JP4289597B2 - Substrate for liquid crystal element, liquid crystal element, and liquid crystal projector - 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[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a liquid crystal element substrate, a liquid crystal element, and a liquid crystal projector.
[0002]
[Prior art]
[Patent Document 1]
US Pat. No. 5,638,197
[Patent Document 2]
JP 2002-14345 A
[Patent Document 3]
JP 2002-31782 A
[Patent Document 4]
JP 2002-131750 A
[Non-Patent Document 1]
Eblen J P and 5 others. “Birefringent Compensators for Normally White TN-LCDs”. SID Symposium Digest. SOCIETY FOR INFORMATION DISPLAY. 1994. p.245-248
[0003]
A liquid crystal projector projects an image by projecting light modulated by a liquid crystal element onto a screen. There are a front system that projects an image from the front side of the screen and a rear system that projects an image from the back side of the screen. is there. In addition, the illumination method differs depending on whether the liquid crystal element used is a transmissive type or a reflective type. In any case, an image to be projected is displayed on the liquid crystal element, and illumination is given to the projection lens. Thus, an image is formed on the screen.
[0004]
Although liquid crystal elements of various operation modes can be used as the liquid crystal elements of the liquid crystal projector, a commonly used TN (Twisted Nematic) liquid crystal will be described. In TN liquid crystal, liquid crystal molecules constituting a liquid crystal layer between two substrates are maintained so that the major axis thereof is parallel to the substrate, and the major axis is gradually tilted in the thickness direction, so that the total angle is 90 °. It is twisted and used so that it is sandwiched between a pair of polarizing plates (one is a polarizer and the other is an analyzer). Then, depending on whether the liquid crystal element is used in normally white or normally black, either the crossed Nicols arrangement or the parallel Nicols arrangement is selected for the pair of polarizing plates.
[0005]
By the way, not only the TN liquid crystal but also the liquid crystal element generally has a drawback that the viewing angle is narrow. Taking a normally white TN liquid crystal as an example, in the state where no voltage is applied to the liquid crystal layer, the liquid crystal layer rotates the plane of polarization by 90 ° according to the twisted arrangement of liquid crystal molecules. Showing gender. Then, the linearly polarized light that has passed through the liquid crystal layer is emitted through the other polarizing plate arranged in a crossed Nicols state, and becomes a white state. When a voltage is applied to the liquid crystal layer, the twist of the liquid crystal molecules disappears, and the incident linearly polarized light is emitted as it is in the plane of polarization, so that the other polarizing plate is blocked from passing and becomes black.
[0006]
However, the liquid crystal also acts as a birefringent medium. In the case of the above-described TN liquid crystal, in the process of applying a voltage to the liquid crystal layer and losing its twisted alignment, optical rotation and birefringence are mixed, and birefringence dominates as the voltage application level increases. It ’s going to be. When the twist of the liquid crystal molecules disappears and the black state is obtained, the liquid crystal layer hardly exhibits birefringence with respect to the normal incident light, so that the linearly polarized light is transmitted as it is, but with respect to the oblique incident light. In other words, it exhibits birefringence, and light incident as linearly polarized light is modulated into elliptically polarized light. The elliptically polarized light generated in this way is partially transmitted through the polarizing plate on the output side, resulting in a decrease in the density of the black state. The tendency of the liquid crystal layer to be a birefringent medium gradually appears in the process of transition from the white state to the black state. Therefore, when the display screen is observed from an oblique direction even in a halftone display state, the modulation degree The angle dependence is inevitable. Such angle dependency of the degree of modulation is a phenomenon that is observed not only in TN liquid crystals but also in all liquid crystal elements.
[0007]
In order to improve the above drawbacks of the liquid crystal element, it is known to use a phase difference compensation element together in a direct-view type liquid crystal display device that directly observes an image displayed on the liquid crystal element. As a phase difference compensation element used for this purpose, “Fuji WV Film Wide View A” (trade name / hereinafter referred to as WV film) manufactured by Fuji Photo Film Co., Ltd. has already been put into practical use. Describes that, by using a structural birefringent body in which thin films are laminated as a phase difference compensation element, the contrast of a display image of a TN liquid crystal is not lowered even when the viewing angle is increased. Further, Patent Document 1 describes that a phase difference compensation element in which a multilayer thin film is vapor-deposited from an oblique direction with respect to a substrate is used, and the viewing angle of a liquid crystal display is widened by its optical anisotropy.
