JP4457854B2

JP4457854B2 - 偏光子、液晶パネルおよび投射型表示装置

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Publication number: JP4457854B2
Application number: JP2004319050A
Authority: JP
Inventors: 真也渡邉
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2004-11-02
Filing date: 2004-11-02
Publication date: 2010-04-28
Anticipated expiration: 2024-11-02
Also published as: JP2006133275A

Description

本発明は、偏光子、液晶パネルおよび投射型表示装置に関し、特に、反射型の偏光子、および当該偏光子を備える液晶パネルおよび投射型表示装置に関する。

液晶プロジェクタなどの投射型表示装置に搭載される液晶パネルは、液晶層を挟持して対向配置された一対の基板を主体として構成されており、当該一対の基板には、液晶層に電圧を印加するための電極が設けられている。

液晶パネルとしては、一方の基板側から入射した光が、液晶層を透過し、他方の基板側から出射した光を視認する透過型液晶パネルが知られている。透過型液晶パネルでは、一対の基板の外側に、特定の偏光のみを透過する偏光子を設けることにより、電圧無印加時、電圧印加時における液晶層内の液晶分子の配列を光学的に識別し、表示を行う構成になっている。

従来より、偏光子として、特定の偏光成分のみを透過し、それ以外の偏光成分を吸収する有機材料からなる光吸収型偏光子が広く用いられてきた。一方、例えば投射型表示装置において、スクリーン上に見やすく明るい映像を投影するためには、高輝度な光源を用いる必要がある。

光源の高輝度化とともに、偏光子での光の吸収量が増大し、偏光子の温度が高くなり、その結果、偏光子が劣化して画像表示装置の耐久性が低下するという問題があった。この問題は、ある程度偏光方向が揃っている光束が液晶パネルへ光が入射する入射側に配置された偏光子よりも、特に黒表示時には全ての光束を吸収する必要がある液晶パネルからの光の出射側の偏光子において特に顕著であった。

この問題は、偏光子として、ガラス基板の表面に構造複屈折体、すなわちアルミニウムなどの金属材料からなる光反射体を光の波長よりも短いピッチで複数ストライプ状に形成した光反射型偏光子を用いることで、改善することが知られている（例えば、特許文献1から５参照）。光反射型偏光子は、特定の偏光成分のみを透過し、それ以外の偏光成分を反射するため、光吸収型偏光子に比較して高温化および劣化が免れ、結果画像表示装置の耐久性を改善できる。
特開２００３−２０２５７４号公報特開２００３−７５８２３号公報特開２００３−５１７０号公報特開２００３−１６７２４６号公報特開２００３−２９５２０９号公報特開２００３−２７９７３４号公報

しかしながら、従来の光反射型偏光子では不要な光を正反射しているため、問題が生じる場合がある。例えば、反射型偏光子を液晶パネルの光出射側に配置した場合には、反射型偏光子で反射した光が液晶パネルのＴＦＴ基板上に形成された画素駆動回路パターンや、対向基板上に形成されたブラックマトリクスパターンで再び反射し、反射の際に偏光状態が乱れるため、再度出射側の光反射側偏光子に到達した際に透過する偏光成分が発生し、投射レンズを通って望ましくない光がスクリーン上に投影され、結果コントラストの低下や、画品位の低下を引き起こすという懸念があった。

この問題に対しては、特許文献６のように、構造複屈折体を形成する材料として、光吸収性の材料を使用して反射光を吸収することにより、一定の効果があることが期待できる。しかしこの方法によると、本来反射していた偏光成分を吸収するため、もともとの目的に反して温度の上昇とそれに伴う劣化がおこる可能性がある。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、反射型の偏光子であって、正反射せずに角度をつけて反射する偏光子を提供することにある。

本発明の他の目的は、不要な偏光成分を角度をつけて反射する反射型の偏光子を備えることにより、偏光子の温度上昇による劣化、および正反射による迷光の発生を防止して、長寿命化および高画質化を図ることができる液晶パネルおよび投射型表示装置を提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明の偏光子は、入射する光の波長よりも長いピッチで段差が表面に形成された光透過性基板と、前記光透過性基板の表面に、入射する前記光の波長よりも短いピッチで周期的に配列された複数の光反射体と、前記光反射体を覆う光透過性被覆層とを有し、前記光透過性被覆層の屈折率と、前記光透過性基板の屈折率とが略等しい。

上記の本発明の偏光子では、入射する光の波長よりも短いピッチでストライプ上に複数の光反射体が配列されていることから、複数の光反射体に光が到達すると、当該光反射体のストライプに垂直な偏光成分が透過し、光反射体のストライプに平行な偏光成分は反射する。
ここで、上記の光反射体は、入射する光の波長よりも長いピッチで段差が表面に形成された光透過性基板に形成されている。したがって、光透過性基板の凸面の光反射体により反射された偏光成分と、光透過性基板の凹面の光反射体により反射された偏光成分との干渉が生じ０次光は打ち消される。この結果、反射光は１次光以上の光となる。

上記の目的を達成するため、本発明の液晶パネルは、液晶層と、前記液晶層を挟む２つの基板とを有し、前記２つの基板のうちの少なくとも１つの基板は反射型偏光子を備え、
前記反射型偏光子は、入射する光の波長よりも長いピッチで段差が表面に形成された光透過性の前記基板と、前記基板の表面に、入射する前記光の波長よりも短いピッチで周期的に配列された複数の光反射体と、前記光反射体を覆う光透過性被覆層とを有し、前記光透過性被覆層の屈折率と、前記基板の屈折率とが略等しい。

