JP4806169B2

JP4806169B2 - 反射型液晶空間光変調素子及び画像表示装置

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Publication number: JP4806169B2
Application number: JP2004167408A
Authority: JP
Inventors: 敬信逢坂; 一也宮垣
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2004-06-04
Filing date: 2004-06-04
Publication date: 2011-11-02
Anticipated expiration: 2024-06-04
Also published as: JP2005345905A

Description

本発明は、反射型液晶空間光変調素子及びそれを用いた画像表示装置に関する。

従来、液晶プロジェクタ装置等の画像表示装置における画像形成は、例えば反射型液晶空間光変調素子において成されており、この素子は画素と電極とを兼ねた反射画素電極の配列を有しているが、反射画素電極は平面であり、光利用効率の低さの問題があった。

ここで、反射型液晶空間光変調素子（反射型ライトバルブ）とそれを用いた画像表示装置に関する技術が特許文献１、特許文献２に開示されている。
図９は特許文献１に開示されているマイクロレンズアレイを有する反射型液晶空間光変調素子を用いた画像表示装置の一例を示している。この例では、マイクロレンズアレイ１３を画素配列に対向配置させ、入射光を効率良く反射画素電極５０に集光させ光利用効率の向上を図っている。しかし、特許文献１に記載の従来技術では、コントラスト比に関しては考慮されておらず、マイクロレンズの挿入により、コントラスト比の低下が予想される。

また、特許文献２には、二つの集光性手段を用いた反射型液晶表示素子の例が開示されている。図１０は特許文献２に開示されている反射型液晶表示素子の一例を示す概略要部断面図である。この例においては、２枚の透光性基板１６１，１６３、集光性手段１０１、光学接着剤１６２、電気光学機能層１０４と５つの部材があり、界面が多い。このように界面が多い場合、界面での反射による光損失の問題があり、また、製造の観点からも部材は、少ないほうがよい。

また、プロジェクタ装置における画像の高精細さは、空間光変調素子の画素数によりきまる。例えば、ＸＧＡ規格のもので、１０２４×７６８ドットである。画素数が増大すれば、より高精細な画像表示が可能であるが、一定の面積の空間光変調素子における画素数の向上は、画素の微細化を意味する。空間光変調素子の作製は半導体製造と密接に関連しており、半導体製造技術の進歩をまたなければならないこともある。また、微細な画素で、多画素数化が可能となったとしても、コストが増大する。

特開平１１−２５８５８５号公報特開平９−９０３１０号公報

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その第一の課題は、コントラスト比の高い、マイクロレンズアレイを有する反射型液晶空間光変調素子を提供することである。
第二の課題は、コントラスト比の高い、画像表示装置を提供することである。
第三の課題は、コントラスト比が高い、投射型の画像表示装置を提供することである。
第四の課題は、コントラスト比が高く、画素数の多い、画像表示装置を提供することである。

前記課題を解決するため、本発明では以下のような手段を採っている。
本発明の第１の手段は、光の入射側から順に配置された、カバーガラスと、接着層と、該接着層と接する側が凸面のレンズを有するマイクロレンズアレイと、液晶層と、該液晶層と接する反射面を有する画素の配列とから構成され、前記反射面が曲面である反射型液晶空間光変調素子において、前記液晶層は、垂直配向型強誘電液晶からなり、前記カバーガラスの屈折率が１．５３、かつ、前記接着層の屈折率が１．４２、かつ、前記マイクロレンズの屈折率が１．５４、かつ、前記液晶層の屈折率が１．５２であり、前記反射面の前記液晶層と接する側の曲面が凹面であり、前記マイクロレンズアレイの前記レンズの凸面の曲率半径をｒ１、その焦点距離をｆ１、前記反射面の凹面の曲率半径を｜ｒ３｜、前記マイクロレンズアレイの前記レンズの凸面から前記反射面までの距離をｄとしたとき、ｒ１＝１０マイクロメートル、かつ、ｒ３＝−１００マイクロメートルかつ、ｄ／ｆ１＝０．２７であることを特徴とする（請求項１）。

