JP2008015300A - 光学装置及びこれを備えるプロジェクタ - Google Patents

Abstract

【課題】省スペースでコスト増加を抑えつつコントラスト等の光変調精度を向上させることができる光学装置及びこれを備えるプロジェクタを提供すること。
【解決手段】内側支持層８４において、屈折率楕円体ＲＩＥ２の短軸すなわち光学軸ＯＡ２は、ＸＺ面内にあってＺ軸に対して一定の傾き角θ２を有している。この傾き角θ２は、液晶層７１に付与されているプレチルト角θ１と略等しくなっている。内側支持層８４の屈折率楕円体ＲＩＥ２や厚みｄ２を調節することで、照明装置に対してリタデーションの積分値を極小化することができ、液晶ライトバルブ３１によって形成される画像のコントラストを高めることができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、画像形成用の光学装置に関し、さらに、当該光学装置を組み込んだプロジェクタに関する。

従来の液晶プロジェクタとして、コントラスト比を向上させる目的で垂直配向型の液晶パネルを用い、液晶パネルと入射偏光板との間に補償用の光学異方性素子を配置するとともに、この光学異方性素子を液晶パネルにおける液晶分子の配向方向に応じて角度傾斜させるものがある（特許文献１参照）。
特開２００６−１１２９８号公報

しかし、上記のような光学異方性素子を用いる場合、液晶パネルと入射偏光板との間に光学異方性素子を配置するための十分な空間を確保する必要がある。また、光学異方性素子を特別に組み込んで固定することに起因してコストが増加する。

なお、液晶パネルの前後に配置される偏光板は、通常、ＰＶＡ（ポリビニールアルコール）がＴＡＣ（トリアセチルセルロース）と呼ばれる支持層にサンドイッチされた構造を持っている。このＴＡＣは、大きくないが複屈折性を有しており、偏光板をクロスニコルに配置しても斜入射光が漏れてコントラストを低下させる現象が生じていた。

そこで、本発明は、省スペースでコスト増加を抑えつつコントラスト等の光変調精度を向上させることができる光学装置及びこれを備えるプロジェクタを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る光学装置は、（ａ）垂直配向モードで動作する液晶を含む液晶セルと、（ｂ）液晶セルの入射側及び射出側のうち少なくとも一方に配置される偏光板とを備え、（ｃ）偏光板は、偏光膜と、当該偏光膜を支持すべく当該偏光膜の液晶セル側に設けられる内側支持層とを含み、（ｄ）内側支持層が、液晶パネルの入射面の法線方向に対して傾いた光学軸を有する負の一軸性の屈折材料で形成されている。

上記光学装置では、液晶セル中の液晶の光軸に製造においてプレチルトのバラツキが生じた場合にも、液晶セルとは別体の偏光板の内側支持層の光学軸の向きを予め調節できるようにすることで、負の一軸性の屈折材料である内側支持層の屈折率特性を利用して、このようなプレチルトのバラツキに対しても対応できる。これにより、これまで望ましくないと考えられていた偏光板の複屈折性を逆に有効に活用することができ、省スペースでコスト増加を抑えつつ、液晶セルによる調光すなわち光変調の精度を向上させることができる。

また、本発明の具体的な態様又は観点によれば、上記光学装置において、液晶セルは、オフ状態における液晶の光軸が入射面の法線に対して所定のプレチルト角だけ傾斜配向したものであり、内側支持層は、液晶セル中におけるオフ状態の液晶の配向方向であって入射面に対して傾斜する方向に、一様な光学軸を有する。この場合、液晶セルのオフ状態（すなわち電圧無印可状態）において液晶の光軸が入射面の法線に対して傾斜配向する結果として液晶に所謂プレチルトが生じているが、偏光板の内側支持層の屈折率特性を利用することにより、液晶のプレチルトによって生じた正面方向に関する像光のリタデーションを相殺又は低減することができる。これにより、オフ時に液晶セルの正面方向において黒が浮き上がって画像のコントラストが低下する現象を抑えることができる。なお、オフ状態の液晶セルに残存するプレチルトは液晶層内で一様であり、内側支持層の屈折率特性を一様とし向きを調節することで、液晶のプレチルトによって正面方向に生じる像光のリタデーションを有効に補償することができる。

本発明の別の態様では、内側支持層が、液晶セルの入射面に平行な入射平面及び射出平面を有するとともに、当該入射平面及び射出平面の法線に対して光学軸を傾斜させた平板である。この場合、偏光板が液晶セル等に対して平行に配置されるので偏光板を簡易に安定した状態で精密に固定することができる。

本発明のさらに別の態様では、内側支持層が、液晶セルの入射面に対して傾斜した互いに平行な入射平面及び射出平面を有するとともに、当該入射平面及び射出平面の法線方向に光学軸が存在する平板である。この場合、偏光板の内側支持層の光学軸を入射平面等に垂直な方向に設定することができ、内側支持層の加工や製作が比較的容易となる。

本発明のさらに別の態様では、内側支持層が、液晶セル中におけるオフ状態の液晶に起因するリタデーションを実質的にキャンセルするような厚さを有する。この場合、偏光板の内側支持層により、液晶のプレチルトに起因して液晶セルの正面方向において黒が浮き上がって画像のコントラストが低下する現象を抑えることができる。

本発明のさらに別の態様では、内側支持層が、液晶セル中におけるオフ状態の液晶に起因するリタデーションを、液晶セルの入射面に対する照明光の傾斜角の範囲に対応させて略キャンセルするような厚さを有する。この場合、液晶セルの正面方向だけでなくその近傍を含めた範囲でリタデーションを低減することができ、光学装置によって形成される像の画質を高めることができる。

