(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明電極を表面に形成した第１基板と画素毎の反射電極と駆動回路をマトリクス状に配設した第２基板とを平行に対向させ、前記各基板の対向面間に誘電異方性が負のネマティック液晶を所定のプレチルト角を付与した状態で挟持させることにより液晶層を構成した反射型液晶表示素子と、偏光分光面が前記第１基板に対して傾斜しており、前記偏光分光面の各ワイヤーグリッドが前記第１基板と平行な関係を有するように配置されたワイヤーグリッドタイプの偏光ビームスプリッタとを備え、前記偏光ビームスプリッタが照明光に含まれる一方の偏光成分だけを透過させて前記反射型液晶表示素子へ垂直に入射させ、前記反射型液晶表示素子から出射される反射変調光の内の前記偏光成分とは逆の偏光成分だけを反射させて投射光とする投射表示装置において、
前記液晶層の液晶分子の長軸を前記第２基板へ垂直に投影させた際の前記第２基板上での線分が、前記ワイヤーグリッドを前記第２基板へ垂直に投影させた際の前記第２基板上での直線の方向に対して時計回り方向又は反時計回り方向に４２°乃至４８°の角度をなすと共に、前記線分の両端部における前記液晶分子の前記第２基板側の端部に対応する方の端部が、他方の端部よりも前記偏光分光面を含む面と前記第２基板を含む面との交叉側に位置するように液晶配向条件を設定したことを特徴とする投射表示装置。
【請求項２】
請求項１に記載の投射表示装置において、
前記偏光ビームスプリッタと前記反射型液晶表示素子との間に、前記第１基板と平行な関係を有する位相補償板を設け、
前記液晶層の液晶分子の長軸を前記第２基板へ垂直に投影させた際の前記第２基板上での線分が、前記ワイヤーグリッドを前記第２基板へ垂直に投影させた際の前記第２基板上での直線の方向に対して時計回り方向に４２°乃至４８°の角度をなしている方を第１の液晶配向条件、反時計回り方向に４２°乃至４８°の角度をなしている方を第２の液晶配向条件として、
前記第１の液晶配向条件では、前記位相補償板の遅相軸の方向が前記ワイヤーグリッドを前記第２基板へ垂直に投影させた際の直線の方向に対して反時計回り方向へ７７°乃至８７°の角度をなすように設定され、
前記第２の液晶配向条件では、前記位相補償板の遅相軸の方向が前記ワイヤーグリッドを前記第２基板へ垂直に投影させた際の直線の方向に対して時計回り方向へ７７°乃至８７°の角度をなす方向に設定されていることを特徴とする投射表示装置。
【請求項３】
請求項２に記載の投射表示装置において、
前記反射型液晶表示素子の画素配設領域が前記偏光ビームスプリッタのワイヤーグリッドの方向を長辺とする長方形であり、
前記位相補償板は、その平面形状が前記画素配設領域より大きい長方形であって、面内のリターデーションが２０±５（ｎｍ）として構成されており、その平面形状の中心を前記画素配設領域の中心に立てた垂線上に位置させて回動自在に支持されていると共に、
前記第１の液晶配向条件の場合には、前記位相補償板の遅相軸がその平面形状の短軸方向に対して反時計回り方向に３°乃至１３°の方向に設定され、前記第２の液晶配向条件の場合には、前記位相補償板の遅相軸がその平面形状の短軸方向に対して時計回り方向に３°乃至１３°の方向に設定されている投射表示装置。
【請求項４】
光の３原色の内のいずれか１色の光のみを選択的に反射し、他色の光を透過させる２枚の光学多層膜が垂直な関係で形成されており、前記各光学多層膜による反射光の色が異なっている色合成プリズムと、その色合成プリズムの３つの入射面にそれぞれ配置され、前記各光学多層膜の配置条件に対応した色の変調光を入射させる投射表示装置とからなる３板式液晶プロジェクタにおいて、
前記各投射表示装置には前記請求項１、請求項２又は請求項３に記載の投射表示装置における液晶の配向条件が同一であるものを適用し、それら投射表示装置の内で前記色合成プリズムの各光学多層膜によって反射される色の変調光を入射させる２つの投射表示装置は、相互に前記色合成プリズムの出射光軸に関して１８０°回転させた設置関係を有していることを特徴とする３板式液晶プロジェクタ。
【請求項５】
光の３原色の内のいずれか１色の光のみを選択的に反射し、他色の光を透過させる２枚の光学多層膜が垂直な関係で形成されており、前記各光学多層膜による反射光の色が異なっている色合成プリズムと、その色合成プリズムの３つの入射面にそれぞれ配置され、前記各光学多層膜の配置条件に対応した色の変調光を入射させる投射表示装置とからなる３板式液晶プロジェクタにおいて、
前記各投射表示装置には前記請求項１、請求項２又は請求項３に記載の投射表示装置を適用し、それら投射表示装置の内で、前記色合成プリズムの各光学多層膜によって反射される色の変調光を入射させる２つの投射表示装置は、相互に前記色合成プリズムの出射光軸に関して１８０°回転させた設置関係を有しており、前記色合成プリズムの各光学多層膜を透過する変調光を入射させる投射表示装置には、前記２つの投射表示装置の液晶配向条件と異なる方の液晶配向条件のものを適用することを特徴とする３板式液晶プロジェクタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は反射型液晶表示素子を用いた投射表示装置、及びその投射表示装置を各単色光の変調処理に用いた３板式液晶プロジェクタに係る。
