JP2005172984A - 反射型の液晶投影装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 投写像が明るく、且つ白黒のコントラストを高く表示することが可能な反射型の液晶投射装置を提供する。
【解決手段】 光源２からの光を、入射側偏光手段１６Ａに通過させた後に反射型の液晶素子部８に入射し、該液晶素子部からの反射光を前記入射側偏光手段とはクロスニコルの関係に配置される反射側偏光手段１６Ｂに通過させた後にスクリーンに投写させるようにした反射型の液晶投影装置において、前記液晶素子部と、前記入射側偏光手段及び前記反射側偏光手段との間に、面内方向に異方性が無く、且つ厚さ方向の屈折率が前記面内方向の屈折率よりも小さくなされた位相差補償板１８を介在させるように構成する。これにより、投写像が明るく、且つ白黒のコントラストを高く表示する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、反射型の液晶投影装置に関する。

一般に、反射型の液晶投影装置としては、例えば図２７に示すような構造のものが知られている。図示するように、この従来の液晶投影装置は、ランプなどの光源２、平行光を作る平行光レンズ４、偏光ビームスプリッタ６、画像信号に応じて偏向光を変調させる反射型の液晶素子部８、反射光の内で上記偏光ビームスプリッタ６を通過した光をスクリーン１２上に投射させる投射レンズ１０とより主になる。

この装置において、光源２からの光は平行光レンズ４にて略平行光にされた後、偏光ビームスプリッタ６にて直線偏光となって、液晶素子部８へ照射される。この後、この液晶素子部８にて画像信号Ｓ１により変調された光は反射し、この反射光は再度、上記偏光ビームスプリッタ６へ入射して特定の成分が分離され、この光が投射レンズ１０によってスクリーン１２上に投射されることによって映像が写し出される。この投影装置の光原系は、偏光ビームスプリッタ６と液晶素子部８との間では往復する光が同じ光路を通るでＯＮ−ＡＸＩＳ光学系と称している。

従来、前記偏光ビームスプリッタ６は、誘電体多層膜を付けたマクニールタイプの偏光ビームスプリッタ６が、用いられているが、skew角の影響があるため、偏光ビームスプリッタ６に形成された誘電体多層膜で反射した光が再度偏光ビームスプリッタ６の誘電体多層膜に達した場合、その偏光方向が光の角度によって異なってしまう現象が現れる。そのため、ON-AXIS光学系において、反射型液晶素子と偏光ビームスプリッタの間にλ／４位相差板を挿入することが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平２−２５００２６号公報

ところで、この種の投影装置ではスクリーン１２上で明るい表示を行うためにＮＡ（開口数）の大きな投射レンズ１０が用いられる傾向にあるが、ＮＡを大きくすると投射レンズのＦ数が小さくなって、投射像を明るくできるが、偏光ビームスプリッタ６での光の損失も大きくなり、期待するほど明るくならないという問題があった。

さらに、ＮＡが大きくなると液晶素子部８の液晶層に斜めに通る光も映像に使用することになって、白黒のコントラストが低下する、といった問題があり、更に、これに加えて、上記した１／４波長板の角度調整も非常に厳しくなり、例えば僅か０．１度程度の微妙な角度調整が必要になって、調整が困難になる、といった問題があった。

また、ランプより出力した光を出来るだけ有効に使うためには、広い波長範囲に渡って位相補償特性が良好であることが望ましい。例えば通常、ランプより出力された光をＲＧＢの３原色に分解する際に、Ｂは、例えば、４２０nmから４８５nm、Gは４８５nmから５７５nm、Rは５８５nmから６７０nm程度の光を用いる。RGBの夫々の中心波長は、それぞれ４５０nm、５５０nm、６２０nmとなるので、Gの光の中心波長である５５０nmの光で最適点に、位相差補償板を調整しても、その中心波長より離れた波長になるほど、位相補償条件がずれてきて、黒表示させた時の明るさが増加することとなり、コントラストが低下してしまうという問題があった。

本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明の目的は、投射像が明るく、且つ白黒のコントラストを高く表示することが可能な反射型の液晶投射装置を提供することにある。

本発明は、上記課題を解決するために、以下の１）〜７）に記載の手段よりなる。
すなわち、
１） 光源と、前記光源から出射した光のうち、第１の偏光光を通過させる入射側偏光手段と、前記入射側偏光手段を通過した前記第１の偏光光を第２の偏光光に光変調すると共に反射する反射型液晶素子部と、前記反射型液晶素子部で反射された前記第２の偏光光を通過させる反射側偏光手段と、前記入射側偏光手段から出射する第１の偏光光を前記反射型液晶素子部へ、円偏光または楕円偏光して出射する位相差補償板を有し、前記反射型液晶素子部は前記位相差補償板から出射する前記円偏光または楕円偏光光を光変調した後に、前記位相差補償板へ反射し、前記位相差補償板は、前記反射型液晶素子部から出射する前記光変調した偏光光を位相補償して前記反射側偏光手段に出力し、前記反射側偏光手段を通過した前記第２の偏光光により前記反射型液晶素子部に形成された画像をスクリーンに投射させる反射型の液晶投影装置において、
前記位相差補償板の位相差は、入力光の中心波長をλとした時に前記反射型液晶素子部で発生する位相差以上で且つλ／４以下であることを特徴とする反射型の液晶投影装置。

２）１）に記載の液晶投影装置であって、前記位相差補償板は３次元的な屈折率分布を持ち、膜面内の屈折率よりも、膜厚方向の屈折率の方が小さいことを特徴とする反射型の液晶投影装置。

