(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光透過性の透明電極層を備えた透明基板と、複数の反射型の画素電極がマトリクス状に配列された集積回路基板と、前記透明電極層側と前記複数の反射型の画素電極側とが対向するように前記透明基板と前記集積回路基板とを所定の間隙を有して貼り合わされた前記所定の間隙に封止された液晶層と、からなり、前記透明基板側から読み出し光を入射させて、前記液晶層を透過させ、前記集積回路基板で映像信号に応じた光変調を行った後、前記複数の反射型の画素電極で反射させ、ここで反射された反射光を前記透明基板側から出射させる反射型液晶表示素子において、
前記複数の画素電極は、第１の高さを有する第１画素電極と、前記第１の高さよりも低い第２の高さを有する第２画素電極と、が周期的に配列された構成を有し、前記読み出し光の特定輝線波長をλ、前記液晶層の屈折率をｎとするとき、前記第１の高さを有する前記第1画素電極と前記第１の高さよりも低い第２の高さを有する前記第２画素電極との段差は、（１／ｎ）×λ／４であることを特徴とする反射型液晶表示素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、反射型液晶表示素子に係り、特に反射型液晶表示素子の透明電極層の透明電極層と液晶層との界面において生じる反射光に起因した干渉縞の発生を抑制する改善に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、コンピュータ映像を拡大表示するプレゼンテーション用途や、迫力ある大画面のビデオ映像を表示するホームシアター用途の液晶プロジェクタの使用機会が増えてきた。特に、液晶プロジェクタに適用される表示素子であって、液晶層、画素電極層及びそれを駆動する駆動回路を階層的に形成した反射型の液晶表示素子は、画素密度を上げても高い開口率が維持できることから、高輝度、高解像度の素子として注目される。
【０００３】
図８は、従来の反射型液晶表示素子の概略構成を模式的に示した断面図である。
図８において、反射型液晶表示素子１２は、互いに所定の間隔を有して貼り合わされた透明電極基板２と集積回路基板（以下、ＩＣ基板という）３との間に注入された液晶層４とからなる。
透明電極基板２は、透明ガラス基板５の下面に順次積層された透明電極層６と、第１配向膜７とからなる。
一方、ＩＣ基板３は、シリコン基板８上に順次積層されたアクティブマトリクス駆動回路９と、画素電極層１０と、第２配向膜１１とからなる。
この透明電極基板２とＩＣ基板３とは、第１配向膜７と第２配向膜１１とが対向配置されるように貼り合わされている。
【０００４】
その作用について以下に説明する。
透明電極基板２側から直線偏光の読出し光を入射させ、液晶層４を通過させ、ＩＣ基板３の画素電極層１０に到達させる。
この画素電極層１０上で反射した反射光を前記と同経路を逆進して透明電極基板２から出射させ、図示しない投射レンズを介して図示しないスクリーン上に液晶層４で映像信号に応じた光変調を受けた画像を表示する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、一般的に、透明電極基板２における透明電極層６は、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）等の透明導電膜が用いられ、この透明導電膜は、屈折率が高く、液晶層４との界面に大きな屈折率差が生じているので、画素電極層１０で反射した読出し光の一部は、界面反射するため、液晶層４の厚みムラ（以下、セルギャップムラという）がある場合には、界面反射した光と読出し光とによる干渉縞が発生し易く表示品質を低下させていた。
