JP2004317752A - 液晶表示素子、画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】画像表示装置において空間光変調素子として使用される場合において、この画像表示装置の装置構成を大型化することなく、また、充分な寿命を維持しながら、表示画像の高コントラスト化を図ることができるようにする。
【解決手段】光束入射側にマイクロレンズアレイ７が設けられており、液晶パネルの光束入射側及び光束出射側の少なくともいずれか一方に液晶パネル面に対して光学軸が傾斜している無機材料からなる光学補償層４，６を備えている。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空間光変調素子として使用される液晶表示素子及びこの液晶表示素子を空間光変調素子として使用して構成された画像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、液晶表示素子を空間光変調素子として使用して構成された画像表示装置提案されている。
【０００３】
このような画像表示装置は、光源からの光束を液晶表示素子に照射してこの液晶表示素子を照明する照明光学系と、この液晶表示素子の像をスクリーン上に結像させる結像光学系とを有して構成されている。
【０００４】
このような画像表示装置においては、表示画像の高コントラスト化及び高輝度化が求められており、また、長寿命化が求められている。そして、このような画像表示装置の液晶表示素子においては、表示画像の高輝度化を実現するため、この液晶表示素子の有効表示面積部分に入射光束を集光させるマイクロレンズアレイが設けられている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−３４３６２３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述のような液晶表示素子としては、いわゆるＴＮ（Ｔｗｉｓｔ Ｎｅｍａｔｉｃ）液晶といわれるものが広く使用されている。このＴＮ液晶を用いた画像表示装置においては、液晶表示素子の液晶層と基板と界面における液晶分子のプレチルトの影響のため、液晶表示素子への電圧印加時（黒表示時）に、黒色に表示されるべき部分に明度が生じてしまういわゆる「黒浮き」という現象が起こり、コントラストが低下するという問題がある。特に、液晶表示素子の光束入射側にマイクロレンズアレイを設けた場合には、このような「黒浮き」現象が顕著に現れる。
【０００７】
このような現象への対策としては、例えば、特許文献１に記載されているように、ディスコティック液晶で形成された広視野角化フィルム（例えば、富士写真フィルム社製「ＷＶフィルム」（商品名））を液晶表示素子の近傍に配置したり、あるいは、一軸性位相差フィルムを液晶表示素子の近傍に傾斜させて配置することが提案されている。これら広視野角化フィルム、あるいは、一軸性位相差フィルムが液晶分子のプレチルト角による複屈折を補償することにより、表示画像の高コントラスト化が図られる。
【０００８】
しかしながら、ディスコティック液晶で形成される広視野角化フィルムを使用した場合は、この広視野角化フィルムの寿命について問題がある。すなわち、このような広視野角化フィルムは、数千時間と想定される画像表示装置の寿命に対して、充分な寿命を有しているとはいえない。表示画像の高輝度化のために光源を高出力化した場合には、広視野角化フィルムの寿命はさらに短いものとなる。
【０００９】
また、液晶表示素子の近傍に一軸性位相差フィルムを傾斜させて設置することとすると、この一軸性位相差フィルムの設置のために広い空間が必要となり、画像表示装置の装置構成が大型化してしまう。
【００１０】
そこで、本発明は、上述の実情に鑑みて提案されるものであって、画像表示装置において空間光変調素子として使用される場合において、この画像表示装置の装置構成を大型化することなく、また、充分な寿命を維持しながら、表示画像の高コントラスト化を図ることができる液晶表示素子を提供し、また、このような液晶表示素子を使用して構成された画像表示装置を提供しようとするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するため、本発明に係る液晶表示素子は、光束入射側にマイクロレンズアレイが設けられている液晶表示素子であって、液晶パネルの光束入射側及び光束出射側の少なくともいずれか一方に液晶パネル面に対して光学軸が傾斜している無機材料からなる光学補償層を備えていることを特徴とするものである。
【００１２】
また、本発明に係る液晶表示素子は、光束入射側にマイクロレンズアレイが設けられている液晶表示素子において、液晶パネル面の光束入射側に液晶パネル面に対して光学軸が傾斜している無機材料からなる２層の光学補償層を備えていることを特徴とするものである。
【００１３】
これら本発明に係る液晶表示素子においては、画像表示装置において空間光変調素子として使用される場合において、マイクロレンズアレイによる表示画像の高輝度化を実現できるとともに、液晶パネルにおける液晶分子のプレチルトによる影響が光学補償層によって光学的に補償され、表示画像の高コントラスト化が実現され、また、長寿命化が実現される。さらに、光学補償層として耐光性の強い無機材料を使用しているため、画像表示装置の光源の高出力化による表示画像の高輝度化を図ることができる。また、無機材料として、熱伝導率の高い、サファイア、あるいは、水晶を用いることにより、液晶パネルの温度上昇を抑えることもできる。
【００１４】
