JP2008146100A

JP2008146100A - 液晶プロジェクタ装置

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Publication number: JP2008146100A
Application number: JP2008030921A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Shirasaka; 康弘白坂; Hitoshi Inukai; 仁犬飼; Tomoya Yano; 友哉谷野
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2008-02-12
Filing date: 2008-02-12
Publication date: 2008-06-26

Abstract

【課題】垂直配向型の液晶素子を搭載した透過型の液晶プロジェクタ装置において、高コントラスト比を維持しつつ、液晶パネルの透過率を向上させる。
【解決手段】液晶パネル２５の入射側並びに出射側にそれぞれ配置される入射側偏光板２４及び出射側偏光板２６を有し、照明光学系によって集光された光束における第１の偏光成分を入射側偏光板２４により透過させてこれを液晶パネル２５へ導くとともに、液晶パネル２５から出射された光束における第２の偏光成分を出射側偏光板２６により透過させてこれを投射レンズへ導き、入射側偏光板２４と液晶パネル２との間に、又は出射側偏光板２６と液晶パネル２５との間に配置した光学異方性素子４５を液晶パネル２５における液晶分子の配向方向に応じて角度傾斜させる。
【選択図】図３

Description

本発明は、垂直配向型の液晶素子を用いた液晶プロジェクタ装置に関し、特にコントラストと応答速度をともに向上させる際に好適な液晶プロジェクタ装置に関する。

光源から出力された光を、例えば透過型の液晶パネルによって光変調して画像光を形成し、この画像光をスクリーン等に投射する液晶プロジェクタ装置が従来より知られている。この液晶プロジェクタ装置では、ＲＧＢ原色光に対応した液晶パネルによって光変調を行い、この光変調によって形成された各画像光を合成することによりカラー画像を出力することが可能となる。

従来において、液晶パネルの視野角を広げることにより、画面ムラやコントラストの改善を図った図１１に示すような液晶プロジェクタ装置１００が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

この液晶プロジェクタ装置１００において、ランプ１０２は、リフレクタ１０２ａの焦点位置に発光部１０２ｂが配置されており、ランプ１０２から出射した光は、リフレクタ１０２ａの光軸にほぼ平行な光としてその開口部から前方に出射する。

ランプ１０２の後段には、後述する液晶パネル部１１０,１１３,１１９を構成する例えばツイストネマティック液晶によって形成される液晶パネルの被照射領域のアスペクト比にほぼ等しい相似形をした外形を有している複数のレンズセルが例えば正方配列されているマルチレンズアレイ１０３と、このマルチレンズアレイ１０３のレンズセルに対向するように複数のレンズセルが形成されているマルチレンズアレイ１０４が配置されている。これらのマルチレンズアレイ１０３,１０４で集光された光は、偏光変換ブロック１０５によって所定の偏光方向の光に偏光される。即ち、ランプ１０２から出射した無偏光（Ｐ偏光波＋Ｓ偏光波）の光は偏光変換ブロック１０５を通過することによって、液晶パネル部１１０,１１３,１１９に対応した所定の偏光方向（例えばＰ偏光波）の光に変換される。なお、偏光変換ブロック１０５についての説明は省略する。

偏光変換ブロック１０５によって例えばＰ偏光波に変換された光は、偏光変換ブロック１０５の後段に配置されている平凸レンズ１０６に入射する。この平凸レンズ１０６は、偏光変換ブロック１０５からの光を集光して、効率よく液晶パネルを照明することができるようになされている。

平凸レンズ１０６から出射した光、即ち白色光は、先ず赤色光Ｒを透過するダイクロイックミラー１０７に入射して、ここで赤色光Ｒが透過し緑色光Ｇ及び青色光Ｂが反射する。このダイクロイックミラー１０７を透過した赤色光Ｒはミラー１０８により進行方向を例えば９０°曲げられて平凸レンズ１０９を介して液晶パネル部１１０に導かれる。

一方、ダイクロイックミラー１０７で反射した緑色光Ｇ及び青色光Ｂは、青色光Ｂを透過するダイクロイックミラー１１１により分離されることになる。即ち、緑色光Ｇは反射して平凸レンズ１１２を介して液晶パネル部１１３に導かれる。また、青色光Ｂはダイクロイックミラー１１１を透過して直進し、リレーレンズ１１４、ミラー１１５、リレーレンズ１１６、ミラー１１７、平凸レンズ１１８を介して液晶パネル部１１９に導かれる。

液晶パネル部１１０,１１３,１１９で光変調された各色光は、それぞれクロスプリズム１２０に入射する。このクロスプリズム１２０は、例えば複数のガラスプリズムを接合して外形が形成される。そして各ガラスプリズムの接合面には、所定の光学特性を有している干渉フィルタ１２１ａ,１２１ｂが形成されている。例えば、干渉フィルタ１２１ａは、赤色光Ｒを反射して緑色光Ｇを透過するように構成され、また、干渉フィルタ１２１ｂは、青色光Ｂを反射して緑色光Ｇを透過するように構成されている。従って、赤色光Ｒは、干渉フィルタ１２１ａで、また青色光Ｂは干渉フィルタ１２１ｂで透過することにより投射レンズ１２２に到達し、ここで各色光が１つの光軸に合成されるようになる。

