JP2009086000A - 液晶表示装置及び投射型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】垂直配向型液晶を用いる液晶表示装置において、４層化した液晶の配向条件を所定範囲に設定することで、Ａ成分を補償する位相補償用の波長板を用いなくても高いコントラストでの画像表示を可能にする。
【解決手段】液晶層１３ａ〜１３ｄのそれぞれは、その液晶層を狭持する入射側基板と出射側基板の平面にそれぞれ平行な方向であって、入射側基板へ入射する偏光光の振動方向に対して±４５°をなす方向を中心に±５°以内の角度範囲にある直線である基準線が、それぞれ９０°単位で互いに異なり、かつ、αとβをα＋β≦１０を満たす０又は正数としたときに、入射側の液晶配向方向を基準線に対していずれか一方の回転方向へ（φ/２）±α°の角度をなす方向に設定するとともに、出射側の液晶配向方向を基準線に対して回転方向とは逆の回転方向へ（φ/２）±β°の角度をなす方向にそれぞれ設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は液晶表示装置及び投射型表示装置に係り、特に画像表示装置に用いられる液晶表示装置とその液晶表示装置を用いた投射型表示装置に関する。

近年、液晶を用いた投射型表示装置はプレゼンテーションやホームシアターにおける大画面表示機器として使用される機会が多くなっており、各種の方式が開発されている。ところで、液晶表示装置においては液晶分子の複屈折性を利用して光の透過制御を行っているため、液晶の配向方式が画像の表示品質に大きく影響する。このため、従来から様々な動作モードでの配向方式が研究・提案されている。例えば、垂直配向型（ホメオトロピック配列モード）液晶は、高いコントラストが得られ、応答速度も速いことから注目されている。

すなわち、水平配向型（ホモジニアス配列モード）液晶では、各基板間に電圧を印加しない状態で液晶分子が基板面にほぼ水平に配列し、電圧を印加した状態で液晶分子がその誘電異方性に基づいて基板面に垂直に配列することにより、白／黒の表示を実現するが、垂直に配列した際にも各基板に施されている配向膜近傍の液晶分子は、水平に近い角度を保つため、位相差を生じて黒レベルを悪くする（すなわち、コントラストが悪くなる）という問題点がある。これに対して、上記の垂直配向型液晶では、負の誘電異方性により、各基板間に電圧を印加しない状態では、液晶分子が基板面にほぼ垂直な方向に配列し、電圧を印加した状態で基板面に水平に配列するために、高いコントラストが得られると共に、小さい駆動電力で速い動作速度が実現できるという利点がある。

しかし、垂直配向といえども、電圧を印加しない状態で各液晶分子に一定方向へ僅かな傾斜（プレチルト角）を与えておかなければ、各液晶分子の倒れる方向がばらばらになってディスクリネーションが発生して画質の劣化を招くことになる。なお、プレチルト角は、図１５に示すように、例えば、電圧が印加されていない状態において液晶分子の長軸方向と基板面との間のなす角度θpとして与えられる。ただし、プレチルト角は、図１５における基板面に対する垂線と液晶分子の長軸方向との間のなす角度θp’として定義される場合もある。また、図１５に図示されている角度αは、前記長軸を基板面へ投影させた方位と基板上の所定軸とがなす方位角であり、上下の各基板（入射側と出射側）の方位角の差がツイスト角に相当する。

例えば、対向する基板表面に電極を有する一対の基板と、一対の基板間に挟持される垂直配向型液晶分子を含む液晶層と、基板表面上の配向層とからなり、上記の一対の基板は、その一方に反射電極を有し、上記の配向層は、垂直配向型液晶分子のプレチルト方向を、一対の基板間で面内角度にして８０度〜１６０度ツイストするように配向処理されている構成の液晶表示装置が従来知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−７２２１７号公報

ところで、液晶表示素子において、プレチルト角θpの付与は表示画像のコントラストを低下させる要因となる。すなわち、高いコントラストを得るために垂直配向型液晶を用いても、ディスクリネーションの発生を防止するために液晶分子にプレチルト角θpを付与しておくと、位相のずれが発生して逆にコントラストの低下を招くことになる。

その問題に対して、通常は波長板を用いて位相のずれを補償することにより、高いコントラストが得られるようにしている。この位相補償のためには波長板は、その面内に複屈折の異方性をもつＡ成分（プレチルト角や液晶層の厚みによって生じる位相差）が必要である。ここで、波長板の平面をＸＹ平面とし、これに垂直な光の進行方向をＺ軸とし、ＸＹ平面の互いに直交する方向の主屈折率をｎｘ、ｎｙとし、Ｚ軸方向（厚さ方向）の主屈折率をｎｚとしたとき、ＸＹ平面内に軸を持つ複屈折がＡ成分（ｎｘとｎｙが等しくない）である。なお、ｎｘとｎｙとが等しく、ｎｚだけがｎｘ及びｎｙと等しくない複屈折はＣ成分という。

一方、液晶表示素子の製造においては、どうしても個別素子毎に液晶層の厚みやプレチルト角に誤差が生じ、補償すべきＡ成分が個別素子毎に異なるために、理想的な波長板を用いることが不可能である。また、液晶の屈折率及び屈折率の異方性はそれぞれ波長分散性（例えば、波長が短い方が液晶の屈折率の異方性が大きくなる）を有しており、前記波長板は、位相ずれの補償だけでなく、それも考慮した補償特性が要求され、必然的に材料の選択余地が小さくなるという不利がある。

