JPH03192320A - 投写型表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［１ｉ業上の利用分野］ 本発明は、液晶ライトバルブ上に形成された画像をスク
リーン上に拡大投写する投写型表示装置に関し、特に液
晶ライトバルブの照明光源として無偏光の光を出射する
ランプを用いた投写型表示装置に関するものである。

［従来の技術］ 第５図は従来の投写型表示装置の光学系の説明図である
。図において、（１）は光源、（１２０）はランプ、（
１３０）は反射鏡、（２）は光源（１）から出射する照
明光束、（３）液晶ライトバルブ、（８）、　（９）は
液晶ライトバルブの前後に配置された偏光板、（４）は
投写レンズ、（５）はスクリーン、（１０）はコンデン
サレンズである。

次に動作について説明する。光源（１）はランプ（１２
０）と反射鏡（１３０）から成り、液晶ライトバルブ（
３）に照明光束（２）を照射する。ランプとしては、例
えばメタルハライドランプ、キセノンランプ等の放電ラ
ンプ及びハロゲンランプ等が用いられる。液晶ライトバ
ルブ（３）の面上には、後述するように画像が表示され
、画像の濃淡及び色に応じて面内の透過率が変化する。

液晶ライトバルブ（３）を透過した光束はさらに投写レ
ンズ（４）を透過して投写光（１１０）となり、スクリ
ーン（５）上に拡大結像され鑑賞に供される。なお、コ
ンデンサレンズ（ｌＯ）は、照明光束を高効率で投写レ
ンズに入射し高輝度の投写画像を得るために設けられて
いる。

次に、液晶ライトバルブ（３）の構成と動作について、
第６図により説明する。液晶（６）は２枚のガラス基板
（７）に挟まれ、さらに両側に偏光板（８）、　（９）
を配している。電圧無印加Ｖ＝Ｏ（第６図（ａ））にお
いては、入射側偏光板（８）を透過した直線偏光（２ａ
）は、液晶（６）を透過する際に液晶の旋光性によって
偏光方向が９０″回転し、入射側偏光板（８）と偏光軸
が直交するように配された出射側偏光板（９）を透過す
る。一方、しきい値電圧ｖｔｈ以上の電圧Ｖを印加する
（第６図（ｂ））と液晶の旋光性が小さくなって、透過
側偏光板（９）を透過する光量が電圧の増加に伴って減
少する。この様な透過率の制御作用を利用し、さらに２
次元アレイ状に電極を構成することにより、２次元の画
像表示素子が形成できる。尚、上記液晶は旋光角が９０
″のＴ　Ｎ　（Ｔｗｉｓｔｅｄ　Ｎｅｍａｔｉｃ）液晶
をノーマリ−ホワイトモードで使用した例について説明
した。液晶相の種類、旋光角の大きさ等については公知
のごと（、上記の他にも変形例が知られているが、本発
明の主題と直接的に関係しないので説明を省略する。

さらに、第２の従来装置として、第７図に３枚の液晶ラ
イトバルブを用いた装置の光学系を示す。図において、
（１）は光源であり、具体的にはメタルハライドランプ
、キセノンランプ、ハロゲンランプ等の白色光を発生す
るランプ（１２０）と、反射鏡（１３０）から成る。（
２）は光源（１）を出射する照明光束、（１４Ｒ）、　
（１４Ｂ）は色分離用ダイクロイックミラー、（１５Ｂ
）、（１５Ｇ）は色合成用グイクロイックミラー、（１
１）、　（１２）はミラー、（３Ｒ）　、　（３Ｇ）　
。

（３Ｂ）は液晶ライトバルブ、（８Ｒ）　、　（８Ｇ）
　、　（８Ｂ）は入射側偏光板、（９Ｒ）、　（９Ｇ）
、　（９Ｂ）は出射側偏光板、（ＩＯＲ）、　（ＩＯＧ
）、　（１０Ｂ）はコンデンサレンズである。

