JP5171496B2 - 投写型表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、液晶ライトバルブ起因の光漏れを低減する光学補償板を備える投写型表示装置に関するものである。

従来の投写型表示装置では、誘導光学系や投写レンズ等の光学系を構成する様々な光学要素に起因して、光漏れおよび迷光（不要光）が生じるため、特に暗い室内で映像をスクリーン上に投写した場合などには、暗い映像が十分に暗く写らない。そのため、投写された映像において十分なコントラスト比が得られず、臨場感に欠けるという問題があった。特に液晶ライトバルブを用いた投写型表示装置においては、入射された光の位相を変更するという液晶ライトバルブの特性に起因して、遮断すべき透過光を完全に遮断できず、映像信号処理による対応にも限界があった。そのため、投写型表示装置では、コントラスト比の向上について要請が強かった。

特許文献１に記載の液晶プロジェクタ装置は、以上のような問題を解決するための装置であり、液晶分子の入射側および出射側に配置される第１，第２の偏光板を備える。そして、第１の偏光板と液晶分子との間、または、第２の偏光板と液晶分子との間に配置された光学異方性素子を備え、その光学異方性素子を、液晶分子の配向方向と同じ方向に傾斜させている。これにより、投写された映像のコントラスト比を可及的に向上させている。

特開２００６−０１１２９８号公報

コントラスト比の向上のみを目的とするのであれば、液晶ライトバルブの液晶分子の配向方向と同じ方向に、コントラスト比が最大となる角度で、光学異方性素子を傾斜させて配置すればよい。しかしながら、この配置にした場合には、偏光板と光学異方性素子との間隔、光学異方性素子と液晶ライトバルブとの間隔を大きくしなければならず、冷却機構による冷却効率が低くなるという問題があった。また、冷却効率の低下を抑制するために、例えば、冷却ファンの回転数を高くすると、冷却機構からの騒音が大きくなるという問題があった。

本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、十分なコントラスト比の映像を得るとともに、冷却ファンの騒音値の抑制、または、冷却効率低下の抑制が可能な投写型表示装置を提供することを目的とする。

本発明に係る投写型表示装置は、スクリーン上に映像を投写する投写型表示装置であって、液晶ライトバルブと、前記液晶ライトバルブに照射する光を発生する光源とを備える。そして、前記光源から前記液晶ライトバルブに至る光路上に配置され、前記光源からの光のうち所定の偏光の光のみを透過する偏光板と、前記偏光板と前記液晶ライトバルブとの間に配置され、前記偏光板からの光に位相差を発生させる光学補償板と、風上方向に配置され、前記偏光板、前記光学補償板、及び、前記液晶ライトバルブそれぞれに風を流すことにより冷却する冷却機構とを備える。前記光学補償板は、当該光学補償板の光軸に対して、前記液晶ライトバルブの液晶分子の配向方向と同じ方向に傾斜される。前記光学補償板の垂直方向と、当該光学補償板の光軸とがなす角度は、前記映像のコントラスト比が最大となる当該角度の０．４〜０．７倍である。

本発明の投写型表示装置によれば、光学補償板１０の傾斜角度を、スクリーン上に投写される映像のコントラスト比が最大となる傾斜角度の０．４〜０．７倍にしている。これにより、十分なコントラスト比の映像を得ることができるとともに、冷却機構の騒音値の抑制、または、冷却効率低下の抑制を実現することができる。

＜実施の形態１＞
図１は、液晶ライトバルブを備える本実施の形態に係る投写型表示装置の基本構成を示す図である。図１に示すように、本実施の形態に係る投写型表示装置１は、液晶ライトバルブ２と、光源系３と、光学素子と、入射偏光板８と、出射偏光板９と、光学補償板１０とを備える。光学素子は、光源系３が備える光源３ａと、入射偏光板８との間に配置されるインテグレータレンズ４、および、偏光変換素子５、および、コンデンサレンズ６、および、フィールドレンズ７の少なくともいずれか一つを含む。本実施の形態に係る光学素子は、これら全てを含むものとして説明する。

