JP2003098595A - 画像表示装置及び画素像縮小方法及び画素像縮小光学構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 マクロレンズによって結像された空間光変調
素子からの画素の像を、光学的手段によって縮小し、投
影画像の高精細化をはかる。 【解決手段】 光源１と、空間光変調素子２と、マクロ
レンズ３と、２枚のマイクロレンズアレイ４と、投射レ
ンズ５とを順次有する。マクロレンズ３により結像され
た空間光変調素子２の画素７の像を、光学的手段である
２枚のマイクロレンズアレイ、すなわち、光学的手段に
より縮小した後、投射レンズ５により拡大した投影像８
としてスクリーン６に投射する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、画像投射装置、画
素像縮小方法、及び画像投射装置に用いて好適な画素像
縮小構造に関し、より詳細には、マクロレンズにより結
像された空間光変調素子からの画素の像を、２枚のマイ
クロレンズアレイよりなる画素像縮小光学系により縮小
して投射するようにした画像の高精細化技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、プロジェクタを含む画像表示装置
に関して、画像の高精細化が課題となっている。プロジ
ェクタの場合、空間光変調素子（ライトバルブ）に作ら
れた像を拡大投射するため、拡大率が大きい場合、ライ
トバルブ上の画素が視認できてしまい、高精細化画像と
はなり得ない。そこで、高精細化画像を実現させるため
の一つの方法として、このライトバルブの画素サイズを
小さくする方法がある、もちろん、この場合、空間光変
調素子全体のサイズが変らなければ、全画素数は増大す
る。しかし、画素を小さくすると、例えば、アクティブ
マトッリクス型の液晶表示素子では、配線等の画素以外
が占める領域が大きくなり（すなわち、ブラックマトッ
リクスの占める面積が大きくなり）、開口率が低下し、
問題となる。また、この開口率の低下は、画像劣化の原
因となる。

【０００３】この開口率の低下に対して、マイクロレン
ズアレイを、ライトバルブ上の各画素に対応させ設置、
開口率を向上させる装置、その作製方法が、例えば、特
許第３１１０６５２号に開示されている。これは、マイ
クロレンズとカバーガラスを樹脂で接着したものを用い
て、開口率を高くし、高精細とした液晶表示装置に関す
るものである。また、上記特許には、従来、このような
装置を作製する際に問題となっていた、高温条件下での
加工において、カバーガラスと樹脂の線膨張係数の違い
による、カバーガラスのはがれ等の問題の解決策が示さ
れている。しかし、このようなマイクロレンズアレイと
液晶表示装置を高温化で作製すること自体がプロセス上
面倒である。ライトバルブの画素を小さくすることな
く、またライトバルブ上にマイクロズアレイをつくるこ
となしに、画素の高精細化がはかれる方法があれば、こ
のプロセスは不用である。

【０００４】また、上記特許の例では、ライトバルブ上
のマイクロレンズは一枚であるが、入射光の利用効率を
向上させるため、２枚のマイクロレンズアレイをライト
バルブ上に設けたデバイスが特開２０００−３０５４７
２号公報に開示されている。これは、マイクロレンズア
レイが一枚の場合より有利であるが、ライトバルブとと
もに作製してしまうため、画素電極上での集光の程度を
調整することはできない。

【０００５】また、光源、集光レンズ、マイクロレンズ
アレイ、透過型液晶表示素子、投射レンズからなる高効
率のディスプレイが、特許第２９４７２１４号に開示さ
れているが、これは、マクロレンズアレイにより液晶表
示素子の画素に効率良く光を集光できるものの、マイク
ロレンズアレイが一枚であるため効率向上に限界があ
り、また、画素上での集光スポットのサイズを制御する
にも限界がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の主要な課題
は、空間光変調素子の画素の小型化をすることにより画
像の高精細化をはかるのではなく、光学的手段により、
具体的には、マクロレンズによって結像された空間光変
調素子からの画素の像を、２枚のマイクロレンズアレイ
によって縮小し、画像の高精細化をはかった画像表示装
置を提供することにある。なお、高精細化画像とは、文
字、写真、絵等の投射像の微細なところまで鮮明に確認
できる像のことである。また、投射像の照度が高いすな
わち明るい投射像であることも要求される。これらの要
件をいかに満たすかが本発明の課題である。また、装置
の設計、作製、調整が容易という観点から考え、また低
コスト化をはかることも視野にいれると、この画素縮小
光学系の構成を簡単にすることも課題となる。以下に本
発明の課題をいくつかの詳細に分けて説明する。

【０００７】空間光変調素子（ライトバルブ）の画素サ
イズを縮小することなしに、高精細化画像を実現させる
ためには、光学系の構成が重要であり、最低限必要な光
学素子・部品は、光源、空間光変調素子、マクロレン
ズ、マイクロレンズアレイ、投射レンズであり、更に
は、像を投射するスクリーンも必要である。本発明は、
これらの光学素子・部品を用いて、主として光学的検討
に基づき、最適かつ簡単な装置構成を決定し、画像の高
精細化が可能な画像表示装置を提供することを目的とす
るものである。

【０００８】高精細化画像を得るためには、ただ単に画
素の像を縮小すれば良いものではなく、光学のメカニズ
ムに従ってきちんと縮小率を制御できることが望まし
い。本発明は、２枚のマイクロレンズアレイを用いて画
素を縮小するようにし、更には、縮小する際に、幾何光
学に基づいた関係式を定義して、画素の像の縮小率制御
を可能とし、画像の高精細化を可能とした画像表示装置
を提供することを目的とするものである。

【０００９】画素を縮小する上で２枚のマイクロレンズ
アレは画質を決める上で重要な光学素子である。このマ
イクロレンズアレイの仕様を決めるパラメータの１つに
曲率半径があり、これは、換算して焦点距離となる。こ
の焦点距離は画素の像の縮小率を決める主要な要因であ
る。所望の画素縮小率を得るためには、長焦点距離のマ
イクロレンズアレイが必要となり、曲率半径の大きなマ
イクロレンズアレイを作製しなければならない。長焦点
距離のマイクロレンズを作製しようとした場合、マイク
ロレンズのレンズ高さが小さくなり精度を出すことが困
難となり、また、このマイクロレンズを開発しようとし
た場合、コストが掛かる。この場合、小さな曲率半径の
マイクロレンズアレイで、長焦点距離を実現できるもの
が必要である。このような機能を有するマイクロレンズ
アレイを実現するため、マイクロレンズアレイ側の面に
透明のカバー部材を接着材を用いて接着して張り合せ
た。本発明は、マイクロレンズアレイを用いた画像表示
装置を提供することを目的とするものである。

【００１０】上述のごとき、マイクロレンズ、接着剤、
透明のカバー部材からなる張り合せマイクロレンズアレ
イにおいては、この３つの部材の材質がそれぞれ異なっ
ていても構わない。しかし、使用する部材の数を少しで
も減らした方が作製する際に手間が省け、また、低コス
ト化にもつながる。本発明は、張り合せマイクロレンズ
アレイとカバー部材が同じ材質であり、この２つの材質
と接着材との材質が異なる張り合せマイクロレンズアレ
イを用いた画像表示装置を提供することを目的とするも
のである。

