JP5200886B2 - 液晶装置および投射型表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、液晶装置および投射型表示装置に関するものである。

液晶プロジェクタ等の投射型表示装置における光変調手段として、液晶装置が用いられている。液晶装置は、一対の基板により液晶層を挟持して構成されている。その一対の基板の内側には、液晶層に対して電界を印加する電極が形成されている。その電極の内側には、液晶分子の配向状態を規制する配向膜が形成されている。そして、非選択電圧印加時と選択電圧印加時との液晶分子の配向変化に基づいて、画像光が形成されるようになっている。

従来の液晶装置を用いた投射型表示装置は、投影画像のコントラスト比が１：５００程度しかなく、ＤＭＤ（登録商標）等の機械式シャッタを用いた投射型表示装置のコントラスト比１：３０００と比べて見劣りがしていた。その原因は、液晶装置の視角特性にある。そもそも、投射型表示装置の光変調手段に入射する光源光は、完全な平行光ではない。ところが、光変調手段として用いられる液晶装置には入射角依存性があるため、これが投影画像のコントラスト比を低下させる原因になっている。

そこで、液晶装置の入射角依存性を補償するため、光学補償板が採用されている。この光学補償板は、負の屈折率異方性を示すディスコティック液晶をハイブリッド配向させたものである（例えば、特許文献１および非特許文献１参照）。このハイブリッド配向により、光学補償板は、その法線方向から見た場合に遅相軸および進相軸を備えている。そのため、光学補償板は法線方向に位相差を有することになる。
図１３は、特許文献１に記載された光学補償板における位相差の視角依存性を示すグラフである。図１３によれば、光学補償板に対する視角が０°の場合の位相差、すなわち光学補償板の法線方向における位相差は、４０ｎｍ程度であることがわかる。また特許文献２には、光学補償板の法線方向における位相差が、７０ｎｍおよび８０ｎｍである例が開示されている。

そして、液晶パネルにおける光入射側の基板の外側には第１光学補償板が配置され、光出射側の基板の外側には第２光学補償板が配置されている。第１光学補償板および第２光学補償板は、各光学補償板の法線方向から見た場合の進相軸方向（すなわち、ディスコティック液晶の配向規制方向であり、図５の矢印７１で示すＸ軸方向）が、対応する基板における配向膜の配向規制方向と略一致するように配置されている。なお、液晶パネルの各基板の配向規制方向は略直交するため、各光学補償板の配向規制方向も略直交するように配置されている。

特開平８−５０２０６号公報 特開平９−１５５８７号公報 森裕行、「液晶ディスプレイ入門講座第１１回：ディスコティック光学補償膜によるＴＦＴ−ＬＣＤの視野角拡大技術」、液晶、日本液晶学会、２００２年１月２５日、第６巻、第１号、ｐ８４−９２

しかしながら、光学補償板は本来、直視型の液晶パネルのために開発されたものであり、広い視角範囲で高いコントラスト比が得られるように設計されている。これに対して、投射型表示装置の光変調手段に対する光源光の入射角度は、せいぜい極角１２°程度である。そして、その狭い角度範囲の入射光によって投影画像が構成されることになる。そのため、その狭い視角範囲で、さらに高いコントラスト比が得られるような液晶装置の開発が望まれている。

