(57)【要約】【課題】全ての偏光方位に対して所望の位相差特性を実現することを可能にした位相差板を提供すること。さらには、そのような、位相差板を用いた高コントラストの投射型画像表示装置を提供すること。【解決手段】面内で位相差が変化する領域を有する第１の位相差板と、面内で位相差が変化する領域を有する第２の位相差板を対向して配置したことを特徴とする構成とした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
使用される光の波長以下の微細構造を有する位相差板において、面内で位相差が変化する領域を有する第１の位相差板と、面内で位相差が変化する領域を有する第２の位相差板を対向して配置したことを特徴とする位相差板。
【請求項２】
第２の位相差板の、位相差が変化する領域における面内での位相差の変化量は、対向して配置された第１の位相差板の面内での変化量と絶対値が等しく、符号が逆の特性を有することを特徴とする請求項１に記載の位相差板。
【請求項３】
第１の位相差板の任意の位置を通過し、それに対向する第２の位相差板を通過した光束の合成の位相差は、面内の光線通過領域に於いて一定な位相差となることを特徴とする請求項１に記載の位相差板。
【請求項４】
第１の位相差板と第２の位相差板の配置を面内方向で相対的に変動可能な構成とすることを特徴とする請求項３に記載の位相差板。
【請求項５】
相対的な変動は、面内の平行移動であることを特徴とする請求項４に記載の位相差板。
【請求項６】
各位相差板における面内方向の位相差の変化量は、合成の位相差量の１０％以上変化させることを特徴とする請求項１に記載の位相差板。
【請求項７】
各位相差板における面内方向の位相差の変化量は、各位相差板の平均の位相差量の５０％以下変化させることを特徴とする請求項１に記載の位相差板。
【請求項８】
面内の位相差の変化は、面内で位相差板の高さが変化していることを特徴とする請求項１に記載の位相差板。
【請求項９】
面内の位相差の変化は、面内で微細周期構造の充填率が変化していることを特徴とする請求項１に記載の位相差板。
【請求項１０】
請求項１項に記載の位相差板を用いたことを特徴とする投射型画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、位相差板および位相差板を有する投射型表示装置に関し、特に使用波長以下の微細な周期構造による構造性複屈折を利用した位相差板に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、複屈折材料として知られているものとして、方解石、水晶などの結晶性材料、液晶材料、複屈折性を持つプラスチック材料、高分子材料などが挙げられる。これらの複屈折材料は、位相差板（１／４波長板、１／２波長板）、ローパスフィルターなどに応用されている。最近では、液晶型投射装置や液晶表示機器、デジタルスチルカメラなどの製品において複屈折材料の重要性は高まっている。
【０００３】
一方、基板材料に使用光の波長よりも微細な周期構造を作製することにより複屈折が生じることが知られている。この構造によって生じる複屈折は構造性複屈折としてよく知られている。特許文献１では、この構造性複屈折を利用した位相差板が提案されている。
【０００４】
このような構造性複屈折を利用した位相差板は、微細構造を最適化することで複屈折を生じさせているため、これまでの結晶性材料などでは実現できない複屈折特性を有する位相差板を提供できるなどの利点がある。しかし、その一方で、微細構造が製造誤差を生じると複屈折量が変わり、結果として位相差特性も変動してしまうといった製造上の課題も有している。
【０００５】
特許文献２では、製造誤差によって生じた位相差のずれを調整する手段が開示されている。この特許文献２は、２つの位相差板を用い、各々の位相差板の光学軸同士が非平行となるように対向して配置した構成からなっている。そして、光学軸がなす角度を調整することで、所望の位相差を得るような構成となっている。
【０００６】
さらに、このような位相差板を用いた装置として、投射型画像表示装置が知られている。簡単な構成を図１４に示す。２１は緑の波長領域光を透過するダイクロイックミラーである。２２ａ、２２ｂ、２２ｃはS偏光を反射し、P偏光を透過させる偏光ビームスプリッタである。２３ａ、２３ｂは、それぞれ所定波長領域の光の偏光方向を９０°変換（回転）させる色選択性波長板である。
【０００７】
２４ｒ、２４ｇ、２４ｂはそれぞれ入射した光を反射するとともに画像信号に応じて変調し画像光を形成する反射型液晶表示素子である。２５ｒ、２５ｇ、２５ｂは、位相差板であるところの１／４波長板である。２６は投射レンズである。
