JPH0580321A

JPH0580321A - 投写形液晶表示装置

Info

Publication number: JPH0580321A
Application number: JP3243115A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Jitsukata; 寛實方; Yoshihiro Konuma; 順弘小沼
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1991-09-24
Filing date: 1991-09-24
Publication date: 1993-04-02

Abstract

(57)【要約】【目的】光学部品の界面で生じる光の反射を低減させ、
さらに投写に不要な色の光を吸収することにより、液晶
プロジェクタのコントラスト比、再生画像の色純度を向
上させ、光学部品間に媒質を設けることにより、光学部
品への埃の付着をなくし、明るさの低下、コントラスト
比の低下を少なくする。【構成】反射形液晶パネル１１，１２，１３とクロスダ
イクロイックプリズム８の間に透過光域の一部を吸収す
る染料で着色した媒質を設け、また投写レンズ３とダイ
クロイックプリズム８の間にも無着色媒質を設ける。光
学部品を媒質で密閉状態にできるので、冷却ファン１９
による光学部品への埃の付着をなくした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は複数の液晶表示装置（以
下、液晶パネルと略記する）の画像を光学素子によって
合成し、投写レンズを用いて前記合成画像をスクリーン
上に投写し、拡大した画像を得る投写形液晶表示装置
（以下、液晶プロジェクタ）に好適な投写光学系に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来の反射形液晶パネルを用いた液晶プ
ロジェクタは、特開平２−８３５３４号公報に開示され
たものがある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来技術はス
クリーン上に画像を再生する本来の投写光と共に、反射
形液晶パネルを使用する光学構成であるため、液晶パネ
ルの前面ガラスや光学素子の空気側界面で反射した光
（スクリーン上に画像を再生することには関与しない光
（不要光）もスクリーン上に投写してしまう。このた
め、スクリーン上に再生した画像の黒部分の輝度が増加
し、コントラスト比が低下してしまうので、再生画像の
品位が劣化する問題があった。

【０００４】また、液晶プロジェクタは高エネルギの光
で液晶パネルを照明しており、光エネルギの一部は液晶
パネルに吸収され、熱エネルギに変わるので、液晶パネ
ルの温度上昇が大きい。液晶パネルの動作温度上昇によ
り、液晶材料の特性変化や液晶の画素を駆動する能動素
子の特性変化により、液晶パネルの表示特性が劣化して
しまう。更に、液晶パネルの温度が許容範囲以上に上昇
した場合には液晶パネルの性能が永久的に劣化し、使用
できなくなってしまうこともある。そこで、多くの液晶
プロジェクタは液晶パネルの温度上昇を低減するため冷
却ファンを用いて、セットの外部から導入し外気を強制
的に液晶パネル吹き付け、液晶パネルを冷却している。
冷却ファンはエアーフィルタを用いて、空気中の埃を除
去し、埃が光学部品に付着しないようにしている。しか
し、長い間使用した後には、エアーフィルタを通過した
埃が液晶パネル、光学素子および投写レンズの表面に付
着し、スクリーン上の明るさ低下ならびに光学部品の表
面に付着した埃による表面散乱によってコントラスト比
が低下する問題があった。

【０００５】本発明の目的は反射形液晶パネル、光学素
子および投写レンズの空気側界面で生ずる不要な反射光
を低減し、スクリーン上に投写した画像のコントラスト
比を向上することである。また、光学部品に埃が付着し
ないようにして、明るさおよびコントラスト比の低下を
少なくする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は少なくとも反射形液晶パネルと光学素子お
よび光学素子と投写レンズの間に光学的な媒質を設け、
液晶パネルと光学素子および光学素子と投写レンズの間
に埃が付着しないようにし、各光学部品と媒質との屈折
率差を０．４以下、望ましくは、０．２以下とし、更に
媒質を透過光波長域の少なくとも一部を吸収する特性と
する。