【００１１】上述の、マイクロレンズアレイ、接着材、
透明のカバー部材からなる張り合せマイクロレンズアレ
イにおいて、マイクロレンズアレイとカバー部材の材質
を同一としたとき、その屈折率と、接着材の屈折率との
屈折率差Δｎが適切でないと、長焦点距離のマイクロレ
ンズにはならず、また、画素の縮小率の制御が適切にで
きない。この屈折率差Δｎには、用いる画素縮小光学系
に適した最適範囲が存在する。本発明は、用いる画素縮
小光学系に適した屈折率差を有する張り合せマイクロレ
ンズアレイを用いた画像表示装置を提供することを目的
とするものである。

【００１２】人の目で、縮小された投射像を観察し、そ
の投射像が高精細化画像であると認められたとき、その
高精細化の程度を知るのに、画素の縮小率は重要な基準
となる。この画素の縮小率は、前記２枚のマイクロレン
ズアレイの光学的関係を連続的に変化させることによ
り、連続的に変化させることができる。縮小率の値が小
さいときはより高精細化画像、逆に大きいときは通常の
高精細化でない画像となる。本発明は、用いる画素縮小
光学系に対して、画素縮小率が最適範囲にある、画像表
示装置を提供することを目的とするものである。

【００１３】前述のマイクロレンズアレイにおいて、曲
率半径あるいは焦点距離は、高精細化画像の質に影響を
与えるため重要なパラメータであるが、作製が容易かど
うかにも拘わってくる。また、曲率半径を検討するとき
は、球面収差、また製造上のばらつき等の画像を劣化さ
せる要因も考慮しなければならない。これらを考慮する
と、曲率半径は、用いる画素縮小光学系に適したもので
ある必要がある。本発明は、用いる画素縮小光学系に適
切な曲率半径を有するマイクロレンズアレイを用いる画
像表示装置を提供することを目的とするものである。

【００１４】マイクロレンズアレイのみによる画素縮小
では、高精細画像が得られないことが起こり得る。これ
は、例えば、光源の照明角が大きい場合、マイクロレン
ズアレイにおける各レンズの製造上のばらつきが大きい
場合、球面収差が大きい場合（これはマクロレンズ及び
投射レンズも含めて）などである。本発明は、このよう
な場合であっても、開口を備えたマスクを用いることに
より、安定して画素の像を縮小できる画像表示装置を提
供することを目的とするものである。

【００１５】上述のごとき開口を有するマスクの画素縮
小光学系内における設置位置は、光束がレンズにより集
光され、小さくなる位置が、マスクのサイズ、遮光の容
易さから考えて、望ましい。さらに、マスクとマイクロ
レンズアレイの位置合わせは簡単に行えるほうが望まし
い。本発明は、この高精細化用のマスクの設置場所に関
して、マスクの調整が容易な画像表示装置を提供するこ
とを目的とするものである。

【００１６】上述のマイクロレンズアレイによる画素縮
小だけでも、高精細化画像の提供には充分であるが、さ
らなる高精細化画像を考えた場合、この縮小した画素を
時分割、空間分割で投射する方法を採用するのが望まし
い。本発明は、空間光変調素子の画素から出射した光束
の光路を変更する光学素子を光学系内に設置して、縮小
した画素を時分割、空間分割で投射するようにした高精
細化画像表示装置を提供することを目的とするものであ
る。

【００１７】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、光源
と、空間光変調素子と、マクロレンズと、２枚のマイク
ロレンズアレイと、投射レンズとを順次有し、前記マク
ロレンズにより結像された前記空間光変調素子の画素の
像を、前記２枚のマイクロレンズアレイにより縮小した
後、前記投射レンズにより拡大して投射するようにした
ことを特徴とし、前記空間光変調素子の画素の像を前記
マクロレンズにより一旦結像させ、この像を２枚のマイ
クロレンズアレイにより縮小し、すなわち、光学的にそ
の像を縮小し（空間光変調素子の画素サイズを縮小する
のではなく）、画像の高精細化をはかるようにしたもの
である。

【００１８】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て、前記光源から出射される光束の広がり角をθ、前記
２枚のマイクロレンズアレイのレンズのピッチをｄ、前
記２枚のマイクロレンズアレイ間の距離をＬ１としたと
き、Ｌ１が、（ｄ／２）／ｔａｎθ（ｍａｘ）＜Ｌ１＜
（ｄ／２）／ｔａｎθ（ｍｉｎ）（＝２.５（ｄ／２）
≦Ｌ１≦６０（ｄ／２））の範囲にあることを特徴と
し、前記２枚のマイクロレンズアレイとして曲率半径の
異なるマイクロレンズアレイを用い、幾何光学的検討に
基づき、２枚のマイクロレンズ間距離の最適範囲を定め
ることにより、画像の高精細化をはかったものである。

【００１９】請求項３の発明は、請求項１又は２の発明
において、前記２枚のマイクロレンズアレイのうちどち
らかあるいは両方のマイクロレンズアレイが、マイクロ
レンズアレイと該マイクロレンズアレイのレンズ側の面
をカバーする透明のカバー部材と、これらマイクロレン
ズアレイとカバー部材を接着する接着材とからなること
を特徴とし、前記２枚のマイクロレンズアレイのいずれ
か一方を、マイクロレンズアレイ、接着材、及びカバー
部材とにより構成し、その屈折率差を異ならさせること
により、小さな曲率半径で、見かけ上焦点距離の長いマ
イクロレンズアレイを可能とし、それにより、マイクロ
レンズアレイの作製を容易にし、また、この張り合せマ
イクロレンズアレイを用いることにより画像の高精細化
をはかったものである。

【００２０】請求項４の発明は、請求項３の発明におい
て、前記張り合せマイクロレンズアレイにおいて、マイ
クロレンズアレイとカバー部材の材質が同じであること
を特徴とし、マイクロレンズアレイとカバー部材の材質
を同一にすることにより、張り合せマイクロレンズアレ
イの作製を容易にし、この張り合せマイクロレンズアレ
イを用いることにより画像の高精細化をはかったもので
ある。

【００２１】請求項５の発明は、請求項３の発明におい
て、前記張り合せマイクロレンズアレイのマイクロレン
ズアレイとカバー部材の材質が同一であり、これらの屈
折率と前記接着材の屈折率の差の絶対値をΔｎとしたと
き、このΔｎが、０.０１＜Δｎ≦１.１の範囲にあるこ
とを特徴とし、前記レンズあるいはカバーとそれらの間
にある接着材の屈折率差に関して、用いる画素縮小光学
系に最適な範囲を持つマイクロレンズアレイを用いるこ
とにより画像の高精細化をはかったものである。

【００２２】請求項６の発明は、請求項１乃至５記載の
いずれかの発明において、前記マイクロレンズのピッチ
をｄとしたとき、該ピッチｄに対して、前記マイクロレ
ンズの曲率半径をｒとしたとき、その比ｒ／ｄが、０.
４≦ｒ／ｄ≦４の範囲であることを特徴とし、前記マイ
クロレンズの曲率半径に関して、用いる画素縮小光学系
に最適な範囲を持つマイクロレンズアレイを用いること
により、マイクロレンアレイズの作製を容易にし、画像
の高精細化をはかったものである。