【０００８】
次に、ダイクロイックミラー２１を透過した緑の波長領域光を例に、波長板２５ｇの作用を説明する。ダイクロイックミラーを透過した光の内、S偏光の光は、偏光ビームスプリッタ２２ａの偏光分離面で反射される。そして、１／４波長板２５ｇを透過し、円偏光となり、反射型液晶表示素子２４ｇに入射する。反射型液晶表示素子で、画像信号に応じて変調された光のうち、偏光方向が変調されずに反射された光は、再度１／４波長板２５ｇを透過することでP偏光に変換される。その後、偏光ビームスプリッタ２２ａ、２２ｃを透過し、投射レンズ２６により、不図示のスクリーン等に投射される。
【０００９】
投射型画像表示装置に用いられる位相差板（１／４波長板）で、製造誤差による位相差のずれが発生すると、反射型液晶表示素子で変調された光が、位相差板を通過後、偏光ビームスプリッタに入射する時点で、所望の偏光特性とならない。これにより、例えば、黒表示部にもれ光が発生し、画像のコントラストを低下させるなどの問題となる。そのため、位相差板の位相差特性は、要求される位相差を実現することが重要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００３−２０７６３６号公報
【特許文献２】特開２００６−２６８００９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上述の特許文献２に開示された従来技術では、前述の投射型画像表示装置の位相差板として用いた場合、十分な性能を得ることができず、画像のコントラストが低下してしまう。具体的には、投射型画像表示装置のように、ＮＡの明るい光学系に用いられる位相差板は、全ての入射偏光方位で、所望の位相差特性を実現する必要がある。
【００１２】
図１５を用いて、課題について簡単に説明する。図１５は、図１４の偏光ビームスプリッタ２２ａの偏光分離面で反射されたＳ偏光の光を表わしている。図中ｘｚ断面が図１４の紙面に対応する。図から明らかなように、ＮＡを持った光束では、光束の位置によって、位相差板に入射する光束の偏光方向は変化していることとなる。図中１４１は、位相差板に対してはＳ偏光、図中１４２は位相差板に対してはＰ偏光で入射される光束となる。従って、ＮＡの明るい光束では、全ての偏光方位に対して、所望の位相差特性を実現しないと位相差ずれが発生してしまう。
【００１３】
特許文献２は、回転させることで位相差量を調整している。この方式だと特定の偏光方位に対しては、所望の位相差特性とすることは可能であるが、全偏光方位に対して所望の位相差特性とすることは不可能である。
【００１４】
そこで、本発明の目的は、全ての偏光方位に対して所望の位相差特性を実現することを可能にした位相差板を提供することである。さらには、そのような、位相差板を用いた高コントラストの投射型画像表示装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するために、本発明は、使用される光の波長以下の微細構造を有する位相差板において、面内で位相差が変化する領域を有する第１の位相差板と、面内で位相差が変化する領域を有する第２の位相差板を対向して配置したことを特徴とする。上記、面内で位相差が変化するということは、位相差板に特定の入射角、特定の偏光方位で入射する光束に対して、面内で位相差が変化することを意味している。
【００１６】
さらに、第２の位相差板の位相差が変化する領域における面内での位相差の変化量は、対向して配置された第１の位相差板の面内での変化量と絶対値が等しく、符号が逆の特性を有することを特徴とする。
【００１７】
さらに、第１の位相差板の任意の位置を通過し、それに対向する第２の位相差板を通過した光束の位相差は、面内の特定の領域に於いて一定な位相差となることを特徴とする。
【００１８】
さらに、第１の位相差板と第２の位相差板の配置を面内方向で相対的に変動可能な構成とすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、全ての偏光方位に対して所望の位相差特性を実現することを可能にした位相差板を提供することができる。さらに、そのような、位相差板を用いた高コントラストの投射型画像表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明における第１の実施例の位相差板の斜視図
【図２】本発明における第１の実施例の位相差板の断面図
【図３】本発明における第１の実施例の位相差板の位相差特性の概念図
【図４】本発明における第２の実施例の位相差板の位相差特性の概念図
【図５】本発明における第１の実施例の位相差板の位相差特性
