JP2009053480A - 投射型映像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高輝度化が進むにつれて、偏光ガラスで吸収される光量が増大するため、偏光ガラスの温度が上昇する。この高温の環境下で、映像表示素子への熱的影響を低減させることにより、偏光素子の信頼性を高め、さらに色ムラなどの光学特性を向上させた投射型映像表示装置を提供することを目的とする。
【解決手段】光を出射する光源ユニットと、光源ユニットからの光を光学像に変調する映像表示素子と、映像表示素子の入射側に配置された入射側偏光素子と、映像表示素子の出射側に配置され、入射側偏光素子とクロスニコル状態を構成する出射側偏光素子と、出射側偏光素子からの光を投射する投射レンズユニットとを備え、出射側偏光素子は、映像表示素子からの光が入射される第１の主面に偏光層が設けられ、第１の主面に対向し、光を出射する第２の主面には偏光層を有しない投射型映像表示装置を特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、光源からの光を映像表示素子に照射し、前記映像表示素子で形成した光学像である画像を投射レンズで投射する投射型映像表示装置に関する。

光源からの光を液晶表示素子に照射し、映像信号に応じて液晶表示素子上に偏光方向の回転作用を利用して光学像を形成し、形成した光学像を投射レンズで拡大して投射する投射型映像表示装置の光学系には、少なくとも１枚の液晶表示素子と、その前後に配置された１対の偏光素子が用いられる。

高輝度化が進むにつれて偏光素子において吸収される光量が増大することにより、この偏光素子の温度が上昇する傾向にある。

従来、この偏光素子には樹脂製の偏光フィルムが用いられている。しかし、この偏光フィルムは熱膨張率が高く、光源からの光を吸収して発熱した際に変形するので、一般には粘着材によりガラス等の透明基板に貼り合わせて用いられる。高輝度化が進むにつれて、偏光素子の温度が上昇するため、特許文献１に記載のように、偏光フィルムで発生した熱を放熱する役割を果たしている透明基板に、熱伝導率が高いサファイアが、最近では用いられるようになってきている。

また、偏光フィルム自体の熱伝導率を高め、熱収縮性を低減するために、特許文献２には、液晶表示素子の入射側もしくは出射側の少なくとも何れか一方に偏光板を備え、該偏光板に金属粒子を含有する偏光ガラスを用いることにより偏光素子の耐熱温度を高め、信頼性の高い投射型液晶表示装置が開示されている。

特開平１１−３３７９１９号公報 特開２００４−７７８５０号公報

上述したように、高輝度化が進むにつれて、偏光ガラスで吸収される光量が増大するため、偏光ガラスの温度が上昇する。例えば、Ｇ光路の映像表示素子の出射側に配置された偏光ガラスの温度は２００℃になる場合がある。

従って、樹脂製の偏光フィルムを用いた場合、この偏光フィルムは透過軸以外の偏光方向成分を吸収して発熱するため、熱膨張を引き起し温度分布に伴う面内での特性ムラが生じ、これが画像の色ムラおよび輝度ムラとなる。また、偏光フィルムは使用するにつれて熱により劣化し偏光度が低下していく。これは高温であるほど劣化の進行が早く進むという課題が生じる。

発熱による熱膨張性を低減するために、偏光素子を複数個設けて、一素子当たりの発熱量を緩和する方法も用いられているが、部品点数が増大するなどの製造コスト面での問題がある。

上記の特許文献２に記載の偏光ガラスにおいては、この高温の環境下で使用しても偏光ガラス自体の性能劣化はほとんど起こらないが、初期性能としての黒斑（ムラ）が悪化する懸念事項が考えられる。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたもので、映像表示素子への熱的影響を低減させることにより、偏光素子の信頼性を高め、さらに色ムラなどの光学特性を向上させた投射型映像表示装置を提供することを目的とする。

本発明の主なものは、光を出射する光源ユニットと、光源ユニットからの光を光学像に変調する映像表示素子と、映像表示素子の入射側に配置された入射側偏光素子と、映像表示素子の出射側に配置され、入射側偏光素子とクロスニコル状態を構成する出射側偏光素子と、出射側偏光素子からの光を投射する投射レンズユニットとを備え、出射側偏光素子は、映像表示素子からの光が入射される第１の主面に偏光層が設けられ、第１の主面に対向し、光を出射する第２の主面には偏光層を有しない投射型映像表示装置を特徴とする。

