(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、この光源から出射される読み出し光を前記読み出し光に応じた画像情報で光変調し反射して画像情報光として出射する反射型空間光変調部と、前記反射型空間光変調部から出射された前記画像情報光を観察者側に結像させるレンズと、を備えた液晶表示装置において、
前記反射型空間光変調部は、基板上に画素電極と、負の誘電率を有する液晶層と、透明ガラス基板と、前記読み出し光の波長をλとして、リタデーション値が（１／４）λである位相差フィルムが複数枚組み合わされてなる第１の位相差フィルムと、前記読み出し光を直線偏光にする偏光板と、が順次積層され、
前記透明ガラス基板と前記第１の位相差フィルムとの間に、前記液晶層のリタデーション値と光学的に正負が反対で、かつその大きさが同一となる第２の位相差フィルムを設けたことを特徴とする液晶表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コントラストや色度が良好で、広視野角特性を有する液晶表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近、液晶表示装置は、情報表示、画像表示等に広く利用されている。
この液晶表示装置について図６及び図７を用いて説明する。
図６は、従来の液晶表示装置に用いられる反射型空間光変調部を示す図である。
図７は、従来の液晶表示装置を示す図である。
図７中、液晶表示装置２０は、シリコン基板５、画素電極７を有する画素電極層８、液晶層１０及び透明ガラス板１３のみを図示してあり、その他の構成は省略してある。
【０００３】
まず、従来の液晶表示装置２０に用いられる反射型空間光変調部１９について図６を用いて説明する。
図６に示すように、反射型空間光変調部１９は、シリコン基板５上に形成されたアクティブマトリクス駆動回路６と、このアクティブマトリクス駆動回路６によって選択的に制御駆動される画素電極７をマトリクス状に規則的に配列せしめた画素電極層８と、配向膜９と、液晶層１０と、配向膜１１及び透明な画素電極１２を備えた透明ガラス板１３とを順次積層した構成を有している。
【０００４】
ここで、液晶層１０には、負の誘電率異方性を有するネマティック液晶が用いられ、このネマティック液晶の中で、例えば、長い電荷保持時間を有するフッ素系液晶化合物が用いられている。
このネマチック液晶は、初期状態（電圧を印加しない状態）でその液晶分子の長軸がシリコン基板５の表面に対して垂直あるいは僅かな傾きをもつホメオトロピック配向を有している。また、光学的に正の複屈折率を有し、ラグビーボール型の屈折率楕円体を有している。
【０００５】
このネマチック液晶の光変調率は、液晶分子の長軸がシリコン基板５の表面に対する法線となす角を大きくすることによって、大きくすることができる。
一般に、液晶分子の配向は、液晶層１０に入射する光の波面の方向に対して最もリタデーションが大きくなる４５°方向になるように選択される。
なお、液晶層１０のリタデーションは、液晶層１０の屈折率異方性とその厚さの積として表わされる。
【０００６】
次に、この反射型空間光変調部１９の作用を説明する。
画像信号電圧が液晶層１０に印加された状態で、読み出し光を透明ガラス板１３側から入射させると、この読み出し光は、画像信号電圧に応じて液晶層１０で光変調された後、画素電極層８によって反射され、再び液晶層１０で光変調されて透明ガラス板１３から画像情報光として出射する。
【０００７】
次に、従来の液晶表示装置２０について図７を用いて説明する。
図７に示すように、従来の液晶表示装置２０の構成は、発光ダイオードや半導体レーザ等からなる光源２と、光源２から出射される不定偏光の読み出し光を平行光にするコンデンサレンズ２１と、前記読み出し光を選択的に偏光分離し、Ｓ偏光成分（若しくはＰ偏光成分）を反射し、前記Ｓ偏光成分（若しくはＰ偏光成分）と直交するＰ偏光成分（若しくはＳ偏光成分）を透過する偏光ビームスプリッタ２２と、前記反射されたＳ偏光成分（若しくはＰ偏光成分）を画像情報に応じて液晶層１０で光変調してＰ偏光成分（若しくはＳ偏光成分）にした後、画素電極層８で反射させて、再び液晶層１０で光変調し、透明ガラス板１３側から出射する反射型空間光変調部１９と、反射型空間光変調部１９から出射したＰ偏光成分（若しくはＳ偏光成分）を偏光ビームスプリッタ２２に再入射させ、通過させた後、必要に応じて配設され、虚像の画像を観測位置Ｍの観察者側に結像するレンズ４とからなる。