[0008]
These phase difference compensation elements are applied to direct-view type liquid crystal elements, but direct-view type liquid crystal elements are usually observed with an image almost facing the display screen from a position more than a clear viewing distance. It is often the usage form of. If the contrast is observed at the periphery of the display screen and the image is observed with a slight shift of the eye position, the image of that part can be observed almost normally. In addition, in the case of applications where a large number of people observe at the same time, the distance between the display screen and the observer becomes large, so the range of normal observation is limited, but the contrast of the display image is partially different. Hateful.
[0009]
In contrast, in a liquid crystal projector, image light modulated by a liquid crystal element is projected onto a screen by a projection lens, and the image light diffuses on the screen and becomes an observation target. Therefore, when the black level is to be displayed, if the contrast of the projected image itself decreases due to the fact that light that is incident on the liquid crystal layer and passes through the liquid crystal molecules obliquely is included, Even when observed from various positions, the reduction in contrast is not improved at all. In order to increase the contrast of the projected image as much as possible, it is only necessary to obtain a projected image without using a light beam emitted from the liquid crystal element at a large angle.To that end, it is necessary to lengthen the back focus of the projection lens, Liquid crystal projectors that require miniaturization are disadvantageous in achieving compactness. In order to solve these difficulties in principle, it is also effective to use the viewing angle expansion technology used in direct-view liquid crystal panels for the liquid crystal elements used in liquid crystal projectors. Can be improved.
[0010]
From such a background,
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
However, in general, a retardation compensation element made of an organic material is likely to be faded when exposed to strong light including ultraviolet rays for a long time. In particular, when used in a liquid crystal projector, the brightness of the light source is increased and the degree of overheating is increased compared to a direct-view type liquid crystal monitor or the like for projecting an image on a screen. It tends to turn brown gradually over time. Therefore, there is a problem in terms of durability in applications that are used for a long time, such as home projection televisions, and it is difficult to put it to practical use. On the other hand, a phase difference compensation element using a birefringent material such as single crystal sapphire or crystal has no problem in durability, but the crystal itself such as sapphire or crystal is expensive, and the crystal cutting surface and thickness are increased. It must be managed with accuracy. In addition, adjustment when the phase difference compensation element is incorporated in the optical system is troublesome.
[0012]
Further, in some transmissive liquid crystal elements, a microlens is combined in order to improve a decrease in aperture ratio in units of pixels due to a black matrix section partitioned for each pixel on the substrate. However, when a microlens is combined, the angle of light changes before and after the microlens, so the desired effect of the phase difference compensation element may not be obtained, and the arrangement of the phase difference compensation element is limited. There was a problem of being.
[0013]
The present invention has been made in consideration of the above-mentioned background, and is excellent in durability for a long time use such as a home television, has a low manufacturing cost, and can be easily used in combination with a microlens. However, it is an object of the present invention to provide a liquid crystal element substrate, a liquid crystal element, and a liquid crystal projector capable of improving the contrast of the image itself.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problem, the present invention provides a substrate for a liquid crystal element according to claim 1, wherein the light transmitted through the liquid crystal layer is incident on the substrate body.On the inside and outsideA structural birefringent layer made of an inorganic material to compensate for the optical retardation of light transmitted through the liquid crystal layerRespectivelyFormed.
[0015]
According to a second aspect of the present invention, the structural birefringent layer includes a multilayer thin film having at least a thin film made of a high refractive index material and a thin film made of a low refractive index material.
[0016]
In the substrate for a liquid crystal element according to
[0018]
Claim4In the liquid crystal element substrate described,Formed on the inner surface of the substrate body.A structural birefringent layer is formed between the substrate body and the electrode.
[0019]
Claim5In the liquid crystal element substrate described above, the electrode of the substrate body on which the structural birefringent layer is provided is a counter electrode for the active matrix driving system.
