JP2004326052A - 反射型空間光変調装置及びプロジェクタ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】画素縮小機能を有して、コントラスト比の高い反射型空間光変調装置およびプロジェクタ装置を提供する。
【解決手段】この反射型空間光変調装置は、基板１、反射層３、透光性の充填部材４、液晶層５、一対の透明電極６_１，６_２、及び、透光性基板７の各部材を具備し、反射層３は基板１の表面を被覆し、且つ入射する光を利用する有効部と入射する光を利用しない非有効部を設けた凹面形状部を有し、透光性の充填部材４は凹面形状部を充填し且つ透光性の充填部材４の凹面形状部に対向する面は平坦であり、液晶層５は平坦な透光性の充填部材４の上に設けられ、一対の透明電極６_１，６_２は液晶層５の両側に設けられ、透光性基板７は液晶層５の上に設けられ、前記の各部材が前記の構成で一つの反射型光学素子を形成し、前記の反射型光学素子が複数マトリクス状に配列されている。また、プロジェクタ装置は、この反射型空間光変調装置を用いて構成する。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、凹面鏡を用いた反射型光学素子を用いた反射型空間光変調装置、及びプロジェクタ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、パーソナルコンピュータのディスプレイ、ワークステーション用の高精細ディスプレイ、あるいはテレビといった情報・画像表示装置の分野において、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ：Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）がＣＲＴ（Ｃａｔｈｏｄｅ−Ｒａｙ Ｔｕｂｅ）を凌ぐ勢いで普及してきている。その液晶ディスプレイの市場、技術開発動向においては、画素（ピクセル）サイズの小型化による高精細化、高画質化と共に、画面の大型化（１５インチから１７インチ、さらに２０インチ、さらにはそれ以上へ）が顕著である。これは、大面積の画面に非常に多くの小さな画素を配列させることであり、大面積を対象とした微細加工プロセスが開発されている。
【０００３】
これに対して、小さな画像表示装置（対角線方向の大きさで数インチ、或は１インチ以下の液晶空間光変調装置等）と拡大投射光学系とを組み合わせた装置であるプロジェクタ装置も普及しつつあり、オフィスにおけるプレゼンテーションの用途のみならず、ホームシアタ等の娯楽の用途にも用いられつつある。液晶ディスプレイにおいて、高精細な画像を維持しつつ、その画面が大型化するとコストが高くなるのに対し、液晶空間光変調装置では画面が小さくてもよいためコスト面で非常に有利となる。しかし、ここで、画像の高精細化を考えた場合に、もともと小さな画面領域に、多くの画素を配列させることになるため、一画素のサイズをより微細化する必要が生じる。つまり、いかに画素サイズを小さくするかが課題となる。これは、半導体の微細加工技術の進歩にともない、より微細なサイズの画素が実現されつつある。
【０００４】
現状では、画素数は、具体的には、ＸＧＡ：１０２４×７６８ドット、或はＳＸＧＡ：１２８０×１０２４ドットであり、今後、ＳＸＧＡ＋：１４００×１５００ドット、ＵＸＧＡ：１６００×１２００ドット、ＱＸＧＡ：２０４８×１５３６ドットと増加する動向にある。さらに画素数は増大すると予想されており、画素の微細化及び画素数の増大はこの先々においても課題となり続ける。
【０００５】
また、電化製品、精密機器においては、省スペース化、省電力化が望まれているものもあり、プロジェクタ装置に関しても同様の要望があり、携帯可能なものが開発されている。このように、プロジェクタ装置の一開発動向として、装置の小型化がある。ここで、当然、液晶ライトバルブにもより小型化が要求される。ここで、液晶ライトバルブの画像表示の面積がより小さくなり、かつ画素数が増大するならば、一画素の大きさはさらに小さいものとなる。
【０００６】
上述のように、画素は小さくなる動向にあるが、光を変調させるための液晶を駆動するスイッチング素子や補助容量などの電気電子回路は、画素の小型化に比例して、必ずしも、小さく出来るわけではない。これは、スイッチング素子や補助容量が、半導体基板上に微細加工技術を用いて作製されるが、その時点での、半導体プロセスの制限、実現できる細線幅に限度があるためである。また、技術的にはより微細な加工が可能であっても、設備投資等を考えると当面はコスト高となってしまう。
【０００７】
透過型のライトバルブでは、一画素に対するスイッチング素子や補助容量などの面積が相対的に増加し、これにより光が遮光される領域の拡大、すなわち開口率が低下し、プロジェクタ装置全体の光利用効率を低下する問題があった。画素の高精細化による画質の向上をはかろうとすると、光利用効率は低下するというトレードオフがあり、ここに、高精細な画像を実現すると同時に、高効率なプロジェクタ装置を実現させるという課題がある。
【０００８】
一方、反射型ライトバルブでは、スイッチング素子や補助容量などを、画素（反射）電極の下（或は半導体基板上）に形成することができるため、画素を小さくしても、光の損失が少なく、効率良く光を反射することが可能となる。
【０００９】
上述のような反射型ライトバルブに関する技術は、公開特許公報、特許公報においても広く開示されている。例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３では、反射型ライトバルブ、それを用いた液晶プロジェクタ装置に関する技術が開示されている。