【０００８】
次に、この液晶表示装置２０の作用について説明する。
光源２から出射された不定偏光の読み出し光をコンデンサレンズ２１で平行にした後、偏光ビームスプリッタ２２に入射させ、この偏光ビームスプリッタ２２により選択的に偏光分離された読み出し光のうち、Ｐ偏光成分（Ｓ偏光成分）を透過させ、Ｓ偏光成分（Ｐ偏光成分）を反射し、このＳ偏光成分（若しくはＰ偏光成分）を反射型空間光変調部１９に入射させる。
前記Ｓ偏光成分（若しくはＰ偏光成分）は、反射型空間光変調部１９の液晶層１０において、画像情報に基づきＰ偏光成分（若しくはＳ偏光成分）に光変調される。
【０００９】
この後、この画像情報を含むＰ偏光成分（若しくはＳ偏光成分）を反射型空間光変調部１９の画素電極層８で反射させた後、再び液晶層１０で光変調し、反射型空間光変調部１９の透明ガラス板１３側から出射させ、再度偏光ビームスプリッタ２２を通過させ、次にレンズ４で拡大した虚像を観測位置Ｍの観察者側に結像する。
このようにして、観察者は、この拡大された虚像からなる仮想の画像を見ることができる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、液晶表示装置２０の場合には、図７に示すように、観察者が偏光ビームスプリッタ２２の斜め方向（図６中では右下方）の観測位置Ｍ0から見ると、この偏光ビームスプリッタ２２の視野角依存性により、コントラストや色度が変化して見えていた。
【００１１】
このように、偏光ビームスプリッタ２２に視野角依存性があると、偏光ビームスプリッタ２２への読み出し光の入射角や観察者の観測位置が異なることにより、コントラストや色度が変化するため、高品質の画像表示ができないといった問題を生じていた。
【００１２】
また、一般的に、偏光ビームスプリッタ２２の材質は、ガラスであるため、重くて嵩張り、価格が高いといった問題があった。
更に、観察者が反射型空間光変調部１９を斜め方向（図６中では右下方）の観測位置Ｍ0から見ると、液晶層１０の屈折率異方性のために、液晶層１０に電圧が印加されていない場合でも、この液晶層１０にリタデーションが生じる。
このため、液晶層１０に光変調作用を生じ、観察者は、黒表示としてみることができない。即ち、反射型空間光変調部１９から出射した光を漏れ光として観察することになる。このため、コントラストが低下して、高コントラスト比な画像が得られる視野角が狭かった。
【００１３】
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、偏光ビームスプリッタを用いず、読み出し光の入射角や観測位置依存性が低減された高コントラストで、色度の変化が小さい液晶表示装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、光源と、この光源から出射される読み出し光を前記読み出し光に応じた画像情報で光変調し反射して画像情報光として出射する反射型空間光変調部と、前記反射型空間光変調部から出射された前記画像情報光を観察者側に結像させるレンズと、を備えた液晶表示装置において、前記反射型空間光変調部は、基板上に画素電極と、負の誘電率を有する液晶層と、透明ガラス基板と、前記読み出し光の波長をλとして、リタデーション値が（１／４）λである位相差フィルムが複数枚組み合わされてなる第１の位相差フィルムと、前記読み出し光を直線偏光にする偏光板と、が順次積層され、前記透明ガラス基板と前記第１の位相差フィルムとの間に、前記液晶層のリタデーション値と光学的に正負が反対で、かつその大きさが同一となる第２の位相差フィルムを設けたことを特徴とする液晶表示装置を提供する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態における液晶表示装置について、図１乃至図５を用いて説明する。
従来技術と同一構成には同一符号を付し、その説明を省略する。
図１は、本発明の実施形態における液晶表示装置を示す図である。
図１中、反射型空間光変調部３は、シリコン基板５、画素電極７を有する画素電極層８、液晶層１０、透明ガラス板１３、位相差フィルム１４及び偏光板１５のみを図示してあり、その他の構成は省略してある。