本発明によれば、偏光素子の信頼性を向上させるとともに、映像表示素子への熱的影響を低減させ、色ムラなどの光学特性を向上させた投射型映像表示装置を提供できる。

以下、実施例について図面を用いて説明する。

図１は、実施例１の映像表示素子部を示す図であり、図２は、図１の配置を用いた投射型表示装置を示す図である。

最初に、図２を用いて、実施例１の投射型映像表示装置の全体について説明する。

図２において、２は略白色光を出射する光源ユニットである。光源ユニット２は、ランプ２ａと、例えば、回転方物面鏡であるリフレクタ２ｂとを含む。ランプ２ａから出射した白色光は、リフレクタ２ｂで反射して、平行光に変換され、光源ユニット２から出射する。

光源ユニット２から出射された光（白色光）は、色分離ユニットに入射する。色分離ユニットは、光源ユニット２からの光の照度分布の一様化（均一化）を図るとともに色分離して映像表示素子１９（１９Ｒ，１９Ｇ，１９Ｂ）に照射する光学系で、第１のアレイレンズ３からコンデンサレンズ１３（１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂ）までの光路に配置された光学素子を含む。光源ユニット２を出射した光は、まず第１アレイレンズ３に入射する。第１アレイレンズ３は、入射した光をマトリックス状に配設された複数のレンズセルで複数の光に分割して、効率よく第２のアレイレンズ４と偏光変換素子５を通過するように導く。即ち、第１アレイレンズ３はランプ２ａと第２アレイレンズ４の各レンズセルとが互いに物体と像の関係（共役関係）になるように設計されている。第１アレイレンズ３と同様に、マトリックス状に配設された複数のレンズセルを持つ第２アレイレンズ４は、レンズセルのそれぞれが対応する第１アレイレンズ３のレンズセルの形状を映像表示素子１９（１９Ｒ，１９Ｇ，１９Ｂ）に投影する。この時、偏光変換素子５で、第２アレイレンズ４からの光は所定の直線偏光光（ここではＳ偏光光）に揃えられ（所定の偏光方向に統一され）、そして、第１アレイレンズ３の各レンズセルの投影像は、それぞれ集光レンズ６、反射ミラー７およびコンデンサレンズ１３（１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂ）、リレーレンズ１５，リレーレンズ１６により各映像表示素子１９（１９Ｒ，１９Ｇ，１９Ｂ）上に重ね合わせられる。なお、第２アレイレンズ４とこれに近接して配設される集光レンズ６とは、第１アレイレンズ３と映像表示素子１９（１９Ｒ，１９Ｇ，１９Ｂ）とが、互いに物体と像の関係（共役関係）になるように設計されているので、第１アレイレンズ３で複数に分割された光は、第２アレイレンズ４と集光レンズ６によって、映像表示素子１９（１９Ｒ，１９Ｇ，１９Ｂ）上に重畳して投影され、実用上問題のないレベルの均一性の高い照度分布の照明が可能となる。

その過程で、集光レンズ６で集光されたＳ偏光光の白色光は、反射ミラー７で反射されて、ダイクロイックミラー１１に入射する。そして、ダイクロイックミラー１１により、Ｒ光は反射されＧ光およびＢ光は透過されて２色の光に分離され、更に、Ｇ光とＢ光はダイクロイックミラー１２によりＧ光とＢ光に分離される。

ダイクロイックミラー１１で反射されたＲ光は、反射ミラー１０で反射されて光路方向を変更され、コンデンサレンズ１３Ｒを介してＲ光用の入射側偏光素子１８Ｒに入射し、さらにＲ光用の映像表示素子１９Ｒに照射される。映像表示素子１９Ｒでは、上記Ｒ光のＳ偏光光が透過時に映像信号に基づいて変調され、Ｒ光のＰ偏光光の光学像を形成した光学像光として出射される。映像表示素子１９Ｒから出射されたＲ光の光学像光は、出射側偏光素子２１Ｒを透過し、ダイクロイックプリズム２２に入射される。ダイクロイックプリズム２２では、そのダイクロイック面で反射され、投射レンズユニット２３に入る。

