JPH03276122A - 投射型液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、投射型液晶表示装置に関する。

（従来の技術） 直視型の液晶デイスプレィはその画面サイズが単純マト
リクス方式で約２０インチ以下、アクテイブマトリクス
方式で１４インチ以下と大画面表示を行う事ができない
。そこで、対角２０インチから１００インチ以上の画像
を得る方法としては、透過型液晶パネルの画像を光学系
で拡大投影する投射型の液晶表示装置が実用化されてい
る。しかしながら、この方式では光を液晶パネルに透過
させるためにシステムが大きくなるという欠点を有して
いる。

そこで、液晶光変調素子を反射型とすることによりシス
テムを小型化することが試みられている。

ところで、液晶素子は、少なくとも片面側に透明電極が
形成された透明基板の上に液晶を配向させる機能を有し
た薄膜（例えば無機物、無機化合物の斜方蒸着膜、ＰＶ
Ａ（ポリビニルアルコール）やポリイミドなどの高分子
の薄膜を基板上に形成しラビング処理したものなど）を
形成しこの面が内を向くようにしてこの透明基板を２枚
対向させ、周囲を封着してセルとし、この２枚の透明基
板の間に液晶を注入して電気光学素子とした基本構造を
持っている。以下に述べる従来技術に関しては［液晶デ
バイスハンドブック」日本学術振興会第１４２委員会編
、１９８９年、日刊工業新聞社、３０３頁に詳しい解説
がある。

ネマティック液晶を用いる事によって液晶表示素子を作
成する場合には、初期配向方法の違いによって液晶分子
の長軸方向が基板に対して垂直に配向しているホメオト
ロピック配向と水平に配向しているホモジニアス配向の
２種類に大きく分ける事ができる。また光スイッチング
を行うために液晶の旋光性を用いるか、複屈折性を用い
るかによって液晶素子内における液晶素子の配置状態が
異なる。これらの内ホモジニアス配向を有し液晶の複屈
折によって光学スイッチを行う液晶素子は、初期配向に
一般に多く用いられているラビング法や斜方蒸着などを
用いる事ができるため、安定した初期配向を得る事がで
きるという特徴がある。この素子の動作原理は以下のよ
うになる。入射光は偏光板を通過する事により直線偏光
となり液晶セルに入射する。この直線偏光の偏光方向を
液晶の配向ベクトルと４５度をなすように配置しておく
と、光は液晶中を２つの固有モードに分かれて伝搬する
。液晶を伝搬した後は、２つのモード間に次式で現され
る位相差δが生じる。

（Δｎ　＝ｎ７１−　ｎ□は液晶の屈折率異方性）この
ため偏光された光は、偏光軸が回転する。この回転の角
度に応じて光が偏光板から出てくる。

この素子における透過光量の強さ工は、液晶素子の厚さ
ｄと内部に注入した液晶の屈折率異方性△ｎ（−ｎｕ　
ｎｌ）の積であるΔｎｄに依存し次式によって現す事が
可能である。

Ｉ　＝　Ａ２５ｉｎ２（ｎΔｎｄ／λ）＝Ａ２Ｓｉｎ２
（δ／２）　　　　　　（２）ここで、 Ａ２　、入射光の強さ λ　：先の波長 である。

ここで、液晶素子に対して電圧を印加すると、液晶分子
がその誘電異方性によって透明基板に対して水平から垂
直の方向に動き、その結果見かけ上のΔｎが減少するた
めに（２）式における透過光量Ｉが変化する。ところで
（２）式には、波長に依存する項があるために透過光は
着色し、印加電圧の大きさに従って色が変化する。

（発明が解決しようとする課題） ところで、この方式では、電圧無印加の状態で、位相差
δを有しているため、背景に何らかの着色、光透過があ
り、視覚的にコントラストの低下をまぬがれなかった。

また、この方式で黒表示を得るには、Δｎが０となるま
で印加電圧を高くすれば良いが、液晶材の特性にもよる
が、通常８ｖ以上の電圧を印加しなければ黒表示を得る
事ができず、このような高電圧で駆動するのは実用的で
はない。

