JP4479846B2 - 液晶表示装置、並びに、プロジェクタ - Google Patents

Description

本発明は、画像形成用の液晶表示装置、及び、かかる液晶表示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、液晶パネルと射出偏光板との間に、光射出面に対して配向膜のラビング方向に所定角だけ傾いた光学軸を有するサファイア板等からなる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。

なお、液晶パネルにマイクロレンズアレイを組み込んで照明光を画素に集光させることにより、表示特性を向上させる技術が多数存在する（例えば特許文献２等参照）。
特開２００４−１９８６５０号公報 特開２００３−２８７６０３号公報

ところで、上記特許文献１のような液晶パネルでは、補償用光学素子を光射出側に配置しているが、射出側のスペース、投射レンズのバックフォーカス等の関係で配置に制限を受ける場合があり、補償用光学素子を光射出側だけでなく光入射側に配置する必要が生じる。ここで、液晶パネルがマイクロレンズアレイを組み込んだものでなければ問題ないが、液晶パネルがマイクロレンズアレイを組み込んだものである場合、マイクロレンズアレイの影響で射出側の光束の傾きが全体的に変化し、精密な補償ができなくなる。

そこで、本発明は、マイクロレンズアレイを組み込んだ液晶デバイスの入射側及び射出側の双方に補償用光学素子を配置した場合にも、比較的精密な補償を可能にする液晶表示装置を提供することを目的とする。

また、本発明は、上記のような液晶表示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、本発明に係る液晶表示装置は、（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デバイスと、液晶デバイスに隣接して配置されるマイクロレンズアレイとを有する液晶パネルと、（ｂ）液晶デバイスを光学的に補償するため液晶パネルの入射側に配置される第１光学補償板と、（ｃ）液晶デバイスを光学的に補償するため液晶パネルの射出側に配置される第２光学補償板と、を備える液晶表示装置であって、（ｄ）システム光軸方向に関する第１光学補償板の第１位相差は、システム光軸方向に関する第２光学補償板の第２位相差よりも大きい。

上記液晶表示装置では、液晶パネルに入射する光束がマイクロレンズアレイの作用を受けてより発散するような幾何光学的変化を受けても、第１光学補償板の第１位相差が第２光学補償板の第２位相差よりも大きいので、このような幾何光学的変化の影響を打ち消すように第１及び第２光学補償板の機能又は作用のバランスを維持することができる。つまり、液晶デバイスのプレチルトを補償する目的で液晶パネルの入射側及び射出側の双方に第１及び第２光学補償板を配置する場合であっても、両光学補償板による補償を良好なものとすることができ、液晶表示装置のコントラスト等の特性をより良好なものとすることができる。

また、本発明の具体的な態様又は観点によれば、上記液晶表示装置において、第１及び第２光学補償板は、ともに無機物質で形成された平板状の部材であり、第１位相差と、第２位相差とは、システム光軸方向を基準とする第１光学補償板の光学軸極角、屈折率、及び厚さと、システム光軸方向を基準とする第２光学補償板の光学軸極角、屈折率、及び厚さとに基づいてそれぞれ定まる。この場合、第１及び第２光学補償板の光学軸極角、屈折率、及び厚さの調整によって、液晶デバイスのプレチルトの補償を簡易かつ正確に適正化できる。

本発明の別の態様によれば、第１光学補償板の光学軸は、液晶デバイスの入射側又は射出側のうち一方側に設けた配向膜のラビング方向に平行な方向に傾斜し、第２光学補償板の光学軸は、液晶デバイスの入射側又は射出側のうち他方に設けた配向膜のラビング方向に平行な方向に傾斜する光学軸を有する。この場合、第１光学補償板と第２光学補償板とを、液晶デバイスの入射側に設けた一方の配向膜と射出側に設けた他方の配向膜との補償用にそれぞれ活用することができる。