３）１）に記載の液晶投影装置であって、前記入射側偏光手段と前記反射側偏光手段が同一のものであり、ワイヤグリッドを用いたものであることを特徴とする反射型の液晶投影装置。

４）１）記載の液晶投影装置であって、前記位相差補償板は複屈折が波長に対して単調増加する特性を持つことを特徴とする反射型の液晶投影装置。

５）４）に記載の液晶投影装置であって、前記入射側偏光手段と前記反射側偏光手段が同一のものであり、ワイヤグリッドを用いたものであることを特徴とする反射型の液晶投影装置。

６）１）に記載の液晶投影装置であって、前記位相差補償板は３次元的な屈折率分布を持ち、膜面内の屈折率よりも、膜厚方向の屈折率の方が小さい、且つ、複屈折が波長に対して単調増加する特性を持つことを特徴とする反射型の液晶投影装置。

７）６）に記載の液晶投影装置であって、前記入射側偏光手段と前記反射側偏光手段が同一のものであり、ワイヤグリッドを用いたものであることを特徴とする反射型の液晶投影装置。

本発明の「反射型の液晶投影装置」によれば、投射像が明るく、且つ白黒のコントラストを高く表示することが可能な反射型の液晶投射装置を提供することができる。

ワイヤグリッド偏光ビームスプリッタを用いることにより、素子の前面に配置する位相差補償板はλ／４である必要がないため、もっと小さな値にすることができ、明部の角度依存性が少なくなり明るい表示が可能な反射型の液晶投射装置を提供することができる。

波長が増加するに従い位相差が単調増加する特性をもつ材料を用いて位相差補償板を作成するように構成したので、波長が変わっても黒を表示させた時の光出力が安定して小さく、広い波長範囲にわたって白黒のコントラストを高く表示することが可能な反射型の液晶投射装置を提供することができる。特に、波長に対して複屈折位相差が大きく変化しやすいBlue光の領域での改善効果が大きいものである。

また、位相差補償板の厚さを変えることにより、位相差補償板の回転角度が非常に広い領域が存在し、この範囲を選ぶと、位相差補償板の角度調整が必要でなくなるという効果が得られる。

また、液晶のプレチルトが変化した場合でも位相差補償板の特性、即ち、屈折率や厚さを変えることにより、生ずる位相差を変化させることで、位相補償条件の最適点を選ぶことができる。

また、コントラストの高い（黒を表示させた時の光出力が小さい）部分の角度範囲が広がり、角度の広い光を使うことが出来ることから、Ｆ値の大きいレンズを使うことが出来て明るい表示が可能な反射型の液晶投射装置を提供することができる。

以下、本発明に係る反射型の液晶投影装置の発明を実施するための最良の形態につき、好ましい実施例により説明する。

図１は本発明の反射型の液晶投影装置の第１実施例を示す概略構成図、図２は第１の位相差補償板を示す平面図、図３は第１の位相差補償板の配置方向と液晶分子の方向との関係を示す図、図４は第１の位相差補償板の傾斜状態を説明する説明図、図５は図１に示す光学配置において液晶素子部に電圧をかけない際に観察される黒レベルの視野角依存性を示すグラフである。尚、図１０に示した構成部分と同一構成部分については同一参照符号を付して説明する。また、偏光手段として本願の発明では偏光板を用いた場合について説明する。

この第１実施例の特徴は、偏光ビームスプリッタを用いないで、液晶素子部に対する往復光の光路が異なる、いわゆるＯＦＦ−ＡＸＩＳ光学系を採用し、そして、液晶分子は長軸方向に大きな屈折率を持つため、これを光学的に補償するために、円盤状の液晶分子が積み重なって柱のようになっているディスコティック液晶のような、平板の且つ、軸方向の屈折率が小さい補償板を用い、液晶分子は斜め方向に傾いていることからこれを完全に補償するために、上記補償板を光学系の中に僅かに傾いた状態で挿入し、これにより、理想的な光学補償を行うようにした点にある。

図１に示すように、この第１実施例の反射型の液晶投影装置１４は、ランプなどの光源２、この光源２から出射する光から平行光を形成する平行光レンズ４、偏光板ユニット１６、画像信号Ｓ１により多数の画素に対応する液晶の方向を制御する反射型液晶素子部８、上記液晶素子部８からの反射光をスクリーン１２上に投射する投射レンズ１０及び本発明の特徴とする第１の位相差補償板１８とにより主に構成されている。本実施例では、上記液晶素子部８としては、液晶分子が垂直配列されたものを用いている。

具体的には、この液晶投影装置１４は、ＯＦＦ−ＡＸＩＳ光学系の構造であることから、上記液晶素子部８には、この平面に対する垂直方向からある程度の角度α１だけ傾いた方向から光を入射させており、従って、入射光と反射光との光路が互いに異なるようになっている。尚、この角度α１は２度〜４５度の範囲内ある。

そして、上記偏光板ユニット１６は、図２にも示すように、上記液晶素子部８へ向かう入射光が通る入射側偏光板１６Ａと、上記液晶素子部８からの反射光が通る反射側偏光板１６Ｂとを配置してなり、両者の光学的特性を互いに異ならせている。ここでは、例えば入射側偏光板１６ＡはＳ偏光のみを通し、これに対して、反射側偏光板１６ＢはＰ偏光のみを通すように設定されている。尚、このＳ偏光とＰ偏光の関係が逆になるように偏光板１６Ａ、１６Ｂを設定してもよい。そして、この偏光板ユニット１６は、上記液晶素子部８に対して平行に配置されている。尚、両偏光板１６Ａ、１６Ｂを分離して配置してもよいのは勿論である。