【００１０】
上記の特許文献では、基本的な反射型ライトバルブにおいて、数百万ルクスの強い光を反射型ライトバルブに入射させると、画素間にある隙間を抜けて、光が、Ｓｉ基板に入り、これが光電流を発生させ、コントラスト比の低下を引き起こすなどの画質を低下させる課題に対して、これを防ぎ、画質の維持・向上をはかる構造を提案したものである。
【００１１】
また、このような反射型ライトバルブにおいて、画素は、金属の平坦な反射電極が二次元に配列されたものである。このような単なる平坦な画素電極に光を照射した場合、光源として用いるランプからの照明光には平行光成分以外の角度を持った光も含まれているため、画素電極で反射された光は発散していく。この発散の角度が大きいと、プロジェクタ装置に設けられた、投射レンズに取り込めきれず、光損失となる。
【００１２】
このような光の損失を低減させ、光利用効率を向上させるため、画素電極の配列に対向させてマイクロレンズアレイを設ける構造が提案されている。これは、入射光をマイクロレンズにより集光させてから入射して反射電極上に反射させ、このマイクロレンズにより反射後も光の発散を押さえ、光利用効率の向上を図るものである。例えば、特許文献４、特許文献５にはこのような反射型ライトバルブに関する技術が提案されている。
【００１３】
しかし、画素配列に対してマイクロレンズアレイを対向させる構成の問題として次のようなことが挙がられる。
（１）入射光はマイクロレンズを通り、反射電極で反射された後、再びマイクロレンズを通り、出射される。ここで、２回マイクロレンズを通るため、光は２回、マイクロレンズの収差を受けることになる。このときマイクロレンズの収差が大きければ、大きく外れた角度で出射した光（照明光）は投射レンズに取りこまれず、光利用効率を低減させる。
（２）マイクロレンズアレイと反射電極の配列のアライメントが必要になる。光軸に垂直な面内で、画素アレイとマイクロレンズアレイにずれがあれば、画素で反射された光は、対向するマイクロレンズだけでなく、隣接するマイクロレンズをも通ることになり、画質の劣化、光利用効率の低下を招く。また、この公差は、画素サイズが小さくなるほど、厳しくなる。もし、このアライメントが必要なければ、画質の劣化の原因が一つ減じ、また、アライメント装置も必要なく、プロセスが簡素化でき、コストの低減につながる。
【００１４】
上記の反射型ライトバルブの反射電極に関して、材料としては、反射率の高い金属が使われている。このような金属としては、Ａｌをはじめ、その合金であるＡｌＳｉ、ＡｌＳｉＣｕ、ＡｌＧｅＣｕ、ＡｌＣ、ＡｌＣｕ、また、Ｃｒ、Ａｕ、Ａｇ等が使われている。すなわち金属のミラーを使っている。このような金属の画素は、特許文献６、特許文献７においても見られる。
【００１５】
上記のような材質の金属ミラーを用いるのは、広い波長帯域に渡る反射率の高さ、成膜プロセスの簡便さ、また低コスト等の利点があることによる。
【００１６】
しかしながら、ここでも、反射電極は平坦であるため、発散する角度を持った入射光が入ると、反射光は反射後も発散して行き、やはり光利用効率が低下するという問題がある。このため、上記で引用したような、マイクロレンズアレイを画素電極に対向させ設置する構成が用いられる。しかし、マイクロレンズアレイを用いる構成には上記のような構成による画質の劣化、光利用効率の低下、またアライメントの課題がある。
【００１７】
また、プロジェクタ装置用途ではないが、マイクロレンズアレイを設けない構成で、入射光の集光の効率を向上させるために凹面形状の反射板を用いる画像表示装置に関する技術が、例えば、特許文献８、特許文献９において提案されている。
【００１８】
図１７は、前記特許文献９において提案されている反射型液晶表示装置の一例を説明するための図で、図中、５１は反射板、５２は該反射板５１の反射面、５２ａは反射面５２のセル毎に対応する位置に形成されている曲面、５３は反射板側ガラス基板、５４は液晶材料、５４ａは液晶材料を複数のセルに分割するための液晶用隔壁、５５は表示面側ガラス基板を示し、明度及び視野角特性の向上をはかるため、反射面が曲面形状の反射板５１を用いる構成である。具体的には、液晶セルの下に凹面鏡（あるいは凸の曲面鏡）５２ａを設け、外部からの入射光Ｌを、反射し、液晶セルを通しつつ、集光させ、明度の及び視野角特性の向上を図ったものである。しかし、ここで凹面形状の材質の反射率に関しては、考慮されておらず、低ければ光利用効率の低下を招く。
【００１９】
また、反射型空間光変調装置における、画素電極に入射光をより集光させるために２つの集光手段を用いた空間光変調装置が特許文献１０に提案されている。
【００２０】
図１８は、前記特許文献１０で提案されている反射型液晶装置の一例を説明するための斜視構成図で、図中、６１は第１の集光手段であるマイクロレンズ６１ａを有する前方光入射側透光性基板、６２は画素電極６２ａを有する後方光入射側透光性基板で、これらは、接着剤により接合されている。６３は第２の集光手段である反射電極６３ａを有する反射性基板で、液晶を主たる構成要素とする電気光学機能層に接するか又は近接される面に前記透明電極が形成されている。ここで、前記２つの集光手段は、
（１）第１、第２の集光手段６１ａ，６３ａがともにマイクロレンズアレイ、
（２）第１の集光手段６１ａがマイクロレンズアレイで、第２の集光手段６３ａがマイクロ集光鏡、
（３）第１，第２の集光手段６１ａ，６３ａがともにシリンドリカル形状をしたレンチキュラー
といった例が挙げられている。光利用効率の向上及びコントラスト比の向上が目的である。
【００２１】
