JP2007286609A - 液晶装置及びこれを備えるプロジェクタ - Google Patents

Abstract

【課題】遮光時に液晶セルの正面方向において黒表示で透過光が増して画像のコントラストが低下する現象を抑えることができる液晶装置及びこれを備えるプロジェクタ。
【解決手段】オフ状態の液晶層７１を表す屈折率楕円体ＲＩＥ１の作用と、第１複屈折部材７３ａを表す屈折率楕円体ＲＩＥ２の作用と、第２複屈折部材７３ｂを表す屈折率楕円体ＲＩＥ３の作用とを加算すると、擬似的に正の一軸結晶型の複屈折材料と等価な複合的作用を達成することができる。液晶装置３１ａに入射した照明光については、方位角補償部材ＯＣ１によって、入射軸ＩＡのまわりにおける方位角に依存する位相差が近似的に補償され、極角補償部材ＯＣ２によって、入射軸ＩＡに対する極角に依存する位相差が補償される。よって、液晶ライトバルブ３１のオフ時すなわち黒表示時における正面方向の遮光性を高めることができ、液晶ライトバルブ３１のコントラストを向上させることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、画像形成用の液晶装置に関し、さらに、当該液晶装置を組み込んだプロジェクタに関する。

従来、垂直配向型の液晶パネルに適した光学補償シートとして、光学異方性層を備えるものが知られている（特許文献１参照）。この光学異方性層は、配向膜近傍のプレチルトに起因する位相の乱れを補償するため、配向膜に対して徐々に傾斜角が変化する円盤状化合物を含んでいる。また、この液晶パネルでは、上記光学異方性層とは別に、電圧無印加時に垂直配向状態の液晶セルを斜めから観察した際の光漏れを防止するため、負の一軸性の透明支持体或いは光学補償シートを光学軸が液晶セルの厚み方向となるように配置している。
特開平１０−３１２１６６号公報

しかし、上記のような光学補償シートでは、電圧無印加時に液晶セルの正面方向に関する光漏れを十分に防止することができない。すなわち、実際の液晶セルは、電圧無印加時に一定方向にプレチルトが生じており、このプレチルトの分だけ視野角特性が歪んでシフトする。この結果、液晶セルに電圧を印加していない遮光時に、液晶セルの正面方向を中心とした対象角度範囲内で比較的大きな光漏れが生じ、黒表示で透過光が増して画像のコントラストを低下させている。

そこで、本発明は、遮光時に液晶セルの正面方向において黒表示で透過光が増して画像のコントラストが低下する現象を抑えることができる液晶装置及びこれを備えるプロジェクタを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る液晶装置は、（ａ）垂直配向モードで動作する液晶を含むとともに、オフ状態における液晶の光学軸が光入射面に垂直な入射軸に対して所定のプレチルト角だけ傾斜配向する液晶セルと、（ｂ）入射軸に対して所定の傾きをなす光学軸を有する正の一軸性の複屈折材料でそれぞれ形成された複数の複屈折部材を有し、オフ状態における液晶との組み合わせによって、入射軸に沿った光学軸を有する正の一軸性の複屈折材料と等価な複合的作用を達成する方位角補償部材と、（ｃ）入射軸に沿った光学軸を有する負の一軸性の複屈折材料で形成された極角補償部材とを備える。

上記液晶装置では、垂直配向型の液晶セルのオフ状態（すなわち電圧無印可状態）における液晶の光学軸が光入射面の法線（入射軸）に対して傾斜配向しており、液晶に所謂プレチルトが生じている。そして、方位角補償部材は、入射軸に対して所定の傾きをなす光学軸を有する正の一軸性の複屈折材料でそれぞれ形成された複数の複屈折部材を有し、オフ状態における液晶との組み合わせによって、入射軸に沿った光学軸を有する正の一軸性の複屈折材料と等価な複合的作用を達成する。つまり、液晶セルと方位角補償部材とを組み合わせることにより、入射軸に垂直な各方向（すなわち方位角方向）に関する屈折率が近似的に一様となって電圧無印加状態の液晶装置を透過する光の位相変調量（リタデーション）の方位角依存性がなくなる。さらに、極角補償部材が入射軸に沿った光学軸を有する負の一軸性の複屈折材料で形成されるので、液晶セルや方位角補償部材と併せて極角補償部材を組み合わせることにより、入射軸からの各傾き角（すなわち極角）ごとの屈折率を実質的に略一様とすることができ、電圧無印加状態の液晶装置を透過する光の位相変調量の極角依存性をなくすことができる。つまり、方位角補償部材と極角補償部材とによって、液晶セルにおける位相変調量の方位角依存性及び極角依存性を近似的に補償することができる。これにより、液晶セルに電圧を印可しないオフ時に液晶セルの正面方向において黒表示で透過光が増して画像のコントラストが低下する現象を抑えることができる。

また、本発明の具体的な態様又は観点によれば、上記液晶装置において、オフ状態の液晶の屈折率楕円体の作用と、複数の複屈折部材に対応する各屈折率楕円体の作用とを加算することによって、入射軸に沿った長軸を有する屈折率楕円体と等価な作用を実現する。この場合、各複屈折部材における屈折率楕円体の光学軸の極角がオフ状態の液晶における屈折率楕円体の光学軸の極角と等しくなり、光入射面に対して垂直に入射する光の各複屈折部材の各屈折率楕円体に応じて発生する位相差がオフ状態の液晶の屈折率楕円体に応じて発生する位相差と互いに相殺し合う。

本発明の別の態様によれば、方位角補償部材が、複数の複屈折部材の厚みの調整によって、オフ状態の液晶の屈折率楕円体の作用と複数の複屈折材料に対応する屈折率楕円体の作用との加算によって得られる複合的作用としての複屈折状態を調整する。この場合、各複屈折部材の屈折率楕円体のサイズが液晶の屈折率楕円体のサイズと異なる場合であっても、位相変調量の方位角依存性をなくすことができる。

本発明のさらに別の態様によれば、方位角補償部材が複数の複屈折部材として２枚の水晶板を有する。この場合、複数の複屈折部材として耐久性があり少ない２枚の水晶板を用いて方位角補償部材を構成できるので、液晶装置を比較的低コストで耐久性のあるものとできる。

本発明のさらに別の態様によれば、２枚の水晶板の光学軸の方位角が互いに１２０°だけずれており、オフ状態の液晶の配向方向と２枚の水晶の光学軸とが互いに１２０°だけずれた状態となっている。この場合、光入射面に対して垂直に入射する光の各水晶板で生じている位相差と、オフ状態の液晶で生じている位相差とが略等しくなってバランスし、液晶セルにおける位相変調量の方位角依存性を比較的正確に補償することができる。

本発明のさらに別の態様によれば、方位角補償部材が有機物質により正の一軸性を構築した部材である。有機物質に構築された正の一軸性の部材としては、液晶、または延伸膜などを採用できる。延伸フィルムは、大量生産に向いている。液晶は、画像変調用の液晶（液晶層）と同じ屈折率となるため精度よく位相差の補償することができる。

本発明のさらに別の態様によれば、極角補償部材がサファイア板を含んで形成される。この場合、負の一軸結晶であるサファイア板を１枚用意するだけで極角補償部材として機能させることができる。

本発明のさらに別の態様によれば、極角補償部材が入射軸に垂直で互いに異なる方向に延びる光学軸を有する正の一軸性の複屈折材料でそれぞれ形成された複数の複屈折部材を有する。この場合、極角補償部材を正の一軸性の複屈折材料のみで形成することができ、極角補償部材を構成する複屈折材料の自由度を高めることができる。

本発明のさらに別の態様によれば、極角補償部材が延伸膜を含んで形成される。この場合、低コストで量産可能な極角補償部材によって液晶装置を安価なものとできる。

本発明のさらに別の態様によれば、極角補償部材がオフ状態の液晶と方位角補償部材とに起因する入射軸に沿った方向の位相変調量を実質的にキャンセルする。この場合、液晶セルと方位角補償部材と極角補償部材とを合わせた全体に関して、位相変調量を入射面内だけでなく入射軸方向を含む各方向に関してバランスさせることができる。なお、上記のような位相変調量の調整は、極角補償部材の厚さを増減調整することによって達成される。

