JP2016194608A - 液晶素子、及びそれを用いた画像投射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 液晶素子の応答速度が遅いため、液晶素子を用いた画像投射装置は、動画ボケを解消するのが困難であった。【解決手段】 第１色光に対応する第１液晶素子と、前記第１色光よりも波長が短い第２色光に対応する第２液晶素子と、光源からの光で前記第１、２液晶素子を照明する照明光学系と、前記第１、２液晶素子からの画像光を投射する投射光学系と、を備える画像投射装置であって、前記第１液晶素子は、対向する一対の第１基板と、前記一対の第１基板の間に配置された第１液晶層と、を有しており、前記第１色光の波長をλ１とするとき、前記第１液晶層が前記第１色光に対して与える光路長の差は、前記第１色光の波長λ１の半分よりも小さい、ことを特徴とする画像投射装置。【選択図】 図１

Description

本発明は、入射光を変調して射出する液晶素子、及びそれを用いた画像投射装置に関する発明である。

従来、画像投射装置の画像表示素子として液晶素子を用いたプロジェクタが多く存在する。このようなプロジェクタは、光源からの光を照明光学系と色分解合成系を介して、液晶素子を照明し、この液晶素子で変調された光を投射レンズによってスクリーンに投影している。

近年、このような液晶素子を用いた場合に、液晶素子の応答速度の遅さによる動画のぼけが問題となってきている。この問題に対しては、下記の特許文献１、２では、液晶素子の駆動周波数を高めることにより、動画ぼけを改善しようとしている。

例えば、特許文献１では、液晶層の厚みが２μｍ以下、液晶の屈折率異方性Δｎが０．１１以上、画素サイズが１０μｍ以下で液晶のプレチルト角が１°〜５°の反射型液晶表示が提示されている。

特許文献２では、液晶層の厚みが０．７〜１．５μｍ以下、液晶の屈折率異方性Δｎが０．１〜０．８、粘度が１５ｃｐｓ以下、誘電率異方性が２．５〜１０の液晶パネルが提示されている。

特開２００３−１０７４８２号 特開２０００−２１４４２８号

上述の特許文献に開示された従来技術は、動画ぼけを改善するために、液晶表示素子の応答速度を上げる、という手段を採っている。このため、上述の従来技術は、液晶素子単体における応答速度の向上を志向した発明である。

そこで、本願発明においては、画像投射装置として表示する画像の高品質化を考慮した上での、応答速度が向上した液晶素子、画像投射装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の液晶素子は、対向する一対の基板と、前記一対の基板の間に配置された液晶層と、を備える液晶素子であって、前記液晶素子に入射する入射光の波長をλ１とするとき、前記液晶層が前記入射光に対して与える光路長の差は、前記入射光の波長λ１の半分よりも小さい、ことを特徴としている。

また、本発明の画像投射装置は、第１色光に対応する第１液晶素子と、前記第１色光よりも波長が短い第２色光に対応する第２液晶素子と、光源からの光で前記第１、２液晶素子を照明する照明光学系と、前記第１、２液晶素子からの画像光を投射する投射光学系と、を備える画像投射装置であって、前記第１液晶素子は、対向する一対の第１基板と、前記一対の第１基板の間に配置された第１液晶層と、を有しており、前記第１色光の波長をλ１とするとき、前記第１液晶層が前記第１色光に対して与える光路長の差は、前記第１色光の波長λ１の半分よりも小さい、ことを特徴としている。

本発明によれば、画像投射装置が投射する画像の動画ボケを低減することが可能となる。

本発明の実施例による反射型液晶表示素子の構成と反射率、応答速度を示した図である。 本発明の実施例による反射型液晶表示素子の構成図である。 反射型液晶表示素子の駆動電圧による反射率の相関を示す図である。 反射型液晶表示素子の応答速度を示す図である。 本発明の実施例による反射型液晶表示素子の厚みと屈折率異方性の違いによる反射率１００％の駆動電圧と応答速度を示す図である。 本発明の第１の実施例による液晶表示装置の構成を示す図である。 本発明の第１実施例によるＬＥＤの発光スペクトルを示す図である。 本発明の第２の実施例による液晶表示装置の構成を示す図である。 本発明の第３の実施例による液晶表示装置の構成を示す図である。 本発明の第３の実施例によるランプの発光スペクトルを示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の一実施例である液晶表示素子（液晶素子）を説明する。ここで、図２は反射型液晶表示素子５０を示す構成図である。反射型液晶表示素子５０はガラス基板５２とＳｉ基板５３（対向する一対の基板）の間に液晶層５１を封入し作製されている。ガラス基板５２には透明電極５４が配置されている（透過型の場合は一対の基板の両方ともが透明な基板となる）。Ｓｉ基板５３には反射型液晶表示素子５０を駆動させるための半導体回路が構成されており、表面に反射電極５５が配置されている。ガラス基板５２とＳｉ基板５３には液晶層５１に接する面側に液晶分子を並べるための配向膜５６がそれぞれ配置されている。透明電極５４はＩＴＯ電極であり、反射電極５５はＡｌ等を主成分とする電極である。また、配向膜５６は液晶分子を垂直方向に配向させる膜であり、無機配向膜をＳｉＯ２を斜方蒸着することや、ポリイミド膜などにラビング処理を行うことで形成している。そして、液晶層５１の液晶材料は負の誘電率異方性を有する液晶材料を用いた。

