(57)【要約】【課題】クロスニコル配置された一対の偏光素子による光遮断特性及び視野角特性を向上させる。【解決手段】透明なガラス基板１０にそれぞれ無機材料からなる第一位相差補償層１２と第二位相差補償層１４とを設ける。第一位相差補償層１２は波長に対して充分に薄い高・低二種類の蒸着膜を積層して構成され、負のＣ−ｐｌａｔｅとなる。第二位相差補償層１４は少なくとも二層構成の斜方蒸着膜で構成され、正のＯ−ｐｌａｔｅとなる。第一位相差補償層は光軸に関して斜めに入射した光線束に対して位相差補償を行い、第二位相差補償層は偏光子を通過した直線偏光の偏光方向を検光子の透過軸に合致しない方向に回転させ、検光子からの漏れ光を抑えてその光遮断特性を向上させる。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
クロスニコル配置された一対の偏光素子の相互間に配置して用いられる位相差補償素子において、
前記一対の偏光素子に垂直な光軸に対して垂直に配置される透明基板と、この透明基板で支持され、光学軸が透明基板に垂直な第一位相差補償層と、光学軸が透明基板の法線に対してそれぞれ傾斜した三層以上の多層膜からなる第二位相差補償層とからなり、
前記第二位相差補償層を構成する多層膜の少なくとも二層の光学軸を透明基板上に正射影したときの方位が略対向をなすことを特徴とする位相差補償素子。
【請求項２】
前記第一及び第二位相差補償層がそれぞれ無機材料で構成されていることを特徴とする請求項１記載の位相差補償素子。
【請求項３】
前記第二位相差補償層を構成する各層が斜方蒸着膜であることを特徴とする請求項２記載の位相差補償素子。
【請求項４】
前記第二位相差補償層を構成する各層のうち少なくとも一層の光学軸が他の層の光学軸と異なることを特徴とする請求項３記載の位相差補償素子。
【請求項５】
前記第一位相差補償層は、高屈折率物質と低屈折率物質とを交互に積層した蒸着膜で構成され、それぞれの光学膜厚が基準波長の１００分の１以上５分の１以下であることを特徴とする請求項２〜４のいずれか記載の位相差補償素子。
【請求項６】
第二位相差補償層を構成する多層膜のいずれかの層の光学軸を透明基板に正射影したときの方位が、入射側の偏光素子の透過軸の方位と一致するように配置されることを特徴とする請求項２〜５のいずれか記載の位相差補償素子。
【請求項７】
光入射面側と光出射面側の少なくともいずれかに反射防止層を設けたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか記載の位相差補償素子。
【請求項８】
請求項６または７記載の位相差補償素子の出射面側に液晶セルを配置したことを特徴とする光変調システム。
【請求項９】
請求項６または７記載の位相差補償素子の出射面側に透過型の液晶セルを配置したことを特徴とする液晶表示装置。
【請求項１０】
請求項６または７記載の位相差補償素子の出射面側に透過型の液晶セルを配置し、この液晶セルによる変調光を投影レンズを通してスクリーンに向けて投影することを特徴とする液晶プロジェクタ。
【請求項１１】
請求項６または７記載の位相差補償素子の出射面側に反射型の液晶セルを配置し、この液晶セルによる変調光をオフアクシス型の投影レンズを通してスクリーンに向けて投影することを特徴とする液晶プロジェクタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、クロスニコル配置された一対の偏光素子の間に配置して用いられる位相差補償素子に関し、詳しくは視野角依存性を改善した位相差補償素子並びにこれを用いた光変調システム及び液晶プロジェクタに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
本発明に関して以下の背景技術が知られている。
【非特許文献１】Claire Gu ＆ Pochi Yeh「Extended Jones matrix method. II」Journal of Optical Society of America  A/Vol. 10  No.5／May  1993  p966−973
【０００３】
液晶分子の旋光性や複屈折性を利用して光変調を行う液晶セルには、偏光素子として偏光板が併用されている。透過型の液晶セルでは、光入射面側と光出射面側にそれぞれ光軸と垂直に偏光板が配置され、光入射面側の偏光板が非偏光光を直線偏光に変換して液晶セルに入射させる偏光子、光出射面側の偏光板が液晶セルからの変調光を偏光の向きに応じて遮断あるいは透過させる検光子として機能する。このような目的で用いられる偏光素子には、偏光板のほかにワイヤグリッド偏光素子も知られているが、一般に偏光板が多用されている。偏光板は、一般にヨウ素や染料を吸着させたＰＶＡ（ポリビニルアルコール）フイルムを一軸延伸配向させ、その表裏を保護層で覆った構造で、光軸に垂直な面内で互いに直交する透過軸と吸収軸とを有している。非偏光光がこの偏光板に入射すると互いに直交する偏光成分に分解され、吸収軸と平行な偏光成分光が遮断され、透過軸と平行な偏光成分光が透過する。
【０００４】
この偏光板を例えばＴＮ（Twisted Nematic）液晶セルと組み合わせ、互いの透過軸を直交させたクロスニコル配置で用いるとノーマリホワイトモードの液晶ディスプレイ装置となる。ＴＮ液晶セルは、透明電極や配向膜が形成された一対の透明な基板の間に液晶層を構成する棒状の液晶分子を充填したもので、基板間に電圧を印加しないノーマル状態のときに長軸が基板と略平行となるように保たれ、かつ厚み方向では液晶分子ごとに長軸の向きが少しずつ傾けられ全体で９０°ねじられる配向状態にしてある。
【０００５】
この配向状態にあるＴＮ液晶セルに偏光子を透過してきた直線偏光光を入射させると、偏光方向が液晶分子の配向状態に倣って９０°回転して出射する。したがって、検光子の透過軸を偏光子の透過軸に対して直交させておけば、直線偏光光は検光子をそのまま透過して明状態の表示となる。また、ＴＮ液晶セルの電極間に飽和電圧を印加すると、液晶分子のねじれが消失して長軸が光軸方向にそろい、偏光子を透過して入射してきた直線偏光光は偏光方向を変えずに液晶セルから出射する。この出射光の偏光方向は検光子の吸収軸と一致し、検光子によって遮られることになるから暗状態の表示となる。
【０００６】
クロスニコル配置した一対の偏光板は偏光顕微鏡などにも用いられる。偏光板の相互間に鉱物などのサンプルを置き、偏光板を通して照明を与えて観察したとき、サンプル全体が光学的に等方性を示すものであれば、偏光板を通して入射した直線偏光は偏光方向を変えずにそのまま検光子に達するので遮られ、観察視野は暗黒になる。これに対し、サンプル内に光学異方性をもつ結晶構造が含まれている場合には、入射した直線偏光がその複屈折作用によって変調され、その変調光が検光子を通過して観察されるようになる。
