JP2006023732A - 微小光学素子、この微小光学素子を用いた空間光変調装置及びプロジェクタ装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 曲面形状により入射光に対して集光機能を有する複数の微小な光学素子3を周期的に配列してなり、前記各光学素子3の曲面形状3bの一部に前記入射光に対して実質的な平坦部3aを有する微小光学素子3であることを特徴と特徴とする。
【選択図】 図1
Description
空間光変調装置は、開口部あるいは反射部を備えた空間光変調素子が複数組み合わされて構成されており、空間光変調素子の開口部あるいは反射部に入射した光を透過または反射させることにより入射光を変調するようになっている。
液晶プロジェクタ装置においては、明るい場所においても明確に投射画像を見れることが望まれており、このための構成として、マイクロレンズアレイを、透過型液晶光変調装置の画素アレイに対向させることにより開口率および光利用率を向上させるようにした構成が提案されている(例えば、非特許文献1)。
これらは、液晶がSi基板上にあることから、LCoS(Liquid Crystal on Si)とも呼ばれる。
コントラスト比は、明状態の画像と暗状態の画像とを表示させたときの強度の比(明状態/暗状態)によって表される。この明状態と暗状態との切り替えは液晶のスイッチング機能による。
コントラスト比は、その値が高い方が性能がよく、高コントラスト比の反射型空間光変調装置を用いたプロジェクタ装置が市場で望まれている。
これに対して反射型空間光変調装置にマイクロレンズアレイを配置させた場合、直線偏光が往路復路において2回マイクロレンズを透過することになる。すなわち透過型と比較して2倍という関係で偏光状態の変化が起り得る。このことからすると、コントラスト比の観点からは透過型空間光変調素子が有利といえる。
プロジェクタ装置において、超高圧水銀ランプ等の白色光源から出射された無偏光の光は、偏光変換光学系によりP偏光とS偏光との2つの直線偏光に分離される。
この分離された直線偏光の光が、その偏光状態を損わずにプロジェクタ装置内の光学系を行き交い、投射レンズを経てスクリーンに投射されれば、高コントラスト比が期待できることが知られている(このような偏光状態の変化に関しては、例えば、非特許文献3)。
これは入射角が大きい場合に顕著となる。また、液晶反射型空間光変調装置を用いた液晶プロジェクタ装置の光学系においては、液晶反射型空間光変調装置の前方に偏光ビームスプリッタが設置されるため、偏光状態の変化が生じると、偏光状態(P偏光とS偏光)によるビームの分離が厳密に行われず、暗状態においても、光がスクリーンに到達し、コントラスト比が低減する問題が生じる。
反射型液晶空間光変調装置は透過型液晶空間光変調装置よりも画素サイズの小型化に関しては有利であるが、その画素サイズの小型化は、そのときの半導体プロセスの制約を受ける。そこで、このような半導体プロセスに制約を受けないで画素サイズの小型化を実現することが課題として挙げられることになる。
本発明の第一の実施の形態を図1に基づいて説明する。
図1は、本実施の形態の一つとしての微小光学素子であるマイクロレンズアレイ1の構成例を示す模式的な断面図である。
本実施の形態でのマイクロレンズアレイ1は、ガラス、透明樹脂等の透光性のアレイ基板2と一体に形成されて、凸状の曲面形状により入射光に対して集光機能を有する複数の微小な光学素子であるマイクロレンズ3を周期的に配列させたものである。ここに、本実施の形態でのマイクロレンズアレイ1は、個々のマイクロレンズ3に関して、図1中に仮想線で示すような球面状の従来形状に対して、当該曲面形状の頂部を含む一部に実質的な平坦部3aを持たせ、中央の平坦部3aとその周囲の曲面部3bとにより構成した点を特徴とする。つまり、平坦部3aは入射光に対して平面をなす構成とされている。
従って、個々のマイクロレンズ3が入射光に対して実質的な平面をなす平坦部3aを有するので、偏光状態の変化の低減に寄与する。もっとも、全てが完全に平坦部による平面構成の場合、偏光状態の変化は少なく、問題ないが、マイクロレンズ3による本来の集光作用が期待できず、光利用効率、開口率の向上、また、画質の向上、さらには、後述するような画素サイズの縮小の効果が望めない。
