JP2005181607A - 空間光変調装置及びプロジェクタ - Google Patents

Abstract

【課題】広い視野角で、高コントラストな画像を得られる空間光変調装置、及びこれを備えるプロジェクタを提供すること。
【解決手段】入射する光に所定の位相差を与える光学補償フィルム１３０Ｒ、１３０Ｇ、１３０Ｂと、光を画像信号に応じて変調して射出する変調部である液晶層２０４と、液晶層２０４に対して、光を少なくとも斜入射させための屈折面である斜面ＬＢを有する屈折光学素子に対応するマイクロレンズ素子２０３とを有することを特徴とする空間光変調装置を提供できる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、空間光変調装置、特に液晶型の空間光変調装置、及びこの空間光変調装置を備えるプロジェクタに関するものである。

空間光変調装置の代表例として、例えば液晶パネルが用いられている。液晶パネルには、その画像表示領域内に、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、薄膜ダイオード等の各種電子素子が作り込まれている。このため、各画素において、画像表示に寄与する光が透過又は反射できる領域は、各種配線や電子素子等の存在により制限される。各画素の開口率は、各画素の領域に対する画像表示に寄与する光が透過又は反射できる領域、即ち開口領域の面積比率で定義される。一般的に、液晶パネルの開口率は略７０％程度である。また、液晶パネルに入射する光源からの光は、略平行光の状態で液晶層等の電気光学物質層を透過又は反射する。このため、液晶パネルを略平行光で照明するときは、全光量のうち各画素の開口率に応じた光量だけ利用できる。利用されない光は光量損失となる。

そこで、従来は、各画素に対応するマイクロレンズ素子を含むマイクロレンズアレイを、液晶パネルの対向基板に形成している。マイクロレンズ素子は、光源からの照明光を画素単位で開口領域へ向かって集光する。マイクロレンズ素子で集光された照明光は、効率良く画素の開口領域を透過できる。このため、液晶パネルにマイクロレンズアレイを用いると、光の利用効率を向上できる。ここで、照明光を集光すると、液晶パネルの基板に対して垂直入射する成分が減少する。このため、画像のコントラストが低下してしまう。

このため、マイクロレンズアレイを用いるときに、コントラストを向上させる構成が、例えば特許文献１に提案されている。

特開２０００−２７５６２７号公報

また、液晶パネル、特にツイステッド・ネマチック（Ｔｗｉｓｔｗｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ、以下「ＴＮ」という。）表示の液晶パネルに、光学補償フィルムを用いる場合がある。ＴＮ表示の液晶パネルに光学補償フィルムを用いると、視野角を広げることができる。しかしながら、光学補償フィルムを備えるＴＮ表示の液晶パネルに対して、上述のマイクロレンズアレイを用いると、コントラスト向上の効果が得られないという問題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、光学補償フィルムを備える空間光変調装置、特にＴＮ表示の液晶パネルにおいて、広い視野角で、高コントラストな画像を得られる空間光変調装置、及びこれを備えるプロジェクタ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、第１の発明によれば、入射する光に所定の位相差を与える光学補償フィルムと、光を画像信号に応じて変調して射出する変調部と、変調部に対して光を少なくとも斜入射させための屈折面を有する屈折光学部と、を有することを特徴とする空間光変調装置を提供できる。

本発明の空間光変調装置、例えばＴＮ表示の液晶型空間光変調装置は、光学補償フィルムを有している。光学補償フィルムは、ＴＮ表示の液晶パネルにおいて、電圧印加時の配向膜近傍の動きの少ない液晶分子に起因した光軸方向、即ち光が進行する方向の偏光の非対称性を補償する機能を有する。このため、観察者が、画像を良好に観察できる視野角を広げることをできる。本発明では、変調部に対して、光を少なくとも斜入射させための屈折面を有する屈折光学部をさらに設けている。変調部は、例えば２枚の平行平板に挟まれた略平行な空間に形成されている液晶層である。屈折光学部で屈折された光は、変調部である液晶層の法線に対して所定の角度をもって斜入射する。これにより、画像のコントラストを向上できる。なお、本発明では、光が進行する方向に沿って、光学補償フィルム、屈折光学部、変調部の順番に配置することが最も望ましい。しかしながら、これに限られず、光が進行する方向に沿って、屈折光学部、光学補償フィルム、変調部の順番に配置すること、又は屈折光学部、変調部、光学補償フィルムの順番に配置することの何れでも良い。