【図６】本発明における第２の実施例の位相差板の位相差特性
【図７】本発明における第２の実施例の位相差板の位相差特性
【図８】本発明における第３の実施例の位相差板の斜視図
【図９】本発明における第３の実施例の位相差板の断面図
【図１０】本発明における第３の実施例の位相差板の位相差特性
【図１１】本発明における第４の実施例の位相差板の位相差特性
【図１２】本発明における第４の実施例の位相差板の位相差特性
【図１３】本発明における第５の実施例の位相差板の断面図
【図１４】従来例における投射型表示装置の色分解合成系の構成図
【図１５】位相差板に入射する偏光光束の説明図
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下に、本発明の好ましい実施の形態を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態にかかわる位相差板である。本発明の位相差板１は、第１の位相差板２と、第２の位相差板３が対向して配置した構成となっている。第１の位相差板２は、基板４の上に位相差部５を有している。第２の位相差板３は、基板６の上に位相差部７を有している。位相差部４、位相差部７ともに、使用波長以下の微細な周期構造を有する１次元格子構造となっている。
【００２２】
この微細構造により、構造性複屈折特性が発現し、位相差板として機能する。また、本発明の位相差板１は、第１の位相差板の基板側から入射した光束が、第１の位相差板と第２の位相差板を透過し、第２の位相差板の基板側から射出した時点で、所望の位相差特性が得られるような構成となっている。
【００２３】
図２は、図１の位相差板のｘｚ断面を表わしている。第１の位相差板の位相差部５は、周期P１の1次元格子である。周期P１は、位相差部５に入射した光束が回折しないための条件から求めることが出来る。回折しない状態に於いて、１次元格子は、構造に起因する複屈折特性が表れる。１次元格子は、第１の媒質８と、第２の媒質９がｘ方向に繰り返される構造であり、第1の媒質８は幅ａ１からなる。従って、第２の媒質９の幅はP１−ａ１である。
【００２４】
本構成では、２つの媒質のうち、屈折率の高いほうの媒質を第１の媒質８としている。図２の構成では、第２の媒質９は空気となっている。また、この位相差部５の格子高さは、ｄ１である。本発明では、格子形状が位相差板の面内で変化していることを特徴としている。図２では、格子高さｄ１が、面内のｘ方向に変化している構成となっている。そして、その変化量は、ｘ＝０からｘ＝ｘＬの領域で、ｄ１（０）からｄ１（ｘＬ）に向けて線形に増加している。
【００２５】
第２の位相差板の位相差部７も、基本的な構成は第１の位相差板の位相差部５と同じで、入射した光束が回折しないように格子周期Ｐ２が決定された１次元格子である。１次元格子は、第３の媒質１０と、第４の媒質１１がｘ方向に繰り返される構造であり、第３の媒質１０は幅ａ２からなる。従って、第４の媒質１１の幅はP２−ａ２である。
【００２６】
本構成では、２つの媒質のうち、屈折率の高いほうの媒質を第３の媒質１０としている。図２の構成では、第２の媒質１１は空気となっている。また、この位相差部７の格子高さは、ｄ２である。そして、第２に位相差板の位相差部７も、格子形状が位相差板の面内で変化していることを特徴とする。図２にでは、格子高さｄ２が、面内のｘ方向に変化している構成となっている。そして、その変化量は、ｘ＝０からｘ＝ｘＬの領域で、ｄ２（０）からｄ２（ｘＬ）に向けて線形に減少している。
【００２７】
上述した構成が、素子構成上の本発明を実施するための基本的な形態である。さらに機能の点から、本発明の実施形態について説明するが、その前に、微細構造からなる位相差板の位相差特性について簡単に説明する。微細な周期構造の特性を説明するのに、有効屈折率法（Effective Medium Theory：ＥＭＴ）を用いる。有効屈折率法は、微細な周期構造を有する構造体の見かけの屈折率（これ以降、有効屈折率と呼ぶことにする）を求める手法である。
【００２８】
微細周期構造の格子の周期方向に対して垂直な偏光方向を有する偏光をＴＥ偏光、格子の周期方向と平行な偏光方向を有する偏光をＴＭ偏光とし、ＴＥ偏光、ＴＭ偏光の有効屈折率をｎｐ（ＴＥ），ｎｐ（ＴＭ）と表す。ここで、フィリングファクターと呼ばれる値を定義する。この値は、格子形状を構成する２つの材料のうち、一方の材料が占める幅ａの、格子周期Pに対する割合でＦＦａ＝ａ／Pで表現される。すると、各偏光方向の有効屈折率ｎｐ（ＴＥ）、ｎｐ（ＴＭ）は、以下のように表わされる。
【００２９】
ｎｐ（ＴＥ）＝ＳＱＲＴ｛ｎ１２ＦＦａ＋ｎ２２（１−ＦＦａ）｝・・（１）
