JP4499770B2 - 偏光制御システム及びプロジェクタ - Google Patents

Description

本発明は、光の偏光状態に応じて情報の再生や表示を行う光学システムに関し、さらに詳しくは、反射された光の偏光状態に応じて情報の再生や表示を行う光学システムに関する。

近年、ＬＣＤやＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ）やＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）などに表示される像を光学系で拡大してスクリーンに投映するプロジェクタやプロジェクションテレビ等の映像表示装置が普及している。ＤＭＤを用いた映像表示装置は高輝度及び高解像度であるが、プロジェクションテレビなどの一般用途に普及するには高価である。また、ＬＣＤを用いた映像表示装置は、ＬＣＯＳやＤＭＤなどの反射型の表示素子を採用した映像表示装置と比較して解像度が低く、低開口率であるから輝度も低い。一方で、ＬＣＯＳを用いた映像表示装置は、ＤＭＤを用いた映像表示デバイスと比較して安価であり、高輝度及び高解像度を実現できるために注目を集めている。

ＬＣＯＳを用いる映像表示装置は、赤，緑，青のそれぞれに対応する像を表示するＬＣＯＳに、光源からの光をダイクロイックミラーなどで色分解し、偏光子によって特定の偏光方向を持つ光を入射させる。そして、ＬＣＯＳで反射され、偏光状態の変化で各色の情報を付与された光、すなわち情報光は、偏光ビームスプリッタなどの検光子を透過してスクリーンに投映される。

このとき、ＬＣＯＳの表示面に入射させる光としては、入射光軸に略平行な光を発する光源装置が用いられることが望ましい。一方、この光源装置から照射される光束は有限の大きさを持つから、予定された入射光軸に対して傾斜してＬＣＯＳの表示面や偏光ビームスプリッタの偏光分離層に入射する光、いわゆるスキュー光線が存在する。本来偏光ビームスプリッタなどの検光子を透過するべきではない光であっても、検光子などに予定された入射光軸に対して斜めに入射することで透過する成分があるから、スキュー光線は、スクリーンに投映する像のコントラストを低下させる原因となる。このスキュー光線によるコントラストの低下は、１／４波長板を導入し、偏光の方向を補償することで改善することができることが知られている（例えば、特許文献１）。

しかし、このような１／４波長板による偏光の方向の補償は、極角が５度程度の範囲である狭い入射角度範囲のスキュー光線の偏光方向しか補償できない。したがって、プロジェクタのような入射角度に１０〜１５度程度のばらつきがある光源を用いる光学システムにおいては、スキュー光線の偏光の方向を十分に補正することができず、満足なコントラストが得られない。

このような、１／４波長板の角度依存性による不十分な偏光の方向の補償は、主屈折率の方向が表面に対して傾斜している位相差補償板、いわゆるＯ−ｐｌａｔｅを１／４波長板として機能する厚さで導入することによって改善されることが知られている。この１／４波長板として機能するＯ−ｐｌａｔｅとしては、１軸性の複屈折体である水晶などの結晶を主屈折率の方向に対して斜めに切り出すことで１／４波長板として機能するＯ−ｐｌａｔｅや、偏光ビームスプリッタの表面に棒状液晶分子を塗布し、重合させたＯ−ｐｌａｔｅなどが知られている（例えば、非特許文献１）。

さらに、検光子として機能する偏光ビームスプリッタの偏光分離層の表面に、２種類の異なる屈折率の薄層が積層された位相差層を設けることで、偏光ビームスプリッタの偏光分離性能を高めることができることが知られている（例えば、特許文献２）。

この他にも、スキュー光線による投映像のコントラストの低下を改善する方法としては、無機誘電体材料を斜め方向から蒸着することで、１／４波長板として機能する位相差層をライトバルブに設ける方法が知られている（例えば、特許文献３）。
特開平２−２５００２６号公報 特開平６−２８９２２２号公報 特開平１０−２０６８４２号公報 Ｍ．Ｇ．Ｒｏｂｉｎｓｏｎ 他２名 「Ｗｉｄｅ Ｆｉｅｌｄ ｏｆ Ｖｉｅｗ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ Ｓｃｈｅｍｅ ｆｏｒ Ｃｕｂｅ Ｐｏｌａｒｉｚｉｎｇ Ｂｅａｍ Ｓｐｌｉｔｔｅｒｓ」 ＳＩＤ’０３ Ｄｉｇｅｓｔ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｆｏｒ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙ 発行 ｐ８７４

しかしながら、上述のように、水晶などからなる１／４波長板のみを用いて投映像のコントラストを改善する場合、スキュー光線によるコントラストの低下を改善することができるが、改善することができるスキュー光線の入射角度の範囲が５度程度と狭く、十分にコントラストが改善されないという問題がある。

また、１／４波長板として機能するＯ−ｐｌａｔｅを用いて投映像のコントラストの低下を改善する場合に、棒状液晶高分子などの有機材料からなるＯ−ｐｌａｔｅを用いると、傾斜角度が材料の持っている物性に依存して決まる傾向があり、光学的に望ましい傾斜角度に正確に合せる事が困難であるという問題がある。

このような有機材料の替わりに、水晶板などの一軸性の複屈折体の結晶を主屈折率の方向に対して傾斜する方向に、１／４波長板として機能する厚さに切り出すと、多大な費用を必要とするから、これもまた実用的な方法とはいえないという問題がある。

