JP4289597B2 - 液晶素子用基板および液晶素子並びに液晶プロジェクタ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶素子用基板および液晶素子並びに液晶プロジェクタに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】
米国特許第５６３８１９７号明細書
【特許文献２】
特開２００２−１４３４５号公報
【特許文献３】
特開２００２−３１７８２号公報
【特許文献４】
特開２００２−１３１７５０号公報
【非特許文献１】
Eblen J P 他５名. 「Birefringent Compensators for Normally White TN-LCDs」. SID Symposium Digest. SOCIETY FOR INFORMATION DISPLAY. 1994. p.245-248
【０００３】
液晶プロジェクタは、液晶素子によって光変調された光をスクリーンに投影して画像表示を行うもので、スクリーンの前面側から画像を投影するフロント方式とスクリーンの背面側から画像を投影するリア方式とがある。また、使用する液晶素子が透過型のものであるか反射型のものであるかによって照明の仕方が異なるが、いずれにせよ投影する画像を液晶素子に表示し、これに照明を与えて投影レンズでスクリーン上に画像を結像させる構成となっている。
【０００４】
液晶プロジェクタの液晶素子には種々の動作モードのものを用いることが可能であるが、多用されているＴＮ（Twisted Nematic)液晶について説明する。ＴＮ液晶は、２枚の基板間で液晶層を構成している液晶分子が、その長軸が基板と平行となるように保たれ、かつ厚み方向では長軸が少しずつ傾けられ全体で９０°ねじられる配向状態となっており、一対の偏光板（一方が偏光子、他方が検光子となる）で挟むようにして用いられる。そして、液晶素子をノーマリーホワイト，ノーマリーブラックのいずれで使用するかに応じて、一対の偏光板はクロスニコル配置あるいはパラレルニコル配置のいずれかが選択される。
【０００５】
ところで、ＴＮ液晶に限らず、一般に液晶素子には視野角が狭いという欠点がある。ノーマリーホワイトのＴＮ液晶を例にすると、液晶層に電圧を印加していない状態では、液晶層は偏光板を通ってきた直線偏光を液晶分子のねじれ配列にしたがって偏波面を９０°回転させる旋光性を示す。そして、液晶層を通過してきた直線偏光はクロスニコル配置された他方の偏光板を通って出射し、ホワイト状態となる。液晶層に電圧を印加すると液晶分子のねじれが消失し、入射した直線偏光はそのままの偏波面で出射することになるため、他方の偏光板がその通過を阻止してブラック状態となる。
【０００６】
ところが、液晶は複屈折媒体としても作用する。前述したＴＮ液晶の場合、液晶層に電圧を印加してそのねじれ配向を消失させてゆく過程では、旋光性と複屈折性とが混在し、電圧の印加レベルが高くなるにつれて複屈折性が支配的になってゆく。そして、液晶分子のねじれが消失してブラック状態となったとき、垂直入射光に対しては液晶層が複屈折性を示すことはほとんどなくなるので直線偏光はそのまま透過するが、斜め入射光に対しては複屈折性を示し、直線偏光で入射した光は楕円偏光に変調されるようになる。こうして生じた楕円偏光は部分的に出射側の偏光板を透過し、ブラック状態の濃度を薄める結果となる。液晶層がもつこのような複屈折媒体としての性向は、ホワイト状態からブラック状態への移行過程でも徐々に現れるため、中間調の表示状態下でもその表示画面を斜め方向から観察したときにはやはり変調度の角度依存性が避けられないものとなる。このような変調度の角度依存性はＴＮ液晶に限らず、大なり小なり全ての液晶素子に見られる現象である。
【０００７】
液晶素子のもつ上記欠点を改善するために、液晶素子に表示された画像を直接観察する直視型の液晶表示装置では位相差補償素子を併用することが知られている。この目的で使用される位相差補償素子としては、富士写真フイルム（株）製の「Fuji WV Film ワイドビューＡ」（商品名／以下、ＷＶフイルム）がすでに実用化され、また上記非特許文献１には、薄膜を積層した構造性複屈折体を位相差補償素子として用いることにより、視野角を大きくしてもＴＮ液晶の表示画像のコントラストを低下させないことが紹介されている。さらに特許文献１には、基板に対して斜め方向から多層薄膜を蒸着した位相差補償素子を用い、その光学異方性により液晶ディスプレイの視野角を広げることが記載されている。
【０００８】
これらの位相差補償素子は直視型の液晶素子に適用されるものであるが、直視型の液晶素子は、明視距離以上離れた位置から表示画面にほぼ正対して画像観察されるのが通常の使用形態であることが多い。そして、仮に表示画面の周辺部でコントラストが低下して観察されたときには、眼の位置を少しずらしてやればその部分の画像もほぼ正常に観察することができる。また、多人数が同時に観察する用途のものは表示画面と観察者との間の距離が大きくなるため、正常に観察できる範囲は限られるものの、表示画像のコントラストが部分的に異なるということは起こりにくい。
【０００９】
これに対し、液晶プロジェクタでは液晶素子によって変調された画像光が投影レンズでスクリーンに投影され、それがスクリーン上で拡散した画像光となって観察対象となる。したがって黒レベルを表示したいときに、液晶層に斜めに入射して液晶分子を斜めに通過する光が含まれることが原因となって、投影画像そのもののコントラストが低下してしまうと、例えどのような位置から観察したとしてもコントラストの低下は全く改善されることがない。投影画像のコントラストをできるだけ高めるには、液晶素子から大きな角度で出射する光束を使わずに投影画像が得られるようにすればよいが、そのためには投影レンズのバックフォーカスを長くする必要があり、小型化が求められる液晶プロジェクタではコンパクト化を図るうえで不利になる。このような難点を原理的に解決するには、液晶プロジェクタに用いる液晶素子についても、やはり直視型液晶パネルでいう視野角の拡大技術を利用することが効果的で、結果的に投影画像のコントラストを向上させることができるようになる。
【００１０】
こうした背景から、コントラスト向上の目的で液晶プロジェクタ用の液晶素子についても、直視型液晶素子と同様に位相差補償素子を組み合わせて使用することが特許文献２，特許文献３に記載されている。特許文献２に記載された液晶プロジェクタでは、ＴＮ液晶用の位相差補償素子として、前述したＷＶフイルムのように有機材料で構成されたものが用いられている。また、特許文献３には、位相差補償素子として単結晶サファイアや水晶などの一軸性の複屈折性結晶を用いることが記載されている。また、特許文献４には、光学位相補償板としてディスコティック液晶を用いたものが記載されている。これらの位相差補償素子は、いずれも光の入射角に依存した光学異方性を発現する複屈折体として作用し、液晶素子から大きな出射角で出射する光束によって画像のコントラストが低下することを防いでいる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、一般に有機材料からなる位相差補償素子は、紫外線を含む強い光に長時間曝されていると褪色が生じやすい。特に液晶プロジェクタに用いる場合には、スクリーンに画像投影を行うために直視型の液晶モニタなどと比較して光源の輝度も高くなり、過熱の度合いも大きくなることから、実用的には２０００〜３０００時間程度で徐々に褐色に変化する傾向にある。したがって、例えば家庭用プロジェクションテレビジョンなどのように長時間にわたって使用される用途では耐久性の点で問題があり実用化は難しい面がある。一方、単結晶サファイヤや水晶などの複屈折体を用いた位相差補償素子は、耐久性では問題はないものの、サファイヤや水晶などの結晶自体が高価であり、また結晶の切り出し面や厚みを高精度に管理しなくてはならない。しかも、位相差補償素子を光学系中に組み込むときの調整も面倒である。
【００１２】
さらに、透過型の液晶素子では、その基板上で画素ごとに区画するブラックマトリクス部によって画素単位での開口率が低下することを改善するためにマイクロレンズを組み合わせたものもある。しかし、マイクロレンズを組み合わせた場合には、マイクロレンズの前後では光の角度が変化するため、位相差補償素子の所期の効果が得られないことがあり、また位相差補償素子の配置が制約されるといった問題があった。
【００１３】
本発明は上記背景を考慮してなされたもので、家庭用テレビジョンのような長時間の使用に対しても耐久性に優れ、しかも製造コストの負担も少なく、さらにはマイクロレンズの併用を容易としながら、画像自体のコントラストが向上することができる液晶素子用基板および液晶素子並びに液晶プロジェクタ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、上記問題を解消するために、請求項１記載の液晶素子用基板では、液晶層を透過する光が入射する基板本体の内面と外面に、液晶層を透過する光の光学的な位相差を補償するための無機材料で作成された構造性複屈折層をそれぞれ形成したものである。
【００１５】
請求項２記載の液晶素子用基板では、構造性複屈折層を、少なくとも高屈折率材料からなる薄膜と低屈折率材料からなる薄膜とを有する多層薄膜を含むようにしたものである。
【００１６】
請求項３記載の液晶素子用基板では、構造性複屈折層を、高屈折率材料からなる薄膜と低屈折率材料からなる薄膜とを交互に積層した多層薄膜としたものである。
【００１８】
請求項４記載の液晶素子用基板では、前記基板本体の内面に形成された構造性複屈折層を、基板本体と電極との間に形成したものである。
【００１９】
請求項５記載の液晶素子用基板では、構造性複屈折層が設けられる基板本体の電極がアクティブマトリックス駆動方式のための対向電極となっていりものである。
【００２２】
請求項６記載の液晶素子では、液晶層を透過する光が入射する基板本体の内面と外面に無機材料で作成された構造性複屈折層をそれぞれ形成し、前記液晶層を透過する光の光学的な位相差を補償するものである。
【００２３】
請求項７記載の液晶素子では、構造性複屈折層を、高屈折率材料からなる薄膜と低屈折率材料からなる薄膜とを交互に積層した多層薄膜としたものである。
【００２４】
請求項８記載の液晶プロジェクタでは、配向膜及び電極が設けられた一対の基板本体のうちの、液晶層を透過する光が入射する基板本体の内面と外面に、無機材料で作成された構造性複屈折層をそれぞれ形成し、前記液晶層を透過する光の光学的な位相差を補償するものである。
【００２５】
請求項９記載の液晶プロジェクタでは、構造性複屈折層を、高屈折率材料からなる薄膜と低屈折率材料からなる薄膜とを交互に積層した多層薄膜としたものである。
【００２６】
【発明の実施の形態】
図１にリア方式の液晶プロジェクタの外観を示す。筐体２の前面に拡散透過型のスクリーン３が設けられ、その背面に投影された画像が前面側から観察される。筐体２の内部には投影ユニット５が組み込まれ、その投影画像はミラー６，７で反射されスクリーン３の背面に結像される。この液晶プロジェクタは、筐体２の内部にチューナー回路などのほか、ビデオ信号及び音声信号再生用の周知の回路ユニットを組み込み、投影ユニット５に画像表示手段として組み込まれた液晶素子にビデオ信号の再生画像を表示することによって、大画面のテレビジョンとして使用することができる。
【００２７】
図２に投影ユニット５の構成を概略的に示す。この投影ユニット５には透過型の三枚の液晶素子１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂが組み込まれ、フルカラーで画像投影を行うことができる。光源１２からの放射光は、紫外線及び赤外線をカットするフィルタ１３を透過することにより赤色光，緑色光，青色光を含む白色光となり、光源から液晶素子に至る照明光軸にしたがってガラスロッド１４に入射する。ガラスロッド１４の光入射面は、光源１２に用いられている楕円面鏡の焦点位置近傍に位置し、光源１２からの光は効率的にガラスロッド１４に入射する。
【００２８】
ガラスロッド１４の出射面に対峙してリレーレンズ１５が配設され、ガラスロッド１４からの白色光は、リレーレンズ１５及び後段のコリメートレンズ１６により平行光となってミラー１７に入射する。ミラー１７で反射された白色光は、赤色光だけを透過するダイクロイックミラー１８Ｒで２光束に分けられ、透過した赤色光はミラー１９で反射して液晶素子１１Ｒを背面から照明する。また、ダイクロイックミラー１８Ｒで反射された緑色光と青色光は、緑色光だけを反射するダイクロイックミラー１８Ｇでさらに２光束に分割される。ダイクロイックミラー１８Ｇで反射された緑色光は液晶素子１１Ｇを背面側から照明する。ダイクロイックミラー１８Ｇを透過した青色光は、ミラー１８Ｂ，２０で反射され、液晶素子１１Ｂを背面から照明する。
【００２９】
