(57)【要約】【課題】本発明は、簡単な構造でエテンデューの増加を防止し、短時間の定格以上の大電流を固体発光光源に供給することが可能な投射型液晶表示装置を提供することを目的とする。【解決手段】本発明による投射型液晶表示装置は、交互に時分割駆動する第１のＬＥＤ光源２ａおよび第２のＬＥＤ光源２ｂと、第１のレンズ群７ａおよび第２のレンズ群７ｂから射出された各々の光束を同一の光路上に合成して射出する偏光分離素子１０と、偏光分離素子１０から射出された光束を同一の偏光方向の直線偏光光とする液晶素子１１とを有する照明光学系４と、照明光学系４から射出された光束をスクリーン６に投射する投射光学系５とを備え、液晶素子１１は、第１のＬＥＤ光源２ａおよび第２のＬＥＤ光源２ｂの時分割駆動に同期して交互に偏光方向を変化させることによって、常に同一の偏光方向の直線偏光光を射出することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交互に時分割駆動する第１のＬＥＤ光源および第２のＬＥＤ光源と、
前記第１のＬＥＤ光源および前記第２のＬＥＤ光源から射出された光束をそれぞれ光軸と略並行にする第１のレンズ群および第２のレンズ群と、
前記第１のレンズ群および前記第２のレンズ群から射出された各々の前記光束を同一の光路上に合成して射出する偏光分離素子と、
前記偏光分離素子から射出された前記光束を同一の偏光方向の直線偏光光とする液晶素子と、
前記液晶素子から射出した前記直線偏光光を液晶ライトバルブに導くリレーレンズと、
を有する照明光学系と、
前記照明光学系から射出された前記光束をスクリーンに投射する投射光学系と、
を備え、
前記液晶素子は、前記第１のＬＥＤ光源および前記第２のＬＥＤ光源の前記時分割駆動に同期して交互に偏光方向を変化させることによって、同一の偏光方向の直線偏光光を射出することを特徴とする、投射型液晶表示装置。
【請求項２】
前記リレーレンズと前記液晶ライトバルブとの間に設けられ、前記リレーレンズから射出された前記光束のうち同一の偏光光を前記液晶ライトバルブへ透過させるとともに、前記液晶ライトバルブから射出された前記偏光光と９０度偏光方向が異なる光束を前記投射光学系へ反射する反射型偏光板をさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載の投射型液晶表示装置。
【請求項３】
前記第１のレンズ群および前記第２のレンズ群の各々は複数のレンズを有し、前記リレーレンズは複数のレンズを備えることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の投射型液晶表示装置。
【請求項４】
前記照明光学系は、前記第１のＬＥＤ光源および前記第２のＬＥＤ光源の直後に前記ライトバルブへの照度分布を均一にする空洞内面反射鏡をさらに備えることを特徴とする、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の投射型液晶表示装置。
【請求項５】
前記液晶素子は、無機配向膜で形成されたＶＡ液晶であることを特徴とする、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の投射型液晶表示装置。
【請求項６】
前記液晶素子が立ち上がり始めてから完全に立ち上がるまでの期間、および前記液晶素子が立ち下がり始めてから完全に立ち下がるまでの期間において、前記第１のＬＥＤ光源および前記第２のＬＥＤ光源を同時に駆動させることを特徴とする、請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の投射型液晶表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、投射型液晶表示装置に関し、特に、ＬＥＤ光源を用いた投射型液晶表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
投射型液晶表示装置の光源に用いられるＬＥＤは、長寿命、制御が容易、点灯してから明るさが安定するまでにかかる時間が短時間であるという利点がある。ＬＥＤ光源は明るさが飛躍的に向上しているが、従来から光源として用いられている高圧水銀ランプと比較すると明るさが低いため、明るさの向上が問題となっている。