【０００７】

【作用】反射形液晶パネル、光学素子および投写レンズ
の空気側界面で生じ反射光（不要光）は入射光の約４％
であり、反射形液晶パネルを用いた投写光学系では反射
光が投写レンズによって投写されスクリーン面に到達す
る。そこで、少なくとも液晶パネルと光学素子、光学素
子と投写レンズとの間に液晶パネルの前面ガラス板材、
光学素子材および投写レンズ材の屈折率に近い媒質（媒
質と光学部品材との屈折率差０．４以下、望ましくは
０．２以下）を設ける。媒質の屈折率をｎ、光学部品材
の屈折率をｎｇ、二つの屈折率の比をｐ＝ｎ／ｎｇとす
ると界面における光の反射率Ｒは次の式で示される。

【０００８】

【数１】Ｒ＝（１−ｐ）・（１−ｐ）／｛（１＋ｐ）・（１＋ｐ）｝ …（１）例えば、式（１）から光学部品材の屈折率をｎｇ＝１．
５２（クラウンガラス）、媒質の屈折率をｎ＝１（空
気）とした時の反射率は約４％になる。反射率Ｒは光学
部品と媒質の屈折率差を小さくして、ｐの値を１に近づ
けることにより低減でき、屈折率の差Δｎ＝（ｎｇ−
ｎ）が０．４の時の反射率Ｒは約２．３％、Δｎが約
０．２の時の反射率Ｒは０．５％に改善される。従っ
て、この媒質を設けることにより、スクリーン上のコン
トラストを劣化させる不要光を大幅に低減することがで
きる。

【０００９】また、媒質を透過波長域の少なくとも一部
を吸収する特性に着色することにより、投写に必要な光
に混入した投写光色以外の光（例えば、ダイクロイック
プリズムで分離した緑色の投写光には低レベルの赤色，
青色の光が混入してしまう）を吸収できるため、スクリ
ーン上に再生した画像のコントラスト比、色純度を向上
することができる。

【００１０】そして、各光学部品間に媒質を設け、光学
部品間を密閉状態とすることにより、光学部品の表面に
埃が付着することを阻止できるので、埃の影響による明
るさ、コントラスト比の低下を少なくすることができ
る。

【００１１】

【実施例】図１は本発明を液晶プロジェクタに適用した
第一の実施例の主要部を示す斜視図である。図１におい
て、１１，１２，１３は反射形の高分子分散形液晶パネ
ル（Polymer Dispersed Liquid Crystal以下、ＰＤＬＣ
と略記する）である。本実施例で用いる反射形ＰＤＬＣ
は、図２に示したように、基板１５０上に形成した反射
ミラー１５１、透明電極１５２と対向した前面ガラス
（あるいはプラスチックフィルム）１５５、透明電極１
５６の間に設けた高分子材１５３中に球形状にマイクロ
カプセル化したネマチック液晶１５４を分散させたもの
である。ＰＤＬＣはネマチック液晶の屈折率とカプセル
を形成している高分子材の屈折率の整合を利用するもの
である。液晶層に電界がかかっていない場合は、液晶は
カプセル界面に沿って配向し、液晶分子は色々な方向に
向いているため、液晶とカプセル（高分子材）の屈折率
が整合されずに入射光はカプセル界面で複屈折する。屈
折した光は、周囲の他のカプセルで連鎖的にさまざまな
方向に散乱して広がる。このとき反射形ＰＤＬＣは不透
明（乳白色）となる。一方、液晶層に電界がかかってい
る場合には、液晶の棒状分子は電界の方向に配向するた
め、液晶とカプセルの屈折率が整合するように材料を選
択しておく。この場合には、液晶とカプセルの間で複屈
折を生じないので、反射形ＰＤＬＣは透明となり入射光
は直進し、反射ミラー１５１で反射され前面ガラス１５
５側に出てくる。このＰＤＬＣはＴＮ（ツイストネマッ
チク）液晶のように偏光板を用いないので、ＴＮ液晶に
比べて光利用効率を二倍以上高くできる特徴がある。