ところで、液晶パネルの液晶層に電界を印加すると、液晶層の中央付近の液晶分子は垂直配向するが、配向膜付近の液晶分子は完全には垂直配向しない。そのため、電界印加時における液晶パネルは、法線方向から観察した場合にもわずかな位相差を有することになる。この位相差が、黒表示における光漏れの原因となり、液晶パネルの法線方向におけるコントラスト比を低下させることになる。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、投射型表示装置の光変調手段に対する光源光の入射角度の範囲内で、高いコントラスト比を得ることが可能な、液晶装置の提供を目的とする。また、投影画像において高いコントラスト比を得ることが可能な、投射型表示装置の提供を目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の液晶装置は、一対の基板により液晶層が挟持されたツイステッドネマチックモードの液晶パネルと、前記液晶パネルに光を照射する光源と、前記光源からの光が入射される側の前記液晶パネルの前記基板の外側に配置された負の屈折率異方性を示す液晶分子をハイブリッド配向させてなる第１の光学補償板と、前記液晶パネルの前記光源からの光が出射される側の前記基板の外側に配置された負の屈折率異方性を示す液晶分子をハイブリッド配向させてなる第２の光学補償板と、を備える液晶装置であって、前記第１の光学補償板の進相軸と前記第２の光学補償板の進相軸は、それぞれ法線方向から見た場合の進相軸が、直角でない角度で交差するように配置されており、前記第１の光学補償板の前記進相軸の方向は、該第１の光学補償板に対応する前記液晶パネルの前記基板の配向規制方向と略一致するように配置され、前記第２の光学補償板の前記進相軸の方向は、該第２の光学補償板に対応する前記液晶パネルの前記基板の配向規制方向と異なるように配置されていることを特徴とする。
この構成によれば、液晶パネルにおける一方の基板側の液晶層の位相差が第１の光学補償板によって補償され、他方の基板側の液晶層の位相差が第２の光学補償板によって補償される。そして、第１の光学補償板および第２の光学補償板の進相軸を直角でない角度で交差させることにより、光学補償板全体として法線方向の位相差を発生させることが可能になり、液晶パネルにおける法線方向の位相差を補償することができる。したがって、投射型表示装置の光変調手段に対する光源光の入射角度の範囲内で、高いコントラスト比を得ることができる。

また、前記第１の光学補償板および前記第２の光学補償板は、前記第１の光学補償板および前記第２の光学補償板の法線方向から見た位相差が、いずれも１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下に設定されている。
この構成によれば、液晶パネルにおける法線方向の位相差を、光学補償板によって補償することができる。これにより、黒表示における光漏れを防止することが可能になり、投射型表示装置の光変調手段に対する光源光の入射角度の範囲内で、高いコントラスト比を得ることができる。

また、前記第２の光学補償板の前記進相軸の方向と、前記液晶パネルの前記光源からの光が出射される側の前記基板の配向規制方向と、が異なるように配置されていることを特徴とする。

また、前記第１の光学補償板は、前記液晶分子の光軸と当該第１の光学補償板の法線とのなす角度が小さい方の面が前記光源からの光が入射される側に配置され、前記第２の光学補償板は、前記液晶分子の光軸と当該第２の光学補償板の法線とのなす角度が大きい方の面が前記光源からの光が入射される側に配置されていることを特徴とする。

また、前記第１の光学補償板または前記第２の光学補償板のうち、いずれか一方の光学補償板の前記進相軸は、その光学補償板に対応する前記基板の配向規制方向と平行になるように配置されていることが望ましい。
この構成によれば、第１の光学補償板または第２の光学補償板のうち、いずれか他方の光学補償板の配置のみを調節することにより、各光学補償板の法線方向から見た場合の進相軸を直角でない角度で交差させることができる。

また、前記第１の光学補償板の前記進相軸と前記第２の光学補償板の前記進相軸との交差角度は、９１°以上１１０°以下の範囲内に設定されていることが望ましい。 この構成によれば、液晶パネルにおける法線方向の位相差の補償と、法線方向からの極角が小さい範囲での位相差の補償とのバランスをとることが可能になる。したがって、投射型表示装置の光変調手段に対する光源光の入射角度の範囲内で、高いコントラスト比を得ることができる。

一方、本発明の投射型表示装置は、上述した液晶装置を、光変調手段として備えたことを特徴とする。
投射型表示装置では、光変調手段に対する光源光の入射角度が極角１２°程度であり、その入射光によって投影画像が構成される。そして、上述した液晶装置により、液晶パネルにおける法線方向および極角が小さい範囲での位相差を補償することが可能になり、黒表示における光漏れを防止することができる。したがって、投影画像において高いコントラスト比を得ることができる。

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。また、「非選択電圧印加時」および「選択電圧印加時」とは、それぞれ「液晶層への印加電圧が液晶のしきい値電圧近傍である時」および「液晶層への印加電圧が液晶のしきい値電圧に比べて十分高い時」を意味しているものとする。

［第１実施形態］
最初に、本発明の第１実施形態に係る液晶装置につき、図１ないし図８を用いて説明する。第１実施形態に係る液晶装置は、一対の基板により液晶層が挟持された液晶パネルと、その液晶パネルの外側にそれぞれ配置された光学補償板と、その光学補償板の外側にそれぞれ配置された偏光板とを有するものである。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）素子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。

