(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
照明系を有する画像投射装置に用いられる液晶表示素子であって、
一対の基板間に配置された液晶層と、
前記一対の基板のうち光入射側基板から離れて配置され、前記照明系から前記液晶層の画像表示領域に向かう照明光が通過する開口部を有するとともに前記画像表示領域よりも外側の領域に向かう照明光を遮る遮光部材と、
前記一対の基板のうち少なくとも一方の基板と前記液晶層との間に配置され、前記液晶層内に存在するイオン性不純物を吸着する吸着膜とを有し、
前記吸着膜は、前記画像表示領域よりも外側であって、かつ前記開口部の内周縁よりも外側の領域に配置されており、
前記液晶層の面内方向に対して直交する断面において、
前記開口部の内周縁を通り前記液晶層の厚み方向に延ばした基準線に対する、前記開口部を通過する光の拡がり角をθとし、前記遮光部材から前記吸着膜が配置された前記基板までの前記基準線に沿った距離をＨとし、前記基準線から前記吸着膜の内端までの前記基準線に直交する方向での距離をＬとするとき、
１．５×Ｈ×ｔａｎθ≦Ｌ
の条件を満足することを特徴とする液晶表示素子。
【請求項２】
前記吸着膜は、前記一対の基板のうち光入射側の基板と前記液晶層との間に配置されることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示装置。
【請求項３】
該液晶表示素子は、反射型であることを特徴とする請求項１又は２に記載の液晶表示素子。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１つに記載の液晶表示素子と、
該液晶表示素子を照明する照明光を射出する照明系と、
前記液晶表示素子から射出した光を被投射面に投射する投射系とを有することを特徴とする画像投射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶表示素子（液晶表示素子）及びこれを用いたプロジェクタ等の画像投射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶表示素子には、透明電極（共通電極）を有する第１の透明基板と、画素を形成する透明電極（画素電極）や配線、スイッチング素子等を有する第２の透明基板との間に誘電異方性が正であるネマチック液晶を封入したものがある。この液晶表示素子は、液晶分子長軸を２枚のガラス基板間で連続的に９０°ねじった、いわゆるＴＮ（Twisted Nematic）液晶表示素子と称され、透過型の液晶表示素子として用いられている。また、上記第２の透明基板に代えて、反射鏡、配線及びスイッチング素子等を有する回路基板を用いたものもある。この液晶表示素子は、液晶分子長軸を２枚の基板に対してほぼ垂直にモメオトロピック配向させた、いわゆるＶＡＮ（Vertical Arrangement Nematic）液晶表示素子と称され、反射型液晶表示素子として用いられている。
【０００３】
これらの液晶表示素子では、一般に、ＥＣＢ（Electrically Controlled Birefringence）効果を利用し、液晶層を通過する光波動にリタデーションを与える作用を制御して画像を形成（表示）する。
【０００４】
このようなＥＣＢ効果を用いて光強度を変調する液晶表示素子においては、液晶層に電界を印加することによって、該液晶層内に存在するイオン性物質が移動する。液晶層に直流電界を与え続けると、イオン性物質が対向する２つの電極のどちらかに引き寄せられる。これにより、電極に与えられる電圧が一定であっても、液晶層に与えられる電界がイオンの電荷によって相殺され、実質的に液晶層へ印加される電界が減衰する。
【０００５】
