JP2008040383A - 光学装置及びこれを備えるプロジェクタ - Google Patents

Abstract

【課題】偏光板によって漏れ光が生じにくいライトバルブ等の光学装置及びこれを備えるプロジェクタを提供すること。
【解決手段】補償層８５は、例えば水晶等の正の一軸性屈折材料で形成された平板素子であり、内側支持層８４の複屈折性によって生じた偏光状態の変化を相殺するような作用を与える。これにより、内側支持層８４の複屈折性が恰も存在しないかのように扱うことができ、偏光変調部３１ａによる変調作用に影響を与えない理想的な第１偏光フィルタ３１ｂを提供することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、画像形成等に用いられる光学装置に関し、さらに、当該光学装置を組み込んだプロジェクタに関する。

従来のプロジェクタとして、液晶パネルの前後に偏光板を配置した画像形成用のライトバルブを備えるとともに、ライトバルブのコントラスト比を向上させる目的で、液晶パネルを垂直配向型にするものがある。そして、このようなプロジェクタにおいて、例えば液晶パネルと入射偏光板との間に補償用の光学異方性素子を配置するとともに、この光学異方性素子を液晶パネル中の液晶分子の配向方向に応じた姿勢で配置するものがある（特許文献１参照）。
特開２００６−１１２９８号公報

しかし、上記のようなプロジェクタにおいて、液晶パネルの前後に配置される偏光板は、通常、ＰＶＡ（ポリビニールアルコール）がＴＡＣ（トリアセチルセルロース）と呼ばれる支持層にサンドイッチされた構造を持っている。このＴＡＣは、大きくないが複屈折性を有しており、偏光板をクロスニコルに配置しても入射光が漏れてコントラストを低下させる現象が生じていた。

そこで、本発明は、偏光板によって漏れ光が生じにくいライトバルブ等の光学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、本発明に係る第１の光学装置は、所定方向の直線偏光を透過させる偏光膜と、当該偏光膜を偏光特性に影響する作用側で支持する作用側支持層とを有する偏光板を備える光学装置であって、偏光板が、作用側支持層に隣接して偏光膜の反対側に設けられた補償層を有し、補償層が、作用側支持層に対する光学的補償のため複屈折材料で形成される。

上記第１の光学装置では、偏光板が作用側支持層に隣接して偏光膜の反対側に設けられた補償層を有するとともに、補償層が作用側支持層に対する光学的補償のため複屈折材料で形成されるので、偏光板自体が有する複屈折を補償することができ、良好な偏光特性の偏光板、ひいては良好な特性の光学装置を得ることができる。

本発明に係る第２の光学装置は、第１偏光板と第２偏光板とを含み、当該第１及び第２偏光板をクロスニコルに配置した光学装置であって、第１及び第２偏光板のうち少なくとも一方が、直線偏光を透過させる偏光膜と、当該偏光膜を内側で支持する作用側支持層と、作用側支持層に隣接して偏光膜の反対側に設けられた補償層とを有し、補償層が、作用側支持層に対する光学的補償のため複屈折材料で形成される。

上記第２の光学装置では、第１及び第２偏光板のうち少なくとも一方が、直線偏光を透過させる偏光膜と、当該偏光膜を内側で支持する作用側支持層と、作用側支持層に隣接して偏光膜の反対側に設けられた補償層とを有し、補償層が、作用側支持層に対する光学的補償のため複屈折材料で形成されるので、第１又は第２偏光板自体が有する複屈折を補償することができ、良好な特性の光学装置を得ることができる。

また、本発明の具体的な態様又は観点によれば、上記第１及び第２の光学装置において、作用側支持層が、負の一軸性の屈折材料で形成され、補償層が、正の一軸性の屈折材料で形成され、作用側支持層の光学軸と補償層の光学軸とが略平行である。この場合、作用側支持層を例えばＴＡＣ等の各種樹脂の延伸によって簡易に形成することができ、正の一軸性の屈折特性を有する補償層によって負の一軸性の屈折特性を有する作用側支持層の屈折率異方性を補償することができる。

