JP2006098669A - 投射型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 光変調手段に対する光源光の入射角度の範囲内でより高いコントラスト比を得ることが可能な投射型表示装置を得る。
【解決手段】 本発明の投射型表示装置は、光源と、垂直配向モードでかつ所定の方位角方向にプレチルトを有する液晶層が挟持された透過型の液晶パネル６０と、液晶パネルの入射側および射出側にそれぞれ配置された偏光板６２，６４からなる光変調手段と、光変調手段により変調された光を投射する投射レンズとを備え、液晶パネル６０と偏光板６２との間に液晶分子をハイブリッド配向させてなる液晶層を備えた光学補償板７０が設けられている。
【選択図】 図５

Description

本発明は、投射型表示装置に関するものである。

液晶プロジェクタ等の投射型表示装置では光変調手段として液晶ライトバルブが用いられている。液晶ライトバルブは、一対の基板とその間に挟持された液晶層とから構成されている。一対の基板の内側には液晶層に電界を印加するための電極が形成され、電極の内側には液晶分子の配向状態を規制する配向膜が形成されている。そして、非選択電圧印加時と選択電圧印加時との液晶分子の配向変化に基づいて、画像光が形成されるようになっている。ところが、従来の液晶ライトバルブを用いた投射型表示装置は投影画像のコントラスト比が５００程度しかなく、ＤＭＤ（登録商標）等の機械式シャッタを用いた投射型表示装置のコントラスト比３０００と比べて見劣りがしていた。その原因は、液晶の視角特性にある。つまり、投射型表示装置の液晶ライトバルブに入射する光源光は完全な平行光ではなく所定の入射角を持っているが、液晶ライトバルブに入射角依存性があるため、これが投影画像のコントラスト比を低下させる原因になっている。

そこで、投射型表示装置において、液晶ライトバルブの入射角依存性を補償する目的で光学補償板が採用されている（例えば下記の特許文献１参照）。この光学補償板は、負の屈折率異方性を示すディスコティック液晶をハイブリッド配向させたものであり、直視型の液晶表示装置において視野角を広げる目的でよく用いられている。例えば、下記の特許文献２には、特に垂直配向モードの液晶表示装置に用いて好適な光学補償板が開示されている。
特開２００４−２９２５１号公報 特許第２８６６３７２号公報

しかしながら、上述した光学補償板は本来、直視型の液晶表示装置のために開発されたものであり、広い視角範囲で高いコントラスト比が得られるように設計されている。これに対して、投射型表示装置の光変調手段に対する光源光の入射角度は、せいぜい極角で１２°以内といった狭い範囲である。そして、その狭い角度範囲の入射光によって投影画像が形成されることになる。そのため、その狭い入射角度範囲でより高いコントラスト比が得られるような液晶ライトバルブの開発が望まれている。

ところが、上記特許文献１に開示された技術はあくまでも反射型液晶ライトバルブを対象としたものであり、これをそのまま透過型液晶ライトバルブに適用することはできなかった。さらに、液晶ライトバルブの液晶分子を選択電界印加時に所定の方向に安定して傾倒させ、ディスクリネーションを発生させないためには、ある程度大きなプレチルト角、例えば基板法線方向から５°〜１０°程度の角度を付与することが必要になる。このような大きなプレチルトを付与した場合、特許文献１，２で用いられている光学補償板では十分なコントラスト向上効果が得られなかった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、光変調手段に対する光源光の入射角度の範囲内でより高いコントラスト比を得ることが可能な投射型表示装置の提供を目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の投射型表示装置は、照明手段と、一対の基板間に初期配向状態が略垂直でかつ所定の方位角方向にプレチルトを有する負の誘電異方性を持つ液晶層が挟持され、前記照明手段からの光が一方の基板から入射され、他方の基板から射出される液晶セルと前記液晶セルの入射側および射出側にそれぞれ配置された偏光子と検光子とからなる光変調手段と、前記光変調手段により変調された光を投射する投射手段とを備え、前記液晶セルと前記偏光子との間、前記液晶セルと前記検光子との間の少なくとも一方に、面内で一軸異方性を有する負の屈折率異方性を持つ液晶分子をハイブリッド配向させてなる液晶層を備えた光学補償板が設けられたことを特徴とする。

本発明は、光変調手段を構成する液晶セルが、初期配向状態が略垂直でかつ所定の方位角方向にプレチルトを有する負の誘電異方性を持つ液晶層、すなわちプレチルトが付与された垂直配向モードの液晶層を有するものである。一般に、垂直配向液晶にプレチルトを付与した場合、等コントラスト比曲線を想定すると、コントラスト比の高い領域が基板法線方向からプレチルトの方位角方向に偏って分布するようになる。このような特性を有する液晶セルと偏光子、検光子との間に、面内で一軸異方性を有する負の屈折率異方性を持つ液晶分子をハイブリッド配向させた液晶層を備えた光学補償板を設けることによって、基板法線方向からずれて分布していた高コントラスト比領域が基板法線方向に移動する。これにより、基板法線方向を中心とした狭い入射角度範囲の光に対しても、高いコントラスト比を得ることができる。本発明者は、本発明の効果を実証するためのシミュレーションを行っている。その結果は［発明を実施するための最良の形態］の項で詳述する。

