JP5447597B2 - 投射型表示装置 - Google Patents
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Description
本発明は、投射型表示装置に係り、特に、コヒーレント性を有する光源を使用した投射型表示装置に関する。
データプロジェクタあるいは背面投射型テレビジョン受像機のようなスクリーンに投影画像を表示する表示装置の光源としては、従来超高圧水銀ランプが使用されてきたが、近年単色性と光源寿命の観点からレーザが提案されてきている。
また、超高圧水銀ランプでは不足する赤色光を補うために、超高圧水銀ランプと赤色レーザを併用した光源も提案されている。
しかし、レーザを光源とした場合には、投影画像中にレーザ光のコヒーレント性に起因する粒上のスペックルノイズが発生し、投影画像の画質が劣化することを回避できない。
日本国特許出願公開公報２０００−２０６４４９号（特許文献１）及び日本国特許出願公開公報２００６−０４７４２１号（特許文献２）には、スペックルノイズを低減した投射型表示装置が提案されている。
図１７は、特許文献１に開示されている画像表示装置のブロック図であって、半導体レーザ８１から出射された光はコリメータレンズ８２により平行化された後、透明光学素子８３を透過する。透明光学素子８３は、屈折率ｎの光学ガラス製であり、奥行きが△ｔのＮ段の階段状に形成されている。
透明光学素子８３を透過した光は、透明光学素子８３のそれぞれの段に対応したＮ個のエレメントレンズからなるレンズアレイ８４を介して集光レンズ８５を透過する。集光レンズ８５を透過した光は、空間変調器８６により空間変調され、投射レンズ系８７を介してスクリーン８８に投射される。
透明光学素子８３の各部を透過した光は相互に△ｔの整数倍の光路差を含むのでスクリーンに到達する光は空間的に位相がずれた光の集合となり、可干渉性が低下するため、スペックルノイズの発生が抑制される。
図１８は、特許文献２に開示されている空間的偏光制御素子の斜視図であって、例えば１／２波長板である位相差板を設けた位相差板領域９１と透過部材を設けた透過部材領域９２とを交互に配置した縦ストライプ状に構成されている。
位相差板領域９１を通過した光のスペックルノイズと透過部材領域９２を通過した光のスペックルノイズとは互いに無相関であるため、位相差板領域９１を通過した光と透過部材領域９２を通過した光とが重畳して形成される表示画面上のスペックルノイズは低減される。
しかしながら、特許文献１に開示された装置にあっては、十分な光路差を与えるために段差△ｔを大きくすると装置自体が大型化するという課題がある。
また、特許文献２に開示された装置にあっては、位相差板領域と透明部材領域の境界で迷光が発生するため、スペックルノイズを低減するために領域を細分化すると迷光が増加し表示画像のコントラストが悪化するという課題がある。
本発明は、コヒーレント性を有する光源を使用した場合に簡易にスペックルノイズを低減することのできる投射型表示装置を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するため、本発明によれば、投射型表示装置であって、コヒーレント光を発光する光源を少なくとも１つ含む発光手段と、前記発光手段が発光した光を変調して画像光を生成する画像光生成手段と、前記画像光を投射する投射手段と、前記画像光生成手段と前記投射手段との間に配置される位相変調手段とを具備して成り、前記位相変調手段は、光軸と直交する平面内において、遅相軸の方位方向が異なった方向で分布し、かつ、リタデーション値が前記コヒーレント光の半波長の奇数倍に等しい一定値である領域を有する複屈折材料層を含み、前記複屈折材料層が、高分子液晶組成物を所定の配向状態で重合させてなる高分子液晶層であるものが提供される。
この構成により、コヒーレント性を有する光源を使用した場合に、コヒーレント光を十分に偏光解消することによりスペックルノイズを低減することができることとなる。
前記複屈折材料層は、前記光軸と直交する平面内において、前記遅相軸の方位方向が連続的に異なった方向で分布する領域を有する構成としてもよい。
前記位相変調手段は、前記光軸と直交する平面内において、前記遅相軸の方位方向が光軸を中心とする同心円の半径方向または円周方向を指向する複屈折材料層を含むものであってもよい。
本発明によれば、投射型表示装置であって、コヒーレント光を発光する光源を少なくとも１つ含む発光手段と、前記発光手段が発光した光を変調して画像光を生成する画像光生成手段と、前記画像光を投射する投射手段と、前記発光手段と前記画像光生成手段との間、あるいは、前記画像光生成手段と前記投射手段との間の何れか一方に配置される位相変調手段とを具備して成り、前記位相変調手段は、光軸と直交する平面内において、遅相軸の方位方向が連続的に異なった方向で分布する領域を有する複屈折材料層を含むものも提供される。
前記複屈折材料層は、リタデーション値が前記コヒーレント光の半波長の奇数倍に等しい一定値である領域を有するものであってもよい。
前記複屈折材料層が、高分子液晶組成物を所定の配向状態で重合させてなる高分子液晶層であってもよい。
前記複屈折材料層を挟持する一対の透明電極を更に具備して成り、前記複屈折材料層は、液晶層であって、外部から前記透明電極間へ印加される電圧により、前記光軸に直交する平面内において前記遅相軸の方位方向が異なった方向で分布する領域を有するものである構成としてもよい。
前記透明電極に印加される前記電圧は、時間的に変化する構成としてもよい。
この構成により、光軸に直交する平面内のリタデーション値の分布を時間的に変化させ、表示から感じられるスペックルノイズを低減することができることとなる。
前記位相変調手段は、前記光軸と直交する平面内において、前記遅相軸の方位方向が光軸を中心とする同心円の半径方向または円周方向を指向する複屈折材料層を含むものである構成を有している。
この構成により、コヒーレント光を偏光方向に依らず偏光解消できることとなる。
以下、本発明に係る投射型表示装置の実施形態について、添付の図面を用いて説明する。なお、本明細書において遅相軸の方位方向とは、光軸と直交する平面において、この平面に射影された遅相軸の方向を意味するものとする。
図１に示すように、本発明に係る投射型表示装置１は、コヒーレント光を発光する光源を少なくとも１つ含む発光手段１１と、発光手段１１が発光した光を変調して画像光を生成する画像光生成手段１２と、画像光を投射する投射手段１３とを備える。
そして、発光手段１１と画像光生成手段１２との間、あるいは、画像光生成手段１２と投射手段１３との間に、光軸と直交する平面内において遅相軸の方位方向Ａdおよびリタデーション値Ｒの少なくとも一方がそれぞれ異なった方向または値で分布する領域を有する位相変調手段１５が配置される。
発光手段１１はコヒーレント光を出射するレーザ光源を含む光源である。光源から出射された光は、位相変調手段１５である位相変調素子２５を経て、画像光生成手段１２としてのデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）などの空間光変調器に入射する。
空間光変調器に入射した光束は、画像信号に応じて変調され、投射手段１３である投影レンズ系により、スクリーンなどに投影される。
なお、光源は、１つのレーザ光源のみを使用する構成であっても、異なる波長の光を出射するレーザ光源を複数配置する構成であっても、コヒーレント性を有さない光源とレーザ光源とを組み合わせて用いる構成であってもよい。