また、この特許文献１０において、スクリーン上でのコントラスト比が予測されており、分散角４°、６°、８°で、それぞれ、２００、１２０、１００となっている。分散角が大きくなるにつれコントラスト比は低下している。
ここでは、上記の２つの集光手段の作製、及びアライメントにも課題があるが、コントラスト比の値が高くはない。
【００２２】
また、特許文献１１においては、コントラスト比と反射型ライトバルブに使われる液晶の配向角の依存性が論じられており、コントラス比は最大で１０００に近い値が示されている。しかしながら、反射電極の構造に関しては平坦なものが使われており集光特性に関する向上はなされていない。
【００２３】
【特許文献１】
特許第３１７６０２１号
【特許文献２】
特開２０００−１３７２４６号公報
【特許文献３】
特開２００１−２３２４８５号公報
【特許文献４】
特開平１１−８４３３７号公報
【特許文献５】
特開平１１−２５８５８５号公報
【特許文献６】
特開平１０−１７７１９０号公報
【特許文献７】
特開２００１−２４２４８５号公報
【特許文献８】
特許第３２４６０５５号
【特許文献９】
特開２００２−１３１７４１号公報
【特許文献１０】
特開平９−９０３１０号公報
【特許文献１１】
特開２０００−２９８２７７号公報
【００２４】
【発明が解決しようとする課題】
上述の従来の技術から考えられる課題をまとめると、反射電極の集光特性の向上、光利用効率の向上、画素数の増大、画質の向上、コントラスト比の向上があり、本発明の課題は下記に示すものである。
【００２５】
第１の課題は、画素縮小機能を有する反射型空間光変調装置におけるコントラスト比向上の課題に対して、コントラスト比の高い反射型空間光変調装置を提供することである。
【００２６】
第２の課題は、画素縮小機能を有する反射型空間光変調装置におけるコントラスト比向上の課題に対して、よりコントラスト比の高い反射型空間光変調装置を提供することである。
【００２７】
第３の課題は、画素縮小機能を有する反射型空間光変調装置におけるコントラスト比向上の課題に対して、よりいっそうコントラスト比の高い反射型空間光変調装置を提供することである。
【００２８】
第４の課題は、画素縮小機能を有する反射型空間光変調装置におけるコントラスト比向上の課題に対して、よりいっそうコントラスト比の高い反射型空間光変調装置を提供することである。
【００２９】
第５の課題は、プロジェクタ装置におけるコントラスト比向上の課題に対して、コントラスト比の高いプロジェクタ装置を提供することである。
【００３０】
第６の課題は、プロジェクタ装置における画素数増大の課題に対して、大画素数のプロジェクタ装置を提供することである。
【００３１】
第７の課題は、プロジェクタ装置における画質の向上の課題に対して、より高画質なプロジェクタ装置を提供することである。
【００３２】
【課題を解決するための手段】
第１の課題は、基板、反射層、透光性の充填部材、液晶層、一対の電極、及び、透光性基板の各部材からなり、前記反射層は前記基板の表面を被覆し且つ入射する光を利用する有効部と入射する光を利用しない非有効部を設けた凹面形状部を有し、前記透光性の充填部材は前記凹面形状部を充填し且つ前記透光性の充填部材の凹面形状部に対向する面は平坦であり、前記液晶層は前記平坦な透光性の充填部材の上に設けられ、前記一対の電極は前記液晶層の両側に設けられ、前記透光性基板は前記液晶層の上に設けられ、前記の各部材が前記の構成で一つの反射型光学素子を形成し、前記の反射型光学素子が複数マトリクス状に配列されたことを特徴とする反射型空間光変調装置により達成される。
【００３３】
第２の課題は、前記第１の課題を解決する反射型空間光変調装置において、前記非有効部を前記凹面形状部の周辺部に設けたことを特徴とする反射型空間光変調装置により達成される。
【００３４】
第３の課題は、前記第１又は第２の課題を解決する反射型空間光変調装置において、外部光源からの平行光が前記反射型空間光変調装置に入射する方向を光軸としたとき、前記光軸に垂直な面内での前記凹面形状部における前記有効部の形状が矩形であることを特徴とする反射型空間光変調装置により達成される。
【００３５】
第４の課題は、前記第１又は第２の課題を解決する反射型空間光変調装置において、外部光源からの平行光が前記反射型空間光変調装置に入射する方向を光軸としたとき、前記光軸に垂直な面内での前記凹面形状部における前記有効部の形状が円形であることを特徴とする反射型空間光変調装置により達成される。
【００３６】
第５の課題は、前記第１乃至第４のいずれかの課題を解決する反射型空間光変調装置を用いたことを特徴とするプロジェクタ装置により達成される。
【００３７】
第６の課題は、前記第５の課題を解決するプロジェクタ装置において、前記反射型空間光変調装置から出射する光の行路をシフトさせる装置を設置することを特徴とするプロジェクタ装置により達成される。
【００３８】
第７の課題は、前記第６の課題を解決するプロジェクタ装置に含まれる投射レンズの物面を、前記反射型空間光変調装置における前記凹面形状部の焦点の位置よりも前記凹面形状部側に設置したことを特徴とするプロジェクタ装置により達成される。
【００３９】
【発明の実施の形態】
＜構成＞
図１は、凹面鏡を用いた反射型空間光変調装置を模式的且つ透視的に斜め上方から見た概略構成図を示す図で、図１においては、一対の電極、及びスルーホールは省略してある。また、各部材の大きさ、厚み等は適宜誇張して描いてある。また、凹面形状は描かれていないが、それは、図２に示した断面図に示してある。また、図１においては３×３画素のみ示してあるが、実際には、例えば、ＸＧＡで１０２４×７６８の画素の配列がある。この反射型空間光変調装置において、座標を図１に示したように取ると、光軸はｚ軸方向と一致する。なお、図２は、図１におけるＩＩ−ＩＩ線でのｚｘ面の模式図を、図３は、反射膜における凹面形状部の構成を説明するための図であり、図４は、光軸（ｚ軸）からみた模式図を示す。