そして、この偏光板ユニット１６と上記液晶素子部８との間の光路途中に上記第１の位相差補償板１８を、上記液晶素子部８の平面方向に対して僅かな角度θだけ傾斜させて介在させている。この第１の位相差補償板１８は、面内方向には異方性が無く、且つ厚さ方向の屈折率が前記面内方向の屈折率よりも小さくなされている。換言すれば、この第１の位相差補償板１８は、面内方向においてはどの方向でも屈折率Ｎは同じように設定されており、且つこの屈折率は厚さ方向の屈折率Ｎｚよりも大きく（Ｎ＞Ｎｚ）設定されている。

このような第１の位相差補償板１８として、例えばディスコティック液晶やＴＡＣ（トリアセチルセルロース）フィルム等を用いることができる。

ここで第１の位相差補償板１８の厚さＨ１は、次の式のように設定される。

Ｈ１＝Δｎ・ｄ／（面内方向の屈折率−厚さ方向の屈折率）
Δｎ：液晶素子部８の液晶の長軸方向と短軸方向の屈折率の差
ｄ：液晶素子部８の液晶セルの厚さ
例えば、液晶の長軸方向と短軸方向の屈折率の差Δｎが０．０８３、液晶セルの厚さｄが３．２μｍ、第１の位相差補償板１８の面内方向の屈折率を１．５２２５０、第１の位相差補償板１８の厚さ方向の屈折率を１．５１５８６とした場合、この第１の位相差補償板１８の厚さＨ１は略４０μｍとなる。

そして、ここでは厚さＨ１が４０μｍになされた第１の位相差補償板１８を用いる。更にこの場合、上記第１の位相差補償板１８は、実際には図３及び図４にも示すように、上記液晶素子部８内の液晶分子８Ａは垂直方向に対して僅かな角度θ１だけ傾いて配列されており、この液晶分子８Ａの傾き方向に対して垂直となるように上記第１の位相差補償板１８は配置されている。尚、この時、この液晶分子８Ａと水平方向とがなす角度θ２をプレチルト角と称す。従って、この第１の位相差補償板１８の傾角度θは、プレチルト角θ２が略８５度に設定されている場合（角度θ１＝略５度）、略５度に設定される。

上述のようにして構成した液晶投影装置１４を用いて、実際に表示を行ったところ、位相差が理想的に補償され、視野角が大きく広がっており、白黒のコントラストを高くできることが確認できた。すなわち、この実施例によれば、Ｆ数の小さいレンズを使うことができ、明るい像の投影ができるのみならず、白黒のコントラストを非常に高くすることができた。

ここで、視野角及び白黒レベルの表示について検証を行ったので、その時の評価について説明する。

基本的な光学系は、図１に示すものと等価である。光源２から出た光は、偏光手段を経て第１の位相差補償板１８を通り、液晶表示部８に入射し、光変調を受けた後反射された光は前記第１の位相差補償板１８を再度通り、クロスニコル配置に置かれた反射側偏光板１６Ｂで検光される。図示しない光センサーを用いて、反射側偏光板１６Ｂから出た光をモニターする。液晶素子部８及び第１の位相差補償板１８の位置や偏光の方位は変えないで、光の入射方向のみ変化させた。液晶表示部８の入射方向は、極角方向で９０度、方位角方向で３６０度の半球の観察方向があるが、その角度から観察される特性を、図５に示す。図５では極角（図１で言うα１）を変えた時に観察される特性を、半径の位置で示し、グラフ中で同心円状に記載された４つの円は、その内側より、２０度、４０度、６０度、８０度（最外周）のα１の場合を示す。

図５（Ａ）は本発明の第１実施例の黒表示の際の明るさを示している。この図のように示される視野角特性では明るさの等高線が示されており、コントラストが十分に取れる（４００: １）黒レベルが得られる範囲を斜線で示す。中心部ほど黒に近づき、周辺部ほど明るくなる。この点は以下に示す視野角特性も同じである。図から明らかなように、中心部にて実用的な黒レベルになっている領域はかなり広くなっており、また、特定の方位で急に明るくなる傾向も見られず、広い視野角が得られることが判明した。

これに対して、図５（Ｂ）は第１の位相差補償板１８を用いない時の明るさを示しており、この場合には、４５度と２２５度方向の方位角で、実用的な黒レベルの領域はかなり狭くなっており、この部分を使うと全体のコントラストが落ちてしまう他、画像にコントラストのムラが発生するため、使用できる入射角の範囲が非常に限定されてしまう。

尚、図１０に示すような偏光ビームスプリッタ６を使った光学系などのＯＮ−ＡＸＩＳ光学系では、第１の位相差補償板１８を光路途中に入れると、偏光ビームスプリッタ６に斜めに入った光が液晶素子部８で変調・反射された後、再度、偏光ビームスプリッタ６に入る際に、途中に挿入される前記位相差補償板１８の特性がλ／４でないと、光は偏光ビームスプリッタ６を透過してしまうので、この方法は使用できない。

次に、本発明の第２実施例について説明する。

上記第１実施例では、第１の位相差補償板１８を光路に対して斜めに入れる角度θを正確（略０．１度の範囲内）に調整する必要があるため、これを正確に傾け且つ、それを保持する機械的構成がかなり複雑となる。また、光路中に、位相差補償板１８を斜めに入るため、この厚さに起因して光軸が僅かにずれることは避けられない。この場合、カラー画像のときには、通常３枚のパネルにＲＧＢそれぞれの光を割り当て、一枚の画面を合成してカラー化する手法がとられるので、この光軸がずれると、３枚の画像を合わせる調整がかなり困難となる。以下に説明する第２実施例では、上記点を改善したものである。