本発明のさらに別の態様では、偏光板が、液晶セルの入射側と射出側の双方に配置される。この場合、入射側に配置される偏光板によって液晶セルに偏光度の高い照明光を入射させることができるとともに、射出側に配置される偏光板によって液晶セルから特定の直線偏光を選択的に透過させることができ、透過光として光変調された像光を得ることができる。なお、入射側及び射出側の偏光板の双方或いはいずれか一方については、その内側支持層を液晶パネルの入射面の法線方向に対して傾いた光学軸を有する負の一軸性屈折材料とすることができる。

本発明に係るプロジェクタは、（ａ）上述した光変調用の光学装置と、（ｂ）光学装置を照明する照明装置と、（ｃ）光学装置によって形成された画像を投射する投射レンズとを備える。

上記プロジェクタにおいては、上述の光学装置を備えており、液晶セル中の液晶の光軸に製造上のプレチルトのばらつきが生じる場合であっても、このようなチルトによって生じた像光のリタデーションを相殺又は低減することができる。これにより、省スペースでコスト増加を抑えつつ液晶セルによる調光すなわち光変調の精度を向上させることができるので、簡単な構造でありながら高品位の画像を投射できるプロジェクタを提供することができる。

〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１実施形態に係る光学装置である液晶ライトバルブ（光変調装置）の構造を説明する拡大断面図である。

図示の液晶ライトバルブ３１において、入射側の偏光板である第１偏光フィルタ３１ｂと、射出側の偏光板である第２偏光フィルタ３１ｃとは、クロスニコルを構成する。これら第１及び第２偏光フィルタ３１ｂ，３１ｃの間に挟まれた偏光変調部３１ａは、入射光の偏光方向を、入力信号に応じて画素単位で変化させる液晶パネルである。

偏光変調部３１ａは、垂直配向モードで動作する液晶（すなわち垂直配向型の液晶）で構成される液晶層７１を挟んで、入射側に透明な第１基板７２ａと、射出側に透明な第２基板７２ｂとを備える。さらに、偏光変調部３１ａは、入射側の第１基板７２ａの外側に入射側カバー７４ａを備え、射出側の第２基板７２ｂの外側に射出側カバー７４ｂを備える。

第１基板７２ａの液晶層７１側の面上には、透明な共通電極７５が設けられており、その上には、例えば配向膜７６が形成されている。一方、第２基板７２ｂの液晶層７１側の面上には、マトリクス状に配置された複数の透明画素電極７７と、各透明画素電極７７に電気的に接続されている薄膜トランジスタ（不図示）とが設けられており、その上には、例えば配向膜７８が形成されている。ここで、第１及び第２基板７２ａ，７２ｂと、これらに挟まれた液晶層７１と、電極７５，７７とは、入射光の偏光状態を変化させるための液晶セルとなっている。また、液晶セルを構成する各画素は、１つの画素電極７７と、共通電極７５と、これらの間に挟まれた液晶層７１とを含む。なお、第１基板７２ａと共通電極７５との間には、各画素を区分するように格子状のブラックマトリックス７９が設けられている。

ここで、配向膜７６，７８は、液晶層７１を構成する液晶性化合物を必要な方向に配列させるためのものであり、液晶層７１に電圧が印加されないオフ状態において、液晶性化合物の光学軸を第１基板７２ａの法線に対して大きくないが一様な傾きとなるように配向させる役割を有し、液晶層７１に電圧が印加されたオン状態において、液晶性化合物の光学軸が第１基板７２ａの法線に対して垂直な特定の方向（具体的にはＸ方向）に配向することを許容する。

図２は、第１偏光フィルタ３１ｂ等の構造を説明する断面構造図である。第１偏光フィルタ３１ｂは、偏光膜８１と、外側支持層８３と、内側支持層８４とを備える偏光素子である。ここで、偏光膜８１は、外側支持層８３と内側支持層８４との間にサンドイッチされた状態で保持されている。偏光膜８１は、一定方向に振動する光のみを通過させるためのもので、ＰＶＡ（ポリビニールアルコール）膜に染料を吸着させて特定方向に延伸させることによって形成される。また、外側支持層８３は、ＴＡＣ（トリアセチルセルロース）膜で形成されている。内側支持層８４は、ＴＡＣ等の有機物質の薄板で形成可能であるが、サファイア板等の無機物質の薄板でも形成可能である。ここで、内側支持層８４は、負の一軸性の屈折材料で形成されるとともに光入射端面と光射出端面とが平行な平板すなわち平板素子であり、後に詳述するが、偏光膜８１よりも内側（すなわち図１の偏光変調部３１ａに対向する側）に配置される関係上、その光学軸が第１偏光フィルタ３１ｂや偏光変調部３１ａの入射面の法線方向に対して傾いた状態に設定されている。つまり、偏光膜８１は、その光学軸が図１に示す液晶層７１の配向方向（具体的にはＸ方向）を含むＸＺ面内となるように配置されており、さらに、その光学軸がＺ軸に対して所定の傾斜角を成している。なお、外側支持層８３も、負の一軸性の屈折材料で形成された平板素子であるが、その光学軸は、第１偏光フィルタ３１ｂや偏光変調部３１ａの入射面の法線方向に対して傾ける必要がない。