このような現象を回避するために、一般に、配列画素のラインごとに、印加する電界の正負極性を反転し、かつ該極性を６０ヘルツ等の所定周期で切り換えるライン反転ドライブ方法が採用される。また、配列画素の全てに印加する電界の正負極性を所定周期で反転するフィールド反転ドライブ方法も用いられる。これらのドライブ方法により、液晶層にかかる電界が一定の極性にならないようにし、イオンの偏りを防止することができる。
【０００６】
このことは、液晶層に対する実効電界を、電極に印加される電圧に対して常に同じ値となるようにすることに相当する。
【０００７】
ところが、液晶層に印加される実効電界が変動する要因は、上述したイオン性物質の移動だけではない。他の要因として、絶縁体で構成されている液晶配向膜や反射増強膜や金属溶出防止用の無機パッシベーション膜等の非導電性膜において、電子やホールの電荷そのものがトラッピングされることがある。このトラッピングによって、膜の界面がチャージアップを引き起こし、この静電帯電によって液晶層への実効電界が経時変化する。
【０００８】
この帯電現象は、透過型液晶表示素子においても形状要因で発生するが、対向電極が異材質（ミラー金属とインジウム錫酸化膜〈ＩＴＯ膜〉）である反射型液晶表示素子において特に顕著に発生する。
【０００９】
また、特に液晶表示素子に対して入射する光量が多いプロジェクタ等の画像投射装置において、このような帯電現象が発生し易い。そして、画像投射装置では、電源投入の直後から徐々に液晶層内にてイオン性不純物が偏在する。
【００１０】
液晶層内にイオン性不純物が偏在すると、焼き付きといった残像現象や、輝度むら、さらには表示不良といった画質劣化を発生させる。このため、液晶表示素子においては、イオン性不純物を吸着する吸着膜を形成することにより、液晶層内のイオン性不純物の偏在を抑制することが多い。
【００１１】
ただし、液晶表示素子における画像表示領域内に吸着膜を形成すると、その吸着膜に吸着されたイオン性不純物の影響によって、画像表示領域内の液晶分子の配向状態に乱れが生じたり、吸着膜に吸着したイオン性不純物による電界の分布が発生したりする。これにより、画質の劣化が生じる。
【００１２】
このため、特許文献１には、画像表示領域外に電極パターンを設け、該電極パターンに電界を印加することで、イオン性不純物を吸着させる液晶表示素子が開示されている。
【００１３】
また、その他、吸着膜を画像表示領域外に配置した液晶表示素子が特許文献２に、吸着膜を画像表示領域外の周辺に設けられた遮光部材上に形成した液晶表示素子が特許文献３にそれぞれ開示されている。
【特許文献１】特許第３４９７０９８号公報
【特許文献２】特開２０００−３３８５０５号公報
【特許文献３】特開２００１−２０１７３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、特許文献１にて開示された液晶表示素子では、電極パターンへの電界印加を停止した場合（電源を遮断した場合）に、イオン性不純物が液晶層に拡散してしまう。このため、画質の劣化が発生する。
【００１５】
また、特許文献２にて開示された液晶表示素子では、非画像表示領域に設けられた吸着膜にも光が照射される。吸着膜に吸着されたイオン性不純物に光が照射されると、これが活性化され、液晶層にイオン性不純物が拡散する。特に、イオン性不純物の濃度が高い領域に光が照射されると、液晶分子を分解する可能性も生じ、これが画質の劣化につながる。
【００１６】
さらに、特許文献３にて開示された液晶表示素子では、光が照射された遮光部材が該光を吸収して熱を発生する。このため、遮光部材上に形成された吸着膜に吸着されたイオン性不純物が熱による拡散作用によって液晶層内に拡散してしまう。
【００１７】