さらには、表面に垂直に光を入射させて１／４波長板として機能するＯ−ｐｌａｔｅを用いる場合、Ｏ−ｐｌａｔｅの表面に対して、Ｏ−ｐｌａｔｅの主屈折率の方向は１０〜１５度程度の傾きを持つ必要がある。すなわち、Ｏ−ｐｌａｔｅの主屈折率の方向は、Ｏ−ｐｌａｔｅの表面の法線から７５〜８０度程度であることが必要である。しかしながら、斜方蒸着によって容易に作製できるＯ−ｐｌａｔｅの主屈折率の方向の傾斜角度は、Ｏ−ｐｌａｔｅの表面の法線から０〜４５度程度まで、Ｏ−ｐｌａｔｅの表面から４５度程度〜９０度であるから、単独で１／４波長板として機能するＯ−ｐｌａｔｅを作製することは困難であるという問題がある。

さらに、主屈折率の方向が傾斜した１／４波長板として単独で機能するＯ−ｐｌａｔｅを斜方蒸着や重合性の液晶分子によって作製すると、１／４波長板として機能させるためには１μｍ程度以上の厚さを必要とするから、ヘーズが高くなり、かえって偏光度が低くなってしまうという弊害がある。

また、偏光ビームスプリッタの偏光分離層の表面に２種類の異なる屈折率の薄層が積層された多層膜を設ける場合、広い波長領域に対応する偏光ビームスプリッタではあるが、偏光ビームスプリッタを作製する工程も増し、そもそもこのような特殊な偏光ビームスプリッタを作製すること自体が難しいという問題がある。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、映像などの情報を持つ情報光のコントラストがスキュー光線によって低下してしまうことを防ぐ現実的で安価な偏光制御システム及びプロジェクタを提供することを目的とする。

本発明の偏光制御システムは、入射する光を偏光方向に応じて分離して、反射又は透過させる偏光分離層を有する偏光ビームスプリッタと、前記偏光ビームスプリッタから入射する光を前記偏光ビームスプリッタに向けて反射する反射面を有し、該反射面で光を反射する前後で入射する光に対して反射する光の偏光方向を制御する反射液晶素子と、前記偏光ビームスプリッタの前記偏光分離層と前記反射液晶素子の前記反射面との間に、表面が前記反射面と略平行になるように配置されるとともに、前記反射面と平行な面内に遅相軸を有する第１複屈折素子と、前記偏光ビームスプリッタの前記偏光分離層と前記反射液晶素子の前記反射面との間に、前記反射面と平行な面に対して傾斜した屈折率楕円体を有し、かつ、該屈折率楕円体が前記反射面と垂直な対称面を有し、該対称面内にある主屈折率の方向を前記反射面と平行な面内に正射影した方向が前記第１複屈折素子の前記遅相軸と略平行になるように配置される第２複屈折素子とを備え、光の波長をλとするときに、前記反射液晶素子の反射面に垂直に進行する光が前記第１複屈折素子及び前記第２複屈折素子を透過するときに生じる位相差の合計が略λ／４となることを特徴とする。

また、前記第２複屈折素子は、無機材料を斜方蒸着して作られた斜方蒸着膜であることを特徴とする請求項１記載の偏光制御システム。

また、前記第２複屈折素子は、重合性液晶分子の重合体からなることを特徴とする請求項１記載の偏光制御システム。

本発明のプロジェクタは、上述の偏光制御システムを備えることを特徴とする。

本発明の偏光制御システムによれば、１／４波長板を単独で用いる場合と比較してより広い角度範囲でスキュー光線の位相差を補償することができるとともに、全体として１／４波長板として機能するＯプレートを単独で用いる場合と比較して、容易かつ安価にスキュー光線の位相差を補償することができる。また、この偏光制御システムを用いるプロジェクタは、スキュー光線の位相差が補償され、コントラストが改善されるとともに、容易かつ安価に提供される。

図１に示すように、本発明のプロジェクタ１０は、投映レンズ１６、反射表示光学システム１７（偏光制御システム）、プロジェクタ駆動システム１８などを備える。また、筐体１９の上面には、ズームダイヤル２１、フォーカスダイヤル２２、光量調節ダイヤル２３が備えられる。

投映レンズ１６は、反射表示光学システム１７から入射される光、すなわち映像などの情報を持つ情報光を拡大して投映し、スクリーン２６（図２参照）に像（以下、投映像）を表示する。この投映レンズ１６は、例えば、ズームレンズ、フォーカスレンズ、絞りなどから構成される。ズームレンズ、フォーカスレンズ、絞りなどは、投映光軸２７に沿って移動自在に設けられている。

ズームレンズは、ズームダイヤル２１の操作に応じて投映光軸２７に沿って移動され、スクリーン２６に表示される投映像を拡大又は縮小する。フォーカスレンズは、プロジェクタ１０とスクリーン２６との距離に応じたフォーカスダイヤル２２の操作やズームレンズの移動に応じて投映光軸２７に沿って移動され、投映像のピントを調節する。絞りは、光量調節ダイヤル２３の操作に応じて絞り開口面積を変化させることで、投映像の明るさを調節する。

プロジェクタ駆動システム１８は、プロジェクタ１０の電気的な動作を担う。例えば、プロジェクタ駆動システム１８は、プロジェクタ１０に接続されるコンピュータなどから受信する映像などを後述する反射表示素子（図２参照）に表示する。また、プロジェクタ駆動システム１８は、前述の投映レンズ１６を駆動するモータを複数個備え、ズームダイヤル２１、フォーカスダイヤル２２、光量調節ダイヤル２３の操作に応じて、ズームレンズ、フォーカスレンズを投映光軸２７に沿ってそれぞれ移動させ、また、絞りの絞り開口面積を増減させる。