第２の手段は、画像表示装置であって、第１の手段の反射型液晶空間光変調素子を用いたことを特徴とする（請求項２）。
また、第３の手段は、第２の手段の画像表示装置において、前記反射型液晶空間光変調素子から出射する光束を投射する投射レンズを備えたことを特徴とする（請求項３）。
さらに第４の手段は、第２または第３の手段の画像表示装置において、前記反射型液晶空間光変調素子から出射する光束をシフトさせる素子を備えたことを特徴とする（請求項４）。

本発明の第１の手段によれば、光の入射側から順に配置された、カバーガラスと、接着層と、該接着層と接する側が凸面のレンズを有するマイクロレンズアレイと、液晶層と、該液晶層と接する反射面を有する画素の配列とから構成され、前記反射面が曲面である反射型液晶空間光変調素子において、前記液晶層は、垂直配向型強誘電液晶からなり、前記カバーガラスの屈折率が１．５３、かつ、前記接着層の屈折率が１．４２、かつ、前記マイクロレンズの屈折率が１．５４、かつ、前記液晶層の屈折率が１．５２であり、前記反射面の前記液晶層と接する側の曲面が凹面であり、前記マイクロレンズアレイの前記レンズの凸面の曲率半径をｒ１、その焦点距離をｆ１、前記反射面の凹面の曲率半径を｜ｒ３｜、前記マイクロレンズアレイの前記レンズの凸面から前記反射面までの距離をｄとしたとき、ｒ１＝１０マイクロメートル、かつ、ｒ３＝−１００マイクロメートルかつ、ｄ／ｆ１＝０．２７であることにより、界面通過による直線偏光光の回転を相殺できるため、高コントラスト比の反射型液晶空間光変調素子を提供できる。

第２の手段によれば、コントラスト比の高い、反射型液晶空間光変調素子を用いるため、高コントラスト比の画像表示装置を提供できる。
また、第３の手段によれば、高コントラスト比の反射型液晶空間光変調素子から出射する光束を投射レンズでスクリーン等に投射する、高コントラスト比の投射型画像表示装置を提供できる。
さらに第４の手段によれば、高コントラスト比の反射型液晶空間光変調素子から出射する光束をシフトさせる素子を用い、周期的に画素をシフトさせ、また、マイクロレンズにより集光した縮小画素を投射することができるため、高コントラスト比で大画素数の画像表示装置を提供できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、図示の実施例に基いて詳細に説明する。

図１に本発明に係る反射型液晶空間光変調素子の光学系の一例を示す。図１では簡略化のため一画素の断面を示してあるが、反射型液晶空間光変調素子においては、これが、Ｘ，Ｙ方向に規則的に配列（例えば１０２４×７６８）したものである。一画素の大きさと形状は、本実施例では、１４μｍ×１４μｍの正方形である。また、図１において、この光学系はカバーガラス２１、接着層２２、マイクロレンズ２３、液晶層２４、反射面２５から構成されている。より具体的には、カバーガラス２１は屈折率１．５３、厚み５５０μｍであり、接着層２２は紫外線硬化樹脂からなり、屈折率１．４２、厚み４μｍであり、マイクロレンズ２３は屈折率１．５４、厚み２０μｍ、曲率半径１０μｍであり、液晶層２４は垂直配向型強誘電液晶からなり、屈折率１．５２、厚み２．５μｍであり、反射面２５はアルミニウムからなり、曲面を凹面として、曲率半径が−５０μｍである。これらが基本構成であり、４つの部材からなり、従来の素子に比べて部材数のより少ない構成である。これ以外に、マイクロレンズ２３と液晶層２４の間には、図示しない透明電極があり、液晶層２４の両端面には、図示しない配向膜が形成されている。また、反射面２５は画素電極である。この例では反射面２５の曲面（画素面）が凹面であるが、自由曲面でもよい。

