【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フルカラーでの画像表示が可能な単板式の液晶プロジェクタに好適なカラー液晶素子及びこれを用いた単板式カラー液晶プロジェクタに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】
特開２００２−１４３４５号公報
【特許文献２】
特開２００２−３１７８２号公報
【特許文献３】
米国特許第５６３８１９７号明細書
【非特許文献１】
Ｅｂｌｅｎ Ｊ Ｐ 他５名． 「Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｔ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒｓ ｆｏｒ Ｎｏｒｍａｌｌｙ Ｗｈｉｔｅ ＴＮ−ＬＣＤｓ」． ＳＩＤ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ Ｄｉｇｅｓｔ． ＳＯＣＩＥＴＹ ＦＯＲ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ ＤＩＳＰＬＡＹ． １９９４． ｐ．２４５−２４８
【０００３】
カラー液晶プロジェクタには三板式，単板式などの方式の違いはあるが、原理的には基本色光ごとに液晶素子に表示された画像を合成してスクリーン上に投影する。液晶プロジェクタの液晶素子には種々の動作モードのものを用いることが可能であるが、多用されているＴＮ（Ｔｗｉｓｔｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ）液晶について説明する。ＴＮ液晶は、２枚の基板間で液晶層を構成している液晶分子が、その長軸が基板と平行となるように保たれ、かつ厚み方向では長軸が少しずつ傾けられ全体で９０°ねじられる配向状態となっており、一対の偏光板（一方が偏光子、他方が検光子となる）で挟むようにして用いられる。そして、液晶素子をノーマリーホワイト，ノーマリーブラックのいずれで使用するかに応じて、一対の偏光板はクロスニコル配置あるいはパラレルニコル配置のいずれかが選択される。
【０００４】
ＴＮ液晶に限らず、一般に液晶素子には視野角が狭いという欠点がある。ノーマリーホワイトのＴＮ液晶を例にすると、液晶層に電圧を印加していない状態では、液晶層は偏光板を通ってきた直線偏光を液晶分子のねじれ配列にしたがって偏波面を９０°回転させる旋光性を示す。そして、液晶層を通過してきた直線偏光はクロスニコル配置された他方の偏光板を通って出射し、ホワイト状態となる。液晶層に電圧を印加すると液晶分子のねじれが消失し、入射した直線偏光はそのままの偏波面で出射することになるため、他方の偏光板がその通過を阻止してブラック状態となる。
【０００５】
ところが、液晶は複屈折媒体としても作用する。前述したＴＮ液晶の場合、液晶層に電圧を印加してそのねじれ配向を消失させてゆく過程では、旋光性と複屈折性とが混在し、電圧の印加レベルが高くなるにつれて複屈折性が支配的になってゆく。そして、液晶分子のねじれが消失してブラック状態となったとき、垂直入射光に対しては液晶層が複屈折性を示すことはほとんどなくなるので直線偏光はそのまま透過するが、斜め入射光に対しては複屈折性を示し、直線偏光で入射した光は楕円偏光に変調されるようになる。
【０００６】
こうして生じた楕円偏光は部分的に出射側の偏光板を透過し、ブラック状態の濃度を薄める結果となる。液晶層がもつこのような複屈折媒体としての性向は、ホワイト状態からブラック状態への移行過程でも徐々に現れるため、中間調の表示状態下でもその表示画面を斜め方向から観察したときにはやはり変調度の角度依存性が避けられないものとなる。このような変調度の角度依存性はＴＮ液晶に限らず、大なり小なり全ての液晶素子に見られる現象である。
【０００７】
液晶素子のもつ上記欠点を改善するために、液晶素子に表示された画像を直接観察する直視型の液晶表示装置では位相差補償素子を併用することが知られている。この目的で使用される位相差補償素子としては、富士写真フイルム（株）製の「Ｆｕｊｉ ＷＶ Ｆｉｌｍ ワイドビューＡ」（商品名／以下、ＷＶフイルム）がすでに実用化され、また上記非特許文献１には、薄膜を積層した構造性複屈折体を位相差補償素子として用いることにより、視野角を大きくしてもＴＮ液晶の表示画像のコントラストを低下させないことが紹介されている。さらに特許文献３には、基板に対して斜め方向から薄膜を蒸着した位相差補償素子を用い、その光学異方性により液晶ディスプレイの視野角を広げることが記載されている。
【０００８】
これらの位相差補償素子は直視型の液晶素子に適用されるものであるが、直視型の液晶素子は、明視距離以上離れた位置から表示画面にほぼ正対して画像観察されるのが通常の使用形態であることが多い。そして、仮に表示画面の周辺部でコントラストが低下して観察されたときには、眼の位置を少しずらしてやればその部分の画像もほぼ正常に観察することができる。また、多人数が同時に観察する用途のものは表示画面と観察者との間の距離が大きくなるため、正常に観察できる範囲は限られるものの、表示画像のコントラストが部分的に異なるということは起こりにくい。
【０００９】
これに対し、液晶プロジェクタでは液晶素子によって変調された画像光が投影レンズでスクリーンに投影され、それがスクリーン上で拡散した画像光となって観察対象となる。したがって黒レベルを表示したいときに、液晶層に斜めに入射して液晶分子を斜めに通過する光が含まれることが原因となって、投影画像そのもののコントラストが低下してしまうと、例えどのような位置から観察したとしてもコントラストの低下は全く改善されることがない。投影画像のコントラストをできるだけ高めるには、液晶素子から大きな角度で出射する光束を使わずに投影画像が得られるようにすればよいが、そのためには投影レンズのバックフォーカスを長くする必要があり、小型化が求められる液晶プロジェクタではコンパクト化を図るうえで不利になる。このような難点を原理的に解決するには、液晶プロジェクタに用いる液晶素子についても、やはり直視型液晶パネルでいう視野角の拡大技術を利用することが効果的で、結果的に投影画像のコントラストを向上させることができるようになる。
【００１０】
こうした背景から、青色光，緑色光，赤色光それぞれの基本色光ごとに独立した液晶素子を用いた三板式カラー液晶プロジェクタに関し、それぞれの液晶素子ごとに直視型液晶素子と同様に位相差補償素子を組み合わせて使用することが特許文献１，２に記載されている。特許文献１に記載された液晶プロジェクタでは、ＴＮ液晶用の位相差補償素子として、前述したＷＶフイルムのように有機材料で構成されたものが用いられている。また、特許文献２には、位相差補償素子として単結晶サファイアや水晶などの一軸性の複屈折性結晶を用いることが記載されている。これらの位相差補償素子は、いずれも光の入射角に依存した光学異方性を発現する複屈折体として作用し、液晶素子から大きな出射角で出射する光束によって画像のコントラストが低下することを防いでいる。
【００１１】
一方、カラー液晶プロジェクタには、上述の三板式のもののほかに単板式のものがある。単板式のカラー液晶プロジェクタで使用される液晶素子は、マトリクス状やストライプ状に配列された画素の個々が青色光，緑色光，赤色光のいずれかの基本色光に割り当てられ、これらの画素は基本色光ごとの画像データで駆動され、それぞれの基本色光で照明される。画素ごとに基本色光を照明するには、液晶素子にマイクロカラーフィルタを組み込んだり、あるいは３種類の基本色光を照明角度を変えて液晶素子に入射させ、液晶素子に組み込まれたマイクロレンズの作用によりそれぞれの基本色光を対応する画素上に導く手法があるが、いずれにせよ一枚の液晶素子に対して画素単位でいずれかの基本色光を照明し、スクリーン上でフルカラーの画像を合成するようにしている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら特許文献１記載の光学補償素子は、ＷＶフイルムのような有機材料製のもので、紫外線を含む強い光に長時間曝されていると褪色が生じやすいという欠点がある。特に液晶プロジェクタでは、スクリーンに画像投影を行うために直視型の液晶モニタなどと比較して光源の輝度も高くなり、過熱の度合いも大きくなることから、実用的には２０００〜３０００時間程度の使用で徐々に褐色に変化する現象が見られる。したがって、例えば家庭用プロジェクションテレビジョンなどのように長時間にわたって使用される用途では耐久性の点で問題があり実用化は難しい。また特許文献２では、位相差層として単結晶サファイヤや水晶などの結晶性複屈折体が用いられ耐久性の観点からは優れてはいるものの、それ自体が高価であり、結晶の切り出し方向や光軸に対する組み込み角度の調節に厳密性が要求され、製造コストが高くなって現実的には採用し難い。
【００１３】
さらに、液晶素子の光学異方性には波長依存性があるため、三板式カラー液晶プロジェクタの各色チャンネルに光学的に全く等価な光学補償素子，位相差層を用いたのでは、特定の色チャンネルについては良好な位相差補償ができたとしても、他の色チャンネルについては必ずしも良好な位相差補償作用が期待できないことが多い。三板式のカラー液晶プロジェクタの場合、各色チャンネルごとにその基本色光の波長域を考慮した光学補償素子を用いればよいので比較的対応しやすいが、単板式のカラー液晶プロジェクタでは液晶素子の画素ごとに異なった特性をもった光学補償素子を配列しなければならない。このため、特許文献１，２に記載された光学補償素子や位相差層は単に耐久性やコスト面で採用し難いだけでなく、液晶素子の画素単位でそれぞれ異なった位相差補償作用を付与することは製造上きわめて困難である。
【００１４】
また、微細な物理的構造によって光学異方性を発現する構造性複屈折体が特許文献３や非特許文献１に記載され、これらも液晶素子で生じた楕円偏光を直線偏光に戻す用途で使用することができる。ところが、これらの構造性複屈折体にも少なからず波長依存性がある。このため、例えば非特許文献１のように計器類の表示光のような特定の狭い波長域に属する光に対し、しかも直視型で用いる場合には効果的ではあるが、三板式あるいは単板式のカラー液晶プロジェクタにそのまま適用したとしても、波長域が異なる三種類の基本色光の全てについて同様の位相差補償作用を得ることはできない。
【００１５】
本発明は以上の背景を考慮してなされたもので、フルカラーの画像表示に必要な三種類の基本色光の各々について良好な位相差補償作用が得られるカラー液晶素子を提供し、またこのカラー液晶素子を用いた単板式カラー液晶プロジェクタを提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するにあたり、共通の基板上に二次元配列された画素の各々が三種類の基本色光のいずれかに割り当てられ、基本色光ごとに前記画素の透過濃度を制御してスクリーン投影用のフルカラー画像を形成するカラー液晶素子に位相差補償素子を組み合わせたものである。この位相差補償素子には、無機材料からなる構造性複屈折体で構成され、その複屈折と光軸方向厚みとの積で表されるレターデーションが前記基本色光に応じて互いに異なる少なくとも二種類の位相差補償セグメントが二次元配列されており、これらの位相差補償セグメントの各々を、それぞれの基本色光が割り当てられた画素の各々に対応づけた構成となっている。
【００１７】
本発明の好ましい実施形態においては、少なくとも二種類の位相差補償セグメントがそれぞれ高屈折率層と低屈折率層とを交互に積層した位相差補償膜で構成され、高屈折率層及び低屈折率層の各々の光学膜厚は波長の１００分の１以上５分の１以下である。また、これらの位相差補償膜を構成しているそれぞれの高屈折率層と低屈折率層の膜厚を共通とし、その積層数を変えることによって位相差補償膜の全体の膜厚を異ならせて基本色光の種類に対応させることもでき、さらにはこれらの位相差補償膜をそれぞれ構成している高屈折率層及び低屈折率層に、位相差補償膜の種類によらずそれぞれ一種類ずつの高屈折材料と低屈折材料とを用いることも可能である。
【００１８】
位相差補償膜を形成した透明基板の他方の面に、液晶素子の画素に割り当てられた基本色光だけを各々透過させる三種類のカラーフィルタを二次元配列させたマイクロカラーフィルタ層を設けることも本発明を実施するうえで効果的である。この場合、三種類のカラーフィルタを高屈折率層と低屈折率層で構成するとともに、その材料を位相差補償膜と共通化することも可能で、これにより製造の効率化を図ることができる。そして、本発明はこのようなカラー液晶素子を使用した単板式カラー液晶プロジェクタも含む。
【００１９】
本発明に用いられる位相差補償素子の基本的な作用は概念的に次のとおりである。図１において、液晶素子２は内面側にそれぞれ配向膜を形成した透明なベース基板３ｂと対向基板３ａとの間に、液晶分子からなる液晶層５を封入した構造となっている。それぞれの基板３ａ，３ｂには画素ごとに液晶層５を駆動するためのマトリクス電極やコモン電極，透明導電膜なども設けられているが、図示は省略してある。液晶素子２の前段には偏光子が配置してあり、入射光Ｓ１は直線偏光となって液晶素子２に入射する。
【００２０】
周知のように、棒状の液晶分子の集合体からなる液晶層５はポジティブレターダーとして作用する。このため、入射光Ｓ１は正常光成分Ｓｏと異常光成分Ｓｅとなって液晶層５を通過する間に、異常光成分Ｓｅが正常光成分Ｓｏに対して位相遅れを生じる。この位相差Ｐ１は、液晶層５を構成している液晶分子固有の光学異方性に依存した複屈折Δｎ１と液晶層５の厚みｄ１との積「ｄ１Δｎ１」で規定される特徴値に依存して決まり、この特徴値は結晶光学的にはレターデーション（Ｒｅｔａｒｄａｔｉｏｎ ）として定義されている。そして、液晶層５のレターデーションをＲ１とすると、位相差Ｐ１は「Ｐ１＝αＲ１（＝αｄ１Δｎ１）」となる。この係数αの値は、光の入射角θや、液晶分子の配向姿勢、印加電圧などによって変化する外的なファクターを括り出したもので「０」以上「１」未満の値となる。
【００２１】
液晶素子２からの出射光Ｓ２は、正常光成分Ｓｏと、これに対して位相遅れを伴った異常光成分Ｓｅとの合成光となるため、入射光Ｓ１が直線偏光光であっても位相差Ｒａに応じた楕円偏光成分を含むものとなる。この楕円偏光成分を抑えるには液晶層５による位相遅れを補償すればよく、そのために液晶素子２の出射面と検光子との間に位相差補償素子６が設けられる。
【００２２】
位相差補償素子６には光の波長よりも微細な物理的構造をもつ無機材料からなる構造性複屈折体が用いられ、一例として図２に示すように、透明なガラス基板７上に互いに屈折率が異なる誘電体の薄膜Ｌ１，Ｌ２を交互に積層した総厚みｄ２の位相差補償膜８で構成される。各層の光学膜厚（物理的膜厚と屈折率との積）は光の波長よりも充分に小さく、好ましくはλ／１００〜λ／５、より好ましくはλ／５０〜λ／５、実際的にはλ／３０〜λ／１０が適切である。この方法で、容易に負のｃ−ｐｌａｔｅの作成が可能となり、複屈折Δｎ２をもつ一軸性の負の複屈折板が得られ、薄膜の形成面が投影光軸に垂直となるように配置して用いられる。
【００２３】
なお、屈折率が異なる誘電体薄膜を積層した多層膜により固有の光学的作用を得るものとして、ダイクロイックミラー、偏光ビームスプリッター、色合成プリズム、反射防止膜などが知られているが、これらの多層膜を構成する個々の薄膜層は、いずれもその光学膜厚がλ／４の整数倍となるように設計され、光の干渉現象を利用して所期の目的を達成するものである。この点、上述した位相差補償膜８は、個々の薄膜Ｌ１，Ｌ２の光学膜厚がλ／４よりも薄いことや、２種類の薄膜の光学膜厚の比によって固有の複屈折Δｎ２が決められることなどから、光の干渉現象とは全く異なる作用原理に基づくものである。
【００２４】
