JP2006235312A - 反射型液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】反射型液晶表示装置においてコントラストを改善するための波長板を、光学系により容易に組み込めるようにする。
【解決手段】板厚０．０１５ｍｍ程度の水晶板１０６及び水晶板１０６が貼り付けられたガラス板１０７から構成された１／４波長板１３０が、反射型液晶表示素子１０８と偏光ビームスプリッタ１０５との間に配置されている。１／４波長板１３０は、設計波長５５０ｎｍ帯の入射光の位相をシフトさせるものであり、垂直偏光の軸を設計波長の１／４である１４２．５ｎｍ程度位相シフトさせるように、水晶板とガラス板とを貼り合わせ、水晶板の板厚が１５μｍ程度となるように形成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、反射型液晶素子を用いた反射型液晶表示装置に関する。

近年、画素に反射電極を設けて画素の開口率を向上させた反射型液晶素子の開発が進み、投影型の液晶プロジェクタに用いられるようになってきている（特許文献１，２参照）。反射型の液晶デバイスを用いたプロジェクタでは、反射型液晶素子の表示面に対して偏光を照射し、表示面に表示される画像に対応する画素により反射される楕円偏光から所定の方向の偏光を取り出し、取り出した光を投射レンズによりスクリーン上に投射している。

図６に、反射型液晶素子を用いたプロジェクタの構成例を示す。このプロジェクタは、光源６０１，偏光ビームスプリッタ６０２，反射型液晶素子６０３，投射レンズ６０４，及び１／４波長板６０５を備える。光源６０１は、光軸がＹ軸に平行なレンズ（図示せず）を備える。偏光ビームスプリッタ６０２は、法線ｎがＹ―Ｚ平面内に存在し、且つＹ軸及びＺ軸に対して４５°の角度を成すように配置されている。反射型液晶素子６０３は、表示面がＺ軸に直交し、投射レンズ６０４は光軸がＺ軸と平行な状態に配置されている。

光源６０１から出射された光線のうち、Ｙ軸に平行な光線（主入射光線）は、偏光ビームスプリッタ６０２に対して４５°の角度で入射される。偏光ビームスプリッタ６０２は、主入射光線のエネルギーのうち、Ｐ波（Ｐ偏光成分）は透過させ、Ｓ波（Ｓ偏光成分）は反射させる。従って、偏光ビームスプリッタ６０２の偏光膜面を反射したＳ波が、Ｚ軸に沿って反射型液晶素子６０３へ向かう。反射型液晶素子６０３により反射された光線は再びＺ軸に沿って偏光ビームスプリッタ６０２へ向かう。

ここで、反射型液晶素子６０３が鏡面として作用する部位から反射された光線は、再びＳ波の直線偏光となる。従って、この光線は、偏光ビームスプリッタ６０２により反射され、光源６０１側へ向かう。一方、反射型液晶素子６０３内の所定の画像を生ずる部位で反射された光線は、当該部位における複屈折により楕円偏光となり、このＳ波成分は偏光ビームスプリッタ６０２により反射され、Ｐ波成分は偏光ビームスプリッタ６０２を透過し、投射レンズ６０４により図示しないスクリーンへ投射され、所定の画像を形成する。

光源６０１からの光は、光束として偏光ビームスプリッタ６０２へ入射される。従って、光源６０１からの光線は、垂直に入射する主入射光線に加え、光源６０１の周辺部から角度を持って入射する周辺光線も含む。周辺光線のうちＹ−Ｚ面内でＹ軸に対して傾斜した入射方向（例えばＸ―Ｚ面内）に沿って入射する光線の、偏光ビームスプリッタ６０２により分離された反射光は、当該光線の入射方向と偏光ビームスプリッタ６０２の反射面の法線により定まる入射面に直交する方向へ振動する直線偏光となる。この直線偏光の方向は、図７において符号７０１で示される。

図７に示すように、振動方向７０１は、Ｙ−Ｚ面に直交する軸（Ｘ軸）に対して、進行方向を向いて時計回りにずれた角度αを有する。振動方向７０１を有するＳ波が反射型液晶素子６０３（反射型液晶素子６０３のうち鏡面として作用する部位）により反射されると、この反射光は図７においてＸ軸に対して同じ角度αだけずれた偏光方向７０２を有する。偏光方向７０２の直線偏光が、偏光ビームスプリッタ６０２へ入力される。

