JP2007147931A - 位相差板、液晶表示素子、および液晶プロジェクタ装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】高コントラスト比を維持しつつ透過率を向上させることが可能でありながらも、この液晶表示素子を用いたプロジェクタ装置全体の大型化防止することが可能な位相差板を提供する。
【解決手段】透明支持基板101と、透明支持基板101の一主面上に傾斜角度が等しく同一方向に傾斜したプリズム斜面Sを有する複数の微小プリズム102aを配列してなるプリズム層102と、微小プリズム102aにおけるプリズム斜面Sの最大傾斜方向またはこれと垂直な方向を光学軸103aとしてプリズム斜面S上に設けられた光学異方性媒質層103と、微小プリズム102aと屈折率が略等しい材質からなり光学異方性媒質層102を埋め込む状態で透明支持基板101上に設けられた平坦化層104とを備えたことを特徴とする位相差板101a。
【選択図】図1
【解決手段】透明支持基板101と、透明支持基板101の一主面上に傾斜角度が等しく同一方向に傾斜したプリズム斜面Sを有する複数の微小プリズム102aを配列してなるプリズム層102と、微小プリズム102aにおけるプリズム斜面Sの最大傾斜方向またはこれと垂直な方向を光学軸103aとしてプリズム斜面S上に設けられた光学異方性媒質層103と、微小プリズム102aと屈折率が略等しい材質からなり光学異方性媒質層102を埋め込む状態で透明支持基板101上に設けられた平坦化層104とを備えたことを特徴とする位相差板101a。
【選択図】図1
Description
本発明は、位相差板、液晶表示素子、および液晶プロジェクタ装置に関し、特には電界複屈折モードの液晶パネルを用い表示素子を用いた液晶プロジェクタ装置に関し、コントラストと応答速度の向上を維持させながら、小型化および低光損失化を実現する液晶プロジェクタ装置に関する。
光源から出力された光を、例えば透過型の液晶表示素子によって光変調して画像光を形成し、この画像光をスクリーン等に投射する液晶プロジェクタ装置が従来より知られている。この液晶プロジェクタ装置では、RGB原色光に対応した液晶表示素子によって光変調を行い、この光変調によって形成された各画像光を合成することによりカラー画像を出力することが可能となる。
このような液晶プロジェクタ装置においては、従来、液晶表示素子としてツイストネマティック液晶を用いているが、近年においては、液晶プロジェクタ装置の高輝度化、高コントラスト化、高精細化を図るべく、電界複屈折モードを用いた垂直配向型の液晶表示素子が使用され始めている。また、液晶プロジェクタ装置に使用するための液晶表示素子は、製造容易性の観点から透過型の液晶表示装置が主流である。
ところが、垂直配向型の液晶表示素子は、非常に高いコントラスト比を得ることができるものの、これを液晶プロジェクタ装置に配設する場合には、特に強く発生する基板面と平行な方向のいわゆる横電界により液晶分子の配向方向が乱れ、光透過率が低下してしまうことがある。
このような横電界を極力抑制するために、電極電位を1画面単位で極性反転させる、いわゆる1フィールド反転駆動方式が提案されている。しかしながら、この駆動を行うためには、液晶表示素子の画素に対して、画素電位を1フィールド期間保持できるだけの大きな画素電位容量が必要となるため、これにより画素の開口率が低下し、やはり光透過率を引き起こす。
そして、上述したような液晶表示素子における光透過率の低下は、このような液晶表示素子を用いた液晶プロジェクタ装置における高精細化を妨げるになっている。
またこの他にも、垂直配向型の液晶分子のプレチルト角を制御することにより、横電界による液晶分子の配向の乱れを抑制し、液晶表示素子の透過率を向上させるとともに、液晶表示素子の応答速度を改善する方法も提案されている。しかしながら、垂直配向型の液晶表示素子のメリットである高コントラスト比を実現することができないという問題点が生じ、垂直配向型の液晶表示素子を搭載した透過型の液晶プロジェクタ装置の実現が困難となっている。
そこで、液晶表示素子とその両側に配置される偏光板との間に、光学異方性素子からなる位相差手段を配置する構成が提案されている。この場合、第1の偏光板と液晶表示素子との間、または第2の偏光板と液晶表示素子との間において、液晶表示素子における液晶分子の配向方向に応じて、光学異方性素子を角度傾斜させる構成としている。このような構成とすることにより、高コントラスト比を維持しつつ、液晶表示素子の透過率を向上させるとともに、応答速度の改善を図ることが可能となるとされている(下記特許文献1参照)。
しかしながら、液晶プロジェクタ装置においては、第1の偏光板と液晶表示素子との間、および第2の偏光板と液晶表示素子との間は、もともとスペースが限られており、光学異方性素子を角度傾斜させて配置させるためのスペースを確保することは非常に困難である。
仮に、光学異方性素子を角度傾斜させて配置させるためのスペースを確保できたとしても、照明光学系から液晶表示素子に至るまでの距離、又は液晶表示素子から投射レンズに至るまでの距離が長くなり、これに伴い光学設計の大幅な変更を余儀なくされる場合がある。特に第2の偏光板と液晶表示素子との間に光学異方性素子を角度傾斜させて配置させた場合、液晶表示素子から投射レンズに至る光学距離が長くなり、これに伴い投射レンズのバックフォーカスを長くする必要が生じる。投射レンズのバックフォーカスが長くなると、所望の決像性能を得るための光学設計がより困難になり、さらに投射レンズの径も大きくなり、投射レンズコストの増大や、液晶プロジェクタ装置全体が大型化又は重量化してしまうといった問題点が発生する。
そこで本発明は、透過型の液晶表示素子における高コントラスト比を維持しつつ透過率を向上させることが可能でありながらも、この液晶表示素子を用いたプロジェクタ装置全体の大型化防止することが可能な位相差板を提供すること、さらにはこの位相差板を用いることにより高精細な表示が可能でありながらも小型に保たれた液晶表示素子および液晶プロジェクタ装置を提供することを目的とする。
このような目的を達成するための本発明の第1の位相差板は、透明支持基板上に、微小プリズムを配列してなるプリズム層、光学異方性媒質層、および平坦化層をこの順に設けてなる。このうちプリズム層は、傾斜角度が等しく同一方向に傾斜したプリズム斜面を有する複数の微小プリズムを配列してなる。また光学異方性媒質層は、これらの微小プリズムにおけるプリズム斜面の最大傾斜方向またはこれと垂直な方向を光学軸として当該プリズム斜面上に設けられている。また平坦化層は、微小プリズムと屈折率が略等しい材質からなり光学異方性媒質層を埋め込む状態で前記透明支持基板上に設けられている。
このような構成の第1の位相差板では、各微小プリズムのプリズム斜面上に設けられた光学異方性媒質層は、同一方向に等しい傾斜角度で傾斜し、かつ略等しい屈折率の微小プリズムと平坦化層とに狭持された状態で透明支持基板上に配置される。したがって、このような光学異方性媒質層を配置した第1の位相差板は、透明支持基板の法線方向から入射する光束の光軸に対して、一枚の光学異方性媒質層を傾斜させて配置する位相差層板と同様の機能を備えたものとなると共に、このような一枚の光学異方性媒質層を光学軸方向またはこれと垂直に傾斜させて配置する位相差板と比較して、入射する光束の光軸方向に対してより平坦な構成とすることができる。
また本発明に係る第2の位相差板は、透明支持基板の一主面上に第1プリズム層を設け、他主面上に光学異方性媒質層を介して第2プリズム層が設けてなる。第1プリズム層および第2プリズム層は、屈折率が略等しい材質からなり傾斜角度が等しく同一方向に傾斜したプリズム斜面を有する微小プリズムを配列してなり、それぞれのプリズム層におけるプリズム斜面が互いに平行をなしている。また光学異方性媒質層は、微小プリズムにおけるプリズム斜面の最大傾斜方向またはこれと垂直な方向を光学軸としている。
このような構成の第2の位相差板では、透明支持基板とこの上部の光学異方性材質層とを挟んだ両側に、互いに平行なプリズム斜面を備えた微小プリズムが設けられている。これにより、第2の位相差板は、透明支持基板の法線方向を光束の入射方向とすることで、入射側に配置したプリズム層において光束の光軸を所定角度に傾斜させて光学異方性媒質層に入射させ、出射側に配置されたプリズム層において光束の光軸を元に戻して出射させるものとなる。したがって、第2の位相差板は、入射する光束の光軸に対して一枚の光学異方性媒質層を傾斜させて配置する位相差層板と同様の機能を備えたものとなると共に、このような一枚の光学異方性媒質層を傾斜させて配置する位相差板と比較して、入射する光束の光軸方向に対してより平坦な構成とすることができる。
さらに、本発明は、上述した構成の第1の位相差板または第2の位相差板を液晶パネルの一主面側に配置した液晶表示素子、およびこの液晶表示素子を設けた液晶プロジェクタでもある。
