(57)【要約】【課題】ＴＮ液晶の液晶分子がもつ複屈折作用によって表示画像のコントラストが視野角に依存して低下することを防ぐ。【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液晶層内で垂直配向をとる液晶分子に対して位相差補償を行い、第二位相差補償層は液晶層内でハイブリッド配向をとる液晶分子に対して位相差補償を行う。【選択図】        図２
2006171327.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＴＮ液晶セルと組み合わせて用いられ、前記ＴＮ液晶セル内の液晶層を通過する光線の複屈折に伴う位相差の角度依存性を補償する位相差補償素子において、
前記液晶層内で垂直配向した液晶分子による位相差を補償する第一位相差補償層と、前記液晶層内でハイブリッド配向した液晶分子による位相差を補償する第二位相差補償層とを有し、前記第一及び第二位相差補償層は無機材料で構成された複数の構造性複屈折体を積層した多層膜である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の少なくとも一方は、真空成膜法によって積層した多層膜であ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は、蒸着面に対する蒸着方向の方位角及び極角の少なくともいずれかが異なる複数の斜方蒸着膜を積層した多層膜であることを特徴とする請求項１または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は、三層以上の斜方蒸着膜からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか記載の位相差補償素子。
【請求項５】
前記斜方蒸着膜の各々の蒸着方向の方位角は、ＴＮ液晶セルの配向膜によって液晶分子に付与された配向方位角と異なるように設定され、
各々の斜方蒸着膜についてそのレターデーションの値と方位角及び極角とから斜方蒸着膜ごとに光学軸ベクトルを定め、これらの光学軸ベクトルを合成した合成ベクトルＡを蒸着面に正射影したときのｘｙ座標成分の値（Ａｘ，Ａｙ）が、
−２００ｎｍ≦Ａｘ≦２００ｎｍ
−５００ｎｍ≦Ａｙ≦０ｎｍ
を満たすことを特徴とする請求項１〜４のいずれか記載の位相差補償素子。
【請求項６】
前記第一位相差補償層のレターデーションの値ｄΔｎが、ＴＮ液晶セルの液晶層の厚みｄと複屈折との積（ｄΔｎ）LCに対し、
−２×（ｄΔｎ）LC≦ｄΔｎ≦−０．５×（ｄΔｎ）LC
であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか記載の位相差補償素子。
【請求項７】
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１〜６のいずれか記載の位相差補償素子。
【請求項８】
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１〜７のいずれか記載の位相差補償素子。
【請求項９】
表示するＴＮ液晶セルに、請求項１〜８のいずれか記載の位相差補償素子を組み合わせたことを特徴とする液晶表示装置。
【請求項１０】
投影画像を表示するＴＮ液晶セルに、請求項１〜８のいずれか記載の位相差補償素子を組み合わせたことを特徴とする液晶プロジェクタ。
【請求項１１】
三種類の成分色光ごとに投影画像を表示する三枚のＴＮ液晶セルを備え、各々のＴＮ液晶セルに組み合わされた三枚の位相差補償素子が、それぞれの成分色光の基準波長に応じてレターデーションが異なる少なくとも二種類の位相差補償素子で構成されていることを特徴とする請求項１０記載の液晶プロジェクタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ツイストネマティック液晶（以下、ＴＮ液晶）に表示された画像を観察するときに、視野角に依存して画像のコントラストが低下することを大幅に改善し得る位相差補償素子並びに、これを用いた液晶表示装置及び液晶プロジェクタに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
本発明に関する背景技術には以下のものがある。
【特許文献１】特開２００４−１０２２００号公報
【特許文献２】米国特許第５６３８１９７号明細書
【非特許文献１】森  裕行、他３名、「富士フイルムＷＶｆｉｌｍワイドビューＳＡの開発」FUJIFILM  RESEARCH ＆ DEVELOPMENT   No.46−2001  p51−55
【０００３】
液晶には様々な動作モードのものが知られているが、中でもＴＮ（Twisted Nematic）液晶は量産性に優れ、直視型のフラットパネルディスプレイや液晶プロジェクタの画像表示素子として幅広く用いられている。ＴＮ液晶は、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、液晶分子はその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。この配向状態で一方の基板側から直線偏光を入射させると、他方の基板へと向かう過程でその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。また、液晶層に電圧を印加すると、液晶分子のねじれ配向が消失して厚み方向の中央付近に分布している液晶分子がその長軸を垂直に起立させた配向状態となり、一方の基板側から直線偏光を入射させたときには直線偏光の偏光方向は変化せずに出射する。
【０００４】
