JP4396625B2 - 液晶装置及び投射型表示装置 - Google Patents

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Description

本発明は、液晶装置及び投射型表示装置に関するものである。
液晶プロジェクタ(投射型表示装置)は、ライトバルブとして設けられた液晶装置によって照明光を変調し、変調した光をスクリーンに投影して画像表示を行うものである。ライトバルブに液晶装置を用いたプロジェクタでは、液晶層を斜め方向に通過する光が画像光に含まれると黒レベルが上昇してコントラストが低下するという問題がある。このような問題を解決するために、直視型の液晶表示装置で用いられている光学補償素子をライトバルブと組み合わせて用いることが提案されている(例えば特許文献1,2)。
特開2002−217427号公報 特開2002−14345号公報
ところで近年、動画の画質向上を目的として応答時間の短いOCBモードの液晶装置が注目されている。そこで本発明者が、かかるOCBモードの液晶装置をライトバルブに用いたプロジェクタについて検討したところ、OCBモードの液晶ライトバルブにおいても液晶層を斜めに通過する光によるコントラスト低下が生じ、さらには上記光学補償素子を液晶装置の外面側に配設するのみでは、かかるコントラスト低下を十分に防止できないことが判明した。
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み成されたものであって、高コントラストの表示が得られ、投射型表示装置のライトバルブに好適に用いることができるOCBモードの液晶装置を提供することを目的としている。また本発明は高コントラストの表示が得られる投射型表示装置を提供することを目的としている。
本発明の液晶装置は、上記課題を解決するために、一対の基板間に液晶層を挟持してなるOCBモードの液晶パネルと、該液晶パネルの少なくとも一方の側に配設された光学補償板と、前記光学補償板を前記液晶パネルに対して相対的に移動させて前記光学補償板の光学軸と前記液晶パネルの光学軸との成す角度を調整する光軸調整手段と、を備えたことを特徴とする。
この構成によれば、前記光軸調整手段により前記光学補償板を液晶パネルに対して相対的に移動させることができるので、光学補償板の実質的な位相差を変化させて光学補償条件を最適化することができ、また製造ばらつき等により液晶パネルの光軸と光学補償板の光軸とがずれた場合や液晶パネルにおける液晶のプレチルト角の変更が生じた場合にも、容易に光学補償条件を補正することができ、高コントラストの表示を得ることができる。
本発明の液晶装置では、前記光軸調整手段が、前記光学補償板を前記液晶パネルの基板面に対し傾斜するように移動する移動機構を備えている構成とすることができる。このような構成とすることで、液晶パネルに入射する光あるいは液晶パネルから射出される光に対する光学補償板の実質的な位相差を容易に変化させることができ、光学補償条件の最適化を容易に行うことができる。
本発明の液晶装置では、前記光軸調整手段が、前記光学補償板を前記液晶パネルの基板法線周りに移動する移動機構を備えている構成とすることができる。このように、パネル基板法線と光学補償板の法線のなす角度を可変できる移動機構を備えている構成とすることで、製造ばらつき等により例えば液晶パネルの配向膜のラビング方向が設計とずれた場合にも、光軸調整手段により光学補償板を回動させることで、光学補償板を交換することなく光軸を合わせることができ、高コントラストの表示を得ることができる。また、液晶のプレチルト角に変更が生じた場合にも上記と同様に光学補償板を交換することなく適切な光学補償条件を得ることができる。
本発明の液晶装置では、前記光学補償板が、正又は負の屈折率異方性を有する光学媒体からなる光学異方性層を備えている構成とすることもできる。
本発明の液晶装置では、前記光学補償板が、光学的に一軸性又は二軸性を示す光学異方性層を備えている構成とすることもできる。
本発明の液晶装置では、前記光学補償板が、前記光学媒体をハイブリッド配向させてなる光学異方性層を備えている構成とすることもできる。
本発明の液晶装置では、前記光学補償板が、負の屈折率異方性を有する光学媒体からなり、光学的に一軸性を示す光学異方性層を備えており、前記光学異方性層が当該光学補償板の法線方向に対し交差する方向の光学軸を有している構成とすることもできる。
上記いずれの種類の光学補償板を備えた構成であっても、上記光軸調整手段を用いて液晶装置の光学補償条件を容易に最適化することができる。
本発明の液晶装置では、前記液晶パネルを挟んだ両側に、前記光学補償板と光軸調整手段とが設けられている構成とすることもできる。このような構成とすれば、液晶パネルの入射光と射出光の双方について光学補償条件を最適化することができる。
また、本発明の液晶装置では、前記液晶パネルの一面側に、前記光学補償板と該光学補償板を支持する前記光軸調整手段とが複数設けられている構成とすることもできる。このような構成とすれば、例えば光出射側に配置することで光源から供給される照明光による光学補償板の劣化を防止することができる。
本発明の液晶装置では、複数の前記光学補償板を備えるとともに、前記光軸調整手段が前記複数の光学補償板を一体又は個別に移動する移動機構を備えている構成とすることもできる。このような構成とすることで、光学補償条件の調整をより精緻に行うことができ、液晶装置の最大コントラストを容易に得ることができる。
本発明の液晶装置では、前記複数の光学補償板が、それぞれ光学的に二軸性を有する光学異方性層を備えた光学補償板と、負の屈折率異方性を有し、光学的に一軸性を有する光学異方性層を備えた光学補償板である構成とすることもできる。このような構成とした場合にも、上記光軸調整手段を用いて液晶装置の光学補償条件を容易に最適化することができる。
本発明の液晶装置では、前記液晶パネルが反射型の液晶パネルであり、前記液晶装置の動作モードがR−OCBモードである構成とすることもできる。すなわち本発明は、LCOS等の反射型液晶パネルを具備した液晶装置にも好適に用いることができる。
本発明の投射型表示装置は、先に記載の本発明の液晶装置を備えたことを特徴とする。この構成によれば、高コントラストの表示を容易に得られる投射型表示装置を提供することができる。
