JP2006330143A - マイクロレンズ、空間光変調装置及び画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】空間光変調装置と組み合わせて用いることにより、高いコントラストの画像を得ることが可能なマイクロレンズ、そのマイクロレンズを用いる空間光変調装置、及び画像表示装置を提供すること。
【解決手段】空間光変調装置に用いられるマイクロレンズ２１１であって、曲率を有する第１面２１１ａと、略平坦な第２面２１１ｂと、を有し、第１面２１１ａは、第２面２１１ｂの中心位置Ｏを通る第２面２１１ｂの法線Ｎ上の位置以外の位置に設けられた頂点Ｃを有し、第１面２１１ａは、液晶層において液晶分子の配向状態を変化させる特性に応じた所定の方向へ光を進行させるような形状を有する。
【選択図】 図６

Description

本発明は、マイクロレンズ、空間光変調装置及び画像表示装置、特に、液晶型の空間光変調装置に用いられるマイクロレンズの技術に関する。

空間光変調装置、特に液晶型の空間光変調装置では、画像表示領域内に、データ線、走査線、容量線等の各種配線や、薄膜トランジスタ（以下適宜、ＴＦＴ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）と称す）、薄膜ダイオード等の各種電子素子が形成されている。このため、各画素において、実際に表示に寄与する光が透過又は反射する領域は、各種配線や電子素子等の存在により限定される。ここで、各画素の開口率は、各画素について、実際に表示に寄与する光が透過又は反射する領域（即ち、各画素の開口領域）の、全領域に対する比率であって、例えば７０％程度である。空間光変調装置で有効に変調されるのは、各画素の開口率に応じた光量の光である。

そこで従来、各画素に対応する複数のマイクロレンズを有するマイクロレンズアレイを対向基板に形成する技術が導入されている。マイクロレンズは、各画素において、開口領域の周辺の上述の配線等が存在している非開口領域に向かって進行する光を、各画素単位で集光させる機能を有する。マイクロレンズで集光された光は、空間光変調装置の液晶層を透過するときに、画素に相当する開口領域内に導かれる。ここで、マイクロレンズからの光を効率良く開口領域へ入射させるために、マイクロレンズによる集光スポットの形状を開口領域の形状に合わせることが提案されている。マイクロレンズによる集光スポットの形状を開口領域の形状に合わせることにより、高い効率で光を利用でき、高輝度な画像を得ることができる。マイクロレンズによる集光スポットの形状を開口領域の形状に合わせるための技術は、例えば、特許文献１に提案されている。

特開平５−３３３３２８号公報

液晶型空間光変調装置は、液晶分子の配向状態を印加電圧に応じて変化させることで、液晶層を透過する光を変調する。液晶分子の配向状態を画像信号に応じて正確に変化させることが可能であれば、高品質な画像を得ることが可能である。しかしながら、液晶層は、隣の画素に対して印加される電圧の影響、液晶分子のプレチルト角、ブラックマトリックスの形状等の要因によって、液晶分子の配向状態が乱れる部分を生じる場合がある。液晶分子の配向状態が乱れた部分では、画像信号に応じて正確に光を変調することが困難であることから、コントラストの低下を引き起こしてしまう。このように、従来の技術では、開口領域に対して高い効率で光を供給することが可能であっても、高いコントラストの画像を得ることが困難であるという問題を生じる。本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、空間光変調装置と組み合わせて用いることにより、高効率で高いコントラストの画像を得ることが可能なマイクロレンズ、そのマイクロレンズを用いる空間光変調装置、及び画像表示装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明によれば、空間光変調装置に用いられるマイクロレンズであって、曲率を有する第１面と、略平坦な第２面と、を有し、第１面は、第２面の略中心を通る法線上の位置以外の位置に頂点を有することを特徴とするマイクロレンズを提供することができる。

液晶層は、画素に相当する各開口領域において、隣の画素に対して印加される電圧の影響、液晶分子のプレチルト角、ブラックマトリックスの形状等によって液晶分子の配向状態が悪化するような部分を生じる場合がある。このとき、通常、画像信号に応じて良好な配向状態を示す部分は、開口領域の中心位置からいずれかの方向へシフトした位置に生じている。本発明のマイクロレンズは、第２面の略中心を通る法線上の位置以外の位置に設けられた頂点を有する。ここで、マイクロレンズの頂点とは、基準面に平行かつ第１面に接する平面と、第１面との接点である。マイクロレンズは、第２面の略中心を通る法線上の位置以外の位置に頂点を設けることにより、例えば、マイクロレンズの法線に略平行に進行する光を、液晶分子の配向状態が良好な部分へ屈折させるように偏心させた形状とすることができる。マイクロレンズを用いて液晶分子の配向状態が良好な部分へ光線角度の小さい光を進行させることで、画像信号に応じた正確な変調により、高コントラストな画像を形成することが可能となる。光線角度とは、光軸となす角度を指す。これにより、空間光変調装置と組み合わせて用いることにより、高いコントラストの画像を得ることが可能なマイクロレンズを得られる。液晶層において液晶分子の配向状態が悪化する部分は、各開口領域に対して同様なパターンで生じる。このため、いずれも形状が略同一であるマイクロレンズを用いることで、マイクロレンズアレイを容易に形成することも可能である。

