JP2005221553A - 空間光変調装置及びプロジェクタ - Google Patents

Abstract

【課題】安価、長寿命、かつ高い光利用効率で、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】複数の開口領域ＡＰを有し、光を画像信号に応じて変調して射出する液晶層２０９と、液晶層２０９の入射側に開口領域ＡＰに対応して設けられ、入射する光を開口領域ＡＰを通過させるように集光するマイクロレンズ素子２０３とを有する。そして、マイクロレンズ素子２０３は、光軸ＡＸを中心とする複数の略輪帯状部Ｒ１、Ｒ２ごとに異なる複数の焦点位置ｆ１、ｆ２を有し、複数の輪帯状部のうち何れか一の輪帯状部Ｒ２の焦点位置ｆ２は、一の輪帯状部Ｒ２を基準として光軸ＡＸに近い側の輪帯状部Ｒ１の焦点位置ｆ１よりもマイクロレンズ素子２０３に近い位置であり、複数の焦点位置ｆ１、ｆ２は、何れの焦点位置も液晶層２０９よりも射出側に位置する。
【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、及びこれを備えるプロジェクタに関するものである。

プロジェクタは、近年ホームユースの用途が拡大している。このため、プロジェクタの空間光変調装置には、安価、長寿命、かつ高い光利用効率で、高コントラストな画像を得られることが望まれている。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、液晶層近傍の配向膜に対して局所的に光エネルギーが集中する。光エネルギーの集中により、配向膜が局所的に劣化してしまう。配向膜が劣化すると、空間光変調装置の寿命を縮めてしまい、長寿命化のニーズを満足できない。このため、マイクロレンズアレイを用いるときに、配向膜の劣化を低減するための構成が、例えば特許文献１に提案されている。

特開２００３−２１５５９２号公報

特許文献１に提案されている構成では、配向膜に光安定剤を添加して耐特性を変更している。光安定剤は配向膜の耐光性を向上させる機能を有する。

しかしながら、配向膜の耐光特性を変更すると、添加剤のコストや添加工程の増大等により空間光変調装置の製造コストが上昇してしまい問題である。また、従来技術のマイクロレンズアレイを用いると、照明光を単に集光するため、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ため問題である。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、安価、長寿命、かつ高い光利用効率で、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、複数の画素開口部を有し、光を画像信号に応じて変調して射出する変調部と、変調部の入射側に画素開口部に対応して設けられ、入射する光を画素開口部を通過させるように集光するレンズ部とを有し、レンズ部は光軸を中心とする複数の略輪帯状部ごとに異なる複数の焦点位置を有し、複数の輪帯状部のうち何れか一の輪帯状部の焦点位置は、一の輪帯状部を基準として光軸に近い側の輪帯状部の焦点位置よりもレンズ部に近い位置であり、複数の焦点位置は、何れの焦点位置も前記変調部よりも射出側に位置することを特徴とする空間光変調装置を提供できる。

まず、レンズ部は、変調部の入射側に画素開口部に対応して設けられている。そして、レンズ部は、入射する光を画素開口部を通過させるように集光する。これにより、光源からの照明光は、効率良く画素開口部を通過でき、画素開口部でけられてしまう光量を低減できる。このため、高い効率で光を利用できる。また、レンズ部は、光軸を中心とする複数の略輪帯状部ごとに異なる複数の焦点位置を有している。そして、複数の輪帯状部のうち何れか一の輪帯状部の焦点位置は、一の輪帯状部を基準として光軸に近い側の輪帯状部の焦点位置よりもレンズ部に近い位置である。さらに、複数の焦点位置は、何れの焦点位置も前記変調部よりも射出側に位置している。このような構成により、レンズ部は、入射光を複数の略輪帯状部ごとに異なる位置へ集光する。従来技術のマイクロレンズ素子では、一の画素開口部において、１つの焦点位置へ全ての照明光を集光させる。これに対して、本発明では、各輪帯状部ごとに複数の焦点位置へ照明光を集光させる。これにより、変調部近傍において、光線の分布密度を略均一にできる。この結果、変調部近傍での光エネルギーの局所的な集中を低減できため、配向膜の劣化を低減できる。従って、長寿命な空間光変調装置を得ることができる。また、従来技術のように、配向膜に耐光性向上のための添加剤を加える必要がなくなる。このため、製造コストが安価な空間光変調装置を得ることができる。さらに、複数の焦点位置は、何れの焦点位置も変調部よりも射出側に位置している。これにより、変調部に対して略垂直に入射する成分、即ち光軸に平行な成分が多くなる。この結果、高コントラストな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、レンズ部は、複数の頂点曲率半径を有する非球面レンズであることが望ましい。これにより、変調部近傍において、光線の分布密度をさらに均一にできる。

