(57)【要約】プロジェクション光学システムにおけるコントラスト改善装置は、速軸が互いに垂直に配列された２つ以上の位相差板と組合せた偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）より成る。この装置は、個々の位相差板のみを作用させた場合よりも良好で有効な広帯域の周波数応答特性を有し、個々の位相差板の複屈折率及び厚さを選択することにより波長依存性が最小となる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロジェクション液晶ディスプレイにおけるコントラスト改善用光学装置であって、
偏光ビームスプリッタと、
第１位相差板と、
少なくとも第２位相差板と、
前記偏光ビームスプリッタ及び前記位相差板を予め決定した向きで組込む装着構造体と
を具えるコントラスト改善用光学装置。
【請求項２】
請求項１に記載のコントラスト改善用光学装置において、第２位相差板に対する第１位相差板の向きは、これら位相差板の速軸が互いに交差するようになっているコントラスト改善用光学装置。
【請求項３】
請求項１に記載のコントラスト改善用光学装置において、第１及び第２位相差板を有する有効位相差板がアクロマチック位相差板であるコントラスト改善用光学装置。
【請求項４】
請求項１に記載のコントラスト改善用光学装置において、前記第１位相差板は、二軸位相差板及び一軸位相差板より成る群から選択した位相差板であるコントラスト改善用光学装置。
【請求項５】
請求項１に記載のコントラスト改善用光学装置において、前記第２位相差板は、二軸位相差板及び一軸位相差板より成る群から選択した位相差板であるコントラスト改善用光学装置。
【請求項６】
請求項１に記載のコントラスト改善用光学装置において、前記第１位相差板は、正のＡプレート及び負のＡプレートより成る群から選択した位相差板であるコントラスト改善用光学装置。
【請求項７】
請求項１に記載のコントラスト改善用光学装置において、前記第２位相差板は、正のＡプレート及び負のＡプレートより成る群から選択した位相差板であるコントラスト改善用光学装置。
【請求項８】
請求項１に記載のコントラスト改善用光学装置において、前記第１位相差板が位相遅延Φ1 を有し、前記第２位相差板が位相遅延Φ2 を有し、Φ1 ＋Φ2 が入射照明光の波長の四分の一にほぼ等しい有効な広帯域の位相遅延を生ぜしめるようになっているコントラスト改善用光学装置。
【請求項９】
請求項８に記載のコントラスト改善用光学装置において、更にｎ個の追加の位相差板が設けられ、これらの各位相差板がΦn で表わされる位相遅延を有し、位相遅延の合計である
【数１】
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が入射照明光の波長の四分の一にほぼ等しい有効な広帯域の位相遅延を生じるようになっているコントラスト改善用光学装置。
【請求項１０】
請求項１に記載のコントラスト改善用光学装置において、第１及び第２位相差板の各々を特徴付ける位相遅延が式
Φ＝（１／λ）△ｎ（λ）ｄ
により規定されているコントラスト改善用光学装置。
【請求項１１】
請求項１に記載のコントラスト改善用光学装置において、第１及び第２波長板を有する組合せ構造体を特徴付ける位相遅延が式
Φ＝（２π／λ）｛△ｎa （λ）ｄa −△ｎb （λ）ｄb 
により規定されているコントラスト改善用光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反射式液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）プロジェクションの分野、特に、ＬＣＤプロジェクタにおいて広い波長範囲に亙ってコントラストを高める装置に関するものである。
【０００２】
通常のプロジェクション光学では、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）が入射光ビームを偏光させ、この得られたビームを反射式のライトバルブに向ける。有限の円錐角を有する光ビームを導入する実際のプロジェクションシステムでは、（光軸に平行でない）スキュー光線がプロジェクションシステムのコントラストをかなり悪くする。
【０００３】
反射式液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）におけるこのようなコントラストの消失を補正する一方法は、単一の位相差板（波長板）を用い、これをビーム路中に配置し、この位相差板により、反射式のライトバルブからから反射されたスキュー光線の偏光状態を変換し、これらの光線が光源の方向に戻るようにＰＢＳにより有効に反射されるようにする。このような位相差板においては、次式により規定された移相量が光ビームに適用される。
【数１】
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ここに、Φは移相量であり、λは特定の波長であり、Δｎ（λ）は特定の材料体の複屈折率を表わし、ｄは位相差板の厚さである。
【０００４】