図２は、本発明の実施形態で用いられる第１反射型空間光変調部を示す図である。
図３は、位相差フィルムの波長分散特性を示す図である。
図４は、本発明の実施形態で用いられる第２反射型空間光変調部を示す図である。
図５は、本発明の実施形態で用いられる第３反射型空間光変調部を示す図である。
【００１６】
図１に示すように、本発明の実施形態における液晶表示装置１の構成は、従来の液晶表示装置２０における反射型空間光変調部１９の代わりに第１反射型空間光変調部３を、偏光ビームスプリッタ２２を用いずに読み出し光を直接第１反射型空間光変調部３に入射させるようにしたものである。
【００１７】
また、図２に示すように、第１反射型空間光変調部３は、従来の反射型空間光変調部１９における透明ガラス基板１３上に１／４波長位相差フィルム１４Ａ（以下、λを波長として、（１/４）λ位相差フィルム１４Ａという）と１／２波長位相差フィルム１４Ｂ（以下、（１／２）λ位相差フィルム１４Ｂという）からなる位相差フィルム１４と、読み出し光を直線偏光にする偏光板１５とを順次積層したもので、それ以外は従来と同様である。
【００１８】
ここでは、読み出し光の偏光方向が、偏光板１５の透過軸方向（若しくは消光軸方向）と０°をなす時、位相差フィルム１４を構成する（１/４）λ位相差フィルム１４Ａの遅相軸方向（若しくは進相軸方向）は、偏光板１５の透過軸方向（若しくは消光軸方向）とのなす角が８０°で、そのリタデーション値が１３４ｎｍであり、（１／２）λ位相差フィルム１４Ｂの遅相軸方向（若しくは進相軸方向）は、偏光板１５の透過軸方向（若しくは消光軸方向）とのなす角が１７．５°で、そのリタデーション値が２７０ｎｍである。
【００１９】
ここで、位相差フィルム１４の波長分散特性について図３を用いて説明する。波長分散特性は、位相差フィルム１４に可視光領域４００ｎｍ〜７００ｎｍの読み出し光を入射させ、その時のリタデーション値を測定して調べた。
図３中、Ｐは、位相差フィルム１４が遅相軸方向（若しくは進相軸方向）を所定の角度をなすようにして重ね合わされた（１/４）λ位相差フィルム１４Ａと（１／２）λ位相差フィルム１４Ｂとからなる２枚の場合、Ｑは、位相差フィルム１４が（１/４）λ位相差フィルム１４Ａだけの１枚の場合であり、縦軸は、リタデーション／波長であり、横軸は、読み出し光の波長（ｎｍ）である。
そして、可視光領域（４００ｎｍ〜７００ｎｍ）におけるリタデーション／波長値が一定になるほど波長依存性は、小さいことを示す。
【００２０】
図３に示すように、読み出し光の波長が４００ｎｍ〜７００ｎｍの可視光領域では、波長分散は、Ｑの場合には大きく変化しているのに対して、Ｐの場合には、小さい。
即ち、位相差フィルム１４として、（１/４）λ位相差フィルム１４Ａと（１／２）λ位相差フィルム１４Ｂとを重ね合わせた場合には、偏光板１５により読み出し光を直線偏光にして、この位相差フィルム１４に入射させれば、広帯域で円偏光が得られることを示している。
【００２１】
例えば、緑色光を円偏光にする（１／４）λ位相差フィルム１４Ａでは、赤色光、青色光は楕円偏光となるが、（１／２）λ位相差フィルム１４Ｂがこの楕円偏光を円偏光に補正を行う作用を有することになるので、波長分散を小さくすることができる。
なお、（１／２）λ位相差フィルム１４Ｂは、２枚の（１／４）λ位相差フィルムで構成するようにしても良い。
位相差フィルム１４として、リタデーション値が（１／４）λで、複数枚の位相差フィルムからなる構成にしても良い。このようにしても同様な効果が得られる。
【００２２】
次に、本発明の実施形態における液晶表示装置１の作用について説明する。
光源２から出射された不定偏光の読み出し光を第１反射型空間光変調部３に入射させる。
この後、第１反射型空間光変調部３において、読み出し光を偏光板１５に通過させて直線偏光にした後、位相差フィルム１４で円偏光にし、液晶層１０を通過させ偏光状態を変え、画素電極層８で旋回方向を左右反転させて、反射させ、再び液晶層１０を通過させて、偏光状態を変え、位相差フィルム１４で偏光方向が同じ直線偏光に戻る成分を偏光板１５から出射させる。
次に、偏光板１５を出射した読み出し光をレンズ４で拡大した虚像を見る。
【００２３】