次に第２の従来装置の動作について説明する。

照明光束（２）は白色光源ランプ（１２０）を出射後、
反射鏡（１３０）で反射され光源（１）を出射する。ダ
イクロイックミラー（１４Ｒ）は赤色光を反射し青・緑
色光を透過する。また、ダイクロイックミラー（１４Ｂ
）は青色光を反射し、緑色光を透過させる。従って、液
晶ライトバルブ（３Ｇ）、　（３Ｂ）、　（３Ｒ）には
、各々緑・青・赤の照明光束が照射される。

液晶ライトバルブ（３Ｇ）、　（３Ｂ）、　（３Ｒ）に
は、特に図示しない外部回路によって緑・青・赤の色光
に相当する画像が形成され、照射光をライトバルブ面内
で透過変調する。液晶ライトバルブ（３Ｇ）、　（３Ｂ
）　。

（３Ｒ）の出射光は、青色光を反射するダイクロイック
ミラー（１５Ｂ）　、緑色光を反射するダイクロイック
ミラー（１５Ｇ）及び反射ミラー（１２）によって合成
光束（１００）として投写レンズ（４）に入射し、投写
光束（１１０）としてスクリーン（５）上に結像され、
拡大されたカラー画像が鑑賞に供される。なおコンデン
サレンズ（ＩＯＲ）、　（ＩＯＣ）、　（ＩＯＢ）は、
各々赤・緑・青色光を高効率で投写レンズ（４）に入射
させるために用いられる。また、各液晶ライトバルブ（
３Ｒ）、　（３Ｇ）、　（３Ｂ）の構成及び動作は、先
に第６図で説明したものと同様である。

［発明が解決しようとする課題］ 従来の投写型表示装置は、以上のように構成されている
ので、液晶ライトバルブで画像表示に利用される光束は
、前記入射側偏光板（８）または（８Ｒ）　、　（８Ｇ
）　、　（８Ｂ）によって選択される直線偏光成分のみ
である。一方、従来の装置において使用されるランプ（
１２０）は、メタルハライドランプ、キセノンランプ、
ハロゲンランプ等の無偏光（自然偏光）光源であり、照
明光（２）も無偏光であった。

この結果、入射側偏光板（８）または（８Ｒ）、　（ｓ
Ｇ）。

（８Ｂ）を透過する際、照明光束（２）の約半分しか液
晶層内に入射していなかった。残り半分の光エネルギー
は主に入射側偏光板（８）または（８Ｒ）、　（８Ｇ）
。

（８Ｂ）に吸収されて熱となり、入射側偏光板（８）ま
たは（８Ｒ）、　（８Ｇ）、　（８Ｂ）の温度上昇によ
る偏光特性劣化、隣接する液晶層の温度上昇による液晶
動作特性の変動等の原因となっていた。

本発明は上記のような問題点を解消するためになされた
もので、照明光束のエネルギーを有効に利用し、かつ入
射側偏光板（８）の温度上昇を防止でき、結果として高
輝度な画像表示が実現できる投写型表示装置をうろこと
を目的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明に係る投写型表示装置は、無偏光光束を第１及び
第２の直線偏光光束に分離する偏光分離手段と、　２つ
の互いに直交する第１及び第２の全反射面と斜面を有す
る全反射プリズムより成り、該全反射面の交線が、前記
第２の直線偏光光束の偏光方向と４５＠をなす基準角の
方向とし、前記斜面の前記交線を境界とする半面に反射
ミラーを形成した構成で、前記反射ミラーを形成してい
ない前記斜面の半面から入射した前記第２の直線偏光光
束を、前記第１の全反射面、第２の全反射面の順に反射
して前記反射ミラーに導き、該反射ミラーで反射された
光束を、前記第２の全反射面、第１の全反射面の順に反
射し、前記第２の直線偏光光束に対して偏光方向が９０
″回転された第３の直線偏光光束を前記偏光分離手段に
再入射させる偏光回転手段と、　前記第３の直線偏光光
束が前記偏光分離手段に再入射した後出射して得られる
光束を、前記第１の直線偏光光束と同じ進行方向及び偏
光方向を有する第４の直線偏光光束とする光路変換手段
とを具備し、前記第１の直線偏光光束及び前記第４の直
線偏光光束により前記液晶ライトバルブを照明するもの
である。