一方、近年の液晶表示素子では、液晶自身は光スィッチ
としてのみ用い、白黒の切り替えを行い、カラーフィル
タによって色表示を行いフルカラー表示を行う方法が主
流となっている。ところが、１層のみのホモジニアス配
向複屈折制御型の液晶素子では、前述のように電圧の大
きさにより色が変わってしまったり、背景に着色、光透
過があったりしてコントラストがとれない等、白黒表示
には適さないという課題がある。また、投射型の液晶デ
イスプレィとしても１層のみのホモジニアス配向複屈折
制御型の液晶素子では着色現象のために色純度が低くフ
ルカラー表示が不可能なため光変調素子と用いることは
できないという課題があった。

この発明の目的は、投射型液晶デイスプレィの光変調素
子としてのホモジニアス配向複屈折スイッチング型の液
晶素子において、着色現象を打ち消すと同時にコントラ
ストを高くし、反射型とする事でシステムを小型化する
事にある。

（課題を解決するための手段） 光源と、この光源から出射された光を平行光化するレン
ズと、偏光子と、ハーフミラ−と、反射型液晶光変調素
子とをこの順に設け、この液晶光変調素子で反射した光
のうち前記ハーフミラ−で反射された光を受ける偏光子
と、この偏光子からの出力光をスクリーンに投影するレ
ンズとからなる投射型液晶表示装置において、前記反射
型液晶光変調素子は、基板と、電極と、ネマティック液
晶と、前記電極と対向する電極と、光を反射する反射板
と、前記基板と対向する基板とを光の入射側からこの順
にもうけた液晶光変調素子であって、光の入射側または
反射板の前の少なくとも一方に複屈折性の平板を設け、
前記ネマティック液晶は基板間で捻じれたネマティック
構造をとらないで基板と平行に配向させた液晶光変調素
子であることを特徴とする投射型液晶表示装置。

また、前記反射型光変調素子は、基板と、電極と、ネマ
ティック液晶と、前記電極と対向する電極と、光を反射
する反射板と、前記基板と対向する基板とを光の入射側
から反射板に向けてこの順にもうけた液晶光変調素子で
あって、光の入射側または反射板の前に少なくとも一方
に２板の基板に挾まれたネマティック液晶を設け、前記
２ケ所に設けたネマティック液晶は基板間で捻じれたえ
マチイック構造をとらないで基板と平行に配向させ、か
つ、互いに液晶分子の長軸方向を直行させて配置した液
晶光変調素子であることを特徴とする投射型液晶表示装
置。

（作用） 本発明は、１層のみのホモジニアス配向複屈折制御型の
液晶光変調素子に対して複屈折性を有する平板を重ねる
事によって光学補償を行い、着色を解消すると共に急峻
性を兼ね備え、さらに反射板を加える事により反射型と
して液晶光変調素子である。以下に、この素子の原理を
示す。

第１図は、本発明による液晶光変調素子の基本構成を示
す図である。光源（１）から出た光の偏波面は円偏光を
持っている。この光がレンズ（２）によって平行光化さ
れた入射側の偏光子（３）に入射する。偏光子（３）を
通過する事によってその光の偏光面は直線偏光となる。