偏光ビームスプリッタ６０２は、Ｙ−Ｚ面と垂直な振動方向を有する直線偏光を完全に反射し、Ｙ−Ｚ面に平行な振動成分を完全に透過する機能を有する。反射型液晶素子６０３からの反射光（周辺光線の反射光）が、偏光ビームスプリッタ６０２の上述した法線とで作る入射面に直交する方向は、図７に示すように、Ｘ軸に対して（―α）の角度を有する方向７０３である。従って、反射光の直線偏光７０２のうち方向７０３と平行な成分は偏光ビームスプリッタ６０２により反射されるが、方向７０３と直交する方向の成分は偏光ビームスプリッタ６０２を透過しスクリーン上へ投射される。これによりスクリーン上で、例えば黒くあるべきところが薄明るくなりコントラストが低下する。

このようなコントラストの低下を抑制するために、偏光ビームスプリッタ６０２と反射型液晶素子６０３との間に、進相軸あるいは遅相軸をＹ−Ｚ面の方向に合わせた１／４波長板６０５を配置している。反射型液晶素子６０３で反射される光線は、１／４波長板を２回通過するので、１／４波長板６０５は、実質的に１／２波長板として作用する。このため、周辺光線は反射型液晶素子６０３で反射された後、方向７０３（図７）の偏光面を有する直線偏光となり、偏光ビームスプリッタ６０２へ入力されるとこれにより完全に反射され、投射レンズ６０４の側へ透過することがない。従って、スクリーン上には光が達することはなく高いコントラストが得られる。

ところで、反射型液晶表示装置に用いられる可視光の波長領域は４００〜７００ｎｍであるため、１／４波長板に要求されるリタデーション値は１００〜１７５ｎｍとなる。ここでリタデーション値とは、１／４波長板の遅相軸方向の屈折率と遅相軸と垂直の進相軸方向の屈折率の差(以下、複屈折率差と称する)と、１／４波長板の板厚の積である。従って、例えば水晶で形成された１／４波長板で要求されるリタデーション値を得るためには、水晶の複屈折率が約０．００９であることから、１／４波長板の板厚を１０数μｍ程度にすることになる。しかし板厚を１０数μｍ程度とすることは、製造における歩留りや部品強度の観点から非常に困難である。

このため、厚さを約１．０ｍｍ前後とした２枚の光学的異方性の結晶板（例えば水晶板）を遅相軸が直交する向きに貼り合わせる方式が取られている。遅相軸の角度が基準となる軸に対して平行である水晶板のリタデーション値と、遅相軸の角度が基準となる軸に対して垂直である水晶板のリタデーション値の差を１００〜１７５ｎｍとすることで、反射型液晶表示装置の光学ユニットに使用する１／４波長板として要求されるリタデーション値を得ることができる。

また、照明光学系のＦ値が小さくなるに従い、１／４波長板のリタデーション値が変化し、コントラストの改善効果が低下する現象がある。水晶などの光学的異方性結晶は、入射光線の角度に対してリタデーション値に依存性があるため、照明光学系のＦ値が小さくなるに従い、中心部に対して周辺部では入射光線に角度がつき、コントラストの改善効果が得られない。この問題を解消するために、貼り合わされた２枚の水晶板の総板厚を０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下とした１／４波長板を用いる技術が提案されている（特許文献３参照）。

なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
特公平７−００３８５０号公報 特許第３５９６３２２号公報 特開２００３−２２２７２４号公報

しかし、特許文献３に開示されている１／４波長板は、各々の水晶板の板厚が０．０５〜０．２５ｍｍとなるため、各々の水晶板の位相差が非常に大きいものとなる。このような状態では、光の入射角度が変化すると設計波長における位相差が大きく変化し、光が往復する光学系において、配置の状態によっては１／２波長板として機能しない場合が発生する。言い換えると、光学系における配置によっては、１／２波長板として機能する波長が変化する。

例えば、図８，図９にコントラストのシミュレーション結果を示すように、総板厚が１．０ｍｍ（図８）の場合に比較し、総板厚が０．５ｍｍ（図９）の水晶1／４波長板の方が、入射角度が大きい成分のコントラス比が改善されている。しかしながら、図９に示す結果においても、光の入射角度が変化すると設計波長における位相差が大きく変化し、光が往復する光学系において、１／２波長板として機能しなくなってくる状態である。

なお、図８，図９に示すシミュレーションは、偏光ビームスプリッタのコントラス比を劣化させる主方向の光で行い、シミュレーションを行った入射角度は０°，４°，８°，１２°である。また、このシミュレーションは、設計中心波長５５０ｎｍ、設計波長における位相差を９０°、最大のコントラスト比を１とし、コントラスト比の相対値の波長に対する変化をみている。