また、第１の発明の好ましい態様によれば、変調部は、複数の画素開口部を有し、屈折光学部は、複数の屈折光学素子からなり、屈折光学素子は、入射する光を画素開口部の領域を通過させ、かつ少なくとも斜入射させることが望ましい。ＴＮ表示の液晶型空間光変調装置は、例えば、複数の画素開口部が略直交する格子状に形成されている。そして、屈折光学素子は、各画素開口部に対応して設けられている。また、屈折光学素子は、入射する光を、対応する画素開口部を通過させる。これにより、光の利用効率を向上できる。さらに、本態様では、屈折光学素子は、入射する光を各開口領域を通過させて、かつ変調部へ斜入射させる。これにより、高いコントラストの画像を得ることができる。

また、第１の発明の好ましい態様によれば、屈折光学素子は、多角錘プリズム、円錐プリズム、又は非球面レンズであることが望ましい。これらの構成により、さらに効率的に変調部へ光を斜入射させることができる。

また、第２の発明によれば、光を供給する光源と、上述の空間光変調装置と、空間光変調装置からの光を投写する投写レンズとを有することを特徴とするプロジェクタを提供できる。本発明は、上述した空間光変調装置を備えているため、大きな視野角で高コントラストな投写像を得ることができる。

以下に、本発明に係る空間光変調装置を備えるプロジェクタの実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではない。

（プロジェクタ全体説明）
初めに図１を参照して、本発明の実施例１に係るプロジェクタの概略構成を説明する。次に、図２以降を参照して、本実施形態の特徴的な構成を説明する。まず、図１において、光源部である超高圧水銀ランプ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。インテグレータ１０４は、超高圧水銀ランプ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。以下、Ｒ光について説明する。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、光学補償フィルム１３０Ｒに入射する。光学補償フィルム１３０Ｒを透過した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ＴＮ表示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、ガラス板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ガラス板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という問題を回避できる。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の射出面や、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、ガラス板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から射出される。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。

（光学補償フィルム）
ここで、光学補償フィルム１３０Ｒについて説明する。本実施例の液晶パネル１２０Ｒは、ＴＮ表示の液晶パネルである。ＴＮ表示の液晶パネルについてノーマリーホワイトモードを例に、光を変調して階調表示する作用を説明する。ＴＮ表示では、誘電率異方性が正の液晶を平行配向させる。そして、後述するように、液晶層を挟む２枚の基板の配向膜の配向方向（以下、「ラビング方向」という。）を略直交させて形成する。この構成により液晶分子が９０°ねじれた配向となる。そして、第１偏光板１２１Ｒと第２偏光板１２２Ｒとの偏光軸と、配向膜の配向方向とを一致させると、液晶層内で光が旋光する。このため、第１色光用空間光変調装置１１０Ｒは、クロスニコル下で入射光を透過して射出する。これに対して、液晶層に電圧を印加すると、液晶分子が立ち上がり、液晶分子のねじれ構造が消失する。このため、第１色光用空間光変調装置１１０Ｒへの入射光は、クロスニコル下で透過しない。従って、液晶層に電圧を印加すると、暗表示となる。このように、ＴＮ表示でノーマリーホワイトモードの液晶パネル１２０Ｒでは、各画素の単位で印加された電圧に応じて入射光に対する透過率が減少する。これにより、第１色光用空間光変調装置１１０Ｒからの透過光の光量を制御して、階調表示できる。なお、液晶パネル１２０Ｒがノーマリーブラックモードのときは、各画素の単位で印加された電圧に応じて入射光に対する透過率が増加する。そして、空間光変調装置全体としては、画像信号に応じたコントラストを有する光が射出する。

