(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一方が透明な２枚の基板と、前記２枚の基板に挟持された液晶層とを備え、前記２枚の基板の少なくとも一方に複数の画素と前記複数の画素において液晶層を駆動するアクティブ素子を備え、偏光素子と共に用いられる投写型液晶表示素子において、
前記液晶層への入射光の光軸及び出射光の光軸が、前記２枚の基板上における液晶分子の配向方向に対し概ね垂直な平面内にあり、かつ前記入射光が前記基板の法線方向に対し所定の角度傾いた方向から液晶層に入射する構成とし、
前記液晶層に電圧が印加された場合、入射光の偏光状態が変調され、前記偏光素子を通過する出射光の光量が変化する構成とし、
前記液晶層への入射光の偏光方向が前記液晶分子の配向方向に対し概ね垂直ないし平行であることを特徴とする投写型液晶表示素子。
【請求項２】
請求項１に記載の投写型液晶表示素子において、
前記液晶層の液晶分子の配向がホモジニアス配向であることを特徴とする投写型液晶表示素子。
【請求項３】
請求項１に記載の投写型液晶表示素子において、
前記液晶層の液晶分子の配向がホメオトロピック配向であることを特徴とする投写型液晶表示素子。
【請求項４】
請求項２又は３に記載の投写型液晶表示素子において、
前記２枚の基板の一方は反射基板であることを特徴とする投写型液晶表示素子。
【請求項５】
請求項２又は３に記載の投写型液晶表示素子において、
前記２枚の基板は透明基板であることを特徴とする投写型液晶表示素子。
【請求項６】
請求項４又は５に記載の投写型液晶表示素子において、
該投写型液晶表示素子への入射光の角度を概ね維持して前記液晶層に光が到達するように構成されたことを特徴とする投写型液晶表示素子。
【請求項７】
請求項４又は５に記載の投写型液晶表示素子において、
前記液晶層における光路の主軸と基板の法線方向とのなす角度が、前記基板から空気に光が出射する際の全反射角度よりも大きくなるように構成されていることを特徴とする投写型液晶表示素子。
【請求項８】
請求項４又は５に記載の投写型液晶表示素子において、
前記液晶層における光路の主軸と前記基板の法線方向とのなす角度が、前記基板と空気との間のブリュースター角度以上となるように構成されていることを特徴とする投写型液晶表示素子。
【請求項９】
請求項４から７のいずれか一項に記載の投写型液晶表示素子において、
ホログラム素子を有し、該ホログラム素子を、入射ｐ偏光については概ね回折せず、前記液晶層により変調を受けたことにより発生するｓ偏光を液晶表示素子の概ね垂直方向に回折するように構成したことを特徴とする投写型液晶表示素子。
【請求項１０】
請求項４から７のいずれか一項に記載の投写型液晶表示素子において、
前記各画素に回折格子を備え、前記液晶層により変調を受けたことにより発生するｓ偏光を投写型液晶表示素子の概ね垂直方向に回折するように構成したことを特徴とする投写型液晶表示素子。
【請求項１１】
光源と、前記光源からの白色光を三原色光に色分離する色分離光学系と、
前記三原色の各色に対応する請求項８ないし９に記載の何れかの投写型液晶表示素子を備え、
前記色分離光学系により色分離された三原色光を前記各投射型液晶表示素子に対し斜め方向から入射するように構成されており、
前記投写型液晶表示素子から概ね素子の垂直方向に出射される出射光を色合成する色合成光学系を備え、
前記色合成光学系により色合成された光を投写する投写レンズを備えたことを特徴とする表示装置。
【請求項１２】
前記光源の光軸と投写レンズの光軸が略平行、もしくは、互いに略９０度の角度にねじれて段違いに平行に配置されていて、
前記色分離光学系と前記各投写型液晶表示素子の光路上に、光軸を変換可能である光学プリズムを配置したことを特徴とする請求項１１記載の表示装置。
【請求項１３】
請求項５から７のいずれか一項に記載の投写型液晶表示素子において、
液晶層の前後にホログラム素子を備え、
入射側のホログラム素子は基板に対して概ね垂直方向から入射する入射光を回折し液晶層に斜めに入射させ、
一方出射側のホログラム素子は液晶層からの出射光を基板に対して概ね垂直方向に回折し、
前記入射側のホログラム素子は入射偏光を回折し、
前記出射側のホログラム素子は入射偏光とは直交する偏光状態にある出射偏光を回折するように構成したことを特徴とする投写型液晶表示素子。
【請求項１４】
請求項１に記載の投写型液晶表示素子において、
前記基板に対して主として平行な電界成分によって駆動される液晶層を備え、２状態の液晶分子の配向方向の間でスイッチングするように構成し、
前記液晶層への入射光の光軸が、前記２状態の液晶分子の配向方向のうち一方の配向方向に対し概ね垂直な平面内にあり、かつ前記入射光が前記基板の法線方向に対し所定の角度傾いた方向から液晶層に入射する構成としたことを特徴とする投写型液晶表示素子。
【請求項１５】
請求項１に記載の投写型液晶表示素子において、
液晶層を構成する液晶材料として強誘電性液晶材料を用いてかつ２状態の液晶分子の配向方向の間でスイッチングするように構成し、
前記液晶層への入射光の光軸が、前記２状態の液晶分子の配向方向のうち一方の配向方向に対し概ね垂直な平面内にあり、かつ前記入射光が前記基板の法線方向に対し所定の角度傾いた方向から液晶層に入射する構成としたことを特徴とする投写型液晶表示素子。
【請求項１６】
請求項１に記載の投写型液晶表示素子において、
液晶層を構成する液晶材料として反強誘電性液晶材料を用いてかつ２状態の液晶分子の配向方向の間でスイッチングするように構成し、
