(57)【要約】      （修正有）【課題】青色帯域の光による液晶表示素子の劣化を大幅に改善できる光学構成を取ることを可能とした投射型液晶表示装置を提供する。【解決手段】光源１０と、液晶表示素子５０と光源１０からの光を液晶表示素子５０に導く、照明光学系２０と、液晶表示素子５０により変調された光を投射する投射光学系４０とを有し、光源１０は個体光源であり、液晶表示素子５０は、対向する基板間に液晶材料を狭持しており、液晶材料がジフルオロフェニレン系の液晶材料を含有し、液晶表示素子５０に照射される光の青色帯域の光において、個体光源の青色帯域のピーク波長λｐｅａｋと半値全幅ＦＷＨＭにより算出されるλｐｅａｋ−０．９２×ＦＷＨＭの波長の値が液晶材料の吸収波長の２倍の波長以上であることを特徴とする。【選択図】図２
2018013649.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、液晶表示素子と前記光源からの光を前記液晶表示素子に導く、照明光学系と、前記液晶表示素子により変調された光を投射する投射光学系とを有し、前記光源は個体光源であり、前記液晶表示素子は、対向する基板間に液晶材料を狭持しており、前記液晶材料がジフルオロフェニレン系の液晶材料を含有し、前記液晶表示素子に照射される光の青色帯域の光において、前記個体光源の青色帯域のピーク波長λｐｅａｋと半値全幅ＦＷＨＭにより算出されるλｐｅａｋ−０．９２×ＦＷＨＭの波長の値が前記液晶材料の吸収波長の２倍の波長以上であることを特徴とする投射型液晶表示装置。
【請求項２】
前記液晶材料の吸収波長が２２０ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の投射型液晶表示装置。
【請求項３】
前記個体光源がＬＥＤ光源であることを特徴とする請求項１に記載の投射型液晶表示装置。
【請求項４】
前記個体光源がＬａｓｅｒ光源であることを特徴とする請求項１に記載の投射型液晶表示装置。
【請求項５】
光源と、液晶表示素子と前記光源からの光を前記液晶表示素子に導く、照明光学系と、前記液晶表示素子により変調された光を投射する投射光学系とを有し、前記液晶表示素子は、対向する基板間に液晶材料を狭持しており、前記液晶材料がジフルオロフェニレン系の液晶材料を含有し、前記液晶表示素子に照射される光の青色帯域の光において、前記液晶材料の吸収波長の２倍以下の波長の透過光強度を１０％以下とする特性の光学部品を有することを特徴とする投射型液晶表示装置。
【請求項６】
前記液晶表示素子が、反射型であることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載の投射型液晶表示装置。
【請求項７】
前記液晶表示素子に照射される光の青色帯域の光の光密度が、３Ｗ／ｃｍ＾２以上であることを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか一項に記載の投射型液晶表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、投射型液晶表示装置に関してであり、特にジフルオロフェニレン系の液晶材料を使用した液晶表示素子を搭載した投射型反射型液晶表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、投射型表示装置の画像表示素子として液晶表示素子やＤＭＤ(digital micromirror device)素子を用いたプロジェクタがある。光源からの光を照明光学系と色分解合成系を介して、この画像表示素子に照射し、変調した光を投射レンズ光学系を介して投射画像としてスクリーンに投影している。このようなプロジェクタにおいて、より明るさを向上させる為に、光源の出力および効率を上げることが求められている。
【０００３】