【００２３】請求項７の発明は、請求項１乃至６のいず
れかの発明において、前記画素の縮小率αが、０.０＜
α＜０.９の範囲であることを特徴とし、画素の像の縮
小率に関して、用いる画素縮小光学系に最適な範囲をも
つマイクロレンズアレイを用いることにより、光学系の
設計を容易にし、画像の高精細化をはかったものであ
る。

【００２４】請求項８の発明は、請求項１乃至７のいず
れかの発明において、前記光源から前記投射レンズの間
の光路中のいずれかの場所に、前記空間変調素子の画素
のサイズより小さな開口を設けたマスクを有することを
特徴とする画像表示装置を特徴とし、前記空間光変調素
子の画素よりも小さな開口を持つマスクを用いることに
より、用いる画素縮小光学系の性能に依存せず、画像の
高精細化をはかったものである。

【００２５】請求項９の発明は、請求項１乃至８のいず
れかの発明において、前空間変調素子の画素のサイズよ
り小さな開口を有するマスクを前記投射レンズ側のマイ
クロレンズアレイの光束出射側に設けたことを特徴と
し、前記マイクロレンズアレイの光出射側の縮小中間像
の位置で効率良く画素縮小を行い、画像の高精細化をは
かったものである。

【００２６】請求項１０の発明は、請求項１乃至９のい
ずれかの発明において、前記光源から前記投射レンズの
間のいずれかの位置に、前記空間光変調素子から出射し
た光束をシフトさせる光路変更手段を有すること特徴と
し、該光路偏向手段により縮小した画素をシフトさせ
て、時間的、空間的にずらして投射することにより、さ
らに画像の高精細化がはかったものである。

【００２７】請求項１１の発明は、光源と、該光源から
の出射光束を選択的に透過または反射する複数の画素を
有する空間光変調素子と、該空間光変調素子からの出射
光束を集光するマイクロレンズと、該マイクロレンズか
らの出射光束について前記空間光変調素子の各画素に対
応した画素の像を縮小して投射画素像間隔を広げる画素
像縮小素子と、該画素像縮小素子からの出射光束を投射
する投射レンズとを有することを特徴としたものであ
る。

【００２８】請求項１２の発明は、マクロレンズにより
結像された空間光変調素子の画素の像を縮小するための
画素像縮小方法であって、２枚曲率半径又は焦点距離の
異なるマイクロレンズアレイを用い、第１のマイクロレ
ンズアレイの各マイクロレンズにより、前記マクロレン
ズからの各画素の像を第２のマイクロレンズアレイの各
マイクロレンズに結像し、この像を第２のマイクロレン
ズアレイの各マイクロレンズにより縮小することを特徴
としたものである。

【００２９】請求項１３の発明は、マクロレンズにより
結像された空間光変調素子の画素の像を縮小するための
光学構造であって、該光学構造は、２枚曲率半径又は焦
点距離の異なるマイクロレンズアレイから成り、第１の
マイクロレンズアレイの各マイクロレンズは、前記マク
ロレンズからの各画素の像を第２のマイクロレンズアレ
イの各マイクロレンズに結像し、この像を第２のマイク
ロレンズアレイの各マイクロレンズにより縮小するもの
であることを特徴としたものである。

【００３０】

【発明の実施の形態】図１は、本発明による画素縮小投
射光学系の概念構成を示す図で、図中、１は光源、２は
空間光変調素子、３はマクロレンズ、４はマイクロレン
ズアレイ、５は投射レンズ、６はスクリーンで、マイク
ロレンズアレイ４は、図２に示すように、第１のマイク
ロレンズアレイ４₁と第２のマイクロレンズアレイ４₂の
２枚のマイクロレンズアレイからなり、各マイクロレン
ズアレイは正しく位置合わせした状態で設置されてい
る。また、この２枚のマイクロレンズアレイの位置と空
間光変調素子２の画素７の位置も正しくあわされてい
る。なお、これらマイクロレンズアレイ４₁，４₂は、図
３に示すように、微小なマイクロレンズ４₀が規則正し
く配列されたものである。

【００３１】ここで、マイクロレンズのピッチとは、レ
ンズ配列の周期を表す大きさであり、マイクロレンズ間
に隙間の無い稠密なマイクロレンズアレイの場合、その
ピッチはマイクロレンズのサイズに等しく、また、マイ
クロレンズ間に隙間があるマイクロレンズアレイの場合
では、このピッチとマイクロレンズアレイの大きさは一
致せず、ピッチのほうがレンズのサイズよりも大きくな
る。

【００３２】図１において、光源１から出射した光束
は、制御信号で空間光変調素子２の各画素７を制御する
ことにより、表示画像に基づいて選択的に透過（あるい
は反射）され、次いで、マクロレンズ３で集光され、マ
イクロレンズアレイ４の第１のマイクロレンズアレイ４
₁に入射され、画素の中間像（図２の１１₁）というべき
像を形成し、続く、第２マイクロレンズアレイ４₂によ
り縮小され（縮小中間像（図２の１１₂））を形成し、
この縮小中間像が、その後、投射レンズ５により拡大投
射され、スクリーン６に、もとの画素が一旦縮小された
後、拡大された像８として投射される。

【００３３】もともと空間光変調素子２の画素７は密に
配列されているが、これが、マイクロレンズアレイ４に
より縮小され、このとき密な配列は分離され、隙間を生
じ、それが投射レンズ５により拡大され、隙間のあいた
像８となる。このようにすれば、空間光変調素子２の画
素自体を縮小することなく、光学的に画素を縮小でき、
高精細化画像を投射できる。

【００３４】マクロレンズ３の仕様としては、両側テレ
セントリックが最も望ましく、また、等倍であることが
望ましい。これは、空間光変調素子２の画素サイズとマ
イクロレンズアレイ４のピッチ（あるいはサイズ）が一
致していることが前提であるが、空間光変調素子２の画
素ピッチとマイクロレンズアレイ４のピッチが一致して
いないときは、このマクロレンズ３で倍率を調整してや
ればよい。また、マクロレンズ３は明るいほうが望まし
く、Ｆ値で１程度が望ましい。また、投射レンズ５も明
るいほうが望ましく、Ｆ値で２以下が望ましい。マクロ
レンズ３のＦ値Ｆｍと投射レンズ５のＦ値Ｆｐとの間に
はＦｍ≦２Ｆｐの関係が成立することが、明るい投射像
という観点から考えて、望ましい。

【００３５】このマクロレンズ３の機能は、ライトバル
ブ（空間光変調素子）２から出射し、発散していく光
を、マイクロレンズアレイ４の面に集光させるためのも
のである。このとき、マクロレンズ３による中間像が、
第１のマイクロレンズアレイ面にできるため、この方式
は中間像面マイクロレンズ方式とも言えるものである。

【００３６】現在、プロジェクタには、人が見る方向、
及び、スクリーンが反射型か透過型かの違いにより、フ
ロントプロジェクタ、リアプロジェクタに分けられる
が、この画素縮小光学系はどちらにも用いることができ
る。

【００３７】空間光変調素子２としては、液晶を用い
た、液晶ライトバルブが一般的である。液晶ライトバル
ブには反射型と透過型があり、以上には、透過型を例と
して説明した。しかし、空間光変調素子の前に偏光ビー
ムスプリッタ（ＰＢＳ）等の光学素子を用いれば反射型
も可能である。また、反射型液晶ライトバルブには、Ｓ
ｉ基板上に、ドライブ素子、メモリー素子を設け、その
上に液晶層を設けた、ＬＣｏＳがよく用いられている。

