JP3892130B2

JP3892130B2 - 液晶プロジェクタ

Info

Publication number: JP3892130B2
Application number: JP02399998A
Authority: JP
Inventors: 吉晴平形; 佳輔林
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1998-01-21
Filing date: 1998-01-21
Publication date: 2007-03-14
Anticipated expiration: 2018-01-21
Also published as: US6856304B1; KR100619670B1; KR19990068015A; JPH11212051A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本明細書で開示する発明は、液晶パネルを用いた液晶プロジェクタの構成に関する。特に、光学系における光の有効利用に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶パネルを用いた液晶プロジェクタにおいて、光源の光を有効利用するための技術がある。
【０００３】
１つは偏光ビームスプリッタ（以下ＰＢＳという）を用いた技術である。従来、液晶パネルには光の入射側と透過側に偏光板が配置されている。そして、入射側の偏光板により、液晶パネルに入射される光のうち、ある方向の振動面を持つ光のみを透過させて、その他の光は用いていない。したがって、液晶パネルの明るさは偏光板の透過率に関連している。ＰＢＳを用いた技術は、偏光板によってカットされていた入射光を利用しようとするものである。図２を用いてその概要を説明する。
【０００４】
図２（Ｂ）において、光源２０４からの光（Ｐ波とＳ波を含む）が第１のレンズアレイ２０５及び第２のレンズアレイ２０６を透過して、ＰＢＳアレイ２０７に入射する。ＰＢＳアレイは、２つのＰＢＳと１／２波長板からなる単位ユニットが複数配列したものである。
【０００５】
図２（Ａ）に単位ユニットの拡大図を示す。光源からの光は、第１のＰＢＳに入射し、Ｐ波とＳ波に分離する。この時のＰ波はそのまま光学系レンズ等２０８を経由して液晶パネル２０９に到達する。一方、Ｓ波は反射されて第２のＰＢＳに入射する。ここでＳ波は再び反射され、１／２波長板によりＰ波に偏光された後、光学系レンズ等２０８を経由して液晶パネル２０９に到達する。
【０００６】
以上のように、この技術はＰＢＳで透過と反射を繰り返すうちに入射光の殆どをＰ波として抽出し、光の有効利用を行う技術であり、ＰＢＳアレイは数ｃｍ単位のＰＢＳが複数個配列されて構成され、１つの単位ユニットが数十個の画素に入射する光をまかなう。
【０００７】
また、この技術を用いてカラー表示をする場合には、３枚のダイクロイックミラーと３枚の液晶パネルを用いた３板式にするか、カラーフィルターと１枚の液晶パネルを用いた単板式にする。
【０００８】
しかし、３板式の場合は、光源の直後にＰＢＳアレイを設け、ダイクロイックミラーを経由して液晶パネルに光が到達するようにする。したがって、ＰＢＳアレイから液晶パネルまでの光路には複雑な光学系が存在するので、液晶パネルに到達するまでに再び位相のずれが生じてしまう。その結果、実効的に利用し得る光量が減り、ＰＢＳアレイを用いたメリットを有効に活用できない。さらに、３板式は液晶パネルを３枚も用いるので製造コストがかかる。
【０００９】
また、従来のカラーフィルターを用いた単板式の場合には各画素に応じたカラーフィルターを用いて色を取り出すので、例えば赤、緑、青の３種類のカラーフィルター用いる場合、光量は原理的には１／３に減ってしまう。実際にはカラーフィルターの透過率により１／３×０．７程度になる。
【００１０】
一方、光を有効利用する他の技術として、カラーフィルターを用いない単板式が提案されている。この技術について、図３を用いて簡単に説明する。
【００１１】
白色光源３０１からの光が３枚のダイクロイックミラー３０２、３０３、３０４により、青色光（Ｂ）、赤色光（Ｒ）、緑色光（Ｇ）にそれぞれ分離する。分離した各光は、マイクロレンズアレイ３０５を経由して液晶パネル３０６に入射する。（図３（Ａ））
【００１２】