投写型表示装置１は、投写光学系１１と、冷却機構１２と、スクリーンＳＣとをさらに備える。投写光学系１１は、液晶ライトバルブ２の後段に配置され、スクリーンＳＣは、投写光学系１１の後段に配置される。図１に係る投写型表示装置１は、１色の光の光路に関する構成である。しかし、本実施の形態に係る投写型表示装置１は、それに限ったものではなく、赤、緑、青の各色について上述の構成（液晶ライトバルブ２〜光学補償板１０）を備え、光合成素子（図示せず）によって各色の画像光を合成してから、その光を投写光学系１１によってスクリーンＳＣに投写させるようにしてもよい。こうして、本実施の形態に係る投写型表示装置１は、スクリーンＳＣ上に映像を投写する。冷却機構１２は、入射偏光板８、光学補償板１０、液晶ライトバルブ２、出射偏光板９を冷却する。

液晶ライトバルブ２は、投写する光の各画素に対応する液晶表示素子を多数（例えば、数十万個）平面的に配列したものであり、画素情報に応じて各液晶表示素子を動作する。これにより、液晶ライトバルブ２は、入射された光の位相を画素ごとに変更する。

光源系３は、光源３ａと、反射鏡３ｂとを備える。本実施の形態に係る投写型表示装置１が備える光源３ａは、液晶ライトバルブ２に照射する光を発生する。反射鏡３ｂは、光源３ａから出射された光を、インテグレータレンズ４から光学補償板１０を介して、液晶ライトバルブ２に反射する。こうして、光源系３は、光を液晶ライトバルブ２に照射する。

光源３ａは、一般的に、高圧水銀ランプ、ハロゲンランプ、キセノンランプが用いられるが、その他の発光デバイス、例えば、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）、レーザ、無電極放電ランプを用いてもかまわない。

反射鏡３ｂは、放物面や楕円面の形状で形成されるが、光が偏光変換素子５内に集光されるものであれば、どのような形状、構造であってもよく、特に限定されるものではない。例えば、反射鏡３ｂの形状を放物面、または、楕円面にして、反射鏡３ｂからインテグレータレンズ４に出射される光の方向を光軸Ｃ（ｚ軸）と略平行にする場合には、光源系３とインテグレータレンズ４との間に凹レンズを配置するなどすればよい。

インテグレータレンズ４は、光源系３から液晶ライトバルブ２に至る光路上に配置され、光源系３からの光を分割し、後述するコンデンサレンズ６およびフィールドレンズ７により、分割された光を液晶ライトバルブ２に重畳して照度分布を均一化させる。そして、均一化された光を後述するコンデンサレンズ６およびフィールドレンズ７により、液晶ライトバルブ２に照射する。インテグレータレンズ４は、第１のレンズアレイ４ａと、第１のレンズアレイ４ａの後段側に離間配置された第２のレンズアレイ４ｂとを備える。各レンズアレイ４ａ，４ｂはともに、複数の凸レンズが縦横に配置される。第１のレンズアレイ４ａの各凸レンズと、第２のレンズアレイ４ｂの各凸レンズとは、それぞれ互いに対応して設けられ、対応する凸レンズ同士は、互いの正面方向に配置される。

偏光変換素子５は、インテグレータレンズ４の後段に配置され、インテグレータレンズ４から出射された光を、１種類の直線偏光の光に変換して出射する。図２は、本実施の形態に係る偏光変換素子５を、ｙ方向の正から負の向きに視た図である。図２に示すように、偏光変換素子５は、ｘ軸方向に適当な間隔をあけて複数個配置された偏光分離膜５ａ、および、反射膜５ｂ、および、λ／２位相差板５ｃを備える。複数の偏光分離膜５ａは、光軸Ｃ方向（ｚ方向）に対して傾斜（例えば、４５°）させて配置される。反射膜５ｂは、偏光分離膜５ａ同士の間において、光軸Ｃ方向（ｚ方向）に対して傾斜（例えば、４５°）させて配置される。λ／２位相差板５ｃは、偏光変換素子５の液晶ライトバルブ２側の面上であって、偏光分離膜５ａを透過した光が照射される部分に配置される。

