JPH075469A

JPH075469A - 液晶パネルとその製造方法およびそれを用いた投写型表示装置

Info

Publication number: JPH075469A
Application number: JP6035654A
Authority: JP
Inventors: Hideki Omae; 秀樹大前
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1993-04-23
Filing date: 1994-03-07
Publication date: 1995-01-10
Anticipated expiration: 2016-05-08
Also published as: JP3163887B2

Abstract

(57)【要約】【目的】光回折状態の変化として光学像を形成する液
晶パネルおよびそれを用いた投写型表示装置に関するも
ので、明るくかつ高コントラストの表示画像を得ること
を目的とする。【構成】液晶層１３を２つの透明板１１、１２で狭持
し、前記液晶層１３の互いに隣合う部分ＡとＢの液晶分
子の配向方向が異なり、これが規則的な周期性を持って
形成されている。【効果】液晶層の配向によって生じる屈折率差が位相
回折格子となるので、入射光線の偏光によらない、光利
用効率が高く、明るい液晶パネルを提供できる。また入
射光線の光の波長ならびに入射角度の影響もなく、コン
トラストが良好な高品位な画像を表示する液晶パネルを
提供することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光の回折状態の変化と
して光学像を形成する液晶パネルとその製造方法及びを
れを用いた投写型表示装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年ホームシアター、プレゼンテーショ
ンと大画面表示がにわかに注目を集めてきている。従来
よりライトバルブを用いた投写装置は多くの方式が提案
されてきたが、最近では小型の液晶パネルの表示画像を
投写レンズなどにより拡大投影し大画面の表示画像を得
る液晶投写装置が商品化されている。

【０００３】液晶パネルは主に電気的にその光学特性を
変化させて表示を行うもので、その動作原理には多くの
種類がある。現在商品化されている液晶投写装置に用い
られているツイストネマチック（以降ＴＮと呼ぶ）液晶
パネルは、液晶の旋光性が電界により変化する現象を利
用したものである。ところがＴＮ液晶パネルは、光の変
調のために入射側と出射側に偏光板が必要であり、その
ために光利用効率が低いという問題があった。

【０００４】偏光板を用いずに光を制御する方法として
散乱現象あるいは回折現象を用いる方法がある。光散乱
状態の変化により光学像を形成する液晶パネルとして、
例えば相変化（ＰＣ）、動的散乱（ＤＳＭ）、高分子分
散液晶等があげられる。中でも近年、特公平３−５２８
４３号公報等に示されるような高分子分散液晶パネルが
盛んに研究されている。ところがこの高分子分散液晶パ
ネルを用いた液晶投写装置は、画像の明るさとコントラ
ストにトレードオフの関係があり（Ｔｏｍｉｔａ．Ｐｒ
ｏｃ．ｏｆＳＩＤ．Ｐ５７９．１９９２）、明るさと
コントラストの両方の性能を満足するものは現在のとこ
ろ得られていない。

【０００５】一方、光の回折状態の変化により光学像を
形成する液晶パネルはその一例として特公昭５３−３９
２８号公報に示される。回折方式液晶パネルの基本構成
と動作のモデルを（図１３（ａ））、（図１３（ｂ））
に示す。液晶パネルのガラス基板１３１と１３２の内側
には透明電極１３５と１３６が形成され、そのうち少な
くとも一方の基板の液晶層１３３に相対する面上に凹凸
断面形状層１３４を形成する。前記凹凸断面形状層１３
４は周期的な凹凸を持っており、回折格子として作用す
る。この凹凸断面形状層１３４の屈折率は液晶１３７の
常光屈折率ｎ_oとほぼ等しい。液晶層１３３に電界を印
加しない場合は、（図１３（ａ））に示すように、液晶
１３７はその分子長軸方向を凹凸断面形状層１３４のス
トライプの方向と平行に向きを揃えて、ホモジニアスな
状態に配向している。このとき偏光１３８がこの液晶パ
ネルに入射すると、凹凸断面形状層１３４の凸部分では
その屈折率はｎ_oとなるが、凹部分では紙面と垂直な方
向に振動する光線１３８は液晶の異常光屈折率ｎ_eを感
じ、位相回折格子となり光線１３８は変調される。液晶
層１３３に十分な電界を印加すると（図１３（ｂ））に
示すように、正の誘電異方性を持った液晶１３７はガラ
ス基板１３１、１３２と垂直な方向に配向する。そのた
め凹部分では液晶１３７の常光屈折率ｎ_oとなり、凸部
分との屈折率差がなくなり、入射した偏光１３８は回折
されることなく直進して出射する。

【０００６】回折方式液晶パネルを用いた投写型表示装
置の構成例を（図１４）に示す。ランプ１４１から出た
光は、凹面鏡１４２により集光され、偏光板１４５を通
って液晶パネル１４３に入射する。ランプ１４１から出
た自然光は、偏光板１４５により約半分の光が吸収さ
れ、偏光となって液晶パネル１４３へ入射する。液晶パ
ネル１４３に入射した光は何等変調されない場合は全て
投写レンズ１４４に入射するよう構成されている。液晶
パネル１４３は回折方式液晶パネルであり、ガラス基板
１３１、１３２により液晶層１３３が狭持されている。
一方のガラス基板１３１、１３２の液晶層１３３側の面
にはマトリクス状の画素電極ならびに回折格子が設けら
れており、映像信号に応じて回折状態の変化として液晶
パネル１４３に光学像を形成することができる。十分な
電圧を印加された画素から出る光は全て投写レンズ１４
４に入射してスクリーン１４８上に到達するので、スク
リーン１４８上の対応する位置には明るい画素が表示さ
れる。電圧の印加されない画素からは回折光が出射し、
投写レンズ１４４から外れてスクリーン１４８には到達
せず、スクリーン１４８上の対応する位置には暗い画素
が表示される。このようにして、液晶パネル１４３上に
回折状態の変化として形成された光学像は、投写レンズ
によりスクリーン１４８上に拡大投写される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】前述の（図１３）に示
した回折方式液晶パネルについてその課題を説明する。
先にも説明した通り液晶パネルが回折状態の時に入射し
た自然光１３８のうち紙面と垂直な方向に振動する光線
１３８ａは液晶の異常光屈折率ｎ_eを感じ、光線は回折
し変調される。ところが紙面と平行な方向に振動する光
線１３８ｂは液晶の常光屈折率ｎ_oを感じるので回折格
子１３４との屈折率差は発生せず光線は変調されない。
これはすなわち入射する自然光のうち５０％しか回折変
調せず、残りの５０％の光はそのまま透過する。この課
題を解決するためにＵＳＰ４２５１１３７では上下２枚
の基板に回折格子を形成し、その格子方向が直行するよ
うに配したり、また特開昭６２−２３７４２３号公報で
は２枚の回折格子液晶パネルをその格子方向が直行する
ように重ね合わせて配置する発明がなされている。