いわば、光源から出射する無偏光である照明光束を直線
偏光に変換する光学手段を有し、液晶ライトバルブの入
射側偏光板の偏光軸と照明光束の直線偏光の方向を一致
するように構成したものである。

［作用］ 上記のように照明光束を直線偏光化することにより、入
射側偏光板を透過する光量が倍増し、偏光板による吸収
も小さくできる。

さらに、前記光学手段によって直線偏光化された照明光
束の消光比が良好な場合には、入射側偏光板なしで装置
を構成できる。

［実施例］ 第１図は本発明の実施例１における投写型表示装置の光
学系を示す説明図である。

図において、（２０）は偏光分離手段（偏光ビームスプ
リッタ）　、（２１）は偏光回転手段であり、２枚の互
いに直交する全反射ミラー面（２１ａ）、　（２１ｂ）
と斜面より成る全反射プリズムより構成されている。（
２１Ｃ）は偏光回転手段（２１）の斜面の１部に形成さ
れた反射ミラー、（２３）は光路変換手段（ミラー）で
ある。

次に実施例の動作について説明する。

光源（１）出射した照明光束（２）は従来例と同様に無
偏光状態であり、偏光分離手段の接合面（２０ａ）よっ
て反射Ｓ偏光（３０）、透過Ｐ偏光（３３ａ）に分離さ
れる。反射Ｓ偏光は偏光回転手段（２１）に入射する。

該偏光回転手段（２１）は、交線（２２）が図のＸ方向
から２軸回りに基準角として４５＠回転した方向となる
よう配置さており、後述するように入射光の偏光方向を
９０＠回転して出射させる作用をする。従って、前記偏
光回転手段に入射したＳ偏光（３０）は、Ｐ偏光（３１
）となって出射し、偏光分離手段（２０）をＰ偏光のま
ま透過し、光路変換手段（２３）によって反射され、前
述の透過Ｐ偏光（３３ａ）と同じ偏光方向・進行方向の
直線偏光（３３ｂ）としてコンデンサレンズ（ｌＯ）を
通して液晶ライトバルブ（３）に入射する。液晶ライト
バルブ（３）の入射側偏光板（８）偏光軸は前記入射直
線偏光（３３ａ）、　（３３ｂ）の方向と揃えて配置し
ている。この結果、従来の無偏光光束が入射する場合に
比べて約２倍の光エネルギーが液晶層に入射し、画像表
示に寄与する。液晶ライトバルブ（３）を出射した光は
従来例と同様に、投写レンズ（４）によって投写光（１
１０）となり、スクリーン（５）上に拡大投写される。

次に本発明において特徴的な偏光回転手段（２１）の動
作について、第２図により詳述する。

第２図（ａ）は偏光回転機能の説明図、第２図（ｂ）は
偏光分離手段と偏光回転手段の平面図、第２図（Ｃ）は
正面図を示している。

偏光回転手段（２１）は、互いに直交する全反射面（２
１ａ）、　（２１ｂ）と斜面（２１ｃ）、　（２１ｄ）
より構成された全反射プリズムの形態である。前記斜面
のうち、交線（２２）の位置を境界とする右半分（２１
ｃ）には斜線で示すように反射光路変換手段が形成され
ている。偏光回転手段（２１）に、前記斜面のうち光路
変換手段が形成されていない半面（２１ｄ）から入射す
る光線（３０）は、図のように交線（２２）に対して４
５″をなす直線偏光（振幅Ｅ、）であり、図の左下の円
内に示したように、等振幅の直交成分Ｘｙ、に分けられ
る。但し、ｙ、の方向は交線（２２）と平行にしている
。図のように入射光線（３０）は全反射面（２１ａ）、
　（２１ｂ）で反射されて反射光路変換手段部（２１Ｃ
）にいたる。光路変換手段（２１ｃ）で反射された光線
は、全反射面（２１ｂ）、　（２１ａ）で順次反射され
て、斜面の左半面（２１ｄ）より出射し、光線（３１）
となる。ここで、全反射の条件として、■ｘ、ｙ偏光の
反射率がほぼ等しいこと■ｘ、ｙ方向の偏光を全反射す
る際の位相差が全反射面（２１ａ）、　（２１ｂ）によ
る往復計４回の反射により１８０＠となること。

