(57)【要約】【課題】液晶プロジェクタでスクリーンに画像を投影したとき、投影画像のコントラストが低下することを防止する。【解決手段】ミラー１９で反射された赤色の照明光は、偏光板２６Ｒによって直線偏光となって透過型の液晶素子１１Ｒの背面側に照射される。液晶素子１１Ｒを通過する間に、照明光には楕円偏光も含まれるようになり、液晶素子１１Ｒの出射面から出射する。無機材料による構造性複屈折体からなる位相差補償板２７Ｒが液晶素子１１Ｒから出射する光の位相を調整し、楕円偏光は直線偏光に変調されて偏光板２８Ｒに入射する。偏光板２８Ｒは振動面が適合した直線偏光を通過させ、合成プリズム２４に入射させる。緑色チャンネル，青色チャンネルでも同様に位相差補償が行われ、各色光を合成した画像が投影レンズ２５によりスクリーン３に投影される。【選択図】　　　　図２
2004102200.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からの照明光を液晶素子に照射し、液晶素子で変調された画像光を投影光学系によりスクリーン上に結像させる液晶プロジェクタにおいて、偏光子と検光子との間で、前記液晶素子の照明光の入射面側または出射面側の少なくともいずれかに、無機材料で作成された構造性複屈折体を配置したことを特徴とする液晶プロジェクタ。
【請求項２】
前記構造性複屈折体が、高屈折率材料からなる薄膜と低屈折率材料からなる薄膜とを交互に積層した多層薄膜で構成されていることを特徴とする請求項１記載の液晶プロジェクタ。
【請求項３】
それぞれの薄膜が光の波長の１００分の１以上５分の１以下の光学膜厚であることを特徴とする請求項２記載の液晶プロジェクタ。
【請求項４】
前記構造性複屈折体が、照明光軸または投影光軸と直交する面内で一次元または二次元に屈折率が異なる部分からなる複屈折板であることを特徴とする請求項１記載の液晶プロジェクタ。
【請求項５】
一次元または二次元に異なった屈折率を与えるために規則的に配列された物理的構造が、照明光軸または投影光軸に対して傾斜していることを特徴とする請求項３記載の液晶プロジェクタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶素子に表示された画像をスクリーンに投影する液晶プロジェクタに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】
米国特許第５６３８１９７号明細書
【特許文献２】
特開２００２−１４３４５号公報
【特許文献３】
特開２００２−３１７８２号公報
【特許文献４】
特開２００２−１３１７５０号公報
【非特許文献１】
Ｅｂｌｅｎ　Ｊ　Ｐ　他５名．　「Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｔ　Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒｓ　ｆｏｒ　Ｎｏｒｍａｌｌｙ　Ｗｈｉｔｅ　ＴＮ−ＬＣＤｓ」．　ＳＩＤ　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ　Ｄｉｇｅｓｔ．　ＳＯＣＩＥＴＹ　ＦＯＲ　ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ　ＤＩＳＰＬＡＹ．　１９９４．　ｐ．２４５−２４８
【０００３】
液晶プロジェクタは、液晶素子によって光変調された光をスクリーンに投影して画像表示を行うもので、スクリーンの前面側から画像を投影するフロント方式とスクリーンの背面側から画像を投影するリア方式とがある。また、使用する液晶素子が透過型のものであるか反射型のものであるかによって照明の仕方が異なるが、いずれにせよ投影する画像を液晶素子に表示し、これに照明を与えて投影レンズでスクリーン上に画像を結像させる構成となっている。
【０００４】
液晶プロジェクタの液晶素子には種々の動作モードのものを用いることが可能であるが、多用されているＴＮ（Ｔｗｉｓｔｅｄ　Ｎｅｍａｔｉｃ）液晶について説明する。ＴＮ液晶は、２枚の基板間で液晶層を構成している液晶分子が、その長軸が基板と平行となるように保たれ、かつ厚み方向では長軸が少しずつ傾けられ全体で９０°ねじられる配向状態となっており、一対の偏光板（一方が偏光子、他方が検光子となる）で挟むようにして用いられる。そして、液晶素子をノーマリーホワイト，ノーマリーブラックのいずれで使用するかに応じて、一対の偏光板はクロスニコル配置あるいはパラレルニコル配置のいずれかが選択される。
【０００５】
ところで、ＴＮ液晶に限らず、一般に液晶素子には視野角が狭いという欠点がある。ノーマリーホワイトのＴＮ液晶を例にすると、液晶層に電圧を印加していない状態では、液晶層は偏光板を通ってきた直線偏光を液晶分子のねじれ配列にしたがって偏波面を９０°回転させる旋光性を示す。そして、液晶層を通過してきた直線偏光はクロスニコル配置された他方の偏光板を通って出射し、ホワイト状態となる。液晶層に電圧を印加すると液晶分子のねじれが消失し、入射した直線偏光はそのままの偏波面で出射することになるため、他方の偏光板がその通過を阻止してブラック状態となる。