しかしながら、投射型液晶表示装置において明るさを上げることにより画像表示素子や各光学部品に照射される光密度が非常に高くなり、部品の劣化が発生しやすくなってしまう。また、部品の劣化は照射される光のエネルギーが高い（波長が短い）青色帯域の光が照射される部品に特に顕著に表れる。
【０００４】
特許文献１には、ジフルオロスチルベン化合物を含有する液晶材料に紫外線吸収剤を添加する方法が開示されている。
【０００５】
特許文献２には、ジフルオロスチルベン化合物に対応する吸収波長帯を持つ紫外線吸収剤を添加する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−２０６６１７号公報
【特許文献２】特開平８−１７６５４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述の特許文献に開示された従来技術は、液晶材料に紫外線吸収剤を添加し、紫外線を添加物に吸収させることが目的である。
【０００８】
しかしながら、液晶材料に紫外線吸収剤を添加しても、液晶材料が紫外線を吸収する量が低減するだけで、紫外線吸収材に吸収されなかった光は液晶材料に吸収され、劣化する。また、青色帯域の光による劣化に対しては効果が少ない。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、液晶表示素子の劣化を大幅に改善できる光学構成を取ることを可能とした投射型液晶表示装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的を達成するために、本発明に係る投射型液晶表示装置は、
光源と、液晶表示素子と前記光源からの光を前記液晶表示素子に導く、照明光学系と、前記液晶表示素子により変調された光を投射する投射光学系とを有し、前記光源は個体光源であり、前記液晶表示素子は、対向する基板間に液晶材料を狭持しており、前記液晶材料がジフルオロフェニレン系の液晶材料を含有し、前記液晶表示素子に照射される光の青色帯域の光において、前記個体光源の青色帯域のピーク波長λｐｅａｋと半値全幅ＦＷＨＭにより算出されるλｐｅａｋ−０．９２×ＦＷＨＭの波長の値が前記液晶材料の吸収波長の２倍の波長以上であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る投射型液晶表示装置によれば、液晶表示素子の劣化を大幅に改善できる光学構成を取ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施例１における光源スペクトルと液晶表示素子の寿命の関係を示す図である。
【図２】本発明の実施例における表示装置の構成図である。
【図３】本発明の実施例１における液晶表示素子５０Ｂに照射されるスペクトルを示す図である。
【図４】本発明の実施例におけるジフルオロフェニレン系の液晶材料の分子構造を示す図である。
【図５】本発明の実施例におけるジフルオロフェニレン系の液晶材料の吸収スペクトルを示す図である。
【図６】本発明の実施例１における液晶表示素子５０Ｂに照射される別のスペクトルを示す図である。
【図７】本発明の反射型液晶表示素子および入射光を示す図である。
【図８】本発明の実施例２における液晶表示素子５０Ｂに照射されるスペクトルを示す図である。
【図９】本発明の実施例２における光源の発光スペクトルを示す図である。
【図１０】本発明の実施例２における紫外線カットフィルタの１０％透過波長と液晶表示素子の寿命の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００１４】
本発明の一実施例である液晶表示装置１を説明する。ここで、図２は液晶表示装置１を示す構成図である。
【００１５】
