JPH10111535A

JPH10111535A - 液晶投射装置

Info

Publication number: JPH10111535A
Application number: JP8283438A
Authority: JP
Inventors: Tomohide Inada; 智英稲田; Hideto Yatabe; 秀人矢田部; Akira Koo; 明小尾; Hironori Uchida; 弘則内田
Original assignee: Nippon Avionics Co Ltd
Current assignee: Nippon Avionics Co Ltd
Priority date: 1996-10-04
Filing date: 1996-10-04
Publication date: 1998-04-28

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】照度ムラがなく、かつ光源光の全てを一定方
向に偏光した光に変換することができる液晶投射装置を
提供すること。【解決手段】光源３１から出射した自然光は反射鏡３
２によって光学系の光軸と略平行な収束光３５とされ、
この収束光３５を反射鏡３２の開口部の前面で光軸に直
交して配置された第１のマイクロレンズアレイ３３に入
射する。入射した光源光３５は、第１のマイクロレンズ
アレイ３３の各マイクロレンズ３４に１対１で対応する
マイクロレンズ３８を有する第２のマイクロレンズアレ
イ３７に向けて出射される。第２のマイクロレンズアレ
イ３７の光源３１側には、個々のマイクロレンズ３８に
それぞれ対応させて直線偏光変換手段６０を構成する直
線偏光変換ブロックが配置されている。直線偏光変換ブ
ロックは、光源光の全てを一定方向に偏光した光に変換
して液晶板４０を照度ムラなく照射することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、液晶板の表示映像
を拡大投射する液晶投射装置に係り、特に赤（Ｒ）、緑
（Ｇ）、青（Ｂ）別に設けた白黒液晶板の表示映像を加
色混合して投射する液晶カラー投射装置に適用して好適
な照明光学系の改良に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、テレビジョンの大画面化指向が進
む中で、液晶テレビ・パネルの画像をスクリーンに拡大
投写する液晶方式の投射装置が、小型、軽量、取り扱い
の容易さのために注目されている。しかし、液晶投射装
置を、現在投射型ディスプレイの主流であり完成度が高
いＣＲＴ（ブラウン管）画像投写型装置と比較すると、
解像度、明るさとも未だ不満足で、改善の余地があっ
た。

【０００３】解像度に関しては、高精細液晶テレビ・パ
ネルの開発が進んでいる。明るさに関しては、画像形成
と光源を分離できる液晶投射装置の方が有利とされる
が、標準的なＣＲＴ方式に比べて１／２〜１／３程度で
未だ及ばない。投射光束を増加させるための手っ取り早
い方法は高光出力ランプを使用することであるが、この
場合は消費電力の増大、装置温度の上昇による部品の劣
化をもたらすため実用的でない。

【０００４】図５は光の色分離および混合にダイクロイ
ックミラーを用いたミラー方式と呼ばれる液晶カラー投
射装置の従来例を示す模式図である。同図において、１
はキセノンランプ等の光源であり、この光源１から放射
された光は、反射面が放物面で光源光を光軸と略平行な
平行光にする反射鏡２で反射され、液晶板７、１２、１
５の直前に配置した不図示のコンデンサレンズによって
投射光学系１９に向けて収束される。

【０００５】この時、収束された平行光線は、青色光の
みを分離反射する青ダイクロイックミラー４に入射す
る。青ダイクロイックミラー４で分離された青色光５は
ミラー６で光源光軸と平行に反射されて、透過型液晶パ
ネル７に入射する。液晶パネル７には投射すべき任意の
映像の構成画素に応じて選択的に電圧が供給されてお
り、該液晶パネル７を透過した青色光５は映像信号を有
する青色映像光５ａとなる。

【０００６】青ダイクロイックミラー４で青色成分５を
失いそのミラー４を透過した光は黄色になる。その黄色
光８は赤ダイクロイックミラー９に入射し、赤色光１０
が分離され、残る緑色光１１はそのミラー９を透過す
る。分離された赤色光１０は前記液晶パネル７と同一構
成からなる透過型液晶パネル１２に入射し赤色映像光１
０ａとなる。青色映像光５ａと赤色映像光１０ａは混合
用ダイクロイックミラー１３で混合されてマゼンタ色映
像光１４となる。

【０００７】一方、緑色光１１はやはり前記液晶パネル
７と同一構成の透過型液晶パネル１５に入射し、緑色映
像光１１ａとなり、ミラー１６で反射されて混合用ダイ
クロイックミラー１７に入射する。緑色映像光１１ａと
マゼンタ色映像光１４は混合用ダイクロイックミラー１
７で混合されて、ＲＧＢ加色混合映像光１８となり、投
射光学系１９を介して大型スクリーン２０に拡大投射さ
れて、カラー映像が再生される。

