JP2008164754A - 反射型液晶表示素子及び反射型液晶プロジェクタ - Google Patents

反射型液晶表示素子及び反射型液晶プロジェクタ Download PDF

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Abstract

【課題】VAN‐LCDの液晶分子がプレチルトしていることに起因する位相差を補償し、コントラストが改善された反射型液晶表示素子及び液晶プロジェクタを提供する。
【解決手段】位相差補償素子56は、Cプレート85とOプレート86とから構成される。このOプレート86は、無機物を斜方蒸着することによりつくられ、2軸性の複屈折体である。Oプレート86の進相軸L6は蒸着方向96をOプレート86の表面に正射影した方向と平行となる。液晶層69の液晶分子75がプレチルトする方向L8と進相軸L6とが平行になるように、かつ、蒸着方向96と方向L8とがz軸に対して反対側となるように、液晶表示素子51と偏光ビームスプリッタ48との間にOプレート86は配置される。Cプレート86は、Oプレート86とともに液晶表示素子51と偏光ビームスプリッタ48との間に配置される。
【選択図】図7

Description

本発明は反射型液晶表示素子及び反射型液晶プロジェクタに関し、さらに詳しくは、液晶として垂直配向ネマティック(VAN)液晶を用いる反射型液晶表示素子及び反射型液晶プロジェクタに関する。
液晶表示装置(以下、LCD)は、電卓や電子辞書、テレビ、デジタルカメラのディスプレイ、カーナビゲーションシステムのモニタ、携帯電話やコンピュータのモニタ、プロジェクタの表示素子など、様々な電子機器のディスプレイとして用いられている。
このLCDは、液晶層の動作モードの違いによりいくつかの種類に分類することができる。例えば、TN(Twisted Nematic)‐LCD、VAN(Vertical Alignment Nematic)‐LCD、IPS(In‐Plane Switching)‐LCD、OCB(Optically Compensatory Bend)‐LCDなどが知られている。これらのLCDのうち、何れの動作モードのLCDが用いられるかは、電子機器の使用環境や必要とする性能に応じて選択される。
例えば、垂直配向膜の間にネマティック液晶を封入し、液晶層に電圧を印加しない状態で液晶分子が略垂直配向するようにつくられる。このVAN‐LCDは、液晶層に電圧を印加していない状態(無電圧状態)で、液晶分子が基板に対して略垂直になるため、VAN‐LCDを正面から観察するときの黒色の表示は、液晶層を挟み込むようにクロスニコル配置で設けられた偏光板の特性と略一致するため、非常に高いコントラストを実現できることが知られている。
このことから、拡大して表示するために高いコントラストが要求される液晶プロジェクタは、VAN‐LCDを多く採用している。しかし、このVAN‐LCDは、正面から観察する場合には非常に良いコントラストであるが、他のLCDと同様に、斜め方向から観察する場合には、コントラストの低下や中間階調色を表示する際に明るさが逆転する階調反転現象が起きるなど、表示特性は悪化してしまう。これは、例えば、液晶層に電圧を印加した状態で液晶層に斜めに入射する直線偏光は、液晶層の複屈折性により楕円偏光に変換され、検光子である偏光板を透過する成分が生じることで、光漏れが発生してしまうことが一つの原因である。
これを改善するために、素子表面に対して垂直な唯一の光学軸を有する位相差補償素子、いわゆるCプレートを用いて、液晶層を斜めに通過する光の位相差を補償することが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
一方、高密度に画素が設けられたLCDの基板上では、隣接する画素間に生じる横方向の電場によって、液晶分子が所定の向きとは逆向きに傾いてしまうリバースチルトドメインが誘起され、配向欠陥が生じる。この配向欠陥を防ぎ、LCDを安定して動作させるためには、所定角度に液晶分子を予め傾けて(以下、プレチルト)おかなければならない。VAN‐LCDの場合には、理想的には基板面に対して略垂直に配向する液晶分子は、上述の理由により実際には基板面の法線方向から3〜10度程度予め傾斜させておく必要がある。
VAN‐LCDのコントラストを低下させる原因は液晶層に斜めに入射する光が検光子を漏れ透ることだけではなく、VAN‐LCDに垂直に光が入射する場合であっても、液晶分子のプレチルトに起因する複屈折によって生じる位相差が、VAN‐LCDのコントラストを低下させる原因となる。
上述のような液晶分子のプレチルトに起因するコントラストの低下を改善するために、素子表面に対して平行な唯一の光学軸を有する位相差補償素子、いわゆるAプレートとCプレートとを組み合わせて用いることで、上述のような液晶分子のプレチルトに起因するコントラストの低下を改善することが提案されている(例えば、非特許文献1参照)。
また、素子表面に対して傾斜する光学軸を有する位相差補償素子、いわゆるOプレートを2層以上積層して、TN‐LCDの中間階調での視野角を拡大する技術が提案されている。具体的には、CプレートやAプレートともに、互いの進相軸が直交するように2個のOプレートを組み合わせて用いることでTN‐LCDのコントラストを改善する技術が知られている(例えば、特許文献2参照)。
特開2004−145268号公報 米国特許第5638197号明細書 Claire Gu & Pochi Yeh 「Extended Jones matrix method.II」Journal of Optical Society of America A/vol.10 No.5/May 1993 p966−973