この点、平坦部3aの周囲の曲面部3bによりマイクロレンズ3による集光機能が確保される。
研磨手法としてCMPを用いれば量産にも対応でき、低コスト化も図れる。また、表面粗さを抑え、光学的に問題のないレベルに仕上げることが可能となる。
本発明の第二の実施の形態を図2に基づいて説明する。
図2は本実施の形態の微小光学素子であるマイクロミラーアレイ(微小凹面鏡アレイ)11の構成例を示す模式的な断面図である。
本実施の形態のマイクロミラーアレイ11は、例えばSiO2等の誘電体基板12上に凹状の曲面形状により入射光に対して集光機能を有する複数の微小な光学素子であるマイクロミラー13を周期的に配列させ、これらのマイクロミラー13の表面上にAlなどの金属箔膜を蒸着することでミラー構成としたものである。
ここに、本実施の形態のマイクロミラーアレイ11は、個々のマイクロミラー13に関して、図2中に仮想線で示すような球面状の従来形状に対して、当該曲面形状の底部を含む一部に平坦部13aを持たせ、中央の平坦部13aとその周囲の曲面部13bとにより構成した点を特徴とする。すなわち、平坦部13aは入射光に対して平面をなす構成とされている。
このため、入射角が一定でも光の入射する面が曲面であれば偏光主軸の回転は大きくなる。これに対して平面であれば、これを小さくすることができる。
従って、個々のマイクロミラー13が入射光に対して平面をなす平坦部13aを有するので、偏光状態の変化の低減に寄与する。もっとも、全てが完全に平坦部による平面構成の場合、偏光状態の変化は小さく、問題ないが、マイクロミラー13による本来の集光作用が期待できず、光利用効率、開口率の向上、また、画質の向上、さらには、後述するような画素サイズの縮小の効果が望めない。
この点、平坦部13aの周囲の曲面部13bによりマイクロミラー13による集光機能が確保される。
本発明の第三の実施の形態を図3に基づいて説明する。
図3は本実施の形態の微小光学素子であるマイクロレンズアレイ21の構成例を示す模式的な断面図である。本実施の形態のマイクロレンズアレイ21は、第一の実施の形態に示したマイクロレンズアレイ1の構成をベースとし、その平坦部3aを含む凸状の曲面形状(マイクロレンズ3)が存在する面側に、当該マイクロレンズ3とは異なる材料からなる接着層22を介して表面が平坦な平坦層23を備えることで、両面が平坦な構成としたものである。ここに、平坦層23は透光性を有する部材、例えばガラスがカバーガラスとして用いられている。
本発明の第四の実施の形態を図4に基づいて説明する。図4は本実施の形態の微小光学素子であるマイクロミラーアレイ31の構成例を示す模式的な断面図である。本実施の形態のマイクロミラーアレイ31は、第二の実施の形態に示したマイクロミラーアレイ11の構成をベースとし、その凹状の曲面形状(マイクロミラー13)が存在する面側に、透光性の部材を充填しその表面を平坦化させた平坦層32を設けたものである。ここに、平坦層32の充填は、薄膜作製手法であるスパッタリング等により行われる。また、平坦層32の材質としては、SiO2、MgOなどの低屈折率のものからZrO2、ZnO等の高屈折率のものまで、蒸着できるものであれば使用可能である。このとき、凹状の曲面形状は転写され、部材を充填した後でも窪みが残る。これは、後に化学的機械的研磨(CMP)により平坦化すればよい。
本発明の第五の実施の形態を図5に基づいて説明する。図5は本実施の形態の画像表示用の空間光変調装置である反射型液晶空間光変調装置41の構成例を示す模式的な断面図である。
この反射型液晶空間光変調装置41は、例えば第三の実施の形態で説明したような平坦層23を有するマイクロレンズアレイ21を用いた点を特長とするものである。このマイクロレンズアレイ21はSi基板42上に設けられた画素電極43を有する液晶層44上に積層させる形で設けられている。
この際、マイクロレンズアレイ21はその個々のマイクロレンズ3が画素電極65の各々に対応するように位置合わせさせて配置されている。また、画素電極43やマイクロレンズ3は実際には、例えばXGA規格に従い、1024×768ドットの2次元配列として多数設けられている。