しかしながら、上述した構成からなる従来の液晶プロジェクタ装置１００では、視野角に応じてコントラストが低下してしまうという問題点がある。かかる視野角特性が生じる要因としては、図１２に示すように液晶パネルを構成するツイストネマティック液晶分子がねじれていることが挙げられる。図１２には偏光板１３０,１３３間に配置されてなるノーマリーホワイトとされている液晶パネル１３２の液晶分子の配列を示しており、配向膜１３２ａ,１３２ｂにおいて実線で示されている矢印が配向処理方向とされている。このように構成されている液晶パネル１３２に対して、駆動電圧を印加すると、図示した状態から液晶分子が立ち上がるようになり、入射した光束を遮断するようになる。配向膜１３２ａ,１３２ｂの界面においては、液晶分子の配向方向はプレチルト角と呼ばれる配向処理方向に対して所定の角度を有している。これは、駆動電圧の印加時に液晶分子の駆動方向を導くために、配向処理方向に対して与えられる初期分子配列の角度とされる。このような液晶パネル１３２に対して駆動電圧を印加して、液晶分子を立ち上げることによって黒レベルの表示を行うことができるようになる。しかし、上記プレチルト角の影響により、視野角遮光性能は劣化して黒浮き減少が生じ、ひいてはコントラストが低下してしまう。

このため、かかる従来の液晶プロジェクタ装置１００では、図１３に示すように、偏光板１３０と、液晶パネル１３２との間に位相差フィルム１３１を配置することにより、コントラストの改善を図っている。この図１３に示す液晶パネル１３２において、入射側に配置される第１の偏光板１３０は例えばｚ軸方向に偏光軸を有しており、偏光板１３０を介した光束は位相差フィルム１３１へ到達する。この位相差フィルム１３１は、当該位相差フィルム１３１の遅相軸又は進相軸の一方が偏光板１３０の偏光軸と直交するとともに、位相差フィルム１３１が形成されている面内において、偏光板１３０の偏光軸に平行な軸を回転軸として、所定の角度傾斜して配置されている。液晶パネル１３２は、図１２に示す場合と同様に、配向膜１３２ａの配向処理方向はｘ軸方向、また配向膜１３２ｂの配向処理方向はｙ軸方向とされている。そして各配向膜１３２ａ,１３２ｂに示されるように所要のプレチルト角を有して液晶分子が配向されている。従って、偏光板１３０の偏光軸と液晶分子の配向方向は、プレチルト角に応じた角度差を有している。位相差フィルム１３１は、この角度差を補正して、偏光板１３０を透過した光束の位相を、プレチルト角を有した配向膜１３０ａの液晶分子の配列に対応させるようにしている。

特開２００１−４２３１４号公報特開平１１−１０９３３５号公報特開平４−１５３６２１号公報特開平６−３３１９７９号公報

ところで、上述した従来の液晶プロジェクタ装置は、液晶素子としてツイストネマティック液晶を用いているが、特に近年においては、液晶プロジェクタ装置の高輝度化、高コントラスト化、高精細化を図るべく、垂直配向型の液晶素子が使用され始めている。

しかしながら、この垂直配向型の液晶素子は、非常に高いコントラスト比を得ることができるものの、これを液晶プロジェクタ装置に配設する場合には、特に強く発生する基板面と平行な方向のいわゆる横電界により液晶分子の配向方向が乱れ、透過率が低下してしまうことがある。

従来においては、この横電界を極力抑制するために電極電位を１画面単位で極性反転させる、いわゆる１フィールド反転駆動方式が提案されている。この駆動を行うためには、液晶素子の画素に対して、画素電位を１フィールド期間保持できるだけの大きな画素電位容量が必要となる。このため、かかる垂直配向型の液晶素子を配設する場合には、画素電位容量を大きくすることができる反射型液晶素子として構成する必要があり、液晶プロジェクタ装置の構成につき限定がかかるという問題点があった。

一方、液晶プロジェクタ装置に使用するための液晶素子は、製造容易性の観点から透過型の液晶素子が主流であり、これらを垂直配向化させることで高性能化を図る試みが現実に行われている。かかる高性能化を図るためには、横電界による液晶分子の配向の乱れを抑制すべく、直視型液晶素子において実現されている斜め電界を印加する方法や、画素内に傾斜部を設ける等の配向制御方法を適用することも考えられるが、いずれも表示領域に対する開口領域の割合（開口率）を犠牲にすることとなり、極めて高精細なプロジェクタ用液晶素子においては適用することができない。

さらには、垂直配向型の液晶分子のプレチルト角を制御することにより、横電界による液晶分子の配向の乱れを抑制し、液晶パネル１３２の透過率を向上させるとともに、液晶素子の応答速度を改善する方法も提案されている。しかしながら、垂直配向型の液晶素子のメリットである高コントラスト比を実現することができないという問題点が生じ、垂直配向型の液晶素子を搭載した透過型の液晶プロジェクタ装置の実現が困難になる。

そこで、本発明は、上述した問題点を解決するために案出されたものであり、その目的とするところは、垂直配向型の液晶素子を搭載した透過型の液晶プロジェクタ装置において、高コントラスト比を維持しつつ、液晶パネルの透過率を向上させるとともに、応答速度の改善を図ることが可能な液晶プロジェクタ装置を提案することにある。

