(57)【要約】【課題】カラー液晶素子の画素ごとに異なって生じるレターデーションを無機材料からなる構造性複屈折体で補償する。【解決手段】液晶素子のガラス基板２１の一方の面に、マイクロカラーフィルタを構成する青色フィルタ層３０Ｂ，緑色フィルタ層３０Ｇ，赤色フィルタ層３０Ｒが設けられる。ガラス基板２１の他方の面に、各フィルタ層３０Ｂ，３０Ｇ，３０Ｒの配列パターンに対応した配列パターンで位相差補償膜８Ｂ，８Ｇ，８Ｒを設ける。液晶層３５を通過し、各フィルタ層３０Ｂ，３０Ｇ，３０Ｒを透過してきた青色光，緑色光，赤色光の基本色光ごとに生じている位相差は、それぞれ位相差補償膜８Ｂ，８Ｇ，８Ｒを通過することによって補償される。位相差補償膜８Ｂ，８Ｇ，８Ｒは、複屈折Δｎは一律であるがその膜厚が異なっており、基本色光ごとに適切なレターデーションをもつように調節され、可視光領域全体でバランスのよい位相差補償作用が得られる。【選択図】        図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
共通の基板上に二次元配列された画素の各々が少なくとも三種類の基本色光のいずれかに割り当てられ、基本色光ごとに前記画素の透過濃度を制御して投影用のフルカラー画像を形成するカラー液晶素子において、
無機材料からなる構造性複屈折体で構成され、その複屈折と光軸方向厚みとの積で表されるレターデーションが前記基本色光に応じて互いに異なる少なくとも二種類の位相差補償セグメントを二次元配列した位相差補償素子を、これらが基本色光ごとに割り当てられたそれぞれの画素と対応づけられるように組み合わせたことを特徴とするカラー液晶素子。
【請求項２】
前記位相差補償素子は、各々の位相差補償セグメントが高屈折率層と低屈折率層とを交互に積層した少なくとも二種類の位相差補償膜で構成され、各々の高屈折率層及び低屈折率層の個々の光学膜厚が波長の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記載のカラー液晶素子。
【請求項３】
前記高屈折率層及び低屈折率層の個々の光学膜厚が少なくとも二種類の位相差補償膜で共通し、これらの位相差補償膜は積層数の相違により全体の膜厚が異なっていることを特徴とする請求項２記載のカラー液晶素子。
【請求項４】
少なくとも二種類の位相差補償膜をそれぞれ構成している高屈折率層及び低屈折率層に、位相差補償膜の種類によらずそれぞれ一種類ずつの高屈折材料と低屈折材料とを用いたことを特徴とする請求項３記載のカラー液晶素子。
【請求項５】
前記高屈折層がＴｉＯ２  膜であり、低屈折率層がＳｉＯ２  膜であることを特徴とする請求項４記載のカラー液晶素子。
【請求項６】
少なくとも二種類の位相差補償膜を形成した透明基板の他方の面に、前記画素に割り当てられた基本色光だけを各々透過させる三種類のカラーフィルタを二次元配列させたマイクロカラーフィルタ層が形成されていることを特徴とする請求項２〜５のいずれか記載のカラー液晶素子。
【請求項７】
前記三種類のカラーフィルタはそれぞれ高屈折率層と低屈折率層とを交互に積層させた多層干渉薄膜で構成され、これらの高屈折率層と低屈折率層に用いられている高屈折率材料と低屈折率材料が、前記位相差補償膜に用いられている高屈折率材料と低屈折率材料と共通であることを特徴とする請求項６記載のカラー液晶素子。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか記載のカラー液晶素子を用いたことを特徴とする単板式カラー液晶プロジェクタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フルカラーでの画像表示が可能な単板式の液晶プロジェクタに好適なカラー液晶素子及びこれを用いた単板式カラー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】
特開２００２−１４３４５号公報
【特許文献２】
特開２００２−３１７８２号公報
【特許文献３】
米国特許第５６３８１９７号明細書
【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】
カラー液晶プロジェクタには三板式，単板式などの方式の違いはあるが、原理的には基本色光ごとに液晶素子に表示された画像を合成してスクリーン上に投影する。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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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３には、基板に対して斜め方向から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、青色光，緑色光，赤色光それぞれの基本色光ごとに独立した液晶素子を用いた三板式カラー液晶プロジェクタに関し、それぞれの液晶素子ごとに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１，２に記載されている。特許文献１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２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。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】
一方、カラー液晶プロジェクタには、上述の三板式のもののほかに単板式のものがある。単板式のカラー液晶プロジェクタで使用される液晶素子は、マトリクス状やストライプ状に配列された画素の個々が青色光，緑色光，赤色光のいずれかの基本色光に割り当てられ、これらの画素は基本色光ごとの画像データで駆動され、それぞれの基本色光で照明される。画素ごとに基本色光を照明するには、液晶素子にマイクロカラーフィルタを組み込んだり、あるいは３種類の基本色光を照明角度を変えて液晶素子に入射させ、液晶素子に組み込まれたマイクロレンズの作用によりそれぞれの基本色光を対応する画素上に導く手法があるが、いずれにせよ一枚の液晶素子に対して画素単位でいずれかの基本色光を照明し、スクリーン上でフルカラーの画像を合成するようにしている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら特許文献１記載の光学補償素子は、ＷＶフイルムのような有機材料製のもので、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という欠点がある。特に液晶プロジェクタでは、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時間程度の使用で徐々に褐色に変化する現象が見られる。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。また特許文献２では、位相差層として単結晶サファイヤや水晶などの結晶性複屈折体が用いられ耐久性の観点からは優れてはいるものの、それ自体が高価であり、結晶の切り出し方向や光軸に対する組み込み角度の調節に厳密性が要求され、製造コストが高くなって現実的には採用し難い。
【００１３】