本発明は以上の点に鑑みなされたもので、垂直配向型液晶を用いる液晶表示装置において、特に４層化した液晶の配向条件を所定範囲に設定することで、Ａ成分を補償する位相補償用の波長板を用いなくても高いコントラストでの画像表示を可能にする液晶表示装置及び投射型表示装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の液晶表示装置は、入射した光を変調して出射する液晶表示装置において、入射した光を変調する、誘電異方性が負のネマティック液晶からなる第１の液晶層を備えた液晶表示素子と、液晶表示素子を透過した変調光を順次透過させる、それぞれ誘電異方性が負のネマティック液晶からなる第２〜第４の液晶層と、液晶表示素子の光の入射側と、第４の液晶層の変調光の出射側とのうちのどちらか一方又は両方に配置された位相補償板とを備え、
上記第１〜第４の液晶層は、これら表面にそれぞれ平行な方向であって、光の振動方向に対して±４５°をなす方向を中心に±５°以内の角度範囲にある直線である基準線が、それぞれ９０°、１８０°又は２７０°互いに異なり、かつ、αとβをα＋β≦１０を満たす０又は正数としたときに、入射側の液晶配向方向が基準線に対していずれか一方の回転方向へ（φ／２）±α°（φはツイスト角）の角度をなす方向に設定されるとともに、出射側の液晶配向方向が基準線に対して回転方向とは逆の回転方向へ（φ／２）±β°の角度をなす方向に設定され、上記位相補償板は、その表面に沿って互いに直交する主屈折率をｎｘ、ｎｙ、及び厚さ方向の主屈折率をｎｚとするとき、ｎｘ＝ｎｙ≧ｎｚという条件を満たす構成であることを特徴とする。

また、上記の目的を達成するため、本発明の投射型表示装置は、光を放射する光源と、光源から放射された光から三原色の照明光を生成する照明光学系と、三原色の照明光を、各原色光毎に偏光して偏光光を生成する偏光子と、原色光毎に設けられ、原色光毎の偏光光を画像信号に応じてそれぞれ変調して出射する液晶表示装置と、原色光毎に設けられた液晶表示装置を透過した三原色の変調光の所定の偏光光成分を、原色光毎に透過させる検光子と、検光子を透過した三原色光をそれぞれ合成する合成プリズムと、合成プリズムで合成して得られた合成光を表示面に投影する投射レンズとを備え、
原色光毎に設けられた液晶表示装置は、偏光子で生成された偏光光を変調する、誘電異方性が負のネマティック液晶からなる第１の液晶層を備えた液晶表示素子と、液晶表示素子を透過した変調光を順次透過させる、それぞれ誘電異方性が負のネマティック液晶からなる第２〜第４の液晶層と、液晶表示素子の偏光光の入射側と、第４の液晶層の変調光の出射側とのうちのどちらか一方又は両方に配置された位相補償板とを備え、
上記第１〜第４の液晶層は、これら表面にそれぞれ平行な方向であって、光の振動方向に対して±４５°をなす方向を中心に±５°以内の角度範囲にある直線である基準線が、それぞれ９０°、１８０°又は２７０°互いに異なり、かつ、αとβをα＋β≦１０を満たす０又は正数としたときに、入射側の液晶配向方向が基準線に対していずれか一方の回転方向へ（φ／２）±α°（φはツイスト角）の角度をなす方向に設定されるとともに、出射側の液晶配向方向が基準線に対して回転方向とは逆の回転方向へ（φ／２）±β°の角度をなす方向に設定され、上記位相補償板は、その表面に沿って互いに直交する主屈折率をｎｘ、ｎｙ、及び厚さ方向の主屈折率をｎｚとするとき、ｎｘ＝ｎｙ≧ｎｚという条件を満たす構成であることを特徴とする。

この発明では、液晶表示装置として第１の発明の構成の液晶表示装置を用いることにより、バランスのとれた視野角特性を得ることができ、更に位相補償板を設けることにより、より高コントラストを実現できる。

本発明によれば、光学系によって偏光光が入射される素子である場合に、臨界的意義を有して高いコントラストでの画像表示を可能にし、垂直配向型液晶（誘電異方性が負のネマティック液晶）を用いた場合でも、液晶表示素子毎に異なるＡ成分を補償する必要がなく、Ａ成分補償用の波長板を用いずに極めて高いコントラストを実現できる。

また、本発明の投射型表示装置によれば、３原色（Ｒ,Ｇ,Ｂ）に係る変調光を合成してカラー画像を得る投射型表示装置において、色相互間の表示特性の差を無くして、装置毎の画像表示品質を高く保って安定化できる。

次に、本発明になる液晶表示装置及び投射型表示装置の各実施例について図面を参照して詳細に説明する。

まず、図１〜図９を参照して、本発明になる液晶表示装置の実施例１を説明する。図１は本発明になる液晶表示装置の実施例１を適用した投射型表示装置のうちの単色処理部の光学系の概略構成を示す。

図１に示すように、単色処理部は、主として、実施例１の構造の液晶表示素子１ａと、液晶表示素子１ａの光入射側に設けられた第１の偏光板（偏光子）２と、液晶表示素子１ａの光出射側に設けられた補償用液晶素子４ａと、補償用液晶素子４ａの光出射側に設けられた位相補償板５と、位相補償板５の光出射側に設けられた第２の偏光板（検光子）３とから構成される。本実施例１の液晶表示装置は、液晶表示素子１ａと、補償用液晶素子４ａと、位相補償板５とよりなる。