【００４０】
従来の反射型空間光変調装置において、画素配列の部分にはブラックマトリクス等の遮光層が存在し、装置に入射する光を用いない領域がある。しかしながら、この遮光層は、白色ランプ等の外部光源からの強い光が入射したときに、半導体基板に設けられた電気回路において、この入射光による光電流の発生、それによる誤動作、さらには画質の低下を防ぐために設けられている。
【００４１】
本発明においても、入射する光を利用しない非有効部は、このような機能ももちろん有するが、それよりも、コントラスト比向上のためのものであり、画素が凹面鏡となっていることにより、従来の平坦な画素（電極）と比較して、直線偏光をもつ入射光の電場の振動面の回転（偏光解消）が生じる。これは、反射型空間光変調装置から出射した光に対して、プロジェクタ装置の光学系において、検光子などの個所で光損失が生じ、コントラスト比の低下につながる。
本発明における非有効部は、これを防ぐためのものである。この偏光解消の程度は、凹面鏡内の場所によって異なるため、その程度が大きいところだけにこの非有効部を設け、極力、光の利用効率を低下させないようにすることが可能である。
【００４２】
本発明による反射型空間光変調装置は、図１乃至図４に示したように、基本的に、基板１、薄膜層２、反射膜３、透光性の充填部材４、液晶層５、第１の透明電極６_１、第２の透明電極６_２、透光性基板７からなる。基板１には半導体Ｓｉを用いるのが現状的では一般的であるが、将来的には、Ｇｅ、Ｃ等の元素半導体、あるいは、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＺｎＳ、ＺｎＴｅ、ＡｌＧａＩｎＡｓ等の化合物半導体、また、ＳｎＯ、ＺｎＯ、ＭｎＯ等の酸化物半導体でも構わない。また、基板上にはソース、ドレイン、ゲート及びそれらの配線からなるＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）１０及び補助容量１１等の電気回路９が形成されている。液晶を用いた空間光変調装置の一つであるＬＣｏＳ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ）用のＳｉバックプレーンをそのまま流用するのが作製工程としては簡便である。また、遮光層８は例えばＡｌであるが、その他Ａｇ、Ｃｕ等の金属、それらの合金であっても構わない。
【００４３】
基板１の上には、薄膜層２が形成されており、この薄膜層２は凹面形状を形成するために形成され、材質としてＳｉＯ_２などが挙げられるが、これに限られるものではない。また、熱膨張による応力の発生などによる画質劣化等の不具合を防ぐため、材料特性を考慮して透光性の充填部材４と同一であっても構わない。また、反射膜３はＡｌ、Ａｇ、Ａｕなどの反射率の大きな金属が好ましい。透光性の充填部材４は、凹面部を埋めその表面を平坦にすることにより、液晶層５の設置を容易にするものである（すなわち平坦化層）。この透光性の充填部材４の凹面部に対向する面は光学研磨されており平坦である。この透光性の充填部材４の上には第１の透明電極６_１が設置される。さらにこの透明電極６_１を設けた平坦面の上に液晶層５を設ける。このとき液晶層と平坦層との間には配向膜が設けられる。この液晶層５の上には第２の透明電極６_２が形成され、その上にはさらに透光性基板７が設けられる。第１の透明電極６_１と第２の透明電極６_２とで液晶層５を挟む構成である。
【００４４】
スルーホール１２は、基板１の電気回路と第１の透明電極６_１とを電気的に接続するものである。第１の透明電極６_１、第２の透明電極６_２の材質は、例えば、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）である。
また、第２の透明電極６_２と液晶層５との間にも配向膜が設けられる。これら２つの透明電極６_１，６_２間に電圧を印加し、液晶を駆動する。また、金属薄膜と透明電極はスルーホール電極部材で電気的に接続されている。
また、透光性基板７は、例えばカバーガラスである。外部の光源からの光は、カバーガラス７の側から、各部材、層を通り、凹面鏡で反射し、集光された後、この反射型光学素子から出射する。凹面鏡で反射された光は凹面鏡の集光作用により細い光束となっていく。
このため、入射し、反射する光は、画素電極が平坦な面であるときに比べて、不要な発散がなく、光利用効率の向上に繋がる。また、光は凹面鏡の収差のみを受け、マイクロレンズを用いる構成よりも収差を低減でき画質向上、光利用効率向上がはかれる。
【００４５】
上記の構成においては、反射層は薄膜層２と反射膜３とからなる。しかしながら、基板１の上に直接金属膜を成膜して、それに凹面を形成し、金属の凹面鏡としても構わない。また、金属を用いず、誘電体を用いた、多層膜からなる多層膜ミラーであっても構わない。また、金属の上に誘電体を成膜したミラーであっても構わない。
【００４６】
一対の電極に関して、上記の構成においては、液晶層５の上下の平坦な面上に透明電極６_１，６_２を設けて、液晶層５を挟持した構造となっているが、これに限られるものではない。基板１の電気回路と凹面鏡（金属の場合）とを電気的に接続して第１の透明電極６_１とし、また液晶層５の上側（透光性基板の有る側）にＩＴＯなどの透明電極を設けて第２の透明電極６_２とし、これらを一対として、液晶層５を駆動する構造であっても構わない。また、透光性の充填部材４を直接ＩＴＯなどの透明電極材料として第１の電極として、液晶層５の上側にＩＴＯなどの第２の透明電極を設ける構造であってもよい。
