JP4420091B2

JP4420091B2 - 光学装置及びプロジェクタ

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Publication number: JP4420091B2
Application number: JP2007236293A
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Inventors: 隆史遠藤
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Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2007-09-12
Filing date: 2007-09-12
Publication date: 2010-02-24
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Description

本発明は、垂直配向型の液晶パネルと位相補償用の位相素子とを備える光学装置及びこれ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、液晶パネルの前後に一組の偏光板を配置した液晶ライトバルブによって、透過光を制御し像光を形成するものがある。そして、このようなプロジェクタにおいて、例えば垂直配向型（ＶＡ）の液晶パネルの視野角補償用に負の一軸性の補償素子が使用されているものがある（例えば特許文献１、２）。
特開２００６−１１２９８号公報米特許４８８９４１２号公報

しかしながら、プレチルトを有するＶＡ液晶にこの負の一軸性の補償素子を使用することによる補償原理には素子を傾斜させるスペースが必要であり、ＲＧＢの画素を合わせた後の微調整では画素ずれが生じてしまう、液晶パネルと一体にできない、といった課題が存在している。以上の課題はすべて負の一軸性の補償素子を傾斜させなければならないことに起因している。

より具体的に説明すると、ＶＡ液晶パネルを負の一軸性の補償素子で補償する場合、原理的に液晶のプレチルトと補償素子の光学軸とを精度よく合せる必要がある。しかし、その必要とされる調整精度以上に液晶のプレチルトに製造上のばらつきが存在するため、結果として補償素子を傾斜させて各液晶のプレチルトに合わせ込む必要が生じてしまう。このように、補償素子を傾斜させる調整には、傾斜のためのスペースが必要である。また、補償素子の傾斜の調整が可能であっても、３ＬＣＤ方式のプロジェクタでは各液晶の画素を合わせた後に補償素子の厚みに起因して画素ずれが生じてしまう。さらに、スペースの観点からも補償素子と液晶パネルは一体化されることが望まれているが、液晶パネル個々に傾斜調整するとその実現は難しい。

そこで、本発明は、ＶＡ液晶パネルのプレチルト及びそのばらつきに起因する位相ずれの補償を簡易、確実に行うことができる光学装置を提供することを目的とする。

また、本発明は、上述のような光学装置を備えた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、本発明に係る光学装置は、（ａ）液晶を保持する垂直配向型の液晶セルと、（ｂ）システム光軸に対して傾斜した光学軸を有する負の一軸性の屈折材料で形成され、液晶セルに対して相対的に固定されている補償素子と、（ｃ）システム光軸に垂直な面内に位相差を有する平板状の調整素子と、（ｄ）調整素子をシステム光軸に垂直な面内で回転させ透過する光に影響を与える位相差を調整するための回転調整機構と、を備える。

上記光学装置は、傾斜した光学軸を有する負の一軸性の屈折材料で形成された補償素子と、システム光軸に垂直な面内に位相差を有する調整素子との２つの補償手段によって構成される。後者の調整素子は、例えば上記システム光軸に垂直な面内に光学軸を有する正又は負の一軸性の調整素子である。この調整素子は、回転調整機構によりシステム光軸に垂直な面内で回転調整することができ、液晶セルごとのプレチルトのばらつきに対応する位相の補償を行うことができる。つまり、液晶セルのプレチルトのばらつきのために位相状態に偏りが生じても、負の一軸性の補償素子によって標準的に補償された液晶セルを調整素子でさらに補償することにより、液晶セルの屈折率異方性を所望の方向、具体的には入射光や射出光の偏光方向にそろえることができ、見かけ上液晶素子に屈折率異方性が生じるのを防ぐことができる。これにより、投射光のコントラスト低下を防止し、色むらを低減することができる。なお、調整素子はシステム光軸に垂直な面と平行な光入射面と光射出面を有する平板状であり、システム光軸に垂直な面内で回転するので、調整に伴う画素ずれの発生を防止することができる。

