JP2798434B2

JP2798434B2 - 投射型カラー液晶表示装置

Info

Publication number: JP2798434B2
Application number: JP1223057A
Authority: JP
Inventors: 好晴大井; 友紀郡島
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd
Current assignee: AGC Inc
Priority date: 1989-08-31
Filing date: 1989-08-31
Publication date: 1998-09-17
Anticipated expiration: 2013-09-17
Also published as: JPH0387721A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、投射型カラー液晶表示装置に関するもので
ある。

［従来の技術］近年、透過型液晶表示素子を用いた投射型液晶表示装
置は、CRTを用いた投射型表示装置に代わるものとして
注目されている。特に、RGBの３色の色光を用い、３個
の液晶表示素子を別々に通過させて変調させ、投射スク
リーンに投射する投射型カラー液晶表示装置は、大画
面、高画質カラー画像が得られることから、開発が盛ん
に行われている。

従来、このような投射型液晶表示装置には、低消費電
力、低電圧駆動等の特長を有するTN（ツイストネマチッ
ク）型液晶を用いるものが主流となっている。

このようなTN型液晶表示素子とダイクロイックミラー
を用いた投射型ミラー液晶表示装置の構成例を第２図及
び第３図に示す。

第２図は、色分離及び色合成のためにダイクロイック
ミラーの特殊な形態であるダイクロイックプリズム12
A、12Bを用いた例であり、色分離及び色合成の両方で光
の入射角をθをθ＝45゜となるように配置している。

第３図は、色分離及び色合成のためにダイクロイック
ミラー22A、22B、22C、22Dを用いた例であり、色分離及
び色合成の両方で光の入射角θをθ＝45゜となるように
配置している。

なお、両図において、11、21は投射用光源、13A、13
B、13C、13D、23A、23Bは鏡、、14A、14B、14C、24A、2
4B、24Cは透過−散乱型液晶表示素子、15、25は投射光
学系、16、26はアパーチャー、17、27は投射スクリーン
を示す。

このTN型液晶表示素子では、２枚の偏光板を必要とす
るので、光の透過率が小さく、投射画像が暗いという問
題点を有している。

特に、画像の投影を行う際には極めて強い光源を必要
とし、投射スクリーン上で高いコントラストが得られに
くいことや、光源の発熱による液晶表示素子への影響と
いう問題点を有している。

そこで、TN型液晶表示素子の課題を解決すべく、液晶
物質を樹脂マトリクス中に分散保持した液晶樹脂複合体
を使用して、電圧印加状態により、液晶物質の屈折率が
変化し、液晶物質と樹脂マトリクスとの屈折率の一致、
不一致によりその通代状態と散乱状態をとるため、この
透過−散乱特性を利用した透過−散乱型液晶表示素子が
提案されている。

この屈折率の一致を動作原理とする液晶樹脂複合体を
用いた透過−散乱型液晶表示素子の場合には、TN型液晶
表示素子のように２枚の偏光板を必要としなく、投射用
光源から放出されたランダム偏光の状態を直接投入射光
として用いることができる。従って、透過−散乱型液晶
表示素子では、TN型液晶表示素子に比して同じ光源を用
いても２倍以上明るい透過画像が得られる。

［発明の解決しようとする課題］しかし、このような透過−散乱型液晶表示素子を、従
来のTN型液晶表示素子の代わりに、第２図、第３図に示
されるような投射型カラー液晶表示装置に使用した場
合、色分離または色合成の光学系における分光特性の低
下が生じ、投射した画像の色相がTN型液晶表示素子を用
いた投射型カラー液晶表示装置に比して劣るという欠点
を生じる。

これは、投射型カラー液晶表示装置の色分離手段及び
色合成手段に、ダイクロイックミラーまたはダイクロイ
ックプリズムが用いられているためである。即ち、白色
の光源から放出された白色光をダイクロイックミラーま
たはダイクロイックプリズムからなる色分離手段を通す
ことにより、複数の分離された色光を得ることができ、
また、複数の分離された色光をダイクロイックミラーま
たはダイクロイックプリズムからなる色合成手段を通す
ことにより、それらが合成された光を得ることができ
る。

このダイクロイックミラーまたはダイクロイックプリ
ズムは、屈折率の異なる透明誘電体膜が光波長程度の膜
厚で透明板またはプリズム面に積層された構造からな
り、ほとんど光吸収損失を受けることなく、光多重干渉
現象により多層構成に応じて任意の波長で透過波長域と
反射波長域とに分光する機能を有する。このような光学
多層膜は、光の入射角θがゼロから増加するに従い、多
層膜形成面に対して、Ｐ偏光とＳ偏光に対応した分光特
性の相違が顕著となることが知られている。第５図及び
第６図に、ダイクロイックミラー及びダイクロイックプ
リズムの分光特性の偏光依存性の一例を示す。

TN型液晶表示装置素子を用いた投射型カラー液晶表示
装置の場合、偏光板を用いているため、その偏光軸をＰ
偏光とＳ偏光のいずれかのみに対応するように配置する
ことにより、いずれか一方の偏光のみが利用される。こ
のため、第５図及び第６図に示すような分光特性の偏光
依存性が生じても、先鋭な色分離特性が得られることに
なり、投射画像の色相はよいものが得られる。