本発明に係るプロジェクタは、（ａ）上述の液晶装置を含む光変調装置と、（ｂ）光変調装置を照明する照明装置と、（ｃ）光変調装置によって形成された画像を投射する投射レンズとを備える。

上記プロジェクタの具体的な態様では、液晶装置が透過型であり、光変調装置が液晶セル、方位角補償部材、及び極角補償部材を挟むように配置される一対の偏光素子を含む。

上記プロジェクタの別の態様では、液晶装置が反射型であり、光変調装置が偏光ビームスプリッタを含み、方位角補償部材及び極角補償部材が液晶セルと偏光ビームスプリッタとの間に挟まれるように配置される。

上記プロジェクタにおいては、上述の液晶装置を含む光変調装置を備えており、液晶セルに電圧を印可しないオフ時に液晶装置の正面方向において黒表示で透過光が増して画像のコントラストが低下する現象を抑えることができる。これにより、簡単な手法でコントラストの高い画像を投射できるプロジェクタを提供することができる。

〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１実施形態に係る液晶装置である液晶ライトバルブ（光変調装置）の構造を説明する拡大断面図である。

図示の液晶ライトバルブ３１において、入射側の偏光素子である第１偏光フィルタ３１ｂと、射出側の偏光素子である第２偏光フィルタ３１ｃとは、クロスニコルを構成する。これら第１及び第２偏光フィルタ３１ｂ，３１ｃの間に挟まれた液晶装置３１ａは、入射光の偏光方向を入力信号に応じて画素単位で変化させる透過型の液晶パネルである。なお、偏光フィルタ３１ｂ，３１ｃは、樹脂等で形成される吸収型の偏光子とすることもできるが、ワイヤグリッド偏光子等の反射型の偏光子とすることもできる。

液晶装置３１ａは、垂直配向モードで動作する液晶（すなわち垂直配向型の液晶）で構成される液晶層７１を挟んで、入射側に透明な第１基板７２ａと、射出側に透明な第２基板７２ｂとを備える。さらに、液晶装置３１ａは、入射側透明基板である第１基板７２ａの外側に入射側カバー７４ａを備え、射出側透明基板である第２基板７２ｂの外側に射出側カバー７４ｂを備える。

第１基板７２ａの液晶層７１側の面上には、透明な共通電極７５が設けられており、その上には、例えば配向膜７６が形成されている。一方、第２基板７２ｂの液晶層７１側の面上には、マトリクス状に配置された複数の透明画素電極７７と、各透明画素電極７７に電気的に接続されている薄膜トランジスタ（不図示）とが設けられており、その上には、例えば配向膜７８が形成されている。ここで、第１及び第２基板７２ａ，７２ｂと、これらに挟まれた液晶層７１と、電極７５，７７とは、入射光の偏光状態を変化させるための液晶セルとなっている。また、液晶セルを構成する各画素は、１つの画素電極７７と、共通電極７５と、これらの間に挟まれた液晶層７１とを含む。なお、第１基板７２ａと共通電極７５との間には、各画素を区分するように格子状のブラックマトリックス７９が設けられている。

ここで、配向膜７６，７８は、液晶層７１を構成する液晶すなわち液晶性化合物を必要な方向に配列させるためのものであり、液晶層７１に電圧が印加されないオフ状態において、液晶性化合物の光学軸を第１基板７２ａの法線に対して大きくないが一様な傾きとなるように配向させる役割を有し、液晶層７１に電圧が印加されたオン状態において、液晶性化合物の光学軸を第１基板７２ａの法線に対して垂直な特定の方向（具体的にはＸ方向）に配向させる役割を有する。これにより、液晶層７１に対して電圧を印加しないオフ状態において、最大遮光状態（最低輝度状態）を確保することができ、液晶層７１に対して電圧を印可したオン状態において、最大透過状態（最高輝度状態）を確保することができる。

この液晶装置３１ａにおいて、入射側カバー７４ａの入射面すなわち第１偏光フィルタ３１ｂに対向する一方の平坦面には、薄い第１複屈折部材７３ａが貼り付けられている。また、入射側カバー７４ａと第１基板７２ａとの間には、薄い第２複屈折部材７３ｂが挿入されている。ここで、第１複屈折部材７３ａや第２複屈折部材７３ｂは、光学接着剤によって入射側カバー７４ａの両平坦面上に接合されて一体化した方位角補償部材ＯＣ１を構成しており、このような方位角補償部材ＯＣ１は、第１基板７２ａの入射面上に光学接着剤によって貼り付けられる。第１及び第２複屈折部材７３ａ，７３ｂは、例えば正の一軸結晶である水晶等の複屈折材料でそれぞれ形成されている。なお、方位角補償部材ＯＣ１は、後に詳述するが、オフ状態の液晶層７１による位相変調量に対してその方位角依存性を相殺するように作用する。これにより、方位角補償部材ＯＣ１とオフ状態の液晶層７１とを合わせた全体が、入射軸すなわちＺ軸に沿った光学軸を有する擬似的な正の一軸結晶と同様の複屈折材料として機能することになる。
なお、方位角補償部材ＯＣ１については、第１及び第１複屈折部材７３ａ，７３ｂのみで構成することができる。その場合、入射側カバー７４ａは不要になり、両複屈折部材７３ａ，７３ｂを直接第１基板７２ａに貼り付けることができ、或いは両複屈折部材７３ａ，７３ｂを適当なホルダによって第１基板７２ａから離間して保持させることもできる。

一方、射出側カバー７４ｂの射出面すなわち第２偏光フィルタ３１ｃに対向する一方の平坦面には、例えばサファイアであれば１５０〜２５０μｍ程度の厚さを有する薄い第３複屈折部材７３ｄが貼り付けられている。ここで、第３複屈折部材７３ｄは、光学接着剤によって射出側カバー７４ｂの片平坦面上に接合されて一体化した極角補償部材ＯＣ２を構成しており、このような極角補償部材ＯＣ２は、第２基板７２ｂの射出面上に光学接着剤によって貼り付けられる。第３複屈折部材７３ｄは、例えば負の一軸結晶であるサファイア等の複屈折材料で形成されている。なお、極角補償部材ＯＣ２は、後に詳述するが、オフ状態の液晶層７１と方位角補償部材ＯＣ１とによって生じる複合的作用としての位相変調量に関して極角依存性を相殺するように作用する。これにより、方位角補償部材ＯＣ１とオフ状態の液晶層７１とを合わせた擬似的な正の一軸結晶型の複屈折性と、極角補償部材ＯＣ２の負の一軸結晶型の複屈折性とが組み合わさって、全体として入射光の方位角や極角に応じて位相変調量が変化しにくい高精度の液晶装置３１ａが得られる。
なお、極角補償部材ＯＣ２については、第３複屈折部材７３ｄのみで構成することができる。その場合、射出側カバー７４ｂは不要になり、第３複屈折部材７３ｄを直接第２基板７２ｂに貼り付けることができ、或いは第３複屈折部材７３ｄを適当なホルダによって第２基板７２ｂから離間して保持させることもできる。

図２は、図１に示す液晶層７１の屈折率と両補償部材ＯＣ１，ＯＣ２の屈折率とを説明する側方断面の概念図である。また、図３（ａ）は、図１に示す液晶層７１及び方位角補償部材ＯＣ１の屈折率を概念的に説明する平面図であり、図３（ｂ）は、液晶層７１及び方位角補償部材ＯＣ１の複合的屈折率を概念的に説明する平面図であり、図３（ｃ）は、図１に示す液晶層７１及び方位角補償部材ＯＣ１の複合的屈折率と極角補償部材ＯＣ２の屈折率を概念的に説明する側面図である。ここで、方位角補償部材ＯＣ１を構成する第１及び第２複屈折部材７３ａ，７３ｂと、オフ状態の液晶層７１の画素部分と、極角補償部材ＯＣ２を構成する第３複屈折部材７３ｄとは、すべて平行な入出射面に挟まれており、互いに平行に配置されている。ただし、光学的性能に実質的な影響を与えない範囲で、上記の各要素自体や相互間に僅かなクサビ角を設けることもできる。

