JP2018060089A - 光学系および画像投射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】２軸屈折率異方性を有する位相補償素子を用いて、偏光分離素子からの漏れ光を減少させる。【解決手段】光学系は、入射光を偏光方向に応じて分離する偏光分離面３ａ１を有する偏光分離素子３ａと、偏光分離素子から出射した偏光光を変調する光変調素子４と、偏光分離素子と光変調素子との間に配置された位相補償素子２とを有する。位相補償素子は、主屈折率がｎａ＜ｎｂ＜ｎｃである２軸屈折率異方性を有し、その光学面に垂直入射する波長λの偏光光に対してλ／４よりも大きな位相差を与える。偏光分離素子の透過面の法線方向をｚ軸、ｚ軸と偏光分離面の法線方向に対して直交する軸をｘ軸、ｚ軸とｘ軸の双方に対して直交する軸をｙ軸とする。主屈折率のうち１つの方向はｘ軸に平行で、他の２つの方向はともにｙｚ面内にあってｚ軸またはｙ軸に対して傾いている。【選択図】図１

Description

本発明は、プロジェクタ等の画像投射装置に好適な光学系に関する。

プロジェクタには、光源からの照明光を複数の色光に分離して複数の光変調素子に導き、該複数の光変調素子からの複数の変調光（画像光）を合成して投射レンズに導く分離合成光学系（以下、単に光学系ともいう）が用いられる。この光学系では、偏光方向を利用して光の分離や合成を行うための光学素子として、偏光分離素子、偏光板および位相補償板等が用いられる。

ただし、上記のような光学系において、液晶パネル等の光変調素子が黒表示状態であるにもかかわらず、投射レンズ側に光が漏れることにより、投射画像のコントラストが低下する。特に偏光分離素子や位相補償板はその偏光特性に入射角度依存性があるため、これらの光学素子によって全ての入射角度や入射方位の偏光を一様に分離することはできず、これらの光学素子を出射した光の一部は漏れ光となる。また、反射型光変調素子を用いる場合には、その画素配列によって正反射光以外に回折光が生じる。回折光は正反射光とは異なる方向に進むため、漏れ光となりやすい。

このような漏れ光を低減するために、特許文献１および特許文献２には、様々な位相補償板を偏光分離素子と光変調素子との間に配置した光学系が開示されている。例えば、特許文献１には、厚みと光学軸の方位に適切に設定した位相補償板を偏光分離素子と光変調素子との間に配置することにより、偏光分離素子に起因する漏れ光を低減することが可能な光学系が開示されている。また、特許文献２には、媒質の斜め蒸着によって２軸の屈折率異方性を備える位相補償板（Ｏプレート）の構成を、他の位相補償板（Ｃプレート）との配置関係を考慮して設定することで、漏れ光を低減することが可能な光学系が開示されている。

特開２０１１−０３３７６２号公報 特開２０１１−１９７２１３号公報

しかしながら、特許文献１にて開始された光学系では、位相補償板として１軸の屈折率異方性を有する無機誘電体結晶が用いられており、高価である上に厚みが非常に薄いためにハンドリングが困難である。また、特許文献２にて開示された光学系では、２軸屈折率異方性を有する位相補償板であるが、入射光に対する主屈折率の方向や入射光に付与する位相差の大きさから見て、偏光分離素子に対する十分な位相補償効果、すなわち漏れ光の低減効果が得られない。

本発明は、２軸屈折率異方性を有し、偏光分離素子からの漏れ光を十分に減少させることができる位相補償素子を有する光学系を提供する。

本発明の一側面としての光学系は、入射する光を偏光方向に応じて分離する偏光分離面を有する偏光分離素子と、該偏光分離素子から出射した偏光光を変調して反射する光変調素子と、偏光分離素子と光変調素子との間に配置された位相補償素子とを有する。位相補償素子は、３つの主屈折率ｎａ，ｎｂ，ｎｃがｎａ＜ｎｂ＜ｎｃである２軸の屈折率異方性を有し、かつ該位相補償素子の光学面に対して垂直に入射する波長λの偏光光に対してλ／４よりも大きな位相差を与える。偏光分離素子の透過面の法線方向に延びる軸をｚ軸とし、該ｚ軸と上記透過面に対して傾いた偏光分離面の法線方向の双方に対して直交する軸をｘ軸とし、ｚ軸とｘ軸の双方に対して直交する軸をｙ軸とするとき、３つの主屈折率のうち１つの方向はｘ軸に平行であり、３つの主屈折率のうち他の２つの方向はともにｙｚ面内にあってｚ軸またはｙ軸に対して傾いていることを特徴とする。

なお、上記光学系と、光源からの光を偏光分離素子に導く照明光学系と、光変調素子からの光を被投射面に投射する投射光学系とを有する画像投射装置も、本発明の他の一側面を構成する。

本発明によれば、２軸屈折率異方性を有する位相補償素子を用いて、偏光分離素子からの漏れ光を十分に減少させることができるようにした光学系を実現することができる。そして、この光学系を用いた画像投射装置によれば、高いコントラストの投射画像を表示することができる。

本発明の実施例である分離合成光学系の基本的な構成を示す図。 実施例における偏光分離素子を透過する光の入射角度ごとの偏光状態を示す図。 実施例における位相補償板を透過する光の入射角度ごとの偏光状態を示す図。 ２軸屈折率異方性を有する媒質における光の入射角度ごとの屈折率楕円体の断面分布を示す図。 図４の媒質における角度θの変化に対する断面分布の変化を示す図。 ２軸屈折率異方性を有する他の媒質における光の入射角度ごとの屈折率楕円体の断面分布を示す図。 図６の媒質における角度θの変化に対する断面分布の変化を示す図。 斜め蒸着結晶を用いた位相補償板の構成と屈折率異方性を示す図。 本発明の実施例１であるプロジェクタの構成を示す図。 本発明の実施例２であるプロジェクタの構成を示す図。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

