JP2007094390A - 液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光の回折を解消することでＣＲの低下を防止することができ、また高速動作も可能な液晶表示装置を提供する。
【解決手段】本発明の液晶表示装置１０は、入射光を回折させる画像表示部材１１と、画像表示部材１１によって回折された回折光を集光する結像部材１３と、結像部材１３によって集光された光を合成する光学素子１２とを備え、画像表示部材１１が所定の画素配列を有する液晶パネルであって、光学素子１２が、画像表示部材１１の画素配列に対して点対称である画素配列を有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、液晶プロジェクタ等に用いられる液晶表示装置に関し、特に、コントラスト比の低下を防止することができる液晶表示装置に関する。

一般に、液晶プロジェクタに用いられている液晶パネルは、通常のパーソナルコンピュータやテレビジョンのモニタに比べて画素サイズが非常に小さい。このため、投射する光が各画素の光透過部分及び非透過部分の縁部で回折する際の回折角が大きく、またその回折量が多くなるといった現象が生じる。

ここで、表示される画像のコントラスト比（ＣＲ：Ｃｏｎｔｒａｓｔ Ｒａｔｉｏ）は白表示と黒表示の輝度比で定義される。白表示のときには、透過光量が多いため、光が画素の光透過部分及び非透過部分の縁部で回折する影響をほとんど受けないが、黒表示のときには、光の進行方向の前方に配置された偏光素子と後方に配置された偏光素子との間で、光が画素の光透過部分及び非透過部分の縁部において回折してしまう。すると、２つの偏光素子同士の間で光の進行方向及び偏光方向が変わり、この結果として光の漏れが生じて輝度が上昇してしまう。このため、表示される画像のＣＲが低下してしまう欠点があった。

また、液晶パネルは、液晶分子の配向方向を電圧によって制御することで透過光量を調整しているが、液晶分子の配向速度が遅いために他方式のディスプレイ（ＣＲＴ等）に比べて動作速度が遅く、一般に動画を表示する性能が劣っていた。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、光の回折を解消することでＣＲの低下を防止することができ、また高速動作も可能な液晶表示装置を提供することにある。

本発明の上記目的は、下記構成によって達成される。
（１） 入射光を回折させる画像表示部材と、前記画像表示部材によって回折された回折光を集光する結像部材と、前記結像部材によって集光された光を合成する光学素子と、を備えた液晶表示装置であって、前記画像表示部材が所定の画素配列を有する液晶パネルであって、前記光学素子が、前記画像表示部材の画素配列に対して点対称である画素配列を有することを特徴とする液晶表示装置。
（２） 前記結像部材がレンズ又はミラーであることを特徴とする上記（１）に記載の液晶表示装置。
（３） 前記光学素子が光透過性を有する基板と、前記画像表示部材に対応する画素層とを有する画素構造フィルタであることを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の液晶表示装置。
（４） 前記画像表示部材に対して光入射側と前記光学素子の光射出側とに、それぞれ偏光素子を設けたことを特徴とする上記（１）から（３）のいずれか１つに記載の液晶表示装置。
（５） 前記画像表示部材が、光透過性のパネル基板と、前記パネル基板に形成された液晶層と、画素層とを有することを特徴とする上記（１）から（４）のいずれか１つに記載の液晶表示装置。
（６） 前記結合部材が一対のレンズであって、一方のレンズが回折光を平行光にし、他方のレンズが前記平行光を前記光学素子に集光することを特徴とする上記（１）から（５）のいずれか１つに記載の液晶表示装置。
（７） 入射光を回折させる第１の画像表示部材と、前記第１の画像表示部材によって回折された回折光を集光する結像部材と、前記結像部材によって集光された光を合成する第２の画像表示部材と、を備えた液晶表示装置であって、前記第１の画像表示部材及び第２の画像表示部材がそれぞれ所定の画素配列を有する液晶パネルであって、前記第２の画像表示部材が、前記第１の画像表示部材の画素配列に対して点対称である画素配列を有することを特徴とする液晶表示装置。
（８） 前記結像部材がレンズ又はミラーであることを特徴とする上記（７）に記載の液晶表示装置。
（９） 前記第１の画像表示部材に対して光入射側と前記第２の画像表示部材の光射出側とに、それぞれ偏光素子を設けたことを特徴とする上記（７）又は（８）に記載の液晶表示装置。
（１０） 前記第１の画像表示部材が、光透過性のパネル基板と、前記パネル基板に形成された液晶層と、画素層とを有し、前記液晶層が前記パネル基板において前記画素層より光入射側に形成されていることを特徴とする上記（７）から（９）のいずれか１つに記載の液晶表示装置。
（１１） 前記第２の画像表示部材が、光透過性のパネル基板と、前記パネル基板に形成された液晶層と、画素層とを有し、前記液晶層が前記パネル基板において前記画素層より光出射側に形成されていることを特徴とする上記（７）から（１０）のいずれか１つに記載の液晶表示装置。
（１２） 前記結合部材が一対のレンズであって、一方のレンズが回折光を平行光にし、他方のレンズが前記平行光を前記光学素子に集光することを特徴とする上記（７）から（１１）のいずれか１つに記載の液晶表示装置。

