(57)【要約】【課題】  製造コストが小さく位相補償効果の高い位相板により、コントラストの高い反射型画像表示装置を得る。【解決手段】  基板と、屈折率の異なる２種類以上の薄膜を積層した薄膜を有する素子であって、高屈折率薄膜と低屈折率薄膜による干渉を用いて斜入射偏光光線に対して位相補償を行う。また前記積層薄膜を反射型液晶画像表示装置内の１／４波長板と液晶表示素子の間に配置することにより位相補償を行い、漏れ光を低減してコントラストを向上させる。【選択図】  図１
2010175805.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に少なくとも２種類の材質を積層した積層薄膜であって、
前記積層薄膜は使用波長帯域においてＰ偏光、Ｓ偏光ともに９５％以上の透過率を有し、
前記積層薄膜を構成する材質のうち、相対的に高い屈折率ｎＨを有する材質の平均膜厚をｄＨ、相対的に低い屈折率ｎＬを有する材質の平均膜厚をｄＬとし、前記積層薄膜の面法線に対して角度θで入射する光線が受ける位相差をΔ（θ）としたときに、
前記使用波長帯域に含まれる特定の波長λ０の光線について式（１）を満たし、０＜θ≦１５°の範囲で常に式（２）と式（３）を満たすことを特徴とする積層薄膜。
【数１】
2010175805.tif 000008
【請求項２】
式（４）で表される膜厚比ｍが０．４３以上であることを特徴とする請求項１に記載の積層薄膜。
ｍ＝ｄＨ／（ｄＨ＋ｄＬ）・・・（４）
【請求項３】
前記積層薄膜は平面上に形成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の積層薄膜。
【請求項４】
前記積層薄膜は無機材料で構成されていることを特徴とする、請求項１〜請求項３のいずれかに記載の積層薄膜。
【請求項５】
基板と、
基板面内方向に使用波長帯域内で最も短い波長以下の１次元周期構造を有する周期構造部と、
少なくとも２種類以上の材質を積層した積層薄膜と、を有する位相板であって、
前記積層薄膜を構成する材質のうち、相対的に高い屈折率ｎＨを有する材質の平均膜厚をｄＨ、相対的に低い屈折率ｎＬを有する材質の平均膜厚をｄＬとし、前記積層薄膜の面法線に対し角度θで入射する光線が受ける位相差をΔ（θ）としたときに、
前記使用波長帯域に含まれる特定の波長λ０の光線について式（１）を満たし、０＜θ≦１５°の範囲で常に式（５）と式（６）を満たす
ことを特徴とする位相板。
【数２】
2010175805.tif 000009
【請求項６】
前記位相板は１／４波長板として作用することを特徴とする請求項５に記載の位相板。
【請求項７】
前記位相板は式（４）で表される膜厚比ｍが０．４３以上であることを特徴とする、請求項５または請求項６に記載の位相板。
ｍ＝ｄＨ／（ｄＨ＋ｄＬ）・・・（４）
【請求項８】
前記位相板は平面上に形成されることを特徴とする請求項５〜請求項７のいずれかに記載の位相板。
【請求項９】
前記位相板は無機材料で構成されていることを特徴とする、請求項５〜請求項８のいずれかに記載の位相板。
【請求項１０】
光源と、
光源から照射される照明光のうちＰ偏光を透過しＳ偏光を反射する偏光分離素子と、
照明光を画像光に変換して反射させる反射型液晶表示素子と、
前記偏光分離素子と前記反射型液晶表示素子との間に配置される１／４波長板と、
前記１／４波長板と前記反射型液晶表示素子との間に配置される請求項１〜請求項４のいずれかに記載の積層薄膜と、
画像光を投影する投影光学系と、
を有する反射型液晶表示装置であって、
前記反射型液晶表示素子は正の屈折率異方性を有し、
前記反射型液晶表示素子面の法線方向をｃ軸、前記偏光分離素子の偏光分離面の法線方向とｃ軸の両方に垂直な方向をｂ軸、ｃ軸とｂ軸の両方に垂直な方向をａ軸として３次元空間を表したときに、
前記反射型液晶表示素子の黒表示状態での光学軸方向は、ｃ軸に対してプレチルト角を有し、
前記１／４波長板および前記積層薄膜の面法線方向がｃ軸と平行となるように配置され、
かつ前記１／４波長板の光学軸が、ａ軸またはｂ軸と０．５°以上５°以下または−０．５°以上−５°以下の角度をなすように配置される
ことを特徴とする反射型液晶表示装置。
【請求項１１】
前記偏光分離素子の偏光分離面は、前記偏光分離面と平行な方向に使用波長帯域内で最も短い波長以下の周期を有する１次元周期構造からなる構造複屈折層を有する
ことを特徴とする請求項１０に記載の反射型液晶表示装置。
【請求項１２】
光源と、
光源から照射される照明光のうちＰ偏光を透過しＳ偏光を反射する偏光分離素子と、
照明光を画像光に変換して反射させる反射型液晶表示素子と、
前記偏光分離素子と前記反射型液晶表示素子との間に配置される請求項５〜請求項９のいずれかに記載の位相板と、
画像光を投影する投影光学系と、
を有する反射型液晶表示装置であって、
前記反射型液晶表示素子は正の屈折率異方性を有し、
前記反射型液晶表示素子面の法線方向をｃ軸、前記偏光分離素子の偏光分離面の法線方向とｃ軸の両方に垂直な方向をｂ軸、ｃ軸とｂ軸の両方に垂直な方向をａ軸として３次元空間を表したときに、
前記反射型液晶表示素子の黒表示状態での光学軸方向は、ｃ軸に対してプレチルト角を有し、
前記位相板の面法線方向がｃ軸と平行となるように配置され、
かつ前記位相板の前記１次元周期構造部の周期方向が、ａ軸またはｂ軸と０．５°以上５°以下または−０．５°以上−５°以下の角度をなすように配置される
ことを特徴とする反射型液晶表示装置。
【請求項１３】
前記偏光分離素子の偏光分離面は、前記偏光分離面と平行な方向に使用波長帯域内で最も短い波長以下の周期を有する１次元周期構造からなる構造複屈折層を有する
ことを特徴とする請求項１２に記載の反射型液晶表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、積層薄膜、位相板、及び反射型液晶素子により表示される画像を投影する表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より光源部と、光源からの照明光束を偏光に応じて分離、合成する光学系と、照射された光束を画像光束へ変換する反射型液晶表示素子と、変換された画像光束を結像させる投射光学系とを有する反射型液晶表示装置が知られている。
【０００３】
以下、代表的な構成を示す。光源から照射された白色光は偏光変換素子によりある所定の偏光方向に揃えられ、ダイクロイックミラーで緑色帯域と、青、赤色帯域の光に分離される。青、赤色帯域の光はさらに色選択性位相板により所定の波長帯域の偏光方向が９０°変換され、偏光分離素子を介して所定の色の光は所定の色に対応した液晶表示素子を照明する。液晶表示素子は画像信号に応じて照明光を画像光に変換して反射する。画像光は偏光分離素子、合成プリズム等により合成され、投射光学系によりスクリーンに投影される。
【０００４】
ところで、一般的に液晶を表示素子として用いる光学装置では偏光と屈折率異方性を利用する為に、液晶表示素子面に対して角度を持って入射する偏光光線に対しては所望しない位相特性が加わる。このことにより、例えば液晶表示素子が黒表示状態であっても一部の光がスクリーンに投影される光漏れが発生することが知られている。液晶画像表示装置（以下、液晶プロジェクタとも称する）においては、このような光は表示画像のコントラストを著しく低下させる。
【０００５】