一方、透過−散乱型益液晶表示素子を用いた場合に
は、ランダム偏光の入射光となるため、ダイクロイック
ミラー及びダイクロイックプリズムは分光特性におい
て、Ｐ偏光とＳ偏光との平均値に対応する分光作用を示
す。従って、第５図及び第６図の点線で示すような色分
離特性となり、色純度が低下するため、色合成された投
射画像の色相は、TN型液晶表示素子を用いた投射型カラ
ー液晶表示装置に比して劣ることになる。

［問題点を解決するための手段］本発明は、前述の課題を解決すべくなされたものであ
り、請求項１の発明は、投射用光源と、その投射用光源
からの光を複数の色光に分離する少なくとも２つのダイ
クロイックミラーを用いた色分離手段と、分離された色
光を別々に変調する複数の液晶表示素子と、複数の液晶
表示素子を透過した色光を合成する少なくとも２つのダ
イクロイックミラーを用いた色合成手段と、合成された
光を投射スクリーンに投射する投射光学系とが備えら
れ、液晶物質が樹脂マトリクス中に分散保持され、樹脂
マトリクスの屈折率が使用する液晶物質の常光屈折率
（n_o）とほぼ一致するようにされた液晶樹脂複合体が電
極付基板間に挟持された液晶表示素子が用いられた投射
型カラー液晶表示装置において、光の散乱状態における
ヘイズ値が80％以上の液晶表示素子が用いられ、各ダイ
クロイックミラーへの光軸における光の入射角θが10゜
＜θ＜35゜を満足するように設けられ、色分離のための
ダイクロイックミラーによって色分離された各色光は液
晶表示素子の面にほぼ垂直な光軸に沿って進行せしめら
れ、散乱された光を減ずる装置が投射光学系の中もしく
は投射スクリーンと投射光学系との間に配置されてなる
ことを特徴とする投射型カラー液晶表示装置を提供す
る。

請求項２の発明は、色分離手段に第１のミラーが備え
られ、色分離手段の第１のダイクロイックミラーと第１
のミラー間の光軸上の光路の長さと、色分離手段の第２
ダイクロイックミラーと第１のダイクロイックミラーと
の間の光軸上の光路の長さとがほぼ等しく設けられてな
ることを特徴とする請求項１の投射型カラー液晶表示装
置を提供する。

請求項３の発明は、散乱乱された光を減ずる装置がア
パーチャーもしくは光路上に配置した小さなミラーであ
ることを特徴とする請求項１または２の投射型カラー液
晶表示装置を提供する。

請求項４の発明は、樹脂マトリクスを形成するのに光
硬化性化合物が用いられ、液晶樹脂複合体のうちの液晶
の体積分率Φが35％＜Φ＜70％であることを特徴とする
請求項１、２または３の投射型カラー液晶表示装置を提
供する。

請求項５の発明は、基板の一つにアクティブ素子が設
けられ、スクリーン上に中間調表示が投射されることを
特徴とする請求項１、２、３または４の投射型カラー液
晶表示装置を提供する本発明の投射型カラー液晶表示装置では、TN型液晶表
示素子の代わりに、電気的に散乱状態と透過状態とを制
御しうる液晶樹脂複合体を挟持した透過−散乱型液晶表
示素子を用いることにより、偏光板が不要であり、明る
い投射画像が得られ、ダイクロイックミラーへの光軸に
おける入射角（以下、単にダイクロイックミラーへの入
射角と表す）θを10゜＜θ＜35゜とすることにより、ダ
イクロイックミラーの使用により生じる色相の劣化を少
なくすることができる。

また、TN型液晶表示素子に必須の配向処理や、発生す
る静電気による能動素子の破壊といった問題点も避けら
れるので、液晶表示素子の製造歩留りを大幅に向上させ
ることができる。

さらに、この液晶樹脂複合体は、硬化後はフィルム状
になっているので、基板の加圧による基板間短絡やスペ
ーサの移動による能動素子の破壊といった問題点も生じ
にくい。

また、この液晶樹脂複合体は、比抵抗が従来のTNモー
ドの場合と同等であり、画素電極毎に能動素子を用いる
場合に、DS（動的散乱）モードのように大きな蓄積容量
を画素電極毎に設けなくてもよく、能動素子の設計が容
易で、かつ、液晶表示素子の消費電力を少なく保つこと
ができる。従って、TNモードの従来の液晶表示素子の製
造工程から、配向膜形成工程を除くだけで製造が可能に
なるので、生産が容易である。

液晶樹脂複合体の比抵抗としては、５×10⁹Ωcm以上
のものが好ましい。さらに、漏れ電流等による電圧降下
を最小限にするために、10¹⁰Ωcm以上がより好ましく、
この場合には大きな蓄積容量を画素電極毎に付与する必
要がない。

