JP4897707B2 - 位相差補償素子、液晶表示装置及び液晶プロジェクタ - Google Patents

Description

本発明は、位相差補償素子、液晶表示装置及び液晶プロジェクタに関し、更に詳しくは、ネマチック液晶を垂直配向させたＶＡモード液晶に好適な光学補償素子及び、これを用いた液晶表示装置と液晶プロジェクタに関するものである。

液晶表示装置は、２枚のガラス基板の間にネマチック液晶を封入した液晶セルを備えている。そして、液晶セルの動作方式の違いにより、ＴＮ（Twisted Nematic）モード、ＶＡ（Vertical Alignment）モード、ＩＰＳ（In-Plane Switching）モード、ＯＣＢ（Optically Compensatory Bend）モード、ＥＣＢ（Electrically Controlled Birefringence）モードなどに分類される。各動作モードは、液晶分子の配向方向等に違いはあるものの、液晶を通過する光の量を電気的に制御して、文字や画像を表示するという構成は共通している。

近年、正面から観察した時のコントラストに優れていることから、ＶＡモードの液晶表示装置が注目されている。ＶＡモードの液晶表示装置は、２枚のガラス基板の間に、基板面に対して垂直に配向した液晶層を有している。そして、２枚のガラス基板の外側には、一対の偏光板がクロスニコルで配置されている。電圧無印加状態では、入射側偏光板（偏光子）を透過した直線偏光が、その偏光面をほとんど変化させずに液晶層を通り抜ける。そして、出射側偏光板（検光子）で遮断されて黒表示状態となる。また、電圧が印加された状態では、液晶分子の配向方向が、ガラス基板面に対して平行な状態に変化する。偏光子を通った直線偏光は、液晶層により偏光面が９０°ねじられる。そして、検光子を透過して白表示状態となる。

ＶＡモードの液晶表示装置は、黒表示状態であっても、視野角によっては光漏れを起こし、完全な黒にならないという視野角依存性の問題がある。従って、斜め方向から表示画面を見た場合に、コントラストが低下したり、階調表示で明るさが逆転する階調反転現象等が生じてしまう。そこで、光漏れの原因となる液晶層による位相差を光学的に補償する光学素子が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この光学素子は、素子基板の法線方向に光軸を有するＣプレートとして作用する光学異方性層を備えている。そして、ＶＡモードの液晶セルに斜め方向から入射する光の位相差を補償している。
特開２００４−１４５２６８号公報

しかしながら、ＶＡモードの液晶セルでは、電圧無印加状態の液晶分子が完全な垂直配向ではないため、ガラス基板に垂直に入射した光にも位相差が生じる。この位相差により、最良のコントラストが得られるピーク位置は、図７（ｂ）に示すように、液晶分子の傾斜方向に偏ってしまう。従って、表示画面を正面から観察した場合に、画像のコントラストが低くなるという問題があった。

本発明の目的は、ＶＡモードの液晶セルで生じる位相差を補償することができる位相差補償素子及び、この位相差補償素子を用いた液晶表示装置並びに液晶プロジェクタを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の位相差補償素子は、ＶＡモードの液晶セルの基板面に対して垂直な光軸を有し、Ｃプレートとして作用する第１の光学異方性層と、前記基板面に対して傾斜した光軸を有し、Ｏプレートとして作用する第２の光学異方性層と、前記基板面に対して傾斜した光軸を有し、Ｏプレートとして作用する第３の光学異方性層と、を含み、前記第２の光学異方性層及び第３の光学異方性層は、前記液晶分子の前記配向の方位を軸として各々の前記光軸が対称になっている。前記ＶＡモードの液晶セルは、前記基板面に対してほぼ垂直に配向した液晶分子を有する。第１の光学異方性層は、前記液晶セルに斜め方向から入射した光の位相差を補償し、第２の光学異方性層と第３の光学異方性層は、前記液晶セルに垂直に入射した光の位相差を補償する。

前記第１の光学異方性層は、屈折率の異なる複数種類の層によって構成された複屈折性構造体であり、各層の厚みは可視光の波長より小さい。更に、第１の光学異方性層は、可視光領域における屈折率差が０．５以上の２種類の層を交互に積層した構造であることが好ましい。

第２及び第３の光学異方性層は、可視光領域の透過光の波長よりも小さい間隔で配列された柱状体からなる複屈折性構造体である。

また、前記第１ないし第３の光学異方性層は、無機材料で形成されるのが好ましく、更に、第１ないし第３の光学異方性層の少なくとも１つを、蒸着法により形成することが好ましい。