[0022]
Claim6In the liquid crystal element described, the substrate main body on which light transmitted through the liquid crystal layer entersOn the inside and outsideA structural birefringent layer made of an inorganic materialRespectivelyForming and compensating for the optical phase difference of the light transmitted through the liquid crystal layer.
[0023]
Claim7In the liquid crystal element described, the structural birefringent layer is a multilayer thin film in which thin films made of a high refractive index material and thin films made of a low refractive index material are alternately laminated.
[0024]
Claim8In the liquid crystal projector described above, of the pair of substrate bodies provided with the alignment film and the electrodes, the substrate body on which light transmitted through the liquid crystal layer is incident.On the inside and outside,A structural birefringent layer made of an inorganic materialRespectivelyIt is formed and compensates for the optical phase difference of the light transmitted through the liquid crystal layer.
[0025]
Claim9In the liquid crystal projector described above, the structural birefringent layer is a multilayer thin film in which thin films made of a high refractive index material and thin films made of a low refractive index material are alternately stacked.
[0026]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 shows the appearance of a rear type liquid crystal projector. A diffusion
[0027]
FIG. 2 schematically shows the configuration of the projection unit 5. The projection unit 5 includes three transmissive
[0028]
A
[0029]
Each of the
[0030]
A
[0031]
Polarizing
[0032]
FIG. 3 schematically shows the structure of the
[0033]
The liquid
[0034]
The other liquid
[0035]
The liquid
[0036]
The
[0037]
The red illumination light reflected by the
[0038]
If the linear polarization of the image light that has passed through the
[0039]
The structural
[0040]
The structural
[0041]
The optical film thickness (product of geometric film thickness and refractive index) of each layer constituting the structural
[0042]
As a material for a thin film layer having a high refractive index, TiO2(N = 2.2-2.4), ZrO2(N = 2.20) and other materials having a low refractive index such as SiO2(N = 1.40-1.48) and MgF2(N = 1.39), CaF2(N = 1.30) or the like can be used. Further, for example, the following various materials can be used for the high refractive index and low refractive index thin film layers constituting the structural
[0043]
Further, since it is necessary to avoid the phenomenon of light interference between the laminated thin films L1 and L2, each optical film thickness is preferably thin. However, the number of film formation times is required to obtain the required total film thickness. Therefore, when designing a realistic film thickness configuration, the refractive index, film thickness ratio, and total film thickness of each layer are determined in consideration of the desired birefringence effect, and thin film interference is sufficient for coloring. In addition, it is necessary to pay attention to the selection of materials so that defects such as generation of cracks due to internal stress do not occur after film formation.
[0044]
In order to manufacture the structural
[0045]
The design procedure of the structural
[0046]
Dichroic mirrors, polarizing beam splitters, color synthesis prisms, antireflection films, etc. are known as devices that obtain unique optical effects by multilayer thin films in which dielectric thin films having different refractive indexes are laminated. Each of the individual thin film layers constituting the thin film is designed so that its optical film thickness is an integral multiple of λ / 4, and achieves the intended purpose by utilizing the light interference phenomenon. In this respect, the structural
[0047]
The structural
[0048]
The structural
[0049]
FIGS. 5 to 7 show various examples of the layer structure of the liquid crystal element substrate, FIGS. 5 and 6 show examples of the liquid crystal element substrate layer structure on the pixel electrode side, and FIGS. Examples of the layer structure of the electrode side liquid crystal element substrate are shown. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the substantially same thing as what is shown by FIG. 3, and detailed description is abbreviate | omitted. For convenience, each liquid crystal element substrate will be described using the type names shown in the drawing.
[0050]
A liquid
[0051]
A liquid
[0052]
The
[0053]
The type B0 liquid
[0054]
A liquid
[0055]
The liquid
[0056]
Table 1 shows the level of manufacturing cost, the quality of warp adjustment, and the quality of optical compensation performance in the combination of the liquid
[0057]
[Table 1]
[0058]
In Table 1 above, the case where the structural birefringent layer is provided on either the inner surface side or the outer surface of the glass plate is referred to as “one side”, and the structural birefringent layer is provided on both the inner surface side and the outer surface of the glass plate. The case where the liquid crystal element is provided is classified as “both sides”, and the liquid
[0059]
[Table 2]
[0060]
The cost column in Table 1 indicates that the larger the number, the higher the manufacturing cost. Also, in the warp adjustment, “x” indicates that the warp adjustment is impossible, and that the adjustment can be performed more preferably in the order of “Δ”, “◯”, “◎”. As for the optical compensation performance, “Δ” indicates that a preferable result is obtained, and “◯” indicates that a more preferable result is obtained.
