとも、透光性基板としては、熱伝導率が１［Ｗ/(ｍ／Ｋ)］のガラス（例えばホウケイ酸ガラス）より大きな熱伝導率を有する水晶以上の基板を用いるものとする。

無機接着材９５０としては、例えば二酸化珪素（ＳｉＯ₂）を主構成材料とした接着材用いる。そして、偏光ガラス９１０と透光性基板９６０とを接着する場合は、例えば、特表２００７−５０１７１５号公報などに記載されているReactive NanoTechnologies ,Inc.が持つナノ・ボンディング技術を用いる。

図２は、特表２００７−５０１７１５号公報（同公報の図１参照）に記載されているナノ・ボンディング技術による接着プロセスを模式的に説明する図である。

図２に示すように、接合プロセスは、無機接着材９５０の２つの層および接合される偏光ガラス９１０と透光性基板９６０との間に反応性多層フォイル９８０を圧力下で差し込み、その後、例えば図示しないスパークを使用して反応性多層フォイル９８０を過熱することに基づく。点火されると反応性多層フォイル９８０の温度が急速に上昇することになる。反応によって放出される熱により、無機接着材９５０が溶融し、冷却時に偏光ガラス９１０と透光性基板９６０とが無機接着材９５０を介して接合されることになる。本技術を用いれば、非常に局部的な加熱により、偏光ガラス９１０と透光性基板９６０とに熱損傷を与えることなしに接合が可能となる。

なお、本実施形態に係わる無機接着はこれに限定されるものではなく、例えば、加熱硬化型無機接着材であるケイ酸ナトリウム系接着材を用いることができる。具体的には、例えば、東亜合成社製の「アロンセラミックＤ（商品名）」を挙げることができる。

出射側偏光板９０としての偏光ガラスユニット９００は、上記したように構成されている。従って、液晶パネルから出射する光学像としてのＰ偏光光の光Ｌ７０ｃはそのまま透過するが、Ｐ偏光光の光Ｌ７０ｃに含まれるＳ偏光の不要偏光光成分は、ガラス層を有しない還元層のみの偏光ガラス９１０で吸収され、熱となる。この熱は、偏光ガラス表面から空気中に放熱される共に、透光性基板９６０に伝導され、透光性基板９６０から空気中に放熱される。

本実施形態では、透光性基板９６０として例えばサファイア基板を使用するので、特許文献２に記載の偏光ガラスユニットに比べ、偏光ガラス９１０からの熱を効率よく放熱することができ、偏光ガラス９１０の温度を低減することができる。また、偏光ガラス９１０が偏光層として機能する還元層のみから構成され、ガラス層がないので、偏光ガラス９１０の厚さは少なくともガラス層の分薄くなり、熱を透光性基板９６０に効率よく伝えることができ、偏光ガラス９１０の温度をより低減できる。また、偏光ガラス９１０にガラス層がないので複屈折による偏光の乱れを軽減することができる。また、偏光ガラス９１０を保持すると共に偏光ガラス９１０で生じた熱の放熱板として機能する透光性基板９６０に偏光ガラス９１０を接合するのに無機接着材９５０を用いるので、接着材の信頼性が向上し、熱劣化などによる剥がれの懸念を低減することができる。

次に、本実施形態による偏光ガラスユニットを、透過型映像表示素子としての透過型液晶パネル（以下、単に「液晶パネル」という）の出射側偏光板として３板式の投射型液晶表示装置に適用した例について説明する。

ここでは、偏光ガラスユニットを、入射光の光量が光源からの光量の８０〜８５％を占めるＧ光路（緑色光路）の液晶パネルの出射側偏光板に適用するものとする。しかし、これに限定されるものではない。例えば、他の色光の光路（Ｒ光路，Ｂ光路）における液晶パネルの出射側偏光板に、あるいは入射側偏光板および出射側偏光板に、あるいは入射側偏光板に適用してもよい。

