JP2009047969A - プロジェクタおよび表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】素子特性の低下や劣化、短寿命化を防止し、長期にわたって高画質な画像表示を行えるプロジェクタおよび画像表示装置を提供する。
【解決手段】本発明のプロジェクタは、酸化物を主成分とする透明熱電変換層（積層体２７）と透明熱電変換層に電流を供給するための電極（透明電極２８，２９）とを有する透過型熱交換素子２５と、光学素子（偏光板１４，１６）と、を備え、透過型熱交換素子を用いて光学素子の冷却または加熱を行うことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、プロジェクタおよび表示装置に関し、特に光学素子の効率の良い温度制御構造を有し、熱的な信頼性に優れたプロジェクタおよび表示装置に関するものである。

高圧水銀ランプやキセノンランプ等の光源からの光で液晶ライトバルブを照明し、その液晶ライトバルブに形成された画像を投写レンズ等によってスクリーン等に拡大表示するプロジェクタが実用化されている。明るい部屋でも大画面で投写画像を見られるように表示画像の高輝度化、すなわち光源出力の増大が進む一方、プロジェクタ装置の可搬性や取扱いを容易にするためにプロジェクタ装置や液晶ライトバルブの小型化も進展している。そのため、照明および投写光路に位置する液晶ライトバルブ、偏光板、偏光変換素子等の光学素子には強度が極めて大きな光が入射するようになってきている。しかし、これらの光学素子では入射する光の一部あるいは大部分が熱に変換されるため、光学素子の帯熱による光学特性の低下や劣化、光学素子の短寿命化が大きな課題となっている。

上記光学素子の帯熱を防止するために、例えば、大型で冷却性能が高い空冷ファンを用いて光学素子を冷却する、偏光板や偏光変換素子を保持する基板としてサファイア等の熱伝導性（すなわち放熱性）が高い結晶性基板を用いる、等の方策が考案されている（例えば特許文献１、特許文献２）。
特開平１１−２３１２７７号公報 特開２００１−３１８３５９号公報

しかしながら、前者の方策では、プロジェクタ装置の小型化との相性が悪く、また、冷却性能を向上させるにしたがって騒音の増大が避け難いという課題がある。また、後者の方策では、結晶性基板に生じた熱分布勾配に応じて熱が自然的（非強制的）に伝導されて放熱されるため、素子の発熱量が非常に大きい場合には十分な放熱を実現できず、帯熱を十分に防止できないという課題がある。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、大出力の光源を用いた場合であっても、光学素子の特性低下や特性劣化、短寿命化を防止し、長期にわたって高画質な画像表示を行えるプロジェクタおよび画像表示装置を提供することにある。また、冷却効率の向上によって一層の小型化を可能とするプロジェクタおよび表示装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明のプロジェクタは、酸化物を主成分とする透明熱電変換層と前記透明熱電変換層に電流を供給するための電極とを有する透過型熱交換素子と、光学素子と、を備え、前記透過型熱交換素子を用いて前記光学素子の冷却または加熱を行うことを特徴とする。

従来から知られている代表的なペルチェ素子は例えばビスマス・テルル合金等を主成分とした不透明な素子であったため、光が透過する光路中では使用できなかった。これに対し、最近、酸化物を主成分とし、ペルチェ効果（電流を流すことでエネルギー分布（熱分布）が形成され、発熱部と吸熱部が形成される）を発現する透明な熱電変換材料が開発された。この酸化物を主成分とする熱電変換材料は可視域で透明であるため、透過型の熱交換素子として使用でき、電極を用いて電流を流すことにより光学素子を能動的に冷却または加熱できる。したがって、温度によって光学特性が影響を受ける光学素子をこの種の透過型熱交換素子を用いて温度制御すれば、光学特性の安定化と光学素子の長寿命化を図ったプロジェクタを実現できる。

透過型熱交換素子は、光学素子に密着して配置されるか、または光学素子の近傍に配置される構成とすることができる。
この構成によれば、既存のプロジェクタの構成に手を加えることなく、光学素子を効率良く冷却または加熱することができる。

また、光学素子の両面に透過型熱交換素子がそれぞれ設けられ、透過型熱交換素子の光学素子に対向する側が低温側となるように透過型熱交換素子の温度分布が形成された構成を採用できる。ここで言う「光学素子の両面」とは、光学素子の光入射面側および光射出面側のことである。
この構成によれば、光学素子を効率良く冷却することができる。また、光学素子の両面での温度差が小さくなるため、光学特性に影響を与える応力や歪みの発生を抑制でき、表示画像の画質劣化を防止できる。

あるいは、光学素子を構成する透明基板として透過型熱交換素子を用いることができる。
この構成によれば、透過型熱交換素子を光学素子を構成する透明基板として用いるので、例えば透過型熱交換素子を光学素子に密着して配置する場合に比べて、構成部品点数の削減、装置の小型化を図ることができる。

また、光学素子の温度を検出する温度検出手段を備え、温度検出手段の検出結果に基づいて電流を制御することにより透過型熱交換素子の温度を制御する構成としても良い。
この構成は、例えば光学素子が良好な特性を発揮するのに最適な温度範囲を持っているような場合に好適である。この構成によれば、温度検出手段の検出結果に基づいて電流を制御し、透過型熱交換素子の温度を制御するため、光学素子を所定の温度範囲内に適確に温度制御することができる。

また、透過型熱交換素子が放熱部材を備えた構成としても良い。
この構成によれば、透過型熱交換素子の高温部の放熱性を向上させることができる。

また、前記光学素子が偏光板であることが望ましい。
温度制御の対象となる光学素子としては、フィルター、ミラー、レンズ、レンズアレイ、偏光変換素子、光変調素子等、種々のものが考えられるが、偏光板は特に帯熱しやすいため、本発明の透過型熱交換素子で冷却することが有効である。また、本発明の透過型熱交換素子であれば、光路中に配置することができるため、偏光板の全面（光が入射する領域の全面）に密着配置できる点でも有効である。

あるいは、光変調素子の偏光子、検光子の少なくとも一方として機能する偏光板の片面に透過型熱交換素子が設けられ、光変調素子に近い側に偏光板が配置され、光変調素子から遠い側に透過型熱交換素子が配置された構成を採用できる。
この構成によれば、透過型熱交換素子による偏光の乱れを排除でき、光変調素子への悪影響が抑えられるため、表示画像を高コントラスト化できる。