また、本発明の好ましい態様によれば、液晶層を備える空間光変調装置に用いられるマイクロレンズであって、第１面は、液晶分子の配向状態を変化させる液晶層の特性に応じた所定の方向へ光を進行させるような形状を有することが望ましい。液晶層は、各開口領域に対応する部分において各画素に対する信号以外の何らかの要因により、液晶分子が規則正しく配向する領域が画素中心からいずれかの方向へシフトした部分に生じるような特性を示す場合がある。マイクロレンズは、かかる液晶層の特性に応じて、液晶分子が良好な配向状態を示す部分の方向へ光を進行させる形状とすることができる。液晶分子が良好な配向状態を示す部分へ光線角度の小さい光を進行させることにより、画像信号に応じた高コントラストな画像を表示することが可能となる。これにより、高コントラストな画像を得るためのマイクロレンズを得られる。

また、本発明の好ましい態様によれば、第１面は、第１の方向における曲率が、第１の方向に略直交する第２の方向における曲率とは異なることが望ましい。空間光変調装置、特に液晶型の空間光変調装置において、変調部である液晶層へ入射光を通過させる開口領域の形状は、一般に、長方形形状をなしている。本発明のマイクロレンズを液晶型の空間光変調装置に適用する場合に、開口領域の長辺方向を第１の方向、開口領域の短辺方向を第２の方向としてマイクロレンズを配置する。この場合、第１の方向における曲率が、第１の方向に略直交する第２の方向における曲率より小さい第１面を設けることにより、マイクロレンズからの光を効率良く開口領域へ入射させることができる。これにより、高い効率で光を利用することを可能にするマイクロレンズを得られる。

また、本発明の好ましい態様としては、第１面は、第１の方向及び第２の方向の少なくとも一方について、第１面上において光が入射する位置が頂点から離れた位置であるほど第１面から近い位置に集光されるような収差を発生させる形状を有することが望ましい。マイクロレンズは、第１面上において光が入射する位置が頂点から離れた位置であるほど第１面から近い位置に集光させることにより、頂点から離れた光を効率良く開口領域へ導き、光を効率良く利用することができる。また、頂点に近い位置の光については、過度な集光を行うこと無く開口領域へ入射させることとなる。このため、開口領域中に集光スポットを形成する場合に比較して、光線角度が小さい光を多くし、画像のコントラストを向上させることができる。さらに、開口領域中に光を分散させることにより、液晶や配向膜等の劣化を軽減することができる。これにより、高い効率で光を利用するとともに、高コントラストな画像が得られ、かつ空間光変調装置の信頼性を高めさせることが可能なマイクロレンズを得られる。

さらに、本発明によれば、入射光を画像信号に応じて変調する変調部と、入射光を変調部へ入射させる開口部と、開口部の周囲に設けられた遮光部と、曲率を有する第１面と、略平坦な第２面と、を備え、入射光を開口部の方向へ進行させるマイクロレンズと、を有し、第１面は、第２面の略中心を通る法線上の位置以外の位置に設けられた頂点を有し、第１の方向における曲率が、第１の方向に略直交する第２の方向における曲率より小さく、開口部は、第１の方向に長辺、及び第２の方向に短辺を備える矩形形状を有することを特徴とする空間光変調装置を提供することができる。マイクロレンズは、第２面の略中心を通る法線上の位置以外の位置に頂点を設けることにより、例えば、マイクロレンズの法線に略平行に進行する光を、液晶分子の配向状態が良好な部分へ屈折させるように偏心させた形状とすることができる。マイクロレンズを用いて液晶分子の配向状態が良好な部分へ光を進行させることにより、画像信号に応じて正確に変調された光により、高コントラストな画像を形成することが可能となる。また、第１の方向における曲率が、第１の方向に略直交する第２の方向における曲率より小さい第１面を設けることにより、マイクロレンズからの光を効率良く開口領域へ入射させることができる。これにより、高い効率で光を利用するとともに、高コントラストな画像を得ることが可能な空間光変調装置を得られる。

また、本発明の好ましい態様としては、変調部は、液晶層を有し、第１面は、液晶分子の配向状態を変化させる液晶層の特性に応じた所定の方向へ光を屈折させるような形状を有することが望ましい。液晶層は、各開口領域に対応する部分において各画素に対する信号以外の何らかの要因により、液晶分子が規則正しく配向する領域が画素中心からいずれかの方向へシフトした部分に生じるような特性を示す場合がある。マイクロレンズは、かかる液晶層の特性に応じて、液晶分子が良好な配向状態を示す部分の方向へ光を進行させる形状とすることができる。液晶分子が良好な配向状態を示す部分へ光線角度の小さい光を進行させることにより、画像信号に応じた高コントラストな画像を表示することが可能となる。これにより、高コントラストな画像を得ることが可能な空間光変調装置を得られる。

