CN1196014C - 液晶显示元件及使用它的投影型液晶显示装置 - Google Patents

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Abstract

提供液晶显示元件及使用它的显示装置。该液晶显示元件包括：至少一个是透明的两片基板，和夹持于上述两片基板中的液晶层，在上述两片基板的至少一个上具有多个像素和对上述多个像素驱动液晶层的有源元件，入射到液晶层的入射光的光轴处于与两片基板中的至少一个上的液晶分子的取向方向基本上垂直的平面内，并且上述入射光是以从上述基板的法线方向以规定的角度倾斜的方向入射到液晶层，由于液晶分子稍微移动就可以进行所希望的相位调制，可以大幅度地降低液晶驱动电压。

Description

液晶显示元件及使用它的投影型液晶显示装置
技术领域
本装置涉及液晶显示装置，特别是涉及降低驱动电压的液晶显示装置。
背景技术
现有的反射型液晶显示板用的投影光学系统是以采用偏振光束分束器的方式为主流，比如在日本专利特开2000-310823号公报中所公开的例子。另外，现有的液晶板的显示方式通常是以入射光接近垂直入射到液晶板上为前提而进行设计的。换言之，就是设计成在入射光接近垂直入射到液晶板上时其性能最佳。
作为反射型液晶显示板用的液晶显示方式的一例，如SID(信息显示学会)’90 Digest，p.327中记载的，液晶分子的取向与液晶板基板接近垂直，在外加电压时液晶分子的倾斜方向和入射光的偏振光方向错开45度。另外，透射型液晶板也是以入射光接近垂直入射到液晶板上为前提。作为典型的透射型液晶显示方式可以举出Molecular Crystals and LiquidCrystals.Letters Section，2，p.139(1985)中记载的扭曲向列模式为例。
或者，下面列举几个以光束斜着照射到液晶板上为前提的方式。其中有在SPIE会议录，3634，p.80及日本专利特开平9-189809号公报中记载的例子。在SPIE会议录，3634，p.80中记载的方式中相对液晶板的入射角度至多为20度至30度。所采用的液晶显示方式基本上是以入射光以较近垂直的方向入射到液晶层为前提的显示方式为基础，只对液晶层厚度等的构成参数，针对入射角度的错开条件进行优化的方式。并且，假设入射到液晶板的入射角度为30度，则在光从空气中入射到玻璃中时，根据斯涅耳定律角度会发生改变，光入射到液晶层的角度减少到约19.5度。
还有，在日本专利特开平9-189809号公报中记述的方式中，入射到液晶板上的入射角度是60度左右，由全息元件造成的光路的变化使得入射到液晶层角度变得很浅。在此方式中光入射到液晶层的入射角度最大为大约10度。其原因是由于投影光学系统的F值的制约使得出射角度不能大。比如，在入射到液晶层的入射角度为10度的场合，出射到液晶层外部的出射角度为15度，相当于F值为2。液晶显示方式基本上采用上述的以入射光接近垂直入射到液晶层为前提的显示方式。
为了使投影型液晶显示装置中使用的液晶板低成本化，液晶板尺寸小型化最为有效。为了使液晶板尺寸小型化，必须减小像素尺寸。现有的采用向列型液晶的液晶显示方式的驱动电压一般大约是3Vrms(均方根值)至6Vrms，不算低。但是，由于液晶必需是交流驱动，驱动电压幅度必须是6V至12V。构成用于控制这样大电压的驱动电路的晶体管和像素晶体管必需是耐高压的晶体管，这必然为晶体管尺寸小型化受到限制，妨碍晶体管小型化。现有方式的像素尺寸的限度大约为8μm至10μm。
发明内容
本发明的主要目的是使投影型液晶显示装置中使用的液晶板低成本化。为此而需要解决的课题是降低投影型液晶显示装置中使用的液晶板的液晶驱动电压。
根据本申请的一种实施形态的液晶显示元件，用于投影型液晶显示装置，包括至少一个是透明的两片基板、和夹持于此两片基板中的液晶层，在两片基板的至少一个上具有多个像素和驱动多个像素中的液晶的有源元件，入射到液晶层的入射光的光轴处于与两片基板中的至少一个基板上的液晶分子的取向方向基本上垂直的平面内，并且入射光是以从基板的法线方向以规定的角度倾斜的方向入射到液晶层。
此外，入射到液晶显示元件的液晶层的入射光的偏振光方向相对液晶分子的取向方向为基本上垂直或者平行。
另外，液晶显示元件的液晶层的液晶取向为均匀(homogenous)取向或者均称(homotropic)取向。
还有，液晶显示元件也可以以反射型或者透射型的任何一种方式实现。
另外还有，采用液晶显示元件的显示装置还包括：用来将从液晶显示元件的外部向元件入射的光的入射角维持于液晶层中的装置，因可以使此液晶层光路的主轴和基板的法线方向形成的角度，在光从基板出射到空气中时，大于全反射角。
还有，本发明的采用液晶显示元件的显示装置还包括：用来将从液晶显示元件的外部向元件入射的光的入射角维持于液晶层中的装置，因可以使此液晶层光路的主轴和基板的法线方向形成的角度大于布儒斯特角(全偏振角)。
还有，本发明的液晶显示元件包括：全息元件，此全息元件的构成形态基本上不会对入射p偏振光发生衍射，而是使通过接受液晶层调制而发生的s偏振光在液晶显示元件的大致垂直方向上发生衍射。
还有，本发明的液晶显示元件可构成为在各像素中包含衍射光栅。
