JP2005141227A - 反射型液晶表示素子及びそれを利用したプロジェクタ - Google Patents

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Abstract

【課題】 応答速度が向上した垂直配向構造を持つ反射型液晶表示素子及びそれを利用したプロジェクタを提供する。
【解決手段】 本発明の反射型液晶素子は、反射電極を持つ第１基板１１と、透明電極を持つ第２基板２５と、第１基板及び前記第２基板１１、２５に相互対向して設けられた第１及び第２配向膜１５、２１と、第１配向膜と第２配向膜１１、２５間に介在し、第１配向膜と第２配向膜１１、２５間に所定セルギャップｄを維持させるスペーサ１７と、セルギャップｄ内に注入される垂直配向液晶１９と、から構成され、前記セルギャップｄは１．０μｍ以下であり、前記液晶の誘電率異方性Δεは負の値を持ち、前記液晶の屈折率異方性Δｎは０．１４以上である。色分離ユニットと、この反射型液晶表示素子と、光路変換ユニットと、投射レンズユニットとから本発明のプロジェクタが構成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は反射型液晶表示素子（Liquid Crystal Display）（以下、ＬＣＤと言うことがある）及びそれを利用したプロジェクタに係り、詳細には応答速度が向上した垂直配向構造を持つ反射型ＬＣＤ及びそれを利用したプロジェクタに関する。
一般的に、プロジェクションテレビ、頭部装着型ディスプレイ装置（Head Mounted Device）（以下、ＨＭＤと言うことがある）などに使われるマイクロディスプレイ素子は、画像形成方式によって高温ポリシリコン（High Temperature Poly-Si）（以下、ＨＴＰＳと言うことがある）タイプ、デジタル光プロセシング（Digital Light Processing）（以下、ＤＬＰと言うことがある）タイプ、シリコン液晶（Liquid Crystal on Silicon）（以下、ＬＣｏＳと言うことがある）タイプに区分される。
これらのうちＬＣｏＳタイプは反射型ＬＣＤを用いて画像を形成する方式であって、高解像度を達成しかつ低コスト化することが可能である。したがって、ＬＣｏＳタイプは、最も競争力のある次世代マイクロディスプレイ素子として注目されつつある。
このＬＣｏＳ方式を利用したプロジェクションテレビはまた、使用する液晶パネルの枚数によって３パネル方式と、１パネル方式とに分けられる。
３パネル方式プロジェクタは、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の各画像を独立に形成する３枚の反射型ＬＣＤを用いて色画像を形成する方式である。この３パネル方式プロジェクタは、ほぼ１５ｍｓの遅い応答速度を持つ反射型ＬＣＤを通じて装置を具現できるという利点がある。ここで、応答速度は、制御信号によってその配列方向が変わった液晶が元の配向方向に戻るのに要する時間を意味する。一方、この３パネル方式プロジェクタを利用する場合には１パネル方式に比べて構造が複雑であり、かつ高コストとなるという短所がある。
１パネル方式プロジェクタは１枚の反射型ＬＣＤを用いてカラー画像を具現する方式であって、光学的構成及び配置が簡単でかつコストダウンできるという利点がある。しかし、この方式はＲ、Ｇ、Ｂを経時的に順に駆動するため、前記３パネル方式に比べて速い応答速度が要求される。すなわち、１パネルを通じて３色を具現するために要求される応答速度は色割れ防止を考慮すると、ほぼ１ｍｓ以内である。また、高いコントラスト比（Contrast Ratio）（以下、Ｃ／Ｒと言うことがある）を持つことも要求される。
これに関して、１ｍｓ以内の速い応答速度を実現できるＬＣＤとして、強誘電体ＬＣＤ（Ferroelectric LCD）（以下、ＦＬＣＤと言うことがある）が挙げられる。しかし、このＦＬＣＤは高いＣ／Ｒを達成することが難しく、かつ性能が劣化する傾向がある。