本発明のさらに別の態様によれば、第１光学補償板の第１位相差に対する第２光学補償板の第２位相差の比は、液晶パネルの入射側の実効的なＦ値に対する液晶パネルの射出側の実効的なＦ値の比と略等しい。ここで、液晶パネルの入射側の実効的なＦ値とは、液晶パネルの一画素に着目して、入射する照明光束のうちシステム光軸に対して最大傾斜する光束に対応する開口角がα１〔°〕であるとすると、（ｔａｎ（９０°−α１／２））／２を意味する。同様に、液晶パネルの射出側のＦ値とは、液晶パネルの一画素に着目して、射出する変調光束のうちシステム光軸に対して最大傾斜する光束に対応する開口角がα２〔°〕であるとすると、（ｔａｎ（９０°−α２／２））／２を意味する。この場合、第１光学補償板と第２光学補償板とによるプレチルトの補償を量的に略正確にバランスさせることができる。

なお、第１光学補償板の第１位相差に対する第２光学補償板の第２位相差の比は、具体的にはシミュレーションや試作等によって、コントラスト特性等が改善されるように調整又は修正することができる。

本発明に係るプロジェクタは、（ａ）上述の光変調用の液晶表示装置と、（ｂ）液晶表示装置を照明する照明装置と、（ｃ）液晶表示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、上述の液晶表示装置を備えており、コントラスト等の特性が良好な液晶表示装置によって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。

本発明に係る第２の液晶表示装置は、（ａ）液晶を含む液晶デバイスと、液晶デバイスの入射側にマイクロレンズアレイとを有する液晶パネルと、（ｂ）マイクロレンズアレイの入射側に配置される第１光学補償板と、（ｃ）液晶パネルの射出側に配置される第２光学補償板と、を備える液晶表示装置であって、（ｄ）システム光軸方向に関する第１光学補償板の第１位相差は、システム光軸方向に関する第２光学補償板の第２位相差よりも大きい。この液晶表示装置では、第１光学補償板の第１位相差が第２光学補償板の第２位相差よりも大きいので、液晶パネルに入射した光束がマイクロレンズアレイによって発散するような幾何光学的変化を受けても、このような影響を打ち消すように第１及び第２光学補償板を適切に動作させることができる。これにより、両光学補償板による補償を良好なものとすることができ、液晶表示装置の特性をより良好なものとすることができる。

上記第２の液晶表示装置は、その具体化した態様において、液晶パネルの入射側に配置される第１偏光板と、液晶パネルの射出側に配置される第２偏光板とをさらに有し、第１光学補償板が、第１偏光板と液晶パネルとの間に配置され、第２光学補償板が、液晶パネルと第２偏光板との間に配置される。

本発明に係る第２のプロジェクタは、（ａ）上述の光変調用の第２の液晶表示装置と、（ｂ）液晶表示装置を照明する照明装置と、（ｃ）液晶表示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。このプロジェクタは、上述の第２の液晶表示装置を備えており、良好な特性の液晶表示装置によって高品位の画像を投射できる。

図１は、本発明の一実施形態に係る液晶表示装置を組み込んだプロジェクタの光学系の構成を説明する概念図である。

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１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に設けた各色の液晶表示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を経て入射角度を調節するためのフィールドレンズ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、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、第１光路ＯＰ１に配置された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、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。同様に、第２光路ＯＰ２に配置された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、第３光路ＯＰ３に配置された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。

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ための非発光型の液晶表示装置であり、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。

図２は、図１に示すプロジェクタ１０の光変調部２５を構成する特定色用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。この液晶ライトバルブ３１は、液晶表示装置として機能し、例えば第１光路ＯＰ１に配置された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とによって構成される。