また、本発明の具体的な態様又は観点によれば、補償素子は、サファイア板であり、液晶セルに密着している。この場合、加熱される液晶素子をガラスや石英よりも通常高い熱伝導度を有するサファイアによって効率的に冷却することができる。

また、本発明の別の態様では、調整素子は、システム光軸に垂直な面に平行な方向に延びる光学軸を有する板状の部材である。この場合、偏光方向における位相のずれを確実に補償することができる。

また、本発明のさらに別の態様では、調整素子は、液晶セルの入射側に配置される。この場合、調整素子を液晶セルの入射側に配置することによって、調整素子を回転させるためのスペースを確保することができる。

また、本発明のさらに別の態様では、液晶セルの入射側及び射出側に、それぞれ第１偏光板及び第２偏光板を有する。この場合、液晶セルの入射側及び射出側に偏光板を設けることにより、偏光方向と一致する光を通過させることができる。

本発明に係るプロジェクタは、（ａ）上述の光変調用の光学装置と、（ｂ）光学装置を照明する光を発生する光源と、（ｃ）光学装置を経た光を投射する投射光学系と、を備える。

上記プロジェクタにおいて、光学装置が傾斜した光学軸を有する負の一軸性の屈折材料で形成された補償素子と、システム光軸に垂直な面内に位相差を有する調整素子との２つの補償手段によって構成されることにより、ＶＡ液晶パネルの複屈折のばらつきを、調整素子をシステム光軸に垂直な面内で回転調整することで補償することができる。これにより、投射光のコントラスト低下を防止し、色むらを低減することができる。

〔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の構造を説明する拡大断面図であり、図２は液晶ライトバルブの構成を説明する概念図である。

図１及び図２に示すように、液晶ライトバルブ３１は、第１偏光板８３と、第１補償素子８１と、液晶パネル３１ａと、第２補償素子８５と、第２偏光板８４と、回転調整機構９１とを備える。ここで、第１補償素子８１、液晶パネル３１ａ、及び第２補償素子８５は、入射光の位相状態を所望の状態に変化させるための液晶装置３１ｂを構成する。

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８３と、射出側の第２偏光板８４とは、クロスニコルを構成する。これら第１及び第２偏光板８３，８４の間に挟まれた液晶装置３１ｂ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。第１偏光板８３と、第１補償素子８１と、液晶パネル３１ａと、第２補償素子８５と、第２偏光板８４とは、それぞれの光入射面及び光射出面がシステム光軸ＳＡに沿ったＺ方向に垂直なＸＹ面に平行な状態で、Ｚ方向に沿って近接して配置されている。

液晶パネル３１ａは、例えば垂直配向モードで動作する光透過型変調デバイス（すなわち垂直配向型の光透過型液晶パネル）であり、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。

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、入射光の位相状態、すなわち偏光状態を変化させるための液晶セル７０となっている。また、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に対して電圧を印加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。

第１及び第２偏光板８３，８４は、偏光部材であり、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。

第１補償素子８１は、液晶装置３１ｂから射出される光の位相状態を調整する調整素子であり、第１偏光板８３と液晶パネル３１ａとの間に設けられている。第１補償素子８１は、図２に示すように、第１補償素子８１をシステム光軸ＳＡすなわちＺ軸に平行な軸のまわりに回転させるための回転調整機構９１（後述）によって回転可能となっている。第１補償素子８１は、第２補償素子８５と協働して電圧の無印加時の液晶層７１に残存する位相ずれを補償する。第１補償素子８１は、正の一軸性の屈折材料（例えば水晶）、負の一軸性の屈折材料（例えばサファイア）、又はオレフィン系の有機物質から形成されるフィルムを延伸することで複屈折性物質をもたせたオレフィン系フィルムで形成されている。