この位相差補償膜８は、異常光成分Ｓｅに対して正常光成分Ｓｏに位相遅れを生じさせるネガティブレターダーとして作用する。位相差補償膜８は結晶光学的には液晶分子と構造が異なるが、その光学異方性で決まる複屈折Δｎ２と、位相差補償膜８全体の物理的膜厚ｄ２から、そのレターデーションＲ２（＝ｄ２Δｎ２）を定義することができ、異常光成分Ｓｅに対する正常光成分Ｓｏの位相差Ｐ２は「Ｐ２＝βＲ２（＝βｄ２Δｎ２）」となる。そして「Ｐ１＝Ｐ２」であれば、位相差補償素子６からの出射光Ｓ３は互いに位相遅れのない正常光成分と異常光成分との合成光となり、楕円偏光成分が消失して直線偏光となって出射する。したがって、位相差補償素子６の後段に配置された検光子には直線偏光が入射するようになり、画像のコントラストを高めることができる。
【００２５】
なお、係数βは係数αと同様、光の入射角θに応じて変化するが、図示のように光線が同じ入射角で液晶素子２及び位相差補償素子６を通過する場合には、互いに相殺し合うことができるので入射角θによる影響は無視することができる。したがって、「Ｐ１＝Ｐ２」を満足させようとする上では、係数αに含まれるファクターのうち、液晶分子の配向姿勢や印加電圧など、液晶素子２自体に依存する内的なファクターだけを考慮すればよい。また、便宜上、複屈折Δｎ１，Δｎ２の正負の符号は無視しているが、必要に応じてその正負については明示することとする。
【００２６】
本発明を実施するうえでは、さらに液晶モードの種類についても考慮しておく必要がある。例えば液晶素子２としてＥＣＢ液晶を用いることを想定すると、ＥＣＢ液晶は、電圧を印加していない状態で液晶層内の棒状の液晶分子のほとんどが基板に対して垂直配向となっており、結晶光学的には正のｃ−ｐｌａｔｅである。そして、電圧を印加していないときに黒レベル表示となるように偏光子と検光子とをクロスニコル配置して用いるのが通常であるから、入射光Ｓ１に対して液晶層５の厚みｄ１内の全域で光学異方性が現れるようになる。
【００２７】
一方、高屈折率層と低屈折率層とからなる薄膜Ｌ１，Ｌ２を交互に積層した位相差補償膜８は、負ではあるがＥＣＢ液晶と同様のｃ−ｐｌａｔｅとして作用するから、液晶層５で生じる位相差Ｐ１（＝αｄ１Δｎ１）中の係数αは「１」とみなして差し支えない。したがって、基本的には「ｄ１Δｎ１＝ｄ２Δｎ２」、すなわち液晶層５のレターデーションＲ１と位相差補償膜８のレターデーションＲ２とをできるだけ一致させることを基準にパラメータの設定をすればよい。
【００２８】
これに対し、ＴＮ液晶では、黒レベル表示を行うときに電圧を印加して基板間に充填された棒状の液晶分子を垂直配向させることになるが、基板近くでは液晶分子が垂直配向姿勢にならない。印加電圧を高くすれば垂直配向となる液晶分子が多くなるものの、黒レベル表示に際して垂直配向姿勢となる液晶分子の割合は厚みｄ１に対して６０％〜９５％、あるいは６５％〜８０％程度が一般である。このため、厚みｄ１の液晶層５で生じる位相差Ｐ１は「ｄ１Δｎ１」よりも小さくなるから、位相差補償膜８の設計時にはこれを考慮してパラメータの設定を行い、簡易的には先の係数αを０．７にして「０．７×ｄ１Δｎ１＝ｄ２Δｎ２」が満足されるような位相差補償膜を用いればよい。なお、同様の傾向はＯＣＢモード液晶やＳＮＴモード液晶でも見られる。
【００２９】
以上の説明において、入射光Ｓ１が青色光，緑色光、赤色光などのように限られた波長域の光である場合にはあまり大きな問題にはならないが、入射光Ｓ１が可視光全域にまたがる光であるときには、液晶層５の正の複屈折Δｎ１と、位相差補償膜８の負の複屈折Δｎ２がそれぞれ固有の波長依存性をもつことが無視できない問題となってくる。
【００３０】
ここで、一般的な液晶層５のレターデーションＲ１（＝ｄ１Δｎ１）と位相差補償膜８のレターデーションＲ２（＝ｄ２Δｎ２）との波長依存性をグラフ化すると、模式的に図３のように表される。図示のように、液晶層５のレターデーションＲ１は、複屈折Δｎ１の波長依存性により可視光領域では短波長側で大きくなり、長波長となるにしたがってゆるやかに減少する特性を示す。一方、位相差補償膜８のレターデーションＲ２は薄膜Ｌ１，Ｌ２の各々の屈折率及び個々の膜厚と、全体の厚みｄ２で決まる。そして、薄膜形成材料として最も広く用いられているＴｉＯ２ 膜とＳｉＯ２ 膜により薄膜Ｌ１，Ｌ２を構成した場合には、同図に破線で示すように、液晶層５のレターデーションＲ１と同様に短波長側で大きく長波長側で小さくなるものの、短波長側でその傾きが急になることが多い。位相差補償膜８の全体厚みｄ２は波長とは無関係の物理量であるから、この波長依存性は複屈折Δｎ２自体の波長依存性によるものである。
【００３１】
図３に示すグラフは、可視光領域において、液晶層５がもつ特定のレターデーションＲ１に対し、特定の複屈折Δｎ２をもつ位相差補償膜８のレターデーションＲ２をできるだけ近づけるように厚みｄ２を調節し、各々のレターデーションＲ１，Ｒ２を視感度が最も高い波長５５０ｎｍで一致させたものである。すなわち、厚みｄ２は位相差補償膜８のレターデーションＲ２を図３のグラフ上で上下方向にシフトさせるパラメータとして用いることができる。したがって、レターデーションＲ２については、波長５５０ｎｍでレターデーションＲ１と一致させるだけでなく、例えばレターデーションＲ１の特性曲線とで挟まれる面積が最も小さくなるように調整することも可能である。
【００３２】
しかし、このような調整を行ったとしても、レターデーションＲ２の特性曲線では短波長側で急激に大きくなることから、緑色光についてはほぼ満足のゆく位相差補償ができるにしても、青色光に対しては過補償、あるいは赤色光に対しては補償不足になることが避けられない。なお、位相差補償膜８の膜構成、特に薄膜Ｌ１，Ｌ２のそれぞれの屈折率を選択することによりその複屈折Δｎの波長依存性を変えることができ、例えば図３に示すレターデーションＲＡ を得ることも原理的には可能である。そして、液晶層５のレターデーションＲ１に対しては、明らかにレターデーションＲＡ をもつ位相差補償膜８を用いる方が有利となる。そして、このレターデーションＲＡ をもつ位相差補償膜であれば、基本色光の種類によらず共通に使用しても良好な位相差補償作用が得られる。
【００３３】
このような波長依存性をもつレターデーションＲＡ を得るには、位相差補償膜の複屈折Δｎ２の波長依存性を液晶層５の複屈折Δｎ１の波長依存性に近づけることが必要で、そのためには位相差補償膜を構成する薄膜Ｌ１，Ｌ２の屈折率ｎ１，ｎ２の波長依存性を、液晶層５の複屈折Δｎ１の波長依存性に近づけなければならない。一般に、薄膜Ｌ１，Ｌ２を構成する薄膜材料の屈折率が高くなるほど短波長域での屈折率が高くなる波長依存性があるから、上記目的のためには薄膜Ｌ１，Ｌ２の屈折率をいずれも小さくする必要がある。
【００３４】
薄膜Ｌ１，Ｌ２の屈折率を小さくすると各々の屈折率の相対差も小さくなり、詳しくは後述するように、これに伴って複屈折Δｎ２も小さくなるから、必要なレターデーションＲＡ を得るためには位相差補償膜全体の膜厚ｄ２を厚くしなければならない。前述のように、薄膜Ｌ１，Ｌ２の個々の膜厚を波長の５分の１を越える膜厚にしてしまうと構造性複屈折体としての機能が失われてしまうので、複屈折Δｎ２が小さくなると必然的にこれらの積層数を増やして全体の膜厚ｄ２を厚くする必要が生じてくる。例えば、液晶層５の複屈折Δｎ１とほぼ同様の波長依存性をもつように位相差補償膜の複屈折Δｎ２を決めようとすると、薄膜Ｌ１，Ｌ２の積層数を数百層程度あるいはそれ以上にまで増やさなければならない事態となり、製造効率が著しく低下する。
【００３５】
そこで、本発明の好ましい実施形態においては、波長依存性の点では有利ではあるがその製造上の困難性が大きいレターデーションＲＡ を与える単一の位相差補償膜に代え、波長依存性の点では必ずしも最適ではないにしても、基本色光の少なくとも二種類については、その波長域に応じてレターデーションを調整した別の位相差補償膜がそれぞれ位相差補償セグメントとして用いられ、可視光全域にわたってほぼ満足し得る位相差補償作用を得ながらも、その製造効率が低下することのないように工夫されている。
【００３６】
レターデーションの調整は、液晶層５の波長依存性をもつレターデーションＲ１に対し、位相差補償膜８のトータルの厚みｄ２を基本色光の波長域に応じて調節し、レターデーションＲ２の特性曲線を波長域に合わせて上下方向にシフトさせることによって対応するのが簡便である。位相差補償膜８の複屈折Δｎ２は薄膜Ｌ１，Ｌ２の各層の屈折率及び個々の膜厚によって決まり、これが波長依存性、すなわち特性曲線の傾きを決定する要因となっている。また、レターデーションＲ２の大きさ（特性曲線の上下方向へのシフト量）はそのトータルの膜厚に依存しているから、位相差補償膜を構成する薄膜Ｌ１，Ｌ２の個々の膜厚についてはそれぞれ一定に保ちながら、基本色光の波長域ごとにこれらの繰り返し積層数を増減してトータルの膜厚調節を行うことができる。
【００３７】
例えば図４において、波長域５００ｎｍ〜６００ｎｍのレターデーションＲ２Ｇは、図３におけるレターデーションＲ２の部分的な特性曲線と同一であるが、波長域４００ｎｍ〜５００ｎｍ、波長域６００ｎｍ〜７００ｎｍのレターデーションＲ２Ｂ，Ｒ２Ｒは、先のレターデーションＲ２と同じ複屈折Δｎ２をもちながらも、波長域５００ｎｍ〜６００ｎｍのものに対し、薄膜Ｌ１，Ｌ２の繰り返し積層数を増減させることによって得られたものである。こうしてトータルの膜厚を調整した各々の位相差補償膜が基本色光の種類ごとの位相差補償セグメントとして用いられる。
【００３８】
なお、図４の例では可視光領域を三分して三種類の基本色光のそれぞれにレターデーションＲ２Ｂ，Ｒ２Ｇ，Ｒ２Ｒを割り当てているが、液晶層５のレターデーションＲ１の波長依存性が長波長側で穏やかになっていることを考慮し、緑色光と赤色光については同一のレターデーションを与える位相差補償膜を用い、可視光領域について二種類の位相差補償膜で対応することも可能である。この場合には、レターデーションＲ２ＧあるいはレターデーションＲ２Ｒのいずれかが得られる位相差補償膜をそのまま用いてもよいが、そのいずれかのトータル膜厚を調整し、波長６００ｎｍで液晶層５のレターデーションＲ１と一致させるようにするのがよい。
【００３９】
【発明の実施の形態】
図５に本発明を適用した単板式のカラー液晶プロジェクタの構成を概略的に示す。リフレクタ及びランプからなる光源１０からの白色の照明光は、集光光学系１１によりほぼ平行光となって偏光板１２に入射する。偏光板１２により直線偏光となった照明光は液晶素子１３に入射する。液晶素子１３はマトリクス状に配列された画素単位に青色光，緑色光，赤色光のいずれかの基本色光が割り当てられ、それぞれの基本色光ごとの画像データに基づいて透過濃度が制御される。詳しくは後述するように、液晶素子１３には個々の画素位置に対応してマイクロカラーフィルタが配列されているから、液晶素子１３からは画素単位でカラー及び強度変調された画像光が出射する。
【００４０】
液晶素子１３から出射した画像光は、前述のように液晶層の複屈折作用により正常光と異常光との間に位相差が生じ、楕円偏光を含んだものとなっているが、位相差補償素子１４によりその位相差補償が行われ、楕円偏光成分のほとんどが除去される。そして、入射側の偏光板１２に対して直交ニコル配置となった出射側の偏光板１５を経て画像光は投影レンズ１６によりスクリーン１７上に投影される。
【００４１】
上記液晶プロジェクタに用いられる液晶パネルの一例を図６に示す。この液晶パネルは、入射側の偏光板１２、液晶素子１３、位相差補償素子１４、出射側の偏光板１５を一体化したもので、入射側のガラス基板２０の入射面側に偏光板１２が設けられ、出射側のガラス基板２１の出射面側に図２に示すような薄膜Ｌ１，Ｌ２を交互に積層した位相差補償膜８、偏光板１５が設けられている。液晶素子１３は、これらのガラス基板２０，２１間で挟まれた部分に相当する。ガラス基板２０の出射面側にイオン注入方式で作成されたマイクロレンズ２３がマトリクス状に配列され、ほぼ平行に入射してくる白色の照明光を収斂させることによって、液晶素子の電極構造による開口率の低下を防いでいる。
【００４２】
ガラス基板２０の出射面側に、液晶素子のアクティブ側の電極構造部２４が紙面に対して垂直方向に延びたストライプ状に形成され、いわゆるブラックストライプとなる。電極構造部２４は遮光帯となるが、電極構造部２４の相互間には画素ごとに区画された透明電極が形成され、これが画素単位で液晶層に電圧を印加するアクティブ電極２５として機能する。電極構造部２４及びアクティブ電極２５を覆うように透明なオーバーコート膜２６が形成され、その平滑化された表面に配向膜２７が形成される。
【００４３】
他方のガラス基板２１の入射面側に、画素単位に区画されたマイクロカラーフィルタ３０、透明導電膜からなるコモン電極３１、配向膜３２が層設されている。そして、配向膜２７と配向膜３２との間に液晶分子を充填した液晶層３５が設けられている。マイクロカラーフィルタ３０は、青色光，緑色光，赤色光をそれぞれ透過する微小なカラーフィルタ部を、対応するアクティブ電極２５と重なり合うようにマトリクス状に配列したもので、白色の照明光をカラー変調する。また、対応するアクティブ電極２５への印加電圧を制御することによって、液晶層３５を通過する照明光の強度変調が行われる。なお、マイクロカラーフィルタ３０を液晶層３５よりも上層、例えばガラス基板２０の上面あるいはマイクロレンズ２３の下面に設けてもよい。
【００４４】
図７に拡大して示すように、ガラス基板２１の液晶層側に形成されたマイクロカラーフィルタ３０は、青色光，緑色光，赤色光だけをそれぞれ透過する青色フィルタ層３０Ｂ，緑色フィルタ層３０Ｇ，赤色フィルタ層３０Ｒと、可視光の透過を遮断する遮光層３０Ｘから構成されている。また、位相差補償膜８は薄膜Ｌ１，Ｌ２の積層数が異なる３種類の位相差補償膜８Ｂ，８Ｇ，８Ｒと、これらを覆うオーバーコート層３６とから構成される。位相差補償膜８Ｂは、液晶層３５及び青色フィルタ層３０Ｂを透過してきた青色光Ｂに対して良好な位相差補償作用が得られるように膜構成が決められ、同様に、位相差補償膜８Ｇ，８Ｒは、液晶層３５及び緑色フィルタ層３０Ｇ，赤色フィルタ層３０Ｒを透過してきた緑色光Ｇ，赤色光Ｒに対して良好な位相差補償作用が得られるように膜構成が決めらており、これらが基本色光の種類ごとに位相差を補償する位相差補償セグメントとなっている。
【００４５】
このため、それぞれの位相差補償膜８Ｂ，８Ｇ，８Ｒと、青色フィルタ層３０Ｂ，緑色フィルタ層３０Ｇ，赤色フィルタ層３０Ｒとの相対位置を高精度に合わせておく必要があるが、上記のように共通のガラス基板２１にこれらが設けられるので、製造上有利となる。なお、それぞれの位相差補償膜８Ｂ，８Ｇ，８Ｒの膜厚が異なるため、各々の相互間に段差が生じる。そこで、ＳｉＯ２ の蒸着などによるオーバーコート層３６でこれらの位相差補償膜８Ｂ，８Ｇ，８Ｒを全体的に覆った後にその表面を平滑に研磨すれば、さらにその上に偏光板１５を接合し、あるいは同様の作用を行う偏光膜を蒸着形成することも可能となる。
【００４６】
共通のガラス基板２１上に、蒸着あるいはスパッタリングによって３種類の位相差補償膜８Ｂ，８Ｇ，８Ｒを所定のマトリクスパターンで形成するには、周知のリフトオフ法、フォトリソグラフィ法を用いることができる。この場合、パターニング工程に合わせて順次に位相差補償膜８Ｂ，８Ｇ，８Ｒを一種類ずつ形成してゆけばよいので、位相差補償膜８Ｂ，８Ｇ，８Ｒの膜構成が全く異なっていても特に問題はない。しかし、その製造工程を効率化するには、薄膜Ｌ１，Ｌ２の屈折率及びその個々の膜厚を一定とし、その繰り返し積層数の調節により３種類の位相差補償膜８Ｂ，８Ｇ，８Ｒを得るのが有利である。
【００４７】
すなわち、２種類の薄膜Ｌ１，Ｌ２の繰り返し積層数の増減により３種類の位相差補償膜８Ｂ，８Ｇ，８Ｒを設けるようにすれば、３種類の位相差補償セグメントを得るにあたり、単に２種類の蒸着材料があれば足りることになる。また、最も積層数が多い位相差補償膜８Ｒを形成してゆく途中で他の位相差補償膜８Ｂ，ＧＧも順次に形成されることになるから、各々適切な積層数に達した時点でその上を順次にマスキングすればよく、製造効率が格段に向上する。