本発明者は、上述した課題を解決するために、液晶素子の入射側並びに出射側にそれぞれ配置される第１の偏光板及び第２の偏光板を有し、照明光学系によって集光された光束における第１の偏光成分を第１の偏光板により透過させてこれを液晶素子へ導くとともに、液晶素子から出射された光束における第２の偏光成分を第２の偏光板により透過させてこれを投射レンズへ導く偏光制御手段と、第１の偏光板と液晶素子との間に、又は第２の偏光板と液晶素子との間に配置した光学異方性素子からなる位相差手段とを備え、位相差手段は、液晶素子における液晶分子の配向方向に応じて光学異方性素子を角度傾斜させる液晶プロジェクタ装置を発明した。

すなわち、本発明は、光源と、上記光源から出射された光束を所要の光路に収束させる照明光学系と、上記照明光学系によって集光された光束を垂直配向された液晶分子により光変調する液晶素子と、上記液晶素子によって光変調された光束を拡大投影する投射レンズを備えた液晶プロジェクタ装置において、上記液晶素子の入射側並びに出射側にそれぞれ配置される第１の偏光板及び第２の偏光板を有し、上記照明光学系によって集光された光束における第１の偏光成分を上記第１の偏光板により透過させてこれを上記液晶素子へ導くとともに、上記液晶素子から出射された光束における第２の偏光成分を上記第２の偏光板により透過させてこれを上記投射レンズへ導く偏光制御手段と、上記第１の偏光板と上記液晶素子との間に、又は上記第２の偏光板と上記液晶素子との間に配置した光学異方性素子からなる位相差手段とを備え、上記位相差手段は、上記液晶素子における液晶分子の配向方向に応じて上記光学異方性素子を角度傾斜させるとともに、上記光学異方性素子は、上記液晶素子から上記光学異方性素子に至るまでの媒質の屈折率並びに上記液晶素子の屈折率に応じた角度で傾斜されてなることを特徴とする。

本発明では、照明光学系によって集光された光束を垂直配向された液晶分子により光変調する液晶素子と、上記液晶素子の入射側並びに出射側にそれぞれ配置される第１の偏光板及び第２の偏光板を有し、上記照明光学系によって集光された光束における第１の偏光成分を上記第１の偏光板により透過させてこれを上記液晶素子へ導くとともに、上記液晶素子から出射された光束における第２の偏光成分を上記第２の偏光板により透過させてこれを上記投射レンズへ導く偏光制御手段と、上記第１の偏光板と上記液晶素子との間に、又は上記第２の偏光板と上記液晶素子との間に配置した光学異方性素子からなる位相差手段とを備え、上記液晶素子における液晶分子の配向方向に応じて上記光学異方性素子を角度傾斜させるとともに、上記液晶素子から上記光学異方性素子に至るまでの媒質の屈折率並びに上記液晶素子の屈折率に応じた角度で上記光学異方性素子を傾斜されてなることにより、垂直配向型の液晶素子を搭載した透過型の液晶プロジェクタ装置において、高コントラスト比を維持しつつ、液晶パネルの透過率を向上させるとともに、応答速度の改善を図ることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態として、例えば透過型の液晶パネルを赤、緑、青の各色に対応するように３枚用いてフルカラー映像を投射する３板方式の液晶プロジェクタ装置について、図１を参照しながら詳細に説明する。

この液晶プロジェクタ装置１は、外部のスクリーンに対して画像を投射するものであって、図１に示すように、光を出射する光源１１と、光源１１から出射された光の光路順に、可視領域外の光をカットするカットフィルタ１２と、光を反射する第１の折り返しミラー１３と、液晶パネル２５の有効開口領域のアスペクト比にほぼ等しい相似形をした外形を有している複数のレンズセルが例えば正方配列されている第１のマルチレンズアレイ１４及び第２のマルチレンズアレイ１５と、第２のマルチレンズアレイ１５からの光を所定の偏光方向に偏光させるためのＰＳ合成樹脂１６と、ＰＳ合成樹脂１６を通過した光を集光するコンデンサレンズ１７と、光を波長帯域に応じて分離する第１のダイクロイックミラー２０とを備えている。

光源１１は、フルカラー画像を投射するために必要とされる、光の３原色である赤色、緑色及び青色の光を含む白色光を出射することができるようにされている。このような光源１１は、白色光を発する発光体１１ａと、発光体１１ａから発せられた光を反射するリフレクタ１１ｂとを有している。光源１１の発光体１１ａとしては、水銀成分を含むガスが封入された放電ランプ、例えば、超高圧水銀ランプ等が用いられる。光源１１のリフレクタ１１ｂは、凹面鏡となっており、その鏡面が周効率のよい形状とされている。また、リフレクタ１１ｂは、例えば、回転方物面や回転楕円面のような回転対称面の形状とされている。

カットフィルタ１２は、光源１１から出射された白色光に含まれる紫外領域の光を反射することで除去する平面ミラーである。カットフィルタ１２は、例えば、ガラス基材上に紫外領域の光を反射するコートを施したものであり、紫外領域以外の光を透過する。

第１のマルチレンズアレイ１４は、第２のマルチレンズアレイ１５と共に後述する液晶パネル２５の有効面積内を均一に照明するために、光を液晶パネル２５の有効面積の形状の光束とし、照度分布を均一化するようされている。第１のフライアイレンズ１４は、複数の小さなレンズ素子をアレイ状に設けた構造とされており、第１の折り返しミラー１３により反射された光を各レンズ素子により光を集光し小さな点光源を作り出し、他方の第２のマルチレンズアレイ１５によりそれぞれの点光源からの照明光を合成する。