図２の液晶装置３１ａに入射面Ｓ１を介して入射した光束は、第１及び第２複屈折部材７３ａ，７３ｂを順次通過した後に液晶層７１を通過し、最終的に第３複屈折部材７３ｄを経て射出面Ｓ２から射出される。

液晶装置３１ａのうち、液晶層７１において、液晶性化合物の屈折率楕円体ＲＩＥ１の長軸すなわち光学軸ＯＡ１は、ＸＺ面内でＺ軸すなわち入射軸ＩＡに対して小さいが一定の傾き角を有している。この際、屈折率楕円体ＲＩＥ１の傾き方向はＸ方向であり、このＸ方向を液晶層７１の配向方向と呼ぶものとし、ＸＺ面を便宜上第１方位面Ｐ１と呼ぶものとする（図３（ａ）参照）。また、この屈折率楕円体ＲＩＥ１の配向方向における傾き角は、プレチルト角θ１と呼ばれる。

一方、方位角補償部材ＯＣ１の第１複屈折部材７３ａにおいて、これを構成する正の一軸性の屈折率楕円体ＲＩＥ２の長軸すなわち光学軸ＯＡ２は、入射軸ＩＡに対して適宜傾いた状態に設定されており、ＸＺ面に平行な第１方位面Ｐ１を入射軸ＩＡのまわりに反時計方向に１２０°回転させた第２方位面Ｐ２内にある（図３（ａ）参照）。この際、屈折率楕円体ＲＩＥ２の第２方位面Ｐ２における入射軸ＩＡに対する傾き角θ２すなわち極角は、液晶層７１に付与されているプレチルト角θ１と略等しくなっている。

また、方位角補償部材ＯＣ１の第２複屈折部材７３ｂにおいて、これを構成する正の一軸性の屈折率楕円体ＲＩＥ３の長軸すなわち光学軸ＯＡ３は、入射軸ＩＡに対して適宜傾いた状態に設定されており、上記第１方位面Ｐ１を入射軸ＩＡのまわりに時計方向に１２０°回転させた第３方位面Ｐ３内にある（図３（ａ）参照）。この際、屈折率楕円体ＲＩＥ３の第３方位面Ｐ３における入射軸ＩＡに対する傾き角θ３すなわち極角は、液晶層７１に付与されているプレチルト角θ１と略等しくなっている。

以上説明したオフ状態の液晶層７１を表す屈折率楕円体ＲＩＥ１の作用と、第１複屈折部材７３ａを表す屈折率楕円体ＲＩＥ２の作用と、第２複屈折部材７３ｂを表す屈折率楕円体ＲＩＥ３の作用とを加算すると、擬似的に正の一軸性の複屈折材料と等価な複合的作用を達成することができる。つまり、図３（ｂ）に示すように、上記のような複合的作用を達成する擬似的な複屈折材料の屈折率楕円体ＱＥは、ＸＹ面内において略円形の屈折率断面を有し、図３（ｃ）に示すように、同屈折率楕円体ＱＥは、ＸＺ面内において楕円の屈折率断面を有する。図からも明らかなように、屈折率楕円体ＱＥは、Ｚ軸方向すなわち入射軸ＩＡ方向を長軸としており、入射軸ＩＡに沿った光学軸ＯＡ４を有する正の一軸性の複屈折材料と等価な屈折率異方性を示す。

図４（ａ）は、液晶層７１の屈折率楕円体ＲＩＥ１と、第１複屈折部材７３ａの屈折率楕円体ＲＩＥ２と、第２複屈折部材７３ｂの屈折率楕円体ＲＩＥ３との関係を説明する斜視図である。また、図４（ｂ）は、３つの屈折率楕円体ＲＩＥ１，ＲＩＥ２，ＲＩＥ３の作用、すなわちこれら屈折率楕円体ＲＩＥ１，ＲＩＥ２，ＲＩＥ３の作用を合成した複合な屈折率楕円体ＱＥを表す斜視図である。図からも明らかなように、３つのラグビーボール状の屈折率楕円体ＲＩＥ１，ＲＩＥ２，ＲＩＥ３を組み合わせることによって、１つの擬似的な屈折率楕円体ＱＥが得られることが分かる。

以上では、液晶層７１の屈折率楕円体ＲＩＥ１と、第１複屈折部材７３ａの屈折率楕円体ＲＩＥ２と、第２複屈折部材７３ｂの屈折率楕円体ＲＩＥ３が略等しいサイズを有し、液晶層７１と第１複屈折部材７３ａと第２複屈折部材７３ｂとが等しい厚みを有するものとして説明を行った。しかしながら、通常、液晶層７１と複屈折部材７３ａ、７３ｂとの屈折率は異なっており、各屈折率楕円体ＲＩＥ１，ＲＩＥ２，ＲＩＥ３のサイズすなわち屈折率と、速軸方向の屈折率と遅軸方向の屈折率との屈折率差とが異なる場合を考慮する必要がある。

液晶層７１、第１複屈折部材７３ａ及び第２複屈折部材７３ｂにおいて、各屈折率及び速軸方向の屈折率と遅軸方向の屈折率との屈折率差とが異なる場合には、それぞれの光学軸の極角が決定され、厚さはその極角、各屈折率差などによって方位角依存性がなくなるように最適化する。

まず、図５に示すように、液晶層７１、第１複屈折部材７３ａ及び第２複屈折部材７３ｂの光学軸がすべて同じ方向に（同じ方位角で）傾斜しており、さらに液晶層７１→第１複屈折部材７３ａ→第２複屈折部材７３ｂの順番に光が透過すると想定する。液晶層７１、第１複屈折部材７３ａ及び第２複屈折部材７３ｂの各光入射面及び光射出面はすべて平行である。液晶層７１の光入射面に対して入射角θ１°で入射してくる光は始めに液晶層７１の光入射面で屈折し、液晶層７１中では屈折角θ２°で進行する。ここで、屈折角θ２°で進む光と液晶層７１内の液晶の光学軸とのなす角度をα°とする。次に、液晶層７１から出射し屈折角θ１°（液晶層７１の光入射面への入射角に同じ）で進行し、第１複屈折部材７３ａへ入射する。第１複屈折部材７３ａの光入射面で屈折した光は、第１複屈折部材７３ａ内を屈折角θ３°で進行する。ここで、屈折角θ３°で進む光と第１複屈折部材７３ａの光学軸とのなす角度がα°（液晶層７１内を進む光と液晶の光学軸がなす角度α°に同じ）となるように、第１複屈折部材７３ａの光学軸の傾き（極角）を決定する。同様に、第２複屈折部材７３ｂを屈折角θ４°で進む光と第２複屈折部材７３ｂの光学軸とのなす角度がα°（液晶層７１内を進む光と液晶の光学軸がなす角度α°に同じ）となるように、第２複屈折部材７３ｂの光学軸の傾き（極角）を決定する。屈折角θ２°、θ３°及びθ４°は液晶層７１、第１複屈折部材７３ａの各屈折率とそれらの間に介在する物質の屈折率により決定される。

この様に光学軸の極角が決定された液晶層７１、第１複屈折部材７３ａ及び第２複屈折部材７３ｂをそれぞれの方位角が互いに１２０°ずつずれるように配置する。

次に、第１複屈折部材７３ａ及び第２複屈折部材７３ｂの各厚みを決定する。第１複屈折部材７３ａと第２複屈折部材７３ｂとの屈折率が大きく異なると、ある一つの入射角の光線を考えただけで厚さは決定できない。実際は、なるべく方位角依存性がなくなるようにシミュレーション上で厚さを少しずつ変化させていき、最もリタデーションの小さくなる厚みを選定する。

なお、特別な場合として、液晶層７１、第１複屈折部材７３ａ及び第２複屈折部材７３ｂの各屈折率がおよそ等しい場合は、各屈折率差と厚さは以下のような関係になる。
Δｎ（液晶層７１の屈折率）×Ｄ（液晶層７１の厚み）
＝Δｎ（第１複屈折部材７３ａの屈折率）×Ｄ(第１複屈折部材７３ａの厚み）
＝Δｎ(第２複屈折部材７３ｂの屈折率)×Ｄ（第２複屈折部材７３ｂの厚み）