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、入出射面の法線がそれぞれシステム光軸ＳＡすなわちＺ軸に平行になっており、クロスニコルを構成するように配置されている。これら第１及び第２偏光フィルタ３１ｂ，３１ｃの間には、これらに挟まれるように液晶パネル３１ａが配置されている。つまり、液晶パネル３１ａの入射側に第１偏光フィルタ３１ｂが配置され、液晶パネル３１ａの射出側に第２偏光フィルタ３１ｃが配置されている。液晶パネル３１ａは、第１偏光フィルタ３１ｂ側から入射した入射光ＬＩの偏光方向を入力信号に応じて画素単位で２次元的に変化させ、変化後の変調光を射出光ＬＯとして第２偏光フィルタ３１ｃ側に射出する。液晶パネル３１ａと両偏光フィルタ３１ｂ，３１ｃとの間には、入射側に第１光学補償板ＯＣ１が配置され、射出側に第２光学補償板ＯＣ２が配置されている。これらの第１及び第２光学補償板ＯＣ１，ＯＣ２は、ともに平板状であり、偏光フィルタ３１ｂ，３１ｃと同様に、入出射面の法線がシステム光軸ＳＡすなわちＺ軸に平行になるように配置されている。

液晶パネル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、入射側に第１基板７２と、射出側に第２基板７３とを備える。これらの基板７２，７３は、ともに平板状であり、偏光フィルタ３１ｂ，３１ｃと同様に、入出射面の法線がシステム光軸ＳＡすなわちＺ軸に平行になるように配置されている。なお、入射光ＬＩが入射する第１基板７２は、ＸＹ面に平行な面に沿って延びて存在するマイクロレンズアレイ７２ａと、マイクロレンズアレイ７２ａの内側に配置される本体部分７２ｂとを備える。このマイクロレンズアレイ７２ａは、後述する透明画素電極７７すなわち画素部分ＰＰに対応する所定パターンで２次元的に配列された多数の要素レンズＥＬを有する。

液晶パネル３１ａにおいて、第１基板７２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７３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基板７２の内側部分（すなわち本体部分７２ｂ）と、第２基板７３と、これらに挟まれた液晶層７１と、電極７５，７７とは、光能動素子、すなわち入射光ＬＩの偏光状態を入力信号に応じて変調するための液晶デバイス８０として機能する部分である。この液晶デバイス８０を構成する各画素部分ＰＰは、１つの画素電極７７と、共通電極７５の一部と、両配向膜７６，７８の一部と、液晶層７１の一部とを含む。各画素部分ＰＰには、入射側の第１基板７２に設けたマイクロレンズアレイ７２ａの各要素によって、入射光ＬＩの光束を絞ってこの光束を選択的に入射させることができるようになっている。なお、第１基板７２と共通電極７５との間には、各画素部分ＰＰ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。

以上の液晶デバイス８０において、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。入射側の配向膜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、射出側の配向膜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７２から第２基板７３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７２，７３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対して精密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。つまり、液晶層７１中の液晶性化合物の光学軸は、システム光軸ＳＡに対して傾斜した状態を保持しつつ、システム光軸ＳＡに平行な軸上の位置に応じてこの軸のまわりのねじれ角が徐々に増大するような角度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、両配向膜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７２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、入射側や射出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も垂直にもなっていない。つまり、入射側や射出側における液晶性化合物の光学軸は、システム光軸ＳＡに対して傾斜した状態に維持されており、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面又はＺ軸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をプレチルト角と呼ぶものとする。

液晶デバイス８０の入射側に配置される第１光学補償板ＯＣ１は、正の一軸性の屈折率を有する光学材料である平板状の水晶板から形成されており、例えばかかる水晶板を一枚の平板状のガラス板で支持した構造とすることもできるが、平板状の水晶板単体とすることもできる。この第１光学補償板ＯＣ１を構成する第１の水晶板の光学軸は、例えばＸＺ面に対して平行でＺ軸に対して所定の光学軸極角をなす。つまり、第１光学補償板ＯＣ１を構成する第１の水晶板の光学軸は、システム光軸ＳＡに対して傾斜して、例えばＸ軸方向に配向する。以上において、第１光学補償板ＯＣ１の厚みというときには、実効的な第１の水晶板の厚みを意味するものとし、この厚みｄ１は、後に詳述するが、入射光ＬＩのＦ値を考慮して光学補償を達成できるような適当な値に設定される。