液晶表示素子黒表示状態において、液晶分子の光学軸が液晶表示素子面の法線方向を向いているような液晶表示素子を考える（実際には液晶表示素子の光学軸は素子面と垂直方向ではなく、ある角度（プレチルト角）を有しているが、液晶分子のプレチルト角は小さく、その影響は無視して考える）。素子に垂直に入射する偏光光線に対しては、液晶表示素子は複屈折性を示さず、反射する偏光が位相変調を受けることはない。そのため入射した時と同じ状態で偏光分離素子に戻り、漏れ光となる光は発生しない。しかし、面法線に対してある角度（入射角度）を持って入射する偏光光線に対しては、液晶表示素子は角度に応じた複屈折性を示す。そのため偏光光線は位相変調を受ける。このように位相変調を受けた偏光は偏光分離素子による分離が充分に行われず、漏れ光が発生する。
【０００６】
上記原因において発生する漏れ光に対しては、液晶分子の屈折率異方性と反対の屈折率異方性を有する位相板を液晶表示素子近傍に配置することで抑制することが出来ることが知られている。例えば、液晶表示素子中の液晶分子が正の異方性を有する場合を考える。正の異方性を屈折率楕円体で表すと図２のようにｚ軸方向に大きな（図２においてｎｚ＞ｎｘ＝ｎｙとなる）屈折率を有する楕円体として表現できる。図２のｚ軸方向が光学軸方向を示している。このような異方性を持つ媒質に対しては、反対に光学軸方向に小さな屈折率異方性を持つ（図２においてｎｚ＜ｎｘ＝ｎｙとなる）、負の異方性の位相板を液晶表示素子近傍に配置する。負の屈折率異方性を有する位相板により、液晶分子で発生する位相の変化を効果的にキャンセルすることができ、漏れ光が低減できる。
【０００７】
このような位相板としては単結晶サファイア、水晶などの異方性結晶や、有機フィルムを延伸、積層したものが広く知られている。また、特許文献１には、高屈折率と低屈折率の薄膜を積層した構造性複屈折体を液晶プロジェクタ内の液晶表示素子と偏光子、検光子の間の少なくとも一方に配置する方法が提案されている。また、特許文献２では、屈折率の異なる薄膜を積層した構造性複屈折体からなる位相板と、面内方向に光の波長以下の周期を持つ１次元周期構造体からなる波長板とを組み合わせた素子による補償方法が提案されている。この方法では液晶表示素子に垂直入射する光線において発生する漏れ光と、射入射光線による漏れ光を１つの素子で補正することが提案されている。
【０００８】
特許文献１、特許文献２は位相板としてどちらも構造複屈折を利用している。光の波長以下の微細な構造では、その構造全体の屈折率を有効屈折率で取り扱うことができる。例えば屈折率ｎＡ、膜厚ＬＡ、の薄膜と屈折率ｎＢ、膜厚ＬＢの薄膜が繰り返された構造においては、その積層薄膜全体における面内方向に偏光した光に対する有効屈折率ｎＴＥと面法線方向に偏光した光に対する有効屈折率ｎＴＭは以下の式で表されることが知られている。
【０００９】
【数１】
2010175805.tif 000003
【００１０】
このとき、屈折率、膜厚のパラメータに依らずｎＴＥ＞ｎＴＭとなり、構造性複屈折体は面法線方向に偏光した光に対して小さな屈折率を有する負の位相板として作用する。
【００１１】
構造性複屈折体を用いた位相板では構造により位相特性が制御できること、無機材料を用いることで熱や紫外線に対し劣化の少ない位相板が得られるメリットがある。
【００１２】
また、偏光分離素子を有する反射型の液晶画像表示装置では、液晶表示素子に起因する漏れ光とは別に偏光分離素子に起因する漏れ光が存在する。この漏れ光を補償する方法として特許文献３では、偏光分離素子と液晶表示素子の間に１／４波長板を配置する方法が提案されている。
【特許文献１】特開２００４−１０２２００号公報
【特許文献２】特開２００６−３９１３５号公報
【特許文献３】特公平７−３８０５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
位相板としての位相特性は屈折率異方性の大きさΔｎと総膜厚ｄとの積：Δｎ・ｄによって決まる。大きな異方性が得られる構造複屈折体であっても総膜厚ｄは１〜数μｍ程度必要である場合が多く、所望の位相特性を得る為にはそれだけの層数を積層する必要がある。しかし構造性複屈折体薄膜の位相板では干渉領域を避ける為に膜厚の薄い膜を積層する。例えば特許文献１にはＴｉＯ２とＳｉＯ２の薄膜を膜厚１５ｎｍで積層する構造性複屈折体の実施例が記載されている。この構造性複屈折体薄膜によりリターダンスΔｎ・ｄ＝２５０ｎｍの負の位相板を得るには有効屈折率の理論から９０層程度の薄膜を積層する必要がある。このように積複屈折体薄膜を用いた位相板は各層の膜厚が薄く積層数が多くなってしまうため、製造コストの点で課題がある。
【００１４】
また、特許文献１、特許文献２の方法では液晶表示素子に起因する漏れ光は補償できるものの、偏光分離素子により生じる漏れ光成分は補償できない。同様に、特許文献３の方法では液晶表示素子に起因する漏れ光を補償できない。
【００１５】
液晶プロジェクタのコントラスト向上を図るには、様々な原因で発生する漏れ光成分全てを総合的に補償する必要がある。しかし従来の位相板では、個々の漏れ光の原因に対しては補償されているものの総合的な位相補償はなされていない。また両者を組み合わせることで総合的な位相補償は可能と考えられるが、構造性複屈折体の位相板は製造コストが高い上に新たに波長板（１／４波長板）を追加することとなり、部品点数が増えるのでコスト上好ましくない。
【００１６】
本発明は、高い位相補償効果を有する光学素子を低い製造コストで実現し、高コントラストを有する液晶表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本出願にかかる第１の発明の積層薄膜は、基板上に少なくとも２種類の材質を積層した積層薄膜であって、前記積層薄膜は使用波長帯域においてＰ偏光、Ｓ偏光ともに９５％以上の透過率を有し、前記積層薄膜を構成する材質のうち、相対的に高い屈折率ｎＨを有する材質の平均膜厚をｄＨ、相対的に低い屈折率ｎＬを有する材質の平均膜厚をｄＬとし、前記積層薄膜の面法線に対して角度θで入射する光線が受ける位相差をΔ（θ）としたときに、
前記使用波長帯域に含まれる特定の波長λ０の光線について式（１）を満たし、０＜θ≦１５°の範囲で常に式（２）（３）を満たすことを特徴としている。
【００１８】
【数２】
2010175805.tif 000004
【００１９】
本出願にかかる第２の発明は第１の発明において、前記積層薄膜は式（４）で表される膜厚比ｍが０．４３以上であることを特徴としている。
【００２０】
ｍ＝ｄＨ／（ｄＨ＋ｄＬ）・・・（４）
本出願にかかる第３の発明は第１または第２の発明において、前記積層薄膜は平面上に形成されることを特徴としている。
【００２１】
本出願にかかる第４の発明は第１ないし第３のいずれかに記載の発明において、前記積層薄膜は無機材料で構成されていることを特徴としている。
【００２２】
本出願にかかる第５の発明の位相板は、基板と、基板面内方向に使用波長帯域内で最も短い波長以下の１次元周期構造を有する周期構造部と、少なくとも２種類以上の材質を積層した積層薄膜と、を有する位相板であって、前記積層薄膜を構成する材質のうち、相対的に高い屈折率ｎＨを有する材質の平均膜厚をｄＨ、相対的に低い屈折率ｎＬを有する材質の平均膜厚をｄＬとし、前記積層薄膜の面法線に対し角度θで入射する光線が受ける位相差をΔ（θ）としたときに、前記使用波長帯域に含まれる特定の波長λ０の光線について式（１）を満たし、０＜θ≦１５°の範囲で常に式（５）（６）を満たすことを特徴としている。
【００２３】
【数３】
2010175805.tif 000005
【００２４】
本出願にかかる第６の発明は第５の発明において、前記位相板は１／４波長板として作用することを特徴としている。
【００２５】
本出願にかかる第７の発明は第５または第６の発明において、前記位相板は式（４）で表される膜厚比ｍが０．４３以上であることを特徴としている。
【００２６】
ｍ＝ｄＨ／（ｄＨ＋ｄＬ）・・・（４）