一方、ダイクロイックミラー１１を透過したＧ光及びＢ光のＳ偏光光は、さらに、ダイクロイックミラー１２に約４５゜の入射角で入射し、ダイクロイックミラー１２で、Ｇ光のＳ偏光光は反射され、Ｂ光のＳ偏光光は透過される。反射されたＧ光のＳ偏光光は、コンデンサレンズ１３Ｇを介してＧ光用の入射側偏光素子１８Ｇに入射し、さらにＧ光用の映像表示素子１９Ｇに照射される。映像表示素子１９Ｇでは、上記Ｇ光のＳ偏光光が透過時に映像信号に基づいて変調され、Ｇ光のＰ偏光光の光学像を形成した光学像光として出射される。映像表示素子１９Ｇから出射されたＧ光の光学像光は、出射側偏光素子２１Ｇを透過し、ダイクロイックプリズム２２に入射する。ダイクロイックプリズム２２では、そのダイクロイック面を透過し、投射レンズユニット２３に入る。

また、ダイクロイックミラーＢ１２を透過したＢ光のＳ偏光光は、リレーレンズ１５を経て反射ミラーＣ８で反射され、さらにリレーレンズＢ１６を経て反射ミラーＤ９で反射され、コンデンサレンズ１３Ｂを介してＢ光用の入射側偏光素子１８Ｂに入射し、さらにＢ光用の映像表示素子１９Ｂに照射される。映像表示素子１９Ｂでは、上記Ｂ光のＳ偏光光が透過時に映像信号に基づいて変調され、Ｂ光のＰ偏光光の光学像を形成した光学像光として出射される。映像表示素子１９Ｂから出射されたＢ光の光学像光は、出射側偏光素子２１Ｂを透過し、ダイクロイックプリズム２２に入射する。ダイクロイックプリズム２２内において上記Ｂ光のＰ偏光光はダイクロイック面で反射され、投射レンズユニット２３に入る。

上記のように、ダイクロイックプリズム２２からは、映像信号により変調されたＲ光、Ｇ光と、Ｂ光の光学像光とが互いに色合成された状態で出射され、白色光の光学像光として投射レンズユニット２３に入り、投射レンズユニット２３によりスクリーンなどに映像光として拡大投射される。

また、１００は駆動回路、２７はファン、２８は冷却用空気の流路である。

駆動回路１００は、映像表示素子１９Ｒ、１９Ｇ、１９Ｂを映像信号に基づき駆動するものであり、ファン２７は装置外部などから冷却用空気を取り入れて、偏光変換素子５や入射側偏光素子１８、映像表示素子１９、出射側偏光素子２１などの温度が高くなる光学部品を冷却している。流路２８は、ファン２７から上記光学部品までの冷却用空気が流れる流路である。

光源１から投射レンズユニット２３までの上記諸要素は、投射型表示装置における光学ユニットを構成している。

なお、図２では、偏光変換素子５からは、偏光変換の結果、Ｓ偏光光が出射されるようにしたが、これに限らず、Ｐ偏光光が出射されるようにしてもよい。この場合は、Ｒ、Ｇ、Ｂ各色光のＰ偏光光がそれぞれ、各入射側偏光素子１８Ｒ、１８Ｇ、１８Ｂを透過し、対応する映像表示素子１９Ｒ、１９Ｇ、１９Ｂに照射され、映像表示素子１９Ｒ、１９Ｇ、１９Ｂにおいて、透過時に映像信号に基づいて変調され、Ｒ、Ｇ、Ｂ各色光のＳ偏光光となって出射され、ダイクロイックプリズム２２で色合成される。

次に、映像表示素子１９まわりについて、図１を用いて詳細に説明する。

２６は、光であり矢印方向（図中右方向）に進み、光学素子に対して光が入射する側を光入射側、光が出射する側を光出射側とする。

入射側偏光素子１８において、１８ｂは偏光性を持たないガラス基板であり、例えば白板透明基板、水晶透明基板、サファイア透明基板、酸化マグネシウム透明基板である。１８ａはフィルムタイプの偏光素子層であり、その透過軸と同じ偏光方向のみの光を透過させるものである。図に示すように偏光素子層１８ａがガラス基板１８ｂに貼り付けられた状態で使用する。