本発明の透過−散乱型液晶表示素子が、TN型液晶表示
素子に比してダイナミック駆動特性は劣るので、画素電
極毎に能動素子を設けてアクティブマトリクス液晶表示
素子として使用することが好ましい。この能動素子とし
ては、トランジスタ、ダイオード、非線形抵抗素子等が
あり、必要に応じて１つの画素に２以上の能動素子が配
置されていてもよい。このような能動素子とこれに接続
された画素電極とを設けたアクティブマトリクス基板
と、対向電極を設けた対向電極基板との間に上記液晶樹
脂複合体を挟んで液晶表示素子とする。

本発明の投射型カラー液晶表示装置は、投射用光源と
色毎に変調を行う透過−散乱型液晶表示素子と投射スク
リーンに画像を投射する投射光学系とを少なくとも有
し、その色分離または色合成にダイクロイックミラーを
使用し、その少なくとも１個のダイクロイックミラーへ
の入射角θを10゜＜θ＜35゜とする。

具体的には以下のような構成が考えられる。

色合成手段にダイクロイックミラーを用いる場合に
は、複数の液晶表示素子を透過した色光をダイクロイッ
クミラーを用いた色合成手段により合成し、合成された
光を１個の投射光学系により投射スクリーンに投射する
ようにすればよい。この場合、投射用光源は１個の光源
を用いて、後述するような色分離手段により複数の色光
に分離するようにしてもよいし、予め複数の色光源を準
備して液晶表示素子毎に特定の色光源を配置してもよ
い。

また、色分離手段にダイクロイックミラーを用いる場
合には、投射用光源からの光をダイクロイックミラーを
用いた色分離手段に入射させ、分離された色光を別々の
液晶表示素子に入射させるようにすればよい。この場
合、別々の液晶表示素子を通過した色光は、上述したよ
うな色合成手段により合成されて、１個の投射光学系に
より投射されてもよいし、３個の投射光学系により投射
されて投射スクリーン上で合成されてもよい。

本発明では、このダイクロイックミラーの少なくとも
１個の入射角θを、10゜＜θ＜35゜とするものであり、
これにより色相の劣化を少なくすることができる。この
ことにより、色相の劣化を少なくする効果が優れている
とともに、ダイクロイックミラーの面積及び有効光路長
の点でも問題が少なく好ましい。

これはθが大きくなる程、必要とされるダイクロイッ
クミラーの長さが長くなるためである。有効長をｌとす
ると、必要とされるダイクロイックミラーの長さＬはＬ
＝l/cosθとなり、θが大きくなる程、必要とされるダ
イクロイックミラーの長さが長くなる。このため、ダイ
クロイックミラーの長さ、即ち、面積を小さくするため
には、入射角θを小さくすることが好ましい。

ダイクロイックミラーの面積が増加すると、その基板
の平坦度、誘電体多層膜の膜厚の均一性の維持等の点で
難しさが増加し、生産性が低下する。さらに、ダイクロ
イックミラーの基板の厚みに起因する入射光と出射光の
光路のずれが大きくなり、調整が困難になるという問題
点もある。

一方、θが小さくなる程、必要とされるダイクロイッ
クミラーの長さは短くなるが、光源から投射光学系まで
の光路長が増大する。

光路長が長くなると、有効光量が低下し、液晶表示装
置の容積が増大するという問題点を生じる。

本発明において、このダイクロイックミラーへの入射
角は、通常は全てのダイクロイックミラーへの入射角を
10゜＜θ＜35゜とする。これによって、投射画像の色相
が向上する。

本発明の投射用光源は、色毎に専用の光源を使用して
もよいし、１つの光源の光を色分離手段により分光して
使用してもよい。この複数の色光は、本発明の透過−散
乱型液晶表示素子に入射させられる。

この透過−散乱型液晶表示素子は、電極付基板間に液
晶物質が樹脂マトリクス中に分散保持され、その樹脂マ
トリクスの屈折率が使用する液晶物質の常光屈折率
（n_o）とほぼ一致するようにされた液晶樹脂複合体を挟
持した液晶表示素子であり、電圧の印加状態により樹脂
マトリクスの屈折率が液晶物質の屈折率とほぼ一致した
時に透過状態となり、一致しない時に散乱状態になるも
のが使用できる。

この電極付基板の一方に、TFT等の能動素子を設けた
アクティブマトリクス基板を使用することにより、高精
彩の液晶表示素子も可能になる。

この液晶樹脂複合体は、細かな孔の多数形成された樹
脂マトリクスとその孔の部分に充填された液晶とからな
っていればよく、マイクロカプセルのような液泡内に液
晶が封じ込められたような構造であってもよいし、それ
らの個々のマイクロカプセルが完全に独立していなくて
もよいし、多孔質体のように個々の液晶の液泡が細隙を
介して連通していてもよい。

本発明の液晶表示素子に用いる液晶樹脂複合体は、液
晶物質と、樹脂マトリクスを構成する材料とを混ぜ合わ
せて溶液状またはラテックス状にしておいて、これを光
硬化、熱硬化、溶媒除去による硬化、反応硬化等させて
樹脂マトリクスを分離し、樹脂マトリクス中に液晶物質
が分散した状態をとるようにすればよい。