反射表示光学システム１７は、光源部（図２参照）から発せられる白色光を赤色光（以下、Ｒ光）、緑色光（以下、Ｇ光）、青色光（以下、Ｂ光）に色分解し、それぞれの色ごとに投映像の情報を持つ情報光に変換する。そして、各色の情報光が合わせられた投映光を投映レンズ１６に入射し、スクリーンにフルカラーの投映像を表示させる。

図２に示すように、反射表示光学システム１７は、情報光のもととなる光を発する光源部３１と、光源部３１から入射される光から投映像の情報を持つ情報光を生成する情報光生成部３２とから構成される。

光源部３１は、ランプ３３、反射鏡３４、ＵＶカットフィルタ３６、インテグレータ３７、偏光子３８、リレーレンズ４１、コリメートレンズ４２などから構成される。ランプ３３は、例えばキセノンランプなどの高輝度光源であって、特定の偏光方向を持たない自然な白色光を発する。このランプ３３から発せられる白色光は、ＵＶカットフィルタ３６によって紫外線が除去された後にインテグレータ３７に入射する。

反射鏡３４は、例えば楕円曲面状の鏡であって、この反射鏡３４の一方の焦点の近傍にランプ３３が配設される。また、インテグレータ３７の一端は、反射鏡３４の他方の焦点の近傍に配設されており、ランプ３３から発せられる光は効率よくインテグレータ３７に導かれる。

インテグレータ３７は、ガラスロッドと、このガラスロッドの端面に設けられるマイクロレンズアレイなどから構成され、ランプ３３から入射する光を集積し、リレーレンズ４１を介してコリメートレンズ４２へと導く。一方、ランプ３３からインテグレータ３７に入射する光の光量は、光源光軸４４から離れるほど減少し、光源光軸４４を中心として不均一に分布するが、インテグレータ３７は、このような光量分布の不均一な光を、光源光軸４４を中心に必要な範囲で略均一に分布させる。これにより、情報光の光量分布は光源光軸４４及び投映光軸２７を中心として略均一となるから、スクリーン２６に表示される投映像は、スクリーン２６の全面で略均一の明るさとなる。

コリメートレンズ４２は、インテグレータ３７から入射される光を光源光軸４４に平行な光に整え、偏光子３８へと入射させる。偏光子３８は、インテグレータ３７から入射する光のＳ偏光成分は透過させ、Ｐ偏光成分はＳ偏光成分へと変換し、投映光生成部３２のダイクロイックミラー４６（後述）へと導く。

投映光生成部３２は、ダイクロイックミラー４６，４７、偏光ビームスプリッタ５１，５２，５３、反射表示素子（反射素子）５４，５５，５６、位相差補償素子５７，５８，５９などから構成される。さらに、投映光生成部３２は、ミラー６１とクロスダイクロイックプリズム６２とを備える。

ダイクロイックミラー４６は、その表面の法線と光源光軸４４とのなす角が４５度となるように配設される。ダイクロイックミラー４６は、光源部３１から入射されるＳ偏光の白色光からＲ光成分を反射しミラー６１へ導き、同時に、Ｇ光成分，Ｂ光成分を透過させ、ダイクロイックミラー４７へ導く。ミラー６１は、ダイクロイックミラー４６と平行に配設され、ダイクロイックミラー４６によって白色光から分離されたＲ光を反射し、偏光ビームスプリッタ５１へと導く。一方、ダイクロイックミラー４７は、ダイクロイックミラー６１を透過するＧ光及びＢ光からなるシアン色光からＧ光成分を反射し偏光ビームスプリッタ５２へ導き、Ｂ光成分を透過させて偏光ビームスプリッタ５３へ導く。

偏光ビームスプリッタ５１は、プリズム６３ａ、プリズム６３ｂ、及び偏光分離層６４とから構成される。プリズム６３ａ及びプリズム６３ｂは、それぞれの斜面で偏光分離層６４を挟み込むようにして合わせられ、偏光ビームスプリッタ５１は略立方体形状をなす。この偏光ビームスプリッタ５１は、ミラー６１から入射されるＳ偏光のＲ光を反射して反射表示素子５４に導く。また、偏光ビームスプリッタ５１から反射表示素子５４に入射する光は、反射表示素子５４に反射されると、反射表示素子５４に表示される映像などの情報を付与された光（以下、Ｒ情報光）となり、再び偏光ビームスプリッタ５１に入射する。このＲ情報光のＳ偏光成分は、偏光分離層６４によって反射される。一方、Ｒ情報光のうちＰ偏光成分は偏光分離層６４を透過し、クロスダイクロイックプリズム６２へと導かれる。

同様に、偏光ビームスプリッタ５２は、プリズム６６ａ，６６ｂ、及び偏光分離層６７とから構成される。プリズム６６ａ及びプリズム６６ｂは、それぞれの斜面で偏光分離層６７を挟み込むようにして合わせられ、偏光ビームスプリッタ５２は、略立方体形状をなす。この偏光ビームスプリッタ５２は、ダイクロイックミラー４６Ｇから入射されるＳ偏光のＧ光を反射して反射表示素子５５へ導く。また、偏光ビームスプリッタ５２から反射表示素子５５に入射する光は、反射表示素子５５に反射されると、反射表示素子５５に表示される映像などの情報を付与された光（以下、Ｇ情報光）となり、再び偏光ビームスプリッタ５２に入射する。このＧ情報光のＳ偏光成分は、偏光分離層６７によって反射される。一方、Ｇ情報光のうちＰ偏光成分は偏光分離層６７を透過し、クロスダイクロイックプリズム６２へと導かれる。