本出願にかかる第８の発明は第５ないし第７のいずれかに記載の発明において、前記位相板は平面上に形成されることを特徴としている。
【００２７】
本出願にかかる第９の発明は第５ないし第８のいずれかに記載の発明において、前記位相板は無機材料で構成されていることを特徴としている。
【００２８】
本出願にかかる第１０の発明の反射型液晶表示装置は、光源部と、光源から照射される照明光のうちＰ偏光を透過しＳ偏光を反射する偏光分離素子と、照明光を画像光に変換して反射させる反射型液晶表示素子と、前記偏光分離素子と前記反射型液晶表示素子との間に配置される１／４波長板と、前記１／４波長板と前記反射型液晶表示素子との間に配置される請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の積層薄膜と、画像光を投影する投影光学系と、を有する反射型液晶表示装置であって、前記反射型液晶表示素子は正の屈折率異方性を有し、前記反射型液晶表示素子面の法線方向をｃ軸、前記偏光分離素子の偏光分離面の法線方向とｃ軸の両方に垂直な方向をｂ軸、ｃ軸とｂ軸の両方に垂直な方向をａ軸として３次元空間を表したときに、前記反射型液晶表示素子の黒表示状態での光学軸方向は、ｃ軸に対してプレチルト角を有し、前記１／４波長板および前記積層薄膜の面法線方向はｃ軸と平行となるように配置され、かつ前記１／４波長板の光学軸が、ａ軸またはｂ軸と０．５°以上５°以下または−０．５°以上−５°以下の角度をなすように配置されることを特徴としている。
【００２９】
本出願にかかる第１１の発明は、第１０の発明の反射型液晶表示装置において前記偏光分離素子の偏光分離面は、前記偏光分離面と平行な方向に使用波長帯域内で最も短い波長以下の周期を有する１次元周期構造からなる構造複屈折層を有することを特徴としている。
【００３０】
本出願にかかる第１２の発明の反射型液晶画像表示装置は、光源部と、光源から照射される照明光のうちＰ偏光を透過しＳ偏光を反射する偏光分離素子と、照明光を画像光に変換して反射させる反射型液晶表示素子と、前記偏光分離素子と前記反射型液晶表示素子との間に配置される請求項５ないし請求項９のいずれかに記載の位相板と、画像光を投影する投影光学系とを有する反射型液晶表示装置であって、前記反射型液晶表示素子は正の屈折率異方性を有し、前記反射型液晶表示素子面の法線方向をｃ軸、前記偏光分離素子の偏光分離面の法線方向とｃ軸の両方に垂直な方向をｂ軸、ｃ軸とｂ軸の両方に垂直な方向をａ軸として３次元空間を表したときに、前記反射型液晶表示素子の黒表示状態での光学軸方向は、ｃ軸に対してプレチルト角を有し、前記位相板の面法線方向がｃ軸と平行となるように配置され、かつ前記位相板の前記１次元周期構造部の周期方向が、ａ軸またはｂ軸と０．５°以上５°以下または−０．５°以上−５°以下の角度をなすように配置されることを特徴としている。
【００３１】
本出願にかかる第１３の発明は、第１２の発明の反射型液晶表示装置において、前記偏光分離素子の偏光分離面は前記偏光分離面と平行な方向に、使用波長帯域内で最も短い波長以下の周期を有する１次元周期構造からなる構造複屈折層を有することを特徴としている。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、薄膜の積層数だけでなく総膜厚の少ない位相板を実現でき、製造コストの低い位相板を得ることが出来る。またこの積層薄膜による位相板と１／４波長板を組み合わせて総合的に位相補償を行うことにより、コントラストの高い液晶プロジェクタを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下、本発明の実施形態について説明する。
【００３４】
本発明の積層薄膜、位相板、およびそれを有する液晶プロジェクタの特徴を以下に示す。
【実施例１】
【００３５】
図１は波長領域５００ｎｍ〜５８０ｎｍで使用される積層薄膜の実施例１の構成を示す概略図である。また図３９に実施例１の設計値を示す。図３９の斜線部分は繰り返し層２２に対応している。
【００３６】
積層薄膜２０は、図１のように基板２１（ＢＫ７：屈折率１．５２）上に高屈折率を有するＴｉＯ２（屈折率ｎＨ＝２．３２）薄膜Ｈ１と低屈折率を有するＳｉＯ２（屈折率ｎＬ＝１．４６）薄膜Ｌ１が交互に２７層積層された構造からなる。このとき各層の平均の膜厚は、
ＴｉＯ２の平均膜厚ｄＨ＝（４８×１１＋３８＋２５）／１３＝４５．５ｎｍ
，ＳｉＯ２の平均膜厚ｄＬ＝（４８×１１＋１２２＋４８＋２２）／１４＝５１．４ｎｍとなり、使用波長帯域内での基準波長λ０＝５５０ｎｍとしたとき式（１）を満たしている。
【００３７】
０．２５＜（ｎＨ・ｄＨ＋ｎＬ・ｄＬ）／λ０＜０．５    （１）
従来の積層薄膜は構造複屈折を用いたものであり、積層薄膜を構造性複屈折体として取り扱う為には出来るだけ膜厚を薄くする必要がある。それに対し本発明の積層薄膜は、あえて構造複屈折領域よりも各膜厚を厚くして干渉領域を利用することにより位相特性を得るものである。それにより積層薄膜の積層数だけでなく、総膜厚を低減することができる。この効果を得る為の条件式が（１）である。
【００３８】
図３は総膜厚を一定として、ＴｉＯ２膜とＳｉＯ２膜を等膜厚で繰り返し積層した構成において、入射角度１０°で入射した直線偏光の位相特性が単層の膜厚によって変化する様子を示している。ただし横軸は平均膜厚と屈折率から求められる光学膜厚の和をλ０で割った（ｎＨ・ｄＨ＋ｎＬ・ｄＬ）／λ０、縦軸は位相差を示す。また図４は透過率を示すグラフであり、図３と同様に総膜厚一定、ＴｉＯ２膜とＳｉＯ２膜を等膜厚で積層した場合において（ｎＨ・ｄＨ＋ｎＬ・ｄＬ）／λ０＝０．３８、０．４１、０．４８となる積層薄膜の分光透過率を示している。
【００３９】
図３において条件式（１）の範囲は横軸が０．２５から０．５の範囲である。特に図３の横軸が０．２５から０．４２の範囲内では膜厚が増加する割合以上に位相差が増加していることがわかる。この領域を使用することにより少ない総膜厚で所望の位相差が得られる。さらに単層の膜厚が増える上に総膜厚も低減するので、大幅に積層数を低減できる。また、横軸０．４２以上０．５以下の領域では総膜厚に対して大きな位相差は得られないものの、条件式（１）下限以下の領域と同程度の位相差が少ない積層数で得られる利点がある。このことから、本発明の積層薄膜においては、０．２５＜（ｎＨ・ｄＨ＋ｎＬ・ｄＬ）／λ０＜０．５であることが好ましく、０．２５＜（ｎＨ・ｄＨ＋ｎＬ・ｄＬ）／λ０＜０．４２であることがより好ましい。
【００４０】
条件式（１）の下限以下である横軸０．２５以下の領域では各層の膜厚は非常に薄く、位相差は各層の膜厚にほとんど依存しない構造複屈折領域である。この領域では総膜厚低減の効果は期待できず、また位相差を得る為に積層数が増加してしまう。
【００４１】
また図４から、各層の膜厚を増やして（ｎＨ・ｄＨ＋ｎＬ・ｄＬ）を大きくしていくと、低透過率の領域が長波長側にシフトしていく様子がわかる。
【００４２】
また（ｎＨ・ｄＨ＋ｎＬ・ｄＬ）／λ０＝０．５の付近では波長λ０において透過率が得られなくなっている。そのため位相特性を効果的に得つつ高い透過率を得る為にはやはり条件式（１）のように膜厚を選択することが望ましい。
【００４３】
図５は実施例１の積層薄膜に対して角度θで入射する光線が受ける位相差をΔ（θ）として、縦軸をΔ、横軸をθとして位相差をプロットした図である。図６は横軸をθ、縦軸をΔ（θ）／Ａｓｉｎ２θとして特性をプロットした結果を示している。また図７は実施例１における入射角度θが０°と１５°でのＰ、Ｓ偏光の分光透過率Ｔ０°、Ｔｐ、Ｔｓを示している。
【００４４】