前記液晶層への入射光の光軸が、前記２状態の液晶分子の配向方向のうち一方の配向方向に対し概ね垂直な平面内にあり、かつ前記入射光が前記基板の法線方向に対し所定の角度傾いた方向から液晶層に入射する構成としたことを特徴とする投写型液晶表示素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本装置は液晶表示装置に関するもので、特に駆動電圧を低減する液晶表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の反射型液晶パネル用の投写光学系は、偏光ビームスプリッターを用いた方式が主流であり、例えば特開２０００−３１０８２３号公報にその例の記載がある。また、従来の液晶パネルの表示方式は通常、入射光がパネルに対してほぼ垂直に入射することを前提に、設計されている。言い換えれば、入射光がパネルに対してほぼ垂直に入射したときに最も性能が出せるように設計されている。
【０００３】
反射型パネル用の液晶表示方式の一例としては、エス・アイ・ディー、９０、ダイジェスト、ｐ.３２７ に記載されているような、液晶分子をパネル基板に対してほぼ垂直に配向させ、電圧印加時に液晶分子が傾く方向と入射光の偏光方向とを４５度ずらした関係をとる方式が挙げられる。また、透過型パネルにおいても入射光がパネルに対してほぼ垂直に入射することを前提とされている。典型的な透過型の液晶表示方式としては、モレキュラー・クリスタル・アンド・リキッド・クリスタル・レターズ、２、ｐ.１３９(１９８５）に記載のツイストネマティックモードが挙げられる。
【０００４】
あるいは、パネルに対して斜めに光を照射することを前提とした方式がいくつか挙げられる。プロシーディングス・オブ・エス・ピー・アイ・イー、３６３４、ｐ.８０ や特開平９−１８９８０９号公報などにその記載例がある。プロシーディングス・オブ・エス・ピー・アイ・イー、３６３４、ｐ.８０ に記載の方式におけるパネルへの入射角度は大きくともたかだか２０度から３０度である。採用されている液晶表示方式は、基本的に液晶層に入射光がほぼ垂直に入射することを前提とした表示方式を基に、液晶層の厚み等の構成パラメータについて、入射角度をずらした条件に最適化させているだけの方式である。しかも、パネルへの入射角度はたとえ３０度であったとしても、空気中からガラス中に光が入射する際にスネルの法則にしたがって角度が変わるため、液晶層への光の入射角度は約１９.５ 度と小さい。
【０００５】
あるいはまた、特開平９−１８９８０９号公報に記載されている方式は、パネルへの入射角度は６０度前後であるが、ホログラム素子により光路を変化させて液晶層への角度が十分浅くなるように構成されている。この方式での液晶層への入射角度は大きくとも約１０度である。なぜならば、投写光学系のＦ値の制約から出射角度を大きくできないためである。例えば、液晶層における入射角度が１０度の場合、パネル外部への出射角度は１５度となり、Ｆ値にして約２に相当する。液晶表示方式についても、基本的に上記のような液晶層に入射光がほぼ垂直に入射することを前提とした表示方式が採用されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
投写型液晶表示装置に用いるパネルの低コスト化には、パネルサイズの小型化が最も効果的である。パネルサイズを小型化するためには、画素サイズを小さくする必要がある。従来のネマティック液晶を用いた液晶表示方式の駆動電圧は、一般的に３Ｖｒｍｓから６Ｖｒｍｓ程度であり必ずしも低いとはいえない。しかも、液晶は交流駆動が必要であるため、駆動電圧幅は６Ｖから１２Ｖも必要である。このような電圧を制御するための駆動回路を構成するトランジスタや、画素におけるトランジスタは高耐圧トランジスタとならざるを得ず、必然的にトランジスタサイズの小型化には限界があり、画素の小型化の妨げとなる。従来の方式での画素サイズの限界は８μｍから１０μｍ程度である。
【０００７】
本発明の主たる目的は投写型液晶表示装置に用いるパネルの低コスト化である。そのために解決しようとする課題は、投写型液晶表示装置に用いるパネルにおける液晶駆動電圧の低減である。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本出願による一実施態様の投写型液晶表示素子によれば、少なくとも一方が透明な２枚の基板と、この２枚の基板に挟持された液晶層とを備え、この２枚の基板の少なくとも一方に複数の画素と複数の画素において液晶層を駆動するアクティブ素子を備え、偏光素子と共に用いられる投写型液晶表示素子で、液晶層への入射光の光軸及び出射光の光軸が２枚の基板上における液晶分子の配向方向に対し概ね垂直な平面内にあり、かつ入射光が基板の法線方向に対し所定の角度傾いた方向から液晶層に入射する構成とし、液晶層に電圧が印加された場合、入射光の偏光状態が変調され、偏光素子を通過する出射光の光量が変化する構成とし、液晶層への入射光の偏光方向が液晶分子の配向方向に対し概ね垂直ないし平行である構成である。
【００１０】
また、液晶表示素子における液晶層の液晶配向はホモジニアス配向ないしホメオトロピック配向であるというものである。
【００１１】
あるいはまた、液晶表示素子は反射型ないし透過型の何れの方式においても実現が可能である。
【００１２】
あるいはまた、液晶表示素子を用いた表示装置は、液晶表示素子の外部から素子への光の入射角度を液晶層においても維持するための手段を備えており、これにより液晶層における光路の主軸と基板の法線方向とのなす角度が、基板から空気に光が出射する際の全反射角度よりも大きくなるように構成することができるというものである。
【００１３】
あるいはまた、本発明の液晶表示素子を用いた表示装置は、液晶表示素子の外部から素子への光の入射角度を液晶層においても維持するための手段を備えており、これにより液晶層における光路の主軸と基板の法線方向とのなす角度が、基板と空気との間のブリュースター角度以上となるようにも構成することができるというものである。
【００１４】
あるいはまた、本発明の液晶表示素子は、ホログラム素子を備え、このホログラム素子は、入射ｐ偏光については概ね回折せず、液晶層により変調を受けたことにより発生するｓ偏光を液晶表示素子の概ね垂直方向に回折するように構成される形態をとり得る。
