(57)【要約】  【課題】  ハイブリッド配向しているＴＮ液晶分子に対しても効果的な位相差補償作用を呈する位相差補償素子を低コストで得る。  【解決手段】  ＴＮ液晶層を通過する光線の複屈折に伴う位相差を補償する位相差補償素子であって、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12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13、14と、これらの位相差補償層を担持した透明基板11とからなる位相差補償素子10において、第二位相差補償層13および14を、基板11の相対向する２面に無機材料を斜め蒸着してなる斜方蒸着膜から構成し、これらの第二位相差補償層13および14の間で、蒸着面に対する蒸着方向の方位角および極角の少なくとも一方を互いに異なるものとしておく。【選択図】          図１
2006119444.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＴＮ液晶と組み合わせて用いられ、液晶層を通過する光線の複屈折に伴う位相差を補償する位相差補償素子において、
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、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、これらの位相差補償層を担持した透明基板とからなり、
前記第二位相差補償層が、前記基板の相対向する２面に無機材料を斜め蒸着してなる斜方蒸着膜から構成され、
該２面に形成された第二位相差補償層の間で、蒸着面に対する蒸着方向の方位角および極角の少なくとも一方が互いに異なることを特徴とする位相差補償素子。
【請求項２】
前記第一位相差補償層が、無機材料から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】
前記第一および第二位相差補償層を担持した透明基板が、２枚以上重ねられてな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を構成する各斜方蒸着膜の方位角が、ＴＮ液晶の配向膜によって液晶分子に付与された配向方位角と一致しないように設定され、
前記各斜方蒸着膜についてそのレターデーションの値、並びに方位角および極角から斜方蒸着膜毎に光学軸ベクトルを定め、これらの光学軸ベクトルの合成ベクトルを蒸着面に正射影したときのｘｙ座標成分（Ａｘ，Ａｙ）が、
−100ｎｍ≦Ａｘ≦100ｎｍ
−200ｎｍ≦Ａｙ≦−50ｎｍ
の範囲にあることを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載の位相差補償素子。
【請求項５】
前記第一位相差補償層のレターデーションの値ｄΔｎが、ＴＮ液晶の液晶層の厚みｄとレターデーションとの積（ｄΔｎ）ＬＣに対し、
−２×（ｄΔｎ）ＬＣ≦ｄΔｎ≦−0.5×（ｄΔｎ）ＬＣ
の関係を満足していることを特徴とする請求項４記載の位相差補償素子。
【請求項６】
前記第一位相差補償層が、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、それらの蒸着膜の各々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から５いずれか１項記載の位相差補償素子。
【請求項７】
光入射側と光出射側の少なくとも一方の面に反射防止層が設けられていることを特徴とする請求項１から６いずれか１項記載の位相差補償素子。
【請求項８】
投影画像を表示するＴＮ液晶表示素子に、請求項１から７いずれか１項記載の位相差補償素子が組み合わされてなる液晶装置。
【請求項９】
三種類の成分色光毎に投影画像を表示する三枚のＴＮ液晶表示素子を備え、各々のＴＮ液晶表示素子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８記載の液晶装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ツイステッド・ネマティック液晶（以下、ＴＮ液晶という）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改善するための位相差補償素子および、それを用いた液晶プロジェクタ等の液晶装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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平行となるように保たれ、かつ厚み方向に亘って長軸の向きが少しずつ傾けられ、全体で90°ねじれる配向状態にされている。
【０００３】
この配向状態下で一方の基板側から直線偏光を入射させると、その光は、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そのほとんどが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ると、その光は、直線偏光方向が変化しない状態で出射する。
【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。
【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、印加電圧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、暗状態の程度を低くする結果となる。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が変わる現象を招き、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。
【０００７】
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１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。
【０００８】
また特許文献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に開示がなされている。
【０００９】