条件式（２）のΔ（θ）／Ａｓｉｎ２θは入射角度に対するｓｉｎ２θカーブからのズレを示す値である（ここで係数Ａ＝Δ（１０°）／ｓｉｎ２θであり、Δ（θ）をｓｉｎ２θでフィッティングしたときのθ＝１０°での係数を示している）０°＜θ≦１５°の範囲においては、位相特性の変化は近似的にｓｉｎ２θに従う。入射角度に対して滑らかに位相補償を行うためにはΔ／Ａｓｉｎ２θの値は１に近い方が望ましく、実際には条件式（２）の範囲に収まることが望ましい。条件式（２）の範囲を外れる場合には、位相特性がｓｉｎ２θカーブから外れてしまい、位相補償に不利な影響を与えるため望ましくない。
【００４５】
また、位相板として位相補償効果を得るためには入射角度１０°で規定した位相差｜Δ（１０°）｜の大きさが２°以上であることが望ましい。｜Δ（１０°）｜が小さい場合には、得られる位相補償効果も小さくなるため、位相板として十分な効果を得ることは難しい。
【００４６】
【数４】
2010175805.tif 000006
【００４７】
本発明の積層薄膜の透過率はＰ偏光、Ｓ偏光ともに使用波長帯域全域において９５％以上の透過率を有することが望ましく、９８％以上の透過率を有することがさらに望ましい。透過率が低い場合、またはＰ偏光、Ｓ偏光の透過率の差が大きい場合には透過光量を低下させるばかりでなく、位相差の入射角度特性、分光特性にリップルを生じるなど位相特性にも影響を及ぼす。その結果、位相差の入射角度特性がｓｉｎ２θから外れ、位相補償効果も低減する。
【００４８】
図６の縦軸の上限と下限が条件式（２）の上限と下限であり、実施例１は０°＜θ≦１５°の全ての範囲で条件式（２）を満たしている。図５から入射角度θ＝１０°での位相差は｜Δ（１０°）｜＝２．４°となり、条件式（３）を満足する。また、図７から実施例１の積層薄膜は使用波長領域（５００ｎｍ〜５８０ｎｍ）において９５％以上の高い透過率が得られている。
【００４９】
設計においては、膜厚を選択する際には条件式（１）の範囲内に平均膜厚を抑えることで位相特性を犠牲にすることなく高い透過率が得られる。さらに積層薄膜と基板との界面、または積層薄膜において基板から最も離れた界面、のうち少なくとも一方に反射防止層を設けることも有効である。また本実施例のように、積層薄膜のうち基板に近接する数層と、基板から最も離れた数層の膜厚を適切に調整することでも積層薄膜の最外面での反射を抑えることができる。このようにすると反射防止層として新たに材質を増やすことなく、さらに高い透過率と滑らかな位相特性を得ることができる。
【００５０】
式（４）で表される膜厚比ｍは、高屈折率膜と低屈折率膜の平均膜厚の比を表している。図８は、総膜厚、積層数が等しい場合に、膜厚比ｍによって積層薄膜の位相特性が変化する様子を示している。図８は膜厚比０．５付近に極大を持ち、この領域付近を選択することで大きな位相差が得られることがわかる。ただしダイクロイック膜のように所望の波長帯域で高反射率化することは避ける必要がある。少ない総膜厚で効率的に位相特性を得つつ、かつ高い透過率を維持する為には、条件式（４）を満たす事が好ましい。実施例１の積層薄膜の膜厚比ｍは０．４７であり、条件式（４）を満たしている。
【００５１】
ｍ＝ｄＨ／（ｄＨ＋ｄＬ）・・・（４）
薄膜を構成する材質としては屈折率差が大きく、かつ無機材料であることが好ましい。実施例１においては高屈折率材料にはＴｉＯ２、低屈折率材料にはＳｉＯ２を用いたが、他にも高屈折率材料としてはＣｅＯ２、ＺｒＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＳｎＯ２、Ｉｎ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３などを用いることができる。低屈折率材料としては高屈折率材料の屈折率に応じて、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＦ２、ＣａＦ２、などを用いることが出来る。
【実施例２】
【００５２】
実施例２の積層薄膜は波長領域４００ｎｍ〜４８０ｎｍで使用される積層薄膜である。その構成の概略は実施例１と同様であるため、実施例１と同様の図１を用いて説明する。また図４０に実施例２の設計値を示す。図４０の斜線部分は繰り返し層２２を示している。
【００５３】
実施例２の積層薄膜は、図１のように基板２１（ＢＫ７：屈折率１．５２）上に高屈折率を有するＴｉＯ２（屈折率２．４３）薄膜Ｈ２と低屈折率を有するＳｉＯ２（屈折率１．４７）薄膜Ｌ２が交互に３５層積層された構造からなる。各材質の平均の膜厚は、
ＴｉＯ２の平均膜厚ｄＨ＝（３６×１５＋３２＋１９）／１７＝３４．８ｎｍ，ＳｉＯ２の平均膜厚ｄＬ＝（３６×１５＋８９＋２９＋１７）／１８＝３７．５ｎｍとなり、使用波長帯域内での波長をλ０＝４５０ｎｍとしたとき条件式（１）を満たしている。また、膜厚比ｍは０．４８となり、条件式（４）を満たしている。
【００５４】
図９は実施例２の積層薄膜に対して角度θで入射する光線が受ける位相差をΔ（θ）として、縦軸をΔ、横軸をθとして位相差をプロットした図である。図１０は横軸をθ、縦軸をΔ（θ）／Ａｓｉｎ２θとして特性をプロットした結果を示している。また図１１は実施例２における入射角度θが０°と１５°でのＰ、Ｓ偏光の分光透過率Ｔ０°、Ｔｐ、Ｔｓを示している。
【００５５】
図９から入射角度θ＝１０°での位相差｜Δ（１０°）｜＝３．０°となり、条件式（３）を満足する。図１０から、実施例２の積層薄膜は条件式（２）を満たしている。また、図１１の分光透過率から、実施例２の積層薄膜は使用波長帯域（４００ｎｍ〜４８０ｎｍ）において９５％以上の高い透過率を示している。
【実施例３】
【００５６】
実施例３の積層薄膜は波長領域６００ｎｍ〜６８０ｎｍで使用される積層薄膜である。その構成の概略は図１と同様であるため、実施例１と同様の図１を用いて説明する。また図４１に実施例３の設計値を示す。図４１の斜線部分は繰り返し層２２を示している。
【００５７】
実施例３の積層薄膜は、図１のように基板２１（ＢＫ７：屈折率１．５２）上に高屈折率を有するＴｉＯ２（屈折率２．２８）薄膜Ｈ２と低屈折率を有するＳｉＯ２（屈折率１．４６）薄膜Ｌ２が交互に２３層積層された構造からなる。各材質の平均の膜厚は、
ＴｉＯ２の平均膜厚ｄＨ＝（６０×９＋６８＋３２）／１１＝５８．２ｎｍ
ＳｉＯ２の平均膜厚ｄＬ＝（６０×９＋１２９＋４０＋７６）／１２＝６５．４ｎｍとなり、使用波長帯域内での基準波長をλ０＝６５０ｎｍとしたとき条件式（１）を満たしている。また、膜厚比ｍは０．４７となり、条件式（４）を満たしている。
【００５８】
図１２は実施例３の積層薄膜に対して角度θで入射する光線が受ける位相差をΔ（θ）として、縦軸をΔ、横軸をθとして位相差をプロットした図である。図１３は横軸をθ、縦軸をΔ（θ）／Ａｓｉｎ２θとして特性をプロットした結果を示している。また図１４は実施例３における入射角度θが０°と１５°でのＰ、Ｓ偏光の分光透過率Ｔ０°、Ｔｐ、Ｔｓを示している。
【００５９】
図１２から入射角度θ＝１０°での位相差｜Δ（１０°）｜＝２．２°となり、条件式（３）を満足する。図１３から、実施例３の積層薄膜は条件式（２）を満たしている。また、図１４の分光透過率から、実施例３の積層薄膜は使用波長帯域（６００ｎｍ〜６８０ｎｍ）において９５％以上の高い透過率を示している。
【実施例４】
【００６０】
図１５は波長領域５００ｎｍ〜５８０ｎｍで使用される積層薄膜の実施例４の構成概略図である。また図４２に実施例４の設計値を示す。
【００６１】
積層薄膜３０は、図１５のように基板２１上に高屈折率を有するＴｉＯ２（屈折率２．３２）薄膜Ｈ２と低屈折率を有するＳｉＯ２（屈折率１．４６）薄膜Ｌ２が交互に、かつ膜厚が変化しながら２３層積層された構造からなる。本発明の積層薄膜は単層膜厚が均一な層の繰り返しである必要はなく、実施例２のように各層の膜厚が変化していく構造でも効果的に位相特性をもたせることができる。各材質の平均の膜厚は、