ｎｐ（ＴＭ）＝１／ＳＱＲＴ｛（１／ｎ１２）ＦＦａ＋（１／ｎ２２）（１−ＦＦａ）｝
・・（２）
ここで、ｎ１は微細周期構造を構成する２つの材料のうち、一方の材料の屈折率、ｎ２は他方の材料の屈折率である。ＳＱＲＴ{  }は{  }内の平方根を表わす。ＦＦａはフィリングファクターである。屈折率差Δｎは、
Δｎ＝ｎｐ（ＴＥ）−ｎｐ（ＴＭ）・・（３）
で表わされる。１次元格子の高さをｄとすると、位相差φは
φ＝３６０×Δｎ×ｄ／λ・・（４）
と求めることができる。φが１８０度となるとき、１／２波長板、９０度となるときに１／４波長板として機能する。このように、微細格子の形状が決定すると、位相差を導出することが可能である。
【００３０】
さらに、この微細周期構造からなる位相差板は、異方性媒質として考えると、１軸性の異方性媒質と見なすことができる。そして、その場合、格子周期方向が１軸性の異方性媒質としての光学軸となる。
【００３１】
図３に、本発明の位相差板の位相差特性を概念的に表わす。第１の位相差板で得られる位相差１２をφ１、第２の位相差板で得られる位相差１３をφ２、合成の位相差板１として得られる位相差１４をφｔとしている。図２を例にとると、第１の位相差板は、格子高さが、ｘ＝０からｘ＝ｘＬに向けて増加している。従って、位相差φ１も、ｘ＝０からｘ＝ｘＬに向けて増加する特性となる。
【００３２】
一方、第２の位相差板は、格子高さが、ｘ＝０からｘ＝ｘＬに向けて減少している。従って、位相差φ２は、ｘ＝０からｘ＝ｘＬに向けて減少する特性となる。そして、合成の位相差φｔは、２つの位相差板の位相差を加算した特性となる（φｔ＝φ１＋φ２）。そして、この合成の位相差φｔが、ｘ＝０からｘ＝ｘＬの領域で一定の値となることを特徴としている。例えば、１／４波長板の場合は、合成の位相差φｔが、ｘ＝０からｘ＝ｘＬの領域で９０度となる。
【００３３】
本発明において、合成の位相差φｔが一定の値となるためには、第１の位相差板が、面内で変化する量と、第２の位相差板が、面内で変化する量は、補完的な関係であることが重要である。つまり、位相差の変化量の絶対値が等しく、符号が逆の特性を有する２つの位相差板を用いることである。そうすれば、面内の特定の領域を入射する光束に対し、常に一定の位相差を与えることが可能となる。
【００３４】
このように、本発明では、補完的な位相差特性を有する２つの位相差板を配置することで、合成の位相差板として一定の位相差を得ることが特徴である。従って、位相差板の面内で位相差を変化させる手段は、前述した格子高さを変えることに限定されるものではない。また、変化する方向もｘ方向に限定されるものではない。また、位相差板の構成も基板の上に微細形状が形成された構成に限定されるものではない。基板と位相差部の境界などに反射防止層を付加した構成など、要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【００３５】
次に、本発明の位相差板に製造ばらつきが生じた場合は、合成の位相差板として所望の位相差が得られるように、２つの位相差板の相対位置を調整することが可能である。以下、位相差特性を用いて説明する。図４に、製造ばらつきが発生した場合の、位相差特性を示す。図４（ａ）が、第１の位相差板に製造ばらつきが発生した場合の位相差特性、図４（ｂ）が、調整後の位相差特性である。
【００３６】
図４（ａ）は、第１の位相差板の位相差φ１が一律φｃだけ低くなった場合である。図中点線は、図３で示した設計値の位相差特性を表わしている。第１の位相差板の位相差φ１が図中１５で示すようにφｃだけ低くなっているため、合成の位相差φｔは、設計値からφｃだけ低い特性となってしまう。
【００３７】
次に、合成の位相差φｔを所望の特性になるように調整することについて説明する。図４（ｂ）に表わしたように、第２の位相差板を、ｘ方向にｘ１だけシフトさせる。このようにすると、図中点線で表わした設計の位相差特性に対し、第２の位相差板は、位相差φ２が増加することになる。そして、第１の位相差板で発生した位相差のずれφｃを補正するように増加分を調整すれば、合成の位相差φｔとしては、所望の特性を得ることができる。
【００３８】
補足として、式を用いて調整の方法を説明する。図３の設計値において、第１の位相差板の位相差φ１と第２の位相差板の位相差φ２、合成の位相差φｔは、下記のように表現できる。
【００３９】
φ１（ｘ）＝φ１（０）＋Δφ×ｘ
φ２（ｘ）＝φｔ−φ１（０）−Δφ×ｘ
φｔ（ｘ）＝φ１＋φ２＝φｔ：一定
次に、図４（ａ）で位相差が一律φｃだけ低くなった場合は、以下のように表わせる。
【００４０】
φ１’（ｘ）＝φ１（０）＋Δφ×ｘ−φｃ
φ２（ｘ）＝φｔ−φ１（０）−Δφ×ｘ
φｔ’（ｘ）＝φ１’＋φ２＝φｔ−φｃ