本発明の液晶表示装置は、上記位相差補償素子と、ＶＡモード液晶セルとを備えている。本発明の好ましい実施形態では、液晶表示装置は、光源側から順に、偏光子、ＶＡモード液晶セル、位相差補償素子、検光子を備えている。

本発明の液晶プロジェクタは、上記液晶表示装置と、この液晶表示装置に照明光を照射する光源と、液晶表示装置によって変調された光をスクリーン上に結像させる光学系とを備えている。本発明の好ましい実施形態では、透過型のＶＡモード液晶セルが用いられる。また、本発明の別の実施形態では、オンアクシス反射型やオフアクシス反射型のＶＡモード液晶セルが用いられる。

本発明によれば、Ｃプレートとして作用する第１の光学異方性層が、斜め方向から入射する光の位相差を補償し、さらに、Ｏプレートとして作用する第２及び第３の光学異方性層が、正面方向から入射する光の位相差を補償する。これにより、液晶分子が完全に垂直配向していないＶＡモード液晶セルであっても、位相差を補償することができる。従って、幅広い視野角において光漏れが防止され、コントラストの高い画質の優れた画像を表示することができる。

また、第１ないし第３の光学異方性層を無機材料で構成すれば、高輝度光源の光が長時間照射される液晶プロジェクタ等に用いても、褪色等を生じない耐久性に優れた位相差補償素子を得ることができる。

図１において、液晶プロジェクタ１０は、透過型の三枚の液晶表示パネル１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂを備えており、フルカラーの画像をスクリーン３に投映する。光源１２から放射された白色光は、フィルタ１３によって紫外線及び赤外線がカットされる。この白色光は、ガラスロッド１４を通過して、一様な強度分布となる。

ガラスロッド１４から出射した白色光は、リレーレンズ１５及びコリメートレンズ１６を通って平行光となり、ミラー１７に入射する。ミラー１７で反射された白色光は、赤色光を透過するダイクロイックミラー１８Ｒで赤色光とシアン光の２光束に分けられる。ダイクロイックミラー１８Ｒを透過した赤色光は、ミラー１９で反射して液晶表示パネル１１Ｒに入射する。

ダイクロイックミラー１８Ｒで反射されたシアン光は、緑色光を反射するダイクロイックミラー１８Ｇで緑色光と青色光の２光束に更に分割される。ダイクロイックミラー１８Ｇで反射された緑色光は、液晶表示パネル１１Ｇに入射する。ダイクロイックミラー１８Ｇを透過した青色光は、ミラー１８Ｂ、ミラー２０で反射され、液晶表示パネル１１Ｂに入射する。

各液晶表示パネル１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂは、後述するＶＡモードの液晶セルを有している。液晶表示パネル１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂは、赤色、緑色、青色画像をグレースケール画像で表示する。また、液晶表示パネル１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂから等距離の位置に、合成プリズム２４が配置されている。赤色光、緑色光、青色光はそれぞれ、液晶表示パネル１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂを透過することで、画像情報が付与された画像光に変調される。そして、ダイクロイック面２４ａ，２４ｂを有する合成プリズム２４によって３色画像光が合成される。合成画像光は、投影レンズ２５を介してスクリーン３に投影され、フルカラー画像が表示される。

図２に示すように、液晶表示パネル１１Ｒは、光源側から順に、偏光子（入射側偏光板）３０と、液晶セル３１と、位相差補償素子３２と、検光子（射出側偏光板）３３とを備えている。偏光子３０と検光子３３は、それぞれの吸収軸３０ａ，３３ａが互いに直交したクロスニコルで配置されている。液晶セル３１は、一対の透明基板３５，３６と、ネマチック液晶構造を示す棒状液晶分子３７からなる有機化合物で形成された液晶層３８とを備えている。透明基板３５，３６には、液晶層３８に電圧を印加する電極（図示せず）が設けられている。なお、液晶パネル１１Ｇ，１１Ｂも同様の構成である。

液晶層３８に電圧が印加されていない電圧無印加状態では、棒状液晶分子３７は、透明基板３５に対して垂直方向に配向している。なお、図中では、棒状液晶分子３７の全てが完全に垂直方向に配向しているが、実際には、透明基板３５の法線方向からわずかに傾斜した所定のプレチルト角を有している。これにより、電圧を印加した時に、棒状液晶分子３７が水平方向に配向しやすくなる。液晶層３８に電圧を印加すると、液晶層３８の中央部に位置する棒状液晶分子３７は、透明基板３５と平行な水平配向となる。