極角補償部材ＯＣ２の第３複屈折部材７３ｄにおいては、図３（ｃ）に示すように、第３複屈折部材７３ｄを構成する負の一軸結晶の屈折率楕円体ＲＩＥ５の短軸すなわち光学軸ＯＡ５が入射軸ＩＡに対して平行に設定されている。一方で、既に説明したように、オフ状態の液晶層７１と第１複屈折部材７３ａと第２複屈折部材７３ｂとを組み合わせて得られる作用に等価とみなされる屈折率楕円体ＱＥは、長軸すなわち光学軸ＯＡ４が入射軸ＩＡに対して平行に設定されている。ここで、第３複屈折部材７３ｄにおける屈折率楕円体ＲＩＥ５の複屈折量すなわち速軸方向の屈折率と遅軸方向の屈折率との屈折率差と第３複屈折部材７３ｄの厚さから計算される位相変調量と、液晶層７１等を合わせた屈折率楕円体ＱＥの複屈折量すなわち速軸方向の屈折率と遅軸方向の屈折率との屈折率差と液晶層７１、第１複屈折部材７３ａ及び第２複屈折部材７３ｂの厚さから計算される位相変調量が略等しければ、方位角補償部材ＯＣ１と、オフ状態の液晶層７１と、極角補償部材ＯＣ２とを順次経た光束は、恰も等方性の材料を通過するかのように振る舞う。つまり、液晶装置３１ａに入射した照明光については、方位角補償部材ＯＣ１によって、入射軸ＩＡのまわりにおける方位角に依存する位相差が近似的に補償され、極角補償部材ＯＣ２によって、入射軸ＩＡに対する極角に依存する位相差が補償される。よって、入射軸ＩＡに対して比較的小さな角度から大きな角度で入射する様々な照明光が、入射軸ＩＡに沿った照明光と略等価な作用を受けることになり、液晶ライトバルブ３１の視野角特性が入射軸ＩＡに関して対称的になるとともに、液晶ライトバルブ３１の液晶セルに電圧を印可しないオフ時すなわち黒表示時における正面方向の遮光性を高めることができ、液晶ライトバルブ３１のコントラストを向上させることができる。

図６（ａ）は、液晶層７１、第１複屈折部材７３ａ及び第２複屈折部材７３ｂのそれぞれの屈折率楕円体ＲＩＥ１，ＲＩＥ２，ＲＩＥ３を合成した屈折率楕円体ＱＥを示し、図６（ｂ）は、第３複屈折部材７３ｄの屈折率楕円体ＲＩＥ５を示す。また、図６（ｃ）は、屈折率楕円体ＱＥと屈折率楕円体ＲＩＥ５との作用を合成した複合的な屈折率球体ＲＩＳを表す斜視図である。屈折率楕円体ＱＥと屈折率楕円体ＲＩＥ５とは、光学軸ＯＡ４，ＯＡ５がともにＺ軸方向に平行で、正負が異なる一軸結晶型の特性を有するので、積算によって恰も等方性の材料のように振る舞わせることが可能になる。

以上では、合成の対象となる屈折率楕円体ＱＥと、極角補償用の屈折率楕円体ＲＩＥ５とが略等しいサイズを有するものとしているが、屈折率楕円体ＱＥのサイズと屈折率楕円体ＲＩＥ５のサイズとは通常異なる。よって、方位角補償部材ＯＣ１の場合と同様に、極角補償部材ＯＣ２の入射軸ＩＡすなわちＺ軸方向の厚みを調整することによって、屈折率楕円体ＱＥの作用によって生じる位相変調量と屈折率楕円体ＲＩＥ５の作用によって生じる位相変調量とをバランスさせることができるので、入射軸ＩＡに対する傾きとしての極角に依存する光変調の差を殆どなくすことができる。

具体的な実施例について説明すると、垂直配向型の各種液晶層７１に対して、方位角補償部材ＯＣ１を構成する第１及び第２複屈折部材７３ａ，７３ｂとして水晶を用いた場合、各複屈折部材７３ａ，７３ｂの厚みは、３０〜４０μｍ程度の範囲となった。また、同じ条件で、極角補償部材ＯＣ２を構成する第３複屈折部材７３ｄとしてサファイア結晶を用いた場合、第３複屈折部材７３ｄの厚みは、１００〜３００μｍ程度の範囲となった。

図７は、具体的な液晶ライトバルブ３１に対応するデータでシミュレーションを行った結果を示す。図７（ａ）は、実施例の液晶ライトバルブ３１の視野角特性を示し、図７（ｂ）は、比較例の液晶ライトバルブの視野角特性を示す。比較例の液晶ライトバルブは、実施例の液晶ライトバルブ３１から両補償部材ＯＣ１，ＯＣ２を除いたものである。両視野角特性において、等高線は、入射面の法線方向に対する傾斜角を意味する。図からも明らかなように、実施例の液晶ライトバルブ３１の場合、視野角特性が入射面の法線方向に関して対称的であり、液晶ライトバルブ３１の正面方向のコントラストを著しく向上させていることが分かる。

以下、第１及び第２複屈折部材７３ａ，７３ｂを備える方位角補償部材ＯＣ１の製造方法について説明する。まず、方位角補償部材ＯＣ１の構成要素となる、一対の複屈折部材７３ａ，７３ｂ及び入射側カバー７４ａの材料を準備する。すなわち、第１及び第２複屈折部材７３ａ，７３ｂの材料となる水晶等をなるべく薄く切り出して、光学軸すなわち各屈折率楕円体ＲＩＥ１，ＲＩＥ２の傾き方向と傾き角とが図２及び図３（ａ）に示すようなものになるようにする。次に、切り出した各水晶板の一対の対向する平面に対して研磨等の加工を施して表面を滑らかにする。次に、入射側カバー７４ａの材料となる、石英、白板ガラス等の透過率が高く複屈折性有しない平行平板状の支持基板を準備する。次に、洗浄後の支持基板の表面側に紫外線硬化樹脂を介して洗浄後の一方の水晶板をアライメントして貼り合わせた後、硬化によって固定する。次に、支持基板の裏面側に紫外線硬化樹脂を介して洗浄後の他方の水晶板をアライメントして貼り合わせた後、硬化によって固定する。その後、支持基板上の両水晶板を比較的粗い砥粒で研磨して、水晶板が必要な厚さの第１及び第２複屈折部材７３ａ，７３ｂになるようにする。仕上げとして、研磨された面には細かい傷がつくので、両複屈折部材７３ａ，７３ｂと同程度の屈折率を有する接着材等で傷を埋め、或いは比較的細かい砥粒で再度研磨を行って、両複屈折部材７３ａ，７３ｂの表面を平滑化する。なお、第１及び第２複屈折部材７３ａ，７３ｂにおいて割れ等に耐えうる厚みである場合は、入射側カバー７４ａを介在させずに第１及び第２複屈折部材７３ａ，７３ｂを直接接着固定し加工を施してもよい。

以下、第３複屈折部材７３ｄを備える極角補償部材ＯＣ２の製造方法について説明する。まず、極角補償部材ＯＣ２の構成要素となる、第３複屈折部材７３ｄ及び射出側カバー７４ｂの材料を準備する。すなわち、第３複屈折部材７３ｄの材料となるサファイア等をなるべく薄く切り出して、屈折率楕円体ＲＩＥ５の光学軸ＯＡ５が図３（ｂ）、３（ｃ）に示すようなものになるようにする。次に、切り出したサファイア板の一対の対向する平面に対して研磨等の加工を施して表面を滑らかにする。次に、射出側カバー７４ｂの材料となる、石英、白板ガラス等の透過率が高く複屈折性有しない平行平板状の支持基板を準備する。次に、洗浄後の支持基板の表面側に紫外線硬化樹脂を介して洗浄後のサファイア板を貼り合わせた後、硬化によって固定する。その後、支持基板上のサファイア板を比較的粗い砥粒で研磨して、サファイア板が必要な厚さの第３複屈折部材７３ｄになるようにする。仕上げとして、第３複屈折部材７３ｄと同程度の屈折率を有する接着材等で第３複屈折部材７３ｄ表面の傷を埋め、或いは比較的細かい砥粒で再度研磨を行って、第３複屈折部材７３ｄの表面を平滑化する。なお、第３複屈折部材７３ｄにおいて割れ等に耐えうる厚みである場合は、射出側カバー７４ｂに接着せずに第３複屈折部材７３ｄ単品で加工を施してもよい。