ここで、第１反射型空間光変調部３による画像表示について詳細に説明する。
第１反射型空間光変調部３が駆動していない場合には、第１反射型空間光変調部３に入射する読み出し光は、偏光板１５を通過して直線偏光となった後、位相差フィルム１４を通過して円偏光になり、更に、液晶層１０を通過した後、画素電極層８で反射された際に光の旋回方向が左右交換し、再び液晶層１０を通過して、位相差フィルム１４に入射する。次に、この読み出し光は、位相差フィルム１４で偏光板１５の透過軸と９０°偏光方向が異なった直線偏光となって、偏光板１５に入射するので、偏光板１５からは出射されないため暗状態となり、黒表示となる。
【００２４】
第１反射型空間光変調部３が駆動している場合には、第１反射型空間光変調部３に入射する読み出し光は、偏光板１５を通過して直線偏光となった後、位相差フィルム１４を通過して円偏光になり、更に、液晶層１０で変調されて偏光状態を変え、画素電極層８で旋回方向を左右反転させて反射され、再び液晶層１０で変調されて偏光状態を変え、位相差フィルム１４に入射する。次に、この読み出し光は、位相差フィルム１４で偏光板１５の透過軸と同じ偏光方向に戻る直線偏光成分が偏光板１５から出射するので、明状態となり、画像が表示される。
【００２５】
また、第１反射型空間光変調部３の代わりに、図４に示すような第２反射型空間光変調部１６を用いても良い。
第２反射型空間光変調部１６は、第１反射型空間光変調部３における位相差フィルム１４と透明ガラス板１３との間に液晶層１０のリタデーションと光学的に正負が反対で、かつ大きさが略同一となるポリカーボネートからなる位相差フィルム１７を形成したのものであり、これ以外は同一構成である。
位相差フィルム１７は、光学的に負の複屈折率を有し、かつ厚さ方向にリタデーション値を有するアンパン型の屈折率楕円体である。
【００２６】
液晶層１０は、光学的に正の複屈折率を有し、これの液晶分子は面方向にリタデーションを有するラグビーボール型の屈折率楕円体となる。このため、偏光板１５側から第２反射型空間光変調部１６を見ると、屈折率楕円体は球型となり、液晶層１０のリタデーション値は、位相差フィルム１７のリタデーション値で光学的に補償される。この結果、第２反射型空間光変調部１６を斜め方向から見た場合でも、光透過がなくなり、広視野角で高コントラストな画像が得られる。
【００２７】
更にまた、第１反射型空間光変調部３の代わりに、図５に示すような第３反射型空間光変調部１８を用いても良い。
第３反射型空間光変調部１８は、第１反射型空間光変調部３における液晶層１０中にこの厚さよりも径が小さい疎水性の球状のシリカ粒子Ｓを混入させたものであり、それ以外は同一構成である。
このシリカ粒子Ｓの代わりに球状のプラスチック粒子を用いても良い。このプラスチック粒子としては、例えば、ポリメチルメタアクリレート（略して、ＰＭＭＡ）がある。
【００２８】
第３反射型空間光変調部１８では、シリカ粒子Ｓが疎水性であるので、液晶層１０の液晶分子は、シリコン基板５の表面に対してだけでなく、このシリカ粒子Ｓの周囲表面に対しても垂直あるいは僅かな傾きをもつ。即ち、液晶層１０の液晶分子は、シリカ粒子Ｓを中心として放射状に分布する。
このため、第３反射型空間光変調部１８が駆動している場合には、液晶層１０の液晶分子が電界の影響を受けてさまざまな方向に傾斜する。
【００２９】
この結果、第３反射型空間光変調部１８に入射する読み出し光は、第１反射型空間光変調部３と同様に、偏光板１５を通過して直線偏光となった後、位相差フィルム１４を通過して円偏光になり、更に、液晶層１０で変調されて偏光状態を変え、画素電極層８で旋回方向を左右反転させて反射され、再び液晶層１０で変調されて偏光状態を変え、位相差フィルム１４に入射し、位相差フィルム１４で偏光板１５の透過軸と同じ偏光方向に戻る直線偏光成分が偏光板１５から出射する。この際、液晶層１０の液晶分子が電界の影響を受けて、さまざまな方向に傾斜するので、読み出し光は、この液晶分子により、等方的に広視野角で放射されるので、液晶分子の傾く方向が全方向になる。このため、観測する方向によるリタデーションの差がなくなり、広視野角な画像が得られる。
【００３０】