以上の構成からなる偏光変換素子５の作用について説明する。偏光変換素子５に入射された光は、偏光分離膜５ａによってｓ偏光の光と、ｐ偏光の光とに分離される。ｐ偏光の光は、偏光分離膜５ａを透過し、λ／２位相差板５ｃにてｓ偏光の光に変換された後、偏光変換素子５から出射される。一方、ｓ偏光の光は、偏光分離膜５ａにより反射され、反射膜５ｂによってさらに反射された後、偏光変換素子５から出射される。これにより、偏光変換素子５から出射される光は、概ねがｓ偏光の光となる。なお、偏光変換素子５から、概ねがｐ偏光の光を出射することを望む場合には、図２の構成の代わりに、反射膜５ｂで反射された光が１回通過する光路上に、λ／２位相差板５ｃを配置する構成とすればよい。

図１に係るコンデンサレンズ６は、偏光変換素子５の後段に配置され、フィールドレンズ７は、コンデンサレンズ６の後段に配置される。コンデンサレンズ６およびフィールドレンズ７は、インテグレータレンズ４で分割された光束を液晶ライトバルブ２に重畳させる。これにより、光源３ａから出射された光は、光軸Ｃに垂直な断面方向の照度分布が均一化された状態で液晶ライトバルブ２に入射される。つまり、インテグレータレンズ４、および、コンデンサレンズ６、および、フィールドレンズ７は、光源３ａからの光を所定の照度分布の光に均一に変換して液晶ライトバルブ２に照射する。

本実施の形態に係る投写型表示装置１が備える偏光板である入射偏光板８は、光源３ａから液晶ライトバルブ２に至る光路上に配置され、光源３ａからの光のうち所定の偏光の光のみを透過する。本実施の形態では、入射偏光板８は、フィールドレンズ７の後段に配置され、第１の直線偏光の光を透過し、第１の直線偏光と偏光軸が９０°の角度をなす第２の直線偏光の光を吸収、または、反射する。偏光変換素子５から出射される光が、概ねｐ偏光の光である場合には、第１の直線偏光はｐ偏光、第２の直線偏光はｓ偏光に相当する。出射偏光板９は、液晶ライトバルブ２の出射側に配置されており、出射偏光板９の透過軸は、入射偏光板８の透過軸と直交している。液晶ライトバルブ２は、入射偏光板８から出射され、光学補償板１０を通過した第１の直線偏光の光を、第２の直線偏光の光に変換して出射偏光板９に出射するか、または、第１の直線偏光の光のまま出射偏光板９に出射する。

光学補償板１０を通過した第１の直線偏光の光が、液晶ライトバルブ２により第２の直線偏光の光に変換された場合、出射偏光板９に入射される第２の直線偏光の光は、出射偏光板９を透過し、光が投写光学系１１に到達する。一方、光学補償板１０を通過した第１の直線偏光の光が、液晶ライトバルブ２により第２の直線偏光の光に変換されなかった場合、出射偏光板９に入射される第１の直線偏光の光は、出射偏光板９を透過しないため、光が投写光学系１１に到達しない。

図３および図４は、光学補償板１０と液晶ライトバルブ２との配置を説明する概略図である。液晶ライトバルブ２は、対向基板（入射側基板）２ａと、ＴＦＴ基板（出射側基板）と、それら基板の間に封入される液晶分子２ｂとを備える。なお、図３では、便宜上、ＴＦＴ基板は図示していない。本実施の形態に係る液晶分子２ｂは、垂直配向型であり、液晶ライトバルブ２に電圧がかからない場合、出射偏光板９にて光が吸収されるため、スクリーンＳＣ上には、光源３ａからの光は到達しない。なお、液晶分子２ｂは、対向基板２ａの垂直方向に対して角度θａを有して配列されることにより、電圧印加時の液晶分子２ｂの配向方向を制御すると共に、液晶分子２ｂの応答速度を速くすることが可能となる。一般的に、この角度θａは、プレチルト角と呼ばれる。この角度（以下、プレチルト角θａ）を大きくすると、応答速度は速くなるが、視野角依存性が大きくなるため、スクリーンＳＣに投写される映像のコントラスト比が低下する。