使用する樹脂を、光硬化または熱硬化タイプにするこ
とにより、密閉系内で硬化できるため好ましい。

特に、光硬化タイプの樹脂を用いることにより、熱に
よる影響を受けなく、短時間で硬化させることができ好
ましい。

さらに、液晶樹脂複合体として液晶物質を溶媒として
使用し、光露光により光硬化性樹脂を硬化させることに
より、硬化時に不要となる単なる溶媒や水を蒸発させる
必要がない。このため、密閉系で硬化できるため、従来
のセルへの注入という製造法がそのまま採用でき、信頼
性が高く、かつ、光硬化性樹脂で、２枚の基板を接着す
る効果も有するため、より信頼性が高くなる。

具体的な製法としては、従来の通常のTN型液晶表示素
子と同様に、シール材を用いてセルを形成し、注入口か
ら液晶物質と樹脂マトリクスとの未硬化の混合物を注入
し、注入口を封止して後、口照射をするか加熱して硬化
させることもできる。

また、本発明の液晶表示素子の場合には、シール材を
用いなく、例えば、対向電極としての透明電極を設けた
基板上に液晶物質と樹脂マトリクスとの未硬化の混合物
を供給し、その後、他の基板を重ねて、光照射等により
硬化させることもできる。

もちろん、その後、周辺にシール材を塗布して周辺を
シールしてもよい。この製法によれば、単に液晶物質と
樹脂マトリクスとの未硬化の混合物をロールコート、ス
ピンコート、印刷、ディスペンサーによる塗布等の供給
をすればよいため、注入工程が簡便であり、生産性が極
めてよい。

また、これらの液晶物質と樹脂マトリクスとの未硬化
の混合物には、基板間隙制御用のセラミック粒子、プラ
スチック粒子、ガラス繊維等のスペーサー、顔料、色
素、粘度調整剤、その他本発明の性能に悪影響を与えな
い添加剤を添加してもよい。

このような本発明の液晶樹脂複合体を使用した液晶表
示素子の応答時間は、電圧印加の立ち上りが３〜50msec
程度、電圧除去の立ち下がり10〜80msec程度であり、従
来のTN型液晶表示素子よりも速い。

また、その電圧−透過率の電気光学特性は、従来のTN
型液晶表示素子よりも比較的なだらかであり、階調表示
のための駆動も容易である。

なお、この液晶樹脂複合体を使用した液晶表示素子の
透過状態での透過率は高いほどよく、散乱状態でのヘイ
ズ値は80％以上であることが好ましい。この液晶表示素
子では、電圧を印加している状態で、樹脂マトリクス
（硬化後の）の屈折率が、使用する液晶物質の常光屈折
率（n_o）と一致するようにされる。

これにより、樹脂マトリクスの屈折率と液晶物質の屈
折率とが一致した時に光が透過し、一致しない時に光が
散乱（白濁）することになる。この素子の散乱性は、従
来のDSモードの液晶表示素子の場合よりも高く、高いコ
ントラスト比の投射表示が得られる。

液晶樹脂複合体中の動作可能な液晶物質の体積分率Φ
は、Φ＞20％が好ましく、より高い散乱性を有するには
Φ＞35％が好ましい。一方Φがあまり大きくなると、液
晶樹脂複合体の構造安定性が悪くなるため、Φ＜70％が
好ましい。

正の誘電異方性のネマチック液晶を用い、樹脂マトリ
クスの屈折率が使用する液晶物質の常光屈折率（n_o）と
ほぼ一致するようにされることにより、電界が印加され
ていない場合は、配列していない液晶と、樹脂マトリク
スの屈折率の違いにより、散乱状態（つまり白濁状態）
を示す。このため、本発明のように投射型表示装置とし
て用いる場合には、電極のない部分は光が散乱され、画
素部分以外の部分に遮光膜を設けなくても、光が投射ス
クリーンに到達しないため、黒く見える。このことによ
り、画素電極以外の部分からの光の漏れを防止するため
に、画素電極以外の部分を遮光膜等で遮光する必要がな
いこととなり、遮光膜の形成工程が不要となるという利
点も有する。

これに所望の画素に電界を印加する。この電界を印加
された画素部分では、液晶が配列し、液晶物質の常光屈
折率（n_o）と樹脂マトリクスの屈折率（n_p）とが一致す
ることにより透過状態を示し、当該所望の画素で光が透
過することとなり、投射スクリーンに明るく表示され
る。

また、本発明では、複数の液晶表示素子を用い、色光
毎に変調をするので、入射される光の波長に応じて液晶
表示素子の粒子径、基板間隙等を最適化することが好ま
しい。また、駆動のためには、同じ駆動波形で駆動して
色バランスがとれるようにすることが好ましい。

第１図は、本発明の投射型カラー液晶表示装置の例の
模式図である。

第１図において、１は投射用光源、2A、2B、2C、2Dは
ダイクロイックミラー、3A、3Bは鏡、4A、4B、4Cは透過
−散乱型液晶表示素子、５は投射光学系、６は直進光以
外を除去するためのアパーチャー、７は画像を投射する
ための投射スクリーンである。