【０００３】
このような問題に対しては、交番発光される複数の固体発光光源と、各個体発光光源から射出された発光光を所定の同一光路に導光する回動駆動手段を備え、短時間の定格以上の大電流を固体発光光源に供給することによってエテンデューの増加を防止し、明るさを向上させる投射型表示装置がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−９９０３７号公報（第７、８頁、第２図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載の投射型表示装置では、固体発光光源を短時間で高精度に同一光路上に配置することが困難である。また、回動駆動手段は装置が複雑になるという問題があった。
【０００６】
本発明は、これらの問題を解決するためになされたもので、簡単な構造でエテンデューの増加を防止し、短時間の定格以上の大電流を固体発光光源に供給することが可能な投射型液晶表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するために、本発明による投射型液晶表示装置は、交互に時分割駆動する第１のＬＥＤ光源および第２のＬＥＤ光源と、第１のＬＥＤ光源および第２のＬＥＤ光源から射出された光束をそれぞれ光軸と略並行にする第１のレンズ群および第２のレンズ群と、第１のレンズ群および第２のレンズ群から射出された各々の光束を同一の光路上に合成して射出する偏光分離素子と、偏光分離素子から射出された光束を同一の偏光方向の直線偏光光とする液晶素子と、液晶素子から射出した直線偏光光を液晶ライトバルブに導くリレーレンズとを有する照明光学系と、照明光学系から射出された光束をスクリーンに投射する投射光学系とを備え、液晶素子は、第１のＬＥＤ光源および第２のＬＥＤ光源の時分割駆動に同期して交互に偏光方向を変化させることによって、常に同一の偏光方向の直線偏光光を射出することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明は、請求項１に記載のように、偏光分離素子は第１のレンズ群および第２のレンズ群から射出された各々の光束を同一の光路上に合成して射出し、液晶素子は偏光分離素子から射出された光束を同一の偏光方向の直線偏光光とし、液晶素子は、第１のＬＥＤ光源および第２のＬＥＤ光源の時分割駆動に同期して交互に偏光方向を変化させることによって、常に同一の偏光方向の直線偏光光を射出するので、簡単な構造でエテンデューの増加を防止し、短時間の定格以上の大電流を固体発光光源に供給することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の実施形態について、図面を用いて以下に説明する。
【００１０】
図１は、本発明の実施形態による投射型液晶表示装置１の構成図である。図１に示すように、照明光学系４は、ライトバルブ３（液晶ライトバルブ）と、ライトバルブ３に照射するように配置されて交互に時分割駆動する光源２ａ（第１のＬＥＤ光源）および光源２ｂ（第２のＬＥＤ光源）と、光源２ａおよび光源２ｂから射出された光束をそれぞれ光軸（Ｃ１、Ｃ２）と略並行にするレンズ群７ａ（第１のレンズ群）およびレンズ群７ｂ（第２のレンズ群）と、レンズ群７ａおよびレンズ群７ｂから射出された各々の光束を同一の光路上に合成して射出する偏光分離素子１０と、偏光分離素子１０から射出された光束を同一の偏光方向の直線偏光光とする液晶素子１１と、液晶素子１１から射出した直線偏光光を液晶ライトバルブ３に導くリレーレンズ８と、リレーレンズ８とライトバルブ３との間に設けられ、リレーレンズ８から射出された光束のうち同一の偏光光をライトバルブ３へ透過させるとともに、ライトバルブ３から射出された前記偏光光と９０度偏光方向が異なる光束を投射光学系５へ反射する反射型偏光板９とから構成される。
【００１１】
また、投射型液晶表示装置１は、ライトバルブ３の後段に配置された投射光学系５と、投射光学系５の後段に配置されたスクリーン６とをさらに備えており、照明光学系４から射出された光は投射光学系５を経てスクリーン６に投射される。なお、図１に示す投射型液晶表示装置１は、光源２ａおよび光源２ｂが１色の光路に関する構成を示しているが、赤、緑、青の各色についても各々照明光学系４を経て、照明光学系４の後段に備えられた光合成素子（図示せず）によって各色の画像光を合成した後に投射光学系５によってスクリーン６に投射させるようにしてもよい。