【００１５】
あるいはまた、本発明の液晶表示素子は、各画素に回折格子を備える形態をとり得る。
【００１６】
本出願の別の実施態様によれば、本発明の液晶表示素子を用いた表示装置は、光源と、この光源からの白色光を三原色光に色分離する色分離光学系と、この三原色の各色に対応する液晶表示素子を備え、この色分離光学系により色分離された三原色光を各液晶表示素子に対し斜め方向から入射するように構成されており、液晶表示素子から概ね素子の垂直方向に出射される出射光を色合成する色合成光学系を備え、色合成光学系により色合成された光を投写する投写レンズを備えるというものである。
【００１７】
あるいはまたこの表示装置は、光源の光軸と投写レンズの光軸が略平行、もしくは、互いに略９０度の角度にねじれて段違いに平行に配置されていて、色分離光学系と各液晶表示素子の光路上に、光軸を変換可能である光学プリズムを配置したというものである。
【００１８】
あるいはまた、本発明の液晶表示素子は、基板に対して主として平行な電界成分によって駆動される液晶層、ないしは強誘電性液晶材料からなる液晶層、ないしは反強誘電性液晶材料からなる液晶層を備え、２状態の液晶分子の配向方向の間でスイッチングするように構成し、この液晶層への入射光の光軸が、この２状態の液晶分子の配向方向のうち一方の配向方向に対し概ね垂直な平面内にあり、かつ入射光が基板の法線方向に対し所定の角度傾いた方向から液晶層に入射する構成としたというものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
図１（ａ）及び図１（ｂ）を用いて、本実施例の液晶表示素子について説明する。図１（ａ）及び図１（ｂ）は、本発明の液晶表示素子の原理説明図である。液晶分子１０１は、反射基板１０２と透明基板１０３とに挟持されており液晶層１１１を構成している。液晶分子１０１の配向状態は、液晶分子が各基板に対して概ね平行でかつねじれ角度がほぼ０度である、ホモジニアス配向である。液晶分子１０１は各基板に対して僅かに傾けて配向されており、いわゆるプレチルト角度を備えている。反射基板１０２ないし透明基板１０３上に液晶分子を射影したときの長軸方向を液晶分子の配向方向と称する。図１（ａ）は反射基板１０２−透明基板１０３間の電圧を０Ｖｒｍｓ近傍にしたときの状態を現しており、図１（ｂ）は反射基板１０２−透明基板１０３間に所定の電圧を印加して液晶分子の基板に対する角度θＬＣが図１（ａ）のそれに対して変化した状態を示している。
【００２０】
入射光の光軸１０５及び出射光の光軸１０６は何れも液晶分子１０２の配向方向に対し概ね垂直な平面内にあり、かつ反射基板１０２の法線方向１０４に対し所定の角度θをなしている。入射光の偏光状態は透明基板１０３に対してｐ偏光ないしｓ偏光である。図１（ａ）における入射光の偏光状態１０７ｐはｐ偏光である。
【００２１】
液晶層に電圧を印加していないかもしくはその値が十分小さい場合には、入射偏光に対する異方性が十分小さいため複屈折量が小さく、入射偏光の偏光状態は出射側においても概ね維持される。その場合、上記のようにクロスニコル配置となっているので、出射光は出射側の偏光素子として偏光板を用いた場合には吸収されて、暗表示（黒表示）となる。一方、液晶層に電圧を印加した場合には図１（ｂ）に示したように液晶分子が傾き（θＬＣが増大）、入射偏光に対する異方性が生じるため複屈折量が変化し、入射偏光の偏光状態が変調され、出射側の偏光板を通過する光量が変化する。液晶への印加電圧を増加させると、出射側の偏光板の通過光量が増大し、所定の駆動電圧において最大透過率を示す。以上の様に、本表示方式は液晶層への電圧無印加時ないしその値が十分小さい時に暗表示を行い、所定の電圧において明表示を行うノーマリブラック方式である。
【００２２】
図２はパネル１００に対し空気中から照射光を入射させる場合の実施例の説明図である。パネル１００は反射電極１２１を備えた反射基板１０２と透明電極
１２３を備えた透明基板１０３により挟持された液晶層１１１とからなる。液晶層と各基板との間には、液晶分子の配向方向を制御するための配向膜１２２を備えている。あるいは、パネルの周囲には液晶を封じ込めるためのシール領域124等を備える。
【００２３】
パネル１００への入射光の光軸１０５上には偏光板や偏光変換素子等の偏光素子１１５を備え、パネルに入射する前に予めｐ偏光ないしｓ偏光に揃えておく。偏光素子１１５を通過した偏光、ここではｐ偏光成分１０７ｐは、透明基板103と空気との界面におけるスネルの法則にしたがって透明基板１０３に入射する。そのときのパネル１００に対する法線１０４と液晶層１１１内での入射光ないし反射光である出射光とのなす角度をθとする。
【００２４】
光路が隣接画素間にまたがるため、画素の境界の輝度は両方の画素の影響を受けるため、画素の境界をボヤケさせることができる。これにより、表示物の輪郭の境界を滑らかに表示することができ、好ましい画像表示をすることができる。
【００２５】
図３に、素子の反射率における液晶層への印加電圧依存性の測定結果を示す。電圧無印加時にほぼ０％の反射率を示し、１.８Ｖｒｍｓ 前後の低駆動電圧において最大反射率となるノーマリブラックの特性が得られた。
【００２６】
一般的に用いられているツイストネマティックモード等のような従来の液晶表示方式においては、液晶分子の基板に対する傾き角度をほぼ０度と９０度との間でスイッチングさせることにより入射光に対し所望の位相変調を行い、偏光板と組み合わせることにより輝度変調を行っている。液晶分子の基板に対する傾き角度をほぼ９０度にするためには数ボルト程度の比較的高い電圧が必要であることが、従来の液晶表示方式の駆動電圧が高い理由である。一方、本発明の表示方式においては、所望の位相変調を行うのに必要な液晶分子の基板に対する傾き角度は約４５度程度である。液晶分子を基板に対して約４５度程度傾けるのに必要な電圧は２ボルト程度でよく、本発明の液晶表示方式は従来の液晶表示方式に比べて大幅な駆動電圧の低減が可能となる。