上記本発明の構成において、光学補償板の遅相軸を、液晶セルにおける液晶層のプレチルトの方位角方向に対して略４５°に配置し、かつ、偏光子または検光子の透過軸に対して略平行または略垂直に配置することが望ましい。
この構成によれば、最も効果的に、基板法線方向を中心とした狭い入射角度範囲の光に対して高いコントラスト比を得ることができる。例えば上記の「略４５°」、「略平行」、「略垂直」とはその角度から±５°以内のことであり、±５°を超えるとコントラスト向上効果がほとんど得られない。
しかしながら、液晶セルが作製過程においてセル厚、液晶層のプレチルト角、及び液晶層のプレチルト角を付与させた方位角が設計値からずれることが予想される。設計値からずれた場合でも上記の構成でコントラスト向上効果を得るためには、液晶セルに対して光学補償板の遅相軸を可動していくことが望ましい。そうすれば、液晶セルと光学補償板とでよりコントラスト向上のための調整を行うことができる。

また、前記光学補償板を構成する液晶層としてネマティック液晶からなるものを用いることができる。
この液晶層にはディスコティック液晶を用いることもできるが、ディスコティック液晶をハイブリッド配向させてもあまり大きな面内位相差が得られない。これに対して、ネマティック液晶をハイブリッド配向させたものを用いた場合にはディスコティック液晶を用いた場合よりも大きな面内位相差が得られる。面内位相差が大きい程、高コントラスト比領域の移動距離を大きくすることができる。すなわち、プレチルト角が大きいことで高コントラスト比領域が基板法線方向から大きくずれたとしても、ネマティック液晶を用いた場合には大きくずれた高コントラスト比領域を再び基板法線方向まで戻すことが可能になる。したがって、プレチルト角を大きくしても狭い入射角度範囲の光に対して高いコントラスト比が得られるので、液晶分子の傾倒方向が確実に規制されることでディスクリネーションの発生が抑えられ、これに起因する光漏れ等を防止することができる。

また、前記光学補償板を、液晶セルと偏光子との間、液晶セルと検光子との間の双方に設け、互いの光学補償板の遅相軸を略垂直に配置する構成としても良い。
この構成によれば、一方の光学補償板で基板法線方向からずれて分布する高コントラスト比領域を基板法線方向に移動させることができ、他方の光学補償板で高コントラスト比領域を拡大することができる。

［第１の実施の形態］
以下、本発明の第１の実施の形態を図１〜図９を参照して説明する。
本実施形態の投射型表示装置は、一対の基板により液晶層が挟持された液晶セルと、その液晶パネルの外側にそれぞれ配置された光学補償板と、その光学補償板の外側にそれぞれ配置された偏光子、検光子とを有する液晶ライトバルブ（光変調手段）を備えたものである。液晶ライトバルブは、スイッチング素子として薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor、以下ＴＦＴという）素子を用いたアクティブマトリクス方式の透過型液晶パネルである。

図１は投射型表示装置の要部を示す概略構成図である。図２は液晶ライトバルブの等価回路図、図３は液晶ライトバルブの各画素を示す平面図、図４は同断面図、図５は液晶ライトバルブの分解斜視図、図６は光学補償板の詳細断面図である。
なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。また、本明細書では、液晶セルの各構成部材における液晶層側を内面（内側）と呼び、その反対側を外面（外側）と呼ぶことにする。また、「非選択電圧印加時」および「選択電圧印加時」とは、それぞれ「液晶層への印加電圧が液晶のしきい値電圧近傍である時」および「液晶層への印加電圧が液晶のしきい値電圧に比べて十分高い時」を意味しているものとする。

本実施形態の投射型表示装置は、図１に示すように、光源８１０（照明手段）、ダイクロイックミラー８１３，８１４、反射ミラー８１５，８１６，８１７、入射レンズ８１８、リレーレンズ８１９、出射レンズ８２０、液晶ライトバルブ８２２，８２３，８２４（光変調手段）、クロスダイクロイックプリズム８２５、投射レンズ８２６（投射手段）から構成されている。である。光源８１０は、メタルハライド等のランプ８１１とランプの光を反射するリフレクタ８１２とからなる。

ダイクロイックミラー８１３は、光源８１０からの白色光に含まれる赤色光を透過させるとともに、青色光と緑色光とを反射する。透過した赤色光は反射ミラー８１７で反射されて、赤色光用液晶ライトバルブ８２２に入射される。また、ダイクロイックミラー８１３で反射された緑色光は、ダイクロイックミラー８１４によって反射され、緑色光用液晶ライトバルブ８２３に入射される。さらに、ダイクロイックミラー８１３で反射された青色光は、ダイクロイックミラー８１４を透過する。青色光に対しては、長い光路による光損失を防ぐため、入射レンズ８１８、リレーレンズ８１９および出射レンズ８２０を含むリレーレンズ系からなる導光手段８２１が設けられている。この導光手段８２１を介して、青色光が青色光用液晶ライトバルブ８２４に入射される。