根据本申请的另一种实施形态，采用本发明的液晶显示元件的显示装置包括光源，将此光源发出的白色光分离为三原色光的色分离光学系统，以及与此三原色的各色对应的液晶显示元件，还包含构成为使由此色分离光学系统进行色分离的三原色光相对各液晶显示元件在斜向方向上入射，并对从液晶显示元件以与元件大致垂直方向出射的出射光进行色合成的色合成光学系统，以及将通过各色合成光学系统进行色合成的光投射出去的投影透镜。
还有，此显示装置的光源的光轴和投影透镜的光轴大概平行或是相互扭曲成约90度角参差不齐平行地进行配置，在色分离光学系统和各液晶显示元件的光路上配置可改变光轴的光学棱镜。
还有，本发明的液晶显示元件，包括由相对基板主要为平行的电场分量驱动的液晶层，或者是由强介电性液晶材料组成的液晶层，或者是由反强介电性液晶材料组成的液晶层，可在两状态的液晶分子的取向方向之间切换，并且入射到此液晶层的入射光的光轴位于与此两状态的液晶分子的取向方向中的一个取向方向大致垂直的平面内，且入射光是以相对基板的法线方向以规定的角度倾斜入射到液晶层。
附图简介
图1a和图1b为本发明的液晶显示元件的液晶显示原理的说明图。
图2为照射光从空气中入射到液晶板的场合的实施例的说明图。
图3为本发明的液晶显示元件的反射率与液晶层的外加电压的关系的测定结果。
图4为用于使照射光入射到液晶板的入射角度和入射到液晶层的入射角度大致相等的光学系统的实施例的说明图。
图5为采用全息元件的光学系统的实施例的说明图。
图6为在像素电极上形成衍射光栅的实施例的说明图。
图7为在六面体棱镜的出射侧的表面上涂敷铝及银等高反射率金属的实施例的说明图。
图8为关于作为液晶分子对基板边界的倾斜角度的预倾角θLC的说明图。
图9a和图9b为将垂直取向作为本发明的液晶显示元件的液晶取向应用的场合的实施例的说明图。
图10a和图10b为关于六面体棱镜和入射光及出射光的关系的变化情况的说明图。
图11为采用本发明的液晶显示元件的显示装置的实施例的说明图。
图12为采用本发明的液晶显示元件的显示装置的另一实施例的说明图。
图13为采用本发明的液晶显示元件的显示装置的另一实施例的说明图。
图14为透射型液晶显示元件的实施例的说明图。
图15为采用本发明的液晶显示元件的显示装置的另一实施例的说明图。
图16为采用本发明的液晶显示元件的显示装置的另一实施例的说明图。
图17为采用本发明的液晶显示元件的显示装置的另一实施例的说明图。
图18为采用本发明的液晶显示元件的显示装置的另一实施例的说明图。
实施发明的优选方式
(实施例1)
下面利用图1a及图1b对本实施例的液晶显示元件予以说明。图1a和图1b为本发明的液晶显示元件的液晶显示原理的说明图。液晶分子101夹持于反射基板102和透明基板103之间构成液晶层111。液晶分子101的取向状态为液晶分子相对各基板大致平行且扭曲角接近0度的均匀取向。液晶分子101的取向为相对各基板稍微倾斜，即具有一个所谓的预倾角。将液晶分子在反射基板102或透明基板103上投影时的纵轴方向称为液晶分子的取向方向。图1a示出在反射基板102和透明基板103之间施加0Vrms电压时的状态，而图1b示出在反射基板102和透明基板103之间施加规定电压时液晶分子相对基板形成与图1a不同的角度θLC的状态。
入射光光轴105和出射光光轴106任何一个都处于相对液晶分子101的取向方向大致垂直的平面内，且与反射基板102的法线方向104形成规定的角度θ。入射光的偏振光状态为相对透明基板103的p偏振光或s偏振光。图1a中的入射光的偏振光状态107p是p偏振光。
在液晶层上无外加电压或者电压值很小的场合，由于相对入射光的各向异性很小，双折射量小，入射偏振光的偏振光状态在出射侧大概可以维持。在此场合，如上所述，因为是正交尼科耳配置，在采用偏振光片作为出射侧的偏振光元件的场合出射光被吸收而成为暗显示(黑显示)。另一方面，在液晶层上有外加电压的场合，如图1b和图1a所示，液晶分子发生倾斜(θLc增大)，由于相对入射偏振光产生各向异性，双折射量改变，入射偏振光的偏振光状态受到调制，通过出射侧的偏振光片的光量改变。如增加液晶上的外加电压，则出射侧偏振光片的通过光量增大，在规定的驱动电压时显示最大透射率。如上所述，本显示方式是在液晶层上无外加电压或者其值很小时进行暗显示，而在规定电压时进行明显示的正常黑方式。
图2为照射光从空气中入射到液晶板100的场合的实施例的说明图。液晶板100由具有反射电极121的反射基板102和具有透明电极123的透明基板103夹持的液晶层111组成。在液晶层和各基板之间配置有用来控制液晶分子的取向方向的取向膜122。此外，在液晶板的周围设置有封闭液晶的用的密封区124。
在入射到液晶板100上的入射光光轴105上设置有偏振光片及偏振光变换元件等偏振光元件115，在入射到液晶板之前预先成为p偏振光或s偏振光。通过偏振光元件115的偏振光，此处为p偏振光分量107p，按照透明基板103和空气的边界的斯涅耳定律入射到透明基板103。此时液晶层111内的入射光或作为反射光的出射光相对液晶板100的法线104形成角度为θ。
由于光路横跨邻接像素之间，像素边界的辉度受到两方像素的影响，所以像素的边界可能模糊。由此，显示物的轮廓的边界可得到平滑显示而获得理想的图像显示。