【０００６】
ところが、液晶は複屈折媒体としても作用する。前述したＴＮ液晶の場合、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ブラック状態となったとき、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、ブラック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、ホワイト状態からブラック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。このような変調度の角度依存性はＴＮ液晶に限らず、大なり小なり全ての液晶素子に見られる現象である。
【０００７】
液晶素子のもつ上記欠点を改善するために、液晶素子に表示された画像を直接観察する直視型の液晶表示装置では位相差補償素子を併用することが知られている。この目的で使用される位相差補償素子としては、富士写真フイルム（株）製の「Ｆｕｊｉ　ＷＶ　Ｆｉｌｍ　　ワイドビューＡ」（商品名／以下、ＷＶフイルム）がすでに実用化され、また上記非特許文献１には、薄膜を積層した構造性複屈折体を位相差補償素子として用いることにより、視野角を大きくしてもＴＮ液晶の表示画像のコントラストを低下させないことが紹介されている。さらに特許文献１には、基板に対して斜め方向から多層薄膜を蒸着した位相差補償素子を用い、その光学異方性により液晶ディスプレイの視野角を広げることが記載されている。
【０００８】
これらの位相差補償素子は直視型の液晶素子に適用されるものであるが、直視型の液晶素子は、明視距離以上離れた位置から表示画面にほぼ正対して画像観察されるのが通常の使用形態であることが多い。そして、仮に表示画面の周辺部でコントラストが低下して観察されたときには、眼の位置を少しずらしてやればその部分の画像もほぼ正常に観察することができる。また、多人数が同時に観察する用途のものは表示画面と観察者との間の距離が大きくなるため、正常に観察できる範囲は限られるものの、表示画像のコントラストが部分的に異なるということは起こりにくい。
【０００９】
これに対し、液晶プロジェクタでは液晶素子によって変調された画像光が投影レンズでスクリーンに投影され、それがスクリーン上で拡散した画像光となって観察対象となる。したがって黒レベルを表示したいときに、液晶層に斜めに入射して液晶分子を斜めに通過する光が含まれることが原因となって、投影画像そのもののコントラストが低下してしまうと、例えどのような位置から観察したとしてもコントラストの低下は全く改善されることがない。投影画像のコントラストをできるだけ高めるには、液晶素子から大きな角度で出射する光束を使わずに投影画像が得られるようにすればよいが、そのためには投影レンズのバックフォーカスを長くする必要があり、小型化が求められる液晶プロジェクタではコンパクト化を図るうえで不利になる。このような難点を原理的に解決するには、液晶プロジェクタに用いる液晶素子についても、やはり直視型液晶パネルでいう視野角の拡大技術を利用することが効果的で、結果的に投影画像のコントラストを向上させることができるようになる。
【００１０】
こうした背景から、コントラスト向上の目的で液晶プロジェクタ用の液晶素子についても、直視型液晶素子と同様に位相差補償素子を組み合わせて使用することが特許文献２，特許文献３に記載されている。特許文献２に記載された液晶プロジェクタでは、ＴＮ液晶用の位相差補償素子として、前述したＷＶフイルムのように有機材料で構成されたものが用いられている。また、特許文献３には、位相差補償素子として単結晶サファイアや水晶などの一軸性の複屈折性結晶を用いることが記載されている。また、特許文献４には、光学位相補償板としてディスコティック液晶を用いたものが記載されている。これらの位相差補償素子は、いずれも光の入射角に依存した光学異方性を発現する複屈折体として作用し、液晶素子から大きな出射角で出射する光束によって画像のコントラストが低下することを防いでいる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、一般に有機材料からなる位相差補償素子は、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直視型の液晶モニタなどと比較して光源の輝度も高くなり、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傾向にある。したがって、例えば家庭用プロジェクションテレビジョンなどのように長時間にわたって使用される用途では耐久性の点で問題があり実用化は難しい面がある。一方、単結晶サファイヤや水晶などの複屈折体を用いた位相差補償素子は、耐久性では問題はないものの、サファイヤや水晶などの結晶自体が高価であり、また結晶の切り出し面や厚みを高精度に管理しなくてはならず、しかも光学系中に組み込むときの調整も面倒であり、一般普及型の液晶プロジェクタに適用することはコスト面での不利が大きい。
