JP2011076112A - 投射型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高いコントラストでの画像表示が可能な投射型表示装置を提供する。
【解決手段】投射型表示装置は、光源１０１と、照明光学系１０２と、偏光ビームスプリッタ１０７、１１２、１１５と、反射型液晶表示素子１０８、１１２、１１５と、投射光学系と、ｎｘ＝ｎｙ≧ｎｚかつ位相差を１００ｎｍ〜６５０ｎｍに設定した位相補償板１３１、１３２、１３３とを備える。反射型液晶表示素子のΔｎ・ｄは１５０ｎｍ〜５００ｎｍ、基板１１側液晶配向方向は、αとβを｜α｜＋｜β｜≦１０を満たす０または正数としたとき、基準方向に対して一方の回転方向へ（６０±α）°に設定し、基板１２側液晶配向方向を基準方向に対して前記方向とは逆方向へ（６０±β）°に設定する。基準方向は、基板１１、１２に平行方向で基板１１に入射する偏光光の振動方向に対して４５°、１３５°、２２５°、３１５°をなす方向を中心に±５°以内の角度範囲にある方向に設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、反射型液晶表示素子を利用した投射型表示装置に係り、特に、表示画像のコントラストを高くすることができる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。特に、反射型液晶表示素子は、透明電極を表面に形成した一方の基板と画素毎の反射電極と駆動回路をマトリクス状に配置した他方の基板とを対向させ、その対向面間に液晶層を挟持させた構造を有しており、液晶の駆動回路を表示画素の下側に配置させて作り込むことができることから、反射型液晶表示素子を用いた投射型表示装置では高解像度で明るい画像表示が可能である。

ところで、液晶表示素子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。反射型液晶表示素子においても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、下記非特許文献１にはＨＦＥ(Hybrid Field Effect)モード、ＭＴＮ(Mixed Twisted Nematic)モード、ＳＣＴＮ(Self-Compensated Twisted Nematic)モード、ＥＣＢ(Electrically Controlled Birefringence)モードでの各配向方式（入射偏光光の振動方向と入射側液晶配向と画素側液晶配向の関係）が紹介されており（図３１（Ａ）〜（Ｄ）参照）、下記特許文献１，２にはそれぞれ図３１（Ｅ），（Ｆ）に記載の配向方式が開示されている。

また、それらの動作モードと配向方式においても、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。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。水平配向型液晶では、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（即ち、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、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。

しかしながら、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３２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。但し、プレチルト角は、図３２における基板面の垂線からの角度θｐ’（＝９０−θｐ）として定義される場合もある。
また、図３２に記載されている角度αは液晶分子の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（入射側と画素側）の方位角の差がツイスト角に相当する。例えば、下記特許文献２では、プレチルト角θｐが７５〜８８°で、ツイスト角φが図３１（Ｆ）に示すように９０°である液晶の配向方式が開示されている。但し、特許文献２では、プレチルト角の定義が基板に立てた垂線に対する角度として与えられているため２〜１５°と記載されている。

特許第２６１６０１４号公報 米国特許出願公開第２００４／０１６５１２８号明細書 特開２００２−７２２１７号公報 Shin-Tson Wu and Deng-ke Yang著 「Reflective Liquid Crystal Displays」 JOHN WILEY & SONS, LTD ２００１年１月１日

ところで、反射型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。即ち、高いコントラストを得るために垂直配向型液晶を用いるが、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、通常は位相補償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。偏光素子としてマクニール（MacNeille）型またはワイヤグリッド（wire grid）型のいずれの偏光ビームスプリッタを用いる場合でも、上記の位相補償のためには位相補償板はその面内での複屈折の異方性であるＡ成分を有することが必要である。
一方、反射型液晶表示素子を製造するに際しては、如何にしても個別素子毎に液晶層の厚みやプレチルト角θpに誤差が生じ、補償すべき液晶表示素子としてのＡ成分（プレチルト角θpや液晶層の厚みによって生じる位相差）が個別素子毎に異なる。従って、理想的な位相補償板を用いることはほぼ不可能である。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、位相補償板は位相ずれの補償だけでなく、波長分散性も考慮した補償特性が要求され、必然的に位相補償板の材料の選択余地が小さくなるという問題があった。

そこで、本発明は、垂直配向液晶の配向条件が所定範囲に設定されている反射型液晶表示素子および、所定の位相差条件を有する位相補償板を採用して、高いコントラストで画像を表示させることができる投射型表示装置を提供することを目的とする。

本発明は、上述した従来の技術の課題を解決するため、光を放射する光源（１０１）と、前記光源から放射された光が入射される照明光学系（１０２）と、前記照明光学系によって照明される光を偏光して偏光光として生成すると共に、変調光と非変調光とを分離する偏光ビームスプリッタ（１０７，１１２，１１５，１５１〜１５３）と、前記偏光光を画像信号に応じて変調して前記偏光ビームスプリッタへと戻す反射型液晶表示素子（１０８，１１２，１１５）と、前記反射型液晶表示素子と前記偏光ビームスプリッタとの間に設けられ、面内の互いに直交する主屈折率をｎｘ，ｎｙ、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と共に、位相差を１００ｎｍ〜６５０ｎｍに設定した位相補償板である位相補償器（１３１，１３２，１３３）と、前記偏光ビームスプリッタにより分離された変調光を表示面に投射する投射レンズ（１１８）を含む投射光学系とを備え、前記反射型液晶表示素子は、透明電極が形成され、前記偏光ビームスプリッタにより偏光された偏光光が入射される第１の基板（１１）と、前記第１の基板と隙間を介して平行に対向配置され、画素毎の反射電極と駆動回路をマトリクス状に配置した構造を有し、前記第１の基板を介して入射された前記偏光光を反射して前記第１の基板を介して前記偏光ビームスプリッタへと射出させる第２の基板（１２）と、前記第１及び第２の基板間に挟持され、前記第１の基板を介して入射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液晶層（１３）とを備え、前記反射型液晶表示素子の複屈折率Δｎと前記液晶層の厚みｄの積であるリタデーションΔｎ・ｄが１５０ｎｍ〜５００ｎｍであり、前記第１及び第２の基板それぞれに平行な方向であって前記第１の基板に入射する偏光光の振動方向に対して４５°、１３５°、２２５°、３１５°をなす方向を中心に±５°以内の角度範囲にある方向を基準方向とし、かつ、αとβを｜α｜＋｜β｜≦１０を満たす０または正数としたとき、前記液晶層における前記第１の基板側での液晶配向方向を前記基準方向に対していずれか一方の回転方向へ（６０±α）°の角度をなす方向に設定すると共に、前記液晶層における前記第２の基板側の液晶配向方向を前記基準方向に対して前記回転方向とは逆の回転方向へ（６０±β）°の角度をなす方向に設定した構成を有することを特徴とする投射型表示装置を提供する。
ここで、α＝β＝０であることが好ましい。