[0061]
The liquid crystal element for projectors receives strong light and rises in temperature. At that time, contrast characteristics change depending on the thermal expansion of the liquid crystal and the temperature dependence of the birefringence. In such a situation, if the substrate warp is large, the uniformity of contrast within the display surface is impaired. Therefore, in a liquid crystal element substrate for a liquid crystal projector, the warpage of the substrate is an important characteristic, and it is preferable that it can be precisely controlled including its temperature dependent characteristics.
[0062]
As can be seen from Table 1, from the viewpoint of optical compensation performance, it is preferable to provide at least one structural birefringent layer on each of the liquid
[0063]
In the case of a structure in which a structural
[0064]
However, on the other hand, in order to connect the electrode to an external circuit, it is necessary to provide an area where the electrode is exposed without providing a structural birefringent layer outside the display region of the glass plate. For such patterning, a method of removing a part of the structural birefringent layer by photolithography or a method of mask vapor deposition so as not to form the structural birefringent layer on the electrode portion to be exposed can be used. In addition, the structural birefringent layer has a drawback that a large number of thin films having different etching properties are laminated, and the mask deposition has a drawback that the process control becomes complicated because the film forming process is affected for each design of the liquid crystal element. There is. Furthermore, when a structural birefringent layer is provided between the pixel electrode and the common electrode, the voltage applied to the liquid crystal layer is reduced by capacitive division by the structural birefringent layer, depending on the thickness of the layer. You must also consider the points.
[0065]
When the structural
[0066]
When the structural
[0067]
In the configuration in which the structural birefringent layer is provided on the substrate body, the angle of passing through the liquid crystal layer and the angle of passing through the structural birefringent layer can be the same for the light passing through the liquid crystal layer. In addition, it is difficult to provide a retardation compensation element made of a polymer material or the like inside a liquid crystal element. However, a structural birefringent layer made of an inorganic material as described above is possible, Sufficient durability against ultraviolet rays and ultraviolet rays.
[0068]
The liquid crystal element of the present invention can be combined with a microlens as in the example shown in FIG. The
[0069]
By combining the
[0070]
The structural
[0071]
In the above example, the structural
[0072]
The structural birefringent layer made of the inorganic material of the present invention can also be applied to a reflective liquid crystal element. An example of a projection unit using a reflective liquid crystal element is shown in FIG. The radiated light from the
[0073]
The reflective
[0074]
The liquid
[0075]
The light that has been linearly polarized by the
[0076]
The structural
[0077]
The structural
[0078]
The following Table 3 shows the manufacturing cost, the quality of warp adjustment, and the quality of optical compensation performance in the combination of the liquid
[0079]
[Table 3]
[0080]
[Table 4]
[0081]
Needless to say, the present invention can also be applied to a configuration in which a reflective plate is provided on one surface of a transmissive liquid crystal element to obtain a reflective liquid crystal element.