【０００８】しかしながら回折格子はおよそ数μｍの高
さのものが必要で、そのピッチも数μｍからせいぜい２
０μｍ程度までである。このような回折格子を表示領域
全体に均一に形成するのは極めて困難なことである。

【０００９】また液晶と誘電率の異なる物質で回折格子
を形成すると、上下の電極間に十分な電界を印加しても
電気力線の向きが誘電率の低い方へ向くため、液晶がそ
の電気力線の方向へ並び、液晶の屈折率が回折格子と一
致しないという課題がある。

【００１０】また屈折率の波長分散により、ある光の波
長では液晶と回折格子の屈折率が一致していても、別の
波長の光に対しては液晶と回折格子の間に屈折率差が発
生し回折するという課題がある。

【００１１】また同様に温度による屈折率変化により、
ある温度では液晶と回折格子の屈折率が一致していて
も、温度変化により液晶と回折格子の間に屈折率差が発
生して回折するという課題がある。

【００１２】本発明は、回折状態の変化として光学像を
形成する液晶パネル、およびこの液晶パネルを用いた投
写型表示装置の光利用効率ならびにコントラストを改善
することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
本発明の液晶パネルは、光透過性を有する互いに対向す
る第１の基板および第２の基板と、前記第１と第２の基
板に相対する面に形成した電極層と、前記第１と第２の
基板間に狭持された液晶層からなり、前記液晶層の互い
に隣合う部分の配向方向が異なり、これを規則的な周期
性を持って形成したものである。

【００１４】なかでも規則的な周期性を持って形成され
ている液晶層の互いに隣合う部分の配向方向が９０゜異
なることが好ましい。このとき位相回折格子として最も
屈折率差を大きくすることができ、液晶層の厚みを薄く
できる。

【００１５】本発明の投写型表示装置は、上記液晶パネ
ルと、光発生手段と、前記光発生手段が発生した光を前
記液晶パネルに導く第１の光学要素部品と、前記液晶パ
ネルで変調された光を投影する第２の光学要素部品を具
備したものである。

【００１６】

【作用】本発明の液晶パネルは、電界により回折状態を
制御し、光を変調できる回折格子として作用する。本発
明の回折方式液晶パネルのモデルを（図１２（ａ））、
（図１２（ｂ））に示す。（図１２）を例にして、その
動作原理について説明する。

【００１７】２枚の透明基板１２１、１２２の間に液晶
層１２３が挟持されている。２枚の透明基板１２１、１
２２の液晶層１２３と相対する側に透明電極１２４、１
２５が形成されている。この液晶パネルの入射側から自
然光１２６を照射する場合について考える。

【００１８】（図１２（ａ））では液晶パネルには電界
は印加されていない。電界無印加の状態ではパネル内の
液晶層１２３の液晶分子１２７の配向方向はホモジニア
スであり、図中Ａの部分の液晶は紙面と垂直方向に分子
長軸を向けて並んでいる。またこれと隣合ったＢの部分
では液晶は紙面と平行方向に分子長軸を向けて並んでい
る。この液晶分子の配向方向が異なるＡの部分とＢの部
分は基板と垂直な方向から見るとストライプ状であり、
これらが同じ間隔をもって交互に繰り返している。この
ときこの液晶パネルは屈折率の異なる部分が規則的な周
期を持って繰り返している位相回折格子として作用す
る。この互いに隣合う屈折率の異なる部分ＡおよびＢの
屈折率の差をΔｎ、入射光１２６の波長をλ、液晶層１
２３の厚みをｔとすると、０次の透過回折光の回折効率
ηつまり直進光の透過率は

【００１９】

【数１】

【００２０】と近似して表わすことができる。液晶パネ
ルに入射する自然光１２６は紙面と垂直な方向に振動す
る光線１２８と紙面に平行な方向に振動する光線１２９
に分けられる。紙面と垂直な方向に振動する光線１２８
はＡの部分では液晶の異常光屈折率ｎ_eを感じ、Ｂの部
分では液晶の常光屈折率ｎ_oを感じる。一方紙面と平行
な方向に振動する光線１２９はＡの部分では液晶の常光
屈折率ｎ_oを感じ、Ｂの部分では液晶の異常光屈折率ｎ_e
を感じる。光線１２８、１２９のどちらにおいても屈折
率差Δｎ＝ｎ_e−ｎ_oを生じるので、自然光１２６は（数
１）の屈折率差Δｎ＝ｎ_e−ｎ_oで示される効率に応じて
回折して出射する。

【００２１】一方液晶パネルに電界を印加すると、（図
１２（ｂ））に示すように液晶１２７の配向方向が変化
し、ホメオトロピック状態になる。正の誘電異方性を持
つ液晶１２７に電界を印加すると液晶分子はその長軸方
向を電界方向に、つまり基板と垂直な方向に向きを揃え
る。そうなると液晶層１２３のＡの部分もＢの部分も液
晶の状態は同じで、紙面と垂直な方向に振動する光線１
２８に対しても紙面に平行な方向に振動する光線１２９
に対しても、液晶層Ａ、Ｂの屈折率は常光屈折率ｎ_oで
あるから、屈折率差Δｎ＝ｎ_o−ｎ_o＝０となり、（数
１）より０次回折効率ηは１となる。つまり回折は起こ
らず、入射光線はそのまま出射する。

