JP2004325769A - 空間光変調器及び表示装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】空間光変調素子からなる空間光変調器において、光利用効率向上などのためにマイクロレンズアレイを用いる場合に、レンズの屈折で偏光面が回転し、表示画像のコントラスト比が低下するという問題を解消する。
【解決手段】複数の画素を有し、各画素に入射された光の偏光状態または光強度を変調することによって画像を形成する空間光変調素子１６からなる空間光変調器において、前記空間光変調素子１６の画素ピッチと等しいアレイピッチを有するマイクロレンズアレイ１５を空間光変調素子１６の近傍に配置し、かつ、前記マイクロレンズアレイ１５の屈折力を有する面に、表示画像のコントラスト比の低下を低減するための減反射手段を設ける。これにより光利用効率が向上するとともに、レンズによる屈折光の偏光面の回転が小さくなり表示画像のコントラスト比の低下が低減される。
【選択図】 図１
【解決手段】複数の画素を有し、各画素に入射された光の偏光状態または光強度を変調することによって画像を形成する空間光変調素子１６からなる空間光変調器において、前記空間光変調素子１６の画素ピッチと等しいアレイピッチを有するマイクロレンズアレイ１５を空間光変調素子１６の近傍に配置し、かつ、前記マイクロレンズアレイ１５の屈折力を有する面に、表示画像のコントラスト比の低下を低減するための減反射手段を設ける。これにより光利用効率が向上するとともに、レンズによる屈折光の偏光面の回転が小さくなり表示画像のコントラスト比の低下が低減される。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空間光変調器、及びそれを用いた表示装置に関するものであり、より詳しくは、表示画像のコントラスト比の低下を低減することのできる空間光変調器、及びそれを用いたプロジェクタやヘッドマウントディスプレイなどに代表される表示装置、さらには、画素ずらし機能を有する投射表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
マイクロレンズアレイを用いて空間光変調素子（ライトバルブ）の画素を見かけ上小さくし、ウォブリング素子等の画素ずらし機能によって、複数のサブフレーム画像をスクリーン上で所定位置ずらして表示する表示装置が提案されている（例えば特許文献１等）。マイクロレンズアレイで画素を見かけ上小さくするのは画素ずらし機能によってサブフレーム画像間で画素の重なりを抑えるためであり、高精細な画像を得ることを目的としている。
【０００３】
しかし、マイクロレンズアレイで光を屈折するときに、光の入射面と偏光の振動面が平行（もしくは直交）とならない光線が必ず存在する。この場合、入射光が直線偏光であっても屈折面でｐ偏光成分とｓ偏光成分がある。ｐ偏光とｓ偏光のそれぞれの透過率は異なるために屈折後の偏光面は回転される。このため、マイクロレンズアレイを通過した光は偏光状態が揃わなくなる。したがって、このような光が空間光変調素子に入射されると、暗状態の場合の変調光（本来、投写レンズまで到達しない光）が光漏れを起こし表示面まで到達し、表示画像のコントラスト比を低下させていた。
【０００４】
【特許文献１】
特許第３２３９９６９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、空間光変調素子（ライトバルブ）からなる空間光変調器において、光利用効率向上などのためにマイクロレンズアレイを用いる場合に、レンズの屈折で偏光面が回転し、表示画像のコントラスト比が低下するという問題を解消することを目的とし、さらには、少なくとも光源と前記空間光変調器を用いた表示装置において、光利用効率を高くし、かつコントラスト比の低下を抑えることを目的とする。
【０００６】
より詳しく述べると、請求項１に係る発明は、空間光変調素子からなる空間光変調器において、光利用効率向上などのためにマイクロレンズアレイを用いる場合に、レンズの屈折で偏光面が回転し表示画像のコントラスト比が低下するという問題を解消することを目的とする。
また、請求項２に係る発明は、請求項１の空間光変調器において、コントラスト比の低下を低減し、かつ、マイクロレンズアレイの長期信頼性を高めることを目的とする。
【０００７】
請求項３に係る発明は、液晶を用いた空間光変調素子からなる空間光変調器において、コントラスト比の低下を低減し、かつ、マイクロレンズアレイ透過光による隣接画素への光の漏れを低減することを目的とする。
また、請求項４に係る発明は、請求項３の空間光変調器において、コントラスト比の低下を低減し、かつ、マイクロレンズアレイ透過光による隣接画素へのフレア光を低減し、さらに、マイクロレンズアレイの長期信頼性を高めることを目的とする。
【０００８】
請求項５に係る発明は、請求項１〜４の空間光変調器において、コントラスト比の低下を低減し、かつ、簡易に減反射手段を形成できるようにすることを目的とする。
請求項６，７に係る発明は、請求項１〜５の空間光変調器において、コントラスト比の低下を効率良く低減することを目的とする。
【０００９】
請求項８に係る発明は、少なくとも光源と空間光変調器を用いた表示装置において、光利用効率を高くし、かつコントラスト比の低下を抑えることを目的とする。
請求項９に係る発明は、少なくとも光源と空間光変調器を用いた表示装置において、光利用効率を高くし、かつコントラスト比の低下を抑えることを目的とする。
【００１０】
請求項１０〜１２に係る発明は、少なくとも光源と照明手段と空間光変調器と投射手段を用いた表示装置において、光利用効率を高くし、かつコントラスト比の低下を抑えることを目的とする。
請求項１３〜１５に係る発明は、少なくとも光源と照明手段と反射型空間光変調器と投射手段を用いた表示装置において、光利用効率を高くし、かつコントラスト比の低下を抑えることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、複数の画素を有し、各画素に入射された光の偏光状態または光強度を変調することによって画像を形成する空間光変調素子からなる空間光変調器において、前記空間光変調素子の画素ピッチと等しいアレイピッチを有するマイクロレンズアレイを空間光変調素子の近傍に配置し、かつ、前記マイクロレンズアレイの屈折力を有する面に、表示画像のコントラスト比の低下を低減するための減反射手段を設けたことを特徴とするものである。
また、請求項２に係る発明は、請求項１記載の空間光変調器において、前記マイクロレンズアレイは、マイクロレンズアレイ基板と平行平板を透光性樹脂で接着して構成したことを特徴とするものである。
【００１２】
請求項３に係る発明は、少なくとも透光性基板と液晶からなり、複数の画素を有し、各画素に入射された光の偏光状態または光強度を変調することによって画像を形成する空間光変調素子からなる空間光変調器において、前記透光性基板が空間光変調素子の画素ピッチと等しいアレイピッチを有するマイクロレンズアレイで構成され、かつ、前記マイクロレンズアレイの屈折力を有する面に、表示画像のコントラスト比の低下を低減するための減反射手段を設けたことを特徴とするものである。
また、請求項４に係る発明は、請求項３記載の空間光変調器において、前記マイクロレンズアレイは、マイクロレンズアレイ基板と平行平板を透光性樹脂で接着して構成したことを特徴とするものである。
【００１３】
請求項５に係る発明は、請求項１〜４のいずれか一つに記載の空間光変調器において、前記減反射手段を、前記マイクロレンズアレイの屈折力を有する面に成膜して設けたことを特徴とするものである。
また、請求項６に係る発明は、請求項１〜５のいずれか一つに記載の空間光変調器において、前記減反射手段は、前記マイクロレンズアレイの各レンズ周辺部に対して減反射効果が高くなるような膜厚の減反射膜であることを特徴とするものである。
【００１４】
請求項７に係る発明は、請求項２または４記載の空間光変調器において、前記マイクロレンズアレイの屈折力を有する面に単層膜の減反射手段が施され、該単層膜の屈折率Ｎは、マイクロレンズアレイ基板の屈折率をｎ１とし、透光性樹脂の屈折率をｎ２とすると、
ｎ１＜Ｎ＜ｎ２
または、
ｎ２＜Ｎ＜ｎ１
となることを特徴とするものである。
【００１５】
請求項８に係る発明は、少なくとも、光源と、請求項１〜７のいずれか一つに記載の空間光変調器とで構成されたことを特徴とするものである。
また、請求項９に係る発明は、請求項８記載の表示装置において、前記減反射手段は、光源の配向分布で強度が高い光が空間光変調器に入射される角度に対して減反射効果が高くなるような減反射手段であることを特徴とするものである。