しかしながら、Cプレートを単独で用いることで表示特性の改善を図る場合には、液晶素子に斜めに入射する光の位相差を補償することはできるものの、液晶分子のプレチルトに起因する複屈折によって生じる位相差を補償することができないという問題がある。
また、CプレートとAプレートとを組み合わせて用いる場合には、候補となる材料の選択肢が少なく、耐久性と量産性とをともに満足する材料がなかったという問題がある。例えば、Aプレートとしては1軸延伸した高分子フィルムからなる位相差板や、微細加工によって作製される構造性複屈折体からなる位相差板が知られている。しかしながら、高分子フィルムは耐久性に劣り、微細加工によって作製される構造性複屈折体は量産性に欠けている。
さらに、互いの進相軸が直交するように2個のOプレートを積層して用いる場合には、進相軸が互いに直交する2個のOプレートを積層した位相差補償素子は、素子表面の法線方向に透過する光に対しては等方的であるから、VAN‐LCDを垂直に透過する光の位相差を補償することができない。すなわち、液晶分子のプレチルトに起因する位相差を補償することはできないという問題がある。
特に、特許文献2に記載されているOプレートを用いる位相差補償素子は、TN‐LCDに2軸性の正のOプレートを用いるが、2軸性のOプレートについて、配設する向きなどの具体的な記載はなく、VAN‐LCDに単純に応用することは極めて困難である。
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、液晶分子のプレチルトに起因する位相差を補償し、かつ、液晶層に斜めに入射する光の位相差を補償することで、コントラストを改善し、視野角を拡大することができる反射型のVAN‐LCD(反射型液晶表示素子)を提供することを目的とする。また、このVAN‐LCDを用いる反射型液晶プロジェクタを提供することを目的とする。
本発明の反射型液晶表示素子は、液晶層に電圧が印加されていない状態のときに液晶分子が基板面に対して略垂直に配向するVAN液晶を用いる反射型液晶表示素子であって、無機材料を斜方蒸着することによってつくられ、素子表面に対して傾斜する光学軸を有し、前記無機材料の蒸着方向を素子表面へ正射影した方向と進相軸の方向とが一致し、前記液晶分子が前記基板面に対して傾斜していることによって生じる位相差を補償する2軸性複屈折体を備えることを特徴とする。
また、前記2軸性複屈折体とともに設けられ、表面に対して垂直な光学軸を有し、前記液晶層を斜めに透過する光の位相差を補償するとともに、前記2軸性複屈折体を透過することによる位相差を補償する1軸性複屈折体を備えることを特徴とする。
また、前記1軸性複屈折体は、無機材料からなる高屈折率層と低屈折率層とを交互に積層した構造であることを特徴とする。
また、前記2軸性複屈折体の前記進相軸の方向と、前記液晶分子の傾斜する方向とが一致するように前記2軸性複屈折体と組み合わされたことを特徴とする。
本発明の液晶プロジェクタは、上記の反射型液晶表示素子によって表示される像を拡大してスクリーンに投映することを特徴とする。
本発明の反射型液晶表示素子によれば、VAN‐LCDの液晶分子のプレチルトに起因する位相差を補償し、かつ、VAN‐LCDの液晶層に斜めに入射する光の位相を補償することで、VAN‐LCDのコントラストを改善し、かつ、視野角を拡大することができる。また、これを用いることで反射型液晶プロジェクタのコントラストを改善することができる。
図1に示すように、本発明のプロジェクタ10(液晶プロジェクタ)は、投映レンズ16、プロジェクタ駆動部17、表示光学系18などから構成される。
また、プロジェクタ10は、筐体19の上面にズームダイヤル21、フォーカスダイヤル22、光量調節ダイヤル23などを備える。さらに、プロジェクタ10は、筐体19の背面にコンピュータなどの外部機器と接続するための接続端子(図示しない)などを備える。
投映レンズ16は、表示光学系18から入射される投映光を拡大し、スクリーン24(図2参照)に投映像を表示させる。この投映レンズ16は、例えば、ズームレンズ、フォーカスレンズ、絞りなどから構成される。ズームレンズやフォーカスレンズは投映光軸L1に沿って移動自在に設けられている。ズームレンズは、ズームダイヤル21の操作に応じて移動され、投映像の表示倍率を調節する。また、フォーカスレンズは、ズームレンズの移動やフォーカスダイヤル22の操作に応じて移動され、投映像のピントを調節する。さらに、絞りは、光量調節ダイヤル23の操作に応じて絞り開口の面積を変化させることで、投映像の明るさを調節する。
プロジェクタ駆動部17は、プロジェクタ10の各部の電気的な動作を制御する。例えば、プロジェクタ駆動部17は、プロジェクタ10に接続されるコンピュータなどから画像データなどを受信し、後述する液晶表示素子51,52,53に表示させる。
また、プロジェクタ駆動部17は、前述の投映レンズ16の各部を駆動するモータをそれぞれ備えており、ズームダイヤル21、フォーカスダイヤル22、光量調節ダイヤル23などの操作に応じて駆動する。
表示光学系18は、光源から発せられる光を赤色光、緑色光及び青色光に色分解し、各色ごとの情報を表示する液晶表示素子51,52,53(後述する)にそれぞれ透過させることで各色ごとの情報光を生成する。そして、これらの情報光を合わせた投映光を投映レンズ16を介してスクリーン24に投映する。
図2に示すように、表示光学系18は、情報光のもととなる光を発する光源部31と、この光源部31から入射される光から情報光を生成する情報光生成部32などから構成される。
光源部31は、ランプ33、反射鏡34、UVカットフィルタ36、インテグレータ37、偏光板38、リレーレンズ41、コリメートレンズ42などから構成される。