このとき、各光はマイクロレンズアレイ３０５により、各光に対応した画素の開口部３０７に入射するので、光を有効利用することができる（図３（Ｂ））。また、カラーフィルターを用いずにダイクロイックミラーで白色光からＲ、Ｇ、Ｂ光を発生させているので、光の損失はほとんどない。
【００１３】
そして、液晶パネル３０６を透過した光は、フィールドレンズ３０７、投影レンズ３０８を経由して、スクリーン３０９に到達する（図３（Ａ））。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述したＰＢＳを用いた技術をカラーフィルターを用いない単板式に適用しても不都合が生じる。
【００１５】
すなわち、カラーフィルターを用いない単板式ではダイクロイックミラーとマイクロレンズアレイで、各画素に対応した色の光に振り分ける。しかし、ＰＢＳを用いる技術では、１つの単位ユニットが数十個の画素に入射する光をまかなうことしかできない。したがって、この２つの技術を用いてカラー表示をするためには、白色光源と３枚のダイクロイックミラーの間にＰＢＳアレイを配置しなくてはならない。
【００１６】
この構成では、ＰＢＳアレイから液晶パネルまでの光路には複雑な光学系が存在することになり、上述したように、液晶パネルに到達するまでに再び位相のずれが生じてしまい、実効的に利用し得る光量が減る。したがって、ＰＢＳアレイを用いたメリットを有効に活用できないという問題がある。
【００１７】
本願発明は、上記問題点を解決し、非常に高効率で光を利用した液晶プロジェクタを実現することを課題とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本明細書で開示する発明は、
白色光源と、
前記白色光源からの白色光を複数の色の光に分離する手段と、
複数の画素を有する液晶パネルと、
前記複数の色の光を色毎に、前記液晶パネルの画素開口部に入射させる光学手段と、
前記液晶パネルにより変調された前記複数の色の光を投影する手段と
を有する液晶プロジェクタにおいて、
前記液晶パネルの入射側の直前に配置され、前記液晶パネルの各画素に対応した、前記複数の光を偏光させる手段を有することを特徴とする。
【００１９】
また、上記構成において、前記複数の色の光は、赤色、緑色および青色の光であることを特徴とする。
【００２０】
さらに、上記構成において、前記複数の光を偏光させる手段は２つの偏光ビームスプリッタおよび１つの１／２波長板から構成されることを特徴とする。
【００２１】
また、この構成において、前記複数の光を偏光させる手段同士の間には光吸収層が設けられていることを特徴とする。
【００２２】
さらにこの構成において、
前記２つの偏光ビームスプリッタは、対応する前記画素に対して薄膜トランジスタのある側とない側に並んで配置され、
前記１／２波長板は、前記画素の薄膜トランジスタ側の偏光ビームスプリッタに対応して配置されていることを特徴とする。
【００２３】
そして、上記構成において、前記光学手段は、
前記複数の色の光をそれぞれの色について振り分け且つ集光する第１の光学手段と、
前記第２の光学手段を通過した発散光を、画素開口部に向けて平行化する第２の手段とから構成されることを特徴とする。
【００２４】
また、他の発明の構成は
白色光源と、
複数のダイクロイックミラーと、
複数の画素を有する液晶パネルと、
スクリーンと
を有する液晶プロジェクタにおいて、
前記白色光源からの光がダイクロイックミラーおよび液晶パネルを経由してスクリーンに投影される光路上において、
前記複数のダイクロイックミラーと前記液晶パネルとの間にマイクロレンズアレイが配置され、
前記液晶パネルと前記マイクロレンズアレイとの間にマイクロ偏光ビームスプリッタアレイが配置されたことを特徴とする。
【００２５】
以上のように、複数の光を偏光させる手段、すなわちＰＢＳ単位ユニットが液晶パネルの各画素に対応しているので、各画素に対応して分離された光ごとに偏光することが可能となる。
【００２６】
また、液晶パネルの直前に複数の光を偏光させる手段を配置すること、すなわち、液晶パネルとマイクロレンズアレイとの間にマイクロ偏光ビームスプリッタアレイが配置することができるので、これらの間に位相をずらすものがなく、光を有効利用することができる。
【００２７】
【実施例】
〔実施例１〕
