JPH08220531A - 液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】作製が容易で、小型の液晶表示装置を提供す
る。 【構成】プリズムシート５は光源１からの光の進行方向
を変化させ、ホログラムブロック９に所定の角度で入射
させる。ホログラムブロック９には、第１のホログラム
素子１０，第２のホログラム素子１１が形成されてい
る。第１のホログラム素子１０は入射してきた光をｐ偏
光光とｓ偏光光とに分離し、ｐ偏光光はそのまま透過さ
せ、ｓ偏光光は１次回折させる。第２のホログラム素子
１１はｐ偏光光をそのまま透過させ、ｓ偏光光を１次回
折させる。ミラー１３は第２のホログラム素子１１の外
方に進むｐ偏光光を反射する。以上により、プリズムシ
ート１２の中央部にはｓ偏光光が入射し、端部にはｐ偏
光光が入射する。プリズムシート１２はそのｐ偏光光，
ｓ偏光光を略平行光に変換する。λ／２偏光板２９はｐ
偏光光の光路中に配置され、その偏光方向を９０°回転
してｓ偏光光に変換する。偏光変換光学系２を出射した
ｐ偏光光，ｓ偏光光は液晶表示パネル３を照明する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は透過型の液晶表示パネル
と光源とを備えた液晶表示装置に関し、特に、小型で高
輝度な液晶表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、透過型の液晶表示パネルに光
源からの光を入射させて、画像の表示を行う液晶表示装
置が知られている。この液晶表示装置には、液晶表示パ
ネルの表示面を画面とするタイプのものと、液晶表示パ
ネルを透過した画像光を投射レンズによりスクリーンに
拡大投影する投影タイプのものとがある。

【０００３】従来、上記の両タイプのものはいずれも光
源からの光をそのまま液晶表示パネルに入射する構成と
なっている。しかしながら、上記構成では、光源からの
光の輝度に比して、表示画像の輝度が著しく低くなると
いう問題がある。これは、液晶表示パネルがその入射面
と出射面とに偏光板を具備しており、入射面側の偏光板
を透過する直線偏光光のみが液晶表示パネルに入射する
ため、不定偏光光である光源からの光は、入射面側の偏
光板が理想的なものであったとしても、最大で５０％し
か使用されないことに起因する。

【０００４】上記の問題点を解決するために、光源の不
定偏光光を高い光利用効率で直線偏光光に変換する偏光
変換光学系を用いた液晶表示装置が知られている（特開
昭６１−９０５８４号公報）。図１１は、その液晶表示
装置を示す構成図である。偏光変換光学系５６は光源５
１からの投射光を偏光方向が互いに直交する２つの直線
偏光光であるｐ偏光光Ｂ_p とｓ偏光光Ｂ_s とに分離する
偏光分離面５２が形成された偏光ビームスプリッター５
５と、ｓ偏光光Ｂ_s を反射させるプリズムの全反射面５
３と、ｓ偏光光Ｂ_s の光路中に配置され、ｓ偏光光Ｂ_s
の偏光方向を９０゜回転してｐ偏光光Ｂ’_p に変換する
λ／２偏光板５４と、液晶表示パネル５７により構成さ
れる。

【０００５】この構成により、光源５１からの不定偏光
光である投射光はすべてｐ偏光光に揃えられ、液晶表示
パネル５７を効率よく照明することができる。

【０００６】図１２は偏光変換光学系５６からの出射ビ
ームが液晶表示パネル５７に入射したときの、表示面５
７ｓ上でのビーム形状を示す図である。このように、
４：３あるいは１６：９の表示面５７ｓの全面を照明す
ることができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、液晶表示装
置に使用する液晶表示パネルの大きさは、ある程度の解
像度を確保する必要があるため、通常３インチ〜４イン
チ以上である。

【０００８】従来の液晶表示装置では、偏光変換光学系
５６の偏光ビームスプリッター５５の光入射面５５ｓの
面積は液晶表示パネル５７の表示面５７ｓの面積の１／
２程度である必要があり、液晶表示パネル５７が３イン
チ〜４インチであるとしても、かなり大きなものとなっ
てしまう。