以上説明したように本発明の位相差板によれば、位相差を与える入射光束の光軸方向により平坦な構成とすることができるため、この位相差板を設けることで液晶表示素子における高コントラスト比を維持しつつ透過率を向上させることが可能でありながらも、この液晶表示素子の大型化を防止することが可能になる。この結果、高精細な表示が可能でありながらも小型に保たれた液晶表示素子およびこの液晶表示素子を用いた液晶プロジェクタ装置を実現することが可能となる。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の各実施形態においては、本発明の位相差板、この位相差板を組み込んだ液晶表示素子の構成を説明し、最後に各実施形態の液晶表示素子を用いた本発明の液晶プロジェクタ装置の構成を説明する。尚、各実施形態において、同様の構成要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
≪第1実施形態≫
<位相差板>
図1(1)は、第1実施形態の位相差板を説明する斜視図であり、図1(2)は斜視図におけるA部の拡大断面図である。これらの図に示す位相差板100aは、以降に図2,3を用いて説明する液晶表示素子に組み込まれてその一部を構成するものである。
<位相差板>
図1(1)は、第1実施形態の位相差板を説明する斜視図であり、図1(2)は斜視図におけるA部の拡大断面図である。これらの図に示す位相差板100aは、以降に図2,3を用いて説明する液晶表示素子に組み込まれてその一部を構成するものである。
この相差板100aは、透明支持基板101、透明支持基板101の一主面上に設けられたプリズム層102、プリズム層102上設けられた光学異方性媒質層103、これを覆う平坦化層104、およびカバーガラス105で構成されている。
このうち、透明支持基板101は、例えば石英からなり、この上部に形成されるプリズム層102を支持できる程度の厚さ(例えば1mm程度)を有していることとする。
プリズム層102は、例えば図1(1)のy方向、図1(2)における紙面上の奥行き方向に延設された微小プリズム102aを複数列配置してなる。各微小プリズム102aは、例えば石英からなり、延設方向と垂直な方向に傾斜したプリズム斜面Sを備えている。各微小プリズム102aのプリズム斜面Sは、透明支持基板101の基板面に対して同一の傾斜角度(プリズム頂角β)で傾斜している。この傾斜角度、すなわちプリズム頂角βは、次に説明する光学異方性媒質層103の屈折率から得られる光学異方性と、この位相差板100aが組み込まれる液晶表示素子における液晶層の光学特性とによって、光束が光学異方性媒質層103を透過する際に所望の位相差(リタデーション)が得られ、液晶表示素子の視野角特性を最大限に補償するように、シミュレーションや予備実験などによって決定されている。ここでは、一例として、プリズム頂角β=14°に設定されていることとする。
また、各微小プリズム102aは、プリズム斜面Sの最大傾斜方向と垂直な方向に延設され、それぞれの延設方向と垂直な方向に隙間なく配列された状態となっている。そして、そのピッチPは、隣接する微小プリズム102aを透過した光束の回折を防止するため、隣接する微小プリズム102aのピッチとランダムに異なっており、単位ピッチのランダムな整数倍となっている。この単位ピッチは、この位相差板100aを液晶表示素子に組み込んだ状態で液晶プロジェクタ装置に配置した場合に、隣接する微小プリズム102a同士の境界部分が投射画像に悪影響を及ぼす事を防止するため、液晶表示素子の画素ピッチの整数倍であることが好ましい。このため、以降に説明する液晶表示素子における画素ピッチが12.5μmである場合、微小プリズム102aの単位ピッチを例えば12.5μm×4=50μmとする。
以上のように微小プリズム102aを配列させたプリズム層102の作製は、例えば、一般に良く知られるフォトリソグラフィー技術を用いたドライ/ウェットエッチング法、ガラス成型技術、2P法などにより形成される。例えば結晶方位によってエッチング速度が異なる材料膜を用い、エッチング速度が極端に遅い面がプリズム斜面Sとなるように材料膜を成膜する。この場合、エッチング速度が極端に遅い面の面間隔がランダムに配置されるように成膜する。そして、この膜を上方からエッチングすることによって、プリズム斜面Sでエッチングをストップさせたプリズム層102が得られる。
光学異方性媒質層103は、負の1軸性位相差層であり、例えばポリスチレン重合体、アクリル酸エステル系重合体、メタアクリル酸エステル系重合体、アクリロニトリル系重合体、メタアクリロニトリル系重合体等の材質からなる。この光学異方性媒質層103は、液晶プロジェクタ装置としての用途に好適な、例えばTi2O5やSiO2等の無機誘電体多層膜等の材質により構成されていてもよい。
このような光学性異方性媒質層103は、図1(1)中の2点鎖線で示す光学軸103sが、微小プリズム102aの延設方向と平行となるように構成されているか、またはこれと垂直となるように、すなわち透明支持基板101の基板面内において、微小プリズム102aにおけるプリズム斜面Sの最大傾斜方向と同一の方位角方向なるように構成されていることとする。
また、光学異方性媒質層103は、プリズム層102における各微小プリズム102a上において均一な膜厚で成膜されていることとする。このような光学異方性媒質層4は、一般的に良く知られるスパッタ技術や蒸着技術および塗布技術により成膜される。尚、上述した光学異方性媒質層103は、プリズム斜面Sの上層に成膜するため、隣接する微小プリズム102a同士の境界部分は必ずしもシャープな形状とはならない可能性がある。この場合、光学異方性媒質層4を成膜した後に、境界部分をシャープな形状に整えるためのドライエッチングを行うようにしても良い。
そして、平坦化層104は、プリズム層102によって形成された凹凸を埋め込む状態で表面平坦に形成されている。特にこの平坦化層104は、平坦化された表面が、透明支持基板101の基板面と平行であると共に、光学異方性媒質層103を挟んで配置される微小プリズム102aと略等しい屈折率を有する材料で構成されていることが重要である。これは透明支持基板101の屈折率と光学異方性媒質層103の屈折率との違いより発生するスネルの法則に従う入射光束の屈折角を、光学異方性媒質層103の屈折率と平坦化層104の屈折率との差によってキャンセルさせるためである。このため、例えば透明支持基板101が石英からなる場合、透明支持基板101に対して、平坦化層104を酸化シリコンによって構成することとする。石英と酸化シリコンとは、屈折率nが等しく、例えば入射光束の波長λ=550nmにおいて共に屈折率n=1.46である。
尚、このような平坦化層104は、平坦化媒質をスパッタ技術や蒸着技術により成膜した後、一般的に良く知られる研磨方法であるCMP(Chemical Mechanical Polishing)法により表面を平坦化して得られる。
カバーガラス105は、プリズム層102や光学異方性媒質層103に水分が浸入して破壊されるのを防いだり、平坦化層104の表面に機械的な破損が生じるのを防ぐ目的で、図示しない接着層を介して、平坦化層104の表面に貼り合わされる。このようなカバーガラス105は、例えば石英からなることとする。
尚、上述した光学異方性媒質層103は、プリズム斜面Sの上層に成膜するため、隣接する微小プリズム102a同士の境界部分は必ずしもシャープな形状とはならない可能性がある。その場合、微小プリズム102a同士の境界部分に対応させて、カバーガラス105に遮光パターン106を形成しても良い。この遮光パターン106は、カバーガラス105の平坦化層104側に設けても良く、平坦化層104におけるカバーガラス105側に設けても良い。
このような構成の位相差板100aでは、各微小プリズム102aのプリズム斜面S上に設けられた光学異方性媒質層103が、同一方向に等しい傾斜角度(プリズム頂角β)で傾斜し、かつ略等しい屈折率の微小プリズム102と平坦化層104とに狭持された状態で透明支持基板101上に配置される。したがって、このように光学異方性媒質層103を配置した位相差板100aは、透明支持基板101の法線方向から入射する光束hの光軸hsに対して、一枚の光学異方性媒質層を傾斜させて配置する位相差板と同様の機能を備えたものとなると共に、このような一枚の光学異方性媒質層を傾斜させて配置する位相差板と比較して、入射する光束hの光軸hs方向に対してより平坦な構成とすることができる。
<液晶表示素子>
図2は、上述した構成の位相差板100aが組み込まれた液晶表示素子25の光学構成を説明する図であり、図3は液晶表示素子25の全体構成図である。これらの図に示す液晶表示素子25は、最後に説明する図12の液晶プロジェクタ装置に設けられるものであり、クロスニコルに配置された入射側偏光板24と出射側偏光板26との間に配置される。
図2は、上述した構成の位相差板100aが組み込まれた液晶表示素子25の光学構成を説明する図であり、図3は液晶表示素子25の全体構成図である。これらの図に示す液晶表示素子25は、最後に説明する図12の液晶プロジェクタ装置に設けられるものであり、クロスニコルに配置された入射側偏光板24と出射側偏光板26との間に配置される。
この液晶表示素子25は、TFT基板25-1と対向基板25-2との間に液晶層LC(図2のみに図示)を封止した液晶パネル25pを備えており、対向基板25-2の外側に防塵ガラスをかねた位相差板100aが貼合せられている。また、TFT基板25-1の外側面にも、防塵ガラス25-3(図3のみに図示)が貼り合わせられていることとする。尚、TFT基板25-1、対向基板25-2、防塵ガラス24-3は、石英ガラスを主材としている。