図３に示すように、位相差補償素子３２は、光源側から順に、反射防止層４０と、ガラス基板４１と、負のＣプレートとして作用する第１の光学異方性層４２と、正のＯプレートとして作用する第２の光学異方性層４３及び第３の光学異方性層４４と、反射防止層４５とを備えている。

第１の光学異方性層４２は、屈折率の異なるＴｉＯ₂膜とＳｉＯ₂膜とを、それぞれ同じ厚さで交互に複数回積層した構造性複屈折体である。この構造により、第１の光学異方性層４２は、積層方向すなわちガラス基板４１の法線方向に延びた光軸（光学異方性を示さない軸）を有し、法線と垂直な面方向に光学異方性を有する。

なお、積層された膜の相互の光干渉を抑えるために、各膜の厚みは薄い方がよい。しかし、必要な位相差が得られる厚さとするには、積層回数を増やさなければならない。そこで、各膜の厚みは、可視光の波長領域である４００〜７００ｎｍをλとしたときに、λ／３０〜λ／１０程度であることが好ましい。また、可視光領域における屈折率の最大値と最小値の差（屈折率差）Δｎが０．５以上となるように、各膜の材料が選択される。屈折率差Δｎが０．５未満であると、必要な位相差を得るためには積層回数を増やさなければならず、製造適性や生産性が低下する。このため、ＴｉＯ_２膜（屈折率ｎ＝２．５８３〜２．７４１）とＳｉＯ_２膜（屈折率ｎ＝１．４８７０〜１．５４４２）の組合せが好適である。なお、屈折率の高い材料としては、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２などがあり、屈折率の低い材料としては、ＳｉＯ_２、ＭｇＦ_２などがある。

図４に示すように、第２の光学異方性層４３及び第３の光学異方性層４４は、光軸がガラス基板４１の法線方向に対して傾斜した、正の一軸性を有する構造性複屈折体である。第２の光学異方性層４３及び第３の光学異方性層４４は、周知の斜方蒸着法により形成されており、透明材料からなる柱状体５０が一定の傾斜角度で規則的に林立している。柱状体５０は、光の波長よりも充分に小さいピッチで配列されており、それぞれの光軸５１（屈折率異方性を示さない方向）は柱状体の成長方向と等しい。なお、第３の光学異方性層は、マルチドメイン化されたＭＶＡモード液晶に好適であるが、すべての液晶分子のプレチルト角が同一方向である場合には省略してもよい。

第２の光学異方性層４３及び第３の光学異方性層４４では、光軸５１の向きが液晶層３８の棒状液晶分子３７に付与されたプレチルト角に基づいて決められる。なお、図５に示すように、プレチルト角及び光軸の方向を表現するために、ＸＹＺの３つの座標軸が互いに直交した直交座標系を用いる。例えば、直線５２の方向を表現する場合は、直線５２がＺ軸となす角θを極角とし、直線５２のＸＹ平面への正射影がＸ軸となす角φを方位角とする。また、ＸＹ平面を基板面と一致させて、棒状液晶分子３７のプレチルト角及び第１ないし第３の光学異方性層４２〜４４の各光軸の向きを表すものとする。

図６に示すように、電圧無印加状態の液晶層３８が最良な視野角特性を得るようにするには、第２の光学異方性層４３と第３の光学異方性層４４の各光軸を、棒状液晶分子３７のプレチルトの向きを軸として線対称にする。具体的には、各層の光軸の方位角が、棒状液晶分子３７のプレチルトの向き（チルト方位）に対して、それぞれ−９０度〜−１３５度、＋９０度〜＋１３５度にする。なお、図中では、偏光子３０の吸収軸３０ａをＸ軸方向とし、液晶分子のチルト方位を４５度としている。

上記表１に示す実施例のように、棒状液晶分子３７の方位角が４５度、極角が５度である液晶層３８の正の位相差が＋４００ｎｍであるとき、この液晶層３８の視野角特性を最良とするためには、第１の光学異方性層４２の位相差を−５２０ｎｍに設定する。また、第２の光学異方性層４３の位相差を＋４０ｎｍに設定し、その光軸の方位角を−６０度、極角を４５度とする。第３の光学異方性層４４の位相差を＋４０ｎｍに設定し、光軸の方位角を１５０度、極角を４５度に設定する。第２の光学異方性層４３と、第３の光学異方性層４４の光軸は、液晶分子のチルト方位に対してそれぞれ−１０５度、＋１０５度の方位である。この状態で得られる視野角特性グラフを図７（ａ）に示す。