この光はハーフミラ−（４）を透過し厚さｄの複屈折性
を有する平板（５）に垂直に入射する。このときの光の
偏光方向が、複屈折性を有する平板の主軸方向と角度を
持って入射すると、光は液晶中において２つの固有モー
ドに分かれて液晶中を伝（般する。光の偏光方向を複屈
折性を有する平板の主軸方向と４５度に配置すると液晶
中を通過した後にはこの２つの固有モード間に前記（１
）式で示した位相差δが生じる。ここで、複屈折性を有
する平板の主軸方向と液晶の配向方向を直角になるよう
に配置すると、複屈折性を有する平板中において主軸に
沿って平行に透過していた光の成分は液晶中において主
軸と垂直に、逆に複屈折性を有する平板中において主軸
と垂直な方向に沿って透過していた光の成分は液晶中に
おいて主軸と平行に透過する事となるので液晶における
屈折率異方性は等測的に（−Δｎ２）とする事ができる
。そのために、液晶を透過した光の持つトータルの位相
差δ′は、複屈折性を有する平板の位相差をΔｎ１ｄ１
とすると、 （ｄ２：複屈折性を有する平板の厚さ）と現すことがで
きる。（３）式において波長依存性をなくすための条件
は、液晶層と複屈折を有する平板の位相差が一致してい
る事であり、この条件が満たされたときに透過する光は
、元の直線偏光に戻される。この直線偏光となった光は
反射板（７）によって反射されるために、入射時とは反
対の行程を通りやはり直線偏光となってハーフミラ−（
４）に入射する。反射光はハーフミラ−（４）で反射さ
れ偏光子（８）に入射する。従って、出射側の偏光板が
入射側の偏光子（３）と偏光方向が直角の向きに配置さ
れた場合、出射側の偏光子（８）によって光は透過する
事ができず、その結果黒表示を得る事ができる。また、
液晶セル（６）に一定の電圧を印加した場合、液晶分子
が印加された電界によって初期配向状態より変形し、そ
の結果液晶層のΔｎ１の値が急速に減少する。よって、
（３）式における透過光の波長依存性をなくす条件が満
たされなくなるために素子を透過した光は位相差δ“を
生じ反射板に入射する。ここで、位相差δ′は従来例と
は異なり、０から増大する方向にある。すなわち、従来
例では、初期状態で透過光が着色しており、印加電圧を
高くするに従い色が変化するという現象が生じた。しか
し、本発明では、（３）式におけるΔｎ１ｄｌ−Δｎ２
ｄ２が約０．２５ｐｍ以下の時、光源が白色ならば透過
光も白色となり、良好な白黒表示を得る事ができる。こ
の場合におけるΔｎの変化量はわずかであるために、本
発明の液晶素子においては、低電圧で駆動でき、コント
ラストの良い白黒表示を得る事ができる。なお、入射側
と出射側の偏光板の偏光方向を平行とした場合には、逆
に電圧無印加で白表示が得られ、あるしきい電圧以上で
黒表示が得られる。また、本方式では光の偏光方向を変
化させる方法として複屈折を用いているため反射するこ
とによって偏光方向がもとにもどるということがない。

したがって本発明のように反射型の光変調素子として用
いることが可能となる。

（実施例１） 第２図（ａ）は、本発明による反射型液晶光変調素子の
１実施例を示す部分断面図である。同図に示した液晶デ
イスプレィは、封止材（１８）を含むセルを形成する２
枚のガラス基板（１１）、（１２）からなる。ここで、
ガラス基板（１１）の第１主面（ｌｌａ）の側において
は、例えばＩＴＯ（インジュウム・ナイン・オキサイド
）からなる透明電極（１３）、が形成される。一方、ガ
ラス基板（１２）の第１主面（１２ａ）には液晶層を透
過してきた光を反射するための金属もしくは誘電体反射
膜から作られる反射板（２１）が形成され、この反射板
（２１）の上に透明電極（１６）が形成される。ガラス
基板（１１）及び（１２）は個々の第１主面（Ｉｌａ）
、（１２ａ）が対向するように配置され、一定のギャッ
プ間隔（２０ｐｍ以下好ましくは４ｐｍ前後）に保つた
めにこの第１主面の間にギャップ材（１７）がランダム
に分布される。また、ガラス基板（１１）、（１２）の
第１主面（ｌｌａ）、（１２ａ）には、透明電極をおお
うように、それぞれ例えばポリイミドからなる配向膜（
１４）、（１５）が形成されており、その周囲は封止材
（１８）によって封止されている。そしてガラス基板（
１１）、（１２）の間には、正の誘電異方性（Δε＞０
）を持つネマティック液晶（１９）が挟持されている。

ネマティック液晶（１９）の分子軸はネマティック液晶
（１９）と配向膜（１４）、（１５）の境界面において
は、概略配向膜と平行に向いている。このときのプレテ
ィルト角は数度以内好ましくは１度以下であり、液晶層
（１９）内における液晶は概略平行に配列している。

このとき、入射する直線偏光の偏光方向と液晶の配向方
向は一致させてはならない。なぜならば、一致させた場
合においては複屈折効果が得られないために光スィッチ
として用いる事ができないからである。複屈折効果を最
大にするには入射する直線偏光の偏光方向と液晶の配向
方向のなす角度を４５度とすれば良い。そして、ガラス
基板（１１）の第２主面側（ｌｌｂ）においては液晶層
で発生する波長分散による楕円偏光を直線偏光とするこ
とを目的とした複屈折性を有した平板（２０）、例えば
−軸延伸させた高分子フィルム（ポリビニルアルコール
、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンスルフィ
ド、ポリエチレンナフタレート等）を積層させた物を配
置する。なお、この複屈折性を有する平板は液晶層のΔ
ｎｄと合わせるために必要なたけ積層することも可能で
必ずしも１枚とは限らない。また場合によってはガラス
基板（１１）の第２主面に配置することも可能であるし
、ガラス基板（１１）の第２主面側とガラス基板（１２
）の第２主面側の両方に配置することも可能である。