[0082]
As the structural birefringent layer used in the present invention, not only a multilayer thin film laminate as shown in FIG. 4 but also various forms made of inorganic materials can be used. The thin film laminate described above and shown in FIG. 4 is a uniaxial negative birefringent layer in which the optical axis that does not exhibit optical anisotropy matches the normal line of the glass plate, and is used as a c-plate. However, as shown in FIG. 15, a structural
[0083]
The thickness d, height h, and arrangement interval of the plate-
[0084]
In addition, as shown in FIG. 16, a structural
[0085]
The physical repetitive structure pattern of the structural
[0086]
FIG. 17 shows an example of a positive a-plate. The structural
[0087]
Further, when the structural
[0088]
Positive c-plate can also be used as the structural birefringent layer of the present invention. As shown in FIG. 18, the positive c-plate can be created by vertically growing a large number of
[0089]
Further, a positive o-plate can be obtained in the form shown in FIG. 19, and these structural birefringent layers having such a two-dimensional physical structure arrangement pattern are also effective for the purposes of the present invention. Can be used. The structural
[0090]
US Pat. No. 5,638,197 discloses that a positive o-plate can be obtained by depositing one kind of dielectric material in an oblique direction on the surface of the
[0091]
When a plurality of structural birefringent layers are used in combination, it is possible to use different types of structural birefringent layers, and perform more precise phase difference compensation to reduce the contrast of the image projected on the screen. It can be improved further. Further, as the operation mode of the liquid crystal element to which the present invention can be applied, not only the transmissive TN liquid crystal mode described above but also the reflective TN liquid crystal mode, the known ECB (Electrically Controlled Birefringence), VA (Vertical Aligned), OCB (OCB) There are various operation modes such as Optically Compensatory Bend) and FLC (Ferroelectric Liquid Crystal), and each color light of RGB passes through the liquid crystal element at different incident angles like the off-axis method and the micro lens method. The present invention can also be applied to a projector that employs such an optical system. Also, the drive method is not limited to the active matrix drive method, and the present invention can be applied to various drive methods.
[0092]
Furthermore, when creating a structural birefringent layer in which thin film layers are laminated, the thicknesses of the layers do not necessarily have to be equal, and are not limited to alternately laminating two types of thin films. For example, three or more types of thin films with different refractive indexes may be stacked in an appropriate order and thickness, taking into consideration the ease of the film forming process, the absorption of strain due to internal stress of each layer, the wavelength dependency of the refractive index, etc. Can be designed appropriately. Further, the structural birefringent layer need not be composed of only a multilayer thin film in which two or more types of thin films having different refractive indexes are laminated. For example, the structural birefringent layer shown in FIGS. A combination with a multilayer thin film may also be used.
[0093]
【Example】
[Transmission type liquid crystal element]
A glass plate with a thickness of 0.7 mm, which becomes the substrate body on the common electrode side, is made of SiO.2And TiO246 layers each having a film thickness of 15 nm were laminated by electron beam evaporation to form a structural birefringent layer. This structural birefringent layer had a thickness of 1.38 μm and exhibited a negative birefringence of 310 nm with respect to light having a wavelength of 550 nm. Next, an ITO film serving as a common electrode was formed thereon with a thickness of 100 nm by sputtering. Further, a polyimide alignment film forming resin film was formed and rubbed to obtain an alignment film, thereby preparing a liquid crystal element substrate on the common electrode side. On the other hand, a pixel electrode array is formed on a glass plate having a thickness of 0.7 mm to be a substrate body on the pixel electrode side, and a polyimide alignment film forming resin film is formed and rubbed to obtain an alignment film. A liquid crystal element substrate on the electrode side was prepared.
[0094]
The liquid crystal element substrates prepared as described above are bonded so that the rubbing directions are orthogonal to each other, a nematic liquid crystal having a positive dielectric constant is sealed therebetween, and a resin microlens array is bonded to form a TN liquid crystal element. Created.
[0095]
The projector using the TN liquid crystal element exhibits a contrast of 550: 1 with respect to green light, which is improved compared to the contrast of the projector using the TN liquid crystal element without the structural birefringent layer of 350: 1. The effect was recognized.
[0096]
[Reflective liquid crystal element]
A vertical alignment polyimide alignment film was formed on the silicon substrate on which the pixel electrode array was formed, and rubbed to prepare a liquid crystal element substrate on the pixel electrode side. Further, a structural birefringent layer and an ITO film serving as a common electrode are formed on a glass plate, a polyimide alignment film for vertical alignment is further formed on the ITO film, and rubbing is performed thereon, thereby the liquid crystal element substrate on the common electrode side It was created. The specifications of the glass plate, the structural birefringent layer, and the ITO film on the common electrode side are the same as those on the common electrode side of the transmissive liquid crystal element.
[0097]
The liquid crystal element substrates prepared as described above were bonded to each other so that the rubbing directions were opposite and parallel to each other, and a nematic liquid crystal having a negative dielectric constant was sealed between them to prepare a VA liquid crystal element.