【００１６】
請求項１０に係る発明は、少なくとも、光源と、請求項１〜７のいずれか一つに記載の空間光変調器と、前記光源からの光を空間光変調器に照明するための照明手段と、前記空間光変調器の画像を表示面に投射する投射手段からなることを特徴とするものである。
また、請求項１１に係る発明は、請求項１０記載の表示装置において、前記空間光変調器は透過型の空間光変調器であることを特徴とするものである。
さらに請求項１２に係る発明は、請求項１０記載の表示装置において、前記空間光変調器は反射型の空間光変調器であることを特徴とするものである。
【００１７】
請求項１３に係る発明は、少なくとも、光源と、請求項１〜７のいずれか一つに記載の空間光変調器と、前記光源からの光を空間光変調器に照明するための照明手段と、フレーム画像を複数枚のサブフレーム画像に分解したサブフレーム信号に同期して空間光変調器の画素を光学的に変位させる画素ずらし素子と、空間光変調器の画像を表示面に投射する投射手段からなることを特徴とするものである。
また、請求項１４に係る発明は、請求項１３記載の表示装置において、前記空間光変調器は透過型の空間光変調器であることを特徴とするものである。
さらに請求項１５に係る発明は、請求項１３記載の表示装置において、前記空間光変調器は反射型の空間光変調器であることを特徴とするものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明は、複数の画素を有し、各画素に入射された光の偏光状態または光強度を変調することによって画像を形成する空間光変調素子からなる空間光変調器において、前記空間光変調素子の画素ピッチと等しいアレイピッチを有するマイクロレンズアレイを空間光変調素子の近傍に配置し、かつ、前記マイクロレンズアレイの屈折力を有する面に、表示画像のコントラスト比の低下を低減するための減反射手段を設けたことを特徴とするものである。以下、マイクロレンズアレイに設ける減反射手段によるコントラスト比向上の効果について説明する。
【００１９】
まず、光がレンズに入射・屈折した時に偏光方向が変わることについて説明する。図１０（ａ）はレンズ１００に入射した光１０１と屈折した光の偏光状態を説明するための図である。屈折率１．５２のレンズ１００はｚ軸に対して垂直に配置され、入射光はｚ軸に沿ってｘ＝ｙの位置に入射される。入射光は直線偏光として、その振動面１０２はｙｚ平面に平行とする。入射光の入射面は位置Ａにおけるレンズ面の法線ベクトルと入射光の進行方向ベクトルとを含む平面で定義されるので、１０３が入射面となる。入射光は入射面に平行なｐ偏光成分と垂直なｓ偏光成分に分解できる（図１０（ｂ））。フレネルの式から、レンズ面で屈折されるｐ偏光の透過率とｓ偏光の透過率には、図１１（減反射手段が無いレンズへｐ偏光とｓ偏光の光が入射したときの入射角と透過率の関係）に示すように入射角依存性がある。この場合、ｐ偏光透過率とｓ偏光透過率が異なるために、図１０の（ｃ）のように、屈折後のｐ偏光性分とｓ偏光成分を合成した屈折光の偏光面１０４は角度αだけｙ軸から傾く。
【００２０】
一方，減反射手段を設けたレンズ（図示せず）の場合について説明する。屈折率１．５２のレンズの曲面上にＳｉＯ２からなる単層膜が光学膜厚０．２５波長だけ成膜された減反射手段を設ける。このときのｐ，ｓ偏光の透過率は図１２に示すように、両偏光の透過率差は図１１の減反射手段無しの場合に比べて小さくなる。このため図１０（ｃ）の角αは小さくなる。ただし、減反射手段無しの場合と異なり、屈折後のｐ，ｓ偏光の位相が異なるため、楕円偏光化する。図１３は屈折後のｐ偏光の位相からｓ偏光の位相を引いた値（両偏光の位相差）を入射角度に対して計算した結果である。入射角が６０°の場合でも、両偏光の位相差は約０．４°（約７ミリラジアン）である。楕円率に換算しても０．０１であり、直線偏光に近い楕円偏光といえる。したがって、レンズに減反射手段を具備することによって偏光解消量が小さくなることが分かり、コントラスト比の低下が低減される。
【００２１】
次にマイクロレンズアレイ付の空間光変調器を用いた場合のコントラスト比の計算に用いる表示装置のモデルについて説明する。
図１は本発明に係るマイクロレンズアレイ付の空間光変調器を用いた場合に、コントラスト比を計算する際に用いる表示装置の一例を示す図である。この表示装置は、偏光板１１，１２と、偏光ビームスプリッタ１３と、マイクロレンズアレイ１５と反射型空間光変調素子１６からなる空間光変調器と、反射型の画像形成光学系のコントラストを向上するためのλ／４板１４で構成される。図示しないが、偏光板１１の−ｚ側にはモデル上の光源があり、光源から出射される光は無偏光で、かつ、ｚ軸とのなす角が０°から７°までの放射角を有し、波長は５５０ｎｍとした。また、偏光板１２の＋ｙ方向にはモデル上の受光器を配置した。偏光板１１の透過軸はｘ軸方向とし、偏光板１２の透過軸はｚ軸方向とした。空間光変調器を構成するマイクロレンズアレイ１５の諸特性を変えてコントラスト比への影響を調べるため、反射型空間光変調素子１６は平面ミラーとした。また、明表示と暗表示の光量を調べる際には、λ／４板１４の遅相軸（または進相軸でも良い）をｘｚ平面上でｚ軸とのなす角を０°または４５°とした。以下、具体的な実施例を示す。
【００２２】
［実施例１］
まず、第１の実施例として、図１に示す表示装置の空間光変調器を構成するマイクロレンズアレイ１５に、図２に示す構成のマイクロレンズアレイ２０を用いた例を説明する。尚、図２はマイクロレンズアレイの一部の断面のみを示している。各アレイのレンズＦナンバーは１２で、屈折率は１．５２とした。マイクロレンズアレイ２０の屈折力を有する曲面２１の減反射手段の有無でコントラスト比を計算した。本実施例では、減反射手段として、マイクロレンズアレイ２０の屈折力を有する曲面２１に、ＭｇＦ２（弗化マグネシウム）を波長の０．２５倍の厚さだけ成膜している。また、図示しない光源の波長は５５０ｎｍとした。下記の表１はコントラスト比の計算結果である。本実施例では、マイクロレンズアレイ２０の屈折力を有する面に減反射手段を具備することによって、レンズを屈折した光の偏光解消量が低減されるため、暗状態の光が偏光ビームスプリッタ１３を透過する光量が減り、結果としてコントラスト比が向上する。
【００２３】
【表１】
【００２４】
［実施例２］
次に第２の実施例として、図１に示す表示装置の空間光変調器を構成するマイクロレンズアレイ１５に、図３に示す構成のマイクロレンズアレイ３０を用いた例を説明する。尚、図３はマイクロレンズアレイの一部の断面のみを示している。マイクロレンズアレイ３０はマイクロレンズアレイ基板３１と、平行平板３２を、透光性樹脂３３によって貼り合わせたものである。各アレイのレンズＦナンバーは１２となるように設計した。マイクロレンズアレイ基板３１および平行平板３２の屈折率はともに１．５２で、透光性樹脂３３の屈折率は１．４である。本実施例では、マイクロレンズアレイ基板３１の屈折力を有する曲面３４に、減反射手段としてＳｉＯ２（二酸化シリコン、屈折率１．４６）の単層膜を成膜した。単層膜の膜厚（物理長）は、９４ｎｍの場合と、各レンズの周辺部の膜厚を変えて７７ｎｍとした場合の、二例とした。計算結果を以下の表２にまとめて示す。
【００２５】
【表２】
【００２６】
単層膜の膜厚が９４ｎｍの場合には、マイクロレンズアレイ基板３１の曲面３４でのｐ偏光とｓ偏光の透過率がともに高くなり、偏光解消が低減されるためにコントラストが向上する。さらに、各レンズの周辺部の膜厚を変えて７７ｎｍとした場合には、減反射手段の膜厚を変えてマイクロレンズアレイ基板３１の各レンズの周辺部分の偏光解消を低減したことによって、コントラスト比がさらに向上される。
【００２７】
尚、本実施例のように減反射手段として単層膜を成膜する場合、膜材料の屈折率はマイクロレンズアレイ基板３１の屈折率と透光性樹脂３３の屈折率の間の値を選ぶことで、良好な減反射特性が得られる。すなわち、減反射手段となる単層膜の屈折率Ｎは、マイクロレンズアレイ基板３１の屈折率をｎ１とし、透光性樹脂３３の屈折率をｎ２とすると、
ｎ１＜Ｎ＜ｎ２
または、
ｎ２＜Ｎ＜ｎ１
となるようにすることにより、良好な減反射特性が得られる。
【００２８】
［実施例３］
次に第３の実施例として、実施例２で用いたマイクロレンズアレイ付きの空間光変調器を用い、投射手段でスクリーンに投影した特性について述べる。