また、第１の発明の好ましい態様によれば、光軸に最も近い前記略輪帯状部の焦点距離を、光軸から最も遠い略輪帯状部の焦点距離で除した比が１．１よりも大きいことが望ましい。これにより、変調部近傍において、光線の分布密度をさらに略均一にできる。また、変調部に対して略垂直に入射する成分、即ち光軸に平行な成分がさらに多くなる。この結果、高コントラストな画像を得ることができる。好ましくは、光軸に最も近い前記略輪帯状部の焦点距離を、光軸から最も遠い略輪帯状部の焦点距離で除した比が１．２よりも大きいことが望ましい。さらに好ましくは、光軸に最も近い前記略輪帯状部の焦点距離を、光軸から最も遠い略輪帯状部の焦点距離で除した比が１．３よりも大きいことが望ましい。これにより、変調部近傍において、光線の分布密度をさらに略均一にできる。加えて、さらに高コントラストな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、レンズ部により前記画素開口部を通過する光の、画素開口部の領域内における光量の標準偏差は０．１未満であることが望ましい。光量の標準偏差は、分散の正の平方根である。分散とは、画素開口部における複数の光量データの散らばりの度合をいう。具体的には、分散は、光量データの平均値と各光量データとの差（偏差）を二乗し、それを算術平均したものをいう。分散の数値が小さいほど光量データは平均値のまわりに集まっている。このため、分散の平方根である標準偏差の値も小さいほど、光量データは平均値のまわりに集まり、光量分布が均一な状態に近づく。本態様では、光量の標準偏差が０．１よりも小さい。これにより、画素開口部内において、光量を略均一にすることができる。さらに好ましくは、光量の標準偏差は０．０８５未満であることが望ましい。これにより、画素開口部内において、さらに光量を均一にできる。

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。これにより、安価、長寿命、かつ高い光利用効率で、高コントラストな投写像を得られるプロジェクタを提供できる。

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。

図１は、本発明の実施例１に係るプロジェクタ１００の概略構成を示す。
（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、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、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。

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、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、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。画素開口部である開口領域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とでレンズ部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。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、レンズ部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の構成を図４に基づいて説明する。図４は、一の開口領域ＡＰに対応する一のマイクロレンズ素子２０３を光軸ＡＸ方向から見た構成を示す。マイクロレンズ素子２０３は、正方形形状の開口領域ＡＰに対して、４分割された非球面サブレンズＡＳＰ１、ＡＳＰ２、ＡＳＰ３、ＡＳＰ４から構成される。各非球面サブレンズＡＳＰ１、ＡＳＰ２、ＡＳＰ３、ＡＳＰ４は、それぞれ複数の、本実施例では４つの頂点曲率半径Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４を有する。そして、４つの頂点曲率半径Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４を中心として、それぞれ輪帯状部が形成されている。このとき、４つの非球面サブレンズＡＳＰ１、ＡＳＰ２、ＡＳＰ３、ＡＳＰ４は、それぞれ輪帯状部ごとに焦点位置を制御して設計されている。このように、各非球面サブレンズの領域ごとに輪帯状部が最適化された設計がされている。さらに、４つの各非球面サブレンズＡＳＰ１、ＡＳＰ２、ＡＳＰ３、ＡＳＰ４を図４に示すように配列したときに、光軸ＡＸを中心として合成された合成輪帯状部が形成される。以下、本実施例では、合成された合成輪帯状部を、単に略輪帯状部又は輪帯状部という。また、光軸ＡＸ近傍には、後述する凹面レンズＲ０が形成される。