図３は、本実施形態に係わる投射型液晶表示装置の光学系の模式構成図である。なお、図３において、各色光の光路に配置されている要素を区別する際には符号の後に色光を表すＲ，Ｇ，Ｂを添えて示し、区別する必要がない場合には、色光の添え字を省略する。また、偏光方向を明確にするため、ローカル右手直角座標系を導入しておく。光軸１０１をＺ軸として、Ｚ軸に直交する面内で、図３紙面に平行な軸をＹ軸とし、図紙面裏から表に向かう軸をＸ軸とする。また、便宜上、Ｘ軸に平行な方向を「Ｘ方向」，Ｙ軸に平行な方向を「Ｙ方向」と呼ぶものとする。

図３において、投射型液晶表示装置の光学系は、光源ユニット１０と、照明光学系１００と、色分離光学系１５０と、リレー光学系１６０と、３つのフィールドレンズ４５（４５Ｒ，４５Ｇ，４５Ｂ）と、３つの液晶パネル８０（８０Ｒ，８０Ｇ，８０Ｂ）と、光合成手段である光合成プリズム３００と、投射手段である投射レンズ４００とを備えている。液晶パネル８０は、それぞれ、入射側および出射側に、入射側偏光板７０（７０Ｒ，７０Ｇ，７０Ｂ）と、出射側偏光板９０（９０Ｒ，９０Ｇ，９０Ｂ）とを備えている。なお、出射側偏光板９０Ｇは、すでに述べた偏光ガラスユニットで構成されている。そして、これらの光学素子は、基体５５０に装着されて、光学ユニット５００を構成し、該光学ユニット５００は、液晶パネル８０を駆動する駆動回路５７０、液晶パネル８０などを冷却する冷却用ファン５８０、光源ユニット１０，冷却用ファン５８０，駆動回路５７０やその他の図示しない各回路に電力を供給する電源回路５６０とともに、図示しない筐体に搭載され、投射型液晶表示装置を構成する。
略白色光を射出する光源ユニット１０は、光源（ランプともいう）１１と、リフレクタ１２（ここでは放物面リフレクタ）とからなる。また、光源ユニット１０から射出する光を映像表示素子である液晶パネル８０に均一に照射する照明光学系１００は、オプチカルインテグレータを構成する第１のアレイレンズ２１および第２のアレイレンズ２２と、偏光変換素子３０と、集光レンズ（重畳レンズともいう）４０を含んでなる。

また、色分離光学系１５０は、２つのダイクロイックミラー５１，５２と、光路方向を変える反射ミラー５３とを有している。また、リレー光学系１６０は、フィールドレンズである第１リレーレンズ６１と、リレーレンズである第２リレーレンズ６２と、光路方向を変える２つの反射ミラー６５，６６とを含んでなる。

光源１１は、超高圧水銀ランプ，メタルハライドランプ，キセノンランプ，水銀キセノンランプ，ハロゲンランプ等の白色ランプである。リフレクタ１２は、光源１１を背後側から覆うように配置された、例えば回転放物面形状の反射面を有するもので、円形ないし、多角形の出射開口を持つ。

光源１１から射出された光は、例えば回転放物面形状の反射面を有するリフレクタ１２によって反射され、光軸１０１に略平行となり、光源ユニット１０から略平行の光束が射出される。光源ユニット１０から射出された光は、照明光学系１００の偏光変換インテグレータに入射する。

偏光変換インテグレータは、第１のアレイレンズ２１と第２のアレイレンズ２２からなる均一照明行うオプチカルインテグレータと、光の偏光方向を所定偏光方向に揃えて直線偏光光に変換する偏光ビームスプリッタアレイの偏光変換素子３０とで構成される。

第１のアレイレンズ２１は、照明光軸方向から見て液晶パネルとほぼ相似な矩形形状を有する複数のレンズセルがマトリックス状に配設されたもので、光源ユニット１０から入射した光を複数のレンズセルで複数の光に分割して、効率よく第２のアレイレンズ２２と偏光変換素子３０を通過するように導く。即ち、第１のアレイレンズ２１は、光源１１と第２のアレイレンズ２２の各レンズセルとが光学的に共役な関係になるように設計されている。

