JP2004212468A - 位相差補償素子及び単板式カラー液晶プロジェクタ - Google Patents
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Abstract
【課題】単板式カラー液晶プロジェクタの液晶素子で生じる位相差を、無機材料からなる一種類の構造性複屈折体で効率的に補償する。
【解決手段】液晶素子で生じた位相差を補償するにあたり、高屈折率層と低屈折率層とを交互に積層した位相差補償膜を構造性複屈折体として用いる。カラー液晶素子は、フルカラー画像の表示のために、基本色光ごとに画素が割り当てられているが、液晶素子を全体的にカバーするように位相差補償膜を設ける。液晶素子の液晶層がもつレターデーションに合わせ、位相差補償膜の複屈折Δｎと、その全体厚みｄとを調節する。液晶素子のレターデーションの波長特性Ｒ１と、位相差補償膜のレターデーションの波長特性Ｒ２またはＲA ＲB とを可視光領域の少なくとも一点で合致させ、可視光領域全体でバランスよく位相差補償作用を得る。
【選択図】 図４
【解決手段】液晶素子で生じた位相差を補償するにあたり、高屈折率層と低屈折率層とを交互に積層した位相差補償膜を構造性複屈折体として用いる。カラー液晶素子は、フルカラー画像の表示のために、基本色光ごとに画素が割り当てられているが、液晶素子を全体的にカバーするように位相差補償膜を設ける。液晶素子の液晶層がもつレターデーションに合わせ、位相差補償膜の複屈折Δｎと、その全体厚みｄとを調節する。液晶素子のレターデーションの波長特性Ｒ１と、位相差補償膜のレターデーションの波長特性Ｒ２またはＲA ＲB とを可視光領域の少なくとも一点で合致させ、可視光領域全体でバランスよく位相差補償作用を得る。
【選択図】 図４
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フルカラーでの画像表示が可能な単板式の液晶プロジェクタに好適な位相差補償素子及びこれを用いた単板式カラー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】
液晶プロジェクタには、青色光，緑色光，赤色光の各々の基本色光ごとにパネル状の液晶素子を用いた三板式のもののほかに単板式のものがある。単板式のカラー液晶プロジェクタで使用される液晶素子は、空間分割方式または時間分割方式によって弁別した青色光，緑色光，赤色光を、マトリクス状に配列された画素を画像データで駆動することで変調する。空間分割方式は、画素ごとに基本色光を照明するものであるが、そのために、液晶素子にマイクロカラーフィルタを組み込んだり、あるいは３種類の基本色光を照明角度を変えて同時に液晶素子に入射させ、液晶素子に組み込まれたマイクロレンズの作用によりそれぞれの基本色光を対応する画素上に導くものなどがある。時間分割方式では、液晶素子を青色光，緑色光，赤色光で順次照明し、液晶素子をそれぞれのタイミングで相当する画像データで駆動し、スクリーン上で合成される。いずれにせよスクリーン上にはフルカラーの画像が合成して投影されるようになっている。
【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結晶性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ず、しかも光学系中に組み込むときの調整も面倒であり、一般普及型の液晶プロジェクタに適用することはコスト面での不利が大きい。
【００１２】
この点、特許文献１や非特許文献１で知られるように、微細な物理的構造によって光学異方性を発現させる構造性複屈折体を位相差補償素子として利用するのが有利である。ところが、構造性複屈折体の示す光学異方性には少なからず波長依存性がある。したがって、非特許文献１に記載された計器類の表示光のように、特定の狭い波長域に属する光に対しては効果的な位相差補償機能が期待できるものの、フルカラーでの画像投影を行う単板式カラー液晶プロジェクタにそのまま適用したのでは、位相差補償効果にも波長依存性が現れてしまう。そして、例えばスクリーン上に黒レベル表示を行ったときには、黒の輝度が上昇してコントラストが低下するだけでなく、低輝度領域のカラーバランスがくずれて黒が着色するという問題も生じてくる。
【００１３】
本発明は上記背景を考慮してなされたもので、単板式カラー液晶プロジェクタの液晶素子と組み合わせて用いられる位相差補償素子の耐久性を向上させるとともにそのローコスト化を図り、かつ位相差補償効果の波長依存性を改善して画像のコントラスト及びカラーバランスを向上させることを目的とし、さらにこのような位相差補償素子を用いた単板式カラー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】
本発明は上記目的を達成するために、液晶素子を通過する光線が複屈折することによって生じる位相差を構造性複屈折体を用いて補償するものであり、しかも構造性複屈折体のもつ複屈折率と光軸方向の厚みとの積で決まるレターデーションの絶対値を、液晶層がもつレターデーションの絶対値と可視光領域の少なくとも一点で一致させるようにしたものである。構造性複屈折体は、光の波長よりも微細な物理的構造によって光学異方性を発現するもので、その好適な一例として、高屈折率層と低屈折率層とを交互に積層した位相差補償膜が挙げられる。
【００１５】
位相差補償素子として上記のような位相差補償膜を用いる場合、光の波長よりも微細な物理的構造を得るために、可視光領域中の最も短波長側の青色光の基準波長に対し、各層の光学膜厚を１００分の１以上５分の１以下の範囲にすることが必要となる。構造性複屈折体として上記位相差補償膜を用いる際には、交互に積層される高屈折率層と低屈折率層とをそれぞれ一種類ずつの高屈折材料，低屈折材料で構成することが製造効率を向上させ、製造コストを下げるうえで有利である。さらに、このような構造性複屈折体からなる位相差補償素子を液晶素子と組み合わせて使用した単板式のカラー液晶プロジェクタもまた、本発明に含まれるものである。
【００１６】
本発明に用いられる位相差補償素子の基本的な作用は概念的に次のとおりである。図１において、液晶素子２は内面側にそれぞれ配向膜を形成した透明なベース基板３ｂと対向基板３ａとの間に、液晶分子からなる液晶層５を封入した構造となっている。それぞれの基板３ａ，３ｂには画素ごとに液晶層５を駆動するためのマトリクス電極やコモン電極，透明導電膜なども設けられているが、図示は省略してある。液晶素子２の前段には偏光子が配置してあり、入射光Ｓ１は直線偏光となって液晶素子２に入射する。
【００１７】
周知のように、棒状の液晶分子の集合体からなる液晶層５はポジティブレターダーとして作用する。このため、入射光Ｓ１は正常光成分Ｓｏと異常光成分Ｓｅとなって液晶層５を通過する間に、異常光成分Ｓｅが正常光成分Ｓｏに対して位相遅れを生じる。この位相差Ｐ１は、液晶層５を構成している液晶分子固有の光学異方性に依存した複屈折Δｎ１と液晶層５の厚みｄ１との積「ｄ１Δｎ１」で規定される特徴値に依存して決まり、この特徴値は結晶光学的にはレターデーション（Retardation ）として定義されている。そして、液晶層５のレターデーションをＲ１とすると、位相差Ｐ１は「Ｐ１＝αＲ１（＝αｄ１Δｎ１）」となる。この係数αの値は、光の入射角θや、液晶分子の配向姿勢、印加電圧などによって変化する外的なファクターを括り出したもので「０」以上「１」未満の値となる。
【００１８】
液晶素子２からの出射光Ｓ２は、正常光成分Ｓｏと、これに対して位相遅れを伴った異常光成分Ｓｅとの合成光となるため、入射光Ｓ１が直線偏光光であっても位相差Ｒａに応じた楕円偏光成分を含むものとなる。この楕円偏光成分を抑えるには液晶層５による位相遅れを補償すればよく、そのために液晶素子２の出射面と検光子との間に位相差補償素子６が設けられる。
【００１９】
位相差補償素子６には光の波長よりも微細な物理的構造をもつ無機材料からなる構造性複屈折体が用いられ、一例として図２に示すように、透明なガラス基板７上に互いに屈折率が異なる誘電体の薄膜Ｌ１，Ｌ２を交互に積層した総厚みｄ２の位相差補償膜８で構成されている。各層の光学膜厚（物理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、容易に負のｃ−ｐｌａｔｅの作成が可能となり、複屈折Δｎ２をもつ一軸性の負の複屈折板が得られ、薄膜の形成面が投影光軸に垂直となるように配置して用いられる。
【００２０】
なお、屈折率が異なる誘電体薄膜を積層した多層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、上述した位相差補償膜８は、個々の薄膜Ｌ１，Ｌ２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Δｎ２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。
【００２１】
この位相差補償膜８は、異常光成分Ｓｅに対して正常光成分Ｓｏに位相遅れを生じさせるネガティブレターダーとして作用する。位相差補償膜８は結晶光学的には液晶分子と構造が異なるが、その光学異方性で決まる複屈折Δｎ２と、位相差補償膜８全体の物理的膜厚ｄ２から、そのレターデーションＲ２（＝ｄ２Δｎ２）を定義することができ、異常光成分Ｓｅに対する正常光成分Ｓｏの位相差Ｐ２は「Ｐ２＝βＲ２（＝βｄ２Δｎ２）」となる。位相差Ｐ２は位相差Ｐ１に対しては負の値となるから、これらの絶対値について「Ｐ１＝Ｐ２」であれば、位相差補償素子６からの出射光Ｓ３は互いに位相遅れのない正常光成分と異常光成分との合成光となり、楕円偏光成分が消失して直線偏光となって出射する。したがって、位相差補償素子６の後段に配置された検光子には直線偏光が入射するようになり、画像のコントラストを高めることができる。
【００２２】
なお、係数βは係数αと同様、光の入射角θに応じて変化するが、図示のように光線が同じ入射角で液晶素子２及び位相差補償素子６を通過する場合には、互いに相殺し合うことができるので入射角θによる影響は無視することができる。したがって、「Ｐ１＝Ｐ２」を満足させようとする上では、係数αに含まれるファクターのうち、液晶分子の配向姿勢や印加電圧など、液晶素子２自体に依存する内的なファクターだけを考慮すればよい。また、便宜上、複屈折Δｎ１，Δｎ２の正負の符号は無視しているが、必要に応じてその正負については明示することとする。
【００２３】
上記のように、液晶素子２で生じる位相差Ｐ１と、位相差補償素子６で生じる位相差Ｐ２とをその絶対値に関してできるだけ等しくすること、換言すればそれぞれのレターデーションＲ１，Ｒ２をできるだけ一致させることが本発明の目的を達成するうえで効果的であることが分かる。しかし、液晶素子２にはＴＮモードやＥＣＢ（Electrically Controlled Birefringence)モードなど、様々な液晶モードのものがあり、また位相差補償素子６にも、その内部の結晶光学的な構造により、ネガティブレターダー以外にもａ−ｐｌａｔｅ，ｏ−ｐｌａｔｅといった一軸性の構造やその積層体など、様々な構造のものがある。したがって、上記のように「Ｒ１＝Ｒ２」をできるだけ満足させるには、これらのことを考慮しつつ、位相差補償膜８のレターデーションＲ２を決めているパラメータ（ｄ２，Δｎ２）を調節する必要がある。以下、ＴＮ液晶とＥＣＢ液晶を例にしてこれらのパラメータを決定する手法について説明する。
【００２４】
以下の説明で重要なことは、液晶層５の正の複屈折Δｎ１と、位相差補償膜８の負の複屈折Δｎ２がそれぞれ固有の波長依存性をもつことである。前述のように、位相差Ｐ１，Ｐ２を一致させるにはそれぞれのレターデーションＲ１，Ｒ２の絶対値を合わせておくことが必要であるが、これらのレターデーションの一要素である複屈折Δｎ１，Δｎ２に波長依存性がない場合や、波長依存性をほぼ同一にすることができるのであれば、位相差補償膜８のレターデーションＲ２を決定するときに、入射角θと同様に波長のファクターを外的要因として無視して差し支えないが、複屈折Δｎ１，Δｎ２には個別の波長依存性がある。
【００２５】
ここで、一般的な液晶層５のレターデーションＲ１（＝ｄ１Δｎ１）と位相差補償膜８のレターデーションＲ２（＝ｄ２Δｎ２）との波長依存性を各々の絶対値によりグラフ化すると、模式的に図３のように表される。図示のように、液晶層５のレターデーションＲ１は、可視光領域では短波長側で大きくなり、長波長となるにしたがってゆるやかに減少する特性を示す。一方、位相差補償膜８のレターデーションＲ２は薄膜Ｌ１，Ｌ２の各々の屈折率と厚みｄ２で決まる。そして、薄膜形成材料として最も広く用いられているＴｉＯ2 膜とＳｉＯ2 膜により薄膜Ｌ１，Ｌ２を構成した場合には、同図に破線で示すように、液晶層５のレターデーションＲ１と同様に短波長側で大きく長波長側で小さくなるものの、短波長側でその傾きが急になることが多い。それぞれの厚みｄ１，ｄ２は波長とは無関係の物理量であるから、この波長依存性は複屈折Δｎ１，Δｎ２によるものである。
【００２６】
図３に示すグラフは、可視光領域において、液晶層５がもつ特定のレターデーションＲ１に対し、特定の複屈折Δｎ２をもつ位相差補償膜８のレターデーションＲ２をできるだけ近づけるように厚みｄ２を調節し、各々のレターデーションＲ１，Ｒ２の特性曲線で挟まれる面積が最も小さくなるようにしたものである。各々の特性曲線の傾きの度合いによって種々の場合が想定されるものの、一般的には各々の絶対値の特性曲線を可視光領域の少なくとも一点で交差するように調整するのがよい。
【００２７】
このような調整は、液晶層５のレターデーションＲ１を既定のものとすれば、位相差補償膜８のトータルの厚みｄ２を調節してレターデーションＲ２の特性曲線を上下方向にシフトさせることによって対応が可能である。詳しくは後述するように、位相差補償膜８を構成する薄膜Ｌ１，Ｌ２の屈折率及び個々の膜厚によって複屈折Δｎ２が決まり、これが波長依存性、すなわち特性曲線の傾きを決定する要因となっているから、厚みｄ２を変えるにあたっては、薄膜Ｌ１，Ｌ２の個々の膜厚をそれぞれ一定に保ちながら、これらの繰り返し積層数を増減することになる。
【００２８】
また、位相差補償膜８の複屈折Δｎ２は、薄膜Ｌ１，Ｌ２の屈折率及び個々の膜厚を変えることによって変化する。例えば図４に示すレターデーションＲA ，ＲB は、総厚みｄ２は一定であるが、複屈折Δｎ２が異なる２種類の位相差補償膜８の波長依存性を示すものである。レターデーションＲA は、先のレターデーションＲ２よりも短波長側での傾きが緩やかであり、レターデーションＲB はさらに緩やかになっている。このようなレターデーションＲA ，ＲB については、位相差補償膜８の総厚みｄ２を増やしてやればさらに液晶層５のレタデーションＲ１に近づけることが可能となるが、そのためには薄膜Ｌ１，Ｌ２の繰り返し積層数を増やすことが必要となる。