そして、本発明に係る画像表示装置は、光源と、空間光変調素子となる光束入射側にマイクロレンズアレイが設けられている液晶表示素子と、光源から発せられた光束を液晶表示素子に導きこの液晶表示素子を照明する照明光学系と、液晶表示素子の像を結像させる結像レンズとを備え、液晶表示素子は、液晶パネルの光束入射側及び光束出射側の少なくともいずれか一方に、該液晶パネル面に対して光学軸が傾斜している無機材料からなる光学補償層を備えていることを特徴とするものである。
【００１５】
また、本発明に係る画像表示装置は、光源と、空間光変調素子となる光束入射側にマイクロレンズアレイが設けられている液晶表示素子と、光源から発せられた光束を上記液晶表示素子に導きこの液晶表示素子を照明する照明光学系と、液晶表示素子の像を結像させる結像レンズとを備え、液晶表示素子は、液晶パネル面の光束入射側に、該液晶パネル面に対して光学軸が傾斜している無機材料からなる２層の光学補償層を備えていることを特徴とするものである。
【００１６】
これら本発明に係る画像表示装置においては、液晶表示素子に設けられたマイクロレンズアレイにより表示画像の高輝度化を実現できるとともに、液晶パネルにおける液晶分子のプレチルトによる影響が光学補償層によって光学的に補償され、表示画像の高コントラスト化が実現され、また、長寿命化が実現される。さらに、光学補償層として耐光性の強い無機材料を使用しているため、画像表示装置の光源の高出力化による表示画像の高輝度化を図ることができる。また、無機材料として、熱伝導率の高い、サファイア、あるいは、水晶を用いることにより、液晶表示素子の温度上昇を抑えることもできる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
【００１８】
〔液晶表示素子の構成〕
本発明に係る液晶表示素子は、図１に示すように、光束入射側より、入射側防塵ガラス１（石英製、厚さ１．０ｍｍ）、マイクロレンズ基板２（石英製、厚さ１．０ｍｍ）、ＴＦＴ基板３（石英製、厚さ１．１ｍｍ）が順次積層され、さらに、出射側プレチルト成分を光学的に補償する光学補償層となる第１の光学補償プレート４（サファイア製）、出射側防塵ガラス５（石英製、厚さ１．０ｍｍ）、入射側プレチルト成分を光学的に補償する第２の光学補償プレート６（サファイア製）が順次光束出射側に向けて積層されて構成されている。
【００１９】
マイクロレンズ基板２には、ＴＦＴ基板３側に、マイクロレンズアレイ７が形成されている。また、ＴＦＴ基板３内には、液晶分子を封入して構成された液晶パネルが配置されている。この液晶パネルの光束入射側の主面は、液晶パネル面８として、マイクロレンズアレイ７に対向している。
【００２０】
第１の光学補償プレート４は、液晶パネルの光束出射側における液晶分子のプレチルト角による光学的影響を補償するものである。また、第２の光学補償プレート６は、液晶パネルの光束入射側における液晶分子のプレチルト角による光学的影響を補償するものである。なお、これら各光学補償プレート４，６は、液晶パネルに対して、光束入射側及び光束出射側のいずれの位置に配置しても、また、どの順番に配置しても、後述する画像表示装置において、表示画像のコントラストを向上させる効果がある。
【００２１】
各光学補償プレート４，６は、水晶やサファイヤ等の一軸性結晶から平板状に構成されており、光学軸の方向が、液晶パネル面８に対して傾斜されている。各光学補償プレート４，６の光学軸の方向の液晶パネル面８への投影方向は、液晶パネルの光束入射側の基板表面付近の液晶分子のプレチルト方向の液晶パネル面８への投影方向、または、液晶パネルの光束出射側の基板表面付近の液晶分子のプレチルト方向の液晶パネル面８への投影方向のうちの少なくとも一方に略々平行である。
【００２２】
各光学補償プレート４，６の光学軸の方向の液晶パネル面８に対する最適な傾斜角度は、液晶パネルに対する電圧印加時（いわゆる「黒表示」時）における透過率をシミュレーションすることによって求めることができる。なお、このシミュレーションは、例えば、「シンテック社」製の液晶シミュレータ「ＬＣＤ Ｍａｓｔｅｒ」（商品名）を用いて実行することができる。ここで、光学補償プレート４，６の光学軸の方向の液晶パネル面８に対する傾斜角度の定義は、図２に示すように、液晶パネル面８に沿う方向（平行な方向）を０°としている。
【００２３】
シミュレーションとしては、液晶材料である「メルク社」製の「ＭＪ９９２００」（商品名）に基づく誘電率（ε１１、ε２２、ε３３）、弾性定数（Ｋ１１、Ｋ２２、Ｋ３３）、回転粘性、ヘリカルピッチ、配向膜表面でのプレチルト角、液晶のセルギャップ、ツイスト角を用いて行った。所定電圧印加時の液晶ディレクタ分布を計算し、その分布に基づいて、液晶の常光屈折率（ｎｏ）及び異常光屈折率（ｎｅ）を用いて、光学補償プレートの特性としてサファイアの常光屈折率（ｎｏ）及び異常光屈折率（ｎｅ）を用い、光学補償プレートの厚みを、２０μｍとして行った。そして、各光学補償プレート４，６の配置位置は、図１に示すように、双方とも液晶パネルの光束出射側に配置することとした。
【００２４】
そして、この液晶表示素子と偏光板とを組み合わせた光学モデルにおいて、伝搬する波長５５０ｎｍの光線の透過率の、入射角度依存依存性を４×４のマトリクス法によって求めた。
【００２５】
透過率としては、光束の入射角度を５°、１０°及び１５°とした場合について、液晶パネルの光束入射側のラビング方向を基準として、光学補償プレートの光学軸の方向を５°刻みで７２等分し、その平均透過率を入射角度ごとの透過率とした。そして、図３に示すように、液晶パネルのみの場合と、光学補償プレートを配置した場合との「黒表示」における透過率の比を求めた。
【００２６】
この結果に基づいて、光学補償プレートの光学軸の液晶パネル面８に対する傾斜角度を最適化することにより、「黒表示」における透過率を充分に減少させることが可能である。図３に示すように、光学補償プレートの光学軸の最適な傾斜角度は、およそ７５°乃至８５°程度である。