図１には、本発明の代表的な実施例としての分離合成光学系（以下、単に光学系ともいう）の基本的な構成を示している。該光学系は、偏光分離面３ａ１を有する偏光分離素子３ａと、光変調素子としての反射型液晶パネル（以下、単に液晶パネルという）４と、偏光分離素子３ａと液晶パネル４との間に配置された２軸の屈折率異方性を有する位相補償板（位相補償素子）２とを有する。なお、光変調素子として、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）を用いてもよい。

以下の説明において、偏光分離素子３ａの液晶パネル側（光変調素子側）に位置する透過面Ｓの面法線方向に延びる軸をｚ軸とする。また、ｚ軸と該透過面Ｓに対して傾いた（本実施例では４５度をなす）偏光分離面３ａ１の面法線方向ｎの双方に対して直交する軸をｘ軸とする。さらに、ｚ軸およびｘ軸の双方に直交する軸をｙ軸とする。位相補償板２は、偏光分離素子３ａの透過面Ｓと平行に配置されている。また、位相補償板２の２軸屈折率異方性の３つの主軸が延びる方向におけるそれぞれの屈折率である主屈折率をｎａ，ｎｂ，ｎｃとする。３つの主屈折率がｎａ＞ｎｂ＞ｎｃであるとき、１つの主屈折率ｎｂの方向はｘ軸と平行である。さらに、他の２つの主屈折率ｎａ，ｎｃの方向はともにｙｚ面内にあってｙ軸またはｚ軸に対して傾いている。

次に、本実施例における位相補償板２による偏光分離素子３ａに対する位相補償効果（以下、補正効果ともいう）について説明する。

まず、液晶パネル４の近傍における光波の振る舞いについて説明する。図１に示す光学系では、まず光源側から不図示の照明光学系を通って、一様な偏光状態を有して偏光方向がｙ軸の方向（ｙ方向）である直線偏光としての照明光１がＰ偏光として偏光分離素子３ａに入射する。偏光分離素子３ａは、その偏光分離面３ａ１においてＰ偏光を透過してＳ偏光を反射する。ここでは、照明光１は偏光分離面３ａ１を透過する。

偏光分離面３ａ１を透過して透過面Ｓから偏光分離素子３ａを出射した照明光１は、位相補償板２を透過し、さらに液晶パネル４に入射する。本実施例において液晶パネル４はＶＡモードで動作するＶＡ液晶により構成され、該液晶パネル４の複数の画素のそれぞれにおける液晶分子はｘ軸またはｙ軸に対して４５度をなす方位において黒表示状態で所定のチルト角（プレチルト角）で配向している。液晶パネル４は、該液晶パネル４を駆動する画像信号（原画像）の輝度に応じて液晶分子のチルト角度またはチルト時間を変化させることにより、入射偏光の偏波面を変化させる。これにより、照明光１を画像光５に変調するとともに、反射する。

液晶パネル４により反射された画像光５は、再び位相補償板２を透過し、さらに透過面Ｓから偏光分離素子３ａに入射する。照明光１に対して偏光状態が異なる画像光５のうちｘ軸の方向（ｘ方向）を偏光方向とする偏光光であるＳ偏光は偏光分離面３ａ１で反射されて投射レンズ側へ導かれ、その後、不図示の投射レンズによってスクリーン等の被投射面に投射される。これにより、投射画像が表示される。一方、画像光５のうち偏光分離面３ａ１で反射されずに画像投射に寄与しない偏光光であるＰ偏光は、偏光分離面３ａ１を透過して画像光とは光路が分離される。

本実施例の光学系においては、偏光分離素子３ａの偏光特性が投射画像のコントラストに大きな影響を及ぼす。さらに、偏光分離素子３ａに入射する光束は、光学系のＦナンバーに応じた入射角度を有する。以下、偏光分離面３ａ１に対してある入射角度で入射する光束に対する偏光分離素子３ａの偏光特性について説明する。

図２（ａ）には、偏光分離素子３ａを透過するＰ偏光としての光束の偏光状態を示す。図中の左側の円は偏光分離素子３ａに入射する光束の角度成分（瞳分布）を表している。偏光分離素子３ａに入射する偏光は予め一様な偏光状態、すなわちｙ方向に振動する一様な直線偏光として形成されている。偏光分離素子３ａを挟んだ左側の円には、偏光分離素子３ａを透過した光束の偏光状態の角度分布７を表す。図２（ｂ）には、偏光分離素子３ａを透過した光束のｘｙ面での偏光状態の角度分布７を示す。なお、図２（ａ）の左側の円内の太実線は、図２（ｂ）に示した偏光分離素子３ａを透過した光束の偏光状態の一部を抜粋して示している。

偏光分離素子３ａを透過する光束の角度成分のうちｙｚ面内の角度成分については、入射偏光の振動方向と偏光分離面３ａ１でのＰ偏光の振動方向とが平行であるために、入射偏光と同様な偏光状態の成分として透過する。しかし、ｙｚ面内以外から入射する成分、すなわちｘ方向に振動する成分を有する光線（スキュー光線）には、入射偏光の振動方向と偏光分離面３ａ１に対するＰ偏光の振動方向に対して、振動方向のずれが生ずる。この結果、偏光分離素子３ａから出射した後の偏光光の偏光状態は、入射角度および入射方位に応じて変化する。このとき、入射した偏光光の一部は偏光分離面３ａ１で反射してｙ方向に進む。さらに、この変化は偏光分離素子３ａへの入射時と液晶パネル４で反射された後の偏光分離素子３ａからの出射時の両方で発生する。

例えば、液晶パネル４が黒表示状態にある場合には、本来は入射偏光の全ての成分が偏光分離素子３ａを透過して光源側に戻ることが望ましい。しかし、実際には液晶パネル４に固有の位相ずれや偏光分離素子３ａ自体の消光比に起因する漏れ光に加え、偏光分離素子３ａでの偏光分離方向のずれ量に応じて、一部の光が漏れ光として投射レンズ側に反射される。特に、照明光学系のＦナンバーが小さく、偏光分離素子３ａへの入射角度の最大値が大きい場合には、後者の漏れ光が支配的になる。