第１のアレイレンズ２１と同様に、照明光軸方向から見て矩形形状の複数のレンズセルがマトリクス状に配設された構成を有する第２のアレイレンズ２２は、構成するレンズセルそれぞれが対応する第１のアレイレンズ２１のレンズセルの形状を液晶パネル８０に投影（写像）する。

この時、偏光変換素子３０で第２のアレイレンズ２２からの光は所定の偏光方向例えば直線偏光光のＳ偏光光に揃えられる。なお、Ｓ偏光光は、光軸１０１（Ｚ軸）に直交する面内で偏光方向が図３紙面に垂直なＸ軸方向の光である。そして、第１のアレイレンズ２１の各レンズセルの投影像は、それぞれ集光レンズ４０、およびフィールドレンズ４５Ｇ，４５Ｂ，リレー光学系１６０，フィールドレンズ４５Ｒにより各液晶パネル８０上に重ね合わせられる。

なお、第２のアレイレンズ２２とこれに近接して配設される集光レンズ４０とは、第１のアレイレンズ２１の各レンズセルと液晶パネル８０とが、光学的に物体と像の関係（即ち、共役な関係）になるように設計されているので、第１のアレイレンズ２１で複数に分割された光束は、第２のアレイレンズ２２と集光レンズ４０によって、液晶パネル８０上に重畳して投影され、実用上問題のないレベルの均一性の高い照度分布の照明が可能となる。

以上述べたように、第１のアレイレンズ２１，第２のアレイレンズ２２，偏光変換素子３０とで構成された偏光変換インテグレータは、光源からの偏光方向がランダムな光を所定偏光方向（ここではＳ偏光光）に揃えながら、液晶パネルを均一照明することができる。

照明光学系１００から射出された光（略白色光）は、色分離光学系１５０に入射する。色分離光学系１５０は、照明光学系１００からの略白色光を光の３原色の色光に色分離する。例えば第１の色光であるＢ光(青色帯域の光)と、第２の色光であるＧ光(緑色帯域の光)と、第３の色光であるＲ光(赤色帯域の光)とに分光する。

そして、色分離した各色光を対応する液晶パネル８０（８０Ｒ，８０Ｇ，８０Ｂ）に向かうそれぞれの光路（第１の色光のＢ光路，第２の色光のＧ光路，第３の色光のＲ光路）に導光する。すなわち、ダイクロイックミラー５１により、例えばＢ光は反射され、対応する液晶パネル８０Ｂ（Ｂ光路）に向かう。また、Ｇ光およびＲ光は、ダイクロイックミラー５１を透過し、ダイクロイックミラー５２によりＧ光とＲ光に分離される。ここでは、Ｇ光はダイクロイックミラー５２を反射して対応する液晶パネル８０Ｇ（Ｇ光路）に向かい、Ｒ光はダイクロイックミラー５２を透過して対応する液晶パネル８０Ｒ（Ｒ光路）に向かう。

色分離光学系１５０の各光路について具体的に述べる。

ダイクロイックミラー５１を反射したＢ光は、反射ミラー５３を反射して、フィールドレンズ４５Ｂ、入射側偏光板７０Ｂを通過して、Ｂ光用の液晶パネル８０Ｂに入射する。

一方、ダイクロイックミラー５１を透過したＧ光およびＲ光の内、Ｇ光はダイクロイックミラー５２を反射して、フィールドレンズ４５Ｇ，入射側偏光板７０Ｇを通して、Ｇ光用液晶パネル８０Ｇに入射する。

また、Ｒ光は、ダイクロイックミラー５２を透過し、リレー光学系１６０に入射する。リレー光学系１６０に入射したＲ光は、フィールドレンズの第１リレーレンズ６１によって、反射ミラー６５を経て、第２リレーレンズ６２の近傍に集光（収束）し、フィールドレンズ４５Ｒに向けて発散する。そして、反射ミラー６６を経てフィールドレンズ４５Ｒに入射し、フィールドレンズ４５Ｒで光軸にほぼ平行とされ、入射側偏光板７０Ｒを通過して、Ｒ光用の液晶パネル８０Ｒに入射する。