図３に戻って、４つの各非球面サブレンズＡＳＰ１、ＡＳＰ２、ＡＳＰ３、ＡＳＰ４を合成したマイクロレンズ素子２０３について説明する。上述したように、４つの各非球面サブレンズは、それぞれ輪帯状部が後述するような焦点位置を有するように設計されている。そして、４つの非球面サブレンズＡＳＰ１、ＡＳＰ２、ＡＳＰ３、ＡＳＰ４を合成したマイクロレンズ素子２０３は、光軸ＡＸを中心とする複数の略輪帯状部Ｒ１、Ｒ２ごとに異なる複数の焦点位置ｆ１、ｆ２を有する１つの非球面レンズとして機能する。そして、マイクロレンズ素子２０３へ入射する光軸ＡＸ近傍の光線Ｌ１は、輪帯状部Ｒ１により屈折されて、焦点位置ｆ１へ集光する。また、輪帯状部Ｒ１よりも光軸ＡＸから離れている他の輪帯状部Ｒ２で屈折された光線Ｌ２は、焦点位置ｆ２へ集光する。

さらに、マイクロレンズ素子２０３の作用を説明する。上述したように、マイクロレンズ素子２０３は、全ての光線Ｌ１、Ｌ２を開口領域ＡＰを通過するように集光する。これにより、超高圧水銀ランプ１０１からの照明光は、効率良く開口領域ＡＰを通過でき、開口領域ＡＰでけられてしまう光量を低減できる。この結果、高い効率で光を利用できる。

また、マイクロレンズ素子２０３は、光軸ＡＸを中心とする複数の略輪帯状部Ｒ１、Ｒ２ごとに異なる複数の焦点位置ｆ１、ｆ２を有している。そして、複数の輪帯状部のうち何れか一の輪帯状部Ｒ２の焦点位置ｆ２は、一の輪帯状部Ｒ２を基準として光軸ＡＸに近い側の輪帯状部Ｒ１の焦点位置ｆ１よりもマイクロレンズ素子２０３に近い位置である。さらに、複数の焦点位置ｆ１、ｆ２は、何れの焦点位置ｆ１、ｆ２も変調部である液晶層２０９よりも射出側に位置している。このような構成により、マイクロレンズ素子２０３は、入射光を複数の略輪帯状部Ｒ１、Ｒ２ごとに異なる位置へ集光する。

これにより、液晶層２０９近傍において、光線の分布密度を略均一にできる。この結果、液晶層２０９近傍での光エネルギーの局所的な集中を低減できため、配向膜２０８、２１０の劣化を低減できる。従って、長寿命な液晶パネル１２０Ｒを得ることができる。

また、光軸ＡＸ近傍の中央部のマイクロレンズ素子２０３のレンズ形状は、光の入射側に凹面を向けた凹面レンズＲ０である。凹面レンズＲ０は、入射側に凸面を向けた４つの非球面サブレンズＡＳＰ１、ＡＳＰ２、ＡＳＰ３、ＡＳＰ４を配置したときに、光軸ＡＸ近傍に形成される谷部である。そして、谷部は、マイクロレンズ素子２０３の一部に必然的に形成されてしまう領域である。光軸ＡＸ近傍の略平行な光線Ｌ０は、凹面レンズＲ０により、発散光へ変換される。これにより、光線Ｌ０は、液晶層２０９近傍で集光することはない。なお、上述したように、本実施例において、複数の焦点位置ｆ１、ｆ２は、何れの焦点位置ｆ１、ｆ２も変調部である液晶層２０９よりも射出側に位置している。これに対して、凹面レンズＲ０は負の屈折力を有するレンズあるため、その焦点位置は液晶層２０９よりも入射側に存在する。谷部である凹面レンズＲ０は、マイクロレンズ素子２０３全体からみると、一部分に過ぎず主要部分ではない。このため、凹面レンズＲ０の焦点位置が、液晶層２０９よりも入射側に位置していても、本発明の趣旨を逸脱するものではない。さらに、上述したように、凹面レンズＲ０で屈折された光線Ｌ０は、液晶層２０９近傍で集光せずに発散する。このため、凹面レンズＲ０も、液晶層２０９近傍でのエネルギー集中を低減する機能を果たしている。

