JP2008545149A - 液晶表示装置及び液晶プロジェクタ - Google Patents

Abstract

【課題】マイクロレンズアレイやＴＦＴ回路パターンにより生じる入射光の回析現象により位相差補償が良好に行われなくなることを防止する。
【解決手段】液晶表示パネル１１Ｒは、光源側から順に、マイクロレンズアレイを有するＭＬＡ基板３１、透明な共通電極４１が形成された対向基板３２、液晶層３３及び、各画素に対応した透明な画素電極４３が形成されたＴＦＴ基板３４を備えている。マイクロレンズアレイは、対応する画素電極４３に入射光を集光する。対向基板３２の光源側の面には、位相差補償層３９が形成されている。マイクロレンズアレイにおいて入射光が回折現象を起こして拡散しても、位相差補償層３９と液晶層３３を通過する光の角度は等しいので、光漏れが発生しない。
【選択図】図２

Description

本発明は、ＴＦＴタイプに好適な液晶表示装置及び液晶プロジェクタに関し、更に詳しくは、液晶層で生じる光の位相差を補償することができる液晶表示装置及びこれを用いた液晶プロジェクタに関する。

液晶表示装置には、液晶層の動作モードの違いにより、ＴＮ（Twisted Nematic）モード、ＶＡ（Vertical Alignment）モード、ＩＰＳ（In-Plane Switching）モード、ＯＣＢ（Optically Compensatory Bend）モード、ＥＣＢ（Electrically Controlled Birefringence）モード等がある。各動作モードは、液晶分子の配向方向等に違いはあるが、液晶を通過する光の量を電気的に制御して、文字や画像を表示するという機能は共通している。

液晶表示装置には、ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）タイプのものが知られている。このＴＦＴタイプ液晶表示装置（ＴＦＴ−ＬＣＤ）は、液晶層の１画素の領域に印加される電圧を薄膜トランジスタにより制御する。従って、各画素のオン／オフの切り換えが速く、正確であり、画質の高さが要求される用途に広く用いられている。ＴＦＴ−ＬＣＤは、ＴＦＴアレイ及びその配線パターンと、透明な画素電極とを有するＴＦＴ基板と、このＴＦＴ基板の画素電極に対応した透明な共通電極を有する対向基板とを備えている。ＴＦＴ基板と対向基板の間には、液晶性物質からなる液晶層が設けられている。ＴＦＴ−ＬＣＤの液晶層は、ＴＮモードが主流である。

ＴＦＴ基板と対向基板には、例えば透明なガラス基板が用いられる。ＴＦＴ基板は投映レンズ側に配置され、対向基板は光源側に配置される。対向基板には、マトリクス状の遮光層であるブラックマトリクスが形成されている。カラーＴＦＴ−ＬＣＤでは、モザイクパターンを構成する画素電極を囲むようにブラックマトリクスが形成されている。ブラックマトリクスは、画素のコントラストを高めるとともに、ＴＦＴが強い光の照射を受けて誤作動を起こさないように、ＴＦＴを遮光する。対向基板には、更に、ブラックマトリクスによる光の損失を防ぐためのマイクロレンズアレイが設けられている。マイクロレンズアレイは、入射した光を対応する画素に集光する。これにより、光源からの光は、効率的にブラックマトリクスの各開口部を通過する。

ＴＦＴ−ＬＣＤを液晶プロジェクタに使用する場合には、パネルサイズを小さくしなければならない。従って、スクリーン上に高精細な画像を投映できるように、画素密度が非常に高くなる。これに伴い、基板上の電極やマイクロレンズアレイなどの配列ピッチも非常に小さくなる。

例えば、マイクロレンズやＴＦＴは約１０μｍのピッチで配列されるため、光源からの光の一部が回折現象を起こす。この回折現象によって、図５に示すように、ある波長においては所定の入射光が約１０度ずつ、計２０度の角度で拡散する。これにより、位相差補償層を通過する光の角度と、液晶層を通過する光の角度が一致しなくなる。この結果、十分な位相差補償が行われず、検光子から光が漏れて投映画像のコントラストが低下する。こうした回折現象による光の拡散は、位相差の角度補償においては重大な問題であるにもかかわらず、従来認識されていなかった。尚、本作用は液晶モードに関わらず微細な素子構造の液晶表示装置に存在する。

