JP2009229971A - 画像表示装置および光学補償装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液晶パネルの光学補償によって高コントラスト化を達成しつつ、その場合であっても装置構成のコンパクト化と量産容易性の確保とを併せて実現できるようにする。
【解決手段】一対の基板間に配された液晶層を有する液晶パネル１０と、負の一軸性結晶で形成された第１光学補償板１２ａと正の一軸性結晶で形成された第２光学補償板１２ｂとからなり、当該第１光学補償板１２ａと当該第２光学補償板１２ｂとの板厚差に起因して生じる光の位相差が前記液晶パネル１０にて生じる光の位相差を相殺するように構成されている光学補償板対１２と、を備えて画像表示装置を構成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、液晶パネルを備えて構成された画像表示装置および当該液晶パネルに付随して用いられる光学補償装置に関する。

液晶パネルを備えて構成された画像表示装置としては、当該液晶パネルを光変調器として使用する液晶プロジェクタ装置が知られている。液晶プロジェクタ装置は、液晶パネルを通して変調された画像をスクリーンに投影するように構成されており、会議や講義等のプレゼンテーション資料を拡大投影する手段として広く利用されている。
このような液晶プロジェクタ装置に対しては、投影画像についての画質向上が恒久的に求められている。投影画像の品質を決める重要な要素としては、黒表示時と白表示時における明るさの比であるコントラストが挙げられる。
液晶プロジェクタ装置において、コントラスト向上を図るためには、黒表示時での明るさを必要最小限にすることが有効である。ところが、実際には、光変調器となる液晶パネルの構造や性質、当該液晶パネルに入射する照明系からの光の状態等によっては、黒表示時であっても光漏れが発生してしまう可能性がある。
こうした光漏れを防止するためには、液晶パネルの光学補償に、例えば、多層薄膜を用いること（例えば、特許文献１参照。）や、複屈折板を用いること（例えば、特許文献２参照。）や、正の一軸性の複屈折材料からなる複数の複屈折部材を用いること（例えば、特許文献３参照。）が提案されている。

特許第３１６２２１０号公報 特許第３８６４９２９号公報 特開２００７−２８６６０９号公報

ところで、液晶プロジェクタ装置の液晶パネルについては、従来広く使用されているＴＮ（Twisted Nematic）型液晶ではなく、近年ではＶＡ（Vertical Alignment）型液晶を使用することも検討されている。ＶＡ型液晶は、電圧を印加しないときの液晶配向を基板に垂直になるように配置し、電圧印加時に液晶が基板法線方向に対して傾くようにするものであり、高速で高いコントラストを実現できるからである。
このようなＶＡ型液晶は、ノーマリーブラックと称されるように、電圧を印加しないときの液晶配向を基板に垂直になるように配置するので、パネル面に対して垂直に入射する光については位相差が発生しないはずである。ただし、現実には諸々の事情により完全に垂直ではなく液晶配向に数°程度のプレチルト角が付与される。そのため、パネル面に対して垂直に光が入射しても、位相差が発生して光漏れが生じてしまうおそれがある。また、照明系からくる光についても、パネル面に対して垂直入射するだけではなく、当該光のＦナンバーに相当した発散角の広がりをもって入射するため、これに起因して位相差が発生し光漏れの原因となることが考えられる。つまり、ＶＡ型液晶を用いた場合にも、黒表示時の光漏れが発生してしまう可能性がある。
その一方で、ある厚みを持ちつつ液晶配向にプレチルト角が付与されているＶＡ型液晶は、シミュレーション上では傾いたポジティブＣプレートとしてモデル化することができる。したがって、光漏れを防止すべくＶＡ型液晶を光学的に補償するためには、ネガティブＣプレートとして機能する光学補償板を、当該ＶＡ型液晶におけるプレチルト角と同じ方向に傾かせて配置し、これによりそれぞれにおける光の位相差を相殺させるようにすることが考えられる。
しかしながら、上記特許文献１に開示されているように、薄膜を多層積層させて見かけ上ネガティブＣプレートとして作用させ補償するという従来技術では、薄膜面に垂直な方向がｎｅ方向となるため、ＶＡ型液晶に適用する場合には、薄膜作成後にプレチルト角分傾けて配置する必要がある。つまり、当該従来技術は、ＴＮ型液晶を想定しているため、ＶＡ型液晶に適用する場合には、装置構成のコンパクト化（省スペース化）という点で難がある。また、配置する場所によっては非点収差が発生する等の問題が生じるおそれもある。
さらに、上記特許文献２に開示された従来技術についても、ＴＮ型液晶を想定しているため、ＶＡ型液晶に適用する場合に、複屈折性を持った材料をそれぞれの特性が液晶の位相差を相殺する方向に配置すると、複屈折板の厚みが数十μｍ程度と薄くなりすぎて、当該複屈折板の形成加工および取り扱いが困難になってしまうことが考えられる。
また、上記特許文献３に開示された従来技術は、ＶＡ型液晶を想定しているが、やはり数十μｍ程度に形成加工した正の一軸性結晶からなる光学補償板を複数枚使用しなければならず、形成加工上難しく、コスト的にも不利であると考えられる。
このように、従来技術では、液晶パネルの光学補償にあたり、必ずしも装置構成のコンパクト化と量産（低コスト）実現の容易化とを実現し得るとはいえない。