以下、本発明の実施形態につき、図面を参照して説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。
なお本明細書では、液晶装置の各構成部材における液晶層側を内側と呼び、その反対側を外側と呼ぶことにする。
(第1の実施の形態)
まず、本発明の第1の実施形態に係る液晶装置について、図1ないし図6を用いて説明する。なお、本実施形態では、スイッチング素子として薄膜トランジスタ(Thin Film Transistor、以下TFTという)を用いたアクティブマトリクス方式の透過型液晶パネルを例にして説明する。また、以下の説明に用いる各図では、各層や各部材を図面上で認識可能な程度の大きさとするため、各層や各部材毎に縮尺を異ならせてある。
[全体構成]
図1(a)は本実施形態の液晶装置を各構成要素とともに対向基板の側から見た平面図、図1(b)は(a)図のH−H’線に沿う断面図である。図1に示すように、本実施形態の液晶装置100は、TFTアレイ基板10と対向基板20とがシール材52によって貼り合わされ、このシール材52によって区画された領域内に液晶層50が封入された液晶パネル60と、液晶パネル60を挟持して配置された光学補償板71,72と、これらの光学補償板71,72の外側にそれぞれ配置された偏光板62,64とを備えている。液晶層50は、正の誘電率異方性を有する液晶から構成されており、後述するように初期状態ではスプレイ配向、表示動作時にはベンド配向を呈するものとなっている。シール材52の形成領域の内側の領域に、遮光性材料からなる遮光膜(周辺見切り)53が形成されている。シール材52の外側の周辺回路領域には、データ線駆動回路101および外部回路実装端子102がTFTアレイ基板10の一辺に沿って形成されており、この一辺に隣接する2辺にそれぞれ走査線駆動回路104が沿設されている。TFTアレイ基板10の残る一辺には、画像表示領域の両側に設けられた走査線駆動回路104の間を接続するための複数の配線105が設けられている。また、対向基板20の角部には、TFTアレイ基板10と対向基板20との間で電気的導通をとるための基板間導通材106が配設されている。また図1(b)に示すように、TFTアレイ基板10の内側には画素電極9が形成されていて、前記TFTアレイ基板10に対向配置された対向基板20の内側には、画素電極9を区画する格子状に延びる遮光膜23と、共通電極21とが形成されている。
図2は、液晶パネル60の等価回路図である。透過型液晶パネルの画像表示領域を構成すべくマトリクス状に配置された各々の画素には、画素電極9と、画素電極9への通電制御を行うためのスイッチング素子であるTFT30とが形成されている。TFT30のソースには、データ線6aが電気的に接続されている。各データ線6aには画像信号S1、S2、…、Snが供給される。画像信号S1、S2、…、Snは、各データ線6aに対してこの順に線順次で供給してもよく、相隣接する複数のデータ線6aに対してグループ毎に供給してもよい。また、TFT30のゲートには、走査線3aが電気的に接続されている。走査線3aには、所定のタイミングでパルス的に走査信号G1、G2、…、Gmが供給される。走査信号G1、G2、…、Gmは、各走査線3aに対してこの順に線順次で印加する。TFT30のドレインは、画素電極9と電気的に接続されている。そして、走査線3aから供給された走査信号G1、G2、…、Gmにより、スイッチング素子であるTFT30を一定期間だけオン状態にすると、データ線6aから供給された画像信号S1、S2、…、Snが、各画素の液晶に所定のタイミングで書き込まれるようになっている。
液晶に書き込まれた所定レベルの画像信号S1、S2、…、Snは、画素電極9と後述する共通電極との間に形成される液晶容量で一定期間保持される。なお、保持された画像信号S1、S2、…、Snがリークするのを防止するため、画素電極9と容量線3bとの間に蓄積容量17が形成され、液晶容量と並列に配置されている。このように、液晶に電圧信号が印加されると、印加された電圧レベルにより液晶分子の配向状態が変化する。これにより、液晶に入射した光が変調されて階調表示が可能となる。
[液晶パネル]
図3は、液晶パネル60を構成するTFTアレイ基板10の平面構成図である。本実施形態に係る液晶パネル60は、TFTアレイ基板上に、インジウム錫酸化物(ITO)等の透明導電材料からなる矩形状の画素電極9(二点鎖線9aによりその輪郭を示す)が、マトリクス状に配列形成されている。また、画素電極9の縦横の境界に沿って、データ線6a、走査線3aおよび容量線3bが設けられている。本実施形態では、各画素電極9の形成された領域が画素であり、マトリクス状に配置された画素毎に表示動作が行われる。
TFT30は、ポリシリコン膜等からなる半導体層1aを有しており、半導体層1aのソース領域にコンタクトホール5を介してデータ線6aが電気的に接続されている。また、半導体層1aのドレイン領域にコンタクトホール8(18)を介して画素電極9が電気的に接続されている。一方、半導体層1aにおける走査線3aとの対向部分には、チャネル領域1a’が形成されている。従って走査線3aは、チャネル領域1a’との対向部分においてTFT30のゲート電極として機能する。
容量線3bは、走査線3aに沿って略直線状に伸びる本線部(すなわち平面的に見て、走査線3aに沿って形成された第1領域)と、データ線6aとの交点からデータ線6aに沿って前段側(図中上向き)に突出した突出部(すなわち平面的に見て、データ線6aに沿って延設された第2領域)とによって構成されている。また、図3中に右上がりの斜線で示した領域には、第1遮光膜11aが形成されている。そして、容量線3bの突出部と第1遮光膜11aとがコンタクトホール13を介して電気的に接続され、後述する蓄積容量の一方の電極を構成している。
図4は、液晶パネル60の断面構成図であり、図3のA−A’線における部分側断面図である。
TFTアレイ基板10は、ガラスや石英等の透光性材料からなる基板本体10Aと、その内側(液晶層50側)に形成されたTFT30、画素電極9、配向膜16等を備えて構成されている。一方の対向基板20は、ガラスや石英等の透光性材料からなる基板本体20Aと、その内側に形成された共通電極21、配向膜22等を備えて構成されている。