【００２２】またパネルが回折状態の時の回折光の回折
角度は、次のように表わせる

【００２３】

【数２】

【００２４】但し、ｍは回折次数、λは光線波長、ｎは
透明基板１２２の屈折率、Ｐは回折格子ピッチである。

【００２５】以上、Ａの部分の液晶の配向方向に対して
Ｂの部分の液晶の配向方向がなす角度が基板方向から見
て９０゜である場合の作用について述べたが、この角度
がθである場合の作用について考える。Ａの部分では液
晶パネルに入射する自然光１２６のうち、紙面と垂直な
方向に振動する光線１２８は液晶の異常光屈折率ｎ_eを
感じ、紙面と平行な方向に振動する光線１２９は液晶の
常光屈折率ｎ_oを感じることは先に述べたのと同様であ
る。ところがＢの部分では紙面と垂直な方向に振動する
光線１２８が感じる液晶の屈折率ｎ_sは

【００２６】

【数３】

【００２７】で表され、紙面と平行な方向に振動する光
線１２９が感じる液晶の屈折率ｎ_pは

【００２８】

【数４】

【００２９】で表される。このｎ_sとｎ_eとの屈折率差、
ならびにｎ_pとｎ_oとの屈折率差を（数１）に代入した効
率でそれぞれ回折する。電界を印加した際は全く同様な
ので省略する。

【００３０】

【実施例】本発明の実施例について、図面を参照しなが
ら説明する。

【００３１】本発明の液晶パネルの第１の実施例の構成
を（図１（ａ））、（図１（ｂ））に示す。（図１
（ａ））は本発明の液晶パネルの断面図であり、（図１
（ｂ））は本発明の液晶パネルの基板方向から液晶の配
向方向を模式的に示す平面図である。本発明の液晶パネ
ルは２枚の透明な基板１１、１２の間に液晶層１３を狭
持している。基板１１、１２の液晶層側には透明な電極
としてそれぞれ対向電極１６、画素電極１７が形成され
ている。画素電極１７はマトリクス状に形成され、各画
素電極１７の近傍にはスイッチング素子としてＴＦＴ１
８が設けられている。各ＴＦＴ１８はソース信号線（図
示せず）ならびにゲート信号線（図示せず）に接続さ
れ、それぞれ信号供給回路ならびに走査回路に接続され
ており、各画素に信号電圧が供給される。ブラックマト
リクス１９は各信号線ならびにＴＦＴ１８を遮蔽してい
る。

【００３２】液晶層１３は液晶分子の配向方向が異なる
ＡおよびＢの部分からなり、これが規則的に周期性を持
って繰り返している。すなわちＡの部分では液晶分子１
４はホモジニアスな状態で紙面と垂直な方向にその分子
長軸を向けた状態に配向している。一方Ｂの部分ではホ
モジニアスな状態ではあるが、その分子長軸が紙面と垂
直な方向とはある角度θだけ傾いて配向している。くわ
しくは（図１（ｂ））において透明な基板１１を通して
液晶層１３の液晶分子１４、１５の配向方向を見ると、
Ａの部分の液晶分子１４に対してＢの部分の液晶分子１
５は図で示されるように角度θ傾いた方向に配向してお
り、それぞれストライプ状のある幅を持った部分Ａおよ
びＢが同じ間隔で周期的に繰り返して形成されている。
このような構成にすることで本発明の液晶パネルは屈折
率の異なる部分が周期的に繰り返す、いわゆる位相型回
折格子として働く。

【００３３】以下、本発明の液晶パネルの動作を簡単に
説明する。入射光線２０は自然光であり、紙面と垂直な
方向に振動する光線（偏光成分２０ａ）と紙面に平行な
方向に振動する光線（偏光成分２０ｂ）に分けられる。
紙面と垂直な方向に振動する光線２０ａは液晶層１３の
Ａ部分では屈折率ｎ_eを感じ、Ｂ部分では（数３）で示
される屈折率ｎ_sを感じる。紙面と平行な方向に振動す
る光線２０ｂは液晶層１３のＡ部分では屈折率ｎ_oを感
じ、Ｂ部分では（数４）で示される屈折率ｎ_pを感じ
る。この結果それぞれ屈折率差に応じて（数１）で求め
られる回折効率で入射光線を変調できる。回折した光は
（数２）で求められる角度で１次回折光から高次の回折
光までに分かれて出射する。一方電極１６、１７間に電
界が印加されると、Ａ部分の液晶１４もＢ部分の液晶１
５も基板と垂直な方向へ向きを揃えるため液晶層１３は
均一なモノドメインとなり、入射光線はまっすぐ進み変
調されない。すなわち液晶１３は、十分な電界が印加さ
れるとＡ部分の液晶１４とＢ部分の液晶１５の屈折率差
がなくなって入射光を直進させ、電界が印加されない場
合にはＡ部分の液晶１４とＢ部分の液晶１５の屈折率差
によって入射光を回折させるので、各画素の液晶層は印
加電圧により光回折状態を制御することができる。こう
して、本発明の液晶パネルは映像信号に応じて回折状態
の変化として光学像を形成することができる。しかも偏
光成分によらず全ての自然光において変調することが可
能である。