【０００９】偏光ビームスプリッタ５５が大きくなる
と、偏光分離面５２の面積が大きくなり、そこに均一な
偏光分離性能を持たせることが困難となる。このため、
偏光ビームスプリッタ５５でのｐ偏光光・ｓ偏光光の分
離効率が低くなり、液晶表示パネル５７での入射光の利
用効率が低くなってしまう。また、偏光ビームスプリッ
タ５５の体積が大きくなると作製にコストがかかるとい
う問題もある。

【００１０】更に、偏光ビームスプリッタ５５の厚さが
大きくなるため、液晶表示装置が大型化してしまうとい
う問題もある。

【００１１】本発明は、以上の点に鑑み、作製が容易で
小型の高輝度液晶表示装置を提供することを目的とす
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の液晶表
示装置は、光源から前記液晶表示パネルへの入射光の光
路中に、入射光をｐ偏光光とｓ偏光光とに分離するホロ
グラム素子を備えた偏光変換光学系を設けたことを特徴
としている。

【００１３】請求項２に記載の液晶表示装置は、光源か
らの光の進行方向を変化させて、所定の角度で出射する
第１のプリズムシートと、第１のプリズムシートから出
射した光をｐ偏光光とｓ偏光光とに分離して、ｐ偏光光
を透過させると共に、ｓ偏光光を１次回折させる第１の
ホログラム素子と、第１のホログラム素子と略平行に配
置され、前記第１のホログラム素子から出射したｐ偏光
光を透過させると共に、ｓ偏光光を１次回折させる第２
のホログラム素子と、第２のホログラム素子に略垂直
に、その後方に配置され、第２のホログラム素子の外方
に進行するｐ偏光光を反射する光反射素子と、第２のホ
ログラム素子からの出射光及び光反射素子により反射さ
れた光を略平行光に変換し、液晶表示パネルへと出射す
る第２のプリズムシートと、液晶表示パネルに入射する
ｐ偏光光とｓ偏光光のどちらか一方の光路中に配置さ
れ、その偏光面を９０゜回転する偏向回転素子と、から
なる偏光変換光学系を備えてなることを特徴としてい
る。

【００１４】

【作用】請求項１に記載の液晶表示装置では、光源から
の不定偏光光を直線偏光光に変換する手段としてホログ
ラム素子を用いている。ホログラム素子は、ＩＣの作製
において一般的に行われている方法により、比較的容易
に均一に作製することができる。従って、従来のビーム
スプリッタを用いた場合のように偏光分離面の不均一に
起因する変換効率の低下が生じず、液晶表示パネルを効
率良く照明することができ、液晶表示装置の輝度が増大
する。

【００１５】また、請求項２に記載の液晶表示装置によ
れば、光源からの不定偏光光を直線偏光光に変換するた
めの偏光変換光学系を小型化することができ、装置自体
を小型にすることができる。

【００１６】

【実施例】以下に、本発明の実施例を図に基づいて説明
する。

【００１７】図１は、本発明の液晶表示装置を示す概略
構成図である。本液晶表示装置は光源１、偏光変換光学
系２及び液晶表示パネル３を備えている。偏光変換光学
系２は、第１のプリズムシート５，第２のプリズムシー
ト１２、入射面，出射面に第１のホログラム素子１０，
第２のホログラム素子１１が形成されたホログラムブロ
ック９、ミラー１３、偏向回転素子（ここではλ／２偏
光板を使用）２９により構成されている。

【００１８】図２は偏光変換光学系２の動作を説明する
部分拡大図である。以下に図１，２に基づいて、偏光変
換光学系２の動作を説明する。

【００１９】第１のプリズムシート５は頂角が６０゜に
設定されており、光源１からの入射光Ｂ₁ の進行方向を
その頂角が６０°のプリズム面５ａ，５ｂにより変化さ
せ、ホログラムブロック９に±６０゜の角度で入射させ
る。これは、一般に、±６０°の角度で入射させた場合
に、ホログラム素子での回折効率が高くなるからであ
る。