このようなＴＮ液晶の光入射側と光出射側に、互いに偏光方向が直交するように一対の偏光板を配置（クロスニコル配置）しておくと、液晶層に電圧を印加しない状態では、一方の偏光板を通って液晶に入射した直線偏光は液晶分子の作用により偏光方向が９０°回転するため、他方の偏光板から出射して明状態となる（ノーマリホワイト）。そして、電圧を印加した状態では、液晶に入射した直線偏光はその偏光方向がそのまま保存されることから、他方の偏光板で遮られて暗状態となる。なお、一対の偏光板をその偏光方向が平行となるように配置（パラレルニコル配置）しておくと、電圧を印加しないときに暗状態（ノーマリブラック）、電圧を印加したときに明状態となり、このような形態でＴＮ液晶を用いることも可能であるが、コントラスト性能の点で優れるノーマリホワイト方式が広く実用化されている。
【０００５】
ところで、ＴＮ液晶は一般に視野角が狭いという欠点がある。その原因は液晶分子が複屈折性媒体としても作用することにある。ノーマリホワイトのＴＮ液晶を例にすると、液晶層に電圧を印加してそのねじれ配向を消失させてゆく過程では、旋光性と複屈折性とが混在し、電圧の印加レベルが高くなるにつれて複屈折性が支配的になってゆく。そして、液晶分子のねじれが消失して暗状態となったとき、垂直入射光に対しては液晶層が複屈折性を示すことはほとんどなくなるので直線偏光はそのまま透過するが、斜め入射光に対しては複屈折性を示し、直線偏光で入射した光は楕円偏光に変調されるようになる。こうして生じた楕円偏光は部分的に出射側の偏光板を透過し、暗状態の濃度を薄める結果となる。液晶層がもつこのような複屈折媒体としての性向は、明状態から暗状態への移行過程でも徐々に現れるため、中間調の表示状態下でもその表示画面を斜め方向から観察したときにはやはり変調度の角度依存性が避けられないものとなる。
【０００６】
ＴＮ液晶のもつこのような視野角特性は、直視型のフラットパネルディスプレイでは観察の方向によって黒色濃度や色味の変化として現れ、また液晶プロジェクタではスクリーンに投影された画像のコントラストを低下させる原因となり、いずれにしても表示画像の品質を著しく損なう。こうした欠点は、例えば特許文献１で知られるように、高屈折材料からなる薄膜と低屈折率材料からなる薄膜とを、光学膜厚が光の波長の１００分の以上５分の１以下の厚みで交互に積層した多層薄膜を併用することによって改善することができる。この多層薄膜は負のＣ−ｐｌａｔｅの性質を有し、暗状態表示のために垂直配向姿勢となった液晶分子に直線偏光が斜め入射して複屈折したとき、その入射角に応じて常光と異常光との位相差を補償する負の一軸性の複屈折体として作用する。これにより、楕円偏光は再び直線偏光に戻され、後段の偏光板から洩れ光が出射することを防ぐことができる。また、この位相差補償素子は無機材料で構成できることも特長のひとつで、耐熱性，耐光性に優れ、物理的，化学的にも安定しているから、直視型の液晶ディスプレイのみならず液晶プロジェクタにも効果的に用いることができる。
【０００７】
特許文献２には、ＴＮ液晶の視野角特性を改善する目的でＯ−ｐｌａｔｅが有効であることが記載されている。Ｏ−ｐｌａｔｅは複屈折を生じさせない主光軸が基準面（例えば液晶の基板面）に対して傾斜した複屈折体であり、このようなＯ−ｐｌａｔｅが無機材料を基板に対して斜めから蒸着すること（斜方蒸着）によって容易に作製できること、さらにはＣ−ｐｌａｔｅやＡ−ｐｌａｔｅと組み合わせて使用することについても特許文献２に開示されている。
【０００８】
非特許文献１で知られるWVフイルムは、ベースとなるＴＡＣフイルムにディスコティック化合物をハイブリッド配向させた状態で固定したもので、すでに実用化されている。暗状態表示を行ったとき、液晶層の厚み方向で分布している大部分の液晶分子は垂直配向姿勢となるが、基板に近接した領域では長軸が基板にほぼ平行な配向姿勢から徐々に起立したハイブリッド配向となっている。特許文献１の複屈折体はこの領域の液晶分子による複屈折に対しては位相差補償が不完全であるが、前述のようにWVフイルムではディスコティック化合物がハイブリッド配向しているので、この領域の液晶分子による複屈折作用に対しても効果的な位相差補償を行うことができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１記載の位相差補償素子は、前述のように、ＴＮ液晶をノーマリホワイトモード用いて暗状態表示を行ったとき、液晶層で垂直配向しているほとんどの液晶分子については斜め入射した光線に対しても良好な位相差補償を行うが、基板に近接した領域でハイブリッド配向している液晶分子に対しては位相差補償が不完全で、未だ改善の余地がある。また、特許文献２記載のＯ−ｐｌａｔｅは単層の斜方蒸着膜で構成されるが、単独あるいはＣ−ｐｌａｔｅなどと組み合わせて使用する際に、目的とする視野角特性を得るために斜方蒸着膜の構造をいかに最適化するかという検討が不十分で、未だ実用化の域に達していない。一方、非特許文献１記載のWVフイルムは、直視型の液晶ディスプレイなどでは効果的な位相差補償を行い得るものの、その素材が主として有機材料で構成されていることから、短波長光を含む強い光に長時間曝される液晶プロジェクタなどに用いて一万時間以上の耐久性をもたせるには解決すべき課題が少なくない。
【００１０】
これらの問題を解決するには、特許文献１記載の位相差補償素子にハイブリッド配向をもたせることができれば好都合であるが、ハイブリッド配向をもつ無機材料製の位相差補償素子はその製造が非常に難しく実用化は困難である。また、特許文献１記載の負のＣ−ｐｌａｔｅと特許文献２記載のＯ−ｐｌａｔｅとを組み合わせて用いることも有力であるが、現状ではその具体的な構成と実用的効果に関する知見がなく、製品化には至っていないのが実情である。
【００１１】