【００２９】
ところで、単板式液晶プロジェクタでは、液晶素子２の画素ごとに所定の基本色光で照明を与えなくてはならない。したがって、各々の画素ごとに基本色光の波長域に応じて最も適切なレターデーションをもつ位相差補償膜を適用すればよいが、そのためには位相差補償膜の製造がきわめて煩雑化し、製造コストがかなり高くなる。また、時間分割方式では同一の液晶層で三つの基本色光を変調する必要がある。そこで、本発明では基本色光の種類によらず、１枚の液晶素子に対して共通の位相差補償素子を用いながらも、各色光とも良好な位相差補償機能が得られるように工夫してある。
【００３０】
さらに本発明を実施するうえでは、液晶モードの種類についても考慮しておく必要がある。例えば液晶素子２としてＥＣＢ液晶を用いることを想定すると、ＥＣＢ液晶は、電圧を印加していない状態で液晶層内の棒状の液晶分子のほとんどが基板に対して垂直配向となっており、結晶光学的には正のｃ−ｐｌａｔｅである。そして、電圧を印加していないときに黒レベル表示となるように偏光子と検光子とをクロスニコル配置して用いるのが通常であるから、入射光Ｓ１に対して液晶層５の厚みｄ１内の全域で光学異方性が現れるようになる。
【００３１】
一方、高屈折率層と低屈折率層とからなる薄膜Ｌ１，Ｌ２を交互に積層した位相差補償膜８は、負ではあるがＥＣＢ液晶と同様のｃ−ｐｌａｔｅとして作用するから、液晶層５で生じる位相差Ｐ１（＝αｄ１Δｎ１）中の係数αは「１」とみなして差し支えない。したがって、基本的には「ｄ１Δｎ１＝ｄ２Δｎ２」、すなわち液晶層５のレターデーションＲ１と位相差補償膜８のレターデーションＲ２とをできるだけ一致させることを基準にパラメータの設定をすればよい。
【００３２】
これに対し、ＴＮ液晶では、黒レベル表示を行うときに電圧を印加して基板間に充填された棒状の液晶分子を垂直配向させることになるが、基板近くでは液晶分子が垂直配向姿勢にならない。印加電圧を高くすれば垂直配向となる液晶分子が多くなるものの、黒レベル表示に際して垂直配向姿勢となる液晶分子の割合は厚みｄ１に対して６０％〜９５％、あるいは６５％〜８０％程度が一般である。このため、厚みｄ１の液晶層５で生じる位相差Ｐ１は「ｄ１Δｎ１」よりも小さくなるから、位相差補償膜８の設計時にはこれを考慮してパラメータの設定を行い、簡易的には先の係数αを０．７にして「０．７×ｄ１Δｎ１＝ｄ２Δｎ２」が満足されるような位相差補償膜を用いればよい。この場合、係数αの値は厳密に０．７でなくてもよく、０．６〜０．９５、好ましくは０．６５〜０．８の範囲であればよい。なお、同様の傾向はＯＣＢモード液晶やＳＮＴモード液晶でも見られる。
【００３３】
本発明では、上述した位相差補償膜８は耐久性に優れた無機材料で構成され、その具体的一例として高屈折率薄膜層と低屈折率薄膜層とを交互に積層した位相差補償膜が用いられる。このような位相差補償膜がもつ複屈折の波長依存性についてさらに考察する。
【００３４】
青色光，緑色光，赤色光の基準波長を４５０ｎｍ，５５０ｎｍ，６５０ｎｍ、各々の基準波長における位相差補償膜の複屈折をΔｎ２(450) ，Δｎ２(550) ，Δｎ２(650) とし、複屈折Δｎ２の波長依存性Ｕ２を
Ｕ２＝｛Δｎ２(450) −Δｎ２(650) ｝／Δｎ２(550)
と定義すると、無機材料からなる位相差補償膜では波長依存性Ｕ２が１．１０〜１．５０の範囲となる。同様に、液晶層の複屈折Δｎ１の波長依存性Ｕ１を
Ｕ１＝｛Δｎ１(450) −Δｎ１(650) ｝／Δｎ１(550)
と定義すると、波長依存性Ｕ１は一般に１．０５〜１．２０の範囲となる。
【００３５】
そして、可視光全域にわたってＵ１＝Ｕ２が満足されることが理想であるが、液晶層を構成している液晶分子は実用面から種類が限られ、したがってその複屈折Δｎ１の波長依存性Ｕ１は大きく変えることができない物性値となっている。そこで、位相差補償膜の複屈折Δｎ２の波長依存性Ｕ２を波長依存性Ｕ１に近づける設計が行われるが、波長依存性Ｕ２は高屈折率薄膜層及び低屈折率薄膜層に用いられている薄膜層の物性値によるものであり、また波長に関する位相差補償の成立条件は、厚みｄ２の選択による。
【００３６】
以上のことから、まず位相差補償膜の波長依存性Ｕ２が液晶層の波長依存性Ｕ１にできるだけ近づくように、高屈折率薄膜層に用いる高屈折材料と、低屈折率薄膜層に用いる低屈折材料を選択する。ついで、全可視光領域を考慮のうえで位相差補償膜の全体の厚みｄ２を調節すればよい。なお、各々の波長依存性Ｕ１，Ｕ２がほぼ一致していれば、厚みｄ２を調節するだけで可視光域のほぼ全域にわたって良好な位相差補償作用が得られることになる。以上の考察を踏まえ、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００３７】
【発明の実施の形態】
図５に本発明を適用した単板式のカラー液晶プロジェクタの構成を概略的に示す。リフレクタ及びランプからなる光源１０からの白色の照明光は、集光光学系１１によりほぼ平行光となって偏光板１２に入射する。偏光板１２により直線偏光となった照明光は液晶素子１３に入射する。液晶素子１３はマトリクス状に配列された画素単位に青色光，緑色光，赤色光のいずれかの基本色光が割り当てられ、それぞれの基本色光ごとの画像データに基づいて透過濃度が制御される。詳しくは後述するように、液晶素子１３には個々の画素位置に対応してマイクロカラーフィルタが配列されているから、液晶素子１３からは画素単位でカラー及び強度変調された画像光が出射する。
【００３８】
液晶素子１３から出射した画像光は、前述のように液晶層の複屈折作用により正常光と異常光との間に位相差が生じ、楕円偏光を含んだものとなっているが、位相差補償素子１４によりその位相差補償が行われ、楕円偏光成分のほとんどが除去される。そして、入射側の偏光板１２に対して直交ニコル配置となった出射側の偏光板１５を経て画像光は投影レンズ１６によりスクリーン１７上に投影される。
【００３９】
上記液晶プロジェクタに用いられる液晶パネルの一例を図６に示す。この液晶パネルは、入射側の偏光板１２、液晶素子１３、位相差補償素子１４、出射側の偏光板１５を一体化したもので、入射側のガラス基板２０の入射面側に偏光板１２が設けられ、出射側のガラス基板２１の出射面側に図２に示すような薄膜Ｌ１，Ｌ２を交互に積層した位相差補償膜８、偏光板１５が設けられている。液晶素子１３は、これらのガラス基板２０，２１間で挟まれた部分に相当する。ガラス基板２０の出射面側にイオン注入方式で作成されたマイクロレンズ２３がマトリクス状に配列され、ほぼ平行に入射してくる白色の照明光を収斂させることによって、液晶素子の電極構造による開口率の低下を防いでいる。
【００４０】
ガラス基板２０の出射面側に、液晶素子のアクティブ側の電極構造部２４が紙面に対して垂直方向に延びたストライプ状に形成され、いわゆるブラックストライプとなる。電極構造部２４は遮光帯となるが、電極構造部２４の相互間には画素ごとに区画された透明電極が形成され、これが画素単位で液晶層に電圧を印加するアクティブ電極２５として機能する。電極構造部２４及びアクティブ電極２５を覆うように透明なオーバーコート膜２６が形成され、その平滑化された表面に配向膜２７が形成される。
【００４１】
他方のガラス基板２１の入射面側に、画素単位に区画されたマイクロカラーフィルタ３０、透明導電膜からなるコモン電極３１、配向膜３２が層設されている。そして、配向膜２７と配向膜３２との間に液晶分子を充填した液晶層３５が設けられている。マイクロカラーフィルタ３０は、青色光，緑色光，赤色光をそれぞれ透過する微小なカラーフィルタ部を対応するアクティブ電極２５と重なり合うようにマトリクス状に配列したもので、白色の照明光をカラー変調する。また、対応するアクティブ電極２５への印加電圧を制御することによって、液晶層３５を通過する照明光の強度変調が行われる。
【００４２】
【実施例】
「実施例１」
以下、位相差補償膜８の具体的な実施例について説明する。図７は、ＴＮ液晶に用いたネマティック液晶材料がもつ複屈折Δｎと、ＴＮ液晶のセル厚ｄ（図１における液晶層５の厚みｄ１に対応する）を４．５μｍにしたときの原初的なレターデーションｄΔｎとの波長依存性を示すもので、図示のとおりそれぞれの値は波長によって異なってくる。そして、前述のようにＴＮ液晶は黒レベル表示においてセル内の液晶分子の全てが垂直配向姿勢になるわけではないので、セル厚ｄの略７０％に相当する液晶層の部分が、補償すべき位相遅れを生じさせる実効的な要因として寄与しているものとし、これを実効レターデーションＲｅとして表すと同図のとおりである。
【００４３】
なお、この実施例の液晶素子には、メルク社の「ＺＬＩ−１０８３」（商品名）として知られるシアノシクロヘキサン系ネマティック液晶が用いられている。先のパーセンテージは、液晶層を構成している液晶分子の組成や種類、あるいは基板間への印加電圧レベルや液晶分子の配向姿勢分布に応じて適宜に変更すべきであり、必ずしも一律に７０％に限られるものではない。
【００４４】
このＴＮ液晶の実効レターデーションＲｅがもつ波長依存性に適合させるために、図８に示すように、高屈折率層にＴｉＯ2 膜、低屈折率層にＳｉＯ2 膜を用い、これらを交互に積層した位相差補償膜(1) を作製した。ＴｉＯ2 膜及びＳｉＯ2 膜は、その個々の物理的膜厚がそれぞれ２７．５ｎｍ，２２．５ｎｍ（物理的膜厚比が１１：９）で、各々４０層ずつ合計８０層積層され、合計の物理的膜厚は２μｍである。そして、同図に示すとおりＴｉＯ2 膜及びＳｉＯ2 膜の屈折率にも波長依存性がある。この位相差補償膜(1) の複屈折Δｎを測定したところ、同図に示すようにやはり波長依存性が認められた。
【００４５】
なお、物理的膜厚が２７．５ｎｍ，２２．５ｎｍのＴｉＯ2 膜，ＳｉＯ2 膜の光学膜厚は、屈折率が大きい４００ｎｍにおいてもそれぞれ７０．２ｎｍ，３３．３ｎｍでいずれもλ／５以下であり、青色光の基準波長４５０ｎｍや他の基本色光の基準波長においてもこの条件は満たされる。この条件が満たされることによって、λ／４の光学膜厚を基準にした従来の干渉薄膜とは異なり、これらの積層膜に本発明システムに必須である光学異方性をもたせることができる。また、個々の薄膜層の光学膜厚をλ／１００よりも薄くすると、各々の薄膜層の物理的膜厚は極端に薄いものになる。したがって、所望の総膜厚ｄを得るには各々の薄膜層の積層数が大幅に増え、製造効率が著しく劣化してしまうので実用的ではない。
【００４６】
ここで、上記構造をもつ位相差補償膜(1) の複屈折Δｎが、構造性複屈折の理論から予想される理論値とよく一致することを示す。一般に、屈折率ｎ1 ，ｎ2 、物理的膜厚がａ，ｂである薄膜を波長よりも十分に短いピッチａ＋ｂで交互に積層した位相差補償膜に対し、各層の積層面に電磁波が垂直に入射した場合には、電場が各層の平面に平行に振動する波（ＴＥ波）だけになるため、複屈折性を示さない。ところが、電磁波が各層の積層面に傾斜して入射した場合には、電場が各層に平行に振動する波（ＴＥ波成分）と、電場が各層に垂直に振動する波（ＴＭ波成分）とで有効屈折率ＮTE，ＮTMが異なり、それぞれ次式で表されることが知られている。
ＮTE＝√｛（ａｎ1 2＋ｂｎ2 2）／（ａ＋ｂ）｝
ＮTM＝√〔（ａ＋ｂ）／｛（ａ／ｎ1 2）＋（ｂ／ｎ2 2）｝〕
【００４７】
これらの有効屈折率ＮTE，ＮTMの相違が複屈折性を生じさせる要因であり、その複屈折Δｎは「Δｎ＝ＮTM−ＮTE」で与えられる。これらの式から求めた複屈折Δｎの理論値を図９に示す実測値と比較すると、両者がよく一致していることが了解できる。なお、図８のΔｎの欄に示す「ｋ＝０．５５」は、上式における「ａ／（ａ＋ｂ）＝ｋ」の値を表している。
【００４８】
この位相差補償膜(1) のレターデーションｄΔｎは、波長ごとの複屈折Δｎと、位相差補償膜の膜厚ｄ（＝２μｍ）との積であるから、同図に示すように波長ごとに異なってくる。なお、この図８からは、ＴｉＯ2 膜及びＳｉＯ2 膜の屈折率の波長依存性を比較したとき、複屈折Δｎの波長依存性に対する影響力は、ＳｉＯ2 膜よりもＴｉＯ2 膜の方が大きいということも読み取ることができる。
【００４９】
図９は、図７に示すＴＮ液晶のレターデーションｄΔｎ（□）及び実効レターデーションＲｅ（○）と、位相差補償膜(1) のレターデーションｄΔｎ（▲）とを波長ごとにプロットしたものである。同図によれば、可視光領域のほぼ中心のλ＝５５０ｎｍ付近で実効レターデーション（○）と位相差補償膜(1) のレターデーション（▲）とが一致していることが判る。なお、位相差補償素子のレターデーションと液晶層のレターデーションとがこのような波長特性をもつとき、これらを一致させる波長域としては、４５０ｎｍ〜６００ｎｍの範囲が好ましく、より好ましくは４８０ｎｍ〜５８０ｎｍである。また、長波長側に比較して短波長側で両者のズレが大きく位相差補償作用も劣ってくるが、短波長側では視感度も低くなることを考慮すれば、実用上あまり大きな影響はないとみなせる。なお、ＴｉＯ2 膜とＳｉＯ2 膜との積層数を減らすことによって、位相差補償膜(1) のレターデーション（▲）を下方にシフトさせることができるので、実効レターデーション（○）と位相差補償膜(1) のレターデーション（▲）との一致点を少し短波長側にずらして調整を図るようにしてもよい。
【００５０】
「実施例２」
図１０は、高屈折率層をＬｉＮｂＯ3 膜、低屈折率層をＳｉＯ2 膜で構成した位相差補償膜(2) の波長依存性を示す。この位相差補償膜(2) は、物理的膜厚が２７．５ｎｍのＬｉＮｂＯ3 膜と、物理的膜厚が２２．５ｎｍのＳｉＯ2 膜を交互に５１層ずつ積層したもので、全体の厚みｄは２．５５μｍである。高屈折率層であるＬｉＮｂＯ3 膜の屈折率が位相差補償膜(1) のＴｉＯ2 膜と比較して小さくＳｉＯ2 膜の屈折率との差も小さくなるので、複屈折Δｎの値自体は小さくなるが、波長依存性については改善されていることが判る。そのレターデーションの波長依存性は図１１に示すとおりで、長波長側ではかなりの一致性が見られ、短波長側でも改善が確認された。
【００５１】
「実施例３」
図１２は、高屈折率層をＬｉＮｂＯ3 膜、低屈折率層をＭｇＦ2 膜で構成した位相差補償膜(3) の波長ごとの特性値を示す数表で、図１３は先の実施例と同様にレターデーションの値を波長ごとにプロットしたものである。各層の物理的膜厚及び積層数は位相差補償膜(1) と同様で、全体の膜厚は２μｍである。図１１に見られるように、位相差補償膜(2) とほぼ同程度の位相差補償作用を得ることができる。
