JP4386407B2

JP4386407B2 - 位相差補償システム及び液晶プロジェクタ

Info

Publication number: JP4386407B2
Application number: JP2002337028A
Authority: JP
Inventors: 謙一中川
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2002-11-20
Filing date: 2002-11-20
Publication date: 2009-12-16
Anticipated expiration: 2022-11-20
Also published as: US20040095535A1; US7079209B2; JP2004170712A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フルカラー画像表示のために３種類の基本色光ごとに液晶素子が用いられた三板式の液晶プロジェクタに効果的な位相差補償システム及び、この位相差補償システムを備えた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】
三板式の液晶プロジェクタは、青色光，緑色光，赤色光の３種類の基本色光ごとに液晶素子が用いられている。それぞれの色チャンネルごとに液晶素子によって光変調された基本色光は合成プリズムなどにより合成され、投影レンズによりスクリーンに投影される。スクリーンの前面から画像の投影を行うフロント方式とスクリーンの背面から投影を行うリア方式とがあり、また使用する液晶素子が透過型のものであるか反射型のものであるかによって全体的な光学系に相違はあるが、いずれにせよ投影する画像を基本色光ごとに液晶素子に表示し、これに対応した基本色光で照明を与えて投影レンズでスクリーン上に画像を結像させる構成となっている。
【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】
また、フルカラーでの画像投影を行うために、液晶プロジェクタには赤色光，緑色光，青色光の基本色光ごとに３つの液晶素子が用いられ、これらの液晶素子で変調された各色光が合成プリズムで合成され、投影レンズを経てスクリーンに投影されるようになっている。ところが、これまでに用いられている位相差補償素子は基本色光の種類によらず同じものが用いられているため、例えば緑色光について適切な位相差補償を行ったとしても、赤色光や青色光については位相差補償作用が適切に行われるとは言い難い。したがって、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、家庭用テレビジョンのような長時間の使用に対しても耐久性に優れ、しかも製造コストの負担も少ない位相差補償素子を用いることによって、スクリーンに投影される画像自体のコントラストを向上させ、かつ低輝度領域のカラーバランスもずれないようにした位相差補償システム及び、この位相差補償システムを用いた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にあたり、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基本色光ごとに補償する三板式の位相差補償システムを採用している。本発明の三板式の位相差補償システムには、基本色光の光路中に設けられた各々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に配置される位相差補償素子をそれぞれ無機材料から構成するとともに、これらの位相差補償素子として少なくとも２種類のものが用いられている。これらの位相差補償素子としては、それぞれ無機の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を効果的に用いることができ、この場合、各々の薄膜層はそれぞれの基本色光の基準波長の１００分の１以上５分の１以下の光学膜厚にするのがよい。また、基本色光の種類によらず、各々の高屈折率薄膜層を構成する高屈折材料と低屈折率薄膜層を構成する低屈折材料とを共通の材料にしたことも本発明の特徴的構成の一つである。さらに、少なくとも最も短波長の基本色光が通過する位相差補償膜の膜厚が、他の基本色光が通過する前記位相差補償膜の膜厚よりも小さいことも本発明の特有の構成である。