また、レーザ光源より出射された光束をコリメートしたり集光したりするレンズ系を、レーザ光源と投影レンズの間に追加しても構わない。また、空間光変調器をスキャニングミラーとして、レーザ光源からの光を直接スクリーンに掃引投影する構成としても構わない。
そして、位相変調素子２５は、光軸（Ｚ軸）と直交するＸ−Ｙ平面内において、遅相軸の方位方向Ａdまたはリタデーション値Ｒの少なくとも一方がそれぞれ異なった方向または値で分布する領域を有する光学素子である。
即ち、本発明に係る位相変調素子２５には以下の３形式がある。
形式１：遅相軸の方位方向Ａdは一定で、リタデーション値Ｒが分布する形式
形式２：リタデーション値Ｒは一定で、遅相軸の方位方向Ａdが分布する形式
形式３：遅相軸の方位方向Ａdおよびリタデーション値Ｒが分布する形式
また、本発明に係る位相変調素子２５は、光軸（Ｚ軸）と直交する平面（Ｘ−Ｙ平面）内において遅相軸の方位方向Ａdおよびリタデーション値Ｒの少なくとも一方がそれぞれ異なった方向または値で分布する領域を有する複屈折材料層を有する。複屈折材料層としては、２枚の透明基板の間に液晶あるいは高分子液晶からなる複屈折材料層を使用することが可能である。
形式１：遅相軸の方位方向Ａdは一定で、リタデーション値Ｒが分布する形式
形式２：リタデーション値Ｒは一定で、遅相軸の方位方向Ａdが分布する形式
形式３：遅相軸の方位方向Ａdおよびリタデーション値Ｒが分布する形式
また、本発明に係る位相変調素子２５は、光軸（Ｚ軸）と直交する平面（Ｘ−Ｙ平面）内において遅相軸の方位方向Ａdおよびリタデーション値Ｒの少なくとも一方がそれぞれ異なった方向または値で分布する領域を有する複屈折材料層を有する。複屈折材料層としては、２枚の透明基板の間に液晶あるいは高分子液晶からなる複屈折材料層を使用することが可能である。
複屈折材料として液晶を用いる場合には、遅相軸の方位方向Ａdを分布させることは、配向膜の配向処理方向や勾配電界により可能となる。
また、リタデーション値Ｒを分布させることは、液晶層に印加する電圧に分布を持たせることにより可能となる。あるいは、透明基板の基板面内で、液晶分子のプレチルト角の分布を持たせることによっても可能である。ここでプレチルト角とは、液晶が水平配向したときに、液晶分子が基板面に対してなす角度をいう。
複屈折材料として高分子液晶を用いる場合には、同様の方法により遅相軸の方位方向Ａdやリタデーション値Ｒを分布させた状態で高分子液晶組成物を重合固化させることにより、所望の遅相軸の方位方向Ａdやリタデーション値Ｒの分布が得られる。また高分子液晶にあっては高分子液晶層の厚さに分布を持たせても所望のリタデーション値Ｒの分布が得られる。
以上説明したように、本発明に係る位相変調素子２５には、上記の３形式においてそれぞれ液晶または高分子液晶を用いる場合の計６種類が存在するが、以下本発明の実施形態について、添付の図面を用いて説明する。
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る位相変調素子２５は、形式１のタイプの位相変調素子であって、図２の（ａ）の下段の断面図および（ｃ）のＺ'−Ｚ"断面図に示すように、対向して配置された第１の透明基板２５１ａおよび第２の透明基板２５１ｂと、第１の透明基板２５１ａおよび第２の透明基板２５１ｂ間に挟持された複屈折材料からなる複屈折材料層２５５とを含む。
本発明の第１の実施形態に係る位相変調素子２５は、形式１のタイプの位相変調素子であって、図２の（ａ）の下段の断面図および（ｃ）のＺ'−Ｚ"断面図に示すように、対向して配置された第１の透明基板２５１ａおよび第２の透明基板２５１ｂと、第１の透明基板２５１ａおよび第２の透明基板２５１ｂ間に挟持された複屈折材料からなる複屈折材料層２５５とを含む。
第１の透明基板２５１ａの複屈折材料層２５５に対向する面上の一方の端辺には、透明電極である低抵抗電極２５２ａ、他方の端辺には同じく低抵抗電極２５２ｂが形成される。また、低抵抗電極２５２ａ、２５２ｂ間には高抵抗電極２５３が形成される。なお、低抵抗電極２５２ａ、２５２ｂおよび高抵抗電極２５３は電気的に接続される。
一方、第２の透明基板２５１ｂの複屈折材料層２５５に対向する面上には全面に対向電極２５４が形成される。
なお、図２の（ｂ）の下段の断面図に示すように、低抵抗電極２５２ａは、矩形波交流電源ＰＳ１の端子に、低抵抗電極２５２ｂは矩形波交流電源ＰＳ２の端子に接続されており、矩形波交流電源ＰＳ１、矩形波交流電源ＰＳ２および対向電極２５４はそれぞれ接地されている。そして、矩形波交流電源ＰＳ１、ＰＳ２は低抵抗電極２５２ａ、２５２ｂに対して同位相の電圧を印加するものである。
第１の透明基板２５１ａおよび第２の透明基板２５１ｂは使用する光源の波長に対して透明であることが必要であり、ガラスやプラスチックなどを使用することができる。
高抵抗電極２５３および対向電極２５４は使用する光源の波長に対して透明であることが必要であり、ＩＴＯ（インジウム錫酸化物）、アンチモンやフッ素などがドープされたＳｎＯ2（二酸化錫）、アルミニウム、ガリウム、インジウムなどがドープされたＺｎＯ（酸化亜鉛）などの導電性酸化物を使用することができる。
低抵抗電極２５２ａ、２５２ｂは、高抵抗電極２５３より抵抗値が低く、クロム、銅、ニッケル、金等の金属や、ＩＴＯ、ＳｎＯ2、ＺｎＯなどの導電性酸化物を使用することができる。
低抵抗電極２５２ａ、２５２ｂのシート抵抗ＲLと高抵抗電極２５３のシート抵抗ＲHとの比ＲL／ＲHは１０００分の１以下であることが好ましい。ＲL／ＲHは１０００分の１を超えると、低抵抗電極の電極内の電圧効果が大きくなって、後述する所望の勾配電圧が得られないことがある。また、高抵抗電極のシート抵抗ＲHは、大き過ぎると勾配電圧が発生しなくなるため、１０9Ω／□以下が好ましい。低抵抗電極のシート抵抗ＲLは、できるだけ小さくする方が高抵抗電極のシート抵抗の許容範囲が広がるため、透明電極の形成の容易さやコストと合わせて考慮して、１〜５０Ω／□の範囲が好ましい。低抵抗電極としては、シート抵抗が４０Ω／□のＩＴＯ膜が、高抵抗電極としては、シート抵抗が１００ＭΩ／□のＳｎＯ2膜が、それぞれ好ましく例示される。
なお、低抵抗電極２５２ａ、２５２ｂおよび高抵抗電極２５３と対向電極２５４との間の絶縁を確保するために、低抵抗電極２５２ａ、２５２ｂおよび高抵抗電極２５３の複屈折材料層２５５に対向する面、対向電極２５４の複屈折材料層２５５に対向する面の少なくとも一方を絶縁膜で覆ってもよい。この絶縁膜は使用する光源の波長に対して透明であることが必要であり、例えばＳｉＯ2（二酸化珪素）などの無機物からなる無機膜やアクリルなどの有機物からなる有機膜を用いることができる。
複屈折材料層２５５の材料として液晶を用いると、リタデーション値Ｒの設計自由度が向上するため好ましい。
複屈折材料層２５５の材料として液晶を用いる場合、低抵抗電極２５２ａ、２５２ｂおよび高抵抗電極２５３、ならびに対向電極２５４の液晶が接する面に、ポリイミド膜を配向膜（図示せず）として設置し、ラビング等の配向処理を施してもよい。
あるいは、光配向の技術、ＳｉＯ（一酸化珪素）等を斜め蒸着して配向させる技術、ダイヤモンドライクカーボン膜等にイオンビームを照射して配向させる技術等を用いてもよい。または、第１の透明基板２５１ａおよび第２の透明基板２５１ｂの液晶と接する基板面に微小な凹凸溝を多数設けて液晶分子が溝に倣うようにしてもよい。
例えば、Ｙ軸方向に上記の配向処理を行うことにより、遅相軸のＸ−Ｙ平面内の方位方向ＡdをＹ軸方向とすることができる。
図２の（ａ）、（ｂ）の上段は複屈折材料層２５５をＺ軸方向から見た平面図である。複屈折材料層２５５に電圧が印加されていないとき（図２の（ａ））は、複屈折材料層２５５の遅相軸の方位方向Ａdは位置によらず一定である。なお、ここでは複屈折材料層２５５の材料として誘電異方性が正の液晶を用いているものとする。