この反射型液晶表示素子５０における液晶層５１の厚みをｄ（μｍ）とする。液晶層５１の厚みは図示しないスペーサーによって制御されている。

液晶材料の屈折率異方性をΔｎとする。屈折率異方性とは液晶分子の長軸方向の屈折率ｎｅと単軸方向の屈折率ｎｏとの差で与えられる。この屈折率の値は波長分散特性を有し、各々の波長に対して固有の値を有する。

ここで、反射型液晶表示素子５０の駆動原理について説明する。

反射型液晶表示素子５０は、１フレーム（例えば６０Ｈｚ）を複数フィールドに分割し、フィールド毎に正負の電圧を反転させた駆動電圧をＳｉ基板５３に構成された半導体回路を通して反射電極５５に印加することにより駆動する。垂直配向した負の誘電率異方性を有する液晶材料５１は、駆動電圧が０Ｖの時には基板面に対してほぼ垂直に液晶分子が配向している。そして、駆動電圧を印加していくに従い、基板面に対して水平方向に液晶分子が傾いていく。液晶分子が傾くに従い、液晶層５１を透過する光の偏光方向を変調することにより、反射型液晶表示素子５０の反射率を変化させ階調表示することが可能となる。図に駆動電圧と反射型液晶表示素子５０の反射率の関係を示す。反射率は、液晶表示素子に入射した光の光量に対する、液晶層を出射した光のうち検光素子（偏光板、或いは偏光分離素子（ＰＢＳ））を介した光の光量の割合であって、以下のように表すことができる。
Ｓｉｎ＾２（２πΔｎ_ｅｆｆｄ／λ） （１）式

ここで、Δｎ_ｅｆｆは駆動電圧を印加し、液晶分子が傾いた時の長軸方向の実効的な屈折率ｎｅと短軸方向の実効的な屈折率ｎｏの差である。垂直配向している液晶（ＶＡ液晶）においては、駆動電圧を大きくするに従って、Δｎ_ｅｆｆは大きくなる。そして、液晶分子が基板と平行になるまでΔｎ_ｅｆｆは大きくなり続ける。ツイストネマティック液晶（ＴＮ液晶）においては、駆動電圧を大きくするに従って、Δｎ_ｅｆｆは小さくなる。

またλは反射型液晶表示素子５０に入射される光の波長である。

反射型液晶表示素子であるため、入射された光は液晶層５１を２回透過することになるため、Δｎｄの値に２を乗算している。

図３に示した通り駆動電圧が大きくなるにしたがいΔｎ_ｅｆｆが大きくなり、反射率が増加していく。そして、Δｎ_ｅｆｆｄ／λが１／４になった時に反射率が最大となり、それよりもΔｎ_ｅｆｆが大きくなると、反射率は低下していく。ここで反射率が最大となる駆動電圧をＶｍａｘとする。

また、図４に反射型液晶表示素子５０の応答速度を示す。応答速度はある階調から別の階調に表示を切り替えたときの各々の階調に対して１０％から９０％に変化する際の時間を定義したものである。

ここで、反射型液晶表示素子５０の液晶層５１の厚みｄ（μｍ）、液晶材料の屈折率異方性Δｎ、入射光の波長λを変化させたときの反射率最大となる駆動電圧Ｖｍａｘと応答速度を図５に示す。

図５に示した通り、液晶層５１の厚みｄを薄くすると応答速度が速くなることがわかる。一方、反射率最大となる駆動電圧Ｖｍａｘも大きくなっていることがわかる。

これは、液晶層５１の厚みを薄くすると式のｄの値が小さくなる。そのため、Δｎの値を大きくするため、より液晶分子の傾き角を大きく、すなわち駆動電圧を大きくする必要があるためである。

また、図５からわかるように、液晶材料の屈折率異方性Δｎが大きくなると、反射率最大となる駆動電圧Ｖｍａｘが小さくなる。

また、入射光の波長λが短くなると、反射率最大となる駆動電圧Ｖｍａｘが小さくなる。

反射型液晶表示素子５０に用いられているＳｉ基板５３の半導体回路は高耐圧プロセスを用いても駆動電圧の最大値を１０Ｖ以下にすることが好ましく、７Ｖ以下にすることがより好ましい。さらに、反射型液晶表示素子５０の駆動周波数を高めるためには５Ｖ以下にすることがより好ましい。

一方、現在の液晶表示装置（画像投射装置）において、液晶表示素子の応答速度を速めることが求められている。これは、ひとつの理由として動画視認性向上のため、液晶表示素子の駆動周波数を高める手法がとられているためであり、一般的にはフレーム周波数（例えば６０Ｈｚ）の４倍以上（例えば２４０Ｈｚ）で駆動することが求められている。また、３Ｄ表示に対応するためにも、フレーム周波数の４倍で駆動することが求められてきている。もうひとつの理由としてフィールドシーケンシャル駆動に対応するために、液晶表示素子の駆動周波数を高めることが求められている。フィールドシーケンシャルとは１フレーム（例えば６０Ｈｚ）の画像に対して、たとえばＲＧＢそれぞれの色に応じた画像を１／３以上の期間（例えば１８０Ｈｚ）で順に表示し、時間的に重ね合わせることでフルカラーを表示する方法である。このフィールドシーケンシャルにおいてより好ましくはフレーム周波数の６倍（例えば３６０Ｈｚ）以上の駆動周波数で液晶表示素子を駆動することが求められている。

