JP4165167B2

JP4165167B2 - 照明装置および投射型表示装置

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Publication number: JP4165167B2
Application number: JP2002283627A
Authority: JP
Inventors: 豊土屋; 秀文坂田
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2002-09-27
Filing date: 2002-09-27
Publication date: 2008-10-15
Anticipated expiration: 2022-09-27
Also published as: JP2004118040A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、照明装置およびこの照明装置を備えた投射型表示装置に関し、特に、この照明装置の光量調整用として好適な調光素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、情報機器の発達はめざましく、解像度が高く、低消費電力でかつ薄型の表示装置の要求が高まり、研究開発が進められている。中でも液晶表示装置は液晶分子の配列を電気的に制御して、光学的特性を変化させることができ、上記のニーズに対応できる表示装置として期待されている。このような液晶表示装置の一形態として、照明装置から出射された光を液晶ライトバルブで変調した後、スクリーン上に拡大投射する投射型液晶表示装置（液晶プロジェクタ）が知られている。
【０００３】
投射型液晶表示装置は光変調手段として液晶ライトバルブを用いたものであるが、投射型表示装置には、液晶ライトバルブの他、デジタルミラーデバイス（Digital Mirror Device, 以下、ＤＭＤと略記する）を光変調手段としたものも実用化されている。ところが、従来の投射型表示装置は以下のような問題点を有している。
（１）光学系を構成する様々な光学要素で生じる光漏れや迷光のため、充分なコントラストが得られない。つまり、表示できる明るさの範囲（ダイナミックレンジ）が狭く、陰極線管（Cathode Ray Tube, 以下、ＣＲＴと略記する）を用いた既存の映像モニタと比較すると、映像品質の点で劣ってしまう。
（２）各種の映像信号処理により映像の品質向上を図ろうとしても、ダイナミックレンジが固定されているために、充分な効果を発揮することができない。
【０００４】
このような投射型表示装置の問題点に対する解決策、つまりダイナミックレンジを拡大する方法としては、映像信号に応じて光変調手段（ライトバルブ）に入射させる光量を変化させることが考えられる。この際、高圧水銀ランプ等からなる光源自体の光出力を制御するのは極めて困難であるため、光源とライトバルブとの間に、光の透過量を調整可能な調光素子を配置する方法が提案されている。この種の調光素子として、一対の透明基板間に液晶を挟持した液晶セルを用い、液晶への印加電圧の調整により液晶セルの光透過率を制御するものが提案されている（例えば、特許文献１〜５参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平２−７３２２５号公報
【特許文献２】
特開平４−２５５８３９号公報
【特許文献３】
特開平９−１１６８４０号公報
【特許文献４】
特開平９−１８９８９３号公報
【特許文献５】
特開２００１−８６４２９号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の調光素子用液晶セルにおいては、一対の基板間に挟持した液晶層の液晶分子を配向させる手段として、各基板の内面にポリイミド等の有機材料膜にラビング処理等の配向処理を施した配向膜を用いるのが一般的であった。しかしながら、この調光素子を投射型表示装置に用いた場合、光源から射出される光の強度が極めて高い場合には、ポリイミド等の有機材料膜からなる配向膜では耐光性が不足することがあり、調光素子の信頼性が充分に確保できないという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであって、信頼性が充分に高い調光素子を備えた照明装置と、この照明装置を備え、映像品質に優れた投射型表示装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の照明装置は、光変調装置を照明するための照明装置であって、光源と、前記光源と前記光変調装置との間に配置され、互いに対向する面側に液晶分子を配向可能な凹凸を有する無機材料からなる配向層が設けられた一対の基板間に液晶が挟持されてなる調光素子とを有することを特徴とする。前記配向層のより具体的な構成としては、例えば液晶分子を配向可能な凹凸が平面視ストライプ状に形成され、そのストライプのピッチが１μｍ以下であるものが用いられる。