本発明の第六の実施の形態を図6に基づいて説明する。図6は本実施の形態の画像表示用の空間光変調装置である反射型液晶空間光変調装置51の構成例を示す模式的な断面図である。この反射型液晶空間光変調装置51は、例えば第四の実施の形態で説明したような平坦層32を有するマイクロミラーアレイ31を用いた点を特長とするものである。このマイクロミラーアレイ31は液晶駆動用のトランジスタ等の電気回路部品52が組み込まれたSi基板53上に積層させる形で設けられ、かつ、その平坦層32上には一対の透明電極54a、54bにより挟まれた液晶層55及び表層のカバーガラス56が積層させる形で設けられている。電気回路部52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)500a及び保持容量500bからなる。
また、金属等の導電性の遮光層501が設けられており、これはマイクロミラーアレイ31間の隙間504から入る光が、電気回路部52に届かないよう遮光するものである。また、電気回路部52と遮光層501との間には誘電体層503が設けられている。電気回路部52と透明電極54aとは、スルーホール502により導電性の遮光層501を介して電気的に接続されている。
図7(A)にマイクロレンズの断面図を示す。ここで曲率半径をr、マイクロレンズの有効幅を2dとして、サグsを求めてみる。
2d=14μmとして、rを幾つか変えた時のsを表1に示す。
また図7(A)では、rとマイクロレンズの全長が一致するように描いてあるが、これに限られるものではない。
マイクロミラーの場合も同様であるが、マイクロレンズの凸形状をマイクロミラーの凹形状に置き換える(図7(B))。
コントラスト比を求める光線追跡計算においては、図8に示すような液晶プロジェクタ装置の光学系のモデルを用いた。
同図において符号61は光源、62はリニアポーラライザ、63は偏光ビームスプリッタ、64はリターダ板、65は反射面(画素電極)、66は検光子、67はスクリーン(受光器)であり、カバーガラス23が接着層22を介して設けられたマイクロレンズアレイ21はリターダ板64と反射面(画素電極)65との間に位置させ、かつ、反射面(画素電極)65の各画素電極にマイクロレンズ3を位置合わせさせて配置されている(反射型液晶空間光変調装置41を構成している)。また、68は開口である。
これにより、光源61からの光は開口68により制限されつつリニアポーラライザ62により直線偏光成分に分離され、その偏光方向に従い偏光ビームスプリッタ63でマイクロレンズアレイ21及び反射面(画素電極)65側に偏向反射され、画像データに従い制御される反射面(画素電極)65の状態に応じて明暗を伴う光となって再び偏光ビームスプリッタ63側に入射しその偏光分離面を透過し検光子66を介してスクリーン(受光器)67上に投影される。ここでは、リターダ板64を回転させることにより、明状態と暗状態とをモデル化した。この比をとりコントラスト比とした。光源61としては配向分布をもたせている。
横軸が面積比であり、縦軸はコントラスト比である。グラフから、平坦部3aの面積が増えるに従い、コントラスト比が向上していくことが分かる。
また、この向上の仕方は、面積比が0.8程度までは比較的緩やかであり、面積比0.8を超えるあたりから急激にコントラスト比が向上することが分かる。 これはマイクロレンズ3周辺部での偏光主軸の回転が大きいためと考えられる。
次に、スクリーン67上に投射した反射型液晶空間光変調装置41の画素の投射像の評価に関する光線追跡計算を行った。その光学系のモデルを図10に示す。
上記と同じ接着層22を介してカバーガラス23のあるマイクロレンズアレイ21に対して投射レンズ71、スクリーン(受光器)67とが存在する。
投射レンズ71のMTF(Modulation Transfer Function)は50%である。光源はマイクロレンズアレイ21の中にあるものとモデル上では設定してある。
横軸(x、y)に投射像の空間的な広がり(任意)、縦軸に照度(或は強度、任意)をとってある。図11は面積比が0.17のときの結果である。
ここでは、この投射された画素の照度プロファイルを単に「投射画素プロファイル」と呼ぶことにする。これを1軸方向で抜き出し、片側だけをプロット下結果は図12に示すグラフのようになる。
図12では、5つの面積比(0.0、0.17、0.34、0.64、0.92)で求めた投射画素プロファイルを図示してある。