また、前記透明熱電変換層としては、チタン酸ストロンチウムとニオブをドープしたチタン酸ストロンチウムとの積層体を採用することができる。
この構成によれば、高い熱電変換効率と高い透明性を確保することができる。

また、透過型熱交換素子の熱伝導の方向が、前記透過型熱交換素子の主面に沿う方向であることも好ましい。
この構成によれば、被冷却対象である光学素子の主面が透明熱電変換基板の積層体の主面と一致するため、光学素子の大きさに合わせて透明熱電変換基板の大面積化が比較的容易である。また、透過型熱交換素子の電極が光路外に配置される場合には必ずしも透明である必要はなく、不透明な金属等からなる電極を用いて、透過型熱交換素子の主面に沿う方向に熱を輸送する構成を実現できる。

さらに、透過型熱交換素子の熱伝導の方向が、前記透過型熱交換素子の主面の中央部から周縁部に向かう方向である構成としても良い。
この構成によれば、特に中央部が高温になりやすい傾向を持つ光学素子に用いたときに効果的に冷却を行うことができる。

本発明の表示装置は、酸化物を主成分とする透明熱電変換層と前記透明熱電変換層に電流を供給するための電極とを有する透過型熱交換素子と、光学素子と、を備え、前記透過型熱交換素子を用いて前記光学素子の冷却または加熱を行うことを特徴とする。
この構成によれば、光学素子を透過型熱交換素子を用いて温度制御することによって、光学特性の安定化と光学素子の長寿命化を図った表示装置を実現できる。

［第１の実施の形態］
以下、本発明の第１の実施の形態を図１〜図３を参照して説明する。
本実施形態は、赤色光（Ｒ）、緑色光（Ｇ）、青色光（Ｂ）の色光毎に液晶ライトバルブを備えた、いわゆる３板式の液晶プロジェクタの例である。
図１は本実施形態のプロジェクタの概略構成図である。図２、図３は同プロジェクタで用いる透明熱電変換基板の使用形態を示す図である。なお、以下の各図においては、図面を見やすくするため、各構成要素の寸法の比率、縮尺等は適宜異ならせてある。

本実施形態のプロジェクタ１において、図１に示すように、光源２は高圧水銀ランプ、キセノンランプ、メタルハライドランプ等の高輝度ランプであり、光源２から放射された非偏光な光は、ＵＶ・ＩＲカットフィルター３により不要な紫外光や赤外光が反射あるいは吸収されて除去され、画像表示に有用な可視光が透過される。ＵＶ・ＩＲカットフィルター３としては、ガラス等の透明基板に誘電体多層膜が形成されたもの、特定の波長域の光を吸収する素材をガラス等の透明基板に含有させるか、あるいは基板上に形成したもの等が用いられる。これらＵＶ・ＩＲカットフィルター３は光源２の直近に配置され、透過する光の一部を吸収することでフィルター自体が帯熱するため、耐熱性に優れた素材を用いることが望ましい。

その後、２枚のレンズアレイ４，５と偏光ビームスプリッタ（Polarized Beam Splittor,以下、ＰＢＳと略記する）アレイ６と位相差板アレイ７とを有する偏光変換インテグレータ８によって、非偏光な光は特定の直線偏光に変換されるとともに、照明対象（液晶ライトバルブ）における照度分布が略均一となるように光強度が均一化される。すなわち、ＵＶ・ＩＲカットフィルター３からの光は２つのレンズアレイ４，５によって複数の部分光束に分割されるとともに各々が集光される。そして、レンズアレイ５から射出された光は、ＰＢＳアレイ６の偏光分離膜に位置選択的に入射して互いに偏光方向が異なる２種類の直線偏光（Ｐ偏光とＳ偏光）に分離された後、一方の直線偏光は位相差板アレイ７によってその偏光方向を回転し、他方の直線偏光と同じ偏光状態に変換されて射出される。

レンズアレイ４，５としては、プレス整形による一体型のレンズアレイや、熱伝導性の高い透明基板にレンズ部分を貼り付けたもの等が用いられる。ＰＢＳアレイ６の偏光分離膜としては、誘電体多層膜をガラス等の透明なプリズム状基材で挟持したものが一般的に用いられる。位相差板アレイ７としては、屈折率異方性を有する有機フィルムを上記のプリズム状基材や透明基板に貼り付けたものが一般的に用いられる。レンズアレイ４，５、ＰＢＳアレイ６、位相差板アレイ７等はいずれも透過する光の一部を吸収するため、帯熱が避けられない。中でも、位相差板アレイ７は耐熱性の低い有機フィルムで形成されるため、位相差板アレイ７と接する部材には熱伝導率が高く、放熱性に優れた素材を用いることが望ましい。

偏光変換インテグレータ８から射出された光は、重畳レンズ９を経て、ダイクロイックミラー１０，１１で波長域が異なる３種類の色光（Ｂ光、Ｇ光、Ｒ光）に分離され、平行化レンズ１２を経て、対応する液晶ライトバルブユニット１３に各々入射する。ダイクロイックミラー１０，１１としては、ガラス等の透明基板に誘電体多層膜が形成されたものが用いられる。

液晶ライトバルブユニット１３は、一般的に入射側偏光板１４、液晶ライトバルブ１５、射出側偏光板１６を備えている。入射側偏光板１４（偏光子）では不要な偏光成分を吸収あるいは反射することで照明光を特定の偏光に変換して射出し、液晶ライトバルブ１５では外部からの情報に応じて入射する偏光を変調して位相情報を付加した偏光を生成し、射出側偏光板１６（検光子）では不要な偏光成分を吸収あるいは反射することで位相情報に応じた強度情報に変換して表示画像を形成する。光吸収型の偏光板としては、ガラスや樹脂等の透明基板上に染料やヨウ素を含有する高分子を一軸配向させたもの等が用いられる。光反射型の偏光板としては、ガラス等の透明基板上に金属細線を周期的に配列したもの等が用いられる。原理上、偏光板１４，１６では光吸収により著しい帯熱を生じる（光吸収型偏光板は勿論のこと、反射型偏光板でも光吸収は避けられない）ため、耐熱性や放熱性に優れた素材を用いることが望ましい。