図４は透過型の空間光変調器を３個用いた表示装置の一例を示す概略構成図である。この表示装置は、白色光を放射するランプ光源４１と、ランプ光源４１からの光を各空間光変調器に均一照明するための照明光学系４２と、照明光を３色に分光するための分光手段４３ｂ、４３ｇと、折返しミラー４４と、マイクロレンズアレイ付きの透過型空間光変調器５０ａ（または５０ｂ）と、色合成素子としてのダイクロイックプリズム４６と、投射レンズ４７で構成されている。また、符号４８は表示面（スクリーン）を表す。
【００２９】
ランプ光源４１としては超高圧水銀ランプ、メタルハライドランプ、キセノンランプなどを用いることができる。
照明光学系４２にはフライアイインテグレータを用いることができる。分光手段として、本実施例では、ダイクロイックミラー４３ｂ，４３ｇを用いた。ダイクロイックミラー４３ｂでは青色光のみを反射し、ダイクロイックミラー４３ｇでは少なくとも緑色の光を反射する。
【００３０】
空間光変調器５０ａ（または５０ｂ）は図５（ａ）または（ｂ）に示すような構成のマイクロレンズアレイ付き空間光変調器を用いる。図５（ａ）に示す空間光変調器５０ａは、透過型空間光変調素子５０にマイクロレンズアレイ２０を近接して配置したものである。空間光変調素子５０は２枚の透光性基板５１，５２の間に液晶５３が挟まれており、透光性基板５１，５２の液晶側に透明電極が配置され（図示せず）、一方の透光性基板には薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）５４が配置される。液晶５３としてはツイストネマチック型の液晶を用いることができる。画素電極（図示せず）に印加する電圧で、液晶層でλ／２の位相差を発生させたり、位相差を０にして偏光状態をスイッチングすることができる。また、この空間光変調器５０ａの前後に偏光板を配置すれば画素の光強度を変調することができる。この画像を３色分色合成素子としてのダイクロイックプリズム４６で合成し、投射レンズ４７を介してスクリーン４８に拡大投射することができる。
【００３１】
本実施例は一例であり、照明光学系４２にはロッドインテグレータを用いても良いし、分光手段としてはダイクロイックミラー以外に回折格子などを用いても良い。さらに、色合成素子はダイクロイックプリズム以外にダイクロイックミラーの組合せでも良い。
【００３２】
マイクロレンズアレイ２０はＴＦＴなどによる一画素の開口率の低下を向上させるために従来から使われているが、このマイクロレンズアレイが配置されたことによる偏光解消発生に起因したコントラスト低下については言及されてこなかった。実施例１，２（上述の説明では反射型空間光変調器との組み合わせによるコントラスト比向上）で述べたように、減反射手段をマイクロレンズアレイの屈折力を有する曲面に施すことによって、単純に透過率向上のみならず、偏光解消によるコントラスト比の低下を抑制することが可能になる。
【００３３】
また、別の例として、図５（ｂ）のマイクロレンズアレイ付き透過型空間光変調器５０ｂは、空間光変調素子５０’の片側の透光性基板をマイクロレンズアレイ基板２０で置き換えたものである。この例では、マイクロレンズアレイ２０の屈折面と液晶５３の開口部（Ｐ）を近接して配置することができるため、空間光変調器５０ｂを照らす照明光の光線角度が大きくなってもレンズからの集束光が隣接画素に回り込みにくくなる構造である。偏光解消低減効果については、前述のマイクロレンズアレイ基板付き空間光変調器５０ａと同様であるため説明を省略する。
【００３４】
［実施例４］
次に第４の実施例として、マイクロレンズアレイ付き反射型空間光変調器を用いた表示装置について説明する。図６はマイクロレンズアレイ付き反射型空間光変調器を用いた表示装置の一例を示す概略構成図である。この表示装置は、ランプ光源４１と、均一照明光学系６１と、偏光ビームスプリッタ６２と、マイクロレンズアレイ付き空間光変調器７０ａ（または７０ｂ）と、画素ずらし素子６５と、投射レンズ６３で構成されている。本実施例は単板のマイクロレンズアレイ付き反射型空間光変調器７０ａ（または７０ｂ）を用いた表示装置の例であり、カラー表示のためにはランプ光源４１から空間光変調器７０ａ（７０ｂ）までの間に回転フィルタを用いてフィールドシーケンシャル表示する。また、色分離素子と色合成素子と３枚の空間光変調器を用いた構成でカラー表示することもできる。偏光ビームスプリッタ６２とマイクロレンズアレイ基板付き反射型空間光変調器７０ａ（７０ｂ）との間にはλ／４板６６が配置される。空間光変調器７０ａ（または７０ｂ）で変調された画像光は偏光ビームスプリッタ６２で反射され、画素すらし素子６５と投射レンズ６３を経てスクリーン６４に投射される。
【００３５】
図７（ａ），（ｂ）はマイクロレンズアレイ付き反射型空間光変調器の構成例を示す図である。図７（ａ）のマイクロレンズアレイ付き反射型空間光変調器７０ａは、マイクロレンズアレイ２０を反射型空間光変調素子７０に近接して配置した例である。反射型空間光変調素子７０は透光性基板７１とシリコンバックプレーン７２の間に液晶７３が挟まれており、透光性基板７１の液晶層側には透明電極（図示せず）が配置され、シリコンバックプレーン７２の液晶層側には画素電極７４が配置されている。また、図７（ｂ）のマイクロレンズアレイ付き反射型空間光変調器７０ｂは、空間光変調素子７０’の片側の透光性基板をマイクロレンズアレイ基板２０で置き換えたものであり、その他の構成は図７（ａ）と同様である。この例では、マイクロレンズアレイ２０の屈折面と液晶７３の開口部（Ｐ）を近接して配置することができるため、空間光変調器７０ｂを照らす照明光の光線角度が大きくなってもレンズからの集束光が隣接画素に回り込みにくくなる構造である。
【００３６】
図６に説明を戻し、画素ずらし素子６５は、フレーム画像を複数枚のサブフレーム画像に分解したサブフレーム信号に同期して空間光変調器７０ａ（または７０ｂ）の画素を光学的に変位させる素子であり、スクリーン６４上に投射された画素位置を画素ピッチの半分だけ鉛直方向と水平方向に光学的に変位させる働きを有する。反射型空間光変調素子７０近傍のマイクロレンズアレイ２０は、画素ずらし素子６５によってスクリーン６４上の隣接画素との重なりを低減させるために用いる。この効果について、図８を用いて説明する。
【００３７】
図８はマイクロレンズアレイの有無による投射画素形状の差をグラフ化したものである。横軸はスクリーン上の位置を表し、図中、「投射２画素」とは画素ずらし素子６５によって見かけ上、高解像度化されたスクリーン上の２画素の長さを表している。マイクロレンズアレイ２０が無い場合には空間光変調素子７０の１画素が投射２画素分の大きさに投射されてしまい、隣接画素の重なりが大きくなる。一方、マイクロレンズアレイ２０がある場合、レンズ効果によって見かけ上、空間光変調素子７０の画素が縮小された分小さい画素で投射される。このため、隣接画素の重なりが減り高精細な画像が得られる。
【００３８】
しかし、単にマイクロレンズアレイ２０を空間光変調素子７０近傍に配置しただけでは、前述のように画像のコントラスト比を低下させてしまう。そこで、マイクロレンズアレイ２０の屈折力を有する曲面に減反射膜を成膜して減反射処理を施すことによって偏光解消量が低減され、実施例１、実施例２に記載のようにコントラスト比を向上することができる。従って本構成によれば、画素ずらし機能とマイクロレンズアレイの機能によって空間光変調素子の解像度の整数倍の表示を隣接画素の重なりを少なくして行なうことができ、かつ、画像のコントラスト比の低減を抑制した表示を行うことが可能になる。
尚、画素ずらし素子６５の方式としては、平行平板の傾きを変化させる方式でも、液晶素子と複屈折材料を組合せた方式でも良い。すなわち画素ずらし素子の方式によって本発明の効果に影響を与えない。
【００３９】
［実施例５］
次に第５の実施例として、マイクロレンズアレイ付き反射型空間光変調器を用いた表示装置の別の例について説明する。図９はマイクロレンズアレイ付き反射型空間光変調器を用いた表示装置の別の例を示す概略構成図である。この表示装置は、ランプ光源９１と、分離素子（偏光フィルタとしての機能を含む）としての偏光ビームスプリッタ９２と、斜め入射光のコントラストを向上させるためのλ／４板９３と、マイクロレンズアレイ付き反射型空間光変調器９４とで構成される。ランプ光源９１から放射された光のうち、偏光ビームスプリッタ９２によってｓ偏光成分（主に、紙面に垂直な偏光）が反射され、λ／４板９３を経てマイクロレンズアレイ付き反射型空間光変調器９４に入射される。変調された画素からの光は偏光方向が９０°回転されて、偏光ビームスプリッタ９２を透過して表示される。
【００４０】