このような漏れ光に対して、図３（ａ）に示すように偏光分離素子３ａと液晶パネル４との間に２軸屈折率異方性を有する位相補償板２を配置することで、入射角度および入射方位に応じた偏光状態の角度分布を補正することができる。具体的には、位相補償板２に各入射角度で各入射方位から入射する光束に対して、位相補償板２の屈折率楕円体の主屈折率および配向方向を図４（ａ）に示すようにｘ軸を回転軸として傾けて配置する。図４（ａ）の例では、位相補償板２の主屈折率をｎａ＞ｎｂ＞ｎｃとするとき、該位相補償板２を主屈折率ｎｂの方向がｘ軸と平行となり、主屈折率ｎａ，ｎｃの方向がともにｙｚ面内にあってｚ軸に対して傾くように配置している。このように配置された位相補償板２を透過した光束は、図２（ｂ）に示した角度分布７を有する状態から図３（ｂ）に示す角度分布８を有する状態に補正される。

図４（ｂ）には、位相補償板２に入射する光束（光線）の各入射角度および各入射方位に対する屈折率楕円体の断面形状の分布を示す。各入射光線は、屈折率楕円体の断面の楕円により決まる屈折率異方性と長軸および短軸の軸方位角度とに依存した偏光状態の変化を受ける。図４（ｂ）では、入射光線のｚ軸に対する傾き角度に依存して屈折率楕円体の断面の軸角度がｘ軸ないしｙ軸に対して傾いており、かつほぼλ／２の位相差が入射光線に付与される。

このように配置された位相補償板２は、各入射角度および各入射方位に対して図４（ｂ）に示す適切な軸方位で作用するλ／２板となる。この結果、偏光分離素子３ａを透過した図２（ｂ）に示す偏光状態を有する光束を、図３（ｂ）に示すように一様にｙ方向に振動する直線偏光に補正することができる。

このとき、特許文献１にて開示された光学系のように位相補償板が１軸屈折率異方性を有する場合は、異常光の屈折率の方向である光学軸をｙｚ面内とした上で位相補償板の厚み方向および光学軸方向がｚ軸となす角度のみを設定すればよい。しかし、２軸屈折率異方性を有する本実施例の位相補償板２では、まず光学軸が２方向に存在する。そして、主屈折率の方向によっては、図４（ｂ）に示すような屈折率楕円体の断面形状分布は、入射光束の入射角度および入射方位に対して必ずしも一様ではない。

このため、単に１つの光学軸の方向および傾き角度のみを制御するだけでは、偏光分離素子３ａに対する位相補償効果は得られない。本実施例の位相補償板２にて図４（ｂ）に示すような屈折率楕円体の断面形状の分布を得るには、主屈折率ｎａ，ｎｂ，ｎｃの方向と大小関係とを考慮しつつ、位相補償板２の光学面の面法線方向に対するｙｚ面内の主屈折率の傾き角度θを適切に制御する必要がある。

まず、図４（ａ）に示すように、２軸屈折率異方性の主屈折率のうち中間の屈折率であるｎｂの方向がｘ軸と平行である場合について説明する。この場合は、２軸屈折率異方性の２つの光学軸はそれぞれｙｚ面内に存在する。このとき、図４（ｂ）に示すような（または位相補償効果として図４（ｂ）に示すものと等価な）分布を得るための傾き角度θの条件が２つ存在する。

図５（ａ）〜（ｅ）には、図４（ａ）に示す２軸屈折率異方性において、主屈折率ｎａの方向がｚ軸に対してなす角度（以下、単に傾き角度といとう）θを０ｄｅｇから９０ｄｅｇまで変化させたときの屈折率楕円体の断面分布の変化を示す。θが０ｄｅｇとはｚ軸と平行であることを意味し、θが９０ｄｅｇとはｙ軸と平行であることを意味する。図５（ａ）はθが０ｄｅｇである場合を、図５（ｃ）は１つの光学軸がｚ軸と平行である場合を、図５（ｅ）はθが９０ｄｅｇである場合を示している。また、図５（ｂ）は図５（ａ）の場合と図５（ｃ）の場合との中間の場合を示している。図５（ｄ）は図５（ｃ）の場合と図５（ｅ）の場合との中間の場合を示している。傾き角度θを変化させていくと、図５（ｃ）に示す場合を挟んで断面分布の形状が縦横反転したように変化する。このため、図５（ｂ）と図５（ｄ）に示す場合は、図４（ｂ）に示す楕円断面分布と等価な対称性を有し、偏光分離素子３ａを透過した光束の偏光状態を補正する補正効果を得るために良好な条件となる。したがって、図４（ａ）に示すような２軸屈折率異方性を有する位相補償板２により偏光分離素子３ａに対する補正効果が得られる傾き角度θの条件は、図５（ａ）の場合と図５（ｃ）の場合の間および図５（ｃ）の場合と図５（ｅ）の場合との間に２つ存在する。

より具体的には、２軸屈折率異方性を有する位相補償板２において最適な傾き角度θは、光学軸の方向に影響する。また、その光学軸の方向は、主屈折率ｎａ，ｎｃに対するｎｂの大きさ、すなわちｎａおよびｎｃに対するｎｂの差であるΔｎ_ａｂおよびΔｎ_ｂｃに依存する。

主屈折率ｎａおよびｎｃのうち一方に対してｎｂが近いと、光学軸の方向がｎａまたはｎｃの方向に近づき、傾き角度θに対する敏感度が増大する。このため、ｎａとｎｂとの差を屈折率差Δｎ_ａｂとし、ｎｃとｎｂとの屈折率差をΔｎ_ｂｃとし、ｎａとｎｃの屈折率差Δｎ_ａｃとするとき、
Δｎ_ａｃ／１０≦Δｎ_ａｂ、かつΔｎ_ａｃ／１０≦Δｎ_ｂｃ （１）
なる条件を満足することが望ましい。