コンデンサレンズ１７は、凸レンズであり、ＰＳ合成樹脂１６により所定の偏光方向に制御された光を液晶パネル２５の有効開口領域に効率よく照射されるようにスポット径を調整する。

第１のダイクロイックミラー２０は、ガラス基板等の主面上に、誘電体膜を多層形成した、いわゆるダイクロイックコートが施された波長選択性のミラーである。第１のダイクロイックミラー２０は、反射させる赤色光と、透過させるその他の色光、すなわち緑色光及び青色光とに分離する。

即ち、この第１のダイクロイックミラー２０は、コンデンサレンズ１７から入射する光のうち青色光及び緑色光を透過させ、赤色光を略垂直方向に反射して９０°向きを変化させるように、コンデンサレンズ１７から入射する光の光路に対して垂直方向に４５°傾けて配設されている。

また、この液晶プロジェクタ装置１は、第１のダイクロイックミラー２０によって分離された赤色光の光路順に、光を全反射する第２の折り返しミラー２２と、光を集光する第１のフィールドレンズ２３Ｒと、光を所定の偏光方向の成分のみ透過させる第１の入射側偏光板２４Ｒと、光を空間的に変調する第１の液晶パネル２５Ｒと、光を所定の偏光方向の成分のみ透過させる第１の出射側偏光板２６Ｒとを備えている。

第２の折り返しミラー２２は、第１のダイクロイックミラー２０を反射した光を垂直方向に反射して９０°向きを変えさせる全反射ミラーであり、かかる反射された赤色光の光路に対して垂直方向に４５°傾けて配設されている。これにより、第２の折り返しミラー２２は、この赤色光を、第１のフィールドレンズ２３Ｒに向けて反射する。

第１のフィールドレンズ２３Ｒは、コンデンサレンズ１７と共に照明光学系を形成する集光レンズであり、第２の折り返しミラー２２により反射された赤色光を第１の入射側偏光板２４Ｒ側に出力すると共に第１の液晶パネル２５Ｒに集光する。

第１の入射側偏光板２４Ｒは、第１のフィールドレンズ２３Ｒから出力された赤色光を所定の偏光方向の成分のみ透過するようにされた偏光板である。第１の入射側偏光板２４Ｒは、第１の液晶パネル２５Ｒの入射側の基板表面における液晶分子の配向方向と透過軸が４５°をなすように配設されている。

第１の液晶パネル２５Ｒは、垂直配向型の液晶分子を用いた透過型のパネルであり、図示しない２つの透明基板の間に垂直配向型の液晶分子が封入されている。このような第１の液晶パネル２５Ｒは、赤色の映像情報に対応して入力される映像信号に応じて、液晶分子の状態を変化させて、第１の入射側偏光板２４Ｒを介して入射した赤色光を空間的に変調して透過する。第１の液晶パネル２５Ｒは、投射する映像が垂直方向よりも水平方向が長尺とされた略長方形状とされているため、これに対応して入射面が略長方形状とされている。

第１の出射側偏光板２６Ｒは、第１の液晶パネル２５Ｒにより変調された赤色光を、第１の入射側偏光板２４Ｒと直交する偏光方向の成分のみ透過させる。第１の出射側偏光板２６Ｒは、第１の液晶パネル２５Ｒの出射側の基板表面における液晶分子の配向方向と透過軸が４５°をなすように配設されている。つまり、第１の出射側偏光板２６Ｒは、第１の入射側偏光板２４Ｒに対して光の透過軸が互いに直交した、いわゆる直交ニコルの関係となるように配設されている。

さらに、この液晶プロジェクタ装置１は、第１のダイクロイックミラー２０によって分離された他の色光、すなわち青色光及び緑色光の光路に沿って、入射光を波長帯域に応じて分離する第２のダイクロイックミラー３１を備えている。

第２のダイクロイックミラー３１は、入射した光を青色光と、その他の色光、すなわち緑色光とに分離する。

第２のダイクロイックミラー３１は、第１のダイクロイックミラー２０から入射する光のうち青色光を透過させ、緑色光を映像投射部２の略水平方向に反射して９０°向きを変化させるように、第１のダイクロイックミラー２０から入射する光の光路に対して垂直方向に４５°傾けて配設されている。

液晶プロジェクタ装置１は、第２のダイクロイックミラー３１によって分離された緑色光の光路順に、光を集光する第２のフィールドレンズ２３Ｇと、光を所定の偏光方向の成分のみ透過させる第２の入射側偏光板２４Ｇと、光を空間的に変調する第２の液晶パネル２５Ｇと、光を所定の偏光方向の成分のみ透過させる第２の出射側偏光板２６Ｇとを備えている。

第２のフィールドレンズ２３Ｇは、コンデンサレンズ１７と共に照明光学系を形成する集光レンズであり、第２のダイクロイックミラー３１により反射された緑色光を第２の入射側偏光板２４Ｇ側に出力すると共に第２の液晶パネル２５Ｇに集光する。

第２の入射側偏光板２４Ｇは、第２のフィールドレンズ２３Ｇから出力された緑色光を所定の偏光方向の成分のみ透過するようにされた偏光板である。第２の入射側偏光板２４Ｇは、第２の液晶パネル２５Ｇの入射側の基板表面における液晶分子の配向方向と透過軸が４５°をなすように配設されている。