さらに、同様にして、偏光ビームスプリッタ５３は、プリズム６８ａ，６８ｂ、及び偏光分離層６９とから構成される。プリズム６８ａ及びプリズム６８ｂは、それぞれの斜面で偏光分離層６９を挟み込むようにして合わせられ、偏光ビームスプリッタ５３は、略立方体形状をなす。この偏光ビームスプリッタ５３は、ダイクロイックミラー４６Ｇを透過して入射するＳ偏光のＢ光を反射して反射表示素子５６へ導く。また、偏光ビームスプリッタ５３から反射表示素子５６に入射する光は、反射表示素子５６に反射されると、反射表示素子５６に表示される映像などの情報を付与された光（以下、Ｂ情報光）となり、再び偏光ビームスプリッタ５３に入射する。このＢ情報光のＳ偏光成分は、偏光分離層６９によって反射される。一方、Ｇ情報光のうちＰ偏光成分は偏光分離層６９を透過し、クロスダイクロイックプリズム６２へと導かれる。

クロスダイクロイックプリズム６２は、Ｒ光を反射するダイクロイック面８１Ｒと、Ｂ光を反射するダイクロイック面８１Ｂとを備える。このダイクロイック面８１Ｒ及びダイクロイック面８１Ｂは、いずれもＧ光は透過する。したがって、偏光ビームスプリッタ５１から入射されるＲ情報光、及び偏光ビームスプリッタ５２から入射されるＢ情報光を投映レンズ１６の方向へ反射すると同時に、偏光ビームスプリッタ５２から入射されるＧ情報光を投映レンズ１６へ透過する。すなわち、クロスダイクロイックプリズム６２は、Ｒ情報光、Ｇ情報光、Ｂ情報光からなるフルカラーの投映光を投映レンズ１６へ入射する。

反射表示素子５４は、例えば、反射型の液晶パネルであって、液晶分子が封入された液晶層や、反射表示素子５４に入射する光を反射する反射面７１などから構成される。反射面７１は、表示する像の画素ごとに設けられた反射電極からなり、直上の液晶層に印加する電圧のオン，オフを自在に切り替え、液晶分子の配向の状態を制御する。こうした各々の反射電極の制御は、それぞれの反射電極に設けられた駆動回路を介してプロジェクタ駆動システム１８によって行われる。なお、以下では白状態を表示するように制御された反射電極をオン画素と称し、黒状態を表示するように制御された反射電極をオフ画素と称する。

液晶層は、反射電極のオン，オフの変化に応じて配向状態を変化させ、この反射電極によって反射される光の偏光状態を変化させる。例えば、偏光ビームスプリッタ５１からオン画素に入射するＳ偏光は、直上の液晶層の配向状態に応じて、Ｐ偏光に変換されて偏光ビームスプリッタ５１へと反射される。また、偏光ビームスプリッタ５１からオフ画素に入射するＳ偏光は、直上の液晶層の配向状態に応じて、Ｓ偏光のまま偏光ビームスプリッタ５１へと反射される。

同様に、反射表示素子５５，５６は、反射型の液晶パネルであり、画素ごとに設けられた反射電極からなる反射面７２，７３をそれぞれ備える。また、Ｓ偏光の入射光は、オン画素によってＰ偏光に変換されて反射され、オフ画素によってＳ偏光が反射される。反射表示素子５５又は５６のオン画素に反射される光のうち、Ｐ偏光の光は、偏光ビームスプリッタ５２，５３をそれぞれ透過し、Ｓ偏光の光は、偏光ビームスプリッタ５２，５３によって反射される。

また、位相差補償素子５７は、偏光ビームスプリッタ５１と反射表示素子５４の反射面７１との間に設けられ、透過する光の偏光方向を補償する。例えば、位相差補償素子５７は、透過するスキュー光線の位相を偏光ビームスプリッタ５１の偏光分離層６４に反射される位相に補償し、投映像の情報を正しく反映するＲ情報光を偏光ビームスプリッタ５１に入射させる。すなわち、位相差補償素子５７は、偏光ビームスプリッタ５１に入射するＲ情報光を、スキュー光線由来のＲ情報光を含まないものへと整える。

同様に、位相差補償素子５７は、偏光ビームスプリッタ５２と反射表示素子５５の反射面７２との間に設けられ、透過する光の偏光方向を補償する。例えば、位相差補償素子５７は、透過するスキュー光線の位相を偏光ビームスプリッタ５２の偏光分離層６７に反射される位相に補償し、投映像の情報を正しく反映するＧ情報光を偏光ビームスプリッタ５２に入射させる。すなわち、位相差補償素子５７は、偏光ビームスプリッタ５２に入射するＧ情報光を、スキュー光線由来のＧ情報光を含まないものへと整える。

また、同様に、位相差補償素子５７は、偏光ビームスプリッタ５３と反射表示素子５６の反射面７３との間に設けられ、透過する光の偏光方向を補償する。例えば、位相差補償素子５７は、透過するスキュー光線の位相を偏光ビームスプリッタ５３の偏光分離層６９に反射される位相に補償し、投映像の情報を正しく反映するＢ情報光を偏光ビームスプリッタ５３に入射させる。すなわち、位相差補償素子５７は、偏光ビームスプリッタ５３に入射するＢ情報光を、スキュー光線由来のＢ情報光を含まないものへと整える。