また、本実施例では、液晶層２０９近傍での光エネルギーの局所的な集中を低減できるため、配向膜２０８、２１０に耐光性向上のための添加剤を加える必要がなくなる。このため、製造コストが安価な液晶パネル１２０Ｒを得ることができる。さらに、複数の焦点位置ｆ１、ｆ２は、何れの焦点位置ｆ１、ｆ２も液晶層２０９よりも射出側に位置している。これにより、液晶層２０９に対して略垂直に入射する成分、即ち光軸ＡＸに平行な成分が多くなる。この結果、高コントラストな画像を得ることができる。

次に、本実施例における光線密度の均一性、コントラストの数値例を挙げる。図５は、開口領域ＡＰにおける輝度分布を示す。図５の横軸は開口領域ＡＰにおける光軸ＡＸに垂直な断面内の任意の位置、縦軸は輝度をそれぞれ示す。曲線Ａは、マイクロレンズ素子を設けないときの輝度分布を示す。曲線Ｂは、従来技術の非球面マイクロレンズ素子を設けたときの輝度分布を示す。そして、曲線Ｃは、本実施例のマイクロレンズ素子２０３を設けたときの輝度分布を示す。

マイクロレンズ素子を全く設けないときは、照明光が開口領域ＡＰへ有効に導かれない。このため、曲線Ａから明らかなように、輝度分布は全体として低いレベルである。このときの、光量分布の標準偏差は０．０３８１０８である。

また、従来技術の非球面マイクロレンズ素子を設けたときは、曲線Ｂから明らかなように、光が有効に開口領域ＡＰへ集光されるため輝度分布のピークレベルとその積分値（＝総光量）は大きくなる。しかしながら、開口領域ＡＰの中央部に光量が集中し、周辺部で光量が低下している。このときの、光量分布の標準偏差は０．１１７７３５である。このため、配向膜において局所的なエネルギー集中が生じてしまう。この結果、配向膜が劣化してしまう。

これらに対して、本実施例のマイクロレンズ素子２０３を設けたときは、曲線Ｃに示すように、輝度分布の輝度レベルは開口領域全体にわたって、略均一な状態である。このときの、光量分布の標準偏差は、０．０８１９５５である。さらに、曲線Ａに比較して、輝度レベルも大きくなっている。このことから、本実施例では、局所的なエネルギー集中がなく、略均一な輝度分布で、かつ有効に光を利用していることがわかる。本実施例では、略均一な輝度分布のため、液晶パネルの耐光性に関しては、従来技術に比較して４．６倍程度の長寿命化を実現できる。なお、本実施例では、一のマイクロレンズ素子２０３は、４分割された非球面サブレンズＡＳＰ１、ＡＳＰ２、ＡＳＰ３、ＡＳＰ４から構成される。しかしながら、これに限らず、５つ以上の非球面サブレンズで構成しても良い。

図６は、実施例２に係るプロジェクタのうち液晶パネル６２０Ｒの一部の構成の斜視断面図である。液晶パネル６２０Ｒ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。画素開口部である開口領域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６では、液晶パネル６２０Ｒ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６２０Ｒの構成は図６に示す構成と同一なので重複する説明は省略する。また、上記実施例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。

本実施例におけるマイクロレンズ素子６０３は、光軸ＡＸを中心として回転対称な形状である。マイクロレンズ素子６０３は、光軸ＡＸを中心とする複数の略輪帯状部Ｒ１０、Ｒ２０ごとに異なる複数の焦点位置ｆ１０、ｆ２０を有する。そして、複数の輪帯状部Ｒ１０、Ｒ２０のうち何れか一の輪帯状部Ｒ２０の焦点位置ｆ２０は、一の輪帯状部Ｒ２０を基準として光軸ＡＸに近い側の輪帯状部Ｒ１０の焦点位置ｆ１０よりもマイクロレンズ素子６０３に近い位置である。さらに、複数の焦点位置ｆ１０、ｆ２０は、何れの焦点位置ｆ１０、ｆ２０も変調部である液晶層２０９よりも射出側に位置している。