第２図（ｂ）には、反射板（２１）をガラス基板（１２
）の第２主面側（１２ｂ）に配置したときの構造図であ
る。この図においては、反射板（２１）がカラス基板（
１２）と一体となっているが当然一体化する必要はなく
離れて配置する事も可能である。

第２図（ｅ）と（ｄ）は解像度と応答速度の向上を目的
として液晶光変調素子の各ドツト単位にトランジスタ、
ダイオード等の非線形素子を組み合せ駆動を行った（ア
クティブマトリクス駆動）例であり、このときにおける
素子の主要部の断面図である。第２図において示した構
成の反射型液晶光変調素子において液晶層を構成してい
るガラス基板（１１）もしくは（１２）のいずれか一方
の第一主面（ｌｌａ）、（１２ａ）に非線形素子（２２
）を積層することによってアクティブマトリクス駆動を
行うことが可能となる。この構成をとったときには反射
板（２１）を第２図（ａ）や第２図（ｂ）のように配置
する事も可能であるが、アクティブマトリクス駆動にお
いては非線形素子を形成するために金属などの不透明な
物質を用いなくてはならないため、反射板（２１）をこ
のアクティブ素子の上に配置する事が望ましい、そこで
第２図（Ｃ）のように透明電極（１６）と非線形素子（
２２）を覆うように反射板（２１）を形成すると良い。

またこのような構造をとる場合、透明電極（１６）と非
線形素子（２２）の上にのみ反射板（２１）をつける事
によって画素部分の光のみを反射させる事が可能となる
（第２図（ｄ））。また、この場合においては透明電極
（１６）を金属などで構成する事によって反射板（２１
）と兼用させる事も可能である。

上記反射型液晶光変調素子において、液晶に対して交流
電圧を印加する事によって、実際に駆動したところ白黒
表示におけるコントラスト比は約３０対１であり、また
しきい電圧は１．５Ｖであった。

（実施例２） 第３図は、第１図の基本構成をもつ投射型液晶デイスプ
レィの反射型液晶光変調素子として第２図における複屈
折を有する平板状の物質として第２図の液晶セルと同じ
構成の液晶セルを用いた物である。第３図のように液晶
セルを光学補償板として用いる場合の素子の構成は、第
２図の構成のうち複屈折性を有した平板（２０）を液晶
セルと置き換えた構成を有している。このときの置き換
える液晶セルの構成は、封止材（１８）を含むセルを形
成する２枚のガラス基板（２３）、（２６）からなる。

ここで、ガラス基板（２３）及び（２６）の第１主面（
２３ａ）、（２６ａ）の側においてはガラス基板（１１
）、（１２）の第１主面とは違い透明電極はなく、直接
ガラス表面をおおうように、それぞれ配向膜（２４）、
（２５）が形成されている。ガラス基板（２３）及び（
２６）はこの第１主面（２３ａ）、（２６ａ）が対向し
、配向膜のラビング方向が概略平行となるように配置さ
れ、一定のギャップ間隔に保つためにこの第１主面（２
３ａ）、（２６ａ）の間にギャップ材（１７）がランダ
ムに分布する。また、この周囲は封止材（１８）によっ
て封止されている。そしてガラス基板（２３）及び（２
６）の間には、ネマティック液晶（１９）が挟持されて
おり、ここでの液晶の配列状態は概略平行である。

なお、反射板の構成は第２図（ｂ）〜（ｄ）に示した構
成と同様にすることができる。

第４図は、第３図の構成をとったときに、駆動用の液晶
セル（ガラス基板（１１）及び（１２）の組み合せから
なるセル）の液晶の主軸の方向と補償用の液晶セル（ガ
ラス基板（２３）及び（２６）の組み合せからなるセル
）の液晶の主軸方向のなす角度、及び第１図における偏
光子（３）、（８）の偏光方向のなす角度との関係を示
した図である。すなわち駆動用の液晶セルの液晶の主軸
の方向をθ°とすると、偏光板（３）の偏光方向は４５
°、補償用の液晶セルの液晶の主軸のなす角度は９０°
、または偏光板（８）の偏光方向は１３５°とした。