本発明の別の態様では、作用側支持層と補償層とが、互いに平行な入射平面及び射出平面をそれぞれ有するとともに、当該入射平面及び射出平面の法線方向に屈折率の光学軸が存在する平板である。この場合、作用側支持層の光学軸と補償層の光学軸とを簡易に一致させて偏光板自身でその補償を行うことができる。

本発明のさらに別の態様では、補償層が、作用側支持層に起因するリタデーションを実質的にキャンセルするような厚さを有する。この場合、実質的に複屈折を有しない偏光板によって光学装置を構成することができる。

本発明のさらに別の態様では、補償層が、作用側支持層に起因するリタデーションを、作用側支持層の入射面に対する入射光の傾斜角の範囲に対応させて略キャンセルするような厚さを有する。この場合、偏光板の正面方向や特定傾斜方向だけでなくその近傍を含めた範囲でリタデーションを低減することができ、偏光板の性能を高めることができる。

本発明のさらに別の態様では、偏光板に隣接して配置される、又は第１及び第２偏光板の間に配置される液晶セルをさらに備える。この場合、偏光板と液晶セルとによって液晶ライトバルブとして機能する光学装置を提供することができる。

本発明のさらに別の態様では、液晶セルに残存する屈折率楕円体のチルトを補償するセル補償部材をさらに備える。液晶中に残存するプレチルト等の屈折率楕円体のチルトによって生じる像光のリタデーションを近似的に相殺又は低減することができる。これにより、例えば電界が印可されるオン時に液晶セルの正面方向において黒が浮き上がっ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。

本発明に係るプロジェクタは、（ａ）上述した光変調用の光学装置と、（ｂ）光学装置を照明する照明装置と、（ｃ）光学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。

上記プロジェクタにおいては、上述の光学装置を備えており、例えばオン時に液晶セルの正面方向において黒が浮き上がっ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、省スペースでコスト増加を抑えつつ液晶セルによる調光すなわち光変調の精度を向上させることができるので、簡単な構造でありながら高品位の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実施形態に係る光学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、入射側の第１偏光板である第１偏光フィルタ３１ｂと、射出側の第２偏光板である第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の間に挟まれた偏光変調部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液晶パネルである。

偏光変調部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、偏光変調部３１ａは、入射側の第１基板７２ａの外側に入射側カバー７４ａを備え、射出側の第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が第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）に配向することを許容する。

この偏光変調部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、例えば１〜２００μｍ程度以下の厚さを有する薄いプレチルト補償部材７３が貼り付けられている。ここで、プレチルト補償部材７３は、光学接着剤によって入射側カバー７４ａの平坦面上に貼り付けられて入射側カバー７４ａとともに光学補償素子ＯＣを構成しており、このような光学補償素子ＯＣ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。光学補償素子ＯＣの詳細については後述する。

図２は、図１に示す偏光変調部３１ａの入射側に配置される第１偏光フィルタ３１ｂの構造を説明する断面構造図である。第１偏光フィルタ３１ｂは、偏光膜８１と、外側支持層８３と、内側支持層８４と、補償層８５とを備える偏光板すなわち偏光素子である。なお、外側支持層８３の入射平面８３ａ及び射出平面８３ｂと、内側支持層８４の入射平面８４ａ及び射出平面８４ｂと、補償層８５の入射平面８５ａ及び射出平面８５ｂとは、互いに全て平行になっている。また、内側支持層８４と補償層８５とは、後述するように複屈折材料で形成される。内側支持層８４や補償層８５は、例えば５０〜２００μｍ程度の厚さを有する。