【００１２】
ライトバルブ３は、投射する画像光の各画素に対応する多数（例えば、数十万個）の液晶表示素子を平面的に配列したものであり、画素情報に応じて各液晶表示素子を動作させることによって、入射してきた光に基づいて画像光を射出する。なお、本発明の実施形態ではライトバルブ３として反射型液晶ライトバルブを用いたが、透過型液晶表示素子のようなライトバルブであってもよい。
【００１３】
光源２ａおよび光源２ｂは、本発明の実施形態ではＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）を用いているが、レーザなど時分割駆動が可能な固体発光光源であればよい。
【００１４】
レンズ群７ａおよびレンズ群７ｂは、光源２ａおよび光源２ｂから入射した光束を広げ、レンズ群７ａおよびレンズ群７ｂから射出する光束がそれぞれ光軸Ｃ１および光軸Ｃ２と略並行になるようにしている。なお、本発明の実施形態ではレンズ群７ａおよびレンズ群７ｂのレンズ枚数は３枚であるが、各々のレンズ群から射出される光束が広がれば任意の複数のレンズを備えてもよい。ただし、レンズ群７ａおよびレンズ群７ｂの構成（レンズ枚数、レンズ間隔、レンズ曲率）は、同一であることが好ましい。
【００１５】
レンズ群７ａおよびレンズ群７ｂから射出された光束は、リレーレンズ８によってライトバルブ３に集光される。なお、本発明の実施形態ではリレーレンズ８は１枚であるが、各々のレンズ群から射出された光束がライトバルブ３に集光されれば複数のレンズを備えてもよい。
【００１６】
図２は、反射型偏光板９の概略図の一例を示している。反射型偏光板９は、２種類の直線偏光光を分離する特徴を有している。図２に示すように、反射型偏光板９に入射したｐ偏光光およびｓ偏光光は、ｓ偏光光は反射されてｐ偏光光は透過する。このとき、反射型偏光板９は入射角度依存性が小さいため、概ね全てのｓ偏光光が反射される。反射型偏光板９を透過したｐ偏光光はライトバルブ３に照射され、ライトバルブ３にてｓ偏光光に変換された後に反射型偏光板９に射出する。ライトバルブ３から射出されたｓ偏光光は反射型偏光板９に反射されて投射光学系５に射出される。
【００１７】
図３は、偏光分離素子１０の概略図を示している。偏光分離素子１０は、２種類の直線偏光光を分離する特徴を有している。図３に示すように、偏光分離素子１０に入射したｐ偏光光およびｓ偏光光は、ｓ偏光光は反射されてｐ偏光光は透過する。このとき、偏光分離素子１０は入射角度依存性が反射型偏光板９よりも大きいため、偏光分離素子１０には略並行の光束を入射させることが好ましい。ここで、光軸Ｃ１と光軸Ｃ２とは直交しており、偏光分離素子１０より後段は同一の光軸となる。従って、偏光分離素子１０からはｐ偏光光およびｓ偏光光が射出される。なお、偏光分離素子１０は、照明光学系４の光路上において光束が広がった位置および光束が光軸に対して略並行となる位置に配置することが好ましい。
【００１８】
図４は、液晶素子１１の動作を示す図である。図中、レンズ群７ａおよびレンズ群７ｂは省略している。図４（ａ）は、光源２ａが点灯している場合について示している。図４（ａ）に示すように、反射型偏光板９に入射させる偏光光をｐ偏光光とするために、液晶素子１１から射出する偏光光をｐ偏光光としなければならない。液晶素子１１では、液晶を入射面と射出面の液晶分子の配列方向がｘｙ平面に対して垂直に配列した状態（垂直配向）で保持しており、偏光分離素子１０を透過してきたｐ偏光光をそのまま液晶素子１１でも透過させる。図４（ｂ）は、光源２ｂが点灯している場合について示している。図４（ｂ）に示すように、反射型偏光板９に入射させる偏光光をｐ偏光光とするために、液晶素子１１から射出する偏光光をｐ偏光光としなければならない。液晶素子１１では、液晶分子の配列方向をｘｙ平面において射出面が入射面に対して９０度ねじれた状態で保持しており、偏光分離素子１０を反射してきたｓ偏光光をｐ偏光光に偏光する。光源２ａおよび光源２ｂは時分割駆動しているため、光源２ａおよび光源２ｂの点灯に同期して液晶素子１１を図４（ａ）および図４（ｂ）のように動作させことによって、液晶素子１１からは常にｐ偏光光が射出される。