液晶パネル８０（８０Ｒ，８０Ｇ，８０Ｂ）は、光入射側に入射側偏光板７０（７０Ｒ，７０Ｇ，７０Ｂ）を備え、光出射側に出射側偏光板９０（９０Ｒ，９０Ｇ，９０Ｂ）を備える。ここでは、液晶パネル８０Ｒ，８０Ｇの入射側偏光板７０Ｒ，７０Ｇには、紫外線の影響が少ないことから例えば偏光フィルムの吸収型偏光板を用い、液晶パネル８０Ｂの入射側偏光板７０Ｂには、耐光性に優れた周知の反射型無機偏光板を用いることとする。

出射側偏光板９０としては、一般に、コストの観点から偏光フィルムの吸収型偏光板が用いられる。しかし、Ｇ光路には光源からの光量の８０〜８５％を占める光量が入射するので、出射側偏光板９０ＧはＲ光路，Ｂ光路の出射側偏光板９０Ｒ，９０Ｇと異なり、光吸収量が大きくなる。つまり、出射側偏光板９０Ｇは不要偏光光の吸収で生じた熱による温度上昇が大きくなり、寿命などの信頼性を考慮すると、偏光フィルムの使用が難しい。そこで、特許文献２では、偏光ガラスを用いるようにしている。

しかしながら、近年では、投射型液晶表示装置の小型化に伴い、液晶パネルサイズがより小さくなり、また、高輝度化に伴い、液晶パネルへの単位面積当たりの照射光量が増大しており、偏光ガラスの温度が１００℃を大幅に超える場合も想定しておかなければならない状況にある。課題の項で指摘しておいたように、偏光ガラスの温度が高くなると、偏光ガラスを構成するガラス層で複屈折が生じ、偏光が乱れ、輝度ムラや色ムラが視認できるようになる。また、偏光ガラスが割れるなどの懸念も生じる。そこで、ここでは、Ｇ光路の出射側偏光板９０Ｇとして、図１で述べた、ガラス層を有しない還元層のみからなる偏光ガラスを例えばサファイア基板に無機接着材で接合した偏光ガラスユニットを用いるものとする。

各液晶パネル８０は、駆動回路５７０で駆動されて、色分離光学系１５０から入射する対応した例えばＳ偏光の色光を図示しないカラー映像信号に応じて変調（光強度変調）し、各色光の例えばＰ偏光の光学像を形成する。なお、Ｐ偏光光は、光軸（Ｚ軸）に直交する面内で偏光方向が図３紙面に平行なＹ軸方向の光である。

そして、Ｐ偏光の各光学像は、出射側偏光板９０（９０Ｒ，９０Ｇ，９０Ｂ）を介して光合成手段の光合成プリズム３００に入射する。この時、Ｂ光路およびＲ光路では、出射側偏光板９０Ｂ，９０Ｒと光合成プリズム３００との間に１／２λ波長板２００Ｂ，２００Ｒが設けられている。従って、Ｐ偏光のＢ光およびＲ光の光学像はＳ偏光の光学像とされて、Ｐ偏光のＧ光の光学像と共に、光合成プリズム３００で効率よく光合成される。

ここで、偏光ガラスユニットで構成された出射側偏光板９０Ｇの透過軸方向と液晶パネル８０Ｇからの光学像の偏光方向との関係について説明しておく。

図４は、偏光ガラスユニットの透過軸方向と液晶パネルからの光学像の偏光方向との関係を説明する図である。

液晶パネル８０Ｇから射出される光学像（Ｐ偏光光）のＧ光ＬＧ８０には、偏光方向がＹ軸方向のＰ偏光光成分ＬＧ８０ｐのみならず、偏光方向がＸ軸方向のＳ偏光光成分ＬＧ８０ｓも多少含む。このようなＧ光ＬＧ８０が偏光ガラスユニットで構成された出射側偏光板９０Ｇに入射する。出射側偏光板９０Ｇ（偏光ガラスユニット９００）中には、延伸されることによって形成されたＸ軸方向に細長い略楕円形状の異方性形状を有する金属微粒子９１１がある。異方性形状を有する金属微粒子９１１は、長軸方向（Ｘ軸方向）の偏光光を吸収し、短軸方向（Ｙ軸方向）の偏光光を透過する。

