JP2009048053A - 液晶表示装置、並びに、プロジェクタ - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な計算で補償用光学素子の厚さを決定することができ、比較的良好なコントラストや視野角特性を簡易に実現することができる液晶表示装置及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】第１光学補償板ＯＣ１に設けた第１の水晶板と、第２光学補償板ＯＣ２に設けた第２の水晶板とが、液晶層７１の両端側に存在する液晶のプレチルトに起因する液晶リタデーションを実効的にキャンセルする。この際、第１及び第２光学補償板ＯＣ１，ＯＣ２に対応する第１及び第２の水晶板の極角をθと、液晶セル７０のセルギャップＣＧとに基づいて、第１及び第２の水晶板の厚みｄを簡易に決定できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、画像形成用の液晶表示装置、及び、かかる液晶表示装置を組み込んだプロジェクタに関する。

従来の液晶プロジェクタとして、ツイストネマティック型の液晶パネルを用い、液晶パネルと入射偏光板や射出偏光板との間に、ラビング方向に向くとともに入射面に対して所定角だけ傾いた光学軸を有するサファイア板等からなる２枚の補償用光学素子を配置しているものがある（特許文献１参照）。このような液晶プロジェクタでは、液晶パネルに近接して配置される補償用光学素子の光学軸や厚さの調整によって液晶のプレチルトを補償することができ、コントラストを改善することができる。
特開２００４−１９８５６５０号公報

しかし、上記のような液晶パネルでは、補償用光学素子の厚さを決定するために、現実の黒表示で液晶がどのように立ち上がっているか、照明光がどのような配向分布を有するか、補償用光学素子の光学軸の極角が何度か等の情報を知る必要がある。特に、液晶がどのように立ち上がっているかは、シミュレーションによって求めることもできるが、この際、液晶屈折率、屈折率差、プレチルト、ツイスト角、セルギャップ、誘電率、ヘリカルピッチ等の液晶素子に関する多くのパラメータが必要となる。結果的に、補償用光学素子の厚さを決定するためには、多くのパラメータを考慮する必要があり、多少の設計変更があっても、複雑な計算を繰り返す必要がある。

また、補償用光学素子として、サファイア板を用いた場合、液晶パネルを構成する石英ガラス等との屈折率差が水晶板等に比較して比較的大きなことに起因して、斜入射の光束に対する光学的補償が容易でなくなる。また、サファイアは水晶等の材料に比較して高価であり、補償用光学素子のコストを上昇させる。また、サファイアは水晶等の材料に比較して硬度が高く加工しにくい。

そこで、本発明は、多少の設計変更があった場合にも、簡易な計算で補償用光学素子の厚さを決定することができ、コストや加工性を犠牲にすることなく、コントラストに関して比較的良好な視野角特性を簡易に実現することができる液晶表示装置を提供することを目的とする。

また、本発明は、上記のような液晶表示装置を組み込んだプロジェクタを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る第１の液晶表示装置は、（ａ）ツイストネマティックモードで動作する液晶を含む液晶セルと、（ｂ）液晶セルを光学的に補償するための第１の水晶板と、（ｃ）液晶セルを光学的に補償するための第２の水晶板と、（ｄ）液晶セルと第１の水晶板と第２の水晶板とを挟むように配置される一対の偏光素子とを備える液晶表示装置に関する。そして、本液晶表示装置では、（ｅ）第１及び第２の水晶板の厚みをｄ〔μｍ〕とし、第１及び第２の水晶板の光学軸の極角をθ〔°〕とし、液晶セルのセルギャップをＣＧ〔μｍ〕として、以下の２つの条件式（１）及び（２）

をともに満たすようにしている。

上記液晶表示装置では、第１及び第２の水晶板の光学軸の極角をθと、液晶セルのセルギャップＣＧとに基づいて、第１及び第２の水晶板の厚みｄを簡易に決定できる。よって、例えば液晶セルをオンにした黒表示状態において、コントラストに関して良好な視野角特性を有する液晶表示装置を提供することができる。

また、本発明の具体的な態様又は観点によれば、上記液晶表示装置において、第１及び第２の水晶板の光学軸の極角が４５〜６５°であり、液晶セルのセルギャップが２．５〜３．５μｍである場合に、第１及び第２の水晶板の厚みｄが３．５〜１１．３μｍである。

本発明に係るプロジェクタは、（ａ）上述の光変調用の液晶表示装置と、（ｂ）液晶表示装置を照明する照明装置と、（ｃ）液晶表示装置によって形成された画像を投射する投射レンズとを備える。

上記プロジェクタにおいては、上述の液晶表示装置を備えており、簡易な手法で設計でき比較的良好な視野角特性を有する液晶表示装置により、高品位の画像を投射できるプロジェクタを提供することができる。

〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１実施形態に係る液晶表示装置である液晶ライトバルブ（光変調装置）の構造を説明する拡大断面図である。