（等価回路）
図１は、液晶パネル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複数のドットには、画素電極９が形成されている。また、その画素電極９の側方には、当該画素電極９への通電制御を行うためのスイッチング素子であるＴＦＴ素子３０が形成されている。このＴＦＴ素子３０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。なお画像信号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、ＴＦＴ素子３０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。なお走査信号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。また、ＴＦＴ素子３０のドレインには、画素電極９が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ＴＦＴ素子３０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。

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。

（平面構造）
図２は、液晶パネルの平面構造の説明図である。本実施形態の液晶パネルでは、ＴＦＴアレイ基板上に、インジウム錫酸化物（Indium Tin Oxide、以下ＩＴＯという）等の透明導電性材料からなる矩形状の画素電極９（破線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ドットであり、マトリクス状に配置されたドットごとに表示を行うことが可能な構造になっている。

ＴＦＴ素子３０は、ポリシリコン膜等からなる半導体層１ａを中心として形成されている。半導体層１ａのソース領域（後述）には、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（後述）には、コンタクトホール８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。なお走査線３ａは、チャネル領域１ａ’との対向部分において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２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、後述する蓄積容量が形成されている。

（断面構造）
図３は、液晶パネルの断面構造の説明図であり、図２のＡ−Ａ’線における側面断面図である。図３に示すように、本実施形態の液晶パネル６０は、ＴＦＴアレイ基板１０と、これに対向配置された対向基板２０と、これらの間に挟持された液晶層５０とを主体として構成されている。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、およびその内側に形成されたＴＦＴ素子３０や画素電極９、配向膜１６などを主体として構成されている。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、およびその内側に形成された共通電極２１や配向膜２２などを主体として構成されている。

ＴＦＴアレイ基板１０の表面には、後述する第１遮光膜１１ａおよび第１層間絶縁膜１２が形成されている。そして、第１層間絶縁膜１２の表面に半導体層１ａが形成され、この半導体層１ａを中心としてＴＦＴ素子３０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。なお、このＴＦＴ素子３０はＬＤＤ（Lightly Doped Drain）構造を採用しているため、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。

半導体層１ａの表面には、ゲート絶縁膜２が形成されている。そして、ゲート絶縁膜２の表面に走査線３ａが形成されて、その一部がゲート電極を構成している。また、ゲート絶縁膜２および走査線３ａの表面には、第２層間絶縁膜４が形成されている。そして、第２層間絶縁膜４の表面にデータ線６ａが形成され、第２層間絶縁膜４に形成されたコンタクトホール５を介して、データ線６ａが高濃度ソース領域１ｄと電気的に接続されている。さらに、第２層間絶縁膜４およびデータ線６ａの表面には、第３層間絶縁膜７が形成されている。そして、第３層間絶縁膜７の表面に画素電極９が形成され、第２層間絶縁膜４および第３層間絶縁膜７に形成されたコンタクトホール８を介して、画素電極９が高濃度ドレイン領域１ｅと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、ポリイミド等からなる配向膜１６が形成されている。配向膜１６の表面にはラビング等が施され、非選択電圧印加時における液晶分子の配向方向を規制しうるようになっている。

なお、本実施形態では、半導体層１ａを延設して第１蓄積容量電極１ｆが形成されている。また、ゲート絶縁膜２を延設して誘電体膜が形成され、その表面に容量線３ｂが配置されて第２蓄積容量電極が形成されている。これらにより、上述した蓄積容量１７が構成されている。

また、ＴＦＴ素子３０の形成領域に対応するＴＦＴアレイ基板１０の表面に、第１遮光膜１１ａが形成されている。第１遮光膜１１ａは、液晶パネルに入射した光が、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に侵入することを防止するものである。なお、第１遮光膜１１ａは、第１層間絶縁膜１２に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との間に新たな蓄積容量が形成されている。

一方、データ線６ａ、走査線３ａおよびＴＦＴ素子３０の形成領域に対応する対向基板２０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は、液晶パネルに入射した光が、半導体層１ａのチャネル領域１ａ’や低濃度ソース領域１ｂ、低濃度ドレイン領域１ｃに侵入するのを防止するものである。また、対向基板２０および第２遮光膜２３の表面には、ほぼ全面にわたってＩＴＯ等の導電体からなる共通電極２１が形成されている。さらに、共通電極２１の表面には、ポリイミド等からなる配向膜２２が形成されている。配向膜２２の表面にはラビング等が施され、非選択電圧印加時における液晶分子の配向方向を規制しうるようになっている。