图3示出元件的反射率与液晶层上的外加电压的关系的测定结果。在无外加电压时反射率接近0％，而在前后的低驱动电压时反射率最大，从而可得到正常黑的特性。
在通常采用的扭曲向列相等现有的液晶显示方式中，通过使液晶分子相对基板的倾斜角大致在0度和90度之间切换而将入射光调制到所希望的相位，通过偏振光片的组合对辉度进行调制。为了使液晶分子相对基板形成接近90度的倾斜角，需要数伏的比较高的电压，这也就是现有的液晶显示方式的驱动电压高的原因。另一方面，在本发明的显示方式中，为进行所希望的相位调制而必需的液晶分子相对基板的倾斜角大约为45度。液晶分子相对基板的倾斜角大约为45度所需要的电压大约为2伏即可，本发明的液晶显示方式与现有的液晶显示方式相比较可大幅度降低驱动电压。
另外，具有本发明的液晶显示方式的液晶显示元件的特征在于，由于其液晶取向是均匀取向，液晶的响应时间短，换言之，具有高速液晶响应特性。
(实施例2)
图4为示出用于使照射光入射到液晶板100的入射角度和入射到液晶层的入射角度大致相等的光学系统的实施例的示图。入射光经偏振光片等预先变成p偏振光或s偏振光并入射到棱镜。为了使入射到100的照射光的入射角度和入射到液晶层的入射角度大致相等，采用相对的平行侧面为梯形而其他4个面为正方形或长方形的六面体棱镜。
如不使用上述的棱镜，则在入射光从空气中直接入射到液晶板100的场合，由于光在液晶板表面上的反射使入射到液晶板中的光量大幅度地减少。特别是当超过空气和玻璃基板等构成液晶板的材料的边界上的布儒斯特角时，如使光入射到液晶板内，由上述反射引起的光量损失很大。如采用上述的棱镜，则光入射到液晶板100时可大幅度降低由于反射引起的光量减少。通过调节棱镜的梯形的角度和底边的长度，可使入射光以接近垂直于棱镜的入射面的角度入射，或以相对液晶板100的法线接近直角方向入射，可在其间任意调整。
另外还有，在采用上述棱镜的场合，在光从液晶板内出射到空气中时在液晶板和空气边界上的光轴角度存在全反射角度，无法使液晶板内的光轴的角度超过全反射角度。通过使用上述的棱镜，可以使液晶板内的光轴的角度超过上述全反射角度。
作为棱镜的形状，并不限于上述的六面体形状，如照射光入射到液晶板100的入射角度和入射到液晶层的角度大致相等，当然可采用其他的形状。
(实施例3)
图5为采用反射面130的光学系统的实施例的说明图。反射面130用来将经过液晶板100进行相位调制的光106衍射并在液晶板100的大致为法线方向上出射。
为了防止由于反射面130的波长依赖关系造成的图像光的模糊，应使液晶层111和反射面130的距离尽量地小。所以，虽然在图5中反射面130是设置于液晶板100和棱镜112之间，但最好是将反射面130设置于液晶板100的内部。具体说，因为直接在反射面130上形成透明电极123及取向膜122很困难，其构成例之一可为在透明电极123和反射面130之间夹持一极薄的玻璃片，并且为了确保基板的强度还可将玻璃片叠合于全息元件上。
入射到液晶板100的入射光为p偏振光。反射面130的设计使得在光以特定的角度入射时，p偏振光不发生衍射，s偏振光发生衍射。经液晶层进行相位调制从液晶板100出射的出射光中的p偏振光分量不由反射面130衍射而射向棱镜的第一出射面114，s偏振光分量由反射面130衍射而射向棱镜的第二出射面131。由于反射面130对p偏振光分量略微有一些衍射，所以在经反射面130衍射的光中除了s偏振光分量之外也稍微包含一些p偏振光分量。所以，为了从经上述反射面130衍射的光中除去p偏振光分量最好是在棱镜的第二出射面131之后设置偏振光片以提高对比度(图5中未示出)。通过利用反射面130的偏振光特性和衍射特性，从液晶层111相对液晶板100的法线方向斜着射出的光，在通过偏振光状态调制其射出方向的同时，可使用来作为图像光的s偏振光分量108s在大致为液晶板100的法线方向上射出。
(实施例4)
图6为在反射电极121上形成衍射光栅的实施例的说明图。反射电极121上的衍射光栅的构成仅仅使在液晶层上经受调制的s偏振光分量108s在液晶板100的大致垂直方向上衍射，另一方面p偏振光分量108p在反射电极121的正反射方向上出射。通过组合成在从液晶板100出射的光中仅仅取一定范围的角度的光学系统，即所谓的条纹(schlieren)光学系统，可构成投影光学系统。在本方式的场合，因为液晶层的光路长为二分之一，必须将液晶层的厚度与液晶材料的折射率各向异性之积加倍。对RGB每一个都设置像素，在各个像素的衍射光栅上在相对液晶板100大致垂直方向上衍射的光的波长为R或G或B时，通过组合成条纹光学系统，可以利用一片液晶板显示出全色。
(实施例5)
图7为本实施例的说明图。通过在六面体棱镜112的出射侧的表面上涂敷铝及银等高反射率金属获得反射面130可取得如下的效果。在布劳恩管(Braun tube)中，具有一种在暗图像中包含部分明亮的白图像的场合，会使该部分的白辉度比通常的白辉度高的所谓的“尖峰辉度”的功能。藉助尖峰辉度，可以有效地表现比如在漆黑中的明亮光线以及太阳光照耀的海面等图像内的辉度比很大的图像。但是，在液晶显示中，由于最大辉度受光源强度的限制，很难实现尖峰辉度。