そこで、本発明は、液晶パネルがＴＮ型液晶であるかＶＡ型液晶であるかに拘らず、いずれの場合であっても当該液晶パネルの光学補償によって高コントラスト化を達成して良好な画像品質を実現することができ、しかもその場合であっても装置構成のコンパクト化と量産容易性の確保とを併せて実現することのできる画像表示装置および光学補償装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために案出されたもので、一対の基板間に配された液晶層を有する液晶パネルと、負の一軸性結晶で形成された第１光学補償板と正の一軸性結晶で形成された第２光学補償板とからなり、当該第１光学補償板と当該第２光学補償板との板厚差に起因して生じる光の位相差が前記液晶パネルにて生じる光の位相差を相殺するように構成されている光学補償板対とを備える画像表示装置である。

上記構成の画像表示装置では、負の一軸性結晶で形成されネガティブＣプレートとして機能する第１光学補償板と、正の一軸性結晶で形成されポジティブＣプレートとして機能する第２光学補償板との組み合わせによって、液晶パネルに対する光学的な補償を行う。つまり、第１光学補償板と第２光学補償板との板厚差に起因して生じる光の位相差を利用して、液晶パネルにて生じる光の位相差を相殺するのである。したがって、例えば、液晶パネルがポジティブＣプレートとしてモデル化される場合に、これを第１光学補償板のみで補償しようとすると当該第１光学補償板の厚さが薄すぎて実用化が困難となることが考えられるが、第１光学補償板と第２光学補償板との板厚差に起因して生じる光の位相差を利用するので、第１光学補償板および第２光学補償板のいずれについても現実的な厚さを担保しつつ、当該液晶パネルに対する光学的な補償を行い得るようになる。しかも、第１光学補償板および第２光学補償板はいずれも一軸性結晶で形成されているので、例えば当該結晶の光学軸を傾けた状態で各板を形成することにより、各板を傾斜して配置することを要することなく、液晶パネルにおける液晶配向のプレチルト角にも対応し得るようになる。

本発明によれば、負の一軸性結晶で形成された第１光学補償板と正の一軸性結晶で形成された第２光学補償板との組み合わせからなる光学補償板対によって、液晶パネルに対する光学的な補償を行うので、当該液晶パネルがＴＮ型液晶であるかＶＡ型液晶であるかに拘らず、いずれの場合であっても当該液晶パネルの光学補償によって高コントラスト化を達成して良好な画像品質を実現することができる。しかも、その場合であっても、第１光学補償板および第２光学補償板のいずれについても現実的な厚さを担保し得るようになり、また液晶配向のプレチルト角に対応する場合にも第１光学補償板および第２光学補償板の傾斜配置が不要なので、装置構成のコンパクト化と量産容易性の確保とを併せて実現することができる。

以下、図面に基づき本発明に係る画像表示装置および光学補償装置について説明する。

先ず、本発明に係る画像表示装置の一具体例である液晶プロジェクタ装置の概略構成を説明する。液晶プロジェクタ装置としては、Ｒ（赤）色、Ｇ（緑）色およびＢ（青）色のそれぞれに対応する液晶パネルを備えた、いわゆる三板式のものが広く知られている。
図１は、三板式の液晶プロジェクタ装置の概略構成例を示す模式図である。
図例のように、液晶プロジェクタ装置では、光源１から出射される光が、赤外線や紫外線をカットするフィルタ２、フライアイレンズ３、無偏光波を偏光波に変換するＰＳ分離合成器４を経た後に、特定の波長帯域の光だけを反射するダイクロイック・ミラー５によってＲＧＢの各色成分光に分離され、必要に応じて紫外線を吸収するフィルタ６、全反射ミラー７、コンデンサー・レンズ８、リレーレンズ９等を利用しつつ、ＲＧＢの各色に対応して設けられた液晶パネル１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂに入射される。そして、各液晶パネル１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂにて映像信号に応じた光変調が行われた後に、光変調された各色成分光が必要に応じて１／２波長フィルム２１を経てダイクロイック・プリズム２２によって合成されて、投写レンズ２３によって拡大投影される。このようにして、液晶プロジェクタ装置では、スクリーン上へのカラー画像の表示を行うようになっている。
また、各液晶パネル１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂには、それぞれに付随して、入射側偏光板１１、光学補償板対１２および出射側偏光板１３が設けられており、入射側偏光板１１を透過した各色成分光が各液晶パネル１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂへ入射し、各液晶パネル１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂにて光変調された各色成分光が光学補償板対１２および出射側偏光板１３を透過するようになっている。

続いて、液晶プロジェクタ装置における要部構成について説明する。
図２は、液晶プロジェクタ装置の要部構成例を示す模式図である。図例では、入射側偏光板１１から出射側偏光板１３までの部分を拡大して示している。
図例のように、ＲＧＢの各色成分光の光路上において、クロスニコル状態（偏光方向が互いに直交する状態）で配置された入射側偏光板１１と出射側偏光板１３との間には、光変調器となる液晶パネル１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂ（以下、単に「液晶パネル１０」と記す。）と、その光出射側に位置する光学補償板対１２とが、それぞれ配置されている。なお、出射側偏光板１３は、複数枚が存在していてもよい。また、入射側偏光板１１および出射側偏光板１３は、有機偏光板であっても無機偏光板であってもよいが、無機偏光板であれば光源１からの光量が大きい液晶プロジェクタ装置に用いる場合であっても、有機偏光板に比べて変質を抑制することが可能となり、高寿命化や信頼性向上等が図れるようになる。