そして、ＴＦＴアレイ基板１０と対向基板２０との間には、ネマチック液晶からなる液晶層５０が挟持されている。このネマチック液晶分子は、正の誘電率異方性を示すものであり、非選択電圧印加時に水平配向し、選択電圧印加時に垂直配向するようになっている。またネマチック液晶分子は、正の屈折率異方性を示すものであり、その複屈折と液晶層厚との積（リタデーション）Δｎｄは、例えば約０．４０μｍ（６０℃）となっている。なお、ＴＦＴアレイ基板１０の配向膜１６による配向規制方向と、対向基板２０の配向膜２２による配向規制方向とは、図４の矢印６７，６８で示すように、約９０°ねじれた状態で配置されている。これにより、本実施形態の液晶パネル６０は、ツイステッドネマチックモードで動作するようになっている。

（偏光板）
図４は、第１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の外側に配置された光学補償板７０，８０と、光学補償板７０，８０の外側に配置された偏光板６２，６４とによって構成されている。各光学補償板７０，８０および各偏光板６２，６４は、サファイヤガラスや水晶等の熱伝導率が高い光透過性材料で構成された支持基板７８（図５参照）に装着されて、液晶パネル６０から離間配置されている。

図４に示すように、液晶パネル６０の光入射側には偏光板６２が配置され、光出射側には偏光板６４が配置されている。各偏光板６２，６４は、その吸収軸方向の直線偏光を吸収し、透過軸方向の直線偏光を透過する機能を有する。そして各偏光板６２，６４は、それぞれの吸収軸および透過軸が直交するように配置されている。なお、光出射側の偏光板６４は、その吸収軸６５または透過軸が、液晶パネル６０の光出射側の基板における配向膜の配向規制方向６８と略一致するように配置されている。また光入射側の偏光板６２は、その吸収軸６３または透過軸が、液晶パネル６０の光入射側の基板における配向膜の配向規制方向６７と略一致するように配置されている。

そして、液晶装置１００に対して偏光板６２の下方から光が入射すると、偏光板６２の透過軸と一致する直線偏光のみが偏光板６２を透過する。非選択電圧印加時の液晶パネル６０では、液晶分子がらせん状に水平配向している。そのため、液晶パネル６０に入射した直線偏光は、約９０°旋光されて液晶パネル６０から出射する。この直線偏光は、偏光板６４の透過軸と一致するため、偏光板６４を透過する。したがって、非選択電圧印加時の液晶パネル６０では白表示が行われる（ノーマリーホワイトモード）。また、選択電圧印加時の液晶パネル６０では、液晶分子が垂直配向している（図６参照）。そのため、液晶パネル６０に入射した直線偏光は、旋光されることなく液晶パネル６０から出射する。そして、この直線偏光は、偏光板６４の透過軸と直交するため、その偏光板６４を透過しない。したがって、選択電圧印加時の液晶パネル６０では黒表示が行われる。

（光学補償板）
そして本実施形態では、液晶パネル６０における光入射側の基板の外側に第１光学補償板７０が配置され、光出射側の基板の外側に第２光学補償板８０が配置されている。

図５は、光学補償板の側面断面図である。第１光学補償板７０は、トリアセチルセルロース（ＴＡＣ）等からなる支持体７２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７４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うるようになっている。一方、ディスコティック化合物層７４は、負の一軸性を示す屈折率楕円体の光軸の傾斜角度が膜厚方向に連続的に変化した光学的構造を有するものである。このようなハイブリッド配向構造は、支持体７２上に液晶性ディスコティック化合物を塗布し、一定温度で配向・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化合物は、支持体７２側で０〜１５°のチルト角を示し、その反対側で２０〜６０°のチルト角を示す。なお、ディスコティック液晶の配向規制方向７１をＸ軸方向と定義する。このＸ軸方向は、光学補償板を法線方向から見た場合の進相軸方向である。このような第１光学補償板７０として、具体的には富士写真フィルム製のＷＶフィルムを採用することが可能である。なお第２光学補償板についても、上述した第１光学補償板７０と同様に構成されている。

図６は、光学補償の説明図である。液晶パネル６０に封入されたネマチック液晶は、光学的に正の一軸性を示すものである。すなわち、光軸６６方向の屈折率が他の方向の屈折率より大きく、屈折率楕円体ではラグビーボール型となる。そして、液晶パネル６０のネマチック液晶に選択電圧を印加すると、液晶層の厚さ方向中央部から端部にかけて液晶分子が垂直配向する。ここで、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て、視角特性を悪化させることになる。