この内側支持層８４は、図１の偏光変調部３１ａの機能を高めるための光学補償板として機能する。つまり、内側支持層８４の屈折率特性を利用することにより、液晶層７１中の液晶のプレチルトによって生じた正面方向に関する像光のリタデーションを相殺又は低減することができ、オフ時に偏光変調部３１ａによって形成される画像について黒が浮き上がってコントラストが低下する現象を抑えることができる。内側支持層８４は、例えばこれがサファイアで形成される場合、屈折率楕円体の屈折差が０．００８程度となり、３０〜１００μｍ程度の厚さに調整される。また、内側支持層８４は、例えばこれがＴＡＣで形成される場合、屈折率楕円体の屈折差は製造時の延伸力に依存するため、厚みはその屈折率差に合わせて適宜設定される。

なお、第２偏光フィルタ３１ｃも、第１偏光フィルタ３１ｂと同様に、偏光膜８１及び支持層８３，８４からなる３層構造を有する。ただし、説明の便宜上、第２偏光フィルタ３１ｃについては、内側支持層８４がまず屈折率異方性のない等方性材料で形成されていることを前提として説明を行う。

図３は、液晶層７１の屈折率と内側支持層８４の屈折率とを説明する側方断面の概念図である。ここで、液晶層７１の入射面７１ａ及び射出面７１ｂと、内側支持層８４の入射平面８４ａ及び射出平面８４ｂとは、互いに全て平行になっている。

電圧が印可されていないオフ状態の液晶層７１において、液晶性化合物の屈折率楕円体ＲＩＥ１の長軸すなわち光学軸ＯＡ１は、ＸＺ面内でＺ軸に対して小さいが一定の傾き角を有している。この際、屈折率楕円体ＲＩＥ１の傾き方向はＸ方向であり、このＸ方向を液晶層７１の配向方向と呼ぶものとする。また、屈折率楕円体ＲＩＥ１の配向方向における傾き角は、プレチルト角θ１と呼ばれる。一方、内側支持層８４において、これを構成する負の一軸性結晶の屈折率楕円体ＲＩＥ２の短軸すなわち光学軸ＯＡ２は、ＸＺ面内にあってＺ軸に対して小さいが一定の傾き角を有している。より詳細に説明すると、屈折率楕円体ＲＩＥ２の傾き方向すなわち方位角は、液晶層７１の配向方向と同じＸ方向となっており、屈折率楕円体ＲＩＥ２が傾く方位角における傾き角θ２すなわち極角は、本実施形態の場合、液晶層７１に付与されているプレチルト角θ１と略等しくなっている。ここで、内側支持層８４の屈折率楕円体ＲＩＥ２の短軸の傾き角θ２と液晶層７１のプレチルト角θ１とが略等しいとしたのは、内側支持層８４の屈折率と液晶層７１の屈折率とが等しい場合は、内側支持層８４の屈折率楕円体ＲＩＥ２の短軸の傾き角θ２と液晶層７１のプレチルト角θ１とは等しくなるのが原則であるが、内側支持層８４の屈折率と液晶層７１の屈折率とが異なる場合は、その屈折率の差を考慮して（ある入射角度で偏光変調部３１ａに入射する光線において、内側支持層８４内を透過する際と液晶層７１内を透過する際とでその光線が平行となるように）、液晶層７１のプレチルト角θ１に対して増減させた角度が、内側支持層８４の屈折率楕円体ＲＩＥの短軸の傾き角θ２として設定されるからである。

図４（ａ）は、液晶層７１の屈折率を説明するための側面図であり、図４（ｂ）は、液晶層７１の屈折率を説明する平面図である。また、図５（ａ）は、内側支持層８４の屈折率を説明する側面図であり、図５（ｂ）は、内側支持層８４の屈折率を説明する平面図である。

まず、液晶層７１について考えると、液晶性化合物の屈折率楕円体は、正の一軸性材料に相当するものとなっており、屈折率を基準とする各軸方向の屈折率をｎｘ，ｎｙ，ｎｚとすると、一般にｎｘ＝ｎｙ<ｎｚの関係が成り立ち、屈折率ｎｚの長軸に対応する光学軸ＯＡ１が液晶層７１の入射面７１ａに法線方向から入射する光線（垂直入射光）の光路ＶＰに対して、プレチルト角θ１だけ傾いた状態となっている。ここで、図４（ａ）に示すように正常屈折率がｎ_ｏで異常屈折率がｎ_ｅ、つまりｎｘ＝ｎｙ＝ｎ_ｏ、ｎｚ＝ｎ_ｅであり、図４（ｂ）に示すように垂直入射光の遅相軸方向に振動する光の屈折率がｎ_２で進相軸方向に振動する光の屈折率がｎ_１であるとすると、

となっている。よって、垂直入射光に対する液晶層７１のリタデーションＲｅ１は、液晶層７１の厚みをｄ１として、

となる。同様に、内側支持層８４について考えると、この内側支持層８４は、負の一軸性結晶からなり、屈折率を基準とする各軸方向の屈折率をｎｘ，ｎｙ，ｎｚとすると、一般にｎｘ＝ｎｙ>ｎｚの関係が成り立ち、屈折率ｎｚの短軸に対応する光学軸ＯＡ２が内側支持層８４の入射平面８４ａに法線方向から入射する光線（垂直入射光）の光路ＶＰに対して、傾き角θ２（θ２はθ１と等しいか近い値）だけ傾いた状態となっている。ここで、図５（ａ）に示すように正常屈折率がＮ_ｏで異常屈折率がＮ_ｅであり、図５（ｂ）に示すように垂直入射光の進相軸方向に振動する光の屈折率がｎ_４で遅相軸方向に振動する光の屈折率がｎ_３であるとすると、