図示の液晶ライトバルブ３１において、入射側の偏光素子である第１偏光フィルタ３１ｂと、射出側の偏光素子である第２偏光フィルタ３１ｃとは、例えばクロスニコルを構成する。これら第１及び第２偏光フィルタ３１ｂ，３１ｃの間に挟まれた偏光変調部３１ａは、入射光の偏光方向を、入力信号に応じて画素単位で変化させる液晶パネルである。

偏光変調部３１ａは、ツイストネマティックモードで動作する液晶（すなわちツイストネマティック型の液晶）で構成される液晶層７１を挟んで、入射側に透明な第１基板７２ａと、射出側に透明な第２基板７２ｂとを備える液晶セル７０を有する。また、偏光変調部３１ａは、例えば液晶セル７０の第２偏光フィルタ３１ｃ側に、第１光学補償板ＯＣ１と、第２光学補償板ＯＣ２とを有する。これらの基板７２ａ，７２ｂや光学補償板ＯＣ１，ＯＣ２は、ともに平板状であり、偏光フィルタ３１ｂ，３１ｃと同様に入出射面の法線がＺ軸に平行になるように配置されている。

液晶セル７０において、第１基板７２ａの液晶層７１側の面上には、透明な共通電極７５が設けられており、その上には、例えば配向膜７６が形成されている。一方、第２基板７２ｂの液晶層７１側の面上には、マトリクス状に配置された複数の透明画素電極７７と、各透明画素電極７７に電気的に接続されている薄膜トランジスタ（不図示）とが設けられており、その上には、例えば配向膜７８が形成されている。この液晶セル７０は、第１及び第２基板７２ａ，７２ｂと、これらに挟まれた液晶層７１と、電極７５，７７とを基本的な構成要素としており、入射光の偏光状態を入力信号に応じて変化させる光能動素子として機能する。この液晶セル７０を構成する各画素は、１つの画素電極７７と、共通電極７５と、これらの間に挟まれた液晶層７１とを含む。なお、第１基板７２ａと共通電極７５との間には、各画素を区分するように格子状のブラックマトリクス７９が設けられている。

ここで、配向膜７６，７８は、液晶層７１を構成する液晶性化合物を必要な方向に配列させるためのものである。一方の配向膜７６は、これに接する液晶性化合物を第１ラビング方向（例えばＸ軸方向）に配向させ、他方の配向膜７８は、これに接する液晶性化合物を第２ラビング方向（例えばＹ軸方向）に配向させる。液晶層７１に電圧が印加されないオフ状態において、配向膜７６は、液晶性化合物の光学軸を第１偏光フィルタ３１ｂの偏光面であるＸＺ面を含んだ方向に配向させる役割を有し、配向膜７８は、液晶性化合物の光学軸を第２偏光フィルタ３１ｃの偏光面であるＹＺ面を含んだ方向に配向させる役割を有する。結果的に、液晶層７１中の液晶性化合物の光学軸は、第１基板７２ａから第２基板７２ｂにかけて徐々にねじれるように配置される。つまり、第１及び第２基板７２ａ，７２ｂの内側すなわち配向膜７６，７８に隣接して液晶層７１の両端側に配置される一組の液晶性化合物の光学軸は、ＸＹ平面上に投影した場合、互いに例えば９０°のツイスト角をなす。これにより、一対の偏光フィルタ３１ｂ，３１ｃの間に挟まれた液晶層７１をノーマリホワイトモードで動作させることになり、電圧非印加のオフ状態で最大透過状態（光オン状態）を確保することができる。なお、後に詳述するが、液晶層７１の両端側すなわち配向膜７６，７８の近傍位置において、液晶性化合物の光学軸は、ＸＹ平面すなわち配向膜７６，７８に対向する入射面や出射面に平行になっておらず、かかる入射面や出射面に対して一定のプレチルト角だけ傾いた状態で配置されている。

一方、液晶層７１に電圧が印加されたオン状態すなわち遮光状態（光オフ状態）において、配向膜７６，７８から離れた位置にある液晶性化合物の光学軸は、第１基板７２ａの法線に平行な方向（具体的にはＺ方向）に配向する。しかしながら、液晶層７１の両端側すなわち配向膜７６，７８の近傍において、液晶性化合物の光学軸は、略元のままに維持されている。つまり、両端側における液晶性化合物の光学軸は、第１及び第２偏光フィルタ３１ｂ，３１ｃの偏光面に沿ったＸ方向やＹ方向に配向されているが、ＸＹ面すなわち配向膜７６，７８に対向する入射面や出射面に水平になっておらず、入射面や出射面に対して一定のチルト角或いは極角だけ傾いた状態に維持されている。なお、液晶層７１に電圧が印加されていないオフ状態と電圧が印加されたオン状態とにおいて、配向膜７６，７８の近傍位置に存在する液晶性化合物の光学軸は、多少変動するがＸＹ面に対して傾いた傾斜状態に維持される。よって、オン状態すなわち遮光状態の液晶層７１に対する光学的補償を目的とする場合、このような傾斜状態に対応する傾斜角をプレチルト角と呼ぶものとする。