上記の本発明の液晶パネルでは、液晶層を挟む２つの基板のうちの少なくとも１つの基板には、入射する光の波長よりも短いピッチでストライプ上に複数の光反射体が配列されていることから、複数の光反射体に光が到達すると、当該光反射体のストライプに垂直な偏光成分が透過し、光反射体のストライプに平行な偏光成分は反射する。
ここで、上記の光反射体は、入射する光の波長よりも長いピッチで段差が表面に形成された基板に形成されている。したがって、基板の凸面の光反射体により反射された偏光成分と、基板の凹面の光反射体により反射された偏光成分との干渉が生じ０次光は打ち消される。この結果、反射光は１次光以上の光となる。
このように、不要な偏光成分については角度をつけて反射させることから、反射光は入射光の光路とは逸れる。このため、当該光路に存在する液晶パネル中の部材によって反射されたとしても、表示に影響はない。

上記の目的を達成するため、本発明の投射型表示装置は、光源と、前記光源から出射された光の偏光方向を規制する第１の偏光子と、前記第１の偏光子を透過した偏光を変調する液晶パネルと、前記液晶パネルにより変調された光を透過または遮断する第２の偏光子と、前記第２の偏光子を透過した光を投射する投射手段とを有し、少なくとも前記第１あるいは前記第２の偏光子のいずれかは、入射する光の波長よりも長いピッチで段差が表面に形成された光透過性基板と、前記光透過性基板の表面に、入射する前記光の波長よりも短いピッチで周期的に配列された複数の光反射体と、前記光反射体を覆う光透過性被覆層とを有し、前記光透過性被覆層の屈折率と、前記基板の屈折率とが略等しい。

上記の本発明の投射型表示装置では、第１の偏光子により光の偏光方向が規制された偏光が液晶パネルに入射する。液晶パネルでは偏光が変調される。液晶パネルにより変調された光は第２の偏光子により透過または遮断される。
第１あるいは第２の偏光子として、上記した本発明の偏光子を用いることにより、光反射体のストライプに垂直な偏光成分が透過し、光反射体のストライプに平行な偏光成分は所定の角度をもって反射される。
このように、不要な偏光成分については角度をつけて反射させることから、反射光は入射光の光路とは逸れる。このため、当該光路に存在する液晶パネルあるいは他の光学素子によって反射されたとしても、表示に影響はない。

上記の目的を達成するため、本発明の投射型表示装置は、光源と、前記光源からの光を変調する液晶パネルと、前記液晶パネルにより変調された光を投射する投射手段とを有し、前記液晶パネルは、液晶層と、前記液晶層を挟む２つの基板とを有し、前記２つの基板のうちの少なくとも１つの基板は反射型偏光子を備え、前記反射型偏光子は、入射する光の波長よりも長いピッチで段差が表面に形成された光透過性の前記基板と、前記基板の表面に、入射する前記光の波長よりも短いピッチで周期的に配列された複数の光反射体と、前記光反射体を覆う光透過性被覆層とを有し、前記光透過性被覆層の屈折率と、前記基板の屈折率とが略等しい。

上記の本発明の投射型表示装置では、光源からの光は液晶パネルにより変調され、液晶パネルにより変調された光が投射手段により投射される。
ここで、液晶パネルの２つの基板のうちの一方が、上記した本発明の偏光子の構造を備えることにより、光反射体のストライプに垂直な偏光成分が透過し、光反射体のストライプに平行な偏光成分は所定の角度をもって反射される。
このように、不要な偏光成分については角度をつけて反射させることから、反射光は入射光の光路とは逸れる。このため、当該光路に存在する液晶パネル中の部材あるいは他の光学素子によって反射されたとしても、表示に影響はない。

上記の目的を達成するため、本発明の投射型表示装置は、光を照射する照明手段と、前記照明手段からの光を複数の色光に分離する複数の色分離手段と、各色分離手段により分離された各色光を変調する複数の液晶パネルと、各前記液晶パネルにより変調された各色光を合成する色合成手段と、合成した各色光の画像を拡大投射する投射手段とを有し、前記液晶パネルへの色光の入射側、あるいは前記液晶パネルからの色光の出射側に、反射型偏光子が設けられ、前記反射型偏光子は、入射する光の波長よりも長いピッチで段差が表面に形成された光透過性基板と、前記光透過性基板の表面に、入射する前記光の波長よりも短いピッチで周期的に配列された複数の光反射体と、前記光反射体を覆う光透過性被覆層とを有し、前記光透過性被覆層の屈折率と、前記基板の屈折率とが略等しい。

上記の本発明の投射型表示装置では、照明手段により照射された光は、複数の色分離手段により複数の色光に分離され、各色光はそれぞれ別々の液晶パネルに入射する。液晶パネルでは、入射した各色光が変調される。各液晶パネルにより変調された各色光は、色合成手段により合成されて、投射手段により合成した各色光の画像が投射される。
ここで、液晶パネルへの色光の入射側、あるいは液晶パネルからの色光の出射側に、本発明の偏光子を設けることにより、光反射体のストライプに垂直な偏光成分が透過し、光反射体のストライプに平行な偏光成分は所定の角度をもって反射される。
このように、不要な偏光成分については角度をつけて反射させることから、反射光は入射光の光路とは逸れる。このため、当該光路に存在する液晶パネルあるいは他の光学素子によって反射されたとしても、表示に影響はない。