ランプ光源９１としては超高圧水銀ランプやメタルハライドランプなどが利用できる。このような光源は放射された光の軸方向が光線強度が最も高いわけではなく、図９で示したように矢印の方向（実際は軸対象で半角θの方位）の光線強度が最も高い。この光線はマイクロレンズアレイ基板の中心位置では入射角θとなる。マイクロレンズアレイの屈折力を有する曲面に設けた減反射手段は、この入射角で減反射効果が高くなるように設計すると、例えば、実施例１，２のように画像のコントラスト比の低下を低減することができる。
また、ランプ光源９１と偏光ビームスプリッタ９２の間に光学系が配置される場合（図示せず）には、この光学系によって放射角θの光線がマイクロレンズアレイへ入射される入射角に合わせて減反射効果を高くすれば良い。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る空間光変調器では、空間光変調素子の画素ピッチと等しいアレイピッチを有するマイクロレンズアレイを空間光変調素子の近傍に配置し、かつ、前記マイクロレンズアレイの屈折力を有する面に、表示画像のコントラスト比の低下を低減するための減反射手段を設けたことにより、光利用効率が向上するとともに、レンズによる屈折光の偏光面の回転が小さくなり表示画像のコントラスト比の低下が低減される。
また、請求項２に係る空間光変調器では、請求項１の構成及び効果に加え、マイクロレンズアレイを構成するマイクロレンズアレイ基板と平行平板が透光性樹脂で接着されているため、マイクロレンズアレイの屈折面が直接外側に配置されないため屈折面が保護され、マイクロレンズアレイの長期信頼性が高まる。
【００４２】
請求項３に係る空間光変調器では、透光性基板が空間光変調素子の画素ピッチと等しいアレイピッチを有するマイクロレンズアレイで構成され、かつ、前記マイクロレンズアレイの屈折力を有する面に、表示画像のコントラスト比の低下を低減するための減反射手段を設けたことにより、マイクロレンズアレイが空間光変調器の透光性基板を兼ねるため、レンズと空間光変調器の画素との距離を短くでき、隣接画素への光の漏れを低減できる。
また、請求項４に係る空間光変調器では、請求項３の構成及び効果に加え、マイクロレンズアレイが空間光変調器の透光性基板を兼ねるため、レンズと空間光変調器の画素との距離を短くでき、隣接画素への光の漏れを低減できる。さらに、マイクロレンズアレイ基板と平行平板が透光性樹脂で接着されているためマイクロレンズアレイの屈折面が直接外側に配置されないため屈折面が保護され、マイクロレンズアレイの長期信頼性が高まる。
【００４３】
請求項５に係る空間光変調器では、請求項１〜４のいずれか一つの構成及び効果に加え、前記減反射手段を、前記マイクロレンズアレイの屈折力を有する面に成膜して設けたことにより、光利用効率の向上とともに表示画像のコントラスト比の低下を低減でき、かつ、単層の減反射手段であるため、成膜が簡易である。また、請求項６に係る空間光変調器では、請求項１〜５のいずれか一つの構成及び効果に加え、前記減反射手段は、前記マイクロレンズアレイの各レンズ周辺部に対して減反射効果が高くなるような膜厚の減反射膜であることにより、マイクロレンズアレイの周辺部に対して減反射効果を高めるために偏光回転量の大きくなるレンズ領域を集中的に改善することができる。
【００４４】
請求項７に係る空間光変調器では、請求項２または４の構成及び効果に加え、前記マイクロレンズアレイの屈折力を有する面に単層膜の減反射手段が施され、該単層膜の屈折率Ｎは、マイクロレンズアレイ基板の屈折率をｎ１とし、透光性樹脂の屈折率をｎ２とすると、ｎ１＜Ｎ＜ｎ２または、ｎ２＜Ｎ＜ｎ１となることにより、マイクロレンズアレイの周辺部に対して減反射効果を高めるために偏光回転量の大きくなるレンズ領域を集中的に改善することができる。
【００４５】
請求項８に係る表示装置では、少なくとも光源と、請求項１〜７のいずれか一つに記載の空間光変調器とで構成されたことにより、請求項１〜７のいずれかの効果が得られ、光利用効率の向上とともにコントラストの低下を抑えることができる。
また、請求項９に係る表示装置では、請求項８の構成に加えて、前記減反射手段は、光源の配向分布で強度が高い光が空間光変調器に入射される角度に対して減反射効果が高くなるような減反射手段であることにより、光利用効率の向上とともにコントラストの低下を抑えることができる表示装置が実現される。
【００４６】
請求項１０〜１２に係る表示装置では、少なくとも光源と、請求項１〜７のいずれか一つに記載の透過型または反射型の空間光変調器と、前記光源からの光を空間光変調器に照明するための照明手段と、前記空間光変調器の画像を表示面に投射する投射手段からなることにより、光利用効率の向上とともにコントラストの低下を抑えることができる表示装置を実現することができる。
【００４７】
請求項１３に係る表示装置では、少なくとも光源と、請求項１〜７のいずれか一つに記載の透過型または反射型の空間光変調器と、前記光源からの光を空間光変調器に照明するための照明手段と、フレーム画像を複数枚のサブフレーム画像に分解したサブフレーム信号に同期して空間光変調器の画素を光学的に変位させる画素ずらし素子と、空間光変調器の画像を表示面に投射する投射手段からなることにより、画素ずらし素子とマイクロレンズアレイによる画素を見かけ上小さくすることによって高解像で高精細な表示ができ、かつ光利用効率の向上とともにコントラストの低下を抑えることができる表示装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る空間光変調器を用いた場合に、コントラスト比を計算する際に用いる表示装置の一例を示す図である。
【図２】本発明に係る空間光変調器に用いるマイクロレンズアレイの一例を示す部分断面図である。
【図３】本発明に係る空間光変調器に用いるマイクロレンズアレイの別の例を示す部分断面図である。
【図４】本発明の別の実施例を示す図であって、透過型の空間光変調器を３個用いた表示装置の一例を示す概略構成図である。
【図５】図４に示す表示装置に用いられる空間光変調器の構成例を示す図である。
【図６】本発明のさらに別の実施例を示す図であって、反射型の空間光変調器を用いた表示装置の一例を示す概略構成図である。
【図７】図６に示す表示装置に用いられる反射型空間光変調器の構成例を示す図である。
【図８】図６に示す表示装置において、マイクロレンズアレイの有無による投射画素形状の差をグラフ化した図である。
【図９】本発明のさらに別の実施例を示す図であって、反射型の空間光変調器を用いた表示装置の別の例を示す概略構成図である。
【図１０】光がレンズに入射し屈折した時の、レンズに入射した光と屈折した光の偏光状態を説明するための図である。
【図１１】減反射手段が無いレンズへｐ偏光とｓ偏光の光が入射したときの入射角と透過率の関係を示す図である。
【図１２】減反射手段が有るレンズへｐ偏光とｓ偏光の光が入射したときの入射角と透過率の関係を示す図である。
【図１３】レンズで屈折後のｐ偏光の位相からｓ偏光の位相を引いた値（両偏光の位相差）を入射角度に対して計算した結果を示す図である。
【符号の説明】
１１，１２：偏光板
１３，６２，９２：偏光ビームスプリッタ
１４，６６，９３：λ／４板
１５，２０，３０：マイクロレンズアレイ
１６：反射型空間光変調素子
３１：マイクロレンズアレイ基板
３２：平行平板
３３：透光性樹脂
４１，９１：ランプ光源
４２，６１：照明光学系
４３ｂ，４３ｇ：分光手段（ダイクロイックミラー）
４４：折返しミラー
４６：色合成素子（ダイクロイックプリズム）
４７，６３：投射レンズ
４８，６４：スクリーン（表示面）
５０，５０’：透過型空間光変調素子
５０ａ，５０ｂ：透過型空間光変調器
６５：画素ずらし素子
７０．７０’：反射型空間光変調素子
７０ａ，７０ｂ，９４：反射型空間光変調器
【発明の属する技術分野】
本発明は、空間光変調器、及びそれを用いた表示装置に関するものであり、より詳しくは、表示画像のコントラスト比の低下を低減することのできる空間光変調器、及びそれを用いたプロジェクタやヘッドマウントディスプレイなどに代表される表示装置、さらには、画素ずらし機能を有する投射表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
マイクロレンズアレイを用いて空間光変調素子（ライトバルブ）の画素を見かけ上小さくし、ウォブリング素子等の画素ずらし機能によって、複数のサブフレーム画像をスクリーン上で所定位置ずらして表示する表示装置が提案されている（例えば特許文献１等）。マイクロレンズアレイで画素を見かけ上小さくするのは画素ずらし機能によってサブフレーム画像間で画素の重なりを抑えるためであり、高精細な画像を得ることを目的としている。
【０００３】