各液晶ライトバルブにより変調された３つの色光は、クロスダイクロイックプリズム８２５に入射する。このクロスダイクロイックプリズム８２５は４つの直角プリズムを貼り合わせたものであり、その界面には赤光を反射する誘電体多層膜と青光を反射する誘電体多層膜とがＸ字状に形成されている。これらの誘電体多層膜により３つの色光が合成されて、カラー画像を表す光が形成される。合成された光は、投射光学系である投射レンズ８２６によってスクリーン８２７上に投影され、画像が拡大されて表示される。

なお、光源８１０におけるランプ８１１からの光は、リフレクタ８１２により略平行光に変換されるので、液晶ライトバルブ８２２，８２３，８２４に対する光源光の入射角度は、最大でも１２°程度である。そして、その入射光により投影画像が構成されることになる。ここで、液晶ライトバルブ８２２，８２３，８２４として後述のものを使用すれば、法線方向および極角の小さい範囲においてコントラスト比を向上させることができる。したがって、スクリーン８２７上に投影された画像のコントラスト比を向上させることができる。

最初に、本発明の第１実施形態の液晶ライトバルブについて説明する。
（等価回路図）
図２は、液晶パネルの等価回路図である。透過型液晶パネルの画像表示領域を構成すべくマトリクス状に配置された複数のドットには、画素電極９が形成されている。また、その画素電極９の側方には、当該画素電極９への通電制御を行うためのスイッチング素子であるＴＦＴ素子３０が形成されている。このＴＦＴ素子３０のソースには、データ線６ａが電気的に接続されている。各データ線６ａには画像信号Ｓ１、Ｓ２、…、Ｓｎが供給される。なお画像信号Ｓ１、Ｓ２、…、Ｓｎは、各データ線６ａに対してこの順に線順次で供給してもよく、相隣接する複数のデータ線６ａに対してグループ毎に供給してもよい。

また、ＴＦＴ素子３０のゲートには、走査線３ａが電気的に接続されている。走査線３ａには、所定のタイミングでパルス的に走査信号Ｇ１、Ｇ２、…、Ｇｍが供給される。なお走査信号Ｇ１、Ｇ２、…、Ｇｍは、各走査線３ａに対してこの順に線順次で印加する。
また、ＴＦＴ素子３０のドレインには、画素電極９が電気的に接続されている。そして、走査線３ａから供給された走査信号Ｇ１、Ｇ２、…、Ｇｍにより、スイッチング素子であるＴＦＴ素子３０を一定期間だけオン状態にすると、データ線６ａから供給された画像信号Ｓ１、Ｓ２、…、Ｓｎが、各画素の液晶に所定のタイミングで書き込まれる。

液晶に書き込まれた所定レベルの画像信号Ｓ１、Ｓ２、…、Ｓｎは、画素電極９と後述する共通電極との間に形成される液晶容量で一定期間保持される。なお、保持された画像信号Ｓ１、Ｓ２、…、Ｓｎがリークするのを防止するため、画素電極９と容量線３ｂとの間に蓄積容量１７が形成され、液晶容量と並列に配置されている。このように、液晶に電圧信号が印加されると、印加された電圧レベルにより液晶分子の配向状態が変化する。これにより、液晶に入射した光が変調されて階調表示が可能となる。

（平面構造）
図３は、液晶パネルの平面構造の説明図である。本実施形態の液晶パネルでは、ＴＦＴアレイ基板上に、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からなる矩形状の画素電極９（破線９ａによりその輪郭を示す）が、マトリクス状に配列形成されている。また、画素電極９の縦横の境界に沿って、データ線６ａ、走査線３ａおよび容量線３ｂが設けられている。本実施形態では、各画素電極９の形成された領域がドットであり、マトリクス状に配置されたドットごとに表示を行うことが可能な構造になっている。

ＴＦＴ素子３０は、ポリシリコン膜等からなる半導体層１ａを中心として形成されている。半導体層１ａのソース領域（後述）には、コンタクトホール５を介して、データ線６ａが電気的に接続されている。また、半導体層１ａのドレイン領域（後述）には、コンタクトホール８を介して、画素電極９が電気的に接続されている。一方、半導体層１ａにおける走査線３ａとの対向部分には、チャネル領域１ａ’が形成されている。なお走査線３ａは、チャネル領域１ａ’との対向部分においてゲート電極として機能する。