【０００８】図６は透過型液晶パネル７（液晶パネル１
２、１５も同様）の実際の構成（図３では省略）を示す
図で、両側に設けられた２枚の偏光板２１Ａ、２１Ｂを
備えている。その理由は、液晶パネル７に使用される液
晶（ツイステッド・ネマティック液晶）は、電圧の印加
状態によって光を透過したり、遮断したりするのではな
く、入射した光の偏光面を回転させるからである。すな
わち、偏光方向の定まっていない自然光を入射させる
と、電圧の印加状態に関係なく、自然光として出てくる
ため、液晶パネルに画像が形成されていても、認識する
ことはできない。

【０００９】そこで、まず液晶パネル７の前に偏光板２
１Ａを置き、自然光のうち一定方向の偏光の光だけを透
過させて、直線偏光の光に変える。つまり、自然光が偏
光板２１Ａを透過すると、互いに直交する２つの直線偏
光の光に分解され、このうち、偏光方向に平行な成分は
透過し、直交する成分は吸収される。そして、偏光方向
に平行な直線偏光光を液晶パネル７に入射させると、画
像に応じて部分的に偏光方向が回転し、液晶パネル７か
ら出る。ここで再度偏光板２１Ｂを用いて一定方向の偏
光の光だけを透過させると、初めて濃淡画像が得られ
る。なお、偏光方向に直交する成分は偏光板２１Ａに吸
収されると、熱に変換される。

【００１０】以上のことから明らかなように、第１に、
従来装置においては光源に単一のランプを使用している
ため、投射映像の周辺部が中心部に比して暗くなるとい
う問題があった。また第２に、自然光から偏光板２１Ａ
で偏光した直線偏光光を取り出す段階で少なくとも半分
の光が偏光板２１Ａに吸収されるため、光の有効利用と
いう点で問題があった。更には第３に、吸収された光は
熱に変換され、偏光板２１Ａの温度を上昇させるため、
偏光板２１Ａを劣化させるという付随的な問題もあっ
た。これらの問題点を個々に解決するための要素技術と
しては次のものが知られている。

【００１１】即ち第１番目の問題点を解決するための照
明光学系を図７に示す。同図において、３１はキセノン
ランプ等の光源であり、この光源３１から放射された光
は、光源３１からの放射光を光軸と略平行な平行光にす
る反射鏡３２で反射され、反射鏡３２の開口部の前面に
配置された第１のマイクロレンズアレイ３３に入射す
る。このレンズアレイ３３は平凸レンズ（以下マイクロ
レンズという。）３４をマトリクス状に配列したもので
あり、図示の例では４×４個のマイクロレンズから成っ
ている。従って、第１のマイクロレンズアレイ３３を構
成する個々の各マイクロレンズ３４に入射した光源光３
５は、マイクロレンズ３４ごとに収束されて１６本の収
束光３６となり、マイクロレンズ３４の焦点近傍（本例
では光源側）に配置された第２のマイクロレンズアレイ
３７に入射する。

【００１２】第２のマイクロレンズアレイ３７もその基
本構成は第１のマイクロレンズアレイ３３と同じであ
り、４×４個のマイクロレンズ３８から成っている。こ
のマイクロレンズアレイ３８は、入射した収束光３６を
液晶パネル４０上で互いに重なり合うように屈折させる
配置となっている。

【００１３】４１は液晶板４０の直前に配置したコンデ
ンサレンズであって、第２のマイクロレンズアレイ３７
を透過した光束を、光軸に略平行な平行光とすると共に
不図示の投射光学系に向けて収束する。なお、図７では
液晶板４０を１枚しか表示していないが、図５に示した
ごとき液晶板を３枚用いるカラー液晶投射装置では、第
２のマイクロレンズアレイ３７とコンデンサレンズ４１
間に図示しないダイクロイックミラーが配置され、光源
光はＲ、Ｇ、Ｂ光に分離された後それぞれの色光に対応
する液晶板に入射するように構成される。

【００１４】このようにマイクロレンズアレイ３３およ
び３７を組み合わせて用いることで、液晶板４０に入射
する光量は光源３１各部からの光が重畳されて平均化さ
れるので、照度ムラが解消される。