液晶表示素子１ａは、主として、透明電極１２が表面に形成され、第１の偏光板（偏光子）２を透過した偏光光が垂直に入射する第１の基板１１ａと、画素毎の透明電極と駆動回路をマトリクス状に配置した構造のアクティブマトリクス基板１４を表面に形成し、かつ、そのアクティブマトリクス基板１４が透明電極１２に離間対向するように配置された第２の基板１１ｂと、透明電極１２とアクティブマトリクス基板１４との間に配置され、第１の基板１１ａ及び透明電極１２をそれぞれ透過して入射された偏光光を変調してアクティブマトリクス基板１４に入射する第１の液晶層１３ａとを備えた構成である。また、液晶層１３ａの透明電極１２側とアクティブマトリクス基板１４側における各表面には、図示していないが蒸着表面処理方法によりＳiＯx化合物の配向膜が形成されており、液晶に所定の配向条件が付与されている。

また、補償用液晶素子４ａは、主として、第３の基板１１ｃ、第２の液晶層１３ｂ、第４の基板１１ｄ、第５の基板１１ｅ、第３の液晶層１３ｃ、第６の基板１１ｆ、第７の基板１１ｇ、第４の液晶層１３ｄ、第８の基板１１ｈからなる構成である。ここで、第３の基板１１ｃと第４の基板１１ｄとは離間対向配置され、それらの間に第２の液晶層１３ｂが挟持されている。同様に、第５の基板１１ｅと第６の基板１１ｆとは離間対向配置され、それらの間に第３の液晶層１３ｃが挟持され、第７の基板１１ｇと第８の基板１１ｈとは離間対向配置され、それらの間に第４の液晶層１３ｄが挟持されている。また、第２の基板１１ｂと第３の基板１１ｃとの間、第４の基板１１ｄと第５の基板１１ｅとの間、及び第６の基板１１ｆと第７の基板１１ｇとの間には間隙がそれぞれ設けられている。

なお、第３の基板１１ｃと第４の基板１１ｄの第２の液晶層１３ｂ側表面、第５の基板１１ｅと第６の基板１１ｆの第３の液晶層１３ｃ側表面、及び第７の基板１１ｇと第８の基板１１ｈの第４の液晶層１３ｄ側表面には、それぞれ図示していないが蒸着表面処理方法によりＳiＯx化合物の配向膜が形成されている。そして、液晶層１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄには、誘電異方性が負であるネマティック液晶であって、複屈折度Δｎが光の波長を５５０ｎｍ（Green）とした場合に０.１５程度のものが適用されており、液晶表示素子１ａはノーマリーブラックモードとして使用される。

以上の基本的構成を有する液晶表示素子の液晶配向方向を検討するために、照明光の波長λ、液晶分子のプレチルト角θp、ツイスト角φ、液晶層１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄの各基板に直交する方向の厚み（以下、「セル厚」という）ｄを各種条件で変化させて、第２の偏光板（検光子）３を透過した透過変調光（Ｓ偏光）の出力を測定するという各実験を行って、下記のような結論を得た。

なお、この実施例１における「ツイスト角：φ」は、図２に示すように、入射偏光光（Ｐ偏光）の振動方向と４５°をなす方向（この方向を基準方向と呼び、この基準方向に沿った線を基準線と呼ぶ）を中心として時計回り方向へφ／２の角度をなす方向に点線矢印で示す出射側液晶配向方向を設定すると共に、基準線を中心として反時計回り方向へφ／２の角度をなす方向に実線矢印で示す入射側液晶配向方向を設定した場合に、それらの各液晶配向方向のなす角度として定義するものとする。

ここで、図３に示すように同図（Ａ）の配向条件は、光学的には同図（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）のように、基準線を９０°，１８０°，２７０°回転させた関係での各液晶配向条件と等価である。また、ツイスト角φについては、図２に示したように、入射偏光光（Ｐ偏光）の振動方向と４５°をなす基準線に対して時計回りと反時計回りにφ／２の角度をなす方向にそれぞれ出射側液晶配向方向と入射側液晶配向方向をとり、それら各方向のなす角度として定義しているが、この基準線の入射偏光光（Ｐ偏光）の振動方向に対する前記角度４５°は±５°の範囲をもたせてもよい。

なお、ツイスト角φは、単に入射側液晶配向方向と出射側液晶配向方向とが基準線に対してそれぞれ（φ／２）°の角度範囲で設定されるだけでなく、αとβを｜±α±β｜≦１０（符号順不同）を満たす０又は正数として、入射側液晶配向方向が基準線となす角度を（（φ／２）±α）°、出射側液晶配向方向が基準線となす角度を（（φ／２）±β）°として設定することができる。なお、この基準線とのなす角度を設定するパラメータα、βについては、好ましくは、α＋β≦１０に設定される。

上記の実験により液晶層１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄの視野角特性の検討を行った。本発明が目的とする「Ａ成分を補償する位相補償用の波長板を用いなくても高いコントラストでの画像表示を可能にする」ためには視野角特性のうち「偏りの無い事」が求められる。