このような位相差板を使用することによりシステムのコントラストが著しく改善されるが、この単一の位相差板は、入射光ビームの特定の１つの波長に対してのみ四分の一波長板となるように設計されているものである。このような四分の一波長の位相差板は、特定設計の波長を有する光線のみを最適に変換するように物理的に構成されている為、他の波長を有する光線は、位相の不整合の為にこの位相差板により正確に変換されない。従って、この場合も、コントラストは最適とならない。しかし、このような波長の依存性は、位相遅れが光の波長に依存しないアクロマチック位相差板を用いることにより解決しうる。Proceedings of Indian Academy of Sciences Vol. XLI, No. 4, Sec. A, 1955 の第130 〜144 頁に記載されている論文“Achromatic combination of birefingent plates”（S. Pancharatnum 氏著）、Appl. Optics Vol. 14, N1の第229 〜237 頁に記載されている論文“Improvement of birefringent filters, 2: Achromatic Waveplates ”及び英国特許第 2331912号明細書を参照されたい。
【０００５】
他の分野で同様な波長の制限を回避するために、２つ以上の位相差板を組合せて、位相遅延を固定設計にし、従って、同じ装置において広い波長範囲に亙って偏光状態を変換させている。文献“The handbook of Optics Volume II”（ISBN 0-07-047974-7 para 3:53）には、各々の位相差板がそれぞれ異なる独自の分散複屈折材料を有するこのような広帯域の位相差板の組合せ構造体が記載されている。これら位相差板の光軸を整列させるか又は交差させ、且つこれらの分散特性を注意深く選択することにより、広帯域の位相差板機能を達成しうる。
【０００６】
現在の光学装置には、これをプロジェクションシステムに用いた場合に、最適なコントラストが得られないという欠点がある。
【０００７】
本発明の目的は、プロジェクションシステムに用いた場合に、広帯域の波長スペクトルに亙って高コントラストが得られる光学装置を提供することにある。
【０００８】
この目的は、請求項１に記載の光学装置により達成される。
【０００９】
偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）を２つ以上の波長板、すなわち、位相差板と組合せることにより、広帯域の波長スペクトルに亙って高コントラスト（すなわち、無彩色暗状態）を有するプロジェクション光学システムが得られる。それぞれ独自の波長応答性を有する個々の位相差板の速軸は、組合せ構造体における他の位相差板の速軸に対し平行又は垂直に配置する。これにより得られる位相差板の組合せ構造体は、個々の位相差板のみの波長応答性よりも良好で有効な広帯域波長応答性を有する。更に、この組合せ構造体は、ＰＢＳの斜面に正確に整列させうる良好に規定された速軸を有する有効な位相差板を構成する。
【００１０】
個々の位相差板の複屈折率及び厚さを選択することにより、位相差板の組合せ構造体を真の無彩色性に近づけるように波長依存性を最小にするか又は制御することができる。位相差板の組合せ構造体をＰＢＳと一緒に作用させることにより、従来可能であった場合よりも広い周波数範囲に亙ってコントラストを著しく改善しうる。
【００１１】
他の有利な例は特許請求の範囲の従属項に規定してある。
【００１２】
本発明の上述した及びその他の観点は以下の実施例に関する説明から明らかとなるであろう。
入射光ビームが、種々の波長を有する光ビームより成る場合には、プロジェクション液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）光学システムのコントラスト特性は劣化するおそれがある。本発明は、このような劣化を低減させた光学装置を開示する。
【００１３】
図１は、本発明の好適例による、光学的なプロジェクションシステムにおけるコントラストを改善する装置１０を示す。偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１２は入射光ビーム１４を、第１位相差板１６及び第２位相差板１８を通るように指向させる。光ビーム１４は次に、ＬＣＤ装置２０により反射され、位相差板（リターダ）１６及び１８を再び通ってＰＢＳ１２に向かうように再指向される。位相差板１６及び１８の組合せ構造体はＬＣＤ２０から反射された光の偏光を変換させ、光がＰＢＳ１２の斜面２２で有効に反射されて光ビーム２４として光源の方向に戻るようにする。位相差板１６及び１８は互いに組合わさって有効な位相差板の組合せ構造体を形成し、この組合せ構造体により、波長に殆ど依存しない一定の位相変化を入射光に与える。偏光変換を有効にするには、四分の一波長、すなわち、λ／４に等しい位相変化が必要である。
【００１４】