具体的には、図３に示すように、位相差補償素子５７は、結晶位相差層８６（第１複屈折素子）と傾斜位相差層８７（第２複屈折素子）とからなり、透過するＲ光の偏光方向を補償する。結晶位相差層８６は、ｘ軸方向に進相軸８８を、ｙ軸方向に遅相軸８９を持つ水晶基板である。この結晶位相差層８６を透過する光の遅相軸８９方向の成分の位相は、進相軸８８方向の成分の位相に対して遅延する。すなわち、結晶位相差層８６は、透過する光の進相軸８８方向の位相に対して、透過する光の遅相軸８９方向の位相を丁度１／４波長の遅延させるいわゆる１／４波長板であり、スキュー光線の偏光方向を偏光ビームスプリッタ５１の偏光分離層６４に反射される位相に補償する。

傾斜位相差層８７は、複屈折物質からなる薄層であり、位相差補償素子５７の表面９１に所定の厚さで設けられる。この傾斜位相差層８７は、傾斜位相差層８７の表面９１に対して傾斜する主屈折率の方向９０を持ついわゆるＯ−ｐｌａｔｅである。この傾斜位相差層８７は、例えばＴａ_２Ｏ_５をガラス基板，結晶位相差層８６，偏光ビームスプリッタの表面などに斜方蒸着することによって作製される。したがって、傾斜位相差層８７は、Ｔａ_２Ｏ_５などの材料からなる傾斜した微細な柱状物が林立する構造となっており、傾斜位相差層８７の主屈折率の方向が表面に対して傾斜する方向はこの柱状物の傾斜に応じて定まる。このような斜方蒸着膜は二軸性の複屈折体であることが知られており、３つの異なる主屈折率を有している。一般的に３つの主屈折率の方向は、最大の主屈折率の方向が柱状物の成長方向と一致し、それと直交する基板平面内に第二番目に大きい主屈折率の方向があり、それら両方に直交する方向に最小の主屈折率の方向がある。本明細書中では、特に断らない限り、最大の主屈折率の方向を主屈折率の方向と呼ぶものとする。傾斜位相差層８７の主屈折率の方向９０が表面９１に対して傾斜する角度α（度）は、斜方蒸着の角度を変えることで、４５度程度から９０度の範囲の所望の角度（例えばα＝６０度）になるように傾斜位相差層８７は作製される。この角度αは４５度以上９０度以下であることが好ましく、５０度以上８０度以下であることがより好ましく、５５度以上７０度以下であることが特に好ましい。さらに、主屈折率の方向９０を表面９１に正射影した方向と結晶位相差層８６の遅相軸８９とが平行になるように、傾斜位相差層８７は配置される。

このように結晶位相差層８６と傾斜位相差層８７とから構成される位相差補償素子５７は、全体として、近似的に表面９１に対して傾斜した主屈折率の方向を持ち、これを略垂直に透過する光に１／４波長板相当の位相差を生じさせる。

また、位相差補償素子５８及び位相差補償素子５９も前述の位相差補償素子５７と同様にして、結晶位相差層と傾斜位相差層とから構成され、近似的に表面に対して傾斜した主屈折率の方向を持ち、透過する光に１／４波長板相当の位相差を生じさせる。

以上のように構成されるプロジェクタ１０の作用を説明する。例えば、図４に示すように、光源部３１から発せられた白色光のＲ光９４，Ｇ光，Ｂ光に色分解され、このうちＲ光９４は、偏光分離層６４に対して４５度の角度をなすように偏光ビームスプリッタ５１に入射する。

そして、Ｒ光９４は、偏光子３８によってＳ偏光に統一されているから、偏光分離層６４に反射され、位相差補償素子５７を透過し、反射表示素子５４に略垂直に入射する。このとき、反射表示素子５４に入射するＲ光９４はＳ偏光であるが、反射表示素子５４のオン画素に反射されるとＰ偏光に変換される。一方、反射表示素子５４のオフ画素に反射されると、Ｓ偏光のまま反射される。すなわち、反射表示素子５４に反射されたＲ光９４は、反射表示素子５４の各画素のオン，オフを反映したＲ情報光９５として、再び偏光ビームスプリッタ５１に入射する。

このＲ情報光９５のうち、オフ画素から入射するＳ偏光は、偏光分離層６４に反射される。一方、Ｒ情報光９５のうち、オン画素から入射するＰ偏光は、偏光分離膜６８Ｒを透過する。したがって、Ｒ情報光９５のうちオン画素由来のＰ偏光成分だけが投映光に寄与する。

ここで、偏光分離層６４に対して４５度となる入射角度を基準とすると、Ｒ光９４には、角度θだけ傾斜して偏光ビームスプリッタ５１に入射する成分、いわゆるスキュー光線９６が含まれている。プロジェクタ１０の場合、スキュー光線９６が傾斜して偏光ビームスプリッタ５１に入射する角度θは、およそ２０度程度の範囲である。

このスキュー光線９６もまたＳ偏光であるから、偏光分離層６４に反射され、位相差補償素子５７の法線に対して角度θだけ傾斜した方向から位相差補償素子５７へと入射し、これを透過する。さらに、位相差補償素子５７を斜めに透過したスキュー光線９６は、反射表示素子５４に対して角度θだけ傾斜した方向から入射し、オン画素又はオフ画素に反射され、情報光９７Ｒとなり、再び偏光ビームスプリッタ５１へと入射する。