また、液晶ライトバルブ１５としては、対向電極や遮光膜等をガラス等の透明基板上に形成した対向基板と、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）や信号配線や遮光膜等をガラス等の透明基板上に形成したＴＦＴ基板と、それらの両基板に挟持された液晶層を備えたものが用いられる（図示略）。液晶ライトバルブ１５においても、遮光膜や信号配線等での光吸収による帯熱を生じるため、耐熱性や放熱性に優れた素材を用いることが望ましい。

なお、液晶ライトバルブユニット１３には、光の位相状態を補正するための各種位相板が必要に応じて用いられる場合がある。位相板としては、屈折率異方性を有する有機フィルムが一般的に用いられるため、やはり位相板の基材には熱伝導率が高く放熱性に優れた素材を用いることが望ましい。また、液晶ライトバルブ１５の表面に付着した塵等が表示画像に影となって現れる現象を防止する目的で、防塵用の透明基板を液晶ライトバルブ１５に密着して配置する場合もある。

３つに分離された色光のうち、一つの色光（例えばＢ光）は他の２つの色光と光学的な照明光路の長さを一致させるために、平行化レンズ１７、リレーレンズ１８、反射ミラー１９，２０等を含むリレー光学系２１を介して液晶ライトバルブユニット１３に入射する。ここで、照明光はリレーレンズ１８の内部で集光されるため、熱歪を生じ易く、照明光束分布の伝達が不正確となり、照明ムラを生じ易い。そのため、リレーレンズ１８には、熱歪を生じないように、光弾性定数が小さく放熱性に優れた素材を用いることが望ましい。

画像情報を備えた各色光は対応する液晶ライトバルブユニット１３から射出され、クロスダイクロイックプリズム２２で一つに合成された後、投写レンズ２３によって投写面上に投写され、カラー画像を形成する。クロスダイクロイックプリズム２２としては、ガラス等で形成された４つの三角柱プリズムの間隙に誘電体多層膜が形成されたものが用いられる。

なお、クロスダイクロイックプリズム２２と液晶ライトバルブユニット１３との間には、液晶ライトバルブ１５の裏面側から光が入射することを防止するための光吸収型カラーフィルターが必要に応じて配置される。光吸収型カラーフィルターとしては、特定の波長域の光を吸収する素材をガラス等の透明基板に含有させるか、あるいは基板上に形成したもの等が用いられる。光吸収型カラーフィルターでは光吸収により帯熱を生じるため、耐熱性や放熱性に優れた素材を用いることが望ましい。
また、液晶ライトバルブユニット１３の入射側（光源側）には、入射する色光の色純度を高めるためのダイクロイックカラーフィルターが必要に応じて配置される。ダイクロイックカラーフィルターとしては、特定の波長域の光を反射あるいは吸収する素材をガラス等の透明基板に含有させるか、あるいは基板上に形成したもの等が用いられる。この種のカラーフィルターでも光吸収により帯熱を生じるため、耐熱性や放熱性に優れた素材を用いることが望ましい。

図２は、透明熱電変換基板２５（透過型熱交換素子）の基本的な使用形態を示している。
本実施形態のチタン酸ストロンチウム系透明熱電変換基板２５は、透明なチタン酸ストロンチウム基板を支持基板２６として、この支持基板２６上に、ニオブをドープしてチタンの一部をニオブで置換したニオブ置換チタン酸ストロンチウムとチタン酸ストロンチウムとが層状に交互に複数積層された積層体２７（透明熱電変換層）が形成されたものである。そして、透明熱電変換基板２５の対向する２つの主面にはインジウム錫酸化物（Indium Tin Oxide, 以下、ＩＴＯと略記する）等を用いた透明電極２８，２９が形成されており、その透明電極２８，２９を介して直流電源３０が接続されている。

ニオブ置換チタン酸ストロンチウムとチタン酸ストロンチウムとの積層体２７からなる透明熱電変換基板２５は可視域で透明であり、熱起電力が大きく（冷却能力が大きい）、融点が２０００℃以上と耐熱性に優れる等の特徴を有するため、プロジェクタの光学系での使用には好適である。なお、積層体２７は、ニオブ置換チタン酸ストロンチウムとチタン酸ストロンチウムとをスパッタリング法やレーザー堆積法によって層状に交互に堆積させることで形成できる。ここでは、積層体２７の構成材料の結晶格子との整合性等を考慮して、支持基板２６として可視域においてほぼ透明なチタン酸ストロンチウム基板を用いたが、必ずしもこれに限定されない。支持基板２６の部分が光路外に配置される場合には透明である必要はなく、不透明な基板を用いることもできる。また、積層体２７の構成材料の結晶格子との完全な整合を取る必要がない場合には、他の結晶性あるいは非結晶性の基板を用いることができる。

この直流電源３０により一定の方向に直流電流が流されると、透明熱電変換基板２５の厚み方向に沿ってペルチェ効果によるエネルギー移動が励起され、その結果、透明熱電変換基板２５の一方側は低温部になり、他方側は高温部となるような温度分布を生じる。そこで、透明熱電変換基板２５の低温部に被冷却対象となる光学素子（本実施形態では、液晶ライトバルブユニット１３の入射側偏光板１４および射出側偏光板１６）を密着させて配置すれば、光学素子を冷却することができる。また、透明熱電変換基板２５に形成される温度分布は、透明熱電変換基板２５に流す電流の極性に応じて変化する。すなわち、上記と逆の方向に直流電流を流せば、それまで低温部であった側が高温部に変わり、高温部であった側が低温部に変わる。この現象を利用することで、光学素子を冷却するだけでなく、加熱したり、一定温度に保つこともできる。