さらに、液晶素子の光学異方性には波長依存性があるため、三板式カラー液晶プロジェクタの各色チャンネルに光学的に全く等価な光学補償素子，位相差層を用いたのでは、特定の色チャンネルについては良好な位相差補償ができたとしても、他の色チャンネルについては必ずしも良好な位相差補償作用が期待できないことが多い。三板式のカラー液晶プロジェクタの場合、各色チャンネルごとにその基本色光の波長域を考慮した光学補償素子を用いればよいので比較的対応しやすいが、単板式のカラー液晶プロジェクタでは液晶素子の画素ごとに異なった特性をもった光学補償素子を配列しなければならない。このため、特許文献１，２に記載された光学補償素子や位相差層は単に耐久性やコスト面で採用し難いだけでなく、液晶素子の画素単位でそれぞれ異なった位相差補償作用を付与することは製造上きわめて困難である。
【００１４】
また、微細な物理的構造によって光学異方性を発現する構造性複屈折体が特許文献３や非特許文献１に記載され、これらも液晶素子で生じた楕円偏光を直線偏光に戻す用途で使用することができる。ところが、これらの構造性複屈折体にも少なからず波長依存性がある。このため、例えば非特許文献１のように計器類の表示光のような特定の狭い波長域に属する光に対し、しかも直視型で用いる場合には効果的ではあるが、三板式あるいは単板式のカラー液晶プロジェクタにそのまま適用したとしても、波長域が異なる三種類の基本色光の全てについて同様の位相差補償作用を得ることはできない。
【００１５】
本発明は以上の背景を考慮してなされたもので、フルカラーの画像表示に必要な三種類の基本色光の各々について良好な位相差補償作用が得られるカラー液晶素子を提供し、またこのカラー液晶素子を用いた単板式カラー液晶プロジェクタを提供することを目的とする。
【００１６】
【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、共通の基板上に二次元配列された画素の各々が三種類の基本色光のいずれかに割り当てられ、基本色光ごとに前記画素の透過濃度を制御してスクリーン投影用のフルカラー画像を形成するカラー液晶素子に位相差補償素子を組み合わせたものである。この位相差補償素子には、無機材料からなる構造性複屈折体で構成され、その複屈折と光軸方向厚みとの積で表されるレターデーションが前記基本色光に応じて互いに異なる少なくとも二種類の位相差補償セグメントが二次元配列されており、これらの位相差補償セグメントの各々を、それぞれの基本色光が割り当てられた画素の各々に対応づけた構成となっている。
【００１７】
本発明の好ましい実施形態においては、少なくとも二種類の位相差補償セグメントがそれぞれ高屈折率層と低屈折率層とを交互に積層した位相差補償膜で構成され、高屈折率層及び低屈折率層の各々の光学膜厚は波長の１００分の１以上５分の１以下である。また、これらの位相差補償膜を構成しているそれぞれの高屈折率層と低屈折率層の膜厚を共通とし、その積層数を変えることによって位相差補償膜の全体の膜厚を異ならせて基本色光の種類に対応させることもでき、さらにはこれらの位相差補償膜をそれぞれ構成している高屈折率層及び低屈折率層に、位相差補償膜の種類によらずそれぞれ一種類ずつの高屈折材料と低屈折材料とを用いることも可能である。
【００１８】
位相差補償膜を形成した透明基板の他方の面に、液晶素子の画素に割り当てられた基本色光だけを各々透過させる三種類のカラーフィルタを二次元配列させたマイクロカラーフィルタ層を設けることも本発明を実施するうえで効果的である。この場合、三種類のカラーフィルタを高屈折率層と低屈折率層で構成するとともに、その材料を位相差補償膜と共通化することも可能で、これにより製造の効率化を図ることができる。そして、本発明はこのようなカラー液晶素子を使用した単板式カラー液晶プロジェクタも含む。
【００１９】
本発明に用いられる位相差補償素子の基本的な作用は概念的に次のとおりである。図１において、液晶素子２は内面側にそれぞれ配向膜を形成した透明なベース基板３ｂと対向基板３ａとの間に、液晶分子からなる液晶層５を封入した構造となっている。それぞれの基板３ａ，３ｂには画素ごとに液晶層５を駆動するためのマトリクス電極やコモン電極，透明導電膜なども設けられているが、図示は省略してある。液晶素子２の前段には偏光子が配置してあり、入射光Ｓ１は直線偏光となって液晶素子２に入射する。
【００２０】
周知のように、棒状の液晶分子の集合体からなる液晶層５はポジティブレターダーとして作用する。このため、入射光Ｓ１は正常光成分Ｓｏと異常光成分Ｓｅとなって液晶層５を通過する間に、異常光成分Ｓｅが正常光成分Ｓｏに対して位相遅れを生じる。この位相差Ｐ１は、液晶層５を構成している液晶分子固有の光学異方性に依存した複屈折Δｎ１と液晶層５の厚みｄ１との積「ｄ１Δｎ１」で規定される特徴値に依存して決まり、この特徴値は結晶光学的にはレターデーション（Ｒｅｔａｒｄａｔｉｏｎ  ）として定義されている。そして、液晶層５のレターデーションをＲ１とすると、位相差Ｐ１は「Ｐ１＝αＲ１（＝αｄ１Δｎ１）」となる。この係数αの値は、光の入射角θや、液晶分子の配向姿勢、印加電圧などによって変化する外的なファクターを括り出したもので「０」以上「１」未満の値となる。
【００２１】
液晶素子２からの出射光Ｓ２は、正常光成分Ｓｏと、これに対して位相遅れを伴った異常光成分Ｓｅとの合成光となるため、入射光Ｓ１が直線偏光光であっても位相差Ｒａに応じた楕円偏光成分を含むものとなる。この楕円偏光成分を抑えるには液晶層５による位相遅れを補償すればよく、そのために液晶素子２の出射面と検光子との間に位相差補償素子６が設けられる。
【００２２】
位相差補償素子６には光の波長よりも微細な物理的構造をもつ無機材料からなる構造性複屈折体が用いられ、一例として図２に示すように、透明なガラス基板７上に互いに屈折率が異なる誘電体の薄膜Ｌ１，Ｌ２を交互に積層した総厚みｄ２の位相差補償膜８で構成される。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、複屈折Δｎ２をもつ一軸性の負の複屈折板が得られ、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。
【００２３】
なお、屈折率が異なる誘電体薄膜を積層した多層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、上述した位相差補償膜８は、個々の薄膜Ｌ１，Ｌ２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Δｎ２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。
【００２４】
この位相差補償膜８は、異常光成分Ｓｅに対して正常光成分Ｓｏに位相遅れを生じさせるネガティブレターダーとして作用する。位相差補償膜８は結晶光学的には液晶分子と構造が異なるが、その光学異方性で決まる複屈折Δｎ２と、位相差補償膜８全体の物理的膜厚ｄ２から、そのレターデーションＲ２（＝ｄ２Δｎ２）を定義することができ、異常光成分Ｓｅに対する正常光成分Ｓｏの位相差Ｐ２は「Ｐ２＝βＲ２（＝βｄ２Δｎ２）」となる。そして「Ｐ１＝Ｐ２」であれば、位相差補償素子６からの出射光Ｓ３は互いに位相遅れのない正常光成分と異常光成分との合成光となり、楕円偏光成分が消失して直線偏光となって出射する。したがって、位相差補償素子６の後段に配置された検光子には直線偏光が入射するようになり、画像のコントラストを高めることができる。
【００２５】
なお、係数βは係数αと同様、光の入射角θに応じて変化するが、図示のように光線が同じ入射角で液晶素子２及び位相差補償素子６を通過する場合には、互いに相殺し合うことができるので入射角θによる影響は無視することができる。したがって、「Ｐ１＝Ｐ２」を満足させようとする上では、係数αに含まれるファクターのうち、液晶分子の配向姿勢や印加電圧など、液晶素子２自体に依存する内的なファクターだけを考慮すればよい。また、便宜上、複屈折Δｎ１，Δｎ２の正負の符号は無視しているが、必要に応じてその正負については明示することとする。