【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は、透明な基板７に無機材料からなる位相差補償膜８を形成したもので、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。そして「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うえで非常に有効なものとなる。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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）との波長依存性をグラフ化すると、模式的に図２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。また、位相差補償膜８のレターデーションＲ２は、液晶層５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、特に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。
【００２４】
図２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をもつ位相差補償層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、緑色光の基準波長５５０ｎｍ（視感度のピークに相当）で両者を一致させた状態を表している。厚みｄ２の調節により、位相差補償膜８のレターデーションＲ２を上下方向にシフトさせることは可能であるが、その傾きは複屈折Δｎ２の波長依存性に応じてそのまま保存されてしまい、特に短波長側でのズレを解消することはできない。
【００２５】
三板方式の液晶プロジェクタでは、各基本色光とも共通諸元の液晶素子が用いられているので、基本色光ごとに位相差Ｐ１，Ｐ２が大きく異なる場合には、位相差補償素子のレターデーションＲ２を調節する必要がある。そこで本発明では、これに対処する最も簡便な手法として、図３に示すように、青色，緑色，赤色の各基本色光の波長領域をそれぞれ４００ｎｍ〜５００ｎｍ、５００ｎｍ〜６００ｎｍ、６００ｎｍ〜７００ｎｍに区画したとき、青色光領域で用いられる位相差補償素子６については、位相差補償膜８の厚みｄ２が薄くなるように調節し、波長域４００ｎｍ〜５００ｎｍでレターデーションＲ２_Bの特性を得、しかも青色光の基準波長４５０ｎｍで液晶層５のレターデーションＲ１と一致させるようにしている。この結果、液晶層５の複屈折Δｎ１の波長依存性と、位相差補償膜８の複屈折Δｎ２の波長依存性とを一致させなくても、可視光領域のほぼ全域にわたって各々のレターデーションを実用上問題のない程度まで合わせることが可能となる。
【００２６】
さらに、長波長側での改善をはかるべく、図４に示すように赤色光領域で用いる位相差補償素子６については、その位相差補償膜８の厚みｄ２を増やすように調節してレターデーションＲ２_Rの特性を得るとともに、赤色光の基準波長６５０ｎｍで各々の位相差を一致させてもよい。これらの手法は、厚みｄ２をそれぞれの基本色光の波長に応じて調節するだけで、位相差補償膜８自体の結晶光学的な構造で決まる複屈折Δｎ２を変える必要がなく、量産適性に優れている。
【００２７】
ところで、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。
【００２８】
一方、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。
【００２９】
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。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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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が、後述するように現時点で実用されている高屈折材料と低屈折材料との組み合わせでは、両者間に少なからず隔たりが生じてくる。このとき、図３及び図４に示すように、基本色光ごとに色チャンネルが独立した三板方式の液晶プロジェクタでは、基本色光ごとに厚さｄ２の調節が可能となる。
【００３４】
波長依存性Ｕ１，Ｕ２をほぼ一致させることができない大きな要因は、高屈折材料がもつ屈折率の波長依存性と低屈折率材料がもつ屈折率の波長依存性とが相違することにあり、特に屈折率が大きい材料ほどその波長依存性も大きく、短波長側で顕著になる傾向がある。さらに、高屈折材料の屈折率波長依存性は成膜条件によっても左右される。そこで、屈折率があまり大きくない材料の中から、高屈折率材料と低屈折率材料とを選択すればその波長依存性を抑えるうえでは有利になるが、そのような組み合わせでは位相差補償膜の複屈折Δｎ２が小さくなり、所望の位相差Ｒｂを得るには厚みｄ２を大きくしなければならず、製造適性の面では不利になる。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。
【００３５】
【発明の実施の形態】