【００１２】
本発明は上記背景を考慮してなされたもので、家庭用テレビジョンのような長時間の使用に対しても耐久性に優れ、しかも製造コストの負担も少ない位相差補償素子を用いることによって、スクリーンに投影される画像自体のコントラストが向上するようにした液晶プロジェクタを提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するにあたり、画像表示手段として液晶プロジェクタに組み込まれる液晶素子の入射面側あるいは出射面側、または両側で、偏光子と検光子との間に配置され、液晶素子を角度をもって通過する偏光光の位相を制御する位相差補償素子として、無機材料で作成された構造性複屈折体を用いることを特徴とする。本発明のこの特徴は、液晶のモードや構造性複屈折体の形式によらず一般性及び進歩性を有するものである。構造性複屈折体は、ガラスなどの透明な支持体上に形成された物理的な微細構造によって光学異方性を示すものを意味し、「光学　第２７巻第１号（１９９８）ｐ．１２−１７　」にそのいくつかの例が記載されている。特に本発明では、　光学異方性を得るための物理的構造が無機材料で形成される。
【００１４】
本発明に効果的に用いることができる構造性複屈折体としては、屈折率が異なる少なくとも２種の無機材料による薄膜を交互に積層した多層薄膜で構成することができる。特に、それぞれの光学膜厚が１００分の１以上５分の１以下となるように交互に積層した多層薄膜で構成することが好ましい。また、液晶素子の照明光軸または投影光軸と直交する面内で、無機材料によって形成された、一次元または二次元に屈折率が異なる正の複屈折板を用いることも可能であり、このような複屈折板は基板の表面に物理的に微細な凹凸パターンを形成することによって得られ、また無機材料を斜め方向から真空成膜することによっても得ることができる。さらに、光路中において、その物理的構造を照明光軸，投影光軸に対して傾斜させて配置することも有効である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１にリア方式の液晶プロジェクタの外観を示す。筐体２の前面に拡散透過型のスクリーン３が設けられ、その背面に投影された画像が前面側から観察される。筐体２の内部には投影ユニット５が組み込まれ、その投影画像はミラー６，７で反射されスクリーン３の背面に結像される。この液晶プロジェクタは、筐体２の内部にチューナー回路などのほか、ビデオ信号及び音声信号再生用の周知の回路ユニットを組み込み、投影ユニット５に画像表示手段として組み込まれた液晶素子にビデオ信号の再生画像を表示することによって、大画面のテレビジョンとして使用することができる。
【００１６】
図２に投影ユニット５の構成を概略的に示す。この投影ユニット５には透過型の三枚の液晶素子１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂが組み込まれ、フルカラーで画像投影を行うことができる。光源１２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１３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１４に入射する。ガラスロッド１４の光入射面は、光源１２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１２からの光は効率的にガラスロッド１４に入射する。
【００１７】
ガラスロッド１４の出射面に対峙してリレーレンズ１５が配設され、ガラスロッド１４からの白色光は、リレーレンズ１５及び後段のコリメートレンズ１６により平行光となってミラー１７に入射する。ミラー１７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１８Ｒで２光束に分けられ、透過した赤色光はミラー１９で反射して液晶素子１１Ｒを背面から照明する。また、ダイクロイックミラー１８Ｒ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１８Ｇでさらに２光束に分割される。ダイクロイックミラー１８Ｇで反射された緑色光は液晶素子１１Ｇを背面側から照明する。ダイクロイックミラー１８Ｇを透過した青色光は、ミラー１８Ｂ，２０で反射され、液晶素子１１Ｂを背面から照明する。
【００１８】
各々の液晶素子１１Ｒ，１１Ｇ，１１ＢはそれぞれＴＮ液晶で構成され、その各々には、フルカラー画像を構成する赤色画像，緑色画像，青色画像の濃度パターン画像が表示される。これらの液晶素子１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂ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２４が配置され、合成プリズム２４の出射面に対面して投影レンズ２５が設けられている。合成プリズム２４は、その内部に２面のダイクロイック面２４ａ，２４ｂを有し、液晶素子１１Ｒを透過してきた赤色光、液晶素子１１Ｇを透過してきた緑色光、液晶素子１１Ｂを透過してきた青色光を合成して投影レンズ２５に入射させる。
