JPH05297337A - 偏光変換素子および投写型液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 光源から照射面までの間に配設され、効率の
高い偏光変換が可能な偏光変換素子、およびこのような
偏光変換素子を用いた投写型液晶表示装置の提供。 【構成】 光源からの無偏光光１を２つの直線偏光成分
に分離する偏光分離手段２と、これら分離された２つの
直線偏光成分の偏光面を旋回させる第１および第２の液
晶板４，３と、そのいずれか一方の偏光面を対称反転さ
せるための全反射ミラー５と、上記液晶板４，３および
全反射ミラー５を介して得られた直線偏光成分を屈折さ
せる鋸歯状透明屈折板６とを具備した偏光変換素子およ
びこのような素子を用いた投写型液晶表示装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、偏光変換素子および投
写型液晶表示装置に関し、詳しくは光源からのランダム
偏光を一方向の偏光面を有する直線偏光に変換する偏光
変換素子、およびかかる偏光変換素子を介して得られた
偏光光により、液晶ライトバルブの画像を投写レンズで
拡大投写するようにした投写型液晶表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の偏光変換素子としては、ランダム
偏光から一方向性の偏光を得るために、偏光子や複屈折
性結晶を用いて、特定の偏光面を有する直線偏光のみを
選択的に取り出すようにしたものや、実公平１−８８９
０２号に開示されているように直角プリズムにより偏光
方向を揃えるようにしたもの、あるいは特開平２−１８
９５０４号に開示されているようにビームスプリッタを
用いたものなどが知られている。このうち実公平１−８
８９０２号に開示されている偏光変換素子は、ビームス
プリッタを用いて直線偏光光を空間的に分離させ、分離
された互いに直交する偏光軸を、直角プリズムを用いて
偏光方向を捻らすことによりその軸を合わせるようにし
たものである。また、特開平２−１８９５０４号に開示
されている偏光変換素子は、ビームスプリッタを用いて
空間的に偏光分離を行い、分離されたいずれか一方の偏
光方向を１／４λ板もしくは１／２λ板により偏向させ
てその偏光方向を揃えるようにしたものである。

【０００３】また、従来の投写型液晶表示装置におい
て、特開昭６１−１０２８９２号の投写型液晶表示装置
に開示されているものでは、液晶ライトバルブに偏光特
性を有するＴＮ液晶を用い、偏光軸変換素子により予め
偏光された偏光軸を有する偏光光を入射させるようにし
ている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような従来の偏光変換素子にあって、ビームスプリッタ
で空間的に偏光分離された光を一軸上に重ね合わせるた
めには別の光合成手段が必要となるため、結果的には、
ランプから照射面までの距離が長くなり偏光軸を揃えて
照射する照射面の輝度は上がらない。また、光を２軸の
出射軸により照射する場合は光の合成手段を必要としな
いが、照射する２軸の光路長が違うために照射面の半分
ずつを照射した場合、照射面に輝度差が生じる。

【０００５】また従来の投写型液晶表示装置の場合、偏
光ビームスプリッタを通過した光の偏光軸をＸ軸とし、
反射した光をＹ軸として各々を液晶を介して軸合わせ
し、これを凸レンズおよび凹レンズにより絞り込んで液
晶に導くようにしている。この場合液晶は、それぞれ最
終的に照射する面積に対し１／２の面積ずつを受け持つ
ために、表示部の中心を境にして左右、もしくは上下方
向にランプからの照射距離の差による輝度差が生じる。

【０００６】本発明の偏光変換素子およびそれを用いた
投写型液晶表示装置は、以上の課題を解決するためのも
ので、その目的とするところは、光源から照射面までの
間に、偏光変換素子を用い、まず、そのビームスプリッ
タにて空間的に偏光分離された光に対して、所望する偏
光軸を最短距離で一軸上にて合成させることができる効
率の高い偏光変換素子を提供することにある。

【０００７】またこの偏光変換素子を用いた投写型液晶
表示装置により従来にない明るい投写画像を提供するこ
とにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明偏光変換素子は、光源からのランダム偏光を
偏光面が互いに直交するｐ偏光およびｓ偏光の２つの直
線偏光成分に空間的分離可能な偏光分離手段と、該偏光
分離手段により分離された２つの直線偏光成分の偏光面
を旋回させるための第１および第２のＴＮ液晶板と、前
記２つの直線偏光成分の内のいずれか一方の偏光面を対
称反転させるための全反射ミラーと、該全反射ミラーに
より反転されたものを含め前記第１および第２液晶板を
介して得られた直線偏光成分を屈折させるための鋸歯状
透明屈折板とを具備したことを特徴とするものである。