〔第２実施形態〕
以下、本発明の第２実施形態に係る液晶装置である液晶ライトバルブ（光変調装置）について説明する。第２実施形態の液晶ライトバルブは、第１実施形態の液晶ライトバルブを変形したものであり、特に説明しない部分は、第１実施形態と同様であり重複説明を省略する。

図８は、第２実施形態の液晶ライトバルブに組み込まれる液晶装置３１ａの構造を説明する側方断面図である。この場合、極角補償部材ＯＣ２を構成する第３複屈折部材１７３ｄが４枚の部分板８１，８２，８３，８４を貼り合わせたものとなっている。これらの部分板８１，８２，８３，８４は、いずれも正の一軸性の複屈折材料で作製されている。正の一軸性の複屈折材料を複数枚用いて、負の一軸性材料と同様の特性を得るためには、それぞれの光学軸が９０°ずれた一対の正の一軸性の複屈折材料を一組以上用いる。本実施形態においては、負の一軸性材料（第３複屈折部材１７３ｄ）は、それぞれの光学軸が９０°ずれた一対の正の一軸性の複屈折材料を２組（部分板８１，８３，部分板８２，８４）を備えている。部分板８１と部分板８３とが一対であり、部分板８１の光学軸ＯＡ５１と部分板８３の光学軸ＯＡ５３とは９０°ずれている。また、部分板８２と部分板８４とが一対であり、部分板８２の光学軸ＯＡ５２と部分板８４の光学軸ＯＡ５４とは９０°ずれている。

各部分板８１，８２，８３，８４は、図９（ａ）に示すように、屈折率楕円体ＲＩＥ５１，ＲＩＥ５２，ＲＩＥ５３，ＲＩＥ５４がすべて異なる方向に向いており、各屈折率楕円体ＲＩＥ５１，ＲＩＥ５２，ＲＩＥ５３，ＲＩＥ５４の光学軸ＯＡ５１，ＯＡ５２，ＯＡ５３，ＯＡ５４は、入射面Ｓ１に平行なＸＹ面内において８等分された角度ごとに配置されている。具体的には、光学軸ＯＡ５１を方位角０°（＝１８０°）とすると、光学軸ＯＡ５４は方位角９０°（＝２７０°）に、光学軸ＯＡ５２は方位角４５度（＝２２５°）に、光学軸ＯＡ５４は方位角１３５°（＝３１５°）にそれぞれ配置される。

さらに、各部分板８１，８２，８３，８４は、図８に示すように、部分板８１と部分板８３とを隣接させ、部分板８２と部分板８４とを隣接させ、積み重ねている。部分板８１，８２，８３，８４の積み重ね方としてじは、少なくとも１組が隣接するように配置させる必要がある。つまり、部分板８１と部分板８３、及び部分板８２と部分板８４とのうち一方の組を隣接させれば、他方の組みの部分板同士を隣接させなくてもよい（たとえば、光入射側から部分板８２→部分板８１→部分板８３→部分板８４の順番で積み重ねてもよい）。

この場合、各屈折率楕円体ＲＩＥ５１，ＲＩＥ５２，ＲＩＥ５３，ＲＩＥ５４は、それぞれラグビーボール状で正の一軸性の特性を有しているが、これら４つのラグビーボール状の屈折率楕円体ＲＩＥ５１，ＲＩＥ５２，ＲＩＥ５３，ＲＩＥ５４の光学軸ＯＡ５１，ＯＡ５２，ＯＡ５３，ＯＡ５４をＸＹ面に平行に配置させて上述のような方位角に配置させることによって、図９（ｂ）に示すような１つの擬似的な屈折率楕円体ＱＥ５が得られる。この屈折率楕円体ＱＥ５は、ＺＸ面に平行な光学軸を有する負の一軸性の複屈折材料と等価な屈折率異方性を示す。つまり、本実施形態の第３複屈折部材１７３ｄは、その厚みの調節によって、第１実施形態の第３複屈折部材７３ｄと同等の役割を果たす。

なお、以上の実施形態において、第３複屈折部材１７３ｄを構成する一対の部分板（互いの光学軸が９０°ずれている２枚の部分板）２組となる部分板８１〜８４は、一対の部分板（互いの光学軸が９０°ずれている２枚の部分板）３組以上となる各種層数とすることができる。一対の部分板（互いの光学軸が９０°ずれている２枚の部分板）を３組以上用いる場合の積み重ね方としては、一対をなす部分板同士が隣接するように積み重ねてもよいし、積層された部分板の中央に光学軸が９０°ずれている２枚の部分板を隣接させこの隣接された一組から入射側に積層された部分板の光学軸の配置と射出側に配置された部分板の光学軸の配置とが対照的になるように積み重ねてもよい。つまり、それぞれの光学軸が光入射面に平行であって互いの光学軸が９０°ずれている正の一軸性を有する一対の部分板（２枚の部分板）を１組み以上用いて、その複数の部分板の正の一軸性の複屈折特性を合成することによって、第３複屈折部材１７３ｄとして光入射面に垂直な光学軸を有する負の一軸性の複屈折特性を得られれば、部分板はどのように積層することも可能である。なお、層数を増やすほど屈折率楕円体ＱＥ５の形状が滑らかになるが、層数が少ないほど第３複屈折部材１７３ｄの製造は簡単になる。

また、第３複屈折部材１７３ｄを構成する部分板８１〜８４は、同一の複屈折材料で作製される必要はない。ただし、部分板８１〜８４を異なる材料で作製する場合、それぞれを屈折率ならびに速軸方向の屈折率と遅軸方向の屈折率との屈折率差に応じた厚みとする。

〔第３実施形態〕
図１０は、図１に示す液晶ライトバルブ３１等を組み込んだプロジェクタの光学系の構成を説明する図である。

本プロジェクタ１０は、光源光を発生する光源装置２１と、光源装置２１からの光源光を赤緑青の３色に分割する色分離光学系２３と、色分離光学系２３から射出された各色の照明光によって照明される光変調部２５と、光変調部２５からの各色の像光を合成するクロスダイクロイックプリズム２７と、クロスダイクロイックプリズム２７を経た像光をスクリーン（不図示）に投射するための投射光学系である投射レンズ２９とを備える。このうち、光源装置２１、色分離光学系２３、光変調部２５、及びクロスダイクロイックプリズム２７は、スクリーンに投射すべき像光を形成する画像形成装置となっている。

以上のプロジェクタ１０において、光源装置２１は、光源ランプ２１ａと、凹レンズ２１ｂと、一対のフライアイ光学系２１ｄ，２１ｅと、偏光変換部材２１ｇと、重畳レンズ２１ｉとを備える。このうち、光源ランプ２１ａは、例えば高圧水銀ランプからなり、光源光を回収して前方に射出させる凹面鏡を備える。凹レンズ２１ｂは、光源ランプ２１ａからの光源光を平行化する役割を有する。光源ランプの２１ａの凹面鏡が、放物面であった場合凹レンズ２１ｂを省略することもできる。一対のフライアイ光学系２１ｄ，２１ｅは、マトリックス状に配置された複数の要素レンズからなり、これらの要素レンズによって凹レンズ２１ｂを経た光源ランプ２１ａからの光源光を分割して個別に集光・発散させる。偏光変換部材２１ｇは、フライアイ光学系２１ｅから射出した光源光を例えば図１０の紙面に垂直なＳ偏光成分のみに変換して次段光学系に供給する。重畳レンズ２１ｉは、偏光変換部材２１ｇを経た照明光を全体として適宜収束させることにより、光変調部２５に設けた各色の光変調装置に対する重畳照明を可能にする。つまり、両フライアイ光学系２１ｄ，２１ｅと重畳レンズ２１ｉとを経た照明光は、以下に詳述する色分離光学系２３を経て、光変調部２５に設けられた各色の液晶パネル２５ａ，２５ｂ，２５ｃを均一に重畳照明する。