上記の目的を達成するため、本発明の投射型表示装置は、光を照射する照明手段と、前記照明手段からの光を複数の色光に分離する複数の色分離手段と、各色分離手段により分離された各色光を変調する複数の液晶パネルと、各前記液晶パネルにより変調された各色光を合成する色合成手段と、合成した各色光の画像を拡大投射する投射手段とを有し、前記液晶パネルは、液晶層と、前記液晶層を挟む２つの基板とを有し、前記２つの基板のうちの少なくとも１つの基板は反射型偏光子を備え、前記反射型偏光子は、入射する光の波長よりも長いピッチで段差が表面に形成された光透過性の前記基板と、前記基板の表面に、入射する前記光の波長よりも短いピッチで周期的に配列された複数の光反射体と、前記光反射体を覆う光透過性被覆層とを有し、前記光透過性被覆層の屈折率と、前記基板の屈折率とが略等しい。

上記の本発明の投射型表示装置では、照明手段により照射された光は、複数の色分離手段により複数の色光に分離され、各色光はそれぞれ別々の液晶パネルに入射する。液晶パネルでは、入射した各色光が変調される。各液晶パネルにより変調された各色光は、色合成手段により合成されて、投射手段により合成した各色光の画像が投射される。
ここで、液晶パネルの２つの基板のうちの一方が、上記した本発明の偏光子の構造を備えることにより、光反射体のストライプに垂直な偏光成分が透過し、光反射体のストライプに平行な偏光成分は所定の角度をもって反射される。
このように、不要な偏光成分については角度をつけて反射させることから、反射光は入射光の光路とは逸れる。このため、当該光路に存在する液晶パネル中の部材あるいは他の光学素子によって反射されたとしても、表示に影響はない。

本発明の偏光子によれば、光反射体のストライプに垂直な偏光成分は透過し、光反射体のストライプに平行な偏光成分については角度をつけて反射することができる。

上記の偏光子を備えた液晶パネルおよび投射型表示装置によれば、不要な光を反射させることから偏光子の温度上昇による劣化が低減され、長寿命化を図ることができる。また、偏光子は不要な偏光成分については角度をつけて反射させることから、反射光は入射光の光路とは逸れる。このため、当該光路に存在する液晶パネルや他の光学素子によって反射されたとしても、表示に影響はない。この結果、液晶パネルおよび投射型表示装置の高画質化を図ることができる。

以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
図１は、本実施形態に係る投射型液晶表示装置の全体構成の一例を示す図である。図１に示す投射型液晶表示装置は、透過型の液晶パネルを３枚用いてカラー画像表示を行ういわゆる３板方式のものである。

投射型液晶表示装置は、本発明の照明手段として、光を出射する光源１と、一対の第１および第２フライアイレンズ２，３と、ＰＳ分離合成素子４と、コンデンサレンズ５とを有する。

光源１は、カラー画像表示に必要とされる、赤色光、青色光、緑色光を含んだ白色光を出射する。光源１は、白色光を発する発光体と、発光体から発せられた光を反射、集光する凹面鏡を有する。発光体として、例えば、ハロゲンランプ、メタルハライドランプまたはキセノンランプなどが使用される。凹面鏡は、集光効率がよい形状であることが望ましく、例えば回転楕円面鏡や回転放物面鏡等の回転対象な面形状となっている。

第１フライアイレンズ２および第２フライアイレンズ３には、それぞれ複数のマイクロレンズが２次元的に配列されている。第１フライアイレンズ２および第２フライアイレンズ３は、光の照度分布を均一化させるためのものであり、入射した光を複数の小光束に分割する機能を有する。

ＰＳ分離合成素子４は、第２フライアイレンズ３における隣り合うマイクロレンズ間に対応する位置に、複数の１／２波長板を有する。ＰＳ分離合成素子４は、入射した光をＰ偏光成分とＳ偏光成分とに分離する。また、ＰＳ分離合成素子４は、分離された２つの偏光のうち、一方の偏光をその偏光方向(例えばＰ偏光)を保ったまま出射し、他方の偏光(例えば、Ｓ偏光)を１／２波長板の作用により、他の偏光成分（例えば、Ｐ偏光成分）に変換して出射する。

色分離フィルタ(色分離手段)６は、コンデンサレンズ５を介して入射した光を、例えば青色光ＬＢとその他の色光（赤色光および緑色光）とに分離する。色分離フィルタ６は、例えば、入射した光のうち、青色光ＬＢを反射し、他の色光（赤色光および緑色光）を透過するダイクロイックミラーにより構成される。

色分離フィルタ６によって分離された青色光ＬＢの光路に沿って、ミラー８−１が設けられている。ミラー８−１は、色分離フィルタ６によって分離された青色光ＬＢを液晶パネル１２Ｂに向けて反射する。

色分離フィルタ６によって分離された他の色光の光路には、色分離フィルタ(色分離手段)７が設けられている。色分離フィルタ７は、入射した光を例えば緑色光ＬＧと赤色光ＬＲとに分離する。色分離フィルタ７は、例えば、入射した光のうち、緑色光ＬＧを反射し、赤色光ＬＲを透過するダイクロイックミラーにより構成される。