【０００９】
上記本発明の照明装置においても、被照明領域を照明する光量を調整する手段として、従来の投射型表示装置に用いられたものと同様、一対の基板間に液晶が挟持された調光素子、すなわち液晶セルからなる調光素子が用いられる。ところが、本発明における調光素子が従来のものと異なる点は、従来の場合、有機材料膜からなる配向層が用いられていたのに対し、本発明の場合、液晶分子を配向可能な凹凸を有する無機材料からなる配向層が用いられている点である。ここで言う無機材料とは、例えばアルミニウム、銀等の金属、あるいはインジウム錫酸化物（Indium Tin Oxide, 以下、ＩＴＯと略記する）等の透明導電性材料等を含んでいる。一般に、これらの無機材料はポリイミド等の有機材料に比べて耐光性が高いため、高輝度の光を射出する投射型表示装置用の照明装置に用いた場合でも、調光素子の信頼性を従来に比べて向上することができる。
【００１０】
上述したように、前記無機材料としては、アルミニウム、銀等の光反射性を有する導電性材料、もしくはＩＴＯ等の透明導電性材料を用いることができる。
光反射性導電性材料を用いた場合、ストライプのピッチを可視光の波長よりも小さくすることが望ましい。その場合、この配向層は液晶分子を所定の方向に配向させる機能のみならず、反射型偏光子としての機能も合わせ持つことになる。この種の構造体は、入射する光の偏光方向により有効屈折率が異なるものであり、構造複屈折体と呼ばれる。すなわち、入射する可視光の波長よりも小さいピッチで、異なる屈折率を有する２種類の媒質（本発明の場合、配向層を構成する無機材料と液晶がこれに相当する）をストライプ状に交互に配列した場合、この構造複屈折体に入射した光の偏光方向により有効屈折率が異なる。例えば、アルミニウムの屈折率は液晶の屈折率よりも大きいので、その場合、ストライプの延在方向に対して平行方向に振動する偏光についての有効屈折率がストライプの延在方向に対して垂直方向に振動する偏光についての有効屈折率よりも大きくなる。その結果、この構造複屈折体は、ストライプの延在方向に対して垂直方向に振動する偏光を透過する一方、ストライプの延在方向に対して平行方向に振動する偏光を反射する。このようにして、構造複屈折体は反射型偏光子として機能する。
【００１１】
配向層に光反射性導電性材料を用いた場合、光源側に位置する入射側の基板から反射型偏光子をなす配向層に対して光が入射されると、一方向に振動する偏光のみが配向層を透過して液晶層に入射される。入射側基板と射出側基板のそれぞれの配向層のストライプ方向を適宜設定しておけば、液晶層では電界無印加状態と電界印加状態とで液晶分子の配向状態を切り替えられるので、それによって射出側基板に設けられた配向層のストライプの方向、つまり透過軸の方向に応じて液晶層を透過してきた光が射出側基板から射出される光量を調節することができる。
【００１２】
さらに本構成では、配向層が反射型偏光子として機能するため、上記の方向と直交する方向に振動する偏光は入射側基板の配向層で反射され、光源側に戻る。光源側に戻った偏光は光源で再度反射され、調光素子側に向かうので、光源と調光素子との間を何度も行き来する。ところが、最初に配向層で反射された偏光は、何度も反射を繰り返すうちに偏光解消が生じ、いつかは配向層を透過できるので、最終的には投射表示に寄与することができ、本構成は光の利用効率の高いものとなる。
【００１３】
また、本構成においては、配向層が反射型偏光子としても機能するので、偏光状態が揃った光が射出されて光変調装置に導入されるため、光変調装置が液晶ライトバルブのような偏光を利用する素子であっても、偏光変換素子は特に設けなくても良い。その一方、光源と調光素子との間、もしくは調光素子と光変調装置との間に偏光変換素子を設けても良い。
偏光変換素子を設けた構成によれば、偏光変換素子と配向層の双方で偏光変換を担うこととなるため、たとえ配向層の偏光消光比が不充分であっても、全体として偏光消光比を高めることができる。したがって、偏光変換素子を設けるか否かは、目的に応じて適宜選択すれば良い。すなわち、照明装置の小型化、低コスト化を重視するならば、偏光変換素子は設けない方が良いし、調光の度合や射出光の偏光度を高めることを重視するならば、調光素子の前段または後段に偏光変換素子を設けるのがよい。