大部分の液晶ライトバルブは光の偏光状態を制御することで画像表示を行うため、上述したように、液晶ライトバルブ１５の前後には偏光板１４，１６（偏光子）が配置される。偏光板１４，１６はある種の偏光を選択的に透過あるいは反射することで、特定の偏光状態を有する光を生成する素子であり、ヨウ素や染料を高分子とともに配向させた偏光体を透明基板上に形成した光吸収型偏光板、誘電体多層膜を透明基板上に形成した光反射型偏光板等が一般的に用いられる。中でも、図１のプロジェクタで使用する透過型の液晶ライトバルブ１５には、扱い易さや低コスト性の点で光吸収型偏光板が一般的に使用される。光吸収型偏光板は染料分子やヨウ素分子を高分子中で一軸配向させてなる偏光体をトリアセチルセルロース（ＴＡＣ）等の２枚の透明樹脂フィルム（支持体）で挟持した素子である。しかし、光吸収型偏光板では不要な偏光を偏光体が吸収するため、強度の大きな光を入射させた場合には偏光板が著しく帯熱し、その結果、偏光特性の劣化や短寿命化を招く。したがって、偏光板１４，１６（特に帯熱が著しい光吸収型偏光板）を効率良く冷却できれば、投写画像の高画質化やプロジェクタの長寿命化を実現できる。

したがって、図２に示すように、偏光板１４，１６を透明熱電変換基板２５の一方の面に透明接着剤等で接合し、透明熱電変換基板２５に直流電流を流すことによって、偏光板１４，１６で発生した熱を速やかに吸熱して、偏光板１４，１６を冷却することができる。すなわち、透明熱電変換基板２５の偏光板１４，１６が接する側の面が低温部に、それとは反対側の面が高温部となるように温度分布を形成し、偏光板１４，１６で発生した熱を低温部で吸熱し、高温部に移動させて、高温部から空気中へ放散する。透明接着剤としては電子共役系を有する導伝性ポリマー等を含有した熱伝導性が高い接着剤が望ましい。このように、透明熱電変換基板２５を備えた偏光板１４，１６とすることにより、強度の大きな光を入射させた場合でも、偏光板１４，１６の蓄熱を低減して偏光板の温度上昇を防ぎ、偏光特性の劣化防止や偏光板の長寿命化を実現できる。

透明熱電変換基板２５は、光を透過可能ではあるが、光を透過する際に偏光状態を乱す虞がある。そこで、透明熱電変換基板２５が偏光特性に及ぼす影響を最小限に留めるために、透過させる光の入射方向を考慮する必要がある。具体的には、液晶ライトバルブ１５等の光変調素子の入射側で使用する偏光板１４の場合には、透明熱電変換基板側２５から光を入射させて偏光板１４を透過して射出されるように光の入射方向、あるいは、偏光板の向きを設定すべきである。一方、液晶ライトバルブ１５等の光変調素子の射出側で使用する偏光板１６の場合には、偏光板１６側から光を入射させて透明熱電変換基板２５を透過して射出されるように光の入射方向、あるいは、偏光板の向きを設定すべきである。すなわち、液晶ライトバルブ１５に近い側に偏光板１４，１６が配置され、液晶ライトバルブ１５から遠い側に透明熱電変換基板２５が配置されることが望ましい。このような配置構成とすることによって、透明熱電変換基板２５が偏光特性に及ぼす影響を最小限に留めることができるため、偏光特性に優れた偏光板を実現し易い。なお、透明熱電変換基板２５の両面には透明電極が形成されるが、空気界面のうちの光が透過する面には、反射防止膜を形成することが望ましく、それによって偏光板１４，１６としての透過率を高めて高い光利用効率を実現できる。また、反射型の液晶ライトバルブを用いる際には、偏光を選択するために偏光選択用の偏光子（例えば、反射型の偏光板）を反射型の液晶ライトバルブの光入射側（かつ光射出側）に配置することが必要となる（光変調素子の偏光子、検光子の両方として機能する）が、その場合にも同様に、液晶ライトバルブに近い側に偏光板が配置され、液晶ライトバルブから遠い側に透明熱電変換基板が配置されることが望ましい。

なお、偏光特性および放熱性の観点からは、偏光体を透明熱電変換基板２５上に直接形成してなる構成の偏光板である方が望ましい。すなわち、支持体であるトリアセチルセルロース（ＴＡＣ）等の透明樹脂フィルムは熱伝導率が低く、熱容量を有するため、熱を貯め易い。したがって、透明樹脂フィルムに代えて透明熱電変換基板２５そのものを支持体とし、透明熱電変換基板２５上に偏光体を直接密着させて配置すれば、偏光体で発生した熱を更に効率良く透明熱電変換基板２５に伝えることができる。

偏光板１４，１６を速やかに冷却する為には、透明熱電変換基板２５の高温部に移動した熱を速やかに空気中に放散できる機構を有することが望ましい。そこで、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、透明熱電変換基板２５の偏光板１４，１６（被冷却素子）と接する側の面とは反対の面に枠状の放熱フィン３１（放熱部材）を配置することが望ましい。ここで、図３（ａ）は透明熱電変換基板２５を光入射側から見た正面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ‘線に沿う断面図である。放熱フィン３１としては、熱伝導性に優れたアルミニウムや銅を用い、表面積が大きくなるように細かな多数の溝を表面に有する構造体が望ましい。また、透明熱電変換基板２５との接合においては、熱導伝性フィラー等を含有した熱伝導性に優れた接着剤を使用することが望ましい。これにより、透明熱電変換基板２５の高温部に移動した熱を効率良く放散できるため、低温部側に密着設置された被冷却素子である偏光板１４，１６を一層効率良く冷却できる。

［第２の実施の形態］
以下、本発明の第２の実施の形態を図４を参照して説明する。
本実施形態のプロジェクタの基本構成は第１実施形態と同様であり、透明熱電変換基板の使用形態が異なるのみである。本実施形態も偏光板を冷却する構造の一例を示している。
図４は本実施形態のプロジェクタでの透明熱電変換基板の使用形態を示す図である。

