(57)【要約】【課題】投影型の表示装置の実効開口効率向上と表示パネルの寿命改善に寄与する集光レンズの光学定数最適値の設計手法を示し、この手法によるマイクロレンズを提供する。【解決手段】画素開口部以外の領域に入射する照明光を、レンズによって開口部に有効に集光させて開口部を透過する光量を増加させ実効的な開口効率を上げることを考え、この効果をシミュレーション解析により評価し有効な光学定数を求め、それに基づく平板レンズアレイを製作する。この際には、集光効率だけでなく被照射体の寿命をも考慮して光学定数を設定する。たとえば、照射層に集光点を設定した場合の集光レンズの効率最大値に対して実際の集光効率を犠牲にして若干落す。開口部での集光度合い（光強度）を低下させることで、被照射体の開口部に集光して光を有効に利用して高い実効開口率を実現するとともに、被照射体の照射層に用いられる有機材料などの耐光性寿命を確実に長くする。【選択図】図９
2006171051.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の集光用レンズを配列してなり、光を前記集光用レンズで被照射体の所定位置に集光させる光学装置における前記集光用レンズの光学定数を設定するレンズ設計方法であって、
前記被照射体上の適正な集光点に焦点距離を設定した場合の前記集光用レンズの集光効率である効率最大値に対して、実際の焦点距離を異なる値に設定することで実際の集光効率を所定範囲内で低下させ、これにより前記集光用レンズで集光される光による前記被照射体の寿命劣化の度合いが低くなるように前記集光用レンズの光学定数を設定する
ことを特徴とするレンズ設計方法。
【請求項２】
複数の集光用レンズを配列してなり、光を前記集光用レンズで被照射体の所定位置に集光させる光学装置であって、
前記被照射体上の適正な集光点に焦点距離を設定した場合の前記集光用レンズの集光効率である効率最大値に対して、実際の焦点距離を異なる値に設定することで実際の集光効率を所定範囲内で低下させ、これにより前記集光用レンズで集光される光による前記被照射体の寿命劣化の度合いが低くなるように前記集光用レンズの光学定数が設定されている
ことを特徴とする光学装置。
【請求項３】
集光用レンズの焦点距離を、当該集光用レンズと前記被照射体における所定の開口部分までの距離よりも長く設定し、前記集光用レンズで集光された光が前記被照射体における前記開口部分を通過して当該被照射体の内部で焦点を結ぶようにされている
ことを特徴とする請求項２に記載の光学装置。
【請求項４】
前記集光効率は、前記集光用レンズで集光することなく前記被照射体における所定の開口部分を照射し当該被照射体から出力された光をさらに光学系投影スクリーン上に投影した際の投影部分における輝度に対する、前記集光用レンズで集光して前記開口部分を照射し当該被照射体から出力された光をさらに前記光学系投影スクリーン上に投影した際の投影部分における輝度の比で表わされ、
前記集光用レンズで集光される光による前記被照射体の寿命劣化の度合いを表わす寿命係数は、前記集光用レンズで集光しない場合の前記開口部分における光強度と前記集光用レンズで集光した場合の前記開口部分における光強度との比で表わされる
ことを特徴とする請求項２に記載の光学装置。
【請求項５】
前記集光用レンズで集光しない場合の平均光強度をＡ、前記平均光強度Ａ以上の領域における前記集光用レンズで集光した場合の平均強度値をＢとしたとき、前記寿命係数はＡ／Ｂである
ことを特徴とする請求項４に記載の光学装置。
【請求項６】
前記開口部分に集光点を設定した前記集光用レンズの前記集光効率に対する効率低下が１０％程度以内で、かつ前記開口部分に集光点を設定した前記集光用レンズの前記寿命係数に対して略１．２倍以上の前記寿命係数となる範囲内に、前記集光用レンズの光学定数が設定されている
ことを特徴とする請求項４に記載の光学装置。
【請求項７】