面積比が0.34までは、投射画素プロファイルはほとんど変化していない。これはマイクロレンズ3の中心付近が、それほど、集光作用には影響を与えていないためである。しかしながら、0.64、0.92となるにつれて投射画素プロファイルの幅が広がっていくことが分かる。これは、平坦部3aが増えるに従い、レンズの集光作用が無くなっていくためである。
本実施例の結果と同様なプロジェクタ装置の画素の投射像の評価が文献に紹介されている(遠藤貴雄他、第28回光学シンポジウム(光学技術・学術講演会)講演予稿集、21−22ページ、2003年、発行:応用物理学会分科会 日本光学会)。この文献では、主として1画素の投射像に関する、実験による結果が紹介されている。述べられている結果に関して、1画素としたのは、隣接画素(対角方向)の像が存在すると、強度において、画素のプロファイルの特に裾野が重なり、1画素の評価が正確にできないためとの旨の記述がある。このときの裾野の重なりというのは、最大強度を100%と規格化して、25%とされている。ここでのライトバルブ(空間光変調装置)の画素は1辺13.7μmの正方画素である。また、この裾野広がりは、プロジェクタ装置の光学系により生じ、画質の劣化を表す。この値が大きくなるほど、隣接画素同士の区別が明確でなくなり、所謂CTF(Contrast Transfer Function)が小さい画像となる。
図13は面積比が0.64のときの等高線図である。このときの裾野の重なり(図13中の符号3の81のところ)は、15%であった。また、面積比0.0、0.17、0.34、0.92で、裾野の重なりは各々15%、19%、17%、39%であった。面積比0.92の結果を除いては、上記の例の25%を下回っており、隣接する画素の分離がより明確であり、画質として良いという結果である。
本発明の第七の実施の形態について図14に基づき説明する。
ここではF値が2つの場合を例に説明するが、3つ以上であっても同様である。
図14(A)は光軸に垂直な方向から、図14(B)は光軸からみた遮光部の図である。
マイクロレンズの屈折率はn1である。それに隣接し、光入射側の部材の屈折率がn0である。これは空気であってもよい。
マイクロレンズのサイズはDであり、単独の場合、これはマイクロレンズのサイズであるが、マイクロレンズアレイの場合はピッチである。またマイクロレンズの光軸上の長さをLとする。
また、マイクロレンズは遮光部を有する。これはブラックマトリクスである。
遮光部側には、図示しないが、空間光変調素子の液晶層が設けられている。
マイクロレンズのピッチDに対して、遮光部の開口のサイズがAであり、開口率はA2/D2で定義される。
r1、n0及びn1を用いて、マイクロレンズのdの部分の焦点距離f1は、f1=(n0/(n1−n0))×r1であり、またr2、n0及びn1を用いて、マイクロレンズのD/2−dの部分の焦点距離f2は、f2=(n0/(n1−n0))×r2である。
これらから、前記二つのF値はdの部分でF1=f1/2Dであり、D/2−dの部分で、F2=f2/2Dであり、二つの異なるF値を有する。
また、位置P1は、r1のレンズの端部であり、位置P2、はr2のレンズの端部である。
入射光は照明角を有し、それをθとする。真中の光線は光軸に平行な光である。位置P1はdにより変化し、P2はマイクロレンズの端であり、変化しない。
P1、P2に照明角θの光が入射した場合、それぞれの部材の曲率半径と屈折率とに応じた角度で光は屈折される。
パラメータが適切であれば、図示したように、これら屈折された光は、遮光部で遮光されることなくマイクロレンズを出射し液晶層に入射する。
しかし、パラメータによっては、光は遮光部で遮光され、光利用効率が低下する。
最終的に、マイクロレンズ端部での光線が到達する座標(x、y)を求めた。光軸から(x、y)までの長さが、開口のサイズ以下であれば、光線は遮光されずにマイクロレンズを出射する。またマイクロレンズ出射時の照明角θ’も求めた。
遮光されずにマイクロレンズを透過した光も、後続の光学系により光路が遮断される場合がある。
これは、マイクロレンズの光出射側に投射レンズを設置した場合(図示せず)、この投射レンズのF値に対してθ’が小さければ、光はさらに後続のスクリーンに到達するが、逆の場合、光は投射レンズでケラれる。
図15に示したように6本の光線に関して光線追跡を行い、何本光線が通過するかでパラメータ(最終的にはF値)を評価した。だだし、マイクロレンズの光軸からみて、対角線方向で光線を飛ばした。これは、対角線方向が最も長いためである。開口率は86%である。投射レンズのF値は2とした。その結果を表2に示す。