通过采用本构成，暗图像部分的光可藉助反射面返回到液晶板100而为白图像部分再利用。与图像整体是明亮的白辉度相比较，暗图像的白辉度可提高。即可以实现尖峰辉度。
(实施例6)
图8中示出作为液晶分子对基板边界的倾斜角度的预倾角θLC的说明图。在预倾角θLC小于必需的场合，由于像素间的交叉电场的作用，主要在图像边界部分会出现液晶分子取向紊乱的问题。这种液晶分子取向紊乱情况因各个像素而异，会损害图像的均质性。另外，在邻接像素间的交叉电场很小的状态中，紊乱的取向可以复原，但其复原的时间常数与正常区域的液晶分子的响应时间常数相比极其长，在图像中可觉察到由于响应迟缓造成的图像劣化。为了解决这些问题，对液晶分子赋予足够的预倾角θLC的方法是有效的。但是，在本方式中，如加大预倾角θLC，则由于在无外加电压时入射偏振光的双折射量也会增大，不能降低黑辉度，会减小对比度。
这个问题可以用下述方式解决。通过将入射偏振光的光轴及出射偏振光的光轴相应于液晶分子的预倾角θLC从基板的垂直方向或平行方向略为倾斜，可使入射偏振光的双折射量变小。由此，可更降低黑辉度而大幅度提高对比度。决定入射偏振光的光轴及出射偏振光的光轴的角度偏离量的参数，除了液晶分子的预倾角θLC之外，还有入射偏振光的入射角度及在反射型方式的场合反射板的材质引起的s偏振光合p偏振光的反射率与入射角度的关系不同等等。入射偏振光的光轴及出射偏振光的光轴的角度的偏离量可由实验决定。
具体言之，在液晶上的外加电压为0Vrms的状态中，最好是调整入射偏振光的光轴及出射偏振光的光轴使黑辉度最小。更具体言之，就是可以转动入射侧的偏振光片的光轴及出射侧的偏振光片的光轴进行调整。
(实施例7)
下面利用图9a和图9b对于将垂直取向作为本发明的液晶显示元件的液晶取向应用的场合的实施例予以说明。液晶分子101由夹持于反射基板102和透明基板103之中的液晶层111构成。液晶分子101的取向状态为扭曲角度接近0度且相对各基板的取向接近垂直，即所谓的均称取向。图9a示出在反射基板102和透明基板103之间的电压接近0Vrms时的状态，图9b示出在反射基板102和透明基板103之间的电压为规定电压时液晶分子相对基板的角度θLC相对图1的变化状态。在反射基板102和透明基板103之间施加电压时液晶分子101相对基板的倾斜角θLC在规定的方向上变化，晶分子101相对基板的倾斜角θLC不是90度，是比90度小的规定值。在反射基板102和透明基板103之间施加电压时液晶分子的倾斜方向为本实施例的液晶显示元件的液晶取向方向。入射光光轴105及出射光光轴106任何一个都处于相对液晶分子101的取向方向大致垂直的平面内，且与反射基板102的法线方向104形成规定的角度θ。入射光的偏振光状态为相对透明基板103的p偏振光或s偏振光。图9a中的入射光的偏振光状态107p是p偏振光。
在液晶层上无外加电压或者电压值很小的场合，由于相对入射光的各向异性很小，双折射量小，入射偏振光的偏振光状态在出射侧大概可以维持。在此场合，如上所述，因为是正交尼科耳配置，在采用偏振光片作为出射侧的偏振光元件的场合出射光被吸收而成为暗显示(黑显示)。另一方面，在液晶层上有外加电压的场合，如图9b所示，液晶分子发生倾斜(θLC减小)，由于相对入射偏振光产生各向异性，双折射量改变，入射偏振光的偏振光状态受到调制，通过出射侧的偏振光片的光量改变。如增加液晶上的外加电压，则出射侧偏振光片的通过光量增大，在规定的驱动电压时显示最大透射率。如上所述，本显示方式是在液晶层上无外加电压或者其值很小时进行暗显示，而在规定电压时进行明显示的正常黑方式。
(实施例8)
下面利用图10a和图10b对六面体棱镜112和入射光的光轴105及出射光的光轴106关系的变化情况予以说明。图10a示出的是入射光光轴105相对六面体棱镜112的入射面接近垂直的场合。另一方面，图10b示出的是入射光光轴105相对六面体棱镜112的入射面形成的角度大概为布儒斯特角度的场合。
(实施例9)
图11为采用本发明的液晶显示元件的显示装置的三板方式的投影光学系统带实施例的说明图。本实施例的投影光学系统的构成包括光源201，由二向色反射镜202及205，反射镜203，透镜204组成的色分离光学系统，RGB每一色的液晶板100R，100G，100B，正交二向色棱镜206，配置于上述各液晶板100R，100G，100B和上述正交二向色棱镜206之间的六面体棱镜112R，112G，112B，及投影透镜207等。
从光源201射出的白色光208由二向色反射镜202分离为蓝色光209和黄色光210，蓝色光209通过六面体棱镜112B入射到液晶板100B。另一方面，黄色光210通过反射镜203及透镜204由二向色反射镜205分离为红色光211及绿色光212，分别入射到液晶板100R和100G。
入射到每一色的液晶板100R，100G，100B的入射光在每一个像素上任意的进行相位调制并出射到各液晶板100R，100G，100B，此时由全息元件进行光路调制并在各液晶板100R，100G，100B的大致为法线方向上出射。各六面体棱镜112R，112G，112B与正交二向色棱镜206的各面相对配置。从各液晶板100R，100G，100B出射的光213，214，215由正交二向色棱镜206进行色合成射向投影透镜207方向，由投影透镜207投影到屏幕上。