【００１２】図１に戻り、ランプ２は反射形液晶パネル
を照明する光源であり、メタルハライドランプ、キセノ
ンランプ、ハロゲンランプなどを用いる。反射鏡１はラ
ンプ２の光を集光し光利用効率を高めるもので、ランプ
から放出された光を投写レンズ３の鏡筒に設けた照明光
の取り入れ窓（図示せず）に導く。なお、図には示して
いないが、反射鏡１には赤外線を透過する赤外線透過ミ
ラー膜およびランプの前面には可視光のみを透過し、赤
外線，紫外線を遮断する光学フィルタを付加するとさら
に良い。照明光（白色光：Ｗ）はクロスダイクロイック
プリズム８によって、赤色（Ｒ），緑色（Ｇ），青色
（Ｂ）の三原色光に分離される。赤，緑，青色の光はそ
れぞれ赤色の映像を表示する反射形液晶パネル１２、緑
色の映像を表示する反射形液晶パネル１１、青色の映像
を表示する反射形液晶パネル１３を照明する。液晶パネ
ルから反射された赤，緑，青色の光は、再び、クロスダ
イクロイックプリズム８に入射し、白色光に合成され
る。投写レンズ３は合成光をスクリーン（図示せず）上
に投写し、拡大したフルカラーの映像を再生する。

【００１３】図３は本発明の液晶プロジェクタの構成を
更に詳しく説明する略断面図（図１のIII−IIIにおける
断面）である。投写レンズ３の鏡筒１００の一部に設け
た照明光の取り入れ窓１０１から入射したランプ光１０
２（白色光）は投写レンズ３の内部に設けた反射ミラー
４により光路を左（後方レンズ群５）側に曲げられ、後
方レンズ群５で平行な光束に変換される。クロスダイク
ロイックプリズム８は四個の直角プリズムを貼り合わせ
たもので、貼り合わせ面には光の波長分離（合成）を行
なうダイクロイック膜９，１０をコーティングしてあ
る。ダイクロイック膜９，１０分光透過率特性の一例を
図４に示す。ダイクロイック膜９は青色の光を反射し、
緑，赤色の光を透過する特性であり、また、ダイクロイ
ック膜１０は赤色の光を反射し、青，緑色の光を透過す
る特性である。クロスダイクロイックプリズム８に入射
したランプ光（白色光）１０２はダイクロイック膜９の
波長分離作用により青色の光１０３が反射されので、液
晶パネル１３は青色光で照明される。また同様に、ダイ
クロイック膜１０の波長分離作用により赤色の光１０４
が反射されるので、液晶パネル１２は赤色光で照明され
る。そして、液晶パネル１１はダイクロイック膜９，１
０を透過した緑色の光１０５によって照明される。三枚
の液晶パネル１１，１２，１３はそれぞれ反射形のモノ
クローム液晶パネルであり、周知の画像再生用電子回路
（図示せず）から供給される原色信号により駆動され、
それぞれ緑色，赤色，青色の画像を表示する。液晶パネ
ル１１によって反射された緑色光１０６はダイクロイッ
ク膜９，１０を透過し、液晶パネル１２によって反射さ
れた赤色光１０７はダイクロイック膜１０で反射され、
また、液晶パネル１３によって反射された青色光１０８
はダイクロイック膜９で反射された後、一つの白色光１
０９に合成される。合成光１０９は投写レンズ３の後方
レンズ群５および前方レンズ群６によってスクリーン２
１に投写され、スクリーン２１上に拡大したフルカラー
の映像を再生する。なお、投写レンズ３内ではランプか
らの照明光１０２と液晶から反射された合成光１０９の
光軸が異なる光学系としており、合成光１０９が反射ミ
ラー４によって遮断されることなくスクリーンに投写さ
れる。

【００１４】冷却ファン１９は反射形液晶パネル１１，
１２，１３の下部に設けたもので、液晶プロジェクタの
ケース吸気口（図示せず）から導入した外気を強制的に
液晶パネルに吹き付け、液晶パネルの温度上昇を低減す
るものである。また、冷却ファン２０はランプ２の近傍
に設けたもので、ランプ２によって暖められた空気を強
制的に外部に排気してランプの冷却を行なうものであ
る。

【００１５】さて、反射形液晶パネル１１，１２，１３
とクロスダイクロイックプリズム８および投写レンズ３
とダイクロイックプリズム８の間に空気層が存在する場
合には、例えば、光学部品材の屈折率がｎｇ＝１．５２
（クラウンガラス）である時の空気層界面における反射
率は約４％になる。空気層界面で生じた反射光（不要
光）が本来の投写光と共にスクリーン上に投写された場
合には、スクリーン上のコントラスト比（投写光と界面
で生ずる不要光との比）は約２０となり、再生画像の品
位は低いものとなってしまう。