【００１４】
一方、配向層を構成する無機材料として透明導電性材料を用いた場合は、反射性導電性材料を用いた場合と異なり、配向層が反射型偏光子として機能するわけではなく、液晶に対して配向規制力を付与するという通常の配向層の機能を奏するのみである。したがって、光源側の入射側基板から光が入射されると、電界無印加時、電界印加時のいずれかにおいて光は液晶層の持つ旋光性および複屈折性によって入射時の偏光状態とは異なった偏光状態となるか、あるいは入射時の偏光状態のままで射出側基板から射出される。すなわち、本構成の場合には、電界印加状態に応じて、光が射出側基板から射出された時点では光量自体は変化せず、偏光状態が変化することになる。ところが、光変調装置が液晶ライトバルブのような偏光を利用する素子である場合、光変調装置の前段に偏光子が備えられているので、この偏光子によって偏光の透過／非透過が選択され、結果的に光変調装置に入射される光量を調整することができる。
【００１５】
配向層の材料として透明導電性材料を用いた場合、上で述べた調光の原理から光源と調光素子との間に偏光変換素子を配置することが望ましい。調光素子の光変調装置側に偏光変換素子を配置したのでは、調光の程度に応じて調光素子によってわざわざ変化させた偏光状態が偏光変換素子によって揃ってしまい、光変調装置に入射される光量が調整できなくなってしまうからである。
【００１６】
本発明の照明装置において、調光素子と光変調装置との間に、調光素子から射出された光の照度分布を均一化するための照度均一化素子を設けても良い。
配向層として単に液晶分子を配向可能な凹凸を形成しただけでは、液晶分子は凹凸の方向に沿って並ぶだけであり、液晶の配向にプレティルトを付与することはできない。したがって、例えば液晶分子が基板面に平行に寝た状態から電圧印加により立ち上がろうとするとき、場所によっては液晶分子が逆方向から立ち上がる（リバースティルト）領域ができることで液晶分子の配向乱れ（ディスクリネーション）が生じ、照度分布にムラが生じることが考えられる。その場合、調光素子と光変調装置との間に照度均一化素子を設ければ、調光素子から射出された光の照度分布が均一化されるので、照度ムラの少ない照明光を得ることができる。
【００１７】
あるいは、前記凹凸に、液晶分子にプレティルトを付与するための鋸歯状凹凸をストライプの延在する方向に沿って形成しても良い。
この構成によれば、ディスクリネーションによる悪影響をさらに抑制することができるし、また、調光素子の駆動電圧を下げたり、応答時間を速くすることも可能である。
【００１８】
本発明の投射型表示装置は、前記本発明の照明装置と、前記照明装置からの光を変調する光変調装置と、前記光変調装置により変調された光を投射する投射光学系とを備えたことを特徴とする。
この構成によれば、前記本発明の照明装置を備えたことによって信頼性の高い調光素子を備え、映像品質に優れた投射型表示装置を実現することができる。また、射出光量を広い範囲で調節可能な照明装置を備えているため、例えば映像信号に基づく情報、投射拡大率に基づく方法、使用環境下における明るさの状況等の外部情報に基づいて照明光の光量を調整することで、ダイナミックレンジの広い映像表現力に優れた表示を得ることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
［第１の実施の形態］
以下、本発明の照明装置を含む投射型表示装置の第１の実施の形態について図１〜図５を用いて説明する。
本実施の形態は、光変調装置として液晶ライトバルブを用いた投射型液晶表示装置（液晶プロジェクタ）の例である。図１は本実施の形態の投射型表示装置の概略構成図、図２はこの投射型表示装置に用いる調光素子の構成を示す断面図、図３はこの調光素子の一方の基板の構成を示す斜視図、図４はこの調光素子の動作を説明するための模式図、図５は投射型表示装置の駆動、制御部を含むブロック図である。なお、以下の全ての図面においては、図面を見やすくするため、各構成要素の膜厚や寸法の比率などは適宜異ならせてある。
【００２０】