【００３８】光源１としては、現在のところ、プロジェ
クタにおいてはランプが一般的であるが、近年高輝度の
赤、緑、青三色のレーザを光源に用いたレーザディスプ
レイ装置が実用化されつつあり、本発明でもレーザを光
源とすることも考えられる。また将来的に輝度の向上が
期待されるＬＥＤなども光源の候補である。

【００３９】図２は、本発明によるマイクロレンズアレ
イ４の概念構成図で、ここでは、２枚のマイクロレンズ
アレイ４₁，４₂におけるマイクロレンズアレイ対を示し
ている。図２は、本発明におけるマイクロレンズアレイ
における２枚のマイクロレンズアレイ間の関係を光学的
に定義したものであり、マイクロレンズの曲率半径及び
画素の縮小率αに関して、用いる光学系に適した値を与
えるものである。図２において、２枚のマイクロレンズ
４₁，４₂を向い合うように配置させてあり、光束入射側
１０ａが第１のマイクロレンズアレイ４₁で、光束出射
側１０ｂが第２マイクロレンズアレイ４₂である。ま
た、光源１から出射する光束は広がり角度を持ってお
り、これが第１のマイクロレンズアレイ４₁に入射・出
射するときの角度（照明角）をθする。このマイクロレ
ンズアレイに関して、画素の縮小時に重要となるパラメ
ータは、第１マイクロレンズアレイ４₁のレンズの曲率
半径ｒ１、第２マイクロレンズアレイ４₂のレンズの曲
率半径ｒ２、また、第１マイクロレンズアレイ４₁と第
２のマイクロレンズアレイ４₂との間の距離Ｌ１（これ
が第１マイクロレンズアレイ４₁の焦点距離）である。
この曲率半径ｒ１，ｒ２、及び、マイクロレンズの材質
の屈折率ｎが分かれば、第１，第２のマイクロレンズア
レイのレンズの焦点距離Ｌ１，Ｌ２が導ける。

【００４０】図２には、第１マイクロレンズアレイのレ
ンズの縁を通る光線１０₁と、中心を通る光線１０₂が描
かれている。以下に、これらのパラメータの関係式を表
１として示す。

【００４１】

【表１】

【００４２】ただし、表１に示した関係式に関しては、
幾何光学に基づく光軸近似であるため、球面収差等の収
差が考慮されていない。厳密に、スネルの法則及び幾何
学的な球面の屈折により計算すると、ずれが生じる。つ
まり、図２及び表１から導かれた値は近似であり、各値
には、以下の説明で述べるような、許容範囲があり、ま
た最適範囲が存在する。また、マイクロレンズのサイズ
をｄとしてあり、ここでは、マイクロレンズアレイのピ
ッチと等しいとしており、これは空間光変調素子の大き
さと同程度の大きさである。また、画素の縮小率αはＬ
２／Ｌ１で表される。また、Ｌ１の範囲は、ピッチｄを
用いて、（ｄ／２）／ｔａｎθ［ｍａｘ］＜Ｌ１＜（ｄ
／２）／ｔａｎθ［ｍｉｎ］と表される。また、θの範
囲は、マイクロレンズのＦ値によってきまる。明るいと
きは、Ｆ１.４程度であれば、θは２０°程度となり、
これが最大となり、暗いときは、Ｆ２２程度であり、θ
は１°程度となり、これが最小となる。この時、Ｌ１は
略、２.５（ｄ／２）≦Ｌ１≦６０（ｄ／２）となる。
Ｆ２２のような場合は、将来的にレーザが使用可能にな
れば、実現する可能性がある。逆に、Ｆ１.４と明るい
場合は、マイクロレンズが作製ができれば可能である。
現状を考慮して、光源をランプとすると、望ましいθの
範囲は、３°から９°程度である。

【００４３】補足すると、第１のマイクロレンズアレイ
４₁は、所謂フィールドレンズであり、すなわち、球面
収差のない理想的な状況を考えれば、マクロレンズ３か
らの光をけることなく、続く第２のマイクロレンズアレ
イ４₂に集光させしめるためのものであり、続く、第２
のマイクロレンズアレイ４₂が画素を縮小する役目を担
う。

【００４４】なお、ここではレンズ形状を球面としてい
るが、非球面レンズであっても構わず、また、非球面レ
ンズにすることにより、球面収差を除去、低減でき、画
質の向上、光利用効率の向上をはかることができる。

【００４５】照明角θは光源及び光学系に依存し、これ
が、画素縮小に影響を及ぼす。図２，表１に示す関係に
基づき、照明角θが３°，５°，７°，９°、マイクロ
レンズのピッチを１０μｍ、屈折率を１.５１７（例え
ばＢＫ７）として、また縮小率αが０.５になるように
計算した例を表２に示す。表２から、照明角θが大きく
なるにつれて、第１，第２のマイクロレンズアレイのレ
ンズの曲率半径ｒ１，ｒ２は小さくなることが分かる。
また、２枚のマイクロレンズ間の距離Ｌ１も短くなる。

【００４６】

【表２】

【００４７】縮小中間像（図２の１１₂）の大きさは、
画素の縮小率をα、第２マイクロレンズアレイの焦点距
離をＬ２としたとき、照明角θを用いて、Ｌ２とｔａｎ
（（１／α）＊θ）との積で表される。例えば、表２よ
り、θが５°、Ｌ１が５７.１５μｍのとき、縮小中間
像１１₂の大きさは５μｍとなる。これは、図２からわ
かるように、縮小率αに応じて、第２マイクロレンズア
レイからの光の出射角が変化するためである。すなわ
ち、縮小率が大きいほど、第２のマイクロレンズアレイ
を出射するときの照明角は大きくなる。また、投射レン
ズ５による像の拡大率が、例えば、２５倍であれば、実
際にスクリーンに投射される像の大きさは、５μｍ×２
５＝１２５μｍとなる。

【００４８】マイクロレンズの形状としては、正方形、
円形、楕円形、六角形などがあり、市販もされている。
材質としては石英硝子が、ドライエッチングがしやすい
ため、広く使われているが、他の硝子材も用いられる。
また、樹脂などを用いても作製することができる。ま
た、レンズの配列に関しては正方配列が広く使われてい
るが、円形のレンズでは、充填率を上げるために、稠密
に配列したものもある。マイクロレンズのサイズは小さ
いもので１０μｍ程度、大きいもので５００μｍ程度の
ものがある。空間光変調素子の画素の配列が正方形であ
る場合、これに対応させて、マイクロレンズアレイも正
方配列にすることも多い。この時、レンズ形状は円形で
も可能であるが、正方形状であるほうが望ましい。これ
は、円形のレンズを正方配列させた場合、レンズ間に隙
間が生じ、これが、一画素内でのバックグランドを向上
させるばかりでなく、隣接する画素に入る、いわゆる迷
光となり、隣接画像の劣化をも引き起こすからである。
さらに、これが光利用効率の低下につながる弊害もあ
る。