本発明の目的は、回折現象により拡散した光の位相差を補償することができる液晶表示装置及び液晶プロジェクタを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の液晶表示装置は、微細な素子が可視光を回折させ得るピッチで周期的に配列した構造体と、一対の基板に封入された液晶層との間に配置され、前記液晶層によって生じる光の位相差を補償する位相差補償層とを含む。本発明は液晶モードや、液晶表示モードに単にマッチする位相差補償技術を特定するものではない。

前記構造体は、前記基板と一体に設けられており、前記位相差補償層は、前記一対の基板の一方又は両方に設けられている。

本発明の液晶プロジェクタは、微細な素子が可視光を回折させ得るピッチで周期的に配列した構造体と、一対の基板に封入された液晶層と、前記構造体と液晶層との間に配置され、前記液晶層によって生じる光の位相差を補償する位相差補償層とを備えた液晶表示装置を含む。

本発明によれば、光の回折現象の要因となる微細な素子の構造体よりも、位相差補償層の方が液晶層の近くに配置される。この配置により、位相差補償層を通過する光と、液晶層を通過する光の角度が等しくなるので、液晶層で生じる光の位相差が高い精度で補償される。従って、黒表示状態における光漏れが少なくなり、液晶表示装置のコントラスト、視野角、輝度の均一性が向上する。特に、液晶プロジェクタ等に用いられるような、パネルサイズが小さく、画素密度が高い液晶表示装置には効果的である。また、位相差補償層は、液晶層を挟む基板上に一体に設けられているので、位相差補償層用の基板を省略することができ、部品点数の削減及び液晶表示装置の薄型化が可能となる。

図１において、液晶プロジェクタ１０は、透過型の三枚の液晶表示パネル１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂを備えており、フルカラーの画像をスクリーン３に投映する。光源１２から放射された白色光は、フィルタ１３によって紫外線及び赤外線がカットされる。この白色光は、ガラスロッド１４を通過して、一様な強度分布となる。

ガラスロッド１４から出射した白色光は、リレーレンズ１５及びコリメートレンズ１６を通って平行光となり、ミラー１７に入射する。ミラー１７で反射された白色光は、赤色光を透過するダイクロイックミラー１８Ｒで、赤色光とシアン光の２光束に分けられる。ダイクロイックミラー１８Ｒを透過した赤色光は、ミラー１９で反射され液晶表示パネル１１Ｒに入射する。

ダイクロイックミラー１８Ｒで反射されたシアン光は、緑色光を反射するダイクロイックミラー１８Ｇで緑色光と青色光の２光束に更に分割される。ダイクロイックミラー１８Ｇで反射された緑色光は、液晶表示パネル１１Ｇに入射する。ダイクロイックミラー１８Ｇを透過した青色光は、ミラー１８Ｂ、ミラー２０で反射され、液晶表示パネル１１Ｂに入射する。

各液晶表示パネル１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂは、赤色、緑色、青色画像をグレースケール画像で表示する。また、液晶表示パネル１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂから等距離の位置に、合成プリズム２４が配置されている。赤色光、緑色光、青色光はそれぞれ、液晶表示パネル１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂを透過することにより、画像情報が付与された画像光に変調される。そして、ダイクロイック面２４ａ及び２４ｂを有する合成プリズム２４によって、３色の画像光が合成される。合成画像光は、投映レンズ２５を介してスクリーン３に投影され、フルカラー画像が表示される。

図２に示すように、液晶表示パネル１１Ｒは、光源側より順に、第１偏光板３０と、ＭＬＡ（マイクロレンズアレイ）基板３１と、対向基板３２と、ＴＦＴ基板３４と、第２偏光板３５とを有しており、これらは一体に形成されている、あるいは偏光子を別々に配置して蓄熱を防ぐ。対向基板３２とＴＦＴ基板３４との間に液晶が充填され、液晶層３３を形成している。第１偏光板３０と第２偏光板３５は、その吸収軸が互いに直交したクロスニコルで配置されている。第１偏光板３０は、入射光を直線偏光にする。第２偏光板３５は、液晶表示パネル１１Ｒの内部を通過した直線偏光を検光する。なお、液晶表示パネル１１Ｇ，１１Ｂも同様の構成である。

ＭＬＡ基板３１には、多数のマイクロレンズ３１ａがマトリクス状に配列されたマイクロレンズアレイが形成されている。各マイクロレンズ３１ａは、１画素に対応するように約１０μｍのピッチで配列されており、光源側から入射した光を集光する凸レンズとして作用する。対向基板３２は、光源側の面に、液晶層３３により生じる光の位相差を補償するための位相差補償層３９を有している。また、対向基板３２の投映レンズ側の面には、例えばクロム膜からなる遮光層であるブラックマトリクス４０と、透明な共通電極４１とが設けられている。