【００５２】
以上の実施例から、高屈折率層の屈折率と低屈折率層の屈折率との差が大きいほど複屈折Δｎが大きくなり、所望のレターデーションを得るための合計膜厚が小さくて済むことが判る。このため、各層の物理的膜厚をそれぞれ一定にして積層する場合には、その積層数を減らして製造効率を高めるうえで有利となる。ただし、高屈折率層に用いる薄膜の屈折率をできるだけ高くしようとすると、その波長依存性も顕著になりやすい。この場合、低屈折率材料として波長依存性の少ないものを用いたとしても、両者の屈折率の差が波長ごとに異なってくる結果となるため、複屈折Δｎの波長依存性は改善しにくくなる。
【００５３】
「実施例４」
上記位相差補償膜(1) 〜(3) は、ＴＮ液晶とともに用いられるものの実施例であるが、次に液晶素子としてＥＣＢ液晶が用いられる場合の実施例について説明する。ＥＣＢ液晶は図１４に示す物性をもち、セル厚を４．５μｍとすれば、複屈折Δｎの波長依存性により、レターデーションｄΔｎにも波長依存性が現れる。前述のように、ＥＣＢ液晶では液晶素子の波長ごとのレターデーションｄΔｎがそのまま位相差を発現させる要因になるから、これを踏まえて位相差補償膜のレターデーションを調節すればよい。
【００５４】
図１５に、このＥＣＢ液晶用の位相差補償膜(4) の設計例を示す。高屈折率層としてＬｉＮｂＯ3 膜、低屈折率層としてＳｉＯ2 膜を用い、それぞれの物理的膜厚を３３．０ｎｍ，２７．０ｎｍ（ｋ＝０．５５）とした。それぞれの積層数は６０層ずつで、合計膜厚ｄは３．６μｍである。この位相差補償膜(4) のレターデーション▲と、ＥＣＢ液晶のレターデーション□とを波長ごとにプロットすると、図１６のとおりである。このグラフからわかるように、やはり短波長では位相差補償が過補償となる傾向を示すが、長波長側ではほぼ満足できる位相差補償作用が得られる。短波長側で視感度が低くなることを考慮すれば、十分に実用できる。
【００５５】
「実施例５」
図１７はＥＣＢ液晶用の位相差補償膜(5) の構成例を示す図表で、高屈折率層としてＬｉＮｂＯ3 膜、低屈折率層としてＳｉＯ2 膜を用いたものである。それぞれの物理的膜厚は２７．５ｎｍ、２２．５ｎｍ（ｋ＝０．５５）であり、それぞれの積層数は５６層ずつで合計膜厚ｄは２．８μｍとなっている。図１８に見られるように、ＥＣＢ液晶のレターデーション□と位相差補償膜(5) のレターデーション▲とはかなりの一致性を示し、位相差補償作用は長波長側では若干の補償不足、短波長側では若干の過補償がみられるものの、実用的には問題のないレベルとなっている。
【００５６】
「実施例６，７」
ＥＣＢ液晶とともに用いることができるそのほかの位相差補償膜(6) ，(7) の構成及び物性値を図１９、図２１に、そしてそのレターデーション特性をそれぞれ図２０、図２２に示す。位相差補償膜(6) は、高屈折率層に物理的膜厚３３ｎｍのＹ2 Ｏ3 膜、低屈折率層に物理的膜厚２７ｎｍのＳｉＯ2 膜を用いたもので、各々の積層数は１４５層ずつで合計膜厚ｄは８．７μｍである。位相差補償膜(7) は、高屈折率層に物理的膜厚２７．５ｎｍのＹ2 Ｏ3 膜、低屈折率層に物理的膜厚２２．５ｎｍのＭｇＦ2 膜を用いたもので、各々の積層数は２６６層ずつで合計膜厚ｄは１３．３μｍである。これらの位相差補償膜(6) ，(7) は、図２０及び図２２に見られるように、いずれもＥＣＢ液晶のレターデーションによく合致したレターデーション特性をもち、非常に良好な位相差補償作用を得ることができる。
【００５７】
ただし、これらの位相差補償膜(6) ，(7) は複屈折Δｎの値が小さいため、所望のレターデーションｄΔｎを得るには全体の膜厚ｄを大きくする必要がある。したがって、個々の光学膜厚を波長の１００分の１以上５分の１以下の範囲に抑えながら合計膜厚ｄを得るには積層数を増やさなくてはならず、製造効率のうえでは不利にならざるを得ない。
【００５８】
上記位相差補償膜(1) 〜(7) を含め、本発明は図２３に示す構造の単板式カラー液晶プロジェクタにも等しく用いることができる。この液晶プロジェクタでは、光源１０からの白色の照明光を集光光学系１１でほぼ平行光にした後、光学系の光軸に関して異なった角度で傾けられたダイクロイックミラー３６Ｂ，３６Ｇ，３６Ｒに入射させる。ダイクロイックミラー３６Ｂは青色光のみ反射して他の色光を透過させ、ダイクロイックミラー３６Ｇは緑色光のみ反射して他の色光を透過させる。ダイクロイックミラー３６Ｒは残りの赤色光を反射する。
【００５９】
液晶素子３８の入射面側にマイクロレンズアレイ３７が設けられ、その裏面には偏光板１２が形成されている。マイクロレンズアレイ３７は、液晶素子３８の画素配列に対応して微小な凸レンズをマトリクス状に配列したもので、それぞれ異なった角度で入射してくる色光は液晶素子３８の所定の画素位置に向かってそれぞれ収斂される。液晶素子の各々の画素は入射してくる色光を強度変調して出射させるから、投影レンズ１６でこれらを合成してスクリーン１７に投影することによって、フルカラーの画像表示が行われる。なお、偏光板１２、位相差補償素子１４、偏光板１５の作用は図６に示す液晶プロジェクタと同様である。
【００６０】
図２４は上記液晶プロジェクタに用いられる液晶パネルを概略的に示すもので、マイクロレンズアレイ３７、液晶素子３８、位相差補償素子１４として機能する位相差補償膜８、偏光板１５を一体的にまとめた構造となっている。一方のガラス基板４０の入射面側に、偏光板１２を形成したマイクロレンズアレイ３７が重ね合わされている。ガラス基板４０の出射面側には、コモン電極３１，配向膜２７が形成されている。他方のガラス基板４１の入射面側には、画素単位で区画された透明なアクティブ電極２５Ｂ，２５Ｇ，２５Ｒと遮光性のブラックストライプ２５Ｘとからなる電極層４２が形成され、さらにブラックストライプ２５Ｘと重なるように電極構造部２４が設けられる。電極構造部２４を覆うようにオーバーコート膜２６が形成され、その平滑化された表面に配向膜３２が形成されている。
【００６１】
異なる角度をもってマイクロレンズ３７ａに入射してきた各々の色光は、それぞれ対応するアクティブ電極２５Ｂ，２５Ｇ，２５Ｒで画素ごとに駆動される液晶層３５を通って出射するから、各々のアクティブ電極２５Ｂ，２５Ｇ，２５Ｒに印加する電圧を制御することよって、各色光を強度変調することができる。こうして出射した各色光は、位相差補償膜８を経て偏光板１５に入射するから、図５及び図６に示す液晶プロジェクタと全く同様に位相差補償作用が得られるようになる。
【００６２】
本発明は、さらに図２５に示すように反射型液晶素子を用いた単板式のカラー液晶プロジェクタにも適用が可能である。光源１０からの白色の照明光は、集光光学系１１でほぼ平行光となってミラー４４に入射し、偏光膜４５ａが斜設された偏光ビームスプリッタ４５へと反射される。偏光膜４５ａにより、ｓ偏光成分が直線偏光となって反射され、位相差補償素子１４を経て反射型の液晶素子４８に入射する。
【００６３】
ここで用いられている反射型の液晶素子４８は概略的に図２６に示す構造となっている。ガラス基板５０の表面側に、位相差補償素子１４として機能する位相差補償膜８が形成されている。ガラス基板５０の裏面側には、図６の液晶素子に用いられているものと同様に、青色光，緑色光，赤色光をそれぞれ透過する微小なカラーフィルタ部をマトリクス状に配列したマイクロカラーフィルタ３０が形成されている。このマイクロカラーフィルタ３０を覆うように透明導電膜からなるコモン電極３１が設けられ、さらにこれを覆うように配向膜２７が形成されている。
【００６４】
他方のガラス基板５１には、アルミニウム蒸着などにより反射膜５２が形成され、その上に電極構造部２４、透明なアクティブ電極２５、オーバーコート膜２６、配向膜３２が形成されている。そして、配向膜２７と配向膜３２との間にＴＮ液晶からなる液晶層３５が設けられ、画素ごとに区画されているアクティブ電極２５に電圧を印加したとき、その電圧レベルに応じて液晶層３５は画素ごとに光の透過濃度を変える。
【００６５】
ビームスプリッタ４５の偏光膜４５ａによって直線偏光となった白色の照明光は、位相差補償膜８を通ってマイクロカラーフィルタ３０によりカラー変調された後に、液晶層３５に入射する。液晶層３５は、アクティブ電極２５によって画素ごとに駆動され、その透過濃度がアクティブ電極２５への印加電圧に応じて制御される。これにより光の強度変調が行われる。
【００６６】
透明なアクティブ電極２５を透過した画素ごとの画像光は反射膜５２で反射され、再び液晶層３５，カラーマイクロフィルタ３０を通って位相差補償膜８を通過する。このように、画像光となって出射する光は液晶層３５を二度通過するため、正常光と異常光との間に生じる位相差は２倍になる。ところが、上記のように光は位相差補償膜８も二度通過することになるから、位相差補償膜８のレターデーションｄΔｎは、液晶層３５のセル厚に基づいて決めればよい。もちろん、この例のように液晶層３５がＴＮ液晶で構成されている場合には、先の係数αについても考慮が必要となる。
【００６７】
こうして位相差補償膜８から出射した光は直線偏光光となっており、再びビームスプリッタ４５に入射する。この直線偏光光は、偏光膜４５ａに対してはｐ偏光成分となっているから、偏光膜４５ａを透過して投影レンズ１６に入射するようになり、スクリーン１７上にフルカラーの画像を投影することができる。なお、入射した光が液晶層３５及びマイクロカラーフィルタ３０を二度通過することになるため、これを考慮してマイクロカラーフィルタ３０の基本色光ごとの透過率や、アクティブ電極２５への印加電圧が調節される。
【００６８】
以下、図２６に示すような反射型のカラー液晶素子に好適な位相差補償膜８の具体的な実施例について、図２７〜図３５に基づいて説明する。液晶層にはＴＮ液晶が用いられ、そのセル厚ｄ（図２６における液晶層３５の厚み）は２．０μｍである。図２７はこのＴＮ液晶の物性値を示すもので、図７のＴＮ液晶と同様の複屈折Δｎを有し、さらにセル厚ｄによりその原初的なレターデーションｄΔｎ及び実効レターデーションＲｅが決まる。
【００６９】
「実施例８」
図２８に、上述した反射型の液晶素子に好適な位相差補償膜(8) の構成及びその物性値を示す。位相差補償膜(8) は、高屈折率層に高屈折率層にＴｉＯ2 膜、低屈折率層にＳｉＯ2 膜が用いられている。各々の物理的膜厚は、ＴｉＯ2 膜が２７．５ｎｍ、ＳｉＯ2 膜が２２．５ｎｍ（ｋ＝０．５５）であり、これらを１８層ずつ交互に積層して合計の物理的膜厚ｄを０．９μｍにしてある。これにより、図２８に示すレターデーションｄΔｎが得られる。そして、その波長依存性は図２９のグラフに示すとおりで、可視光領域のほぼ中間でＴＮ液晶の実効レターデーション○と、位相差補償膜(8) のレターデーション▲とが合致している。先の位相差補償膜(1) と同様、短波長側では位相差が過補償になるものの、可視光領域では実用上ほぼ満足し得る位相差補償作用が得られる。
【００７０】
「実施例９」
図３０に示す位相差補償膜(9) は、高屈折率層に高屈折率層にＬｉＮｂＯ3 膜、低屈折率層にＳｉＯ2 膜が用いられている。物理的膜厚は、ＬｉＮｂＯ3 膜が２２．０ｎｍ、ＳｉＯ2 膜が１８．０ｎｍ（ｋ＝０．５５）であり、これらを２８層ずつ交互に積層して合計の物理的膜厚ｄを１．１２μｍにしてある。これにより、図３０に示すレターデーションｄΔｎが得られる。そして、その波長依存性は図３１のグラフに示すとおりで、波長５００ｎｍ付近でＴＮ液晶の実効レターデーション○と、位相差補償膜(9) のレターデーション▲とが合致し、可視光領域ではかなり良好な位相差補償作用が得られる。
【００７１】
「実施例１０」
図３２に示す位相差補償膜(10)は、高屈折率層に高屈折率層にＭｇＯ膜、低屈折率層にＭｇＦ2 膜が用いられている。物理的膜厚は、ＭｇＯ膜が２７．５ｎｍ、ＭｇＦ2 膜が２２．５ｎｍ（ｋ＝０．５５）であり、これらを８２層ずつ交互に積層して合計の物理的膜厚ｄを４．１μｍにしてある。これにより、図３２に示すレターデーションｄΔｎが得られる。そして、その波長依存性は図３３のグラフに示すとおりで、ＴＮ液晶の実効レターデーション○と、位相差補償膜(10)のレターデーション▲とは可視光領域の全域にわたってほぼ合致し、良好な位相差補償作用が得られる。
【００７２】
「実施例１１」
図３４に示す位相差補償膜(11)は、高屈折率層に高屈折率層にＹ2 Ｏ3 膜、低屈折率層にＭｇＦ2 膜が用いられている。物理的膜厚は、Ｙ2 Ｏ3 膜が２７．５ｎｍ、ＭｇＦ2 膜が２２．５ｎｍ（ｋ＝０．５５）であり、これらを３７層ずつ交互に積層して合計の物理的膜厚ｄを１．８５μｍにしてある。これにより、図３４に示すレターデーションｄΔｎが得られる。そして、その波長依存性は図３５のグラフに示すとおりで、ＴＮ液晶の実効レターデーション○と、位相差補償膜(11)のレターデーション▲とは可視光領域の全域にわたってほぼ合致し、良好な位相差補償作用が得られる。
【００７３】
なお、反射型の液晶素子を用いた単板式のカラー液晶プロジェクタでは、液晶素子の反射膜５２で反射される前後の光軸が一致していないオフアクシス型のものもある。この場合には、入射光軸と出射光軸との双方に別々の偏光板（偏光膜）あるいは位相差補償膜を設けることも可能である。入射側と出射側との双方に位相差補償膜を設ける場合には、各々の位相差補償膜のレターデーションの和が液晶素子そのもののレターデーションの２倍になるように、位相差補償膜の個々の膜厚を調節すればよい。
【００７４】
以上のように、光の波長よりも微細な物理的構造をもつ無機材料製の位相差補償素子として、図２に示すように高屈折率の薄膜Ｌ１と低屈折率の薄膜Ｌ２とを交互に積層した位相差補償膜を用いれば、液晶素子のレターデーションがもつ波長依存性を考慮しつつ、薄膜Ｌ１，Ｌ２の個々の屈折率及び個々の膜厚の調節により複屈折Δｎ及びその波長依存性を決め、さらに可視光領域全域における両者のレターデーションの差が小さくなるように位相差補償膜の全体膜厚を決めることができる。したがって、液晶素子の種類やプロジェクタ光学系中での使用形態に応じた設計がしやすく、一種類の位相差補償膜を用いながらも、全体のバランスを加味しながら各基本色光に対して良好な位相差補償作用を得ることができるようになる。
【００７５】