このときのスキュー光線に対する位相差補償素子５７の作用を図５（Ａ）及び（Ｂ）によって説明する。図５は、図４に示した光線のうち、オフ画素で変調されるある１本のスキュー光線の偏光状態を示した図であり、図５（Ａ）は位相差補償素子５７を設けない場合を示し、図５（Ｂ）は位相差補償素子５７を設けた場合を示すものである。図５（Ａ），（Ｂ）に共通して偏光分離層５７で反射された直後のスキュー光線の偏光軸９８は、偏光分離層５７の平面と光線の幾何学的な関係によって決定されるＳ偏光の方向となるので、傾斜したものになる。

図５（Ａ）に示すように、位相差補償素子５７を設けない場合の情報光の偏光軸９９ａは、スキュー光線の偏光軸９８と同じ方向に傾斜している。ところが、この偏光軸の方向は、偏光分離層５７に対して、正確なＳ偏光の角度とは異なるので、偏光ビームスプリッタ５１を一部通過してしまい、十分なコントラストが得られない。これに対して、図５（Ｂ）に示すように、位相差補償素子５７を設けた場合の情報光の偏光軸９９ｂは、偏光分離層５７に対して、正確なＳ偏光の角度と良く一致するようになるので、偏光ビームスプリッタ５１で十分なコントラストが得られるようになる。

図５では液晶表示素子５４のある画素に入射する光のうち１本のスキュー光線を示したが、実際には、スキュー光線の偏光軸９８の傾斜角度は、入射角度に応じて、約±５度の範囲で分布している。したがって、異なる入射角度のスキュー光線に由来する反射偏光が光束となっている。位相差補償素子５７を設けることによって、この光束を構成する全てのスキュー光線に対して適切に位相差補償することができ、情報光の偏光軸９９は偏光分離層５７に対して正確にＳ偏光となる方向に向けられる。

なお、位相差補償素子５７は偏光ビームスプリッタの角度依存性によるコントラスト低下の問題を解決するものであり、液晶表示素子の視野角依存性とは別個の問題を扱っている。したがって、液晶表示素子の視野角依存性を解決するためには、ＴＮ，ＶＡＮ，ＯＣＢ，ＩＰＳなどの各液晶モードに対応した位相差補償手段を別途適用すればよい。

上述した作用によって、位相差補償素子５７を斜めに透過するときに生じる位相差と、反射表示素子５４のオフ画素に斜めに入射，反射されるときに生じる位相差とを合計すると、スキュー光線９６由来の情報光９７は結果としてＳ偏光となる。したがって、スキュー光線９６がオフ画素に反射されてできた情報光９７は、偏光ビームスプリッタ５１に入射すると、偏光分離層６４に反射される。すなわち、反射表示素子５４に斜めに入射，反射することによってスキュー光線９６に生じる位相差は、位相差補償素子５７によって適切に補償され、スキュー光線９６に由来する情報光９７は投映像に寄与しない。

また、同様に、Ｇ光に含まれるスキュー光線は位相差補償素子５８によって補償されて、スキュー光線由来の情報光が偏光ビームスプリッタ５２を透過してしまうことは防止される。さらに、同様に、Ｂ光に含まれるスキュー光線は位相差補償素子５９によって補償されて、スキュー光線由来の情報光が偏子ビームスプリッタ５１Ｂを透過してしまうことは防止される。

こうしてプロジェクタ１０は、スキュー光線に由来する情報光を除き、良好なコントラストの投映像をスクリーン２６に映し出す。

具体的に、まず、水晶基板からなる結晶位相差層８６（すなわち、１／４波長板）を偏光ビームスプリッタ５１と反射表示素子５４との間に配置し、偏光ビームスプリッタ５１を介して、全ての画素がオフ画素に調節された反射表示素子５４のコノスコープ像を得た。

すると、図６（Ａ）に示すように、偏光ビームスプリッタ５１を透過する光の光量（以下、単に透過光量と称する）は、極めて狭い範囲に限り０．１％程度となった。さらに、反射表示素子５４の全ての画素がオフ画素に調節されているにもかかわらず、極角θが大きい部分では、１．０〜２．０％もの光が透過する部分もあった。このことは、１／４波長板だけでは、プロジェクタに含まれる極角θが２０度程度の範囲内のスキュー光線の位相差を十分には補償しきれず、投映像のコントラストが低下することを示す。

一方、材料としてＴａ_２Ｏ_５を用い、膜厚を０．５μｍとし、表面に対する主屈折率の方向の傾斜角度αが６０度（表面の法線に対して３０度の傾斜）となるよう作製した傾斜位相差層８７と、水晶基板からなる結晶位相差層８６とから位相差補償素子を作製した。なお、傾斜位相差層８６を表面に略垂直に透過する光に生じる位相差は３０ｎｍであった。

このように作製された位相差補償素子を用いて、前述と同様に反射表示素子５４のコノスコープ像を得ると、図６（Ｂ）に示すように、極角θが２０度の範囲内の大部分で、透過光量が０．１％程度と極めて小さくなった。また、極角θが大きい部分であっても、透過光量は０．２〜０．３％程度に過ぎなかった。このことは、単に１／４波長板を用いる場合と比較して、位相差補償素子がスキュー光線の位相差を有効に補償し、投映像のコントラストを有効に改善することを示す。

