JP2008176168A - 液晶装置及びこれを備えるプロジェクタ - Google Patents

Abstract

【課題】良好なコントラストや視野角特性を簡易に実現することができる光変調装置すなわち液晶装置を提供することを目的とする。
【解決手段】第３補償素子８３ａが負の一軸性の屈折率異方性を有するので、正の一軸性を有する第１及び第２補償素子８１ｂ，８３ｃによって十分に補正できなかった斜入射の光束に対する光学的補償が簡易に達成される。これにより、液晶層７１の入射面側及び射出面側に形成された各プレチルトによって生じる像光のリタデーションを広い視野角範囲で近似的に相殺又は低減することができ、結果的に、色むらの少ない画像を投射することができる。
【選択図】図１

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。

従来の液晶プロジェクタとして、ツイストネマティック型の液晶パネルを用い、液晶パネルと入射偏光板や射出偏光板との間に、ラビング方向に向くとともに入射面に対して所定角だけ傾いた光学軸を有する一軸性素子からなる２枚の補償用光学素子を配置しているものがある（特許文献１参照）。このような液晶プロジェクタでは、液晶パネルに近接して配置される補償用光学素子の光学軸や厚さの調整によって液晶のプレチルトを補償することができ、コントラストを改善することができる。
特開２００４−１９８６５０号公報

しかし、上記のような一軸性光学異方性素子として例えば安価で加工性の良い水晶を採用した場合、正面方向近傍のコントラストの向上が可能であるが、斜入射の光束に関する補償には原理上限界が存在し、充分な視野角特性が得られない。

そこで、本発明は、良好なコントラストや視野角特性を簡易に実現することができる光変調装置すなわち液晶装置を提供することを目的とする。

また、本発明は、上記のような液晶装置を組み込んだ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）ツイストネマティックモードで動作する液晶を含む液晶セルと、（ｂ）液晶セルの入射側及び射出側のいずれか一方に配置され、正の一軸性を有する光学材料で形成される第１の補償素子と、（ｃ）液晶セルの入射側及び射出側のいずれか一方に配置され、正の一軸性を有する光学材料で形成される第２の補償素子と、（ｄ）液晶セルの入射側及び射出側の少なくとも一方に配置され、屈折率異方性に関するパラメータＲｅ，Ｒｔｈに関して、条件式−Ｒｔｈ＜Ｒｅ＜Ｒｔｈを満たす光学材料で形成される第３の補償素子と、（ｅ）液晶セルと、第１の補償素子と、第２の補償素子と、第３の補償素子とを挟む一対の偏光素子とを備える。なお、上述のパラメータＲｅ，Ｒｔｈは、第３の補償素子の屈折率を基準とした各軸ｘ，ｙ，ｚ方向の屈折率をｎｘ，ｎｙ，ｎｚとし、第３の補償素子のｚ方向の厚みをｄ３とした場合に、
Ｒｅ＝（ｎｘ−ｎｙ）・ｄ３ … （１）
Ｒｔｈ＝{（ｎｘ＋ｎｙ）／２−ｎｚ}・ｄ３ … （２）
で与えられる。つまり、Ｒｅは屈折率楕円体の一対の長径側の屈折率差に対応するものであり、Ｒｔｈは、長径側と最短径との屈折率差に対応するものである。

上記液晶装置では、第３の補償素子が、液晶セルの入射側及び射出側の少なくとも一方に配置され、屈折率異方性に関するパラメータＲｅ，Ｒｔｈに関して、条件式−Ｒｔｈ＜Ｒｅ＜Ｒｔｈを満たすので、正の一軸性を有する第１及び第２の補償素子によって補正できなかった斜入射の光束に対する光学的補償が簡易に達成される。すなわち、第１及び第２の補償素子のみによって液晶セルに残存するプレチルトに対する光学的補償を行った場合、液晶セルの入射面及び射出面の法線方向に延びる正の一軸性の屈折率楕円体が擬似的に存在することになり、このような正の一軸性の屈折率特性を第３の補償素子の屈折率特性によって補償することで、斜入射の光束に対する光学的補償がより確実になる。これにより、液晶の入射側及び射出側に形成された各プレチルトによって生じる像光のリタデーションを広い視野角範囲で近似的に相殺又は低減することができ、結果的に、コントラストが向上される。

なお、ツイストネマティック型の液晶セルのオフ状態（すなわち電圧無印可状態）において、入射面及び射出面に隣接する液晶の光軸が入射面の法線に対して傾斜配向する結果として、液晶に所謂プレチルトが生じてしまう。このような入射面と出射面付近の液晶のプレチルトは、液晶セルがオン状態になってもほぼ同じ状態に維持される。本発明では、光学補償素子による補償の対象がオン状態の液晶である場合、このオン状態で入射面及び射出面に隣接する液晶に残存する平均的チルト状態をプレチルトと呼ぶものとし、補償の対象がオフ状態の液晶である場合、このオフ状態で入射面及び射出面に隣接する液晶に残存する平均的チルト状態をプレチルトと呼ぶものとする。