第１偏光フィルタ３１ｂにおいて、偏光膜８１は、外側支持層８３と内側支持層８４との間にサンドイッチされた状態で保持されている。偏光膜８１は、一定方向に振動する直線偏光のみを通過させるためのもので、例えばＰＶＡ（ポリビニールアルコール）膜に染料を吸着させて特定方向に延伸させることによって形成される。また、外側支持層８３や内側支持層８４は、例えば薄いＴＡＣ（トリアセチルセルロース）板でそれぞれ形成されている。さらに、補償層８５は、例えば薄い水晶板で形成されている。ここで、外側支持層８３は、偏光膜８１の外側（具体的には、図１において入射光に面する側）すなわち偏光特性に影響しない非作用側にあり、クロスニコルの機能に実質的に影響しないので、これが多少複屈折性を有していても特に問題は生じない。一方、内側支持層８４は、偏光膜８１の内側（具体的には、図１の偏光変調部３１ａに対向する側）すなわち偏光特性に影響する作用側にある作用側支持層であり、クロスニコルの機能に実質的に影響するので、これが多少であっても複屈折性を有していると、液晶ライトバルブ３１の変調性能に影響が生じる。実際、内側支持層８４は、既に説明したようにＴＡＣ板等の負の一軸性屈折材料で形成された平板素子又は平板であり、偏光膜８１を透過した直線偏光に対して一様な複屈折性を示す。よって、何らかの手段によって内側支持層８４の複屈折性によって生じた偏光状態の変化を相殺するような作用を与えるならば、内側支持層８４の複屈折性が恰も存在しないかのように扱うことができ、偏光変調部３１ａによる変調作用に影響を与えない理想的な第１偏光フィルタ３１ｂを提供することができる。補償層８５は、内側支持層８４のこのような複屈折性を補償すべく設けられており、上述のように例えば水晶等の正の一軸性屈折材料で形成された平板素子又は平板である。なお、補償層８５は、内側支持層８４の内側面である射出平面８４ｂに光学接着剤によって貼り付けられている。

図３（ａ）は、内側支持層８４の屈折率を説明するための側面図であり、図３（ｂ）は、内側支持層８４の屈折率を説明する平面図である。また、図４（ａ）は、補償層８５の屈折率を説明する側面図であり、図４（ｂ）は、補償層８５の屈折率を説明する平面図である。

内側支持層８４において、これを構成する負の一軸性屈折材料の屈折率楕円体ＲＩＥ１の長軸すなわち光学軸ＯＡ１は、入射平面８４ａ及び射出平面８４ｂに対して垂直に配置されている。内側支持層８４は、ＴＡＣ等の延伸フィルムによって形成することができる。延伸フィルムは、大量生産に向いている。なお、延伸フィルムの場合、その屈折率楕円体は、屈折率を基準とする各軸方向の屈折率をＮｘ，Ｎｙ，Ｎｚとし延伸フィルムの厚みをｄ１とすると、一般にＮｘ≧Ｎｙ＞Ｎｚの関係が成り立ち、延伸フィルムの特性とされるパラメータＲｅ，Ｒｔｈは、以下のようになる。
Ｒｅ＝（Ｎｘ−Ｎｙ）・ｄ２ … （１）
Ｒｔｈ＝{（Ｎｘ＋Ｎｙ）／２−Ｎｚ}・ｄ２ … （２）
ここで、パラメータＲｅは、楕円体の長径側の屈折率差に対応するもので、通常正の一軸性結晶とされる補償層８５との関係で０ｎｍであることが望ましい。また、Ｒｔｈは、最短径との差に対応するもので、例えば８０ｎｍ程度となる。以下では、両パラメータＲｅ，Ｒｔｈのうち前者のパラメータＲｅについて、Ｒｅ≒０すなわちＮｘ≒Ｎｙであるものとして近似的に扱うものとする。なお、延伸フィルムのＲｅを現在の製造技術で０ｎｍとすることは非常に困難であるが、Ｒｅが０ｎｍでない延伸フィルムであっても、近似的には同様の機能が達成されるので、このような延伸フィルムを内側支持層８４として液晶ライトバルブ３１に組み込むことができる。なお、パラメータＲｅが極めて大きい場合、補償層８５の楕円体を適宜調整すれば、内側支持層８４及び補償層８５を一組として第１偏光フィルタ３１ｂ中に組み込むことができる。