なお、一般に、長軸を吸収軸、短軸を透過軸ともいう。ここでは、吸収軸方向がＸ軸方向（透過軸がＹ軸方向）となるように出射側偏光板９０Ｇ（偏光ガラスユニット９００）が配置されているので、Ｓ偏光光成分ＬＧ８０ｓは吸収され、Ｐ偏光光成分ＬＧ８０ｐは透過することになる。そして、光合成プリズム３００に、Ｐ偏光光成分ＬＧ８０ｐの光学像が入射する。

図３に戻って説明を続ける。光合成プリズム３００は、Ｂ光を反射するダイクロイック膜（誘電体多層膜）と、Ｒ光を反射するダイクロイック膜（誘電体多層膜）とが、４つの直角プリズムの界面に略Ｘ字状（クロス状）に形成されたものである。

そして、３色光の各光学像を合成してカラー映像光（画像光）とする機能を有する。光合成プリズム３００の３つの入射面の内、対向する入射面に入射したＢ光とＲ光（前述の１／２λ波長板２００Ｂ，２００ＲによりＳ偏光光とされている）は、クロスしたＢ光用のダイクロイック膜およびＲ光用のダイクロイック膜でそれぞれ反射され、また、中央の入射面に入射したＧ光は直進して、合成され、出射面から出射する。その後、例えばズームレンズであるような投射レンズ４００によって、スクリーン（図示せず）に投影される。

冷却用ファン５８０は、例えば入射側偏光板７０、出射側偏光板９０や液晶パネル８０等で光源ユニット１０からの照射光の一部を吸収して生じる熱を、空気の流れ（風） を図示しない冷却用ダクトを介して送風し、入射側偏光板７０，出射側偏光板９０や液晶パネル８０への流路５８５を形成して冷却する。

なお、リレー光学系１６０は、光源からＢ光用液晶パネル８０Ｂまでの光路長（Ｂ光路長）および光源からＧ光用液晶パネル８０Ｇまでの光路長（Ｇ光路長）に対して、光源からＲ光用液晶パネル８０Ｒまでの光路長（Ｒ光路長）が長いので、これを補正するためのものである。

ここで、リレー光学系１６０について詳細に述べておく。

Ｒ光路上の第１リレーレンズ６１の近傍には、照明光学系１００により第１のアレイレンズ２１の各レンズセル像が重畳した仮想の液晶表示像（図示せず）が結像する。この仮想液晶表示像をＲ光用の液晶パネル８０Ｒにリレー（写像）するのがリレー光学系１６０の目的である。

すなわち、リレー光学系１６０の第２リレーレンズ６２は、仮想液晶表示像をＲ光用の液晶パネル８０Ｒ上に写像する。つまり、仮想液晶表示像と液晶パネル８０Ｒは、物と像の関係にある。また、リレー光学系１６０のフィールドレンズである第１リレーレンズ６１は、液晶パネル８０Ｒ上に結像する像の照度が隅々まで均一となるように、仮想液晶表示像を通過した光を第２リレーレンズ６２近傍に集光する。第２リレーレンズ６２近傍には第２のアレイレンズ２２上に形成された、複数のアーク像（２次光源像）が形成される。つまり、第２のアレイレンズ２２と第２リレーレンズ６２は物と像の関係にある。

以上述べたように、本実施形態によれば、不要偏光光の吸収による発熱が最も多いＧ光の出射側偏光板として、還元層のみからなる偏光ガラスを例えばサファイア基板に無機接着材で接合した偏光ガラスユニットを用いることにより、偏光ガラスで生じる複屈折による偏光の乱れや、偏光ガラスの割れを低減すると共に、透光性基板と偏光ガラスとの接合の信頼性を向上させることができる。