上記の薄膜Ｌ１，Ｌ２は、真空蒸着やスパッタリングで容易に製造することができる。特に上記実施例のように、薄膜Ｌ１，Ｌ２を構成する高屈折材料と低屈折材料とをそれぞれ共通化し、また個々の膜厚も同じにしておけば、その製造工程が単純化される。例えば、成膜対象となる透明な基板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したり、あるいは基板を一定の速さで循環移動する基板ホルダに保持させ、基板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、自動化も可能である。また、高屈折率層及び低屈折率層を得るための無機材料には、上述した材料以外にも、ＺｒＯ2 、ＣｅＯ2 、ＳｎＯ2 、Ｔａ2 Ｏ5 、ＣａＦ2 、Ａｌ2 Ｏ3 など、公知の種々の蒸着材料を用いることができる。
【００７６】
以上に説明した位相差補償膜は、結晶光学的には一軸性の負のｃ−ｐｌａｔｅとして機能する構造性複屈折体であるが、無機材料からなる構造性複屈折体として、例えば図３６に示すものも本発明の位相差補償素子として用いることができる。この構造性複屈折体７０は、透明な支持体となるガラス基板６６の表面に、屈折率ｎA の透明な板状突起６７を格子状に配列したものである。
【００７７】
この構造性複屈折体７０の物理的構造を構成している板状突起６７の厚みＳ，高さｈ及び配列間隔は光の波長に対して充分に小さく、例えば板状突起６７の厚みｄに屈折率ｎA を乗じた光学膜厚が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７０ａは図示の方向となる。液晶プロジェクタに組み込むときには、上記構造が形成されているガラス基板６６の表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、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６７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の屈折率（＝１）と板状突起６７の屈折率ｎA とが交互に分布するようになる。
【００７８】
この構造性複屈折体７０の複屈折Δｎは、板状突起６７の厚みＳと、その相互間の間隔で決まり、レターデーションは板状突起６７の高さｈとの積ｈΔｎとなる。そして、板状突起６７の屈折率ｎA のもつ波長依存性により、複屈折Δｎも波長依存性を示すから、先の実施例と同様、板状突起６７の高さｈを調節してレターデーション特性を図４に示すグラフ上で上下方向にシフトさせ、可視光領域全体にわたって液晶素子のレターデーションと構造性複屈折体のレターデーションとの差がもっとも少なくなるように調節すればよい。
【００７９】
さらに、図３７に示すように、ガラス基板６６上に透明な板状突起７１を傾斜して配列した構造性複屈折体７２も用いることができる。この構造性複屈折体７２も負の一軸性複屈折体として作用し、上記構造が形成されたガラス基板６６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、ｏ−ｐｌａｔｅとして用いられる。この構造性複屈折体７２も、先の構造性複屈折体７０と同様に、板状突起７１の高さｈを調節することによって、図４のグラフ上でレターデーションを可視光領域全体にわたって上下方向にシフトさせることができる。
【００８０】
これらの構造性複屈折体７０，７２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ー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６７，７１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。
【００８１】
正のａ−ｐｌａｔｅは基板の面内に光学軸があるので、基板と垂直な方向に進む偏光に対して、偏光方向によって異なる位相差を引き起こす位相差板である。その特殊な例として、直線偏光に対して方位角４５°となるように配置され、レターデーションｄΔｎが波長の１／４となるａ−ｐｌａｔｅは、直線偏光を円偏光に変換する機能を示す。このようなａ−ｐｌａｔｅは、４分の１波長板として反射型の液晶素子との組み合わせで多用されている。図３８に正のａ−ｐｌａｔｅとして作用する構造性複屈折体の一例を示す。この構造性複屈折体７５は、ガラス基板６６の表面に所定の屈折率をもつ透明な誘電体による突状７４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７４の幅Ｗ及び突条７４の相互間隔、並びに高さｈは波長よりも十分に小さくしてある。
【００８２】
光学軸７５ａは図示のように格子構造と平行となる。液晶プロジェクタに組み込むときには、上記構造が形成されたガラス基板６６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。レターデーションは、突条７４の高さｈと、突条７４の屈折率及びその微細構造で決まる複屈折Δｎとの積となるから、可視光領域全体にわたって液晶素子のレターデーションと構造性複屈折体７５のレターデーションとの差がもっとも少なくなるように高さｈを調節すればよい。なお、高さｈが波長に対して大きくなると光学異方性が一軸からずれて二軸となる。さらに大きくなると負のａ−ｐｌａｔｅに近づく。また、突条７４による格子構造は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７４の相互間を埋めるように全体的に覆うようにしてもよい。
【００８３】
正の構造性複屈折体は、図３９，図４０，図４１に示すような形態でも得ることができる。図３９に示す構造性複屈折体７７は、ガラス基板６６の表面に所定の屈折率をもつ透明な誘電体からなる多数の突起７６を垂直に林立させたもので、突起７６のサイズや配列ピッチは光の波長に比して充分に小さく、結晶光学的には正のｃ−ｐｌａｔｅとなる。ガラス基板６６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、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体７７もフォトリソグラフィーで作成が可能であり、その光学軸７７ａはガラス基板６６の表面に垂直となる。そして、突起７６の高さｈを調節して、可視光領域全域にわたってレターデーションの調節を行うことができる。
【００８４】
図４０に示す構造性複屈折体８０は正のｏ−ｐｌａｔｅとして作用する。この構造性複屈折体８０は、ガラス基板６６の表面に所定の屈折率をもつ透明な突起８１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ー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８０ａは、図示のようにガラス基板６６の表面に対して傾斜し、突起８１の傾斜方向と平行になる。同様に、突起８１の高さｈを調節して可視光領域全域にわたってレターデーションを調節することができる。
【００８５】
正のｏ−ｐｌａｔｅを作成するにあたっては、図４１に示すように、ガラス基板６６の表面に対し、斜め方向から所定の屈折率をもつ一種類の誘電体を蒸着した誘電体層８４を形成することによっても得られる（米国特許第５６３８１９７号公報明細書（前掲特許文献１）参照）。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、ガラス基板６６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。この構造性複屈折体８３も、ガラス基板６６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、斜設した誘電体層８４がｏ−ｐｌａｔｅ複屈折体の光学異方性を示す。そして、誘電体層８４の高さｈを調節することによって、可視光領域の全域にわたってレターデーションの調節が可能である。
【００８６】
以上、図示した実施形態に基づいて本発明について述べてきたが、液晶素子で生じた位相差の補償のために、上述した構造性複屈折体を組み合わせて使用することも可能で、例えば正の構造性複屈折体と負の構造性複屈折体とを組み合わせて使用することによって、より精密な位相差補償を行うことも可能である。また、本発明を適用し得る液晶素子としても、上述したＴＮ液晶モードやＥＣＢ液晶モードのものだけでなく、ＶＡ（Vertically Aligned）、ＯＣＢ（Optically Compensated Birefringence ）、ＦＬＣ（Ferroelectric Liquid Crystal）などの各種の動作モードのものであってもよい。
【００８７】
さらに、蒸着やスパッタリングによる薄膜層からなる位相差補償膜を作成するにあたっては、その支持体となる基板を、照明光学系あるいは投影光学系を構成するレンズなどの光学部品や、液晶素子の構成部品であるガラス基板などの光学部品に接合したり、これらの光学部品そのものを薄膜層の支持体に兼用させることも可能である。このような工夫により部品点数を減少させ、位置合わせや角度調整を要する箇所を減らすことができる。
【００８８】
液晶素子の基板上に位相差補償膜を形成する場合には、液晶素子の外面あるいは内面のいずれに設けることも可能であるが、素子の内面に設ける方が空気との界面の数を減らすことができ、表面反射による画像の劣化や光量ロスを減らすことができる。なお、液晶素子の基板には、画素ごとに信号電圧が印加されるアクティブ側基板と、コモン側電極として利用される対向基板とがあるが、光学的にはそのいずれに位相差補償膜を形成してもよい。また、必要に応じて位相差補償膜の片面または両面に反射防止処理を行うことが望ましい。特に、薄膜層を積層した位相差補償素子の場合には、その作成工程中に干渉薄膜による反射防止処理を施すことができるので、製造効率がよい。
【００８９】
薄膜層を積層した位相差補償膜を作成するにあたっては、各層の物理的膜厚比は必ずしも１１：９（ｋ＝０．５５）に限られず例えば１：１であってもよく、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。さらに、上述してきた各種の構造性複屈折体に対して、位相差補償作用を有するとともに特に耐久性に問題のないポリマーフイルムを基材とする位相差補償シートを組み合わせることもまた、本発明の実施形態に含まれる。
【００９０】
【発明の効果】
以上に述べたとおり、本発明の位相差補償素子は微細な物理的構造をもつ無機材料からなる構造性複屈折体で構成されるため、その耐久性を著しく向上させることができるだけでなく、高価な結晶体を用いる必要がないので製造コストを低くすることができる。また、構造性複屈折体の複屈折Δｎは一般に波長依存性を伴い、必ずしも液晶素子の複屈折の波長依存性とは一致しないが、構造性複屈折体のレターデーションは、全体の厚みｄを変えることによって可視光領域の全体にわたって調節することができる。したがって、液晶素子のレターデーションがもつ波長特性に対し、構造性複屈折体がもつレターデーションの波長特性を可視光領域の少なくとも一点で一致するように調節することにより、一種類の構造性複屈折体を用いながらも、フルカラーの画像表示に必要な３種類の基本色光についてバランスのよい位相差補償作用を得ることが可能となり、単板式カラー液晶プロジェクタの投影画像のコントラストを向上させ、黒レベルを表示したときの色ムラも改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】位相差補償作用を説明する概念図である。
【図２】位相差補償膜の概念図である。
【図３】レターデーションの波長依存性を示すグラフである。
【図４】構造性複屈折体のレターデーションの波長依存性を示すグラフである。
【図５】単板式のカラー液晶プロジェクタの構造を示す概念図である。
【図６】透過型のカラー液晶素子の要部概略断面図である。
【図７】ＴＮ液晶のレターデーションの波長依存性を示す図表である。
【図８】位相差補償膜(1) の波長依存性を示す図表である。
【図９】ＴＮ液晶と位相差補償膜(1) のレターデーション特性を示すグラフである。
【図１０】位相差補償膜(2) の波長依存性を示す図表である。
【図１１】位相差補償膜(2) のレターデーション特性を示すグラフである。
【図１２】位相差補償膜(3) の波長依存性を示す図表である。
【図１３】位相差補償膜(3) のレターデーション特性を示すグラフである。
【図１４】ＥＣＢ液晶のレターデーションの波長依存性を示す図表である。
【図１５】位相差補償膜(4) の波長依存性を示す図表である。
【図１６】ＥＣＢ液晶と位相差補償膜(4) のレターデーション特性を示すグラフである。
【図１７】位相差補償膜(5) の波長依存性を示す図表である。
【図１８】位相差補償膜(5) のレターデーション特性を示すグラフである。
【図１９】位相差補償膜(6) の波長依存性を示す図表である。
【図２０】位相差補償膜(6) のレターデーション特性を示すグラフである。
【図２１】位相差補償膜(7) の波長依存性を示す図表である。
【図２２】位相差補償膜(7) のレターデーション特性を示すグラフである。
【図２３】単板式カラー液晶プロジェクタの他の例を示す概念図である。
【図２４】透過型カラー液晶素子の他の例を示す要部概略断面図である。
【図２５】単板式カラー液晶プロジェクタのさらに別の例を示す概念図である。
【図２６】反射型のカラー液晶素子の一例を示す要部概略断面図である。
【図２７】反射型のカラー液晶素子に用いられているＴＮ液晶のレターデーションの波長依存性を示す図表である。
【図２８】位相差補償膜(8) の波長依存性を示す図表である。
【図２９】位相差補償膜(8) のレターデーション特性を示すグラフである。
【図３０】位相差補償膜(9) の波長依存性を示す図表である。
【図３１】位相差補償膜(9) のレターデーション特性を示すグラフである。
【図３２】位相差補償膜(10)の波長依存性を示す図表である。
【図３３】位相差補償膜(10)のレターデーション特性を示すグラフである。
【図３４】位相差補償膜 (11) の波長依存性を示す図表である。
【図３５】位相差補償膜 (11) のレターデーション特性を示すグラフである。
【図３６】構造性複屈折体の他の例を示す概念図である。
【図３７】構造性複屈折体の別の例を示す概念図である。
【図３８】構造性複屈折体のさらに他の例を示す概念図である。
【図３９】構造性複屈折体のさらに別の例を示す概念図である。
【図４０】構造性複屈折体のさらに別の例を示す概念図である。
【図４１】構造性複屈折体のさらに別の例を示す概念図である。
【符号の説明】
２ 液晶素子
５ 液晶層
６ 位相差補償素子
８ 位相差補償膜
１０ 光源
１２ 偏光板
１３ 液晶素子
１４ 位相差補償素子