容量線３ｂは、走査線３ａに沿って略直線状に伸びる本線部（すなわち平面的に見て、走査線３ａに沿って形成された第１領域）と、データ線６ａとの交点からデータ線６ａに沿って前段側（図中上向き）に突出した突出部（すなわち平面的に見て、データ線６ａに沿って延設された第２領域）とによって構成されている。また、図２中に右上がりの斜線で示した領域には、第１遮光膜１１ａが形成されている。そして、容量線３ｂの突出部と第１遮光膜１１ａとがコンタクトホール１３を介して電気的に接続され、後述する蓄積容量が形成されている。

（断面構造）
図４は、液晶パネルの断面構造の説明図であり、図３のＡ−Ａ’線における側断面図である。図４に示すように、本実施形態の液晶パネル６０は、ＴＦＴアレイ基板１０と、これに対向配置された対向基板２０と、これらの間に挟持された液晶層５０とを主体として構成されている。ＴＦＴアレイ基板１０は、ガラスや石英等の透光性材料からなる基板本体１０Ａ、およびその内側に形成されたＴＦＴ素子３０や画素電極９、配向膜１６などを主体として構成されている。一方、対向基板２０は、ガラスや石英等の透光性材料からなる基板本体２０Ａ、およびその内側に形成された共通電極２１や配向膜２２などを主体として構成されている。

ＴＦＴアレイ基板１０の表面には、後述する第１遮光膜１１ａおよび第１層間絶縁膜１２が形成されている。そして、第１層間絶縁膜１２の表面に半導体層１ａが形成され、この半導体層１ａからＴＦＴ素子３０が構成されている。半導体層１ａにおける走査線３ａとの対向部分にはチャネル領域１ａ’が形成され、その両側にソース領域およびドレイン領域が形成されている。このＴＦＴ素子３０はＬＤＤ（Lightly Doped Drain）構造を採用しているため、ソース領域およびドレイン領域に、それぞれ不純物濃度が相対的に高い高濃度領域と、相対的に低い低濃度領域（ＬＤＤ領域）とが形成されている。すなわち、ソース領域には低濃度ソース領域１ｂと高濃度ソース領域１ｄとが形成され、ドレイン領域には低濃度ドレイン領域１ｃと高濃度ドレイン領域１ｅとが形成されている。

半導体層１ａの表面には、ゲート絶縁膜２が形成されている。そして、ゲート絶縁膜２の表面に走査線３ａが形成されて、その一部がゲート電極を構成している。また、ゲート絶縁膜２および走査線３ａの表面には、第２層間絶縁膜４が形成されている。そして、第２層間絶縁膜４の表面にデータ線６ａが形成され、第２層間絶縁膜４に形成されたコンタクトホール５を介して、データ線６ａが高濃度ソース領域１ｄと電気的に接続されている。さらに、第２層間絶縁膜４およびデータ線６ａの表面には、第３層間絶縁膜７が形成されている。そして、第３層間絶縁膜７の表面に画素電極９が形成され、第２層間絶縁膜４および第３層間絶縁膜７に形成されたコンタクトホール８を介して、画素電極９が高濃度ドレイン領域１ｅと電気的に接続されている。さらに、画素電極９を覆うように、ＳｉＯ_２等の無機材料からなる垂直配向膜１６が形成されている。垂直配向膜１６は、ＳｉＯ_２等の無機材料の斜方蒸着によって形成されたものであり、蒸着方向により液晶分子の傾倒方向が一軸に決まるようにプレチルトが付与されている。これにより、選択電圧印加時における液晶分子の配向方向を規制し得るようになっている。

なお、本実施形態では、半導体層１ａを延設して第１蓄積容量電極１ｆが形成されている。また、ゲート絶縁膜２を延設して誘電体膜が形成され、その表面に容量線３ｂが配置されて第２蓄積容量電極が形成されている。これらにより、上述した蓄積容量１７が構成されている。

また、ＴＦＴ素子３０の形成領域に対応するＴＦＴアレイ基板１０の表面に、第１遮光膜１１ａが形成されている。第１遮光膜１１ａは、液晶パネルに入射した光が、半導体層１ａのチャネル領域１ａ'、低濃度ソース領域１ｂおよび低濃度ドレイン領域１ｃに侵入することを防止するものである。なお、第１遮光膜１１ａは、第１層間絶縁膜１２に形成されたコンタクトホール１３を介して、前段あるいは後段の容量線３ｂと電気的に接続されている。これにより、第１遮光膜１１ａは第３蓄積容量電極として機能し、第１層間絶縁膜１２を誘電体膜として、第１蓄積容量電極１ｆとの間に新たな蓄積容量が形成されている。

一方、データ線６ａ、走査線３ａおよびＴＦＴ素子３０の形成領域に対応する対向基板２０の表面には、第２遮光膜２３が形成されている。第２遮光膜２３は、液晶パネルに入射した光が、半導体層１ａのチャネル領域１ａ’や低濃度ソース領域１ｂ、低濃度ドレイン領域１ｃに侵入するのを防止するものである。また、対向基板２０および第２遮光膜２３の表面には、ほぼ全面にわたってＩＴＯ等の導電体からなる共通電極２１が形成されている。さらに、共通電極２１の表面には、ＴＦＴアレイ基板１０側と同様、ＳｉＯ_２等の無機材料からなる垂直配向膜２２が形成されている。垂直配向膜２２のプレチルトの方位角方向は、ＴＦＴアレイ基板１０側の垂直配向膜１６のプレチルトの方位角方向と一致している。