液晶パネル１０は、一対の基板間に配された液晶層を有するもので、その液晶層の液晶配向を印加電圧に応じて可変させることで、透過光に対する光変調器として機能するものである。
液晶パネル１０としては、ＶＡ型液晶を使用することが考えられる。ＶＡ型液晶は、垂直配向モードで動作するようになっている。すなわち、電圧を印加しないときの液晶配向を基板に垂直になるように配置したものであり、電圧印加時に液晶配向が基板法線方向に対して傾くように構成されている。ただし、現実には、電圧を印加しないときであっても、液晶配向が完全に基板に対して垂直ではなく、当該液晶配向に数°程度のプレチルト角が付与されるようになっている。つまり、液晶パネル１０は、電圧が印加されない状態では所定のプレチルト角だけ傾斜した液晶分子で構成されている。
このようなＶＡ型液晶を使用した液晶パネル１０は、ポジティブＣプレートとして振舞うことが知られている。ここで、ポジティブＣプレートとは、面内において屈折率が等方性を有し、厚さ方向の屈折率が大きい媒体のことをいう。

光学補償板対１２は、液晶パネル１０を光学的に補償して、当該液晶パネル１０における黒表示時の光漏れ発生を抑制するためのものである。
ただし、光学補償板対１２は、負の一軸性結晶で形成された第１光学補償板１２ａと正の一軸性結晶で形成された第２光学補償板１２ｂとからなる。そして、当該第１光学補償板１２ａと当該第２光学補償板１２ｂとの板厚差に起因して生じる光の位相差が、液晶パネル１０にて生じる光の位相差を相殺するように構成されている。
負の一軸性結晶とは、負の一軸性の光学異方性を持つ結晶のことをいい、その一具体例としては例えばサファイアが挙げられる。このような負の一軸性結晶で形成された第１光学補償板１２ａは、ネガティブＣプレートとして機能することになる。ここで、ネガティブＣプレートとは、面内において屈折率が等方性を有し、厚さ方向の屈折率が小さい媒体のことをいう。
一方、正の一軸性結晶とは、正の一軸性の光学異方性を持つ結晶のことをいい、その一具体例としては例えば水晶が挙げられる。このような正の一軸性結晶で形成された第２光学補償板１２ｂは、ポジティブＣプレートとして機能することになる。
つまり、光学補償板対１２は、負の一軸性結晶で形成されネガティブＣプレートとして機能する第１光学補償板１２ａと、正の一軸性結晶で形成されポジティブＣプレートとして機能する第２光学補償板１２ｂとの組み合わせによって構成されている。そして、第１光学補償板１２ａと第２光学補償板１２ｂとの板厚差に起因して、光学補償板対１２の全体では、ネガティブＣプレートとして振舞うようになっている。
これら第１光学補償板１２ａおよび第２光学補償板１２ｂは、当該第１光学補償板１２ａの光出射面と当該第２光学補償板１２ｂの光入射面とが互いに接するように、それぞれを一体で配置することが考えられる。
また、第１光学補償板１２ａおよび第２光学補償板１２ｂは、液晶パネル１０の液晶層における液晶分子が所定のプレチルト角だけ傾斜していることから、詳細を後述するように、当該プレチルト角の傾斜方向と一致する方向に光学軸を傾けて形成されているものとする。

次に、以上のような構成の液晶プロジェクタ装置、特にその要部構成である光学補償板対１２による作用について説明する。なお、光学補償板対１２は、本発明に係る光学補償装置を具現化するものである。

図３は、本発明に係る光学補償装置における作用を模式的に示した説明図である。さらに詳しくは、液晶パネル１０の屈折率楕円体の作用と、第１光学補償板１２ａの屈折率楕円体の作用と、第２光学補償板１２ｂの屈折率楕円体の作用とを、それぞれ模式的に示した説明図である。
液晶パネル１０は、ＶＡ型液晶、すなわち液晶層が垂直配向モードで動作するものであることから、正の一軸結晶としてモデル化することができる。つまり、電圧をかけない状態でプレチルト角分傾いたＶＡ液晶層は、傾いたポジティブＣプレートである。
また、第１光学補償板１２ａを構成するサファイアは、負の一軸性結晶である。つまり、光線が通過する際に、ＶＡ型液とは符号において正反対の位相差を発生させるネガティブＣプレートとして機能することになり、光軸を傾けて使用すれば傾いたネガティブＣプレートとなる。
さらに、第２光学補償板１２ｂを構成する水晶は、正の一軸性結晶である。つまり、光軸を傾けて使用すれば、傾いたポジティブＣプレートとなる。
これらのことから、液晶パネル１０、第１光学補償板１２ａおよび第２光学補償板１２ｂのそれぞれについて略同じ方向に光学軸を傾ければ、ポジティブＣプレートである液晶パネル１０と第２光学補償板１２ｂから発生する位相差は符号が同じ方向で、ネガティブＣプレートである第１光学補償板１２ａから発生する位相差のみ符号が逆となる。したがって、液晶パネル１０と第２光学補償板１２ｂとから発生する位相差の大きさの和が、第１光学補償板１２ａから発生する位相差の大きさと同じになるようにそれぞれの厚みを調整し、クロスニコルの入射側偏光板１１と出射側偏光板１３との間で位相ずれが発生しないようにすれば、液晶パネル１０から発生する位相差を、第１光学補償板１２ａと第２光学補償板１２ｂとの厚み差から発生する位相差で相殺することになる。
つまり、液晶パネル１０のプレチルト方向と略同じ方向に、第１光学補償板１２ａおよび第２光学補償板１２ｂの厚みを調整することによって、これら第１光学補償板１２ａおよび第２光学補償板１２ｂがその板厚差に起因してネガティブＣプレートとして振舞うことになり、その結果として液晶パネル１０から発生する位相差を相殺することになるのである。