液晶表示装置１は、画像をスクリーン２００に表示する機能を有する。液晶表示装置１は、本実施例では、反射型液晶表示素子（反射型液晶表示素子等の画像形成素子）を搭載した投射型液晶表示装置である。液晶表示装置１は、筐体１ａと、光源１０と、補助光源１５と、照明光学系２０と、色分解合成光学系３０と、投射レンズ光学系４０と、液晶表示素子５０と、記憶部６０と、制御部７０を有する。
【００１６】
筐体１ａは、液晶表示装置１を構成する部材を固定し収納する。筐体１ａは、本実施例では、矩形状の立方体である。また、筐体１ａは、投射レンズ光学系４０の一部が、外部に露出している。そして、筐体１ａは、例えば、液晶表示装置１の傾きを調整する調整機構を有している。尚、投射レンズ光学系４０の一部は、本実施例では、外部に露出しているが、筐体１ａ内に収納されていてもよい。
【００１７】
光源１０は、光を生成する機能を有する。γは、液晶表示装置１の光軸である。光源１０は図示しない電源供給部によって電源を供給している。
【００１８】
照明光学系２０は、光源１０からの光を色分解合成光学系３０に伝達する機能を有する。照明光学系２０は、シリンダアレイ２１及び２２と、紫外線カットフィルタ２３と、偏光変換素子２４と、フロントコンプレッサ２５と、全反射ミラー２６と、コンデンサーレンズ２７と、リアコンプレッサ２８とを有する。
【００１９】
シリンダアレイ２１及び２２は、カメラ、検出器、走査装置内等に組み込まれている感光素子の複合体である。シリンダアレイ２１は、光軸γに対して垂直方向に屈折力を有するレンズアレイである。シリンダアレイ２２は、シリンダアレイ２１の個々のレンズに対応したレンズアレイを有する。本実施例では、シリンダアレイ２１は、光源１０の前方に配置され、シリンダアレイ２２は、後述する紫外線カットフィルタ２３の前方に配置される。
【００２０】
紫外線カットフィルタ２３は、紫外線を吸収する機能を有する。紫外線カットフィルタ２３は、シリンダアレイ２１とシリンダアレイ２２との間に配置される。
【００２１】
偏光変換素子２４は、無偏光光を所定の偏光光に変換する機能を有する。偏光変換素子２４は、シリンダアレイ２２の前方に配置される。
【００２２】
フロントコンプレッサ２５は、水平方向において屈折力を有するシリンドリカルレンズで構成されている。フロントコンプレッサ２５は、偏光変換素子２４の前方に配置される。
【００２３】
全反射ミラー２６は、光源１０からの光を反射する機能を有する。全反射ミラー２６は、本実施例では、光軸を９０度変換する。全反射ミラー２６は、フロントコンプレッサ２５の前方に配置される。
【００２４】
コンデンサーレンズ２７は、光源１０からの光を集め、投影レンズの瞳内に光源の像を結ばせることによって、物体を均等に照明する。コンデンサーレンズ２７は、全反射ミラー２６の前方に配置される。
【００２５】
リアコンプレッサ２８は、水平方向において屈折力を有するシリンドリカルレンズで構成されている。リアコンプレッサ２８は、コンデンサーレンズ２７の前方に配置されている。
【００２６】
色分解合成光学系３０は、光源１０からの光を分解及び合成する機能を有する。色分解合成光学系３０は、ダイクロイックミラー３１と、偏光板３２と、偏光ビームスプリッター３３と、１／４波長板３５と、色選択性位相差板３６とを有する。
【００２７】
ダイクロイックミラー３１は、青（Ｂ）と赤（Ｒ）の波長領域の光を反射し、緑（Ｇ）の波長領域の光を透過する。ダイクロイックミラー３１は、リアコンプレッサ２８の前面に配置される。
【００２８】
偏光板３２は、Ｓ偏光光のみを透過させる機能を有する。偏光板３２は、偏光板３２ａ、３２ｂ及び３２ｃを有する。偏光板３２ａは、透明基板に偏光素子を貼り合わせた緑用の入射側偏光板であり、Ｓ偏光光のみ透過する。偏光板３２ａは、ダイクロイックミラー３１の前方に配置されている。偏光板３２ｂは、透明基板に偏光素子を貼り合わせた赤青用の入射側偏光板であり、Ｓ偏光光のみ透過する。偏光板３２ｂは、ダイクロイックミラー３１の前方に配置されている。偏光板３２ｃは、透明基板に偏光素子を貼り合わせた赤青用の出射側偏光板（偏光素子）であり、Ｓ偏光のみを透過する。