ここで、配向膜近傍に存在する液晶分子は、印加電圧に応じて液晶分子の配列方向が適正に制御されない場合が多い。具体的には、配向膜近傍の液晶分子は、印加電圧に応じて配列方向が変化しにくい。このため、例えば、ノーマリーホワイトモードの液晶パネル１２０Ｒで暗表示、つまり全黒表示したいときでも、透過光（漏れ光）が生じてしまう。これにより、観察者が暗表示を認識できる視野が限定されてしまう。つまり、ＴＮ表示の液晶パネルでは、観察者が適正なコントラストの画像を観察できる視野角が制限されてしまう。光学補償フィルム１３０Ｒは、ＴＮ表示の液晶パネル１２０Ｒの視野角をさらに広げて大きくする機能を有する。光学補償フィルム１３０Ｒは、上述したように電圧印加時の配向膜近傍の動きの少ない液晶分子に起因した光軸方向、即ち光が進行する方向の偏光の非対称性を補償する。光学補償フィルム１３０Ｒは、ディスコチック液晶化合物をハイブリッド配向させた後、架橋させたもの、例えば、ＷＶフィルム（富士写真フィルム社製）を用いることができる。光学補償フィルム１３０Ｒを用いることで、観察者は、光学補償フィルム１３０Ｒを設けていないときに比較して、大きな視野角で投写像を観察できる。

次に、Ｇ光について説明する。Ｒ光透過ダイクロイックミラー１０６Ｒで反射された、Ｇ光とＢ光とは光路を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、光学補償フィルム１３０Ｇに入射する。光学補償フィルム１３０Ｇを透過して射出したＧ光は、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から射出される。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。

次に、Ｂ光について説明する。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、光学補償フィルム１３０Ｂに入射する。光学補償フィルム１３０Ｂを透過して射出したＢ光は、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、ガラス板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。なお、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、ガラス板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から射出される。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、超高圧水銀ランプ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、Ｒ光、Ｇ光を透過する。ダイクロイック膜１１２ｂは、Ｒ光を反射し、Ｂ光、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。投写レンズ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上でフルカラー画像を得ることができる。

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射出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。

（液晶パネルの構成）
次に、図２を用いて液晶パネルの詳細について説明する。図１で説明したプロジェクタ１００では、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を代表例にして以後の説明を行う。

図２は液晶パネル１２０Ｒの一部の構成の斜視断面図である。液晶パネル１２０Ｒは、複数の開口領域ＡＰが略直交する格子状に配置されている。開口領域ＡＰは、遮光機能を有するブラックマトリックス２０５に形成されている矩形の開口部である。開口領域ＡＰは一つの画素に対応する。図２では、液晶パネル１２０Ｒの複数の開口領域ＡＰのうち一の開口領域ＡＰの部分のみを示す。他の開口領域に対応する液晶パネル１２０Ｒの構成は図２に示す構成と同一なので重複する説明は省略する。超高圧水銀ランプ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の方向へ射出する。入射側防塵透明プレート２０１の内側（射出側）には、マイクロレンズアレイ基板２０２と光学的に透明な接着剤層２０４とで屈折光学素子であるマイクロレンズ素子２０３が形成されている。マイクロレンズ素子２０３の詳しい構成と作用については、図３を用いて後述する。一のマイクロレンズ素子２０３は対応する一の開口領域ＡＰに対応して設けられている。液晶パネル１２０Ｒの全体について見ると、複数のマイクロレンズ素子２０３が複数の開口領域ＡＰに対応して平面上に配列されて屈折光学部であるマイクロレンズアレイを構成する。

マイクロレンズ素子２０３の内側（射出側）には、ＩＴＯ膜からなる透明電極２０７等を有する対向基板２０６が形成されている。また、対向基板２０６と透明電極２０７との間には、遮光部であるブラックマトリックス２０５が形成されている。ブラックマトリックス２０５には、上述したように画素に対応する矩形の開口領域ＡＰが設けられている。さらに、透明電極２０７の射出側には、ラビング処理等の所定の配向処理が施された配向膜２０８が設けられている。配向膜２０８は、例えばポリイミド膜の透明な有機膜からなる。