これに対して、第１光学補償板７０を構成するディスコティック液晶は、光学的に負の一軸性を示すものである。すなわち、光軸７６方向の屈折率が他の方向の屈折率より小さく、屈折率楕円体では円盤型となる。ここで、第１光学補償板７０における円盤型の屈折率楕円体７５の光軸７６を、液晶パネル６０におけるラグビーボール型の屈折率楕円体６５の光軸６６と平行に配置すれば、光学的な正負が逆になって、屈折率楕円体６５の複屈折効果を打ち消すことができる。そこで図４に示すように、第１光学補償板７０における配向膜の配向規制方向７１が、液晶パネル６０における配向膜の配向規制方向６７と略一致するように、第１光学補償板７０を配置する。また図６に示すように、第１光学補償板７０における液晶分子７５の光軸７６と第１光学補償板７０の法線とのなす角度が大きい方の面（すなわち、液晶分子７５が垂直配向している方の面）７０ａが、液晶パネル６０と対向するように、第１光学補償板７０を配置する。これにより、図６に矢印で示すように、液晶パネル６０を構成する正の屈折率楕円体の光軸に対して、第１光学補償板７０を構成する負の屈折率楕円体の光軸が平行に配置される。そのため、あらゆる方向から観察した場合の位相差をほぼ完全に補償することが可能になる。したがって、黒表示における光漏れを防止することが可能となり、液晶パネルのコントラスト比が向上して、視角特性を改善することができる。

ところで、液晶パネル６０のネマチック液晶に選択電圧を印加すると、液晶層の中央付近の液晶分子は垂直配向するが、配向膜付近の液晶分子はアンカリングが強く完全には垂直配向しない。そのため、選択電圧印加時における液晶パネル６０は、法線方向から観察した場合にもわずかな位相差を有することになる。この位相差が、黒表示における光漏れの原因となり、液晶パネル６０の法線方向におけるコントラスト比を低下させることになる。

一方、各光学補償板７０，８０のディスコティック液晶分子は、屈折率楕円体の光軸の傾斜角度が膜厚方向に連続的に変化するハイブリッド配向をとっている。このハイブリッド配向により、各光学補償板７０，８０は、その法線方向から見た場合に遅相軸および進相軸を備えている。すなわち、各光学補償板７０，８０における配向膜の配向規制方向（Ｘ軸方向）７１，８１が進相軸となり、配向規制方向７１，８１に直交する方向が遅相軸となる。これにより、光学補償板は法線方向に位相差を有することになる。そこで、本願の発明者は、各光学補償板７０，８０の法線方向の位相差により、液晶パネル６０の法線方向の位相差を補償することを見出した。

図７は、光学補償板の位相差と投影コントラスト比との関係を表すグラフである。各光学補償板の法線方向の位相差を変化させて、投射型表示装置による投影画像のコントラスト比を計算した。図７では、各光学補償板の厚みを変化させることにより、各光学補償板の法線方向の位相差（リタデーション）を５〜８０ｎｍまで変化させた。なお、液晶パネルに照射される光は、通常の投射型表示装置に使用される光源からの光と同等であり、液晶パネルの法線方向に最大強度を持ち、極角１２°で強度が１／１０に減ずる程度の広がりを持っている。

なお、第１光学補償板および第２光学補償板の進相軸方向を直交させた場合には、それぞれの法線方向の位相差が相互に打ち消されてしまうので、光学補償板全体として法線方向の位相差が０になり、液晶パネルの法線方向の位相差を補償することができなくなる。そこで、様々な位相差に設定された第１光学補償板および第２光学補償板につき、それぞれの進相軸方向を直交以外の角度で交差させることにより、光学補償板全体として法線方向の位相差が発生するようにした。具体的には、図４に示すように、光入射側偏光板６２の吸収軸角度を０°とした場合に、第１光学補償板７０の進相軸方向（配向規制方向）７１を０°、液晶パネル６０における光入射側基板の配向規制方向６７を０°、光出射側基板の配向規制方向６８を９０°、光出射側偏光板６４の吸収軸角度を９０°に設定するとともに、第２光学補償板８０の進相軸方向（配向規制方向）８１を９１°〜１１０°の範囲内で変化させた。なお、第２光学補償板８０の進相軸方向８１を、液晶パネル６０における光出射側基板の配向規制方向６８と異ならせた場合には、液晶パネル６０を斜め方向から観察した場合の位相差の補償が不完全となる可能性がある。そこで、投射型表示装置による投影画像のコントラスト比が最大となる角度に、第２光学補償板８０の進相軸方向８１を配置する。これにより、液晶パネルにおける法線方向の位相差の補償と、法線方向からの極角が小さい範囲での位相差の補償とのバランスをとることが可能になる。