射出側に配置される第２光学補償板ＯＣ２も、平板状の水晶板から形成されており、例えばかかる水晶板を一対の平板状のガラス板で挟んで接合した構造とすることもできるが、平板状の水晶板単体とすることもできる。この第２光学補償板ＯＣ２を構成する第２の水晶板の光学軸は、例えばＹＺ面に対して平行でＺ軸に対して所定の光学軸極角をなす。つまり、第２光学補償板ＯＣ２を構成する第２の水晶板の光学軸は、システム光軸ＳＡに対して傾斜して、例えばＹ軸方向に配向する。以上において、第２光学補償板ＯＣ２の厚みというときには、実効的な第２の水晶板の厚みを意味するものとし、この厚みｄ２は、射出光ＬＯのＦ値を考慮して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。

以上で説明した第１及び第２光学補償板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光学補償板ＯＣ１に設けた第１の水晶板と、第２光学補償板ＯＣ２に設けた第２の水晶板とが、液晶層７１の入射端側及び射出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を、入射光ＬＩ及び射出光ＬＯの角度的な状態を見込んで実効的にキャンセルする。このため、第１及び第２光学補償板ＯＣ１，ＯＣ２の製造時において、これらを構成する第１及び第２の水晶板の光学軸の方位角や光学軸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。

図３は、液晶パネル３１ａに入射する入射光ＬＩの状態と、液晶パネル３１ａから射出する射出光ＬＯの状態とを説明する展開図である。この場合、液晶パネル３１ａは、例えば青光用の液晶パネル２５ａであり、第１光路ＯＰ１をシステム光軸ＳＡに沿って展開した図となっている。図からも明らかなように、液晶パネル３１ａの特定画素から射出する射出光ＬＯの開口角α２〔°〕は、マイクロレンズアレイ７２ａの影響で、液晶パネル３１ａの対応画素に入射する入射光ＬＩの開口角α１〔°〕よりも大きくなっている。つまり、液晶パネル３１ａの入射側のＦ値であるＦＮ１は、（ｔａｎ（９０°−α１／２））／２となっており、液晶パネル３１ａの射出側のＦ値であるＦＮ２は、（ｔａｎ（９０°−α２／２））／２となっている。よって、入射側のＦ値ＦＮ１は、射出側のＦ値ＦＮ２よりも大きくなっており、これに対応して、第１光学補償板ＯＣ１の厚みｄ１は、第２光学補償板ＯＣ２の厚みｄ２よりも大きくなっている。具体的には、第１光学補償板ＯＣ１の厚みｄ１に対する第２光学補償板ＯＣ２の厚みｄ２の比（厚み比）は、液晶パネル３１ａの入射側のＦ値ＦＮ２に対する液晶パネル３１ａの射出側のＦ値ＦＮ１の比（Ｆ値比）と略等しくなっている。つまり、
ｄ２／ｄ１≒ＦＮ２／ＦＮ１ … （１）
の関係が成り立っている。