【００１５】次に、第２および第３の問題を解決するた
めの照明光学系を図８に示す。この照明光学系は、光源
からの放射光を偏光ビームスプリッタに入射し、偏光ビ
ームスプリッタより得られる反射直線偏光光（Ｓ波成
分）および透過直線偏光光（Ｐ波成分）の双方とも照明
光として利用し、光源からの光の利用率を改善しようと
するものである。同図において、４４はキセノンランプ
等の光源であり、この光源４４からの放射光は反射鏡４
５で反射され、コンデンサレンズ４６にて平行光束とさ
れて偏光ビームスプリッタ４７に供給される。そして偏
光ビームスプリッタ４７の誘電体多層膜４８にてＰ波成
分とＳ波成分に分離される。偏光ビームスプリッタ４７
のＳ波成分が反射して得られる側には全反射プリズム４
９が配され、Ｓ波成分はこの全反射プリズム４９で直角
に反射して、偏光ビームスプリッタ７を通過して得られ
るＰ波成分と平行にかつ同一方向に射出される。

【００１６】全反射プリズム４９の射出面にはλ／２光
学位相板５０が配され、全反射プリズム４９より射出さ
れたＳ波成分はこのλ／２光学位相板５０によりその偏
光面が９０度回転され、Ｐ波成分に変換される。また、
偏光ビームスプリッタ４７およびλ／２光学位相板５０
の前面（投射方向側）にはそれぞれ光路変更用の楔形レ
ンズ（プリズム）５１および５２が配され、偏光ビーム
スプリッタ４７を通過して平行光として得られるＰ波成
分およびλ／２光学位相板５０で変換されたＰ波成分は
それぞれ光路変更され、所定位置Ｐで一致するように合
成される。５３は、所定位置Ｐの直前に配置された液晶
板である。従って、自然光から偏光板２１Ａ（図６）で
一定方向の偏光成分だけを取り出すのではなく、光源か
らの全ての光を一定方向に偏光した光に変換することが
でき、光量の増大化と、熱による偏光板劣化の問題を解
消することができる。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】このように個々の問題
点を解決する要素技術は存在するが、これら要素技術を
単に組み合わせると照明光学系が大規模となり、ますま
す小型化している液晶投射装置に採用できるものではな
かった。即ち、偏光ビームスプリッタ４７に光源光を全
て入射させるためには、図７の液晶板４０の位置に図８
の偏光ビームスプリッタ４７を配置しなければならな
い。このため光路が長大となって装置が大型化し、液晶
投射装置の利便性がそこなわれるという問題が生じる。

【００１８】従って、本発明は上記したような従来の問
題点に鑑みてなされたもので、その目的とするところ
は、小型の照明光学系でありながら照度ムラがなく、か
つ光源光の全てを一定方向に偏光した光に変換すること
ができ、光量を大幅に増大するに留まらず、熱による偏
光板劣化の問題をも解消し得るようにした液晶投射装置
を提供することにある。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するために種々検討を重ねた結果、図７に示す照明光学
系における第１のマイクロレンズアレイ３３からの出射
光が第２のマイクロレンズアレイ３７近傍で収束される
ことに着目し、これらの収束光間の空間を有効利用する
ことによってなされたものである。即ち本発明は、回転
放物体等の反射鏡を備えた光源手段と、この光源手段か
らの略平行な収束光の光軸上に複数個のマイクロレンズ
をマトリクス状に形成して得られる第１および第２のマ
イクロレンズアレイをレンズの光軸を一致させて所定間
隔離間して配設し、その収束光をコンデンサレンズを介
して液晶板に入射せしめる照明光学系を有する液晶投射
装置において：前記第２のマイクロレンズアレイの前記
第１のマイクロレンズアレイに対向する側面に、前記第
２のマイクロレンズアレイの各マイクロレンズに対応さ
せて、透過直線偏光光（Ｐ波）と反射直線偏光光（Ｓ
波）に分光する偏光ビームスプリッタとこの偏光ビーム
スプリッタの前記反射直線偏光光の射出面に対向させて
設けた全反射プリズムと該全反射プリズムの射出面に対
向させて設けたλ／２光学位相板とからなる直線偏光変
換ブロックを配設してなる直線偏光変換手段を設け、前
記第１のマイクロレンズアレイからの各光束を同一位相
に変換して第２のマイクロレンズアレイに入射させるよ
うにしたものである。