【００２７】
また、本発明の液晶表示方式を備えた液晶表示素子は、液晶配向がホモジニアス配向であるため、液晶応答時間が短く、言い換えれば高速な液晶応答特性を備えているという特徴も有する。
【００２８】
（実施例２）
図４は、照射光のパネル１００への入射角度と液晶層への入射角度とを概ね等しくするための光学系の実施例を示した図である。入射光は偏光板などにより予めｐ偏光ないしｓ偏光にしてプリズムに入射させる。照射光のパネル１００への入射角度と液晶層への入射角度とを概ね等しくするために、向かい合う平行な側面が台形でかつ、他の４面が正方形ないし長方形である６面体プリズムを用いている。
【００２９】
上記のプリズムを用いずに空気中から直接パネル１００に光を入射させた場合には、パネル表面の光の反射によりパネル内に入射する光量が大幅に減少する。特に空気とガラス基板などのパネルを構成する部材との界面におけるブリュースター角度を超えて光をパネル内に入射させようとすると上記反射による光量の損失が大きい。上記のプリズムを用いることにより、パネル１００に光を入射する際の反射による光量減少を大幅に低減できる。プリズムの台形の角度と底辺の長さを調節することにより、プリズムの入射面にほぼ垂直に入射させたり、あるいはパネル１００の法線に対してほぼ直角方向から入射させたりすることも可能であり、その間も任意に調整可能である。
【００３０】
あるいはまた上記のプリズムを用いない場合には、パネル内から空気中に光が出射する際のパネル−空気の界面における光軸の角度には全反射角度があり、パネル内の光軸の角度は全反射角度を超えた角度にすることができない。上記プリズムを用いることにより、パネル内の光軸の角度を前記全反射角度を超えた角度にすることができる。
【００３１】
プリズムの形状としては、上記の６面体プリズムに限られるわけではなく、照射光のパネル１００への入射角度と液晶層への入射角度とを概ね等しくできるのであれば、他の形状でもかまわないのは言うまでもない。
【００３２】
（実施例３）
図５は、反射面１３０を用いた光学系の実施例の説明図である。反射面１３０は、パネル１００により位相変調を受けた光を回折してパネル１００の概ね法線方向に出射するために用いられている。
【００３３】
反射面１３０の波長依存性による画像光のボヤケを防止するためには、液晶層１１１と反射面１３０との距離をできるだけ小さくすることが望ましい。したがって、図５では反射面１３０の配置をパネル１００とプリズム１１２の間としたが、パネル１００の内部に反射面１３０を配置するのがより望ましい。具体的には、反射面１３０に直接透明電極１２３や配向膜１２２を形成するのは困難であるので、透明電極１２３と反射面１３０との間に極薄いガラス板を挟持し、さらに基板の強度を確保するためにさらにガラス板をホログラム素子上に積層した構成が一例として挙げられる。
【００３４】
パネル１００への入射光はｐ偏光にしておく。反射面１３０は特定の角度から入射した光において、ｐ偏光については回折せず、ｓ偏光に対して回折するように設計されている。液晶層によって位相変調されパネル１００より出射した出射光のうちｐ偏光成分は反射面１３０によって回折されずプリズムの第一の出射面１１４に向かい、ｓ偏光成分は反射面１３０によって回折されてプリズムの第二の出射面１３１に向かう。反射面１３０はｐ偏光成分も僅かに回折させるため、反射面１３０によって回折された光にはｓ偏光成分の他にｐ偏光成分も僅かに含まれる。したがって、図５には図示されていないが、前記反射面１３０によって回折された光中のｐ偏光成分を除去するためにプリズムの第二の出射面１３１の後に偏光板を設けておくとコントラスト比を向上でき、より望ましい。反射面
１３０の偏光特性と回折特性とを利用することにより、液晶層１１１からパネル１００の法線に対し斜め方向に出射する光を、偏光状態によって出射する方向を変調すると同時に、画像光として利用するｓ偏光成分を概ねパネル１００の法線方向に出射する。
【００３５】
（実施例４）
図６は、反射電極１２１上に回折格子を形成した実施例の説明図である。反射電極１２１上の回折格子は、液晶層において変調を受けたｓ成分１０６ｓのみをパネル１００に概ね垂直方向に回折し、一方ｐ成分１０６ｐは反射電極１２１における正反射方向に出射するように構成されている。パネル１００からの出射光のうち一定範囲の角度のみを取り込む光学系である、いわゆるシュリーレン光学系と組み合わせることにより、投写光学系を構成できる。本方式の場合には、液晶層における光路長が半分になるので、液晶層の厚みと液晶材料の屈折率異方性との積を２倍にしておく必要がある。ＲＧＢ毎に画素を設けて、夫々の画素の回折格子においてパネル１００に対して概ね垂直方向に回折される光の波長をＲないしＧないしＢとしておき、シュリーレン光学系と組み合わせることにより、１枚のパネルを用いてフルカラー表示を行うことも可能である。
【００３６】
（実施例５）
図７は、本実施例の説明図である。６面体プリズム１１２の出射側の面に、アルミニウムや銀等の高反射率金属をコーティングして反射面１３０とすることにより、次のような効果が得られる。ブラウン管においては、暗い画像に部分的に明るい白画像が含まれる場合に、その部分の白輝度を通常の白輝度に比べて高くする、いわゆる「ピーク輝度」の機能がある。ピーク輝度により、例えば暗闇の中に光るライトや太陽光が煌めく海原等の画面内での輝度比が大きい画像を効果的に表現することができる。しかしながら、液晶ディスプレイにおいては、最大輝度は光源の強度により制限されるため、ピーク輝度の実現が困難であった。
【００３７】
本構成をとることにより、暗い画像の部分の光は反射面によりパネル１００に戻されて白い画像の部分において再利用される。画像全体が明るい時の白輝度に比べて、暗い画像における白輝度を高くすることが可能である。すなわち、ピーク輝度を実現することができる。