本発明は、液晶層内に存在するイオン性不純物を吸着膜に吸着させるだけでなく、吸着されたイオン性不純物の光や熱による拡散や液晶の分解を回避できるようにした液晶表示素子及びこれを用いた画像表示装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明の一側面としての液晶表示素子は、照明系を有する画像投射装置に用いられる。該液晶表示素子は、一対の基板間に配置された液晶層と、該一対の基板のうち光入射側基板から離れて配置され、照明系から液晶層の画像表示領域に向かう照明光が通過する開口部を有するとともに画像表示領域よりも外側の領域に向かう照明光を遮る遮光部材と、該一対の基板のうち少なくとも一方の基板と液晶層との間に配置され、液晶層内に存在するイオン性不純物を吸着する吸着膜とを有する。そして、吸着膜は、画像表示領域よりも外側であって、かつ開口部の内周縁よりも外側の領域に配置されている。そして、前記液晶層の面内方向に対して直交する断面において、前記開口部の内周縁を通り前記液晶層の厚み方向に延ばした基準線に対する、前記開口部を通過する光の拡がり角をθとし、前記遮光部材から前記吸着膜が配置された前記基板までの前記基準線に沿った距離をＨとし、前記基準線から前記吸着膜の内端までの前記基準線に直交する方向での距離をＬとするとき、１．５×Ｈ×ｔａｎθ≦Ｌの条件を満足することを特徴とする。
【００２０】
なお、上記液晶表示素子を用いた画像投射装置も本発明の他の側面を構成する。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、吸着膜を、画像表示領域よりも外側であって遮光部材の開口部の内周縁よりも外側の領域又は開口部を通過した照明光が到達する領域よりも外側に退避した領域に配置したので、吸着膜への光照射を回避できる。このため、吸着膜に光が照射されてそこに吸着されたイオン性不純物が液晶層内に拡散することを抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の好ましい実施例について図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００２３】
図１には、本発明の実施例１である液晶表示素子５０の断面を示している。図１は、後述する液晶層の面内方向に対して直交する断面である。また、図２には、液晶表示素子５０を光入射側から見た図であって、後述する遮光部材を取り除いた状態を示している。さらに、図３は、液晶表示素子５０を光入射側から見た図であって、遮光部材を取り付けた状態を示している。
【００２４】
液晶表示素子５０は、光源（照明系）から射出された光（照明光）ＩＬを反射するとともに画像変調する機能を有する反射型液晶表示素子である。
【００２５】
図１に示すように、液晶表示素子５０は、その本体において、光入射側から順に、光入射側基板としての透過基板５１と、液晶層５５と、駆動基板５６とを有する。液晶層５５は、透過基板５１と駆動基板５６との間（一対の基板間）に配置されている。透過基板５１と駆動基板５６により一対の基板が構成される。
【００２６】
透過基板５１は、ガラス基板５２と、該ガラス基板５２の液晶層側の面に形成された透明電極５３と、該透明電極５３と液晶層５５との間に配置される配向膜５４とを有する。
【００２７】
ガラス基板５２は、光源からの光ＩＬを透過して、後述するＳｉ基板５９と共同して液晶層５５を形成する液晶材料を閉じ込める。
【００２８】
透明電極５３は、ここに電流が流されることによって、液晶層５５の液晶分子に電界を印加する機能を有する。透明電極５３は、インジウムとスズの酸化物であるインジウム・ティン・オキサイド（ＩＴＯ）の薄膜であり、ガラス基板５２の表面に塗布される。また、透明電極５３の表面には、配向膜５４が形成される。
【００２９】
配向膜５４は、液晶分子を一定の方向に向かせる機能を有する。配向膜５４は、透明電極５３の表面にコーティングされた薄膜であり、ＳｉＯ等の無機物を基板表面に斜めに蒸着することで形成された傾斜柱状構造を有する。この傾斜柱状構造により、液晶分子を一定方向に向けて並ばせることができる。
【００３０】
液晶分子は、液晶層５５に印加された電界に応じてその向きを変える。電界が画像信号に応じて変化することで、液晶層５５に該画像信号に対応する画像（後述するプロジェクタにおける原画）を形成することができる。液晶層５５に画像が形成されることにより、ここに入射した光が画像変調される。