さらに、本発明によれば、光を供給する光源部と、光源部からの光を画像信号に応じて変調する空間光変調装置と、を有し、空間光変調装置は、上記の空間光変調装置であることを特徴とする画像表示装置を提供することができる。上記の空間光変調装置を備えることにより、高い効率で光を利用するとともに、高コントラストな画像を得ることが可能である。これにより、明るく高コントラストな画像を表示することが可能な画像表示装置を得られる。

以下に図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例に係る画像表示装置であるプロジェクタ１００の概略構成を示す。プロジェクタ１００は、観察者側に設けられたスクリーン１１６に光を供給し、スクリーン１１６で反射する光を観察することで画像を鑑賞する、いわゆるフロント投写型のプロジェクタである。光源部１０１は、第１色光である赤色光（以下、「Ｒ光」という。）、第２色光である緑色光（以下、「Ｇ光」という。）、及び第３色光である青色光（以下、「Ｂ光」という。）を含む光を供給する超高圧水銀ランプである。インテグレータ１０４は、光源部１０１からの光の照度分布を均一化する。照度分布を均一化された光は、偏光変換素子１０５にて特定の振動方向を有する偏光光、例えばｓ偏光光に変換される。ｓ偏光光に変換された光は、色分離光学系を構成するＲ光透過ダイクロイックミラー１０６Ｒに入射する。

Ｒ光透過ダイクロイックミラー１０６Ｒは、Ｒ光を透過し、Ｇ光、Ｂ光を反射する。Ｒ光透過ダイクロイックミラー１０６Ｒを透過したＲ光は、反射ミラー１０７に入射する。反射ミラー１０７は、Ｒ光の光路を９０度折り曲げる。光路を折り曲げられたＲ光は、第１色光であるＲ光を画像信号に応じて変調する第１色光用空間光変調装置１１０Ｒに入射する。第１色光用空間光変調装置１１０Ｒは、Ｒ光を画像信号に応じて変調する透過型の液晶表示装置である。なお、ダイクロイックミラーを透過しても、光の偏光方向は変化しないため、第１色光用空間光変調装置１１０Ｒに入射するＲ光は、ｓ偏光光のままの状態である。

第１色光用空間光変調装置１１０Ｒは、λ／２位相差板１２３Ｒ、硝子板１２４Ｒ、第１偏光板１２１Ｒ、液晶パネル１２０Ｒ、及び第２偏光板１２２Ｒを有する。液晶パネル１２０Ｒの詳細な構成については後述する。λ／２位相差板１２３Ｒ及び第１偏光板１２１Ｒは、偏光方向を変換させない透光性の硝子板１２４Ｒに接する状態で配置される。これにより、第１偏光板１２１Ｒ及びλ／２位相差板１２３Ｒが発熱により歪んでしまう事態を回避できる。なお、図１において、第２偏光板１２２Ｒは独立して設けられているが、液晶パネル１２０Ｒの出射面や、クロスダイクロイックプリズム１１２の入射面に接する状態で配置しても良い。

第１色光用空間光変調装置１１０Ｒに入射したｓ偏光光は、λ／２位相差板１２３Ｒによりｐ偏光光に変換される。ｐ偏光光に変換されたＲ光は、硝子板１２４Ｒ及び第１偏光板１２１Ｒをそのまま透過し、液晶パネル１２０Ｒに入射する。液晶パネル１２０Ｒに入射したｐ偏光光は、画像信号に応じた変調により、Ｒ光がｓ偏光光に変換される。液晶パネル１２０Ｒの変調により、ｓ偏光光に変換されたＲ光が、第２偏光板１２２Ｒから出射される。このようにして、第１色光用空間光変調装置１１０Ｒで変調されたＲ光は、色合成光学系であるクロスダイクロイックプリズム１１２に入射する。

Ｒ光透過ダイクロイックミラー１０６Ｒで反射されたＧ光及びＢ光は、光路を９０度折り曲げられる。光路を折り曲げられたＧ光とＢ光とは、Ｂ光透過ダイクロイックミラー１０６Ｇに入射する。Ｂ光透過ダイクロイックミラー１０６Ｇは、Ｇ光を反射し、Ｂ光を透過する。Ｂ光透過ダイクロイックミラー１０６Ｇで反射されたＧ光は、第２色光であるＧ光を画像信号に応じて変調する第２色光用空間光変調装置１１０Ｇに入射する。第２色光用空間光変調装置１１０Ｇは、Ｇ光を画像信号に応じて変調する透過型の液晶表示装置である。第２色光用空間光変調装置１１０Ｇは、液晶パネル１２０Ｇ、第１偏光板１２１Ｇ及び第２偏光板１２２Ｇを有する。液晶パネル１２０Ｇの詳細に関しては後述する。

第２色光用空間光変調装置１１０Ｇに入射するＧ光は、ｓ偏光光に変換されている。第２色光用空間光変調装置１１０Ｇに入射したｓ偏光光は、第１偏光板１２１Ｇをそのまま透過し、液晶パネル１２０Ｇに入射する。液晶パネル１２０Ｇに入射したｓ偏光光は、画像信号に応じた変調により、Ｇ光がｐ偏光光に変換される。液晶パネル１２０Ｇの変調により、ｐ偏光光に変換されたＧ光が、第２偏光板１２２Ｇから出射される。このようにして、第２色光用空間光変調装置１１０Ｇで変調されたＧ光は、色合成光学系であるクロスダイクロイックプリズム１１２に入射する。