図１に本実施例の液晶プロジェクタの光学系の構成を示す。図１（Ａ）において、白色光源１０１から出た白色光は、ダイクロイックミラー１０２、１０３、１０４により青色光（Ｂ）、赤色光（Ｒ）、緑色光（Ｇ）にそれぞれ分離される。３枚のダイクロイックミラーはそれぞれ平行でなく、角度を変えて配置している。
【００２８】
そして、分離された各光は、第１のマイクロレンズアレイ１０５および第２のマイクロレンズアレイ１０６により互いに平行にされ、マイクロＰＢＳアレイ１０７に入射される。なお、本実施例では２枚のマイクロレンズアレイを用いたが、マイクロレンズアレイを３枚用いて、各光をさらに平行化してもよい。もちろん、マイクロレンズアレイを１枚だけ用いることも可能である。
【００２９】
マイクロＰＢＳアレイ１０７は、、第１のマイクロＰＢＳ１２１、第２のマイクロＰＢＳ１２２、１／２波長板１２３から構成される単位ユニットが複数個配列されている構成になっている（図１（Ｂ））。
【００３０】
そして、この単位ユニットの長さ及び配置は、１つの単位ユニットから出た光が液晶パネル１０８の１つの画素の開口部に入射するように設定する。すなわち、単位ユニットの長さは１つの画素の開口部の長さに一致する。
【００３１】
また、第１のマイクロＰＢＳ１２１によりＰ波とＳ波が５０％ずつ均一に分離される場合、第１のマイクロＰＢＳ１２１、すなわち、１／２波長板１２３を配置していない側のＰＢＳから出た光が、画素部のＴＦＴ１３２から遠い側に入射するようにする方が好ましい。これは、ＴＦＴから遠い側の開口部の方がＴＦＴなどの障害物もなく光が効率よく透過でき、１／２波長板１２３を経由した光は、１／２波長板１２３の透過率が１００％ではなくその分光量が減るので、ＴＦＴから遠い側の開口部の方に１／２波長板１２３を経由していない光を透過させた方が、光を有効利用する点において能率がよいからである。
【００３２】
なお、単位ユニット間には光吸収層１２４が配置されている。この光吸収層１２４は、隣の単位ユニットから漏れてくる、異なる色の光を遮蔽するためのものである。こうすることで、異なる色の光が混ざってしまうことを防ぐことができる。
【００３３】
また、単位ユニットにおいて、第２のマイクロＰＢＳ１２２の代わりに、全反射鏡を用いてもよい。
【００３４】
そして、第２のマイクロレンズアレイ１０６からの光は、それぞれ、第１のマイクロＰＢＳ１２１に入射する。したがって、第２のマイクロレンズアレイ１０６のマイクロレンズはそれぞれ単位ユニットごとに対応しており、第１のマイクロＰＢＳに光が入射するように、第１のマイクロレンズアレイ１０５および第２のマイクロレンズアレイ１０６を配置する。
【００３５】
第１のマイクロＰＢＳ１２１に入射した光はＰ波とＳ波に分離される。Ｐ波はこのまま透過し液晶パネル１０８に入射する。Ｓ波は反射され第２のマイクロＰＢＳに入射する。そして、再び反射されて液晶パネル１０８の方向へ向かう。このとき、１／２波長板１２３を通過し位相が変化し、Ｐ波に偏光する。
【００３６】
こうして、各画素に対応して分離された、青色光（Ｂ）、赤色光（Ｒ）、緑色光（Ｇ）はそれぞれ、Ｐ波に偏光され、対応する画素に入射する。そして、液晶パネル１０８を透過した光は、フィールドレンズ１０９で集光された後、投影レンズ１１０で拡散されて、スクリーン１１１に投影される。
【００３７】
なお、本実施例では第２のマイクロＰＢＳ１２２側に１／２波長板を配置したが、第１のマイクロＰＢＳ側に１／２波長板を配置してもよい。この際、第２のマイクロＰＢＳ１２２から出た光が画素部のＴＦＴから遠い側に入射するようにマイクロＰＢＳアレイを配置すると、光を有効利用する点において能率がよい。
【００３８】
また、図４に、本実施例で用いた液晶パネルの斜視図及び画素部の平面図を示す。図４に示すように、ガラス基板４０１から入射した光はＴＦＴアレイ４０２の開口部４１２を透過する。この際、ＴＦＴ４１１には入射光は入射されない。その後、配向膜４０３、液晶層４０４、配向膜４０５、対向電極４０６、ガラス基板４０７、偏光板４０８を順次透過していく。
【００３９】
なお、本実施例において、１画素の大きさは２０μｍ×２０μｍ〜４０μｍ×４０μｍであるので、１つのＰＢＳ単位ユニットの長さは２０μｍ〜４０μｍ、１つのマイクロＰＢＳの長さは１０μｍ〜２０μｍである。
【００４０】
このように、液晶パネルには、カラーフィルターや、入射光を偏光するための偏光板は用いていない。したがって、光源からの光を有効に利用することができる。
【００４１】