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、第３の補償素子は、屈折率楕円体の最短軸が液晶セルの互いに平行な入射面及び射出面の法線方向に延びるように配置される。この場合、第１及び第２の補償素子による光学的補償で残存し入射面及び射出面の法線方向に延びる正の一軸性の屈折率特性を第３の補償素子によって効果的に補償することができる。なお、第１及び第２の補償素子は、液晶セルの入射面付近や出射面付近のプレチルトの程度に対応して、例えば屈折率楕円体の長軸が液晶セルの入射面及び射出面の法線方向に対して一定の角度をなすように配置される。

本発明の別の態様では、第３の補償素子がサファイア板及び延伸フィルムのいずれか一方である。この場合、上記条件式−Ｒｔｈ＜Ｒｅ＜Ｒｔｈが確実に満たされ、第３の補償素子による光学的補償が確実なものとなる。なお、第３の補償素子を延伸フィルムとした場合、第３の補償素子を比較的安価なものとできる。

本発明のさらに別の態様では、第３の補償素子が複数の延伸フィルムを含む。この場合、複数の延伸フィルムによって光学的補償を分担することができ、熱歪等の影響が特定箇所に集中することを防止できる。また、既製品の延伸フィルムを複数組み合わせて第３の補償素子を構成することも可能になる。

本発明のさらに別の態様では、複数の延伸フィルムが液晶セルの入射面及び射出面に対して平行な面内の位相差を互いに打ち消すように配置される。この場合、第３の補償素子が屈折率楕円体の長径側に有する非対称性を相殺してより一層の視野角特性の向上を図ることができる。

本発明のさらに別の態様では、第３の補償素子が、液晶セルと一対の偏光素子との少なくとも一方から離間して配置されている。この場合、第３の補償素子が発熱源から離れて配置され、熱歪等によって光学特性が劣化することを防止できる。

本発明のさらに別の態様では、第１及び第２の補償素子がそれぞれ水晶板である。この場合、正の一軸性の屈折率特性を安価、簡易、かつ高精度で実現できる。

本発明のさらに別の態様では、第１及び第２の補償素子が、液晶セル中において入射面及び射出面の近傍に存在する液晶に起因する液晶リタデーションのうち入射面及び射出面に対して平行な面内の成分を協働して実効的にキャンセルするような厚さを有し、第３の補償素子が、液晶リタデーションのうち入射面及び射出面に垂直な方向の成分と、第１及び第２の補償素子による入射面及び射出面に垂直な方向に関する付随リタデーションとを実効的にキャンセルするような厚さを有する。この場合、液晶セルの正面方向だけでなくその近傍を含めた広範囲でリタデーションを確実に低減することができ、液晶装置によって形成される像の画質を高めることができる。

本発明に係るプロジェクタは、（ａ）上述した光変調用の液晶装置と、（ｂ）液晶装置を照明する照明装置と、（ｃ）液晶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、上述の液晶装置を備えており、例えばオン時の液晶セルによる表示状態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、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、例えば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、ツイストネマティックモードで動作する液晶（すなわちツイストネマティック型の液晶）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とを備える液晶セル７０を有する。また、偏光変調部３１ａは、液晶セル７０の第２偏光フィルタ３１ｃ側に、第１光学補償部材ＯＣ１と、第２光学補償部材ＯＣ２とを有する。これらの基板７２ａ，７２ｂや光学補償部材ＯＣ１，ＯＣ２は、偏光フィルタ３１ｂ，３１ｃと同様、入出射面の法線がＺ軸に平行になるように配置されている。