また、本発明は、上述した従来の技術の課題を解決するため、光を放射する光源（１０１）と、前記光源から放射された光が入射される照明光学系（１０２）と、前記照明光学系によって照明される光を偏光して偏光光として生成すると共に、変調光と非変調光とを分離する偏光ビームスプリッタ（１０７，１１２，１１５，１５１〜１５３）と、前記偏光光を画像信号に応じて変調して前記偏光ビームスプリッタへと戻す反射型液晶表示素子（１０８，１１２，１１５）と、前記反射型液晶表示素子と前記偏光ビームスプリッタとの間に設けられ、面内の互いに直交する主屈折率をｎｘ，ｎｙ、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と共に、位相差を３００ｎｍ〜５００ｎｍに設定した位相補償板である位相補償器（１３１，１３２，１３３）と、前記偏光ビームスプリッタにより分離された変調光を表示面に投射する投射レンズ（１１８）を含む投射光学系とを備え、前記反射型液晶表示素子は、透明電極が形成され、前記偏光ビームスプリッタにより偏光された偏光光が入射される第１の基板（１１）と、前記第１の基板と隙間を介して平行に対向配置され、画素毎の反射電極と駆動回路をマトリクス状に配置した構造を有し、前記第１の基板を介して入射された前記偏光光を反射して前記第１の基板を介して前記偏光ビームスプリッタへと射出させる第２の基板（１２）と、前記第１及び第２の基板間に挟持され、前記第１の基板を介して入射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液晶層（１３）とを備え、前記反射型液晶表示素子の複屈折率Δｎと前記液晶層の厚みｄの積であるリタデーションΔｎ・ｄが３００ｎｍ〜４００ｎｍであり、前記第１及び第２の基板それぞれに平行な方向であって前記第１の基板に入射する偏光光の振動方向に対して４５°、１３５°、２２５°、３１５°をなす方向を中心に±５°以内の角度範囲にある方向を基準方向とし、かつ、αとβを｜α｜＋｜β｜≦１０を満たす０または正数としたとき、前記液晶層における前記第１の基板側での液晶配向方向を前記基準方向に対していずれか一方の回転方向へ（６０±α）°の角度をなす方向に設定すると共に、前記液晶層における前記第２の基板側の液晶配向方向を前記基準方向に対して前記回転方向とは逆の回転方向へ（６０±β）°の角度をなす方向に設定した構成を有することを特徴とする投射型表示装置を提供する。
ここで、α＝β＝０であることが好ましい。

上記の投射型表示装置において、前記第１及び第２の基板の対向方向における前記液晶層の厚さは３．５μｍ以下で、かつ前記液晶の分子の前記第１及び第２の基板の面からの角度として与えられるときのプレチルト角は７５°〜８５°であるか、前記第１及び第２の基板の対向方向における前記液晶層の厚さは２．６μｍ以下で、かつ前記液晶の分子の前記第１及び第２の基板の面からの角度として与えられるときのプレチルト角は７５°〜８７°であるか、前記第１及び第２の基板の対向方向における前記液晶層の厚さは２μｍ以下で、かつ前記液晶の分子の前記第１及び第２の基板の面からの角度として与えられるときのプレチルト角は７５°〜８８°であることが好ましい。

また、前記偏光ビームスプリッタは、ワイヤグリッド型偏光ビームスプリッタとマクニール型偏光ビームスプリッタとカーテシアン型偏光ビームスプリッタとのいずれかであることが好ましい。なお、ワイヤグリッド型偏光ビームスプリッタは特に好適である。

本発明によれば、垂直配向液晶の配向条件が所定範囲に設定されている反射型液晶表示素子を用い、所定の位相差条件を有する位相補償板を採用することにより、高いコントラストで画像を表示させることができる投射型表示装置を提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る反射型液晶表示素子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。 入射偏光光の振動方向に対する画素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。 反射型液晶表示素子について、照明光の波長、液晶分子のプレチルト角、及びセル厚を固定し、液晶分子のツイスト角をパラメータとしたときの、印加電圧とその出力（光量）との関係を示す特性図である。 反射型液晶表示素子について、照明光の波長、液晶分子のプレチルト角、及びセル厚を固定し、液晶分子のツイスト角をパラメータとしたときの、入力光のコーンアングルと平均的コントラスト比との関係を示す特性図である。 反射型液晶表示素子について、照明光の波長及び液晶分子のプレチルト角を固定し、セル厚をパラメータとしたときの、液晶分子のツイスト角とコントラスト比との関係を示す特性図である。 反射型液晶表示素子について、液晶分子のプレチルト角及びセル厚を固定し、照明光のＲ色，Ｇ色，Ｂ色のそれぞれの光をパラメータとしたときの、液晶分子のツイスト角と黒レベルとの関係を示す特性図である。 反射型液晶表示素子について、照明光の波長及びセル厚を固定し、プレチルト角をパラメータとしたときの、ツイスト角と黒レベルとの関係を示す特性図である。 反射型液晶表示素子について、照明光の波長及びセル厚を固定し、ツイスト角をパラメータとしたときの、プレチルト角と白レベルとの関係を示す特性図である。 反射型液晶表示素子において、プレチルト角θpが８６°以上である場合に、アクティブマトリクス基板における隣接画素の電圧差によりディスクリネーションが発生している状態を示す拡大図である。 反射型液晶表示素子について、照明光の波長及び液晶分子のプレチルト角を固定し、複屈折率Δｎ＝０．１３２に設定し、セル厚をパラメータとしたときの、液晶分子のツイスト角とコントラスト比との関係を示す特性図である。 反射型液晶表示素子について、照明光の波長及び液晶分子のプレチルト角を固定し、複屈折率Δｎ＝０．１５５に設定し、セル厚をパラメータとしたときの、液晶分子のツイスト角とコントラスト比との関係を示す特性図である。 実験結果に基づいた理想的な液晶配向条件それと等価な液晶配向条件を示す説明図である。 図１２の液晶配向条件と等価な液晶配向条件を示す説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る投射型表示装置で採用している開口絞り方式を示す説明図である。 第２の実施形態に係る投射型表示装置の概略を示す構成図である。 図１５に示す投射型表示装置を簡略化して模式的に説明する構成図である。 反射型液晶表示素子の視野角特性を説明するための図である。 従来のフライアイインテグレータ上の光源像を説明する図である。 第２の実施形態に係る投射型表示装置のフライアイインテグレータ上の光源像に基づく開口絞りの絞り特性を示す図である。 第２の実施形態に係る投射型表示装置のフライアイインテグレータ上の光源像に基づく開口絞りの絞り特性の別の例を示す図である。 第２の実施形態に係る投射型表示装置のフライアイインテグレータ上の光源像に基づく開口絞りの絞り特性のさらに別の例を示す図である。 第２の実施形態に係る投射型表示装置のフライアイインテグレータ上の光源像に基づく開口絞りの絞り特性のさらにまた別の例を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る投射型表示装置の単色処理部の光学系を示す図である。 第３の実施形態の投射型表示装置について、液晶層の液晶分子のプレチルト角及びセル厚を固定し、液晶層のツイスト角をパラメータとしたときの、位相補償板の位相差と黒状態における光漏れ量との関係を示す特性図である。 横軸に位相補償板に対する入射偏光光の基板面に対する入射角（ポーラアングル）を、縦軸にその入射角が０°の場合の位相差からの差分をとり、位相補償板のサンプルに係る計測値と、屈折率がｎｘ＝ｎｙ＝１.５２２５，ｎｚ＝１.５１５８６であって、位相差をパラメータとしたときのシミュレーション結果とを示す特性図である。 反射型液晶表示素子の複屈折率Δｎをある値に設定し、セル厚をパラメータとしたときの、位相補償板の位相差と光漏れとの関係を示す特性図である。 反射型液晶表示素子の複屈折率Δｎを別の値に設定し、セル厚をパラメータとしたときの、位相補償板の位相差と光漏れとの関係を示す特性図である。 反射型液晶表示素子の複屈折率Δｎを別の値に設定し、セル厚をパラメータとしたときの、位相補償板の位相差と光漏れとの関係を示す特性図である。 図２６，図２７，図２８の各曲線に基づいて求めた、各曲線の最小値をとる位相補償板の位相差（リターダンス）Ｒｔｈと液晶層のリタデーションΔｎ・dとの関係を示すグラフである。 第４の実施形態に係る投射型表示装置の概略を示す構成図である。 従来例で開示されている液晶の動作モードと配向方式を説明するための図である。 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ための図である。