図１に示すように、本実施の形態の投射型表示装置は、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の異なる色毎に透過型液晶ライトバルブ２２〜２４を備えた３板式の投射型カラー液晶表示装置である。そして、光源２、偏光変換素子３、調光素子４、２枚のフライアイレンズ（照度均一化素子、インテグレータ）５，６を有する照明装置１と、ダイクロイックミラー１３，１４，反射ミラー１５〜１７，レンズ１８〜２０，液晶ライトバルブ２２〜２４，クロスダイクロイックプリズム２５，投射レンズ２６を有する投射光学系３０とを備えて構成されている。
【００２１】
光源２は、高圧水銀ランプあるいはメタルハライドランプ等のランプ７と、ランプ７の光を反射して前方に射出させるリフレクタ８とから構成されている。また、光源２の後段に偏光変換素子３が配置されている。偏光変換素子３は、光源２側に設けられた偏光ビームスプリッタアレイ（ＰＢＳアレイ）と、ＰＢＳアレイによって反射された偏光の偏光方向を変換する１／２波長板アレイとから構成されており（図示は省略）、光源光の光強度を損なうことなく光の偏光方向を一方向に揃えるようになっている。
【００２２】
調光素子４は、図２に示すように、一対の基板４１，４２間に液晶４３が挟持された液晶セルから構成されている。双方の基板４１，４２はともにガラス等の透明基板からなり、２枚の基板４１，４２と基板の周縁部に設けられたシール材４４とに囲まれた空間内に液晶４３が封入されている。各基板４１，４２の互いに対向する面には、凹凸を有する無機材料からなる配向層４５，４６が形成されている。本実施の形態の場合、配向層４５，４６は例えばＩＴＯ等の透明導電性材料で形成されており、図３に示すように、凹凸４６ａはストライプ状に形成され、ストライプのピッチが０．０５μｍ〜１μｍ程度となっている。ただし、下限値は現在のフォトリソグラフィー技術で実現可能な値を例示したものであり、この値より小さくても配向性には差し支えない。このように、配向層４５，４６のストライプのピッチが微細であるため、両基板４１，４２間に存在する液晶分子４３ｍは、形状配向作用によってストライプの延在する方向に液晶分子４３ｍの長軸が向くように配向する。ただし、このストライプ形状の場合、液晶分子４３ｍにプレティルトは付与されない。また、入射側基板４１（図２における上側の基板とする）と射出側基板４２（図２における下側の基板とする）とで配向層４５，４６のストライプの延在する方向が直交しており、電界無印加状態において、両基板４１，４２間の液晶４３は９０°ツイストした状態となっている。
【００２３】
また本実施の形態においては、透明導電性材料からなる配向層４５，４６を、液晶４３に対して配向規制力を付与する単なる配向層としてだけではなく、液晶４３に対して電界を印加するための電極としても機能させている。そのため、配向層４５，４６全体に対して一括して電圧を印加するべく、複数のＩＴＯの線状パターンがいずれかの個所で互いに電気的に接続されていることが望ましい。そして、後述の調光素子ドライバからの駆動信号により配向層４５，４６に電圧が印加されることにより透過率が調整され、光量調整された照明光を投射光学系３０に出力するようになっている。
【００２４】
なお、このような凹凸を有する配向層４５，４６を形成するには、透明基板上にスパッタ法等によりＩＴＯ等の透明導電膜を成膜した後、フォトリソグラフィー技術を用いて透明導電膜をストライプ状にパターニングすれば良い。あるいは、エッチングなどにより透明基板の表面にストライプ状の溝を形成した後、ＩＴＯ等の透明導電膜を成膜する方法でも良い。また、ここでは配向層４５，４６が電極を兼ねる例を示したが、配向層の下層側に電極を別途設けても良い。
【００２５】
また図１に示すように、調光素子４の後段には、光源光の照度分布を被照明領域である液晶ライトバルブ２２〜２４にて均一化させるための照度均一化素子として、光源２側から第１フライアイレンズ５、第２フライアイレンズ６が順次設置されている。各フライアイレンズ５，６は、アレイ状に配列された複数のレンズ９，１０から構成されている。そして、調光素子４から射出された光は、フライアイレンズ５，６によって被照明領域である液晶ライトバルブ２２〜２４において照度分布が均一化されるようになっている。以上が照明装置１の構成である。
【００２６】
ダイクロイックミラー１３，１４は、例えばガラス表面に誘電体多層膜を積層したものであって、所定の波長の色光を選択的に反射し、それ以外の波長の色光を透過するようになっている。すなわち、青色光・緑色光反射のダイクロイックミラー１３は、光源２からの光束のうちの赤色光ＬＲを透過させるとともに、青色光ＬＢと緑色光ＬＧとを反射するようになっている。また、緑色光反射のダイクロイックミラー１４は、ダイクロイックミラー１３で反射された青色光ＬＢと緑色光ＬＧのうち、青色光ＬＢを透過し緑色光ＬＧを反射するようになっている。