用于利用各液晶板100R，100G，100B配备的全息元件使从液晶板发出的出射光在大概为液晶板的法线方向上出射，所以投影透镜207的F值无需小到超过需要，可以做到小型轻量化。另外，本作用也同样可针对正交二向色棱镜206使用小型棱镜，有助于光学系统整体的小型轻量化。
各六面体棱镜112R，112G，112B的出射口最好是由吸收不需要的光的吸收体或将其导向吸收体的光学系统构成。由此可有效地防止杂光，可防止对比度的降低。还有，通过将各六面体棱镜112R，112G，112B的出射侧的表面按照实施例5叙述过的方式做成反射面，对返回到各液晶板100R，100G，100B的光进行再利用就可以提高尖峰辉度。在图11中，各液晶板100R，100G，100B的长边方向和相对正交二向色棱镜206的4个棱镜的任何一个的贴合面的平行方向是平行配置的，但也可以配置成为与各液晶板100R，100G，100B的短边方向平行。
本实施例主要是叙述了三板方式的投影光学系统。另一方面，正如在实施例1中所叙述的，本发明的液晶显示方式具有高速响应特性。利用这一点，当然可以使用一片液晶板构成场顺序彩色方式的显示装置。
(实施例10)
图12为三板方式的投影光学系统的另一实施例的说明图。使用两个正交二向色棱镜。在本实施例的投影光学系统的构成中从光源201发出的白色光由第一正交二向色棱镜209’进行RGB色分离，并且各RGB的光分别从上述第一正交二向色棱镜209’向着3个方向出射，由反射镜203将各个光束导向六面体棱镜112R，112G，112B并照射到液晶板100R，100G，100B上，在液晶板100R，100G，100B中调制的各种色光由第二正交二向色棱镜206合成，通过投影透镜207投影到屏幕上。入射侧的正交二向色棱镜209’和出射侧的正交二向色棱镜206采用对同一偏振光截止波长不同的棱镜。如从另外的侧面看，最好是能够具备入射侧的p偏振光的截止波长和出射侧的s偏振光的截止波长。如不能具备，就会出现本来应该通过出射侧的正交二向色棱镜206的光用于反射而造成光量损失，同时还会入射到不同的液晶板而产生杂光使对比度降低的问题。
(实施例11)
图13为三板方式的投影光学系统的另一实施例的说明图。使用两个正交二向色棱镜。在本实施例的投影光学系统的配置中从光源201发出的白色光由第一正交二向色棱镜209’进行RGB色分离，并且各RGB的光分别从上述第一正交二向色棱镜209’向着3个方向出射，斜着入射到各液晶板100R，100G，100B。此时，为了维持从光源201出射到各液晶板100R，100G，100B的入射光的入射角，在各液晶板100R，100G，100B和正交二向色棱镜209’，正交二向色棱镜206之间配置棱镜208R，208G，208B。从各液晶板100R，100G，100B发出的出射光由第二正交二向色棱镜206进行色合成，通过投影透镜207投影到屏幕上。
(实施例12)
图15至图18为采用本发明的液晶显示元件的显示装置的三板方式的投影光学系统的实施例的说明图。本实施例的投影光学系统的构成包括光源201，由二向色反射镜202及205，反射镜203，透镜204组成的色分离光学系统，RGB每一色的液晶板100R，100G，100B，正交二向色棱镜206，配置于上述各液晶板101和上述正交二向色棱镜206之间的六面体棱镜112R，112G，112B，及投影透镜207等。
光源201的光轴和投影透镜207的光轴配置为大致平行。上述光源201的光轴和投影透镜207的光轴也可配置成为相互扭曲大概成90度角度参差不齐地平行配置。在用作正面投影仪时，为了向斜上方投影，投影透镜的光轴，相对液晶板的光轴可偏移10∶0及9∶1的偏移量。
在显示装置中有光源201，光源201可为超高压汞灯，金属卤化物灯，氙灯，汞氙灯，卤灯等白色灯。
从光源201的灯球发出的光由椭圆或抛物面或非球面的反射面130聚光并入射到第一阵列透镜301。光通过第一阵列透镜301后，通过第二阵列透镜302，入射到偏振光束分束器304。此入射光经偏振光束分束器304分离使透射光变成P偏振光光束，反射光变成S偏振光光束，该P偏振光光束由配置于偏振光束分束器304的出射侧面上的λ/2相位差片将其偏振光方向旋转90度，成为S偏振光光束，并入射到透镜204。另外，上述S偏振光光束经反复反射，从邻接的偏振光束分束器304的出射面出射而入射到透镜204。透镜204，其构成至少包括一个以上的透镜，具有正折射力，还具有将该S偏振光光束聚光的作用，通过该透镜204的光束照射到二向色反射镜205上。
在各液晶板100R，100G，100B的出射侧上配置有使S偏振光光束透过的射出偏振光片303，进一步提高偏振光度。利用上述透镜204，可实现将各液晶板100R，100G，100B形成的图像扩大投影到屏幕上的显示装置的功能。
从光源201发出的白色光208入射到由大致相差90度交叉配置的蓝色反射二向色反射镜和红色反射二向色反射镜构成的二向色反射镜202。利用蓝色反射二向色反射镜205反射蓝色光209，入射到反射镜203，由反射镜203反射，入射到六面体棱镜112B。在六面体棱镜112B中，出射光相对入射光改变其方向而出射，入射到全息元件130B上。