各々の液晶素子１１Ｒ，１１Ｇ，１１ＢはそれぞれＴＮ液晶で構成され、その各々には、フルカラー画像を構成する赤色画像，緑色画像，青色画像の濃度パターン画像が表示される。これらの液晶素子１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂから光学的に等距離となる位置に中心がくるように合成プリズム２４が配置され、合成プリズム２４の出射面に対面して投影レンズ２５が設けられている。合成プリズム２４は、その内部に２面のダイクロイック面２４ａ，２４ｂを有し、液晶素子１１Ｒを透過してきた赤色光、液晶素子１１Ｇを透過してきた緑色光、液晶素子１１Ｂを透過してきた青色光を合成して投影レンズ２５に入射させる。
【００３０】
各液晶素子１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂの出射面の中心から、合成プリズム２４及び投影レンズ２５の中心を通り、スクリーン３の中心に至る投影光軸上に投影レンズ２５が設けられている。投影レンズ２５は、その物体側焦点面が液晶素子１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂの出射面に一致し、像面側焦点面がスクリーン３に一致するようにしてあるから、合成プリズム２４で合成されたフルカラー画像はスクリーン３に結像されることになる。なお、図１に示すミラー６，７については、図面の煩雑化を避けるために省略してある。
【００３１】
液晶素子１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂの照明光の入射面側には、それぞれ偏光板２６Ｒ，２６Ｇ，２６Ｂが設けられている。また、各液晶素子の出射面側には、偏光板２８Ｒ，２８Ｇ，２８Ｂとが設けられている。入射面側の偏光板２６Ｒ，２６Ｇ，２６Ｂと出射面側の偏光板２８Ｒ，２８Ｇ，２８Ｂはクロスニコル配置となっており、入射面側の偏光板は偏光子、出射面側の偏光板は検光子として作用する。液晶素子１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂには、詳細を後述するように、それを構成する基板に構造性複屈折層が設けられている。なお、それぞれの色チャンネルごとに設けられた液晶素子、その両側にそれぞれ設けられた偏光板の作用は、それぞれの色光に基づく相違はあるものの、基本的な作用は実質的に共通であるので、以下、赤色チャンネルを代表させて説明する。
【００３２】
図３に液晶素子１１Ｒの構造を概略的に示す。液晶素子１１Ｒは、ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）方式のものであり、アクティブマトリックス駆動される。この液晶素子１１Ｒは、液晶層３０を挟んで一対の液晶素子用基板３１，３２が対向して設けられている。
【００３３】
液晶素子用基板３１は、基板本体である透明なガラス板３３と、液晶層３０側の内面３３ａに形成された薄膜トランジスタ３４，透明な画素電極３５，配向膜３６とから構成される。ガラス板３３の内面３３ａには、薄膜トランジスタ３４と画素電極３５とを１組として、これらがマトリックス状に多数設けられており、１組の薄膜トランジスタ３４と画素電極３５とが赤色画像の１個の画素に対応する。配向膜３６は、薄膜トランジスタ３４及び画素電極３５を覆うようにほぼ全面に形成されている。
【００３４】
他方の液晶素子用基板３２は、基板本体である透明なガラス板３７と、その内面（液晶層側の面）３７ａのほぼ全面に、ガラス板３７側から順に、構造性複屈折層３８，透明な共通電極（対向電極）３９，配向膜４０が層設されている。
【００３５】
なお、液晶素子用基板３１には、画素電極部３５を画素ごとに区画して画素単位でのコントラストが低下することを改善するブラックマトリクス部（図示省略）が形成されている。
【００３６】
上記の液晶素子１１Ｒは、構造性複屈折層３８が設けられている他は、従来のＴＦＴ方式の液晶素子と同じ構成である。すなわち、薄膜トランジスタ３４によって画素電極３５と共通電極３９との間の液晶層３０に印加する電圧を制御して、各電極間の液晶層３０の配向姿勢を変化させることにより、偏光板２６Ｒから入射し偏光板２８Ｒから出射する光量を制御することで画素の濃淡を表現する。
【００３７】
ミラー１９で反射された赤色照明光は、入射面側の偏光板２６Ｒで直線偏光となって液晶素子１１Ｒに入射する。ノーマリホワイトモードの場合で、液晶素子１１Ｒに用いられているＴＮ液晶は、画像の黒を表示するために、画素電極３５と共通電極３９との間に信号電圧が印加される。このとき、液晶層３０に含まれる液晶分子は様々な配向姿勢をとる。このため、照明光が平行光束となって液晶層３０に入射しても、液晶層３０が呈する旋光性と複屈折性により出射する光は完全な直線偏光とはならず、一般に楕円偏光の画像光が出射して充分な黒が得られない。また、ノーマリーブラックモードの場合でも、液晶分子のわずかな傾きによって黒レベルが充分に黒くはならない。
【００３８】
また、黒表示させたい状態において、液晶層３０を通過した画像光の直線偏光性が保存されていれば、他方の偏光板２８Ｒによっで遮断され、充分弱い強度となって合成プリズム２４に入射する。しかし、液晶分子を斜めに通過する光が含まれている場合には、液晶層３０によって変調された画像光は、直線偏光とはわずかに光学的な位相が相違した楕円偏光となり、上記同様に充分な黒が得られない。
【００３９】
構造性複屈折層３８は、上記のような液晶層３０の通過によって画像光が楕円偏光とする成分を打ち消すように、それに入射する光の偏光状態を変化させて光学的な位相差を補償する。これにより、液晶素子１１Ｒから出射される画像光が直線偏光の画像光となって偏光板２８Ｒに入射するようにし、画像のコントラストを向上させる。
【００４０】
このような機能をもつ構造性複屈折層３８は、無機材料で作成され、少なくとも高屈折率材料からなる薄膜と低屈折率材料からなる薄膜とを有する多層薄膜を含むことが好ましい。図４に示す構造性複屈折層３８は、液晶素子１１Ｒのガラス板３７の内面３７ａに互いに屈折率が異なる誘電体の薄膜Ｌ１，Ｌ２を交互に積層した多層膜として形成されている。そして、このように構成される構造性複屈折層３８の表面に共通電極３９が形成され、さらに配向膜４０が形成される。
【００４１】
構造性複屈折層３８を構成する各層の光学膜厚（幾何学的膜厚と屈折率との積）は光の波長よりも充分に小さく、好ましくはλ／１００〜λ／５、より好ましくはλ／５０〜λ／５、実際的にはλ／３０〜λ／１０が適切である。この方法で、容易に一軸性の負の複屈折性を持つ構造性複屈折層３８をガラス板３７に形成できる。
【００４２】
高屈折率の薄膜層の材料としてはＴｉＯ2 （ｎ＝２．２〜２．４），ＺｒＯ2 （ｎ＝２．２０）など、低屈折率材料としてはＳｉＯ2 （ｎ＝１．４０〜１．４８）やＭｇＦ2 （ｎ＝１．３９），ＣａＦ2 （ｎ＝１．３０）などを用いることができる。さらに、例えば以下に挙げる種々の材料を、本発明の構造性複屈折層３７を構成する高屈折率、低屈折率の薄膜層に利用することができる。なお、（）内に示す数値は屈折率の概略値を表す。ＣｅＯ2 （２．４５），ＳｎＯ2 （２．３０），Ｔａ2 Ｏ5 （２．１２），Ｉｎ2 Ｏ3 （２．００），ＺｒＴｉＯ4 （２．０１），ＨｆＯ2 （１．９１），Ａｌ2 Ｏ3 （１．５９〜１．７０），ＭｇＯ（１．７），ＡｌＦ3 ，ダイヤモンド薄膜，ＬａＴｉＯX ，酸化サマリウムなど。また、高屈折率薄膜層用材料と低屈折率薄膜層材料の組み合わせとしては、ＴｉＯ2 ／ＳｉＯ2 が好ましいが、その他にＴａ2 Ｏ5 ／Ａｌ2 Ｏ3 、ＨｆＯ2 ／ＳｉＯ2 、ＭｇＯ／ＭｇＦ2 、ＺｒＴｉＯ4 ／Ａｌ2 Ｏ3 、ＣｅＯ2 ／ＣａＦ2 、ＺｒＯ2 ／ＳｉＯ2 、ＺｒＯ2 ／Ａｌ2 Ｏ3 等も挙げられる。
【００４３】
また、積層された薄膜Ｌ１，Ｌ２の相互間で光の干渉現象が生じることを避ける必要があるため各々の光学膜厚は薄い方がよいが、必要な合計膜厚を得るのに成膜回数が増えてくるので、現実的な膜厚構成の設計にあたっては、所望の複屈折率作用を考慮して各層の屈折率，膜厚比，合計膜厚を決め、着色については薄膜干渉を充分に考慮し、さらに成膜後に内部応力に起因するクラックの発生などの不具合が生じないように材料の選定に留意する必要がある。
【００４４】
なお、多層薄膜で構成された構造性複屈折層３８を製造するには、真空蒸着法やスパッタ成膜法を効果的に用いることができる。高屈折率薄膜層と低屈折率薄膜層との２種類の薄膜層を交互に成膜してゆくには、成膜対象となるガラス板３７に対して各々の蒸発源を遮蔽することができるようにそれぞれシャッタを設け、これらのシャッタを交互に開閉して２種類の薄膜層を交互に積層させたり、あるいはガラス板３７を一定の速さで循環移動する基板ホルダに保持させ、ガラス板３７を循環移動させる過程でそれぞれの蒸発源の上を通過させることによって順次に２種類の薄膜を交互に積層させるなどの手法を取ることができる。これにより、多層薄膜を得るに際して真空槽を一回だけ真空引きすればよいので、製造効率を高めることができる。
【００４５】
このような多層薄膜による構造性複屈折層３８の設計手順は次のとおりである。構造性複屈折層３７の複屈折率Δｎは、「光学 第２７巻第１号（１９９８）ｐ．１２−１７」に記載のように、屈折率の異なる２種類の薄膜の光学膜厚の比で決定され、それぞれの屈折率に差があるほど大きい値が得られる。また、位相差は複屈折率Δｎと構造性複屈折層３８の幾何学的な合計膜厚ｄとの積「ｄΔｎ」で与えられる。したがって、所望の位相差を得るためには、それらの材料から得られる複屈折率Δｎの値が大きくなるような膜厚比を求め、その複屈折率Δｎから必要な構造性複屈折層の物理的な合計膜厚ｄが決定される。各薄膜の幾何学的膜厚と層数との積が合計膜厚ｄになることと、幾何学的膜厚が上述のような光学膜厚の範囲にあることを条件として、製造適性を考慮しつつ層数を選択すればよい。
【００４６】
なお、屈折率が異なる誘電体薄膜を積層した多層薄膜により固有の光学的作用を得るものとして、ダイクロイックミラー、偏光ビームスプリッター、色合成プリズム、反射防止膜などが知られているが、これらの多層薄膜を構成する個々の薄膜層は、いずれもその光学膜厚がλ／４の整数倍となるように設計され、光の干渉現象を利用して所期の目的を達成するものである。この点、上述した構造性複屈折層３８は、個々の薄膜層の光学膜厚がλ／４よりも薄いことや、２種類の薄膜の光学膜厚の比によって固有の複屈折率Δｎが決められることなどから、光の干渉現象とは全く異なる作用原理に基づくものであることがわかる。
【００４７】
構造性複屈折層３８は、液晶層３０を通過する光の角度によって位相の変調度が異なってくることを補償する。このため、液晶層３０を通過する光の角度が大きくなっても、コントラストの低下を抑えることができるので、開口数の大きな光学系を用いることが可能になる。したがって、液晶素子のサイズを小さくしたり、口径の大きなレンズを採用して光の利用効率を高めたり、光路長を短くしてコンパクト化を図ったり、光学系全体を小さくして製造コストを下げる等の設計要因の選択範囲を広くすることができる。
【００４８】
上記のような構造性複屈折層３８は、共通電極側のガラス板３７の内面３７ａに設ける他に共通電極側のガラス板３７の外面（液晶層と反対側の面）や、画素電極側の液晶素子用基板３１に設けることができる。また、構造性複屈折層３８は、ガラス板の表面に設ける他に配向膜と電極との間に設けてもよく、ガラス板両面に構造性複屈折層３８を設けてもよい。さらに、このように各種の形態で構造性複屈折層３８が設けられた各種の液晶素子用基板３１，３２を組み合わせることができる。
【００４９】
図５ないし図７は、液晶素子用基板の層構造の各種例を示すものであり、図５及び図６は画素電極側の液晶素子用基板層構造の例を、図７及び図８は共通電極側の液晶素子用基板の層構造の例をそれぞれ示している。なお、図３に示されるものと実質的に同じものには同じ符号を付して詳細な説明は省略する。また、便宜上、各液晶素子用基板を図中に記載したタイプ名を用いて説明する。
【００５０】
図５（ａ）に示すタイプＡ０の液晶素子用基板３１は、図３に示すものと同じであり、構造性複屈折層がなく構造性複屈折層３８を設けた液晶素子用基板３２と組み合わせて使用される。図５（ｂ）に示すタイプＡ１の液晶素子用基板３１は、そのガラス板３３の内面３３ａに構造性複屈折層３８を設け、その構造性複屈折層３８の上層に薄膜トランジスタ３４及び画素電極３５を形成し、さらに、その上層に配向膜３６を層設したものである。図５（ｃ）に示すタイプＡ２のものは、タイプＡ０と同様にガラス板３３の内面３３ａに薄膜トランジスタ３４，画素電極３５，配向膜３６を形成し、ガラス板３３の外面３３ｂに構造性複屈折層３８を形成したものである。
【００５１】
図６（ａ）に示すタイプＡ３の液晶素子用基板３１は、画素電極３５と配向膜３６との間に構造性複屈折層３７を形成したものである。このタイプＡ３の例では、内面３３ａ上の薄膜トランジスタ３４及び画素電極３５の上層に透明な平坦化層（例えばＳｉ０2 ）４１を形成してから構造性複屈折層３８を形成し、この構造性複屈折層３８の上層に配向膜３６を形成してある。図６（ｂ）に示すタイプＡ４の液晶素子用基板３１は、図５（ｂ）に示されるタイプＡ１と同様に内面３３ａに構造性複屈折層３８を形成するとともに、ガラス板３３の外面３３ｂにも構造性複屈折層３８を形成することで、構造性複屈折層３８を２面に設けたものである。図６（ｃ）に示すタイプＡ５のものは、内面側の層構造をタイプＡ３と同じにし、ガラス板３３の外面３３ｂにも構造性複屈折層３８を設けて構造性複屈折層３８を２面としたものである。