高いＣ／Ｒを構造的に保証するために、特許文献１には垂直配向構造を持つ反射型ＬＣＤが開示されている。
特許文献１に開示されたＬＣＤは垂直配向液晶膜の厚さが２μｍ以下であり、垂直配向液晶材料の屈折率異方性Δｎが０．１以上であるという特徴を有しており、５〜６Ｖ以下の飽和電圧で容易に液晶の透過率を確保して低電圧駆動を可能にする。
一方、このような垂直配向構造を持つ反射型ＬＣＤは、飽和電圧Ｖsatを６Ｖ以下に維持しながら得られる最速の応答速度はほぼ１．９ｍｓである。
したがって、この従来の反射型ＬＣＤは１パネル方式のプロジェクタに採用できないという短所がある。
特開２００３−１０７４８２号公報（公開日：２００３年４月９日）
本発明は前記のような点を鑑みてなされたものであり、高いＣ／Ｒを有するとともに１ｍｓ以内の応答速度を持つように構造が改善された垂直配向構造の反射型ＬＣＤ及びそれを利用した１パネル方式のプロジェクタを提供することを課題とする。
前記目的を達成するための本発明による反射型ＬＣＤは、反射電極を持つ第１基板と、透明電極を持つ第２基板と、各々前記第１基板及び前記第２基板に相互対向して設けられた第１及び第２配向膜と、前記第１配向膜と第２配向膜間に介在し、前記第１配向膜と第２配向膜間に所定セルギャップｄを維持させるスペーサと、前記セルギャップ内に注入される垂直配向液晶と、から構成され、前記セルギャップｄは１．０μｍ以下であり、前記液晶の誘電率異方性Δεは負の値を持ち、前記液晶の屈折率異方性Δｎは０．１４以上であることを特徴とするものである。
また、前記目的を達成するための本発明によるプロジェクタは、光を生成し、その生成された光が一方向に向かうように照明する光源と、前記光源から照明された光から色を分離し、その分離された各色の光を順行させる色分離ユニットと、前記色分離ユニットから分離されて順に入射される各色の入射光を選択的に反射させて画像を形成する反射型液晶表示素子であって、反射電極を持つ第１基板と、透明電極を持つ第２基板と、各々前記第１基板及び前記第２基板に相互対向して設けられた第１及び第２配向膜と、前記第１配向膜と第２配向膜間に介在し、前記第１配向膜と第２配向膜間に所定セルギャップｄを維持させるスペーサと、前記セルギャップ内に注入される垂直配向液晶と、から構成され、前記セルギャップｄは１．０μｍ以下であり、前記液晶の誘電率異方性Δεは負の値を持ち、前記液晶の屈折率異方性Δｎは０．１４以上である反射型液晶表示素子と、前記光源と前記反射型液晶表示素子間の光路上に配置されて、前記光源側から入射された光が前記反射型液晶表示素子を経由してスクリーン側に向かうように光路を変換する光路変換ユニットと、前記反射型液晶表示素子で形成された画像を前記スクリーン側に投射させる投射レンズユニットと、を含むことを特徴とするものである。
本発明による垂直配向構造の反射型ＬＣＤは、セルギャップｄ及び液晶の屈折率異方性を最適化することによって、高いＣ／Ｒ及び１ｍｓ以内の応答速度を具現できる。
また、前記ＬＣＤを利用することによって１パネルの方式のプロジェクタを実現でき、プロジェクタの体積を減らすことができ、かつ低コスト化を実現できる。
以下、添付した図面を参照して本発明の好ましい実施形態についてさらに詳細に説明する。
図１を参照すると、本発明の一実施形態による反射型ＬＣＤは、第１及び第２基板１１、２５と、第１及び第２配向膜１５、２１と、スペーサ１７及び液晶１９とから主として構成される。
前記第１基板１１は反射性材料から構成されるものであり、ストライプ状の反射電極１３を含んでいる。この反射電極１３はアルミニウムなどの反射率の高い材料から構成される。
前記第２基板２５は透明な材料から構成されるものであり、ストライプ状の透明電極２３を含んでいる。前記透明電極２３は、例えば酸化インジウム錫（ＩＴＯ）材料からなる電極である。