利用红色反射二向色反射镜205反射红色光211，入射到反射镜203，由反射镜203反射，入射到六面体棱镜112R。在六面体棱镜112R中，出射光相对入射光改变其方向而出射，入射到全息元件130R上。
透过二向色反射镜202的绿色光212入射到反射镜203反射，由203反射，入射到六面体棱镜112G上。在六面体棱镜112G中，出射光相对入射光改变其方向而出射，入射到全息元件130G上。
入射到每一色的液晶板100R，100G，100B的入射光在每一个像素上任意的进行相位调制并出射到各液晶板100R，100G，100B，此时由全息元件进行光路调制并在各液晶板100R，100G，100B的大致为法线方向上出射。各六面体棱镜112R，112G，112B与正交二向色棱镜206的各面相对配置。从各液晶板100R，100G，100B出射的光213，214，215由正交二向色棱镜206进行色合成射向投影透镜207方向，由投影透镜207投影到屏幕上。
由于通过各液晶板100R，100G，100B上配备的全息元件使从液晶板发出的出射光在大概为液晶板的法线方向上出射，所以投影透镜207的F值无需小到超过需要，可以做到小型轻量化。另外，本作用也同样可针对正交二向色棱镜206使用小型棱镜，有助于光学系统整体的小型轻量化。
各六面体棱镜112R，112G，112B的出射口最好是由吸收不需要的光的吸收体或将其导向吸收体的光学系统构成。由此可有效地防止杂光，可防止对比度的降低。还有，通过将各六面体棱镜112R，112G，112B的出射侧的表面按照实施例5叙述过的方式做成反射面，对返回到各液晶板100R，100G，100B的光进行再利用就可以提高尖峰辉度。在图11中，各液晶板100R，100G，100B的长边方向和相对正交二向色棱镜206的4个棱镜的任何一个的贴合面的平行方向是平行配置的，但也可以配置成为与各液晶板100R，100G，100B的短边方向平行。
各全息元件130R，130G，130B配置于各色光入射到出射侧正交二向色棱镜206之前的RGB的各光路上。为提高耐热性，全息元件130R，130G，130B也可以贴合于出射侧正交二向色棱镜206上。另外，也可以贴合于以蓝宝石作为基底的该玻璃材料上。
本实施例主要叙述了三板方式的投影光学系统。另一方面，正如在实施例1中所叙述的，本发明的液晶显示方式具有高速响应特性。利用这一点，当然可以使用一片液晶板构成场顺序彩色方式的显示装置。
(实施例13)
迄今叙述的主要是构成反射型液晶显示元件的场合，在本实施例中的将叙述构成透射型的液晶显示元件的场合。在反射型的场合，入射光由于被反射装置反射，两次通过液晶层。而在透射型的场合，入射光只通过液晶层一次。因此，在透射型的场合作为液晶层的光学厚度的延迟(retardation)与反射型的场合相比，必须加倍。
图14示出将本发明的液晶显示方式应用于透射型液晶显示元件的实施例的说明图。本实施例的液晶显示元件的特征在于其组成包括夹持于至少两片透明基板103a及103b之间的液晶层111，偏振光元件115，检偏元件116，并且在偏振光元件115和液晶层111之间，在液晶层111和检偏元件116之间分别具有全息元件130a及130b。本实施例的液晶层111的液晶取向方向为相对入射偏振光方向的垂直或平行方向。从相对透明基板103a大致垂直方向入射的入射光的光轴105由全息元件130a衍射，斜着入射到液晶层111。在液晶层111中受到调制而出射的光由全息元件130b衍射，在相对透明基板大致垂直方向上衍射并通过检偏元件116。全息元件130a的构成可使通过偏振光元件115的偏振光衍射，另一方面，全息元件130b的构成可使通过检偏元件116的偏振光衍射。偏振光元件115及检偏元件116是正交尼科耳配置。
(实施例14)
迄今叙述的主要是在包含液晶板100的两片基板的法线的平面内液晶分子的取向变位的方式，而在本实施例中将介绍在与构成液晶板100的两片基板的平行平面内液晶分子的取向变位的方式。构成液晶板100的两片基板的平行平面内液晶分子的取向变位的方式的具体示例为(1)藉助相对基板主要是平行的电场分量在两状态的液晶分子的取向方向之间进行切换的方式，(2)利用强介电性液晶材料在两状态的液晶分子的取向方向之间进行切换的方式，(3)利用反强介电性液晶材料在两状态的液晶分子的取向方向之间进行切换的方式等等。
入射到液晶层的入射光的光轴位于与上述两状态的液晶分子的取向方向中的一个大致垂直的平面内，并且上述入射光从相对上述基板的法线方向以规定的角度倾斜的方向入射到液晶层。据此，在上述两状态的液晶分子的取向方向中的一个取向方向状态中，入射光的偏振光状态不经调制就是黑显示，而在一个取向方向状态中入射光的偏振光状态经过调制就是白显示。如果是可在上述两状态的液晶分子的取向方向之间连续地调制取向方向的方式，就可以显示中间色调。另外，就像在采用强介电性液晶的场合，在上述两状态的液晶分子的取向方向之间取离散取向方向的场合，通过脉冲幅度调制可显示中间色调。