液晶セル７０の射出側に配置される第１光学補償板ＯＣ１は、正の一軸性の屈折率を有する光学材料である平板状の水晶板から形成されており、例えばかかる水晶板を一枚の平板状のガラス板で支持した構造とすることもできるが、平板状の水晶板単体とすることもできる。この第１光学補償板ＯＣ１を構成する第１の水晶板は、その光学軸がＹＺ面に対して一定の角を成し、かつ、その光学軸がＺ軸に対して所定の傾斜角すなわち極角をなすように配置されている。つまり、第１光学補償板ＯＣ１を構成する第１の水晶板の光学軸は、例えばＸＺ面に対して平行でＺ軸に対して所定の極角をなす。以上において、第１の水晶板の厚みｄ１は、後述する光学補償を達成できるような適当な値に設定されている。

第２光学補償板ＯＣ２も、平板状の水晶板から形成されており、例えばかかる水晶板を一対の平板状のガラス板で挟んで接合した構造とすることもできるが、平板状の水晶板単体とすることもできる。この第２光学補償板ＯＣ２を構成する第２の水晶板は、その光学軸がＸＺ面に対して一定の角を成し、かつ、その光学軸がＺ軸に対して所定の傾斜角すなわち極角をなすように配置されている。つまり、第２光学補償板ＯＣ２を構成する第２の水晶板の光学軸は、例えばＹＺ面に対して平行でＺ軸に対して所定の極角をなす。以上において、第２水晶板の厚みｄ２は、後述する光学補償を達成できるような適当な値に設定されている。

以上で説明した第１及び第２光学補償板ＯＣ１，ＯＣ２は、協働して液晶層７１のプレチルトに起因する視野角依存性やコントラスト低下を補償する役割を有する。具体的には、第１光学補償板ＯＣ１に設けた第１の水晶板と、第２光学補償板ＯＣ２に設けた第２の水晶板とが、液晶層７１の両端側に存在する液晶のプレチルトに起因する液晶リタデーションを実効的にキャンセルする。このため、第１及び第２光学補償板ＯＣ１，ＯＣ２の製造時において、これらを構成する第１及び第２の水晶板の光学軸の方位角や極角がそれぞれ調整され、これらの厚みｄ１，ｄ２がそれぞれ調整される。

図２（Ａ）〜２（Ｄ）は、第１及び第２光学補償板ＯＣ１，ＯＣ２によるプレチルトの補償（すなわち液晶リタデーションの補償）を概念的に説明する斜視図である。

図２（Ａ）に示すように、液晶層７１の入射面側の平均的なプレチルトは、例えばＸＺ面に対して略平行でＺ軸に対して角φ０だけ傾いていると見ることができる。すなわち、このようなプレチルトの屈折率楕円体ＲＩＥ０は、光学軸ＯＡ０１がＺ軸に対して極角φ０だけ傾いた状態となっており、光学軸ＯＡ０１が略＋Ｘ方向に配向している。なお、液晶層７１の入射面に近い位置において、特に入射面に極めて近い液晶性化合物の光学軸は、電圧を印加する前のプレチルト角と等しく、一般的に入射面となす角度は１０°未満程度である。さらに、電圧印加時において液晶層中心部に向かうに従って液晶性化合物の光学軸は、急激に入射面法線方向すなわちＺ方向に平行になる角度に近づく。

図２（Ｂ）に示すように、液晶層７１の射出面側の平均的なプレチルトは、例えばＹＺ面に対して略平行でＺ軸に対して角φ０だけ傾いていると見ることができる。すなわち、プレチルトの屈折率楕円体ＲＩＥ０は、光学軸ＯＡ０２がＺ軸に対して極角φ０だけ傾いた状態となっており、光学軸ＯＡ０２が略＋Ｙ方向に配向している。なお、液晶層７１の射出面に近い位置において、特に射出面に極めて近い液晶性化合物の光学軸は、電圧を印加する前のプレチルト角と等しく、一般的に入射面となす角度は１０°未満程度である。さらに、電圧印加時において液晶層中心部に向かうに従って液晶性化合物の光学軸は、急激に射出面法線方向すなわちＺ方向に平行になる角度に近づく。

図２（Ｃ）に示すように、第１光学補償板ＯＣ１を構成する第１の水晶板の屈折率楕円体ＲＩＥ１は、その光学軸ＯＡ１がＸＺ面に対して略平行でＺ軸に対して極角θ１だけ傾いた状態となっており、図２（Ｄ）に示すように、第２光学補償板ＯＣ２を構成する第２の水晶板の屈折率楕円体ＲＩＥ２は、その光学軸ＯＡ２がＹＺ面に対して略平行でＺ軸に対して極角θ２だけ傾いた状態となっている。

