JP4096346B2 - 光変調素子および画像投射表示装置 - Google Patents
光変調素子および画像投射表示装置 Download PDFInfo
- Publication number
- JP4096346B2 JP4096346B2 JP37298098A JP37298098A JP4096346B2 JP 4096346 B2 JP4096346 B2 JP 4096346B2 JP 37298098 A JP37298098 A JP 37298098A JP 37298098 A JP37298098 A JP 37298098A JP 4096346 B2 JP4096346 B2 JP 4096346B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- light
- liquid crystal
- incident
- microlens
- pixel
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Landscapes
- Liquid Crystal (AREA)
- Projection Apparatus (AREA)
- Transforming Electric Information Into Light Information (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、画像信号に応じて画素ごとに光を変調して画像表示を可能とする光変調素子およびこの変調光変調素子を用いた画像投射表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶素子等の光変調素子を用いた画像表示装置には、直視型表示装置のほかに、画像をスクリーンに投影して表示を行う液晶プロジェクタ等の画像投射表示装置がある。この画像投射表示装置は、カラー表示に用いられる３つの色光を光変調素子の各色に対応する画素に導き、ここで画像信号に応じた光変調を行ったのちスクリーン上に投影させてカラー画像の表示を行うものである。このような光変調素子として液晶表示素子（以下、液晶パネルという。）を用いた画像投射表示装置は、赤（Red ＝Ｒ），緑（Green ＝Ｇ），青（Blue＝Ｂ）の３色の色分離手段を備えた液晶パネルを１枚用いて構成した単板方式と、色分離手段を備えていない液晶パネルをＲ，Ｇ，Ｂの各色光路ごとにそれぞれ配置し全体で３枚の液晶パネルを用いて構成した３板方式とに大別される。また、このような画像投射表示装置の使用形態としては、スクリーンの裏面から画像を投射するリア式と、スクリーンの前面から画像を投射するフロント式とがある。
【０００３】
一般的に、液晶パネルは、規則的に２次元配置された画素電極が形成された画素基板と、この画素基板と対向するようにして配置された対向基板と、画素基板と対向基板との間を満たすように配置された液晶層とを含んで構成されるものである。
【０００４】
近年では、このような液晶パネルを用いた画像投射表示装置の高輝度、高画質化が進んでいる。例えば、フロント式の画像投射表示装置においては、その表示規格がＶＧＡ（Video Graphics Array）からＳＶＧＡ（Super VGA）、更にはＸＧＡ（Extended Graphics Array）からＳＸＧＡ（Super XGA）等と高解像度化している。また、リア式の画像投射表示装置としてリア式プロジェクションＴＶ（テレビジョン）においては、ＮＴＳＣまたはＰＡＬ方式等からデータ表示可能化(Multi-Scan)、更には、ＨＤＴＶ（高品位テレビジョン）からＨＤ対応デジタルＴＶ対応化と高画素数化、高解像度化が必至となっている。また更に、近年では、このような高画素数化および高解像度化の要求の他に液晶パネルの小型化の要求も伴っていることが多い。
【０００５】
上述のような画素密度の向上や高輝度化の要求に応えるために、近年では、対向基板にマイクロレンズアレイを設置した液晶パネルが盛んに開発されている。マイクロレンズアレイは、複数のマイクロレンズからなるものである。個々のマイクロレンズは、１つまたは複数の画素に対応して設けられ、液晶パネルに入射した光を対応する画素に集光させるようなっている。このマイクロレンズは、集光性能の極大化を達成するために数１０μｍの大きさの画素部に集光させる必要があり、対向基板内に内蔵されているものが多い。
【０００６】
図１４は、マイクロレンズを用いた従来の液晶パネルの一構成例を示す断面図である。なお、以下の説明で、前面側とは光の入射面側をいい、後面側とは光の出射面側をいうものとする。この図に示した液晶パネルは、画素基板１１０と、この画素基板１１０の前面側（入射光１００の入射面側）に所定距離を隔てて対向配設された対向基板１２０と、画素基板１１０と対向基板１２０とによって挟まれた液晶層１３０とを備えている。液晶層１３０には、シール部１４０によって画素基板１１０と対向基板１２０との間に液晶が封止されている。
【０００７】
画素基板１１０は、ガラス基板１１１と、このガラス基板１１１の前面側に液晶層１３０と接するようにして規則的に（周期的に）配置された多数の画素電極部１１３と、これらの各画素電極部１１３に対して画像信号電圧をそれぞれ印加するためのスイッチング素子や配線等が形成されたブラックマトリクス部１１２とを備えている。ここで、スイッチング素子としては、例えば、薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor；以下、ＴＦＴという）が使用される。このブラックマトリクス部１１２は、図示しない金属膜等で遮光され、光照射によってＴＦＴが誤動作しないようになっている。各画素電極部１１３は、例えば、単板方式用の液晶パネルの場合には、それぞれがＢ，Ｒ，Ｇのいずれかの色光用に割り当てられている。
【０００８】
対向基板１２０は、画素電極部１１３に対向配設された対向電極１２５と、一方の面側が対向電極１２５に接着されたカバーガラス１２１と、このカバーガラス１２１の他方の面側に形成された複数のマイクロレンズ１２２と、このマイクロレンズ１２２の凸面側に透明な樹脂層１２３を介して配置されたガラス基板１２４とを備えている。マイクロレンズ１２２は、例えば、対向基板１２０の一部をウェットエッチングまたはドライエッチング等によりレンズ形成されたものである。樹脂層１２３は、マイクロレンズ１２２をエッチング等によりレンズ形成した後、屈折率の異なる樹脂（例えば、レジスト、アクリル系樹脂、シリコン系樹脂またはフッ素系樹脂等）を充填することにより形成された層である。これら複数のマイクロレンズ１２２および樹脂層１２３によりマイクロレンズアレイが形成される。
【０００９】
図１５は、マイクロレンズを用いた従来の液晶パネルの他の構成例を示す断面図である。なお、この図で、図１４に示した液晶パネルと同一構成要素には同一符号を付し、説明を省略するものとする。この図に示した液晶パネルは、画素基板２１０と、この画素基板２１０の前面側（入射光１００の入射面側）に所定距離を隔てて対向配設された対向基板２２０と、画素基板２１０と対向基板２２０とによって挟まれた液晶層１３０とを備えている。
【００１０】
画素基板２１０には、各画素電極部１１３に対して画像信号電圧をそれぞれ印加するためのスイッチング素子や配線等からなるトランジスタ部２１２を備えている。対向基板２２０は、カバーガラス２２１を備えている。カバーガラス２２１には、液晶層１３０側にブラックマトリクス部２１３が内蔵されている。ブラックマトリクス部２１３は、光を遮断するための金属膜等からなものであり、トランジスタ部２１２に対応するようにして設けられている。また、対向基板２２０において、ガラス基板１２４とカバーガラス２２１との間には、マイクロレンズ２２２が複数配置されている。このマイクロレンズ２２２は、樹脂層１２３とは異なる屈折率の少なくとも一つの樹脂を用いて形成されたものである。これら複数のマイクロレンズ２２２および樹脂層１２３によりマイクロレンズアレイが形成される。
【００１１】
これらの図に示した液晶パネルは、マイクロレンズアレイが内蔵された対向基板と画素基板とを、有効画素を除いた部分で接着樹脂（紫外線硬化型樹脂、熱硬化型樹脂またはエポキシ樹脂等）によってギャップ調整（液晶層の厚さの調整）をしながらシールし、その中に液晶を封止することによって製造される。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、通常、液晶パネルにおいて、液晶を封止するためのシール部には、たとえ紫外線硬化型樹脂であっても、硬化を完全にするために熱が加えられる。また、液晶パネルのその他の製造工程でも、１００〜２００℃くらいまで加熱されることが多い。このように製造に伴って液晶パネルが加熱されると、液晶層のギャップ厚が面内で不均一になり易いという問題点がある。
【００１３】
ここで、例えば、３板方式の画像投射表示装置の場合には、３枚の液晶パネルのうち１枚でもギャップむら（液晶層の厚さの不均一性）があると、各色光の合成後の表示画像に輝度むらが生じてこれが色むらとして表れてしまうという問題点がある。また、単板方式の画像投射表示装置の場合には、表示画像に輝度むらが生じてしまうという問題点がある。このように、液晶パネルにおけるギャップむらは、液晶透過率のむらとなってあらわれ、液晶プロジェクター等に応用した場合には、輝度むらや色むらになって、画質劣化に結びつく。このため、液晶パネルではギャップ厚の均一性が保たれていることが望ましい。
【００１４】
なお、上述したギャップ厚の不均一性の発生は、対向基板の内部に樹脂等の異物質を内蔵したことによる熱膨張率や弾性率の変化によって生ずると考えられる。従って、通常の液晶パネルの組立て時に生ずる昇温や降温時の熱ストレスがギャップ厚の不均一性の発生の起因となっていると思われる。よって、このギャップ厚の不均一性の問題に対する対策としては、マイクロレンズアレイにおける樹脂層をできるだけ薄くして、熱ストレスの影響を低減させることが望ましい。
【００１５】
ところで、特開昭６２−９４８２６号（特許番号第２７５４５２９号）公報には、一対の基板間に液晶を挟持すると共に、マトリクス状の画素を有した液晶装置において、一対の基板のうちの光入射側の基板の液晶側の面に、マトリクス状の画素の各画素部分に対してそれぞれ光入射側の基板を透過して入射する入射光を集光するマイクロレンズをマトリクス状に設けたことを特徴とする液晶装置についての発明が記載されている。この液晶装置では、液晶層内にマイクロレンズの凸面が形成されている。しかしながら、通常、マイクロレンズの凸面の実効深さは１０数μｍにもなるので、凸面を液晶層内に形成すると、ギャップ厚を制御することが難しくなり、実際に実用的な液晶パネルを製造することは難しいという問題点がある。従って、この発明による液晶パネルは、現実的な装置とは言い難い。
【００１６】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、ギャップ厚の制御をし易くすると共に、高品質な画像表示を行うことを可能とする光変調素子および画像投射表示装置を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明による光変調素子は、カラーフィルタを用いない透過型の光変調素子であって、少なくとも一つの色光の各々に対応付けられて２次元的に配列された複数の画素電極を有する画素基板と、画素基板に対向するように配置され、所定の角度分布を有する光が入射する対向基板と、画素基板と対向基板との間に配置され、画素電極に印加される画像信号に応じて、入射した色光を変調する光変調手段とを備えている。対向基板は、光の入射側に配置されたガラス基板と、光変調手段側に配置された対向電極と、ガラス基板と対向電極との間に配置された複数のマイクロレンズとを有している。複数のマイクロレンズは、１つの画素電極または複数の色光に対応付けられた一群の画素電極毎に対向配置されると共に、各々が曲率の異なる複数のレンズ面または分割された複数のレンズ面を有すると共に各々の中央部が平坦化され、かつ、各マイクロレンズが、対向基板に入射する光の角度分布に応じた設計とされ、対向基板に所定の角度分布を持って入射した光のうち少なくとも各マイクロレンズの平坦部に入射した光がすべて、対応する画素電極に入射するように構成されている。
【００１８】
また、本発明による画像投射表示装置は、複数の色光を生成する色光生成手段と、カラーフィルタを用いない透過型の構成とされ色光生成手段からの各色光に対して画像信号に応じた光変調処理を行う少なくとも一つの光変調素子と、光変調素子で変調された各色光をスクリーン上に投射する投射手段とを備えた画像投射表示装置であって、光変調素子は、少なくとも一つの色光の各々に対応付けられて２次元的に配列された複数の画素電極を有する画素基板と、画素基板に対向するように配置され、所定の角度分布を有する光が入射する対向基板と、画素基板と対向基板との間に配置され、画素電極に印加される画像信号に応じて、入射した色光を変調する光変調手段とを備えている。複数のマイクロレンズは、１つの画素電極または複数の色光に対応付けられた一群の画素電極毎に対向配置されると共に、各々が曲率の異なる複数のレンズ面または分割された複数のレンズ面を有すると共に各々の中央部が平坦化され、かつ、各マイクロレンズが、対向基板に入射する光の角度分布に応じた設計とされ、対向基板に所定の角度分布を持って入射した光のうち少なくとも各マイクロレンズの平坦部に入射した光がすべて、対応する画素電極に入射するように構成されている。
【００１９】
本発明による光変調素子および画像投射表示装置では、入射した少なくとも一つの色光が、１つの画素電極または複数の色光に対応付けられた一群の画素電極毎に対向配置された複数のマイクロレンズによって、集光される。マイクロレンズに入射した色光は、光変調手段において、画素電極に印加される画像信号に応じて変調される。複数のマイクロレンズの各々は、曲率の異なる複数のレンズ面または分割された複数のレンズ面を有しており、レンズ全体の薄型化が図られている。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００２１】