根据这些实施例，在包括至少一个是透明的两片基板、和夹持于上述两片基板中的液晶层，在上述两片基板至少一个上具有多个像素和对上述多个像素驱动液晶层的有源元件的液晶显示元件中，入射到液晶层的入射光的光轴处于与液晶分子的取向方向大致垂直的平面内，且上述入射光从相对上述基板的法线方向以规定的角度倾斜的方向入射到液晶层，由于液晶分子稍微移动就可以进行所希望的相位调制，可以大幅度地降低液晶驱动电压。
黑显示状态是在液晶分子的取向方向和入射偏振光的偏振光轴正交或平行，液晶层的相位调制极小的状态下进行的。因此，在保持黑色水平很小获得良好的对比度的同时，由于黑色水平的波长依赖关系及温度依赖关系很小，所以可实现稳定的对比度。此外。由于在液晶分子的取向方向的正交平面内视野角特性良好，即使投影显示装置的F值降低也可以维持高对比度，显示装置的亮度和高对比度可以共存。
发明效果
根据本发明可以提供降低液晶驱动电压的液晶显示元件，以及使用此液晶显示元件的显示装置。

Claims (36)

1.一种用于投影型液晶显示装置的液晶显示元件，包括：全反射基板、透明基板、和在上述两片基板中夹持的液晶层，上述两片基板中的至少一个上具有多个像素和驱动所述多个像素中的液晶的有源元件，其特征在于：
入射到上述液晶层的入射光的光轴位于与上述两片基板中的至少一个基板上的液晶分子的取向方向基本上垂直的平面内，并且上述入射光以从上述基板的法线方向以规定的角度倾斜的方向入射到液晶层。
2.如权利要求1中所记载的液晶显示元件，其特征在于：入射到上述的液晶层的入射光的偏振光方向相对于上述液晶分子的取向方向为基本上垂直或者平行。
3.如权利要求2中所记载的液晶显示元件，其特征在于：上述液晶层的上述液晶分子的取向为均匀取向。
4.如权利要求2中所记载的液晶显示元件，其特征在于：上述液晶层的上述液晶分子的取向为均称取向。
5.如权利要求3中所记载的液晶显示元件，其特征在于：构成为使上述液晶层光路的主轴和基板的法线方向形成的角度，在光从上述基板出射到空气中时，大于全反射角。
6.如权利要求4中所记载的液晶显示元件，其特征在于：构成为使上述液晶层光路的主轴和基板的法线方向形成的角度，在光从上述基板出射到空气中时，大于全反射角。
7.如权利要求3中所记载的液晶显示元件，其特征在于：构成为使上述液晶层光路的主轴和基板的法线方向形成的角度大于等于上述基板和空气之间的布儒斯特角。
8.如权利要求4中所记载的液晶显示元件，其特征在于：构成为使上述液晶层光路的主轴和基板的法线方向形成的角度大于等于上述基板和空气之间的布儒斯特角。
9.如权利要求3中所记载的液晶显示元件，其特征在于：包括全息元件，该全息元件基本上不会对入射p偏振光发生衍射，而是使通过接受上述液晶层调制而发生的s偏振光在液晶显示元件的大致垂直方向上发生衍射。
10.如权利要求4中所记载的液晶显示元件，其特征在于：包括全息元件，该全息元件基本上不会对入射p偏振光发生衍射，而是使通过接受上述液晶层调制而发生的s偏振光在液晶显示元件的大致垂直方向上发生衍射。
11.如权利要求3中所记载的液晶显示元件，其特征在于：包括在上述各像素中包含的衍射光栅，使通过接受上述液晶层调制而发生的s偏振光在液晶显示元件的大致垂直方向上发生衍射。
12.如权利要求4中所记载的液晶显示元件，其特征在于：包括在上述各像素中包含的衍射光栅，使通过接受上述液晶层调制而发生的s偏振光在液晶显示元件的大致垂直方向上发生衍射。
13.如权利要求2中所记载的液晶显示元件，其特征在于：
包括主要由与上述基板平行的电场分量驱动的液晶层，在两状态的液晶分子的取向方向之间切换，
入射到上述液晶层的入射光的光轴位于与上述两状态的液晶分子的取向方向中的一个取向方向大致垂直的平面内，且上述入射光以相对上述基板的法线方向以规定的角度倾斜的方向入射到液晶层。
14.如权利要求2中所记载的液晶显示元件，其特征在于：
采用强电性液晶材料构成液晶层，并且构成为在两状态的液晶分子的取向方向之间切换，
入射到上述液晶层的入射光的光轴位于与上述两状态的液晶分子的取向方向中的一个取向方向大致垂直的平面内，且上述入射光以相对上述基板的法线方向以规定的角度倾斜的方向入射到液晶层。
15.如权利要求2中所记载的液晶显示元件，其特征在于：采用反强电性液晶材料构成液晶层，并且构成为在两状态的液晶分子的取向方向之间切换，
入射到上述液晶层的入射光的光轴位于与上述两状态的液晶分子的取向方向中的一个取向方向大致垂直的平面内，且上述入射光以相对上述基板的法线方向以规定的角度倾斜的方向入射到液晶层。
16.一种用于投影型液晶显示装置的液晶显示元件，包括：透明的两片基板、和在上述两片基板中夹持的液晶层，上述两片基板中的至少一个上具有多个像素和驱动上述多个像素中的液晶的有源元件，其特征在于：
入射到上述液晶层的入射光的光轴处于与上述两片基板中的至少一个基板上的液晶分子的取向方向基本上垂直的平面内，并且上述入射光以从上述基板的法线方向以规定的角度倾斜的方向入射到液晶层。
17.如权利要求16中所记载的液晶显示元件，其特征在于：入射到上述的液晶层的入射光的偏振光方向相对上述液晶分子的取向方向为基本上垂直或者平行。
18.如权利要求17中所记载的液晶显示元件，其特征在于：上述液晶层的上述液晶分子的取向为均匀取向。
19.如权利要求17中所记载的液晶显示元件，其特征在于：上述液晶层的上述液晶分子的取向为均称取向。