という２つの条件を満たす場合に、出射光線（３１）の
偏光Ｅ２は図示したようにＥｌと直交する直線偏光とな
る。上記■は面（２１ａ）、　（２１ｂ）で全反射が生
じれば必然的に満たされる。第２図（ａ）のように光線
（３０）が面（２１ａ）に対して４５″で入射し、面（
２１ｂ）に対しても同様に４５１１で入射する場合、全
反射が生じる条件は、プリズムの屈折率をｎとして（１
）式で与えられる。

ｎ＞ｒ丁　　　・・・・・・（Ｉ） 但し、プリズムの外側の媒買は空気と仮定した。

次に、上記■の条件について説明する。

４５″入射の１回の全反射によって生じるＸ。

ｙ偏光間の位相差Δはｎをプリズム硝材の屈折率として
、 Δ□２　（ｔａｎ　−’　（ｎ　丁））−ｔａｎ−’　
（ｎ−’　１−７］））・・・・・・・（ｎ） となる。前述のように、光路変換手段（２１Ｃ）による
反射のために計４回の全反射が生じるので、出射光線（
３１）に付与されるｘ、ｙ偏光間の位相差は４Δとなる
。　（■）式にｎ−１，５５３７８を代入して４Δを計
算すると、 ４Δ＝Ａ　　　・・・・・・・（ｍ） となる。従って、ｎ−１，５５３７８近傍では第２図（
ａ）に示した反射光の（３１）のｘ、ｙ成分の間には入
射光（３０）の状態と比較して１８０＠の位相差が生じ
る。従って、第２図（ａ）の右下の円内に示したように
出射光（３Ｉ）の偏光方向（Ｅ、）はＥ、に対して９０
″回転する。尚、偏光回転手段（２１）の斜面（ま第２
図（ｂ）　、　　（Ｃ）に平面図及び正面図を示したよ
ウニ、交線（２２）を境にして偏光分離手段（２０）上
の半面が透過面、他の半面が反射光路変換手段面（斜線
を施して示した）となっている。

第１図において、偏光分離手段（２０）で反射されたＳ
偏光（３０）は交線（２２）に対して４５°をなす直線
偏光であるため、偏光回転手段（２１）によって偏光方
向が９０＠回転した状態で入射光と逆の進行方向に反射
され、Ｐ偏光（３１）として偏光分離手段（２０）に再
入射し、そのまま透過Ｐ偏光（３２）となって偏光分離
手段（２０）を出射する。なお、偏光回転手段（２１）
を構成するプリズム硝材の屈折率ｎが１゜５５３７８近
傍の硝材としては、ＨＯＹＡ社製のＰ　ＣＤ　３　（ｎ
　ａ”１．５５２３２　）　、　Ｓｂ　Ｆ　ｌ　（ｎ　
ｎ＝１．５５１１５　）や、５ＣＨＯＴＴ社製のＢａＬ
Ｆ８（ｎａ＝１．５５３６１　）　、　　Ｐ　Ｓ　Ｋ’
　３　（ｎ　、＝１．５５２３２等が好適である。

しかし、これ以外の硝材、例えば、ＨＯＹ　Ａ社または
Ｓ　Ｃｌ−１０Ｔ　Ｔ社製のＢ　Ｋ　７　（ｎ　ｎ＝１
．５１６８）でも上記硝材よりは改善度合が低いものの
本発明に使用することができる。これは、付与された位
相差が１８０’でないためにやや楕円偏光となった光線
（３１）が、偏光ビームスプリッタ（２０）を透過して
Ｐ偏光（３２）に変換され、光線（３３ａ）、（３３ｂ
）　０）偏光方向が同じになるためである。