【００３８】
（実施例６）
図８に基板との界面における液晶分子の傾き角度であるプレチルト角度θＬＣについて示す。プレチルト角度θＬＣが必要以上に小さい場合、画素間の横電界によって、主として画素境界部の液晶分子の配向が乱れる問題が生じる。この液晶分子の配向が乱れかたは、画素毎に異なるため、画像の均質性が損なわれる。また、隣接画素間の横電界が小さい状態では乱れた配向がもとに戻るが、その戻るまでの時定数は、正常な領域における液晶分子の応答の時定数に比べて極端に長く、画像においては応答遅れによる画像劣化として認識される。これらの問題を解決するには、液晶分子において十分なプレチルト角度θＬＣを付与する方法が有効である。しかしながら、本方式においてはプレチルト角度θＬＣを大きくすると、電圧無印加時においても入射偏光に対する複屈折量が増大するため、黒輝度を低くすることができずコントラスト比が低減してしまう。
【００３９】
この問題は、次のようにすることによって解決できる。入射偏光の光学軸及び出射偏光の光学軸を液晶分子のプレチルト角度θＬＣに応じて基板に垂直方向ないし平行方向から僅かに傾けることにより、入射偏光に対する複屈折量を小さくすることができる。これにより、黒の輝度をより低くすることができ、コントラスト比を大幅に向上できる。入射偏光の光学軸及び出射偏光の光学軸の角度のずらし量を決めるパラメータは液晶分子のプレチルト角度θＬＣの他に、入射偏光の入射角度や、反射型方式の場合反射板の材質に起因するｓ偏光とｐ偏光の反射率の入射角度依存性の違い等が挙げられる。入射偏光の光学軸及び出射偏光の光学軸の角度のずらし量は、実験的に決めることが可能である。
【００４０】
具体的には、液晶への印加電圧を約０Ｖｒｍｓとした状態で、黒輝度が最も小さくなるように入射偏光の光学軸及び出射偏光の光学軸を調整すればよい。より具体的には、入射側偏光板の光学軸及び出射側偏光板の光学軸を回転して調整すればよい。
【００４１】
（実施例７）
図９（ａ）及び図９（ｂ）を用いて、本発明の液晶表示素子における液晶配向として垂直配向を適用した場合について実施例を説明する。液晶分子１０１は、反射基板１０２と透明基板１０３とに挟持されており液晶層１１１を構成している。液晶分子１０１の配向状態は、ねじれ角度がほぼ０度でありかつ各基板に対してほぼ垂直に配向されている、いわゆるホメオトロピック配向である。図１は反射基板１０２−透明基板１０３間の電圧を０Ｖｒｍｓ近傍にしたときの状態を現しており、図２は反射基板１０２−透明基板１０３間に所定の電圧を印加して液晶分子の基板に対する角度θＬＣが図１のそれに対して変化した状態を示している。反射基板１０２−透明基板１０３間に電圧を印加したときに液晶分子101の基板に対する傾き角度θＬＣが所定の方向において変化するように、液晶分子の基板に対する傾き角度θＬＣは９０度ではなく、９０度より小さい所定の値である。反射基板１０２−透明基板１０３間に電圧を印加したときに液晶分子が傾く方向が本実施例の液晶表示素子における液晶配向方向となる。入射光の光軸１０５及び出射光の光軸１０６は何れも液晶分子１０１の配向方向に対し概ね垂直な平面内にあり、かつ反射基板１０２の法線方向１０４に対し所定の角度θをなしている。入射光の偏光状態は透明基板１０３に対してｐ偏光ないしｓ偏光である。図１における入射光の偏光状態１０７ｐはｐ偏光である。
【００４２】
液晶層に電圧を印加していないかもしくはその値が十分小さい場合には、入射偏光に対する異方性が十分小さいため複屈折量が小さく、入射偏光の偏光状態は出射側においても概ね維持される。その場合、上記のようにクロスニコル配置となっているので、出射光は出射側の偏光素子として偏光板を用いた場合には吸収されて、暗表示（黒表示）となる。一方、液晶層に電圧を印加した場合には図２に示したように液晶分子が傾き（θＬＣが減少）、入射偏光に対する異方性が生じるため複屈折量が変化し、入射偏光の偏光状態が変調され、出射側の偏光板を通過する光量が変化する。液晶への印加電圧を増加させると、出射側の偏光板の通過光量が増大し、所定の駆動電圧において最大透過率を示す。以上の様に、本表示方式は液晶層への電圧無印加時ないしその値が十分小さい時に暗表示を行い、所定の電圧において明表示を行うノーマリブラック方式である。
【００４３】
（実施例８）
図１０(ａ）及び図１０(ｂ）を用いて、６面体プリズム１１２と入射光の光軸１０５及び出射光の光軸１０６との関係のバリエーションについて説明する。図１０（ａ）は、入射光の光軸１０５が６面体プリズム１１２の入射面に対してほぼ垂直である場合である。一方、図１０（ｂ）は入射光の光軸１０５と６面体プリズム１１２の入射面とのなす角度が概ねブリュースター角度である場合を示している。
【００４４】
（実施例９）
図１１は本発明の液晶表示素子を用いた表示装置である、３板方式の投写光学系の実施例の説明図である。本実施例の投写光学系は、光源２０１と、ダイクロイックミラー２０２及び２０５とミラー２０３とレンズ２０４からなる色分離光学系と、ＲＧＢの各色毎のパネル１００Ｒ，１００Ｇ，１００Ｂと、クロスダイクロイックプリズム２０６と、前記各パネル１００と前記クロスダイクロイックプリズム２０６との間に配置された６面体プリズム１１２Ｒ,１１２Ｇ,１１２Ｂと、投写レンズ２０７等から構成される。
【００４５】
光源２０１から放射された白色光２０８は、ダイクロイックミラー２０２により、青色光２０９と黄色光２１０とに分離され、青色光２０９は、６面体プリズム１１２Ｂを介してパネル１００Ｂに入射する。一方、黄色光はミラー２０３及びレンズ２０４を介して、ダイクロイックミラー２０５により赤色光２１１と緑色光２１２とに分離され、夫々パネル１００Ｒと１００Ｇとに入射される。
【００４６】