ＴｉＯ２の平均膜厚ｄＨ＝４６．７ｎｍ，ＳｉＯ２の平均膜厚ｄＬ＝５５．７ｎｍとなり、使用波長帯域内での基準波長をλ０＝５５０ｎｍとしたとき条件式（１）を満たしている。また、膜厚比ｍは０．４６となり、条件式（４）を満たしている。
【００６２】
図１６は実施例４の積層薄膜に対して角度θで入射する光線が受ける位相差をΔ（θ）として、縦軸をΔ、横軸をθとして位相差をプロットした図である。図１７は横軸をθ、縦軸をΔ（θ）／Ａｓｉｎ２θとして特性をプロットした結果を示している。また図１８は実施例４における入射角度θが０°と１５°でのＰ、Ｓ偏光の分光透過率Ｔ０°、Ｔｐ、Ｔｓを示している。
【００６３】
図１６から入射角度θ＝１０°での位相差｜Δ（１０°）｜＝２．４°となり、条件式（３）を満足する。図１７から、実施例４の積層薄膜は条件式（２）を満たしている。また、図１８の分光透過率から、使用波長帯域（５００ｎｍ〜５８０ｎｍ）において９５％以上の高い透過率を示している。実施例４の積層薄膜は積層薄膜の膜厚を徐々に変化させながら積層することにより反射膜化を抑えて厚い膜を積層でき、２３層という少ない積層数で実施例１とほぼ同等の位相特性が得られている。
【実施例５】
【００６４】
図１９は波長領域５００ｎｍ〜５８０ｎｍで使用される実施例５の構成を示す概略図である。図４３に実施例５の設計値を示す。図４３の斜線部分は図１１の繰り返し層４２に対応している。
【００６５】
実施例５の積層薄膜４０は、図１１のように基板２１上に高屈折率を有するＴｉＯ２（屈折率ｎＨ＝２．３２）薄膜Ｈ３と低屈折率を有するＳｉＯ２（屈折率ｎＬ＝１．４６）薄膜Ｌ３と、その中間の屈折率を有するＡｌ２Ｏ３薄膜（屈折率ｎｍ＝１．６６）薄膜Ｍ３とがＴｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２−ＴｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−の順に図４１のように３５層積層した構成からなる。
【００６６】
このうち高屈折率材質であるＴｉＯ２膜と低屈折率材質であるＳｉＯ２膜の平均膜厚は、
ＴｉＯ２の平均膜厚ｄＨ＝（４２×１０＋４６＋２３）／１２＝４０．８ｎｍ，ＳｉＯ２の平均膜厚ｄＬ＝（４２×１０＋１１８＋４２＋８５）／１３＝５１．２ｎｍとなり、使用波長帯域内での基準波長５５０ｎｍとしたときに式（１）を満たす。また、膜厚比ｍは０．４４となり、条件式（４）を満たしている。
【００６７】
図２０は実施例５の積層薄膜に対して角度θで入射する光線が受ける位相差をΔ（θ）として、縦軸をΔ、横軸をθとして位相差をプロットした図である。図２１は横軸をθ、縦軸をΔ（θ）／Ａｓｉｎ２θとして特性をプロットした結果を示している。また図２２は実施例５において入射角度θが０°と１５°でのＰ、Ｓ偏光の分光透過率Ｔ０°、Ｔｐ、Ｔｓを示している。
【００６８】
図２０から入射角度θ＝１０°での位相差｜Δ（１０°）｜＝２．２°となり、条件式（３）を満足する。図２１から、実施例５の積層薄膜は条件式（２）を満たしている。また、図２２の分光透過率から、使用波長帯域（５００ｎｍ〜５８０ｎｍ）において９５％以上の高い透過率を示している。実施例５では３種の材質の薄膜を３５層積層することにより、これまでの実施例と同様の位相特性が得られている。
【００６９】
［比較例］
ここで比較例として、低屈折率材質をＳｉＯ２、高屈折率材質をＴｉＯ２として、それぞれ単層の膜厚を１５ｎｍで１１２層積層した場合において使用波長帯域５００ｎｍ〜５８０ｎｍ（λ０＝５５０ｎｍ）としたときの位相差の入射角度特性を図２３に示す。また図４４は比較例と実施例１及び実施例４及び実施例５の積層薄膜の構成を示している。比較例の膜厚１５ｎｍは、使用波長帯域に比べて充分薄く、比較例の積層薄膜は複屈折構造体として扱うことが出来る。比較例における位相差の入射角度特性については、例えば図２３と図５の比較により実施例１と同等の位相特性が得られていることがわかる。しかし構成を比較すると、比較例では積層数１１２層程度、総膜厚１８００ｎｍ程度であるのに対して、実施例１では積層数２７層、総膜厚１３１１ｎｍで比較例と同等の位相特性が得られている。つまり実施例１は比較例に対して積層数を１／４以下、総膜厚は約３０％低減しつつ、比較例と同等の位相補償効果が期待できる。他の実施例においても比較例よりも積層数、総膜厚を大きく低減できる。このように本発明の積層薄膜は従来の構造複屈折を用いた積層薄膜に比べて製造にかかるコストを大きく低減できる。
【実施例６】
【００７０】
本発明の積層薄膜を有する素子を液晶プロジェクタに用いる際の実施例を以下に示す。
【００７１】
図２４は本発明の積層薄膜を有する素子を用いた実施例６の液晶プロジェクタの構成概略図である。図中１は光源、２は光源からの入射光で２ｇ，２ｂ，２ｒはそれぞれ緑色、青色、赤色光を示す。３は偏光変換素子、４ｇ，４ｂ，４ｒは偏光変換された緑色、青色、赤色光を示す。５はダイクロイックミラー、６は偏光板、７は波長選択性位相差板、９ａ，９ｂは緑色用、及び青、赤色用偏光分離素子である。１１は液晶表示素子、１２は１／４波長板、１３は本発明の積層薄膜を有する素子、１４は本発明の位相板である。１８は合成プリズム、２０は投射レンズ光学系である。
【００７２】
光源１から照射される光束は、リフレクタによって反射され略平行光束２となって偏光変換素子３に入射する。この図２４においては、この白色光２を緑・青・赤色の３原色の光に分解して図示しており、それぞれを緑色光２ｇ、青色光２ｂ、赤色光２ｒとして図示している。勿論、この緑、青、赤色光それぞれは、図２４上では便宜上空間的に分離して記載しているが、この３つの光はこの段階では空間的に分離されている訳ではない。以下、緑色光はＧ，青色光はＢ、赤色光はＲと省略する。
【００７３】
光源から発せられる各色の光は様々な偏光を含んでおり、偏光変換素子３を透過することにより、一様な偏光方向へ揃えられてＧ偏光４ｇ、Ｂ偏光４ｂ、Ｒ偏光４ｒとなり、ダイクロイックミラー５へ入射する。ダイクロイックミラー５はＧ帯域のみ反射する特性を有しており、Ｇ偏光は反射され、Ｒ、Ｂ偏光は透過することでＧ偏光が色分離される。Ｇ偏光はそのまま偏光分離素子９ａに入射し、１／４波長板１２ｇ、積層薄膜１３ｇを透過してＧ用液晶表示素子１１ｇに照射される。色分離されたＲとＢの偏光は偏光板６を透過することにより偏光度が向上した後に色選択性位相板７に入射する。色選択性位相板はＢ偏光のみ偏光方向を９０°変換させる特性を有しており、これによりＲ偏光の偏光状態は維持したまま、Ｂ偏光は９０°偏光方向が回転した状態で偏光分離素子９ｂに入射する。偏光分離素子９ａ、９ｂはＰ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射する素子である。偏光分離素子９ｂの偏光分離面９ｂ１によりＢ偏光は反射、Ｒ偏光は透過して色分離され、１／４波長板１２ｂ、１２ｒ、積層薄膜１３ｂ、１３ｒを透過して各色に対応する液晶表示素子１１ｂ、１１ｒに照射される。液晶表示素子１１ｂ、１１ｒ、１１ｇに照明された光は画像信号に応じて画素ごとに照明光の偏光方向を９０°変換され、反射されることにより画像光となる。ＢとＲの画像光は再び１／４波長板１２ｂ、１２ｒ積層薄膜１３ｂ、１３ｒを透過した後に偏光分離素子９ｂに再入射する。ここでＢ偏光の画像光は透過され青色光１５ｂとなり、Ｒ偏光の画像光は偏光分離面９ｂ１に反射され赤色光１５ｒとなって偏光分離素子９ｂを出射することで１５ｂ、１５ｒが合成される。Ｇ偏光の画像光も１／４波長板１２ｇ、積層薄膜１３ｇを透過した後に偏光分離素子９ａの偏光分離面９ａ１により反射され、合成プリズム１８に入射する。合成プリズム内のダイクロイック膜１９により、Ｇの画像光は反射され、ＲとＢの光１５ｂ、１５ｒは透過することでＧとＲとＢの光が合成されて出射される。色合成された画像光は投射レンズ光学系２０によりスクリーンに投影、結像される。