なお、マイクロレンズアレイ７２ａの集光作用による第２光学補償板ＯＣ２の補償機能への影響を低減するためには、システム光軸ＳＡ方向に関する第１光学補償板ＯＣ１の第１位相差ｒ１に対する第２光学補償板ＯＣ２の第２位相差ｒ２の比（位相差比）が、液晶パネル３１ａの入射側のＦ値ＦＮ１に対する射出側のＦ値ＦＮ２の比（Ｆ値比）と略等しくなるように
ｒ２／ｒ１≒ＦＮ２／ＦＮ１ … （２）
の関係を成り立たせることが望ましく、この関係が満たされる場合、第１及び第２光学補償板ＯＣ１，ＯＣ２の補償機能をバランスさせることができると考えられる。この点についてより詳しく説明すると、マイクロレンズアレイ７２ａの入射側に第１光学補償板ＯＣ１が配置され、マイクロレンズアレイ７２ａの射出側に第２光学補償板ＯＣ２が配置され、マイクロレンズアレイ７２ａの通過によって光束の発散角が広がることを考慮すると、第２光学補償板ＯＣ２側で第１光学補償板ＯＣ１側よりも光路が実効的に延びると言える。つまり、第２光学補償板ＯＣ２において、そのＦ値が第１光学補償板ＯＣ１に比較して小さくなると、その分第２光学補償板ＯＣ２を通過する射出光ＬＯのシステム光軸ＳＡに対する傾き角が大きくなると考えられるので、このようなＦ値の減少に伴う光路の増加分を位相差の減少で補うことにより、両光学補償板ＯＣ１，ＯＣ２の補償機能のバランスを調整できると考える。ところで、以下に詳述するが、本実施形態の場合、第１及び第２光学補償板ＯＣ１，ＯＣ２は、同じ無機材料すなわち水晶で形成されており、屈折率の値（平均値）は、互いに等しくなっている。また、第１及び第２光学補償板ＯＣ１，ＯＣ２のシステム光軸ＳＡ方向を基準とする光学軸極角は、互いに等しく設定されている。よって、第１及び第２光学補償板ＯＣ１，ＯＣ２の補償機能のバランスを調整するには、第１光学補償板ＯＣ１に対する第２光学補償板ＯＣ２の厚みを調整して上記式（１）が成り立つようにすればよいと考えられる。

図４（Ａ）〜４（Ｄ）は、第１及び第２光学補償板ＯＣ１，ＯＣ２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。なお、これらの図４（Ａ）〜４（Ｄ）に関する説明は、液晶ライトバルブ３１への垂直入射光についてのものである。

図４（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システム光軸ＳＡに平行なＺ軸に対して角φ０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φ０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４（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システム光軸ＳＡに平行なＺ軸に対して角φ０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φ０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４（Ｃ）に示すように、第１光学補償板ＯＣ１を構成する第１の水晶板の屈折率楕円体ＲＩＥ１は、その光学軸ＯＡ１がラビング方向に対応するＸ方向を含むＸＺ面に対して略平行で、システム光軸ＳＡに平行なＺ軸に対して光学軸極角θ１だけ傾いた状態となっており、図４（Ｄ）に示すように、第２光学補償板ＯＣ２を構成する第２の水晶板の屈折率楕円体ＲＩＥ２は、その光学軸ＯＡ２がラビング方向に対応するＹ方向を含むＹＺ面に対して略平行で、システム光軸ＳＡに平行なＺ軸に対して光学軸極角θ２だけ傾いた状態となっている。

図５は、第１及び第２光学補償板ＯＣ１，ＯＣ２による補償の総合的な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、両光学補償板ＯＣ１，ＯＣ２を構成する第１及び第２の水晶板の屈折率異方性とを合成した屈折率楕円体ＲＩＥｔは、その光学軸ＯＡｔ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ＲＩＥｔは、Ｚ方向から見たＸＹ面内の屈折率が等しく円形であるので、液晶層７１に対する垂直入射光に関して、液晶層７１のプレチルトによる液晶リタデーションを補償したものとなっている。また、液晶層７１に対して傾斜して入射する傾斜入射光に関しても、その入射の方位に関する依存性を低減することができ、液晶リタデーションによる視野角特性の劣化を抑えることができる。

以上の説明は、液晶ライトバルブ３１に垂直入射する照明光についてのものであり、実際の入射光ＬＩは、Ｆ値ＦＮ１の範囲に広がっている。よって、このような広がりを有する入射光ＬＩを扱うものとして、シミュレーションや試作を行って液晶ライトバルブ３１の性能を確保する必要がある。また、上述のようにマイクロレンズアレイ７２ａの影響で、射出側のＦ値ＦＮ２は、入射側のＦ値ＦＮ１よりも小さくなっており、これに対応して、第２光学補償板ＯＣ２の位相差ｒ２を第１光学補償板ＯＣ１の位相差ｒ１よりも適宜小さくする必要がある。