以下、添付の図面を参照しながら、本発明の反射型液晶表示素子及び投射型表示装置の各種の実施形態を説明する。
＜第１の実施形態＞
まず、図１〜１３を参照して、第１の実施形態を説明する。図１は本発明の反射型液晶表示素子を適用した投射型表示装置の内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、この単色処理部は、反射型液晶表示素子１、ワイヤグリッド型偏光ビームスプリッタ（ＷＧ-ＰＢＳ）２、及び、検光子である偏光板３を備える。ＷＧ-ＰＢＳ２へ入射した照明光は、反射型液晶表示素子１への入射光となるＰ偏光と反射光となるＳ偏光に分離され、透過光であるＰ偏光が反射型液晶表示素子１へ垂直に入射される。反射型液晶表示素子１では入射したＰ偏光を画像信号に応じて変調し、その反射変調光はＷＧ-ＰＢＳ２へ戻る。ＷＧ-ＰＢＳ２では変調されたＳ偏光のみを反射して、Ｐ偏光は透過させて照明光に逆行した戻り光とする。ＷＧ-ＰＢＳ２で反射された変調Ｓ偏光は偏光板３を通じて色合成プリズム（図示せず）へ入射され、この色合成プリズムで他の２色に係る変調入射光と合成された後、投射レンズ（図示せず）によりスクリーンにカラー画像が投影表示される。

ここで、反射型液晶表示素子１は、上記のように、表面に透明電極を形成した透明基板１１と、画素毎の反射電極と駆動回路をマトリクス状に配置したアクティブマトリクス基板１２とを、透明電極と反射電極とが向き合うように互いに対向して配置させて、その隙間に液晶層１３を挟持させたものである。透明基板１１とアクティブマトリクス基板１２における液晶層１３側の各表面には蒸着表面処理方法によりＳｉＯｘ化合物の配向膜１４，１５が施されており、液晶に所定の配向条件が付与されている。そして、液晶層１３には、誘電異方性が負であるネマティック液晶であって、複屈折率Δｎが光の波長を５５０ｎｍ（Green）とした場合に０.０８５のものが適用されており、反射型液晶表示素子１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投射型表示装置の単色処理部において、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１３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、偏光板３を通過した反射光（Ｓ偏光）の出力を測定するという各実験を行った。なお、この実施形態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と反時計回り方向へφ／２の角度をなす方向にそれぞれ画素側液晶配向方向と入射側液晶配向方向とを設定した場合に、それらの各液晶配向方向のなす角度として定義する。

＜実験１＞
照明光の波長λ＝５５０ｎｍ、液晶分子のプレチルト角θｐ＝８２°、セル厚ｄ＝３．５μｍとして設定し、ツイスト角φをパラメータとして０°，３０°，６０°，９０°，１００°，１１０°，１２０°，１３０°，１５０°に選択したそれぞれの条件で、透明基板１１とアクティブマトリクス基板１２の全反射電極との間に印加する電圧を０〜５［Ｖ］の範囲で変化させ、その場合におけるＷＧ−ＰＢＳ２での反射光（Ｓ偏光）の光量を測定した。その結果は、図３に示されるような印加電圧−出力（光量）特性（但し、出力（光量）は対数目盛）となり、φ＝１２０°で最大のコントラストが得られる。
また、φ＝１１０°では１０4：１以上のコントラスト比が得られており、φ＝１３０°では印加電圧０［Ｖ］で１０5：１より少し低い程度のコントラスト比が得られ、また印加電圧１［Ｖ］付近で出力（光量）が極小となって、１０6：１以上の高いコントラスト比が得られている。なお、ツイスト角φ＝１３０°のように、コントラスト比がある印加電圧で極小値をもつような場合には、その極小値を与える電圧を黒レベルの電圧として設定すればよいことになる。

一方、ＷＧ-ＰＢＳ２をマクニール型偏光ビームスプリッタに代えて、前記と同様の実験を行ったところ、図４に示すように、入射偏光光（Ｐ偏光）のコーンアングルが１０°を超えると、いずれのツイスト角でもコントラスト比が著しく低下して２００：１程度になった。これは、マクニール型偏光ビームスプリッタではスキュー角が発生するためであり、コントラスト比を高めるためには、偏光ビームスプリッタと反射型液晶表示素子の間にＡ成分を補正するためのλ／４波長板を介装する必要があった。

＜実験２＞
照明光の波長λ＝５５０ｎｍ、液晶分子のプレチルト角θp＝８２°として設定し、セル厚ｄをパラメータとして２.６〜４.０μｍの範囲で０.２μｍずつ変化させて選択したそれぞれの条件で、ツイスト角φを１００〜１５０°の範囲で変化させて印加電圧０［Ｖ］での黒の明るさと印加電圧５［Ｖ］での白の明るさとを測定し、それらの比を求めた。この実験によれば、図５に示すように、セル厚ｄが変化しても黒レベルは常にツイスト角φ＝１２０°で最小になり、またφ＝１１０〜１３０°の範囲では比較的良好な黒レベルになった。

＜実験３＞
液晶分子のプレチルト角θp＝８２°、セル厚ｄ＝３.５μｍとして設定し、照明光のＲ色，Ｇ色，Ｂ色のそれぞれの光（各中心波長は６２０ｎｍ，５５０ｎｍ，４５０ｎｍ）についてツイスト角φ＝９０〜１５０°まで変化させて黒レベル（Light Leakage）を測定した。この実験によれば、図６に示すように、照明光の波長の如何によらずツイスト角φが１２０°で最小になり、またφ＝１１０〜１３０°の範囲では比較的低いレベルに収まっている。

＜実験４＞
照明光の波長λ＝５５０ｎｍ、セル厚ｄ＝３.５μｍとして設定し、液晶分子のプレチルト角θpを７５〜８６°の範囲で変化させ、そのプレチルト角θp毎にツイスト角φを１００〜１５０°の範囲で変化させて印加電圧０［Ｖ］での黒の明るさを測定した。この実験においても、図７に示すように、ツイスト角φが１２０°で明るさは最小になり、またφ＝１１０〜１３０°の範囲では比較的低いレベルに収まっている。しかし、電圧を印加して得られる最大の出力光量は、図８に示すように、プレチルト角θpが小さくなっても、ツイスト角φが大きくなっても減少することが明らかになった。従って、明るさの観点からは、プレチルト角θpは７５°以上、ツイスト角φは１５０°以下としておく必要がある。

また、上記の各条件において、水平走査方向に２画素の白と１画素の黒とが連続的に構成された画像を実際に拡大投影表示させて観察したところ、次の表１に示す結果が得られた。

表１に示されるように、プレチルト角θpが８６°以上になると画質が悪化する現象が確認された。これは、反射型液晶表示素子１のアクティブマトリクス基板１２における隣接画素の電圧差によりディスクリネーションが発生するからである。具体的には、図９に示すように、黒画素と白画素の境界部分で本来黒であるべき領域に白いラインが現れ、逆に白であるべき画素の一部が黒になっている現象が見られた。