【００２０】

【作用】本発明において、光源手段から出射する光源光
は自然光であり、円偏光の性質を有して反射鏡により光
軸と略平行な収束光となり、第１のマイクロレンズアレ
イに入射する。第１のマイクロレンズアレイの各マイク
ロレンズに入射した光源光はマイクロレンズごとに収束
されて複数本の収束光となり、それら収束光の焦点近傍
にそれぞれ配置された直線偏光変換手段の各ビームスプ
リッタに入射する。ビームスプリッタを透過する透過直
線偏光光（Ｐ波）は第２のマイクロレンズアレイに入射
しコンデンサレンズを介して液晶板に入射する。

【００２１】一方、ビームスプリッタで反射された反射
直線偏光光（Ｓ波）はビームスプリッタの射出面に設け
られた全反射プリズムで照明光学系の光軸と平行に反射
されて、全反射プリズムの出射面に設けられたλ／２光
学位相板に入射する。そして該λ／２光学位相板にてそ
の偏光面が９０度回転されて透過直線偏光光（Ｐ波）に
変換されて第２のマイクロレズアレイに入射し、コンデ
ンサレンズを介して液晶板に入射する。直線偏光変換手
段は第２のマイクロレズアレイの各マイクロレンズごと
に対応して設けられているので、第２のマイクロレズア
レイから出射される光量は光源光量に比して遜色なくか
つ偏光面が一方向にそろった直線偏光光となる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図面に示す実施の
形態に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係る液
晶投射装置における照明光学系の一実施例を示す模式図
である。図２は図１の一部拡大模式図である。これらの
図において、光源３１から出射した自然光は内面が回転
放物反射面を有する反射鏡３２によって光学系の光軸と
略平行な収束光３５とされ、この収束光３５を反射鏡３
２の開口部の前面で光軸に直交して配置された第１のマ
イクロレンズアレイ３３に入射する。

【００２３】このレンズアレイ３３は平凸レンズ（以下
マイクロレンズという。）３４をマトリクス状に配列し
たものであり、図示の例では４×４個のマイクロレンズ
から成っている。従って、第１のマイクロレンズアレイ
３３の各マイクロレンズ３４に入射した光源光３５は、
マイクロレンズ３４ごとに収束されて１６本の収束光３
６となり、各マイクロレンズ３４の焦点近傍に配置され
第１のマイクロレンズアレイ３３の各マイクロレンズ３
４に１対１で対応するマイクロレンズ３８を有する第２
のマイクロレンズアレイ３７に向けて出射される。

【００２４】第２のマイクロレンズアレイ３７の第１の
マイクロレンズアレイ３３に対向する平面側前面には、
個々のマイクロレンズ３８（４×４個）にそれぞれ対応
させて直線偏光変換手段６０を構成する直線偏光変換ブ
ロック６１が配置されている。これらの直線偏光変換ブ
ロック６１の詳細構造を図３に示す。図３において、偏
光ビームスプリッタ４７は、２つの直角プリズムのうち
の一方の斜面に誘電体多層膜４８を蒸着し、斜面同士を
接合したものであり、自然光たる収束光を偏光方向が互
いに直交する２つの直線偏光光に分離することができ、
その斜面４８を透過する光が透過直線偏光光（Ｐ波成
分）であり、斜面４８で反射された光が反射直線偏光光
（Ｓ波成分）である。偏光ビームスプリッタ４７のＳ波
成分Ｓが反射して出射する側面には全反射プリズム４９
が配され、Ｓ波成分Ｓはこの全反射プリズム４９で直角
に反射して、偏光ビームスプリッタ４７を透過して得ら
れるＰ波成分Ｐと同一方向に平行に射出される。

【００２５】また、全反射プリズム４９の射出側面には
λ／２光学位相板５０が配されており、全反射プリズム
４９より射出されたＳ波成分Ｓはこのλ／２光学位相板
５０によりその偏光面が９０度回転され、Ｐ波成分Ｐ'
に変換され第２のマイクロレンズアレイ３７に向けて出
射される。上記の実施例では直線偏光変換ブロック６１
は、個々のマイクロレンズ３８にそれぞれ対応させて配
置したが、図２の紙面に垂直方向に連続した棒状に形成
したものでもよく、この棒状あるいは個々の直線偏光変
換ブロック６１を適宜の連結部材あるいは接着剤等で一
体に形成して直線偏光変換手段６０としてもよい。