偏光膜８１と、外側支持層８３と、内側支持層８４とからなる偏光板本体については、例えば以下のような工程で作製される。まず、外側支持層８３となるべきＴＡＣ板上に粘着剤を介してＰＶＡ膜を接着し、ＰＶＡ膜にヨウ素等を主体とした染料を吸着させてＰＶＡ膜を染色する。その後、ＰＶＡ膜をＴＡＣ板とともに延伸してＰＶＡ膜に所望の偏光特性を持たせる。これにより、偏光膜８１及び外側支持層８３の２層構造が得られる。最後に、内側支持層８４となるべきＴＡＣ板を、粘着剤を介して偏光膜８１を構成するＰＶＡ膜に貼り付けることにより、外側支持層８３と内側支持層８４との間にサンドイッチされた偏光膜８１からなる偏光板本体を得ることができる。

一方、補償層８５において、これを構成する正の一軸性屈折材料の屈折率楕円体ＲＩＥ２の短軸すなわち光学軸ＯＡ２は、入射平面８５ａ及び射出平面８５ｂに対して垂直に配置されており、屈折率楕円体ＲＩＥ１の光学軸ＯＡ１に平行になっている。補償層８５の具体的に製造方法ついて説明する。まず、補償層８５の材料となる水晶をなるべく薄く切り出して、屈折率楕円体ＲＩＥ２の光学軸ＯＡ２が水晶板の一対の対向する平面に対して垂直になるようにする。次に、切り出した水晶板の一対の対向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、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板状の支持基板を準備し、この支持基板に対して紫外線硬化樹脂を介して研磨後の水晶板を貼り合わせた後、硬化によって固定する。その後、支持基板上の水晶板を比較的粗い砥粒で研磨して、水晶層が例えば５０μｍ、１００μｍ等の必要な厚さを有する補償層８５に仕上げる。このようにして得た補償層８５は、紫外線硬化樹脂を介して、偏光膜８１と、外側支持層８３と、内側支持層８４とからなる偏光板本体の内側支持層８４側に貼り付けられる。なお、以上の説明では、加工の便宜上、支持基板を用いて水晶層を含む補償層８５を得たが、上記のような支持基板を用ることなくケミカル・エッチング等によって直接水晶の薄板を得ることもできる。

以下、補償層８５の機能、すなわち内側支持層８４の複屈折を補償する機能について説明する。まず、内側支持層８４について考えると、この内側支持層８４は、近似的に負の一軸性結晶からなり、上述のようにＮｘ≒Ｎｙ＞Ｎｚの関係が成り立つものと考えることができる。そして、屈折率楕円体ＲＩＥ１の短軸に対応する光学軸ＯＡ１は、補償層８５の入射平面８５ａに法線方向から入射する光線（垂直入射光）に対して平行になっている。ここで、図３（ａ）に示すように内側支持層８４の正常屈折率がＮ_ｏで異常屈折率がＮ_ｅ、つまりＮｘ≒Ｎｙ＝Ｎ_ｏ、Ｎｚ＝Ｎ_ｅであるとすると、垂直入射光の屈折率は、図３（ｂ）に示すようにＮ_ｏとなっており、斜入射の屈折率は、徐々に図３（ａ）の状態に近づく。よって、傾斜角ηの斜透過光に対する内側支持層８４のリタデーションＲｅ１は、内側支持層８４の厚みをｄ１として、