【００５２】
なお、ガラス板３３に形成される各画素電極３５は、互いに電気的に絶縁されている必要があるが、上記のように構造性複屈折層３８は、誘電体、すなわち電気的な絶縁体で構成されるため、各画素電極３８に密接して形成されても、これら各画素電極３８を短絡することはない。
【００５３】
図７（ａ）に示すタイプＢ０の液晶素子用基板３２は、構造性複屈折層を設けていないものであり、構造性複屈折層を設けた画素電極側の液晶素子用基板３１と組み合わせて使用される。図７（ｂ）に示すタイプＢ１の液晶素子用基板３２は、図３に示すものと同じであり、内面３７ａに構造性複屈折層３８を設け、その構造性複屈折層３８の上層に共通電極３９，配向膜４０を順次層設したものである。図７（ｃ）に示すタイプＢ２の液晶素子用基板３２は、タイプＢ０と同様にガラス板３７の内面３７ａに共通電極３９，配向膜４０を形成し、外面３７ｂに構造性複屈折層３８を形成したものである。
【００５４】
図８（ａ）に示すタイプＢ３の液晶素子用基板３２は、共通電極３９と配向膜４０との間に構造性複屈折層３８を形成したものである。これは、ガラス板３７の内面３７ａ上に共通電極３９を形成してから構造性複屈折層３８を形成し、この構造性複屈折層３８の上層に配向膜４０を形成している。図８（ｂ）に示すタイプＢ４のものは、タイプＢ１と同じくガラス板３７の内面３７ａに構造性複屈折層３８，共通電極３９，配向膜４０を順次に層設するとともに、ガラス板３７の外面３７ｂにも構造性複屈折層３８を形成することで、構造性複屈折層３８を２面に設けたものである。図８（ｃ）に示すタイプＢ５のものは、タイプＢ３と同じく内面３７ａに共通電極３９，構造性複屈折層３８，配向膜４０を形成するとともに、ガラス板３７の外面３７ｂにも構造性複屈折層３８を設けて構造性複屈折層３８を２面に設けたものである。
【００５５】
なお、各液晶素子用基板３１，３２には、構造性複屈折層，各種電極、薄膜トランジスタ，配向膜、前述のブラックマトリクス部等の他の層を併せて形成してもよい。例えば図９に示すように、薄膜トランジスタ３４と画素電極３５との間に層間絶縁層４２を設けてもよく、もちろん、このような層間絶縁層４２を有する液晶素子用基板に構造性複屈折層を形成してもよい。
【００５６】
上記の各液晶素子用基板３１，３２の組合せにおける製造コストの高低，ソリ調整の良否，光学補償性能の良否を表１に示す。
【００５７】
【表１】
【００５８】
上記表１中ではガラス板の内面側または外面のいずれか一方に構造性複屈折層が設けられている場合を「片面」とし、ガラス板の内面側及び外面の両方に構造性複屈折層が設けられている場合を「両面」として、各液晶素子用基板３１，３２を分類し、それらの組み合わせをに組合Ｎｏ．１〜９を付して、製造コストの高低、ソリ調整の良否，光学補償性能の良否を示してある。「組合Ｎｏ．」に対応する液晶素子用基板３１，３２の実際の組み合わせは、次の表２に示すとおりである。
【００５９】
【表２】
【００６０】
表１のコストの欄は、数字が大きいほど製造コストが高いことを示している。また、ソリ調整は、「×」がソリ調整が不可能であることを表し、「△」，「○」「◎」の順に調整がより好ましく行えることを表している。光学補償性能は「△」が好ましい結果が得られ、「○」がより好ましい結果を得られることを表している。
【００６１】
プロジェクタ用の液晶素子は強い光を受けて温度が上昇するが、その際、液晶の熱膨張と複屈折率の温度依存によってコントラスト特性が変化する。このような状況で基板のソリが大きいとコントラストの表示面内での均一性が損なわれる。したがって、液晶プロジェクタ用の液晶素子用基板においては、基板のソリは重要な特性であり、その温度依存特性も含めて精密に制御できることが好ましい。
【００６２】
表１からわかるように、光学補償性能の点からは、各液晶素子用基板３１，３２に少なくとも１面ずつ構造性複屈折層を設けるのがよく、ソリ調整の観点からは少なくともいずれか一方のガラス板の両面に構造性複屈折層を設けるのが好ましく、より好ましくは各ガラス板３３，３７のそれぞれの両面に構造性複屈折層を設けるのがよいことがわかる。
【００６３】
なお、タイプＡ３，Ａ５の液晶素子用基板３１やタイプＢ３，Ｂ５の液晶素子用基板３２のように電極とガラス板（基板本体）との間に構造性複屈折層３８を形成した構成の場合では、誘電体、すなわち絶縁体で構成される構造成複屈折層３８を電極間の短絡防止用の絶縁層としても機能させることができるという利点がある。
【００６４】
しかし、その反面、電極を外部の回路と接続するために、ガラス板の表示領域外に構造性複屈折層を設けずに電極を露呈させたエリアを設ける必要がある。このようなパターニングは、フォトリソグラフィによって構造性複屈折層の一部を除去する手法や、露呈すべき電極の部分に構造性複屈折層を形成しないようにマスク蒸着する手法を用いることができるが、構造性複屈折層はエッチング性の異なる薄膜が多数積層しているという難点があり、またマスク蒸着では、液晶素子のデザイン毎に成膜工程が影響を受けるので工程管理が煩雑になるという欠点がある。さらに、画素電極と共通電極との間に構造性複屈折層を設けた場合には、その層の厚みにもよるが液晶層に印加される電圧が構造性複屈折層による容量分割で低下する点をも考慮しなくてはならない。
【００６５】
タイプＡ１，Ａ３，Ａ４，Ａ５の液晶素子用基板３１やタイプＢ１，Ｂ３，Ｂ４，Ｂ５の液晶素子用基板３２のように構造性複屈折層３８がガラス板の内面側に形成されている場合では、構造性複屈折層３８の各面が空気よりも屈折率が高い材料と接触するため、それらの境界面での光の反射率は空気と面を接する光学補償素子に比べて極めて低い。したがって、境界面の反射防止層を簡略化できたり、省略できるという利点がある。また、構造性複屈折層３３の傷つき等を防止できるという利点もある。
【００６６】
タイプＡ２，Ａ４，Ａ５の液晶素子用基板３１やタイプＢ２，Ｂ４，Ｂ５の液晶素子用基板３２のように構造性複屈折層３８がガラス板の外面に設けた場合には、構造性複屈折層３８の傷付きを防止するために、構造性複屈折層３８の上層に透明な保護層を設けるのも好ましい。
【００６７】
基板本体に構造性複屈折層を設けた構成では、液晶層を通過する光について、その液晶層を通過する角度と構造性複屈折層を通過する角度とを同じにできる。また、ポリマー材料等を用いて作成した位相差補償素子を液晶素子の内側に設けることは困難であるが、上記のような無機材料で作成された構造性複屈折層では可能である他、熱や紫外線等に対しても十分な耐久性を有する。
【００６８】
本発明の液晶素子は、図１０に示す例のようにマイクロレンズと組み合わせることができる。マイクロレンズアレイ５０は、液晶素子の入射面側に配されている。マイクロレンズアレイ５０には、画素毎にマイクロレンズ５０ａが形成されている。このマイクロレンズ５０ａは、イオン交換技術を用いてガラス板に連続した屈折率分布をつけることにより作成されている。もちろん、マイクロレンズとしては、ガラスや樹脂をレンズ形状に加工したものを用いてもよい。マイクロレンズ５０ａは、画素電極３５を画素ごとに区画している出射面側のガラス板３３に形成されたブラックマトリクス部（図示せず）によって画素単位での開口率が低下することを改善する。
【００６９】
マイクロレンズ５０ａを組み合わせることによって、偏光子となる偏光板で直線偏光とされた照明光は、マイクロレンズ５０ａで収斂光束とされ、ガラス板３７，構造性複屈折層３８，共通電極３９，配向膜４０を通って液晶層３０に達し、さらに配向膜３６，画素電極３５を通ってガラス板３３，検光子となる偏光板を透過して出射する。
【００７０】
構造性複屈折層３８は、液晶層３０を通過する光の角度によって位相の変調度が異なってくることを補償するためのものであるから、この例のように、マイクロレンズ５０ａによって入射してくる光に角度がつくような場合に特に有効となり、コントラストの向上や、マイクロレンズ５０ａの開口数を大きくした設計が可能となるという大きな利点がある。
【００７１】
上記の例では、構造性複屈折層３８を共通電極側のガラス板３７の内面３７ａに設けた液晶素子用基板３２であるが、例えば図１１に示すようにガラス板３７の外面３７ｂに設けたタイプの液晶素子用基板３２でもよい。また、この他に図５ないし図８に示される各種の層構造の液晶素子用基板３１，３２の組み合わせであってもよい。
【００７２】
本発明の無機材料で作成された構造性複屈折層は、反射型液晶素子にも適用が可能である。反射型液晶素子を用いた投影ユニットの一例を図１２に示す。光源１２からの放射光は、フィルタ１３を透過することにより紫外線及び赤外線がカットされた白色光となり、集光光学系５５を透過して赤色光だけを反射するダイクロイックミラー５６に入射する。反射された赤色光は、ミラー５７で反射して偏光膜５８ａが斜設された偏光ビームスプリッタ５８に入射する。偏光膜５８ａによりｓ偏光成分が直線偏光となって反射され、反射型の液晶素子６１Ｒに入射する。なお、ダイクロイックミラー５６を透過した緑色光と青色光のうち、緑色光はダイクロイックミラー６２で反射され偏光ビームスプリッタ６３に入射し、ダイクロイックミラー６２を透過した青色光は偏光ビームスプリッタ６４に入射する。
【００７３】
ここで用いられている反射型の液晶素子６１Ｒは、図１３に示すような構成になっている。図１３では、上記と実質的に同じ構成部材には同一の符号を付してその説明を省略する。また、構造性複屈折層３８が設けられた共通電極３９側の液晶素子用基板の層構造は最初の実施形態と同じである。
【００７４】
画素電極側の液晶素子用基板６５は、不透明なシリコン基板６６を基板本体としている。このシリコン基板６６には、電極間の印加電圧を制御する画素回路６７が画素毎に形成され、その画素回路６７にそれぞれ画素電極６８が接続されている。画素電極６８は、アルミや銀等の反射率の高い材料で作成された反射板となっており、液晶層３０を透過してきた光を反射する。シリコン基板６６と画素電極６８と間には層間絶縁層６９が形成され、画素電極６８と層間絶縁層６９を覆うように配向膜７１が形成されている。
【００７５】
偏光ビームスプリッタ５８で直線偏光とされた光は、液晶素子用基板３２を通って液晶層３０に入射し、配向膜７１を通って画素電極６８に入射する。そして、この画素電極６８で反射されて、配向膜７１，液晶層３０，液晶素子用基板３２を通って偏光ビームスプリッタ５８に入射する。液晶素子用基板３２を光が透過する際に、その光はガラス板３７に形成された構造性複屈折層３８を透過する。偏光ビームスプリッタ５８に再び入射した直線偏光光は、偏光膜５８ａに対してｐ偏光成分となっているから、偏光膜５８ａを透過して合成プリズム２４に入射する。なお、合成プリズム２４及び投影レンズ２５の機能は先の実施形態と全く同様である。
【００７６】
ここで用いられている構造性複屈折層３８には、液晶層３０に入射するときと出射するときとで光が２度通過することになるため、これを考慮して構造性複屈折層３８自体の複屈折による位相差を設計しておく必要がある。また、反射型の液晶素子をオフアクシスで使用する場合にも利用できる。
【００７７】
構造性複屈折層３８を画素電極側の液晶素子用基板６５に設けてもよい。図１４は、構造性複屈折層３８を画素電極側の液晶素子用基板６５に設けた例を示しており、シリコン基板６６側の画素電極６８と配向膜７１との間に構造性複屈折層３８が設けられている。また、図１３及び図１４に示される画素電極側の各タイプの液晶素子用基板６５を、図７及び図８に示されるタイプＢ０〜Ｂ５のガラス板と組み合わせることができる。もちろん、図１３に示される液晶素子用基板６５とタイプＢ０の液晶素子用基板３２との組み合わせは除かれる。
【００７８】
次の表３に上記の液晶素子用基板６５と、タイプＢ０〜Ｂ５の液晶素子用基板３２との組合せにおける製造コスト、ソリ調整の良否，光学補償性能の良否を表１と同様に示す。表３に示す「組合Ｎｏ．」の実際の組み合わせ表４に示すとおりであり、図１３に示される層構造の液晶素子用基板３２をタイプＣ０，図１４に示す層構造の液晶素子用基板６５をタイプＣ１としてある。
【００７９】
【表３】
【００８０】
【表４】
【００８１】
なお、本発明は、透過型の液晶素子の一方の面に反射板を配置することで反射型液晶素子とした構成にも利用できるのはいうまでもない。
【００８２】
本発明に用いられる構造性複屈折層は、図４に示すような多層薄膜の積層体だけでなく、無機材料で作成された様々な形態のものを利用することができる。先に説明し図４に示す薄膜積層体は、光学的な異方性が発現しない光学軸がガラス板の法線に合致した一軸性の負の複屈折層であり、ｃ−ｐｌａｔｅとして用いる例として挙げられているが、負の一軸性を有したものとしては図１５に示すように、透明な板状突起７７を格子状に配列した構造性複屈折層８０を用いることも可能である。なお、符号７６は、基板本体、すなわち共通電極側または画素電極側のガラス板，あるいは反射型ＬＣＤのシリコン基板である。