矩形波交流電源ＰＳ１、ＰＳ２を低抵抗電極２５２ａ、２５２ｂに接続し、低抵抗電極２５２ｂに低抵抗電極２５２ａより大きな電圧が印加されるように構成すると（図２の（ｂ））、高抵抗電極２５３と対向電極２５４との間に低抵抗電極２５２ａ側が弱く低抵抗電極２５２ｂに向かうほど強くなる勾配電界が発生する。
複屈折材料層２５５中の液晶分子の遅相軸の方位方向Ａdは基板面内（Ｘ−Ｙ平面内）では同一方向であるが、光軸方向（Ｚ軸方向）に対する傾きθは低抵抗電極２５２ｂから低抵抗電極２５２ａに近づくにつれて大きくなり、Ｘ−Ｙ平面に平行な配向処理方向に近づく。
なお、図２の（ａ）、（ｂ）の上段において、太線の方向は複屈折材料層２５５のそれぞれの場所における遅相軸の方位方向Ａdを、太線の長さは複屈折材料層２５５のリタデーション値Ｒの大きさを表している。
即ち、複屈折材料層２５５のリタデーション値Ｒは、光軸方向に印加される電界に応じて、図中の基板左端のリタデーション値Ｒmaxから右端のリタデーション値Ｒminまで連続的に分布する。
ここで、コヒーレント光の通過する領域内でのリタデーション値Ｒmaxとリタデーション値Ｒminの差（Ｒmax−Ｒmin）は、コヒーレント光のコヒーレント性を減殺するために、コヒーレント光の波長λ以上、好ましくは波長の２倍以上であることが望ましい。
なお、第１の実施形態の位相変調素子２５の作製を容易とし、さらに液晶の配向制御の応答性を高めるためには、リタデーション値Ｒmaxとリタデーション値Ｒminの差（Ｒmax−Ｒmin）がコヒーレント光の波長λの１０倍以下、好ましくは５倍以下であることが望ましい。
さらに、液晶層に対する印加電圧を時間的に切り替える構成とすると、Ｘ−Ｙ平面内のリタデーション値の分布を時間的にも変化させることができて大変好ましい。
また、高分子液晶組成物を同様の方法で所望の配向を行わせた状態で重合固化させて作製した高分子液晶を上記の液晶に代えて用いることもできる。
以上説明したように、本発明に係る投射型表示装置は、光軸と直交する平面内においてリタデーション値が異なった値で分布する領域を有する位相変調素子を用いることにより、コヒーレント性を有する光源を使用した場合に簡易にスペックルノイズを低減することができる。
また、本発明に係る位相変調素子は、投影光学系に使用される他の光学部品、例えばビーム整形デバイスや光量均一化デバイス、偏光子などと積層、一体化が可能であり、投影光学系の小型化、組み立て調整の容易さの点からも大変好ましい。
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る位相変調素子２６は、形式１のタイプの位相変調素子である。図３を用いて説明するが、図２に示した第１の実施形態の位相変調素子と同等の機能となるものは同じ符号で表記する。図３の（ａ）の下段の断面図および図３の（ｃ）のＺ'−Ｚ"断面図に示すように、対向して配置された第１の透明基板２６１ａおよび第２の透明基板２６１ｂと、第１の透明基板２６１ａおよび第２の透明基板２６１ｂに挟持された複屈折材料からなる複屈折材料層２６５とを含む。
本発明の第２の実施形態に係る位相変調素子２６は、形式１のタイプの位相変調素子である。図３を用いて説明するが、図２に示した第１の実施形態の位相変調素子と同等の機能となるものは同じ符号で表記する。図３の（ａ）の下段の断面図および図３の（ｃ）のＺ'−Ｚ"断面図に示すように、対向して配置された第１の透明基板２６１ａおよび第２の透明基板２６１ｂと、第１の透明基板２６１ａおよび第２の透明基板２６１ｂに挟持された複屈折材料からなる複屈折材料層２６５とを含む。
第１の透明基板２６１ａおよび第２の透明基板２６１ｂ上には複屈折材料層２６５に電圧を印加できるように透明電極が設けられる。第２の透明基板２６１ｂ面上には低抵抗電極２６２ａ、２６２ｂおよび２６２ｃが形成され、それらの低抵抗電極の間に高抵抗電極２６３が形成される。一方、第２の透明基板２６１ｂ上の複屈折材料層２６５に対向する面上には全面に対向電極２６４が形成される。
低抵抗電極２６２ａ、２６２ｂおよび２６２ｃにはそれぞれ矩形波交流電源ＰＳ１、ＰＳ２およびＰＳ３が接続されており、矩形波交流電源ＰＳ１、ＰＳ２、ＰＳ３および対向電極２６４は接地されている。そして、矩形波交流電源ＰＳ１、ＰＳ２およびＰＳ３は低抵抗電極２６２ａ、２６２ｂおよび２６２ｃに対して同位相の信号を送るものとする。その他の条件は第１の実施形態と同じく形式１のタイプのものである。
矩形波交流電源ＰＳ１、ＰＳ２およびＰＳ３をそれぞれ低抵抗電極２６２ａ、２６２ｂおよび２６２ｃに接続し、低抵抗電極２６２ｃに低抵抗電極２６２ａ、２６２ｂより高い電圧を印加させるように構成すると（図３の（ｂ））、高抵抗電極２６３と対向電極２６４との間の電界は、低抵抗電極２６２ａ側から低抵抗電極２６２ｃに向かうほど強くなる勾配電界と、低抵抗電極２６２ｂ側から低抵抗電極２６２ｃに向かうほど強くなる勾配電界が発生する。
複屈折材料層２６５中の液晶分子の遅相軸の方位方向Ａdは基板面内（Ｘ−Ｙ平面内）では同一方向であるが、光軸方向（Ｚ軸方向）に対する液晶分子の長軸方向の傾きθは低抵抗電極２６２ａから低抵抗電極２６２ｃに近づくにつれて小さくなり、低抵抗電極２６２ｃから低抵抗電極２６２ｂにかけて大きくなる。
複屈折材料層２６５のリタデーション値Ｒは、光軸方向に印加される電界に応じて、図３の（ｂ）上段中の基板左端のリタデーション値Ｒmaxから中央のリタデーション値Ｒminまで連続的に分布し、中央のリタデーション値Ｒminから基板右端のＲmaxまで連続的に分布する。
（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態に係る位相変調素子２７は、形式１のタイプの位相変調素子である。図４を用いて説明するが、図２に示した第１の実施形態の位相変調素子と同等の機能となるものは同じ符号で表記する。図４の（ａ）の下段の断面図および図４の（ｃ）のＺ'−Ｚ"断面図に示すように、対向して配置された第１の透明基板２７１ａおよび第２の透明基板２７１ｂと、第１の透明基板２７１ａおよび第２の透明基板２７１ｂに挟持された複屈折材料からなる複屈折材料層２７５とを含む。
本発明の第３の実施形態に係る位相変調素子２７は、形式１のタイプの位相変調素子である。図４を用いて説明するが、図２に示した第１の実施形態の位相変調素子と同等の機能となるものは同じ符号で表記する。図４の（ａ）の下段の断面図および図４の（ｃ）のＺ'−Ｚ"断面図に示すように、対向して配置された第１の透明基板２７１ａおよび第２の透明基板２７１ｂと、第１の透明基板２７１ａおよび第２の透明基板２７１ｂに挟持された複屈折材料からなる複屈折材料層２７５とを含む。
第１の透明基板２７１ａおよび第２の透明基板２７１ｂ上には複屈折材料層２７５に電圧を印加できるように透明電極が設けられる。第２の透明基板２７１ｂ面上には低抵抗電極２７２ａ、２７２ｂ、２７２ｃおよび２７２ｄが形成される。一方、第２の透明基板２７１ｂ上の複屈折材料層２７５に対向する面上には全面に対向電極２７４が形成される。
低抵抗電極２７２ａ、２７２ｂ、２７２ｃおよび２７２ｄにはそれぞれ矩形波交流電源ＰＳ１、ＰＳ２、ＰＳ３およびＰＳ４が接続されており、矩形波交流電源ＰＳ１、ＰＳ２、ＰＳ３、ＰＳ４および対向電極２７４は接地されている。そして、矩形波交流電源ＰＳ１、ＰＳ２、ＰＳ３およびＰＳ４は低抵抗電極２７２ａ、２７２ｂ、２７２ｃおよび２７２ｄに対して同位相の信号を送るものとする。その他の条件は第１の実施形態と同じく形式１のタイプのものである。