そして、ＴＦＴアレイ基板１０と対向基板２０との間には、初期配向状態が垂直配向を呈する液晶層５０が挟持されている。この液晶は、負の誘電率異方性を示すものであり、非選択電圧印加時に垂直配向し、選択電圧印加時に水平配向するようになっている。また、上述の垂直配向膜１６，２２の作用によって、平面視（基板面内）においては所定の方位角方向に一軸方向であり、断面視においては基板法線方向から５°（基板面から８５°）のプレチルトを有している。

（偏光板）
図５は、第１実施形態の液晶ライトバルブ１００の分解斜視図である。本実施形態の液晶ライトバルブ１００は、上述した液晶パネル６０と、液晶パネル６０の外側（入射側）に配置された光学補償板７０と、光学補償板７０の外側（入射側）および液晶パネル６０の外側（出射側）に配置された偏光板６２（偏光子）、偏光板６４（検光子）とによって構成されている。光学補償板７０および各偏光板６２，６４は、サファイヤガラスや水晶等の熱伝導率が高い光透過性材料で構成された支持基板７８（図６参照）に装着されて、液晶パネル６０から離間配置されている。

図５に示すように、液晶パネル６０の光入射側には偏光板６２が配置され、光出射側には偏光板６４が配置されている。各偏光板６２，６４は、その吸収軸方向の直線偏光を吸収し、透過軸方向の直線偏光を透過する機能を有する。偏光板６２と偏光板６４とは、それぞれの吸収軸および透過軸が直交するように（クロスニコル）配置されている。また、液晶層５０のプレチルトの方位角方向（液晶分子の傾倒方向）と偏光板６２の吸収軸および偏光板６４の吸収軸とが４５°の角度をなすように配置されている。

液晶ライトバルブ１００に対して偏光板６２の下方から光が入射すると、偏光板６２の透過軸と一致する直線偏光のみが偏光板６２を透過する。非選択電圧印加時の液晶パネル６０では液晶分子が垂直配向している。そのため、液晶パネル６０に入射した直線偏光は、そのままの偏光状態を保って液晶パネル６０から出射する。この直線偏光の偏光方向は偏光板６４の透過軸と直交するため、偏光板６４を透過しない。したがって、非選択電圧印加時の液晶パネル６０では黒表示が行われる（ノーマリーブラックモード）。また、選択電圧印加時の液晶パネル６０では液晶分子が水平配向している。そのため、液晶パネル６０に入射した直線偏光に位相差が生じ、楕円偏光となって液晶パネル６０から出射する。そして、この楕円偏光のうち、偏光板６４の透過軸と平行な偏光成分が偏光板６４を透過する。したがって、選択電圧印加時の液晶パネル６０では白表示が行われる。

（光学補償板）
本実施形態では、液晶パネル６０における光入射側の対向基板２０の外側に光学補償板７０が配置されている。
図６は、光学補償板７０の側面断面図である。光学補償板７０は、トリアセチルセルロース（ＴＡＣ）等からなる支持基板７８上に配向膜（図示せず）を設け、その配向膜上にトリフェニレン誘導体等のディスコティック液晶層７４を形成したものである。なお、配向膜はポリビニルアルコール（ＰＶＡ）等からなり、その表面にはラビング等が施されて、液晶分子７４ｂの配向方向を規制し得るようになっている。一方、ディスコティック液晶層７４は、負の一軸性を示す屈折率楕円体の光軸の傾斜角度が膜厚方向に連続的に変化した光学的構造を有するものである。光学補償板７０の面内位相差は１３〜１４ｎｍ程度である。

このようなハイブリッド配向構造は、支持基板７８上に液晶性ディスコティック化合物を塗布し、一定温度で配向、硬化させることによって得ることができる。なお、ディスコティック液晶分子７４ｂは、支持基板７８側（液晶パネル６０側）で０〜１５°のチルト角（基板面に対して寝た状態）を示し、その反対側で２０〜６０°のチルト角（基板面に対して立った状態）を示す。なお、光学補償板７０は表裏逆に配置しても良い。すなわち、ディスコティック液晶分子７４ｂが液晶パネル６０側で基板面に対して立った状態、その反対側で基板面に対して寝た状態となるように配置しても良い。

ディスコティック液晶分子７４ｂの配向規制方向７１（液晶分子の傾倒方向）をＸ軸方向と定義する。このＸ軸方向は、光学補償板７０を法線方向から見た場合の進相軸方向である（これと直交する方向が遅相軸）。このような光学補償板７０として、具体的には富士写真フィルム製のＷＶフィルム（商品名）を採用することが可能である。光軸配置としては、光学補償板７０の遅相軸（進相軸も同様）が、液晶層５０のプレチルトの方位角方向に対して略４５°に配置され、かつ、偏光板６２，６４の透過軸（吸収軸も同様）に対して略平行または略垂直に配置されている。