【００２７】
これにより、照明装置１から入射された光のうち、赤色光ＬＲはダイクロイックミラー１３を透過した後、反射ミラー１７で反射され、赤色光用ライトバルブ２２に入射される。緑色光ＬＧはダイクロイックミラー１４に反射されて緑色光用ライトバルブ２３に入射される。青色光ＬＢはダイクロイックミラー１４を透過した後、リレーレンズ１８、反射ミラー１５、リレーレンズ１９、反射ミラー１６、リレーレンズ２０からなるリレー系２１を経て、青色光用ライトバルブ２４に入射されるようになっている。
【００２８】
ライトバルブ２２〜２４は、例えばアクティブマトリクス型の透過型液晶セルとその入射側、射出側にそれぞれ設けられた偏光板５１，５２とから構成されている。そして、各ライトバルブ２２〜２４で変調された色光ＬＲ，ＬＧ，ＬＢは、クロスダイクロイックプリズム２５に入射されるようになっている。クロスダイクロイックプリズム２５は、直角プリズムが貼り合わされた構造となっており、その内面に赤色光ＬＲを反射するミラー面と青色光ＬＢを反射するミラー面とが十字状に形成されている。そして、三つの色光ＬＲ，ＬＧ，ＬＢがこれらのミラー面によって合成されてカラー画像を表わす光が形成された後、投射レンズ２６によりスクリーン２７上に拡大投射されるようになっている。
【００２９】
次に、本実施の形態の照明装置１における調光の原理について説明する。
液晶４３に電圧を印加していないとき（電界無印加状態）は、図４（Ａ）に示すように、光源２から射出された不定偏光の光Ｌ１が偏光変換素子３に入射されると、偏光状態が例えば図４（Ａ）の紙面に平行な方向の偏光Ｌ２に揃えられて射出される。次に、この偏光Ｌ２が調光素子４に入射されると、液晶４３の持つ旋光性により入射時とは９０°ねじれた方向の偏光Ｌ３に変換されて調光素子４から射出される。
【００３０】
一方、配向層４５，４６を通じて液晶４３に電圧を印加したとき（電界印加状態）は、図４（Ｂ）に示すように、電界印加により液晶分子４３ｍが基板面に垂直な方向に立ち上がるため、偏光変換素子３によって偏光状態が図４（Ｂ）の紙面に平行な方向に揃えられた偏光Ｌ２が調光素子４に入射されると、入射時の偏光方向のまま調光素子４から射出される。なお、図４（Ａ）、（Ｂ）では液晶分子４３ｍが基板面に対して平行な場合と垂直な場合の両極端の場合を示しているが、印加電圧の調整によってこの中間の状態をとり得ることは当然である。
【００３１】
すなわち、本実施の形態の構成においては、調光素子４の射出側に液晶装置で言う「検光子」の機能を持つ光学素子が備えられているわけではないので、調光素子４から光が射出された時点では光量自体は変化せず、偏光状態だけが変化することになる。ところが、被照明領域である液晶ライトバルブ２２〜２４の入射側に偏光板５１が備えられているので、この偏光板５１によって入射された偏光の透過の程度が選択され、結果的に液晶ライトバルブ２２〜２４に入射される光量を調整することができる。すなわち、極端に言えば、図４（Ａ）の電界無印加時に調光素子４から射出される偏光の方向に液晶ライトバルブ２２〜２４の入射側偏光板５１の透過軸を合わせておけば、この時に光透過率が１００％となり、この場合、図４（Ｂ）の電界印加時には光透過率が０％となる（ただし、実際に投射型表示装置に用いる場合には最大に調光をかけたときでも光透過率を０％とすることはない）。
【００３２】
液晶セルを用いた従来の調光素子では、ポリイミド等の有機材料膜からなる配向層が用いられていたのに対し、本実施の形態の調光素子４の場合、液晶分子４３ｍを配向可能な凹凸を有するＩＴＯ等の透明導電性材料からなる配向層４５，４６が用いられている。この種の材料はポリイミド等の有機材料に比べて耐光性が高いため、高輝度の光を射出する投射型表示装置用の照明装置として用いた場合に、光による劣化が少なく、従来に比べて高い信頼性を持つ調光素子を得ることができる。
【００３３】
本実施の形態では、調光素子４の射出側に照度均一化素子であるフライアイレンズ５，６が備えられており、たとえ調光素子４から射出される光に照度ムラがあったとしてもフライアイレンズ５，６の作用によって照度が均一化される。よって、逆に言えば、調光素子４にリバースティルトによる多少のディスクリネーションがあっても許されることになり、プレティルトが要らないことになる。このことからも、本実施の形態ではポリイミド配向膜を使う必然性がなく、高い信頼性を持つ調光素子を実現できる。
【００３４】