【００１９】
各液晶素子１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂの出射面の中心から、合成プリズム２４及び投影レンズ２５の中心を通り、スクリーン３の中心に至る投影光軸上に投影レンズ２５が設けられている。投影レンズ２５は、その物体側焦点面が液晶素子１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂの出射面に一致し、像面側焦点面がスクリーン３に一致するようにしてあるから、合成プリズム２４で合成されたフルカラー画像はスクリーン３に結像されることになる。なお、図１に示すミラー６，７については、図面の煩雑化を避けるために省略した。
【００２０】
液晶素子１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂの照明光の入射面側には、それぞれ偏光板２６Ｒ，２６Ｇ，２６Ｂが設けられている。また、各液晶素子の出射面側には、位相差補償板２７Ｒ，２７Ｇ，２７Ｂと、偏光板２８Ｒ，２８Ｇ，２８Ｂとが設けられている。入射面側の偏光板２６Ｒ，２６Ｇ，２６Ｂと出射面側の偏光板２８Ｒ，２８Ｇ，２８Ｂはクロスニコル配置となっており、入射面側の偏光板は偏光子、出射面側の偏光板は検光子として作用する。なお、それぞれの色チャンネルごとに設けられた液晶素子、その両側にそれぞれ設けられた偏光板及び位相差補償板の作用は、それぞれの色光に基づく相違はあるものの、基本的な作用は実質的に共通であるので、以下、赤色チャンネルを代表させて説明する。
【００２１】
ミラー１９で反射された赤色照明光は、入射面側の偏光板２６Ｒで直線偏光となって液晶素子１１Ｒに入射する。ノーマリホワイトモードの場合、液晶素子１１Ｒに用いられているＴＮ液晶は、赤色画像の黒を表示するために画素に信号電圧が印加される。このとき、液晶層に含まれる液晶分子は様々な配向姿勢をとるようになり、赤色照明光が平行光束となって液晶素子１１Ｒに入射しても、液晶層が呈する旋光性と複屈折性により、液晶素子１１Ｒの出射面から出射する光は完全な直線偏光とはならず、一般に楕円偏光の画像光が出射するようになり、充分な黒が得られない。また、ノーマリーブラックモードの場合でも、液晶分子のわずかな傾きによって黒レベルが充分に黒くはならない。
【００２２】
黒表示させたい状態において、液晶層を通過した画像光の直線偏光性が保存されていれば、他方の偏光板２８Ｒによっで遮断され、充分弱い強度となって合成プリズム２４に入射する。しかし、液晶分子を斜めに通過する光が含まれている場合には、液晶層によって変調された画像光は、直線偏光とはわずかに光学的な位相が相違した楕円偏光となって位相差補償板２７Ｒに入射する。このとき、位相差補償板２７Ｒは楕円偏光成分の画像光に対してその光学的な位相差を補償する作用を示す。これにより、楕円偏光の画像光が直線偏光の画像光となって偏光板２８Ｒに入射するようになるから、偏光板２８Ｒにより遮断され充分に弱い強度となって合成プリズム２４に入射するようになり、本来の画像のコントラストが向上する。
【００２３】
このような機能をもつ位相差補償板２７Ｒとして、この液晶プロジェクタでは無機材料で作成された構造性複屈折体が用いられる。図３に示す構造性複屈折体３０は、透明なガラス基板３１に互いに屈折率が異なる誘電体の薄膜Ｌ１，Ｌ２を交互に積層した多層膜で構成されている。各層の光学膜厚（物理的膜厚と屈折率との積）は光の波長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が適切である。この方法で、容易に負のｃ−ｐｌａｔｅの作成が可能となり、一軸性の負の複屈折板として薄膜の形成面が投影光軸に垂直となるように配置して用いられる。
【００２４】
高屈折率の薄膜層の材料としてはＴｉＯ２　（ｎ＝２．２〜２．４），ＺｒＯ２　（ｎ＝２．２０）など、低屈折率材料としては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る。さらに、例えば以下に挙げる種々の材料を、本発明の複屈折層を構成する高屈折率、低屈折率の薄膜層に利用することができる。なお、（　）内に示す数値は屈折率の概略値を表す。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。
【００２５】
また、積層された薄膜Ｌ１，Ｌ２の相互間で光の干渉現象が生じることを避ける必要があるため各々の光学膜厚は薄い方がよいが、必要な合計膜厚を得るのに成膜回数が増えてくるので、現実的な膜厚構成の設計にあたっては、所望の複屈折率作用を考慮して各層の屈折率，膜厚比，合計膜厚を決め、着色については薄膜干渉を充分に考慮し、さらに成膜後に内部応力に起因するクラックの発生などの不具合が生じないように材料の選定に留意する必要がある。