矩形波交流電源ＰＳ１、ＰＳ２、ＰＳ３およびＰＳ４をそれぞれ低抵抗電極２７２ａ、２７２ｂ、２７２ｃおよび２７２ｄに接続し、低抵抗電極２７２ａ、２７２ｂ、２７２ｃおよび２７２ｄそれぞれに異なる電圧を印加させる構成とする（図４の（ｂ））。例えば、低抵抗電極２７２ａに印加される電圧が最も低く、２７２ｄ、２７２ｂ、２７２ｃの順番に印加される電圧が高くなるように構成する。
上記の例のように２７２ａ、２７２ｄ、２７２ｂ、２７２ｃの順番に高くなる電圧を印加すると、複屈折材料層２７５中の液晶分子の遅相軸の方位方向Ａdは基板面内（Ｘ−Ｙ平面内）では同一方向であるが、光軸方向（Ｚ軸方向）に対する液晶分子の長軸方向の傾きθは低抵抗電極２７２ａ、２７２ｄ、２７２ｂ、２７２ｃの順に小さくなる。特に第３の実施形態では、例示した４つの電極は液晶と接する面をほぼ覆う構成となっており、複屈折材料層２７５のＺ軸方向のリタデーション値Ｒは低抵抗電極２７２ａ、２７２ｂ、２７２ｃ、２７２ｄに対応する領域ごとにほぼ一定となり、複屈折材料層２７５の基板面内のリタデーション値Ｒは低抵抗電極２７２ａ、２７２ｂ、２７２ｃ、２７２ｄに対応する領域間で不連続に分布する。
低抵抗電極の数は４つに限らず異なる電圧を印加させる数だけ電極を設けてもよく、Ｘ−Ｙ平面内に任意の面積および形状の電極としてもよい。また、形式１のタイプで挙げた第１の実施形態から第３の実施形態の電極の構成を組み合わせてもよく、低抵抗電極は一方の透明基板上面にのみ形成するだけでなく、対向する両方の透明基板面に形成して電圧を分布させてもよい。
（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態に係る位相変調素子は、形式１のタイプの位相変調素子であって、対向して配置された第１の透明基板および第２の透明基板と、第１の透明基板および第２の透明基板間に挟持された高分子液晶からなる複屈折材料層とを含む。なお、第１の実施形態の位相変調素子２５と同様の配向処理は行うが、第１の透明基板および第２の透明基板上に電極は形成されない。
本発明の第４の実施形態に係る位相変調素子は、形式１のタイプの位相変調素子であって、対向して配置された第１の透明基板および第２の透明基板と、第１の透明基板および第２の透明基板間に挟持された高分子液晶からなる複屈折材料層とを含む。なお、第１の実施形態の位相変調素子２５と同様の配向処理は行うが、第１の透明基板および第２の透明基板上に電極は形成されない。
フォトリソグラフィおよびエッチングにより複屈折材料層の厚さを加工することにより、所望のリタデーション値Ｒの分布を実現することが可能である。
（第５の実施形態）
本発明の第５の実施形態に係る位相変調素子３５は、形式２のタイプの位相変調素子であって、図５のＸ−Ｙ平面図に示すように、光軸と直交する平面内（Ｘ−Ｙ平面内）において、遅相軸の方位方向Ａdが連続的に分布する複屈折材料層３５５を含むものである。
本発明の第５の実施形態に係る位相変調素子３５は、形式２のタイプの位相変調素子であって、図５のＸ−Ｙ平面図に示すように、光軸と直交する平面内（Ｘ−Ｙ平面内）において、遅相軸の方位方向Ａdが連続的に分布する複屈折材料層３５５を含むものである。
なお、太線の方向は複屈折材料層３５５の遅相軸の方位方向Ａdを、太線の長さは複屈折材料層３５５のリタデーション値Ｒの大きさを表している。
即ち、図５の（ａ）は遅相軸の方位方向Ａdが光軸を中心とする同心円の半径方向を指向する複屈折材料層３５５を示しており、図５の（ｂ）は遅相軸の方位方向Ａdが光軸を中心とする同心円の円周方向を指向する複屈折材料層３５５を示している。なお、複屈折材料層３５５としては、液晶あるいは高分子液晶を用いることができる。
図５の（ａ）および（ｂ）に示された位相変調素子３５は、第１の透明基板３５１ａおよび第２の透明基板３５１ｂの対向面を液晶分子が、それぞれ光軸を中心とする同心円の半径方向および光軸を中心とする同心円の円周方向に配向するように配向処理した後、液晶を第１の透明基板３５１ａと第２の透明基板３５１ｂとの間に注入すればよい。
配向処理としては、ポリイミド膜等の配向膜をラビングする、配向させたい方向に延伸する溝を形成する等を適用することが可能である。あるいは、第１の透明基板３５１ａおよび第２の透明基板３５１ｂの液晶層と接する基板面に微小な凹凸溝を多数設けて液晶分子が溝に倣うようにしてもよい。
また、この際リタデーション値Ｒは、λ／２（λは入射する光の波長）の奇数倍であると偏光解消効果が大きく、スペックルノイズの低減効果が大きくなり好ましい。また、位相変調素子３５は、入射する光の偏光方向に依らず偏光解消を実現できるため、配置自由度が増し好ましい。
位相変調素子３５を複数の波長の光が通過する場合、入射する光の波長が長くなるほどリタデーション値Ｒが大きくなる複屈折材料層を使用すると、広い波長範囲で偏光解消効果が得られ好ましい。
このとき、それぞれの波長の光に対するリタデーション値Ｒを調整し、各波長でのリタデーション値Ｒがλ／２の奇数倍になるとよい。
例えば、４６５ナノメートル、５３２ナノメートル、６５０ナノメートルの波長の光を発振するレーザ光源を用いる場合、各波長の１／２のリタデーション値Ｒを持つ位相変調素子３５を各波長の光が単独で通過する光路中に各々設置することができる。
あるいは、４６５ナノメートル、５３２ナノメートル、６５０ナノメートルの３つの波長の光が共通に通過する光路中に位相変調素子３５を１つ設置して、位相変調素子３５の枚数を減らすことも可能である。
この場合は、使用する複屈折材料層３５５の各波長での異常光屈折率と常光屈折率との差が各々０．１６４、０．１５３、０．１４６の場合、例えば複屈折材料層３５５の厚みを１５．６マイクロメートルとすることにより、各波長の光に対するリタデーション値Ｒが、各々５．５λ、４．５λ、３．５λとなり各波長で１／２の奇数倍のリタデーション値にすることができるため好ましい。
上記のように、光軸に直交する平面内において遅相軸の方位方向Ａdを分布させることにより、位相変調素子を通過する光の断面方向に空間的に偏光状態を変化させることができ、コヒーレント性を落とすことにより、スペックルノイズを低減することができる。
（第６の実施形態）
本発明の第６の実施形態に係る位相変調素子４５は、形式３のタイプの位相変調素子であって、第１の実施形態の第１の透明基板２５１ａ上に形成された低抵抗電極２５２ａ、２５２ｂおよび高抵抗電極２５３に代えて、図６の（ａ）に示すような同心円状の低抵抗電極４５２ａ、４５２ｂ、４５２ｃ、４５２ｄおよび高抵抗電極４５３に対して外部から電圧を印加可能とすることにより、複屈折材料層のリタデーション値Ｒを印加電圧に応じて制御することが可能である。
本発明の第６の実施形態に係る位相変調素子４５は、形式３のタイプの位相変調素子であって、第１の実施形態の第１の透明基板２５１ａ上に形成された低抵抗電極２５２ａ、２５２ｂおよび高抵抗電極２５３に代えて、図６の（ａ）に示すような同心円状の低抵抗電極４５２ａ、４５２ｂ、４５２ｃ、４５２ｄおよび高抵抗電極４５３に対して外部から電圧を印加可能とすることにより、複屈折材料層のリタデーション値Ｒを印加電圧に応じて制御することが可能である。
例えば、位相変調素子４５は、図５の（ａ）、図７の（ａ）および（ｂ）に示すような遅相軸の方位方向Ａdおよびリタデーション値Ｒの分布を実現することができる。
例えば、誘電異方性が負の液晶を電圧非印加時に光軸（Ｚ軸）方向に配向させた場合は、光軸中心から半径方向に向かって段階的に大きくなる勾配電界を印加すると、リタデーション値Ｒは図７の（ａ）のように分布する。さらに、勾配電界の勾配の向きを変えることにより、図７の（ｂ）のような状態を作ることができる。
