JP2006023776A - 投写型映像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高コントラストな投写型映像表示装置を得ること。
【解決手段】 反射型液晶パネルと組合わせ使用する偏光ビームスプリッタ、ダイクロイックプリズム等の偏光透過部品の光弾性定数、該部品に加わる応力、光透過長３者の積を一定値以下として複屈折の発生を抑える。また、画像光である偏光が透過する光学部品の支持、固定に弾力性止め具を使用し該部品へ加わる応力を緩和する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、投射型表示装置に係わり、特に高コントラスト化を実現する反射型液晶パネルを用いた投射型表示装置に関する。

反射形液晶パネル、該反射型液晶パネルへ入射させる偏光を形成するための偏光ビームスプリッタ等からなる従来の投写型液晶表示装置として、例えば、特開平９−５４２１３号公報に開示された技術が挙げられる。

上記の投写型液晶表示装置おいては、光源からの白色光はクロスダイクロイックミラーでＲ光、Ｇ光、Ｂ光の３色に分光された後、偏光ビームスプリッタを経て偏光となり、Ｒ画像表示用、Ｇ画像表示用、Ｂ画像表示用それぞれのモノクロ反射形液晶パネルに入射する構成である。該反射形液晶パネルへの入射光は該反射形液晶パネルで反射し該液晶パネルより出射、該偏光ビームスプリッタで検光された後、投写レンズで画像投写する。

上記構成において、偏光ビームスプリッタの光弾性定数を１．５×１０^-8cm²／Ｎ以下としており、この設定により該ビームスプリッタの複屈折を小さくできる可能性があり、それにより該表示装置の投写画像を高コントラストにできる可能性がある。

一般に、偏光ビームスプリッタなどの光透過部品で生ずる複屈折の大きさを左右する因子としては、該材料の光弾性定数Ｃ、該部品へ加わる応力Ｆ、該部品の光透過長Ｌ、該部品を透過する光の波長λ等がある。該光透過部品に偏光を入射させたときに該部品内で生ずる複屈折の大きさは該部品内で生ずる位相差ΔＳに関連しており、位相差ΔＳが大きくなると複屈折も大きくなる。その位相差ΔＳは一般に次式（１）であらわすことができる。

ΔＳ＝２π・Ｃ・Ｆ・Ｌ／λ…………（１）
ただし、Ｃ：光透過部品材料の光弾性定数〔m²／Ｎ〕
Ｆ：光透過部品材料へ加わる応力〔Ｎ／m²〕
Ｌ：光透過部品の光透過長 〔ｍ〕
λ：光の波長 〔ｍ〕
すなわち、光透過部品において生ずる複屈折の大きさは光透過部品材料の光弾性定数、該部品に加わる応力、該部品の光透過長に比例し、光の波長に反比例する関係にある。

ところで、前記特開平９−５４２１３号公報では光透過部品で生ずる複屈折低減のため光弾性定数の上限値を１．５×１０^-8cm²／Ｎとしているが、他の因子については述べていない。光弾性定数の上限値を１．５×１０^-8cm²／Ｎとしても、光透過部品へ加わる応力が大きく、該部品が大きく、光透過長が長い場合は該部品で生ずる複屈折を小さくすることができない。また、光透過部品が非常に小さく、該部品のへ加わる応力も非常に小さい場合、該部品の光弾性定数を１．５×１０^-8cm²／Ｎより大としても複屈折を小さく抑えることが出来る可能性がある。

すなわち、前記従来技術特開平９−５４２１３号公報によれば偏光ビームスプリッタで生ずる複屈折を小さく出来る場合もあるが、出来ない場合もあり、前記従来技術だけでは偏光ビームスプリッタで生ずる複屈折低減、投写型映像表示装置の高コントラスト化にとって不十分である。