液晶セル７０において、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。この液晶セル７０は、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とを基本的な構成要素としており、入射光の偏光状態を入力信号に応じて変化させる光能動素子として機能する。この液晶セル７０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る。一方の配向膜７６は、これに接する液晶性化合物を第１ラビング方向（例えばＸ軸方向）に配向させ、他方の配向膜７８は、これに接する液晶性化合物を第２ラビング方向（例えばＹ軸方向）に配向させる。液晶層７１に電圧が印加されないオフ状態において、配向膜７６は、液晶性化合物の光学軸を第１偏光フィルタ３１ｂの偏光面であるＸＺ面を含んだ方向に配向させる役割を有し、配向膜７８は、液晶性化合物の光学軸を第２偏光フィルタ３１ｃの偏光面であるＹＺ面を含んだ方向に配向させる役割を有する。結果的に、液晶層７１中の液晶性化合物の光学軸は、第１基板７２ａから第２基板７２ｂにかけて徐々にねじれるように配置される。つまり、第１及び第２基板７２ａ，７２ｂの内側すなわち配向膜７６，７８に隣接して液晶層７１の両端側に配置される一組の液晶性化合物の光学軸は、ＸＹ平面上に投影した場合、互いに例えば９０°のツイスト角をなす。これにより、一対の偏光フィルタ３１ｂ，３１ｃの間に挟まれた液晶層７１をノーマリホワイトモードで動作させることになり、電圧非印加のオフ状態で最大透過状態（光オン状態）を確保することができる。なお、後に詳述するが、液晶層７１の両端側すなわち配向膜７６，７８の近傍位置において、液晶性化合物の光学軸は、ＸＹ平面すなわち配向膜７６，７８に対向する入射面や出射面に平行になっておらず、かかる入射面や出射面に対して一定のプレチルト角だけ傾いた状態で配置されている。

一方、液晶層７１に電圧が印加されたオン状態すなわち遮光状態（光オフ状態）において、配向膜７６，７８から離れた位置にある液晶性化合物の光学軸は、第１基板７２ａの法線に平行な方向（具体的にはＺ方向）に配向する。しかしながら、液晶層７１の両端側すなわち配向膜７６，７８の近傍において、液晶性化合物の光学軸は、略元のままに維持されている。つまり、両端側における液晶性化合物の光学軸は、第１及び第２偏光フィルタ３１ｂ，３１ｃの偏光面に沿ったＸ方向やＹ方向に配向されているが、ＸＹ面すなわち配向膜７６，７８に対向する入射面や出射面に水平になっておらず、入射面や出射面に対して一定のチルト角或いは極角だけ傾いた状態に維持されている。なお、液晶層７１に電圧が印加されていないオフ状態と電圧が印加されたオン状態とにおいて、配向膜７６，７８の近傍位置に存在する液晶性化合物の光学軸は、多少変動するがＸＹ面に対して傾いた傾斜状態に維持される。よって、オン状態すなわち遮光状態の液晶層７１に対する光学的補償を目的とする場合、このような傾斜状態に対応する傾斜角もプレチルト角と呼ぶものとする。

液晶セル７０の射出側に配置される第１光学補償部材ＯＣ１は、入射側から順に、ガラス板８１ａと、第１補償素子８１ｂと、ガラス板８１ｃとを備える。これらガラス板８１ａ、第１補償素子８１ｂ、及びガラス板８１ｃは、光入射端面と光射出端面とが平行な平板素子であり、例えば光学接着剤によって互いに接合されている。ここで、第１補償素子８１ｂは、透明な正の一軸性結晶であり、例えば水晶板等で形成される。この第１補償素子８１ｂは、その光学軸がＹＺ面に対して一定の角を成し、かつ、その光学軸がＺ軸に対して所定の傾斜角をなすように配置されている。つまり、第１補償素子８１ｂの光学軸は、例えばＸＺ面に対して平行でＺ軸に対して所定の傾斜角をなす。以上において、第１補償素子８１ｂの厚みｄ１は、後述する光学補償を達成できるような適当な値に設定されている。

第２光学補償部材ＯＣ２は、入射側から順に、第３補償素子８３ａ、ガラス板８３ｂと、第２補償素子８３ｃと、ガラス板８３ｄとを備える。これら第３補償素子８３ａ、ガラス板８３ｂ、第２補償素子８３ｃ、及びガラス板８３ｄは、光入射端面と光射出端面とが平行な平板素子であり、例えば光学接着剤によって互いに接合されている。ここで、第２補償素子８３ｃは、透明な正の一軸性結晶であり、例えば水晶板等で形成される。この第２補償素子８３ｃは、その光学軸がＸＺ面に対して一定の角を成し、かつ、その光学軸がＺ軸に対して所定の傾斜角をなすように配置されている。つまり、第２補償素子８３ｃの光学軸は、例えばＹＺ面に対して平行でＺ軸に対して所定の傾斜角をなす。また、第３補償素子８３ａは、透明な負の一軸性物質であり、例えばサファイア等で形成される。第３補償素子８３ａは、その光学軸がＺ軸に対して平行方向になるように配置されている。以上において、第２補償素子８３ｃの厚みｄ２や、第３補償素子８３ａの厚みｄ３は、後述する光学補償を達成できるような適当な値に設定されている。