ランプ33は、例えばキセノンランプなどの高輝度光源であり、特定の偏光方向を持たない自然な白色光を発する。このランプ33から発せられた白色光は、UVカットフィルタ36によって紫外線が除去され、インテグレータ37に導かれる。
UVカットフィルタ36は、ランプ33から発せられる白色光から紫外光を除去することで、有機高分子の重合体などからなり、この白色光が透過する各種フィルタ(図示しない)の褪色等の劣化を防止する。
反射鏡34は、例えば楕円曲面状の鏡であり、この楕円曲面の一方の焦点の近傍にランプ33が設けられる。さらに、他方の焦点の近傍には、インテグレータ37の一端が設けられる。したがって、反射鏡34は、ランプ33から発せられる白色光を効率よくインテグレータ37に導く。
インテグレータ37は、例えば、ガラスロッドと、このガラスロッドの端面に設けられるマイクロレンズアレイなどから構成され、ランプ33から発せられる白色光を集光し、リレーレンズ41を介してコリメートレンズ42へと導く。また、ランプ33からインテグレータ37に入射する光の光量は、光源光軸L2から離れるほど減少し、光源光軸L2を中心として不均一に分布するが、インテグレータ37は、このような光量分布の不均一な光を、光源光軸L2を中心として必要な範囲で略均一に分布させる。これにより、投映像はスクリーン24の全面で略均一の明るさの像となる。
コリメートレンズ42は、インテグレータ37から入射する光を光源光軸L2に平行な光に整えて偏光板38へ入射させる。偏光板38は、コリメートレンズ42から入射する光のS偏光成分は透過させ、P偏光成分はS偏光成分へと変換し、情報光生成部32のダイクロイックミラー46へと導く。
情報光生成部32は、ダイクロイックミラー46,47、偏光ビームスプリッタ48,49,50、液晶表示素子51,52,53(反射型液晶表示素子)、位相差補償素子56,57,58、ダイクロイックプリズム61などから構成される。
ダイクロイックミラー46は、その表面の法線方向と光源光軸L2とのなす角が45度となるように設けられる。また、ダイクロイックミラー46は、光源部31から入射するS偏光の白色光から赤色光成分を反射し、反射鏡43へと導く。この反射鏡43は、ダイクロイックミラー46から入射する赤色光を偏光ビームスプリッタ48へと入射させる。一方、ダイクロイックミラー46は、光源部31から入射するS偏光の白色光のうち、緑色光成分と青色光成分とを透過し、ダイクロイックミラー47へと導く。
ダイクロイックミラー47は、その表意面の法線方向と入射する光の光軸とのなす角が45度と成るように設けられる。また、ダイクロイックミラー47は、ダイクロイックミラー46から入射するS偏光の光のうち、緑色光成分を反射して偏光ビームスプリッタ49へと入射させる。また、ダイクロイックミラー47は、ダイクロイックミラー46から入射するS偏光の光のうち、青色光成分を透過して、偏光ビームスプリッタ50へと導く。
偏光ビームスプリッタ48は、2個の3角柱状のプリズムの斜面を合わせて立方体形状に作製される。また、2個のプリズムの間には、偏光分離膜64が設けられる。この偏光分離膜64は、偏光分離膜64に対して45度の角度をなして入射する光のうち、S偏光成分を反射し、P偏光成分を透過する。
したがって、偏光ビームスプリッタ48は、反射鏡43を介してダイクロイックミラー46から入射するS偏光の赤色光を反射し、液晶表示素子51へと導く。同様にして、液晶表示素子51から偏光ビームスプリッタ48に入射するS偏光の赤色の情報光(詳細は後述)は、偏光分離膜64によって反射される。一方、液晶表示素子51から偏光ビームスプリッタ48に入射するP偏光の赤色の情報光(詳細は後述)は、偏光分離膜64を透過し、ダイクロイックプリズム61へ入射する。
偏光ビームスプリッタ49は偏光ビームスプリッタ48と同様に構成され、偏光ビームスプリッタ49は偏光分離膜65を備える。したがって、ダイクロイックミラー47から入射するS偏光の緑色光は偏光分離膜65に反射され、液晶表示素子52へと導かれる。同様に、液晶表示素子52から入射するS偏光の緑色の情報光(後述)は、偏光分離膜65に反射される。一方、液晶表示素子52から入射するP偏光の緑色の情報光(後述)は、この偏光分離膜65を透過し、ダイクロイックプリズム61へ入射する。
同様に、偏光ビームスプリッタ50は、偏光ビームスプリッタ48と同様に構成され、偏光ビームスプリッタ50は偏光分離膜66を備える。したがって、ダイクロイックミラー47から入射するS偏光の青色光は偏光分離膜66に反射され、液晶表示素子53へと導かれる。同様に、液晶表示素子53から入射するS偏光の青色の情報光(後述)は、偏光分離膜66に反射される。一方、液晶表示素子53から入射するP偏光の青色の情報光(後述)は、この偏光分離膜66を透過し、ダイクロイックプリズム61へ入射する。
液晶表示素子51は、反射型のVAN‐LCDである。すなわち、液晶表示素子51の液晶層には、無電圧状態で素子表面に対して略垂直に配向する液晶分子が封入されている。液晶表示素子51は、画素ごとに液晶層に印加する電圧を調節して液晶分子の配向を変化させる。この液晶分子の配向状態に応じて、液晶層を通過する光の偏光状態をS偏光又はP偏光に制御することで、液晶表示素子51は像を表示する。
また、液晶表示素子51は、プロジェクタ駆動部17によって駆動され、コンピュータなどから受信した投映像データのうち、赤色で表示する成分をグレースケールで表示する。したがって、液晶表示素子51に入射する赤色光は、液晶表示素子51によって反射されると、投映像の赤色成分の情報を持つ赤色の情報光となる。
同様に、液晶表示素子52は、反射型のVAN‐LCDであり、プロジェクタ駆動部17によって駆動され、コンピュータなどから受信した投映像データのうち、緑色で表示する成分をグレースケールで表示する。したがって、液晶表示素子52に入射する緑色光は、液晶表示素子52によって反射されると、投映像の緑色成分の情報を持つ緑色の情報光となる。