液晶パネル６０において、液晶層５０を構成する垂直配向液晶にプレチルトを付与した場合、高いコントラスト比を示す領域が、基板法線方向からプレチルトの方位角方向に偏って分布するようになる。本実施形態によれば、このような特性を有する液晶パネル６０と偏光板６２との間に上記の光学補償板７０を配置することによって、基板法線方向からずれて分布していた高コントラスト比領域が基板法線方向に移動する。これにより、投射型表示装置で用いられる基板法線方向を中心とした狭い入射角度範囲の光に対して高い投影コントラスト比を得ることができる。

本発明者は、従来構造の液晶ライトバルブと本発明（本実施形態）の液晶ライトバルブについて投影コントラスト比がどのように変わるのかをシミュレーションにより求めた。以下、その結果を説明する。
まず最初に、光源から射出される光の強度分布について調べた。図７は、実際の光源の強度分布を示す図であって、縦軸、横軸がともに極角６°の点を基板法線方向として表したときの１°〜１１°（コーン角：１０°）の範囲の等輝度曲線である。ここでは、コーン角が１０°以内のみを描いたが、１０°以上の範囲での輝度はここに示したものよりもはるかに小さくなる。特に２〜３°以内程度で０．０１６〜０．０１８（全光源量を１に規格化したときの数値）と最も強い光が照射されることがわかる。

次に、従来構造の液晶ライトバルブ、すなわち、光学補償板を用いていない液晶ライトバルブにおける投影コントラスト比のシミュレーションを行った。光学補償板を用いていないこと以外は上記実施の形態と条件を同じにし、従って、垂直配向液晶層のプレチルトは５°とした。

図８は、シミュレーションによる従来構造の液晶ライトバルブにおける等コントラスト比曲線を示しており、方位角は０°〜３６０°、極角は０°〜２０°の範囲を示した。ここでは、垂直配向液晶層のプレチルトの方位角方向を４５°の方向に設定した。
図８からわかるように、投影コントラスト比が９００以上となる高コントラスト比領域Ｈが図８の中心（基板法線方向）から方位角４５°方向（垂直配向液晶層のプレチルトの方位角方向）にずれて分布しているのがわかる。

これに対して、本実施形態の液晶ライトバルブ、すなわち、ハイブリッド配向させたディスコティック液晶からなる光学補償板を用いた液晶ライトバルブにおける投影コントラスト比のシミュレーションを行った。

図９は、シミュレーションによる本実施形態の液晶ライトバルブにおける等コントラスト比曲線を示しており、方位角は０°〜３６０°、極角は０°〜２０°の範囲を示した。また、垂直配向液晶層のプレチルトの方位角方向を４５°の方向に設定した。
図９からわかるように、本実施形態の液晶ライトバルブの場合、図８の従来構造の液晶ライトバルブと比較すると、高いコントラスト比を示す領域が狭くなっており、広角までのコントラスト比の大小で見る限り、従来構造の液晶ライトバルブの方が優っている。しかしながら、本実施形態の場合、投影コントラスト比が９００以上となる高コントラスト比領域Ｈが図８の中心（基板法線方向）付近に分布しているのがわかる。

図８、図９にコーン角：５°の範囲を太い黒丸で示したが、この範囲内で比較すると、従来構造の液晶ライトバルブではコントラスト比が１００〜３００程度と低い値を示しているのに対し、本実施形態の液晶ライトバルブでは７００〜９００以上と高い値を示している。このように、本実施形態の液晶ライトバルブによれば、プレチルトを５°と比較的高い値に設定することでディスクリネーションを抑制しつつ、投射型表示装置に特有の光源光の入射角度が狭くても高い投影コントラスト比を得ることができる。

［第２の実施の形態］
以下、本発明の第２の実施の形態を図１０を参照して説明する。
本実施形態の投射型表示装置の基本構成は第１実施形態と同様であり、液晶パネルの光入射側と光出射側の各々に光学補償板を配置した点のみが第１実施形態と異なっている。
図１０は本実施形態の液晶ライトバルブの分解斜視図である。図１０において図５の共通の構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

本実施形態の液晶ライトバルブは、図１０に示すように、液晶パネル６０における光入射側に光学補償板７０が配置されるとともに、光出射側にも光学補償板８０が配置されている。光軸配置については、液晶パネル６０の液晶層のプレチルトの方位角方向、偏光板６２，６４の吸収軸（透過軸）方向、光入射側の光学補償板７０の遅相軸（進相軸）方向の相互の関係は第１実施形態と全く同じである。そして、光学補償板７０の遅相軸（進相軸）と光学補償板８０の遅相軸（進相軸）とは直交している。したがって、光学補償板８０の遅相軸（進相軸も同様）が、液晶層５０のプレチルトの方位角方向に対して略４５°に配置され、偏光板６２，６４の透過軸（吸収軸も同様）に対して略平行または略垂直に配置されることになる。