本発明は上記背景を考慮してなされたもので、特許文献１記載の位相差補償素子を改良し、ハイブリッド配向している領域の液晶分子に対しても効果的な位相差補償作用を行うことができ、また効率的な製造により製造コストも抑えることが可能な位相差補償素子を提供することを目的とし、またこの位相差補償素子を効果的に用いた液晶プロジェクタ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】
【００１２】
上記目的を達成するにあたり、本発明の位相差補償素子は、液晶層内で垂直配向した液晶分子による位相差の角度依存性を補償する第一位相差補償層と、ハイブリッド配向した液晶分子による位相差を補償する第二位相差補償層とを有し、これらの位相差補償層はそれぞれ無機材料からなる構造性複屈折体を積層した多層膜で構成される。そして、前記第一及び第二位相差補償層の少なくともいずれかを、真空成膜法によって積層した多層膜にすることができ、特に第二位相差補償層については、蒸着面に対する蒸着方向の方位角及び極角の少なくともいずれかが異なる複数の斜方蒸着層を積層した多層膜で構成することができ、さらにこの第二位相差補償層は斜方蒸着膜を三層以上積層して構成するのが好ましい。各々の斜方蒸着膜の蒸着方向は、その方位角と極角との双方が互いに異なっていなくてもよく、斜方蒸着膜ごとに蒸着方向の方位角と極角との組み合わせが異なっていればよい。なお、斜方蒸着膜の積層数は、全体の厚みや製造効率を考慮すれば十層以下に抑えることが望ましい。
【００１３】
各々の斜方蒸着膜の蒸着方向の方位角は、ＴＮ液晶セルの配向膜によって液晶分子に付与された配向方位角と異なるように設定される。そして、各々の斜方蒸着膜のもつレターデーションと方位角及び極角とから斜方蒸着膜ごとに光学軸ベクトルを定義し、これらの光学軸ベクトルを積層数分だけ合成した合成ベクトルＡを支持体となる透明基板やＴＮ液晶の基板と平行な蒸着面に正射影したときのｘｙ座標線分（Ａｘ，Ａｙ）が、
−２００ｎｍ≦Ａｘ≦２００ｎｍ
−５００ｎｍ≦Ａｙ≦０ｎｍ
の双方を満たすようにしている。
【００１４】
また、ＴＮ液晶の液晶層の厚みｄと複屈折との積（ｄΔｎ）LCに対し、第一位相差補償層のレターデーションｄ１Δｎ１の値が、
−２×（ｄΔｎ）LC≦ｄ１Δｎ１≦−０．５×（ｄΔｎ）LC
を満たすようにしておくことも効果的である。このような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は基準波長の１００分の１以上５分の１以下の範囲内で、通常の干渉薄膜と比較して充分に薄いものとなっている。さらに、この位相差補償素子の界面反射を抑える目的で、光入射面，光出射面の少なくとも一方に反射防止層を設けるとよい。
【００１５】
本発明の位相差補償素子は、ＴＮ液晶セルを用いた直視型の液晶ディスプレイなどのいわゆる液晶表示装置に適用することが可能で、特に液晶プロジェクタに好適である。成分色光ごとにＴＮ液晶を使用するいわゆる三板式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にあたっては、各々のＴＮ液晶に組み合わされる三枚の位相差補償素子が、これを成分色光の基準波長に応じてレターデーションを調節した少なくとも二種類の位相差補償素子で構成される。なお、液晶プロジェクタとしては、スクリーンの前面側から画像を投影するフロントプロジェクタ、あるいはスクリーンの背面から画像を投影するリアプロジェクタのいずれであってもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の位相差補償素子によれば、ハイブリッド配向している液晶分子の複屈折に伴う位相差補償を行う第二位相差補償層を、構造性複屈折体を積層した多層膜で構成することにより、良好な位相差補償作用を得ることが可能となる。そして、第一及び第二位相差補償層の少なくとも一方は真空成膜法による多層膜で効率的に製造することができ、特に第二位相差補償層については、蒸着面に対する蒸着方向の方位角及び極角の少なくともいずれかが異なる斜方蒸着膜を積層した多層膜で構成することにより、良好な位相差補償作用が得られ、ノーマリホワイトモードで用いられるＴＮ液晶と組み合わせたときには、斜め入射光に対しても暗状態表示下での光漏れを十分に抑えることができ、結果的に表示画像のコントラストを高くすることが可能となる。しかも、この第二位相差補償層は、第一位相差補償層とともに無機材料で構成されることから、耐熱性，耐光性に優れ、また物理的、化学的にも安定しているから、直視型液晶モニタなどの一般の液晶表示装置だけでなく、高輝度光源を使用する液晶プロジェクタにも適用できるという利点がある。また、第一位相差補償層も無機材料の蒸着膜で構成することができるから、第二位相差補償層と併せて一貫した工程内で効率的に製造することが可能である。また、位相差補償素子６はＴＮ液晶２と偏光板３との間に組み込んで同等の作用をさせることも可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の位相差補償素子を用いた液晶表示装置は、原理的に図１のように構成される。ＴＮ液晶２の光入射面側と光出射面側にそれぞれ偏光板３，４が配置され、これらの偏光板３，４は、ノーマリホワイトモードでの使用を考慮して偏光方向が互いに直交したクロスニコル配置となっている。偏光板３は照明光を直線偏光に変換する偏光子となり、偏光板４はＴＮ液晶２で変調された出射光のうち、偏光方向が合致した一部の光を出射させ、残りの光を遮断する検光子となる。
【００１８】