図３は、第１及び第２光学補償板ＯＣ１，ＯＣ２による補償の総合的な効果を概念的に説明する図である。液晶層７１の入射面及び射出面近傍のプレチルトと、両光学補償板ＯＣ１，ＯＣ２を構成する第１及び第２の水晶板の屈折率異方性とを合成した屈折率楕円体ＲＩＥｔは、その光学軸ＯＡｔがＺ軸に平行な長径となっている正の一軸性の屈折率特性を有している。この屈折率楕円体ＲＩＥｔは、Ｚ方向から見たＸＹ面内の屈折率が等しく円形であるので、液晶層７１に対する垂直入射光に関して、液晶層７１のプレチルトによる液晶リタデーションを補償したものとなっている。また、液晶層７１に対して傾斜して入射する傾斜入射光に関しても、その入射の方位に関する依存性を低減することができ、液晶リタデーションによる視野角特性の劣化を抑えることができる。

以下、第１及び第２光学補償板ＯＣ１，ＯＣ２をそれぞれ構成する第１及び第２の水晶板の厚み等の設計値の算出方法について説明する。

まず、各種条件下でシミュレーションを行って、液晶ライトバルブ３１の特性が良好になる第１及び第２の水晶板の厚みを算出した。以下の表１は、シミュレーションの結果をまとめたものである。

ここで、ＩＤは、液晶ライトバルブ３１の設計値を変更しながら行ったシミュレーションの番号を示し、θ〔°〕は水晶板の光学軸の極角を示し、ＣＧ〔μｍ〕は液晶セル７０のセルギャップを示し、ＰＴ〔°〕は液晶セル７０の入射側又は射出側のプレチルト角φを示し、Ａ，Ｂ，Ｃは、フィッティング係数を示し、ｄｐ〔μｍ〕は第１及び第２の水晶板の厚みの最適値を示す。また、許容値の欄は、上から順に、視野角度依存性を加味したコントラストの最大値、この最大値の８０％に相当するコントラスト値、この８０％コントラストに対応する水晶板の最大許容厚みと、この８０％コントラストに対応する水晶板の最小許容厚みと、前者の最大許容厚みの最適厚みｄｐに対する比率〔％〕と、後者の最小許容厚みの最適厚みｄｐに対する比率〔％〕とを示している。以上において、水晶板の極角θは、一般的な液晶ライトバルブ３１で実施されている４５〜５５°の範囲とし、液晶セル７０のセルギャップＣＧは、一般的な液晶セル７０で実施されている２．５〜３．５μｍの範囲とし、プレチルト角φは、一般的な液晶セル７０における６〜１４°の範囲とした。なお、最適厚みｄｐは、図１のｄ１（＝ｄ２）に相当しており、水晶板の光学軸の極角θは、図２（Ｃ）及び２（Ｄ）の極角θ１（＝θ２）に相当している。また、８０％コントラストは、液晶ライトバルブ３１のカタログ値として許容される誤差である。

図４は、表１をまとめたものであり、水晶板の極角θと、水晶板の最適厚みｄｐとの関係を示すグラフである。グラフを参照すると、横軸は水晶板の極角θを示し、縦軸は水晶板の最適厚みｄを示す。グラフから、シミュレーションの液晶ライトバルブ３１は、３つのグループＧ１，Ｇ２，Ｇ３に分かれる。これらのグループＧ１，Ｇ２，Ｇ３は、セルギャップＣＧ別になっており、各グループＧ１，Ｇ２，Ｇ３単位で最適厚みｄｐの極角θに対する依存性が共通している。このことから、水晶板の最適厚みｄｐは、セルギャップＣＧと水晶板の極角θとに主に依存し、液晶セル７０のプレチルト角φにはほとんど影響を受けないことが分かる。

以下、水晶板の光学軸の極角θと、液晶セル７０のセルギャップＣＧとに基づいて、水晶板の好ましい厚みｄ（＝ｄ１，ｄ２）を決定するための近似式について説明する。

まず、一般的な液晶ライトバルブ３１における水晶板の厚みｄの標準値又は基準値を決定した。この際、セルギャップＣＧを中間値の３．０μｍとし、水晶板の極角θを中間値の５５°とし、そのときの最適厚みｄｐの平均値を求めた。具体的には、表１のＩＤ５，１４，２３の最適厚みｄｐの平均値として、６．３１μｍの基準厚を得た。