ところで、この反射型液晶表示素子１２を用いた液晶プロジェクタには、光源として、発光始動ガスとして水銀が封入された発光効率の高いメタルハライドランプや超高圧水銀ランプが用いられるが、これらは、可視光域に発光スペクトラムである４４０ｎｍ、５４０ｎｍ、５８０ｎｍの強い輝線を有する。
【０００６】
光源の特定輝線による干渉縞の発生を抑制するためには、セルギャップムラをλ／４（λは干渉縞の原因となる光源が有する輝線の波長に相当）以下の精度で制御し、均一性を確保する必要がある。
【０００７】
しかし、セルギャップムラをλ／４以下の精度で制御することは原理的に可能であるが量産は困難であった。
また、この界面反射を抑制して干渉縞の発生を抑制する方法として、ＵＳＰ５，５７０，２１３公報には、透明電極層を含む多層反射防止膜を形成する方法が開示されている。
この透明電極を含む多層反射防止膜によって界面反射を抑制するためには、反射率が０．１％以下となるように膜厚を高精度で制御し、多層形成しなければならず、コストアップを生じていた。
上記した多層反射防止膜は、非導電性の光学薄膜を多層化したものであるので、この光学薄膜で透明電極を覆った場合には、印加電界に直流成分が存在すると、電荷が光学薄膜に蓄積され、液晶層に、いわゆる焼き付き現象を生じることがあった。
【０００８】
更に、特開平１１−３３７９３５号公報には、画素電極表面に凹凸を設けて散乱反射電極を形成し、干渉縞の発生を抑制することが開示されている。
しかし、画素電極の表面反射光が散乱光となるため、コントラスト及び輝度の低下を招き表示品質が劣化するといった問題があった。
【０００９】
そこで、本発明は上記問題に鑑みて成されたものであり、強い輝線を有する発光効率の高い光源を用いても干渉縞の発生が抑制され、表示品質に優れた生産性の高い反射型液晶表示素子を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明における反射型液晶表示素子は、光透過性の透明電極層を備えた透明基板と、複数の反射型の画素電極がマトリクス状に配列された集積回路基板と、前記透明電極層側と前記複数の反射型の画素電極側とが対向するように前記透明基板と前記集積回路基板とを所定の間隙を有して貼り合わされた前記所定の間隙に封止された液晶層と、からなり、前記透明基板側から読み出し光を入射させて、前記液晶層を透過させ、前記集積回路基板で映像信号に応じた光変調を行った後前記複数の反射型の画素電極で反射させ、ここで反射された反射光を前記透明基板側から出射させる反射型液晶表示素子において、前記複数の画素電極は、第１の高さを有する第１画素電極と、前記第１の高さよりも低い第２の高さを有する第２画素電極と、が周期的に配列された構成を有し、前記読み出し光の特定輝線波長をλ、前記液晶層の屈折率をｎとするとき、前記第１の高さを有する前記第1画素電極と前記第１の高さよりも低い第２の高さを有する前記第２画素電極との段差は、（１／ｎ）×λ／４であることを特徴とする。
セルギャップが不均一なために発生する干渉縞が基板表面に設けた第１の高さを有する第１画素電極と前記第１の高さよりも低い第２の高さを有する第２画素電極との段差によって局部的にその発生条件が崩されて消失し、その結果、干渉縞が基板表面で細かく分断された態様となり、投射映像中に視認し難くなる効果を有する。それゆえ、干渉縞が抑制された表示品質に優れた反射型液晶表示素子の提供が可能となる。
【００１２】
また、干渉縞の生成を局部的に完全に消失させることができ、投影映像中に視認される干渉縞をより効果的に抑制することができる。なお、前記段差は、上記に記載された値に限定されるものではなく、段差が（１／ｎ）×（λ／８〜３λ／８）の範囲であれば、いずれの値でも干渉縞の生成を抑制することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態について以下図１乃至図７を参照しながら説明する。