【００２７】
なお、この液晶表示素子においては、液晶パネルの光束入射側にマイクロレンズアレイが配置されているため、液晶パネルへの光束の入射角度と液晶パネルからの光束の出射角度との間には差が生じるので、上述のシミュレーション条件と実際の光学系とでは、若干の差が生じる。しかし、液晶表示素子を用いた画像表示装置において、液晶パネルへの光束の入射角度は、１３°乃至１４°程度であるので、上述のシミュレーション条件と実際の光学系との間の差によって生ずる光学補償プレートの光学軸の最適角度の差は小さい。したがって、上述のように光学軸を傾斜させた２枚の光学補償プレート４，６を配置することにより、表示画像のコントラストは向上するといえる。
【００２８】
また、上述の２枚の光学補償プレート４，６の配置を入れ替えた場合にも、図４に示すように、光学軸を最適な傾斜角度に設定することにより、「黒表示」時の透過率を減少させることが可能であることがわかる。
【００２９】
これらの結果より、２枚の光学補償プレート４，６は、その配置順に依らず、液晶パネルにおける光束入射側のプレチルト成分及び光束出射側のプレチルト成分を光学的に補償するように配置することにより、表示画像のコントラストを向上させることができることがわかった。
【００３０】
すなわち、２枚の光学補償プレート４，６は、図５に示すように、液晶パネルの光束入射側及び光束出射側に１枚ずつ配置してもよい。また、これら光学補償プレート４，６は、入射側防塵ガラス１、または、出射側防塵ガラス５の主面部上に形成してもよく、また、マイクロレンズ基板２（マイクロレンズアレイのカバーガラス）として形成してもよい。
【００３１】
次に、光学補償プレートをサファイアで作成した場合において、この光学補償プレートの厚さを２０μｍ乃至８０μｍに亘って変化させたときの「黒表示」における透過率比は、図６に示すように、液晶パネル面への入射角度が５°である場合には、厚さが８０μｍとなっても、充分に抑制できている。図６において縦軸が示す透過率比とは、光学補償プレートを配置したときの透過率の光学補償プレートを配置しないときの透過率に対する比率であり、透過率比が１未満であれば、光学補償プレートを配置したことによって透過率が減少し、表示画像のコントラストが向上したことになる。なお、このときの光学補償プレートの光学軸の傾斜角度は８０°としている。
【００３２】
サファイアの屈折率異方性の絶対値Δｎは、各波長領域において、略々０．００８であり、サファイア板の厚さｄが８０μｍであるとき、Δｎ・ｄは、およそ６４０ｎｍとなる。そして、光学補償プレートについて、Δｎ・ｄが６４０ｎｍ以上になると、「黒表示」の透過率における、光学補償プレートによる複屈折が支配的になり、透過率が増加し、「黒が浮く」という現象が起こることがわかる。この結果より、一枚の光学補償プレートについて、Δｎ・ｄが６４０ｎｍ以下であることが望ましい。
【００３３】
なお、光学補償プレートをサファイアで作成した場合のように、光学補償プレートの屈折率異方性と液晶パネルの液晶層の屈折率異方性とが異符号であるときには、図７に示すように、光学補償層プレートの光学軸の方向と液晶層の光学軸の方向とは、液晶パネル面に対する傾斜方向が同方向であるようにするべきである。
【００３４】
また、光学補償プレートを水晶で作成した場合のように、光学補償プレートの屈折率異方性と液晶パネルの液晶層の屈折率異方性とが同符号であるときには、図８に示すように、光学補償層プレートの光学軸の方向と液晶層の光学軸の方向とは、液晶パネル面に対する傾斜方向が互いに逆方向であるようにするべきである。
【００３５】
〔液晶表示素子の作成（１）〕
次に、本発明に係る液晶表示素子の作成方法について説明する。
【００３６】
まず、液晶パネルは、入射側にマイクロレンズアレイを配置し、例えば、以下のような所定の規格の液晶パネルとして作成する。すなわち、有効画素サイズ（対角線）を０．９インチとして、画素ピッチ１８μｍの「ＸＧＡ」規格の液晶セルを作成する。ラビング角を９０°とし、ツイスト角を９０°とし、セルギャップを３．２μｍとして、配向膜塗布、ラビング処理及びスペーサ配置を行って液晶セルを作成し、液晶（メルク社製「ＭＪ９９２００」（商品名））を注入して完成する。
【００３７】
次に、光学補償プレートを作成するには、図９の工程フロー図に示すように、まず、ステップｓｔ１において、図１０中の（ａ）及び（ｂ）に示すように、サファイア単結晶ブロックについて、例えば、Ｘ線回折などで結晶方位を同定する。次に、図９のステップｓｔ２において、図１０中の（ｃ）に示すように、サファイア単結晶ブロックの表面に対して光学軸の傾斜角度が６０°、７０°、８０°、９０°になるように、ダイアモンドカッタを用いてサファイア板を切り出す。さらに、図９のステップｓｔ３において、サファイア板の厚み及び大きさが所定の厚み及び大きさとなるように、ダイアモンドカッタを用いて板を切り出す。
【００３８】
この切り出しにおいては、サファイア板の厚みが約２５μｍとなるようにする。また、この切り出しにおいては、図１１に示すように、液晶パネルにおけるプレチルト成分を光学的に補償できるように、長方形のガラス外形に対して光学軸の傾斜角度方向が液晶パネルのラビング方向に一致するようにする。さらに、光学補償プレートは、液晶パネルの有効画素を充分に覆える程度の大きさとなされて切り出される。
【００３９】
そして、図９のステップｓｔ４では、減圧されているチャンバー内で、いわゆるスピンコート法などにより、防塵ガラス等である石英ガラスの表面に接着剤を塗布する。接着剤としては、例えば、シリコン樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、あるいは、フッ素系樹脂を塗布する。