図３は、回転調整機構９１の構造を説明する正面図である。回転調整機構９１は、第１偏光板８３を保持する第１ホルダ９２と、第１補償素子８１を保持する第２ホルダ９３と、第１及び第２ホルダ９２，９３を互いに回転位置調整する調整部材９４とを備える。ここで、調整部材９４は、第１及び第２ホルダ９２，９３を連結する軸部材９４ａと、第２ホルダ９３を時計回りや反時計回りに回転させるネジ調整部９４ｂと、第１ホルダ９２側に固定されて第２ホルダ９３の縁部分を案内するガイド９４ｃとを含む。ネジ調整部９４ｂは、両ホルダ９２，９３から延びる支持板９４ｆ，９４ｇの間隔を調整するためのネジ９４ｈを備えている。ネジ調整部９４ｂの正逆回転により、第１ホルダ９２に対する第２ホルダ９３の回転姿勢、すなわち第１偏光板８３に対する第１補償素子８１の回転姿勢を微調整することができる。なお、以上の回転調整機構９１は単なる例示であり、第１補償素子８１をＺ軸のまわりに微小回転させる様々な薄型の調整機構を採用することができる。

第２補償素子８５は、負の一軸性光学素子であり、液晶パネル３１ａと第２偏光板８４との間に設けられている。第２補償素子８５は、負の一軸性の屈折材料（例えばサファイア）で形成されている。

図４は、液晶層７１の屈折率と第１及び第２補償素子８１，８５の屈折率との関係を説明する概念図である。図４（Ａ）は、液晶層７１の屈折率と第２補償素子８５の屈折率との関係を説明する側方断面の概念図であり、図４（Ｂ）は、第２補償素子８５の機能を説明する側面図であり、図４（Ｃ）は、第１補償素子８１の機能を説明する平面図である。ここで、液晶層７１の光入射面７１ａ及び光射出面７１ｂは互いに平行になっており、第２補償素子８５の光入射面８５ａ及び光射出面８５ｂは、液晶層７１の光入射面７１ａに対してともに平行に配置されている。すなわち、液晶層７１の光入射面７１ａに対して垂直入射する光束の光路ＶＰは、第２補償素子８５の光入射面８５ａに対しても垂直に入射し、光射出面８５ｂから同様に垂直に射出される。また、第１補償素子８１の光入射面８１ａ及び光射出面８１ｂも同様に、液晶層７１の光入射面７１ａに対してともに平行に配置されている。

図４（Ａ）に示すように、液晶層７１において、電界が印加されていないオフ状態の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する。また、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θ_１と呼ばれる。一方、第２補償素子８５において、屈折率楕円体ＲＩＥ２は、負の一軸性結晶の屈折率楕円体に相当するものになっており、その短軸すなわち光学軸ＯＡ２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ＲＩＥ２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ＲＩＥ２が傾く方位角における傾き角θ_２は、光入射面７１ａへの垂直入射光の光路ＶＰを基準として、液晶層７１に付与されているプレチルト角θ_１と等しくなっている。つまり、ある入射角度で液晶パネル３１ａに入射する光線について考えた場合に、液晶層７１を光学軸ＯＡ１に対して平行にある角度で通過する光が、第２補償素子８５を光学軸ＯＡ２に対して同一の角度で通過するようにしている。なお、第１補償素子８１は、光学軸がＸＹ面内にあり、回転調整機構９１によりＺ軸に平行なシステム光軸ＳＡのまわりに回転する。この際、第１補償素子８１は、その光学軸を光路ＶＰに対して垂直な状態に保ってＸＹ面内で回転する。

以下、第２補償素子８５の機能について具体的に説明する。図４（Ｂ）の上段は、液晶層７１のプレチルトの屈折率楕円体ＲＩＥ１を説明するためのＺＸ面の側面図であり、中段は、第２補償素子８５の屈折率楕円体ＲＩＥ２を説明するＺＸ面の側面図であり、下段は、上段の屈折率楕円体ＲＩＥ１の作用と中段の屈折率楕円体ＲＩＥ２の作用とを適当な比率で互いに相殺するように合成したものを示すＺＸ面の側面図である。

まず、液晶層７１について考えると、液晶性化合物の屈折率楕円体ＲＩＥ１は、正の一軸性材料に相当するものとなっており、基準とする互いに垂直な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ｎｚの長軸に対応する光学軸ＯＡ１は、液晶層７１の光入射面７１ａに法線方向から入射する光線（垂直入射光）の光路ＶＰに対して、プレチルト角θ_１だけ傾いた状態となっている。