となる。同様に、補償層８５について考えると、この補償層８５は、正の一軸性結晶からなり、屈折率を基準とする各軸方向の屈折率をｎｘ，ｎｙ，ｎｚとすると、一般にｎｘ＝ｎｙ＜ｎｚの関係が成り立ち、屈折率楕円体ＲＩＥ２の長軸に対応する光学軸ＯＡ２は、補償層８５の入射平面８５ａに法線方向から入射する光線（垂直入射光）に対して平行になっている。ここで、図４（ａ）に示すように補償層８５の正常屈折率がｎ_ｏで異常屈折率がｎ_ｅであり、垂直入射光の屈折率は図４（ｂ）に示すようにｎ_ｏとなっており、斜入射の屈折率は、徐々に図４（ａ）の状態に近づく。よって、傾斜角ηの斜透過光に対する補償層８５のリタデーションＲｅ２は、補償層８５の厚みをｄ２として、

となる。ここで、内側支持層８４の屈折率Ｎｚの短軸と補償層８５の屈折率ｎｚの長軸とは平行又は略平行に配置されている。したがって、垂直入射光に対するトータルのリタデーションＲＥは、式（３）で与えられるＲｅ１と、式（４）で与えられるＲｅ２との差の絶対値で与えられる。つまり、Ｒｅ１＝Ｒｅ２のとき、第１偏光フィルタ３１ｂから射出された偏光は、位相作用を受けず完全な直線偏光となっている。

以下では、液晶ライトバルブ３１への入射光が角度分布を有するのみならず内側支持層８４及び補償層８５の屈折率差が比較的大きい場合を含めて考察する。まず、空気中から液晶ライトバルブ３１に斜めに入射するある光束について考え、空気中での傾き角をη０とし、内側支持層８４中での傾き角をη１とし、補償層８５中での傾き角をη２とする。この場合、内側支持層８４において、Ｎ_ｏとＮ_ｅとの差が小さいことからＮ_ｏ≒Ｎ_ｅとなるので、空気中から外側支持層８３や内側支持層８４に傾き角η０で入射した光束については、以下の条件を満たすような光路をたどる。
ｓｉｎ（η０）：ｓｉｎ（η１）＝１：１／Ｎ_ｏ
ｓｉｎ（η１）＝ｓｉｎ（η０）／Ｎ_ｏ … （５）
さらに、補償層８５において、ｎ_ｏ≒ｎ_ｅとなるので、内側支持層８４中で傾き角η１で補償層８５に傾き角η２で入射した光束については、以下のようになる。
ｓｉｎ（η１）：ｓｉｎ（η２）＝１／Ｎ_ｏ：１／ｎ_ｏ
ｓｉｎ（η２）＝ｓｉｎ（η１）（Ｎ_ｏ／ｎ_ｏ） … （６）
以上のような斜め入射光が内側支持層８４と補償層８５とを通過する際のリタデーションＲｅ’は、次式

で与えられる。

結果的に、偏光変調部３１ａすなわち内側支持層８４と補償層８５とを通過する際のリタデーションＲｅ’は、屈折率ｎ_ｏ，ｎ_ｅ，Ｎ_ｏ，Ｎ_ｅ，ｄ１，ｄ２が定数であり、値η１，η２が上記値η０によって決定されるパラメータであるので、以下のような関数ｆ
Ｒｅ’＝ｆ（η０） … （８）
と考えて処理することができる。よって、上記式（８）に基づいて、全ての入射光線（傾き角η０，方位角φ）に関してリタデーションＲｅ’を求めてこれらの総和が最小値になるように、補償層８５の厚みｄ２を最適化することもでき、この場合、第１偏光フィルタ３１ｂから射出された偏光は、位相作用を受けず略完全な直線偏光となっている。例えばある一定のＮＡで液晶ライトバルブ３１に垂直入射する光束の場合、開口角に対応するη０が０〜ηｍａｘとなり、方位角φが０〜３６０°となるので、以下の積分値