さらに、φ２をｘ方向にｘ１だけ調整することは、以下のように表わされる。
【００４１】
φ１’（ｘ）＝φ１（０）＋Δφ×ｘ−φｃ
φ２’（ｘ）＝φ２（ｘ−ｘ１）＝φｔ−φ１（０）−Δφ×（ｘ−ｘ１）
φｔ’（ｘ）＝φ１’＋φ２＝φｔ−φｃ＋Δφ×ｘ１
ここで、φｃ＝Δφ×ｘ１となるように、第２の位相差板のシフト量を決定し調整すれば、合成の位相差φｔ’は所望の特性φｔとすることができる。
【００４２】
上記説明は、本発明の特徴を解りやすくするために、簡単な特性としている。実際には、第１の位相差板の位相差１２と、第２の位相差板の位相差１３は、ｘ方向に１次関数的に単調増加、減少するような特性に限定されない。製造ばらつきによる位相差のずれを評価し、そのずれを補正できるように各々の位相差特性を決定すればよい。
【００４３】
ただし、製造のばらつきは、微細構造部の媒質の成膜条件で格子高さｄがばらついたり、エッチング条件により格子のライン幅ａがばらついたりすることが考えられ、これらの製造ばらつきは、位相差板の面内で一律に変動することが多い。従って、上述したように位相差板の位相差特性は、特定の方向に１次関数的に変化させることが好ましい。
【００４４】
また、調整の方法として、第１の位相差板と第２の位相差板を異方性媒質と見なした場合に、各々の位相差板が１軸性媒質として作用し、その光学軸の向きが相対的に変わらないように調整を行うことが好ましい。このようにすれば、位相差板に任意の偏光方向で入射した光束に対し、合成の位相差特性として、設計値と同じ所望の位相差特性を得ることが可能となる。
【実施例１】
【００４５】
以下、図１および図２を参照して、本発明の第1の実施例による位相差板について説明する。可視光の緑帯域光に対して、１／４波長板として機能する位相差板を具体例にとる。
【００４６】
表１に、第１の位相差板２と第２の位相差板３における位相差部５，７の微細形状を示す。第１の位相差板２は、基板４がＳｉＯ２からなり、位相差部５は、ＴｉＯ２と空気からなる１次元周期構造である。周期は、緑帯域光に対して、回折光が発生しないよう全域３１０ｎｍに決定した。また、ライン幅も、全域で２１３ｎｍとした。格子高さｄ１については、ｘ＝０の位置で１８９ｎｍ、中央で２４３ｎｍ、ｘ＝ｘＬの位置で２９７ｎｍとし、ｘ方向に１次関数的に増加している。ｘＬ＝１５ｍｍとすれば、１ｍｍ当たり７．２ｎｍ格子高さが変化する形状となっている。
【００４７】
また、表１には、波長５５０ｎｍでの位相差量を参考し示している。１／４波長板として機能する位相差９０度に対し、半分の位相差である４５度を中心とし、ｘ＝０からｘ＝ｘＬの範囲で３５度から５５度と約２０度位相差を変化している。
【００４８】
一方、第２の位相差板３は、第１の位相差板と同じ形状でｘ＝０とｘ＝ｘＬの向きが反転している形状である。従って、波長５５０ｎｍでの位相差は、ｘ＝０からｘ＝ｘＬの範囲で５５度から３５度となっている。これにより、合成の位相差板としてはｘ＝０からｘ＝ｘＬの領域で９０度の位相差が得られている。
【００４９】
この実施例の形態では、第１の位相差板と第２の位相差板で同じ形状の位相差板を製作し、向きを反転させて配置させてあげれば良いだけなので、製造しやすい形態となっている。
【００５０】
次に、図５に上記構成の位相差板における位相差の波長特性を表わす。図５（ａ）が、第１の位相差板の特性である。図５（ｂ）が、第２の位相差板の特性である。図５（ｃ）が、合成の位相差板の特性である。図５（ｃ）は、ｘ方向の３箇所での位相差特性が、殆ど重なってしまうため、ｘ０の位相差に対して＋１度、ｘＬの位相差に対して−１度オフセットさせて表示させている。緑帯域光は、約５００ｎｍから６００ｎｍの波長域で機能すれば良い。この波長範囲での位相差特性は、約８９度から９０度と良好な１／４波長板となっている。
【実施例２】
【００５１】
本発明の第２の実施例として、第１の実施例の位相差板に製造誤差が生じた場合の位相差板の調整方法と位相差特性について説明する。製造誤差として、第１の位相差板の位相差部のライン幅が誤差を持った場合と、格子高さが誤差を持った場合について説明する。
【００５２】
表１−２）にライン幅が誤差を持った場合の形状と位相差特性を表わす。ライン誤差は、設計値に対して、位相差板の全領域で１．５％狭くなった形状とした。この誤差により、第１の位相差板の位相差は、表に示すように、ｘ＝０の位置で３７．６２度、ｘ＝ｘＬの位置で５９．１１度と、２．６度から４．０７度と大きく変動している。そのため、合成の位相差も９２．６６度から９４．１３度と１／４波長である９０度から大きくずれることになり、１／４波長板として十分な性能が得られない。そこで、中央の位相差が９０度になるように、第２の位相差板をｘ方向にシフトさせる調整を実施する。