以下、液晶パネル３１ａの入射出光のＦ値と、一対の光学補償板ＯＣ１，ＯＣ２の位相差との関係について具体的に説明する。以下の表１は、具体的な液晶ライトバルブ３１について、液晶パネル３１ａの入射出光のＦ値ＦＮ１，ＦＮ２を変化させた場合に第１及び第２光学補償板ＯＣ１，ＯＣ２の位相差の積分値を実験的に求めた結果を示す。なお、両光学補償板ＯＣ１，ＯＣ２の厚みは等しいとしている。

図６は、Ｆ値比ＦＮ１／ＦＮ２と、位相差積分値の比Ｒ２／Ｒ１との関係をグラフ化したものである。ここで、比Ｒ２／Ｒ１は、液晶パネル３１ａの位相差積分値の出射側Ｆ値計算値と入射側Ｆ値計算値との比を意味する。この場合、Ｆ値比ＦＮ１／ＦＮ２は、上記式（１）のＦ値比ＦＮ２／ＦＮ１の逆数となっている。グラフからも明らかなように、Ｆ値比ＦＮ１／ＦＮ２と位相差積分値の比Ｒ２／Ｒ１は等しい。入射側と出射側でＦ値の差の影響を打ち消すためには入射側のＦ値で積算された第１の位相差Ｒ１と出射側のＦ値で計算された第２の位相差Ｒ２が等しくなければならず、そのためには第１光学補償板ＯＣ１の厚みを第２光学補償板ＯＣ２の厚みよりもＲ１／Ｒ２（＝ＦＮ２／ＦＮ１）だけ厚くしなければならない。よって、上述した式（１）、（２）の関係を成り立たせることにより、第１及び第２光学補償板ＯＣ１，ＯＣ２の補償機能のバランスを調整することができ、液晶ライトバルブ３１のコントラストやその視野角特性をより良好なものとすることができる。

以上の説明は、液晶ライトバルブ３１が青光用の液晶パネル２５ａ及び偏光フィルタ２５ｅに対応するものであるとして説明を行ったが、上記液晶ライトバルブ３１の説明は、他の色用の液晶パネル２５ｂ，２５ｃ及び偏光フィルタ２５ｆ，２５ｇにも同様に当てはまり、各液晶パネル２５ｂ，２５ｃにおいて、第１光学補償板ＯＣ１を入射側に配置し、第２光学補償板ＯＣ２を射出側に配置するとともに、入射出のＦ値比に応じて両光学補償板ＯＣ１，ＯＣ２の厚み調整等を行うことによって、両光学補償板ＯＣ１，ＯＣ２による補償機能のバランス調整が行われている。

以上の説明から明らかなように、本実施形態のプロジェクタ１０に組み込まれる液晶ライトバルブ３１では、液晶パネル３１ａに入射する入射光ＬＩがマイクロレンズアレイ７２ａの作用を受けてより発散するような幾何光学的変化を受けてＦ値が増加しても、第１光学補償板ＯＣ１の第１位相差ｒ１が第２光学補償板ＯＣ２の第２位相差ｒ２よりも大きいので、このような幾何光学的変化すなわＦ値の増加の影響を打ち消すように第１及び第２光学補償板ＯＣ１，ＯＣ２の補償機能のバランスを維持することができる。つまり、両光学補償板ＯＣ１，ＯＣ２による補償を良好なものとすることができ、液晶ライトバルブ３１のコントラストやその視野角特性をより良好なものとすることができ、延いてはプロジェクタ１０の投射像のコントラストを向上させることができる。

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光学補償板ＯＣ１，ＯＣ２の厚み比ｔ２／ｔ１の調整によって入射出のＦ値ＦＮ２，ＦＮ１の相違を補償していたが、第１及び第２光学補償板ＯＣ１，ＯＣ２に設定する光学軸極角θ１，θ２の調整によっても、入射出のＦ値ＦＮ２，ＦＮ１の相違を補償することができる。さらに、第１及び第２光学補償板ＯＣ１，ＯＣ２を別の屈折率異方性材料で形成し、両光学補償板ＯＣ１，ＯＣ２の屈折率、厚み等を適宜調整することによっても、入射出のＦ値ＦＮ２，ＦＮ１の相違を補償することができる。