図５に本発明を適用したリア方式の液晶プロジェクタの外観を示す。筐体１０の前面に拡散透過型のスクリーン１１が設けられ、その背面に投影された画像が前面側から観察される。筐体１０の内部には投影ユニット１２が組み込まれ、その投影画像はミラー１３，１４で反射されスクリーン１１の背面に結像される。筐体１０の内部にはチューナー回路などのほか、ビデオ信号及び音声信号再生用の周知の回路ユニットが組み込まれ、投影ユニット１２に画像表示手段として設けられた液晶素子にビデオ信号の再生画像を表示することによって、この液晶プロジェクタは、大画面のテレビジョンとして使用することができる。
【００３６】
図６に投影ユニット１２の構成を概略的に示す。この投影ユニット１２には透過型の三枚の液晶素子２０Ｒ，２０Ｇ，２０Ｂが組み込まれ、フルカラーで画像投影を行うことができる。光源２１からの放射光は、紫外線及び赤外線をカットするフィルタ２２を透過することにより、フルカラー画像表示に必要な３種類の基本色光である赤色光，緑色光，青色光を含む白色光となり、光源から液晶素子に至る照明光軸にしたがってガラスロッド２３に入射する。ガラスロッド２３の光入射面は、光源２１に用いられている放物面鏡の焦点位置近傍に位置し、光源２１からの光は効率的にガラスロッド２３に入射する。
【００３７】
ガラスロッド２３の出射面に対峙してリレーレンズ２４が配設され、ガラスロッド２３からの白色光は、リレーレンズ２４及び後段のコリメートレンズ２５により平行光となってミラー２６に入射する。ミラー２６で反射された白色光は、赤色光だけを透過するダイクロイックミラー２８Ｒで２光束に分けられ、透過した赤色光はミラー２９で反射して液晶素子２０Ｒを背面から照明する。また、ダイクロイックミラー２８Ｒで反射された緑色光と青色光は、緑色光だけを反射するダイクロイックミラー２８Ｇでさらに２光束に分割される。ダイクロイックミラー２８Ｇで反射された緑色光は液晶素子２０Ｇを背面側から照明する。ダイクロイックミラー２８Ｇを透過した青色光は、ミラー２８Ｂ，３０で反射され、液晶素子２０Ｂを背面から照明する。
【００３８】
各々の液晶素子２０Ｒ，２０Ｇ，２０Ｂはそれぞれ同一諸元をもつＴＮ液晶で構成され、その各々には、フルカラー画像を構成する赤色画像，緑色画像，青色画像の濃度パターン画像が表示される。これらの液晶素子２０Ｒ，２０Ｇ，２０Ｂから光学的に等距離となる位置に中心がくるように合成プリズム３２が配置され、合成プリズム３２の出射面に対面して投影レンズ３３が設けられている。合成プリズム３２は、その内部に２面のダイクロイック面３２ａ，３２ｂを有し、液晶素子２０Ｒを透過してきた赤色光、液晶素子２０Ｇを透過してきた緑色光、液晶素子２０Ｂを透過してきた青色光を合成して投影レンズ３３に入射させる。投影レンズ３３は、その物体側焦点面が液晶素子２０Ｒ，２０Ｇ，２０Ｂの出射面に一致し、像面側焦点面がスクリーン１１に一致するようにしてあるから、合成プリズム３２で合成されたフルカラー画像はスクリーン１１に結像されることになる。
【００３９】
液晶素子２０Ｒ，２０Ｇ，２０Ｂの照明光の入射面側には、それぞれ偏光板３５Ｒ，３５Ｇ，３５Ｂが設けられている。また、各液晶素子の出射面側には、位相差補償素子３６Ｒ，３６Ｇ，３６Ｂと、偏光板３７Ｒ，３７Ｇ，３７Ｂとが設けられている。入射面側の偏光板３５Ｒ，３５Ｇ，３５Ｂと出射面側の偏光板３７Ｒ，３７Ｇ，３７Ｂはクロスニコル配置となっており、入射面側の偏光板は偏光子、出射面側の偏光板は検光子として作用する。なお、それぞれの色チャンネルごとに設けられた液晶素子、その両側にそれぞれ設けられた位相差補償素子の作用は、詳しくは後述するようにそれぞれの基本色光に基づく相違はあるものの、基本的には共通である。
【００４０】
図７に位相差補償素子３６Ｇの概略断面を示す。位相差補償素子３６Ｇは無機材料からなる構造性複屈折体で構成され、透明なガラス基板４０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の多層膜で構成されている。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として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。
【００４１】
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、上述した多層膜は、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Δｎ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。
【００４２】
他の色チャンネルに用いられている位相差補償素子３６Ｒ，３６Ｂも同様に、ガラス基板上に互いに屈折率が異なる誘電体の薄膜Ｌ１，Ｌ２を交互に積層した多層膜で構成され、薄膜Ｌ１，Ｌ２には同じ薄膜材料が用いられている。ただし、青色チャンネルの位相差補償素子３６Ｂについては、総厚みがｄ２よりも薄くしてある。総厚みをｄ２よりも薄くするには、薄膜Ｌ１，Ｌ２の積層数を減らすことで簡単に対応することが可能であるが、積層数を同じにして個々の薄膜Ｌ１，Ｌ２を薄くすることで対応してもよい。