Ｂ光透過ダイクロイックミラー１０６Ｇを透過したＢ光は、２枚のリレーレンズ１０８と、２枚の反射ミラー１０７とを経由して、第３色光であるＢ光を画像信号に応じて変調する第３色光用空間光変調装置１１０Ｂに入射する。第３色光用空間光変調装置１１０Ｂは、Ｂ光を画像信号に応じて変調する透過型の液晶表示装置である。なお、Ｂ光にリレーレンズ１０８を経由させるのは、Ｂ光の光路の長さがＲ光及びＧ光の光路の長さよりも長いためである。リレーレンズ１０８を用いることにより、Ｂ光透過ダイクロイックミラー１０６Ｇを透過したＢ光を、そのまま第３色光用空間光変調装置１１０Ｂに導くことができる。第３色光用空間光変調装置１１０Ｂは、λ／２位相差板１２３Ｂ、硝子板１２４Ｂ、第１偏光板１２１Ｂ、液晶パネル１２０Ｂ、及び第２偏光板１２２Ｂを有する。第３色光用空間光変調装置１１０Ｂの構成は、上述した第１色光用空間光変調装置１１０Ｒの構成と同様なので、詳細な説明は省略する。

第３色光用空間光変調装置１１０Ｂに入射するＢ光は、ｓ偏光光に変換されている。第３色光用空間光変調装置１１０Ｂに入射したｓ偏光光は、λ／２位相差板１２３Ｂによりｐ偏光光に変換される。ｐ偏光光に変換されたＢ光は、硝子板１２４Ｂ及び第１偏光板１２１Ｂをそのまま透過し、液晶パネル１２０Ｂに入射する。液晶パネル１２０Ｂに入射したｐ偏光光は、画像信号に応じた変調により、Ｂ光がｓ偏光光に変換される。液晶パネル１２０Ｂの変調により、ｓ偏光光に変換されたＢ光が、第２偏光板１２２Ｂから出射される。第３色光用空間光変調装置１１０Ｂで変調されたＢ光は、色合成光学系であるクロスダイクロイックプリズム１１２に入射する。このように、色分離光学系を構成するＲ光透過ダイクロイックミラー１０６ＲとＢ光透過ダイクロイックミラー１０６Ｇとは、光源部１０１から供給される光を、第１色光であるＲ光と、第２色光であるＧ光と、第３色光であるＢ光とに分離する。

色合成光学系であるクロスダイクロイックプリズム１１２は、２つのダイクロイック膜１１２ａ、１１２ｂをＸ字型に直交して配置して構成されている。ダイクロイック膜１１２ａは、Ｂ光を反射し、Ｇ光を透過する。ダイクロイック膜１１２ｂは、Ｒ光を反射し、Ｇ光を透過する。このように、クロスダイクロイックプリズム１１２は、第１色光用空間光変調装置１１０Ｒ、第２色光用空間光変調装置１１０Ｇ、及び第３色光用空間光変調装置１１０Ｂでそれぞれ変調されたＲ光、Ｇ光及びＢ光を合成する。投写光学系１１４は、クロスダイクロイックプリズム１１２で合成された光をスクリーン１１６に投写する。これにより、スクリーン１１６上にフルカラー画像を表示することができる。

なお、上述のように、第１色光用空間光変調装置１１０Ｒ及び第３色光用空間光変調装置１１０Ｂからクロスダイクロイックプリズム１１２に入射される光は、ｓ偏光光となるように設定される。また、第２色光用空間光変調装置１１０Ｇからクロスダイクロイックプリズム１１２に入射される光は、ｐ偏光光となるように設定される。このようにクロスダイクロイックプリズム１１２に入射される光の偏光方向を異ならせることで、クロスダイクロイックプリズム１１２において各色光用空間光変調装置から出射される光を有効に合成できる。ダイクロイック膜１１２ａ、１１２ｂは、通常、ｓ偏光光の反射特性に優れる。このため、ダイクロイック膜１１２ａ、１１２ｂで反射されるＲ光及びＢ光をｓ偏光光とし、ダイクロイック膜１１２ａ、１１２ｂを透過するＧ光をｐ偏光光としている。

図２は、液晶パネル１２０Ｒの要部断面構成を示す。図１で説明したプロジェクタ１００は、３つの液晶パネル１２０Ｒ、１２０Ｇ、１２０Ｂを備えている。これら３つの液晶パネル１２０Ｒ、１２０Ｇ、１２０Ｂは変調する光の波長領域が異なるだけであり、基本的構成は同一である。このため、液晶パネル１２０Ｒを代表例として以後の説明を行う。光源部１０１からのＲ光は、図２の上側から液晶パネル１２０Ｒに入射し、下側からスクリーン１１６の方向へ出射する。防塵硝子である入射側防塵硝子２００の入射側には、接着層２０１を介してカバー硝子２０２が固着されている。カバー硝子２０２の出射側には、ブラックマトリックス部２０３ａ及び対向電極２０４が形成されている。