となっている。よって、垂直入射光に対する内側支持層８４のリタデーションＲｅ２は、内側支持層８４の厚みをｄ２として、

となる。ここで、液晶層７１の屈折率ｎｚの長軸と内側支持層８４の屈折率ｎｚの短軸とは平行又は略平行に配置されており、それぞれの遅相軸及び進相軸は互いに入れ替わっている。したがって、垂直入射光に対するトータルのリタデーションＲＥは、式（３）で与えられるＲｅ１と、式（６）で与えられるＲｅ２との差の絶対値で与えられる。つまり、Ｒｅ１＝Ｒｅ２のとき、第１偏光フィルタ３１ｂから射出された偏光と第２偏光フィルタ３１ｃに入射する偏光は同一状態となり、垂直入射光に対する第２偏光フィルタ３１ｃでの遮光が完全となる。

以下では、液晶ライトバルブ３１への入射光が角度分布を有する場合について考察する。まず、空気中から液晶ライトバルブ３１に斜めに入射するある光束Ｌ１について考え、空気中での傾き角をη０とし、内側支持層８４中での傾き角をη１とし、液晶層７１中での傾き角をη２とする。この場合、内側支持層８４において、Ｎ_ｏとＮ_ｅとの差が小さいことからＮ_ｏ≒Ｎ_ｅとなるので、空気中から内側支持層８４に傾き角η０で入射した光束については、以下の条件を満たすような光路をたどる。
ｓｉｎ（η０）：ｓｉｎ（η１）＝１：１／Ｎ_ｏ
ｓｉｎ（η１）＝ｓｉｎ（η０）／Ｎ_ｏ … （７）
さらに、液晶層７１において、ｎ_ｏ≒ｎ_ｅとなるので、内側支持層８４中で傾き角η１で液晶層７１に傾き角η２で入射した光束については、以下のようになる。
ｓｉｎ（η１）：ｓｉｎ（η２）＝１／Ｎ_ｏ：１／ｎ_ｏ
ｓｉｎ（η２）＝ｓｉｎ（η１）（Ｎ_ｏ／ｎ_ｏ） … （８）
以上では、入射面７１ａに法線に対して傾き角η０で入射する光束について考えたが、入射光の傾斜の方向も問題となる。ここでは、Ｘ軸方向を基準として傾斜方向を考えるものとして、上述の傾き角η０を極角とし、入射光束の方位角をφであるとする。この場合、液晶ライトバルブ３１を通過する光束が内側支持層８４中において光学軸ＯＡ１となす角ｗ１と、液晶層７１中の光学軸ＯＡ２となす角ｗ２とは、上記変数η０，φとこれらに基づいて得られるη１，η２とから幾何学的に求めることができる。なお、内側支持層８４の屈折率と液晶層７１の屈折率とが等しい場合、図３に示す傾き角θ２とプレチルト角θ１とが等しくなり、液晶ライトバルブ３１を通過する光束が光学軸ＯＡ１，ＯＡ２となす角ｗ１，ｗ２も互いに等しくなる（ＯＡ１＝ＯＡ２，ｗ１＝ｗ２）。以上のような斜め入射光が内側支持層８４と液晶層７１とを通過する際のリタデーションＲｅ’は、次式

で与えられる。上式でｄ２／ｃｏｓ（η２）は、傾斜した入射光の内側支持層８４における実効光路長であり、ｄ１／ｃｏｓ（η１）は、傾斜した入射光の液晶層７１における実効光路長である。

結果的に、液晶ライトバルブ３１すなわち内側支持層８４と液晶層７１とを通過する際のリタデーションＲｅ’は、屈折率ｎ_ｏ，ｎ_ｅ，Ｎ_ｏ，Ｎ_ｅ，ｄ１，ｄ２が定数であり、値η１，η２，ｗ１，ｗ２が上記値η０，φによって決定されるパラメータであるので、以下のような関数ｆ
Ｒｅ’＝ｆ（η０，φ） … （１０）
と考えて処理することができる。よって、上記式（１０）に基づいて、全ての入射光線に関してリタデーションＲｅ’を求めてこれらの総和が最小値になるように、内側支持層８４の厚みｄ２を最適化することもでき、この場合、液晶ライトバルブ３１の透過及び遮光によって決定される画像のコントラストは最大となる。例えばある一定のＮＡで液晶ライトバルブ３１に垂直入射する光束の場合、開口角に対応するη０が０〜ηｍａｘとなり、方位角φが０〜３６０°となるので、以下の積分値

がゼロに近づくように内側支持層８４を設定する。ここで、Ｗ（η０，φ）は、入射光の角度分布によって与えられる重み関数である。図６（ａ）は、通過光のリタデーションＲｅ’＝ｆ（η０，φ）と傾き角η０との関係をφが傾斜方向から９０°ずれている場合に視覚的に説明したものであり、傾き角η０が０となる正面方向の光に対してリタデーションＲｅ’が最も小さくなっているが、傾き角η０が増加するに従ってリタデーションＲｅ’が徐々に増加する。また、図６（ｂ）は、入射光の重み関数Ｗ（η０，φ）と傾き角η０との関係を視覚的に説明したものであり、傾き角η０が０となる正面方向の光の密度が最も高くなっており、これに伴って重み関数が最大値となっている。以上は例示であり、リタデーションＲｅ’＝ｆ（η０，φ）の特性は、液晶層７１と内側支持層８４の光学特性によって定まり、Ｗ（η０，φ）は、光源の放射特性、均一化光学系の光学特性、液晶のマイクロレンズの特性等によって定まる。つまり、内側支持層８４の屈折率楕円体ＲＩＥ２や厚みｄ２を調節することで、様々なＷ（η０，φ）の照明装置に対してリタデーションＲｅ’＝ｆ（η０，φ）の積分値を極小化することができ、液晶ライトバルブ３１によって形成される画像のコントラストを最大限高めることができる。