以上のように、本発明の実施形態の構成によれば、第１反射型空間光変調部３の透明ガラス板１３上にリタデーション値が（１／４）λである複数枚の位相差フィルム１４と、読み出し光を直線偏光にする偏光板１５とを順次積層する構成にしたので、偏光変換に偏光ビームスプリッタ２２が不用となり、観察者が斜め方向から直視しても視野角依存性が小さく、色度の変化が小さい画像が得られ、かつ軽量で安価となる。
【００３１】
また、第１反射型空間光変調部３の代わりに第２反射型空間光変調部１６を用いれば、観察者が斜め方向から見ても、液晶層１０のリタデーションを位相差フィルム１７のリタデーションで補償するため、更に広視野角で高コントラストな画像が得られる。
【００３２】
更にまた、第１反射型空間光変調部３の代わりに第３反射型空間光変調部１８を用いれば、観察者が斜め方向から見ても、液晶層１０中に疎水性のシリカ粒子Ｓを混入させて、液晶層１０の液晶分子がシリカ粒子Ｓを中心として放射状に分布するようにしているため、液晶分子の傾く方向が全方向になり、広視野角な画像が得られる。
シリカ粒子Ｓの代わりにプラスチック粒子を用いても同様の効果が得られる。
【００３３】
第１、第２及び第３反射型空間光変調部３、１６、１８における位相差フィルム１４は、透明ガラス板１３上に形成したが、偏光板１５と共に、この透明ガラス板１３から離間して配置しても良い。また、第２反射型空間光変調部１６における位相差フィルム１７は、この上に積層された位相差フィルム１４、偏光板１５と共に透明ガラス板１３から離間して配置しても良い。
【００３４】
本発明の実施形態では、ＭＯＳ型トランジスタの代わりにアモルファスシリコンやポリシリコンの薄膜トランジスタを用いても同様の効果が得られる。
また、本発明によれば、マイクロディスプレイの分野や投射光学系により大きな投射像を形成するプロジェクタ分野への応用が可能である。
【００３５】
【発明の効果】
本発明の液晶表示装置によれば、光源と、この光源から出射される読み出し光を前記読み出し光に応じた画像情報で光変調し反射して画像情報光として出射する反射型空間光変調部と、前記反射型空間光変調部から出射された前記画像情報光を観察者側に結像させるレンズと、を備えた液晶表示装置において、前記反射型空間光変調部は、基板上に画素電極と、負の誘電率を有する液晶層と、透明ガラス基板と、前記読み出し光の波長をλとして、リタデーション値が（１／４）λである位相差フィルムが複数枚組み合わされてなる第１の位相差フィルムと、前記読み出し光を直線偏光にする偏光板と、が順次積層され、前記透明ガラス基板と前記第１の位相差フィルムとの間に、前記液晶層のリタデーション値と光学的に正負が反対で、かつその大きさが同一となる第２の位相差フィルムを設けたので、液晶層のリタデーション値が第２の位相差フィルムのリタデーション値で光学的に補償されるので、完全な暗表示を行うことができ、かつ観察者が斜め方向から見ても、広視野角で高コントラストな画像が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態における液晶表示装置を示す図である。
【図２】本発明の実施形態で用いられる第１反射型空間光変調部を示す図である。
【図３】位相差フィルムの波長分散特性を示す図である。
【図４】本発明の実施形態で用いられる第２反射型空間光変調部を示す図である。
【図５】本発明の実施形態で用いられる第３反射型空間光変調部を示す図である。
【図６】従来の液晶表示装置に用いられる反射型空間光変調部を示す図である。
【図７】従来の液晶表示装置を示す図である。
【符号の説明】
１…液晶表示装置、２…光源、３…第１反射型空間光変調部（反射型空間光変調部）、４…レンズ、５…シリコン基板（基板）、６…アクティブマトリクス駆動回路、７…画素電極、８…画素電極層、９，１１…配向膜、１０…液晶層、１２…共通電極、１３…透明ガラス板（透明ガラス基板）、１４…位相差フィルム（位相差フィルム）、１４Ａ…（１／４）λ位相差フィルム、１４Ｂ…（１／２）λ位相差フィルム、１５…偏光板、１６…第２反射型空間光変調部（反射型空間光変調部）、１７…位相差フィルム（他の位相差フィルム）、１８…第３反射型空間光変調部（反射型空間光変調部）、Ｓ…シリカ粒子
【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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