さらに同様に、液晶表示素子53は、反射型のVAN‐LCDであり、プロジェクタ駆動部17によって駆動され、コンピュータなどから受信した投映像データのうち、青色で表示する成分をグレースケールで表示する。したがって、液晶表示素子53に入射する青色光は、液晶表示素子53によって反射されると、投映像の青色成分の情報を持つ青色光となる。
位相差補償素子56は、液晶表示素子51から偏光ビームスプリッタ48に入射する赤色の情報光の位相差を補償する。すなわち、位相差補償素子56は、液晶表示素子51の液晶層を斜めに透過した光の位相を、前述のように検光子として機能する偏光ビームスプリッタ48を透過しない位相に補償する。さらに、位相差補償素子56は液晶表示素子51の液晶層を垂直に透過した情報光であっても、液晶分子のプレチルトに起因する複屈折によって生じる位相差を補償する。
同様に、位相差補償素子57は、液晶表示素子52から偏光ビームスプリッタ49に入射する緑色の情報光の位相差を補償し、位相差補償素子58は、液晶表示素子53から偏光ビームスプリッタ50に入射する青色の情報光の位相差を補償する。
ダイクロイックプリズム61は、ガラスなどの透明素材を用いて略立方体状に作製され、内部に互いに直行するダイクロイック面62とダイクロイック面63とを備える。このダイクロイック面62は、赤色光を反射し、緑色光を透過する。一方、ダイクロイック面63は、青色光を反射し、緑色光を透過する。
したがって、ダイクロイックプリズム61は、液晶表示素子51,52,53からそれぞれ入射する赤色,緑色,青色の情報光を合わせて投映光とし、投映レンズ16へと導き、スクリーン24に投映像をフルカラーで表示させる。
より具体的には、図3(A)に示すように、位相差補償素子56は、液晶表示素子51と偏光ビームスプリッタ48との間に設けられる。また、液晶表示素子51は、透明基板67、反射基板68、この透明基板67と反射基板68との間に設けられる液晶層69などから構成される。この液晶表示素子51は半導体基板上に液晶層を設けた反射型の液晶表示素子、いわゆるLCOS(Liquid Crystal On Silicon)である。
透明基板67は、例えばガラス基板71、透明電極72、配向膜73などから構成され、光源側から、ガラス基板71、透明電極72、配向膜73の順に配置される。この透明基板67は全て透明素材によって構成されているから、偏光ビームスプリッタ48から入射するS偏光の赤色光を略全て透過する。
透明電極72は、例えば、インジウム‐スズ酸化物(ITO)からなる透明の薄膜であり、ガラス基板上にスパッタリングや電子ビーム蒸着法などの周知の方法によって作製される。この透明電極72は、反射電極77(後述)との間に電圧を印加されることで、液晶表示素子51の各画素に共通の電極として使用される。
配鼓膜73は、例えば、SiOなどの無機材料からなる斜方蒸着膜からなり、材料の蒸着方向に応じた方向性(以下、配向方向)がある。この配向膜73と配向膜79(後述)とに挟み込まれる液晶分子は、配向膜79の配向方向に応じて傾斜して配向する。なお、配向膜としては、例えば、ポリイミド結合を含む高分子の重合体、いわゆるポリイミド膜なども用いられる。しかし、このような有機材料からなる配向膜と比較して、無機材料の斜方蒸着膜からなる配向膜は耐久性に優れ、これを用いる各種素子を長期間安定して動作させるから、VAN‐LCDには無機材料の斜方蒸着膜が配向膜として好適に用いられる。
反射基板68は、シリコンなどの半導体からなる半導体基板74と、この半導体基板74上に設けられた画素駆動回路76、反射電極77、配向膜79などから構成される。これらは半導体基板74側から、画素駆動回路76、反射電極77、配向膜79の順に配置される。また、この反射基板68は、偏光ビームスプリッタ48から液晶層69(後述)を通過して入射する光を反射し、再度偏光ビームスプリッタ48へ入射させる。
反射電極77は、銀やアルミニウムなどの光沢のある金属からなり、半導体基板74上に設けられる。この反射電極77は、偏光ビームスプリッタ48から入射する光を反射し、再び偏光ビームスプリッタ48へと入射させる。また、反射電極77は、液晶表示素子51の各画素ごとに個別に設けられており、透明電極72との間に印加される電圧は各画素ごとにそれぞれ調節される。
画素駆動回路76は、例えば、半導体基板74の表面に直接、半導体基板74を加工することによってつくられる集積回路である。また、画素駆動回路76の直上には、各画素の反射電極77が設けられ、各画素駆動回路76は直上の反射電極77と接続されており、透明電極72に対して反射電極77に印加する電圧を制御する。
配向膜79は、前述の配向膜73と同様に、無機材料からなる斜方蒸着膜であり、反射電極77を覆うようにして設けられる。また、配向膜73の配向方向と配向膜79の配向方向とが同じ向きになるように、この配向膜79は配置される。
液晶層69は、透明基板67と反射基板68との間に液晶分子75を封入することによって設けられる。この液晶分子75は、例えば負の誘電異方性を持つ棒状の液晶分子である。また、液晶分子75は、透明電極72と反射電極77との間に印加される電圧に応じ、配向膜73,79の配向方向に沿って、その配向を変化させる。
さらに、透明電極72と反射電極77との間に電圧が印加されていない状態(以下、無電圧状態)では、配向膜73,79の影響によって、液晶分子75は液晶表示素子51の表面に対して略垂直に配向する。ことのき、液晶分子75は、液晶層69を通過する光の偏光状態には略影響を与えない。すなわち、無電圧状態の液晶層69を透過する光は、入射時のS偏光状態から偏光方向を変化させずに反射電極77に反射され、偏光ビームスプリッタ48に入射する。