この第２実施例の特徴は、黒表示に使用する電圧での液晶で発生する位相差よりも大きい位相差を水平方向（面内方向）に持ち、且つ、面内方向の屈折率よりも板厚方向の屈折率の方が小さい位相差補償板を、液晶素子部８と、偏光板ユニット１６との間に挿入し、入力光と反射光を透過させるようにした点である。

この場合、位相差補償板の回転方向の位置は、この位相差補償板へ入射する光の偏光方向と液晶分子の配向方向により、自動的に決まる最適な方向に設定する。

図６は本発明の反射型の液晶投影装置の第２実施例を示す概略構成図、図７は第２実施例の要部の位置関係と偏光との関係を示す図、図８は第２の位相差補償板を１回転させた時の明るさの変化を示すグラフ、図９は図５と同様に、図６の光学配置に於いて光の入射角を変化させつつ黒レベルの変化を測定したグラフである。

上記第１実施例では、図１に示すように第１の位相差補償板１８を角度θだけ傾けて光路に介在させたが、この第２実施例の液晶投影装置２０では、図６に示すように、第２の位相差補償板２２を、偏光板ユニット１６及び液晶素子部８に対して傾けることなく平行に配置している。この場合、この第２の位相差補償板２２は、先の第１の位相差補償板１８とは光学的特性が異なり、黒表示に使用する印加電圧で発生する位相差よりも大きい位相差を発生する屈折率差を面内方向で有し、且つ面内方向の屈折率よりも厚さ方向の屈折率の方が小さくなされた特性を有している。

換言すれば、図７にも示すように、第２の位相差補償板２２の平面内において、方向によって屈折率に差が存在する。例えば第２の位相差補償板２２の平面内にて、最も屈折率の大きい方向の屈折率をＮｘとし、この方向と直交する平面方向の屈折率をＮｙとし、更に、この補償板２２の厚さ方向の屈折率をＮｚとした場合、下記式のような関係が存在する。

Ｎｘ＞Ｎｙ＞Ｎｚ
ここで、第２の位相差補償板２２の厚さＨ２は、次のように設定される。まず、第１に位相差補償板の面内方向の屈折率差（Ｎｘ−Ｎｙ）と位相差補償板２２の厚さＨ２を乗じた水平方向のパラメータ、すなわち（Ｎｘ−Ｎｙ）・Ｈ２によって発生する位相差が、液晶セルの液晶が垂直から傾斜するために発生する位相差よりも、小さいと効果が少なく、より大きい方が望ましい。

第２に、位相差補償板２２の水平方向のパラメータ（Ｎｘ−Ｎｙ）・Ｈ２が、液晶素子部８の液晶の長軸方向と短軸方向の屈折率の差をΔｎとし、液晶素子部８の液晶セルの厚さｄを乗じた、Δｎ・ｄよりも、小さいことが望ましい。

位相差補償板２２の厚さＨ２を前記の条件にすることにより、位相差補償板２２を回転することにより、暗状態での光漏れが少なく、コントラストが、高い条件が得られる。その条件で、位相差補償板２２の膜厚方向の屈折率Ｎｚは次のように定められる。

位相差補償板２２の垂直方向のパラメータ（Ｎｘ−Ｎｚ）・Ｈ２を徐々に大きくしていくと、コントラストが取れる入射角の範囲が大きくなるが、あまり大きくし過ぎると、逆にコントラストが悪くなる。コントラストの条件が満足する中で、最大の入射角範囲が取れる値が好ましい。

例えば、この第２の位相差補償板２２として住友化学工業（株）のフィルムＶＡ−１１０（登録商標）を用いた場合、例えばＮｘ＝１．５００８５、Ｎｙ＝１．５００７３、Ｎｚ＝１．４９８３２で、位相差補償板２２の厚さＨ２が４６μｍである場合について説明する。また、Δｎ及びｄは第１実施例の場合と同じであり、それぞれ０．０８３及び３．２μｍである。そして、この第２の位相差補償板２２は、その中心を回転軸として平面内で回転させて最適な回転位置で固定する。これは、この第２の位相差補償板２２へ入射する光の偏光方向と液晶分子の配向方向に依存して、この場合、後述するように４つの最適な方向が存在するからである。尚、この液晶素子部８の液晶分子１８Ａのプレツイスト角は４５度、プレチルト角は８５度である。そして、この液晶素子部８への偏光の入射方向（光の振動面の方向）は０度とする。

このように構成された液晶投射装置２０において、無電界時の液晶素子部８に完全に垂直方向から光（Ｇ単色：５５０ｎｍ）を入射したところ、そのコントラストは２３００：１であり、良好な結果を得ることができた。

ここで、第２の位相差補償板２２を、その中心軸を回転軸として平面方向に１回転した時の黒レベル（黒表示）の出現状態を説明する。この時の液晶の駆動電圧は０Ｖである。図８に示すように、この第２の位相差補償板２２を１回転させると、図中、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの４点において出力ゼロとなって完全な黒表示を示しているので、この第２の位相差補償板２２の回転位置を、このＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの４点の内のいずれかの点の位置で固定すればよく、これにより、白黒のコントラストを最も大きく設定することができる。尚、点Ａ、点Ｃ及び点Ｂ、点Ｄは、第２の位相差補償板２２の回転中心に対して対称な位置にある。

ちなみに、上記Ａ点の部分に第２の位相差補償板２２の回転位置を設定したところ、液晶素子部８に対して完全に垂直な方向からのコントラスト（Ｇ単色：５５０ｎｍ）は１００００：１以上に向上し、しかも視野角特性も良好でこれを広くとることができた。これは斜め方向からの光も光学的に補償できるからである。また、この第２の位相差補償板２２を回転した状態においても、明るさの落ちもほとんどなかった。