【０００７】
このような目的で一対の偏光板をクロスニコル配置して用いた場合、検光子を通して観察するときの視野角によっては充分な遮断特性が得られないことが知られている。一対の偏光板をクロスニコル配置して一方の偏光板から入射光を入射させたとき、入射光が全て光軸に平行な光線束であれば、原理的には他方の偏光板から光線が出射することはない。しかし、一般の光源には空間的な拡がりがあるため、入射光には光軸に対して傾いた光線少なからず含まれる。例えば、液晶プロジェクタなどの機器ではメタルハライドランプや超高圧水銀ランプなどがリフレクタとともに用いられており、このような光源からの光には光軸に対して傾いた光線束も多く含まれている。このような入射光に対しては、単にクロスニコル配置した一対の偏光板だけでは十分な光遮断機能をもたせることができない。
【０００８】
図１８は、一般的な光源からの光をクロスニコル配置した一対の偏光板を通して観察したときの光遮断特性を表し、出射側の偏光板を通過してきた光の相対輝度値が等しくなる点を結んでグラフ化している。グラフの中心が視野角０°に相当し、同心円で表した角度が視野角を、外縁に沿って表した角度は観察の方位角を示す。このグラフから、視野角が大きくなるほど相対輝度値が高くなり、視野角が６０°を越えると１０％以上の光が漏れて観察されることがわかる。また、一対の偏光板の吸収軸が方位角０°と９０°で直交していることから、吸収軸に対して方位角４５°の位置で光漏れしやすく、光遮断特性には方位角に関して９０°の回転対称性が認められる。
【０００９】
クロスニコル配置した一対の偏光板の光遮断特性、特に視野角特性を改善するために、光路中に種々の位相差補償素子を配置することが知られている。非特許文献１には、Ｃ−ｐｌａｔｅとＡ−ｐｌａｔｅとを組み合わせた位相差補償素子が開示され、特に正のＣ−ｐｌａｔｅと四分の一波長板とを組み合わせた位相差補償素子及び、負のＣ−ｐｌａｔｅと四分の三波長板とを組み合わせた位相差補償素子が、クロスニコル配置した一対の偏光板の視野角特性を改善する上で効果的であることが記載されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
非特許文献１にも記載のように、クロスニコル配置した偏光板の視野角特性を改善するには、Ｃ−ｐｌａｔｅとＡ−ｐｌａｔｅとを組み合わせた位相差補償素子が有効であるが、これまでは、このような位相差補償素子は一軸性の延伸した高分子フイルムを用いなければ作成することができなかった。こうした有機性材料は、温度依存性や吸湿性の点で問題があり、光学特性が使用環境や長時間の使用によって変化しやすいという欠点がある。また、視野角が改善されるとは言え、視野角が６０°を越えると１０％程度の光漏れを防ぐことは難しいのが実情である。なお、原理的には二軸性位相差板を二枚組み合わせた位相差補償素子も知られているが、二軸性位相差板は高分子フイルムでしか作成することができず、その作成自体も非常に困難である。
【００１１】
本発明は上記背景のもとでなされたもので、クロスニコル配置された一対の偏光板による光遮断機能をより向上させ、しかも視野角依存性についても改善できるようにした位相差補償素子を提供し、またこの位相差補償素子を効果的に用いた光変調システム及び液晶プロジェクタを提供することを目的とする。さらに、本発明の位相差補償素子は、その独特の構成から無機材料で作成することも容易であり、耐熱性や耐久性の面でも格段に有利となる。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の位相差補償素子は、一対の偏光板に垂直な光軸に対して垂直に配置される透明基板に第一位相差補償層と第二位相差補償層とを形成したもので、一対の偏光素子の相互間に挿入して用いられる。第一位相差補償層は、光学的に等方性を示す光学軸（常光線と異常光線に対する屈折率が等しくなる入射光の入射方向に相当）が透明基板に垂直となるように形成され、他方の第二位相差補償層は光学軸の方向が異なる三層以上の多層膜で構成され、そのうちの少なくとも二層の光学軸を透明基板上に正射影したときの方位が互いに略対向をなすように形成される。さらに、本発明で用いられる第一及び第二位相差補償層はそれぞれ無機材料で作成することができ、使用環境の変化や経年変化にあまり影響されることなく、光学性能を安定に保つことができる。
【００１３】
第一及び第二位相差補償層は、好ましくは蒸着やスパッタリングによる蒸着薄膜で効率的に製造される。第一位相差補償層は、高屈折率物質と低屈折率物質とを交互に積層した蒸着膜で構成され、高・低二種類の蒸着膜の光学膜厚は基準波長の１００分の１以上５分の１以下の範囲であり、いわゆる光の干渉作用を利用した一般の光学薄膜の膜厚と比較して充分に薄いことが特徴の一つとなっている。
【００１４】
本発明の位相差補償素子は、第二位相差補償層を構成している多層膜のうちのいずれかの層の光学軸の方位が、入射側の偏光素子の透過軸と一致するように配置して用いるのがより効果的である。また、本発明の位相差補償素子の光入射面側または光出射面側の少なくともいずれかに、蒸着膜による反射防止層を設けることも可能である。液晶セルを含む光変調システムに本発明の位相差補償素子を用いるにあたっては、位相差補償素子を液晶セルの光入射面側に配置する方が好ましく、また液晶セルとしては透過型だけでなく反射型のものでもよい。反射型の液晶セルを用いる際には、液晶セルからの変調光をオフアクシスで投影レンズに入射させてスクリーンに投影すればよい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の位相差補償素子によれば、光学軸を透明基板に対して垂直にした第一位相差補償層は、斜め入射光に対してその入射角に応じた位相差補償を行うＣ−ｐｌａｔｅとして作用し、また、それぞれの光学軸が様々な方位に向けられた多層膜からなる第二位相差補償層は、入射光の傾きに応じて直線偏光の偏光方向を回転させる複合型のＯ−ｐｌａｔｅとして作用すると考えられ、これらの位相差補償層の相互作用により、クロスニコル配置された一対の偏光素子を含む光変調光学系の視野角特性を改善することが可能となる。そして、第二位相差補償層を構成する多層膜のうちの少なくとも二層については、その光学軸の方位が略対向となる関係をもたせたとき、視野角特性がより効果的に改善されることが経験的に検証された。ここで、光学軸の方位が略対向であるとは、注目する２つの光学軸の方位が略１８０°となるように配置されることであり、好ましくは１８０°±５°以内であり、より好ましくは１８０°±２°であり、特に好ましくは１８０°である。