図４は、図３（Ａ）で液晶配向のツイスト角φを９０°にした場合の液晶層の視野角特性を示し、図５は、図３（Ｃ）で液晶配向のツイスト角φを９０°にした場合の液晶層の視野角特性を示す。図４、図５及び後述する視野角特性は、半径方向が入射角を示しており、最外周が入射角２０°を示しており、また、０°、９０°、１８０°、２７０°は方位角を示している。なお、視野角特性において、最も小さな径の閉曲線は0.000010、その外側の閉曲線は外側に行くほど0.000050、0.000100、0.000500の視野角特性を示し、更にその外側の閉曲線又は曲線はそれぞれ0.001000、0.005000、0.010000の視野角特性を示す（後述する他の視野角特性も同様）。

図４及び図５に示す視野角特性は、いずれも図２で定義した基準線の方向に分布が偏っていることが分かる。また、図３（Ｂ）および（Ｄ）で液晶配向のツイスト角φを９０°にした場合の視野角特性は、図４、図５とは直交した方向に偏った分布となる。

図６は、入射偏光光を図３（Ａ）に示す液晶配向方向の液晶層と、図３（Ｃ）に示す液晶配向方向の液晶層とを順番に透過させる２層化した透過液晶素子の視野角特性を示す。図６に示すように、２つの液晶層で基準軸方向とその垂直方向の分布状態が異なるため、どちらかに合わせた補償を施すと他方の漏れ光がコントラストを悪化させてしまう。

これに対して、図７は、図３（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）にそれぞれ示す各液晶配向方向の４つの液晶層を重ね合わせた４層構造とした透過液晶素子の視野角特性を示す。図７に示す視野角特性は、本発明の目的に合ったバランスのとれた視野角特性である。

また、図８は、図７と同様に４層構造とした場合の視野角特性であるが、各々の液晶層のツイスト角φを６０°にした場合の視野角特性である。この図８に示す視野角特性は、図７に示した視野角特性と同様のバランスのとれた視野角特性であることから、バランスのとれた視野角特性を得るにはツイスト角に因らないことが分かる。

ただし、図７および図８においては、４５°、１３５°、２２５°、３１５°の各方向で図６に比べて光漏れが多く、高コントラストを得ることは難しい。そこで、図１に示すように位相補償板５を用いて位相補償した視野角特性を図９に示す。この図９に示す視野角特性は、図７および図８の視野角特性よりもバランスは崩れるが僅かであり、図４〜図８のどれよりも視野角特性が良くなっていることが分かる。なお、視野角特性において、内側から４番目と３番目の0.000500、0.000100の閉曲線は、コントラストでそれぞれ２０００：１、１００００：１であり、液晶表示装置への最大入射角はこの程度のコントラストが得られる入射角に設定される。

以上の結果に基づき、本実施例では、第１の液晶層１３ａは、第１及び第２の基板１１ａ及び１１ｂの表面にそれぞれに平行な方向であって、第１の基板１１ａへ入射する偏光光の振動方向に対して±４５°をなす方向を中心に±５°以内の角度範囲にある直線を第１の基準線とし、かつ、α１とβ１をα１＋β１≦１０を満たす０又は正数としたときに、第１の基板１１ａ側の入射側液晶配向方向を上記基準線に対していずれか一方の回転方向へ（φ１/２）±α１度の角度をなす方向に設定するとともに、第２の基板１１ｂ側の出射側液晶配向方向を上記基準線に対して上記の回転方向とは逆の回転方向へ（φ１/２）±β１度の角度をなす方向に設定する。

また、第２の液晶層１３ｂは、第３及び第４の基板１１ｃ及び１１ｄの表面にそれぞれに平行な方向であって、上記の第１の基準線に対して時計方向に９０°回転した第２の基準線とし、かつ、α２とβ２をα２＋β２≦１０を満たす０又は正数としたときに、第３の基板１１ｃ側の入射側液晶配向方向を上記第２の基準線に対していずれか一方の回転方向へ（φ２/２）±α２度の角度をなす方向に設定するとともに、第４の基板１１ｄ側の出射側液晶配向方向を第２の基準線に対して上記回転方向とは逆の回転方向へ（φ２/２）±β２度の角度をなす方向に設定する。

また、第３の液晶層１３ｃは、第５及び第６の基板１１ｅ及び１１ｆの表面にそれぞれ平行な方向であって、上記第２の基準線に対して時計方向に９０°回転した第３の基準線とし、かつ、α３とβ３をα３＋β３≦１０を満たす０又は正数としたときに、第５の基板１１ｅ側の入射側液晶配向方向を上記第３の基準線に対していずれか一方の回転方向へ（φ３/２）±α３度の角度をなす方向に設定するとともに、第６の基板１１ｆ側の出射側液晶配向方向を第３の基準線に対して上記回転方向とは逆の回転方向へ（φ３/２）±β３度の角度をなす方向に設定する。

更に、第４の液晶層１３ｄは、第７及び第８の基板１１ｇ及び１１ｈの表面にそれぞれ平行な方向であって、上記第３の基準線に対して時計方向に９０°回転した第４の基準線とし、かつ、α４とβ４をα４＋β４≦１０を満たす０又は正数としたときに、第７の基板１１ｇ側の入射側液晶配向方向を上記第４の基準線に対していずれか一方の回転方向へ（φ４/２）±α４度の角度をなす方向に設定するとともに、第８の基板１１ｈ側の出射側液晶配向方向を第４の基準線に対して上記回転方向とは逆の回転方向へ（φ４/２）±β４度の角度をなす方向に設定する。