色分離フィルタ７によって分離された赤色光ＬＲの光路には、リレーレンズ９−１と、ミラー８−２と、リレーレンズ９−２と、ミラー８−３とが順に配置されている。

ミラー８−２は、リレーレンズ９−１を介して入射した赤色光ＬＲをミラー８−３に向けて反射する。ミラー８−３は、ミラー８−２によって反射され、リレーレンズ９−２を介して入射した赤色光ＬＲを、液晶パネル１２Ｒへ向けて反射する。

ミラー８−１によって反射された青色光ＬＢの光路には、フィールドレンズ１０Ｂ、入射側偏光子１１Ｂ、液晶パネル１２Ｂ、出射側偏光子１３Ｂが順に配置されている。

入射側偏光子１１Ｂは、入射する青色光ＬＢの偏光方向を一方向に規制する。

液晶パネル１２Ｂは、マトリクス状に配置された画素と、画素を駆動する回路を有するＴＦＴ基板と、ＴＦＴ基板と対向する対向基板と、ＴＦＴ基板と対向基板との間に挟持された液晶とを備える。液晶パネル１２Ｂに入射した青色光は、各々の画素への電圧の印加、または非印加によりその偏光方向が変調され、または変調されずに透過する。

出射側偏光子１３Ｂは、液晶パネル１２Ｂで画素ごとに変調され、または変調されずに透過した青色光ＬＢのうち、特定の偏光成分を透過し、それ以外の偏光成分を遮光する。

色分離フィルタ７によって反射された緑色光ＬＧの光路には、フィールドレンズ１０Ｇ、入射側偏光子１１Ｇ、液晶パネル１２Ｇ、出射側偏光子１３Ｇが順に配置されている。フィールドレンズ１０Ｇ、入射側偏光子１１Ｇ、液晶パネル１２Ｇ、出射側偏光子１３Ｇの構成については、フィールドレンズ１０Ｂ、入射側偏光子１１Ｂ、液晶パネル１２Ｂ、出射側偏光子１３Ｂと同様である。

ミラー８−３によって反射された赤色光ＬＲの光路には、フィールドレンズ１０Ｒ、入射側偏光子１１Ｒ、液晶パネル１２Ｒ、出射側偏光子１３Ｒが順に配置されている。フィールドレンズ１０Ｒ、入射側偏光子１１Ｒ、液晶パネル１２Ｒ、出射側偏光子１３Ｒの構成については、フィールドレンズ１０Ｂ、入射側偏光子１１Ｂ、液晶パネル１２Ｂ、出射側偏光子１３Ｂと同様である。

液晶パネル１２Ｂを透過した青色光ＬＢ、液晶パネル１２Ｇを透過した緑色光ＬＧ、液晶パネル１２Ｒを透過した赤色光ＬＲの光路が交わる位置に、３つの色光ＬＧ，ＬＢ，ＬＲを合成するダイクロイックプリズム（色合成手段）１４が配置されている。

投射レンズ（投射手段）１５は、ダイクロイックプリズム１４により合成された光を、スクリーン１６に拡大投影させる。

以上の構成により、スクリーン１６上にフルカラーの拡大画像が投影される。

図２は、図１に示す入射側偏光子（第１の偏光子）１１Ｂ、１１Ｇ，１１Ｒあるいは出射側偏光子（第２の偏光子）１３Ｂ、１３Ｇ，１３Ｒに用いられる反射型偏光子の構成を説明するための図である。図３は、図２に示す反射型偏光子の断面図である。

偏光子は、光透過性基板２０と、光反射体２２と、光反射体２２を覆う光透過性被覆層２３とを有する。光透過性基板２０の表面には、入射する光の波長よりも長いピッチで規則的な凹凸構造（段差）２１が形成されている。光透過性基板２０は、例えば石英基板である。光透過性基板２０の凹凸構造２１は、ｙ方向に伸びる深さ９４．２ｎｍのストライプ状の溝が、例えばピッチ１０００ｎｍでｘ方向に等間隔で配置されたものである。

この光透過性基板２０上には、入射する光の波長よりも短いピッチでストライプ状に規則的に配列された複数の光反射体２２が形成されている。光反射体２２は、例えば、凹凸構造２１のストライプと平行なストライプ状に、ピッチ１００ｎｍ、膜厚１００ｎｍで成膜されたアルミニウムパターンからなる。

光透過性基板２０の凹凸構造２１および光反射体２２を被覆して、光透過性被覆層２３が形成されている。光透過性被覆層２３の表面は平坦化されている。光透過性被覆層２３は、光透過性基板２０の屈折率と略等しい材料により構成される。例えば、光透過性被覆層２３は、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなる。

上記の反射型偏光子は、入射した光のうち、光反射体２２のストライプに垂直な偏光成分を透過し、光反射体２２のストライプに平行な偏光成分についてはｘｚ面内においてｚ方向から角度θをもって反射させる。この原理について以下に説明する。

一般に、入射する光の波長よりも短いピッチで、ストライプ状に配置された複数の媒質Ｍ１を有し、その間隙に媒質Ｍ２が充填されているような構造、すなわち構造複屈折体においては、媒質Ｍ１の屈折率ｎ_１と媒質Ｍ２の屈折率ｎ_２が異なるため、構造複屈折体に入射した光の偏光方向により有効屈折率が異なる。ストライプに平行な偏光成分についての有効屈折率ｎ_ａと、ストライプに垂直な偏光成分の有効屈折率ｎ_ｂは、下記式（１）および（２）のように表される。