本実施形態では、図４に示すように、偏光板１４，１６（あるいは偏光体）を一対の透明熱電変換基板２５ａ，２５ｂで挟持する構成を示している。すなわち、偏光板１４，１６（あるいは偏光体）の両面（光入射面側、光射出面側の双方）に透明熱電変換基板２５ａ，２５ｂが配置されている。この場合、偏光板１４，１６（あるいは偏光体）の透明熱電変換基板２５ａ，２５ｂとの接面側が常に低温部となるように、一対の透明熱電変換基板２５ａ，２５ｂにおいては互いに逆向きの方向に直流電流が流れるように設定する。一対の透明熱電変換基板２５ａ，２５ｂのそれぞれに直流電源３０を接続しても良いが、本例では一方の透明熱電変換基板２５ａの偏光板１４，１６（あるいは偏光体）との接面側と、他方の透明熱電変換基板２５ｂの偏光板１４，１６（あるいは偏光体）との接面側と反対側とを配線で接続し、一方の透明熱電変換基板２５ａの偏光板１４，１６（あるいは偏光体）との接面側と反対側と、他方の透明熱電変換基板２５ｂの偏光板１４，１６（あるいは偏光体）との接面側とを直流電源３０に接続している。この構成により、１つの直流電源３０のみを用いて一対の透明熱電変換基板２５ａ，２５ｂに対して互いに逆向きの方向に直流電流を流すことができる。

本実施形態においても、偏光板１４，１６を冷却することで投写画像の高画質化やプロジェクタの長寿命化を実現できる、といった第１実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに本実施形態の場合、偏光板１４，１６（あるいは偏光体）をその両面側から冷却できるため、非常に強度の大きな光を入射させた場合でも、帯熱を低減して温度上昇を効果的に防止できる。

［第３の実施の形態］
以下、本発明の第３の実施の形態を図５を参照して説明する。
本実施形態のプロジェクタの基本構成は第１実施形態と同様であり、透明熱電変換基板の使用形態が異なるのみである。本実施形態も偏光板を冷却する構造の一例を示している。
図５は本実施形態のプロジェクタでの透明熱電変換基板の使用形態を示す図である。

本実施形態では、図５に示すように、透明熱電変換基板２５ａ，２５ｂを備えた偏光板１４，１６を液晶ライトバルブ１５の前後に配置して使用する場合の形態を示している。この場合、各々の偏光板１４，１６は液晶ライトバルブ１５から僅かな隙間（例えば０．１〜５ｍｍ程度）を空けて配置することが望ましく、これにより、偏光板１４，１６で生じた熱が液晶ライトバルブ１５へ伝わり、光学特性に悪影響を及ぼすことを防止できる。

また、偏光板１４，１６における偏光体と透明熱電変換基板２５ａ，２５ｂとの位置関係については、透明熱電変換基板２５ａ，２５ｂよりも偏光板１４，１５（偏光体）が常に液晶ライトバルブ１５側に位置するように配置することが望ましい。液晶ライトバルブ１５の前後では偏光体以外の媒質によって偏光状態が影響を受けないことが望ましく、この配置形態によれば偏光状態に影響を与える可能性が皆無ではない透明熱電変換基板２５ａ，２５ｂを、液晶ライトバルブ１５に対して偏光状態を決定する一対の偏光板１４，１６の外側に配置している。したがって、偏光板１４，１６で整えられた偏光が透明熱電変換基板２５ａ，２５ｂを透過することによって、旋光や楕円偏光化等の現象を生じることがなく、透明熱電変換基板２５ａ，２５ｂが液晶ライトバルブ１５に入射する偏光の状態に影響を与える可能性を極力排除できるため、液晶ライトバルブ１５の表示コントラストを高め易い。

なお、図５に示す使用形態では、一対の偏光板１４，１６を液晶ライトバルブ１５から僅かに離して配置したが、一対の偏光板１４，１６を液晶ライトバルブ１５に密着させて配置した場合でも、透明熱電変換基板２５ａ，２５ｂが冷却性に優れているため、液晶ライトバルブ１５の帯熱を効果的に防止できる。この配置形態を採用した場合、液晶ライトバルブ１５の液晶表示面（液晶層）から透明熱電変換基板２５ａ，２５ｂの空気界面までの距離が長くなるので、透明熱電変換基板２５ａ，２５ｂの空気界面（表面）に塵等が付着しても、塵等が表示画像に影となって現れる現象を防止できる。
透明熱電変換基板２５ａ，２５ｂの両面には透明電極が形成されるが、空気界面の内の光が透過する面には、反射防止膜を形成することが望ましく、それによって偏光板１４，１６としての透過率を高めて一層高い光利用効率を実現できる。

［第４の実施の形態］
以下、本発明の第４の実施の形態を図６を参照して説明する。
本実施形態のプロジェクタの基本構成は第１実施形態と同様であり、透明熱電変換基板の使用形態が異なるのみである。本実施形態では液晶ライトバルブを冷却する構造の一例を示している。
図６は本実施形態のプロジェクタでの透明熱電変換基板の使用形態を示す図である。

本実施形態では、図６に示すように、透明熱電変換基板２５ａ，２５ｂを液晶ライトバルブ１５の前後に配置し、液晶ライトバルブ１５の冷却あるいは温度制御を行う場合の形態を示している。液晶ライトバルブ１５は、透明基板に対向電極や遮光膜等が形成されて入射側に位置する対向基板３３と、透明基板に画素電極、信号配線、スイッチング素子、スイッチング素子を遮光するための遮光膜等が形成されて射出側に位置するＴＦＴ基板３４と、それらの両基板３３，３４との間隙に封止部３５によって封入された液晶層３６と、からなる構造を有している。そのため、強度の大きな光が入射すると、主に遮光膜や信号配線で発熱を生じ、液晶ライトバルブ１５自体が帯熱し、素子の特性劣化や短寿命化の原因となる。そのため、液晶ライトバルブ１５も効率良く冷却することが望まれる。ただし、液晶の応答速度は温度依存性を有し、低温になるほど応答速度が遅くなるため、過度の冷却は表示画像に著しい劣化を生じる原因となる。そのため、液晶ライトバルブ１５が所定の温度域で使用されるように冷却温度を調節することが望ましい。