【００４０】
続くステップｓｔ５では、所定の防塵ガラス等に所定の方向になるように貼り合わせをなされ、ステップｓｔ６で接着剤の硬化をされる。接着剤の硬化は、加熱することにより、あるいは、紫外線（ＵＶ）を照射することにより、行われる。なお、２枚の光学補償プレートを用いる場合には、このステップｓｔ４乃至ステップｓｔ６を２度繰り返す。そして、ステップｓｔ７では、サファイア板の厚さが２０μｍになるように、研削、研磨加工がなされて、光学補償プレートが配置された防塵ガラスが作成される。
【００４１】
なお、図１１においては、（ａ）は、光束入射側に、液晶パネルの出射側におけるプレチルトを補償する第１の光学補償プレート４を配置し、光束出射側に、液晶パネルの入射側におけるプレチルトを補償する第２の光学補償プレート６を配置したものである。また、（ｂ）は、光束入射側に、液晶パネルの入射側におけるプレチルトを補償する第２の光学補償プレート６を配置し、光束出射側に、液晶パネルの出射側におけるプレチルトを補償する第１の光学補償プレート４を配置したものである。
【００４２】
その後、光束入射側には、いずれの面にも光学補償プレートが配置されていない防塵ガラスを貼付する。また、光束出射側には、光学補償プレートが配置されていない防塵ガラス及び光学補償プレートが配置された防塵ガラスを、図１１に示したように、所定の方向にして配置する。さらに、図１２に示すように、ＴＦＴ基板に接続されるフレキシブル基板９を貼り付け、例えば、金属製の枠１０をはめ込み、見切り板１１を取付けることにより、画像表示装置に用いることができる液晶表示素子が完成する。
【００４３】
〔画像表示装置における表示画像のコントラストの測定〕
上述したような液晶表示素子が使用される本発明に係る画像表示装置は、図１３に示すように、放電ランプ等の光源１２を有して構成される。この光源１２から発せられた光束は、凹面鏡（放物面鏡）１３により反射されて略々平行な光束となされて、ＵＶ（紫外線）／ＩＲ（赤外線）カットフィルタ１４及び第１のフライアイレンズアレイ１５を経て、ミラー１６によって反射され、第２のフライアイレンズアレイ１７に入射する。第１及び第２のフライアイレンズアレイ１５，１７を透過することによって照度を略々均一化された光束は、ＰＳ合成素子１８を経ることにより、偏光方向を一定方向に揃えられる。
【００４４】
このＰＳ合成素子１８は、複数の互いに平行な偏光分離膜を有している。このＰＳ合成素子１８への入射光束のＰ偏光成分は、偏光分離膜を透過する。そして、このＰＳ合成素子１８への入射光束のＳ偏光成分は、偏光分離膜によって２度反射されて出射する。これらＰ偏光成分とＳ偏光成分とは、出射方向は平行であるが、出射する位置は分離された状態となる。そして、Ｐ偏光成分の出射位置、または、Ｓ偏光成分の出射位置のいずれかには、二分の一波長（λ／２）板が配置されており、偏光方向を９０°回転させる。このようにして、ＰＳ合成素子１８の出射光は、偏光方向が揃えられる。
【００４５】
ＰＳ合成素子１８からの出射光は、コンデンサレンズ１９を経て、第１のダイクロイックミラー２０に入射する。この第１のダイクロイックミラー２０では、三原色（Ｒ、Ｇ、Ｂ）のうちの一色が反射され、残る二色が透過する。
【００４６】
第１のダイクロイックミラー２０を透過した光束は、第２のダイクロイックミラー２１に入射する。この第２のダイクロイックミラー２１では、第１のダイクロイックミラー２０を透過した二原色のうちの一色が反射され、残る一色（第１の色）が透過する。
【００４７】
第２のダイクロイックミラー２１を透過した光束は、リレーレンズ２２、ミラー２３、リレーレンズ２４及びミラー２５を経て、さらに、フィールドレンズ２６及び偏光板２７を経て、第１の液晶表示素子２８に入射する。この光束は、第１の液晶表示素子２８で表示画像の第１の色成分に応じて偏光変調されて透過し、偏光板２９を経て、クロスプリズム３０に一側面から入射する。
【００４８】
第２のダイクロイックミラー２１で反射された一色（第２の色）の光束は、フィールドレンズ３６及び偏光板３７を経て、第２の液晶表示素子３８に入射する。この光束は、第２の液晶表示素子３８で表示画像の第２の色成分に応じて偏光変調されて透過し、偏光板３９を経て、クロスプリズム３０に背面から入射する。
【００４９】
第１のダイクロイックミラー２０で反射された一色（第３の色）の光束は、ミラー３１を経て、フィールドレンズ３２及び偏光板３３を経て、第３の液晶表示素子３４に入射する。この光束は、第３の液晶表示素子３４で表示画像の第３の色成分に応じて偏光変調されて透過し、偏光板３５を経て、クロスプリズム３０に他側面から入射する。
【００５０】
クロスプリズム３０に三方から入射された三原色光は、このクロスプリズム３０によって合成されて、結像光学系となる結像（投射）レンズ４０に入射される。この結像レンズ４０は、入射された光束を、図示しないスクリーン上に投射することにより、画像表示を行う。
【００５１】
このような画像表示装置において、液晶表示素子が光学補償プレートを備える場合と備えない場合との、スクリーン上に投射された画像のコントラスト比を測定すると、図１４に示すように、光学補償プレートを備えた場合のほうが表示画像のコントラストが向上していることがわかる。なお、この結果を得た画像表示装置の光学系の結像レンズのＦ値は２．５である。
【００５２】
〔液晶表示素子の作成（２）〕
この液晶表示素子において、マイクロレンズアレイを作成するには、図１５において（１）乃至（４）で示す工程によって作成することができる。
【００５３】
（１）では、厚さ１．５ｍｍの石英を基板として、例えば、ＲＣＡ洗浄法により、基板洗浄を行なう。その後、それぞれの画素に対応するように、レジストを塗布し、露光及び現像を行い、画素の中央が適切な形状に開口するようにレジストのマスクを作製する。