なお、本実施の形態では、液晶分子４３ｍにプレティルトを付与しない構成で説明したが、この構成に代えて、図７に示すように、配向層４６のストライプ状の凹凸４６ａに、液晶分子４３ｍにプレティルトを付与するための鋸歯状凹凸４６ｂをストライプの延在する方向に沿って形成しても良い。この構成を採れば、ディスクリネーションによる悪影響をさらに抑制することができ、また、調光素子４の駆動電圧を下げたり、応答時間を速くすることも可能である。
【００３５】
また、無機材料を用いた配向層としては、ＳｉＯ等を斜方蒸着して形成した配向膜が従来から知られている。しかしながら、本実施形態のＩＴＯ等の透明導電性材料からなる配向層４５，４６は、スパッタとフォトリソグラフィーにより形成することができるので、ＳｉＯ等の斜方蒸着膜からなる配向層よりも製造プロセスが簡単になり、量産性の高いものとすることができる。
【００３６】
次に、本実施の形態の投射型表示装置の駆動方法について簡単に説明する。
本実施の形態の投射型表示装置では、図５に示すように、映像信号に基づいて調光素子４を駆動することで照明装置１の光出力を制御するようになっており、デジタル信号処理ブロックであるＤＳＰ（１）〜ＤＳＰ（２）や、映像信号をＡＤ変換あるいはＤＡ変換するためのＡＤコンバータ３１，ＤＡコンバータ３７等の回路を備えている。なお、映像信号に基づいて調光素子４を駆動する方法の他、投射拡大率に基づいて調光する方法、使用環境下における明るさの状況等の外部情報に基づいて調光を行う方法を採用しても良い。
【００３７】
本実施の形態では、図５に示すように、アナログ信号として入力された映像信号がＡＤコンバータ３１を経て第１のデジタル信号処理回路であるＤＳＰ（１）３２（制御信号決定手段）に入力される。そして、このＤＳＰ（１）により、映像信号から調光素子４に印加する電圧値、即ち、調光素子４の透過率を決める明るさ制御信号が決定され、ＤＳＰ（２）３３に入力される。そして、このＤＳＰ（２）３３により、明るさ制御信号に基づいて調光素子ドライバ３４が制御され、最終的に、この調光素子ドライバ３４により調光素子４が駆動される。
一方、ＤＳＰ（１）３２に入力された映像信号は、ＤＡコンバータ３７により再びアナログ信号に変換された後、パネルドライバ３８に入力され、パネルドライバ３８から各ライトバルブ２２〜２４に各色毎の映像信号が供給される。
【００３８】
本実施の形態の投射型表示装置によれば、光源２と投射光学系３０との間に耐光性の高い調光素子４を配置して出力光を調整しているため、光源２の光出力強度が一定のままでも投射光学系３０に対して所望の光量の光を出力することができる。これにより、投射表示装置のダイナミックレンジを拡大でき、映像表現力に優れた投射表示装置を実現することができる。
【００３９】
［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態に係る照明装置について図６を用いて説明する。本実施の形態の照明装置の基本構成は第１の実施の形態とほぼ同様であり、調光素子内の配向素子の構成および材料が異なるのみである。したがって、調光素子の説明は再び図２、図３等を参照しながら行うこととし、第１の実施の形態と共通な部分の説明は省略する。
【００４０】
第１の実施の形態では、配向層４５，４６がＩＴＯ等の透明導電性材料で形成され、ストライプ状の凹凸のピッチが液晶分子を配向させるのに充分な０．０５μｍ〜１μｍ程度であった。ただし、下限値は現在のフォトリソグラフィー技術で実現可能な値を例示したものであり、この値より小さくても配向性には差し支えない。これに対して、本実施の形態では、図６に示す配向層６５，６６がアルミニウム、銀等の光反射性の高い導電性材料で形成されている。また、配向層６５，６６のストライプ状の凹凸の形状は第１の実施の形態と同じで良いが、ピッチは光源２から射出される可視光の波長よりも小さい寸法に形成されている。具体的には、例えば５０ｎｍ〜４００ｎｍ程度である。ただし、下限値は現在のフォトリソグラフィー技術で実現可能な値を例示したものであり、この値より小さくても配向性には差し支えない。本実施の形態の場合も、この配向層６５，６６を液晶駆動用の電極として機能させることができる。また、投射型表示装置の全体構成として第１の実施の形態と異なる点は、第１の実施の形態において光源と調光素子との間に配置した偏光変換素子を設けない点である。それ以外の構成は第１の実施の形態と同様である。なお、本構成の場合、腐食性の高いアルミニウム等が基板上に露出することになるため、例えばアルミニウムからなる配向層６５，６６の上層をＩＴＯで覆い、このＩＴＯを電極とする構成とすれば、アルミニウムの腐食を防止することができる。