【背景技術】
【０００２】
近年、液晶プロジェクタはプレゼンテーションやホームシアターにおける大画面表示機器として使用される機会が多くなっており、各種の方式が開発されている。特に、３原色における個々の単色光を処理する投射表示装置には反射型液晶表示素子が用いられているが、その反射型液晶表示素子は、透明電極を表面に形成した一方の基板と画素毎の反射電極と駆動回路をマトリクス状に配置した他方の基板とを対向させ、その対向面間に液晶層を挟持させた構造を有しており、液晶の駆動回路を表示画素の下側に配置させて作り込むことができることから、同表示素子を用いた投射表示装置では高解像度で明るい画像表示が可能である。
【０００３】
また、液晶表示素子では液晶分子の複屈折性を利用して光の透過制御を行っているために液晶の配向方式が画像の表示品質に大きく影響するが、垂直配向型（ホメオトロピック配列モード）液晶は高いコントラストが得られ、応答速度も速いことから注目されている。即ち、水平配向型（ホモジニアス配列モード）液晶では、各基板間に電圧を印加しない状態で液晶分子が基板面にほぼ水平に配列し、電圧を印加した状態で液晶分子がその誘電異方性に基づいて基板面に垂直に配列することにより白／黒の表示を実現するが、垂直に配列した際にも各基板に施されている配向膜近傍の液晶分子は水平に近い角度を保つため、リターデーションが生じて黒レベルを悪くする（即ち、コントラストが低下する）のに対して、垂直配向型液晶では、負の誘電異方性により各基板間に電圧を印加しない状態では液晶分子が基板面にほぼ垂直な方向に配列し、電圧を印加した状態で基板面に水平に配列するため、高いコントラストが得られると共に、小さい駆動電力で速い動作速度が実現できるという利点がある。
【０００４】
但し、垂直配向型液晶においては、電圧の非印加状態で液晶分子を基板面に対して完全に垂直に立った状態で配向させていると、電圧の印加状態になった際に各液晶分子の倒れる方向がばらばらになり、ディスクリネーションが発生して画質の劣化を招く。従って、垂直配向型液晶では、図１１に示すように、電圧の非印加状態で各液晶分子が一定方向へ僅かな傾斜を保つようにプレチルト角θpが付与されている。尚、同図の角度：ψは前記長軸を基板面へ投影させた方位と基板上の所定軸とがなす方位角である。
【０００５】
そして、垂直配向型液晶を用いた反射型液晶表示素子に対する偏光光の入反射光学系にワイヤーグリッドタイプの偏光ビームスプリッタ（以下、「ＷＧ−ＰＢＳ」という）を用いた投射表示装置によると非常に高いコントラストの投射画像が得られることが知られている（例えば、下記特許文献１）。この投射表示装置は図１２に示すような基本的構成からなる。同図において、１は反射型液晶表示素子、２は反射型液晶表示素子１に対して４５°の傾斜角をもって配置されたＷＧ-ＰＢＳ、３はＷＧ-ＰＢＳ２で反射された変調光を検光する検光子（例えば、偏光板）である。また、ＷＧ-ＰＢＳ２のワイヤーグリッド（ＷＧ）２aは反射型液晶表示素子１に対して平行な関係になっている。従って、ＷＧ-ＰＢＳ２へ入射した照明光は反射型液晶表示素子１への入射光となるＰ偏光と反射光となるＳ偏光に分離され、透過光であるＰ偏光が反射型液晶表示素子１へ入射される。反射型液晶表示素子１では入射したＰ偏光を画像信号に応じて変調し、その反射変調光がＷＧ-ＰＢＳ２へ戻るが、ＷＧ-ＰＢＳ２では変調されたＳ偏光のみを反射して投射光とすると共に、Ｐ偏光は透過させて照明光に逆行した戻り光とする。
【０００６】
反射型液晶表示素子１は、透明電極である透明基板１１と、画素毎の反射電極と駆動回路をマトリクス状に配置したアクティブマトリクス基板１２とを対向配置させて、その隙間に液晶層１３を挟持させていると共に、透明基板１１とアクティブマトリクス基板１２における液晶層１３側の各表面に配向膜１４，１５を施すことにより、各液晶分子には図１１に示した液晶配向条件が付与されている。その場合、液晶分子にプレチルト角θpを与えていると、僅かであっても液晶層１３の面内方向にリターデーションが生じてコントラストの低下を招く。この問題に対しては、反射型液晶表示素子１の偏光入反射側に位相補償板を設けて位相差を補正する方法が採用されており、例えば、本願発明者の米国特許出願である下記特許文献２には位相補償板の遅相軸の角度と液晶分子の方位角との関係が開示されている。
【０００７】
また、以上では反射型液晶表示素子を用いた投射表示装置について説明したが、前記構成の投射表示装置を単色光処理用に用いた３板式液晶プロジェクタについても各種の提案（例えば、下記特許文献３，４等）がなされている。一般的な３板式液晶プロジェクタの光学的構成は図１３に示される。同図において、４０は色合成プリズムであり、その周囲の３面（入射面）に赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の各単色光を処理する各投射表示装置１０R，１０G，１０Bが配置されている。尚、色合成プリズム４０の内部には、赤色光だけを反射させて緑色光と青色光とを透過させる光学多層膜４０rと、青色光だけを反射させて緑色光と青色光とを透過させる光学多層膜４０bとを垂直な関係で交叉させて形成されている。