本発明にかかる液晶表示装置は、光を画像表示部材によって回折させた後、結像部材によって光学素子に合成する構成であり、光学素子が、画像表示部材の画素配列と光学的に共役な位置であって、画像表示部材の画素配列と点対称な画素配列となるように、構成されている。このように、入射した光を画像表示部材で一旦回折させ、結像部材によって光学素子に再度合成することで、回折を防止することができる。このため、入射光と出射光との進行方向及び偏光方向が変わることがないため、光の漏れが生じて輝度が上昇してしまうことを防止できる。したがって、表示される画像のＣＲが低下することを防止することができる。
また、第１の画像表示部材及び第２の画像表示部材をそれぞれ液晶パネルとすることで、液晶パネル一枚あたりの負担を半分に減らすことができ、動作速度を高めることができる。これにより、単純計算で２倍の高速動作が可能になる。具体的には、入射光に与える位相差は、液晶パネル一枚あたり半分で済むので、それに応じて液晶分子の配向制御量も約半分で済み、その結果、高速動作が可能になるためである。

本発明によれば、光の回折を解消することでＣＲの低下を防止することができ、また高速動作も可能な液晶表示装置を提供できる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳しく説明する。
図１（ａ）は、本発明にかかる液晶表示装置の第１実施形態を説明する図であり、図１（ｂ）は、画像表示部材の画素配列構造を示す図であり、図１（ｃ）は、光学素子の画素配列構造を示す図である。なお、図１（ｂ）は、画素表示部材を結像部材側から平面視した状態を示し、図１（ｃ）は、光学素子を結像部材側から平面視した状態を示している。

本実施形態の液晶表示装置１０は、例えば、液晶プロジェクタに用いられるものである。図１（ａ）に示すように、液晶表示装置１０は、入射光Ｌｉｎを回折させる画像表示部材１１と、画像表示部材１１によって回折された回折光を集光する結像部材１３ａ，１３ｂと、結像部材１３ａ，１３ｂによって集光された光を合成する光学素子１２とを備えている。

本実施形態において、結合部材１３ａ，１３ｂが一対のレンズであって、一方のレンズ１３ａが回折光を平行光にし、他方のレンズ１３ｂが平行光を光学素子１２に集光している。画像表示部材１１と一方のレンズ１３ａとの間の距離及び他方のレンズ１３ｂと光学素子１２との間の距離をｆとしたとき、レンズ１３ａ，１３ｂ同士の間の距離を２ｆとする。こうすることで、回折光を光学素子１２に適正に集光させることができる。

液晶表示装置１０は、画像表示部材１１に対して光入射側に偏光素子１４を形成してもよい。また、光学素子１２の光出射側に偏光素子１５を形成してもよい。

本実施形態では、画像表示部材１１として液晶パネルを使用している。図１（ｂ）に示すように、画像表示部材１１は、光透過性を有するパネル基板１１ａを有し、パネル基板１１ａには画素層２１が形成されている。画素層２１は、所定の画素配列を有している。