【００３４】次に本発明の液晶パネルの第２の実施例の
構成を（図２（ａ））、（図２（ｂ））に示す。（図２
（ａ））は本発明の液晶パネルの断面図であり、（図２
（ｂ））は本発明の液晶パネルの基板方向から液晶の配
向方向を模式的に示す平面図である。なお、先に説明し
た実施例との重複を避けるため、主として異なる事項も
しくは箇所についてのみ説明する。このことは以下の他
の実施例についても同様である。本発明の液晶パネルで
は液晶層１３のＢ部分の液晶１５の配向方向が紙面と平
行である。これは実施例１の角度θが９０゜の場合であ
る。このとき紙面と垂直な方向に振動する光線２０ａは
Ａの部分では液晶の異常光屈折率ｎ_eを感じ、Ｂの部分
では液晶の常光屈折率ｎ_oを感じる。一方紙面と平行な
方向に振動する光線２０ｂはＡの部分では液晶の常光屈
折率ｎ_oを感じ、Ｂの部分では液晶の異常光屈折率ｎ_eを
感じる。光線２０ａ、２０ｂのどちらにおいても屈折率
差Δｎ＝ｎ_e−ｎ_oを生じるので、自然光２０は（数１）
の屈折率差Δｎ＝ｎ_e−ｎ_oで示される効率に応じて回折
して出射する。このことは光線の偏光方向によらず同じ
効率で回折される。またこの場合が最も屈折率差を大き
くとれるので、同じ回折効率を得ようとすれば最も液晶
層の厚みを薄くできる。このことは液晶の駆動電圧を小
さくできることになる。ネマチック液晶を例にとるとそ
の常光屈折率ｎ_oは大体１．４乃至１．５であり、異常
光屈折率ｎ_eは１．５乃至１．８の範囲にあり、ｎ_eとｎ
_oの差が最も大きいシアノビフェニル系のネマチック液
晶でその差は約０．２である。

【００３５】実際にこの液晶を用いて液晶パネルを構成
し、液晶層の厚みを約１．５μｍにすれば電界無印加時
に入射光を回折させ直進出射光を０にする、つまり０次
回折効率を０にできた。このとき液晶層の配向方向が９
０゜異なるストライプ状の領域のピッチは約１００μｍ
であり、１次回折光の回折角度はパネル法線方向に対し
て約０．２゜であった。さらにこの液晶パネルに電界を
印可すれば回折を消滅させ、透過率約８０％が得られ
た。

【００３６】次に本発明の液晶パネルの第３の実施例の
構成を（図３）に示す。（図３）は本発明の液晶パネル
の断面図であり、２枚の透明な基板１１、１２の間に液
晶層１３を狭持している。基板１１、１２の液晶層側に
は透明な電極としてそれぞれ対向電極１６、画素電極１
７が形成されている。この電極１６、１７上には液晶の
配向方向を制御するための配向膜３１、３２がそれぞれ
形成されている。ただし、Ｃ部分の配向膜の配向制御方
向とＤ部分の配向膜の配向制御方向とは角度θだけ異な
っており、これが規則正しく周期性を持って繰り返され
ている。

【００３７】このような配向膜の形成方法の１例を（図
４）を用いて以下に説明する。まず（図４（ａ））に示
すような透明なガラス基板４１の表面に透明な電極層４
２を形成する。場合によっては信号線やスイッチング素
子を形成してもよい。さらに（図４（ｂ））に示す基板
の電極層表面に配向膜４３を形成する。配向材として一
般的に用いられているポリイミド樹脂を用いる。基板４
１の有効表示領域内の電極４２上に溶剤で溶かしたポリ
イミド溶液、もしくはポリイミドの前駆体であるポリア
ミック酸溶液を印刷法などで塗布し、その後焼成して
（図４（ｃ））に示すようにポリイミド樹脂薄膜４３を
形成する。この上にレジスト膜４４を形成し、写真法に
より幅１μｍ〜１０μｍのストライプ状の開口をピッチ
２μｍ〜２０μｍで周期的に形成する。（図４（ｄ））
に示すようにこの基板の表面を布などを巻き付けたロー
ラー４５で一方向にこすりつけラビング処理を行う。そ
の後レジスト膜４４を剥離して、再度新たなレジスト膜
４６を形成し、先ほどとは反対にラビング処理を行った
部分を遮蔽し、先ほど遮蔽した部分を開口する。（図４
（ｅ））に示すようにこの基板をローラー４５で先ほど
とは異なる方向へ再度ラビング処理を行う。その後レジ
スト膜４６を剥離して（図４（ｆ））に示すような本発
明で用いる基板を得る。本発明では１例としてレジスト
膜でマスクをしたが、別の材料でマスクをしても構わな
い。

【００３８】（図４（ｆ））で示すような基板を上下２
枚用いて、その配向膜の配向方向が一致するよう２枚の
基板の位置を合わせてその間に液晶層を狭持すれば（図
４（ｇ））に示すような本発明の液晶パネルが得られ
る。パネルの動作は実施例１と同様であるので省略す
る。

【００３９】次に本発明の液晶パネルの第４の実施例の
構成を（図５）に示す。（図５）は本発明の液晶パネル
の断面図であり、２枚の透明な基板１１、１２の間に液
晶層１３を狭持している。基板１１、１２の液晶層側に
は透明な電極としてそれぞれ対向電極１６、画素電極１
７が形成されている。この電極１６、１７上には液晶の
配向方向を制御するための配向膜５１、５２がそれぞれ
形成されている。ただし、Ｃ部分の配向膜の配向制御方
向とＤ部分の配向膜の配向制御方向とは９０゜異なって
おり、これが規則正しく周期性を持って繰り返されてい
る。これは（図４（ｃ））に示すラビング処理のローラ
ー４５の方向を（図４（ｂ））に示す方向と９０゜異な
る方向に擦ればよい。パネルの動作は実施例２と同様で
あるので省略する。

【００４０】本発明の投写型表示装置の第１の実施例の
構成を（図６）に示す。６１は本発明の液晶パネル、６
２は光源、６５は投写レンズ、６６はスクリーンであ
る。

【００４１】液晶パネル６１は、２枚のガラス基板１
１、１２とシール部材により密閉容器を構成し、内部に
液晶１３を封入したもので、本発明の実施例２の（図
２）で示したものである。液晶１３は、十分な電界が印
加されると電界方向に立ち上がり、ホメオトロピック状
態になり屈折率差がなくなって入射光を直進させ、電界
が印加されない場合には液晶１３の配向方向が異なる部
分の屈折率差によって入射光を回折させるので、各画素
の液晶層は印加電圧により光回折状態を制御することが
できる。こうして、液晶パネル６１に映像信号に応じて
回折状態の変化として光学像を形成することができる。