以上の式（１１）によって表される積分値（合計リタデーション）は、高速演算を行うシミュレーションによって迅速に求めることができ、液晶層７１の特性や内側支持層８４の屈折率特性を入力することで、内側支持層８４の厚みｄ２や傾き角θ２を迅速に決定することができる。

なお、以上では、内側支持層８４が負の一軸性の屈折材料であり、それ自体単独で、液晶層７１のプレチルトによって生じたリタデーションを相殺するための光学補償板として機能するものとして説明したが、第１偏光フィルタ３１ｂではなく第２偏光フィルタ３１ｃに同様の機能を持たせることができ、或いは第１及び第２偏光フィルタ３１ｂ，３１ｃの双方に光学補償板としての機能を分担させることができる。第２偏光フィルタ３１ｃを単独で光学補償板として機能させる場合、第２偏光フィルタ３１ｃの内側支持層８４の屈折率特性を図５等に示すものと同様にし、上記式（３）で与えられるリタデーションＲｅ１と、上記式（６）で与えられる第２偏光フィルタ３１ｃの内側におけるリタデーションＲｅ２とが等しくなるようにする。また、両偏光フィルタ３１ｂ，３１ｃに光学補償板としての機能を分担させる場合、両偏光フィルタ３１ｂ，３１ｃの内側支持層８４の屈折率特性を図５等に示すものと同様にし、上記式（３）で与えられるリタデーションＲｅ１と、上記式（６）で与えられる各偏光フィルタ３１ｂ，３１ｃの内側における各リタデーションの和のリタデーションＲｅ２とが等しくなるようにする。

内側支持層８４の製造方法の一例について説明する。内側支持層８４をサファイアから作製する場合、まず、ＴＡＣ上にＰＶＡを貼り付け染料を吸着させた後、ＴＡＣとともにＰＶＡを延伸して、第１偏光フィルタ３１ｂのうち偏光膜８１及び外側支持層８３からなる積層部を形成する。その後、内側支持層８４の材料となるサファイアをなるべく薄く切り出して、屈折率楕円体ＲＩＥ２の傾き方向（方位角）と傾き角（極角）θ２とが液晶層７１の屈折率楕円体ＲＩＥ１と同じになるようにする。次に、切り出したサファイア板の一対の対向する平面に対して研磨等の加工を施して表面を滑らかにする。次に、石英、白板ガラス等の透過率が高く複屈折性有しない平板状の支持基板を準備し、洗浄後の支持基板上に紫外線硬化樹脂を介して洗浄後のサファイア板を貼り合わせた後、硬化によって固定する。その後、支持基板上のサファイア板をさらに研磨して目的の厚さにする。この内側支持層８４は、適当な接着剤を介して、偏光膜８１及び外側支持層８３からなる積層部に貼り付けられる。なお、サファイア板を目的の厚さまで研磨する際に、目的の厚さが５０μ程度であれば支持基板に固定せずにサファイア単板で研磨することも可能である。

内側支持層８４をＴＡＣで形成する場合、ＴＡＣ上にＰＶＡを貼り付け染料を吸着させた後、ＴＡＣとともにＰＶＡを延伸して、第１偏光フィルタ３１ｂのうち偏光膜８１及び外側支持層８３からなる積層部を形成する。その後、内側支持層８４となるＴＡＣを延伸した延伸材を準備し、この延伸材を必要な方向に切り出すことによって内側支持層８４を作製する。この内側支持層８４は、例えばＰＶＡ系接着剤を介して偏光膜８１及び外側支持層８３からなる積層部に貼り付けられる。なお、ＴＡＣで形成された内側支持層８４の屈折率楕円体は、屈折率を基準とする各軸方向の屈折率をｎｘ，ｎｙ，ｎｚとし延伸フィルムの厚みをｄ２とすると、一般にｎｘ>ｎｙ>ｎｚの関係が成り立ち、一般的に延伸フィルムの特性とされるパラメータＲｅ，Ｒｔｈは以下のようになる。
Ｒｅ＝（ｎｘ−ｎｙ）・ｄ２ … （１２）
Ｒｔｈ＝｛（ｎｘ＋ｎｙ）／２−ｎｚ｝・ｄ２ … （１３）
ここで、Ｒｅは楕円体の長径側の屈折率差に対応するもので、０ｎｍであることが望ましい。また、Ｒｔｈは、最短径との差に対応するもので、例えば８０ｎｍ程度となる。ただし、ＴＡＣの現在の製造技術ではＲｅを０ｎｍとするのは非常に困難であり、Ｒｅが０ｎｍでなくても近似的には同様の機能が達成されるので、Ｒｅが０ｎｍでない延伸フィルムであっても、内側支持層８４として液晶ライトバルブ３１に組み込むことができる。

〔第２実施形態〕
以下、本発明の第２実施形態に係る光学装置である液晶ライトバルブについて説明する。第２実施形態の液晶ライトバルブは、第１実施形態の液晶ライトバルブを変形したものであり、特に説明しない部分は、第１実施形態と同様であり重複説明を省略する。