なお、本実施例では、ガラス基板上に偏光素子層１８ａが貼り付けられた素子を用いているが、入射側偏光素子１８として、下記に述べる出射側偏光素子２１を用いることもできる。この場合は、下記の偏光層は、映像表示素子１９に対向する側に設けられている。

出射側偏光素子２１において、２１ｂは金属粒子を含有する偏光層であり、その透過軸方向の偏光光のみを透過し、それ以外を吸収する特性を持っている。

図１における偏光層２１ｂは、映像表示素子１９を透過した偏光光が入射され側に設けられている。
なお、本実施例では、出射側偏光素子２１に設けられた偏光層の配置と、その光学特性について検討したが、その詳細は説明の都合上後述する。

図１で示す１９は、偏光方向の回転作用を利用して映像信号に基づく光強度変調を行い、光学像を形成する映像表示素子である。

ここで、以下の説明を容易とするために右手直角座標を導入する。光２６の方向をＺ軸とし、Ｚ軸に直交する面内で、紙面に平行な方向をＸ軸とし、図１紙面に垂直で表側から裏側に向かう軸をＹ軸とする。そして、入射側偏光素子１８に入射する光２６の偏光方向は、前述したように偏光変換素子５により所定偏光方向（ここではＳ偏光）に揃えられており、入射側偏光素子１８の透過軸（図示せず）と同じで、Ｘ軸方向とする。従って、出射側偏光素子２１の透過軸はＹ軸方向となる。

上記構成において、入射側偏光素子１８に入射する光２６は、入射側偏光素子１８の透明基板１８ｂを通過して、偏光素子層１８ａに入射する。偏光素子層１８ａは、偏光光のうち偏光素子層１８ａの透過軸に平行なＳ偏光方向成分すなわちＸ軸方向の成分を通過させる。偏光素子層１８ａを通過したＳ偏光光は、映像表示素子１９に照射される。ここで、入射側偏光素子１８を映像表示素子１９の光入射側に配置しているのは、偏光変換素子５を透過してしまうわずかなＰ偏光光を吸収させ、映像表示素子１９に入射する光２６の偏光度を高めるためである。ここで、入射側偏光素子１８に入射する光は、上記したようにその吸収軸方向の光（Ｐ偏光光）はわずかであるため、入射側偏光素子１８の不要光吸収による温度上昇はそう高くないため、フィルムタイプの偏光素子層１８ａを使用することができる。

映像表示素子１９では、照射されたＳ偏光光は映像信号の階調に基づき変調され、偏光方向が回転して楕円偏光光とされる。そして、変調された色光の楕円偏光光は、出射側偏光素子２１に入射する。映像表示素子１９を通過した偏光光には、除去されなければならない不要偏光光であるＳ偏光光成分がまだ多く残されている。出射側偏光素子２１は、その内、透過軸に平行な偏光方向成分（Ｐ偏光光成分）すなわちＹ軸方向の成分を通過させ、透過軸に直角な吸収軸方向の偏光光成分（Ｓ偏光光成分）を吸収する。出射側偏光素子２１を透過した偏光光は次の光学系（投射レンズユニット２３）に入射する。

先に述べたように、本実施例では、出射側偏光素子２１に設けられた偏光層の配置と、その光学特性について検討したので、その結果を以下に述べる。

なお、以下に示す結果は、図２においてダイクロイックミラー１２で分離された光、すなわち、Ｇ光路に出射側偏光素子２１を適用した場合を示す。

上記の図１における偏光層２１ｂは、映像表示素子１９を透過した偏光光が入射側に設けられている。

図３には、別の出射側偏光素子２１を示す。ここでは、偏光層２１ｂは、映像表示素子１９を透過した偏光光が入射され出射側偏光素子２１の出射側に設けられている。

さらに、図４には、別の出射側偏光素子２１を示す。ここでは、偏光層２１ｂは、映像表示素子１９を透過した偏光光が入射される出射側偏光素子２１の入射側および出射側の両面に設けられている。