次に、水晶板の光学軸の極角θから水晶板の最適厚みｄｐを計算する方法について説明する。ここで、セルギャップＣＧが同じものＩＤ１〜３、ＩＤ４〜６、ＩＤ７〜９、ＩＤ１０〜１２、ＩＤ１３〜１５、ＩＤ１６〜１８、ＩＤ１９〜２１、ＩＤ２２〜２４、及びＩＤ２５〜２７の単位で最適厚みｄｐを表２にまとめ、極角θ＝５５°を中心とする最適厚みｄｐの差分を表３にまとめた。

結果的には、極角θ＝４５°における最適厚みｄｐの基準厚平均的な差分は−０．４μｍであり、極角θ＝６５°における最適厚みｄｐの平均的な差分は＋１．２μｍであった。以上に基づいて、水晶板の光学軸の極角θを変化させつつ水晶板の最適厚みｄｐを近似的に決定する式を求める。図５は、水晶板の光学軸の極角θの余弦と水晶板の最適厚みｄｐとの関係を示す図である。グラフにおいて、横軸はｃｏｓθを示し、縦軸は、極角θ＝５５°の最適厚みｄｐからの差分すなわちずれ量ｙを示す。なお、ｃｏｓ４５°＝０．７１であり、ｃｏｓ５５°＝０．５７であり、ｃｏｓ６５°＝０．４２である。このグラフに２次の近似を可能にするフィッティングを行って、以下の関係式（３）を得た。

ここで、セルギャップＣＧが３．０μｍで極角θが５５°である場合に水晶板の基準厚が６．３１μｍであることを考慮すると、近似の最適厚みｄｐ’は、セルギャップＣＧが３．０μｍであるものとして、以下の式（４）で与えられる。

次に、液晶セル７０のセルギャップＣＧから水晶板の近似の最適厚みｄｐ’を計算する方法について説明する。以下の表４は、セルギャップＣＧ＝３．０μｍを中心とする最適厚みｄｐの差分をまとめたものである。また、以下の表５は、セルギャップＣＧ＝３．０μｍを基準として、セルギャップＣＧの変化に対する最適厚みｄｐの変化率をまとめたものである。ここで、ＩＤ４〜６、ＩＤ１３〜１５、ＩＤ１６〜１８、ＩＤ２２〜２４は、セルギャップＣＧ＝３．０のものである。

結果的に、セルギャップＣＧ＝３．０μｍを基準として、３．０±０．５μｍに増減する場合の最適厚みｄｐの変化率は、平均として１６％になっている。つまり、セルギャップＣＧが１μｍ変化することにより、水晶板の最適厚みｄｐは３２％変化する。したがって、セルギャップＣＧを考慮した比例係数αは、以下の式（５）で近似される。

よって、水晶板の近似の最適厚みｄｐ’は、式（４）の値に式（５）の比例係数αを掛けたものとして、以下の式（６）で与えられる。

上記式（６）は、水晶板の光学軸の極角θとセルギャップＣＧとに基づいて最適厚みｄｐ’を近似的算出するものである。

以下の表６は、上記式（６）に基づいて水晶板の近似の最適厚みｄｐ’を算出した結果を示す。

表６の最適厚みｄｐ’と、表１の最適厚みｄｐとを比較すると、両者は比較的良く一致していることが分かる。

次に、近似の最適厚みｄｐ’の誤差を考慮した水晶板の厚みｄの許容範囲について考察する。最適な厚みｄの水晶板を用いた場合のコントラストの８０％のコントラストが得られれば、良好なコントラストが得られていると判断する。表１に示すように、８０％コントラストに対応する水晶板の最大許容厚み及び最小許容厚の最適厚みｄｐに対する比率は、±３０％程度となっている。このことから、８０％コントラストを実現できる水晶板の厚みをｄは、上記式（６）で与えられる０．７×ｄｐ’<ｄ<１．３×ｄｐ’の範囲にあり、以下の条件式（１）及び（２）

をともに満たすものとして与えられる。具体的には、水晶板の光学軸の極角θが一般的な４５〜６５°であり、液晶セル７０のセルギャップが一般的な２．５〜３．５μｍであるものとした場合、表６の水晶板の厚みｄは、最小値５０の７０％を下限とし、表６の最大値８．７の１３０％を上限として、３．５〜１１．３μｍの範囲内に収まる。

具体的な液晶セル７０について検討すると、セルギャップＣＧが３．０で、極角θが５５°の場合、式（１）及び式（２）を満たす水晶板の１枚当たりの厚みｄは、具体的数値の代入により、４．５μｍより厚く８．２μｍより薄い範囲である。上述のＣＧ、θを前提として、水晶板の厚みｄとコントラストとの関係をシミュレーションで確認した。以下の表７は、液晶ライトバルブ３１のコントラストのシミュレーションを行った結果を示す。