【０００８】
各投射表示装置１０R，１０G，１０Bにおいては、色合成プリズム４０の各入射面と平行になるように導光された各色の照明光がＷＧ-ＰＢＳ２r，２b，２gを透過し、Ｐ偏光となって反射型液晶表示素子１r，１b，１gへ入射する。反射型液晶表示素子１r，１b，１gで変調された反射変調光はＷＧ-ＰＢＳ２r，２b，２gへ戻り、ＷＧ-ＰＢＳ２r，２b，２gで変調光のＳ偏光を反射させて、検光子３r，３b，３gを通じて色合成プリズム４０の各入射面へ入射させる。従って、色合成プリズム４０の各入射面には赤，緑，青の各変調光が入射されるが、赤色変調光と青色変調光とは各多層膜４０r，４０bで反射され、緑色変調光は各多層膜４０r，４０bを透過し、赤，緑，青の各色の変調光が合成されて投射光学系５６へ出射される。
【０００９】
尚、５０，５３，５５はレンズ、５１は青色光のみを反射させて赤色光と緑色光を透過させるダイクロイックミラー、５２は緑色光のみを反射させて赤色光を透過させるダイクロイックミラー、５４は通常のミラーであり、それらによって光源のランプ（図示せず）の照明光を赤，緑，青の各単色光に分離して各投射表示装置に導くようになっている。
【特許文献１】米国特許出願公開第２００３／０１２８３２０号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００３／０１６４９０９号明細書
【特許文献３】米国特許第６８５７７４７号明細書
【特許文献４】特開２００２−０９８９３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、上記のように、垂直配向型液晶を用いた反射型液晶表示素子にＷＧ−ＰＢＳを組み合わせた投射表示装置によると高いコントラストが得られるとされているが、そのための液晶配向条件は明らかにされていない。特に、投射表示装置では、明状態（電圧の印加状態で液晶分子が倒れている状態）で大きな明るさが得られると共に、暗状態では出力（明るさ）を可能な限り小さくすることにより高いコントラストを実現することが必要であるが、そのための理想的な液晶配向条件は未知である。また、そのような理想的な液晶配向条件を設定しても、液晶分子にプレチルト角θpを与えていることによる液晶層の面内方向にリターデーションは存在するため、そのリターデーションを位相補償板で補償すれば更にコントラストの改善が図れる。
【００１１】
そこで、本発明は、前記構成の投射表示装置において、より高いコントラストを得るための液晶配向条件と位相補償板の条件を求め、以って高品質な映像投射を可能にすることを目的として創作された。また、本発明は、前記条件の投射表示装置を３板式液晶プロジェクタに用いる場合において、より高いコントラストで高品質なカラー映像の投射を実現するための投射表示装置の合理的な適用条件も提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
第１の発明は、透明電極を表面に形成した第１基板と画素毎の反射電極と駆動回路をマトリクス状に配設した第２基板とを平行に対向させ、前記各基板の対向面間に誘電異方性が負のネマティック液晶を所定のプレチルト角を付与した状態で挟持させることにより液晶層を構成した反射型液晶表示素子と、偏光分光面が前記第１基板に対して傾斜しており、前記偏光分光面の各ワイヤーグリッドが前記第１基板と平行な関係を有するように配置されたＷＧ−ＰＢＳとを備え、前記ＷＧ−ＰＢＳが照明光に含まれる一方の偏光成分だけを透過させて前記反射型液晶表示素子へ垂直に入射させ、前記反射型液晶表示素子から出射される反射変調光の内の前記偏光成分とは逆の偏光成分だけを反射させて投射光とする投射表示装置において、前記液晶層の液晶分子の長軸を前記第２基板へ垂直に投影させた際の前記第２基板上での線分が、前記ワイヤーグリッドを前記第２基板へ垂直に投影させた際の前記第２基板上での直線の方向に対して時計回り方向又は反時計回り方向に４２°乃至４８°の角度をなすと共に、前記線分の両端部における前記液晶分子の前記第２基板側の端部に対応する方の端部が、他方の端部よりも前記偏光分光面を含む面と前記第２基板を含む面との交叉側に位置するように液晶配向条件を設定したことを特徴とする投射表示装置に係る。
【００１３】
反射型液晶表示素子において、明状態で最大出力（明るさ）が得られる条件は、液晶層の液晶分子を基板面に投影させた線分の方向と入射偏光の振動方向とのなす角度が４５°の場合であるとされている。但し、液晶分子にはプレチルト角が付与されていると、明状態で最大出力が得られる条件としては、入射偏光光の方向を基準線とした方位角でみると４５°，１３５°，２２５°，３１５°の４つの条件があり、実際にそれらの条件に基づいた液晶配向では大きな明るさを得ることができる。しかし、前記の４つの方位角の中においても、コントラストの観点からは２２５°，３１５°の液晶配向条件の方が相当に優れた結果が得られる。即ち、明状態においては前記４つの方位角の条件で明るさに差はないが、暗状態での出力の低さに比較的大きな差が認められる。この理論的根拠は不明であるが、実験的には確実な再現性をもって確認できる。また、４５°，１３５°の液晶配向条件の場合と２２５°，３１５°の液晶配向条件の場合との対比でみると、コントラストは±３°の範囲で後者に優位性がある。