なお、位相補償板５は、面内の互いに直交する主屈折率をｎｘ、ｎｙとし、厚さ方向の主屈折率をｎｚとしたとき、ｎｘ＝ｎｙ≧ｎｚという条件を満たすことが望ましい。これは位相補償板における補償のための位相差は、入射偏光光の入射角が大きくなると増大するが、同じ位相差ΔＰ（＝２π（ｎｘ−ｎｚ）・（ｄ／λ）；ただし、ｄは膜厚、λは偏光光の波長）であっても、面内での平均的な屈折率が（ｎｘ＋ｎｙ）／２が大きい場合には、スネルの法則に基づいて、位相補償板５を通過する際の屈折率が小さくなり、結果的に位相補償の実効性が小さくなるからである。なお、ｎｚがｎｘ、ｎｙよりも小さい位相補償板は、ネガティブＣプレート(Negative C-plate)と呼ばれる。

これにより、本実施例によれば、光学系によって偏光光が入射される素子である場合に、臨界的意義を有して高いコントラストでの画像表示を可能にする。垂直配向型液晶（誘電異方性が負のネマティック液晶）を用いた場合には、ディスクリネーションの発生を防止するために液晶分子にプレチルト角θpを付与しておく必要があり、従来の液晶表示装置ではそれによって位相のずれが発生して逆にコントラストの低下を招き、波長板によって位相のずれを補償しなければならなかったが、本実施例によれば、液晶表示素子毎に異なるＡ成分を補償する必要がなく、Ａ成分補償用の波長板を用いずに極めて高いコントラストを実現できる。

なお、位相補償板５は第８の基板１１ｈと偏光板（検光子）３との間に設けられているが、偏光板（偏光子）２と第１の基板１１ａとの間に設けてもよく、更には両方に設けてもよい。

次に、本発明になる液晶表示装置の実施例２を説明する。

図１０は、本発明になる液晶表示装置の実施例２を適用した投射型表示装置のうちの単色処理部の光学系の概略構成を示す。同図中、図１と同一構成部分には同一符号を付し、その説明を省略する。図１０に示すように、本実施例は図１の液晶表示素子１ａと補償用液晶素子４ａとを一体化した構成の液晶表示素子１ｂを設けたものである。すなわち、本実施例の液晶表示装置は、液晶表示素子１ｂと位相補償板５とからなる。

ここで、液晶表示素子１ｂは、透明電極１２を表面に形成した第１の基板１１ａと、画素毎の透明電極と駆動回路をマトリクス状に配置した構造のアクティブマトリクス基板１４を表面に形成し、かつ、そのアクティブマトリクス基板１４が透明電極１２に離間対向するように配置した第２の基板１１ｂと、透明電極１２とアクティブマトリクス基板１４との間に配置され、第１の基板１１ａ及び透明電極１２をそれぞれ透過して入射された偏光光を変調してアクティブマトリクス基板１４に入射する第１の液晶層１３ａと、第２の基板１１ｂと第３の基板１１ｉとの間に配置された第２の液晶層１３ｂと、第３の基板１１ｉと第４の基板１１ｊとの間に配置された第３の液晶層１３ｃと、第４の基板１１ｊと第５の基板１１ｋとの間に配置された第４の液晶層１３ｄとからなる一体化構成である。位相補償板５は第５の基板１１ｋと偏光板（検光子）３との間に設けられているが、偏光板（偏光子）２と第１の基板１１ａとの間に設けてもよく、更には両方に設けてもよい。

本実施例も実施例１と同様の効果が得られる。更に、実施例１のように液晶層１３ａ〜１３ｄが独立した構成であると、それらを回転調整して前記基準線の位相差を９０°毎に管理しないと所期の効果が得られないが、本実施例では液晶表示素子１ｂを一体化構成とするときに、装置の精度で４つの液晶層の液晶の配向角を管理することができるという効果がある。

次に、本発明になる液晶表示素子の実施例３を説明する。

図１１は、本発明になる液晶表示装置の実施例３を適用した投射型表示装置のうちの単色処理部の光学系の概略構成を示す。同図中、図１と同一構成部分には同一符号を付し、その説明を省略する。図１１に示すように、本実施例の液晶表示装置は、液晶表示素子１ａと、図１の補償用液晶素子４ａを一体化構成とした補償用液晶素子４ｂと、位相補償板５とからなる。

図１１において、補償用液晶素子４ｂは、第３の基板１１ｃと第３の基板１１ｄとの間に配置された第２の液晶層１３ｂと、第４の基板１１ｄと第５の基板１１ｍとの間に配置された第３の液晶層１３ｃと、第５の基板１１ｍと第６の基板１１ｎとの間に配置された第４の液晶層１３ｄとからなる一体化構成である。位相補償板５は第６の基板１１ｎと偏光板（検光子）３との間に設けられているが、偏光板（偏光子）２と第１の基板１１ａとの間に設けてもよく、更には両方に設けてもよい。

本実施例も実施例１と同様の効果が得られる。更に、液晶表示素子１ａには、基板にそれぞれ透明電極１２とアクティブマトリクス基板１４を形成しているので、液晶配向のバラツキが生じるが、本実施例では、このバラツキに合わせて補償用液晶素子４ｂの角度を僅かに調整して最適化することができるという効果が得られる。

次に、本発明になる液晶表示装置の実施例４を説明する。

図１２は本発明になる液晶表示装置の実施例４を適用した投射型表示装置のうちの単色処理部の光学系の概略構成を示す。同図中、図１、図１１と同一構成部分には同一符号を付し、その説明を省略する。図１２に示すように、本実施例の液晶表示装置は、液晶表示素子１ｃと、補償用液晶素子４ｃと位相補償板５とからなる。