各色毎のパネル１００Ｒ，１００Ｇ，１００Ｂへの入射光は画素毎に任意に位相変調され各パネル１００Ｒ，１００Ｇ，１００Ｂを出射するが、その際にホログラム素子により光路を変調されて各パネル１００Ｒ，１００Ｇ，１００Ｂの概ね法線方向に出射する。各６面体プリズム１１２Ｒ，１１２Ｇ，１１２Ｂは、クロスダイクロイックプリズム２０６の各面と相対させて配置される。各パネル１００Ｒ，１００Ｇ，１００Ｂから出射された光２１３，２１４，２１５は、クロスダイクロイックプリズム２０６によって色合成されて投写レンズ２０７方向に向かい、投写レンズ２０７によってスクリーンに投写される。
【００４７】
各パネル１００Ｒ，１００Ｇ，１００Ｂに備えられたホログラム素子により、パネルからの出射光は概ねパネルに対して法線方向に出射されるため、投写レンズ２０７のＦ値を必要以上に小さくする必要が無く、小型軽量化が可能である。また本作用は同様にクロスダイクロイックプリズム２０６についても小型のプリズムの使用を可能にし、光学系全体の小型軽量化に資する。
【００４８】
各６面体プリズム１１２Ｒ，１１２Ｇ，１１２Ｂの出射口には、不要光の吸収体ないし吸収体へ導く光学系を構成しておくことが望ましい。これにより迷光発生が効果的に防止され、コントラスト比の低下も防止される。あるいは、各６面体プリズム１１２Ｒ，１１２Ｇ，１１２Ｂの出射側の面を実施例５で述べたように反射面としておくことにより、各パネル１００Ｒ，１００Ｇ，１００Ｂへの戻り光が再利用されてピーク輝度の向上を可能にする。図１１では、各パネル100R，１００Ｇ，１００Ｂの長辺方向と、クロスダイクロイックプリズム２０６における４つのプリズムの何れの貼り合わせ面に対しても平行な方向とを平行に配置しているが、各パネル１００Ｒ，１００Ｇ，１００Ｂの短辺方向に平行となるように配置してもよい。
【００４９】
本実施例は、主として３板方式の投写光学系について述べた。一方、実施例１でも述べたように本発明の液晶表示方式は高速な液晶応答特性を備えている。これを利用して、１枚のパネルを用いてフィールド順次カラー方式の表示装置を構成することも、もちろん可能である。
【００５０】
（実施例１０）
図１２は、３板方式の投写光学系の他の実施例の説明図である。二つのクロスダイクロイックプリズムを用いている。本実施例の投写光学系は、光源２０１からの白色光を第一の青色光２０９によりＲＧＢに色分離し、かつＲＧＢの光を夫々前記青色光２０９の３方向に出射し、ミラー２０３により夫々の光を６面体プリズム１１２Ｒ，１１２Ｇ，１１２Ｂに導きパネル１００Ｒ,１００Ｇ,１００Ｂに照射し、パネルにおいて変調された各色毎の光を第二のダイクロイックプリズム２０６により色合成し、投写レンズ２０７を介してスクリーンに投写する構成である。入射側のダイクロイックプリズムと出射側のダイクロイックプリズムは、互いに同一の偏光に対してはカットオフ波長が異なるものを用いている。別の側面からみると、入射側のｐ偏光に対するカットオフ波長と出射側のｓ偏光に対するカットオフ波長とを揃えておくとよい。もしも揃っていないと、本来出射側のダイクロイックプリズムを通過すべき光が反射されて光量が損失すると同時に他のパネルに入射して迷光になりコントラスト比の低下につながるなどの問題が生じる。
【００５１】
（実施例１１）
図１３は、３板方式の投写光学系の他の実施例の説明図である。二つのクロスダイクロイックプリズムを用いている。本実施例の投写光学系は、光源２０１からの白色光を第一の青色光２０９によりＲＧＢに色分離し、かつＲＧＢの光を夫々前記青色光２０９の３方向に出射し、各パネル１００Ｒ，１００Ｇ，１００Ｂに対し斜めに入射する。その際、光源２０１から各パネル１００Ｒ，１００Ｇ，１００Ｂへの入射光の入射角を維持するために各パネル１００Ｒ，１００Ｇ，１００Ｂと青色光２０９，２０６との間にプリズム２０８Ｒ,２０８Ｇ,２０８Ｂを配置している。各パネル１００Ｒ，１００Ｇ，１００Ｂからの出射光はクロスダイクロイックプリズム２０６により色合成され投写レンズ２０７によりスクリーンに投写される。
【００５２】
（実施例１２）
図１５から図１８は本発明の液晶表示素子を用いた表示装置である、３板方式の投写光学系の実施例の説明図である。本実施例の投写光学系は、光源２０１と、ダイクロイックミラー２０２及び２０５とミラー２０３とレンズ２０４からなる色分離光学系と、ＲＧＢの各色毎のパネル１００Ｒ,１００Ｇ,１００Ｂと、クロスダイクロイックプリズム２０６と、前記各パネル１０１と前記クロスダイクロイックプリズム２０６との間に配置された６面体プリズム１１２Ｒ，１１２Ｇ，１１２Ｂと、投写レンズ２０７等から構成される。
【００５３】
光源２０１の光軸と投写レンズ２０７の光軸が略平行に配置されている。前記光源２０１の光軸と投写レンズ２０７の光軸は、互いに略９０度の角度にねじれて段違いに平行に配置されていてもよい。フロントプロジェクタ用途では、斜め上方へ投写するために、投写レンズの光軸は、パネルの光軸に対して、１０：０や９：１のシフト量でオフセットさせてもよい。
【００５４】
表示装置には、光源２０１があり、光源２０１は、超高圧水銀ランプ，メタルハライドランプ，キセノンランプ，水銀キセノンランプ，ハロゲンランプ等の白色ランプである。
【００５５】
光源２０１の電球から放射される光は楕円面または放物面または非球面の反射面１３０にて集光され、第一のアレイレンズ３０１に入射する。光は第一のアレイレンズ３０１を通過後、第二のアレイレンズ３０２を通過し、偏光ビームスプリッター３０４に入射する。この入射光は偏光ビームスプリッター３０４により透過光はＰ偏光光、反射光はＳ偏光光に分離され、該Ｐ偏光光は偏光ビームスプリッター３０４の出射側面に配置されたλ／２位相差板により偏光方向が９０度回転し、Ｓ偏光光となり、レンズ２０４に入射する。また、前記Ｓ偏光光は反射を繰り返し、隣接する偏光ビームスプリター３０４の出射面から出射され、レンズ２０４に入射する。レンズ２０４は、少なくとも１枚以上の構成であり、正の屈折力を有し、該Ｓ偏光光をさらに集光させる作用を持ち、該レンズ１０を通過した光はダイクロイックミラー２０５を照射する。