図１は、液晶表示素子における透明電極層と液晶層との界面反射光により生成される干渉縞の発生原理を説明する図である。
図２は、本発明の第１実施形態の液晶表示素子を示す断面図である。
図３は、本発明の第１実施形態における透明電極基板上方から見た時の画素電極の配置構成を示す概略平面図である。
図４は、干渉縞の評価に用いる液晶プロジェクタの概略構成を示した図である。
図５は、第２実施形態に係わる画素電極配置を示した概略平面図である。
図６は、第３実施形態に係わる画素電極配置を示した概略平面図である。
図７は、第４実施形態に係わる画素電極配置を示した概略平面図である。
従来例と同一構成には同一符号を付し、その説明を省略する。
【００１５】
本発明の各実施形態を説明する前に、液晶表示素子における透明電極層と液晶層との界面反射により生成される干渉縞の発生原理について図１を用いて説明する。
図１は、従来例で説明した反射型液晶表示素子１２におけるＩＣ基板３に対して透明電極基板２が右斜め上方に傾いて、液晶層４にセルギャップムラを生じた場合を示している。
ここでは、反射型液晶表示素子１の構成としては、説明に必要な透明電極基板２は、透明ガラス基板５と透明電極層６とのみを図示し、ＩＣ基板３は、アクティブマトリクス駆動回路９と、画素電極層１０とのみを図示し、その他を省略した。
また、透明電極層６は、ＵＳＰ，５，５７０，２１３公報に開示のような特別な透明電極層ではない。
【００１６】
ここで、入射光Ｉ1が反射型液晶表示素子１の透明電極基板２のＰ領域に入射し、入射光Ｉ2がＰ領域と異なるＱ領域に入射する場合に発生する干渉縞の発生原理について考える。
透明電極基板２のＰ領域に入射光Ｉ1が入射すると、この入射光Ｉ1は、液晶層４を通過する際に、画素電極層１０で反射されて出射光Ｏ1となって、透明電極基板２を出射する。
出射光Ｏ1の一部は、透明電極基板２の透明電極層６と液晶層４との間で界面反射して界面反射光Ｒ1（図中の点線）を生成する。
この後、上記した界面反射光Ｒ1は再度液晶層４中を通過して画素電極層１０で反射した後、透明電極基板２のＰ領域から出射する。
【００１７】
同様に、透明電極基板２のＱ領域に入射光Ｉ2が入射すると、この入射光Ｉ2は、液晶層４を通過する際に、画素電極層１０で反射されて出射光Ｏ2となって、透明電極基板２を出射する。
出射光Ｏ2の一部は、透明電極基板２の透明電極層６と液晶層４との間で界面反射して界面反射光Ｒ2（図中の点線）を生成する。
この後、上記した界面反射光Ｒ2は再度液晶層４中を通過して画素電極層１０で反射した後、透明電極基板２のＱ領域から出射する。
【００１８】
この際、透明電極基板２がＩＣ基板３に対して傾いているので、液晶層４中を通過する各光線の光路長に差が生じる。
液晶層４の屈折率をｎ、Ｐ領域の物理的セルギャップをｄ1、Ｑ領域の物理的セルギャップをｄ2とすると、出射光Ｏ1に係わる液晶層４中の光路長は、２ｎ×ｄ1、反射光Ｒ1に係わる液晶層４中の光路長は４ｎ×ｄ1、出射光Ｏ2に係わる液晶層４中の光路長は２ｎ×ｄ2、反射光Ｒ2に係わる液晶層４中の光路長は、４ｎ×ｄ2となる。
【００１９】
例えば、出射光Ｏ1に係わる液晶層４中の光路長２ｎ×ｄ1及び出射光Ｏ2に係わる液晶層４中の光路長２ｎ×ｄ2が、２ｎ×ｄ1＝ｍ1×λ、２ｎ×ｄ2＝ｍ2×λ＋λ／２（ｍ1、ｍ2は、正の整数、λは光源の特定輝線波長）の関係にあるとすると、各Ｐ及びＱ領域における出射光と界面反射光の位相は以下のように表わされる。
（Ｐ領域）
出射光Ｏ1        ２ｎ×ｄ1＝ｍ1×λ
界面反射光Ｒ1    ４ｎ×ｄ1＝２ｍ1×λ
（Ｑ領域）
出射光Ｏ2        ２ｎ×ｄ2＝ｍ2×λ＋λ／２
界面反射光Ｒ2    ４ｎ×ｄ2＝（２ｍ2＋１）×λ
【００２０】
