JP4292778B2 - 照明装置及び投射型表示装置並びに液晶素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、照明装置及びこの照明装置を備えた投射型表示装置並びにこの照明装置の光量調整用として好適な液晶素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、情報機器の発達はめざましく、解像度が高く、低消費電力でかつ薄型の表示装置の要求が高まり、研究開発が進められている。中でも液晶表示装置は液晶分子の配列を電気的に制御して、光学的特性を変化させることができ、上記のニーズに対応できる表示装置として期待されている。このような液晶表示装置の一形態として、照明装置から出射された光を液晶ライトバルブで変調した後、スクリーン上に拡大投射する投射型液晶表示装置（液晶プロジェクタ）が知られている。
【０００３】
投射型液晶表示装置は光変調手段として液晶ライトバルブを用いたものであるが、投射型表示装置には、液晶ライトバルブの他、デジタルミラーデバイス（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ，以下、ＤＭＤと略記する）を光変調手段としたものも実用化されている。ところが、従来の投射型表示装置は以下のような問題点を有している。
（１）光学系を構成する様々な光学要素で生じる光漏れや迷光のため、充分なコントラストが得られない。つまり、表示できる明るさの範囲（ダイナミックレンジ）が狭く、陰極線管（Ｃａｔｈｏｄｅ Ｒａｙ Ｔｕｂｅ,以下、ＣＲＴと略記する）を用いた既存の映像モニタと比較すると、映像品質の点で劣ってしまう。
（２）各種の映像信号処理により映像の品質向上を図ろうとしても、ダイナミックレンジが固定されているために、充分な効果を発揮することができない。
【０００４】
このような投射型表示装置の問題点に対する解決策、つまりダイナミックレンジを拡大する方法としては、映像信号に応じて光変調手段（ライトバルブ）に入射させる光量を変化させることが考えられる。この際、高圧水銀ランプ等からなる光源自体の光出力を制御するのは極めて困難であるため、光源とライトバルブとの間に、光の透過量を調整可能な調光素子を配置する方法が提案されている（例えば、特許文献１）。このような調光素子としては、偏光板が不要で光利用効率の高い高分子分散型の液晶素子（ＰＤＬＣ）を好適に用いることができる。
【０００５】
【特許文献１】
特開平９−１１６８４０号公報
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の高分子分散型液晶素子は、高分子の配向が無秩序であるため、液晶と高分子との実効的な屈折率を一致させた場合でも十分な透明表示が得られず、調光を行なわない場合の光損失が大きかった。また、高分子中に分散された液晶の配向も無秩序となるため、液晶の平均屈折率と高分子の屈折率との差が小さくなり、液晶と高分子との配向を異ならせた場合でも十分な散乱状態が得られない。このため液晶素子のコントラストが低く、調光を十分に行なうことができなかった。
【０００７】
本発明は、上述の課題に鑑み創案されたもので、光損失が少なく出射光量を広い範囲で調節できるようにした照明装置及びこの照明装置を備えた投射型表示装置並びにこの照明装置の光量調整用として好適な散乱強度の強い液晶素子を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の照明装置は、ライトバルブ照明する照明装置であって、照明光の偏光方向を一方向に揃える偏光変換手段と、一方向に配向した高分子が液晶中に相分離した状態で分散された液晶高分子複合層を一対の基板間に有し、上記液晶高分子複合層へ印加される電界の有無に応じて、上記液晶及び上記高分子が略揃う方向又は異なる方向に配向する液晶素子とを備え、上記液晶素子は、上記偏光変換手段と上記光変調装置との間に設けられ、上記偏光変換手段から上記液晶素子に入射された光の偏光方向が上記高分子の配向方向と略揃う方向に配置されたことを特徴とする。
【０００９】
本構成では、液晶素子の高分子が一方向に揃った状態で配向しているため、高分子が無秩序に配向したものに比べて、液晶の配向を制御して液晶と高分子との屈折率を略一致させた場合の液晶素子の透過率と、液晶と高分子との屈折率を異ならせた場合の液晶素子の散乱強度とを共に高めることができる。このため、調光を行なわない場合に光損失を低減でき、調光を行なう場合に出射光量を広い範囲で調節できる。また、高分子の配向方向が入射光の偏光方向と略揃っているため、液晶分子の配向変化が、入射光の偏光方向及び入射光の伝播方向を含む平面内で生じ、入射光の感じる屈折率変化は最も大きくなる。これにより、素子の散乱性を更に高めることができる。
【００１０】
なお、上記一対の基板の内、少なくとも一方の基板の電極表面をラビングし、電界無印加時に上記一方の基板の表面付近の上記液晶及び上記高分子が上記ラビングの方向に略揃って配向するようにしてもよい。
本構成によれば、液晶素子の少なくとも一方の基板にポリイミドからなる配向膜を用いていないため、液晶素子の耐光性が高まる。このため、光による劣化の少ない信頼性の高い照明装置が得られる。
【００１１】
また、上記一対の基板の内、少なくとも一方の基板の表面に無機膜を斜方蒸着し、電界無印加時に上記一方の基板の表面付近の上記液晶及び上記高分子が上記無機膜の形成方向に略揃って配向するようにしてもよい。
無機物を基板に対して斜めに蒸着した場合、基板上にはこの蒸着方向を長軸方向とする無機の柱状構造物が形成され、この無機膜の形成方向に沿って液晶分子や高分子前駆体が配向される。なお、無機膜の形成方向とは、柱状構造物の長軸方向或いはこの長軸方向に垂直な方向をいう。このように、本構成によっても、ポリイミドからなる配向膜を用いていないため、光による劣化の少ない信頼性の高い照明装置が得られる。
【００１２】
さらに、上記一対の基板の内、少なくとも一方の基板の表面に溝構造を形成し、電界無印加時に上記一方の基板の表面付近の上記液晶及び上記高分子が上記溝構造の延在方向に略揃って配向するようにしてもよい。
本構成によっても、ポリイミドからなる配向膜を用いていないため、光による劣化の少ない信頼性の高い照明装置が得られる。
【００１３】
また、本発明の投射型表示装置は、上述の照明装置を備えたことを特徴とする。
本構成によれば、出射光量を広い範囲で調節可能な照明装置をそなえているため、例えば映像信号に基づく情報，投射拡大率に基づく方法，使用環境下における明るさの状況等の外部情報に基づいて照明光の光量を調整することで、ダイナミックレンジの広い映像表現力に優れた表示を得ることができる。
【００１４】
また、本発明の液晶素子は、液晶と高分子とが互いに略揃った方向に配向した状態で分散された液晶高分子複合層と、上記液晶高分子複合層を挟持する一対の基板間とを備え、上記基板の表面に、上記液晶のプレチルトを３°以下とする配向処理が施され、上記液晶高分子複合層へ印加される電界の有無に応じて、上記液晶及び上記高分子が略揃う方向又は異なる方向に配向することを特徴とする。
本構成によれば、高分子が無秩序に配向したものに比べて、液晶素子の透明性及び散乱性を共に高めることができ、コントラストの高い液晶素子が得られる。また、液晶のプレチルト角が小さいため、電界の作用により液晶が高分子の配向方向と異なる方向に配向する際に、各液晶分子の立ち上がり方向がランダムとなり、液晶素子の散乱性を更に高めることができる。特に、プレチルト角を３°以下とすることで、プレチルト角による立ち上がりの方向性より電界による立ち上がりの方向性が支配的となり立ち上がりの方向性がランダムとなるため、良好な散乱特性が得られる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
［液晶素子］
以下、図１，図２を参照しながら本発明の第１実施形態に係る液晶素子について説明する。なお、以下の全ての図面においては、図面を見やすくするため、各構成要素の膜厚や寸法の比率などは適宜異ならせてある。
【００１６】
図１に示すように、本発明の液晶素子は、対向して配置されたガラス等からなる透明な基板１００，２００の間に液晶高分子複合層１５０が挟持されて構成されている。二枚の基板１００，２００は内面側（液晶高分子複合層１５０側）にそれぞれＩＴＯ（インジウム錫酸化物）等の透明な導電材料からなる透明電極１０１，２０１が形成されており、更に、これらの透明電極１０１，２０２上にはそれぞれ配向膜１０２，２０２が形成されている。
【００１７】
液晶高分子複合層１５０は、液晶１５１中に粒子状の高分子１５２が相分離した状態で分散された液晶組成物から構成されている。
【００１８】