がゼロに近づくように補償層８５を設定する。ここで、Ｗ（η０，φ）は、入射光の角度分布によって与えられる重み関数である。図５（ａ）は、通過光のリタデーションＲｅ’＝ｆ（η０）と傾き角η０との関係を視覚的に説明したものであり、傾き角η０が０となる正面方向の光に対してリタデーションＲｅ’が最も小さくなっているが、傾き角η０が増加するに従ってリタデーションＲｅ’が徐々に増加する。また、図５（ｂ）は、入射光の重み関数Ｗ（η０，φ）と傾き角η０との関係を視覚的に説明したものであり、傾き角η０が０となる正面方向の光の密度が最も高くなっており、これに伴って重み関数が最大値となっている。以上は例示であり、リタデーションＲｅ’＝ｆ（η０）の特性は、内側支持層８４と補償層８５の光学特性によって定まり、重み関数Ｗ（η０，φ）は、光源の放射特性、均一化光学系の光学特性等によって定まる。つまり、補償層８５の屈折率楕円体ＲＩＥ２や厚みｄ２を調節することで、様々なＷ（η０，φ）の照明装置に対してリタデーションＲｅ’＝ｆ（η０）の積分値を極小化することができ、第１偏光フィルタ３１ｂから射出される偏光を略完全な直線偏光とすることができる。

以上の式（９）によって表される積分値（合計リタデーション）は、高速演算を行うシミュレーションによって迅速に求めることができ、補償層８５や内側支持層８４の屈折率特性を入力することで、補償層８５の厚みｄ２を迅速に決定することができる。

なお、以上は、第１偏光フィルタ３１ｂについての説明であったが、第２偏光フィルタ３１ｃも第１偏光フィルタ３１ｂと同一の構造を有する。つまり、第２偏光フィルタ３１ｃにおいて、補償層８５の屈折率異方性は、内側支持層８４の屈折率異方性を相殺するようになっており、内側支持層８４のリタデーションは、補償層８５のリタデーションによって補償される。結果的に、補償層８５及び内側支持層８４を通過する光束は、位相作用を受けることなくそのまま通過して偏光膜８１に入射する。

なお、第１偏光フィルタ３１ｂと第２偏光フィルタ３１ｃとは、単独で位相補償する必要がなく、両偏光フィルタ３１ｂ，３１ｃに設けた２つの補償層８５のトータルのリタデーションが、両偏光フィルタ３１ｂ，３１ｃに設けた２つの内側支持層８４のトータルのリタデーションを相殺するものであればよい。つまり、両偏光フィルタ３１ｂ，３１ｃに設けられる２つの補償層８５の双方に光学補償板としての機能を分担させることができる。

以下、光学補償素子ＯＣの機能、すなわち液晶層７１のプレチルトを補償する機能について説明する。光学補償素子ＯＣを構成するプレチルト補償部材７３は、透明な負の一軸性結晶で形成されたセル補償部材であり、光入射端面と光射出端面とが平行な平板素子である。プレチルト補償部材７３は、その光学軸が液晶層７１の配向方向（具体的にはＸ方向）を含むＸＺ面内となるように配置されており、さらに、その光学軸がＺ軸に対して所定の傾斜角を成している。

図６は、液晶層７１の屈折率とプレチルト補償部材７３の屈折率とを説明する側方断面の概念図である。ここで、液晶層７１の入射面７１ａ及び射出面７１ｂと、プレチルト補償部材７３の入射平面７３ａ及び射出平面７３ｂとは、互いに全て平行になっている。