本実施形態においても、投射型表示装置で用いられる基板法線方向を中心とした狭い入射角度範囲の光に対して高い投影コントラスト比が得られる、といった第１実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに本実施形態の場合、光学補償板７０，８０を液晶パネル６０の光入射側、出射側で計２枚用いたことによって、１枚の光学補償板の作用によりずれて分布していた高コントラスト比領域が基板法線方向に移動し、もう１枚の光学補償板の作用により基板法線方向に移動した高コントラスト比領域の面積が拡大するので、投影コントラスト比をさらに向上させることができる。

本実施形態においても、第１実施形態と同様、各光学補償板７０，８０を液晶パネル６０に対して表裏逆に配置しても良い。また、本実施形態では液晶パネル６０の光入射側、出射側にそれぞれ１枚ずつの光学補償板７０，８０を配置した例を示したが、光入射側のみに２枚の光学補償板を配置したり、光出射側のみに２枚の光学補償板を配置しても、本実施形態と同様の効果を得ることができる。

［第３の実施の形態］
以下、本発明の第２の実施の形態を図１１を参照して説明する。
本実施形態の投射型表示装置の基本構成は第１実施形態と同様であり、液晶パネルの光入射側に１枚の光学補償板を配置した点も同様である。光学補償板自体の構成のみが第１実施形態と異なっている。

第１実施形態ではディスコティック液晶をハイブリッド配向させた光学補償板を用いたのに対し、本実施形態の液晶ライトバルブにおいてはネマティック液晶をハイブリッド配向させた光学補償板を用いている。この光学補償板は、第１実施形態と同様、支持基板上に配向膜を設け、その配向膜上にネマティック液晶層を形成したものである。配向膜の表面にはラビング処理等が施されて、液晶分子の配向方向を規制し得るようになっている。一方、ネマティック液晶層は、正の一軸性を示す屈折率楕円体の光軸の傾斜角度が膜厚方向に連続的に変化した光学的構造を有するものである。

このようなハイブリッド配向構造は、支持基板上にネマティック液晶化合物を塗布し、一定温度で配向、硬化させることによって得ることができる。なお、ネマティック液晶化合物は、液晶パネル６０側で基板面に対して寝た状態、その反対側で基板面に対して立った状態となるように配置しても良いし、逆に液晶パネル６０側で基板面に対して立った状態、その反対側で基板面に対して寝た状態となるように配置しても良い。

ネマティック液晶の場合もディスコティック液晶と同様、配向規制方向（液晶分子の傾倒方向）が進相軸方向となる（これと直交する方向が遅相軸）。このような光学補償板として、具体的には新日本石油製のＮＨフィルム（商品名）を採用することが可能である。光軸配置としては、光学補償板の遅相軸（進相軸も同様）が、液晶層のプレチルトの方位角方向に対して略４５°に配置され、偏光板の透過軸（吸収軸も同様）に対して略平行または略垂直に配置されている。

第１実施形態で用いた光学補償板のように、ディスコティック液晶をハイブリッド配向させたものでは１３〜１４ｎｍ程度の面内位相差しか得られないのに対して、ネマティック液晶をハイブリッド配向させた光学補償板を用いた場合にはディスコティック液晶を用いた場合よりも大きな面内位相差、例えば７０ｎｍ〜１／４波長（１００数十ｎｍ）程度の位相差が比較的容易に得られる。面内位相差が大きい程、高コントラスト領域の移動距離を大きくすることができる。したがって、本実施形態の光学補償板を用いると、第１実施形態よりもプレチルト角を大きくしても狭い入射角度範囲の光に対して高いコントラスト比が得られるので、液晶分子の傾倒方向がより確実に規制されることでディスクリネーションの発生が抑えられ、これに起因する光漏れ等を防止することができる。

そこで、本発明者は、第１実施形態ではプレチルト角を基板法線方向から５°に設定したが、プレチルト角を基板法線方向から７°（基板面から８３°）と第１実施形態よりも大きくした場合の本実施形態の液晶ライトバルブにおける投影コントラスト比をシミュレーションにより求めた。以下、その結果を説明する。

図１１は、シミュレーションによる本実施形態の液晶ライトバルブにおける等コントラスト比曲線を示しており、方位角は０°〜３６０°、極角は０°〜２０°の範囲を示した。ここでは、垂直配向液晶層のプレチルトの方位角方向を４５°の方向に設定した。
図１１からわかるように、本実施形態の液晶ライトバルブの場合、図８の従来構造の液晶ライトバルブと比較すると、高いコントラスト比を示す領域Ｈが狭くなっており、広角までのコントラスト比の大小で見る限り、従来構造の液晶ライトバルブの方が優っている。しかしながら、本実施形態の場合、投影コントラスト比が９００以上となる高コントラスト比領域Ｈが図８の中心（基板法線方向）付近に分布しているのがわかる。