前記集光用レンズの配列ピッチをＰ、前記集光用レンズの空気換算値で示される焦点距離をｆ、前記集光用レンズの主点から前記被照射体における所定の開口部分を有する照射層までの空気換算値で示される光学距離をＴｓとし、Ｔｓ／ＰをＸ座標、ｆ／ＰをＹ座標とするＸＹ平面において、（０．５１３，３．８４６），（０．５１３，６．４１），（１．２８２，６．４１），（１．２８２，３．８４６）の点集合で囲まれる範囲内に、前記集光用レンズの光学定数が設定されている
ことを特徴とする請求項６に記載の光学装置。
【請求項８】
前記開口部分に集光点を設定した前記集光用レンズの前記寿命係数に対して略１．３倍以上の前記寿命係数となる範囲内に、前記集光用レンズの光学定数が設定されている
ことを特徴とする請求項６に記載の光学装置。
【請求項９】
前記集光用レンズの配列ピッチをＰ、前記集光用レンズの空気換算値で示される焦点距離をｆ、前記集光用レンズの主点から前記被照射体における所定の開口部分を有する照射層までの空気換算値で示される光学距離をＴｓとし、Ｔｓ／ＰをＸ座標、ｆ／ＰをＹ座標とするＸＹ平面において、（０．５１３，３．８４６），（０．５１３，６．４１），（１．２８２，６．４１），（１．２８２，５．１２８），（０．９６２，３．８４６）の点集合で囲まれる範囲内に、前記集光用レンズの光学定数が設定されている
ことを特徴とする請求項８に記載の光学装置。
【請求項１０】
前記開口部分に集光点を設定した前記集光用レンズの前記寿命係数に対して略１．４倍以上の前記寿命係数となる範囲内に、前記集光用レンズの光学定数が設定されている
ことを特徴とする請求項７に記載の光学装置。
【請求項１１】
前記集光用レンズの配列ピッチをＰ、前記集光用レンズの空気換算値で示される焦点距離をｆ、前記集光用レンズの主点から前記被照射体における所定の開口部分を有する照射層までの空気換算値で示される光学距離をＴｓとし、Ｔｓ／ＰをＸ座標、ｆ／ＰをＹ座標とするＸＹ平面において、（０．５１３，３．８４６），（０．５１３，６．４１），（１．２８２，６．４１），（１．２８２，５．７６９），（０．８５４，３．８４６）の点集合で囲まれる範囲内に、前記集光用レンズの光学定数が設定されている
ことを特徴とする請求項１０に記載の光学装置。
【請求項１２】
前記集光用レンズの主点から前記照射層までが、空気換算値で示される光学距離がＴｓ１，Ｔｓ２，…，Ｔｓkのｋ個の多層構造からなり、
前記集光用レンズの主点から前記照射層までの空気換算値で示される光学距離Ｔｓが、Ｔｓ１＋Ｔｓ２＋…＋Ｔｓｋで定義される
ことを特徴とする請求項７、９、１１のうちの何れか１項に記載の光学装置。
【請求項１３】
前記集光用レンズの形状は、球面、非球面、フレネルの内の何れか構成されている
ことを特徴とする請求項２に記載の光学装置。
【請求項１４】
光を集光させる複数の集光用レンズを配列してなる光学装置と、前記集光用レンズで集光された光が照射される被照射体であって所定形状の開口部と当該開口部の光透過性を制御する光スイッチング素子とを有する被照射体とを備え、前記被照射体から出射された光をスクリーン上に投影結像することにより画像を表示する投影型の表示装置であって、
前記光学装置は、前記被照射体上の適正な集光点に焦点距離を設定した場合の前記集光用レンズの集光効率である効率最大値に対して、実際の焦点距離を異なる値に設定することで、実際の集光効率を所定範囲内で低下させ、これにより前記集光用レンズで集光される光による前記被照射体の寿命劣化の度合いが低くなるように前記集光用レンズの光学定数が設定されている
ことを特徴とする表示装置。
【請求項１５】
前記被照射体は、前記開口部分を有する照射層と当該照射層を支持する光透過性の支持基板とを有する
ことを特徴とする請求項１４に記載の表示装置。
【請求項１６】
前記照射層は、液晶層と、前記開口部および前記液晶層の前記開口部における光透過性を制御する前記光スイッチング素子が形成された光スイッチング層と
を有することを特徴とする請求項１５に記載の表示装置。
【請求項１７】
前記集光用レンズは、前記開口部ごとに、１つが対向配置されている