また、上記実施形態では、第１及び第２光学補償板ＯＣ１，ＯＣ２を水晶板で形成しているが、水晶板に代えて、他の正の一軸性の無機結晶材料を両光学補償板ＯＣ１，ＯＣ２の材料として用いることができる。また、水晶板に代えて、サファイア等の負の一軸性の無機結晶材料を両光学補償板ＯＣ１，ＯＣ２の材料として用いることができる。さらに、一軸性だけではなく、水晶板に代えて、光学的異方性を有する蒸着膜を厚みを調整しつつ使用することができる。

また、上記実施形態では、第１及び第２光学補償板ＯＣ１，ＯＣ２を水晶板等の無機材料で形成するとしたが、これに代えて、有機材料（例えば延伸フィルムや液晶）を両光学補償板ＯＣ１，ＯＣ２の材料として用いることができる。補償用に延伸フィルムを用いる場合、例えば第１光学補償板ＯＣ１側のＲｔｈを相対的に大きくし、第２光学補償板ＯＣ２側のＲｔｈを相対的に小さくする。また、補償用に液晶を用いる場合、例えば第１光学補償板ＯＣ１側の厚みを相対的に大きくし、第２光学補償板ＯＣ２側の厚みを相対的に小さくする。

また、上記実施形態では、第１及び第２光学補償板ＯＣ１，ＯＣ２を、液晶デバイス８０から離間して配置しているが、例えば透明な接着剤を利用して、両光学補償板ＯＣ１，ＯＣ２を液晶パネル３１ａに張り付けることができる。

また、上記実施形態では、液晶パネル３１ａを構成する液晶デバイス８０がツイストネマティックモードで動作するものとしたが、液晶デバイス８０は、ツイストネマティックモードで動作するものに限らない。例えば、ＶＡモードで動作するＶＡ型の液晶層とマイクロレンズアレイ７２ａとを組み合わせた液晶デバイス８０を用いることができる。この場合、一般的には、液晶デバイス８０の入射側（すなわちマイクロレンズアレイ７２ａの入射側）に第１偏光フィルタ３１ｂを配置して、液晶デバイス８０と第１偏光フィルタ３１ｂとの間に第１光学補償板ＯＣ１を配置する。さらに、液晶デバイス８０の射出側に第２偏光フィルタ３１ｃを配置して、液晶デバイス８０と第２偏光フィルタ３１ｃとの間に第２光学補償板ＯＣ２を配置する。この際、例えば第１光学補償板ＯＣ１よりも第２光学補償板ＯＣ２を薄くして、第１光学補償板ＯＣ１のシステム光軸ＳＡ方向の位相差を第２光学補償板ＯＣ２のシステム光軸ＳＡ方向の位相差よりも大きくする。これによって、液晶パネル３１ａに入射した光束がマイクロレンズアレイ７２ａによって発散するような幾何光学的変化を受けても、このような影響を打ち消すように第１及び第２光学補償板ＯＣ１，ＯＣ２を適切に動作又は機能させることができる。

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、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。

実施形態のプロジェクタについて光学系の構成を説明する図である。 図１のプロジェクタを構成する液晶ライトバルブを説明する拡大断面図である。 液晶パネルへの入射光及び射出光の状態を説明する展開図である。 （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。 Ｆ値比と位相差積分値の出入比との関係をグラフ化したものである。

