JP3352003B2

JP3352003B2 - 投射型表示装置

Info

Publication number: JP3352003B2
Application number: JP29808797A
Authority: JP
Inventors: 芳晴堺
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1997-10-30
Filing date: 1997-10-30
Publication date: 2002-12-03
Anticipated expiration: 2017-10-30
Also published as: JPH11133529A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光源からの光をダイ
クロックミラーや偏光板などの色分離光学系を用いて３
原色光に分離し、これら３原色を液晶表示パネルに導
き、信号処理を行った後、ダイクロックプリズムにより
合成し、合成光をスクリーン上に拡大投射する液晶表示
装置に関し、特に、偏光板の熱劣化を軽減する投射型液
晶表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、液晶パネルに代表される偏光変調
素子を３枚使用した投射型表示装置の光学システムは、
図３に示すような順次ミラー方式や、図４に示すような
クロスプリズム方式などがある。

【０００３】図３に示す順次ミラー方式は、比較的安価
なシステムにより構成されており、ＲＧＢ各々の色に分
離された画像の合成に、４５°配置したダイクロックミ
ラー（図中、ダイクロミラーと略す。以下、同様）（１
２、３０、３１）と、反射ミラー（５、１３）を使用し
ている。そのため、ＲＧＢの各々の結像光路において、
ダイクロックミラーや反射ミラーを通る反射回数と透過
回数が異なるため、投影レンズ１７によるスクリーン上
でのＲＢＧ各々の結像倍率が異なることを主原因とする
像のずれが発生する。

【０００４】このため、小型で解像度の高い液晶パネル
を使用する場合は、そのずれが大きな問題となり、実用
上好ましくない。

【０００５】図４に示すクロスプリズム方式は、上記像
のずれを解決する方式として提案されたものである。こ
の方式では、ＲＧＢ各々に対応した薄膜を蒸着した４個
のプリズムを頂点を張り合わせた、いわゆるクロスプリ
ズム１６により、ＲＧＢを合成する。この方式によれ
ば、ＲＧＢ各々の結像光路が等しくなるため、結像倍率
の差は発生せず、３つの液晶パネル（６、１１、１５）
の像合わせは、高い精度で実現できる。

【０００６】しかしながら、図４から分かるように、ラ
ンプリフレクター１から、各々の液晶パネルまでの照明
光路長において、１色だけは長くなってしまうという問
題が存在する。そのため、光路長の長くなる系にはリレ
ーレンズ４１、４２を入れ、見かけの光路長を等しくす
る方法が用いられるが、リレーレンズ４１、４２による
像の反転とう新たな問題が生ずる。これらの問題は光量
バランスを崩し、色むらなどの原因となる。

【０００７】そこで、上記問題を解決するものとして、
特開平８−２７１８７７号公報などに開示されているよ
うに、ダイクロックミラー２枚と反射ミラー５枚の構成
により、短い光路の光を迂回させることにより、長い光
路長に合わせ、ＲＢＧ各々の光路長を全てを等しくする
ものである。

【０００８】第２に、投射型表示装置の光学系がもつさ
らなる問題として、入射側偏光板により発生する熱の問
題がある。偏光変調素子を用いた投射型表示装置では、
光源から出射された自然光を偏光板で直線偏光に変換し
た後、偏光変調素子に入射させ、目的とする偏光方向成
分を得る。ここで、光源から出射された光を入射側偏光
板で直線偏光に変換するとき、偏光板の透過軸以外の偏
光成分は偏光板に吸収され、熱となる。

【０００９】そして、クロスプリズム方式は、小型で高
精細な液晶パネルを用いる場合に最適な方式である点を
考慮すると、ランプからの光束はより小さい面積に集光
されることとなるため、その変換熱エネルギーは大きな
ものとなり、偏光板に大きな熱ストレスを与える。偏光
板の一般的な耐熱性は、偏光膜を作製する材料や接着剤
の材料により決定され、現在のところ平均的に７０℃
位、高いもので１００℃位である。よって、入射偏光板
の冷却が必要となり、装置の大型化に繋がる。

【００１０】上述のように問題となる冷却手段として
は、特開平５−２１５０号公報などに開示されているよ
うに、偏光板の発熱そのものを減じる偏光ビームスプリ
ット方式を用いることも有効である。すなわち、入射偏
光板に入射する光の偏光方向を、発熱が問題とならない
別の方法で、入射偏光版と同じ方向にそろえてから入射
させるもので、結果的に熱に変わる光エネルギーは、偏
光板の材料の吸収のみとなり、大幅に発熱を減少させる
ことができる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上述するように、像の
ずれを防止するために、照明光路長を同一とする方式で
は、短い光路長を、わざわざ迂回させ長い光路長となる
ように構成しているため、迂回光路分の面積が必要とな
り、光学装置の大型化に繋がる。