【００４８】
上述のように、基本色光の種類に応じた位相差補償膜８Ｂ，８Ｇ，８Ｒを用いれば、それぞれの色光ごとに適切な位相差補償作用が得られることになるから、単板式カラープロジェクタによる投影画像のコントラストを大幅に改善することが可能となる。しかも、これらの位相差補償膜は、各基本色光の波長に比して十分に微細な物理的構造をもつ無機材料からなる構造性複屈折体の一種であり、耐久性に優れているという特徴を有するから、例えば家庭用プロジェクションテレビジョンなどのように長時間の継続使用が想定される機器にも問題なく利用することができる。
【００４９】
なお、耐久性の面ではマイクロカラーフィルタ３０の青色フィルタ層３０Ｂ，緑色フィルタ層３０Ｇ，赤色フィルタ層３０Ｒを蒸着やスパッタリングで形成することも少なくない。これらのフィルタ層は、いずれも高屈折率，低屈折率の誘電体薄膜を交互に積層した多層膜で構成されるが、各々の薄膜としてＴｉＯ２ 膜とＳｉＯ２ 膜とを用いることも可能である。したがって、この場合にはマイクロカラーフィルタ３０を形成するための装置をそのまま用いて位相差補償膜８Ｂ，８Ｇ，８Ｒを製造することも可能となる。なお、薄膜材料に相違がある場合でも、蒸着装置やスパッタリング装置にこれらの材料をセッティングしておき、マイクロカラーフィルタ，位相差補償膜のそれぞれの製造工程で使い分けることもできるので装置自体の共用は可能である。
【００５０】
【実施例】
「実施例１」
以下、上述した位相差補償膜８Ｂ，８Ｇ，８Ｒの具体的な実施例について説明する。図８は、ＴＮ液晶を用いたネマティック液晶材料がもつ複屈折Δｎと、ＴＮ液晶のセル厚ｄ（図１における液晶層５の厚みｄ１に対応する）を４．５μｍにしたときの原初的なレターデーションｄΔｎとの波長依存性を示すもので、図示のとおりそれぞれの値は波長によって異なってくる。そして、前述のようにＴＮ液晶は黒レベル表示においてセル内の液晶分子の全てが垂直配向姿勢になるわけではないので、セル厚ｄの略７０％に相当する液晶層の部分が、補償すべき位相遅れを生じさせる実効的な要因として寄与しているものとし、これを実効レターデーションＲｅとして表すと同図のとおりである。
【００５１】
なお、この実施例の液晶素子には、メルク社の「ＺＬＩ−１０８３」（商品名）として知られるシアノシクロヘキサン系ネマティック液晶が用いられている。先のパーセンテージは、液晶層を構成している液晶分子の組成や種類、あるいは基板間への印加電圧レベルや液晶分子の配向姿勢分布に応じて適宜に変更すべきであり、必ずしも一律に７０％に限られるものではない。
【００５２】
このＴＮ液晶の実効レターデーションＲｅがもつ波長依存性に適合させるために、図９に示すように、高屈折率層にＴｉＯ２ 膜、低屈折率層にＳｉＯ２ 膜を用い、これらを交互に積層した位相差補償膜（１） を作製した。ＴｉＯ２ 膜及びＳｉＯ２ 膜は、その個々の物理的膜厚がそれぞれ３０ｎｍ，２０ｎｍ（物理的膜厚比が３：２）で、各々４０層ずつ合計８０層積層され、合計の物理的膜厚は２μｍである。そして、同図に示すとおりＴｉＯ２ 膜及びＳｉＯ２ 膜の屈折率にも波長依存性がある。この位相差補償膜（１） の複屈折Δｎを測定したところ、同図に示すようにやはり波長依存性が認められた。
【００５３】
なお、物理的膜厚が３０ｎｍ，２０ｎｍのＴｉＯ２ 膜，ＳｉＯ２ 膜の光学膜厚は、屈折率が大きい４００ｎｍにおいてもそれぞれ７６．６ｎｍ，２９．６ｎｍでいずれもλ／５以下であり、青色光の基準波長４５０ｎｍや他の基本色光の基準波長においてもこの条件は満たされる。この条件が満たされることによって、λ／４の光学膜厚を基準にした従来の干渉薄膜とは異なり、これらの積層膜に本発明システムに必須である光学異方性をもたせることができる。また、個々の薄膜層の光学膜厚をλ／１００よりも薄くすると、各々の薄膜層の物理的膜厚は極端に薄いものになる。したがって、所望の総膜厚ｄを得るには各々の薄膜層の積層数が大幅に増え、製造効率が著しく劣化するので実用的ではない。
【００５４】
ここで、上記構造をもつ位相差補償膜（１） の複屈折Δｎが、構造性複屈折の理論から予想される理論値とよく一致することを示す。一般に、屈折率ｎ１ ，ｎ２ 、物理的膜厚がａ，ｂである薄膜を波長よりも十分に短いピッチａ＋ｂで交互に積層した位相差補償膜に対し、各層の積層面に電磁波が垂直に入射した場合には、電場が各層の平面に平行に振動する波（ＴＥ波）だけになるため、複屈折性を示さない。ところが、電磁波が各層の積層面に傾斜して入射した場合には、電場が各層に平行に振動する波（ＴＥ波成分）と、電場が各層に垂直に振動する波（ＴＭ波成分）とで有効屈折率ＮＴＥ，ＮＴＭが異なり、それぞれ次式で表されることが知られている。
ＮＴＥ＝√｛（ａｎ１ ２＋ｂｎ２ ２）／（ａ＋ｂ）｝
ＮＴＭ＝√〔（ａ＋ｂ）／｛（ａ／ｎ１ ２）＋（ｂ／ｎ２ ２）｝〕
【００５５】
これらの有効屈折率ＮＴＥ，ＮＴＭの相違が複屈折性を生じさせる要因であり、その複屈折Δｎは「Δｎ＝ＮＴＭ−ＮＴＥ」で与えられる。これらの式から求めた複屈折Δｎの理論値を図９に示す実測値と比較すると、両者がよく一致していることが了解できる。なお、図９のΔｎの欄に示す「ｋ＝０．６」は、上式における「ａ／（ａ＋ｂ）＝ｋ」の値を表している。そして、この位相差補償膜（１） のレターデーションｄΔｎは、波長ごとの複屈折Δｎと、位相差補償膜の膜厚ｄ（＝２μｍ）との積であるから、同図に示すように波長ごとに異なってくる。なお、この図９からは、ＴｉＯ２ 膜及びＳｉＯ２ 膜の屈折率の波長依存性を比較したとき、複屈折Δｎの波長依存性に対する影響力は、ＳｉＯ２ 膜よりもＴｉＯ２ 膜の方が大きいということも読み取ることができる。
【００５６】
図１０は、図８に示すＴＮ液晶のレターデーションｄΔｎ（□）及び実効レターデーションＲｅ（○）と、位相差補償膜（１） のレターデーションｄΔｎ（▲）とを波長ごとにプロットしたもので、実効レターデーション（○）と位相差補償膜（１） のレターデーション（▲）とが重なり合うほど良好な位相差補償効果が得られることを表している。同図によれば、位相差補償膜（１） は波長５００ｎｍ〜７００ｎｍの領域ではほぼ満足し得る効果が得られるものの、５００ｎｍよりも短波長側では過補償の傾向を示すことがわかる。したがって、青色光，緑色光，赤色光の各基本色光に対し、一定の厚みｄ＝２μｍにした同一の位相差補償膜（１） を適用したのでは、可視光領域中の最も短波長側の青色光については十分な位相差補償効果が得られているとは言い難い。
【００５７】
この問題は、図１１に示すように、位相差補償膜（１） を青色光用に適用する場合には、青色光のほぼ中間の基準波長４５０ｎｍにおけるレターデーション▲が実効レターデーション○と一致するようにその全体厚みｄを調整すれば、位相差補償膜（１） の複屈折Δｎを変えなくても改善することができる。さらに、赤色光についてもそのほぼ中間の基準波長６５０ｎｍでレターデーション▲と実効レターデーション○とが一致するように赤色光用の位相差補償膜（１） の全体厚みｄを増やすことで改善が可能となる。
【００５８】
図１２はこうして設計された位相差補償膜の物性値を示すもので、薄膜の積層構造自体は全く共通であるが、その全体の厚みｄが基本色光ごとに調整されている。すなわち、青色光用のものはｄ＝１．８μｍ、緑色光用のものはｄ＝２μｍ、赤色光用のものはｄ＝２．１μｍにしてある。これにより図１１に示すように位相差補償膜（１） のレターデーションｄΔｎを基本色光の種類ごとに変えることができるようになる。
【００５９】
このように、各々の基本色光ごとに位相差補償膜によるレターデーションを調整するにあたり、その複屈折Δｎが各層の屈折率ｎ１ ，ｎ２ と各々の物理的膜厚の比で決まることを利用し、基本色光ごとに用いられる位相差補償膜（１） のＴｉＯ２ 膜とＳｉＯ２ 膜の物理的膜厚を同じにして複屈折Δｎも一律のものにしておき、基本色光の種類に応じてそれぞれの位相差補償膜の合計層数を変えて膜厚ｄを調整することが望ましい。そして上記実施例では、位相差補償膜（１） のレターデーションを基本色光ごとに調整するにあたり、緑色光用のものは合計積層数を８０層とし、青色光用のものは合計積層数を７２層、赤色光用のものは８２層にすることで対応している。
【００６０】
こうして設計された青色光用，緑色光用，赤色光の各位相差補償膜は、それぞれ図７に示す位相差補償膜８Ｂ，８Ｇ，８Ｒとして用いられる。このため、これらの位相差補償膜８Ｂ，８Ｇ，８Ｒは液晶素子の画素配列に応じてガラス基板２１の一方の面に形成される。液晶素子の画素配列は、同じガラス基板２１の他方の面に形成されたマイクロカラーフィルタ３０の青色フィルタ層３０Ｂ，緑色フィルタ層３０Ｇ，赤色フィルタ層３０Ｒに対応する。このように、共通のガラス基板２１上にこれらの位相差補償膜８Ｂ，８Ｇ，８Ｒと青色フィルタ層３０Ｂ，緑色フィルタ層３０Ｇ，赤色フィルタ層３０Ｒとを形成すれば、双方の配列パターンを正確に対応づけする上で有利となる。
【００６１】
青色フィルタ層３０Ｂ，緑色フィルタ層３０Ｇ，赤色フィルタ層３０Ｒ及び 遮光層３０Ｘは、染色法や顔料分散法などで作成することもできるが、耐久性を考慮した場合、蒸着法やスパッタリング法で作成するのが有利である。また、各フィルタ層及び遮光層のパターンニングのためには、例えば特開平９−１５４２０号公報などで知られるような周知のリフトオフ法やフォトリソグラフィを用いることができる。位相差補償膜８Ｂ，８Ｇ，８Ｒについても、同様のリフトオフ法やフォトリソグラフィが適用可能であるが、これらの位相差補償膜８Ｂ，８Ｇ，８Ｒは、積層される薄膜Ｌ１，Ｌ２の個々の膜厚が共通で、積層数が異なるだけであるという構成上の特徴から、図１３に示す手法を採ることができる。
【００６２】
図１０はガラス基板２１上に位相差補償膜８Ｂ，８Ｇ，８Ｒをパターンニングしながら形成する手順を示すもので、図７とは表裏を逆にして示し、マイクロカラーフィルタ３０についてはその図示を省略してある。図１０（Ａ）に示すように、まずガラス基板２１の全面に薄膜Ｌ１（物理的膜厚３０ｎｍのＴｉＯ２ 膜）と薄膜Ｌ２（物理的膜厚２０ｎｍのＳｉＯ２ 膜）とを蒸着により交互に３６層ずつ積層した合計膜厚１．８μｍの第１層４０を形成する。
【００６３】
そして同図（Ｂ）に示すように、その上層に紫外線硬化型のフォトレジスト層４１を塗布形成した後、フォトマスク４２を利用して位相差補償膜８Ｂの配列パターンに対応する部分だけに紫外線で露光を与える。フォトレジスト層４１は、紫外線の露光部が不溶部、非露光部が可溶部となるから、現像処理を行うことによって、同図（Ｃ）に示すように第１層４０の表面のうち、位相差補償膜８Ｂの配列パターンとなる部分だけがフォトレジスト層４１で覆われた状態となる。
【００６４】
続いて、全体にさらに薄膜Ｌ１，Ｌ２を交互に４層ずつ蒸着する。この結果、同図（Ｄ）に示すように、フォトレジスト層４１の上層及び、フォトレジスト層４１で覆われていない部分の双方に、さらに物理的膜厚で０．２μｍ分の第２層４４が積層される。フォトレジスト層４１で覆われていない部分は、先に得られた第１層４０上に追加蒸着が行われるため、その部分の物理的膜厚は２．０μｍとなって位相差補償膜８Ｇと同じ膜厚となる。
【００６５】
その後、再び全体にフォトレジスト層４１を塗布し、同図（Ｅ）に示すように、今度は位相差補償膜８Ｇの配列パターンに合わせて紫外線露光を与える。同様の現像処理を行うと、同図（Ｆ）に示すように、位相差補償膜８Ｒの配列パターンに対応する部分だけがフォトレジスト層４１で覆われずに表面に露呈した状態となる。そして、再度薄膜Ｌ１，Ｌ２を２層ずつ追加蒸着して第３層４５を積層すれば、位相差補償膜８Ｒの配列パターンに対応する部分では、同図（Ｇ）のように先に得られた薄膜Ｌ１，Ｌ２の上層にさらに物理的膜厚で０．１μｍ分の蒸着が行われ、全体の積層数は８４層、物理的膜厚は２．１μｍとなる。
【００６６】
しかる後に、フォトレジスト層４１を剥離して取り除くと、同図（Ｈ）に示すように、ガラス基板２１上には第１層４０だけによる位相差補償膜８Ｂと、第１層４０に第２層４４を加えた位相差補償膜８Ｇと、第１層４０と第２層４４と第３層４５とが重ねられた位相差補償膜８Ｒとを所定のパターンで配列した位相差補償膜８が得られる。この手法は、共通の基板上に異種の薄膜層を異なった位置にパターンニングしながら順次に形成してゆくに際し、先に作成が完了する薄膜層が、後で作成が完了する薄膜層の下層側の一部になっている場合に効果的で、後で作成が完了する薄膜層の上層側に別の蒸着材料の薄膜層が追加される場合にも適用が可能である。
【００６７】
「実施例２」
上記位相差補償膜（１） は、図５に示す液晶プロジェクタで使用される液晶素子１３としてＴＮ液晶が用いられる場合のものであるが、液晶素子としてＥＣＢ液晶が用いられる場合の実施例について説明する。ＥＣＢ液晶は図１４に示す物性をもち、セル厚を４．５μｍとすれば、複屈折Δｎの波長依存性によりレターデーションｄΔｎにも波長依存性が現れる。前述のように、ＥＣＢ液晶では液晶素子の波長ごとのレターデーションｄΔｎがそのまま位相差を発現させる要因になるから、これを踏まえて位相差補償膜のレターデーションを調節すればよい。
【００６８】
図１５に、このＥＣＢ液晶用の位相差補償膜（２） の設計例を示す。高屈折率層としてＴｉＯ２ 膜、低屈折率層としてＳｉＯ２ 膜を用い、まず波長５５０ｎｍでのレターデーションがＥＣＢ液晶のレターデーション「０．５５８ｎｍ」とほぼ一致するように多層膜設計を行った。そこで、ＴｉＯ２ 膜，ＳｉＯ２ 膜の物理的膜厚をそれぞれ３０ｎｍ，２０ｎｍとして各々の膜厚比を先の位相差補償膜（１） と同様に３：２とし、これらを交互に５８層ずつ合計１１６層積層して総厚みｄ＝２．９μｍの位相差補償膜（２） を得た。したがって、この位相差補償膜（２） の波長ごとの複屈折Δｎも先の実施例と同様になるから、そのレターデーションｄΔｎは膜厚ｄ（＝２．９μｍ）を乗じて図示のとおりとなる。
【００６９】
この位相差補償膜（２） のレターデーション▲と、ＥＣＢ液晶のレターデーション□とを波長ごとにプロットすると、図１６のとおりである。このグラフからわかるように、やはり短波長になるほど位相差補償膜（２） では過補償となり、長波長側では補償不足傾向となることがわかる。そこで、図１７に示すように、青色光用の位相差補償膜については、基準波長４５０ｎｍで各々のレターデーションを一致させ、赤色光用の位相差補償膜については基準波長６５０ｎｍで両者を一致させるために、図１８に示すように青色光用，赤色光用のものについて合計膜厚ｄの調節を行った。
【００７０】
合計膜厚ｄを調節するにあたっては、先の実施例と同様に、青色光用のものについては合計厚みｄが２．５μｍとなるように薄膜の合計の積層数を１００層とし、赤色光用のものについては合計厚みｄが３．０μｍとなるように合計積層数を１２０層にした。これにより、可視光領域においては図１７に示すように基本色光ごとに改善されたレターデーション特性を得ることができた。なお、図１９は赤色光用に緑色光用の位相差補償膜をそのまま用いた場合の特性を示したもので、実用的にはこれで対応することも可能である。また、波長６００ｎｍで位相差補償膜（２） のレターデーションはＥＣＢ液晶のレターデーションとが一致するように、この緑色光・赤色光共用の位相差補償膜の合計膜厚をわずかに増やすようにしてもよい。
【００７１】
こうして膜設計を行った後、基本色光ごとに層膜厚を変えた３種類の位相差補償膜を先の実施例と同様にマイクロカラーフィルタ３０の画素配列に対応させてガラス基板２１に蒸着形成すればよい。
【００７２】