次に、液晶層に誘電率異方性が負であるネマティック液晶であって、複屈折率Δｎが光の波長を５５０ｎｍとした場合に０．１３２のもの及び０．１５５のものを適用して、上記の実験１〜４と同様の実験を行った。

＜実験５＞
照明光の波長λ＝５５０ｎｍ、液晶分子のプレチルト角θp＝８２°、セル厚ｄ＝２μｍとして設定し、ツイスト角φをパラメータとして０°,３０°,６０°,９０°,１００°,１１０°,１２０°,１３０°,１５０°に選択したそれぞれの条件で、透明基板１１とアクティブマトリクス基板１２の全反射電極との間に印加する電圧を０〜５[Ｖ]の範囲で変化させ、その場合におけるＷＧ-ＰＢＳ２での反射光（Ｓ偏光）の光量を測定した。その結果は、実験１と同様の印加電圧−出力（光量）特性となり、φ＝１２０°で最大のコントラストが得られる。また、φ＝１１０°では１０4：１以上のコントラスト比が得られ、φ＝１３０°では印加電圧０[Ｖ]で１０5：１より少し低い程度のコントラスト比が得られ、また印加電圧１[Ｖ]付近で出力（光量）が極小となって、１０6：１以上の高いコントラスト比が得られる。なお、ツイスト角φ＝１３０°のように、コントラスト比がある印加電圧で極小値をもつような場合には、その極小値を与える電圧を黒レベルの電圧として設定すればよいことになる。

一方、ＷＧ-ＰＢＳ２をマクニール型偏光ビームスプリッタに代えて、上記の実験５と同様の実験を行ったところ、実験１と同様に、入射偏光光（Ｐ偏光）のコーンアングルが１０°を超えると、いずれのツイスト角でもコントラスト比が著しく低下して２００：１程度になった。これは、マクニール型偏光ビームスプリッタではスキュー角が発生するためであり、コントラスト比を高めるためには、そのビームスプリッタと反射型液晶表示素子の間にＡ成分を補正するためのλ／４波長板を介装する必要があった。

＜実験６＞
照明光の波長λ＝５５０ｎｍ、液晶分子のプレチルト角θp＝８２°として設定し、セル厚ｄをパラメータとして１.４〜２.６μｍの範囲で０.２μｍずつ変化させて選択したそれぞれの条件で、ツイスト角φを１００〜１５０°の範囲で変化させて印加電圧０［Ｖ］での黒の明るさと印加電圧５［Ｖ］での白の明るさとを測定し、それらの比を求めた。この実験によれば、図１０及び図１１に示すように、セル厚ｄが変化しても黒レベルは常にツイスト角φ＝１２０°で最小になり、また、このツイスト角φ＝１１０〜１３０°の範囲では比較的良好な黒レベルになった。

＜実験７＞
液晶分子のプレチルト角θp＝８２°、セル厚ｄ＝２μｍとして設定し、照明光のＲ色，Ｇ色，Ｂ色のそれぞれの光（各中心波長は６２０ｎｍ，５５０ｎｍ，４５０ｎｍ）についてツイスト角φ＝９０〜１５０°まで変化させて黒レベル（Light Leakage）を測定した。この実験によれば、実験３と同様に、照明光の波長の如何によらずツイスト角φが１２０°で最小になり、またφ＝１１０〜１３０°の範囲では比較的低いレベルに収まっている。

＜実験８＞
照明光の波長λ＝５５０ｎｍ、セル厚ｄ＝２μｍとして設定し、液晶分子のプレチルト角θpを７５〜８８°の範囲で変化させ、そのプレチルト角θp毎にツイスト角φを１００〜１５０°の範囲で変化させて印加電圧０［Ｖ］での黒の明るさを測定した。この実験においても、実験４と同様に、ツイスト角φが１２０°で明るさは最小になり、またφ＝１１０〜１３０°の範囲では比較的低いレベルに収まっている。しかし、電圧を印加して得られる最大の出力光量は、実験４と同様に、プレチルト角θpが小さくなっても、ツイスト角φが大きくなっても減少することが明らかになった。従って、明るさの観点からは、プレチルト角θpは７５°以上、ツイスト角φは１５０°以下としておく必要がある。

また、セル厚ｄ＝２μｍ及び２．６μｍとして設定し、液晶分子のプレチルト角θpを７５〜８８°の範囲で変化させ、そのプレチルト角θp毎にツイスト角φを１１０〜１３０°の範囲で変化させて、水平走査方向に２画素の白と１画素の黒とが連続的に構成された画像を実際に拡大投影表示させて観察した。この結果、実験４では、プレチルト角θpが８６°以上になるとディスクリネーションにより画質が悪くなる現象が確認されたが、実験４よりもセル厚を薄くしたため、隣接画素からの横電界の影響が低減され、セル厚ｄ＝２．６μｍではプレチルト角θp＝８７°まで、セル厚ｄ＝２μｍではプレチルト角θpが８８°まではほぼ良好な画像が得られた。

＜検討と考察＞
以上の実験結果に基づくと、誘電率異方性が負のネマティック液晶の複屈折率Δｎ、セル厚ｄを変化させても黒レベルはツイスト角：φ＝１２０°で最小になり、φ＝１１０から１３０°の範囲で良好な黒レベルが得られる。高コントラストで良質な画質を得るためにはプレチルト角θp＝７５°〜８５°が望ましい。これはセル厚ｄ＝３．５μｍの場合である。セル厚ｄ＝２．６μｍ以下に設定することにより、ディスクリネーションによる影響が大幅に軽減され、さらに良質な画質が得られる。表２〜表５に示すように、良質な画質が得られるプレチルト角θpの範囲もセル厚ｄ＝２．６μｍでは７５°〜８７°、セル厚ｄ＝２μｍでは７５°〜８８°まで広げることができる。表２〜表５における○，△，×，−の意味は表１と同じである。
従って、セル厚ｄは３．５μｍ以下が適用範囲であるが、２．６μｍ以下に設定することがより望ましい。セル厚ｄが３．５μｍ以下であれば、プレチルト角θpは７５°〜８５°の範囲が望ましく、セル厚ｄが２．６μｍ以下であればプレチルト角θpは７５°〜８７°の範囲が望ましく、セル厚ｄが２μｍ以下であればプレチルト角θpは７５°〜８８°の範囲が望ましい。

また、上記の実験結果に基づいた理想的な配向条件は図１２（Ａ）に示す配向条件となるが、光学的には図１２（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も等価であり、さらには、図１３（Ａ）〜（Ｄ）に示すように、図１２（Ａ）〜（Ｄ）における入射側液晶配向方向と画素側液晶配向方向とを逆にした場合も等価な条件である。

そして、ツイスト角φについては、入射偏光光（Ｐ偏光）の振動方向と角度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画素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角度４５°は±５°の範囲を持たせてもよい。ツイスト角φを１１０〜１３０°に保った状態で入射側液晶配向方向と画素側液晶配向方向とがその範囲で回転しても、明るさに影響があってもコントラスト自体にはほとんど影響しない。

また、ツイスト角φは１１０〜１３０°の範囲で採用し得るが、その場合、単に入射側液晶配向方向と画素側液晶配向方向とが上記の基準線に対してそれぞれ５５〜６５°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または正数として、入射側液晶配向方向が基準線となす角度を（６０±α）°、画素側液晶配向方向が基準線となす角度を（６０±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、｜α｜＋｜β｜≦１０に設定することが好ましい。