【００１２】また、入射偏光板の冷却方法において、冷
却効果の高い偏光ビームスプリット（ＰＢＳ）を用いた
場合、ＰＢＳはガラスの固まりで作製されるため、大き
なものは作製が非常に困難であり、価格が高くなる。し
かも、ＰＢＳは光の入射角度により、大きく特性が異な
るため、投射型表示装置で使用する光角度（通常±１０
°程度）では、充分な性能を引き出せない。

【００１３】そこで、本発明はかかる課題を解決するた
めになされてたものであって、偏光板やコレステリック
液晶、位相板、ミラーなどを効果的に配置し、照明光路
長を同一にし、かつ偏光板の発熱をも低減させた投射型
表示装置を提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の請求項１記載の投射型表示装置は、光源か
らの光をダイクロックミラーにより３原色光に分離し
て、各々の原色光に対応する液晶パネルに照射し、これ
ら各液晶パネルにおいて、前記各原色光をその原色光に
対応する映像信号により輝度変調した後、クロスプリズ
ムにより合成し、スクリーン上に投影する投射型表示装
置において、前記光源からの光における第１の原色光を
透過するとともにその余を反射する第１のダイクロック
ミラーと、第１のダイクロックミラーを透過した第１の
原色光を反射し、反射された第１の原色光を、第１のλ
／４位相板と第１の反射ミラーを用いて、前記反射した
際と９０°異なる直線偏光として透過させ、第１の液晶
パネルへ照射する第１の反射型偏光素子と、第１のダイ
クロックミラーにより反射された余の原色光を反射し、
反射された第２および３の原色光を第２のλ／４位相板
と第２の反射ミラーを用いて、前記反射した際と９０°
異なる直線偏光として透過させ、ダイクロックフィルタ
ーを通して、第２の原色光を第２の液晶パネルへ照射す
る第２の反射型偏光素子と、第１のダイクロックミラー
により反射され、かつ第２の反射型偏光素子により透過
された余の原色光を第２のダイクロックミラーにより反
射し、反射された第３の原色光を、第３の反射ミラーと
第１のλ／２位相板を用いて、第３の液晶パネルへ照射
する手段とを備え、前記３つの原色光の光路長が互いに
略等しくなるように構成したことを特徴とする。

【００１５】本発明の請求項２記載の投射型表示装置
は、光源からの光をダイクロックミラーにより３原色光
に分離して、各々の原色光に対応する液晶パネルに照射
し、これら各液晶パネルにおいて、前記各原色光をその
原色光に対応する映像信号により輝度変調した後、クロ
スプリズムにより合成し、スクリーン上に投影する投射
型表示装置において、前記光源からの光における第１の
原色光を透過するとともにその余を反射する第１のダイ
クロックミラーと、第１のダイクロックミラーを透過し
た第１の原色光を反射し、反射された第１の原色光の円
偏光方向を逆転させて反射する第１の反射ミラーと、前
記反射されてきた円偏光成分を透過させる第１のコレス
テリック液晶と、第１のλ／４位相差板を用いて第１の
液晶パネルへ照射する手段と、第１のダイクロックミラ
ーにより反射された余の原色光を反射し、反射された第
２および３の原色光の円偏光方向を逆転させて反射する
第２の反射ミラーと、前記反射されてきた円偏光成分を
透過させる第２のコレステリック液晶と、第２のλ／４
位相差板を用いて第２の液晶パネルへ照射する手段と、
第１のダイクロックミラーにより反射され、かつ第２の
コレステリック液晶により透過された余の原色光を第２
のダイクロックミラーにより反射し、反射された第３の
原色光を、第３の反射ミラーと第１の３λ／４位相板を
用いて、第３の液晶パネルへ照射する手段とを備え、前
記３つの原色光の光路長が互いに略等しくなるように構
成したことを特徴とする。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明による実施形態を図１およ
び図２に示し、以下に図面を用いて説明するが、まず、
本発明に用いる反射型偏光素子およびコレステリック液
晶について、説明する。投射型表示装置の光源から発せ
られた自然光は、光の位相が揃っていないことから、こ
のような光を偏光成分に分離する手段として、反射型偏
光素子が用いられる。そして、該素子は、一例として以
下のように構成される。