【０００９】また、その偏光分離手段は、ガラスの屈折
率にほぼ等しい液体を充填したビームスプリッタである
ことを特徴とするものである。

【００１０】さらにまた、本発明投写型液晶表示装置は
光源と、光源からの光を２つの直線偏光成分に分離する
偏光分離手段と、該偏光分離手段からの光を変調する液
晶ライトバルブと、該液晶ライトバルブにより変調され
た光を合成する光合成手段と、該光合成手段からの光を
投写する投写レンズと、該投写レンズからの光を投影す
る手段とを有する投写型液晶表示装置であって、前記光
源からのランダム偏光が上述の偏光分離手段、２枚のＴ
Ｎ液晶板、全反射ミラー、鋸歯状透明屈折板とを具備し
た偏光変換素子により一方向の直線偏光に変換されるこ
とを特徴とするものである。

【００１１】

【作用】本発明によれば、その偏光変換素子において
は、ガラスと屈折率がほぼ等しい液体を充填して形成し
た偏光分離手段により分離された２つの直線偏光が、偏
光分離手段の出光側２面に沿って設けられた第１、第２
のＴＮ液晶によってその偏光面が回転させられ、さらに
そのいずれか一方が近傍に設けた全反射ミラーによって
対称反転させられる。そして、このあと、これらの直線
偏光がそれぞれ鋸歯状の透明屈折板で屈折させられて出
光されるもので、この出光される光を投写レンズを介し
て投影手段に投写させることにより従来にない明るい投
写画像を得ることができる。

【００１２】

【実施例】以下に、本発明の一実施例を、図面にしたが
って詳細に説明する。

【００１３】（実施例１）図１は本発明偏光変換素子の
一実施例を示すもので、以下に、主要な構成要素につい
て説明する。

【００１４】ここで、１は不図示のハロゲンランプ、キ
セノンランプ、メタルハライドランプ等の光源から放射
され、リフレクタにより反射されて概ね平行に投光され
る無偏光光であり、このような無偏光光１が偏光ビーム
スプリッタ２に入射する。この偏光ビームスプリッタ２
は、入射角が４５度となる内面にエチレングリコール等
のガラスと同等の屈折率を有する液体を充填したビーム
スプリッタである。この偏光ビームスプリッタ２では、
光の入射面に反射防止膜がコーティングされていて、極
力表面反射が少なくなるようにしてある。また、偏光特
性を分離する誘電体膜２Ａは、入射面に対して４５度の
角度を成すその反射面に酸化マグネシウム、酸化チタ
ン、酸化ジルコニウムなどの高屈折率層と、フッ化マグ
ネシウム、酸化シリコンなどの低屈折率層とを交互に積
層したものである。このように構成したビームスプリッ
タ２では、偏光方向が互いに直交する２つの直線偏光
（ｐ偏光、ｓ偏光）に互いに等しい強度を保って偏光分
離される。そして分離されたｓ偏光の方は、第１のＴＮ
液晶による旋光板４（以下で第１ＴＮ液晶板という）に
入射される。この第１のＴＮ液晶板４は偏光ビームスプ
リッタ２から出射したｓ偏光を旋光させるためのもので
あり、ｓ偏光を略４５度の旋光角度で旋光し、これが全
反射ミラー５により鏡面対称を考慮した所望する偏光軸
に反転される。同様に偏光ビームスプリッタ２により分
離されたｐ偏光に関しては、第２のＴＮ液晶板３にて略
４５度に旋光される。この第１および第２のＴＮ液晶板
により旋光された２方向の光α、βは、アクリル等の透
明樹脂の成型もしくは切削により連続的な鋸歯状に形成
された鋸歯状屈折板６により同一角度もしくは各々が異
なる角度の所望する角度に屈折されて実際の照射面（た
とえば不図示の液晶ライトバルブ面）で合成一致され
る。なおこの角度については、各々の光α、βが光の合
成点Ｆにおいてそれぞれの偏光軸を一致させるようにそ
の旋光方向を設定する必要がある。つまり、第１のＴＮ
液晶板４の入射面の偏光軸がｓ偏光の場合には、旋光角
θ１で、第２のＴＮ液晶板３の入射面の偏光軸がｐ偏光
の場合には、旋光角はθ２となり、各々の偏光軸は照射
面で一致するように合成される。この第１，第２のＴＮ
液晶板４，３の材料は、本例の場合、ＭＥＲＣＫ社製の
液晶ＮＯ．ＺＬＩ−４１０３（商標名）の高温液晶（ク
リアリングポイントｃ．ｒ．＝１０４℃，Δｎ＝０．０
７）を用いて約２５μｍのセル厚に充填し構成した。こ
の第１のＴＮ液晶板４から出射した光は、全反射ミラー
５により偏光方向が、対称的に反転される。なおこの全
反射ミラー５に関しては、ミラーの法線と第１のＴＮ液
晶板４とのなす角度を偏光分離手段から照射面までの距
離ＷＤ（ワーキングディスタンス）に応じて調整する必
要がある。その結果、それぞれ異なる経路を経た２つの
光α，βを照射面にて合成することにより、ほとんどの
光の損失を伴うことなく、光源からのランダム偏光を高
効率で特定の直線偏光に変換することができる。また、
第１，第２のＴＮ結晶板４，３に高温液晶を用いること
により、クリアリングポイントが１０４℃まで相転移す
ることがなく、しかもΔｎｄが１．８であるため光の旋
光分散が極めて少なく白色光のスペクトルも減衰するこ
とはない。