［他の実施例］ 次に、本発明の第２の実施例について、第３図により説
明する。図において、（２３ａ）、（２３ｂ）は反射光
路変換手段である。光源（１）を出射した無偏光照明光
（２）は、偏光分離手段（２０）によりて、反射Ｓ偏光
（３３ａ）と透過Ｐ偏光（３０）に分離される。

透過Ｐ偏光は偏光回転手段（２１）に入射する。偏光回
転手段（２１）は第１の実施例と同様に、Ｘ軸の方向か
ら２軸回りに４５°回転した方向の交線（２２）を有す
る直交全反射面（２１ａ）、　（２１ｂ）及び斜面の半
面に反射光路変換手段（２１Ｃ）を設けた全反射プリズ
ムにより構成されている。透過Ｐ偏光（３０）は交線（
２２）と４５°をなすので、偏光回転手段（２１）によ
って偏光方向が９０″回転され光線（３０）と逆方向に
進行するＳ偏光（３１）となる。Ｓ偏光（３１）は偏光
分離手段（２０）によって反射Ｓ偏光（３２）となり、
光路変換手段（２３ａ）、　（２３ｂ）によって反射さ
れて前述の反射Ｓ偏光（３３ａ）と同一の偏光方向・進
行方向を有する直線偏光（３３ｂ）となって、コンデン
サレンズ（１０）を通して液晶ライトバルブ（３）に入
射する。入射側偏光板（８）の偏光軸は、前記入射直線
偏光（３３ａ）、　（３３ｂ）の方向と揃えて配置して
あり、従来のように無偏光の照明光が入射する場合に比
べて、約２倍の光エネルギーが液晶層に入射し、画像表
示に寄与する。液晶ライトバルブを出射した光は従来例
と同様に、投写レンズ（４）によって投写光（１１０）
となり、スクリーン（５）上に拡大投写される。

次に、本発明の第３の実施例を第４図により説明する。

本実施例は、第１の実施例を示す第１図と同様の偏光分
離手段（２０）　、偏光回転手段（２１）。

光路変換手段（２３）を、第２の従来例を示す第７図の
光学系に適用した例である。第１の実施例同様に光線（
３３ａ）、　（３３ｂ）は同一の偏光方向・進行方向を
有する直線偏光となっている。また、入射側偏光板（８
Ｒ）、　（８Ｇ）、　（８Ｂ）の偏光軸は光線（３３ａ
）、　（３３ｂ）の偏光方向と同一の向きに配置されて
いる。以上の構成により、第１の実施例と同様に、液晶
ライトバルブの入射側偏光板による光エネルギー損失を
低減できる。

以上の各実施例では直交反射面の交線が４５″をなす基
準角の方向とした場合について述べたが、この角度に自
由度があることは言うまでもない。また、いずれも液晶
ライトバルブ（３）または（３Ｒ）、　（３Ｇ）、　（
３Ｂ）の入射側偏光板（８）または（８Ｒ）　。

（８Ｇ＞、　（８Ｂ）を従来構成と同様に使用する場合
について説明した。しかし、光束（２）から生成される
光線（３３ａ）　、（３３ｂ）は直線偏光であるため、
液晶ライトバルブ（３）または（３Ｒ）、　（３Ｇ）、
　（３Ｂ）は、入射側偏光板（８）または（８Ｒ）、　
（８Ｇ）、　（８Ｂ）を用いなくても画像形成が可能で
ある。偏光板は、偏光選択特性による光損失のほか、材
料自身の吸収損失があるが、上記のように入射側偏光板
（８）または（８Ｒ）　。