また、射出側防塵透明プレート２１３の内側（入射側）にはＴＦＴ基板２１２が形成されている。ＴＦＴ基板２１２の内側には、透明電極やＴＦＴ（薄膜トランジスタ）形成層２１１が設けられている。ＴＦＴ形成層２１１のさらに内側（入射側）には配向膜２１０が設けられている。配向膜２０８のラビング方向と、配向膜２１０のラビング方向とは略直交するように配置されている。そして、対向基板２０６とＴＦＴ基板２１２とを対向させて、入射側防塵透明プレート２０１と射出側防塵透明プレート２１３とを貼り合わせる。対向基板２０６とＴＦＴ基板２１２との間には、画像表示のための液晶層２０９が封入されている。

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。しかし、これに代えて、入射側防塵透明プレート２０１と対向基板２０６との間、射出側防塵透明プレート２１３とＴＦＴ基板２１２との間などにも偏光板を設けることもできる。

次に、図３−１に基づいて、マイクロレンズ素子２０３の構成と作用を説明する。図３−１は、液晶パネル１２０Ｒの入射側防塵透明プレート２０１から液晶層２０９までの概略構成を示す。液晶パネル１２０Ｒのその他の構成は省略する。光学的に透明なマイクロレンズアレイ基板２０２と、光学的に透明な接着剤層２０４とで、屈折光学素子であるマイクロレンズ素子２０３を構成する。略平行光束である入射光は、マイクロレンズアレイ基板２０２と接着剤層２０４との界面で屈折する。ここで、マイクロレンズ素子２０３は、光軸ＡＸ近傍のレンズ部ＬＡと、レンズ部の周辺に形成されている斜面部ＬＢとからなる非球面レンズである。斜面部ＬＢは、平行平板である入射側防塵透明プレート２０１の平行面に対して傾斜角θで形成されている。そして、レンズ部ＬＡに入射する光線ＬＡＲは、レンズの集光作用により、ブラックマトリックス２０５の開口領域ＡＰを通過するように集光される。また、斜面部ＬＢに入射する光線ＬＢＲは、斜面の屈折作用により、開口領域ＡＰを通過し、かつ液晶層２０９に斜入射する。斜面部ＬＢで屈折された光線ＬＢＲは、液晶層２０９に入射角αで斜入射する。なお、マイクロレンズ素子２０３の形状と、マイクロレンズアレイ基板２０２の屈折率と接着剤層２０４の屈折率とは、集光光と屈折光とが開口領域ＡＰを効率良く通過できるように適宜設定する。

図３−２は、マイクロレンズ素子２０３を対向基板２０６の面に投影した様子を示す。斜面部ＬＢが投影された領域に斜線を付して示す。図３−２から分かるように、マイクロレンズ素子２０３のうち、殆どの部分が斜面部ＬＢで構成されている。これにより、マイクロレンズ素子２０３に入射する光のうち、斜面部ＬＢの面積に比例した割合の光が、液晶層２０９へ斜入射する。

次に、マイクロレンズ素子２０３により、投写像のコントラストが向上することについて説明する。図４は、マイクロレンズ素子２０３の斜面部ＬＢの傾斜角θ＝０°、４０°、６０°の３通りについて、液晶層２０９への光線の入射角α（横軸、単位：度）と、光量の合計（縦軸、単位：Ｗ）との関係を示す。傾斜角θ＝０°の場合、マイクロレンズ素子２０３は単なる平面部と同じ状態である。この場合、光量分布のピーク値は、入射角α＝４°近傍である。これに対して、傾斜角θを４０°から６０°へ大きくしてゆくに従い、光量分布のピーク値は、入射角α＝７°近傍へシフトする。また、傾斜角θが大きくなるに応じて、液晶層２０９へ斜入射する成分も増加する。

図５は、投写像のコントラスト（縦軸）と傾斜角θ（横軸）との関係を示す。一つの傾斜角θについて製造方法が異なる２つのマイクロレンズ素子２０３を用いている。このため、３種類の傾斜角θ＝０°、４０°、６０°に対して、６個のコントラストデータがプロットされている。また、光学補償フィルム１３０Ｒ、１３０Ｇ、１０３Ｂを設けた場合と、設けない場合との２つの場合について投写像のコントラストを評価している。