出射側防塵硝子２０８の入射側には、接着層２０７、液晶を配向させるための配向膜２０６ｃ、及び、ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）や透明電極２０６ａを有するＴＦＴ基板２０６が形成されている。入射側防塵硝子２００及び出射側防塵硝子２０８は、対向電極２０４とＴＦＴ基板２０６とを対向させるようにして貼り合わされている。対向電極２０４とＴＦＴ基板２０６との間には、液晶層２０５が封入されている。液晶層２０５は、入射光であるＲ光を画像信号に応じて変調する変調部である。液晶層２０５の入射側には、ブラックマトリックス部２０３ａが形成されている。

入射側防塵硝子２００には、マイクロレンズアレイ２１０が形成されている。マイクロレンズアレイ２１０は、ＸＹ平面である基準面２００ｂ上にアレイ状に配列されたマイクロレンズ２１１を有する。マイクロレンズ２１１は、入射光であるＲ光を開口部２０３ｂの方向へ屈折させる。マイクロレンズ２１１は、入射側へ向けて設けられた第１面２１１ａと、出射側へ向けて設けられた第２面２１１ｂとを有する。第１面２１１ａは、曲率を有する曲面である。第２面２１１ｂは、基準面２００ｂに略平行な平坦面である。

液晶パネル１２０Ｒは、マイクロレンズ２１１を配置する基準面２００ｂと、光軸であるＺ軸とが略直交するように配置されている。なお、図１で示した構成では、第１偏光板１２１Ｒ、第２偏光板１２２Ｒを、液晶パネル１２０Ｒに対して別体に設けている。これに代えて、入射側防塵硝子２００と対向電極２０４との間、出射側防塵硝子２０８とＴＦＴ基板２０６との間などにも偏光板を設けることとしても良い。さらに、マイクロレンズアレイ２１０は、第１偏光板１２１Ｒに形成してもよい。

図３は、マイクロレンズ２１１のＸＺ断面構成を示す。第１面２１１ａは、マイクロレンズ２１１の中心線Ｎ上の位置以外の位置に設けられた頂点Ｃを有する。中心線Ｎは、第２面２１１ｂの中心位置Ｏを通る、第２面２１１ｂの法線である。マイクロレンズ２１１の頂点Ｃとは、基準面２００ｂに平行かつ第１面２１１ａに接する平面Ｓと、第１面２１１ａとの接点である。本実施例において、頂点Ｃは、中心線ＮからマイナスＸ方向へシフトした位置に設けられている。

図４は、本実施例のマイクロレンズ２１１との比較として、中心線Ｎ上の位置に頂点Ｃが設けられた第１面４１１ａを有するマイクロレンズ４１１のＸＺ断面構成を示す。マイクロレンズ４１１は、中心線Ｎに関して略回転対称な形状を有する。これに対して、本実施例のマイクロレンズ２１１は、中心線Ｎに関して非回転対称である。マイクロレンズ２１１は、マイクロレンズ４１１の形状を基に、頂点ＣをマイナスＸ方向へ移動させるように偏心させた形状を有する。

図５は、マイクロレンズ２１１側から見た液晶分子の配向状態の例を示すものである。ここでは、画素ピッチ１４μｍ、プレチルト角３度、印加電圧５ＶのＴＮ型液晶について、液晶の配向状態を、全黒を表示するための信号が入力されたときの黒さの度合いで示している。図５に示す１画素に相当する領域のうち、ハッチングを施した部分は、黒浮きが発生しにくく、沈んだ黒を表示可能な領域である。白抜きを施した部分は、黒浮きが発生し易く、黒がやや白っぽく表示されてしまう領域である。ハッチング部分と白抜き部分との間のトーンを施した部分は、黒浮きの発生をある程度抑えることが可能な領域である。液晶分子の配向状態が良好であるほど、光源からの光の漏れが少なく沈んだ黒を表示することが可能である。コントラストは全黒に対する全白の明るさによって決定されるため、高コントラストな画像を得るには、沈んだ黒を表示可能な領域である、液晶の配向状態が良好な領域に光線角度の小さい光を入射させる必要がある。光線角度とは、光軸となす角度を指す。

図５より、沈んだ黒を表示可能な領域の中心位置は、画素の中心位置からシフトした位置であることがわかる。画素の中心位置からシフトした位置に液晶の配向状態が良好な領域が生じるのは、隣の画素に対して印加される電圧の影響や、液晶分子のプレチルト角、ブラックマトリックスの形状の影響等により液晶分子の配向状態が乱される部分が生じるためと考えられる。本発明において、液晶層の特性とは、上述した通り、液晶分子の配向状態が良好な領域が、画素の中心位置からいずれかの方向にシフトしていることを示す。また、所定の方向とは、画素の中心位置から、液晶分子の配向状態が良好な領域の中心位置への方向を指す。