【００１７】有機系ポリマーフィルムをある一方向で延
伸したとき、延伸方向の屈折率だけが変化し、複屈折性
を生じる。２種類のフィルムを重ねて１方向に延伸した
とき、２つのフィルム間において、延伸方向の屈折率に
は差が生じるが、延伸方向と直交した方向の屈折率には
差が生じないように、２種類のフィルムを選択する。こ
のフィルムに自然光を入射させたとすると、フィルムの
境界面において、延伸軸に直交した方向の直線偏光は、
反射されないが、延伸軸方向に偏光した直線偏光は、以
下の式の反射率Ｒで反射されることとなる。

【００１８】

【数１】

【００１９】例えば、媒質ｎ１の屈折率が１．４、媒質
ｎ２の屈折率が１．５であるとき、２つのフィルムの境
界面における延伸方向の直線偏光の反射率は、Ｒ＝３．
４％となる。従って、ｎ１、ｎ２、ｎ１、・・・の組み
合わせを、３０層程度重ねた多層構造により、延伸軸方
向の反射率を理論的に１００％とすることもできる。即
ち、このフィルムを用いることになり、自然光を２つの
直交した直線偏光に分離することができるようになる。

【００２０】このような反射型偏光素子で、一度反射し
た直線偏光をλ／４位相板に透過させることにより、直
線偏光は同一方向に回転する円偏光に変換される。円偏
光はミラーなどにより反射されると、回転方向が変わ
り、再度λ／４位相板を通ると、最初の直線偏光と９０
°位相が異なった直線偏光に変換される。

【００２１】次に、投射型表示装置の光源から発せられ
た自然光を、偏光成分に分離する第２の手段として用い
た、コレステリック液晶について説明する。

【００２２】円偏光成分には、一般に右回りの回転を持
つものと左回り回転を持つものがある。コレステリック
液晶はその材料そのものと特性として、ある波長域にお
いて、特定方向の回転成分の光を透過し、逆の回転成分
の光は反射するという特性を持つ。よって、コレステリ
ック液晶を反射した光は、ある波長域における、ある一
定方向の回転成分を持つ円偏光をもつこととなる。一
方、位相板は光の位相を変え、λ／４位相板は円偏光の
直線偏光に変換する機能を持つ。結局、コレステリック
液晶を透過した光は、さらにλ／４位相板を透過するこ
とにより、直線偏光が得られる。

【００２３】次に、上述の反射型偏光素子を用いた第１
の実施形態を、図１を用いて説明する。光源であるラン
プリクレクター１から発せられた光は、白色無偏光の光
である。第１に、赤色光路について説明する。前記白色
無偏光光のうち、ダイクロックミラー２で、赤色成分の
波長帯の光が透過され、光軸に対し４５゜に配置された
反射型偏光素子３に入射され、ここで、ある一方向の直
線偏光成分が反射され、それ以外の光は透過する。反射
された光はλ／４位相板４を透過すると、特定方向の回
転成分を持つ円偏光に変換され、その円偏光が全反射ミ
ラー５により反射されると、回転方向が逆回転となり、
再度λ／４位相板４を透過することにより、入射時と位
相が９０°異なった直線偏光に変換される。そして、こ
の位相変換により、再度、反射型偏光素子３に入射され
た直線偏光は、偏光軸が反射型偏光素子の透過軸に一致
しているため、透過して赤色用の液晶パネル６に達す
る。

【００２４】第２に、緑色光路について説明する。前記
白色無偏光光のうち、ダイクロックミラー２で、緑色成
分および青色成分の波長帯の光が反射されて、光軸に対
し４５゜に配置された反射型偏光素子７に入射し、特定
方向の直線偏光成分がのみ反射され、それ以外の光は透
過する。反射された光は、λ／４位相板８を透過するこ
とにより、特定方向の円偏光に変換され、全反射ミラー
９により反射されることにより、回転方向が逆転し、再
度λ／４位相板８を透過する。このときの光は、入射時
と位相が９０°異なった直線偏光に変換されており、再
度、反射型偏光素子７に達した時、その偏光軸は反射型
偏光素子の透過軸に一致しているため、反射型偏光素子
７を透過する。その後、ダイクロックフィルター１０
（図中、ダイクロフィルターと略す。以下、同様）によ
り、緑色成分の波長帯が選択透過され、緑色用液晶パネ
ル１１に達する。

【００２５】第３に、青色光路について説明する。前記
白色無偏光光のうち、反射型偏光素子７に入射し、上記
緑色光路とは位相が９０°異なるため、反射型偏光素子
７を透過した光が、ダイクロックミラー１２により、青
色成分の波長帯のみ選択反射されることとなる。その
後、青色成分の波長帯の光が反射ミラー１３により反射
され、λ／２位相板１４により、偏光軸が９０°変換さ
れ、赤色、緑色と一致した偏光軸となり、青色用液晶パ
ネル１５に達する。