【００２０】第１のホログラム素子１０は、入射光Ｂ₁
をｐ偏光光Ｂ_{1 p} とｓ偏光光Ｂ_{1 s}とに分割し、ｐ偏光
光Ｂ_{1 p} はそのまま透過させ、ｓ偏光光Ｂ_{1 s} は１次回
折させる。尚、ホログラムブロック９内に入射した光
は、ガラスの屈折率により、入射角（±６０゜）とは異
なる角度で伝搬する。

【００２１】第１のホログラム素子１０を透過したｐ偏
光光Ｂ_{1 p} 及びｓ偏光光Ｂ_{1 s} は、第２のホログラム素
子１１に入射し、そこで、ｐ偏光光Ｂ_{1 p} はそのまま透
過し、ｓ偏光光Ｂ_{1 s} は再び１次回折されて、ホログラ
ムブロック９から出射する。

【００２２】そして、ｐ偏光光Ｂ_{1 p} のうち第２のホロ
グラム素子１１の端から外方へ進む光はミラー１３によ
り全反射され（図２には示していない）、その他の光は
そのまま進行して、第２のプリズムシート１２に入射す
る。その第２のプリズムシート１２は頂角が６０゜に設
定されており、上記入射してきた光を略平行光に変換し
て出射する。

【００２３】そして、ｓ偏光光Ｂ_{1 s} はλ／２偏光板２
９により偏光面を９０゜回転され、ｐ偏光光Ｂ’_{1 p} と
なり、ｐ偏光光Ｂ_{1 p} と共に偏光変換光学系２から出射
し、液晶表示パネル３を照明する。このλ／２偏光板２
９は第２のプリズムシート１２の前に配置しても良い。

【００２４】図３（ａ）は上記構成の偏光変換光学系２
において、ｐ偏光光Ｂ_{1 p} が通り得る領域Ｘを示す図で
あり、図３（ｂ）はｓ偏光光Ｂ_{1 s} が通り得る領域Ｙを
示す図である。このように偏光変換光学系２では、第２
のプリズムシート１２上において、ｐ偏光光Ｂ_{1 p} とｓ
偏光光Ｂ_{1 s} が入射する領域が完全に分離されており、
ｐ偏光光Ｂ_{1 p} は第２のプリズムシート１２の端部に入
射し、ｓ偏光光Ｂ_{1 s}は第２のプリズムシート１２の中
央部に入射する。このため、ｓ偏光光Ｂ_{1 s} のみをλ／
２偏光板２９により９０゜回転させることができ、出射
光の偏光方向を揃えることができる。

【００２５】以上のように、本例では、第１のホログラ
ム素子１０及び第２のホログラム素子１１を用いて、光
源１からの光の偏光方向を変換している。これらのホロ
グラム素子１０，１１は、ＩＣの作製において一般的に
行われている方法を用いて、ガラス板の両面にホログラ
ム格子溝を掘ることにより比較的容易に均一に作製する
ことができる。従って、図１１の従来例のビームスプリ
ッタ５５を用いた場合のように偏光分離面の不均一に起
因する変換効率の低下が生じず、液晶表示パネル３を効
率良く照明することができ、液晶表示装置の輝度が増大
する。

【００２６】また、本例の偏光変換光学系２によれば、
液晶表示パネル３の表示面３ｓでのビーム形状は図４の
ようになり、入射光がほとんど無駄なく液晶表示用に使
用される。このため、図１２に示した従来のものより
も、光利用効率が増大する。

【００２７】尚、本例では偏光変換光学系２により光源
１からの入射光をすべてｐ偏光光に揃えているが、λ／
２偏光板２９の配置を変えることにより、ｓ偏光光に揃
えることも可能である。

【００２８】図５は、本発明の液晶表示装置の偏光変換
光学系の他の例を示す構成図である。この偏光変換光学
系２’は、図１に示した偏光変換光学系２のホログラム
ブロック９の替わりに、片面に第１のホログラム素子の
形成された第１のホログラム板３０と、第２のホログラ
ム素子の形成された第２のホログラム板３１を用いてい
る。このため、ガラスの屈折率に起因した偏光変換光学
系の厚みの増大を、図１の場合よりも抑制することがで
きる。この偏光変換光学系２’を使用すれば、入射角が
±６０゜の場合、偏光変換光学系の厚さを図１１に示し
た従来例の約√３／３倍にまで減少させることができ
る。