まず、光学補償フィルム１３０Ｒ、１３０Ｇ、１３０Ｂを設けていない場合について説明する。傾斜角θ＝０°、即ちマイクロレンズ素子２０３が平行平板と同じ状態でノンパワーの時、傾斜角θを０°から６０°まで変えると、投写像のコントラストは約２５０〜３００：１となる。これに対して、本実施例のように光学補償フィルム１３０Ｒ、１３０Ｇ、１３０Ｂを設けた場合、傾斜角θ＝０°の時は、投写像のコントラストは約２５０：である。傾斜角θ＝６０°の時は、コントラストが約５１０：１と向上する。また、傾斜角θ＝４０°の時は、コントラストは傾斜角θ＝０°と６０°との中間的な特性を示す。

図４と図５とから、マイクロレンズ素子２０３の斜面部ＬＢの傾斜角θ＝６０°として、液晶層２０９への光線の入射角αを略７°とするときに、高コントラストの投写像を得られることがわかる。次に、この状態で、高コントラストな投写像を得られる理由を図６、図７を用いて説明する。

図６は、全白表示をした時、投写像の光量（縦軸、単位：任意）と傾斜角θ（横軸）との関係を示す。一つの傾斜角θについて製造方法が異なる２つのマイクロレンズ素子２０３を用いている。そして、３種類の傾斜角θ＝０°、４０°、６０°に対して、それぞれ光学補償フィルム１３０Ｒ等を設けた場合（白抜きで示す）と、設けていない場合（斜線を付す）との光量を棒グラフで示す。図６から明らかなように、全白表示する時、傾斜角θ＝０°、４０°、６０°の何れの場合も、光学補償フィルム１３０Ｒ等を設けた時の光量と設けていない時の光量とは略等しい。

図７は、図６と同様に全黒表示する時の光量を示す。傾斜角θ＝０°、４０°の場合、光学補償フィルム１３０Ｒ等を設けた時の光量と設けていない時の光量とは略等しい。これに対して、傾斜角θ＝６０°の場合、光学補償フィルム１３０Ｒ等を設けた時の光量に比較して、設けていない時の光量が多くなっている（図７において円で囲った部分）。全黒表示する時は、スクリーン１１６（図１参照）へ到達する光は、理想的にはゼロであることが望ましい。つまり、光学補償フィルム１３０Ｒ等を設けた光学系において、マイクロレンズ素子２０３の傾斜角θ＝６０°とすることで、スクリーン１１６への透過光量を小さくできる。液晶パネル１２０Ｒ等の透過光量が少ないことは、理想的な全黒表示に近くなることを意味する。このため、傾斜角θ＝６０°では、より理想的な全黒表示に近づけることができるため、投写像のコントラストを向上できる。

本実施例では、光学補償フィルム１３０Ｒ、１３０Ｇ、１３０Ｂを用いている。このため、液晶パネル１２０Ｒは、従来技術のＴＮ表示の液晶パネルに比較して、視野角を大きく広げることができる。また、図４、図５、図６、図７を用いて説明したように、マイクロレンズ素子２０３の斜面部ＬＢの傾斜角θ＝６０°として、液晶層２０９へ入射角α＝７°で光線を入射させることで大きな視野角の状態で、さらに投写像のコントラストを向上できる。なお、傾斜角θは、４５°＜θ＜８０°の範囲であることが望ましい。さらに好ましくは、５５°＜θ＜８０°の範囲であることが望ましい。傾斜角θがこれらの範囲であれば、高コントラストな投写像を得られる。

また、本実施例では、超高圧水銀ランプ１０１側から順番に、光学補償フィルム１３０Ｒ、屈折光学素子であるマイクロレンズ素子２０３、変調部である液晶層２０９で構成されている。しかしながら、これに限られず、光学補償フィルム１３０Ｒをマイクロレンズ素子２０３と液晶層２０９との間に配置する構成、又は光学補償フィルム１３０Ｒをマイクロレンズ素子２０３と液晶層２０９とよりも投写レンズ１１４側に配置する構成の何れでも良い。