【００７４】
ここで本実施例の液晶プロジェクタにおける偏光分離素子９ａ，９ｂは構造複屈折を利用した偏光分離素子が用いられることが好ましい。構造複屈折を用いた偏光分離素子としては、特開２００６−１３３４０２号公報のように偏光分離面内方向に使用波長帯域内の最短波長以下の周期の１次元格子構造を有する構造が知られている。構造複屈折を用いた偏光分離素子は従来の誘電体多層膜を用いたものと比べて角度特性が良好で光束のＦｎｏ．を小さくできるため、その分光量を増やす事ができる。その際入射角度が増大することで斜入射による光漏れの影響も増大するが、総合的な位相補償を行うことにより効果的に漏れ光を低減できる。即ち、構造複屈折を利用した偏光分離素子と積層薄膜を組み合わせて最適な位相補償を行うことで、大光量で明るく、かつコントラストの高い液晶プロジェクタが得られる。
【００７５】
図２５はＧ光路における液晶表示素子近傍の素子配置図を示している。図２５中の矢印線は入射光線を示している。１／４波長板１２ｇは液晶表示素子１１ｇ、偏光分離素子９ａの間に配置され、本発明の積層薄膜１３ｇは１／４波長板１２ｇと液晶表示素子１１ｇの間に配置された構成となっている。１／４波長板１２ｇは偏光分離素子９ａ、積層薄膜１３ｇは主に液晶表示素子１１ｇに起因する漏れ光に対して位相補償を行う。Ｇ以外のＢ，Ｒ光路においても、各素子の配置、及びその作用は同様である。以下の説明ではＧ光路を例にとって各素子の作用を説明する。
【００７６】
ここで３次元空間をａ軸、ｂ軸、ｃ軸で表し、前記反射型液晶表示素子面の法線方向をｃ軸、前記偏光分離素子の偏光分離面の法線方向とｃ軸の両方に垂直な方向をｂ軸、ｃ軸とｂ軸の両方に垂直な方向をａ軸とする。このとき前記１／４波長板１２ｇ、積層薄膜１３ｇは面法線がｃ軸と平行となるように配置される。
【００７７】
図２５のように光線がｃ軸と角度を持って入射する場合を考える。一般的に偏光分離を行う分離面はｃ軸に対して４５°傾いており、この偏光分離面に対するＰ偏光をブリュースター角により透過し、Ｓ偏光を反射する。このような偏光分離素子の特性からｃ軸に対して角度を持って入射する偏光を分離する場合には、その入射角度、入射方位によってＰ、Ｓ偏光方向が変化するため分離される偏光方向も変化する。図２６は偏光分離素子に入射する光線の入射角度、入射方位による透過偏光方向の変化を示す模式図である。図中の０はｃ軸と平行に入射する場合を表し、それ以外はｃ軸に角度を持って入射する場合を示す。（１）〜（８）の番号は入射方位角度が異なることを示す。方位角度とは入射光線のａｂ平面への射影がａ軸と成す角度とし、（１）を０°として（１）〜（８）まで４５°刻みで入射方位が変化している。また、図２６中左側は光源側から入射する場合の透過偏光方向を示し、図２６中右側は液晶表示素子により反射した後に偏光分離素子に再入射した場合の透過偏光方向を模式的に示している。図２６から、（１）（５）以外の方位から入射する光線は偏光分離素子により分離される方向が傾く。さらに光源側から偏光分離素子に入射する場合と、液晶側で反射されて再び入射する場合とで入射光線方向と偏光分離面法線方向の成す角度が異なる。従って（１）（５）方位以外から入射した光は、液晶素子に反射されて偏光分離素子に再入射する際にその全てが偏光分離素子を透過できずに漏れ光が発生する。
【００７８】
ここで偏光分離素子９ａと液晶表示素子１１ｇとの間に配置された１／４波長板１２ｇは偏光分離素子９ａによって傾いた偏光方向を補償する。１／４波長板１２ｇはその光学軸がａ軸またはｂ軸と、略平行または略垂直な方向となるように配置される。ｃ軸に対して角度を持って偏光分離素子９ａに入射し、傾いた方向に偏光した光は１／４波長板１２ｇを往復することにより傾き方向が１／４波長板光学軸に対して対称に反転する。その結果、光源側から偏光分離素子に入射する際の偏光方向と、液晶側から偏光分離素子に入射する際の偏光方向とが揃えられる。その結果入射時と射出時の角度ズレが減少し、偏光分離素子９ａに反射される漏れ光成分が低減するためコントラストが改善される。また、１／４波長板１２ｇの光学軸を前記の配置方向から、ａｂ平面内で１°程度の微小角回転させることにより、黒表示状態における液晶分子のプレチルト角の影響をキャンセルでき、さらに高いコントラストが得られる。
【００７９】
次に液晶表示素子１１ｇに起因する漏れ光について述べる。液晶表示素子１１ｇは正の異方性を有し、黒表示状態において液晶分子の光学軸はｃ軸と略平行となっている。偏光分離素子９ａを透過し黒表示状態の液晶表示素子に対して斜入射する直線偏光は、液晶分子の持つ異方性により入射角度に応じて位相変化を受ける。位相変化により直線偏光から楕円偏光となった光は、その全てが偏光分離素子を透過することが出来ず、一部の光が投射レンズ系に到達する。そのため、黒表示状態であっても光漏れが発生し、コントラストが低下する。また、液晶表示素子近傍に配置された１／４波長板１２ｇも異方性を有する素子であり、斜入射光の位相に影響を与える。
【００８０】
ここで液晶表示素子１１ｇと１／４波長板１２ｇとの間に配置された積層膜膜１３ｇは液晶表示素子１１ｇによって受ける位相変化を補償する。同時に、１／４波長板１２ｇより発生する斜入射での所望しない位相変化も補償する。液晶表示素子１１ｇと積層薄膜１３ｇと１／４波長板１２ｇを往復した偏光は位相補償により楕円偏光から直線偏光となって偏光分離素子９ａに入射する。その結果、漏れ光成分が低減されてコントラストが改善される。
【００８１】
積層薄膜１３ｇは１／４波長板１２ｇと液晶表示素子１１ｇの両方に作用するため、図２５のように１／４波長板１２ｇと液晶表示素子１１ｇとの間に配置される。積層薄膜１３ｇが１／４波長板１２ｇよりも偏光分離素子側に配置された場合には液晶表示素子１１ｇとの間に配置されている１／４波長板１２ｇにより補償関係が変化するため、好ましくない。
【００８２】
図２４のように積層薄膜及び１／４波長板が配置された場合の液晶プロジェクタのコントラスト値は、１／４波長板のみが配置された場合（図１６において積層薄膜が除かれた場合）と比較して２０００：１から４０００：１に向上した。
【００８３】
積層薄膜を形成する基板は、液晶表示素子１１ｇの保護ガラス、または１／４波長板１２ｇの液晶表示素子側であっても良い。この場合には、それぞれの素子と積層薄膜が光学的に一体化することで、１枚で位相補償を行うことができる。また界面での反射が低減されてさらに高いコントラストが得られる。
【００８４】
次に、本発明の位相板に関する特徴を以下に示す。
【実施例７】
【００８５】
図２７は波長帯域５００ｎｍ〜５８０ｎｍで使用される本発明の位相板の実施例７の構成を示す概略図である。また図４５に実施例７の設計値を示す。図４５の斜線部分は図２７の繰り返し層５４に対応している。
【００８６】
実施例７の位相板は、図２７のように基板２１上に高屈折率を有するＴｉＯ２（屈折率２．３２）薄膜Ｈ４と低屈折率を有するＳｉＯ２（屈折率１．４６）薄膜Ｌ４が交互に４０積層されてなる積層薄膜５５を有する。実施例７における積層薄膜５５の各材質の平均膜厚は、
ＴｉＯ２の平均膜厚ｄＨ＝（４５×１６＋４２＋１３＋１４６＋３５）／２０＝４７．８ｎｍ，ＳｉＯ２の平均膜厚ｄＬ＝（４５×１７＋２６＋５７）／１９＝４４．６ｎｍとなり、使用波長帯域内での基準波長５５０ｎｍとしたとき式（１）を満たしている。また、膜厚比ｍは０．５２となり、条件式（４）を満足する。