【００２６】
本発明を実施するうえでは、さらに液晶モードの種類についても考慮しておく必要がある。例えば液晶素子２としてＥＣＢ液晶を用いることを想定すると、ＥＣＢ液晶は、電圧を印加していない状態で液晶層内の棒状の液晶分子のほとんどが基板に対して垂直配向となっており、結晶光学的には正のｃ−ｐｌａｔｅである。そして、電圧を印加していないときに黒レベル表示となるように偏光子と検光子とをクロスニコル配置して用いるのが通常であるから、入射光Ｓ１に対して液晶層５の厚みｄ１内の全域で光学異方性が現れるようになる。
【００２７】
一方、高屈折率層と低屈折率層とからなる薄膜Ｌ１，Ｌ２を交互に積層した位相差補償膜８は、負ではあるがＥＣＢ液晶と同様のｃ−ｐｌａｔｅとして作用するから、液晶層５で生じる位相差Ｐ１（＝αｄ１Δｎ１）中の係数αは「１」とみなして差し支えない。したがって、基本的には「ｄ１Δｎ１＝ｄ２Δｎ２」、すなわち液晶層５のレターデーションＲ１と位相差補償膜８のレターデーションＲ２とをできるだけ一致させることを基準にパラメータの設定をすればよい。
【００２８】
これに対し、ＴＮ液晶では、黒レベル表示を行うときに電圧を印加して基板間に充填された棒状の液晶分子を垂直配向させることになるが、基板近くでは液晶分子が垂直配向姿勢にならない。印加電圧を高くすれば垂直配向となる液晶分子が多くなるものの、黒レベル表示に際して垂直配向姿勢となる液晶分子の割合は厚みｄ１に対して６０％〜９５％、あるいは６５％〜８０％程度が一般である。このため、厚みｄ１の液晶層５で生じる位相差Ｐ１は「ｄ１Δｎ１」よりも小さくなるから、位相差補償膜８の設計時にはこれを考慮してパラメータの設定を行い、簡易的には先の係数αを０．７にして「０．７×ｄ１Δｎ１＝ｄ２Δｎ２」が満足されるような位相差補償膜を用いればよい。なお、同様の傾向はＯＣＢモード液晶やＳＮＴモード液晶でも見られる。
【００２９】
以上の説明において、入射光Ｓ１が青色光，緑色光、赤色光などのように限られた波長域の光である場合にはあまり大きな問題にはならないが、入射光Ｓ１が可視光全域にまたがる光であるときには、液晶層５の正の複屈折Δｎ１と、位相差補償膜８の負の複屈折Δｎ２がそれぞれ固有の波長依存性をもつことが無視できない問題となってくる。
【００３０】
ここで、一般的な液晶層５のレターデーションＲ１（＝ｄ１Δｎ１）と位相差補償膜８のレターデーションＲ２（＝ｄ２Δｎ２）との波長依存性をグラフ化すると、模式的に図３のように表される。図示のように、液晶層５のレターデーションＲ１は、複屈折Δｎ１の波長依存性により可視光領域では短波長側で大きくなり、長波長となるにしたがってゆるやかに減少する特性を示す。一方、位相差補償膜８のレターデーションＲ２は薄膜Ｌ１，Ｌ２の各々の屈折率及び個々の膜厚と、全体の厚みｄ２で決まる。そして、薄膜形成材料として最も広く用いられているＴｉＯ２  膜とＳｉＯ２  膜により薄膜Ｌ１，Ｌ２を構成した場合には、同図に破線で示すように、液晶層５のレターデーションＲ１と同様に短波長側で大きく長波長側で小さくなるものの、短波長側でその傾きが急になることが多い。位相差補償膜８の全体厚みｄ２は波長とは無関係の物理量であるから、この波長依存性は複屈折Δｎ２自体の波長依存性によるものである。
【００３１】
図３に示すグラフは、可視光領域において、液晶層５がもつ特定のレターデーションＲ１に対し、特定の複屈折Δｎ２をもつ位相差補償膜８のレターデーションＲ２をできるだけ近づけるように厚みｄ２を調節し、各々のレターデーションＲ１，Ｒ２を視感度が最も高い波長５５０ｎｍで一致させたものである。すなわち、厚みｄ２は位相差補償膜８のレターデーションＲ２を図３のグラフ上で上下方向にシフトさせるパラメータとして用いることができる。したがって、レターデーションＲ２については、波長５５０ｎｍでレターデーションＲ１と一致させるだけでなく、例えばレターデーションＲ１の特性曲線とで挟まれる面積が最も小さくなるように調整することも可能である。
【００３２】
しかし、このような調整を行ったとしても、レターデーションＲ２の特性曲線では短波長側で急激に大きくなることから、緑色光についてはほぼ満足のゆく位相差補償ができるにしても、青色光に対しては過補償、あるいは赤色光に対しては補償不足になることが避けられない。なお、位相差補償膜８の膜構成、特に薄膜Ｌ１，Ｌ２のそれぞれの屈折率を選択することによりその複屈折Δｎの波長依存性を変えることができ、例えば図３に示すレターデーションＲＡ  を得ることも原理的には可能である。そして、液晶層５のレターデーションＲ１に対しては、明らかにレターデーションＲＡ  をもつ位相差補償膜８を用いる方が有利となる。そして、このレターデーションＲＡ  をもつ位相差補償膜であれば、基本色光の種類によらず共通に使用しても良好な位相差補償作用が得られる。
【００３３】
このような波長依存性をもつレターデーションＲＡ  を得るには、位相差補償膜の複屈折Δｎ２の波長依存性を液晶層５の複屈折Δｎ１の波長依存性に近づけることが必要で、そのためには位相差補償膜を構成する薄膜Ｌ１，Ｌ２の屈折率ｎ１，ｎ２の波長依存性を、液晶層５の複屈折Δｎ１の波長依存性に近づけなければならない。一般に、薄膜Ｌ１，Ｌ２を構成する薄膜材料の屈折率が高くなるほど短波長域での屈折率が高くなる波長依存性があるから、上記目的のためには薄膜Ｌ１，Ｌ２の屈折率をいずれも小さくする必要がある。
【００３４】
薄膜Ｌ１，Ｌ２の屈折率を小さくすると各々の屈折率の相対差も小さくなり、詳しくは後述するように、これに伴って複屈折Δｎ２も小さくなるから、必要なレターデーションＲＡ  を得るためには位相差補償膜全体の膜厚ｄ２を厚くしなければならない。前述のように、薄膜Ｌ１，Ｌ２の個々の膜厚を波長の５分の１を越える膜厚にしてしまうと構造性複屈折体としての機能が失われてしまうので、複屈折Δｎ２が小さくなると必然的にこれらの積層数を増やして全体の膜厚ｄ２を厚くする必要が生じてくる。例えば、液晶層５の複屈折Δｎ１とほぼ同様の波長依存性をもつように位相差補償膜の複屈折Δｎ２を決めようとすると、薄膜Ｌ１，Ｌ２の積層数を数百層程度あるいはそれ以上にまで増やさなければならない事態となり、製造効率が著しく低下する。
【００３５】
そこで、本発明の好ましい実施形態においては、波長依存性の点では有利ではあるがその製造上の困難性が大きいレターデーションＲＡ  を与える単一の位相差補償膜に代え、波長依存性の点では必ずしも最適ではないにしても、基本色光の少なくとも二種類については、その波長域に応じてレターデーションを調整した別の位相差補償膜がそれぞれ位相差補償セグメントとして用いられ、可視光全域にわたってほぼ満足し得る位相差補償作用を得ながらも、その製造効率が低下することのないように工夫されている。
【００３６】
レターデーションの調整は、液晶層５の波長依存性をもつレターデーションＲ１に対し、位相差補償膜８のトータルの厚みｄ２を基本色光の波長域に応じて調節し、レターデーションＲ２の特性曲線を波長域に合わせて上下方向にシフトさせることによって対応するのが簡便である。位相差補償膜８の複屈折Δｎ２は薄膜Ｌ１，Ｌ２の各層の屈折率及び個々の膜厚によって決まり、これが波長依存性、すなわち特性曲線の傾きを決定する要因となっている。また、レターデーションＲ２の大きさ（特性曲線の上下方向へのシフト量）はそのトータルの膜厚に依存しているから、位相差補償膜を構成する薄膜Ｌ１，Ｌ２の個々の膜厚についてはそれぞれ一定に保ちながら、基本色光の波長域ごとにこれらの繰り返し積層数を増減してトータルの膜厚調節を行うことができる。
【００３７】