このうち、TFT基板25-1には、液晶層LCに向かう面に、画素電極が設けられ、さらにこれを覆う状態で垂直配向膜が設けられている(図示省略)。この画素電極は、ITO(Indium Tin Oxide)などの透明導電性薄膜からなり、マトリックス状に配置された画素dごとに独立して設けられている。そして、このTFT基板25-1には、画素電極に対して外部から映像電気信号を送るためのフレキシブルコネクタ25-4が取り付けられている(図3のみに図示)。
また、対向電極25-2には、液晶層LCに向かう面に、対向電極が設けられ、さらにこれを覆う状態で垂直配向膜が設けられている(図示省略)。この対向電極は、ITOなどの透明導電性薄膜からなり、各画素dの共通電極として設けられている。そして、この垂直配向膜は、図面上の矢印に示すように、TFT基板25-1側の垂直配向膜に対して反平行に配向していることとする。また、ここでの図示は省略したが、この対向基板25-2には、入射された光束を絞り光利用効率を向上させる目的でマイクロレンズが、各画素dに対応して搭載されていても良い。
液晶層LCは、上述した垂直配向膜により、基板の法線、つまり図中一点鎖線で示す光軸hsに対して液晶分子mを角度αだけ傾いた垂直配向(ホメオトロピック配向)している。以下、この角度αをプレチルト角という。この際、液晶分子mは、TFT基板25-1および対向基板25-2に設けた垂直配向膜の配向方向に、プレチルト角αだけ傾いて配向する。ここでは、この液晶表示素子25を透過型3板式の液晶プロジェクタ装置に用いる場合の一般的な設定値でとして、このプレチルト角α=12°としている。ちなみに、本実施の形態においては、液晶分子mのプレチルト角α=12°として、強力な配向規制力を与えることにより、いかなる横電界においても配向が乱れない液晶分子mを想定している。尚、このプレチルト角αは、1ライン反転駆動時の横電界に対向する配向規制力を得るためであれば、20°あれば十分であるため、1°〜20°の範囲内とする。
そして、図1を用いて説明した構成の位相差板100aは、対向基板25-2側にプリズム斜面Sを向けた状態で配置される。また、この位相差板100aは、液晶分子mがプレチルト角αだけ倒れる方位角方向(プレチルト方向)に対して、微小プリズム102aの延設方向が垂直となるように配置される。これにより、位相差板100aにおける光学異方性媒質層の光学軸103sを、プレチルト方向に対して垂直にするか、または一致させる。尚、位相差板100aの配置状態は、微小プリズム102aの延設方向を、プレチルト方向と一致させても良い。
ここで、先に位相差板100aの構成として説明したように、この位相差板100aにおけるプリズム頂角βは、上述したような位置関係で配置された位相差板100aに対して入射する光束hが、光学異方性媒質層(103)を透過する際に所望の位相差が得られ、液晶表示素子25の視野角特性を最大限に補償するように、シミュレーションによって設定されている。
例えば、光学異方性媒質層103が、垂直入射する光束hに対して位相差(Δnd)値−427nmを与えるものであり、また垂直配向する液晶層LCのプレチルト角α=12°の構成において、液晶層LCを狭持した液晶パネル25pに対しての最適な光学異方性媒質層103の傾斜角度が14°であることが、下記の図4(a),(b)に示すようにシミュレーションや予備実験から求められている場合、この結果に基づいて上記位相差板100aにおける微小プリズム102aのプリズム頂角βがβ=14°に設定される。
図4(a)には、垂直入射する光束hに対して位相差(Δnd)値−427nmを与える1枚構成の光学異方性媒質層を、プレチルト角α=12°で垂直配向する液晶層LCに対して、傾斜角度14°で傾けて配置した液晶表示素子を用いた場合のコントラストを示す。光学異方性媒質層の傾斜方向および光学軸方向は、図2を用いて説明した本実施形態の構成と同様である。一方、図4(b)には、光学異方性媒質層を設けていない液晶表示素子を用いた場合のコントラストを示す。尚、このシミュレーションに用いた各液晶表示素子は、クロスニコルに配置された入射側偏光板と出射偏光板の間に、入射側偏光板側に対向基板、出射側偏光板側にTFT基板を向けて配置される。そして、TFT基板と対向基板の垂直配向膜の配向方向が、図中矢印に示した入射側偏光板と出射偏光板とにおける光透過軸に対して45°の角度となるように配置される。
これらの図4(a),(b)を比較してわかるように、光学異方性媒質層を傾斜角度14°で傾けて配置することにより、図4(a)に示すように2000:1以上のコントラストを極角方向10°以上で実現することができ、更に視野角特性も理想的な状態となる。これに対して、光学異方性媒質層を配置しない場合には、図4(b)に示すように、極角20°までにおいて、コントラスト2000:1の部分が中心より大きく外れてしまう。即ち、液晶分子がプレチルト角αだけ傾いているため、これを光学異方性媒質層により除去しない場合には、正面のコントラストは著しく悪化し、視野角特性も同時に悪化することが分かる。
なお、この図4(b)の傾向を計算により求める際の液晶分子の位相差Δndは、427nmとした。光学異方性媒質層の位相差Δndと、液晶分子の位相差Δndとは、絶対値が等しく符号が相異なるものであることが望ましいが、±50nm程度の誤差があっても補正は可能である。この位相差Δndは、透過型でかつ垂直配向型の液晶表示素子を用いる場合には、300nm〜500nmの範囲で設計されるが、赤色光、緑色光、青色光により位相差Δndを最適化することも可能となる。
そして、以上のようなシミュレーション結果から、光学異方性媒質層を傾斜角度14°で傾けて配置することにより、コントラストが向上することがわかり、この傾斜角度14°にあわせて微小プリズム102aのプリズム頂角β=14°に設定されていることとする。
また、図2に示したように、以上のように位相差板100aが設けられた液晶表示素子25は、クロスニコルに配置された入射側偏光板24と出射偏光板26との間に、別置または貼合わせにより狭持された状態で配置される。この際、入射側偏光板24側に位相差板100aおよび対向基板25-2が、出射側偏光板26側にTFT基板25-1が向けられる。そして、TFT基板25-1と対向基板25-2の垂直配向膜の配向方向が、図中矢印に示した入射側偏光板24と出射偏光板26とにおける光透過軸に対して45°の角度となるように配置される。
以上説明した構成の液晶表示素子25は、入射側偏光板24を介して、基板面の法線方向から入射した光束hは、液晶層LCを透過するときに画素電極への電圧無印加時と電圧印加時とで液晶層LC内の液晶分子mの配列を光学的に識別し、出射側偏光板26を経て出射し、画像を表示する構成になっている。
このような液晶表示素子25は、位相差板100aにおける微小プリズムの各プリズム斜面A上に、光束hの光軸hsに対してプリズム頂角β分だけ角度傾斜させて光学異方性媒質層が設けられた構成となり、光束hが光学異方性媒質層を透過する際に、上述した所望の位相差が得られる構成となっている。これにより、高コントラスト比を維持しつつ、透過率の向上が図られ、高精細な表示を行うことが可能である。
そして特には、上述した構成の位相差板100aを用いたことにより、一枚の光学異方性媒質層を傾斜させて設ける位相差板を設けた場合と比較して、基板の積層方向(光束の光軸方向)の厚みを薄くすることが可能になり、位相差板を合わせた液晶表示素子25の小型化を図ることが可能である。
尚、上述した実施形態においては、対向基板25-2の表面側にプリズム斜面Sを向けて位相差板100aを配置した構成を説明した。しかしながら、位相差板100aは、対向基板25-2の表面上にプリズム斜面Sを光の入射側に向けて配置しても良い。この場合、対向基板25-2が、位相差板100aの透明支持基板101をかねても良い。また、位相差板100aは、TFT基板25-1側の防塵ガラス25-3をかねて設けても良い。この場合であっても、位相差板100aのプリズム斜面Sは、光束hの出射側およびTFT基板25-1側のどちらに向けても良い。ただし、いずれの場合であっても、液晶層CLを構成する液晶分子mのプレチルト方向に対して、微小プリズム102aの延設方向を平行または垂直に保つこととする。
また、本発明を適用した液晶表示素子25を透過型3板式の液晶プロジェクタ装置における光変調用の素子(ライトバルブ)として用いる場合には、液晶分子mのプレチルト角αを12°とする場合が一般的である。しかしながら、プレチルト角=12°以外であっても、微小プリズム102のプリズム頂角βを上述したように最適化した値に設定することにより、位相差板により表示画像のコントラストを向上させることが可能な液晶表示素子25の小型化を図ることができる。
さらに、本発明を適用した液晶表示素子25は、液晶層LCが垂直配向であるもの限定されるものではなく、水平配向(ホモジニアス配向)のECBモードに適用してもよいことは勿論である。このような場合であっても、位相差板により表示画像のコントラストを向上させることが可能な液晶表示素子25の小型化を図ることができる。
≪第2実施形態≫
<位相差板>
図5(1)は、第2実施形態の位相差板を説明する斜視図であり、図5(2)は斜視図におけるA部の拡大断面図である。これらの図に示す位相差板100bが、第1実施形態の位相差板と異なるところは、プリズム層102の構成、および平坦化層104とカバーガラス105との間に、さらにランダム位相シフタ層201と平坦化層202とを設けたところにあり、他の構成は同様である。
<位相差板>