なお、液晶セル７０のプレチルトについては、あまり影響が大きくないものとして、６〜１４°に設定した。同様に、液晶セル７０の屈折率、ツイスト角、誘電率、ヘリカルピッチ等のパラメータも、一般的な値を計算に用いている。図６は、表７をグラフ化したものであり、横軸は水晶板の厚みをｄとし、液晶ライトバルブ３１のコントラストを縦軸としている。グラフ等からも明らかなように、最大コントラストの８０％のコントラストを得られる水晶板の１枚当たりの厚みｄの範囲は４．５〜８．２μｍであり、式（１）及び式（２）をともに満たすものとなっている。従って、式（１）及び式（２）をともに満たす範囲の厚みの水晶板を用いれば最大コントラストの８０％のコントラストを得られると判断できる。

以上の説明から明らかなように、本実施形態の液晶表示装置又はその製造方法では、第１及び第２光学補償板ＯＣ１，ＯＣ２に対応する第１及び第２の水晶板の極角をθと、液晶セル７０のセルギャップＣＧとに基づいて、第１及び第２の水晶板の厚みｄを簡易に決定できる。よって、例えばオン時の液晶セル７０による黒表示状態において、コントラストに関して良好な視野角特性を有する液晶ライトバルブ３１を簡易な手法によって製造することができる。

〔第２実施形態〕
図７は、図１に示す液晶ライトバルブ３１等を組み込んだプロジェクタの光学系の構成を説明する図である。

本プロジェクタ１０は、光源光を発生する光源装置２１と、光源装置２１からの光源光を赤緑青の３色に分割する色分離光学系２３と、色分離光学系２３から射出された各色の照明光によって照明される光変調部２５と、光変調部２５からの各色の像光を合成するクロスダイクロイックプリズム２７と、クロスダイクロイックプリズム２７を経た像光をスクリーン（不図示）に投射するための投射光学系である投射レンズ２９とを備える。このうち、光源装置２１、色分離光学系２３、光変調部２５、及びクロスダイクロイックプリズム２７は、スクリーンに投射すべき像光を形成する画像形成装置となっている。

以上のプロジェクタ１０において、光源装置２１は、光源ランプ２１ａと、凹レンズ２１ｂと、一対のレンズアレイ２１ｄ，２１ｅと、偏光変換部材２１ｇと、重畳レンズ２１ｉとを備える。このうち、光源ランプ２１ａは、例えば高圧水銀ランプからなり、光源光を回収して前方に射出させる凹面鏡を備える。凹レンズ２１ｂは、光源ランプ２１ａからの光源光を平行化する役割を有するが、省略することもできる。一対のレンズアレイ２１ｄ，２１ｅは、マトリクス状に配置された複数の要素レンズからなり、これらの要素レンズによって凹レンズ２１ｂを経た光源ランプ２１ａからの光源光を分割して個別に集光・発散させる。偏光変換部材２１ｇは、レンズアレイ２１ｅから射出した光源光を例えば図７の紙面に垂直なＳ偏光成分のみに変換して次段光学系に供給する。重畳レンズ２１ｉは、偏光変換部材２１ｇを経た照明光を全体として適宜収束させることにより、光変調部２５に設けた各色の光変調装置に対する重畳照明を可能にする。つまり、両レンズアレイ２１ｄ，２１ｅと重畳レンズ２１ｉとを経た照明光は、以下に詳述する色分離光学系２３を経て、光変調部２５に設けられた各色の液晶パネル２５ａ，２５ｂ，２５ｃを均一に重畳照明する。

色分離光学系２３は、第１及び第２ダイクロイックミラー２３ａ，２３ｂと、補正光学系である３つのフィールドレンズ２３ｆ，２３ｇ，２３ｈと、反射ミラー２３ｊ，２３ｍ，２３ｎ，２３ｏとを備え、光源装置２１とともに照明装置を構成する。ここで、第１ダイクロイックミラー２３ａは、赤緑青の３色のうち例えば赤光及び緑光を反射し青光を透過させる。また、第２ダイクロイックミラー２３ｂは、入射した赤及び緑の２色のうち例えば緑光を反射し赤光を透過させる。この色分離光学系２３において、光源装置２１からの略白色の光源光は、反射ミラー２３ｊで光路を折り曲げられて第１ダイクロイックミラー２３ａに入射する。第１ダイクロイックミラー２３ａを通過した青光は、例えばＳ偏光のまま、反射ミラー２３ｍを経てフィールドレンズ２３ｆに入射する。また、第１ダイクロイックミラー２３ａで反射されて第２ダイクロイックミラー２３ｂでさらに反射された緑光は、例えばＳ偏光のままフィールドレンズ２３ｇに入射する。さらに、第２ダイクロイックミラー２３ｂを通過した赤光は、例えばＳ偏光のまま、レンズＬＬ１，ＬＬ２及び反射ミラー２３ｎ，２３ｏを経て、入射角度を調節するためのフィールドレンズ２３ｈに入射する。レンズＬＬ１，ＬＬ２及びフィールドレンズ２３ｈは、リレー光学系を構成している。このリレー光学系は、第１レンズＬＬ１の像を、第２レンズＬＬ２を介してほぼそのままフィールドレンズ２３ｈに伝達する機能を備えている。