第２の液晶パネル２５Ｇは、垂直配向型の液晶分子を用いた透過型のパネルであり、図示しない２つの透明基板の間にかかる垂直配向型の液晶分子が封入されている。このような第２の液晶パネル２５Ｇは、緑色の映像情報に対応して入力される映像信号に応じて、液晶分子の状態を変化させて、第２の入射側偏光板２４Ｇを介して入射した緑色光を空間的に変調して透過する。第２の液晶パネル２５Ｇは、投射する映像が略長方形状とされているため、これに対応して入射面が略長方形状とされている。

第２の出射側偏光板２６Ｇは、第２の液晶パネル２５Ｇにより変調された緑色光を、第２の入射側偏光板２４Ｇと直交する偏光方向の成分のみ透過させる。第２の出射側偏光板２６Ｇは、第２の液晶パネル２５Ｇの出射側の基板表面における液晶分子の配向方向と透過軸が４５°をなすように配設され、さらに第２の出射側偏光板２６Ｇは、第２の入射側偏光板２４Ｇに対して光の透過軸が互いに直交した、いわゆる直交ニコルの関係となるように配設されている。

さらに、この液晶プロジェクタ装置１は、第２のダイクロイックミラー３１によって分離された青色光の光路順に、光路長を調整する第１のリレーレンズ３３と、入射光を全反射する第３の折り返しミラー３４と、光路長を補正する第２のリレーレンズ３５と、入射光を全反射する第４の折り返しミラー３６と、光を集光する第３のフィールドレンズ２３Ｂと、入射光を所定の偏光方向の成分のみ透過させる第３の入射側偏光板２４Ｂと、入射光を空間的に変調する第３の液晶パネル２５Ｂと、入射光を所定の偏光方向の成分のみ透過させる第３の出射側偏光板２６Ｂとを備えている。

第１のリレーレンズ３３は、第２のリレーレンズ３５と共に光路長を調整するためのレンズであり、第２のダイクロイックミラー３１によって分離された青色光を、第３の折り返しミラー３４へ導く。

第３の折り返しミラー３４は、第１のリレーレンズ３３からの光を水平方向に反射して９０°向きを変えさせる全反射ミラーであり、第１のリレーレンズ３３からの青色光の光路に対して垂直方向に４５°傾けて配設されている。これにより、第３の折り返しミラー３４は、第１のリレーレンズ３３からの青色光を、第２のリレーレンズ３５に向けて反射する。

第２のリレーレンズ３５は、第１のリレーレンズ３３と共に光路長を調整するためのレンズであり、第３の折り返しミラー３４によって反射された青色光を、第４の折り返しミラー３６へ導く。

なお、第１のリレーレンズ３３及び第２のリレーレンズ３５は、青色光の第３の液晶パネル２５Ｂまでの光路が、赤色光の第１の液晶パネル２５Ｒまでの光路や緑色光の第２の液晶パネル２５Ｇまで光路と比して長いため、これを補正して、第３の液晶パネル２５Ｂに焦点が合うように適切に青色光を導くようになっている。

第４の折り返しミラー３６は、第２のリレーレンズ３５からの光を垂直方向に反射して９０°向きを変えさせる全反射ミラーであり、第２のリレーレンズ３５からの青色光の光路に対して垂直方向に４５°傾けて配設されている。これにより、第４の折り返しミラー３６は、第２のリレーレンズ３５からの青色光を、第３のフィールドレンズ２３Ｂに向けて反射する。

第３のフィールドレンズ２３Ｂは、コンデンサレンズ１７と共に照明光学系を形成する集光レンズであり、第４の折り返しミラー３６により反射された青色光を第３の入射側偏光板２４Ｂ側に出力すると共に第３の液晶パネル２５Ｂに集光する。

第３の入射側偏光板２４Ｂは、第３のフィールドレンズ２３Ｂから出力された青色光を所定の偏光方向の成分のみ透過するようにされた偏光板である。第３の入射側偏光板２４Ｂは、第３の液晶パネル２５Ｂの入射側の基板表面における液晶分子の配向方向と透過軸が４５°をなすように配設されている。

第３の液晶パネル２５Ｂは、垂直配向型の液晶分子を用いた透過型のパネルであり、図示しない２つの透明基板の間に垂直配向型の液晶分子が封入されている。このような第３の液晶パネル２５Ｂは、青色の映像情報に対応して入力される映像信号に応じて、液晶分子の状態を変化させて、第３の入射側偏光板２４Ｂを介して入射した青色光を空間的に変調して透過する。第３の液晶パネル２５Ｂは、投射する映像が略長方形状とされているため、これに対応して入射面が略長方形状とされている。

第３の出射側偏光板２６Ｂは、第３の液晶パネル２５Ｂにより変調された青色光を、第３の入射側偏光板２４Ｂと直交する偏光方向の成分のみ透過させる。第３の出射側偏光板２６Ｂは、第３の液晶パネル２５Ｂの出射側の基板表面における液晶分子の配向方向と透過軸が４５°をなすように配設されている。つまり、第３の出射側偏光板２６Ｂは、第３の入射側偏光板２４Ｂに対して光の透過軸が互いに直交した、いわゆる直交ニコルの関係となるように配設されている。