【００４２】光源６２はランプ６３と凹面鏡６４で構成
され、ランプ６３から出た光は凹面鏡６４により集光さ
れて、指向性の比較的狭い光が出射する。光源６２から
の出射光は、フィールドレンズ６７、液晶パネル６１の
順に透過し、投写レンズ６５に入射する。投写レンズ６
５の瞳の大きさは、液晶パネル６１の画面中心にある画
素が透過状態の場合に、その画素から拡がって出射する
光のうち光量で約９０％が入射する大きさにしている。
フィールドレンズ６７は、液晶パネル６１の表示領域の
周辺部を通過する光を内側に屈折させて投写レンズ６５
の瞳に入射させ、投写画像の周辺部が暗くならないよう
にするために用いる。投写画像のフォーカス調整は、投
写レンズ６５を光軸６８に沿って移動することにより行
う。

【００４３】液晶パネル６１には映像信号に応じて回折
状態の変化として光学像が形成される。投写レンズ６５
は、各画素から出射する光のうちある立体角に含まれる
光を取り込む。各画素からの出射光の回折状態が変化す
れば、その立体角に含まれる光量が変化するので、液晶
パネル６１上に回折状態の変化として形成された光学像
はスクリーン６６上で照度の変化に変換される。こうし
て、液晶パネル６１に形成された光学像は、投写レンズ
６５によりスクリーン６６上に拡大投写される。

【００４４】本発明の投写型表示装置の液晶パネル６１
を（図２）に示した構成にすると、光源６２より発せら
れて液晶パネル６１に入射する光線の偏光状態によら
ず、自然光であっても液晶パネル６１によって変調でき
るので光の利用効率が高まる。また入射光の波長、光線
の入射角度に依らず、電圧無印加時には０次回折光すな
わち黒表示の光量を０にすることができ、表示画像のコ
ントラスト向上に寄与する。

【００４５】また液晶パネル６１について、図２のＡ部
分とＢ部分のストライプの幅は０．５μｍ〜２０μｍが
好ましい。すなわち数式（２）の回折格子のピッチが１
μｍ〜４０μｍが好ましい。回折格子ピッチが大きいと
回折する角度が小さくなり、反対にピッチが小さいと回
折する角度は大きくなる。これは特に投写型表示装置に
おいて本発明の液晶パネルをライトバルブとして用いる
場合に、回折角度があまり小さいと光線を分離できず、
また回折角度があまり大きいと投写レンズで光線を拾う
ことができないためである。

【００４６】本発明の投写型表示装置の第２の実施例を
（図７）に示す。６１は液晶パネル、６２は光源であ
る。液晶パネル６１は（図２）に示した構成と同様であ
る。

【００４７】さらにシュリーレンレンズ７１とシュリー
レンストップである入力マスク７２と出力マスク７３を
配置し、液晶パネル６１が回折状態の時に白表示を、非
回折状態の時に黒表示を行うものである。第１の実施例
に説明した投写型表示装置の光学系では液晶パネル６１
が回折状態の時に黒表示を、非回折状態の時に白表示を
行うものであり、本発明では全く反対である。本発明の
投写型表示装置であれば、液晶パネル６１に電界印加時
に黒表示となるため、安定して高品位の黒表示を行うこ
とができる。多数の開口部を有する入力マスク７２と出
力マスク７３の間にシュリーレンレンズ７１を設置し
て、入力マスク７２の像を出力マスク７３上に結像させ
るようにした構造のシュリーレン光学系を構成し、本発
明の液晶パネル６１をシュリーレン光学系の中に配置す
る。液晶パネル６１を直進する光線は出力マスク７３の
遮光部で遮られ、回折した光線のみ出力マスク７３の開
口部より投写レンズ６５を用いてスクリーン６６に到達
する。図示していないが光源６２と入力マスク７２の間
にフライアイレンズならびに入力マスク７３近傍にフィ
ールドレンズアレイを配置してもよい。フライアイレン
ズにより光源像が入力マスク７２の開口部に形成され、
微小光源アレイを形成する役割をする。これらを配置す
ることにより光源の光利用効率を高める。

【００４８】本発明の第３の実施例の構成を（図８）に
示す。６１ａ、６１ｂ、６１ｃは液晶パネル、６２は光
源、６５は投写レンズ、８１、８２、８３、８４はダイ
クロイックミラー、８５、８６は平面ミラーである。

【００４９】液晶パネル６１ａ、６１ｂ、６１ｃは本発
明の回折方式液晶パネルであり、いずれも（図２）に示
したものと同一である。

【００５０】光源６２はランプ６３、凹面鏡６４、フィ
ルタ８７で構成される。ランプ６３は、メタルハライド
ランプであり、赤、緑、青の３原色の色成分を含む光を
出射する。凹面鏡６４はガラス製で、反射面に可視光を
反射し赤外光を透過させる多層膜を蒸着したものであ
る。フィルタ８７は、ガラス基板の上に可視光を透過し
赤外光と紫外光を反射する多層膜を蒸着したものであ
る。ランプ６３からの放射光に含まれる可視光は、凹面
鏡６４の反射面により反射し、その反射光は平行に近い
光になる。凹面鏡６４から出射する反射光は、フィルタ
８７により赤外光と紫外光とが除去されて出射する。

【００５１】光源６２からの光はダイクロイックミラー
８１、８２と平面ミラー８５を組み合わせた色分解光学
系に入射し、３つの原色光に分解される。各原色光は、
それぞれフィールドレンズとして機能する正レンズ８８
ａ、８８ｂ、８８ｃを透過して液晶パネル６１ａ、６１
ｂ、６１ｃに入射する。液晶パネル６１ａ、６１ｂ、６
１ｃから出射する光は、ダイクロイックミラー８３、８
４と平面ミラー８６とを組み合わせた色合成光学系によ
り１つの光に合成された後、投写レンズ６５に入射す
る。液晶パネル６１ａ、６１ｂ、６１ｃは、それぞれ映
像信号に応じて回折状態の変化として光学像が形成さ
れ、その光学像は投写レンズ７４によりスクリーン上に
拡大投写される。