ＴＮ液晶２と偏光板４との間に本発明の位相差補償素子６が組み込まれる。ＴＮ液晶２の液晶分子は複屈折作用をもち、その配向姿勢や照明光の入射角に応じて直線偏光を様々な楕円偏光にして出射させ、本来、偏光板４で遮断すべき光線の一部が画像光に重畳されることがあるが、位相差補償素子６は液晶分子の複屈折作用によって生じた常光と異常光との間の位相差を補償して楕円偏光を本来の直線偏光に戻す作用を行う。なお、位相差補償素子６は無機材料を蒸着した薄膜で構成されるため、支持体としてガラス基板などの透明基板を含むが、ＴＮ液晶２の透明基板や偏光板４の透明基板を支持体として併用することも可能である。また、位相差補償素子６はＴＮ液晶２と偏光板３との間に組み込んで同等の作用をさせることも可能である。
【００１９】
位相差補償素子６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が層設され、最上層とガラス基板１０の裏面には反射防止層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などを用いることができる。なお、第１，第二位相差補償膜１２，１４及び反射防止膜１５，１６を蒸着膜で形成させる際は、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負のＣ−ｐｌａｔｅの性質を示し、一軸性の負の複屈折体として用いられる。なお、第一位相差補償層１２には負の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による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」で与えられるから、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・低二種類の異なる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、無機化合物からなるＯ−ｐｌａｔｅの作用をもつものを積層させたものであればよく、その製法としては、斜方蒸着法や、特開２００４−２１２４６８号公報の段落［００８３］〜［００８５］に記載されたようなフォトリソグラフィーによる製法、その他に棒状分子を配向させて形成させる製法などで行うことが考えられるが、量産や製造適性の観点から斜方蒸着で製造されることが好ましい。以降、斜方蒸着によって形成する態様を挙げて例示する。斜方蒸着によって形成する態様の場合、第一位相差補償層と第二位相差補償層を同じ真空成膜法で行うことができるため好ましい。
【００２６】
第二位相差補償層１４は、図４に示すように、三種類の斜方蒸着膜Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３を積層した構造となっている。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，第三層の斜方蒸着膜Ｓ２，Ｓ３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。
【００２７】
斜方蒸着膜Ｓ１〜Ｓ３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〜Ｍ３の集合体構造となっている。図示のように、斜方蒸着膜Ｓ１の柱状要素Ｍ１と、斜方蒸着膜Ｓ２の柱状要素Ｍ２、斜方蒸着膜Ｓ３の柱状要素Ｍ３の中には互いに平行なものはない。このような斜方蒸着膜Ｓ１〜Ｓ３は、単層でも構造性複屈折作用を示し正の複屈折をもつＯ−ｐｌａｔｅとして用いることができるが、本発明の第二位相差補償層１４は、このような斜方蒸着膜が多層で用いられることが特徴の一つとなっている。
【００２８】
斜方蒸着膜Ｓ１〜Ｓ３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。
【００２９】
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。
【００３０】
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を含む位相差の測定系は、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。
【００３１】
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レターデーション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。
【００３２】
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。
【００３３】
図８に、暗状態表示のためにＴＮ液晶２の基板３５，３６間に飽和電圧を印加したときの様子を概略的に示す。基板３５，３６の内側には液晶分子３８に９０°のねじれ配向を付与するために配向膜３５ａ，３６ａが設けられている。配向膜３５ａは液晶分子３８に紙面と平行な配向を与え、配向膜３６ａは紙面と垂直な向きに配向を与えており、偏光板３，４の偏光方向はそれぞれの配向方向に合わせてある。同図中では、飽和電圧の印加によりセルの厚み方向の中央付近に分布している液晶分子３８は垂直な配向姿勢となっているが、各々の基板近傍には液晶分子３８のチルト角が連続的に変化している領域がある。そして、位相差補償素子６の第一位相差補償層１２は、垂直配向姿勢となっている液晶分子３８の複屈折作用による位相差補償を行い、第二位相差補償層１４はチルト角が連続的に変化した領域、すなわちハイブリッド配向している液晶分子３８の複屈折作用による位相差補償を行う。
【００３４】