以上の実施例１，２は、薄膜Ｌ１，Ｌ２にＴｉＯ２ 膜，ＳｉＯ２ 膜を用いているが、そのほかにも、例えばＺｒＯ２ 、ＭｇＯ、ＣｅＯ２ 、ＳｎＯ２ 、Ｔａ２ Ｏ５ 、Ｙ２ Ｏ３ 、ＬｉＮｂＯ３ 、ＭｇＦ２ 、ＣａＦ２ 、Ａｌ２ Ｏ３ など、種々の蒸着材料を適宜選択して薄膜Ｌ１，Ｌ２を形成することができる。もちろん、その場合には、これらの薄膜の有効屈折率ＮＴＥ，ＮＴＭ及びその波長依存性を考慮した膜厚設計が必要となる。
【００７３】
また、本発明を実施するうえでは、基本的には位相差補償膜８Ｂ，８Ｇ，８Ｒの膜構成や薄膜材料を全く変えてもよいが、実施例１，２のように高屈折率層である薄膜Ｌ１と低屈折率層であるＬ２とをそれぞれ一定の膜厚で積層してゆき、その積層数だけを変えて基本色光ごとの物理的構造を得るようにすると、各々の位相差補償膜の品質を一定に保ちながら量産がしやすいという製造上での大きな利点が得られる。
【００７４】
さらに、本発明は反射型のカラー液晶素子にも用いることができ、反射型のカラー液晶素子を用いた単板式カラー液晶プロジェクタにも適用が可能である。反射型のカラー液晶素子は、液晶層の背後にミラーを配置した構造をもち、入射光は液晶層を２度通過してから出射する。したがって、液晶素子で生じる位相差がセル厚の２倍になることを考慮して設計を行えばよい。例えば反射型の液晶素子をオフアクシス（入射光軸と反射光軸とが別）で使用し、入射光軸又は反射光軸のいずれか一方だけで位相差補償作用を得る場合には、セル厚の２倍を基準にして位相差補償膜の膜設計を行えばよい。
【００７５】
なお、反射型液晶素子の表面に近接して位相差補償膜を設け、入射光が位相差補償膜を通って液晶層に入射し、その反射光が再びその位相差補償膜を通過して出射する場合には、液晶層及び位相差補償膜を光線がそれぞれ２度通過することになるから、前述した実施例のように、液晶素子のセル厚（液晶層の厚みｄ）を基準にした設計を行えばよい。
【００７６】
以上に説明した位相差補償膜は、結晶光学的には一軸性の負のｃ−ｐｌａｔｅとして機能する構造性複屈折体であるが、同様の機能を発揮する無機材料からなる構造性複屈折体として、原理的には例えば図２０に示すものも本発明の位相差補償素子として用いることができる。この構造性複屈折体５０は、透明な支持体となるガラス基板５１の表面に、屈折率ｎＡ の透明な板状突起５２を格子状に配列したものである。
【００７７】
この構造性複屈折体５０の物理的構造を構成している板状突起５２の厚みｄ，高さｈ及び配列間隔は光の波長に対して充分に小さく、例えば板状突起６７の厚みｄに屈折率ｎＡ を乗じた光学膜厚がλ／１００〜λ／５、好ましくはλ／５０〜λ／５、実際的にはλ／３０〜λ／１０程度であればよく、光学異方性を示さない光学軸５０ａは図示の方向となる。
【００７８】
この構造性複屈折体５０の複屈折Δｎは、板状突起５２の厚みＳと、その相互間の間隔で決まり、レターデーションは板状突起５２の高さｈとの積ｈΔｎとなる。そして、板状突起５２の屈折率ｎＡ のもつ波長依存性により、複屈折Δｎも波長依存性を示すから、先の実施例と同様に基本色光の種類、特に短波長側で位相差補償量もかなり違った値になる。これに対処するには、基本色光の種類に応じて板状突起５２の高さｈを変え、それぞれレターデーションを異ならせた複数種類の位相差補償セグメントとし、これらを液晶素子の画素配列パターンに対応して配列すればよい。液晶素子との組み合わせを考慮すれば、図６に示す位相差補償膜８に代えて、ガラス基板２１の下面にこれらの板状突起５２からなる複数種類の位相差補償セグメントを配列すればよい。
【００７９】
さらに、図２１に示すように、ガラス基板５１上に透明な板状突起５４を傾斜して配列した構造性複屈折体５５も用いることができる。この構造性複屈折体５５も負の一軸性複屈折体として作用し、上記構造が形成されたガラス基板５１の面が照明光軸あるいは投影光軸と垂直になるように配置され、ｏ−ｐｌａｔｅとして用いられる。この構造性複屈折体５５も、先の構造性複屈折体５０と同様に、板状突起５４の高さｈを調節することによって、基本色光の種類に応じてレターデーションを調節することができる。
【００８０】
これらの構造性複屈折体５０，５５のもつ物理的な繰り返し構造パターンは、フォトリソグラフィーにより作成することができる。なお、負の一軸性複屈折体としての作用を得るためには、それぞれの板状突起５２，５４の幅ｄに対する高さｈで表されるアスペクト比を充分に大きくしておく必要がある。このアスペクト比が充分に大きくない場合には、屈折率楕円体の三次元座標軸に関する屈折率ｎｘ ，ｎｙ ，ｎｚ が全て異なる２軸性複屈折体となる。さらにアスペクト比が小さくなると、極限的には正のａ−ｐｌａｔｅになる。
【００８１】
正のａ−ｐｌａｔｅは基板の面内に光学軸があるので、基板と垂直な方向に進む偏光に対して、偏光方向によって異なる位相差を引き起こす位相差板である。その特殊な例として、直線偏光に対して方位角４５°となるように配置され、レターデーションｄΔｎが波長の１／４となるａ−ｐｌａｔｅは、直線偏光を円偏光に変換する機能を示す。このようなａ−ｐｌａｔｅは、４分の１波長板として反射型の液晶素子との組み合わせで多用されている。
【００８２】
図２２に正のａ−ｐｌａｔｅとして作用する構造性複屈折体の一例を示す。この構造性複屈折体６０は、ガラス基板５１の表面に所定の屈折率をもつ透明な誘電体による突状６１を一定ピッチで格子状に配列することによって構成され、突条６１の幅Ｗ及び突条６１の相互間隔、並びに高さｈは波長よりも十分に小さくしてある。
【００８３】
光学軸６０ａは図示のように格子構造と平行となり、上記構造が形成されたガラス基板５１の表面が照明光軸あるいは投影光軸に垂直になるように配置して使用される。照明光軸または投影光軸と直交する面内で、異なる屈折率が一次元方向に分布する。レターデーションは、突条６１の高さｈと、突条６１の屈折率及びその微細構造で決まる複屈折Δｎとの積となるから、基本色光の種類に応じて高さｈを調節することによって、レターデーションの調節が可能となる。なお、高さｈが波長に対して大きくなると光学異方性が一軸からずれて二軸となる。さらに大きくなると負のａ−ｐｌａｔｅに近づく。また、突条６１による格子構造は空気層に接していてもよいが、他の異なる屈折率をもった誘電体層で、突条６１の相互間を埋めるように全体的に覆うようにしてもよい。
【００８４】
正の構造性複屈折体は、図２３，図２４，図２５に示すような形態でも得ることができる。図２３に示す構造性複屈折体６５は、ガラス基板５１の表面に所定の屈折率をもつ透明な誘電体からなる多数の突起６６を垂直に林立させたもので、突起６６のサイズや配列ピッチは光の波長に比して充分に小さく、結晶光学的には正のｃ−ｐｌａｔｅとなる。ガラス基板５１の表面が照明光軸または投影光軸と直交するように配置されるため、屈折率の異なる部分が照明光軸または投影光軸と直交する面内で二次元に分布するようになる。このような構造をもつ構造性複屈折体６５もフォトリソグラフィーで作成が可能であり、その光学軸６５ａはガラス基板５１の表面に垂直となる。そして、突起６６の高さｈを調節して、基本色光の種類に応じたレターデーションの調節を行うことができる。
【００８５】
図２４に示す構造性複屈折体７０は正のｏ−ｐｌａｔｅとして作用する。この構造性複屈折体７０は、ガラス基板５１の表面に所定の屈折率をもつ透明な突起７１を一定の傾斜角度で規則的に林立させたもので、フォトリソグラフィーにより作成可能である。やはり、これらの構造のサイズや繰り返しピッチは光の波長よりも充分に小さくしておく必要があり、構造表面は空気層あるいは別の透明な誘電体層のいずれに接していてもよい。光学軸７０ａは、図示のようにガラス基板５１の表面に対して傾斜し、突起７１の傾斜方向と平行になる。同様に、突起７１の高さｈを調節することによって、基本色光の種類に応じたレターデーションの調節が可能である。
【００８６】
正のｏ−ｐｌａｔｅを作成するにあたっては、図２５に示すように、ガラス基板５１の表面に対し、斜め方向から所定の屈折率をもつ一種類の誘電体を蒸着した誘電体層７４を形成することによっても得られる（米国特許第５６３８１９７号公報明細書（前掲特許文献１）参照）。この方法によれば、光の波長に対して充分に小さい物理的構造を簡単に得ることができる。なお、同図中に示す斜線は、ガラス基板５１に斜め方向から成膜を行ったことを模式的に表すためのもので、それぞれ個別の薄膜層を表すものではない。この構造性複屈折体７５も、ガラス基板５１の表面が照明光軸または投影光軸と垂直になるように配置して用いられ、斜設した誘電体層７４がｏ−ｐｌａｔｅ複屈折体の光学異方性を示す。そして、誘電体層７４の高さｈを調節することによって、基本色光の種類に応じたレターデーションの調節が可能である。
【００８７】
図２０〜図２５に挙げた構造性複屈折体５０，５５，６０，６５，７０，７５は、高屈折率薄膜層と低屈折率薄膜層とを交互に積層した位相差補償膜とは物理的構造が異なるが、光軸方向の厚み（高さｈ）に依存しない微細構造で決まる複屈折Δｎを一定のままにしながらも、光軸方向の厚みの調節により基本色光の種類に応じたレターデーションの調節ができるという共通性がある。したがって、これらの構造性複屈折体の一つについて、基本色光の種類に応じて光軸方向の厚みを調節した２〜３種類の位相差補償セグメントを液晶素子の画素配列に対応した配列パターンに並べて図６のガラス基板２１に形成しておけば、先の位相差補償膜８Ｂ，８Ｇ，８Ｒと同様の位相差補償作用を得ることが可能となる。
【００８８】
以上、図示した実施形態に基づいて本発明について述べてきたが、本発明を適用し得る液晶素子としては、上述したＴＮ液晶モードやＥＣＢ液晶モードのものだけでなく、ＶＡ（Ｖｅｒｔｉｃａｌｌｙ Ａｌｉｇｎｅｄ）、ＯＣＢ（Ｏｐｔｉｃａｌｌｙ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ ）、ＦＬＣ（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）などの各種の動作モードのものであってもよい。また、少なくとも二種類の位相差補償セグメントを二次元配列した位相差補償素子を、液晶素子のガラス基板２１の内面側に設けたり、あるいは他方のガラス基板２０の少なくともいずれかの面に設けることも可能である。さらに、液晶素子とは別体のガラス基板に各位相差補償セグメントを形成した位相差補償素子を作成しておき、各位相差補償セグメントが液晶素子の画素配列と整合するようにこの位相差補償素子を液晶素子に接合して用いるようにしてもよい。
【００８９】
薄膜Ｌ１，Ｌ２を交互に積層した位相差補償膜を作成するにあたっては、各層の物理的膜厚比は必ずしも３：２に限られず例えば１：１であってもよい。また２種類の薄膜を交互に積層する以外にも、例えば屈折率が異なる３種類以上の薄膜を適宜の順序，膜厚で積層してもよく、成膜工程の容易さ、各層の内部応力による歪みの吸収、屈折率の波長依存性などを考慮して適宜に設計することが可能である。さらに、上述してきた各種の構造性複屈折体に対して、位相差補償作用を有するとともに特に耐久性に問題のないポリマーフイルムを基材とする位相差補償シートを組み合わせることもまた、本発明の実施形態に含まれる。
【００９０】
【発明の効果】
以上に述べたとおり、本発明によれば、単板式液晶カラープロジェクタに用いられるカラー液晶素子の画素配列に対応し、基本色光の種類ごとにレターデションが異なる位相差補償セグメントを二次元配列した位相差補償素子を用いたから、基本色光ごとに位相差補償を行うことができるようになり、可視光領域の全域にわたってスクリーンに投影される画像のコントラストを向上させることができ、また黒レベルを表示するときの色味をなくすことができる。しかも、この位相差補償素子が無機材料からなる複屈折構造体で構成されているので、照明光源からの加熱を受けても位相差補償作用はほとんど劣化することがなく、耐久性の点でも大幅な改善が見込める。
【００９１】
本発明は、上記位相差補償素子を構成するにあたり、個々の光学膜厚を波長の１００分の１以上５分の１以下にした薄膜を積層した位相差補償膜を用いることによって有利に実現することができる。このような位相差補償膜は、高屈折率の薄膜と低屈折率の薄膜とを交互に積層するだけでも実現が可能である。特に、これらの薄膜の物理的膜厚をそれぞれ一律にして複屈折Δｎは一定にしながらも、これらの薄膜の積層数を基本色光の種類に応じて変えることによって色光ごとのレターデーションを調節することが可能となり、製造面での利点が大きい。また、これらの高・低二種類の薄膜として、種々の蒸着膜として多様され、品質も安定したＴｉＯ２ 膜とＳｉＯ２ 膜とを用いることができるので、安定した位相差補償作用が得られる。さらに、カラー液晶素子のカラー変調手段として用いられるマイクロカラーフィルタを多層干渉薄膜で構成する場合には、位相差補償膜の構成要素であるＴｉＯ２ 膜とＳｉＯ２ 膜とを用いることができるから、共通の蒸着設備を利用してマイクロカラーフィルタと位相差補償膜とを製造することが可能となり、効率的な製造を行うことができる。そして本発明は、上記のカラー液晶素子を組み込んだ単板式カラー液晶プロジェクタの形態で実施することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】位相差補償作用を説明する概念図である。
【図２】位相差補償素子の一例を示す概念図である。
【図３】レターデーションの波長依存性を示すグラフである。
【図４】基本色光ごとにレターデーションを調節する場合の説明図である。
【図５】単板式カラー液晶プロジェクタの概略図である。
【図６】カラー液晶素子の概略断面図である。
【図７】カラー液晶素子の部分概略断面図である。
【図８】ＴＮ液晶のレターデーションの波長依存性を示す図表である。
【図９】ＴＮ液晶用の位相差補償膜（１） の波長依存性を示す図表である。
【図１０】ＴＮ液晶と位相差補償膜（１） のレターデーション特性を示すグラフである。
【図１１】本発明実施例１のレターデーション特性を示すグラフである。
【図１２】本発明実施例１の位相差補償膜の波長依存性を示す図表である。
【図１３】本発明の位相差補償膜の製造構成を示す説明図である。
【図１４】ＥＣＢ液晶のレターデーションの波長依存性を示す図表である。
【図１５】ＥＣＢ液晶用の位相差補償膜（２） の波長依存性を示す図表である。
【図１６】ＥＣＢ液晶と位相差補償膜（２） のレターデーション特性を示すグラフである。
【図１７】本発明実施例２のレターデーション特性を示すグラフである。
【図１８】本発明実施例２の位相差補償膜の波長依存性を示す図表である。
【図１９】位相差補償膜（２） を波長５００ｎｍで分割して利用する場合のレターデーション特性を示すグラフである。
【図２０】位相差補償素子として適用可能な構造性複屈折体を示す概念図である。
【図２１】構造性複屈折体の他の例を示す概念図である。
【図２２】構造性複屈折体の別の例を示す概念図である。
【図２３】構造性複屈折体のさらに他の例を示す概念図である。
【図２４】構造性複屈折体のさらに別の例を示す概念図である。
【図２５】構造性複屈折体のさらに別の例を示す概念図である。
【符号の説明】
２ 液晶素子
５ 液晶層
６ 位相差補償素子
８ 位相差補償膜
１０ 光源
１２ 偏光板
１３ 液晶素子
１４ 位相差補償素子
１５ 偏光板
１６ 投影レンズ
１７ スクリーン
２０，２１ ガラス基板
３０ マイクロカラーフィルタ
３５ 液晶層
５０，５５，６０，６５，７０，７５ 構造性複屈折体[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a color liquid crystal element suitable for a single-plate liquid crystal projector capable of displaying a full-color image and a single-plate color liquid crystal projector using the same.