光変調部２５は、３つの液晶パネル２５ａ，２５ｂ，２５ｃと、各液晶パネル２５ａ，２５ｂ，２５ｃを挟むように配置される３組の偏光フィルタ２５ｅ，２５ｆ，２５ｇとを備える。ここで、第１光路ＯＰ１に配置された青光用の液晶パネル２５ａと、これを挟む一対の偏光フィルタ２５ｅ，２５ｅとは、青光を画像情報に基づいて２次元的に輝度変調するための青色用の液晶ライトバルブを構成する。青色用の液晶ライトバルブは、図１等に示す液晶ライトバルブ３１と同様の構造を有しており、コントラスト向上のための第１及び第２光学補償板ＯＣ１，ＯＣ２を組み込んでいる。同様に、第２光路ＯＰ２に配置された緑光用の液晶パネル２５ｂと、対応する偏光フィルタ２５ｆ，２５ｆも、緑色用の液晶ライトバルブを構成し、第３光路ＯＰ３に配置された赤光用の液晶パネル２５ｃと、偏光フィルタ２５ｇ，２５ｇも、赤色用の液晶ライトバルブを構成する。そして、これら緑光及び赤色用の液晶ライトバルブも、図１に示す液晶ライトバルブ３１と同様の構造を有している。

青光用の第１液晶パネル２５ａには、色分離光学系２３の第１ダイクロイックミラー２３ａを透過することによって分岐された青光が、フィールドレンズ２３ｆを介して入射する。緑光用の第２液晶パネル２５ｂには、色分離光学系２３の第２ダイクロイックミラー２３ｂで反射されることによって分岐された緑光が、フィールドレンズ２３ｇを介して入射する。赤光用の第３液晶パネル２５ｃには、第２ダイクロイックミラー２３ｂを透過することによって分岐された赤光が、フィールドレンズ２３ｈを介して入射する。各液晶パネル２５ａ〜２５ｃは、入射した照明光の空間的強度分布を画素単位で変調する非発光型の光変調装置であり、各液晶パネル２５ａ〜２５ｃにそれぞれ入射した３色の光は、各液晶パネル２５ａ〜２５ｃに電気的信号として入力された駆動信号或いは画像信号に応じて変調される。その際、偏光フィルタ２５ｅ，２５ｆ，２５ｇによって、各液晶パネル２５ａ〜２５ｃに入射する照明光の偏光方向が調整されるとともに、各液晶パネル２５ａ〜２５ｃから射出される変調光から所定の偏光方向の成分光が像光として取り出される。

クロスダイクロイックプリズム２７は、光合成部材であり、４つの直角プリズムを貼り合わせた平面視略正方形状をなし、直角プリズム同士を貼り合わせた界面には、Ｘ字状に交差する一対の誘電体多層膜２７ａ，２７ｂが形成されている。一方の第１誘電体多層膜２７ａは青色光を反射し、他方の第２誘電体多層膜２７ｂは赤色光を反射する。このクロスダイクロイックプリズム２７は、液晶パネル２５ａからの青光を第１誘電体多層膜２７ａで反射して進行方向右側に射出させ、液晶パネル２５ｂからの緑光を第１及び第２誘電体多層膜２７ａ，２７ｂを介して直進・射出させ、液晶パネル２５ｃからの赤光を第２誘電体多層膜２７ｂで反射して進行方向左側に射出させる。

投射レンズ２９は、クロスダイクロイックプリズム２７で合成されたカラーの像光を、所望の倍率でスクリーン（不図示）上に投射する。つまり、各液晶パネル２５ａ〜２５ｃに入力された駆動信号或いは画像信号に対応する所望の倍率のカラー動画やカラー静止画がスクリーン上に投射される。

以上実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は、上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

すなわち、上記実施形態では、第１及び第２光学補償板ＯＣ１，ＯＣ２を、液晶セル７０から離間して配置しているが、例えば透明な接着剤を利用して、第１光学補償板ＯＣ１を偏光変調部３１ａの基板７２ｂに張り付けることができる（図８参照）。

また、上記実施形態では、第１及び第２光学補償板ＯＣ１，ＯＣ２を、液晶セル７０と第２偏光フィルタ３１ｃとの間に配置しているが、これら光学補償板ＯＣ１，ＯＣ２を液晶セル７０と第１偏光フィルタ３１ｂとの間に配置することもできる。さらに、第１及び第２光学補償板ＯＣ１，ＯＣ２を、液晶セル７０入射側と射出側とに分けて配置することもでき、この際、例えば一対の光学補償板ＯＣ１，ＯＣ２を偏光変調部３１ａの射出面及び入射面を構成する一対の基板７２ｂ，７２ａにそれぞれ張り付けることもできる（図９参照）。