色分離光学系２３は、第１及び第２ダイクロイックミラー２３ａ，２３ｂと、補正光学系である３つのフィールドレンズ２３ｆ，２３ｇ，２３ｈと、反射ミラー２３ｊ，２３ｍ，２３ｎ，２３ｏとを備え、光源装置２１とともに照明装置を構成する。ここで、第１ダイクロイックミラー２３ａは、赤緑青の３色のうち例えば赤光及び緑光を反射し青光を透過させる。また、第２ダイクロイックミラー２３ｂは、入射した赤及び緑の２色のうち例えば緑光を反射し赤光を透過させる。この色分離光学系２３において、光源装置２１からの略白色の光源光は、反射ミラー２３ｊで光路を折り曲げられて第１ダイクロイックミラー２３ａに入射する。第１ダイクロイックミラー２３ａを通過した青光は、例えばＳ偏光のまま、反射ミラー２３ｍを経てフィールドレンズ２３ｆに入射する。また、第１ダイクロイックミラー２３ａで反射されて第２ダイクロイックミラー２３ｂでさらに反射された緑光は、例えばＳ偏光のままフィールドレンズ２３ｇに入射する。さらに、第２ダイクロイックミラー２３ｂを通過した赤光は、例えばＳ偏光のまま、レンズＬＬ１，ＬＬ２及び反射ミラー２３ｎ，２３ｏを経て、入射角度を調節するためのフィールドレンズ２３ｈに入射する。レンズＬＬ１，ＬＬ２及びフィールドレンズ２３ｈは、リレー光学系を構成している。このリレー光学系は、第１レンズＬＬ１の像を、第２レンズＬＬ２を介してほぼそのままフィールドレンズ２３ｈに伝達する機能を備えている。

光変調部２５は、３つの液晶パネル２５ａ，２５ｂ，２５ｃと、各液晶パネル２５ａ〜２５ｃを挟むように配置される３組の偏光フィルタ２５ｅ，２５ｆ，２５ｇとを備える。ここで、青光用の液晶パネル２５ａと、これを挟む一対の偏光フィルタ２５ｅ，２５ｅとは、青光を画像情報に基づいて２次元的に輝度変調するための青色用の液晶ライトバルブを構成する。青色用の液晶ライトバルブは、図１に示す液晶ライトバルブ３１と同様の構造を有しており、コントラスト向上のための補償部材ＯＣ１，ＣＯ２を組み込んでいる。同様に、緑光用の液晶パネル２５ｂと、対応する偏光フィルタ２５ｆ，２５ｆも、緑色用の液晶ライトバルブを構成し、赤光用の液晶パネル２５ｃと、偏光フィルタ２５ｇ，２５ｇも、赤色用の液晶ライトバルブを構成する。そして、これら緑光及び赤色用の液晶ライトバルブも、図１に示す液晶ライトバルブ３１と同様の構造を有している。具体的には、各偏光フィルタ２５ｅ，２５ｆ，２５ｇは、図１の偏光フィルタ３１ｂ，３１ｃに対応しており、各液晶パネル２５ａ，２５ｂ，２５ｃは、図１の液晶装置３１ａに対応しており、コントラスト向上のための補償部材ＯＣ１，ＯＣ２をそれぞれ組み込んでいる。

青光用の第１液晶パネル２５ａには、色分離光学系２３の第１ダイクロイックミラー２３ａを透過することによって分岐された青光が、フィールドレンズ２３ｆを介して入射する。緑光用の第２液晶パネル２５ｂには、色分離光学系２３の第２ダイクロイックミラー２３ｂで反射されることによって分岐された緑光が、フィールドレンズ２３ｇを介して入射する。赤光用の第３液晶パネル２５ｃには、第２ダイクロイックミラー２３ｂを透過することによって分岐された赤光が、フィールドレンズ２３ｈを介して入射する。各液晶パネル２５ａ〜２５ｃは、入射した照明光の空間的強度分布を変調する非発光型の光変調装置であり、各液晶パネル２５ａ〜２５ｃにそれぞれ入射した３色の光は、各液晶パネル２５ａ〜２５ｃに電気的信号として入力された駆動信号或いは画像信号に応じて変調される。その際、偏光フィルタ２５ｅ，２５ｆ，２５ｇによって、各液晶パネル２５ａ〜２５ｃに入射する照明光の偏光方向が調整されるとともに、各液晶パネル２５ａ〜２５ｃから射出される変調光から所定の偏光方向の成分光が像光として取り出される。

クロスダイクロイックプリズム２７は、光合成部材であり、４つの直角プリズムを貼り合わせた平面視略正方形状をなし、直角プリズム同士を貼り合わせた界面には、Ｘ字状に交差する一対の誘電体多層膜２７ａ，２７ｂが形成されている。一方の第１誘電体多層膜２７ａは青色光を反射し、他方の第２誘電体多層膜２７ｂは赤色光を反射する。このクロスダイクロイックプリズム２７は、液晶パネル２５ａからの青光を第１誘電体多層膜２７ａで反射して進行方向右側に射出させ、液晶パネル２５ｂからの緑光を第１及び第２誘電体多層膜２７ａ，２７ｂを介して直進・射出させ、液晶パネル２５ｃからの赤光を第２誘電体多層膜２７ｂで反射して進行方向左側に射出させる。

投射レンズ２９は、クロスダイクロイックプリズム２７で合成されたカラーの像光を、所望の倍率でスクリーン（不図示）上に投射する。つまり、各液晶パネル２５ａ〜２５ｃに入力された駆動信号或いは画像信号に対応する所望の倍率のカラー動画やカラー静止画がスクリーン上に投射される。

〔第４実施形態〕
以下、本発明の第４実施形態に係る液晶装置である液晶ライトバルブ（光変調装置）について説明する。第４実施形態の液晶ライトバルブは、第１実施形態の液晶ライトバルブを変形したものであり、特に説明しない部分は、第１実施形態と同様である。

図１１は、第４実施形態の液晶ライトバルブの構造を説明する拡大断面図である。図示の液晶ライトバルブ３３１は、液晶装置３３１ａと、偏光ビームスプリッタ３３１ｂとを備える。液晶装置３３１ａは、入射光の偏光方向を入力信号に応じて画素単位で変化させる反射型の液晶パネルである。

液晶装置３３１ａは、垂直配向モードで動作する液晶（すなわち垂直配向型の液晶）で構成される液晶層７１を挟んで、表側に第１基板７２ａと、裏側に第２基板３７２ｂとを備える。なお、表側の第１基板７２ａやその周辺部分については、ブラックマトリクスが存在しない点を除いて第１実施形態と同様である。

第２基板３７２ｂの液晶層７１側には、回路層３７９を介して、マトリクス状に配置された複数の反射画素電極３７７が形成されている。各反射画素電極３７７には、回路層３７９に設けた薄膜トランジスタ（不図示）が電気的に接続されている。回路層３７９及び反射画素電極３７７の上には、配向膜７８が形成されている。ここで、第１及び第２基板７２ａ，３７２ｂと、これらに挟まれた液晶層７１と、電極７５，３７７とは、入射光の偏光状態を変化させるための液晶セルとなっている。また、液晶セルを構成する各画素は、１つの画素電極３７７と、共通電極７５と、これらの間に挟まれた液晶層７１とを含む。

液晶ライトバルブ３３１において、偏光ビームスプリッタ３３１ｂは、図１の偏光フィルタ３１ｂ，３１ｃに代えて設けられたものであり、液晶装置３３１ａに入射させる光の偏光方向と、液晶装置３３１ａから射出された光の偏光方向とについての調整を行っている。この偏光ビームスプリッタ３３１ｂ中には、偏光を分離するための偏光分離膜３２が内蔵されている。

偏光ビームスプリッタ３３１ｂは、入射光のうちＳ偏光を偏光分離膜３２によって反射して液晶装置３３１ａへと入射させ、液晶装置３３１ａから射出された変調光のうち偏光分離膜３２を透過するＰ偏光を射出する。つまり、液晶層７１に対して電圧を印加しないオフ状態において、液晶装置３３１ａからはＳ偏光が射出され偏光ビームスプリッタ３３１ｂの偏光分離膜３２でＳ偏光が反射されるので、画像光としては最大遮光状態（最低輝度状態）を確保することができ、液晶層７１に対して電圧を印可したオン状態において、液晶装置３３１ａからはＰ偏光が射出され偏光ビームスプリッタ３３１ｂの偏光分離膜３２でＰ偏光が透過されるので、最大透過状態（最高輝度状態）を確保することができる。なお、偏光ビームスプリッタ３３１ｂは、システム光軸に対して傾斜配置されるワイヤグリッド偏光子等の他の反射型の偏光分離素子に置き換えることができる。