なお、上記では、ガラス層を持たない還元層のみからなる偏光ガラスユニットを、図３で示した透過型液晶パネルを３枚使用する３板式投射型液晶表示装置におけるＧ光路の透過型液晶パネルの後に配置される出射側偏光板のみに適用する場合について述べた。しかし、これに限定されるものではない。例えば、Ｒ光路，Ｂ光路の透過型液晶パネルの後に配置される出射側偏光板に適用してもよい。

また、透過型液晶パネルの前後に配置される偏光板に適用してもよい。また、例えば、透過型液晶パネルを１枚使用する単板式投射型液晶表示装置に用いられる透過型液晶パネルの前後に配置される１対の偏光板あるいは透過型液晶パネルの後に配置される出射側偏光板や、反射型液晶パネルを使用する投射型液晶表示装置に用いられる例えばダイクロイックミラーによる色分離の後や光合成の前に（即ち、反射型液晶パネルでの変調前や変調後に）挿入して各色の偏光度を高めて色純度を高める偏光板等に適用してもよい。

本実施形態による偏光ガラスユニットの模式構成図。 本実施形態に係わるナノ・ボンディング技術による接着プロセスを模式的に説明する図。 本実施形態に係わる投射型液晶表示装置の光学系の模式構成図。 偏光ガラスユニットの透過軸方向と液晶パネルからの光学像の偏光方向との関係を説明する図。 偏光ガラスの構造を説明する図。

符号の説明

１０：光源ユニット、１１：光源、１２：リフレクタ、２１：第１のアレイレンズ、２２：第２のアレイレンズ、３０：偏光変換素子、４０：集光レンズ、４５：フィールドレンズ、５１，５２：ダイクロイックミラー、５３：反射ミラー、６１：第１リレーレンズ、６２：第２リレーレンズ、６５，６６：反射ミラー、７０：入射側偏光板、８０：液晶パネル、９０：出射側偏光板、１００：照明光学系、１０１：光軸、１５０：色分離光学系、１６０：リレー光学系、２００：１／２λ波長板、３００：光合成プリズム、４００：投射レンズ、５００：光学ユニット、５５０：基体、５６０：電源回路、５７０：駆動回路、５８０：冷却用ファン、５８５：流路、９００：偏光ガラスユニット、９１０：偏光ガラス、９１１：金属微粒子、９５０：無機接着材、９６０：透光性基板、９８０：反応性多層フォイル、９０００：偏光ガラス、９０００ａ：表面、９０００ｃ：側面、９０１０：還元層、９０２０：ガラス層、Ｌ７０：光、ＬＧ８０：Ｇ光、Ｌ９０００：楕円偏光光。

Claims (2)

1. 光束を出射する光源ユニットと、
   前記光源ユニットからの出射光を照射する照明光学ユニットと、
   前記照明光学ユニットからの照射光を映像信号に応じた光学像に変調して出射する液晶表示素子と、
   前記液晶表示素子からの出射光を投影する投射ユニットと、
   前記液晶表示素子への照射光の入射側に配置された入射側偏光板と、
   前記液晶表示素子からの出射光の出射側に配置された出射側偏光板と、を備え、
   前記出射側偏光板のうちＧ光路上のみの出射側偏光板は、前記液晶表示素子からの出射光が入射する側の面に還元層を有する偏光ガラスを備えると共に、当該偏光ガラスからの出射光の出射側の面に透光性基板を備え、
   前記透光性基板は、ガラス基板より熱伝導率が高い、水晶基板、サファイア基板、又は酸化マグネシウム基板であり、
   前記偏光ガラスと前記透光性基板は、無機接着材で接着されている、光学ユニット。
2. 請求項１記載の光学ユニットと、駆動回路と、冷却用ファンとを備える、投射型液晶表示装置。

Images