以上のように、第１の実施形態による反射型液晶表示素子１によれば、Ａ成分を補償する位相補償板を用いなくても高いコントラストでの画像表示が可能となる。なお、これは反射型液晶表示素子１そのものの特性によって高いコントラストでの画像表示を可能とするということである。後述する実施形態のように、コントラストをさらに高くするために、反射型液晶表示素子１とＡ成分を補償する位相補償板とを組み合わせて投射型表示装置を構成してもよいことは当然である。

＜第２の実施形態＞
図１４〜１９、及び、必要に応じて既出の図を参照して、本発明に係る第２の実施形態を説明する。この第２の実施形態は、照明光を絞る開口絞りの使用に関する。
図４に示したように、コーンアングルが１０°以下の入射偏光光を用いると、コントラストが著しく高くなる傾向が認められる。従って、そのコーンアングルが１０°以下の入射偏光光を用いることが望ましい。例えば、コーンアングルを９°とした場合にはＦ値を３.２にする開口絞りに相当し、コーンアングルを８°とした場合にはＦ値を３.６にする開口絞りに相当する。実際に開口絞りを設けて照明光を絞ると、コントラストが向上する効果が得られた。

しかし、開口絞りを設けて照明光を絞ると必然的に明るさが低下することになる。この問題点については、図１４に示すように４隅を対角方向へ絞る方式が有効であり、明るさをあまり低下させずにコントラストを高めることができた。従って、前述した第１の実施形態の反射型液晶表示素子を投射型表示装置に適用するに際して、照明光に対する開口絞りを採用する場合には、図１４に示す絞り方式を採用することが望ましい。

以下、本発明に係る投射型表示装置であって、上述した開口絞りを搭載した例を説明する。なお、最初に、この投射型表示装置の一般的な構成を説明した上で、本実施形態に特有の開口絞りの特徴を説明する。
図１５は投射型表示装置の構成を示す平面図である。また、図１６に、図１５に示した投射型表示装置における光源１０１からスクリーン１４０（図１６のみに図示）までの光学系経路を模式的に示す。図１６において、色分解光学系やワイヤグリッド偏光ビームスプリッタなどの偏光系、色合成光学系、及び光路折曲げの光学系などは省略している。

図１５に示す投射型表示装置は、照明光学系として、フライアイインテグレータ１０２を使用している。即ち、この投射型表示装置においては、光源１０１から発せられた照明光は、照明光学系を構成する、開口絞り１２１及びフライアイインテグレータ１０２を透過し、コンデンサレンズ１０３を経て、第１の色分解光学系となるクロスダイクロイックミラー１０４に入射される。
このフライアイインテグレータ１０２は、１対の平板状の透明基材のそれぞれに小径の凸レンズがマトリクス状に形成して構成される。このフライアイインテグレータ１０２では光源像が多数形成されるので、これら光源像を重ね合わせることにより、この照明光の照度分布が均一化される。

クロスダイクロイックミラー１０４は、２枚のダイクロイックミラーが十字状に組み合わされて構成され、一方のダイクロイックミラーが青色光Ｂを反射させ、他方のダイクロイックミラーが赤色光Ｒ及び緑色光Ｇを反射させるという特性を有している。このクロスダイクロイックミラー１０４において、光源１０１からの照明光の内、青色光Ｂ成分が一方向に反射され、かつ、赤色光Ｒ及び緑色光Ｇ成分が、青色光Ｂ成分が反射される方向の反対側の方向（他方向）に反射される。

クロスダイクロイックミラー１０４において一方向に反射された青色光Ｂは、第１のミラー１０５により反射されて向きを変え、フィールドレンズ１０６を経て、第１のワイヤグリッド偏光ビームスプリッタ１０７に入射する。この第１のワイヤグリッド偏光ビームスプリッタ１０７は、光路に対して略４５°傾斜されて設置されており、第１のワイヤグリッド偏光ビームスプリッタ１０７に対するＰ偏光成分のみを透過させる。この第１のワイヤグリッド偏光ビームスプリッタ１０７への入射に先立って、プリポラライザ１２６によって予めＰ偏光に変換される。これにより、表示する画像のコントラストをさらに向上させることができる。この第１のワイヤグリッド偏光ビームスプリッタ１０７を透過した青色光Ｂは、この青色光Ｂに対応した第１の反射型液晶表示素子１０８に入射する。この反射型液晶表示素子１０８は、例えば反射型液晶ライトバルブである。反射型液晶表示素子１０８の具体的構成は第１の実施形態における反射型液晶表示素子１と同様である。

また、クロスダイクロイックミラー１０４において他方向に反射された赤色光Ｒ及び緑色光Ｇは、第２のミラー１０９により反射されて向きを変え、第２の色分解光学系となるダイクロイックミラー１１０に入射する。このダイクロイックミラー１１０への入射に先立って、プリポラライザ１２７によって予めＰ偏光に変換される。これにより、上述と同様にコントラストを向上させることができる。ダイクロイックミラー１１０において、赤色光Ｒが透過し、かつ、緑色光Ｇが反射されることにより、赤色光Ｒと緑色光Ｇとが色分解される。

ダイクロイックミラー１１０を透過した赤色光Ｒは、フィールドレンズ１１１を経て、第２のワイヤグリッド偏光ビームスプリッタ１１２に入射する。この第２のワイヤグリッド偏光ビームスプリッタ１１２は、光路に対して略４５°傾斜されて設置されている。このため、この第２のワイヤグリッド偏光ビームスプリッタ１１２に対するＰ偏光成分のみを透過させる。この第２のワイヤグリッド偏光ビームスプリッタ１１２を透過した赤色光Ｒは、この赤色光Ｒに対応した第２の反射型液晶表示素子１１３に入射する。反射型液晶表示素子１１３の具体的構成は第１の実施形態における反射型液晶表示素子１と同様である。

また、ダイクロイックミラー１１０で反射された緑色光Ｇは、フィールドレンズ１１４を経て、第３のワイヤグリッド偏光ビームスプリッタ１１５に入射する。この第３のワイヤグリッド偏光ビームスプリッタ１１５は、光路に対して略４５°傾斜されて設置されている。このため、この第３のワイヤグリッド偏光ビームスプリッタ１１５に対するＰ偏光成分のみを透過させる。このワイヤグリッド偏光ビームスプリッタ１１５への入射に先立って、プリポラライザ１２７によって予めＰ偏光に変換することにより、コントラストをさらに向上させることができる。この第３のワイヤグリッド偏光ビームスプリッタ１１５を透過した緑色光Ｇは、この緑色光Ｇに対応した第３の反射型液晶表示素子１１６に入射する。反射型液晶表示素子１１６の具体的構成は第１の実施形態における反射型液晶表示素子１と同様である。

各反射型空間光変調素子１０８，１１３，１１６に入射した青色光Ｂ，赤色光Ｒ，緑色光Ｇは、それぞれの画像信号に応じて、各反射型偏光板１０７，１１２，１１５に対するＳ偏向に偏光変調された画像光を含んで反射される。これら画像光は、図１５に示すように、それぞれワイヤグリッド偏光ビームスプリッタ１０７，１１２，１１５により反射されて、色合成光学系となるクロスダイクロイックプリズム１１７に３方向から入射される。
なお、各色光用のワイヤグリッド偏光ビームスプリッタ１０７，１１２，１１５とクロスダイクロイックプリズム１１７の間には、各ワイヤグリッド偏光ビームスプリッタ１０７，１１２，１１５により反射された各色の画像光から不要な偏光成分を除去するために、各色光用のアナライザ１２３，１２４，１２５を設置してもよい。アナライザ１２３，１２４，１２５を設けることによって画像のコントラストが向上する。このアナライザとしては偏光板を用いるが、ワイヤグリッド偏光板であってもよい。