【００５４】
（２）では、例えば、ＨＦ、あるいはＢＨＦを用いて、等方性エッチングを行ない、石英基板上に球面形状を形成する。その球面の直径は、略々画素サイズに等しく、球面の中心間の間隔は、画素ピッチと等しくなるようにする。
【００５５】
（３）では、石英と屈折率の異なる樹脂を塗布し、スピンコート法により延伸し、マイクロレンズアレイとする。そして、カバーガラスとして、図９により上述した工程によって光学補償プレートを、所定の厚さより厚くなるように作成する。そのときの光学軸の傾斜角度は、それぞれ、６０°、７０°、８０°、９０°となるように、また、サファイア基板の厚さが約２５μｍになるように作成する。
【００５６】
そして、その光学補償プレートを入射側のプレチルト成分を光学的に補償できるような配置にして、マイクロレンズアレイに貼付する。その後、所定の厚さになるように、石英ガラスとサファイア板を研磨・研削する。このとき、サファイア板の板厚は、２０μｍとなるように研磨・研削する。
【００５７】
（４）では、スパッタ法により、ＩＴＯ膜をカバーガラスの上に成膜し、マイクロレンズ基板を作成する。
【００５８】
液晶パネルは、上述と同様に、入射側にマイクロレンズアレイを配置し、例えば、以下のような所定の規格の液晶パネルとして作成する。すなわち、有効画素サイズ（対角線）を０．９インチとして、画素ピッチ１８μｍの「ＸＧＡ」規格の液晶セルを作成する。ラビング角を９０°とし、ツイスト角を９０°とし、セルギャップを３．２μｍとして、配向膜塗布、ラビング処理及びスペーサ配置を行って液晶セルを作成し、液晶（メルク社製「ＭＪ９９２００」（商品名））を注入して完成する。
【００５９】
このようにして、図５に示すように、液晶表示素子が完成する。各光学補償プレートは、光束入射側の光学補償プレートの光学軸の傾斜角度と、光束出射側の光学補償プレートの光学軸の傾斜角度とが等しくなるように配置する。このとき、光束入射側のプレチルト成分を補償する光学補償プレートの光学軸の傾斜角度と光束出射側のプレチルト成分を補償する光学補償プレートの光学軸の傾斜角度とは、必ずしも一致する必要はない。
【００６０】
さらに、図１２に示すように、ＴＦＴ基板に接続されるフレキシブル基板９を貼り付け、例えば、金属製の枠１０をはめ込み、見切り板１１を取付けることにより、画像表示装置に用いることができる液晶表示素子が完成する。
【００６１】
このように構成した液晶表示素子について、図１３により上述した画像表示装置の光学系を用いて、液晶表示素子が光学補償プレートを備える場合と備えない場合との、スクリーン上に投射された画像のコントラスト比を測定すると、図１６に示すように、光学補償プレートを備えた場合のほうが表示画像のコントラストが向上していることがわかる。なお、この結果を得た画像表示装置の光学系の結像レンズのＦ値は２．５である。
【００６２】
〔液晶表示素子の作成（３）〕
ここでは、まず、図１５により上述したと同様に、石英基板上に、略々画素サイズに等しい直径を有する球面形状を画素ピッチと等しい間隔（球面の中心間）で形成する。そして、図１７に示すように、屈折率１．６０の樹脂を塗布し、スピンコート法により延伸する。そのとき、図１７中に「樹脂厚」として示している樹脂厚が１０μｍになるように、回転数、回転時間の最適化を行なう。そして、カバーガラスとして、図９により上述した工程によって光学補償プレートを、所定の厚さより厚くなるように作成する。そのときの光学軸の傾斜角度は、８０°となるように、また、サファイア基板の厚さが約３５μｍになるように作成する。
【００６３】
そして、その光学補償プレートを入射側のプレチルト成分を光学的に補償できるような配置にして、マイクロレンズアレイに貼付する。その後、所定の厚さになるように、石英ガラスとサファイア板を研磨・研削する。このとき、サファイア板の板厚は、１２μｍ、１６μｍ、２０μｍ、２４μｍ、２８μｍとなるように研磨・研削する。
【００６４】
そして、スパッタ法により、ＩＴＯ膜をカバーガラスの上に成膜し、マイクロレンズ基板を作成する。
【００６５】
液晶パネルは、上述と同様に、入射側にマイクロレンズアレイを配置し、例えば、以下のような所定の規格の液晶パネルとして作成する。すなわち、有効画素サイズ（対角線）を０．９インチとして、画素ピッチ１８μｍの「ＸＧＡ」規格の液晶セルを作成する。ラビング角を９０°とし、ツイスト角を９０°とし、セルギャップを３．２μｍとして、配向膜塗布、ラビング処理及びスペーサ配置を行って液晶セルを作成し、液晶（メルク社製「ＭＪ９９２００」（商品名））を注入して完成する。
【００６６】
また、図９により上述した工程によって光学補償プレートを作成する。そのときの光学軸の傾斜角度は、８０°となるように、また、サファイア基板の厚さが約３０μｍになるように作成する。
【００６７】
そして、その光学補償プレートを出射側のプレチルト成分を光学的に補償できるような配置にして、石英からなる出射側防塵ガラスに貼付する。その後、マイクロレンズアレイのカバーガラスの厚さに等しい所定の厚さになるように、石英ガラスとサファイア板を研磨・研削する。このとき、サファイア板の板厚は、１２μｍ、１６μｍ、２０μｍ、２４μｍ、２８μｍとなるように研磨・研削する。
【００６８】
このようにして、図５に示すように、液晶表示素子が完成する。各光学補償プレートは、光束入射側の光学補償プレートの光学軸の傾斜角度と、光束出射側の光学補償プレートの光学軸の傾斜角度とが等しくなるように配置する。このとき、光束入射側のプレチルト成分を補償する光学補償プレートの光学軸の傾斜角度と光束出射側のプレチルト成分を補償する光学補償プレートの光学軸の傾斜角度とは、必ずしも一致する必要はない。
【００６９】