このコントラスト比の低下を防ぐために、本実施の形態に係る投写型表示装置１は、光学補償板１０を備える。光学補償板１０は、入射偏光板８と液晶ライトバルブ２との間に配置され、入射偏光板８からの光に位相差を発生させる。光学補償板１０は、光学補償板１０の光軸Ｃに対して、液晶ライトバルブ２の液晶分子２ｂの配向方向と同じ方向に傾斜されている。以下、光学補償板１０の垂直方向と、光学補償板１０の光軸Ｃとがなす角度をθｂと記し、光学補償板１０の垂直方向をＥと記すこともある。

こうして、図３に示すように、液晶分子２ｂをプレチルト角θａで傾けた場合に、光学補償板１０を傾けることにより、プレチルト角θａにより生じるコントラスト比の低下を抑制し、液晶ライトバルブ２に起因する光漏れを低減することが可能となる。なお、光学補償板１０の基材の屈折の影響により、入射偏光板８からの光（光線３０）に、所望の位相差を発生させるためには、角度θｂはプレチルト角θａより大きいことが好ましい。また、光学補償板１０は、リタデーションの絶対値が液晶ライトバルブ２の液晶分子２ｂのリタデーションと等しく、符号が異なる場合が好ましい。

図４において、矢印２ｃは、液晶ライトバルブ２における液晶分子２ｂの配向方向を、液晶ライトバルブ２の平面に投射した方向を表す。この方向（矢印２ｃ）は、入射偏光板８の透過軸または吸収軸（矢印８ａ）に対して４５°傾いている。従って、角度θｄは、４５°である。また、光学補償板１０の傾斜方向（以下、回転方向）は、θｂであり、上述したように、液晶分子２ｂの配向方向と同じ方向に回転させている。そのため、ｘｙ平面と平行な面において、光学補償板１０の断面と直交する破線Ｆと、矢印８ａと平行な破線Ｇとがなす角度θｃは、４５°となる。位置３１は、光学補償板１０の四隅の内、液晶ライトバルブ２に最も近い位置を示している。図４に示すように、光学補償板１０を傾けることにより、液晶ライトバルブ２に入射される光のうち、角度を有して入射される光の影響を低減することができる。その結果、プレチルト角θａ起因のコントラスト比低下を抑制することができる。次に、上述の効果が得られる理由について説明する。

図５は、光学補償板１０の回転角度θｂとコントラスト比の関係を示す図である。図５は、測定データであり、縦軸は、スクリーンＳＣ上に投写される映像のコントラスト比の相対値を表している。ここでは、コントラスト比が最大になる角度θｂを角度αとし、そのときのコントラスト比の相対値を１００％としている。横軸は、光学補償板１０の回転角度θｂを示す。つまり、横軸における０は、光学補償板１０を傾斜させない状態を示し、横軸におけるαは、上述の角度αだけ、液晶分子２ｂの配向方向と同じ方向に光学補償板１０を回転させた状態を示す。例えば、０．５αは、角度αの０．５倍の角度で光学補償板１０を回転させた状態を示す。また、同図の円形のプロットは、光学補償板１０を配置した場合の測定値、四角のプロットは、光学補償板１０を配置しない場合の測定値を示す。

円形のプロットと、四角のプロットを比較すれば、液晶ライトバルブ２に角度を有して光が入射される影響が、光学補償板１０を配置することにより低減していることが確認できる。また、円形のプロット同士を比較すれば、光学補償板１０の傾斜角度θｂに応じて、スクリーンＳＣに投写される映像のコントラスト比が変化することが確認できる。例えば、回転角度θｂが０．４αである場合には、最大コントラスト比の７５％以上のコントラスト比を得ることができることがわかる。

以上より、液晶分子２ｂをプレチルト角θａで傾けた場合に、光学補償板１０を液晶分子２ｂの配向方向と同じ方向に傾けることにより、コントラスト比が改善することが確認できた。そして、コントラスト比の向上のみを目的とするのであれば、回転角度θｂを角度αにすればよいことも確認できる。しかしながら、この場合には、次のような問題が生じていた。