例えば、図3(A)に示すように、無電圧状態の液晶層69を通過する光は液晶分子75の配向状態の影響を略受けないから、S偏光の入射光70は、S偏光状態のまま反射電極77に到達し、反射され、再度液晶層69を通過して、S偏光の赤色の情報光81として偏光ビームスプリッタ48へ入射する。この赤色の情報光81はS偏光であるから、偏光ビームスプリッタ48の偏光分離膜64によって反射され、ダイクロイックプリズム61へは到達しない。したがって、液晶表示素子51の画素を無電圧状態に調節することで、黒色が表示される(以下、暗表示)される。
一方、透明電極72と反射電極77との間に電圧が印加されると、印加された電圧の大きさに応じて、液晶分子75は配向膜73,79の配向方向に沿って傾斜し、その配向状態が変化する。そして、液晶分子75は、自身の傾斜角度に応じて、液晶層69を透過する光の偏光状態を変化させる。すなわち、電圧が印加された状態の液晶層69を透過する光は、液晶分子75の傾斜角度に応じて入射時のS偏光からから偏光状態を変化させ、少なくとも一部がP偏光となって偏光ビームスプリッタ48に入射する。
例えば、図3(B)に示すように、液晶層69に電圧が印加されている場合には、多くの液晶分子75は、配向膜73,79の配向方向に沿って傾斜して配向する。このとき液晶層69を通過する光は、傾斜して配向する液晶分子75によって偏光方向が変化し、結果として入射光70と同じS偏光成分と、入射光70にはないP偏光成分との両方を含む情報光82が偏光ビームスプリッタ48に入射する。この情報光82は、いわゆる楕円偏光であって、S偏光成分は偏光ビームスプリッタ48の偏光分離膜64によって反射され、P偏光成分はこの偏光分離膜64を透過してダイクロイックプリズム61へと導かれる。したがって、液晶表示素子51の画素を適度な電圧に調節することで、偏光分離膜64を透過するP偏光成分の光量が調節され、中間階調色が表示される。
また例えば、図3(C)に示すように、液晶層69に電圧が十分に印加されている場合には、多くの液晶分子75は、配向膜73,79の配向方向に傾斜し、液晶表示素子51の表面と略平行な向きに配向する。このとき、液晶層69を通過する光は、略水平に配向する液晶分子75の複屈折により偏光状態が変化し、結果として、S偏光の入射光70は略全てP偏光の情報光83に変化し、偏光ビームスプリッタ48に入射する。この情報光83は、偏光ビームスプリッタ48の偏光分離膜64を透過する。したがって、液晶表示素子51の画素を十分な電圧を印加した状態に調節することで、最も明るい赤色が表示(以下、明表示)される。
位相差補償素子56は、液晶層69から入射する情報光の位相差を補償して偏光ビームスプリッタ48へ入射させるために、前述のように液晶層69と偏光ビームスプリッタ48との間に設けられる。このような位相差の補償は、位相差補償素子56を構成する負のCプレート85(以下、単にCプレートと称す)とOプレート86(以下、単にOプレートと称す)とによってなされる。
Cプレート85(1軸性複屈折体)は、位相差補償素子56の表面に対して垂直な光学軸L5を備え、液晶層69を斜めに透過する光の位相差を補償する。このCプレート85は、例えば図4に示すように、基材となるガラス基板88など上に、高屈折率層91と低屈折率層92とを交互に積層して作製される。
ここで用いる高屈折率層91は高屈折率の誘電体TiOからなり、また、低屈折率層92は低屈折率の誘電体SiOからなる。Cプレート85を透過する光が各層間で反射して干渉することを防ぐために、各屈折率層の厚さは薄いことが好ましいが、全体としてCプレート85として機能させるために必要な積層回数が増加し、製造適正や生産性が低下してしまうおそれがある。
したがって、各々の高屈折率層91及び低屈折率層92の光学膜厚、すなわち物理的膜厚と屈折率との積は、可視光の波長λよりも十分に小さく作製することが好ましく、λ/100以上λ/5以下の膜厚であることが好ましい。各層の光学膜厚は、より好ましくはλ/50以上λ/10であり、特に好ましくはλ/30以上λ/10である。
また、高屈折率層91としてZrOなどを用いてもよく、低屈折率層92としてSiO,MgFなどを用いても良い。さらに、図4にはガラス基板88を基材として用いる例を示すが、例えば液晶表示素子51の表面やOプレート86の表面などに直接設けても良い。
Cプレート85に対して垂直に入射する光、すなわち光学軸L5に平行に入射する光に対しては等方的であるから、位相差を補償することはできない。しかしながら、このCプレート85を斜めに透過する光に対しては、前述の積層構造が等方的でなく、複屈折を生じさせる。これにより、Cプレート85は、Cプレート85に対して斜めに入射する光の位相差を変化させる事ができ、液晶層69を斜めに通過して生じた光の位相差を補償する。さらにCプレート85は、光がOプレート86を透過することによって生じた位相差をも補償する。
Oプレート86(2軸性複屈折体)は、2軸性の複屈折体であり、図5に示すように、例えば、斜方蒸着膜93とガラス基板94などから構成される。斜方蒸着膜93は、いわゆる斜方蒸着法によって作製され、例えば基材となるガラス基板94に、斜め方向からTaなどの無機材料を蒸着することによって作製される。このように作製される斜方蒸着膜93は、材料の蒸着方向96と蒸着角度αに応じて傾斜した柱状構造が林立した構造となる。
このように作製されるOプレート86は、2軸性の複屈折体となる。したがって、図6に示すように、3つの主屈折率n1,n2,n3を軸とする屈折率楕円体102によって、Oプレート86を透過する光の複屈折は評価される。例えば、互いに垂直なX軸及びY軸をOプレート86の表面に平行な平面内に定め、Oプレート86の表面の法線方向にZ軸を定める。また、蒸着方向96はX‐Z平面内にあり、主屈折率n2の方向もX‐Z平面内にあるものとする。このときOプレート86の主屈折率n1,n2,n3の中で最大の大きさである主屈折率n1の方向はX‐Z平面内にあるが、蒸着方向96の方向とは一般には異なり、主屈折率n1がZ軸となす角ψは蒸着角度αよりも小さい(α>ψ)。