液晶分子３８の配向方向は、配向膜３５ａ，３６ａを作製する際のラビング処理の方向によって決まる。図７に模式的に示すように、配向膜３５ａ，３６ａには、それぞれ矢印３５ｂ，３６ｂで示す方向のラビング処理が施され、これにより液晶分子３８の配向方向が決まる。なお、図６及び図７のそれぞれのｘ軸，ｙ軸，ｚ軸の座標系は、空間内の同一方向で定義している。ここで、ｘ軸の方向は、配向膜３５ａのラビング方向３５ｂがｘ軸からδ＝４５°となる向きに設定され、これにより配向膜３６ａのラビング方向３６ｂはｘ軸から−４５°の方向に一致する。この配置のもとでＴＮ液晶２に電圧を印加して動作させたときには、液晶セルの厚み方向の中央付近に分布する液晶分子の長軸がｙ−ｚ平面内で、そのチルト角がｙ軸の正の方向からｚ軸の正の方向に起き上がる角度範囲内で動作する。
【００３５】
蒸着方向Ｐは斜方蒸着膜Ｓ１の光学軸とほぼ一致する。斜方蒸着膜Ｓ１は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Ｍ１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り、厳密には蒸着方向Ｐからわずかにずれた方向になる。
【００３６】
そこで、原点Ｏを基点として方位角αと極角βで規定される蒸着方向Ｐと、この斜方蒸着膜Ｓ１の複屈折と膜厚とから決まるレターデーション(ｄΔｎ)S1の値とから光学軸ベクトルＰ１を定義し、同様にして斜方蒸着層Ｓ２，Ｓ３に関しても光学軸ベクトルＰ２，Ｐ３が得られる。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。なお、上式の添字ｉは、斜方蒸着膜Ｓ１〜Ｓ３の番号を表す。そして、これらの光学軸ベクトルＰｉを合成した合成ベクトルＡを
Ａ＝ΣＰｉ
とすると、この合成ベクトルＡは、多層で構成された斜方蒸着膜を各層のレターデーション(ｄΔｎ)Siで重みづけした平均のベクトルに相当する。
【００３７】
斜方蒸着膜Ｓ１〜Ｓ３の三層膜からなる第二位相差補償層１４を作製するにあたっては、各斜方蒸着膜Ｓ１〜Ｓ３の光学軸ベクトルＰ１〜Ｐ３をどのように決めるか、そして光学軸ベクトルＰ１〜Ｐ３を得るためにそれぞれの斜方蒸着膜のレターデーション(ｄΔｎ)Siと、方位角αiと極角βiとをどのように選択するかによって、様々な組み合わせがある。本発明においては、この第二位相差補償層１４の最適化を図る上で、上記合成ベクトルＡを蒸着面Ｓ０に正射影したときのｘ，ｙ座標値（Ａｘ，Ａｙ）を評価基準としている。
【００３８】
すなわち、図６のｚ軸の正の方向からｘ−ｙ平面をみた図９において斜方蒸着膜Ｓ１〜Ｓ３の光学軸ベクトルＰ１〜Ｐ３を合成し、その合成ベクトルＡを蒸着面Ｓ０に正射影したとき、合成ベクトルＡのｘ成分とｙ成分との値（Ａｘ，Ａｙ）が、
−２００ｎｍ≦Ａｘ≦２００ｎｍ  かつ
−５００ｎｍ≦Ａｙ≦０ｎｍ                              ・・・・（条件式１）
を満足するように合成ベクトルＡが決められている。このＡｘ，Ａｙは、先の［００３３］で説明したｘｙｚ座標系と同一の座標系で定義され、液晶セルの厚み方向中央付近に分布する液晶分子の長軸の向きに対応して決められており、液晶分子のねじれの回転方向とは無関係である。なお、より好ましいＡｘ，Ａｙの範囲としては、
−１００ｎｍ≦Ａｘ≦１００ｎｍ  かつ
−３００ｎｍ≦Ａｙ≦−５０ｎｍ                          ・・・・（条件式２）
が挙げられる。Ａｘはゼロｎｍを挟む複数の値をとることが可能であり、好ましくは−２００ｎｍより大きく２００ｎｍより小さい値であり、より好ましくは実施例に示したような、−１００ｎｍより大きく１００ｎｍより小さい値である。また、Ａｙは負の値をとり、好ましくは−５００ｎｍより大きい負の値であり、より好ましくは実施例に示したような、−３００ｎｍ以上で−５０ｎｍ以下の値をとり得る。
【００３９】
ところでＴＮ液晶２は、暗状態表示のときに印加される飽和電圧によって垂直配向姿勢となる液晶分子３８の割合が変化する。前述した第一位相差補償層１２は垂直配向姿勢となった液晶分子３８の複屈折作用による光学異方性を補償する作用を行うので、第一位相差補償層１２のレターデーションは飽和電圧を印加したときに垂直配向姿勢をとる液晶分子の割合が大きいときには大きな値に決められる。これに相当するレターデーションは、ＴＮ液晶セルのレターデーションの略５０％〜９０％の範囲にある。
【００４０】
本発明において、第一位相差補償層１２のレターデーションを決定するにあたって、もう一つの要因を考慮する必要がある。それは、第二位相差補償層１４を設けることによって生じるｚ軸方向の正の位相差成分のうち、過剰な位相差補償分を打ち消すことである。斜方蒸着層Ｓ１〜Ｓ３はＴＮ液晶２の基板近傍の液晶分子による位相差の角度依存性を補償するものであるが、基板と略平行とみなせる角度範囲で傾斜している液晶分子による位相差を補償するためには、理論上、光学軸が基板と略平行となる斜方蒸着膜、換言すれば、柱状要素の成長方向が基板と略平行となるように極角βが９０°に近い斜方蒸着膜が必要になる。ところがこのような斜方蒸着膜の製造は現実的には極めて困難である。
【００４１】
このため、基板近傍の長軸が略平行な液晶分子に対する位相差補償は、本来要求される極角よりも小さい極角のもとで斜方蒸着を行い、しかも膜厚を大きくした斜方蒸着膜で対応せざるを得なくなるが、その結果、基板に垂直な方向では過剰な位相差補償が行われることが避けられない。そこで、第一位相差補償層１２にはこの過剰な位相差補償を緩和する作用も必要で、第一位相差補償層１２のレターデーションの量は、過剰な正の位相差補償成分を相殺し得る負の位相差を生じさせるように決められる。その量の下限は「０」であるが、上限は過剰になった正の位相差の量に依存するので必ずしも明確な値になるわけではなく、現実的には成膜のしやすさやコストなどの条件によって膜厚が制限される。
【００４２】
以上のことから、第一位相差補償層１２がもつ負のレターデーション（ｄ１Δｎ１）の値をＴＮ液晶がもつ正のレターデーション（ｄΔｎ）LCの値との関係で表すと、その値は概ね次の範囲にしておくことが好ましい。