一方、誘電異方性が正の液晶を電圧非印加時に光軸（Ｚ軸）と直交するＸ−Ｙ平面に光軸を中心として水平放射状に配向させた場合は、同様に勾配電界を印加することにより、図５の（ａ）、図７の（ａ）および（ｂ）の状態を作ることが可能である。
上述のように高抵抗電極と低抵抗電極の組み合わせで勾配電界を形成し、リタデーション値Ｒの連続した分布を形成することが可能であるが、分割した電極を用いて、各々に所定の電圧を印加することにより同様のリタデーション値Ｒの分布を作製することも可能である。
上述の勾配電界を印加する方法として、図８に示すように、少なくとも一方の透明電極５５４ａ上に、光軸を中心とした同心円の半径方向に厚みが変化した誘電体５５６を備えた位相変調素子５５としてもよい。位相変調素子５５に電圧を印加すると、複屈折材料層５５５には誘電体の厚さに応じた勾配電界がかかる。光軸を中心とする同心円の半径方向に配向処理を行うと、図７の（ａ）および（ｂ）と同様の液晶分子の配向状態を作ることが可能である。光軸を中心とする同心円の円周方向に配向処理を行うと、図７の（ｃ）および（ｄ）と同様の液晶分子の配向状態を作ることが可能である。
この例では、誘電体５５６の厚みを変化させたが、厚みを均一化し、誘電率の分布を作製することも同様の効果を生む。また、誘電率の変化と厚みの変化を組み合わせて勾配電界を生成しても構わない。このようにすると、電圧印加の端子数を削減することが可能である。
また、液晶の代わりに高分子液晶を用いて複屈折材料層を作製し、フォトリソグラフィおよびエッチングにより複屈折材料層の厚さを加工して所望のリタデーション値Ｒの分布を実現することも可能である。
（第７の実施形態）
図９に示すように、本発明の第７の実施形態に係る光位相変調器１００２は、入射光の光軸と直交する平面内でアレイ構造を有し、アレイ構造の要素（以下、アレイ要素と記す）それぞれで入射光の位相を変調するアレイ状位相変調部１０１と、入射光を各アレイ要素に対応する複数の光束に分割した後、分割された複数の光束を一つに重ね合わせる光整形部１００１とを備える。
図９に示すように、本発明の第７の実施形態に係る光位相変調器１００２は、入射光の光軸と直交する平面内でアレイ構造を有し、アレイ構造の要素（以下、アレイ要素と記す）それぞれで入射光の位相を変調するアレイ状位相変調部１０１と、入射光を各アレイ要素に対応する複数の光束に分割した後、分割された複数の光束を一つに重ね合わせる光整形部１００１とを備える。
そして、アレイ状位相変調部１０１は、入射光の光軸と直交する平面内における遅相軸の方位方向およびリタデーション値Ｒの少なくとも一方が変動する複屈折媒質を含む。
ここで、光整形部１００１は、アレイ状位相変調部１０１のアレイ要素に対応する空間的に分割された要素（以下、レンズエレメントと記す）ごとにレンズ機能をもった第１のレンズアレイ１０２、第２のレンズアレイ１０３を備えている。
第１のレンズアレイ１０２の各レンズエレメントは照明領域１０４の矩形形状と相似の矩形形状をもち、アレイ状位相変調部１０１の各アレイ要素についても同様に相似の矩形形状をもっている。透過する光は、アレイ状位相変調部１０１によりアレイ要素領域ごとに位相変調されたのち第１のレンズアレイ１０２に入射する。
第１のレンズアレイ１０２と第２のレンズアレイ１０３によって、光は照明領域に重ね合わされて結像される。この際、重ね合わされる光の位相はアレイ状位相変調部１０１によって各々変調されているため、位相が多重化され、位相の異なった光が重ね合わされることになる。位相変調の大きさは入射する光の波長をλとするとλ／２以上あることが好ましくλ以上がより好ましい。
本実施形態では、アレイ要素領域に対応した形で、光を空間分割して位相変調するため、分割した境界部での回折等の影響を抑えることができる。また、入射する光の強度が光軸と直交する平面内で分布している場合、光整形部１００１が光量均一化の機能としても作用するため、位相多重化とともに光量均一化も行うことができる。
図１０および図１１は、この光位相変調器１００２を投射型表示装置に搭載した一例である。
即ち、本発明に係る投射型表示装置２は、コヒーレント光を発光する光源を少なくとも１つ含む発光手段２１と、発光手段２１が発光した光を変調して画像光を生成する画像光生成手段２２と、画像光を投射する投射手段２３とを備え、発光手段２１と画像光生成手段２２との間、あるいは、画像光生成手段２２と投射手段２３との間に、光位相変調器１００２が配置されるものである。
発光手段２１であるレーザ光源１１１から出たコヒーレント性を有する光はレンズ１１２によりコリメートされ、アレイ状位相変調部１０１、第１のレンズアレイ１０２、第２のレンズアレイ１０３からなる光位相変調器１００２に入射し、レンズ１１３を通過し、画像光を生成する画像光生成手段２２である画像生成部１１４を通過した後、投射手段２３である投影レンズ１１５によってスクリーン１１６に投影される。なお、画像生成部１１４としては、典型的には透過型液晶パネルが使用可能であるが、反射型の液晶パネルやデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）などを使用してもよい。
光位相変調器１００２に入射した光は、アレイ要素ごとに位相変調され、それぞれが重ね合わされて画像生成部１１４に照明される。スクリーン１１６上で発生するスペックルパターンはアレイ要素ごとの投影画像によって異なる。したがって、重ね合わされるアレイ要素数に対応してスペックルパターンは平均化され、スペックルノイズが減少して観察されることになる。
また、さらにアレイ要素ごとに位相変調の大きさを時間的に変化させることにより、スペックルパターンの時間的な変化も重畳し、スペックルノイズがさらに減少して観測されることとなる。
前述ではアレイ状位相変調部１０１にはコリメートされた光が入射するようになっているが、アレイ状位相変調部１０１の各アレイ要素を通過した光が第１のレンズアレイ１０２および第２のレンズアレイ１０３の各レンズエレメントに対応して透過すればよいため、アレイ状位相変調部１０１の配置場所は図１０に示した位置に限定されない。
例えばアレイ状位相変調部１０１をレーザ光源１１１とレンズ１１２の間の発散光中に配置しても構わない。この場合、光位相変調器１００２を含む投射型表示装置の大きさを小型にできるため好ましい。また、アレイ状位相変調部１０１を第１のレンズアレイ１０２、第２のレンズアレイ１０３の間や、第２のレンズアレイ１０３の出射側に設置しても構わない。
また、アレイ状位相変調部１０１を第１のレンズアレイ１０２、第２のレンズアレイ１０３の少なくとも一方と一体化することはアレイ要素の位置合わせが容易となり、また部品点数も減るため好ましい。さらに、画像生成部１１４に偏向機能をもった装置をおき、スクリーン１１６上に一点に照射した光を掃引し、同時に光量を変調することにより画像となすようにしてもよい。
次に、複屈折媒質を含むアレイ状位相変調部１０１の構成について、以下説明する。
即ち、図１２に示すように、複屈折媒質１２２は、対向面に透明電極１２１ａ、１２１ｂが形成された一対の透明基板１２０ａ、１２０ｂに挟持された液晶層であって、透明電極１２１ａ、１２１ｂ間へ印加される電圧により、リタデーション値Ｒを時間的に変化させることができるものである。透明電極１２１ａ、１２１ｂには、電圧発生器１２３から電圧を印加できる。
透明基板１２０ａ、１２０ｂの材料としては、ガラスやポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリカーボネート（ＰＣ）などのプラスチックが好適に使用できる。透明電極１２１ａ、１２１ｂとしては、ＩＴＯやＳｎＯ2などが好適に使用可能である。