【００８７】
また前記積層薄膜５５の上面には使用波長帯域における最短波長以下の周期を持つ１次元格子構造部５３が形成されており、実施例７では格子周期１８０ｎｍ、格子高さ５１０ｎｍ、格子部５１の幅１４６ｎｍの一次元格子構造部５３が形成されている。格子部５１はＴｉＯ２で構成され、格子部５２は空気で構成されている。
【００８８】
１次元格子構造部５３は、構造複屈折により格子に平行な方向と垂直な方向とで異方性を有する。その大きさは有効屈折率で扱うことができ、
格子に平行な方向の偏光に対する有効屈折率：ｎＴＥ＝１．９０
格子に垂直な方向の偏光に対する有効屈折率：ｎＴＭ＝２．１７
となる。格子高さ５１０ｎｍから、
Δｎ・ｄ＝（２．１７−１．９０）×５１０ｎｍ＝１３６．７ｎｍ
となり、実施例７の１次元格子構造部は位相板に垂直入射する基準波長５５０ｎｍの光線に対してほぼ１／４波長板として作用する。
【００８９】
図２８は実施例７の前記位相板に対して角度θで入射する光線が受ける位相差をΔ（θ）として、縦軸をΔ、横軸をθとして位相差プロットした図である。また図２９に横軸をθ、縦軸をΔ（θ）／Ａｓｉｎ２θとして同じ特性をプロットした結果を示している。
【００９０】
条件式（５）の（Ｂ−Δ）／Ａｓｉｎ２θは位相板の位相差入射角度特性に対するｓｉｎ２θカーブからのズレを示す値である。ここで係数Ａ＝（Ｂ−Δ（１０°））／ｓｉｎ２θであり、Ｂ−Δ（θ）をｓｉｎ２θでフィッティングしたときのθ＝１０°での係数を示している。Ｂは位相板のθ＝０°の光線に対する位相差でＢ＝Δ（０°）である。本実施例においてはＢ＝Δ（０°）＝９０°である。０°＜θ≦１５°の範囲においては、位相特性の変化は近似的にｓｉｎ２θに従う。入射角度に対して滑らかに位相補償を行うためには（Ｂ−Δ）／Ａｓｉｎ２θの値は１に近い方が望ましく、実際には条件式（５）の範囲に収まることが望ましい。条件式（５）の範囲を外れる場合には、位相特性がｓｉｎ２θカーブから外れてしまい、位相補償に不利な影響を与えるため望ましくない。
【００９１】
また、位相板として位相補償効果を得るためには入射角度１０°で規定した位相差（Ｂ−Δ（１０°））の大きさが２°以上であることが望ましい。（Ｂ−Δ（１０°））がそれより小さい場合には、得られる位相補償効果も小さくなる。その場合１／４波長板としては有用であるものの、斜入射に対して位相補償を行う位相板としては十分な効果を期待できない。
【００９２】
【数５】
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【００９３】
図２９の縦軸の上限と下限が条件式（５）の上限と下限であり、実施例１は０°＜θ≦１５°の全ての範囲で条件式（２）を満たしている。また、入射角度θ＝１０°での位相差｜Ｂ−Δ（１０°）｜＝２．９°となり、条件式（６）を満足する。
【００９４】
図３０は実施例７の積層薄膜５５における入射角度θが０°でのＰ、Ｓ偏光の分光透過率Ｔｐ、Ｔｓを示している。積層薄膜部５５のうち１次元格子構造部との界面に近接する数層の膜厚を調整することにより使用波長帯域において９５％以上の透過率が得られている。１次元格子構造部５３の上面については、他の基板と格子面を一体化することで反射を抑えることが出来る。また屈折率の異なる材質の１次元格子を積層することや、格子周期以下の微細な凹凸形状を格子上面に形成することによっても反射を抑えることができる。
【実施例８】
【００９５】
実施例８は波長帯域４００ｎｍ〜４８０ｎｍで使用される位相板である。その構成の概略は実施例７と同様であるため、実施例７と同様の図２７を用いて説明する。また図４６に実施例８の設計値を示す。図４６の斜線部分は繰り返し層５４に対応している。
【００９６】
実施例８の位相板は図２７のように基板２１上に高屈折率を有するＴｉＯ２（屈折率２．４２）薄膜Ｈ４と低屈折率を有するＳｉＯ２（屈折率１．４７）薄膜Ｌ４が交互に４５層積層されてなる積層薄膜５５を有する。実施例８における積層薄膜５５の各材質の平均膜厚は、
ＴｉＯ２の平均膜厚ｄＨ＝（３３×１９＋１１０＋３２＋１９）／２２＝３５．８ｎｍ
ＳｉＯ２の平均膜厚ｄＬ＝（３３×１９＋２１＋３３＋１９）／２２＝３１．８ｎｍ
となり、使用波長帯域内での基準波長４５０ｎｍとしたとき条件式（１）を満たしている。また、膜厚比ｍは０．５３となり、条件式（４）を満足する。
【００９７】
前記積層薄膜５５の上面には使用波長帯域における最短波長以下の周期を持つ１次元格子構造部５３が形成されており、実施例８では格子周期１４５ｎｍ、格子高さ４０６ｎｍ、格子部５１の幅１２０ｎｍの一次元格子構造部５３が形成されている。格子部５１はＴｉＯ２で構成され、格子部５２は空気で構成されている。
【００９８】
１次元格子構造部５３は、構造複屈折により格子に平行な方向と垂直な方向とで異方性を有する。その大きさは有効屈折率で扱うことができ、
格子に平行な方向の偏光に対する有効屈折率：ｎＴＥ＝２．００
格子に垂直な方向の偏光に対する有効屈折率：ｎＴＭ＝２．２８
となる。格子高さ４０６ｎｍから、
Δｎ・ｄ＝（２．２８−２．００）×４０６ｎｍ＝１１３．７ｎｍ
となり、実施例８の１次元格子構造部は位相板に垂直入射する波長４５０ｎｍの光線に対してほぼ１／４波長板として作用する。
【００９９】
図３１は実施例８の前記位相板に対して角度θで入射する光線が受ける位相差をΔ（θ）として、縦軸をΔ、横軸をθとして位相差をプロットした図である。また図３２に横軸をθ、縦軸をΔ（θ）／Ａｓｉｎ２θとして特性をプロットした結果を示している。
【０１００】
図３２から、実施例８の位相板は条件式（５）を満足している。また、入射角度θ＝１０°での位相差｜Ｂ−Δ（１０°）｜＝２．３°となり、条件式（６）を満足する。
【０１０１】
図３３は実施例８の図２７中の積層薄膜５５における入射角度θが０°でのＰ、Ｓ偏光の分光透過率Ｔｐ、Ｔｓを示している。積層薄膜部５５のうち１次元格子構造部との界面に近接する数層の膜厚を調整することにより、使用波長帯域において９５％以上の透過率が得られている。
【実施例９】
【０１０２】
実施例９は波長帯域６００ｎｍ〜６８０ｎｍで使用される位相板である。その構成の概略は実施例７と同様であるため、実施例７と同様の図２７を用いて説明する。また図４７に実施例９の設計値を示す。図４７の斜線部分は繰り返し層５４に対応している。
【０１０３】
実施例９の位相板は図２７のように基板２１上に高屈折率を有するＴｉＯ２（屈折率２．４２）薄膜Ｈ４と低屈折率を有するＳｉＯ２（屈折率１．４７）薄膜Ｌ４が交互に３２層積層されてなる積層薄膜５５を有する。
【０１０４】
実施例９における積層薄膜５５の各材質の平均膜厚は、
ＴｉＯ２の平均膜厚ｄＨ＝（５７×１２＋１６２＋４８＋４２＋１４）／１６＝６１．５ｎｍ，ＳｉＯ２の平均膜厚ｄＬ＝（５７×１２＋４４＋５７＋７６）／１５＝４８．１ｎｍとなり、波長６５０ｎｍとしたとき式（１）を満たしている。また、膜厚比ｍは０．５６となり、条件式（４）を満足する。
【０１０５】
また積層薄膜５５の上面には使用波長よりも短い周期を持つ１次元格子構造部５３が形成されており、実施例９では格子周期２３０ｎｍ、格子高さ６３７ｎｍ、格子部５１の幅１８２ｎｍの一次元格子構造部５３が形成されている。格子部５１はＴｉＯ２で構成され、格子部５２は空気で構成されている。
【０１０６】
１次元格子構造部５３は、構造複屈折により格子に平行な方向と垂直な方向とで異方性を有し、その異方性の大きさは、有効屈折率で扱うことができ、
格子に平行な方向の偏光に対する有効屈折率：ｎＴＥ＝１．８５