しかし、マイクロレンズアレイで光を屈折するときに、光の入射面と偏光の振動面が平行（もしくは直交）とならない光線が必ず存在する。この場合、入射光が直線偏光であっても屈折面でｐ偏光成分とｓ偏光成分がある。ｐ偏光とｓ偏光のそれぞれの透過率は異なるために屈折後の偏光面は回転される。このため、マイクロレンズアレイを通過した光は偏光状態が揃わなくなる。したがって、このような光が空間光変調素子に入射されると、暗状態の場合の変調光（本来、投写レンズまで到達しない光）が光漏れを起こし表示面まで到達し、表示画像のコントラスト比を低下させていた。
【０００４】
【特許文献１】
特許第３２３９９６９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、空間光変調素子（ライトバルブ）からなる空間光変調器において、光利用効率向上などのためにマイクロレンズアレイを用いる場合に、レンズの屈折で偏光面が回転し、表示画像のコントラスト比が低下するという問題を解消することを目的とし、さらには、少なくとも光源と前記空間光変調器を用いた表示装置において、光利用効率を高くし、かつコントラスト比の低下を抑えることを目的とする。
【０００６】
より詳しく述べると、請求項１に係る発明は、空間光変調素子からなる空間光変調器において、光利用効率向上などのためにマイクロレンズアレイを用いる場合に、レンズの屈折で偏光面が回転し表示画像のコントラスト比が低下するという問題を解消することを目的とする。
また、請求項２に係る発明は、請求項１の空間光変調器において、コントラスト比の低下を低減し、かつ、マイクロレンズアレイの長期信頼性を高めることを目的とする。
【０００７】
請求項３に係る発明は、液晶を用いた空間光変調素子からなる空間光変調器において、コントラスト比の低下を低減し、かつ、マイクロレンズアレイ透過光による隣接画素への光の漏れを低減することを目的とする。
また、請求項４に係る発明は、請求項３の空間光変調器において、コントラスト比の低下を低減し、かつ、マイクロレンズアレイ透過光による隣接画素へのフレア光を低減し、さらに、マイクロレンズアレイの長期信頼性を高めることを目的とする。
【０００８】
請求項５に係る発明は、請求項１〜４の空間光変調器において、コントラスト比の低下を低減し、かつ、簡易に減反射手段を形成できるようにすることを目的とする。
請求項６，７に係る発明は、請求項１〜５の空間光変調器において、コントラスト比の低下を効率良く低減することを目的とする。
【０００９】
請求項８に係る発明は、少なくとも光源と空間光変調器を用いた表示装置において、光利用効率を高くし、かつコントラスト比の低下を抑えることを目的とする。
請求項９に係る発明は、少なくとも光源と空間光変調器を用いた表示装置において、光利用効率を高くし、かつコントラスト比の低下を抑えることを目的とする。
【００１０】
請求項１０〜１２に係る発明は、少なくとも光源と照明手段と空間光変調器と投射手段を用いた表示装置において、光利用効率を高くし、かつコントラスト比の低下を抑えることを目的とする。
請求項１３〜１５に係る発明は、少なくとも光源と照明手段と反射型空間光変調器と投射手段を用いた表示装置において、光利用効率を高くし、かつコントラスト比の低下を抑えることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、複数の画素を有し、各画素に入射された光の偏光状態または光強度を変調することによって画像を形成する空間光変調素子からなる空間光変調器において、前記空間光変調素子の画素ピッチと等しいアレイピッチを有するマイクロレンズアレイを空間光変調素子の近傍に配置し、かつ、前記マイクロレンズアレイの屈折力を有する面に、表示画像のコントラスト比の低下を低減するための減反射手段を設けたことを特徴とするものである。
また、請求項２に係る発明は、請求項１記載の空間光変調器において、前記マイクロレンズアレイは、マイクロレンズアレイ基板と平行平板を透光性樹脂で接着して構成したことを特徴とするものである。
【００１２】
請求項３に係る発明は、少なくとも透光性基板と液晶からなり、複数の画素を有し、各画素に入射された光の偏光状態または光強度を変調することによって画像を形成する空間光変調素子からなる空間光変調器において、前記透光性基板が空間光変調素子の画素ピッチと等しいアレイピッチを有するマイクロレンズアレイで構成され、かつ、前記マイクロレンズアレイの屈折力を有する面に、表示画像のコントラスト比の低下を低減するための減反射手段を設けたことを特徴とするものである。
また、請求項４に係る発明は、請求項３記載の空間光変調器において、前記マイクロレンズアレイは、マイクロレンズアレイ基板と平行平板を透光性樹脂で接着して構成したことを特徴とするものである。
【００１３】
請求項５に係る発明は、請求項１〜４のいずれか一つに記載の空間光変調器において、前記減反射手段を、前記マイクロレンズアレイの屈折力を有する面に成膜して設けたことを特徴とするものである。
また、請求項６に係る発明は、請求項１〜５のいずれか一つに記載の空間光変調器において、前記減反射手段は、前記マイクロレンズアレイの各レンズ周辺部に対して減反射効果が高くなるような膜厚の減反射膜であることを特徴とするものである。
【００１４】
請求項７に係る発明は、請求項２または４記載の空間光変調器において、前記マイクロレンズアレイの屈折力を有する面に単層膜の減反射手段が施され、該単層膜の屈折率Ｎは、マイクロレンズアレイ基板の屈折率をｎ１とし、透光性樹脂の屈折率をｎ２とすると、
ｎ１＜Ｎ＜ｎ２
または、
ｎ２＜Ｎ＜ｎ１
となることを特徴とするものである。
【００１５】
請求項８に係る発明は、少なくとも、光源と、請求項１〜７のいずれか一つに記載の空間光変調器とで構成されたことを特徴とするものである。
また、請求項９に係る発明は、請求項８記載の表示装置において、前記減反射手段は、光源の配向分布で強度が高い光が空間光変調器に入射される角度に対して減反射効果が高くなるような減反射手段であることを特徴とするものである。
【００１６】
請求項１０に係る発明は、少なくとも、光源と、請求項１〜７のいずれか一つに記載の空間光変調器と、前記光源からの光を空間光変調器に照明するための照明手段と、前記空間光変調器の画像を表示面に投射する投射手段からなることを特徴とするものである。
また、請求項１１に係る発明は、請求項１０記載の表示装置において、前記空間光変調器は透過型の空間光変調器であることを特徴とするものである。
さらに請求項１２に係る発明は、請求項１０記載の表示装置において、前記空間光変調器は反射型の空間光変調器であることを特徴とするものである。
【００１７】
請求項１３に係る発明は、少なくとも、光源と、請求項１〜７のいずれか一つに記載の空間光変調器と、前記光源からの光を空間光変調器に照明するための照明手段と、フレーム画像を複数枚のサブフレーム画像に分解したサブフレーム信号に同期して空間光変調器の画素を光学的に変位させる画素ずらし素子と、空間光変調器の画像を表示面に投射する投射手段からなることを特徴とするものである。
また、請求項１４に係る発明は、請求項１３記載の表示装置において、前記空間光変調器は透過型の空間光変調器であることを特徴とするものである。
さらに請求項１５に係る発明は、請求項１３記載の表示装置において、前記空間光変調器は反射型の空間光変調器であることを特徴とするものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明は、複数の画素を有し、各画素に入射された光の偏光状態または光強度を変調することによって画像を形成する空間光変調素子からなる空間光変調器において、前記空間光変調素子の画素ピッチと等しいアレイピッチを有するマイクロレンズアレイを空間光変調素子の近傍に配置し、かつ、前記マイクロレンズアレイの屈折力を有する面に、表示画像のコントラスト比の低下を低減するための減反射手段を設けたことを特徴とするものである。以下、マイクロレンズアレイに設ける減反射手段によるコントラスト比向上の効果について説明する。
【００１９】
まず、光がレンズに入射・屈折した時に偏光方向が変わることについて説明する。図１０（ａ）はレンズ１００に入射した光１０１と屈折した光の偏光状態を説明するための図である。屈折率１．５２のレンズ１００はｚ軸に対して垂直に配置され、入射光はｚ軸に沿ってｘ＝ｙの位置に入射される。入射光は直線偏光として、その振動面１０２はｙｚ平面に平行とする。入射光の入射面は位置Ａにおけるレンズ面の法線ベクトルと入射光の進行方向ベクトルとを含む平面で定義されるので、１０３が入射面となる。入射光は入射面に平行なｐ偏光成分と垂直なｓ偏光成分に分解できる（図１０（ｂ））。フレネルの式から、レンズ面で屈折されるｐ偏光の透過率とｓ偏光の透過率には、図１１（減反射手段が無いレンズへｐ偏光とｓ偏光の光が入射したときの入射角と透過率の関係）に示すように入射角依存性がある。この場合、ｐ偏光透過率とｓ偏光透過率が異なるために、図１０の（ｃ）のように、屈折後のｐ偏光性分とｓ偏光成分を合成した屈折光の偏光面１０４は角度αだけｙ軸から傾く。