例えば図４において、波長域５００ｎｍ〜６００ｎｍのレターデーションＲ２Ｇは、図３におけるレターデーションＲ２の部分的な特性曲線と同一であるが、波長域４００ｎｍ〜５００ｎｍ、波長域６００ｎｍ〜７００ｎｍのレターデーションＲ２Ｂ，Ｒ２Ｒは、先のレターデーションＲ２と同じ複屈折Δｎ２をもちながらも、波長域５００ｎｍ〜６００ｎｍのものに対し、薄膜Ｌ１，Ｌ２の繰り返し積層数を増減させることによって得られたものである。こうしてトータルの膜厚を調整した各々の位相差補償膜が基本色光の種類ごとの位相差補償セグメントとして用いられる。
【００３８】
なお、図４の例では可視光領域を三分して三種類の基本色光のそれぞれにレターデーションＲ２Ｂ，Ｒ２Ｇ，Ｒ２Ｒを割り当てているが、液晶層５のレターデーションＲ１の波長依存性が長波長側で穏やかになっていることを考慮し、緑色光と赤色光については同一のレターデーションを与える位相差補償膜を用い、可視光領域について二種類の位相差補償膜で対応することも可能である。この場合には、レターデーションＲ２ＧあるいはレターデーションＲ２Ｒのいずれかが得られる位相差補償膜をそのまま用いてもよいが、そのいずれかのトータル膜厚を調整し、波長６００ｎｍで液晶層５のレターデーションＲ１と一致させるようにするのがよい。
【００３９】
【発明の実施の形態】
図５に本発明を適用した単板式のカラー液晶プロジェクタの構成を概略的に示す。リフレクタ及びランプからなる光源１０からの白色の照明光は、集光光学系１１によりほぼ平行光となって偏光板１２に入射する。偏光板１２により直線偏光となった照明光は液晶素子１３に入射する。液晶素子１３はマトリクス状に配列された画素単位に青色光，緑色光，赤色光のいずれかの基本色光が割り当てられ、それぞれの基本色光ごとの画像データに基づいて透過濃度が制御される。詳しくは後述するように、液晶素子１３には個々の画素位置に対応してマイクロカラーフィルタが配列されているから、液晶素子１３からは画素単位でカラー及び強度変調された画像光が出射する。
【００４０】
液晶素子１３から出射した画像光は、前述のように液晶層の複屈折作用により正常光と異常光との間に位相差が生じ、楕円偏光を含んだものとなっているが、位相差補償素子１４によりその位相差補償が行われ、楕円偏光成分のほとんどが除去される。そして、入射側の偏光板１２に対して直交ニコル配置となった出射側の偏光板１５を経て画像光は投影レンズ１６によりスクリーン１７上に投影される。
【００４１】
上記液晶プロジェクタに用いられる液晶パネルの一例を図６に示す。この液晶パネルは、入射側の偏光板１２、液晶素子１３、位相差補償素子１４、出射側の偏光板１５を一体化したもので、入射側のガラス基板２０の入射面側に偏光板１２が設けられ、出射側のガラス基板２１の出射面側に図２に示すような薄膜Ｌ１，Ｌ２を交互に積層した位相差補償膜８、偏光板１５が設けられている。液晶素子１３は、これらのガラス基板２０，２１間で挟まれた部分に相当する。ガラス基板２０の出射面側にイオン注入方式で作成されたマイクロレンズ２３がマトリクス状に配列され、ほぼ平行に入射してくる白色の照明光を収斂させることによって、液晶素子の電極構造による開口率の低下を防いでいる。
【００４２】
ガラス基板２０の出射面側に、液晶素子のアクティブ側の電極構造部２４が紙面に対して垂直方向に延びたストライプ状に形成され、いわゆるブラックストライプとなる。電極構造部２４は遮光帯となるが、電極構造部２４の相互間には画素ごとに区画された透明電極が形成され、これが画素単位で液晶層に電圧を印加するアクティブ電極２５として機能する。電極構造部２４及びアクティブ電極２５を覆うように透明なオーバーコート膜２６が形成され、その平滑化された表面に配向膜２７が形成される。
【００４３】
他方のガラス基板２１の入射面側に、画素単位に区画されたマイクロカラーフィルタ３０、透明導電膜からなるコモン電極３１、配向膜３２が層設されている。そして、配向膜２７と配向膜３２との間に液晶分子を充填した液晶層３５が設けられている。マイクロカラーフィルタ３０は、青色光，緑色光，赤色光をそれぞれ透過する微小なカラーフィルタ部を、対応するアクティブ電極２５と重なり合うようにマトリクス状に配列したもので、白色の照明光をカラー変調する。また、対応するアクティブ電極２５への印加電圧を制御することによって、液晶層３５を通過する照明光の強度変調が行われる。なお、マイクロカラーフィルタ３０を液晶層３５よりも上層、例えばガラス基板２０の上面あるいはマイクロレンズ２３の下面に設けてもよい。
【００４４】
図７に拡大して示すように、ガラス基板２１の液晶層側に形成されたマイクロカラーフィルタ３０は、青色光，緑色光，赤色光だけをそれぞれ透過する青色フィルタ層３０Ｂ，緑色フィルタ層３０Ｇ，赤色フィルタ層３０Ｒと、可視光の透過を遮断する遮光層３０Ｘから構成されている。また、位相差補償膜８は薄膜Ｌ１，Ｌ２の積層数が異なる３種類の位相差補償膜８Ｂ，８Ｇ，８Ｒと、これらを覆うオーバーコート層３６とから構成される。位相差補償膜８Ｂは、液晶層３５及び青色フィルタ層３０Ｂを透過してきた青色光Ｂに対して良好な位相差補償作用が得られるように膜構成が決められ、同様に、位相差補償膜８Ｇ，８Ｒは、液晶層３５及び緑色フィルタ層３０Ｇ，赤色フィルタ層３０Ｒを透過してきた緑色光Ｇ，赤色光Ｒに対して良好な位相差補償作用が得られるように膜構成が決めらており、これらが基本色光の種類ごとに位相差を補償する位相差補償セグメントとなっている。
【００４５】
このため、それぞれの位相差補償膜８Ｂ，８Ｇ，８Ｒと、青色フィルタ層３０Ｂ，緑色フィルタ層３０Ｇ，赤色フィルタ層３０Ｒとの相対位置を高精度に合わせておく必要があるが、上記のように共通のガラス基板２１にこれらが設けられるので、製造上有利となる。なお、それぞれの位相差補償膜８Ｂ，８Ｇ，８Ｒの膜厚が異なるため、各々の相互間に段差が生じる。そこで、ＳｉＯ２  の蒸着などによるオーバーコート層３６でこれらの位相差補償膜８Ｂ，８Ｇ，８Ｒを全体的に覆った後にその表面を平滑に研磨すれば、さらにその上に偏光板１５を接合し、あるいは同様の作用を行う偏光膜を蒸着形成することも可能となる。
【００４６】
共通のガラス基板２１上に、蒸着あるいはスパッタリングによって３種類の位相差補償膜８Ｂ，８Ｇ，８Ｒを所定のマトリクスパターンで形成するには、周知のリフトオフ法、フォトリソグラフィ法を用いることができる。この場合、パターニング工程に合わせて順次に位相差補償膜８Ｂ，８Ｇ，８Ｒを一種類ずつ形成してゆけばよいので、位相差補償膜８Ｂ，８Ｇ，８Ｒの膜構成が全く異なっていても特に問題はない。しかし、その製造工程を効率化するには、薄膜Ｌ１，Ｌ２の屈折率及びその個々の膜厚を一定とし、その繰り返し積層数の調節により３種類の位相差補償膜８Ｂ，８Ｇ，８Ｒを得るのが有利である。
【００４７】
すなわち、２種類の薄膜Ｌ１，Ｌ２の繰り返し積層数の増減により３種類の位相差補償膜８Ｂ，８Ｇ，８Ｒを設けるようにすれば、３種類の位相差補償セグメントを得るにあたり、単に２種類の蒸着材料があれば足りることになる。また、最も積層数が多い位相差補償膜８Ｒを形成してゆく途中で他の位相差補償膜８Ｂ，ＧＧも順次に形成されることになるから、各々適切な積層数に達した時点でその上を順次にマスキングすればよく、製造効率が格段に向上する。
【００４８】
上述のように、基本色光の種類に応じた位相差補償膜８Ｂ，８Ｇ，８Ｒを用いれば、それぞれの色光ごとに適切な位相差補償作用が得られることになるから、単板式カラープロジェクタによる投影画像のコントラストを大幅に改善することが可能となる。しかも、これらの位相差補償膜は、各基本色光の波長に比して十分に微細な物理的構造をもつ無機材料からなる構造性複屈折体の一種であり、耐久性に優れているという特徴を有するから、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の継続使用が想定される機器にも問題なく利用することができる。
【００４９】