［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る画像投射表示装置の光学系の概略構成を表すもので、装置を真上から見下ろした状態を示している。なお、この図では、煩雑さを避けるために、主たる光線の経路のみを描き、他を省略している。この画像投射表示装置は、モノクロの液晶パネルを３枚使用する３板方式の液晶プロジェクタとして構成されたものであり、白色光を発する光源２０１と、この光源２０１から発せられた白色光に含まれる紫外（ＵＶ）および赤外（ＩＲ）領域の光を除去するＵＶ／ＩＲカットフィルタ２０２と、このＵＶ／ＩＲカットフィルタ２０２を透過した光を拡散させて光の照度分布が均一化された平行光を出射するインテグレータ２０３と、このインテグレータ２０３から出射された平行光を集光して光源像を形成するリレーレンズ２０４と、このリレーレンズ２０４と共にテレセントリック光学系を形成してリレーレンズ２０４により集光された光を再び所定幅の平行光として出射するコリメータレンズ２０５とを備えている。
【００２２】
光源２０１は、発光体と、回転対称な凹面鏡とを含んで構成される。発光体としては、例えばメタルハライド系のランプが用いられる。凹面鏡としてはできるだけ集光効率のよい形状のものがよく、例えば回転楕円面鏡や回転放物面鏡等が用いられる。インテグレータ２０３は、光源２０１から出射した白色光を拡散させて後述する液晶パネル２１０における面内照度分布を均一化するためのものであり、例えば、多数のマイクロレンズを配列して形成した１対のレンズアレイ（フライアイレンズ）、またはグラスロッド等によって構成される。
【００２３】
本実施の形態に係る画像投射表示装置は、また、同一光路上に、所定間隔を空けて設けられ、コリメータレンズ２０５から出射された平行光を、それぞれ色表示の基本となるＲ，Ｇ，Ｂの３色の色光に選択的に分離するダイクロイックミラー２０Ｒ，２０６Ｇ，２０６Ｂと、ダイクロイックミラー２０６Ｒにより反射されたＲ色光を更に後述の液晶パネル２１０Ｒ側に反射する反射ミラー２０７と、ダイクロイックミラー２０６Ｂにより反射されたＢ色光を更に後述の液晶パネル２１０Ｂ側に反射する反射ミラー２０８とを備えている。
【００２４】
本実施の形態に係る画像投射表示装置は、更に、ダイクロイックミラー２０６Ｒ，２０６Ｇ，２０６Ｂにより分離されたＲ，Ｇ，Ｂの各色光を直線偏光させる入射側偏光板２０９Ｒ，２０９Ｇ，２０９Ｂと、これらの入射側偏光板２０９Ｒ，２０９Ｇ，２０９Ｂにより直線偏光された各色光を、それぞれ表示する画像に応じて空間的に変調するモノクロの液晶パネル２１０Ｒ，２１０Ｇ，２１０Ｂと、これらの液晶パネル２１０Ｒ，２１０Ｇ，２１０Ｂにより空間的に変調された光のうち所定の方向に偏光された光のみを透過させる出射側偏光板２１１Ｒ，２１１Ｇ，２１１Ｂと、これらの出射側偏光板２１１Ｒ，２１１Ｇ，２１１Ｂを透過した各色光を合成する色合成用ダイクロイックプリズム２１２と、この色合成用ダイクロイックプリズム２１２により合成された光をスクリーン１１１に投射する投射レンズ２１３とを備えている。
【００２５】
ここで、投射レンズ２１３が本発明における「投射手段」に対応する。
【００２６】
色合成用ダイクロイックプリズム２１２は立方体形状をしている。この色合成用ダイクロイックプリズム２１２は、それぞれＲ，Ｇ，Ｂの各色光が入射する３つの入射面２１２Ｒ，２１２Ｇ，２１２Ｂを有している。入射側偏光板２０９Ｒ，液晶パネル２１０Ｒおよび出射側偏光板２１１Ｒは、この色合成用ダイクロイックプリズム２１２の一つの入射面２１２Ｒに対向するように配置されている。また、入射側偏光板２０９Ｇ，液晶パネル２１０Ｇおよび出射側偏光板２１１Ｇは、ダイクロイックプリズム２１２における入射面２１２Ｒと直交する他の入射面２１２Ｇに対向するように配置されている。一方、入射側偏光板２０９Ｂ，液晶パネル２１０Ｂおよび出射側偏光板２１１Ｂは、色合成用ダイクロイックプリズム２１２における入射面２１２Ｒと平行な他の入射面２１２Ｂに対向するように配置されている。
【００２７】
液晶パネル２１０Ｒ，２１０Ｇ，２１０Ｂ（以下、これらを総称して液晶パネル２１０と記す。）は、カラーフィルタを用いない透過型のマイクロレンズ方式の液晶表示素子であり、入射した各色光に対して画像信号に応じた選択的な変調を行うようになっている。この液晶パネル２１０は、規則的に２次元配置された画素電極（本図では図示せず）が形成された画素基板（図示せず）と、この画素基板と対向するようにして配置された対向基板と（図示せず）、画素基板と対向基板との間を満たすように配置された液晶層（図示せず）とを含んで構成される。
【００２８】
ここで、液晶パネル２１０が本発明における「光変調素子」に対応する。
【００２９】
図２は、図１における液晶パネル２１０の一構成例である液晶パネル２１０ａの要部構造を示す断面図である。なお、以下の説明で、前面側とは光の入射面側をいい、後面側とは光の出射面側をいうものとする。この図に示した液晶パネル２１０ａは、画素基板１０と、この画素基板１０の前面側（入射光１の入射面側）に所定距離を隔てて対向配設された対向基板２０と、画素基板１０と対向基板２０とによって挟まれた液晶層３０とを備えている。液晶層３０には、シール部４０によって画素基板１０と対向基板２０との間に液晶が封止されている。
【００３０】
ここで、主として液晶層４０が本発明における光変調手段に対応する。
【００３１】
画素基板１０は、ガラス基板１１と、このガラス基板１１の前面側に液晶層３０と接するようにして規則的に（周期的に）配置された多数の画素電極部１３と、これらの各画素電極部１３に対して画像信号電圧をそれぞれ印加するためのスイッチング素子や配線等が形成されたブラックマトリクス部１２とを備えている。ここで、スイッチング素子としては、例えば、ＴＦＴが使用される。このブラックマトリクス部１２は、図示しない金属膜等で遮光され、光照射によってＴＦＴが誤動作しないようになっている。
【００３２】
対向基板２０は、画素電極部１３に対向配設された対向電極２１と、１つの画素電極部１３毎に画素電極部１３に対して対向配置された複数のマイクロレンズ２２と、このマイクロレンズ２２の凸面側に透明な樹脂層２３を介して配置されたガラス基板２４とを備えている。マイクロレンズ２２は、例えば、対向基板２０の一部をウェットエッチングまたはドライエッチング等によりレンズ形成されたものである。樹脂層２３は、マイクロレンズ２２をエッチング等によりレンズ形成した後、屈折率の異なる樹脂（例えば、レジスト、アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂、シリコン系樹脂またはフッ素系樹脂等）を充填することにより形成された層である。これら複数のマイクロレンズ２２および樹脂層２３によりマイクロレンズアレイが形成される。このマイクロレンズアレイの後面側は、例えばＣＭＰ法（化学機械研磨法）等を用いて研磨されており、その上に対向電極２１が形成される。この場合、マイクロレンズアレイに対する対向電極２１の密着性を高めるために、マイクロレンズアレイの上に透明な２酸化シリコン膜等を形成してからその上に対向電極２１を形成するようにしてもよい。対向電極２１は、例えばＩＴＯ(Indium Tin Oxide)等の透明導電膜で形成され、一定の電位（例えば接地電位）に固定されている。この対向電極２１は、例えば、スパッタリング法によりマイクロレンズアレイに蒸着される。
【００３３】
マイクロレンズ２２は、１つの画素電極部１３に対して複数のレンズを有している。例えば、マイクロレンズ２２は、１つの画素電極部１３に対して、正方格子状に配置された４つのレンズによって構成される。図では、１つの画素電極部１３について、正方格子状に配置された４つのレンズのうち、２つのマイクロレンズ２２ａ，２２ｂの断面のみが示されている。このように図２に示した例では、マイクロレンズ２２が、１つの画素電極部１３に対して複数のレンズで構成されているので、１つの画素電極部１３に対して複数に分割された曲面が形成されることになる。このマイクロレンズ２２の各曲面は、球面または球面に近い形状の非球面からなるものである。なお、１つの画素電極部１３に対して、４つのレンズを配置する構成に限らず、１つの画素電極部１３に対して、４つより少ないまたは多い数のレンズを配置するようにしてもよい。
【００３４】
図３は、図２に示したマイクロレンズ２２による集光特性を示す平面図である。この図は、マイクロレンズ２２によって、１つの画素電極部１３に集光する集光像を模式的に示したものである。なお、図における点線５１は、マイクロレンズ２２を構成する複数のレンズの分割線（境界線）に相当するものである。この図に示したように、マイクロレンズ２２によって、１つの画素電極部１３には、正方格子状に複数の円形の集光像５０ａ，５０ｂ，５０ｃ，５０ｄが形成される。
【００３５】
図４は、図２に示した液晶パネル２１０ａにおけるマイクロレンズ２２と従来の液晶パネルにおけるマイクロレンズとを比較するための説明図である。この図では、１画素に対応するマイクロレンズのみを示している。この図において、二点鎖線で示した部分は、従来のマイクロレンズ５２を示している。３板方式の画像投射表示装置に適用される液晶パネルの場合、従来では、マイクロレンズ５２が、１画素に対して１つの割合で配置されている。これに対し、図２に示した本実施の形態のマイクロレンズ２２は、上述のように、１つの画素電極部１３に対して複数のレンズにより構成されている。これにより、集光性能を同等にしつつ、マイクロレンズ２２の全体の厚みｔ１を従来のマイクロレンズ５２の厚みｔ２に対して小さくすることができる。従って、図２に示した液晶パネル２１０ａは、従来に比べて薄型化が図られている。
【００３６】
次に、図１に示した液晶パネル２１０の他の構成例について説明する。図５は、液晶パネル２１０の他の構成例としての液晶パネル２１０ｂの要部構造を示す断面図である。この図において、図２に示した液晶パネル２１０ａと同一構成要素には同一符号を付し、適宜説明を省略するものとする。この図に示した液晶パネル２１０ｂは、図２に示した液晶パネル２１０ａにおける複数のマイクロレンズ２２に代えて、複数のマイクロレンズ６０を備えたものである。このマイクロレンズ６０は、１つの画素電極部１３に対して１つのレンズが形成されたものである。各マイクロレンズ６０は、１つの画素電極部１３に対して複数の曲率を有したレンズによって構成されている。各マイクロレンズ６０は、例えば、中央部６１と周辺部６２とで曲率が異なっている。この図の例では、中央部６１が平坦化され、周辺部６２に入射光１を集光するための曲面が形成されている。周辺部６２の曲面は、球面または球面に近い形状の非球面からなるものである。このように、マイクロレンズ６０の中央部６１を平坦化することにより、レンズの厚みを従来の液晶パネルにおけるマイクロレンズの厚みに対して小さくすることができる。従って、図５に示した液晶パネル２１０ｂは、従来に比べて薄型化が図られている。
【００３７】
図６は、図５に示したマイクロレンズ６０による集光特性を示す平面図である。この図は、マイクロレンズ６０によって、１つの画素電極部１３に集光する集光像を模式的に示したものである。この図に示したように、マイクロレンズ６０の周辺部６２に形成された曲面の作用によって、１つの画素電極部１３には、環状の集光像６３が形成される。なお、中央部６１に入射した光は、そのまま画素電極部１３の中央部に到達する。
【００３８】
なお、図５に示したマイクロレンズ６０において、中央部６１を完全に平坦化せず、周辺部６２とは異なる曲率の曲面によって構成してもよい。また、図２に示したマイクロレンズ２２において、１つの画素電極部１３に対して複数に分割されたレンズの各々の中央部を、マイクロレンズ６０と同様に平坦化して構成するようにしてもよい。これにより、液晶パネル２１０の更なる薄型化を図ることができる。
【００３９】
次に、液晶パネル２１０のより具体的な構成例を説明する。通常、３板方式の液晶プロジェクタでその使用形態がフロント方式の場合、液晶パネルに入射する光の角度成分は、±１０°程度である。従って、例えば、図５に示したマイクロレンズ６０における中央部６１の平坦化された部分においても、光の入射成分は約±１０°の角度分布を持つことになる。
【００４０】
図７は、液晶パネル２１０に入射する光の角度依存性の例を説明するための特性図である。この図において、縦軸は液晶パネル２１０に入射する入射光の相対強度を示しており、横軸は入射角度を示している。この図では、特に、液晶パネル２１０として図２に示した構成の液晶パネル２１０ａにおける入射光の強度分布例を示している。なお、この強度分布例は、画素電極部１３上の対向基板２０に投射される光の強度分布に対応する。液晶パネル２１０ａに入射する光の強度分布は、符号７１で示した曲線のように、例えば、約±１０°の角度成分を有している。従って、液晶パネル２１０におけるマイクロレンズは、この角度分布を考慮して設計する必要がある。なお、図では、角度成分が約±８°である例（符号７２で示した曲線）を同時に示している。
【００４１】
ここで、図８を参照して、本実施の形態における液晶パネル２１０について、光の角度成分を考慮した具体的な設計手法を説明する。ここでは、図５に示したマイクロレンズ６０と同様に、１つの画素電極部１３に１つのレンズが配置されていると共に、レンズの中心部に平坦部７３が形成されたマイクロレンズ７０を有する液晶パネルを設計する場合を例に説明する。なお、図８において、図５に示した液晶パネル２１０ｂと同一構成要素には同一符号を付している。また、この図において、（Ａ）は、図５と同様に液晶パネルの断面構造を示し、（Ｂ）は、マイクロレンズ７０部分を光の入射側から見た平面図を示している。ここで、図に示したように、１つのマイクロレンズ７０の大きさをＤ1，隣り合うマイクロレンズ７０との境界部７４における液晶層３０との間の距離をｄｃ，ブラックマトリクス部１２間の距離をＤ2，１つのブラックマトリクス部１２の大きさをＤ3，マイクロレンズ７０の平坦部７３から、画素電極部１３の底部までの距離をｄとする。また、マイクロレンズ７０の平坦部７３の周端部（曲率変化点７５）とブラックマトリクス部１２との間の水平方向の距離をｘ，入射角度θで入射した入射光２と曲率変化点７５との間の水平方向の距離をｙとする。
【００４２】
この図に示した液晶パネルにおいて、ｘ／ｄ＜ｔａｎθの関係が成り立つ。このとき、入射角度θが１０°であったとすると、ｔａｎ１０°は、約０．１７６であるから、ｘ／０．１７６＜ｄの関係が成り立つ。ここで、距離ｄが２０μｍであるとすると、ｘ＜３．５μｍとなる。更に、ブラックマトリクス部１２の大きさＤ3が４μｍであるとすると、距離ｙ＜ｘ＋２μｍ＝５．５μｍとなる。
【００４３】
また、仮に画素電極部１３の一辺の長さに相当する距離Ｄ1が２０μｍであると共に、マイクロレンズ７０の基本的な形状が球であるとすると、このレンズの球半径ｒは、２０√２／２であり約１４μｍである。ここで、更に、入射光２が±１０°の角度成分まで持ち、ｘ＝３．５μｍ，ｄ＝２０μｍであると仮定すれば、距離ｄｃは、約６μｍで良くなる。
【００４４】