【００４９】以上は、幾何光学に基づく、光軸近似によ
る検討であるが、この検討が正しいことを検証するため
に、光線追跡計算を行い、また、光学系の性能予測を行
った。この光線追跡計算では、簡略化のために、空間光
変調素子上に光源があるモデルを想定した。空間光変調
素子上の画素は隙間なく隣接しており、ここから照明角
θで出射した光束は、等倍のマクロレンズ３により、第
１のマイクロレンズアレイ４₁上に結像し、中間像１１₁
を生じ、第２のマイクロレンズアレイ４₂でその中間像
を縮小して縮小中間像１１₂を生じ、投射レンズ５を経
て、拡大され、スクリーン６上に投射されるものであ
る。このとき、スクリーン６には、図４に示すようなプ
ロファイルが投射される。図４の横軸は空間的広がり、
縦軸は照度に相当する。この図４は、投射像を部分的に
見ており、三画素の投射像を見た図に相当する。後に、
画素の縮小率αに関する箇所で詳細に述べるが、このプ
ロファイルが適切な広がりを持っていれば、それは、高
精細化画像として捉えられる。しかし、あまりにも広が
ってしまうと、隣接するプロファイルが重なり、高精細
化画像とはなり得ない。このとき、このプロファイルの
最大値ｍａｘと最低値ｍｉｎを用いて、擬似的なＭＴＦ
（Ｐｓｅｕｄ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｔｒａｎｓｆｅ
ｒ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ：ＰＭＴＦ）を式１のように定義
した。

【００５０】 ＰＭＴＦ＝（ｍａｘ−ｍｉｎ）／（ｍａｘ＋ｍｉｎ） （式１）

【００５１】一般的な、ＭＴＦは、周波数成分により、
ある光学系、例えば、レンズの性能を表す。これは、矩
形波（ラインアンドスペースのパターン）を用い、その
パターンが、レンズを経た後に、どれだけ劣化され、正
弦波的になるかを見るものである。ここでは、空間光変
調素子の画素自体がこのようなラインアンドスペースの
パターンに相当すると考えられるため、このような擬似
ＭＴＦという評価値を導入した。この値は、通常のＭＴ
Ｆと同様であると考えられ、例えば、０.８以上あれ
ば、非常にシャープな像であるといえる。

【００５２】光線追跡計算では、マイクロレンズアレイ
のピッチを１０μｍ、レンズが正方配列をしているとし
た。また、照明角θは３°，５°，７°，９°とし、表
２に示すマイクロレンズ曲率半径、レンズ間距離とし
た。そのときの結果を、表３に示す。

【００５３】

【表３】

【００５４】表３に示すように、照明角θが大きくなる
につれて、ＰＭＴＦの値は小さくなるが、ここでは、９
°のときでも０.８６と高いことが分かり、この画素縮
小光学系が優れていることが分かる。また、これ以上、
照明角が大きくなると、レンズの曲率半径がレンズのピ
ッチよりも小さくなる。これは、すなわち、レンズ間の
隙間が多くなり、光利用効率の低下に繋がる。また、こ
の隙間を通る光束が、迷光となり隣接画素に入り、ＰＭ
ＴＦを劣化させることになる。このため、曲率半径の下
限は、ピッチの半分前後（ｄ／２前後）とするがの良
い。

【００５５】図５は、前記マイクロレンズアレイに関し
て、該マイクロレンズアレイに接着材を用いてカバー部
材と張り合せた、所謂、張り合せ（カバー部材付き）マ
イクロレンズアレイを、画素縮小光学系に用いた例を模
式的に示した図である。図５では、第１のマイクロレン
ズアレイ１４₁が、張り合せマイクロレンズであり、該
張り合せマイクロレンズアレイ１４₁は、マイクロレン
ズアレイ１４ａ、接着剤１４ｂ、透明のカバー部材１４
ｃからなる。材料としては、マイクロレンズ１４ａとカ
バー部材１４ｃがガラス、または、マイクロレンズ１４
ａ及びカバー部材１４ｃも樹脂、または、一方がガラ
ス、他方が樹脂の組合せ等が考えられる。また、高屈折
率が必要な場合など、鉱物などの使用も考えられる。ま
た、接着材１４ｂは樹脂である。また、マイクロレンズ
１４ａとカバー部材１４ｃの材料は異なっていても良
い。また、図５では、片方のマイクレンズアレイ１４₁
のみを張り合せマイクロレンズアレイを示しているが、
第２のマイクロレンズアレイ１４₂も張り合せた、両方
張り合せのマイクロレンズアレイであっても構わない。
また、図５では、マイクロレンズの形状を凸形状にして
あるが、これはマイクロレンズとカバー部材の屈折率が
接着材の屈折率よりも高い場合であり、逆に、接着材の
屈折率がマイクロレンズ及びカバー部材の屈折率よりも
高い場合は、マイクロレンズの形状は凹となる。

【００５６】第１のマイクロレンズアレイと第２のマイ
クロレンズアレイ間の距離を長くしたい場合、第１のマ
イクロレンズアレイの曲率半径を大きくし、焦点距離を
長くしなければならないが、このとき、曲率半径の大き
なマイクロレンズを作製することが課題となる、すなわ
ち、レンズの高さの精度を出すことが難しくなる。ここ
で、張り合せマイクロレンズアレイを用いることによ
り、見かけ上焦点距離が長くなり、２枚のマイクロレン
ズ間の距離を稼ぐことができる。

【００５７】例えば、マイクロレンズのピッチを１４μ
ｍ、屈折率を１.５１７、曲率半径を１０μｍとした場
合、その焦点距離は５６.８μｍである。しかし、この
マイクロレンズに、厚み３０μｍで屈折率１.５１７の
カバー部材と、厚み６μｍで屈折率１.４の接着材とを
使用したとき、その見かけ上の焦点距離は９７.３１μ
ｍと長くなり、マイクロレンズ間距離が必要なときに有
利であることが分かる。また、このようにマイクロレン
ズとカバー部材を同一の材質にすることにより、材質の
選定、カバー部材（ガラス）の研磨等、マイクロレンズ
アレイの作製等に関して余計なプロセスを簡略化でき
る。

【００５８】また、マイクロレンズ（及びカバー部材）
と接着材との屈折率差Δｎが適当な範囲にあることが必
要である。この屈折率差による焦点距離の変化を見積も
った。表４は、接着剤の屈折率を１.４，１.５，１.６
として、マイクロレンズ（及びカバー部材）の屈折率を
変化させたときの、マイクロレンズの焦点距離を示す。

【００５９】

【表４】

【００６０】このとき、マイクロレンズの曲率半径は７
μｍで固定、接着材の厚みを６μｍ、カバー部材の厚み
を３０μｍとしている。一方、張り合せマイクロレンズ
を用いない場合、レンズの屈折率を１.５とすると、空
気中（屈折率１）にある場合、屈折率差Δｎは０.５で
あり、この時の焦点距離は１４μｍである。この１４μ
ｍ以上の焦点距離を得られる屈折率差があればよい。接
着材の屈折率が１.４と低いとき、屈折率差は０.９以上
となるが、これは屈折率が２.３と高い材質となるた
め、例えば、鉱物のダイヤモンド（ｎ＝２.４）であれ
ば可能であるが、加工、コスト等から考えて実用的では
ない。実用的な範囲では、ガラスを用いた場合、屈折率
の大きい硝子材でｎ＝１.８から１.９、屈折率差Δｎは
０.４から０.５が上限となり、樹脂を用いた場合でも同
様の値である。