したがって、反射率を１００％表示しつつ、応答速度を速めていくためには液晶層５１の厚みｄを薄くし、液晶材料の屈折率異方性Δｎを大きくすることが求められる。具体的には、液晶材料（液晶層の材料）の屈折率異方性Δｎが０．１以上であることが望ましい。

しかしながら、液晶材料の屈折率異方性Δｎを大きくしていくと、耐光性に問題が出てくることが知られている。これは、屈折率異方性を大きくすると可視領域の光に対する吸収が生じてきやすくなるためである。

上記の理由により、液晶表示素子における液晶層の厚みｄと液晶材料の屈折率異方性Δｎとの関係を適切に選ぶ必要がある。

また、入射光に応じて液晶表示素子の材料や厚みを変更することも考えられるが、この方法はコストの面からいって負担が大きくなる。

そこで、本発明では液晶表示装置１の明るさを下げることなく、応答速度を高めることができる反射型液晶表示素子５０の条件を見出した。

以下、添付図面を参照して、本発明の一実施例である液晶表示装置１を説明する。ここで、図６は、液晶表示装置１を示す構成図である。

液晶表示装置（画像投射装置）１は、各色に対応する液晶表示素子（反射型或いは透過型）によって変調された画像光を合成してスクリーン２００に表示する（投射する）機能を有する。液晶表示装置１は、本実施例では、反射型液晶表示素子５０を搭載した投射型液晶表示装置である。液晶表示装置１は、ＬＥＤ（光源）１０と、照明光学系２０と、投射レンズ光学系（投射光学系）４０と、液晶表示素子（液晶素子）５０と、記憶部６０と、制御部７０を有する。

ＬＥＤ１０は、青色帯域（青色の波長帯域）、緑色帯域（緑色の波長帯域）、赤色帯域（赤色の波長帯域）の光を時間順に発光する。図７にＬＥＤ１０の発光スペクトル（波長とその波長における光量との関係）を示す。ここでは、青色帯域の光（青色用の液晶素子に入射する光）を実線で、緑色帯域の光（緑色用の液晶素子に入射する光）を破線で、赤色帯域の光（赤色用の液晶素子に入射する光）を一点鎖線で示している。それぞれの波長帯域の光量は、青色が最も多く、次いで赤色、最も少ないのが緑色となっている。つまり、比視感度が最も高い緑色光よりも、緑色光よりも波長が長く比視感度が低い赤色光の方が、光量が多くなっている。また、青色帯域の光（最も波長が短い波長帯域の光）のピーク波長は４７０ｎｍ、出力は３Ｗ。緑色帯域の光（青色帯域よりも波長が長く、赤色帯域よりも波長が短い波長帯域の光、最も比視感度が高い波長帯域の光）のピーク波長は５３０ｎｍ、出力は３Ｗ。赤色帯域の光（最も波長が長い波長帯域の光、最も光量が多い波長帯域の光）のピーク波長は６４０ｎｍ、出力は１．５Ｗである。また、これらのピーク波長は、光源の発光スペクトルにおけるピーク波長であることが望ましいが、各々の色光に対応する液晶表示素子に入射する色光の波長帯域内でのピーク波長であっても構わない。

照明光学系２０は、ＬＥＤ１０からの光を反射型液晶表示素子５０に伝達する機能を有する。照明光学系２０は、フライアイレンズ２２、２３と偏光変換素子２４を有する。偏光変換素子２４は、無偏光光を所定の偏光光に変換する機能を有する。偏光ビームスプリッター３３は、Ｐ偏光光を透過し、Ｓ偏光光を反射する。１／４波長板３５は、位相差を与える機能を有する。１／４波長板３５は、偏光ビームスプリッター３３と反射型液晶表示素子５０との間に配置される。投射レンズ光学系４０は、照明光学系２０、偏光ビームスプリッター３３を介し、反射型液晶表示素子５０にて変調された光を投射する。記憶部６０は図示しない外部入力機器からの映像信号を任意のガンマテーブルを用いて駆動電圧に変更する。そして、制御部７０にて反射型液晶表示素子５０に駆動電圧を印加する、映像表示を行う。

ＬＥＤ１０は図に示したように青色帯域、緑色帯域、赤色帯域の光を１８０Ｈｚで順に発光している。

ここでは、液晶表示装置１において、反射型液晶表示素子５０の構成を変化させたときの性能について説明する。

一般的に、ＬＥＤ１０の発光効率は緑色帯域が低いことが知られている。したがって、この３帯域の光を合成すると、合成された色は白ではなく、マゼンタになってしまう。したがって、ＬＥＤ１０の出力、照明光学系２０または、投射レンズ光学系４０における透過率、または反射型液晶表示素子５０の反射率をコントロールすることで、３帯域の光を合成した時に白を表示できるようにする必要がある。具体的には、上記手段によって青色帯域の投射光量を５８％下げ、赤色帯域の投射光量を１９％下げる必要があり、そうすることによってＤ６５光源と同等の白を表示することが可能となる。白の色に関しては、Ｄ６５光源の色に限定することなく、白に近い色であればよく、その場合はそれぞれの帯域の光量の下げ幅を異ならせればよい。このように白に近い色を表現するためには、一般的には、ＬＥＤ１０の光量や、照明光学系２０の透過率によって、液晶表示素子に入射する各色光の光量をコントロールすることで、３帯域の光が合成された結果としての白の色味を調整する。つまり、反射型液晶表示素子５０の反射率（反射型液晶素子で変調され、検光された結果としての反射率）をコントロールする条件で液晶表示装置１を使用する可能性は低い。但し、上記の一般的な方法は、白色を出す（色バランスを取る）点では有効ではあるが、反射型液晶表示素子５０の応答速度を向上させる、という点には何ら寄与しない。