図９は、以上のような設計手法による一設計例である液晶パネル２１０ｃの要部構造を示す構成図である。この図において、（Ａ）は、液晶パネル２１０ｃの断面構造を示し、（Ｂ）は、マイクロレンズ８０部分を光の入射側から見た平面図を示している。なお、この図において、図８に示した液晶パネルと同一構成要素には同一符号を付している。この液晶パネル２１０ｃの各部の設計値は、以下の通りである。なお、距離ｄａは、マイクロレンズ８０の平坦部７３と境界部７４との間の距離である。距離ｙ1は、マイクロレンズ８０の曲率変化点７５と境界部７４との間の水平方向の距離であり、距離ｙ2は、マイクロレンズ８０の曲率変化点７５とレンズ中心Ｏとの間の水平方向の距離である。角度αは、マイクロレンズ８０の曲率変化点７５と境界部７４との間のレンズ中心Ｏを基準とした角度である。マイクロレンズ８０および樹脂層２３は、それぞれ屈折率の異なる樹脂（例えば、レジスト、アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂、シリコン系樹脂またはフッ素系樹脂等）により形成されている。樹脂層２３は、マイクロレンズ８０をエッチング等によりレンズ形成した後、この屈折率の異なる樹脂を充填することにより形成される。なお、マイクロレンズ８０の屈折率ｎ2は、樹脂層２３の屈折率ｎ1よりも大きい。
【００４５】
マイクロレンズ８０の半径ｒ＝１４．１μｍ
距離ｄａ＝１１．２μｍ
距離ｄｃ＝４μｍ
距離ｙ1＝５．５μｍ
距離ｙ2＝８．６μｍ
角度α＝５２°
【００４６】
図１０は、以上のような設計手法による他の設計例である液晶パネル２１０ｄの要部構造を示す構成図である。この図において、（Ａ）は、液晶パネル２１０ｄの断面構造を示し、（Ｂ）は、マイクロレンズ２８０部分を光の出射側（後面側）から見た平面図を示している。なお、この図において、図９に示した液晶パネル２１０ｃと同一構成要素には同一符号を付している。この液晶パネル２１０ｄにおいて、マイクロレンズ２８０は、１つの画素電極部１３に対して複数のレンズを有している。より具体的には、図の（Ｂ）に示したように、マイクロレンズ２８０は、１つの画素電極部１３に対して、正方格子状に配置された４つのレンズ２８０ａ，２８０ｂ，２８０ｃ，２８０ｄによって構成されている。但し、このマイクロレンズ２８０は、図２に示したマイクロレンズ２２とは異なり、レンズが光の出射側に凸な形状となっていると共に、レンズ全体の中央部に図９に示したマイクロレンズ８０と同様に平坦部７３が形成されている。すなわち、この図の例では、マイクロレンズ２８０が、１つの画素電極部１３に対して、レンズの分割化と平坦化の双方が行われた構成となっている。このマイクロレンズ２８０の平坦化により、レンズの薄型化に寄与することができると共に、液晶層３０に対してレンズの凸面の深さが深くなり過ぎ、ギャップ厚の制御が難しくなるような事態を防止することができる。
【００４７】
液晶パネル２１０ｄの各部の設計値の基本的な部分については図９に示した液晶パネル２１０ｃと同様である。例えば、距離ｄａ，ｄｃ，ｙ1，ｙ2については、液晶パネル２１０ｃと同様である。なお、ここでの距離ｄｃは、マイクロレンズ２８０の平坦部７３と液晶層３０との間の距離である。マイクロレンズ２８０および樹脂層２３は、それぞれ屈折率の異なる樹脂により形成されている。マイクロレンズ２８０および樹脂層２３の形成方法については図９に示した液晶パネル２１０ｃと同様である。
【００４８】
次に、上記のような構成の画像投射表示装置の作用について説明する。
【００４９】
まず、図１を参照して、画像投射表示装置の全体の作用を説明する。光源２０１から発せられた白色光は、ＵＶ／ＩＲカットフィルタ２０２により紫外線および赤外線が除去される。そして、このＵＶ／ＩＲカットフィルタ２０２を透過した光は、インテグレータ２０３において拡散され、光の照度分布が均一化されたほぼ平行な光として出射される。このインテグレータ２０３から出射された平行光は、リレーレンズ２０４により、一旦集光された後、リレーレンズ２０４と共にテレセントリック光学系を形成したコリメータレンズ２０５により、所定幅の平行光として出射される。
【００５０】
コリメータレンズ２０５から出射した平行光は、ダイクロイックミラー２０６Ｒ，２０６Ｇ，２０６Ｂの作用により、色表示の基本となるＲ，Ｇ，Ｂの３色の色光に選択的に分離される。分離されたＲ，Ｇ，Ｂの各色光は、入射側偏光板２０９Ｒ，２０９Ｇ，２０９Ｂにより直線偏光された後、それぞれ液晶パネル２１０Ｒ，２１０Ｇ，２１０Ｂに入射する。液晶パネル２１０Ｒ，２１０Ｇ，２１０Ｂは、入射した光を空間的に変調して出射する。液晶パネル２１０Ｒ，２１０Ｇ，２１０Ｂを出射した光は、出射側偏光板２１１Ｒ，２１１Ｇ，２１１Ｂに入射する。出射側偏光板２１１Ｒ，２１１Ｇ，２１１Ｂを透過した各色光は、それぞれ色合成用ダイクロイックプリズム２１２の入射面２１２Ｒ，２１２Ｇ，２１２Ｂに入射する。色合成用ダイクロイックプリズム２１２の入射面２１２Ｒ，２１２Ｇ，２１２Ｂに入射した各色光は、色合成用ダイクロイックプリズム２１２の作用により色合成された後、投射レンズ２１３により、スクリーン１１１に投射される。
【００５１】
次に、液晶パネル２１０の作用について説明する。まず、図２および図３を参照して、液晶パネル２１０の一構成例である液晶パネル２１０ａの作用について説明する。なお、以下では特に、１つの画素電極部１３に入射する入射光１が受ける作用について説明する。
【００５２】
図２に示したように、液晶パネル２１０ａに入射した入射光１は、対向基板２０のガラス基板２４を透過し、マイクロレンズ２２によって集光作用を受けて液晶層３０、画素電極部１３を通過し、画素基板１０のガラス基板１１の内部で焦点を結ぶ。なお、マイクロレンズ２２による光の集光位置は、ガラス基板１１の内部ではなく、画素電極部１３上であっても構わない。入射光１は、液晶層３０を通過する間に、画素電極部１３に印加された画像信号電圧に応じて空間的な変調を受ける。
【００５３】
１つの画素電極部１３に対しては、マイクロレンズ２２として、例えば、正方格子状に４つのレンズが分割配置されている。液晶パネル２１０ａに入射した入射光１は、この４つのレンズのそれぞれによって、１つの画素電極部１３に入射するように集光される。より具体的には、分割配置された４つのレンズによって、画素電極部１３上には、図３に示したように、正方格子状に複数の円形の集光像５０ａ，５０ｂ，５０ｃ，５０ｄが形成される。以上の作用は、マイクロレンズ２２に入射する全ての光について同様である。
【００５４】
次に、図５および図６を参照して、液晶パネル２１０の他の構成例である液晶パネル２１０ｂの作用について説明する。この液晶パネル２１０ｂによる作用は、マイクロレンズ６０による作用を除いて上述の液晶パネル２１０ａによる作用と同様である。マイクロレンズ６０は、１つの画素電極部１３に対して１つのレンズが配置されていると共に、例えば、中央部６１と周辺部６２とで曲率が異なっている。このため、レンズの中央部６１と周辺部６２とで光の集光作用が異なる。図５に示した例では、中央部６１が平坦化され、周辺部６２に入射光１を集光するための曲面が形成されおり、この周辺部６２に形成された曲面の作用によって、１つの画素電極部１３には、図６に示したように環状の集光像６３が形成される。なお、中央部６１に入射した光は、そのまま画素電極部１３の中央部に到達する。
【００５５】
なお、図９および図１０に示した液晶パネル２１０ｃ，２１０ｄについても、その全体的な作用は液晶パネル２１０ａ，２１０ｂと同様である。
【００５６】
以上説明したように、本実施の形態によれば、液晶パネル２１０におけるマイクロレンズの各々が、曲率の異なる複数のレンズ面（例えば、図５に示したマイクロレンズ６０）または分割された複数のレンズ面（例えば、図２に示したマイクロレンズ２２）を有するようにして構成されているので、マイクロレンズ部分の薄型化を図ることができ、マイクロレンズを構成する基板の熱膨張率、弾性率の変化によるギャップ厚の制御がし易くなる。これにより、ギャップ厚の均一化を図ることができるので、ギャップ厚のばらつきによる色むらを少なくして高品質な画像表示を行うことが可能となる。特に、図１０に示したマイクロレンズ２８０では、レンズ中央部の平坦化を図ってレンズの凸面を液晶層３０側に配置するようにしたので、レンズの凸面が液晶層３０側に配置されているにも関わらず、液晶層３０に対してレンズの境界部分の深さが深くなり過ぎることがなく、ギャップ厚の制御がし易くなっている。
【００５７】
また、本実施の形態によれば、従来のように、マイクロレンズを単一の曲率のレンズのみで構成すると共に、１つの画素電極部１３に１つのレンズを対応させるような構成を採っていないので、従来に比べて、焦点距離や厚さ等を含めたレンズの設計自由度を向上させることができる。
【００５８】
［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。本発明は、３板方式のみならず、単板方式の画像投射表示装置にも適用可能である。本実施の形態では、本発明を単板方式の画像投射表示装置に適用した場合について説明する。
【００５９】
図１１は、本発明の第２の実施の形態に係る画像投射表示装置の光学系の概略構成を表すもので、装置を真上から見下ろした状態を示している。なお、この図では、煩雑さを避けるために、主たる光線の経路のみを描き、他を省略している。この画像投射表示装置は、カラーフィルタを用いない単板方式の液晶プロジェクタとして構成されたものであり、白色光を発する光源１と、この光源１から発せられた白色光に含まれる紫外および赤外領域の光を除去するＵＶ／ＩＲカットフィルタ３０２と、このＵＶ／ＩＲカットフィルタ３０２を透過した光を拡散させて光の照度分布が均一化された平行光を出射するインテグレータ３０３と、このインテグレータ３０３から出射された平行光を集光して光源像を形成するリレーレンズ３０４と、このリレーレンズ３０４と共にテレセントリック光学系を形成してリレーレンズ３０４により集光された光を再び所定幅の平行光として出射するコリメータレンズ３０５とを備えている。
【００６０】
光源３０１は、発光体と、回転対称な凹面鏡とを含んで構成される。発光体としては、例えばメタルハライド系のランプが用いられる。凹面鏡としてはできるだけ集光効率のよい形状のものがよく、例えば回転楕円面鏡や回転放物面鏡等が用いられる。インテグレータ３０３は、光源３０１から出射した白色光を拡散させて後述する液晶パネル３０８における面内照度分布を均一化するためのものであり、例えば、多数のマイクロレンズを配列して形成した１対のレンズアレイ（フライアイレンズ）、またはグラスロッド等によって構成される。
【００６１】
この画像投射表示装置は、また、コリメータレンズ３０５から出射された平行光を、色表示の基本となるＢ，Ｒ，Ｇの３色の色光に選択的に分離して出射するダイクロイックミラー３０６と、このダイクロイックミラー３０６により分離されたＢ，Ｒ，Ｇの３色の色光の各々を直線偏光させる入射側偏光板３０７と、この入射側偏光板３０７により直線偏光されたＢ，Ｒ，Ｇの３色の色光を、表示する画像に応じて空間的に変調する液晶パネル３０８と、この液晶パネル３０８により空間的に変調された光のうち所定の方向に偏光された光のみを透過させる出射側偏光板３０９と、この出射側偏光板３０９を透過した光をスクリーン３１１に投射する投射レンズ３１０とを備えている。
【００６２】
ここで、投射レンズ３１０が本発明における「投射手段」に対応する。また、液晶パネル３０８が本発明における「光変調手段」に対応する。
【００６３】
ダイクロイックミラー３０６は、それぞれＢ，Ｒ，Ｇの各色光を選択的に反射するＢ用ミラー３０６Ｂ，Ｒ用ミラー３０６ＲおよびＧ用ミラー３０６Ｇの３枚のミラーを有している。また、ミラー３０６Ｂ，３０６Ｒ，３０６Ｇは、液晶パネル３０８にそれぞれ異なる方向から入射するＲ，Ｇ，Ｂの各色光の入射角を設定するための色調整保持機構（図示せず）を有している。
【００６４】
液晶パネル３０８は、カラーフィルタを用いない透過型のマイクロレンズ方式の液晶表示素子であり、ダイクロイックミラー３０６で反射された各色光に対して画像信号に応じた選択的な変調を行うようになっている。この液晶パネル３０８は、Ｂ，Ｒ，Ｇの各色に対応して規則的に２次元配置された画素電極（本図では図示せず）が形成された画素基板（図示せず）と、この画素基板と対向するようにして配置された対向基板と（図示せず）、画素基板と対向基板との間を満たすように配置された液晶層（図示せず）とを含んで構成される。
【００６５】
図１２は、図１１における液晶パネル３０８の一構成例を示す断面図である。なお、以下の説明では、図２に示した液晶パネル２１０ａにおける構成要素と同一の部分には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。この図に示した液晶パネル３０８は、画素基板１０１と、この画素基板１０１の前面側（入射光Ｒ，Ｇ，Ｂの入射面側）に所定距離を隔てて対向配設された対向基板１０２とを備えている。
【００６６】
画素基板１０１は、ガラス基板１１の前面側に液晶層３０と接するようにして規則的に（周期的に）配置された多数の画素電極部９１を備えている。画素電極部９１は、Ｂ，Ｒ，Ｇのいずれかの色光用に割り当てられている。ここで、Ｂ，Ｒ，Ｇの各色光用の画素電極部９１をそれぞれ９１Ｂ，９１Ｒ，９１Ｇと記すことにすると、各画素電極部９１は、１つの方向（図では右から左に向かう方向）に沿って９１Ｂ，９１Ｒ，９１Ｇという順序で繰り返し配列がなされている。なお、以下では、３つの画素電極部９１Ｂ，９１Ｒ，９１Ｇの組を総称して１群の画素電極部９１と呼ぶ。
【００６７】
対向基板１０２は、１群の画素電極部９１毎に画素電極部９１に対して対向配置された複数のマイクロレンズ９０を備えている。このマイクロレンズ９０には、ダイクロイックミラー３０６Ｂ，３０６Ｒ，３０６Ｇ（図１１）によって白色光から色分離して得られたＢ，Ｇ，Ｒの３つの光束が互いに異なる方向から入射するようになっている。このマイクロレンズ９０に入射したＢ，Ｒ，Ｇの各色光は、それぞれ画素電極部９１Ｂ，９１Ｒ，９１Ｇに入射するようになっている。各マイクロレンズ９０は、１群の画素電極部９１に対して複数の曲率を有したレンズによって構成されている。各マイクロレンズ９０は、例えば、中央部と周辺部とで曲率が異なっている。この図の例では、中央部に対して周辺部のレンズ面の曲率が小さくなっている。すなわち、各マイクロレンズ９０は、周辺部のレンズ面の方が大きなパワーを有している。なお、このマイクロレンズ９０が、入射した光に与える作用については後に図１３を参照して詳述する。
【００６８】
なお、液晶パネル３０８におけるマイクロレンズとして、上記第１の実施の形態の液晶パネル２１０におけるマイクロレンズの構成と同様のレンズを使用することも可能である。また、逆に、上記第１の実施の形態の液晶パネル２１０におけるマイクロレンズとして、本実施の形態の液晶パネル３０８におけるマイクロレンズの構成と同様のレンズを使用することも可能である。
