(57)【要約】【課題】低コストを図りつつ、偏光素子の熱による投射画像の画質劣化を防止できる。【解決手段】光源からの照射光を複数の色の光に分割する色分割手段と、分割された光をそれぞれ変調する複数の光変調手段と、前記複数の光変調手段によりそれぞれ変調された光を合成する色合成手段と、合成された光を被投射面に投射する投射手段とを具備する投射型表示装置において、前記色合成手段は、偏光素子と基板が貼り合わされた第１のプリズムと、偏光素子が貼り付けられた前記第１のプリズムより体積が大きい第２のプリズムを有している。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からの照射光を複数の色の光に分割する色分割手段と、分割された光をそれぞれ変調する複数の光変調手段と、前記複数の光変調手段によりそれぞれ変調された光を合成する色合成手段と、合成された光を被投射面に投射する投射手段とを具備する投射型表示装置において、前記色合成手段は、偏光素子と基板が貼り合わされた第１のプリズムと、偏光素子が貼り付けられた前記第１のプリズムより体積が大きい第２のプリズムを有する投射型表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光源からの照射光を用いて、光変調手段（液晶パネル）で変調された画像を投射手段（投射レンズ）により被投射面（スクリーン）に拡大投影する、投射型表示装置（液晶プロジェクタ）に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の液晶プロジェクタの構成を図５に示す。
【０００３】
図５において、１は光源ランプであり、例えば高輝度超高圧ランプ、メタルハライドランプ等である。ランプ１から照射された光は、リフレクタ２で反射し、碁盤の目状に配置されたレンズ群の集まりである第１フライアイレンズ３に入射する。その後、全反射ミラー５で反射された光は、第２フライアイレンズ４でさらに集光され、偏光変換素子６に入射する。偏光方向がそろえられた光は、コンデンサレンズ７で集光され、青周波数帯域の光を反射するダイクロイックミラー８に導かれる。
【０００４】
ダイクロイックミラー８により反射された青色光は、全反射ミラー１１でさらに反射させられ、フィールドレンズ２０及び入射側偏光板２３を透過し、青色液晶パネル２６に到達する。一方、青色光反射ダイクロイックミラー８を透過した光は、緑周波数帯域の光を反射するダイクロイックミラー１２で緑色光と赤色光に分離（色分割）される。ダイクロイックミラー１２により反射された緑色光は、フィールドレンズ１９及び入射側偏光板２２を透過し、緑色液晶パネル２５に到達する。ダイクロイックミラー１２を透過した赤色光は、赤色光透過ダイクロイックフィルタ１３で不要な光を除去され、フィールドレンズ１４，１８、リレーレンズ１６、全反射ミラー１５，１７らを通過した後、入射偏光板１８に入射し、赤色液晶パネル２４に到達する。
【０００５】
赤、緑、青の３色の光は、液晶パネル２４，２５，２６にて画像信号に対応した光強度にそれぞれ変調された後、出射側偏光板２７，２８，２９を透過し、ダイクロイック膜が蒸着されたクロスプリズム３０で色合成される。さらに、クロスプリズム３０で合成された光は、投射レンズ３１によって不図示のスクリーン上に拡大投影される。
【０００６】
なお、これらの光学素子は、照明光学ボックス３２内に構成されている。特に、クロスプリズム３０は、形状が同じで、体積が同じである４つのプリズムを貼り合わせて構成されている。
【０００７】
図６は、クロスプリズム３０の周辺部の拡大図である。出射側偏光板２７，２８，２９は、偏光素子４１，４７，３６が透明基板３９，４５，３８に接着剤４０，４６，３７により貼り付けられている。偏光素子は、ヨウ素あるいは有機染料系の２色性物質から成る透明な高分子フィルムであり、これを保持するためにガラス基板等の結晶基板に貼り付けた構成になっている。また、ガラス基板ではなく、フィルム状の偏光素子を直接クロスプリズム３０に貼り付けた構成も知られている。