−２×（ｄΔｎ）LC≦（ｄ１Δｎ１）≦−０．５×（ｄΔｎ）LC  ・・・・（条件式２）
【００４３】
なお、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。
【００４４】
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。これらの実施例は、波長５５０ｎｍでの複屈折（Δｎ）が「０．１２４」、セル厚（液晶層の厚み）が「４５００ｎｍ」で、レターデーション（ｄΔｎ）LCの値が「５５８ｎｍ」であるＴＮ液晶に好適な第一，第二位相差補償層の構造的な最適値を等コントラスト曲線に基づいて評価するためのものである。等コントラスト曲線は、液晶で明状態表示と暗状態表示とを行ったとき、視野角を変えながらその輝度比をコントラスト比として測定し、等コントラスト比となる視野角を結んだもので、上記ＴＮ液晶自体の等コントラスト曲線は図１０に示すとおりである。コントラストが視野角に依存して大きく変化していることがわかる。なお、以下の実施例では第一位相差補償層，第二位相差補償層とも基準波長を５５０ｎｍに設定して成膜を行った。
【実施例１】
【００４５】
ガラス基板としてコーニング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。
【００４６】
反射防止膜を形成した後、ガラス基板を真空層内で表裏反転させ、第一位相差補償層の成膜を行った。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を交互に積層した多層膜で構成され、そのレターデーション（ｄ１Δｎ１）は負の値となる。したがって、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「−６００ｎｍ」となる第一位相差補償層をガラス基板の裏面に成膜した。
【００４７】
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。すなわち、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。
【００４８】
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、ＴＮ液晶がもつレターデーション（ｄΔｎ）LCの値に近づけることが可能となる。
【００４９】
このようにして第一位相差補償層まで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の最上層として二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−１３７°、極角βを４５°とし、レターデーション(ｄΔｎ)S1の値は「１５０ｎｍ」に設定した。また、二層目の斜方蒸着膜Ｓ２の方位角αは−４５°、極角βは３３°、レターデーション(ｄΔｎ)S2は「１８０ｎｍ」である。エリプソメータ３２及び膜厚監視モニタ３１からの測定データを監視しながら、第二位相差補償層を成膜してから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を成膜した。
【００５０】
第二位相差補償層を構成する斜方蒸着膜Ｓ１，Ｓ２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。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。こうして得た実施例１について、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は次の表１のとおりである。
【００５１】
【表１】
2006171327.tif 000003
【００５２】
実施例１の位相差補償素子をＴＮ液晶に適用したところ、その等コントラスト曲線は図１１に示すとおりである。図１０に示すＴＮ液晶のみの等コントラスト曲線と比較して視野角特性が改善されていることが明らかである。
【００５３】
また、斜方蒸着膜Ｓ１の光学軸ベクトルＰ１を蒸着面に正射影したときのｘｙ座標成分値は（８３，−８３）、斜方蒸着膜Ｓ２の光学軸ベクトルＰ２は（−１１０，−１０２）となるから、これらの光学軸ベクトルＰ１，Ｐ２を合成した合成ベクトルＡのｘｙ成分は（−２７，−１８３）となり条件式１を満たす。また、第一位相差補償層のレターデーション（ｄ１Δｎ１）の値は「−６００ｎｍ」であるから、ＴＮ液晶のレターデーション「５５８ｎｍ」としたときの条件式２の下限値「−１１１８ｎｍ」及び上限値「−２７９ｎｍ」の範囲内に収まり、条件式２も満たされている。
【実施例２】
【００５４】
同様にして実施例２のサンプルを作製した。ＴＮ液晶及び反射防止膜の構成は全く共通で、実施例１とは第一位相差補償層と第二位相差補償層の膜構成が異なるだけで、これらの位相差補償層の層構成及びこれらのパラメータは次の表２のとおりである。実施例２では第二位相差補償層を三層構成とし、各層の方位角αを同じ方向に回転させている。したがって各層の光学軸ベクトルＰ１〜Ｐ３は、図９に示すように、蒸着面に対して順次に反時計方向に回転したらせん状になっている。
【００５５】
【表２】
2006171327.tif 000004
【００５６】
上記実施例２の等コントラスト曲線は図１２に示すとおりである。高いコントラストを示す領域が実施例１よりも拡がり、しかも視野角への依存性も低くなっていることがわかる。斜方蒸着膜Ｓ１〜Ｓ３の光学軸ベクトルＰ１〜Ｐ４を合成した合成ベクトルＡのｘ，ｙ成分は（−１８，−１９６）となり、第一位相差補償層のレターデーションは「−３７０ｎｍ」であるから、条件式１，条件式２は共に満たされている。