【００５２】また、３つの液晶パネル６１ａ、６１ｂ、
６１ｃをそれぞれ赤用、緑用、青用として用いるので、
明るさと解像度の良好な投写画像が得られる。３つの液
晶パネル６１ａ、６１ｂ、６１ｃのうち少なくとも１枚
のパネルの液晶層の厚みあるいは屈折率の異なる部分の
ピッチのいずれかを他のパネルと異なる構成にするのが
好ましい。数式（１）および数式（２）より明らかなよ
うに、回折効率ならびに回折角度は光線の波長に依存す
る。したがって回折効率を最大にする液晶層厚み、ある
いは回折効率を０にする液晶層厚みは赤用、緑用、青用
のパネルでそれぞれ少しづつ異なってくる。例えば屈折
率差が０．２のときに０次回折効率を０にするためには
それぞれの液晶層厚みが１．５μｍ、１．３μｍ、１．
１μｍとなる。同様に回折角度についても赤用、緑用、
青用のパネルでそれぞれ少しづつ異なってくる。例えば
１次回折光角度が２゜のときには液晶の配向方向の異な
る領域のピッチはそれぞれの液晶パネルで１２μｍ、１
０μｍ、８μｍとなる。

【００５３】本発明で色分解および色合成光学系に用い
たダイクロイックミラーは単に吸収型色フィルターであ
ってもよいし、また色合成光学系を用いずに３本の投写
レンズを用いてスクリーン上に重ね合わせて投写しても
よい。

【００５４】以下、３本の投写レンズを用いた本発明の
第４の投写型表示装置の例を説明する。（図９）は本発
明の投写型表示装置の構成図である。ただし、説明に不
要な構成要素は省略している。（図９）において、９１
は集光光学系であり、内部に凹面鏡および光発生手段と
して２５０Ｗのメタルハライドランプを有している。ま
た凹面鏡は有視光のみを反射させるように構成されてい
る。さらに集光光学系９１の出射端には紫外線カットフ
ィルタが配置されている。９２は赤外線を透過させ有視
光のみを反射させる赤外線カットミラーである。ただ
し、赤外線カットミラー９２は集光光学系９１の内部に
配置してもよいことは言うまでもない。また、９３ａは
青反射ダイクロイックミラー（ＢＤＭ）、９３ｂは緑反
射ダイクロイックミラー（ＧＤＭ）、９３ｃは赤反射ダ
イクロイックミラー（ＲＤＭ）である。なお、ＢＤＭ９
３ａからＲＤＭ９３ｃの配置は前記の順序に限定するも
のではなく、また、最後のＲＤＭ９３ｃは全反射ミラー
におきかえてもよいことは言うまでもない。

【００５５】９７ａ、９７ｂおよび９７ｃは液晶パネル
である。なお、液晶パネルのうちＲ光を変調する液晶パ
ネル９７ｃの液晶層の厚みｄを他の液晶パネルの液晶層
の厚みｄよりも０．２μｍ〜１．０μｍ厚く形成してい
る。これは、回折度合が変調する光の波長に依存するた
めである。また、必要に応じて青光変調用の液晶パネル
９７ａの液晶層の厚みも緑用に比較して０．２μｍ〜
１．０μｍ低く形成する。９５ａ、９５ｂ及び９５ｃは
入力マスク、９８ａ、９８ｂおよび９８ｃは出力マス
ク、９６ａ、９６ｂおよび９６ｃはシュリーレンレンズ
である。なお、９４ａ、９４ｂおよび９４ｃはフライア
イレンズ、９９ａ、９９ｂおよび９９ｃは投写レンズで
ある。

【００５６】フライアイレンズ９４ａ、９４ｂ、９４ｃ
及び入力マスク９５ａ、９５ｂ、９５ｃは１つにまとめ
て集光光学系９１とダイクロイックミラー９３ａの間に
設置しても良い。またシュリーレンレンズ９６ａ、９６
ｂ、９６ｃは液晶パネル９７ａ、９７ｂ、９７ｃと出力
マスク９８ａ、９８ｂ、９８ｃの間に設置しても良い。

【００５７】また、本発明の投写型表示装置において、
光は液晶パネルの対向基板側から入射させるとしたが、
これに限定するものではなく、アレイ基板から入射させ
ても同様の効果が得られることは明らかである。以上の
ように、本発明の投写型表示装置は光の入射方向に左右
されるものではない。

【００５８】また、本実施例３ならびに４の投写型表示
装置においては、Ｒ，ＧおよびＢ光の変調系においてＲ
・Ｇ・Ｂ光それぞれを変調する液晶パネルを設けるとし
たが、これに限定するものではない。例えば、一枚の液
晶パネルにモザイク状のカラーフィルタを取付け、前記
パネルの画素を投影する実施例１ならびに２に示す単パ
ネル投写装置でもよい。

【００５９】（図６）〜（図９）に示した構成におい
て、液晶パネルの構成を（図１）、（図３）、（図５）
に示した液晶パネルに置き換えることもできる。液晶パ
ネルはは、投写型表示装置の用途、制約条件などを考慮
して最適な構成を選択するとよい。

【００６０】本発明の投写型表示装置の第５の実施例の
構成を（図１０）に示す。６２は光源、１０１は液晶パ
ネル、１０４は投写レンズである。光源６２は（図６）
に示したものと同一である。

【００６１】液晶パネル１０１は反射型の液晶パネルで
ある。液晶パネル１０１は、第１のガラス基板１１２と
第２のガラス基板１１１とシール部材により密閉空間を
形成し、内部に液晶１１３を封入したものである。（図
１１）に示すように、第１のガラス基板１１２の上に
は、マトリックス状にＴＦＴ１１４が形成され、その上
には絶縁層１１５を挟んでアルミニウムによる画素電極
１１６が形成されている。各画素電極１１６は各ＴＦＴ
１１４のドレイン電極１１７に接続されている。第２の
ガラス基板１１１の上には透明導電膜による共通電極１
１８が形成されている。液晶層１１３は（図２）に示し
たと同様に隣合う部分の液晶の配向方向が９０゜異な
り、これが規則正しく周期的に繰り返している。