【００３１】
液晶材料は、液体と固体の中間状態にあり、コレステリック液晶、スメクティック液晶及びネマティック液晶等の種類がある。本実施例では、液晶材料としてネマティック液晶を使用する。
【００３２】
ネマティック液晶は、液晶分子が、全体に一定方向に向いており、それ以外の規則性が少ない並び方をしている。液晶層５５は、配向膜５４と後述する配向膜５７との間に配置されている。
【００３３】
駆動基板５６は、配向膜５７と、画素電極５８と、Ｓｉ基板５９とを有する。配向膜５７は、前述した配向膜５４と同様に、液晶分子を一定の方向に向かわせる機能を有する。配向膜５７は、Ｓｉ基板５９の表面にコーティングされた薄膜であり、配向膜５４と同様に、ＳｉＯ等の無機物を基板表面に斜めに蒸着することで形成された傾斜柱状構造を有する。
【００３４】
画素電極５８は、Ｓｉ基板５９上に設けられた複数の電極であり、透明電極５３との間に配置された液晶層５５に画素ごとに電界を印加する機能を有する。画素ごとに電界がコントロールされることで、前述したように液晶層５５に画像を形成することができる。
【００３５】
Ｓｉ基板５９は、シリコン（Ｓｉ）により形成され、その液晶層側の面には、図示しないミラーが形成されている。なお、Ｓｉ基板５９に代えて、プラスチック基板等の遮光性を有する基板を使用することもできる。
【００３６】
また、液晶表示素子５０は、光入射側基板である透過基板５１から光ＩＬが入射してくる方向（光源の方向）に離れて配置された遮光部材２０を有する。遮光部材２０は、液晶層５５のうち上述の画像が形成される矩形の画像表示領域１１に向かう光ＩＬが通過する矩形の開口部２０ａを有し（図１参照）、開口部２０ａの外側の枠部分によって画像表示領域１１よりも外側の領域に向かう光ＩＬ′を遮る機能を有する。
【００３７】
透過基板５１と遮光部材２０との間の離間距離は、透過基板５１の厚み（例えば、１０００μm）の０．５倍から２倍程度（０．５倍以上２．０倍以下、好ましくは０．８倍以上１．５倍以下）である。このように遮光部材２０を透過基板５１からある程度大きく離すことで、光ＩＬ′を吸収して発熱した遮光部材２０からの熱が透過基板５１や液晶層５５に伝わりにくくすることができる。
【００３８】
つまり、遮光部材２０は、液晶表示素子５０の本体（透過基板５１や液晶層５５等）に対して熱的に接触しないように間接的に保持されている。
【００３９】
また、遮光部材２０は、アルミニウム、鉄、銅等の金属板により形成されている。また、その表面には、光吸収材料（反射防止材料）として、カーボンやクロム等の蒸着膜が形成されている。
【００４０】
さらに、液晶表示素子５０は、液晶層内に存在するイオン性不純物を吸着する吸着膜１２を有する。吸着膜１２は、駆動基板（一対の基板のうち一方の基板）５６と液晶層５５との間、または配向膜５７と液晶層５５との間に配置されている。吸着膜１２としては、例えば、アルミナ薄膜を使用できる。アルミナ薄膜は多孔質であるため、イオン性不純物を効果的に吸着できる。
【００４１】
また、吸着膜１２として、アルミナ薄膜以外の材料、例えば、イオン性不純物を吸着可能な金属や金属化合物を用いることもできる。また、吸着膜１２を、多孔質材料以外の材料、例えば、微粒子状材料やカラム状分子塊で形成してもよい。また、吸着膜１２は、ポリイミドやポリアミド等の有機化合物で形成してもよい。
【００４２】
なお、本実施例では、吸着膜１２を駆動基板５６と液晶層５５との間に配置した場合について説明するが、吸着膜１２を透過基板５１と液晶層５５との間に配置してもよいし、両基板５１，５６と液晶層５５との間の２箇所に配置してもよい。
【００４３】
ここで、吸着膜１２は、図１及び図３に示すように、画像表示領域１１よりも外側であって、かつ開口部２０ａの内周縁２０ｂよりも外側の領域に配置されている。言い換えれば、吸着膜は、画像表示領域１１よりも外側の領域のうち遮光部材２０の開口部２０ａを通過した光が到達する領域よりも外側に退避した領域に配置されている。以下、この理由を説明する。