【００１９】
なお、本発明の実施形態において、光源は２つであるため、それぞれの光源は５０％の時分割駆動となる。例えば、ライトバルブ３が１２０Ｈｚで駆動する場合、光源２ａ、光源２ｂ、液晶素子１１は２４０Ｈｚで駆動することが好ましい。また、本発明の実施形態で用いた液晶素子１１は透過型液晶であればよく、ＴＮ（Ｔｗｉｓｔｅｄ  Ｎｅｍａｔｉｃ）素子やＶＡ（Ｖｅｒｔｉｃａｌｌｙ  Ａｌｉｇｎｅｄ）素子などであってもよいが、安定した動作をする無機配向膜で形成されたＶＡ液晶を用いることが好ましい。
【００２０】
上記のような投射型液晶表示装置の構成および動作とすることによって、光源２ａおよび光源２ｂを時分割駆動することが可能となるため、各光源に対して短時間ごとの定格以上の大電流を供給することができ、各光源から射出する光束量を増加させることが可能となる。また、偏光分離素子１０にて光源２ａおよび光源２ｂから射出された光束を同一の光路上に合成するため、光束が広がることもなく、エテンデューが増加することもない。
【００２１】
図５は、液晶素子１１の立ち上がりおよび立ち下がり特性を示す図である。縦軸は液晶の立ち上がり量を示し、横軸は時間を示している。図５に示すように、一般的に液晶素子１１は、液晶分子の立ち上がりおよび立ち下がりに多少の時間がかかる。従って、液晶素子１１が立ち上がり始めてから完全に立ち上がるまでの期間（Ｒ１、Ｒ２）、および液晶素子１１が立ち下がり始めてから完全に立ち下がるまでの期間（Ｓ１、Ｓ２）において、光源２ａおよび光源２ｂを同時に駆動させることによって、液晶素子１１の応答速度特性の影響を小さくすることが可能となる。このとき、液晶素子１１からはｐ偏光光とともにｓ偏光光も同時に射出されるが、反射型偏光板９にてｓ偏光光が反射されるためｓ偏光光がライトバルブ３に入射することはない。なお、光源２ａおよび光源２ｂは時分割駆動であれば定格以上の大電流を流すことが可能であり、光源２ａおよび光源２ｂを同時に駆動する期間が短時間存在しても問題はない。
【００２２】
次に、エテンデューについて説明する。エテンデューは光源の面積と発散角との積で表され、光源の有効エテンデューはライトバルブ３の面積と照明光学系４のＦナンバ（取り込み角）により規定される。光源の面積を大きくすると有効発散角が小さくなるため、ライトバルブ３に取り込める光束量が少なくなってしまう。従って、光源から射出された光束をできるだけ多く取り込むためには、光源の面積を大きくすることは避ける必要がある。図６は、光源２ａとライトバルブ３とのエテンデューの関係を示す図である。図６に示すように、レンズ６１は光源２ａから射出された光束をライトバルブ３に集光する。光源２ａの面積をＳ１、ライトバルブ３の面積をＳ２とすると、以下の式（１）の関係が成り立つ。
Ｓ１×ｓｉｎ2（θ１）＝Ｓ２×ｓｉｎ2（θ２）    ・・・（１）
【００２３】
光軸Ｃ１と光軸Ｃ２とは直交しているので偏光分離素子１０から射出される光束は同一光路となり、エテンデュー（ここでは面積）は増加しない。なお、図６では光源２ａからの光束について説明したが、光源２ｂからの光束についても同様である。
【００２４】
図７は、本発明の実施形態による照明光学系４の構成図である。図中、反射型偏光板９、偏光分離素子１０、液晶素子１１は省略している。図７に示すように、光源２ａから射出した光束は、レンズ群７ａおよびリレーレンズ８を経てライトバルブ３に集光している。図中の７１は、光源２ａから射出された光束の軌跡である。光源２ａの形状を矩形とすることによって、光源２ａからライトバルブ３までの光路上において矩形変換を行うことなく、光源２ａからの光束をライトバルブ３に結像させることが可能となる。従って、光源２ａの形状が矩形の場合は、光源２ａとライトバルブ３とを共役関係にすることによって効率良く光源２ａの光束を取り込むことが可能となる。一方、矩形変換と照度分布均一化作用を有する柱状光学素子を用いた場合では、光源２ａの光束を柱状光学素子に集光させる必要があり、集光時の取り込み効率を１００％とすることは困難であるため、ライトバルブ３に照射される光束量が柱状光学素子での取り込み効率分だけ減少する。また、柱状光学素子と同様の作用を有するレンズアレイを用いた場合では、矩形状のレンズが縦横に配列されており、レンズ同士の接合部が無効領域となるため、接合部における光束量の損失が生じる。従って、光源２ａの形状を矩形とする図７に示すような構造が最も光束量の損失が少ない光学系となる。