【００１４】
第２の発明は、第１の発明の投射表示装置において、前記ＷＧ−ＰＢＳと前記反射型液晶表示素子との間に、前記第１基板と平行な関係を有する位相補償板を設け、前記液晶層の液晶分子の長軸を前記第２基板へ垂直に投影させた際の前記第２基板上での線分が、前記ワイヤーグリッドを前記第２基板へ垂直に投影させた際の前記第２基板上での直線の方向に対して時計回り方向に４２°乃至４８°の角度をなしている方を第１の液晶配向条件、反時計回り方向に４２°乃至４８°の角度をなしている方を第２の液晶配向条件として、前記第１の液晶配向条件では、前記位相補償板の遅相軸の方向が前記ワイヤーグリッドを前記第２基板へ垂直に投影させた際の直線の方向に対して反時計回り方向へ７７°乃至８７°の角度をなすように設定され、前記第２の液晶配向条件では、前記位相補償板の遅相軸の方向が前記ワイヤーグリッドを前記第２基板へ垂直に投影させた際の直線の方向に対して時計回り方向へ７７°乃至８７°の角度をなす方向に設定されていることを特徴とする投射表示装置に係る。
【００１５】
この第２の発明は、第１の発明の投射表示装置に対して位相補償板を適用して更に高いコントラストを得るものであり、位相補償板の遅相軸の方向を与えている。第１の発明で特定した第１及び第２の液晶配向条件についてそれぞれ最適な遅相軸の方向が定まるが、それぞれ±５°の範囲内で位相補償板を設けたことによるコントラストの向上が望める。
【００１６】
第３の発明は、第２の発明の投射表示装置において、前記反射型液晶表示素子の画素配設領域が前記ＷＧ−ＰＢＳのワイヤーグリッドの方向を長辺とする長方形であり、前記位相補償板は、その平面形状が前記画素配設領域より大きい長方形であって、面内のリターデーションが２０±５（ｎｍ）として構成されており、その平面形状の中心を前記画素配設領域の中心に立てた垂線上に位置させて回動自在に支持されていると共に、前記第１の液晶配向条件の場合には、前記位相補償板の遅相軸がその平面形状の短軸方向に対して反時計回り方向に３°乃至１３°の方向に設定され、前記第２の液晶配向条件の場合には、前記位相補償板の遅相軸がその平面形状の短軸方向に対して時計回り方向に３°乃至１３°の方向に設定されている投射表示装置に係る。
【００１７】
この第３の発明は、第２の発明で適用される位相補償板を実際に投射表示装置に設置する場合に、位相補償板を小型化して、調整も容易にするための構成に関する。
【００１８】
第４及び第５の発明は３板式液晶プロジェクタに係るものである。ここで、３板式液晶プロジェクタは、光の３原色の内のいずれか１色の光のみを選択的に反射し、他色の光を透過させる２枚の光学多層膜が垂直な関係で形成されており、前記各光学多層膜による反射光の色が異なっている色合成プリズムと、その色合成プリズムの３つの入射面にそれぞれ配置され、前記各光学多層膜の配置条件に対応した色の変調光を入射させる投射表示装置とからなる構成を備えたものであり、以下の第４及び第５の発明では、その投射表示装置について前記第１から第３の発明に係る投射表示装置を合理的に適用することにより、高いコントラストで高品質なカラー映像の投射を実現する。
【００１９】
第４の発明は、前記各投射表示装置に第１、第２、又は第３の発明の投射表示装置における液晶の配向条件が同一であるものを適用し、それら投射表示装置の内で前記色合成プリズムの各光学多層膜によって反射される色の変調光を入射させる２つの投射表示装置は、相互に前記色合成プリズムの出射光軸に関して１８０°回転させた設置関係を有していることを特徴とする３板式液晶プロジェクタに係る。
【００２０】
この第４の発明の３板式液晶プロジェクタによれば、各投射表示装置の液晶分子の配向方向を光学経路を経てスクリーン上に投影させた場合に、その投影線の方向は一致しないが、第１、第２、又は第３の発明の投射表示装置における２つの液晶配向条件の内の一方の条件で製造したものだけで構成でき、１種類の液晶配向条件の反射型液晶表示素子を用意しておけば足りる。
【００２１】
第５の発明は、前記各投射表示装置に第１、第２、又は第３の発明の投射表示装置を適用し、それら投射表示装置の内で、前記色合成プリズムの各光学多層膜によって反射される色の変調光を入射させる２つの投射表示装置は、相互に前記色合成プリズムの出射光軸に関して１８０°回転させた設置関係を有しており、前記色合成プリズムの各光学多層膜を透過する変調光を入射させる投射表示装置には、前記２つの投射表示装置の液晶配向条件と異なる方の液晶配向条件のものを適用することを特徴とする３板式液晶プロジェクタに係る。
【００２２】
この第５の発明の３板式液晶プロジェクタによれば、第１、第２、又は第３の発明の投射表示装置における２つの液晶配向条件のものを用いているため、２種類の反射型液晶表示素子を用意しておかなければならないが、各投射表示装置の液晶分子の配向方向を光学経路を経てスクリーン上に投影させた場合にその投影線の方向が一致する。前記方向が一致しない場合には、スクリーン上に斜め線が表示された時に、その線に沿って関係のない色が表示されてしまう傾向があるが、この第５の発明ではそれを防止できる。
