(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
照明手段と、
該照明手段から出射された光を変調する複数の光変調手段と、
前記光変調手段に入射する光の偏光方向を規制し、前記光変調手段により変調された光を検光する偏光手段と、
ダイクロイック面を有し、前記偏光手段により検光された光を合成する色合成手段と、
前記色合成手段で合成された光を投射する投射手段と、
を有するプロジェクタであって、
前記光変調手段は、一対の基板間に垂直配向モードの液晶層が挟持され、前記照明手段からの光を前記一対の基板のうちの一方の基板側から入射させ、他方の基板側で反射させた後、前記一方の基板から出射させる反射型の液晶ライトバルブを備え、
前記液晶ライトバルブを構成する前記一方の基板と前記偏光手段の間に第一の位相差板を備え、該第一の位相差板のいずれかの主屈折率方位を前記一方の基板の法線に略平行に配置し、
前記偏光手段と前記色合成手段の間に更に第３の位相差板を配置し、該第３の位相差板により、前記偏光手段を出射した直線偏光の偏光方向を、前記ダイクロイック面の法線と前記一方の基板の法線で定義される面に対し、平行または垂直になるようにすることを特徴とするプロジェクタ。
【請求項２】
照明手段と、
該照明手段から出射された光を複数の色光に分離する色分離手段と、
前記色分離手段から出射された複数の色光を変調する複数の光変調手段と、
前記色分離手段により分離され前記光変調手段に入射する光の偏光方向を規制し、前記光変調手段により変調された光を検光する偏光手段と、
ダイクロイック面を有し、前記偏光手段により検光された光を合成する色合成手段と、
前記色合成手段で合成された光を投射する投射手段と、
を有するプロジェクタであって、
前記光変調手段は、一対の基板間に垂直配向モードの液晶層が挟持され、前記照明手段からの光を前記一対の基板のうちの一方の基板側から入射させ、他方の基板側で反射させた後、前記一方の基板から出射させる反射型の液晶ライトバルブを備え、
前記液晶ライトバルブを構成する前記一方の基板と前記偏光手段の間に第一の位相差板を備え、該第一の位相差板のいずれかの主屈折率方位を前記一方の基板の法線に略平行に配置し、
前記照明手段は、光を所望の直線偏光に変換する偏光変換手段を有し、
前記色分離手段と前記偏光手段の間に更に第４の位相差板を配置し、該第４の位相差板により、前記色分離手段を出射した直線偏光の偏光方向を、前記偏光手段を出射し前記液晶ライトバルブに入射するような偏光方向とすることを特徴とするプロジェクタ。
【請求項３】
前記第一の位相差板は一軸性位相差板であり、その光学軸を前記一方の基板の法線に略平行に配置したことを特徴とする請求項１または２に記載のプロジェクタ。
【請求項４】
前記第一の位相差板は二軸性位相差板であることを特徴とする請求項１または２に記載のプロジェクタ。
【請求項５】
前記第一の位相差板の面内に含まれる主屈折をｎ１およびｎ２としたときに、ｎ１≒ｎ２であることを特徴とする請求項４に記載のプロジェクタ。
【請求項６】
前記垂直配向モードの液晶層の配向方位と略直交もしくは略平行な方位から前記液晶ライトバルブに入射する光線が、前記垂直配向モードの液晶に付与されているプレチルト角に基づく複屈折作用を受けた結果生じる楕円偏光を、最も直線偏光に近い偏光に変換するように、前記第一の位相差板の厚み方向リターデーションを設定してあることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のプロジェクタ。
【請求項７】
前記一方の基板の外面側に更に第２の位相差板を備え、該第２の位相差板は一軸性位相差板であり、その遅相軸が前記一方の基板と略平行な平面内に配置されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のプロジェクタ。
【請求項８】
前記第２の位相差板が１／４波長板であることを特徴とする請求項７に記載のプロジェクタ。
【請求項９】
照明手段と、
該照明手段から出射された光を変調する複数の光変調手段と、
前記光変調手段に入射する光の偏光方向を規制し、前記光変調手段により変調された光を検光する偏光手段と、
ダイクロイック面を有し、前記偏光手段により検光された光を合成する色合成手段と、
前記色合成手段で合成された光を投射する投射手段と、
を有するプロジェクタであって、
前記光変調手段は、一対の基板間に垂直配向モードの液晶層が挟持され、前記照明手段からの光を前記一対の基板のうちの一方の基板側から入射させ、他方の基板側で反射させた後、前記一方の基板から出射させる反射型の液晶ライトバルブを備え、
前記液晶ライトバルブを構成する前記一方の基板と前記偏光手段との間に１／４波長板を備え、前記垂直配向モードの液晶層の配向方向と略直交もしくは略平行な方位から前記液晶ライトバルブに入射する光線が、前記垂直配向モードの液晶に付与されているプレチルト角に基づく複屈折作用を受けた結果生じる楕円偏光を、最も直線偏光に近い偏光に変換するように、該１／４波長板の遅相軸の方位を設定し、
前記偏光手段と前記色合成手段の間に更に第３の位相差板を配置し、該第３の位相差板により、前記偏光手段を出射した直線偏光の偏光方向を、前記ダイクロイック面の法線と前記一方の基板の法線で定義される面に対し、平行または垂直になるようにすることを特徴とするプロジェクタ。
【請求項１０】
照明手段と、
該照明手段から出射された光を複数の色光に分離する色分離手段と、
前記色分離手段から出射された複数の色光を変調する複数の光変調手段と、
前記色分離手段により分離され前記光変調手段に入射する光の偏光方向を規制し、前記光変調手段により変調された光を検光する偏光手段を更に有し、
ダイクロイック面を有し、前記偏光手段により検光された光を合成する色合成手段と、
前記色合成手段で合成された光を投射する投射手段と、
を有するプロジェクタであって、
前記光変調手段は、一対の基板間に垂直配向モードの液晶層が挟持され、前記照明手段からの光を前記一対の基板のうちの一方の基板側から入射させ、他方の基板側で反射させた後、前記一方の基板から出射させる反射型の液晶ライトバルブを備え、
前記液晶ライトバルブを構成する前記一方の基板と前記偏光手段との間に１／４波長板を備え、前記垂直配向モードの液晶層の配向方向と略直交もしくは略平行な方位から前記液晶ライトバルブに入射する光線が、前記垂直配向モードの液晶に付与されているプレチルト角に基づく複屈折作用を受けた結果生じる楕円偏光を、最も直線偏光に近い偏光に変換するように、該１／４波長板の遅相軸の方位を設定し、
前記照明手段は、光を所望の直線偏光に変換する偏光変換手段を有し、
前記色分離手段と前記偏光手段の間に更に第４の位相差板を配置し、該第４の位相差板により、前記色分離手段を出射した直線偏光の偏光方向を、前記偏光手段を出射し前記液晶ライトバルブに入射するような偏光方向とすることを特徴とするプロジェクタ。
【請求項１１】
前記照明手段から前記液晶ライトバルブへの入射光の光軸と前記液晶ライトバルブから前記投射手段への反射光の光軸とが所定の角度をなすオフアクシス光学系の配置とされることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれかに記載のプロジェクタ。
【請求項１２】
前記入射光の光軸と前記反射光の光軸を含む面が、前記垂直配向モードの液晶層の配向方向と略直交もしくは略平行に配置されていることを特徴とする請求項１１に記載のプロジェクタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プロジェクタに関し、特に、反射型液晶ライトバルブを利用した電気光学装置の画像を拡大投写するプロジェクタに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
反射型の液晶ライトバルブを用いた投射型表示装置（液晶プロジェクタ）は、高精細の表示が可能であることから注目されている。
【０００３】
一般的に液晶ライトバルブに用いられる配向モードには、電圧無印加状態で液晶分子の長軸方向が基板面に略平行で基板面に垂直な方向に沿ってねじれた配向を持つツイステッド・ネマティック（Twisted Nematic,以下、ＴＮと略記する）モードと、液晶分子が垂直に配向した垂直配向モードとがある。
【０００４】
垂直配向モードでは、液晶分子が基板面に対して略垂直に配列した状態（基板の法線方向から見た光学的リターデーションが無い状態）を黒表示として用いるため、黒表示の質が良く、高いコントラスト比が得られる。また、正面コントラスト比に優れる垂直配向型ＬＣＤでは、一定のコントラスト比が得られる視角範囲はＴＮモードに比較して広くなる。この観点から、垂直配向モードの液晶ライトバルブは、近年、例えばリア型プロジェクションＴＶなどの映像向けの用途に注目されている。垂直配向モードを採用した反射型液晶ライトバルブを有するプロジェクタの例としては特開平１０−１６１１２７号公報などが知られている。
【０００５】
ところで液晶ライトバルブでは、画像の解像度を上げるために画素電極のピッチを小さくすると、隣接した画素電極間に生じる横方向電界が液晶に与える影響が大きくなり、特に垂直配向モードを採用した場合においてはその影響を受けやすく、配向の乱れによってディスクリネーションが発生する。そしてディスクリネーションが発生するとその領域の液晶の変調動作に異常が生じ、投写画像の明るさの低下や表示ムラを引き起こし画質の劣化を招く。
【０００６】
そのため、あらかじめ配向膜の処理によって液晶分子を基板の法線に対して傾け、配向規制力を強くしてディスクリネーションの発生を防止する対策がとられている。なお、本明細書においては電圧無印加状態における基板面の法線と液晶分子の平均的な長軸方向とのなす角度のことを「プレチルト角」と定義する。
【０００７】
しかし、プレチルト角を大きくすると電圧無印加状態においても液晶分子で比較的大きなリターデーションが発生し、理想的には直線偏光であるべき出射光が楕円偏光に変換されてしまうことにより黒表示状態でも光が漏れ出してしまう。その結果コントラストが低下し、垂直配向モードの特徴を生かせなくなってしまう。この問題を回避するために、特許第３０１９８１３号には１／４波長板を用いて、プレチルト角に起因して出射する楕円偏光を再び略直線偏光に変換する方法が開示されている。
【０００８】
また、これとは別にディスクリネーションによる画質低下を抑制するために、特開平１０−１４２６０５号には液晶の配向方向を画素電極の辺の方向に対して略平行または略直交するように設定する方法が開示されている。
【０００９】
反射型の液晶ライトバルブを用いたプロジェクタの光学系の構成としては、各色毎、具体的にはＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）用の液晶ライトバルブの各々に対して光を垂直に入射させ、反射光を再び垂直に出射させるもの、すなわち、入射光と反射光の光路が同軸上にある「オンアクシス光学系」を採用したものが一般的である。オンアクシス光学系の例としては特開昭６３−３９２９４号、特開昭６３−２２８８８７号などが知られている。
【００１０】
しかしながら、「オンアクシス光学系」を採用した場合、入射光と反射光を分離するのに偏光ビームスプリッタ（Polarized Beam Splitter,以下、ＰＢＳと略記する）を用いる必要があるが、ＰＢＳはコストが高いため、装置全体のコストが高くなるという問題があった。そこで、液晶ライトバルブの垂直方向からずれた角度から光を入射させ、その入射方向とは異なる方向に反射光を出射させる方式の「オフアクシス光学系」を採用したプロジェクタが提案されている。オフアクシス光学系ではＰＢＳが不要となるため、装置のコストを低減することができる。オフアクシス光学系の例としては特開平６−３４２１４１号などが知られている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
プロジェクタでは、有限な大きさを有する光源からあらゆる方向に出射した光を集光して液晶ライトバルブに入射させる。その結果、液晶ライトバルブに入射する光線の入射方位および入射角度はある一定の範囲を有するものとなる。この範囲が広ければ広いほど投写画像は明るくなる。
【００１２】
前述した１／４波長板を用いるコントラスト改善方法では、コントラスト改善が達成され得る光線入射方位の範囲および光線入射角度の範囲は狭く、かつ光線入射角度が小さな領域に限定されるため、投写画像を明るくしようとするとコントラストの改善が充分に達成されない。そのため、高いコントラストを実現するためには明るさを犠牲にせざるを得ないという課題があった。
【００１３】
さらには光学系としてオフアクシス光学系を用いた場合は、液晶ライトバルブへの入射光の光軸が基板法線方向に対して斜めになるため光線入射角度が大きくなり、さらなるコントラストの低下をもたらすという課題があった。
【００１４】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、垂直配向モードを採用した反射型ライトバルブを有するプロジェクタにおいて、明るさを犠牲にすること無く高いコントラスト比を得ることが可能な構成を提供することを目的とする。さらには高いコントラスト比が得られるオフアクシス光学系からなるプロジェクタを提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の第１のプロジェクタは、照明手段と、該照明手段から出射された光の偏光方向を規制する直線偏光手段と、該直線偏光手段により偏光方向を規制された光を変調する光変調手段と、該光変調手段により変調された光を検光する検光手段と、該検光手段により検光された光を投射する投射手段とを有するプロジェクタであって、前記光変調手段は、一対の基板間に垂直配向モードの液晶層が挟持され、前記照明手段からの光を前記一対の基板のうちの一方の基板側から入射させ、他方の基板側で反射させた後、前記一方の基板から出射させる反射型の液晶ライトバルブを備え、前記液晶ライトバルブを構成する前記一方の基板の外面側に少なくとも一つの位相差板を備え、該第一の位相差板のいずれかの主屈折率方位を前記一方の基板の法線に略平行に配置したことを特徴とする。
【００１６】
また、前記第一の位相差板は一軸性位相差板であり、その光学軸を前記一方の基板の法線に略平行に配置したことを特徴とする。
【００１７】
また、前記第一の位相差板は二軸性位相差板であることを特徴とする。
【００１８】
また、前記第一の位相差板の面内に含まれる主屈折をｎ１およびｎ２としたときに、ｎ１≒ｎ２であることを特徴とする。
【００１９】
さらには前記垂直配向モードの液晶層の配向方向と略直交もしくは略平行な方位から前記液晶ライトバルブに入射する光線が、前記垂直配向モードの液晶に付与されているプレチルト角に基づく複屈折作用を受けた結果生じる楕円偏光を、最も直線偏光に近い偏光に変換するように、前記第一の位相差板の厚み方向のリターデーションを設定してあることを特徴とする。
【００２０】
また、前記第一の位相差板の面内リターデーションを略１／４波長とし、かつ前記第一の位相差板の厚み方向のリターデーションを、前記第一の位相差板から前記検光手段側に向けて出射する楕円偏光の長軸方位が前記検光手段の偏光透過軸に対して略直行する方向に変換されるように設定したことを特徴とする。
【００２１】
本発明者は、プロジェクタに対して垂直配向モードの反射型液晶ライトバルブを適用した場合、液晶ライトバルブの光線入射側の基板の外面側に、いずれかの主屈折率方位を前記一方の基板の法線に略平行に配置した位相差板を配置することにより、垂直配向モードのプレチルト角に起因して生じるコントラスト低下を、効果的に改善できることを見出し、さらに前記位相差板として一軸性位相差板および二軸性位相差板を用いた場合のそれらの好適な光学性能条件見出した。
【００２２】
前記位相差板の具体的な光学性能条件については［実施例］の項で詳述するが、特に、前記垂直配向モードの液晶層の配向方向と略直交もしくは略平行な方位から前記液晶ライトバルブに入射する光線が、前記垂直配向モードの液晶に付与されているプレチルト角に基づく複屈折作用を受けた結果生じる楕円偏光を、最も直線偏光に近い偏光に変換されるように、前記第一の位相差板の厚み方向のリターデーションを設定した場合、斜め方向から入射する光線のコントラストを大幅に改善することが可能となり、その結果オフアクシス光学系において高いコントラストを得ることが可能となる。
【００２３】
また、本発明の第１のプロジェクタは、前記一方の基板の外面側に更に第２の位相差板を備え、該第２の位相差板は一軸性位相差板であり、その遅相軸が前記一方の基板と略平行な平面内に配置されていることを特徴とする。
【００２４】
また、前記第２の位相差板が１／４波長板であることを特徴とする。
【００２５】
さらに、前記垂直配向モードの液晶に付与されているプレチルト角に基づく複屈折作用に起因して出射される楕円偏光が最も直線偏光に近い偏光に変換されるように、前記１／４波長板の遅相軸方位を設定し、かつ、該楕円偏光の長軸方位が前記検光手段の偏光透過軸に対して略直行する方向に変換されるように、前記第一の位相差板の厚み方向のリターデーションを設定しことを特徴とする。
【００２６】
本発明者は、プロジェクタに対して垂直配向モードの反射型液晶ライトバルブを適用した場合、前述のように液晶ライトバルブの光線入射側の基板の外面側に、いずれかの主屈折率方位を前記一方の基板の法線に略平行に配置した位相差板を配置した上で、さらに、遅相軸が前記一方の基板と略平行な平面内に配置されている一軸性位相差板からなる第２の位相差板を配置することにより垂直配向モードのプレチルト角に起因して生じるコントラスト低下を、効果的に改善できることを見出し、さらに前記第２の位相差板の好適例として１／４波長板を見出した。
【００２７】
本構成では、従来例にあるように垂直配向モードのプレチルト角に起因して生じる楕円偏光を１／４波長板の機能によって略直線偏光に変換する。しかしこの直線偏光の方位は、液晶ライトバルブへの光線の入射方位および入射角度によってばらつきが出るために、検光手段で充分な消光を行うことが出来ずこのままでは高いコントラストを得ることは出来ない。そこで本発明においてはさらに主屈折率方位を前記一方の基板の法線に略平行に配置した位相差板を配置する。このような位相差板は光線の入射方位および入射角度毎に異なるリターデーションを光線に付与するので、該位相差板の厚み方向のレターデ−ションを適切に設定することにより、前記直線偏光の方位を略同一にかつ前記検光手段の偏光透過軸に対して略直行する方向にすることができる。その結果、高いコントラストを得ることが出来る。
【００２８】
具体的な第一の位相差板の光学性能条件および１／４波長板の遅相軸方位設定については［実施例］の項で詳述する。なお、この１／４波長板と位相差板を用いたコントラスト改善機能とほぼ同等の機能は1枚の二軸性位相差板の光学性能条件を適切に設定することによっても実現することが可能であり、その詳細についても［実施例］の項で詳述する。
【００２９】
上記課題を解決するため、本発明の第２のプロジェクタは、照明手段と、該照明手段から出射された光の偏光方向を規制する直線偏光手段と、該直線偏光手段により偏光方向を規制された光を変調する光変調手段と、該光変調手段により変調された光を検光する検光手段と、該検光手段により検光された光を投射する投射手段とを有するプロジェクタであって、前記光変調手段が、一対の基板間に垂直配向モードの液晶層が挟持され、前記照明手段からの光を前記一対の基板のうちの一方の基板側から入射させ、他方の基板側で反射させた後、前記一方の基板から出射させる反射型の液晶ライトバルブを備え、前記液晶ライトバルブを構成する前記一方の基板の外面側に１／４波長板を備え、前記垂直配向モードの液晶層の配向方向と略直交もしくは略平行な方位から前記液晶ライトバルブに入射する光線が、前記垂直配向モードの液晶に付与されているプレチルト角に基づく複屈折作用を受けた結果生じる楕円偏光を、最も直線偏光に近い偏光に変換するように、該１／４波長板の遅相軸の方位を設定したことを特徴とする。
【００３０】
本構成によれば、斜め方向から入射する光線のコントラストを大幅に改善することが可能となり、その結果オフアクシス光学系において高いコントラストを得ることが可能となる。具体的な１／４波長板の方位設定については［実施例］の項で詳述する。
【００３１】
また、本発明の第１及び第２のプロジェクタは、前記照明手段から前記液晶ライトバルブへの入射光の光軸と前記液晶ライトバルブから前記投射手段への反射光の光軸とが所定の角度をなすオフアクシス光学系の配置とされることを特徴とし、前記入射光の光軸と前記反射光の光軸を含む面が、前記垂直配向モードの液晶層の配向方向と略直交もしくは略平行に配置されていることを特徴とする。
【００３２】
前記位相差板を備える前記液晶ライトバルブにおいては、垂直配向モードの液晶層の配向方向と略平行もしくは略直交する方位から入射する光線に対して最も高いコントラスト特性を示す。一方、オフアクシス光学系においては入射光の光軸と反射光の光軸を含む面内を進んで液晶ライトバルブに入射する光線の入射角が最も大きくなる。したがって、この光線入射方位と、液晶ライトバルブの最もコントラスト特性の高い方位を一致させることにより、オフアクシス光学系を採用したプロジェクタにおいて高いコントラスト特性を得ることが可能となる。
【００３３】
また、本発明の第１及び第２のプロジェクタは、前記照明手段から前記液晶ライトバルブへの入射光の光路中に前記入射光の偏光方向を規制する直線偏光手段を配置し、前記液晶ライトバルブから前記投射手段への反射光の光路中に前記直線偏光手段に対して偏光透過軸が直交した検光手段を配置し、前記検光手段の前記投射手段側に第３の位相差板を配置し、該第３の位相差板により前記検光手段を透過した直線偏光の偏光方向を略４５度回転することを特徴とする。さらには、前記直線偏光手段の前記液晶ライトバルブ側に第４の位相差板を配置し、該位相差板により前記直線偏光手段を透過した直線偏光の偏光方向を４５度回転することを特徴とする。
【００３４】
オフアクシス光学系においては、前記入射光の光軸と前記反射光の光軸を含む面を、前記液晶ライトバルブの短辺と平行に配置した場合光学系全体のサイズが最もコンパクトになる。また、高いコントラスト特性を得るためには、前記垂直配向モードの液晶層の配向方向と入射直線偏光の偏光方位は略４５°の角度をなす必要がある。
【００３５】
従って、前述した前記入射光の光軸と前記反射光の光軸を含む面が、前記垂直配向モードの液晶層の配向方向と略直交もしくは略平行に配置されている構成において光学系全体のサイズを最もコンパクトにするためには、前記液晶層の配向方向を液晶ライトバルブの長辺もしくは短辺と平行とする必要があり、必然的に入射直線偏光の偏光方位はそれらと略４５°の角度をなす必要がある。
【００３６】
一方、プロジェクタには光源から出射した白色光をＲ、Ｇ、Ｂの三原色成分に分解したり、逆に三原色成分を合成するためのダイクロイック光学素子が含まれるが、これらの色分離ないし合成特性は直線偏光の偏光方位が前記液晶ライトバルブの短辺と平行もしくは直交する場合に最も好ましい特性を示す。
【００３７】
本発明では、前記検光子を透過後、液晶ライトバルブの短辺と４５°の角度をなす直線偏光方位を第３の位相差板により４５°回転して、色合成用のダイクロイック光学素子に入射する直線偏光の偏光方位を液晶ライトバルブの短辺と平行もしくは直交する方向に変換するので色再現性に優れたプロジェクタを実現することが出来る。また、同様の理由により、色分離用のダイクロイック光学素子を透過した光線のうち色再現性に優れた液晶ライトバルブの短辺と平行もしくは直交する直線偏光を第４の位相差板をもちいて４５°回転して液晶ライトバルブへの望ましい入射直線方位に変換することが出来る。
【００３８】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかるプロジェクタの好適な実施の形態を詳細に説明する。
【００３９】
（実施の形態）
［プロジェクタの構成］
本実施の形態におけるプロジェクタ１０１の概略構成図を図１に示す。図１（ａ）はプロジェクタの上面図、（ｂ）は側面図である。ここでは主に、（ｂ）の側面図を参照しながらプロジェクタ１０１の概略構成を説明する。
【００４０】
プロジェクタ１０１は照明手段１０２、照明手段１０２から出射された光束をＲ，Ｇ，Ｂの３原色成分に分離する色分離光学手段１０３、前記光束の偏光方向を変換する第４の位相差板１０４、前記光束の偏光方向を規制する偏光板１０５、位相差板１０６、入射光束の偏光状態を変調する液晶ライトバルブ１０７、液晶ライトバルブ１０７により変調された光束を検光する検光手段１０８、検光手段１０８を透過した直線偏光の偏光方向を変換する第３の位相差板１０９、Ｒ，Ｇ，Ｂの３原色成分を合成する色合成手段１１０、色合成手段で合成された光束を図示しないスクリーンに投写する投写レンズ１１１を有している。また、照明光学手段１０２は白色光源１１２、白色光源１１２を出射した光束の強度分布を均一化するインテグレーターレンズ１１３、該光束を所望の偏光状態に変換する偏光変換素子１１４とを有している。
【００４１】
プロジェクタ１０１の光学系全体は、照明手段１０２から液晶ライトバルブ１０７に入射する入射光の光軸Ｌ１と液晶ライトバルブ１０７から投写レンズ１１１に出射される反射光の光軸Ｌ２とが所定の角度をなすオフアクシス光学系の配置とされている。
【００４２】
色分離手段１０３、色合成手段１１０はクロスダイクロイックプリズムやクロスダイクロイックミラーで構成される。なお、図には両手段を分離した構成例を示しているが、両手段が一つのクロスダイクロイックプリズムやクロスダイクロイックミラーで構成されていても構わない。
【００４３】
第４の位相差板１０４、偏光板１０５、位相差板１０６、液晶ライトバルブ１０７、検光手段１０８、第３の位相差板１０９は、色分離手段１０３で分離された各三原色光束の光路にそれぞれに配置されるものであり、各三原色光束の波長にあわせて最適化した性能のものを使用することが望ましく、（ａ）の上面図においては各符号にR,G,Bの符号を添えて記載している。なお、（ｂ）の側面図においては、説明を一般化するためにR,G,Bの符号を添えずに記載している。
【００４４】
検光手段１０８は偏光板１０５に対してクロスニコル配置された偏光板であることが望ましく、これらの作用により、液晶ライトバルブ１０７によって変調された光の透過、遮断が選択され、明表示、暗表示が切り替わるようになっている。
【００４５】
位相差板１０６は説明のために図では１枚の構成で示してあるが、複数枚で構成されていても良く、その詳細については実施例３の項で説明する。
【００４６】
第４の位相差板１０４および第３の位相差板１０９は必ずしも設置しなければならないものではなく、その詳細についても実施例５の項で説明する。
【００４７】
なお、本実施形態において、座標系はｘ−ｙ−ｚ右手系直交座標系を用い、図１の図中に示すごとく、ｚ軸を液晶ライトバルブ１０７の法線に対して平行にかつ投写レンズ１１１の方向を正方向に向けて配置し、y軸は入射光の光軸Ｌ１と反射光の光軸Ｌ２が形成する面に含まれるように配置する。
【００４８】
次に本実施の形態における光線の進行方向の定義について図２（ａ）を用いて説明する。本実施の形態においては光線２０１の進行方向を液晶ライトバルブ１０７にて反射直後の光線進行方向ＯＲと定め、その方向を図１で説明したｘ−ｙ−ｚ直交座標系を用いて定義する。図２（ａ）において反射後の光線進行方向ＯＲとｚ軸のなす角を極角θと定義する。また、線分Ｏ−Ａは光線進行方向ＯＲを含む面Ｏ―Ａ―Ｂ―Ｃとｘ−ｙ平面の交線であり、これとｘ軸のなす角をｘ軸を基点に反時計周りを正として方位角φと定義する。
【００４９】
なお、以降の説明において光線進行方向毎の各種特性を図２（ｂ）に示す視角特性図を用いて説明する。この視角特性図上のＫ点の特性値もしくは特性は、Ｋ点と原点の距離をθ、水平軸とＫ点のなす角をφとする光線の特性値もしくは特性を示している。なお、水平軸とＫ点のなす角φは視角特性図の水平軸を基点として反時計周りの方向を正とする。
【００５０】
［液晶ライトバルブの構成］
本実施の形態における液晶ライトバルブの概略構成を図３に示す。図３（ａ）は液晶ライトバルブ１０７の断面図、（ｂ）は光入射側から見た画素構成の平面拡大図である。液晶ライトバルブ１０７は表面上に反射画素電極３０３をマトリクス状に形成したシリコン基板３０２と、透明電極３０４を形成した透明基板３０５をスペーサー３０６を介して対向配置し、その間に液晶３０７が封入されている。なお、シリコン基板３０２には反射画素電極３０３を駆動するための図示しない駆動回路も形成されている。これら二つの基板３０２、３０５のそれぞれ対向する表面には液晶３０７を所定の方向に配向するための配向膜３０８，３０９が形成されている。
【００５１】
個々の画素電極３０３は図３（ｂ）に示すごとく、辺をｘ軸ないしｙ軸に対して略平行にしてマトリクス状に配置されている。
【００５２】
図４（ａ）は電圧無印加時における垂直配向モードの液晶分子４０１の配向状態を示すものであり、液晶分子４０１はその長軸４０２が基板３０２ないし３０５の法線に対して所定の小さな角度を有する状態で互いに略平行に配向している。
【００５３】
液晶分子４０１の配向状態の定義を図４（ｂ）を用いて説明する。本定義においても図１で説明したｘ−ｙ−ｚ直交座標系を用いる。図において液晶分子の長軸４０２とｚ軸のなす角をプレチルト角と定義する。また、線分Ｏ−Ａは液晶分子の長軸４０２を含む面Ｏ―Ａ―Ｂ―Ｃとｘ−ｙ平面の交線であり、これとｘ軸のなす角をｘ軸を基点に反時計周りを正として配向方位と定義し、φｌｃと記述する。
【００５４】
［位相差板の構成］
本実施形態における位相差板１０６の構成について、以下の実施例で詳述するが、それに先立ち、本実施形態における位相差板１０６の機能を図２３を用いて説明する。図２３（ａ）（ｂ）はいずれも液晶ライトバルブ１０７が暗表示状態における光線の偏光状態変化の様子を示すものであり（ａ）は位相差板１０６が無い場合の状態を（ｂ）は位相差板１０６を配置した場合の状態を示している。入射側偏光板２３０１はその偏光透過軸２３０２が紙面内にあるため、それを透過した光線は紙面内に振動する直線偏光２３０３となる。なお、偏光透過軸２３０２の方位は、本説明の便宜上設定されたものであり、各実施例における偏光透過軸の方位については都度説明をする。液晶ライトバルブ１０７が暗表示の場合、液晶分子にはわずかな電圧がかかっているだけなので、液晶分子はほぼ図４に示したように基板３０５の法線に対してあらかじめ付与されたプレチルト角をもって配向されており、このプレチルト角に起因する複屈折作用によって、入射する偏光に位相差を付与する。図２３（ａ）のように位相差板１０６が無い場合は、直線偏光２３０３が液晶分子によって位相差を付与され、液晶ライトバルブ１０７で反射された後は楕円偏光２３０４となって、引き続き偏光透過軸２３０６が入射側偏光板の偏光透過軸２３０２に対して略直交するようにクロスニコル配置された出射側偏光板（検光手段）２３０５に入射する。
【００５５】
この楕円偏光２３０４は、偏光透過軸２３０６に平行な偏光成分とそれに直交する偏光成分の両偏光成分を有するため、前者が出射側偏光板２３０５を透過してしまう。その結果、液晶ライトバルブ１０７が黒表示状態にあるにもかかわらず投写画像が明るくなり、プロジェクタのコントラスト特性が著しく低下する。
【００５６】
一方、図２３（ｂ）の位相差板１０６は、液晶分子のプレチルト角に起因する複屈折作用によって偏光に付与される位相差をおおむね打ち消す位相差を偏光に付与する機能を有している。本発明においてはこの機能を位相補償機能と称することにする。この位相補償機能は、位相差板１０６の複屈折特性により発現される。位相差板１０６に入射した直線偏光２３０３は位相差板１０６で位相差を付与され楕円偏光２３０７になる。楕円偏光２３０７は液晶分子のプレチルト角に起因する複屈折作用によってさらに位相差を付与され、反射後は楕円偏光２３０８となるが、再び位相差板１０６で位相差を付与される結果、直線偏光２３０３とおおむね等しい楕円偏光２３０９に戻って、出射側偏光板２３０５に入射する。楕円偏光２３０９は偏光透過軸２３０６に平行な偏光成分を極めてわずかしか有さないため、そのほとんどが出射側偏光板２３０５により吸収され、漏れ出す光はわずかなものとなる。結果として位相差板１０６が無い場合に比べてプロジェクタのコントラスト特性を大幅に向上させることができる。
【００５７】
次に図２４を用いて直線偏光２３０３とおおむね等しい楕円偏光２３０９の偏光状態の詳細を説明する。直線偏光２３０３は図２４（ａ）に示すごとく、楕円率が０で、出射側偏光板２３０５の偏光透過軸２３０６に略直交している。なおここで楕円偏光の楕円率とは 楕円の短軸の長さをS、長軸の長さをLとしたときにS／Lであらわされる比率と定義する。
【００５８】
一方、位相差板１０６が無い場合の楕円偏光２３０４は図２４（ｂ）に示すごとく、楕円率が大きく、かつその長軸方位２４０１が、偏光透過軸２３０６に直交する偏光吸収軸方位２４０２からずれている。出射側偏光板２３０５から漏れ出す偏光成分は、楕円偏光２３０４の偏光透過軸２３０６に平行な成分であり、これは楕円率が大きいほど大きくなり、かつ長軸方位２４０１と偏光吸収軸方位２４０２のなす角が大きくなればなるほど大きくなる。
【００５９】
位相差板１０６で位相補償作用を受けた楕円偏光２３０９は、図２４（ｃ）に示すように、楕円偏光２３０４に比べて楕円率が小さくなった状態２４０３もしくは図２４（ｄ）に示すように、長軸方位２４０１と偏光吸収軸方位２４０２のなす角がより小さくなった状態２４０４、もしくはそれらのいずれをも備えた状態になる。その結果、出射側偏光板２３０５から漏れ出す偏光成分が小さくなりプロジェクタのコントラスト特性を大幅に向上させることができる。
【００６０】
以下に述べる全ての実施例は、光学系のＦナンバーをＦ３．５、入射光の光軸Ｌ１と液晶ライトバルブ１０７の法線がなす角を１３°とした場合の例で説明してある。また、液晶材料としては、
液晶弾性定数k11: 1.3e-11  k22: 4.875e-12  k33: 1.95e-11
液晶比誘電率  ε（平行）: 3.5  ε（垂直）: 7.4
液晶屈折率 no: 1.475  ne:1.556
という特性を有するものを用い、液晶ライトバルブセル厚を3μmに設定した場合の例で説明してある。
【００６１】
もちろんここに述べた以外の光学系Ｆナンバー、光軸Ｌ１と液晶ライトバルブの法線がなす角度、液晶材料およびセル構成をもちいても、位相差板１０６の特性をそれぞれの実施例の主旨に沿うよう適宜最適化することによって、それぞれの実施例に述べられている効果と同等の効果を得ることができる。
【００６２】
（実施例１）
本実施例は位相差板１０６を、いずれかの主屈折率方位が液晶ライトバルブ１０７の法線に対して平行に配置された１枚の位相差板で構成した例である。
【００６３】
一般に位相差板の光学的性質は互いに直交する方向の屈折率であるところの３つの主屈折率ｎ１，ｎ２，ｎ３で表現される。これらの３つの主屈折率の大きさの関係に着目した場合、例えば、ｎ１＝ｎ２≠ｎ３のように２つの主屈折率が等しい場合は、位相差板は一軸性位相差板であり、ｎ１≠ｎ２≠ｎ３のようにいずれも等しくない場合は二軸性位相差板である。
【００６４】
ここでは説明を簡略化するために、まず一軸性位相差板を例にとって説明を行なう。この位相差板は主屈折率ｎ３の方位を液晶ライトバルブ１０７の法線に対して、平行に配置する。また、３つの主屈折率の大小関係はｎ１＝ｎ２≠ｎ３の関係にあるものとする。このような位相差板においては、光学軸が主屈折率ｎ３の方向と一致する。
【００６５】
一般に、位相差板に光線が入射した場合、位相差板の光学軸と入射光線が形成する面内に振動する偏光成分（異常光成分）とそれに直交して振動する偏光成分（常光成分）の間に位相差が発生し偏光状態が変化する。
【００６６】
図５に、本実施例の位相差板に対する異常光成分の振動面方位と光線の方位角φの関係を示す。本実施例においては位相差板の光学軸が液晶ライトバルブ１０７の法線に対して平行に配置されているため、たとえば方位角６０°の光線の異常光成分の振動面は５０１に示すように方位角６０°の方向を向いている。また常光成分の振動面はそれに対して直交している。同様に方位角９０°、１２０°の光線の異常光成分の振動面方位はそれぞれ５０２、５０３に示すように方位角９０°、１２０°の方向を向いている。
【００６７】
次に、図６（ａ）に示すように、液晶配向方位φｌｃ６０１を１８０°に設定した場合を考える。この方位は、液晶ライトバルブの画素電極３０３の長辺に平行な方向であり、従来の技術の項で説明したように、ディスクリネーションによる画質劣化を抑制する上で有効な液晶配向方位である。この場合、入射側偏光板１０５の偏光透過軸方位は６０２に示すように方位角１３５°に設定されている。従って、位相差板１０６に入射する光線の直線偏光方位はいずれの方位角の光線においても６０３に示すようにほぼ方位角１３５°を向いている。なお、以降の説明において、入射する光線の直線偏光方位をφｐｏｌと記述する。また、図６（ａ）の直線偏光方位６０３については、説明の簡略化のため最大の極角θを有する光線についてのみ示したが、これより小さい極角θの光線についても同様である。
【００６８】
従って、方位角φが１３５°の光線は、方位角φと直線偏光方位φｐｏｌが一致するため、位相差板１０６に対して異常光成分６０４しか有さない。従って、この方位角φを有する光線は位相差板１０６によって偏光状態が変化しない。同様に、方位角４５°の光線は常光成分６０５しか有さないためこれも位相差板１０６によって偏光状態が変化しない。それ以外の方位角φの光線は異常光成分および常光成分の両方を有するため位相差板１０６によって偏光状態が変化する。この様子を図６（ｂ）に模式的に示す。図中にハッチングで示す領域６０６ないし６０９は位相差板１０６によって偏光状態の変化を受け易い光線角度領域を示す。
【００６９】
偏光状態の変化を受け易い領域６０６ないし６０９とは、液晶のプレチルト角に基づく複屈折作用を受けた結果生じる楕円偏光を位相差板１０６の位相補償機能によって直線偏光化しやすい領域であり、さらにいえばコントラスト性能を高めることができる領域である。この領域６０６ないし６０９は図から明らかなように液晶の配向方位φｌｃ６０１と略平行もしくは略直交する方位を中心としてそのまわりに存在する。なお、ある一つの特性を有する位相差板１０６に対しては、領域６０６ないし６０９の全てにおいてコントラスト性能が改善されるわけではなく、いずれか一つの領域のコントラスト性能が選択的に改善される。位相差板１０６の特性を変化させると、それに応じてコントラスト性能が改善される領域も変化する。その詳細については後に述べる。
【００７０】
本実施例の光学系の構成（ＦナンバーがＦ３．５、入射光の光軸Ｌ１と液晶ライトバルブ１０７の法線がなす角が１３°）では、照明光束の光線角度が分布する領域はおおむね図7のハッチングで示した領域７０１になる。この領域は、概略、光線方位角φが６０°〜１２０°、極角θが５°〜２０°にまたがっており、液晶配向方向である方位角１８０°に対して略直交する方向に存在することから、それと位相差板１０６によってコントラスト領域を改善できる領域はおおむね一致する。したがって、位相差板１０６で発生する位相差をこの領域の光線の位相補償に必要とする量に適宜調整することによってプロジェクタのコントラスト特性を向上させることが可能となる。
【００７１】
また、液晶配向方位φｌｃを２７０°に設定した場合は、光線の分布する角度領域７０１は液晶配向方位φｌｃと略平行な方位に存在することから、この場合も同様にコントラスト特性を向上させることが可能となる。
【００７２】
なお、領域７０１の光線全体にわたりくまなく位相補償を行なうためには、位相差板１０６で発生する位相差を領域７０１の略中心にある光軸光線の位相補償に必要とする量にあわせ込むことが望ましい。
【００７３】
以上の説明は、一軸性位相差板を例にとって説明してきたが、位相差板１０６としてｎ１≠ｎ２≠ｎ３の関係となる二軸性位相差板を使う場合においても、上記機能を実現する上でｎ１≒ｎ２とみなせる限りは同様な説明が成り立つ。
【００７４】
次に、位相差板１０６の構成について説明する。ここではより一般化した説明を行なうために二軸性位相差板を例にとって説明するが一軸性位相差板はその特殊な条件を満たす例として理解すれば良い。二軸性位相差板の光学的性質は互いに直交する方向の屈折率であるところの３つの主屈折率ｎ１，ｎ２，ｎ３で表現される。本実施例では、位相差板１０６の厚み方向と主屈折率ｎ３の方向が略一致するように構成する。その結果、ｎ１，ｎ２は位相差板１０６の面内における主屈折率となるが、ここでｎ１≧ｎ２の関係を満足するようにその方向を定める。また、位相差板１０６で発生する位相差を定義するために、面内リターデーションＲｆと厚み方向リターデーションＲｐを以下の式に従って定義する。
Ｒｆ＝（ｎ１−ｎ２）×ｄ
Ｒｐ＝［（ｎ１＋ｎ２）／２−ｎ３］×ｄ
ここでｄは位相差板１０６の厚さである。
【００７５】
液晶プレチルト角５°、液晶配向方位φｌｃを１８０°に設定した液晶ライトバルブに、光線波長５５０［ｎｍ］、直線偏光方位φｐｏｌが１３５°の光束を入射し、位相差板１０６としてＲｆ≒０［ｎｍ］、Ｒｐ＝１８０［ｎｍ］の特性を有するものを使用した場合のコントラスト視角特性を図８（ａ）に示す。図中に示す曲線は等コントラスト曲線であり、濃い曲線がコントラスト３０００の等コントラスト曲線、薄い曲線がコントラスト１０００の等コントラスト曲線である。同一種類の等コントラスト曲線に囲まれた領域はその曲線が示すコントラスト値以上のコントラスト特性を有する領域である。図８（ｂ）は、図８（ａ）のコントラスト視角特性と本実施例の光学構成における照明光束の光線角度分布領域７０１の関係を示す図であり、高コントラスト領域と、照明光束の光線角度分布領域が良く一致していることが分かる。この場合、プロジェクタのコントラスト特性値として１９５０が得られた。
【００７６】
なお、本実施例においては、コントラスト視角特性図として波長５５０［ｎｍ］のものを示したが、位相差板の光学特性を適宜調整することにより、これ以外の波長でもほぼ同等の視角特性を得られることは言うまでもない。この事情は以降の実施例においても同様である。
【００７７】
液晶のプレチルト角を１°、５°、７．５°の３水準に設定して位相差板１０６のＲｐ値を変化させた場合の投射型表示装置のコントラスト特性変化を図９に示す。図９は縦軸にコントラスト値を横軸に位相差板１０６のＲｐ値を取ったグラフでありＲｐ値の単位は、使用波長に対する比率であるλを単位として表示してある。なお、いずれのＲｐ値においてもＲｆ≒０［ｎｍ］に設定されている。
【００７８】
また、プレチルト１°において、Ｒｐ＜０．４１におけるデータは液晶配向方位φｌｃ＝１８０°、直線偏光方位φｐｏｌ＝１３５°の条件で得られた値、Ｒｐ≧０．４１におけるデータは液晶配向方位φｌｃ＝２７０°、直線偏光方位φｐｏｌ＝２２５°の条件で得られた値である。同様にプレチルト５°および７．５°においてＲｐ≦０．４１におけるデータは液晶配向方位φｌｃ＝１８０°、直線偏光方位φｐｏｌ＝１３５°の条件で得られた値、Ｒｐ＞０．４１におけるデータは液晶配向方位φｌｃ＝２７０°、直線偏光方位φｐｏｌ＝２２５°の条件で得られた値である。
【００７９】
これはＲｐ値を変化させた場合、あるＲｐ値を境に、コントラスト性能が改善される領域が液晶配向方向φｌｃに対して、直交する方向から平行な方向に９０°移動するので、高コントラスト領域を光線角度分布領域７０１にあわせ込むためには、それに応じてφｌｃとφｐｏｌを９０°回転させる必要があるためである。
【００８０】
図９から明らかなように、本実施例の位相差板１０６を用いれば、プレチルト角を変化させても、広い範囲のＲｐ値で１０００以上の高いコントラスト特性が得られている。
【００８１】
このような位相差板の好適な例として、住友化学工業株式会社製のVACフィルムがあげられる。VACフィルムは面内レターデーションＲｆが小さく、かつ面内の平均屈折率が厚み方向の屈折率より大きい二軸性位相差板であり、厚み方向レターデーションＲｐを任意に設定することができる。以下にいくつかの製品の具体的なレターデーション値を示す。
ＶＡＣ−Ｃ３０   Ｒｆ＝６［ｎｍ］、Ｒｐ＝  ８７．５［ｎｍ］
ＶＡＣ−Ｃ６０   Ｒｆ＝６［ｎｍ］、Ｒｐ＝１３３．９［ｎｍ］
ＶＡＣ−Ｃ９０   Ｒｆ＝６［ｎｍ］、Ｒｐ＝１７８．７［ｎｍ］
ＶＡＣ−Ｃ１９０ Ｒｆ＝６［ｎｍ］、Ｒｐ＝３３０．２［ｎｍ］
これらの製品はいずれも本実施例に適用可能な特性を有している。
【００８２】
（実施例２）
本実施例は位相差板１０６を１／４波長板で構成し、その遅相軸方位を特定の方位に配置することによって、実施例１とほぼ同等のコントラスト視角特性を実現する例である。
【００８３】
１／４波長板の遅相軸方位とコントラスト視角特性の関係を図１０を用いて説明する。いま、液晶のプレチルト角を５°とし、図１０（ａ）に示すごとく液晶配向方位φｌｃ １００１を１３５°、入射直線偏光方位φｐｏｌ １００２を９０°に設定した場合、１／４波長板の遅相軸の方位φｑｗ １００３を８９．５°近傍に設定することにより図１０（ｂ）のハッチングで示した領域１００４のコントラスト特性を大幅に改善することができる。この領域１００１は方位角０°、９０°、１８０°、２７０°の方向に線状に広がっており、これと図７に示した照明光束の光線角度分布領域７０１がオーバーラップする領域は狭い。
【００８４】
図１１は１／４波長板の遅相軸方位を変化させた場合のコントラスト視角特性の変化の様子を説明する図である。図１１（ａ）は図１０（ｂ）と同じくφｑｗを８９．５°近傍に設定した場合のコントラスト視角特性である。φｑｗを８９．５°より大きく設定していくと、図１１（ｂ）に示すごとく、高コントラスト領域１１０２および１１０３は液晶配向方位φｌｃと略直交する方位である方位角４５°および２２５°の方向に移動し、かつ極角θの範囲が徐々に大きくなっていく。一方、φｑｗを８９．５°より小さく設定していくと、図１１（ｃ）に示すごとく、高コントラスト領域１１０４および１１０５は液晶配向方位φｌｃと略平行な方位である方位角３１５°および１３５°の方向に移動し、かつ極角θの範囲が徐々に大きくなっていく。これは、１／４波長板の遅相軸方位を変化させるにともない、１／４波長板が光線に付与する位相差が変化し、その結果最も良く位相補償される光線角度分布領域が変化するためである。
【００８５】
高コントラスト領域１１０２ないし１１０５はいずれも１００４に比較すると分布領域が特定の範囲にまとまっていることから、これらを照明光束の光線角度分布領域７０１にあわせ込むことによって、オーバーラップ領域をより広くし、その結果オフアクシス光学系を用いたプロジェクタのコントラスト特性を改善することが可能になる。
【００８６】
例えば、高コントラスト領域１１０２を照明光束の光線角度分布領域７０１にあわせ込むには、液晶配向方位φｌｃおよびφｐｏｌを図１１（ｂ）の配置に対して＋４５°回転して配置すれば良い。同様に高コントラスト領域１１０５を照明光束の光線角度分布領域７０１にあわせ込むには、液晶配向方位φｌｃおよびφｐｏｌを図１１（ｃ）の配置に対して−４５°回転して配置すれば良い。
【００８７】
なお、領域７０１の光線全体にわたりくまなく位相補償を行なうためには、領域７０１の略中心にある光軸光線を最もよく位相補償するように、１／４波長板の遅相軸方位を設定することが望ましい。
【００８８】
液晶プレチルト角５°、φｌｃ１８０°に設定した液晶ライトバルブに、光線波長５５０［ｎｍ］、φｐｏｌ１３５°の光束を入射し、１／４波長板の遅相軸方位φｑｗを１３５．５°に設定した場合のコントラスト視角特性を図１２（ａ）に示す。この例は、図１１（ｂ）の高コントラスト領域１１０２を＋４５°回転して光線角度分布領域７０１にあわせこむものである。
【００８９】
また、液晶プレチルト角５°、φｌｃ２７０°に設定した液晶ライトバルブに、光線波長５５０［ｎｍ］、φｐｏｌ２２５°の光束を入射し、１／４波長板の遅相軸方位φｑｗを２２３．５°に設定した場合のコントラスト視角特性を図１２（ｂ）に示す。この例は、図１１（ｃ）の高コントラスト領域１１０４を＋１３５°回転して光線角度分布領域７０１にあわせこむものである。
【００９０】
いずれの視角特性においても、高コントラスト領域と、図７の照明光束の光線角度分布領域７０１が良く一致していることが分かる。この場合、プロジェクタのコントラスト特性値として図１２（ａ）の場合は１７６０が、図１２（ｂ）の場合は１８６０が得られた。
【００９１】
図１３に１／４波長板の遅相軸方位φｑｗを変化させた場合のプロジェクタのコントラスト特性値を示す。このグラフの縦軸はプロジェクタのコントラスト値を、横軸は１／４波長板遅相軸方位φｑｗとφｐｏｌの差（φｑｗ−φｐｏｌ）をとっている。なお、液晶のプレチルト角としては５°、１０°の２水準を設定した。また、プレチルト５°において、（φｑｗ−φｐｏｌ）≧−０．５°におけるデータは液晶配向方位φｌｃ＝１８０°、直線偏光方位φｐｏｌ＝１３５°の条件で得られた値、（φｑｗ−φｐｏｌ）＜−０．５°におけるデータは液晶配向方位φｌｃ＝２７０°、直線偏光方位φｐｏｌ＝２２５°の条件で得られた値である。同様にプレチルト１０°において（φｑｗ−φｐｏｌ）≧−２°におけるデータは液晶配向方位φｌｃ＝１８０°、直線偏光方位φｐｏｌ＝１３５°の条件で得られた値、（φｑｗ−φｐｏｌ）＜−２°におけるデータは液晶配向方位φｌｃ＝２７０°、直線偏光方位φｐｏｌ＝２２５°の条件で得られた値である。
【００９２】
プレチルト角５°の場合は１／４波長板の遅相軸方位を−１．５°および＋０．５°に設定した場合もっとも高いコントラスト特性が得られており、プレチルト角１０°の場合は１／４波長板の遅相軸方位を−３°および−１．５°に設定した場合もっとも高いコントラスト特性が得られている。
【００９３】
このように、使用する液晶ライトバルブのプレチルト角に応じて適宜１／４波長板の遅相軸方位を設定することにより、高いコントラスト特性を有するプロジェクタを実現することができる。
【００９４】
（実施例３）
本実施例は位相差板１０６を、いずれかの主屈折率方位が液晶ライトバルブ１０７の法線に対して平行に配置された位相差板と１／４波長板の２枚で構成した例である。その概略構成を図１４（ａ）に示す。液晶ライトバルブ１０７の光線入射面側には位相差板１４０１と１／４波長板１４０２が配置されている。位相差板１４０１のいずれかの主屈折率方位１４０３は液晶ライトバルブの法線１４０４と略平行に配置されており、１／４波長板１４０２の遅相軸１４０５は略面内に配置されている。また図１４（ｂ）に示すごとく１／４波長板１４０２をｚ軸の正方向から見た場合、その遅相軸１４０８はｘ軸に対して所定の角度φｑｗをもって配置されている。
【００９５】
なお、図１４では説明の便宜上、位相差板１４０１と１／４波長板１４０２を分離して描いてあるが、両者を光学接着剤等を用いて一体化して、表面反射による光エネルギーロスを低減することができる。さらにはそのように一体化した位相差板１０６を液晶ライトバルブの透明基板３０５に一体化することにより、いっそうの光エネルギーロスを低減することが可能になる。
【００９６】
また、図１４では液晶ライトバルブ１０７から光源側に向かって、位相差板１４０１、１／４波長板１４０２の順で配置する構成を描いてあるが、それらの順は逆でも構わない。
【００９７】
次に本実施例の位相差板の位相補償機能を説明する。本実施例の位相差板の位相補償機能は１／４波長板１４０２の単独の位相補償機能と位相差板１４０１のそれの協働作用として理解できる。
【００９８】
まず、１／４波長板１４０２の単独の位相補償機能を説明する。実施例２において図１０を用いて説明したごとく、液晶のプレチルト角を５°とし、φｌｃを１３５°、φｐｏｌを９０°に設定した場合、１／４波長板１４０２の遅相軸の方位φｑｗを８９．５°近傍に設定することによりハッチングで示した領域１００４のコントラスト特性を大幅に改善することができる。一方で、それ以外の領域のコントラスト特性はあまり改善されない。この理由を図１５を用いて説明する。
【００９９】
図１５は図１０（ａ）に示した構成において、液晶ライトバルブ黒表示時に、１／４波長板を往復透過した後の光線の偏光状態を方位角毎に示す図である。これらの光線はいずれも等しい極角θを有している。図１５における偏光状態の表示形態を、φ３０°の光線の場合を例にとって説明する。φ３０°の光線の偏光状態は楕円偏光１５０１で示されている。直線１５０２は、出射側偏光板の吸収軸方位を示している。また、楕円偏光１５０１の長軸方位を直線１５０３で示してある。他の方位角においてもこれと同じ形式で偏光状態を示してある。なお、図１５に示した光線の偏光状態は、説明の便宜上、楕円偏光１５０１の楕円率および長軸１５０３の方位を誇張して描いてある。実際には楕円偏光１５０１の楕円率はより小さくほとんど直線偏光に近い。また、長軸１５０３と出射側偏光板の吸収軸方位１５０２のなす角は非常に小さい。
【０１００】
φ０°、９０°、１８０°、２７０°の光線の偏光状態を見ると、楕円偏光の長軸方位と出射側偏光板の吸収軸がほぼ一致している。一方、それ以外の方位の光線においては楕円偏光の長軸方位と出射側偏光板の吸収軸がある角度をなしていることが分かる。楕円偏光の楕円率がほぼ同等であれば、楕円偏光の長軸方位と出射側偏光板の吸収軸のなす角度が大きくなればなるほど出射側偏光板から漏れ出す光は多くなる。従って、φ０°、９０°、１８０°、２７０°の光線に比べてそれ以外の方位の光線は出射側偏光板から漏れ出す光線が多く、コントラスト特性は相対的に悪化する。これが、１／４波長板を単独で使用した場合に、図１０（ｂ）に示すようなコントラスト特性分布が生じる理由である。
【０１０１】
図１６は以上の内容をより定量的に説明するための図である。図１６は極角θが１３°の光線について、横軸に方位角φ、縦軸に図１５の出射側偏光板の吸収軸方位１５０２と楕円偏光１５０１の長軸方位１５０３のなす角度（方位角度差）を示したものである。なお、この角度は出射側偏光板の吸収軸方位を基点として反時計廻り方向の角度を正にとってある。また、方位角φは説明を簡単にするために１６５°まで示しているがこれ以上の角度においても同様の傾向を示す。図１６の点線の曲線は、１／４波長板を単体で使用した場合の角度差を示しており、図１５で説明したごとく方位角０°、９０°では０°となるが、それ以外の方位角においては角度差が大きくなる。
【０１０２】
次にいずれかの主屈折率方位が液晶ライトバルブ１０７の法線に対して平行に配置された位相差板単体の機能を説明する。これについては、すでに実施例１において図５ないし図６を用いて説明したように、液晶の配向方位φｌｃに対して略直交もしくは略平行な方位を中心とする範囲から入射する光線に対して位相補償機能を発現する。これを本実施例にあてはめると、本実施例では液晶の配向方位φｌｃを１３５°に設定してある例で説明しているので、方位角４５°もしくは方位角１３５°を中心とする方位から入射する光線に対して位相補償機能を発現することになる。図１６をみると、１／４波長板を単独で用いた場合には点線で示すように方位角４５°、方位角１３５°の光線が最も大きい角度差を有している。従って位相差板の厚み方向のレターデーション値を適宜調節して、これらの方位角の光線の楕円長軸方位を出射側偏光板の吸収軸方位に近づけることによりプロジェクタのコントラスト特性を改善することができる。
【０１０３】
１／４波長板１００２の遅相軸方位を８９．５°、位相差板１４０１の厚み方向レターデーションＲｐを１３５ｎｍ、面内レターデーションＲｆを略０ｎｍに設定した場合の出射側偏光板の吸収軸方位と楕円偏光の長軸方位のなす角度差を図１６に実線でしめす。同図から明らかなように、位相差板１４０１を付加することによって角度差が極めて小さくなっていることが分かる。この場合のコントラスト視角特性を図１７に示す。プロジェクタのコントラスト特性値として６５００が得られた。
【０１０４】
図１８に位相差板１４０１のＲｐ値を変化させた場合のプロジェクタのコントラスト特性値を示す。同図は横軸にＲｐ値、縦軸にコントラスト特性値を示したもので、広いＲｐ値の範囲で高いコントラスト特性が得られている。なお、Ｒｐ値の単位は、使用波長に対する比率であるλを単位として表示してある。また、いずれのＲｐ値においてもＲｆ≒０［ｎｍ］に設定されている。
【０１０５】
図１９に位相差板１４０１のＲｐ値を約０．２５λに設定し、液晶プレチルト角を変化させた場合のコントラスト特性値を示す。同図は横軸に液晶プレチルト角、縦軸にコントラスト特性値を示したもので、プレチルト角を大きくしても高いコントラスト特性が得られている。
【０１０６】
位相差板１４０１の好適な例としては実施例１で述べた、住友化学工業株式会社製のVACフィルムがあげられる。
【０１０７】
なお、本実施例では、プロジェクタの光学系としてオフアクシス光学系を用いた例を述べたが、本実施例の位相差板を使用する場合のコントラスト視角特性は図１７に示すように高いコントラスト領域が広い方位に広がっているため、光学系としてオンアクシス光学系を用いたプロジェクタにおいても高いコントラスト特性を得られることは言うまでもない。また、液晶配向方位φｌｃとして１３５°の場合を説明したが、同様の理由によりこれを別の方位に設定しても高いコントラスト特性を得られることは言うまでもない。
【０１０８】
（実施例４）
本実施例は、実施例３で説明した位相差板１４０１と１／４波長板１４０２の協働作用による位相補償機能を１枚の二軸性位相差板で実現する例である。
【０１０９】
本実施例の二軸性位相差板における主屈折率ｎ１、ｎ２、ｎ３の方位は実施例１で述べたものと同一であるのでここでは説明を省略する。本実施例の二軸性位相差板は面内リターデーションＲｆが略λ／４に設定されており、また、面内の主屈折率ｎ１の方位が、所定の方位角に設置されている。これらの構成は、実施例３における１／４波長板１４０２の構成とほぼ同等である。厚み方向のレターデーションＲｐは実施例３の位相差板１４０１と略同等の機能を発現するよう適宜調整されている。本実施例の二軸性位相差板においては、面内位相差リターデーションＲｆが大きな値を有するため、位相差板１４０１と略同等の機能を発現するための厚み方向のレターデーションＲｐは、実施例３で述べた位相差板１４０１のＲｐ値とは必然的に異なる値となる。
【０１１０】
具体的な数値の一例として、液晶方位角φｌｃ １３５°、液晶プレチルト角 ５°、入射偏光軸方位φｐｏｌ ９０°の場合、二軸性位相差板の主屈折率をｎ１＝１．５００７４、ｎ２＝１．４９９１２２、ｎ３＝１．４９５６９６、ｎ１の方位角を８９．５°、厚さをｄ＝８５μｍに設定した。この構成において、波長５５０ｎｍに対する二軸性位相差板の面内レターデーションＲｆは約λ／４、厚み方向レターデーションＲｐは約０．６５λとなっている。本構成のコントラスト視角特性を図２０に示す。この場合、プロジェクタのコントラスト特性値として６４００が得られた。
【０１１１】
図２１に二軸性位相差板Ｒｐ値を変化させた場合のプロジェクタのコントラスト特性値を示す。同図は横軸にＲｐ値、縦軸にコントラスト特性値を示したもので、広いＲｐ値の範囲で高いコントラスト特性が得られている。なお、Ｒｐ値の単位は、使用波長に対する比率であるλを単位として表示してある。また、いずれのＲｐ値においてもＲｆ≒λ／４に設定されている。
【０１１２】
図２２に二軸性位相差板のＲｐ値を約０．６５λに設定した場合に、液晶プレチルト角を変化させた場合のコントラスト特性値を示す。同図は横軸に液晶プレチルト角、縦軸にコントラスト特性値を示したもので、プレチルト角を大きくしても高いコントラスト特性が得られている。
【０１１３】
なお、本実施例では、プロジェクタの光学系としてオフアクシス光学系を用いた例を述べたが、本実施例の二軸性位相差板を使用する場合のコントラスト視角特性は図１７に示すように高いコントラスト領域が広い方位に広がっているため、光学系としてオンアクシス光学系を用いたプロジェクタにおいても高いコントラスト特性を得られることは言うまでもない。
【０１１４】
（実施例５）
実施例１ないし２で説明したような、液晶配向方位φｌｃを１８０°にする構成においては、入射偏光軸方位φｐｏｌを１３５°に設定する必要があり、従って出射側偏光板１０８の偏光透過軸方位はそれと直交する４５°に設定される。
【０１１５】
ところで、プロジェクタの小型化をはかる上では、クロスダイクロイックプリズムやクロスダイクロイックミラー等で構成される色合成手段１１０のダイクロイック面の法線をｘ−ｚ面に平行に配置することが望ましい。この配置においては、色合成手段１１０は、直線偏光方位が０°もしくは９０°の直線偏光に対して最も優れた色合成機能を発現する。従って、出射側偏光板１０８の偏光透過軸方位を４５°に配置した場合には充分に優れた色合成特性を得ること難しく、プロジェクタの画質低下が生じる。
【０１１６】
本実施形態においては、この問題を回避するために、出射側偏光板１０８と色合成手段１１０の間に第三の位相差板１０９を備えている。この第三の位相差板１０９は出射側偏光板１０８を透過した直線偏光方位が４５°の直線偏光の偏光軸を＋４５°ないしは−４５°回転させることにより、色合成手段に入射する直線偏光の偏光軸方位を０°もしくは９０°に変換する機能を有する。このような位相差板としては、遅相軸方位を２２．５°もしくは６７．５°に設定した１／２波長板が好適な例としてあげられる。
【０１１７】
以上の事情は色分離手段１０３に対しても成り立つ。色分離手段１０３においては、直線偏光方位が０°もしくは９０°の直線偏光に対して最も優れた色分離機能を発現するので、そのような偏光方位を有する直線偏光が、偏光透過軸方位を１３５°に設定した入射側偏光板１０５を透過するように、色分離手段１０３と入射側偏光板１０５の間に第四の位相差板１０４を備えている。この第四の位相差板としても遅相軸方位を適宜設定した１／２波長板が好適な例としてあげられる。
【０１１８】
なお、液晶配向方位φｌｃを４５°、１３５°、２２５°、３１５°に設定した場合は入射偏光軸方位φｐｏｌおよび出射側偏光板１０８を透過した直線偏光軸方位が０°もしくは９０°となるので、第三の位相差板１０９、第四の位相差板１０４は必ずしも必要ではなく省略することも可能である。
【０１１９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、垂直配向モードの液晶層を有する反射型の液晶ライトバルブを備えたプロジェクタにおいて、いずれかの主屈折率方位を前記液晶ライトバルブの法線に略平行に配置した位相差板を備え、該位相差板の厚み方向のリターデーションを適宜調節することによって、とりわけ大きな入射角を有する光束のコントラスト特性を改善することができるので、オフアクシス光学系を採用したプロジェクタのコントラスト特性を改善することができる。同様の効果は位相差板として１／４波長板を使用しその遅相軸方位を適切に設定することによっても実現することができる。
【０１２０】
さらに、いずれかの主屈折率方位を前記液晶ライトバルブの法線に略平行に配置した位相差板と１／４波長板を併用し、前記位相差板の厚み方向のリターデーションと１／４波長板の遅相軸方位を適切に設定することによって、プロジェクタのコントラスト特性をさらに改善することができる。、同様の効果は面内リターデーションを略１／４波長とし厚み方向のリターデーションを適切に設定した二軸位相差板によっても実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るプロジェクタの光学系の概略構成図。
【図２】本発明の実施形態における光線進行方向の定義図および視角特性図の説明図。
【図３】反射型液晶ライトバルブの概略構成図。
【図４】電圧無印加時における垂直配向モードの液晶分子配向状態の説明図。
【図５】実施例１における異常光成分の振動面方位と光線方位角の関係図。
【図６】実施例１における直線偏光方位と光線方位角の関係図。
【図７】実施例における照明光束の光線角度分布領域の説明図。
【図８】実施例１におけるコントラスト特性視角特性図。
【図９】実施例１における位相差板のＲｐとプロジェクタのコントラスト特性の関係図。
【図１０】１／４波長板によるコントラスト特性視角特性図。
【図１１】１／４波長板の遅相軸を変化させた場合のコントラスト特性視角特性図。
【図１２】実施例２におけるコントラスト特性視角特性図。
【図１３】実施例２における１／４波長板の遅相軸方位とプロジェクタのコントラスト特性の関係図。
【図１４】実施例３における位相差板の概略構成図。
【図１５】１／４波長板を透過した後の偏光状態と光線方位角の関係図。
【図１６】位相差板を透過した後の楕円偏光の長軸方位と光線方位角の関係図。
【図１７】実施例３におけるコントラスト特性視角特性図。
【図１８】実施例３における位相差板のＲｐとプロジェクタのコントラスト特性の関係図。
【図１９】実施例３における液晶プレチルト角とプロジェクタのコントラスト特性の関係図。
【図２０】実施例４におけるコントラスト視角特性図。
【図２１】実施例４における位相差板のＲｐとプロジェクタのコントラスト特性の関係図。
【図２２】実施例４における液晶プレチルト角とプロジェクタのコントラスト特性の関係図。
【図２３】位相差板の機能の説明図。
【図２４】偏光状態の詳細の説明図。
【符号の説明】
１０１  プロジェクタ
１０２  照明手段
１０３  色分離光学手段
１０４  第四の位相差板
１０５  偏光板
１０６、１０６Ｒ，１０６Ｇ，１０６Ｂ  位相差板
１０７、１０７Ｒ，１０７Ｇ，１０７Ｂ  反射型液晶ライトバルブ
１０８、１０８Ｒ，１０８Ｇ，１０８Ｂ  検光手段
１０９、１０９Ｒ，１０９Ｇ，１０９Ｂ  第三の位相差板
１１０  色合成手段
１１１  投写レンズ
１１２  白色光源
１１３  インテグレーターレンズ
１１４  偏光変換素子
２０１  光線
３０２  シリコン基板
３０３  反射画素電極
３０４  透明電極
３０５  透明基板
３０６  スペーサー
３０７  液晶
３０８  配向膜
３０９  配向膜
４０１  液晶分子
４０２  液晶分子の長軸
５０１  異常光成分の振動面
５０２  異常光成分の振動面
５０３  異常光成分の振動面
６０１  液晶配向方位
６０２  偏光透過軸方位
６０３  直線偏光方位
６０４  異常光成分
６０５  常光成分
６０６  偏光状態の変化を受け易い領域
６０７  偏光状態の変化を受け易い領域
６０８  偏光状態の変化を受け易い領域
６０９  偏光状態の変化を受け易い領域
７０１  照明光束の光線角度分布領域
１００１  液晶配向方位
１００２  入射直線偏光方位
１００３  １／４波長板の遅相軸方位
１００４  コントラスト特性が改善される領域
１１０２  高コントラスト領域
１１０３  高コントラスト領域
１１０４  高コントラスト領域
１１０５  高コントラスト領域
１４０１  位相差板
１４０２  １／４波長板
１４０３  主屈折率方位
１４０４  液晶ライトバルブの法線
１４０５  遅相軸
１４０６  入射光線
１４０７  出射光線
１４０８  遅相軸
１５０１  楕円偏光
１５０２  出射側偏光板の吸収軸方位
１５０３  楕円偏光の長軸
２３０１  入射側偏光板
２３０２  偏光透過軸
２３０３  直線偏光
２３０４  楕円偏光
２３０５  出射側偏光板
２３０６  偏光透過軸
２３０７  楕円偏光
２３０８  楕円偏光
２３０９  楕円偏光
２４０１  楕円偏光の長軸
２４０２  偏光吸収軸方位
２４０３  楕円偏光
２４０４  楕円偏光
【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】
0004055465.tif 000018
【図１８】
0004055465.tif 000019
【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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