ここで、さらに分かり易くモデル化して説明する。
図４は、光学補償の一具体例をモデル化して示した説明図（その１）である。
図４（a）は、正の一軸性結晶を示す屈折率楕円体であり、Ｘ軸とＹ軸方向の常光線の屈折率ｎｏは互いに等しく、Ｚ軸（光軸）方向の異常光線の屈折率ｎｅが常光線の屈折率ｎｏよりも大きくなっている（ｎｏ＜ｎｅ）。図４（ｂ）は、負の一軸性結晶を示す屈折率楕円体であり、Ｘ軸とＹ軸方向の常光線の屈折率ｎｏは互いに等しく、Ｚ軸方向の異常光線の屈折率ｎｅが常光線の屈折率ｎｏよりも小さくなっている（ｎｏ＞ｎｅ）。これら図４（a）（ｂ）に示した各屈折率楕円体を足し合わせると、図４（ｃ）に示すように、見かけ上屈折率楕円体が等方体となり、どの方向からの光に対しても常光線と異常光線の屈折率が等しくなり（ｎｏ＝ｎｅ）、位相差は発生しない。このとき、それぞれの位相差量はΔｎ（ｎｅとｎｏの差）×厚みで決まるが、Δｎは物性値で決まっているので、厚みの調整によって位相差量を決めることができる。

図５は、光学補償の一具体例をモデル化して示した説明図（その２）である。図例では、図４に示したモデルを基本形として、それぞれのＺ軸が傾いた状態の場合を示している。
図５（ａ）は、正の一軸性結晶で、Ｚ軸がある角度だけ傾いている状態を示している。これは、ＶＡ液晶層が電圧をかけない状態でプレチルト角だけ傾いている場合と同じである。図５（ｂ）は、負の一軸性結晶で、Ｚ軸がある角度だけ傾いている状態を示している。これは、第１光学補償板１２ａにおける光学軸を傾けて配置した状態と同じである。したがって、Ｚ軸が傾いた状態であっても、図５（a）（ｂ）に示した各屈折率楕円体を足し合わせると、図５（ｃ）に示すように、屈折率楕円体を見かけ上等方体とし、これによりそれぞれの位相差を相殺し得るようになる。

図６は、光学補償の一具体例をモデル化して示した説明図（その３）である。図例では、図５に示したモデルにおいて、図５（ｂ）の光軸を傾けた状態から補償板となる平行平板を切り出す場合の概念を示している。
図例のように、平行平板として切り出した補償板の面内で光軸が傾いた状態であれば、液晶プロジェクタ装置に搭載するのにあたり、当該補償板自体を傾けて配置する必要がなく、当該液晶プロジェクタ装置のコンパクト化（省スペース化）を実現する上で有利であり、また非点収差が発生する心配もない。
しかしながら、これをネガティブＣプレートの補償板だけで成し遂げようとすると、負の一軸性結晶からなる補償板の厚みは数十μｍ程度となり、薄くなりすぎて、当該補償板の形成加工および取り扱いが非常に困難になる。
このことから、光学補償板対１２は、負の一軸性結晶で形成されネガティブＣプレートとして機能する第１光学補償板１２ａと、正の一軸性結晶で形成されポジティブＣプレートとして機能する第２光学補償板１２ｂとの組み合わせによって構成されているのである。

図７は、光学補償の一具体例をモデル化して示した説明図（その４）である。
図７においても、図５，６の場合と同様に、（a）は傾いたＶＡ液晶層、（ｂ）は傾いた負の一軸性結晶の屈折率楕円体の状態を示している。ここで、例えば図７（ｂ）に示した負の一軸性結晶による補償板の厚みを、その加工上問題ない数百μｍ程度に設定した場合を考える。このような厚みに設定すると、図７（a）（ｂ）に示した各屈折率楕円体を足し合わせた状態では、（ｂ）の負の一軸性結晶から発生する位相差量が（ａ）の液晶層から発生する位相差量を上回っているので、見かけ上は図７（ｃ）に示すようなネガティブＣプレートの屈折率楕円体となってしまう。これを等方体にするためには、さらにポジティブＣプレートの屈折率楕円体が必要である。このことから、光学補償板対１２では、図７（ｄ）に示すような正の一軸性結晶の屈折率楕円体を組み合わせているのである。つまり、図７（ｃ）に示した位相差を相殺するように、図７（ｄ）に示した正の一軸性結晶による補償板の厚みを設定することによって、図７（ｅ）に示すように、見かけ上屈折率楕円体を等方体にすることができる。

図８は、光学補償板を作成する際の具体的方法の一例を示す説明図である。
図８（ａ）は、一軸性結晶を模式的に示している。一軸性結晶の具体例であるサファイアおよび水晶は、いずれも厳密には三方晶系であるが、広義に捉えると六方晶系であると言える。六方晶系において、ｃ軸は光軸であり、a１、a２、a３の結晶軸がある。光学補償板の光軸をθ°傾けたい場合は、ｃ軸に垂直な面（ｃ面）からθ°傾いた平行平板を切り出せばよい。この平行平板について、例えば図８（a）に示すように、その短辺がa軸に平行な長方形であるとすると、その長辺は図８（ｂ）に示すようにｍ軸をこの平行平板面に投影したｍ′軸に平行となる。この状態の平行平板では、光軸（ｃ軸）がｍ′軸方向にθ°傾いた方向を向いている。基準面をｍ′軸に平行な長辺とすると、液晶層の配向方向は基準面から４５°傾いた方向であるから、液晶層のプレチルト角と同じ方向に光軸を傾かせるためには、さらにこの平行平板基準面から４５°傾いた方向に基準面を持つ長方形の平板を切り出せばよい。最終的に完成した平板の方位は、図８（ｃ）に示すようになり、これにより基準面から４５°方向にθ°傾いた光軸を持つ光学補償板が形成されることになる。