また、例えば、Oプレート86の表面に平行な平面で、中心103を通るように屈折率楕円体102を切断すると、この屈折率楕円体102の断面104はX軸方向の半径nx、X軸方向の半径nyの楕円となる。したがって、Oプレート86は表面に垂直に入射する光に対して、X軸方向に屈折率nx、Y軸方向に屈折率nyの複屈折体として機能する。さらに、屈折率nxが屈折率nyよりも大きい場合(nx>ny)、表面に垂直に入射する光に対して最小の屈折率である進相軸L6はY軸方向となる。一方、屈折率nxが屈折率nyよりも小さい場合(nx<ny)、進相軸L6の方向はX軸方向となる。このように、Oプレート86の進相軸L6の方向がX軸と平行な方向となるか、Y軸と平行な方向となるかは、屈折率nxと屈折率nyとの大小関係、すなわち、主屈折率n1,n2,n3の各々の値と角ψとの関係によって決まる。したがって、本明細書中ではOプレート86の進相軸L6は蒸着方向96をOプレート85の表面に正射影した方向(X軸方向)にあるものとして説明するが、進相軸L6の方向と蒸着方向96との位置関係はこれに限らず、上述のY軸方向に進相軸L6があってもよい。
なお、このようなOプレート86の各方向の屈折率は、作製時の真空度、基板温度、蒸着材料、蒸着角度、あるいは作製に用いた装置などによって様々に変化するから、作製するOプレートの性質を一概に予想することはできない。しかしながら、同じ作製装置類を用い、かつ、同条件下でOプレートを作製すれば、略同質のOプレートを作製することができるから、これらの条件を調節することによってOプレートの光学的な性質は自在に調節される。
また、斜方蒸着法によって作製されるOプレート86は、多くの場合、2軸性の複屈折体となるが、上述のように作製条件を調節することによって、例えば主屈折率n2の大きさと主屈折率n3の大きさとが等しい(n2=n3)、いわゆる1軸性の複屈折体となる場合がある。このような1軸性の複屈折体は、上述の2軸性の複屈折体のうち、一つの特別な場合であり、上述の2軸性の複屈折体であるOプレート86に含まれるものである。
なお、位相差補償素子57,58についても位相差補償素子56と同様に構成され、液晶表示素子52,53は液晶表示素子51と同様に構成されるから、図及び説明を省略する。
以上のようにCプレート85とOプレート86とから構成される位相差補償素子56は、例えば図6に示すように、液晶表示素子51、Oプレート86、Cプレート85、偏光ビームスプリッタ48の順に並ぶように配置して用いる。
前述したように、液晶表示素子51の画素が無電圧状態である場合に、液晶分子75は液晶表示素子51の表面に対して略垂直に配向する。しかしながら、図6に示すように、実際的には、リバースチルトドメインが誘起されて配向欠陥が生じることを防ぐために、無電圧状態であっても、液晶分子75を完全に垂直に配向させるのではなく、意図的に予め5度だけ傾斜させてある。
液晶表示素子51の表面と平行な面内にx軸及びy軸を定め、液晶表示素子51の表面に垂直な方向に、液晶層69を透過する光の光軸L7と平行に、偏光ビームスプリッタ48の配置される方向を正としてz軸を定める。また、x軸及びy軸は、偏光ビームスプリッタ48の偏光分離膜64に対してS偏光の電場の振動方向をx軸と定め、P偏光の電場の偏光方向をy軸と定める。このとき、液晶分子75のチルト方向がx軸となす角(方位角)γは45度であり、また、液晶分子75のチルト方向がy軸となす角も45度となる。
このとき、x‐y平面に対して液晶分子75のなす角が液晶分子75のチルト角βである。このチルト角βは、各画素ごとに印加される電圧の大きさに応じて、およそ0度以上85度以下の範囲で変化する。チルト角βが略0度である場合は、液晶層69に十分な電圧が印加され、液晶分子75がx‐y平面と平行に配向している状態である。一方、チルト角βが85度である場合は、無電圧状態であって、液晶分子75がx‐y平面に対して略垂直に配向している状態である。この無電圧状態でのチルト角βがプレチルト角であり、配向膜73,79の配向方向に沿って、z軸及び光軸L7に対して5度だけ液晶分子75は傾斜している。
さらに実際的には、電圧を印加された状態においては、液晶層69の中央に位置する大部分の液晶分子75は印加された電圧に応じて配向を変化させるが、一方で、電圧を印加された状態であっても、配向膜73,79の近くに位置する液晶分子75は、無電圧状態の配向と略同じ配向を保つ。
このように液晶分子75がプレチルトしていると、例えば、黒を表示する画素であっても、この液晶分子75のプレチルトに起因する複屈折が生じ、偏光分離膜64を透過し漏れる偏光成分があるから、原理的に完全な黒状態を表示することができず、投映像のコントラストが低下する。
また、無電圧状態のみならず、液晶層69に電圧を印加されている状態においても、配向膜73,79の近くに位置する液晶分子75のプレチルトに起因する複屈折が生じるから、意図せず偏光分離膜64を透過する偏光成分が存在し、投映像のコントラストが低下する。
上述のような実際的には液晶分子75がプレチルトしている液晶表示素子51に対して、Oプレート86の進相軸L6と液晶分子75がプレチルトしている方向L8とが平行になるように、Oプレート86は配置される。すなわち、斜方蒸着膜93の蒸着方向96を液晶表示素子51の表面に正射影した方向が、液晶分子75の傾斜する方向と一致するように、Oプレート86を配置する。