【００１６】
さらに、第二位相差補償層を構成する多層膜のいずれかの層の光学軸、あるいは互いに略対向をなす前記二層の光学軸を前記透過軸と一致させたときに良好な光遮断効果が得られる。第一及び第二位相差補償層をそれぞれ無機材料、特に蒸着膜で構成すれば、単に耐熱性や耐久性の点で有利となるほか効率的な製造も可能となり量産性にも優れる。
【００１７】
本発明の位相差補償素子は、クロスニコル配置した一対の偏光素子を含む様々な光変調システムに適用可能で、代表的には、直視型の液晶モニターのような液晶表示装置、さらには液晶セルに投影画像を表示し、これにより光変調を行って画像投影を行う液晶プロジェクタに好適に利用することができる。液晶セルとしては透過型のものだけでなく、オフアクシスで用いることを前提とすれば反射型の液晶セルを用いることも可能で、プロジェクタの形態としてはフロントプロジェクションタイプだけでなくリアプロジェクションタイプのいずれであってもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１に示すように、本発明の位相差補償素子２は、光軸５に垂直に配置された一対の偏光板３，４の相互間に光軸５に垂直に配置して用いられる。偏光板３，４は各々の透過軸が直交したクロスニコル配置となっており、入射光７が全て光軸５に平行な平行光束であれば位相差補償素子２がなくても出射側の偏光板４から光が出射することはないが、この位相子補償素子２を用いることによって、入射光７に光軸５に対して傾いた光線束が含まれていたとしても偏光板４からの出射光８を大幅に低減させることができる。
【００１９】
位相差補償素子２は概略的に図２に示す断面構造となっている。支持体となるガラス基板１０の一方の面に、第一位相差補償層１２、第二位相差補償層１４が蒸着によって層設され、最上層とガラス基板１０の裏面には蒸着による反射防止層１５，１６が形成されている。反射防止層１５，１６はそれぞれ表面反射を防ぐためのもので、たとえば低屈折率材料であるＭｇＦ2を光学膜厚λ／４で形成した単層膜、あるいは異種の蒸着材料を組み合わせた多層の反射防止膜を用いることができる。なお、蒸着膜からなる第１，第二位相差補償膜１２，１４及び反射防止膜１５，１６は、抵抗加熱や電子ビーム加熱による真空蒸着法のほか、スパッタリング成膜法で形成することもできる。また、第一の位相差補償層１２と第二位相差補償層１４は、この上下関係を逆にしても同等の作用をさせることが可能で、さらにガラス基板１０の表裏いずれの面に形成してもよい。
【００２０】
第一位相差補償層１２は、図３に示すように、ガラス基板１０に互いに屈折率が異なる二種類の蒸着膜Ｌ１，Ｌ２を交互に積層した多層膜で構成され、それぞれの蒸着方向は蒸着面に対して垂直である。各層の光学膜厚（物理的膜厚と屈折率との積）は基準となる光波長（たとえば５５０ｎｍ）よりも充分に小さく、好ましくはλ／１００〜λ／５、より好ましくはλ／５０〜λ／５、実際的にはλ／３０〜λ／１０が適切であり、一般の光干渉を利用した光学薄膜と比べて充分に薄いものとなっている。こうして形成された多層膜は一軸性の複屈折体である負のＣ−ｐｌａｔｅの作用を示し、その光学軸はガラス基板１０に対して垂直（光軸５に平行）である。なお、第一位相差補償層１２には正または負のＣ−ｐｌａｔｅの作用をもつものであれば上記多層膜以外のものを用いてもよい。
【００２１】
この第一位相差補償層１２の設計手順は次のとおりである。第一位相差補償層１２の複屈折Δｎは、「光学  第２７巻第１号（１９９８）ｐ．１２−１７」に記載のように、屈折率の異なる２種類の蒸着膜Ｌ１，Ｌ２の光学膜厚の比で決まり、それぞれの屈折率に差があるほど大きい値となる。また、第一位相差補償層１２で得られる位相差（レターデーション）は複屈折Δｎ１と第一位相差補償層１２の物理的な合計膜厚ｄ１との積「ｄ１Δｎ１」で与えられる。したがって、所望のレターデーションを得るためには、それらの材料から得られる複屈折Δｎ１の値が大きくなるような膜厚比を求め、その複屈折Δｎ１に基づいて第一位相差補償層１２全体の合計膜厚ｄ１を決定すればよい。
【００２２】
実際に、ガラス基板１０に物理的膜厚１５ｎｍのＴｉＯ2 層と、物理的膜厚１５ｎｍのＳｉＯ2 層とを交互に４０層ずつ積層した薄膜多層蒸着サンプルを作成し、分光エリプソメータを用いて測定したところ、２０８ｎｍの位相差を与える負の複屈折体であること、そして入射した光線に光学的等方性を示すようになるときの光線の入射方向、すなわち光学軸の向きがガラス基板１０の法線と一致し、負のＣ−ｐｌａｔｅとして機能することが確認された。
【００２３】
蒸着膜Ｌ１，Ｌ２の蒸着材料としては、高屈折材料としてＴｉＯ2 （ｎ＝２．２〜２．４），ＺｒＯ2 （ｎ＝２．２０）など、低屈折率材料としてＳｉＯ2 （ｎ＝１．４０〜１．４８）やＭｇＦ2 （ｎ＝１．３９），ＣａＦ2 （ｎ＝１．３０）などを用いることができ、さらに、以下に挙げる種々の材料も蒸着膜Ｌ１，Ｌ２の蒸着材料として利用することができる。なお、（  ）内の値は屈折率の概略値である。ＣｅＯ2 （２．４５），Ｎｂ2Ｏ5（２．３１），ＳｎＯ2 （２．３０），Ｔａ2 Ｏ5 （２．１２），Ｉｎ2 Ｏ3 （２．００），ＺｒＴｉＯ4 （２．０１），ＨｆＯ2 （１．９１），Ａｌ2 Ｏ3 （１．５９〜１．７０），ＭｇＯ（１．７），ＡＬＦ3 ，ダイヤモンド薄膜，ＬａＴｉＯX ，酸化サマリウムなど。また、高屈折率薄膜層用材料と低屈折率薄膜層材料の組み合わせとしては、ＴｉＯ2 ／ＳｉＯ2 が好ましいが、その他にＴａ2 Ｏ5 ／Ａｌ2 Ｏ3 、ＨｆＯ2 ／ＳｉＯ2 、ＭｇＯ／ＭｇＦ2 、ＺｒＴｉＯ4 ／Ａｌ2 Ｏ3 、ＣｅＯ2 ／ＣａＦ2 、ＺｒＯ2 ／ＳｉＯ2 、ＺｒＯ2 ／Ａｌ2 Ｏ3 等も挙げられる。
【００２４】
この第一位相差補償層１２は、高・低い二種類の屈折率をもつ蒸着膜Ｌ１，Ｌ２を交互に成膜すればよい。したがって、ガラス基板１０に対して各々の蒸発源を遮蔽することができるようにそれぞれシャッタを設け、これらのシャッタを交互に開閉して２種類の蒸着膜Ｌ１，Ｌ２を交互に積層させたり、あるいはガラス基板１０を一定の速さで循環移動する基板ホルダに保持させ、基板を循環移動させる過程でそれぞれの蒸発源の上を通過させることによって順次に２種類の蒸着膜Ｌ１，Ｌ２を交互に積層させるなどの手法を取ることができる。これにより、多層薄膜を得るに際して真空槽を一回だけ真空引きすればよいので、効率的な製造が可能となる。