【００８３】
この構造性複屈折層８０の物理的構造を構成している板状突起７７の厚みｄ，高さｈ及び配列間隔は光の波長に対して充分に小さく、例えば光学膜厚がλ／１００〜λ／５、好ましくはλ／５０〜λ／５、実際的にはλ／３０〜λ／１０程度であればよく、光学異方性を示さない光学軸８０ａは図示の方向となる。液晶素子を構成する液晶素子用基板として組み込まれることによりａ−ｐｌａｔｅとして用いられる。そして、照明光軸または投影光軸と直交する面内で板状突起７７が一次元で配列されているため、その一次元配列の方向で空気層と板状突起７７による異なった屈折率が交互に分布するようになる。
【００８４】
また、図１６に示すように、基板本体７６上に透明な板状突起８１を傾斜して配列した構造性複屈折層８２も本発明の目的を達成するうえで有用である。この構造性複屈折層８２も負の一軸性複屈折体として作用し基板本体７６の面が照明光軸あるいは投影光軸と垂直になるように配置されるためｏ−ｐｌａｔｅとして用いられる。この構造性複屈折層８２も、照明光軸または投影光軸と直交する面内で屈折率の異なる部分が一次元配列となり、しかも異なる屈折率を与えるための物理的構造が照明光軸または投影光軸に対して傾斜することになる。
【００８５】
これらの構造性複屈折層８０，８２のもつ物理的な繰り返し構造パターンは、フォトリソグラフィにより作成することができる。なお、負の一軸性複屈折体としての作用を得るためには、それぞれの板状突起７７，８１の幅ｄに対する高さｈで表されるアスペクト比を充分に大きくしておく必要がある。このアスペクト比が充分に大きくない場合には、屈折率楕円体のｎx ，ｎy ，ｎz が全て異なる２軸性複屈折体となる。さらにアスペクト比が小さくなると、極限的には正のａ−ｐｌａｔｅになる。
【００８６】
図１７に正のａ−ｐｌａｔｅの一例を示す。この構造性複屈折層８５は、基板本体７６の表面に透明な誘電体による突状８４を一定ピッチで格子状に配列することによって構成され、突条８４の幅Ｗ，高さｈ及び配列ピッチは先の例と同様に波長よりも充分に小さくしてある。光学軸８５ａは図示のように格子構造と平行となる。液晶素子に組み込まれる際には、上記構造が形成された基板本体７６の表面が照明光軸あるいは投影光軸に垂直になるように配置され、やはり照明光軸または投影光軸と直交する面内で屈折率が異なる部分が一次元配列となる。なお、位相差は突条８４の高さｈとその屈折率との積となる。高さｈが波長に対して大きくなると屈折率異方性が一軸からずれ、二軸となる。さらに大きくなると、負のｃ−ｐｌａｔｅに近づく。
【００８７】
また、基板本体７６の外面側に上記の構造性複屈折層８５を設ける場合に突条８４による格子構造が空気層に接していてもよいが、他の異なる屈折率をもった誘電体層で、突条８４の相互間を埋めるように全体的に覆ってもよい。また、基板本体７６の内面側に設ける場合にも同様に他の異なる屈折率をもった誘電体層で突条８４の相互間を埋めるようにしてもよい。
【００８８】
正のｃ−ｐｌａｔｅもまた本発明の構造性複屈折層として利用できる。正のｃ−ｐｌａｔｅは、図１８に示すように、基板本体７６の表面に透明な誘電体からなる多数の突起８６を垂直に林立させることで作成することができる。突起８６のサイズや配列ピッチは、これまで同様に、光の波長に比して充分に小さいものであればよい。基板本体７６の表面が照明光軸または投影光軸と直交するように配置されるため、図１５〜図１７に示す構造性複屈折層８０，８２，８５とは異なり、屈折率の異なる部分が照明光軸または投影光軸と直交する面内で二次元に分布するようになる。このような構造をもつ構造性複屈折層８７も、やはりフォトリソグラフィで作成が可能であり、その光学軸８７ａは基板本体７６の表面に垂直となる。また、基板本体７６の外面側に上記物理的構造部分を設ける場合では、先のものと同様空気層に接していてもよく、外面側，内面側のいずれの場合も屈折率が異なる別の誘電体層で全体的に覆う形態で使用することも可能である。
【００８９】
さらに、正のｏ−ｐｌａｔｅは図１９に示す形態で得ることができ、このような二次元の物理的構造の配列パターンをもつこれらの構造性複屈折層も本発明の目的のために効果的に用いることができる。図１９に示す構造性複屈折層９０は、基板７６の表面に透明な誘電体からなる突起９１を一定の傾斜角度で規則的に林立させたもので、フォトリソグラフィにより作成可能である。やはり、これらの構造のサイズや繰り返しピッチは光の波長よりも充分に小さくしておく必要があり、構造表面は空気層あるいは別の透明な誘電体層のいずれに接していてもよい。光学軸９０ａは、図示のように基板７６の表面に対して傾斜し、突起９１の傾斜方向と平行になる。
【００９０】
正のｏ−ｐｌａｔｅを作成するにあたっては、図２０に示すように、基板本体７６の表面に対し、斜め方向から一種類の誘電体を蒸着することによっても得られることが米国特許第５６３８１９７号公報明細書（前掲特許文献１）でも知られている。この方法によれば、光の波長に対して充分に小さい物理的構造を簡単に得ることができる。なお、同図中に示す斜線は、基板７６に斜め方向から成膜を行ったことを模式的に表すためのもので、それぞれ個別の薄膜層を表すものではない。この構造性複屈折層９３も、基板７６の表面が照明光軸または投影光軸と垂直になるように配置して用いられ、斜設した薄膜層９４がｏ−ｐｌａｔｅ複屈折体の光学異方性を示す。
【００９１】
複数の構造性複屈折層を組み合わせて使用する際に、異なった種類の構造性複屈折層を用いることも可能であり、より精密な位相差補償を行い、スクリーンに投影される画像のコントラストをより向上させることができる。また、本発明を適用し得る液晶素子の動作モードとしても、上述した透過型ＴＮ液晶モードのみならず、反射型ＴＮ液晶モードや公知のＥＣＢ（Electrically Controlled Birefringence ）、ＶＡ（Vertical Aligned）、ＯＣＢ（Optically Compensatory Bend ）、ＦＬＣ（Ferroelectric Liquid Crystal）などの各種の動作モードのものが挙げられ、さらにオフアクシス方式やマイクロレンズ方式などのように、ＲＧＢの各色光が液晶素子を異なった入射角度で通過するような光学系を採用したプロジェクタにも本発明は適用可能である。また、駆動方式についても、アクテイブマトリクス駆動方式に限らず各種の駆動方式に本発明は適用可能である。
【００９２】
さらに、薄膜層を積層した構造性複屈折層を作成するにあたっては、各層の膜厚は必ずしも等しくする必要はなく、また２種類の薄膜を交互に積層することにのみ限られない。例えば屈折率が異なる３種類以上の薄膜を適宜の順序，膜厚で積層してもよく、成膜工程の容易さ、各層の内部応力による歪みの吸収、屈折率の波長依存性などを考慮して適宜に設計することが可能である。また、構造性複屈折層は、屈折率が異なる２種類あるいはそれ以上の薄膜を積層した多層薄膜だけで構成する必要はなく、例えば図１５〜図２０に示されるような構造性複屈折体と多層薄膜とを組み合わせたものであってもよい。
【００９３】
【実施例】
［透過型液晶素子］
共通電極側の基板本体となる厚さ０．７ｍｍのガラス板に、ＳｉＯ2 とＴｉＯ2 を交互に各々膜厚１５ｎｍで４６層ずつ電子ビーム蒸着により積層して構造性複屈折層を形成した。この構造性複屈折層は、層の厚さが１．３８μｍで、波長５５０ｎｍの光に対して３１０ｎｍの負の複屈折を示した。次いで、その上に共通電極となるＩＴＯ膜をスパッタ法により１００ｎｍの膜厚で成膜した。さらにポリイミドの配向膜形成用樹脂膜を形成してラビングを施すことにより配向膜とし、共通電極側の液晶素子基板を作成した。一方、画素電極側の基板本体となる厚さ０．７ｍｍのガラス板上に画素電極アレイを作成したものにポリイミドの配向膜形成用樹脂膜を形成してラビングを施すことにより配向膜とし、画素電極側の液晶素子基板を作成した。
【００９４】
上記のように作成された各液晶素子基板を、互いにラビング方向が直交するように貼り合わせ、その間に正の誘電率のネマティック液晶を封入し、樹脂製マイクロレンズアレイを貼り合わせてＴＮ液晶素子を作成した。
【００９５】
このＴＮ液晶素子を用いたプロジェクタは、緑の光に対してコントラストが５５０：１を示し、構造性複屈折層を設けていないＴＮ液晶素子を用いたプロジェクタのコントラストの３５０：１に比べて改善効果が認められた。
【００９６】
［反射型液晶素子］
画素電極アレイが作成されたシリコン基板に垂直配向用ポリイミド配向膜を形成し、ラビングを施して画素電極側の液晶素子用基板を作成した。また、ガラス板に構造性複屈折層と共通電極となるＩＴＯ膜とを形成し、さらにＩＴＯ膜の上に垂直配向用ポリイミド配向膜を形成してラビングを施して共通電極側の液晶素子用基板を作成した。この共通電極側のガラス板，構造性複屈折層，ＩＴＯ膜の仕様は透過型液晶素子の共通電極側のものと同一である。
【００９７】
上記のように作成された各液晶素子基板を、互いにラビング方向が逆向きで平行となるように貼り合わせ、その間に負の誘電率のネマティック液晶を封入し、ＶＡ液晶素子を作成した。
【００９８】
このＶＡ液晶素子を用いたプロジェクタは、緑の光に対してコントラストが９００：１を示し、構造性複屈折層を設けていないＶＡ晶素子を用いたプロジェクタのコントラストの５００：１に比べて改善効果が認められた。
【００９９】
【発明の効果】
以上に述べたとおり、本発明によれば、無機材料で作成される構造性複屈折層を液晶素子を構成する液晶素子用基板の基板本体に形成して、位相差補償を行うようにしたから、耐久性に富み、しかもコスト負担も大きくすることなく、スクリーンに投影される画像のコントラストを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】リア方式の液晶プロジェクタの概略を示す外観図である。
【図２】透過型液晶素子を用いた投影ユニットの概略構成図である。
【図３】液晶素子の概略的な構造を示す概略断面図である。
【図４】構造性複屈折層の層構造を示す説明図である。
【図５】画素電極側の液晶素子用基板の構成例を示すものである。
【図６】画素電極側の液晶素子用基板の別の構成例を示すものである。
【図７】共通電極側の液晶素子用基板の構成例を示すものである。
【図８】共通電極側の液晶素子用基板の別の構成例を示すものである。
【図９】層間絶縁層を設けた画素電極側の液晶素子用基板を用いた液晶素子の例を示すものである。
【図１０】マイクロレンズを併用した例を示すものである。
【図１１】共通電極側の液晶素子用基板の外面に構造性複屈折層を設けた液晶素子にマイクロレンズを併用した例を示すものである。
【図１２】反射型液晶素子を用いた投影ユニットの概略構成図である。
【図１３】反射型液晶素子の構成例を示すものである。
【図１４】シリコン基板に構造性複屈折層を形成した例を示すものである。
【図１５】形状パターンを有する構造性複屈折体の一実施形態を示す概念図である。
【図１６】形状パターンを有する構造性複屈折体の他の実施形態を示す概念図である。
【図１７】形状パターンを有する構造性複屈折体の別の実施形態を示す概念図である。
【図１８】構造性複屈折体のさらに別の実施形態を示す概念図である。
【図１９】構造性複屈折体のさらに他の実施形態を示す概念図である。
【図２０】斜め方向からの成膜で作成された構造性複屈折体の概念図である。
【符号の説明】
３ スクリーン
５ 投影ユニット
１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂ，６１Ｒ，６１Ｇ，６１Ｂ 液晶素子
１２ 光源
２６Ｒ，２６Ｇ，２６Ｂ 偏光板
２８Ｒ，２８Ｇ，２８Ｂ 偏光板
２４ 合成プリズム
２５ 投影レンズ
３０ 液晶
３１，３２，６５ 液晶素子用基板
３３，３７ ガラス板
３４，６７ 薄膜トランジスタ
３５，６８ 画素電極
３６，４０，７１ 配向膜
３８ 構造性複屈折層
３９ 共通電極
６６ シリコン基板
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶素子用基板および液晶素子並びに液晶プロジェクタに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】
米国特許第５６３８１９７号明細書
【特許文献２】
特開２００２−１４３４５号公報
【特許文献３】
特開２００２−３１７８２号公報
【特許文献４】
特開２００２−１３１７５０号公報
【非特許文献１】
Eblen J P 他５名. 「Birefringent Compensators for Normally White TN-LCDs」. SID Symposium Digest. SOCIETY FOR INFORMATION DISPLAY. 1994. p.245-248
【０００３】
液晶プロジェクタは、液晶素子によって光変調された光をスクリーンに投影して画像表示を行うもので、スクリーンの前面側から画像を投影するフロント方式とスクリーンの背面側から画像を投影するリア方式とがある。また、使用する液晶素子が透過型のものであるか反射型のものであるかによって照明の仕方が異なるが、いずれにせよ投影する画像を液晶素子に表示し、これに照明を与えて投影レンズでスクリーン上に画像を結像させる構成となっている。