[0002]
[Prior art]
[Patent Document 1]
JP 2002-14345 A
[Patent Document 2]
JP 2002-31782 A
[Patent Document 3]
US Pat. No. 5,638,197
[Non-Patent Document 1]
Ebren JP and 5 others. “Birefringent Compensators for Normal White TN-LCDs”. SID Symposium Digest. SOCIETY FOR INFORMATION DISPLAY. 1994. p. 245-248
[0003]
Color liquid crystal projectors differ in the three-plate type and single-plate type, but in principle, the images displayed on the liquid crystal elements for each basic color light are combined and projected onto the screen. Although liquid crystal elements of various operation modes can be used as the liquid crystal elements of the liquid crystal projector, a commonly used TN (Twisted Nematic) liquid crystal will be described. In TN liquid crystal, liquid crystal molecules constituting a liquid crystal layer between two substrates are maintained so that the major axis thereof is parallel to the substrate, and the major axis is gradually tilted in the thickness direction, so that the total angle is 90 °. It is twisted and used so that it is sandwiched between a pair of polarizing plates (one is a polarizer and the other is an analyzer). Then, depending on whether the liquid crystal element is used in normally white or normally black, either the crossed Nicols arrangement or the parallel Nicols arrangement is selected for the pair of polarizing plates.
[0004]
Not only TN liquid crystals, but generally liquid crystal elements have the drawback of a narrow viewing angle. Taking a normally white TN liquid crystal as an example, in the state where no voltage is applied to the liquid crystal layer, the liquid crystal layer rotates the plane of polarization by 90 ° according to the twisted arrangement of liquid crystal molecules. Showing gender. Then, the linearly polarized light that has passed through the liquid crystal layer is emitted through the other polarizing plate arranged in a crossed Nicols state, and becomes a white state. When a voltage is applied to the liquid crystal layer, the twist of the liquid crystal molecules disappears, and the incident linearly polarized light is emitted as it is in the plane of polarization, so that the other polarizing plate is blocked from passing and becomes black.
[0005]
However, the liquid crystal also acts as a birefringent medium. In the case of the above-described TN liquid crystal, in the process of applying a voltage to the liquid crystal layer and losing its twisted alignment, optical rotation and birefringence are mixed, and the birefringence dominates as the voltage application level increases. It ’s going to be. When the twist of the liquid crystal molecules disappears and the black state is obtained, the liquid crystal layer hardly exhibits birefringence with respect to the normal incident light, so that the linearly polarized light is transmitted as it is, but with respect to the oblique incident light. In other words, it exhibits birefringence, and light incident as linearly polarized light is modulated into elliptically polarized light.
[0006]
The elliptically polarized light generated in this way is partially transmitted through the polarizing plate on the output side, resulting in a decrease in the density of the black state. The propensity of the liquid crystal layer as a birefringent medium gradually appears in the process of transition from the white state to the black state. Therefore, when the display screen is observed from an oblique direction even in a halftone display state, the modulation degree The angle dependence is inevitable. Such angle dependency of the degree of modulation is a phenomenon that is observed not only in TN liquid crystals but also in all liquid crystal elements.
[0007]
In order to improve the above drawbacks of the liquid crystal element, it is known to use a phase difference compensation element together in a direct-view type liquid crystal display device that directly observes an image displayed on the liquid crystal element. As a phase difference compensation element used for this purpose, “Fuji WV Film Wide View A” (trade name / hereinafter referred to as WV film) manufactured by Fuji Photo Film Co., Ltd. has already been put into practical use. Describes that, by using a structural birefringent body in which thin films are laminated as a phase difference compensation element, the contrast of a display image of a TN liquid crystal is not lowered even when the viewing angle is increased. Further, Patent Document 3 describes that a phase difference compensation element in which a thin film is deposited from an oblique direction with respect to a substrate is used, and the viewing angle of the liquid crystal display is widened by the optical anisotropy.
[0008]
These phase difference compensation elements are applied to direct-view type liquid crystal elements, but direct-view type liquid crystal elements are usually observed with an image almost facing the display screen from a position more than a clear viewing distance. It is often the usage form of. If the contrast is observed at the periphery of the display screen and the image is observed with a slight shift of the eye position, the image of that part can be observed almost normally. In addition, in the case of applications where a large number of people observe at the same time, the distance between the display screen and the observer becomes large, so the range of normal observation is limited, but the contrast of the display image is partially different. Hateful.
[0009]
In contrast, in a liquid crystal projector, image light modulated by a liquid crystal element is projected onto a screen by a projection lens, and the image light diffuses on the screen and becomes an observation target. Therefore, when the black level is to be displayed, if the contrast of the projected image itself decreases due to the fact that light that is incident on the liquid crystal layer and passes through the liquid crystal molecules obliquely is included, Even when observed from various positions, the reduction in contrast is not improved at all. In order to increase the contrast of the projected image as much as possible, it is only necessary to obtain a projected image without using a light beam emitted from the liquid crystal element at a large angle.To that end, it is necessary to lengthen the back focus of the projection lens, Liquid crystal projectors that require miniaturization are disadvantageous in achieving compactness. In order to solve these difficulties in principle, it is also effective to use the viewing angle expansion technology used in direct-view liquid crystal panels for the liquid crystal elements used in liquid crystal projectors. Can be improved.
[0010]
Against this background, regarding a three-plate color liquid crystal projector that uses independent liquid crystal elements for each basic color light of blue light, green light, and red light, a phase difference compensation element is provided for each liquid crystal element in the same manner as a direct-view type liquid crystal element. Patent Documents 1 and 2 describe use in combination. In the liquid crystal projector described in Patent Document 1, a phase difference compensation element for TN liquid crystal that is made of an organic material such as the WV film described above is used. Patent Document 2 describes using a uniaxial birefringent crystal such as single crystal sapphire or quartz as a phase difference compensation element. All of these phase difference compensation elements act as a birefringent material that exhibits optical anisotropy depending on the incident angle of light, and that the contrast of an image is lowered by a light beam emitted from the liquid crystal element at a large emission angle. It is preventing.
[0011]
On the other hand, color liquid crystal projectors include a single plate type in addition to the above three plate type. The liquid crystal elements used in a single-plate color liquid crystal projector are each assigned to a basic color light of blue light, green light, or red light. It is driven by image data for each color light, and is illuminated with each basic color light. In order to illuminate the basic color light for each pixel, a micro color filter is incorporated in the liquid crystal element, or three types of basic color light are incident on the liquid crystal element by changing the illumination angle, and the action of the micro lens incorporated in the liquid crystal element. There is a method of guiding each basic color light onto the corresponding pixel, but in any case, a single liquid crystal element is illuminated with one basic color light per pixel, and a full color image is synthesized on the screen. ing.
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
However, the optical compensation element described in Patent Document 1 is made of an organic material such as a WV film, and has a drawback that fading easily occurs when exposed to strong light including ultraviolet rays for a long time. In particular, in a liquid crystal projector, the brightness of the light source is higher and the degree of overheating is larger than that of a direct-viewing type liquid crystal monitor for projecting an image on a screen, so that it is practically used for about 2000 to 3000 hours. There is a phenomenon that gradually turns brown. Therefore, there is a problem in durability in applications that are used for a long time such as home projection television, and it is difficult to put it to practical use. In Patent Document 2, a crystalline birefringent material such as single crystal sapphire or quartz is used as the retardation layer, which is excellent from the viewpoint of durability, but is itself expensive, and the crystal cutting direction and light Strictness is required for the adjustment of the built-in angle with respect to the shaft, and the manufacturing cost becomes high and it is difficult to adopt it practically.
[0013]
Furthermore, since the optical anisotropy of the liquid crystal element is wavelength-dependent, if an optical compensation element or retardation layer that is optically equivalent to each color channel of a three-plate color liquid crystal projector is used, a specific color channel Even if good phase difference compensation can be achieved, it is often impossible to expect good phase difference compensation for other color channels. In the case of a three-plate color liquid crystal projector, an optical compensation element that considers the wavelength range of the basic color light may be used for each color channel, so it is relatively easy to deal with. However, in a single-plate color liquid crystal projector, for each pixel of the liquid crystal element Optical compensation elements having different characteristics must be arranged. For this reason, the optical compensation elements and retardation layers described in Patent Documents 1 and 2 are not only difficult to adopt in terms of durability and cost, but also provide different retardation compensation actions for each pixel of the liquid crystal element. This is extremely difficult to manufacture.
[0014]
In addition, structural birefringent bodies that exhibit optical anisotropy by a fine physical structure are described in Patent Document 3 and Non-Patent Document 1, and these are also used for returning elliptically polarized light generated in a liquid crystal element to linearly polarized light. can do. However, these structural birefringent bodies also have wavelength dependency. For this reason, for example, as shown in Non-Patent Document 1, it is effective when used in a direct-view type with respect to light belonging to a specific narrow wavelength range such as display light of instruments. Even if it is applied as it is to a color liquid crystal projector, the same phase difference compensation action cannot be obtained for all three types of basic color light having different wavelength ranges.
[0015]
The present invention has been made in consideration of the above background, and provides a color liquid crystal element capable of obtaining a good phase difference compensation action for each of the three basic color lights necessary for full-color image display. An object is to provide a single-plate color liquid crystal projector using the element.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, according to the present invention, each of the two-dimensionally arranged pixels on the common substrate is assigned to one of the three types of basic color light, and the transmission density of the pixel is controlled for each basic color light. A phase difference compensation element is combined with a color liquid crystal element that forms a full-color image for projection. This retardation compensation element is composed of a structural birefringent material made of an inorganic material, and at least two types of retardations expressed by the product of the birefringence and the thickness in the optical axis direction are different from each other according to the basic color light. These phase difference compensation segments are two-dimensionally arranged, and each of these phase difference compensation segments is associated with each pixel to which the respective basic color light is assigned.
[0017]
In a preferred embodiment of the present invention, at least two kinds of phase difference compensation segments are each composed of a phase difference compensation film in which a high refractive index layer and a low refractive index layer are alternately laminated, and a high refractive index layer and a low refractive index layer. The optical film thickness of each layer is not less than 1/100 and not more than 1/5 of the wavelength. Also, the high-refractive index layer and the low-refractive index layer constituting the retardation compensation film have the same thickness, and the total thickness of the retardation compensation film is varied by changing the number of layers. It is also possible to correspond to the type of basic color light, and furthermore, each of the high-refractive index layer and the low-refractive index layer constituting each of these retardation compensation films, one by one regardless of the kind of retardation compensation film It is also possible to use a high refractive material and a low refractive material.
[0018]
It is also possible to provide a micro color filter layer in which three types of color filters that transmit only basic color light assigned to the pixels of the liquid crystal element are two-dimensionally arranged on the other surface of the transparent substrate on which the retardation compensation film is formed. It is effective in carrying out the invention. In this case, the three types of color filters can be composed of a high refractive index layer and a low refractive index layer, and the material can be used in common with the phase difference compensation film, thereby improving the manufacturing efficiency. . The present invention also includes a single-plate color liquid crystal projector using such a color liquid crystal element.
[0019]
The basic operation of the phase difference compensation element used in the present invention is conceptually as follows. In FIG. 1, a liquid crystal element 2 has a structure in which a liquid crystal layer 5 made of liquid crystal molecules is enclosed between a transparent base substrate 3b and an opposing substrate 3a each having an alignment film formed on the inner surface side. Each of the substrates 3a and 3b is provided with a matrix electrode, a common electrode, a transparent conductive film, and the like for driving the liquid crystal layer 5 for each pixel, but the illustration is omitted. A polarizer is disposed in front of the liquid crystal element 2, and the incident light S <b> 1 enters the liquid crystal element 2 as linearly polarized light.
[0020]
As is well known, the liquid crystal layer 5 made of an aggregate of rod-like liquid crystal molecules acts as a positive letterer. For this reason, while the incident light S1 becomes the normal light component So and the extraordinary light component Se and passes through the liquid crystal layer 5, the extraordinary light component Se causes a phase lag with respect to the normal light component So. This phase difference P1 depends on the characteristic value defined by the product “d1Δn1” of the birefringence Δn1 depending on the optical anisotropy inherent to the liquid crystal molecules constituting the liquid crystal layer 5 and the thickness d1 of the liquid crystal layer 5. This characteristic value is defined as retardation for crystal optics. When the retardation of the liquid crystal layer 5 is R1, the phase difference P1 is “P1 = αR1 (= αd1Δn1)”. The value of the coefficient α is a sum of external factors that change depending on the incident angle θ of light, the orientation of liquid crystal molecules, the applied voltage, and the like, and is a value between “0” and “1”.
[0021]
Since the outgoing light S2 from the liquid crystal element 2 is a combined light of the normal light component So and the abnormal light component Se with a phase lag with respect to this, the phase difference is obtained even if the incident light S1 is linearly polarized light. An elliptically polarized component corresponding to Ra is included. In order to suppress this elliptically polarized component, the phase lag due to the liquid crystal layer 5 may be compensated. For this purpose, the phase difference compensating element 6 is provided between the exit surface of the liquid crystal element 2 and the analyzer.