【００６２】投写レンズ１０４は液晶パネル１０１側の
第１レンズ群１０５とスクリーン側の第２レンズ群１０
６とで構成され、第１レンズ群１０５と第２レンズ群１
０６との間には平面ミラー１０７が配置されている。液
晶パネル１０１の画面中心にある画素から出射する散乱
光は、第１レンズ群１０５を透過した後、約半分が平面
ミラー１０７に入射し、残りが平面ミラー１０７に入射
せずに第２レンズ群１０６に入射する。平面ミラー１０
７の反射面の法線は投写レンズ１０４の光軸１０３に対
して４５°傾いている。光源６２からの光は平面ミラー
１０７で反射されて第１レンズ群１０５を透過し、液晶
パネル１０１に入射する。液晶パネル１０１からの反射
光は、第１レンズ群１０５、第２レンズ群１０６の順に
透過してスクリーンに到達する。また、投写レンズ１０
４の絞りの中心から出て液晶パネル１０１に向かう光線
は、液晶層１１３にほぼ垂直に入射するように、つまり
テレセントリックとしている。

【００６３】回折方式液晶パネルを用いた投写型表示装
置において投写画像のコントラストを良好にするには０
次回折効率を小さく、できるだけ０に近くする必要があ
る。（数１）より回折格子の深さｄが一定ならば液晶層
の屈折率差Δｎをできるだけ大きくすることが望まし
い。しかしながら現在知られている液晶はその異常光屈
折率ｎ_eが１．７乃至１．８が最大であり、Δｎ＝ｎ_e−
ｎ_o＝０．２程度である。するとこの屈折率差で０次光
を０にする液晶層の厚みは２μｍ必要である。液晶パネ
ルが反射型の場合、光は液晶層を２回通過するので、透
過型液晶パネルの場合に比較して、液晶層厚みを約半分
にすることができる。そのため、投写画像のコントラス
トは、反射型の方が透過型の場合より有利である。つま
り、液晶層の厚みを薄くして、低電圧駆動のコントラス
トの良好な投写画像を得ることができる。

【００６４】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、回折状態
の変化として光学像を形成する液晶パネルにおいて、液
晶層の配向によって屈折率差を有する位相回折格子を形
成するために、入射光線の偏光によらず光変調でき、光
利用効率の高い、明るい液晶パネルを提供できる。また
入射光線の光の波長ならびに入射角度の影響もなく、コ
ントラストが良好な高品位な画像を表示する液晶パネル
を提供することができる。回折格子を別に形成する必要
がないので、簡単にしかも安価に液晶パネルを製造でき
る。この液晶パネルを用いることにより明るく高コント
ラストの画像を表示できる投写型表示装置を提供するこ
とができ、非常に大きな効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の液晶パネルの第１の実施例を示す概略
図

【図２】本発明の液晶パネルの第２の実施例を示す概略
図

【図３】本発明の液晶パネルの第３の実施例を示す概略
図

【図４】本発明の液晶パネル作成を説明する工程図

【図５】本発明の液晶パネルの第４の実施例を示す概略
図

【図６】本発明の投写型表示装置の第１の実施例におけ
る概略構成図

【図７】本発明の投写型表示装置の第２の実施例におけ
る概略構成図

【図８】本発明の投写型表示装置の第３の実施例におけ
る概略構成図

【図９】本発明の投写型表示装置の第４の実施例におけ
る概略構成図

【図１０】本発明の投写型表示装置の第５の実施例にお
ける概略構成図

【図１１】（図１０）に示した液晶パネルの要部拡大断
面図

【図１２】本発明の回折方式液晶パネルの作用を説明す
るための概略図

【図１３】従来の回折方式液晶パネルの作用を説明する
ための概略図

【図１４】従来の投写型表示装置の構成を示す概略構成
図

【符号の説明】

１１、１２透明基板１３液晶層１４、１５液晶分子１６対向電極１７画素電極１８ＴＦＴ３１、３２、４３、５１、５２配向膜６１液晶パネル６２光源６５、９９、１０４投写レンズ６６スクリーン６７フィールドレンズ７１、９６シュリーレンレンズ７２、９５入力マスク７３、９８出力マスク８１、８２、８３、８４、９３ダイクロイックミラー８５、８６平面ミラー１０１反射型液晶パネル１０５、１０６レンズ１０７平面ミラー