この例では、ダイクロイックミラーへの光の入射角θ
をθ＝30゜としているが、これに限られるものではな
く、10゜＜θ＜35゜を満足すればよい。

本発明の透過−散乱型液晶表示素子は、電極付基板間
に液晶物質が樹脂マトリクス中に分散保持され、その樹
脂マトリクスの屈折率が使用する液晶物質の常光屈折率
（n_o）とほぼ一致するようにされた液晶樹脂複合体を挟
持したものである。

この電極付基板としては、In₂O₃−SnO₂（ITO）、SnO₂
等の透明電極を形成し、必要に応じてパターニングした
ガラス、プラスチック等の透明基板が使用できる。

なお、電極は通常は透明電極とされるが、一部に低抵
抗のリードを設けるためにクロム、アルミニウム等の金
属電極を併用してもよい。

また、画素数の多い場合には、能動素子を設けてもよ
い。能動素子としてTFT（薄膜トランジスタ）等の３端
子素子を使用する場合、対向電極基板は全画素共通のベ
タ電極を設ければよいが、MIM素子、PINダイオード等の
２端子素子を用いる場合には、対向電極基板はストライ
プ状のパターニングをされる。

また、能動素子として、TFTを用いる場合には、半導
体材料としてはシリコンが好適でありる。特に多結晶シ
リコンは、非結晶シリコンのように感光性がないため、
光源からの光を遮光膜により遮光しなくても誤動作しな
く、好ましい。この多結晶シリコンは、本発明のように
投射型液晶表示装置として用いる場合、強い投射用光源
を利用でき、明るい表示が得られる。

また、従来のTN型液晶表示素子の場合には、画素間か
らの光の漏れを抑止するために、画素間に遮光膜を形成
することが多く、このついでに能動素子部分にも同時遮
光膜を形成することができ、能動素子部分に遮光膜を形
成することは全体の工程にあまり影響を与えない。即
ち、能動素子として多結晶シリコンを用いて、能動素子
部分に遮光膜を形成しないことにしても、画素間に遮光
膜を形成する必要があれば、工程を減らすことはできな
い。

これに対して、本発明では、前述の如く、樹脂マトリ
クスの屈折率が使用する液晶物質の常光屈折率（n_o）と
ほぼ一致するようにされた液晶樹器複合体を使用してい
るため、電界を印加しない部分では光が散乱して投射さ
れた投射スクリーン上では黒くなるため、画素間に遮光
膜を形成しなくてよい。このため、能動素子として多結
晶シリコンを用いた場合、能動素子部分に遮光膜を形成
しなくてもよいので、遮光膜を形成する工程をなくすこ
とができ、工程を減らすことができ、生産性が向上す
る。

本発明の投射型カラー液晶表示装置は、このほか赤外
線カットフィルター、紫外線カットフィルター等を積層
したり、文字、図形等を印刷したりしてもよい。

本発明では、前述の液晶樹脂複合体を構成する未硬化
の樹脂として光硬化性樹脂を用いる場合、光硬化ビニル
系樹脂の使用が好ましい。具体的には、光硬化性アクリ
ル系樹脂が例示され、特に、光照射によって重合硬化す
るアクリルオリコマーを含有するものが好ましい。

本発明で使用される液晶物質は、樹脂マトリクスの屈
折率がその液晶物質の常光屈折率（n_o）と一致するよう
な液晶であり、単独で用いても組成物を用いても良い
が、動作温度範囲、動作電圧など種々の要求性能を満た
すには組成物を用いた方が有利といえる。

このように液晶樹脂複合体とすることにより、上下の
透明電極が短絡する危険性が低く、かつ、通常のTN型の
表示素子のように配向や基板間隙を厳密に制御する必要
もなく、透過状態と散乱状態とを制御しうる液晶表示素
子を極めて生産性良く製造できる。

本発明の投射用光源としては、従来からのハロゲンラ
ンプ、キセノンランプ、メタルハライドランプ等の光源
と、球面反射板やパラボラ反射板等の反射光学系、コン
デンサーレンズ等の集光光学系を組み合わせた投射用光
源が使用できる。さらに、必要に応じて、赤外線カット
フィルターや紫外線カットフィルター、冷却手段等を併
用してもよい。

また、色分離手段は、複数の色光源を別個に設けない
場合に使用し、ダイクロイックミラーを用いる。もちろ
ん、ダイクロイックプリズムでもよい。これにより、投
射用光源の光を複数の色の光に分離する。代表的なもの
としては、RGB3色の色光に分離される。

液晶表示素子は、この複数の色光の光路内に別々に配
置される。

これらの液晶表示素子を通過した各色光は、色合成手
段により合成される。もちろん、個々に投射光学系によ
り投射スクリーンに投射されて、投射スクリーン上で画
像が合成されてもよい。この色合成手段にダイクロイッ
クミラーを用いる。もちろん、ダイクロイックプリズム
でもよい。これにより、液晶表示素子を別々に透過して
きた各色光が合成され、１個の投射光学系により投射ス
クリーンに投射される。