本発明の目的は上記問題点を解決し、画像光を形成するための偏光ビームスプリッタ、または他の透明光学部品で生ずる複屈折を抑制し、該スプリッタ、または該光学部品を適用した投写型映像表示装置の投写画像を十分に高画質、高コントラスト化する構成を得ることにある。

本発明は上記した目的を達成するため、画像光を形成するための偏光を透過させる光学部品、具体的な部品として、光学部品に誘電体多層膜を形成してなる偏光ビームスプリッタ、またはダイクロイックプリズム等において、該光学部品使用時における該光学部品に加わる応力をＦ〔N/m²〕、光が該透明光学部品、該ビームスプリッタ中を透過するときの該部品、該スプリッタ中の光透過長をＬ〔ｍ〕、それらの光弾性定数をＣ〔m²/N〕、透過光の中心波長をλ〔ｍ〕としたとき、それらＦ、Ｌ、Ｃ、λが、（２π／λ）×Ｆ×Ｌ×Ｃ≦０．１ を満足する関係となるような構成とした。 また、投写型映像表示装置において前記構成の偏光ビームスプリッタ、ダイクロイックプリズムを適用する光学系構成とした。さらに、投写形液晶表示装置内における偏光ビームスプリッタ、ダイクロイックプリズムの設置方法として、弾性体、弾力性止め具等を介しての設置など該偏光ビームスプリッタ、ダイクロイックプリズム等に出来るだけ応力が加わらない手段を適用した。反射型液晶パネルと該透明光学部品の相互位置を固定しなければならない場合、それら両者を弾性体、または弾力性止め具等を介して装置内に設置する手段等を適用した。

以上のように、本発明によれば、偏光ビームスプリッタ、ダイクロイックプリズム等光学部品に画像形成のための偏光が透過する際、生ずる位相差状態の変化を抑制することが出来、従って、投写レンズ、液晶パネルそれぞれのコントラストが３００以上ある場合は反射型液晶表示装置の投写画像コントラストとして１００以上のコントラストを得ることが出来る。また、本発明構成では透明部品の光弾性定数が多少大きい場合でもそれに加わる応力を緩和できるので、位相差状態変化の発生を抑制することが出来、結果的に光弾性の大きい部品を使用しても高コントラスト画像の表示が可能となる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。

図１は本発明による偏光ビームスプリッタ、および該ビームスプリッタを適用した投写型映像表示装置である第１実施形態の光学系要部の模式構成図である。同図において、１は光源、２は反射型液晶パネル、３は偏光ビームスプリッタ、４は投写レンズである。なお、他の光学系部品は本発明の本質を説明する上で、必須でないため省略してある。

図１の構成において、光源からの出射光５は側面の寸法形状がl×ｈの偏光ビームスプリッタ３の光入射面３−１から入射し、誘電体多層膜を形成した偏光分離面３−２でＰ波、Ｓ波に分離される。これらＰ波、Ｓ波のうちＰ波は直進して第１の光出射面３−３から偏光ビームスプリッタ３外に出射する。一方、Ｓ波は入射方向、及びＰ波出射光方向に対して９０度異なった方向に進み、第２の光出射光面３−４から該偏光ビームスプリッタ３外に出射し、該出射光は反射型液晶パネル２への入射光６となる。該入射光６は該液晶パネル２の反射面（図示せず）で反射し、また、表示画像内容に対応した偏光状態となり該パネル２から出射し、偏光ビームスプリッタ３に再入射する。該再入射光７は偏光分離面３−２で画像光となるＰ波７−１と不要光となるＳ波７−２に分離され、画像光であるＰ波７−１は光出射面３−５から出射し、投写レンズ４を経てスクリーン（図示せず）上への投写光８になる。

投写型映像表示装置の表示画像のコントラストを高めるには液晶パネル２の性能、偏光ビームスプリッタ３の性能、投写レンズ４の性能を高めることが重要である。偏光ビームスプリッタ３の高性能化に着目した場合、該ビームスプリッタ３の偏光分離面３−２でのＰ波、Ｓ波の分離性能がよいことのほかに、該Ｐ波、Ｓ波が偏光ビームスプリッタ３内部透過時にその偏光状態が保存されること、すなわち、該ビームスプリッタ内での新たな複屈折の発生を抑えることが重要である。