【００６９】
次に、上記のような構成の画像投射表示装置の作用について説明する。
【００７０】
まず、図１１を参照して、画像投射表示装置の全体の作用を説明する。光源３０１から発せられた白色光は、ＵＶ／ＩＲカットフィルタ３０２により紫外線および赤外線が除去される。そして、このＵＶ／ＩＲカットフィルタ３０２を透過した光は、インテグレータ３０３において拡散され、光の照度分布が均一化されたほぼ平行な光として出射される。このインテグレータ３０３から出射された平行光は、リレーレンズ２３４により、一旦集光された後、リレーレンズ３０４と共にテレセントリック光学系を形成したコリメータレンズ３０５により、所定幅の平行光として出射される。
【００７１】
コリメータレンズ３０５から出射した平行光は、ダイクロイックミラー３０６Ｒ，３０６Ｇ，３０６Ｂの作用により、色表示の基本となるＲ，Ｇ，Ｂの３色の色光に選択的に分離される。ダイクロイックミラー３０６Ｒ，３０６Ｇ，３０６Ｂは、分離した各色光を互いに異なる角度方向に反射する。このようにダイクロイックミラー３０６Ｒ，３０６Ｇ，３０６Ｂによって分離され互いに異なる角度方向に反射されたＲ，Ｇ，Ｂの各色光は、入射側偏光板３０７により直線偏光された後、液晶パネル３０８にそれぞれ異なる方向から入射する。液晶パネル３０８は、入射した光を空間的に変調して出射する。液晶パネル３０８を出射した光は、出射側偏光板３０９に入射する。出射側偏光板３０９を透過した各色光は、投射レンズ３１０により、スクリーン３１１に投射される。
【００７２】
次に、図１２を参照して液晶パネル３０８の作用について説明する。なお、以下では特に、１群の画素電極部９１に入射する入射光が受ける作用について説明する。
【００７３】
図１２に示したように、液晶パネル３０８に異なる方向から入射したＢ，Ｒ，Ｇの各入射光は、対向基板１０２のガラス基板２４を透過し、マイクロレンズ９０によって集光作用を受けて液晶層３０、画素電極部９１を通過し、画素基板１０１のガラス基板１１の内部でそれぞれの色毎に異なる位置に焦点を結ぶ。なお、マイクロレンズ９０による光の集光位置は、ガラス基板１１の内部ではなく、画素電極部９１上であっても構わない。マイクロレンズ９０に入射したＢ，Ｒ，Ｇの各入射光は、それぞれの色用の画素電極部９１Ｂ，９１Ｒ，９１Ｇに入射する。また、Ｂ，Ｒ，Ｇの各入射光は、液晶層３０を通過する間に、それぞれの色用の画素電極部９１Ｂ，９１Ｒ，９１Ｇに印加された画像信号電圧に応じて空間的な変調を受ける。
【００７４】
次に、図１３を参照してマイクロレンズ９０の作用について詳述する。なお、図では、入射光としてＲ光の経路のみを代表して示している。また、図において、符号９０で示した部分は、マイクロレンズ９０の中央部の円弧をその曲率を変えずに中央部から延長して示したものであり、マイクロレンズ９０の比較例としての従来のレンズに相当する部分である。
【００７５】
マイクロレンズ９０は、１群の画素電極部９１に対して１つのレンズが配置されていると共に、中央部と周辺部とで曲率が異なっている。このため、レンズの中央部と周辺部とで光の集光作用が異なる。この図に示した例では、中央部に対して曲率変化点９０ｂを境に周辺部のレンズ面の曲率が小さくなっており、周辺部のレンズ面の方が大きなパワーを有している。このマイクロレンズ９０によれば、焦点距離自身はあまり変化させることなく、周辺部に入った入射光３ｃを、いわば球面収差のようにレンズ中央部に曲げる効果がある。このため、従来のように単一の曲率で構成したレンズでは、画素電極部９１に有効に入射させることのできなかった周辺部の入射光３ｂについても、中央部の入射光３ａと同様に有効に入射させることができる。このため、周辺部から画素電極部９１に入射する光量を従来より有効に使用することが可能となる。更に、このマイクロレンズ９０によれば、特に、本実施の形態のように単板式の液晶パネルに対する光量増大の効果と共に、隣接する画素電極部９１への漏れ光を低減する効果があり、混色を少なくして色純度の向上にも寄与するという効果がある。
【００７６】
以上説明したように、本実施の形態によれば、単板方式の画像投射表示装置に対しても、液晶パネル３０８におけるマイクロレンズ部分の薄型化を図ることができ、マイクロレンズを構成する基板の熱膨張率、弾性率の変化によるギャップ厚の制御がし易くなる。これにより、ギャップ厚の均一化を図ることができるので、ギャップ厚のばらつきによる輝度むらを少なくして高品質な画像表示を行うことが可能となる。
【００７７】
なお、本実施の形態におけるその他の構成、作用および効果は、上記第１の実施の形態と同様である。
【００７８】
なお、本発明は、上記各実施の形態に限定されず種々の変形実施が可能である。例えば、本発明の画像投射表示装置の使用形態としては、スクリーンの裏面から画像を投射するリア方式と、スクリーンの前面から画像を投射するフロント方式のいずれの形態であってもよい。また、本発明は、透過型の液晶パネルのみならず、反射型の液晶パネルにも適用することが可能である。更に、液晶パネルの構成については、例えば、液晶層とマイクロレンズが設けられた層との間にカバーガラスが配置された構成であってもよい。
【００７９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光変調素子または画像投射表示装置によれば、少なくとも一つの色光の各々に対応付けられて２次元的に配列された複数の画素電極と、１つの画素電極または複数の色光に対応付けられた一群の画素電極毎に対向配置されると共に、各々が曲率の異なる複数のレンズ面または分割された複数のレンズ面を有すると共に各々の中央部が平坦化された複数のマイクロレンズと、画素電極に印加される画像信号に応じて、入射した色光を変調する光変調手段とを備えるようにしたので、マイクロレンズの薄型化を図ることができ、ギャップ厚の制御がし易くなる。これにより、ギャップ厚の均一化を図ることができるので、輝度むらや色むらの少ない高品質な画像表示を行うことが可能となるという効果を奏する。
【００８０】
また、特に、複数のマイクロレンズ部分の各々の中央部を平坦化すると共に、この平坦化された面を、光変調手段を構成する液晶層側に配置するようにした場合には、更に、マイクロレンズの凸側を液晶層側に配置したとしても、液晶層に対してレンズの凸面の深さが深くなり過ぎることがなく、ギャップ厚の制御がし易くなるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る画像投射表示装置の全体構成を表す平面図である。
【図２】図１に示した画像投射表示装置における液晶パネルの一構成例を表す断面図である。
【図３】図２に示した液晶パネルにおけるマイクロレンズによる集光特性を示す平面図である。
【図４】図２に示した液晶パネルにおけるマイクロレンズと従来の液晶パネルにおけるマイクロレンズとを比較するための説明図である。
【図５】図１に示した画像投射表示装置における液晶パネルの他の構成例を示す断面図である。
【図６】図５に示した液晶パネルにおけるマイクロレンズによる集光特性を示す平面図である。
【図７】図１に示した画像投射表示装置における液晶パネルに入射する光の角度依存性の例を示す特性図である。
【図８】図１に示した画像投射表示装置における液晶パネルを光の角度成分を考慮して具体的に設計するための設計手法を説明するための説明図である。
【図９】図８を用いて説明した設計手法による一設計例である液晶パネルの要部構造を示す構成図である。
【図１０】図８を用いて説明した設計手法による他の設計例である液晶パネルの要部構造を示す構成図である。
【図１１】本発明の第２の実施の形態に係る画像投射表示装置の全体構成を表す平面図である。
【図１２】図１１に示した画像投射表示装置における液晶パネルの要部構造を表す断面図である。
【図１３】図１２に示した液晶パネルにおけるマイクロレンズの集光特性を説明するための説明図である。
【図１４】従来の液晶パネルの一構成例を表す断面図である。
【図１５】従来の液晶パネルの他の構成例を表す断面図である。
【符号の説明】
１０…画素基板，１２…ブラックマトリクス部，２０，２０ａ…対向基板，２２，６０…マイクロレンズ，３０…液晶層，６１…平坦部，２１０ａ，２１０ｂ，２１０ｃ，２１０ｄ，２１０Ｒ，２１０Ｇ，２１０Ｂ…液晶パネル，２１３，３１０…投射レンズ、１１１，３１１…スクリーン。
【発明の属する技術分野】
本発明は、画像信号に応じて画素ごとに光を変調して画像表示を可能とする光変調素子およびこの変調光変調素子を用いた画像投射表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶素子等の光変調素子を用いた画像表示装置には、直視型表示装置のほかに、画像をスクリーンに投影して表示を行う液晶プロジェクタ等の画像投射表示装置がある。この画像投射表示装置は、カラー表示に用いられる３つの色光を光変調素子の各色に対応する画素に導き、ここで画像信号に応じた光変調を行ったのちスクリーン上に投影させてカラー画像の表示を行うものである。このような光変調素子として液晶表示素子（以下、液晶パネルという。）を用いた画像投射表示装置は、赤（Red ＝Ｒ），緑（Green ＝Ｇ），青（Blue＝Ｂ）の３色の色分離手段を備えた液晶パネルを１枚用いて構成した単板方式と、色分離手段を備えていない液晶パネルをＲ，Ｇ，Ｂの各色光路ごとにそれぞれ配置し全体で３枚の液晶パネルを用いて構成した３板方式とに大別される。また、このような画像投射表示装置の使用形態としては、スクリーンの裏面から画像を投射するリア式と、スクリーンの前面から画像を投射するフロント式とがある。
【０００３】
一般的に、液晶パネルは、規則的に２次元配置された画素電極が形成された画素基板と、この画素基板と対向するようにして配置された対向基板と、画素基板と対向基板との間を満たすように配置された液晶層とを含んで構成されるものである。
【０００４】
近年では、このような液晶パネルを用いた画像投射表示装置の高輝度、高画質化が進んでいる。例えば、フロント式の画像投射表示装置においては、その表示規格がＶＧＡ（Video Graphics Array）からＳＶＧＡ（Super VGA）、更にはＸＧＡ（Extended Graphics Array）からＳＸＧＡ（Super XGA）等と高解像度化している。また、リア式の画像投射表示装置としてリア式プロジェクションＴＶ（テレビジョン）においては、ＮＴＳＣまたはＰＡＬ方式等からデータ表示可能化(Multi-Scan)、更には、ＨＤＴＶ（高品位テレビジョン）からＨＤ対応デジタルＴＶ対応化と高画素数化、高解像度化が必至となっている。また更に、近年では、このような高画素数化および高解像度化の要求の他に液晶パネルの小型化の要求も伴っていることが多い。
【０００５】
上述のような画素密度の向上や高輝度化の要求に応えるために、近年では、対向基板にマイクロレンズアレイを設置した液晶パネルが盛んに開発されている。マイクロレンズアレイは、複数のマイクロレンズからなるものである。個々のマイクロレンズは、１つまたは複数の画素に対応して設けられ、液晶パネルに入射した光を対応する画素に集光させるようなっている。このマイクロレンズは、集光性能の極大化を達成するために数１０μｍの大きさの画素部に集光させる必要があり、対向基板内に内蔵されているものが多い。
【０００６】
図１４は、マイクロレンズを用いた従来の液晶パネルの一構成例を示す断面図である。なお、以下の説明で、前面側とは光の入射面側をいい、後面側とは光の出射面側をいうものとする。この図に示した液晶パネルは、画素基板１１０と、この画素基板１１０の前面側（入射光１００の入射面側）に所定距離を隔てて対向配設された対向基板１２０と、画素基板１１０と対向基板１２０とによって挟まれた液晶層１３０とを備えている。液晶層１３０には、シール部１４０によって画素基板１１０と対向基板１２０との間に液晶が封止されている。
【０００７】
画素基板１１０は、ガラス基板１１１と、このガラス基板１１１の前面側に液晶層１３０と接するようにして規則的に（周期的に）配置された多数の画素電極部１１３と、これらの各画素電極部１１３に対して画像信号電圧をそれぞれ印加するためのスイッチング素子や配線等が形成されたブラックマトリクス部１１２とを備えている。ここで、スイッチング素子としては、例えば、薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor；以下、ＴＦＴという）が使用される。このブラックマトリクス部１１２は、図示しない金属膜等で遮光され、光照射によってＴＦＴが誤動作しないようになっている。各画素電極部１１３は、例えば、単板方式用の液晶パネルの場合には、それぞれがＢ，Ｒ，Ｇのいずれかの色光用に割り当てられている。
【０００８】
対向基板１２０は、画素電極部１１３に対向配設された対向電極１２５と、一方の面側が対向電極１２５に接着されたカバーガラス１２１と、このカバーガラス１２１の他方の面側に形成された複数のマイクロレンズ１２２と、このマイクロレンズ１２２の凸面側に透明な樹脂層１２３を介して配置されたガラス基板１２４とを備えている。マイクロレンズ１２２は、例えば、対向基板１２０の一部をウェットエッチングまたはドライエッチング等によりレンズ形成されたものである。樹脂層１２３は、マイクロレンズ１２２をエッチング等によりレンズ形成した後、屈折率の異なる樹脂（例えば、レジスト、アクリル系樹脂、シリコン系樹脂またはフッ素系樹脂等）を充填することにより形成された層である。これら複数のマイクロレンズ１２２および樹脂層１２３によりマイクロレンズアレイが形成される。
【０００９】
図１５は、マイクロレンズを用いた従来の液晶パネルの他の構成例を示す断面図である。なお、この図で、図１４に示した液晶パネルと同一構成要素には同一符号を付し、説明を省略するものとする。この図に示した液晶パネルは、画素基板２１０と、この画素基板２１０の前面側（入射光１００の入射面側）に所定距離を隔てて対向配設された対向基板２２０と、画素基板２１０と対向基板２２０とによって挟まれた液晶層１３０とを備えている。
【００１０】
画素基板２１０には、各画素電極部１１３に対して画像信号電圧をそれぞれ印加するためのスイッチング素子や配線等からなるトランジスタ部２１２を備えている。対向基板２２０は、カバーガラス２２１を備えている。カバーガラス２２１には、液晶層１３０側にブラックマトリクス部２１３が内蔵されている。ブラックマトリクス部２１３は、光を遮断するための金属膜等からなものであり、トランジスタ部２１２に対応するようにして設けられている。また、対向基板２２０において、ガラス基板１２４とカバーガラス２２１との間には、マイクロレンズ２２２が複数配置されている。このマイクロレンズ２２２は、樹脂層１２３とは異なる屈折率の少なくとも一つの樹脂を用いて形成されたものである。これら複数のマイクロレンズ２２２および樹脂層１２３によりマイクロレンズアレイが形成される。