次に図２に、従来の反射面２５が平面の反射型液晶空間光変調素子における光線追跡の様子を示す。Ｚ軸に光軸をとり、Ｘ軸は紙面に垂直である（座標系は右手系）。この光学系に、Ｙ軸に平行な直線偏光光が、光軸からある角度でもって、カバーガラス２１の端面から入射する。屈折率の異なる界面を光が通過するときに、直線偏光光はＹ軸から傾く。光の電場のＸ軸方向、Ｙ軸方向の成分をそれぞれＥｘ，Ｅｙとすると、入射時にはＥｘは零であり、Ｅｙのみ値を持つ。しかし、界面を通過するごとに、振動面が回転し、Ｅｘが生じ、Ｅｙは小さくなっていく。Ｅｘが大きくなるほど、初期のＹ軸に平行な状態からの傾きが大きくなる。このような光は、反射型液晶空間光変調素子の出射後の光路に配置される偏光ビームスプリッタあるいはワイヤグリッド偏光器などの、直線偏光の状態（Ｙ軸あるいはＸ軸に平行、ｐ偏光あるいはｓ偏光）により反射と透過とを切りかえる光学素子においては、望ましくない光となる。これは本来透過（反射）すべきところを反射（透過）してしまうために、漏れ光となり、画像表示装置（例えば液晶プロジェクタ装置）の光学系のコントラスト比を低下させる原因となる。

ここで、この初期のＹ軸に平行な直線偏光からのずれの大きさを見積るために、ＥｘとＥｙとの、それぞれの強度の比であるＥｙ^２／Ｅｘ^２を用いた。この値が大きいほど、初期のＹ軸に平行な直線偏光が維持されており、高コントラスト比が実現できる。

まず図２に示した反射面２５が平面である光学系について偏光光線追跡計算を行った。ここでは、画素の正方形の対角線上で、光線の入射位置を、正方形の中心０、中心から２．８３μｍ，４．００μｍ，８．４９μｍとして、また、入射角度（光軸からなす角度）を、±２．８３°，±５．６５°，±８．４５°として、すなわち２４本の光線（ａ〜ｘ）で評価した。その評価結果を下記の表１に示す。

表１において、各光線ａ〜ｘの（位置，角度）として、ａ：（０，−８．４５），ｂ：（０，−５．６５），ｃ：（０，−２．８３），ｄ：（０，２．８３），ｅ：（０，５．６５），ｆ：（０，８．４５），ｇ：（２．８３，−８．４５），ｈ：（２．８３，−５．６５），ｉ：（２．８３，−２．８３），ｊ：（２．８３，２．８３），ｋ：（２．８３，５．６５），ｌ：（２．８３，８．４５），ｍ：（４，−８．４５），ｎ：（４，−５．６５），ｏ：（４，−２．８３），ｐ：（４，２．８３），ｑ：（４，５．６５），ｒ：（４，８．４５），ｓ：（８．４９，−８．４５），ｔ：（８．４９，−５．６５），ｕ：（８．４９，−２．８３），ｖ：（８．４９，２．８３），ｗ：（８．４９，５．６５），ｘ：（８．４９，８．４５）である。

表１においては、各界面（[1]〜[8]）での偏光状態の変化が示されている。このうち、カバーガラス２１に入射した直後と、カバーガラス２１から出射する直前のＥｙ^２／Ｅｘ^２を比較した場合（すなわち[1]と[8]）、[8]のほうが，[1]よりも小さくとなっており，この差に比例してコントラスト比が低下する。コントラスト比は、最終的に観測面で、これらの平均値をみることに相当すると考えられ、上記の２４本の光線に関して、それぞれ、[1]と[8]とのＥｙ^２／Ｅｘ^２の比を求め、その平均を取った。この値は０．２３０であった。これを便宜的に、ここでは直線偏光の劣化度と呼ぶことにする。また、比較のためマイクロレンズ２３がない平板の場合の同様の計算を行った。そのとき、直線偏光の劣化度は０．８２４である。この二つの値の差はマイクロレンズ２３が挿入されたことにより生じており、反射型液晶空間光変調素子にマイクロレンズを用いるときの課題の一つである。

本発明においては、反射型液晶空間光変調素子の反射面２５を凹面として（図１）、その曲率半径を−１００μｍとし、上記と同様の偏光光線追跡計算を行った。ここで、上記と同様に直線偏光の劣化度を求めると０．７３９となり、上記の反射面２５が平面のときと比べて、約３．２倍向上していることが分かった。これは、反射面２５を凹面にすることにより、凹面に入射するまでに回転した直線偏光光を、部分的に反対方向に回転させ、劣化を相殺するためであると考えられる。