そして、以上のような構成をとることにより、各単位ユニットが各画素に対応しおり、各色の光ごとに偏光することが可能であるので、液晶パネル１０８の直前にマイクロＰＢＳアレイを配置できる。したがって、マイクロＰＢＳアレイ１０７と液晶パネル１０８との間には位相をずらすようなものがなく、従来以上に光を有効利用することができる。
【００４２】
〔実施例２〕
本実施例では、本発明を組み込んだリア型プロジェクタについて説明する。図５に本実施例のリア型プロジェクタの外観を示す。なお、図５（Ａ）は側面図であり、内部構造を簡略化して示されている。また、図５（Ｂ）は、本実施例のリア型プロジェクタの斜視図である。
【００４３】
図５（Ａ）および（Ｂ）において、５０１は本体、５０２は光学エンジン、５０３はリフレクター、５０４はスクリーンである。実際には、その他の光学系が加わって複雑な構成となるが、本実施例では概略の構成を示す。そして、光学エンジン５０２に本発明のプロジェクタを用いる。これにより、画面の明るいリア型プロジェクタを提供することができる。
【００４４】
なお、本発明に使用する液晶パネルに半導体回路を一体形成することによってＮＴＳＣ方式、ＰＡＬ方式、デジタル方式の信号にも対応できるようにすることができる。
【００４５】
また、ビデオ信号がＸＧＡ、ＳＸＧＡ，ＵＸＧＡといった様に、異なる解像度に対応していても、ロジック回路などで不必要な箇所（画像非表示部）を黒表示するなどの工夫により解像度の低下を防ぎ、かつコントラストの高い映像を提供することができる。
【００４６】
〔実施例３〕
本実施例では、本発明を組み込んだフロント型プロジェクションについて説明する。図６に、本実施例のフロント型プロジェクションの構成図を示す。図６において、６０１はプロジェクション本体、６０２は投影レンズ、６０３はスクリーンである。
【００４７】
プロジェクション本体６０１に、本発明の光学系を組み込む。そして、プロジェクション本体６０１から映像情報を含む光が供給され、投影レンズ６０２によって映像がスクリーン６０３に投射される。これにより、画面の明るいフロント型プロジェクタを提供することができる。
【００４８】
フロント型プロジェクションの最大の特徴は映像が大画面スクリーンに映し出されることである。よって、会議やプレゼンテーション用のアプリケーションとしての需要が高い。スクリーンには対角１〜２．５ｍのものが一般的によく用いられているが、それ以上のサイズも用いることができる。
【００４９】
【発明の効果】
本発明の液晶プロジェクタにより、単板式の液晶プロジェクタにおいて、カラーでありながら非常に高効率で光源からの光を利用することができる。そして、このプロジェクタによって非常に明るいカラー画面を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の液晶プロジェクタの光学系を示す。
【図２】従来のＰＢＳアレイを用いた光学系を示す。
【図３】従来の単板式の液晶プロジェクタ光学系を示す。
【図４】本発明に用いた液晶パネルの斜視図及び画素部の平面図を示す。
【図５】本発明を用いたリア型プロジェクションの構成を示す。
【図６】本発明を用いたフロント型プロジェクションの構成を示す。
【符号の説明】
１０１白色光源
１０２、１０３、１０４ダイクロイックミラー
１０５第１のマイクロレンズアレイ
１０６第２のマイクロレンズアレイ
１０７マイクロＰＢＳアレイ
１０８液晶パネル
１０９フィールドレンズ
１１０投射レンズ
１１１スクリーン
１２１第１のマイクロＰＢＳ
１２２第２のマイクロＰＢＳ
１２３１／２波長板
１２４光吸収層
１３１開口部
１３２ＴＦＴ

Claims

白色光源と、
前記白色光源からの白色光を複数の色の光に分離する第１の手段と、
分離された前記複数の色の光を、それぞれ偏光させる偏光手段と、
前記偏光された複数の色の光が入射され、複数の画素を有する液晶パネルと、
前記液晶パネルを透過した前記複数の色の光を集光し、投影する第２の手段と、
を有し、
前記偏光手段には、入射された光に含まれる振動方向の異なる二つの偏光を分離し、一方の偏光をそのまま透過させる第３の手段と、他方の偏光を前記一方の偏光と同じ振動方向にして透過させる第４の手段とを含む単位ユニットが複数配列され、
隣合っている前記単位ユニットの間に光吸収層が設けられ、
前記複数の色の光は、それぞれ、別の前記単位ユニットによって偏光される