20.如权利要求18中所记载的液晶显示元件，其特征在于：构成为使上述液晶层光路的主轴和基板的法线方向形成的角度，在光从上述基板出射到空气中时，大于全反射角。
21.如权利要求19中所记载的液晶显示元件，其特征在于：构成为使上述液晶层光路的主轴和基板的法线方向形成的角度，在光从上述基板出射到空气中时，大于全反射角。
22.如权利要求18中所记载的液晶显示元件，其特征在于：构成为使上述液晶层光路的主轴和基板的法线方向形成的角度大于等于上述基板和空气之间的布儒斯特角。
23.如权利要求19中所记载的液晶显示元件，其特征在于：构成为使上述液晶层光路的主轴和基板的法线方向形成的角度大于等于上述基板和空气之间的布儒斯特角。
24.如权利要求18中所记载的液晶显示元件，其特征在于：包括全息元件，该全息元件基本上不会对入射p偏振光发生衍射，而是使通过接受上述液晶层调制而发生的s偏振光在液晶显示元件的大致垂直方向上发生衍射。
25.如权利要求19中所记载的液晶显示元件，其特征在于：包括全息元件，该全息元件基本上不会对入射p偏振光发生衍射，而是使通过接受上述液晶层调制而发生的s偏振光在液晶显示元件的大致垂直方向上发生衍射。
26.如权利要求18中所记载的液晶显示元件，其特征在于：包括在上述各像素中包含的衍射光栅，使通过接受上述液晶层调制而发生的s偏振光在液晶显示元件的大致垂直方向上发生衍射。
27.如权利要求19中所记载的液晶显示元件，其特征在于：包括在上述各像素中包含的衍射光栅，使通过接受上述液晶层调制而发生的s偏振光在液晶显示元件的大致垂直方向上发生衍射。
28.如权利要求18中所记载的液晶显示元件，其特征在于：
在上述液晶层的前后包括全息元件，
入射侧的全息元件对从与基板大致垂直的方向上入射的入射光进行衍射并斜着入射到液晶层，
一个出射侧的全息元件对从液晶层出射的光在与基板大致垂直的方向上进行衍射，
上述入射侧的全息元件对入射偏振光进行衍射，
上述出射侧的全息元件对处于与入射偏振光正交的偏振光状态的出射偏振光进行衍射。
29.如权利要求19中所记载的液晶显示元件，其特征在于：
在上述液晶层的前后包括全息元件，
入射侧的全息元件对从与基板大致垂直的方向上入射的入射光进行衍射并斜着入射到液晶层，
一个出射侧的全息元件对从液晶层出射的光在与基板大致垂直的方向上进行衍射，
上述入射侧的全息元件对入射偏振光进行衍射，
上述出射侧的全息元件对处于与入射偏振光正交的偏振光状态的出射偏振光进行衍射。
30.如权利要求17中所记载的液晶显示元件，其特征在于：
包括主要由与上述基板平行的电场分量驱动的液晶层，构成为在两状态的液晶分子的取向方向之间切换，
入射到上述液晶层的入射光的光轴位于与上述两状态的液晶分子的取向方向中的一个取向方向大致垂直的平面内，且上述入射光以从上述基板的法线方向以规定的角度倾斜的方向入射到液晶层。
31.如权利要求17中所记载的液晶显示元件，其特征在于：
采用强电性液晶材料构成液晶层，并且构成为在两状态的液晶分子的取向方向之间切换，
入射到上述液晶层的入射光的光轴位于与上述两状态的液晶分子的取向方向中的一个取向方向大致垂直的平面内，且上述入射光以从上述基板的法线方向以规定的角度倾斜的方向入射到液晶层。
32.如权利要求17中所记载的液晶显示元件，其特征在于：
采用反强电性液晶材料构成液晶层，并且在构成为两状态的液晶分子的取向方向之间切换，
入射到上述液晶层的入射光的光轴位于与上述两状态的液晶分子的取向方向中的一个取向方向大致垂直的平面内，且上述入射光以从上述基板的法线方向以规定的角度倾斜的方向入射到液晶层。
33.一种投影型液晶显示装置，其特征在于包括：
光源，
将上述光源发出的白色光分离为三原色光的色分离光学系统，以及
与上述三原色的各色对应的权利要求1中记载的液晶显示元件，
其构成为使由上述色分离光学系统进行色分离的三原色光相对上述各液晶显示元件在斜向方向上入射，
还包括从上述液晶显示元件以与元件大致垂直方向出射的出射光进行色合成的色合成光学系统，以及
将通过上述各色合成光学系统进行色合成的光投射出去的投影透镜。
34.一种投影型液晶显示装置，其特征在于包括：
光源，
将上述光源发出的白色光分离为三原色光的色分离光学系统，以及
与上述三原色的各色对应的权利要求16中记载的液晶显示元件，
其构成为使由上述色分离光学系统进行色分离的三原色光相对上述各液晶显示元件在斜向方向上入射，
还包括从上述液晶显示元件以与元件大致垂直方向出射的出射光进行色合成的色合成光学系统，以及
将通过上述各色合成光学系统进行色合成的光投射出去的投影透镜。
35.如权利要求33中所记载的投影型液晶显示装置，其特征在于：
上述光源的光轴和投影透镜的光轴大概平行或是相互扭曲成约90度角参差不齐平行地进行配置，
在上述色分离光学系统和上述备液晶显示元件的光路上配置可改变光轴的光学棱镜。
36.如权利要求34中所记载的投影型液晶显示装置，其特征在于：
上述光源的光轴和投影透镜的光轴大概平行或是相互扭曲成约90度角参差不齐平行地进行配置，
在上述色分离光学系统和上述备液晶显示元件的光路上配置可改变光轴的光学棱镜。
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