【００２６】
なお、多層薄膜で構成された複屈折層を製造するには、真空蒸着法やスパッタ成膜法を効果的に用いることができる。高屈折率薄膜層と低屈折率薄膜層との２種類の薄膜層を交互に成膜してゆくには、成膜対象となる基板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種類の薄膜層を交互に積層させたり、あるいは基板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種類の薄膜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、製造効率を高めることができる。
【００２７】
このような多層薄膜による複屈折層の設計手順は次のとおりである。複屈折層の複屈折率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種類の薄膜の光学膜厚の比で決定され、それぞれの屈折率に差があるほど大きい値が得られる。また、位相差は複屈折率Δｎと複屈折層の物理的な合計膜厚ｄとの積「ｄΔｎ」で与えられる。したがって、所望の位相差を得るためには、それらの材料から得られる複屈折率Δｎの値が大きくなるような膜厚比を求め、その複屈折率Δｎから必要な複屈折層の物理的な合計膜厚ｄが決定される。各薄膜の物理的膜厚と層数との積が合計膜厚ｄになることと、物理的膜厚が段落［００２３］に記載した光学膜厚の範囲にあることを条件として、製造適性を考慮しつつ層数を選択すればよい。
【００２８】
なお、屈折率が異なる誘電体薄膜を積層した多層薄膜により固有の光学的作用を得るものとして、ダイクロイックミラー、偏光ビームスプリッター、色合成プリズム、反射防止膜などが知られているが、これらの多層薄膜を構成する個々の薄膜層は、いずれもその光学膜厚がλ／４の整数倍となるように設計され、光の干渉現象を利用して所期の目的を達成するものである。この点、上述した複屈折層は、個々の薄膜層の光学膜厚がλ／４よりも薄いことや、２種類の薄膜の光学膜厚の比によって固有の複屈折率Δｎが決められることなどから、光の干渉現象とは全く異なる作用原理に基づくものであることがわかる。
【００２９】
この構造性複屈折体３０による光学的な位相差は、上記のように合計膜厚ｄと複屈折率Δｎとの積によって与えられる。ガラス基板に物理的膜厚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、そして光学的な異方性を発現させない光学軸が基板の法線と一致していることが確認され、負のｃ−ｐｌａｔｅとして機能することが判った。
【００３０】
ＴｉＯ２　層，ＳｉＯ２　層の屈折率をそれぞれ２．３５，１．４７と仮定して理論式から求めた複屈折率による位相差は２１８ｎｍであり、誤差範囲内で実測値と一致した。また、このサンプルの分光透過特性は図４に示すとおりで、ほぼ無色であると言える。なお、透過率にリップルが見られるが、これはガラス基板からの反射光と最上層の薄膜表面からの反射光との干渉の影響によるものと考えられる。これについては、ガラス基板の表裏や最上層の薄膜表面に反射防止膜を設けることによって改善することができた。
【００３１】
このサンプルを図２に示す液晶プロジェクタに用いたところ、サンプルを用いないときと比較して、最も明るい部分と最も暗い部分とのコントラストが２００：１から４００：１に向上した。また、５０００時間の使用に対しても褪色などの劣化は認められなかった。なお、全く同じ薄膜材料を用い、それぞれ物理的膜厚１５ｎｍで２０層ずつ合計４０層まで積層した別のサンプルでは、複屈折による位相差が１０２ｎｍと測定され、理論計算値である１０７ｎｍとほぼ一致することが確認された。そして、このサンプルを後述する反射型の液晶素子を用いたプロジェクタに組み込んだところ、コントラストが１５０：１から３００：１に改善されることが確かめられている。
【００３２】
前述のように、本発明の構造性複屈折体は、透過型液晶素子を用いた投影ユニット５だけでなく、反射型液晶素子を用いたものにも適用が可能である。反射型液晶素子を用いた投影ユニットの一例を図５に示す。光源１２からの放射光は、フィルタ１３を透過することにより紫外線及び赤外線がカットされた白色光となり、集光光学系３５を透過して赤色光だけを反射するダイクロイックミラー３６に入射する。反射された赤色光は、ミラー３７で反射して偏光膜３８ａが斜設された偏光ビームスプリッタ３８に入射する。偏光膜３８ａによりｓ偏光成分が直線偏光となって反射され、位相差補償板４０Ｒを経て反射型の液晶素子４１Ｒに入射する。なお、ダイクロイックミラー３６を透過した緑色光と青色光のうち、緑色光はダイクロイックミラー４２で反射され偏光ビームスプリッタ４３に入射し、ダイクロイックミラー４２を透過した青色光は偏光ビームスプリッタ４４に入射する。