第１及び第２位相差板１６及び１８は例えば、それぞれΦ1 及びΦ2 の位相遅延により特徴付けられているものとする。これらの合計Φ1 ＋Φ2 が入射光の波長に対しほぼλ／４に等しくなるようにする必要がある。同様に、複数個（ｎ個）の位相差板で、各位相差板が位相遅延Φn を有する場合、これらの位相遅延の合計
【数２】
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は、偏光変換を有効にするために所定の入射光の波長に対しほぼλ／４に等しくする必要がある。
【００１５】
更に、位相差板の組合せ構造体は、ＰＢＳ１２の軸線２６に正確に整列させうる、良好に規定された無彩色性の有効な速軸を有する。この光学的な整列における不正確度は装置の補償特性を著しく悪くするおそれがある。
【００１６】
個々の各位相差板は式
【数３】
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により規定される移相を生じる為、複数の位相差板対の各対の組合せ効果により、式
【数４】
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により規定される各波長に対する移相を有するものとして特徴付けうる“有効位相差板”が得られる。ここに、Φは移相量であり、λは特定の波長であり、Δｎa ，Δｎb は特定の材料構造体の複屈折率を表わし、ｄa ，ｄb は個々の位相差板ａ及びｂの厚さである。累積移相は個々の移相量Φの合計であり、式
【数５】
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により表わされる。ここに、ｍは採用する位相差板の個数である。
【００１７】
図２は、位相差板の構造を異ならせた場合の、波長（横軸）の関数としてシステムのコントラスト（縦軸）をプロットしたものを示す。曲線２８は、図２で３０を付した単一の中心波長λ1 で四分の一波長となるように設計した単一の基準位相差板に対するプロットを示す。曲線３２は、Pancharatnam型の位相差板の組合せ構造体に対するプロットを示す。スキュー角及び非スキュー角の双方の光線に対しコントラストが減少するのは、位相差板の組合せ構造体の波長依存性により、この組合せ構造体の有効な速軸における整列が“不安定”となることによるものである。この波長依存性は主として、Pancharatnam型の位相差板の組合せ構造体の特徴を成す個々の位相差板の速軸の非直交配向により生じるものである。
【００１８】
ＰＢＳ１２を直交配向のアクロマチック位相差板１６及び１８と組合せることにより得られる図２の曲線３４は、他の２つの構造、すなわち、曲線２８及び３２よりも広帯域のコントラストが著しく増大することを示している。２つの位相差板１６及び１８より成る有効なアクロマチック位相差板が呈する波長依存性は減少し、これらの速軸を容易に交差させることができるとともに正確に整列させることができ、これにより、曲線３４が呈する非アクロマチック構造の“不安定”を排除する。
【００１９】
図３は、図１に示す構造に用いる２つの位相差板１６及び１８の斜視図である。これら２つの位相差板１６及び１８（ａ及びｂ）の各々の速軸はｆで示してあり、互いに直交している。これら位相差板の厚さをそれぞれｄa 及びｄb により示し、これらの複屈折率をそれぞれΔｎa 及びΔｎb により示す。位相差板１６及び１８は互いに異なる材料から構成し、これら位相差板の複屈折特性が互いに異なるようにする。各位相差板は一般に、所定の波長の四分の一よりもかなり大きい遅延特性（遅延量）を有する。（これら位相差板の速軸を交差させることにより得られる）これらの遅延特性の差により、四分の一波長のアクロマチック位相差板が得られるものである。
【００２０】
例えば、第１位相差板の遅延特性がｘ＋λ1 ／４（第１波長の四分の一）に等しいものとする。ここに、ｘは０から波長の倍数までの任意の数（すなわち、０．４λ、１．２５λ、３λ等）にしうる。従って、第１波長板の遅延特性は０．４λ＋λ1 ／４、１．２５λ＋λ1 ／４、３λ＋λ1 ／４、等として与えることができる。本例の第１位相差板の速軸を、遅延特性が例えばｘに等しい第２位相差板の速軸と整列させることにより、あらゆる場合に、位相差板の組合せ構造体の有効な遅延特性はλ／４となる。位相差板の対の主たる特性は、速軸が互いに直交して整列されており、これにより構成された組合せ構造体は、各位相差板のみを作用させた場合よりも広い範囲（波長λ1 を中心とする）の個々の波長に亙って唯一で固定の１／４波長の遅延特性を呈する。
【００２１】
図４及び５は、図１に示す位相差板１６及び１８の遅延（図４）及び移相効果（図５）の種々の例を示す。図４において、曲線３８は、代表的な第１位相差板１６に対し、波長の関数として遅延特性をプロットしたものを示す。曲線４０は、代表的な第２位相差板１８に対し遅延特性をプロットしたものである。曲線４２は、位相差板１６及び１８の組合せより成る“有効な”位相差板の遅延特性をプロットしたものである。曲線４２は波長に比例している遅延特性を呈していることに注意すべきである。
【００２２】