式（１）の条件を満足した上で、傾き角度θが０ｄｅｇから９０ｄｅｇの中で最も小さいという条件で最適な構成を得る場合には、傾き角度θは５ｄｅｇ以上３５ｄｅｇ以下に抑えることが望ましい。さらに言えば、傾き角度θは、１０ｄｅｇ以上３０ｄｅｇ以下の範囲とすることが望ましい。傾き角度θが最も大きいという条件では、傾き角度θは６５ｄｅｇから８５ｄｅｇの範囲とすることが望ましい。これらの条件のうちどちらを選択するかは、位相補償板２自体の面外位相差の扱いや位相補償板２の製法等によって決定すればよい。

また、図示はしないが、図４（ａ）において主屈折率ｎａとｎｃの大きさの関係が逆、すなわちｎａ＜ｎｃである場合でも、屈折率楕円体の断面形状は変化するものの基本的な光波の振る舞いや満足すべき条件は同じである。

位相補償板２の厚み（膜厚）は薄い方が望ましく、例えば５００ｎｍ以上３．５μｍ以下であることが望ましい。

次に、主屈折率ｎｂの方向がｙｚ面内に存在する場合について説明する。例として、図６（ａ）に示すように、主屈折率ｎａの方向がｘ軸と平行であり、主屈折率ｎｂおよびｎｃの方向がｙｚ面内にある図６（ａ）のような場合について説明する。このような場合には、２つの光学軸はともにｙｚ面内には存在しない。

しかし、主屈折率ｎｂの方向がｚ軸となす角度を適切に設定することで、図６（ｂ）に示すような屈折率楕円体の断面分布となる。この状態は、図４（ｂ）と近い対称性を示し、このような条件でも本実施例の効果は得られる。

図７（ａ）〜（ｃ）には、主屈折率ｎｂの方向がｚ軸となす傾き角度θを変化させたときの屈折率楕円体の断面分布を示す。図７（ａ）は傾き角度θが０ｄｅｇである場合を、同（ｃ）は傾き角度θが９０ｄｅｇである場合を示している。図７（ｂ）は傾き角度θがこれらの中間である場合を示す。

図７（ａ）と図７（ｃ）においてｘ軸およびｙ軸に対して対称な分布となる点は、図５（ａ），（ｅ）と共通である。しかし、光学軸がｙｚ面内になくても主屈折率ｎｂ（またはｎｃ）の方向がｚ軸に対してある角度以上の傾き角度θを有する場合には、図７（ｂ）に示すような断面分布となり、偏光分離素子３ａに対する良好な補正効果を得ることができる。このとき、主屈折率ｎｂの方向がｚ軸に対してなす傾き角度θは４５ｄｅｇよりも大きな角度であることが望ましく、より具体的には５０ｄｅｇ以上７０ｄｅｇ以下の範囲であることが望ましい。また、それぞれの主屈折率の差について、図６（ａ）に示す構成においては、主屈折率ｎｂがｎｃに近いと、ｘ軸に平行な光学軸を有する１軸屈折率異方性の媒質に近づくため、上記補正効果が得られなくなる。このため、屈折率差Δｎ_ｂｃよりもΔｎ_ａｂの方が小さくなるように選択することが望ましい。さらに、図６（ａ）に示した主屈折率ｎａとｎｃの大きさの関係が逆である場合には、屈折率楕円体の断面形状は変化するものの、基本的な振る舞いや満足すべき条件は同じである。

図４（ａ）や図６（ａ）以外の条件、例えば２軸屈折率異方性の主屈折率の方向がｘ軸と平行でない場合には、偏光分離面に対する屈折率楕円体の角度分布の対称性が崩れるため、上記補正効果が得られないばかりか不要な位相差分布を発生させるため望ましくない。本実施例における位相補償板２は、偏光分離素子３ａにより生じる、入射角度分布に対して非対称（ｙ軸に関しては対称であるが、ｘ軸に関しては非対称）な偏光特性を補正する。このため、前述した対称性に整合しないような屈折率異方性の光学軸の配置は好ましくない。このような配置の例としては、例えば液晶パネルからの光束の偏光状態を補正するために、液晶のチルト角度やチルト方位に対して適切な角度で光学軸が傾いた位相補償板を配置することがある。このような位相補償板は、本実施例で説明している位相補償板２とは別に配置する必要がある。他の位相補償板の好ましい配置例については後述する。

また、本実施例にいう偏光分離素子３ａに対する補正効果を得るためには、位相補償板２に入射する直線偏光の偏光方向を一様にｘ軸またはｙ軸に対して傾いた方向に揃えることが望ましい。そのためには、光学軸の角度だけでなく位相差も適切に設定する必要がある。各入射角度に対して一様な位相差を付与することは難しいが、少なくとも位相補償板２に垂直に入射する波長λの偏光光に対してλ／４よりも大きな位相差を与えることが望ましく、さらにはほぼλ／２程度の位相差を与えることがより望ましい。ただし、画像表示素子（黒表示状態）で生じる位相差や、後述する第２の位相補償板の位相差量に応じて最適な位相差は変化する場合がある。

ここで、波長λは位相補償板２に入射する主たる波長帯域内の光の波長を示す。具体的には、入射する光の波長帯域幅のうち最も高い強度を有する波長または該波長帯域幅の中心付近の波長であることが望ましい。

実際には、位相補償板２に最適な位相差は、光路中に配置される他の位相補償板を考慮した上で適切に決定される。他の位相補償板により与えられる位相差を考慮した場合には、位相補償板２が与える位相差をλ／２よりも小さい値に設定することが望ましい場合が多い。しかし、位相補償板２の位相差がλ／４以下となる場合には、他の位相補償板との組み合わせを考慮しても偏光分離素子３ａに対する補正効果が大きく損なわれるため、好ましくない。

また、３λ／４を超えるような高次の位相差を用いる場合は、ほぼλ／２の奇数倍に対して同様の補正効果は期待されるものの、波長特性等により補正効果に対する敏感度が増大するため、レーザ光源等の狭帯域の光源を用いる場合以外は避けることが望ましい。