【００３３】
ここで用いられている反射型の液晶素子４１Ｒは、ＴＮ液晶からなる液晶層の背後にミラーを配置した構造となっている。そして、液晶素子４１Ｒから出射した直線偏光光は、再び位相差補償板４０Ｒを経て偏光ビームスプリッタ３８に入射する。再び入射した直線偏光光は、偏光膜３８ａに対してｐ偏光成分となっているから、偏光膜３８ａを透過して合成プリズム２４に入射する。なお、合成プリズム２４及び投影レンズ２５の機能は先の実施形態と全く同様である。
【００３４】
ここで用いられている位相差補償板４０Ｒも、液晶素子４１Ｒの液晶層が示す複屈折性による位相差を補償する機能を発揮するが、液晶素子４１Ｒに入射するときと出射するときとで光が２度通過することになるため、これを考慮して位相差補償板４０Ｒ自体の複屈折による位相差を設計しておく必要がある。また、反射型の液晶素子をオフアクシス（入射光軸と反射光軸とが別）で使用する場合には、図６（Ａ）に示すように、液晶素子４５に近接して位相差補償板４６を配置し、偏光子４７と検光子４８と組み合わせることも可能である。
【００３５】
なお、位相差補償板４６の設置位置は、偏光子４７の出射側と検光子４８の入射側との間であることが必須である。液晶素子４５の入射側にするか出射側にするかについては、厳密には光学的効果は同一ではないにしても、ほぼ近い効果が得られるので、他の設計要因を考慮して設計すればよい。したがって、図６（Ｂ）に示すように、偏光子４７と液晶素子４５との間に位相差補償板４９を配置することも可能であり、さらに液晶素子４５と検光子４８との間に位相差補償板を追加することも可能である。もちろん、この場合には双方の位相差補償板が協同して複屈折による適切な位相差が得られるように個々の位相差補償板の設計を行うことになる。
【００３６】
透過型の液晶素子の中には、図７に示すようにマイクロレンズ５０と組み合わされているものがある。マイクロレンズ５０は、背面側のガラス基板５１に形成された画素電極部５２を画素ごとに区画しているブラックマトリクス部６２によって画素単位での開口率が低下することを改善するために用いられている。マイクロレンズ５０を組み合わせることによって、収斂光束となった照明光は、偏光子となる偏光板５３、第１位相差補償板５４、ガラス基板５５、対向電極５６、配向膜５７を通って液晶層５８に達し、さらに配向膜５９、画素電極部５２を通ってガラス基板５１、第２位相差補償板６０、検光子となる偏光板６１を透過して出射する。
【００３７】
位相差補償板は、液晶層を通過する光の角度によって位相の変調度が異なってくることを補償するためのものであるから、この実施形態のように、マイクロレンズ５０によって入射してくる光に角度がつくような場合には、その入射側に第１位相差補償板５４を設けることも有効である。そして、図示のように出射側にも第２位相差補償板６０を設けておき、双方の協同により初期の効果を得るように設計することも可能である。図２、図５に示す光学系で、図では液晶素子に対する光は平行光として示してあるが、液晶素子にマイクロレンズを組み合わせた場合、液晶層を通過する光の角度は図７と同様になる。したがって、このような場合にも同様の実施形態で位相差補償板を設けることは有効である。
【００３８】
本発明の液晶プロジェクタにおいて、上記機能のために用いられる位相差補償板としては、図３に示すような多層薄膜の積層体だけでなく、無機材料で作成された構造性複屈折体であれば様々な形態のものを利用することができる。図３に示す薄膜積層体は、光学的な異方性が発現しない光学軸が基板ガラスの法線に合致した一軸性の負の複屈折板であり、ｃ−ｐｌａｔｅとして用いる例として挙げられているが、負の一軸性の複屈折体としては、図８に示すように、透明な支持体となるガラス基板６６の表面に、透明な板状突起６７を格子状に配列した構造性複屈折体７０を用いることも可能である。
【００３９】
この構造性複屈折体７０の物理的構造を構成している板状突起６７の厚みｄ，高さｈ及び配列間隔は光の波長に対して充分に小さく、例えば光学膜厚がλ／１００〜λ／５、好ましくはλ／５０〜λ／５、実際的にはλ／３０〜λ／１０程度であればよく、光学異方性を示さない光学軸７０ａは図示の方向となる。液晶プロジェクタに組み込むときには、上記構造が形成されているガラス基板６６の表面が照明光軸あるいは投影光軸と垂直になるように配置され、ａ−ｐｌａｔｅとして用いられる。そして、照明光軸または投影光軸と直交する面内で板状突起６７が一次元で配列されているため、その一次元配列の方向で空気層と板状突起６７による異なった屈折率が交互に分布するようになる。
【００４０】
また、図９に示すように、ガラス基板６６上に透明な板状突起７１を傾斜して配列した構造性複屈折体７２も本発明の目的を達成するうえで有用である。この構造性複屈折体７２も負の一軸性複屈折体として作用し、上記構造が形成されたガラス基板６６の面が照明光軸あるいは投影光軸と垂直になるように配置され、ｏ−ｐｌａｔｅとして用いられる。この構造性複屈折体７２も、照明光軸または投影光軸と直交する面内で屈折率の異なる部分が一次元配列となり、しかも異なる屈折率を与えるための物理的構造が照明光軸または投影光軸に対して傾斜することになる。