格子に垂直な方向の偏光に対する有効屈折率：ｎＴＭ＝２．１１
となる。格子高さ６３７ｎｍから、
Δｎ・ｄ＝（２．１１−１．８５）×６３７＝１６５．６ｎｍ
となり、実施例９の１次元格子構造部は位相板に垂直入射する波長６５０ｎｍの光線に対してほぼ１／４波長板として作用する。
【０１０７】
図３４は実施例９の前記位相板に対して角度θで入射する光線が受ける位相差をΔ（θ）として、縦軸をΔ、横軸をθとして位相差をプロットした図である。また図３５に横軸をθ、縦軸をΔ（θ）／Ａｓｉｎ２θとして特性をプロットした結果を示している。
【０１０８】
図３５から、実施例８の位相板は条件式（５）を満足している。また、入射角度θ＝１０°での位相差｜Ｂ−Δ（１０°）｜＝３．１°となり、条件式（６）を満足する。
【０１０９】
図３６は実施例９の図２７中の積層薄膜５５における入射角度θが０°でのＰ、Ｓ偏光の分光透過率Ｔｐ、Ｔｓを示している。積層薄膜部５５のうち１次元格子構造部との界面に近接する数層の膜厚を調整することにより、使用波長帯域において９５％以上の透過率が得られている。
【実施例１０】
【０１１０】
本発明の位相板を液晶プロジェクタに用いる際の実施例を以下に示す。
【０１１１】
図３７は本発明の位相板を有する素子を用いた実施例１０の液晶プロジェクタの構成概略図である。
【０１１２】
図３７の液晶プロジェクタの構成は、図２４の実施例６の液晶プロジェクタの構成のうち１／４波長板１２ｇ、１２ｂ、１２ｒ、積層薄膜１３ｇ、１３ｂ、１３ｒを位相板１４ｇ、１４ｂ、１４ｒに置き換えた構成となっている。その他の構成については、図２４の反射型液晶プロジェクタと同様である。
【０１１３】
図３８は図３７の光学系のうち緑色（Ｇ）光路における液晶表示素子近傍の素子配置図を示している。液晶表示素子１１ｇと偏光分離素子９ａとの間に本発明の位相板１４ｇが配置された構成となっている。
【０１１４】
ここで３次元空間をａ軸、ｂ軸、ｃ軸で表し、前記反射型液晶表示素子面の法線方向をｃ軸、前記偏光分離素子の偏光分離面の法線方向とｃ軸の両方に垂直な方向をｂ軸、ｃ軸とｂ軸の両方に垂直な方向をａ軸とする。
【０１１５】
このとき位相板１４ｇの一次元格子構造部の格子周期方向はｃ軸と垂直で、ａ軸またはｂ軸に対して約１°程度の微小角傾けて配置されることが望ましい。位相板１４ｇは偏光分離素子９ａと液晶表示素子１１ｇの双方に対して位相補償を行うが、その位相補償の作用は、図２４の１／４波長板１２ｇと積層薄膜１３ｇによる作用をあわせたものと等価であるため、その作用については省略する。位相板１４ｇは、一次元格子部が偏光分離素子９ａ側となるように、かつ面法線がｃ軸と平行となるように配置されることが好ましい。また、位相板は各色に対応して各光路に配置されているものの、その配置、作用は各光路で同様である。
【０１１６】
ここで実施例６と同様に、本実施例においても液晶プロジェクタ内に配置される偏光分離素子９ａ，９ｂは構造複屈折を利用した偏光分離素子が用いられることが好ましい。また、位相板１４ｇ、１４ｂ、１４ｒは、液晶表示素子１１ｇ、１１ｂ、１１ｒの保護ガラス上、または偏光分離素子９ａ、９ｂを構成するプリズムの液晶表示素子と対向する面上に形成しても良い。
【図面の簡単な説明】
【０１１７】
【図１】第１の実施例の形態を示す概略構成図である
【図２】液晶分子の屈折率楕円体を示す模式図である
【図３】積層薄膜における単層膜厚と位相特性の相関を示す図である
【図４】積層薄膜における単層膜厚と透過率の相関を示す図である
【図５】第１の実施例における位相差の入射角度特性を示す図である
【図６】第１の実施例の位相特性と条件式（２）の関係を示す図である
【図７】第１の実施例の入射角度０°と１５°における分光透過率を示す図である
【図８】積層薄膜における膜厚比と位相特性の相関を示す図である
【図９】第２の実施例における位相差の入射角度特性を示す図である
【図１０】第２の実施例の位相特性と条件式（２）の関係を示す図である
【図１１】第２の実施例の入射角度０°と１５°における分光透過率を示す図である
【図１２】第３の実施例における位相差の入射角度特性を示す図である
【図１３】第３の実施例の位相特性と条件式（２）の関係を示す図である
【図１４】第３の実施例の入射角度０°と１５°における分光透過率を示す図である
【図１５】第４の実施例の形態を示す概略構成図である
【図１６】第４の実施例における位相差の入射角度特性を示す図である
【図１７】第４の実施例の位相特性と条件式（２）の関係を示す図である
【図１８】第４の実施例の入射角度０°と１５°における分光透過率を示す図である
【図１９】第５の実施例の形態を示す概略構成図である
【図２０】第５の実施例における位相差の入射角度特性を示す図である
【図２１】第５の実施例の位相特性と条件式（２）の関係を示す図である
【図２２】第５の実施例の入射角度０°と１５°における分光透過率を示す図である
【図２３】比較例における位相差の入射角度特性を示す図である
【図２４】本発明の積層薄膜を有する反射型液晶画像表示装置概略構成図である
【図２５】図２４における液晶表示素子近傍の素子配置を示す図である
【図２６】偏光分離素子の透過偏光方向の角度依存性を示す模式図である
【図２７】第７の実施例の形態を示す概略構成図である
【図２８】第７の実施例における位相差の入射角度特性を示す図である
【図２９】第７の実施例の位相特性と条件式（５）の関係を示す図である
【図３０】第７の実施例における垂直入射での分光透過率を示す図である
【図３１】第８の実施例における位相差の入射角度特性を示す図である
【図３２】第８の実施例の位相特性と条件式（５）の関係を示す図である
【図３３】第８の実施例における垂直入射での分光透過率を示す図である
【図３４】第９の実施例における位相差の入射角度特性を示す図である
【図３５】第９の実施例の位相特性と条件式（５）の関係を示す図である
【図３６】第９の実施例における垂直入射での分光透過率を示す図である
【図３７】本発明の位相板を有する反射型液晶画像表示装置概略構成図である
【図３８】図３７における液晶表示素子近傍の素子配置を示す図である
【図３９】実施例１の設計値を示す図である
【図４０】実施例２の設計値を示す図である
【図４１】実施例３の設計値を示す図である
【図４２】実施例４の設計値を示す図である
【図４３】実施例５の設計値を示す図である
【図４４】比較例と実施例１、実施例４及び実施例５の積層薄膜の構成を示す図である
【図４５】実施例７の設計値を示す図である
【図４６】実施例８の設計値を示す図である
【図４７】実施例９の設計値を示す図である
【符号の説明】
【０１１８】
１  光源
２  光源からの入射光
２ｇ、２ｂ、２ｒ  緑色光、青色光、赤色光
３  偏光変換素子
４ｇ、４ｂ、４ｒ  偏光変換された緑色光、青色光、赤色光
５  ダイクロイックミラー
６  偏光板
７  波長選択性位相差板
８ｂ、８ｒ  青色光、赤色光
９ａ、９ｂ  緑色光用、及び青色光、赤色光用偏光分離素子
９ａ１、９ｂ１  緑色光用、及び青色光、赤色光用偏光分離素子面
１１ｇ、１１ｂ、１１ｒ  緑色光、青色光、赤色光用反射型液晶素子
１２ｇ、１２ｂ、１２ｒ  緑色光、青色光、赤色光用１／４波長板
１３ｇ、１３ｂ、１３ｒ  緑色光、青色光、赤色光用積層薄膜素子
１４ｇ、１４ｂ、１４ｒ  緑色光、青色光、赤色光用位相板
１５ｂ、１５ｒ  青色画像光、赤色画像光
１８  合成プリズム
１９  ダイクロイック膜
２０  投射レンズ光学系
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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