【実施例３】
【００５７】
実施例３は第一位相差補償層のレターデーションを「−４４０ｎｍ」とし、第二位相差補償層を実施例２と同様に三層に構成したもので、各層のパラメータは表３のとおりである。ただし、実施例２では各層の方位角αを一方向に回転させ光学軸ベクトルＰ１〜Ｐ３がらせん状になっていたのに対し、この実施例３では三層目の方位角αを逆向きに回転させている。
【００５８】
【表３】
2006171327.tif 000005
【００５９】
実施例３の等コントラスト曲線は図１３のとおりで、視野角特性は良好に保たれていることがわかる。斜方蒸着膜Ｓ１〜Ｓ３の光学軸ベクトルＰ１〜Ｐ３を合成した合成ベクトルＡのｘ，ｙ成分は（−２，−２２３）、第一位相差補償層のレターデーションは「−４４０ｎｍ」であり、条件式１，条件式２は共に満たされている。なお、第二位相差補償層を構成する三層の光学軸ベクトルをらせん状に回転させてはいないが、図１２と図１３の等コントラスト曲線を比較してわかるように、特性曲線に形の変化は認められるものの、視野角特性にはあまり影響がないことがわかる。
【実施例４】
【００６０】
実施例４は第一位相差補償層のレターデーションを「−５００ｎｍ」とし、第二位相差補償層をさらに増やして四層構成したもので、各層のパラメータは表４のとおりである。第二位相差補償層を構成する各層の斜方蒸着膜Ｓ１〜Ｓ４は、方位角αが一方向に回転するように決められ、したがって各層の光学軸ベクトルＰ１〜Ｐ４が蒸着面に対して反時計回りのらせん状になっている。
【００６１】
【表４】
2006171327.tif 000006
【００６２】
実施例４の等コントラスト曲線は図１４のとおりで、視野角特性は良好に改善されている。斜方蒸着膜Ｓ１〜Ｓ４の光学軸ベクトルＰ１〜Ｐ４を合成した合成ベクトルＡのｘ，ｙ成分は（３２，−７７）、第一位相差補償層のレターデーションは「−５００ｎｍ」であり、条件式１，条件式２は共に満たされている。
【実施例５】
【００６３】
実施例５は第一位相差補償層のレターデーションを「−４７０ｎｍ」とし、第二位相差補償層は四層構成であるが、実施例４と異なり各層の方位角αを逆向きに回転させている。したがって、各層の光学軸ベクトルＰ１〜Ｐ４は逆らせん状になる。各層のパラメータは表５のとおりである。
【００６４】
【表５】
2006171327.tif 000007
【００６５】
実施例５の等コントラスト曲線は図１５のとおりで、やはり良好な視野角特性を得ることができる。斜方蒸着膜Ｓ１〜Ｓ４の光学軸ベクトルＰ１〜Ｐ４を合成した合成ベクトルＡのｘ，ｙ成分は（８，−１９１）、第一位相差補償層のレターデーションは「−４７０ｎｍ」で、条件式１，条件式２は共に満たされている。なお、先の実施例４との比較により、第二位相差補償層を構成する各層の光学軸ベクトルのらせん方向はどちらでも適用できることがわかる。ただし、光学軸ベクトルのらせん方向が視野角特性に全く影響をもたないという意味ではなく、らせん方向が変わるだけでも、各層の方位角α，極角β，各層のレターデーション及び第一位相差補償層のレターデーションの組み合わせの最適値が変化することが確かめられている。
【実施例６】
【００６６】
実施例６は第一位相差補償層のレターデーションを「−３５０ｎｍ」とし、第二位相差補償層を五層構成にした例である。各層の光学軸ベクトルＰ１〜Ｐ５はらせん状になるように積層され、各層のパラメータは表６のとおりである。
【００６７】
【表６】
2006171327.tif 000008
【００６８】
実施例６の等コントラスト曲線は図１６のとおりで良好な視野角特性が得られる。斜方蒸着膜Ｓ１〜Ｓ５の光学軸ベクトルＰ１〜Ｐ５を合成した合成ベクトルＡのｘ，ｙ成分は（６，−２３９）、第一位相差補償層のレターデーションは「−３５０ｎｍ」であり、条件式１，条件式２は共に満たされている。
【００６９】
以上の各実施例からわかるように、第一位相差補償層のレターデーションと、第二位相差補償層の層構成との組み合わせにより、ＴＮ液晶がもつ視野角依存性を効果的に補償することができる。特に、第二位相差補償層の層構成は第一位相差補償層のレターデーションの値にも影響され、最適な視野角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、これまでの検証過程によれば、少なくとも条件式１及び条件式２を満たすことが必須であると考えられる。
【００７０】
また、第一位相差補償層に付与するレターデーションの値は、基本的に液晶分子がもつ正の複屈折と液晶層の厚みに応じて選定する必要があるが、ＴＮ液晶の種類によっては電圧を印加したときに垂直配向をとる液晶分子の割合が必ずしも一定ではない。したがって、その割合を考慮して第一位相差補償層のレターデーションの値を決めるべきであり、さらには第二位相差補償層による正の複屈折をも想定して調整すべきである。
【００７１】
さらに、すでに述べたように、本発明の位相差補償素子はＴＮ液晶の光出射面側のみならず光入射面側に配置して用いることも可能であり、第一位相差補償層と第二位相差補償層とを個別のガラス基板に形成して分離して用いることも可能である。また、ＴＮ液晶の光入射面側及び光出射面側に配置される一対の偏光板のベース基板の少なくとも一方を、第一位相差補償層及び／あるいは第二位相差補償層のベースに利用することも好ましい実施形態のひとつである。
【００７２】
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。
【００７３】
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１７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。