【００５６】
パネル１００の入射側にはＳ偏光光を透過する入射偏光板３０３を配置し、偏光度を向上させる。上記投射レンズ２０４により、パネル１００ａ，１００ｂ，１００ｃに形成された画像は、スクリーン上に拡大投影され表示装置として機能する。
【００５７】
光源２０１から放射された白色光２０８は、互いに略９０度交差して配置された青反射ダイクロイックミラーと赤反射ダイクロイックミラーによりなるクロスダイクロイックミラー２０２に入射する。青反射ダイクロイックミラー２０２により青色光２０９は反射されて、ミラー２０３に入射し、ミラー２０３にて反射して、６面体プリズム１１２Ｂに入射する。６面体プリズム１１２Ｂにて、入射光に対して出射光は、その向きを変更されて、出射し、ホログラム素子１３０Ｂに入射する。
【００５８】
赤反射ダイクロイックミラー２０２により赤色光２１１は反射されて、ミラー２０３に入射し、ミラー２０３にて反射して、６面体プリズム１１２Ｒに入射する。６面体プリズム１１２Ｒにて、入射光に対して出射光は、その向きを変更されて、出射し、ホログラム素子１３０Ｒに入射する。
【００５９】
クロスダイクロイックミラー２０２を透過した緑色光２１２は、ミラー２０３に入射し、ミラー２０３にて反射して、６面体プリズム１１２Ｇに入射する。６面体プリズム１１２Ｇにて、入射光に対して出射光は、その向きを変更されて、出射し、ホログラム素子１３０Ｇに入射する。
【００６０】
各色毎のパネル１００Ｒ，１００Ｇ，１００Ｂへの入射光は画素毎に任意に位相変調され各パネル１００Ｒ，１００Ｇ，１００Ｂを出射するが、その際にホログラム素子により光路を変調されて各パネル１００Ｒ，１００Ｇ，１００Ｂの概ね法線方向に出射する。各６面体プリズム１１２Ｒ，１１２Ｇ，１１２Ｂは、クロスダイクロイックプリズム２０６の各面と相対させて配置される。各パネル１００Ｒ，１００Ｇ，１００Ｂから出射された光２１３，２１４，２１５は、クロスダイクロイックプリズム２０６によって色合成されて投写レンズ２０７方向に向かい、投写レンズ２０７によってスクリーンに投写される。
【００６１】
各パネル１００Ｒ，１００Ｇ，１００Ｂに備えられたホログラム素子により、パネルからの出射光は概ねパネルに対して法線方向に出射されるため、投写レンズ２０７のＦ値を必要以上に小さくする必要が無く、小型軽量化が可能である。また本作用は同様にクロスダイクロイックプリズム２０６についても小型のプリズムの使用を可能にし、光学系全体の小型軽量化に資する。
【００６２】
各６面体プリズム１１２Ｒ，１１２Ｇ，１１２Ｂの出射口には、不要光の吸収体ないし吸収体へ導く光学系を構成しておくことが望ましい。これにより迷光発生が効果的に防止され、コントラスト比の低下も防止される。あるいは、各６面体プリズム１１２Ｒ，１１２Ｇ，１１２Ｂの出射側の面を実施例５で述べたように反射面としておくことにより、各パネル１００Ｒ，１００Ｇ，１００Ｂへの戻り光が再利用されてピーク輝度の向上を可能にする。図１１では、各パネル100R，１００Ｇ，１００Ｂの長辺方向と、クロスダイクロイックプリズム２０６における４つのプリズムの何れの貼り合わせ面に対しても平行な方向とを平行に配置しているが、各パネル１００Ｒ，１００Ｇ，１００Ｂの短辺方向に平行となるように配置してもよい。
【００６３】
オフ光をカットするために用いる出射側偏光板３０３はＰ偏光のみを透過する位相軸で、出射側青色光２０９に入射する前にＲ，Ｇ，Ｂ各光路に配置する。耐熱性向上のために出射側偏光板３０３は青色光２０９に張り合わせてもよい。また、サファイアをベースとするその硝材に、張り合わせてもよい。
【００６４】
本実施例は、主として３板方式の投写光学系について述べた。一方、実施例１でも述べたように本発明の液晶表示方式は高速な液晶応答特性を備えている。これを利用して、１枚のパネルを用いてフィールド順次カラー方式の表示装置を構成することも、もちろん可能である。
【００６５】
（実施例１３）
これまでは、主として反射型の液晶表示素子を構成した場合について述べてきたが、本実施例では透過型の液晶表示素子を構成した場合について述べる。反射型の場合、入射光は反射手段により反射されるため液晶層を２回通過する。一方、透過型の場合には、入射光は液晶層を１回だけ通過する。したがって、透過型の場合には液晶層の光学的な厚みであるリターデーションを反射型の場合に比べて２倍にしておく必要がある。
【００６６】
図１４に本発明の液晶表示方式を適用した透過型の液晶表示素子の実施例の説明図を示す。本実施例の液晶表示素子は、少なくとも２枚の透明基板１０３ａ及び１０３ｂに挟持された液晶層１１１と、偏光子１１５と、検光子１１６とからなり、さらに偏光子１１５と液晶層１１１との間と、液晶層１１１と検光子116との間に夫々ホログラム素子１３０ａ及び１３０ｂを備えたことを特徴とする。本実施例の液晶層１１１における液晶配向方向は、入射偏光方向に対し垂直ないし平行方向にしておく。透明基板１０３ａに対し概ね垂直方向から入射する入射光の光軸１０５は、ホログラム素子１３０ａにより回折され、液晶層１１１に対し斜めに入射する。液晶層１１１において変調を受けて出射した光はホログラム素子１３０ｂにより回折され透明基板に対して概ね垂直方向に回折され、検光子１１６と通過する。ホログラム素子１３０ａは、偏光子１１５を通過する偏光を回折するように構成され、一方、ホログラム素子１３０ｂは検光子１１６を通過する偏光を回折するように構成される。偏光子１１５及び検光子１１６はクロスニコルの配置にある。
【００６７】
（実施例１４）