図６は、回転角度θｂを角度αにしたときの問題点を説明するための図である。光学補償板１０の角度αは、液晶分子２ｂのプレチルト角θａが大きくなるに従い、大きくする必要がある。そのため、入射偏光板８と液晶ライトバルブ２の間隔Ｄを大きくする必要があるが、間隔Ｄを大きくすると、冷却領域が広くなる。冷却領域を広くした場合に、冷却領域が広くなる前の冷却レベルと同じにするためには、冷却機構１２の負荷が大きくなる。例えば、冷却機構１２が、冷却ファンである場合、冷却ファンの回転数を高くする必要が生じ、その結果、ファンによる騒音値が高くなる。一方、冷却機構１２の負荷を大きくしない場合には、冷却効率が低下する。

図６では、冷却機構（冷却ファン）１２の風の向き５１と、入射偏光板８、光学補償板１０、および、液晶ライトバルブ２の配置が示されている。冷却機構１２は、−ｙ方向に配置され、入射偏光板８、光学補償板１０、および、液晶ライトバルブ２それぞれを、ｙ方向に風を流すことにより冷却する。一般的に、光学補償板１０の効果を高めるためには、液晶ライトバルブ２側に、図示しない光学補償用のフィルムを配置する。従って、図６の構成の場合、光学補償板１０の回転角度θｂが大きくなるほど、液晶ライトバルブ２側に配置された光学補償板用のフィルム面は冷却しにくくなる。

図７に、光学補償板１０の回転角度θｂと、冷却機構（冷却ファン）１２の騒音値ｄＢＡとの関係を示す。縦軸は、冷却機構１２の騒音値ｄＢＡを示し、横軸は光学補償板１０の回転角度θｂを示す。ここで、回転角度θｂが０°の場合に、騒音値βで冷却機構１２を動作させたときの液晶ライトバルブ２の温度を基準温度とした。そして、角度αまでの回転角度θｂにおいて、その基準温度と同じ温度を維持するために、冷却機構１２を動作させたときの騒音値をプロットした。なお、図７に示されるαは、図５と同様の値である。図７から、回転角度θｂが、０．５α以下である場合には、概ね騒音値は変化せず、０．７５α、…、αとなるにつれて急激に騒音値は高くなることが確認できる。騒音値ｄＢＡは、人間の聴覚感度を考慮に入れた値であり、β＋３ｄＢＡは、騒音値β時の、２倍の騒音であることを示す。β＋９ｄＢＡの場合は、騒音値β時の、３ｄＢＡ×３、つまり、２の３乗（８）倍の騒音となる。よって、低騒音を維持するためには、回転角度θｂを０．５α以下にすることが望ましいが、０．７α以下であれば、回転角度θｂが０°のときの騒音値βの２倍以下に抑えることができる。

そこで、本実施の形態に係る投写型表示装置１では、光学補償板１０の垂直方向Ｅと、当該光学補償板１０の光軸Ｃとがなす角度θｂは、スクリーンＳＣ上に投写される映像のコントラスト比が最大となる当該角度αの０．４〜０．７倍にする。つまり、光学補償板１０の回転角度θｂが、０．４α以上であるため、本実施の形態に係る投写型表示装置では、最大値の７５％以上の十分なコントラスト比を得ることができる（図５）。また、光学補償板１０の回転角度θｂは、０．７α以下であるため、本実施の形態に係る投写型表示装置の騒音値を、回転角度θｂを０°とした場合の騒音値の２倍以下に抑えることができる（図７）。これにより、冷却機構１２の騒音値、または、冷却効率低下を抑制することができる。特に、回転角度θｂを０．５αにした場合には、騒音値を、回転角度θｂを０°とした場合の騒音値の１．１倍程度に抑えつつ、最大値の７５％以上のコントラスト比を得ることができる。

なお、一般的に、液晶ライトバルブ２の液晶分子２ｂのプレチルト角θａに対する上述の角度αは、６〜８°といわれている。そのため、光学補償板１０の回転角度θｂを、３〜４°程度にすれば、上述の効果を得ることができる。