また、上記実施形態の液晶セル７０において、第１基板７２ａ等に微小レンズからなるマイクロレンズアレイを画素に対応して埋め込むように形成することができる。ただし、液晶セル７０と、第１及び第２光学補償板ＯＣ１，ＯＣ２とを通過する光束の広がり角度等が一致する観点で、液晶セル７０の後段に第１及び第２光学補償板ＯＣ１，ＯＣ２を配置することが好ましい。

また、上記実施形態のプロジェクタ１０では、光源装置２１を、光源ランプ２１ａ、一対のレンズアレイ２１ｄ，２１ｅ、偏光変換部材２１ｇ、及び重畳レンズ２１ｉで構成したが、レンズアレイ２１ｄ，２１ｅ、偏光変換部材２１ｇ等については省略することができ、光源ランプ２１ａも、ＬＥＤ等の別光源に置き換えることができる。

また、上記実施形態では、色分離光学系２３を用いて照明光の色分離を行って、光変調部２５において各色の変調を行った後に、クロスダイクロイックプリズム２７において各色の像の合成を行っているが、単一の液晶パネルすなわち液晶ライトバルブ３１によって画像を形成することもできる。

上記実施形態では、３つの液晶パネル２５ａ〜２５ｃを用いたプロジェクタ１０の例のみを挙げたが、本発明は、２つの液晶パネルを用いたプロジェクタ、或いは、４つ以上の液晶パネルを用いたプロジェクタにも適用可能である。

上記実施形態では、スクリーンを観察する方向から投射を行なうフロントタイプのプロジェクタの例のみを挙げたが、本発明は、スクリーンを観察する方向とは反対側から投射を行なうリアタイプのプロジェクタにも適用可能である。

第１実施形態に係る液晶ライトバルブの構造を説明する側方断面図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は、第１及び第２補償素子によるプレチルトの補償を説明する図である。 第１及び第２補償素子による補償の効果を概念的に説明する図である。 水晶板の極角と、水晶板の最適厚みとの関係を示すグラフである。 水晶板の光学軸の極角の余弦と水晶板の最適厚みとの関係を示すグラフである。 液晶ライトバルブのコントラストのシミュレーションを行った結果を示す。 図１の液晶ライトバルブを組み込んだプロジェクタの光学系を説明する図である。 図１の液晶ライトバルブの変形例を説明する側方断面図である。 図１の液晶ライトバルブの別の変形例を説明する側方断面図である。

符号の説明

１０…プロジェクタ、 ２１…光源装置、 ２１ａ…光源ランプ、 ２１ｇ…偏光変換部材、 ２３…色分離光学系、 ２３ａ，２３ｂ…ダイクロイックミラー、 ２５…光変調部、 ２５ａ，２５ｂ，２５ｃ…液晶パネル、 ２５ｅ，２５ｆ，２５ｇ…偏光フィルタ、 ２７…クロスダイクロイックプリズム、 ２９…投射レンズ、 ３１…液晶ライトバルブ、 ３１ａ…偏光変調部、 ３１ｂ…第１偏光フィルタ、 ３１ｃ…第２偏光フィルタ、 ７０…液晶セル、 ７１…液晶層、 ７５…共通電極、 ７６，７８…配向膜、 ７７…透明画素電極、 ＯＡ０１，ＯＡ０２…プレチルトの光学軸、 ＯＡ１，ＯＡ２…補償素子の光学軸、 ＯＣ１…第１光学補償部材、 ＯＣ２…第２光学補償部材

Claims (3)

1. ツイストネマティックモードで動作する液晶を含む液晶セルと、
   前記液晶セルを光学的に補償するための第１の水晶板と、
   前記液晶セルを光学的に補償するための第２の水晶板と、
   前記液晶セルと前記第１の水晶板と前記第２の水晶板とを挟むように配置される一対の偏光素子とを備える液晶表示装置であって、
   前記第１及び第２の水晶板の厚みをｄ〔μｍ〕とし、前記第１及び第２の水晶板の光学軸の極角をθ〔°〕とし、前記液晶セルのセルギャップをＣＧ〔μｍ〕として、以下の条件式（１）及び（２）
   

   

   をともに満たす液晶表示装置。
2. 前記第１及び第２の水晶板の光学軸の極角が４５〜６５°であり、前記液晶セルのセルギャップが２．５〜３．５μｍである場合に、前記第１及び第２の水晶板のそれぞれの厚みｄは、３．５〜１１．３μｍである請求項１記載の液晶表示装置。
3. 請求項１及び請求項２のいずれか一項に記載の光変調用の液晶表示装置と、
   前記液晶表示装置を照明する照明装置と、
   前記液晶表示装置によって形成された画像を投射する投射レンズと
   を備えるプロジェクタ。

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