また、水晶は３２点群に属する結晶なため、旋光性を有しており、この旋光性は光が水晶の中を進む方向と進む距離に応じて影響の度合いが異なることが知られている。水晶板から１／４波長板を構成する場合、図６に示すような光学系においては、旋光能の影響を最小にすることもコントラストの低下を抑制するために必要となる。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、反射型液晶表示装置においてコントラストを改善するための波長板を、光学系により容易に組み込めるようにすることを目的とする。

本発明に係る反射型液晶表示装置は、光源より出射された光を色分解光学系により３原色に色分解し、色分解した各３原色の光を偏光変換素子に透過させてから偏光ビームスプリッタを介して対応する反射型液晶表示素子に入射させ、各々の反射型液晶表示素子で反射された３原色の光を色合成光学系により合成し、合成された光による像を投射レンズで投射する反射型液晶表示装置において、いずれかの３原色の光に対応する反射型液晶表示素子とこの反射型液晶表示素子に対応する偏光ビームスプリッタとの間に配置され、ガラス板とこれに貼り付けられた水晶板とから構成されたｎ／４波長板（ｎは奇数）を少なくとも備えるようにしたものである。なお、ｎは、７までの奇数であればよい。

以上説明したように、本発明によれば、ガラス板とこれに貼り付けられた水晶板とから構成されたｎ／４波長板が、反射型液晶表示素子とこの反射型液晶表示素子に対応する偏光ビームスプリッタとの間に配置されているようにしたので、反射型液晶表示装置においてコントラストを改善するための波長板が、光学系により容易に組み込めるようになるという優れた効果を備える。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における反射型液晶表示装置の構成例を示す構成図であり、３板式反射型液晶表示装置を例にしている。図１に示す装置は、光源１０１，偏光変換素子１０２，ダイクロイックミラー１０３，偏光板１０４，偏光ビームスプリッタ１０５，板厚０．０１５ｍｍ程度の水晶板１０６及び水晶板１０６が貼り付けられたガラス板１０７から構成された１／４波長板１３０，緑色（Ｇ）用の反射型液晶表示素子１０８，偏光回転素子１０９，偏光ビームスプリッタ１１０，赤色（Ｒ）用の反射型液晶表示素子１１１，青色（Ｂ）用の反射型液晶表示素子１１２，偏光回転素子１１３，偏光ビームスプリッタ１１４，及び投射レンズ１１５を備える。

図１に示す反射型液晶表示装置では、光源１０１から放射された白色光は、偏光変換素子１０２によってＳ偏光に変換される。変換されたＳ偏光は、ダイクロックミラー１０３に入射し、Ｇ光は反射し、ＲＢの混合光は透過する。ダイクロイックミラー１０３を反射したＳ偏光のＧ光は、偏光ビームスプリッタ１０５に入射する。偏光ビームスプリッタ１０５に入射したＳ偏光のＧ光は、スプリッタ面により反射され、１／４波長板１３０を経て反射型液晶表示素子１０８に入射する。ここで、画像データに応じて変調され、明るく表示させる光はＧ光のＰ偏光として反射され、再度、１／４波長板１３０を透過し、偏光ビームスプリッタ１０５に入射する。Ｐ偏光として反射されたＧ光は、偏光ビームスプリッタ１０５のスプリッタ面を透過し、偏光ビームスプリッタ１１４に入射する。

一方、ダイクロイックミラー１０３を透過したＳ偏光のＲＢ混合光は、Ｂ光の偏光を回転させる偏光回転素子１０９に入射し、Ｓ偏光のＲ光とＰ偏光のＢ光とに分離される。分離された各々の光は、偏光ビームスプリッタ１１０に入射し、Ｓ偏光のＲ光はスプリッタ面により反射され、Ｐ偏光のＢ光はスプリッタ面を透過する。スプリッタ面を反射したＳ偏光のＲ光は、反射型液晶表示素子１１１に入射する。また、スプリッタ面を透過したＰ偏光のＢ光は、反射型液晶表示素子１１２に入射する。従って、ダイクロイックミラー１０３及び偏光回転素子１０９により、色分解光学系が構成されていることになる。なお、ダイクロイックミラー１０３と偏光ビームスプリッタ１１０との間に、コリメートレンズが配置された状態とし、通過する光が平行光となるようにしてもよい。