Ｐ領域では、出射光Ｏ1と反射光Ｒ1とは同位相となり、これらの光は、干渉して明部となる。
一方、Ｑ領域では、出射光Ｏ2と反射光Ｒ2とは逆位相となり、これらの光は、干渉して暗部となる。
このようにして、読出し光の出射光と界面反射光とが干渉して明暗の干渉縞を形成する。
【００２１】
次に、本発明の第１実施形態について図２及び図３を用いて説明する。
本発明の第１実施形態は、従来の液晶表示素子１１における画素電極層１０を画素電極１０ａと画素電極１０ｂとから構成して、千鳥状に配置し、かつ画素電極１０ｂに対して段差ｈだけ画素電極１０ａを高くしたものである。
また、図２中、Ｑ領域が画素電極１０ａに、Ｐ領域が画素電極１０ｂに対応する。
【００２２】
ここで、段差ｈを（１／ｎ）×λ／４として、図２に係わる本発明の原理を図１のＰ領域及びＱ領域の出射光の光路長が以下の２つの場合について説明する。即ち、Ｐ領域における出射光Ｏ1の光路長が２ｎ×ｄ1＝ｍ1×λ、Ｑ領域における出射光Ｏ2の光路長が２ｎ×ｄ2＝ｍ2×λ＋λ／２である場合と、Ｐ領域における出射光Ｏ1の光路長が２ｎ×ｄ1＝ｍ1×λ＋λ／２、Ｑ領域における出射光Ｏ2の光路長が２ｎ×ｄ2＝ｍ2×λである場合とのそれぞれについて説明する。
まず始めに、Ｐ領域における出射光Ｏ1の光路長が２ｎ×ｄ1＝ｍ1×λ、Ｑ領域における出射光Ｏ2の光路長が２ｎ×ｄ2＝ｍ2×λ＋λ／２である場合について説明する。
前記したと同様に、Ｐ領域における出射光Ｏ1の光路長が２ｎ×ｄ1＝ｍ1×λである場合、界面反射光Ｒ1の光路長は、４ｎ×ｄ1＝２ｍ1×λとなる。
この結果、Ｐ領域では、出射光Ｏ1と界面反射光Ｒ1とは同位相となり、これらの光は干渉して明部となる。
【００２３】
一方、図２におけるＱ領域の物理セルギャップをｄ3とすると、Ｑ領域では、出射光Ｏ2に係わる液晶層４中の光路長は、画素電極１０ａが高さｈだけ高く設定されているので、以下の関係を有する。
２ｎ×ｄ3＝２ｎ（ｄ2−ｈ）＝ｍ2×λ
また、界面反射光Ｒ2に係わる液晶層４中の光路長は、以下の関係を有する。
４ｎ×ｄ3＝４ｎ×（ｄ2−ｈ）＝２ｍ2×λ
この結果、Ｑ領域では、出射光Ｏ2と界面反射光Ｒ2とは同位相となり、これらの光は、干渉して明部となる。
このように、Ｐ及びＱ領域共に明部となり、明暗の干渉縞が形成されない。
【００２４】
次に、Ｐ領域における出射光Ｏ1の光路長が２ｎ×ｄ1＝ｍ1×λ＋λ／２、Ｑ領域における出射光Ｏ2の光路長が２ｎ×ｄ2＝ｍ2×λである場合について説明する。
Ｐ領域における出射光Ｏ1の光路長が２ｎ×ｄ1＝ｍ1×λ＋λ／２である場合、界面反射光Ｒ1の光路長は、４ｎ×ｄ1＝（２ｍ1＋１）×λとなる。
Ｐ領域では、出射光Ｏ1と界面反射光Ｒ1とは逆位相となり、これらの光は干渉して暗部となる。
【００２５】
一方、図２におけるＱ領域では、出射光Ｏ2の光路長は、２ｎ×ｄ3＝２ｎ（ｄ2−ｈ）＝ｍ2×λ−λ／２、界面反射光Ｒ2の光路長は、４ｎ×ｄ3＝４ｎ（ｄ2−ｈ）＝（２ｍ2−１）×λとなる。
このことから、Ｑ領域では、出射光Ｏ2と界面反射光Ｒ2とは逆位相となり、これらの光は、干渉して暗部となる。
このようにＰ及びＱ領域共に暗部となるため、この場合も前記と同様に明暗の干渉縞が形成されない。
【００２６】
以上では、段差ｈを（１／ｎ）×λ／４にしたが、段差ｈを（１／ｎ）×λ／８、又は（１／ｎ）×３λ／８にした場合について説明する。
この場合には、出射光Ｏ2と界面反射光Ｒ2との位相差は、λ／４、又は３λ／４となり、Ｑ領域では出射光Ｏ2と界面反射光Ｒ2が９０°、又は２７０°位相差で干渉して中間輝度となる。
即ち、干渉縞は、明・中間輝度（又は暗・中間輝度）の繰返しとなる。
この場合、干渉縞の輝度差が小さくなることから干渉縞模様は目立たなくなる。
【００２７】