【００２９】図６は、偏光変換光学系の更に他の例を示
す構成図である。この偏光変換光学系６６はホログラム
板６１，６２，６３，６４とλ／２偏光板６５により構
成されている。ホログラム板６１，６２は光源からの光
が±６０゜の角度で入射するように配置されており、そ
こで、入射光をｐ偏光光Ｂ_{3 p} とｓ偏光光Ｂ_{3 S} とに分
離する。ｐ偏光光Ｂ_{3 p} はそのまま直進し、λ／２偏光
板６５により偏光面が９０゜回転されてｓ偏光光Ｂ’_3
s となり、偏光変換光学系６６から出射される。ｓ偏光
光Ｂ_{3 s} はホログラム板６１，６２により１次回折され
た後、ホログラム板６３，６４に入射し再度１次回折さ
れ、偏光変換光学系６６から出射する。

【００３０】この偏光変換光学系６６においても、図
１，図５に示した偏光変換光学系２，２’と同様に、光
源からの不定偏光光を偏光面の揃った直線偏光光に変換
し、効率よく液晶表示パネルに入射することができる。
但し、この偏光変換光学系６６では、その厚さが従来例
のものよりも厚くなる。

【００３１】尚、本発明の液晶表示装置に使用する偏光
変換光学系は、図１，図５，図６に示したもの限るもの
ではなく、ホログラム素子を用いて入射光の偏光方向を
揃えることのできるものであれば良い。

【００３２】また、以上の例ではホログラム素子への光
の入射角が６０゜の場合について記したが、本発明はこ
れに限るものではなく、図１，図５の偏光変換光学系
２，２’の場合、入射角をより大きく設定すれば、その
厚さを一層薄くすることができる。但し、光の入射角に
応じてホログラム素子の形状を調整して、その入射角に
対するｓ偏光光の回折効率とｐ偏光光の透過効率がある
程度以上となるようにしなければならない。

【００３３】以上が本発明の液晶表示装置の概略である
が、以下に光の入射角が６０°の場合におけるホログラ
ム素子の形状の具体例と、本発明の液晶表示装置を投射
型の液晶表示装置に適用した例を示す。

【００３４】ホログラム素子の形状としては、例えば、
図７（ａ）に示す正弦波形状のものや、７（ｂ）に示す
矩形形状のものがある。図中、ｄはピッチを示してお
り、ｈは深さを示している。

【００３５】まず、図７（ａ）に示した形状のホログラ
ム素子について説明する。図８はその回折特性を数値計
算した結果を示すグラフである。これは、ホログラム素
子の屈折率はｎ＝１．６６とし、ブラッグ入射角θ_B ＝
ｓｉｎ^{- 1} （λ／２ｄ）で回折した場合における回折効
率の計算結果である（λは入射光の波長）。縦軸は透過
の１次回折波の回折効率を示しており、横軸はλをｄで
割った値である。また、ここではｈ／ｄが１．５（図８
（ａ））と２．０（図８（ｂ））の場合について計算し
ている。

【００３６】図８よりλ／ｄ＝１．０〜１．２以上の領
域でｐ偏光光の回折効率がｓ偏光光の回折効率よりも小
さくなり、ｐ偏光光とｓ偏光光とが分離できるようにな
ることが分かる。また、ｈ／ｄ＝１．５の場合、１．４
５＜λ／ｄ＜１．６２の範囲で、ｓ偏光光の回折効率が
８０％以上で、ｐ偏光光の回折効率が２０％以下（透過
効率が８０％以上）となり、本発明に利用するホログラ
ム素子として好ましい特性をもつことが分かる。ｈ／ｄ
＝２．０の場合には、１．５５＜λ／ｄ＜１．９７に範
囲で上記のような特性をもつことが分かる。