また、ここでも視野角及び白黒レベルの表示について検証を行ったので、その時の評価について説明する。この検証の方法は、先の第１実施例の場合と同様であり、その時の黒レベル状態をモニタしている。この黒レベルの明るさをモニタした時のグラフが図９に示されている。ここでは光の入射角度θを、２０度、４０度、６０度、８０度にそれぞれ設定した場合、グラフ中にて、同心円状に記載された４つの円が、その内側より、２０度、４０度、６０度、８０度（最外周）の場合を示している。

図９から明らかなように、中心部にて実用的な黒レベルになっている領域（斜線で示す）はかなり広くなっており、また、特定の方位で急に明るくなる傾向も見られず、広い視野角が得られることが判明した。

また、この第２実施例の場合には、平面内における回転位置の精度がゆるくて良いので、許容誤差が大きくなり、従って、これを液晶素子部８に、或いはカラー表示の場合のダイクロイックプリズムの表面に貼り付けることができる。

その場合に、第２の位相差補償板２２を回転調整する機構が必要でなくなり、コストが安くなると共に、その部品を入れる必要がないため、ダイクロイックプリズムと液晶素子部との間を短く出来るために、投射レンズのバックフォーカスの余裕が取れることになり、この結果、短距離投影が可能となる。また、バックフォーカスが短く取れることは、投射レンズの設計が楽になり、その分、コストの安い投射レンズを使用することができる。

ここで、図８にて説明した点について更に詳しく説明する。前述のように、コントラストを最適にするためのパラメータの１つは、位相差補償板の面内方向の屈折率差（Ｎｘ−Ｎｙ）や位相差補償板２２の厚さＨ２である。そして、この位相差補償板２２を回転調整することで、コントラストを最適化できる。

そして、液晶素子部８に電圧を加えない、いわゆる暗状態での光の漏れ（明るさ）、位相差補償板の回転角及び位相差補償板の厚さＨ２との関係を求めた。

図１０は上記関係を３次元的に示すグラフ、図１１は図１０に示す３次元のグラフを平面的に見て等高線で表した図である。ここでは位相差補償板の回転角を水平方向にとり、その厚さを奥行き方向にとり、明るさを垂直方向にとっている。この位相差補償板２２の各パラメータは、前述したフィルムＶＡ−１１０で説明したものと同じである。上述したように、暗状態での光漏れ（明るさ）を検証していることから、明るさの低い暗い部分が特性上よいことになる。

図１０及び図１１に示すように、明るさが大きなピークＰ１と小さなピークＰ２の２つの山が見られ、そして、光漏れが生じないようにするには、すなわちコントラストを高くするには上記２つのピークＰ１、Ｐ２の谷の部分、図１１において斜線で示す部分に位相差補償板２２の回転角とこの厚さＨ２を調整して設定するようにすればよい。図１１において斜線で示す部分はかなり広いエリアで確保されており、このことは装置の組み立て時における位相差補償板２２の回転角の調整作業が行い易いことを意味している。

ちなみに、図８に示すグラフは、図１０中の厚さＨ２が４６μｍの位置で、水平方向、すなわち位相差補償板の回転角の方向へ切断した時の切断面を見た時の状態を示している。尚、図１０においては位相差補償板の回転角は１９０度までしか示していない。従って、図１０中のポイントＡ、Ｂの延長方向の位置が、図８中のポイントＡ、Ｂにそれぞれ略対応することになる。図１０及び図１１では、プレチルト角が８５度の場合を示しているが、このプレチルト角が変化すると、図１０におけるピークＰ１、Ｐ２の位置が厚さＨ２の方向にシフトするだけであり、図１０における凹凸の形状は基本的には変化しない。

また、上記水平方向のパラメータ（Ｎｘ−Ｎｙ）・Ｈ２と明るさとの関係は図１２に示されており、ここではプレチルト角が８０度の場合と８５度の場合を示している。このグラフは、図１０において位相差補償板の回転角が１３０〜１４０度の部分を厚さＨ２の方向に沿って切断した時の図と等価である。図１２において、極小の部分が最適点となっているが、前述した図１１に示すように、この最適点は、位相差補償板の回転方向にも広がって分布している。

ところで、上記説明では、位相差補償板２２に対して光が垂直に入射して垂直に出射することを条件としている。しかしながら、実際には、位相差補償板２２には、垂直方向よりある程度の角度だけ傾斜した斜め方向から光が入射するので位相差補償板２２の厚さ方向の屈折率Ｎｚの値も、先に触れたように垂直方向のパラメータ（Ｎｘ−Ｎｚ）・Ｈ２として重要となってくる。

垂直方向のパラメータ（Ｎｘ−Ｎｚ）・Ｈ２は視野角特性に影響を与える。図１３は液晶のプレチルト角が８０度の場合の、暗状態での液晶素子部に光が入射した時の入射光の方向に依存して発生した光漏れの状態の一例を示すグラフである。この時の位相差補償板２２の条件は先にフィルムＶＡ−１１０にて説明した場合と同じである。垂直方向のパラメータ（Ｎｘ−Ｎｚ）・Ｈ２を変化させ、最も、視野角特性の悪くなる傾向にある、図１３中において矢印に示す方向（方位角４５度、２２５度）に沿って切断した部分を取り出し図１４に示す。