（８Ｇ）、　（８Ｂ）を省略すれば、材料の吸収損失が
な（せるので、より高輝度な投写型表示装置が実現でき
る。また、本発明の各実施例は液晶ライトバルブとして
透過型のものを使用しているが、反射型液晶ライトバル
ブを使用した投写型表示装置も公知である。本発明の核
心をなす偏光分離手段（２０）　、偏光回転手段（２１
）、光路変換手段（２３）または（２３ａ）、　（２３
ｂ）からなる直線偏光化光学系は反射型液晶う、イトバ
ルブを使用した装置にも問題なく適用できる。さらに、
以上の実施例では液晶ライトバルブとして、液晶の旋光
性を利用した方式を例にとって説明したが、このほかに
も液晶の複屈折を電気的に制御する方式、例えばＥ　Ｃ
Ｂ　（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅ
ｄ　ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）形等も公知であり、
これら入射側偏光板を必要とする液晶ライトバルブを使
用する投写型表示装置にも、本発明が適用出来ることも
ちろんである。また、ライトバルブの枚数も３枚に限ら
ず３枚以上、あるいは１〜２枚でも問題な（適用できる
。

［発明の効果］ 以上に詳述したように、本発明の投写型表示装置によれ
ば、光源から出射する無偏光（自然偏光）の照明光束を
液晶ライトバルブに入射すべき偏光方向を有する直線偏
光に変換する光学手段を具備しているので、液晶ライト
バルブの入射側偏光板を透過する光量が倍増し、高輝度
な投写画像を実現できる。また、従来問題であった入射
側偏光板の発熱による偏光特性の劣化、液晶の動作特性
変動を低減できる。さらに、従来必要であった液晶ライ
トバルブの入射側偏光板を省略すれば、偏光板の材料自
身の吸収損失が無（なるので、より高輝度でかつ簡素な
投写型表示装置が実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１．３．４図はそれぞれ本発明の実施例１，２．３に
おける投写型表示装置の光学系を示す説明図、第２図は
本発明の投写型表示装置に用いられる偏光回転手段の動
作原理と構成の説明図１．第５．７図はそれぞれ従来の
投写型表示装置の光学系の説明図、第６図は液晶ライト
バルブの′動作原理の説明図である。図において、＜３
）、　（３Ｒ）、　（３Ｇ）、　（３Ｂ）は液晶ライト
バルブ、（４）は投写レンズ、（１）は光源手段、（２
０）は偏光分離手段、（２１）は偏光回転手段、（２１
ａ）、　（２１ｂ）は偏光回転手段中の全反射面、（２
１Ｃ）は偏光回転手段（２１）中の反射光路変換手段、
（２３）、　（２３ａ）、　（２３ｂ）は光路変換手段
である。 なお、各図中、同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 画像形成の為の液晶ライトバルブと、該液晶ライトバル
   ブに形成された画像を拡大投写する投写レンズと、該ラ
   イトバルブを照明する無偏光光束を出射する光源手段よ
   りなる光学系を有する投写型表示装置において、 前記無偏光光束を第１及び第２の直線偏光光束に分離す
   る偏光分離手段と、２つの互いに直交する第１及び第２
   の全反射面と斜面を有する全反射プリズムより成り、該
   全反射面の交線を、前記第２の直線偏光光束の偏光方向
   と４５°をなす基準角の方向とし、前記斜面の前記交線
   を境界とする半面に反射ミラーを形成した構成で、前記
   反射ミラーを形成していない前記斜面の半面から入射し
   た前記第２の直線偏光光束を、前記第１の全反射面、第
   ２の全反射面の順に反射して前記反射ミラーに導き、該
   反射ミラーで反射された光束を、前記第２の全反射面、
   第１の全反射面の順に反射し、前記第２の直線偏光光束
   に対して偏光方向が９０°回転された第３の直線偏光光
   束を前記偏光分離手段に再入射させる偏光回転手段と、
   前記第３の直線偏光光束が前記偏光分離手段に再入射し
   た後出射して得られる光束を、前記第１の直線偏光光束
   と同じ進行方向及び偏光方向を有する第４の直線偏光光
   束とする光路変換手段とを具備し、前記第１の直線偏光
   光束及び前記第４の直線偏光光束により前記液晶ライト
   バルブを照明することを特徴とする投写型表示装置。