本実施例では、ＬＥＤ１０の出射光を合成した光が白色ではなく、青色帯域と赤色帯域の光が照射された際の反射型液晶表示素子５０の反射率は１００％になる必要がないことに基づいている。そして反射型液晶表示素子５０の液晶層の厚みを薄くすることで、必要な反射率を確保しつつｍ反射型液晶表示素子５０の応答速度をより高めることができることを見出した。

式に示したように、反射型液晶表示素子５０の反射率は入射光の波長によっても異なり、波長が長いほど同じ駆動電圧を印加した時の反射率は低くなる。しかし、液晶表示装置１において、ＬＥＤ１０の赤色帯域の光量が多いため、赤色帯域における反射率が１００％でなくとも、液晶表示装置１として使用する場合には問題がない。そこで、赤色用の液晶表示素子に入射するＲＥＤ帯域（赤色帯域）の光のピーク波長λ１（ｎｍ）に対して、液晶表示素子における反射率（反射型液晶素子で変調され、検光された結果としての反射率）が１００％未満となる条件を設定する。つまり、液晶表示素子の液晶層の厚みｄと液晶材料の屈折率異方性Δｎとの関係が
Δｎｄ＜０．２５×λｌ
を満足するように構成することで液晶表示装置１の明るさを下げることなく、応答速度を高めることができる。

より好ましく（応答速度を高める点においてより好ましい条件として）は、反射率９０％未満となる条件に相当する
Δｎｄ＜０．２×λｌ
を満足するように構成すると尚好ましい。

本構成における液晶表示装置１において、フィールドシーケンシャル方式を用いるため、反射型液晶表示素子５０は３６０Ｈｚで駆動する必要がある。従って、応答速度は最低でも３ｍｓ以下が必要であり、より好ましくは２ｍｓ以下であることが必要である。

図１に記載の通り、液晶層５１の厚みを１．２５μｍで液晶材料の屈折率異方性が０．０１２であれば、駆動電圧が７Ｖでも液晶表示装置１の明るさを下げることなく応答速度２ｍｓを達成することができることが確認された。

本実施例では液晶層５１の厚みを１．２５μｍで液晶材料の屈折率異方性が０．０１２の反射型液晶表示素子について説明したが、本発明の効果はこれに限定するものではなく、Δｎｄ＜０．２５×λｌであればよい。

ただし、応答速度を高速化するためには、液晶層５１の厚みが２μｍ以下であることが好ましく、１．５μｍ以下であることがより好ましい。

本実施例はアナログ駆動反射型液晶表示素子に関して説明したが、本発明の効果はデジタル駆動でも同様の効果が得られる。

本実施例は、光源としてＬＥＤに関して説明したが、本発明の効果はＬａｓｅｒ等の個体光源としても同様の効果が得られる。また、本実施例においても後述する実施例においても、光源としてのＬＥＤ或いはＬａｓｅｒは白色光を発する１つのユニットとして構成しても構わないし、それぞれの赤、緑、青色光を発する別々のＬＥＤ、Ｌａｓｅｒ（光源ユニット）を用いても良い。

次に、本発明の第２の実施例について説明する。

本実施例の液晶表示装置１の構成を図８に示す。液晶表示装置１は、画像をスクリーン２００に表示する機能を有する。液晶表示装置１は、本実施例では、３つの反射型液晶表示素子５０を搭載した投射型液晶表示装置である。液晶表示装置１は、ＬＥＤ１０と、照明光学系２０と、色分解合成系３０と、投射レンズ光学系４０と、反射型液晶表示素子５０と、記憶部６０と、制御部７０を有する。

ＬＥＤ１０は、青色帯域、緑色帯域、赤色帯域の光を時間順に発光する。図７にＬＥＤ１０の発光スペクトルを示す。青色帯域の光のピーク波長は４７０ｎｍ、出力は３Ｗ。緑色帯域の光のピーク波長は５３０ｎｍ、出力は３Ｗ。赤色帯域の光のピーク波長は６４０ｎｍ、出力は１．５Ｗである。

照明光学系２０は、ＬＥＤ１０からの光を液晶表示素子５０に伝達する機能を有する。照明光学系２０は、フライアイレンズ２２、２３と偏光変換素子２４を有する。偏光変換素子２４は、無偏光光を所定の偏光光に変換する機能を有する。色分解合成系３０は、ダイクロイックミラー３１と偏光ビームスプリッター３３と色選択性位相差板３６を有す。ダイクロイックミラー３１は、青色帯域と赤色帯域の光を反射し、緑色帯域の光を透過する。色選択性位相差板３６は、特定の光の偏光方向を９０度変換する機能を有する。色選択性位相差板３６は、青色帯域の光の偏光方向を９０度変換し、赤色帯域の光の偏光方向は変換しない。偏光ビームスプリッター３３は、Ｐ偏光光を透過し、Ｓ偏光光を反射する。１／４波長板３５は、位相差を与える機能を有する。１／４波長板３５は、偏光ビームスプリッター３３と反射型液晶表示素子５０との間に配置される。反射型液晶表示素子５０は青色帯域の光が入射される青色用反射型液晶表示素子５０Ｂと、緑色帯域の光が入射される緑色用反射型液晶表示素子５０Ｇと、赤色帯域の光が入射される赤色用反射型液晶表示素子５０Ｒとを有す。