さらに、図１２に示すように、ＴＦＴ基板に接続されるフレキシブル基板９を貼り付け、例えば、金属製の枠１０をはめ込み、見切り板１１を取付けることにより、画像表示装置に用いることができる液晶表示素子が完成する。
【００７０】
このように構成した液晶表示素子について、図１３により上述した画像表示装置の光学系を用いて、液晶表示素子が光学補償プレートを備える場合と備えない場合との、スクリーン上に投射された画像の「白表示」（電圧無印加時）の照度比とコントラスト比を測定する。以下の結果を得た画像表示装置の光学系の結像レンズのＦ値は２．３である。
【００７１】
照度の基準としては、サファイア板の厚さが２０μｍである場合に設定している。また、サファイア板の厚さだけでなく、図１８に示すように、樹脂厚の部分とサファイア板の空気長（光路長）の和と「白表示」（電圧無印加時）の照度との関係を測定する。空気長（光路長）とは、ある媒質において、その厚さと屈折率を掛けたものである。なお、このとき、スクリーン上に投影される画像は、対角線４０インチになるように設定した。
【００７２】
測定結果は、図１９に示すように、画素ピッチ１４μｍで対角線０．７インチの液晶パネルにおいて、樹脂とサファイアの空気長の和を約１８μｍとしたときが、「白表示」（電圧無印加時）の白の照度がほぼ最大値となり、コントラスト比も最大となる。このように、条件を最適化することにより、表示画像の高輝度化と高コントラスト化とを同時に達成することも可能である。
【００７３】
〔液晶表示素子の作成（４）〕
まず、図１５により上述したと同様に、厚さ１．５ｍｍの石英基板上に、略々画素サイズに等しい直径を有する球面形状を画素ピッチと等しい間隔（球面の中心間）で形成する。そして、図１７に示すように、屈折率１．６０の樹脂を塗布し、スピンコート法により延伸する。そのとき、図１７中に「樹脂厚」として示している樹脂厚が３μｍになるように、回転数、回転時間の最適化を行なう。そして、カバーガラスとして、カバーガラスとして、図９により上述した工程によって光学補償プレートを、所定の厚さより厚くなるように作成する。そのときの光学軸の傾斜角度は、８０°となるように、また、サファイア基板の厚さが約３５μｍになるように作成する。
【００７４】
そして、その光学補償プレートを入射側のプレチルト成分を光学的に補償できるような配置にして、マイクロレンズアレイに貼付する。その後、所定の厚さになるように、石英ガラスとサファイア板を研磨・研削する。このとき、サファイア板の板厚は、１２μｍ、１６μｍ、２０μｍ、２４μｍ、２８μｍとなるように研磨・研削する。
【００７５】
そして、スパッタ法により、ＩＴＯ膜をカバーガラスの上に成膜し、マイクロレンズ基板を作成する。
【００７６】
液晶パネルは、上述と同様に、入射側にマイクロレンズアレイを配置し、例えば、以下のような所定の規格の液晶パネルとして作成する。すなわち、有効画素サイズ（対角線）を０．９インチとして、画素ピッチ１８μｍの「ＸＧＡ」規格の液晶セルを作成する。ラビング角を９０°とし、ツイスト角を９０°とし、セルギャップを３．２μｍとして、配向膜塗布、ラビング処理及びスペーサ配置を行って液晶セルを作成し、液晶（メルク社製「ＭＪ９９２００」（商品名））を注入して完成する。
【００７７】
また、図９により上述した工程によって光学補償プレートを作成する。そのときの光学軸の傾斜角度は、８０°となるように、また、サファイア基板の厚さが約３０μｍになるように作成する。
【００７８】
そして、その光学補償プレートを出射側のプレチルト成分を光学的に補償できるような配置にして、石英からなる出射側防塵ガラスに貼付する。その後、マイクロレンズアレイのカバーガラスの厚さに等しい所定の厚さになるように、石英ガラスとサファイア板を研磨・研削する。このとき、サファイア板の板厚は、１２μｍ、１６μｍ、２０μｍ、２４μｍ、２８μｍとなるように研磨・研削する。
【００７９】
このようにして、図５に示すように、液晶表示素子が完成する。各光学補償プレートは、光束入射側の光学補償プレートの光学軸の傾斜角度と、光束出射側の光学補償プレートの光学軸の傾斜角度とが等しくなるように配置する。このとき、光束入射側のプレチルト成分を補償する光学補償プレートの光学軸の傾斜角度と光束出射側のプレチルト成分を補償する光学補償プレートの光学軸の傾斜角度とは、必ずしも一致する必要はない。
【００８０】
さらに、図１２に示すように、ＴＦＴ基板に接続されるフレキシブル基板９を貼り付け、例えば、金属製の枠１０をはめ込み、見切り板１１を取付けることにより、画像表示装置に用いることができる液晶表示素子が完成する。
【００８１】
このように構成した液晶表示素子について、図１３により上述した画像表示装置の光学系を用いて、液晶表示素子が光学補償プレートを備える場合と備えない場合との、スクリーン上に投射された画像の「白表示」（電圧無印加時）の照度比とコントラスト比を測定する。以下の結果を得た画像表示装置の光学系の結像レンズのＦ値は２．３である。
【００８２】
照度の基準としては、サファイア板の厚さが２０μｍである場合に設定している。また、サファイア板の厚さだけでなく、図１８に示すように、樹脂厚の部分とサファイア板の空気長（光路長）の和と「白表示」（電圧無印加時）の照度との関係を測定する。空気長（光路長）とは、ある媒質において、その厚さと屈折率を掛けたものである。なお、このとき、スクリーン上に投影される画像は、対角線４０インチになるように設定した。
【００８３】
測定結果は、図２０に示すように、画素ピッチ１１μｍで対角線０．５５インチの液晶パネルにおいて、樹脂とサファイアの空気長の和を約１３μｍとしたときが、「白表示」（電圧無印加時）の白の照度がほぼ最大値となり、コントラスト比も最大となる。このように、条件を最適化することにより、表示画像の高輝度化と高コントラスト化とを同時に達成することも可能である。