一般に、画像表示用の偏光が部品透過中に新たな複屈折、すなわち、新たな位相差を生じた場合、その位相差成分は画像全体を白く浮かせる漏れ光となる。すなわち、該光学部品が図１の３に示す偏光ビームスプリッタの場合、新たな複屈折成分は反射型液晶パネル２の表示画像コントラストを低下させることになる。

ところで、画像表示用偏光が偏光ビームスプリッタ等の光学部品を透過中に生じた位相差に起因して発生する漏洩光強度Ｔはほぼ次式（２）で表すことが出来る。

Ｔ＝Ｋsin²(ΔS/2) ……………… （２）
Ｋ：定数
ΔＳ：透明部品中で新たに生じた位相差
反射型液晶パネルが、全ての表示諧調にわたって良好なコントラストを得るには漏れ光sin²(ΔS/2)の値を出来るだけ小さくする必要がある。通常、投写画像を良好なコントラストと認識する上で必要なコントラスト値としては少なくとも約１００程度のコントラストが必要である。液晶パネル２の表示画像の投写表示において、そのコントラストを左右する要因として、液晶パネル２の性能、偏光ビームスプリッタ３の性能、投写レンズ４の性能等が考えられるが、上記画像コントラストとして少なくとも約１００程度のコントラストを得るには各種主要部品のコントラスト性能を約１００の３倍の少なくとも約３００程度必要である。

そこで、偏光ビームスプリッタ起因のコントラストも最低でも３００程度必要である。偏光ビームスプリッタ起因コントラストを３００以上とするためには、洩れ光sin²(ΔS/2)を０．００３３以下に抑える必要がある。

このとき、位相差ΔＳは、ほぼ、ΔＳ＜０．１………………（３） となる関係になる。

偏光ビームスプリッタ内で位相差が生じて洩れ光が生じても、コントラストを最低でも３００以上とするためには先に示した（１）式、および上記（３）式より、偏光ビームスプリッタに関する各定数の関係を（４）式に示す関係とする必要がある。

２π・Ｃ・Ｆ・Ｌ／λ＜０．１ ………………………………（４）
ただし、Ｃ：光透過部品材料の光弾性定数〔m²／Ｎ〕
Ｆ：光透過部品材料へ加わる応力〔Ｎ／m²〕
Ｌ：光透過部品の光透過長 〔ｍ〕
λ：光の波長 〔ｍ〕
すなわち、偏光ビームスプリッタにおけるコントラスト劣化を防止するには該ビームスプリッタの光弾性定数Ｃとそれに加わる応力Ｆ、該ビームスプリッタ内部を透過する光の透過長Ｌの積を式（４）のように規定することが有効である。

式（４）では位相差の関係を規定したが、光路差δを規定してもよい。すなわち、該偏光ビームスプリッタ使用時における該ビームスプリッタに加わる応力をＦ〔Pa〕、光が該ビームスプリッタ中を透過するときの該ビームスプリッタ中の光透過長をｄ〔cｍ〕、該ビームスプリッタの光弾性定数をβ〔nm/cm/10⁵Pa〕としたとき、光路差δとしては式（５）の関係を満足させる必要がある。

δ＝Ｆ×ｄ×β≦１２〔ｎｍ〕 ……… （５）
図１における光透過長Ｌとしては偏光分離面３−２で偏光分離後、該ビームスプリッタ３を出射するまでの光路長l／２、液晶パネル２で反射後再入射して投写レンズ４方向に再出射するまでの光路長ｌの合計（３l）／２となる。