図９は、図８の手順で形成した光学補償板の構成例を示す説明図である。
例えば図９（ａ）に示すように、液晶パネル１０の液晶層のプレチルト方向が基準面から４５°方向にθ°傾いているとすると、第１光学補償板１２ａと第２光学補償板１２ｂとの組み合わせからなる光学補償板対１２を形成するためには、第１光学補償板１２ａを構成する負の一軸性結晶であるサファイアと、第２光学補償板１２ｂを構成する正の一軸性結晶である水晶とのそれぞれについて、光軸の方向が液晶分子のプレチルト角の方向と同じになるように切り出して、平行平板状に加工すればよい。そして、切り出したそれぞれの平行平板を、図９（ｂ）に示すように、接着して一体型とする。このとき、それぞれの厚みは、数百μｍ程度とすればよい。すなわち、第１光学補償板１２ａと第２光学補償板１２ｂとの厚み差から発生する位相差で、液晶層から発生する位相差を相殺することになるので、一方を厚くすれば他方も厚くすることができ、現実的な形成加工および取り扱いが可能となる数百μｍ程度の厚さが実現可能となる。
ただし、液晶パネル１０の液晶層、第１光学補償板１２ａを構成する負の一軸性結晶であるサファイア、第２光学補償板１２ｂを構成する正の一軸性結晶である水晶は、屈折率波長分散がそれぞれ異なっている。また、Δｎの値（ｎｅとｎｏとの差）についても、物質によって決まる値であることから、それぞれで異なった値となる。これらのことを考慮すると、サファイアからなる第１光学補償板１２ａと水晶からなる第２光学補償板１２ｂとは、光学軸の傾斜角度を液晶パネル１０の液晶層のプレチルト角と全く同じにするよりは、数°程度（例えば１°〜５°程度、より好ましくは１°〜３°程度）ずらして設計したほうがよい効果が得られると考えられる。
また、サファイアからなる第１光学補償板１２ａと水晶からなる第２光学補償板１２ｂについては、それぞれの空気と接する側に、反射防止膜（ＡＲコート）を形成することが望ましい。反射防止膜によって透過率を上げることが可能になるからである。
さらに、サファイアの屈折率は1.77付近、水晶の屈折率は1.55付近であり、これらを接着する接着剤の屈折率は1.5付近である。そのため、水晶と接着剤との間での屈折率差は少なく、これらの境界面での反射は殆どないと考えられる。ところが、サファイアと接着剤との間では屈折率差があり、これらの境界面での反射が透過率を減少させるおそれがある。したがって、サファイアと接着剤とが接する面にも、反射防止膜を形成することが望ましい。

図１０は、光学系についての視野角特性のシミュレーション結果の一具体例を示す説明図である。図例では、等コントラスト曲線で表される視野角特性を示している。
図１０（ａ）は、第１光学補償板１２ａと第２光学補償板１２ｂとの組み合わせからなる光学補償板対１２を用いていない場合のシミュレーション結果を示しており、０°から２０°までの入射角を持つ光についてシミュレーションを行っているが、コントラスト２０００：１以上の部分が狭く、線幅が中心に向かって密になっていることがわかる。これは、入射角度が大きくなっていくと、急激にコントラストが低下していくことを意味している。
これに対して、図１０（ｂ）は、第１光学補償板１２ａと第２光学補償板１２ｂとの組み合わせからなる光学補償板対１２を用いた場合のシミュレーション結果を示しており、図１０（ａ）のシミュレーション結果と比較して、コントラスト２０００：１以上の部分が広く、線幅も緩やかに広がっていることがわかる。つまり、第１光学補償板１２ａと第２光学補償板１２ｂとの組み合わせからなる光学補償板対１２を用いれば、０°入射から１０°入射付近まで精度よく補償できていると言える。

以上に説明したように、上述した構成の液晶プロジェクタ装置および当該液晶プロジェクタ装置で用いられる光学補償板対１２では、負の一軸性結晶で形成されネガティブＣプレートとして機能する第１光学補償板１２ａと、正の一軸性結晶で形成されポジティブＣプレートとして機能する第２光学補償板１２ｂとの組み合わせによって、液晶パネル１０に対する光学的な補償を行うようになっている。つまり、第１光学補償板１２ａと第２光学補償板１２ｂとの板厚差に起因して生じる光の位相差を利用して、液晶パネル１０にて生じる光の位相差を相殺するように構成されている。したがって、第１光学補償板１２ａおよび第２光学補償板１２ｂのいずれについても現実的な厚さを担保しつつ、液晶パネル１０に対する光学的な補償を行い得るようになる。このことは、液晶パネル１０がＴＮ型液晶であるかＶＡ型液晶であるかに拘らない。すなわち、液晶パネル１０がＴＮ型液晶とＶＡ型液晶のいずれの場合であっても、光学補償板対１２を用いた当該液晶パネル１０に対する光学補償によって、当該液晶パネル１０を利用して行う画像表示の高コントラスト化を達成して良好な画像品質を実現することができる。
ところで、一般に、光学補償板を使用する場合には、面内に回転調整をして一番黒が沈むところを探さなければならず、そのための回転調整機構が必要となったり、回転調整処理の手間がかかったりする。しかしながら、上述した構成の光学補償板対１２を用いれば、面内回転に対する感度が低いので、例えば±５°〜１０°程度回転させても十分な補償効果が得られ、当該光学補償板対１２そのものを単独で回転調整する必要がなくなる。すなわち、光学補償板対１２について、回転調整のための機構や手間等を必要とすることがなく、後述するように、偏光板１１，１３と一体にしたり、液晶パネル１０を構成する基板と一体にするといったことも、容易に実現することが可能になる。
さらには、光学補償板対１２が液晶パネル１０に対する光学的な補償を行うことで、当該液晶パネル１０での黒表示時の光漏れ発生を防止し得るようになり、このことを通じて黒ムラ改善に関しても非常に有効なものなる。