また、液晶プロジェクタ装置１は、第１の液晶パネル２５Ｒ、第２の液晶パネル２５Ｇ及び第３の液晶パネル２５Ｂによりそれぞれ空間的に変調されて出射側偏光板２６Ｒ、２６Ｇ、２６Ｂを透過した赤色光、緑色光及び青色光の光路が交わる位置に、これら赤色光、緑色光及び青色光を合成する合成プリズム３８と、合成プリズム３８により合成された合成光を、スクリーンに向けて投射するための投射レンズ４１とを備えている。

合成プリズム３８は、第１の液晶パネル２５Ｒから出射され第１の出射側偏光板２６Ｒを透過した赤色光が入射され、第２の液晶パネル２５Ｇから出射され第２の出射側偏光板２６Ｇを透過した緑色光が入射され、さらに第３の液晶パネル２５Ｂから出射され第３の出射側偏光板２６Ｂを透過した青色光が入射するようになっている。合成プリズム３８は、入射された赤色光、緑色光、青色光を合成して出射面３８Ｔから出射する。

投射レンズ４１は、合成プリズム３８の出射面３８Ｔから出射された合成光をスクリーンに拡大して投射する。

次に、各液晶パネル２５Ｒ,２５Ｇ,２５Ｂの詳細につき説明をする。

図２は、液晶パネル２５の斜視図である。この図２に示すように液晶パネル２５は、入射側偏光板２４から入射光が入射される入射側液晶素子基板４１ａと出射側液晶素子基板４１ｂを重ね合わせることにより構成され、これら基板４１の間隙には、垂直配向型の液晶分子が封入されている。出射側液晶素子基板４１ｂには液晶素子に対して電圧を印加するための電圧印加部４２が接続されている。

図３は、本発明を適用した液晶プロジェクタ装置１において、入射側偏光板２４から出射側偏光板２６に至るまでの詳細な構成を示している。入射側液晶素子基板４１ａと出射側液晶素子基板４１ｂとの間で挟持された垂直配向型の液晶分子は、基板法線から角度αだけ傾いてホメオトロピック配向している。以下、この角度αをプレチルト角という。ちなみに、本実施の形態においては、液晶分子のプレチルト角αを１２°として、強力な配向規制力を与えることにより、いかなる横電界においても配向が乱れない液晶分子を想定している。

ちなみに、このプレチルト角αは、１ライン反転駆動時の横電界に対向する配向規制力を得るためであれば、２０°あれば十分であるため、１°〜２０°の範囲内とする。

また、本発明を適用した液晶プロジェクタ装置１では、コントラスト等の改善を図るべく、図３に示すように、入射側偏光板２４と、液晶パネル２５との間に光学異方性素子４５を角度傾斜させて配置する。この光学異方性素子４５は、負の１軸性位相板であり、例えばポリスチレン重合体、アクリル酸エステル系重合体、メタアクリル酸エステル系重合体、アクリロニトリル系重合体、メタアクリロニトリル系重合体等の材質からなる。この光学異方性素子４５は、プロジェクタとしての用途に好適な、例えばＴｉ２Ｏ５やＳｉＯ２等の無機誘電体多層膜等の材質により構成されていてもよい。

この光学異方性素子４５は、入射光線に対して傾けて配置するため、反射による光欠損を最小限に抑えるべく、反射防止膜をその表面に被覆するようにしてもよい。かかる場合において、反射防止膜による被覆後の光学異方性素子４５の反射率は、１％以下、さらに好適には０．５％以下が望ましい。

このような構成からなる光学異方性素子４５を配置する場合には、例えば図３に示すように、液晶分子の配向方向に直交する方向となるように、換言すれば、光学異方性素子４５の光学軸を中心として液晶素子基板４１と平行な面から角度βだけ回転させて配置する。このときの回転方向は、液晶分子のプレチルト方向と略同一方向とする。

ここで、リターデーション（Δｎｄ）が−４２７ｎｍである光学異方性素子４５をプレチルト角α＝１２°に対して、β＝１４°となるように配置した場合には、図４(a)に示すように、２０００：１以上のコントラストを極角方向１０°以上で実現することができ、更に視野角特性も理想的な状態となる。これに対して、光学異方性素子４５を配置しない場合には、図４(b)に示すように、極角２０°までにおいて、コントラスト２０００：１の部分が中心より大きく外れてしまう。即ち、液晶分子がプレチルト角αだけ傾いているため、これを光学異方性素子４５を傾けることにより除去しない場合には、正面のコントラストは著しく悪化し、視野角特性も同時に悪化することが分かる。なお、この図４(b)の傾向を計算により求める際の液晶分子のΔｎｄは、４２７ｎｍとした。光学異方性素子４５のΔｎｄと、液晶分子のΔｎｄとは、絶対値が等しく符号が相異なるものであることが望ましいが、±５０ｎｍ程度の誤差があっても補正は可能である。このΔｎｄは、透過型でかつ垂直配向型の液晶素子を用いる場合には、３００ｎｍ〜５００ｎｍの範囲で設計されるが、赤色光、緑色光、青色光によりΔｎｄを最適化することも可能となる。

ちなみに、本発明を適用した液晶プロジェクタ装置１を透過型３板式液晶プロジェクタ装置として適用する場合に、この液晶分子のプレチルト角αを１２°とする場合が一般的であり、液晶素子基板４１間において図５に示すような１ライン反転駆動様の電界を印加した場合に、上述の如く角度傾斜された光学異方性素子４５を配置することにより、図６に示すような良好な表示状態が得られる。