【０００８】
しかしながら、最近では、プロジェクタに高輝度の投射画像を表示させるため、光源の高輝度化が進められており、特に超高圧水銀ランプの高ワッテージ化が顕著である。また、液晶パネルの高開口率化も急速に進められている。特に、液晶パネルの高開口率化に伴い、光源の輝度を同じレベルに保ったとしても、液晶パネルを透過した後の光量は増加傾向にあり、液晶パネルの出射側偏光板が受ける光量が増加している。特に、ノーマリーホワイトの液晶パネルにおいては、液晶通電時で黒表示の際に出射側偏光板の吸収光量が最も大きくなる。出射側偏光板の吸収光量は熱変換され、出射側偏光板は発熱する。出射側偏光板の発熱状態が長時間続くと、偏光性能が劣化し、コントラストを維持できず、投射画像の画質が劣化してしまう、という問題があった。
【０００９】
この対策として、シロッコファンや軸流ファン等の冷却ファンを設けて出射側偏光板を空冷することが考えられるが、出射側偏光板を十分に冷却するには冷却ファンを大きくしたり、冷却ファンの回転を高くしたりする必要があり、装置自体の大型化、重量化や騒音の問題が新たに発生してしまうことになる。
【００１０】
これに対し、特許文献１には、フィルム状の偏光素子（偏光板シート）の保持用基板としてガラス（熱伝導係数：０．５５〜１．０Ｗ／ｍＫ）を用いる代わりに、熱伝導係数の高いサファイア（熱伝導係数：４２Ｗ／ｍＫ）を用いて、偏光素子で発生した熱をサファイア基板に伝導させて効率的に放熱する方法が提案されている。
【００１１】
さらに、特許文献２には、プロジェクタの光学系を小型化するため、フィルム状の偏光素子とサファイア基板で構成された出射側偏光板を単独で光路に配置するのではなく、図７に示すように、出射側偏光板をクロスプリズム（クロスダイクロイックプリズム）に貼り付けるといった構成が提案されている。特に、この特許文献２では、色合成手段として、４つの同体積のプリズムを貼り合わせたクロスプリズムを用いている。
【００１２】
【特許文献１】
特開平１１−２３１２７７号公報
【特許文献２】
特開２００２−９０８７３号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、偏光素子で発生した熱を効率的に伝導させ放熱するために用いられるサファイアは高価なものである。特に、図７のような構成では、赤色光、緑色光、青色光の各光路に対して、計３枚のサファイア基板をクロスプリズムに貼り付けることになるので、大きなコストアップとなってしまう。
【００１４】
そこで、本発明は、上記の課題を解決するためのもので、低コストを図りつつ、偏光素子の熱による投射画像の画質劣化を防止できる投射型表示装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明に係る投射型表示装置は、光源からの照射光を複数の色の光に分割する色分割手段と、分割された光をそれぞれ変調する複数の光変調手段と、前記複数の光変調手段によりそれぞれ変調された光を合成する色合成手段と、合成された光を被投射面に投射する投射手段とを具備し、前記色合成手段は、偏光素子と基板が貼り合わされた第１のプリズムと、偏光素子が貼り付けられた前記第１のプリズムより体積が大きい第２のプリズムを有するものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
（第１実施例）
本実施例に係る液晶プロジェクタの構成を図１に示す。本実施例では、色合成手段として、３つの異なる体積のプリズムを貼り合わせた３Ｐ（ピース）プリズムを用いている。
【００１７】