図７（ｂ）は、第１の光学異方性層４２のみからなる従来の位相差補償素子を使用した場合の視野角特性グラフである。このグラフでは、コントラストの最良点が棒状液晶分子３７のチルト方位に偏っており、画面を正面から見たときのコントラストが低くなっている。一方、図７（ａ）に示す本発明の位相差補償素子を使用した場合の視野角特性グラフは、コントラストの最良点が画面を直視した方向に位置しており、従来に比べて優れたコントラストが得られている。

次に、図８に示す本発明の第２の実施例について説明する。液晶表示パネル６０は反射型であり、光源側から順に、偏光子及び検光子として作用する偏光板６１、位相差補償素子３２Ａ、液晶セル３１、反射板６２を備えている。位相差補償素子３２Ａは、各層の厚みが異なっている以外は、実施例１の位相差補償素子３２と同じ構成である。表２は、表１と同様に、位相差補償素子３２Ａの特性を示す。

図９（ａ）に示すように、本発明の位相差補償素子３２Ａを用いた液晶表示装置では、コントラストの最良点が正面方向に位置している。これに対し、図９（ｂ）に示すように、第１の光学異方性層４２のみからなる従来の位相差補償素子を用いた液晶表示装置では、コントラストの最良点が方位角４５の方向に偏っている。

なお、第１の光学異方性層４２は、無機材料の蒸着膜で構成することに限られず、例えば、ＴＡＣ（トリアセチルセルロース）フィルム等の有機物フィルムで構成してもよい。また、第２の光学異方性層４３及び第３の光学異方性層４４は、支持体上に波長分散値の異なる２種類以上の材料又は層を積み重ねたものや、コレステリック液晶ポリマー等からなる層をフィルム等の透明基材上に塗布したものであってもよい。

各光学異方性層を形成するための蒸着法としては、試料を気体原料の雰囲気内におき、化学反応によって、試料表面に薄膜を形成する化学気相成長法（ＣＶＤ）や、蒸発やスパッタによって粒子状になった原料を試料に付着させて薄膜を形成する物理気相成長法（ＰＶＤ）などがある。また、上記実施例では、第１の光学異方性層４２が負のＣプレート、第２及び第３の光学異方性層が正のＯプレートとして作用しているが、液晶層の光学異方性が負の場合には、第１の光学異方性層４２が正のＣプレート、第２及び第３の光学異方性層が負のＯプレートで構成する。更に、必要に応じて層数を増やしてもよい。

また、上記実施例では、反射型の液晶セルを、入射光路と反射光路とが一致したオンアクシスで使用しているが、液晶セルをオフアクシス（入射光軸と反射光軸とが別）で使用する場合には、図１０（ａ）に示すように、位相差補償素子３２Ａを液晶セル３１の近傍に設けるとよい。あるいは、図１０（ｂ）に示すように、偏光子３０又は検光子３３と液晶セル３１の間に位相差補償素子３２Ａを配置してもよい。

位相差補償素子は、１対の偏光板の間であれば、どこに配置しても同様の効果が得られるので、他の設計要因を考慮して位置を決定すればよい。また、光学異方性層の順序についても、上記実施例に限定されず、積層工程等を考慮して適宜決定することができる。また、本発明の位相差補償素子は、液晶セルや偏光板と一体に形成されてもよい。

本発明の位相差補償素子は、ＶＡモードの液晶セルを有する液晶表示装置及び液晶プロジェクタ等に利用される。

液晶プロジェクタの構成を示す概略図である。 液晶表示パネルの斜視図である。 位相差補償素子の断面図である。 Ｏプレートの構成を示す概念図である。 方位角と極角を表す説明図である。 二層のＯプレートの光軸の方位を表す説明図である。 （ａ）第１実施例の位相差補償板を使用した場合の液晶層の視野角特性グラフと、（ｂ）従来の位相差補償板を使用した場合の液晶層の視野角特性グラフである。 第２実施例の液晶表示パネルの構成図である。 （ａ）第２実施例の位相差補償板を用いた液晶表示装置の視野角特性グラフと、（ｂ）従来の位相差補償板を用いた液晶表示装置の視野角特性グラフである。 オフアクシスの液晶表示パネルの構成図である。