しかも、第１光学補償板１２ａおよび第２光学補償板１２ｂはいずれも一軸性結晶で形成されているので、液晶パネル１０の液晶層における液晶分子が所定のプレチルト角だけ傾斜している場合に、第１光学補償板１２ａおよび第２光学補償板１２ｂの光学軸を当該プレチルト角の傾斜方向と一致する方向に傾けて形成する、といったことが実現可能である。つまり、それぞれの一軸性結晶の光学軸を傾けた状態で第１光学補償板１２ａおよび第２光学補償板１２ｂを形成することにより、これら第１光学補償板１２ａおよび第２光学補償板１２ｂを傾斜して配置することを要することなく、液晶パネル１０における液晶配向のプレチルト角にも対応し得るようになる。したがって、液晶配向のプレチルト角に対応する場合にも第１光学補償板１２ａおよび第２光学補償板１２ｂの傾斜配置が不要となるので、大きな配置スペースを必要とせず、液晶プロジェクタ装置を構成する際のコンパクト化の実現が非常に容易となる。その上、傾斜配置が不要となることから、非点収差が発生することもない。

また、上述したように、第１光学補償板１２ａを構成する負の一軸性結晶としてサファイアを用い、第２光学補償板１２ｂを構成する正の一軸性結晶として水晶を用いれば、第１光学補償板１２ａと第２光学補償板１２ｂとの板厚差を利用した液晶パネル１０に対する光学補償を実現しつつ、当該第１光学補償板１２ａおよび当該第２光学補償板１２ｂの材料入手性や加工性等を良好なものとすることができ、これによりコスト面での抑制も実現し得るようになる。ただし、負の一軸性結晶がサファイアに限定されたり、正の一軸性結晶が水晶に限定されたりすることはなく、他の一軸性結晶を用いて実現したものであっても構わない。

さらには、上述したように、光学補償板対１２を構成する第１光学補償板１２ａと第２光学補償板１２ｂとが一体で配置されたものであれば、一体配置ゆえの省スペース化が実現可能となる。
ところで、例えば液晶プロジェクタ装置のような明るさ重視の装置構成では、実効開口率を上げるため、液晶パネル１０の光入射側に、マイクロレンズアレイを配置することがある。このような装置構成においては、マイクロレンズアレイに入射する光線の角度と当該マイクロレンズアレイを通過した後の光線の角度とが変化することになる。
その場合に、液晶パネル１０の光出射側に光学補償板対１２を構成する第１光学補償板１２ａと第２光学補償板１２ｂとを一体で配置すれば、マイクロレンズアレイを通過した後、液晶パネル１０の液晶層を通る光線の角度と、当該光学補償板対１２を通る光線の角度とを、互いに一致させることができ、その結果として十分な光学補償効果が得られるようになる。

ただし、光学補償板対１２を構成する第１光学補償板１２ａと第２光学補償板１２ｂとは、必ずしもそれぞれが互いに接するように一体で配置する必要はなく、それぞれが別体で配置されたものであっても構わない。

ここで、第１光学補償板１２ａと第２光学補償板１２ｂとが別体で配置されている場合の構成例を説明する。
図１１は、液晶プロジェクタ装置の他の要部構成例を示す模式図である。図例においても、図２に示した構成例と同様に、入射側偏光板１１から出射側偏光板１３までの部分を拡大して示している。
図例においても、上述した一体配置の場合（図２参照）と同様に、クロスニコル状態で配置された入射側偏光板１１と出射側偏光板１３との間に、液晶パネル１０と、第１光学補償板１２ａと第２光学補償板１２ｂとの組み合わせからなる光学補償板対１２とが、それぞれ配置されている。なお、出射側偏光板１３は、複数枚が存在していてもよい。
ただし、上述した一体配置の場合とは異なり、第１光学補償板１２ａと第２光学補償板１２ｂとは、それぞれが別体で配置されている。具体的には、液晶パネル１０の光入射側に、負の一軸性結晶であるサファイアで形成された第１光学補償板１２ａが配置され、当該液晶パネル１０の光出射側に、正の一軸性結晶である水晶で形成された第２光学補償板１２ｂが配置されている。
このように、第１光学補償板１２ａと第２光学補償板１２ｂとが別体で配置されていても、当該第１光学補償板１２ａと当該第２光学補償板１２ｂとの板厚差に起因して生じる光の位相差を利用して、液晶パネル１０にて生じる光の位相差を相殺することで、当該第１光学補償板１２ａおよび当該第２光学補償板１２ｂのいずれについても現実的な厚さを担保しつつ、液晶パネル１０に対する光学的な補償を行い得るようになる。つまり、当該液晶パネル１０を利用して行う画像表示の高コントラスト化を達成して良好な画像品質を実現することができる。