図１において、５１は光源ランプであり、例えば高輝度超高圧ランプ、メタルハライドランプである。ランプ５１から照射された光は、リフレクタ５２で反射し、第１フライアイレンズ５３に入射する。その後、全反射ミラー５５で反射された光は、第２フライアイレンズ５４でさらに集光され、偏光変換素子５６入射する。偏光方向がそろえられた光は、コンデンサレンズ５７で集光され、青周波数帯域の光を反射するダイクロイックミラー５８に導かれる。
【００１８】
ダイクロイックミラー５８により反射された青色光は、全反射ミラー６１でさらに反射させられ、フィールドレンズ７３及び入射側偏光板６３を透過し、青色液晶パネル７７に到達する。一方、青色光反射ダイクロミラー５８を透過した光は、緑周波数帯域の光を反射するダイクロイックミラー６０で緑色光と赤色光に分離（色分割）される。ダイクロイックミラー６０により反射された緑色光は、フィールドレンズ７２及び入射側偏光板７４を透過し、緑色液晶パネル７６に到達する。ダイクロイックミラー６０を透過した赤色光は、赤色光トリミングフィルタ６２により不要な光を除去され、フィールドレンズ機能を有する自由曲面ミラー６６，６７、凹面鏡６８らを通過した後、透明基板５９及び入射側偏光板７１を透過し、赤色液晶パネル７５に到達する。
【００１９】
赤、緑、青の３色の光は、液晶パネル７５，７６，７７にて画像信号に対応した光強度にそれぞれ変調された後、出射側偏光板７８，６９，７０を透過し、上述した３Ｐプリズム６４で色合成される。さらに、３Ｐプリズム６４で合成された光は、投射レンズ６５によって不図示のスクリーン上に拡大投影される。
【００２０】
なお、これらの光学素子は、照明光学ボックス３２内に構成されている。そして、これらの光学素子、特に、入射側偏光板と出射板偏光板は、紙面下側に設けられた不図示の冷却ファンによって紙面に略垂直な方向に送られる冷却風で空冷されている。
【００２１】
図２は、３Ｐプリズム６４の周辺部の拡大図である。３Ｐプリズム６４は、３つの体積の異なるプリズム９４，９５，９６を貼り合わせて構成されている。これらの中で体積の小さいプリズム（第１のプリズム）９４，９５には、フィルム状の偏光素子８７，９２が接着剤８４，８９によりサファイア基板（熱伝導性の基板）８５，９０に貼り付けられ、さらに、これらが接着剤８４，８９により貼り付けられており、青色光出射側偏光板７０及び緑色光出射側偏光板６９として構成されている。一方、これら３つのプリズムの中で最も体積の大きいプリズム（第２のプリズム）９６には、フィルム状の偏光素子８２が接着剤７９により直接貼り付けられており、赤色光出射側偏光板７８として構成されている。
【００２２】
このように、最も体積の大きいプリズム９６は、他のプリズム９４，９５に比べ、偏光素子８２での発生熱に対する熱容量が大きく、放熱するための表面積も大きいため、プリズム９６の赤色光出射側偏光板７８として高価なサファイア基板を省略しても、投射画像の画質を大きく劣化させることはないのである。そして、このような構成によれば、コストダウンが図られるのである。
【００２３】
また、図２の９７の部分は、青色光出射側偏光板７０と緑色光出射側偏光板６９という２枚の偏光板が近接しており、熱量が非常に高くなる恐れがある。そのため、それぞれの偏光板には、サファイア基板を用いている。一方、赤色光出射側偏光板７８は、３Ｐプリズムの構成上、この９７の部分から離れており、高価なサファイア基板を用いなくても構わないのである。
【００２４】
さらに、液晶プロジェクタで白表示させた場合、各液晶パネルから出射された光の光量は、緑、青、赤の順で小さく、赤色光の光量が最も小さいことが実験的に分かっている。よって、このことからも、赤色光出射側偏光板７８として高価なサファイア基板を省略しても構わないのである。
【００２５】
なお、上記構成では、最も体積の大きいプリズム９６を赤色光用プリズムとして用いているが、ダイクロイックミラー等で構成される色分割手段の設計変更により、赤色光光路と青色光光路を入れ換え、最も体積の大きいプリズム９６を青色光用プリズムとして用いるようにしても良い。