図5(1)は、第2実施形態の位相差板を説明する斜視図であり、図5(2)は斜視図におけるA部の拡大断面図である。これらの図に示す位相差板100bが、第1実施形態の位相差板と異なるところは、プリズム層102の構成、および平坦化層104とカバーガラス105との間に、さらにランダム位相シフタ層201と平坦化層202とを設けたところにあり、他の構成は同様である。
すなわち、プリズム層102は、断面同一形状の微小プリズム102aを同一ピッチで複数列配置してなる。各微小プリズム102aが、例えば石英からなり、同一のプリズム頂角βで形成され、同一角度に傾斜するプリズム斜面Sを備えていること、さらには各微小プリズム102aのピッチが、上述した単位ピッチの整数倍であることは、図1を用いて説明した位相差板(100a)と同様である。
ランダム位相シフタ層201は、微小プリズム102aのピッチに対応したピッチで、微小プリズム102aと同一方向に複数の凸条パターンからなる位相シフタ201aを延設してなる。そして、等ピッチで隣接する微小プリズム102aを透過した光束が回折するのを防止するため、隣接する各位相シフタ201aの厚さtがランダムに異なっている。このようなランダム位相シフタ層201は、例えば下地の平坦化膜104と同じ材質の酸化シリコン(波長λ=550nmの屈折率n=1.46)で形成して良い。
このようなランダム位相シフタ層201の形成は、スパッタ技術、蒸着技術或いは塗布技術により成膜後、フォトリソグラフィー技術によるドライ/ウェットエッチング法や2P法により凹凸が形成される。この際、例えばハーフトーンマスクを用いた露光により、各位相シフタの膜厚に対応する部分で膜厚が異なるレジストマスクを形成し、このレジストマスクを用いたエッチングを行うことにより、ランダムに膜厚の異なる位相シフタを備えたランダム位相シフタ層201を設ける。
平坦化層202は、位相シフタ201aとは異なる屈折率を有する材料で構成することとし、例えば、波長λ=550nmの屈折率n=1.67の樹脂を用いて構成される。
このような構成の位相差板100bであっても、各微小プリズム102aのプリズム斜面S上に設けられた光学異方性媒質層103が、同一方向に等しい傾斜角度(プリズム頂角β)で傾斜し、かつ略等しい屈折率の微小プリズム102と平坦化層104とに狭持された状態で透明支持基板101上に配置される。したがって、先の第1実施形態の位相差板(100a)と同様に、この位相差板100bは、透明支持基板101の法線方向から入射する光束hの光軸hsに対して、一枚の光学異方性媒質層を傾斜させて配置する位相差板と同様の機能を備えたものとなると共に、このような一枚の光学異方性媒質層を傾斜させて配置する位相差板と比較して、入射する光束hの光軸hs方向に対してより平坦な構成とすることができる。
<液晶表示素子>
以上のような位相差板100bは、第1実施形態において図2を用いて説明したと同様に液晶表示素子25に組み込まれることとする。これにより、先の位相差板100aを組み込んだ第1実施形態の液晶表示素子と同様に、位相差板により表示画像のコントラストを向上させることが可能な液晶表示素子25の小型化を図ることができる。
以上のような位相差板100bは、第1実施形態において図2を用いて説明したと同様に液晶表示素子25に組み込まれることとする。これにより、先の位相差板100aを組み込んだ第1実施形態の液晶表示素子と同様に、位相差板により表示画像のコントラストを向上させることが可能な液晶表示素子25の小型化を図ることができる。
≪第3実施形態≫
<位相差板>
図6(1)は、第3実施形態の位相差板を説明する斜視図であり、図5(2)は斜視図におけるA部の拡大断面図である。これらの図に示す位相差板100cが、第1実施形態の位相差板と異なるところは、プリズム層102の構成、および透明支持基板101とプリズム層102との間に、ランダム位相シフタ層201を設けたところにある。
<位相差板>
図6(1)は、第3実施形態の位相差板を説明する斜視図であり、図5(2)は斜視図におけるA部の拡大断面図である。これらの図に示す位相差板100cが、第1実施形態の位相差板と異なるところは、プリズム層102の構成、および透明支持基板101とプリズム層102との間に、ランダム位相シフタ層201を設けたところにある。
すなわち、プリズム層102は、図5を用いて説明したと同様の構成であり、断面同一形状の微小プリズム102aを同一ピッチで複数列配置してなる。
そして、ランダム位相シフタ層201は、図5を用いて説明したランダム位相シフタ層201と同様の構成であり、透明支持基板101上に、微小プリズム102aのピッチに対応したピッチで位相シフタ201aを配列してなる。また、等ピッチで隣接する微小プリズム102aを透過した光束の回折を防止するため、隣接する各位相シフタ201aの厚さtがランダムに異なっている。
そして、このような各位相シフタ201a上に、各微小プリズム層102aが設けられている。この場合、ランダム位相シフタ層201は、プリズム層102と一体に構成したものであって良い。
このような構成の位相差板100cであっても、各微小プリズム102aのプリズム斜面S上に設けられた光学異方性媒質層103が、同一方向に等しい傾斜角度(プリズム頂角β)で傾斜し、かつ略等しい屈折率の微小プリズム102と平坦化層104とに狭持された状態で透明支持基板101上に配置される。したがって、先の第1実施形態の位相差板(100a)と同様に、この位相差板100cは、透明支持基板101の法線方向から入射する光束hの光軸hsに対して、一枚の光学異方性媒質層を傾斜させて配置する位相差板と同様の機能を備えたものとなると共に、このような一枚の光学異方性媒質層を傾斜させて配置する位相差板と比較して、入射する光束hの光軸hs方向に対してより平坦な構成とすることができる。
<液晶表示素子>
以上のような位相差板100cは、第1実施形態において図2を用いて説明したと同様に液晶表示素子25に組み込まれることとする。これにより、先の位相差板100aを組み込んだ第1実施形態の液晶表示素子と同様に、位相差板により表示画像のコントラストを向上させることが可能な液晶表示素子25の小型化を図ることができる。
以上のような位相差板100cは、第1実施形態において図2を用いて説明したと同様に液晶表示素子25に組み込まれることとする。これにより、先の位相差板100aを組み込んだ第1実施形態の液晶表示素子と同様に、位相差板により表示画像のコントラストを向上させることが可能な液晶表示素子25の小型化を図ることができる。
≪第4実施形態≫
<位相差板>
図7(1)は、第4実施形態の位相差板を説明する斜視図であり、図7(2)は斜視図におけるA部の拡大断面図である。これらの図に示す位相差板100dは、以降に図8,9を用いて説明する液晶表示素子に組み込まれてその一部を構成するものである。
<位相差板>
図7(1)は、第4実施形態の位相差板を説明する斜視図であり、図7(2)は斜視図におけるA部の拡大断面図である。これらの図に示す位相差板100dは、以降に図8,9を用いて説明する液晶表示素子に組み込まれてその一部を構成するものである。
これらの図に示す位相差板100dと、先に説明した各実施形態の位相差板との異なるところは、2層のプリズム層が設けられているところにある。すなわち、この位相差板100dは、透明支持基板101と、その一主面側に設けられた光学異方性媒質層103と、この光学異方性媒質層103上に設けられた第1プリズム層102-1と、透明支持基板101の他主面側に設けられた第2プリズム層102-2とで構成されている。
このうち、透明支持基板101は、先の実施形態と同様であり、例えば石英からなり、この上部に形成されるプリズム層102-1,102-2を支持できる程度の厚さ(例えば1mm程度)を有していることとする。
光学異方性媒質層103は、透明支持基板101上に1枚の均一な膜厚層として平面状に成膜されている。この光学異方性媒質層103は、先の第1実施形態と同様の、負の1軸性位相差層であり、例えばポリスチレン重合体、アクリル酸エステル系重合体、メタアクリル酸エステル系重合体、アクリロニトリル系重合体、メタアクリロニトリル系重合体等の材質からなる。この光学異方性媒質層103は、液晶プロジェクタ装置としての用途に好適な、例えばTi2O5やSiO2等の無機誘電体多層膜等の材質により構成されていてもよい。
このような光学性異方性媒質層103は、図7(1)中の2点鎖線で示す光学軸103sが、第1プリズム層102-1および第2プリズム層102-2を構成する微小プリズム102aの延設方向と平行となるように構成されているか、またはこれと垂直となるように、すなわち透明支持基板101の基板面内において、微小プリズム102aにおけるプリズム斜面Sの最大傾斜方向と同一の方位角方向なるように構成されていることとする。
以上のような光学異方性媒質層103は、一般的に良く知られるスパッタ技術や蒸着技術および塗布技術により成膜される。
プリズム層102-1,102-2は、例えば図7(1)のy方向、図7(2)における紙面上の奥行き方向に延設された微小プリズム102aを複数列配置してなる。各微小プリズム102aは、例えば石英からなり、延設方向と垂直な方向に傾斜したプリズム斜面Sを備えている。また、各微小プリズム102aのプリズム斜面Sは、透明支持基板101の基板面に対して同一の傾斜角度(プリズム頂角β’)で傾斜していることは、先の第1実施形態と同様である。そして、第1プリズム層102-1と第2プリズム層102-2とは、互いのプリズム斜面Sが平行となるように設けられている。