図６は、マイクロレンズ２１１の構成と、液晶分子の配向状態を変化させる液晶層２０５の特性との関係を説明するものである。マイクロレンズ２１１の頂点Ｃは、中心線ＮからマイナスＸ方向へシフトした位置に設けられている。このため、マイクロレンズ２１１の第１面２１１ａに入射した光は、中心線Ｎ上の位置からプラスＸ方向へシフトした位置に集光されるような屈折作用を受ける。従って、マイクロレンズ２１１は、領域５０１のうちプラスＸ側の部分である領域ＡＲ１へ効率良く光を進行させる。マイクロレンズ２１１を用いて液晶分子の配向状態が良好な領域ＡＲ１へ光線角度の小さい光を進行させることで、画像信号に応じた正確な変調により、高コントラストな画像を形成することが可能となる。

図７は、ブラックマトリックス部２０３ａ及び開口部２０３ｂを入射側から見た平面構成を示す。開口部２０３ｂは、入射光を、変調部である液晶層２０５へ入射させる。ブラックマトリックス部２０３ａは、開口部２０３ｂの周囲に設けられた遮光部である。開口部２０３ｂを透過するＲ光は、対向電極２０４、液晶層２０５、ＴＦＴ基板２０６を透過する。Ｒ光は、液晶層２０５における画像信号に応じた変調により、偏光状態が変換される。開口部２０３ｂは、投写された画像における画素を形成する。画素のピッチＷに対して、開口部２０３ｂは、第１の方向であるＸ方向に長辺ｍ、及び第２の方向であるＹ方向に短辺ｎを備える矩形形状を有する。

図８及び図９は、マイクロレンズ２１１から開口部２０３ｂへ入射する光の振る舞いを説明するものである。このうち、図８は、中心線Ｎに略平行に進行する光の振る舞いを、頂点Ｃを含むＸＺ断面を用いて説明するものである。図９は、中心線Ｎに略平行に進行する光の振る舞いを、頂点Ｃを含むＹＺ断面を用いて説明するものである。ここではマイクロレンズ２１１、開口部２０３ｂ及びブラックマトリックス部２０３ａのみを図示することとし、他の構成を省略している。マイクロレンズ２１１は、中心線Ｎが開口部２０３ｂの中心位置を通過するように配置されている。

図８に示すように、ＸＺ平面において、マイクロレンズ２１１は、中心線Ｎに略平行な光を、基準面２００ｂから距離ｆａの位置Ｐａに集光させる。ＹＺ平面において、マイクロレンズ２１１は、図９に示すように、頂点Ｃから距離ｃの位置を通過する光を、基準面２００ｂから距離ｆｃの位置Ｐｃに集光させる。また、マイクロレンズ２１１は、頂点Ｃから距離ｄの位置を通過する光を、基準面２００ｂから距離ｆｄの位置Ｐｄに集光させる。

第１面２１１ａは、図７に示す開口部２０３ｂの矩形形状が第１の方向であるｘ方向に長辺、第２の方向であるｙ方向に短辺を有することから第１の方向であるＸ方向における曲率が、第１の方向に略直交する第２の方向であるＹ方向における曲率より小さいような形状を有する。このため、Ｘ方向の曲率に応じて光が集光する位置Ｐａと基準面２００ｂとの距離ｆａは、Ｙ方向の曲率に応じて光が集光する位置Ｐｃ、Ｐｄと基準面２００ｂとの距離ｆｃ、ｆｄよりも長い。

本実施例において、マイクロレンズ２１１の第１面２１１ａは、第１の方向であるＸ方向における曲率が、第１の方向に略直交する第２の方向であるＹ方向における曲率より小さい。第１の方向であるＸ方向における曲率を、第１の方向に略直交する第２の方向であるＹ方向における曲率より小さくすることにより、マイクロレンズ２１１は、図７に示した長方形形状の開口部２０３ｂへ効率良く光を入射させることができる。マイクロレンズ２１１を用いて開口部２０３ｂへ効率良く光を入射させることにより、ブラックマトリックス部２０３ａで吸収されてしまう光を低減することもできる。

さらに、図９に示すように、マイクロレンズ２１１は、距離ｃ＜距離ｄであるとき、距離ｆｃ＞距離ｆｄが成立する。第１面２１１ａは、第２の方向であるＹ方向について、第１面２１１ａ上において光が入射する位置が頂点Ｃから離れた位置であるほど第１面２１１ａから近い位置に集光させるような収差を発生させる形状を有する。マイクロレンズ２１１は、Ｙ方向において、頂点Ｃから離れた位置ほど大きい曲率を有する。

図１０は、頂点Ｃから離れた位置ほど大きい曲率を有することによる効果を説明するものである。例えば、Ｙ方向における曲率が略一定である第１面５１１ａを用いて光を屈折させる場合、第１面５１１ａのうち頂点Ｃから離れた位置に入射する光Ｌを、中心線Ｎ上の点Ｐｄ’に集光させるとする。これに対して、本実施例のマイクロレンズ２１１の第１面２１１ａは、第１面５１１ａの場合と同じ位置に入射する光Ｌを、点Ｐｄ’よりマイクロレンズ２１１に近い点Ｐｄに集光させる。