TFTアレイ基板10の基体である基板本体10A上に、第1遮光膜11aが部分的に形成されており、第1遮光膜11aを覆って第1層間絶縁膜12が形成されている。第1層間絶縁膜12上に半導体層1aがパターン形成されている。半導体層1aの表面にゲート絶縁膜2が形成されており、ゲート絶縁膜2を介して半導体層1aと部分的に対向する走査線3aが形成されている。半導体層1aにおける走査線3aとの対向部分にはチャネル領域1a’が形成され、その両側にソース領域およびドレイン領域が形成されている。TFT30は、LDD(Lightly Doped Drain)構造を採用しており、ソース領域およびドレイン領域に、それぞれ不純物濃度が相対的に高い高濃度領域と、相対的に低い低濃度領域(LDD領域)とが形成されている。すなわち、ソース領域には低濃度ソース領域1bと高濃度ソース領域1dとが形成され、ドレイン領域には低濃度ドレイン領域1cと高濃度ドレイン領域1eとが形成されている。
ゲート絶縁膜2および走査線3aを覆って、第2層間絶縁膜4が形成されている。第2層間絶縁膜4上にデータ線6a、及び中継電極6bが形成され、第2層間絶縁膜4を貫通して半導体層1aに達するコンタクトホール5及びコンタクトホール18を介して、それぞれデータ線6aが高濃度ソース領域1dと電気的に接続され、中継電極6bが高濃度ドレイン領域1eに接続されている。さらに、データ線6a及び中継電極6bを覆って第3層間絶縁膜7が形成されている。第3層間絶縁膜7の表面には画素電極9が形成され、第3層間絶縁膜7を貫通して中継電極6bに達するコンタクトホール8を介して、画素電極9と中継電極6bとが電気的に接続され、その結果、画素電極9と高濃度ドレイン領域1eとが電気的に接続されている。さらに、画素電極9を覆うように、ポリイミド等の有機物、あるいは酸化シリコン等の無機物からなる配向膜16が形成されている。
また本実施形態では、図3に示したように、半導体層1aを延設して平面視略L形とした第1蓄積容量電極1fが画素電極9の一辺の角部に沿って配置されている。第1蓄積容量電極1fの表面には、ゲート絶縁膜2を延設してなる誘電体膜が形成されており、かかる誘電体膜(ゲート絶縁膜2)上に形成された容量線3bのうち、当該誘電体膜を介して対向する部分が第2蓄積容量電極を形成し、前記第1蓄積容量電極1fとともに蓄積容量17を構成している。
TFT30の基板本体10A側に形成された前記第1遮光膜11aは、液晶パネル60に入射した光が半導体層1aのチャネル領域1a'、低濃度ソース領域1bおよび低濃度ドレイン領域1cに入射して光リークを生じるのを防止するものである。さらに、第1遮光膜11aは、第1層間絶縁膜12を貫通して形成されたコンタクトホール13を介して前段あるいは後段の容量線3bと電気的に接続されている。これにより、第1遮光膜11aは蓄積容量17の第3蓄積容量電極として機能し、第1層間絶縁膜12を誘電体膜として、第1蓄積容量電極1fとの間に容量を形成するようになっている。
データ線6a、走査線3aおよびTFT30の形成領域に対応する基板本体20Aの表面には、第2遮光膜23が形成されている。第2遮光膜23を覆い、基板本体20Aのほぼ全面にわたってITO等の透明導電材料からなる共通電極21が形成されている。共通電極21の表面にはポリイミド等の有機物、あるいは酸化シリコン等の無機物からなる配向膜22が形成されている。そして、この配向膜22と配向膜16とによって、液晶分子は電圧を印加しない状態においてほぼ基板平面方向に配向される。
TFTアレイ基板10と対向基板20との間に挟持された液晶層50は、動作時にベンド配向を呈するOCBモードの液晶層であり、画素電極9と共通電極21との間に電圧を印加しない状態ではスプレイ配向状態となっており、液晶パネル60の初期動作において画素電極9に所定の電圧を印加することで液晶層50をベンド配向状態に移行させ、かかるベンド配向を維持した状態で画素表示を行うようになっている。
そして、液晶装置100に対して偏光板62の下方から入射する照明光は、偏光板62によりその透過軸と平行なY軸方向の直線偏光となって光学補償板71に入射し、光学補償板71を透過した光が液晶パネル60に入射する。液晶パネル60の液晶層50によりその配向状態に応じた位相差を付与されて液晶パネル60から光学補償板72に入射し、光学補償板72を透過した光が偏光板64に入射する。この入射光の偏光状態に応じて偏光板64を透過する光量が決定され、明暗表示が成されるようになっている。
[偏光板及び光学補償板]
図5は、本実施形態の液晶装置の分解斜視図である。
本実施形態の液晶装置100は、上述した液晶パネル60と、液晶パネル60のTFTアレイ基板10の外側に配置された光学補償板72と、対向基板20の外側に配置された光学補償板71と、これら光学補償板71,72の外側にそれぞれ配置された偏光板62,64とによって構成されている。また、光学補償板71,72には、それぞれ光軸調整手段81,82が接続されている。各光軸調整手段81,82は、それらと接続された光学補償板71,72を、それぞれ回転軸RA1,RA2を中心に回動させることができる回転機構(移動機構、図示略)を具備し、液晶パネル60に対する光学補償板71,72の設置角度を自在に調整し得るものとなっている。
なお、本実施形態の液晶装置100では、偏光板62が配設された側(図示下側)が光入射側であり、偏光板64が配設された側が光射出側である。
本実施形態100の構成として、図示しないが、他に、偏光板62が配設された側を光射出側、偏光板64が配設された側を光入射側としてもよい。
光入射側の偏光板62は、その透過軸がY軸方向に平行に配置されている。光射出側の偏光板64は、その透過軸が図示X軸方向に平行に配置されている。これらの偏光板62,64の透過軸の方向は、液晶パネル60の配向膜16,22のラビング方向16a、22aに対して平面視で略45°ずれた方向となっている。上記ラビング方向16a、22aは互いに平行である。
ここで図6は、液晶装置100における光学補償作用の説明図であり、同図には液晶装置100の構成要素のうち、説明に必要な構成要素のみを抜き出して示している。具体的には、光学補償板71,72と、液晶パネル60の配向膜16,22及び液晶層50とを図示している。また、光学補償板71,72の図示右側に、それぞれ光学補償板71,72の平均的な屈折率楕円体171,172を図示しており、液晶層50の図示右側には、液晶層50のうち配向膜16側(TFTアレイ基板10側)の半分の液晶層50aの平均的な屈折率楕円体150a、及び配向膜22側(対向基板20側)の半分の液晶層50bの平均的な屈折率楕円体150bを図示している。