前記反射電極１３と前記透明電極２３とは各画素に該当する部分で交差配列されており、そして前記液晶１９を各画素単位で制御するのに用いられる。
前記第１及び第２配向膜１５、２１は、前記第１基板１１及び前記第２基板２５に互いに対向して設けられる。すなわち、前記第１配向膜１５は前記第１基板１１の上面に設けられ、一方前記第２配向膜２１は前記第２基板２５の下面に設けられる。これらの第１及び第２配向膜１５、２１は、前記液晶１９が垂直方向の配列構造を持つようにその配向方向が決定されるものであり、下記条件式（１）の条件を満足するプレチルト角αを持つ。このプレチルト角αはラビング工程によって形成される。
８０゜≦α≦９０゜ （１）
このように、プレチルト角αを持つことによって、前記第１及び第２配向膜１５、２１間に位置する液晶１９が垂直方向に配列される。前記第１及び第２配向膜１５、２１は、各々ポリイミドなどの光配向層または酸化珪素（ＳｉＯ2）層からなることが望ましい。
前記スペーサ１７は、前記第１配向膜１５と第２配向膜２１間に介在して前記第１配向膜１５と第２配向膜２１間に所定セルギャップｄを維持させるものである。したがって、前記スペーサ１７により前記第１配向膜１５と第２配向膜２１間に内部空間が形成され、そして形成された内部空間に前記液晶１９が注入される。
前記スペーサ１７は柱形状またはボール形状を持ち、酸化珪素（ＳｉＯ2）で構成することが好ましい。
このようにして構成された反射型ＬＣＤは、印加する駆動電源の存否に応じて前記液晶の配列方向が異なる。
図２Ａは、駆動電源が印加されていない状態の液晶配列状態を示すものである。図２Ａを参照すると、液晶１９は垂直方向の配列構造を持ち、入射光に対して出射光を位相遅延なしに再反射させる。したがって、図２Ａに図すような状態では後述するプロジェクタへの採用時にブラックに対応する画像を具現する。
図２Ｂは、駆動電源が印加された状態での液晶配列状態を示すものである。図２Ｂを参照すると、液晶１９はジグザグ構造を持つ。この場合には、入射光Ｌは前記第１基板１１側に向かいつつ位相が１／４波長ほど遅延される。ここで、波長は可視光線の中心波長５５０ｎｍを意味する。したがって、前記第２基板２５を通じて出射される出射光Ｌ’は入射光Ｌに対して１／２波長ほど位相が遅延されたままで出射される。すなわち、入射光ＬがＳ偏光の光である場合は位相遅延によりＰ偏光の光となる。この場合には後述するプロジェクタへの採用時にホワイトに対応する画像を具現する。
前記のように構成された反射型ＬＣＤはセルギャップｄ、前記液晶１９の誘電率異方性Δε及び屈折率異方性Δｎは条件式（２）の条件を満足する。
ｄ≦１．０μｍ
Δε＜０ （２）
Δｎ≧０．１４
前記条件式２は、液晶の応答速度τを１ｍｓ以下に維持しつつ、低い飽和電圧Ｖsat下で高い輝度を具現可能にするための条件を示したものである。
条件式（２）中、応答速度τは大体セルギャップｄの自乗に反比例する関係にある。すなわち、τ〜１／ｄ2の法則が成立するので、セルギャップｄを薄くすればするほど反応速度（応答速度）を速くすることができる。一方、セルギャップｄを薄くする場合には飽和電圧Ｖsatが高くなり、輝度が落ちる問題点を引き起こすので、前記セルギャップｄを薄くするのには限界がある。
本発明においては、前記セルギャップｄを１μｍ以下とすることによって引き起こされる飽和電圧Ｖsatの上昇及び輝度低下問題は、前記液晶１９の屈折率異方性Δｎの高い液晶を選択することによって解消できる。
以上を鑑みて、前記屈折率異方性Δｎとセルギャップｄとの関係は条件式（３）を満足させることが好ましい。
ｄ×Δｎ＝λ／４ （３）
条件式（３）中、λは前記ＬＣＤに入射される光の波長を表す。
したがって、本実施形態では前記波長λ値として、可視光線のうち中心波長に該当する約５５０μｍを代入し、前記セルギャップｄの値として１μｍを代入した場合、前記屈折率異方性Δｎは約０．１３８の値となる。このことに基づいて、屈折率異方性Δｎが０．１４である液晶を選択してＬＣＤを具現した。