図７は、一の開口領域ＡＰに対応する一のマイクロレンズ素子６０３を光軸ＡＸ方向から見た構成を示す。マイクロレンズ素子６０３は、光軸ＡＸを中心として回転対称な形状である。そして、光軸ＡＸに近い側から順に、輪帯状部Ｒ１０と輪帯状部Ｒ１５と輪帯状部Ｒ２０とを有する。

図６に戻って、光軸ＡＸに近い光線Ｌ１は、輪帯状部Ｒ１０で屈折されて、焦点位置ｆ１０へ集光する。光軸ＡＸから遠い光線Ｌ２は、輪帯状部Ｒ２０で屈折されて、焦点位置ｆ２０へ集光する。焦点位置ｆ２０は、焦点位置ｆ１０よりもマイクロレンズ素子６０３に近い位置である。これにより、液晶層２０９近傍において、光線の分布密度を略均一にできる。この結果、液晶層２０９近傍での光エネルギーの局所的な集中を低減できため、配向膜２０８、２１０の劣化を低減できる。従って、長寿命な液晶パネル６２０Ｒを得ることができる。

さらに、複数の焦点位置ｆ１０、ｆ２０は、何れの焦点位置ｆ１０、ｆ２０も液晶層２０９よりも射出側に位置している。これにより、液晶層２０９に対して略垂直に入射する成分、即ち光軸ＡＸに平行な成分が多くなる。この結果、高コントラストな画像を得ることができる。

また、マイクロレンズ素子６０３は、入射する光を開口領域ＡＰを通過させるように集光する。これにより、超高圧水銀ランプ１０１からの照明光は、効率良く開口領域ＡＰを通過でき、開口領域ＡＰでけられてしまう光量を低減できる。これにより、高い効率で光を利用できる。

本実施例では、光軸ＡＸに最も近い輪帯状部Ｒ１０の焦点距離ＦＬ１０を、光軸ＡＸから最も遠い輪帯状部Ｒ２０の焦点距離ＦＬ２０で除した比が１．１よりも大きいことが望ましい。図６においては、各焦点距離は、マイクロレンズ素子６０３の後側主点とレンズ面の近軸曲率頂点とが略一致している状態で図示している。これにより、変調部である液晶層２０９近傍において、光線の分布密度をさらに略均一にできる。また、液晶層２０９に対して略垂直に入射する成分、即ち光軸ＡＸに平行な成分がさらに多くなる。この結果、高コントラストな画像を得ることができる。

また、好ましくは、光軸ＡＸに最も近い輪帯状部Ｒ１０の焦点距離ＦＬ１０を、光軸ＡＸから最も遠い輪帯状部Ｒ２０の焦点距離ＦＬ２０で除した比が１．２よりも大きいことが望ましい。さらに好ましくは、光軸ＡＸに最も近い輪帯状部Ｒ１０の焦点距離ＦＬ１０を、光軸ＡＸから最も遠い輪帯状部Ｒ２０の焦点距離ＦＬ２０で除した比が１．３よりも大きいことが望ましい。これにより、液晶層２０９近傍において、光線の分布密度をさらに略均一にできる。加えて、さらに高コントラストな画像を得ることができる。

なお、本実施例のマイクロレンズ素子６０３は、３つの輪帯状部Ｒ１０、Ｒ１５、Ｒ２０で構成されている。しかしながら、これに限られず、４つ以上の輪帯状部から構成されていても良い。