図５に、上記の３種類の出射側偏光素子２１の特徴を比較一覧表にしてまとめて示す。すなわち、図４に示す出射側偏光素子２１は両面還元で、タイプＡとして表示し、図３に示す出射側偏光素子２１は片面還元で、タイプＢとして表示し、図１に示す出射側偏光素子２１は片面還元で、タイプＣとして表示している。

図５に示すように、入射側偏光素子１８と出射側偏光素子２１とは、クロスニコル状態になるように構成されている。入射側偏光素子１８と出射側偏光素子２１との間には、タイプＡ（両面還元）およびタイプＢ（片面還元）では、ホウケイ酸ガラスからなる複屈折体が介在する。一方、タイプＣ（片面還元）では、空気のみが介在し、複屈折体は介在していない。なお、図５の注１に示すように、図中のｄは、クロスニコルに配置された複屈折体の厚さを示している。

また、出射側偏光素子２１は、ホウケイ酸ガラスの両面またはいずれか一面に偏光層が形成されている。その層の厚さは、タイプＡでは両面のそれぞれが５０μｍで、タイプＢ、Ｃでは、いずれも１００μｍ形成された場合を示している。

図５で示す偏光層は、ホウケイ酸ガラス層の所望の表面に形状異方性を有する金属粒子が配向して分散され、偏光特性を有する。本実施例で用いる偏光層は、Ａｇ（銀）を含む金属ハロゲンロッドを還元して形成される還元層である。

図６は、図５で示す３種類の出射側偏光素子２１の実機での評価結果を示す。評価項目は、Ｇ単色照度、黒斑（ムラ）および黒画面である。Ｇ単色照度は、画面のコーナーと中心部との照度の比を取っている。なお、この測定結果は、黒信号入力で、ＲＢ光路は遮断された状態で行っている。また、図に示すΔｙとは、スクリーン上中心とコーナーのｙ値の差である。ここで、ｙ値とは、ＣＩＥ（Commission Internationale de l'Eclairage、国際照明委員会）標準表色系として各表色系の基礎となっているＹｘｙ座標系（Ｙは照度、ｘ及びｙは色を示す）のｙの値である。

図６から、タイプＣがいずれの評価項目においても、タイプＡもしくはタイプＢと有意差をもって光学特性が改善されていることが明確にわかる。すなわち、映像表示素子１９から入射される光を受光する側に偏光層を設けた構造（還元面入射）が、出射側に設けた構造（ガラス面入射）あるいは、両面に設けた構造（両面還元）より良好な光学特性を示している。

これは、出射側偏光子２１面内の温度差が発生することにより、ガラス層コーナー部に熱応力が誘発される。これにより、ガラス層コーナー部の分子密度が変化し、複屈折が起こり、結果として色ムラなどの光学特性が悪化する。この複屈折による光学性能の悪化は、クロスニコルに複屈折体が配置されるほど感度が高くなる。

タイプＣでは、複屈折体がない構造となっており、複屈折の要因が低減されている効果であると考えられる。これにより、色ムラなどの光学特性が改善されている。

本実施例では、Ｇ光路に、本願発明になる還元面入射（タイプＣ）を適用したが、Ｒ光路、あるいはＢ光路に適用することもできる。ただし、その際には、偏光層を形成する金属粒子の材料の最適化は必要である。

図７は、偏光層の厚さと、偏光素子を透過する光束量およびコントラストとの関係をプロットした図である。ここで、光束量を示す測定データは、○印でプロットされ、コントラストを示すデータは、□印でプロットされている。また、点線は、目標とする光学特性の最小値を示す。すなわち、コントラストおよび光束量のいずれもがこの目標値以上となるような、偏光層の厚さが必要であることを示している。

本図より、偏光層の厚さが厚くなるに従って、コントラストは大きくなり、一方、光束量は逆に減少することが分かる。この図から、偏光層の厚さが、１００μｍ付近で、コントラストおよび光束量の双方を最大限に満足する。従って、実施例１では、この厚さ、すなわち、１００μｍの偏光層厚を用いて実施した例を示している。