また、非特許文献１に記載されているＷＶフイルム、ＷＶ−ＳＡフイルム（共に登録商標）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、液晶分子の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、ＷＶ−ＳＡ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に対しても効果的な位相差補償を行うことができる。
【００１０】
他方特許文献３，４には、無機材料からなる位相差補償素子を作製する方法の一つとして、基板に無機材料を斜め蒸着して斜方蒸着膜を形成し、それを位相差補償層とする方法が開示されている。
【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
【特許文献３】特開平８−１２２５２３号公報
【特許文献４】特開平１０−８１９５５号公報
【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
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献１に記載された位相差補償素子は、前述したように、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。
【００１２】
また、特許文献に記載された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、ＷＶ−ＳＡフイルム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、耐久性の点で問題があり、紫外線を含む強い光に長時間曝されていると褪色が生じやすい。特に液晶プロジェクタに用いる場合には、スクリーンに画像投影を行うために光源の輝度も高く、過熱の度合いも大きくなることから、実用的には2000〜3000時間程度で徐々に褐色に変化するという難点がある。
【００１３】
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。
【００１４】
また特許文献３，４に開示された無機材料からなる位相差補償素子に関しては、ＴＮ液晶と組み合わせた場合の実用的効果についての知見が無く、よってＴＮ液晶の位相差補償に適用することは困難である。さらに、特許文献３，４では斜方蒸着膜を積層する方法が開示されているが、そうすることによって位相差補償素子の表面性が悪化したり、設計通りの光学性能が出ない等の問題が認められるので、この方法は実用的ではない。
【００１５】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、ハイブリッド配向しているＴＮ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できる位相差補償素子を提供することを目的とする。
【００１６】
また本発明は、このような位相差補償素子を効果的に用いた液晶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】
本発明による位相差補償素子は、
ＴＮ液晶と組み合わせて用いられ、液晶層を通過する光線の複屈折に伴う位相差を補償する位相差補償素子において、
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、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、これらの位相差補償層を担持した透明基板とからなり、
前記第二位相差補償層が、前記基板の相対向する２面に無機材料を斜め蒸着してなる斜方蒸着膜から構成され、
該２面に形成された第二位相差補償層の間で、蒸着面に対する蒸着方向の方位角および極角の少なくとも一方が互いに異なることを特徴とするものである。
【００１８】
なお上記第一位相差補償層も、第二位相差補償層と同様に無機材料から構成されることが望ましい。
【００１９】
また本発明による位相差補償素子は、上述のように第一および第二位相差補償層を担持した透明基板を２枚以上重ねて構成されることがより望ましい。
【００２０】
また本発明による位相差補償素子においては、第二位相差補償層を構成する各斜方蒸着膜の方位角が、ＴＮ液晶の配向膜によって液晶分子に付与された配向方位角と一致しないように設定され、
前記各斜方蒸着膜についてそのレターデーションの値、並びに方位角および極角から斜方蒸着膜毎に光学軸ベクトルを定め、これらの光学軸ベクトルの合成ベクトルを蒸着面に正射影したときのｘｙ座標成分（Ａｘ，Ａｙ）が、
−100ｎｍ≦Ａｘ≦100ｎｍ
−200ｎｍ≦Ａｙ≦−50ｎｍ
の範囲にあることが望ましい。
【００２１】
またｘｙ座標成分（Ａｘ，Ａｙ）が上述の範囲にある場合は、第一位相差補償層のレターデーションの値ｄΔｎが、ＴＮ液晶の液晶層の厚みｄとレターデーションとの積（ｄΔｎ）ＬＣに対し、
−２×（ｄΔｎ）ＬＣ≦ｄΔｎ≦−0.5×（ｄΔｎ）ＬＣ
の関係を満足していることがより好ましい。
【００２２】
また上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、それらの蒸着膜の各々の光学膜厚が基準波長の100分の１以上５分の１以下とされていることが望ましい。
【００２３】
また、本発明による位相差補償素子においては、光入射側と光出射側の少なくとも一方の面に反射防止層が設けられていることが望ましい。
【００２４】
他方、本発明による液晶装置は、投影画像を表示するＴＮ液晶表示素子に、上述した通りの本発明による位相差補償素子が組み合わされてなることを特徴とするものである。なお、この位相差補償素子を組み合わせる液晶装置として具体的には、液晶プロジェクタや、直視型の液晶ディスプレイ等が挙げられる。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。
【００２５】
上記構成を有する本発明による液晶装置は、三種類の成分色光毎に画像を表示する三枚のＴＮ液晶表示素子を備え、各々のＴＮ液晶表示素子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が望ましい。
【発明の効果】
【００２６】
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、蒸着面に対する蒸着方向の方位角および極角の少なくともいずれかが互いに異なる斜方蒸着膜から構成したことにより、良好な位相差補償作用が得られるようになる。そこで、例えば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洩れを抑えることができ、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。
