JPH0572516A

JPH0572516A - 液晶表示素子及び液晶表示素子を備えた液晶プロジエクター

Info

Publication number: JPH0572516A
Application number: JP3233397A
Authority: JP
Inventors: Yoshitaka Ito; 嘉高伊藤; Shoichi Uchiyama; 正一内山
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1991-09-12
Filing date: 1991-09-12
Publication date: 1993-03-26
Anticipated expiration: 2015-11-13
Also published as: JP3108773B2

Abstract

(57)【要約】【目的】高分子薄膜中に液晶が分散した高分子・液晶
複合膜（PDLC）を有する液晶表示素子において、コント
ラスト比の高い表示状態を実現する。また、該液晶表示
素子を備えたコントラスト特性に優れた液晶プロジェク
ターを実現する。【構成】 PDLCの光の入射側に多数の微小レンズ体と液
晶層を構成する。電圧印加の有無に応じてレンズ機能を
発現させることにより、光遮断状態における入射光の散
乱をレンズ界面においても生じさせ、全体の光散乱能
（つまり、コントラスト比）を向上させる。該液晶表示
素子をシュリーレン光学系に組み込みコントラスト特性
に優れた投写型の液晶プロジェクターを構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は液晶表示素子及び液晶表
示素子を備えた液晶プロジェクターに関する。

【０００２】

【従来の技術】高分子・液晶複合膜（以下ＰＤＬＣと呼
ぶ）は、高分子樹脂の３次元網目構造の中に低分子液晶
を保持した特殊な膜である。ＰＤＬＣは電圧印加の有無
に伴って光散乱状態（電圧無印加）と光透過状態（電圧
印加）の２つの状態をとるため、この光透過率の変化を
利用した調光ガラスやディスプレイの実用化が検討され
ている。また、ＰＤＬＣと高輝度光源を用いて大画面投
影が可能な液晶プロジェクターの開発が進められてい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】光散乱はＰＤＬＣ中の
高分子樹脂と分散液晶間における屈折率の不一致によっ
て生じる。しかし、散乱光の分布は基板に垂直な方向に
強い指向性を有する状態（つまり、光の入射側からみて
前方散乱が非常に強い）をとるため、光遮断状態に相当
する電圧無印加状態においてもかなり多くの光が液晶表
示素子を透過する。従って、このＰＤＬＣを利用した液
晶表示素子では表示画像のコントラスト比が低いという
問題点があった。

【０００４】そこで、本発明は以上のような問題点を解
決するもので、その目的とするところは、光遮断状態に
おける光散乱能を向上させコントラスト比の高い液晶表
示素子を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明の液晶表示素子は、高分子薄膜中に液晶が分散
した高分子・液晶複合膜と、これを挟んで両側に配置さ
れた電極基板からなる液晶表示素子において、光が入射
する側の電極基板の内面上に多数の微小なレンズ体（屈
折率ｎｌなる物質により形成されている）を形成し、且
つ、電極基板と高分子・液晶複合膜との間隙に液晶層を
形成したことを特徴とする。

【０００６】この時、液晶層を形成する液晶分子が正の
誘電率異方性を有する場合には、液晶の分子軸に平行な
方向の屈折率ｎ‖がレンズ体の屈折率ｎｌと等しい関係
にあり、他方、液晶層を形成する液晶分子が負の誘電率
異方性を有する場合には、液晶の分子軸に垂直な方向の
屈折率ｎ⊥がレンズ体の屈折率ｎｌと等しい関係にある
ことを特徴とする。

【０００７】更に、レンズ体のレンズ形状及び配置が不
規則的であることを特徴とする。

【０００８】また、上記液晶表示素子を用いて、画像情
報を投影する機能を有する液晶プロジェクターが構成さ
れる。

【０００９】

【作用】本発明の液晶表示素子の作用は使用する液晶分
子の特性により２つに大別される。各々の場合の作用を
図を用いて説明する。

【００１０】（ケース１）液晶分子が正の誘電率異方性
を有し、液晶の分子軸に平行な方向の屈折率ｎ‖がレン
ズ体の屈折率ｎｌと等しい関係にある場合が該当する。

【００１１】図２（ａ）に示す電圧無印加状態では、液
晶分子７がレンズ体の表面と平行に配向しているためレ
ンズ体の屈折率ｎｌと液晶の分子軸に垂直な方向の屈折
率ｎ⊥との間に差を生じレンズ界面で光は屈折する。レ
ンズと液晶の屈折率の関係（ｎ‖＝ｎｌ＞ｎ⊥）から、
レンズ体は凸レンズとして作用する。この時、液晶表示
素子に入射した光はその光路をレンズ体により曲げら
れ、収束状態となって、ＰＤＬＣに入射する。そして、
ＰＤＬＣではさらに散乱作用を受ける。つまり、レンズ
界面とＰＤＬＣの両方で散乱作用を受けることになり、
ＰＤＬＣだけの場合に比べて非常に大きな散乱作用を受
け、結果として、前方への散乱光は著しく減少する。