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも一方は光透過性を有する互いに
対向する第１の基板および第２の基板と、前記第１と第
２の基板に相対する面に形成した電極層と、前記第１と
第２の基板間に狭持された液晶層からなり、前記液晶層
は複数の領域に分割され、前記領域内ではその液晶分子
の配向方向は一様であるが、互いに隣合う領域ではその
液晶分子の配向方向が異なり、これが規則的な周期性を
持って形成されていることを特徴とする液晶パネル。
【請求項２】液晶層の互いに隣合う領域の配向方向が９
０゜異なり、これが規則的な周期性を持って形成されて
いることを特徴とする請求項１記載の液晶パネル。
【請求項３】少なくとも一方は光透過性を有する互いに
対向する第１の基板および第２の基板と、前記第１と第
２の基板に相対する面に形成した電極層と、前記電極層
上に形成した配向膜と、前記第１と第２の基板間に狭持
された液晶層からなり、前記配向膜は複数の領域に分割
され、前記領域内ではその液晶分子の配向方向は一様で
あるが、互いに隣合う領域ではその液晶分子の配向方向
が異なり、これが規則的な周期性を持って形成されてい
ることを特徴とする液晶パネル。
【請求項４】配向膜の互いに隣合う領域のラビング方向
が９０゜異なり、これが規則的な周期性を持って形成さ
れていることを特徴とする請求項３記載の液晶パネル。
【請求項５】光透過性を有する基板上に電極層を形成す
る工程と、前記電極層上に配向膜を形成する工程と、前
記配向膜は複数のストライプ状の領域に分割され、その
奇数番目のラインをラビングする工程と、さらに前記ラ
ビング方向とは異なる方向に偶数番目のラインをラビン
グする工程と、これら２枚の基板を相対する配向膜のラ
ビング方向が同じになるように貼り合わせる工程と、液
晶を注入する工程とからなることを特徴とする液晶パネ
ルの製造方法。
【請求項６】配向膜は複数のストライプ状の領域に分割
され、その奇数番目のラインをラビングする工程と、さ
らに前記ラビング方向とは９０゜異なる方向に偶数番目
のラインをラビングする工程を特徴とする請求項５記載
の液晶パネルの製造方法。
【請求項７】少なくとも１枚の液晶パネルと、光発生手
段と、前記光発生手段が発生した光を前記液晶パネルに
導く第１の光学要素部品と、前記液晶パネルで変調され
た光を投影する第２の光学要素部品を具備し、前記液晶
パネルの液晶層は複数の領域に分割され、前記領域内で
はその液晶分子の配向方向は一様であるが、互いに隣合
う領域ではその液晶分子の配向方向が異なり、これが規
則的な周期性を持って形成されている液晶パネルを用い
ることを特徴とする投写型表示装置。
【請求項８】液晶層の互いに隣合う領域の配向方向が９
０゜異なることを特徴とする請求項７記載の投写型表示
装置。
【請求項９】液晶層の配向方向が異なる領域が規則的な
周期性を持って形成されている液晶パネルにおいて、前
記液晶層の周期のピッチが１μｍ〜４０μｍである液晶
パネルを用いることを特徴とする請求項７記載の投写型
表示装置。
【請求項１０】液晶パネルと光発生手段との間に第１の
マスクを具備し、液晶パネルと第２の光学要素部品との
間に第２のマスクを具備し、前記第１のマスクと第２の
マスクとの間にシュリーレンレンズを配置し、前記シュ
リーレンレンズによる第１のマスクの像が第２のマスク
上に形成されることを特徴とする請求項７記載の投写型
表示装置。
【請求項１１】光発生手段と第１のマスクとの間にフラ
イアイレンズを配置し、前記フライアイレンズによる光
源の像が第１のマスクの開口部に形成されることを特徴
とする請求項１０記載の投写型表示装置。
【請求項１２】光発生手段が発生する光は色フィルタで
青色光、緑色光および赤色光の３つの所定範囲の波長の
光に分離され、かつ液晶パネルは前記３つの所定範囲の
波長の光の少なくとも１つに対して配置されており、そ
れぞれに対して配置された液晶パネルのうち少なくとも
１枚の液晶パネルの液晶層の厚みが他の液晶パネルとは
異なることを特徴とする請求項７記載の投写型表示装
置。
【請求項１３】光発生手段が発生する光は色フィルタで
青色光、緑色光および赤色光の３つの所定範囲の波長の
光に分離され、かつ液晶パネルは前記３つの所定範囲の
波長の光の少なくとも１つに対して配置されており、そ
れぞれに対して配置された液晶パネルのうち少なくとも
１枚の液晶パネルの規則的な周期性をもった配向方向の
異なる部分のピッチが他の液晶パネルとは異なることを
特徴とする請求項７記載の投写型表示装置。
【請求項１４】少なくとも１枚の液晶パネルと、光発生
手段と、前記光発生手段が発生した光を前記液晶パネル
に導く第１の光学要素部品と、前記液晶パネルで変調さ
れた光を投影する第２の光学要素部品を具備し、前記液
晶パネルの配向膜は複数の領域に分割され、前記領域内
ではその液晶分子の配向方向は一様であるが、互いに隣
合う領域ではその液晶分子の配向方向が異なり、これが
規則的な周期性を持って形成されている液晶パネルを用
いることを特徴とする投写型表示装置。
【請求項１５】液晶層の互いに隣合う領域の配向方向が
９０゜異なり、これが規則的な周期性を持って形成され
ている液晶パネルを用いることを特徴とする請求項１４
記載の投写型表示装置。
【請求項１６】配向膜のラビング方向が異なる領域が規
則的な周期性を持って形成されている液晶パネルにおい
て、前記配向膜の周期のピッチが１μｍ〜４０μｍであ
る液晶パネルを用いることを特徴とする請求項１４記載
の投写型表示装置。
【請求項１７】液晶パネルと光発生手段との間に第１の
マスクを具備し、液晶パネルと第２の光学要素部品との
間に第２のマスクを具備し、前記第１のマスクと第２の
マスクとの間にシュリーレンレンズを配置し、前記シュ
リーレンレンズによる第１のマスクの像が第２のマスク
上に形成されることを特徴とする請求項１４記載の投写
型表示装置。
【請求項１８】光発生手段と第１のマスクとの間にフラ
イアイレンズを配置し、前記フライアイレンズによる光
源の像が第１のマスクの開口部に形成されることを特徴
とする請求項１７記載の投写型表示装置。
【請求項１９】光発生手段が発生する光は色フィルタで
青色光、緑色光および赤色光の３つの所定範囲の波長の
光に分離され、かつ液晶パネルは前記３つの所定範囲の
波長の光の少なくとも１つに対して配置されており、そ
れぞれに対して配置された液晶パネルのうち少なくとも
１枚の液晶パネルの液晶層の厚みが他の液晶パネルとは
異なることを特徴とする請求項１４記載の投写型表示装
置。
【請求項２０】光発生手段が発生する光は色フィルタで
青色光、緑色光および赤色光の３つの所定範囲の波長の
光に分離され、かつ液晶パネルは前記３つの所定範囲の
波長の光の少なくとも１つに対して配置されており、そ
れぞれに対して配置された液晶パネルのうち少なくとも
１枚の液晶パネルの規則的な周期性をもった配向方向の
異なる部分のピッチが他の液晶パネルとは異なることを
特徴とする請求項１４記載の投写型表示装置。