図２は本発明偏光ビームスプリッタ、および該ビームスプリッタを適用した投写型映像表示装置である第２実施形態の光学系要部の模式断面図である。同図において、基本的に図１と同一の部品には図１の記号と同じ記号を付した。図２において、偏光ビームスプリッタ３は弾力性止め具１２を介してビームスプリッタ固定材１１に固定し、装置筐体９に固定している。なお、１０は投写レンズ固定材である。偏光ビームスプリッタ３の近傍には反射型液晶パネル２が配置してあり、該パネル２も該固定材１１に固定している。この構成で、偏光ビームスプリッタ３は弾力性止め具１２により取り付けられているので、該ビームスプリッタ３に加わる応力を非常に小さいものとすることが出来、偏光が該ビームスプリッタ３透過中に生ずる位相差を非常に小さいものとすることが出来る。なお、本実施例では偏光ビームスプリッタ３の該固定材１１と反射型液晶パネル２の該固定材１１は同一であるが、別個に構成してもよい。

図３は本発明偏光ビームスプリッタ、および該ビームスプリッタを適用した投写型映像表示装置である第３実施形態の光学系要部の模式断面図である。同図において、基本的に図２と同一の部品には図２の記号と同じ記号を付した。本第３実施形態の図２に示した第２実施形態に対しての主な違いは偏光ビームスプリッタ３と反射型液晶パネル２は両者の相互位置が変化しないように部分固定具１３で部分的に固定し、それら両者２、３を弾性止め具１２を介して固定材１１に固定し、該固定材１１を装置筐体９に取り付けた構成にある。

投写型映像表示装置が２板、３板構成など複数板構成の場合、液晶パネル２と偏光ビームスプリッタ３の相対位置の僅かな変化が画素ずれの原因になることがあるが、本第３実施形態構成は液晶パネル２と偏光ビームスプリッタ３の相対位置は変化しない構成であるので、複数板構成の投写型表示装置へ適用する場合に有効である。なお、本構成での注意点として、部分固定具１３の大きさ形状を工夫し、偏光ビームスプリッタ３の光が透過する内部にまで応力が加わらないようにする必要がある。具体的例の一つとしては偏光ビームスプリッタ３のコーナ部、エッジ部と反射型液晶パネル２との間に部分固定具１３を適用することが考えられる。

図４は本発明偏光ビームスプリッタ、および該ビームスプリッタを適用した投写型映像表示装置である第４実施形態の光学系要部の模式構成図である。同図において、基本的に図３と同一の部品には図３の記号と同じ記号を付した。本第４実施形態の図３に示した第３実施形態に対しての主な違いは反射型液晶パネル２−１、２−２、２−３を偏光ビームスプリッタ３の近傍に配置せず、ダイクロイックプリズム１４の周辺に配置した３板構成にある。透明部品透過中の偏光が位相差成分を変化させる現象は偏光ビームスプリッタ３中だけでなく、同じ透明部品であるダイクロイックプリズム１４中でもあり、投写画像の高コントラスト化のためには両者３、１４による位相差成分の変化を抑える必要がある。

ダイクロイックプリズム１４と反射型液晶パネル２―１、２−２、２−３は両者の相互位置が変化しないように部分固定具１５で部分的に固定し、それら２−１、２−２、２−３と１４のブロックを弾力性止め具１６を介して固定部１８に取り付け固定した構造としている。また、偏光ビームスプリッタ３も弾力性止め具１７を介して固定部１８に取り付け固定している。このような構成により、経時変化による画素ずれ発生が抑制でき、また、偏光ビームスプリッタ３にもダイクロイックプリズム１４にも応力が加わりにくく、したがって、位相差状態の変化が発生しにくく、高コントラスト画面を得やすい投写型映像表示装置とすることが出来る。