【００２６】第２のマイクロレンズアレイ３７は、その
基本構成は第１のマイクロレンズアレイ３３と同じであ
るが、上下対称に屈折率の異なる４×４個のマイクロレ
ンズ３８から形成されている。即ち、図４にその詳細を
示すように、マイクロレンズアレイ３７の上辺に位置す
る４個のマイクロレンズ群３８ａおよび下辺に位置する
４個のマイクロレンズ群３８ｂはそれぞれ液晶パネル４
０の全面（図１において上下方向）を照射するように入
射光を屈折させ、中心部の２列のマイクロレンズ群３８
ｃおよび３８ｄは液晶パネル４０の半面をそれぞれ照射
するように屈折させる配置となっている。なお、マイク
ロレンズアレイ３７の左右方向（図１において紙面に垂
直方向）における屈折は、互いに重なり合いながら液晶
板４０を４等分して照射するように形成されている。

【００２７】このように第１および第２のマイクロレン
ズアレイ３３、３７および直線偏光変換手段６０を組み
合わせて用いることで、液晶板４０に入射する光量は光
源３１に略等しい光量が確保されると共に、光源３１各
部からの光が重畳されて平均化されるので、照度ムラが
解消される。また、従来装置と異なり自然光を偏光光に
変換するための偏光板を必要としないので、熱による偏
光板劣化の問題も解消することができる。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係る液晶投
射装置は、自然光から直線偏光光を取り出す段階で、第
１および第２のマイクロレンズアレイ、偏光ビームスプ
リッタと全反射プリズムおよびλ／２光学位相板からな
る直線偏光変換ブロックを第２のマイクロレンズアレイ
の各マイクロレンズに対応させてそれぞれ設けてなる直
線偏光変換手段を用いて、偏光方向の異なる２つの直線
偏光光の偏光方向を回転、一致させて合成するように構
成したので、偏向板を使用せず全ての光を一定方向に偏
光した光に変換することができると共に、液晶板を照度
ムラなく照射することができる。この結果、光源光の照
度ムラを防止しながら光の損失がなく光量を増大させる
ことができ、また、従来のごとく偏光板を用いて自然光
を偏光光に変換する際に生じる光吸収による温度上昇に
伴って引き起こす偏光板の劣化の問題も解消することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る液晶投射装置の照明光学系の一実
施形態を示す斜視図である。

【図２】図１の一部拡大図である。

【図３】本発明に係る液晶投射装置の直線偏光変換手段
を示す図である。

【図４】本発明に係る液晶投射装置の第２のマイクロレ
ンズアレイを示す３面図である。

【図５】液晶投射装置全体の従来例を示す模式図であ
る。

【図６】液晶パネルと偏光板の構成を示す図である。

【図７】マイクロレンズアレイを用いた照明光学系の従
来例を示す光路図である。

【図８】直線偏光変換装置を用いた照明光学系の従来例
を示す光路図である。

【符号の説明】

３１光源３２反射鏡３３第１のマイクロレンズアレイ３７第２のマイクロレンズアレイ４０液晶板４１コンデンサレンズ４７偏光ビームスプリッタ４８誘電体多層膜４９全反射プリズム５０ λ／２光学位相板６０直線偏光変換手段６１直線偏光変換ブロック

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＨ０４Ｎ 5/74 Ｈ０４Ｎ 5/74 Ｋ 9/31 9/31 Ｃ (72)発明者内田弘則東京都港区西新橋三丁目20番１号日本アビオニクス株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】回転放物体等の反射鏡を備えた光源手段
と、この光源手段からの略平行な収束光の光軸上に複数
個のマイクロレンズをマトリクス状に形成してなる第１
および第２のマイクロレンズアレイをレンズの光軸を一
致させて所定間隔離間して配設し、その収束光をコンデ
ンサレンズを介して液晶板に入射せしめる照明光学系を
有する液晶投射装置において、前記第２のマイクロレン
ズアレイの前記第１のマイクロレンズアレイに対向する
側面に、前記第２のマイクロレンズアレイの各マイクロ
レンズに対応させて、透過直線偏光光（Ｐ波）と反射直
線偏光光（Ｓ波）に分光する偏光ビームスプリッタとこ
の偏光ビームスプリッタの前記反射直線偏光光の射出面
に対向させて設けた全反射プリズムと該全反射プリズム
の射出面に対向させて設けたλ／２光学位相板とからな
る直線偏光変換ブロックを配設してなる直線偏光変換手
段を設け、前記第１のマイクロレンズアレイからの各光
束を同一位相に変換して第２のマイクロレンズアレイに
入射させることを特徴とする液晶投射装置。
【請求項２】前記直線偏光変換手段は、前記第２のマ
イクロレンズアレイの各マイクロレンズの入射面領域内
にそれぞれ配置されていることを特徴とする請求項１記
載のの液晶投射装置。