【００１５】（実施例２）図２は、本発明による偏光変
換素子を用いて構成し投写型液晶表示装置の実施例を光
学系の構成図として示したものである。光源１０は、メ
タルハライドランプ、キセノンランプなどのランプで構
成されており、そのリフレクタ１１で反射された平行性
の高い白色光を偏光変換素子１２に入射させる。偏光変
換素子１２は、入射平面に対して垂直な偏光特性を有す
るｓ偏光光と、入射平面に対して水平な偏光特性を有す
るｐ偏光光とを、透過型の液晶ライトバルブ１７Ｒ
（赤）、１７Ｂ（青）、１７Ｇ（緑）の所望する直線偏
光の軸に合わせ出射する。すなわち、偏光変換素子１２
により得られた直線偏光光が、光分離手段１３に入射す
ると、ダイクロイックミラー１４、１５および反射ミラ
ー１６により構成されている光分離手段１３では、たと
えばダイクロイックミラー１４に赤反射用の反射特性を
保持させ、ダイクロイックミラー１５に青色透過用の波
長特性を保持させることにより、入射光を赤、青、緑の
３原色に分離させることができる。そして光分離手段１
３によって分離された各色光が、各々の色に対応した液
晶ライトバルブ１７Ｒ、１７Ｂ、１７Ｇに入射され、そ
れぞれで各々の色に対応した光変調、すなわち、信号電
圧に応じた透過率変化により画像が形成されて、光合成
手段１８に入射される。

【００１６】液晶ライトバルブ１７Ｒ、１７Ｂ、１７Ｇ
は、アクティブマトリクス液晶パネルの前後に偏光板を
配置した構成が一般的であるが、光源側の偏光板は、偏
光変換素子１２の偏光度が１００％に近いときは、不要
となる。ここで、光合成手段１８は、ダイクロイックミ
ラー１９、２０と反射ミラー１６とにより構成されてお
り、例えば、ダイクロイックミラー１９に赤色透過用の
波長特性を持たせ、ダイクロイックミラー２０に青色透
過用の波長特性を持たせることによって、各色光のフル
カラーの画像として合成することができ、投写レンズ２
１を介してスクリーン２２にこれを拡大投写することが
できる。

【００１７】図３は、図２に示す投写型液晶表示装置で
の偏光変換素子１２から投写レンズ２１に至るまでの光
路関係を解りやすくするために示したもので、ここでは
図２のＡ−Ａ′断面に沿って展開したものが示されてい
る。この図に示すように、光源１０から出射した光は、
偏光分離手段２（図３参照）にてｐ偏光，ｓ偏光に分離
され、さらにそのｓ偏光の方は、光源１０からの光軸に
対して、９０度の方向を変換され、第１のＴＮ液晶板４
に入射する。そして入射された偏光光は、第１ＴＮ液晶
板４で所望する偏光方向に旋光されて出射され、さら
に、全反射ミラー５を介して鋸歯状屈折板６に入射し屈
折されて照射面に導かれる。

【００１８】もう一方のｐ偏光の方は、第２のＴＮ液晶
板３により所望する偏光軸に旋光され鋸歯状屈折板６に
入射し屈折されて照射面に導かれる。

【００１９】図１および図２から明らかなように、偏光
変換素子１２を非常にコンパクトに構成することができ
るので、光源１０からの光を、偏光分離したあともその
光を効率よく液晶ライトバルブ１７Ｒ，１７Ｂ，１７Ｇ
に導くことにより明るい投写画像が提供できる。さら
に、ハイビジョン用の表示装置としては、これらの液晶
ライトバルブのアスペクト比が１６：９の横長の表示に
対しては、表示画面の短辺方向を一辺とするようにビー
ムスプリッタを構成すると共に、その短辺方向に対して
全反射ミラー５による折返しをすることにより、ワーキ
ングディスタンスＷＤを最も短くすることができる。