本実施形態の光学補償板71,72は、ディスコティック化合物等の負の屈折率異方性を有する光学異方体からなり、その主屈折率nx,ny,nzは、nx=ny>nzを満たす構成とされている。また膜厚方向に対してディスコティック化合物の光軸角度が変化しているハイブリット配向した構成であるため、平均的な屈折率楕円体の主屈折率nzの方向は基板法線に対してある角度をなして傾いているものとなる。本実施形態の場合、屈折率楕円体171,172のz方向は、それぞれ光学補償板71,72の基板法線方向とある角度をなして配置されており、当該z方向における屈折率nzが他の方向の屈折率より小さく、屈折率楕円体では略円盤型となる。なお、本実施形態では、光学補償板71,72の面内位相差((nx−nz)・d;dは光学補償板の厚み)は26nm、液晶パネル60のリタデーションは0.66μm(スプレイ配向状態)である。
液晶パネル60に封入された液晶層50は、光学的に正の一軸性を示すもので、液晶分子51のダイレクタ方向の屈折率が他の方向の屈折率より大きくなっている。そして、動作時にベンド配向を呈する本実施形態の液晶層50においては、液晶層50の上半分(層厚の中間点から配向膜16側の部分)と下半分(同、配向膜22側の部分)が、それぞれ図6右側に示すようなラグビーボール型の屈折率楕円体150a、150bを有するものとなっている。ここで、界面付近の液晶分子は黒表示の際、完全に立ち上がることができないために、残留リタデーションを生じ、これを打ち消す必要がある。さらにラグビーボール型の屈折率楕円体は、斜め方向から観察すると楕円になり、その長軸と短軸との差が複屈折となる。この斜め方向から観察した場合の位相差が、黒表示における光漏れの原因となり、液晶パネルのコントラスト比を低下させることになる。
これに対して、光学補償板71,72を構成するディスコティック液晶93は、先に記載のように光学的に負の一軸性を示すものであるから、光学補償板71,72における円盤型の屈折率楕円体171,172のz方向の光軸を、それぞれが配設される側のラグビーボール型の屈折率楕円体150a、150bの光軸151a、151bと平行に配置すれば、光学的な正負が逆になって、液晶パネル60における複屈折効果を打ち消すことができる。そこで、光学補償板71,72における配向膜の配向規制方向95が、液晶パネル60における配向膜の配向規制方向(ラビング方向16a、22a)と略一致するように、光学補償板71,72を配置し、かつ、図6に示すように、光学補償板71,72におけるディスコティック液晶93の傾斜角度が大きい方の面が、液晶パネル60と対向するように、各光学補償板71,72を配置する。これにより、液晶パネル60の光入射側領域に生じる光学的な位相差を3次元的に補償することが可能になる。
光学補償板70,71は、具体的には、トリアセチルセルロース(TAC)等からなる支持体91上に配向膜(不図示)を設け、その配向膜上にトリフェニレン誘導体等のディスコティック化合物層92を形成したものである。なお、配向膜はポリビニルアルコール(PVA)等からなり、その表面にはラビング等が施されて、液晶分子の配向方向を規制している。一方、ディスコティック化合物層92は、負の一軸性を示す光学媒体であるディスコティック液晶(ディスコティック化合物)93の光軸(盤面法線方向の軸)の傾斜角度が厚み方向に連続的に変化した光学的構造を有する光学異方性層である。このようなハイブリッド配向構造は、支持体91上に前記一軸性の光学媒体である液晶性ディスコティック液晶93を塗布し、一定温度に加熱してディスコティックネマチック相(N相)を形成した後、硬化させることによって得ることができる。なおディスコティック液晶93は、支持体91側で最小のチルト角(例えば0°〜15°)を示し、その反対側である空気界面側で最大のチルト角(例えば20°〜60°)を呈する。またディスコティック液晶93の配向規制方向95は、液晶パネル60における配向膜のラビング方向16a、22aと平行である。このような光学補償板70,71として、具体的には富士写真フィルム社製のWVフィルムを採用することが可能である。
上記構成を具備した光学補償板71,72は、無アルカリガラス、サファイヤ、水晶等の支持基板に装着された状態で光軸調整手段81,82に支持されて液晶装置100に組み込まれる。また光学補償板71,72は、図5に示したように、いずれも液晶パネル60の表面から所定距離をおいて配置されており、光軸調整手段81,82による光軸調整の妨げとならないよう構成されている。また、液晶パネル60と離されていることは、液晶パネル60と光学補償板との間で熱がこもるのを最小限に抑え、光学補償板の劣化を抑制する点でも有効である。
そして、本実施形態では、光学補償板71,72の液晶パネル60に対する設置角度を調整するための光軸調整手段81,82が設けられていることで、図6に示すように、光学補償板71を回転軸RA1を中心に回動させることで光学補償板71の液晶パネル60の基板面に対する設置角度θ1を調整することができる。これにより、液晶パネル60における位相差を良好に補償し得る位置に容易に光学補償板71を配置することができ、液晶層50を斜め方向に透過する光によるコントラストの低下を防止し、高コントラストの表示を得ることができる。特に、WVフィルム等の液晶を配向させて所望の位相差を得る光学補償板では、ディスコティック化合物層92を構成する液晶の配向制御が比較的困難であるために位相差の種類にも限りがあり、単に液晶パネル60の前面側に貼り付けたのでは所望の光学補償作用を得られないことが多い。かかる場合であっても、本実施形態によれば、光学補償板71の設置角度θ1を調整することで、光学補償板71の液晶パネル60に対する実質的な位相差を調整でき、光学補償の最適化を極めて容易に行うことができる。また液晶装置100をプロジェクタのライトバルブに用いた場合に、ライトバルブの光学系、例えばレンズや光源のの中心軸が液晶装置100の中心軸とずれたときに、光源側を調整しなくとも光学補償板71,72の角度調整のみで補償条件を最適化し、コントラストの低下を防止することもできる。
また本実施形態では、光軸調整手段81によって光学補償板71を回転軸RA2を中心に回動させることもできるので、光学補償板71の面方向の光軸(ディスコティック液晶93の配向規制方向95)の液晶パネル60の光軸(配向膜16のラビング方向16a)に対する位置を調整することができる。これにより、液晶パネル60の製造工程でラビング方向16aが規定の方向からずれた場合にも、上記回転動作によって光学補償の最適化を極めて容易に行うことができる。