投射レンズ光学系４０は、照明光学系２０、色分解合成系３０、偏光ビームスプリッター３３を介し、反射型液晶表示素子５０にて変調された光を投射する。記憶部６０は図示しない外部入力機器からの映像信号を任意のガンマテーブルを用いて駆動電圧に変更する。そして、制御部７０にて反射型液晶表示素子５０に駆動電圧を印加する、映像表示を行う。

ここでは、液晶表示装置１において、反射型液晶表示素子５０の構成を変化させたときの性能について説明する。

ＬＥＤ１０の発光光を色分解合成系（色分割素子）３０にて青色帯域、緑色帯域、赤色帯域に分割する。一般的にＬＥＤ１０の発光効率は緑色帯域が低いことが知られている。したがって、このままこの３帯域の光を合成すると、合成された色は白ではなく、マゼンタになってしまう。したがって、合成された色光が白（或いは白に近い色）になるように、ＬＥＤ１０の出力、照明光学系２０、色分解合成系３０または、投射レンズ光学系４０における透過率、または３つの反射型液晶表示素子の反射率を制御する必要がある。具体的には、上記手段によって青色帯域の投射光量を５８％下げ、赤色帯域の投射光量を１９％下げる。そうすることによってＤ６５光源と同等の白を表示することが可能となる。白の色に関しては、Ｄ６５光源の色に限定することなく、白に近い色であればよく、その場合はそれぞれの帯域の光量の下げ幅を異ならせればよい。

一般的には、ＬＥＤ１０の光量や、照明光学系２０、色分解合成系３０の透過率によって、液晶表示素子に入射される光量をコントロールすることで、３帯域の光を合成し白の色を調整する。

本実施例では、ＬＥＤ１０の出射光を合成した光の中に青色帯域と赤色帯域の光が多いことに基づいている。つまり、青色光用、赤色光用の反射型液晶表示素子５０Ｂ、５０Ｒの反射率を１００％未満とすることによって、緑色光とのバランスが取れる（色バランスが取れる）ことになる。但し、緑色光用の反射型液晶表示素子５０Ｇの反射率は１００％であることが望ましい。そこで、赤色帯域については反射率が１００％未満になるように３つの反射型液晶表示素子の液晶層の厚みを薄くして液晶表示素子の応答速度をより高めつつ、緑色帯域については反射率が１００％となるようにしている。このような構成を採ることにより、液晶表示素子の高速化と、良好な色バランスとを両立した液晶表示装置（画像投射装置）を達成することができる。

したがって、赤色帯域の光のピーク波長λ１（ｎｍ）に対して、赤色光（第１色光）用の反射型液晶表示素子（第１液晶素子）の液晶層の厚みｄと液晶材料の屈折率異方性Δｎとの関係は反射率が１００％未満となるように、
Δｎ・ｄ＜λ１／４
を満足するようにする。このような構成とすることによって、液晶表示装置の明るさを下げることなく、応答速度を高めることができる。より好ましくは、反射率が約９０％未満となる条件、すなわち
Δｎ・ｄ＜λ１／５
を満足するように構成することで、さらに応答速度を高めることができる。

ここまでは、赤色帯域の光について述べて来たが、緑色帯域の光については、赤色帯域の光とは逆のことが言える。つまり、緑色帯域の光（比視感度が最も高い光、或いは赤色帯域の光よりも波長が短い波長帯域の光）のピーク波長λ２（ｎｍ）に関しては、液晶表示素子の液晶層の厚みｄと液晶材料の屈折率異方性Δｎについて
Δｎ・ｄ≧λ２／４
を満足させることが望ましい。つまり、緑色光（第２色光）用の液晶素子（第２液晶素子）において、液晶素子の（緑色帯域の光量がピークとなる波長の光に対する）反射率が１００％を満足する条件である。この場合は、青色光（第３色光）用の液晶素子（第３液晶素子）の反射率も勿論１００％となる。また、その他、緑色光用、或いは青色光用の液晶素子については、後述する第３の実施例に記載している条件と適宜組み合わせても構わない。

図１に記載の通り、液晶層５１の厚みを１．２５μｍで液晶材料の屈折率異方性が０．０１２であれば、駆動電圧が７Ｖでも液晶表示装置１の明るさを下げることなく応答速度２ｍｓを達成することができることが確認された。

従って、液晶表示素子５０Ｂ、５０Ｇ、５０Ｒをフレーム周波数の４倍である２４０Ｈｚでの駆動が可能となり、動画視認性の向上ならびに、３Ｄ表示にも適用することができる液晶表示装置が実現可能となる。

本実施例では液晶層５１の厚みを１．２５μｍで液晶材料の屈折率異方性が０．０１２の反射型液晶表示素子について説明したが、本発明の効果はこれに限定するものではなく、Δｎｄ＜０．２５×λｌであればよい。