なお、第１光学補償板１２ａと第２光学補償板１２ｂとを一体配置する場合であっても、あるいはこれらを別体で配置する場合であっても、液晶パネル１０を含む配置順は、適宜変更しても構わない。すなわち、液晶パネル１０、サファイアからなる第１光学補償板１２ａ、および、水晶からなる第２光学補償板１２ｂについて、これらの光路上における配置順を適宜入れ替えても、液晶パネル１０にて生じる光の位相差を相殺するように第１光学補償板１２ａと第２光学補償板１２ｂとの板厚差を設定すれば、その配置順によらずに変わらぬ技術的効果が得られるようになる。

ところで、第１光学補償板１２ａと第２光学補償板１２ｂとからなる光学補償板対１２は、クロスニコル状態の入射側偏光板１１と出射側偏光板１３との間に配置されている。
その一方で、第１光学補償板１２ａを構成するサファイアについても、また第２光学補償板１２ｂを構成する水晶についても、熱伝導率が高く、放熱効果があることが知られている。そのため、サファイアまたは水晶が、入射側偏光板１１または出射側偏光板１３の基材として用いられることもあり得る。
これらのことから、各偏光板１１，１３については、その基材に、第１光学補償板１２ａまたは第２光学補償板１２ｂとしての機能を持たせることも考えられる。すなわち、各偏光板１１，１３が、光学補償板対１２における第１光学補償板１２ａまたは第２光学補償板１２ｂのいずれか一方としての機能を兼ね備えるように、当該各偏光板１１，１３を構成しても構わない。
具体的には、図１１に示すように、入射側偏光板１１の基材として負の一軸性結晶であるサファイアを用い、かつ、出射側偏光板１３の基材として正の一軸性結晶である水晶を用い、これらの基材に偏光層を形成するか、或は偏光フィルムを貼り付ける等をして、各偏光板１１，１３としての機能を実現する。そして、液晶パネル１０にて生じる光の位相差を相殺するように、入射側偏光板１１の基材と出射側偏光板１３の基材との板厚差を設定し、これらに第１光学補償板１２ａおよび第２光学補償板１２ｂとしての機能を持たせるようにする。
このように構成すれば、液晶パネル１０に対する光学的な補償を行い得るという技術的効果を担保しつつ、各偏光板１１，１３の基材に光学補償の役割をも担わせることになり、光学補償板を別途新たに組み込むよりは、部品点数を減らすことができ、これにより装置コスト面でも有利なものとなる。
なお、基材に光学補償の役割をも担わせるのは、必ずしも各偏光板１１，１３の両方である必要はなく、いずれか一方のみであっても構わない。

また、光学補償板対１２は、これを構成する第１光学補償板１２ａと第２光学補償板１２ｂとの少なくとも一方が、液晶パネル１０を構成する基板と一体で配置されたものであっても構わない。すなわち、液晶パネル１０は一対の基板間に液晶層が配されてなるものであることから、その基板と第１光学補償板１２ａまたは第２光学補償板１２ｂの少なくとも一方を、一体配置することも考えられる。
このような一体配置を採用すれば、液晶パネル１０と第１光学補償板１２ａまたは第２光学補償板１２ｂとの間の空隙が存在しなくなるので、当該空隙が存在する場合に比べて、装置構成のコンパクト化の実現が非常に容易となる。

図１２は、三板式の液晶プロジェクタ装置の他の概略構成例を示す模式図である。図例は、反射型液晶パネルを用いた液晶プロジェクタ装置の概略構成例を示している。
図例の液晶プロジェクタ装置においても、透過型液晶パネルを用いた液晶プロジェクタ装置の場合（図１参照）と同様に、光源１から出射される光が、フィルタ２、フライアイレンズ３、ＰＳ分離合成器４を経た後に、ダイクロイック・ミラー５によってＲＧＢの各色成分光に分離される。そして、各色成分光が、必要に応じて全反射ミラー７や偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）２４等を利用しつつ、ＲＧＢの各色に対応して設けられた液晶パネル２５Ｒ，２５Ｇ，２５Ｂに入射される。その後、各液晶パネル２５Ｒ，２５Ｇ，２５Ｂにて映像信号に応じた光変調が行われ、光変調された各色成分光がダイクロイック・プリズム２２によって合成されて、投写レンズ２３によって拡大投影される。このようにして、液晶プロジェクタ装置では、スクリーン上へのカラー画像の表示を行うようになっている。