液晶１５１は、例えば正の誘電異方性を有するネマチック液晶からなり、屈折率異方性（Δｎ）の大きい材料が用いられている。また、信頼性の観点から、液晶１５１は、ベンゼン骨格，シクロヘキサン骨格，アルキレン骨格等にアルキル基，アルコキシ基，フッ素基，塩素基等の側鎖を有することが好ましく、エステル基，トラン基等の結合基を含まない構造とすることが望ましい。
【００１９】
高分子１５２は、液晶１５１中で液晶相状態において高分子前駆体（モノマー）を、例えば紫外線等により重合させたものであり、モノマー状態において上記液晶１５１と相溶するとともに、重合する際に液晶１５１と相分離するものが用いられている。また、重合により得られる高分子１５２が細かいブロックとなって液晶１５１中に均一に分散されるように、上述のモノマーには、液晶性の高い材料が用いられている。
【００２０】
なお、物質（例えばモノマーや高分子）の液晶性とは、その物質の液晶状態における安定性をいい、この液晶性の大きさは、その物質の分子構造によって決まる。一般に、棒状の分子構造を有する物質ほど液晶性が高く、例えば下記の一般式（１），（２）で示す分子構造を有する材料が好適に用いられる。より具体的には、下記の表１〜表４に示すものが用いられている。
【００２１】
【化１】
【００２２】
【化２】
【００２３】
【表１】
【００２４】
【表２】
【００２５】
【表３】
【００２６】
【表４】
【００２７】
なお、上述のモノマーは、後述の配向膜１０２，２０２により基板１００，２００間で平行配向した状態で重合，硬化されており、外部電界によって配向状態が変化することはない。
【００２８】
配向膜１０２，２０２は、例えばその配向方向が基板１００と基板２００とでアンチパラレルとなるように配向処理が施されており、液晶１５１及び液晶１５１中に添加された上述のモノマーを基板１００，２００間でホモジニアス配向させるようになっている。また、配向膜１０２，２０２は、液晶１５１のプレチルト角が例えば３°以下となるように配向処理されることが好ましい。このように液晶のプレチルト角を小さくすることで、電界の作用により液晶が高分子の配向方向と異なる方向に配向する際に、各液晶分子の立ち上がり方向がランダムとなり、液晶素子の散乱性を高めることができる。特に、プレチルト角を３°以下とすることで、プレチルト角による立ち上がりの方向性より電界による立ち上がりの方向性が支配的となり立ち上がりの方向性がランダムとなるため良好な散乱特性が得られる。
【００２９】
このように液晶１５１及びモノマーを配向させる手段としては、一般にポリイミド膜をラビングする方法が用いられるが、イミド結合は光や熱等により分解され易いことが知られており、特に液晶素子を光束密度が２〜１０ｌｍ／ｍｍ２程度の強度の強い光が照射される投射型表示装置等に搭載する場合に素子の信頼性を損なう虞がある。このため、本実施形態では、一酸化珪素等の無機膜を蒸着装置により基板１００，２００上に斜方蒸着したものを配向膜１０２，２０２として用いている。
【００３０】
図２は蒸着装置３００の概略構成を示しており、蒸着装置３００は蒸着室３０８中に一酸化珪素等の蒸着部材を充填された蒸着源３０２が備えられ、この蒸着源３０２の上方に仕切り部３０３を介して基板設置部３０７が設けられている。この基板設置部３０７は基板１００（又は基板２００）の取り付け角度を蒸着源３０２からの蒸発流の流出方向に対して斜めに設置できるようになっている。また、仕切り部３０３には開口部３０３ａが形成されており、蒸着源３０２からの蒸発流が基板１００（又は基板２００）に向けて流出できるようになっている。
【００３１】
上述の液晶素子は、例えば以下のように製造される。
まず、ガラス等からなる二枚の透明な基板１００，２００の表面にスパッタリング等によりＩＴＯ等からなる透明電極１０１，２０１を形成し、続いて、図２に示した蒸着装置３００を用いて透明電極１０１，２０１上に２０ｎｍ程度の膜厚の配向膜１０２，２０２を形成する。この際、まず、基板設置部３０７により基板１００，２００の法線方向を鉛直方向に対して例えば６０°傾けて設置し、真空ポンプ３１０により蒸着室３０８を真空にする。そして、図示しないヒータにより蒸着源３０２を加熱して蒸着部材を蒸発させ、蒸発流を開口部３０３ａを介して基板１００，２００に向けて流出させる。この際、ヒータの温度や開口部３０３ａに設けられた図示しないシャッタの開閉量を調節することで、蒸着速度や蒸着量或いは得られる配向膜１０２，２０２の配向性等を制御することができる。また、基板の設置角度を制御することによって、配向膜によって付与されるプレチルト角を制御することができる。
【００３２】
このように無機物を基板面に対して斜め方向から蒸着した場合、基板１０１，２０１上には、蒸着方向を長軸方向とする無機の柱状構造物が形成される。この柱状構造物は蒸着条件によってその密度を変化させることができ、例えば上記構造物を基板上に疎に形成した場合には、この無機膜近傍の液晶分子やモノマーはその長軸方向が上記構造物の長軸方向に沿うように配向する。また、上記構造物を基板上に密に形成した場合には、無機膜近傍の液晶分子等は構造物の長軸方向に垂直な方向に配向する。
【００３３】
次に、基板１００，２００を、透明電極１０１，２０１が対向するように封止材（図示略）を介して貼り合わせる。この際、各基板１００，２００の配向方向は、上記二枚の基板１００，２００を組み合わせたときに互いにアンチパラレルとなるようにする。また、散乱強度を十分確保するために基板間隔（セル厚）を例えば７．５μｍ程度とする。
【００３４】
次に、上述の高分子前駆体を液晶１５１中に添加した液晶組成物を、基板１００，２００と封止材とにより形成された空間内に充填する。そして、基板表面から紫外線等を照射して高分子前駆体を重合，硬化させ、液晶１５１と高分子１５２とを相分離して、液晶高分子複合層１５０を形成する。
以上により、液晶素子が製造される。
【００３５】
本実施形態の液晶素子は、上述のように構成されているため、電圧無印加状態では、液晶１５１及び高分子１５２の実効的な屈折率が略一致し、液晶素子に入射した光は液晶１５１と高分子１５２との界面で散乱されることなく透過する。この結果、液晶素子は良好な透明状態となる。
【００３６】
一方、透明電極１０１，２０１間に電圧を印加すると、高分子１５２の配向は固定されたまま、液晶１５１のみ基板１００，２００に対して略垂直に配向する。しかし、高分子界面に存在する液晶分子は高分子１５２とのアンカリングにより電界により配向方向を変えない。よって液晶１５１には異なる方向の液晶分子が存在することになり、液晶の屈折率異方性に起因した大きな屈折率差が生じる。このような液晶素子に、高分子１５２の配向方向と平行な偏光軸を持った直線偏光が入射すると、入射光は液晶１５１中で強く散乱される。この際、液晶１５１のプレチルト角が小さいため、電圧印加によって液晶分子が立ち上がるときに各液晶分子の立ち上がり方向がランダムになり、又、高分子１５２の影響で液晶分子の立ち上がり角に一定の幅を生じるため、散乱強度はより大きくなる。また、高分子１５２は液晶１５１中に細かいブロックとして均一に分散されているため、このような散乱は略基板全面に亘って観察される。この結果、液晶素子は上述の直線偏光に対して良好な散乱状態となる。
【００３７】
したがって、本発明によれば、配向膜１０２，２０２によってモノマーを配向させた状態で重合を行なっているため、得られた高分子１５２は、各分子の配向方向が一方向に揃った状態で液晶１５１中に分散されることになる。このため、高分子１５２が無秩序に配向したものに比べて高分子界面付近での液晶１５１の配向乱れが少なくなり、電圧無印加時（即ち、液晶１５１と高分子１５２との実効的な屈折率を一致させた状態）における液晶素子の透明性が高まる。また、配向膜１０２，２０２により電圧無印加時の液晶１５１の配向状態を規定できるため、電圧印加時（即ち、液晶１５１中に屈折率分布を持たせた状態）における散乱強度を更に高めることができる。これにより、光利用効率が高くコントラストの高い液晶素子が得られる。
【００３８】
また、液晶のプレチルト角を小さくしているため、電圧印加により液晶を高分子１５２と異なる方向に配向させる場合に、各液晶分子の立ち上がり方向がランダムになり、素子の散乱性を更に高めることができる。
さらに、本構成では、配向膜１０１，２０１にポリイミドを用いていないため、耐光性や耐熱性に優れた液晶素子を得ることができる。
【００３９】
［照明装置及び投射型表示装置］
次に、本発明の電子機器の一例としての投射型表示装置について説明する。
図３は、本発明の一実施形態に係る投射型表示装置の全体構成を示す模式図であり、図４は、その駆動回路の機能的な構成を示すブロック図である。
【００４０】