図７に示すように、光学補償板がない場合（すなわち、光学補償板の法線方向の位相差が０の場合）には、投影コントラスト比が４８０となっている。また、各光学補償板の法線方向の位相差が４０ｎｍである従来の光学補償板を使用した場合には、投影コントラスト比が９３０となっている。これに対して、各光学補償板の法線方向の位相差を１０〜３０ｎｍとした場合には、投影コントラスト比が１２００を越えている。特に、各光学補償板の法線方向の位相差を２０ｎｍとした場合には、投影コントラスト比が１５００を上回っている。なお、各光学補償板の法線方向の位相差が１０ｎｍ、２０ｎｍ、３０ｎｍおよび４０ｎｍの場合において、投影コントラスト比を最適化しうる第２光学補償板の進相軸方向の角度は、それぞれ１０３．５°、９７．２°、９５．６°および９５．５°であった。

図８は液晶装置の等コントラスト比曲線であり、図８（ａ）は各光学補償板の法線方向の位相差が２０ｎｍの場合であり、図８（ｂ）は各光学補償板の法線方向の位相差が４０ｎｍの場合である。なお、各図の横軸および縦軸は液晶パネルの法線方向を中心とした極角であり、コントラスト比は常用対数で表されている。各光学補償板の法線方向の位相差が２０ｎｍの場合と４０ｎｍの場合とを比較すれば、４０ｎｍの場合の方が広視角（例えば、コントラスト比が１０²を越える領域が広い）であるが、極角１２°の範囲では２０ｎｍの場合の方が高コントラスト比になっていることがわかる。なお前述したように、投射型表示装置の光変調手段に対する光源光の入射角度は最大でも極角１２°程度であり、その入射光によって投影画像が構成される。したがって、各光学補償板の法線方向の位相差が２０ｎｍの液晶パネルを用いて構成した投射型表示装置の投影コントラスト比（１５６０）は、位相差が４０ｎｍの液晶パネルを用いて構成した投射型表示装置の投影コントラスト比（９３０）より、高くなるのである。

本実施形態では、各光学補償板の法線方向の位相差を、１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下とする構成とした。この構成によれば、液晶パネルの法線方向および極角が小さい範囲での位相差を、各光学補償板によって補償することができる。これにより、黒表示における光漏れを防止することが可能になり、液晶パネルの法線方向および極角が小さい範囲におけるコントラスト比を向上させることができる。なお、投射型表示装置の光変調手段に対する光源光の入射角度は最大でも極角１２°程度であり、その入射光によって投影画像が構成されることになる。したがって、本実施形態の液晶装置を用いて投射型表示装置を構成することにより、投影画像のコントラスト比を向上させることができる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係る液晶装置につき、図９ないし図１１を用いて説明する。図４に示す第１実施形態に係る液晶装置では、液晶パネル６０の両側に第１光学補償板７０および第２光学補償板８０を配置した。これに対して、図９に示す第２実施形態では、液晶パネル６０の光出射側のみに第１光学補償板７０および第２光学補償板８０を配置している点で異なっている。なお、第１実施形態と同様の構成となる部分については、その詳細な説明を省略する。

図９は、第２実施形態の液晶装置の分解斜視図である。本実施形態では、液晶パネル６０における光出射側の基板の外側に第２光学補償板８０が配置され、その第２光学補償板８０の外側に第１光学補償板７０が配置されている。第２光学補償板８０における配向膜の配向規制方向８１は、液晶パネル６０の光出射側の基板における配向膜の配向規制方向６８と略一致するように配置されている。これに対して、第１光学補償板７０における配向規制方向７１は、投射型表示装置による投影画像のコントラスト比が最大となる角度に最適化されている。具体的には、光入射側偏光板６２の吸収軸角度を０°とした場合に、液晶パネル６０における光入射側基板の配向規制方向６７を０°、光出射側基板の配向規制方向６８を９０°、第２光学補償板８０の進相軸方向（配向規制方向）７１を９０°、光出射側偏光板６４の吸収軸角度を９０°に設定するとともに、第１光学補償板７０の進相軸方向（配向規制方向）７１を−２０°〜−１°の範囲内で変化させた。そして、投射型表示装置による投影画像のコントラスト比が最大となる角度に、第１光学補償板７０の進相軸方向７１を配置した。