【００６１】表２から、照明角θが７°のときの、第１
マイクロレンズアレイの曲率半径は２１.０５μｍであ
り、第２マイクロレンズの曲率半径は７.０２μｍであ
る。これらの値は、第１マイクロレンズに関しては大き
すぎ、第２マイクロレンズに関しては小さすぎる。これ
は、曲率半径が大きすぎても、小さすぎても、作製する
上での精度の問題、ドライエッチングのし易さの問題が
伴うためである。例えば、半球状のレンズ形状を作製す
る場合、レンズ高さ、及び球面形状の精度を出すのが難
しい。また、市販のマイクロレンズでも、この仕様を満
たすものは少ない。このため、マイクロレンズレンズの
曲率半径に関しては許容範囲が必要であり、それを知る
ことが、画像の高精細化をはかる光学系の設計を容易に
する。

【００６２】上記の曲率半径の問題を回避するには、図
５に示した張り合せレンズを用いればよい。適当な曲率
半径で、所望の焦点距離を出せるからである。そこで、
まず、第１のマイクロレンズアレイ１４₁に張り合せマ
イクロレンズを用いた系に関して、第２のマイクロレン
ズアレイ１４₂のレンズの曲率半径を１０μｍからはじ
めて、第１のマイクロレンズの曲率半径の最適範囲を光
線追跡計算に基づいて探索した。その結果、第１マイク
ロレンズの曲率半径の許容範囲は７μｍから１１μｍ程
度までではＰＭＴＦがほぼ１.０に維持されることが分
かった。また、第２マイクロレンズに関して、同様に曲
率半径の許容範囲を探索したところ、７μｍから１５μ
ｍ程度までＰＭＴＦが良好であることが確認された。こ
のとき、マイクロレンズのピッチｄと曲率半径ｒの比ｒ
／ｄを考えると、０.５から１.０程度の範囲となる。こ
の比が０.５より小さいとき、すなわち、レンズが小さ
く、レンズ間距離が大きいときは、光利用効率の低下、
中間像の劣化などの問題が生じる。

【００６３】マイクロレンズアレイにおいて、マイクロ
レンズピッチから求まる面積Ｓｍ（正方配列なら＝ｄ×
ｄ）と、レンズの占める面積Ｓｌとの比Ｓｌ／Ｓｍをと
り、その値が０.５，０.４，０.３，０.２，０.１とな
る、すなわち、それぞれ光束の５０，４０，３０，２
０，１０％しか利用しない、レンズの曲率半径を求め
た。上記のマイクロレンズピッチ１４μｍの例では、ｒ
はそれぞれ５.６，５.０，４.３，３.５，２.５μｍで
あり、曲率半径とピッチの比はそれぞれ、０.４，０.３
６，０.３１，０.２５，０.１８となる。光束の５０％
しか利用しないとき、ｒ／ｄは０.４である。また、上
限に関しては、レンズ高さを考慮して、４程度が上限で
ある。現状では、レンズ高さは０.５μｍ以下になると
加工精度をだすのが難しく、上記のピッチ１４μｍの４
倍の曲率半径では０.４μｍとなり、この辺りが上限と
なる。

【００６４】マイクロレンズアレイによる画素の縮小
は、２枚のマイクロレンズの焦点距離の比により決ま
る。球面収差を無視し、２枚のマイクロレンズアレイが
互いに接触する、縮小率最大（αは１に近づく）から、
逆に、第２のマイクロレンズを第１のマイクロレンズか
ら離していった位置、縮小率最小（αは０に近づく）の
状態まで、縮小率を変化させることができる。このと
き、常識的に考えると、αが１であるなら、画素を縮小
しておらず、高精細化画像にはならず、また、画素が０
に近ければ、それは、点状の画素であり、投射面上では
点が隙間を持って配列して像となる。また、この投射像
のサイズは光源の配向分布により、縮小率が１に近いと
きであっても、配向分布が鋭ければ、画素縮小された画
像に見える。

【００６５】２枚のマイクロレンズ間の距離Ｌ１を変化
させると、この縮小率αを変化させることができる。こ
の最適αを探索するため、上記の光線追跡と同様の光学
系において、マイクロレンズ間の距離を変化させ、ここ
では、αを０.５から１近傍まで、光線追跡計算を行っ
た。その結果を、表５に示す。

【００６６】

【表５】

【００６７】表５において、ＰＭＴＦの値はほぼ１.０
であり、この範囲で良好であることが分かる。αが０.
９に近づく辺りでは、ＰＭＴＦは０.７まで低下する。
また、αがこのぼぼ１.０のときであっても、ＰＭＴＦ
は約０.７であり、これは光源の配向分布、光束のけら
れ等によると考えられ、通常は、１.０未満である。α
は０.９程度が上限と考えられる。また、αが０.５より
小さいときは、さらに高精細化が進むため、原理的には
ＰＭＴＦを１.０に維持できる。

【００６８】用いる光源の照明角が大きいときには、前
述のマイクロレンズの焦点距離、レンズ間の距離、レン
ズの曲率半径等に制限が課せられ、所望の画素縮小率が
望めず、高精細化画像を得られない場合がある。また、
このような場合だけでなく、より高精細化画像を望むと
きは、開口を有したマスクを光学系内に設けるのが有効
的である。このマスクは、マイクロレンズアレイの配列
に対応して、縮小中間像のサイズ以下の開口が、マイク
ロレンズアレイと同様に配列されたものである。これ
は、光利用効率を犠牲にするものの、画質を向上させる
ものである。これは、マスクを設置することにより迷光
を遮光することが可能なためである。このマスクを設置
する場所に関しては、レンズにより光束が集光されたと
ころが望ましい。

【００６９】図６は、上記マスクを光学系の設置場所を
最適の範囲に選定した時の例を説明するための概略構成
図で、図中、１５はマスクで、該マスク１５を設置する
のは、位置調整、また作製上の観点から考えて、マイク
ロレンズ４（又は１５）近傍に設置することが望まし
い。ここでは、マスク１５は第２マイクロレンズアレイ
の光出射側に設置してある。

【００７０】このマスクの効果を実証するために上記の
光学系を元にした光線追跡計算を行った。第２マイクロ
レンズの光出射側は縮小中間像が形成される位置であ
り、ここで、マスク１５の開口により、光束を部分的に
遮蔽することは、画素縮小を開口により直接カットでき
るため、より効果的である。この開口を有するマスク１
５の効果を確認するために、光線追跡計算を行った。画
素縮小光学系は図１と同様であり、図６に示すように、
マスク１５を第２マイクロレンズアレイの光出射側に設
置した。マスク１５の開口サイズを４μｍｘ４μｍとし
て、照明角３°，５°，７°，９°で行った結果から得
られたＰＭＴＦを、表６に示す。表３と比較して、ＰＭ
ＴＦが向上しており、マスクにより画質向上の確認でき
る。

【００７１】

【表６】

【００７２】しかし、この開口の大きさは小さければ小
さいほど良いというものではなく、小さ過ぎると、光利
用効率が著しく低下するだけでなく、光束も極端に減っ
てしまい、画質を損ねることにもなる。用いる画素縮小
光学系全体の光利用効率を考慮して、マスクの開口の大
きさを決めなければならない。この見積りを行うため、
開口のサイズを変えて光線追跡計算を行った。その結果
を表７に示す。