図７は、第２実施形態の液晶ライトバルブに組み込まれる第１偏光フィルタ３１ｂの内側支持層１８４を説明する側方断面図である。この場合、液晶層７１の入射面７１ａに対して第１偏光フィルタ３１ｂを傾斜させて配置する。すなわち、液晶層７１の入射面７１ａに対して垂直入射する光束の光路ＶＰは、平板素子である内側支持層１８４の入射平面１８４ａに対して傾斜して入射し、射出平面１８４ｂから同様の傾斜角で射出する。ここで、内側支持層１８４は、第１実施形態の場合と同様に、透明な負の一軸性結晶で形成された平板素子であるが、その光学軸ＯＡ２の方向が入射平面１８４ａに垂直になるように加工されている。そして、第１偏光フィルタ３１ｂは、不図示のホルダによって、液晶層７１等を含む液晶パネルの本体側に固定されている。

本実施形態では、内側支持層１８４において、屈折率楕円体ＲＩＥ２の短軸すなわち光学軸ＯＡ２が液晶層７１に対して垂直入射する光束の光路ＶＰに対して一定の傾き角θ２を有している。この傾き角θ２は、液晶層７１に付与されているプレチルト角θ１と略等しくなっている。ここで、内側支持層１８４の屈折率楕円体ＲＩＥ２の短軸の傾き角θ２と液晶層７１のプレチルト角θ１とが略等しいとしたのは、第１実施形態と同様に、内側支持層１８４と液晶層７１との屈折率の差を考慮した場合、θ１とθ２とに若干の差が生じる場合があるからである。

以上のような内側支持層１８４は、ＴＡＣ等の延伸フィルムによって形成することができる。延伸フィルムは、大量生産に向いている。なお、延伸フィルムの場合、その屈折率楕円体は、屈折率を基準とする各軸方向の屈折率をｎｘ，ｎｙ，ｎｚとし延伸フィルムの厚みをｄ２とすると、一般にｎｘ>ｎｙ>ｎｚの関係が成り立ち、一般的に延伸フィルムの特性とされるパラメータＲｅ，Ｒｔｈは以下のようになる。
Ｒｅ＝（ｎｘ−ｎｙ）・ｄ２ … （１２）
Ｒｔｈ＝{（ｎｘ＋ｎｙ）／２−ｎｚ}・ｄ２ … （１３）
ここで、Ｒｅは楕円体の長径側の屈折率差に対応するもので、０ｎｍであることが望ましい。また、Ｒｔｈは、最短径との差に対応するもので、例えば８０ｎｍ程度となる。ただし、延伸フィルムは現在の製造技術ではＲｅを０ｎｍとするのは非常に困難であり、Ｒｅが０ｎｍでなくても近似的には同様の機能が達成されるので、Ｒｅが０ｎｍでない延伸フィルムであっても、内側支持層１８４として液晶ライトバルブ３１に組み込むことができる。

本実施形態でも、内側支持層１８４の屈折率楕円体ＲＩＥ２、厚みｄ２、傾き等を適宜調節することで、様々な照明装置に対して第１実施形態で説明したリタデーションＲｅ’＝ｆ（η０，φ）の積分値を極小化することができるので、液晶ライトバルブ３１によって形成される画像のコントラストを最大限高めることができる。

なお、以上では、第１偏光フィルタ３１ｂの内側支持層１８４が負の一軸性の屈折材料であり、それ自体単独で、液晶層７１のプレチルトによって生じたリタデーションを相殺する光学補償板として機能するものとして説明したが、第２偏光フィルタ３１ｃ（図３参照）に同様の機能を持たせることができ、或いは第１及び第２偏光フィルタ３１ｂ，３１ｃに光学補償板としての機能を分担させることができる。

〔第３実施形態〕
図８は、図１に示す液晶ライトバルブ３１等を組み込んだプロジェクタの光学系の構成を説明する図である。

本プロジェクタ１０は、光源光を発生する光源装置２１と、光源装置２１からの光源光を赤緑青の３色に分割する色分離光学系２３と、色分離光学系２３から射出された各色の照明光によって照明される光変調部２５と、光変調部２５からの各色の像光を合成するクロスダイクロイックプリズム２７と、クロスダイクロイックプリズム２７を経た像光をスクリーン（不図示）に投射するための投射光学系である投射レンズ２９とを備える。このうち、光源装置２１、色分離光学系２３、光変調部２５、及びクロスダイクロイックプリズム２７は、スクリーンに投射すべき像光を形成する画像形成装置となっている。

以上のプロジェクタ１０において、光源装置２１は、光源ランプ２１ａと、凹レンズ２１ｂと、一対のフライアイ光学系２１ｄ，２１ｅと、偏光変換部材２１ｇと、重畳レンズ２１ｉとを備える。このうち、光源ランプ２１ａは、例えば高圧水銀ランプからなり、光源光を回収して前方に射出させる凹面鏡を備える。凹レンズ２１ｂは、光源ランプ２１ａからの光源光を平行化する役割を有するが、省略することもできる。一対のフライアイ光学系２１ｄ，２１ｅは、マトリックス状に配置された複数の要素レンズからなり、これらの要素レンズによって凹レンズ２１ｂを経た光源ランプ２１ａからの光源光を分割して個別に集光・発散させる。偏光変換部材２１ｇは、フライアイ光学系２１ｅから射出した光源光を例えば図８の紙面に垂直なＳ偏光成分のみに変換して次段光学系に供給する。重畳レンズ２１ｉは、偏光変換部材２１ｇを経た照明光を全体として適宜収束させることにより、光変調部２５に設けた各色の光変調装置に対する重畳照明を可能にする。つまり、両フライアイ光学系２１ｄ，２１ｅと重畳レンズ２１ｉとを経た照明光は、以下に詳述する色分離光学系２３を経て、光変調部２５に設けられた各色の液晶パネル２５ａ，２５ｂ，２５ｃを均一に重畳照明する。