図１３は、図１２に示した液晶プロジェクタ装置の要部構成例を示す模式図である。図例では、ＰＢＳ２４から液晶パネル２５Ｒ，２５Ｇ，２５Ｂ（以下、単に「液晶パネル２５」と記す。）までの部分を拡大して示している。
図例の光学系では、Ｓ偏光でＰＢＳ２４に入射した光が、膜面で反射し光学補償板対１２を通過してから反射型の液晶パネル２５に入射する。そして、当該液晶パネル２５の反射面で反射され、来た経路を戻って再び光学補償板対１２を通り、ＰＢＳ２４に入射するようになっている。
このような構成の光学系においても、光学補償板対１２における第１光学補償板１２ａと第２光学補償板１２ｂとの板厚差に起因して生じる光の位相差を利用して、液晶パネル２５にて生じる光の位相差を相殺することで、第１光学補償板１２ａおよび第２光学補償板１２ｂのいずれについても現実的な厚さを担保しつつ、液晶パネル２５に対する光学的な補償を行い得るようになる。したがって、液晶パネル２５を利用して行う画像表示の高コントラスト化を達成して良好な画像品質を実現することができる。
その場合に、反射型の液晶パネル２５は、その液晶層を光が往復透過した場合に、透過型の液晶パネル１０において光が１回通過した場合と同様の特性が得られるように構成されている。そのため、液晶層から発生する位相差量の大きさについては、往復で発生する分を足し合わせれば算出することができる。
このように、反射型の液晶パネル２５を用いた液晶プロジェクタ装置であっても、透過型の液晶パネル１０の場合と同様に、第１光学補償板１２ａと第２光学補償板１２ｂとの組み合わせからなる光学補償板対１２を用いて、当該液晶パネル２５の光の位相差を相殺することが可能である。ただし、光学補償板対１２においても光線が往復で２回通過することになるので、第１光学補償板１２ａおよび第２光学補償板１２ｂのそれぞれの厚みの設計値は、透過型の場合と比べて略半分程度になる。

なお、以上に説明した実施の形態では、本発明の好適な実施具体例を説明したが、本発明はその内容に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
例えば、本実施形態では、画像表示装置として液晶プロジェクタ装置を例に挙げたが、液晶パネルを備えて構成された画像表示装置であれば、他の装置（テレビジョン装置、デスクトップ型のパーソナルコンピュータのモニタ装置、ノート型パーソナルコンピュータ、液晶表示装置を有するビデオカメラやデジタルスチルカメラなどの撮像装置、ＰＤＡ、携帯電話機）にも適用することができることは無論のこと、液晶パネルを備えて構成された画像表示装置を有する種々の電子機器にも広く用いることができる。

三板式の液晶プロジェクタ装置の概略構成例を示す模式図である。 本発明が適用された液晶プロジェクタ装置の要部構成例を示す模式図である。 本発明に係る光学補償装置における作用を模式的に示した説明図である。 光学補償の一具体例をモデル化して示した説明図（その１）である。 光学補償の一具体例をモデル化して示した説明図（その２）である。 光学補償の一具体例をモデル化して示した説明図（その３）である。 光学補償の一具体例をモデル化して示した説明図（その４）である。 光学補償板を作成する際の具体的方法の一例を示す説明図である。 図８の手順で形成した光学補償板の構成例を示す説明図である。 光学系についての視野角特性のシミュレーション結果の一具体例を示す説明図である。 本発明が適用された液晶プロジェクタ装置の他の要部構成例を示す模式図である。 三板式の液晶プロジェクタ装置の他の概略構成例を示す模式図である。 本発明が適用された液晶プロジェクタ装置のさらに他の要部構成例を示す模式図であり、図１２に示した液晶プロジェクタ装置の要部構成例を示す図である。

符号の説明

１０，１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂ，２５，２５Ｒ，２５Ｇ，２５Ｂ…液晶パネル、１１…入射側偏光板、１２…光学補償板対、１２ａ…第１光学補償板、１２ｂ…第２光学補償板、１３…出射側偏光板

Claims (9)

1. 一対の基板間に配された液晶層を有する液晶パネルと、
   負の一軸性結晶で形成された第１光学補償板と正の一軸性結晶で形成された第２光学補償板とからなり、当該第１光学補償板と当該第２光学補償板との板厚差に起因して生じる光の位相差が前記液晶パネルにて生じる光の位相差を相殺するように構成されている光学補償板対と
   を備える画像表示装置。
2. 前記液晶パネルは、垂直配向モードで動作し、電圧が印加されない状態で前記液晶層における液晶分子が所定のプレチルト角だけ傾斜しているものであり、
   前記第１光学補償板および前記第２光学補償板は、前記プレチルト角の傾斜方向と一致する方向に光学軸を傾けて形成されている
   請求項１に記載の画像表示装置。
3. 前記負の一軸性結晶はサファイアである
   請求項２に記載の画像表示装置。
4. 前記正の一軸性結晶は水晶である
   請求項２または３に記載の画像表示装置。
5. 前記光学補償板対は、前記第１光学補償板と前記第２光学補償板とが一体で配置されたものである
   請求項１から４のいずれか一項に記載の画像表示装置。
6. 前記光学補償板対は、前記第１光学補償板と前記第２光学補償板とが別体で配置されたものである
   請求項１から４のいずれか一項に記載の画像表示装置。
7. 前記液晶パネルの光入射側または光出射側に配された偏光板を備えるとともに、
   前記偏光板は、前記光学補償板対における前記第１光学補償板または前記第２光学補償板のいずれか一方としての機能を兼ね備えている
   請求項１から６のいずれか一項に記載の画像表示装置。
8. 前記光学補償板対は、前記第１光学補償板と前記第２光学補償板との少なくとも一方が、前記液晶パネルを構成する前記基板と一体で配置されたものである
   請求項１から７のいずれか一項に記載の画像表示装置。
9. 一対の基板間に配された液晶層を有する液晶パネルに付随して用いられ、負の一軸性結晶で形成された第１光学補償板と正の一軸性結晶で形成された第２光学補償板とからなり、当該第１光学補償板と当該第２光学補償板との板厚差に起因して生じる光の位相差が前記液晶パネルにて生じる光の位相差を相殺するように構成されている光学補償板対
   を備える光学補償装置。

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