【００１１】
これらの図に示した液晶パネルは、マイクロレンズアレイが内蔵された対向基板と画素基板とを、有効画素を除いた部分で接着樹脂（紫外線硬化型樹脂、熱硬化型樹脂またはエポキシ樹脂等）によってギャップ調整（液晶層の厚さの調整）をしながらシールし、その中に液晶を封止することによって製造される。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、通常、液晶パネルにおいて、液晶を封止するためのシール部には、たとえ紫外線硬化型樹脂であっても、硬化を完全にするために熱が加えられる。また、液晶パネルのその他の製造工程でも、１００〜２００℃くらいまで加熱されることが多い。このように製造に伴って液晶パネルが加熱されると、液晶層のギャップ厚が面内で不均一になり易いという問題点がある。
【００１３】
ここで、例えば、３板方式の画像投射表示装置の場合には、３枚の液晶パネルのうち１枚でもギャップむら（液晶層の厚さの不均一性）があると、各色光の合成後の表示画像に輝度むらが生じてこれが色むらとして表れてしまうという問題点がある。また、単板方式の画像投射表示装置の場合には、表示画像に輝度むらが生じてしまうという問題点がある。このように、液晶パネルにおけるギャップむらは、液晶透過率のむらとなってあらわれ、液晶プロジェクター等に応用した場合には、輝度むらや色むらになって、画質劣化に結びつく。このため、液晶パネルではギャップ厚の均一性が保たれていることが望ましい。
【００１４】
なお、上述したギャップ厚の不均一性の発生は、対向基板の内部に樹脂等の異物質を内蔵したことによる熱膨張率や弾性率の変化によって生ずると考えられる。従って、通常の液晶パネルの組立て時に生ずる昇温や降温時の熱ストレスがギャップ厚の不均一性の発生の起因となっていると思われる。よって、このギャップ厚の不均一性の問題に対する対策としては、マイクロレンズアレイにおける樹脂層をできるだけ薄くして、熱ストレスの影響を低減させることが望ましい。
【００１５】
ところで、特開昭６２−９４８２６号（特許番号第２７５４５２９号）公報には、一対の基板間に液晶を挟持すると共に、マトリクス状の画素を有した液晶装置において、一対の基板のうちの光入射側の基板の液晶側の面に、マトリクス状の画素の各画素部分に対してそれぞれ光入射側の基板を透過して入射する入射光を集光するマイクロレンズをマトリクス状に設けたことを特徴とする液晶装置についての発明が記載されている。この液晶装置では、液晶層内にマイクロレンズの凸面が形成されている。しかしながら、通常、マイクロレンズの凸面の実効深さは１０数μｍにもなるので、凸面を液晶層内に形成すると、ギャップ厚を制御することが難しくなり、実際に実用的な液晶パネルを製造することは難しいという問題点がある。従って、この発明による液晶パネルは、現実的な装置とは言い難い。
【００１６】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、ギャップ厚の制御をし易くすると共に、高品質な画像表示を行うことを可能とする光変調素子および画像投射表示装置を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明による光変調素子は、カラーフィルタを用いない透過型の光変調素子であって、少なくとも一つの色光の各々に対応付けられて２次元的に配列された複数の画素電極を有する画素基板と、画素基板に対向するように配置され、所定の角度分布を有する光が入射する対向基板と、画素基板と対向基板との間に配置され、画素電極に印加される画像信号に応じて、入射した色光を変調する光変調手段とを備えている。対向基板は、光の入射側に配置されたガラス基板と、光変調手段側に配置された対向電極と、ガラス基板と対向電極との間に配置された複数のマイクロレンズとを有している。複数のマイクロレンズは、１つの画素電極または複数の色光に対応付けられた一群の画素電極毎に対向配置されると共に、各々が曲率の異なる複数のレンズ面または分割された複数のレンズ面を有すると共に各々の中央部が平坦化され、かつ、各マイクロレンズが、対向基板に入射する光の角度分布に応じた設計とされ、対向基板に所定の角度分布を持って入射した光のうち少なくとも各マイクロレンズの平坦部に入射した光がすべて、対応する画素電極に入射するように構成されている。
【００１８】
また、本発明による画像投射表示装置は、複数の色光を生成する色光生成手段と、カラーフィルタを用いない透過型の構成とされ色光生成手段からの各色光に対して画像信号に応じた光変調処理を行う少なくとも一つの光変調素子と、光変調素子で変調された各色光をスクリーン上に投射する投射手段とを備えた画像投射表示装置であって、光変調素子は、少なくとも一つの色光の各々に対応付けられて２次元的に配列された複数の画素電極を有する画素基板と、画素基板に対向するように配置され、所定の角度分布を有する光が入射する対向基板と、画素基板と対向基板との間に配置され、画素電極に印加される画像信号に応じて、入射した色光を変調する光変調手段とを備えている。複数のマイクロレンズは、１つの画素電極または複数の色光に対応付けられた一群の画素電極毎に対向配置されると共に、各々が曲率の異なる複数のレンズ面または分割された複数のレンズ面を有すると共に各々の中央部が平坦化され、かつ、各マイクロレンズが、対向基板に入射する光の角度分布に応じた設計とされ、対向基板に所定の角度分布を持って入射した光のうち少なくとも各マイクロレンズの平坦部に入射した光がすべて、対応する画素電極に入射するように構成されている。
【００１９】
本発明による光変調素子および画像投射表示装置では、入射した少なくとも一つの色光が、１つの画素電極または複数の色光に対応付けられた一群の画素電極毎に対向配置された複数のマイクロレンズによって、集光される。マイクロレンズに入射した色光は、光変調手段において、画素電極に印加される画像信号に応じて変調される。複数のマイクロレンズの各々は、曲率の異なる複数のレンズ面または分割された複数のレンズ面を有しており、レンズ全体の薄型化が図られている。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００２１】
［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る画像投射表示装置の光学系の概略構成を表すもので、装置を真上から見下ろした状態を示している。なお、この図では、煩雑さを避けるために、主たる光線の経路のみを描き、他を省略している。この画像投射表示装置は、モノクロの液晶パネルを３枚使用する３板方式の液晶プロジェクタとして構成されたものであり、白色光を発する光源２０１と、この光源２０１から発せられた白色光に含まれる紫外（ＵＶ）および赤外（ＩＲ）領域の光を除去するＵＶ／ＩＲカットフィルタ２０２と、このＵＶ／ＩＲカットフィルタ２０２を透過した光を拡散させて光の照度分布が均一化された平行光を出射するインテグレータ２０３と、このインテグレータ２０３から出射された平行光を集光して光源像を形成するリレーレンズ２０４と、このリレーレンズ２０４と共にテレセントリック光学系を形成してリレーレンズ２０４により集光された光を再び所定幅の平行光として出射するコリメータレンズ２０５とを備えている。
【００２２】
光源２０１は、発光体と、回転対称な凹面鏡とを含んで構成される。発光体としては、例えばメタルハライド系のランプが用いられる。凹面鏡としてはできるだけ集光効率のよい形状のものがよく、例えば回転楕円面鏡や回転放物面鏡等が用いられる。インテグレータ２０３は、光源２０１から出射した白色光を拡散させて後述する液晶パネル２１０における面内照度分布を均一化するためのものであり、例えば、多数のマイクロレンズを配列して形成した１対のレンズアレイ（フライアイレンズ）、またはグラスロッド等によって構成される。
【００２３】
本実施の形態に係る画像投射表示装置は、また、同一光路上に、所定間隔を空けて設けられ、コリメータレンズ２０５から出射された平行光を、それぞれ色表示の基本となるＲ，Ｇ，Ｂの３色の色光に選択的に分離するダイクロイックミラー２０Ｒ，２０６Ｇ，２０６Ｂと、ダイクロイックミラー２０６Ｒにより反射されたＲ色光を更に後述の液晶パネル２１０Ｒ側に反射する反射ミラー２０７と、ダイクロイックミラー２０６Ｂにより反射されたＢ色光を更に後述の液晶パネル２１０Ｂ側に反射する反射ミラー２０８とを備えている。
【００２４】
本実施の形態に係る画像投射表示装置は、更に、ダイクロイックミラー２０６Ｒ，２０６Ｇ，２０６Ｂにより分離されたＲ，Ｇ，Ｂの各色光を直線偏光させる入射側偏光板２０９Ｒ，２０９Ｇ，２０９Ｂと、これらの入射側偏光板２０９Ｒ，２０９Ｇ，２０９Ｂにより直線偏光された各色光を、それぞれ表示する画像に応じて空間的に変調するモノクロの液晶パネル２１０Ｒ，２１０Ｇ，２１０Ｂと、これらの液晶パネル２１０Ｒ，２１０Ｇ，２１０Ｂにより空間的に変調された光のうち所定の方向に偏光された光のみを透過させる出射側偏光板２１１Ｒ，２１１Ｇ，２１１Ｂと、これらの出射側偏光板２１１Ｒ，２１１Ｇ，２１１Ｂを透過した各色光を合成する色合成用ダイクロイックプリズム２１２と、この色合成用ダイクロイックプリズム２１２により合成された光をスクリーン１１１に投射する投射レンズ２１３とを備えている。
【００２５】
ここで、投射レンズ２１３が本発明における「投射手段」に対応する。
【００２６】
色合成用ダイクロイックプリズム２１２は立方体形状をしている。この色合成用ダイクロイックプリズム２１２は、それぞれＲ，Ｇ，Ｂの各色光が入射する３つの入射面２１２Ｒ，２１２Ｇ，２１２Ｂを有している。入射側偏光板２０９Ｒ，液晶パネル２１０Ｒおよび出射側偏光板２１１Ｒは、この色合成用ダイクロイックプリズム２１２の一つの入射面２１２Ｒに対向するように配置されている。また、入射側偏光板２０９Ｇ，液晶パネル２１０Ｇおよび出射側偏光板２１１Ｇは、ダイクロイックプリズム２１２における入射面２１２Ｒと直交する他の入射面２１２Ｇに対向するように配置されている。一方、入射側偏光板２０９Ｂ，液晶パネル２１０Ｂおよび出射側偏光板２１１Ｂは、色合成用ダイクロイックプリズム２１２における入射面２１２Ｒと平行な他の入射面２１２Ｂに対向するように配置されている。
【００２７】
液晶パネル２１０Ｒ，２１０Ｇ，２１０Ｂ（以下、これらを総称して液晶パネル２１０と記す。）は、カラーフィルタを用いない透過型のマイクロレンズ方式の液晶表示素子であり、入射した各色光に対して画像信号に応じた選択的な変調を行うようになっている。この液晶パネル２１０は、規則的に２次元配置された画素電極（本図では図示せず）が形成された画素基板（図示せず）と、この画素基板と対向するようにして配置された対向基板と（図示せず）、画素基板と対向基板との間を満たすように配置された液晶層（図示せず）とを含んで構成される。
【００２８】
ここで、液晶パネル２１０が本発明における「光変調素子」に対応する。
【００２９】
図２は、図１における液晶パネル２１０の一構成例である液晶パネル２１０ａの要部構造を示す断面図である。なお、以下の説明で、前面側とは光の入射面側をいい、後面側とは光の出射面側をいうものとする。この図に示した液晶パネル２１０ａは、画素基板１０と、この画素基板１０の前面側（入射光１の入射面側）に所定距離を隔てて対向配設された対向基板２０と、画素基板１０と対向基板２０とによって挟まれた液晶層３０とを備えている。液晶層３０には、シール部４０によって画素基板１０と対向基板２０との間に液晶が封止されている。
【００３０】
ここで、主として液晶層４０が本発明における光変調手段に対応する。
【００３１】
画素基板１０は、ガラス基板１１と、このガラス基板１１の前面側に液晶層３０と接するようにして規則的に（周期的に）配置された多数の画素電極部１３と、これらの各画素電極部１３に対して画像信号電圧をそれぞれ印加するためのスイッチング素子や配線等が形成されたブラックマトリクス部１２とを備えている。ここで、スイッチング素子としては、例えば、ＴＦＴが使用される。このブラックマトリクス部１２は、図示しない金属膜等で遮光され、光照射によってＴＦＴが誤動作しないようになっている。
【００３２】
対向基板２０は、画素電極部１３に対向配設された対向電極２１と、１つの画素電極部１３毎に画素電極部１３に対して対向配置された複数のマイクロレンズ２２と、このマイクロレンズ２２の凸面側に透明な樹脂層２３を介して配置されたガラス基板２４とを備えている。マイクロレンズ２２は、例えば、対向基板２０の一部をウェットエッチングまたはドライエッチング等によりレンズ形成されたものである。樹脂層２３は、マイクロレンズ２２をエッチング等によりレンズ形成した後、屈折率の異なる樹脂（例えば、レジスト、アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂、シリコン系樹脂またはフッ素系樹脂等）を充填することにより形成された層である。これら複数のマイクロレンズ２２および樹脂層２３によりマイクロレンズアレイが形成される。このマイクロレンズアレイの後面側は、例えばＣＭＰ法（化学機械研磨法）等を用いて研磨されており、その上に対向電極２１が形成される。この場合、マイクロレンズアレイに対する対向電極２１の密着性を高めるために、マイクロレンズアレイの上に透明な２酸化シリコン膜等を形成してからその上に対向電極２１を形成するようにしてもよい。対向電極２１は、例えばＩＴＯ(Indium Tin Oxide)等の透明導電膜で形成され、一定の電位（例えば接地電位）に固定されている。この対向電極２１は、例えば、スパッタリング法によりマイクロレンズアレイに蒸着される。
【００３３】
マイクロレンズ２２は、１つの画素電極部１３に対して複数のレンズを有している。例えば、マイクロレンズ２２は、１つの画素電極部１３に対して、正方格子状に配置された４つのレンズによって構成される。図では、１つの画素電極部１３について、正方格子状に配置された４つのレンズのうち、２つのマイクロレンズ２２ａ，２２ｂの断面のみが示されている。このように図２に示した例では、マイクロレンズ２２が、１つの画素電極部１３に対して複数のレンズで構成されているので、１つの画素電極部１３に対して複数に分割された曲面が形成されることになる。このマイクロレンズ２２の各曲面は、球面または球面に近い形状の非球面からなるものである。なお、１つの画素電極部１３に対して、４つのレンズを配置する構成に限らず、１つの画素電極部１３に対して、４つより少ないまたは多い数のレンズを配置するようにしてもよい。