図３に示すように、本実施形態の投射型表示装置は、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の異なる色毎に透過型液晶ライトバルブ（光変調装置）２２〜２４を備えた３板式の投射型カラー液晶表示装置であり、光源２，フライアイレンズ（インテグレータ）３，４，偏光変換装置（偏光変換手段）４ｄ，調光素子５を有する照明装置１と、ダイクロイックミラー１３，１４，反射ミラー１５〜１７，レンズ１８〜２０，液晶ライトバルブ２２〜２４，クロスダイクロイックプリズム２５，投射レンズ２６を有する投射光学系３０とを備えて構成されている。
【００４１】
光源２は高圧水銀ランプ或いはメタルハライドランプ等のランプ７とランプ７の光を反射するリフレクタ８とから構成されている。また、光源光の照度分布を被照明領域である液晶ライトバルブ２２，２３，２４において均一化させるための均一照明手段として、光源２側から第１フライアイレンズ３、第２フライアイレンズ４が順次設置されている。各フライアイレンズ３，４は、複数（本実施形態では例えば６×８個）のレンズ９，１０から構成されている。そして、光源２から射出された光は、フライアイレンズ３，４によって被照明領域である液晶ライトバルブにおいて照度分布を均一化されて出射されるようになっている。
【００４２】
偏光変換装置４ｄは、均一照明手段側に設けられた偏光ビームスプリッタアレイ（ＰＢＳアレイ）と、ＰＢＳアレイによって反射された偏光の偏光方向を変換する１／２波長板アレイとから構成され、光源光の光強度を損なうことなく光の偏光方向を一方向に揃えるようになっている。
【００４３】
調光素子５は、上述した高分子分散型の液晶素子からなり、後述の調光素子ドライバからの駆動信号により透過率を変更され、光量調整した光源光を投射光学系３０に出力するようになっている。また、この調光素子５は、高分子１５２の配向方向が、偏光変換装置４ｄから入射される偏光の偏光方向及び液晶ライトバルブ２２〜２４の光源２側の偏光板の透過軸方向と略一致するように配置されており、光の変調幅を最大限大きくできるようになっている。
【００４４】
このような照明装置１では、電圧無印加時には、調光素子５は上述のように高い透過率を示すため、偏光変換装置４ｄによって偏光方向を一方向に揃えられた光源光Ｌｉｎは光損失を殆ど受けることなくライトバルブ２２（〜２４）側に出射される（図５（ａ）参照）。一方、電圧印加時には、液晶分子の配向変化が、入射光Ｌｉｎの偏光方向及び入射光の伝播方向を含む平面内で生じるため、入射光Ｌｉｎの感じる屈折率変化は最も大きくなる。このため、光源光Ｌｉｎは強く散乱され、ライトバルブ２２（〜２４）に入射される光の光量は最も少なくなる（図５（ｂ）参照）。
【００４５】
したがって、本照明装置１によれば、調光を行なわない場合（即ち、電圧無印加時）に、偏光変換装置４ｄから入射された照明光の光損失を極力低減できるとともに、照明光を調光してライトバルブ側に出射する場合（即ち、電圧印加時）に、出射光量を最大限広い範囲で調節できる。
【００４６】
ダイクロイックミラー１３，１４は、例えばガラス表面に誘電体多層膜を積層したもので、所定の色光を選択的に反射し、それ以外の波長の光を透過するようになっている。すなわち、青色光・緑色光反射のダイクロイックミラー１３は、光源２からの光束のうちの赤色光ＬＲを透過させるとともに、青色光ＬＢと緑色光ＬＧとを反射するようになっている。また、緑色光反射のダイクロイックミラー１４は、ダイクロイックミラー１３で反射された青色光ＬＢと緑色光ＬＧの内、青色光ＬＢを透過し緑色光ＬＧを反射するようになっている。
【００４７】
これにより、照明装置１から入射された光の内、赤色光ＬＲはダイクロイックミラー１３を透過した後、反射ミラー１７で反射され、赤色光用ライトバルブ２２に入射される。緑色光ＬＧはダイクロイックミラー１４に反射されて緑色光用ライトバルブ２３に入射される。青色光ＬＢはダイクロイックミラー１４を透過した後、リレーレンズ１８、反射ミラー１５、リレーレンズ１９、反射ミラー１６、リレーレンズ２０からなるリレー系２１を経て、青色光用ライトバルブ２４に入射されるようになっている。
【００４８】
ライトバルブ２２〜２４は、例えばアクティブマトリクス型の透過型液晶装置として構成され、各ライトバルブ２２〜２４で変調された色光ＬＲ，ＬＧ，ＬＢは、クロスダイクロイックプリズム２５に入射されるようになっている。
クロスダイクロイックプリズム２５は、直角プリズムが貼り合わされた構造となっており、その内面に赤色光ＬＲを反射するミラー面と青色光ＬＢを反射するミラー面とが十字状に形成されている。そして、三つの色光ＬＲ，ＬＧ，ＬＢがこれらのミラー面によって合成されてカラー画像を表わす光が形成された後、投射レンズ２６によりスクリーン２７上に拡大投射されるようになっている。
【００４９】
次に、本実施形態の投射型液晶表示装置の駆動方法について説明する。
本実施形態の投射型表示装置では、映像信号に基づいて調光素子５を駆動することで照明装置１の光出力を制御するようになっており、デジタル信号処理ブロックであるＤＳＰ（１）〜ＤＳＰ（２）や、映像信号をＡＤ変換或いはＤＡ変換するためのＡＤコンバータ３１，ＤＡコンバータ３７等の回路を備えている。
【００５０】
本実施形態では、図４に示すように、アナログ信号として入力された映像信号がＡＤコンバータ３１を経て第１のデジタル信号処理回路であるＤＳＰ（１）３２（制御信号決定手段）に入力される。そして、このＤＳＰ（１）により、映像信号から調光素子５に印加する電圧値、即ち、調光素子５の透過率を決める明るさ制御信号が決定され、ＤＳＰ（２）３３に入力される。そして、このＤＳＰ（２）３３により、明るさ制御信号に基づいて調光素子ドライバ３４が制御され、最終的に、この調光素子ドライバ３４により調光素子５が駆動される。
一方、ＤＳＰ（１）３２に入力された映像信号は、ＤＡコンバータ３７により再びアナログ信号に変換された後、パネルドライバ３８に入力され、パネルドライバ３８から各ライトバルブ２２〜２４に各色毎の映像信号が供給される。
【００５１】
したがって、本発明の投射型表示装置によれば、光源２と投射光学系３０との間に高コントラストな調光素子５を配置して出力光を調整しているため、光源２の光出力強度が一定のままでも投射光学系３０に対して所望の光量の光を出力することができる。これにより、投射表示装置のダイナミックレンジを拡大でき、映像表現力に優れた投射表示装置を実現することができる。
【００５２】
［第２実施形態］
次に、図６を用いて本発明の第２実施形態に係る液晶素子について説明する。本液晶素子は、図６に示すように、内面側に透明電極１０１′，２０１′の形成された基板１００，２００により液晶高分子複合層１５０が挟持された構成となっている。
【００５３】
基板表面の透明電極１０１′，２０１′には直接ラビング処理が施されており、ラビングにより生じた細かい傷により、基板に接する液晶分子やモノマーをラビング方向に沿って配向させるようになっている。また、このように透明電極１０１′，２０１′を直接ラビング処理した場合、基板に対し垂直方向へ立ち上がる物質の存在がないため、液晶１５１にプレチルト角を殆ど付与しない構造とすることができる。そして、これらの基板１００，２００は、ラビング方向が互いにアンチパラレルとなるように貼り合わされ、液晶１５１及び液晶１５１中に添加されたモノマーを基板１００，２００間でホモジニアス配向させるようになっている。
【００５４】
上述の液晶素子は、例えば以下のように製造される。
まず、ガラス等からなる二枚の透明な基板１００，２００の表面にスパッタリング等によりＩＴＯ等からなる透明電極１０１′，２０１′を形成し、続いて、この透明電極１０１′，２０１′上を一方向にラビングする。
【００５５】
次に、基板１００，２００を、透明電極１０１′，２０１′が対向するように封止材（図示略）を介して貼り合わせる。この際、各基板１００，２００の配向方向（ラビング方向）は、上記二枚の基板１００，２００を組み合わせたときに互いにアンチパラレルとなるようにする。また、散乱強度を十分確保するために基板間隔（セル厚）を例えば７．５μｍ程度とする。
【００５６】
次に、上述した液晶組成物を基板１００，２００と封止材とにより形成された空間内に充填した後、高分子前駆体を重合，硬化させ、液晶１５１と高分子１５２とを相分離して液晶高分子複合層１５０を形成する。
そして、これ以外は上記第１実施形態と同様であるため、その説明を省略する。
【００５７】
したがって、本構成でも、光利用効率が高くコントラストの大きい液晶素子を得ることができる。また、配向膜を用いていないため、液晶素子を安価に製造することができる。
【００５８】
［第３実施形態］