【０００４】
液晶プロジェクタの液晶素子には種々の動作モードのものを用いることが可能であるが、多用されているＴＮ（Twisted Nematic)液晶について説明する。ＴＮ液晶は、２枚の基板間で液晶層を構成している液晶分子が、その長軸が基板と平行となるように保たれ、かつ厚み方向では長軸が少しずつ傾けられ全体で９０°ねじられる配向状態となっており、一対の偏光板（一方が偏光子、他方が検光子となる）で挟むようにして用いられる。そして、液晶素子をノーマリーホワイト，ノーマリーブラックのいずれで使用するかに応じて、一対の偏光板はクロスニコル配置あるいはパラレルニコル配置のいずれかが選択される。
【０００５】
ところで、ＴＮ液晶に限らず、一般に液晶素子には視野角が狭いという欠点がある。ノーマリーホワイトのＴＮ液晶を例にすると、液晶層に電圧を印加していない状態では、液晶層は偏光板を通ってきた直線偏光を液晶分子のねじれ配列にしたがって偏波面を９０°回転させる旋光性を示す。そして、液晶層を通過してきた直線偏光はクロスニコル配置された他方の偏光板を通って出射し、ホワイト状態となる。液晶層に電圧を印加すると液晶分子のねじれが消失し、入射した直線偏光はそのままの偏波面で出射することになるため、他方の偏光板がその通過を阻止してブラック状態となる。
【０００６】
ところが、液晶は複屈折媒体としても作用する。前述したＴＮ液晶の場合、液晶層に電圧を印加してそのねじれ配向を消失させてゆく過程では、旋光性と複屈折性とが混在し、電圧の印加レベルが高くなるにつれて複屈折性が支配的になってゆく。そして、液晶分子のねじれが消失してブラック状態となったとき、垂直入射光に対しては液晶層が複屈折性を示すことはほとんどなくなるので直線偏光はそのまま透過するが、斜め入射光に対しては複屈折性を示し、直線偏光で入射した光は楕円偏光に変調されるようになる。こうして生じた楕円偏光は部分的に出射側の偏光板を透過し、ブラック状態の濃度を薄める結果となる。液晶層がもつこのような複屈折媒体としての性向は、ホワイト状態からブラック状態への移行過程でも徐々に現れるため、中間調の表示状態下でもその表示画面を斜め方向から観察したときにはやはり変調度の角度依存性が避けられないものとなる。このような変調度の角度依存性はＴＮ液晶に限らず、大なり小なり全ての液晶素子に見られる現象である。
【０００７】
液晶素子のもつ上記欠点を改善するために、液晶素子に表示された画像を直接観察する直視型の液晶表示装置では位相差補償素子を併用することが知られている。この目的で使用される位相差補償素子としては、富士写真フイルム（株）製の「Fuji WV Film ワイドビューＡ」（商品名／以下、ＷＶフイルム）がすでに実用化され、また上記非特許文献１には、薄膜を積層した構造性複屈折体を位相差補償素子として用いることにより、視野角を大きくしてもＴＮ液晶の表示画像のコントラストを低下させないことが紹介されている。さらに特許文献１には、基板に対して斜め方向から多層薄膜を蒸着した位相差補償素子を用い、その光学異方性により液晶ディスプレイの視野角を広げることが記載されている。
【０００８】
これらの位相差補償素子は直視型の液晶素子に適用されるものであるが、直視型の液晶素子は、明視距離以上離れた位置から表示画面にほぼ正対して画像観察されるのが通常の使用形態であることが多い。そして、仮に表示画面の周辺部でコントラストが低下して観察されたときには、眼の位置を少しずらしてやればその部分の画像もほぼ正常に観察することができる。また、多人数が同時に観察する用途のものは表示画面と観察者との間の距離が大きくなるため、正常に観察できる範囲は限られるものの、表示画像のコントラストが部分的に異なるということは起こりにくい。
【０００９】
これに対し、液晶プロジェクタでは液晶素子によって変調された画像光が投影レンズでスクリーンに投影され、それがスクリーン上で拡散した画像光となって観察対象となる。したがって黒レベルを表示したいときに、液晶層に斜めに入射して液晶分子を斜めに通過する光が含まれることが原因となって、投影画像そのもののコントラストが低下してしまうと、例えどのような位置から観察したとしてもコントラストの低下は全く改善されることがない。投影画像のコントラストをできるだけ高めるには、液晶素子から大きな角度で出射する光束を使わずに投影画像が得られるようにすればよいが、そのためには投影レンズのバックフォーカスを長くする必要があり、小型化が求められる液晶プロジェクタではコンパクト化を図るうえで不利になる。このような難点を原理的に解決するには、液晶プロジェクタに用いる液晶素子についても、やはり直視型液晶パネルでいう視野角の拡大技術を利用することが効果的で、結果的に投影画像のコントラストを向上させることができるようになる。
【００１０】
こうした背景から、コントラスト向上の目的で液晶プロジェクタ用の液晶素子についても、直視型液晶素子と同様に位相差補償素子を組み合わせて使用することが特許文献２，特許文献３に記載されている。特許文献２に記載された液晶プロジェクタでは、ＴＮ液晶用の位相差補償素子として、前述したＷＶフイルムのように有機材料で構成されたものが用いられている。また、特許文献３には、位相差補償素子として単結晶サファイアや水晶などの一軸性の複屈折性結晶を用いることが記載されている。また、特許文献４には、光学位相補償板としてディスコティック液晶を用いたものが記載されている。これらの位相差補償素子は、いずれも光の入射角に依存した光学異方性を発現する複屈折体として作用し、液晶素子から大きな出射角で出射する光束によって画像のコントラストが低下することを防いでいる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、一般に有機材料からなる位相差補償素子は、紫外線を含む強い光に長時間曝されていると褪色が生じやすい。特に液晶プロジェクタに用いる場合には、スクリーンに画像投影を行うために直視型の液晶モニタなどと比較して光源の輝度も高くなり、過熱の度合いも大きくなることから、実用的には２０００〜３０００時間程度で徐々に褐色に変化する傾向にある。したがって、例えば家庭用プロジェクションテレビジョンなどのように長時間にわたって使用される用途では耐久性の点で問題があり実用化は難しい面がある。一方、単結晶サファイヤや水晶などの複屈折体を用いた位相差補償素子は、耐久性では問題はないものの、サファイヤや水晶などの結晶自体が高価であり、また結晶の切り出し面や厚みを高精度に管理しなくてはならない。しかも、位相差補償素子を光学系中に組み込むときの調整も面倒である。
【００１２】
さらに、透過型の液晶素子では、その基板上で画素ごとに区画するブラックマトリクス部によって画素単位での開口率が低下することを改善するためにマイクロレンズを組み合わせたものもある。しかし、マイクロレンズを組み合わせた場合には、マイクロレンズの前後では光の角度が変化するため、位相差補償素子の所期の効果が得られないことがあり、また位相差補償素子の配置が制約されるといった問題があった。
【００１３】
本発明は上記背景を考慮してなされたもので、家庭用テレビジョンのような長時間の使用に対しても耐久性に優れ、しかも製造コストの負担も少なく、さらにはマイクロレンズの併用を容易としながら、画像自体のコントラストが向上することができる液晶素子用基板および液晶素子並びに液晶プロジェクタ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、上記問題を解消するために、請求項１記載の液晶素子用基板では、液晶層を透過する光が入射する基板本体の内面と外面に、液晶層を透過する光の光学的な位相差を補償するための無機材料で作成された構造性複屈折層をそれぞれ形成したものである。
【００１５】
請求項２記載の液晶素子用基板では、構造性複屈折層を、少なくとも高屈折率材料からなる薄膜と低屈折率材料からなる薄膜とを有する多層薄膜を含むようにしたものである。
【００１６】
請求項３記載の液晶素子用基板では、構造性複屈折層を、高屈折率材料からなる薄膜と低屈折率材料からなる薄膜とを交互に積層した多層薄膜としたものである。
【００１８】
請求項４記載の液晶素子用基板では、前記基板本体の内面に形成された構造性複屈折層を、基板本体と電極との間に形成したものである。
【００１９】
請求項５記載の液晶素子用基板では、構造性複屈折層が設けられる基板本体の電極がアクティブマトリックス駆動方式のための対向電極となっていりものである。
【００２２】
請求項６記載の液晶素子では、液晶層を透過する光が入射する基板本体の内面と外面に無機材料で作成された構造性複屈折層をそれぞれ形成し、前記液晶層を透過する光の光学的な位相差を補償するものである。
【００２３】
請求項７記載の液晶素子では、構造性複屈折層を、高屈折率材料からなる薄膜と低屈折率材料からなる薄膜とを交互に積層した多層薄膜としたものである。
【００２４】
請求項８記載の液晶プロジェクタでは、配向膜及び電極が設けられた一対の基板本体のうちの、液晶層を透過する光が入射する基板本体の内面と外面に、無機材料で作成された構造性複屈折層をそれぞれ形成し、前記液晶層を透過する光の光学的な位相差を補償するものである。
【００２５】
請求項９記載の液晶プロジェクタでは、構造性複屈折層を、高屈折率材料からなる薄膜と低屈折率材料からなる薄膜とを交互に積層した多層薄膜としたものである。
【００２６】
【発明の実施の形態】
図１にリア方式の液晶プロジェクタの外観を示す。筐体２の前面に拡散透過型のスクリーン３が設けられ、その背面に投影された画像が前面側から観察される。筐体２の内部には投影ユニット５が組み込まれ、その投影画像はミラー６，７で反射されスクリーン３の背面に結像される。この液晶プロジェクタは、筐体２の内部にチューナー回路などのほか、ビデオ信号及び音声信号再生用の周知の回路ユニットを組み込み、投影ユニット５に画像表示手段として組み込まれた液晶素子にビデオ信号の再生画像を表示することによって、大画面のテレビジョンとして使用することができる。
【００２７】
図２に投影ユニット５の構成を概略的に示す。この投影ユニット５には透過型の三枚の液晶素子１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂが組み込まれ、フルカラーで画像投影を行うことができる。光源１２からの放射光は、紫外線及び赤外線をカットするフィルタ１３を透過することにより赤色光，緑色光，青色光を含む白色光となり、光源から液晶素子に至る照明光軸にしたがってガラスロッド１４に入射する。ガラスロッド１４の光入射面は、光源１２に用いられている楕円面鏡の焦点位置近傍に位置し、光源１２からの光は効率的にガラスロッド１４に入射する。
【００２８】
ガラスロッド１４の出射面に対峙してリレーレンズ１５が配設され、ガラスロッド１４からの白色光は、リレーレンズ１５及び後段のコリメートレンズ１６により平行光となってミラー１７に入射する。ミラー１７で反射された白色光は、赤色光だけを透過するダイクロイックミラー１８Ｒで２光束に分けられ、透過した赤色光はミラー１９で反射して液晶素子１１Ｒを背面から照明する。また、ダイクロイックミラー１８Ｒで反射された緑色光と青色光は、緑色光だけを反射するダイクロイックミラー１８Ｇでさらに２光束に分割される。ダイクロイックミラー１８Ｇで反射された緑色光は液晶素子１１Ｇを背面側から照明する。ダイクロイックミラー１８Ｇを透過した青色光は、ミラー１８Ｂ，２０で反射され、液晶素子１１Ｂを背面から照明する。
【００２９】
各々の液晶素子１１Ｒ，１１Ｇ，１１ＢはそれぞれＴＮ液晶で構成され、その各々には、フルカラー画像を構成する赤色画像，緑色画像，青色画像の濃度パターン画像が表示される。これらの液晶素子１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂから光学的に等距離となる位置に中心がくるように合成プリズム２４が配置され、合成プリズム２４の出射面に対面して投影レンズ２５が設けられている。合成プリズム２４は、その内部に２面のダイクロイック面２４ａ，２４ｂを有し、液晶素子１１Ｒを透過してきた赤色光、液晶素子１１Ｇを透過してきた緑色光、液晶素子１１Ｂを透過してきた青色光を合成して投影レンズ２５に入射させる。
【００３０】
各液晶素子１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂの出射面の中心から、合成プリズム２４及び投影レンズ２５の中心を通り、スクリーン３の中心に至る投影光軸上に投影レンズ２５が設けられている。投影レンズ２５は、その物体側焦点面が液晶素子１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂの出射面に一致し、像面側焦点面がスクリーン３に一致するようにしてあるから、合成プリズム２４で合成されたフルカラー画像はスクリーン３に結像されることになる。なお、図１に示すミラー６，７については、図面の煩雑化を避けるために省略してある。
【００３１】