マイクロレンズ２１１は、頂点Ｃから離れた位置へ入射する光ほど第１面２１１ａから近い位置に集光させることにより、頂点Ｃから離れた位置へ入射する光を効率良く開口部２０３ｂへ導く。頂点Ｃから離れた位置へ入射する光を効率良く開口部２０３ｂへ導くことにより、光を効率良く利用することができる。また、頂点Ｃに近い位置へ入射する光については、過度な集光を行うこと無く開口部２０３ｂへ入射させることとなる。このため、開口部２０３ｂ上の一点に光を集光させる場合に比較して、光線角度が小さい光を多くし、画像のコントラストを向上させることができる。さらに、開口部２０３ｂにおいて光を分散させることにより、液晶層２０５や配向膜２０６ｃ等の劣化を軽減することができる。以上により、高い効率で光を利用するとともに、高コントラストな画像が得られ、かつ信頼性が高い構成とすることができるという効果を奏する。

図１１は、本実施例のマイクロレンズ２１１の二次元方向における設計モデルを示す。マイクロレンズ２１１は、いわゆるｘｙ多項式非球面形状を有する。図１１において、曲線ｇｘは、Ｙ＝０でのＸＺ断面における第１面２１１ａの形状を表し、Ｚ＝Ａ０＋Ａ１ｘ＋Ａ２ｘ²＋Ａ３ｘ³と表すことができる（但し、Ａ０＝０．１４９２７、Ａ１＝０．２３２２１、Ａ２＝０．０７８２、Ａ３＝−０．００４７４。単位はいずれもμｍ。）。曲線ｇｙは、Ｘ＝０でのＹＺ断面における第１面２１１ａの形状を表し、Ｚ＝Ｂ２ｘ²＋Ｂ４ｘ⁴と表すことができる（但し、Ｂ２＝０．０８２２４、Ｂ４＝０．０００５。単位はいずれもμｍ。）。図１１に示すグラフの縦軸は、Ｚ軸方向の位置を、頂点Ｃの位置をゼロとして表すものである。また、横軸は、曲線ｇｘについてはＸ軸方向の位置、曲線ｇｙについてはＹ軸方向の位置を、中心位置Ｏをゼロとして表すものである。図１２は、本実施例のマイクロレンズ２１１の三次元方向における設計モデルを示す。図１１及び図１２に示す形状のマイクロレンズ２１１を用いることにより、高い効率で光を利用するとともに、高コントラストな画像が得られ、かつ信頼性が高い構成とすることができる。

マイクロレンズアレイ２１０は、例えば、フォトリソグラフィ技術を用いることにより形成することができる。フォトリソグラフィの手順としては、まず、光反応性の感光材料であるレジストを基板に塗布し、露光、現像することでレジストにパターンを形成する。レジストにパターンを形成した後エッチング等を施すことで、レジストのパターンを基板に形成する。レジストに所望のパターンを形成する方法としては、例えば、光透過率に変化を持たせたグレイスケールマスクを介してレジストを露光する技術を用いることができる。

グレイスケールマスクは、光透過率を異ならせることで階調を得るマスクであって、例えば、ＨＥＢＳマスクやクロムマスクに微小開口面積分布を持たせたマスクが挙げられる。また、基板へのパターン形成には、クロムマスクと熱酸化膜をマスクとして使用し、ウェットエッチングによる加工を実施しても良い。マイクロレンズアレイ２１０は、かかる手法により母型を形成し、母型の形状の他の部材である樹脂部材等に転写することによって製造することとしても良い。母型の形状の転写を用いることで、マイクロレンズアレイ２１０の量産性を高めることができる。さらに、母型の作成には、機械加工を用いることとしても良い。

なお、マイクロレンズ２１１は、中心線ＮからマイナスＸ方向へシフトした位置に頂点Ｃを設ける構成に限られない。マイクロレンズ２１１は、液晶分子の配向状態を変化させる液晶層２０５の特性に応じて、マイナスＸ方向のみならずＸＹ面上のいずれかの方向へシフトした位置に頂点Ｃを設けることができる。また、第１面２１１ａは、第２の方向について、第１面２１１ａ上において光が入射する位置が頂点Ｃから離れた位置であるほど第１面２１１ａから近い位置に集光させるような収差を発生させる形状である場合に限られない。第１の方向及び第２の方向の少なくとも一方について収差を発生させる形状であれば、高い効率で光を利用するとともに、高コントラストな画像が得られ、かつ信頼性が高い構成とすることが可能である。

本実施例のプロジェクタ１００は、光源部１０１を超高圧水銀ランプとする構成に限られない。例えば、発光ダイオード素子（ＬＥＤ）等の固体発光素子を用いても良い。また、３つの透過型液晶表示装置を設けた、いわゆる３板式のプロジェクタに限らず、例えば、１つの透過型液晶表示装置を設けたプロジェクタや、反射型液晶表示装置を用いたプロジェクタとしても良い。さらに、本発明の画像表示装置は、フロント投写型のプロジェクタ１００に限らず、スクリーンの一方の面にレーザ光を供給し、スクリーンの他方の面から出射される光を観察することで画像を鑑賞する、いわゆるリアプロジェクタであっても良い。