【００２６】
また、上記構成では、サファイア基板を用いているが、サファイアの代わりに、蛍石や水晶等の熱伝導係数（熱伝導率）が１０Ｗ／ｍＫ以上の結晶体を用いるようにしても良い。
【００２７】
さらに、また、上記構成では、色合成手段として、３つの異なる体積のプリズム９４，９５，９６を貼り合わせた３Ｐプリズムを用いているが、図４に示すような４つの異なる体積のプリズム１０１，１０２，１０３，１０４を貼り合わせた４Ｐプリズムを用いるようにしても良い。
【００２８】
ここで、出射側偏光板６９，７０，７８に用いられる接着剤８９，８４，７９について以下説明する。
【００２９】
一般的な接着剤（粘着剤）としては、熱伝導係数が０．２１Ｗ／ｍＫのポリビニルアルコール系樹脂の接着剤や、熱伝導係数が０．２１Ｗ／ｍＫのアクリル系接着剤が知られており、これらの接着剤層の厚さは２５μｍ程度である。また、他の接着剤としては、ウレタン系感圧型接着剤等の感圧型接着剤が知られており、その接着剤層の厚さは１０〜６０μｍ程度である。この感圧型接着剤は、透明で光学的に等方性のある接着剤層を与えるものが好ましい。
【００３０】
本実施例では、このような一般的な接着剤（熱伝導係数：０．２〜０．４Ｗ／ｍＫ）よりもさらに高い熱伝導係数を持つ接着剤を用いるのがより好ましい。特に、熱伝導係数が、ガラスの熱伝導係数（０．５５〜１．０Ｗ／ｍＫ）と同等のものか、あるいは、それ以上のもの（例えば４．２〜５．９Ｗ／ｍＫ）が良い。
【００３１】
なお、熱伝導性の高い接着剤には、セラミックやアルミ等の高熱伝導性の添加物が含まれているものもある。このような不透明な接着剤を用いる場合は、光の通る有効領域ではなく、有効領域の周辺部に接着剤を塗布して、偏光素子、サファイア基板、プリズム等を貼り合わせると良い。また、貼り合わせる際、空気は熱伝導係数が０．０２２Ｗ／ｍＫとかなり熱伝導性が悪いので、特に光の通る有効領域に、空気層が生じないように両側から圧力を加えて密着させるようにすると良い。さらに、サファイア基板またはプリズムに、圧力を加えて密着させたとき接着剤がそこへ入り込むような接着剤だまり用の溝を設けて、空気層が生じないようにすると良い。
【００３２】
一般に、熱伝導を表す式として、
Ｑ＝λ・Ａ・（Ｔ１−Ｔ２）／Ｌ
Ｑ：伝熱量（Ｗ／ｈ）
λ：熱伝導率（Ｗ／ｍｈＫ）
Ａ：接着面積（ｍ２）
Ｔ１：接着層の高温側の温度（°Ｃ）
Ｔ２：接着層の低温側の温度（°Ｃ）
Ｌ：接着層の厚さ（ｍ）
が知られている。ここで、熱伝導係数が０．２１から１．０へ約５倍大きくなると、熱伝導率も約５倍大きくなり、伝熱量も約５倍大きくなる。よって、偏光素子で発生する熱が、サファイア基板または色合成手段のプリズムへ、より効果的に伝達され放熱されることになる。
【００３３】
さらに、本実施例では、液性のＵＶ接着剤（ＵＶ硬化型接着剤）、エポキシ接着剤または熱硬化型のアクリル系接着剤を用いて、接着層の厚さを１０μｍ未満にするのがより好ましい。
【００３４】
ここで、熱硬化型接着剤を用いた場合の接着方法を説明する。接着剤７９によりフィルム状の偏光素子８２をプリズム９６に直接貼り付ける際、ディスペンサ等の計量器具を用いて適量の接着剤７９をプリズム９６の接着面に塗布する。その後、接着面に対して平行に配置された板金を用いて接着面全体に均等な圧力を加えながら偏光素子８２をプリズム９６に押付ける。このとき、温度センサで接着部の温度を検出し、その検出温度に基づいてヒータの出力を管理しながら、接着剤７９を硬化させる。
【００３５】
この接着方法により、接着層の厚さを１０μｍ未満に薄くすることができる。なお、上記の熱伝導の式によれば、接着層の厚さを１／２にできれば、伝熱量は２倍に大きくなり、より効果的な熱伝達、放熱が可能になる。
【００３６】