そして、上述のように配置したOプレート86と偏光ビームスプリッタ48との間に、Cプレート85の光学軸L5がz軸と平行になるように、Cプレート85は配置される。
このように、位相差補償素子56を配置すると、液晶層69の表面に対して垂直に入射する光には、液晶分子75のプレチルトに起因する複屈折によって生じる位相差が生じるが、この位相差は、Oプレート86を透過することによって補償される。また、Oプレート86を透過することによって生じる位相差は、Cプレート85によって補償される。したがって、液晶層69を垂直に透過する光の位相差は、Oプレート86とCプレート85によって適切に補償されるから、例えば暗表示時に意図せず偏光ビームスプリッタ48の偏光分離膜64を透過する光は抑えられる。
また、液晶層69を斜めに透過する光、いわゆるスキュー光線に対しては、Oプレート86はその位相差を補償し、かつ、Cプレート85もその位相差を補償する。さらに、Oプレート86を斜めに透過することによって生じる位相差は、Cプレート85を透過することによって補償される。したがって、液晶層69を斜めに透過する光には、液晶分子75のプレチルト角βに起因する複屈折によって位相差が生じるが、この位相差は、Oプレート86及びCプレート85によって適切に補償されるから、例えば暗表示時に意図せず偏光分離膜64を透過する光は抑えられる。
したがって、位相差補償素子56は、液晶分子75のプレチルトに起因する位相差を補償し、かつ、液晶層69を斜めに透過する光の位相差を補償する。
このことを、実施例を挙げて説明する。なお、液晶表示素子や位相差補償素子を透過する光の位相差は、透過する光の波長などに依存するから、これに代わる同等の概念としてレタデーションを用いる。素子の物理的膜厚d、素子表面における最大の主屈折率nx、素子表面における最小の主屈折率nyを用いて、レタデーションはdΔn=d・(nx−ny)で表される。さらに、液晶層とCプレートについては、厚さ方向のレタデーションRthを、Rth=d・{nz−(nx+ny)/2}で定義する。
液晶層の厚さ方向のレタデーションRthが+200nm、液晶分子のプレチルト角が85度の液晶表示素子を作製し、レタデーションが+4nm、最大の主屈折率n1の傾斜角度ψが20.5度であるOプレートと、厚さ方向のレタデーションRthが−120nmであるCプレートとから位相差補償素子を作製した。そして、これらを組み合わせてプロジェクタを構成し、偏光子及び検光子として機能する偏光ビームスプリッタを介して液晶表示素子のコノスコープ像を測定し、液晶表示素子及びプロジェクタのコントラストを評価した。このコノスコープ像の測定は、液晶表示素子の法線方向上の点を中心点とし、この中心点の周りの回転角度をφ、中心点を基点とした法線からの測定角度をθとして、−30≦θ≦+30、0≦φ≦360の範囲で行った。
なお、ここで用いるOプレートは蒸着角度α=45度の方向からTaを斜方蒸着して作製され、最大の主屈折率n1=1.800、主屈折率n2=1.784、主屈折率n3=1.742、主屈折率n1の傾斜角度ψ=20.5度であった。したがって、屈折率nxは屈折率nyより小さく(nx<ny)、Oプレートの進相軸L6は、蒸着方向をOプレートの表面に正射影した方向にあった。
図8に示すように、Cプレートのみを導入してコノスコープ像を測定すると、透過光量が最も小さく、最良のコントラストが得られる点98(以下、最暗点)は、液晶表示素子の法線方向上(θ=0)にはない。これは、液晶分子のプレチルトに起因する複屈折によって、検光子を意図せず透過する光が存在するからである。
一方、図9に示すように、液晶表示素子にCプレートとOプレートとからなる位相差補償そしを導入してコノスコープ像を測定すると、最暗点98は液晶表示素子の法線方向上(θ=0)にあった。これはOプレートを導入したことにより、液晶分子のプレチルトに起因する複屈折により生じる位相差がOプレートによって補償されていることを示す。
また、位相差補償素子を設けない場合にコントラストが1100:1であるプロジェクタに位相差補償素子を設け、コントラストに及ぼす位相差補償素子の効果を評価した。このプロジェクタにCプレートのみを設けた時のコントラストは、1600:1に向上した。さらに、CプレートとOプレートとからなる位相差補償素子を設けると、コントラストは2400:1に向上した。これらのことから、広い視野角の範囲で位相差補償素子を用いないプロジェクタと比較して、位相差補償素子は十分にコントラストを改善することが示された。
以上のように、本発明の液晶表示素子及び液晶プロジェクタは、位相差補償素子によって、VAN‐LCDの液晶分子がプレチルトしていることに起因する位相差を適切に補償してコントラストを改善することができる。さらに、Cプレートと2軸性のOプレートとからなる位相差補償素子によって、VAN‐LCDを斜めに透過する光の位相差をも適切に補償し、視野角を改善することができる。
また、複数の位相差フィルムなどを重ね合わせたり、高分子フィルムを複数の方向に延伸するなどして作製される煩雑な作業工程と高価な設備などが必要な位相差補償フィルムと比較して、本発明の液晶表示素子及び液晶プロジェクタにもちいる位相差補償素子は、斜方蒸着法により作製される2軸性のOプレートを用いるから、高耐久性かつ高寿命であり、容易かつ安価に作製することができる。
なお、上記実施形態では、例として反射型VAN‐LCDを用いるプロジェクタを示すが、これに限らず、透過型VAN‐LCDに対しても同様に位相差補償素子を用いることでコントラスト及び視野角を改善することができる。
また、上記実施形態では、例として透過型VAN‐LCDを用いるプロジェクタを示すが、これに限らず、液晶表示素子を直接見る直視型の液晶パネルにCプレートと2軸性Oプレートとからなる位相差補償素子を用いることで、コントラスト及び視野角を改善することができる。