【００２５】
第二位相差補償層１４は、図４に示すように、四種類の斜方蒸着膜Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４を積層した四層構造となっている。図２に示されるように、第一層の斜方蒸着膜Ｓ１は第一位相差補償層１２の上に積層されているが、第一位相差補償層１２と第二位相差補償層１４とを入れ替え、第一層の斜方蒸着膜Ｓ１をガラス基板１０に形成し、その上に順次に第二，第三層，第四層の斜方蒸着膜Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４を積層してから第一位相差補償層１２を形成し、あるいはガラス基板１０の表裏に第一位相差補償層１２と第二位相差補償層１４とを形成し、その各々の最上層に反射防止層１５，１６を積層することも可能である。
【００２６】
斜方蒸着膜Ｓ１〜Ｓ４のそれぞれは、第一位相差補償層１２を構成する蒸着膜Ｌ１，Ｌ２と異なり、蒸着面Ｓ０に対して斜め方向から蒸着され、各層ごとにその蒸着方向に向かって斜めに成長した微細な柱状要素Ｍ１〜Ｍ４の集合体構造となっている。このような斜方蒸着膜は、それぞれ単層でも構造性の複屈折作用を示す正のＯ−ｐｌａｔｅの性質をもつが、柱状要素Ｍ１〜Ｍ４の成長方向と平行に進む光線に対しては光学等方性を示す。したがってその光学軸は、屈折率が１である媒質（例えば空気）との界面で屈折して入射した後に柱状要素の成長方向と進む光線の入射方向と一致し、柱状要素の成長方向から斜方蒸着膜の屈折率に応じた角度だけ傾いた方向となる。そして、斜方蒸着膜Ｓ１〜Ｓ４を成膜するときの蒸着の方向はいずれも蒸着面Ｓ０に対して垂直ではなく、しかも各層ごとに蒸着の方向を変更して柱状要素Ｍ１〜Ｍ４の成長の方向を変えているため、各層の光学軸を蒸着面Ｓ０に正射影したときの方位は互いに異なっている。
【００２７】
斜方蒸着膜Ｓ１〜Ｓ４は、たとえば図５に示す蒸着装置を用いて作製することができる。図５において、ベースプレート２０にターレット式に回転する材料ホルダ２１が設けられ、その中に蒸着材料２２，２３が収容される。真空槽２４を真空引きした後、電子銃２５からの電子ビーム２７を蒸着材料２２に照射し、蒸着材料２２を蒸散させて真空蒸着を行うことができる。なお、シャッタ２９の開閉によって真空蒸着の開始および中止を制御することができ、材料ホルダ２１を回転させることによって、蒸着材料２２，２３を選択して用いることも可能となる。基本的に、第二位相差補償層１４は一種類の蒸着材料を用いて多層膜となるように成膜されるが、このような材料ホルダ２１を用いることによって、必要に応じて異種の蒸着材料を用いることも可能となる。
【００２８】
材料ホルダ２１の上方に斜めに配置された基板ホルダ３０が設けられ、透明なサンプル基板２６が保持される。基板ホルダ３０の支持面の法線は蒸着材料２２から垂直に伸ばした線分Ｐに対して角度βだけ傾斜し、したがってサンプル基板２６の蒸着面も線分Ｐに対して角度βだけ傾く。この角度βは、基板ホルダ３０を紙面と垂直な軸を中心に回転させることによって調節することができる。また、軸３０ａを中心に基板ホルダ３０を回転させることによって、蒸着面内における線分Ｐの方位角に相当する角度αを調節することができる。線分Ｐは蒸着面に対する蒸着方向に相当するから、上記角度α，βを変えることによって、結果的に蒸着面に対する蒸着方向を二通りに調節することが可能となる。前述のように、角度αは蒸着面内における蒸着方向の方位角に相当し、角度βは蒸着面に対する蒸着方向の傾きを表す極角に相当するから、以後はこれらをそれぞれ蒸着方向の方位角α，極角βで表す。
【００２９】
同図中の符号３１は水晶式の膜厚監視モニタを表し、測定面上で蒸着膜の膜厚を監視し、基板ホルダ３０で保持されたサンプル基板２６にどの程度の膜厚まで蒸着が進行しているかを相対的に測定するためのものである。また、符号３２はエリプソメータを表し、モニタ基板２８を通して投光器３３からの測定光を受光し、サンプル基板２６に斜方蒸着膜の成膜を行いながら相対的に複屈折に伴う位相差を測定することができる。これらの膜厚監視モニタ３１の測定面および、モニタ基板２８を含む複屈折Δｎの測定系は、基板ホルダ３０の極角βと一致するように回転させることができる。そして、斜方蒸着膜の成膜を一層分終えるごとに、マスクプレートの変位により新たな測定面，モニタ基板面を露呈させることによって、一層ごとに位相差を監視することが可能となっている。斜方蒸着膜のレターデーションはエリプソメータ３２で測定される位相差のデータから推定できるから、エリプソメータ３２と膜厚監視モニタ３１とから得られる測定データを監視しながら蒸着を行えば、各層ごとに所望のレターデーションをもつ斜方蒸着膜を得ることが可能となる。
【００３０】
以上の作業により、一層ごとの位相差を監視しながら、多層構成の斜方蒸着膜からなる第二位相差補償層をサンプル基板２６上に形成することができる。また、図２に示すように、ガラス基板１０に第一位相差補償層１２を形成した後でも、このガラス基板１０を基板ホルダ３０に保持させ、各層ごとに予め設定した複屈折および膜厚となるように斜方蒸着を行って、第一位相差補償層１２の上に多層の第二位相差補償層１４を形成することができる。
【００３１】
図６に示すように、蒸着面Ｓ０に対する蒸着方向Ｐは、蒸着面Ｓ０上のｘｙ座標平面に正射影したときにｘ軸から反時計回りに測定される方位角αと、ｚ軸から測定される極角βで表すことができる。極角βは、ｚ軸からの傾きとして正負の方向性をもたない角であるが、方位角αはｘ軸を基準に方向性をもつ。ｘ軸の方向は、偏光板３，４の透過軸３ａ，４ａに対してδ＝４５°となる向きに設定され、斜方蒸着膜Ｓ１〜Ｓ４について共通である。なお、図１８にみられるように、クロスニコル配置された一対の偏光板３，４の視野角特性は略９０°の回転対称性をもつので、ｘ軸の方向は斜方蒸着膜Ｓ１〜Ｓ４について共通であれば任意であってよい。
【００３２】
斜方蒸着膜Ｓ１〜Ｓ４の光学軸は各々の蒸着膜の蒸着方向Ｐとほぼ一致する。斜方蒸着膜Ｓ１〜Ｓ４はそれぞれ単独で構造性の複屈折作用を示す正のＯ−ｐｌａｔｅの性質をもつが、それぞれの柱状要素Ｍ１〜Ｍ４の成長方向と平行に進む光線に対しては光学等方性を示す。したがって、斜方蒸着膜Ｓ１〜Ｓ４のそれぞれの光学軸は、屈折率が１である媒質（例えば空気）との界面で屈折して入射した後に柱状要素Ｍ１の成長方向と進む光線の入射方向と一致し、柱状要素Ｍ１〜Ｍ４の成長方向から各々の斜方蒸着膜の屈折率に応じた角度だけ傾き厳密には蒸着方向Ｐからわずかにずれた方向になるが、実用上はこのずれによる作用効果上の相違はほとんど無視できるから、光学軸の方向は方位角αと極角βで近似することができる。