１５ 偏光板
３０ マイクロカラーフィルタ
３５ 液晶層
３６Ｂ，３６Ｇ，３６Ｒ ダイクロイックミラー
３７ マイクロレンズアレイ
３８ 液晶素子
４２ 電極層
４５ ビームスプリッタ
４５ａ 偏光膜
４８ 反射型カラー液晶素子
５２ 反射膜
７０，７２，７５，７７，８０，８３ 構造性複屈折体
【発明の属する技術分野】
本発明は、フルカラーでの画像表示が可能な単板式の液晶プロジェクタに好適な位相差補償素子及びこれを用いた単板式カラー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】
液晶プロジェクタには、青色光，緑色光，赤色光の各々の基本色光ごとにパネル状の液晶素子を用いた三板式のもののほかに単板式のものがある。単板式のカラー液晶プロジェクタで使用される液晶素子は、空間分割方式または時間分割方式によって弁別した青色光，緑色光，赤色光を、マトリクス状に配列された画素を画像データで駆動することで変調する。空間分割方式は、画素ごとに基本色光を照明するものであるが、そのために、液晶素子にマイクロカラーフィルタを組み込んだり、あるいは３種類の基本色光を照明角度を変えて同時に液晶素子に入射させ、液晶素子に組み込まれたマイクロレンズの作用によりそれぞれの基本色光を対応する画素上に導くものなどがある。時間分割方式では、液晶素子を青色光，緑色光，赤色光で順次照明し、液晶素子をそれぞれのタイミングで相当する画像データで駆動し、スクリーン上で合成される。いずれにせよスクリーン上にはフルカラーの画像が合成して投影されるようになっている。
【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結晶性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ず、しかも光学系中に組み込むときの調整も面倒であり、一般普及型の液晶プロジェクタに適用することはコスト面での不利が大きい。
【００１２】
この点、特許文献１や非特許文献１で知られるように、微細な物理的構造によって光学異方性を発現させる構造性複屈折体を位相差補償素子として利用するのが有利である。ところが、構造性複屈折体の示す光学異方性には少なからず波長依存性がある。したがって、非特許文献１に記載された計器類の表示光のように、特定の狭い波長域に属する光に対しては効果的な位相差補償機能が期待できるものの、フルカラーでの画像投影を行う単板式カラー液晶プロジェクタにそのまま適用したのでは、位相差補償効果にも波長依存性が現れてしまう。そして、例えばスクリーン上に黒レベル表示を行ったときには、黒の輝度が上昇してコントラストが低下するだけでなく、低輝度領域のカラーバランスがくずれて黒が着色するという問題も生じてくる。
【００１３】
本発明は上記背景を考慮してなされたもので、単板式カラー液晶プロジェクタの液晶素子と組み合わせて用いられる位相差補償素子の耐久性を向上させるとともにそのローコスト化を図り、かつ位相差補償効果の波長依存性を改善して画像のコントラスト及びカラーバランスを向上させることを目的とし、さらにこのような位相差補償素子を用いた単板式カラー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】
本発明は上記目的を達成するために、液晶素子を通過する光線が複屈折することによって生じる位相差を構造性複屈折体を用いて補償するものであり、しかも構造性複屈折体のもつ複屈折率と光軸方向の厚みとの積で決まるレターデーションの絶対値を、液晶層がもつレターデーションの絶対値と可視光領域の少なくとも一点で一致させるようにしたものである。構造性複屈折体は、光の波長よりも微細な物理的構造によって光学異方性を発現するもので、その好適な一例として、高屈折率層と低屈折率層とを交互に積層した位相差補償膜が挙げられる。
【００１５】
位相差補償素子として上記のような位相差補償膜を用いる場合、光の波長よりも微細な物理的構造を得るために、可視光領域中の最も短波長側の青色光の基準波長に対し、各層の光学膜厚を１００分の１以上５分の１以下の範囲にすることが必要となる。構造性複屈折体として上記位相差補償膜を用いる際には、交互に積層される高屈折率層と低屈折率層とをそれぞれ一種類ずつの高屈折材料，低屈折材料で構成することが製造効率を向上させ、製造コストを下げるうえで有利である。さらに、このような構造性複屈折体からなる位相差補償素子を液晶素子と組み合わせて使用した単板式のカラー液晶プロジェクタもまた、本発明に含まれるものである。
【００１６】
本発明に用いられる位相差補償素子の基本的な作用は概念的に次のとおりである。図１において、液晶素子２は内面側にそれぞれ配向膜を形成した透明なベース基板３ｂと対向基板３ａとの間に、液晶分子からなる液晶層５を封入した構造となっている。それぞれの基板３ａ，３ｂには画素ごとに液晶層５を駆動するためのマトリクス電極やコモン電極，透明導電膜なども設けられているが、図示は省略してある。液晶素子２の前段には偏光子が配置してあり、入射光Ｓ１は直線偏光となって液晶素子２に入射する。
【００１７】
周知のように、棒状の液晶分子の集合体からなる液晶層５はポジティブレターダーとして作用する。このため、入射光Ｓ１は正常光成分Ｓｏと異常光成分Ｓｅとなって液晶層５を通過する間に、異常光成分Ｓｅが正常光成分Ｓｏに対して位相遅れを生じる。この位相差Ｐ１は、液晶層５を構成している液晶分子固有の光学異方性に依存した複屈折Δｎ１と液晶層５の厚みｄ１との積「ｄ１Δｎ１」で規定される特徴値に依存して決まり、この特徴値は結晶光学的にはレターデーション（Retardation ）として定義されている。そして、液晶層５のレターデーションをＲ１とすると、位相差Ｐ１は「Ｐ１＝αＲ１（＝αｄ１Δｎ１）」となる。この係数αの値は、光の入射角θや、液晶分子の配向姿勢、印加電圧などによって変化する外的なファクターを括り出したもので「０」以上「１」未満の値となる。
【００１８】
液晶素子２からの出射光Ｓ２は、正常光成分Ｓｏと、これに対して位相遅れを伴った異常光成分Ｓｅとの合成光となるため、入射光Ｓ１が直線偏光光であっても位相差Ｒａに応じた楕円偏光成分を含むものとなる。この楕円偏光成分を抑えるには液晶層５による位相遅れを補償すればよく、そのために液晶素子２の出射面と検光子との間に位相差補償素子６が設けられる。
【００１９】
位相差補償素子６には光の波長よりも微細な物理的構造をもつ無機材料からなる構造性複屈折体が用いられ、一例として図２に示すように、透明なガラス基板７上に互いに屈折率が異なる誘電体の薄膜Ｌ１，Ｌ２を交互に積層した総厚みｄ２の位相差補償膜８で構成されている。各層の光学膜厚（物理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、容易に負のｃ−ｐｌａｔｅの作成が可能となり、複屈折Δｎ２をもつ一軸性の負の複屈折板が得られ、薄膜の形成面が投影光軸に垂直となるように配置して用いられる。
【００２０】
なお、屈折率が異なる誘電体薄膜を積層した多層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、上述した位相差補償膜８は、個々の薄膜Ｌ１，Ｌ２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Δｎ２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。
【００２１】
この位相差補償膜８は、異常光成分Ｓｅに対して正常光成分Ｓｏに位相遅れを生じさせるネガティブレターダーとして作用する。位相差補償膜８は結晶光学的には液晶分子と構造が異なるが、その光学異方性で決まる複屈折Δｎ２と、位相差補償膜８全体の物理的膜厚ｄ２から、そのレターデーションＲ２（＝ｄ２Δｎ２）を定義することができ、異常光成分Ｓｅに対する正常光成分Ｓｏの位相差Ｐ２は「Ｐ２＝βＲ２（＝βｄ２Δｎ２）」となる。位相差Ｐ２は位相差Ｐ１に対しては負の値となるから、これらの絶対値について「Ｐ１＝Ｐ２」であれば、位相差補償素子６からの出射光Ｓ３は互いに位相遅れのない正常光成分と異常光成分との合成光となり、楕円偏光成分が消失して直線偏光となって出射する。したがって、位相差補償素子６の後段に配置された検光子には直線偏光が入射するようになり、画像のコントラストを高めることができる。
【００２２】
なお、係数βは係数αと同様、光の入射角θに応じて変化するが、図示のように光線が同じ入射角で液晶素子２及び位相差補償素子６を通過する場合には、互いに相殺し合うことができるので入射角θによる影響は無視することができる。したがって、「Ｐ１＝Ｐ２」を満足させようとする上では、係数αに含まれるファクターのうち、液晶分子の配向姿勢や印加電圧など、液晶素子２自体に依存する内的なファクターだけを考慮すればよい。また、便宜上、複屈折Δｎ１，Δｎ２の正負の符号は無視しているが、必要に応じてその正負については明示することとする。
【００２３】
上記のように、液晶素子２で生じる位相差Ｐ１と、位相差補償素子６で生じる位相差Ｐ２とをその絶対値に関してできるだけ等しくすること、換言すればそれぞれのレターデーションＲ１，Ｒ２をできるだけ一致させることが本発明の目的を達成するうえで効果的であることが分かる。しかし、液晶素子２にはＴＮモードやＥＣＢ（Electrically Controlled Birefringence)モードなど、様々な液晶モードのものがあり、また位相差補償素子６にも、その内部の結晶光学的な構造により、ネガティブレターダー以外にもａ−ｐｌａｔｅ，ｏ−ｐｌａｔｅといった一軸性の構造やその積層体など、様々な構造のものがある。したがって、上記のように「Ｒ１＝Ｒ２」をできるだけ満足させるには、これらのことを考慮しつつ、位相差補償膜８のレターデーションＲ２を決めているパラメータ（ｄ２，Δｎ２）を調節する必要がある。以下、ＴＮ液晶とＥＣＢ液晶を例にしてこれらのパラメータを決定する手法について説明する。
【００２４】
以下の説明で重要なことは、液晶層５の正の複屈折Δｎ１と、位相差補償膜８の負の複屈折Δｎ２がそれぞれ固有の波長依存性をもつことである。前述のように、位相差Ｐ１，Ｐ２を一致させるにはそれぞれのレターデーションＲ１，Ｒ２の絶対値を合わせておくことが必要であるが、これらのレターデーションの一要素である複屈折Δｎ１，Δｎ２に波長依存性がない場合や、波長依存性をほぼ同一にすることができるのであれば、位相差補償膜８のレターデーションＲ２を決定するときに、入射角θと同様に波長のファクターを外的要因として無視して差し支えないが、複屈折Δｎ１，Δｎ２には個別の波長依存性がある。
【００２５】
ここで、一般的な液晶層５のレターデーションＲ１（＝ｄ１Δｎ１）と位相差補償膜８のレターデーションＲ２（＝ｄ２Δｎ２）との波長依存性を各々の絶対値によりグラフ化すると、模式的に図３のように表される。図示のように、液晶層５のレターデーションＲ１は、可視光領域では短波長側で大きくなり、長波長となるにしたがってゆるやかに減少する特性を示す。一方、位相差補償膜８のレターデーションＲ２は薄膜Ｌ１，Ｌ２の各々の屈折率と厚みｄ２で決まる。そして、薄膜形成材料として最も広く用いられているＴｉＯ2 膜とＳｉＯ2 膜により薄膜Ｌ１，Ｌ２を構成した場合には、同図に破線で示すように、液晶層５のレターデーションＲ１と同様に短波長側で大きく長波長側で小さくなるものの、短波長側でその傾きが急になることが多い。それぞれの厚みｄ１，ｄ２は波長とは無関係の物理量であるから、この波長依存性は複屈折Δｎ１，Δｎ２によるものである。
【００２６】
図３に示すグラフは、可視光領域において、液晶層５がもつ特定のレターデーションＲ１に対し、特定の複屈折Δｎ２をもつ位相差補償膜８のレターデーションＲ２をできるだけ近づけるように厚みｄ２を調節し、各々のレターデーションＲ１，Ｒ２の特性曲線で挟まれる面積が最も小さくなるようにしたものである。各々の特性曲線の傾きの度合いによって種々の場合が想定されるものの、一般的には各々の絶対値の特性曲線を可視光領域の少なくとも一点で交差するように調整するのがよい。
【００２７】
このような調整は、液晶層５のレターデーションＲ１を既定のものとすれば、位相差補償膜８のトータルの厚みｄ２を調節してレターデーションＲ２の特性曲線を上下方向にシフトさせることによって対応が可能である。詳しくは後述するように、位相差補償膜８を構成する薄膜Ｌ１，Ｌ２の屈折率及び個々の膜厚によって複屈折Δｎ２が決まり、これが波長依存性、すなわち特性曲線の傾きを決定する要因となっているから、厚みｄ２を変えるにあたっては、薄膜Ｌ１，Ｌ２の個々の膜厚をそれぞれ一定に保ちながら、これらの繰り返し積層数を増減することになる。
【００２８】
また、位相差補償膜８の複屈折Δｎ２は、薄膜Ｌ１，Ｌ２の屈折率及び個々の膜厚を変えることによって変化する。例えば図４に示すレターデーションＲA ，ＲB は、総厚みｄ２は一定であるが、複屈折Δｎ２が異なる２種類の位相差補償膜８の波長依存性を示すものである。レターデーションＲA は、先のレターデーションＲ２よりも短波長側での傾きが緩やかであり、レターデーションＲB はさらに緩やかになっている。このようなレターデーションＲA ，ＲB については、位相差補償膜８の総厚みｄ２を増やしてやればさらに液晶層５のレタデーションＲ１に近づけることが可能となるが、そのためには薄膜Ｌ１，Ｌ２の繰り返し積層数を増やすことが必要となる。
【００２９】
ところで、単板式液晶プロジェクタでは、液晶素子２の画素ごとに所定の基本色光で照明を与えなくてはならない。したがって、各々の画素ごとに基本色光の波長域に応じて最も適切なレターデーションをもつ位相差補償膜を適用すればよいが、そのためには位相差補償膜の製造がきわめて煩雑化し、製造コストがかなり高くなる。また、時間分割方式では同一の液晶層で三つの基本色光を変調する必要がある。そこで、本発明では基本色光の種類によらず、１枚の液晶素子に対して共通の位相差補償素子を用いながらも、各色光とも良好な位相差補償機能が得られるように工夫してある。
【００３０】
さらに本発明を実施するうえでは、液晶モードの種類についても考慮しておく必要がある。例えば液晶素子２としてＥＣＢ液晶を用いることを想定すると、ＥＣＢ液晶は、電圧を印加していない状態で液晶層内の棒状の液晶分子のほとんどが基板に対して垂直配向となっており、結晶光学的には正のｃ−ｐｌａｔｅである。そして、電圧を印加していないときに黒レベル表示となるように偏光子と検光子とをクロスニコル配置して用いるのが通常であるから、入射光Ｓ１に対して液晶層５の厚みｄ１内の全域で光学異方性が現れるようになる。
【００３１】