複屈折媒質１２２の材料としては、液晶を使用すると低電圧で大きな位相変調が可能となり大変好ましい。液晶としてはネマティック液晶が好ましく、透明電極１２１ａ、１２１ｂとの界面に、ポリイミドの被膜にラビングなどの配向処理を施した配向膜を設けてもよい。配向処理によって、透明基板１２０ａ、１２０ｂに対して垂直配向、水平配向、ハイブリッド配向などをとることができる。
適用する投射型表示装置２の画像生成部１１４がＤＭＤなどからなっており、入射する光の偏光状態を直線偏光に限らない場合、アレイ状位相変調部１０１を位相だけでなく偏光も変化させるようにすると重畳されるスペックルパターンがさらに多くなるためスペックルノイズの低減効果が大きくなる。
この場合、例えばアレイ状位相変調部１０１の複屈折媒質１２２として用いる液晶をツイスト配向させたり、投射型表示装置２内において、液晶をホモジニアス配向させ、その配向方向と入射する光の偏光方向との間に平行でも直交でもない角度をつけたりするとよい。
透明電極１２１ａ、１２１ｂはアレイ要素ごとに位相を変化させるためには、所定の形状にパターニングすることが好ましい。図１３に対向する電極パターンの一例を示す。図１３において、電極１３１ａ〜１３１ｅ、１３２ａ〜１３２ｅにそれぞれ異なる電圧を印加することにより液晶の配向を変化させ、アレイ要素ごとに位相変調が可能となる。
また、図１４のように一方の透明電極を高抵抗電極１３３ａ〜１３３ｅとその両端に配置される低抵抗電極１３４ａ、１３４ｂ、１３５ａ、１３５ｂ、１３６ａ、１３６ｂ、１３７ａ、１３７ｂ、１３８ａ、１３８ｂの複合電極とすることによって勾配電界を形成し、各アレイ要素内でリタデーション値Ｒの分布を発生させてもよい。特に勾配方向がアレイ要素ごとに異なるように電圧を印加し、時間的に印加電圧を変えると、スペックルパターンの時間的な変動が大きくなり好ましい。さらに、図１４の対向する１３１ａ〜１３１ｅの電極も複合電極としアレイ要素ごとのリタデーション値Ｒの分布を２次元的に分布させ、かつ時間的に変動させるとより好ましい。
この場合の勾配電界の設定において、印加電圧に対する液晶の非線形的なリタデーション領域を使用することも可能であり、そうすることによってよりスペックルパターンの時間変動を大きくすることが可能となり好ましい。
高抵抗電極は光が透過するため透明であることが好ましく、例えばＩＴＯ、ＳｎＯ2、ＺｎＯなどが使用できる。また、低抵抗電極は、高抵抗電極より抵抗値が低いものであればよく、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｕなどの金属が使用できるが、高抵抗電極よりも抵抗値が低い限り、ＩＴＯ、ＳｎＯ2、ＺｎＯなどの金属酸化物を使用してもよい。
低抵抗電極のシート抵抗ＲLと高抵抗電極のシート抵抗ＲHとの比ＲL／ＲHは１０００分の１以下であることが好ましい。ＲL／ＲHは１０００分の１を超えると、低抵抗電極の電極内の電圧効果が大きくなって、後述する所望の勾配電圧が得られないことがある。また、高抵抗電極のシート抵抗ＲHは、大き過ぎると勾配電圧が発生しなくなるため、１０9Ω／□以下が好ましい。低抵抗電極のシート抵抗ＲLは、できるだけ小さくする方が高抵抗電極のシート抵抗の許容範囲が広がるため、透明電極の形成の容易さやコストと合わせて考慮して、１〜５０Ω／□の範囲が好ましい。低抵抗電極としては、シート抵抗が４０Ω／□のＩＴＯ膜が、高抵抗電極としては、シート抵抗が１００ＭΩ／□のＳｎＯ2膜が、それぞれ好ましく例示される。
上述では、高抵抗電極と低抵抗電極との組み合わせで勾配電界を形成し、リタデーション値Ｒの連続した分布を形成したが、電極を細かく分割し、各々に所定の電圧を印加することにより同じようなリタデーション値Ｒの分布を形成することも可能である。
本実施形態において、少なくとも一方の透明電極上に光軸を中心とした同心円の半径方向に厚みが変化した誘電体（図示せず）を備える場合には、誘電体の誘電率を一定とし、誘電体の厚みを変化させて勾配電界を形成するだけでなく、誘電率を分布させ、厚みを均一化することでも同様の効果を生む。また。誘電率の変化と厚みの変化を組み合わせて勾配電界を形成しても構わない。さらに、本例では、液晶層が単層の場合を示したが、これを多層化しても構わない。
（実施例１）
形式１のタイプの位相変調素子２５について図２を用いて説明する。
形式１のタイプの位相変調素子２５について図２を用いて説明する。
まず、第１の透明基板２５１ａおよび第２の透明基板２５１ｂとして、厚さ０．５ミリメートルのガラス基板を２枚用意する。
第１の透明基板２５１ａ上にシート抵抗値が５オームのクロム膜を成膜、パターニングして、基板面のＸ軸方向の両端部に低抵抗電極２５２ａ、２５２ｂを形成する。
次いで第１の透明基板２５１ａ上にシート抵抗値が１００キロオームのＳｎＯ2膜を積層して成膜し、高抵抗電極２５３とする。なお、高抵抗電極２５３は、低抵抗電極２５２ａ、２５２ｂと電気的に接続されている。
第２の透明基板２５１ｂ上にはシート抵抗値が３００オームのＩＴＯ膜を成膜して対向電極２５４を形成する。低抵抗電極２５２ａ、２５２ｂおよび対向電極２５４は取り出し電極部（図示せず）を有し、外部からの電圧印加を可能としている。
第１の透明基板２５１ａおよび第２の透明基板２５１ｂ上に形成した低抵抗電極２５２ａ、２５２ｂ、高抵抗電極２５３および対向電極２５４上に厚さ４０ナノメートルのＳｉＯ2を主成分とする絶縁膜を成膜し、更にポリイミドからなる厚さ４０ナノメートルの配向膜を形成し、基板面内のＹ方向にラビング処理を行う。
次いで、第１の透明基板２５１ａおよび第２の透明基板２５１ｂを、低抵抗電極２５２ａ、２５２ｂ、高抵抗電極２５３、対向電極２５４および配向膜が形成された面を対向させて重ね合わせて、外周をスペーサを混入したシール材によりシールして、セルギャップが１４マイクロメートルの空セルとする。
上述の低抵抗電極２５２ａ、２５２ｂ、高抵抗電極２５３および対向電極２５４は、必要により基板周辺部やシール部材をトリミングして形成してもよい。
次に、シール材に設けた注入口より、異常光屈折率と常光屈折率との屈折率差△ｎが０．２６の、正の誘電異方性を持つネマティック液晶を注入し、注入口を封止して複屈折材料層２５５を有する液晶セルを得る。
対向電極２５４を接地し、低抵抗電極２５２ａ、２５２ｂ間に周波数１キロヘルツの矩形交流波を発生する外部電源を接続する。
低抵抗電極２５２ａに１．６Ｖｒｍｓ印加し、低抵抗電極２５２ｂに０．８Ｖｒｍｓ印加した際（電圧差０．８Ｖｒｍｓ）に左端と右端でのリタデーション値Ｒの差が約６５０ｎｍ、低抵抗電極２５２ａに２．２Ｖｒｍｓ印加し、低抵抗電極２５２ｂに０．８Ｖｒｍｓ印加した際（電圧差１．４Ｖｒｍｓ）に約１３００ナノメートルとなった。このとき図２の（ｂ）に示すようなリタデーション値Ｒの分布が得られる。
波長６５０ナノメートルの光を発振するレーザ光を、直線偏光の偏光方向が位相変調素子２５のＹ方向（液晶の配向方向）に対して４５度方向になるようにして位相変調素子２５に入射させ、位相変調素子２５から出射された透過光の偏光度を測定したところ、電圧差が０．８Ｖｒｍｓのときに約１３％、電圧差が１．４Ｖｒｍｓのときに５％となり、偏光解消されていることを確認した。なお、偏光度は、ポラリメータによりストークスベクトルを測定して求めた。
このようにして得られた位相変調素子を投射型表示装置に挿入し、偏光解消を行うとスペックルノイズを低減して投射表示を行うことができる。
（実施例２）
形式３のタイプの位相変調素子４５について図６の（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。
形式３のタイプの位相変調素子４５について図６の（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。