また、上記の熱伝導の式によれば、接着面積を大きくすることで、伝熱量を大きくすることも考えられる。しかしながら、偏光素子をサファイア基板に貼り付ける場合、高価なサファイアを大きく用いることになり、コストアップしてしまうので、あまり好ましくはない。
【００３７】
これまで、主に出射側偏光板について説明してきた。以下、入射側偏光板について説明する。
【００３８】
図２において、緑色光用の入射側偏光板７４は、接着剤９３によりフィールドレンズ（平凸レンズ）７２に貼り付けられている。一方、３Ｐプリズム６４に形成されたダイクロイック膜は、青色光路及び赤色光路において反射光と透過光で偏光方向の依存性を持つため、液晶パネル７７，７５の入射側に１／２波長板（位相板、位相差板）６３ｂ，７１ｂを配置して、液晶パネル７７，７５に入射する光の偏光方向を９０度回転させる必要がある。よって、青色光用と赤色光用の入射側偏光素子６３ａ，７１ａ、１／２波長板６３ｂ，７１ｂ、および、フィールドレンズ７３，透明基板５９のそれぞれ三者は、接着剤８８，８３により貼り合わせられている。
【００３９】
このとき、入射側偏光板に用いられる接着剤９３，８８，８３として、出射側偏光板に用いられる接着剤８９，８４，７９と同様に、１．０Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導係数を持つ接着剤を用いて、接着層の厚さを１０μｍ未満にするのがより好ましい。
【００４０】
（第２実施例）
本実施例では、上記第１実施例で、青色光用と赤色光用の液晶パネルの入射側に配置された位相板を、液晶パネルの出射側に配置したものである。
【００４１】
図３は、本実施例に係る３Ｐプリズム６４の周辺部の拡大図を示したものであり、第１実施例の図２と同じ構成要素には同符号を付している。
【００４２】
図３において、３Ｐプリズム６４は、３つの体積の異なるプリズム９４，９５，９６を貼り合わせて構成されている。これらの中で最も体積の小さいプリズム９５には、フィルム状の偏光素子９２が接着剤８９によりサファイア基板９０に貼り付けられ、さらに、この両者が接着剤８９により貼り付けられており、緑色光出射側偏光板６９として構成されている。また、これらの中で２番目に体積が小さいプリズム９４には、フィルム状の偏光素子８７ａが接着剤８４により位相板８７ｂに貼り付けられ、この両者が接着剤８４によりサファイア基板８５に貼り付けられ、さらに、この三者が接着剤８４により貼り付けられており、青色光出射側偏光板７０として構成されている。一方、これら３つのプリズムの中で最も体積の大きいプリズム９６には、フィルム状の偏光素子８２ａが接着剤７９により位相板８２ｂに貼り付けられ、この両者が接着剤７９により直接貼り付けられており、赤色光出射側偏光板７８として構成されている。
【００４３】
このように、最も体積の大きいプリズム９６は、他のプリズム９４，９５に比べ、偏光素子８２ａでの発生熱に対する熱容量が大きく、放熱するための表面積も大きいため、プリズム９６の赤色光出射側偏光板７８として高価なサファイア基板を省略しても、投射画像の画質を大きく劣化させることはないのである。そして、このような構成によれば、コストダウンが図られるのである。
【００４４】
ここで、上述した本発明の実施形態を以下に列挙しておく。
（１）光源からの照射光を複数の色の光に分割する色分割手段と、分割された光をそれぞれ変調する複数の光変調手段と、前記複数の光変調手段によりそれぞれ変調された光を合成する色合成手段と、合成された光を被投射面に投射する投射手段とを具備する投射型表示装置において、前記色合成手段は、偏光素子と基板が貼り合わされた第１のプリズムと、偏光素子が貼り付けられた前記第１のプリズムより体積が大きい第２のプリズムを有する投射型表示装置。
（２）前記色合成手段は、体積が異なる３つのプリズム、または、体積が異なる４つのプリズムから成ることを特徴とする上記（１）に記載の投射型表示装置。