F1の上限に関しては、完全な平面であってもよく、設けていない。
また通過光線本数は光利用効率に相当し、すなわち、67%以上である。これは集光機能も考慮されている。
つまり、曲率半径が大きくなるにつれてコントラスト比が向上することを表したものである。自然対数lnを用いて近似できる。
コントラスト比=a×ln(r)+bと表され、a、bは光学系に依存する係数である。図16の例では、a=830、b=−1040であった。ここでrをF値としても同様である。
この両コントラスト比の間のどこになるかはF1とF2有効な領域の面積比による。つまり、F1が有効な面積S1=d2Π、Πは円周率とF2が有効な面積S2=D2−S1との比である。 またこれらをマイクロレンズ全面積の比で表すと、 S’1=S1/D2、S’2=S2/D2
であり、異なる二つのF値を有するマイクロレンズのコントラスト比(CR:Contrast Ratio)は
CR(F1)×S’1+CR(F2)×S’2である。
このようにすれば光学系の値によらず比較できる。またr1の時のコントラスト比及びr2の時のコントラスト比を併せて示す。
r1とr2のコントラスト比がr1とr2とのコントラスト比の間の値であることが分る。
光利用効率、集光性能、コントラスト比ともに良好であることが分る。
3 光学素子
3a 平坦部
11 微小光学素子
13 光学素子
13a 平坦部
21 微小光学素子
22 異なる部材
23 平坦層
31 微小光学素子
32 平坦層
41 空間光変調装置
51 空間光変調装置
r1,r2 微小光学素子における光入射側の面に設定される半径
Claims (11)
- 曲面形状により入射光に対して集光機能を有する複数の微小な光学素子を周期的に配列してなり、前記各光学素子の曲面形状の一部に前記入射光に対して実質的な平坦部を有することを特徴とする微小光学素子。
- 請求項1記載の微小光学素子において、
前記各光学素子が、凸状の曲面形状の一部に前記実質的な平坦部を有する透過型のレンズ素子であることを特徴とする微小光学素子。 - 請求項1記載の微小光学素子において、
前記各光学素子が、凹状の曲面形状の一部に前記実質的な平坦部を有する反射型のミラー素子であることを特徴とする請求項1記載の微小光学素子。 - 請求項2記載の微小光学素子において、
前記実質的な平坦部を含む前記凸形状の曲面形状が存在する面側には前記光学素子とは異なる部材を介して前記透光性の平坦層を有することを特徴とする微小光学素子。 - 前記凹状の曲面形状が存在する面側に充填されて表面が平坦化された透光性の平坦層を有することを特徴とする請求項3記載の微小光学素子。
- 請求項1,2,4記載の微小光学素子において、
該微小光学素子として用いられる透過型のレンズ素子は、二つ以上のF値を有することを特徴とする透過型のレンズ素子。 - 請求項6記載の微小光学素子において、
前記透過型のレンズ素子が有する二つのF値をそれぞれF1及びF2で表すと、
F1が3.4以上とされ、F2が2.3≦F2≦4.8であり、F1>F2の関係であることを特徴とする微小光学素子。 - 請求項1,2,4,6,7のうちの一つに記載の微小光学素子を用いて照明光を画像情報に基づき画素単位で空間光変調して画像光として出射する空間光変調装置であって、
個々の光学素子が前記画素単位の画素位置に位置合わせされていることを特徴とする空間光変調装置。 - 請求項1,3,5のうちの一つに記載の微小光学素子を用いて照明光を画像情報に基づき画素単位で空間光変調して画像光として出射する空間光変調装置であって、
個々の光学素子が前記画素単位の画素位置に位置合わせされていることを特徴とする空間光変調装置。 - 請求項8または9記載の空間光変調装置を用いるプロジェクタ装置であって、
前記空間光変調装置から出射される画像光をスクリーン上に投射する投影装置を備えていることを特徴とするプロジェクタ装置。 - 請求項10記載のプロジェクタ装置において、
前記空間光変調装置から出射する光束の光路をシフトさせる画素シフト装置を備えていることを特徴とするプロジェクタ装置。
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