【００２０】
一方，減反射手段を設けたレンズ（図示せず）の場合について説明する。屈折率１．５２のレンズの曲面上にＳｉＯ２からなる単層膜が光学膜厚０．２５波長だけ成膜された減反射手段を設ける。このときのｐ，ｓ偏光の透過率は図１２に示すように、両偏光の透過率差は図１１の減反射手段無しの場合に比べて小さくなる。このため図１０（ｃ）の角αは小さくなる。ただし、減反射手段無しの場合と異なり、屈折後のｐ，ｓ偏光の位相が異なるため、楕円偏光化する。図１３は屈折後のｐ偏光の位相からｓ偏光の位相を引いた値（両偏光の位相差）を入射角度に対して計算した結果である。入射角が６０°の場合でも、両偏光の位相差は約０．４°（約７ミリラジアン）である。楕円率に換算しても０．０１であり、直線偏光に近い楕円偏光といえる。したがって、レンズに減反射手段を具備することによって偏光解消量が小さくなることが分かり、コントラスト比の低下が低減される。
【００２１】
次にマイクロレンズアレイ付の空間光変調器を用いた場合のコントラスト比の計算に用いる表示装置のモデルについて説明する。
図１は本発明に係るマイクロレンズアレイ付の空間光変調器を用いた場合に、コントラスト比を計算する際に用いる表示装置の一例を示す図である。この表示装置は、偏光板１１，１２と、偏光ビームスプリッタ１３と、マイクロレンズアレイ１５と反射型空間光変調素子１６からなる空間光変調器と、反射型の画像形成光学系のコントラストを向上するためのλ／４板１４で構成される。図示しないが、偏光板１１の−ｚ側にはモデル上の光源があり、光源から出射される光は無偏光で、かつ、ｚ軸とのなす角が０°から７°までの放射角を有し、波長は５５０ｎｍとした。また、偏光板１２の＋ｙ方向にはモデル上の受光器を配置した。偏光板１１の透過軸はｘ軸方向とし、偏光板１２の透過軸はｚ軸方向とした。空間光変調器を構成するマイクロレンズアレイ１５の諸特性を変えてコントラスト比への影響を調べるため、反射型空間光変調素子１６は平面ミラーとした。また、明表示と暗表示の光量を調べる際には、λ／４板１４の遅相軸（または進相軸でも良い）をｘｚ平面上でｚ軸とのなす角を０°または４５°とした。以下、具体的な実施例を示す。
【００２２】
［実施例１］
まず、第１の実施例として、図１に示す表示装置の空間光変調器を構成するマイクロレンズアレイ１５に、図２に示す構成のマイクロレンズアレイ２０を用いた例を説明する。尚、図２はマイクロレンズアレイの一部の断面のみを示している。各アレイのレンズＦナンバーは１２で、屈折率は１．５２とした。マイクロレンズアレイ２０の屈折力を有する曲面２１の減反射手段の有無でコントラスト比を計算した。本実施例では、減反射手段として、マイクロレンズアレイ２０の屈折力を有する曲面２１に、ＭｇＦ２（弗化マグネシウム）を波長の０．２５倍の厚さだけ成膜している。また、図示しない光源の波長は５５０ｎｍとした。下記の表１はコントラスト比の計算結果である。本実施例では、マイクロレンズアレイ２０の屈折力を有する面に減反射手段を具備することによって、レンズを屈折した光の偏光解消量が低減されるため、暗状態の光が偏光ビームスプリッタ１３を透過する光量が減り、結果としてコントラスト比が向上する。
【００２３】
【表１】
［実施例２］
次に第２の実施例として、図１に示す表示装置の空間光変調器を構成するマイクロレンズアレイ１５に、図３に示す構成のマイクロレンズアレイ３０を用いた例を説明する。尚、図３はマイクロレンズアレイの一部の断面のみを示している。マイクロレンズアレイ３０はマイクロレンズアレイ基板３１と、平行平板３２を、透光性樹脂３３によって貼り合わせたものである。各アレイのレンズＦナンバーは１２となるように設計した。マイクロレンズアレイ基板３１および平行平板３２の屈折率はともに１．５２で、透光性樹脂３３の屈折率は１．４である。本実施例では、マイクロレンズアレイ基板３１の屈折力を有する曲面３４に、減反射手段としてＳｉＯ２（二酸化シリコン、屈折率１．４６）の単層膜を成膜した。単層膜の膜厚（物理長）は、９４ｎｍの場合と、各レンズの周辺部の膜厚を変えて７７ｎｍとした場合の、二例とした。計算結果を以下の表２にまとめて示す。
【００２５】
【表２】
単層膜の膜厚が９４ｎｍの場合には、マイクロレンズアレイ基板３１の曲面３４でのｐ偏光とｓ偏光の透過率がともに高くなり、偏光解消が低減されるためにコントラストが向上する。さらに、各レンズの周辺部の膜厚を変えて７７ｎｍとした場合には、減反射手段の膜厚を変えてマイクロレンズアレイ基板３１の各レンズの周辺部分の偏光解消を低減したことによって、コントラスト比がさらに向上される。
【００２７】
尚、本実施例のように減反射手段として単層膜を成膜する場合、膜材料の屈折率はマイクロレンズアレイ基板３１の屈折率と透光性樹脂３３の屈折率の間の値を選ぶことで、良好な減反射特性が得られる。すなわち、減反射手段となる単層膜の屈折率Ｎは、マイクロレンズアレイ基板３１の屈折率をｎ１とし、透光性樹脂３３の屈折率をｎ２とすると、
ｎ１＜Ｎ＜ｎ２
または、
ｎ２＜Ｎ＜ｎ１
となるようにすることにより、良好な減反射特性が得られる。
【００２８】
［実施例３］
次に第３の実施例として、実施例２で用いたマイクロレンズアレイ付きの空間光変調器を用い、投射手段でスクリーンに投影した特性について述べる。
図４は透過型の空間光変調器を３個用いた表示装置の一例を示す概略構成図である。この表示装置は、白色光を放射するランプ光源４１と、ランプ光源４１からの光を各空間光変調器に均一照明するための照明光学系４２と、照明光を３色に分光するための分光手段４３ｂ、４３ｇと、折返しミラー４４と、マイクロレンズアレイ付きの透過型空間光変調器５０ａ（または５０ｂ）と、色合成素子としてのダイクロイックプリズム４６と、投射レンズ４７で構成されている。また、符号４８は表示面（スクリーン）を表す。
【００２９】
ランプ光源４１としては超高圧水銀ランプ、メタルハライドランプ、キセノンランプなどを用いることができる。
照明光学系４２にはフライアイインテグレータを用いることができる。分光手段として、本実施例では、ダイクロイックミラー４３ｂ，４３ｇを用いた。ダイクロイックミラー４３ｂでは青色光のみを反射し、ダイクロイックミラー４３ｇでは少なくとも緑色の光を反射する。
【００３０】
空間光変調器５０ａ（または５０ｂ）は図５（ａ）または（ｂ）に示すような構成のマイクロレンズアレイ付き空間光変調器を用いる。図５（ａ）に示す空間光変調器５０ａは、透過型空間光変調素子５０にマイクロレンズアレイ２０を近接して配置したものである。空間光変調素子５０は２枚の透光性基板５１，５２の間に液晶５３が挟まれており、透光性基板５１，５２の液晶側に透明電極が配置され（図示せず）、一方の透光性基板には薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）５４が配置される。液晶５３としてはツイストネマチック型の液晶を用いることができる。画素電極（図示せず）に印加する電圧で、液晶層でλ／２の位相差を発生させたり、位相差を０にして偏光状態をスイッチングすることができる。また、この空間光変調器５０ａの前後に偏光板を配置すれば画素の光強度を変調することができる。この画像を３色分色合成素子としてのダイクロイックプリズム４６で合成し、投射レンズ４７を介してスクリーン４８に拡大投射することができる。
【００３１】
本実施例は一例であり、照明光学系４２にはロッドインテグレータを用いても良いし、分光手段としてはダイクロイックミラー以外に回折格子などを用いても良い。さらに、色合成素子はダイクロイックプリズム以外にダイクロイックミラーの組合せでも良い。
【００３２】
マイクロレンズアレイ２０はＴＦＴなどによる一画素の開口率の低下を向上させるために従来から使われているが、このマイクロレンズアレイが配置されたことによる偏光解消発生に起因したコントラスト低下については言及されてこなかった。実施例１，２（上述の説明では反射型空間光変調器との組み合わせによるコントラスト比向上）で述べたように、減反射手段をマイクロレンズアレイの屈折力を有する曲面に施すことによって、単純に透過率向上のみならず、偏光解消によるコントラスト比の低下を抑制することが可能になる。
【００３３】