なお、耐久性の面ではマイクロカラーフィルタ３０の青色フィルタ層３０Ｂ，緑色フィルタ層３０Ｇ，赤色フィルタ層３０Ｒを蒸着やスパッタリングで形成することも少なくない。これらのフィルタ層は、いずれも高屈折率，低屈折率の誘電体薄膜を交互に積層した多層膜で構成されるが、各々の薄膜としてＴｉＯ２  膜とＳｉＯ２  膜とを用いることも可能である。したがって、この場合にはマイクロカラーフィルタ３０を形成するための装置をそのまま用いて位相差補償膜８Ｂ，８Ｇ，８Ｒを製造することも可能となる。なお、薄膜材料に相違がある場合でも、蒸着装置やスパッタリング装置にこれらの材料をセッティングしておき、マイクロカラーフィルタ，位相差補償膜のそれぞれの製造工程で使い分けることもできるので装置自体の共用は可能である。
【００５０】
【実施例】
「実施例１」
以下、上述した位相差補償膜８Ｂ，８Ｇ，８Ｒの具体的な実施例について説明する。図８は、ＴＮ液晶を用いたネマティック液晶材料がもつ複屈折Δｎと、ＴＮ液晶のセル厚ｄ（図１における液晶層５の厚みｄ１に対応する）を４．５μｍにしたときの原初的なレターデーションｄΔｎとの波長依存性を示すもので、図示のとおりそれぞれの値は波長によって異なってくる。そして、前述のようにＴＮ液晶は黒レベル表示においてセル内の液晶分子の全てが垂直配向姿勢になるわけではないので、セル厚ｄの略７０％に相当する液晶層の部分が、補償すべき位相遅れを生じさせる実効的な要因として寄与しているものとし、これを実効レターデーションＲｅとして表すと同図のとおりである。
【００５１】
なお、この実施例の液晶素子には、メルク社の「ＺＬＩ−１０８３」（商品名）として知られるシアノシクロヘキサン系ネマティック液晶が用いられている。先のパーセンテージは、液晶層を構成している液晶分子の組成や種類、あるいは基板間への印加電圧レベルや液晶分子の配向姿勢分布に応じて適宜に変更すべきであり、必ずしも一律に７０％に限られるものではない。
【００５２】
このＴＮ液晶の実効レターデーションＲｅがもつ波長依存性に適合させるために、図９に示すように、高屈折率層にＴｉＯ２  膜、低屈折率層にＳｉＯ２  膜を用い、これらを交互に積層した位相差補償膜（１）  を作製した。ＴｉＯ２  膜及びＳｉＯ２  膜は、その個々の物理的膜厚がそれぞれ３０ｎｍ，２０ｎｍ（物理的膜厚比が３：２）で、各々４０層ずつ合計８０層積層され、合計の物理的膜厚は２μｍである。そして、同図に示すとおりＴｉＯ２  膜及びＳｉＯ２  膜の屈折率にも波長依存性がある。この位相差補償膜（１）  の複屈折Δｎを測定したところ、同図に示すようにやはり波長依存性が認められた。
【００５３】
なお、物理的膜厚が３０ｎｍ，２０ｎｍのＴｉＯ２  膜，ＳｉＯ２  膜の光学膜厚は、屈折率が大きい４００ｎｍにおいてもそれぞれ７６．６ｎｍ，２９．６ｎｍでいずれもλ／５以下であり、青色光の基準波長４５０ｎｍや他の基本色光の基準波長においてもこの条件は満たされる。この条件が満たされることによって、λ／４の光学膜厚を基準にした従来の干渉薄膜とは異なり、これらの積層膜に本発明システムに必須である光学異方性をもたせることができる。また、個々の薄膜層の光学膜厚をλ／１００よりも薄くすると、各々の薄膜層の物理的膜厚は極端に薄いものになる。したがって、所望の総膜厚ｄを得るには各々の薄膜層の積層数が大幅に増え、製造効率が著しく劣化するので実用的ではない。
【００５４】
ここで、上記構造をもつ位相差補償膜（１）  の複屈折Δｎが、構造性複屈折の理論から予想される理論値とよく一致することを示す。一般に、屈折率ｎ１  ，ｎ２  、物理的膜厚がａ，ｂである薄膜を波長よりも十分に短いピッチａ＋ｂで交互に積層した位相差補償膜に対し、各層の積層面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傾斜して入射した場合には、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＝√｛（ａｎ１２＋ｂｎ２２）／（ａ＋ｂ）｝
ＮＴＭ＝√〔（ａ＋ｂ）／｛（ａ／ｎ１２）＋（ｂ／ｎ２２）｝〕
【００５５】
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。これらの式から求めた複屈折Δｎの理論値を図９に示す実測値と比較すると、両者がよく一致していることが了解できる。なお、図９のΔｎの欄に示す「ｋ＝０．６」は、上式における「ａ／（ａ＋ｂ）＝ｋ」の値を表している。そして、この位相差補償膜（１）  のレターデーションｄΔｎは、波長ごとの複屈折Δｎと、位相差補償膜の膜厚ｄ（＝２μｍ）との積であるから、同図に示すように波長ごとに異なってくる。なお、この図９からは、ＴｉＯ２  膜及びＳｉＯ２  膜の屈折率の波長依存性を比較したとき、複屈折Δｎの波長依存性に対する影響力は、ＳｉＯ２  膜よりもＴｉＯ２  膜の方が大きいということも読み取ることができる。
【００５６】
図１０は、図８に示すＴＮ液晶のレターデーションｄΔｎ（□）及び実効レターデーションＲｅ（○）と、位相差補償膜（１）  のレターデーションｄΔｎ（▲）とを波長ごとにプロットしたもので、実効レターデーション（○）と位相差補償膜（１）  のレターデーション（▲）とが重なり合うほど良好な位相差補償効果が得られることを表している。同図によれば、位相差補償膜（１）  は波長５００ｎｍ〜７００ｎｍの領域ではほぼ満足し得る効果が得られるものの、５００ｎｍよりも短波長側では過補償の傾向を示すことがわかる。したがって、青色光，緑色光，赤色光の各基本色光に対し、一定の厚みｄ＝２μｍにした同一の位相差補償膜（１）  を適用したのでは、可視光領域中の最も短波長側の青色光については十分な位相差補償効果が得られているとは言い難い。
【００５７】
この問題は、図１１に示すように、位相差補償膜（１）  を青色光用に適用する場合には、青色光のほぼ中間の基準波長４５０ｎｍにおけるレターデーション▲が実効レターデーション○と一致するようにその全体厚みｄを調整すれば、位相差補償膜（１）  の複屈折Δｎを変えなくても改善することができる。さらに、赤色光についてもそのほぼ中間の基準波長６５０ｎｍでレターデーション▲と実効レターデーション○とが一致するように赤色光用の位相差補償膜（１）  の全体厚みｄを増やすことで改善が可能となる。
【００５８】
図１２はこうして設計された位相差補償膜の物性値を示すもので、薄膜の積層構造自体は全く共通であるが、その全体の厚みｄが基本色光ごとに調整されている。すなわち、青色光用のものはｄ＝１．８μｍ、緑色光用のものはｄ＝２μｍ、赤色光用のものはｄ＝２．１μｍにしてある。これにより図１１に示すように位相差補償膜（１）  のレターデーションｄΔｎを基本色光の種類ごとに変えることができるようになる。
【００５９】
このように、各々の基本色光ごとに位相差補償膜によるレターデーションを調整するにあたり、その複屈折Δｎが各層の屈折率ｎ１  ，ｎ２  と各々の物理的膜厚の比で決まることを利用し、基本色光ごとに用いられる位相差補償膜（１）  のＴｉＯ２  膜とＳｉＯ２  膜の物理的膜厚を同じにして複屈折Δｎも一律のものにしておき、基本色光の種類に応じてそれぞれの位相差補償膜の合計層数を変えて膜厚ｄを調整することが望ましい。そして上記実施例では、位相差補償膜（１）  のレターデーションを基本色光ごとに調整するにあたり、緑色光用のものは合計積層数を８０層とし、青色光用のものは合計積層数を７２層、赤色光用のものは８２層にすることで対応している。
【００６０】