【００２７】
しかもこの第二位相差補償層は、無機材料で構成されているために耐熱性，耐光性に優れ、また物理的、化学的にも安定しているから、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となる。
【００２８】
さらに本発明の位相差補償素子によれば、斜方蒸着膜からなる２つの第二位相差補償層が、基板の相対向する２面に蒸着して形成されているので、この種の斜方蒸着膜を基板の１面に多層積層する場合に起こりやすい問題、すなわち、斜方蒸着膜を重ねる毎に、それとは蒸着方向の方位角あるいは極角が違う下地の斜方蒸着膜の凹凸状態が反映されて膜に白濁が生じ光学性能が劣化するという問題、あるいはそのような白濁が生じないにしても位相差補償層の再現性が損なわれるという問題の発生を防止可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００３０】
＜第１実施形態＞
図１は本発明の第１実施形態による位相差補償素子10の概略側断面形状を示すものであり、図２はこの位相差補償素子10の基本的な使用形態を示すものである。まず位相差補償素子10について、図１を参照して詳しく説明する。図示の通りこの位相差補償素子10は、例えばガラス等からなる透明基板11と、この透明基板11の一表面つまり図中の上表面に形成された第一位相差補償層12と、この第一位相差補償層12の上に形成された第二位相差補償層13と、透明基板11の他表面つまり図中の下表面に形成された別の第二位相差補償層14と、上記第二位相差補償層13の上に形成された反射防止層15と、第二位相差補償層14の上に形成された反射防止層16とから構成されている。
【００３１】
上記位相差補償素子10は、基本的に図２に示すような系に適用される。この系は、例えば液晶プロジェクタにおいて投影光となる光Ｌが入射する位置に配される透過型のＴＮ液晶表示素子５と、該ＴＮ液晶表示素子５の光入射面側、光出射面側にそれぞれ配置された偏光板１および２とから構成され、位相差補償素子10は、ＴＮ液晶表示素子５と偏光板２との間に配置される。本例において偏光板１および２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されている。偏光板１は照明光を直線偏光に変換する偏光子として作用し、偏光板２はＴＮ液晶表示パネル５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、残りの光は遮断する検光子として作用する。
【００３２】
ＴＮ液晶表示素子５の液晶分子は複屈折作用を有し、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るので、本来、偏光板２で遮断すべき光線の一部が画像光に含まれることがある。位相差補償素子10は、このような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果たす。なお、位相差補償素子10において第一位相差補償層12等を支持する透明基板11に代えて、ＴＮ液晶表示素子５やあるいは偏光板２の透明基板を支持体として併用することも可能である。
【００３３】
次に図１に戻って、位相差補償素子10の詳しい構成について説明する。
【００３４】
（第一位相差補償層12の形成）
第一位相差補償層12は、透明基板11に互いに屈折率が異なる二種類の蒸着膜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つまり透明基板11の表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λ（例えば450ｎｍ）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程度の値が適切であり、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。こうして形成される多層膜は負の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。
【００３５】
この第一位相差補償層12の設計手順は次の通りである。第一位相差補償層12の複屈折率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、複屈折率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率Δｎ１の値が大きくなるような膜厚比を求め、その複屈折率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。
【００３６】
この第一位相差補償層12の複屈折作用による負の位相差は、上記したように合計膜厚ｄ１と複屈折率Δｎ１との積によって与えられる。本実施形態では、一例としてコーニング社製１７３７ガラスからなるサイズ50×50ｍｍの透明基板11に、物理的膜厚30ｎｍのＴｉＯ2 層と、物理的膜厚20ｎｍのＳｉＯ2 層とを、合計厚みが５μｍとなるように交互に50層ずつ合計100層積層して第一位相差補償層12を構成した。こうして得られた第一位相差補償層12は、分光エリプソメータ等による測定の結果、負の複屈折体であること、そして光学異方性を発現させない光学軸が透明基板11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。またこの第一位相差補償層12の、波長450ｎｍでのレターデーションｄ１Δｎ１を測定したところ、−600ｎｍであった。
【００３７】
上述のような二種類の蒸着膜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材料として利用可能である。なお、（  ）内の値は屈折率の概略値である。ＣｅＯ2 （2.45），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。
【００３８】