（製造方法）
次に、上記各実施例に係るマイクロレンズ素子の３つの異なる製造方法を説明する。第１の製造方法は、グレースケールリソグラフィ法を用いる。実施例１で述べた４つの非球面サブレンズＡＳＰ１、ＡＳＰ２、ＡＳＰ３、ＡＳＰ４からなるマイクロレンズ素子２０３を製造する場合を例に説明する。図８−１は、グレースケールマスク８００のグレーレベルの例を示す。グレースケールマスク８００は、面積階調マスクや感光性硝子を用いる階調に応じた濃淡パターンを有するマスクである。

図８−２に示すように、硝子基板や合成石英基板からなるマイクロレンズアレイ基板２０２上にスピンコート法やスプレーコート法によりレジスト層８０１を積層する。そして、グレースケールマスク８００を用いて、フォトリソグラフィ技術により、レジスト膜に所望のマイクロレンズ素子の形状パターンを形成する。その後、例えばＣ₄Ｆ₈のようなフッ素系ガスを用いてドライエッチングを行う。これにより、図８−３に示すように、マイクロレンズアレイ基板２０２に形状パターンが形成される。次に、図８−４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を介して固着する。 マイクロレンズアレイ基板２０２との間で所定の屈折率差を生じる材料を用いる。その後、従来知られている手順により、ブラックマトリックス２０５、ＩＴＯ膜からなる透明電極２０７等を順次形成する。これにより、複数のマイクロレンズ素子２０３からなるマイクロレンズアレイを有する液晶パネル１２０Ｒを製造できる。

次に、第２の製造方法について説明する。実施例１で述べた４つの非球面サブレンズＡＳＰ１、ＡＳＰ２、ＡＳＰ３、ＡＳＰ４からなるマイクロレンズ素子２０３を製造する場合を例に説明する。図９−１に示すように、例えば、硝子基板からなるマイクロレンズアレイ基板２０２上にＨＴＯ膜９０１を形成する。ＨＴＯ膜９０１は、硝子よりもエッチングレートが速い材料で構成される。ＨＴＯ膜９０１上には、Ｃｒマスク９０２が形成される。Ｃｒマスク９０２には、図４で示した頂点曲率半径Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４の位置に対応して、４つの開口部９０２ａがフォトリソグラフィ工程でパターニングされている。そして、図９−２に示すように、フッ酸溶液でウエットエッチングを行うと、開口部９０２ａを中心としてエッチングが進行する。このとき、ＨＴＯ膜９０１はマイクロレンズアレイ基板２０２よりもエッチング進行速度が速い。エッチングがさらに進行すると、図９−３、９−４に示すように隣接する開口部９０２ａに対応するエッチング領域どうしが重複するようになる。そして、図９−５に示す正面図のように、４つの非球面サブレンズＡＳＰ１、ＡＳＰ２、ＡＳＰ３、ＡＳＰ４を形成できる。その後、従来知られている手順により、ブラックマトリックス２０５、ＩＴＯ膜からなる透明電極２０７等を順次形成する。これにより、複数のマイクロレンズ素子２０３からなるマイクロレンズアレイを有する液晶パネル１２０Ｒを製造できる。

次に、第３の製造方法について説明する。実施例２で述べたマイクロレンズ素子６０３を製造する場合を例に説明する。図１０−１に示すように、例えば、硝子基板からなるマイクロレンズアレイ基板２０２上に第１のＣｒマスク１０００を形成する。第１のＣｒマスク１０００には、第１の開口部１０００ａがフォトリソグラフィ工程でパターニングされている。そして、図１０−２に示すように、フッ酸溶液でウエットエッチングを行うと、第１の開口部１０００ａを中心としてエッチングが進行する。この結果、球面状の第１のレンズ形状１００１が形成される。次に、第１のＣｒマスク１０００をマイクロレンズアレイ基板２０２から剥離する。そして、第２のＣｒマスク１１００を形成する。ここで、スプレーコート法により不図示のレジスト層を形成する。図１０−３に示すように、パタニ−ングを行い、第１の開口部１０００ａよりも大きな第２の開口部１１００ａを形成する。再度、フッ酸溶液でエッチングを行う。この結果、図１０−４で示すような、非球面である第２のレンズ形状１００２が形成される。そして、図１０−５に示すように、第２のＣｒマスク１１００を剥離する。その後、従来知られている手順により、ブラックマトリックス２０５、ＩＴＯ膜からなる透明電極２０７等を順次形成する。これにより、複数のマイクロレンズ素子６０３からなるマイクロレンズアレイを有する液晶パネル６２０Ｒを製造できる。