条件式（２）に表したように、前記屈折率異方性Δｎの値及びセルギャップｄの値を設定することによって、応答速度τを１ｍｓとしながらも飽和電圧Ｖsat値を６Ｖ以下とすることができる。したがって、１パネル方式のプロジェクションテレビを具現できる。
図３を参照すると、本発明の実施形態によるプロジェクタは、光源３０と、この光源３０から照明された白色光からカラーを分離する色分離ユニット４０と、入射光から画像を形成する反射型ＬＣＤ７０と、形成された画像がスクリーン（図示せず）側に向かうように光路を変換する光路変換ユニット８０と、前記光路変換ユニット８０で光路が変換された光をスクリーン側に拡大投射させる投射レンズユニット９０と、を含んで構成される。
また、本発明の実施形態によるプロジェクタは、前記色分離ユニット４０と前記光路変換ユニット８０間の光路上には前記反射型ＬＣＤ ７０に向かう光を均一光にする均一光照明ユニット５０と、この均一光照明ユニット５０を透過した光を集束及び／または発散させて前記ＬＣＤ７０に伝達するリレーレンズユニット６０と、をさらに含むことが望ましい。
前記光源３０は、光を生成するランプ３１と、この生成された光が一方向に向かうように照明する反射鏡３５とを含む。前記反射鏡３５は、その曲率形状によって楕円鏡と放物鏡とに区分できる。この光源３０の構成自体は当該技術が属する分野で公知のものであるので、その詳細な説明は省略する。
前記色分離ユニット４０は、前記光源３０と前記ＬＣＤ ７０間の光路上に配置される。この色分離ユニット４０は、カラー回転板４１と、このカラー回転板４１を回転駆動させる駆動源４５とを含んで構成される。前記カラー回転板４１は、前記光源３０から入射された白色光のうち所定波長の各光を時間的または空間的に分離して通過させる役割を果たす。したがって、駆動源４５によって前記カラー回転板４１を回転させることによって、時間別に相異なるカラーの画像がＬＣＤ７０に入射される。
前記均一光照明ユニット５０は、図示されたような形態のガラスロッドで構成される。また、前記均一光照明ユニット５０はフライアイレンズアレイで具現することも可能である。
前記光路変換ユニット８０は、前記光源３０側から入射された光のうち有効光が前記ＬＣＤ ７０に向かうように経路を変換し、前記ＬＣＤ ７０側から入射された有効光が前記投射レンズユニット９０側に向かうように経路を変換する。
この光路変換ユニット８０は、偏光方向によって光を透過または反射させる偏光ビームスプリッタ８１であることが望ましい。この偏光ビームスプリッタ８１は、前記光源３０側から入射された無偏光の光のうち一偏光の光、例えば、Ｓ偏光の光を反射させて前記ＬＣＤ７０側に向かわせる。また、前記ＬＣＤ ７０側から入射された光のうち前記ＬＣＤ ７０のオン／オフ駆動によって位相が遅延されて他の偏光の光、例えば、Ｐ偏光の光に変換された光は透過させて前記投射レンズユニット９０側に向かわせる。
前記反射型ＬＣＤ７０は前記偏光ビームスプリッタ８１の一面に対向配置されるものであって、各画素単位で液晶の配列方向を独立的に選択することによって画像を形成する。この反射型ＬＣＤ７０は１ｍｓ以下の応答時間τを持つ。このＬＣＤ７０は図１、図２Ａ及び図２Ｂを参照して説明した本発明の実施形態による反射型ＬＣＤと実質上同一であるので、その詳細な説明は省略する。
前記のように、１ｍｓ以下の応答速度を持つＬＣＤを利用することによって１パネル方式のプロジェクタを具現できる。
本発明による反射型ＬＣＤ及びそれを利用したプロジェクタは、プロジェクションテレビ、ＨＭＤなどのディスプレイ装置分野に広く適用できる。
本発明の実施形態による反射型ＬＣＤを示す概略的な断面図である。 本発明の実施形態による反射型ＬＣＤの動作状態を説明するために示す概略的な図面である。 本発明の実施形態による反射型ＬＣＤの動作状態を説明するために示す概略的な図面である。 本発明の実施形態によるプロジェクタの光学的配置を示す概略的な図面である。
符号の説明
１１、２５ 第１及び第２基板