図１０は、積層配置した光学補償板の側面断面図である。本実施形態では、支持基板７８の表面に第１光学補償板７０が装着され、さらに第１光学補償板７０の表面に第２光学補償板８０が配置されている。このように、第１光学補償板７０および第２光学補償板８０は、１個の支持基板７８に装着された状態で液晶装置に配設されている。

図１１は、光学補償の説明図である。第２光学補償板８０は、液晶分子８５の光軸８６と第２光学補償板８０の法線とのなす角度が大きい方の面８０ａを、液晶パネル６０に対向させて配置されている。また、第１光学補償板７０は、液晶分子７５の光軸７６と第１光学補償板７０の法線とのなす角度が小さい方の面７０ｂを、第２光学補償板８０に対向させて配置されている。

以上により、図４に示す第１実施形態では液晶パネル６０の光入射側に配置されていた第１光学補償板７０が、図１１に示す第２実施形態では第２光学補償板８０の光出射側に平行移動した状態となっている。したがって、図１１に矢印で示すように、液晶パネル６０を構成する屈折率楕円体の光軸に対して、第１光学補償板７０および第２光学補償板８０を構成する屈折率楕円体の光軸が平行に配置される。

そして、各光学補償板７０，８０の厚みを変化させることにより、各光学補償板７０，８０の法線方向の位相差（リタデーション）を５〜８０ｎｍまで変化させた。その結果、各光学補償板７０，８０の法線方向の位相差と投影コントラスト比との関係は、図７に示す第１実施形態と同様の傾向を示した。すなわち、光学補償板がない場合の投影コントラスト比は４８０、各光学補償板の法線方向の位相差が４０ｎｍの場合の投影コントラスト比は１０１０であった。これに対して、各光学補償板の法線方向の位相差を１０〜３０ｎｍとした場合には投影コントラスト比が１２００を越え、特に各光学補償板の法線方向の位相差を２０ｎｍとした場合には投影コントラスト比が１６００に達していた。なお、各光学補償板の法線方向の位相差が１０ｎｍ、２０ｎｍ、３０ｎｍおよび４０ｎｍの場合において、投影コントラスト比を最適化しうる第１光学補償板７０の進相軸方向の角度は、それぞれ−２３°、−１０．４°、−８°および−７°であった。

このように、第２実施形態でも第１実施形態と同様に、液晶パネルの法線方向および極角が小さい範囲での位相差を、各光学補償板によって補償することができる。これにより、黒表示における光漏れを防止することが可能になり、液晶パネルの法線方向および極角が小さい範囲におけるコントラスト比を向上させることができる。そして、本実施形態の液晶装置を用いて投射型表示装置を構成することにより、投影画像のコントラスト比を向上させることができる。

そして第２実施形態では、図１０に示すように、第１光学補償板７０および第２光学補償板８０を１個の支持基板７８に装着した状態で液晶装置に配設するので、支持基板７８の使用個数を削減することができる。支持基板７８は、サファイヤや無アルカリガラス等の熱伝導率の大きい透光性材料で構成されているが、サファイヤは位相差が大きく、また無アルカリガラスも熱により位相差を生じる。しかしながら、第２実施形態では、支持基板７８の使用個数を削減することができるので、支持基板７８の位相差による影響を低減することが可能になる。上述した投影コントラスト比が全体的に第１実施形態より高くなっているのは、支持基板７８の位相差による影響が低減された効果が寄与しているものと考えられる。これにより、黒表示における光漏れが減少して、液晶装置のコントラスト比を向上させることができる。また、支持基板７８による光の減衰を低減することも可能になり、出射光の明るさを確保することができる。さらに、省スペース化が可能になり、液晶装置の製造コストを低減することも可能になる。

また第２実施形態では、図９に示すように、第１光学補償板７０および第２光学補償板８０を液晶パネル６０の光出射側のみに配置するので、第１光学補償板７０および第２光学補償板８０が光源（不図示）から離間配置されるとともに、液晶パネルによって光量が減衰するために熱影響を受け難くなる。したがって、第１実施形態に比べて、第１光学補償板７０および第２光学補償板８０の熱劣化を抑制することができる。