【００２０】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、光源
からのランダム偏光を偏光面が互いに直交するｐ偏光お
よびｓ偏光の２つの直線偏光成分に空間的分離可能な偏
光分離手段と、該偏光分離手段により分離された２つの
直線偏光成分の偏光面を旋回させるための第１および第
２のＴＮ液晶板と、前記２つの直線偏光成分の内のいず
れか一方の偏光面を対称反転させるための全反射ミラー
と、該全反射ミラーにより反転されたものを含め前記第
１および第２液晶板を介して得られた直線偏光成分を屈
折させるための鋸歯状透明屈折板とを具備したので、効
率の高い偏光変換が可能となった。また、偏光分離手段
に用いるビームスプリッタを、ガラスとほぼ等しい屈折
率を有する液体を充填して構成することにより、光源か
らの光の照射熱に対しても、ビームスプリッタ内で充填
した液体の対流で熱吸収することにより偏光分離のため
の誘電体膜に劣化をもたらすことが防止でき、また、第
１および第２のＴＮ液晶板に高温液晶を用いることによ
り熱的に安定で、しかも光源との間の距離の短縮を図る
ことができ、効率および熱的にも安定な偏光分離ができ
る。また、鋸歯状屈折板に関しては第１および第２のＴ
Ｎ液晶板の面に張り合せることも可能であり、これによ
り効率の高い透過特性を確保することができる。さらに
鋸歯状屈折板を樹脂系材料により構成した場合には、液
晶板に張り合せることにより放熱効果が得られて樹脂製
の鋸歯状屈折板の熱劣化を防ぐことが可能となる。ま
た、この偏光変換素子を投写型液晶表示装置に用いるこ
とにより、液晶ライトバルブの偏光軸に光を合わせ照射
することにより明るい表示が可能で、効率の高い投写型
液晶表示装置が提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明偏光変換素子の一実施例の構成を示す斜
視図である。

【図２】本発明の偏光変換素子を用いた投写型液晶表示
装置の構成図である。

【図３】本発明投写型液晶表示装置における偏光変換素
子の光学的配置を機能的に解りやすく説明するための図
２のＡ−Ａ′線断面図である。

【符号の説明】

１ 無偏光光 ２ 偏光ビームスプリッタ（偏光分離手段） ３ 第２のＴＮ液晶板 ４ 第１のＴＮ液晶板 ５ 全反射ミラー ６ 鋸歯状屈折板 １０ 光源 １１ リフレクタ １２ 偏光変換素子 １３ 光分離手段 １４，１５，１９，２０ ダイクロイックミラー １６ 反射ミラー １７ 液晶ライトバルブ １８ 光合成手段 ２１ 投写レンズ ２２ スクリーン

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源からのランダム偏光を偏光面が互い
   に直交するｐ偏光およびｓ偏光の２つの直線偏光成分に
   空間的分離可能な偏光分離手段と、 該偏光分離手段により分離された２つの直線偏光成分の
   偏光面を旋回させるための第１および第２のＴＮ液晶板
   と、 前記２つの直線偏光成分の内のいずれか一方の偏光面を
   対称反転させるための全反射ミラーと、 該全反射ミラーにより反転されたものを含め前記第１お
   よび第２液晶板を介して得られた直線偏光成分を屈折さ
   せるための鋸歯状透明屈折板とを具備したことを特徴と
   する偏光変換素子。
2. 【請求項２】 前記偏光分離手段は、ガラスと屈折率が
   ほぼ等しい液体を充填したビームスプリッタであること
   を特徴とする請求項１に記載の偏光変換素子。
3. 【請求項３】 光源と、光源からの光を２つの直線偏光
   成分に分離する偏光分離手段と、該偏光分離手段からの
   光を変調する液晶ライトバルブと、該液晶ライトバルブ
   により変調された光を合成する光合成手段と、該光合成
   手段からの光を投写する投写レンズと、該投写レンズか
   らの光を投影する手段とを有する投写型液晶表示装置で
   あって、前記光源からのランダム偏光が請求項１に記載
   の偏光変換素子により一方向の直線偏光に変換されるこ
   とを特徴とする投写型液晶表示装置。