なお、第３補償素子８３ａの屈折率異方性に関するパラメータＲｅ，Ｒｔｈは、第３補償素子８３ａの屈折率を基準とした各軸ｘ，ｙ，ｚ方向の屈折率をｎｘ，ｎｙ，ｎｚとし、第３補償素子８３ａのｚ方向の厚みをｄ３とした場合に、
Ｒｅ＝（ｎｘ−ｎｙ）・ｄ３＝０ … （３）
Ｒｔｈ＝{（ｎｘ＋ｎｙ）／３−ｎｚ}・ｄ３
＝{ｎｘ−ｎｚ}・ｄ３ … （４）
で与えられるので、以下の条件式（５）
−Ｒｔｈ＜Ｒｅ＜Ｒｔｈ … （５）
を満たしていることになる。

以上で説明した第１及び第２光学補償部材ＯＣ１，ＯＣ２は、協働して液晶層７１のプレチルトに起因する視野角依存性やコントラスト低下を補償する役割を有する。

具体的には、第１補償素子８１ｂ及び第２補償素子８３ｃが、液晶層７１の両端側に存在する液晶のプレチルトに起因する液晶リタデーションのうちＸＹ面内の成分を実効的にキャンセルする。このため、第１及び及び第２補償素子８１ｂ，８３ｃの製造時において、これらの光学軸の方位角や極角がそれぞれ調整され、これらの厚みｄ１，ｄ２がそれぞれ調整される。

さらに、第３補償素子８３ａは、液晶層７１の両端側に存在する液晶のプレチルトに起因する液晶リタデーションのうち入射面及び射出面に垂直な方向の成分と、上記第１及び第２補償素子８１ｂ，８３ｃによるＺ方向に関する付随リタデーションとを実効的にキャンセルする役割を有する。このため、第３補償素子８３ａの光学軸の方向とともに厚みｄ３が調整される。

図２（Ａ）〜２（Ｄ）は、第１補償素子８１ｂと、第２補償素子８３ｃとによるプレチルトの補償（すなわち液晶リタデーションの補償）を概念的に説明する斜視図である。

図２（Ａ）に示すように、液晶層７１の入射面側の平均的なプレチルトは、例えばＸＺ面に対して略平行でＺ軸に対して角θ０だけ傾いていると見ることができる。すなわち、このようなプレチルトの屈折率楕円体ＲＩＥ０は、光学軸ＯＡ０１がＺ軸に対して極角θ０だけ傾いた状態となっており、光学軸ＯＡ０１が略＋Ｘ方向に配向している。なお、液晶層７１の入射面に近い位置において、特に入射面に極めて近い液晶性化合物の光学軸は、電圧を印加する前のプレチルト角と等しく、一般的に入射面となす角度は１０°未満程度である。さらに、電圧印加時において液晶層中心部に向かうに従って液晶性化合物の光学軸は、急激に入射面法線方向すなわちＺ方向に平行になる角度に近づく。

図２（Ｂ）に示すように、液晶層７１の射出面側の平均的なプレチルトは、例えばＹＺ面に対して略平行でＺ軸に対して角θ０だけ傾いていると見ることができる。すなわち、プレチルトの屈折率楕円体ＲＩＥ０は、光学軸ＯＡ０２がＺ軸に対して極角θ０だけ傾いた状態となっており、光学軸ＯＡ０２が略＋Ｙ方向に配向している。なお、液晶層７１の射出面に近い位置において、特に射出面に極めて近い液晶性化合物の光学軸は、電圧を印加する前のプレチルト角と等しく、一般的に入射面となす角度は１０°未満程度である。さらに、電圧印加時において液晶層中心部に向かうに従って液晶性化合物の光学軸は、急激に射出面法線方向すなわちＺ方向に平行になる角度に近づく。

図２（Ｃ）に示すように、第１補償素子８１ｂの屈折率楕円体ＲＩＥ２は、その光学軸ＯＡ２がＸＺ面に対して略平行でＺ軸に対して角θ２だけ傾いた状態となっており、図２（Ｄ）に示すように、第２補償素子８３ｃの屈折率楕円体ＲＩＥ１は、その光学軸ＯＡ１がＹＺ面に対して略平行でＺ軸に対して角θ１だけ傾いた状態となっている。

図３は、第１及び第２補償素子８１ｂ，８３ｃによる補償の効果を概念的に説明する図である。液晶層７１の入射面及び射出面近傍のプレチルトと、第１及び第２補償素子８１ｂ，８３ｃの屈折率異方性とを合成した屈折率楕円体ＲＩＥａは、その光学軸ＯＡａがＺ軸に平行な長径となっている正の一軸性の屈折率特性を有している。この屈折率楕円体ＲＩＥａは、液晶層７１のプレチルトによる液晶リタデーションのうちＺ方向の成分と、第１及び第２補償素子８１ｂ，８３ｃの屈折率楕円体ＲＩＥ１，ＲＩＥ２によるＺ方向に関する付随リタデーションとを加算した結果としての仮想的な残留複屈折であると考えることができる。