【００４３】
これらの位相差補償素子３６Ｒ，３６Ｇ，３６Ｂは、基本色光ごとに液晶素子２０Ｒ，２０Ｇ、２０Ｂを通過してくる楕円偏光成分を含む色光に対して負の位相差補償作用を示し、各色光を直線偏光に戻してそれぞれの偏光板３７Ｒ，３７Ｇ，３７Ｂに入射させる。したがって、液晶素子２０Ｒ，２０Ｇ、２０Ｂの電極間に電圧を印加してスクリーン１１上に黒表示を行おうとする場合、偏光板３７Ｒ，３７Ｇ，３７Ｂによる光遮断機能が良好に発揮され、黒レベルのコントラストを向上させることができる。
【００４４】
また、液晶素子２０Ｒ，２０Ｇ、２０Ｂが呈する複屈折作用には波長依存性があり、各々の基本色光ごとに全く同一構成の位相差補償素子３６Ｒ，３６Ｇ，３６Ｂを用いた場合には特に青色光の位相差補償機能が低下する。ところが、青色光用の位相差補償素子３６Ｂについては多層膜の総厚みを他よりも薄くしてあるから、液晶素子２０Ｂによって生じる正の位相差が位相差補償素子３６Ｂによって生じる負の位相差で相殺され、全基本色光で良好な位相差補償を行うことが可能となる。
【００４５】
【実施例】
［実施例１］
以下、位相差補償素子３６Ｒ，３６Ｇ，３６Ｂの具体的な実施例について説明する。図８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。
【００４６】
なお、この実施例の液晶素子では、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を用いている。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。
【００４７】
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９に示すように、高屈折率層にＴｉＯ₂膜、低屈折率層にＳｉＯ₂膜とを交互に積層した位相差補償膜(1) を用いた。これらのＴｉＯ₂膜及びＳｉＯ₂膜は、その個々の物理的膜厚がそれぞれ３０ｎｍ，２０ｎｍ（物理的膜厚比が３：２）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。
【００４８】
なお、物理的膜厚が３０ｎｍ，２０ｎｍ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７６．６ｎｍ，２９．６ｎｍ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。
【００４９】
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Ｎ_TE，Ｎ_TMが異なり、それぞれ次式で表されることが知られている。
Ｎ_TE＝√｛（ａｎ₁ ²＋ｂｎ₂ ²）／（ａ＋ｂ）｝
Ｎ_TM＝√〔（ａ＋ｂ）／｛（ａ／ｎ₁ ²）＋（ｂ／ｎ₂ ²）｝〕
【００５０】
これらの有効屈折率Ｎ_TE，Ｎ_TM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＝Ｎ_TM−Ｎ_TE」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。
【００５１】
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９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。
【００５２】
図１０は、図８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、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（▲）とが重なり合うほど良好な位相差補償効果が得られることを表している。同図によれば、位相差補償膜(1) は波長５００ｎｍ〜７００ｎｍの領域ではほぼ満足し得る効果が得られるものの、５００ｎｍよりも短波長側では過補償の傾向を示すことがわかる。したがって、青色光，緑色光，赤色光の各基本色光に対し、一定の厚みｄ＝２μｍにした同一の位相差補償膜(1) を適用したのでは、可視光領域中の最も短波長側の青色光については十分な位相差補償効果が得られないことになる。
【００５３】
この問題は、図１１に示すように、位相差補償膜(1) を青色光用に適用する場合には、青色光のほぼ中間の基準波長４５０ｎｍにおけるレターデーション▲が実効レターデーション○一致するようにその全体厚みｄを調整すれば、位相差補償膜(1) の複屈折Δｎを変えなくても改善することができる。さらに、赤色光についてもそのほぼ中間の基準波長６５０ｎｍでレターデーション▲と実効レターデーション○とが一致するように赤色光用の位相差補償膜(1) の全体厚みｄを増やすことで改善が可能となる。