【発明の効果】
【００２３】
第１及び第２の発明は、液晶層が誘電異方性が負のネマティック液晶に所定のプレチルト角を付与して構成されている反射型液晶表示素子とＷＧ−ＰＢＳとの組合せからなる投射表示装置において、明状態での明るさを大きく確保しながら、高いコントラストを得ることを可能にする。第３の発明の投射表示装置は、位相補償板の挿入によって更に高いコントラストを実現し、また位相補償板を小型化すると共に、調整工程を容易にする。
【００２４】
第４及び第５の発明ではいずれの投射表示装置も第１から第３の発明の条件で適用できるため、明るく高いコントラストのカラー映像表示が実現できる。また、第４の発明は、反射型液晶表示装置を用いた投射表示装置を色合成プリズムの各入射面に配置させた方式の３板式液晶プロジェクタにおいて、各投射表示装置の液晶分子の配向方向のスクリーン上への投影線分の方向が全て一致する条件にはならないが、第１、第２、又は第３の発明の投射表示装置における一方の液晶配向条件によるものだけで構成でき、反射型液晶表示素子の製造が１種類で足りるために製造・組立工程及び部品管理の簡素化が図れ、歩留まりの向上も図れる。第５の発明は、前記第４の発明とは逆に、液晶配向条件が２種類の反射型液晶表示素子を用意しなければならないが、各投射表示装置の液晶分子の配向方向のスクリーン上への投影線分の方向が全て一致し、スクリーン上の斜め線に意図しない色が表示されてしまうことを防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の投射表示装置及び３板式液晶プロジェクタの各実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
［実施形態１］
この実施形態の投射表示装置の基本的構成は図１２に示したものと同様であり、反射型液晶表示素子１とＷＧ-ＰＢＳ２と検光子３とからなる。従って、その光学的基本機能も上記のとおりであり、ここでは重複を避けてその説明は省略する。
【００２６】
この実施形態の特徴は、反射型液晶表示素子１の液晶層１３における液晶配向がＷＧ-ＰＢＳ２との関係で図１又は図２に示すような条件になっている点にある。各図において、液晶には誘電異方性が負のネマティック液晶が用いられており、液晶分子１６-１，２にはプレチルト角θpが付与されているが、先ず、液晶分子１６-１，２の長軸をアクティブマトリクス基板１２側に投影させた際の線分（以下「投影線分」という）１７-１，２は、ＷＧ-ＰＢＳ２のワイヤーグリッド２a（反射型液晶表示素子１の各基板１１，１２と平行）をアクティブマトリクス基板１２側へ垂直に投影させた際の同基板１２上での直線の方向に対して時計回り方向（図１）又は反時計回り方向（図２）にそれぞれ４５°（＝α）の角度をなしている。また、投影線分１７-１，２の両端部における液晶分子１６-１，２のアクティブマトリクス基板１２側の端部に対応する方の端部が、他方の端部よりもＷＧ-ＰＢＳ２の偏光分光面（ワイヤーグリッド２aの形成面）を含む面とアクティブマトリクス基板１２を含む面との交叉側に位置している。
【００２７】
そして、前記液晶配向条件について、見方を変えて図１及び図２のようにアクティブマトリクス基板１２にｘ-ｙ-ｚ軸をとって投影線分１７-１，２をベクトルで表すと、各ベクトル１７v-１，２はｘ-ｙ平面上で図３のように示される。同図に基づいて、液晶分子１６-１，２の方位角をｘ軸からの反時計回りの角度ψで定義した場合には、前記のベクトル１７v-１はψ＝２２５°、１７v-２は３１５°となる。
【００２８】
ところで、一般に、反射型液晶表示素子において、明状態で最大出力（明るさ）が得られる液晶配向は、液晶層の液晶分子を基板面に投影させた線分の方向と入射偏光の振動方向とのなす角度が４５°の場合とされている。即ち、図３において、４５°，１３５°，２２５°，３１５°の４つの方位角ψにおいて明状態で最大出力（明るさ）が得られるとされている。具体的には、液晶表示素子における出力Ｔは、例えば米国特許第４１２７３２２号明細書中に示されているように、次の数式(1)で表すことができ、
Ｔ=Ｋ＊sin2（２ψ）＊sin2（π・Δneff・ｄ/λ）・・・・・・(1)
［但し、Ｋは定数、ψは方位角、Δneffは液晶分子の実効的な複屈折、ｄは液晶セルの厚さ、λは入射する偏光の波長］
最大出力が得られる方位角ψが４５°，１３５°，２２５°，３１５°であることを理解できる。
【００２９】
そこで、図１２に示した反射型液晶表示素子１とＷＧ-ＰＢＳ２とから構成されている投射表示装置において、反射型液晶表示素子１における液晶層１３の液晶のプレチルト角をθp＝８２°とし、方位角ψを４５°，１３５°，２２５°，３１５°にそれぞれ設定して、明状態（電圧の非印加状態）と暗状態（電圧の印加状態）で検光子３からの出射偏光光の明るさを計測してコントラスト比を求めたところ、次の表１の結果が得られた。
【表１】
0004661510.tif 000002
【００３０】