【００３４】
図３は、図２に示したマイクロレンズ２２による集光特性を示す平面図である。この図は、マイクロレンズ２２によって、１つの画素電極部１３に集光する集光像を模式的に示したものである。なお、図における点線５１は、マイクロレンズ２２を構成する複数のレンズの分割線（境界線）に相当するものである。この図に示したように、マイクロレンズ２２によって、１つの画素電極部１３には、正方格子状に複数の円形の集光像５０ａ，５０ｂ，５０ｃ，５０ｄが形成される。
【００３５】
図４は、図２に示した液晶パネル２１０ａにおけるマイクロレンズ２２と従来の液晶パネルにおけるマイクロレンズとを比較するための説明図である。この図では、１画素に対応するマイクロレンズのみを示している。この図において、二点鎖線で示した部分は、従来のマイクロレンズ５２を示している。３板方式の画像投射表示装置に適用される液晶パネルの場合、従来では、マイクロレンズ５２が、１画素に対して１つの割合で配置されている。これに対し、図２に示した本実施の形態のマイクロレンズ２２は、上述のように、１つの画素電極部１３に対して複数のレンズにより構成されている。これにより、集光性能を同等にしつつ、マイクロレンズ２２の全体の厚みｔ１を従来のマイクロレンズ５２の厚みｔ２に対して小さくすることができる。従って、図２に示した液晶パネル２１０ａは、従来に比べて薄型化が図られている。
【００３６】
次に、図１に示した液晶パネル２１０の他の構成例について説明する。図５は、液晶パネル２１０の他の構成例としての液晶パネル２１０ｂの要部構造を示す断面図である。この図において、図２に示した液晶パネル２１０ａと同一構成要素には同一符号を付し、適宜説明を省略するものとする。この図に示した液晶パネル２１０ｂは、図２に示した液晶パネル２１０ａにおける複数のマイクロレンズ２２に代えて、複数のマイクロレンズ６０を備えたものである。このマイクロレンズ６０は、１つの画素電極部１３に対して１つのレンズが形成されたものである。各マイクロレンズ６０は、１つの画素電極部１３に対して複数の曲率を有したレンズによって構成されている。各マイクロレンズ６０は、例えば、中央部６１と周辺部６２とで曲率が異なっている。この図の例では、中央部６１が平坦化され、周辺部６２に入射光１を集光するための曲面が形成されている。周辺部６２の曲面は、球面または球面に近い形状の非球面からなるものである。このように、マイクロレンズ６０の中央部６１を平坦化することにより、レンズの厚みを従来の液晶パネルにおけるマイクロレンズの厚みに対して小さくすることができる。従って、図５に示した液晶パネル２１０ｂは、従来に比べて薄型化が図られている。
【００３７】
図６は、図５に示したマイクロレンズ６０による集光特性を示す平面図である。この図は、マイクロレンズ６０によって、１つの画素電極部１３に集光する集光像を模式的に示したものである。この図に示したように、マイクロレンズ６０の周辺部６２に形成された曲面の作用によって、１つの画素電極部１３には、環状の集光像６３が形成される。なお、中央部６１に入射した光は、そのまま画素電極部１３の中央部に到達する。
【００３８】
なお、図５に示したマイクロレンズ６０において、中央部６１を完全に平坦化せず、周辺部６２とは異なる曲率の曲面によって構成してもよい。また、図２に示したマイクロレンズ２２において、１つの画素電極部１３に対して複数に分割されたレンズの各々の中央部を、マイクロレンズ６０と同様に平坦化して構成するようにしてもよい。これにより、液晶パネル２１０の更なる薄型化を図ることができる。
【００３９】
次に、液晶パネル２１０のより具体的な構成例を説明する。通常、３板方式の液晶プロジェクタでその使用形態がフロント方式の場合、液晶パネルに入射する光の角度成分は、±１０°程度である。従って、例えば、図５に示したマイクロレンズ６０における中央部６１の平坦化された部分においても、光の入射成分は約±１０°の角度分布を持つことになる。
【００４０】
図７は、液晶パネル２１０に入射する光の角度依存性の例を説明するための特性図である。この図において、縦軸は液晶パネル２１０に入射する入射光の相対強度を示しており、横軸は入射角度を示している。この図では、特に、液晶パネル２１０として図２に示した構成の液晶パネル２１０ａにおける入射光の強度分布例を示している。なお、この強度分布例は、画素電極部１３上の対向基板２０に投射される光の強度分布に対応する。液晶パネル２１０ａに入射する光の強度分布は、符号７１で示した曲線のように、例えば、約±１０°の角度成分を有している。従って、液晶パネル２１０におけるマイクロレンズは、この角度分布を考慮して設計する必要がある。なお、図では、角度成分が約±８°である例（符号７２で示した曲線）を同時に示している。
【００４１】
ここで、図８を参照して、本実施の形態における液晶パネル２１０について、光の角度成分を考慮した具体的な設計手法を説明する。ここでは、図５に示したマイクロレンズ６０と同様に、１つの画素電極部１３に１つのレンズが配置されていると共に、レンズの中心部に平坦部７３が形成されたマイクロレンズ７０を有する液晶パネルを設計する場合を例に説明する。なお、図８において、図５に示した液晶パネル２１０ｂと同一構成要素には同一符号を付している。また、この図において、（Ａ）は、図５と同様に液晶パネルの断面構造を示し、（Ｂ）は、マイクロレンズ７０部分を光の入射側から見た平面図を示している。ここで、図に示したように、１つのマイクロレンズ７０の大きさをＤ1，隣り合うマイクロレンズ７０との境界部７４における液晶層３０との間の距離をｄｃ，ブラックマトリクス部１２間の距離をＤ2，１つのブラックマトリクス部１２の大きさをＤ3，マイクロレンズ７０の平坦部７３から、画素電極部１３の底部までの距離をｄとする。また、マイクロレンズ７０の平坦部７３の周端部（曲率変化点７５）とブラックマトリクス部１２との間の水平方向の距離をｘ，入射角度θで入射した入射光２と曲率変化点７５との間の水平方向の距離をｙとする。
【００４２】
この図に示した液晶パネルにおいて、ｘ／ｄ＜ｔａｎθの関係が成り立つ。このとき、入射角度θが１０°であったとすると、ｔａｎ１０°は、約０．１７６であるから、ｘ／０．１７６＜ｄの関係が成り立つ。ここで、距離ｄが２０μｍであるとすると、ｘ＜３．５μｍとなる。更に、ブラックマトリクス部１２の大きさＤ3が４μｍであるとすると、距離ｙ＜ｘ＋２μｍ＝５．５μｍとなる。
【００４３】
また、仮に画素電極部１３の一辺の長さに相当する距離Ｄ1が２０μｍであると共に、マイクロレンズ７０の基本的な形状が球であるとすると、このレンズの球半径ｒは、２０√２／２であり約１４μｍである。ここで、更に、入射光２が±１０°の角度成分まで持ち、ｘ＝３．５μｍ，ｄ＝２０μｍであると仮定すれば、距離ｄｃは、約６μｍで良くなる。
【００４４】
図９は、以上のような設計手法による一設計例である液晶パネル２１０ｃの要部構造を示す構成図である。この図において、（Ａ）は、液晶パネル２１０ｃの断面構造を示し、（Ｂ）は、マイクロレンズ８０部分を光の入射側から見た平面図を示している。なお、この図において、図８に示した液晶パネルと同一構成要素には同一符号を付している。この液晶パネル２１０ｃの各部の設計値は、以下の通りである。なお、距離ｄａは、マイクロレンズ８０の平坦部７３と境界部７４との間の距離である。距離ｙ1は、マイクロレンズ８０の曲率変化点７５と境界部７４との間の水平方向の距離であり、距離ｙ2は、マイクロレンズ８０の曲率変化点７５とレンズ中心Ｏとの間の水平方向の距離である。角度αは、マイクロレンズ８０の曲率変化点７５と境界部７４との間のレンズ中心Ｏを基準とした角度である。マイクロレンズ８０および樹脂層２３は、それぞれ屈折率の異なる樹脂（例えば、レジスト、アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂、シリコン系樹脂またはフッ素系樹脂等）により形成されている。樹脂層２３は、マイクロレンズ８０をエッチング等によりレンズ形成した後、この屈折率の異なる樹脂を充填することにより形成される。なお、マイクロレンズ８０の屈折率ｎ2は、樹脂層２３の屈折率ｎ1よりも大きい。
【００４５】
マイクロレンズ８０の半径ｒ＝１４．１μｍ
距離ｄａ＝１１．２μｍ
距離ｄｃ＝４μｍ
距離ｙ1＝５．５μｍ
距離ｙ2＝８．６μｍ
角度α＝５２°
【００４６】
図１０は、以上のような設計手法による他の設計例である液晶パネル２１０ｄの要部構造を示す構成図である。この図において、（Ａ）は、液晶パネル２１０ｄの断面構造を示し、（Ｂ）は、マイクロレンズ２８０部分を光の出射側（後面側）から見た平面図を示している。なお、この図において、図９に示した液晶パネル２１０ｃと同一構成要素には同一符号を付している。この液晶パネル２１０ｄにおいて、マイクロレンズ２８０は、１つの画素電極部１３に対して複数のレンズを有している。より具体的には、図の（Ｂ）に示したように、マイクロレンズ２８０は、１つの画素電極部１３に対して、正方格子状に配置された４つのレンズ２８０ａ，２８０ｂ，２８０ｃ，２８０ｄによって構成されている。但し、このマイクロレンズ２８０は、図２に示したマイクロレンズ２２とは異なり、レンズが光の出射側に凸な形状となっていると共に、レンズ全体の中央部に図９に示したマイクロレンズ８０と同様に平坦部７３が形成されている。すなわち、この図の例では、マイクロレンズ２８０が、１つの画素電極部１３に対して、レンズの分割化と平坦化の双方が行われた構成となっている。このマイクロレンズ２８０の平坦化により、レンズの薄型化に寄与することができると共に、液晶層３０に対してレンズの凸面の深さが深くなり過ぎ、ギャップ厚の制御が難しくなるような事態を防止することができる。
【００４７】
液晶パネル２１０ｄの各部の設計値の基本的な部分については図９に示した液晶パネル２１０ｃと同様である。例えば、距離ｄａ，ｄｃ，ｙ1，ｙ2については、液晶パネル２１０ｃと同様である。なお、ここでの距離ｄｃは、マイクロレンズ２８０の平坦部７３と液晶層３０との間の距離である。マイクロレンズ２８０および樹脂層２３は、それぞれ屈折率の異なる樹脂により形成されている。マイクロレンズ２８０および樹脂層２３の形成方法については図９に示した液晶パネル２１０ｃと同様である。
【００４８】
次に、上記のような構成の画像投射表示装置の作用について説明する。
【００４９】
まず、図１を参照して、画像投射表示装置の全体の作用を説明する。光源２０１から発せられた白色光は、ＵＶ／ＩＲカットフィルタ２０２により紫外線および赤外線が除去される。そして、このＵＶ／ＩＲカットフィルタ２０２を透過した光は、インテグレータ２０３において拡散され、光の照度分布が均一化されたほぼ平行な光として出射される。このインテグレータ２０３から出射された平行光は、リレーレンズ２０４により、一旦集光された後、リレーレンズ２０４と共にテレセントリック光学系を形成したコリメータレンズ２０５により、所定幅の平行光として出射される。
【００５０】
コリメータレンズ２０５から出射した平行光は、ダイクロイックミラー２０６Ｒ，２０６Ｇ，２０６Ｂの作用により、色表示の基本となるＲ，Ｇ，Ｂの３色の色光に選択的に分離される。分離されたＲ，Ｇ，Ｂの各色光は、入射側偏光板２０９Ｒ，２０９Ｇ，２０９Ｂにより直線偏光された後、それぞれ液晶パネル２１０Ｒ，２１０Ｇ，２１０Ｂに入射する。液晶パネル２１０Ｒ，２１０Ｇ，２１０Ｂは、入射した光を空間的に変調して出射する。液晶パネル２１０Ｒ，２１０Ｇ，２１０Ｂを出射した光は、出射側偏光板２１１Ｒ，２１１Ｇ，２１１Ｂに入射する。出射側偏光板２１１Ｒ，２１１Ｇ，２１１Ｂを透過した各色光は、それぞれ色合成用ダイクロイックプリズム２１２の入射面２１２Ｒ，２１２Ｇ，２１２Ｂに入射する。色合成用ダイクロイックプリズム２１２の入射面２１２Ｒ，２１２Ｇ，２１２Ｂに入射した各色光は、色合成用ダイクロイックプリズム２１２の作用により色合成された後、投射レンズ２１３により、スクリーン１１１に投射される。
【００５１】
次に、液晶パネル２１０の作用について説明する。まず、図２および図３を参照して、液晶パネル２１０の一構成例である液晶パネル２１０ａの作用について説明する。なお、以下では特に、１つの画素電極部１３に入射する入射光１が受ける作用について説明する。
【００５２】
図２に示したように、液晶パネル２１０ａに入射した入射光１は、対向基板２０のガラス基板２４を透過し、マイクロレンズ２２によって集光作用を受けて液晶層３０、画素電極部１３を通過し、画素基板１０のガラス基板１１の内部で焦点を結ぶ。なお、マイクロレンズ２２による光の集光位置は、ガラス基板１１の内部ではなく、画素電極部１３上であっても構わない。入射光１は、液晶層３０を通過する間に、画素電極部１３に印加された画像信号電圧に応じて空間的な変調を受ける。
【００５３】
１つの画素電極部１３に対しては、マイクロレンズ２２として、例えば、正方格子状に４つのレンズが分割配置されている。液晶パネル２１０ａに入射した入射光１は、この４つのレンズのそれぞれによって、１つの画素電極部１３に入射するように集光される。より具体的には、分割配置された４つのレンズによって、画素電極部１３上には、図３に示したように、正方格子状に複数の円形の集光像５０ａ，５０ｂ，５０ｃ，５０ｄが形成される。以上の作用は、マイクロレンズ２２に入射する全ての光について同様である。
【００５４】
次に、図５および図６を参照して、液晶パネル２１０の他の構成例である液晶パネル２１０ｂの作用について説明する。この液晶パネル２１０ｂによる作用は、マイクロレンズ６０による作用を除いて上述の液晶パネル２１０ａによる作用と同様である。マイクロレンズ６０は、１つの画素電極部１３に対して１つのレンズが配置されていると共に、例えば、中央部６１と周辺部６２とで曲率が異なっている。このため、レンズの中央部６１と周辺部６２とで光の集光作用が異なる。図５に示した例では、中央部６１が平坦化され、周辺部６２に入射光１を集光するための曲面が形成されおり、この周辺部６２に形成された曲面の作用によって、１つの画素電極部１３には、図６に示したように環状の集光像６３が形成される。なお、中央部６１に入射した光は、そのまま画素電極部１３の中央部に到達する。
【００５５】
なお、図９および図１０に示した液晶パネル２１０ｃ，２１０ｄについても、その全体的な作用は液晶パネル２１０ａ，２１０ｂと同様である。
【００５６】