【００４４】
まず、吸着膜１２を、画像表示領域１１よりも外側の領域に配置すべき理由は、背景技術の欄で説明した通りである。
【００４５】
次に、吸着膜１２を、開口部２０ａの内周縁２０ｂよりも外側の領域又は遮光部材２０の開口部２０ａを通過した光が到達する領域よりも外側に退避した領域に配置すべき理由について説明する。
【００４６】
第１に、遮光部材２０の開口部２０ａは、液晶表示素子５０の本体と遮光部材２０との配置公差を考慮して、画像表示領域１１よりも大きな開口を有するように形成される。このため、吸着膜１２は、その公差を含む開口部２０ａを考慮して、開口部２０ａを通過した光ＩＬが確実に照射されない領域に形成する必要がある。
【００４７】
第２に、後述するプロジェクタにおいて、光源（照明系）から液晶表示素子５０に入射してくる光（照明光）ＩＬは、基本的には平行光束であることが望ましいが、実際には若干の拡がりを有する。このため、吸着膜１２の内端１２ａを、画像表示領域１１よりも外側の領域ではあるが、開口部２０ａの内周縁２０ｂと同じ位置に配置すると、開口部２０ａを通過した光ＩＬの一部が吸着膜１２に照射される可能性がある。このため、吸着膜１２に吸着されたイオン性不純物が液晶層５５内に拡散するおそれがある。
【００４８】
特に、本実施例のように、遮光部材２０が透過基板５１からある程度大きく離れている場合に光ＩＬが拡がりを有していると、開口部２０ａを通過した光ＩＬの一部が画像表示領域１１から外側にある程度離れた（奥まった）領域まで到達してしまう。
【００４９】
以上の理由により、本実施例では、前述したように、吸着膜１２を、画像表示領域１１よりも外側であって、かつ開口部２０ａの内周縁２０ｂよりも外側の領域又は遮光部材２０の開口部２０ａを通過した光が到達する領域よりも外側に退避した領域に配置している。
【００５０】
なお、上記「開口部２０ａの内周縁２０ｂと同じ位置」とは、図１においては後述する基準線Ｒが通る位置であり、図１においては開口部２０ａの内周縁２０ｂと重なる位置である。また、「開口部２０ａの内周縁２０ｂよりも外側の領域」又は「開口部２０ａを通過した光が到達する領域よりも外側に退避した領域」とは、上記基準線Ｒ又は開口部２０ａの内周縁２０ｂと重なる位置よりも外側に位置する領域という意味である。
【００５１】
さらに、吸着膜１２を設ける領域を、図１に示す液晶層５５の面内方向に対して直交する断面においてより具体的に説明する。
【００５２】
図１において、開口部２０ａの内周縁２０ｂを通り液晶層５５の厚み方向に延ばした線を基準線Ｒとする。また、該基準線Ｒに対する遮光部材２０の開口部２０ａを通過する光ＩＬの拡がり角をθとする。また、遮光部材２０から吸着膜１２が配置された駆動基板５６までの基準線Ｒに沿った距離をＨとする。さらに、基準線Ｒから吸着膜１２の内端１２ａまでの基準線Ｒに直交する方向での距離Ｌをする。このとき、以下の条件を満足することが好ましい。
【００５３】
１．５×Ｈ×ｔａｎθ≦Ｌ  …（１）
条件（１）は、吸着膜１２に対して開口部２０ａを通過した光が到達しない（照射されない）領域を数値的に限定するものである。
【００５４】
より好ましくは、
２．０×Ｈ×ｔａｎθ≦Ｌ  …（２）
を満足するとよい。
【００５５】
なお、距離Ｌの上限については、液晶表示素子５０のサイズにもよるが、プロジェクタ用の液晶表示素子では、（１）式では５ｍｍ、（２）式では３ｍmが好ましい。すなわち、吸着膜として、イオン性不純物を十分に吸着できる程度の大きさ（幅）を確保する必要がある。
【００５６】
上限値まで加えると、（１）及び（２）式は、以下のようになる。
【００５７】
１．５×Ｈ×ｔａｎθ≦Ｌ≦５ｍｍ  …（１）′
２．０×Ｈ×ｔａｎθ≦Ｌ≦３ｍｍ  …（２）′
このような領域に吸着膜１２を配置することにより、光や画像表示領域１１等で発生した熱が吸着膜１２に供給されない。したがって、吸着膜１２に吸着したイオン性不純物が、光により活性化されたり熱の影響を受けたりして液晶層５５に拡散されることを防止できる。また、特に吸着膜１２のうちイオン性不純物の吸着濃度が高い領域に光が照射されることによって液晶分子が分解されることも回避できる。