本発明に実施例２に係る空間光変調装置について図８を参照して説明する。図８は、実施例２に係る空間光変調装置のうち液晶パネル８２０Ｒの斜視構成を示す。本実施例は、マイクロレンズ素子の代わりにマイクロプリズム素子８０３を用いている点が上述した実施例１と異なる。実施例１と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図８は、液晶パネル８２０Ｒの複数の開口領域ＡＰのうち一の開口領域ＡＰの部分のみを示す。他の開口領域に対応する液晶パネル８２０Ｒの構成は図２に示す構成と同一なので重複する説明は省略する。超高圧水銀ランプ１０１からのＲ光は、図８の上側から液晶パネル８２０Ｒに入射し、下側からスクリーン１１６の方向へ射出する。入射側防塵透明プレート２０１の内側には、マイクロプリズムアレイ基板８０２と、屈折光学素子であるマイクロプリズム素子８０３が形成されている。マイクロプリズム素子８０３の詳しい構成と作用については、図１０を用いて後述する。一のマイクロプリズム素子８０３は対応する一の開口領域ＡＰに対応して平行平板であるカバー硝子８０４上に設けられている。液晶パネル８２０Ｒの全体について見ると、複数のマイクロプリズム素子８０３が複数の開口領域ＡＰに対応して平面上に配列されて光学屈折部であるマイクロプリズムアレイを構成する。

図９は、マイクロプリズム素子８０３の斜視構成を示す。マイクロプリズム素子８０３は、多角錘形状、例えば略正方形のカバー硝子８０４上に形成された四角錐形状である。このため、マイクロプリズム素子８０３は、４つの斜面部ＬＢ１、ＬＢ２、ＬＢ３、ＬＢ４を有する。

次に、図１０に基づいて、マイクロプリズム素子８０３の構成と作用を説明する。図１０は、液晶パネル８２０Ｒの入射側防塵透明プレート２０１から液晶層２０９までの概略構成を示す。液晶パネル１２０Ｒのその他の構成は省略する。光学的に透明なマイクロプリズムアレイ基板８０２に対向するカバー硝子８０４上に光学的に透明な接着剤層８０３ａを充填して屈折光学部であるマイクロプリズム素子８０３を構成する。略平行光束の入射光は、マイクロプリズムアレイ基板８０２と接着剤層８０３ａとの界面で屈折する。ここで、マイクロプリズム素子８０３の斜面部ＬＢ１、ＬＢ２、ＬＢ３、ＬＢ４は、平行平板である入射側防塵透明プレート２０１の平行面に対して傾斜角θで形成されている。例えば、斜面部ＬＢ１に入射する光線ＬＢＲは、斜面ＬＢ１の屈折作用により、開口領域ＡＰを通過し、かつ液晶層２０９に入射角αで斜入射する。なお、マイクロプリズム素子８０３の形状と、マイクロプリズムアレイ基板８０２の屈折率と接着剤層８０３ａの屈折率とは、屈折光が開口領域ＡＰを効率良く通過できるように適宜設定する。

上記実施例１では、マイクロレンズ素子２０３のうち、レンズ部ＬＡは光線ＬＡＲを集光している。また、斜面部ＬＢは光線ＬＢＲを屈折している。このように、液晶層２０９には、屈折されて斜入射する光と、集光されて入射する光とが混在している。これに対して、本実施例では、マイクロプリズム素子８０３は、入射する光線ＬＢＲを、開口領域ＡＰを通過するように屈折する。これにより、マイクロプリズム素子８０３を経由した光は、全て液晶層２０９に対して入射角αで入射する。入射角αは、例えば実施例１と同様に略７°程度である。これにより、広い視野角において高コントラストな投写像を得られる。マイクロプリズム素子８０３のように、レンズ部を設けず、斜面のみで屈折面を構成すると、超高圧水銀ランプ１０１からの光を容易に所定の斜入射光へ変換できる。このため、光学補償フィルム１３０Ｒによる広い視野角において、さらに高コントラストな投写像を得られる。なお、マイクロプリズム素子８０３は、多角錘形状に限られず、円錐形状でも良い。