[0022]
The phase difference compensation element 6 uses a structural birefringent material made of an inorganic material having a physical structure finer than the wavelength of light. As an example, as shown in FIG. The phase difference compensation film 8 has a total thickness d2 in which dielectric thin films L1 and L2 having different rates are alternately laminated. The optical film thickness (product of physical film thickness and refractive index) of each layer is sufficiently smaller than the wavelength of light, preferably λ / 100 to λ / 5, more preferably λ / 50 to λ / 5, practical For this, λ / 30 to λ / 10 is appropriate. This method makes it possible to easily create a negative c-plate, to obtain a uniaxial negative birefringent plate having birefringence Δn2, and to arrange the thin film formation surface perpendicular to the projection optical axis. Used.
[0023]
Dichroic mirrors, polarizing beam splitters, color synthesis prisms, antireflection films, and the like are known as those that obtain unique optical effects by multilayer films in which dielectric thin films having different refractive indexes are laminated. Each of the individual thin film layers constituting the film is designed so that the optical film thickness is an integral multiple of λ / 4, and achieves the intended purpose by utilizing the light interference phenomenon. In this respect, the above-described retardation compensation film 8 has a specific birefringence Δn2 determined by the optical film thickness of each of the thin films L1 and L2 being thinner than λ / 4 and the ratio of the optical film thicknesses of the two kinds of thin films. Therefore, it is based on a completely different principle of action from the light interference phenomenon.
[0024]
The phase difference compensation film 8 acts as a negative letterer that causes a phase delay in the normal light component So with respect to the abnormal light component Se. The retardation compensation film 8 has a structure different from that of liquid crystal molecules in terms of crystal optics, but the retardation R2 (from the birefringence Δn2 determined by the optical anisotropy and the physical thickness d2 of the retardation compensation film 8 as a whole. = D2Δn2) can be defined, and the phase difference P2 of the normal light component So with respect to the abnormal light component Se is “P2 = βR2 (= βd2Δn2)”. If “P1 = P2”, the outgoing light S3 from the phase difference compensation element 6 becomes a combined light of a normal light component and an extraordinary light component with no phase lag, and the elliptically polarized light component disappears and becomes linearly polarized light. And exit. Therefore, linearly polarized light enters the analyzer disposed at the subsequent stage of the phase difference compensation element 6, and the contrast of the image can be increased.
[0025]
Like the coefficient α, the coefficient β changes according to the incident angle θ of light. However, when the light rays pass through the liquid crystal element 2 and the phase difference compensating element 6 at the same incident angle as shown in the figure, they cancel each other. Since they can meet each other, the influence of the incident angle θ can be ignored. Therefore, in order to satisfy “P1 = P2”, only the internal factors depending on the liquid crystal element 2 itself such as the orientation of the liquid crystal molecules and the applied voltage among the factors included in the coefficient α are considered. That's fine. For convenience, the positive and negative signs of the birefringence Δn1 and Δn2 are ignored, but the positive and negative signs are clearly indicated as necessary.
[0026]
In practicing the present invention, it is necessary to further consider the type of liquid crystal mode. For example, assuming that an ECB liquid crystal is used as the liquid crystal element 2, most of the rod-like liquid crystal molecules in the liquid crystal layer are vertically aligned with respect to the substrate in the state where no voltage is applied. Specifically, it is a positive c-plate. Since the polarizer and the analyzer are usually used in a crossed Nicols arrangement so that a black level display is obtained when no voltage is applied, the thickness d1 of the liquid crystal layer 5 is within the range of the incident light S1. The optical anisotropy appears in the entire region.
[0027]
On the other hand, the phase difference compensation film 8 in which the thin films L1 and L2 composed of the high refractive index layer and the low refractive index layer are alternately stacked acts as a c-plate similar to the ECB liquid crystal although it is negative. The coefficient α in the phase difference P1 (= αd1Δn1) generated in step 1 can be regarded as “1”. Therefore, basically, the parameters may be set based on “d1Δn1 = d2Δn2”, that is, the retardation R1 of the liquid crystal layer 5 and the retardation R2 of the retardation compensation film 8 are matched as much as possible.
[0028]
On the other hand, in the TN liquid crystal, when a black level display is performed, a voltage is applied to vertically align the rod-shaped liquid crystal molecules filled between the substrates, but the liquid crystal molecules do not take a vertical alignment posture near the substrate. . If the applied voltage is increased, the number of liquid crystal molecules that are vertically aligned increases. However, the ratio of the liquid crystal molecules that are vertically aligned for black level display is about 60% to 95%, or about 65% to 80% with respect to the thickness d1. It is common. For this reason, the phase difference P1 generated in the liquid crystal layer 5 having the thickness d1 is smaller than “d1Δn1”. Therefore, the parameters are set in consideration of this when designing the phase difference compensation film 8, and the above-described coefficient is simplified. It is only necessary to use a phase difference compensation film that satisfies “0.7 × d1Δn1 = d2Δn2” by setting α to 0.7. A similar tendency can be seen in the OCB mode liquid crystal and the SNT mode liquid crystal.
[0029]
In the above description, when the incident light S1 is light in a limited wavelength range such as blue light, green light, and red light, it is not a big problem, but the incident light S1 extends over the entire visible light range. In the case of light, it becomes a problem that the positive birefringence Δn1 of the liquid crystal layer 5 and the negative birefringence Δn2 of the phase difference compensation film 8 have inherent wavelength dependence, which cannot be ignored.
[0030]
Here, when the wavelength dependence of the retardation R1 (= d1Δn1) of the general liquid crystal layer 5 and the retardation R2 (= d2Δn2) of the retardation compensation film 8 is graphed, it is schematically represented as shown in FIG. Is done. As shown in the figure, the retardation R1 of the liquid crystal layer 5 has a characteristic that it increases on the short wavelength side in the visible light region due to the wavelength dependence of the birefringence Δn1, and gradually decreases as the wavelength increases. On the other hand, the retardation R2 of the retardation compensation film 8 is determined by the refractive index and individual film thickness of each of the thin films L1 and L2, and the total thickness d2. And TiO which is most widely used as a thin film forming material2Film and SiO2When the thin films L1 and L2 are formed of a film, as shown by the broken line in the figure, it is large on the short wavelength side and small on the long wavelength side as in the retardation R1 of the liquid crystal layer 5, but on the short wavelength side The inclination is often steep. Since the entire thickness d2 of the retardation compensation film 8 is a physical quantity independent of the wavelength, this wavelength dependency is due to the wavelength dependency of the birefringence Δn2 itself.
[0031]
In the graph shown in FIG. 3, the thickness d2 is adjusted so that the retardation R2 of the retardation compensation film 8 having the specific birefringence Δn2 is as close as possible to the specific retardation R1 of the liquid crystal layer 5 in the visible light region. The retardations R1 and R2 are made to coincide at a wavelength of 550 nm where the visibility is the highest. That is, the thickness d2 can be used as a parameter for shifting the retardation R2 of the retardation compensation film 8 in the vertical direction on the graph of FIG. Therefore, the retardation R2 can be adjusted not only to coincide with the retardation R1 at a wavelength of 550 nm but also to minimize the area sandwiched between the characteristic curves of the retardation R1, for example.
[0032]
However, even if such an adjustment is made, the characteristic curve of the retardation R2 suddenly increases on the short wavelength side. On the other hand, it is inevitable that there will be overcompensation or insufficient compensation for red light. The wavelength dependence of the birefringence Δn can be changed by selecting the film configuration of the phase difference compensation film 8, particularly the refractive indexes of the thin films L 1 and L 2. For example, the retardation RA shown in FIG. 3 is obtained. This is also possible in principle. For the retardation R1 of the liquid crystal layer 5, it is obviously advantageous to use the retardation compensation film 8 having the retardation RA. If the retardation compensation film has this retardation RA, a good retardation compensation effect can be obtained even if it is used in common regardless of the type of basic color light.
[0033]
In order to obtain retardation RA having such wavelength dependency, it is necessary to make the wavelength dependency of the birefringence Δn2 of the retardation compensation film close to the wavelength dependency of the birefringence Δn1 of the liquid crystal layer 5, and for that purpose The wavelength dependence of the refractive indexes n1 and n2 of the thin films L1 and L2 constituting the phase difference compensation film must be close to the wavelength dependence of the birefringence Δn1 of the liquid crystal layer 5. In general, as the refractive index of the thin film material constituting the thin films L1 and L2 increases, the refractive index in the short wavelength region increases, so that there is a wavelength dependency. It needs to be small.
[0034]
When the refractive indexes of the thin films L1 and L2 are reduced, the relative difference between the refractive indexes is also reduced. As will be described in detail later, the birefringence Δn2 is also reduced accordingly, so that the necessary retardation RA can be obtained. The film thickness d2 of the entire retardation compensation film must be increased. As described above, if the film thickness of each of the thin films L1 and L2 exceeds 1/5 of the wavelength, the function as a structural birefringent material is lost, so that the birefringence Δn2 decreases. Inevitably, it becomes necessary to increase the total number of layers d2 by increasing the number of these layers. For example, if the birefringence Δn2 of the retardation compensation film is determined so as to have a wavelength dependency substantially the same as the birefringence Δn1 of the liquid crystal layer 5, the number of thin films L1 and L2 is increased to several hundreds or more. The production efficiency is significantly reduced.
[0035]
Therefore, in a preferred embodiment of the present invention, in place of a single retardation compensation film that provides a retardation RA that is advantageous in terms of wavelength dependency but has great manufacturing difficulty, in terms of wavelength dependency. Although not necessarily optimal, for at least two types of basic color light, another phase difference compensation film whose retardation is adjusted according to its wavelength range is used as each phase difference compensation segment, which is almost satisfactory over the entire visible light range. It is devised so that the manufacturing efficiency does not decrease while obtaining a possible phase difference compensation action.
[0036]
The retardation is adjusted by adjusting the total thickness d2 of the retardation compensation film 8 in accordance with the wavelength range of the basic color light with respect to the retardation R1 having the wavelength dependency of the liquid crystal layer 5 and changing the characteristic curve of the retardation R2. It is easy to respond by shifting in the vertical direction according to the wavelength range. The birefringence Δn2 of the phase difference compensation film 8 is determined by the refractive index and individual film thickness of each of the thin films L1 and L2, and this is a factor that determines the wavelength dependence, that is, the slope of the characteristic curve. Further, since the size of the retardation R2 (the amount of shift of the characteristic curve in the vertical direction) depends on the total film thickness, the individual film thicknesses of the thin films L1 and L2 constituting the retardation compensation film are as follows. While maintaining each constant, the total film thickness can be adjusted by increasing or decreasing the number of these repeated layers for each wavelength range of the basic color light.
[0037]
For example, in FIG. 4, the retardation R2G in the wavelength range of 500 nm to 600 nm is the same as the partial characteristic curve of the retardation R2 in FIG. R2R is obtained by increasing or decreasing the number of repeated thin films L1 and L2 with respect to the wavelength range of 500 nm to 600 nm while having the same birefringence Δn2 as the previous retardation R2. In this way, each phase difference compensation film whose total film thickness is adjusted is used as a phase difference compensation segment for each type of basic color light.
[0038]
In the example of FIG. 4, the visible light region is divided into three, and the retardations R2B, R2G, and R2R are assigned to the three basic color lights, respectively, but the wavelength dependence of the retardation R1 of the liquid crystal layer 5 is long wavelength. In consideration of the gentleness on the side, a phase difference compensation film that gives the same retardation for green light and red light can be used, and the two types of phase difference compensation films can be used for the visible light region. is there. In this case, a retardation compensation film that can provide either retardation R2G or retardation R2R may be used as it is, but the total film thickness of either of them may be adjusted, and the retardation of the liquid crystal layer 5 at a wavelength of 600 nm. It is preferable to match R1.
[0039]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 5 schematically shows the configuration of a single-plate color liquid crystal projector to which the present invention is applied. White illumination light from the light source 10 composed of a reflector and a lamp is made substantially parallel light by the condensing optical system 11 and enters the polarizing plate 12. The illumination light that has been linearly polarized by the polarizing plate 12 enters the liquid crystal element 13. In the liquid crystal element 13, basic color light of blue light, green light, or red light is assigned to pixel units arranged in a matrix, and the transmission density is controlled based on image data for each basic color light. As will be described in detail later, since the micro color filters are arranged in the liquid crystal element 13 corresponding to the individual pixel positions, the liquid crystal element 13 emits color and intensity-modulated image light for each pixel.
[0040]
The image light emitted from the liquid crystal element 13 has a phase difference between normal light and extraordinary light due to the birefringence of the liquid crystal layer as described above, and includes elliptically polarized light. The phase difference is compensated by the element 14, and most of the elliptically polarized light component is removed. Then, the image light is projected onto the screen 17 by the projection lens 16 through the output side polarizing plate 15 which is arranged in a crossed Nicols arrangement with respect to the incident side polarizing plate 12.
[0041]
An example of a liquid crystal panel used in the liquid crystal projector is shown in FIG. In this liquid crystal panel, an incident side polarizing plate 12, a liquid crystal element 13, a phase difference compensation element 14, and an output side polarizing plate 15 are integrated, and the polarizing plate 12 is provided on the incident surface side of the incident side glass substrate 20. A retardation compensation film 8 and a polarizing plate 15 in which thin films L1 and L2 as shown in FIG. 2 are alternately laminated are provided on the exit surface side of the glass substrate 21 on the exit side. The liquid crystal element 13 corresponds to a portion sandwiched between these glass substrates 20 and 21. Microlenses 23 made by an ion implantation method are arranged in a matrix on the exit surface side of the glass substrate 20, and the aperture ratio due to the electrode structure of the liquid crystal element is converged by converging white illumination light incident substantially in parallel. Is preventing the decline.
[0042]
On the emission surface side of the glass substrate 20, the electrode structure portion 24 on the active side of the liquid crystal element is formed in a stripe shape extending in a direction perpendicular to the paper surface to form a so-called black stripe. The electrode structure 24 serves as a light-shielding zone, but a transparent electrode partitioned for each pixel is formed between the electrode structure 24 and functions as an active electrode 25 that applies a voltage to the liquid crystal layer on a pixel-by-pixel basis. A transparent overcoat film 26 is formed so as to cover the electrode structure 24 and the active electrode 25, and an alignment film 27 is formed on the smoothed surface.
[0043]
On the incident surface side of the other glass substrate 21, a micro color filter 30 divided into pixel units, a common electrode 31 made of a transparent conductive film, and an alignment film 32 are provided. A liquid crystal layer 35 filled with liquid crystal molecules is provided between the alignment film 27 and the alignment film 32. The micro color filter 30 includes minute color filter portions that respectively transmit blue light, green light, and red light arranged in a matrix so as to overlap the corresponding active electrode 25, and color-modulates white illumination light. . Further, the intensity of illumination light passing through the liquid crystal layer 35 is modulated by controlling the voltage applied to the corresponding active electrode 25. The micro color filter 30 may be provided above the liquid crystal layer 35, for example, on the upper surface of the glass substrate 20 or the lower surface of the microlens 23.
[0044]
As shown in FIG. 7, the micro color filter 30 formed on the liquid crystal layer side of the glass substrate 21 has a blue filter layer 30B, a green filter layer 30G, which transmits only blue light, green light, and red light, respectively. It is composed of a red filter layer 30R and a light shielding layer 30X that blocks transmission of visible light. The phase difference compensation film 8 includes three types of phase difference compensation films 8B, 8G, and 8R having different numbers of thin films L1 and L2, and an overcoat layer 36 that covers them. The phase difference compensation film 8B is determined so that a good phase difference compensation action can be obtained with respect to the blue light B transmitted through the liquid crystal layer 35 and the blue filter layer 30B, and similarly, the phase difference compensation film 8G. , 8R have a film configuration determined so that a good phase difference compensation action can be obtained for the green light G and red light R transmitted through the liquid crystal layer 35, the green filter layer 30G, and the red filter layer 30R. These are phase difference compensation segments that compensate for the phase difference for each type of basic color light.
[0045]
For this reason, the relative positions of the respective phase difference compensation films 8B, 8G, and 8R and the blue filter layer 30B, the green filter layer 30G, and the red filter layer 30R need to be adjusted with high accuracy, as described above. Since these are provided in the common glass substrate 21, it becomes advantageous on manufacture. Since the phase difference compensation films 8B, 8G, and 8R have different film thicknesses, a step is generated between them. Therefore, SiO2If the surface of the retardation compensation films 8B, 8G, and 8R is entirely covered with the overcoat layer 36 formed by vapor deposition or the like and then the surface thereof is polished smoothly, the polarizing plate 15 is further bonded thereon, or the like. It is also possible to vapor-deposit a polarizing film that acts.