また、別の例として、図５（ｂ）のマイクロレンズアレイ付き透過型空間光変調器５０ｂは、空間光変調素子５０’の片側の透光性基板をマイクロレンズアレイ基板２０で置き換えたものである。この例では、マイクロレンズアレイ２０の屈折面と液晶５３の開口部（Ｐ）を近接して配置することができるため、空間光変調器５０ｂを照らす照明光の光線角度が大きくなってもレンズからの集束光が隣接画素に回り込みにくくなる構造である。偏光解消低減効果については、前述のマイクロレンズアレイ基板付き空間光変調器５０ａと同様であるため説明を省略する。
【００３４】
［実施例４］
次に第４の実施例として、マイクロレンズアレイ付き反射型空間光変調器を用いた表示装置について説明する。図６はマイクロレンズアレイ付き反射型空間光変調器を用いた表示装置の一例を示す概略構成図である。この表示装置は、ランプ光源４１と、均一照明光学系６１と、偏光ビームスプリッタ６２と、マイクロレンズアレイ付き空間光変調器７０ａ（または７０ｂ）と、画素ずらし素子６５と、投射レンズ６３で構成されている。本実施例は単板のマイクロレンズアレイ付き反射型空間光変調器７０ａ（または７０ｂ）を用いた表示装置の例であり、カラー表示のためにはランプ光源４１から空間光変調器７０ａ（７０ｂ）までの間に回転フィルタを用いてフィールドシーケンシャル表示する。また、色分離素子と色合成素子と３枚の空間光変調器を用いた構成でカラー表示することもできる。偏光ビームスプリッタ６２とマイクロレンズアレイ基板付き反射型空間光変調器７０ａ（７０ｂ）との間にはλ／４板６６が配置される。空間光変調器７０ａ（または７０ｂ）で変調された画像光は偏光ビームスプリッタ６２で反射され、画素すらし素子６５と投射レンズ６３を経てスクリーン６４に投射される。
【００３５】
図７（ａ），（ｂ）はマイクロレンズアレイ付き反射型空間光変調器の構成例を示す図である。図７（ａ）のマイクロレンズアレイ付き反射型空間光変調器７０ａは、マイクロレンズアレイ２０を反射型空間光変調素子７０に近接して配置した例である。反射型空間光変調素子７０は透光性基板７１とシリコンバックプレーン７２の間に液晶７３が挟まれており、透光性基板７１の液晶層側には透明電極（図示せず）が配置され、シリコンバックプレーン７２の液晶層側には画素電極７４が配置されている。また、図７（ｂ）のマイクロレンズアレイ付き反射型空間光変調器７０ｂは、空間光変調素子７０’の片側の透光性基板をマイクロレンズアレイ基板２０で置き換えたものであり、その他の構成は図７（ａ）と同様である。この例では、マイクロレンズアレイ２０の屈折面と液晶７３の開口部（Ｐ）を近接して配置することができるため、空間光変調器７０ｂを照らす照明光の光線角度が大きくなってもレンズからの集束光が隣接画素に回り込みにくくなる構造である。
【００３６】
図６に説明を戻し、画素ずらし素子６５は、フレーム画像を複数枚のサブフレーム画像に分解したサブフレーム信号に同期して空間光変調器７０ａ（または７０ｂ）の画素を光学的に変位させる素子であり、スクリーン６４上に投射された画素位置を画素ピッチの半分だけ鉛直方向と水平方向に光学的に変位させる働きを有する。反射型空間光変調素子７０近傍のマイクロレンズアレイ２０は、画素ずらし素子６５によってスクリーン６４上の隣接画素との重なりを低減させるために用いる。この効果について、図８を用いて説明する。
【００３７】
図８はマイクロレンズアレイの有無による投射画素形状の差をグラフ化したものである。横軸はスクリーン上の位置を表し、図中、「投射２画素」とは画素ずらし素子６５によって見かけ上、高解像度化されたスクリーン上の２画素の長さを表している。マイクロレンズアレイ２０が無い場合には空間光変調素子７０の１画素が投射２画素分の大きさに投射されてしまい、隣接画素の重なりが大きくなる。一方、マイクロレンズアレイ２０がある場合、レンズ効果によって見かけ上、空間光変調素子７０の画素が縮小された分小さい画素で投射される。このため、隣接画素の重なりが減り高精細な画像が得られる。
【００３８】
しかし、単にマイクロレンズアレイ２０を空間光変調素子７０近傍に配置しただけでは、前述のように画像のコントラスト比を低下させてしまう。そこで、マイクロレンズアレイ２０の屈折力を有する曲面に減反射膜を成膜して減反射処理を施すことによって偏光解消量が低減され、実施例１、実施例２に記載のようにコントラスト比を向上することができる。従って本構成によれば、画素ずらし機能とマイクロレンズアレイの機能によって空間光変調素子の解像度の整数倍の表示を隣接画素の重なりを少なくして行なうことができ、かつ、画像のコントラスト比の低減を抑制した表示を行うことが可能になる。
尚、画素ずらし素子６５の方式としては、平行平板の傾きを変化させる方式でも、液晶素子と複屈折材料を組合せた方式でも良い。すなわち画素ずらし素子の方式によって本発明の効果に影響を与えない。
【００３９】
［実施例５］
次に第５の実施例として、マイクロレンズアレイ付き反射型空間光変調器を用いた表示装置の別の例について説明する。図９はマイクロレンズアレイ付き反射型空間光変調器を用いた表示装置の別の例を示す概略構成図である。この表示装置は、ランプ光源９１と、分離素子（偏光フィルタとしての機能を含む）としての偏光ビームスプリッタ９２と、斜め入射光のコントラストを向上させるためのλ／４板９３と、マイクロレンズアレイ付き反射型空間光変調器９４とで構成される。ランプ光源９１から放射された光のうち、偏光ビームスプリッタ９２によってｓ偏光成分（主に、紙面に垂直な偏光）が反射され、λ／４板９３を経てマイクロレンズアレイ付き反射型空間光変調器９４に入射される。変調された画素からの光は偏光方向が９０°回転されて、偏光ビームスプリッタ９２を透過して表示される。
【００４０】
ランプ光源９１としては超高圧水銀ランプやメタルハライドランプなどが利用できる。このような光源は放射された光の軸方向が光線強度が最も高いわけではなく、図９で示したように矢印の方向（実際は軸対象で半角θの方位）の光線強度が最も高い。この光線はマイクロレンズアレイ基板の中心位置では入射角θとなる。マイクロレンズアレイの屈折力を有する曲面に設けた減反射手段は、この入射角で減反射効果が高くなるように設計すると、例えば、実施例１，２のように画像のコントラスト比の低下を低減することができる。
また、ランプ光源９１と偏光ビームスプリッタ９２の間に光学系が配置される場合（図示せず）には、この光学系によって放射角θの光線がマイクロレンズアレイへ入射される入射角に合わせて減反射効果を高くすれば良い。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る空間光変調器では、空間光変調素子の画素ピッチと等しいアレイピッチを有するマイクロレンズアレイを空間光変調素子の近傍に配置し、かつ、前記マイクロレンズアレイの屈折力を有する面に、表示画像のコントラスト比の低下を低減するための減反射手段を設けたことにより、光利用効率が向上するとともに、レンズによる屈折光の偏光面の回転が小さくなり表示画像のコントラスト比の低下が低減される。
また、請求項２に係る空間光変調器では、請求項１の構成及び効果に加え、マイクロレンズアレイを構成するマイクロレンズアレイ基板と平行平板が透光性樹脂で接着されているため、マイクロレンズアレイの屈折面が直接外側に配置されないため屈折面が保護され、マイクロレンズアレイの長期信頼性が高まる。
【００４２】
請求項３に係る空間光変調器では、透光性基板が空間光変調素子の画素ピッチと等しいアレイピッチを有するマイクロレンズアレイで構成され、かつ、前記マイクロレンズアレイの屈折力を有する面に、表示画像のコントラスト比の低下を低減するための減反射手段を設けたことにより、マイクロレンズアレイが空間光変調器の透光性基板を兼ねるため、レンズと空間光変調器の画素との距離を短くでき、隣接画素への光の漏れを低減できる。
また、請求項４に係る空間光変調器では、請求項３の構成及び効果に加え、マイクロレンズアレイが空間光変調器の透光性基板を兼ねるため、レンズと空間光変調器の画素との距離を短くでき、隣接画素への光の漏れを低減できる。さらに、マイクロレンズアレイ基板と平行平板が透光性樹脂で接着されているためマイクロレンズアレイの屈折面が直接外側に配置されないため屈折面が保護され、マイクロレンズアレイの長期信頼性が高まる。
【００４３】