以上のように、本発明に係るマイクロレンズは、プロジェクタに設けられる液晶型空間光変調装置に用いる場合に適している。

本発明の実施例に係るプロジェクタの概略構成を示す図。 液晶パネルの要部断面構成を示す図。 マイクロレンズのＸＺ断面構成を示す図。 中心線上の位置に頂点が設けられたマイクロレンズの構成を説明する図。 液晶分子の配向状態を変化させる液晶層の特性について説明する図。 マイクロレンズの構成と液晶層の特性との関係を説明する図。 ブラックマトリックス部及び開口部を入射側から見た平面構成を示す図。 マイクロレンズから開口部へ入射する光の振る舞いを説明する図。 マイクロレンズから開口部へ入射する光の振る舞いを説明する図。 頂点から離れた位置ほど大きい曲率を有することの効果を説明する図。 二次元方向におけるマイクロレンズの設計モデルを示す図。 三次元方向におけるマイクロレンズの設計モデルを示す図。

符号の説明

１００ プロジェクタ、１０１ 光源部、１０４ インテグレータ、１０５ 偏光変換素子、１０６Ｒ Ｒ光透過ダイクロイックミラー、１０６Ｇ Ｂ光透過ダイクロイックミラー、１０７ 反射ミラー、１０８ リレーレンズ、１１０Ｒ 第１色光用空間光変調装置、１１０Ｇ 第２色光用空間光変調装置、１１０Ｂ 第３色光用空間光変調装置、１１２ クロスダイクロイックプリズム、１１２ａ、１１２ｂ ダイクロイック膜、１１４ 投写光学系、１１６ スクリーン、１２０Ｒ、１２０Ｇ、１２０Ｂ 液晶パネル、１２１Ｒ、１２１Ｇ、１２１Ｂ 第１偏光板、１２２Ｒ、１２２Ｇ、１２２Ｂ 第２偏光板、１２３Ｒ、１２３Ｂ λ／２位相差板、１２４Ｒ、１２４Ｂ 硝子板、２００ 入射側防塵硝子、２００ｂ 基準面、２０１ 接着層、２０２ カバー硝子、２０３ａ ブラックマトリックス部、２０３ｂ 開口部、２０４ 対向電極、２０５ 液晶層、２０６ 基板、２０６ａ 透明電極、２０６ｃ 配向膜、２０７ 接着層、２０８ 出射側防塵硝子、２１０ マイクロレンズアレイ、２１１ マイクロレンズ、２１１ａ 第１面、２１１ｂ 第２面、Ｃ 頂点、Ｏ 中心位置、Ｓ 平面、４１１ マイクロレンズ、４１１ａ 第１面、５０１ 領域、ＡＲ１ 領域、５１１ａ 第１面

Claims (7)

1. 空間光変調装置に用いられるマイクロレンズであって、
   曲率を有する第１面と、略平坦な第２面と、を有し、
   前記第１面は、前記第２面の中心位置を通る前記第２面の法線上の位置以外の位置に設けられた頂点を有することを特徴とするマイクロレンズ。
2. 液晶層を備える前記空間光変調装置に用いられるマイクロレンズであって、
   前記第１面は、液晶分子の配向状態を変化させる前記液晶層の特性に応じた所定の方向へ光を進行させるような形状を有することを特徴とする請求項１に記載のマイクロレンズ。
3. 前記第１面は、第１の方向における曲率が、前記第１の方向に略直交する第２の方向における曲率とは異なることを特徴とする請求項１又は２に記載のマイクロレンズ。
4. 前記第１面は、前記第１の方向及び前記第２の方向の少なくとも一方について、前記第１面上において光が入射する位置が前記頂点から離れた位置であるほど前記第１面から近い位置に集光させるような収差を発生させる形状を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のマイクロレンズ。
5. 入射光を画像信号に応じて変調する変調部と、
   前記入射光を前記変調部へ入射させる開口部と、前記開口部の周囲に設けられた遮光部と、
   曲率を有する第１面と、略平坦な第２面と、を備え、前記入射光を前記開口部の方向へ進行させるマイクロレンズと、を有し、
   前記第１面は、前記第２面の略中心を通る法線上の位置以外の位置に設けられた頂点を有し、第１の方向における曲率が、前記第１の方向に略直交する第２の方向における曲率より小さく、
   前記開口部は、前記第１の方向に長辺、及び前記第２の方向に短辺を備える矩形形状を有することを特徴とする空間光変調装置。
6. 前記変調部は、液晶層を有し、
   前記第１面は、液晶分子の配向状態を変化させる前記液晶層の特性に応じた所定の方向へ光を進行させるような形状を有することを特徴とする請求項５に記載の空間光変調装置。
7. 光を供給する光源部と、
   前記光源部からの光を画像信号に応じて変調する空間光変調装置と、を有し、
   前記空間光変調装置は、請求項５又は６に記載の空間光変調装置であることを特徴とする画像表示装置。

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