符号の説明

１０…プロジェクタ、 ２１…光源装置、 ２１ａ…光源ランプ、 ２１ｄ，２１ｅ…レンズアレイ、 ２１ｇ…偏光変換部材、 ２１ｉ…重畳レンズ、 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…液晶パネル、 ３１ｂ…第１偏光フィルタ、 ３１ｃ…第２偏光フィルタ、 ７１…液晶層、 ７２…第１基板、 ７２ａ…マイクロレンズアレイ、 ７３…第２基板、 ７５…共通電極、 ７６，７８…配向膜、 ７７…画素電極、 ７９…ブラックマトリクス、 ８０…液晶デバイス、 ＥＬ…要素レンズ、 ＬＩ…入射光、 ＬＯ…射出光、 ＯＣ１…第１光学補償板、 ＯＣ２…第２光学補償板、 ＰＰ…画素部分、 ＳＡ…システム光軸、 ｄ１，ｄ２…厚み、 θ１，θ２…光学軸極角

Claims (7)

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デバイスと、前記液晶デバイスに隣接して配置されるマイクロレンズアレイとを有する液晶パネルと、
   前記液晶デバイスを光学的に補償するため前記液晶パネルの入射側に配置される第１光学補償板と、
   前記液晶デバイスを光学的に補償するため前記液晶パネルの射出側に配置される第２光学補償板と、
   を備える液晶表示装置であって、
   前記第１光学補償板と前記第２光学補償板とは同じ無機材料で形成され、
   前記液晶パネルの入出射面の法線に平行なシステム光軸方向を基準とする前記第１光学補償板の光学軸の極角と、前記システム光軸方向を基準とする前記第２光学補償板の光学軸の極角とは互いに等しく、
   前記システム光軸方向に関する前記第１光学補償板の第１位相差は、前記システム光軸方向に関する前記第２光学補償板の第２位相差よりも大きくなるように、前記第１光学補償板の厚みは前記第２光学補償板の厚みより大きい、
   液晶表示装置。
2. 前記第１光学補償板の光学軸は、前記液晶デバイスの入射側又は射出側のうち一方側に設けた配向膜のラビング方向に平行な方向に傾斜し、前記第２光学補償板の光学軸は、前記液晶デバイスの入射側又は射出側のうち他方に設けた配向膜のラビング方向に平行な方向に傾斜する光学軸を有する、請求項１に記載の液晶表示装置。
3. 前記第１光学補償板の前記第１位相差に対する前記第２光学補償板の前記第２位相差の比は、前記液晶パネルの射出側の実効的なＦ値に対する前記液晶パネルの入射側の実効的なＦ値の比と略等しい、請求項１または請求項２に記載の液晶表示装置。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の光変調用の液晶表示装置と、
   前記液晶表示装置を照明する照明装置と、
   前記液晶表示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。
5. 液晶を含む液晶デバイスと、前記液晶デバイスの入射側にマイクロレンズアレイとを有する液晶パネルと、
   前記マイクロレンズアレイの入射側に配置される第１光学補償板と、
   前記液晶パネルの射出側に配置される第２光学補償板と、
   を備える液晶表示装置であって、
   前記第１光学補償板と前記第２光学補償板とは同じ無機材料で形成され、
   前記液晶パネルの入出射面の法線に平行なシステム光軸方向を基準とする前記第１光学補償板の光学軸の極角と、前記システム光軸方向を基準とする前記第２光学補償板の光学軸の極角とは互いに等しく、
   前記システム光軸方向に関する前記第１光学補償板の第１位相差は、前記システム光軸方向に関する前記第２光学補償板の第２位相差よりも大きくなるように、前記第１光学補償板の厚みは前記第２光学補償板の厚みより大きい、
   液晶表示装置。
6. 前記液晶表示装置は、さらに、
   前記液晶パネルの入射側に配置される第１偏光板と、
   前記液晶パネルの射出側に配置される第２偏光板と、
   を有し、
   前記第１光学補償板は、前記第１偏光板と前記液晶パネルとの間に配置され、
   前記第２光学補償板は、前記液晶パネルと前記第２偏光板との間に配置される、請求項５に記載の液晶表示装置。
7. 請求項５及び請求項６のいずれか一項に記載の光変調用の液晶表示装置と、
   前記液晶表示装置を照明する照明装置と、
   前記液晶表示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。

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