（３）前記基板は、サファイア、蛍石および水晶のうちのいずれかから成る熱伝導性基板であることを特徴とする上記（１）に記載の投射型表示装置。
（４）前記第１のプリズムに偏光素子と基板を貼り合わせる際、または、前記第２のプリズムに偏光素子を貼り付ける際に用いられる接着剤の熱伝導係数は、１Ｗ／ｍＫ以上であることを特徴とする上記（１）に記載の投射型表示装置。
（５）前記第１のプリズムに偏光素子と基板を貼り合わせる際、または、前記第２のプリズムに偏光素子を貼り付ける際に用いられる接着剤は、エポキシ接着剤であることを特徴とする上記（１）に記載の投射型表示装置。
（６）前記第１のプリズムに偏光素子と基板を貼り合わせる際、または、前記第２のプリズムに偏光素子を貼り付ける際に用いられる接着剤は、ＵＶ硬化型接着剤または熱硬化型接着剤であることを特徴とする上記（１）に記載の投射型表示装置。
（７）前記第１のプリズムに偏光素子と基板を貼り合わせる際、または、前記第２のプリズムに偏光素子を貼り付ける際の接着層の厚さは、１０μｍ未満であることを特徴とする上記（１）に記載の投射型表示装置。
（８）前記光変調手段の入射側に、平凸レンズに偏光素子を貼り付けた第１の素子、平凸レンズに偏光素子と位相板を貼り合わせた第２の素子、または、基板に偏光素子と位相板を貼り合わせた第３の素子をさらに具備する上記（１）に記載の投射型表示装置。
（９）前記第１のプリズムまたは前記第２のプリズムには、位相板がさらに貼り付けられていることを特徴とする上記（１）に記載の投射型表示装置。
（１０）複数の光を合成する光合成素子において、偏光素子と基板が貼り合わされた第１のプリズムと、偏光素子が貼り付けられた前記第１のプリズムより体積が大きい第２のプリズムを有する光合成素子。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、低コストを図りつつ、偏光素子の熱による投射画像の画質劣化を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る液晶プロジェクタの構成図。
【図２】第１実施例に係る３Ｐプリズムの周辺部の拡大図。
【図３】第１実施例に係る３Ｐプリズムの周辺部の拡大図。
【図４】４つの異なる体積のプリズムを貼り合わせた４Ｐプリズムの構成図。
【図５】従来の液晶プロジェクタの構成図。
【図６】従来技術のある形態に係るクロスプリズムの周辺部の拡大図。
【図７】従来技術の別の形態に係るクロスプリズムの周辺部の拡大図。
【符号の説明】
１，５１  光源
２，５２  リフレクタ
３，４，５３，５４  フライアイレンズ
５，５５  ミラー
６，５６  ＰＳ変換素子
７，５７  コンデンサレンズ
８，１２，５８，６０  ダイクロイックミラー
１１，１５，１７，６１  ミラー
１３，６２：フィルタ、１４  フィールドレンズ
１６  リレーレンズ
１８，１９，２０，７２，７３  フィールドレンズ
２１，２２，２３，６３，７１，７４  入射側偏光板
２４，２５，２６，７５，７６，７７  液晶パネル
２７，２８，２９，６９，７０，７８  出射側偏光板
３０  クロスプリズム
３１，６５  投射レンズ
３２  光学ボックス
３６，４１，４７  偏光素子
３７，４０，４６  接着剤
３８，３９，４５，５９  透明基板
６３ａ，７１ａ，８２，８２ａ，８７，８７ａ，９２  偏光素子（偏光板）
６３ｂ，７１ｂ，７４，８２ｂ，８７ｂ  位相板
６４  ３Ｐプリズム
６６，６７  自由曲面ミラー
６８  凹面鏡
７９，８３，８４，８８，８９，９３  接着剤
８５，９０  サファイア基板
９４，９５，９６，１０１，１０２，１０３，１０４  プリズム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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