そして、この傾斜角度、すなわちプリズム頂角β’は、次に説明する光学異方性媒質層103の屈折率から得られる光学異方性と、この位相差板100dが組み込まれる液晶表示素子における液晶層の光学特性とによって、光束が光学異方性媒質層103を透過する際に所望の位相差(リタデーション)が得られ、液晶表示素子の視野角特性を最大限に補償するように、シミュレーションや予備実験などによって決定されている。ここでは、一例として、プリズム頂角β’=40.2°に設定されていることとする。
また、各微小プリズム102aは、前記プリズム斜面の最大傾斜方向と垂直な方向に延設され、それぞれの延設方向と垂直な方向に隙間なく配列された状態となっている。そして、そのピッチPは、隣接する微小プリズム102aを透過した光束の回折を防止するため、隣接する微小プリズム102aのピッチとランダムに異なっており、単位ピッチのランダムな整数倍となっている。この単位ピッチは、この位相差板100aを液晶表示素子に組み込んだ状態で液晶プロジェクタ装置に配置した場合に、隣接する微小プリズム102a同士の境界部分が投射画像に悪影響を及ぼす事を防止するため、液晶表示素子の画素ピッチの整数倍であることが好ましい。このため、以降に説明する液晶表示素子における画素ピッチが12.5μmである場合、微小プリズム102aの単位ピッチを例えば12.5μm×4=50μmとする。
以上のように微小プリズム102aを配列させたプリズム層102の作製は、先の第1実施形態と同様に行われる。
このような構成の位相差板100dでは、透明支持基板101とこの上部の光学異方性媒質層103とを挟んだ両側に、プリズム斜面Sが平行を成すように微小プリズム102aが設けられている。これにより、この位相差板100dは、透明支持基板101の法線方向を光束hの入射方向とすることで、入射側に配置したプリズム層102-1(102-2)において、光束hの光軸hsを所定角度θに傾斜させて光学異方性媒質層103に入射させ、出射側に配置されたプリズム層102-2(102-1)において光束hの光軸hsを元に戻して出射させるものとなる。したがって、この位相差板100dは、入射する光束hの光軸に対して、一枚の光学異方性媒質層を傾斜させて配置する位相差板と同様の機能を備えたものとなると共に、このような一枚の光学異方性媒質層を傾斜させて配置する位相差板と比較して、入射する光束hの光軸方向hs方向に対してより平坦な構成とすることができる。
<液晶表示素子>
図8は、上述した構成の位相差板100dが組み込まれた液晶表示素子25’の光学構成を説明する図であり、図9は液晶表示素子25’の全体構成図である。これらの図に示す液晶表示素子25’は、最後に説明する図12の液晶プロジェクタ装置に設けられるものであり、クロスニコルに配置された入射側偏光板24と出射側偏光板26との間に配置される。
図8は、上述した構成の位相差板100dが組み込まれた液晶表示素子25’の光学構成を説明する図であり、図9は液晶表示素子25’の全体構成図である。これらの図に示す液晶表示素子25’は、最後に説明する図12の液晶プロジェクタ装置に設けられるものであり、クロスニコルに配置された入射側偏光板24と出射側偏光板26との間に配置される。
この液晶表示素子25’は、TFT基板25-1と対向基板25-2との間に液晶層LC(図8のみに図示)を封止した液晶パネル25pを備えており、対向基板25-2の外側に防塵ガラスをかねた位相差板100dが貼合せられている。また、TFT基板25-1の外側面にも、防塵ガラス25-3(図9のみに図示)が貼り合わせられていることとする。尚、TFT基板25-1、対向基板25-2、防塵ガラス24-3は、石英ガラスを主材としている。
このうち、TFT基板25-1には、液晶層LCに向かう面に、画素電極が設けられ、さらにこれを覆う状態で垂直配向膜が設けられている(図示省略)。この画素電極は、ITO(Indium Tin Oxide)などの透明導電性薄膜からなり、マトリックス状に配置された画素dごとに独立して設けられている。そして、このTFT基板25-1には、画素電極に対して外部から映像電気信号を送るためのフレキシブルコネクタ25-4が取り付けられている(図9のみに図示)。
また、対向電極25-2には、液晶層LCに向かう面に、対向電極が設けられ、さらにこれを覆う状態で垂直配向膜が設けられている(図示省略)。この対向電極は、ITOなどの透明導電性薄膜からなり、各画素dの共通電極として設けられている。そして、この垂直配向膜は、図面上の矢印に示すように、TFT基板25-1側の垂直配向膜に対して反平行に配向していることとする。また、ここでの図示は省略したが、この対向基板25-2には、入射された光束を絞り光利用効率を向上させる目的でマイクロレンズが、各画素dに対応して搭載されていても良い。
液晶層LCは、上述した垂直配向膜により、基板の法線、つまり図中一点鎖線で示す光軸hsに対して液晶分子mを角度αだけ傾いた垂直配向(ホメオトロピック配向)している。以下、この角度αをプレチルト角という。この際、液晶分子mは、TFT基板25-1および対向基板25-2に設けた垂直配向膜の配向方向に、プレチルト角αだけ傾いて配向する。ここでは、この液晶表示素子25を透過型3板式の液晶プロジェクタ装置に用いる場合の一般的な設定値でとして、このプレチルト角α=12°としている。ちなみに、本実施の形態においては、液晶分子mのプレチルト角α=12°として、強力な配向規制力を与えることにより、いかなる横電界においても配向が乱れない液晶分子mを想定している。尚、このプレチルト角αは、1ライン反転駆動時の横電界に対向する配向規制力を得るためであれば、20°あれば十分であるため、1°〜20°の範囲内とする
そして、図7を用いて説明した構成の位相差板100dは、対向基板25-2の表面側に光学異方性媒質層103および第1プリズム層102-1を向け、光hの入射方向に第2プリズム層102-2を向けた状態で配置される。また、この位相差板100dは、液晶分子mがプレチルト角αだけ倒れる方位角方向(プレチルト方向)に対して、微小プリズム102aの延設方向が垂直となるように配置される。これにより、位相差板100dにおける光学異方性媒質層の光学軸103sを、プレチルト方向に対して垂直にするか、または一致させる。尚、位相差板100dの配置状態は、微小プリズム102aの延設方向を、プレチルト方向と一致させても良い。
対向基板25-2に対する位相差板100dの接着は、第1プリズム層102-1の全面を接着剤を用いて対向基板25-2に接着しても良い。また表示に影響のない周縁部のみにおいて、対向基板25-2に対して位相差板100dを接着しても良い。
ここで、先に位相差板100dの構成として説明したように、この位相差板100dにおけるプリズム頂角β’は、上述したような位置関係で配置された位相差板100dに対して入射する光束hが、光学異方性媒質層(103)を透過する際に所望の位相差が得られ、液晶表示素子25’の視野角特性を最大限に補償するように、シミュレーションによって設定されている。
例えば、光学異方性媒質層103が、垂直入射する光束hに対して位相差(Δnd)値−427nmを与えるものであり、また垂直配向する液晶層LCのプレチルト角α=12°の構成において、液晶層LCを狭持した液晶パネル25pに対しての最適な光学異方性媒質層103の傾斜角度がθ=14°であることが、下記の図10(a),(b)に示すようにシミュレーションや予備実験から求められている場合、この結果に基づいて、次のように位相差板100sにおける微小プリズム102aのプリズム頂角β’が設定される。すなわち、傾斜角度θとプリズム頂角β’との関係式、tanβ’=n・sinθ/(n・cosθ−1)より、β’=40.3°と求められる。ただしnは、微小プリズム102aの材質の屈折率であり、ここでは光束hの波長λ=550nmにいおいてn=1.46とした。
図10(a)には、垂直入射する光束hに対して位相差(Δnd)値−427nmを与える1枚構成の光学異方性媒質層を、プレチルト角α=12°で垂直配向する液晶層LCに対して、傾斜角度14°で傾けて配置した液晶表示素子を用いた場合のコントラストを示す。光学異方性媒質層の傾斜方向および光学軸方向は、図2を用いて説明した本実施形態の構成と同様である。一方、図10(b)には、光学異方性媒質層を設けていない液晶表示素子を用いた場合のコントラストを示す。尚、このシミュレーションに用いた各液晶表示素子は、クロスニコルに配置された入射側偏光板と出射偏光板の間に、入射側偏光板側に対向基板、出射側偏光板側にTFT基板を向けて配置される。そして、TFT基板と対向基板の垂直配向膜の配向方向が、図中矢印に示した入射側偏光板と出射偏光板とにおける光透過軸に対して45°の角度となるように配置される。
これらの図10(a),(b)を比較してわかるように、光学異方性媒質層を傾斜角度14°で傾けて配置することにより、図10(a)に示すように2000:1以上のコントラストを極角方向10°以上で実現することができ、更に視野角特性も理想的な状態となる。これに対して、光学異方性媒質層を配置しない場合には、図10(b)に示すように、極角20°までにおいて、コントラスト2000:1の部分が中心より大きく外れてしまう。即ち、液晶分子がプレチルト角αだけ傾いているため、これを光学異方性媒質層により除去しない場合には、正面のコントラストは著しく悪化し、視野角特性も同時に悪化することが分かる。