次に、図７を用いて本発明の第３実施形態に係る液晶素子について説明する。なお、図７（ａ），図７（ｂ）はいずれも本液晶素子の断面構造を示す図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）のＡ矢視図である。
【００５９】
本液晶素子は、図７（ｂ）に示すように、内面側に透明電極１０１′′，２０１′′の形成された基板１００′′，２００′′により液晶高分子複合層１５０が挟持された構成となっている。
【００６０】
基板１００′′，２００′′の内面側には、それぞれ所定幅の複数の溝１１０，２１０が一定間隔でストライプ状に形成されており、透明電極１０１′′，２０１′′の表面には、これらの溝１１０，２１０に対応してストライプ状の溝１１１，２１１が形成されている。このように透明電極１０１′′，２０１′′の表面に溝構造を形成した場合、溝１１１，２１１付近の液晶分子やモノマーは溝１１１，２１１の延在方向に沿って略揃って配向する一方、液晶１５１にはプレチルトが全く生じない構造となる。そして、これらの基板１００′′，２００′′は、溝１１０，２１０の延在方向が互いに平行となるように貼り合わされ、液晶１５１及び液晶１５１中に添加されたモノマーを基板１００′′，２００′′間でホモジニアス配向させるようになっている。
【００６１】
上述の液晶素子は、例えば以下のように製造される。
まず、ガラス等からなる二枚の透明な基板１００′′，２００′′の表面に、例えば幅０．５μｍ，深さ０．２μｍの溝を０．５μｍ間隔でストライプ状に複数形成し、その上にＩＴＯ等からなる透明電極１０１′，２０１′をスパッタリング等により形成する。
【００６２】
次に、基板１００′′，２００′′を、透明電極１０１′′，２０１′′が対向するように封止材（図示略）を介して貼り合わせる。この際、各基板１００′′，２００′′の配向方向（溝１１０，２１０の延在方向）は、上記二枚の基板１００′′，２００′′を組み合わせたときに互いに平行となるようにする。また、散乱強度を十分確保するために基板間隔（セル厚）を例えば７．５μｍ程度とする。
次に、上述した液晶組成物を基板１００′′，２００′′と封止材とにより形成された空間内に充填した後、液晶組成物中の高分子前駆体を重合，硬化させ、液晶１５１と高分子１５２とを相分離して液晶高分子複合層１５０を形成する。そして、これ以外は上記第１実施形態と同様であるため、その説明を省略する。
【００６３】
したがって、本構成でも、光利用効率が高くコントラストの大きい液晶素子を得ることができる。また、配向膜を用いていないため、信頼性の高い液晶素子を製造することができる。さらに、本構成では、液晶１５１にプレチルトが全く生じないため、散乱性を更に高めることができる。
【００６４】
なお、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
例えば、均一照明手段に関しては上記実施の形態のようなフライアイレンズ３、４に限ることなく、適宜変更が可能で、ロッドレンズ等のロッド状導光体を用いることもできる。また、光変調素子として透過型液晶ライトバルブ２２〜２４を用いた例を挙げたが、反射型液晶ライトバルブやＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）を適用することも可能である。
【００６５】
さらに、上記実施形態では、調光素子５によって、液晶ライトバルブ２２〜２４の被照明領域全面を照明する光量を調節する場合について説明したが、調光素子５の調光領域を複数に分割して、各分割された領域毎に透過光量を調節するようにしてもよい。この場合、例えば調光素子５をセグメント型の液晶素子、或いは、パッシブマトリクス型の液晶素子として構成する。
【００６６】
【実施例】
本発明者らは、本発明の効果を実証するために、本発明に係る投射型表示装置を実際に作製し、その照度の電圧依存性について調べた。その結果について以下、報告する。
【００６７】
本実施例で用いる液晶素子は、上記第２実施形態に示した構成を基本とし、液晶として塩素系液晶であるＴＬ２１５（商品名、メルク社製）を用い、この液晶中にジメタクリレートモノマー（表４のモノマー２６参照）を５ｗｔ％添加して液晶混合材料を作成した。
【００６８】
次に、ＩＴＯ付きガラス基板の表面をラビングし、ラビング方向がアンチパラレルとなるように貼り合わせて空セルを作製した。なお、セル厚は７．５μｍとした。続いて、この空セルに上述の液晶混合材料を真空注入し、紫外線を２０ｍＷ／ｃｍ２で３分間照射した。これにより、モノマーを光重合して高分子と液晶とを相分離させ、ホモジニアス配向したＰＤＬＣセルを作製した。
【００６９】
そして、このように作製したＰＤＬＣセルを用いて上記第１実施形態で説明した投射表示装置を作製した。すなわち、セルを図８中のＰ１の位置に配置し、偏光変換装置から入射される光の偏光方向とセルの高分子の配向方向とを一致させた。そして、投射光学系からスクリーン上に出射される光の照度Ｌをセルの印加電圧Ｖに対してプロットした（図９中のＬ１（Ａ）参照）。また、比較のため、上述のセルを図８中のＰ２で示す位置に配置し、同様の測定を行なった（図９中のＬ２（Ａ）参照）。なお、Ｐ１はＰＢＳと投射光学系との間の位置（即ち、インテグレータの外側となる位置）を示し、Ｐ２は一対のフライアイレンズからなるインテグレータの内側となる位置を示している。
【００７０】
その結果、印加電圧ＶＯＰが０Ｖ〜６Ｖの範囲では、照度ＬはＬ１（Ａ），Ｌ２（Ａ）共１７ｌｘ程度で略一定であり、印加電圧ＶＯＰが６Ｖを超えると照度Ｌは大きく下がり始めた。そして、印加電圧ＶＯＰが１５Ｖ以降になると照度Ｌは略一定値に収束し、Ｌ１（Ａ）では２ｌｘ程度となり、Ｌ２（Ａ）では１０ｌｘ程度となった。これは、液晶の配向方向と入射光の偏光方向とを一致させることにより大きな散乱が得られることを示している。そして、本実施例では、このように光学系を配置することで、照明装置の光量をコントラスト８以上の範囲で調光でき、実用上殆ど問題のないレベルの特性が得られた。
【００７１】
また、本実施例では、更に比較のため、セルの高分子の配向方向を９０°回転して（即ち、高分子の配向方向とＰＢＳからの入射光の偏光方向とを直交させて）配置し、同様の測定を行なった。なお、図９中のＬ１（Ｂ），Ｌ２（Ｂ）はそれぞれセルをＰ１，Ｐ２の位置に配置した時の特性を示している。
この結果、Ｌ２（Ｂ）ではＬ２（Ａ）と略同じ特性が得られる一方、Ｌ１（Ｂ）では照度Ｌは印加電圧ＶＯＰに対して略一定の値となった。これは、液晶分子の配向変化が、入射光の偏光方向と直交する平面内でのみ生じたことを示しており、基板上を単にラビングするのみでも良好な配向状態が得られることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施形態に係る液晶素子の構成を示す断面図である。
【図２】 同、液晶素子の配向膜の蒸着装置を示す模式的断面図である。
【図３】 同、投射型表示装置の構成を示す模式図である。
【図４】 同、投射型表示装置の駆動回路構成を示すブロック図である。
【図５】 同、投射型表示装置の作用を説明するための模式図である。
【図６】 本発明の第２実施形態に係る液晶素子の構成を示す断面図である。
【図７】 本発明の第３実施形態に係る液晶素子の構成を示す断面図である。
【図８】 本発明の実施例に係る投射型表示装置の光学配置を示す図である。
【図９】 同、投射型表示装置の散乱特性を示す図である。
【符号の説明】
１ 照明装置、 ５ 調光素子（液晶素子）、５ｄ 偏光変換装置（偏光変換手段）、２２〜２４ ライトバルブ（光変調装置）、１００，２００ 基板、１０１，２０１ 透明電極、１０２，２０２ 配向膜（無機膜）、１１１，２１１溝（溝構造）、１５０ 液晶高分子複合層、１５１ 液晶、１５２ 高分子
【発明の属する技術分野】
本発明は、照明装置及びこの照明装置を備えた投射型表示装置並びにこの照明装置の光量調整用として好適な液晶素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、情報機器の発達はめざましく、解像度が高く、低消費電力でかつ薄型の表示装置の要求が高まり、研究開発が進められている。中でも液晶表示装置は液晶分子の配列を電気的に制御して、光学的特性を変化させることができ、上記のニーズに対応できる表示装置として期待されている。このような液晶表示装置の一形態として、照明装置から出射された光を液晶ライトバルブで変調した後、スクリーン上に拡大投射する投射型液晶表示装置（液晶プロジェクタ）が知られている。
【０００３】