本実施例は、図１の補償用液晶素子４ａを、液晶表示素子１ａの液晶配向における前記基準線に対して、基準線の方向が１８０°方向にある第１の補償用液晶層と、基準線の方向がこれらに直交する方向の第２の補償用液晶層とに分け、第１の補償用液晶層を液晶表示素子と一体化して液晶表示素子１ｃとすると共に、第２の補償用液晶層を一体化した補償用液晶素子４ｃを設けたものである。

すなわち、液晶表示素子１ｃは、第２の基板１１ｂのアクティブマトリクス基板１４が形成されていない方の表面と第３の基板１１ｃとの間に第２の液晶層１３ｂを配置した構成である。また、補償用液晶素子４ｃは、第４の基板１１ｄと第５の基板１１ｏとの間に第３の液晶層１３ｃが配置され、第５の基板１１ｏと第６の基板１１ｐとの間に第４の液晶層１３ｄが配置された一体化構成である。ここで、液晶層１１ａが図３（Ａ）に示した液晶配向方向であるものとすると、液晶層１１ｂは図３（Ｃ）に示した液晶配向方向であり、液晶層１１ｃ及び１１ｄは、図３（Ｂ）、（Ｄ）にそれぞれ示す各液晶配向方向の液晶層である。

なお、位相補償板５は第６の基板１１ｐと偏光板（検光子）３との間に設けられているが、偏光板（偏光子）２と第１の基板１１ａとの間、又は第３の基板１１ｃと第４の基板１１ｄとの間に設けてもよく、更にはいずれか二以上の個所に設けてもよい。

本実施例も実施例１と同様の効果が得られる。更に、１８０°対向の２つの液晶層による光漏れの分布は図６に示したように長軸と短軸が直交する形になるので、本実施例のように液晶層２層毎に一体化したもの（液晶表示素子１ｃと補償用液晶素子４ｃ）同士の相対的な角度を調整する方が他の実施例よりも容易にできるという効果が得られる。

（投射型表示装置の実施の形態）
次に、本発明になる投射型表示装置の一実施の形態について図１３と図１４を参照して説明する。図１３は本発明になる投射型表示装置の一実施の形態の全体構成図、図１４は図１３中の３色の単色処理部及び色合成プリズムからなる色合成光学系の概略構成図を示す。図１３において、ダイクロイックＸキューブ１１３が、図１４に示す色合成光学系を構成しており、上述した実施例１〜４のいずれかの構成の液晶表示素子が用いられている。

図１３において、ランプ１０１から出射された白色光の照明光は、レンズアレイ１０２、１０３を透過してＰＢＳアレイ１０４に入射し、ここで所定の直線偏光成分が透過され、更にミラー１０５で全反射されて光路が変えられた後、ダイクロイックミラー１０６に入射する。ダイクロイックミラー１０６は、入射光の赤色光波長成分を透過し、それ以外の波長光成分は反射してダイクロイックミラー１０７に入射する。ダイクロイックミラー１０７は、入射光の緑色光波長成分を反射し、それ以外の青色光波長成分は透過する。青色光波長成分は、レンズ１０８、ミラー１０９、レンズ１１０を経てミラー１１１で全反射される。ミラー１１１、１１２でそれぞれ反射された青色光波長成分、赤色光波長成分と、ダイクロイックミラー１０７で反射された緑色光波長成分とは、それぞれ図１４に示す構成のダイクロイックＸキューブ１１３に入射する。

ダイクロイックＸキューブ１１３は、主として、図１４に示すように、赤色光Ｒを透過させるダイクロフィルタ６Ｒ、偏光板（偏光子）２Ｒ、液晶表示素子及び補償用液晶素子７Ｒ、位相補償板５Ｒ及び偏光板（検光子）３Ｒからなる赤色光処理部と、緑色光Ｇを透過させるダイクロフィルタ６Ｇ、偏光板（偏光子）２Ｇ、液晶表示素子及び補償用液晶素子７Ｇ、位相補償板５Ｇ及び偏光板（検光子）３Ｇからなる緑色光処理部と、青色光Ｂを透過させるダイクロフィルタ６Ｂ、偏光板（偏光子）２Ｂ、液晶表示素子及び補償用液晶素子７Ｂ、位相補償板５Ｂ及び偏光板（検光子）３Ｂからなる青色光処理部と、これら偏光板（検光子）３Ｒ、３Ｇ、３Ｂから出力された赤色光波長、緑色光波長、青色光波長の各透過変調光が入射され、これらを色合成して出力する色合成プリズム８とからなる。

図１３のミラー１１１、１１２でそれぞれ反射された青色光波長成分、赤色光波長成分は図１４のダイクロフィルタ６Ｂ、６Ｒで青色光Ｂ、赤色光Ｒのみが透過され、図１３のダイクロイックミラー１０７で反射された緑色光波長成分は図１４のダイクロフィルタ６Ｇで緑色光Ｇのみが透過される。図１４において、ダイクロフィルタ６Ｂ、６Ｒ、６Ｇを透過した青色光Ｂ、赤色光Ｒ、緑色光Ｇは、それぞれ偏光子２Ｂ、２Ｒ、２ＧによってＰ偏光にされ、このＰ偏光が液晶表示素子及び補償用液晶素子７Ｒ、７Ｇ、７Ｂによってそれぞれ互いに独立して位相変調されて変調光となり、この変調光が位相補償板５Ｂ、５Ｒ、５Ｇによってそれぞれ位相補償された後、そのＳ偏光成分が検光子３Ｂ、３Ｒ、３Ｇを透過して、それぞれの強度分布が青色画像、赤色画像、緑色画像となって色合成プリズム８に入射して色合成される。