ＴＦＴ基板３４には、光源側の面に薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）４２と画素電極４３とをマトリクス状に配置したＴＦＴ回路パターン４４が形成されている。薄膜トランジスタ４２がオンすると、画素電極４３と共通電極４１との間に電圧が印加され、液晶層３３の液晶分子の配向方向が変化する。なお、共通電極４１と液晶層３３の間及び、画素電極４３と液晶層３３の間には、電圧無印加状態の液晶分子を所定の方向に配向させるための配向膜（図示なし）が設けられている。

液晶層３３の一例としてはＴＮモード液晶層が周知であり、ＴＮモード液晶層は、対向基板３２及びＴＦＴ基板３４の間で、液晶分子が基板面と平行を保ちながら９０度ねじれて配向している。電圧無印加状態では、第１偏光板３０を通った直線偏光は、その偏光面が９０度ねじられて第２偏光板３５を通過する。これにより、液晶表示パネルは白表示状態となる。また、電圧が印加された状態では、液晶分子の配向方向が基板面に略垂直に変化する。第１偏光板３０を通った直線偏光は、その偏光面を変えずに液晶層３３を通り抜け、第２偏光板３５で遮断される。これにより、液晶表示パネルは黒表示状態となる。

位相差補償層３９の一例としては、円盤状の分子構造を有するディスコティック液晶化合物を重合したディスコティック液晶層がある。位相差補償層３９では、ディスコティック液晶化合物が、その配向方向を層の厚み方向について連続的に変化させたハイブリッド配向の状態で固定されている。この実施形態では、位相差補償層３９は３層である。電圧が印加された状態（黒表示状態）の液晶層３３では、液晶分子は、層の中央部において基板面に垂直に配向し、基板面付近においてチルト角が変化するハイブリッド配向となる。従って、ハイブリッド配向のディスコティック液晶層によって、ＴＮモード液晶層で生じる光の位相差を補償することができる。他の位相差補償方法もまた重合棒状分子、有機的あるいは無機的な複屈折性構造体層に応用できる。

次に本発明の作用について説明する。図３において、液晶表示パネル１１Ｒに入射した光は、第１偏光板３０を通過して直線偏光になり、マイクロレンズアレイを有するＭＬＡ基板３１及び位相差補償層３９を通過して、液晶層３３に入射する。直線偏光の一部は、マイクロレンズアレイを通過する際に回折現象を起こして拡散する。位相差補償層３９により、この拡散した光それぞれにも位相差が生じる。従って、位相差補償層３９を通過する光の角度と、液晶層３３を通過する光の角度が同じになり、光の位相差は精度よく補償される。

液晶層３３を通過した光は、井桁状のＴＦＴ回路パターン４４において、その一部がさらに回折現象を起こして拡散する。しかし、位相差補償層３９が液晶層３３で生じる光の位相差を精度よく補償しているので、拡散した光は第２偏光板３５によって遮断される。従って、良好な黒表示状態が得られる。

以上のように、液晶表示パネル１１Ｒでは、液晶層３３に入射する光の角度と、位相差補償層３９に入射する光の角度が等しくなる。従って、界面での屈折率差を有するマイクロレンズアレイや、不透明なＴＦＴ回路パターン４４等によって入射光に回折現象が生じた場合でも、良好な位相差補償を行うことができる。これにより、表示装置の消光比（コントラスト）を高めることができる。

なお、位相差補償層３９の位置は、上記実施形態に限られない。例えば、図４に示すように、位相差補償層３９を液晶層３３（ＴＦＴ基板３４側の配向膜）とＴＦＴ回路パターン４４の間に配置しても、同様の効果が得られる。また、ブラックマトリクス４０が回折現象の要因となる場合には、共通電極４１の配線パターンと液晶層３３（対向基板３２側の配向膜）の間に位相差補償層３９を配置してもよい。すなわち、回折現象の要因となる構造体よりも液晶層に近い位置に位相差補償層を配置すればよい。

また、本発明の液晶表示装置は、例えば、カラーモザイクフィルタを備えた単板式のカラー液晶プロジェクタにも適用できる。また、液晶層３３の動作モードは、ＴＮモードに限られず、その他の動作モードであってもよい。この場合は、各動作モードに対応した位相差補償層を使用する。