[0046]
In order to form the three types of retardation compensation films 8B, 8G, and 8R in a predetermined matrix pattern on the common glass substrate 21 by vapor deposition or sputtering, a known lift-off method or photolithography method can be used. In this case, the phase difference compensation films 8B, 8G, and 8R may be formed one by one sequentially in accordance with the patterning process, and therefore, even if the film structures of the phase difference compensation films 8B, 8G, and 8R are completely different. No problem. However, in order to improve the efficiency of the manufacturing process, three types of phase difference compensation films 8B, 8G, and 8R are obtained by making the refractive indexes of the thin films L1 and L2 and their respective film thicknesses constant and adjusting the number of repeated laminations. Is advantageous.
[0047]
That is, if three types of phase difference compensation films 8B, 8G, and 8R are provided by increasing / decreasing the number of repeated laminations of the two types of thin films L1 and L2, two types of phase difference compensation segments are obtained. A vapor deposition material is sufficient. In addition, the other retardation compensation films 8B and GG are sequentially formed while the retardation compensation film 8R having the largest number of laminations is being formed. It is only necessary to mask the top sequentially, and the manufacturing efficiency is remarkably improved.
[0048]
As described above, if the phase difference compensation films 8B, 8G, and 8R corresponding to the type of basic color light are used, an appropriate phase difference compensation action can be obtained for each color light, so that projection by a single-plate color projector is possible. The contrast of the image can be greatly improved. Moreover, these retardation compensation films are a kind of structural birefringent body made of an inorganic material having a sufficiently fine physical structure compared to the wavelength of each basic color light, and are characterized by excellent durability. Therefore, it can also be used without problems for devices that are expected to be used continuously for a long time, such as home projection televisions.
[0049]
In terms of durability, the blue filter layer 30B, the green filter layer 30G, and the red filter layer 30R of the micro color filter 30 are often formed by vapor deposition or sputtering. Each of these filter layers is composed of a multilayer film in which dielectric thin films having a high refractive index and a low refractive index are alternately laminated.2Film and SiO2It is also possible to use a membrane. Therefore, in this case, it is possible to manufacture the phase difference compensation films 8B, 8G, and 8R by using the apparatus for forming the micro color filter 30 as it is. Even if there are differences in thin film materials, these materials can be set in a vapor deposition device or a sputtering device and used separately in the manufacturing process of the micro color filter and retardation compensation film. Is possible.
[0050]
【Example】
"Example 1"
Hereinafter, specific examples of the above-described retardation compensation films 8B, 8G, and 8R will be described. FIG. 8 shows the primitive when the birefringence Δn of the nematic liquid crystal material using TN liquid crystal and the cell thickness d of TN liquid crystal (corresponding to the thickness d1 of the liquid crystal layer 5 in FIG. 1) is 4.5 μm. This shows wavelength dependency with retardation dΔn, and each value varies depending on the wavelength as shown in the figure. As described above, in the TN liquid crystal, not all of the liquid crystal molecules in the cell are in the vertical alignment posture in the black level display. Therefore, the portion of the liquid crystal layer corresponding to about 70% of the cell thickness d should be compensated. It is assumed that it contributes as an effective factor causing the phase lag, and this is expressed as effective retardation Re as shown in FIG.
[0051]
In this embodiment, a cyanocyclohexane nematic liquid crystal known as “ZLI-1083” (trade name) manufactured by Merck & Co., Inc. is used. The above percentage should be appropriately changed according to the composition and type of liquid crystal molecules constituting the liquid crystal layer, the voltage level applied between the substrates, and the orientation orientation distribution of the liquid crystal molecules, and it is not necessarily uniform 70%. It is not limited to.
[0052]
In order to adapt to the wavelength dependence of the effective retardation Re of this TN liquid crystal, as shown in FIG.2SiO2 film and low refractive index layer2Using the film, a retardation compensation film (1) in which these films were alternately laminated was produced. TiO2Film and SiO2The films have individual physical film thicknesses of 30 nm and 20 nm (physical film thickness ratio is 3: 2), respectively, and 40 layers each in a total of 80 layers, and the total physical film thickness is 2 μm. And as shown in the figure, TiO2Film and SiO2The refractive index of the film is also wavelength dependent. When the birefringence Δn of the retardation compensation film (1) was measured, wavelength dependence was recognized as shown in FIG.
[0053]
TiO with a physical film thickness of 30 nm and 20 nm2Film, SiO2The optical film thicknesses of the films are 76.6 nm and 29.6 nm, respectively, at λ / 5 or less even at 400 nm where the refractive index is large, and this condition is also applied to the reference wavelength of blue light and the reference wavelength of other basic color light. Is satisfied. By satisfying this condition, unlike the conventional interference thin film based on the optical film thickness of λ / 4, these laminated films can have the optical anisotropy essential for the system of the present invention. If the optical film thickness of each thin film layer is made thinner than λ / 100, the physical film thickness of each thin film layer becomes extremely thin. Therefore, obtaining the desired total film thickness d is not practical because the number of thin film layers is greatly increased and the production efficiency is remarkably deteriorated.
[0054]
Here, it is shown that the birefringence Δn of the retardation compensation film (1) having the above structure agrees well with the theoretical value expected from the theory of structural birefringence. In general, the refractive index n1, N2When an electromagnetic wave is vertically incident on the laminated surface of each layer with respect to a retardation compensation film in which thin films having physical thicknesses a and b are alternately laminated at a pitch a + b sufficiently shorter than the wavelength, an electric field is generated. Since there are only waves (TE waves) that vibrate parallel to the plane of each layer, they do not exhibit birefringence. However, when an electromagnetic wave is incident on the laminated surface of each layer at an angle, the electric field oscillates parallel to each layer (TE wave component) and the wave oscillates perpendicularly to each layer (TM wave component). Effective refractive index NTE, NTMAre different, and are each expressed by the following equations.
NTE= √ {(an1 2+ Bn2 2) / (A + b)}
NTM= √ [(a + b) / {(a / n1 2) + (B / n2 2]}]
[0055]
These effective refractive indexes NTE, NTMIs a factor causing the birefringence, and the birefringence Δn is “Δn = NTM-NTEIs given. When the theoretical value of the birefringence Δn obtained from these equations is compared with the actually measured value shown in FIG. 9, it can be understood that both agree well. Note that “k = 0.6” shown in the column of Δn in FIG. 9 represents the value of “a / (a + b) = k” in the above equation. The retardation dΔn of the retardation compensation film (1) is the product of the birefringence Δn for each wavelength and the thickness d (= 2 μm) of the retardation compensation film, so that the wavelength as shown in FIG. Each will be different. From FIG. 9, TiO2Film and SiO2When the wavelength dependence of the refractive index of the film is compared, the influence of the birefringence Δn on the wavelength dependence is SiO 22TiO than film2It can also be read that the film is larger.
[0056]
FIG. 10 is a plot of the retardation dΔn (□) and effective retardation Re (◯) of the TN liquid crystal shown in FIG. 8 and the retardation dΔn (▲) of the retardation compensation film (1) for each wavelength. This indicates that the better the retardation compensation effect is obtained, the more the effective retardation (◯) and the retardation (の) of the retardation compensation film (1) overlap. According to the figure, it can be seen that the retardation compensation film (1) exhibits an almost satisfactory effect in the wavelength region of 500 nm to 700 nm, but shows a tendency of overcompensation on the shorter wavelength side than 500 nm. Therefore, if the same retardation compensation film (1) having a constant thickness d = 2 μm is applied to each of the basic color lights of blue light, green light, and red light, the shortest wavelength side in the visible light region is applied. It is difficult to say that a sufficient phase difference compensation effect is obtained for blue light.
[0057]
As shown in FIG. 11, when the retardation compensation film (1) is applied for blue light, the retardation ▲ at a reference wavelength of 450 nm, which is substantially intermediate to that of blue light, coincides with the effective retardation ○. If the overall thickness d is adjusted as described above, the thickness can be improved without changing the birefringence Δn of the retardation compensation film (1). Further, the red light can be improved by increasing the total thickness d of the phase difference compensation film (1) for red light so that the retardation ▲ and the effective retardation ○ coincide with each other at an almost intermediate reference wavelength of 650 nm. It becomes.
[0058]
FIG. 12 shows physical property values of the retardation compensation film thus designed. The thin film laminated structure itself is completely the same, but the entire thickness d is adjusted for each basic color light. That is, d = 1.8 μm for blue light, d = 2 μm for green light, and d = 2.1 μm for red light. As a result, as shown in FIG. 11, the retardation dΔn of the phase difference compensation film (1) can be changed for each type of basic color light.
[0059]
Thus, in adjusting the retardation by the retardation compensation film for each basic color light, the birefringence Δn is the refractive index n of each layer.1, N2And TiO of the retardation compensation film (1) used for each basic color light.2Film and SiO2It is desirable to adjust the film thickness d by making the physical film thicknesses the same and making the birefringence Δn uniform, and changing the total number of phase difference compensation films according to the type of basic color light. . In the above embodiment, when adjusting the retardation of the retardation compensation film (1) for each basic color light, the total number of layers for green light is 80 layers, and that for blue light is 72. The layer, for red light, corresponds to 82 layers.
[0060]
The phase difference compensation films for blue light, green light, and red light thus designed are used as phase difference compensation films 8B, 8G, and 8R shown in FIG. For this reason, these phase difference compensation films 8B, 8G, and 8R are formed on one surface of the glass substrate 21 in accordance with the pixel arrangement of the liquid crystal elements. The pixel arrangement of the liquid crystal elements corresponds to the blue filter layer 30B, the green filter layer 30G, and the red filter layer 30R of the micro color filter 30 formed on the other surface of the same glass substrate 21. Thus, if these retardation compensation films 8B, 8G, 8R and the blue filter layer 30B, the green filter layer 30G, and the red filter layer 30R are formed on the common glass substrate 21, the arrangement pattern of both is accurately determined. It is advantageous in associating.
[0061]
The blue filter layer 30B, the green filter layer 30G, the red filter layer 30R, and the light shielding layer 30X can be formed by a dyeing method, a pigment dispersion method, or the like, but when durability is taken into consideration, they are formed by a vapor deposition method or a sputtering method. Is advantageous. Further, for patterning each filter layer and light shielding layer, a known lift-off method or photolithography as disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-15420 can be used. The same lift-off method and photolithography can be applied to the phase difference compensation films 8B, 8G, and 8R, but these phase difference compensation films 8B, 8G, and 8R are the individual films of the thin films L1 and L2 to be laminated. The method shown in FIG. 13 can be taken from the structural feature that the thickness is common and the number of layers is different.
[0062]
FIG. 10 shows a procedure for forming the phase difference compensation films 8B, 8G, and 8R on the glass substrate 21 while patterning them. FIG. 10 is shown with the front and back reversed, and the illustration of the micro color filter 30 is shown. It is omitted. As shown in FIG. 10A, first, a thin film L1 (a TiO with a physical thickness of 30 nm) is formed on the entire surface of the glass substrate 21.2Film) and thin film L2 (SiO with a physical film thickness of 20 nm)2The first layer 40 having a total film thickness of 1.8 μm is formed by alternately stacking 36 layers each by vapor deposition.
[0063]
Then, as shown in FIG. 6B, after an ultraviolet curable photoresist layer 41 is applied and formed thereon, ultraviolet light is applied only to the portion corresponding to the arrangement pattern of the phase difference compensation film 8B using the photomask 42. Give exposure at. Since the photoresist layer 41 has an ultraviolet-exposed portion as an insoluble portion and a non-exposed portion as a soluble portion, by performing a development process, as shown in FIG. Only the portion of the phase difference compensation film 8 </ b> B that becomes the array pattern is covered with the photoresist layer 41.
[0064]
Subsequently, four thin films L1 and L2 are alternately deposited on the whole. As a result, as shown in FIG. 4D, the second layer 44 having a physical thickness of 0.2 μm is further formed on both the upper layer of the photoresist layer 41 and the portion not covered with the photoresist layer 41. Are stacked. Since the portion not covered with the photoresist layer 41 is additionally deposited on the first layer 40 obtained earlier, the physical film thickness of the portion becomes 2.0 μm and the retardation compensation film 8G. The film thickness is the same.
[0065]
Thereafter, a photoresist layer 41 is applied again on the entire surface, and as shown in FIG. 5E, this time, ultraviolet exposure is applied in accordance with the arrangement pattern of the phase difference compensation film 8G. When the same development processing is performed, as shown in FIG. 5F, only the portion corresponding to the arrangement pattern of the phase difference compensation film 8R is not covered with the photoresist layer 41 but is exposed on the surface. If the third layer 45 is stacked by additionally depositing the thin films L1 and L2 two by two again, the portion corresponding to the arrangement pattern of the retardation compensation film 8R is obtained first as shown in FIG. Further, vapor deposition for a physical film thickness of 0.1 μm is performed on the upper layers of the thin films L1 and L2, and the total number of layers is 84, and the physical film thickness is 2.1 μm.
[0066]
Thereafter, when the photoresist layer 41 is peeled off and removed, as shown in FIG. 5H, the phase difference compensation film 8B formed only by the first layer 40 and the second layer 40 are formed on the glass substrate 21. A phase difference compensation film 8G in which a phase difference compensation film 8G to which the layer 44 is added and a phase difference compensation film 8R in which the first layer 40, the second layer 44, and the third layer 45 are overlapped are arranged in a predetermined pattern. can get. In this method, when different thin film layers are sequentially formed on a common substrate while being patterned at different positions, the thin film layer that is completed first is the lower layer of the thin film layer that is completed later. This is effective when it is a part of the side, and can also be applied to the case where a thin film layer of another vapor deposition material is added on the upper layer side of the thin film layer to be formed later.
[0067]
"Example 2"
The phase difference compensation film (1) is for the case where TN liquid crystal is used as the liquid crystal element 13 used in the liquid crystal projector shown in FIG. 5, but an example in which ECB liquid crystal is used as the liquid crystal element will be described. To do. The ECB liquid crystal has the physical properties shown in FIG. 14. If the cell thickness is 4.5 μm, the wavelength dependence of the retardation dΔn also appears due to the wavelength dependence of the birefringence Δn. As described above, in the ECB liquid crystal, the retardation dΔn for each wavelength of the liquid crystal element directly causes the retardation, and therefore the retardation of the retardation compensation film may be adjusted based on this.
[0068]
FIG. 15 shows a design example of the retardation compensation film (2) for this ECB liquid crystal. TiO as high refractive index layer2Film, SiO as low refractive index layer2First, a multilayer film was designed such that the retardation at a wavelength of 550 nm substantially coincided with the retardation “0.558 nm” of the ECB liquid crystal. Therefore, TiO2Film, SiO2The film thicknesses were 30 nm and 20 nm, respectively, and the film thickness ratio was 3: 2, as in the previous retardation compensation film (1). A retardation compensation film (2) with d = 2.9 μm was obtained. Accordingly, since the birefringence Δn for each wavelength of the retardation compensation film (2) is the same as that of the previous embodiment, the retardation dΔn is multiplied by the film thickness d (= 2.9 μm) as shown in the figure. .
[0069]
FIG. 16 is a plot of the retardation □ of the retardation compensation film (2) and the retardation □ of the ECB liquid crystal for each wavelength. As can be seen from the graph, the shorter the wavelength, the more the phase difference compensation film (2) is overcompensated, and the longer the wavelength, the less likely it is to compensate. Therefore, as shown in FIG. 17, for the retardation film for blue light, the retardations are matched at a reference wavelength of 450 nm, and for the retardation film for red light, both are matched at a reference wavelength of 650 nm. Therefore, as shown in FIG. 18, the total film thickness d was adjusted for blue light and red light.
[0070]
In adjusting the total film thickness d, as in the previous embodiment, for the blue light, the total number of thin films is set to 100 so that the total thickness d is 2.5 μm, and for red light. The total number of layers was 120 so that the total thickness d was 3.0 μm. Thereby, in the visible light region, an improved retardation characteristic was obtained for each basic color light as shown in FIG. FIG. 19 shows the characteristics when the phase difference compensation film for green light is used as it is for red light, and this can be practically dealt with. Also, the total thickness of the phase compensation film for both green light and red light should be slightly increased so that the retardation of the retardation compensation film (2) at the wavelength of 600 nm matches the retardation of the ECB liquid crystal. May be.