ここで反射型液晶表示素子１１１により、画像データに応じて変調され、明るく表示させるＲ光はＰ偏光のＲ光として反射され、表示に寄与しないＲ光はＳ偏光のまま反射される。Ｐ偏光のＲ光は、偏光ビームスプリッタ１１０に入射し、スプリッタ面を透過して偏光回転素子１１３に入射する。また、反射型液晶表示素子１１２により、画像データに応じて変調され、明るく表示させるＢ光はＳ偏光のＢ光として反射され、表示に寄与しないＢ光はＰ偏光のまま反射される。Ｓ偏光のＢ光は、偏光ビームスプリッタ１１０に再度入射し、スプリッタ面により反射され、偏光回転素子１１３に入射する。偏光回転素子１１３は、Ｒ光の偏光を回転させるため、偏光回転素子１１３に入射したＰ偏光のＲ光はＳ偏光に変換される。従って、偏光回転素子１１３を透過したＲ光とＢ光とは、ともにＳ偏光の状態で偏光ビームスプリッタ１１４に入射する。ここで、なお、ダイクロイックミラー１０３と偏光ビームスプリッタ１１０との間に、コリメートレンズが配置された状態とすることで、Ｒ光とＢ光のコントラストが向上できる。

以上のことにより、偏光ビームスプリッタ１１４には、Ｐ偏光のＧ光及びＳ偏光のＲＢ混合光が入射し、投射レンズ１１５の方向（ｙ方向）の光軸上で入射したＰ偏光のＧ光は透過し、投射レンズ１１５の方向に直交する方向（ｚ方向）の光軸上で入射したＳ偏光のＲＢ混合光は反射し、ＲＧＢが混合された状態で偏光ビームスプリッタ１１４を出射し、投射レンズ１１５に入射する。なお、偏光ビームスプリッタ１０５と偏光ビームスプリッタ１１４との間に、Ｒ，Ｂ光とＧ光の光路長が等しくなるように調整するための光路調整板を設けるようにしてもよい。これらのようにして色合成された各光は、投写レンズ１１５により図示しないスクリーン上に投写される。なお、１／４波長板１３０の遅相軸の角度は、図示しない調整機構によって、偏光ビームスプリッタ１０５が偏光子として最適に作用する角度に調整される。

上述した図１に示す反射型液晶表示装置によれば、ガラス板１０７に貼り付けられた１枚の水晶板１０６から１／４波長板１３０が構成されているようにした。この結果、例えば板厚０．０１５ｍｍと非常に薄い水晶板１０６から１／４波長板が構成可能となり、従来に比較して、入射する光の角度の変化に対する位相差変化が抑制され、旋光性の影響が抑制されるようになる。このように構成された１／４波長板１３０は、例えば、ガラス板に水晶板を貼り合わせた後、水晶板を例えば板厚０．０１５ｍｍと所望の厚さにまで研磨することで、破損などが抑制された状態で容易に製造可能である。

また、特開２００２−８０２９６号公報，特開２００３−２８９２３６号公報に開示されているように、種々の気相成長法による結晶成長でガラス板１０７の上に水晶板１０６が形成された状態としてもよい。ここで、ガラス板１０７の均質性に起因する投影画像のムラを考慮すると、ガラス板１０７の板厚は２ｍｍを超えないようにした方がよい。一方、面精度を考慮した場合、ガラス板１０７の板厚は０．１ｍｍを超えて薄くしない方がよい。なお、１／４波長板１３０に、反射防止膜が設けられていてもよい。

次に、１／４波長板１３０を用いた図１に示す反射型液晶表示装置におけるコントラストのシミュレーション結果について図２を用いて説明する。以下のシミュレーションは、偏光ビームスプリッタ１０５のコントラス比を劣化させる主方向の光で行い、シミュレーションを行った入射角度は０°，４°，８°，１２°である。また、このシミュレーションでは、設計中心波長５５０ｎｍ、設計波長における位相差を９０°（１／４λ）、最大のコントラスト比を１とし、コントラスト比の相対値の波長に対する変化をみている。

図２に示すように、波長５５０ｎｍを中心とする可視光の中の緑色の成分の領域において、入射角が１２°と大きい場合においても、図８，図９に示す従来の場合と比較して非常に大きなコントラスト比が得られている。このように、０．０１５ｍｍ程度と薄い水晶板１０６を用いることが可能な１／４波長板１３０によれば、入射角が大きくても良好なコントラスト比が得られるので、高い精度を必要とせずに容易に光学系に組み込むことができる。

次に、各々、設計波長における位相差を２７０°（３／４λ），４５０°（５／４λ），６３０°（７／３λ）とした水晶板より構成した場合のシミュレーション結果を、図３，図４，図５に示す。これらに示されているように、位相差が大きいほど、入射角が大きい場合のコントラスト比が低下している。また、図３，図４，図５に示す結果では、図２に示す結果に比較し、コントラスト比の低下が抑制される波長域が狭くなっている。このような場合、反射型液晶表示素子１０８に入射される光の波長帯域を制限するような光学フィルタを設け、コントラスト比を劣化させる領域の波長の光を減衰させることで、コントラスト比をより大きくすることができる。例えば、透過波長帯域幅を２０〜５０ｎｍとした光学フィルタを用いればよい。