誘電異方性が負のネマティック液晶の場合、電圧の非印加状態では液晶分子が垂直に近く立っているため、液晶分子の実効的な複屈折Δneffは小さく、光出力は小さくなる。一方、電圧の印加状態では液晶分子の傾きが水平方向に倒れるため、液晶分子の実効的な複屈折Δｎeffが大きくなって光出力が大きくなる。適度な電圧をかけた時にsin2（π・Δneff・ｄ/λ）が１となる様に液晶セル厚ｄを選定するため、それ以上の電圧では明るさは逆に小さくなり、電圧をかけると明るさのピークが現れることとなる。コントラスト比はその明るさのピーク（明状態）と暗状態との比として与えられるが、前記数式(1)の中ではsin2（２ψ）のみが方位角ψを含んでいるため、前記の４つの方位角ψ：４５°，１３５°，２２５°，３１５°では同一のコントラスト比が得られる筈である。
【００３１】
しかるに、表１によれば、明状態での明るさは測定誤差範囲内で同一とみなされるが、暗状態の明るさは方位角ψ＝４５°，１３５°の場合と方位角ψ＝２２５°，３１５°の場合とで比較的大きく異なっており、結果的に後者の方位角の場合の方で大きなコントラスト比が得られ、前者の方位角の場合との差もかなり大きくなっている。そして、その結果には再現性があり、前記投射表示装置の基本的構成において、反射型液晶表示素子１を交換しても、また同一の反射型液晶表示素子１を水平に保った状態で回転させる実験を行っても、前記の方位角ψ＝２２５°，３１５°の条件で大きなコントラスト比が得られるという結果は変らなかった。
【００３２】
また、方位角ψを２２５±３°，３１５±３°の範囲とした場合に得られる最小のコントラスト比と方位角ψを４５±３°，１３５±３°の範囲とした場合に得られる最大のコントラスト比とを比較した場合においても、前者の方が大きなコントラスト比になっていた。即ち、実施形態の投射表示装置によれば、方位角ψが２２５±３°，３１５±３°（図１から図３におけるαが４５±３°）である液晶配向条件において、明状態の出力（明るさ）を大きく確保しながら、最大限のコントラスト比を実現することが可能になる。
【００３３】
［実施形態２］
この実施形態の投射表示装置の基本的構成は図４に示され、実施形態１の投射表示装置における反射型液晶表示素子１とＷＧ-ＰＢＳ２との間に位相補償板２０を介在させて、液晶層１３の面内方向のリターデーションに起因して生じるコントラストの低下をなくし、更に高いコントラストを実現するものである。従って、光学要素として位相補償板２０が追加されただけであり、他の基本的構成は実施形態１の投射表示装置と同様である。
【００３４】
図５（Ａ）は反射型液晶表示素子１の液晶層１３の液晶配向と位相補償板２０の遅相軸２１の方向との関係を模式的に示す図であり、同図において、位相補償板２０に仮定したｘ-ｙ-ｚ軸は実施形態１でアクティブマトリクス基板１２側に仮定したｘ-ｙ-ｚ軸をそのまま位相補償板２０の位置まで移動させたものである。この実施形態では、投射表示装置に緑色光を入射させた状態で電圧を印加させて暗状態を設定し、ｘ-ｙ平面でｘ軸と遅相軸２１のなす角度ζを０°から３６０°まで変化させて各角度での出力（明るさ）を計測した。具体的には、反射型液晶表示素子１の液晶配向が実施形態１の条件で設定されている投射表示装置における反射型液晶表示素子１とＷＧ-ＰＢＳ２との間に、遅相軸２１が所定方向に設定された円板状リターダを回動自在に支持しておき、リターダを回転させることにより遅相軸２１の角度ζを変化させて検光子３からの出射偏光光の明るさを計測した。
【００３５】
その計測の結果は図６及び図７に示され、図６は反射型液晶表示素子１の液晶分子の方位角ψが２２５°である場合、図７は同方位角ψが３１５°である場合であり、それぞれ明るさ（Output）をＭＡＸ＝１とした比率で表してある。（尚、液晶分子のプレチルト角θpは８２°であり、また各図では参考のためにそれぞれ方位角ψが４５°と１３５°の場合も示してある。）各図から明らかなように、方位角ψが２２５°である場合には、遅相軸２１の角度ζが９７°〜９８°と更に１８０°回転した２７７°〜２７８°において明るさが最も低くなっており、方位角ψが３１５°である場合には、遅相軸２１の角度ζが８２°〜８３°と更に１８０°回転した２６２°〜２６３°において明るさが最も低くなっている。従って、液晶分子の方位角ψ＝２２５°，３１５°と遅相軸２１の前記角度ζとをアクティブマトリクス基板１２側に仮定したｘ-ｙ座標上に平面的にまとめると図５（Ｂ）のようになり、同図においてβは７°〜８°となる。
【００３６】
また更に、液晶分子の方位角ψが２２５°，３１５°，４５°，１３５°の場合において、図６及び図７で示したように明るさが極小値となる位相補償板２０の遅相軸２１の角度ζ（４つの角度）を求め、それぞれの遅相軸２１の角度ζで赤，緑，青の各照明光を入射させてコントラスト比を求めて評価すると、その結果は次の表２のようになった。但し、同表におけるコントラスト比は、１５００：１以下の場合を×、１５００：１より大きく１８００：１以下の場合を△、１８００：１より大きく２２００：１以下の場合を○、２２００：１より大きい場合を◎として示してある。
【表２】
0004661510.tif 000003
【００３７】