図４（Ａ）〜４（Ｃ）は、第３補償素子８３ａによる、上述の残留複屈折率の補償を説明する図である。図４（Ａ）は、図３に対応するもので、第１及び第２補償素子８１ｂ，８３ｃによる液晶層７１のプレチルトの補償後に残留する屈折率楕円体ＲＩＥａを示し、図４（Ｂ）は、第３補償素子８３ａの屈折率楕円体ＲＩＥ３を示す。この屈折率楕円体ＲＩＥ３は、その光学軸ＯＡ３がＺ軸に平行な短径となっている負の一軸性を有している。このように、屈折率楕円体ＲＩＥａが正の一軸性を示し、屈折率楕円体ＲＩＥ３が負の一軸性を示すことから、両者を合成することにより見かけ上の屈折率異方性を相殺できる。つまり、図４（Ｃ）に示すように、第１、第２、及び第３補償素子８１ｂ，８３ｃ，８３ａによる液晶層７１のプレチルトの補償後の屈折率楕円体ＲＩＥｂは、略円形に近いものとなっている。よって、Ｚ軸に平行な正面方向から光束に対してだけでなく、正面方向に対して一定の傾きを有する光束に対するリタデーションの変化を抑えることができ、広い視野角範囲にわたって良好な光変調特性を実現できる。

以上の説明から明らかなように、本実施形態の液晶ライトバルブ３１では、第３補償素子８３ａが負の一軸性の屈折率異方性を有するので、正の一軸性を有する第１及び第２補償素子８１ｂ，８３ｃによって十分に補正できなかった斜入射の光束に対する光学的補償が簡易に達成される。これにより、液晶層７１の入射面側及び射出面側に形成された各プレチルトによって生じる像光のリタデーションを広い視野角範囲で近似的に相殺又は低減することができ、結果的に、コントラストが向上される。さらに、視野角が補償されることにより色むらの少ない画像を投射することができる。

〔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５は、第２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１３１において、偏光変調部３１ａのうち第２光学補償部材ＯＣ２を構成する第３補償素子１８３ａが、サファイア等の負の一軸性結晶でなく、負の一軸性に近似する屈折率異方性を有するＴＡＣ（トリアセチルセルロース）等の延伸フィルムで形成される。このような延伸フィルムは、リタデーションの調整が比較的容易で、大量生産に向いている。

なお、上記のような第３補償素子１８３ａの屈折率異方性に関するパラメータＲｅ，Ｒｔｈは、第３補償素子１８３ａの屈折率を基準とした各軸ｘ，ｙ，ｚ方向の屈折率をｎｘ，ｎｙ，ｎｚとし、第３補償素子１８３ａのｚ方向の厚みをｄ３とした場合に、
Ｒｅ＝（ｎｘ−ｎｙ）・ｄ３ … （１）
Ｒｔｈ＝{（ｎｘ＋ｎｙ）／３−ｎｚ}・ｄ３ … （２）
で与えられ、以下の条件式（５）
−Ｒｔｈ＜Ｒｅ＜Ｒｔｈ … （５）
を満たす。つまり、第３補償素子１８３ａを構成する延伸フィルムの製造方法の設定により、第３補償素子１８３ａの屈折率楕円体において、一対の長径側（ｎｘとｎｙ）の屈折率差Ｒｅが長径側（ｎｘ及びｎｙ）と最短径（ｎｚ）との屈折率差Ｒｔｈよりも小さくなるようにする。ここで、Ｒｔｈは、正の値となっている。また、第３補償素子１８３ａのｚ方向は、第３補償素子１８３ａの入射出面の法線に平行なＺ方向と一致している。

本実施形態の液晶ライトバルブ１３１では、第３補償素子１８３ａが上述のような負の一軸性に近似する屈折率異方性を有するので、正の一軸性を有する第１及び第２補償素子８１ｂ，８３ｃによって十分に補正できなかった斜入射の光束に対する光学的補償が簡易に達成される。これにより、液晶層７１の入射面側及び射出面側に形成された各プレチルトによって生じる像光のリタデーションを広い視野角範囲で近似的に相殺又は低減することができ、結果的に、コントラストが向上される。さらに、視野角が補償されることにより色むらの少ない画像を投射することができる。

〔第３実施形態〕
以下、本発明の第３実施形態に係る液晶装置である液晶ライトバルブについて説明する。第３実施形態の液晶ライトバルブは、第２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２実施形態と同様である。

図６は、第３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２３１において、偏光変調部３１ａのうち第１光学補償部材ＯＣ１に、負の一軸性に近似する屈折率異方性を有するＴＡＣ等の延伸フィルムで形成される補償素子部分２８１ａが組み込まれており、第２光学補償部材ＯＣ２にも、負の一軸性に近似する屈折率異方性を有するＴＡＣ等の延伸フィルムで形成される補償素子部分２８３ａが組み込まれている。これら補償素子部分２８３ａ，２８１ｂは、異なる場所に分割して配置されているが、２つ合わせて第３補償素子を構成する。