【００３３】
第二位相差補償層１４を形成する際には、図５に示す蒸着装置を用いて方位角αと極角βを斜方蒸着膜Ｓ１〜Ｓ４の各層ごとに任意に決めることができる。そして、斜方蒸着膜Ｓ１〜Ｓ４の蒸着材料の屈折率は既知であり、斜方蒸着膜Ｓ１〜Ｓ４の光学軸の方向はそれぞれの蒸着方向とほぼ一致するものとみなせるから、結果的に斜方蒸着膜Ｓ１〜Ｓ４の光学軸は斜方蒸着の方向として任意に設定することができる。そこで本発明者らは、四層構成の第二位相差補償層１４を成膜する際に、それぞれの斜方蒸着膜Ｓ１〜Ｓ４の方位角α及び極角βを調節しながら様々なサンプルを作成して視野角依存性を評価した。その結果、特に第二位相差補償層１４を三層以上の斜方蒸着膜で構成し、そのうちの二層については蒸着面上に投影した各々の光学軸の向きを互いに１８０°の関係にしたときに視野角特性が改善できることを確認した。
【００３４】
なお、視野角特性の改善には、方位角αのほかに極角βの値、各斜方蒸着膜の膜厚、レターデーションの値など様々なパラメータが存在し、これらのパラメータと視野角特性との相関について網羅的に検証することは非常に困難であるが、後述する実施例は実用的に優れた特性を示すことが検証されている。また、第二位相差補償層１４の斜方蒸着膜の蒸着材料としては、第一位相差補償層１２と同様、ＴｉＯ2，ＳｉＯ2，ＺｒＯ2，Ｔａ2Ｏ3など、斜方蒸着膜にしたときに波長によらず充分な光透過特性を有するものであれば種々のものを用いることができる。
【実施例】
【００３５】
以下、本発明を用いた位相差補償素子６の具体的な実施例について説明する。ガラス基板１０としてコーニング１７３７（５０ｍｍ×５０ｍｍ）を用い、アセトンで洗浄してから充分に乾燥させた後、通常の正面蒸着（β＝０°）を行う蒸着装置にセットした。真空槽を１×１０-4Ｐａまで排気し、ガラス基板を３００°Ｃに加熱した状態にして三層構成の反射防止膜（図２の反射防止層１６に相当）を形成した。この反射防止膜は、ガラス基板側から順に、ＳｉＯ2を光学膜厚でλ／４、ＴｉＯ2をλ／２、ＳｉＯ2をλ／４で積層したもので、基準波長λは５５０ｎｍである。
【００３６】
反射防止層を形成した後、ガラス基板を真空層内で表裏反転させ、図２に示す第一位相差補償層１２の成膜を行った。第一位相差補償層は、図３に示すように二種類の蒸着膜Ｌ１，Ｌ２を交互に積層した負のＣ−ｐｌａｔｅであり、そのレターデーション（ｄ１Δｎ１）は負の値となる。そして、全体の物理的膜厚ｄ１と複屈折Δｎ１とを調節することによって、レターデーション（ｄ１Δｎ１）の大きさはある程度任意に決めることができるので、この値が「−３４１」となる第一位相差補償層１２をガラス基板の裏面に成膜した。
【００３７】
なお、この第一位相差補償層について補足すれば以下のとおりである。屈折率ｎ1，ｎ2で物理的膜厚がａ，ｂである薄膜を、波長よりも充分に短いピッチ（ａ＋ｂ）で交互に積層したものは、負の複屈折Δｎをもつ構造性複屈折体となることが知られている。この構造性複屈折体に電磁波が垂直に入射した場合には、電場が各層の平面に平行に振動する波（ＴＥ波）だけになるため、複屈折性を示さない。ところが、電磁波が各層の積層面に斜めに入射した場合には、電場が各層に平行に振動する波（ＴＥ波成分）と、電場が各層に垂直に振動する波（ＴＭ波成分）とで有効屈折率ＮTE，ＮTMが異なり、それぞれ次式で表されることが知られている。
ＮTE＝√｛（ａｎ1 2＋ｂｎ2 2）／（ａ＋ｂ）｝
ＮTM＝√〔（ａ＋ｂ）／｛（ａ／ｎ1 2）＋（ｂ／ｎ2 2）｝〕
これらの有効屈折率ＮTE，ＮTMの相違が複屈折性を生じさせる要因であり、その複屈折Δｎは「Δｎ＝ＮTM−ＮTE」で与えられる。
【００３８】
上式からわかるように、蒸着層Ｌ１，Ｌ２の屈折率ｎ1，ｎ2と、それぞれの物理的膜厚ａ，ｂを選択することによって複屈折Δｎ１を決めることができ、さらに蒸着層Ｌ１，Ｌ２の繰り返し積層数で全体の物理的膜厚ｄ１を決めることができる。したがって、光透過特性を有し蒸着適性に優れた蒸着材料の中から適宜のものを選択して膜設計を行うことによって、第一位相差補償層のレターデーション（ｄ１Δｎ１）の値を任意の値に近づけることが可能となる。
【００３９】
このようにして第一位相差補償層１２を成膜したガラス基板を真空槽から取り出し、再度アセトンで洗浄して充分に乾燥させてから、図５に示す蒸着装置にセットした。蒸着面を第一位相差補償層１２の最上層として四層構成の第二位相差補償層の蒸着を行った。一層目の斜方蒸着膜Ｓ１は、方位角αを−４６．５°、極角βを１４°とし、レターデーション(ｄΔｎ)S1の値は「１０６ｎｍ」に設定した。また、二層目の斜方蒸着膜Ｓ２の方位角αは１３５°、極角βは４５°、レターデーション(ｄΔｎ)S2は「１１１ｎｍ」である。さらに三層目，四層目の斜方蒸着膜Ｓ３，Ｓ４については、それぞれ方位角αを−４２°，−４５°、極角βを１０°，１２．５°、レターデーションを「８７ｎｍ」，「８８ｎｍ」とし、これらの斜方蒸着膜Ｓ１〜Ｓ４からなる第二位相差補償層の成膜後にサンプルを取り出し、通常の正面蒸着用の蒸着装置に再セットして同様の三層反射防止膜（図２の反射防止膜１５に相当）を成膜した。
【００４０】
第二位相差補償層１４を構成する斜方蒸着膜Ｓ１〜Ｓ４の蒸着材料としては、ＺｒＯ2に１０重量％でＴｉＯ2を混合したものを用いた。第二位相差補償層１４の成膜に際しては、真空槽を１×１０-4Ｐａまで真空引きした後、酸素ガスを１×１０-2Ｐａになるまで導入して成膜中に充分な酸化が行われるようにした。こうして得た位相差補償素子２の第一，第二位相差補償層の層構成及びこれらのパラメータを表にまとめると次のとおりである。
【００４１】
【表１】
2006171328.tif 000003
【００４２】
上記第二位相差補償層１４を構成する斜方蒸着膜Ｓｉ（ｉ＝１〜４）のそれぞれについて、方位角αと極角βで規定される蒸着方向Ｐｉと、この斜方蒸着膜Ｓｉの複屈折と膜厚とから決まるレターデーション(ｄΔｎ)Siの値とから光学軸ベクトルＰｉを定義する。これらの光学軸ベクトルＰｉは、一般に各々のレターデーションの値(ｄΔｎ)Siと、方位角αi，極角βiとの組み合わせにより、
Ｐｉ(ｘ，ｙ，ｚ)  ＝（(ｄΔｎ)Si×ｃｏｓαi×ｔａｎβi，
(ｄΔｎ)Si×ｓｉｎαi×ｔａｎβi，(ｄΔｎ)Si）
と表すことができる。
【００４３】
これらの光学軸ベクトルＰｉを図６のｘｙ平面に正射影した射影ベクトルＡｉは、