なお、この図10(b)の傾向を計算により求める際の液晶分子の位相差Δndは、427nmとした。光学異方性媒質層の位相差Δndと、液晶分子の位相差Δndとは、絶対値が等しく符号が相異なるものであることが望ましいが、±50nm程度の誤差があっても補正は可能である。この位相差Δndは、透過型でかつ垂直配向型の液晶表示素子を用いる場合には、300nm〜500nmの範囲で設計されるが、赤色光、緑色光、青色光により位相差Δndを最適化することも可能となる。
そして、以上のようなシミュレーション結果から、光学異方性媒質層に対して入射する光束hの光軸hsが傾斜角度14°傾けることにより、コントラストが向上することがわかり、この傾斜角度14°にあわせて微小プリズム102aのプリズム頂角β’=40.3°に設定されていることとする。
また、図8に示したように、以上のように位相差板100dが設けられた液晶表示素子25’は、クロスニコルに配置された入射側偏光板24と出射偏光板26との間に、別置または貼合わせにより狭持された状態で配置される。この際、入射側偏光板24側に位相差板100dおよび対向基板25-2が、出射側偏光板26側にTFT基板25-1が向けられる。そして、TFT基板25-1と対向基板25-2の垂直配向膜の配向方向が、図中矢印に示した入射側偏光板24と出射偏光板26とにおける光透過軸に対して45°の角度となるように配置される。
以上説明した構成の液晶表示素子25’は、入射側偏光板24を介して、基板面の法線方向から入射した光束hは、液晶層LCを透過するときに画素電極への電圧無印加時と電圧印加時とで液晶層LC内の液晶分子mの配列を光学的に識別し、出射側偏光板26を経て出射し、画像を表示する構成になっている。
このような液晶表示素子25’は、位相差板100dにおける透明支持基板101とこの上部の光学異方性媒質層103とを挟んだ両側に、プリズム斜面Sが平行を成すように微小プリズム102aを設けたことにより、この位相差板100dは、透明支持基板101の法線方向を光束hの入射方向とすることで、入射側に配置したプリズム層102-1(102-2)において、光束hの光軸hsを所定角度θに傾斜させて光学異方性媒質層103に入射させ、出射側に配置されたプリズム層102-2(102-1)において光束hの光軸hsを元に戻して出射させる構成となっている。これにより、光束hが光学異方性媒質層を透過する際に、上述した所望の位相差が得られる構成となっている。このため、高コントラスト比を維持しつつ、透過率の向上が図られ、高精細な表示を行うことが可能である。
そして特には、上述した構成の位相差板100dを用いたことにより、一枚の光学異方性媒質層を傾斜させて設ける位相差板を設けた場合と比較して、基板の積層方向(光束の光軸方向)の厚みを薄くすることが可能になり、位相差板を合わせた液晶表示素子25’の小型化を図ることが可能である。
尚、上述した実施形態においては、対向基板25-2の表面側に光学異方性媒質層103および第2プリズム層102-2を向けて位相差板100dを配置した構成を説明した。しかしながら、位相差板100dは、対向基板25-2の表面上に第1プリズム層102-1を向けて配置しても良い。また、位相差板100dは、TFT基板25-1側の防塵ガラス25-3をかねて設けても良い。この場合であっても、位相差板100dの光学異方性媒質層103および第2プリズム層102-2を光束hの出射側およびTFT基板25-1側のどちらに向けても良い。ただし、いずれの場合であっても、液晶層CLを構成する液晶分子mのプレチルト方向に対して、微小プリズム102aの延設方向を平行または垂直に保つこととする。
また、本発明を適用した液晶表示素子25’を透過型3板式の液晶プロジェクタ装置における光変調用の素子(ライトバルブ)として用いる場合には、液晶分子mのプレチルト角αを12°とする場合が一般的である。しかしながら、プレチルト角=12°以外であっても、微小プリズム102のプリズム頂角βを上述したように最適化した値に設定することにより、位相差板により表示画像のコントラストを向上させることが可能な液晶表示素子25’の小型化を図ることができる。
さらに、本発明を適用した液晶表示素子25’は、液晶層LCが垂直配向であるもの限定されるものではなく、水平配向(ホモジニアス配向)のECDモードに適用してもよいことは勿論である。このような場合であっても、位相差板により表示画像のコントラストを向上させることが可能な液晶表示素子25’の小型化を図ることができる。
≪第5実施形態≫
<位相差板>
図11(1)は、第5実施形態の位相差板を説明する斜視図であり、図11(2)は斜視図におけるA部の拡大断面図である。これらの図に示す位相差板100eが、第4実施形態の位相差板と異なるところは、プリズム層102-1,102-2の構成、およびこれらのプリズム層102-1,102-2の透明支持基板101側にランダム位相シフター層201と平坦化層202とを設けたところにあり、他の構成は同様である。
<位相差板>
図11(1)は、第5実施形態の位相差板を説明する斜視図であり、図11(2)は斜視図におけるA部の拡大断面図である。これらの図に示す位相差板100eが、第4実施形態の位相差板と異なるところは、プリズム層102-1,102-2の構成、およびこれらのプリズム層102-1,102-2の透明支持基板101側にランダム位相シフター層201と平坦化層202とを設けたところにあり、他の構成は同様である。
すなわち、プリズム層102-1,102-2は、断面同一形状の微小プリズム102aを同一ピッチで複数列配置してなる。各微小プリズム102aが、例えば石英からなり、同一のプリズム頂角β’で形成され、同一角度に傾斜するプリズム斜面Sを備えていること、さらには各微小プリズム102aのピッチが、上述した単位ピッチの整数倍であることは、図7を用いて説明した位相差板(100d)と同様である。
ランダム位相シフタ層201は、微小プリズム102aのピッチに対応したピッチで、微小プリズム102aと同一方向に複数の凸条パターンからなる位相シフタ201aを延設してなる。そして、等ピッチで隣接する微小プリズム102aを透過した光束が回折するのを防止するため、隣接する各位相シフタ201aの厚さtがランダムに異なっている。このようなランダム位相シフタ層201は、例えば透明支持基板101と同じ屈折率を有する酸化シリコン(波長λ=550nmの屈折率n=1.46)で形成して良い。
このようなランダム位相シフタ層201の形成は、先の第2実施形態と同様に行われる。
平坦化層202は、位相シフタ201aとは異なる屈折率を有する材料で構成することとし、例えば、波長λ=550nmの屈折率n=1.67の樹脂を用いて構成される。
このような構成の位相差板100eであっても、透明支持基板101とこの上部の光学異方性媒質層103とを挟んだ両側に、プリズム斜面Sが平行を成すように微小プリズム102aが設けられている。したがって、先の第4実施形態の位相差板(100d)と同様に、この位相差板100dは、透明支持基板101の法線方向から入射する光束hの光軸hsに対して、一枚の光学異方性媒質層を傾斜させて配置する位相差板と同様の機能を備えたものとなると共に、このような一枚の光学異方性媒質層を傾斜させて配置する位相差板と比較して、入射する光束hの光軸hs方向に対してより平坦な構成とすることができる。
<液晶表示素子>
以上のような位相差板100eは、第4実施形態において図8を用いて説明したと同様に液晶表示素子25’に組み込まれることとする。これにより、先の位相差板100dを組み込んだ第4実施形態の液晶表示素子と同様に、位相差板により表示画像のコントラストを向上させることが可能な液晶表示素子25’の小型化を図ることができる。
以上のような位相差板100eは、第4実施形態において図8を用いて説明したと同様に液晶表示素子25’に組み込まれることとする。これにより、先の位相差板100dを組み込んだ第4実施形態の液晶表示素子と同様に、位相差板により表示画像のコントラストを向上させることが可能な液晶表示素子25’の小型化を図ることができる。
≪液晶プロジェクタ装置≫
図12は、図2,8を用いて説明した液晶表示素子25,25’を設けた液晶プロジェクタ装置(透過型3板式プロジェクタ装置)1の構成図である。
図12は、図2,8を用いて説明した液晶表示素子25,25’を設けた液晶プロジェクタ装置(透過型3板式プロジェクタ装置)1の構成図である。
この図に示す液晶プロジェクタ装置1は、外部のスクリーンに対して画像を投射するものであって、光を出射する光源11と、光源11から出射された光の光路順に、可視領域外の光をカットするカットフィルタ12と、光を反射する第1の折り返しミラー13と、液晶表示素子25の有効開口領域のアスペクト比にほぼ等しい相似形をした外形を有している複数のレンズセルが例えば正方配列されている第1のマルチレンズアレイ14及び第2のマルチレンズアレイ15と、第2のマルチレンズアレイ15からの光を所定の偏光方向に偏光させるためのPS合成樹脂16と、PS合成樹脂16を通過した光を集光するコンデンサレンズ17と、光を波長帯域に応じて分離する第1のダイクロイックミラー20とを備えている。