ただし、この偏光層の厚さは、コントラストを重視する用途、あるいは光束量を重視する用途により使い分けることができる。コントラスト重視する場合は、偏光層の厚さは、１００μｍより厚くすることが好ましい。

また、光束量を重視する場合は、偏光層の厚さは１００μｍより薄くすることが好ましい。

偏光素子の偏光層は、異方性を有する金属粒子を含有するガラス層、たとえば、ＡｇＣｌ結晶を含むガラス材料を水素により還元して形成される。すなわち、延伸方向の揃った金属粒子を含有するガラス層の表面を還元して金属粒子を析出させることにより、偏光機能をもたせている。
なお、本実施例では、波長がＧの場合に適用し、Ａｇを用いたが、偏光層を透過させる光の波長に応じて、他の金属Ｃｕなどを用いることもできる。

第１の実施例で示す映像表示素子部の構成図である。 第１の実施例で示す投射型映像表示装置の構成図である。 第１の実施例で示す別の映像表示素子部の構成図である。 第１の実施例で示すさらに別の映像表示素子部の構成図である。 第１の実施例で示す３種の出射偏光素子の構造を比較する図である。 第１の実施例で示す３種の出射偏光素子を適用した場合の実機評価を示す図である。 偏光層の厚さに対する光束量およびコントラストを示す図である。

符号の説明

２…光源ユニット、３…第１のアレイレンズ、４…第２のアレイレンズ、５…偏光変換素子、６…集光レンズ、７，８，９，１０…反射ミラー、１１，１２…ダイクロイックミラー、１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂ…コンデンサレンズ、１５，１６…リレーレンズ、１９，１９Ｒ，１９Ｇ，１９Ｂ…映像表示素子、１９ｂ…入射側防塵ガラス、１９ｃ…ＴＦＴ基板、１９ｄ…液晶層、１９ｅ…カバーガラス、１９ｆ…出射側防塵ガラス、１８，１８Ｒ，１８Ｇ，１８Ｂ…入射側偏光素子、１８ａ…偏光素子層、１８ｂ…ガラス基板、２０ｂ…ガラス基板、２１，２１Ｒ，２１Ｇ，２１Ｂ…出射側偏光素子、２１ａ…偏光ガラス、２１ｂ，２１ｃ…ＡＲ（反射防止）フィルタ、２２…ダイクロイックプリズム、２３…投射レンズユニット、２６…光、２７…ファン、２８…冷却用空気の流路、１００…駆動回路。

Claims (6)

1. 光を出射する光源ユニットと、
   前記光源ユニットからの光を光学像に変調する映像表示素子と、
   前記映像表示素子の入射側に配置された入射側偏光素子と、
   前記映像表示素子の出射側に配置され、前記入射側偏光素子とクロスニコル状態を構成する出射側偏光素子と、
   前記出射側偏光素子からの光を投射する投射レンズユニットとを備え、
   前記出射側偏光素子は、前記映像表示素子からの光が入射される第１の主面に偏光層が設けられ、前記第１の主面に対向し、前記光を出射する第２の主面には偏光層を有しないことを特徴とする投射型映像表示装置。
2. 請求項１に記載の投射型映像表示装置において、
   前記偏光層は、ガラス層に設けられた金属粒子を含有する還元層であることを特徴とする投射型映像表示装置。
3. 請求項１に記載の投射型映像表示装置において、
   前記出射側偏光素子は、金属ロッドを含有する偏光層を一主面に有するガラス層であることを特徴とする投射型映像表示装置。
4. 請求項３に記載の投射型映像表示装置において、
   前記金属粒子が、Ａｇ（銀）であることを特徴とする投射型映像表示装置。
5. 請求項１に記載の投射型映像表示装置において、
   前記偏光層は、方向の揃ったハロゲン化金属ロッドを含有するガラス層表面を、還元して金属ロッドを析出させることにより形成された還元層からなることを特徴とする投射型映像表示装置。
6. 請求項１に記載の投射型映像表示装置において、
   前記入射側偏光素子と前記出射側偏光素子との間に介在する複屈折体が空気であることを特徴とする投射型映像表示装置。

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