図２は、画像表示部材の構成を示す図である。図２に示すように、画像表示部材１１のパネル基板１１ａには画素層２１とともに液晶層２３が形成されている。ここで、液晶層２３が画素層２１より光入射側に形成されている。こうすることで、入射光Ｌｉｎに回折が生じた後に液晶層２３を通過させると光の位相が変化することに起因して光学素子１２において光が適正に合成されないことを回避することができる。

結像部材１３ａ，１３ｂは、画像表示部材１１によって直進する光（図１において、０次光Ｌ０）から回折した入射光Ｌｉｎの各波長の回折光（図１においては、１次光Ｌ１、２次光Ｌ２）を光学素子１２へ集光させる機能を有する。結像部材１３ａ，１３ｂとして、レンズ又はミラーを使用することができる。

図３は、光学素子の構成を示す図である。図１（ｃ）及び図３に示すように、光学素子１２は、結像部材１３ｂによって集光された回折光（Ｌ１からＬ３）を再び合成する機能を有している。光学素子１２によって合成された光Ｌｏｕｔは、液晶プロジェクタの場合には、プロジェクタレンズに導かれ、スクリーンに投影される。

光学素子１２としては、光透過性を有する基板１２ａと、所定の画素配列を有する画素層２２とを有する画素構造フィルタを使用する。光学素子１２は、画像表示部材１１の画素配列に対して点対称である画素配列を有することを特徴とする。具体的には、図１（ｂ）及び（ｃ）に示すように、光学素子１２を結像部材１３ａ，１３ｂ側から平面視した状態の画素配列の１の画素の座標が、該画素配列の中心座標から１８０°回転させた状態で、画像表示部材１１を結像部材１３ａ，１３ｂ側から平面視した状態における画素配列上の座標に相当する。言い換えると、図１（ｂ）に示す画素表示部材１１の画素配列のｘ１軸の方向が、図１（ｃ）に示す光学素子１２の画素配列のｘ２軸の方向に相当し、画素表示部材１１の画素配列のｙ１軸の方向が、図１（ｃ）に示す光学素子１２の画素配列のｙ２軸の方向に相当する。

本実施形態において、画像表示部材１１と結像部材１３ａとの距離と結像部材１３ｂと光学素子１２との距離との位置関係が、画像表示部材１１の回折光を光学素子１２で合成することができるように光学的に共役な関係となるように配置されている。

本発明にかかる液晶表示装置１０は、光を画像表示部材１１によって回折させた後、結像部材１３ａ，１３ｂによって光学素子１２に合成する構成であり、光学素子１２が、画像表示部材１１の画素配列と光学的に共役な位置であって、画像表示部材１１の画素配列と点対称な画素配列となるように、構成されている。このように、入射した光を画像表示部材１１で一旦回折させ、結像部材１３ａ，１３ｂによって光学素子１２に再度合成することで、回折を防止することができる。このため、入射光Ｌｉｎと出射光Ｌｏｕｔとの進行方向及び偏光方向が変わることがないため、光の漏れが生じて輝度が上昇してしまうことを防止できる。したがって、表示される画像のＣＲが低下することを防止することができる。

次に、本実施形態にかかる液晶表示装置の実施例を説明する。
本実施例の液晶表示装置は、画像表示部材として、画素のピッチｄが２５μｍの液晶パネルを使用し、波長λ＝５５０ｎｍの±１次回折角を±１．２６°とし、±３次までの回折角を±３．７８°とした。結像部材としては、液晶パネルへの光入射角の広がり（約±１０°）を考慮して、±１４°の範囲を網羅する焦点距離ｆ＝５０ｍｍのレンズ（直径５０ｍｍ以上が望ましい。フレネルレンズでもよい。）を使用した。液晶パネルとレンズとの距離を１００ｍｍとし、レンズと画素構造フィルタとの距離を１００ｍｍとした。そして、液晶パネルで回折した光をレンズにより光学素子である画素構造フィルタに集光し、回折の逆の過程により合成した。本実施例によれば、ＣＲの低下を防止することができた。