以上のように、本発明によれば、スキュー光線の位相差は有効に補償され、情報光のコントラストは広い視野角にわたって改善することができる。

このような機能を発揮するための本発明の位相差補償素子は、反射表示素子５４と平行な面内に遅相軸を有する第１複屈折素子と、反射表示素子５４と平行な面に対して傾斜した屈折率楕円体を有し、かつ、該屈折率楕円体が前記反射面と垂直な対称面を有し、該対称面内にある主屈折率の方向を前記反射面と平行な面内に正射影した方向が前記第１複屈折素子の前記遅相軸と略平行になるように配置される第２複屈折素子を、光の波長をλとするときに、前記反射液晶素子の反射面に垂直に進行する光が前記第１複屈折素子及び前記第２複屈折素子を透過するときに生じる位相差の合計が略λ／４となるように配置して組み合わせる事で実現できる。

上記実施例では、第１複屈折素子として用いた結晶位相差層８６は、延伸した高分子フィルムや水晶板、サファイヤ板などの材料で作成された一般に用いられるいわゆる波長板で良く、結晶軸を傾斜させて切り出すような高価なものは必要としない。延伸した高分子フィルムの場合にはガラスなどの基板に貼合したものでも良く、水晶やサファイヤなど板状結晶の場合には、上記実施例に記載したようにそれ自身を基板として使用しても良い。したがって、本発明は、安価に、かつ、容易に実現される。

その位相差は、適用する色の波長に対応して１／４波長に近い位相差値を有するものを用いるが、正確には、第２複屈折素子と組み合わせた時に合計の位相差値が略１／４波長になるように選択すれば良い。すなわち、例えば、上記実施形態では、傾斜位相差層８７に垂直に入射する光の複屈折は３０ｎｍであるから、結晶位相差層８６の厚さを、位相差にして３０ｎｍに相当する厚さだけ少なく設計し、傾斜位相差層８７による位相差と結晶位相差層による位相差との合計が１／４波長になるように設計れば、スキュー光線の位相差をより正確に補償することができる。もし、傾斜位相差層８７の垂直に入射する光に対する複屈折が３０ｎｍであっても、結晶位相差層８６の複屈折を打ち消す方向であれば、結晶位相差層８６の厚さを、位相差にして３０ｎｍに相当する厚さだけ多く設計すれば良い。

傾斜位相差層８７である第２複屈折素子としては、その屈折率楕円体が反射表示素子５４と平行な面に対して傾斜しており、その傾斜方向を含み、反射表示素子５４と垂直な面に対して面対称性を有している事が必要である。そのような複屈折体であれば、一軸性でも二軸性でも良く、また、正の複屈折体でも負の複屈折体でも良く、さらに、そのどちらにも分類されないものであっても良い。そのような例としては、棒状または円盤状の重合性液晶分子のハイブリッド配向状態を重合反応によって固定化した高分子膜が挙げられる。

第２複屈折素子の位相差値は、第１複屈折素子として用いた結晶位相差層８６と組み合わせたときに効果を発揮するように、その傾斜角度によって適切に選択すれば良い。反射表示素子５４と平行な面から２０度以上の傾斜角度を有する複屈折体であれば、位相差との合計が１／４波長よりも小さいものを用いる事ができるので、好都合である。

特に、斜方蒸着膜を用いた場合には、複屈折体の前記傾斜角度は、約４０度から約７０度と大きいので、傾斜位相差層８７の現実的な厚さは０．５μｍ程度で良く、傾斜位相差層８７を設けることによるヘーズの増大によりかえって偏光度が低くなるといった弊害は生じない。さらに、傾斜位相差層８７の主屈折率の方向は表面に対して４５度程度から９０度の作製の容易な範囲で良い。

なお、上記実施形態においては、傾斜位相差層の材料としてＴａ_２Ｏ_５を用いるが、これに限らず、他の無機材料を用いてもよい。例えば、ＴｉＯ_２，ＺｒＯ_２，ＳｉＯ_２，ＭｇＦ_２，ＣａＦ_２，ＣｅＯ_２，ＳｎＯ_２，Ｉｎ_２Ｏ_３，ＺｒＴｉＯ_４，ＨｆＯ_２，Ａｌ_２Ｏ_３，ＭｇＯ，ＡｌＦ_３，ダイヤモンド薄層，ＬａＴｉＯ_ｘ，酸化サマリウムなどを用いることができる。このような無機材料を用いて傾斜位相差層を作製することで、長期間安定して動作する偏光制御システム及びプロジェクタを提供することができる。

なお、上記実施形態においては、傾斜位相差層の材料として、Ｔａ_２Ｏ_５を用いるが、これに限らず、例えば重合性液晶高分子などを用いてもよい。例えば、重合性液晶高分子をＯ−ｐｌａｔｅとして用いる場合、高照度環境において長時間使用すると紫外線などの影響でその性質が劣化してしまが、１／４波長板である結晶位相差層が最低限の位相差補償を行うから、長期間安定して動作する偏光制御システム及びプロジェクタを提供することができる。

なお、上記実施形態では、反射表示素子５４，５５，５６を用いたがこれに限らず、他の表示装置を用いても良い。例えば、透過型の液晶表示装置などを用いても良い。さらに、液晶の動作モードなども周知の何れの機構の液晶をも用いることができる。

なお、上記実施形態では、傾斜位相差層８７は、結晶位相差層８６の表面に斜方蒸着することによって一体に設けるが、これに限らず、反射表示素子の反射電極と偏光ビームスプリッタの偏光分離層との間の所望の位置に傾斜位相差層を設けることができる。