この第一位相差補償層12を形成するために、互いに屈折率が異なる二種類の蒸着膜を交互に成膜する上では、透明基板11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種類の蒸着膜を交互に積層させたり、あるいは透明基板11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２種類の蒸着膜を交互に積層させる等の手法を適用することができる。こうする場合は、多層薄膜を形成する際に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。
【００３９】
（第二位相差補償層13、14の形成）
他方、図１に示す第二位相差補償層13、14は第一位相差補償層12を構成する蒸着膜と異なり、蒸着面（第一位相差補償層12あるいは透明基板11の表面）に対して蒸着材料を斜め蒸着して形成され、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の集合体構造となっている。そして第二位相差補償層13、14を構成する各柱状要素は、互いに非平行とされている。このような斜方蒸着膜は、単層でも構造性複屈折作用を示し正の複屈折率をもつＯ-plateとして用いることができるが、本発明においてはこのような斜方蒸着膜が２層で用いられることが特徴の一つとなっている。
【００４０】
なおこの実施形態において、第二位相差補償層13は第一位相差補償層12の上に積層されているが、それらを入れ替えて、第二位相差補償層13を透明基板11の上に形成し、その上に第一位相差補償層12を積層してもよい。
【００４１】
第二位相差補償層13、14を構成する斜方蒸着膜は、例えば図３に示す蒸着装置を用いて形成することができる。この図３の装置においては、真空槽24の底板となるベースプレート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から射出された電子ビーム27を蒸着材料22に照射し、この蒸着材料22を蒸散させて真空蒸着を行う。
【００４２】
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である。基本的に、第二位相差補償層13は一種類の蒸着材料を用いて成膜されるが、このような材料ホルダ21を用いることにより、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。
【００４３】
また、材料ホルダ21の上方には、斜め配置された基板ホルダ30が設けられ、第一位相差補償層12が形成された後の透明基板11がそこに保持される。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、したがって透明基板11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。
【００４４】
ここで、上記線分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。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として表す。
【００４５】
図４は、上記方位角αおよび極角βを説明するものである。ここに示すように、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度であるが、方位角αはｘ軸を基準に方向性を持つ。なおｘ軸の方向は、便宜上ＴＮ液晶の配向膜によって液晶分子に付与されている配向方向と一致させている。
【００４６】
図３に戻って、同図中の符号31は水晶式の膜厚監視モニタを表している。この膜厚監視モニタ31は、測定面上で蒸着膜の膜厚を監視し、基板ホルダ30で保持された透明基板11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、透明基板11に斜方蒸着膜の成膜を行いながら相対的に複屈折率Δｎ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を含む複屈折率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。
【００４７】
そして、斜方蒸着膜の成膜を一層分終えるごとに、図示外のマスクプレートの位置を変えて新たな測定面、モニタ基板面を露呈させることによって、一層ごとに膜厚、複屈折率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複屈折率Δｎと膜厚との積で表されるから、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できる。
【００４８】
以上の処理により、複屈折率と膜厚とを監視しながら、斜方蒸着膜からなる第二位相差補償層13を第一位相差補償層12の上に形成することができる。本実施形態において蒸着材料としては、ＺｒＯ2  に10重量％のＴｉＯ2  を混合したものが用いられる。そして、真空槽24内を圧力１×10-4Ｐａとなるまで真空排気し、その後該真空槽24内が圧力１×10-2Ｐａになるまで酸素ガスを導入し、その状態下で、透明基板11のセット角80°、方位角−137°にて、ｄΔｎ＝150ｎｍになるまで成膜を行った。この場合、得られた斜方蒸着膜の光軸方向は、極角βで45°であった。
【００４９】
こうして第二位相差補償層13を形成した後、基板ホルダ30から透明基板11が取り外され、該透明基板11は面を裏返して再度基板ホルダ30にセットされる。そして上記と同様の処理を行うことにより、第二位相差補償層13が形成された表面と反対側の透明基板11の表面に、第二位相差補償層14が形成される。この第二位相差補償層14は、蒸着材料は第二位相差補償層13のものと同じとし、透明基板11のセット角65°、方位角−45°にて、ｄΔｎ＝180ｎｍになるまで成膜することによって形成される。この場合、得られた斜方蒸着膜の光軸方向は、極角βで33°であった。
【００５０】
なお、第二位相差補償層13および14の蒸着材料としては、第一位相差補償層12と同様、本実施形態におけるものに限らず、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。
【００５１】
（反射防止層15、16の形成）