【００３７】次に図７（ｂ）に示した形状のホログラム
素子について説明する。図９はその回折特性を数値計算
をした結果を示すグラフである。縦軸は、±６０゜の入
射角で光を入射した場合における回折効率を示してお
り、横軸はλ／ｄである。計算は、ホログラム素子の屈
折率を１．４５４とし、ｈ／ｄ＝１．６（図９
（ａ）），２．０（図９（ｂ））の場合について行っ
た。図より、ｈ／ｄ＝２．０で、１．６２＜λ／ｄ＜
１．８５の場合に、ｓ偏光光の回折効率が８０％以上と
なり、ｐ偏光光の回折効率が２０％以下（透過効率が８
０％以上）となり、本発明のホログラム素子として使用
できることが分かる。

【００３８】上記したように、図７（ｂ）に示した形状
のホログラム素子では、入射角が６０゜の場合、ｈ／ｄ
＝２．０でλ／ｄが１．６２〜１．８５の場合に、良好
な回折特性を持つが、この条件では可視波長領域すべて
の光を効率よく回折させることは困難である。そのた
め、赤（Ｒ）：６５０ｎｍ，緑（Ｇ）：５５０ｎｍ，青
（Ｂ）：４５０ｎｍの３種類の波長の光に合わせた３種
類のホログラム素子を用いることが望ましい。

【００３９】具体的には、Ｒ用としてピッチｄ＝０．３
７３μｍ，深さｈ＝０．７４６μｍのホログラム素子
（ｒ）を、Ｇ用としてピッチｄ＝０．３１８μｍ，深さ
ｈ＝０．６３６μｍのホログラム素子（ｇ）を、Ｂ用と
してピッチｄ＝０．２５９μｍ，深さｈ＝０．５１８μ
ｍのホログラム素子（ｂ）を使用すれば、Ｒ用のもので
λ＝６０５ｎｍ〜６９１ｎｍ、Ｇ用のものでλ＝５１５
ｎｍ〜５８８ｎｍ、Ｂ用のものでλ＝４２０〜４８０ｎ
ｍの範囲で、ホログラム素子でのｓ偏光光の回折効率が
８０％以上となると共に、ｐ偏光光の回折効率が２０％
以下（透過効率が８０％以上）となり、光源からの不定
偏光光を効率よく直線偏光光に変換できることが分か
る。

【００４０】図７（ａ）に示した正弦波状のホログラム
素子においても、同様の理由により３種類のホログラム
素子を用いることが望ましい。

【００４１】次に、上記した３種類のホログラム素子
を、図１の偏光変換光学系２の第１のホログラム素子１
０，第２のホログラム素子１１に適用した投影型の液晶
表示装置の一例について説明する。図１０はその構成図
である。

【００４２】図１０において、偏光変換光学系１９，２
０，２１は、図１の偏光変換光学系２の第１のホログラ
ム素子１０，第２のホログラム素子１１に、それぞれ、
上記のホログラム素子（ｒ），（ｇ），（ｂ）を使用し
たものである。

【００４３】光源１４から出射した光のうち赤色の光Ｒ
は第１のダイクロイックミラー１５により反射される。
その赤色の光Ｒは、上記のホログラム素子（ｒ）を備え
た偏光変換光学系１９により偏光方向を揃えられ、液晶
パネル２２を照射し、レンズ２５を透過する。

【００４４】第１のダイクロイックミラー１５を透過し
た光のうち緑色の光Ｇは、第２のダイクロイックミラー
１６により反射されて、上記のホログラム素子（ｇ）を
備えた偏光変換光学系２０に入射し、偏光方向を揃えら
れて液晶パネル２３を照明し、レンズ２６を透過する。

【００４５】第２のダイクロイックミラー１６を透過し
た青色の光Ｂは、上記のホログラム素子（ｂ）を備えた
偏光変換光学系２１により偏光方向が揃えられて、液晶
パネル２４に入射し、レンズ２７を透過する。

【００４６】上記のレンズ２５，２６，２７を透過した
光は、第４のダイクロイックミラー１７及び第５のダイ
クロイックミラー１８により合成され、投影レンズ２８
を介してスクリーン上に像を形成する。