同様に、第２補償素子８５について考えると、この第２補償素子８５は、屈折率楕円体ＲＩＥ２に相当する負の一軸性屈折材料からなり、上述と同様の基準とする互いに垂直な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ｎｚの短軸に対応する光学軸ＯＡ２は、液晶層７１の光入射面７１ａに法線方向から入射する垂直入射光の光路ＶＰに対して、傾き角θ_２＝θ_１だけ傾いた状態となっている。

ここで、液晶層７１の屈折率ｎｚの長軸と第２補償素子８５の屈折率ｎｚの短軸とは平行に配置されており、それぞれの遅相軸の軸方向と及び進相軸の軸方向は互いに入れ替わっている。したがって、垂直入射光に対する液晶層７１及び第２補償素子８５の合成の位相差が等しいとき、液晶パネル３１ａがオフ状態において、第２偏光板８４に入射する偏光は、第１偏光板８３から射出された偏光と同一状態になり、垂直入射光に対する第２偏光板８４での遮光が完全となる。これにより、液晶ライトバルブ３１の最大透過状態（最高輝度状態）及び最大遮光状態（最低輝度状態）によって決定される画像のコントラストは最大となる。

上述のように、液晶層７１の屈折率と第２補償素子８５の屈折率とを合成したものＰ１は、屈折率球ＲＩＳ１と等価な等方的な媒体として、入射光に対して位相差を与えない。しかし、液晶層７１に付与されているプレチルト角θ_１は、液晶パネル３１ａの個体差によって通常ばらついており、固定的な第２補償素子８５の補償のみでは位相差が残る場合がある。この場合、液晶層７１と第２補償素子８５との合成物Ｐ１は、図４（Ｂ）下段に示す屈折率楕円体ＲＩＳ２のような異方性媒体とみることができる。そこで、このばらつきとしての液晶層７１の屈折率と第２補償素子８５の屈折率との合成である異方性媒体の位相差を第１補償素子８１によって補償する。

以下、第１補償素子８１の機能について説明する。図４（Ｃ）の上段は、液晶層７１及び第２補償素子８５の屈折率を合成したものを説明するためのＸＹ面の平面図であり、中段は、第１補償素子８１の屈折率を説明するＸＹ面の平面図であり、下段は、上段の屈折率楕円体ＲＩＳ２と中段の屈折率楕円体ＲＩＥ３とを適当な比率で互いに相殺するように合成したものを示すＸＹ面の平面図である。ここで、屈折率楕円体の軸方向を矢印で示している。

液晶層７１及び第２補償素子８５の屈折率を合成したものＰ１について考えると、液晶層７１のプレチルト角θ_１にばらつきがあるとき、ばらつきに対応する屈折率楕円体ＲＩＳ２となり、偏光方向ＡＢ，ＣＤに対する傾きの方向性が任意の状態となっている。

一方、第１補償素子８１は、屈折率楕円体ＲＩＥ３に相当する、例えば正の一軸性の屈折材料からなり、基準とする互いに垂直な各軸方向の屈折率をｎｘ，ｎｙ，ｎｚとすると、一般にｎｘ＝ｎｙ＜ｎｚの関係が成り立つ。第１補償素子８１は、上述の回転調整機構９１によって、必要な角度に回転され、液晶層７１と第１及び第２補償素子８１，８５の屈折率の合成後のＸＹ面内における屈折率楕円体ＲＩＳ３の長軸又は短軸、すなわち遅相軸又は進相軸が第１及び第２偏光板８３，８４の偏光方向ＡＢ又はＣＤに等しくなるよう調整された状態となっている。これにより、液晶層７１、第１及び第２補償素子８１，８５の屈折率を合成したものＰ２について考えると、液晶パネル３１ａがオフ状態において、第１偏光板８３から射出された偏光と第２偏光板８４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偏光板８４での遮光が完全となる。これにより、液晶ライトバルブ３１の最大透過状態（最高輝度状態）及び最大遮光状態（最低輝度状態）によって決定される画像のコントラストは最大となる。