本実施例における位相補償板２の作製方法は様々あるが、特に無機誘電体材料を斜め蒸着することで形成した膜を用いて作製することが望ましい。図８には、この斜め蒸着法を用いた位相補償板２の構成例を示す。斜め蒸着のプロセスについての説明はここでは省略する。基板１１の表面（基板面）に蒸着材料としてのＴｉＯ_２，Ｔａ_２Ｏ_５，Ｎｂ_２Ｏ_３等の金属酸化物を斜め蒸着することにより、図示のように基板面に対して斜めに傾いた板状（柱状を含む）の蒸着材料の結晶が基板面に沿って複数配置された微細構造１２が形成される。微細構造１２において板状の結晶が並んだ方向を構造周期方向というとき、該構造周期方向における各結晶の幅および結晶が並ぶ周期は使用波長に対して十分に微細である。また、微細構造１２における各結晶の長手方向である構造斜め方向がｚ軸に対してなす傾き角度θａは、５ｄｅｇ以上４０ｄｅｇ以下である。微細構造１２は、構造斜め方向または構造周期方向において構造複屈折に起因する屈折率異方性を発現する。該微細構造１２の厚み（膜厚）を制御することで該微細構造１２が入射光に対して与える位相差を制御することができるため、この微細構造１２を用いて容易に０次の位相補償板を作製することができる。

このような斜め蒸着法を用いた位相補償板２の作製には以下のような利点がある。まず斜め蒸着の角度を制御することにより、構造斜め方向（傾き角度θａ）を容易に調整することができる。このため、例えば１軸屈折率異方性を有する結晶等の材料を目標とする角度で切り出すような場合と比較して、加工コストを低く抑えることができる。また、１軸屈折率異方性を有する結晶を使用する場合に０次の位相補償板として使用するためには、厚みを非常に薄くする必要があり、加工精度やハンドリングに問題が生じる。これに対して斜め蒸着を行う場合には、基板面上に直接、薄膜を形成することができるため、偏光分離素子の透過面や別の位相補償板の表面等に形成することができる。この結果、基板や反射防止膜の共通化により部品点数を削減できるだけでなく、ハンドリングも容易になる。また、斜め蒸着により接着が不要となり、位相補償板としての素子全体を無機誘電体材料により形成することができるため、耐熱性や耐久性にも優れた位相補償板を実現することができる。

本実施例における位相補償板の作製方法には、上述した斜め蒸着法以外にも、２軸屈折率異方性を有する液晶材料を適切に配向させて作製する方法や、使用波長より小さい微細構造をナノインプリントやリソグラフィを用いて形成する方法等がある。リソグラフィ等の製法を用いれば、構造複屈折による２軸屈折率異方性を精度良く制御することができる。また、ナノインプリント法を用いれば、低コストで位相補償板を作製することができる。

さらに、基板面上に予め微細構造を形成しておき、その基板面上に斜め蒸着を行うことで、シャドウイングにより予め用意した表面構造に準じた微細構造が成長する。この結果、通常の平滑面上に斜め蒸着を行う場合に比べて、屈折率差や異方性の大きさ等において所望の光学特性を得やすい。このため、低アスペクト比の微細構造をリソグラフィまたはナノインプリントで作製し、その後に斜め蒸着法によりアスペクト比の高い構造を得るというような製法の組合せも有効である。本実施例における位相補償板の作製方法については、上述した方法以外にも使用環境や求められる品質に応じて適宜、適切な材料と製法を選択すればよい。

図１には光学系の１つの構成例を示したが、本発明の実施例はこれに限定されるものではない。例えば、位相補償板２が、偏光分離素子３ａにおける液晶パネル側の透過面Ｓ側ではなく、それとは反対側の透過面（入射面）側に設けられる場合であってもこれまでに説明した補正効果と同じ補正効果が得られる。

また、任意の他の位相補償板を追加することも可能である。例えば、液晶パネル４がＶＡ液晶により構成されている場合には、液晶パネル４の液晶分子は黒表示状態においてもわずかなプレチルト角を有する。この微小なプレチルト角による位相差は第１の位相補償板を回転させることでも補正することができるが、これにより第１の位相補償板の偏光分離素子に対する補正効果が低減するおそれがある。これは、図４（ｂ）等を用いて説明した屈折率楕円体の断面分布が偏光分離面に対して非対称に傾いてしまうためである。このため、このようなプレチルト角による位相差に対する補正（以下、液晶プレチルトに対する補正という）を行うことが望ましい。そこで、本実施例の位相補償板２を第１の位相補償板とするとき、第１の位相補償板と液晶パネル４との間に、他の位相補償板として、その光学面内またはｘｙ面内に光学軸を有する第２の位相補償板（第２の位相差補償素子）を追加してもよい。

ただし、この第２の位相補償板の光学面内の位相差（面内位相差）は第１の位相補償板による偏光分離素子３ａに対する補正効果に影響を与える。特に第２の位相補償板の面内位相差がλ／４（０．２５λ）程度まで大きいと、第１の位相補償板に最適な位相差が減少し、偏光分離素子３ａに対する補正効果と液晶プレチルトに対する補正効果との両立が難しい。また、第２の位相補償板の面内位相差がλ／３２（０．０３１λ）程度よりも小さい場合には、液晶プレチルトに対する補正に必要な回転角が増大する。この場合には、まず液晶プレチルトに対する補正のための調整機構が大型化する。さらに、ｘｙ面内の位相差の角度特性に対する非対称性が増大し、第１の位相補償板による偏光分離素子３ａに対する補正効果を低減させる要因となるため、望ましくない。このため、第２の位相補償板が垂直入射光線に対して与える位相差（リターダンス）はλ／４より小さいくλ／３２以上であることが望ましく、さらにはλ／８からλ／１６程度であることがより望ましい。

また、ｘｙ面内における遅相軸または進相軸がｘ軸となす角度をφａとするとき、φａは０．５ｄｅｇ以上１０ｄｅｇ以下となることが望ましい。これらの条件を満足するように第２の位相補償板の構成を選択することで、第１の位相補償板による偏光分離素子３ａに対する補正効果を損なうことなく、液晶プレチルトに対する補正効果を得ることができる。