【００１６】一方、本発明ではクロスダイクロイックプ
リズム８と反射形液晶パネル１１，１２，１３の間には
それぞれ媒質１４，１５，１６およびクロスダイクロイ
ックプリズム８と投写レンズ３の間には媒質１７を設け
てある。光学部品と光学部品の間に光学的な媒質を設
け、媒質の屈折率をｎ、光学部品材の屈折率をｎｇ、二
つの屈折率の比をｐ＝ｎ／ｎｇとすると光学部品間の界
面における光の反射率Ｒは前出の式（１）で示される。
反射率Ｒは光学部品材の屈折率と媒質の屈折率比を小さ
くして、ｐの値を１に近づけることにより低減でき、例
えば、光学部品材の屈折率ｎを１．５２（クラウンガラ
ス）とすると、光学部品材と媒質の屈折率の差Δｎ＝
（ｎｇ−ｎ）が０．４の時は反射率Ｒを約２．３％、ま
た、Δｎが約０．２の時は反射率Ｒを０．５％に改善で
き、スクリーン上のコントラスト比を劣化させる不要光
を大幅に低減でき、コントラスト比を向上できる。本発
明では反射形液晶パネル１１，１２，１３とクロスダイ
クロイックプリズム８および投写レンズ３とクロスダイ
クロイックプリズム８の間にその周囲をシリコーン樹脂
などのシーリング材１８（例えば、ダウコーニング社
の783 ELECTRICAL SEALANT）で囲み、その上部に小さな
注入口を設けておく。そして、注入口から空間内部にそ
れぞれ光学的な媒質１４，１５，１６および１７を注入
する。媒質は光学部品材の屈折率（ｎ＝１．５２）に近
いものがよく、屈折率が１．４２程度であるシリコーン
ゲル、例えば、ダウコーニング社のシルポット３６８も
しくは１８４、信越化学工業社のＫＥ１０５１もしくは
ＫＥ１０５などが界面で生じる不要光を低減するには良
好な実験結果を得た。また、媒質として紫外線硬化樹脂
(ｎ＝１．４７）、５０％重量以上のエチレングリコー
ル水溶液（ｎ＝１．４５）やグリセリン、エチレングリ
コール、グリセリンなどを混合した水溶液（ｎ＝１．４
２）なども良好な結果を得ている。

【００１７】そして、本発明では更に各色の投写光に混
入する他色光を吸収する染料で各媒質を着色する。この
理由は、例えば、緑色の照明光１０５には図４に示した
ようにダイクロイック膜９，１０の反射域で透過率が完
全に零とはならないので、クロスダイクロイックプリズ
ム８から出射する光の透過率特性は図４に示した斜線部
分のようになる。従って、緑色光には不要な青色光，赤
色光が混入し、コントラスト比、色純度が劣化してしま
う。そこで、緑色用の反射形液晶パネル１１に使用する
媒質１４を不要な赤色，青色の光を吸収する染料を用い
て着色する。この染料は図５に示した黄色系（例えば、
アイゼン社のHF-Y-10、保土谷化学社ののY,W1、Y,GRLH
など）と青色系（例えば、アイゼン社のHT-B-10、保土
谷化学社のSpilom B-3,W1 など）を混合して用いること
により不要な青色光および赤色光を低減し、いづれもコ
ントラスト比の改善と色純度の向上に良好な結果を得
た。なお、赤色光、青色光についても同様であり、着色
する染料を適宜選択すれば良いので説明を省略する。な
お、クロスダイクロイックプリズム８と投写レンズ３の
後レンズ群５の間には無着色の媒質１７を配置して、光
学部品の界面で生じる不要な反射を低減すると共に、光
学部品の表面に埃が付着しないようにしている。