【００２９】
偏光ビームスプリッター３３は、Ｐ偏光光を透過し、Ｓ偏光光を反射する。偏光ビームスプリッター３３は、偏光分離面を有する。偏光ビームスプリッター３３は、偏光ビームスプリッター３３ａ、３３ｂ及び３３ｃを有する。偏光ビームスプリッター３３ａは、Ｐ偏光光を透過し、Ｓ偏光光を反射する。偏光ビームスプリッター３３ａは、偏光板３２ａの前面に配置される。偏光ビームスプリッター３３ｂは、Ｐ偏光光を透過し、Ｓ偏光光を反射する。偏光ビームスプリッター３３ｂは、色選択性位相差板３６ａの前面に配置される。偏光ビームスプリッター３３ｃは、Ｐ偏光光を透過し、Ｓ偏光光を反射する。偏光ビームスプリッター３３ｃは、偏光ビームスプリッター３３ａの前面に配置される。
【００３０】
１／４波長板３５は、位相差を与える機能を有する。１／４波長板３５は、１／４波長板３５Ｒ、３５Ｇ及び３５Ｂを有する。１／４波長板３５Ｒは、偏光ビームスプリッター３３ｂと後述する液晶表示素子５０Ｒとの間に配置される。１／４波長板３５Ｇは、偏光ビームスプリッター３３ａと後述する液晶表示素子５０Ｇとの間に配置される。１／４波長板３５Ｂは、偏光ビームスプリッター３３ｂと後述する液晶表示素子５０Ｂとの間に配置される。
【００３１】
色選択性位相差板３６は、特定の光の偏光方向を９０度変換する機能を有する。色選択性位相差板３６ａは、青色の光の偏光方向を９０度変換し、赤色の光の偏光方向は変換しない。色選択性位相差板３６ａは、偏光板３２ｂと偏光ビームスプリッター３３ｂとの間に配置される。色選択性位相差板３６ｂは、赤色の光の偏光方向を９０度変換し、青色の光の偏光方向は変換しない。色選択性位相差板３６ｂは、偏光板３２ｃと偏光ビームスプリッター３３ｂとの間に配置される。
【００３２】
投射レンズ光学系（投射手段）４０は、照明光学系２０及び色分解合成光学系３０を介した光源１０からの光を照射する。投射レンズ光学系４０は、鏡筒４０ａに図示しない複数の光学素子で構成されている。
【００３３】
本実施例における光源１０から出力され、液晶表示素子５０Ｂに照射されるスペクトルを図３に示す。光源１０はＬＥＤ光源であり、ピーク波長λｐｅａｋと半値全幅ＦＷＨＭが図３の様に定義される。また、照射エネルギー密度は３Ｗ／ｃｍ＾２である。
【００３４】
一方、液晶表示素子５０にはジフルオロフェニレン系の液晶材料が使用されている。この材料はＶＡタイプの液晶材料としては一般的である。ジフルオロフェニレン系の液晶材料の代表的な分子構造を図４に示す。また、図４に示すジフルオロフェニレン系の液晶材料の吸収スペクトルを分子軌道法により求めた結果を図５に示す。図５に示した通り、吸収スペクトルが１９０ｎｍおよび２２０ｎｍ付近に存在することが確認された。
【００３５】
液晶表示装置１において、このジフルオロフェニレン系の液晶材料を使用した液晶表示素子５０Ｂに数千時間青色帯域の光を照射すると、図４に示したフッ素の脱離が発生することが確認された。
【００３６】
この現象と、光源１０の波長と液晶材料の吸収スペクトルより、発明者は照射された青色帯域の光が、二光子吸収により液晶材料に吸収されフッ素の脱離を引き起こしているということを見出した。
【００３７】
従って、液晶材料の吸収波長の二倍の波長の光を、液晶材料に照射しないよう液晶表示装置１の構成を取ることで、液晶材料のフッ素の脱離を抑制することが可能であることを導き出した。
【００３８】
従って、本実施例において、光源１０のピーク波長λｐｅａｋと半値全幅ＦＷＨＭ、及びジフルオロフェニレン系の液晶材料の吸収波長より
λｐｅａｋ−０．９２×ＦＷＨＭ＞２×液晶材料の吸収波長
を満たすよう、光源１０を選択することで液晶表示素子５０Ｂの寿命を大幅に改善できることを確認した。