投射型液晶表示装置は光変調手段として液晶ライトバルブを用いたものであるが、投射型表示装置には、液晶ライトバルブの他、デジタルミラーデバイス（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ，以下、ＤＭＤと略記する）を光変調手段としたものも実用化されている。ところが、従来の投射型表示装置は以下のような問題点を有している。
（１）光学系を構成する様々な光学要素で生じる光漏れや迷光のため、充分なコントラストが得られない。つまり、表示できる明るさの範囲（ダイナミックレンジ）が狭く、陰極線管（Ｃａｔｈｏｄｅ Ｒａｙ Ｔｕｂｅ,以下、ＣＲＴと略記する）を用いた既存の映像モニタと比較すると、映像品質の点で劣ってしまう。
（２）各種の映像信号処理により映像の品質向上を図ろうとしても、ダイナミックレンジが固定されているために、充分な効果を発揮することができない。
【０００４】
このような投射型表示装置の問題点に対する解決策、つまりダイナミックレンジを拡大する方法としては、映像信号に応じて光変調手段（ライトバルブ）に入射させる光量を変化させることが考えられる。この際、高圧水銀ランプ等からなる光源自体の光出力を制御するのは極めて困難であるため、光源とライトバルブとの間に、光の透過量を調整可能な調光素子を配置する方法が提案されている（例えば、特許文献１）。このような調光素子としては、偏光板が不要で光利用効率の高い高分子分散型の液晶素子（ＰＤＬＣ）を好適に用いることができる。
【０００５】
【特許文献１】
特開平９−１１６８４０号公報
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の高分子分散型液晶素子は、高分子の配向が無秩序であるため、液晶と高分子との実効的な屈折率を一致させた場合でも十分な透明表示が得られず、調光を行なわない場合の光損失が大きかった。また、高分子中に分散された液晶の配向も無秩序となるため、液晶の平均屈折率と高分子の屈折率との差が小さくなり、液晶と高分子との配向を異ならせた場合でも十分な散乱状態が得られない。このため液晶素子のコントラストが低く、調光を十分に行なうことができなかった。
【０００７】
本発明は、上述の課題に鑑み創案されたもので、光損失が少なく出射光量を広い範囲で調節できるようにした照明装置及びこの照明装置を備えた投射型表示装置並びにこの照明装置の光量調整用として好適な散乱強度の強い液晶素子を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の照明装置は、ライトバルブ照明する照明装置であって、照明光の偏光方向を一方向に揃える偏光変換手段と、一方向に配向した高分子が液晶中に相分離した状態で分散された液晶高分子複合層を一対の基板間に有し、上記液晶高分子複合層へ印加される電界の有無に応じて、上記液晶及び上記高分子が略揃う方向又は異なる方向に配向する液晶素子とを備え、上記液晶素子は、上記偏光変換手段と上記光変調装置との間に設けられ、上記偏光変換手段から上記液晶素子に入射された光の偏光方向が上記高分子の配向方向と略揃う方向に配置されたことを特徴とする。
【０００９】
本構成では、液晶素子の高分子が一方向に揃った状態で配向しているため、高分子が無秩序に配向したものに比べて、液晶の配向を制御して液晶と高分子との屈折率を略一致させた場合の液晶素子の透過率と、液晶と高分子との屈折率を異ならせた場合の液晶素子の散乱強度とを共に高めることができる。このため、調光を行なわない場合に光損失を低減でき、調光を行なう場合に出射光量を広い範囲で調節できる。また、高分子の配向方向が入射光の偏光方向と略揃っているため、液晶分子の配向変化が、入射光の偏光方向及び入射光の伝播方向を含む平面内で生じ、入射光の感じる屈折率変化は最も大きくなる。これにより、素子の散乱性を更に高めることができる。
【００１０】
なお、上記一対の基板の内、少なくとも一方の基板の電極表面をラビングし、電界無印加時に上記一方の基板の表面付近の上記液晶及び上記高分子が上記ラビングの方向に略揃って配向するようにしてもよい。
本構成によれば、液晶素子の少なくとも一方の基板にポリイミドからなる配向膜を用いていないため、液晶素子の耐光性が高まる。このため、光による劣化の少ない信頼性の高い照明装置が得られる。
【００１１】
また、上記一対の基板の内、少なくとも一方の基板の表面に無機膜を斜方蒸着し、電界無印加時に上記一方の基板の表面付近の上記液晶及び上記高分子が上記無機膜の形成方向に略揃って配向するようにしてもよい。
無機物を基板に対して斜めに蒸着した場合、基板上にはこの蒸着方向を長軸方向とする無機の柱状構造物が形成され、この無機膜の形成方向に沿って液晶分子や高分子前駆体が配向される。なお、無機膜の形成方向とは、柱状構造物の長軸方向或いはこの長軸方向に垂直な方向をいう。このように、本構成によっても、ポリイミドからなる配向膜を用いていないため、光による劣化の少ない信頼性の高い照明装置が得られる。
【００１２】
さらに、上記一対の基板の内、少なくとも一方の基板の表面に溝構造を形成し、電界無印加時に上記一方の基板の表面付近の上記液晶及び上記高分子が上記溝構造の延在方向に略揃って配向するようにしてもよい。
本構成によっても、ポリイミドからなる配向膜を用いていないため、光による劣化の少ない信頼性の高い照明装置が得られる。
【００１３】
また、本発明の投射型表示装置は、上述の照明装置を備えたことを特徴とする。
本構成によれば、出射光量を広い範囲で調節可能な照明装置をそなえているため、例えば映像信号に基づく情報，投射拡大率に基づく方法，使用環境下における明るさの状況等の外部情報に基づいて照明光の光量を調整することで、ダイナミックレンジの広い映像表現力に優れた表示を得ることができる。
【００１４】
また、本発明の液晶素子は、液晶と高分子とが互いに略揃った方向に配向した状態で分散された液晶高分子複合層と、上記液晶高分子複合層を挟持する一対の基板間とを備え、上記基板の表面に、上記液晶のプレチルトを３°以下とする配向処理が施され、上記液晶高分子複合層へ印加される電界の有無に応じて、上記液晶及び上記高分子が略揃う方向又は異なる方向に配向することを特徴とする。
本構成によれば、高分子が無秩序に配向したものに比べて、液晶素子の透明性及び散乱性を共に高めることができ、コントラストの高い液晶素子が得られる。また、液晶のプレチルト角が小さいため、電界の作用により液晶が高分子の配向方向と異なる方向に配向する際に、各液晶分子の立ち上がり方向がランダムとなり、液晶素子の散乱性を更に高めることができる。特に、プレチルト角を３°以下とすることで、プレチルト角による立ち上がりの方向性より電界による立ち上がりの方向性が支配的となり立ち上がりの方向性がランダムとなるため、良好な散乱特性が得られる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
［液晶素子］
以下、図１，図２を参照しながら本発明の第１実施形態に係る液晶素子について説明する。なお、以下の全ての図面においては、図面を見やすくするため、各構成要素の膜厚や寸法の比率などは適宜異ならせてある。
【００１６】
図１に示すように、本発明の液晶素子は、対向して配置されたガラス等からなる透明な基板１００，２００の間に液晶高分子複合層１５０が挟持されて構成されている。二枚の基板１００，２００は内面側（液晶高分子複合層１５０側）にそれぞれＩＴＯ（インジウム錫酸化物）等の透明な導電材料からなる透明電極１０１，２０１が形成されており、更に、これらの透明電極１０１，２０２上にはそれぞれ配向膜１０２，２０２が形成されている。
【００１７】
液晶高分子複合層１５０は、液晶１５１中に粒子状の高分子１５２が相分離した状態で分散された液晶組成物から構成されている。
【００１８】
液晶１５１は、例えば正の誘電異方性を有するネマチック液晶からなり、屈折率異方性（Δｎ）の大きい材料が用いられている。また、信頼性の観点から、液晶１５１は、ベンゼン骨格，シクロヘキサン骨格，アルキレン骨格等にアルキル基，アルコキシ基，フッ素基，塩素基等の側鎖を有することが好ましく、エステル基，トラン基等の結合基を含まない構造とすることが望ましい。
【００１９】
高分子１５２は、液晶１５１中で液晶相状態において高分子前駆体（モノマー）を、例えば紫外線等により重合させたものであり、モノマー状態において上記液晶１５１と相溶するとともに、重合する際に液晶１５１と相分離するものが用いられている。また、重合により得られる高分子１５２が細かいブロックとなって液晶１５１中に均一に分散されるように、上述のモノマーには、液晶性の高い材料が用いられている。
【００２０】
なお、物質（例えばモノマーや高分子）の液晶性とは、その物質の液晶状態における安定性をいい、この液晶性の大きさは、その物質の分子構造によって決まる。一般に、棒状の分子構造を有する物質ほど液晶性が高く、例えば下記の一般式（１），（２）で示す分子構造を有する材料が好適に用いられる。より具体的には、下記の表１〜表４に示すものが用いられている。