【００７３】

【表７】

【００７４】表７に示すように、開口サイズが小さくな
るほど、ＰＭＴＦの値は向上することが分かるが、２.
５μｍ以下になると、ＰＭＴＦが読めなくなるほど劣化
する。また、逆に光利用効率は開口の大きさの低減とと
もに、低下している。光利用効率が０.５（すなわち半
分以下）になるようでは、光学系として暗いものになる
であろう。表７において、光利用効率が０.５のときと
は、縮小中間像に対する開口サイズの比が、０.６から
０.５の間のときであり、開口の大きさの最低値もこの
近辺であることが推測できる。

【００７５】図７は、上述のごとき画素縮小装置を組み
込んだ高詳細プロジェクタの一例を説明するための全体
構成図で、本実施例は、反射型の空間光変調素子を一枚
用いる、単板式プロジェクタの例を示す。白色光源２１
を出た光は、まず、フライアイレンズ等の光インテグレ
ータ２２により、照度が均一化される。次に、カラーホ
イール等の色分離装置２３により、赤、緑、青の３色に
分離される。カラーホイールを用いた場合、同時に、
赤、緑、青に分離されるのではなく、時系列に赤、緑、
青に分離される。次に、各色ごとに偏光ビームスプリッ
ター２５に入り、空間光変調素子２４の画素で反射さ
れ、偏光ビームスプリッター２５を抜け、マクロレンズ
２６に入る。マイクロレンズ２６により、一旦、第１マ
イクロレンズアレイ２７₁面で画素の中間像が形成さ
れ、続く第２マイクロレンズ２７₂によりこの中間像が
縮小され、最終的に投射レンズ２８により投影され、ス
クリーン２９に高詳細画像が形成される。空間光変調素
子２４としては、ＬＣｏＳ（ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔ
ａｌ ｏｎ Ｓｉ、ディスプレイテクノロジー社、米
国），ＤＭＤ（デジタルインストルメント社、米国）な
どがある。マイクロレンズのＦ値を１.４として、投射
レンズはＦ値２.８．マクロレンズは等倍である。な
お、第１マイクロレンズと第２マイクロレンズとの調整
は、それぞれのマイクロレンズアレイに６軸ステージ
（光軸方向：ｚ、それに垂直な２方向：ｘ及びｙ、また
ｘ，ｙ，ｚ軸での回転：３つ）を用いるのが、位置，角
度，縮小率調整にとって望ましい。

【００７６】以上には、画素縮小により高詳細画像を得
る例を示したが、画素縮小のみにより得られる高精細化
画像よりもさらに高精細化画像を得たいときは、ライト
バルブの各画素から出射した光の進行光向を変化させる
手段を併用するとよい。これには、たとえば、複屈折板
を用いれば一つの光を、常光と異常光に分けることがで
きる。このような手段を設けることにより、例えば、図
１に示す隙間のある投射像８において、その隙間を埋め
ることが可能となりより画像の高精細化がはかれる。

【００７７】図８は、上述の画素ずらし（ピクセルシフ
ト）を実施するための構成例を説明するための図で、図
示の例は、空間光変調素子の画素から出射した光の光路
を変調させる手段の一例として、ピエゾ素子を用いた装
置を示す。これは、ピエゾ素子３２，３３を用いて、空
間変調素子３１自体を機械的に動かすものである。素子
自体が動くため、画素も動くことになる。ピエゾ素子を
用いれば画素サイズの１０数μｍ以下の光路のシフトを
行うことができる。これは、空間光変調素子を治具３４
にピエゾ素子３２，３３を介して載せ、ピエゾ素子３
２，３３により空間光変調素子を縦（ｙ方向）及び横
（ｘ方向）に周期的に動かせばよい。

【００７８】図９は、ピクセルシフトによる高詳細化画
像の実現を、スクリーンに投射される画素の像を例に説
明するための図で、ここで、マイクロレンズアレイによ
る画素サイズの縮小率はａは１／２とする。はじめに、
動いていない初期状態を図９（Ａ）とし、次に、ｙ方向
に空間光変調素子の画素サイズの１／２シフトさせた状
態図９（Ｂ）（例えば、画素サイズを１４μｍとすれば
７μｍ＝Δｘ，Δｙ）とし、そこから、ｘ方向に画素サ
イズの１／２シフトさせた状態図９（Ｃ）とし、続い
て、図９（Ｂ）とは反対の方向（マイナス、−で表示）
に画素サイズの１／２シフトさせた状態図９（Ｄ）と
し、続いて、図９（Ｃ）とは、反対方向の方向にシフト
させた状態図９（Ｅ）とし、最後に、ｙ方向に画素サイ
ズの１／２シフトさせた状態図９（Ｆ）とする。この結
果、これらのシフトの周期が早ければ画像のちらつき、
フリッカーを感じることなしに、画素の一辺のサイズが
１／２、密度が４倍の高詳細化画像が実現できる。ま
た、この例では、空間変調素子と光路変調手段が一つの
デバイスとなるため、光学系を拡張し光路変調装置を挿
入する必要がなくなるため、装置の小型化につながる。
上記の例はｘ，ｙの２方向に動かしているが、ｘあるい
はｙのいずれかのみの方向のシフトであってもかまわな
い。この場合、画素の密度は２倍である。また、図９の
ピクセルシフトの説明は、機械的なシフトに限られるも
のではなく、例えば、光学的に光路をシフトさせる複屈
板を含む装置、あるいは透過型液晶を用いた装置を光学
系に挿入したものであっても、同様の画像の高詳細化を
はかることができる。

【００７９】

【発明の効果】２枚のマイクロレンズアレイを用いるこ
とにより、空間光変調素子の画素の像を、光学的に効率
良く縮小することが可能で、光学的検討に基づいて、光
源、空間光変調素子、マクロレンズ、マイクロレンズア
レイ、投射レンズの光学部品を、最適かつ簡単な構成を
決定できるため、画等の高精細化のはかれる画像表示装
置を提供することができる。

【００８０】２枚の曲率半径（又は焦点距離）の異なる
マイクロレンズアレイについて、幾何光学的な検討から
導かれた、最適なマイクロレンズの配置、及びその仕様
を決定できるため、適切な画素の像の縮小が可能で、画
像の高精細化のはかれる画像表示装置を提供することが
できる。

【００８１】マイクロレンズアレイをマイクロレンズ、
接着剤、カバー部材からなる構造とするため、単体のマ
イクロレンズアレイでは作製が困難な形状のマイクロレ
ンズアレイを実現できるため、マイクロレンズ部の低コ
スト化がはかれ、またこのマイクロレンズアレイを用い
ることにより、画像の高精細化のはかれる画像表示装置
が提供することができる。

【００８２】開口を設けたことにより、より高精細化の
図れる、また、このマスクが迷光となる光束を遮蔽でき
るため、用いる光源等の光学系に依存せずに、安定し
て、高精細画像の供給できる画像投射装置を提供でき
る。

【００８３】光学系のいずれかの位置の光路を所望の方
向に、所望の量だけシフトできる光学素子・装置を設置
するため、マイクロレンズアレイにより縮小した画素の
像を周期的にずらしながら投射でき、このためより高精
細で、安定して高精細化のはかれる画像投射装置を提供
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明による画素縮小投射光学系の概念構成
を示す図である。