また、液晶パネル60の前面側に配置されている光学補償板72についても、光軸調整手段82によって回転軸RA1及びRA2を中心に回転させることができ、これらの回転動作による光学補償板72の設置角度θ2の調整等によって、光学補償板72を、液晶パネル60の光学補償に最適な位置に容易に配置することができる。
以上より、本実施形態の液晶装置100では、光学補償板71,72に接続された光軸調整手段81,82によって、OCBモードの液晶パネル60の光学補償を容易に最適化することができ、高コントラストの表示を得られるものとなっている。
[試験例]
図7から図9は、本実施形態の液晶装置100において、光学補償板71の設置角度θ1と、光学補償板72の設置角度θ2とを変化させたときの等コントラスト曲線を示す図である。図7は設置角度θ1及びθ2が0°の場合、図8はθ1及びθ2が2°である場合、図9はθ1及びθ2が5°の場合、をそれぞれ示している。また測定における他の条件は、液晶パネル60のΔn・dが0.66μm(スプレイ配向状態)、液晶のプレチルトが7°、白表示印加電圧1.5V、黒表示印加電圧5V、光学補償板71,72(WVフィルム)の正面位相差が26nmであり、各図の測定条件において設置角度θ1及びθ2のみを変化させている。
図7から図9において、等コントラスト曲線の内側に格子模様を付した領域301〜304は、各図において最大のコントラストが得られる視角範囲を示したものである。また、符号500を付して示す円形の領域は、10°〜20°コーンの光源分布を有するプロジェクタにおいて表示のコントラストに寄与する視角20°以下の領域を示したものである。
図7から図9を比較すると、設置角度θ1及びθ2が0°である図7の条件では、最大コントラストが得られる領域301,302が視角の中心から上下(90°、270°方向)にずれており、かつその面積も小さい。これに対して、設置角度θ1及びθ2をそれぞれ2°、5°とした図8及び図9の条件では、最大コントラストが得られる領域303,304が視角の中心に分布しており、かつその面積も図7に比して大きくなっている。さらに図8、図9の条件のうちでも、図9の条件ではプロジェクタの表示コントラストに寄与する20°コーンの範囲内全域で最大コントラストが得られており、液晶装置100をプロジェクタのライトバルブとして用いた場合に最適な補償条件が得られていることが分かる。
以上説明したように、本実施形態では、光軸調整手段81,82によって光学補償板71,72の設置角度θ1及びθ2を調整可能としたことで、液晶パネル60における液晶のプレチルトによる位相差及び斜め方向の光による位相差を完全に補償することができる光学補償条件を極めて容易に得ることができ、高コントラストな表示が可能となる。また、液晶パネル60に設計変更等が生じた場合であっても、光学補償板71,72を入れ替えることなく光学補償条件の調整が可能であることから、設計の自由度が高くなり、高品質の表示を得やすくなるという利点もある。
なお、本実施形態では2枚の光学補償板71,72を液晶パネル60を挟んで配置した場合について説明したが、光学補償板の枚数は1枚であってもよく、また光学補償板71,72の双方を液晶パネル60の前面側(光射出側)に配置することもできる。光学補償板71,72を液晶パネル60の光射出側に配置するならば、照明光による光学補償板71,72の劣化を防止でき、信頼性に優れた液晶装置を得ることができる。
(第2の実施形態)
次に、本発明の第2の実施形態である液晶装置200について、図10から図13を参照して説明する。図10は、本実施形態の液晶装置200の概略断面構造を示す図であって、第1実施形態における図6に相当する図面である。なお、図10において先の実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付し、それらの詳細な説明は省略することとする。
図10に示すように、液晶装置200は、液晶パネル60の背面側(光入射側)に配設された光学補償板73と、液晶パネル60の前面側(光射出側)に配設された光学補償板74とを備えた構成である。光学補償板73は、2枚の光学補償フィルム73a、73bを積層したものであり、本実施形態の場合、光学補償フィルム73aは負のCプレート(負の屈折率異方性を有し、厚さ方向に光軸を有する一軸性の光学異方性媒体)であり、光学補償フィルム73bは負の二軸性を呈する光学異方性媒体(以下、二軸フィルムと称する。)である。
光学補償フィルム73a、73bはいずれも負の屈折率異方性を有するものであり、それらの屈折率楕円体173a、173bは、ぞれぞれ図10に示す円盤型を成している。そして、Cプレートである光学補償フィルム73aの屈折率楕円体173aにおいて、厚み方向の屈折率をnz、平面内の方位角方向の屈折率をnx、nyとしたときのnx、ny、nzの関係は、nx=ny>nzとなっており、二軸フィルムである光学補償フィルム73bの屈折率楕円体173bにおいて、上記nx、ny、nzの関係はnx>ny>nzとなっている。
また、液晶パネル60に関して光学補償板73と反対側に配設された光学補償板74は、光学補償板73と同様、液晶パネル60側から順に、Cプレートである光学補償フィルム74aと、二軸フィルムである光学補償フィルム74bとを積層したものである。なお、光学補償フィルム73aと光学補償フィルム73b、及び光学補償フィルム74aと光学補償フィルム74bの配置はそれぞれ逆にしてもよい。
上記光学異方性を具備した光学補償フィルム73a、73bにおける円盤型の屈折率楕円体173a、173bのz方向の光軸を、当該光学補償板73が配設される側のラグビーボール型の屈折率楕円体150bの光軸151bと平行に配置すれば、光学的な正負が逆になって、液晶パネル60における複屈折効果を打ち消すことができる。またこれと同様に、光学補償フィルム74a、74bのz方向の光軸を、当該光学補償板74が配設される側のラグビーボール型の屈折率楕円体150aの光軸151aと平行に配置すれば、光学的な正負が逆になって、液晶パネル60における複屈折効果を打ち消すことができる。これにより、液晶パネル60の光入射側領域に生じる光学的な位相差を補償することが可能になる。