色分離光学系２３は、第１及び第２ダイクロイックミラー２３ａ，２３ｂと、補正光学系である３つのフィールドレンズ２３ｆ，２３ｇ，２３ｈと、反射ミラー２３ｊ，２３ｍ，２３ｎ，２３ｏとを備え、光源装置２１とともに照明装置を構成する。ここで、第１ダイクロイックミラー２３ａは、赤緑青の３色のうち例えば赤光及び緑光を反射し青光を透過させる。また、第２ダイクロイックミラー２３ｂは、入射した赤及び緑の２色のうち例えば緑光を反射し赤光を透過させる。この色分離光学系２３において、光源装置２１からの略白色の光源光は、反射ミラー２３ｊで光路を折り曲げられて第１ダイクロイックミラー２３ａに入射する。第１ダイクロイックミラー２３ａを通過した青光は、例えばＳ偏光のまま、反射ミラー２３ｍを経てフィールドレンズ２３ｆに入射する。また、第１ダイクロイックミラー２３ａで反射されて第２ダイクロイックミラー２３ｂでさらに反射された緑光は、例えばＳ偏光のままフィールドレンズ２３ｇに入射する。さらに、第２ダイクロイックミラー２３ｂを通過した赤光は、例えばＳ偏光のまま、レンズＬＬ１，ＬＬ２及び反射ミラー２３ｎ，２３ｏを経て、入射角度を調節するためのフィールドレンズ２３ｈに入射する。レンズＬＬ１，ＬＬ２及びフィールドレンズ２３ｈは、リレー光学系を構成している。このリレー光学系は、第１レンズＬＬ１の像を、第２レンズＬＬ２を介してほぼそのままフィールドレンズ２３ｈに伝達する機能を備えている。

光変調部２５は、３つの液晶パネル２５ａ〜２５ｃと、各液晶パネル２５ａ〜２５ｃを挟むように配置される３組の偏光フィルタ２５ｅ，２５ｆ，２５ｇとを備える。ここで、青光用の液晶パネル２５ａと、これを挟む一対の偏光フィルタ２５ｅ，２５ｅとは、輝度変調後の像光のうち青光を画像情報に基づいて２次元的に輝度変調するための青色用の液晶ライトバルブを構成する。青色用の液晶ライトバルブは、図１に示す液晶ライトバルブ３１と同様の構造を有しており、コントラスト向上のための偏光フィルタ３１ｂ，３１ｃすなわち内側支持層８４を組み込んでいる。同様に、緑光用の液晶パネル２５ｂと、対応する偏光フィルタ２５ｆ，２５ｆも、緑色用の液晶ライトバルブを構成し、赤光用の液晶パネル２５ｃと、偏光フィルタ２５ｇ，２５ｇも、赤色用の液晶ライトバルブを構成する。そして、これら緑光及び赤色用の液晶ライトバルブも、図１に示す液晶ライトバルブ３１と同様の構造を有している。

青光用の第１液晶パネル２５ａには、色分離光学系２３の第１ダイクロイックミラー２３ａを透過することによって分岐された青光が、フィールドレンズ２３ｆを介して入射する。緑光用の第２液晶パネル２５ｂには、色分離光学系２３の第２ダイクロイックミラー２３ｂで反射されることによって分岐された緑光が、フィールドレンズ２３ｇを介して入射する。赤光用の第３液晶パネル２５ｃは、第２ダイクロイックミラー２３ｂを透過することによって分岐された赤光が、フィールドレンズ２３ｈを介して入射する。各液晶パネル２５ａ〜２５ｃは、入射した照明光の空間的強度分布を変調する非発光型の光変調装置であり、各液晶パネル２５ａ〜２５ｃにそれぞれ入射した３色の光は、各液晶パネル２５ａ〜２５ｃに電気的信号として入力された駆動信号或いは画像信号に応じて変調される。その際、偏光フィルタ２５ｅ，２５ｆ，２５ｇによって、各液晶パネル２５ａ〜２５ｃに入射する照明光の偏光方向が調整されるとともに、各液晶パネル２５ａ〜２５ｃから射出される変調光から所定の偏光方向の成分光が像光として取り出される。

クロスダイクロイックプリズム２７は、光合成部材であり、４つの直角プリズムを貼り合わせた平面視略正方形状をなし、直角プリズム同士を貼り合わせた界面には、Ｘ字状に交差する一対の誘電体多層膜２７ａ，２７ｂが形成されている。一方の第１誘電体多層膜２７ａは青色光を反射し、他方の第２誘電体多層膜２７ｂは赤色光を反射する。このクロスダイクロイックプリズム２７は、液晶パネル２５ａからの青光を第１誘電体多層膜２７ａで反射して進行方向右側に射出させ、液晶パネル２５ｂからの緑光を第１及び第２誘電体多層膜２７ａ，２７ｂを介して直進・射出させ、液晶パネル２５ｃからの赤光を第２誘電体多層膜２７ｂで反射して進行方向左側に射出させる。

投射レンズ２９は、クロスダイクロイックプリズム２７で合成されたカラーの像光を、所望の倍率でスクリーン（不図示）上に投射する。つまり、各液晶パネル２５ａ〜２５ｃに入力された駆動信号或いは画像信号に対応する所望の倍率のカラー動画やカラー静止画がスクリーン上に投射される。

以上実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は、上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

すなわち、上記実施形態では、内側支持層８４としてサファイアやＴＡＣを用いた例について説明したが、サファイアやＴＡＣ以外の負の一軸性材料を用いることができる。具体的には、方解石、ＫＤＰ（二水素カリウム）、ＡＤＰ（リン酸二水素アンモニウム）等の無機材料を使用することができ、オレフィン系の各種有機材料を使用することができる。