以上説明したように、本実施の形態によれば、液晶パネル２１０におけるマイクロレンズの各々が、曲率の異なる複数のレンズ面（例えば、図５に示したマイクロレンズ６０）または分割された複数のレンズ面（例えば、図２に示したマイクロレンズ２２）を有するようにして構成されているので、マイクロレンズ部分の薄型化を図ることができ、マイクロレンズを構成する基板の熱膨張率、弾性率の変化によるギャップ厚の制御がし易くなる。これにより、ギャップ厚の均一化を図ることができるので、ギャップ厚のばらつきによる色むらを少なくして高品質な画像表示を行うことが可能となる。特に、図１０に示したマイクロレンズ２８０では、レンズ中央部の平坦化を図ってレンズの凸面を液晶層３０側に配置するようにしたので、レンズの凸面が液晶層３０側に配置されているにも関わらず、液晶層３０に対してレンズの境界部分の深さが深くなり過ぎることがなく、ギャップ厚の制御がし易くなっている。
【００５７】
また、本実施の形態によれば、従来のように、マイクロレンズを単一の曲率のレンズのみで構成すると共に、１つの画素電極部１３に１つのレンズを対応させるような構成を採っていないので、従来に比べて、焦点距離や厚さ等を含めたレンズの設計自由度を向上させることができる。
【００５８】
［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。本発明は、３板方式のみならず、単板方式の画像投射表示装置にも適用可能である。本実施の形態では、本発明を単板方式の画像投射表示装置に適用した場合について説明する。
【００５９】
図１１は、本発明の第２の実施の形態に係る画像投射表示装置の光学系の概略構成を表すもので、装置を真上から見下ろした状態を示している。なお、この図では、煩雑さを避けるために、主たる光線の経路のみを描き、他を省略している。この画像投射表示装置は、カラーフィルタを用いない単板方式の液晶プロジェクタとして構成されたものであり、白色光を発する光源１と、この光源１から発せられた白色光に含まれる紫外および赤外領域の光を除去するＵＶ／ＩＲカットフィルタ３０２と、このＵＶ／ＩＲカットフィルタ３０２を透過した光を拡散させて光の照度分布が均一化された平行光を出射するインテグレータ３０３と、このインテグレータ３０３から出射された平行光を集光して光源像を形成するリレーレンズ３０４と、このリレーレンズ３０４と共にテレセントリック光学系を形成してリレーレンズ３０４により集光された光を再び所定幅の平行光として出射するコリメータレンズ３０５とを備えている。
【００６０】
光源３０１は、発光体と、回転対称な凹面鏡とを含んで構成される。発光体としては、例えばメタルハライド系のランプが用いられる。凹面鏡としてはできるだけ集光効率のよい形状のものがよく、例えば回転楕円面鏡や回転放物面鏡等が用いられる。インテグレータ３０３は、光源３０１から出射した白色光を拡散させて後述する液晶パネル３０８における面内照度分布を均一化するためのものであり、例えば、多数のマイクロレンズを配列して形成した１対のレンズアレイ（フライアイレンズ）、またはグラスロッド等によって構成される。
【００６１】
この画像投射表示装置は、また、コリメータレンズ３０５から出射された平行光を、色表示の基本となるＢ，Ｒ，Ｇの３色の色光に選択的に分離して出射するダイクロイックミラー３０６と、このダイクロイックミラー３０６により分離されたＢ，Ｒ，Ｇの３色の色光の各々を直線偏光させる入射側偏光板３０７と、この入射側偏光板３０７により直線偏光されたＢ，Ｒ，Ｇの３色の色光を、表示する画像に応じて空間的に変調する液晶パネル３０８と、この液晶パネル３０８により空間的に変調された光のうち所定の方向に偏光された光のみを透過させる出射側偏光板３０９と、この出射側偏光板３０９を透過した光をスクリーン３１１に投射する投射レンズ３１０とを備えている。
【００６２】
ここで、投射レンズ３１０が本発明における「投射手段」に対応する。また、液晶パネル３０８が本発明における「光変調手段」に対応する。
【００６３】
ダイクロイックミラー３０６は、それぞれＢ，Ｒ，Ｇの各色光を選択的に反射するＢ用ミラー３０６Ｂ，Ｒ用ミラー３０６ＲおよびＧ用ミラー３０６Ｇの３枚のミラーを有している。また、ミラー３０６Ｂ，３０６Ｒ，３０６Ｇは、液晶パネル３０８にそれぞれ異なる方向から入射するＲ，Ｇ，Ｂの各色光の入射角を設定するための色調整保持機構（図示せず）を有している。
【００６４】
液晶パネル３０８は、カラーフィルタを用いない透過型のマイクロレンズ方式の液晶表示素子であり、ダイクロイックミラー３０６で反射された各色光に対して画像信号に応じた選択的な変調を行うようになっている。この液晶パネル３０８は、Ｂ，Ｒ，Ｇの各色に対応して規則的に２次元配置された画素電極（本図では図示せず）が形成された画素基板（図示せず）と、この画素基板と対向するようにして配置された対向基板と（図示せず）、画素基板と対向基板との間を満たすように配置された液晶層（図示せず）とを含んで構成される。
【００６５】
図１２は、図１１における液晶パネル３０８の一構成例を示す断面図である。なお、以下の説明では、図２に示した液晶パネル２１０ａにおける構成要素と同一の部分には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。この図に示した液晶パネル３０８は、画素基板１０１と、この画素基板１０１の前面側（入射光Ｒ，Ｇ，Ｂの入射面側）に所定距離を隔てて対向配設された対向基板１０２とを備えている。
【００６６】
画素基板１０１は、ガラス基板１１の前面側に液晶層３０と接するようにして規則的に（周期的に）配置された多数の画素電極部９１を備えている。画素電極部９１は、Ｂ，Ｒ，Ｇのいずれかの色光用に割り当てられている。ここで、Ｂ，Ｒ，Ｇの各色光用の画素電極部９１をそれぞれ９１Ｂ，９１Ｒ，９１Ｇと記すことにすると、各画素電極部９１は、１つの方向（図では右から左に向かう方向）に沿って９１Ｂ，９１Ｒ，９１Ｇという順序で繰り返し配列がなされている。なお、以下では、３つの画素電極部９１Ｂ，９１Ｒ，９１Ｇの組を総称して１群の画素電極部９１と呼ぶ。
【００６７】
対向基板１０２は、１群の画素電極部９１毎に画素電極部９１に対して対向配置された複数のマイクロレンズ９０を備えている。このマイクロレンズ９０には、ダイクロイックミラー３０６Ｂ，３０６Ｒ，３０６Ｇ（図１１）によって白色光から色分離して得られたＢ，Ｇ，Ｒの３つの光束が互いに異なる方向から入射するようになっている。このマイクロレンズ９０に入射したＢ，Ｒ，Ｇの各色光は、それぞれ画素電極部９１Ｂ，９１Ｒ，９１Ｇに入射するようになっている。各マイクロレンズ９０は、１群の画素電極部９１に対して複数の曲率を有したレンズによって構成されている。各マイクロレンズ９０は、例えば、中央部と周辺部とで曲率が異なっている。この図の例では、中央部に対して周辺部のレンズ面の曲率が小さくなっている。すなわち、各マイクロレンズ９０は、周辺部のレンズ面の方が大きなパワーを有している。なお、このマイクロレンズ９０が、入射した光に与える作用については後に図１３を参照して詳述する。
【００６８】
なお、液晶パネル３０８におけるマイクロレンズとして、上記第１の実施の形態の液晶パネル２１０におけるマイクロレンズの構成と同様のレンズを使用することも可能である。また、逆に、上記第１の実施の形態の液晶パネル２１０におけるマイクロレンズとして、本実施の形態の液晶パネル３０８におけるマイクロレンズの構成と同様のレンズを使用することも可能である。
【００６９】
次に、上記のような構成の画像投射表示装置の作用について説明する。
【００７０】
まず、図１１を参照して、画像投射表示装置の全体の作用を説明する。光源３０１から発せられた白色光は、ＵＶ／ＩＲカットフィルタ３０２により紫外線および赤外線が除去される。そして、このＵＶ／ＩＲカットフィルタ３０２を透過した光は、インテグレータ３０３において拡散され、光の照度分布が均一化されたほぼ平行な光として出射される。このインテグレータ３０３から出射された平行光は、リレーレンズ２３４により、一旦集光された後、リレーレンズ３０４と共にテレセントリック光学系を形成したコリメータレンズ３０５により、所定幅の平行光として出射される。
【００７１】
コリメータレンズ３０５から出射した平行光は、ダイクロイックミラー３０６Ｒ，３０６Ｇ，３０６Ｂの作用により、色表示の基本となるＲ，Ｇ，Ｂの３色の色光に選択的に分離される。ダイクロイックミラー３０６Ｒ，３０６Ｇ，３０６Ｂは、分離した各色光を互いに異なる角度方向に反射する。このようにダイクロイックミラー３０６Ｒ，３０６Ｇ，３０６Ｂによって分離され互いに異なる角度方向に反射されたＲ，Ｇ，Ｂの各色光は、入射側偏光板３０７により直線偏光された後、液晶パネル３０８にそれぞれ異なる方向から入射する。液晶パネル３０８は、入射した光を空間的に変調して出射する。液晶パネル３０８を出射した光は、出射側偏光板３０９に入射する。出射側偏光板３０９を透過した各色光は、投射レンズ３１０により、スクリーン３１１に投射される。
【００７２】
次に、図１２を参照して液晶パネル３０８の作用について説明する。なお、以下では特に、１群の画素電極部９１に入射する入射光が受ける作用について説明する。
【００７３】
図１２に示したように、液晶パネル３０８に異なる方向から入射したＢ，Ｒ，Ｇの各入射光は、対向基板１０２のガラス基板２４を透過し、マイクロレンズ９０によって集光作用を受けて液晶層３０、画素電極部９１を通過し、画素基板１０１のガラス基板１１の内部でそれぞれの色毎に異なる位置に焦点を結ぶ。なお、マイクロレンズ９０による光の集光位置は、ガラス基板１１の内部ではなく、画素電極部９１上であっても構わない。マイクロレンズ９０に入射したＢ，Ｒ，Ｇの各入射光は、それぞれの色用の画素電極部９１Ｂ，９１Ｒ，９１Ｇに入射する。また、Ｂ，Ｒ，Ｇの各入射光は、液晶層３０を通過する間に、それぞれの色用の画素電極部９１Ｂ，９１Ｒ，９１Ｇに印加された画像信号電圧に応じて空間的な変調を受ける。
【００７４】
次に、図１３を参照してマイクロレンズ９０の作用について詳述する。なお、図では、入射光としてＲ光の経路のみを代表して示している。また、図において、符号９０で示した部分は、マイクロレンズ９０の中央部の円弧をその曲率を変えずに中央部から延長して示したものであり、マイクロレンズ９０の比較例としての従来のレンズに相当する部分である。
【００７５】
マイクロレンズ９０は、１群の画素電極部９１に対して１つのレンズが配置されていると共に、中央部と周辺部とで曲率が異なっている。このため、レンズの中央部と周辺部とで光の集光作用が異なる。この図に示した例では、中央部に対して曲率変化点９０ｂを境に周辺部のレンズ面の曲率が小さくなっており、周辺部のレンズ面の方が大きなパワーを有している。このマイクロレンズ９０によれば、焦点距離自身はあまり変化させることなく、周辺部に入った入射光３ｃを、いわば球面収差のようにレンズ中央部に曲げる効果がある。このため、従来のように単一の曲率で構成したレンズでは、画素電極部９１に有効に入射させることのできなかった周辺部の入射光３ｂについても、中央部の入射光３ａと同様に有効に入射させることができる。このため、周辺部から画素電極部９１に入射する光量を従来より有効に使用することが可能となる。更に、このマイクロレンズ９０によれば、特に、本実施の形態のように単板式の液晶パネルに対する光量増大の効果と共に、隣接する画素電極部９１への漏れ光を低減する効果があり、混色を少なくして色純度の向上にも寄与するという効果がある。
【００７６】
以上説明したように、本実施の形態によれば、単板方式の画像投射表示装置に対しても、液晶パネル３０８におけるマイクロレンズ部分の薄型化を図ることができ、マイクロレンズを構成する基板の熱膨張率、弾性率の変化によるギャップ厚の制御がし易くなる。これにより、ギャップ厚の均一化を図ることができるので、ギャップ厚のばらつきによる輝度むらを少なくして高品質な画像表示を行うことが可能となる。
【００７７】
なお、本実施の形態におけるその他の構成、作用および効果は、上記第１の実施の形態と同様である。
【００７８】
なお、本発明は、上記各実施の形態に限定されず種々の変形実施が可能である。例えば、本発明の画像投射表示装置の使用形態としては、スクリーンの裏面から画像を投射するリア方式と、スクリーンの前面から画像を投射するフロント方式のいずれの形態であってもよい。また、本発明は、透過型の液晶パネルのみならず、反射型の液晶パネルにも適用することが可能である。更に、液晶パネルの構成については、例えば、液晶層とマイクロレンズが設けられた層との間にカバーガラスが配置された構成であってもよい。
【００７９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光変調素子または画像投射表示装置によれば、少なくとも一つの色光の各々に対応付けられて２次元的に配列された複数の画素電極と、１つの画素電極または複数の色光に対応付けられた一群の画素電極毎に対向配置されると共に、各々が曲率の異なる複数のレンズ面または分割された複数のレンズ面を有すると共に各々の中央部が平坦化された複数のマイクロレンズと、画素電極に印加される画像信号に応じて、入射した色光を変調する光変調手段とを備えるようにしたので、マイクロレンズの薄型化を図ることができ、ギャップ厚の制御がし易くなる。これにより、ギャップ厚の均一化を図ることができるので、輝度むらや色むらの少ない高品質な画像表示を行うことが可能となるという効果を奏する。
【００８０】
また、特に、複数のマイクロレンズ部分の各々の中央部を平坦化すると共に、この平坦化された面を、光変調手段を構成する液晶層側に配置するようにした場合には、更に、マイクロレンズの凸側を液晶層側に配置したとしても、液晶層に対してレンズの凸面の深さが深くなり過ぎることがなく、ギャップ厚の制御がし易くなるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る画像投射表示装置の全体構成を表す平面図である。
【図２】図１に示した画像投射表示装置における液晶パネルの一構成例を表す断面図である。
【図３】図２に示した液晶パネルにおけるマイクロレンズによる集光特性を示す平面図である。
【図４】図２に示した液晶パネルにおけるマイクロレンズと従来の液晶パネルにおけるマイクロレンズとを比較するための説明図である。
【図５】図１に示した画像投射表示装置における液晶パネルの他の構成例を示す断面図である。
【図６】図５に示した液晶パネルにおけるマイクロレンズによる集光特性を示す平面図である。
【図７】図１に示した画像投射表示装置における液晶パネルに入射する光の角度依存性の例を示す特性図である。
【図８】図１に示した画像投射表示装置における液晶パネルを光の角度成分を考慮して具体的に設計するための設計手法を説明するための説明図である。
【図９】図８を用いて説明した設計手法による一設計例である液晶パネルの要部構造を示す構成図である。
【図１０】図８を用いて説明した設計手法による他の設計例である液晶パネルの要部構造を示す構成図である。
【図１１】本発明の第２の実施の形態に係る画像投射表示装置の全体構成を表す平面図である。