[数１]
ｎ_ａ＝ｓｑｒｔ（（αｎ_１ ^２＋βｎ_２ ^２）／（α＋β））…（１）

[数２]
ｎ_ｂ＝ｓｑｒｔ（（α＋β）／（α／ｎ_１ ^２＋β／ｎ_２ ^２））…（２）

上記式（１）および（２）において、αは媒質Ｍ１のストライプの幅、βは媒質Ｍ２のストライプの幅で、α＋βが周期構造のピッチとなる。また、ｓｑｒｔは、平行根（square root）を示す。

媒質Ｍ１が金属で媒質Ｍ２が誘電体の場合、媒質Ｍ１の屈折率は複素数で表され、式（１）で表されるｎ_ａと式（２）で表されるｎ_ｂはともに複素数となるが、ｎ_ａの虚数部はｎ_ｂの虚数部よりも遥かに大きくなる。

その結果ストライプに平行な偏光成分は反射し、ストライプに垂直な偏光成分は透過するため、光反射型偏光子としての機能を有することになる。上記式（１）、（２）より、α＋βつまり光反射体２２のストライプのピッチが短いほど、ｎ_ａの虚数部がより大きく、ｎ_ｂの虚数部がより小さくなるため、より良好な反射および透過特性が得られるが、ピッチが小さくなるほど製造が困難になるという課題がある。したがって、十分な反射および透過特性が得られ、かつ製作が可能なピッチとして５０ｎｍ〜２００ｎｍ程度が好ましい。

図３に図解したように、光透過性基板２０側から入射した波長４００〜７００ｎｍの光Ｌは、ストライプ状の光反射体２２によるミクロな周期構造によって、光反射体２２のストライプに平行な偏光成分ＬＲ１は反射し、ストライプに垂直な偏光成分ＬＴは透過する。

ここで、光反射体２２のストライプにより反射される偏光成分ＬＲ１の方向について考える。光透過性基板２０には、光反射体２２による規則的な構造の他、光透過性基板２０の表面に例えばピッチ１０００ｎｍ、深さ９４．２ｎｍのストライプ状の凹凸によるマクロな凹凸構造２１が形成されている。

したがって、この凹凸構造２１の凸面の光反射体２２により反射された光と、凹凸構造２１の凹面の光反射体２２により反射された光とで干渉が生じる。ここで、本実施形態ではこの干渉により０次光を打ち消すことにより、１次光以上の光を反射させる。これについて説明する。

一般に、波長よりも長いピッチを有する周期構造に光が垂直に入射した場合、入射光は、下記式（３）を満たす角度θの方向に反射回折する。

[数３]
ｄ・ｓｉｎθ＝Ｎλ …（３）

上記式（３）において、ｄはマクロな凹凸構造２１のピッチ、Ｎは種々の回折次数のうちのＮ次の回折、λは光の波長とする。Ｎ＝０のときθ＝０となるが、これは０次回折光つまり正反射光である。通常、種々の回折光のうちこの０次回折光の光量が一番大きい。

ところが、凹凸構造２１の深さｈを適切に設定すると、０次回折光を発生させないことが可能であることが知られている。その条件は、基板の屈折率をｎとして、下記式（４）で示される。

[数４]
ｎｈ＝λ／４ …（４）

一方、凹凸構造２１の上面で反射した０次光と、凹凸構造２１の底面で反射した０次光との位相差φに注目すると、往復の光路を考慮して、位相差φは下記式（５）で示される。

[数５]
φ＝２ｎｈ・２π／λ …（５）

上記式（５）に式（４）を代入するとφ＝πとなる。したがって、上記式（４）を満足するようにｈを設定すると、凹凸構造２１の凸面の光反射体２２により反射された０次光と、凹凸構造２１の凹面の光反射体２２により反射された０次光との位相差がπとなり、互いに振幅を打ち消し合い、結果０次光は完全に消滅する。このとき、回折１次光が、種々の回折光のうち最大の光量となる。

したがって、凹凸構造２１の深さｈ＝９４．２ｎｍは、入射光の波長λ＝５５０ｎｍ、光透過性基板２０（石英基板）の屈折率ｎ＝１．４６のとき上記式（４）を満たしており、入射したλ＝５５０ｎｍ（緑色光ＬＧ）の光束は上記式（５）よりφ＝πとなって、０次光は発生せず、１次以上の回折光として反射する。このとき、１次光の回折角は上記式（３）よりθ＝３３．４°となる。

一般的な画像投影装置の投射レンズ１５のＦ値は最小でも１．５であり、これは角度にして２０°以下である。したがって、反射型偏光子で反射回折した光は、例え迷光となって予期せぬ方向に進んだとしても、投射レンズ１５で取り込むことができないためスクリーン１６に到達することができず、画像のコントラストや画品位の低下をおこすことがない。

なお、上記では、緑色光ＬＧの波長λ＝５５０ｎｍに適した構造の例を示したが、λ＝４７０ｎｍ（青色光ＬＢ）やλ＝６３０ｎｍ（赤色光ＬＲ）においても、上記式（４）を満たすようにｈを設定すれば、それぞれの波長において０次光を消滅することができる。したがって、投射型表示装置の出射側偏光子１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂとしてそれぞれ入射光の波長に適したｈをもつ反射型偏光子を採用することが好ましい。入射側偏光子１１Ｒ、１１Ｇ，１１Ｂに上記した反射型偏光子を採用する場合についても同様である。