【００４７】
図３に示すように、１画素を表す反射層の凹面形状部は、入射する光を利用する有効部と入射する光を利用しない非有効部とが設けられている。
例えば、図３（Ａ）は有効部の外側に非有効部を設ける場合であり、図３（Ｂ）は非有効部の外側に有効部を設ける場合であり、図３（Ｃ）は非有効部の外側に有効部を設け、最外郭に非有効部を設ける場合である。
図４は、図３に示した凹面形状部をマトリックス上に配置したものであり、１画素のピッチがＰ_Ｘ，Ｐ_Ｙで示される画素には、有効部Ａと非有効部Ｂとがある。
【００４８】
図５は、非有効部を設けることによってコントラスト比を向上させることを説明するための図である。
同図（Ａ）はすべて有効部であり非有効部を設けていない凹面形状の場合の中心、周辺における偏光解消の程度を示すものであり、凹面形状が球面、それに近似できる形状である場合、凹面形状の周辺部（中心から離れる）に行くに従い、曲面の程度が強くなり（平面からずれる）、それに伴って、偏光解消の程度が大きくなる。この場合、同図（Ｂ）に示すように、凹面形状部の周辺部を切除することによって、偏光解消が効果的に低減、また、それにより、よりコントラスト比の向上が可能となる。
【００４９】
図６及び図７は、前述の非有効部を設けた反射型空間光変調装置の例を光軸からみた模式図で、図６の例においては、凹面形状部における有効部の形状の対角四隅が丸まった形状となっている。また、図７の例においては、凹面形状部における有効部の形状の対角四隅が、中心に向って丸まった形状となっている。また、形状はこれに限られるものではなく、例えば６角形、８角形等の多角形でもよい。また、曲線、曲面で表される形状であってもよい。
【００５０】
また、この有効部の形状を矩形（正方形）あるいは円形にした場合、効率良く非有効部を設けることができる。
図８は、凹面鏡を用いた反射型光学素子を光軸からみた模式図であり、画素を表す凹面形状部における有効部の形状が上述の構成では矩形（図４参照）であったものを円形にしたものである。
【００５１】
＜実施例＞
本発明における凹面鏡を用いた空間光変調装置において、この偏光解消の大きさ（量）を左右する要因として、凹面の曲率半径ｒ及び平坦化層（透光性の充填部材４）の屈折率ｎが挙げられる。定性的にはｒが小さいほど、またｎが大きいほど、この偏光解消は大きくなり、コントラスト比は低減する。
また、この偏光解消は、画素の有効部の形状が矩形の場合、凹面鏡の中心から離れるにつれて大きくなり、凹面鏡の対角四隅で特に大きくなる。
【００５２】
（Ａ）コントラスト比の向上
上記事項をコントラスト比として定量的に見積るために、光線追跡シミュレーションを行った。
光学系は、光源、偏光子、ポーラリゼーションビームスプリッタ（ＰＢＳ）、空間光変調装置、検光子、レシーバ（検出器）からなっており、通常は反射型空間光変調装置の液晶（表示）層に電圧を印加し、オンとオフとの状態を作り出すが、このシミュレーションにおいては、液晶の設定をせず、リターダーを用い、その回転により、明状態と暗状態を表した。それらのレシーバ上での強度の比：明状態／暗状態をコントラスト比とした。光源は図９に示すような配向分布を有し、照明角（光の発散角）は７°であるものとした。
【００５３】
また、空間光変調装置の凹面鏡部のパラメータとしては、曲率半径ｒと平坦化層の屈折率ｎである。この２つを変化させ、コントラスト比の変化を見た。その結果を図１０に示す。このとき、画素の有効部の形状は正方形とし、画素のピッチが１４μｍ、画素の有効部の１辺を１３．２μｍとした。図１０の横軸は凹面鏡の曲率半径ｒであり、平坦化層の屈折率ｎに関して（ａ）１．４６、（ｂ）１．６３、（ｃ）１．８３、（ｄ）２．０３の４つをプロットしている。
なお、図１０においては、縦軸をコントラスト比とし、Ｃ／Ｒと表記している。
【００５４】
この結果から、まず、凹面の曲率半径ｒが小さいほどコントラスト比が下がることが分かり、平坦化層の屈折率ｎが大きいほどコントラスト比が低減することが分かる。同様にこのシミュレーションで、凹面の曲率ｒをなくし平坦にした場合のコントラスト比を求めたところ、平坦化層の屈折率ｎが１．４６で、コントラスト比が３３００と高い値になった。ここで、凹面にすることによりコントラスト比が低減することが分かる。
【００５５】
このため、凹面の曲率ｒが大きいほうが好ましい。すなわち、平面に近づくほど好ましい。しかしながら、僅かでも凹面形状がなければ集光機能が生じず、光利用効率の向上、また後述する画素サイズ縮小の機能が発現せず、凹面形状である必要がある。例えば、凹面の曲率ｒを３００μｍ等と極めて大きくとり、より平坦に近いが、凹面形状を有するようにした。
【００５６】
平坦化層の屈折率ｎを大きくしても、凹面の曲率ｒを大きくすれば高コントラスト比が得られ、このため、平坦化層の部材として多くの材質が利用可能であることが分かる。この物質について、屈折率が低いものとして、ＭｇＦ_２：１．３８があり、またＳｉＯ_２：１．４６が挙げられる。また、屈折率が高いもので、Ａｌ_２Ｏ_３：１．６３、Ｙ_２Ｏ_３：１．８７、ＺｎＯ：２．１、ＺｒＯ_２：２．０５、（いずれも波長５５０ｎｍ付近での値）、などがあり、これらは光学薄膜で使用されているものである。もちろんこれに限られるものではない。また、低屈折率の石英ガラスから各種、あるいは高屈折率光学ガラスなども用いることができる。
【００５７】