【００２１】
【化１】
【化２】
【表１】
【表２】
【表３】
【表４】
なお、上述のモノマーは、後述の配向膜１０２，２０２により基板１００，２００間で平行配向した状態で重合，硬化されており、外部電界によって配向状態が変化することはない。
【００２８】
配向膜１０２，２０２は、例えばその配向方向が基板１００と基板２００とでアンチパラレルとなるように配向処理が施されており、液晶１５１及び液晶１５１中に添加された上述のモノマーを基板１００，２００間でホモジニアス配向させるようになっている。また、配向膜１０２，２０２は、液晶１５１のプレチルト角が例えば３°以下となるように配向処理されることが好ましい。このように液晶のプレチルト角を小さくすることで、電界の作用により液晶が高分子の配向方向と異なる方向に配向する際に、各液晶分子の立ち上がり方向がランダムとなり、液晶素子の散乱性を高めることができる。特に、プレチルト角を３°以下とすることで、プレチルト角による立ち上がりの方向性より電界による立ち上がりの方向性が支配的となり立ち上がりの方向性がランダムとなるため良好な散乱特性が得られる。
【００２９】
このように液晶１５１及びモノマーを配向させる手段としては、一般にポリイミド膜をラビングする方法が用いられるが、イミド結合は光や熱等により分解され易いことが知られており、特に液晶素子を光束密度が２〜１０ｌｍ／ｍｍ２程度の強度の強い光が照射される投射型表示装置等に搭載する場合に素子の信頼性を損なう虞がある。このため、本実施形態では、一酸化珪素等の無機膜を蒸着装置により基板１００，２００上に斜方蒸着したものを配向膜１０２，２０２として用いている。
【００３０】
図２は蒸着装置３００の概略構成を示しており、蒸着装置３００は蒸着室３０８中に一酸化珪素等の蒸着部材を充填された蒸着源３０２が備えられ、この蒸着源３０２の上方に仕切り部３０３を介して基板設置部３０７が設けられている。この基板設置部３０７は基板１００（又は基板２００）の取り付け角度を蒸着源３０２からの蒸発流の流出方向に対して斜めに設置できるようになっている。また、仕切り部３０３には開口部３０３ａが形成されており、蒸着源３０２からの蒸発流が基板１００（又は基板２００）に向けて流出できるようになっている。
【００３１】
上述の液晶素子は、例えば以下のように製造される。
まず、ガラス等からなる二枚の透明な基板１００，２００の表面にスパッタリング等によりＩＴＯ等からなる透明電極１０１，２０１を形成し、続いて、図２に示した蒸着装置３００を用いて透明電極１０１，２０１上に２０ｎｍ程度の膜厚の配向膜１０２，２０２を形成する。この際、まず、基板設置部３０７により基板１００，２００の法線方向を鉛直方向に対して例えば６０°傾けて設置し、真空ポンプ３１０により蒸着室３０８を真空にする。そして、図示しないヒータにより蒸着源３０２を加熱して蒸着部材を蒸発させ、蒸発流を開口部３０３ａを介して基板１００，２００に向けて流出させる。この際、ヒータの温度や開口部３０３ａに設けられた図示しないシャッタの開閉量を調節することで、蒸着速度や蒸着量或いは得られる配向膜１０２，２０２の配向性等を制御することができる。また、基板の設置角度を制御することによって、配向膜によって付与されるプレチルト角を制御することができる。
【００３２】
このように無機物を基板面に対して斜め方向から蒸着した場合、基板１０１，２０１上には、蒸着方向を長軸方向とする無機の柱状構造物が形成される。この柱状構造物は蒸着条件によってその密度を変化させることができ、例えば上記構造物を基板上に疎に形成した場合には、この無機膜近傍の液晶分子やモノマーはその長軸方向が上記構造物の長軸方向に沿うように配向する。また、上記構造物を基板上に密に形成した場合には、無機膜近傍の液晶分子等は構造物の長軸方向に垂直な方向に配向する。
【００３３】
次に、基板１００，２００を、透明電極１０１，２０１が対向するように封止材（図示略）を介して貼り合わせる。この際、各基板１００，２００の配向方向は、上記二枚の基板１００，２００を組み合わせたときに互いにアンチパラレルとなるようにする。また、散乱強度を十分確保するために基板間隔（セル厚）を例えば７．５μｍ程度とする。
【００３４】
次に、上述の高分子前駆体を液晶１５１中に添加した液晶組成物を、基板１００，２００と封止材とにより形成された空間内に充填する。そして、基板表面から紫外線等を照射して高分子前駆体を重合，硬化させ、液晶１５１と高分子１５２とを相分離して、液晶高分子複合層１５０を形成する。
以上により、液晶素子が製造される。
【００３５】
本実施形態の液晶素子は、上述のように構成されているため、電圧無印加状態では、液晶１５１及び高分子１５２の実効的な屈折率が略一致し、液晶素子に入射した光は液晶１５１と高分子１５２との界面で散乱されることなく透過する。この結果、液晶素子は良好な透明状態となる。
【００３６】
一方、透明電極１０１，２０１間に電圧を印加すると、高分子１５２の配向は固定されたまま、液晶１５１のみ基板１００，２００に対して略垂直に配向する。しかし、高分子界面に存在する液晶分子は高分子１５２とのアンカリングにより電界により配向方向を変えない。よって液晶１５１には異なる方向の液晶分子が存在することになり、液晶の屈折率異方性に起因した大きな屈折率差が生じる。このような液晶素子に、高分子１５２の配向方向と平行な偏光軸を持った直線偏光が入射すると、入射光は液晶１５１中で強く散乱される。この際、液晶１５１のプレチルト角が小さいため、電圧印加によって液晶分子が立ち上がるときに各液晶分子の立ち上がり方向がランダムになり、又、高分子１５２の影響で液晶分子の立ち上がり角に一定の幅を生じるため、散乱強度はより大きくなる。また、高分子１５２は液晶１５１中に細かいブロックとして均一に分散されているため、このような散乱は略基板全面に亘って観察される。この結果、液晶素子は上述の直線偏光に対して良好な散乱状態となる。
【００３７】
したがって、本発明によれば、配向膜１０２，２０２によってモノマーを配向させた状態で重合を行なっているため、得られた高分子１５２は、各分子の配向方向が一方向に揃った状態で液晶１５１中に分散されることになる。このため、高分子１５２が無秩序に配向したものに比べて高分子界面付近での液晶１５１の配向乱れが少なくなり、電圧無印加時（即ち、液晶１５１と高分子１５２との実効的な屈折率を一致させた状態）における液晶素子の透明性が高まる。また、配向膜１０２，２０２により電圧無印加時の液晶１５１の配向状態を規定できるため、電圧印加時（即ち、液晶１５１中に屈折率分布を持たせた状態）における散乱強度を更に高めることができる。これにより、光利用効率が高くコントラストの高い液晶素子が得られる。
【００３８】
また、液晶のプレチルト角を小さくしているため、電圧印加により液晶を高分子１５２と異なる方向に配向させる場合に、各液晶分子の立ち上がり方向がランダムになり、素子の散乱性を更に高めることができる。
さらに、本構成では、配向膜１０１，２０１にポリイミドを用いていないため、耐光性や耐熱性に優れた液晶素子を得ることができる。
【００３９】
［照明装置及び投射型表示装置］
次に、本発明の電子機器の一例としての投射型表示装置について説明する。
図３は、本発明の一実施形態に係る投射型表示装置の全体構成を示す模式図であり、図４は、その駆動回路の機能的な構成を示すブロック図である。
【００４０】
図３に示すように、本実施形態の投射型表示装置は、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の異なる色毎に透過型液晶ライトバルブ（光変調装置）２２〜２４を備えた３板式の投射型カラー液晶表示装置であり、光源２，フライアイレンズ（インテグレータ）３，４，偏光変換装置（偏光変換手段）４ｄ，調光素子５を有する照明装置１と、ダイクロイックミラー１３，１４，反射ミラー１５〜１７，レンズ１８〜２０，液晶ライトバルブ２２〜２４，クロスダイクロイックプリズム２５，投射レンズ２６を有する投射光学系３０とを備えて構成されている。
【００４１】
光源２は高圧水銀ランプ或いはメタルハライドランプ等のランプ７とランプ７の光を反射するリフレクタ８とから構成されている。また、光源光の照度分布を被照明領域である液晶ライトバルブ２２，２３，２４において均一化させるための均一照明手段として、光源２側から第１フライアイレンズ３、第２フライアイレンズ４が順次設置されている。各フライアイレンズ３，４は、複数（本実施形態では例えば６×８個）のレンズ９，１０から構成されている。そして、光源２から射出された光は、フライアイレンズ３，４によって被照明領域である液晶ライトバルブにおいて照度分布を均一化されて出射されるようになっている。