【００１２】一方、図２（ｂ）に示す電圧印加状態で
は、液晶分子が正の誘電率異方性を有するため電界方向
にホメオトロピック配向（液晶分子の長軸方向と電界方
向とが平行になるような配向）するためレンズ体と液晶
の屈折率は一致する（ｎｌ＝ｎ‖）。この状態では、レ
ンズ界面において屈折作用は生じず、入射した光はその
まま何等の屈折作用を受けることなくＰＤＬＣに入射す
る。

【００１３】以上から、レンズ体による散乱作用の効果
により光遮断状態における透過光量が減少し、液晶表示
素子のコントラスト比が向上することになる。

【００１４】（ケース２）液晶分子が負の誘電率異方性
を有し、液晶の分子軸に垂直な方向の屈折率ｎ⊥がレン
ズ体の屈折率ｎｌと等しい関係にある場合が該当する。
但し、このケースでは特定の方向にのみ振動する直線偏
光に対してのみ有効である。

【００１５】図３（ａ）に示す電圧無印加状態では、液
晶分子７がランダムに配向しているためレンズ体の屈折
率ｎｌと液晶の平均屈折率ｎａ（ｎ⊥＜ｎａ＜ｎ‖）と
の間に差を生じレンズ界面で光は屈折する。レンズ体と
液晶の屈折率の関係（ｎｌ＜ｎａ）から、レンズ体は凹
レンズとして作用する。この時、液晶表示素子に入射し
た光はその光路をレンズ体により曲げられ、発散状態と
なって、ＰＤＬＣに入射する。そして、ＰＤＬＣではさ
らに散乱作用を受ける。つまり、レンズ界面とＰＤＬＣ
の両方で散乱作用を受けることになり、ＰＤＬＣだけの
場合に比べて非常に大きな散乱作用を受け、結果とし
て、前方への散乱光は著しく減少する。

【００１６】一方、図３（ｂ）に示す電圧印加状態で
は、液晶分子が負の誘電率異方性を有するため電界方向
にホモジニアス配向（液晶分子の長軸方向と電界方向と
が垂直になるような配向）するためレンズ体と液晶の屈
折率は一致する（ｎｌ＝ｎ⊥）。この状態では、レンズ
界面において屈折作用は生じず、入射した光（但し、前
述したように、図３（ｂ）において液晶分子７の長軸方
向に沿って振動する直線偏光に限定される）はそのまま
何等の屈折作用を受けることなくＰＤＬＣに入射する。

【００１７】以上から、レンズ体による散乱作用の効果
により光遮断状態における透過光量が減少し、液晶表示
素子のコントラスト比が向上することになる。

【００１８】

【実施例】以下、実施例に基づき本発明を詳細に説明す
る。但し、本発明は以下の実施例に限定されるものでは
ない。

【００１９】（実施例１）本実施例は、前記作用の項目
で説明した（ケース１）に相当する。本発明の液晶表示
素子の断面図を図１に示す。ここで、１はＰＤＬＣを示
し、正の誘電率異方性を有するネマチック液晶とＰＭＭ
Ａ樹脂により形成されている。４は微小レンズ体を示
し、屈折率ｎｌ＝１．６５であるノボラック系の樹脂に
より形成されており、その大きさはレンズ径＝約６μ
ｍ、レンズ高さ＝約１μｍである。５は液晶層を示し、
正の誘電率異方性を有するネマチック液晶（ｎ‖＝１．
６５、ｎ⊥＝１．５３）からなる。液晶層の液晶分子７
は電圧無印加時にはレンズ体の表面に沿って平行に配向
し、また、電圧印加時にはホメオトロピック配向状態を
とるように、レンズ表面及びＰＤＬＣ表面は配向処理が
施されている。ＰＤＬＣ１（厚み約１７μｍ）、液晶層
５（厚み約４μｍ）及び微小レンズ体４は２枚のガラス
製電極基板６（表面上には透明導電膜が形成されてい
る）により狭持されており、この２枚の電極基板に交流
電圧を印加することにより、ＰＤＬＣ及び液晶層に同時
に電圧印加を行っている。尚、構造的には、ＰＤＬＣと
液晶層の間に３枚目の電極基板を配置することも十分可
能である。ＰＤＬＣと液晶層で特性（例えば、印加電圧
に対する透明性等）が異なる場合には、３枚の電極基板
を用いた構成の方が有効である。