また、液晶パネル４や第１および第２の位相補償板自身が有する入射角度特性を補正するために、さらに第３の位相補償板（第３の位相差補償素子）を設けてもよい。第３の位相補償板は、その光学内に屈折率異方性を有さず、該光学面の面法線方向に光学軸を有する位相補償板である。このような第３の位相補償板を偏光分離素子３ａと液晶パネル４との間に配置することで、屈折率異方性を有する媒質全体の入射角度特性を補正し、大きな入射角度を有する光束に対しても高い位相補償効果を得ることができる。このとき、第３の位相補償板の入射角度特性は、液晶パネル４だけでなく他の位相補償板の特性を考慮して決定されることが望ましい。

上記以外の任意の位相補償板を含めて適切な位相補償板を光路中に配置することができる。ただし、第１の位相補償板と偏光分離素子との間に別の位相補償板を配置する場合には、該別の位相補償板の光学面で反射した光が第１の位相補償板による補正が行われずに戻り光となり、コントラストを低下させる要因となるおそれがある。このため、第２および第３の位相補償板は、第１の位相補償板と液晶パネル４との間に配置することが望ましい。

さらに、第１の位相補償板の偏光分離素子側の光学面で反射した光も同様に漏れ光となり得るため、該光学面に反射防止手段を付与することが望ましい。具体的には、蒸着やスパッタリングによる反射防止膜やゾルゲル法によるウェットプロセス等による反射防止層を設ければよい。例えば、図８に示した微細構造１２における表面（基板１１とは反対側の面）や微細構造１２と基板１１との間に反射防止膜等を設ければよい。

ただし、光学面の面内方向での屈折率差が大きい場合には、該光学面での反射率にも偏光依存性が生じる。各偏光方向に対して最適な反射防止手段を付与することが難しい場合には、偏光分離素子３ａ側から第１の位相補償板２に入射する偏光光の偏光方向に対して最も低反射となるように反射防止手段を選択することが望ましい。図１に示す例では、偏光分離素子３ａに入射するのはｙ方向に振動する偏光光であるため、ｙ方向を偏光方向とする偏光光に対して適切な反射防止手段を設けることが望ましい。このような反射防止手段により面反射によるコントラストの低下を最小限に抑制することができる。また、複数の位相補償板を偏光分離素子３ａの透過面や液晶パネル４の表面のカバーガラス等と一体化することにより、界面を減らし、省スペース化と面反射低減によるコントラストの向上を図ることができる。

次に、図９を用いて、前述した分離合成光学系を備えた画像投射装置としてのプロジェクタ１００の構成を実施例１として説明する。２１は光源である。２２は光源２１からの照明光であり、緑光２２ｇ、青光２２ｂおよび赤光２２ｒを含む白色光である。なお、実際の照明光２２はこの段階で緑光２２ｇ、青光２２ｂおよび赤光２２ｒに分離されているわけではないが、説明の便宜上これらを分けて記載する。

２３は偏光変換素子であり、２５はダイクロイックミラーである。２６は偏光板であり、２７は波長選択性位相差板である。偏光変換素子２３、ダイクロイックミラー２５、偏光板２６および波長選択性位相差板２７により照明光学系が構成される。

３ａは図１に示した偏光分離素子であり、本実施例では緑用偏光分離素子として用いられる。３ｂは青赤色用偏光分離素子である。４ｇ，４ｂ，４ｒは図１に４を付して説明した液晶パネルであり、２ｇ，２ｂ，２ｒは位相差板である。３０は合成プリズムであり、３２は投射光学系としての投射レンズである。

光源２１から発せられた照明光２２（緑光２２ｇ、青光２２ｂおよび赤色光２２ｒ）は、リフレクタによって反射されて平行光束２２となって偏光変換素子２３に入射する。以下の説明において、緑をＧと、青をＢと、赤をＲとそれぞれ略記する。

偏光変換素子２３は、無偏光光である照明光２１の緑光２２ｇ、青光２２ｂおよび赤光２２ｒを一様な偏光方向を有するＰ偏光としてのＧ光２４ｇ、Ｂ光２４ｂおよびＲ光２４ｒに変換する。ダイクロイックミラー２５は、Ｇ光２４ｇのみを反射してＢ光２４ｂおよびＲ光２４ｒを透過することで、Ｇ光２４ｇがＢ光２４ｂおよびＲ光２４ｒから分離される。

ダイクロイックミラー２５で反射されたＧ光２４ｇは偏光分離素子３ａに入射する。一方、ダイクロイックミラー２５を透過したＢ光２４ｂおよびＲ光２４ｒは偏光板２６を透過してその偏光度が上げられた後に色選択性位相板２７に入射する。色選択性位相板２７は、Ｂ光２４ｂをその偏光方向を９０°回転させることでＳ偏光に変換して、またＲ光２４ｒの偏光方向を変更せずにそのままＰ偏光として偏光分離素子３ｂに出射する。

偏光分離素子３ａ，３ｂはそれぞれの偏光分離面３ａ１，３ｂ１においてＰ偏光を透過してＳ偏光を反射する。偏光分離面３ａ１，３ｂ１は、例えば屈折率が異なる薄膜を積層して形成される。このため、偏光分離素子３ａに入射したＧ光２４ｇは、偏光分離面３ａ１を透過して、さらに位相補償板としての位相差板２ｇを透過してＧ用液晶パネル４ｇに入射する。また、偏光分離素子３ｂでは、その偏光分離面３ｂ１によりＢ光２４ｂが反射され、Ｒ光２４ｒが透過されることによりこれらが分離される。偏光分離素子３ｂから出射したＢ光２４ｂおよびＲ光２４ｒはそれぞれ、位相補償板としての位相差板２ｂ，２ｒを透過してＢ用およびＲ用液晶パネル４ｂ，４ｒに照射される。