【００１８】図６は第二の実施例の説明図である。本実
施例は二種類のダイクロイックミラー２２，２３を十文
字状に配置したクロスダイクロイックミラーを光学素子
として用いる。ダイクロイックミラー２２，２３の透過
率特性は第一の実施例で用いたダイクロイック膜９，１
０と同様な特性のものを使用する。ただし、ダイクロイ
ックミラーは薄いガラス板にダイクロイック膜をコーテ
ィングしたもので、ダイクロイックミラー２２は十文字
の中央部にダイクロイックミラー２３のガラス板厚分だ
けつなぎめを生じてしまうが、クロスダイクロイックプ
リズムに比べ安価で製作できる特徴がある。また、第二
の実施例では集光レンズ２５と投写レンズ２６を分けて
いるが、動作は第一の実施例と同様であるから説明を省
略する。なお、反射形液晶パネル１２，１３，１４とダ
イクロイックミラー２２，２３の間には第一の実施例と
同様に着色した媒質１４，１５，１６および集光レンズ
２５とダイクロイックミラー２２，２３の間には無着色
の媒質１７を設けてある。

【００１９】図７は本発明の第三の実施例を示す説明図
である。本実施例では反射形ＴＮ（ツイストネマチッ
ク）液晶パネル１１０，１２０，１３０を使用してい
る。偏光ビームスプリッタ２６は自然光からＳ偏光，Ｐ
偏光を分離する偏光分離膜２７をコーティングしたもの
である。その分光透過率特性は図８に示したように、Ｓ
偏光を反射し、Ｐ偏光を透過するものである。また、ダ
イクロイックプリズム２８，３０はそれぞれ青色光を反
射するダイクロイック膜２９、赤色光を反射するダイク
ロイック３１をコーティングしたものである。ランプ２
から放出された自然光は偏光ビームスプリッタ２６にコ
ーティングした偏光分離膜２７によりＳ偏光成分１４０
が反射され、Ｓ偏光のみが光路を左側に曲げられる。そ
して、ダイクロイックプリズム２８，３０により白色の
Ｓ偏光から青色１４１，赤色１４２，緑色１４３の三元
色光に分離される。反射形ＴＮ液晶パネル１１０に入射
した緑色のＳ偏光１４３は緑色の原色信号に応じて各画
素毎に偏光面が回転されて反射され、偏光ビームスプリ
ッタ２６側に戻される。この時、偏光面の回転により生
じるＰ偏光成分１４４が偏光ビームスプリッタ２６を通
過して投写レンズ３５に到達し、スクリーン２１に投写
される。赤色光，青色光についても同様であり、スクリ
ーン上に拡大したカラー画像を得ることができる。液晶
パネル１１０，１２０，１３０とダイクロイックプリズ
ム２８，３０および投写レンズ３５と偏光ビームスプリ
ッタ２６の間に設けた媒質１４，１５，１６，１７は第
一，第二の実施例と同様である。

【００２０】図９，図１０は本発明の第四の実施例を示
す斜視図および説明図である。本実施例はそれぞれ赤
色，緑色，青色の単色光を放出するランプを使用する。
緑色の単色光ランプ２００から放出された緑色の自然光
は偏光ビームスプリッタ２６にコーティングした偏光分
離膜２７よりＳ偏光成分１５１が反射され、Ｐ偏光成分
１５２はそのまま透過する。反射形ＴＮ液晶パネル１１
０に入射した緑色のＳ偏光１５１は緑色の原色信号に応
じて各画素毎に偏光面が回転されて反射され、偏光ビー
ムスプリッタ２６側に戻される。この時、偏光面の回転
により生じるＰ偏光成分１５３が偏光ビームスプリッタ
２６を通過して投写レンズ３５に到達し、スクリーン
（図示せず）に拡大された緑色の画像が投写される。光
学部品間の媒質１４，１７の動作は本発明の他の実施例
と同じである。同様に赤色，青色の投写装置（図示せ
ず）は赤色ランプ，青色ランプを用いることにより、そ
れぞれ赤色，青色の拡大画像をスクリーン上に得ること
ができる。赤色，緑色，青色の画像をスクリーン上に投
写する投写部を三台まとめ、フルカラー液晶プロジェク
タ３６とすることができる。この液晶プロジェクタ３６
は図１１の様にフロントスクリーン２１上に前面からフ
ルカラーの画像を投写する方式や、図１２のように液晶
プロジェクタ３６と反射ミラー３７をキャビネット３９
の内部に配置して、リアスクリーン３８の後方から画像
を投写する方式に用いることができる。