また、実施例１、２では、３つの色光の光路内にそれぞれ光学補償フィルム１３０Ｒ、１３０Ｇ、１３０Ｂを設けている。しかしながら、この構成に限られない。例えば、各色用の液晶パネル１２０Ｒ、１２０Ｇ、１２０Ｇの配向膜のラビング方向を合わせておけば、３色の光の光路が共通している位置、例えば超高圧水銀ランプ１０１からの光が色分解される前の光路内に一つの光学補償フィルムを配置する構成でも良い。

次に、図１１−１〜図１１−５を参照して、実施例１のマイクロレンズ素子２０３を備える液晶パネル１２０Ｒの製造方法を説明する。本製造方法は、グレースケールリソグラフィ技術を用いる方法である。図１１−１は、グレースケールマスクの構成と、その透過光量を示す。グレースケールマスク１１００は、中心部から周辺部に向かって透過率が段階的に大きくなるように構成されている。例えば、中心部の透過率は０％、周辺部の透過率は１００％とし、その中間は所望の透過率となるように形成されている。グレースケールマスク１１００は、面積階調マスクや感光性硝子を用いたグレースケールマスクを用いることができる。そして、斜面部ＬＢを形成する領域では、透過率が略リニアに変化するように設定する。図１１−１のグレースケールマスク１１００を透過する光量１１０１を棒グラフで合わせて示す。まず、硝子基板であるマイクロレンズアレイ基板２０２上にフォトレジスト層１１０２を形成する。そして、グレースケールマスク１１００を用いてフォトレジスト層１１０１を露光する。露光後、エッチング処理を行う。これにより、図１１−２に示すように、フォトレジスト層１１０２には、グレースケールマスク１１００の透過率に応じた形状が形成される。次に、フッ素系ガス、例えばＣ₄Ｆ₈を用いてドライエッチング処理を行う。ドライエッチング処理により、図１１−３で示すように、マイクロレンズアレイ基板２０２に対してフォトレジスト層１１０１の形状を転写できる。そして、図１１−４に示すように、マイクロレンズアレイ基板２０２と対向基板２０６とを光学的に透明な接着剤層２０４で固着する。接着剤層２０４の屈折率ｎは、例えばｎ＝１．５６程度である。次に、図１１−５に示すように、対向基板２０６上にブラックマトリックス２０５をパターニングする。そして、さらにＩＴＯ膜等の透明電極２０７等を形成する。これらの工程に続く製造工程は、公知の液晶パネルの製造方法と同様であるため、説明を省略する。この製造方法によれば、グレースケールマスク１１００の透過率を制御することで、任意の形状のマイクロレンズ素子２０３を製造できる。

次に、図１２−１〜図１２−４を参照して、実施例１のマイクロレンズ素子２０３を備える液晶パネル１２０Ｒの他の製造方法を説明する。まず、マイクロレンズアレイ基板２０２上に、基板側から順にＨＴＯ膜１２０１、マスクとなるクロムマスク１２０２を形成する。クロムマスク１２０２の中央部には開口部ＡＰ２を設けておく。さらに、フォトレジスト層１２０３を塗布してパターニングを行う。そして、図１２−１に示すように、Ｃ₄Ｆ₈等のフッ素系ガスＧを併用してリアクティブ・イオン・エッチング（以下、「ＲＩＥ」という。）を施す。このＲＩＥはプレ・エッチングの機能を果たす。プレ・エッチングが終了すると、図１２−２に示すように、マイクロレンズアレイ基板２０２の中央部にレンズ部ＬＡ（図３−１参照）の極率頂点となる部分が形成される。そして、プレ・エッチングが終了した基板に対して、フッ酸溶液を用いてウエット・エッチングを行う。ウエット・エッチングが終了すると、図１２−３で示すような、マイクロレンズアレイ基板２０２に凹形状のレンズ形状を形成できる。そして、図１１−４、図１１−５で説明した工程と同じ手順でマイクロレンズ素子２０３、ブラックマトリックス２０５等を形成する。なお、ＨＴＯ膜１２０１を用いないときでも、斜面部ＬＢを有するマイクロレンズ素子２０３を形成することができる。