こうして設計された青色光用，緑色光用，赤色光の各位相差補償膜は、それぞれ図７に示す位相差補償膜８Ｂ，８Ｇ，８Ｒとして用いられる。このため、これらの位相差補償膜８Ｂ，８Ｇ，８Ｒは液晶素子の画素配列に応じてガラス基板２１の一方の面に形成される。液晶素子の画素配列は、同じガラス基板２１の他方の面に形成されたマイクロカラーフィルタ３０の青色フィルタ層３０Ｂ，緑色フィルタ層３０Ｇ，赤色フィルタ層３０Ｒに対応する。このように、共通のガラス基板２１上にこれらの位相差補償膜８Ｂ，８Ｇ，８Ｒと青色フィルタ層３０Ｂ，緑色フィルタ層３０Ｇ，赤色フィルタ層３０Ｒとを形成すれば、双方の配列パターンを正確に対応づけする上で有利となる。
【００６１】
青色フィルタ層３０Ｂ，緑色フィルタ層３０Ｇ，赤色フィルタ層３０Ｒ及び  遮光層３０Ｘは、染色法や顔料分散法などで作成することもできるが、耐久性を考慮した場合、蒸着法やスパッタリング法で作成するのが有利である。また、各フィルタ層及び遮光層のパターンニングのためには、例えば特開平９−１５４２０号公報などで知られるような周知のリフトオフ法やフォトリソグラフィを用いることができる。位相差補償膜８Ｂ，８Ｇ，８Ｒについても、同様のリフトオフ法やフォトリソグラフィが適用可能であるが、これらの位相差補償膜８Ｂ，８Ｇ，８Ｒは、積層される薄膜Ｌ１，Ｌ２の個々の膜厚が共通で、積層数が異なるだけであるという構成上の特徴から、図１３に示す手法を採ることができる。
【００６２】
図１０はガラス基板２１上に位相差補償膜８Ｂ，８Ｇ，８Ｒをパターンニングしながら形成する手順を示すもので、図７とは表裏を逆にして示し、マイクロカラーフィルタ３０についてはその図示を省略してある。図１０（Ａ）に示すように、まずガラス基板２１の全面に薄膜Ｌ１（物理的膜厚３０ｎｍのＴｉＯ２  膜）と薄膜Ｌ２（物理的膜厚２０ｎｍのＳｉＯ２  膜）とを蒸着により交互に３６層ずつ積層した合計膜厚１．８μｍの第１層４０を形成する。
【００６３】
そして同図（Ｂ）に示すように、その上層に紫外線硬化型のフォトレジスト層４１を塗布形成した後、フォトマスク４２を利用して位相差補償膜８Ｂの配列パターンに対応する部分だけに紫外線で露光を与える。フォトレジスト層４１は、紫外線の露光部が不溶部、非露光部が可溶部となるから、現像処理を行うことによって、同図（Ｃ）に示すように第１層４０の表面のうち、位相差補償膜８Ｂの配列パターンとなる部分だけがフォトレジスト層４１で覆われた状態となる。
【００６４】
続いて、全体にさらに薄膜Ｌ１，Ｌ２を交互に４層ずつ蒸着する。この結果、同図（Ｄ）に示すように、フォトレジスト層４１の上層及び、フォトレジスト層４１で覆われていない部分の双方に、さらに物理的膜厚で０．２μｍ分の第２層４４が積層される。フォトレジスト層４１で覆われていない部分は、先に得られた第１層４０上に追加蒸着が行われるため、その部分の物理的膜厚は２．０μｍとなって位相差補償膜８Ｇと同じ膜厚となる。
【００６５】
その後、再び全体にフォトレジスト層４１を塗布し、同図（Ｅ）に示すように、今度は位相差補償膜８Ｇの配列パターンに合わせて紫外線露光を与える。同様の現像処理を行うと、同図（Ｆ）に示すように、位相差補償膜８Ｒの配列パターンに対応する部分だけがフォトレジスト層４１で覆われずに表面に露呈した状態となる。そして、再度薄膜Ｌ１，Ｌ２を２層ずつ追加蒸着して第３層４５を積層すれば、位相差補償膜８Ｒの配列パターンに対応する部分では、同図（Ｇ）のように先に得られた薄膜Ｌ１，Ｌ２の上層にさらに物理的膜厚で０．１μｍ分の蒸着が行われ、全体の積層数は８４層、物理的膜厚は２．１μｍとなる。
【００６６】
しかる後に、フォトレジスト層４１を剥離して取り除くと、同図（Ｈ）に示すように、ガラス基板２１上には第１層４０だけによる位相差補償膜８Ｂと、第１層４０に第２層４４を加えた位相差補償膜８Ｇと、第１層４０と第２層４４と第３層４５とが重ねられた位相差補償膜８Ｒとを所定のパターンで配列した位相差補償膜８が得られる。この手法は、共通の基板上に異種の薄膜層を異なった位置にパターンニングしながら順次に形成してゆくに際し、先に作成が完了する薄膜層が、後で作成が完了する薄膜層の下層側の一部になっている場合に効果的で、後で作成が完了する薄膜層の上層側に別の蒸着材料の薄膜層が追加される場合にも適用が可能である。
【００６７】
「実施例２」
上記位相差補償膜（１）  は、図５に示す液晶プロジェクタで使用される液晶素子１３としてＴＮ液晶が用いられる場合のものであるが、液晶素子としてＥＣＢ液晶が用いられる場合の実施例について説明する。ＥＣＢ液晶は図１４に示す物性をもち、セル厚を４．５μｍとすれば、複屈折Δｎの波長依存性によりレターデーションｄΔｎにも波長依存性が現れる。前述のように、ＥＣＢ液晶では液晶素子の波長ごとのレターデーションｄΔｎがそのまま位相差を発現させる要因になるから、これを踏まえて位相差補償膜のレターデーションを調節すればよい。
【００６８】
図１５に、このＥＣＢ液晶用の位相差補償膜（２）  の設計例を示す。高屈折率層としてＴｉＯ２  膜、低屈折率層としてＳｉＯ２  膜を用い、まず波長５５０ｎｍでのレターデーションがＥＣＢ液晶のレターデーション「０．５５８ｎｍ」とほぼ一致するように多層膜設計を行った。そこで、ＴｉＯ２  膜，ＳｉＯ２  膜の物理的膜厚をそれぞれ３０ｎｍ，２０ｎｍとして各々の膜厚比を先の位相差補償膜（１）  と同様に３：２とし、これらを交互に５８層ずつ合計１１６層積層して総厚みｄ＝２．９μｍの位相差補償膜（２）  を得た。したがって、この位相差補償膜（２）  の波長ごとの複屈折Δｎも先の実施例と同様になるから、そのレターデーションｄΔｎは膜厚ｄ（＝２．９μｍ）を乗じて図示のとおりとなる。
【００６９】
この位相差補償膜（２）  のレターデーション▲と、ＥＣＢ液晶のレターデーション□とを波長ごとにプロットすると、図１６のとおりである。このグラフからわかるように、やはり短波長になるほど位相差補償膜（２）  では過補償となり、長波長側では補償不足傾向となることがわかる。そこで、図１７に示すように、青色光用の位相差補償膜については、基準波長４５０ｎｍで各々のレターデーションを一致させ、赤色光用の位相差補償膜については基準波長６５０ｎｍで両者を一致させるために、図１８に示すように青色光用，赤色光用のものについて合計膜厚ｄの調節を行った。
【００７０】
合計膜厚ｄを調節するにあたっては、先の実施例と同様に、青色光用のものについては合計厚みｄが２．５μｍとなるように薄膜の合計の積層数を１００層とし、赤色光用のものについては合計厚みｄが３．０μｍとなるように合計積層数を１２０層にした。これにより、可視光領域においては図１７に示すように基本色光ごとに改善されたレターデーション特性を得ることができた。なお、図１９は赤色光用に緑色光用の位相差補償膜をそのまま用いた場合の特性を示したもので、実用的にはこれで対応することも可能である。また、波長６００ｎｍで位相差補償膜（２）  のレターデーションはＥＣＢ液晶のレターデーションとが一致するように、この緑色光・赤色光共用の位相差補償膜の合計膜厚をわずかに増やすようにしてもよい。
【００７１】
こうして膜設計を行った後、基本色光ごとに層膜厚を変えた３種類の位相差補償膜を先の実施例と同様にマイクロカラーフィルタ３０の画素配列に対応させてガラス基板２１に蒸着形成すればよい。
【００７２】
以上の実施例１，２は、薄膜Ｌ１，Ｌ２にＴｉＯ２  膜，ＳｉＯ２  膜を用いているが、そのほかにも、例えばＺｒＯ２  、ＭｇＯ、ＣｅＯ２  、ＳｎＯ２  、Ｔａ２  Ｏ５  、Ｙ２  Ｏ３  、ＬｉＮｂＯ３  、ＭｇＦ２  、ＣａＦ２  、Ａｌ２  Ｏ３  など、種々の蒸着材料を適宜選択して薄膜Ｌ１，Ｌ２を形成することができる。もちろん、その場合には、これらの薄膜の有効屈折率ＮＴＥ，ＮＴＭ及びその波長依存性を考慮した膜厚設計が必要となる。
【００７３】