一方、高屈折率層と低屈折率層とからなる薄膜Ｌ１，Ｌ２を交互に積層した位相差補償膜８は、負ではあるがＥＣＢ液晶と同様のｃ−ｐｌａｔｅとして作用するから、液晶層５で生じる位相差Ｐ１（＝αｄ１Δｎ１）中の係数αは「１」とみなして差し支えない。したがって、基本的には「ｄ１Δｎ１＝ｄ２Δｎ２」、すなわち液晶層５のレターデーションＲ１と位相差補償膜８のレターデーションＲ２とをできるだけ一致させることを基準にパラメータの設定をすればよい。
【００３２】
これに対し、ＴＮ液晶では、黒レベル表示を行うときに電圧を印加して基板間に充填された棒状の液晶分子を垂直配向させることになるが、基板近くでは液晶分子が垂直配向姿勢にならない。印加電圧を高くすれば垂直配向となる液晶分子が多くなるものの、黒レベル表示に際して垂直配向姿勢となる液晶分子の割合は厚みｄ１に対して６０％〜９５％、あるいは６５％〜８０％程度が一般である。このため、厚みｄ１の液晶層５で生じる位相差Ｐ１は「ｄ１Δｎ１」よりも小さくなるから、位相差補償膜８の設計時にはこれを考慮してパラメータの設定を行い、簡易的には先の係数αを０．７にして「０．７×ｄ１Δｎ１＝ｄ２Δｎ２」が満足されるような位相差補償膜を用いればよい。この場合、係数αの値は厳密に０．７でなくてもよく、０．６〜０．９５、好ましくは０．６５〜０．８の範囲であればよい。なお、同様の傾向はＯＣＢモード液晶やＳＮＴモード液晶でも見られる。
【００３３】
本発明では、上述した位相差補償膜８は耐久性に優れた無機材料で構成され、その具体的一例として高屈折率薄膜層と低屈折率薄膜層とを交互に積層した位相差補償膜が用いられる。このような位相差補償膜がもつ複屈折の波長依存性についてさらに考察する。
【００３４】
青色光，緑色光，赤色光の基準波長を４５０ｎｍ，５５０ｎｍ，６５０ｎｍ、各々の基準波長における位相差補償膜の複屈折をΔｎ２(450) ，Δｎ２(550) ，Δｎ２(650) とし、複屈折Δｎ２の波長依存性Ｕ２を
Ｕ２＝｛Δｎ２(450) −Δｎ２(650) ｝／Δｎ２(550)
と定義すると、無機材料からなる位相差補償膜では波長依存性Ｕ２が１．１０〜１．５０の範囲となる。同様に、液晶層の複屈折Δｎ１の波長依存性Ｕ１を
Ｕ１＝｛Δｎ１(450) −Δｎ１(650) ｝／Δｎ１(550)
と定義すると、波長依存性Ｕ１は一般に１．０５〜１．２０の範囲となる。
【００３５】
そして、可視光全域にわたってＵ１＝Ｕ２が満足されることが理想であるが、液晶層を構成している液晶分子は実用面から種類が限られ、したがってその複屈折Δｎ１の波長依存性Ｕ１は大きく変えることができない物性値となっている。そこで、位相差補償膜の複屈折Δｎ２の波長依存性Ｕ２を波長依存性Ｕ１に近づける設計が行われるが、波長依存性Ｕ２は高屈折率薄膜層及び低屈折率薄膜層に用いられている薄膜層の物性値によるものであり、また波長に関する位相差補償の成立条件は、厚みｄ２の選択による。
【００３６】
以上のことから、まず位相差補償膜の波長依存性Ｕ２が液晶層の波長依存性Ｕ１にできるだけ近づくように、高屈折率薄膜層に用いる高屈折材料と、低屈折率薄膜層に用いる低屈折材料を選択する。ついで、全可視光領域を考慮のうえで位相差補償膜の全体の厚みｄ２を調節すればよい。なお、各々の波長依存性Ｕ１，Ｕ２がほぼ一致していれば、厚みｄ２を調節するだけで可視光域のほぼ全域にわたって良好な位相差補償作用が得られることになる。以上の考察を踏まえ、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００３７】
【発明の実施の形態】
図５に本発明を適用した単板式のカラー液晶プロジェクタの構成を概略的に示す。リフレクタ及びランプからなる光源１０からの白色の照明光は、集光光学系１１によりほぼ平行光となって偏光板１２に入射する。偏光板１２により直線偏光となった照明光は液晶素子１３に入射する。液晶素子１３はマトリクス状に配列された画素単位に青色光，緑色光，赤色光のいずれかの基本色光が割り当てられ、それぞれの基本色光ごとの画像データに基づいて透過濃度が制御される。詳しくは後述するように、液晶素子１３には個々の画素位置に対応してマイクロカラーフィルタが配列されているから、液晶素子１３からは画素単位でカラー及び強度変調された画像光が出射する。
【００３８】
液晶素子１３から出射した画像光は、前述のように液晶層の複屈折作用により正常光と異常光との間に位相差が生じ、楕円偏光を含んだものとなっているが、位相差補償素子１４によりその位相差補償が行われ、楕円偏光成分のほとんどが除去される。そして、入射側の偏光板１２に対して直交ニコル配置となった出射側の偏光板１５を経て画像光は投影レンズ１６によりスクリーン１７上に投影される。
【００３９】
上記液晶プロジェクタに用いられる液晶パネルの一例を図６に示す。この液晶パネルは、入射側の偏光板１２、液晶素子１３、位相差補償素子１４、出射側の偏光板１５を一体化したもので、入射側のガラス基板２０の入射面側に偏光板１２が設けられ、出射側のガラス基板２１の出射面側に図２に示すような薄膜Ｌ１，Ｌ２を交互に積層した位相差補償膜８、偏光板１５が設けられている。液晶素子１３は、これらのガラス基板２０，２１間で挟まれた部分に相当する。ガラス基板２０の出射面側にイオン注入方式で作成されたマイクロレンズ２３がマトリクス状に配列され、ほぼ平行に入射してくる白色の照明光を収斂させることによって、液晶素子の電極構造による開口率の低下を防いでいる。
【００４０】
ガラス基板２０の出射面側に、液晶素子のアクティブ側の電極構造部２４が紙面に対して垂直方向に延びたストライプ状に形成され、いわゆるブラックストライプとなる。電極構造部２４は遮光帯となるが、電極構造部２４の相互間には画素ごとに区画された透明電極が形成され、これが画素単位で液晶層に電圧を印加するアクティブ電極２５として機能する。電極構造部２４及びアクティブ電極２５を覆うように透明なオーバーコート膜２６が形成され、その平滑化された表面に配向膜２７が形成される。
【００４１】
他方のガラス基板２１の入射面側に、画素単位に区画されたマイクロカラーフィルタ３０、透明導電膜からなるコモン電極３１、配向膜３２が層設されている。そして、配向膜２７と配向膜３２との間に液晶分子を充填した液晶層３５が設けられている。マイクロカラーフィルタ３０は、青色光，緑色光，赤色光をそれぞれ透過する微小なカラーフィルタ部を対応するアクティブ電極２５と重なり合うようにマトリクス状に配列したもので、白色の照明光をカラー変調する。また、対応するアクティブ電極２５への印加電圧を制御することによって、液晶層３５を通過する照明光の強度変調が行われる。
【００４２】
【実施例】
「実施例１」
以下、位相差補償膜８の具体的な実施例について説明する。図７は、ＴＮ液晶に用いたネマティック液晶材料がもつ複屈折Δｎと、ＴＮ液晶のセル厚ｄ（図１における液晶層５の厚みｄ１に対応する）を４．５μｍにしたときの原初的なレターデーションｄΔｎとの波長依存性を示すもので、図示のとおりそれぞれの値は波長によって異なってくる。そして、前述のようにＴＮ液晶は黒レベル表示においてセル内の液晶分子の全てが垂直配向姿勢になるわけではないので、セル厚ｄの略７０％に相当する液晶層の部分が、補償すべき位相遅れを生じさせる実効的な要因として寄与しているものとし、これを実効レターデーションＲｅとして表すと同図のとおりである。
【００４３】
なお、この実施例の液晶素子には、メルク社の「ＺＬＩ−１０８３」（商品名）として知られるシアノシクロヘキサン系ネマティック液晶が用いられている。先のパーセンテージは、液晶層を構成している液晶分子の組成や種類、あるいは基板間への印加電圧レベルや液晶分子の配向姿勢分布に応じて適宜に変更すべきであり、必ずしも一律に７０％に限られるものではない。
【００４４】
このＴＮ液晶の実効レターデーションＲｅがもつ波長依存性に適合させるために、図８に示すように、高屈折率層にＴｉＯ2 膜、低屈折率層にＳｉＯ2 膜を用い、これらを交互に積層した位相差補償膜(1) を作製した。ＴｉＯ2 膜及びＳｉＯ2 膜は、その個々の物理的膜厚がそれぞれ２７．５ｎｍ，２２．５ｎｍ（物理的膜厚比が１１：９）で、各々４０層ずつ合計８０層積層され、合計の物理的膜厚は２μｍである。そして、同図に示すとおりＴｉＯ2 膜及びＳｉＯ2 膜の屈折率にも波長依存性がある。この位相差補償膜(1) の複屈折Δｎを測定したところ、同図に示すようにやはり波長依存性が認められた。
【００４５】
なお、物理的膜厚が２７．５ｎｍ，２２．５ｎｍのＴｉＯ2 膜，ＳｉＯ2 膜の光学膜厚は、屈折率が大きい４００ｎｍにおいてもそれぞれ７０．２ｎｍ，３３．３ｎｍでいずれもλ／５以下であり、青色光の基準波長４５０ｎｍや他の基本色光の基準波長においてもこの条件は満たされる。この条件が満たされることによって、λ／４の光学膜厚を基準にした従来の干渉薄膜とは異なり、これらの積層膜に本発明システムに必須である光学異方性をもたせることができる。また、個々の薄膜層の光学膜厚をλ／１００よりも薄くすると、各々の薄膜層の物理的膜厚は極端に薄いものになる。したがって、所望の総膜厚ｄを得るには各々の薄膜層の積層数が大幅に増え、製造効率が著しく劣化してしまうので実用的ではない。
【００４６】
ここで、上記構造をもつ位相差補償膜(1) の複屈折Δｎが、構造性複屈折の理論から予想される理論値とよく一致することを示す。一般に、屈折率ｎ1 ，ｎ2 、物理的膜厚がａ，ｂである薄膜を波長よりも十分に短いピッチａ＋ｂで交互に積層した位相差補償膜に対し、各層の積層面に電磁波が垂直に入射した場合には、電場が各層の平面に平行に振動する波（ＴＥ波）だけになるため、複屈折性を示さない。ところが、電磁波が各層の積層面に傾斜して入射した場合には、電場が各層に平行に振動する波（ＴＥ波成分）と、電場が各層に垂直に振動する波（ＴＭ波成分）とで有効屈折率ＮTE，ＮTMが異なり、それぞれ次式で表されることが知られている。
ＮTE＝√｛（ａｎ1 2＋ｂｎ2 2）／（ａ＋ｂ）｝
ＮTM＝√〔（ａ＋ｂ）／｛（ａ／ｎ1 2）＋（ｂ／ｎ2 2）｝〕
【００４７】
これらの有効屈折率ＮTE，ＮTMの相違が複屈折性を生じさせる要因であり、その複屈折Δｎは「Δｎ＝ＮTM−ＮTE」で与えられる。これらの式から求めた複屈折Δｎの理論値を図９に示す実測値と比較すると、両者がよく一致していることが了解できる。なお、図８のΔｎの欄に示す「ｋ＝０．５５」は、上式における「ａ／（ａ＋ｂ）＝ｋ」の値を表している。
【００４８】
この位相差補償膜(1) のレターデーションｄΔｎは、波長ごとの複屈折Δｎと、位相差補償膜の膜厚ｄ（＝２μｍ）との積であるから、同図に示すように波長ごとに異なってくる。なお、この図８からは、ＴｉＯ2 膜及びＳｉＯ2 膜の屈折率の波長依存性を比較したとき、複屈折Δｎの波長依存性に対する影響力は、ＳｉＯ2 膜よりもＴｉＯ2 膜の方が大きいということも読み取ることができる。
【００４９】
図９は、図７に示すＴＮ液晶のレターデーションｄΔｎ（□）及び実効レターデーションＲｅ（○）と、位相差補償膜(1) のレターデーションｄΔｎ（▲）とを波長ごとにプロットしたものである。同図によれば、可視光領域のほぼ中心のλ＝５５０ｎｍ付近で実効レターデーション（○）と位相差補償膜(1) のレターデーション（▲）とが一致していることが判る。なお、位相差補償素子のレターデーションと液晶層のレターデーションとがこのような波長特性をもつとき、これらを一致させる波長域としては、４５０ｎｍ〜６００ｎｍの範囲が好ましく、より好ましくは４８０ｎｍ〜５８０ｎｍである。また、長波長側に比較して短波長側で両者のズレが大きく位相差補償作用も劣ってくるが、短波長側では視感度も低くなることを考慮すれば、実用上あまり大きな影響はないとみなせる。なお、ＴｉＯ2 膜とＳｉＯ2 膜との積層数を減らすことによって、位相差補償膜(1) のレターデーション（▲）を下方にシフトさせることができるので、実効レターデーション（○）と位相差補償膜(1) のレターデーション（▲）との一致点を少し短波長側にずらして調整を図るようにしてもよい。
【００５０】
「実施例２」
図１０は、高屈折率層をＬｉＮｂＯ3 膜、低屈折率層をＳｉＯ2 膜で構成した位相差補償膜(2) の波長依存性を示す。この位相差補償膜(2) は、物理的膜厚が２７．５ｎｍのＬｉＮｂＯ3 膜と、物理的膜厚が２２．５ｎｍのＳｉＯ2 膜を交互に５１層ずつ積層したもので、全体の厚みｄは２．５５μｍである。高屈折率層であるＬｉＮｂＯ3 膜の屈折率が位相差補償膜(1) のＴｉＯ2 膜と比較して小さくＳｉＯ2 膜の屈折率との差も小さくなるので、複屈折Δｎの値自体は小さくなるが、波長依存性については改善されていることが判る。そのレターデーションの波長依存性は図１１に示すとおりで、長波長側ではかなりの一致性が見られ、短波長側でも改善が確認された。
【００５１】
「実施例３」
図１２は、高屈折率層をＬｉＮｂＯ3 膜、低屈折率層をＭｇＦ2 膜で構成した位相差補償膜(3) の波長ごとの特性値を示す数表で、図１３は先の実施例と同様にレターデーションの値を波長ごとにプロットしたものである。各層の物理的膜厚及び積層数は位相差補償膜(1) と同様で、全体の膜厚は２μｍである。図１１に見られるように、位相差補償膜(2) とほぼ同程度の位相差補償作用を得ることができる。
【００５２】
以上の実施例から、高屈折率層の屈折率と低屈折率層の屈折率との差が大きいほど複屈折Δｎが大きくなり、所望のレターデーションを得るための合計膜厚が小さくて済むことが判る。このため、各層の物理的膜厚をそれぞれ一定にして積層する場合には、その積層数を減らして製造効率を高めるうえで有利となる。ただし、高屈折率層に用いる薄膜の屈折率をできるだけ高くしようとすると、その波長依存性も顕著になりやすい。この場合、低屈折率材料として波長依存性の少ないものを用いたとしても、両者の屈折率の差が波長ごとに異なってくる結果となるため、複屈折Δｎの波長依存性は改善しにくくなる。
【００５３】
「実施例４」
上記位相差補償膜(1) 〜(3) は、ＴＮ液晶とともに用いられるものの実施例であるが、次に液晶素子としてＥＣＢ液晶が用いられる場合の実施例について説明する。ＥＣＢ液晶は図１４に示す物性をもち、セル厚を４．５μｍとすれば、複屈折Δｎの波長依存性により、レターデーションｄΔｎにも波長依存性が現れる。前述のように、ＥＣＢ液晶では液晶素子の波長ごとのレターデーションｄΔｎがそのまま位相差を発現させる要因になるから、これを踏まえて位相差補償膜のレターデーションを調節すればよい。
【００５４】