図５は本発明偏光ビームスプリッタ、および該ビームスプリッタを適用した投写型映像表示装置である第５実施形態の上面の模式構成図である。また、図６は本発明偏光ビームスプリッタ、および該ビームスプリッタを適用した投写型映像表示装置である第５実施形態の光学系要部の模式構成図である。図５、図６において、図４と基本的に同一の部品には図４の記号と同じ記号を付した。本第５実施形態の図４に示した第４実施形態に対しての主な違いは第４実施形態では３枚の反射型液晶パネル２−１、２−２、２−３をダイクロイックプリズム１４の周辺に配置した３板構成であるのに対し、第５実施形態では３枚の反射型液晶パネル２−１、２−２、２−３のうちの、１枚の該液晶パネル２−１を第１の偏光ビームスプリッタ３１の側面に、他の２枚の該液晶パネル２−２、２−３を第２の偏光ビームスプリッタ３２の側面に配置し、それら偏光ビームスプリッタ３１、３２からの出射光をダイクロイックプリズム２４で合成している構成にある。この構成において、偏光ビームスプリッタ３１、３２の位相差ΔS、または光路差δをΔＳ＜０．１、または、光路差δ＜１２〔ｎｍ〕としている。

または、偏光ビームスプリッタ３１とダイクロイックプリズム２４の合計の位相差ΔＳ、または、光路差δ、および、偏光ビームスプリッタ３２とダイクロイックプリズム２４の合計の位相差ΔＳ、または、光路差δをΔＳ＜０．１、またはδ＜１２〔ｎｍ〕としている。このような設定により、投写型映像表示装置の高コントラスト化を図ることが出来る。

図７は本発明の６実施形態で投写型映像表示装置内における偏光ビームスプリッタの支持取り付け状態説明図である。偏光ビームスプリッタ２５の上面、下面の両面に支持部品２６，２７を当接し、該支持部品２６、２７にほとんど歪を生じない、かつ、該ビームスプリッタが容易に位置変化しない適切、均一な支持力５０を加えて偏光ビームスプリッタ２５を支持固定している。

図８は本発明の７実施形態で投写型映像表示装置内における偏光ビームスプリッタの支持取り付け状態説明図である。偏光ビームスプリッタ２５の上面、下面の両面の周辺部に支持部品２８，２９を当接し、主に該ビームスプリッタの周辺部にのみ支持力５１が加わるようにし、光が通るビームスプリッタの中央部には歪がほとんどない状態にしている。

図９は本発明の８実施形態で投写型映像表示装置内における偏光ビームスプリッタの支持取り付け状態説明図である。偏光ビームスプリッタ２５の下部の周辺部に支持部品４０を当接し、該支持部品をネジ４１で適切な締め付け力５２で締め付け固定している。この場合も、偏光ビームスプリッタ２５の光透過部分には大きな歪が発生せず、したがって透過光に大きな位相差が発生することはない。

図１０は本発明の９実施形態で投写型映像表示装置内における偏光ビームスプリッタの支持取り付け状態説明図である。偏光ビームスプリッタ３０の上面の端部をバネ性のある指示部品５５，５６で支持固している。５３は該上面端部に加える適切な支持力である。この場合も、偏光ビームスプリッタ２５の光透過部分には大きな歪が発生せず、したがって透過光に大きな位相差が発生することはない。以上において、支持部品２６、２７、２８、２９、４０を適切な弾性を有する材料から構成すると偏光ビームスプリッタの歪軽減に有効な場合があり、そのときは該支持部品を弾性材で形成する。

また、図７、図８、図９、図１０においては偏光ビームスプリッタの支持固定方
法について説明したが、他の光学部品の支持固定方法においても上記の支持固定
方法を適用できるものである。