例えば、図７（Ａ）に示すように、傾斜位相差層１０１を結晶位相差層１０２と分離し、反射表示素子１０３と結晶位相差層１０２との間に設けても良い。さらに、図７（Ｂ）に示すように、偏光ビームスプリッタ１０６と結晶位相差層１０２との間に、傾斜位相差層１０１を設けても良い。また、傾斜位相差層１０１を単独で設けるときには、傾斜位相差層１０１はガラスなどからなる透明基板の上に作製すれば良い。

また、例えば、図７（Ｃ）に示すように、反射表示素子１０３に対向する偏光ビームスプリッタ１０６の表面に傾斜位相差層１０１を設けても良い。

さらに、例えば、図７（Ｄ）に示すように、偏光ビームスプリッタ１０６の内部に、反射表示素子１０３と対向する偏光分離層１０７の表面に、傾斜位相差層１０１を設けても良い。このように、偏光分離層１０７の表面に傾斜位相差層１０１を作製すると、偏光分離層１０７は入射光線に対して４５度の角度に傾いて設置されるから、結果として入射光線に対して予め傾いた面上に傾斜位相差層１０１を作製することができる。したがって、傾斜位相差層１０１を斜方蒸着によって作製するときに、傾斜する主屈折率の方向を決定する斜方蒸着の方向はさらに容易な方向となり、傾斜位相差層１０１の作製がより容易になる。一方、偏光分離層１０７に対して浅い角度方向から斜方蒸着し、傾斜位相差層１０１を作製することで、より薄く、ヘーズの低い傾斜位相差層１０１を容易に作製することができる。

同様にして、上記実施形態では、傾斜位相差層は結晶位相差層とともに設けられるが、これに限らず、傾斜位相差層は反射表示素子とともに設けても良い。例えば、反射表示素子の表面や内部に傾斜位相差層を予め設けても良い。すなわち、傾斜位相差層は、偏光ビームスプリッタの偏光分離層と反射表示素子の反射電極との間であれば、何れの場所に設けても良い。

なお、上記実施形態及び実施例では、本発明の偏光制御システムをプロジェクタに用いる例を示したがこれに限らず、偏光ビームスプリッタを用いる他の光学系にも本発明の偏光制御システムを適用することができる。例えば、ＣＤなど光ディスクの読み込み又は書き込み装置などに本発明の偏光制御システムを用いることができる。

本発明のプロジェクタの外観を示す斜視図である。 本発明の光学的構成を示す概略図である。 位相差補償素子の構成を示す斜視図である。 位相差補償素子がスキュー光線の位相を補償する様子を示す説明図である。 位相差補償素子によってコントラストが改善される様子を示す説明図である。 （Ａ）結晶位相差層だけを設けた場合の反射表示素子のコノスコープ像と、（Ｂ）位相差補償素子を設けた場合の反射表示素子のコノスコープ像である。 傾斜位相差層を配設することができる位置を示す概略図である。

符号の説明

１０ プロジェクタ
１７ 反射表示光学システム（偏光制御システム）
３１ 光源部
３２ 投映光生成部
４６，４７ ダイクロイックミラー
５７，５８，５９ 位相差補償素子
５１，５２，５３，１０６ 偏光ビームスプリッタ
５４，５５，５６，１０３，１１１ 反射表示素子（反射素子）
６２ クロスダイクロイックプリズム
６４，６７，６９，１０７ 偏光分離層
７１，７２，７３ 反射面
８１Ｒ，８１Ｂ ダイクロイック面
８６，１０２ 結晶位相差層（第１複屈折素子）
８７，１０１ 傾斜位相差層（第２複屈折素子）
８８ 進相軸
８９ 遅相軸
９０ 主屈折率の方向
９４ 光線
９５，９７ 情報光
９６ スキュー光線

Claims (4)

1. 入射する光を偏光方向に応じて分離して、反射又は透過させる偏光分離層を有する偏光ビームスプリッタと、
   前記偏光ビームスプリッタから入射する光を前記偏光ビームスプリッタに向けて反射する反射面を有し、該反射面で光を反射する前後で入射する光に対して反射する光の偏光方向を制御する反射液晶素子と、
   前記偏光ビームスプリッタの前記偏光分離層と前記反射液晶素子の前記反射面との間に、表面が前記反射面と略平行になるように配置されるとともに、前記反射面と平行な面内に遅相軸を有する第１複屈折素子と、
   前記偏光ビームスプリッタの前記偏光分離層と前記反射液晶素子の前記反射面との間に、前記反射面と平行な面に対して傾斜した屈折率楕円体を有し、かつ、該屈折率楕円体が前記反射面と垂直な対称面を有し、該対称面内にある主屈折率の方向を前記反射面と平行な面内に正射影した方向が前記第１複屈折素子の前記遅相軸と平行になるように配置される第２複屈折素子と
   を備え、
   光の波長をλとするときに、前記反射液晶素子の反射面に垂直に進行する光が前記第１複屈折素子及び前記第２複屈折素子を透過するときに生じる位相差の合計が略λ／４となることを特徴とする偏光制御システム。
2. 前記第２複屈折素子は、無機材料を斜方蒸着して作られた斜方蒸着膜であることを特徴とする請求項１記載の偏光制御システム。
3. 前記第２複屈折素子は、重合性液晶分子の重合体からなることを特徴とする請求項１記載の偏光制御システム。
4. 請求項１ないし３いずれかに記載の偏光制御システムを備えることを特徴とするプロジェクタ。

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