また光線の入射角を０°（垂直）として説明したが、一般的な画像投影装置で想定される入射角１２〜１３°程度以内であれば、完全でなくとも、十分に０次光の光量を低減することが可能である。

一方、光反射体２２のストライプに垂直な偏光成分は、そのまま透過する。光反射体２２および凹凸構造２１は、光透過性被覆層２３で被覆されており、光透過性被覆層２３の屈折率は光透過性基板２０の屈折率とほぼ等しい。したがって境界面が存在しない。このとき、透過する光束に対しては凹凸構造２１は存在しておらず、光束は回折等を起こさずにそのまま直進し、本来必要な光束がスクリーン１６に到達することができる。

次に、上記の本実施形態に係る反射型偏光子の製造方法について説明する。以下では、フォトリソグラフィー技術を用いたドライエッチング法により反射型偏光子を製造する例について説明するが、これに限定されるものではない。

まず、光透過性基板２０上にレジストを塗布し、１０００ｎｍピッチのストライプパターンを紫外線露光により転写、現像することにより、光透過性基板２０上にレジストパターンを形成する。次に、レジストパターンをエッチングマスクとして、光透過性基板２０が露出した部分をドライまたはウェットエッチングすることにより、例えば、ピッチ１０００ｎｍ、深さ９４．２ｎｍのストライプ状の凹凸構造２１を形成する。

次に、例えばアルミニウム膜を１００ｎｍ成膜する。次に、再び同様の方法で、アルミニウム膜上に、ピッチ１００ｎｍのストライプ状のレジストパターンを形成する。次に、レジストパターンをエッチングマスクとして、アルミニウム膜が露出した部分をドライエッチングすることにより、例えば、ピッチ１００ｎｍ厚さ１００ｎｍの光反射体２２のパターンを形成する。

最後に、ＳｉＯ_２を成膜して、光反射体２２および光透過性基板２０を被覆する光透過性被覆層２３を形成した後、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）により、光透過性被覆層２３の平坦化をおこなう。

以上のようにして、反射型偏光子が製造される。

本実施形態に係る偏光子によれば、光反射体２２のストライプに垂直な偏光成分を透過し、光反射体２２のストライプに平行な偏光成分については角度θをもって反射させる反射型偏光子を実現することができる。

このように、光を吸収するのではなく、反射させるため、偏光子の温度の上昇、劣化を防ぐことができる。当該偏光子を投射型表示装置に用いることにより、偏光子の劣化に起因する投射型表示装置の寿命の低下を防止することができる。

また、投射型表示装置の出射側偏光子１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｇに上記の偏光子を適用することにより、偏光子で反射した不要光は、正反射せずに、投射レンズ１５のＦ値相当の角度よりも大きい角度で回折するため、たとえ迷光となってもスクリーン１６に到達しない。このため、投射型表示装置のコントラストや画品位の低下を防止することができる。特に、出射側偏光子１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｇに適用する反射型偏光子の凹凸構造２１の深さｈを、入射する光の波長に応じて適切に規定すると上記の効果が顕著となる。

さらに、光透過性被覆層２３により光透過性基板２０の凹凸構造２１および光反射体２２のパターンが保護されているため、繊細な構造体の劣化損傷を防止することができる。

（第２実施形態）
本実施形態では、凹凸構造２１のストライプと光反射体２２のストライプとが平行ではなく、直交している例である。図４は、反射型偏光子の構成の他の例を説明するための図である。

光透過性基板２０の表面には、入射する光の波長よりも長いピッチで規則的な凹凸構造（段差）２１が形成されている。光透過性基板２０は、例えば石英基板である。光透過性基板２０の凹凸構造２１は、ｘ方向に伸びる深さ９４．２ｎｍのストライプ状の溝が、例えばピッチ１０００ｎｍでｙ方向に等間隔で配置されたものである。

この光透過性基板２０上には、入射する光の波長よりも短いピッチでストライプ状に規則的に配列された複数の光反射体２２が形成されている。光反射体２２は、例えば、凹凸構造２１のストライプと垂直なストライプ状に、ピッチ１００ｎｍ、膜厚１００ｎｍで成膜されたアルミニウムパターンからなる。

上記の反射型偏光子は、入射した光のうち、光反射体２２のストライプに垂直な偏光成分を透過し、光反射体２２のストライプに平行な偏光成分についてはｙｚ面内においてｚ方向から角度θをもって反射させる。この原理については、第１実施形態と同様である。

本実施形態に係る偏光子によっても、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

（第３実施形態）
本実施形態では、マトリクス状の凹凸構造２１を採用する例である。図５は、反射型偏光子の構成の他の例を説明するための図である。

光透過性基板２０の表面には、入射する光の波長よりも長いピッチで規則的な凹凸構造（段差）２１が形成されている。光透過性基板２０は、例えば石英基板である。光透過性基板２０の凹凸構造２１は、深さ９４．２ｎｍの矩形状の溝が、例えばピッチ１０００ｎｍでｘｙ方向にマトリクス状に配置されたものである。

この光透過性基板２０上には、入射する光の波長よりも短いピッチでストライプ状に規則的に配列された複数の光反射体２２が形成されている。光反射体２２は、例えば、ｙ方向に伸びるストライプ状に加工されており、ピッチ１００ｎｍ、膜厚１００ｎｍで成膜されたアルミニウムパターンからなる。