【００５８】
したがって、液晶表示素子５０の焼き付き、輝度むら、表示不良等、画質劣化の原因となる現象の発生を抑え、画質を向上させることができる。
【実施例２】
【００５９】
図４には、実施例１で説明した液晶表示素子５０を用いた反射型液晶プロジェクタ（画像投射装置）の構成を示している。
【００６０】
液晶プロジェクタ１００において、１０１は液晶ドライバであり、液晶表示素子５０を駆動する。液晶ドライバ１０１は、パーソナルコンピュータ、ＤＶＤプレーヤ、テレビチューナー等の画像供給装置２００から供給される画像信号に応じた駆動信号を液晶表示素子５０に出力する。画像供給装置２００と液晶プロジェクタ１００により、画像表示システムが構成される。
【００６１】
なお、図４には、１つの液晶表示素子５０しか示していないが、実際は、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）用の３つの液晶表示素子が設けられる。
【００６２】
１０２は照明系（照明光学系ともいう）であり、光源ランプ１０３、リフレクタ１０４、第１及び第２フライアイレンズ１０５，１０６、偏光変換素子１０７、コンデンサーレンズ１０８を含む。照明系１０２は、偏光方向が揃った直線偏光（Ｐ偏光）としての照明光ＩＬを射出する。
【００６３】
また、１０９は偏光ビームスプリッタであり、照明系１０２から射出したＰ偏光としての照明光ＩＬを透過して液晶表示素子５０に入射させる。この意味で、液晶表示素子５０よりも前段までの偏光ビームスプリッタ１０９を照明系に含めてもよい。
【００６４】
また、偏光ビームスプリッタ１０９は、液晶表示素子５０にて画像変調され、かつ反射された画像光（Ｓ偏光）を反射して投射レンズ１１０に導く。投射レンズ１１０は、入射した光を不図示の被投射面に拡大投射する。これにより、液晶表示素子５０に形成された原画の拡大像が被投射面に投影される。液晶表示素子５０よりも後段からの偏光ビームスプリッタ１０９と投射レンズ１１０により投射系が構成される。
【００６５】
なお、上記のように３つの液晶表示素子が設けられている場合は、偏光ビームスプリッタ１０９の位置に、いわゆる色分解合成光学系が配置される。色分解合成光学系には、公知の様々な構成があるので、ここでの説明は省略する。
【００６６】
以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。
【００６７】
また、上記各実施例では、反射型液晶表示素子及びこれを用いた反射型液晶プロジェクタについて説明したが、本発明は、他の実施例として、透過型液晶表示素子及びこれを用いた透過型液晶プロジェクタを含む。つまり、透過型液晶表示素子に、実施例１で説明したように配置される、イオン性不純物を吸着する吸着膜を設けることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の実施例１である液晶表示素子の断面図。
【図２】実施例１の液晶表示素子（遮光部材が取り除かれた状態）の平面図。
【図３】実施例１の液晶表示素子（遮光部材が取り付けられた状態）の平面図。
【図４】本発明の実施例２である液晶プロジェクタの構成を示す概略図。
【符号の説明】
【００６９】
１１  画像表示領域
１２  吸着膜
２０  遮光部材
５０  液晶表示素子
５１  透過基板
５２  ガラス基板
５３  透明電極
５４，５７  配向膜
５５  液晶層
５８  画素電極
５９  Ｓｉ基板
１００  液晶プロジェクタ
１０２  照明系
１１０  投射レンズ
【図１】
0005116374.tif 000002
【図２】
0005116374.tif 000003
【図３】
0005116374.tif 000004
【図４】
0005116374.tif 000005