クロスダイクロイックプリズム１１７は、４つの三角柱状プリズムが接合されて立方体状に構成されたプリズムであって、各三角柱状プリズムの接合面には、ダイクロイック膜が形成されている。このダイクロイック膜は、２つの平面がクロスダイクロイックプリズム１１７の中心において十字状に交差した状態に形成されている。このクロスダイクロイックプリズム１１７において一方の平面をなすダイクロイック膜は、青色光Ｂ成分を反射し、赤色光Ｒ及び緑色光Ｇ成分を透過させる。また、このクロスダイクロイックプリズム１１７において他方の平面をなすダイクロイック膜は、赤色光Ｒ成分を反射し、青色光Ｂ及び緑色光Ｇ成分を透過させる。

従って、このクロスダイクロイックプリズム１１７において、一側面から入射された青色光Ｂが一方の平面をなすダイクロイック膜により反射されて前方に射出され、他側面から入射された赤色光Ｒが他方の平面をなすダイクロイック膜により反射されて前方に射出され、後面から入射された緑色光Ｇが各ダイクロイック膜を透過して前方に射出される。これにより、これら青色光Ｂ、赤色光Ｒ及び緑色光Ｇが合成される。

このようにしてクロスダイクロイックプリズム１１７において合成された青色光Ｂ、赤色光Ｒ及び緑色光Ｇは、投射レンズ１１８を含む投射光学系に入射される。この投射レンズ１１８は、入射された各画像光をスクリーン１４０（図１６参照）上に結像させ、画像表示を行う。図１５に示すように、投射レンズ１１８は複数枚のレンズよりなる。
この投射レンズ１１８の光路には、上述した開口絞り１２１に加えて、開口絞り１２２が追加的に設けられている。具体的には、複数枚のレンズの間に開口絞り１２２が配置されている。これらの開口絞り１２１，１２２は、例えば、カメラのシャッタのように、複数枚の板とギヤ及びモータとを組み合わせて構成される。なお、図１５及び図１６には、開口絞り１２１，１２２を同時に設けた構成を示しているが、これらの開口絞り１２１，１２２は選択的にいずれか一方を使用してもよい。

以上のように、投射型表示装置において、開口絞りを照明光学系及び／又は投射光学系の中に追加することによって、投影画像のコントラストをさらに向上させることができる。前述のように、開口絞りを設けて照明光を絞ると明るさが必然的に低下するが、図１４で説明したように、開口面の４隅を対角方向へ絞る方式を採用することによって、明るさをあまり低下させずにコントラストを高めることができる。

そして、第２の実施形態においても、第１の実施形態と同様、プレチルト角θp及びツイスト角φを前述のように設定することにより、反射型液晶表示素子１０８，１１３，１１６の視野角特性を広げることができる。一般的な反射型液晶表示素子の視野角特性は図１７のような特性である。この視野角特性から、開口絞り１２１（１２２）の開口の対角方向の角度成分の光はコントラストが低いことがわかる。
図１５，図１６に示す開口絞り１２１では、その照明光の角度毎の強度分布は、光源１０１側から見て２枚目のフライアイインテグレータ１０２上にできる光源像の強度分布として捉えることができる。この開口絞り１２１は、その照明光を受ける矩形状の開口面を有し、フライアイインテグレータ１０２の近傍に配置されている。

従来の場合、この開口絞り１２１の開口面における光源像の強度分布は２枚目のフライアイインテグレータ１０２の正面方向から見て対角方向の４隅に至るほど、強度が弱くなるように設定されている。この様子を模式的に示したのが図１８（従来例に相当）である。色の濃いところほど強度の強くなるように設定されている。図１８から分かるように、角度の大きい成分である４隅はその強度が低くなっている。この４隅の部分は強度が弱いにもかかわらず、コントラストを低下させる成分が多く含まれている。

これに対して、本実施形態に係る開口絞り１２１，１２２の開口面は、その光源像の強度分布が図１９に示すように設定されている。即ち、矩形状の開口面の４隅の部分には図１９に示すように遮蔽膜（４箇所の矩形状の領域）が形成され、他の残りの領域と比べて光線を優先的に除去する。このため、照明光の明るさをあまり低下させずにコントラストを高めることできるのである。
なお、開口絞りを照明光学系の中に設ける構成においては、不要な光線を色分解光学系から先に侵入させないようにすることができるので、反射型液晶表示素子１０８，１１３，１１６や他の光学部品の温度上昇を抑えることができる。
また、照明光学系にはフライアイインテグレータの代わりにライトパイプ型のインテグレータを用いることも可能である。この場合も、開口絞りの光路への挿入位置は、光源像の近傍とすることが好ましい。

上記のように、開口絞りの挿入位置としては、照明系以外に投射光学系の中にとすることも可能である。投射レンズ１１８の中にも２次光源像ができるので、図１５及び図１６の開口絞り１２２は投射レンズ１１８の中の２次光源像ができる位置またはその近傍に設置した状態で示している。この開口絞り１２２も、前述した開口絞り１２１と同様の効果を得ることができる。投射レンズ１１８の中の２次光源像の方が光源像よりも小さいので、開口絞りの部品を小さく低コストに作れるという利点がある。
従って、第２の実施形態によれば、前述した第１の実施形態の反射型液晶表示素子１（１０８，１１３，１１６）を投射型表示装置に適用するに際し、上述のような開口絞り１２１，１２２を採用することにより、明るさをあまり低下させずにコントラストを高めることができる。

なお、開口絞り１２１，１２２は、固定パターンでもよいが、図２０に示すようにさらに小さく絞ってもよい。また、図２１に示すように、開口絞り１２１，１２２を可動の構造とすることにより、画像の明るさやコントラストをダイナミックに調整することができる。図２１は可動の開口絞り１２１，１２２を図２０よりもさらに開口を狭めるよう動かすことにより、明るさを落としてコントラストを向上させた状態を示す。図２２は開口絞り１２１，１２２の変形例である。

＜第３の実施形態＞
図２３〜２９を参照して、第３の実施形態に係る、反射型液晶表示素子を用いた投射型表示装置を説明する。この第３の実施形態は、入射する偏光光の位相補償に関する。
第１の実施形態で説明した反射型液晶表示素子１を用いた投射型表示装置（図１参照）においては、液晶層１３に対する入射偏光光の入射角が０°になっていることが理想的である。しかしながら、一般に、反射型液晶表示素子１へ照明光を入射させる照明装置は、高い光利用効率を得るためにインテグレータ光学系が採用されており、入射偏光光にコーンアングルが生じる。そして、コーンアングルが大きくなると液晶層１３での複屈折による位相差が大きくなって表示画像のコントラストを悪化させる。

この問題に関しては、従来から位相補償板を用いて解消する方法が採用されており、第１の実施形態の投射型表示装置においても、図２３に示すようにＷＧ-ＰＢＳ２と反射型液晶表示素子１との間に位相補償器として位相補償板１６を挿入することにより、さらに高いコントラストが得られる。例えば、液晶層１３における液晶分子のプレチルト角θpとセル厚ｄとを固定し、照明光の波長を５５０ｎｍ、Ｆ値を２.４、ポーラアングル（極角）を１２.４°に設定した条件で、液晶層１３におけるツイスト角φを０°，９０°，１２０°として、それぞれ位相補償板１６の位相差を変化させて黒状態における光漏れを計測した。この結果、図２４に示すように、位相差が約２５０ｎｍで最も光漏れのない黒レベルとなって高いコントラストが得られ、１３０〜４００ｎｍの範囲で良好な黒レベル状態になっていることが確認できた。