図１５に、このＥＣＢ液晶用の位相差補償膜(4) の設計例を示す。高屈折率層としてＬｉＮｂＯ3 膜、低屈折率層としてＳｉＯ2 膜を用い、それぞれの物理的膜厚を３３．０ｎｍ，２７．０ｎｍ（ｋ＝０．５５）とした。それぞれの積層数は６０層ずつで、合計膜厚ｄは３．６μｍである。この位相差補償膜(4) のレターデーション▲と、ＥＣＢ液晶のレターデーション□とを波長ごとにプロットすると、図１６のとおりである。このグラフからわかるように、やはり短波長では位相差補償が過補償となる傾向を示すが、長波長側ではほぼ満足できる位相差補償作用が得られる。短波長側で視感度が低くなることを考慮すれば、十分に実用できる。
【００５５】
「実施例５」
図１７はＥＣＢ液晶用の位相差補償膜(5) の構成例を示す図表で、高屈折率層としてＬｉＮｂＯ3 膜、低屈折率層としてＳｉＯ2 膜を用いたものである。それぞれの物理的膜厚は２７．５ｎｍ、２２．５ｎｍ（ｋ＝０．５５）であり、それぞれの積層数は５６層ずつで合計膜厚ｄは２．８μｍとなっている。図１８に見られるように、ＥＣＢ液晶のレターデーション□と位相差補償膜(5) のレターデーション▲とはかなりの一致性を示し、位相差補償作用は長波長側では若干の補償不足、短波長側では若干の過補償がみられるものの、実用的には問題のないレベルとなっている。
【００５６】
「実施例６，７」
ＥＣＢ液晶とともに用いることができるそのほかの位相差補償膜(6) ，(7) の構成及び物性値を図１９、図２１に、そしてそのレターデーション特性をそれぞれ図２０、図２２に示す。位相差補償膜(6) は、高屈折率層に物理的膜厚３３ｎｍのＹ2 Ｏ3 膜、低屈折率層に物理的膜厚２７ｎｍのＳｉＯ2 膜を用いたもので、各々の積層数は１４５層ずつで合計膜厚ｄは８．７μｍである。位相差補償膜(7) は、高屈折率層に物理的膜厚２７．５ｎｍのＹ2 Ｏ3 膜、低屈折率層に物理的膜厚２２．５ｎｍのＭｇＦ2 膜を用いたもので、各々の積層数は２６６層ずつで合計膜厚ｄは１３．３μｍである。これらの位相差補償膜(6) ，(7) は、図２０及び図２２に見られるように、いずれもＥＣＢ液晶のレターデーションによく合致したレターデーション特性をもち、非常に良好な位相差補償作用を得ることができる。
【００５７】
ただし、これらの位相差補償膜(6) ，(7) は複屈折Δｎの値が小さいため、所望のレターデーションｄΔｎを得るには全体の膜厚ｄを大きくする必要がある。したがって、個々の光学膜厚を波長の１００分の１以上５分の１以下の範囲に抑えながら合計膜厚ｄを得るには積層数を増やさなくてはならず、製造効率のうえでは不利にならざるを得ない。
【００５８】
上記位相差補償膜(1) 〜(7) を含め、本発明は図２３に示す構造の単板式カラー液晶プロジェクタにも等しく用いることができる。この液晶プロジェクタでは、光源１０からの白色の照明光を集光光学系１１でほぼ平行光にした後、光学系の光軸に関して異なった角度で傾けられたダイクロイックミラー３６Ｂ，３６Ｇ，３６Ｒに入射させる。ダイクロイックミラー３６Ｂは青色光のみ反射して他の色光を透過させ、ダイクロイックミラー３６Ｇは緑色光のみ反射して他の色光を透過させる。ダイクロイックミラー３６Ｒは残りの赤色光を反射する。
【００５９】
液晶素子３８の入射面側にマイクロレンズアレイ３７が設けられ、その裏面には偏光板１２が形成されている。マイクロレンズアレイ３７は、液晶素子３８の画素配列に対応して微小な凸レンズをマトリクス状に配列したもので、それぞれ異なった角度で入射してくる色光は液晶素子３８の所定の画素位置に向かってそれぞれ収斂される。液晶素子の各々の画素は入射してくる色光を強度変調して出射させるから、投影レンズ１６でこれらを合成してスクリーン１７に投影することによって、フルカラーの画像表示が行われる。なお、偏光板１２、位相差補償素子１４、偏光板１５の作用は図６に示す液晶プロジェクタと同様である。
【００６０】
図２４は上記液晶プロジェクタに用いられる液晶パネルを概略的に示すもので、マイクロレンズアレイ３７、液晶素子３８、位相差補償素子１４として機能する位相差補償膜８、偏光板１５を一体的にまとめた構造となっている。一方のガラス基板４０の入射面側に、偏光板１２を形成したマイクロレンズアレイ３７が重ね合わされている。ガラス基板４０の出射面側には、コモン電極３１，配向膜２７が形成されている。他方のガラス基板４１の入射面側には、画素単位で区画された透明なアクティブ電極２５Ｂ，２５Ｇ，２５Ｒと遮光性のブラックストライプ２５Ｘとからなる電極層４２が形成され、さらにブラックストライプ２５Ｘと重なるように電極構造部２４が設けられる。電極構造部２４を覆うようにオーバーコート膜２６が形成され、その平滑化された表面に配向膜３２が形成されている。
【００６１】
異なる角度をもってマイクロレンズ３７ａに入射してきた各々の色光は、それぞれ対応するアクティブ電極２５Ｂ，２５Ｇ，２５Ｒで画素ごとに駆動される液晶層３５を通って出射するから、各々のアクティブ電極２５Ｂ，２５Ｇ，２５Ｒに印加する電圧を制御することよって、各色光を強度変調することができる。こうして出射した各色光は、位相差補償膜８を経て偏光板１５に入射するから、図５及び図６に示す液晶プロジェクタと全く同様に位相差補償作用が得られるようになる。
【００６２】
本発明は、さらに図２５に示すように反射型液晶素子を用いた単板式のカラー液晶プロジェクタにも適用が可能である。光源１０からの白色の照明光は、集光光学系１１でほぼ平行光となってミラー４４に入射し、偏光膜４５ａが斜設された偏光ビームスプリッタ４５へと反射される。偏光膜４５ａにより、ｓ偏光成分が直線偏光となって反射され、位相差補償素子１４を経て反射型の液晶素子４８に入射する。
【００６３】
ここで用いられている反射型の液晶素子４８は概略的に図２６に示す構造となっている。ガラス基板５０の表面側に、位相差補償素子１４として機能する位相差補償膜８が形成されている。ガラス基板５０の裏面側には、図６の液晶素子に用いられているものと同様に、青色光，緑色光，赤色光をそれぞれ透過する微小なカラーフィルタ部をマトリクス状に配列したマイクロカラーフィルタ３０が形成されている。このマイクロカラーフィルタ３０を覆うように透明導電膜からなるコモン電極３１が設けられ、さらにこれを覆うように配向膜２７が形成されている。
【００６４】
他方のガラス基板５１には、アルミニウム蒸着などにより反射膜５２が形成され、その上に電極構造部２４、透明なアクティブ電極２５、オーバーコート膜２６、配向膜３２が形成されている。そして、配向膜２７と配向膜３２との間にＴＮ液晶からなる液晶層３５が設けられ、画素ごとに区画されているアクティブ電極２５に電圧を印加したとき、その電圧レベルに応じて液晶層３５は画素ごとに光の透過濃度を変える。
【００６５】
ビームスプリッタ４５の偏光膜４５ａによって直線偏光となった白色の照明光は、位相差補償膜８を通ってマイクロカラーフィルタ３０によりカラー変調された後に、液晶層３５に入射する。液晶層３５は、アクティブ電極２５によって画素ごとに駆動され、その透過濃度がアクティブ電極２５への印加電圧に応じて制御される。これにより光の強度変調が行われる。
【００６６】
透明なアクティブ電極２５を透過した画素ごとの画像光は反射膜５２で反射され、再び液晶層３５，カラーマイクロフィルタ３０を通って位相差補償膜８を通過する。このように、画像光となって出射する光は液晶層３５を二度通過するため、正常光と異常光との間に生じる位相差は２倍になる。ところが、上記のように光は位相差補償膜８も二度通過することになるから、位相差補償膜８のレターデーションｄΔｎは、液晶層３５のセル厚に基づいて決めればよい。もちろん、この例のように液晶層３５がＴＮ液晶で構成されている場合には、先の係数αについても考慮が必要となる。
【００６７】
こうして位相差補償膜８から出射した光は直線偏光光となっており、再びビームスプリッタ４５に入射する。この直線偏光光は、偏光膜４５ａに対してはｐ偏光成分となっているから、偏光膜４５ａを透過して投影レンズ１６に入射するようになり、スクリーン１７上にフルカラーの画像を投影することができる。なお、入射した光が液晶層３５及びマイクロカラーフィルタ３０を二度通過することになるため、これを考慮してマイクロカラーフィルタ３０の基本色光ごとの透過率や、アクティブ電極２５への印加電圧が調節される。
【００６８】
以下、図２６に示すような反射型のカラー液晶素子に好適な位相差補償膜８の具体的な実施例について、図２７〜図３５に基づいて説明する。液晶層にはＴＮ液晶が用いられ、そのセル厚ｄ（図２６における液晶層３５の厚み）は２．０μｍである。図２７はこのＴＮ液晶の物性値を示すもので、図７のＴＮ液晶と同様の複屈折Δｎを有し、さらにセル厚ｄによりその原初的なレターデーションｄΔｎ及び実効レターデーションＲｅが決まる。
【００６９】
「実施例８」
図２８に、上述した反射型の液晶素子に好適な位相差補償膜(8) の構成及びその物性値を示す。位相差補償膜(8) は、高屈折率層に高屈折率層にＴｉＯ2 膜、低屈折率層にＳｉＯ2 膜が用いられている。各々の物理的膜厚は、ＴｉＯ2 膜が２７．５ｎｍ、ＳｉＯ2 膜が２２．５ｎｍ（ｋ＝０．５５）であり、これらを１８層ずつ交互に積層して合計の物理的膜厚ｄを０．９μｍにしてある。これにより、図２８に示すレターデーションｄΔｎが得られる。そして、その波長依存性は図２９のグラフに示すとおりで、可視光領域のほぼ中間でＴＮ液晶の実効レターデーション○と、位相差補償膜(8) のレターデーション▲とが合致している。先の位相差補償膜(1) と同様、短波長側では位相差が過補償になるものの、可視光領域では実用上ほぼ満足し得る位相差補償作用が得られる。
【００７０】
「実施例９」
図３０に示す位相差補償膜(9) は、高屈折率層に高屈折率層にＬｉＮｂＯ3 膜、低屈折率層にＳｉＯ2 膜が用いられている。物理的膜厚は、ＬｉＮｂＯ3 膜が２２．０ｎｍ、ＳｉＯ2 膜が１８．０ｎｍ（ｋ＝０．５５）であり、これらを２８層ずつ交互に積層して合計の物理的膜厚ｄを１．１２μｍにしてある。これにより、図３０に示すレターデーションｄΔｎが得られる。そして、その波長依存性は図３１のグラフに示すとおりで、波長５００ｎｍ付近でＴＮ液晶の実効レターデーション○と、位相差補償膜(9) のレターデーション▲とが合致し、可視光領域ではかなり良好な位相差補償作用が得られる。
【００７１】
「実施例１０」
図３２に示す位相差補償膜(10)は、高屈折率層に高屈折率層にＭｇＯ膜、低屈折率層にＭｇＦ2 膜が用いられている。物理的膜厚は、ＭｇＯ膜が２７．５ｎｍ、ＭｇＦ2 膜が２２．５ｎｍ（ｋ＝０．５５）であり、これらを８２層ずつ交互に積層して合計の物理的膜厚ｄを４．１μｍにしてある。これにより、図３２に示すレターデーションｄΔｎが得られる。そして、その波長依存性は図３３のグラフに示すとおりで、ＴＮ液晶の実効レターデーション○と、位相差補償膜(10)のレターデーション▲とは可視光領域の全域にわたってほぼ合致し、良好な位相差補償作用が得られる。
【００７２】
「実施例１１」
図３４に示す位相差補償膜(11)は、高屈折率層に高屈折率層にＹ2 Ｏ3 膜、低屈折率層にＭｇＦ2 膜が用いられている。物理的膜厚は、Ｙ2 Ｏ3 膜が２７．５ｎｍ、ＭｇＦ2 膜が２２．５ｎｍ（ｋ＝０．５５）であり、これらを３７層ずつ交互に積層して合計の物理的膜厚ｄを１．８５μｍにしてある。これにより、図３４に示すレターデーションｄΔｎが得られる。そして、その波長依存性は図３５のグラフに示すとおりで、ＴＮ液晶の実効レターデーション○と、位相差補償膜(11)のレターデーション▲とは可視光領域の全域にわたってほぼ合致し、良好な位相差補償作用が得られる。
【００７３】
なお、反射型の液晶素子を用いた単板式のカラー液晶プロジェクタでは、液晶素子の反射膜５２で反射される前後の光軸が一致していないオフアクシス型のものもある。この場合には、入射光軸と出射光軸との双方に別々の偏光板（偏光膜）あるいは位相差補償膜を設けることも可能である。入射側と出射側との双方に位相差補償膜を設ける場合には、各々の位相差補償膜のレターデーションの和が液晶素子そのもののレターデーションの２倍になるように、位相差補償膜の個々の膜厚を調節すればよい。
【００７４】
以上のように、光の波長よりも微細な物理的構造をもつ無機材料製の位相差補償素子として、図２に示すように高屈折率の薄膜Ｌ１と低屈折率の薄膜Ｌ２とを交互に積層した位相差補償膜を用いれば、液晶素子のレターデーションがもつ波長依存性を考慮しつつ、薄膜Ｌ１，Ｌ２の個々の屈折率及び個々の膜厚の調節により複屈折Δｎ及びその波長依存性を決め、さらに可視光領域全域における両者のレターデーションの差が小さくなるように位相差補償膜の全体膜厚を決めることができる。したがって、液晶素子の種類やプロジェクタ光学系中での使用形態に応じた設計がしやすく、一種類の位相差補償膜を用いながらも、全体のバランスを加味しながら各基本色光に対して良好な位相差補償作用を得ることができるようになる。
【００７５】
上記の薄膜Ｌ１，Ｌ２は、真空蒸着やスパッタリングで容易に製造することができる。特に上記実施例のように、薄膜Ｌ１，Ｌ２を構成する高屈折材料と低屈折材料とをそれぞれ共通化し、また個々の膜厚も同じにしておけば、その製造工程が単純化される。例えば、成膜対象となる透明な基板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したり、あるいは基板を一定の速さで循環移動する基板ホルダに保持させ、基板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、自動化も可能である。また、高屈折率層及び低屈折率層を得るための無機材料には、上述した材料以外にも、ＺｒＯ2 、ＣｅＯ2 、ＳｎＯ2 、Ｔａ2 Ｏ5 、ＣａＦ2 、Ａｌ2 Ｏ3 など、公知の種々の蒸着材料を用いることができる。
【００７６】
以上に説明した位相差補償膜は、結晶光学的には一軸性の負のｃ−ｐｌａｔｅとして機能する構造性複屈折体であるが、無機材料からなる構造性複屈折体として、例えば図３６に示すものも本発明の位相差補償素子として用いることができる。この構造性複屈折体７０は、透明な支持体となるガラス基板６６の表面に、屈折率ｎA の透明な板状突起６７を格子状に配列したものである。
【００７７】
この構造性複屈折体７０の物理的構造を構成している板状突起６７の厚みＳ，高さｈ及び配列間隔は光の波長に対して充分に小さく、例えば板状突起６７の厚みｄに屈折率ｎA を乗じた光学膜厚が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７０ａは図示の方向となる。液晶プロジェクタに組み込むときには、上記構造が形成されているガラス基板６６の表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、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６７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の屈折率（＝１）と板状突起６７の屈折率ｎA とが交互に分布するようになる。