[0098]
The projector using the VA liquid crystal element has a contrast of 900: 1 with respect to green light, which is improved compared to the contrast of the projector using the VA crystal element without the structural birefringent layer, which is 500: 1. The effect was recognized.
[0099]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the structural birefringent layer made of an inorganic material is formed on the substrate body of the liquid crystal element substrate that constitutes the liquid crystal element, and phase difference compensation is performed. The contrast of the image projected on the screen can be improved without increasing the cost and cost.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an external view schematically showing a rear type liquid crystal projector.
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a projection unit using a transmissive liquid crystal element.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing a schematic structure of a liquid crystal element.
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a layer structure of a structural birefringent layer.
FIG. 5 shows a configuration example of a liquid crystal element substrate on the pixel electrode side.
FIG. 6 shows another configuration example of the liquid crystal element substrate on the pixel electrode side.
FIG. 7 shows a configuration example of a liquid crystal element substrate on the common electrode side.
FIG. 8 shows another configuration example of the liquid crystal element substrate on the common electrode side.
FIG. 9 shows an example of a liquid crystal element using a liquid crystal element substrate on the pixel electrode side provided with an interlayer insulating layer.
FIG. 10 shows an example in which a microlens is used in combination.
FIG. 11 shows an example in which a microlens is used in combination with a liquid crystal element in which a structural birefringence layer is provided on the outer surface of a liquid crystal element substrate on the common electrode side.
FIG. 12 is a schematic configuration diagram of a projection unit using a reflective liquid crystal element.
FIG. 13 illustrates a configuration example of a reflective liquid crystal element.
FIG. 14 shows an example in which a structural birefringent layer is formed on a silicon substrate.
FIG. 15 is a conceptual diagram showing an embodiment of a structural birefringent body having a shape pattern.
FIG. 16 is a conceptual diagram showing another embodiment of a structural birefringent body having a shape pattern.
FIG. 17 is a conceptual diagram showing another embodiment of a structural birefringent body having a shape pattern.
FIG. 18 is a conceptual diagram showing still another embodiment of a structural birefringent body.
FIG. 19 is a conceptual diagram showing still another embodiment of a structural birefringent body.
FIG. 20 is a conceptual diagram of a structural birefringent body formed by film formation from an oblique direction.
[Explanation of symbols]
3 screens
5 Projection unit
11R, 11G, 11B, 61R, 61G, 61B Liquid crystal element
12 Light source
26R, 26G, 26B Polarizing plate
28R, 28G, 28B Polarizing plate
24 Synthetic prism
25 Projection lens
30 LCD
31, 32, 65 Liquid crystal element substrate
33, 37 glass plate
34,67 thin film transistor
35,68 pixel electrodes
36, 40, 71 Alignment film
38 Structural Birefringent Layer
39 Common electrode
66 Silicon substrate
Claims (9)
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。In the substrate for a liquid crystal element in which the alignment film and the electrode are formed on the inner surface of the substrate body,
The inner and outer surfaces of the substrate main body which light passing through the liquid crystal layer is incident, the form birefringence layer created in an inorganic material to compensate for the optical phase difference of light passing through the liquid crystal layer were formed A substrate for a liquid crystal element.
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。In a liquid crystal element having a pair of substrate bodies disposed opposite to each other, an alignment film and an electrode formed on each of the opposed inner surfaces of each substrate body, and a liquid crystal layer between the pair of substrate bodies,
A structural birefringent layer made of an inorganic material is formed on each of the inner and outer surfaces of the substrate body on which light transmitted through the liquid crystal layer is incident to compensate for the optical phase difference of the light transmitted through the liquid crystal layer. A liquid crystal element characterized by the above.
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。Illumination from a light source to a liquid crystal element having a pair of substrate bodies arranged opposite to each other, alignment films and electrodes formed on the inner surfaces facing each substrate body, and a liquid crystal layer between the pair of substrate bodies. In a liquid crystal projector that irradiates light and images image light modulated by a liquid crystal element on a screen by a projection optical system,
A structural birefringent layer made of an inorganic material is formed on each of the inner and outer surfaces of the substrate body on which light transmitted through the liquid crystal layer is incident to compensate for the optical phase difference of the light transmitted through the liquid crystal layer. LCD projector characterized by.
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