上記の実施例では、画素の有効部の１辺を１３．２μｍとしたが、さらにこの領域を小さくした場合のコントラスト比を求めた。その結果を図１１に示す。横軸に画素（ピッチ）に対する画素の有効部の１辺の比を取り、縦軸にコントラスト比（Ｃ／Ｒ）としてある。ここで、（ａ）ｒ＝２００μｍ、ｎ＝１．４６、（ｂ）ｒ＝３００μｍ、ｎ＝１．８３、（ｃ）ｒ＝２００μｍ、ｎ＝１．８３である。画素の有効部が小さくなるにつれて、コントラスト比が向上していることが分かる。すなわちコントラスト比をより向上させるには、このように有効部の大きさを低減すればよい。
【００５８】
しかしながら、画素の有効部の大きさを小さくすることは、光利用効率の観点からは、必ずしも好ましくはない。光利用効率は、画素（ピッチ）のサイズと有効部の面積比に比例するからである。
【００５９】
このように有効部の大きさを小さくする（開口の大きさを制限する）ことは、後述する画素のサイズの縮小という観点からは好ましいものである。これは、有効部の大きさにより、投射される画素の像もまた小さくなり、より高精細な画像が実現できるからである。
【００６０】
次の実施例は、上記の実施例では凹面形状部における有効部の形状は矩形（正方形）であったが、これを円形にする。円形の場合は、矩形、正方形の場合と比較して、画素の有効部において対角四隅が無くなり、その分偏光解消が少なくなる。
画素ピッチ１４μｍ（正方画素、１辺）に対して、円の直径を１４μｍとした場合（すなわち内接する円）に対して、上述の実施例と同様の光線追跡シミュレーションを行った。この場合、円の直径は画素ピッチと同じであるが、面積で考えたときには小さくなる。１辺１４μｍの正方形の画素の面積１９６μｍ^２に対して円形の場合、有効部の面積は１５３．９μｍ^２となる。円形の面積と同じ面積をもつ正方形の一辺は、一辺１２．４μｍとなり、この一辺の正方形の画素と同じになる。例えば、ｒ＝２００μｍ、ｎ＝１．８３として、正方形の一辺のサイズ比が０．８９（図１１参照）の場合のコントラスト比が５４５であったのに対して、円形の場合７３０となり、同様にｒ＝３００μｍ、ｎ＝１．８３の場合、１２１０が１２３０、ｒ＝２００μｍ、ｎ＝１．４６の場合、９５０が１０００となった。このことから、有効部の形状を円形にすることの効果が分かる。
【００６１】
（Ｂ）画素縮小に関して
平板の画素（電極）に対して、本発明のような凹面形状にすることは、集光特性を向上させ、光利用効率を向上させるのみならず、画素の縮小という効果を持たせることが可能となる。これは、投射光学系を含むプロジェクタ装置にこの凹面鏡を有する空間光変調装置を組み込んだときにも有効である。
【００６２】
図１２は、上述した反射型空間光変調装置を一枚用いる単板式プロジェクタ装置に関するものであり、光学系を簡略化して描いたプロジェクタ装置を示す模式図である。同図において、３１は白色ランプ、３２は光均一化光学素子（フライアイレンズ）、３３は色分離装置（カラーホイール）、３４は反射型液晶ライトバルブ、３５は偏光ビームスプリッタ、３６は投射レンズ、３７はスクリーンである。
本発明による反射型空間光変調装置は、上述のように高光利用効率、高画質、高コントラストであるため、これをプロジェクタ装置に用いるとプロジェクタ装置自体の性能も向上し、高光利用効率、高画質、高コントラストのプロジェクタ装置の実現が可能となる。
【００６３】
この図１２に示したプロジェクタ装置に対して、光線追跡シミュレーションを行い、この画素縮小の効果を例証した。
【００６４】
一辺１４μｍの正方画素をスクリーン上に投射したとき、その照度分布のプロファイルは図１３の（ａ）に示すようになる。光源の配向分布（図９参照）及び投射レンズによる像の劣化があるため裾野を引いたプロファイルとなる。ここではスクリーン上のプロファイルの中心（空間的に）を通る、ｘ軸（或はｙ軸）方向の、中心から片側半分のプロファイルを示している。横軸は、相対値である。その値が１．０のところが、もともとの画素サイズ（投射レンズにより拡大投射されているが）に相当し、１．０よりも小さければ、画素のサイズは縮小されていることになる。
【００６５】
しかし、像の劣化によりこの投射プロファイルは、この１．０の値よりも大幅に広がっていることが分かる。
図１３の（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、同様に、（ｂ）ｒ＝２００μｍ、ｎ＝２．０３、（ｃ）ｒ＝３００μｍ、ｎ＝１．８３、（ｄ）ｒ＝２００μｍ、ｎ＝１．４６μｍとして光線追跡シミュレーションした結果である。
特に、（ｄ）では、照度０．５のときの幅は、ほぼ０．５であり、（即ち半値全幅での評価）これは、すなわち１４μｍピッチの画素を用いても、７μｍピッチ相当の画素を用いたことに相当する画像が得られることを示している。
【００６６】
これは、光学的に画素を縮小していると考えられる。ハードウェアとしての実際の装置において、画素のサイズを縮小することは、半導体プロセスの技術的な制約があり現状では困難を伴う。しかしながら、本発明のように光学的に画素（の像）を縮小することにより、既存の半導体プロセスを用いながらも、より高い空間分解能を持つ空間光変調装置が実現できる。
【００６７】
しかしながら、上記のように一辺の長さにおいて約半分に縮小した画素をこのままスクリーン投射したのでは、画素間に隙間の空いた画像が投射されることになる（図１５参照）。
そこで、この隙間を埋めるために、本発明の反射型空間光変調装置から出射する光の光路を空間的、周期的に変調させる光軸シフト装置を用い、画素数を増大させるようにする。