一方、液晶分子のプレチルト角αが小さい場合においてもこのようなコントラスト特性を得ることは可能であり、α＝２°とした場合、コントラスト特性は図７(a)のようになるが、これに対応させて角度傾斜させた光学異方性素子４５を配置することにより、図７(b)に示すような視野角の広がった理想的なコントラストを得ることができる。

このように、入射側偏光板２４と液晶パネル２５との間に光学異方性素子４５を配置し、光学異方性素子４５を、液晶パネル２５における液晶分子のプレチルト角αに対して略同一となる回転角βだけ回転させる。これにより、コントラストをより向上させることができる。

図８は、プレチルト角αに対するコントラスト特性、透過率、並びに液晶素子の応答速度の関係を示している。この垂直配向型の液晶分子においては、光学異方性素子４５による光学補償前において、図８(a)に示すように、プレチルト角αを小さく設定することにより、コントラストをより高くすることができる。しかしながら、１ライン反転駆動持において、プレチルト角αを小さく設定すると、ドメインが発生して透過率が極端に低下し、また図８(b)に示すように応答速度も遅くなってしまう。

一方、透過率が９０％程度になるようにプレチルト角を高くすると、これに応じて応答速度も改善されるが、図８(a)に示すコントラスト（光学補償前）は、極端に低下してしまう。

しかしながら、本発明の如く傾斜角度が制御された光学異方性素子４５を配置することにより、コントラスト（光学補償後）は図８(a)に示すように２０００：１以上とすることができ、その改善を図ることが可能となる。特に、本発明では、液晶素子の応答速度と透過率をより良好な状態とした上で、さらにコントラストの向上を図ることができる点において有用となる。つまりは、動画特性を向上させた高品位な液晶プロジェクタ装置を実現することが可能となる。

特に、この液晶プロジェクタ装置１では、上記液晶の配向膜に無機物からなる蒸着膜を使用することができ、また、光学異方性素子２５につき特殊な軸傾斜処理が不要となることからこれを無機酸化物の多層膜で構成することができるため、何れの素子においても液晶を除く部分において無機物で構成することができ、耐光性をより向上させることが可能となる。

さらに、上述した耐光性の向上、高コントラスト化、視野角特性の向上を同時に実現可能な液晶プロジェクタ装置１においては、入射光の発散角を広げることができ、より明るいプロジェクタを実現することが可能となる。

なお、上述した実施の形態においては、プレチルト角αと、回転角βを略同一にする場合を例に挙げて説明をしたが、かかる場合に限定されるものではなく、光学異方性素子４５の回転角βは、あくまでプレチルト角αに対応していればいかなるものであってもよい。また、この光学異方性素子４５は、液晶パネル２５における液晶分子の配向方向と直交する方向がその回転軸となる角度で傾斜されていてもよい。

ちなみに、この回転角βは、液晶パネル２５の屈折率ｎ１並びに液晶パネル２５から光学異方性素子４５に至るまでの媒質の屈折率ｎ２に対応していてもよい。プレチルト角αと回転角βは、スネルの法則に基づいて、以下の式（１）で表すことができる。

ｎ１sinα＝ｎ２sinβ・・・・・・・・・・・（１）
図３に示す構成においては、液晶パネル２５から光学異方性素子４５に至るまでの媒質は空気層であるため、ｎ２につき１を代入し、またｎ１につきかかる液晶分子の常光屈折率ｎ０を代入すると、上述の如くプレチルト角α＝１２°に対して、β＝１４°である場合にコントラスト特性等を改善することができる。

同様に液晶パネル２５から光学異方性素子４５に至るまでの媒質を空気層とは異なる屈折率からなるもので構成した場合には、かかる屈折率を式（１）に代入することにより、コントラスト特性等を改善するために最適な回転角βを決定することができる。

図９(a)は、光学異方性素子４５を斜めに切り出した媒質５１間で挟み込む構成を示している。この図９(a)に示す構成においては、光学異方性素子４５の回転角βは予め固定されるが、かかる回転角βは、光学異方性素子４５に至るまでの媒質５１の屈折率ｎ２に応じて式（１）から求められる。また、媒質５１の切り出し角は、かかる式（１）から求めた回転角βとなるように調整される。

また、図９(b)は、予め軸が斜めに傾いている光学異方性素子４５を液晶パネル２５上に直接的に配置する例を示している。この図９(b)に示す光学異方性素子４５の軸は、その屈折率に応じて回転角βに制御されている。このため、かかる構成においても同様にコントラスト特性等を改善することが可能となる。

なお、本発明を適用した液晶プロジェクタ装置１は、上述した実施の形態に限定されるものではない。例えば、光学異方性素子４５の回転角βを自在に変更できるようにしてもよい。

図１０は、かかる光学異方性素子４５の回転角βを変更するための補償板傾斜機構７を示している。この補償板傾斜機構７は、光学異方性素子４５を固定するための光学補償板固定部７１と、この光学補償板固定部７１を図１０中Ｐ方向に回転させるための傾斜軸７２と、光学補償板固定部７１を図１０中Ｑ方向に回転させるための回転リング７３と、回転リング７４周囲に配設された台座７４とを備えている。