[0071]
After the film design is performed in this way, three types of retardation compensation films having different layer thicknesses for each basic color light are deposited on the glass substrate 21 in correspondence with the pixel arrangement of the micro color filter 30 as in the previous embodiment. do it.
[0072]
In Examples 1 and 2 described above, the thin films L1 and L2 have TiO2Film, SiO2In addition to this, for example, ZrO2, MgO, CeO2, SnO2, Ta2O5, Y2O3LiNbO3, MgF2, CaF2, Al2O3The thin films L1 and L2 can be formed by appropriately selecting various vapor deposition materials. Of course, in that case, the effective refractive index N of these thin filmsTE, NTMIn addition, it is necessary to design the film thickness in consideration of the wavelength dependency.
[0073]
In practicing the present invention, the film configuration and thin film material of the retardation compensation films 8B, 8G, and 8R may be changed completely. However, as in Examples 1 and 2, a high refractive index layer may be used. When a certain thin film L1 and a low refractive index layer L2 are laminated with a constant film thickness and only the number of the laminated layers is changed to obtain a physical structure for each basic color light, each phase difference compensation film is obtained. It is possible to obtain a great advantage in manufacturing that mass production is easy while keeping the quality of the product constant.
[0074]
Furthermore, the present invention can be used for a reflective color liquid crystal element, and can also be applied to a single-plate color liquid crystal projector using the reflective color liquid crystal element. The reflective color liquid crystal element has a structure in which a mirror is disposed behind the liquid crystal layer, and incident light is emitted after passing through the liquid crystal layer twice. Therefore, the design may be performed considering that the phase difference generated in the liquid crystal element is twice the cell thickness. For example, when a reflective liquid crystal element is used off-axis (separate incident optical axis and reflected optical axis), and phase difference compensation is achieved with either the incident optical axis or the reflected optical axis, the cell thickness The phase difference compensation film may be designed based on twice as much as the above.
[0075]
In addition, a retardation compensation film is provided close to the surface of the reflective liquid crystal element, and incident light enters the liquid crystal layer through the retardation compensation film, and the reflected light passes through the retardation compensation film again and exits. In this case, since the light beam passes through the liquid crystal layer and the retardation compensation film twice, the design is based on the cell thickness of the liquid crystal element (the thickness d of the liquid crystal layer) as in the above-described embodiment. Can be done.
[0076]
The retardation compensation film described above is a structural birefringent body that functions as a uniaxial negative c-plate in terms of crystal optics, but a structural birefringent body made of an inorganic material that exhibits the same function. In principle, for example, the one shown in FIG. 20 can also be used as the phase difference compensation element of the present invention. This structural birefringent body 50 has a refractive index n on the surface of a glass substrate 51 serving as a transparent support.AThe transparent plate-like protrusions 52 are arranged in a lattice pattern.
[0077]
The thickness d, height h, and arrangement interval of the plate-like protrusions 52 constituting the physical structure of the structural birefringent body 50 are sufficiently small with respect to the wavelength of light. Refractive index nAThe optical film thickness obtained by multiplying by λ / 100 to λ / 5, preferably λ / 50 to λ / 5, practically about λ / 30 to λ / 10, and does not exhibit optical anisotropy. The axis 50a is in the direction shown.
[0078]
The birefringence Δn of the structural birefringent body 50 is determined by the thickness S of the plate-like protrusions 52 and the interval between them, and the retardation is the product hΔn with the height h of the plate-like protrusions 52. And the refractive index n of the plate-like protrusion 52ASince the birefringence Δn also exhibits wavelength dependency due to the wavelength dependency of the same, the kind of basic color light, in particular, the phase difference compensation amount on the short wavelength side is considerably different as in the previous embodiment. In order to cope with this, the height h of the plate-like protrusion 52 is changed in accordance with the type of the basic color light, and a plurality of types of phase difference compensation segments with different retardations are formed. It only has to be arranged correspondingly. In consideration of the combination with the liquid crystal element, instead of the phase difference compensation film 8 shown in FIG. 6, a plurality of types of phase difference compensation segments composed of these plate-like protrusions 52 may be arranged on the lower surface of the glass substrate 21.
[0079]
Furthermore, as shown in FIG. 21, a structural birefringent body 55 in which transparent plate-like protrusions 54 are inclined and arranged on a glass substrate 51 can also be used. This structural birefringent body 55 also acts as a negative uniaxial birefringent body, and is arranged so that the surface of the glass substrate 51 on which the structure is formed is perpendicular to the illumination optical axis or the projection optical axis, and o-plate. Used as The structural birefringent body 55 can also adjust the retardation according to the type of the basic color light by adjusting the height h of the plate-like protrusion 54, similarly to the structural birefringent body 50. .
[0080]
The physical repetitive structure pattern of the structural birefringent bodies 50 and 55 can be created by photolithography. In order to obtain an effect as a negative uniaxial birefringent body, it is necessary to sufficiently increase the aspect ratio represented by the height h with respect to the width d of each plate-like protrusion 52, 54. If this aspect ratio is not sufficiently large, the refractive index n with respect to the three-dimensional coordinate axis of the refractive index ellipsoid.x, Ny, NzAre all different biaxial birefringent bodies. Further, when the aspect ratio becomes smaller, it becomes a positive a-plate in the limit.
[0081]
Since the positive a-plate has an optical axis in the plane of the substrate, the positive a-plate is a retardation plate that causes a phase difference that differs depending on the polarization direction with respect to the polarized light traveling in the direction perpendicular to the substrate. As a special example, a-plate in which the azimuth angle is 45 ° with respect to the linearly polarized light and the retardation dΔn is ¼ of the wavelength indicates a function of converting the linearly polarized light into circularly polarized light. Such a-plate is often used in combination with a reflective liquid crystal element as a quarter-wave plate.
[0082]
FIG. 22 shows an example of a structural birefringent body that acts as a positive a-plate. The structural birefringent body 60 is configured by arranging protrusions 61 made of a transparent dielectric material having a predetermined refractive index on the surface of the glass substrate 51 in a lattice pattern at a constant pitch. The mutual distance between the protrusions 61 and the height h are sufficiently smaller than the wavelength.
[0083]
As shown in the figure, the optical axis 60a is parallel to the lattice structure, and the surface of the glass substrate 51 on which the structure is formed is used so as to be perpendicular to the illumination optical axis or the projection optical axis. Different refractive indexes are distributed in a one-dimensional direction within a plane orthogonal to the illumination optical axis or the projection optical axis. Retardation is the product of the height h of the ridge 61 and the birefringence Δn determined by the refractive index of the ridge 61 and its fine structure. By adjusting the height h according to the type of basic color light, The retardation can be adjusted. When the height h increases with respect to the wavelength, the optical anisotropy deviates from one axis and becomes two axes. As it becomes larger, it approaches a negative a-plate. In addition, the lattice structure by the protrusions 61 may be in contact with the air layer, but it may be entirely covered so as to fill the gaps between the protrusions 61 with other dielectric layers having different refractive indexes. Good.
[0084]
The positive structural birefringent body can also be obtained in the form as shown in FIGS. The structural birefringent body 65 shown in FIG. 23 has a large number of protrusions 66 made of a transparent dielectric material having a predetermined refractive index on the surface of the glass substrate 51, and the size and arrangement pitch of the protrusions 66 are arranged. Is sufficiently smaller than the wavelength of light and becomes a positive c-plate in terms of crystal optics. Since the surface of the glass substrate 51 is arranged so as to be orthogonal to the illumination optical axis or the projection optical axis, portions having different refractive indexes are distributed two-dimensionally in a plane orthogonal to the illumination optical axis or the projection optical axis. . The structural birefringent body 65 having such a structure can also be produced by photolithography, and its optical axis 65a is perpendicular to the surface of the glass substrate 51. The height h of the protrusion 66 can be adjusted to adjust the retardation according to the type of basic color light.
[0085]
The structural birefringent body 70 shown in FIG. 24 acts as a positive o-plate. This structural birefringent body 70 is formed by regularly growing transparent protrusions 71 having a predetermined refractive index on the surface of the glass substrate 51 at a constant inclination angle, and can be produced by photolithography. Again, the size and repeat pitch of these structures must be sufficiently smaller than the wavelength of light, and the structure surface may be in contact with either the air layer or another transparent dielectric layer. The optical axis 70 a is inclined with respect to the surface of the glass substrate 51 as shown in the figure, and is parallel to the inclination direction of the protrusion 71. Similarly, by adjusting the height h of the protrusion 71, the retardation can be adjusted according to the type of basic color light.
[0086]
In creating a positive o-plate, as shown in FIG. 25, a dielectric layer 74 is formed on the surface of the glass substrate 51 by depositing one kind of dielectric having a predetermined refractive index from an oblique direction. (See U.S. Pat. No. 5,638,197 (Patent Document 1)). According to this method, a sufficiently small physical structure with respect to the wavelength of light can be easily obtained. In addition, the diagonal line shown in the same figure is for showing typically that it formed into a film from the diagonal direction to the glass substrate 51, and does not represent each thin film layer. This structural birefringent body 75 is also used by being arranged so that the surface of the glass substrate 51 is perpendicular to the illumination optical axis or the projection optical axis, and the oblique dielectric layer 74 is an optical element of an o-plate birefringent body. Shows anisotropy. By adjusting the height h of the dielectric layer 74, the retardation can be adjusted according to the type of the basic color light.
[0087]
The structural birefringent bodies 50, 55, 60, 65, 70, and 75 shown in FIGS. 20 to 25 are physically different from the retardation compensation film in which the high refractive index thin film layers and the low refractive index thin film layers are alternately stacked. Letters corresponding to the type of basic color light by adjusting the thickness in the optical axis direction while keeping the birefringence Δn determined by the fine structure that does not depend on the thickness (height h) in the optical axis direction, while the structural structure is different. There is a commonality of adjusting the foundation. Accordingly, with respect to one of these structural birefringent bodies, two to three types of phase difference compensation segments whose thickness in the optical axis direction is adjusted according to the type of basic color light are arranged in an arrangement pattern corresponding to the pixel arrangement of the liquid crystal element. If they are formed side by side on the glass substrate 21 of FIG. 6, it is possible to obtain the same phase difference compensation action as the previous phase difference compensation films 8B, 8G, and 8R.
[0088]
As described above, the present invention has been described based on the illustrated embodiment. However, liquid crystal elements to which the present invention can be applied are not limited to the above-described TN liquid crystal mode and ECB liquid crystal mode, but also include VA (Vertically Aligned), OCB. (Optically Compensated Birefringence), FLLC (Ferroelectric Liquid Crystal), and other various operation modes may be used. In addition, a phase difference compensation element in which at least two kinds of phase difference compensation segments are two-dimensionally arranged may be provided on the inner surface side of the glass substrate 21 of the liquid crystal element, or may be provided on at least one surface of the other glass substrate 20. Is possible. Further, a phase difference compensation element in which each phase difference compensation segment is formed on a glass substrate separate from the liquid crystal element is prepared, and the phase difference compensation element is arranged so that each phase difference compensation segment matches the pixel arrangement of the liquid crystal element. It may be used by being bonded to a liquid crystal element.
[0089]
In creating the retardation compensation film in which the thin films L1 and L2 are alternately laminated, the physical film thickness ratio of each layer is not necessarily limited to 3: 2, but may be 1: 1, for example. In addition to alternately laminating two types of thin films, for example, three or more types of thin films having different refractive indexes may be laminated in an appropriate order and thickness, depending on the ease of the film forming process and the internal stress of each layer. It is possible to design appropriately in consideration of strain absorption, wavelength dependency of refractive index, and the like. Furthermore, it is also possible to combine the above-described various structural birefringent materials with a retardation compensation sheet based on a polymer film that has a retardation compensation action and has no problem in durability. Included in the embodiment.
[0090]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the phase difference compensation segments that correspond to the pixel arrangement of the color liquid crystal element used in the single-plate liquid crystal color projector and have different retardation for each type of basic color light are arranged two-dimensionally. Since the phase difference compensation element is used, phase difference compensation can be performed for each basic color light, the contrast of the image projected on the screen over the entire visible light region can be improved, and the black level is displayed. The color of the time can be eliminated. Moreover, since the retardation compensation element is composed of a birefringent structure made of an inorganic material, the retardation compensation action hardly deteriorates even when heated from the illumination light source, and the durability is greatly reduced. Improvement can be expected.
[0091]
The present invention is advantageously realized by using a retardation compensation film in which thin films having individual optical film thicknesses of 1/100 or more and 1/5 or less of a wavelength are laminated in constituting the retardation compensation element. be able to. Such a retardation compensation film can be realized only by alternately laminating high refractive index thin films and low refractive index thin films. In particular, the retardation of each color light is adjusted by changing the number of layers of these thin films according to the type of basic color light, while making the physical film thickness of these thin films uniform and making the birefringence Δn constant. This is possible and has great advantages in terms of manufacturing. In addition, as these two types of high and low thin films, TiO is a variety of various deposited films and has stable quality.2Film and SiO2Since a film can be used, a stable phase difference compensating action can be obtained. Furthermore, when the micro color filter used as the color modulation means of the color liquid crystal element is composed of a multilayer interference thin film, TiO which is a component of the phase difference compensation film2Film and SiO2Since the film can be used, it is possible to manufacture the micro color filter and the phase difference compensation film using a common vapor deposition facility, and efficient manufacturing can be performed. The present invention can also be implemented in the form of a single-plate color liquid crystal projector incorporating the color liquid crystal element.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating phase difference compensation action.
FIG. 2 is a conceptual diagram illustrating an example of a phase difference compensation element.
FIG. 3 is a graph showing the wavelength dependence of retardation.
FIG. 4 is an explanatory diagram in the case of adjusting retardation for each basic color light.
FIG. 5 is a schematic view of a single-plate color liquid crystal projector.
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of a color liquid crystal element.
FIG. 7 is a partial schematic cross-sectional view of a color liquid crystal element.
FIG. 8 is a chart showing the wavelength dependence of retardation of a TN liquid crystal.
FIG. 9 is a chart showing the wavelength dependence of the retardation compensation film (1) for TN liquid crystal.
FIG. 10 is a graph showing retardation characteristics of a TN liquid crystal and a retardation compensation film (1).
FIG. 11 is a graph showing the retardation characteristics of Example 1 of the present invention.
12 is a chart showing the wavelength dependence of the retardation compensation film of Example 1 of the present invention. FIG.
FIG. 13 is an explanatory diagram showing a production configuration of the retardation compensation film of the present invention.
FIG. 14 is a chart showing the wavelength dependence of retardation of ECB liquid crystal.
FIG. 15 is a chart showing wavelength dependency of a retardation compensation film (2) for ECB liquid crystal.
FIG. 16 is a graph showing retardation characteristics of an ECB liquid crystal and a retardation compensation film (2).
FIG. 17 is a graph showing the retardation characteristics of Example 2 of the present invention.
FIG. 18 is a chart showing the wavelength dependence of the retardation compensation film of Example 2 of the present invention.
FIG. 19 is a graph showing retardation characteristics when the retardation compensation film (2) is used by being divided at a wavelength of 500 nm.
FIG. 20 is a conceptual diagram showing a structural birefringent body applicable as a phase difference compensation element.
FIG. 21 is a conceptual diagram showing another example of a structural birefringent body.
FIG. 22 is a conceptual diagram showing another example of a structural birefringent body.
FIG. 23 is a conceptual diagram showing still another example of a structural birefringent body.
FIG. 24 is a conceptual diagram showing still another example of a structural birefringent body.
FIG. 25 is a conceptual diagram showing still another example of a structural birefringent body.
[Explanation of symbols]
2 Liquid crystal elements
5 Liquid crystal layer
6 Phase compensation element
8 Phase compensation film
10 Light source
12 Polarizing plate
13 Liquid crystal elements
14 Phase compensation element
15 Polarizing plate
16 Projection lens
17 screens
20, 21 Glass substrate
30 Micro color filter
35 Liquid crystal layer
50, 55, 60, 65, 70, 75 Structural birefringence