【００４２】
偏光変換装置４ｄは、均一照明手段側に設けられた偏光ビームスプリッタアレイ（ＰＢＳアレイ）と、ＰＢＳアレイによって反射された偏光の偏光方向を変換する１／２波長板アレイとから構成され、光源光の光強度を損なうことなく光の偏光方向を一方向に揃えるようになっている。
【００４３】
調光素子５は、上述した高分子分散型の液晶素子からなり、後述の調光素子ドライバからの駆動信号により透過率を変更され、光量調整した光源光を投射光学系３０に出力するようになっている。また、この調光素子５は、高分子１５２の配向方向が、偏光変換装置４ｄから入射される偏光の偏光方向及び液晶ライトバルブ２２〜２４の光源２側の偏光板の透過軸方向と略一致するように配置されており、光の変調幅を最大限大きくできるようになっている。
【００４４】
このような照明装置１では、電圧無印加時には、調光素子５は上述のように高い透過率を示すため、偏光変換装置４ｄによって偏光方向を一方向に揃えられた光源光Ｌｉｎは光損失を殆ど受けることなくライトバルブ２２（〜２４）側に出射される（図５（ａ）参照）。一方、電圧印加時には、液晶分子の配向変化が、入射光Ｌｉｎの偏光方向及び入射光の伝播方向を含む平面内で生じるため、入射光Ｌｉｎの感じる屈折率変化は最も大きくなる。このため、光源光Ｌｉｎは強く散乱され、ライトバルブ２２（〜２４）に入射される光の光量は最も少なくなる（図５（ｂ）参照）。
【００４５】
したがって、本照明装置１によれば、調光を行なわない場合（即ち、電圧無印加時）に、偏光変換装置４ｄから入射された照明光の光損失を極力低減できるとともに、照明光を調光してライトバルブ側に出射する場合（即ち、電圧印加時）に、出射光量を最大限広い範囲で調節できる。
【００４６】
ダイクロイックミラー１３，１４は、例えばガラス表面に誘電体多層膜を積層したもので、所定の色光を選択的に反射し、それ以外の波長の光を透過するようになっている。すなわち、青色光・緑色光反射のダイクロイックミラー１３は、光源２からの光束のうちの赤色光ＬＲを透過させるとともに、青色光ＬＢと緑色光ＬＧとを反射するようになっている。また、緑色光反射のダイクロイックミラー１４は、ダイクロイックミラー１３で反射された青色光ＬＢと緑色光ＬＧの内、青色光ＬＢを透過し緑色光ＬＧを反射するようになっている。
【００４７】
これにより、照明装置１から入射された光の内、赤色光ＬＲはダイクロイックミラー１３を透過した後、反射ミラー１７で反射され、赤色光用ライトバルブ２２に入射される。緑色光ＬＧはダイクロイックミラー１４に反射されて緑色光用ライトバルブ２３に入射される。青色光ＬＢはダイクロイックミラー１４を透過した後、リレーレンズ１８、反射ミラー１５、リレーレンズ１９、反射ミラー１６、リレーレンズ２０からなるリレー系２１を経て、青色光用ライトバルブ２４に入射されるようになっている。
【００４８】
ライトバルブ２２〜２４は、例えばアクティブマトリクス型の透過型液晶装置として構成され、各ライトバルブ２２〜２４で変調された色光ＬＲ，ＬＧ，ＬＢは、クロスダイクロイックプリズム２５に入射されるようになっている。
クロスダイクロイックプリズム２５は、直角プリズムが貼り合わされた構造となっており、その内面に赤色光ＬＲを反射するミラー面と青色光ＬＢを反射するミラー面とが十字状に形成されている。そして、三つの色光ＬＲ，ＬＧ，ＬＢがこれらのミラー面によって合成されてカラー画像を表わす光が形成された後、投射レンズ２６によりスクリーン２７上に拡大投射されるようになっている。
【００４９】
次に、本実施形態の投射型液晶表示装置の駆動方法について説明する。
本実施形態の投射型表示装置では、映像信号に基づいて調光素子５を駆動することで照明装置１の光出力を制御するようになっており、デジタル信号処理ブロックであるＤＳＰ（１）〜ＤＳＰ（２）や、映像信号をＡＤ変換或いはＤＡ変換するためのＡＤコンバータ３１，ＤＡコンバータ３７等の回路を備えている。
【００５０】
本実施形態では、図４に示すように、アナログ信号として入力された映像信号がＡＤコンバータ３１を経て第１のデジタル信号処理回路であるＤＳＰ（１）３２（制御信号決定手段）に入力される。そして、このＤＳＰ（１）により、映像信号から調光素子５に印加する電圧値、即ち、調光素子５の透過率を決める明るさ制御信号が決定され、ＤＳＰ（２）３３に入力される。そして、このＤＳＰ（２）３３により、明るさ制御信号に基づいて調光素子ドライバ３４が制御され、最終的に、この調光素子ドライバ３４により調光素子５が駆動される。
一方、ＤＳＰ（１）３２に入力された映像信号は、ＤＡコンバータ３７により再びアナログ信号に変換された後、パネルドライバ３８に入力され、パネルドライバ３８から各ライトバルブ２２〜２４に各色毎の映像信号が供給される。
【００５１】
したがって、本発明の投射型表示装置によれば、光源２と投射光学系３０との間に高コントラストな調光素子５を配置して出力光を調整しているため、光源２の光出力強度が一定のままでも投射光学系３０に対して所望の光量の光を出力することができる。これにより、投射表示装置のダイナミックレンジを拡大でき、映像表現力に優れた投射表示装置を実現することができる。
【００５２】
［第２実施形態］
次に、図６を用いて本発明の第２実施形態に係る液晶素子について説明する。本液晶素子は、図６に示すように、内面側に透明電極１０１′，２０１′の形成された基板１００，２００により液晶高分子複合層１５０が挟持された構成となっている。
【００５３】
基板表面の透明電極１０１′，２０１′には直接ラビング処理が施されており、ラビングにより生じた細かい傷により、基板に接する液晶分子やモノマーをラビング方向に沿って配向させるようになっている。また、このように透明電極１０１′，２０１′を直接ラビング処理した場合、基板に対し垂直方向へ立ち上がる物質の存在がないため、液晶１５１にプレチルト角を殆ど付与しない構造とすることができる。そして、これらの基板１００，２００は、ラビング方向が互いにアンチパラレルとなるように貼り合わされ、液晶１５１及び液晶１５１中に添加されたモノマーを基板１００，２００間でホモジニアス配向させるようになっている。
【００５４】
上述の液晶素子は、例えば以下のように製造される。
まず、ガラス等からなる二枚の透明な基板１００，２００の表面にスパッタリング等によりＩＴＯ等からなる透明電極１０１′，２０１′を形成し、続いて、この透明電極１０１′，２０１′上を一方向にラビングする。
【００５５】
次に、基板１００，２００を、透明電極１０１′，２０１′が対向するように封止材（図示略）を介して貼り合わせる。この際、各基板１００，２００の配向方向（ラビング方向）は、上記二枚の基板１００，２００を組み合わせたときに互いにアンチパラレルとなるようにする。また、散乱強度を十分確保するために基板間隔（セル厚）を例えば７．５μｍ程度とする。
【００５６】
次に、上述した液晶組成物を基板１００，２００と封止材とにより形成された空間内に充填した後、高分子前駆体を重合，硬化させ、液晶１５１と高分子１５２とを相分離して液晶高分子複合層１５０を形成する。
そして、これ以外は上記第１実施形態と同様であるため、その説明を省略する。
【００５７】
したがって、本構成でも、光利用効率が高くコントラストの大きい液晶素子を得ることができる。また、配向膜を用いていないため、液晶素子を安価に製造することができる。
【００５８】
［第３実施形態］
次に、図７を用いて本発明の第３実施形態に係る液晶素子について説明する。なお、図７（ａ），図７（ｂ）はいずれも本液晶素子の断面構造を示す図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）のＡ矢視図である。
【００５９】
本液晶素子は、図７（ｂ）に示すように、内面側に透明電極１０１′′，２０１′′の形成された基板１００′′，２００′′により液晶高分子複合層１５０が挟持された構成となっている。
【００６０】
基板１００′′，２００′′の内面側には、それぞれ所定幅の複数の溝１１０，２１０が一定間隔でストライプ状に形成されており、透明電極１０１′′，２０１′′の表面には、これらの溝１１０，２１０に対応してストライプ状の溝１１１，２１１が形成されている。このように透明電極１０１′′，２０１′′の表面に溝構造を形成した場合、溝１１１，２１１付近の液晶分子やモノマーは溝１１１，２１１の延在方向に沿って略揃って配向する一方、液晶１５１にはプレチルトが全く生じない構造となる。そして、これらの基板１００′′，２００′′は、溝１１０，２１０の延在方向が互いに平行となるように貼り合わされ、液晶１５１及び液晶１５１中に添加されたモノマーを基板１００′′，２００′′間でホモジニアス配向させるようになっている。