なお、回折角θは、θ＝sin^-1(mλ／d)であらわすことができる。ここで、dsinθ＝mλであり、mを回折次数とし、dを画素間隔とし、λを波長とした。

次に、本発明にかかる液晶表示装置の第２実施形態を説明する。なお、以下に説明する実施形態において、すでに説明した部材などと同等な構成・作用を有する部材等については、図中に同一符号又は相当符号を付すことにより、説明を簡略化或いは省略する。

図４（ａ）は、本発明にかかる液晶表示装置の第２実施形態を説明する図であり、図４（ｂ）は、第１の画像表示部材の画素配列構造を示す図であり、図４（ｃ）は、第２の画像表示部材の画素配列構造を示す図である。なお、図４（ｂ）は、第１の画素表示部材を結像部材側から平面視した状態を示し、図４（ｃ）は、第２の画像表示部材を結像部材側から平面視した状態を示している。

本実施形態の液晶表示装置２０は、例えば、液晶プロジェクタに用いられるものである。図４（ａ）に示すように、液晶表示装置２０は、入射光Ｌｉｎを回折させる第１の画像表示部材１１と、第１の画像表示部材１１によって回折された回折光を集光する結像部材１３ａ，１３ｂと、結像部材１３ａ，１３ｂによって集光された光を合成する第２の画像表示部材３２とを備えている。

液晶表示装置２０は、第１の画像表示部材１１に対して光入射側に偏光素子１４を形成してもよい。また、第２の画像表示部材３２の光出射側に偏光素子１５を形成してもよい。

本実施形態では、第１の画像表示部材１１として液晶パネルを使用している。図４（ｂ）に示すように、第１の画像表示部材１１は、光透過性を有するパネル基板１１ａを有し、パネル基板１１ａには画素層２１が形成されている。画素層２１は、所定の画素配列を有している。

図５は、第１の画像表示部材の構成を示す図である。図５に示すように、第１の画像表示部材１１のパネル基板１１ａには画素層２１とともに液晶層２３が形成されている。ここで、液晶層２３が画素層２１より光入射側に形成されている。こうすることで、入射光Ｌｉｎに回折が生じた後に液晶層２３を通過させると光の位相が変化することに起因して第２の画像表示部材３２において光が適正に合成されないことを回避することができる。

結像部材１３ａ，１３ｂは、第１の画像表示部材１１によって直進する光（図４において、０次光Ｌ０）から回折した入射光Ｌｉｎの各波長の回折光（図４においては、１次光Ｌ１、２次光Ｌ２）を光学素子３２へ集光させる機能を有する。結像部材１３ａ，１３ｂとして、レンズ又はミラーを使用することができる。

図６は、第２の画像表示部材の構成を示す図である。図４（ｃ）及び図６に示すように、第２の画像表示部材３２は、結像部材１３ｂによって集光された回折光（Ｌ１からＬ２）を再び合成する機能を有している。第２の画像表示部材３２によって合成された光Ｌｏｕｔは、液晶プロジェクタの場合には、プロジェクタレンズに導かれ、スクリーンに投影される。

第２の画像表示部材３２としては、上記第１の画像表示部材１１と同じ構成を有する液晶パネルを使用することができる。第２の画像表示部材３２は、パネル基板３２ａに結合部材１３ｂ側に配置された画素層４２と、合成された光Ｌｏｕｔが出射される側に配置された液晶層４５とを備えている。第２の画像表示部材３２は、第１の画像表示部材１１の画素配列に対して点対称である画素配列を有することを特徴とする。具体的には、図４（ｂ）及び（ｃ）に示すように、第２の画像表示部材３２を結像部材１３ａ，１３ｂ側から平面視した状態の画素配列の１の画素の座標が、該画素配列の中心座標から１８０°回転させた状態で、第１の画像表示部材１１を結像部材１３ａ，１３ｂ側から平面視した状態における画素配列上の座標に相当する。言い換えると、図４（ｂ）に示す第１の画素表示部材１１の画素配列のｘ１軸の方向が、図４（ｃ）に示す第２の画像表示部材３２の画素配列のｘ２軸の方向に相当し、第１の画素表示部材１１の画素配列のｙ１軸の方向が、図４（ｃ）に示す第２の画像表示部材３２の画素配列のｙ２軸の方向に相当する。