光源11は、フルカラー画像を投射するために必要とされる、光の3原色である赤色、緑色及び青色の光を含む白色光を出射することができるようにされている。このような光源11は、白色光を発する発光体11aと、発光体11aから発せられた光を反射するリフレクタ11bとを有している。光源11の発光体11aとしては、水銀成分を含むガスが封入された放電ランプ、例えば、超高圧水銀ランプ等が用いられる。光源11のリフレクタ11bは、凹面鏡となっており、その鏡面が周効率のよい形状とされている。また、リフレクタ11bは、例えば、回転方物面や回転楕円面のような回転対称面の形状とされている。
カットフィルタ12は、光源11から出射された白色光に含まれる紫外領域の光を反射することで除去する平面ミラーである。カットフィルタ12は、例えば、ガラス基材上に紫外領域の光を反射するコートを施したものであり、紫外領域以外の光を透過する。
第1のマルチレンズアレイ14は、第2のマルチレンズアレイ15と共に後述する液晶表示素子25の有効面積内を均一に照明するために、光を液晶表示素子25の有効面積の形状の光束とし、照度分布を均一化するようされている。第1のフライアイレンズ14は、複数の小さなレンズ素子をアレイ状に設けた構造とされており、第1の折り返しミラー13により反射された光を各レンズ素子により光を集光し小さな点光源を作り出し、他方の第2のマルチレンズアレイ15によりそれぞれの点光源からの照明光を合成する。
コンデンサレンズ17は、凸レンズであり、PS合成樹脂16により所定の偏光方向に制御された光を液晶表示素子25の有効開口領域に効率よく照射されるようにスポット径を調整する。
第1のダイクロイックミラー20は、ガラス基板等の主面上に、誘電体膜を多層形成した、いわゆるダイクロイックコートが施された波長選択性のミラーである。第1のダイクロイックミラー20は、反射させる赤色光と、透過させるその他の色光、すなわち緑色光及び青色光とに分離する。
即ち、この第1のダイクロイックミラー20は、コンデンサレンズ17から入射する光のうち青色光及び緑色光を透過させ、赤色光を略垂直方向に反射して90°向きを変化させるように、コンデンサレンズ17から入射する光の光路に対して垂直方向に45°傾けて配設されている。
また、この液晶プロジェクタ装置1は、第1のダイクロイックミラー20によって分離された赤色光の光路順に、光を全反射する第2の折り返しミラー22と、光を集光する第1のフィールドレンズ23Rと、光を所定の偏光方向の成分のみ透過させる第1の入射側偏光板24Rと、光を空間的に変調する第1の液晶表示素子25Rと、光を所定の偏光方向の成分のみ透過させる第1の出射側偏光板26Rとを備えている。
第2の折り返しミラー22は、第1のダイクロイックミラー20を反射した光を垂直方向に反射して90°向きを変えさせる全反射ミラーであり、かかる反射された赤色光の光路に対して垂直方向に45°傾けて配設されている。これにより、第2の折り返しミラー22は、この赤色光を、第1のフィールドレンズ23Rに向けて反射する。
第1のフィールドレンズ23Rは、コンデンサレンズ17と共に照明光学系を形成する集光レンズであり、第2の折り返しミラー22により反射された赤色光を第1の入射側偏光板24R側に出力すると共に第1の液晶表示素子25Rに集光する。
第1の入射側偏光板24Rは、第1のフィールドレンズ23Rから出力された赤色光を所定の偏光方向の成分のみ透過するようにされた偏光板である。第1の入射側偏光板24Rは、第1の液晶表示素子25Rの入射側の基板表面における液晶分子の配向方向と透過軸が45°の角度をなすように配設されている。
第1の液晶表示素子25Rは、垂直配向型の液晶分子を用いた透過型のパネルであり、図示しない2つの透明基板の間に垂直配向型の液晶分子が封入されている。このような第1の液晶表示素子25Rは、赤色の映像情報に対応して入力される映像信号に応じて、液晶分子の状態を変化させて、第1の入射側偏光板24Rを介して入射した赤色光を空間的に変調して透過する。第1の液晶表示素子25Rは、投射する映像が垂直方向よりも水平方向が長尺とされた略長方形状とされているため、これに対応して入射面が略長方形状とされている。
第1の出射側偏光板26Rは、第1の液晶表示素子25Rにより変調された赤色光を、第1の入射側偏光板24Rと直交する偏光方向の成分のみ透過させる。第1の出射側偏光板26Rは、第1の液晶表示素子25Rの出射側の基板表面における液晶分子の配向方向と透過軸が45°の角度をなすように配設されており、さらに、第1の出射側偏光板26Rは、第1の入射側偏光板24Rに対して光の透過軸が互いに直交した、いわゆる直交ニコルの関係となるように配設されている。
さらに、この液晶プロジェクタ装置1は、第1のダイクロイックミラー20によって分離された他の色光、すなわち青色光及び緑色光の光路に沿って、入射光を波長帯域に応じて分離する第2のダイクロイックミラー31を備えている。
第2のダイクロイックミラー31は、入射した光を青色光と、その他の色光、すなわち緑色光とに分離する。
第2のダイクロイックミラー31は、第1のダイクロイックミラー20から入射する光のうち青色光を透過させ、緑色光を映像投射部2の略水平方向に反射して90°向きを変化させるように、第1のダイクロイックミラー20から入射する光の光路に対して垂直方向に45°傾けて配設されている。
液晶プロジェクタ装置1は、第2のダイクロイックミラー31によって分離された緑色光の光路順に、光を集光する第2のフィールドレンズ23Gと、光を所定の偏光方向の成分のみ透過させる第2の入射側偏光板24Gと、光を空間的に変調する第2の液晶表示素子25Gと、光を所定の偏光方向の成分のみ透過させる第2の出射側偏光板26Gとを備えている。
これら、第2のフィールドレンズ23G〜第2の出射側偏光板26Gは、先に説明した第1のフィールドレンズ23R〜第1の出射側偏光板26Rと同様に構成配置されている。ただし、第2の液晶表示素子25Gは、緑色の映像情報に対応して入力される映像信号に応じて、液晶分子の状態を変化させて、第2の入射側偏光板24Gを介して入射した緑色光を空間的に変調して透過する。
さらにこの液晶プロジェクタ装置1は、第2のダイクロイックミラー31によって分離された青色光の光路順に、光路長を調整する第1のリレーレンズ33と、入射光を全反射する第3の折り返しミラー34と、光路長を補正する第2のリレーレンズ35と、入射光を全反射する第4の折り返しミラー36と、光を集光する第3のフィールドレンズ23Bと、入射光を所定の偏光方向の成分のみ透過させる第3の入射側偏光板24Bと、入射光を空間的に変調する第3の液晶表示素子25Bと、入射光を所定の偏光方向の成分のみ透過させる第3の出射側偏光板26Bとを備えている。
第1のリレーレンズ33は、第2のリレーレンズ35と共に光路長を調整するためのレンズであり、第2のダイクロイックミラー31によって分離された青色光を、第3の折り返しミラー34へ導く。
第3の折り返しミラー34は、第1のリレーレンズ33からの光を水平方向に反射して90°向きを変えさせる全反射ミラーであり、第1のリレーレンズ33からの青色光の光路に対して垂直方向に45°傾けて配設されている。これにより、第3の折り返しミラー34は、第1のリレーレンズ33からの青色光を、第2のリレーレンズ35に向けて反射する。
第2のリレーレンズ35は、第1のリレーレンズ33と共に光路長を調整するためのレンズであり、第3の折り返しミラー34によって反射された青色光を、第4の折り返しミラー36へ導く。
なお、第1のリレーレンズ33及び第2のリレーレンズ35は、青色光の第3の液晶表示素子25Bまでの光路が、赤色光の第1の液晶表示素子25Rまでの光路や緑色光の第2の液晶表示素子25Gまで光路と比して長いため、これを補正して、第3の液晶表示素子25Bに焦点が合うように適切に青色光を導くようになっている。
第4の折り返しミラー36Bは、第2のリレーレンズ35からの光を垂直方向に反射して90°向きを変えさせる全反射ミラーであり、第2のリレーレンズ35からの青色光の光路に対して垂直方向に45°傾けて配設されている。これにより、第4の折り返しミラー36は、第2のリレーレンズ35からの青色光を、第3のフィールドレンズ23Bに向けて反射する。
そして、第3のフィールドレンズ23B〜第3の出射側偏光板26Bは、先に説明した第1のフィールドレンズ23R〜第1の出射側偏光板26Rと同様に構成配置されている。ただし、第3の液晶表示素子25Bは、青色の映像情報に対応して入力される映像信号に応じて、液晶分子の状態を変化させて、第3の入射側偏光板24Bを介して入射した青色光を空間的に変調して透過する。
また、液晶プロジェクタ装置1は、第1の液晶表示素子25R、第2の液晶表示素子25G及び第3の液晶表示素子25Bによりそれぞれ空間的に変調されて出射側偏光板26R、26G、26Bを透過した赤色光、緑色光及び青色光の光路が交わる位置に、これら赤色光、緑色光及び青色光を合成する合成プリズム1028と、合成プリズム1028により合成された合成光を、スクリーンに向けて投射するための投射レンズ40とを備えている。
合成プリズム1028は、第1の液晶表示素子25Rから出射され第1の出射側偏光板26Rを透過した赤色光が入射され、第2の液晶表示素子25Gから出射され第2の出射側偏光板26Gを透過した緑色光が入射され、さらに第3の液晶表示素子25Bから出射され第3の出射側偏光板26Bを透過した青色光が入射するようになっている。合成プリズム1028は、入射された赤色光、緑色光、青色光を合成して出射面38Tから出射する。