このような背景から、図６に示す液晶ライトバルブ１５では、光入射側である対向基板３３側と光射出側であるＴＦＴ基板３４側の両側に透明熱電変換基板２５ａ，２５ｂを配置するとともに、液晶ライトバルブ１５に温度センサー３７（温度検出手段）を設置し、温度センサー３７からの温度情報に基づいて、液晶ライトバルブ１５の素子温度が所定の温度域に入るように冷却制御を行う。なお、温度センサー３７の設置位置は特性が温度依存性を有するスイッチング素子や液晶層３６の近傍（すなわちＴＦＴ基板３４側）が望ましいが、これに限定されない。例えば、主に発熱を生じる部分やその近傍に設置しても良い。また、主に発熱を生じる部分が複数存在する場合には、それに対応させて複数の温度センサーを配置しても良い。ここでは、対向基板３３側の透明熱電変換基板２５ａとＴＦＴ基板３４側の透明熱電変換基板２５ｂのそれぞれに直流電源３０を接続し、温度センサー３７からの温度情報に基づいて各直流電源３０からの電流量を個別に制御する構成とした。これにより、対向基板３３の温度制御とＴＦＴ基板３４の温度制御を独立して行うこともできる。対向基板３３とＴＦＴ基板３４とで温度制御を独立して行う必要がなければ、図４に示したように１つの直流電源３０のみを備える構成としても良い。

透明熱電変換基板２５ａ，２５ｂは、液晶ライトバルブ１５から少なくとも０．１ｍｍ以下の空隙を空け、かつ、空隙部分に塵等が入らないように密閉して設置されることが望ましい。液晶ライトバルブ１５では液晶層３６の厚み（セル厚）の僅かな変化によって光学特性が大きな影響を受けるが、大部分の液晶ライトバルブではビーズ等のセル厚調整部材を用いることなく、外周部の封止部だけでセル厚を維持しているため、対向基板３３やＴＦＴ基板３４に大きな熱応力が作用すると、表示画像の画質低下を招き易い。したがって、液晶ライトバルブ１５と透明熱電変換基板２５ａ，２５ｂとの間に僅かな空隙を備えることによって、温度変化や熱膨張等によって発生した熱応力の液晶ライトバルブ１５への直接的な作用を防止でき、画質低下を防止できる。一方、液晶ライトバルブ１５で発生した熱を効率良く透明熱電変換基板２５ａ，２５ｂに伝導するためには間隙は狭い方が良いことから、間隙を少なくとも０．１ｍｍ以下に設定することによって、上述の効果を両立させることができる。

なお、密閉空間構造を伴って透明熱電変換基板２５ａ，２５ｂを配置する場合以外にも、柔軟性の高い（ヤング率の小さい）透明粘着部材を介して液晶ライトバルブ１５と透明熱電変換基板２５ａ，２５ｂとを張り合わせた構造を採用することもできる。この場合、透明粘着部材の厚みが数１０μｍ以下であれば、透明粘着部材が透過光に及ぼす影響はほとんどなく、熱伝導性もほとんど阻害されず、発生した熱応力が液晶ライトバルブ１５と透明熱電変換基板２５ａ，２５ｂとの間で影響を及ぼし合うこともほとんどない。

また、液晶ライトバルブ１５の前後に透明熱電変換基板２５ａ，２５ｂを配置することによって、液晶ライトバルブ１５の液晶表示面（液晶層３６）から透明熱電変換基板２５ａ，２５ｂの空気界面までの距離が長くなるので、透明熱電変換基板２５ａ，２５ｂの空気界面（表面）に塵等が付着しても、塵等が表示画像に影となって現れる現象を防止できる。さらに、透明熱電変換基板２５ａ，２５ｂの両面には反射防止膜を形成することが望ましく、それによって透過率を高めて一層高い光利用効率を実現できる。さらにまた、透明熱電変換基板２５ａ，２５ｂの高温部の熱を効率良く放散させるために、透明熱電変換基板２５ａ，２５ｂの液晶ライトバルブ１５とは反対側の外周部には放熱フィンを設置することが望ましい。

なお、液晶ライトバルブ１５に対して入射側あるいは射出側のどちらか片側にのみ透明熱電変換基板２５ａ，２５ｂを配置する構成であっても、液晶ライトバルブ１５を効率良く冷却あるいは温度制御することが可能である。

［第５の実施の形態］
以下、本発明の第５の実施の形態を図７を参照して説明する。
本実施形態のプロジェクタの基本構成は第１実施形態と同様であり、透明熱電変換基板の使用形態が異なるのみである。本実施形態では液晶ライトバルブを冷却する構造の一例を示している。
図７は本実施形態のプロジェクタでの透明熱電変換基板の使用形態を示す図である。

第１〜第４実施形態では、被冷却（温度制御）対象である光学素子は既存のままで手を加えることなく、光学素子に透明熱電変換基板を近接配置して冷却または温度制御を行っていた。これに対し、本実施形態は光学素子の支持基板を透明熱電変換基板で兼用する構成の一例である。
図７は、透明熱電変換基板２５を液晶ライトバルブ１５ａの対向基板３３ａとして用いた場合の形態を示している。透明熱電変換基板２５の一方の面（液晶層３６側の面）には、温度分布を形成するための透明電極２９とＳｉＯ_２等の絶縁層３９と液晶層３６を駆動するための対向電極４０（透明電極）とが基板側からこの順に積層されている。これにより、温度分布形成用の透明電極２９と液晶層駆動用の対向電極４０とが絶縁層３９によって電気的に絶縁された状態となっている。この透明熱電変換基板２５上の対向電極４０とＴＦＴ基板３４とが封止部３５を伴って液晶層３６を挟持し、液晶ライトバルブ１５ａが構成されている。

そして、ＴＦＴ基板３４（あるいは液晶層３６の近傍の対向基板３３ａ）に取り付けられた温度センサー３７からの温度情報に基づいて、液晶ライトバルブ１５ａの素子温度が所定の温度域に入るように冷却制御が行われる。以上のように、対向基板３３ａとして透明熱電変換基板２５を用いることによって、信号配線や遮光膜で発生した熱を効率良く冷却、放散し、液晶ライトバルブ１５ａの帯熱を効果的に防止できる。ここでも、透明熱電変換基板２５の高温部の熱を効率良く放散させるために、対向基板３３ａである透明熱電変換基板２５の液晶層３６とは反対側の外周部には放熱フィンを設置することが望ましい。なお、ＴＦＴ基板３４側の透明基板として透明熱電変換基板２５を用いたり、対向基板３３ａとＴＦＴ基板３４の両方に透明熱電変換基板２５を用いて液晶ライトバルブを構成しても良い。