【図１２】図１１に示した画像投射表示装置における液晶パネルの要部構造を表す断面図である。
【図１３】図１２に示した液晶パネルにおけるマイクロレンズの集光特性を説明するための説明図である。
【図１４】従来の液晶パネルの一構成例を表す断面図である。
【図１５】従来の液晶パネルの他の構成例を表す断面図である。
【符号の説明】
１０…画素基板，１２…ブラックマトリクス部，２０，２０ａ…対向基板，２２，６０…マイクロレンズ，３０…液晶層，６１…平坦部，２１０ａ，２１０ｂ，２１０ｃ，２１０ｄ，２１０Ｒ，２１０Ｇ，２１０Ｂ…液晶パネル，２１３，３１０…投射レンズ、１１１，３１１…スクリーン。
Claims (4)
- カラーフィルタを用いない透過型の光変調素子であって、
少なくとも一つの色光の各々に対応付けられて２次元的に配列された複数の画素電極を有する画素基板と、
前記画素基板に対向するように配置され、所定の角度分布を有する光が入射する対向基板と、
前記画素基板と前記対向基板との間に配置され、前記画素電極に印加される画像信号に応じて、入射した色光を変調する光変調手段と
を備え、
前記対向基板は、光の入射側に配置されたガラス基板と、前記光変調手段側に配置された対向電極と、前記ガラス基板と前記対向電極との間に配置された複数のマイクロレンズとを有し、
前記複数のマイクロレンズは、１つの画素電極または複数の色光に対応付けられた一群の画素電極毎に対向配置されると共に、各々が曲率の異なる複数のレンズ面または分割された複数のレンズ面を有すると共に各々の中央部が平坦化され、かつ、前記各マイクロレンズが、前記対向基板に入射する光の角度分布に応じた設計とされ、前記対向基板に前記所定の角度分布を持って入射した光のうち少なくとも前記各マイクロレンズの平坦部に入射した光がすべて、前記対応する前記画素電極に入射するように構成されている
ことを特徴とする光変調素子。 - 前記画素基板において、隣接する前記画素電極間にはブラックマトリクス部が形成されており、
前記マイクロレンズの平坦部から前記画素電極の底部までの距離をｄ、前記マイクロレンズの平坦部の周端部（曲率変化点）と前記ブラックマトリクス部との間の水平方向の距離をｘ，前記所定の角度分布を持つ光の入射角度をθとするとき、
ｘ／ｄ＜ｔａｎθの関係が成り立つように構成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の光変調素子。 - 複数の色光を生成する色光生成手段と、カラーフィルタを用いない透過型の構成とされ前記色光生成手段からの各色光に対して画像信号に応じた光変調処理を行う少なくとも一つの光変調素子と、前記光変調素子で変調された各色光をスクリーン上に投射する投射手段とを備えた画像投射表示装置であって、
前記光変調素子は、
少なくとも一つの色光の各々に対応付けられて２次元的に配列された複数の画素電極を有する画素基板と、
前記画素基板に対向するように配置され、所定の角度分布を有する光が入射する対向基板と、
前記画素基板と前記対向基板との間に配置され、前記画素電極に印加される画像信号に応じて、入射した色光を変調する光変調手段と
を備え、
前記対向基板は、光の入射側に配置されたガラス基板と、前記光変調手段側に配置された対向電極と、前記ガラス基板と前記対向電極との間に配置された複数のマイクロレンズとを有し、
前記複数のマイクロレンズは、１つの画素電極または複数の色光に対応付けられた一群の画素電極毎に対向配置されると共に、各々が曲率の異なる複数のレンズ面または分割された複数のレンズ面を有すると共に各々の中央部が平坦化され、かつ、前記各マイクロレンズが、前記対向基板に入射する光の角度分布に応じた設計とされ、前記対向基板に前記所定の角度分布を持って入射した光のうち少なくとも前記各マイクロレンズの平坦部に入射した光がすべて、前記対応する前記画素電極に入射するように構成されている
ことを特徴とする画像投射表示装置。 - 前記画素基板において、隣接する前記画素電極間にはブラックマトリクス部が形成されており、
前記マイクロレンズの平坦部から前記画素電極の底部までの距離をｄ、前記マイクロレンズの平坦部の周端部（曲率変化点）と前記ブラックマトリクス部との間の水平方向の距離をｘ，前記所定の角度分布を持つ光の入射角度をθとするとき、
ｘ／ｄ＜ｔａｎθの関係が成り立つように構成されている
ことを特徴とする請求項３に記載の画像投射表示装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP37298098A JP4096346B2 (ja) | 1998-12-28 | 1998-12-28 | 光変調素子および画像投射表示装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP37298098A JP4096346B2 (ja) | 1998-12-28 | 1998-12-28 | 光変調素子および画像投射表示装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000193928A JP2000193928A (ja) | 2000-07-14 |
| JP4096346B2 true JP4096346B2 (ja) | 2008-06-04 |
Family
ID=18501370
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP37298098A Expired - Fee Related JP4096346B2 (ja) | 1998-12-28 | 1998-12-28 | 光変調素子および画像投射表示装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4096346B2 (ja) |
Families Citing this family (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3970784B2 (ja) * | 2003-02-10 | 2007-09-05 | シャープ株式会社 | マイクロレンズ基板、及びそれを備えた液晶表示素子、並びに投影型液晶表示装置 |
| JP4495917B2 (ja) * | 2003-04-03 | 2010-07-07 | 株式会社リコー | 画像表示装置 |
| JP4400110B2 (ja) * | 2003-06-27 | 2010-01-20 | 株式会社日立製作所 | 光学ユニットおよびそれを用いた投射型映像表示装置 |
| JP4806169B2 (ja) * | 2004-06-04 | 2011-11-02 | 株式会社リコー | 反射型液晶空間光変調素子及び画像表示装置 |
| JP4285373B2 (ja) * | 2004-09-01 | 2009-06-24 | セイコーエプソン株式会社 | マイクロレンズの製造方法、マイクロレンズ及びマイクロレンズアレイ、並びに電気光学装置及び電子機器 |
| JP2006284984A (ja) * | 2005-04-01 | 2006-10-19 | Seiko Epson Corp | マイクロレンズ、空間光変調装置及び画像表示装置 |
| JP2008242238A (ja) * | 2007-03-28 | 2008-10-09 | Hitachi Via Mechanics Ltd | 露光装置 |
| JP4858577B2 (ja) * | 2009-06-18 | 2012-01-18 | 株式会社日立製作所 | 光学ユニットおよびそれを用いた投射型映像表示装置 |
| JP5569013B2 (ja) * | 2010-02-02 | 2014-08-13 | ソニー株式会社 | 液晶表示素子及び液晶表示素子を備える投射型液晶表示装置 |
| JP2013167748A (ja) * | 2012-02-15 | 2013-08-29 | Canon Inc | 照明光学系および画像投射装置 |
| JP2014194472A (ja) * | 2013-03-28 | 2014-10-09 | Seiko Epson Corp | マイクロレンズアレイ、光変調装置、及びプロジェクター |
| JP6237070B2 (ja) | 2013-10-01 | 2017-11-29 | セイコーエプソン株式会社 | マイクロレンズアレイ基板、電気光学装置、および電子機器 |
| JP2015138165A (ja) | 2014-01-23 | 2015-07-30 | セイコーエプソン株式会社 | マイクロレンズアレイ、マイクロレンズアレイの製造方法、電気光学装置、及び電子機器 |
| JP2015203744A (ja) * | 2014-04-14 | 2015-11-16 | セイコーエプソン株式会社 | 電気光学装置および電子機器 |
| JP6318947B2 (ja) * | 2014-07-24 | 2018-05-09 | セイコーエプソン株式会社 | マイクロレンズアレイ基板、電気光学装置、および電子機器 |
-
1998
- 1998-12-28 JP JP37298098A patent/JP4096346B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2000193928A (ja) | 2000-07-14 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| TW482919B (en) | Projection type color image display apparatus | |
| JP2942129B2 (ja) | 投影型カラー液晶表示装置 | |
| JP3344635B2 (ja) | カラー液晶表示装置 | |
| US5754260A (en) | Projection type color liquid crystal optical apparatus | |
| US5381187A (en) | Image display apparatus | |
| US5990992A (en) | Image display device with plural planar microlens arrays | |
| JP4096346B2 (ja) | 光変調素子および画像投射表示装置 | |
| JP2002182008A (ja) | 光学レンズシステム、画像表示装置、マイクロレンズアレイ、液晶表示素子および投影型液晶表示装置 | |
| JP2951858B2 (ja) | 投影型カラー液晶表示装置 | |
| JPH03140920A (ja) | 投写型表示装置及び該投写型表示装置に用いる液晶表示装置 | |
| US7339638B2 (en) | Micro-lens substrate, liquid crystal display element having same, and projection-type liquid crystal display device | |
| EP1780560B1 (en) | Spatial light modulator and projector | |
| JP4202221B2 (ja) | 光屈折素子アレイ基板、画像表示素子および画像表示装置 | |
| US6104458A (en) | Liquid crystal modulation element and projection-type liquid crystal display apparatus having intercepting filters and microlenses | |
| JP2002229125A (ja) | 投射型画像表示装置および画像表示システム | |
| JP2000147500A (ja) | 画像プロジェクタ | |
| JP2008097032A (ja) | マイクロレンズアレイ、液晶表示素子および投影型液晶表示装置 | |
| JP3908193B2 (ja) | マイクロレンズ基板の製造方法 | |
| JPH08227103A (ja) | 投射型表示装置 | |
| JPH1184337A (ja) | 液晶装置および投写型表示装置 | |
| JPH11295652A (ja) | 画像表示装置とそれを用いた投写型画像表示装置 | |
| JPH08304606A (ja) | 反射光吸収板および表示パネルとそれを用いた表示装置 | |
| JP4534443B2 (ja) | 光学ユニット及び投射型表示装置 | |
| JP2000047137A (ja) | 反射型表示素子および投写型表示装置 | |
| JP2002148617A (ja) | 液晶表示装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20050727 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20070525 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20070724 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20071205 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20080129 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20080218 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20080302 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110321 Year of fee payment: 3 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120321 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130321 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130321 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140321 Year of fee payment: 6 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |