(57)【要約】本発明は、振動および騒音が発生せず、高分子分散液晶を用いた可変絞りよりも遮光性に優れ、液晶を用いた従来の可変絞りよりも投射画像の色の変化を低減できる透過光量可変素子および投射型表示装置を提供することを課題とする。本発明は、平行に配置された１対の透明基板と、１対の前記透明基板の対向するいずれかの基板面に設けられ、多層構造を有する透明部材が回折格子をなすように周期的に配置されかつ断面形状が凹凸状の回折格子とされた多層格子部材と、１対の前記透明基板間に前記多層格子部材を埋めるように挟持された液晶と、前記液晶に電界を印加するための透明電極とを備え、前記多層格子部材が有する透明部材が、屈折率の異なる複数の誘電性薄膜が周期的に積層された多層構造を有する透過光量可変素子、及び該透過光量可変素子を備えた投射型表示装置に関する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
平行に配置された１対の透明基板と、
１対の前記透明基板の対向するいずれかの基板面に設けられ、多層構造を有する透明部材が回折格子をなすように周期的に配置されかつ断面形状が凹凸状の回折格子とされた多層格子部材と、
１対の前記透明基板間に前記多層格子部材を埋めるように挟持された液晶と、
前記液晶に電界を印加するための透明電極とを備え、
前記多層格子部材が有する透明部材が、屈折率の異なる複数の誘電性薄膜が周期的に積層された多層構造を有する、透過光量可変素子。
【請求項２】
前記透明電極が分割された複数の分割電極からなり、前記分割電極が形成された領域毎に透過率を変えることができるように構成されている、請求項１に記載の透過光量可変素子。
【請求項３】
前記透明電極が光軸を中心に輪帯状に分割された複数の分割電極からなり、前記分割電極が形成された領域毎に透過率を変えることができるように構成されている、請求項１または２に記載の透過光量可変素子。
【請求項４】
前記多層格子部材の層構造が、４３０ｎｍから６３０ｎｍまでの波長領域において、透過率の最大値と最小値との差が２０％以下になるように構成されている、請求項１、２または３に記載の透過光量可変素子。
【請求項５】
前記多層格子部材の層構造が、遮光時の透過率の最大値と最小値との差が１５％以下になるように構成されている、請求項１から４までのいずれか１項に記載の透過光量可変素子。
【請求項６】
前記多層格子部材が有する透明部材が、ＳｉＯ２とＴａ２Ｏ５との誘電性薄膜が交互に積層された多層構造を有する、請求項１から５までのいずれか１項に記載の透過光量可変素子。
【請求項７】
前記液晶の異常光屈折率が前記多層格子部材の平均屈折率より大きい、請求項１から６までのいずれか１項に記載の透過光量可変素子。
【請求項８】
透過光量可変素子が２つの回折格子よりなり、液晶分子のそれぞれの配向方向が直交するように配置されている、請求項１から７までのいずれか１項に記載の透過光量可変素子。
【請求項９】
所定の光源と、
入射光を映像信号に応じて変調して出射させる画像表示用空間光変調素子と、
複数のレンズからなり、前記光源が出射した光を前記画像表示用空間光変調素子に集光照明する照明光学系と、
前記画像表示用空間光変調素子から出射した光を投射する投射レンズ系と、
前記光源を出射した光が前記投射レンズ系を通過するまでの光路中に１つ以上配置された、請求項１から８までいずれか１項に記載の透過光量可変素子とを備えた、投射型表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、入射した光の光量を切り替えて透過させる透過光量可変素子および投射型表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】  投射画像を表示する投射型表示装置として、例えば、図８に示すように、入射光を映像信号に応じて変調し透過光を投射して画像を表示する液晶投射型表示装置（例えば、特開２００１−２６４７２８号公報参照。）、および、図９に示すように、画素毎に有する微小ミラーの反射角を映像信号に応じて変化させて反射光量を変調し、変調して得られた光を投射して画像を表示するＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅ登録商標）型の投射型表示装置（例えば、特開２００４−３６１８５６号公報参照。）がある。【０００３】  図８は、従来の液晶投射型表示装置８０の基本的な構成を示す模式図である。光源１を出射した光は、反射鏡２を反射してほぼ光軸に平行な光となり、照明光学系３を介して偏光子４に進み、偏光子４によって所定の直線偏光方向の光にされる。偏光子４を出射した光は、画像表示用空間光変調素子としての液晶パネル５によって偏光状態の変調を受け検光子６に入射し、検光子６を通過することによって所定の偏光成分のみが投射レンズ系７に出射し、投射レンズ系７を通過して不図示のスクリーン等に投射表示される。【０００４】  図９は、従来のＤＭＤ投射型表示装置９０の基本的な構成を示す模式図である。光源１を出射した光は、反射鏡２を反射してほぼ光軸に平行な光となり、照明光学系３を介して画像表示用空間光変調素子としてのＤＭＤ素子９０５に進む。ＤＭＤ素子９０５の各微小ミラーによって反射され光量の変調を受けた光は、投射レンズ系９０７に入射し、投射レンズ系９０７を通過して不図示のスクリーン等に投射表示される。【０００５】  ここで、投射型表示装置は、ＣＲＴ等の投射型でない画像表示装置に比してコントラストが低いことが指摘されている。ここで、上記のコントラストとは、白色画面を表示したときの輝度と、黒色画面を表示したときの輝度の比である。投射型表示装置では、黒色画面を表示するときでも迷光が投射レンズに入射してしまい、コントラストを低下させることになっている。【０００６】  液晶投射型表示装置８０では、コントラストを向上させるために、近年、照明光学系３または投射レンズ系７中に可変光シャッターや絞りが設けられるようになった（例えば、特開２００１−２６４７２８号公報参照。）。可変光シャッターや絞りを設けることによって、画像表示用空間光変調素子としての液晶パネル５への入射角または液晶パネル５からの出射角の大きい光等を削減できるからである。【０００７】  一方、ＤＭＤ投射型表示装置９０では、黒色画面は画像表示用空間光変調素子としてのＤＭＤ素子９０５からの反射光が投射レンズ系９０７に入射しないように微小ミラーを回転させて表示される。しかしながら、ＤＭＤ素子９０５は微小ミラーの集合体であるため、微小ミラーの周辺部や微小ミラー間で散乱光が生じてしまい、一部の散乱光が投射レンズ系９０７に入射することとなる。ＤＭＤ投射型表示装置９０では、投射レンズ系９０７内に絞りを設けることでコントラストを上げることが可能となる。【０００８】  その一方で、従来の投射型表示装置に絞りを設けると、表示される白色画面の輝度が下がってしまうという問題もある。かかる問題の対策として、絞りを、開口の広さ（以下、開口量という。）または遮光量を所定レベルに変えることができるものとする技術が開示された（例えば、特許文献２参照。）。以下、この絞りを可変絞りという。投射画像のコントラストが問題になるのは、投射画像が表示される環境の明るさによる。【０００９】  すなわち、照明や太陽光等の外光があって明るい部屋では、投射画像の有無にかかわらずスクリーンに光が当たっているため、黒色表示部分が若干明るくても問題にならず、外光を打ち消すだけの白色画面の輝度が必要である。逆に、外光がない暗い部屋では、輝度は高い必要はなく、黒色画面が少しでも明るいと目だってしまう。可変絞りは、外光のある環境では白色を明るく、すなわち、高輝度となるように開口を広げ、外光がない環境では白色を抑えてコントラストを上げるように開口を狭めるように調節される。また、表示される投射画像にも応じて開口量の調節がなされている。【００１０】  しかし、このような従来の可変絞りを有する投射型表示装置では、例えばモータ等を用いて機械式で開口量を調節することが行われているため、開口量の調節の際に振動、騒音等が発生するという問題があった。かかる振動、騒音等は、映像鑑賞の障害となっている。ＴＮ液晶を用いた可変絞り、高分子分散液晶を用いた可変絞り等の機械式でない可変絞りもあるが、ＴＮ液晶を用いた可変絞りでは、ＴＮ液晶に入射する光の偏光方向をある特定の偏光方向に限定する必要がある。このため、偏光板が必要となるが、偏光板を用いると光の利用効率が低下してしまうという問題がある。利用効率の低下は、光源の発するランダムに偏光した光の偏光方向を特定の偏光方向の直線偏光に限定するために用いる偏光板の透過率が５０％以下であることや、偏光ビームスプリッタアレイを用いて偏光方向の変換を行ったとしても偏光効率が７０％程度であることによる。また、遮光時にはＴＮ液晶を透過した光を偏光板で吸収させる必要があるので、偏光板が光吸収により発熱し、信頼性を低下させるという問題がある。また、高分子分散液晶を用いた可変絞りでは、入射光を散乱させて透過光量を減らすようになっていること、さらに散乱角が小さいため、遮光時にも一部の散乱光がスクリーンに到達してしまい、光を完全に遮断することができないという問題があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】  本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、遮光量の調節の際に振動および騒音が発生せず、高分子分散液晶を用いた可変絞りよりも遮光性に優れ、液晶を用いた従来の可変絞りよりも光利用効率を向上できる透過光量可変素子および投射型表示装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】  以上の点を考慮して、本発明は下記の透過光量可変素子（１）〜（８）および投射型表示装置（９）を提供する。
（１）平行に配置された１対の透明基板と、１対の前記透明基板の対向するいずれかの基板面に設けられ、多層構造を有する透明部材が回折格子をなすように周期的に配置されかつ断面形状が凹凸状の回折格子とされた多層格子部材と、１対の前記透明基板間に前記多層格子部材を埋めるように挟持された液晶と、前記液晶に電界を印加するための透明電極とを備え、前記多層格子部材が有する透明部材が、屈折率の異なる複数の誘電性薄膜が周期的に積層された多層構造を有する透過光量可変素子。【００１３】  この構成により、多層格子部材が有する透明部材が、屈折率の異なる複数の誘電性薄膜が周期的に積層された多層構造を有するため、多層格子部材の屈折率の波長分散を変化させることによって回折効率、透過率等の波長依存性を低減でき、遮光量の調節の際に振動および騒音が発生せず、高分子分散液晶を用いた可変絞りよりも遮光性に優れ、液晶を用いた従来の可変絞りよりも光利用効率を向上させることが可能な透過光量可変素子を実現できる。【００１４】  （２）前記透明電極が分割された複数の分割電極からなり、前記分割電極が形成された領域毎に透過率を変えることができるように構成されている、上記（１）に記載の透過光量可変素子。【００１５】  この構成により、上記（１）の構成の効果に加え、透明電極が分割された複数の分割電極からなり、分割電極が形成された領域毎に透過率を変えることができるため、絞りの開口径内をきめ細かく遮光量を調節することが可能な透過光量可変素子を実現できる。
（３）前記透明電極が光軸を中心に輪帯状に分割された複数の分割電極からなり、前記分割電極が形成された領域毎に透過率を変えることができるように構成されている、上記（１）または（２）に記載の透過光量可変素子。【００１６】  （４）前記多層格子部材の層構造が、４３０ｎｍから６３０ｎｍまでの波長領域において、透過率の最大値と最小値との差が２０％以下になるように構成されている上記（１）から（３）のいずれかに記載の透過光量可変素子。【００１７】  この構成により、上記（１）、（２）または（３）の構成の効果に加え、多層格子部材の層構造が、４３０ｎｍから６３０ｎｍまでの波長領域において、透過率の最大値と最小値との差が２０％以内になるようになっているため、透過光量を変化させても透過光の色バランスが変化しない透過光量可変素子を実現できる。【００１８】  （５）前記多層格子部材の層構造が、遮光時の透過率の最大値と最小値との差が１５％以下になるように構成されている上記（１）から（４）のいずれかに記載の透過光量可変素子。
この構成により、上記（１）から（４）のいずれかの構成の効果に加え、多層格子部材の層構造が、遮光時の透過率の最大値と最小値との差が１５％以内になるようになっているため、遮光時により問題となる色のバランスを従来の透過光量可変素子よりも向上させることが可能な透過光量可変素子を実現できる。【００１９】  （６）前記多層格子部材が有する透明部材が、ＳｉＯ２とＴａ２Ｏ５との誘電性薄膜が交互に積層された多層構造を有する、上記（１）から（５）のいずれかに記載の透過光量可変素子。
（７）前記液晶の異常光屈折率が前記多層格子部材の平均屈折率より大きい、上記（１）から（６）のいずれかに記載の透過光量可変素子。
（８）透過光量可変素子が２つの回折格子よりなり、液晶分子のそれぞれの配向方向が直交するように配置されている、上記（１）から（７）のいずれかに記載の透過光量可変素子。【００２０】  （９）所定の光源と、入射光を映像信号に応じて変調して出射させる画像表示用空間光変調素子と、複数のレンズからなり、前記光源が出射した光を前記画像表示用空間光変調素子に集光照明する照明光学系と、前記画像表示用空間光変調素子から出射した光を投射する投射レンズ系と、前記光源を出射した光が前記投射レンズ系を通過するまでの光路中に１つ以上配置された、上記（１）から（８）のいずれかに記載の透過光量可変素子とを備えた、投射型表示装置。【００２１】  この構成により、上記（１）から（８）のいずれかの構成の効果を有する透過光量可変素子を備える投射型表示装置を実現できる。
【発明の効果】
【００２２】  本発明は、多層格子部材が有する透明部材が、屈折率の異なる複数の誘電性薄膜が周期的に積層された多層構造を有するため、多層格子部材の屈折率の波長分散を変化させることによって回折効率、透過率等の波長依存性を低減でき、遮光量の調節の際に振動および騒音が発生せず、高分子分散液晶を用いた可変絞りよりも遮光性に優れ、液晶を用いた従来の可変絞りよりも光利用効率を向上できるという効果を有する透過光量可変素子および投射型表示装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、本発明の実施の形態に係る透過光量可変素子（直線偏光用）のブロック構成を示す図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態に係る透明電極を構成する分割電極の一例（略円形）を示す模式図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態に係る透明電極を構成する分割電極の他の一例（マイクロレンズ用）を示す模式図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態に係る透過光量可変素子（偏光状態を問わない）のブロック構成を示す図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態に係る液晶投射型表示装置の構成の一例を示す模式図である。
【図６】図６は、本発明の実施の形態に係る液晶投射型表示装置の構成の他の一例を示す模式図である。
【図７】図７は、本発明の実施の形態に係る透過光量可変素子１００に、回折格子の長手方向に平行な偏光方向の光を入射した場合の０次透過率の波長依存性を示す図である。
【図８】図８は、従来の液晶投射型表示装置８０の基本的な構成を示す模式図である。
【図９】図９は、従来のＤＭＤ投射型表示装置９０の基本的な構成を示す模式図である。
【図１０】図１０は、従来の透過光量可変素子に、回折格子の長手方向に平行な偏光方向の光を入射した場合の０次透過率の波長依存性を示す図である。
【符号の説明】
【００２４】  １  光源
２  反射鏡
３  照明光学系
４  偏光子
５  液晶パネル
６  検光子
７、９０７  投射レンズ系
８  光源電源
９  可動絞り駆動部
５０、６０、８０  液晶投射型表示装置
９０  ＤＭＤ投射型表示装置
１００、２００  透過光量可変素子
１０１ａ、１０１ｂ、２０１ｂ  透明基板
１０２ａ、１０２ｂ、２０２ａ、２０２ｂ  透明電極
１０３、２０３  多層格子部材
１０４、２０４  液晶
１０５、２０５  シール
１０６、２０６  配線
１１１、１１２、１１３、１２１、１２２、１２３  分割電極
９０５  ＤＭＤ素子
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】  以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係る透過光量可変素子の模式的な構成を示す断面図である。図１において、透過光量可変素子１００は、平行に配置された１対の透明基板１０１ａ、１０１ｂと、透明基板１０１ａの基板面に設けられ、多層構造を有する透明部材が回折格子をなすように周期的に配置された多層格子部材１０３と、多層格子部材１０３が設けられた１対の透明基板１０１ａ、１０１ｂ間に多層格子部材を１０３を埋めるように挟持された液晶１０４と、液晶１０４に電界を印加するための透明電極１０２ａ、１０２ｂと、シール１０５と、透明電極１０２ａ、１０２ｂ間に所定の波形の電圧を印加するための配線１０６とを含むように構成される。【００２６】  図１において、透明基板１０１ａ、１０１ｂとして、例えば、アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂、塩化ビニル系樹脂、ポリカーボネート等を用いるのでもよいが、耐久性等の点からガラス基板が好適である。また、透明基板１０１ａ、１０１ｂと液晶１０４との界面にポリイミド、ＰＶＡ等の配向膜を成膜してラビングするなど所定の配向処理を施すのが、液晶の配向の制御性を向上させることができるため、好適である。無機材からなる配向膜としては、例えば、ＳｉＯＮを斜め蒸着して得られた薄膜、イオンビーム照射して配向処理した膜を用いることができる。これら、斜め蒸着やイオンビーム照射による配向処理は、ラビングでは配向処理が難しい凹凸状の格子部材の凹部の配向力の向上に優れているので、好ましい。【００２７】  多層格子部材１０３を構成する各透明部材は、図１に示すように、屈折率の異なる複数の誘電性薄膜が周期的に積層された多層構造（以下、このような層構造の膜を単に多層膜という。）を有する。上記の層構造を有する多層格子部材１０３を用いることによって、多層膜内の光の干渉状態を波長毎に変えることができ、実効的に多層格子部材１０３の屈折率の波長分散を制御して所望のものとでき、回折効率や０次透過率の波長依存性も制御できるためである。ここで、０次透過率とは、透過光量可変素子１００を回折せずに透過した光の透過率を意味する。【００２８】  多層格子部材１０３は、例えば真空蒸着法やスパッタ法を用いて屈折率の異なる複数の誘電性薄膜を厚さ方向に周期的に堆積し、フォトリソグラフィ技術およびエッティング技術を用いて凸部を有する回折格子状に加工することによって得られる。誘電性薄膜の材料としては、Ｓｉ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｔｉ，Ａｌ、Ｍｇ、Ｃａ等の酸化物が信頼性の点で好ましく、窒化物、フッ化物等を用いるのでもよい。２種類の誘電性薄膜を組み合わせる場合は、ＳｉＯ２やＴａ２Ｏ５の組み合わせが、屈折率差が大きくて設計が容易であり、また信頼性、短波長域における透過率、耐光性、作製の制御性等の点から好ましい。【００２９】  表１は、多層格子部材１０３の層構造を説明するための表である。
【表１】
2006082901.tif 000002
【００３０】  表１には、２種類の誘電性薄膜（例えばＬ１、Ｌ２）が交互に合計１３層積層され合計の膜厚が１．６７７９μｍの多層格子部材１０３の層構造の例が示されている。層Ｌ１で代表される誘電性薄膜（以下、Ｌ１誘電性薄膜という。）は、屈折率が１．４１で、膜厚が０．２１２６μｍの膜からなり、層Ｌ２で代表される誘電性薄膜（以下、Ｌ２誘電性薄膜という。）は、屈折率が２．２２で、膜厚が０．０３１７μｍの膜からなる。ここで、透明基板１０１ａ、１０１ｂの屈折率は１．５２である。【００３１】  一般に回折格子の回折効率は、凹凸格子の凹部と凸部とを透過する光の光路長（＝屈折率×距離）の差と波長との比に依存して変化する。以下では、回折効率の波長依存性を小さくする方法について詳細に説明する。回折効率の波長依存性を小さくするためには、利用波長帯域内で光路長差／波長を一定に近づける必要がある。つまり、光路長差を短波長側で小さくし、長波長側で大きくする必要がある。この光路長差の波長依存性を所望の値に近づけるために、凹凸格子を多層格子部材１０３により構成することが好ましい。【００３２】  具体的には、表１に示す多層膜の例では、光量を可変としたい波長帯域（利用波長帯域。この例では４３０ｎｍから６３０ｎｍの可視光）を挟んで、波長３７０ｎｍと波長７４０ｎｍ付近で光を反射し、光量を可変としたい波長帯域では透過率が高くなる（反射が少なくなる）ような多層膜とした。このように、多層膜が、光を反射する波長帯域（反射帯域）を有する場合には、反射帯域の短波長側では、多層膜での光の干渉により実効的な屈折率が小さく（光路長が小さく）なり、逆に長波長側では実効的な屈折率が大きく（光路長が大きく）なる。この例では利用波長帯域の両側に反射帯域を有するので、利用波長帯域の短波長側（＝３７０ｎｍ反射帯域の長波長側）では実効的な屈折率が高くなり、長波長側（＝７４０ｎｍ反射帯域の短波長側）では逆に実効的な屈折率が小さくなる。【００３３】  この多層膜を凹凸格子状に加工して多層格子部材とし、凸部は多層膜とし、凹部には液晶が充填される。凹部を占める液晶の屈折率が凸部の多層格子部材の屈折率より高いときには、多層格子部材と液晶との実効的な屈折率が短波長側では小さく、長波長側では大きくなる。このとき、凸部の多層格子部材を透過した光と凹部の液晶を透過した光との光路長差は、短波長側で小さく、長波長側で大きくなり、光路長差と波長との比を一定に近づけることができ、回折効率および透過率の波長依存性を低減できる。【００３４】  なお、上記では、反射帯域が利用波長帯域を挟むように両側に存在する場合について説明したが、反射帯域は、利用波長帯域の短波長帯側または長波長側のいずれかに存在するのでもよい。この場合も、上記と同様の理由から、利用波長帯域での回折効率、透過率等の波長依存性を低減できる。ここで、反射帯域の短波長側とは、利用波長帯域の短波長端から波長が２００ｎｍ短くなるまでの波長範囲のいずれかの波長帯をいうものとする。また、反射帯域の長波長側とは、利用波長帯域の長波長端から波長が４００ｎｍ長くなるまでの波長範囲のいずれかの波長帯をいうものとする。上記の波長帯域では、反射帯域が利用波長帯域から離れすぎることがなく、光の干渉効果を効果的に利用することができる。
その結果、実効的な屈折率の変化を小さくでき、透過率の波長依存性を所望のものにすることができ、好適である。【００３５】  また、反射帯域の反射率を５０％以上とするのは、光の干渉効果を効果的に利用することができ、上記と同様に透過率の波長依存性を所望のものにすることができ、好適である。さらに、液晶の異常光屈折率を、多層膜の平均屈折率（各層の屈折率と厚さとの積の総和／各層の厚さの総和）より大きくするのは、回折格子を透過する光の光路長差／波長を一定に近づけることができ、回折効率の波長依存性を小さくでき、好適である。さらにまた、液晶の常光屈折率を、ほぼ、多層膜の平均屈折率とするのは、回折格子を透過する光の光路長差が小さくなり、透過率を高くでき、好適である。【００３６】  なお、多層格子部材１０３は、液晶１０４中を通過する光と多層格子部材１０３中を通過する光との光路長差が、遮光時（回折効率が高いとき）には、略半波長、相違するようになっている。また、透過時（回折効率が低いとき）には、上記の光路長差が略同じか波長の整数倍ずれた状態になっている。また、本発明の適用は、表１に示す多層膜の例には限られず、液晶１０４中を通過する光と多層格子部材１０３中を通過する光との光路長差が、遮光時（回折効率が高いとき）には、略半波長、相違し、透過時（回折効率が低いとき）には、上記の光路長差が略同じか波長の整数倍ずれた状態になるものであればよい。
所望の透過率分光特性および液晶物性に応じて、多層膜の設計を変えることができる。上記では、説明を簡単にするために、誘電性薄膜、液晶等の材料の屈折率が波長依存性を有しないモデルを用いて説明したが、上記のＳｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５等の誘電体材料および液晶は屈折率の波長依存性を有する。この場合は、これらの波長依存性を考慮して透過光量可変素子１００の屈折率を設計することによって同様の効果を得ることができる。【００３７】  液晶１０４は、複屈折性があり、誘電異方性が正のものでも負のものでもよい。以下では、説明の便宜上、液晶１０４として、誘電異方性が正（電圧を印加すると電界方向に液晶分子の長手方向が揃う）ものを用いるものとする。また、液晶１０４の常光屈折率をｎｏとし、異常光屈折率をｎｅとする。【００３８】  ここで、常光屈折率ｎｏと異常光屈折率ｎｅとのうちのいずれかを、液晶１０４中を通過する光と多層格子部材１０３中を通過する光との光路長差がなく、他の屈折率を上記の光路長差が略半波長となるようにするのは、光の透過または回折を電圧を印加せずに得ることができるため、好ましい。以下、液晶分子は、電圧を印加しない状態で多層格子部材１０３の長手方向に配向しているものとし、常光屈折率ｎｏが、液晶１０４中を通過する光と多層格子部材１０３中を通過する光との光路長差がなくなるように設定され、異常光屈折率ｎｅが、液晶１０４中を通過する光と多層格子部材１０３中を通過する光との光路長差が半波長となるように設定されているものとする。【００３９】  透明電極１０２ａ、１０２ｂは、ＩＴＯやＳｎＯ２等の金属酸化物薄膜、金属薄膜等を用いることができるが、透過率の観点からＩＴＯやＳｎＯ２等の金属酸化物薄膜が好ましい。透明電極１０２ａを、図１に示すように透明基板１０１ａの基板面上に接触するように形成するのでも、多層格子部材１０３が形成された透明基板１０１ａ上に形成するのでもよいが、断線を防止する観点から、基板面上に接触するように形成する方が好ましい。【００４０】  図２は、透明電極１０２ａ、１０２ｂを、複数の分割電極１１１、１１２、１１３に分割した場合の構成例を説明するための図である。以下では、説明の便宜上、図面上の白く表された分割電極１１１、１１２、１１３の部分では光が透過し、メッシュの施された分割電極１１１、１１２、１１３の部分では印加された電圧に応じて光が１部、回折されるものとする。【００４１】  図２（ａ）には、全分割電極１１１、１１２、１１３が同一の電位にされ、分割電極１１１、１１２、１１３が設けられた全領域を光が透過する様子が示されている。同様に、図２（ｂ）には、分割電極１１３の電位が切り替えられ、分割電極１１３が設けられた領域で光が回折する様子が示されている。図２（ｃ）には、分割電極１１２の電位がさらに切り替えられ、分割電極１１２が設けられた領域でも光が回折する様子が示されている。
このように構成することによって、分割電極１１１、１１２、１１３が設けられた領域毎に光の０次透過率を変えることができ、もって後段の光学素子に入射する光を遮光できる。【００４２】  図３は、図２に示す透明電極１０２ａ、１０２ｂと同様に複数の分割電極１２１、１２２、１２３からなる透明電極１０２ａ、１０２ｂの構成を示す図である。図３に示す分割電極１２１、１２２、１２３の形状は、投射型表示装置を構成する照明光学系にマイクロレンズ（フライアレイレンズ）が含まれる場合に用いることが好適なものである。すなわち、図３に示す分割電極１２１、１２２、１２３の形状は、各分割電極１２１、１２２、１２３の端の部分が上記のマイクロレンズのセルの形状に相似し、各セルを通過した光を好適に透過または回折させるようになっている。【００４３】  シール１０５は、液晶１０４を１対の透明基板１０１ａ、１０１ｂ間に密封するために設けられるものであり、シール１０５として、エポキシ樹脂等の熱硬化型高分子からなる樹脂、紫外線硬化型樹脂等を用いることができる。また、シール１０５として、所望のセル間隔を得るためにガラスファイバ等のスペーサを数％混入させたものを用いるのでもよい。【００４４】  配線１０６としては、透明電極１０２ａ、１０２ｂ間に所定の波形の電圧を印加するためのものであり、フレキシブル配線等を用いることができる。【００４５】  以下、透過光量可変素子１００の作用について、説明する。液晶１０４に電圧を印加し実効的に屈折率を変化させ、多層格子部材１０３をなす多層膜と液晶１０４との実効的な屈折率をほぼ等しくすると、多層格子部材１０３を構成する透明部材を透過した光と、透明部材間の液晶部分（以下、格子凹部という。）を透過した光との光路長差はないため、光は回折することなく透過し、高い透過率を得ることができる。これに対して、多層格子部材１０３をなす多層膜と液晶１０４との実効的な屈折率が等しくないとき、上記の透明部材を透過した光と格子凹部（液晶のみ）を透過した光とは光路長差が発生するため、回折が生じ、０次透過率が小さくなる。この光路長差がほぼ波長の半分になると回折効率が最大となり、０次透過率はほぼ０になり、遮光状態となる。【００４６】  以下、説明を簡単にするために、透過光量可変素子１００に入射する光は、液晶分子の長手方向、すなわち多層格子部材１０３の長手方向に直線偏光し、かつ、印加電圧Ｖが「０」のとき、液晶分子は、基板１０１ａ、１０１ｂにほぼ平行であるとする。また、印加電圧が充分に大きな値Ｖｏのとき、液晶分子は、基板１０１ａ、１０１ｂにほぼ垂直になるとする。上記の電圧（Ｖ＝Ｖｏ）を印加したときは、液晶分子は基板１０１ａ、１０１ｂに垂直なため、入射する光に対しての実効的な屈折率はｎｏとなり、電圧を印加しないとき（Ｖ＝０）液晶の実効的な屈折率はｎｅとなり、電圧を印加することによって液晶１０４の実効的な屈折率を変化させることができる。【００４７】  多層格子部材１０３の実効的な屈折率と液晶１０４の常光屈折率ｎｏとをほぼ等しくすると、液晶１０４に電圧を印加することによって、多層格子部材１０３と液晶１０４の実効的な屈折率がほぼ等しくなり、高い０次透過率を得ることができる。これに対して、電圧を徐々に小さくし、液晶分子が水平に近くなると、液晶１０４の実効的な屈折率が小さくなり、透明部材を透過した光と格子凹部（液晶のみ）を透過した光との光路長差が発生するため、回折が生じ、０次透過率が小さくなる。この光路長差がほぼ波長の半分になると回折効率が最大となり、０次透過率はほぼ０になり、遮光状態となる。【００４８】  以下、多層膜を表１に示すように構成としたときの例について説明する。液晶１０４の実効的な屈折率を変えたときの、０次透過率の波長依存性を図７に示す。図７における各曲線は、波長５００ｎｍでの透過率が高い順に、液晶１０４の実効的な屈折率が１．５２、１．５７、１．６０、１．６２、１．６４および１．６６のときの０次透過率の波長依存性を示すものである。液晶１０４の常光屈折率ｎｏを１．５２、異常光屈折率ｎｅを１．６６とすると、印加電圧が充分に高い電圧（Ｖｏ）では、液晶１０４の実効的な屈折率はｎｏとなるため、透過率が高く、電圧を「０」としたとき液晶１０４の実効的な屈折率がｎｅとなるため、光は回折し０次透過率が小さい遮光状態となる。【００４９】  上記では、印加される電圧Ｖが「０」のときに液晶分子の長手方向が基板に対して平行となる構成を例にとり説明したが、印加される電圧Ｖが「０」のときに液晶分子の長手方向が基板に対してほぼ垂直となり、充分に高い印加電圧で液晶分子が基板に対して平行になるような誘電異方性（Δε）が負の液晶を用いることによって、印加される電圧が「０」のときに透過率の高い状態を実現でき、何らかの原因で電圧を印加できない故障時にも高い透過率を保持し、故障時に光が遮光されるのを防止することができ、好ましい。【００５０】  一方、回折格子を多層膜ではなく、単一膜で形成すると、図１０に比較例として示すように、０次透過率の波長依存性が、遮光量の大きい領域、すなわち、０次透過率の小さい領域で顕著に現れて、色温度が大きく変化することになり、好ましくない。上記のように、回折格子を単一膜で形成すると０次透過率の波長依存性が非常に大きく、多層膜にすることにより透過率の波長依存性を小さくすることができ、色バランスの点で好ましい。【００５１】  この理由は、多層膜によって生ずる光の干渉により、可視光に対して短波長側の屈折率が高くなるように、実効的な屈折率に波長依存性を持たせることができ、かかる波長依存性を利用して、多層格子部材１０３の透明基板１０１ｂ側の端面での光の位相の波長依存性を低減できるからである。【００５２】  以下、透明電極１０２ａ、１０２ｂが図２に示す複数の分割電極１１１、１１２、１１３からなる場合の透過光量可変素子１００の作用について説明する。なお、透過光量可変素子１００に入射する光は、回折格子の長手方向に直線偏光しているものとする。まず、透過光量可変素子１００に入射した光は、多層格子部材１０３および液晶１０４を通過する。このとき、液晶１０４を通過する光は、各分割電極１１１、１１２、１１３間に印加された電圧に応じて位相が異なる。【００５３】  例えば図２（ｂ）の場合は、印加された電圧が「０」の分割電極（以下、分割電極１１１、１１２とする。）では、液晶１０４中を通過する光と多層格��部材１０３中を通過する光との光路長差がないため、透過光量可変素子１００の分割電極１１１、１１２が設けられた領域に入射した光は、透過する。【００５４】  これに対して、液晶１０４中を通過する光と多層格子部材１０３中を通過する光との光路長差が略半波長となる電圧Ｖが印加された分割電極（以下、分割電極１１３とする。）の領域では、液晶１０４中を通過する光と多層格子部材１０３中を通過する光との光路長差が略半波長となるため、透過光量可変素子１００の分割電極１１３が設けられた領域に入射した光は回折し、０次透過光は減少する。ここで、透過光量可変素子１００が波長依存性の少ない回折格子として機能するため、０次透過光の波長依存性を低減することができる。【００５５】  また、透過光量可変素子１００の一部に多層格子部材１０３による凹凸や、電極を形成しないことも望ましい。例えば、図２における分割電極１１１が形成された領域のように透過光量可変素子１００の中心部分の多層格子部材１０３による凹凸および分割電極１１１を形成しないことによって、多層格子部材１０３による回折が生じなくなり、分割電極１１１が形成された領域を常に透過状態にすることができ、かつ透過率も高くわずかな回折損失もないために好ましい。また、常に遮光状態としたい領域には、電極を形成しないことによって、常に回折効率を高くし、遮光状態とすることができる。【００５６】  なお、上記では、直線偏光の光の遮光量を変えることが可能な透過光量可変素子１００について説明したが、ＤＭＤ投射型表示装置等のランダムに偏光（以下、ランダム偏光という。）している光を変調して投射する装置では、上記の構成のままでは上記の偏光方向に直交した偏光方向の光の遮光量を変えることができない。これは、液晶パネルが特定の偏光方向の光のみを変調できるのに対して、ＤＭＤ素子はランダム偏光の光をも変調できるからである。【００５７】  この場合、２つの直交する偏光方向に対してそれぞれ作用する透過光量可変素子を用いる、すなわち上記の２つの透過光量可変素子１００を液晶分子の配向方向を直交するように配置させること（回折格子の長手方向が直交するように組み合わせて配置すること）によって、ランダム偏光の光に対して効果的に遮光量を変化させることができる。このように液晶分子の配向方向を直交させるために回折格子の長手方向を直交させる。このように同一の２つの透過光量可変素子１００を用いて遮光量を変化させるのでもよいが、図４に示すように、透過光量可変素子１００の回折格子の長手方向が直交するように透過光量可変素子１００を重ね合わせた透過光量可変素子２００（透明基板１０１ａが共通）を用いることが好ましい。透過光量可変素子２００を用いることにより、省スペース、省コストを図れるからである。【００５８】  図５は、本発明の実施の形態に係る液晶投射型表示装置の構成の一例を示す模式図である。図５において、液晶投射型表示装置５０は、光源１と、光源１に電力を供給する光源電源８と、光源１が出射した光を反射する反射鏡２と、入射光を映像信号に応じて変調して出射させる画像表示用空間光変調素子としての液晶パネル５と、複数のレンズからなり、光源が出射した光を画像表示用空���光変調素子に集光照明する照明光学系３と、遮光量を調節して液晶パネル５に入射する光の光量を変える透過光量可変素子１００と、透過光量可変素子１００を駆動する可動絞り駆動部９と、入射光のうちの直線偏光の光を出射させる偏光子４と、液晶パネル５から出射した光のうちの直線偏光の光を出射させる検光子６と、検光子６から出射した光を不図示のスクリーンに投射する投射レンズ系７とを含むように構成される。【００５９】  ここで、透過光量可変素子１００の回折格子の長手方向に平行に配向した液晶分子の長手方向と偏光子４の透過偏光方向とは略一致しているものとする。【００６０】  以下、液晶投射型表示装置５０の作用について説明する。まず、光源１を出射した光は、反射鏡２を反射してほぼ光軸に平行な光となり、照明光学系３によって液晶パネル５を集光照明する光となる。照明光学系３を出射した光は、可動絞り駆動部９によって遮光量が設定された透過光量可変素子１００を透過することによって、偏光子４の透過偏光方向に偏光した直線偏光（以下、Ｓ偏光という。）の光の光量が調節される。このとき、透過光量可変素子１００で回折された光が、スクリーンに到達しないように、格子ピッチを調整して回折角を適宜設定できる。また、回折光を遮光する絞り等を用いることも好ましい。【００６１】  透過光量可変素子１００を出射した光は、偏光子４を通過することによってＳ偏光の光のみが液晶パネル５に向けて出射する。その結果、透過光量可変素子１００によって光量が調整されたＳ偏光の光のみが、液晶パネル５に向けて出射する。液晶パネル５に入射した光は、映像信号に応じて変調を受け、検光子６および投射レンズ系７に出射し、投射レンズ系７を通過して不図示のスクリーンに投射表示される。【００６２】  上記では、透過光量可変素子１００を照明光学系３と偏光子４との間に設ける構成の液晶投射型表示装置５０について説明したが、図６に示すように、透過光量可変素子１００を投射レンズ系７中に設けるのでもよい。図６に示す構成においても、透過光量可変素子１００の回折格子の長手方向と検光子６の透過偏光方向とは略一致しているものとする。
さらに、透過光量可変素子１００は、光源１を出射した光が投射レンズ系７を通過するまでの光路中に１つ以上配置されるのでもよい。【００６３】  また、上記では、本発明の透過光量可変素子を、直線偏光の光を変調して投射する液晶投射型表示装置に用いる例を説明したが、本発明の適用は必ずしも直線偏光の光を変調して投射する投射型装置には限られず、図４に示す透過光量可変素子２００を用いることによって、本発明はランダム偏光の光を変調して投射するＤＭＤ投射型表示装置等の投射型表示装置にも適用できる。この場合、画像表示用空間光変調素子に入射する光または画像表示用空間光変調素子から出射する光の遮光量を調節するように透過光量可変素子２００を配置するものとする。
【実施例】
【００６４】  以下、本発明の実施例に係る透過光量可変素子について説明する。図１は、本発明の実施例に係る透過光量可変素子の模式的な構成を示す断面図である。図１において、透過光量可変素子１００は、平行に配置された１対の透明基板１０１ａ、１０１ｂと、透明基板１０１ａの基板面に設けられ、多層構造を有する透明部材が回折格子をなすように周期的に配置された多層格子部材１０３と、多層格子部材１０３が設けられた１対の透明基板間１０１ａ、１０１ｂに多層格子部材１０３を埋めるように挟持された液晶１０４と、液晶１０４に電界を印加するための透明電極１０２ａ、１０２ｂと、シール１０５と、透明電極１０２ａ、１０２ｂ間に電気信号を印加するための配線１０６とを有する。【００６５】  透明基板１０１ａ、１０１ｂとして、厚さ０．６ｍｍのガラス基板を用いる。透明基板１０１ａ、１０１ｂの表面にスパッタ法を用いて、３００Ω／□程度のシート抵抗のＩＴＯ膜を成膜し、フォトリソグラフィ技術およびエッティング技術を用いて透明電極１０２ａ、１０２ｂを形成する。【００６６】  次に、スパッタ法を用いて、透明基板１０１ａの透明電極１０２ａが形成された面上に、表１に示す層構造となるようにＳｉＯ２膜とＴａ２Ｏ５膜をこの順番で交互に成膜して多層膜を成膜する。多層膜を成膜後、フォトリソグラフィ技術およびエッティング技術を用いて、上記の多層膜をエッティングして、周期ピッチ２μｍの回折格子を形成する。回折格子を形成した後、透明基板１０１ａ、１０１ｂの対向する面上に図示しない配向膜としてポリイミド膜をフレキソ印刷法により厚さ５０ｎｍ成膜して形成する。ここで、配向膜は、液晶分子が回折格子の長手方向に配向するように配向処理される。【００６７】  次に、エポキシ樹脂からなるシール１０５を透明基板１０１ｂの対向する面上に印刷し、熱圧着により液晶セルを作成する。ここで、シール１０５中に図示しないガラスファイバを混ぜて、セルギャップを均一化した。次に、真空注入法を用いて、低分子液晶を液晶セルに注入する。この液晶は、常光屈折率ｎｏが１．５１で、異常光屈折率ｎｅが１．６６の誘電異方性を有する。図示しない封止材を用いて液晶セルの注入口を封止する。次に、配線１０６としてフレキシブル回路基板が、透明電極１０２ａ、１０２ｂと電気的に導通するように設けられる。配線１０６としてフレキシブル回路基板を介して、遮光量を制御するための電気信号が透明電極１０２ａ、１０２ｂに入力される。【００６８】  上記のように作製された透過光量可変素子１００に光を透過させると、多層構造の透明部材と液晶の屈折率の差によって、透過光量可変素子１００は、回折格子として作用し、光を回折させる。液晶１０４に電界を印加すると、印加された電界の大きさに応じて液晶分子のチルト角が変化し、液晶の配向方向に平行な偏光方向の光に対する実効的な屈折率が変化し、回折効率を変えることができる。このことで、直線的に透過する０次透過光率が変化し、透過光量可変素子１００を実現することができる。【００６９】  図７は、上記で作製された透過光量可変素子１００に、回折格子の長手方向に平行な偏光方向の光を入射した場合の０次透過率の波長依存性を示す図である。��７に示す６つの曲線は、透明電極１０２ａ、１０２ｂ間に印加する電圧の大きさを変え、液晶の実効的な屈折率を変えたときの透過率の波長依存性を示す図である。図７に示す曲線は、波長６５０ｎｍで０次透過率が低い方から順に、液晶の実効的な屈折率が１．６６、１．６４、１．６２、１．６０、１．５７および１．５２のとなるように電圧が印加されている。【００７０】  このように、０次透過率が液晶の実効的な屈折率（印加電圧）に応じて変化し、可視光領域で略一定の０次透過率の透過光量可変素子１００が得られる。図１０に比較例として、従来の透過光量可変素子で得られる０次透過率の波長依存性を示す。比較例の透過光量可変素子は、回折格子が、例えば屈折率１．５２の単一のＳｉＯＮ膜を用いて形成されている。【００７１】  図１０に示す各曲線は、図７に示すものと同様に、０次透過率の波長依存性を示す曲線である。図１０に示す曲線は、ほとんどが波長の増大に伴い単調に上昇し、図７に示すように可視光領域で略一定とはならず、波長依存性が大きい。図１０に示す０次透過率の波長依存性は、遮光量の大きい領域、すなわち、０次透過率の小さい領域で顕著に現れている。そのため、単一の膜からなる回折格子を用いた場合には、０次透過率の低い領域で色温度が大きく変化し、投射型表示装置用の透過光量可変素子としては好ましくない。【００７２】  これに対して本発明の多層膜を用いた透過光量可変素子では、可視光領域で略一定の透過率特性を保持したまま０次透過率を変化させることができるため、０次透過率の低い領域での色温度の変化を抑制できる。具体的には、表１に示す層構造の多層膜を用いることによって、４３０ｎｍから６３０ｎｍまでの波長領域において、透過率の最大値と最小値との差が、この差の大きい曲線でも２０％以下になっている。また、遮光または０次透過率を下げて用いる場合、透過率の最大値と最小値との差が、この差の大きい曲線でも１５％以下になっている。【００７３】  以上説明したように、本発明の実施の形態に係る透過光量可変素子および投射型表示装置は、多層格子部材が有する透明部材が、屈折率の異なる複数の誘電性薄膜が周期的に積層された多層構造を有するため、屈折率の波長分散を持たせることによって回折効率の波長依存性を低減でき、遮光量の調節の際に振動および騒音が発生せず、高分子分散液晶を用いた可変絞りよりも遮光性に優れ、液晶を用いた従来の可変絞りよりも投射画像の色の変化を低減できる。【００７４】  また、透明電極が複数の分割電極からなり、領域毎に透過率を変えることができるため、きめ細かく遮光量を調節できる。さらに、透明電極が光軸を中心とする輪帯状の複数の分割電極からなると、もともと周辺部のコントラストは低いため、周辺部をカットすることにより効果的にコントラストを向上できる。【００７５】  さらに、多層格子部材の層構造が、４３０ｎｍから６３０ｎｍまでの波長領域において、透過率の最大値と最小値との差が２０％以内になるようになっているため、多層格子部材の層構造を簡易にできる。【００７６】  さらに、多層格子部材の層構造が、遮光時の透過率の最大値と最小値との差が１５％以内になるようになっているため、遮光時により問題となる色のバランスを従来の透過光量可変素子よりも向上させることができる。【００７７】  本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。
本出願は、２００５年２月２日出願の日本特許出願（特願２００５−０２６６１５）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
【産業上の利用可能性】
【００７８】  本発明に係る透過光量可変素子および投射型表示装置は、遮光量の調節の際に振動および騒音が発生せず、高分子分散液晶を用いた可変絞りよりも遮光性に優れ、液晶を用いた従来の可変絞りよりも光利用効率を向上できるという効果が必要な透過光量可変素子および投射型表示装置等の用途にも適用できる。
【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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【国際調査報告】
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