まず、第１の透明基板４５１ａおよび第２の透明基板４５１ｂとして、厚さ０．５ミリメートルのガラス基板を２枚用意する。
第１の透明基板４５１ａ上にシート抵抗値が４０オームのＩＴＯ膜を成膜し、パターニングして外部から電圧印加が可能な低抵抗電極４５２ａ〜４５２ｄとする。次いで、第１の透明基板４５１ａ上の同じ面にシート抵抗値が１００メガオームのＳｎＯ2膜を成膜、パターニングし、高抵抗電極４５３とする。
第２の透明基板４５１ｂ上にはシート抵抗値が３００オームのＩＴＯ膜を成膜、パターニングし、対向電極４５４とする。低抵抗電極４５２ａ〜４５２ｄ、高抵抗電極４５３および対向電極４５４上にＳｉＯ2を主成分とする絶縁膜を厚さ４０ナノメートル成膜し、さらに厚さ４０ナノメートルのポリイミド膜を形成し、垂直配向膜とする。
第１の透明基板４５１ａおよび第２の透明基板４５１ｂを電極および配向膜を形成した面を対向させてセルギャップが１０マイクロメートルとなるように重ね合わせ、外周をシール材（図示せず）でシールして空セルを形成する。シール材に設けた注入口より△ｎ＝０．１５の負の誘電異方性を持つネマティック液晶を注入し、注入口をアクリル接着剤で封止して複屈折材料層４５５を有する液晶セルを得る。
そして、低抵抗電極４５２ａ〜４５２ｄに対して、周波数１キロヘルツの矩形交流波を発生する外部電源を用いて電圧を印加する。各低抵抗電極４５２ａ〜４５２ｄに対する印加電圧は、それぞれ２．９Ｖｒｍｓ、３．２Ｖｒｍｓ、３．５Ｖｒｍｓ、３．８Ｖｒｍｓとした。
図６の（ｂ）および図７の（ａ）に示すように、遅相軸の方位方向Ａdが光軸を中心とした同心円の半径方向を向き、光軸から遠ざかるにつれて遅相軸の光軸方向（Ｚ軸方向）に対する傾きθが大きくなり、リタデーション値Ｒが大きくなることを確認した。
その後、低抵抗電極４５２ａ〜４５２ｄに３．２Ｖｒｍｓの電圧を印加することにより、図７の（ａ）に示すように遅相軸の方位方向Ａdが光軸を中心とした同心円の半径方向を向き、リタデーション値Ｒが均一であることを確認した。
波長６５０ナノメートルの光を発振するレーザ光を位相変調素子に通過させ偏光度を測定したところ、低抵抗電極４５２ａ〜４５２ｄに３．２Ｖｒｍｓの電圧を印加した際に５％となり、偏光解消されていることを確認した。この際入射するレーザ光の直線偏光の偏光方向は、どの方向でも同じく偏光解消できていることが確認された。なお、偏光度は、ポラリメータによりストークスベクトルを測定して求めた。
このようにして得られた位相変調素子を投射型表示装置に挿入し、偏光解消を行うとスペックルノイズを低減して投射表示を行うことができる。
（実施例３）
形式３のタイプの位相変調素子７５について図１５の（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。
形式３のタイプの位相変調素子７５について図１５の（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。
まず、第１の透明基板７５１ａおよび第２の透明基板７５１ｂとして、厚さ０．５ミリメートルのガラス基板を２枚用意する。第１の透明基板７５１ａおよび第２の透明基板７５１ｂ上にシート抵抗値が３００オームのＩＴＯ膜を成膜し、対向する透明電極７５４ａ、７５４ｂとする。
透明電極７５４ａ、７５４ｂ上に屈折率１．５４のＳｉＯＮ（シリコン酸窒化物）膜を０．３マイクロメートル成膜し、フォトリソグラフィとドライエッチングにより深さ０．３マイクロメートル、溝間ピッチが５マイクロメートルの同心円状の溝７５６ａ、７５６ｂを形成する。同心円状の溝７５６ａ、７５６ｂ上にポリイミドを厚さ４０ナノメートル成膜し配向膜（図示せず）とする。
第１の透明基板７５１ａおよび第２の透明基板７５１ｂを透明電極７５４ａ、７５４ｂおよび配向膜を形成した面が対向するように重ね合わせ、直径１０マイクロメートルのガラスファイバを混入させたエポキシ樹脂で外周をシールしてセルギャップが１０マイクロメートルの空セルを形成する。
シール材に設けた注入口より△ｎ＝０．１５の正の誘電異方性を持つネマティック液晶を注入し、注入口を封止して複屈折材料層７５５を有する液晶セルを得る。
そして、透明電極７５４ａ、７５４ｂには外部から電圧を印加できるようにリード線を取り付ける。その後液晶セルを１２０℃に加熱した後冷却し、液晶の配向を安定化させる。
同心円状の溝の深さが深いと、溝により生じる散乱光や回折光が迷光となってコントラストを落とす原因となるため、溝を形成する材料の屈折率と液晶の常光屈折率または異常光屈折率との差△ｎと溝の深さｄとの積△ｎ・ｄを、使用する光の波長の１０分の１以下とすることが好ましい。より好ましくは２０分の１以下である。液晶分子に所望の配向を行わせるためには、ｄは０．０５マイクロメートル以上であることが好ましい。
このようにして得られた液晶セルは、印加電圧０Ｖｒｍｓのときは、液晶分子は長軸方向が溝に対して直交方向に配向された放射状の配向であった。
作製した液晶セルに波長６３２．８ナノメートルでビーム径２ミリメートルの直線偏光のレーザ光を通過させ、周波数１キロヘルツの矩形交流波を発生する外部電源を用いて電圧を印加しながら偏光度を測定したところ、図１６の（ａ）に示すように電圧１．９Ｖｒｍｓ、３．６Ｖｒｍｓにおいて偏光度は１０％以下となり偏光解消されていることが確認された。これらの電圧において液晶のリタデーション値は各々約３λ／２、約λ／２であった。
また、電圧１．９Ｖｒｍｓとし、直線偏光の偏光方向を光軸を中心に回転させながら偏光度を測定した結果、図１６の（ｂ）に示すようにどの偏光方向の光が入射しても偏光度が１０％以下と偏光解消されていることを確認した。なお、偏光度は、ポラリメータによりストークスベクトルを測定して求めた。
この液晶素子を投射型表示装置に挿入し、偏光解消を行うとスペックルノイズを低減して投射表示を行うことができる。
上記の例では、溝の断面形状は矩形としたが、ブレーズ型や、多段ステップ型にすると、電圧印加時の液晶分子の配向状態をより安定化させることができて好ましい。
（実施例４）
まず、本実施例のアレイ状位相変調部１０１について図１２、図１４を用いて説明する。
まず、本実施例のアレイ状位相変調部１０１について図１２、図１４を用いて説明する。
厚さ０．５ｍｍのガラス基板である透明基板１２０ａ上に４０Ω／□のシート抵抗値のＩＴＯを成膜し、パターニングして低抵抗電極１３４ａ、１３４ｂ、１３５ａ、１３５ｂ、１３６ａ、１３６ｂ、１３７ａ、１３７ｂ、１３８ａ、１３８ｂとする。また、厚さ０．５ｍｍのガラス基板である透明基板１２０ｂ上に３００Ω／□のシート抵抗値のＩＴＯを成膜、パターニングし、対向する電極１３１ａ〜１３１ｅとする。
透明基板１２０ａの低抵抗電極と同じ面にシート抵抗値１００ｋΩ／□のＳｎＯ2膜を成膜、パターニングし、高抵抗電極１３３ａ〜１３３ｅとする。高抵抗電極１３３ａ〜１３３ｅの幅を３．２ｍｍ、電極１３１ａ〜１３１ｅの幅を２．４ｍｍとし、２．４×３．２ｍｍサイズのアレイ要素が５×５個並んだ電極パターンとする。
各々の電極上にＳｉＯ2を主成分とする絶縁膜を厚さ４０ｎｍに成膜し、さらに配向膜としてポリイミドを厚さ４０ｎｍに成膜し、Ｙ方向にラビング処理を行う。両透明基板を配向膜が対向するように重ね合わせ、セルギャップを３μｍとし、外周をエポキシ接着剤でシールする。注入口より△ｎ＝０．２６の正の誘電異方性を持つネマティック液晶を注入し、その後注入口をアクリル系接着剤で封止する。電極には電圧発生器１２３から電圧を印加できるようにする。
また、投射型表示装置の実施例について図１０を用いて説明する。
レーザ光源１１１から出射された光はレンズ１１２によりコリメートされ、上記アレイ状位相変調部１０１に投射される。