【００４１】
これらの構造性複屈折体７０，７２のもつ物理的な繰り返し構造パターンは、フォトリソグラフィーにより作成することができる。なお、負の一軸性複屈折体としての作用を得るためには、それぞれの板状突起６７，７１の幅ｄに対する高さｈで表されるアスペクト比を充分に大きくしておく必要がある。このアスペクト比が充分に大きくない場合には、屈折率楕円体のｎｘ　，ｎｙ　，ｎｚ　が全て異なる２軸性複屈折体となる。さらにアスペクト比が小さくなると、極限的には正のａ−ｐｌａｔｅになる。
【００４２】
図１０に正のａ−ｐｌａｔｅの一例を示す。この構造性複屈折体７５は、ガラス基板６６の表面に透明な誘電体による突状７４を一定ピッチで格子状に配列することによって構成され、突条７４の幅Ｗ，高さｈ及び配列ピッチは先の例と同様に波長よりも充分に小さくしてある。光学軸７５ａは図示のように格子構造と平行となる。液晶プロジェクタに組み込むときには、上記構造が形成されたガラス基板６６の表面が照明光軸あるいは投影光軸に垂直になるように配置され、やはり照明光軸または投影光軸と直交する面内で屈折率が異なる部分が一次元配列となる。なお、位相差は突条７４の高さｈとその屈折率との積となる。高さｈが波長に対して大きくなると屈折率異方性が一軸からずれ、二軸となる。さらに大きくなると、負のｃ−ｐｌａｔｅに近づく。また、突条７４による格子構造は空気層に接していてもよいが、他の異なる屈折率をもった誘電体層で、突条７４の相互間を埋めるように全体的に覆うようにしてもよい。
【００４３】
正のｃ−ｐｌａｔｅもまた本発明の構造性複屈折体として利用できる。正のｃ−ｐｌａｔｅは、図１１に示すように、ガラス基板６６の表面に透明な誘電体からなる多数の突起７６を垂直に林立させることで作成することができる。突起７６のサイズや配列ピッチは、これまで同様に、光の波長に比して充分に小さいものであればよい。ガラス基板６６の表面が照明光軸または投影光軸と直交するように配置されるため、図８〜図１０に示す構造性複屈折体７０，７２，７５とは異なり、屈折率の異なる部分が照明光軸または投影光軸と直交する面内で二次元に分布するようになる。このような構造をもつ構造性複屈折体７７も、やはりフォトリソグラフィーで作成が可能であり、その光学軸７７ａはガラス基板６６の表面に垂直となる。また上記物理的構造部分が空気層に接する形態で使用してもよいが、先のものと同様、屈折率が異なる別の誘電体層で全体的に覆う形態で使用することも可能である。
【００４４】
さらに、正のｏ−ｐｌａｔｅは図１２に示す形態で得ることができ、このような二次元の物理的構造の配列パターンをもつこれらの構造性複屈折体も本発明の目的のために効果的に用いることができる。図１２に示す構造性複屈折体８０は、ガラス基板６６の表面に透明な誘電体からなる突起８１を一定の傾斜角度で規則的に林立させたもので、フォトリソグラフィーにより作成可能である。やはり、これらの構造のサイズや繰り返しピッチは光の波長よりも充分に小さくしておく必要があり、構造表面は空気層あるいは別の透明な誘電体層のいずれに接していてもよい。光学軸８０ａは、図示のようにガラス基板６６の表面に対して傾斜し、突起８１の傾斜方向と平行になる。
【００４５】
正のｏ−ｐｌａｔｅを作成するにあたっては、図１３に示すように、ガラス基板６６の表面に対し、斜め方向から一種類の誘電体を蒸着することによっても得られることが米国特許第５６３８１９７号公報明細書（前掲特許文献１）でも知られている。この方法によれば、光の波長に対して充分に小さい物理的構造を簡単に得ることができる。なお、同図中に示す斜線は、ガラス基板６６に斜め方向から成膜を行ったことを模式的に表すためのもので、それぞれ個別の薄膜層を表すものではない。この構造性複屈折体８３も、ガラス基板６６の表面が照明光軸または投影光軸と垂直になるように配置して用いられ、斜設した薄膜層８４がｏ−ｐｌａｔｅ複屈折体の光学異方性を示す。
【００４６】
以上、図示した実施形態に基づいて本発明について述べてきたが、無機材料で作成されたこれらの位相差補償板は、一般には照明光軸あるいは投影光軸に対して垂直になるように配置して使用されるが、より効果的な位相差補償のために、構造性複屈折体をこれらの光軸に対して４５°以下、例えば１０°以下、好ましくは５°以下の範囲で傾けて配置することも可能である。また、位相差補償板を２枚以上１０枚以下、好ましくは２枚以上４枚以下の範囲内で組み合わせて使用してもよい。この場合においても、光軸に対して上記範囲内で傾けて使用することもでき、さらには組み合わせた個々の位相差補償板の傾斜角度を互いに異ならせるような態様も採り得る。
【００４７】