【００２０】この液晶表示素子において、電圧無印加状
態では、液晶層中の液晶分子はレンズ体表面に平行（液
晶分子の長軸がレンズ体の表面の接線と平行な状態とな
る）に配向することからレンズ界面において屈折率変化
を生じ、レンズ界面で入射光はその光路を曲げられ、更
に、ＰＤＬＣ中の分散液晶はランダムな配向状態をとる
ことからこの部分においてもより大きな光路変化を受け
る。従って、全体として非常に大きな光散乱を示すこと
となる。一方、電圧印加状態では、ＰＤＬＣ中の分散液
晶は電圧印加方向に沿って配向し、また、液晶層中の液
晶分子も図２（ｂ）に示すようにホメオトロピック配向
をなすことから何れも散乱作用を受けず透明状態をと
る。この様に、電圧印加の有無によって光透過と光散乱
の２つの状態を制御することにより、同時に液晶表示素
子を通過する光量を変化させ、透過光量の多少により画
像情報を表示することが出来ることになる。

【００２１】次に、注目される画像表示時におけるコン
トラスト比に付いて調べた。メタルハライドランプを光
源としてこの液晶表示素子単体でのコントラスト比を測
定したところ１８２：１という高い値を得た。一方、比
較のために微小レンズ等を形成していない従来の同種の
液晶表示素子を用いて測定したところ、コントラスト比
は８８：１であった。

【００２２】両結果の比較から、本発明の液晶表示素子
のコントラスト比が従来の同種の液晶表示素子と比べて
非常に優れていることが確認された。

【００２３】（実施例２）本実施例は、前記作用の項目
で説明した（ケース２）に相当する。実施例１で示した
ものと同様な構造を有する液晶表示素子を作製した。但
し、４の微小レンズ体は屈折率がｎｌ＝１．５４である
アクリル系の樹脂で作製し、また、５の液晶層を構成す
る液晶分子には負の誘電率異方性を有し、液晶の分子軸
に平行な方向の屈折率はｎ‖＝１．７５であり、液晶の
分子軸に垂直な方向の屈折率はｎ⊥＝１．５４であるネ
マチック液晶を用いた。但し、前述したように、この液
晶表示素子では特定の直線偏光（具体的には、図３
（ｂ）に示す液晶分子７の長軸方向に沿って振動する直
線偏光）に対してのみ透明状態と散乱状態を示す。

【００２４】液晶分子７の長軸方向に振動する特定の直
線偏光を用いて、実施例１の場合と同様にこの液晶表示
素子単体でのコントラスト比を求めたところ、１６８：
１と高いコントラスト比を得た。

【００２５】（実施例３）実施例１で示したものと同様
な構造を有する液晶表示素子を作製した。但し、電極の
内面上には微小レンズ体を不規則に形成し、また、レン
ズ体の大きさも一様とはならないように、レンズ径を３
〜８μｍ、レンズ高さを０．５〜１μｍの範囲で不規則
に変化させた。本発明の液晶表示素子にレーザー光の様
に極めて指向性のよい光が入射した場合、液晶表示素子
内に規則的な構造が存在すると干渉パターンを生じる可
能性がある。従って、レンズ成形位置及び形状を不規則
状態とすることにより指向性が非常によい光に対しても
使用できる様に、また、レンズ部分における散乱性をさ
らに向上させることを目的として本実施例の液晶表示素
子を作製した。