【００２５】
図８は、本発明の実施形態による照明光学系４の構成図である。図７に示す照明光学系４では光源２ａの形状を矩形にしなければならないが、図８に示すように光源２ａの直後に矩形状の柱状光学素子８１を配置することによって、光源２ａの形状に関わらずに光源２ａから射出された光束を効率良くライトバルブ３に取り込むことが可能になる。なお、光源２ａの発光面に配線および結晶欠陥などが観察される場合には、光源２ａと同サイズ同形状（矩形形状の場合のｘｙ平面）の柱状光学素子８１を光源２ａの直後に配置することによって光源２ａの発光面の照度むらをなくし、効率良くライトバルブ３に取り込むことが可能となる。このとき、光源２ａと柱状光学素子８１との間隔は狭い方が好ましい。図８では光源２ａの場合について示したが、光源２ｂについても同様である。
【００２６】
また、図８において、８２は光源２ａから射出した光束の軌跡を示している。図８に示すように、柱状光学素子８１の射出端８１ｂとライトバルブ３とは共役関係となるため、ライトバルブ３上の照度分布は均一となる。柱状光学素子８１は、光源２ａから射出された光束の光束断面内（光軸Ｃ１の中心光に直交する平面内）における強度分布を均一化（照度むらを低減）する。一般的な柱状光学素子８１には、ガラスまたは樹脂などの透明材料が用いられて側壁内側が全反射面となるように構成され、透明材料と空気界面との全反射作用を利用して光を複数回反射させた後に射出端８１ｂ（射出口）から射出する四角柱状のロッド（断面形状が四辺形の柱状部材）、または光反射面を内側にして筒状にして組み合わされて断面形状が四辺形のパイプ（管状部材）であり、内側を向く表面鏡の反射作用を利用して光を複数回反射させた後に射出口から射出する四角形のパイプといった、空洞内面反射鏡がある。柱状光学素子８１は、光の進行方向に沿って適当な長さを確保すれば、柱状光学素子８１の内側で複数回反射した光が柱状光学素子８１の射出端８１ｂの近傍に重畳照射されるため、射出端８１ｂの近傍では略均一な強度分布が得られる。このようにして得られた光を、レンズ群７ａおよびリレーレンズ８によってライトバルブ３に導く。
【００２７】
以上のことから、光源２ａおよび光源２ｂからライトバルブ３までの中途の光路上に、レンズアレイや柱状光学素子８１などのような光強度均一素子を配置しないことが好ましい。しかし、光源２ａおよび光源２ｂの直後であれば、柱状光学素子８１を配置してもよい。そうすることによって、ライトバルブ３に対して略均一な強度分布の光を照射することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施形態による投射型液晶表示装置の構成図である。
【図２】反射型偏光板の概略図である。
【図３】偏光分離素子の概略図である。
【図４】液晶素子の動作を示す図である。
【図５】液晶素子の立ち上がりおよび立ち下がり特性を示す図である。
【図６】光源とライトバルブとのエテンデューの関係を示す図である。
【図７】本発明の実施形態による照明光学系の構成図である。
【図８】本発明の実施形態による照明光学系の構成図である。
【符号の説明】
【００２９】
１  投射型液晶表示装置、２ａ  光源、２ｂ  光源、３  ライトバルブ、４  照明光学系、５  投射光学系、６  スクリーン、７ａ  レンズ群、７ｂ  レンズ群、８  リレーレンズ、９  反射型偏光板、１０  偏光分離素子、１１  液晶素子、６１  レンズ、７１  光束の軌跡、８１  柱状光学素子、８２  光束の軌跡。
【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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【図８】
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