反射防止層15および16は、それぞれ表面反射を防ぐためのもので、例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から形成される。本実施形態では、図３の真空槽24内を圧力１×10−４Ｐａになるまで排気し、第一位相差補償層12および第二位相差補償層13、14を形成した後の透明基板11を基板ホルダ30にセットし、まず第二位相差補償層13の上に正面蒸着により反射防止層15を形成する。この場合、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２の順で、光学薄膜厚がそれぞれ基準波長λに対してそれぞれλ／４、λ／２、λ／４となるように蒸着し、３層構造の反射防止層15を形成する。なお基準波長λは、420ｎｍに設定した。
【００５２】
次に、透明基板11を裏返して基板ホルダ30にセットし、上記と同様の処理を行うことにより、第二位相差補償層14の上に、反射防止層15と同じ構造の反射防止層16を形成する。なお、これらの反射防止層15や16、並びに既述の第一位相差補償層12および第二位相差補償層13、14は、抵抗加熱や電子ビーム加熱による真空蒸着法の他、スパッタリング成膜法等で形成することも可能である。
【００５３】
以上により、本実施形態の位相差補償素子10が完成する。この位相差補償素子10の光学定数をまとめると、以下の通りである。
【表１】
2006119444.tif 000003
【００５４】
本実施形態の位相差補償素子10は、この表１からも明らかな通り、２つの第二位相差補償層13、14の間で、方位角αもまた極角βも互いに相違している。この位相差補償素子10は白濁等も無く、その表面性は良好である。そしてこの位相差補償素子10の散乱特性をＪＩＳ Ｋ７１３６が定めるヘーズによって評価したところ、極めて小さい0.8％であり、表面性が良好であることが裏付けられた。
【００５５】
また、この位相差補償素子10を用いて図２に示す系を構成し、その視野角を評価したところ、コントラスト比500:１以上が得られる角度範囲は上下方向で±７°、左右方向で±18°であった。それに対して、図２に示す系からこの位相差補償素子10を除いたものにおいては、コントラスト比500:１以上が得られる角度範囲は上下方向で±５°、左右方向で±30°であった。一般に液晶プロジェクタにおいては、コントラスト比500:１以上が得られる角度範囲を上下方向、左右方向とも±15°確保することが望まれている。本実施形態の位相差補償素子10ではこの角度範囲が左右方向で±15°以上あり、また上下方向でも±５°から±７°に改善されており、位相差補償素子として十分に機能している。
【００５６】
＜比較例＞
上述した第１実施形態の位相差補償素子10では、第二位相差補償層14が、第二位相差補償層13が形成された基板表面とは別の基板表面に形成されているが、この第二位相差補償層14を第二位相差補償層13の上に形成してその上に反射防止層15を形成し、また上記別の基板表面には反射防止層16を形成し、それ以外の点は第１実施形態の位相差補償素子10と同様とした比較例の位相差補償素子を作製した。
【００５７】
この比較例の位相差補償素子について、その散乱特性を上記ヘーズによって評価したところ９％であり、また第二位相差補償層13の上の第二位相差補償層14には、前記第１実施形態の位相差補償素子10では認められない比較的大きな凹凸が認められた。またこの比較例の位相差補償素子は、第１実施形態の位相差補償素子10と比べると光学特性も悪く、プロジェクタ用の位相差補償素子としては不適なものであった。
【００５８】
＜第２実施形態＞
次に図５を参照して、本発明の第２の実施形態について説明する。この図５は、本発明の第２の実施形態による位相差補償素子40の概略側断面形状を示している。図示の通りこの位相差補償素子40は、それぞれ両表面に位相差補償層が形成された２つの透明基板41、44からなるものである。すなわち、一つの透明基板41の一表面、他表面にはそれぞれ第二位相差補償層42、43が形成され、また別の透明基板44の一表面には第二位相差補償層46が、他表面には第一位相差補償層45が形成され、そしてこの第一位相差補償層45の上には別の第二位相差補償層47が形成されている。
【００５９】
上記第一位相差補償層45は第１実施形態の第一位相差補償層12と同様にして、また第二位相差補償層42、43、46、47は第１実施形態の第二位相差補償層13、14と同様にして形成されるものである。なお同図では省略してあるが、第二位相差補償層42、43、46、47の上にはそれぞれ、第１実施形態における反射防止層15および16と同様の反射防止層が適宜形成されることが望ましい。
【００６０】
本実施形態の位相差補償素子40の光学定数をまとめると、以下の通りである。
【表２】
2006119444.tif 000004
【００６１】
本実施形態の位相差補償素子40は、この表２からも明らかな通り、透明基板41側においては、２つの第二位相差補償層42、43の間で、方位角αが互いに相違している。また別の透明基板44側では、２つの第二位相差補償層46、47の間で、方位角αおよび極角βが互いに相違している。この位相差補償素子40は白濁等も無く、表面性は良好である。そしてこの位相差補償素子40の散乱特性を前述のヘーズによって評価したところ、この場合も１％以下であり、表面性が良好であることが裏付けられた。
【００６２】
またこの位相差補償素子40を、図２に示した位相差補償素子10に代えて使用し、その場合の視野角を評価したところ、コントラスト比500:１以上が得られる角度範囲は上下方向で±26°、左右方向で±30°であった。一般に液晶プロジェクタにおいては、コントラスト比500:１以上が得られる角度範囲を上下方向、左右方向とも±15°確保することが望まれるが、本実施形態の位相差補償素子40はそのような要求を十分満足するものとなっている。
【００６３】
＜光学特性＞
以下、本発明の位相差補償素子の光学特性について、第１実施形態の位相差補償素子10を例に取ってさらに詳しく説明する。図６には、図２に示した系において、ＴＮ液晶表示素子５の基板間に、暗状態表示のために飽和電圧を印加したときの様子を概略的に示す。ここで、ＴＮ液晶表示素子５の基板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１，２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ほとんどの液晶分子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10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を補償し、第二位相差補償層13、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を補償する。