【００５４】
図１２はこうして設計された位相差補償膜の物性値を示すもので、薄膜の積層構造自体は全く共通であるが、その全体の厚みｄが基本色光ごとに調整されている。すなわち、青色光用のものはｄ＝１．８μｍ、緑色光用のものはｄ＝２μｍ、赤色光用のものはｄ＝２．１μｍにしてある。これにより図１１に示すように位相差補償膜(1) のレターデーションｄΔｎを基本色光ごとに変えることができ、良好な位相差補償効果が得られた。
【００５５】
このように、各々の基本色光ごとに位相差補償膜によるレターデーションを調整するにあたっては、その複屈折Δｎが各層の屈折率ｎ₁，ｎ₂と各々の物理的膜厚の比で決まることを利用し、基本色光ごとに用いられる位相差補償膜(1) のＴｉＯ₂膜とＳｉＯ₂膜の物理的膜厚を同じにして複屈折Δｎも一律のものにしておき、基本色光の種類に応じてそれぞれの位相差補償膜の合計層数を変えて膜厚ｄを調整することが望ましい。そして上記実施例では、位相差補償膜(1) のレターデーションを基本色光ごとに調整するにあたり、緑色光用のものは合計積層数を８０層とし、青色光用のものは合計積層数を７２層、赤色光用のものは８２層にすることで対応している。なお、図１０に示すように、この位相差補償膜(1) を用いる場合、波長５００ｎｍ〜７００ｎｍの領域ではレターデーション▲と実効レターデーション○とがほぼ一致しているとみなせば、緑色光用位相差補償膜を赤色光用にそのまま用い、２種類の位相差補償膜(1) で可視光全域をカバーすることも可能である。
【００５６】
以上の設計手順を踏まえ、基本色光ごとに膜厚を調整した３種類の位相差補償膜(1) をそれぞれガラス基板に蒸着し、液晶プロジェクタの各色チャンネルに設けられたＴＮ液晶素子の出射側基板に密着して装備した。そして、基本色光ごとに対策を施していない位相子補償素子を用いた従来の液晶プロジェクタとの比較のために、両者に各基本色光とも黒レベルを表示する信号を入力してスクリーン上に黒色表示の投影テストを行った。
【００５７】
従来の位相差補償素子を用いた液晶プロジェクタでは、スクリーン上で黒色が青味を帯びて観察されたのに対し、本発明の位相差補償素子を用いたものではほとんど色味のない黒色表示となった。青色だけのグラデーション表示を行った結果では、黒色に近い低輝度の範囲では従来のものよりも低輝度が得られただけでなく、輝度レベルが異なる領域でもレベル差が明瞭な差として表現できることが確認された。
【００５８】
また、全面白色表示と全面黒色表示との間でコントラストを測定したところ、従来のものでは５００：１程度であったものが、本発明のものでは７００：１まで改善された。これらの結果から、本発明の位相差補償システムによれば、黒色に近い低輝度の範囲で特に表現力を増す効果があり、一般のフルカラー画像の投影時においても、黒を引き締めて画像の鮮明度を向上させる効果がある。
【００５９】
［実施例２］
上記位相差補償膜(1) は、図６に示す液晶プロジェクタで使用される液晶素子２０Ｒ，２０Ｇ，２０ＢとしてＴＮ液晶が用いられる場合のものであるが、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１３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。
【００６０】
図１４に、このＥＣＢ液晶用の位相差補償膜(2) の設計例を示す。高屈折率層としてＴｉＯ₂膜、低屈折率層としてＳｉＯ₂膜を用い、まず波長５００ｎｍでのレターデーションがＥＣＢ液晶のレターデーション「０．５５８ｎｍ」とほぼ一致するように多層膜設計を行った。そこで、ＴｉＯ₂膜，ＳｉＯ₂膜の物理的膜厚をそれぞれ３０ｎｍ，２０ｎｍとして各々の膜厚比を先の位相差補償膜(1) と同様に３：２とし、これらを交互に５８層ずつ合計１１６層積層して総厚みｄ＝２．９μｍの位相差補償膜(2) を得た。したがって、この位相差補償膜(2) の波長ごとの複屈折Δｎも先の実施例と同様になるから、そのレターデーションｄΔｎは膜厚ｄ（＝２．９μｍ）を乗じて図示のとおりとなった。
【００６１】
この位相差補償膜(2) 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１５のとおりである。このグラフからわかるように、やはり短波長になるほど位相差補償膜(2) では過補償となり、長波長側では補償不足傾向となることがわかった。そこで、図１６に示すように、青色光用の位相差補償膜については、基準波長４５０ｎｍで各々のレターデーションを一致させ、赤色光用の位相差補償膜については基準波長６５０ｎｍで両者を一致させるために、図１７に示すように青色光用，赤色光用のものについて合計膜厚ｄの調節を行った。
【００６２】