液晶パネル４ｇ，４ｂ，４ｒに入射したＧ光２４ｇ，Ｂ光２４ｂ，Ｒ光２４ｒは、画像信号に応じて画素ごとに偏光方向が９０°変換され、かつ反射されてＲ，ＢおよびＲ画像光２９ｇ，２９ｂ，２９ｒとして出射させる。ＢおよびＲ画像光２９ｂ，２９ｒは再び位相差板２ｂ，２ｒを透過して偏光分離素子３ｂに入射し、それぞれ偏光分離面３ｂ１にて透過および反射されて合成されて合成プリズム３０に入射する。また、Ｇ画像光２９ｇは再び位相差板２ｇを透過して偏光分離素子３ａに入射し、その偏光分離面３ａ１により反射されて合成プリズム３０に入射する。

合成プリズム３０内のダイクロイック膜３１は、Ｇ画像光２９ｇを反射し、ＲおよびＢ画像光２９ｂ，２９ｒを透過させることでこれらを合成して投射レンズ３２に導く。投射レンズ３２は、合成されたＧ，ＢおよびＲ画像光２９ｇ，２９ｂ，２９ｒを不図示のスクリーン等の投射面に投射して投射画像を表示する。

ここで、本実施例の位相補償板（位相差板）２ｇ，２ｂ，２ｒには、斜め蒸着により作製された２軸屈折率異方性を有する。表１に本実施例の位相補償板の設計値（実験例）を示す。なお、本実施例における各位相補償板は、図４（ａ）に示すように、主屈折率のうちｎａおよびｎｃがｙｚ面内にあり、ｎｂがｘ軸と平行となるように配置されている。位相補償板２ｇ，２ｂ，２ｒはそれぞれ、物理膜厚３．１５、２．５０、２．８０μｍを有する。位相補償板２ｇ，２ｂ，２ｒがそれぞれが配置された光路の設計波長（使用波長）である４５０ｎｍ、５５０ｎｍ、６２０ｎｍの垂直入射偏光光に対して与える位相差は２１８．０ｎｍ、３１９．３ｎｍ、２７７．８ｎｍとなる。すなわち、これらの偏光光に対してλ／４よりも大きな位相差を与えるという条件を満足している。また主屈折率ｎａの方向がｚ軸となす角度をθとするとき、θは１６ｄｅｇである。角度θは斜め蒸着膜における微細構造（板状結晶）の傾き角度と等しい。また、各位相補償板は、その光学面内の屈折率異方性の遅相軸方向がｘ軸に対してなす角度をφとするとき、φが９０ｄｅｇとなるように配置される。なお、図示はしないが、液晶パネル４ｇ，４ｂ，４ｒは、別の位相補償板等により最適化されている。

本実験例では、投射画像のコントラストは、約２０００：１から４０００：１に増加した。また、各液晶パネルを白表示状態としたときの輝度の低下は１％未満であった。

次に、実施例２について説明する。本実施例におけるプロジェクタの構成は、実施例１のプロジェクタ１００と構成は同一であるが、位相補償板２ｇ，２ｂ，２ｒの構成が異なる。

表２には、本実施例で用いる位相補償板の設計値（実験例）を示す。本実施例における各位相補償板は、図６（ａ）に示すように主屈折率のうちｎｂおよびｎｃがｙｚ面内にあり、ｎａがｘ軸と平行となるように配置されている。位相補償板２ｇ，２ｂ，２ｒがそれぞれが配置された光路の設計波長である４５０ｎｍ、５５０ｎｍ、６２０ｎｍの垂直入射偏光光に対して与える位相差は、２１８．０ｎｍ、３１９．３ｎｍ、２７７．８ｎｍである。また、主屈折率ｎｂの方向がｚ軸に対してなす角度をθとするとき、θは５９〜６１ｄｅｇとなっている。角度θは斜め蒸着膜における微細構造（板状結晶）の傾き角度と等しい。また、各位相補償板は、その光学面内での屈折率異方性の遅相軸方向がｘ軸に対してなす角度をφとするとき、φが０ｄｅｇとなるように配置されている。なお、図示はしないが、液晶パネル４ｇ，４ｂ，４ｒは、別の位相補償板等により最適化されている。

本実験例では、投射画像のコントラストは、約２０００：１から４０００：１に増加した。また、各液晶パネルを白表示状態としたときの輝度の低下は１％未満であった。

本実施例の位相補償板は実施例１とは２軸屈折率異方性における主屈折率の方向が大きく異なっている。すなわち、位相補償板の主屈折率ｎｂの方向がｙｚ面内にない場合であっても、実施例１と同様の位相補償効果を得ることができる。

次に、実施例３について説明する。図１０には、本実施例のプロジェクタ２００の構成を示している。プロジェクタ２００は、実施例１のプロジェクタ１００とほぼ同じ構成を有するが、各色光の光路に複数の位相補償板が設けられている。具体的には、位相補償板２ｇ，２ｂ，２ｒを第１の位相補償板とするとき、これら第１の位相補償板２ｇ，２ｂ，２ｒと液晶パネル４ｇ，４ｂ，４ｒとの間に第２の位相補償板３３ｇ，３３ｂ，３３ｒおよび第３の位相補償板３４ｇ，３４ｂ，３４ｒが配置されている。

表３には、本実施例における各位相補償板の設計値を示す。各第１の位相補償板は、図４（ａ）に示すように、主屈折率のうちｎａおよびｎｃの方向がｙｚ面内にあり、ｎｂの方向がｘ軸と平行となるように配置されている。また、各第２の位相補償板は、ｘｙ面内に光学軸を有する１軸屈折率異方性を有する位相補償板であり、前述した各液晶パネルの液晶プレチルトに対する補正に用いられる。本実施例では、各液晶パネルのパネル面内での位相差を補正するために、第２の位相補償板のｘｙ面内における遅相軸がｘ軸に対してなす角度φａを５．８〜６．２ｄｅｇ程度傾けている。これにより、第１の位相補償板による偏光分離素子に対する補正効果を損なうことなく、光路全体の偏光状態を良好に補正することができる。