以上のことから、画素電極層１０に（１／ｎ）×λ／８≦ｈ≦（１／ｎ）×３λ／８の段差ｈを有する画素電極１０ａ、１０ｂを形成すると、出射光Ｏ1（又はＯ2）と界面反射光Ｒ1（又はＲ2）との干渉による干渉縞の発生を抑制することができる。
段差ｈが（１／ｎ）×λ／４である場合には、Ｐ又はＱ領域における干渉縞の発生を全く無くすことができる。
【００２８】
ところで、前記したようにメタルハライドランプ又は超高圧水銀ランプは、可視光域に４４０ｎｍ、５４０ｎｍ、５８０ｎｍの強い輝線を有している。このため、これらの輝線により干渉縞が生成される問題があった。
人の目は、グリーン帯域をピークとする視感度特性を有する。それ故、ブルー帯の４４０ｎｍの輝線によって生成される干渉縞は、視認し難く、大きな問題とならない。
５８０ｎｍの輝線は、一般に不要光として扱われ、帯域カットフィルタにより除去される光線であるから、この輝線についてもそれほど大きな問題とはならない。
【００２９】
図２において説明したように、干渉縞の発生を抑制するためには、光源の特定輝線の波長をλ、液晶層の屈折率をｎとして、画素電極層に（１／ｎ）×（λ／８〜３λ／８）の段差を有する必要があった。
このことから、グリーン帯域の中心波長である５４０ｎｍの輝線に係る干渉縞を抑制するためには、液晶層４の屈折率ｎが１．５２である時、段差ｈを４０ｎｍ≦ｈ≦１３０ｎｍの範囲に設けるとよいことがわかる。
なお、本発明の第1実施形態の効果は、干渉縞の発生を液晶表示素子の表示領域全面に亘って一様に抑えるものではなく、画素電極間の段差ｈを前記した条件に設定することにより図３に示すように局部的に干渉縞の発生条件を崩して消失させ、縞模様を目立たなくするようにするものである。
【００３０】
次に、本発明の第１実施形態の液晶表示素子１を液晶プロジェクタ２００に搭載して干渉縞抑制効果について画素電極層１０を構成する画素電極１０ａ、１０ｂ間の段差を変化させて調べた。
図４に示すように、液晶プロジェクタ２００は、読出し光を出射するメタルハライドランプ２０１と、この読出し光のうち半値幅が略５０ｎｍの緑色光を選択的に通過させる選択透過フィルタ２０７と、この選択透過フィルタ２０７を通過した緑色光を偏光分離する偏光ビームスプリッタ２０２と、この偏光分離された緑色光を光変調した後、反射光を出射する液晶表示素子２０３と、この反射光を偏光ビームスプリッタ２０２を介してスクリーン２０６に拡大投影する投射レンズ２０５とからなる。
なお、液晶表示素子２０３には、これを駆動する駆動回路２０４が接続されている。
【００３１】
この結果、画素電極間の段差ｈが増加するにつれて干渉縞が次第に目立たなくなり、表示品質が向上した。
ｎ＝１．５２の時、λ＝５４０ｎｍの輝線に対して、段差ｈが４０ｎｍ〜１３０ｎｍにおいては目視上の視認が困難になり、段差ｈが９０ｎｍの時、全く視認できなかった。
【００３２】
次に、本発明の第２実施形態について図５を用いて説明する。
図５に示すように、画素電極１０ａは、画素電極１０ｂよりも段差ｈだけ高く、画素電極１０ａ、１０ｂは共に同一高さの隣り合った復数の画素電極を１組（図５中では、３画素を１組とする）として、交互に千鳥状に配置したものである。
この場合も第１実施形態と同様な効果が得られる。
【００３３】
次に、本発明の第３実施形態について図６を用いて説明する。
図６に示すように、画素電極１０ａは、画素電極１０ｂよりも段差ｈだけ高く、同一高さに揃えた縦又は横一列の画素電極群を１群（図６中では、横１列を1群とする）として、高低の画素の画素電極群を交互に配置したものである。
この場合も第1実施形態と同様な効果が得られる。
【００３４】
次に、本発明の第４実施形態について図７を用いて説明する。
図７に示すように、画素電極１００は、電極表面領域１００ａと電極表面領域１００ｂとから構成され、電極表面領域１００ａが電極表面領域１００ｂよりも段差ｈだけ高くされてあり、この画素電極１００をマトリクス状に配置したものである。