Ａ1（ｘ，ｙ）＝（１８．２９，−１９．３５）
Ａ2（ｘ，ｙ）＝（−７８．４９，７８．４９）
Ａ3（ｘ，ｙ）＝（１１．６４，−１０．４８）
Ａ4（ｘ，ｙ）＝（１３．６９，−１３．６９）
と算出され、これらを図示すると図７に示すとおりである。
【００４４】
前掲の第１表及び図７からわかるように、これらの射影ベクトルＡ1〜Ａ4について特徴的なことは、射影ベクトルＡ2及び射影ベクトルＡ4のそれぞれの方位角α（各々の斜方蒸着膜の光学軸の方位角にほぼ等しい）が互いに１８０°の関係をもつことである。第二位相差補償層１４を構成するにあたっては、斜方蒸着膜の層数、各層の膜厚，光学軸の方位角などのパラメータを様々に変えることが可能であるが、実験や膜計算を行って種々検討した結果、上記のように、第一位相差補償層１２と併用する第二位相差層１４については、これを三層膜以上の層構成とし、しかもその中の少なくとも二層については、斜方蒸着時の蒸着の方位角で近似できる光学軸の方位角を互いに１８０°の関係にすればよいことが確認された。また、この実施例では斜方蒸着膜Ｓ２，Ｓ４の方位角αの方向を入射側の偏光板３の透過軸３ａの方位と一致させている。
【００４５】
上記実施例の位相差補償素子２を図１に示すように偏光板３，４の間に配置したときの光遮断特性を図８に示す。視野角依存性は残ってはいるものの、出射側偏光板４からの漏れ光の輝度が全体的に低下していることがわかる。なお、図９は比較例サンプルの光遮断特性を示す。この比較例サンプルは、第一位相差補償層１２のレターデーションが「−２２０ｎｍ」、第二位相差補償層１４として単層の斜方蒸着膜を形成したもので、その蒸着の方位角は「１３５°」、レターデーションは「４１３ｎｍ」となっている。この比較例サンプルのように、負のＣ−ｐｌａｔｅとなる第一位相差補償層と、正のＯ−ｐｌａｔｅとなる第二位相差補償層とを組み合わせた位相差補償素子を用いることによって、クロスニコル配置された一対の偏光板の光遮断特性を改善できることは知られているが、本発明実施例の位相差補償素子の方が比較例サンプルよりも光遮断特性がさらに改善されていることがわかる。
【００４６】
なお、第一位相差補償層１２及び第二位相差補償層１４を有する本発明の位相差補償素子を作製するにあたっては、第一位相差補償層１２の複屈折と膜厚によるレターデーションの値、第二位相差補償層１４の層数、各層の複屈折及び膜厚、各層の光学軸の方位角（斜方蒸着膜の蒸着方位角）など、最適な光遮断特性を得るためのパラメータの組み合わせは膨大なものとなるが、第二位相差補償層を三層以上の斜方蒸着膜で構成するとともに、少なくともそのうちの二層については、各々の光学軸の方位角、すなわち斜方蒸着を行うときの方位角が互いに１８０°の関係となるように設定すれば、光遮断特性を向上させ得る上で有効である。
【００４７】
本発明の位相差補償素子２を液晶表示装置に組み合わせて用いる例を図１０に示す。画像表示用の液晶素子としてＴＮ液晶６が用いられ、本発明の位相差補償素子２は入射側の偏光板３とＴＮ液晶６との間に挿入される。出射側の偏光板４は、入射側の偏光板３に対して透過軸の方位が９０°で交差するようにクロスニコル配置され、この液晶表示装置はノーマリホワイトモードで用いられる。照明光３４は偏光板３によって直線偏光となり、位相差補償素子２、ＴＮ液晶６、偏光板４を通って画像光３５となって出射する。ＴＮ液晶６を暗黒表示にしたときには、照明光３４が必ずしも光軸５と平行な光線束のみでなくても、位相差補償素子２の作用により画像光３５に含まれる漏れ光が抑えられ、良好な光遮断特性が得られ、また視野角特性も改善されるようになる。
【００４８】
さらに、この実施形態の場合、ＴＮ液晶６の一対の透明基板の間に充填されている液晶分子が複屈折性を示すため、これを考慮して位相差補償素子２の第一位相差補償層１２によるレターデーションの値を調節する必要がある。すなわち第一位相差補償層１２には、偏光板３に斜め入射する光線束に対する位相差補償作用のほかに、ＴＮ液晶６の液晶分子で複屈折した常光と異常光との間の位相差補償作用が必要となる。この位相差補償は、ＴＮ液晶６の液晶セル厚に応じて第一位相差補償層１２の膜厚を調節することによって調節が可能である。
【００４９】
また、画像表示用に反射型ＴＮ液晶３６を用いたオフアクシス型の液晶表示装置に本発明の位相差補償素子２を適用した例を図１１に示す。反射型ＴＮ液晶３５は液晶セルの背面側が反射面となっており、入射光軸５ａと出射光軸５ｂとは別光軸となっている。偏光板３を通った照明光３４は直線偏光の入射光として液晶セルを通過し、反射面で反射して再び液晶セルを通過して出射光となる。ノーマリホワイトモードでの使用を考慮し、反射型ＴＮ液晶３５を暗黒表示の状態にしたとき、入射光と出射光との偏光方向が９０°回転するように液晶セルの厚みが決められ、また出射側の偏光板４は偏光板３に対してクロスニコル配置となっている。
【００５０】
このようなオフアクシス型の液晶表示装置においても、本発明の位相差補償素子２を用いることによって、反射型ＴＮ液晶３６を暗黒表示状態下にしたときに偏光板４から出射する画像光３５に含まれる漏れ光を抑えることができ、同時に視野角特性も改善することが可能である。そして図１０の実施形態と同様、反射型ＴＮ液晶３６の液晶分子が複屈折性を示すから、これを考慮して位相差補償素子２の第一位相差補償層１２によるレターデーションの値を調節する必要がある。なお、反射型ＴＮ液晶３６を用いていることから、液晶セル内の光路長は現実のセル厚の２倍となることを考慮して第一位相差補償層１２の厚みを調節することになる。
【００５１】
本発明の位相差補償素子は、第一，第二位相差補償層を作製するときの基準波長をたとえば５５０ｎｍに設定すれば、単板のＴＮ液晶を表示素子として用いたフルカラーの直視型ディスプレイに用いることができる。ただし、波長が異なると液晶分子，位相差補償素子それぞれの複屈折作用に相違がでてくるので、成分色光の基準波長ごとに位相差補償素子の膜構成を変えることが望ましい。この場合、ＴＮ液晶には一般に成分色光となる赤色，緑色，青色をそれぞれ透過するマイクロカラーフィルタが組み込まれているので、これらのフィルタエレメントに対応して膜構成を変えた３種類の位相差補償素子を用いるのがよい。
【００５２】
成分色光の基準波長に応じて位相差補償素子の膜構成を変えることは、特に成分色光ごとに三枚のＴＮ液晶を利用した三板式のカラー液晶プロジェクタでは効果的に行うことができる。図１２に三板式カラー液晶プロジェクタの構成を概略的に示す。
【００５３】