請求項５に係る空間光変調器では、請求項１〜４のいずれか一つの構成及び効果に加え、前記減反射手段を、前記マイクロレンズアレイの屈折力を有する面に成膜して設けたことにより、光利用効率の向上とともに表示画像のコントラスト比の低下を低減でき、かつ、単層の減反射手段であるため、成膜が簡易である。また、請求項６に係る空間光変調器では、請求項１〜５のいずれか一つの構成及び効果に加え、前記減反射手段は、前記マイクロレンズアレイの各レンズ周辺部に対して減反射効果が高くなるような膜厚の減反射膜であることにより、マイクロレンズアレイの周辺部に対して減反射効果を高めるために偏光回転量の大きくなるレンズ領域を集中的に改善することができる。
【００４４】
請求項７に係る空間光変調器では、請求項２または４の構成及び効果に加え、前記マイクロレンズアレイの屈折力を有する面に単層膜の減反射手段が施され、該単層膜の屈折率Ｎは、マイクロレンズアレイ基板の屈折率をｎ１とし、透光性樹脂の屈折率をｎ２とすると、ｎ１＜Ｎ＜ｎ２または、ｎ２＜Ｎ＜ｎ１となることにより、マイクロレンズアレイの周辺部に対して減反射効果を高めるために偏光回転量の大きくなるレンズ領域を集中的に改善することができる。
【００４５】
請求項８に係る表示装置では、少なくとも光源と、請求項１〜７のいずれか一つに記載の空間光変調器とで構成されたことにより、請求項１〜７のいずれかの効果が得られ、光利用効率の向上とともにコントラストの低下を抑えることができる。
また、請求項９に係る表示装置では、請求項８の構成に加えて、前記減反射手段は、光源の配向分布で強度が高い光が空間光変調器に入射される角度に対して減反射効果が高くなるような減反射手段であることにより、光利用効率の向上とともにコントラストの低下を抑えることができる表示装置が実現される。
【００４６】
請求項１０〜１２に係る表示装置では、少なくとも光源と、請求項１〜７のいずれか一つに記載の透過型または反射型の空間光変調器と、前記光源からの光を空間光変調器に照明するための照明手段と、前記空間光変調器の画像を表示面に投射する投射手段からなることにより、光利用効率の向上とともにコントラストの低下を抑えることができる表示装置を実現することができる。
【００４７】
請求項１３に係る表示装置では、少なくとも光源と、請求項１〜７のいずれか一つに記載の透過型または反射型の空間光変調器と、前記光源からの光を空間光変調器に照明するための照明手段と、フレーム画像を複数枚のサブフレーム画像に分解したサブフレーム信号に同期して空間光変調器の画素を光学的に変位させる画素ずらし素子と、空間光変調器の画像を表示面に投射する投射手段からなることにより、画素ずらし素子とマイクロレンズアレイによる画素を見かけ上小さくすることによって高解像で高精細な表示ができ、かつ光利用効率の向上とともにコントラストの低下を抑えることができる表示装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る空間光変調器を用いた場合に、コントラスト比を計算する際に用いる表示装置の一例を示す図である。
【図２】本発明に係る空間光変調器に用いるマイクロレンズアレイの一例を示す部分断面図である。
【図３】本発明に係る空間光変調器に用いるマイクロレンズアレイの別の例を示す部分断面図である。
【図４】本発明の別の実施例を示す図であって、透過型の空間光変調器を３個用いた表示装置の一例を示す概略構成図である。
【図５】図４に示す表示装置に用いられる空間光変調器の構成例を示す図である。
【図６】本発明のさらに別の実施例を示す図であって、反射型の空間光変調器を用いた表示装置の一例を示す概略構成図である。
【図７】図６に示す表示装置に用いられる反射型空間光変調器の構成例を示す図である。
【図８】図６に示す表示装置において、マイクロレンズアレイの有無による投射画素形状の差をグラフ化した図である。
【図９】本発明のさらに別の実施例を示す図であって、反射型の空間光変調器を用いた表示装置の別の例を示す概略構成図である。
【図１０】光がレンズに入射し屈折した時の、レンズに入射した光と屈折した光の偏光状態を説明するための図である。
【図１１】減反射手段が無いレンズへｐ偏光とｓ偏光の光が入射したときの入射角と透過率の関係を示す図である。
【図１２】減反射手段が有るレンズへｐ偏光とｓ偏光の光が入射したときの入射角と透過率の関係を示す図である。
【図１３】レンズで屈折後のｐ偏光の位相からｓ偏光の位相を引いた値（両偏光の位相差）を入射角度に対して計算した結果を示す図である。
【符号の説明】
１１，１２：偏光板
１３，６２，９２：偏光ビームスプリッタ
１４，６６，９３：λ／４板
１５，２０，３０：マイクロレンズアレイ
１６：反射型空間光変調素子
３１：マイクロレンズアレイ基板
３２：平行平板
３３：透光性樹脂
４１，９１：ランプ光源
４２，６１：照明光学系
４３ｂ，４３ｇ：分光手段（ダイクロイックミラー）
４４：折返しミラー
４６：色合成素子（ダイクロイックプリズム）
４７，６３：投射レンズ
４８，６４：スクリーン（表示面）
５０，５０’：透過型空間光変調素子
５０ａ，５０ｂ：透過型空間光変調器
６５：画素ずらし素子
７０．７０’：反射型空間光変調素子
７０ａ，７０ｂ，９４：反射型空間光変調器
Claims (15)
- 複数の画素を有し、各画素に入射された光の偏光状態または光強度を変調することによって画像を形成する空間光変調素子からなる空間光変調器において、
前記空間光変調素子の画素ピッチと等しいアレイピッチを有するマイクロレンズアレイを空間光変調素子の近傍に配置し、かつ、前記マイクロレンズアレイの屈折力を有する面に、表示画像のコントラスト比の低下を低減するための減反射手段を設けたことを特徴とする空間光変調器。 - 請求項１記載の空間光変調器において、
前記マイクロレンズアレイは、マイクロレンズアレイ基板と平行平板を透光性樹脂で接着して構成したことを特徴とする空間光変調器。 - 少なくとも透光性基板と液晶からなり、複数の画素を有し、各画素に入射された光の偏光状態または光強度を変調することによって画像を形成する空間光変調素子からなる空間光変調器において、
前記透光性基板が空間光変調素子の画素ピッチと等しいアレイピッチを有するマイクロレンズアレイで構成され、かつ、前記マイクロレンズアレイの屈折力を有する面に、表示画像のコントラスト比の低下を低減するための減反射手段を設けたことを特徴とする空間光変調器。 - 請求項３記載の空間光変調器において、
前記マイクロレンズアレイは、マイクロレンズアレイ基板と平行平板を透光性樹脂で接着して構成したことを特徴とする空間光変調器。 - 請求項１〜４のいずれか一つに記載の空間光変調器において、
前記減反射手段を、前記マイクロレンズアレイの屈折力を有する面に成膜して設けたことを特徴とする空間光変調器。 - 請求項１〜５のいずれか一つに記載の空間光変調器において、
前記減反射手段は、前記マイクロレンズアレイの各レンズ周辺部に対して減反射効果が高くなるような膜厚の減反射膜であることを特徴とする空間光変調器。 - 請求項２または４記載の空間光変調器において、
前記マイクロレンズアレイの屈折力を有する面に単層膜の減反射手段が施され、該単層膜の屈折率Ｎは、マイクロレンズアレイ基板の屈折率をｎ１とし、透光性樹脂の屈折率をｎ２とすると、
ｎ１＜Ｎ＜ｎ２
または、
ｎ２＜Ｎ＜ｎ１
となることを特徴とする空間光変調器。 - 少なくとも、光源と、請求項１〜７のいずれか一つに記載の空間光変調器とで構成されたことを特徴とする表示装置。
- 請求項８記載の表示装置において、
前記減反射手段は、光源の配向分布で強度が高い光が空間光変調器に入射される角度に対して減反射効果が高くなるような減反射手段であることを特徴とする表示装置。 - 少なくとも、光源と、請求項１〜７のいずれか一つに記載の空間光変調器と、前記光源からの光を空間光変調器に照明するための照明手段と、前記空間光変調器の画像を表示面に投射する投射手段からなることを特徴とする表示装置。
- 請求項１０記載の表示装置において、
前記空間光変調器は透過型の空間光変調器であることを特徴とする表示装置。 - 請求項１０記載の表示装置において、
前記空間光変調器は反射型の空間光変調器であることを特徴とする表示装置。 - 少なくとも、光源と、請求項１〜７のいずれか一つに記載の空間光変調器と、前記光源からの光を空間光変調器に照明するための照明手段と、フレーム画像を複数枚のサブフレーム画像に分解したサブフレーム信号に同期して空間光変調器の画素を光学的に変位させる画素ずらし素子と、空間光変調器の画像を表示面に投射する投射手段からなることを特徴とする表示装置。
- 請求項１３記載の表示装置において、
前記空間光変調器は透過型の空間光変調器であることを特徴とする表示装置。 - 請求項１３記載の表示装置において、
前記空間光変調器は反射型の空間光変調器であることを特徴とする表示装置。
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