液晶層７１において、オフ状態の液晶性化合物の屈折率楕円体ＲＩＥ３の長軸すなわち光学軸ＯＡ３は、ＸＺ面内でＺ軸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ＲＩＥ３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する。また、屈折率楕円体ＲＩＥ３の配向方向における傾き角は、プレチルト角θ_３と呼ばれる。一方、プレチルト補償部材７３において、これを構成する負の一軸性結晶の屈折率楕円体ＲＩＥ４の短軸すなわち光学軸ＯＡ４は、ＸＺ面内にあってＺ軸に対して小さいが一定の傾き角を有している。より詳細に説明すると、屈折率楕円体ＲＩＥ４の傾き方向すなわち方位角は、液晶層７１の配向方向と同じＸ方向となっており、屈折率楕円体ＲＩＥ４が傾く方位角における傾き角θ_４すなわち極角は、本実施形態の場合、液晶層７１に付与されているプレチルト角θ_３と略等しくなっている。ここで、プレチルト補償部材７３の屈折率楕円体ＲＩＥ４の短軸の傾き角θ_４と液晶層７１のプレチルト角θ_３とが「略等しい」としたのは以下の理由による。すなわち、プレチルト補償部材７３の屈折率と液晶層７１の屈折率とが等しい場合は、プレチルト補償部材７３の屈折率楕円体ＲＩＥ４の短軸の傾き角θ_４と液晶層７１のプレチルト角θ_３とは等しくなる、。しかしながら、プレチルト補償部材７３の屈折率と液晶層７１の屈折率が異なる場合は、その屈折率の差を考慮して（ある入射角度で偏光変調部３１ａに入射する光線において、プレチルト補償部材７３内を透過する際と液晶層７１内を透過する際とでその光線が平行となるように）、液晶層７１のプレチルト角θ_３に対して増減させた角度をプレチルト補償部材７３の屈折率楕円体ＲＩＥ４の短軸の傾き角θ_４として設定するべきだからである。以上のように、オフ状態の液晶層７１のプレチルトに応じてプレチルト補償部材７３の光学軸の方位を設定することにより、第１偏光フィルタ３１ｂから射出された偏光と第２偏光フィルタ３１ｃに入射する偏光とは同一状態となり、垂直入射光に対する第２偏光フィルタ３１ｃでの遮光が完全となる。つまり、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。

図７は、液晶ライトバルブ３１の具体的な作製例を説明するグラフである。横軸は第１偏光フィルタ３１ｂに入射する光束の傾き角η０を示し、縦軸は偏光フィルタ３１ｂによって生じるリタデーションＲｅ’を示す。この際、内側支持層８４は、厚さ１００μｍで、Ｒｔｈ８０ｎｍであるものとした。補償層８５は、内側支持層８４の反対の特性を有するものとした。つまり、両層８４，８５の屈折率の関係は、ｎ_ｅ＝Ｎ_ｏで、ｎ_ｏ＝Ｎ_ｅとなっている。グラフ中において、■印は内側支持層８４に１００μｍの補償層８５を貼り付けた場合を示し、▲印は内側支持層８４に１００μｍの補償層８５を貼り付けた設けた場合を示し、◆印は内側支持層８４に補償層８５を設け名褐炭設けた場合を示す。グラフからも明らかなように、補償層８５の厚さ調整によってリタデーションＲｅ’を減らすことができることがわかる。

〔第２実施形態〕
図８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が、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８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〜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、輝度変調後の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、コントラスト向上等のため偏光フィルタ３１ｂ，３１ｃすなわち補償層８５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。

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。

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、内側支持層８４としてＴＡＣを用いた例について説明したが、ＴＡＣ以外の負の一軸性材料を用いることができる。具体的には、サファイア、方解石（ＣａＣｏ_３）、ＫＤＰ（二水素カリウム）、ＡＤＰ（リン酸二水素アンモニウム）等の無機材料を使用することができ、オレフィン系の各種有機材料を使用することができる。

また、上記実施形態では、補償層８５として水晶を用いた例について説明したが、水晶以外の正の一軸性材料を用いることができる。具体的には、方解石（ＣａＣｏ_３）、バナジン酸イットリウム（ＹＶＯ_４）、ルチル（ＴｉＯ_２）等の無機材料を使用することができ、液晶等の有機材料を使用することができる。

偏光変調部３１ａは、垂直配向モードで動作する液晶に限らず、ＮＴモードで動作する液晶で構成することができる。なお、プレチルト補償部材７３は、偏光変調部３１ａのタイプに合わせて適宜変更され、不要なら省略することもできる。

また、上記実施形態では、第１偏光フィルタ３１ｂ等をクロスニコルに配置して使用する場合を説明したが、第１偏光フィルタ３１ｂを単独で、ＬＣＯＳ等の反射型の偏光変調部３１ａへの偏光供給等のために用いることができる。