図１２において、三枚の液晶素子５０Ｒ，５０Ｇ，５０Ｂには、それぞれ赤色，緑色，青色の各成分色光の画像に対応して透過濃度が異なる白黒画像が表示される。光源５２からの放射光は、紫外線及び赤外線をカットするフィルタ５３を透過することにより赤色光，緑色光，青色光を含む白色光となり、光源から液晶素子に至る照明光軸にしたがってガラスロッドからなるインテグレータ５４に入射する。インテグレータ５４の光入射面は、光源５２に用いられている放物面鏡の焦点位置近傍に位置し、光源５２からの光は高効率でガラスロッド５４に入射する。
【００５４】
ガラスロッド５４の出射面に対峙してリレーレンズ５５が配設され、ガラスロッド５４からの白色光は、リレーレンズ５５及び後段のコリメートレンズ５６により平行光となってミラー５７に入射する。ミラー５７で反射された白色光は、赤色光だけを透過するダイクロイックミラー５８Ｒで２光束に分けられ、透過した赤色光はミラー５９で反射して液晶素子５０Ｒを背面から照明する。また、ダイクロイックミラー５８Ｒで反射された緑色光と青色光は、緑色光だけを反射するダイクロイックミラー５８Ｇでさらに２光束に分割される。ダイクロイックミラー５８Ｇで反射された緑色光は液晶素子５０Ｇを背面側から照明する。ダイクロイックミラー５８Ｇを透過した青色光は、ミラー５８Ｂ，６０で反射され、液晶素子５０Ｂを背面から照明する。
【００５５】
液晶素子５０Ｒ，５０Ｇ，５０ＢはそれぞれＴＮ液晶で構成され、これらの液晶素子５０Ｒ，５０Ｇ，５０１Ｂから光学的に等距離となる位置に中心がくるように合成プリズム６４が配置され、合成プリズム６４の出射面に対面して投影レンズ６５が設けられている。合成プリズム６４は、その内部に２面のダイクロイック面６４ａ，６４ｂを有し、液晶素子５０Ｒを透過してきた赤色光、液晶素子５０Ｇを透過してきた緑色光、液晶素子５０Ｂを透過してきた青色光を合成して投影レンズ６５に入射させる。投影レンズ６５は、その物体側焦点面が液晶素子５０Ｒ，５０Ｇ，５０Ｂの出射面に一致し、像面側焦点面がスクリーン７０に一致するようにしてあるから、合成プリズム６４で合成されたフルカラー画像はスクリーン７０に結像されることになる。
【００５６】
液晶素子５０Ｒ，５０Ｇ，５０Ｂの光入射面側には、それぞれ偏光板６６Ｒ，６６Ｇ，６６Ｂと本発明の位相差補償素子６７Ｒ，６７Ｇ，６７Ｂとが設けられ、また光出射面側には偏光板６８Ｒ，６８Ｇ，６８Ｂが設けられている。光入射面側の偏光板６６Ｒ，６６Ｇ，６６Ｂと、光出射面側の偏光板６８Ｒ，６８Ｇ，６８Ｂはクロスニコル配置となっており、光入射面側の偏光板は偏光子、光出射面側の偏光板は検光子として作用する。また、位相差補償素子６７Ｒ，６７Ｇ，６７Ｂは、これまでに説明のように第一位相差補償層と第二位相差補償層とを備え、色チャンネルごとに設けられた液晶素子５０Ｒ，５０Ｇ，５０Ｂによって生じる位相差を個別に補償し、同時にクロスニコル配置された偏光板６６Ｒ，６６Ｇ，６６Ｂと、偏光板６８Ｒ，６８Ｇ，６８Ｂによる光遮断機能をより向上させる作用をもつ。
【００５７】
各々の液晶素子５０Ｒ，５０Ｇ，５０Ｂは全く共通のＴＮ液晶からなるが、一般に液晶素子のレターデーション（ｄΔｎ）LCは波長に依存して変化することが知られている。図１３は液晶層の厚みが４．５μｍのＴＮ液晶についてその一例を示すもので、複屈折Δｎが波長に応じて変化し、これに応じてレターデーション（ｄΔｎ）LCも変わる。図中、Ｒｅは液晶に電圧を印加したときに垂直配向姿勢となる液晶分子の割合を７０％にしたときの実効レターデーションを示し、前述した第一位相差補償層はこの実効レターデーションＲｅによる正の位相差を補償するためのものとなる。もちろん、垂直姿勢となる液晶分子の割合は、ＴＮ液晶の構造や液晶厚み，密度，飽和電圧値などのファクターによって変わり、７０％一律に限られるものではない。
【００５８】
図１４は、上記ＴＮ液晶の実効レターデーションＲｅを効果的に補償するために、物理的膜厚３０ｎｍ，２０ｎｍのＴｉＯ2膜とＳｉＯ2膜とを交互に４０層ずつ、合計８０層積層した第一位相差補償層の負のレターデーション（ｄ１Δｎ１）を絶対値で表している。蒸着材料となっているＴｉＯ2膜とＳｉＯ2膜の屈折率自体に波長依存性があるため、当然にレターデーションにも波長依存性が現れる。この第一位相差補償層は、可視光領域で視感度が高い５５０ｎｍで良好な位相差補償を行うように設計されているが、図１５に示すように、短波長側ではあまり良好な位相差補償ができないことがわかる。
【００５９】
そこで、波長に比べて充分に膜厚の薄い蒸着膜からなる第一位相差補償層の特長、すなわち、負の複屈折Δｎ１は二種類の蒸着膜の屈折率と膜厚比で決まること、そしてこの複屈折Δｎ１に乗ずる全体の膜厚（各層の積層数）を調節すればレターデーションの値が調節できることを利用し、本発明では色チャンネルごとに位相差補償素子６７Ｒ，６７Ｇ，６７Ｂの第一位相差補償層の厚みを変えている。図１６にその一例を示す。
【００６０】
図１６は青色光用，緑色光用，青色光用にそれぞれの第一位相差補償層の厚みを変えたもので、全チャンネルとも積層する蒸着膜は物理的膜厚３０ｎｍ，２０ｎｍのＴｉＯ2膜とＳｉＯ2膜との二種類で全て共通している。ただし、青色光用のものは青色成分色光のほぼ中心の基準波長λ＝４５０ｎｍでのＴＮ液晶のレターデーション４１３ｎｍに合わせ、全体の積層数を７２層にして総膜厚ｄ１＝１．８μｍにしている。同様に、緑色光用では基準波長λ＝５５０ｎｍのもとで合計積層数８０層にして総膜厚ｄ１＝２．０μｍ、赤色色光用では基準波長λ＝６５０ｎｍのもとで合計積層数８２層にして総膜厚ｄ１＝２．１μｍにしている。
【００６１】
この結果、図１７に示すように、それぞれの色チャンネルの液晶素子５０Ｒ，５０Ｇ，５０Ｂのレターデーションをそれぞれの成分色光の波長域ごとに良好に補正できることがわかる。したがって、たとえばスクリーン７０全体に青色一色の背景を投影する場合、液晶素子５０Ｂ全体を明状態表示とし、残りの液晶素子５０Ｒ，５０Ｇ全体を暗状態表示にすることになるが、このとき、飽和電圧の印加により液晶素子５０Ｒ，５０Ｇで垂直配向している液晶分子の複屈折作用による正の位相差は、それぞれの位相差補償素子６７Ｒ，６７Ｇに設けられている赤色光用，緑色光用の第一位相差補償層がもつ負のレターデーションによって良好に補償され、検光子となる偏光板６８Ｒ，６８Ｇからはほとんど出射光がなくなるので、色のにじみがない鮮明な青色一色の背景を投影することができる。
【００６２】