なお、本発明はプロジェクタに限られることなく、ＴＮ表示の液晶パネルを備える装置、例えば直視の画像表示装置等にも広く適用できるものである。

以上のように、本発明に係る空間光変調装置は、特にＴＮ表示の液晶パネルに有用である。

本発明の実施例１に係るプロジェクタの概略構成図。 実施例１の液晶パネルの概略構成図。 実施例１のマイクロレンズ素子近傍の概略図。 マイクロレンズ素子の投影図。 入射角αと光量との関係を示す図。 像のコントラストを説明する図。 全白表示時の光量比較図。 全黒表示時の光量比較図。 実施例２の液晶パネルの概略構成図。 マイクロプリズム素子の構成図。 実施例２のマイクロプリズム素子近傍の概略図。 グレースケールマスクの概略と透過光量を示す図。 マイクロレンズ素子の製造方法の説明図。 マイクロレンズ素子の製造方法の他の説明図。 マイクロレンズ素子の製造方法のさらに他の説明図。 マイクロレンズ素子の製造方法の説明図。 マイクロレンズ素子の別の製造方法の説明図。 マイクロレンズ素子の別の製造方法の他の説明図。 マイクロレンズ素子の別の製造方法のさらに他の説明図。 マイクロレンズ素子の別の製造方法の説明図。

符号の説明

１００ プロジェクタ、１０１ 超高圧水銀ランプ、１０４ インテグレータ、１０５ 偏光変換素子、１０６Ｒ、１０６Ｇ ダイクロイックミラー、１０７ 反射ミラー、１０８ リレーレンズ、１１０Ｒ、１１０Ｇ、１１０Ｂ 各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 投写レンズ、１１６ スクリーン、１２０Ｒ、１２０Ｇ、１２０Ｂ 液晶パネル、１２１Ｒ、１２１Ｇ、１２１Ｂ 偏光板、１２２Ｒ、１２２Ｇ、１２２Ｂ 偏光板、１２３Ｒ、１２３Ｇ、１２３Ｂ 位相差板、１２４Ｒ、１２４Ｂ ガラス板、１３０Ｂ、１３０Ｇ、１３０Ｂ 光学補償フィルム、２０１ 入射側防塵透明プレート、２０２ マイクロレンズアレイ基板、２０３ マイクロレンズ素子、２０４ 接着剤層、２０５ ブラックマトリックス、２０６ 対向基板、２０７ 透明電極、２０８ 配向膜、２０９ 液晶層、２１０ 配向膜、２１１ ＴＦＴ形成層、２１２ ＴＦＴ基板、２１３ 射出側防塵透明プレート、８０２ マイクロプリズムアレイ基板、８０３ マイクロプリズム素子、８０３ａ 接着剤層、８０４ カバー硝子、８２０Ｒ 液晶パネル、１１００ グレースケールマスク、１１０１ 透過光量、１１０２ フォトレジスト層、１２０１ ＨＴＯ膜、１２０２ クロムマスク、１２０３ フォトレジスト層、ＡＰ 開口領域、ＡＰ２ 開口部、ＡＸ 光軸、ＬＡ レンズ部、ＬＡＲ 光線、ＬＢ、ＬＢ１〜ＬＢ４ 斜面部、ＬＢＲ 光線、α 入射角、θ 傾斜角

Claims (4)

1. 入射する光に所定の位相差を与える光学補償フィルムと、
   光を画像信号に応じて変調して射出する変調部と、
   前記変調部に対して、光を少なくとも斜入射させための屈折面を有する屈折光学部と、を有することを特徴とする空間光変調装置。
2. 前記変調部は、複数の画素開口部を有し、
   前記屈折光学部は、複数の屈折光学素子からなり、
   前記屈折光学素子は、入射する光を前記画素開口部を通過させ、かつ少なくとも斜入射させることを特徴とする請求項１に記載の空間光変調装置。
3. 前記屈折光学素子は、多角錘プリズム、円錐プリズム、又は非球面レンズであることを特徴とする請求項１又は２に記載の空間光変調装置。
4. 光を供給する光源と、
   請求項１〜３の何れか一項に記載の空間光変調装置と、
   前記空間光変調装置からの光を投写する投写レンズとを有することを特徴とするプロジェクタ。

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