液晶装置３３１ａにおいて、第１基板７２ａの入射面すなわち偏光ビームスプリッタ３３１ｂに対向する一方の平坦面には、第１複屈折部材７３ａと、第２複屈折部材７３ｂと、第３複屈折部材７３ｄとを含む補償部材ＯＣ３が貼り付けられている。この補償部材ＯＣ３、図１の方位角補償部材ＯＣ１と、極角補償部材ＯＣ２と一体化したものである。具体的には、補償部材ＯＣ３のうち、方位角補償部材ＯＣ１すなわち第１及び第２複屈折部材７３ａ，７３ｂは、例えば正の一軸結晶である水晶等の複屈折材料でそれぞれ形成されている。これらの複屈折部材７３ａ，７３ｂからなる方位角補償部材ＯＣ１は、オフ状態の液晶層７１による位相変調量に対してその方位角依存性を相殺するように作用する。これにより、方位角補償部材ＯＣ１とオフ状態の液晶層７１とを合わせた全体が、入射軸すなわちＺ軸に沿った光学軸を有する擬似的な正の一軸結晶と同様の複屈折材料として機能することになる。また、第３複屈折部材７３ｄは、例えば負の一軸結晶であるサファイア等の複屈折材料で形成されている。第３複屈折部材７３ｄは、オフ状態の液晶層７１と第１及び第２複屈折部材７３ａ，７３ｂとによって生じる複合的作用としての位相変調量に関して、極角依存性を相殺するように作用する。これにより、方位角補償部材ＯＣ１とオフ状態の液晶層７１とを合わせた擬似的な正の一軸結晶型の複屈折性と、第３複屈折部材７３ｄの負の一軸結晶型の複屈折性とが組み合わさって、全体として入射光の方位角や極角に応じて位相変調量が変化しにくい高精度の液晶装置３３１ａが得られる。

補償部材ＯＣ３を構成する第１〜第３複屈折部材７３ａ〜７３ｄの機能は、入射光束が第１〜第３複屈折部材７３ａ〜７３ｄと液晶層７１とを往復する点を除いて、第１実施形態の場合と同様である。すなわち、液晶装置３３１ａにおいて、垂直入射光に対するトータルのリタデーションは、図１に示す液晶装置３１ａに場合の２倍で与えられ、第１〜第３複屈折部材７３ａ〜７３ｄの厚みの調整によって、偏光ビームスプリッタ３３１ｂで反射されて液晶装置３３１ａに入射する偏光と、液晶装置３３１ａで反射されて偏光ビームスプリッタ３３１ｂに入射する偏光とが同一状態となり、垂直入射光に対する遮光が完全となり、液晶ライトバルブ３３１の透過及び遮光によって決定される画像のコントラストは最大となる。同様に、第１〜第３複屈折部材７３ａ〜７３ｄの屈折率楕円体ＲＩＥ１，ＲＩＥ２，ＲＩＥ３や厚みを調節することで、様々な角度分布の照明装置に対してリタデーションの積分値を極小化することができ、液晶ライトバルブ３３１によって形成される画像のコントラストを最大限高めることができる。

なお、以上の第４実施形態において、第３複屈折部材７３ｄは、例えば負の一軸性を有する一枚の複屈折材料で形成されたが、第２実施形態と同様に、正の一軸性を有する複数の部分板８１〜８４を貼り合わせたものとすることができる。

〔第５実施形態〕
図１２は、図１１に示す液晶ライトバルブ３３１を組み込んだプロジェクタの光学系の構成を説明する図である。なお、第５実施形態のプロジェクタ３１０は、第３実施形態のプロジェクタ１０を変形したものであり、特に説明しない部分は、第３実施形態と同様である。

本プロジェクタ３１０は、光源光を発生する光源装置２１と、光源装置２１からの光源光を赤緑青の３色に分割する色分離光学系３２３と、色分離光学系３２３から射出された各色の照明光によって照明される光変調部３２５と、光変調部３２５からの各色の像光を合成するクロスダイクロイックプリズム２７と、クロスダイクロイックプリズム２７を経た像光をスクリーン（不図示）に投射するための投射光学系である投射レンズ２９とを備える。

色分離光学系３２３は、第１及び第２ダイクロイックミラー３２３ａ，２３ｂと、反射ミラー３２３ｎとを備える。この色分離光学系２３において、光源装置２１からの略白色の光源光は、ダイクロイックミラー３２３ａに入射する。第１ダイクロイックミラー３２３ａで反射された青光は、例えばＳ偏光のまま、反射ミラー３２３ｎを経て偏光ビームスプリッタ５５ａに入射する。また、第１ダイクロイックミラー３２３ａを透過して第２ダイクロイックミラー２３ｂで反射された緑光は、例えばＳ偏光のまま偏光ビームスプリッタ５５ｂに入射する。さらに、第２ダイクロイックミラー２３ｂを通過した赤光は、例えばＳ偏光のまま、偏光ビームスプリッタ５５ｃに入射する。

光変調部３２５は、３つの偏光ビームスプリッタ５５ａ，５５ｂ，５５ｃと、３つの液晶パネル５６ａ，５６ｂ，５６ｃとを備える。ここで、青光用の偏光ビームスプリッタ５５ａ及び液晶パネル５６ｂは、像光のうち青光を画像情報に基づいて２次元的に輝度変調するための青色用の液晶ライトバルブを構成する。青色用の液晶ライトバルブは、図１１に示す液晶ライトバルブ３３１と同様の構造を有している。同様に、緑光用の偏光ビームスプリッタ５５ｂ及び液晶パネル５６ｂも、緑色用の液晶ライトバルブを構成し、赤光用の偏光ビームスプリッタ５５ｃ及び液晶パネル５６ｃも、赤色用の液晶ライトバルブを構成する。そして、これら緑光及び赤色用の液晶ライトバルブも、図１１に示す液晶ライトバルブ３３１と同様の構造を有している。具体的には、偏光ビームスプリッタ５５ａ，５５ｂ，５５ｃは、図１１の偏光ビームスプリッタ３３１ｂに対応しており、偏光分離膜３２ｂ，３２ｇ，３２ｒを内蔵する。また、各液晶パネル５６ａ，５６ｂ，５６ｃは、図１１の液晶装置３３１ａに対応しており、コントラスト向上のための光学補償素子すなわち補償部材ＯＣ３をそれぞれ組み込んでいる。

以上実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は、上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

すなわち、上記実施形態では、方位角補償部材ＯＣ１を構成する第１及び第２複屈折部材７３ａ，７３ｂとして水晶板を用いた例について説明したが、水晶板以外の正の一軸結晶または有機物質（例えば液晶や延伸膜など）により正の一軸性を構築した部材を用いることができる。さらに、方位角補償部材ＯＣ１を３枚以上の複屈折部材で構成することもできる。この場合も、各複屈折部材に対応する屈折率楕円体の光学軸の入射軸ＩＡに対する極角を、オフ状態の液晶層７１のプレチルト角に等しくする。そして、各複屈折部材の光学軸の方位角と、液晶層７１の配向方向とが入射軸ＩＡのまわりに等分割されるようにする。

また、極角補償部材ＯＣ２や補償部材ＯＣ３の第３複屈折部材７３ｄを有機物質（例えば液晶や延伸膜など）により正の一軸性を構築した部材に置き換えることができる。延伸膜（延伸フィルム）は、通常、光学軸の方向が入射面に垂直になるので、第３複屈折部材７３ｄとして組み込むことにより、サファイア板の場合と同様に、液晶ライトバルブ３１によって形成される画像のコントラストを最大限高めることができる。なお、延伸フィルムは、大量生産に向いている。液晶は、画像変調用の液晶（液晶層７１）と同じ屈折率となるため精度よく位相差の補償することができる。

また、上記第１及び第２実施形態では、方位角補償部材ＯＣ１を液晶層７１の入射側に配置しているが、方位角補償部材ＯＣ１を液晶層７１の射出側すなわち射出側カバー７４ｂの前後に配置することができる。また、上記第１及び第２実施形態では、極角補償部材ＯＣ２を液晶層７１の射出側に配置しているが、極角補償部材ＯＣ２を液晶層７１の入射側すなわち入射側カバー７４ａの前後に配置することができる。