図１４は、反射型空間光変調装置から出射する光の光路を空間的、周期的に変調させる光軸シフト装置を機械的駆動にて動かす場合の一例を示す模式図であり、光軸に対して垂直に見た図である。同図において、４１は空間光変調装置、４２はピエゾ素子１（ｙ方向シフト）、４３はピエゾ素子２（ｘ方向シフト）、４４は治具、４５はｙ方向シフト（±Δｙ）、４６はｘ方向シフト（±Δｘ）である。また、ｚ軸はｘｙ面に対して垂直であり光軸と一致している。
【００６８】
図１４では、画像表示装置の画素（反射凹面鏡）から出射した光の光路を変調させる手段としてピエゾ素子１，２（４２，４３）を用いている。これはピエゾ素子を用いて画像表示装置自体を機械的に動かすものである。装置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が１０数μｍ以下であってもそれ以下の光路のシフトを行うことができる。これは空間光変調装置４１に縦ｙ方向シフト４５及び横ｘ方向シフト４６にピエゾ素子１，２（４２，４３）を設置し、周期的に動かせばよい。
【００６９】
図１５は、図１４に対してスクリーン上での投射像の画素増大効果を説明するものである。投射画像は、光軸シフト装置により、時分割で投射されて、高解像度の画像（図１５の（Ｇ）参照）となる。
今、凹面鏡により集光された出射される光束のもっとも細い位置で、光軸に垂直な面を投射レンズの物面とし、その面内での照度分布を縮小された画素と定義し、この縮小（された）画素をスクリーンに投影すると、その縮小画素の大きさは、画素のある位置の面を投射レンズの物面として、画素をスクリーンに投影した場合よりも、小さくなる（画素縮小）。
【００７０】
このとき、凹面鏡による縮小画素の、画素サイズに対する比、画素サイズの縮小率をαとする。以下、αを１／２として説明する。図１５では画素の有効部の形状が正方形である場合、理想的に縮小されたものとして、正方形の縮小像となっている。
はじめ、動いていない初期状態を（Ａ）、次にｙ方向に空間光変調装置４１の画素サイズの１／２シフトさせた状態（Ｂ）（例えば、画素サイズを１４μｍとすれば、７μｍ＝Δｘ，Δｙ）、そこからｘ方向に画素サイズの１／２シフトさせた状態（Ｃ）、続いて（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（Ｄ）、続いて（Ｃ）とは反対方向の方向にシフトさせた状態（Ｅ）、最後にｙ方向に画素サイズの１／２シフトさせた状態（Ｆ）で初期状態と同じ状態（Ａ）にもどる。
【００７１】
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倍の高精細化画像（Ｇ）が実現できる。
また、上記の例では画像表示装置と光軸シフト装置が一つのデバイスとなるため、光学系を拡張して光路変調装置を挿入する必要がなくなり装置の小型化につながる。
【００７２】
上記の例は、ｘ方向、ｙ方向の２方向に動かしているが、ｘ方向あるいはｙ方向のいずれかのみの方向のシフトであっても構わない。この場合、画素は２倍増加する。
また、縮小率αを１／３として、シフト量を１／３とすれば、３×３で９倍の画素数増加が見込める。図１３においては、αは半値全幅（照度分布）で表せばよい。
【００７３】
また、光軸シフト装置は、光路を空間座標的にシフトする素子であればよく、直接に機械的に反射型ライトバルブを移動させる以外にも、液晶を使って行路をシフトさせることも可能である。この場合、光学系のいずれかの場所に光軸シフト素子を挿入することになる。
【００７４】
図１２に示したプロジェクタ装置において、照度分布の最適（プロファイルの幅が狭い等）な位置が、必ずしも凹面鏡の焦点近傍であるとは限らないため、投射レンズ３６の物面を反射型画像表示装置の凹面鏡の焦点から外した位置に設置するようにする。これを投射することにより、よりシャープな像が投射でき、より高精細な画像が得られる。
プロジェクタ装置の光源として使われる白色ランプの輝度（強度）の角度特性（縦軸：輝度、横軸：照明角）は、図９に示すようであり、照明角が零度（平行光）が輝度最大ではなく、３°〜４°の時に最大となり、中心付近が窪んだ形状となる。
このような輝度分布の光を凹面鏡に入射させて、反射集光させた場合、観察面での照度分布（プロファイル）には、この光源のもつ分布が反映される。
【００７５】
図１６は、凹面鏡から観察面までの距離をｄとして、プロファイルの変化の様子を示す図である。
（Ａ）０≦ｄ＜ｆでは、集光されていく途中の面であり、プロファイルは狭くなり中心の窪みも小さくなる（０を凹面の最も窪んだ位置として）。
（Ｂ）ｄ＝ｆでは、焦点面であり光源の輝度分布を反映する。
（Ｃ）ｄ＞ｆでは、発散していく過程の面であり、プロファイルが広がり、中心の窪みも大きくなる。
【００７６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の反射型空間光変調装置は、画素の有効部を低減し、偏光解消が低減できるため、コントラスト比の向上が可能である。
また、画素を凹面鏡にすることにより集光性能が高められ、画素縮小機能を持たせられるとともに、コントラスト比を高めることができる。
さらに、画素の有効部を矩形または円形とすることによって、効率良く非有効部を設けることができる。
【００７７】
また、本発明のプロジェクタ装置は、高コントラスト比で画素縮小機能を有する反射型空間光変調装置を用いるため、高コントラストな投射ができる。
また、光軸シフト装置により、縮小した画素をシフトさせるため、画素数増大が可能となり、高精細な画像が得られる。