【００４７】このような投射型の液晶表示装置において
も、偏光変換光学系１９，２０，２１により、光源１か
らの入射光を効率的に利用することができ、表示画面の
輝度が向上する。また、偏光変換光学系１９，２０，２
１の厚さを薄くすることができるため、液晶表示装置の
小型化を実現できる。

【００４８】

【発明の効果】請求項１に記載の液晶表示装置では、偏
光変換光学系にホログラム素子を使用するため、ｐ偏光
光とｓ偏光光との分離を均一に行うことができ、液晶表
示パネルに供給できる光量が増大し、液晶表示装置の輝
度を向上させることが可能となる。

【００４９】また、偏光変換光学系の作製を容易に、か
つ、安価に行うことができる。

【００５０】請求項２に記載の液晶表示装置では、偏光
変換光学系の厚さを薄くすることができるため、液晶表
示装置を小型化することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の液晶表示装置の一例を示す概略構成図
である。

【図２】図１の偏光変換光学系の部分拡大図である。

【図３】（ａ）ｐ偏光光、（ｂ）ｓ偏光光の進むことの
できる領域を示す図である。

【図４】図１の液晶表示パネルへの入射ビームの形状を
示す図である。

【図５】偏光変換光学系の他の例を示す構成図である。

【図６】偏光変換光学系の更に他の例を示す構成図であ
る。

【図７】ホログラム素子の形状の具体例を示す構成図で
ある。

【図８】正弦波形状のホログラム素子の回折効率を示す
グラフである。

【図９】矩形形状のホログラム素子の回折効率を示すグ
ラフである。

【図１０】投射型液晶表示装置の一例を示す構成図であ
る。

【図１１】従来の液晶表示装置を示す構成図である。

【図１２】図１１の液晶表示パネルへの入射ビームの形
状を示す図である。

【符号の説明】

１，１４ 光源 ２，２’，１９，２０，２１，６６ 偏光変換光学系 ３，２２，２３，２４ 液晶表示パネル ５，１２ プリズムシート １０ 第１のホログラム素子 １１ 第２のホログラム素子 １３ ミラー ２９，６５ λ／２偏光板 ３０ 第１のホログラム板 ３１ 第２のホログラム板 ６１，６２，６３，６４ ホログラム板 Ｂ１ｓ，Ｂ３ｓ，Ｂ’３ｓ ｓ偏光光 Ｂ１ｐ，Ｂ’１ｐ，Ｂ３ｐ ｐ偏光光

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】液晶表示パネルと、該液晶表示パネルを照
   明する光源とを備えてなる液晶表示装置において、 前記光源から前記液晶表示パネルへの光路中に、前記光
   源からの光をｐ偏光光とｓ偏光光とに分離するホログラ
   ム素子を備えてなる偏光変換光学系を設けたことを特徴
   とする液晶表示装置。
2. 【請求項２】液晶表示パネルと、該液晶表示パネルを照
   明する光源とを備えてなる液晶表示装置において、 前記光源からの光の進行方向を変化させて、所定の角度
   で出射する第１のプリズムシートと、 該第１のプリズムシートから出射した光をｐ偏光光とｓ
   偏光光とに分離して、前記ｐ偏光光を透過させると共
   に、前記ｓ偏光光を１次回折させる第１のホログラム素
   子と、 該第１のホログラム素子と略平行に配置され、前記ｐ偏
   光光を透過させると共に、前記ｓ偏光光を１次回折させ
   る第２のホログラム素子と、 該第２のホログラム素子の後方に、該第２のホログラム
   素子に略垂直に配置され、前記第２のホログラム素子の
   外方に進行する前記ｐ偏光光を反射する光反射素子と、 前記第２のホログラム素子からの出射光及び前記光反射
   素子により反射された光を略平行光に変換し、前記液晶
   表示パネルへと出射する第２のプリズムシートと、 前記液晶表示パネルに入射する前記ｐ偏光光と前記ｓ偏
   光光のどちらか一方の光路中に配置され、偏光面を９０
   ゜回転する偏向回転素子と、からなる偏光変換光学系を
   備えてなることを特徴とする液晶表示装置。