【００５３】
実施例１では、ｘＬ＝１５ｍｍと設定したので、第２の位相差板はｘ方向に、位相差が１．３３度／ｍｍずつ変化していることになる。第１の位相差板の中央部は４８．３７度と４５.０３度の設計値に対し、＋３．３４度低下している。従って、第２の位相差板を図２に示すｘ１の方向に２．５ｍｍシフトさせて調整すれば、中央部の位相差は９０度に調整できる。このときのｘ＝０とｘ＝ｘＬの合成の位相差は、８９．２８度と、９０．７６度と９０度の目標位相差に対し、１度以内の誤差まで改善される。
【００５４】
このような調整に於いて、位相差部がｘ＝０からｘ＝ｘＬの領域にだけしか形成されていない場合、ｘ＝ｘＬの位置で、調整後には第２の位相差部が存在しなくなり好ましくない。そこで、位相差部としては、調整量を考慮し、必要な位相差領域に対し、広い領域まで位相差部を形成しておくことが重要である。上記調整後の、ｘ＝ｘＬの位置での合成の位相差の結果は、ｘ＝ｘＬの外側にも、第２の位相差板が形成されているとして計算した。
【００５５】
次に、製造誤差として格子高さが誤差を持った場合の形状と位相差特性を、表１−３）に表わす。格子高さは、設計値に対して、位相差板の全領域で５．０％低くなった形状とした。この条件では、合成の位相差として、８８．３１度から８７．３１度と大きくずれている事がわかる。そして、調整後の合成の位相差は８９．５６度と、９０．５６度と９０度の目標位相差に対し、１度以内の誤差まで改善されている。このときの第２の位相差板の調整量は、１．６ｍｍであり、図２で示すｘ１とは逆方向にシフトさせる。
【００５６】
次に、図６、図７に上記製造誤差が発生した場合の位相差板における位相差の波長特性を表わす。図６（ａ）が、ライン幅に誤差が発生した場合の、合成の位相差板の特性である。図６（ｂ）が、調整後における合成の位相差板の特性である。図７（ａ）は、格子高さに誤差が発生した場合の、合成の位相差板の特性である。図７（ｂ）が、調整後における合成の位相差板の特性である。いずれも調整後の位相差は、９０度の目標位相差に対し、２度以内の誤差まで改善されている。
【００５７】
以上のように、実施例１の形態では、製造誤差が発生した場合も、適切な調整を行うことで、所望の位相差特性が得られることがわかる。ここで、第１の位相差板の面内の変化量は、製造誤差により発生する位相差のずれと、それを補正するための調整量から適切に設定する必要がある。面内の変化量を少なく取れば、誤差が生じた場合の調整量が大きくなり、素子の大きさが大きくなりすぎる。
【００５８】
そこで、面内の変化量は、製造誤差による位相差のばらつき程度にもよるが、所望の合成の位相差に対して１０％以上は変化させることが好ましい。逆に面内の位相差の変化量が大きい場合は、位相差の小さな箇所と大きな箇所で製造ばらつきが生じた際の位相差の変化量が一律にならず、補正しにくい。そこで、各位相差板で平均の位相差に対し、５０％以内の変化にすることが好ましい。
【実施例３】
【００５９】
以下、図８および図９を参照して、本発明の第３の実施例による位相差板について説明する。実施例１と同じく可視光の緑帯域光に対して、１／４波長板として機能する位相差板を具体例にとる。
【００６０】
表２に、第１の位相差板２と第２の位相差板３における位相差部５，７の微細形状を示す。第１の位相差板２は、基板４がＳｉＯ２からなり、位相差部５は、ＴｉＯ２と空気からなる１次元周期構造である。周期は、緑帯域光に対して、回折光が発生しないよう全域３１０ｎｍに決定した。
【００６１】
第１の実施例では、位相差を変化させるのに格子高さを変えていたが、本実施例では、格子高さは一定の２４３ｎｍとし、ライン幅を面内で変化させている。ライン幅ａ１については、ｘ＝０の位置で２２２ｎｍ、中央で２１３ｎｍ、ｘ＝ｘＬの位置で２０３ｎｍとし、ｘ方向に１次関数的に増加している。ｘＬ＝１５ｍｍとすれば、１ｍｍ当たり１．３ｎｍライン幅が変化する形状となっている。
【００６２】
また、表２には、波長５５０ｎｍでの位相差量を参考し示している。第１の実施例と同じく、１／４波長板として機能する位相差９０度に対し、半分の位相差である４５度を中心とし、ｘ＝０からｘ＝ｘＬの範囲で３５度から５５度と約２０度位相差を変化させている。
【００６３】
一方、第２の位相差板３は、第１の位相差板と同じ形状でｘ＝０とｘ＝ｘＬの向きが反転している形状である。従って、波長５５０ｎｍでの位相差は、ｘ＝０からｘ＝ｘＬの範囲で５５度から３５度となっている。これにより、合成の位相差板としてはｘ＝０からｘ＝ｘＬの領域で９０度の位相差が得られている。
【００６４】
この実施例の形態では、第１の位相差板と第２の位相差板で同じ形状の位相差板を製作し、向きを反転させて配置させてあげれば良いだけなので、製造しやすい形態となっている。
【００６５】
次に、図１０に上記構成の位相差板における位相差の波長特性を表わす。図１０（ａ）が、第１の位相差板の特性である。図１０（ｂ）が、第２の位相差板の特性である。図１０（ｃ）が、合成の位相差板の特性である。図１０（ｃ）は、ｘ方向の３箇所での位相差特性が、殆ど重なってしまうため、ｘ０の位相差に対して＋１度、ｘＬの位相差に対して−１度オフセットさせて表示させている。緑帯域光は、約５００ｎｍから６００ｎｍの波長域で機能すれば良い。この波長範囲での位相差特性は、約８９度から９０度と良好な１／４波長板となっている。
【実施例４】
【００６６】
本発明の第４の実施例として、第３の実施例の位相差板に製造誤差が生じた場合の位相差板の調整方法と位相差特性について説明する。製造誤差として、第１の位相差板の位相差部のライン幅が誤差を持った場合と、格子高さが誤差を持った場合について説明する。
【００６７】
表２−２）にライン幅が誤差を持った場合の形状と位相差特性を表わす。ライン誤差は、設計値に対して、位相差板の全領域で１．５％狭くなった形状とした。この誤差により、第１の位相差板の位相差は、表に示すように、ｘ＝０の位置で３８．５５度、ｘ＝ｘＬの位置で５８．０３度と、３．０度から３．６度と大きく変動している。
【００６８】
そのため、合成の位相差も９３．５５度から９３．０４度と１／４波長である９０度から大きくずれることになり、１／４波長板として十分な性能が得られない。そこで、中央の位相差が９０度になるように、第２の位相差板をｘ方向にシフトさせる調整を実施する。
【００６９】
実施例１では、ｘＬ＝１５ｍｍと設定したので、第２の位相差板はｘ方向に、位相差が約１．３３度／ｍｍずつ変化していることになる。第１の位相差板の中央部は４８．３７度と４５.０３度の設計値に対し、＋３．３４度低化している。従って、第２の位相差板を図２に示すｘ１の方向に２．５ｍｍシフトさせて調整すれば、中央部の位相差は９０度に調整できる。このときのｘ＝０とｘ＝ｘＬの合成の位相差は、９０．３１度と、８９．９９度と９０度の目標位相差に対し、０．５度以内の誤差まで改善される。
【００７０】
このような調整に於いて、位相差部がｘ＝０からｘ＝ｘＬの領域にだけしか形成されていない場合、ｘ＝ｘＬの位置で、調整後には第２の位相差部が存在しなくなり好ましくない。そこで、位相差部としては、調整量を考慮し、必要な位相差領域に対し、広い領域まで位相差部を形成しておくことが重要である。上記調整後の、ｘ＝ｘＬの位置での合成の位相差の結果は、ｘ＝ｘＬの外側にも、第２の位相差板が形成されているとして計算した。
【００７１】
次に、製造誤差として格子高さが誤差を持った場合の形状と位相差特性を、表２−３）に表わす。格子高さは、設計値に対して、位相差板の全領域で５．０％低くなった形状とした。この条件では、合成の位相差として、８８．２６度から８７．２６度と大きくずれている事がわかる。そして、調整後の合成の位相差は９０．３７度と、８９．５０度と９０度の目標位相差に対し、０．５度以内の誤差まで改善されている。このときの第２の位相差板の調整量は、１．６ｍｍであり、図２で示すｘ１とは逆方向にシフトさせる。
【００７２】
次に、図１１、図１２に上記製造誤差が発生した場合の位相差板における位相差の波長特性を表わす。図１１（ａ）が、ライン幅に誤差が発生した場合の、合成の位相差板の特性である。図１１（ｂ）が、調整後における合成の位相差板の特性である。図１２（ａ）は、格子高さに誤差が発生した場合の、合成の位相差板の特性である。図１２（ｂ）が、調整後における合成の位相差板の特性である。いずれも調整後の位相差は、９０度の目標位相差に対し、２度以内の誤差まで改善されている。
【００７３】
以上のように、実施例３の形態においても、製造誤差が発生した場合に適切な調整を行うことで、所望の位相差特性が得られることがわかる。本実施例の形態においても、第１の位相差板の面内の変化量は、製造誤差により発生する位相差のずれと、それを補正するための調整量から適切に設定する必要がある。面内の変化量を少なく取れば、誤差が生じた場合の調整量が大きくなり、素子の大きさが大きくなりすぎる。
【００７４】
そこで、面内の変化量は、製造誤差による位相差のばらつき程度にもよるが、所望の位相差に対して１０％以上は変化させることが好ましい。逆に面内の位相差の変化量が大きい場合は、位相差の小さな箇所と大きな箇所で製造ばらつきが生じた際の位相差の変化量が一律にならず、補正しにくい。そこで、各位相差板で平均の位相差に対し、５０％以内の変化にすることが好ましい。
【００７５】