但し、位相補償板１６には、面内方向の屈折率ｎｘ＝ｎｙよりも膜厚方向の屈折率ｎｚが小さいもの（具体的には、ｎｘ＝ｎｙ＝１.５２２５，ｎｚ＝１.５１５８６）を用いた。これは、位相補償板１６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）（但し、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（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１６を通過する際の屈折角が小さくなり、結果的に位相補償の実効性が小さくなるからである。

ところで、図２５は、横軸には位相補償板１６に対する入射偏光光の基板面に対する入射角であるポーラアングルをとり、縦軸にはその入射角が０°の場合の位相差（常光と異常光の位相差）からの差分をとったグラフである。図２５には、実験的に高いコントラストが得られている位相補償板のサンプル（屈折率：約１.５，位相差：２６０ｎｍ）に係る計測値と、屈折率がｎｘ＝ｎｙ＝１.５２２５，ｎｚ＝１.５１５８６であって、位相差を６６ｎｍ，１３０ｎｍ，２００ｎｍ，２６５ｎｍ，３３０ｎｍ，４００ｎｍとする各条件の位相補償板を用いたと仮定した場合でのシミュレーション値とが示されている。

図２５から明らかなように、計測値とシミュレーション値とは極めて良好な一致関係がある。しかも、図２４において最適範囲として確認できた、位相補償板１６における位相差が１３０〜４００ｎｍのものを適用した条件では、ポーラアングルが３０°の入射偏光光に係る位相差の差分は３１〜５２ｎｍの範囲になると推察できる。このことから、位相補償板１６としては、入射偏光光の基板面に対する入射角を３０°とした場合に、その入射角が０°の場合に生じる位相差に対して３１〜５２ｎｍだけ変化する光学的特性を有したものを適用すれば、高いコントラストが得られることになる。

図１５に示す投射型表示装置は、上述した位相補償板を各カラーのチャンネルにそれぞれ配置した例を示している。即ち、カラー用の位相補償板１３１〜１３３のそれぞれを、各カラー用の反射型液晶表示素子１０８，１１３，１１６とワイヤグリッド偏光ビームスプリッタ１０７，１１２，１１５の間に配置して位相補償し、これにより、コントラストを向上させている。
これらの位相補償板１３１〜１３３は、それぞれ、位相補償板１３１〜１３３の面に対して垂直な膜厚方向の屈折率を面内方向の屈折率以下に設定した、いわゆるＣプレートと呼ばれる位相補償板として形成されている。Ｃプレートは、面内の互いに直交する主屈折率をｎｘ，ｎｙ、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位相補償板であると定義される。なお、ここではｎｘ＝ｎｙとしているが、多少のばらつき（誤差）を有するものであり、ｎｘとｎｙとが実質的に同じ値であるということである。ｎｘとｎｙとは、液晶の複屈折率Δｎとセル厚ｄとの積であるリタデーションΔｎ・ｄが０．５ｎｍ以下が望ましい。

Ｂ用位相補償板１３１，Ｇ用位相補償板１３２，Ｒ用位相補償板１３３は、それぞれ各波長帯域に最適な位相差を補償するように、位相差が予め与えられている。各位相補償板１３１〜１３３の空気との界面（位相補償板１３１〜１３３の表面）にはＡＲ（anti-reflection）コーティングが施され、反射光が極力減らされている。
前述のように、図５には、液晶層１３のセル厚ｄとダークステートにおける光出力の関係について示した。さらに、セル厚ｄを薄くすることによって、図９に示したディスクリネーションや液晶の応答速度特性なども改善されることが分かっている。但し、セル厚ｄを薄くしすぎると、液晶を駆動するための電圧が非常に高くなり、ドライブ回路などを構成しにくくなる。そのため、反射型液晶表示素子１の駆動電圧や液晶層１３の液晶の応答速度が適正な範囲になるように、液晶材料の複屈折率Δｎ及びセル厚ｄを最適化する必要がある。

図２６，図２７，図２８は、それぞれ、複屈折率Δｎの異なる３種類の液晶において（Δｎ＝０．０８５，０．１３２，０．１５５）、コーンアングルを１２．４°に設定した条件で、セル厚ｄをパラメータにして位相補償板の位相差と光漏れの関係を示した図である。前述のように、ツイスト角φは液晶の複屈折率Δｎやセル厚ｄによらずに、φ＝１２０°で光出力が最小となる。これに対し、位相補償板の位相差は、光漏れが極小値を取る値が複屈折率Δｎやセル厚ｄによって異なる。
セル厚ｄの液晶層１３を光が通る際に生じる液晶層１３のリタデーションをΔｎ・ｄで表し、図２６，図２７，図２８の各曲線の最小値を採る位相補償板の位相差（リターダンス）をＲｔｈで表した時、液晶層１３のΔｎ・ｄと位相補償板の位相差Ｒｔｈとの関係は図２９のようになる。

ここで、Δｎ・ｄが１５０ｎｍのとき、最適な位相補償板の位相差Ｒｔｈは２００ｎｍである。また、Δｎ・ｄが５００ｎｍのとき、最適な位相補償板の位相差Ｒｔｈは６００ｎｍである。しかしながら、実際のシステムでは、液晶層１３と位相補償板の特性にはばらつきがあるので、Δｎ・ｄが１５０ｎｍ〜５００ｎｍであるとき、位相差Ｒｔｈは１００ｎｍ〜６５０ｎｍが適当な特性である。さらに、Δｎ・ｄが３００ｎｍ〜４００ｎｍのとき、最適な位相補償板の位相差Ｒｔｈは３００ｎｍ〜５００ｎｍである。
以上のように、液晶の複屈折率Δｎとセル厚ｄによってリタデーションΔｎ・ｄが変化するので、これに最適な位相補償板を用いることによって、画像のコントラストをさらに向上させることができる。

＜第４の実施形態＞
図３０を参照して、第４の実施形態に係る、反射型液晶表示素子を用いた投射型表示装置を説明する。この第４の実施形態は、偏光ビームスプリッタの別の例に関する。
前述した各種の実施形態に係る投射型表示装置は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）としてワイヤグリッド型偏光ビームスプリッタを採用し、これと本発明に係る反射型液晶表示素子とをそれぞれ合わせて用いることで、従来に比べて非常に高いコントラスト比を実現している。

本発明に係る反射型液晶表示素子１０８，１１３，１１５は、それぞれ、ワイヤグリッド型偏光ビームスプリッタを用いない場合、ワイヤグリッド型のそれとの組み合わせほどの高性能は得られないとしても、従来よりも高いコントラスト比を得ることができる。例えば、偏光ビームスプリッタとして最も広く用いられているマクニール型偏光ビームスプリッタを採用することもできる。従来のマクニール型偏光ビームスプリッタを採用した光学エンジンの外観上の構成を変える必要がないので、同様の製造設備を用いて低コストに製造できる利点がある。