ここで、マイクロレンズ２３の曲率半径ｒ１の絶対値を｜ｒ１｜、画素面（凹面）の曲率半径ｒ３の絶対値を｜ｒ３｜とした場合、
｜ｒ１｜＜｜ｒ３｜
としなければ、集光機能を有しないことになる。この画素面（凹面）の曲率半径ｒ３とマイクロレンズ２３の曲率半径ｒ１との間には相関関係がある。マイクロレンズ２３の曲率半径ｒ１が大きい場合（画素サイズに対して）、この画素面（凹面）の曲率半径ｒ３は小さくとも良く、逆に、上記の例のようにマイクロレンズ２３の曲率半径ｒ１が小さい場合（画素サイズに対して）は、画素面（凹面）の曲率半径ｒ３は大きくとも良い。ここで、マイクロレンズ２３及び画素の曲面の最適な曲率半径は、プロジェクタ装置全系の設計に依存し、一義的に決るものではない。プロジェクタ装置の所望の性能に合わせて、既存の光学シミュレータの最適化機能等により設計を行えばよい。

さらに、反射面２５の凹面の曲率半径ｒ３を、−５０μｍ、−１５０μｍ，−２００μｍとした場合の直線偏光の劣化度を、−１００μｍの場合も併せて図５に示す。ｒ３＝−２００μｍの場合を除いて、反射面２５が平面の場合よりも値が向上している。反射面２５が曲率を持つことにより、直線偏光の劣化が回復するようである。ｒ３＝−２００μｍの場合は、曲面がより平面に近づくため効果が小さい。ｒ３がさらに大きくなると、平面の場合の値に近づいて行くと考えられる。この計算においては、ｒ３＝−１００μｍ近傍で効果が最大になったが、計算条件により前後することが予想される。また、マイクロレンズの曲率半径ｒ１を変えたときや、部材（の屈折率）を変えたとき等、最適なｒ３の値は変化する。この場合、既存の光学シミュレータの最適化機能などを使い、最適値を求めればよい。

〔参考例〕
次に図３に本発明に係る反射型液晶空間光変調素子の光学系の別の例を示す。この例は反射面２５を凸面とした例である。
ここで、マイクロレンズ２３の曲率半径ｒ１の絶対値を｜ｒ１｜、画素面（凸面）の曲率半径ｒ２の絶対値を｜ｒ２｜とした場合、
｜ｒ１｜＜｜ｒ２｜
である。
図３に示すように、反射面２５が凸面の場合の曲率半径ｒ２を５０μｍ，１００μｍ，１５０μｍとして、上記と同様の計算を行ったときの直線偏光の劣化度を図４に示す。これらの例において、反射面２５が凹面の場合と比較すると、全体的に値は小さいが、いずれも反射面が平面の場合の０．２３０よりも、値が向上している。

〔参考例〕
さらに、反射面２５の曲面を非球面にすると、コントラスト比のさらなる向上が図れる。一例として、反射面２５が凹面で、中心部の曲率半径が−５０μｍとし、非球面形状としては、公知の非球面式中のコーニック定数ｋが−５の場合の偏光光線追跡計算を行った。そのときの値は、０．３５７となり、非球面でない場合の０．２６１（図５）よりも向上する。これは非球面化により、収差が低減されたことによると考えられる。

上記の高コントラスト比の反射型液晶空間光変調素子を用いると高コントラスト比の画像表示装置（例えば液晶プロジェクタ装置）の実現が可能となる。ここで、本発明の反射型液晶空間光変調素子を用いた画像表示装置の一例を図６に示す。
図６は本発明に係る画像表示装置の一例を示すプロジェクタ装置の概略構成図である。図６において、符号３１は光源（例えば白色ランプ）、３２は光均一化光学素子（例えば、フライアイレンズ）、３３は色分離装置（例えば、カラーホイール）、３４は前述の実施例で述べた反射型液晶空間光変調素子（反射型液晶ライトバルブ）、３５は偏光ビームスプリッタ、３６は投射レンズ、３７はスクリーンである。このプロジェクタ装置では、反射型液晶空間光変調素子３４が前述のように高コントラスト比であるため、これをプロジェクタ装置に用いると、プロジェクタ装置自体の性能が向上する。このため、高コントラスト比の液晶プロジェクタ装置の実現が可能となる。図６では、反射型液晶空間光変調素子３４を一枚用いる単板式プロジェクタの光学系の一例であるが、反射型液晶空間光変調素子３４を３枚用いる３板式プロジェクタであっても構わない。