この場合も第１実施形態と同様な効果が得られる。
また、本発明の第２、３、４実施形態の液晶表示素子を前記した液晶プロジェクタ２００に搭載して干渉縞の抑制効果を調べた結果、同様な結果が得られた。
【００３５】
以上のように、本発明の各実施形態によれば、画素電極間に段差ｈを設けることにより、読出し光と、透明電極層における界面反射光との干渉によって発生する干渉縞を局所的に目立なくすることができるので、投射映像中に干渉縞の視認し難くなり映像品質の劣化を防ぐことができる。
また、本発明の第１乃至第４実施形態は、いずれも画素電極層に面積が略等しく、かつ段差の異なる２つの領域を単位領域として備え、この単位領域を画素電極層表面に散在させて設けたことを特徴としている。
この場合、上記単位領域における界面反射光は、散乱光ではないため投射光として有効に利用でき、高輝度・高コントラストな液晶表示素子が得られる。
なお、上記段差ｈは、透明電極層に設けても良く、又は透明電極層及び画素電極層の両方に設けても良い。
【００３６】
【発明の効果】
本発明の反射型液晶表示素子によれば、前記複数の画素電極は、第１の高さを有する第１画素電極と、前記第１の高さよりも低い第２の高さを有する第２画素電極と、が周期的に配列された構成を有し、前記読み出し光の特定輝線波長をλ、前記液晶層の屈折率をｎとするとき、前記第１の高さを有する前記第1画素電極と前記第１の高さよりも低い第２の高さを有する前記第２画素電極との段差は、（１／ｎ）×λ／４であるので、透明電極層と複数の反射型の画素電極との間の間隙が不均一であっても干渉縞の発生が抑制される。
また、本発明においては、干渉縞防止のために従来技術で示したような透明電極上に非導電性の多層反射防止膜を形成していないから電荷が多層反射防止膜に蓄積されることによって発生する液晶層の焼き付き現象が防止される。
また、本発明においては、前記第１の高さを有する前記第1画素電極と前記第1の高さよりも低い第２の高さを有する前記第２画素電極との段差は、乱反射面でないため、透明電極層と液晶層との間で反射された界面反射光は、散乱光ではなく全て投射光として有効に利用でき、高輝度・高コントラストな反射型液晶表示素子が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】液晶表示素子における透明電極層と液晶層との界面反射光により生成される干渉縞の発生原理を説明する図である。
【図２】本発明の第１実施形態の液晶表示素子を示す断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態における透明電極基板上方から見た時の画素電極の配置構成を示す概略平面図である。
【図４】干渉縞の評価に用いる液晶プロジェクタの概略構成を示した図である。
【図５】第２実施形態に係わる画素電極配置を示した概略平面図である。
【図６】第３実施形態に係わる画素電極配置を示した概略平面図である。
【図７】第４実施形態に係わる画素電極配置を示した概略平面図である。
【図８】従来の反射型液晶表示素子の概略構成を模式的に示した断面図である。
【符号の説明】
１…反射型液晶表示素子（液晶表示素子）、２…透明電極基板（基板）、３…集積回路基板（基板）、４…液晶層、５…透明ガラス基板、６…透明電極層、７…第１配向膜、８…シリコン基板、９…アクティブマトリクス駆動回路、１０…画素電極層、１１…第２配向膜、１０ａ、１０ｂ、１００…画素電極、１００ａ、１００ｂ…電極表面領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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