【００２１】以上の説明では、媒質を着色して、透過光
波長域の少なくとも一部を吸収させることにより、不要
光を低減する方法を説明した。ところで、第一，第二の
実施例で説明した高分子分散形液晶パネルはガラス板の
代わりに、プラスチックフィルムの間に液晶材料を塗布
して製作することができる。この場合、プラスチックフ
ィルム材として用いる樹脂材に染料（例えば、バイエル
ジャパン社のマクロレタス・グリーンＧなど）を分散さ
せて着色したものを用いて不要光を吸収しても良い。

【００２２】上記説明は、反射形液晶パネルを用いた液
晶プロジェクタについて行なったが、本発明は透過形液
晶パネルを用いた液晶プロジェクタにも同様に適応でき
ることは明らかである。

【００２３】

【発明の効果】本発明によれば、反射形液晶パネルと光
学素子および投写レンズと光学素子との間を透過光波長
域の少なくとも一部の波長を吸収する特性をもつ光学的
な媒質を設ける。この媒質により、光学部品の界面で生
ずる反射光を低減し、また不要な色の投写光成分を吸収
できるので、スクリーン上に投写した画像のコントラス
ト比を向上することができ、さらに赤色，緑色，青色の
色純度を改善できる。そして、液晶パネルや光学素子に
埃が付着しないので光の吸収などによる明るさの低下を
少なくすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施例を示す斜視図、

【図２】高分子分散形液晶パネルの構造の説明図、

【図３】本発明の第一の実施例の説明図、

【図４】ダイクロイック膜の分光透過率特性図、

【図５】不要な色光を吸収する染料の分光透過率特性
図、

【図６】本発明の第二の実施例の説明図、

【図７】本発明の第三の実施例の説明図、

【図８】偏光ビームスプリッタの分光透過率特性図、

【図９】本発明の第四の実施例を説明する斜視図、

【図１０】本発明の第四の実施例の説明図、

【図１１】本発明の第四の実施例を適用する応用例の説
明図、

【図１２】本発明の第四の実施例を適用する応用例の説
明図。

【符号の説明】

２…ランプ、３…投写レンズ、８…クロスダイクロイックプリズム、１１，１２，１３…反射形液晶パネル、１９…冷却ファン、１４，１５，１６…着色媒質、１７…無着色媒質。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の液晶表示装置と前記液晶表示装置か
らの画像光を合成する光学素子および投写レンズを設け
た投写形液晶表示装置において、前記液晶表示装置と前
記光学素子および前記光学素子と前記投写レンズの間に
光学的な媒質を設け、液晶表示装置と前記媒質、前記光
学素子と前記媒質および前記投写レンズと前記媒質との
屈折率差をそれぞれ０．４以下、望ましくは０．２以下
とすることを特徴とする投写形液晶表示装置。
【請求項２】請求項１において、前記液晶表示装置は反
射形あるいは透過形のもの、光学素子はダイクロイック
・プリズムあるいはダイクロイックミラーを用いる投写
形液晶表示装置。
【請求項３】請求項１または２において、少なくとも前
記液晶表示装置と前記光学素子、前記光学素子と前記投
写レンズとの間に液体状媒質あるいはシリコーンゲルあ
るいは紫外線硬化樹脂を設けた投写形液晶表示装置。
【請求項４】請求項１，２または３において、少なくと
も前記液晶表示装置と前記光学素子の間に透過光波長域
の少なくとも一部を吸収する特性をもった媒質を設けた
投写形液晶表示装置。
【請求項５】請求項１，２，３または４において、前記
液晶表示装置の前面に透過光波長域の少なくとも一部を
吸収する特性をもつ光学フィルタを配置した投写形液晶
表示装置。
【請求項６】請求項５において、透過光波長域の少なく
とも一部を吸収する特性をもつ染料を分散させた光学樹
脂を用いて製造したプラスチックフィルムを液晶表示装
置に使用する投写形液晶表示装置。