なお、上述では、反射型液晶表示素子１０８と偏光ビームスプリッタ１０５との間に１／４波長板１３０を設けるようにしたが、これに限るものではなく、反射型液晶表示素子１１１と偏光ビームスプリッタ１１０との間、及び反射型液晶表示素子１１２と偏光ビームスプリッタ１１０との間に、ガラス板に水晶板を貼り付けた構成の１／４波長板を設けるようにしてもよい。例えば、１／４波長板１３０は、設計波長５５０ｎｍ帯の入射光の位相をシフトさせるものであり、垂直偏光の軸を設計波長の１／４である１４２．５ｎｍ程度位相シフトさせるように、水晶板とガラス板とを貼り合わせ、水晶板の板厚が１５μｍ程度となるように形成されている。

同様に、反射型液晶表示素子１１１と偏光ビームスプリッタ１１０との間には、水晶板とガラス板とを貼り合わせ、水晶板の板厚が１７μｍ程度となるように研磨された１／４波長板が配置されていればよい。また、反射型液晶表示素子１１２と偏光ビームスプリッタ１１０との間には、水晶板とガラス板とを貼り合わせ、水晶板の板厚が１２μｍ程度となるように研磨された１／４波長板が配置されていればよい。なお、人間の目は、緑色に対してより敏感なため、緑色の反射型液晶表示素子の部分に１／４波長板を設けることだけでも、コントラストの改善効果が十分に得られる。

本発明の実施の形態における反射型液晶表示装置の構成例を示す構成図である。 １／４波長板１３０を用いた図１に示す反射型液晶表示装置におけるコントラストの状態を示す特性図である。 ガラス板に貼り合わせる水晶板の設計波長における位相差を２７０°とした波長板を用いた反射型液晶表示装置におけるコントラストの状態を示す特性図である。 ガラス板に貼り合わせる水晶板の設計波長における位相差を４５０°とした波長板を用いた反射型液晶表示装置におけるコントラストの状態を示す特性図である。 ガラス板に貼り合わせる水晶板の設計波長における位相差を６３０°とした波長板を用いた反射型液晶表示装置におけるコントラストの状態を示す特性図である。 従来よりある反射型液晶素子を用いたプロジェクタの構成を示す構成図である。 図６に示すプロジェクタの反射型液晶素子６０３への入射光及び反射型液晶素子６０３からの反射光の偏光方向を説明するための説明図である。 貼り合わされた２枚の水晶板の総板厚を１ｍｍとした１／４波長板反射型液晶表示装置におけるコントラストの状態を示す特性図である。 貼り合わされた２枚の水晶板の総板厚を０．５ｍｍとした１／４波長板反射型液晶表示装置におけるコントラストの状態を示す特性図である。

符号の説明

１０１…光源、１０２…偏光変換素子、１０３…ダイクロイックミラー、１０４…偏光板、１０５…偏光ビームスプリッタ、１０６…水晶板、１０７…ガラス板、１０８…反射型液晶表示素子、１０９…偏光回転素子、１１０…偏光ビームスプリッタ、１１１…反射型液晶表示素子、１１２…反射型液晶表示素子、１１３…偏光回転素子、１１４…偏光ビームスプリッタ、１１５…投射レンズ、１３０…１／４波長板。

Claims (2)

1. 光源より出射された光を色分解光学系により３原色に色分解し、色分解した各３原色の光を偏光変換素子に透過させてから偏光ビームスプリッタを介して対応する反射型液晶表示素子に入射させ、各々の前記反射型液晶表示素子で反射された三原色の光を色合成光学系により合成し、合成された光による像を投射レンズで投射する反射型液晶表示装置において、
   いずれかの３原色の光に対応する前記反射型液晶表示素子とこの反射型液晶表示素子に対応する偏光ビームスプリッタとの間に配置され、ガラス板とこれに貼り付けられた水晶板とから構成されたｎ／４波長板（ｎは奇数）を少なくとも備える
   ことを特徴とする反射型液晶表示装置。
2. 請求項１記載の反射型液晶表示装置において、
   いずれかの３原色の光に対応する前記反射型液晶表示素子とこの反射型液晶表示素子に対応する偏光ビームスプリッタとの間に配置され、ガラス板とこれに貼り付けられた水晶板とから構成されたｎ／４波長板（ｎ＝１，３，５，７）を少なくとも備える
   ことを特徴とする反射型液晶表示装置。
   

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