以下、具体的な実施例について説明する。上記のような第１及び第２補償素子８１，８５を組み込んだ垂直配向型の液晶層７１に残存する位相ずれを補償するための第１補償素子８１として、水晶を用い、第２補償素子８５として、サファイアを用いた。第１補償素子８１の厚みは、加工性を考慮して例えば２〜１０μｍ程度の範囲とし、第２補償素子８５の厚みは、プレチルトによる位相の補償を考慮して例えば２０〜６０μｍ程度の範囲とした。第１補償素子８１の回転角度は、例えば、厚さが１０ｎｍの場合、±１０°程度、２ｎｍの場合、±９０°程度とした。

また、垂直配向型の液晶層７１を備え、上記のような第１及び第２補償素子８１，８５を組み込んだ液晶ライトバルブ３１に関してシミュレーションを行った。

図５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５（Ａ）は、液晶層７１及び第２補償素子８５が設計値通りである液晶ライトバルブ３１の視野角特性を示し、図５（Ｂ）は、液晶層７１のプレチルトが＋１°設計値からばらついており、第２補償素子８５の光学軸は設計値通り傾いている場合の視野角特性を示し、図５（Ｃ）は、液晶層７１のプレチルトが＋１°設計値からばらついており、第２補償素子８５の光学軸は設計値通り傾いた状態で、第１補償素子８１を組み込んだ液晶ライトバルブ３１の視野角特性を示し、図５（Ｄ）は、液晶層７１のプレチルトが＋１°設計値からばらついており、第２補償素子８５の光学軸は設計値通り傾いた状態で、第１補償素子８１を回転調整した場合の液晶ライトバルブ３１の視野角特性を示す。

図５（Ａ）を見ると、液晶層７１及び第２補償素子８５を設計値にすることで視野角特性が良好になっている。しかしながら、実際には液晶層７１のプレチルトのばらつきが存在してしまう。例えば、プレチルトが＋１°設計値からばらついた場合には、図５（Ｂ）のように、視野角特性が偏ってしまう。この状態の液晶ライトバルブ３１に、第１補償素子８１を組み込み、適宜回転角を調整すると、図５（Ｄ）のように、比較的良好な視野角特性を得ることができる。これは、第１補償素子８１を回転させ第１補償素子８１を透過する光に与えられる位相差を調整することにより、液晶層７１のプレチルトのばらつきにより、第２補償素子８５の光学軸の傾きが液晶パネル３１ａのオフ状態における液晶層７１の液晶性化合物の屈折率楕円体ＲＩＥ１の光学軸の傾きに対応していないことによる位相差が補償されたことを意味する。

なお、本実施形態において、第２補償素子８５と液晶パネル３１ａとを離して設置する場合を説明したが、図６のように、第２補償素子８５を液晶パネル３１ａに接して配置してもよい。これにより、第２補償素子８５が、サファイア等の比較的熱伝率の高い結晶性の無機材料で形成され比較的厚みがあるものである場合、入射光の吸収によって発熱しやすい液晶パネル３１ａを効率的に冷却することができる一種の冷却板若しくは放熱板として第２補償素子８５を機能させることができる。

〔第２実施形態〕
図７は、図１や図６に示す液晶ライトバルブ３１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７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装置２５ａ，２５ｂ，２５ｃを均一に重畳照明する。ここで、液晶装置２５ａ，２５ｂ，２５ｃは、図１等の液晶装置３１ｂに相当し、同様の構造を有する。