そして、本実施形態の液晶装置200においても、液晶パネル60を挟持して配置された光学補償板73,74には、ぞれぞれ光軸調整手段81,82が接続されており、先の第1実施形態に係る液晶装置100と同様、光学補償板73,74の液晶パネル60に対する設置角度を調整することができるようになっている。
すなわち、光軸調整手段81によれば、光学補償板73を回転軸RA1を中心に回動させて設置角度θ3を変化させることで、液晶パネル60に入射する光に対する光学補償板73の実質的な位相差を調整することができる。また回転軸RA2を中心に光学補償板73を回動させることで、光学補償板73の面方向の光軸と液晶パネル60の面方向の光軸との位置関係を調整することができる。
また光軸調整手段82によれば、光学補償板74を回転軸RA1を中心に回動させて設置角度θ4を変化させることで、液晶パネル60から射出される光に対する光学補償板74の実質的な位相差を調整することができる。また回転軸RA2を中心に光学補償板74を回動させることで、光学補償板74の面方向の光軸と液晶パネル60の面方向の光軸との位置関係を調整することができる。
[試験例]
図11から図13は、本実施形態の液晶装置200において、光学補償板73の設置角度θ3と、光学補償板74の設置角度θ4とを変化させたときの等コントラスト曲線を示す図である。図11は設置角度θ3及びθ4が0°の場合、図12はθ3及びθ4が5°である場合、図13はθ3及びθ4が10°の場合をそれぞれ示している。また測定における他の条件は、液晶パネル60のΔn・dが0.66μm(スプレイ配向状態)、液晶のプレチルトが7°、白表示印加電圧1.5V、黒表示印加電圧5V、光学補償フィルム73a、74a(Cプレート)の厚さ方向の位相差が170nm、光学補償フィルム73b、74bの正面位相差(面内位相差)が26nm、厚さ方向の位相差が26nmであり、各図の測定条件において設置角度θ1及びθ2のみを変化させている。なお、上記正面位相差は式(nx−ny)・d(dはフィルムの厚さ)により得られる値であり、厚さ方向の位相差は式((nx+ny)/2+nz)・dにより得られる値である。
ここで、図11から図13において、符号500を付して示す円形の領域は、10°〜20°コーンの光源分布を有するプロジェクタにおいて表示のコントラストに寄与する視角20°以下の領域を示したものであるのは第1実施形態と同様である。一方、図11から図13の等コントラスト曲線では、各条件間でコントラストの最大値が異なっており、各図の最大コントラスト領域を単に比較するのは好ましくない。本実施形態では、図13の等コントラスト曲線の内側に格子模様を付した領域406が各条件で最も高いコントラストが得られた領域であり、次いで高いコントラストが得られているのは、図12において左上がりの斜線を付した領域403である。そして、図11において最大コントラストが得られている領域401のコントラストは、当該領域401と同様の左下がりの斜線が付されている図12の領域404、図13の領域407に相当する。また、図11から図13で黒表示されている(細格子模様を付している)領域402、405、408は、図11から図13において最もコントラストが低くなっている領域である。
図11から図13から明らかなように、設置角度θ3及びθ4を0°から10°へと変化させることで、等コントラスト曲線の中央部においてコントラストが向上する。また最大のコントラストが得られている図13の条件において、プロジェクタの表示コントラストに寄与する20°コーンの範囲内全域で最大コントラストが得られており、液晶装置200をプロジェクタのライトバルブとして用いた場合に最適な補償条件が得られていることが分かる。また、設置角度θ3、θ4を大きくするのに伴って底コントラストの領域402、405、408が小さくなっており、直視型の液晶装置に用いた場合にもコントラストを向上させる効果を得られることがわかる。
以上、詳細に説明したように、本実施形態の液晶装置200によれば、光軸調整手段81,82によって光学補償板73,74の設置角度θ3及びθ4を調整可能としたことで、液晶パネル60における液晶のプレチルトによる位相差及び斜め方向の光による位相差を完全に補償することができる光学補償条件を極めて容易に得ることができ、高コントラストな表示が可能となる。また、液晶パネル60の製造時に配向膜のラビング方向等がばらついたときにも、回転軸RA2回りに光学補償板73,74を回動させることで、容易に光軸を一致させることができる。さらに、液晶パネル60に設計変更等が生じた場合であっても、光学補償板73,74を入れ替えることなく光学補償条件の調整が可能であることから、設計の自由度が高くなり、高品質の表示を得やすくなるという利点もある。
なお、本実施形態では2枚の光学補償板73,74を液晶パネル60を挟んで配置した場合について説明したが、光学補償板の枚数は1枚であってもよく、また光学補償板73,74の双方を液晶パネル60の前面側(光射出側)に配置することもできる。光学補償板73,74を液晶パネル60の光射出側に配置するならば、照明光による光学補償板73,74の劣化を防止でき、信頼性に優れた液晶装置を得ることができる。
また、第2実施形態では光学的に一軸性を呈する光学補償フィルム(一軸フィルム)73a、74aが負のCプレートである場合について説明したが、光学的に正の一軸性を有するものであってもよい。また、第2実施形態では一軸フィルムである光学補償フィルム73aと二軸フィルムである光学補償フィルム73bとを積層した構成としたが、光学補償フィルム73aと73bを入れ替えて積層する、あるいは二軸フィルムのみを液晶パネル60の一面ないし両面に配設した構成であってもよい。
(第3の実施形態)
次に、本発明の第3の実施形態について図14を参照して説明する。図14は、本実施形態の液晶装置300の概略構成を示す側面図である。なお、図14において先の実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付し、それらの詳細な説明は省略することとする。
図14に示すように、液晶装置300は、液晶パネル60と、液晶パネル60を挟持して配設された2枚の光学補償板75,76とを備えている。そして、本実施形態の場合、光学補償板75,76が、ディスコティック化合物の負の屈折率異方性を有する光学異方性層を備えたものとなっている。光学補償板75,76の図示右側にそれぞれの屈折率楕円体175,176を模式的に示している。