図３０に、そのような光学エンジンを搭載した投射型表示装置の平面図を示す。なお、図３０に示す投射型表示装置の構成において、第２の実施形態で説明した図１５，図１６と同一または同等の作用効果を発揮する構成要素には同一の参照符号を用いてその説明を省略または簡略化する。
図３０に示す投射型表示装置において、光源１０１から色分解光学系にかけては、第２の実施形態の構成と同様である。これに加え、マクニール型偏光ビームスプリッタ１５１〜１５３に対してはＳ偏光で入射するようにプリポラライザ１２６，１２７の偏光面を設定する。マクニール型偏光ビームスプリッタ１５１〜１５３は２個のプリズムを貼り合せて構成されている。入射照明光のＳ偏光を反射し、反射した照明光は反射型液晶表示素子１０８，１１３，１１５にそれぞれ向かう。位相補償板として１／４波長板１４１〜１４３を用いている。

反射型液晶表示素子１０８，１１３，１１５のそれぞれの液晶で画像に応じて変調された光は、変調光となって反射し、再び１／４波長板１４１〜１４３をそれぞれ経て、マクニール型偏光ビームスプリッタ１５１〜１５３をＰ偏光の変調成分として透過する。各色の変調光をクロスダイクロイックプリズム１１７で合成して投射レンズ１１８によってスクリーンに投射する。
なお、マクニール型偏光ビームスプリッタを、カーテシアン（Cartesian）型偏光ビームスプリッタとすることもできる。

なお、本発明に係る反射型液晶表示素子及び投射型表示装置は、上述して実施形態及びその変形例に係る構成に限定されるものではなく、当業者であれば、特許請求の範囲に記載の本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、公知の技術を用いて更に変形可能である。

１，１０８，１１２，１１５ 反射型液晶表示素子
２，１０７，１１２，１１５ ワイヤグリッド型偏光ビームスプリッタ
３ 偏光板（検光子）
１１ 透明基板
１２ アクティブマトリクス基板
１３ 液晶層
１６，１３１〜１３３ 位相補償器（位相補償板）
１２１，１２２ 開口絞り
１４１〜１４３ １／４波長板（位相補償板）
１５１〜１５３ マクニール型偏光ビームスプリッタ

Claims (7)

1. 光を放射する光源と、
   前記光源から放射された光が入射される照明光学系と、
   前記照明光学系によって照明される光を偏光して偏光光として生成すると共に、変調光と非変調光とを分離する偏光ビームスプリッタと、
   前記偏光光を画像信号に応じて変調して前記偏光ビームスプリッタへと戻す反射型液晶表示素子と、
   前記反射型液晶表示素子と前記偏光ビームスプリッタとの間に設けられ、面内の互いに直交する主屈折率をｎｘ，ｎｙ、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と共に、位相差を１００ｎｍ〜６５０ｎｍに設定した位相補償板である位相補償器と、
   前記偏光ビームスプリッタにより分離された変調光を表示面に投射する投射レンズを含む投射光学系とを備え、
   前記反射型液晶表示素子は、
   透明電極が形成され、前記偏光ビームスプリッタにより偏光された偏光光が入射される第１の基板と、
   前記第１の基板と隙間を介して平行に対向配置され、画素毎の反射電極と駆動回路をマトリクス状に配置した構造を有し、前記第１の基板を介して入射された前記偏光光を反射して前記第１の基板を介して前記偏光ビームスプリッタへと射出させる第２の基板と、
   前記第１及び第２の基板間に挟持され、前記第１の基板を介して入射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液晶層とを備え、
   前記反射型液晶表示素子の複屈折率Δｎと前記液晶層の厚みｄの積であるリタデーションΔｎ・ｄが１５０ｎｍ〜５００ｎｍであり、
   前記第１及び第２の基板それぞれに平行な方向であって前記第１の基板に入射する偏光光の振動方向に対して４５°、１３５°、２２５°、３１５°をなす方向を中心に±５°以内の角度範囲にある方向を基準方向とし、かつ、αとβを｜α｜＋｜β｜≦１０を満たす０または正数としたとき、前記液晶層における前記第１の基板側での液晶配向方向を前記基準方向に対していずれか一方の回転方向へ（６０±α）°の角度をなす方向に設定すると共に、前記液晶層における前記第２の基板側の液晶配向方向を前記基準方向に対して前記回転方向とは逆の回転方向へ（６０±β）°の角度をなす方向に設定した構成を有することを特徴とする投射型表示装置。
2. 光を放射する光源と、
   前記光源から放射された光が入射される照明光学系と、
   前記照明光学系によって照明される光を偏光して偏光光として生成すると共に、変調光と非変調光とを分離する偏光ビームスプリッタと、
   前記偏光光を画像信号に応じて変調して前記偏光ビームスプリッタへと戻す反射型液晶表示素子と、
   前記反射型液晶表示素子と前記偏光ビームスプリッタとの間に設けられ、面内の互いに直交する主屈折率をｎｘ，ｎｙ、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と共に、位相差を３００ｎｍ〜５００ｎｍに設定した位相補償板である位相補償器と、
   前記偏光ビームスプリッタにより分離された変調光を表示面に投射する投射レンズを含む投射光学系とを備え、
   前記反射型液晶表示素子は、
   透明電極が形成され、前記偏光ビームスプリッタにより偏光された偏光光が入射される第１の基板と、
   前記第１の基板と隙間を介して平行に対向配置され、画素毎の反射電極と駆動回路をマトリクス状に配置した構造を有し、前記第１の基板を介して入射された前記偏光光を反射して前記第１の基板を介して前記偏光ビームスプリッタへと射出させる第２の基板と、
   前記第１及び第２の基板間に挟持され、前記第１の基板を介して入射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液晶層とを備え、
   前記反射型液晶表示素子の複屈折率Δｎと前記液晶層の厚みｄの積であるリタデーションΔｎ・ｄが３００ｎｍ〜４００ｎｍであり、
   前記第１及び第２の基板それぞれに平行な方向であって前記第１の基板に入射する偏光光の振動方向に対して４５°、１３５°、２２５°、３１５°をなす方向を中心に±５°以内の角度範囲にある方向を基準方向とし、かつ、αとβを｜α｜＋｜β｜≦１０を満たす０または正数としたとき、前記液晶層における前記第１の基板側での液晶配向方向を前記基準方向に対していずれか一方の回転方向へ（６０±α）°の角度をなす方向に設定すると共に、前記液晶層における前記第２の基板側の液晶配向方向を前記基準方向に対して前記回転方向とは逆の回転方向へ（６０±β）°の角度をなす方向に設定した構成を有することを特徴とする投射型表示装置。
3. α＝β＝０であることを特徴とする請求項１または２に記載の投射型表示装置。
4. 前記第１及び第２の基板の対向方向における前記液晶層の厚さは３．５μｍ以下で、かつ前記液晶の分子の前記第１及び第２の基板の面からの角度として与えられるときのプレチルト角は７５°〜８５°であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の投射型表示装置。
5. 前記第１及び第２の基板の対向方向における前記液晶層の厚さは２．６μｍ以下で、かつ前記液晶の分子の前記第１及び第２の基板の面からの角度として与えられるときのプレチルト角は７５°〜８７°であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の投射型表示装置。
6. 前記第１及び第２の基板の対向方向における前記液晶層の厚さは２μｍ以下で、かつ前記液晶の分子の前記第１及び第２の基板の面からの角度として与えられるときのプレチルト角は７５°〜８８°であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の投射型表示装置。
7. 前記偏光ビームスプリッタは、ワイヤグリッド型偏光ビームスプリッタとマクニール型偏光ビームスプリッタとカーテシアン型偏光ビームスプリッタとのいずれかであることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の投射型表示装置。

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