その他、図１に示すプロジェクタ１において、ＵＶ・ＩＲカットフィルター３の透明基板、レンズアレイ４，５の透明基板、位相板アレイ７の透明基板、ダイクロイックミラー１０，１１の透明基板、リレーレンズ１８を支持する透明基板、偏光板１４，１６の透明基板、液晶ライトバルブ１５等の防塵用の透明基板、光吸収型カラーフィルターやダイクロイックカラーフィルターの透明基板のうちの少なくとも一種に透明熱電変換基板２５を使用しても良い。これらの光学素子は発熱や帯熱を生じ易く、また、熱的影響によって光学特性や寿命特性が影響を受け易い。したがって、上記の透明基板として透明熱電変換基板２５を用いることによって、各光学素子で生じた熱を効率よく放散し、蓄熱を防止して、熱的影響を抑制することができる。

［第６の実施の形態］
以下、本発明の第６の実施の形態を図８を参照して説明する。
本実施形態のプロジェクタの基本構成は第１実施形態と同様であり、透明熱電変換基板の使用形態が異なるのみである。本実施形態では偏光板を冷却する構造の一例を示している。
図８は本実施形態のプロジェクタでの透明熱電変換基板の使用形態を示す図である。図８（ａ）は透明熱電変換基板を光入射側から見た正面図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）のＡ−Ａ’線に沿う断面図である。

第１〜第５実施形態では、透明熱電変換基板の厚さ方向に電流を流してエネルギー移動を励起し、温度分布を形成して熱伝導を行ってきた。これに対して、本実施形態では、透明熱電変換基板の主面と平行な方向を熱伝導の方向に設定した例である。本実施形態においては、図８（ｂ）に示すように、透明なチタン酸ストロンチウム基板を支持基板２６として、支持基板２６上にニオブ置換チタン酸ストロンチウムとチタン酸ストロンチウムとが交互に複数積層された積層体２７が形成されている。第１〜第５実施形態では、ニオブ置換チタン酸ストロンチウムとチタン酸ストロンチウムの積層方向（各層の厚み方向）と光の透過方向は直交していたが、本実施形態では、積層方向（各層の厚み方向）と光の透過方向は平行である。したがって、第１〜第５実施形態では透明熱電変換基板の支持基板は必ずしも透明でなくても良いと述べたが、本実施形態では必然的に光が支持基板２６を透過することになるため、支持基板２６は透明である必要がある。

温度分布を形成するための一対の電極２８，２９が透明熱電変換基板２５ｃの両端に形成されている。第１〜第５実施形態では電極部分を光が透過するため、透明電極を用いる必要があったが、本実施形態の場合、電極２８，２９が光路外に配置される場合には必ずしも透明である必要はなく、不透明な金属等からなる電極を用いることもできる。このような構成により、図８（ａ）に示すように、熱伝導の方向は透明熱電変換基板２５ｃの主面に沿う方向（主面と略平行な方向、電流の方向に応じて紙面の上方向または下方向）となる。また、透明熱電変換基板２５ｃの電極２８，２９が設けられた側の両辺に矩形板状の放熱フィン３１が設けられている。本実施形態の場合、熱伝導の方向は図８（ａ）の上下方向となるため、放熱フィン３１は高温部となる片方のみ設ければ良いが、ここでは熱伝導の方向がどちらになっても対応できるように透明熱電変換基板２５ｃの両端に設けられている。

［第７の実施の形態］
以下、本発明の第７の実施の形態を図９を参照して説明する。
本実施形態のプロジェクタの基本構成は第１実施形態と同様であり、透明熱電変換基板の使用形態が異なるのみである。本実施形態では偏光板を冷却する構造の一例を示している。
図９は本実施形態のプロジェクタでの透明熱電変換基板の使用形態を示す図である。図９（ａ）は透明熱電変換基板を光入射側から見た正面図であり、図９（ｂ）は図９（ａ）のＢ−Ｂ’線に沿う断面図である。

本実施形態も、第６実施形態と同様、透明熱電変換基板の主面と平行な方向を熱伝導の方向に設定した例である。ただし、第６実施形態と異なる点は、第６実施形態では一対の電極２８，２９が透明熱電変換基板２５ｃの両端に設けられていたのに対し、本実施形態では、図９（ｂ）に示すように、一対の電極２８，２９が透明熱電変換基板２５ｄの中央部と周縁部に設けられている。中央部の電極２９は積層体２７の中央部に埋め込まれるように設けられ、ＩＴＯ等の透明導電材料により構成されている。周縁部の電極２８は積層体２７の周囲に枠状に設けられており、この電極２８は透明な材料で構成されていても良いし、不透明な材料で構成されていても良い。

このような構成により、図９（ａ）に示すように、熱伝導の方向は透明熱電変換基板２５ｄの主面と平行な方向となり、透明熱電変換基板２５ｄの中央部から周縁部へと向かう方向となる。また、透明熱電変換基板２５ｄの周縁部に枠状の放熱フィン３１が設けられている。本実施形態の場合、熱伝導の方向は基本的には透明熱電変換基板２５ｄの中央部から周縁部へと向かう方向とするのが望ましいが、場合によっては透明熱電変換基板２５ｄの周縁部から中央部に向かう方向としても良い。

第６、第７実施形態のような構成では、被冷却対象である光学素子の主面が透明熱電変換基板２５ｃ、２５ｄの積層体２７の主面と一致するため、光学素子の大きさに合わせて透明熱電変換基板２５ｃ、２５ｄの大面積化が比較的容易である、というメリットがある。また、第７実施形態のような構成は、特に中央部が高温になりやすい傾向を持つ光学素子に用いたときに好適である。

［第８の実施の形態］
以下、本発明の第８の実施の形態を図１０を参照して説明する。
本実施形態では表示装置として液晶ディスプレイの一例を示す。
図１０は、本実施形態の液晶ディスプレイを示す断面図である。