【００７４】
図１７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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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が設けられ、また光出射面側には本発明の位相差補償素子６７Ｒ，６７Ｇ，６７Ｂと、偏光板６８Ｒ，６８Ｇ，６８Ｂとが設けられている。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する。
【００７８】
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１８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。
【００７９】
図１９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２０に示すように、短波長側では最適な位相差補償から乖離していることがわかる。
【００８０】
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２１にその一例を示す。
【００８１】
図２１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。
【００８２】
この結果、図２２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。
【００８３】
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２２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。
【００８４】
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。なお、このような調整を行ったとしても、各色チャンネルの第一位相差補償層がもつ負のレターデーションは、その色チャンネルの基準波長でのそれぞれの薄膜材料の複屈折を用いれば条件式２を満たすものとなる。
【００８５】
上記位相差補償素子６７Ｒ，６７Ｇ，６７Ｂは、液晶素子５０Ｒ，５０Ｇ，５０Ｂの光入射面側に配置することも可能である。また、液晶素子の光入射面側には、開口効率を高める目的で画素ごとに微小なマイクロレンズを対応させたマイクロレンズアレイを併用することが少なくない。マイクロレンズアレイを併用した液晶素子では、一般にマイクロレンズアレイに様々な入射角度で入射する照明光線の角度分布範囲よりも、液晶層に入射するときの角度分布範囲が広くなるから、効果的な位相差補償作用のためには位相差補償素子６７Ｒ，６７Ｇ，６７Ｂを液晶素子５０Ｒ，５０Ｇ，５０Ｂの光出射面側に配置するのが有利である。
【００８６】
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。
【００８７】
以上、本発明の位相差補償素子及び液晶プロジェクタについて説明してきたが、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、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】
【００８８】
【図１】本発明を用いた液晶表示装置の概念図である。
【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示す説明図である。
【図８】ＴＮ液晶の層構造を示す説明図である。
【図９】合成ベクトルの説明図である。
【図１０】ＴＮ液晶の等コントラスト曲線図である。
【図１１】本発明の実施例１を用いたときの等コントラスト曲線図である。
【図１２】本発明の実施例２を用いたときの等コントラスト曲線図である。
【図１３】本発明の実施例３を用いたときの等コントラスト曲線図である。
【図１４】本発明の実施例４を用いたときの等コントラスト曲線図である。
【図１５】本発明の実施例５を用いたときの等コントラスト曲線図である。
【図１６】本発明の実施例６を用いたときの等コントラスト曲線図である。
【図１７】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１８】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１９】第一位相差補償層の波長依存性を示す図表である。
【図２０】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２１】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２２】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。
【符号の説明】
【００８９】
２  ＴＮ液晶
３，４  偏光板
６  位相差補償素子
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
３５，３６  基板（液晶）
３５ａ，３６ａ  配向膜
３８  液晶分子
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】
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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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