また、本実施例の形態は、ライン幅を変えることで位相差を変化させている。前述した式の通り、ライン幅を変えると見かけの有効屈折率が変化し、位相差を変化させることができる。しかし、ライン幅と屈折率は線形に変化していない。そこで、位相差の変化を面内で一次関数的に変化させたい場合は、ライン幅は、非線形に変化させたほうが調整上は好ましい。
【００７６】
以上の実施例の形態では、緑帯域で機能する１／４波長板を例にとって説明を行ったが、青帯域や赤帯域の１／４波長板、１／２波長板など様々な用途の位相差板にも利用できることはいうまでもない。
【実施例５】
【００７７】
以下、図１３を用いて、本発明の第５の実施例による位相差板について説明する。図１３（ａ）は、図２と同じく、位相差板のｘｚ断面である。図１３（ｂ）は、ｙｚ断面、図１３（ｃ）は、第１の位相差板２のｘｙ断面、図１３（ｄ）は、第２の位相差板のｘｙ断面となっている。本実施形態では、１次元周期方向（図中ｘ方向）に直交する方向に、微細格子のライン幅を変化させる形態である。
【００７８】
この形態では、実施例２や実施例４で説明したような製造誤差が発生した場合、ｙ方向にシフトさせて調整することになる。位相差板のサイズや、調整量を考慮し、位相差を変化させる方向を実施例１の形態にするか、本実施例の形態にするかは決定すればよい。
【実施例６】
【００７９】
以下、本発明の第６の実施例による位相差板について説明する。前述の実施例では、位相差を面内で変化させるのに、位相差板の高さや微細格子のライン幅を変化させていた。
【００８０】
本実施形態では、微細格子を構成する媒質の少なくとも一方の屈折率を変化させる形態である。この場合も、面内で位相差を変化させることは可能である。製法としては、屈折率分布を有した基板に微細格子を形成すれば、本実施例の形態は実現できる。本実施例では、屈折率分布を与える方向と、微細格子の周期方向を任意に設定することが可能である。しかし、屈折率変化を与える方向と、微細格子の周期方向を平行または、直交させるのが性能的には、微細格子が１軸性の結晶として機能するので好ましい。
【００８１】
以上、本発明の位相差板の好ましい実施形態について実施例１から６で説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。また、当然のことだが、本発明の構成は、光線使用領域内で実施されていれば良く、光線使用領域外の形状は任意の形状を有していても構わない。
【実施例７】
【００８２】
第７の実施例の形態として、本発明の位相差板１を投射型表示装置に用いた光学系が考えられる。図１４の従来構成の投射型表示装置における１／４波長板を本発明の位相差板に置き換えれば良い。この際に、位相差板１として別の工程で第１の位相差板２と第２の位相差板の位置調整を行い、所望の性能となった位相差板１を、図中各位相差板の位置に用いればよい。或いは、第１の位相差板と第２の位相差板を投射型表示装置の光学系に適用したあと、全系での性能を見ながら、第１の位相差板と第２の位相差板の調整を行っても良い。
【００８３】
いずれの場合も、本発明の位相差板を用いると、位相差特性に優れるので、コントラストの高い良好な光学性能を有する光学系を提供することが可能となる。また、本発明は、微細周期構造部３の材料として、ＳｉＯ２やＴｉＯ２などの無機の材質を使用している。そのため、従来の有機フィルムから構成される１／４波長板に比べ、耐熱性に優れた光学系を提供することが可能となる。
【００８４】
【表１】
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【００８５】
【表２】
2012159724.tif 000004
【符号の説明】
【００８６】
１は位相差板
２は第１の位相差板、３は第２の位相差板
４は第１の位相差板の基板、５は第１の位相差板の位相差部
６は第２の位相差板の基板、７は第２の位相差板の位相差部
８は第１の媒質、９は第２の媒質、１０は第３の媒質、１１は第４の媒質
１２は第１の位相差板の位相差特性、１３は第２の位相差板の位相差特性
１４は合成の位相差板の位相差特性
１５は製造誤差が発生した第１の位相差板の位相差特性
２１は緑の波長領域光を透過するダイクロイックミラー
２２ａ、２２ｂ、２２ｃは偏光ビームスプリッタ
２３ａ、２３ｂは、色選択性波長板
２４ｒ、２４ｇ、２４ｂは反射型液晶表示素子
２５ｒ、２５ｇ、２５ｂは、１／４波長板
２６は投射レンズ
【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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