【００６４】
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。ここで、配向膜35ａのラビングの方向、すなわち配向膜35ａによって液晶分子38に付与された配向方向をｘ軸と平行に合わせ、第二位相差補償層13、14の斜方蒸着膜の蒸着面Ｓ０を併せて図示すると、蒸着方向Ｐの方位角αは、液晶分子38に付与された配向方向からの反時計方向への角度となる。なお、上側の配向膜36ａの配向方向を基準にしても実質的には全く同様である。
【００６５】
蒸着方向Ｐは第二位相差補償層13の斜方蒸着膜の複屈折作用が現れない光学軸と一致している。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、この斜方蒸着膜の複屈折率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、同様にして第二位相差補償層14の斜方蒸着層に関しても光学軸ベクトルＰ２を得ることができる。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×sinβｉ，
(ｄΔｎ)Ｓｉ×sinαｉ×sinβｉ，(ｄΔｎ)Ｓｉ×cosβｉ）
と表すことができる。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光学軸ベクトルに相当する。
【００６６】
第二位相差補償層13、14を作製するにあたっては、各斜方蒸着膜の光学軸ベクトルＰ１、Ｐ２をどのように決めるか、そして光学軸ベクトルＰ１、Ｐ２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、これらの第二位相差補償層13、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）を評価基準とする。
【００６７】
すなわち、図８に示すように第二位相差補償層13、14の各斜方蒸着膜の光学軸ベクトルＰ１、Ｐ２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成分の値（Ａｘ，Ａｙ）が、
−100ｎｍ≦Ａｘ≦100ｎｍ  かつ
−200ｎｍ≦Ａｙ≦−50ｎｍ・・・・（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。
【００６８】
ところでＴＮ液晶表示素子５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ので、該第一位相差補償層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。さらに、第二位相差補償層13、14は液晶分子38と同様に正の複屈折率を有している。したがって、暗状態表示のときには液晶分子38だけでなく、第二位相差補償層13、14も正のレターデーションを生じさせる要因となるから、第一位相差補償層12が持つ負のレターデーションを決める上では第二位相差補償層13、14の厚みも考慮しておく必要がある。
【００６９】
以上のことから、第一位相差補償層12が持つ負のレターデーション（ｄ１Δｎ１）の値を、ＴＮ液晶が持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。
【００７０】
−２×（ｄΔｎ）ＬＣ≦ｄΔｎ≦−0.5×（ｄΔｎ）ＬＣ  ・・・・（条件式２）
また、第一位相差補償層12については、さらに以下のことが言える。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、負の複屈折率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。それに対して、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。
【００７１】
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。
【００７２】
上式からわかるように、第一位相差補償層12を構成する２つの蒸着層の各屈折率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率Δｎ１を決めることができ、さらに２つの蒸着層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12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。
【００７３】
なお、これまでの説明では第二位相差補償層13、14を構成する斜方蒸着膜の方位角αを、便宜上、ＴＮ液晶の配向膜のラビング処理の方向を基準にした角度として表しているが、ＴＮ液晶に垂直に入射する光軸を中心とする回転方向に関し、第二位相差補償層13、14による位相差補償作用は回転対称であるから、方位角αの基準は任意であってよい。ただし、いずれの斜方蒸着層の方位角αも配向膜のラビング処理の方向に一致させないことが必要である。
【００７４】
また、第一位相差補償層12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持つ正の複屈折率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12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13、14による正の複屈折率をも想定して調整すべきである。
【００７５】
さらに、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る。
【００７６】
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出て来るので、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。
【００７７】
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９に、本発明による位相差補償素子を適用した三板式カラー液晶プロジェクタの構成を概略的に示す。
【００７８】