図８は、光学補償板１０を固定ホルダ７１で固定した場合の一例を示す図である。この図８に示すように、本実施の形態に係る投写型表示装置は、入射偏光板８に対する固定ホルダ７０と、光学補償板１０に対する固定ホルダ７１とを備える。固定ホルダ７１は、単一の角度θｂでのみ光学補償板１０を固定する。

以上のような本実施の形態に係る投写型表示装置によれば、固定ホルダ７１に、調整機構を設ける必要がないため、構造を簡略化することができる。さらに、光学補償板１０の回転角度θｂが所望の値、例えば、４°のとき、４°以外の角度にならないため、液晶ライトバルブ２における冷却効率低下を確実に防ぐことができる。つまり、固定ホルダ７１により固定しているため、騒音値が上がる、あるいは、液晶ライトバルブ２の温度が上昇するといった不具合を確実に防ぐことができる。

また、本実施の形態に係る投写型表示装置は、筐体である光学素子保持筐体を備える。図８には、光学素子保持筐体の側面７２ａ，７２ｂが示されている。光学素子保持筐体は、上述の光学素子、つまり、インテグレータレンズ４、コンデンサレンズ６およびフィールドレンズ７等を保持する。図８に示すように、光学補償板１０の固定ホルダ７１は、光学素子保持筐体の側面７２ａ，７２ｂに接触または固着されている。このような構成からなる投写型表示装置によれば、固定精度を向上させることができる。従って、騒音値が上がる、あるいは、液晶ライトバルブ２の温度が上昇するといった不具合を確実に防ぐことができる。

実施の形態１に係る投写型表示装置の基本構成を示す図である。 実施の形態１に係る投写型表示装置の構成を示す図である。 実施の形態１に係る投写型表示装置の構成を示す図である。 実施の形態１に係る投写型表示装置の構成を示す図である。 実施の形態１に係る投写型表示装置の効果を示す図である。 回転角度θｂを角度αにしたときの問題点を説明するための図である。 実施の形態１に係る投写型表示装置の効果を示す図である。 実施の形態１に係る投写型表示装置の構成を示す図である。

符号の説明

１ 投写型表示装置、２ 液晶ライトバルブ、２ａ 対向基板、２ｂ 液晶分子、３ 光源系、３ａ 光源、３ｂ 反射鏡、４ インテグレータレンズ、４ａ 第１のレンズアレイ、４ｂ 第２のレンズアレイ、５ 偏光変換素子、５ａ 偏光分離膜、５ｂ 反射膜、５ｃ λ／２位相差板、６ コンデンサレンズ、７ フィールドレンズ、８ 入射偏光板、９ 出射偏光板、１０ 光学補償板、１１ 投写光学系、１２ 冷却機構、３０ 光線、３１ 位置、７０，７１ 固定ホルダ、７２ａ，７２ｂ 側面、ＳＣ スクリーン。

Claims (3)

1. スクリーン上に映像を投写する投写型表示装置であって、
   液晶ライトバルブと、
   前記液晶ライトバルブに照射する光を発生する光源と、
   前記光源から前記液晶ライトバルブに至る光路上に配置され、前記光源からの光のうち所定の偏光の光のみを透過する偏光板と、
   前記偏光板と前記液晶ライトバルブとの間に配置され、前記偏光板からの光に位相差を発生させる光学補償板と、
   風上方向に配置され、前記偏光板、前記光学補償板、及び、前記液晶ライトバルブそれぞれに風を流すことにより冷却する冷却機構とを備え、
   前記光学補償板は、当該光学補償板の光軸に対して、前記液晶ライトバルブの液晶分子の配向方向と同じ方向に傾斜され、
   前記光学補償板の垂直方向と、当該光学補償板の光軸とがなす角度は、前記映像のコントラスト比が最大となる当該角度の０．４〜０．７倍である、
   投写型表示装置。
2. 単一の前記角度でのみ前記光学補償板を固定する固定ホルダをさらに備える、
   請求項１に記載の投写型表示装置。
3. 前記光源と前記偏光板との間に配置された光学素子と、
   前記光学素子を保持する筐体とをさらに備え、
   前記固定ホルダは、前記筐体の側面に接触または固着されている、
   請求項２に記載の投写型表示装置。

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