【００６１】
上述の液晶素子は、例えば以下のように製造される。
まず、ガラス等からなる二枚の透明な基板１００′′，２００′′の表面に、例えば幅０．５μｍ，深さ０．２μｍの溝を０．５μｍ間隔でストライプ状に複数形成し、その上にＩＴＯ等からなる透明電極１０１′，２０１′をスパッタリング等により形成する。
【００６２】
次に、基板１００′′，２００′′を、透明電極１０１′′，２０１′′が対向するように封止材（図示略）を介して貼り合わせる。この際、各基板１００′′，２００′′の配向方向（溝１１０，２１０の延在方向）は、上記二枚の基板１００′′，２００′′を組み合わせたときに互いに平行となるようにする。また、散乱強度を十分確保するために基板間隔（セル厚）を例えば７．５μｍ程度とする。
次に、上述した液晶組成物を基板１００′′，２００′′と封止材とにより形成された空間内に充填した後、液晶組成物中の高分子前駆体を重合，硬化させ、液晶１５１と高分子１５２とを相分離して液晶高分子複合層１５０を形成する。そして、これ以外は上記第１実施形態と同様であるため、その説明を省略する。
【００６３】
したがって、本構成でも、光利用効率が高くコントラストの大きい液晶素子を得ることができる。また、配向膜を用いていないため、信頼性の高い液晶素子を製造することができる。さらに、本構成では、液晶１５１にプレチルトが全く生じないため、散乱性を更に高めることができる。
【００６４】
なお、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
例えば、均一照明手段に関しては上記実施の形態のようなフライアイレンズ３、４に限ることなく、適宜変更が可能で、ロッドレンズ等のロッド状導光体を用いることもできる。また、光変調素子として透過型液晶ライトバルブ２２〜２４を用いた例を挙げたが、反射型液晶ライトバルブやＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）を適用することも可能である。
【００６５】
さらに、上記実施形態では、調光素子５によって、液晶ライトバルブ２２〜２４の被照明領域全面を照明する光量を調節する場合について説明したが、調光素子５の調光領域を複数に分割して、各分割された領域毎に透過光量を調節するようにしてもよい。この場合、例えば調光素子５をセグメント型の液晶素子、或いは、パッシブマトリクス型の液晶素子として構成する。
【００６６】
【実施例】
本発明者らは、本発明の効果を実証するために、本発明に係る投射型表示装置を実際に作製し、その照度の電圧依存性について調べた。その結果について以下、報告する。
【００６７】
本実施例で用いる液晶素子は、上記第２実施形態に示した構成を基本とし、液晶として塩素系液晶であるＴＬ２１５（商品名、メルク社製）を用い、この液晶中にジメタクリレートモノマー（表４のモノマー２６参照）を５ｗｔ％添加して液晶混合材料を作成した。
【００６８】
次に、ＩＴＯ付きガラス基板の表面をラビングし、ラビング方向がアンチパラレルとなるように貼り合わせて空セルを作製した。なお、セル厚は７．５μｍとした。続いて、この空セルに上述の液晶混合材料を真空注入し、紫外線を２０ｍＷ／ｃｍ２で３分間照射した。これにより、モノマーを光重合して高分子と液晶とを相分離させ、ホモジニアス配向したＰＤＬＣセルを作製した。
【００６９】
そして、このように作製したＰＤＬＣセルを用いて上記第１実施形態で説明した投射表示装置を作製した。すなわち、セルを図８中のＰ１の位置に配置し、偏光変換装置から入射される光の偏光方向とセルの高分子の配向方向とを一致させた。そして、投射光学系からスクリーン上に出射される光の照度Ｌをセルの印加電圧Ｖに対してプロットした（図９中のＬ１（Ａ）参照）。また、比較のため、上述のセルを図８中のＰ２で示す位置に配置し、同様の測定を行なった（図９中のＬ２（Ａ）参照）。なお、Ｐ１はＰＢＳと投射光学系との間の位置（即ち、インテグレータの外側となる位置）を示し、Ｐ２は一対のフライアイレンズからなるインテグレータの内側となる位置を示している。
【００７０】
その結果、印加電圧ＶＯＰが０Ｖ〜６Ｖの範囲では、照度ＬはＬ１（Ａ），Ｌ２（Ａ）共１７ｌｘ程度で略一定であり、印加電圧ＶＯＰが６Ｖを超えると照度Ｌは大きく下がり始めた。そして、印加電圧ＶＯＰが１５Ｖ以降になると照度Ｌは略一定値に収束し、Ｌ１（Ａ）では２ｌｘ程度となり、Ｌ２（Ａ）では１０ｌｘ程度となった。これは、液晶の配向方向と入射光の偏光方向とを一致させることにより大きな散乱が得られることを示している。そして、本実施例では、このように光学系を配置することで、照明装置の光量をコントラスト８以上の範囲で調光でき、実用上殆ど問題のないレベルの特性が得られた。
【００７１】
また、本実施例では、更に比較のため、セルの高分子の配向方向を９０°回転して（即ち、高分子の配向方向とＰＢＳからの入射光の偏光方向とを直交させて）配置し、同様の測定を行なった。なお、図９中のＬ１（Ｂ），Ｌ２（Ｂ）はそれぞれセルをＰ１，Ｐ２の位置に配置した時の特性を示している。
この結果、Ｌ２（Ｂ）ではＬ２（Ａ）と略同じ特性が得られる一方、Ｌ１（Ｂ）では照度Ｌは印加電圧ＶＯＰに対して略一定の値となった。これは、液晶分子の配向変化が、入射光の偏光方向と直交する平面内でのみ生じたことを示しており、基板上を単にラビングするのみでも良好な配向状態が得られることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施形態に係る液晶素子の構成を示す断面図である。
【図２】 同、液晶素子の配向膜の蒸着装置を示す模式的断面図である。
【図３】 同、投射型表示装置の構成を示す模式図である。
【図４】 同、投射型表示装置の駆動回路構成を示すブロック図である。
【図５】 同、投射型表示装置の作用を説明するための模式図である。
【図６】 本発明の第２実施形態に係る液晶素子の構成を示す断面図である。
【図７】 本発明の第３実施形態に係る液晶素子の構成を示す断面図である。
【図８】 本発明の実施例に係る投射型表示装置の光学配置を示す図である。
【図９】 同、投射型表示装置の散乱特性を示す図である。
【符号の説明】
１ 照明装置、 ５ 調光素子（液晶素子）、５ｄ 偏光変換装置（偏光変換手段）、２２〜２４ ライトバルブ（光変調装置）、１００，２００ 基板、１０１，２０１ 透明電極、１０２，２０２ 配向膜（無機膜）、１１１，２１１溝（溝構造）、１５０ 液晶高分子複合層、１５１ 液晶、１５２ 高分子
Claims (3)
- 光変調装置を照明する照明装置であって、
照明光の偏光方向を一方向に揃える偏光変換手段と、
一方向に配向した高分子が液晶中に相分離した状態で分散された液晶高分子複合層を一対の基板間に有し、上記液晶高分子複合層へ印加される電界の有無に応じて、上記液晶と上記高分子とが略揃う方向又は異なる方向に配向する液晶素子とを備え、
上記液晶素子は、上記偏光変換手段と上記光変調装置との間に設けられ、上記偏光変換手段から上記液晶素子に入射された光の偏光方向が上記高分子の配向方向と略揃う方向に配置され、
上記一対の基板の内、少なくとも一方の基板の表面に溝が形成され、上記溝を覆って上記液晶高分子複合層に電界を印加するための電極が形成され、上記電極の表面に上記溝を反映した溝構造が形成され、上記溝構造により、上記電極に接する液晶及び高分子が上記溝構造の延在方向に配向力を付与され、
電界無印加時には、上記液晶と上記高分子とが上記溝構造の延在方向に配向し、
電界印加時には、上記高分子が上記溝構造の延在方向に配向し、且つ上記液晶が上記溝構造の延在方向とは異なる方向に配向することを特徴とする、照明装置。 - 請求項１に記載の照明装置を備えたことを特徴とする、投射型表示装置。
- 液晶と高分子とが相分離した状態で分散された液晶高分子複合層と、上記液晶高分子複合層を挟持する一対の基板とを備え、上記一対の基板のうちの一方の基板に入射した直線偏光を他方の基板から透過させる透過型の液晶素子であって、
上記一対の基板の内、少なくとも一方の基板の表面に、上記直線偏光の偏光方向と平行な方向に延在する溝が形成され、上記溝を覆って上記液晶高分子複合層に電界を印加するための電極が形成され、上記電極の表面に上記溝を反映した溝構造が形成され、上記溝構造により、上記電極に接する液晶及び高分子が上記溝構造の延在方向に配向力を付与され、
電界無印加時には、上記液晶と上記高分子とが上記溝構造の延在方向に配向し、
電界印加時には、上記高分子が上記溝構造の延在方向に配向し、且つ上記液晶が上記溝構造の延在方向とは異なる方向に配向することを特徴とする、液晶素子。
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