液晶素子１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂの照明光の入射面側には、それぞれ偏光板２６Ｒ，２６Ｇ，２６Ｂが設けられている。また、各液晶素子の出射面側には、偏光板２８Ｒ，２８Ｇ，２８Ｂとが設けられている。入射面側の偏光板２６Ｒ，２６Ｇ，２６Ｂと出射面側の偏光板２８Ｒ，２８Ｇ，２８Ｂはクロスニコル配置となっており、入射面側の偏光板は偏光子、出射面側の偏光板は検光子として作用する。液晶素子１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂには、詳細を後述するように、それを構成する基板に構造性複屈折層が設けられている。なお、それぞれの色チャンネルごとに設けられた液晶素子、その両側にそれぞれ設けられた偏光板の作用は、それぞれの色光に基づく相違はあるものの、基本的な作用は実質的に共通であるので、以下、赤色チャンネルを代表させて説明する。
【００３２】
図３に液晶素子１１Ｒの構造を概略的に示す。液晶素子１１Ｒは、ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）方式のものであり、アクティブマトリックス駆動される。この液晶素子１１Ｒは、液晶層３０を挟んで一対の液晶素子用基板３１，３２が対向して設けられている。
【００３３】
液晶素子用基板３１は、基板本体である透明なガラス板３３と、液晶層３０側の内面３３ａに形成された薄膜トランジスタ３４，透明な画素電極３５，配向膜３６とから構成される。ガラス板３３の内面３３ａには、薄膜トランジスタ３４と画素電極３５とを１組として、これらがマトリックス状に多数設けられており、１組の薄膜トランジスタ３４と画素電極３５とが赤色画像の１個の画素に対応する。配向膜３６は、薄膜トランジスタ３４及び画素電極３５を覆うようにほぼ全面に形成されている。
【００３４】
他方の液晶素子用基板３２は、基板本体である透明なガラス板３７と、その内面（液晶層側の面）３７ａのほぼ全面に、ガラス板３７側から順に、構造性複屈折層３８，透明な共通電極（対向電極）３９，配向膜４０が層設されている。
【００３５】
なお、液晶素子用基板３１には、画素電極部３５を画素ごとに区画して画素単位でのコントラストが低下することを改善するブラックマトリクス部（図示省略）が形成されている。
【００３６】
上記の液晶素子１１Ｒは、構造性複屈折層３８が設けられている他は、従来のＴＦＴ方式の液晶素子と同じ構成である。すなわち、薄膜トランジスタ３４によって画素電極３５と共通電極３９との間の液晶層３０に印加する電圧を制御して、各電極間の液晶層３０の配向姿勢を変化させることにより、偏光板２６Ｒから入射し偏光板２８Ｒから出射する光量を制御することで画素の濃淡を表現する。
【００３７】
ミラー１９で反射された赤色照明光は、入射面側の偏光板２６Ｒで直線偏光となって液晶素子１１Ｒに入射する。ノーマリホワイトモードの場合で、液晶素子１１Ｒに用いられているＴＮ液晶は、画像の黒を表示するために、画素電極３５と共通電極３９との間に信号電圧が印加される。このとき、液晶層３０に含まれる液晶分子は様々な配向姿勢をとる。このため、照明光が平行光束となって液晶層３０に入射しても、液晶層３０が呈する旋光性と複屈折性により出射する光は完全な直線偏光とはならず、一般に楕円偏光の画像光が出射して充分な黒が得られない。また、ノーマリーブラックモードの場合でも、液晶分子のわずかな傾きによって黒レベルが充分に黒くはならない。
【００３８】
また、黒表示させたい状態において、液晶層３０を通過した画像光の直線偏光性が保存されていれば、他方の偏光板２８Ｒによっで遮断され、充分弱い強度となって合成プリズム２４に入射する。しかし、液晶分子を斜めに通過する光が含まれている場合には、液晶層３０によって変調された画像光は、直線偏光とはわずかに光学的な位相が相違した楕円偏光となり、上記同様に充分な黒が得られない。
【００３９】
構造性複屈折層３８は、上記のような液晶層３０の通過によって画像光が楕円偏光とする成分を打ち消すように、それに入射する光の偏光状態を変化させて光学的な位相差を補償する。これにより、液晶素子１１Ｒから出射される画像光が直線偏光の画像光となって偏光板２８Ｒに入射するようにし、画像のコントラストを向上させる。
【００４０】
このような機能をもつ構造性複屈折層３８は、無機材料で作成され、少なくとも高屈折率材料からなる薄膜と低屈折率材料からなる薄膜とを有する多層薄膜を含むことが好ましい。図４に示す構造性複屈折層３８は、液晶素子１１Ｒのガラス板３７の内面３７ａに互いに屈折率が異なる誘電体の薄膜Ｌ１，Ｌ２を交互に積層した多層膜として形成されている。そして、このように構成される構造性複屈折層３８の表面に共通電極３９が形成され、さらに配向膜４０が形成される。
【００４１】
構造性複屈折層３８を構成する各層の光学膜厚（幾何学的膜厚と屈折率との積）は光の波長よりも充分に小さく、好ましくはλ／１００〜λ／５、より好ましくはλ／５０〜λ／５、実際的にはλ／３０〜λ／１０が適切である。この方法で、容易に一軸性の負の複屈折性を持つ構造性複屈折層３８をガラス板３７に形成できる。
【００４２】
高屈折率の薄膜層の材料としてはＴｉＯ2 （ｎ＝２．２〜２．４），ＺｒＯ2 （ｎ＝２．２０）など、低屈折率材料としてはＳｉＯ2 （ｎ＝１．４０〜１．４８）やＭｇＦ2 （ｎ＝１．３９），ＣａＦ2 （ｎ＝１．３０）などを用いることができる。さらに、例えば以下に挙げる種々の材料を、本発明の構造性複屈折層３７を構成する高屈折率、低屈折率の薄膜層に利用することができる。なお、（）内に示す数値は屈折率の概略値を表す。ＣｅＯ2 （２．４５），ＳｎＯ2 （２．３０），Ｔａ2 Ｏ5 （２．１２），Ｉｎ2 Ｏ3 （２．００），ＺｒＴｉＯ4 （２．０１），ＨｆＯ2 （１．９１），Ａｌ2 Ｏ3 （１．５９〜１．７０），ＭｇＯ（１．７），ＡｌＦ3 ，ダイヤモンド薄膜，ＬａＴｉＯX ，酸化サマリウムなど。また、高屈折率薄膜層用材料と低屈折率薄膜層材料の組み合わせとしては、ＴｉＯ2 ／ＳｉＯ2 が好ましいが、その他にＴａ2 Ｏ5 ／Ａｌ2 Ｏ3 、ＨｆＯ2 ／ＳｉＯ2 、ＭｇＯ／ＭｇＦ2 、ＺｒＴｉＯ4 ／Ａｌ2 Ｏ3 、ＣｅＯ2 ／ＣａＦ2 、ＺｒＯ2 ／ＳｉＯ2 、ＺｒＯ2 ／Ａｌ2 Ｏ3 等も挙げられる。
【００４３】
また、積層された薄膜Ｌ１，Ｌ２の相互間で光の干渉現象が生じることを避ける必要があるため各々の光学膜厚は薄い方がよいが、必要な合計膜厚を得るのに成膜回数が増えてくるので、現実的な膜厚構成の設計にあたっては、所望の複屈折率作用を考慮して各層の屈折率，膜厚比，合計膜厚を決め、着色については薄膜干渉を充分に考慮し、さらに成膜後に内部応力に起因するクラックの発生などの不具合が生じないように材料の選定に留意する必要がある。
【００４４】
なお、多層薄膜で構成された構造性複屈折層３８を製造するには、真空蒸着法やスパッタ成膜法を効果的に用いることができる。高屈折率薄膜層と低屈折率薄膜層との２種類の薄膜層を交互に成膜してゆくには、成膜対象となるガラス板３７に対して各々の蒸発源を遮蔽することができるようにそれぞれシャッタを設け、これらのシャッタを交互に開閉して２種類の薄膜層を交互に積層させたり、あるいはガラス板３７を一定の速さで循環移動する基板ホルダに保持させ、ガラス板３７を循環移動させる過程でそれぞれの蒸発源の上を通過させることによって順次に２種類の薄膜を交互に積層させるなどの手法を取ることができる。これにより、多層薄膜を得るに際して真空槽を一回だけ真空引きすればよいので、製造効率を高めることができる。
【００４５】
このような多層薄膜による構造性複屈折層３８の設計手順は次のとおりである。構造性複屈折層３７の複屈折率Δｎは、「光学 第２７巻第１号（１９９８）ｐ．１２−１７」に記載のように、屈折率の異なる２種類の薄膜の光学膜厚の比で決定され、それぞれの屈折率に差があるほど大きい値が得られる。また、位相差は複屈折率Δｎと構造性複屈折層３８の幾何学的な合計膜厚ｄとの積「ｄΔｎ」で与えられる。したがって、所望の位相差を得るためには、それらの材料から得られる複屈折率Δｎの値が大きくなるような膜厚比を求め、その複屈折率Δｎから必要な構造性複屈折層の物理的な合計膜厚ｄが決定される。各薄膜の幾何学的膜厚と層数との積が合計膜厚ｄになることと、幾何学的膜厚が上述のような光学膜厚の範囲にあることを条件として、製造適性を考慮しつつ層数を選択すればよい。
【００４６】
なお、屈折率が異なる誘電体薄膜を積層した多層薄膜により固有の光学的作用を得るものとして、ダイクロイックミラー、偏光ビームスプリッター、色合成プリズム、反射防止膜などが知られているが、これらの多層薄膜を構成する個々の薄膜層は、いずれもその光学膜厚がλ／４の整数倍となるように設計され、光の干渉現象を利用して所期の目的を達成するものである。この点、上述した構造性複屈折層３８は、個々の薄膜層の光学膜厚がλ／４よりも薄いことや、２種類の薄膜の光学膜厚の比によって固有の複屈折率Δｎが決められることなどから、光の干渉現象とは全く異なる作用原理に基づくものであることがわかる。
【００４７】
構造性複屈折層３８は、液晶層３０を通過する光の角度によって位相の変調度が異なってくることを補償する。このため、液晶層３０を通過する光の角度が大きくなっても、コントラストの低下を抑えることができるので、開口数の大きな光学系を用いることが可能になる。したがって、液晶素子のサイズを小さくしたり、口径の大きなレンズを採用して光の利用効率を高めたり、光路長を短くしてコンパクト化を図ったり、光学系全体を小さくして製造コストを下げる等の設計要因の選択範囲を広くすることができる。
【００４８】
上記のような構造性複屈折層３８は、共通電極側のガラス板３７の内面３７ａに設ける他に共通電極側のガラス板３７の外面（液晶層と反対側の面）や、画素電極側の液晶素子用基板３１に設けることができる。また、構造性複屈折層３８は、ガラス板の表面に設ける他に配向膜と電極との間に設けてもよく、ガラス板両面に構造性複屈折層３８を設けてもよい。さらに、このように各種の形態で構造性複屈折層３８が設けられた各種の液晶素子用基板３１，３２を組み合わせることができる。
【００４９】
図５ないし図７は、液晶素子用基板の層構造の各種例を示すものであり、図５及び図６は画素電極側の液晶素子用基板層構造の例を、図７及び図８は共通電極側の液晶素子用基板の層構造の例をそれぞれ示している。なお、図３に示されるものと実質的に同じものには同じ符号を付して詳細な説明は省略する。また、便宜上、各液晶素子用基板を図中に記載したタイプ名を用いて説明する。
【００５０】
図５（ａ）に示すタイプＡ０の液晶素子用基板３１は、図３に示すものと同じであり、構造性複屈折層がなく構造性複屈折層３８を設けた液晶素子用基板３２と組み合わせて使用される。図５（ｂ）に示すタイプＡ１の液晶素子用基板３１は、そのガラス板３３の内面３３ａに構造性複屈折層３８を設け、その構造性複屈折層３８の上層に薄膜トランジスタ３４及び画素電極３５を形成し、さらに、その上層に配向膜３６を層設したものである。図５（ｃ）に示すタイプＡ２のものは、タイプＡ０と同様にガラス板３３の内面３３ａに薄膜トランジスタ３４，画素電極３５，配向膜３６を形成し、ガラス板３３の外面３３ｂに構造性複屈折層３８を形成したものである。
【００５１】
図６（ａ）に示すタイプＡ３の液晶素子用基板３１は、画素電極３５と配向膜３６との間に構造性複屈折層３７を形成したものである。このタイプＡ３の例では、内面３３ａ上の薄膜トランジスタ３４及び画素電極３５の上層に透明な平坦化層（例えばＳｉ０2 ）４１を形成してから構造性複屈折層３８を形成し、この構造性複屈折層３８の上層に配向膜３６を形成してある。図６（ｂ）に示すタイプＡ４の液晶素子用基板３１は、図５（ｂ）に示されるタイプＡ１と同様に内面３３ａに構造性複屈折層３８を形成するとともに、ガラス板３３の外面３３ｂにも構造性複屈折層３８を形成することで、構造性複屈折層３８を２面に設けたものである。図６（ｃ）に示すタイプＡ５のものは、内面側の層構造をタイプＡ３と同じにし、ガラス板３３の外面３３ｂにも構造性複屈折層３８を設けて構造性複屈折層３８を２面としたものである。
【００５２】
なお、ガラス板３３に形成される各画素電極３５は、互いに電気的に絶縁されている必要があるが、上記のように構造性複屈折層３８は、誘電体、すなわち電気的な絶縁体で構成されるため、各画素電極３８に密接して形成されても、これら各画素電極３８を短絡することはない。
【００５３】
図７（ａ）に示すタイプＢ０の液晶素子用基板３２は、構造性複屈折層を設けていないものであり、構造性複屈折層を設けた画素電極側の液晶素子用基板３１と組み合わせて使用される。図７（ｂ）に示すタイプＢ１の液晶素子用基板３２は、図３に示すものと同じであり、内面３７ａに構造性複屈折層３８を設け、その構造性複屈折層３８の上層に共通電極３９，配向膜４０を順次層設したものである。図７（ｃ）に示すタイプＢ２の液晶素子用基板３２は、タイプＢ０と同様にガラス板３７の内面３７ａに共通電極３９，配向膜４０を形成し、外面３７ｂに構造性複屈折層３８を形成したものである。
【００５４】