【００２６】ここで、各々の色の光路長について検討す
る。赤色、緑色光路とも反射型偏光素子３および７と、
反射ミラー５および９との間を光は往復しており、この
距離は、青色光路と同一の距離となるように配置され、
クロスプリズム１６に、ＲＧＢ各々の光路長の等しい照
明光が入射され、投影レンズ１７により、スクリーンに
投影される。本発明では、迂回回路を作ることなく、反
射による往復光路を利用し、ＲＧＢ各々の光路長を確保
しているため、その光路確保のための面積を、より小さ
くすることが可能となる。

【００２７】さらに、その偏光状態も反射型偏光素子３
および７により、特定の直線偏光に変換させた後、ＲＧ
Ｂ各々の液晶パネルの入射面にある偏光板の透過軸と一
致させて、光を入射させることが可能となるため、（偏
光板での発熱は偏光板そのもの吸収の約２０％程度とな
り、）偏光板での発熱量を大幅に低減できる。

【００２８】さらに、上述のコレステリック液晶を用い
た第２の実施形態を、図２を用いて説明する。光源であ
るランプリクレクター１から発せられた光は、白色無偏
光の光である。第１に、赤色光路について説明する。前
記白色無偏光光のうち、ダイクロックミラー２で、赤色
成分の波長帯の光が透過され、光軸に対し４５゜に配置
されたコレステリック液晶２０に入射され、ここで、あ
る一方向の円偏光成分が反射され、それ以外の光は透過
する。反射された光は、特定方向の回転成分を持つ円偏
光であって、その円偏光が全反射ミラー５により反射さ
れると、回転方向が逆回転となり、再度コレステリック
液晶２０に入射されたとき、今度はコレステリック液晶
２０の透過回転方向と一致しているため、コレステリッ
ク液晶２０を透過し、λ／４位相板４を透過する。そし
て、この位相変換により、円偏光は直線偏光に変換され
て透過し、赤色用の液晶パネル６に達する。

【００２９】第２に、緑色光路について説明する。前記
白色無偏光光のうち、ダイクロックミラー２で、緑色成
分および青色成分の波長帯の光が反射されて、光軸に対
し４５゜に配置されたコレステリック液晶２１に入射
し、特定方向の円偏光成分がのみ反射され、それ以外の
光は透過する。このとき、コレステリック液晶２１は波
長選択性をもっているため、緑色の波長帯の円偏光成分
のみを反射させることが可能である。反射された光は、
その円偏光成分が、全反射ミラー９で反射されることに
より、回転方向が逆転し、再度、コレステリック液晶２
１に達した時、その透過回転方向はコレステリック液晶
２１の透過方向に一致しているため、コレステリック液
晶２１を透過し、λ／４位相板８を透過する。そして、
この位相変換により、円偏光は直線偏光に変換されて透
過し、緑色用の液晶パネル１１に達する。

【００３０】第３に、青色光路について説明する。前記
白色無偏光光のうち、コレステリック液晶２１に入射
し、上記緑色光路とは円偏光の回転が逆であるため、コ
レステリック液晶２１を透過した光が、ダイクロックミ
ラー１２により、青色成分の波長帯のみ選択反射される
こととなる。その後、青色成分の波長帯の光が反射ミラ
ー１３により反射され、λ３／４位相板２２（λ／４位
相板およびλ／２位相板）により、円偏光が直線偏光に
変換され、その偏光軸が９０°変換され、赤色、緑色と
一致した偏光軸となり、青色用液晶パネル１５に達す
る。

【００３１】ここで、各々の色の光路長について検討す
る。赤色、緑色光路ともコレステリック液晶２０および
２１と、反射ミラー５および９との間を光は往復してお
り、この距離は、青色光路と同一の距離となるように配
置され、クロスプリズム１６に、ＲＧＢ各々の光路長の
等しい照明光が入射され、投影レンズ１７により、スク
リーンに投影される。本発明では、迂回回路を作ること
なく、反射による往復光路を利用し、ＲＧＢ各々の光路
長を確保しているため、その光路確保のための面積を、
より小さくすることが可能となる。

【００３２】さらに、その偏光状態もコレクテリック液
晶２０および２１と、位相板４、８および２２により、
特定の直線偏光に変換させた後、ＲＧＢ各々の液晶パネ
ルの入射面にある偏光板の透過軸と一致させて、光を入
射させることが可能となるため、（偏光板での発熱は偏
光板そのもの吸収の約２０％程度となり、）偏光板での
発熱量を大幅に低減できる。