図５では、図４に示す波長範囲と同じ範囲に亙る波長の関数として移相量をプロットしている。曲線４４及び４６はそれぞれ位相差板１６及び１８と関連する代表的な移相量を示す。曲線４８は、位相差板１６及び１８の代表的な組合せ構造体が前記波長範囲に亙って呈する移相量の勾配が最小であることを示す。
【００２３】
図６〜９は、位相差板対の種々の代表的な例を示す斜視図である。これら位相差板の種々の独特な組合せ構造体によれば、システムの光学的特性である無彩色性を明確に改善しうる。図６〜９に示す各組合せ構造体の場合、一軸位相差板の屈折率プロファイルは、一平面内にある常光線屈折率ｎo と、この一平面に対し直交する異常光線屈折率ｎe とより成る。各組合せ構造体には、各軸に対する相対的な方向ベクトルを示してある。Ａプレートの位相差板が一軸材料より成り、この材料の異常光線屈折率がこの位相差板の広い平面内にあるものとすると、異常光線屈折率ｎe が常光線屈折率ｎo よりも小さい場合、このプレートは負のＡプレートである。或いはまた、異常光線屈折率ｎe が常光線屈折率ｎo よりも大きい場合、このプレートは正のＡプレートである。
【００２４】
図６〜９では、所定のスキュー光線に対する各位相差板の位相遅延特性は、主光ビーム方向に対する位相差板内の光線の方位角Θ及び極角θの関数であり、式
【数６】
2004531763.tif 000008
により規定される。
【００２５】
位相差板の軸外れ位相遅延特性は、例えば、プレート外の屈折率ｎz が平面内の最小の屈折率、すなわち、速軸方向の屈折率よりも小さいか又はこれに等しい位相差板を用いることにより、複屈折率Δｎ（θ，Θ）を変えて式（４）の分母中の項cos θを補償し、位相差板の軸外れ位相遅延特性を一定に保持することができる。正のＡプレートに対する速軸はｎo 方向にあり、負のＡプレートに対する速軸はｎe 方向にある為、正のＡプレートは負のＡプレートよりも良好な軸外れ遅延を呈する。その理由は、正のＡプレートの軸外れ遅延特性は軸上位相遅延特性とほぼ同じに保たれるように設計しうる為である。
【００２６】
図６は、互いに直交配向とした２つの正のＡプレート位相差板５０及び５２を示す斜視図である。
【００２７】
図７は、互いに直交配向とした２つの負のＡプレート位相差板５４及び５６を示す斜視図である。
【００２８】
図８は、正のＡプレート位相差板５８と負のＡプレート位相差板６０とを有するＡプレート組合せ構造体を示す。
【００２９】
所望のアクロマチック特性を生ぜしめるのに二軸型の位相差板を用いることもできる。当該技術分野で既知のように、二軸型の位相差板は、互いに直交する方向で値が全て異なる３つの屈折率を有する。図９は、代表的な２つの二軸位相差板６２及び６４を示す斜視図である。これと同じ効果を有する、二軸位相差板及びＡプレート位相差板の種々の組合せ構造体をも用いることができること明らかである。
【００３０】
当業者には、上述したところから種々の変形例が明らかとなるものである。従って、上述したことは、例示にすぎず、本発明を実施する最良モードを当業者に教示する目的のものである。実施例の細部は本発明の精神を逸脱することなく変更することができ、請求の範囲に含まれるあらゆる変形例も専用使用されるべきものである。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の好適実施例による、プロジェクション光学システムにおけるコントラスト改善装置を示す斜視図である。
【図２】プロジェクション光学システムのコントラストに対する種々の位相差板構造体の波長の関係をプロットしたグラフ線図である。
【図３】図１に示す位相差板構造体に用いる２つの位相差板を示す斜視図である。
【図４】図１に示す好適実施例における位相差板の遅延効果を示すグラフ線図である。
【図５】図１に示す好適実施例における位相差板の移相効果を示すグラフ線図である。
【図６】２つの正のＡプレート位相差板を示す斜視図である。
【図７】２つの負のＡプレート位相差板を示す斜視図である。
【図８】正のＡプレート位相差板と負のＡプレート位相差板との組合せを示す斜視図である。
【図９】２つの二軸位相差板を示す斜視図である。
【国際公開パンフレット】
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2004531763.tif 000011
2004531763.tif 000012
2004531763.tif 000013
2004531763.tif 000014
2004531763.tif 000015
2004531763.tif 000016
2004531763.tif 000017
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2004531763.tif 000019
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2004531763.tif 000022
2004531763.tif 000023
【国際調査報告】
2004531763.tif 000024
2004531763.tif 000025