次に図６に示すプロジェクタ装置において、前記反射型液晶空間光変調素子３４から出射する光束の光路をシフトさせる素子を設置した例について説明する。これは前記反射型液晶空間光変調素子３４から出射する光束の光路を空間的にシフトさせ（光軸シフト素子、ピクセルシフト素子）、見かけ上の画素数を増大させるものである。この光軸シフト素子の一実施例として、機械的駆動による素子の例を図７に示す（光軸に垂直に見た図）。図７において、符号４１は反射型液晶空間光変調素子、４２は第１ピエゾ素子（ｙ方向シフト）、４３は第２ピエゾ素子（ｘ方向シフト）、４４は治具、４５はｙ方向シフト（±Δｙ）、４６はｘ方向シフト（±Δｘ）、４７は座標（ｚ軸は紙面に垂直で光軸と一致）である。
この例では反射型液晶空間光変調素子４１の画素から出射した光の光路を変調させる手段として２つのピエゾ素子４２，４３を用いている。つまり、これはピエゾ素子４２，４３を用いて反射型液晶空間光変調素子自体を機械的に動かすものである。素子自体が動くため画素も動くことになる。また、ピエゾ素子を用いれば画素サイズが１０数μｍ以下であっても、それ以下の光路のシフトを行うことができる。これは反射型液晶空間光変調素子４１の縦（ｙ方向）シフト４５及び横（ｘ方向）シフト４６用にそれぞれピエゾ素子４２，４３を設置して周期的に動かせばよい。なお、この例では機械的に駆動させているが、液晶のスイッチング機能を利用して、光学的にシフトさせるものであってもよい。

上記のマイクロレンズアレイを用いた反射型液晶空間光変調素子において、マイクロレンズの曲率半径、画素の曲面の曲率半径を、適切な値とすることにより、入射光を画素のサイズ以下に集光させることが可能となる。これは、以下で詳述するが、この効果と上記のピクセルシフト素子とを組合わせれば、画素数の増大が可能となる。

図８は、図７に示した実施例における、スクリーン上での投射像の画素増大効果を説明するものである。投射画像は、光軸シフト装置により時分割で投射されて、高解像度の画像となる。今、マイクロレンズにより集光され出射される光束の最も細い位置で、光軸に垂直な面を投射レンズの物面とし、その面内での照度分布を縮小された画素（縮小画素）と定義し、この縮小画素をスクリーンに投影すると、その縮小画素の大きさは、画素のある位置の面を投射レンズの物面として、画素をスクリーンに投影した場合よりも小さくなる（画素縮小）。このとき、マイクロレンズによる縮小画素の画素サイズに対する比、画素サイズの縮小率をαとする。ここではαを１／２としている。画素が正方形であり理想的に縮小されたとして、正方形の縮小像となっている。はじめ動いていない初期状態を（０）、次にｙ方向に空間光変調素子の画素サイズの１／２シフトさせた状態（１）（例えば画素サイズを１４μｍとすれば７μｍ＝Δｘ，Δｙ）、そこからｘ方向に画素サイズの１／２シフトさせた状態（２）、続いて（１）とは反対の方向（マイナス（−）で表示）に画素サイズの１／２シフトさせた状態（３）、続いて（２）とは反対方向の方向にシフトさせた状態（４）、最後にｙ方向に画素サイズの１／２シフトさせた状態（５）、で（０）に戻る。この結果、これらのシフトの周期が早ければ画像のちらつき、フリッカーを感じることなしに、画素の一辺のサイズが１／２、密度が４倍の高精細化画像が実現できる。また、この例では反射型液晶空間光変調素子とピクセルシフト素子が一つのデバイスとなるため、光学系を拡張しピクセルシフト素子を挿入する必要がなくなり、装置の小型化につながる。上記の例はｘ，ｙの２方向に動かしているが、ｘあるいはｙのいずれかのみの方向のシフトであっても構わない。この場合、画素は２倍増加する。また、高コントラストであり、大画素数の高精細画像が可能となる。ここで、マイクロレンズ及び画素の曲率半径に関しては、画素の縮小率に応じて、既存の光学シミュレータの最適化機能などを用いて設計すればよい。