【００４１】
本実施の形態の場合、配向層６５，６６の構成材料に光反射性の導電性材料を用い、しかもストライプのピッチを可視光の波長よりも小さくしたことにより、この配向層６５，６６は液晶分子を所定の方向に配向させる機能のみならず、反射型偏光子としての機能も合わせ持つことになる。すなわち、この配向層６５，６６は、ストライプの延在方向に対して垂直方向に振動する偏光を透過する一方、ストライプの延在方向に対して平行方向に振動する偏光を反射する。
【００４２】
ここで、本実施の形態の照明装置における調光の原理について図６を用いて説明する。
液晶４３に電圧を印加していないとき（電界無印加状態）は、図６（Ａ）に示すように、光源２から射出された不定偏光の光Ｌ１が調光素子６４に入射されると、ストライプの延在方向に垂直な偏光（図６（Ａ）の紙面に平行な方向の偏光）が入射側基板の配向層６５を透過する。そして、この偏光Ｌ２が、液晶４３を透過し終えた時点で液晶４３の持つ旋光性により入射時とは９０°ねじれた方向の偏光に変換される。このとき、射出側基板の配向層６６のストライプの延在方向は入射側の配向層６５のストライプの延在方向と直交しているので、液晶４３を透過した偏光は射出側基板の配向層６６を透過することができ、調光素子６４から射出される（Ｌ３）。
【００４３】
さらに本構成では、配向層６５が反射型偏光子として機能するため、光源２から射出された不定偏光Ｌ１のうち、ストライプの延在方向に平行な偏光（図６（Ａ）の紙面に垂直な方向の偏光）が入射側基板の配向層６５で反射される（Ｌ４）。入射側基板の配向層６５で反射され、光源２側に戻ったこの偏光Ｌ４は光源２の後側のリフレクタ８で再度反射され、調光素子６４側に向かうので、光源２と調光素子６４との間を何度も行き来するようになる。ところが、この偏光も何度も反射を繰り返すうちに偏光解消が生じ、いつかは配向層６５を透過することができる。このように、最初に配向層６５で反射された偏光も最終的には投射表示に寄与することができ、本構成は光の利用効率の高いものとなる。
【００４４】
一方、配向層６５，６６を通じて液晶４３に電圧を印加したとき（電界印加状態）は、図６（Ｂ）に示すように、電界印加により液晶分子４３ｍが基板面に垂直な方向に立ち上がるため、ストライプの延在方向に垂直な偏光（図６（Ｂ）の紙面に平行な方向の偏光）が入射側基板の配向層６５を透過して液晶４３に入射されると、入射時の偏光方向のまま射出側基板の配向層６６に到達する（Ｌ５）。ここで、射出側基板の配向層６６のストライプの延在方向は入射側の配向層６５のストライプの延在方向と直交しているので、偏光Ｌ５は射出側基板の配向層６６を透過することができず、調光素子６４から射出されない。さらに、この偏光Ｌ５は射出側基板の配向層６６で反射して入射側基板の偏光層６５を透過し（Ｌ６）、光源２側まで戻り、その後、上で述べたのと同様の作用で偏光解消が生じ、投射表示に寄与することができる。なお、図６（Ａ）、（Ｂ）では液晶分子４３ｍが基板面に対して平行な場合と垂直な場合の両極端の場合を示しているが、印加電圧の調整によってこの中間の状態をとり得ることは当然である。
【００４５】
すなわち、第１の実施の形態では、調光素子４から射出した時点では印加電圧によっても光量は変化せず、偏光状態のみが変化しており、液晶ライトバルブ入射側の偏光板５１で実質的に光量が調整されていた。これに対して、本実施の形態では調光素子６４の入射側と射出側に実質的に偏光子が備えられていることになるので、調光素子６４から射出した時点で既に印加電圧によって光量が調整される構成となっている。
【００４６】
本実施の形態の照明装置においても、アルミニウム、銀等の無機材料からなる配向層６５，６６が用いられているため、従来に比べて高い信頼性を持つ調光素子が得られる、調光素子の射出側のフライアイレンズにより照明光の照度を均一化することができる、ＳｉＯ等の斜方蒸着膜からなる無機配向層を用いる場合よりも製造プロセスを簡単化できる等、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。さらに、本実施の形態特有の効果としては、上述したように、配向層６５，６６が反射型偏光子として機能するため、偏光子で反射された偏光を表示に再利用することができ、光の利用効率の高い照明装置を実現することができる。
【００４７】