また、偏光膜８１は、上述のＰＶＡに限らず、他の樹脂材料等によって形成することもできる。

また、上記実施形態のプロジェクタ１０では、光源装置２１を、光源ランプ２１ａ、一対のフライアイ光学系２１ｄ，２１ｅ、偏光変換部材２１ｇ、及び重畳レンズ２１ｉで構成したが、フライアイ光学系２１ｄ，２１ｅ、偏光変換部材２１ｇ等については省略することができ、光源ランプ２１ａも、ＬＥＤ等の別光源に置き換えることができる。

また、上記実施形態では、色分離光学系２３を用いて照明光の色分離を行って、光変調部２５において各色の変調を行った後に、クロスダイクロイックプリズム２７において各色の像の合成を行っているが、単一の液晶パネルすなわち液晶ライトバルブ３１によって画像を形成することもできる。

上記実施形態では、３つの液晶パネル２５ａ〜２５ｃを用いたプロジェクタ１０の例のみを挙げたが、本発明は、１つの液晶パネルのみを用いたプロジェクタ、２つの液晶パネルを用いたプロジェクタ、あるいは、４つ以上の液晶パネルを用いたプロジェクタにも適用可能である。

上記実施形態では、スクリーンを観察する方向から投射を行なうフロントタイプのプロジェクタの例のみを挙げたが、本発明は、スクリーンを観察する方向とは反対側から投射を行なうリアタイプのプロジェクタにも適用可能である。

第１実施形態に係る液晶ライトバルブの構造を説明する側方断面図である。 図１の液晶ライトバルブに組み込まれる偏光板の側方断面図である。 液晶層と偏光フィルタの内側支持層との屈折率を説明する側方断面図である。 （ａ）、（ｂ）は、液晶層の屈折率を説明する側面図及び平面図である。 （ａ）、（ｂ）は、内側支持層の屈折率を説明する側面図及び平面図である。 （ａ）、（ｂ）は、リタデーションの傾き角依存性と、入射光の重み関数とを示す。 第２実施形態の液晶ライトバルブ中の偏光フィルタを説明する側方断面図である。 図１の液晶ライトバルブを組み込んだプロジェクタの光学系を説明する図である。

符号の説明

１０…プロジェクタ、 ２１…光源装置、 ２１ｇ…偏光変換部材、 ２３…色分離光学系、 ２３ａ，２３ｂ…ダイクロイックミラー、 ２５…光変調部、 ２５ａ，２５ｂ，２５ｃ…液晶パネル、 ２５ｅ，２５ｆ，２５ｇ…偏光フィルタ、 ２７…クロスダイクロイックプリズム、 ２７ａ，２７ｂ…誘電体多層膜、 ２９…投射レンズ、 ３１…液晶ライトバルブ、 ３１ａ…偏光変調部、 ３１ｂ…第１偏光フィルタ、 ３１ｃ…第２偏光フィルタ、 ７１…液晶層、 ７１ａ…入射面、 ７１ｂ…射出面、 ７５，７７…電極、 ７６，７８…配向膜、 ７７…透明画素電極、 ８１…偏光膜、 ８３…外側支持層、 ８４…内側支持層、 ８４ａ…入射平面、 ８４ｂ…射出平面、 ＯＡ１，ＯＡ２…光学軸、 θ１…プレチルト角、 θ２…傾き角

Claims (8)

1. 垂直配向モードで動作する液晶を含む液晶セルと、
   前記液晶セルの入射側及び射出側のうち少なくとも一方に配置される偏光板とを備える光学装置であって、
   前記偏光板は、偏光膜と、当該偏光膜を支持すべく当該偏光膜の液晶セル側に設けられる内側支持層とを含み、
   前記内側支持層は、前記液晶パネルの入射面の法線方向に対して傾いた光学軸を有する負の一軸性の屈折材料で形成されている光学装置。
2. 前記液晶セルは、オフ状態における液晶の光軸が入射面の法線に対して所定のプレチルト角だけ傾斜配向したものであり、
   前記内側支持層は、前記液晶セル中におけるオフ状態の液晶の配向方向であって入射面に対して傾斜する方向に、一様な光学軸を有する請求項１記載の光学装置。
3. 前記内側支持層は、前記液晶セルの入射面に平行な入射平面及び射出平面を有するとともに、当該入射平面及び射出平面の法線に対して光学軸を傾斜させた平板である請求項１及び請求項２のいずれか一項記載の光学装置。
4. 前記内側支持層は、前記液晶セルの入射面に対して傾斜した互いに平行な入射平面及び射出平面を有するとともに、当該入射平面及び射出平面の法線方向に光学軸が存在する平板である請求項１及び請求項２のいずれか一項記載の光学装置。
5. 前記内側支持層は、前記液晶セル中におけるオフ状態の液晶に起因するリタデーションを実質的にキャンセルするような厚さを有する請求項１から請求項４のいずれか一項記載の光学装置。
6. 前記内側支持層は、前記液晶セル中におけるオフ状態の液晶に起因するリタデーションを、前記液晶セルの入射面に対する照明光の傾斜角の範囲に対応させて略キャンセルするような厚さを有する請求項１から請求項５のいずれか一項記載の光学装置。
7. 前記偏光板は、前記液晶セルの入射側と射出側の双方に配置される請求項１から請求項６のいずれか一項記載の光学装置。
8. 請求項１から請求項７のいずれか一項記載の光変調用の光学装置と、
   前記光学装置を照明する照明装置と、
   前記光学装置によって形成された画像を投射する投射レンズと、
   を備えるプロジェクタ。

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