負の一軸性に近似する屈折率異方性とは、前記第２実施形態の第３補償素子１８３ａと同様に屈折率差Ｒｅ及び屈折率差Ｒｔｈが式（１）、（２）及び（５）を満たし、ｎｘとｎｙの値がわずかに異なる特性である。

なお、図６のように入射側の第１偏光フィルタ３１ｂの内側の偏光素子の支持体である素子２８５が負の一軸性に近似する屈折率異方性を有する場合には、補償素子部分２８３ａ，２８１ｂとともに素子２８５（補償素子部分２８５）も合わせて、第３補償素子を構成することが可能である。

図７は、各補償素子部分２８１ａ，２８３ａ，２８５の最長軸の方向を説明する図である。３つの素子がそれぞれ等しい位相差Ｒｅを持つ場合、第１偏光フィルタ３１ｂの内側に設けた補償素子部分２８５の屈折率楕円体ＲＩＥ３１の最長軸ＯＡ３１は、Ｘ軸に平行に延び、第１光学補償部材ＯＣ１に設けた補償素子部分２８１ａの屈折率楕円体ＲＩＥ３２の最長軸ＯＡ３２は、Ｘ軸に対して１２０°の方向に延び、第２光学補償部材ＯＣ２に設けた補償素子部分２８３ａの屈折率楕円体ＲＩＥ３３の最長軸ＯＡ３３は、Ｘ軸に対して２４０°の方向に延びる。つまり、これら補償素子部分２８３ａ，２８１ａ，２８５の光学軸は、１２０°の均等な角をなしている。

この場合、各補償素子部分２８１ａ，２８３ａ，２８５は、屈折率楕円体の最短軸ｚを液晶層７１の入射出面の法線に平行なＺ方向に揃えたままで、屈折率楕円体の長径側の長い方の軸（ｎｘ＞ｎｙであればｘ軸）をＸＹ面内で均等な方向に割り付けているので、これら補償素子部分２８１ａ，２８３ａ，２８５のＸＹ面内における屈折率異方性すなわち位相差を互いに相殺することができ、全体としてあたかも厳密な負の一軸結晶であるかのような補償を可能になる。

なお、第１偏光フィルタ３１ｂの発熱が大きい場合は、位相を持つ素子２８５がないことが望ましく、この場合は先に述べたように、補償素子部分２８３ａ，２８１ｂの２つ素子のみで第３補償素子を構成すればよい。

また、上述の例では、第３補償素子を３分割した補償素子部分２８１ａ，２８３ａ，２８５で構成したが、第３補償素子を２分割、或いは４，５，６，７，…分割した補償素子部分で構成することができ、これら補償素子部分を光学軸がＺ軸のまわりに均等になるように配置することで、第１及び第２補償素子８１ｂ，８３ｃによる液晶層７１のプレチルトの補償後に残留する屈折率楕円体ＲＩＥａ（図３参照）を高精度で補償することができる。

〔実施例〕
以下、具体的な実施例について説明する。図８（Ａ）は、第１実施形態の液晶ライトバルブ３１に具体的数値を当てはめてシミュレーションを行った結果を示し、図８（Ｂ）及び８（Ｃ）は、第３実施形態の液晶ライトバルブ２３１に具体的数値を当てはめてシミュレーションを行った結果を示す。なお、図８（Ｄ）は、第３補償素子を備えない比較例の液晶ライトバルブについてのシミュレーション結果を示す。以上において、第３補償素子以外の部分については、共通の仕様を有するものとしている。そして、図８（Ａ）に示す液晶ライトバルブ３１の場合、第３補償素子８３ａとしてサファイア結晶板を用い、入出射面を光学軸法線方向のＣ面とし、第３補償素子８３ａの厚みを４７μｍとした。また、そして、図８（Ｂ）に示す液晶ライトバルブ２３１の場合、第３補償素子として３枚の補償素子部分２８１ａ，２８３ａ，２８５を用い、それぞれをＲｅ＝４ｎｍ、Ｒｔｈ＝８０ｎｍ、厚みｄ３＝８０μｍのＴＡＣで構成した。図８（Ｃ）に示す液晶ライトバルブ２３１の場合、第３補償素子として７枚の補償素子部分を用い、それぞれをＲｅ＝４ｎｍ、Ｒｔｈ＝８０ｎ、厚みｄ３＝８０μｍのＴＡＣで構成した。以上において、実施例の液晶ライトバルブのコントラスト値は、図８（Ａ）、８（Ｂ）、及び８（Ｃ）の順に、それぞれ４２００、３７００、及び４２００であった。なお、図８（Ｄ）に対応する比較例の液晶ライトバルブのコントラスト値は、３１００となっている。以上から明らかなように、第３補償素子として、サファイア結晶板やＴＡＣを用いることで、液晶ライトバルブのコントラスト特性が向上し、コントラストの高い部分が広がっていることが分かる。このように、コントラストの高い部分が広がると、視野角特性が改善され、斜めの光束に対してもコントラストを良好にすることができる。