以上説明したように、本発明によれば、高コントラスト比の反射型液晶空間光変調素子を実現することができるので、この反射型液晶空間光変調素子を画像表示装置の表示素子として利用することにより、高コントラスト比の画像表示装置を実現することができる。さらに、高コントラスト比の反射型液晶空間光変調素子から出射する光束をシフトさせる素子を用い、周期的に画素をシフトさせ、また、マイクロレンズにより集光した縮小画素を投射することにより、高コントラスト比で大画素数の画像表示装置を実現することができる。そして、本発明の画像表示装置は、液晶プロジェクタ装置の他、ヘッドマウントディスプレイ等に利用することができる。

本発明に係る反射型液晶空間光変調素子の光学系の一例を示す概略要部断面図である。従来の反射型液晶空間光変調素子の光学系の一例を示す概略要部断面図である。本発明に係る反射型液晶空間光変調素子の光学系の別の例を示す概略要部断面図である。本発明に係る反射型液晶空間光変調素子の反射面が凸面の場合の曲率半径と直線偏光の劣化度の関係を示す図である。本発明に係る反射型液晶空間光変調素子の反射面が凹面の場合の曲率半径と直線偏光の劣化度の関係を示す図である。本発明に係る画像表示装置の構成例を示す概略構成図である。光軸シフト素子（ピクセルシフト素子）の一例を示す図である。図７に示す光軸シフト素子における、スクリーン上での投射像の画素増大効果を説明するための図である。従来の反射型ライトバルブを用いた画像表示装置の一例を示す図である。従来の反射型液晶表示素子の一例を示す概略要部断面図である。

符号の説明

２１：カバーガラス
２２：接着層
２３：マイクロレンズ
２４：液晶層
２５：反射面
３１：白色ランプ
３２：光均一化光学素子
３３：色分離装置
３４：反射型液晶空間光変調素子
３５：偏光ビームスプリッタ
３６：投射レンズ
３７：スクリーン
４１：反射型液晶空間光変調素子
４２：第１ピエゾ素子（ｙ方向シフト）
４３：第２ピエゾ素子（ｘ方向シフト）
４４：治具
４５：ｙ方向シフト（±Δｙ）
４６：ｘ方向シフト（±Δｘ）
４７：座標

Claims

光の入射側から順に配置された、カバーガラスと、接着層と、該接着層と接する側が凸面のレンズを有するマイクロレンズアレイと、液晶層と、該液晶層と接する反射面を有する画素の配列とから構成され、前記反射面が曲面である反射型液晶空間光変調素子において、
前記液晶層は、垂直配向型強誘電液晶からなり、
前記カバーガラスの屈折率が１．５３、かつ、
前記接着層の屈折率が１．４２、かつ、
前記マイクロレンズの屈折率が１．５４、かつ、
前記液晶層の屈折率が１．５２であり、
前記反射面の前記液晶層と接する側の曲面が凹面であり、前記マイクロレンズアレイの前記レンズの凸面の曲率半径をｒ１、その焦点距離をｆ１、前記反射面の凹面の曲率半径を｜ｒ３｜、前記マイクロレンズアレイの前記レンズの凸面から前記反射面までの距離をｄとしたとき、
ｒ１＝１０マイクロメートル、かつ、
ｒ３＝−１００マイクロメートル
かつ、
ｄ／ｆ１＝０．２７
であることを特徴とする反射型液晶空間光変調素子。
請求項１記載の反射型液晶空間光変調素子を用いたことを特徴とする画像表示装置。
請求項２記載の画像表示装置において、
前記反射型液晶空間光変調素子から出射する光束を投射する投射レンズを備えたことを特徴とする画像表示装置。
請求項２または３記載の画像表示装置において、
前記反射型液晶空間光変調素子から出射する光束をシフトさせる素子を備えたことを特徴とする画像表示装置。