【００３３】本発明における赤色、緑色、青色の各々の
光路配置は、上記実施形態に限定されるものではなく、
どのように配置されても本願発明の実施は可能である。

【００３４】

【発明の効果】本発明によれば、クロスプリズムを用い
た投射型表示装置において、その照明光路長を、非常に
少ない面積増加のみで、ＲＧＢ各々の映像において一致
させることができ、しかも、偏光板の発熱量を大幅に減
少させることができる。よって、小型で、均一な画像表
示の投射型表示装置をえることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態１にかかる投射型表示装置の構成概略
図である。

【図２】実施形態１にかかる投射型表示装置の構成概略
図である。

【図３】従来例の順次ミラー方式による投射型表示装置
の構成概略図である。

【図４】従来例のクロスプリズム方式による投射型表示
装置の構成概略図である。

【符号の説明】

１ランプリフレクター２、１２、３０、３１、４０ダイクロックミラー３、７反射型偏光素子４、８ λ／４位相板５、９、１３反射ミラー６赤色用液晶パネル１０ダイクロックフィルター１１緑色用液晶パネル１４ λ／２位相板１５青色用液晶パネル１６クロスプリズム１７投影レンズ２０、２１コレステリック液晶２２３λ／４位相板４１、４２リレーレンズ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G03B 21/00 G03B 33/12 G02F 1/13 G02F 1/1335

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】光源からの光をダイクロックミラーによ
り３原色光に分離して、各々の原色光に対応する液晶パ
ネルに照射し、これら各液晶パネルにおいて、前記各原
色光をその原色光に対応する映像信号により輝度変調し
た後、クロスプリズムにより合成し、スクリーン上に投
影する投射型表示装置において、前記光源からの光にお
ける第１の原色光を透過するとともにその余を反射する
第１のダイクロックミラーと、第１のダイクロックミラ
ーを透過した第１の原色光を反射し、反射された第１の
原色光を、第１のλ／４位相板と第１の反射ミラーを用
いて、前記反射した際と９０°異なる直線偏光として透
過させ、第１の液晶パネルへ照射する第１の反射型偏光
素子と、第１のダイクロックミラーにより反射された余
の原色光を反射し、反射された第２および３の原色光を
第２のλ／４位相板と第２の反射ミラーを用いて、前記
反射した際と９０°異なる直線偏光として透過させ、ダ
イクロックフィルターを通して、第２の原色光を第２の
液晶パネルへ照射する第２の反射型偏光素子と、第１の
ダイクロックミラーにより反射され、かつ第２の反射型
偏光素子により透過された余の原色光を第２のダイクロ
ックミラーにより反射し、反射された第３の原色光を、
第３の反射ミラーと第１のλ／２位相板を用いて、第３
の液晶パネルへ照射する手段とを備え、前記３つの原色
光の光路長が互いに略等しくなるように構成したことを
特徴とする投射型表示装置。
【請求項２】光源からの光をダイクロックミラーによ
り３原色光に分離して、各々の原色光に対応する液晶パ
ネルに照射し、これら各液晶パネルにおいて、前記各原
色光をその原色光に対応する映像信号により輝度変調し
た後、クロスプリズムにより合成し、スクリーン上に投
影する投射型表示装置において、前記光源からの光にお
ける第１の原色光を透過するとともにその余を反射する
第１のダイクロックミラーと、第１のダイクロックミラ
ーを透過した第１の原色光を反射し、反射された第１の
原色光の円偏光方向を逆転させて反射する第１の反射ミ
ラーと、前記反射されてきた円偏光成分を透過させる第
１のコレステリック液晶と、第１のλ／４位相差板を用
いて第１の液晶パネルへ照射する手段と、第１のダイク
ロックミラーにより反射された余の原色光を反射し、反
射された第２および３の原色光の円偏光方向を逆転させ
て反射する第２の反射ミラーと、前記反射されてきた円
偏光成分を透過させる第２のコレステリック液晶と、第
２のλ／４位相差板を用いて第２の液晶パネルへ照射す
る手段と、第１のダイクロックミラーにより反射され、
かつ第２のコレステリック液晶により透過された余の原
色光を第２のダイクロックミラーにより反射し、反射さ
れた第３の原色光を、第３の反射ミラーと第１の３λ／
４位相板を用いて、第３の液晶パネルへ照射する手段と
を備え、前記３つの原色光の光路長が互いに略等しくな
るように構成したことを特徴とする投射型表示装置。