【００８４】
【発明の効果】
上述のように、本発明に係る液晶表示素子においては、画像表示装置において空間光変調素子として使用される場合において、マイクロレンズアレイによる表示画像の高輝度化を実現できるとともに、液晶パネルにおける液晶分子のプレチルトによる影響が光学補償層によって光学的に補償され、表示画像の高コントラスト化が実現され、また、長寿命化が実現される。
【００８５】
さらに、光学補償層として耐光性の強い無機材料を使用しているため、画像表示装置の光源の高出力化による表示画像の高輝度化を図ることができる。また、光学補償層は、液晶パネル面に沿って配置されているので、装置構成を大型することがない。さらに、無機材料として、熱伝導率の高い、サファイア、あるいは、水晶を用いることにより、液晶パネルの温度上昇を抑えることもできる。
【００８６】
また、本発明に係る画像表示装置においては、液晶表示素子に設けられたマイクロレンズアレイにより表示画像の高輝度化を実現できるとともに、液晶パネルにおける液晶分子のプレチルトによる影響が光学補償層によって光学的に補償され、表示画像の高コントラスト化が実現され、また、長寿命化が実現される。さらに、光学補償層として耐光性の強い無機材料を使用しているため、画像表示装置の光源の高出力化による表示画像の高輝度化を図ることができる。また、光学補償層は、液晶パネル面に沿って配置されているので、装置構成を大型することがない。さらに、無機材料として、熱伝導率の高い、サファイア、あるいは、水晶を用いることにより、液晶表示素子の温度上昇を抑えることもできる。
【００８７】
すなわち、本発明は、画像表示装置において空間光変調素子として使用される場合において、この画像表示装置の装置構成を大型化することなく、また、充分な寿命を維持しながら、表示画像の高コントラスト化を図ることができる液晶表示素子を提供し、また、このような液晶表示素子を使用して構成された画像表示装置を提供することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る液晶表示素子の構成を示す側面図である。
【図２】上記液晶表示素子の構成を示す断面図である。
【図３】上記液晶表示素子における透過率比を示すグラフである。
【図４】上記液晶表示素子において光学補償プレートの順序を替えた場合の透過率比を示すグラフである。
【図５】上記液晶表示素子の構成の他の例を示す側面図である。
【図６】上記液晶表示素子において光学補償プレートの厚さを変えた場合の透過率比を示すグラフである。
【図７】上記液晶表示素子における光学補償プレートの光学軸と液晶パネルの光学軸との関係を示す側面図である（Δｎが異符号の場合）。
【図８】上記液晶表示素子における光学補償プレートの光学軸と液晶パネルの光学軸との関係を示す側面図である（Δｎが同符号の場合）。
【図９】上記液晶表示素子の光学補償プレートの作成工程を示す流れ図である。
【図１０】上記液晶表示素子の光学補償プレートの作成工程を示す斜視図である。
【図１１】上記液晶表示素子の光学補償プレートの配置状態を示す斜視図である。
【図１２】上記液晶表示素子の外観を示す斜視図である。
【図１３】本発明に係る画像表示装置の構成を示す平面図である。
【図１４】上記画像表示装置における上記液晶表示素子の光学補償プレートの効果を示すグラフである。
【図１５】上記液晶表示素子におけるマイクロレンズアレイの作成工程を示す縦断面図である。
【図１６】上記画像表示装置における上記液晶表示素子の光学補償プレート（マイクロレンズアレイ上に設けたもの）の効果を示すグラフである。
【図１７】上記液晶表示素子におけるマイクロレンズアレイの構成を示す縦断面図である。
【図１８】上記液晶表示素子におけるマイクロレンズアレイ上に光学補償プレートが設けられた構成を示す縦断面図である。
【図１９】上記画像表示装置における上記液晶表示素子の光学補償プレートの効果を示すグラフである（画素ピッチ１４μｍ、０．７インチパネル）。
【図２０】上記画像表示装置における上記液晶表示素子の光学補償プレートの効果を示すグラフである（画素ピッチ１１μｍ、０．５５インチパネル）。
【符号の説明】
１ 入射側防塵ガラス、２ マイクロレンズ基板、３ ＴＦＴ基板、４，６ 光学補償プレート、５ 出射側防塵ガラス、８ 液晶パネル面

Claims (26)

1. 光束入射側にマイクロレンズアレイが設けられている液晶表示素子において、
   液晶パネルの光束入射側及び光束出射側の少なくともいずれか一方に、該液晶パネル面に対して光学軸が傾斜している無機材料からなる光学補償層を備えていること
   を特徴とする液晶表示素子。
2. 上記光学補償層をなす無機材料は、一軸性結晶であること
   を特徴とする請求項１記載の液晶表示素子。
3. 上記光学補償層をなす無機材料は、屈折率異方性Δｎと層厚ｄとの積Δｎ・ｄが、６４０ｎｍ以下であること
   を特徴とする請求項２記載の液晶表示素子。
4. 上記光学補償層をなす無機材料は、水晶、または、サファイアであること
   を特徴とする請求項２記載の液晶表示素子。
5. 上記光学補償層をなす無機材料は、屈折率異方性Δｎと層厚ｄとの積Δｎ・ｄが、６４０ｎｍ以下であること
   を特徴とする請求項４記載の液晶表示素子。
6. 上記光学補償層は、光学軸方向の液晶パネル面への投影方向が、液晶パネルの光束入射側の基板表面付近の液晶分子のプレチルト方向の該基板表面への投影方向、または、液晶パネルの光束出射側の基板表面付近の液晶分子のプレチルト方向の該基板表面への投影方向のうちの少なくとも一方に略々平行であること
   を特徴とする請求項１記載の液晶表示素子。