この投射光学系も、従来からの投射光学系が使用でき
る。

さらに光路上に拡散光を減ずる装置、例えば第１図の
６に示されるようなアパーチャーやスポットを設置する
ことにより、表示コントラストを大きくすることができ
る。

即ち、拡散光を減ずる装置として、液晶表示素子を通
過した光の内、入射光に対して直進する光（画素部分が
透過状態の部分を透過する光）を取り出し、直進しない
光（液晶樹脂複合体が散乱状態の部分で散乱される光）
を減ずるものをもちいることがコントラスト比を向上さ
せるため、好ましい。特に、直進する光は減ずることな
く、直進しない光は（散乱された光であって、言い換え
れば拡散光である。）を減ずることが好ましい。

この散乱された光を減ずる装置は、第１図のように投
射光学系と投射スクリーンとの間に設けても良いし、投
射光学系の中に、例えば、投射光学系が複数のレンズか
らなる場合にはレンズとレンズとの間に配置するように
してもよい。

この散乱された光を減ずる装置は、前記したようなア
パーチャーやスポットに限られなく、例えば、光路上に
配置された小面積の（ミラー）であってもよい。

投射スクリーン上に到達する直進成分と散乱成分との
比は、スポット、鏡（ミラー）等の径及びレンズの焦点
距離により制御可能で、所望の表示コントラスト、表示
輝度を得られるように設定すれば良い。

本発明の投射型カラー液晶表示装置は、前面投射型で
用いてもよいし、背面投射型で用いてもよい。

［作用］ダイクロイックミラーの分光特性を決定する誘電体多
層膜は、誘電体膜の光学的膜厚ndが反射帯域の中心波長
λ_ｏに対して、nd・cosθ＝λ_o/4の関係を満たし、高屈
折率膜と低屈折率膜とを交互に多層に積層することによ
り、反射波長帯を形成し、残りの透過波長帯に残るリッ
プルを除くため、nd・cosθ＝λ_o/4の多層膜の両端に適
当な屈折率及び膜厚の誘電体膜を付加した基本構造を有
する。

ここで反射帯の反射率、反射帯と透過帯との境界波長
域のスロープ、反射帯の波長幅等の特性は、nd・cosθ
＝λ_o/4の多層膜の層数Ｎ、高屈折率n_H、低屈折率n_L等
の物理量に依存する。第４図に中心波長λ_ｏとするnd・
cosθ＝λ_o/4の多層膜の反射率波長依存性を示す。

ここで、反射帯境界での反射率50％に対応する波長を
λ_Ｌ、λ_Ｈとすると、反射帯半値幅は、下記の（１）式で示される。

光の入射角θ、空気の屈折率n_oとすると、θ_Ｈ、θ_Ｌ
はSnell則（３）を満たす。

n_o・sinθ＝n_H・sinθ_Ｈ＝n_L・sinθ_Ｌ（３）前述したように、ダイクロイックミラーの分光特性が
Ｐ、Ｓ偏光に応じて異なることから生じた問題は、
（２）式に示すように多層膜の実効屈折率η_Ｈ及びη_Ｌ
が入射角θの０から90゜へと増加するに伴い、Ｐ、Ｓ偏
光に対して相異が顕著になり、その結果反射帯幅Δｇが
偏光状態に応じて異なる値をとる因果関係として説明さ
れる。

従って、入射角θ＝45゜の条件で全てのダイクロイッ
クミラー（ダイクロイックプリズムの場合も含む）を配
置していた従来の場合に比して、本発明の構成要件であ
る10゜＜θ＜35゜の条件を満たすダイクロイックミラー
の配置をすることにより、ダイクロイックミラーの分光
特性の偏光依存性が低減されることになる。その結果ラ
ンダム偏光入射光に対する色分離特性が向上することに
なる。

また、前述したように、入射角θに依存する必要とさ
れるダイクロイックミラーの長さＬ、光路のズレωは、
以下のようになる。

但し、ｌは液晶表示素子の長さ、Ｄとｎは夫々ダイク
ロイックミラーの基板の厚みと屈折率とを表わす。

このことから、ダイクロイックミラーへの光の入射角
θを10゜＜θ＜35゜とすれば、その長さの増大及び光路
のずれを低減させることができる。

［実施例］実施例１Ｓ、Ｐの２つの偏光に対応した反射帯域境界の波長の
ずれ、液晶表示素子の長さｌに対するダイクロイックミ
ラーの長さＬの比L/l、光路のずれのダイクロイックミ
ラー厚みに対する比ω/Dを、ダイクロイックミラーへの
光の入射角θ＝０゜、10゜、15゜、30゜、35゜、40゜、
45゜に対して、第１表に表す。

なお、第１表中のΔλ_eHは反射帯の長波長側境界、Δ
λ_eLは反射帯の短波長側境界での波長のずれを示す。

また、ダイクロイックミラーの多層膜の材質はTiO
₂（n_H＝2.30）とSiO₂（n_L＝1.45）とし、基板ガラスの
屈折率をｎ＝1.52とし、波長λ_ｏ＝550nmとした。