本実施形態の光学補償板75,76は、ディスコティック化合物の負の屈折率異方性を有する光学異方体からなり、その主屈折率nx,ny,nzは、nx=ny>nzを満たす構成とされている。すなわち、光軸方向(厚さ方向)の屈折率nzが他の方向の屈折率nx,nyよりも小さく、屈折率楕円体では円盤型である。この屈折率楕円体は、光学補償板75,76の水平面に対して斜めに配向されており、そのため光学補償板75,76の光軸も基板法線方向に対して斜めに傾いた状態となっている。
そして、本実施形態の液晶装置300においても、光学補償板75,76には、それぞれ光軸調整手段81,82が接続されており、かかる光軸調整手段81,82によって、液晶パネル60に対する光学補償板75,76の設置角度(図6に示したθ1、θ2)を調整することが可能であり、かつ光学補償板75,76をそれぞれ面方向に回動させることで、面方向の光軸を調整することが可能になる。
このような構成のもと、本実施形態の液晶装置300は、光学補償板75,76の設置角度調整によって厚さ方向の光軸の傾き角度と液晶パネル60のプレチルト角とを一致させることが容易に行えるようになっており、かつ光学補償板75,76の面方向の光軸と液晶パネル60の配向膜のラビング方向等との位置合わせも容易に行える。従って、本実施形態の液晶装置300によれば、板面法線方向から傾いた光軸を有する光学補償板75,76と液晶パネル60との光軸調整を極めて容易に行うことができ、高コントラストの表示が可能である。
本実施形態に係る光学補償板75,76は、ディスコティック液晶96をチルト配向させて重合させたものを使用することができる。すなわち、三酢酸セルロース(TAC)等の支持体上に配向膜を設け、その配向膜上にトリフェニレン誘導体等のディスコティック層を塗設して作成することができる。ディスコティック化合物は、液晶相を呈したときに、光学的に負の一軸性を示す。そこで、表面にポリイミド等の配向膜を形成した上記支持体を2枚用意し、一方の支持体上にディスコティック化合物を塗設した後、もう一方の支持体によってディスコティック化合物の層を挟み込む。そして、加熱処理によってディスコティックネマチック(N)相を形成させた後に、紫外線等によって重合して配向状態を固定化する。このN相の形成時に、ディスコティック化合物層は前記支持体に設けられた配向膜によってプレチルトを形成し、光軸は斜めに傾いた状態となる。光学補償板75,76の光軸の傾き角度は、支持体の内面に形成する配向膜の配向処理(ラビング等)によって制御することができる。
(第4の実施形態)
上述の各実施形態では、透過型の液晶パネルを用いた液晶装置について説明したが、本発明はLCOS(Liquid Crystal On Silicon)等の反射型液晶パネルを用いた液晶装置にも好適に用いることができる。図15は、液晶装置400における反射型液晶パネル61とその前面側に配設された光学補償板77の概略構成を示す斜視図であり、図16は、液晶装置400における液晶パネル61と光学補償板77と偏光ビームスプリッタ97との配置関係を示す斜視図である。
図15に示すように、液晶パネル61は液晶分子51をハイブリッド配向させてなるR−OCBモードの液晶層50を具備したHAN(Hybrid Aligned Nematic)モードの液晶パネルである。かかる液晶パネル61では、液晶層50を挟持して配向膜16,122が形成されており、一方の配向膜16は先の実施形態の液晶装置と同様、所定方向に配向処理された水平配向膜であるが、他方の配向膜122は液晶分子51を膜面に略垂直に配向させる垂直配向膜である。光学補償板77は、第3の実施形態に係る光学補償板75,76と同様、負の一軸性を有するディスコティック化合物をチルト配向させてなる光学異方性層を具備したものとなっており、その屈折率楕円体177aも、その主屈折率nx,ny,nzが、nx=ny>nzなる関係を満たすものとなっている。
図16に示すように、光学補償板77は、液晶装置400において、液晶パネル61と偏光ビームスプリッタ97との間に配置されており、光学補償板77には、先の第1〜第3実施形態に係る光軸調整手段81,82と同様の構成を具備した光軸調整手段83が接続されている。光軸調整手段83は、光学補償板77を液晶パネル61の基板面に対して傾斜させるように移動させるとともに、光学補償板77を面内で回動させることができるようになっており、先の実施形態と同様、液晶パネル61に対する設置角度、及び光軸の調整が可能なものとなっている。
上記構成を具備した液晶装置400によれば、板面法線方向から傾いた光軸を有する光学補償板77と液晶パネル61との光軸調整を極めて容易に行うことができ、高コントラストの表示が可能である。また、液晶パネル61と光学補償板の間に距離をとれない場合には、液晶パネルの面内光軸と光軸補償板の面内光軸を調整する機構だけでもよい。
また、液晶パネル61と光学補償板の間に距離をとれない場合には、液晶パネルの面内光軸と光軸補償板の面内光軸を調整する機構だけでもよい。
なお、本実施形態では反射型の液晶パネル61の前面側に負の一軸性を有し、光軸が板面法線方向から傾いた構造の光学補償板77を設けた場合について説明したが、先の第1実施形態及び第2実施形態において用いている光学補償板71〜74と同等の光学補償板を液晶パネル61の前面側に配設した構成であってもよい。
(投射型表示装置)
次に、本発明の投射型表示装置(プロジェクタ)の一実施形態について、図17を用いて説明する。図17は、プロジェクタの要部を示す概略構成図である。このプロジェクタは、前記実施形態に係る液晶装置を光変調手段として備えたものである。
図17において、810は光源、813、814はダイクロイックミラー、815、816、817は反射ミラー、818は入射レンズ、819はリレーレンズ、820は出射レンズ、822、823、824は本発明の液晶装置からなる光変調手段、825はクロスダイクロイックプリズム、826は投射レンズである。光源810は、メタルハライド等のランプ811とランプの光を反射するリフレクタ812とからなる。831〜836は光変調手段に併設された偏光素子である。