ただし、応答速度を高速化するためには、液晶層５１の厚みが２μｍ以下であることが好ましく、１．５μｍ以下であることがより好ましい。

本実施例はアナログ駆動反射型液晶表示素子に関して説明したが、本発明の効果はデジタル駆動でも同様の効果が得られる。

本実施例は、光源としてＬＥＤに関して説明したが、本発明の効果はＬａｓｅｒ等の個体光源としても同様の効果が得られる。

次に、本発明の第３の実施例について説明する。

本実施例の液晶表示装置１の構成図を図９に示す。液晶表示装置１は、画像をスクリーン２００に表示する機能を有する。液晶表示装置１は、本実施例では、３つの反射型液晶表示素子５０を搭載した投射型液晶表示装置である。液晶表示装置１は、ランプ１１と、照明光学系２０と、色分解合成系３０と、投射レンズ光学系４０と、反射型液晶表示素子５０と、記憶部６０と、制御部７０を有する。

ランプ１１は、白色に近い光を発光しており、照明光学系２０が持つ色分割素子によってこの白色光を分割することによって、赤色光、緑色光、青色光を生成し、各色光に対応する液晶表示素子を照明している。図１０にランプ１１の発光スペクトルを示す。ここでは、青色帯域の光（青色用の液晶素子に入射する光）を実線で、緑色帯域の光（緑色用の液晶素子に入射する光）を破線で、赤色帯域の光（赤色用の液晶素子に入射する光）を一点鎖線で示している。

照明光学系２０は、ＬＥＤ１０からの光を液晶表示素子５０に伝達する機能を有する。照明光学系２０は、フライアイレンズ２２、２３と偏光変換素子２４を有する。偏光変換素子２４は、無偏光光を所定の偏光光に変換する機能を有する。色分解合成系３０は、ダイクロイックミラー３１と偏光ビームスプリッター３３と色選択性位相差板３６を有す。ダイクロイックミラー３１は、青色帯域と赤色帯域の光を反射し、緑色帯域の光を透過する。色選択性位相差板３６は、特定の光の偏光方向を９０度変換する機能を有する。色選択性位相差板３６は、青色帯域の光の偏光方向を９０度変換し、赤色帯域の光の偏光方向は変換しない。偏光ビームスプリッター３３は、Ｐ偏光光を透過し、Ｓ偏光光を反射する。１／４波長板３５は、位相差を与える機能を有する。１／４波長板３５は、偏光ビームスプリッター３３と反射型液晶表示素子５０との間に配置される。反射型液晶表示素子５０は青色帯域の光が入射される青色用反射型液晶表示素子５０Ｂと、緑色帯域の光が入射される緑色用反射型液晶表示素子５０Ｇと、赤色帯域の光が入射される赤色用反射型液晶表示素子５０Ｒとを有す。

投射レンズ光学系４０は、照明光学系２０、色分解合成系３０、偏光ビームスプリッター３３を介し、反射型液晶表示素子５０にて変調された光を投射する。記憶部６０は図示しない外部入力機器からの映像信号を任意のガンマテーブルを用いて駆動電圧に変更する。そして、制御部７０にて反射型液晶表示素子５０に駆動電圧を印加する、映像表示を行う。

図１０に本実施例の液晶表示装置１における反射型液晶表示素子５０Ｂ、５０Ｇ、５０Ｒに入射される光のスペクトルを示す。青色用反射型液晶表示素子５０Ｂに入射される光のピーク波長は４４０ｎｍで光量は２．９Ｗ。緑色用反射型液晶表示素子５０Ｇに入射される光のピーク波長は５７０ｎｍで光量は３．７Ｗ。赤色用反射型液晶表示素子５０Ｒに入射される光のピーク波長は６００ｎｍで光量は１．８Ｗである。

ここでは、液晶表示装置１において、反射型液晶表示素子５０の構成を変化させたときの性能について説明する。

ランプ１１の発光光を色分解合成系３０にて青色帯域、緑色帯域、赤色帯域に分割する。その際に、出力は青色帯域の光が低いことが知られている。したがって、この出力のままこの３帯域の光を合成すると白ではなく、黄色に近い色になってしまう。したがって、ランプ１１の出力、照明光学系２０、色分解合成系３０または、投射レンズ光学系４０における透過率、または３つの反射型液晶表示素子の反射率を制御することで、３帯域の光を合成した時に白を表示できるようにする必要がある。具体的には、上記手段によって緑色帯域の投射光量を４４％下げ、赤色帯域の投射光量を２６％下げる。そうすることによってＤ６５光源と同等の白を表示することが可能となる。白の色に関しては、Ｄ６５光源の色に限定することなく、白に近い色であればよく、その場合は投射光量の下げ幅を異ならせばよい。

一般的には、上記のように反射型液晶表示素子の反射率をコントロールするのではなく、照明光学系２０、色分解合成系３０の透過率によって、液晶表示素子に入射される光量をコントロールすることで、３帯域の光を合成し白の色を調整する。しかし、この方法では反射型液晶表示素子５０Ｂ、５０Ｇ、５０Ｒの応答速度を速めることができなくなってしまう。