【００３９】
図１に光源１０の特性における液晶表示素子５０の寿命の関係性を示しており、この図について説明する。
【００４０】
光源１０のピーク波長λｐｅａｋが４２０ｎｍと半値全幅ＦＷＨＭが２０ｎｍの場合、上記の式よりλｐｅａｋ−０．９２×ＦＷＨＭは４１０．８ｎｍとなる。一方、本実施例におけるジフルオロフェニレン系の液晶材料の吸収波長は１９０ｎｍ付近と２２０ｎｍ付近に存在している。従って、液晶材料の吸収波長を２倍した波長は３８０ｎｍ付近と４４０ｎｍ付近になる。そのため、上記式の関係を満たしていない。よってピーク波長λｐｅａｋが４２０ｎｍと半値全幅ＦＷＨＭが２０ｎｍの光源からの光は、液晶分子に二光子吸収により吸収されることにより、数万時間での光照射により液晶材料のフッ素の脱離を引き起こしてしまう。
【００４１】
また、光源１０のピーク波長λｐｅａｋが４６０ｎｍと半値全幅ＦＷＨＭが２０ｎｍの場合、上記の式よりλｐｅａｋ−０．９２×ＦＷＨＭは４５０．８ｎｍとなる。一方、本実施例におけるジフルオロフェニレン系の液晶材料の吸収波長は１９０ｎｍ付近と２２０ｎｍ付近に存在している。従って、液晶材料の吸収波長を２倍した波長は３８０ｎｍ付近と４４０ｎｍ付近になる。そのため、上記式の関係を満たしている。よってピーク波長λｐｅａｋが４２０ｎｍと半値全幅ＦＷＨＭが２０ｎｍの光源からの光は、液晶分子に二光子吸収により吸収されることがなくなり、数百万時間オーダーでの光照射を継続しない限り、液晶材料のフッ素の脱離を引き起こさない。
【００４２】
図１から確認できるように、λｐｅａｋ−０．９２×ＦＷＨＭ＞２×液晶材料の吸収波長を満たす、λｐｅａｋ−０．９２×ＦＷＨＭが４４０ｎｍを超える条件の光源を使用することで、液晶表示素子５０Ｂの寿命が、数百万時間を超え大幅に改善できることが確認された。これは、二光子吸収の反応が無くなり、三光子吸収でのみ液晶材料のフッ素の脱離反応が起きるためである。
【００４３】
上記実施例において光源１０がＬＥＤである場合について説明したが、ＬＥＤ光源に限らずＬａｓｅｒ光源や蛍光体を用いて波長変換を行う光源であってもよい。
【００４４】
特にＬａｓｅｒ光源を用いた場合、半値全幅ＦＷＨＭが小さいためピーク波長λｐｅａｋが青色の純度の高い４５０〜４７０ｎｍ付近のＬａｓｅｒ光源を使用することができ、液晶表示素子５０Ｂの寿命を改善し、かつ液晶表示装置１の画像を向上させることが可能となる。
【００４５】
また、光源１０の発光スペクトルが図６のように複数ピーク有るばあいも、それぞれのピーク波長及び半値全幅において、
λｐｅａｋ−０．９２×ＦＷＨＭ＞２×液晶材料の吸収波長
を満たすように光源１０を選択することが好ましい。
【００４６】
また、液晶表示素子５０に関して反射型液晶表示素子である場合について説明したが、透過型液晶表示素子であってもよい。
【００４７】
ただし、反射型液晶表示素子は図７に示すように、液晶層を光が往復するため、液晶材料に吸収されるフォトン数が透過型液晶表示素子と比較して多くなるため、液晶材料の劣化が進みやすい。特に、二光子吸収はフォトン数の二乗に効いてくるとも考えられるため、反射型液晶表示素子のように、光が往復する場合は透過型液晶表示素子と比較して、液晶材料の劣化が４倍速く進むと考えられる。
【実施例２】
【００４８】
本発明の別の実施例である液晶表示装置１を説明する。
【００４９】
本実施例における光源１０から出力され、液晶表示素子５０Ｂに照射されるスペクトルを図８に示す。光源１０は超高圧水銀ランプであり、その発光スペクトルを図９に示す。そして、上述した紫外線カットフィルター２３とダイクロイックミラー３１によって、短波長、長波長の光がカットされて図８の様になる。また、照射エネルギー密度は３Ｗ／ｃｍ＾２である。
【００５０】