同様の理由で、スクリーン７０全体に白色光を投影したときと全暗黒にしたときとのコントラスト比も従来の５００：１から７００：１まで改善され、一般のフルカラー画像の投影時においても、黒を引き締めて画像の鮮明度を向上させることができる。なお、図１７からわかるように、青色光用の第一位相差補償層と比較して、緑色光用と赤色光用のものはレターデーションの波長依存性が弱い。このことから、緑色光用と赤色光用の第一位相差補償層としては合計膜厚を等しくした共通のものを適用することも可能である。この場合には、６００ｎｍを基準にして合計膜厚を決めるのが有利である。
【００６３】
上述のように、三板式カラー液晶プロジェクタに本発明の位相差補償素子を適用する場合には、第一位相差補償層の合計膜厚を少なくとも二種類の色チャンネルごとに調節するのが効果的である。以上の説明は、液晶素子５０Ｒ，５０Ｇ，５０Ｂのレターデーション（ｄΔｎ）LCの波長依存性のみを考慮したものであるが、各位相差補償素子６７Ｒ，６７Ｇ，６７Ｂにはそれぞれ第二位相差補償層も形成されている。これらの第二位相差補償層も色チャンネルごとに基準波長が異なるため、それに応じた膜設計が行われることになるが、この第二位相差補償層は液晶分子と同様に正のレターデーションをもつ。したがって、第一位相差補償層の合計膜厚はさらに増やす方向への調整を行うことが望ましい。
【００６４】
各色チャンネルの基準波長に対応して第一，第二位相差補償層とも最適化した位相差補償素子６７Ｒ，６７Ｇ，６７Ｂを使用すれば、スクリーン７０上でのコントラスト比を１０００：１以上にすることが期待できる。しかも、無機材料のみで構成されているので耐熱性・耐光性の点で全く問題がなく、たとえば家庭用のリアプロジェクショテレビジョンのように長時間の使用が見込まれる製品にも効果的に利用することが可能である。
【００６５】
以上、図示の実施の形態に基づいて本発明について説明してきたが、直線偏光を生成するための偏光子、その偏光方向に応じて光遮断作用を得る検光子としては、偏光板のほかにワイヤグリッド偏光素子を用いることも可能である。また、第一位相差補償層には上述した多層蒸着膜によるものだけでなく、例えば短ピッチのコレステリック液晶から生成した重合体を用いることも可能である。すなわち、液晶分子のらせん構造のピッチが光波長の１０分の１〜５分の１程度であって、らせん軸が基板に垂直であるようなコレステリック液晶と同等の構造をもつ層は、負のＣ−ｐｌａｔｅとして作用することが知られている。そこで、基板の表面に液晶分子がその長軸を平行にするような配向処理を施しておき、重合性の分子構造のコレステリック液晶をその基板上に塗布して上述のコレステリック構造を形成した後に光重合などの処理を施してその構造のまま流動性をなくした膜にすれば、これを第一位相差補償層に適用することが可能となる。
【００６６】
さらに、第一位相差補償層に正のＣ−ｐｌａｔｅを適用することも可能で、この場合には、基板の表面に液晶分子がその長軸を垂直にするような配向処理を施して、重合性の分子構造の棒状液晶モノマーをその基板上に塗布し、モノドメイン配向膜を形成した後に光重合などの処理を施してその構造のまま流動性をなくした膜を作製すれば、この高分子膜を第一位相差補償層として用いることができる。
【００６７】
また、本発明の位相差補償素子を形成する基板としては、ガラス基板以外にも種々の透明な無機材料を用いることができ、特に液晶プロジェクタへの適用を考慮するなら熱伝導性の高いサファイヤ基板，水晶基板などを用いることができる。また、第一位相差補償層と第二位相差補償層とをそれぞれ個別の透明基板に形成したり、第一，第二位相差補償層を形成した透明基板を偏光板に貼り付けて一体化したり、さらにはこれらの透明基板として、光学系中に組み込まれているレンズ，プリズム，各種のフィルタ類，液晶素子の基板を併用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明を用いた位相差補償素子の機能確認用光学系の概念図である。
【図２】本発明の位相差補償素子の概略断面図である。
【図３】第一位相差補償層の層構成を示す概念図である。
【図４】第二位相差補償層の層構成を示す概念図である。
【図５】斜方蒸着膜の成膜に用いられる蒸着装置を示す概略図である。
【図６】斜方蒸着膜の方位角と極角とを示す説明図である。
【図７】斜方蒸着膜の光学軸ベクトルをｘｙ平面に正射影した射影ベクトルの説明図である。
【図８】本発明の位相差補償素子による光遮断特性を表す等輝度曲線図である。
【図９】比較例の位相差補償素子の光遮断特性を表す等輝度曲線図である。
【図１０】透過型のＴＮ液晶を用いた液晶表示装置に本発明の位相差補償素子を適用した概略図である。
【図１１】反射型ＴＮ液晶を用いた液晶表示装置に本発明の位相差補償素子を適用した概略図である。
【図１２】本発明を用いた三板式カラー液晶プロジェクタの概略図である。
【図１３】ＴＮ液晶のレターデーションの波長依存性を示す図表である。
【図１４】第一位相差補償層の波長依存性を示す図表である。
【図１５】ＴＮ液晶と第一位相差補償層のレターデーション特性を示すグラフである。
【図１６】改善された第一位相差補償層の波長依存性を示す図表である。
【図１７】改善された第一位相差補償層のレターデーション特性を示すグラフである。
【図１８】クロスニコル配置された一対の偏光板の光遮断特性を示す等輝度曲線図である。
【符号の説明】
【００６９】
２  位相差補償素子
３，４  偏光板
１０  ガラス基板
１２  第一位相差補償層
１４  第二位相差補償層
１５，１６  反射防止層
２２，２３  蒸着材料
２５  電子銃
３０  基板ホルダ
３１  膜厚監視モニタ
３２  エリプソメータ
５０Ｒ，５０Ｇ，５０Ｂ  液晶素子
５８Ｒ，５８Ｇ，５８Ｂ  ダイクロイックミラー
６５  投影レンズ
６７Ｒ，６７Ｇ，６７Ｂ  位相差補償素子
７０  スクリーン
【図１】
2006171328.tif 000004
【図２】
2006171328.tif 000005
【図３】
2006171328.tif 000006
【図４】
2006171328.tif 000007
【図５】
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【図６】
2006171328.tif 000009
【図７】
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【図８】
2006171328.tif 000011
【図９】
2006171328.tif 000012
【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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