これまでは、主としてパネル１００における２枚の基板に対する法線を含む面内で液晶分子の配向が変位する方式について述べてきたが、本実施例ではパネル１００を構成する２枚の基板に対して平行な面内で液晶分子の配向が変位する方式についてのべる。パネル１００を構成する２枚の基板に対して平行な面内で液晶分子の配向が変位する方式の具体的な例は、（１）基板に対して主として平行な電界成分によって２状態の液晶分子の配向方向の間でスイッチングする方式、（２）強誘電性液晶材料を用いてかつ２状態の液晶分子の配向方向の間でスイッチングする方式、（３）反強誘電性液晶材料を用いてかつ２状態の液晶分子の配向方向の間でスイッチングする方式等が挙げられる。
【００６８】
液晶層への入射光の光軸は、前記２状態の液晶分子の配向方向のうち一方の配向方向に対し概ね垂直な平面内にあり、かつ前記入射光が前記基板の法線方向に対し所定の角度傾いた方向から液晶層に入射する構成としておく。これにより、前記２状態の液晶分子の配向方向のうち一方の配向方向の状態においては入射光の偏光状態は変調されず黒表示となり、もう一方の配向方向の状態においては入射光の偏光状態が変調されて白表示となる。前記２状態の液晶分子の配向方向の間で連続的に配向方向を変調可能な方式であれば中間調表示が可能である。また強誘電性液晶を用いた場合のように前記２状態の液晶分子の配向方向の間で離散的な配向方向をとる場合には、パルス幅変調をすることにより中間調表示をすることができる。
【００６９】
これらの各実施例によれば、少なくとも一方が透明な２枚の基板と、前記２枚の基板に挟持された液晶層とを備え、前記２枚の基板の少なくとも一方に複数の画素と前記複数の画素において液晶層を駆動するアクティブ素子を備えた液晶表示素子において、液晶層への入射光の光軸が液晶分子の配向方向に対し概ね垂直な平面内にあり、かつ前記入射光が前記基板の法線方向に対し所定の角度傾いた方向から液晶層に入射する構成としたことにより、液晶分子の僅かな動きで所望の位相変調を行うことが可能なため、液晶駆動電圧の大幅な低減が可能である。
【００７０】
黒表示状態は、液晶分子の配向方向と入射偏光の偏光軸とを直交ないし平行な、液晶層による位相変調が極めて小さい状態で行う。したがって、黒レベルを小さく保ち良好なコントラスト比が得られるのと同時に、黒レベルの波長依存性や温度依存性が小さいため常に安定なコントラスト比を実現できる。さらに、液晶分子の配向方向に直交する面内での視野角特性が良好であるため投写表示装置においてＦ値を低減しても高コントラスト比を維持することができ、表示装置の明るさと高コントラスト比とを両立させることができる。
【００７１】
【発明の効果】
本発明によれば液晶駆動電圧を低減した液晶表示素子、又はこの液晶表示素子を用いた表示装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の液晶表示素子の液晶表示原理の説明図。
【図２】パネルに対し空気中から照射光を入射させる場合の実施例の説明図。
【図３】本発明の液晶表示素子の反射率における液晶層への印加電圧依存性の測定結果。
【図４】照射光のパネルへの入射角度と液晶層への入射角度とを概ね等しくするための光学系の実施例の説明図。
【図５】ホログラム素子を用いた光学系の実施例の説明図。
【図６】画素電極上に回折格子を形成した実施例の説明図。
【図７】６面体プリズムの出射側の面にアルミニウムや銀等の高反射率金属をコーティングした実施例の説明図。
【図８】基板との界面における液晶分子の傾き角度であるプレチルト角度θＬＣについての説明図。
【図９】本発明の液晶表示素子における液晶配向として垂直配向を適用した場合について実施例の説明図。
【図１０】６面体プリズムと入射光及び出射光との関係のバリエーションについての説明図。
【図１１】本発明の液晶表示素子を用いた表示装置の実施例の説明図。
【図１２】本発明の液晶表示素子を用いた表示装置の他の実施例の説明図。
【図１３】本発明の液晶表示素子を用いた表示装置の他の実施例の説明図。
【図１４】透過型の液晶表示素子の実施例の説明図。
【図１５】本発明の液晶表示素子を用いた表示装置の他の実施例の説明図。
【図１６】本発明の液晶表示素子を用いた表示装置の他の実施例の説明図。
【図１７】本発明の液晶表示素子を用いた表示装置の他の実施例の説明図。
【図１８】本発明の液晶表示素子を用いた表示装置の他の実施例の説明図。
【符号の説明】
１００…パネル、１０１…液晶分子、１０２…反射基板、１０３…透明基板、１０５…入射光の光軸、１０６…出射光の光軸、１１１…液晶層、１１２…６面体プリズム、１２１…反射電極、１２２…配向膜、１２３…透明電極、１３０…反射面、２０１…光源、２０２，２０５…ダイクロイックミラー、２０３…ミラー、２０４…レンズ、２０６…クロスダイクロイックプリズム、２０７…投写レンズ、２０９…青色光。
【図１】
0003791377.tif 000002
【図２】
0003791377.tif 000003
【図３】
0003791377.tif 000004
【図４】
0003791377.tif 000005
【図５】
0003791377.tif 000006
【図６】
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【図７】
0003791377.tif 000008
【図８】
0003791377.tif 000009
【図９】
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【図１０】
0003791377.tif 000011
【図１１】
0003791377.tif 000012
【図１２】
0003791377.tif 000013
【図１３】
0003791377.tif 000014
【図１４】
0003791377.tif 000015
【図１５】
0003791377.tif 000016
【図１６】
0003791377.tif 000017
【図１７】
0003791377.tif 000018
【図１８】
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