以上のように、本発明に係る空間光変調装置は、液晶型の空間光変調装置に有用である。

実施例１に係るプロジェクタの概略構成を示す図。 実施例１の液晶パネルの斜視構成を示す図。 実施例１の液晶パネルの断面構成を示す図。 実施例１の液晶パネルの正面構成を示す図。 開口領域内の輝度分布を示す図。 実施例２の液晶パネルの断面構成を示す図。 実施例２の液晶パネルの正面構成を示す図。 グレースケールマスクの構成を示す図。 マイクロレンズ素子の製造手順を示す図。 マイクロレンズ素子の製造手順を示す他の図。 マイクロレンズ素子の製造手順を示すさらに他の図。 マイクロレンズ素子の他の製造手順を示す図。 マイクロレンズ素子の他の製造手順を示す他の図。 マイクロレンズ素子の他の製造手順を示すさらに他の図。 マイクロレンズ素子の他の製造手順を示す別の図。 マイクロレンズ素子の他の製造手順を示すさらに別の図。 他のマイクロレンズ素子の製造手順を示す図。 他のマイクロレンズ素子の製造手順を示す他の図。 他のマイクロレンズ素子の製造手順を示すさらに他の図。 他のマイクロレンズ素子の製造手順を示す別の図。 他のマイクロレンズ素子の製造手順を示すさらに別の図。

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 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、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、１２３Ｂ 位相差板、１２４Ｒ、１２４Ｂ ガラス板、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、６０３ マイクロレンズ素子、６２０Ｒ 液晶パネル、８００ グレースケールマスク、８０１ レジスト層、９０１ ＨＴＯ膜、９０２ Ｃｒマスク、９０２ａ 開口部、１０００ 第１のＣｒマスク、１０００ａ 第１の開口部、１００１ 第１のレンズ形状、１００２ 第２のレンズ形状、１１００ 第２のＣｒマスク、１１００ａ 第２の開口部、ＡＰ 開口領域、ＡＳＰ１、ＡＳＰ２、ＡＳＰ３、ＡＳＰ４ 非球面サブレンズ、ＡＸ 光軸、ｆ１、ｆ１０、ｆ２、ｆ２０ 焦点位置、ＦＬ１０、ＦＬ２０ 焦点距離、Ｒ０ 凹面レンズ、Ｒ１、Ｒ１０、Ｒ２、Ｒ２０、Ｒ１５ 輪帯状部、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４ 頂点曲率半径

Claims (5)

1. 複数の画素開口部を有し、光を画像信号に応じて変調して射出する変調部と、
   前記変調部の入射側に前記画素開口部に対応して設けられ、入射する光を前記画素開口部を通過させるように集光するレンズ部とを有し、
   前記レンズ部は光軸を中心とする複数の略輪帯状部ごとに異なる複数の焦点位置を有し、
   前記複数の輪帯状部のうち何れか一の輪帯状部の前記焦点位置は、前記一の輪帯状部を基準として前記光軸に近い側の前記輪帯状部の前記焦点位置よりも前記レンズ部に近い位置であり、
   前記複数の焦点位置は、何れの前記焦点位置も前記変調部よりも射出側に位置することを特徴とする空間光変調装置。
2. 前記レンズ部は、複数の頂点曲率半径を有する非球面レンズであ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. 前記光軸に最も近い前記略輪帯状部の焦点距離を、前記光軸から最も遠い前記略輪帯状部の焦点距離で除した比が１．１よりも大きい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. 前記レンズ部により前記画素開口部を通過する光の、前記画素開口部の領域内における光量の標準偏差は０．１未満であ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空間光変調装置。
5. 光を供給する光源と、
   請求項１〜４のいず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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