また、本発明を実施するうえでは、基本的には位相差補償膜８Ｂ，８Ｇ，８Ｒの膜構成や薄膜材料を全く変えてもよいが、実施例１，２のように高屈折率層である薄膜Ｌ１と低屈折率層であるＬ２とをそれぞれ一定の膜厚で積層してゆき、その積層数だけを変えて基本色光ごとの物理的構造を得るようにすると、各々の位相差補償膜の品質を一定に保ちながら量産がしやすいという製造上での大きな利点が得られる。
【００７４】
さらに、本発明は反射型のカラー液晶素子にも用いることができ、反射型のカラー液晶素子を用いた単板式カラー液晶プロジェクタにも適用が可能である。反射型のカラー液晶素子は、液晶層の背後にミラーを配置した構造をもち、入射光は液晶層を２度通過してから出射する。したがって、液晶素子で生じる位相差がセル厚の２倍になることを考慮して設計を行えばよい。例えば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）で使用し、入射光軸又は反射光軸のいずれか一方だけで位相差補償作用を得る場合には、セル厚の２倍を基準にして位相差補償膜の膜設計を行えばよい。
【００７５】
なお、反射型液晶素子の表面に近接して位相差補償膜を設け、入射光が位相差補償膜を通って液晶層に入射し、その反射光が再びその位相差補償膜を通過して出射する場合には、液晶層及び位相差補償膜を光線がそれぞれ２度通過することになるから、前述した実施例のように、液晶素子のセル厚（液晶層の厚みｄ）を基準にした設計を行えばよい。
【００７６】
以上に説明した位相差補償膜は、結晶光学的には一軸性の負のｃ−ｐｌａｔｅとして機能する構造性複屈折体であるが、同様の機能を発揮する無機材料からなる構造性複屈折体として、原理的には例えば図２０に示すものも本発明の位相差補償素子として用いることができる。この構造性複屈折体５０は、透明な支持体となるガラス基板５１の表面に、屈折率ｎＡ  の透明な板状突起５２を格子状に配列したものである。
【００７７】
この構造性複屈折体５０の物理的構造を構成している板状突起５２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、例えば板状突起６７の厚みｄに屈折率ｎＡ  を乗じた光学膜厚が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５０ａは図示の方向となる。
【００７８】
この構造性複屈折体５０の複屈折Δｎは、板状突起５２の厚みＳと、その相互間の間隔で決まり、レターデーションは板状突起５２の高さｈとの積ｈΔｎとなる。そして、板状突起５２の屈折率ｎＡ  のもつ波長依存性により、複屈折Δｎも波長依存性を示すから、先の実施例と同様に基本色光の種類、特に短波長側で位相差補償量もかなり違った値になる。これに対処するには、基本色光の種類に応じて板状突起５２の高さｈを変え、それぞれレターデーションを異ならせた複数種類の位相差補償セグメントとし、これらを液晶素子の画素配列パターンに対応して配列すればよい。液晶素子との組み合わせを考慮すれば、図６に示す位相差補償膜８に代えて、ガラス基板２１の下面にこれらの板状突起５２からなる複数種類の位相差補償セグメントを配列すればよい。
【００７９】
さらに、図２１に示すように、ガラス基板５１上に透明な板状突起５４を傾斜して配列した構造性複屈折体５５も用いることができる。この構造性複屈折体５５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５１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５５も、先の構造性複屈折体５０と同様に、板状突起５４の高さｈを調節することによって、基本色光の種類に応じてレターデーションを調節することができる。
【００８０】
これらの構造性複屈折体５０，５５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５２，５４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、屈折率楕円体の三次元座標軸に関する屈折率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。
【００８１】
正のａ−ｐｌａｔｅは基板の面内に光学軸があるので、基板と垂直な方向に進む偏光に対して、偏光方向によって異なる位相差を引き起こす位相差板である。その特殊な例として、直線偏光に対して方位角４５°となるように配置され、レターデーションｄΔｎが波長の１／４となるａ−ｐｌａｔｅは、直線偏光を円偏光に変換する機能を示す。このようなａ−ｐｌａｔｅは、４分の１波長板として反射型の液晶素子との組み合わせで多用されている。
【００８２】
図２２に正のａ−ｐｌａｔｅとして作用する構造性複屈折体の一例を示す。この構造性複屈折体６０は、ガラス基板５１の表面に所定の屈折率をもつ透明な誘電体による突状６１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６１の幅Ｗ及び突条６１の相互間隔、並びに高さｈは波長よりも十分に小さくしてある。
【００８３】
光学軸６０ａは図示のように格子構造と平行となり、上記構造が形成されたガラス基板５１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して使用される。照明光軸または投影光軸と直交する面内で、異なる屈折率が一次元方向に分布する。レターデーションは、突条６１の高さｈと、突条６１の屈折率及びその微細構造で決まる複屈折Δｎとの積となるから、基本色光の種類に応じて高さｈを調節することによって、レターデーションの調節が可能となる。なお、高さｈが波長に対して大きくなると光学異方性が一軸からずれて二軸となる。さらに大きくなると負のａ−ｐｌａｔｅに近づく。また、突条６１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６１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。
【００８４】
正の構造性複屈折体は、図２３，図２４，図２５に示すような形態でも得ることができる。図２３に示す構造性複屈折体６５は、ガラス基板５１の表面に所定の屈折率をもつ透明な誘電体からなる多数の突起６６を垂直に林立させたもので、突起６６のサイズや配列ピッチは光の波長に比して充分に小さく、結晶光学的には正のｃ−ｐｌａｔｅとなる。ガラス基板５１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、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６５もフォトリソグラフィーで作成が可能であり、その光学軸６５ａはガラス基板５１の表面に垂直となる。そして、突起６６の高さｈを調節して、基本色光の種類に応じたレターデーションの調節を行うことができる。
【００８５】
図２４に示す構造性複屈折体７０は正のｏ−ｐｌａｔｅとして作用する。この構造性複屈折体７０は、ガラス基板５１の表面に所定の屈折率をもつ透明な突起７１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７０ａは、図示のようにガラス基板５１の表面に対して傾斜し、突起７１の傾斜方向と平行になる。同様に、突起７１の高さｈを調節することによって、基本色光の種類に応じたレターデーションの調節が可能である。
【００８６】