入射角θ＝30゜とすることにより、波長のずれΔ
λ_eH、Δλ_eLをθ＝45゜の半分以下にすることができ、
L/lで約18％、ω/Dで約41％各々減少した。

実施例２ RGB用に３枚の液晶表示素子を製造した。

ガラス基板上にクロムを60nm蒸着し、パターニングし
てゲート電極とした。引き続きシリコンオキシナイトラ
イド膜と非晶質シリコンをプラズマCVD装置で堆積し
た。これをレーザーを用いてアニールし、パターニング
して多結晶シリコンとした。これにリンドープ非晶質シ
リコン、クロムを夫々プラズマCVD、蒸着装置を用いて
堆積し、多結晶シリコンを覆うようにパターニングし
て、第１層目のソース電極、ドレイン電極とした。さら
に、ITOを蒸着し、パターニングして画素電極を形成し
た。続いて、クロム、アルミニウムを連続蒸着して、画
素電極と第１層目のソース電極、ドレイン電極を接続す
るようにパターニングして、第２層目のソース電極、ド
レイン電極とした。この後、再びシリコンオキシナイト
ライド膜をプラズマCVD装置で堆積し保護膜とし、アク
ティブマトリクス基板を作成した。

全面にベタのITO電極を形成した同じガラス基板によ
る対向電極基板と、前に製造したアクティブマトリクス
基板とを電極面が対向するように配置して、内部に直径
約11.0μｍのスペーサーを散布して、その周辺を注入口
部分を除き、エポキシ系のシール材でシールして、基板
間隙が約11.0μｍの空セルを製造した。

２−エチルヘキシルアクリレート６部、ヒドロキシエ
チルアクリレート18部、アクリルオリゴマー（東亜合成
化学（株）製「Ｍ−1200」）20部、光硬化開始剤として
メルク社製「ダロキュアー1116」を0.4部と、液晶とし
てBDH社製「Ｅ−８」62部とを均一に溶解した。

この混合物を、上記方法により製造した空セルに注入
口から注入し、注入口を封止した。

これに紫外線を60秒間照射して液晶樹脂複合体を硬化
させ、緑表示用の液晶表示素子を作成した。

この作成した液晶表示素子の液晶樹脂複合体中の液晶
の平均粒子径は約1.9μｍ、液相の屈折率異方性Δｎは
約0.24、誘電異方性Δεは約15.6であった。

同様にして、赤表示用の液晶表示素子（平均粒子径約
2.4μｍ、基板間隙約12.5μｍ）、及び青表示用の液晶
表示素子（平均粒子径約1.5μｍ、基板間隙約9.0μｍ）
を作成した。

第１図に示すように、色分離手段として、２枚のダイ
クロイックミラーと１枚のアルミニウムのミラーを用
い、かつ、色合成手段として、２枚のダイクロイックミ
ラーと１枚のアルミニウムのミラーを用い各ミラーの光
入射角を30゜となるように光学系を配置し、色分離手段
によりRGBに分離された光路中に３枚の液晶表示素子を
３色合成された位置からの光路長が等しくなる位置に配
置した。

投射用光源としては、色温度3200Kの白色のハロゲン
ランプを用い、ダイクロイックミラーとして、Ｐ、Ｓ偏
光について平均した分光特性として入射角θ＝30゜と45
゜に対して、色分割波長（反射率が50％の波長）λ_ｏが
ダイクロイックミラー2Aでは510nm、ダイクロイックミ
ラー2Bでは560nm、ダイクロイックミラー2Cでは510nm、
ダイクロイックミラー2Dでは600nmのものを用いた。こ
の結果、投射カラー画像の色相を示すCIE色度座標は第
２表の結果となった。

本発明の実施例によれば、青、赤、緑の色純度の高
い、鮮明な画像が得られた。さらに、ホワイトバランス
を調整することなく、合成色が理想的な白色（ｘ＝0.3
3、ｙ＝0.33）に近いものが得られた。一方、θ＝45゜
の比較例では青色が不足した合成色になるので、液晶表
示素子の印加電圧を調整して、赤、緑の液晶表示素子の
透過率を低下させる必要があり、明るさが低下するもの
であり、かつ、複雑な駆動回路を必要とした。

また、液晶表示素子として、従来のTN型液晶表示素子
を用いた場合には、第２図に示すような従来の投射型カ
ラー液晶表示装置で、CIE色度座標表示による色純度は
本発明の実施例と同程度に優れたものであったが、明る
さＹが半分以下という暗い画像しか得られなかった。

実施例３実施例２の入射角θを15゜に代えたほかは実施例２と
同様にして投射型カラー液晶表示装置を製造した。

この投射型カラー液晶表示装置は、色純度、白色度の
点では実施例２以上であり、ダイクロイックミラーがよ
り小型化し、ミラーの製造歩留まりが工場した。しか
し、光路長が増加するため、システムの容積が増加し、
有効光量が減少するため、実施例２に比して表示が暗く
なるという欠点が生じた。