また、第３の位相補償板は、その光学軸がｚ軸と平行となるように配置されており、液晶パネル等の入射角度に対する位相ずれを補正する役割を有する。一般的には、第３の位相補償板としては、液晶パネルの屈折率異方性に対して正負が反対のものを用い、面外位相差Ｒｔｈがほぼ同一となるようにすることが望ましい。しかし、実際には第１および第２の位相補償板の入射角度特性の影響を受けるため、各位相補償板のＲｔｈを考慮して最適値を決定すればよい。

本実施例を用いた実験では、投射画像のコントラストは、約２０００：１から５５００：１に増加した。また、各液晶パネルを白表示状態としたときの輝度の低下は１％未満であった。

なお、実施例１〜３ではＲ，Ｇ，Ｂ用の３つの液晶パネルを用いてでカラー画像を投射するプロジェクタについて説明した。しかし、１つの光変調素子（液晶パネルまたはＤＭＤ等）を用いて時分割で複数色による画像投射を行ってもよいし、４つ以上の光変調素子を用いてもよい。さらに、実施例１〜３では反射型の光変調素子を用いた場合について説明したが、透過型の光変調素子を用いてもよい。

以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。

２， ２ｇ， ２ｂ， ２ｒ 位相補償板
３ａ，３ｂ 偏光分離素子
３ａ１、３ｂ１ 偏光分離面
４， ４ｇ， ４ｂ， ４ｒ 液晶パネル

Claims (13)

1. 入射する光を偏光方向に応じて分離する偏光分離面を有する偏光分離素子と、
   前記偏光分離素子から出射した偏光光を変調する光変調素子と、
   前記偏光分離素子と前記光変調素子との間に配置された位相補償素子とを有し、
   前記位相補償素子は、３つの主屈折率ｎａ，ｎｂ，ｎｃがｎａ＜ｎｂ＜ｎｃである２軸の屈折率異方性を有し、かつ該位相補償素子の光学面に対して垂直に入射する波長λの偏光光に対してλ／４よりも大きな位相差を与え、
   前記偏光分離素子の透過面の法線方向に延びる軸をｚ軸とし、該ｚ軸と前記透過面に対して傾いた前記偏光分離面の法線方向の双方に対して直交する軸をｘ軸とし、前記ｚ軸と前記ｘ軸の双方に対して直交する軸をｙ軸とするとき、前記３つの主屈折率のうち１つの方向は前記ｘ軸に平行であり、前記３つの主屈折率のうち他の２つの方向はともにｙｚ面内にあって前記ｚ軸または前記ｙ軸に対して傾いていることを特徴とする光学系。
2. 前記主屈折率ｎｂの方向は前記ｘ軸と平行であり、前記主屈折率ｎａまたはｎｃの方向はともに前記ｙｚ面内にあることを特徴とする請求項１に記載の光学系。
3. 前記主屈折率ｎａまたはｎｃの方向が前記ｚ軸に対してなす角度のうち小さい方の角度をθとするとき、該θは５ｄｅｇ以上３５ｄｅｇ以下であることを特徴とする請求項２に記載の光学系。
4. 前記主屈折率ｎａまたはｎｃの方向が前記ｘ軸と平行であり、
   前記主屈折率のｎｂの方向が前記ｙｚ面内にあることを特徴とする請求項１に記載の光学系。
5. 前記主屈折率ｎｂの方向が前記ｚ軸に対してなす角度のうち小さい方の角度をθとするとき、該θは５０ｄｅｇ以上７０ｄｅｇ以下であることを特徴とする請求項４に記載の光学系。
6. 前記主屈折率ｎａとｎｂの差をΔｎ_ａｂとし、前記主屈折率ｎｂとｎｃの差をΔｎ_ｂｃとし、前記主屈折率ｎａとｎｃの差をΔｎ_ａｃとするとき、
   Δｎ_ａｃ／１０≦Δｎ_ａｂ、かつΔｎ_ａｃ／１０≦Δｎ_ｂｃ
   なる条件を満足することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の光学系。
7. 前記位相補償素子は、基板面に無機誘電体材料を斜め蒸着することにより作製されたものであることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の光学系。
8. 前記位相補償素子は、前記基板面の法線方向からの傾き角度θａが５ｄｅｇ以上４０ｄｅｇ以下である前記無機誘電体材料の結晶が前記基板面に沿って複数配置された構造を有することを特徴とする請求項７に記載の光学系。
9. 前記位相補償素子の前記偏光分離素子側の光学面に、該光学面での反射を低減する反射低減手段が設けられており、
   前記反射防止手段は、前記偏光分離素子側の光学面に垂直に入射する前記偏光光に対する反射率が最も低いことを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の光学系。
10. 前記位相補償素子を第１の位相補償素子とするとき、該第１の位相補償素子と前記光変調素子との間に配置された第２の位相補償素子を有し、
    前記第２の位相補償素子はその入射面に垂直入射する光線に対してλ／４よりも小さいリターダンスを与え、
    前記第２の位相補償素子の前記ｘｙ面内における遅相軸または進相軸が前記ｘ軸に対してなす角度をφａとするとき、φａは０．５ｄｅｇ以上１０ｄｅｇ以下であることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の光学系。
11. 前記光変調素子は、ＶＡモードで動作する液晶を有し、
    液晶分子の配向方向は前記ｘ軸または前記ｙ軸に対して４５ｄｅｇをなす方向であり、前記光変調素子の黒表示状態において前記液晶はプレチルト角を有することを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の光学系。
12. 前記第１の位相補償素子と前記光変調素子との間に第３の位相補償素子が設けられており、
    前記第３の位相補償素子は、
    その光学面内に屈折率異方性を有さず、該光学面の面法線方向に光学軸を有し、
    前記光変調素子または前記第１の位相補償素子と平行に配置されていることを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の光学系。
13. 請求項１から１２のいずれか一項に記載の光学系と、
    光源からの光を前記偏光分離素子に導く照明光学系とを有し、
    前記光変調素子からの光を被投射面に投射する投射光学系とを有することを特徴とする画像投射装置。