本実施形態において、第１の画像表示部材１１と結像部材１３ａとの距離ｆと結像部材１３ｂと第２の画像表示部材３２との距離ｆとの位置関係が、第１の画像表示部材１１の回折光を第２の画像表示部材３２で合成することができるように光学的に共役な関係となるように配置されている。

本発明にかかる液晶表示装置２０は、光を第１の画像表示部材１１によって回折させた後、結像部材１３ａ，１３ｂによって第２の画像表示部材３２に合成する構成であり、第２の画像表示部材３２が、第１の画像表示部材１１の画素配列と光学的に共役な位置であって、第１の画像表示部材１１の画素配列と点対称な画素配列となるように、構成されている。このように、入射した光を第１の画像表示部材１１で一旦回折させ、結像部材１３ａ，１３ｂによって第２の画像表示部材３２に再度合成することで、回折を防止することができる。このため、入射光Ｌｉｎと出射光Ｌｏｕｔとの進行方向及び偏光方向が変わることがないため、光の漏れが生じて輝度が上昇してしまうことを防止できる。したがって、表示される画像のＣＲが低下することを防止することができる。
また、第１の画像表示部材１１及び第２の画像表示部材３２をそれぞれ液晶パネルとすることで、液晶パネル一枚あたりの負担を半分に減らすことができ、動作速度を高めることができる。これにより、単純計算で２倍の高速動作が可能になる。具体的には、入射光に与える位相差は、液晶パネル一枚あたり半分で済むので、それに応じて液晶分子の配向制御量も約半分で済み、その結果、高速動作が可能になるためである。

次に、本実施形態にかかる液晶表示装置の実施例を説明する。
本実施例の液晶表示装置は、第１の画像表示部材及び第２の画像表示部材として、それぞれ画素のピッチｄが２５μｍの液晶パネルを使用し、波長λ＝５５０ｎｍの±１次回折角を±１．２６°とし、±３次までの回折角を±３．７８°とした。結像部材としては、液晶パネルへの光入射角の広がり（約±１０°）を考慮して、±１４°の範囲を網羅する焦点距離ｆ＝５０ｍｍのレンズ（直径５０ｍｍ以上が望ましい。フレネルレンズでもよい。）を使用した。液晶パネルとレンズとの距離を１００ｍｍとし、レンズと画素構造フィルタとの距離を１００ｍｍとした。そして、液晶パネルで回折した光をレンズにより光学素子である画素構造フィルタに集光し、回折の逆の過程により合成した。本実施例によれば、ＣＲの低下を防止することができた。

なお、回折角θは、θ＝sin^-1(mλ／d)であらわすことができる。ここで、dsinθ＝mλであり、mを回折次数とし、dを画素間隔とし、λを波長とした。

また、本実施例において動画表示の一例として、黒表示から白表示に変換するときの工程を説明する。
図７は、動画表示において、液晶分子の配向制御のため印加する電圧（Ｖ）と光に与える位相差（リタデーションＲｅ）との関係を示すグラフである。図７に示すように、黒表示時には、液晶層によって光に対して与えている位相差は０であるが、白表示時には所定の電圧Ｖ_１を印加して位相差をλ／２とすることになる。本方式では、電圧を所定の電圧Ｖ_２に制御して液晶層１層あたりλ／４の位相差を与えればよいので単純計算で１／２の負担になり、これに応じて、液晶分子の配向量も半分になるため、より早く動作させることができる。

なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜な変形、改良などが可能である。
光学素子としては、画像表示部材と同一の部材、例えば、同一の画素配列を有する液晶パネルを使用することができる。しかし、光学素子を画素構造フィルタとすることで構成部品のコストを低減させることができる。
また、第１実施形態において、画像表示部材と光学素子との配置を入れ換えてもよい。

（ａ）は、第１実施形態の液晶表示装置を説明する図であり、（ｂ）は画像表示部材の画素配列構造を示す図であり、（ｃ）は光学素子の画素配列構造を示す図である。 画像表示部材の構成を示す図である。 光学素子の構成を示す図である。 （ａ）は、第２実施形態の液晶表示装置を説明する図であり、（ｂ）は第１の画像表示部材の画素配列構造を示す図であり、（ｃ）は第２の画像表示部材の画素配列構造を示す図である。 第１の画像表示部材の構成を示す図である。 第２の画像表示部材の構成を示す図である。 電圧（Ｖ）と光に与える位相差（リタデーションＲｅ）との関係を示すグラフである。

符号の説明

１０，２０ 液晶表示装置
１１ 画像表示部材（第１の画像表示部材）
１２ 光学素子
１３ａ，１３ｂ 結像部材
１４，１５ 偏光素子
３２ 第２の画像表示部材

Claims (12)

1. 入射光を回折させる画像表示部材と、
   前記画像表示部材によって回折された回折光を集光する結像部材と、
   前記結像部材によって集光された光を合成する光学素子と、を備えた液晶表示装置であって、
   前記画像表示部材が所定の画素配列を有する液晶パネルであって、前記光学素子が、前記画像表示部材の画素配列に対して点対称である画素配列を有することを特徴とする液晶表示装置。
2. 前記結像部材がレンズ又はミラーであることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
3. 前記光学素子が光透過性を有する基板と、前記画像表示部材に対応する画素層とを有する画素構造フィルタであることを特徴とする請求項１又は２に記載の液晶表示装置。
4. 前記画像表示部材に対して光入射側と前記光学素子の光射出側とに、それぞれ
   偏光素子を設けたことを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の液晶表示装置。
5. 前記画像表示部材が、光透過性のパネル基板と、前記パネル基板に形成された液晶層と、画素層とを有することを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の液晶表示装置。
6. 前記結合部材が一対のレンズであって、一方のレンズが回折光を平行光にし、他方のレンズが前記平行光を前記光学素子に集光することを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の液晶表示装置。
7. 入射光を回折させる第１の画像表示部材と、
   前記第１の画像表示部材によって回折された回折光を集光する結像部材と、
   前記結像部材によって集光された光を合成する第２の画像表示部材と、を備えた液晶表示装置であって、
   前記第１の画像表示部材及び第２の画像表示部材がそれぞれ所定の画素配列を有する液晶パネルであって、前記第２の画像表示部材が、前記第１の画像表示部材の画素配列に対して点対称である画素配列を有することを特徴とする液晶表示装置。
8. 前記結像部材がレンズ又はミラーであることを特徴とする請求項７に記載の液晶表示装置。
9. 前記第１の画像表示部材に対して光入射側と前記第２の画像表示部材の光射出側とに、それぞれ偏光素子を設けたことを特徴とする請求項７又は８に記載の液晶表示装置。
10. 前記第１の画像表示部材が、光透過性のパネル基板と、前記パネル基板に形成された液晶層と、画素層とを有し、前記液晶層が前記パネル基板において前記画素層より光入射側に形成されていることを特徴とする請求項７から９のいずれか１つに記載の液晶表示装置。
11. 前記第２の画像表示部材が、光透過性のパネル基板と、前記パネル基板に形成された液晶層と、画素層とを有し、前記液晶層が前記パネル基板において前記画素層より光出射側に形成されていることを特徴とする請求項７から１０のいずれか１つに記載の液晶表示装置。
12. 前記結合部材が一対のレンズであって、一方のレンズが回折光を平行光にし、他方のレンズが前記平行光を前記光学素子に集光することを特徴とする請求項７から１１のいずれか１つに記載の液晶表示装置。

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