図１４において横軸は入射光の傾斜角度（垂直方向をゼロとしている）を示しており、位相差補償板２２の厚さＨ２を、０（無し）〜２００μｍまで種々変更している。

この図から明らかなように、位相差補償板２２の厚さＨ２（実際にはパラメータ（Ｎｘ−Ｎｚ）・Ｈ２））が０〜８０μｍへ増加することにより、光漏れが少なくなって黒レベルが良好となると共に、入射光の傾斜方向へ良好に広い範囲で広がることが確認できる。しかし、厚さＨ２が８０μｍを越えて大きくなり過ぎると（１４０〜２００μｍ）、光漏れが多くなって黒レベルが悪化してしまうことが確認できた。従って、黒レベルか最適値となる範囲は、かなり広い範囲で確保でき、位相差補償板２２の調整操作も容易に行うことができる。

上記第２実施例では、位相差補償板２２の厚さＨ２は、入射光の波長λとの関係では特に規定していなかったが、この第３実施例では、入射光の波長をλとすると、位相差補償板２２の厚さＨ２を、位相差補償板２２で発生する位相差が反射型液晶素子部で発生する位相差以上で、且つλ／４以下となるように設定することにより、コントラストを高く表示することができると共に、液晶のプレチルト角が小さくなった場合でも明るい投射像を得ることができる。

図１５は本発明の反射型の液晶投影装置の第３実施例を示す概略構成図である。尚、図６に示す第２実施例と基本的構成は変わらない。

図示するように、この第３実施例の液晶投影装置３０では、前記液晶素子部８と前記入射側偏光板１６Ａ及び前記反射側偏光板１６Ｂとの間に直線偏光を円偏光または楕円偏光とする位相差補償板３２を設け、前記位相差補償板３２の厚さは、前記位相差補償板３２で発生する位相差が、入力光の波長をλとした時に前記液晶素子部８で発生する位相差以上で且つλ／４以下となるように設定している。

この場合にも、位相差補償板３２をその平面内で適宜回転調整することで、黒レベルが最も良好となるように回転位置調整を行う。しかし、この場合、位相差補償板３２で発生する位相差がλ／４よりも大きいと、投射像の明るさが最大となる最適な光の入射角度が、後述するように変化してしまうため、投射像が暗くなって好ましくない。これは液晶のプレチルト角が小さくなるにつれ影響が大きくなる。これに対して、位相差補償板３２で発生する位相差がλ／４以下の場合には、黒表示の性能が向上するのみならず、像自体の明るさも高くできる。これにより、液晶のプレチルト角が小さくなっても、コントラストを高く表示することができる共に、投射像自体も明るくなるようにしている。

ここで、上記偏光板１６Ａ、１６Ｂや位相差補償板３２の各板の光学軸の方位は図１６に示される。図示するように、位相差補償板３２の光学軸は、入射側偏光板１６Ａの光透過軸に対して角度αだけ回転している。このαの角度は、図８で示されるＤ点に相当する。

上記角度αと位相差補償板３２の厚さＨ３とを種々変更した時、液晶に電圧をかけない時に示される黒レベルの明るさの変化を図１７に示す。液晶のプレチルト角は７０度とした。図１７に示すように、ここでは厚さＨ３を位相差補償板３２で発生する位相差として、λ／４板を基準に、その０．５倍〜１．５倍の位相差となるよう種々変化させている。このグラフから明らかなように、位相差補償板３２の角度αを調整することにより、黒レベルを最小に調整できることがわかる。

さて、ここで実際に、位相差補償板３２の厚さＨ３がゼロの場合（設けていない場合）、厚さＨ３を位相差補償板３２で発生する位相差として、λ／４となる場合、１．５倍となる場合（１．５×λ／４）、その０．５倍となる場合（０．５×λ／４）について、、それぞれ液晶表示部への印加電圧と明るさと関係及びその時の視野角特性について検討する（補償板無しの場合は視野角特性は無し）。

図１８は液晶のプレチルト角が７０度での位相差補償板３２が無い場合の液晶表示部への印加電圧と明るさとの関係を示している。この場合には、印加電圧が０Ｖの場合でも、ΔＬの明るさが漏れており、コントラストが全く取れず特性上好ましくない。

図１９は位相差補償板３２で発生する位相差がλ／４になる厚さＨ３の時の液晶表示部への印加電圧と明るさとの関係及びその時の視野角特性を示すグラフである。この時の角度αは９度である。

図１９（Ａ）に示すように、この場合には液晶表示部への印加電圧が０Ｖ時に、図１８で示したような光漏れが無く非常に良いコントラストを得ることが出来る。ただし、ピークＭ１で示される明るさのピーク値は０．９２程度になっており、明るさが低下している。この理由は、図１９（Ｂ）の視野角特性に示すように（液晶を駆動して中心部で最も明るくなる電圧を印加した場合の特性を示す）、最も明るくなる部分Ｙ１が、中心部から左右方向へややシフトしており、逆に、中心部での明るさがやや低下してしまっているからである。尚、図１９（Ｂ）の視野角特性では明るさの等高線が示されており、この点は以下に記す他の視野角特性も同様である。

図２０は位相補償板３２で発生する位相差が１．５×λ／４の時の液晶表示部への印加電圧と明るさの関係及び中心部での明るさが最大の時の視野角特性を示すグラフである。この時の角度αは１１度である。

図２０（Ａ）に示すように、この場合にも液晶表示部への印加電圧が０Ｖ時に、図１８で示したような光漏れが無く非常に良いコントラストを得ることが出来る。ただし、ピークＭ２で示される明るさのピーク値は０．６５程度になっており、明るさが大幅に低下して好ましくない。この理由は、図２０（Ｂ）に示す視野角特性に示すように（液晶を駆動して中心部で最も明るくなる電圧を印加した場合の特性を示す）、最も明るくなる部分Ｙ２が、中心部から左右方向へ更に大きくシフトしており、中心部での明るさが大幅に低下してしまっているからである。