例えば、電圧無印加状態でネマチック液晶性を示す液晶分子を基板面に垂直に配向させたＶＡＮモード液晶層を用いる場合には、位相差補償層３９として、基板面に垂直な光軸を有し、Ｃプレートとして作用する一軸性の複屈折体を用いることができる。このＣプレートは、ＶＡＮモード液晶の正の位相差を補償するために、負の屈折率異方性を示すように構成される。例えば、高屈折率の無機材料と低屈折率の無機材料とを交互に複数層積層した構造性複屈折体が好適である。また、このＣプレートに加えて、基板面内に光軸を有するＡプレートや、基板面に対して傾斜した光軸を有するＯプレートを更に積層すれば、より効果的にＶＡＮモード液晶の位相差補償を行なうことができる。

上記効果を確かめるために以下の実験を行った。まず、画素ごとの配線パターンが施されたＴＦＴ基板を用意した。このＴＦＴ基板に対して垂直にレーザー光を照射したところ、回折光が確認された。次に、垂直配向膜を設けた２枚の基板を、配向膜が対向するように配置したＶＡＮモードの液晶セルを用意した。このＶＡＮモード液晶セルを、光源とＴＦＴ基板の間に配置して、同様にレーザー光を入射したところ、回折光が確認された。さらに、負のＣプレートを備えた光学補償素子を用意した。そして、光源側から、液晶セル、ＴＦＴ基板、光学補償素子の順に配置して、同様にレーザー光を照射したところ、回折光が観察された。このとき、１次以上の回折光は完全に補償されない光学補償素子を含んでいたのに対し、０次回折光の位相差は位相差補償素子によって補償される。次に、光源側から、液晶セル、光学補償素子、ＴＦＴ基板の順に配置して同様にレーザー光を照射したところ、１次以上の回折光と２次回折光は、ともに位相差が補償されていた。

位相差補償層を微細構造と液晶間に配置することが位相差を精密に補償するために効果的な手段であることは上記の実験によって論証されている。

本発明においては、種々の変形あるいは変更が可能であり、本発明の範囲内において理解され得る。

本発明は、ＴＦＴタイプ液晶表示装置及びこれを用いた液晶プロジェクタに好適に利用される。

液晶プロジェクタの概略図である。 液晶表示装置の断面図である。 液晶表示装置の構成を示す斜視図である。 液晶表示装置の別の実施形態の構成を示す斜視図である。 従来の液晶表示装置の構成を示す斜視図である。

Claims (12)

1. 微細な素子が可視光を回折させ得るピッチで周期的に配列した構造体と、一対の基板の間に封入された液晶層とを有する液晶表示装置において、
   前記構造体と前記液晶層の間に配置され、前記液晶層によって生じる光の位相差を補償する位相差補償層が設けられていることを特徴とする液晶表示装置。
2. 前記位相差補償層は、前記一対の基板の一方に設けられていることを特徴とする請求項１記載の液晶表示装置。
3. 前記位相差補償層は、前記一対の基板の両方に設けられていることを特徴とする請求項１記載の液晶表示装置。
4. 前記構造体は、前記基板と一体に設けられていることを特徴とする請求項１記載の液晶表示装置。
5. 前記構造体は、マトリクス状に配列された複数のマイクロレンズを有することを特徴とする請求項４記載の液晶表示装置。
6. 前記構造体は、ＴＦＴ回路パターンを有することを特徴とする請求項４記載の液晶表示装置。
7. 微細な素子が可視光を回折させ得るピッチで周期的に配列した構造体と、一対の基板の間に封入された液晶層とを有する液晶表示装置を備えた液晶プロジェクタにおいて、
   前記構造体と前記液晶層との間の配置され、前記液晶層によって生じる光の位相差を補償する位相差補償層が設けられていることを特徴とする液晶プロジェクタ。
8. 前記位相差補償層は、前記一対の基板の一方に設けられていることを特徴とする請求項７記載の液晶プロジェクタ。
9. 前記位相差補償層は、前記一対の基板の両方に設けられていることを特徴とする請求項７記載の液晶プロジェクタ。
10. 前記構造体は、前記基板と一体に設けられていることを特徴とする請求項７記載の液晶プロジェクタ。
11. 前記構造体は、マトリクス状に配列された複数のマイクロレンズを有することを特徴とする請求項１０記載の液晶プロジェクタ。
12. 前記構造体は、ＴＦＴ回路パターンを有することを特徴とする請求項１０記載の液晶プロジェクタ。

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