ここで、上記の青色光処理部、赤色光処理部、緑色光処理部のそれぞれは、上記の実施例１〜４のうちのいずれか一の実施例の単色処理部の光学系の構成とされている。すなわち、偏光子と、その偏光子からの偏光光を垂直に入射させる入射側基板と、偏光光を出射する出射側基板とが離間対向配置され、かつ、入射側基板と出射側基板との間に狭持配置されて入射偏光光を変調する誘電異方性が負のネマティック液晶からなる液晶層とを一組とする液晶素子部を、４組重ね合わせた４層構造とすると共に、入射偏光光の位相補償を行う位相補償板を備えた液晶表示装置、位相補償板を透過した変調光の所定偏光光成分を透過させる検光子とからなり、４組の液晶素子部の各液晶層は、その液晶層を狭持する前記入射側基板と前記出射側基板の平面にそれぞれ平行な方向であって、入射側基板へ入射する偏光光の振動方向に対して±４５°をなす方向を中心に±５°以内の角度範囲にある直線である基準線が、それぞれ９０°単位で互いに異なり、かつ、αとβをα＋β≦１０を満たす０又は正数としたときに、入射側の液晶配向方向を前記基準線に対していずれか一方の回転方向へ（φ/２）±α°（φはツイスト角）の角度をなす方向に設定するとともに、出射側の液晶配向方向を基準線に対して前記回転方向とは逆の回転方向へ（φ/２）±β°の角度をなす方向にそれぞれ設定し、また、位相補償板は、第一組の液晶素子部の入射側基板の入射側と、第四組の液晶素子部の出射側基板の出射側とのうちのどちらか一方又は両方に配置されており、面内の互いに直交する主屈折率をｎｘ、ｎｙ、及び厚さ方向の主屈折率をｎｚとするとき、ｎｘ＝ｎｙ≧ｎｚという条件を満たす構成であるため、高いコントラストの高画質の各原色光のＳ偏光成分を出力することができる。色合成プリズム８により合成されたＳ偏光成分は、図１３のプロジェクションレンズ１１４によりスクリーン（図示せず）上にカラー画像として投影表示される。

本実施の形態によれば、３原色（Ｒ,Ｇ,Ｂ）に係る変調光を合成してカラー画像を得る投射型表示装置において、液晶表示装置として実施例１〜４のうちのいずれかの実施例の液晶表示装置を用いることにより、各原色画像の高コントラストを実現できるので、色相互間の表示特性の差を無くして、装置毎の画像表示品質を高く保って安定化できる。

なお、本発明は以上の実施例及び実施の形態に限定されるものではなく、例えば、液晶層１３ａと、液晶層１３ａの液晶配向方向における基準線に対して基準線が９０°異なる液晶層１３ｂと、液晶層１３ａの上記基準線に対して基準線が１８０°異なる液晶層１３ｃと、液晶層１３ａの上記基準線に対して基準線が２７０°異なる液晶層１３ｄの配置順は、実施例１〜４に限定されるものではなく、これらの配置順は任意に組み合わせることが可能である。

本発明の実施例１に係る液晶表示装置を用いた投射型表示装置の単色処理部の光学系の概略構成図である。 入射偏光光の振動方向に対する出射側液晶配向方向と入射側液晶配向方向の関係を示す説明図である。 実験結果に基づいた理想的な液晶配向条件（Ａ）及びそれと等価な液晶配向条件（Ｂ）〜（Ｄ）を示す説明図である。 図３（Ａ）に対応する単層の透過型液晶素子の視野角特性を示す図である。 図３（Ｃ）に対応する単層の透過型液晶素子の視野角特性を示す図である。 出射側液晶配向を図３（Ａ）とし、入射側液晶配向を図３（Ｃ）とした場合の２層液晶素子の視野角特性を示す図である。 図３（Ａ）〜（Ｄ）に対応する配向の４つの液晶層を組み合わせた視野角特性を示す図である。 図３（Ａ）〜（Ｄ）に対応する液晶層の配向で、かつ、液晶層のツイスト角φを６０°にした場合の４つの液晶層を組み合わせた視野角特性を示す図である。 図３（Ａ）〜（Ｄ）に対応する４つの液晶層の配向を組み合わせ、かつ、位相補償板を適用した視野角特性を示す図である。 本発明の実施例２に係る液晶表示装置を用いた投射型表示装置の単色処理部の光学系を示す図である。 本発明の実施例３に係る液晶表示装置を用いた投射型表示装置の単色処理部の光学系を示す図である。 本発明の実施例４に係る液晶表示装置を用いた投射型表示装置の単色処理部の光学系の概略構成図である。 本発明の投射型表示装置の光学系の一実施の形態を示す構成図である。 図１３中の単色処理部及び色合成プリズムからなる色合成光学系の概略構成の一例を示す図である。 液晶分子のプレチルト角θpと方位角αとを示す模式的に説明する図である。