【図２】 本発明によるマイクロレンズアレイ４の概念
構成図である。

【図３】 マイクロレンズアレイの一例を示す斜視図で
ある。

【図４】 投射像を部分的に見た図で、三画素の投射像
を見た図に相当する図である。

【図５】 マイクロレンズアレイに接着材を用いてカバ
ー部材と張り合せた、張り合せマイクロレンズアレイを
模式的に示した図である。

【図６】 マスクを光学系中に設けた例を説明するため
の概略構成図である。

【図７】 画素縮小装置を組み込んだ高詳細プロジェク
タの一例を説明するための全体構成図である。

【図８】 画素ずらし（ピクセルシフト）を実施するた
めの構成例を説明するための図である。

【図９】 ピクセルシフトによってスクリーンに投射さ
れる画素の像を例を説明するための図である。

【符号の説明】

１…光源、２…空間光変調素子、３…マクロレンズ、４
…マイクロレンズアレイ、４₁…第１のマイクロレンズ
アレイ、４₂…第２マイクロレンズアレイ、５…投射レ
ンズ、６…スクリーン、７…画素、８…像、１０₁，１
０₂…光線、１１₁，１１₂…中間像、１４₁…第１のマイ
クロレンズアレイ、１４ａ…マイクロレンズアレイ、１
４ｂ…接着剤、１４ｃ…透明のカバー部材、１５…マス
ク、２２…光インテグレータ、２３…色分離装置、２４
…空間光変調素子、２５…偏光ビームスプリッター、２
６…マクロレンズ、２７₁…第１マイクロレンズアレ
イ、２７₂…第２マイクロレンズ、２８…投射レンズ、
２９…スクリーン、３１…空間変調素子、３２，３３…
ピエゾ素子、３４…治具。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 加藤 幾雄 東京都大田区中馬込１丁目３番６号 株式 会社リコー内 (72)発明者 亀山 健司 東京都大田区中馬込１丁目３番６号 株式 会社リコー内 (72)発明者 滝口 康之 東京都大田区中馬込１丁目３番６号 株式 会社リコー内 Ｆターム(参考） 5C058 AB02 AB06 BA23 BA35 EA02 EA12

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源と、空間光変調素子と、マクロレン
   ズと、２枚のマイクロレンズアレイと、投射レンズとを
   順次有し、前記マクロレンズにより結像された前記空間
   光変調素子の画素の像を、前記２枚のマイクロレンズア
   レイにより縮小した後、前記投射レンズにより拡大して
   投射するようにしたことを特徴とする画像表示装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の画像表示装置において、
   前記光源から出射される光束の広がり角をθ、前記２枚
   のマイクロレンズアレイのレンズピッチをｄ、前記２枚
   のマイクロレンズアレイ間の距離をＬ１とすると、Ｌ１
   は、（ｄ／２）ｔａｎθ（ｍａｘ）＜Ｌ１＜（ｄ／２）
   ／ｔａｎθ（ｍｉｎ）の範囲にあることを特徴とする画
   像表示装置。
3. 【請求項３】 請求項１又は２記載の画像表示装置にお
   いて、前記２枚のマイクロレンズアレイのうちどちらか
   あるいは両方のマイクロレンズアレイが、マイクロレン
   ズアレイと該マイクロレンズアレイのレンズ側の面をカ
   バーする透明のカバー部材と、これらマイクロレンズア
   レイとカバー部材とを接着する接着材からなる張り合せ
   マイクロレンズアレイであることを特徴とする画像表示
   装置。
4. 【請求項４】 請求項３記載の画像表示装置において、
   前記張り合せマイクロレンズアレイにおいて、マイクロ
   レンズアレイとカバー部材の材質が同じであることを特
   徴とする画像表示装置。
5. 【請求項５】 請求項３記載の画像表示装置において、
   前記張り合せマイクロレンズアレイのマイクロレンズア
   レイとカバー部材の材質が同一であり、これらの屈折率
   と前記接着材の屈折率の差の絶対値をΔｎとしたとき、
   前記Δｎは、０.０１＜Δｎ≦１.１の範囲にあることを
   特徴とする画像表示装置。
6. 【請求項６】 請求項１乃至５のいずれかに記載の画像
   表示装置において、前記マイクロレンズのピッチをｄ、
   前記マイクロレンズの曲率半径をｒとしたとき、その比
   ｒ／ｄは、０.４≦ｒ／ｄ≦４の範囲であることを特徴
   とする画像表示装置。
7. 【請求項７】 請求項１乃至６のいずれかに記載の画像
   表示装置において、前記画素の縮小率αは、０.０＜α
   ＜０.９の範囲であることを特徴とする画像表示装置。
8. 【請求項８】 請求項１乃至７のいずれかに記載の画像
   表示装置において、前記光源から前記投射レンズの間の
   光路中のいずれかの場所に、前記空間変調素子の画素の
   サイズより小さな開口を有するマスクを設けたことを特
   徴とする画像表示装置。
9. 【請求項９】 請求項１乃至８のいずれかに記載の画像
   表示装置において、前空間変調素子の画素のサイズより
   小さな開口を有するマスクを前記投射レンズ側のマイク
   ロレンズアレイの光束出射側に設けたことを特徴とする
   画像表示装置。
10. 【請求項１０】 請求項１乃至９のいずれかに記載の画
    像表示装置において、前記光源から前記投射レンズの間
    のいずれかの位置に、前記空間光変調素子から出射した
    光束をシフトさせる光路変更手段を有すること特徴とす
    る画像表示装置。
11. 【請求項１１】 光源と、該光源からの出射光束を選択
    的に透過または反射する複数の画素を有する空間光変調
    素子と、該空間光変調素子からの出射光束を集光するマ
    イクロレンズと、該マイクロレンズからの出射光束につ
    いて前記空間光変調素子の各画素に対応した画素の像を
    縮小して投射画素像間隔を広げる画素像縮小素子と、該
    画素像縮小素子からの出射光束を投射する投射レンズと
    を有することを特徴とする画像表示装置。
12. 【請求項１２】 マクロレンズにより結像された空間光
    変調素子の画素の像を縮小するための画素像縮小方法で
    あって、２枚曲率半径又は焦点距離の異なるマイクロレ
    ンズアレイを用い、第１のマイクロレンズアレイの各マ
    イクロレンズにより、前記マクロレンズからの各画素の
    像を第２のマイクロレンズアレイの各マイクロレンズに
    結像し、この像を第２のマイクロレンズアレイの各マイ
    クロレンズにより縮小することを特徴とする画素像縮小
    方法。
13. 【請求項１３】 マクロレンズにより結像された空間光
    変調素子の画素の像を縮小するための光学構造であっ
    て、該光学構造は、２枚曲率半径又は焦点距離の異なる
    マイクロレンズアレイから成り、第１のマイクロレンズ
    アレイの各マイクロレンズは、前記マクロレンズからの
    各画素の像を第２のマイクロレンズアレイの各マイクロ
    レンズに結像し、この像を第２のマイクロレンズアレイ
    の各マイクロレンズにより縮小するものであることを特
    徴とする画素像縮小光学構造。