この表２からも明らかなように、反射型液晶表示素子１の液晶分子の方位角ψが２２５°の場合には、位相補償板２０の遅相軸２１の角度ζを９７°（光学的にはζ＝２７７°の場合も等価）に設定することにより、また、反射型液晶表示素子１の液晶分子の方位角ψが３１５°の場合には、位相補償板２０の遅相軸２１の角度ζを８３°（光学的にはζ＝２６３°の場合も等価）に設定することにより、赤，緑，青の全ての入射光について高いコントラスト比が得られている。そして、各実験結果に基づくと、液晶分子の方位角ψを２２５±３°と３１５±３°の範囲とした場合において、位相補償板２０の遅相軸２１の角度ζをそれぞれ９３°〜１０３°と７７°〜８７°の範囲で設定していれば、液晶層１３の面内方向のリターデーションによるコントラストの低下を有効に防止でき、更に高いコントラストが実現できた。
【００３８】
尚、前記実験では位相補償板２０に円板状のリターデーションプレートを用いているが、反射型液晶表示素子１の画素配設領域はＷＧ−ＰＢＳ２のワイヤーグリッドの方向を長辺とする長方形であることが多く、実際には、位相補償板２０は、その平面形状が前記画素配設領域より少し大きいサイズの長方形として形成される。そして、液晶層１３の面内方向のリターデーションは約５〜１５（ｎｍ）であることから、位相補償板２０の面内方向のリターデーションは２０±５（ｎｍ）とし、また、遅相軸２１の方向については、液晶層１３の液晶分子の方位角ψが２２５±３°に設定されている場合には、前記長方形の短軸方向に対して反時計回り方向に３°〜１３°の方向に設定し、液晶層１３の液晶分子の方位角ψが３１５±３°に設定されている場合には、前記長方形の短軸方向に対して時計回り方向に３°〜１３°の方向に設定しておく。
【００３９】
これは、位相補償板２０の面内方向のリターデーションを１５（ｎｍ）より小さくすると回転調整角度が大きくなり過ぎて、位相補償板２０を大きなサイズで形成しておかねばならない等の不利があり、逆に２５（ｎｍ）より大きくすると回転調整角度の精度が厳しくなり、コントラストも低下するという不利があるからであり、また、遅相軸２１の前記角度条件は、位相補償板２０を反射型液晶表示素子１の画素配設領域にほぼ対応させて取り付ければ、図５（Ｂ）に示したように遅相軸２１がほぼ最適方向となるようにするものである。
【００４０】
［実施形態３］
この実施形態は３板式液晶プロジェクタに係り、特に前記実施形態１又は２の投射表示装置を適用して可能な限り高いコントラストで高品質なカラー画像の表示を実現するための構成に関する。先ず、この実施形態の３板式液晶プロジェクタの基本的構成は図１３に示した従来技術に係るものと同様であり、色合成プリズム４０の３面（入射面）に各単色光を処理する各投射表示装置１０R，１０G，１０Bが配置されており、色分解・導光光学系５１〜５５によって各単色光が各投射表示装置１０R，１０G，１０Bに入射され、各投射表示装置１０R，１０G，１０Bで変調を受けた各単色偏光光が色合成プリズム４０で合成されて投射光学系５６によりスクリーン上にカラー映像として投射されるようになっている。但し、各要素の光学的機能については既に従来技術で述べているため、ここではその説明を省略する。
【００４１】
今、図８に示すような３板式液晶プロジェクについて考察してみる。但し、同図において各投射表示装置１０R，１０G，１０Bの反射型液晶表示素子１r，１b，１gの側面に付加されている記号△は素子の表裏と取り付け態様を認識させるために便宜的に付加したものであり、また、下側の表内の図は、反射型液晶表示素子１r，１b，１gを背面から見た平面図であって、液晶分子をアクティブマトリクス基板１２側へ投影させた場合の線分をベクトルで表すと共に、素子全体の取り付け方向を前記記号の対応位置と検光子３の位置をもって表してある。図８の３板式液晶プロジェクにおいて、各投射表示装置１０R，１０G，１０Bに用いられている反射型液晶表示素子１r，１b，１gは、記号△等の表記するところに基づけば全て同一の液晶配向条件で作製されたものである。従って、この３板式液晶プロジェクについては、１種類の仕様に基づく反射型液晶表示素子のみを用意しておけばよい。
【００４２】
しかし、各投射表示装置１０R，１０G，１０Bにおける反射型液晶表示素子１r，１b，１gの液晶分子の線分を色合成プリズム４０を経てスクリーン上に投影させると、投射表示装置１０Rと１０Bの前記線分は同一方向になるが、他の投射表示装置１０Gの前記線分については９０°異なった方向になり、また、投射表示装置１０Rについては実施形態１で説明した最適条件を満たしていない。その場合、スクリーンにおける投影線分の方向に相違があると投射映像の斜め線に本来の色ではない色が表示されて映像の表示品質が低下し、実施形態１の最適条件でない場合には必然的にその色に係るコントラストが低下することになる。
【００４３】
そこで、この実施形態では、先ず、投射表示装置１０Rを図９に示すような条件で配置する。即ち、図８における投射表示装置１０Rの反射型液晶表示素子１rを１８０度回転させた構成とし、実施形態１の最適条件を満たすようにする。換言すれば、色合成プリズム４０の各光学多層膜４０r，４０bによって反射される色の変調光を入射させる投射表示装置１０Rと１０Bを、相互に色合成プリズム４０の出射光軸に関して１８０°回転させた設置関係になるようにする。この図９に示す配置条件によれば、図８の場合と同様にスクリーンにおける投影線分の方向を揃えることはできないが、反射型液晶表示素子は１種類の仕様に基づくものだけを用意しておけば足り、各投射表示装置１０R，１０G，１０Bが全て実施形態１の最適条件を満たすために、３原色について均衡がとれた高いコントラストでの映像表示が可能になる。