符号の説明

１ａ、１ｂ、１ｃ 液晶表示素子
２ 偏光板（偏光子）
３ 偏光板（検光子）
４ａ、４ｂ、４ｃ 補償用液晶素子
５ 位相補償板
６Ｒ、６Ｇ、６Ｂ ダイクロフィルタ
７Ｒ、７Ｇ、７Ｂ 液晶表示素子及び補償用液晶素子
８ 合成プリズム
１１ａ〜１１ｐ 基板
１２ 透明電極
１３ａ 第１の液晶層
１３ｂ 第２の液晶層
１３ｃ 第３の液晶層
１３ｄ 第４の液晶層
１４ アクティブマトリクス基板
１１３ ダイクロイックＸキューブ

Claims (4)

1. 入射した光を変調して出射する液晶表示装置において、
   前記入射した光を変調する、誘電異方性が負のネマティック液晶からなる第１の液晶層を備えた液晶表示素子と、
   前記液晶表示素子を透過した変調光を順次透過させる、それぞれ誘電異方性が負のネマティック液晶からなる第２〜第４の液晶層と、
   前記液晶表示素子の前記光の入射側と、前記第４の液晶層の前記変調光の出射側とのうちのどちらか一方又は両方に配置された位相補償板と、
   を備え、
   前記第１〜第４の液晶層は、これら表面にそれぞれ平行な方向であって、前記光の振動方向に対して±４５°をなす方向を中心に±５°以内の角度範囲にある直線である基準線が、それぞれ９０°、１８０°又は２７０°互いに異なり、かつ、αとβをα＋β≦１０を満たす０又は正数としたときに、入射側の液晶配向方向が前記基準線に対していずれか一方の回転方向へ（φ／２）±α°（φはツイスト角）の角度をなす方向に設定されるとともに、出射側の液晶配向方向が前記基準線に対して前記回転方向とは逆の回転方向へ（φ／２）±β°の角度をなす方向に設定され、
   前記位相補償板は、その表面に沿って互いに直交する主屈折率をｎｘ、ｎｙ、及び厚さ方向の主屈折率をｎｚとするとき、ｎｘ＝ｎｙ≧ｎｚという条件を満たす構成であることを特徴とする液晶表示装置。
2. 前記第１の液晶層の一方の側には、規則的に配列された光透過性を有する複数の画素電極と、前記第１の液晶層の液晶を駆動する駆動回路とを備えた光透過性の第１の基板が設けられ、
   前記第１の液晶層の他方の側には、前記複数の画素電極に共通の光透過性を有する共通電極を備えた光透過性の第２の基板が設けられ、
   前記第１の液晶層を前記駆動回路により前記画素電極毎に駆動することによって、前記第１の液晶層に入射した光を前記画素電極毎に変調することを特徴とする請求項１記載の液晶表示装置。
3. 光を放射する光源と、
   前記光源から放射された光から三原色の照明光を生成する照明光学系と、
   前記三原色の照明光を、各原色光毎に偏光して偏光光を生成する偏光子と、
   前記原色光毎に設けられ、前記原色光毎の偏光光を画像信号に応じてそれぞれ変調して出射する液晶表示装置と、
   前記原色光毎に設けられた液晶表示装置を透過した三原色の変調光の所定の偏光光成分を、原色光毎に透過させる検光子と、
   前記検光子を透過した前記三原色光をそれぞれ合成する合成プリズムと、
   前記合成プリズムで合成して得られた合成光を表示面に投影する投射レンズと、
   を備え、
   前記原色光毎に設けられた前記液晶表示装置は、
   前記偏光子で生成された前記偏光光を変調する、誘電異方性が負のネマティック液晶からなる第１の液晶層を備えた液晶表示素子と、
   前記液晶表示素子を透過した変調光を順次透過させる、それぞれ誘電異方性が負のネマティック液晶からなる第２〜第４の液晶層と、
   前記液晶表示素子の前記偏光光の入射側と、前記第４の液晶層の前記変調光の出射側とのうちのどちらか一方又は両方に配置された位相補償板と、
   を備え、
   前記第１〜第４の液晶層は、これら表面にそれぞれ平行な方向であって、前記光の振動方向に対して±４５°をなす方向を中心に±５°以内の角度範囲にある直線である基準線が、それぞれ９０°、１８０°又は２７０°互いに異なり、かつ、αとβをα＋β≦１０を満たす０又は正数としたときに、入射側の液晶配向方向が前記基準線に対していずれか一方の回転方向へ（φ／２）±α°（φはツイスト角）の角度をなす方向に設定されるとともに、出射側の液晶配向方向が前記基準線に対して前記回転方向とは逆の回転方向へ（φ／２）±β°の角度をなす方向に設定され、
   前記位相補償板は、その表面に沿って互いに直交する主屈折率をｎｘ、ｎｙ、及び厚さ方向の主屈折率をｎｚとするとき、ｎｘ＝ｎｙ≧ｎｚという条件を満たす構成であることを特徴とする投射型表示装置。
4. 前記第１の液晶層の一方の側には、規則的に配列された光透過性を有する複数の画素電極と、前記第１の液晶層の液晶を駆動する駆動回路とを備えた光透過性の第１の基板が設けられ、
   前記第１の液晶層の他方の側には、前記複数の画素電極に共通の光透過性を有する共通電極を備えた光透過性の第２の基板が設けられ、
   前記第１の液晶層を前記駆動回路により前記画素電極毎に駆動することによって、前記第１の液晶層に入射した光を前記画素電極毎に変調することを特徴とする請求項３記載の投射型表示装置。

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