図８（ａ）に示すタイプＢ３の液晶素子用基板３２は、共通電極３９と配向膜４０との間に構造性複屈折層３８を形成したものである。これは、ガラス板３７の内面３７ａ上に共通電極３９を形成してから構造性複屈折層３８を形成し、この構造性複屈折層３８の上層に配向膜４０を形成している。図８（ｂ）に示すタイプＢ４のものは、タイプＢ１と同じくガラス板３７の内面３７ａに構造性複屈折層３８，共通電極３９，配向膜４０を順次に層設するとともに、ガラス板３７の外面３７ｂにも構造性複屈折層３８を形成することで、構造性複屈折層３８を２面に設けたものである。図８（ｃ）に示すタイプＢ５のものは、タイプＢ３と同じく内面３７ａに共通電極３９，構造性複屈折層３８，配向膜４０を形成するとともに、ガラス板３７の外面３７ｂにも構造性複屈折層３８を設けて構造性複屈折層３８を２面に設けたものである。
【００５５】
なお、各液晶素子用基板３１，３２には、構造性複屈折層，各種電極、薄膜トランジスタ，配向膜、前述のブラックマトリクス部等の他の層を併せて形成してもよい。例えば図９に示すように、薄膜トランジスタ３４と画素電極３５との間に層間絶縁層４２を設けてもよく、もちろん、このような層間絶縁層４２を有する液晶素子用基板に構造性複屈折層を形成してもよい。
【００５６】
上記の各液晶素子用基板３１，３２の組合せにおける製造コストの高低，ソリ調整の良否，光学補償性能の良否を表１に示す。
【００５７】
【表１】
上記表１中ではガラス板の内面側または外面のいずれか一方に構造性複屈折層が設けられている場合を「片面」とし、ガラス板の内面側及び外面の両方に構造性複屈折層が設けられている場合を「両面」として、各液晶素子用基板３１，３２を分類し、それらの組み合わせをに組合Ｎｏ．１〜９を付して、製造コストの高低、ソリ調整の良否，光学補償性能の良否を示してある。「組合Ｎｏ．」に対応する液晶素子用基板３１，３２の実際の組み合わせは、次の表２に示すとおりである。
【００５９】
【表２】
表１のコストの欄は、数字が大きいほど製造コストが高いことを示している。また、ソリ調整は、「×」がソリ調整が不可能であることを表し、「△」，「○」「◎」の順に調整がより好ましく行えることを表している。光学補償性能は「△」が好ましい結果が得られ、「○」がより好ましい結果を得られることを表している。
【００６１】
プロジェクタ用の液晶素子は強い光を受けて温度が上昇するが、その際、液晶の熱膨張と複屈折率の温度依存によってコントラスト特性が変化する。このような状況で基板のソリが大きいとコントラストの表示面内での均一性が損なわれる。したがって、液晶プロジェクタ用の液晶素子用基板においては、基板のソリは重要な特性であり、その温度依存特性も含めて精密に制御できることが好ましい。
【００６２】
表１からわかるように、光学補償性能の点からは、各液晶素子用基板３１，３２に少なくとも１面ずつ構造性複屈折層を設けるのがよく、ソリ調整の観点からは少なくともいずれか一方のガラス板の両面に構造性複屈折層を設けるのが好ましく、より好ましくは各ガラス板３３，３７のそれぞれの両面に構造性複屈折層を設けるのがよいことがわかる。
【００６３】
なお、タイプＡ３，Ａ５の液晶素子用基板３１やタイプＢ３，Ｂ５の液晶素子用基板３２のように電極とガラス板（基板本体）との間に構造性複屈折層３８を形成した構成の場合では、誘電体、すなわち絶縁体で構成される構造成複屈折層３８を電極間の短絡防止用の絶縁層としても機能させることができるという利点がある。
【００６４】
しかし、その反面、電極を外部の回路と接続するために、ガラス板の表示領域外に構造性複屈折層を設けずに電極を露呈させたエリアを設ける必要がある。このようなパターニングは、フォトリソグラフィによって構造性複屈折層の一部を除去する手法や、露呈すべき電極の部分に構造性複屈折層を形成しないようにマスク蒸着する手法を用いることができるが、構造性複屈折層はエッチング性の異なる薄膜が多数積層しているという難点があり、またマスク蒸着では、液晶素子のデザイン毎に成膜工程が影響を受けるので工程管理が煩雑になるという欠点がある。さらに、画素電極と共通電極との間に構造性複屈折層を設けた場合には、その層の厚みにもよるが液晶層に印加される電圧が構造性複屈折層による容量分割で低下する点をも考慮しなくてはならない。
【００６５】
タイプＡ１，Ａ３，Ａ４，Ａ５の液晶素子用基板３１やタイプＢ１，Ｂ３，Ｂ４，Ｂ５の液晶素子用基板３２のように構造性複屈折層３８がガラス板の内面側に形成されている場合では、構造性複屈折層３８の各面が空気よりも屈折率が高い材料と接触するため、それらの境界面での光の反射率は空気と面を接する光学補償素子に比べて極めて低い。したがって、境界面の反射防止層を簡略化できたり、省略できるという利点がある。また、構造性複屈折層３３の傷つき等を防止できるという利点もある。
【００６６】
タイプＡ２，Ａ４，Ａ５の液晶素子用基板３１やタイプＢ２，Ｂ４，Ｂ５の液晶素子用基板３２のように構造性複屈折層３８がガラス板の外面に設けた場合には、構造性複屈折層３８の傷付きを防止するために、構造性複屈折層３８の上層に透明な保護層を設けるのも好ましい。
【００６７】
基板本体に構造性複屈折層を設けた構成では、液晶層を通過する光について、その液晶層を通過する角度と構造性複屈折層を通過する角度とを同じにできる。また、ポリマー材料等を用いて作成した位相差補償素子を液晶素子の内側に設けることは困難であるが、上記のような無機材料で作成された構造性複屈折層では可能である他、熱や紫外線等に対しても十分な耐久性を有する。
【００６８】
本発明の液晶素子は、図１０に示す例のようにマイクロレンズと組み合わせることができる。マイクロレンズアレイ５０は、液晶素子の入射面側に配されている。マイクロレンズアレイ５０には、画素毎にマイクロレンズ５０ａが形成されている。このマイクロレンズ５０ａは、イオン交換技術を用いてガラス板に連続した屈折率分布をつけることにより作成されている。もちろん、マイクロレンズとしては、ガラスや樹脂をレンズ形状に加工したものを用いてもよい。マイクロレンズ５０ａは、画素電極３５を画素ごとに区画している出射面側のガラス板３３に形成されたブラックマトリクス部（図示せず）によって画素単位での開口率が低下することを改善する。
【００６９】
マイクロレンズ５０ａを組み合わせることによって、偏光子となる偏光板で直線偏光とされた照明光は、マイクロレンズ５０ａで収斂光束とされ、ガラス板３７，構造性複屈折層３８，共通電極３９，配向膜４０を通って液晶層３０に達し、さらに配向膜３６，画素電極３５を通ってガラス板３３，検光子となる偏光板を透過して出射する。
【００７０】
構造性複屈折層３８は、液晶層３０を通過する光の角度によって位相の変調度が異なってくることを補償するためのものであるから、この例のように、マイクロレンズ５０ａによって入射してくる光に角度がつくような場合に特に有効となり、コントラストの向上や、マイクロレンズ５０ａの開口数を大きくした設計が可能となるという大きな利点がある。
【００７１】
上記の例では、構造性複屈折層３８を共通電極側のガラス板３７の内面３７ａに設けた液晶素子用基板３２であるが、例えば図１１に示すようにガラス板３７の外面３７ｂに設けたタイプの液晶素子用基板３２でもよい。また、この他に図５ないし図８に示される各種の層構造の液晶素子用基板３１，３２の組み合わせであってもよい。
【００７２】
本発明の無機材料で作成された構造性複屈折層は、反射型液晶素子にも適用が可能である。反射型液晶素子を用いた投影ユニットの一例を図１２に示す。光源１２からの放射光は、フィルタ１３を透過することにより紫外線及び赤外線がカットされた白色光となり、集光光学系５５を透過して赤色光だけを反射するダイクロイックミラー５６に入射する。反射された赤色光は、ミラー５７で反射して偏光膜５８ａが斜設された偏光ビームスプリッタ５８に入射する。偏光膜５８ａによりｓ偏光成分が直線偏光となって反射され、反射型の液晶素子６１Ｒに入射する。なお、ダイクロイックミラー５６を透過した緑色光と青色光のうち、緑色光はダイクロイックミラー６２で反射され偏光ビームスプリッタ６３に入射し、ダイクロイックミラー６２を透過した青色光は偏光ビームスプリッタ６４に入射する。
【００７３】
ここで用いられている反射型の液晶素子６１Ｒは、図１３に示すような構成になっている。図１３では、上記と実質的に同じ構成部材には同一の符号を付してその説明を省略する。また、構造性複屈折層３８が設けられた共通電極３９側の液晶素子用基板の層構造は最初の実施形態と同じである。
【００７４】
画素電極側の液晶素子用基板６５は、不透明なシリコン基板６６を基板本体としている。このシリコン基板６６には、電極間の印加電圧を制御する画素回路６７が画素毎に形成され、その画素回路６７にそれぞれ画素電極６８が接続されている。画素電極６８は、アルミや銀等の反射率の高い材料で作成された反射板となっており、液晶層３０を透過してきた光を反射する。シリコン基板６６と画素電極６８と間には層間絶縁層６９が形成され、画素電極６８と層間絶縁層６９を覆うように配向膜７１が形成されている。
【００７５】
偏光ビームスプリッタ５８で直線偏光とされた光は、液晶素子用基板３２を通って液晶層３０に入射し、配向膜７１を通って画素電極６８に入射する。そして、この画素電極６８で反射されて、配向膜７１，液晶層３０，液晶素子用基板３２を通って偏光ビームスプリッタ５８に入射する。液晶素子用基板３２を光が透過する際に、その光はガラス板３７に形成された構造性複屈折層３８を透過する。偏光ビームスプリッタ５８に再び入射した直線偏光光は、偏光膜５８ａに対してｐ偏光成分となっているから、偏光膜５８ａを透過して合成プリズム２４に入射する。なお、合成プリズム２４及び投影レンズ２５の機能は先の実施形態と全く同様である。
【００７６】
ここで用いられている構造性複屈折層３８には、液晶層３０に入射するときと出射するときとで光が２度通過することになるため、これを考慮して構造性複屈折層３８自体の複屈折による位相差を設計しておく必要がある。また、反射型の液晶素子をオフアクシスで使用する場合にも利用できる。
【００７７】
構造性複屈折層３８を画素電極側の液晶素子用基板６５に設けてもよい。図１４は、構造性複屈折層３８を画素電極側の液晶素子用基板６５に設けた例を示しており、シリコン基板６６側の画素電極６８と配向膜７１との間に構造性複屈折層３８が設けられている。また、図１３及び図１４に示される画素電極側の各タイプの液晶素子用基板６５を、図７及び図８に示されるタイプＢ０〜Ｂ５のガラス板と組み合わせることができる。もちろん、図１３に示される液晶素子用基板６５とタイプＢ０の液晶素子用基板３２との組み合わせは除かれる。
【００７８】
次の表３に上記の液晶素子用基板６５と、タイプＢ０〜Ｂ５の液晶素子用基板３２との組合せにおける製造コスト、ソリ調整の良否，光学補償性能の良否を表１と同様に示す。表３に示す「組合Ｎｏ．」の実際の組み合わせ表４に示すとおりであり、図１３に示される層構造の液晶素子用基板３２をタイプＣ０，図１４に示す層構造の液晶素子用基板６５をタイプＣ１としてある。
【００７９】
【表３】
【表４】
なお、本発明は、透過型の液晶素子の一方の面に反射板を配置することで反射型液晶素子とした構成にも利用できるのはいうまでもない。
【００８２】
本発明に用いられる構造性複屈折層は、図４に示すような多層薄膜の積層体だけでなく、無機材料で作成された様々な形態のものを利用することができる。先に説明し図４に示す薄膜積層体は、光学的な異方性が発現しない光学軸がガラス板の法線に合致した一軸性の負の複屈折層であり、ｃ−ｐｌａｔｅとして用いる例として挙げられているが、負の一軸性を有したものとしては図１５に示すように、透明な板状突起７７を格子状に配列した構造性複屈折層８０を用いることも可能である。なお、符号７６は、基板本体、すなわち共通電極側または画素電極側のガラス板，あるいは反射型ＬＣＤのシリコン基板である。
【００８３】
この構造性複屈折層８０の物理的構造を構成している板状突起７７の厚みｄ，高さｈ及び配列間隔は光の波長に対して充分に小さく、例えば光学膜厚がλ／１００〜λ／５、好ましくはλ／５０〜λ／５、実際的にはλ／３０〜λ／１０程度であればよく、光学異方性を示さない光学軸８０ａは図示の方向となる。液晶素子を構成する液晶素子用基板として組み込まれることによりａ−ｐｌａｔｅとして用いられる。そして、照明光軸または投影光軸と直交する面内で板状突起７７が一次元で配列されているため、その一次元配列の方向で空気層と板状突起７７による異なった屈折率が交互に分布するようになる。
【００８４】
また、図１６に示すように、基板本体７６上に透明な板状突起８１を傾斜して配列した構造性複屈折層８２も本発明の目的を達成するうえで有用である。この構造性複屈折層８２も負の一軸性複屈折体として作用し基板本体７６の面が照明光軸あるいは投影光軸と垂直になるように配置されるためｏ−ｐｌａｔｅとして用いられる。この構造性複屈折層８２も、照明光軸または投影光軸と直交する面内で屈折率の異なる部分が一次元配列となり、しかも異なる屈折率を与えるための物理的構造が照明光軸または投影光軸に対して傾斜することになる。
【００８５】