さらに、凹面鏡により光が集光されプロファイルとして最適形状になる位置に投射レンズの物面をあわせるため、よりシャープで、且つ高精細な画像が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】凹面鏡を用いた反射型空間光変調装置を模式的且つ透視的に斜め上方から見た概略構成図である。
【図２】凹面鏡を用いた反射型空間光変調装置におけるＩＩ−ＩＩ線でのｚｘ面の断面模式図である。
【図３】凹面形状部の構成を説明するための図である。
【図４】凹面鏡を用いた反射型空間光変調装置を光軸（ｚ軸）からみた模式図であり、画素のピッチ、画素の有効部、非有効部を説明するための図である。
【図５】凹面形状部に非有効部を設けることによってコントラスト比を向上させることを説明するための図である。
【図６】非有効部を設けた反射型空間光変調装置の例を光軸からみた模式図であり、凹面形状部における有効部の対角四隅の形状が丸まった形状となっている場合の図である。
【図７】非有効部を設けた反射型空間光変調装置の例を光軸からみた模式図であり、凹面形状部における有効部の形状の対角四隅が中心に向って丸まった形状となっている場合の図である。
【図８】凹面鏡を用いた反射型光学素子を光軸からみた模式図であり、画素の有効部の形状が円形となっている場合の図である。
【図９】光線追跡シミュレーションを行ったときの光学系の光源の配向分布を示す図である。
【図１０】空間光変調装置の凹面鏡部のパラメータ（曲率半径ｒと平坦化層の屈折率ｎ）を変化させたとき、凹面鏡の曲率半径とコントラスト比の関係を示す図である。
【図１１】空間光変調装置の凹面鏡部のパラメータ（曲率半径ｒと平坦化層の屈折率ｎ）を変化させたとき、画素ピッチに対する画素の有効部の一辺との比とコントラスト比の関係を示す図である。
【図１２】光学系を簡略化して描いたプロジェクタ装置を示す模式図である。
【図１３】１辺１４μｍの正方画素をスクリーン上に投射したとき、その照度分布のプロファイルを示す図である。
【図１４】反射型空間光変調装置から出射する光の光路を空間的、周期的に変調させる光軸シフト装置を機械的駆動にて動かす場合の一例を示す模式図であり、光軸に垂直に見た図である。
【図１５】図１４に対してスクリーン上での投射像の画素増大効果を説明するものである。
【図１６】凹面鏡から観察面までの距離をｄとして、プロファイルの変化の様子を示す図である。
【図１７】従来の技術において提案されている反射型液晶表示装置の一例を説明するための図である。
【図１８】従来の技術において提案されている反射型液晶装置の一例を説明するための斜視構成図である。
【符号の説明】
１…基板、２…薄膜層、３…反射膜、４…透光性の充填部材、５…液晶層、６_１…第１の透明電極、６_２…第２の透明電極、７…透光性基板（カバーガラス）、８…遮光層、９…電気回路、１０…ＭＯＳ、１１…補助容量、１２…スルーホール、３１…白色ランプ、３２…光均一化光学素子（フライアイレンズ）、３３…色分離装置（カラーホイール）、３４…反射型液晶ライトバルブ、３５…偏光ビームスプリッタ、３６…投射レンズ、３７…スクリーン、４１…空間光変調装置、４２…ピエゾ素子１（ｙ方向シフト）、４３…ピエゾ素子２（ｘ方向シフト）、４４…治具、４５…ｙ方向シフト（±Δｙ）、４６…ｘ方向シフト（±Δｘ）、５１…反射板、５２…反射面、５２ａ…凹曲面、５３…反射板側ガラス基板、５４…液晶材料、５４ａ…液晶用隔壁、５５…表示面側ガラス基板、６１…前方光入射側透光性基板、６１ａ…第１の集光手段（マイクロレンズ）、６２…後方光入射側透光性基板、６２ａ…画素電極、６３…反射性基板、６３ａ…第２の集光手段。

Claims (7)

1. 基板、反射層、透光性の充填部材、液晶層、一対の電極、及び、透光性基板の各部材を具備し、前記反射層は前記基板の表面を被覆し、且つ入射する光を利用する有効部と入射する光を利用しない非有効部を設けた凹面形状部を有し、前記透光性の充填部材は前記凹面形状部を充填し且つ前記透光性の充填部材の凹面形状部に対向する面は平坦であり、前記液晶層は前記平坦な透光性の充填部材の上に設けられ、前記一対の電極は前記液晶層の両側に設けられ、前記透光性基板は前記液晶層の上に設けられ、前記の各部材が前記の構成で一つの反射型光学素子を形成し、前記の反射型光学素子が複数マトリクス状に配列されていることを特徴とする反射型空間光変調装置。
2. 請求項１記載の反射型空間光変調装置において、前記非有効部を前記凹面形状部の周辺部に有することを特徴とする反射型空間光変調装置。
3. 請求項１又は２記載の反射型空間光変調装置において、外部光源からの平行光が前記反射型空間光変調装置に入射する方向を光軸としたとき、前記光軸に垂直な面内での前記凹面形状部における前記有効部の形状が矩形であることを特徴とする反射型空間光変調装置。
4. 請求項１又は２記載の反射型空間光変調装置において、外部光源からの平行光が前記反射型空間光変調装置に入射する方向を光軸としたとき、前記光軸に垂直な面内での前記凹面形状部における前記有効部の形状が円形であることを特徴とする反射型空間光変調装置。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の反射型空間光変調装置を用いたことを特徴とするプロジェクタ装置。
6. 請求項５記載のプロジェクタ装置において、前記反射型空間光変調装置から出射する光の行路をシフトさせる装置を有することを特徴とするプロジェクタ装置。
7. 請求項６に記載のプロジェクタ装置に含まれる投射レンズの物面を、前記反射型空間光変調装置における前記凹面形状部の焦点の位置よりも前記凹面形状部側に設置したことを特徴とするプロジェクタ装置。

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