液晶表示装置１において、このジフルオロフェニレン系の液晶材料を使用した液晶表示素子５０Ｂに数千時間青色帯域の光を照射すると、図４に示したフッ素の脱離が発生することが確認された。
【００５１】
この現象は、液晶表示素子５０Ｂに照射されるスペクトルと液晶材料の吸収スペクトルより、照射された青色帯域の光が、二光子吸収により液晶材料に吸収されフッ素の脱離を引き起こしているということを見出した。
【００５２】
従って、液晶材料の吸収波長の二倍の波長の光を、液晶材料に照射しないよう液晶表示装置１の構成を取ることが重要である。
【００５３】
本実施例において、紫外線カットフィルタ２３の１０％透過波長とジフルオロフェニレン系の液晶材料の吸収波長より
紫外線カットフィルタの１０％透過波長＞２×液晶材料の吸収波長
を満たすよう、紫外線カットフィルタ２３を選択することで液晶表示素子５０の寿命を大幅に改善できることを確認した。
【００５４】
図１０に、紫外線カットフィルタ２３の特性における液晶表示素子５０の寿命の関係性を示す。
【００５５】
図１０から確認できるように、紫外線カットフィルタの１０％透過波長＞２×液晶材料の吸収波長を満たすことで、液晶表示素子５０Ｂの寿命を大幅に改善できることが確認された。これは、二光子吸収の反応が無くなり、三光子吸収でのみ液晶材料のフッ素の脱離反応が起きるためである。
【００５６】
また、紫外線カットフィルタ２３の特性として、カット波長の傾斜が急峻で有る方が好ましく、さらに短波長の光の漏れが少ないことが好ましい。特に４２０ｎｍ以下光の透過率は、０．０１％以下であることが望ましい。
【００５７】
また、短波長の光の漏れを抑制するために、紫外線カットフィルタ２３を複数枚取り付けることで、さらに短波長の光の漏れを抑制することができ、液晶表示素子５０Ｂの寿命を改善することができる。
【００５８】
また、液晶材料の吸収波長の二倍の波長の光を、液晶材料に照射しないよう紫外線カットフィルタの特性について説明したが、紫外線カットフィルタだけに限定されず、紫外線吸収フィルタ、ダイクロフィルタ、カラーフィルタなど波長を選択的に除外できる光学部品であれば本発明の効果を得ることができる。
【００５９】
また、液晶表示素子５０に関して反射型液晶表示素子である場合について説明したが、透過型液晶表示素子であってもよい。
【００６０】
ただし、反射型液晶表示素子は図７に示すように、液晶層を光が往復するため、液晶材料に吸収されるフォトン数が透過型液晶表示素子と比較して多くなるため、液晶材料の劣化が進みやすい。特に、二光子吸収はフォトン数の二乗に効いてくるとも考えられるため、反射型液晶表示素子のように、光が往復する場合は透過型液晶表示素子と比較して、液晶材料の劣化が４倍速く進むと考えられる。
【００６１】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されず、その要旨の範囲内で様々な変形及び変更が可能である。
【符号の説明】
【００６２】
１  液晶表示装置、１０  光源、２０  照明光学系、２３  紫外線カットフィルタ、
３０  色分解合成光学系、４０  投射レンズ光学系、５０Ｇ  Ｇ用液晶表示素子、
５０Ｒ  Ｒ用液晶表示素子、５０Ｂ  Ｂ用液晶表示素子、６０  記憶部、
７０  制御部
【図１】
2018013649.tif 000003
【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】
2018013649.tif 000008
【図７】
2018013649.tif 000009
【図８】
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【図９】
2018013649.tif 000011
【図１０】
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