また、以上において、偏光ビームスプリッタ、ダイクロイックプリズム等の位相差ΔＳ、または光路差δ、すなわち、光学部品の光弾性定数、それらに加わる応力、それらの中を光が透過するときの光透過長の積を規定したが、その他表示画像光にかかわる偏光が透過する部品を光路中に設けた場合はそれらについての位相差変化、光路差変化をも抑制出来るよう偏光が透過する部品の光弾性定数、それに加わる応力、それの中を光が透過するときの光透過長の積等からなる位相差ΔＳをほぼ０．１以下に、または光路差δをほぼ１２〔ｎｍ〕以下に規定する必要がある。また、該部品に加わる応力軽減のため弾性体等を利用しての支持固定が有効である。

本発明の投写型映像表示装置である第１実施形態の光学系要部の模式構成図である。 本発明の投写型映像表示装置である第２実施形態の光学系要部の模式断面図である。 本発明の投写型映像表示装置である第３実施形態の光学系要部の模式断面図である。 本発明の投写型映像表示装置である第４実施形態の光学系要部の模式構成図である。 本発明の投写型映像表示装置である第５実施形態の上面の模式構成図である。 本発明の投写型映像表示装置である第５実施形態の光学系要部の模式構成図である。 本発明の投写型映像表示装置である第６実施形態の偏光ビームスプリッタの支持取り付け状態説明図である。 本発明の投写型映像表示装置である第７実施形態の偏光ビームスプリッタの支持取り付け状態説明図である。 本発明の投写型映像表示装置である第８実施形態の偏光ビームスプリッタの支持取り付け状態説明図である。 本発明の投写型映像表示装置である第９実施形態の偏光ビームスプリッタの支持取り付け状態説明図である。

符号の説明

１：光源、２：反射型液晶パネル、３：偏光ビームスプリッタ、３−１：光入射面、３−２：偏光分離面、３−３,３−４：光出射面、４：投写レンズ、５：光源からの出射光、６：液晶パネル入射光 、７：偏光ビームスプリッタ入射光、８：投写光、９：装置筐体、１０：投写レンズ固定材、１１：ビームスプリッタ固定材、１２,１６,１７：弾力性止め具、１３,１５：部分固定具、１４：ダイクロイックプリズム

Claims (5)

1. 光源と、
   前記光源からの光のうち、表示画像光にかかわる偏光を透過させる光学部品と、
   前記光学部品からの偏光を入射光として画像表示する反射型液晶パネルと、
   前記パネルの表示画像を拡大投写するための投写レンズとを有する投写型映像表示装置であって、
   前記光学部品に加わる応力をｆ〔Pa〕、光が前記光学部品中を透過するときの前記光学部品中の光透過長をｄ〔cｍ〕、前記光学部品の光弾性定数をβ〔nm/cm/10⁵Pa〕としたとき、ｆ、ｄ、βが、
   ｆ×ｄ×β≦１２〔ｎｍ〕
   を満足する関係にあることを特徴とする投射型映像表示装置。
2. 前記光学部品が偏光ビームスプリッタであることを特徴とする請求項１に記載の投射型映像表示装置。
3. 前記光学部品がダイクロイックプリズムであることを特徴とする請求項１に記載の投射型映像表示装置。
4. 光源と、
   前記光源からの光を偏光にする偏光ビームスプリッタと、
   前記ビームスプリッタからの偏光を入射光として画像表示する反射型液晶パネルと、
   前記パネルの表示画像を拡大投写するための投写レンズを有する投写型映像表示装置であって、
   前記偏光ビームスプリッタは、前記偏光ビームスプリッタに加わる応力をｆ〔Pa〕、光が前記偏光ビームスプリッタ中を透過するときの前記偏光ビームスプリッタ中の光透過長をｄ〔cｍ〕、前記偏光ビームスプリッタの光弾性定数をβ〔nm/cm/10⁵Pa〕としたとき、ｆ、ｄ、βが、
   ｆ×ｄ×β≦１２〔ｎｍ〕を満足する関係にあることを特徴とする投写型映像表示装置。
5. 前記偏光ビームスプリッタを、弾力性のある固定支持手段を介して装置内に固定したことを特徴とする請求項４に記載の投写型映像表示装置。
   

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