図１１にコーン角：５°の範囲を太い黒丸で示したが、この範囲内で比較すると、従来構造の液晶ライトバルブではコントラスト比が１００〜３００程度と低い値を示しているのに対し、本実施形態の液晶ライトバルブでは３００〜９００以上と高い値を示している。このように、本実施形態の液晶ライトバルブによれば、プレチルトを７°と第１実施形態よりもさらに高い値に設定することでディスクリネーションをより確実に抑制しつつ、投射型表示装置に特有の光源光の入射角度が狭くても高い投影コントラスト比を得ることができる。

［第１〜第３実施形態の評価結果］
本発明者は、上記第１〜第３実施形態の液晶ライトバルブでの投影コントラスト比と、光学補償板を持たない従来の液晶ライトバルブでの投影コントラスト比を比較した。その結果を下記の［表１］に示す。
［表１］の上段はコーン角：２°の範囲内に占めるコントラスト比９００以上の領域の面積の割合である。［表１］の下段は投影時のコントラスト比の計算値である。

［表１］に示したように、光学補償板を持たない従来の液晶ライトバルブではコントラスト比９００以上の領域の割合が０％、投影コントラスト比が４００であった。これに対して、第１実施形態の液晶ライトバルブ（ディスコティック液晶光学補償板１枚使用）ではコントラスト比９００以上の領域の割合が８２％、投影コントラスト比が１２００、第２実施形態の液晶ライトバルブ（ディスコティック液晶光学補償板２枚使用）ではコントラスト比９００以上の領域の割合が８５％、投影コントラスト比が１５００、第３実施形態の液晶ライトバルブ（ネマティック液晶光学補償板１枚使用）ではコントラスト比９００以上の領域の割合が７０％、投影コントラスト比が１０００、であった。このように、本発明の投射型表示装置によれば、高い投影コントラスト比が得られることがわかった。

なお、本発明の技術的範囲は、上述した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において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。例えば、上記実施形態ではスイッチング素子としてＴＦＴを備えた液晶ライトバルブを例にして説明したが、スイッチング素子として薄膜ダイオード（Thin Film Diode）等の二端子型素子を採用してもよい。さらに、３板式の投射型表示装置を例にして説明したが、本発明の液晶ライトバルブを単板式の投射型表示装置に適用することも可能である。

本発明の第１実施形態の投射型表示装置の要部を示す概略構成図である。 同、投射型表示装置の液晶ライトバルブの等価回路図である。 同、液晶ライトバルブの各画素を示す平面図である。 図３のＡ−Ａ’線に沿う断面図である。 同、液晶ライトバルブの分解斜視図である。 同、液晶ライトバルブの光学補償板の詳細断面図である。 同、投射型表示装置の光源の強度分布を示す図である。 従来の液晶ライトバルブの等コントラスト比曲線を示す図である。 本実施形態の液晶ライトバルブの等コントラスト比曲線を示す図である。 本発明の第２実施形態の液晶ライトバルブの分解斜視図である。 本発明の第３実施形態の液晶ライトバルブの等コントラスト比曲線を示す図である。

符号の説明

６０…液晶パネル、６２…偏光板（偏光子）、６４…偏光板（検光子）、７０，８０…光学補償板、１００，８２２，８２３，８２４…液晶ライトバルブ（光変調手段）、８１０…光源（照明手段）、８２６…投射レンズ（投射手段）

Claims (4)

1. 照明手段と、一対の基板間に初期配向状態が略垂直でかつ所定の方位角方向にプレチルトを有する負の誘電異方性を持つ液晶層が挟持され、前記照明手段からの光が一方の基板から入射され、他方の基板から射出される液晶セルと前記液晶セルの入射側および射出側にそれぞれ配置された偏光子と検光子とからなる光変調手段と、前記光変調手段により変調された光を投射する投射手段とを備え、
   前記液晶セルと前記偏光子との間、前記液晶セルと前記検光子との間の少なくとも一方に、面内で一軸異方性を有する負の屈折率異方性を持つ液晶分子をハイブリッド配向させてなる液晶層を備えた光学補償板が設けられたことを特徴とする投射型表示装置。
2. 前記光学補償板の遅相軸が、前記液晶セルにおける液晶層のプレチルトの方位角方向に対して略４５°に配置され、かつ、前記偏光子または前記検光子の透過軸に対して略平行または略垂直に配置されたことを特徴とする請求項１に記載の投射型表示装置。
3. 前記光学補償板を構成する液晶層がネマティック液晶からなることを特徴とする請求項１または２に記載の投射型表示装置。
4. 前記光学補償板が、前記液晶セルと前記偏光子との間、前記液晶セルと前記検光子との間の双方に設けられ、互いの光学補償板の遅相軸が略垂直に配置されたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の投射型表示装置。
   

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