即ち、光学異方性素子４５をＰ方向又はＱ方向に自在に回転させることにより、回転角βをより細かく調整することが可能となる。特に、この液晶プロジェクタ装置１における実際の使用環境に応じて、予め設定されている回転角βにつき修正を望む場合に、かかる光学異方性素子４５をこの補償板傾斜機構７に配設しておくことにより、これを自在に実現することが可能となる。

また、液晶パネル２５における液晶分子のプレチルト角αは、液晶プロジェクタ装置１の製造段階において互いに僅かながら異なり、また、これに応じて光学異方性素子４５の最適な回転角βも僅かながら異なるのが一般的である。このため、上述した構成からなる補償板傾斜機構７に光学異方性素子４５を配設することにより、製造段階において位置決めされた回転角βを事後的に僅かずつ微調整することでこれを最適化することが可能となる。

また、本発明を適用した液晶プロジェクタ装置１は、垂直配向型の液晶素子を用いる場合に限定されるものではなく、ホモジニアス配向の電界制御複屈折方式（ＥＣＢ：Electrically Controlled Birefringence）に適用してもよいことは勿論である。

また、本発明を適用した液晶プロジェクタ装置１は、光学異方性素子２５を入射側偏光板２４と液晶パネル２５との間に配置する場合に限定されるものではなく、出射側偏光板２６と液晶パネル２５との間に配置してもよいことは勿論である。

本発明を適用した液晶プロジェクタ装置の構成を示す図である。本発明を適用した液晶プロジェクタ装置に適用される液晶パネルの斜視図である。本発明を適用した液晶プロジェクタ装置において、入射側偏光板から出射側偏光板に至るまでの詳細な構成を示す図である。本発明を適用した液晶プロジェクタ装置におけるコントラスト特性につき示す図である。液晶素子基板間において１ライン反転駆動様の電界を印加する場合につき説明するための図である。角度傾斜された光学異方性素子を配置することにより得られる表示状態につき説明するための図である。液晶分子のプレチルト角αが小さい場合におけるコントラスト特性を示す図である。プレチルト角αに対するコントラスト特性、透過率、並びに液晶素子の応答速度の関係を示す図である。光学異方性素子を斜めに切り出した媒質間で挟み込む構成を示す図である。光学異方性素子の回転角βを変更するための補償板傾斜機構を示す図である。従来の液晶プロジェクタ装置の構成につき示す図である。液晶パネルを構成するツイストネマティック液晶分子の詳細につき説明するための図である。偏光板と、液晶パネルとの間に位相差フィルムを配置する構成につき説明するための図である。

符号の説明

１液晶プロジェクタ装置、１１光源、１２カットフィルタ、１３第１の折り返しミラー、１４第１のマルチレンズアレイ、１５第２のマルチレンズアレイ、１６ＰＳ合成樹脂、１７コンデンサレンズ、２０第１のダイクロイックミラー、第２の折り返しミラー、２３第１のフィールドレンズ、２４入射側偏光板、２５液晶パネル、２６出射側偏光板、３８合成プリズム、４１投射レンズ

Claims

光源と、上記光源から出射された光束を所要の光路に収束させる照明光学系と、上記照明光学系によって集光された光束を垂直配向された液晶分子により光変調する液晶素子と、上記液晶素子によって光変調された光束を拡大投影する投射レンズを備えた液晶プロジェクタ装置において、
上記液晶素子の入射側並びに出射側にそれぞれ配置される第１の偏光板及び第２の偏光板を有し、上記照明光学系によって集光された光束における第１の偏光成分を上記第１の偏光板により透過させてこれを上記液晶素子へ導くとともに、上記液晶素子から出射された光束における第２の偏光成分を上記第２の偏光板により透過させてこれを上記投射レンズへ導く偏光制御手段と、
上記第１の偏光板と上記液晶素子との間に、又は上記第２の偏光板と上記液晶素子との間に配置した光学異方性素子からなる位相差手段とを備え、
上記位相差手段は、上記液晶素子における液晶分子の配向方向に応じて上記光学異方性素子を角度傾斜させるとともに、上記光学異方性素子は、上記液晶素子から上記光学異方性素子に至るまでの媒質の屈折率並びに上記液晶素子の屈折率に応じた角度で傾斜されてなること
を特徴とする液晶プロジェクタ装置。
上記液晶素子における液晶分子は、上記照明光学系によって集光された光束を基板法線からプレチルト角だけ傾いてホメオトロピック配向されてなること
を特徴とする請求項１記載の液晶プロジェクタ装置。
上記位相差手段は、上記第１の偏光板と上記液晶素子との間に、又は上記第２の偏光板と上記液晶素子との間に配置した上記液晶素子のリターデーションと絶対値が略等しく符号が異なるリターデーションの光学異方性素子からなり、上記光学異方性素子を、上記液晶素子基板に施された配向処理方向と直交する方向と上記液晶素子基板と平行な面において平行な光学軸を中心として、上記液晶素子基板と平行な面から上記液晶分子のプレチルト角にほぼ等しい角度だけ上記液晶分子のプレチルト方向に回転させて配置してなること
を特徴とする請求項１記載の液晶プロジェクタ装置。
上記位相差手段における上記光学異方性素子の傾斜角度を調整するための調整手段をさらに備えること
を特徴とする請求項１記載の液晶プロジェクタ装置。