正のｏ−ｐｌａｔｅを作成するにあたっては、図２５に示すように、ガラス基板５１の表面に対し、斜め方向から所定の屈折率をもつ一種類の誘電体を蒸着した誘電体層７４を形成することによっても得られる（米国特許第５６３８１９７号公報明細書（前掲特許文献１）参照）。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５１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７５も、ガラス基板５１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、斜設した誘電体層７４がｏ−ｐｌａｔｅ複屈折体の光学異方性を示す。そして、誘電体層７４の高さｈを調節することによって、基本色光の種類に応じたレターデーションの調節が可能である。
【００８７】
図２０〜図２５に挙げた構造性複屈折体５０，５５，６０，６５，７０，７５は、高屈折率薄膜層と低屈折率薄膜層とを交互に積層した位相差補償膜とは物理的構造が異なるが、光軸方向の厚み（高さｈ）に依存しない微細構造で決まる複屈折Δｎを一定のままにしながらも、光軸方向の厚みの調節により基本色光の種類に応じたレターデーションの調節ができるという共通性がある。したがって、これらの構造性複屈折体の一つについて、基本色光の種類に応じて光軸方向の厚みを調節した２〜３種類の位相差補償セグメントを液晶素子の画素配列に対応した配列パターンに並べて図６のガラス基板２１に形成しておけば、先の位相差補償膜８Ｂ，８Ｇ，８Ｒと同様の位相差補償作用を得ることが可能となる。
【００８８】
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、本発明を適用し得る液晶素子としては、上述したＴＮ液晶モードやＥＣＢ液晶モードのものだけでなく、ＶＡ（Ｖｅｒｔｉｃａｌｌｙ  Ａｌｉｇｎｅｄ）、ＯＣＢ（Ｏｐｔｉｃａｌｌｙ  Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ  Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ  ）、ＦＬＣ（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ）などの各種の動作モードのものであってもよい。また、少なくとも二種類の位相差補償セグメントを二次元配列した位相差補償素子を、液晶素子のガラス基板２１の内面側に設けたり、あるいは他方のガラス基板２０の少なくともいずれかの面に設けることも可能である。さらに、液晶素子とは別体のガラス基板に各位相差補償セグメントを形成した位相差補償素子を作成しておき、各位相差補償セグメントが液晶素子の画素配列と整合するようにこの位相差補償素子を液晶素子に接合して用いるようにしてもよい。
【００８９】
薄膜Ｌ１，Ｌ２を交互に積層した位相差補償膜を作成するにあたっては、各層の物理的膜厚比は必ずしも３：２に限られず例えば１：１であってもよい。また２種類の薄膜を交互に積層する以外にも、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。
【００９０】
【発明の効果】
以上に述べたとおり、本発明によれば、単板式液晶カラープロジェクタに用いられるカラー液晶素子の画素配列に対応し、基本色光の種類ごとにレターデションが異なる位相差補償セグメントを二次元配列した位相差補償素子を用いたから、基本色光ごとに位相差補償を行うことができるようになり、可視光領域の全域にわたって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、また黒レベルを表示するときの色味をなくすことができる。しかも、この位相差補償素子が無機材料からなる複屈折構造体で構成されているので、照明光源からの加熱を受けても位相差補償作用はほとんど劣化することがなく、耐久性の点でも大幅な改善が見込める。
【００９１】
本発明は、上記位相差補償素子を構成するにあたり、個々の光学膜厚を波長の１００分の１以上５分の１以下にした薄膜を積層した位相差補償膜を用いることによって有利に実現することができる。このような位相差補償膜は、高屈折率の薄膜と低屈折率の薄膜とを交互に積層するだけでも実現が可能である。特に、これらの薄膜の物理的膜厚をそれぞれ一律にして複屈折Δｎは一定にしながらも、これらの薄膜の積層数を基本色光の種類に応じて変えることによって色光ごとのレターデーションを調節することが可能となり、製造面での利点が大きい。また、これらの高・低二種類の薄膜として、種々の蒸着膜として多様され、品質も安定したＴｉＯ２  膜とＳｉＯ２  膜とを用いることができるので、安定した位相差補償作用が得られる。さらに、カラー液晶素子のカラー変調手段として用いられるマイクロカラーフィルタを多層干渉薄膜で構成する場合には、位相差補償膜の構成要素であるＴｉＯ２  膜とＳｉＯ２  膜とを用いることができるから、共通の蒸着設備を利用してマイクロカラーフィルタと位相差補償膜とを製造することが可能となり、効率的な製造を行うことができる。そして本発明は、上記のカラー液晶素子を組み込んだ単板式カラー液晶プロジェクタの形態で実施することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】位相差補償作用を説明する概念図である。
【図２】位相差補償素子の一例を示す概念図である。
【図３】レターデーションの波長依存性を示すグラフである。
【図４】基本色光ごとにレターデーションを調節する場合の説明図である。
【図５】単板式カラー液晶プロジェクタの概略図である。
【図６】カラー液晶素子の概略断面図である。
【図７】カラー液晶素子の部分概略断面図である。
【図８】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９】ＴＮ液晶用の位相差補償膜（１）  の波長依存性を示す図表である。
【図１０】ＴＮ液晶と位相差補償膜（１）  のレターデーション特性を示すグラフである。
【図１１】本発明実施例１のレターデーション特性を示すグラフである。
【図１２】本発明実施例１の位相差補償膜の波長依存性を示す図表である。
【図１３】本発明の位相差補償膜の製造構成を示す説明図である。
【図１４】ＥＣＢ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１５】ＥＣＢ液晶用の位相差補償膜（２）  の波長依存性を示す図表である。
【図１６】ＥＣＢ液晶と位相差補償膜（２）  のレターデーション特性を示すグラフである。
【図１７】本発明実施例２のレターデーション特性を示すグラフである。
【図１８】本発明実施例２の位相差補償膜の波長依存性を示す図表である。
【図１９】位相差補償膜（２）  を波長５００ｎｍで分割して利用する場合のレターデーション特性を示すグラフである。
【図２０】位相差補償素子として適用可能な構造性複屈折体を示す概念図である。
【図２１】構造性複屈折体の他の例を示す概念図である。
【図２２】構造性複屈折体の別の例を示す概念図である。
【図２３】構造性複屈折体のさらに他の例を示す概念図である。
【図２４】構造性複屈折体のさらに別の例を示す概念図である。
【図２５】構造性複屈折体のさらに別の例を示す概念図である。
【符号の説明】
２  液晶素子
５  液晶層
６  位相差補償素子
８  位相差補償膜
１０  光源
１２  偏光板
１３  液晶素子
１４  位相差補償素子
１５  偏光板
１６  投影レンズ
１７  スクリーン
２０，２１    ガラス基板
３０  マイクロカラーフィルタ
３５  液晶層
５０，５５，６０，６５，７０，７５  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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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