この図９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、紫外線およ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沿って、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インテグレータ54に入射する。
【００７９】
また、インテグレータ54の出射面側にはリレーレンズ55が配設され、ガラスロッド54からの白色光は、このリレーレンズ55および後段のコリメートレンズ56により平行光化されてミラー57に入射する。ミラー57で反射した白色光は、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で反射し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で反射し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。
【００８０】
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，50Ｂ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り、それにより、合成プリズム64で合成されたフルカラー画像がスクリーン70に結像投影される。
【００８１】
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。
【００８２】
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１０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、複屈折率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。
【００８３】
さらに図１１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層積層してなる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１２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。
【００８４】
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、負の複屈折率Δｎ１は二種類の蒸着膜の屈折率と膜厚比で決まること、そしてこの複屈折率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、本例では、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１３にその一例を示す。
【００８５】
この図１３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膜との二種類としている。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としている。
【００８６】
この結果、図１４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、例えばスクリーン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。
【００８７】
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１４から分かるように、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。
【００８８】
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条件式２を満たすものとするのが望ましい。
【００８９】
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。
【００９０】
また、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。さらに、位相差補償素子67Ｒ，67Ｇ，67Ｂとして、無機材料のみで構成されたものを使用すれば、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。
【００９１】
以上、本発明の位相差補償素子および液晶プロジェクタについて説明したが、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。また本発明の液晶装置は液晶プロジェクタに限らず、その他、直視型の液晶ディスプレイ等として構成されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】本発明の第１実施形態による位相差補償素子の概略側断面図
【図２】本発明の位相差補償素子を用いる系の一例を示す概略図
【図３】斜方蒸着膜の成膜に用いられる蒸着装置の一例を示す概略図
【図４】斜方蒸着膜の方位角と極角とを示す説明図
【図５】本発明の第２実施形態による位相差補償素子の概略側断面図
【図６】本発明の位相差補償素子の作用を説明する説明図
【図７】斜方蒸着膜の光学軸ベクトルを示す説明図
【図８】合成ベクトルの説明図
【図９】本発明による三板式カラー液晶プロジェクタを示す概略図
【図１０】ＴＮ液晶のレターデーションの波長依存性を示す図表
【図１１】第一位相差補償層の波長依存性を示す図表
【図１２】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
【図１３】改善された第一位相差補償層の波長依存性を示す図表
【図１４】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
【符号の説明】
【００９３】
10、40    位相差補償素子
11、41、44    透明基板
12、45    第一位相差補償層
13、14、42、43、46、47    第二位相差補償層
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
【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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