また、上記実施形態のプロジェクタ１０では、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、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ライトバルブの構造を説明する側方断面図である。 図１の液晶ライトバルブに組み込まれる第１偏光板の側方断面図である。 （ａ）、（ｂ）は、内側支持層の屈折率を説明する側面図及び平面図である。 （ａ）、（ｂ）は、補償層の屈折率を説明する側面図及び平面図である。 （ａ）、（ｂ）は、リタデーションの傾き角依存性と、入射光の重み関数とを示す。 液晶層とプレチルト補償部材との屈折率を説明する側方断面図である。 具体的な作製例のリタデーションを説明するグラフである。 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。

符号の説明

１０…プロジェクタ、 ２１…光源装置、 ２３…色分離光学系、 ２３ａ，２３ｂ…ダイクロイックミラー、 ２５…光変調部、 ２５ａ〜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…偏光変調部、 ３１ｂ…第１偏光フィルタ、 ３１ｃ…第２偏光フィルタ、 ７１…液晶層、 ７１ａ…入射面、 ７１ｂ…射出面、 ７３…プレチルト補償部材、 ７５，７７…電極、 ７６，７８…配向膜、 ７７…画素電極、 ８３…外側支持層、 ８４…内側支持層、 ８５…補償層、 ＯＡ１，ＯＡ２…光学軸、 ＯＡ３，ＯＡ４…光学軸、 ＯＣ…光学補償素子、 ＲＩＥ１〜ＲＩＥ４…屈折率楕円体

Claims (9)

1. 所定方向の直線偏光を透過させる偏光膜と、当該偏光膜を偏光特性に影響する作用側で支持する作用側支持層とを有する偏光板を備える光学装置であって、
   前記偏光板は、前記作用側支持層に隣接して前記偏光膜の反対側に設けられた補償層を有し、
   前記補償層は、前記作用側支持層に対する光学的補償のため複屈折材料で形成される光学装置。
2. 第１偏光板と第２偏光板とを含み、当該第１及び第２偏光板をクロスニコルに配置した光学装置であって、
   前記第１及び第２偏光板のうち少なくとも一方は、直線偏光を透過させる偏光膜と、当該偏光膜を内側で支持する作用側支持層と、前記作用側支持層に隣接して前記偏光膜の反対側に設けられた補償層とを有し、
   前記補償層は、前記作用側支持層に対する光学的補償のため複屈折材料で形成される光学装置。
3. 前記作用側支持層は、負の一軸性の屈折材料で形成され、前記補償層は、正の一軸性の屈折材料で形成され、前記作用側支持層の光学軸と前記補償層の光学軸とは、略平行である請求項１及び請求項２のいずれか一項記載の光学装置。
4. 前記作用側支持層と前記補償層とは、互いに平行な入射平面及び射出平面をそれぞれ有するとともに、当該入射平面及び射出平面の法線方向に屈折率の光学軸が存在する平板である請求項３記載の光学装置。
5. 前記補償層は、前記作用側支持層に起因するリタデーションを実質的にキャンセルするような厚さを有する請求項１から請求項４のいずれか一項記載の光学装置。
6. 前記補償層は、前記作用側支持層に起因するリタデーションを、前記作用側支持層の入射面に対する入射光の傾斜角の範囲に対応させて略キャンセルするような厚さを有する請求項１から請求項５のいずれか一項記載の光学装置。
7. 前記偏光板に隣接して配置される、又は前記第１及び第２偏光板の間に配置される液晶セルをさらに備える請求項１から請求項６のいずれか一項記載の光学装置。
8. 前記液晶セルに残存する屈折率楕円体のチルトを補償するセル補償部材をさらに備える請求項１から請求項７記載の光学装置。
9. 請求項７及び請求項８のいずれか一項記載の光変調用の光学装置と、
   前記光学装置を照明する照明装置と、
   前記光学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。

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