図９（Ａ）〜９（Ｃ）は、第１補償素子８１ｂ、第２補償素子８３ｃ、及び第３補償素子２８１ａ，２８３ａ，２８５の役割を説明するグラフである。図９（Ａ）は、補償素子を組み込まない比較例の液晶ライトバルブの残留位相差を示し、図９（Ｂ）は、第１及び第２補償素子８１ｂ，８３ｃである２枚の水晶板を組み込んだ比較例の液晶ライトバルブの残留位相差を示し、図９（Ｃ）は、第１及び第２補償素子８１ｂ，８３ｃのみならず７枚のＴＡＣからなる第３補償素子を組み込んだ実施例の液晶ライトバルブの残留位相差を示す。以上のグラフにおいて、横軸は、液晶ライトバルブへの入射光の方位角を示し、縦軸は、液晶ライトバルブへの入射光の極角を示す。

図９（Ａ）及び９（Ｂ）の比較から明らかなように、第１及び第２補償素子８１ｂ，８３ｃの使用により、プレチルトをある程度補償することができ残留位相差が減ることが分かる。また、残留位相差が極角のみに依存して変化しており、方位角に対する依存性が少なくなっている。このことは、第１及び第２補償素子８１ｂ，８３ｃによる補償後の残留位相差が正の一軸性の屈折率楕円体に相当するものになっており、その長軸がＺ方向に延びていることを意味する（図３参照）。次に、図９（Ｂ）及び９（Ｃ）の比較から明らかなように、第１及び第２補償素子８１ｂ，８３ｃに追加して第３補償素子を使用することにより、極角に依存する残留位相差も少なくなることが分かる。つまり、第１〜第３補償素子による補償後に擬似的に略等方的な屈折率が実現され（図４（Ｃ）参照）、視野角依存性が改善され、コントラストが向上することが分かる。

図１０は、第３補償素子として、Ｒｅ＝４ｎｍ、Ｒｔｈ＝８０ｎｍで、厚み８０μｍのＴＡＣ層を積層していったときの効果を説明するグラフである。図８（Ｂ）の例では３枚のＴＡＣ層で第３補償素子を構成し、図８（Ｃ）の例では７枚のＴＡＣ層で第３補償素子を構成しているが、図のように位相差を持つフィルムを積層していくと、補償が最適に近づくほどコントラストが増加し、最適値の枚数、本例では７枚を超えると過補償となり、コントラストが低下することが分かる。

〔第４実施形態〕
図１１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、一対のレンズアレイ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。一対のレンズアレイ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、レンズアレイ２１ｅから射出した光源光を例えば図１１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、両レンズアレイ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，２５ｂ，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等に示す液晶ライトバルブ３１，１３１，２３１と同様の構造を有しており、コントラスト向上のための第１及び第２光学補償部材ＯＣ１，ＯＣ２や第３補償素子８３ａ，１８３ａ，２８１ａ，２８３ａ，２８５等を組み込んでいる。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等に示す液晶ライトバルブ３１，１３１，２３１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画素単位で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、第１及び第２補償素子８１ｂ，８３ｃとして水晶板を用いたが、水晶板に代えて正の一軸結晶や有機物質（例えば液晶や延伸フィルム）を使用することができる。

また、上記実施形態では、第３補償素子としてサファイヤやＴＡＣを用いているが、サファイアやＴＡＣ以外の負の一軸性材料及び負の一軸性に近似する屈折率異方性を有する材料を用いることができる。具体的には、方解石、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。さらにまた、第３補償素子を複数層の補償部分で構成する場合には、複数種類の材料層を組み合わせて積層させて第３補償素子を構成することも可能である。

また、上記実施形態では、第１及び第２光学補償部材ＯＣ１，ＯＣ２を、液晶セル７０と第２偏光フィルタ３１ｃとの間に配置しているが、これら光学補償部材ＯＣ１，ＯＣ２を液晶セル７０と第１偏光フィルタ３１ｂとの間に配置することもできる。さらに、第１及び第２光学補償部材ＯＣ１，ＯＣ２を、液晶セル７０入射側と射出側とに分けて配置することもできる。

また、上記実施形態では、液晶層７１に電圧が印加されたオン状態すなわち光オフ状態でリタデーションを補償してコントラストを向上させているが、液晶層７１に電圧が印加されていないオフ状態すなわち光オン状態でリタデーションを補償することもできる。