これに対して、図２１は位相差補償板３２で発生する位相差が０．５×λ／４の時の液晶表示部への印加電圧と明るさの関係及び中心部での明るさが最大の時の視野角特性を示すグラフであり、この時の角度αは１４度である。尚、図２１（Ａ）には、先に述べた位相差補償板の位相差が１×λ／４及び１．５×λ／４の場合も比較の為同時に表示している。角度αはそれぞれ９度及び１１度である。

図２１（Ａ）に示すように、この場合には液晶表示部への印加電圧が０Ｖ時に、図１８で示したような光漏れが無く非常に良いコントラストを得ることが出来る。しかも、位相差補償板３２の厚さＨ３が０．５×λ／４の位相差を発生させる場合には、ピークＭ３で示される中心部の明るさのピーク値は略１程度になっており、明るさが低下することなく液晶のプレチルト角が７０度の場合に於いても非常に明るい状態となっている。この理由は、図２１（Ｂ）に示す視野角特性に示すように（液晶を駆動して中心部で最も明るくなる電圧を印加した場合の特性を示す）、最も明るくなる部分Ｙ３が、中心部から左右方法へ何らシフトしておらず、中心部での明るさが最も明るい状態となっているからである。このように液晶のプレチルト角が７０度の場合のように、液晶に電圧を印加しない状態に於いて光漏れが大きくコントラストが殆ど取れない状況に於いても、位相補償板３２で発生する位相差に関わらず、位相差補償板３２を回転調整することで、黒レベルを改善し良好なコントラストを取ることが出来るが、位相補償板３２で発生する位相差が１×λ／４を超える場合には、ピーク時の明るさは大きく低下するため好ましくない。

図２２に、実施例４としてワイヤグリッド偏光板を用いた基本的な光学系での配置例を示す。ワイヤグリッド偏光板４１を用いた光学系としては、同図に示すように、ワイヤグリッド４２を配置すれば、ワイヤに並行な光は透過し、ワイヤに直交する光は反射するため、ワイヤグリッド４２を透過した段階で、特定の偏光が得られる。この偏光が反射型液晶素子４３に入射し、反射した光が再度ワイヤグリッド４２に到達し、先ほど述べた原理で、液晶部で変調された光がワイヤグリッド４２から反射される。

この光を図示しない色合成系や投射レンズにより拡大投影される。ワイヤグリッド４２と反射型液晶素子４３の間に有る位相差補償板４４はλ／４以下の値の位相差のものが用いられ、液晶のプレチルトの角度に応じてその回転方向が調整される。しかしながら、ワイヤグリッド４２の反射の際のP偏光とS偏光の分離があまり良くない性質があるため、得られるコントラストは、せいぜい数１００程度に留まる。

図２３に、コントラストが高くなるワイヤグリッド偏光板を用いた光学系の配置例をを示す。図２２でのコントラストを改善するため、図２３に示すように、反射側に検光手段としてポスト偏光板４５（クリーンアップポラライザ）を設けると、数万：１の非常に高いコントラストが得られる。入射側偏光板と反射側偏光板を同一のものとし、ワイヤグリッド４２で構成した場合に、位相差補償板４４を、波長が増加するに従い、その波長での位相差が増加するような材料を用いることにより、コントラストが高い波長範囲を広く取れ、明るい表示ができる。

また、位相差が３次元的な屈折率分布を持ち、膜面内の屈折率よりも、膜厚方向の屈折率の方が小さくすることにより、反射型液晶素子４３で反射した光の角度が大きくても黒レベルが低く抑えられるため、明るいＦ値の小さいレンズを使用することができ、明るい投射像を得ることができる。また、位相差補償板４４の位相差をλ／４よりも小さくすることで、位相差補償板４４の最適角度範囲が広がり、かつ、明部の変調率が高い部分が増えるため明るい表示ができる。

図２４に、ワイヤグリッドを用いた光学系でBlueの光の中心波長(４５０nm)で最適に合わせた状態で、波長が４２０nmとなった時の黒を表す視野角特性図のシミュレーション値を示す。

（Ａ）ポリカーボネートの材料を用いた位相差補償板の場合
（Ｂ）理想的な波長板の場合
（Ｃ）波長に対して位相差が増加する傾向を示す帝人ＮＲＦ−Ｗフィルムの場合
（Ｄ）波長に対して位相差が増加する傾向を示す帝人ＮＲＦ−Ｒフィルムの場合
図２５に、ワイヤグリッドを用いた光学系でBlueの光の中心波長(４５０nm)で最適に合わせた状態で、黒を表す視野角特性図のシミュレーション値を示す。

（Ａ）ポリカーボネートの材料を用いた位相差補償板の場合
（Ｂ）理想的な波長板の場合
（Ｃ）波長に対して位相差が増加する傾向を示す帝人ＮＲＦ−Ｗフィルムの場合
（Ｄ）波長に対して位相差が増加する傾向を示す帝人ＮＲＦ−Ｒフィルムの場合
図２６に、ワイヤグリッドを用いた光学系でBlueの光の中心波長(４５０nm)で最適に合わせた状態で、波長が４２０nmとなった時の黒を表す視野角特性図のシミュレーション値を示す。

（Ａ）ポリカーボネートの材料を用いた位相差補償板の場合
（Ｂ）理想的な波長板の場合
（Ｃ）波長に対して位相差が増加する傾向を示す帝人ＮＲＦ−Ｗフィルムの場合
（Ｄ）波長に対して位相差が増加する傾向を示す帝人ＮＲＦ−Ｒフィルムの場合