合計膜厚ｄを調節するにあたっては、先の実施例と同様に、青色光用のものについては合計厚みｄが２．５μｍとなるように薄膜の合計の積層数を１００層とし、赤色光用のものについては合計厚みｄが３．０μｍとなるように合計積層数を１２０層にした。これにより、可視光領域においては図１６に示すように基本色光ごとに改善されたレターデーション特性を得ることができた。なお、図１８は赤色光用に緑色光用の位相差補償膜をそのまま用いた場合の特性を示したもので、実用的にはこれで対応することも可能である。また、波長６００ｎｍで位相差補償膜(2) のレターデーションはＥＣＢ液晶のレターデーションとが一致するように、この緑色光・赤色光共用の位相差補償膜の合計膜厚をわずかに増やすようにしてもよい。
【００６３】
以上の手順で基本色光ごとの位相差補償膜(2) をガラス基板に蒸着形成し、液晶素子として垂直配向ＥＣＢ液晶セルが用いられている液晶プロジェクタに先のテストと同様にして組み合わせ、従来の位相差補償素子を用いた場合と比較テストを行った。黒レベル表示の比較を行ったところ、従来のものはやはり青味を帯びた黒表示になったのに対し、本発明を適用したものでは色味のない黒色表示となった。また、青色だけのグラデーション表示を行った結果でも、黒色に近い低輝度の範囲では従来のものよりも低輝度が得られ、輝度レベルの差も明瞭な差として表現できることが確認された。全面白色表示と全面黒色表示との間でコントラストを測定したところ、従来のものでは８００：１程度であったが、本発明のものでは１１００：１となり、本発明の位相差補償システムによれば、黒色に近い低輝度の範囲で特に表現力を増し、一般のフルカラー画像でも黒を引き締めて画像の鮮明度を向上させ得ることがわかった。
【００６４】
上述した実施例１，２により、本発明の位相差補償システムを用いれば、液晶プロジェクタのコントラストと色バランスの改善が可能であることが例示された。このシステムの特徴は、少なくとも青色光チャンネルに装備する無機材料からなる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の物理的構造を、他の色光チャンネルで用いられる位相差補償膜と異なるようにした点にある。物理的構造を変えるには、薄膜材料、各薄膜層の膜厚、合計膜厚のいずれを変えてもよいが、先の実施例では高屈折率層と低屈折率層との合計積層数を変えたことが特徴となっている。
【００６５】
この手法の有利な点としては、基本色光ごとに用いられる少なくとも２種類以上の位相差補償膜が、その高屈折率層及び低屈折率層を得るための材料を共通にして設計できることが挙げられ、さらに各々の膜厚も共通にできることにある。したがって、物理的構造を変えるにしても、合計の積層数という容易に制御できるパラメータを変えることが対応でき、品質を一定に保ちながら量産がしやすいという製造上での大きな利点がある。
【００６６】
なお、基本色光ごとに位相差補償膜を構成するにあたっては、それぞれ高屈折率層と低屈折率層の物理的膜厚比を変更して複屈折Δｎを変え、これらの複屈折Δｎの値に応じて各々の全体の膜厚ｄを決めることもできる。さらに、基本色光ごとに組み合わせが異なる高屈折材料と低屈折率材料とを用いて各薄膜層を形成することも可能である。
【００６７】
上記の高屈折率層及び低屈折率層は、真空蒸着やスパッタリングで任意の膜厚で形成することができる。特に、２種類の蒸着材料を用いて高屈折率層と低屈折率層とを交互に成膜してゆくには、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ＴｉＯ₂やＳｉＯ₂以外にも、ＺｒＯ₂、ＭｇＯ、ＣｅＯ₂、ＳｎＯ₂、Ｔａ₂Ｏ₅、Ｙ₂Ｏ₃、ＬｉＮｂＯ₃、ＭｇＦ₂、ＣａＦ₂、Ａｌ₂Ｏ₃など、公知の種々の蒸着材料を用いることができる。
【００６８】
上述した多層膜からなる位相差補償素子を透過型の液晶素子と組み合わせて用いる場合、図６に示す例では、位相差補償素子３６Ｒ，３６Ｇ，３６Ｂが液晶素子２０Ｒ，２０Ｇ，２０Ｂの出射面側と検光子となる偏光板３７Ｒ，３７Ｇ，３７Ｂとの間に配置されているが、基本的には各液晶素子２０Ｒ，２０Ｇ，２０Ｂの入射面側と偏光子となる偏光板３５Ｒ，３５Ｇ，３５Ｂとの間に配置して用いることも可能である。
【００６９】
さらに、図１９に示すように、偏光子５０と液晶素子５１の入射面との間に第１の位相差補償素子５２を設け、液晶素子５１の出射面と検光子５３との間に第２の位相差補償素子５４を設けるようにしてもよい。この場合には、液晶素子５１で生じる位相差を第１，第２の位相差補償素子５２，５４の組み合わせで補償すればよい。したがって、例えば図１７に示す改良された位相差補償膜(2) の赤色光用位相差補償膜について言えば、位相差補償素子５２，５４に形成される位相差補償膜の合計膜厚ｄをそれぞれ１．５μｍずつにしたり、あるいは一方を１．０μｍ、他方を２．０μｍにするなどの調整が可能となる。
【００７０】