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つの液晶装置２５ａ，２５ｂ，２５ｃと、各液晶装置２５ａ，２５ｂ，２５ｃを挟むように配置される３組の偏光板２５ｅ，２５ｆ，２５ｇとを備える。ここで、第１光路ＯＰ１に配置された青光用の液晶装置２５ａと、これを挟む一対の偏光板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、コントラスト調整のための第１補償素子８１を、一対の偏光板２５ｅのうち入射側に相当する第１偏光板８３と液晶装置２５ａとの間に組み込んでいる。また、コントラスト向上のための第２補償素子８５を、液晶装置２５ａと射出側の第２偏光板８４との間に組み込んでいる。同様に、第２光路ＯＰ２に配置された緑光用の液晶装置２５ｂと、対応する偏光板２５ｆ，２５ｆも、緑色用の液晶ライトバルブを構成し、第３光路ＯＰ３に配置された赤光用の液晶装置２５ｃと、偏光板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液晶装置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液晶装置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液晶装置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。各液晶装置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、各液晶装置２５ａ〜２５ｃにそれぞれ入射した３色の光は、各液晶装置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、偏光板２５ｅ，２５ｆ，２５ｇによって、各液晶装置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、各液晶装置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、液晶装置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、液晶装置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、液晶装置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、各液晶装置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補償素子８１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）や蒸着膜を使用することができる。

また、上記実施形態では、第２補償素子８５としてサファイアを用いたが、サファイアに代えて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。

また、上記実施形態では、第１補償素子８１は、液晶層７１に対して平行に配置されるとしたが、多少傾いていてもよい。この場合、第１補償素子８１が傾いたままシステム光軸に垂直な面内で回転させる。

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つの液晶装置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つの液晶装置を用いたプロジェクタ、或いは、４つ以上の液晶装置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実施形態に係る光学装置である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１の液晶ライトバルブの構成を説明する概念図である。第１補償素子を回転させるための回転調整機構の構造を説明する正面図である。（Ａ）は、液晶層の屈折率と第２補償素子の屈折率との関係を説明する側方断面の概念図であり、（Ｂ）は、第２補償素子の機能を説明する側面図であり、（Ｃ）は、第１補償素子の機能を説明する平面図である。（Ａ）〜（Ｄ）は、シミュレーションによる視野角特性についての例を示す図である。図１の液晶ライトバルブの構造の変形例を説明する概念図である。図１に示す液晶ライトバルブ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。

符号の説明

１０…プロジェクタ、２１…光源装置、２３…色分離光学系、２５ｅ，２５ｆ，２５ｇ…偏光板、２５…光変調部、２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，３１ｂ…液晶装置、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…液晶パネル、７０…液晶セル、７１…液晶層、８１…第１補償素子、８３…第１偏光板、８４…第２偏光板、８５…第２補償素子、９１…回転調整機構、ＲＩＥ１，ＲＩＥ２，ＲＩＥ３，ＲＩＳ２…屈折率楕円体、ＲＩＳ１…屈折率球、 θ_１…プレチルト角、ＳＡ…システム光軸

Claims

液晶を保持する垂直配向型の液晶セルと、
システム光軸に対して傾斜した光学軸を有する負の一軸性の屈折材料で形成され、前記液晶セルに対して相対的に固定されている補償素子と、
前記システム光軸に垂直な面内に位相差を有する平板状の調整素子と、
前記調整素子を前記システム光軸に垂直な面内で回転させ透過する光に影響を与える位相差を調整するための回転調整機構と、
を備え、
前記システム光軸に垂直な面内における、無印加時の前記液晶の屈折率と前記補償素子の屈折率との合成である異方性媒体の位相差が、前記調整素子により補償されている光学装置。
前記補償素子は、サファイア板であり、前記液晶セルに密着している、請求項１記載の光学装置。
前記調整素子は、前記システム光軸に垂直な面に平行な方向に延びる光学軸を有する板状の部材である、請求項１記載の光学装置。
前記調整素子は、前記液晶セルの入射側に配置される、請求項１及び請求項３のいずれか一項記載の光学装置。
前記液晶セルの入射側及び射出側に、それぞれ第１偏光板及び第２偏光板を有する、請求項１及び請求項４のいずれか一項記載の光学装置。
請求項１から請求項５まで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光を発生する光源と、
前記光学装置を経た光を投射する投射光学系と、
を備えるプロジェクタ。