7. 上記光学補償層をなす無機材料の屈折率異方性と上記液晶パネルの液晶層の屈折率異方性とが同符号であるとき、該光学補償層の光学軸方向と該液晶層の光学軸方向とは、該液晶パネル面に対する傾斜方向が互いに逆方向であること
   を特徴とする請求項６記載の液晶表示素子。
8. 上記光学補償層をなす無機材料の屈折率異方性と上記液晶パネルの液晶層の屈折率異方性とが異符号であるとき、該光学補償層の光学軸方向と該液晶層の光学軸方向とは、該液晶パネル面に対する傾斜方向が同方向であること
   を特徴とする請求項６記載の液晶表示素子。
9. 上記光学補償層は、液晶パネルの光束入射側及び光束出射側の双方に設けられており、
   上記各光学補償層は、光学軸方向の液晶パネル面への投影方向が、液晶パネルの光束入射側の基板表面付近の液晶分子のプレチルト方向の該基板表面への投影方向及び液晶パネルの光束出射側の基板表面付近の液晶分子のプレチルト方向の該基板表面への投影方向に略々平行であること
   を特徴とする請求項１記載の液晶表示素子。
10. 上記光学補償層は、外形サイズが、液晶パネルの有効表示エリア以上となっていること
    を特徴とする請求項１記載の液晶表示素子。
11. 上記光学補償層は、液晶パネルの表面上に設けられた防塵ガラス上に設けられていること
    を特徴とする請求項１記載の液晶表示素子。
12. 上記光学補償層は、マイクロレンズアレイのカバーガラス上に設けられていること
    を特徴とする請求項１記載の液晶表示素子。
13. 光束入射側にマイクロレンズアレイが設けられている液晶表示素子において、
    液晶パネル面の光束入射側に、該液晶パネル面に対して光学軸が傾斜している無機材料からなる２層の光学補償層を備えていること
    を特徴とする液晶表示素子。
14. 光源と、
    空間光変調素子となる光束入射側にマイクロレンズアレイが設けられている液晶表示素子と、
    上記光源から発せられた光束を上記液晶表示素子に導き、この液晶表示素子を照明する照明光学系と、
    上記液晶表示素子の像を結像させる結像レンズとを備え、
    上記液晶表示素子は、液晶パネルの光束入射側及び光束出射側の少なくともいずれか一方に、該液晶パネル面に対して光学軸が傾斜している無機材料からなる光学補償層を備えていること
    を特徴とする画像表示装置。
15. 上記液晶表示素子の上記光学補償層をなす無機材料は、一軸性結晶であること
    を特徴とする請求項１４記載の画像表示装置。
16. 上記液晶表示素子の上記光学補償層をなす無機材料は、屈折率異方性Δｎと層厚ｄとの積Δｎ・ｄが、６４０ｎｍ以下であること
    を特徴とする請求項１５記載の画像表示装置。
17. 上記液晶表示素子の上記光学補償層をなす無機材料は、水晶、または、サファイアであること
    を特徴とする請求項１５記載の画像表示装置。
18. 上記液晶表示素子の上記光学補償層をなす無機材料は、屈折率異方性Δｎと層厚ｄとの積Δｎ・ｄが、６４０ｎｍ以下であること
    を特徴とする請求項１７記載の画像表示装置。
19. 上記液晶表示素子の上記光学補償層は、光学軸方向の液晶パネル面への投影方向が、液晶パネルの光束入射側の基板表面付近の液晶分子のプレチルト方向の該基板表面への投影方向、または、液晶パネルの光束出射側の基板表面付近の液晶分子のプレチルト方向の該基板表面への投影方向のうちの少なくとも一方に略々平行であること
    を特徴とする請求項１４記載の画像表示装置。
20. 上記液晶表示素子の上記光学補償層をなす無機材料の屈折率異方性と上記液晶パネルの液晶層の屈折率異方性とが同符号であるとき、該光学補償層の光学軸方向と該液晶層の光学軸方向とは、該液晶パネル面に対する傾斜方向が互いに逆方向であること
    を特徴とする請求項１９記載の画像表示装置。
21. 上記液晶表示素子の上記光学補償層をなす無機材料の屈折率異方性と上記液晶パネルの液晶層の屈折率異方性とが異符号であるとき、該光学補償層の光学軸方向と該液晶層の光学軸方向とは、該液晶パネル面に対する傾斜方向が同方向であること
    を特徴とする請求項１９記載の画像表示装置。
22. 上記液晶表示素子の上記光学補償層は、液晶パネルの光束入射側及び光束出射側の双方に設けられており、
    上記各光学補償層は、光学軸方向の液晶パネル面への投影方向が、液晶パネルの光束入射側の基板表面付近の液晶分子のプレチルト方向の該基板表面への投影方向及び液晶パネルの光束出射側の基板表面付近の液晶分子のプレチルト方向の該基板表面への投影方向に略々平行であること
    を特徴とする請求項１４記載の画像表示装置。
23. 上記液晶表示素子の上記光学補償層は、外形サイズが、液晶パネルの有効表示エリア以上となっていること
    を特徴とする請求項１４記載の画像表示装置。
24. 上記液晶表示素子の上記光学補償層は、液晶パネルの表面上に設けられた防塵ガラス上に設けられていること
    を特徴とする請求項１４記載の画像表示装置。
25. 上記液晶表示素子の上記光学補償層は、マイクロレンズアレイのカバーガラス上に設けられていること
    を特徴とする請求項１４記載の画像表示装置。
26. 光源と、
    空間光変調素子となる光束入射側にマイクロレンズアレイが設けられている液晶表示素子と、
    上記光源から発せられた光束を上記液晶表示素子に導き、この液晶表示素子を照明する照明光学系と、
    上記液晶表示素子の像を結像させる結像レンズと
    を備え、
    上記液晶表示素子は、液晶パネル面の光束入射側に、該液晶パネル面に対して光学軸が傾斜している無機材料からなる２層の光学補償層を備えていること
    を特徴とする画像表示装置。

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