ダイクロイックミラー813は、光源810からの白色光に含まれる赤色光を透過させるとともに、青色光と緑色光とを反射する。透過した赤色光は反射ミラー817で反射されて、赤色光用光変調手段822に入射される。また、ダイクロイックミラー813で反射された緑色光は、ダイクロイックミラー814によって反射され、緑色光用光変調手段823に入射される。さらに、ダイクロイックミラー813で反射された青色光は、ダイクロイックミラー814を透過する。青色光に対しては、長い光路による光損失を防ぐため、入射レンズ818、リレーレンズ819および出射レンズ820を含むリレーレンズ系からなる導光手段821が設けられている。この導光手段821を介して、青色光が青色光用光変調手段824に入射される。
各光変調手段822、823、824により変調された3つの色光は、クロスダイクロイックプリズム825に入射する。このクロスダイクロイックプリズム825は4つの直角プリズムを貼り合わせたものであり、その界面には赤光を反射する誘電体多層膜と青光を反射する誘電体多層膜とがX字状に形成されている。これらの誘電体多層膜により3つの色光が合成されて、カラー画像を表す光が形成される。合成された光は、投射光学系である投射レンズ826によってスクリーン827上に投影され、画像が拡大されて表示される。
このような構成からなるプロジェクタは、前記第1〜第3実施形態の液晶装置を光変調手段として備えている。この液晶装置は、前述したように光軸調整を極めて容易に最適化することができるので、本実施形態のプロジェクタは高コントラストの表示を容易に得られるものとなっている。
なお、本発明の技術的範囲は、前述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、前述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。例えば、実施形態では3板式の投射型表示装置(プロジェクタ)を例にして説明したが、単板式の投射型表示装置や直視型表示装置に本発明を適用することも可能である。また、本発明の液晶装置を、プロジェクタ以外の電子機器に適用することも可能である。その具体例として、携帯電話を挙げることができる。この携帯電話は、前述した各実施形態またはその変形例に係る液晶装置を表示部に備えたものである。また、その他の電子機器としては、例えばICカード、ビデオカメラ、パーソナルコンピュータ、ヘッドマウントディスプレイ、さらに表示機能付きファックス装置、デジタルカメラのファインダ、携帯型TV、DSP装置、PDA、電子手帳、電光掲示盤、宣伝公告用ディスプレイ等が挙げられる。
第1実施形態に係る液晶装置の全体構成を示す図。 液晶パネルの等価回路図。 液晶パネルを構成するTFTアレイ基板の平面構成図。 図3のA−A’線に沿う断面構成図。 第1実施形態に係る液晶装置の分解斜視図。 第1実施形態に係る光学補償作用の概略構成図。 第1実施形態に係る試験結果を示す等コントラスト曲線図。 第1実施形態に係る試験結果を示す等コントラスト曲線図。 第1実施形態に係る試験結果を示す等コントラスト曲線図。 第2実施形態に係る光学補償作用の概略構成図。 第2実施形態に係る試験結果を示す等コントラスト曲線図。 第2実施形態に係る試験結果を示す等コントラスト曲線図。 第2実施形態に係る試験結果を示す等コントラスト曲線図。 第3実施形態に係る光学補償作用の概略構成図。 第4実施形態に係る光学補償作用の概略構成図。 第4実施形態に係る液晶装置の概略構成図。 投射型表示装置の一例を示す概略構成図。
符号の説明
100,200,300,400 液晶装置、10 TFTアレイ基板、20 対向基板、50 液晶層、51 液晶分子、60,61 液晶パネル、62,64 偏光板、71〜77 光学補償板、81〜83 光軸調整手段

Claims (12)

  1. 一対の基板間に液晶層を挟持してなるOCBモードの液晶パネルと、
    該液晶パネルの少なくとも一方の側に配設された光学補償板と、
    前記光学補償板を前記液晶パネルに対して相対的に移動させて前記光学補償板の光学軸と前記液晶パネルにおける液晶分子の光学軸との成す角度を調整する光軸調整手段と、を備え、
    前記光軸調整手段は、前記光学補償板を前記液晶パネルの基板面に対し傾斜するように移動する移動機構を備えていることを特徴とする液晶装置。
  2. 前記光軸調整手段は、前記光学補償板を前記液晶パネルの基板法線周りに移動する移動機構を備えていることを特徴とする請求項1に記載の液晶装置。
  3. 前記光学補償板が、正又は負の屈折率異方性を有する光学媒体からなる光学異方性層を備えていることを特徴とする請求項1又は2に記載の液晶装置。
  4. 前記光学補償板が、光学的に一軸性又は二軸性を示す光学異方性層を備えていることを特徴とする請求項3に記載の液晶装置。
  5. 前記光学補償板が、前記光学媒体をハイブリッド配向させてなる光学異方性層を備えていることを特徴とする請求項3に記載の液晶装置。
  6. 前記光学補償板が、負の屈折率異方性を有する光学媒体からなり、光学的に一軸性を示す光学異方性層を備えており、
    前記光学異方性層が当該光学補償板の法線方向に対し交差する方向の光学軸を有していることを特徴とする請求項3に記載の液晶装置。
  7. 前記液晶パネルを挟んだ両側に、前記光学補償板と光軸調整手段とが設けられていることを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の液晶装置。
  8. 前記液晶パネルの一面側に、前記光学補償板と該光学補償板を支持する前記光軸調整手段とが複数設けられていることを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の液晶装置。
  9. 複数の前記光学補償板を備えるとともに、前記光軸調整手段が前記複数の光学補償板を一体に又は個別に移動する移動機構を備えていることを特徴とする請求項8に記載の液晶装置。
  10. 前記複数の光学補償板が、それぞれ光学的に二軸性を有する光学異方性層を備えた光学補償板と、負の屈折率異方性を有し、光学的に一軸性を有する光学異方性層を備えた光学補償板であることを特徴とする請求項9に記載の液晶装置。
  11. 前記液晶パネルが反射型の液晶パネルであり、前記液晶装置の動作モードがR−OCBモードであることを特徴とする請求項1から10のいずれか1項に記載の液晶装置。
  12. 請求項1から11のいずれか1項に記載の液晶装置を備えたことを特徴とする投射型表示装置。
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