また、本構成においては、偏光状態が揃った光が調光素子６４から射出されるため、光変調装置が液晶ライトバルブのような偏光を利用する素子であっても、偏光変換素子を設けなくて済むという利点がある。その一方、光源２と調光素子６４との間、もしくは調光素子６４と液晶ライトバルブ２２〜２４との間に偏光変換素子を設けても良い。偏光変換素子を設けた構成によれば、偏光変換素子と配向層の双方で偏光変換を担うこととなるため、たとえ配向層の偏光消光比が不充分であっても、全体として偏光消光比を高めることができる。したがって、偏光変換素子を設けるか設けないかは、目的に応じて適宜選択すれば良い。すなわち、照明装置の小型化、低コスト化を重視するならば、偏光変換素子は設けない方が良いし、調光の度合や射出光の偏光度を高めることを重視するならば、調光素子の前段または後段に偏光変換素子を設けるのがよい。
【００４８】
なお、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。
例えば、均一照明手段に関しては上記実施の形態のようなフライアイレンズ３、４に限ることなく、ロッドレンズ等のロッド状導光体を用いることもできる。また、光変調素子として透過型液晶ライトバルブ２２〜２４を用いた例を挙げたが、反射型液晶ライトバルブやＤＭＤ（Digital Mirror Device）を適用することも可能である。
【００４９】
さらに、上記実施形態では、調光素子５によって、液晶ライトバルブ２２〜２４の被照明領域全面を照明する光量を調節する場合について説明したが、調光素子５の調光領域を複数に分割して、各分割された領域毎に透過光量を調節するようにしてもよい。この場合、例えば調光素子５をセグメント型の液晶素子、あるいはパッシブマトリクス型の液晶素子として構成すれば良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の投射型表示装置の概略構成図である。
【図２】同、投射型表示装置に用いる調光素子を示す断面図である。
【図３】同、調光素子の一方の基板の構成を示す斜視図である。
【図４】同、調光素子の動作を説明するための図である。
【図５】同、投射型表示装置の制御部を含むブロック図である。
【図６】第２の実施形態の調光素子の動作を説明するための図である。
【図７】調光素子の変形例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１…照明装置、２…光源、３…偏光変換素子、４…調光素子、５，６…フライアイレンズ、２２〜２４…液晶ライトバルブ（光変調装置）、３０…投射光学系、４３…液晶、４５，４６，６５，６６…配向層

Claims

光変調装置を照明するための照明装置であって、
光源と、
前記光源と前記光変調装置との間に配置され、互いに対向する面側に液晶分子を配向可能な凹凸を有する無機材料からなる配向層が設けられた一対の基板間に液晶が挟持されてなる調光素子とを有し、
前記液晶分子を配向可能な凹凸が、平面視ストライプ状に形成され、ストライプのピッチが１μｍ以下であることを特徴とする照明装置。
前記ストライプのピッチが可視光の波長よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
前記凹凸には、前記液晶分子にプレティルトを付与するための鋸歯状凹凸が前記ストライプの延在する方向に沿って形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の照明装置。
光変調装置を照明するための照明装置であって、
光源と、
前記光源と前記光変調装置との間に配置され、互いに対向する面側に液晶分子を配向可能な凹凸を有する無機材料からなる配向層が設けられた一対の基板間に液晶が挟持されてなる調光素子とを有し、
前記無機材料が光反射性導電性材料であることを特徴とする照明装置。
前記光源と前記調光素子との間、もしくは前記調光素子と前記光変調装置との間に偏光変換素子が設けられたことを特徴とする請求項４に記載の照明装置。
光変調装置を照明するための照明装置であって、
光源と、
前記光源と前記光変調装置との間に配置され、互いに対向する面側に液晶分子を配向可能な凹凸を有する無機材料からなる配向層が設けられた一対の基板間に液晶が挟持されてなる調光素子とを有し、
前記無機材料が透明導電性材料であることを特徴とする照明装置。
前記光源と前記調光素子との間に偏光変換素子が設けられたことを特徴とする請求項６に記載の照明装置。
請求項１ないし７のいずれか一項に記載の照明装置と、前記照明装置からの光を変調する光変調装置と、前記光変調装置により変調された光を投射する投射光学系とを備えたことを特徴とする投射型表示装置。