本実施例では、ランプ１１の出射光を合成した光が白色ではなく、緑色帯域と赤色帯域の光が照射された際の反射型液晶表示素子５０Ｇ、５０Ｒの反射率は１００％になる必要がないことに基づいている。液晶表示素子によって入射光（のＰ偏光光とＳ偏光光と）に与える光路長差が、入射光の波長（の光量がピークとなる波長）の半分未満になる（半分よりも小さくする）ことを許容可能な構成であることに基づいている。言い換えると、液晶表示素子が入射光（の互いに直交する偏光方向を持つ直線偏光光）に対して与えることができる最大の光路長差が、入射光の波長（各パネルに対応する各色領域内において光量がピークとなる波長）の半分未満である。また、ここで入射光に対して与える光路長差とは、入射光（各色光領域内の光量がピークとなる波長の光）のうち偏光方向が互いに直交する２つの直線偏光光に対して与えられる光路長差のことである。このように、入射光に与えることができる光路長差（位相差）が少なくなる代わりに、反射型液晶表示素子５０Ｂ、５０Ｇ、５０Ｒの液晶層の厚みを薄くすることで、反射型液晶表示素子の応答速度をより高めることができる。逆に言えば、液晶表示素子の応答速度を高めることが出来る一方で、赤色光を若干損失するものの、液晶表示装置が表示する画像にはほぼ影響が無いままで、液晶素子の応答速度を向上させることができる、という効果が得られる。この際、緑色光用及び青色光用の液晶表示素子が、緑色光（比視感度が最も高い色光）、青色光（赤色光よりも波長が短い色光）に与える光路長差は、それぞれの入射光の波長の半分以上であることが望ましい。詳細は後述する。

ここで、液晶層が入射光に対して与える光路長差とは、入射光のうちＳ偏光光とＰ偏光光、つまり互いに直交する偏光方向を持つ２つの直線偏光光に対して与えられる光路長差（両者の直線偏光光にとっての光路長の差）のことである。また、波長（第１、２、３色光の波長）は、各々の波長領域の中で最も輝度が高い波長、或いは最も短い波長のいずれかを指している。また、上述の光路長差（位相差）が入射光の波長の半分未満しか与えられない色光は、最も比視感度が高い色光（通常は緑色光）よりも波長が長い色光（通常は赤色光）であることが望ましい。もしくは、上述の光路長差（位相差）が入射光の波長の半分未満しか与えられない色光は、複数の色光の中で最も波長が長い色光であることが望ましい。

したがって、赤色帯域の光のピーク波長λ１（ｎｍ）に対して、赤色光（第１色光）用の反射型液晶表示素子（第１液晶素子）の液晶層の厚みｄと液晶材料の屈折率異方性Δｎとの関係は反射率が１００％未満となるように、
Δｎ・ｄ＜λ１／４
を満足するようにする。このような構成とすることによって、液晶表示装置の明るさを下げることなく、応答速度を高めることができる。より好ましくは、反射率が約９０％未満となる条件、すなわち
Δｎ・ｄ＜λ１／５
を満足するように構成することで、さらに応答速度を高めることができる。

ここまでは、赤色帯域の光について述べて来たが、緑色帯域の光については、赤色帯域の光とは逆のことが言える。つまり、緑色帯域の光（比視感度が最も高い光）のピーク波長λ２（ｎｍ）に関しては、液晶表示素子の液晶層の厚みｄと液晶材料の屈折率異方性Δｎについて
Δｎ・ｄ≧λ２／４
を満足させることが望ましい。つまり、緑色光（第２色光）用の液晶素子（第２液晶素子）の反射率１００％を満足する条件である。この場合は、青色光（第３色光）用の液晶素子（第３液晶素子）の反射率も勿論１００％となる。

但し、緑色帯域の光よりも別の色光（例えば青色帯域の光）の光量が少ない場合は、青色帯域の光の波長λ３が
Δｎ・ｄ≧λ３／４
を満足し、緑色帯域の光は、
Δｎ・ｄ＜λ２／４
を満足させる方が望ましい。

また、液晶表示素子が透過型の場合には、赤色帯域の光のピーク波長λ１（ｎｍ）に対して、赤色光（第１色光）用の液晶表示素子（第１液晶素子）の液晶層の厚みｄと液晶材料の屈折率異方性Δｎとの関係がΔｎ・ｄ＜λ１／２を満足するようにする。より好ましくは、Δｎ・ｄ＜２・λ１／５とすることで、さらに応答速度を高めることができる。

また、緑色光用の透過型液晶表示素子については、
Δｎ・ｄ≧λ２／２
を満足させることが望ましい。

また、緑色帯域の光よりも別の色光（例えば青色帯域の光）の光量が少ない場合は、青色光用の透過型液晶表示素子は、
Δｎ・ｄ≧λ３／２
を満足し、緑色光用の透過型液晶表示素子は、
Δｎ・ｄ＜λ２／２
を満足する方が望ましい。

尚、ここで言う、赤色帯域の光、緑色帯域の光、青色帯域の光は、液晶表示装置が持つ照明光学系の中に設けられた色分割素子を介してそれぞれの色光に対応する液晶素子に入射する光のことである。つまり、赤色用の液晶素子に対して、赤色とは異なる色の光（可視領域内）が入ってきた場合であっても、それはこの実施例においては赤色帯域の光と称する。但し、赤色用の液晶素子に対しては赤色光のみ、緑色用の液晶素子に対しては緑色光のみ、青色用の液晶素子に対しては青色光のみが入射する状態が望ましいことは言うまでもない。

図１に記載の通り、液晶層５１の厚みを１．２５μｍで液晶材料の屈折率異方性が０．０１２であれば、駆動電圧が７Ｖでも液晶表示装置１の明るさを下げることなく応答速度２ｍｓを達成することができることが確認された。

従って、液晶表示素子５０Ｂ、５０Ｇ、５０Ｒをフレーム周波数の４倍である２４０Ｈｚでの駆動が可能となり、動画視認性の向上ならびに、３Ｄ表示にも適用することができる液晶表示装置が実現可能となる。