アレイ状位相変調部１０１は５×５個のアレイ要素に分割されており、各々のアレイ要素で光の位相を変調して、第１のレンズアレイ１０２に投影する。第１のレンズアレイ１０２もアレイ状位相変調部１０１と同じく２．４ｍｍ×３．２ｍｍサイズのレンズエレメントとなっており、分割されそれぞれ位相変調された光が対応するレンズエレメントに入射する。第１のレンズアレイ１０２、第２のレンズアレイ１０３およびレンズ１１３を介して、光が画像生成部１１４に投射される。
この際、アレイ状位相変調部１０１で２．４×３．２ｍｍサイズに分割された光は各々重なり合って１３．５×１８ｍｍ角の大きさになり画像生成部１１４に投射される。そして、画像生成部１１４により画像情報が与えられた光は投影レンズ１１５によりスクリーン１１６に投影される。
アレイ状位相変調部１０１には周波数１ｋＨｚの矩形交流波が印加される。低抵抗電極１３４ａ、１３５ｂ、１３６ａ、１３７ｂ、１３８ａに印加される矩形交流波の振幅を時間的に０．８Ｖｒｍｓから２．２Ｖｒｍｓまで変調する。低抵抗電極１３４ｂ、１３５ａ、１３６ｂ、１３７ａ、１３８ｂに印加される矩形交流波の振幅も時間的に０．８Ｖｒｍｓから２．２Ｖｒｍｓまで変調するが、各々が時間的に互い違いに変調されるようにする。対向する電極１３１ａ〜１３１ｅはグランドに電位を落とす。
本実施例では、アレイ状位相変調部１０１で各々位相変調された光が重なり合ってスクリーン１１６に投影されるため大きなスペックル解消効果が確認される。なお、対向する電極１３１ａ〜１３１ｅに、電圧が異なり位相が１８０度シフトした矩形交流波を印加することにより、さらに位相変調された光がスクリーン１１６に重ね合わされることになり、さらに大きなスペックル解消効果を確認することができる。
以上のように、本発明に係る投射型表示装置は、コヒーレント性を有する光源を使用した場合に簡易にスペックルノイズを低減することができるという効果を有し、表示装置等として有効である。
１、２ 投射型表示装置
１１ 発光手段
１２ 画像光生成手段
１３ 投射手段
１５ 位相変調手段
２１ 発光手段
２２ 画像光生成手段
２３ 投射手段
２５、２６、２７、３５、４５、５５、７５ 位相変調素子
１０１ アレイ状位相変調部
１０２ 第１のレンズアレイ
１０３ 第２のレンズアレイ
１０４ 照明領域
１１１ レーザ光源
１１２、１１３ レンズ
１１４ 画像生成部
１１５ 投影レンズ
１１６ スクリーン
１２０ａ、１２０ｂ 透明基板
１２１ａ、１２１ｂ、５５４ａ、７５４ａ、７５４ｂ 透明電極
１２２ 複屈折媒質
１２３ 電圧発生器
１３１ａ〜１３１ｅ 電極
１３３ａ〜１３３ｅ、２５３、２６３、４５３ 高抵抗電極（透明電極）
１３４ａ、１３４ｂ、１３５ａ、１３５ｂ、１３６ａ、１３６ｂ、１３７ａ、１３７ｂ、１３８ａ、１３８ｂ、２５２ａ、２５２ｂ、２６２ａ〜２６２ｃ、２７２ａ〜２７２ｄ、４５２ａ〜４５２ｄ 低抵抗電極（透明電極）
２５１ａ、２６１ａ、２７１ａ、３５１ａ、４５１ａ、７５１ａ 第１の透明基板
２５１ｂ、２６１ｂ、２７１ｂ、３５１ｂ、４５１ｂ、７５１ｂ 第２の透明基板
２５４、２６４、２７４、４５４ 対向電極（透明電極）
２５５、２６５、２７５、３５５、４５５、５５５、７５５ 複屈折材料層
５５６ 誘電体
７５６ａ、７５６ｂ 溝
１００１ 光整形部
１００２ 光位相変調器
ＰＳ１〜ＰＳ４ 矩形波交流電源
１１ 発光手段
１２ 画像光生成手段
１３ 投射手段
１５ 位相変調手段
２１ 発光手段
２２ 画像光生成手段
２３ 投射手段
２５、２６、２７、３５、４５、５５、７５ 位相変調素子
１０１ アレイ状位相変調部
１０２ 第１のレンズアレイ
１０３ 第２のレンズアレイ
１０４ 照明領域
１１１ レーザ光源
１１２、１１３ レンズ
１１４ 画像生成部
１１５ 投影レンズ
１１６ スクリーン
１２０ａ、１２０ｂ 透明基板
１２１ａ、１２１ｂ、５５４ａ、７５４ａ、７５４ｂ 透明電極
１２２ 複屈折媒質
１２３ 電圧発生器
１３１ａ〜１３１ｅ 電極
１３３ａ〜１３３ｅ、２５３、２６３、４５３ 高抵抗電極（透明電極）
１３４ａ、１３４ｂ、１３５ａ、１３５ｂ、１３６ａ、１３６ｂ、１３７ａ、１３７ｂ、１３８ａ、１３８ｂ、２５２ａ、２５２ｂ、２６２ａ〜２６２ｃ、２７２ａ〜２７２ｄ、４５２ａ〜４５２ｄ 低抵抗電極（透明電極）
２５１ａ、２６１ａ、２７１ａ、３５１ａ、４５１ａ、７５１ａ 第１の透明基板
２５１ｂ、２６１ｂ、２７１ｂ、３５１ｂ、４５１ｂ、７５１ｂ 第２の透明基板
２５４、２６４、２７４、４５４ 対向電極（透明電極）
２５５、２６５、２７５、３５５、４５５、５５５、７５５ 複屈折材料層
５５６ 誘電体
７５６ａ、７５６ｂ 溝
１００１ 光整形部
１００２ 光位相変調器
ＰＳ１〜ＰＳ４ 矩形波交流電源
Claims (9)
- 投射型表示装置であって、
コヒーレント光を発光する光源を少なくとも１つ含む発光手段と、
前記発光手段が発光した光を変調して画像光を生成する画像光生成手段と、
前記画像光を投射する投射手段と、
前記画像光生成手段と前記投射手段との間に配置される位相変調手段とを具備して成り、
前記位相変調手段は、光軸と直交する平面内において、遅相軸の方位方向が異なった方向で分布し、かつ、リタデーション値が前記コヒーレント光の半波長の奇数倍に等しい一定値である領域を有する複屈折材料層を含み、
前記複屈折材料層が、高分子液晶組成物を所定の配向状態で重合させてなる高分子液晶層であるものである。 - 前記複屈折材料層は、前記光軸と直交する平面内において、前記遅相軸の方位方向が連続的に異なった方向で分布する領域を有することを特徴とする請求項１に記載の投射型表示装置。
- 前記位相変調手段は、前記光軸と直交する平面内において、前記遅相軸の方位方向が光軸を中心とする同心円の半径方向または円周方向を指向する複屈折材料層を含むものである請求項１または請求項２に記載の投射型表示装置。
- 投射型表示装置であって、
コヒーレント光を発光する光源を少なくとも１つ含む発光手段と、
前記発光手段が発光した光を変調して画像光を生成する画像光生成手段と、
前記画像光を投射する投射手段と、
前記発光手段と前記画像光生成手段との間、あるいは、前記画像光生成手段と前記投射手段との間の何れか一方に配置される位相変調手段とを具備して成り、
前記位相変調手段は、光軸と直交する平面内において、遅相軸の方位方向が連続的に異なった方向で分布する領域を有する複屈折材料層を含むものである。 - 前記複屈折材料層は、リタデーション値が前記コヒーレント光の半波長の奇数倍に等しい一定値である領域を有することを特徴とする請求項４に記載の投射型表示装置。
- 前記複屈折材料層が、高分子液晶組成物を所定の配向状態で重合させてなる高分子液晶層であることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の投射型表示装置。
- 前記複屈折材料層を挟持する一対の透明電極を更に具備して成り、
前記複屈折材料層は、液晶層であって、外部から前記透明電極間へ印加される電圧により、前記光軸に直交する平面内において前記遅相軸の方位方向が異なった方向で分布する領域を有するものである請求項４または請求項５に記載の投射型表示装置。 - 前記透明電極に印加される前記電圧は、時間的に変化する請求項７に記載の投射型表示装置。
- 前記位相変調手段は、前記光軸と直交する平面内において、前記遅相軸の方位方向が光軸を中心とする同心円の半径方向または円周方向を指向する複屈折材料層を含むものである請求項４から請求項８のいずれか一項に記載の投射型表示装置。
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