【００４４】
また、図９における投射表示装置１０Gの反射型液晶表示素子１gについて液晶分子の線分の方向が９０°異なるものを用いれば、図１０に示すように、３原色についてスクリーンにおける投影線分の方向を全て一方向へ揃えることができ、投射映像の斜め線に本来の色ではない色が表示されてしまうことを防止できる。そして、この場合には反射型液晶表示素子として２種類の仕様に基づくものを用意しておく必要があるが、投射表示装置１０R，１０Bと投射表示装置１０Gとは、実施形態１の最適条件とされる２つの液晶配向条件から選択されているため、図８の場合と同様に３原色について均衡がとれた高いコントラストでの映像表示が可能になる。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明は、反射型液晶表示素子とＷＧ-ＰＢＳとの組合せからなる投射表示装置、及びその投射表示装置と色合成プリズムの組合せからなる３板式液晶プロジェクタに適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】実施形態１の投射表示装置における反射型液晶表示素子の液晶層の液晶配向とＷＧ-ＰＢＳとの関係を示す模式図である。
【図２】実施形態１の投射表示装置における反射型液晶表示素子の液晶層の液晶配向とＷＧ-ＰＢＳとの関係を示す模式図である。
【図３】液晶分子の投影線分をアクティブマトリクス基板側に仮定したｘ-ｙ座標上に表して液晶配向条件を説明する図である。
【図４】実施形態２の投射表示装置の構成図である。
【図５】（Ａ）は反射型液晶表示素子の液晶層の液晶配向と位相補償板の遅相軸の方向との関係を示す模式図、（Ｂ）は液晶分子の投影線分と位相補償板の遅相軸の方向をアクティブマトリクス基板側に仮定したｘ-ｙ座標上に表して液晶配向条件と位相補償板の遅相軸との関係を示した図である。
【図６】投射表示装置において、反射型液晶表示素子の液晶層の液晶方位角を２２５°として、暗状態での位相補償板の遅相軸の回転角度と出力（明るさ）との関係を表したグラフである。（参考として液晶方位角が４５°の場合も表してある。）
【図７】投射表示装置において、反射型液晶表示素子の液晶層の液晶方位角を３１５°として、暗状態での位相補償板の遅相軸の回転角度と出力（明るさ）との関係を表したグラフである。（参考として液晶方位角が１３５°の場合も表してある。）
【図８】比較例としての３板式液晶プロジェクタの構成と、３原色光に係る各投影表示装置の条件検討表と、液晶分子をアクティブマトリクス基板側へ投影させた場合の投影成分をスクリーン上に投射させた場合の状態を示す図である。
【図９】実施形態３の３板式液晶プロジェクタの構成と、３原色光に係る各投影表示装置の条件検討表と、液晶分子をアクティブマトリクス基板側へ投影させた場合の投影成分をスクリーン上に投射させた状態とを示す図である。
【図１０】実施形態３の他の３板式液晶プロジェクタの構成と、３原色光に係る各投影表示装置の条件検討表と、液晶分子をアクティブマトリクス基板側へ投影させた場合の投影成分をスクリーン上に投射させた状態とを示す図である。
【図１１】電圧の非印加状態における垂直配向型液晶の配向状態を示す図である。（プレチルト角と方位角との定義も兼ねている。）
【図１２】従来の投射表示装置の投射表示装置の構成図である。
【図１３】従来の３板式液晶プロジェクタの構成図である。
【符号の説明】
【００４７】
１，１r，１g，１b…反射型液晶表示素子、２，２r，２g，２b…ＷＧ-ＰＢＳ（ワイヤーグリッドタイプの偏光ビームスプリッタ）、２a…ＷＧ（ワイヤーグリッド）、３，３r，３g，３b…検光子、１０R，１０G，１０B…投射表示装置、１１…透明基板（透明電極）、１２…アクティブマトリクス基板、１３…液晶層、１４，１５…配向膜、１６-１，１６-２…液晶分子、１７-１，１７-２…投影線分、１７v-１，１７v-…ベクトル、２２０…位相補償板、２１，２１-１，２１-２…遅相軸、４０…色合成プリズム、４０r，４０b…光学多層膜、５０，５３，５５…レンズ、５１，５２…ダイクロイックミラー、５３…ミラー。
【図１】
0004661510.tif 000004
【図２】
0004661510.tif 000005
【図３】
0004661510.tif 000006
【図４】
0004661510.tif 000007
【図５】
0004661510.tif 000008
【図６】
0004661510.tif 000009
【図７】
0004661510.tif 000010
【図８】
0004661510.tif 000011
【図９】
0004661510.tif 000012
【図１０】
0004661510.tif 000013
【図１１】
0004661510.tif 000014
【図１２】
0004661510.tif 000015
【図１３】
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