複数枚の位相差補償板を組み合わせて使用する際に、異なった種類の位相差補償板を用いることも可能である。例えば、１枚の負のｃ−ｐｌａｔｅ、１枚の負のｏ−ｐｌａｔｅ、１枚の正のａ−ｐｌａｔｅの組み合わせにより、より精密な位相差補償を行い、スクリーンに投影される画像のコントラストをより向上させることができる。また、本発明を適用し得る液晶素子の動作モードとしても、上述した透過型ＴＮ液晶モードのみならず、反射型ＴＮ液晶モードや公知のＥＣＢ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ　）、ＶＡ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ　Ａｌｉｇｎｅｄ）、ＯＣＢ（Ｏｐｔｉｃａｌｌｙ　Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒｙ　Ｂｅｎｄ　）、ＦＬＣ（Ｆｅｒｒｏ　Ｌｉｑｕｉｄ　Ｃｒｙｓｔａｌ）などの各種の動作モードのものが挙げられ、さらにオフアクシス方式やマイクロレンズ方式などのように、ＲＧＢの各色光が液晶素子を異なった入射角度で通過するような光学系を採用したプロジェクタにも本発明は適用可能である。
【００４８】
さらに、蒸着やスパッタリングによる薄膜層からなる位相差補償層を作成するにあたっては、その支持体となる基板を、照明光学系あるいは投影光学系を構成するレンズなどの光学部品や、液晶素子の構成部品であるガラス基板などの光学部品に接合したり、これらの光学部品そのものを薄膜層の支持体に兼用させることも可能である。このような工夫により部品点数を減少させ、位置合わせや角度調整を要する箇所を減らすことができる。液晶素子の基板上に位相差補償層を形成する場合、液晶素子の外面あるいは内面のいずれに設けることも可能であるが、素子の内面に設ける方が空気との界面の数を減らすことができ、表面反射による画像の劣化や光量ロスを減らすことができる。なお、液晶素子の基板には、画素ごとに信号電圧が印加されるアクティブ側基板と、コモン側電極として利用される対向基板とがあるが、光学的にはそのいずれに位相差補償層を形成してもよい。また、必要に応じて位相差補償層の片面または両面に反射防止処理を行うことが望ましい。特に、薄膜層を積層した位相差補償板の場合には、その作成工程中に干渉薄膜による反射防止処理を施すことができるので、製造効率がよい。
【００４９】
薄膜層を積層した位相差補償層を作成するにあたっては、各層の膜厚は必ずしも等しくする必要はなく、また２種類の薄膜を交互に積層することにのみ限られない。例えば屈折率が異なる３種類以上の薄膜を適宜の順序，膜厚で積層してもよく、成膜工程の容易さ、各層の内部応力による歪みの吸収、屈折率の波長依存性などを考慮して適宜に設計することが可能である。さらに、上述してきた各種の構造性複屈折体に対して、位相差補償作用を有するとともに特に耐久性に問題のないポリマーフイルムを基材とする位相差補償シートを組み合わせることもまた、本発明の実施形態に含まれる。
【００５０】
【発明の効果】
以上に述べたとおり、本発明を用いた液晶プロジェクタによれば、無機材料で作成された構造性複屈折体を用いて位相差補償を行うようにしたから、耐久性に富み、しかもコスト負担も大きくすることなく、スクリーンに投影される画像のコントラストを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】リア方式の液晶プロジェクタの概略を示す外観図である。
【図２】透過型液晶素子を用いた投影ユニットの概略構成図である。
【図３】位相差補償板の一実施形態を示す概念図である。
【図４】図３に示す位相差補償板の分光透過特性を示すグラフである。
【図５】反射型液晶素子を用いた投影ユニットの概略構成図である。
【図６】反射型液晶素子にオフアクシスで位相差補償板を組み合わせる場合の構成例を示す概念図である。
【図７】マイクロレンズと組み合わされた透過型液晶素子に位相差補償板を組み合わせるときの構成例を示す概略断面図である。
【図８】形状パターンを有する構造性複屈折体の一実施形態を示す概念図である。
【図９】形状パターンを有する構造性複屈折体の他の実施形態を示す概念図である。
【図１０】形状パターンを有する構造性複屈折体の別の実施形態を示す概念図である。
【図１１】構造性複屈折体のさらに別の実施形態を示す概念図である。
【図１２】構造性複屈折体のさらに他の実施形態を示す概念図である。
【図１３】斜め方向からの成膜で作成された構造性複屈折体の概念図である。
【符号の説明】
３　スクリーン
５　投影ユニット
１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂ　液晶素子
１２　光源
２６Ｒ，２６Ｇ，２６Ｂ　偏光板
２７Ｒ，２７Ｇ，２７Ｂ　位相差補償板
２８Ｒ，２８Ｇ，２８Ｂ　偏光板
２４　合成プリズム
２５　投影レンズ
３０　構造性複屈折体
【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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