さらに、上記実施形態では、Oプレートが2軸性であることを利用して1枚のOプレートのみをVAN‐LCDに適用したが、これに限らず、複数枚のOプレートを用いて位相差を補償してもよい。
なお、上記実施形態では、全ての液晶分子が所定の方向に傾斜するシングルドメインのVAN‐LCDに位相差補償素子を適用して液晶表示素子及び液晶プロジェクタのコントラスト等を改善する例を示すが、これに限らず、液晶表示素子の各画素が複数のドメインに分割されており、各ドメインごとに液晶分子の傾斜する方向が異なるマルチドメインのVAN‐LCDにもCプレートと2軸性Oプレートとからなる位相差補償素子を用いることでコントラスト及び視野角を改善することができる。
なお、上記実施形態では、Cプレートは、屈折率の異なる層を交互に積層する構造体であるが、これに限らず、トリアセチルセルロース(TAC)フィルムなどを延伸することで作製されたCプレートであっても良い。TACフィルムの他に、Cプレートとして用いることができるフィルムとしては、例えば、ポリカーボネートフィルム、ポリビニルアルコールフィルム、ポリサルファンフィルム、ポリオレフィンフィルム、ポリアリレートフィルムなどが挙げられる。
なお、上記実施形態では、位相差補償素子を液晶表示素子と偏光ビームスプリッタとの間に配置するが、これに限らず、位相差補償素子は液晶層と偏光分離膜との間に設置されていれば良く、液晶表示素子や偏光ビームスプリッタと一体に設けても良い。
なお、上記実施形態では、液晶表示素子、Oプレート、Cプレート、偏光ビームスプリッタの順に配置されるが、これに限らず、例えばOプレートとCプレートとの配置が逆順になっている位相差補償素子を用いてもよい。さらに、位相差補償素子内のOプレートとCプレートとは必ずしも隣接して設ける必要はなく、例えば、Oプレートは液晶表示素子の表面に配置し、Cプレートは偏光ビームスプリッタの表面に配置するなどしても良い。
なお、上記実施形態においては、液晶プロジェクタは、R,G,Bのそれぞれに対応する3個の液晶表示素子を備えるが、これにかぎらず、1個の液晶表示素子のみを備えても良い。例えば、1個の液晶表示素子にR,G,Bのそれぞれに対応する像を短時間の内に表示させ、これに応じてR,G,Bの光をこの液晶表示素子に入射させることによってフルカラーの投映像を表示させても良い。
なお、上記実施形態では、液晶表示素子に略垂直に光を入射させ、この入射光が液晶表示素子から略垂直に反射された情報光を投影して表示する、いわゆるオンアクシスの配置で液晶表示素子を用いるが、これに限らず、オフアクシスの配置で液晶表示素子を配置しても良い。例えば、液晶表示素子に斜めに光を斜めに入射させ、この入射光が入射した方向とは異なる方向に、斜めに反射された情報光を投影して表示しても良い。
また、上記実施形態では、反射防止層や防眩層などの一般に液晶表示素子に用いられる付加機能層を省略してあるが、本発明の位相差補償層とともにこれらの付加機能層を従来どおりに用いることが望ましい。
本発明のプロジェクタの外観を示す斜視図である。 プロジェクタの光学的構成を示す模式図である。 液晶表示素子に位相差補償素子を配置する様子を示す概念図である。 Cプレートの構成を示す断面図である。 Oプレートの構成を示す概念図である。 Oプレートの光学的な性質を表す屈折率楕円体の説明図である。 液晶表示素子に対するOプレートの配置を示す概念図である。 Cプレートのみを用いる液晶プロジェクタの表示特性を示すコノスコープ像である。 本発明の液晶プロジェクタの表示特性を示すコノスコープ像である。
符号の説明
10 プロジェクタ(液晶プロジェクタ)
48,49,50 偏光ビームスプリッタ
51,52,53 液晶表示素子(反射型液晶表示素子)
56,57,58,110 位相差補償素子
64,65,66 偏光分離膜
67 透明基板
68 反射基板
69 液晶層
73,79 配向膜
74 半導体基板
77 反射電極
81,82,83 情報光
85 Cプレート(1軸性複屈折体)
86,111,112 Oプレート(2軸性複屈折体)
L5 光学軸
91 高屈折率層
92 低屈折率層
93 斜方蒸着膜
96 蒸着方向
α 蒸着角度
L6,L9,L10 進相軸
β チルト角
98 最暗点
102 屈折率楕円体
n1,n2,n3 主屈折率

Claims (5)

  1. 液晶層に電圧が印加されていない状態のときに液晶分子が基板面に対して略垂直に配向するVAN液晶を用いる反射型液晶表示素子において、
    無機材料を斜方蒸着することによってつくられ、素子表面に対して傾斜する光学軸を有し、前記無機材料の蒸着方向を素子表面へ正射影した方向と進相軸の方向とが一致し、前記液晶分子が前記基板面に対して傾斜していることによって生じる位相差を補償する2軸性複屈折体を備えることを特徴とする反射型液晶表示素子。
  2. 前記2軸性複屈折体とともに設けられ、表面に対して垂直な光学軸を有し、前記液晶層を斜めに透過する光の位相差を補償するとともに、前記2軸性複屈折体を透過することによる位相差を補償する1軸性複屈折体を備えることを特徴とする請求項1記載の反射型液晶表示素子。
  3. 前記1軸性複屈折体は、無機材料からなる高屈折率層と低屈折率層とを交互に積層した構造であることを特徴とする請求項2に記載の反射型液晶表示素子。
  4. 前記2軸性複屈折体の前記進相軸の方向と、前記液晶分子の傾斜する方向とが一致するように前記2軸性複屈折体と組み合わされたことを特徴とする請求項1乃至3何れかに記載の反射型液晶表示素子。
  5. 請求項1乃至4何れかに記載の反射型液晶表示素子によって表示される像を拡大してスクリーンに投映することを特徴とする液晶プロジェクタ。
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