また、上記実施形態の液晶セル７０において、第１基板７２ａ等に微小レンズからなるマイクロレンズアレイを画素に対応して埋め込むように形成することができる。ただし、液晶セル７０と、第１及び第２光学補償部材ＯＣ１，ＯＣ２等とを通過する光束の広がり角度等が一致する観点で、液晶セル７０の後段に第１及び第２光学補償部材ＯＣ１，ＯＣ２その他の補償素子を配置することが好ましい。

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、一対のレンズアレイ２１ｄ，２１ｅ、偏光変換部材２１ｇ、及び重畳レンズ２１ｉで構成したが、レンズアレイ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、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、或いは、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。 （Ａ）〜（Ｄ）は、第１及び第２補償素子によるプレチルトの補償を説明する図である。 第１及び第２補償素子による補償の効果を概念的に説明する図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、第３補償素子による残留複屈折率の補償を説明する図である。 第２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。 第３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。 第３補償素子を構成する各補償素子部分の光学軸の方向を説明する図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、シミュレーションを行った実施例の特性を示し、（Ｄ）は、比較例の特性を示す。 （Ａ）９（Ｃ）は、第１及び第補償素子と、第３補償素子との役割を説明するグラフである。 第３補償素子の分割数の効果を説明するグラフである。 図１等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、 ２１ａ…光源ランプ、 ２１ｇ…偏光変換部材、 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，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…偏光変調部、 ３１ｂ…第１偏光フィルタ、 ３１ｃ…第２偏光フィルタ、 ７０…液晶セル、 ７１…液晶層、 ７５…共通電極、 ７６，７８…配向膜、 ７７…透明画素電極、 ８１ａ，８１ｃ，８３ｂ，８３ｄ…ガラス板、 ８１ｂ…第１補償素子、 ８３ｃ…第２補償素子、 ８３ａ…第３補償素子、 ＯＡ０１，ＯＡ０２…プレチルトの光学軸、 ＯＡ１，ＯＡ２，ＯＡ３…補償素子の光学軸、 ＯＣ１…第１光学補償部材、 ＯＣ２…第２光学補償部材

Claims (9)

1. ツイストネマティックモードで動作する液晶を含む液晶セルと、
   前記液晶セルの入射側及び射出側のいずれか一方に配置され、正の一軸性を有する光学材料で形成される第１の補償素子と、
   前記液晶セルの入射側及び射出側のいずれか一方に配置され、正の一軸性を有する光学材料で形成される第２の補償素子と、
   前記液晶セルの入射側及び射出側の少なくとも一方に配置され、屈折率異方性に関するパラメータＲｅ，Ｒｔｈに関して、以下の条件
   −Ｒｔｈ＜Ｒｅ＜Ｒｔｈ
   を満たす光学材料で形成される第３の補償素子と、
   前記液晶セルと、前記第１の補償素子と、第２の補償素子と、第３の補償素子とを挟む２箇所の一対の偏光素子と
   を備える液晶装置。
2. 前記第３の補償素子は、屈折率楕円体の最短軸が前記液晶セルの互いに平行な入射面及び射出面の法線方向に延びるように配置される請求項１記載の液晶装置。
3. 前記第３の補償素子は、サファイア板及び延伸フィルムのいずれか一方である請求項１及び請求項２のいずれか一項記載の液晶装置。
4. 前記第３の補償素子は、複数の延伸フィルムを含む請求項３記載の液晶装置。
5. 前記複数の延伸フィルムは、前記液晶セルの入射面及び射出面に対して平行な面内の位相差を互いに打ち消すように配置される請求項４記載の液晶装置。
6. 前記第３の補償素子は、前記液晶セルと、前記一対の偏光素子との少なくとも一方から離間して配置されている請求項１から請求項５のいずれか一項記載の液晶装置。
7. 前記第１及び第２の補償素子は、それぞれ水晶板である請求項１から請求項６のいずれか一項記載の液晶装置。
8. 前記第１及び第２の補償素子は、前記液晶セル中において入射面及び射出面の近傍に存在する液晶に起因する液晶リタデーションのうち前記入射面及び射出面に対して平行な面内の成分を協働して実効的にキャンセルするような厚さを有し、
   第３の補償素子は、前記液晶リタデーションのうち前記入射面及び射出面に垂直な方向の成分と、前記第１及び第２の補償素子による前記入射面及び射出面に垂直な方向に関する付随リタデーションとを実効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７のいずれか一項記載の液晶装置。
9. 請求項１から請求項８のいずれか一項記載の光変調用の液晶装置と、
   前記液晶装置を照明する照明装置と、
   前記液晶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。

Images