このような分割使用ができることは、例えば一つの位相差補償膜で位相差補償を行おうとしたとき、その合計膜厚が厚くなり過ぎる場合に有利である。多層膜の合計膜厚が厚くなってくると、蒸着材料の種類にもよるが、一般にクラックが生じやすくなったり、あるいは製造の歩留りが悪くなる傾向が出てくるが、こうした問題も位相差補償膜を分割して用いることによって簡単に解決することができるようになる。
【００７１】
さらに、液晶プロジェクタには反射型の液晶素子が用いられることもある。反射型の液晶素子は液晶層の背後にミラーを配置した構造をもち、入射光は液晶素子を２度通過してから出射する。したがって、液晶層で生じる位相差がセル厚の２倍になることを考慮して設計を行えばよい。例えば反射型の液晶素子５６をオフアクシス（入射光軸と反射光軸とが別）で使用する際に、図２０（Ａ）に示すように、液晶素子５６に近接して位相差補償素子５７を配置し、偏光子５８と検光子５９と組み合わせる場合には、入射光は液晶層を２度通過するが位相差補償素子５７についても２度通過することになるから、前述した実施例のように、液晶素子のセル厚（液晶層の厚みｄ）を基準にした設計を行えばよい。
【００７２】
また、図２０（Ｂ）に示すように、液晶素子５６の入射面側（あるいは出射面側）だけに位相差補償素子６０を配置する場合には、液晶素子５６のセル厚を２倍に見込んだ設計を行う必要がある。なお、液晶素子５６の入射面側と出射面側にそれぞれ個別に位相差補償素子を配置することも可能で、その場合には液晶素子５６のセル厚を基準にした薄膜設計を行えばよい。もちろん、セル厚を２倍に見込んだうえで設計を行ったうえで、図１９の例と同様に、入射面側と出射面側に任意の比率で分割使用することも可能である。
【００７３】
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、同様の機能を発揮する無機材料からなる構造性複屈折体として、例えば図２１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ｎ_Aの透明な板状突起６７を格子状に配列したものである。
【００７４】
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ｄ，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ｎ_A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ｎ_Aとが交互に分布するようになる。
【００７５】
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ｎ_A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、先の実施例と同様に基本色光の種類、特に短波長側で位相差補償量もかなり違った値になる。これに対処するには板状突起６７の高さｈを基本色光の種類に応じて調変えてレターデーションの調節を行えばよい。
【００７６】
さらに、図２２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、基本色光の種類に応じてレターデーションを調節することができる。
【００７７】
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ｎ_x，ｎ_y，ｎ_z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。
【００７８】
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２３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。
【００７９】
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、基本色光の種類に応じて高さｈを調節することによって、レターデーションの調節が可能となる。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。
【００８０】
正の構造性複屈折体は、図２４，図２５，図２６に示すような形態でも得ることができる。図２４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、基本色光の種類に応じたレターデーションの調節を行うことができる。
【００８１】
図２５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を調節することによって、基本色光の種類に応じたレターデーションの調節が可能である。
【００８２】
正のｏ−ｐｌａｔｅを作成するにあたっては、図２６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、基本色光の種類に応じたレターデーションの調節が可能である。
【００８３】