【００２６】実施例１の場合と同様にこの液晶表示素子
単体でのコントラスト比を求めたところ、１９８：１と
高いコントラスト比を得た。

【００２７】（実施例４）この液晶表示素子を用いて投
写光学系（シュリーレン光学系）から成る液晶プロジェ
クターを試作した。光学部分の概略構成を図４に示す。
ここで、11はメタルハライドランプから成る光源、12は
本発明の液晶表示素子、13は集光レンズ、14は絞り、15
は投写レンズ、16はスクリーンである。画像表示時に
は、液晶表示素子を透過した平行光17は集光レンズで集
光され絞りを通って投写レンズでスクリーンへと導かれ
る。一方、画像非表示時には、液晶表示素子で生じた散
乱光18は絞りで除去されスクリーンには達しない。上記
２つの状態を、液晶表示素子への電圧印加の有無により
制御することによって、画像情報を拡大投影することが
可能となる。この液晶プロジェクターによりスクリーン
上でのコントラスト比を測定したところ、９３：１と高
い値を得た。液晶表示素子単体で測定した場合に比べて
コントラスト比が低下したのは、液晶表示素子の光遮断
時に発生する僅かな前方散乱光が集光レンズ13により集
められ絞りを通過してしまうことによる。ここで、実施
例１で比較のために作製した、微小レンズ等を形成して
いない従来の同種の液晶表示素子を本液晶プロジェクタ
ーに組み入れて、同様のコントラスト測定を実施したと
ころ、その値は３６：１と低い値であった。この比較か
らも、本発明の液晶表示素子はコントラスト比に優れ、
また、本発明の液晶表示素子を用いて構成した液晶プロ
ジェクターにおいても、同様に優れたコントラスト特性
を示すことが確認できた。

【００２８】

【発明の効果】以上述べたように本発明の液晶表示素子
では、ＰＤＬＣの前面（光の入射側）に多数の微小なレ
ンズ体と液晶層を構成し、電圧印加の有無に応じて液晶
層の状態を変化させレンズ体としての機能を発現させる
ことにより、光遮断状態における入射光の散乱をレンズ
界面においても生じさせ、その結果、前方への散乱光を
減少させてコントラストの高い画像表示を提供すること
が出来る。また、本発明の液晶表示素子を用いれば、コ
ントラスト特性に優れた液晶プロジェクターを実現する
ことが可能となる。更に、本発明の液晶表示素子はその
コントラスト特性の良さを活かして、直視型の液晶ディ
スプレイや調光ガラスとしても十分に応用が可能であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１で作製した本発明の液晶表示素子の
構成断面図。

【図２】本発明の液晶表示素子において、ケース１の
場合の機能を説明するための図であり、（ａ）は電圧無
印加状態を示す図、（ｂ）は電圧印加状態を示す図。

【図３】本発明の液晶表示素子において、ケース２の場
合の機能を説明するための図であり、（ａ）は電圧無印
加状態を示す図、（ｂ）は電圧印加状態を示す図。

【図４】実施例４で作製した本発明の液晶表示素子を組
み込んだ投写型の液晶プロジェクターの光学系部分の概
略図。

【符号の説明】

１高分子・液晶複合膜（ＰＤＬＣ）２分散液晶３高分子樹脂４微小レンズ体５液晶層６電極基板７液晶分子８入射光線 11 光源 12 液晶表示素子 13 集光レンズ 14 絞り 15 投写レンズ 16 スクリーン 17 平行光 18 散乱光

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高分子薄膜中に液晶が分散した高分子・
液晶複合膜と、これを挟んで両側に配置された電極基板
からなる液晶表示素子において、光が入射する側の電極
基板の内面上に多数の微小なレンズ体（屈折率ｎｌなる
物質により形成されている）を形成し、且つ、電極基板
と高分子・液晶複合膜との間隙に液晶層を形成したこと
を特徴とする液晶表示素子。
【請求項２】請求項１記載の液晶層を形成する液晶分
子は正の誘電率異方性を有し、液晶の分子軸に平行な方
向の屈折率ｎ‖がレンズ体の屈折率ｎｌと等しい関係に
あることを特徴とする液晶表示素子。
【請求項３】請求項１記載の液晶層を形成する液晶分
子は負の誘電率異方性を有し、液晶の分子軸に垂直な方
向の屈折率ｎ⊥がレンズ体の屈折率ｎｌと等しい関係に
あることを特徴とする液晶表示素子。
【請求項４】請求項１記載のレンズ体のレンズ形状及
び配置が不規則的であることを特徴とする液晶表示素
子。
【請求項５】請求項１記載の液晶表示素子を用いて構
成した、画像情報を投影する機能を有する液晶表示素子
を備えた液晶プロジェクター。