本発明の反射型の液晶投影装置の第１実施例を示す概略構成図である。 第１の位相差補償板を示す平面図である。 第１の位相差補償板の配置方向と液晶分子の方向との関係を示す図である。 第１の位相差補償板の傾斜状態を説明する説明図である。 図１の構成において液晶へ電圧を駆けない時に示される黒状態の視野角特性を示すグラフである。 本発明の反射型の液晶投影装置の第２実施例を示す概略構成図である。 第２実施例の要部の位置関係と偏光との関係を示す図である。 第２の位相差補償板を１回転させた時の明るさの変化を示すグラフである。 図６の光学装置において光の入射角を変化させつつ黒レベルの変化を測定したグラフである。 位相差補償板の回転角及び位相差補償板の厚さＨ２との関係を３次元的に示すグラフである。 図１０に示す３次元のグラフを平面的に見て等高線で表した図である。 水平方向のパラメータ（Ｎｘ−Ｎｙ）・Ｈ２と明るさとの関係を示すグラフである。 液晶のプレチルト角が８０度の場合の、暗状態での液晶素子部に光が入射した時の入射光の方向に依存して発生した光漏れの状態の一例を示すグラフである。 図１３中において矢印に示す方向に沿って切断した部分を取り出して示す図である。 本発明の反射型の液晶投影装置の第３実施例を示す概略構成図である。 偏光板や補償板の各板の偏向方向を示す図である。 角度αと位相差補償板の厚さＨ３とを種々変更した時の黒レベルの変化を示すグラフである。 補償板が無い場合の液晶表示部への印加電圧と明るさとの関係を示すグラフである。 位相差補償板での位相差がλ／４の時の液晶表示部への印加電圧と明るさとの関係及びその時の視野角特性を示すグラフである。 位相差補償板での位相差が１．５×λ／４の時の液晶表示部への印加電圧と明るさとの関係及びその時の視野角特性を示すグラフである。 位相差補償板での位相差が０．５×λ／４、１×λ／４及び１．５×λ／４の時の液晶表示部への印加電圧と明るさとの関係及びその時の視野角特性を示すグラフである。 本発明の反射型の液晶投影装置の第４実施例のワイヤグリッドを用いた主要部を示す概略構成図である。 図２２において、コントラストが高くなるワイヤグリッドを用いた主要部を示す概略構成図である。 ワイヤグリッドを用いた光学系で視野角特性図のシミュレーション値を示す図である。 ワイヤグリッドを用いた光学系で視野角特性図のシミュレーション値を示す図である。 ワイヤグリッドを用いた光学系で視野角特性図のシミュレーション値を示す図である。 従来の反射型の液晶投影装置の一例を示す構成図である。

符号の説明

２…光源、８…液晶素子部、８Ａ…液晶分子、１０…投射レンズ、１２…スク
リーン、１４…液晶投影装置（第１実施例）、１６…偏光板ユニット、１６Ａ…
入射側偏光板（偏光手段）、１６Ｂ…反射側偏光板（偏光手段）、１８…第１の
位相差補償板、２０…液晶投影装置（第２実施例）、２２…第２の位相差補償板
、３０…液晶投影装置（第３実施例）、３２…位相差補償板、４１…ワイヤグリッド偏光板、４２…ワイヤグリッド、４３…反射型液晶素子、４４…位相差補償板、４５…偏光板

Claims (7)

1. 光源と、前記光源から出射した光のうち、第１の偏光光を通過させる入射側偏光手段と、前記入射側偏光手段を通過した前記第１の偏光光を第２の偏光光に光変調すると共に反射する反射型液晶素子部と、前記反射型液晶素子部で反射された前記第２の偏光光を通過させる反射側偏光手段と、前記入射側偏光手段から出射する第１の偏光光を前記反射型液晶素子部へ、円偏光または楕円偏光して出射する位相差補償板を有し、前記反射型液晶素子部は前記位相差補償板から出射する前記円偏光または楕円偏光光を光変調した後に、前記位相差補償板へ反射し、前記位相差補償板は、前記反射型液晶素子部から出射する前記光変調した偏光光を位相補償して前記反射側偏光手段に出力し、前記反射側偏光手段を通過した前記第２の偏光光により前記反射型液晶素子部に形成された画像をスクリーンに投射させる反射型の液晶投影装置において、
   前記位相差補償板の位相差は、入力光の中心波長をλとした時に前記反射型液晶素子部で発生する位相差以上で且つλ／４以下であることを特徴とする反射型の液晶投影装置。
2. 請求項１に記載の液晶投影装置であって、前記位相差補償板は３次元的な屈折率分布を持ち、膜面内の屈折率よりも、膜厚方向の屈折率の方が小さいことを特徴とする反射型の液晶投影装置。
3. 請求項１に記載の液晶投影装置であって、前記入射側偏光手段と前記反射側偏光手段が同一のものであり、ワイヤグリッドを用いたものであることを特徴とする反射型の液晶投影装置。
4. 請求項１記載の液晶投影装置であって、前記位相差補償板は複屈折が波長に対して単調増加する特性を持つことを特徴とする反射型の液晶投影装置。
5. 請求項４に記載の液晶投影装置であって、前記入射側偏光手段と前記反射側偏光手段が同一のものであり、ワイヤグリッドを用いたものであることを特徴とする反射型の液晶投影装置。
6. 請求項１に記載の液晶投影装置であって、前記位相差補償板は３次元的な屈折率分布を持ち、膜面内の屈折率よりも、膜厚方向の屈折率の方が小さい、且つ、複屈折が波長に対して単調増加する特性を持つことを特徴とする反射型の液晶投影装置。
7. 請求項６に記載の液晶投影装置であって、前記入射側偏光手段と前記反射側偏光手段が同一のものであり、ワイヤグリッドを用いたものであることを特徴とする反射型の液晶投影装置。
   
   

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