本実施形態の液晶ディスプレイ５０は、図１０に示すように、液晶パネル５１と、液晶パネル５１の上下に配置された偏光板５２，５３と、バックライト５４と、から概略構成されている。液晶パネル５１は、ＴＦＴ基板５５と、対向基板５６と、これらＴＦＴ基板５５と対向基板５６とに挟持された液晶層５７とから構成されている。ＴＦＴ基板５５を構成する透明基板５８の内面（液晶層５７側の面）には、データ線、走査線等の信号線と、画素スイッチング用のＴＦＴ（ともに図示略）が形成され、さらに画素電極５９、配向膜６０等が形成されている。一方、対向基板５６を構成する透明基板６１の内面（液晶層５７側の面）には、着色層６２とブラックマトリクス６３とを含むカラーフィルター、対向電極６４、配向膜６５等が形成されている。また、ＴＦＴ基板５５、対向基板５６の外面（液晶層５７と反対側の面）には、偏光板５２，５３がそれぞれ設けられている。ＴＦＴ基板５５側の偏光板５３の外方には、光源６６と導光板６７を有するバックライト５４が配置されている。

本実施形態の液晶ディスプレイ５０においても、例えば偏光板５２，５３や液晶パネル５１を冷却、または温度制御する手段として第１〜第７実施形態で示した透明熱電変換基板を用いることができる。さらに、液晶ディスプレイの他、エレクトロルミネッセンス装置等の自発光型の表示装置を冷却、または温度制御する手段としても、上記透明熱電変換基板を用いることができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施の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において種々の変更を加えることが可能である。例えば上記実施形態では偏光板や液晶ライトバルブを冷却あるいは温度制御する例を示したが、冷却あるいは温度制御対象となる光学素子としては、各種フィルター、ミラー、レンズ、レンズアレイ、偏光変換素子、偏光板（偏光子）、位相差フィルム等が挙げられる。また、温度センサーは液晶ライトバルブでの使用に限定されず、熱膨張が大きな有機材料を使用する光学素子、例えば偏光板（偏光子）や位相差板等での使用も好適である。

また、透明熱電変換基板は上述の透過型液晶ライトバルブの他にも、反射型液晶ライトバルブや多数の微小ミラーを備えたミラーアレイ素子（例えばＴＩ社のＤＭＤ）等にも使用でき、同様の効果を期待できる。反射型液晶ライトバルブやミラーアレイ素子のような反射型素子の場合、光入射側と反対から冷却するのであれば、従来一般のペルチェ素子を用いることができるが、上述の透明熱電変換基板であれば、反射型素子の光入射（射出）側に設置して冷却することができる。これにより、光学素子をより高温になりやすい光入射（射出）側から冷却することによる冷却効率の向上、プロジェクタの小型化、などの効果を得ることができる。さらに、プロジェクタや表示装置を極低温の環境下で使用する場合（特に起動時など）には、表示特性の向上を狙って透明熱電変換基板を用いて液晶ライトバルブ等の光学素子を積極的に加熱しても良い。

本発明の第１実施形態のプロジェクタの概略構成図である。 同プロジェクタで用いる透明熱電変換基板の使用形態を示す図である。 同透明熱電変換基板の使用形態の他の例を示す図である。 第２実施形態の透明熱電変換基板の使用形態を示す図である。 第３実施形態の透明熱電変換基板の使用形態を示す図である。 第４実施形態の透明熱電変換基板の使用形態を示す図である。 第５実施形態の透明熱電変換基板の使用形態を示す図である。 第６実施形態の透明熱電変換基板の使用形態を示す図である。 第７実施形態の透明熱電変換基板の使用形態を示す図である。 本発明の第８実施形態の表示装置の概略構成を示す図である。

符号の説明

１…プロジェクタ、１４，１６…偏光板（光学素子）、１５…液晶ライトバルブ（光学素子）、２５，２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄ…透明熱電変換基板（透過型熱交換素子）、２７…積層体（透明熱電変換層）、２８，２９…透明電極（電極）、３１…放熱フィン（放熱部材）、３７…温度センサー（温度検出手段）、５０…液晶ディスプレイ（表示装置）。

Claims (12)

1. 酸化物を主成分とする透明熱電変換層と前記透明熱電変換層に電流を供給するための電極とを有する透過型熱交換素子と、光学素子と、を備え、
   前記透過型熱交換素子を用いて前記光学素子の冷却または加熱を行うことを特徴とするプロジェクタ。
2. 前記透過型熱交換素子が、前記光学素子に密着して配置されるか、または前記光学素子の近傍に配置されたことを特徴とする請求項１に記載のプロジェクタ。
3. 前記光学素子の両面に前記透過型熱交換素子がそれぞれ設けられ、前記透過型熱交換素子の前記光学素子に対向する側が低温側となるように前記透過型熱交換素子の温度分布が形成されたことを特徴とする請求項２に記載のプロジェクタ。
4. 前記光学素子を構成する透明基板として前記透過型熱交換素子を用いることを特徴とする請求項１に記載のプロジェクタ。
5. 前記光学素子の温度を検出する温度検出手段を備え、前記温度検出手段の検出結果に基づいて前記電流を制御することにより前記透過型熱交換素子の温度を制御することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載のプロジェクタ。
6. 前記透過型熱交換素子が放熱部材を備えたことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載のプロジェクタ。
7. 前記光学素子が偏光板であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか一項に記載のプロジェクタ。
8. 光変調素子の偏光子、検光子の少なくとも一方として機能する前記偏光板の片面に前記透過型熱交換素子が設けられ、前記光変調素子に近い側に前記偏光板が配置され、前記光変調素子から遠い側に前記透過型熱交換素子が配置されたことを特徴とする請求項７に記載のプロジェクタ。
9. 前記透明熱電変換層が、チタン酸ストロンチウムとニオブをドープしたチタン酸ストロンチウムとの積層体からなることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか一項に記載のプロジェクタ。
10. 前記透過型熱交換素子の熱伝導の方向が、前記透過型熱交換素子の主面に沿う方向であることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか一項に記載のプロジェクタ。
11. 前記透過型熱交換素子の熱伝導の方向が、前記透過型熱交換素子の主面の中央部から周縁部に向かう方向であることを特徴とする請求項１０に記載のプロジェクタ。
12. 酸化物を主成分とする透明熱電変換層と前記透明熱電変換層に電流を供給するための電極とを有する透過型熱交換素子と、光学素子と、を備え、
    前記透過型熱交換素子を用いて前記光学素子の冷却または加熱を行うことを特徴とする表示装置。

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