投射レンズ41は、合成プリズム38の出射面38Tから出射された合成光をスクリーンに拡大して投射する。
本発明による液晶プロジェクタ装置においては、上述した第1実施形態から第5実施形態のように位相差板を配置した液晶表素子25(25’)が、入射側偏光板24と出射偏光板26との間に配置される。このとき、入射側偏光板24、液晶表示素子25(25’)、および出射偏光板26は、各フィールドレンズ23R,23G,23Bから出射された光束の光軸が、基板面の法線となるように配置される。これにより、投射画像の良好なコントラスト特性が得られるようになる。そして、このように液晶表示素子25(25’)を配置することにより、一枚の光学異方性媒質層を傾斜させて設ける位相差板を液晶パネルと組み合わせて設けた場合と比較して、光軸方向の厚みを薄くすることが可能になり、液晶プロジェクタ装置の小型化を図ることが可能になる。
1…液晶プロジェクタ装置、11…光源、24…入射側偏光板、25,25’…液晶表示素子、25p…液晶パネル、25-1…TFT基板(透明基板)、25-2…対向基板(透明基板)、26…出射側偏光板、41…投射レンズ、100a,100b,100c,100d,100e…位相差板、101…透明支持基板、102a…微小プリズム、102…プリズム層、102-1…第1プリズム層、102-2…第2プリズム層、103…光学異方性媒質層、103s…光学軸、104…平坦化層、105…カバーガラス、106…遮光パターン、201a…位相シフタ、202…平坦化層、α…のプレチルト角、β,β’…頂角(傾斜角度)、h…光束、hs…光軸、LC…液晶層、m…液晶分子、P…ピッチ、S…プリズム斜面
Claims (16)
- 透明支持基板と、
前記透明支持基板の一主面上に傾斜角度が等しく同一方向に傾斜したプリズム斜面を有する複数の微小プリズムを配列してなるプリズム層と、
前記微小プリズムにおけるプリズム斜面の最大傾斜方向またはこれと垂直な方向を光学軸として当該プリズム斜面上に設けられた光学異方性媒質層と、
前記微小プリズムと屈折率が略等しい材質からなり前記光学異方性媒質層を埋め込む状態で前記透明支持基板上に設けられた平坦化層とを備えた
ことを特徴とする位相差板。 - 請求項1記載の位相差板において、
前記プリズム層は、前記プリズム斜面の最大傾斜方向と垂直な方向に延設された前記微小プリズムを隙間なく配列してなる
ことを特徴とする位相差板。 - 請求項2記載の位相差板において、
前記プリズム層は、前記複数の微小プリズムをランダムなピッチで配列してなる
ことを特徴とする位相差板。 - 請求項2記載の位相差板において、
前記プリズム層は、前記複数の微小プリズムを同一ピッチで配列してなり、
前記プリズム層における前記透明支持基板側または前記平坦化膜の上部には、ランダムな膜厚を有する位相シフタが、前記微小プリズムと同一の配列状態で設けられている
ことを特徴とする位相差板。 - 請求項1記載の位相差板において、
前記微小プリズムにおけるプリズム斜面の傾斜角度は、前記透明支持基板の基板面に対して垂直な方向から入射して放射される光束が、所定の位相差となるように設定されている
ことを特徴とする位相差板。 - 請求項1記載の位相差板において、
前記微小プリズムと微小プリズムとの境界に対応する部分に、遮光パターンが設けられた
ことを特徴とする位相差板。 - 請求項1記載の位相差板において、
前記平坦化層上に、カバーガラスが貼り合わせられている
ことを特徴とする位相差板。 - 2枚の透明基板における電極形成面の間に液晶層を狭持してなる液晶パネルと、当該液晶パネルの一方の面に設けられた位相差板とを備えた液晶表示素子において、
前記位相差板は、
透明支持基板と、
前記透明支持基板の一主面上に傾斜角度が等しく同一方向に傾斜したプリズム斜面を有する複数の微小プリズムを配列してなるプリズム層と、
前記微小プリズムにおけるプリズム斜面の最大傾斜方向またはこれと垂直な方向を光学軸として当該プリズム斜面上に設けられた光学異方性媒質層と、
前記微小プリズムと屈折率が略等しい材質からなり前記光学異方性媒質層を埋め込む状態で前記透明支持基板上に設けられた平坦化層とを備えると共に、
前記液晶層を構成する液晶分子のプレチルト方向にまたはこれと垂直な方向に前記光学異方性媒質層の光学軸を向けて配置されている
ことを特徴とする液晶表示素子。 - 光源と、当該光源から出射された光束の光路上に設けられた入射側偏光板および出射側偏光板と、当該入射側偏光板と出射側偏光板との間に設けられた液晶表示素子と、当該液晶表示素子によって光変調されて前記第2偏光板側から出射した光束を投影する投射レンズとを備えた液晶プロジェクタ装置において、
前記液晶表示素子は、
2枚の透明基板における電極形成面の間に液晶層を狭持してなる液晶パネルと、当該液晶パネルの一方の面に設けられた位相差板とを備え、
前記位相差板は、
透明支持基板と、
前記透明支持基板の一主面上に傾斜角度が等しく同一方向に傾斜したプリズム斜面を有する複数の微小プリズムを配列してなるプリズム層と、
前記微小プリズムにおけるプリズム斜面の最大傾斜方向またはこれと垂直な方向を光学軸として当該プリズム斜面上に設けられた光学異方性媒質層と、
前記微小プリズムと屈折率が略等しい材質からなり前記光学異方性媒質層を埋め込む状態で前記透明支持基板上に設けられた平坦化層とを備えたると共に、
前記液晶層を構成する液晶分子のプレチルト方向にまたはこれと垂直な方向に前記光学異方性媒質層の光学軸を向けて配置されている
ことを特徴とする液晶プロジェクタ装置。 - 透明支持基板と、
前記透明支持基板の一主面上に傾斜角度が等しく同一方向に傾斜したプリズム斜面を有する複数の微小プリズムを配列してなる第1プリズム層と、
前記微小プリズムにおけるプリズム斜面の最大傾斜方向またはこれと垂直な方向を光学軸として前記透明支持基板の他主面上に設けられた光学異方性媒質層と、
前記光学異方性媒質層上に前記第1プリズム層を構成する微小プリズムと屈折率が略等しい材質からなり平行なプリズム斜面を備えた微小プリズムを配列してなる第2プリズム層とを備えた
ことと特徴とする位相差板。 - 請求項10記載の位相差板において、
前記第1プリズム層および第2プリズム層は、前記プリズム斜面の最大傾斜方向と垂直な方向に延設された前記微小プリズムを隙間なく配列してなる
ことを特徴とする位相差板。 - 請求項11記載の位相差板において、
前記第1プリズム層および第2プリズム層は、前記複数の微小プリズムをランダムなピッチで配列してなる
ことを特徴とする位相差板。 - 請求項11記載の位相差板において、
前記第1プリズム層および第2プリズム層は、前記複数の微小プリズムを同一ピッチで配列してなり、
前記第1プリズム層における前記透明支持基板側および前記第2プリズム層における前記光学異方性媒質層側の少なくとも一方に、ランダム厚を有する位相シフタが前記微小プリズムと同一の配列状態で設けられている
ことを特徴とする位相差板。 - 請求項10記載の位相差板において、
前記微小プリズムにおけるプリズム斜面の傾斜角度は、前記透明支持基板の基板面に対して垂直な方向から入射して放射される光束が、所定の位相差となるように設定されている
ことを特徴とする位相差板。 - 2枚の透明基板における電極形成面の間に液晶層を狭持してなる液晶パネルと、当該液晶パネルの一方の面に設けられた位相差板とを備えた液晶表示素子において、
前記位相差板は、
透明支持基板と、
前記透明支持基板の一主面上に傾斜角度が等しく同一方向に傾斜したプリズム斜面を有する複数の微小プリズムを配列してなる第1プリズム層と、
前記微小プリズムにおけるプリズム斜面の最大傾斜方向またはこれと垂直な方向を光学軸として前記透明支持基板の他主面上に設けられた光学異方性媒質層と、
前記光学異方性媒質層上に前記第1プリズム層を構成する微小プリズムと平行なプリズム斜面を備えた微小プリズムを配列してなる第2プリズム層とを備えると共に、
前記液晶層を構成する液晶分子のプレチルト方向にまたはこれと垂直な方向に前記光学異方性媒質の光学軸を向けて配置されている
ことを特徴とする液晶表示素子。 - 光源と、当該光源から出射された光束の光路上に設けられた入射側の第1偏光板および出射側の第2偏光板と、当該第1偏光板と第2偏光板との間に設けられた液晶表示素子と、当該液晶表示素子によって光変調されて前記第2偏光板側から出射した光束を投影する投射レンズとを備えた液晶プロジェクタ装置において、
前記液晶表示素子は、
2枚の透明基板における電極形成面の間に液晶層を狭持してなる液晶パネルと、当該液晶パネルの一方の面に設けられた位相差板とを備え、
前記位相差板は、
透明支持基板と、
前記透明支持基板の一主面上に傾斜角度が等しく同一方向に傾斜したプリズム斜面を有する複数の微小プリズムを配列してなる第1プリズム層と、
前記微小プリズムにおけるプリズム斜面の最大傾斜方向またはこれと垂直な方向を光学軸として前記透明支持基板の他主面上に設けられた光学異方性媒質層と、
前記光学異方性媒質層上に前記第1プリズム層を構成する微小プリズムと平行なプリズム斜面を備えた微小プリズムを配列してなる第2プリズム層とを備えると共に、
前記液晶層を構成する液晶分子のプレチルト方向にまたはこれと垂直な方向に前記光学異方性媒質の光学軸を向けて配置されている
ことを特徴とする液晶プロジェクタ装置。
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