上記の実施例においては、ダイクロイックミラーの色
分離及び色合成をRGBの３色としたが、これに限定され
るものではない。また、投射用光源、色分離手段、液晶
樹脂複合体を用いた液晶表示素子、色合成手段、投射光
学系等は第１図のものに限定されるものではない。さら
に、ダイクロイックミラーへの入射角を全ての同一に設
定しているが、少なくとも１個は10゜＜θ＜35゜とする
ことにより、色相に改善の効果は生じる。もっとも、全
てのダイクロイックミラーへの入射角を全て10゜＜θ＜
35゜とすることにより最良の効果が得られる。

［発明の効果］本発明の投射型カラー液晶表示装置では、電極付基板
間に挟持される液晶材料として、電気的に散乱状態と透
過状態とを制御しうる液晶樹脂複合体を挟持した液晶表
示素子を用いているため、偏光板が不要であり、透過時
の光の透過率を大幅に向上でき、明るい投射カラー画像
が得られる。

本発明の投射型カラー液晶表示装置では、ダイクロイ
ックミラーの分光特性に偏光依存性を少なくすることが
できるため、色純度が高く、色相の優れた鮮明なカラー
画像が得られる。

また、色分離手段及び色合成手段に用いられるダイク
ロイックミラー、単なる反射鏡の面積を小さくできるの
で、ダイクロイックミラー面内の分光特性均一性が改善
されるとともに、生産歩留りが向上し、小型で安価な投
射型カラー液晶表示装置が得られる。

さらに、ダイクロイックミラーを透過する光の光路の
ずれが低減されるので、光軸調整が容易になり、複数色
の液晶表示素子の画像を合成して得られるカラー画像の
光軸のずれに伴う画質の劣化が改善されるという効果も
有する。

本発明は、この外、本発明の効果を損しない範囲内で
種々の応用が可能である。

【図面の簡単な説明】第１図は、本発明の投射型カラー液晶表示装置の基本的
な例の構成を示す模式図である。第２図及び第３図は、従来の投射型カラー液晶表示装置
の例を示す模式図である。第４図は、誘電体多層膜の分光反射率を示すグラフであ
る。第５図は、ダイクロイックミラーの色分離特性を示すグ
ラフであり、第６図はダイクロイックプリズムの色分離
特性を示すグラフである。投射用光源:1 ダイクロイックミラー:2A、2B、2C、2D 鏡:3A、3B 透過−散乱型液晶表示素子:4A、4B、4C 投射光学系:5 アパーチャー:6 投射スクリーン:7

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＨ０４Ｎ 9/31 Ｈ０４Ｎ 9/31 Ｃ

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】投射用光源と、その投射用光源からの光を
複数の色光に分離する少なくとも２つのダイクロイック
ミラーを用いた色分離手段と、分離された色光を別々に
変調する複数の液晶表示素子と、複数の液晶表示素子を
透過した色光を合成する少なくとも２つのダイクロイッ
クミラーを用いた色合成手段と、合成された光を投射ス
クリーンに投射する投射光学系とが備えられ、液晶物質
が樹脂マトリクス中に分散保持され、樹脂マトリクスの
屈折率が使用する液晶物質の常光屈折率（n_o）とほぼ一
致するようにされた液晶樹脂複合体が電極付基板間に挟
持された液晶表示素子が用いられた投射型カラー液晶表
示装置において、光の散乱状態におけるヘイズ値が80％
以上の液晶表示素子が用いられ、各ダイクロイックミラ
ーへの光軸における光の入射角θが10゜＜θ＜35゜を満
足するように設けられ、色分離のためのダイクロイック
ミラーによって色分離された各色光は液晶表示素子の面
にほぼ垂直な光軸に沿って進行せしめられ、散乱された
光を減ずる装置が投射光学系の中もしくは投射スクリー
ンと投射光学系との間に配置されてなることを特徴とす
る投射型カラー液晶表示装置。
【請求項２】色分離手段に第１のミラーが備えられ、色
分離手段の第１のダイクロイックミラーと第１のミラー
の間の光軸上の光路の長さと、色分離手段の第２のダイ
クロイックミラーと第１のダイクロイックミラーとの間
の光軸上の光路の長さとがほぼ等しく設けられてなるこ
とを特徴とする請求項１の投射型カラー液晶表示装置。
【請求項３】散乱された光を減ずる装置がアパーチャー
もしくは光路上に配置した小さなミラーであることを特
徴とする請求項１または２の投射型カラー液晶表示装
置。
【請求項４】樹脂マトリクスを形成するのに光硬化性化
合物が用いられ、液晶樹脂複合体のうちの液晶の体積分
率Φが35％＜Φ＜70％であることを特徴とする請求項
１、２または３の投射型カラー液晶表示装置。
【請求項５】基板の一つにアクティブ素子が設けられ、
スクリーン上に中間調表示が投射されることを特徴とす
る請求項１、２、３または４の投射型カラー液晶表示装
置。