ことを特徴とする液晶プロジェクタ。
請求項１において、前記第１の手段と前記第２の手段との間に、分離された前記複数の光を互いに平行にする光学手段が設けられていることを特徴とする液晶プロジェクタ。
請求項２において、前記光学手段は、マイクロレンズアレイを含むことを特徴とする液晶プロジェクタ。
請求項１乃至請求項３のいずれか一項において、前記第２の手段は、フィールドレンズと、投影レンズとで構成されていることを特徴とする液晶プロジェクタ。
白色光源と、
前記白色光源からの白色光を複数の色の光に分離する第１の手段と、
分離された前記複数の色の光を、それぞれ偏光させる偏光手段と、
前記偏光された複数の色の光が入射され、複数の画素を有する液晶パネルと、
前記液晶パネルを透過した前記複数の色の光を集光し、投影する第２の手段と、
を有し、
前記偏光手段には、入射された光に含まれるＰ波とＳ波を分離し前記Ｐ波をそのまま透過させる第３の手段と、分離された前記Ｓ波をＰ波にして透過させる第４の手段とを含む単位ユニットが複数配列され、
隣合っている前記単位ユニットの間に光吸収層が設けられ、
前記複数の色の光は、それぞれ、別の前記単位ユニットによって偏光される
ことを特徴とする液晶プロジェクタ。
請求項５において、前記第３の手段は偏光ビームスプリッタで構成され、前記第４の手段は前記Ｓ波を反射する偏光ビームスプリッタまたは全反射鏡のいずれかと、１／２波長板とから構成されることを特徴とする液晶プロジェクタ。
請求項６において、
前記液晶パネルには、薄膜トランジスタを含む複数の画素が設けられ、
前記複数の画素は、それぞれ、別の前記単位ユニットと重なり、
前記単位ユニットに含まれている前記第４の手段の前記１／２波長板は、前記複数の画素のうち前記単位ユニットと重なる画素に含まれている前記薄膜トランジスタと重なっていることを特徴とする液晶プロジェクタ。
請求項５乃至請求項７のいずれか一項において、前記第１の手段と前記第２の手段との間に、分離された前記複数の光を互いに平行にする光学手段が設けられていることを特徴とする液晶プロジェクタ。
請求項８において、前記光学手段は、マイクロレンズアレイを含むことを特徴とする液晶プロジェクタ。
請求項５乃至請求項９のいずれか一項において、前記第２の手段は、フィールドレンズと、投影レンズとで構成されていることを特徴とする液晶プロジェクタ。
白色光源と、
前記白色光源からの白色光を複数の色の光に分離する複数のダイクロイックミラーと、
分離された前記複数の色の光を、それぞれ、偏光させるマイクロ偏光ビームスプリッタアレイと、
前記偏光された複数の色の光が入射され、複数の画素を有する液晶パネルと、
前記液晶パネルを透過した前記複数の色の光を集光し、投影する手段と、
を有し、
前記マイクロ偏光ビームスプリッタアレイには、入射された光に含まれるＰ波とＳ波を分離し前記Ｐ波をそのまま透過させる第１の偏光ビームスプリッタと、分離された前記Ｓ波を反射する第２の偏光ビームスプリッタと、反射された前記Ｓ波をＰ波にして透過させる１／２波長板とを含む単位ユニットが複数配列され、
隣合っている前記単位ユニットの間に光吸収層が設けられ、
前記複数の色の光は、それぞれ、別の前記単位ユニットによって偏光される
ことを特徴とする液晶プロジェクタ。
請求項１１において、
前記液晶パネルには、薄膜トランジスタを含む複数の画素が設けられ、
前記複数の画素は、それぞれ、別の前記単位ユニットと重なり、
前記単位ユニットに含まれている前記第４の手段の前記１／２波長板は、前記複数の画素のうち前記単位ユニットと重なる画素に含まれている前記薄膜トランジスタと重なっていることを特徴とする液晶プロジェクタ。
請求項１１または請求項１２において、前記複数のダイクロイックミラーと前記マイクロ偏光ビームスプリッタアレイとの間に、分離された前記複数の光を互いに平行にする光学手段が設けられていることを特徴とする液晶プロジェクタ。
請求項１３において、前記光学手段は、マイクロレンズアレイを含むことを特徴とする液晶プロジェクタ。
請求項１１乃至請求項１４のいずれか一項において、前記複数の色の光を集光した後、投影する手段は、フィールドレンズと、投影レンズとで構成されていることを特徴とする液晶プロジェクタ。
請求項１乃至請求項１５のいずれか一項において、前記複数の色の光は、それぞれ、赤色の光、緑色の光および青色の光であることを特徴とする液晶プロジェクタ。