【００７８】
この構造性複屈折体７０の複屈折Δｎは、板状突起６７の厚みＳと、その相互間の間隔で決まり、レターデーションは板状突起６７の高さｈとの積ｈΔｎとなる。そして、板状突起６７の屈折率ｎA のもつ波長依存性により、複屈折Δｎも波長依存性を示すから、先の実施例と同様、板状突起６７の高さｈを調節してレターデーション特性を図４に示すグラフ上で上下方向にシフトさせ、可視光領域全体にわたって液晶素子のレターデーションと構造性複屈折体のレターデーションとの差がもっとも少なくなるように調節すればよい。
【００７９】
さらに、図３７に示すように、ガラス基板６６上に透明な板状突起７１を傾斜して配列した構造性複屈折体７２も用いることができる。この構造性複屈折体７２も負の一軸性複屈折体として作用し、上記構造が形成されたガラス基板６６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、ｏ−ｐｌａｔｅとして用いられる。この構造性複屈折体７２も、先の構造性複屈折体７０と同様に、板状突起７１の高さｈを調節することによって、図４のグラフ上でレターデーションを可視光領域全体にわたって上下方向にシフトさせることができる。
【００８０】
これらの構造性複屈折体７０，７２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ー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６７，７１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。
【００８１】
正のａ−ｐｌａｔｅは基板の面内に光学軸があるので、基板と垂直な方向に進む偏光に対して、偏光方向によって異なる位相差を引き起こす位相差板である。その特殊な例として、直線偏光に対して方位角４５°となるように配置され、レターデーションｄΔｎが波長の１／４となるａ−ｐｌａｔｅは、直線偏光を円偏光に変換する機能を示す。このようなａ−ｐｌａｔｅは、４分の１波長板として反射型の液晶素子との組み合わせで多用されている。図３８に正のａ−ｐｌａｔｅとして作用する構造性複屈折体の一例を示す。この構造性複屈折体７５は、ガラス基板６６の表面に所定の屈折率をもつ透明な誘電体による突状７４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７４の幅Ｗ及び突条７４の相互間隔、並びに高さｈは波長よりも十分に小さくしてある。
【００８２】
光学軸７５ａは図示のように格子構造と平行となる。液晶プロジェクタに組み込むときには、上記構造が形成されたガラス基板６６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。レターデーションは、突条７４の高さｈと、突条７４の屈折率及びその微細構造で決まる複屈折Δｎとの積となるから、可視光領域全体にわたって液晶素子のレターデーションと構造性複屈折体７５のレターデーションとの差がもっとも少なくなるように高さｈを調節すればよい。なお、高さｈが波長に対して大きくなると光学異方性が一軸からずれて二軸となる。さらに大きくなると負のａ−ｐｌａｔｅに近づく。また、突条７４による格子構造は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７４の相互間を埋めるように全体的に覆うようにしてもよい。
【００８３】
正の構造性複屈折体は、図３９，図４０，図４１に示すような形態でも得ることができる。図３９に示す構造性複屈折体７７は、ガラス基板６６の表面に所定の屈折率をもつ透明な誘電体からなる多数の突起７６を垂直に林立させたもので、突起７６のサイズや配列ピッチは光の波長に比して充分に小さく、結晶光学的には正のｃ−ｐｌａｔｅとなる。ガラス基板６６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、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体７７もフォトリソグラフィーで作成が可能であり、その光学軸７７ａはガラス基板６６の表面に垂直となる。そして、突起７６の高さｈを調節して、可視光領域全域にわたってレターデーションの調節を行うことができる。
【００８４】
図４０に示す構造性複屈折体８０は正のｏ−ｐｌａｔｅとして作用する。この構造性複屈折体８０は、ガラス基板６６の表面に所定の屈折率をもつ透明な突起８１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ー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８０ａは、図示のようにガラス基板６６の表面に対して傾斜し、突起８１の傾斜方向と平行になる。同様に、突起８１の高さｈを調節して可視光領域全域にわたってレターデーションを調節することができる。
【００８５】
正のｏ−ｐｌａｔｅを作成するにあたっては、図４１に示すように、ガラス基板６６の表面に対し、斜め方向から所定の屈折率をもつ一種類の誘電体を蒸着した誘電体層８４を形成することによっても得られる（米国特許第５６３８１９７号公報明細書（前掲特許文献１）参照）。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、ガラス基板６６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。この構造性複屈折体８３も、ガラス基板６６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、斜設した誘電体層８４がｏ−ｐｌａｔｅ複屈折体の光学異方性を示す。そして、誘電体層８４の高さｈを調節することによって、可視光領域の全域にわたってレターデーションの調節が可能である。
【００８６】
以上、図示した実施形態に基づいて本発明について述べてきたが、液晶素子で生じた位相差の補償のために、上述した構造性複屈折体を組み合わせて使用することも可能で、例えば正の構造性複屈折体と負の構造性複屈折体とを組み合わせて使用することによって、より精密な位相差補償を行うことも可能である。また、本発明を適用し得る液晶素子としても、上述したＴＮ液晶モードやＥＣＢ液晶モードのものだけでなく、ＶＡ（Vertically Aligned）、ＯＣＢ（Optically Compensated Birefringence ）、ＦＬＣ（Ferroelectric Liquid Crystal）などの各種の動作モードのものであってもよい。
【００８７】
さらに、蒸着やスパッタリングによる薄膜層からなる位相差補償膜を作成するにあたっては、その支持体となる基板を、照明光学系あるいは投影光学系を構成するレンズなどの光学部品や、液晶素子の構成部品であるガラス基板などの光学部品に接合したり、これらの光学部品そのものを薄膜層の支持体に兼用させることも可能である。このような工夫により部品点数を減少させ、位置合わせや角度調整を要する箇所を減らすことができる。
【００８８】
液晶素子の基板上に位相差補償膜を形成する場合には、液晶素子の外面あるいは内面のいずれに設けることも可能であるが、素子の内面に設ける方が空気との界面の数を減らすことができ、表面反射による画像の劣化や光量ロスを減らすことができる。なお、液晶素子の基板には、画素ごとに信号電圧が印加されるアクティブ側基板と、コモン側電極として利用される対向基板とがあるが、光学的にはそのいずれに位相差補償膜を形成してもよい。また、必要に応じて位相差補償膜の片面または両面に反射防止処理を行うことが望ましい。特に、薄膜層を積層した位相差補償素子の場合には、その作成工程中に干渉薄膜による反射防止処理を施すことができるので、製造効率がよい。
【００８９】
薄膜層を積層した位相差補償膜を作成するにあたっては、各層の物理的膜厚比は必ずしも１１：９（ｋ＝０．５５）に限られず例えば１：１であってもよく、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。さらに、上述してきた各種の構造性複屈折体に対して、位相差補償作用を有するとともに特に耐久性に問題のないポリマーフイルムを基材とする位相差補償シートを組み合わせることもまた、本発明の実施形態に含まれる。
【００９０】
【発明の効果】
以上に述べたとおり、本発明の位相差補償素子は微細な物理的構造をもつ無機材料からなる構造性複屈折体で構成されるため、その耐久性を著しく向上させることができるだけでなく、高価な結晶体を用いる必要がないので製造コストを低くすることができる。また、構造性複屈折体の複屈折Δｎは一般に波長依存性を伴い、必ずしも液晶素子の複屈折の波長依存性とは一致しないが、構造性複屈折体のレターデーションは、全体の厚みｄを変えることによって可視光領域の全体にわたって調節することができる。したがって、液晶素子のレターデーションがもつ波長特性に対し、構造性複屈折体がもつレターデーションの波長特性を可視光領域の少なくとも一点で一致するように調節することにより、一種類の構造性複屈折体を用いながらも、フルカラーの画像表示に必要な３種類の基本色光についてバランスのよい位相差補償作用を得ることが可能となり、単板式カラー液晶プロジェクタの投影画像のコントラストを向上させ、黒レベルを表示したときの色ムラも改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】位相差補償作用を説明する概念図である。
【図２】位相差補償膜の概念図である。
【図３】レターデーションの波長依存性を示すグラフである。
【図４】構造性複屈折体のレターデーションの波長依存性を示すグラフである。
【図５】単板式のカラー液晶プロジェクタの構造を示す概念図である。
【図６】透過型のカラー液晶素子の要部概略断面図である。
【図７】ＴＮ液晶のレターデーションの波長依存性を示す図表である。
【図８】位相差補償膜(1) の波長依存性を示す図表である。
【図９】ＴＮ液晶と位相差補償膜(1) のレターデーション特性を示すグラフである。
【図１０】位相差補償膜(2) の波長依存性を示す図表である。
【図１１】位相差補償膜(2) のレターデーション特性を示すグラフである。
【図１２】位相差補償膜(3) の波長依存性を示す図表である。
【図１３】位相差補償膜(3) のレターデーション特性を示すグラフである。
【図１４】ＥＣＢ液晶のレターデーションの波長依存性を示す図表である。
【図１５】位相差補償膜(4) の波長依存性を示す図表である。
【図１６】ＥＣＢ液晶と位相差補償膜(4) のレターデーション特性を示すグラフである。
【図１７】位相差補償膜(5) の波長依存性を示す図表である。
【図１８】位相差補償膜(5) のレターデーション特性を示すグラフである。
【図１９】位相差補償膜(6) の波長依存性を示す図表である。
【図２０】位相差補償膜(6) のレターデーション特性を示すグラフである。
【図２１】位相差補償膜(7) の波長依存性を示す図表である。
【図２２】位相差補償膜(7) のレターデーション特性を示すグラフである。
【図２３】単板式カラー液晶プロジェクタの他の例を示す概念図である。
【図２４】透過型カラー液晶素子の他の例を示す要部概略断面図である。
【図２５】単板式カラー液晶プロジェクタのさらに別の例を示す概念図である。
【図２６】反射型のカラー液晶素子の一例を示す要部概略断面図である。
【図２７】反射型のカラー液晶素子に用いられているＴＮ液晶のレターデーションの波長依存性を示す図表である。
【図２８】位相差補償膜(8) の波長依存性を示す図表である。
【図２９】位相差補償膜(8) のレターデーション特性を示すグラフである。
【図３０】位相差補償膜(9) の波長依存性を示す図表である。
【図３１】位相差補償膜(9) のレターデーション特性を示すグラフである。
【図３２】位相差補償膜(10)の波長依存性を示す図表である。
【図３３】位相差補償膜(10)のレターデーション特性を示すグラフである。
【図３４】位相差補償膜 (11) の波長依存性を示す図表である。
【図３５】位相差補償膜 (11) のレターデーション特性を示すグラフである。
【図３６】構造性複屈折体の他の例を示す概念図である。
【図３７】構造性複屈折体の別の例を示す概念図である。
【図３８】構造性複屈折体のさらに他の例を示す概念図である。
【図３９】構造性複屈折体のさらに別の例を示す概念図である。
【図４０】構造性複屈折体のさらに別の例を示す概念図である。
【図４１】構造性複屈折体のさらに別の例を示す概念図である。
【符号の説明】
２ 液晶素子
５ 液晶層
６ 位相差補償素子
８ 位相差補償膜
１０ 光源
１２ 偏光板
１３ 液晶素子
１４ 位相差補償素子
１５ 偏光板
３０ マイクロカラーフィルタ
３５ 液晶層
３６Ｂ，３６Ｇ，３６Ｒ ダイクロイックミラー
３７ マイクロレンズアレイ
３８ 液晶素子
４２ 電極層
４５ ビームスプリッタ
４５ａ 偏光膜
４８ 反射型カラー液晶素子
５２ 反射膜
７０，７２，７５，７７，８０，８３ 構造性複屈折体
Claims (4)
- 単板式のカラー液晶プロジェクタの液晶素子の入射面側又は出射面側の少なくともいずれかを全体的にカバーするように設けられ、前記液晶素子の液晶層を通過する光線の複屈折にともなう位相差を補償する位相差補償素子において、
無機材料からなる構造性複屈折体で構成され、その複屈折率と厚みとの積で表されるレターデーションの絶対値を、前記液晶層が動作状態で示すレターデーションの絶対値と可視光領域の少なくとも一点で一致させたことを特徴とする位相差補償素子。 - 前記構造性複屈折体が、青色光の基準波長の１００分の１以上５分の１以下の光学膜厚にした高屈折率層と低屈折率層を交互に積層した位相差補償膜であることを特徴とする請求項１記載の位相差補償素子。
- 高屈折率薄膜層と低屈折率薄膜層とが、それぞれ一種類ずつの高屈折材料と低屈折材料で構成されていることを特徴とする請求項２記載の位相差補償素子。
- 請求項１ないし請求項３のいずれか記載の位相差補償素子が用いられていることを特徴とする単板式カラー液晶プロジェクタ。
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