これらの構造性複屈折層８０，８２のもつ物理的な繰り返し構造パターンは、フォトリソグラフィにより作成することができる。なお、負の一軸性複屈折体としての作用を得るためには、それぞれの板状突起７７，８１の幅ｄに対する高さｈで表されるアスペクト比を充分に大きくしておく必要がある。このアスペクト比が充分に大きくない場合には、屈折率楕円体のｎx ，ｎy ，ｎz が全て異なる２軸性複屈折体となる。さらにアスペクト比が小さくなると、極限的には正のａ−ｐｌａｔｅになる。
【００８６】
図１７に正のａ−ｐｌａｔｅの一例を示す。この構造性複屈折層８５は、基板本体７６の表面に透明な誘電体による突状８４を一定ピッチで格子状に配列することによって構成され、突条８４の幅Ｗ，高さｈ及び配列ピッチは先の例と同様に波長よりも充分に小さくしてある。光学軸８５ａは図示のように格子構造と平行となる。液晶素子に組み込まれる際には、上記構造が形成された基板本体７６の表面が照明光軸あるいは投影光軸に垂直になるように配置され、やはり照明光軸または投影光軸と直交する面内で屈折率が異なる部分が一次元配列となる。なお、位相差は突条８４の高さｈとその屈折率との積となる。高さｈが波長に対して大きくなると屈折率異方性が一軸からずれ、二軸となる。さらに大きくなると、負のｃ−ｐｌａｔｅに近づく。
【００８７】
また、基板本体７６の外面側に上記の構造性複屈折層８５を設ける場合に突条８４による格子構造が空気層に接していてもよいが、他の異なる屈折率をもった誘電体層で、突条８４の相互間を埋めるように全体的に覆ってもよい。また、基板本体７６の内面側に設ける場合にも同様に他の異なる屈折率をもった誘電体層で突条８４の相互間を埋めるようにしてもよい。
【００８８】
正のｃ−ｐｌａｔｅもまた本発明の構造性複屈折層として利用できる。正のｃ−ｐｌａｔｅは、図１８に示すように、基板本体７６の表面に透明な誘電体からなる多数の突起８６を垂直に林立させることで作成することができる。突起８６のサイズや配列ピッチは、これまで同様に、光の波長に比して充分に小さいものであればよい。基板本体７６の表面が照明光軸または投影光軸と直交するように配置されるため、図１５〜図１７に示す構造性複屈折層８０，８２，８５とは異なり、屈折率の異なる部分が照明光軸または投影光軸と直交する面内で二次元に分布するようになる。このような構造をもつ構造性複屈折層８７も、やはりフォトリソグラフィで作成が可能であり、その光学軸８７ａは基板本体７６の表面に垂直となる。また、基板本体７６の外面側に上記物理的構造部分を設ける場合では、先のものと同様空気層に接していてもよく、外面側，内面側のいずれの場合も屈折率が異なる別の誘電体層で全体的に覆う形態で使用することも可能である。
【００８９】
さらに、正のｏ−ｐｌａｔｅは図１９に示す形態で得ることができ、このような二次元の物理的構造の配列パターンをもつこれらの構造性複屈折層も本発明の目的のために効果的に用いることができる。図１９に示す構造性複屈折層９０は、基板７６の表面に透明な誘電体からなる突起９１を一定の傾斜角度で規則的に林立させたもので、フォトリソグラフィにより作成可能である。やはり、これらの構造のサイズや繰り返しピッチは光の波長よりも充分に小さくしておく必要があり、構造表面は空気層あるいは別の透明な誘電体層のいずれに接していてもよい。光学軸９０ａは、図示のように基板７６の表面に対して傾斜し、突起９１の傾斜方向と平行になる。
【００９０】
正のｏ−ｐｌａｔｅを作成するにあたっては、図２０に示すように、基板本体７６の表面に対し、斜め方向から一種類の誘電体を蒸着することによっても得られることが米国特許第５６３８１９７号公報明細書（前掲特許文献１）でも知られている。この方法によれば、光の波長に対して充分に小さい物理的構造を簡単に得ることができる。なお、同図中に示す斜線は、基板７６に斜め方向から成膜を行ったことを模式的に表すためのもので、それぞれ個別の薄膜層を表すものではない。この構造性複屈折層９３も、基板７６の表面が照明光軸または投影光軸と垂直になるように配置して用いられ、斜設した薄膜層９４がｏ−ｐｌａｔｅ複屈折体の光学異方性を示す。
【００９１】
複数の構造性複屈折層を組み合わせて使用する際に、異なった種類の構造性複屈折層を用いることも可能であり、より精密な位相差補償を行い、スクリーンに投影される画像のコントラストをより向上させることができる。また、本発明を適用し得る液晶素子の動作モードとしても、上述した透過型ＴＮ液晶モードのみならず、反射型ＴＮ液晶モードや公知のＥＣＢ（Electrically Controlled Birefringence ）、ＶＡ（Vertical Aligned）、ＯＣＢ（Optically Compensatory Bend ）、ＦＬＣ（Ferroelectric Liquid Crystal）などの各種の動作モードのものが挙げられ、さらにオフアクシス方式やマイクロレンズ方式などのように、ＲＧＢの各色光が液晶素子を異なった入射角度で通過するような光学系を採用したプロジェクタにも本発明は適用可能である。また、駆動方式についても、アクテイブマトリクス駆動方式に限らず各種の駆動方式に本発明は適用可能である。
【００９２】
さらに、薄膜層を積層した構造性複屈折層を作成するにあたっては、各層の膜厚は必ずしも等しくする必要はなく、また２種類の薄膜を交互に積層することにのみ限られない。例えば屈折率が異なる３種類以上の薄膜を適宜の順序，膜厚で積層してもよく、成膜工程の容易さ、各層の内部応力による歪みの吸収、屈折率の波長依存性などを考慮して適宜に設計することが可能である。また、構造性複屈折層は、屈折率が異なる２種類あるいはそれ以上の薄膜を積層した多層薄膜だけで構成する必要はなく、例えば図１５〜図２０に示されるような構造性複屈折体と多層薄膜とを組み合わせたものであってもよい。
【００９３】
【実施例】
［透過型液晶素子］
共通電極側の基板本体となる厚さ０．７ｍｍのガラス板に、ＳｉＯ2 とＴｉＯ2 を交互に各々膜厚１５ｎｍで４６層ずつ電子ビーム蒸着により積層して構造性複屈折層を形成した。この構造性複屈折層は、層の厚さが１．３８μｍで、波長５５０ｎｍの光に対して３１０ｎｍの負の複屈折を示した。次いで、その上に共通電極となるＩＴＯ膜をスパッタ法により１００ｎｍの膜厚で成膜した。さらにポリイミドの配向膜形成用樹脂膜を形成してラビングを施すことにより配向膜とし、共通電極側の液晶素子基板を作成した。一方、画素電極側の基板本体となる厚さ０．７ｍｍのガラス板上に画素電極アレイを作成したものにポリイミドの配向膜形成用樹脂膜を形成してラビングを施すことにより配向膜とし、画素電極側の液晶素子基板を作成した。
【００９４】
上記のように作成された各液晶素子基板を、互いにラビング方向が直交するように貼り合わせ、その間に正の誘電率のネマティック液晶を封入し、樹脂製マイクロレンズアレイを貼り合わせてＴＮ液晶素子を作成した。
【００９５】
このＴＮ液晶素子を用いたプロジェクタは、緑の光に対してコントラストが５５０：１を示し、構造性複屈折層を設けていないＴＮ液晶素子を用いたプロジェクタのコントラストの３５０：１に比べて改善効果が認められた。
【００９６】
［反射型液晶素子］
画素電極アレイが作成されたシリコン基板に垂直配向用ポリイミド配向膜を形成し、ラビングを施して画素電極側の液晶素子用基板を作成した。また、ガラス板に構造性複屈折層と共通電極となるＩＴＯ膜とを形成し、さらにＩＴＯ膜の上に垂直配向用ポリイミド配向膜を形成してラビングを施して共通電極側の液晶素子用基板を作成した。この共通電極側のガラス板，構造性複屈折層，ＩＴＯ膜の仕様は透過型液晶素子の共通電極側のものと同一である。
【００９７】
上記のように作成された各液晶素子基板を、互いにラビング方向が逆向きで平行となるように貼り合わせ、その間に負の誘電率のネマティック液晶を封入し、ＶＡ液晶素子を作成した。
【００９８】
このＶＡ液晶素子を用いたプロジェクタは、緑の光に対してコントラストが９００：１を示し、構造性複屈折層を設けていないＶＡ晶素子を用いたプロジェクタのコントラストの５００：１に比べて改善効果が認められた。
【００９９】
【発明の効果】
以上に述べたとおり、本発明によれば、無機材料で作成される構造性複屈折層を液晶素子を構成する液晶素子用基板の基板本体に形成して、位相差補償を行うようにしたから、耐久性に富み、しかもコスト負担も大きくすることなく、スクリーンに投影される画像のコントラストを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】リア方式の液晶プロジェクタの概略を示す外観図である。
【図２】透過型液晶素子を用いた投影ユニットの概略構成図である。
【図３】液晶素子の概略的な構造を示す概略断面図である。
【図４】構造性複屈折層の層構造を示す説明図である。
【図５】画素電極側の液晶素子用基板の構成例を示すものである。
【図６】画素電極側の液晶素子用基板の別の構成例を示すものである。
【図７】共通電極側の液晶素子用基板の構成例を示すものである。
【図８】共通電極側の液晶素子用基板の別の構成例を示すものである。
【図９】層間絶縁層を設けた画素電極側の液晶素子用基板を用いた液晶素子の例を示すものである。
【図１０】マイクロレンズを併用した例を示すものである。
【図１１】共通電極側の液晶素子用基板の外面に構造性複屈折層を設けた液晶素子にマイクロレンズを併用した例を示すものである。
【図１２】反射型液晶素子を用いた投影ユニットの概略構成図である。
【図１３】反射型液晶素子の構成例を示すものである。
【図１４】シリコン基板に構造性複屈折層を形成した例を示すものである。
【図１５】形状パターンを有する構造性複屈折体の一実施形態を示す概念図である。
【図１６】形状パターンを有する構造性複屈折体の他の実施形態を示す概念図である。
【図１７】形状パターンを有する構造性複屈折体の別の実施形態を示す概念図である。
【図１８】構造性複屈折体のさらに別の実施形態を示す概念図である。
【図１９】構造性複屈折体のさらに他の実施形態を示す概念図である。
【図２０】斜め方向からの成膜で作成された構造性複屈折体の概念図である。
【符号の説明】
３ スクリーン
５ 投影ユニット
１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂ，６１Ｒ，６１Ｇ，６１Ｂ 液晶素子
１２ 光源
２６Ｒ，２６Ｇ，２６Ｂ 偏光板
２８Ｒ，２８Ｇ，２８Ｂ 偏光板
２４ 合成プリズム
２５ 投影レンズ
３０ 液晶
３１，３２，６５ 液晶素子用基板
３３，３７ ガラス板
３４，６７ 薄膜トランジスタ
３５，６８ 画素電極
３６，４０，７１ 配向膜
３８ 構造性複屈折層
３９ 共通電極
６６ シリコン基板
Claims (9)
- 基板本体の内面に配向膜と電極とが形成された液晶素子用基板において、
液晶層を透過する光が入射する基板本体の内面と外面に、液晶層を透過する光の光学的な位相差を補償するための無機材料で作成された構造性複屈折層をそれぞれ形成したことを特徴とする液晶素子用基板。 - 前記構造性複屈折層は、少なくとも高屈折率材料からなる薄膜と低屈折率材料からなる薄膜とを有する多層薄膜を含むことを特徴とする請求項１記載の液晶素子用基板。
- 前記構造性複屈折層は、高屈折率材料からなる薄膜と低屈折率材料からなる薄膜とを交互に積層した多層薄膜からなることを特徴とする請求項２記載の液晶素子用基板。
- 前記基板本体の内面に形成された前記構造性複屈折層は、前記基板本体と電極との間に形成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の液晶素子用基板。
- 前記電極は、アクティブマトリックス駆動方式のための対向電極であることを特徴とする請求項４記載の液晶素子用基板。
- 対向して配された一対の基板本体と、各基板本体の対向する内面にそれぞれ形成された配向膜及び電極と、一対の基板本体の間の液晶層とを有する液晶素子において、
液晶層を透過する光が入射する基板本体の内面と外面に、無機材料で作成された構造性複屈折層がそれぞれ形成され、前記液晶層を透過する光の光学的な位相差を補償することを特徴とする液晶素子。 - 前記構造性複屈折層は、高屈折率材料からなる薄膜と低屈折率材料からなる薄膜とを交互に積層した多層薄膜であることを特徴とする請求項６記載の液晶素子。
- 対向して配された一対の基板本体と、各基板本体の対向する内面にそれぞれ形成された配向膜及び電極と、一対の基板本体の間の液晶層とを有する液晶素子に、光源からの照明光を照射し、液晶素子で変調された画像光を投影光学系によりスクリーン上に結像させる液晶プロジェクタにおいて、
液晶層を透過する光が入射する基板本体の内面と外面に、無機材料で作成された構造性複屈折層がそれぞれ形成され、前記液晶層を透過する光の光学的な位相差を補償することを特徴とする液晶プロジェクタ。 - 前記構造性複屈折層は、高屈折率材料からなる薄膜と低屈折率材料からなる薄膜とを交互に積層した多層薄膜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。
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