上記の反射型偏光子は、入射した光のうち、光反射体２２のストライプに垂直な偏光成分を透過し、光反射体２２のストライプに平行な偏光成分については角度θをもって反射させる。ここで、本実施形態では、第１および第２実施形態と異なり、ｘｙ方向に２次元的に段差が生じていることから、特定の面内において角度θをもつ光ではなく、ｚ方向から２次元的に角度θをもつ光として反射される。

このため、特定の面内において角度θをもつように光を反射させることが好ましくないような場合に、特に有益となる。この他、本実施形態に係る偏光子によっても、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

（第４実施形態）
第１から第３実施形態では、独立して偏光子が構成されている例について説明したが、本実施形態では、上記した反射型偏光子の構造を液晶パネル内に設ける例について説明する。図６は、本実施形態に係る液晶パネルの構成を示す図である。

液晶パネルは、マトリクス状に配置された画素３１ａと、画素３１ａを駆動する回路を有するＴＦＴ基板３１と、ＴＦＴ基板３１と対向する対向基板３２と、ＴＦＴ基板３１と対向基板３２との間に挟持された液晶３３とを備える。

ＴＦＴ基板３１の外側には防塵ガラス３５が貼り付けられ、対向基板３２の外側には防塵ガラス３４が貼り付けられている。ＴＦＴ基板３１には、画素駆動回路に外部から電気信号を送るためのフレキシブルコネクタ３６が取り付けられている。

本実施形態では、第１から第３実施形態で説明した反射型偏光子の構造を、例えば、ＴＦＴ基板１０４の出射側表面（画素駆動回路パターンが形成されていない面）に形成する。すなわち、石英を材料としたＴＦＴ基板の出射側の構造を、図２、図４、図５に示すような構造とする。図２、図４、図５の構造については、既に説明しているため、重複説明は省略する。

あるいは、対向基板３２の光入射側表面や、防塵ガラス３４，３５のいずれか一方の表面に形成してもよい。

このような反射型偏光子を備える液晶パネルによっても、第１から第３実施形態と同様の効果を奏することができる。本実施形態に係る液晶パネルは、投射型表示装置に使用される場合に限定されず、透過型液晶表示装置に適用することができる。

本発明は、上記の実施形態の説明に限定されない。
本実施形態では、基板として石英基板、平坦化層の材料としてＳｉＯ_２を用いた例を示したが、基板材料としてサファイア（ｎ＝１．７６）、平坦化層の材料としてＩＴＯ（ｎ＝１．８〜１．９）を用いることも可能である。この場合、サファイア基板の熱伝導率は４０Ｗ／ｍＫ程度であり、石英基板の１．２Ｗ／ｍＫに比較して大きいため、さらなる温度低減および寿命改善効果が期待できる。

光反射体２２としてアルミニウムを用いる例について説明したが、光反射体２２は光を反射できる材料であれば特に限定はない。また、反射型偏光子は、液晶パネルの光入射側に配置することもできる。さらに、反射型偏光子の光透過性基板２０の凹凸構造、光反射体２２のパターンの形成方法として、原版を直接転写するフォトポリマ（２ｐ）法やｎａｎｏ−ｐｒｉｎｔｉｎｇ法を用いてもよい。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。

本実施形態に係る投射型液晶表示装置の全体構成の一例を示す図である。本実施形態に係る反射型偏光子の構成を説明するための図である。図２に示す反射型偏光子の断面図である。第２実施形態に係る反射型偏光子の構成を説明するための図である。第３実施形態に係る反射型偏光子の構成を説明するための図である。第４実施形態に係る液晶パネルの構成を示す図である。

符号の説明

１…光源、２…第１フライアイレンズ、３…第２フライアイレンズ、４…ＰＳ分離合成素子、５…コンデンサレンズ、６…色分離フィルタ（色分離手段）、７…色分離フィルタ（色分離手段）、８−１，８−２，８−３…ミラー、９−１，９−２…リレーレンズ、１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂ…フィールドレンズ、１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂ…入射側偏光子（第１の偏光子）、１２Ｒ，１２Ｇ，１２Ｂ…液晶パネル、１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂ…出射側偏光子（第２の偏光子）、１４…ダイクロイックプリズム（色合成手段）、１５…投射レンズ（投射手段）、１６…スクリーン、２０…光透過性基板、２１…凹凸構造、２２…光反射体、２３…光透過性被覆層、３１…ＴＦＴ基板、３２…対向基板、３３…液晶、３４…防塵ガラス、３５…防塵ガラス、３６…フレキシブルコネクタ、ＬＢ…青色光、ＬＧ…緑色光、ＬＲ…赤色光