また、上記第５実施形態及び第６実施形態では、偏光ビームスプリッタ３３１ｂの偏光分離素子で反射したＳ偏光を液晶装置３３１ａに入射させ、偏光ビームスプリッタ３３１ｂの偏光分離素子を透過したＰ偏光を画像光として射出する例のみを挙げたが、偏光ビームスプリッタ３３１ｂの偏光分離素子を透過したＰ偏光を液晶装置３３１ａに入射させ、偏光ビームスプリッタ３３１ｂの偏光分離素子で反射したＳ偏光を画像光として射出する構成とすることも可能である。

また、上記実施形態のプロジェクタ１０では、光源装置２１を、光源ランプ２１ａ、一対のフライアイ光学系２１ｄ，２１ｅ、偏光変換部材２１ｇ、及び重畳レンズ２１ｉで構成したが、フライアイ光学系２１ｄ，２１ｅ、偏光変換部材２１ｇ等については省略することができ、光源ランプ２１ａも、ＬＥＤ等の別光源に置き換えることができる。

また、上記実施形態のプロジェクタ１０では、各色の液晶パネル２５ａ，２５ｂ，２５ｃをそれぞれの面内を均一な明るさで照明するようにフライアイ光学系２１ｄ，２１ｅ、と重畳レンズ２１ｉを用いていたが、それらに代わってインテグレータロッド光学系を用いることができる。

また、上記実施形態では、色分離光学系２３を用いて照明光の色分離を行って、光変調部２５において各色の変調を行った後に、クロスダイクロイックプリズム２７において各色の像の合成を行っているが、単一の液晶パネルすなわち液晶ライトバルブ３１によって画像を形成することもできる。

上記実施形態では、３つの液晶パネル２５ａ〜２５ｃを用いたプロジェクタ１０の例のみを挙げたが、本発明は、１つの液晶パネルのみを用いたプロジェクタ、２つの液晶パネルを用いたプロジェクタ、あるいは、４つ以上の液晶パネルを用いたプロジェクタにも適用可能である。

上記実施形態では、スクリーンを観察する方向から投射を行なうフロントタイプのプロジェクタの例のみを挙げたが、本発明は、スクリーンを観察する方向とは反対側から投射を行なうリアタイプのプロジェクタにも適用可能である。

第１実施形態に係る液晶パネルの構造を説明する側方断面図である。 液晶層の屈折率と補償板の屈折率とを説明する側方断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、液晶層と補償板の屈折率を説明する平面図及び側面図である。 （ａ）、（ｂ）は、３つの屈折率楕円体と、これらの作用を合成した複合な屈折率楕円体とを示す斜視図である。 第１及び第２複屈折部材等に屈折率差がある場合の調整を説明する概念図である。 （ａ）〜（ｃ）は、図４（ｂ）の屈折率楕円体と別の屈折率楕円体との合成を説明する斜視図である。 （ａ）、（ｂ）は、シミュレーションによる視野角について実施例と比較例を示す。 第２実施形態の液晶ライトバルブ中の補償板等を説明する側方断面図である。 （ａ）、（ｂ）は、複数の屈折率楕円体の作用を合成した屈折率楕円体を示す平面図及び側面図である。 図１の液晶ライトバルブを組み込んだプロジェクタの光学系を説明する図である。 第４実施形態の液晶ライトバルブを説明する側方断面図である。 図１１の液晶ライトバルブを組み込んだプロジェクタの光学系を説明する図である。

符号の説明

１０…プロジェクタ、 ２１…光源装置、 ２３…色分離光学系、 ２５…光変調部、 ２５ａ，２５ｂ，２５ｃ…液晶パネル、 ２５ｅ，２５ｆ，２５ｇ…偏光フィルタ、 ２７…クロスダイクロイックプリズム、 ２９…投射レンズ、 ３１…液晶ライトバルブ、 ３１ａ…液晶装置、 ３１ｂ…第１偏光フィルタ、 ３１ｃ…第２偏光フィルタ、 ７１…液晶層、 ７２ａ…第１基板、 ７２ｂ…第２基板、 ７３ａ…第１複屈折部材、 ７３ｂ…第２複屈折部材、 ７３ｄ…第３複屈折部材、 ７４ａ…入射側カバー、 ７４ｂ…射出側カバー、 ＩＡ…入射軸、 ＯＡ１，ＯＡ２，ＯＡ３，ＯＡ４，ＯＡ５…光学軸、 ＯＣ１…方位角補償部材、 ＯＣ２…極角補償部材、 ＱＥ…屈折率楕円体、 ＲＩＥ１，ＲＩＥ２，ＲＩＥ３…屈折率楕円体、 Ｓ１…入射面、 Ｓ２…射出面

Claims (13)

1. 垂直配向モードで動作する液晶を含むとともに、オフ状態における前記液晶の光学軸が光入射面に垂直な入射軸に対して所定のプレチルト角だけ傾斜配向する液晶セルと、
   前記入射軸に対して所定の傾きをなす光学軸を有する正の一軸性の複屈折材料でそれぞれ形成された複数の複屈折部材を有し、前記オフ状態における液晶との組み合わせによって、前記入射軸に沿った光学軸を有する正の一軸性の複屈折材料と等価な複合的作用を達成する方位角補償部材と、
   前記入射軸に沿った光学軸を有する負の一軸性の複屈折材料で形成された極角補償部材と
   を備える液晶装置。
2. 前記オフ状態の液晶の屈折率楕円体の作用と、前記複数の複屈折部材に対応する各屈折率楕円体の作用とを加算することによって、前記入射軸に沿った長軸を有する屈折率楕円体と等価な作用を実現する請求項１記載の液晶装置。
3. 前記方位角補償部材は、前記複数の複屈折部材の厚みの調整によって、前記オフ状態の液晶の屈折率楕円体の作用と前記複数の複屈折材料に対応する各屈折率楕円体の作用との加算によって得られる前記複合的作用としての複屈折状態を調整する請求項２記載の液晶装置。
4. 前記方位角補償部材は、前記複数の複屈折部材として２枚の水晶板を有する請求項１から請求項３のいずれか一項記載の液晶装置。
5. 前記２枚の水晶板の光学軸の方位角は互いに１２０°だけずれており、前記オフ状態の液晶の配向方向と前記２枚の水晶の光学軸とは、互いに１２０°だけずれた状態となっている請求項４記載の液晶装置。
6. 前記方位角補償部材は、有機物質により正の一軸性を構築した部材である請求項１から請求項３のいずれか一項記載の液晶装置。
7. 前記極角補償部材は、サファイア板を含んで形成される請求項１から請求項６のいずれか一項記載の液晶装置。
8. 前記極角補償部材は、前記入射軸に垂直で互いに異なる方向に延びる光学軸を有する正の一軸性の複屈折材料でそれぞれ形成された複数の複屈折部材を有する請求項１から請求項６のいずれか一項記載の液晶装置。
9. 前記極角補償部材は、有機物質により正の一軸性を構築した部材である請求項１から請求項６のいずれか一項記載の液晶装置。
10. 前記極角補償部材は、前記オフ状態の液晶と前記方位角補償部材とに起因する前記入射軸に沿った方向から入射した光の位相変調量を実質的にキャンセルする請求項１から請求項９のいずれか一項記載の液晶装置。
11. 請求項１から請求項１０のいずれか一項記載の液晶装置を含む光変調装置と、
    前記光変調装置を照明する照明装置と、
    前記光変調装置によって形成された画像を投射する投射レンズと、
    を備えるプロジェクタ。
12. 前記液晶装置は、透過型であり、
    前記光変調装置は、前記液晶セル、前記方位角補償部材、及び前記極角補償部材を挟むように配置される一対の偏光素子を含む請求項１１記載のプロジェクタ。
13. 前記液晶装置は、反射型であり、
    前記光変調装置は、偏光ビームスプリッタを含み、
    前記方位角補償部材及び前記極角補償部材は、前記液晶セルと前記偏光ビームスプリッタとの間に挟まれるように配置される請求項１１記載のプロジェクタ。

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