１３ 反射電極
１５、２１ 第１及び第２配向膜
１７ スペーサ
１９ 液晶
２３ 透明電極
ｄ セルギャップ

Claims (11)

  1. 反射電極を持つ第１基板と、
    透明電極を持つ第２基板と、
    各々前記第１基板及び前記第２基板に相互対向して設けられた第１及び第２配向膜と、
    前記第１配向膜と第２配向膜間に介在し、前記第１配向膜と第２配向膜間に所定セルギャップｄを維持させるスペーサと、
    前記セルギャップ内に注入される垂直配向液晶と、から構成され、
    前記セルギャップｄは１．０μｍ以下であり、前記液晶の誘電率異方性Δεは負の値を持ち、前記液晶の屈折率異方性Δｎは０．１４以上であることを特徴とする反射型液晶表示素子。
  2. 前記第１及び第２配向膜のプレチルト角αは下記の条件式：
    ８０゜≦α≦９０゜
    を満足することを特徴とする請求項１に記載の反射型液晶表示素子。
  3. 前記スペーサの材質が二酸化珪素（ＳｉＯ2）であることを特徴とする請求項１または２に記載の反射型液晶表示素子。
  4. 前記第１及び第２配向膜は二酸化珪素層または光配向層であることを特徴とする請求項１ないし３のうちいずれか１項に記載の反射型液晶表示素子。
  5. 光を生成し、その生成された光が一方向に向かうように照明する光源と、
    前記光源から照明された光から色を分離し、その分離された各色の光を順行させる色分離ユニットと、
    前記色分離ユニットから分離されて順に入射される各色の入射光を選択的に反射させて画像を形成する反射型液晶表示素子であって、反射電極を持つ第１基板と、透明電極を持つ第２基板と、各々前記第１基板及び前記第２基板に相互対向して設けられた第１及び第２配向膜と、前記第１配向膜と第２配向膜間に介在し、前記第１配向膜と第２配向膜間に所定セルギャップｄを維持させるスペーサと、前記セルギャップ内に注入される垂直配向液晶と、から構成され、前記セルギャップｄは１．０μｍ以下であり、前記液晶の誘電率異方性Δεは負の値を持ち、前記液晶の屈折率異方性Δｎは０．１４以上である反射型液晶表示素子と、
    前記光源と前記反射型液晶表示素子間の光路上に配置されて、前記光源側から入射された光が前記反射型液晶表示素子を経由してスクリーン側に向かうように光路を変換する光路変換ユニットと、
    前記反射型液晶表示素子で形成された画像を前記スクリーン側に投射させる投射レンズユニットと、を含むことを特徴とするプロジェクタ。
  6. 前記第１及び第２配向膜のプレチルト角αは下記の条件式：
    ８０゜≦α≦９０゜
    を満足することを特徴とする請求項５に記載のプロジェクタ。
  7. 前記スペーサの材質が二酸化珪素であることを特徴とする請求項５または６に記載のプロジェクタ。
  8. 前記第１及び第２配向膜は二酸化珪素層または光配向層であることを特徴とする請求項５ないし７のうちいずれか１項に記載のプロジェクタ。
  9. 前記色分離ユニットは、
    前記光源から入射された白色光のうち所定波長の光それぞれを選択的に通過させる複数のカラーフィルタを具備し、各カラーフィルタが光路上に順に配置されるように回転自在に設置されたカラー回転板と、
    前記カラー回転板を回転駆動させる駆動源と、を含むことを特徴とする請求項５ないし８のうちいずれか１項に記載のプロジェクタ。
  10. 前記光路変換ユニットは、
    偏光方向に沿って入射光を透過または反射させる偏光ビームスプリッタであることを特徴とする請求項５ないし９のうちいずれか１項に記載のプロジェクタ。
  11. 前記光源と前記光路変換ユニット間の光路上に配置され、前記光源から照明された光を均一光にする均一光照明ユニットをさらに含むことを特徴とする請求項５ないし１０のうちいずれか１項に記載のプロジェクタ。
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