本実施例では液晶層５１の厚みを１．２５μｍで液晶材料の屈折率異方性が０．０１２の反射型液晶表示素子について説明したが、本発明の効果はこれに限定するものではなく、Δｎｄ＜０．２５×λｌであればよい。

ただし、応答速度を高速化するためには、液晶層５１の厚みが２μｍ以下であることが好ましく、１．５μｍ以下であることがより好ましい。

本実施例はアナログ駆動反射型液晶表示素子に関して説明したが、本発明の効果はデジタル駆動でも同様の効果が得られる。

上述の本実施例によれば、色バランス（特に赤色光と緑色光とのバランス）を取って、好ましい白色を表示可能であり、且つ動画ボケを低減することが可能な液晶素子、及びそれを用いた画像投射装置を提供することが可能となる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されず、その要旨の範囲内で様々な変形及び変更が可能である。

１ 液晶表示装置
２０ 照明光学系
３０ 色分解合成光学系
４０ 投射レンズ光学系
５０Ｇ 緑色帯域用液晶表示素子
５０Ｒ 赤色帯域用液晶表示素子
５０Ｂ 青色帯域用液晶表示素子

Claims (15)

1. 対向する一対の基板と、
   前記一対の基板の間に配置された液晶層と、
   を備える液晶素子であって、
   前記液晶素子に入射する入射光の波長をλ１とするとき、前記液晶層が前記入射光に対して与える光路長の差は、前記入射光の波長λ１の半分よりも小さい、
   ことを特徴とする液晶素子。
2. 前記一対の基板のうち一方の基板が反射型の基板であって、
   前記液晶層の屈折率異方性をΔｎ、厚さをｄとするとき、
   Δｎ・ｄ＜λ１／４
   を満足することを特徴とする請求項１に記載の液晶素子。
3. 更に、
   Δｎ・ｄ＜λ１／５
   を満足することを特徴とする請求項２に記載の液晶素子。
4. 前記液晶層の厚みが２μｍ以下で、前記液晶層の材料の屈折率異方性Δｎが０．１以上であることを特徴とする請求項２又は３に記載の液晶表示装置。
5. 前記一対の基板が共に透明な基板であって、
   前記液晶層の屈折率異方性をΔｎ、厚さをｄとするとき、
   Δｎ・ｄ＜λ１／２
   を満足することを特徴とする請求項１に記載の液晶素子。
6. 更に、
   Δｎ・ｄ＜２・λ１／５
   を満足することを特徴とする請求項５に記載の液晶素子。
7. 前記入射光の波長は、前記入射光の波長帯域の中で最も光量が多い波長のことである、ことを特徴とする請求項１乃至６いずれか１項に記載の液晶素子。
8. 第１色光に対応する第１液晶素子と、
   前記第１色光よりも波長が短い第２色光に対応する第２液晶素子と、
   光源からの光で前記第１、２液晶素子を照明する照明光学系と、
   前記第１、２液晶素子からの画像光を投射する投射光学系と、
   を備える画像投射装置であって、
   前記第１液晶素子は、
   対向する一対の第１基板と、
   前記一対の第１基板の間に配置された第１液晶層と、
   を有しており、
   前記第１色光の波長をλ１とするとき、前記第１液晶層が前記第１色光に対して与える光路長の差は、前記第１色光の波長λ１の半分よりも小さい、
   ことを特徴とする画像投射装置。
9. 前記第２液晶素子は、
   対向する一対の第２基板と、
   前記一対の第２基板の間に配置された第２液晶層と、
   を有しており、
   前記第２色光の波長をλ２とするとき、前記第２液晶層が前記第２色光に対して与える光路長の差は、前記第２色光の波長λ２の半分以上である、
   ことを特徴とする請求項８に記載の画像投射装置。
10. 前記第１色光の前記波長λ１は、前記第１色光のピーク波長であり、
    前記第２色光の前記波長λ２は、前記第２色光のピーク波長である、
    ことを特徴とする請求項９に記載の画像投射装置。
11. 前記第１液晶素子が有する第１液晶層と前記第２液晶素子が有する第２液晶層とは、互いに同じ厚さである、ことを特徴とする請求項８乃至１０いずれか１項に記載の画像投射装置。
12. 前記照明光学系は、前記光源からの光を、前記第１色光と前記第２色光に分割する色分割素子を有しており、
    該色分割素子は、同じ光源から出射した光を分割して前記第１色光と前記第２色光を生成している、
    ことを特徴とする請求項８乃至１１いずれか１項に記載の画像投射装置。
13. 前記照明光学系は、
    前記第１液晶素子を第１光源からの光で照明し、
    前記第２液晶素子を前記第１光源とは異なる第２光源からの光で照明する、
    ように構成されていることを特徴とする請求項８乃至１２いずれか１項に記載の画像投射装置。
14. 前記第２色光よりも波長が短い第３色光に対応する第３液晶素子を備えている、
    ことを特徴とする請求項８乃至１３いずれか１項に記載の画像投射装置。
15. 前記第３液晶素子は、
    対向する一対の第３基板と、
    前記一対の第３基板の間に配置された第３液晶層と、
    を有しており、
    前記第３色光の波長をλ３とするとき、前記第３液晶層が前記第３色光に対して与える光路長の差は、前記第３色光の波長λ３の半分以上である、
    ことを特徴とする請求項１４に記載の画像投射装置。

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