［投射型表示装置］
次に、本発明の電子機器の具体例である投射型表示装置につき、図１２を用いて説明する。図１２は、投射型表示装置の要部を示す概略構成図である。この投射型表示装置は、上述した各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１２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。

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。

なお、光源８１０におけるランプ８１１からの光は、リフレクタ８１２により略平行光に変換されるので、光変調手段８２２，８２３，８２４に対する光源光の入射角度は、最大でも１２°程度である。そして、その入射光により投影画像が構成されることになる。ここで、光変調手段８２２，８２３，８２４として、上述した各実施形態に係る液晶装置を使用すれば、法線方向および極角の小さい範囲においてコントラスト比を向上させることができる。したがって、スクリーン８２７上に投影された画像のコントラスト比を向上させることができる。

また、本発明の電子機器の他の具体例として、携帯電話を挙げることができる。この携帯電話は、上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、たとえば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。

なお、本発明の技術的範囲は、上述した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において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。たとえば、実施形態ではスイッチング素子としてＴＦＴを備えた液晶装置を例にして説明したが、スイッチング素子として薄膜ダイオード（Thin Film Diode）等の二端子型素子を採用してもよい。また、実施形態では透過型液晶装置を例にして説明したが、本発明の液晶装置を反射型や半透過型の液晶装置に適用することも可能である。さらに、電子機器として３板式の投射型表示装置を例にして説明したが、本発明の液晶装置を単板式の投射型表示装置や直視型表示装置に適用することも可能である。

液晶パネルの等価回路図である。 液晶パネルの平面構造の説明図である。 液晶パネルの断面構造の説明図である。 第１実施形態の液晶装置の分解斜視図である。 光学補償板の側面断面図である。 光学補償の説明図である。 光学補償板の位相差と投影コントラスト比との関係を表すグラフである。 液晶装置の等コントラスト比曲線である。 第２実施形態の液晶装置の分解斜視図である。 積層配置した光学補償板の側面断面図である。 光学補償の説明図である。 投射型表示装置の要部を示す構成図である。 光学補償板の位相差の視角依存性を示すグラフである。

符号の説明

６０…液晶パネル、７０…第１光学補償板、７１…配向規制方向（進相軸方向）、８０…第２光学補償板、８１…配向規制方向（進相軸方向）、１００…液晶装置。

Claims (5)

1. 一対の基板により液晶層が挟持されたツイステッドネマチックモードの液晶パネルと、前記液晶パネルに光を照射する光源と、前記光源からの光が入射される側の前記液晶パネルの前記基板の外側に配置された負の屈折率異方性を示す液晶分子をハイブリッド配向させてなる第１の光学補償板と、前記液晶パネルの前記光源からの光が出射される側の前記基板の外側に配置された負の屈折率異方性を示す液晶分子をハイブリッド配向させてなる第２の光学補償板と、を備える液晶装置であって、
   前記第１の光学補償板の進相軸と前記第２の光学補償板の進相軸は、それぞれ法線方向から見た場合の進相軸が、直角でない角度で交差するように配置されており、
   前記第１の光学補償板の前記進相軸の方向は、該第１の光学補償板に対応する前記液晶パネルの前記基板の配向規制方向と略一致するように配置され、
   前記第２の光学補償板の前記進相軸の方向は、該第２の光学補償板に対応する前記液晶パネルの前記基板の配向規制方向と異なるように配置されていることを特徴とする液晶装置。
2. 前記第１の光学補償板の前記進相軸と前記第２の光学補償板の前記進相軸との交差角度は、９１°以上１１０°以下の範囲内に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の液晶装置。
3. 前記第１の光学補償板は、前記液晶分子の光軸と当該第１の光学補償板の法線とのなす角度が小さい方の面が前記光源からの光が入射される側に配置され、前記第２の光学補償板は、前記液晶分子の光軸と当該第２の光学補償板の法線とのなす角度が大きい方の面が前記光源からの光が入射される側に配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の液晶装置。
4. 前記第１の光学補償板および前記第２の光学補償板は、前記第１の光学補償板および前記第２の光学補償板の法線方向から見た位相差が、いずれも１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下に設定されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の液晶装置。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の液晶装置を、光変調手段として備えたことを特徴とする投射型表示装置。

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