Claims

入射する光の波長よりも長いピッチで段差が表面に形成された光透過性基板と、
前記光透過性基板の表面に、入射する前記光の波長よりも短いピッチで周期的に配列された複数の光反射体と、
前記光反射体を覆う光透過性被覆層と
を有し、
前記光透過性被覆層の屈折率と、前記光透過性基板の屈折率とが略等しい
偏光子。
前記光透過性基板の表面に形成された段差は、その深さｈが、入射光の波長をλ、前記光透過性基板の屈折率をｎとして、ｎ・ｈ＝λ／４の関係式を満たすように規定されて、形成されている
請求項１記載の偏光子。
液晶層と、
前記液晶層を挟む２つの基板とを有し、
前記２つの基板のうちの少なくとも１つの基板は反射型偏光子を備え、
前記反射型偏光子は、
入射する光の波長よりも長いピッチで段差が表面に形成された光透過性の前記基板と、
前記基板の表面に、入射する前記光の波長よりも短いピッチで周期的に配列された複数の光反射体と、
前記光反射体を覆う光透過性被覆層と
を有し、
前記光透過性被覆層の屈折率と、前記基板の屈折率とが略等しい
液晶パネル。
前記基板の表面に形成された段差は、その深さｈが、入射光の波長をλ、前記基板の屈折率をｎとして、ｎ・ｈ＝λ／４の関係式を満たすように規定されて、形成されている
請求項３記載の液晶パネル。
前記反射型偏光子は、前記液晶層を通過して出射する側の前記基板に備えられている
請求項３記載の液晶パネル。
光源と、
前記光源から出射された光の偏光方向を規制する第１の偏光子と、
前記第１の偏光子を透過した偏光を変調する液晶パネルと、
前記液晶パネルにより変調された光を透過または遮断する第２の偏光子と、
前記第２の偏光子を透過した光を投射する投射手段とを有し、
少なくとも前記第１あるいは前記第２の偏光子のいずれかは、
入射する光の波長よりも長いピッチで段差が表面に形成された光透過性基板と、
前記光透過性基板の表面に、入射する前記光の波長よりも短いピッチで周期的に配列された複数の光反射体と、
前記光反射体を覆う光透過性被覆層と
を有し、
前記光透過性被覆層の屈折率と、前記基板の屈折率とが略等しい
投射型表示装置。
前記光透過性基板の表面に形成された段差は、その深さｈが、入射光の波長をλ、前記光透過性基板の屈折率をｎとして、ｎ・ｈ＝λ／４の関係式を満たすように規定されて、形成されている
請求項６記載の投射型表示装置。
光源と、
前記光源からの光を変調する液晶パネルと、
前記液晶パネルにより変調された光を投射する投射手段とを有し、
前記液晶パネルは、
液晶層と、
前記液晶層を挟む２つの基板とを有し、
前記２つの基板のうちの少なくとも１つの基板は反射型偏光子を備え、
前記反射型偏光子は、
入射する光の波長よりも長いピッチで段差が表面に形成された光透過性の前記基板と、
前記基板の表面に、入射する前記光の波長よりも短いピッチで周期的に配列された複数の光反射体と、
前記光反射体を覆う光透過性被覆層と
を有し、
前記光透過性被覆層の屈折率と、前記基板の屈折率とが略等しい
する投射型表示装置。
前記基板の表面に形成された段差は、その深さｈが、入射光の波長をλ、前記基板の屈折率をｎとして、ｎ・ｈ＝λ／４の関係式を満たすように規定されて、形成されている
請求項８記載の投射型表示装置。
光を照射する照明手段と、
前記照明手段からの光を複数の色光に分離する複数の色分離手段と、
各色分離手段により分離された各色光を変調する複数の液晶パネルと、
各前記液晶パネルにより変調された各色光を合成する色合成手段と、
合成した各色光の画像を拡大投射する投射手段と
を有し、
前記液晶パネルへの色光の入射側、あるいは前記液晶パネルからの色光の出射側に、反射型偏光子が設けられ、
前記反射型偏光子は、
入射する光の波長よりも長いピッチで段差が表面に形成された光透過性基板と、
前記光透過性基板の表面に、入射する前記光の波長よりも短いピッチで周期的に配列された複数の光反射体と、
前記光反射体を覆う光透過性被覆層と
を有し、
前記光透過性被覆層の屈折率と、前記基板の屈折率とが略等しい
投射型表示装置。
各反射型偏光子における前記光透過性基板の段差は、その深さが、各色光の波長に応じて異なり、段差の深さをｈ、入射光の波長をλ、前記光透過性基板の屈折率をｎとして、ｎ・ｈ＝λ／４の関係式を満たすようにそれぞれ規定されて、形成されている
請求項１０記載の投射型表示装置。
光を照射する照明手段と、
前記照明手段からの光を複数の色光に分離する複数の色分離手段と、
各色分離手段により分離された各色光を変調する複数の液晶パネルと、
各前記液晶パネルにより変調された各色光を合成する色合成手段と、
合成した各色光の画像を拡大投射する投射手段と
を有し、
前記液晶パネルは、
液晶層と、
前記液晶層を挟む２つの基板とを有し、
前記２つの基板のうちの少なくとも１つの基板は反射型偏光子を備え、
前記反射型偏光子は、
入射する光の波長よりも長いピッチで段差が表面に形成された光透過性の前記基板と、
前記基板の表面に、入射する前記光の波長よりも短いピッチで周期的に配列された複数の光反射体と、
前記光反射体を覆う光透過性被覆層と
を有し、
前記光透過性被覆層の屈折率と、前記基板の屈折率とが略等しい
投射型表示装置。
各反射型偏光子における前記基板の段差は、その深さが各色光の波長に応じて異なり、前記段差の深さをｈ、入射光の波長をλ、前記基板の屈折率をｎとして、ｎ・ｈ＝λ／４の関係式を満たすようにそれぞれ規定されて、形成されている
請求項１２記載の投射型表示装置。