Claims (10)

1. 液晶分子を一対の透明基板の間で略垂直に配向させたＶＡモード液晶セルで生じる光の位相差を補償する位相差補償素子において、
   前記透明基板の基板面に対して垂直な光軸を有し、Ｃプレートとして作用して、前記ＶＡモード液晶セルに斜めから入射する前記光の位相差を補償する第１の光学異方性層と、
   前記基板面に対して傾斜した光軸を有し、Ｏプレートとして作用して、前記ＶＡモード液晶セルに垂直に入射する前記光の位相差を補償する第２の光学異方性層と、
   前記基板面に対して傾斜した光軸を有し、Ｏプレートとして作用し、前記ＶＡモード液晶セルに垂直に入射する前記光の位相差を補償する第３の光学異方性層と、
   を備え、
   前記第２の光学異方性層及び第３の光学異方性層は、前記液晶分子の前記配向の方位を軸として各々の前記光軸が対称であることを特徴とする位相差補償素子。
2. 前記第１の光学異方性層は、可視光の波長より小さい膜厚を有し屈折率の異なる複数種類の層によって構成された複屈折性構造体であることを特徴とする請求項１記載の位相差補償素子。
3. 前記第２及び第３の光学異方性層は、可視光領域の透過光の波長よりも小さい間隔で配列された柱状体を有する複屈折性構造体であることを特徴とする請求項１または２に記載の位相差補償素子。
4. 前記第１ないし第３の光学異方性層は、無機材料からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の位相差補償素子。
5. 前記第１ないし第３の光学異方性層の少なくとも１つは蒸着法で形成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の位相差補償素子。
6. 液晶分子を一対の透明基板の間で略垂直に配向させたＶＡモード液晶セルと、このＶＡモード液晶セルで生じる光の位相差を補償する位相差補償素子とを備えた液晶表示装置において、前記位相差補償素子は、
   前記透明基板の基板面に対して垂直な光軸を有し、Ｃプレートとして作用して、前記ＶＡモード液晶セルに斜めから入射する前記光の位相差を補償する第１の光学異方性層と、
   前記基板面に対して傾斜した光軸を有し、Ｏプレートとして作用し、前記ＶＡモード液晶セルに垂直に入射する前記光の位相差を補償する第２の光学異方性層と、
   前記基板面に対して傾斜した光軸を有し、Ｏプレートとして作用して、前記ＶＡモード液晶セルに垂直に入射する前記光の位相差を補償する第３の光学異方性層と、
   を備え、
   前記第２の光学異方性層及び第３の光学異方性層は、前記液晶分子の前記配向の方位を軸として各々の前記光軸が対称であることを特徴とする液晶表示装置。
7. 前記ＶＡモード液晶セルの前方及び前記位相差補償素子の後方に、クロスニコルで配置された一対の偏光板を更に備える請求項６記載の液晶表示装置。
8. 液晶分子を一対の透明基板の間で略垂直に配向させたＶＡモード液晶セルを有する液晶表示装置と、前記液晶表示装置に光を照射する光源と、前記液晶表示装置によって変調された前記光をスクリーン上に結像させる光学系と、前記ＶＡモード液晶セルで生じる光の位相差を補償する位相差補償素子とを備えた液晶プロジェクタにおいて、前記位相差補償素子は、
   前記透明基板の基板面に対して垂直な光軸を有し、Ｃプレートとして作用し、前記ＶＡモード液晶セルに斜めから入射する前記光の位相差を補償する第１の光学異方性層と、
   前記基板面に対して傾斜した光軸を有し、Ｏプレートとして作用し、前記ＶＡモード液晶セルに垂直に入射する前記光の位相差を補償する第２の光学異方性層と、
   前記基板面に対して傾斜した光軸を有し、Ｏプレートとして作用して、前記ＶＡモード液晶セルに垂直に入射する前記光の位相差を補償する第３の光学異方性層と、
   を備え、
   前記第２の光学異方性層及び第３の光学異方性層は、前記液晶分子の前記配向の方位を軸として各々の前記光軸が対称であることを特徴とする液晶プロジェクタ。
9. 前記液晶表示装置は、前記光を透過させる透過型液晶表示装置であることを特徴とする請求項８記載の液晶プロジェクタ。
10. 前記液晶表示装置は、前記光を反射する反射型液晶表示装置であることを特徴とする請求項９記載の液晶プロジェクタ。

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