上記反射型液晶素子において、実際に駆動した時の印加
電圧と透過光量の関係を測定した結果を第５図に示す。

この図においては、透過光の波長分散性を見るために赤
、緑、青の３色における透過光の強さを示した。参考の
ために第６図に光学補償板がない場合における同様の特
性を示す。この図からもわかる通り、光学補償セルを付
加していない第６図の特性ではＯＶの状態においてかな
りの着色がみられ、また黒を得るためにはかなりの電圧
（＞８Ｖ）を印加しなくてはならない。一方、光学補償
板を付加した素子においては、電圧を印加しない状態で
黒を得ることができ、かつしきい電圧が急峻（Ｖｏｎ／
Ｖｏｆｆ＝　１．２）で、しきい電圧付近では波長分散
がみられないために白を得ることができる。このときの
白黒表示におけるコントラスト比は約３０対１であり、
またしきい電圧は１．５ｖであった。

なお以上の実施例においては配向処理方法をポリイミド
を配向膜として用いた例で説明しているが、斜方蒸着等
の配向処理方法で実現できることは言うまでもない。

（発明の効果） 本発明の反射型液晶光変調素子によれば、高コントラス
トな白黒表示を可能とする反射型の液晶光変調素子を構
成する事ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を用いて構成した投射型液晶デイスプレ
ィの基本構成図、第２図（ａ）〜（ｄ）は本発明に用い
る反射型液晶光変調素子の断面図、第３図は、第２図（
ａ）における複屈折性を有する平板という部分を液晶板
に置き換えた構造を有する液晶デイスプレィの断面図、
第４図は、第３図に示した構造を持つ液晶デイスプレィ
において２枚の液晶セルの分子ダイレクタ−の向く方向
と上下にある偏光板の偏光方向の関係を示した図、第５
図は、第３図に示した構造を持つ液晶デイスプレィにお
いて電圧を印加した際における、光の透過強度を示す図
、第６図は、従来の駆動用の液晶セル単体での電圧と光
の透過強度との関係を示す図である。 図において、 １・・・光源、２・・・レンズ、３・・・偏光子、４・
・・ハーフミラ−１５・、・複屈折性を有する平板、６
・・・液晶セル、７・・・反射板、８・・・偏光子、９
・・・レンズ、１０・・・スクリーン、１１・・・ガラ
ス基板、１２・・・ガラス基板、１３・・・透明電極、
１４、・・配向膜、１５・・・配向膜、１６・・・透明
電極、１７・・・ギャップ材、１８・・・封止材、１９
・・・液晶、２０．、、複屈折性を有する平板、２１・
・・反射板、２２・・・非線形素子、２３・・・ガラス
基板、２４・・・配向膜、２５・・・配向膜、２６・・
・ガラス基板である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）光源と、この光源から出射された光を平行光化す
   るレンズと、偏光子と、ハーフミラーと、反射型液晶光
   変調素子とをこの順に設け、この液晶光変調素子で反射
   した光のうち前記ハーフミラーで反射された光を受ける
   偏光子と、この偏光子からの出力光をスクリーンに投影
   するレンズとからなる投射型液晶表示装置において、前
   記反射型液晶光変調素子は、基板と、電極と、ネマティ
   ック液晶と、前記電極と対向する電極と、光を反射する
   反射板と、前記基板と対向する基板とを光の入射側から
   この順にもうけた液晶光変調素子であって、光の入射側
   または反射板の前の少なくとも一方に複屈折性の平板を
   設け、前記ネマティック液晶は基板間で捻じれたネマテ
   ィック構造をとらないで基板と平行に配向させた液晶光
   変調素子であることを特徴とする投射型液晶表示装置。
2. （２）請求項１記載の反射型光変調素子は、基板と、電
   極と、ネマティック液晶と、前記電極と対向する電極と
   、光を反射する反射板と、前記基板と対向する基板とを
   光の入射側からこの順にもうけた液晶光変調素子であっ
   て、光の入射側または反射板の前の少なくとも一方に２
   板の基板に挟まれたネマティック液晶を設け、前記２ケ
   所に設けたネマティック液晶は基板間で捻じれたネマテ
   ィック構造をとらないで基板と平行に配向させ、かつ、
   互いに液晶分子の長軸方向を直行させて配置した液晶光
   変調素子であることを特徴とする投射型液晶表示装置。