図２１〜図２６に挙げた構造性複屈折体７０，７２，８０，８３は、高屈折率薄膜層と低屈折率薄膜層とを交互に積層した前記位相差補償膜とは物理的構造が異なるが、光軸方向の厚み（高さｈ）に依存しない微細構造で決まる複屈折Δｎを一定のままにしながらも、光軸方向の厚みの調節により基本色光の種類に応じたレターデーションの調節ができるという共通性がある。これにより、いずれのものも製造しやすいという利点があり、量産するうえで有利である。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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３：２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。
【００８８】
【発明の効果】
以上に述べたとおり、本発明の位相差補償システムによれば、位相差補償素子を無機材料から構成してその耐久性を著しく向上させることができ、しかも位相差補償に必要な複屈折が波長依存性をもつことに鑑み、フルカラー画像の表示に必要な基本色光の波長を考慮して位相差補償素子の物理的構造を変えるようにしたから、可視光領域の全域にわたってスクリーンに投影される画像のコントラストを向上させ、黒レベルの色味をなくすことができる。
【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】レターデーションの波長依存性を示すグラフである。
【図３】青色光領域でレターデーションを調節するときの説明図である。
【図４】青色光及び赤色光領域でレターデーションを調節するときの説明図である。
【図５】本発明を用いたリア方式の液晶プロジェクタの概略を示す外観図である。
【図６】透過型液晶素子を用いた投影ユニットの概略構成図である。
【図７】位相差補償素子の一例を示す概念図である。
【図８】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９】ＴＮ液晶用の位相差補償膜(1) の波長依存性を示す図表である。
【図１０】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１１】改善された位相差補償膜(1) のレターデーション特性を示すグラフである。
【図１２】改善された位相差補償膜(1) の波長依存性を示す図表である。
【図１３】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１４】ＥＣＢ液晶用の位相差補償膜(2) の波長依存性を示す図表である。
【図１５】ＥＣＢ液晶と位相差補償膜(2) のレターデーション特性を示すグラフである。
【図１６】改善された位相差補償膜(2) のレターデーション特性を示すグラフである。
【図１７】改善された位相差補償膜(2) の波長依存性を示す図表である。
【図１８】改善された位相差補償膜(2) のレターデーション特性の別の例を示すグラフである。
【図１９】位相差補償素子を分割配置した場合の説明図である。
【図２０】反射型の液晶素子にオフアクシスで位相差補償素子を組み合わせる場合の説明図である。
【図２１】位相差補償素子として適用可能な構造性複屈折体を示す概念図である。
【図２２】構造性複屈折体の他の例を示す概念図である。
【図２３】構造性複屈折体の別の例を示す概念図である。
【図２４】構造性複屈折体のさらに他の例を示す概念図である。
【図２５】構造性複屈折体のさらに別の例を示す概念図である。
【図２６】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
１１スクリーン
１２投影ユニット
２１光源
３５Ｒ，３５Ｇ，３５Ｂ偏光板
３６Ｒ，３６Ｇ，３６Ｂ位相差補償素子
３７Ｒ，３７Ｇ，３７Ｂ偏光板
３２合成プリズム
３３投影レンズ
７０，７２，７５，７７，８０，８３構造性複屈折体

Claims

液晶素子を通過する光線の複屈折に伴う位相差を３種類の基本色光ごとに補償する三板式の位相差補償システムであって、この位相差補償システムは、それぞれの基本色光の光路中に配置された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に配置された無機材料からなる少なくとも２種類の位相差補償素子から構成され、
前記位相差補償素子が、それぞれ無機の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を備え、
前記高屈折率薄膜層を構成する高屈折材料と、低屈折率薄膜層を構成する低屈折材料が、少なくとも前記２種類の位相差補償膜に関して共通の材料であり、
最も短波長の基本色光が通過する前記位相差補償膜の膜厚が、他の基本色光が通過する前記位相差補償膜の膜厚よりも小さいことを特徴とする位相差補償システム。
請求項１に記載の位相差補償システムを備えたことを特徴とする液晶プロジェクタ。