ことを特徴とする請求項１４に記載の表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロレンズアレイあるいは平板レンズアレイと呼ばれる集光用レンズの設計方法、並びにこのような集光用レンズを複数個配列してなる光学装置とこれを用いた投射型の表示装置（投影装置）に関する。より詳細には、光利用効率を向上させ高輝度化を図るのに好適な平板状の光学装置に使用される集光用レンズの設計方法と、この設計方法を適用して構成された集光用レンズを有する光学装置と、この光学装置を用いた投射型の液晶表示装置などに関する。
【背景技術】
【０００２】
個別的に光の透過状態と遮断状態とを制御可能な光スイッチング素子を使用することで、光スイッチング素子でなる表示用画素の２次元配列に画像を表示し、この画像に光束を照射し、透過光をスクリーン上に投影結像することにより画像を表示する投影型の表示装置が知られている。
【０００３】
たとえば、光スイッチング素子を２次元状に配列してなる表示パネルを使用して、表示パネル上の画像を投射光学系によってスクリーン上に拡大投影するようにした投影装置の開発が盛んに行なわれている。これらの装置は、薄型で軽量、鮮鋭な画像、地磁気の影響を受けないこと、レジ調整不要などの優れた性能を有している。
【０００４】
また、このような投影型の表示装置において、カラー画像表示対応とするため、たとえばＢ（青），Ｒ（赤），Ｇ（緑）の３色のカラーフィルタを備えた表示パネル（たとえば液晶パネル）を１枚用いて構成した単板方式のカラー表示装置と、モノクロ液晶パネルをＢ，Ｒ，Ｇの光路ごとに設けて構成した３板方式のカラー表示装置とがある。このうち、単板方式は構造が簡単で小型化・軽量化および低価格化が容易であるが、その一方、カラーフィルタによる光吸収が多いため、高輝度化に難点があるとともに冷却の点でも不利である。
【０００５】
このような問題に対処すべく、マイクロレンズアレイあるいは平板レンズアレイと呼ばれる多数の集光用レンズを１次元あるいは２次元に多数配列してなる平板状光学装置（以下集光用レンズアレイともいう）を使用して、光スイッチング素子を駆動する３個の画素電極ごとに１個の集光用レンズを対向配置し、この集光用レンズの各々にそれぞれ異なる方向からＢ，Ｒ，Ｇの３色を入射させて集光し、その出射光をＢ，Ｒ，Ｇの３色に対応した画素電極にそれぞれ入射させるようにした単板式のカラー表示装置が実用化されてきている。
【０００６】
このカラー表示装置では、画素電極に対向させて配置される各集光用レンズの焦点位置は、対応する画素部の近傍にくるように設定される。すなわち、集光用レンズに入射した平行光は、この集光用レンズで絞られて画素部付近で焦点を結んだのち、再び広がっていくようにする。これにより、画素と画素との間の領域（画素駆動用の光スイッチング素子であるＴＦＴが形成されたブラックマトリクス部分）に入射した光をも有効利用することができ、実質的な開口率が高くなるので、高輝度化が可能となる。
【０００７】
すなわち、マイクロレンズアレイなどの集光用レンズアレイを使用すれば、光スイッチング素子のブラックマトリクスや画素電極部分に入射し、画素開口部の照明には寄与していなかった光を大きく低減できるため、照明光の強度を上げることなくスクリーン上の輝度を向上することができ、表示素子の光および熱による特性の劣化の問題を解決することができる。この場合、平板状光学装置は、光スイッチング素子の光入射側に配置され、ブラックマトリクスや画素電極部分に入射していた光を、画素開口部に集光して有効に利用し、実効開口効率を向上させる働きを有している。
【０００８】
近年の投射型の表示装置においては、高解像度、高輝度化の要求の高まりにより、単板方式よりも、モノクロ液晶パネルをＢ，Ｒ，Ｇの光路ごとに設けて構成した３板方式の投射型（投写型あるいは投影型とも呼ばれる）の表示装置が主流となりつつある。
【０００９】
投射型の表示装置に用いる液晶表示パネルは、その駆動デバイスとして薄膜トランジスタなどを基板上に作りこむため、隣接する画素間にはブラックマトリクスと呼ばれる光の遮蔽領域が設けられている。そのため、その開口率は、決して１００％とはならない。この開口率が低いほど、液晶表示パネルを透過する光が少なくなって、画像品位を低下させる原因となる。そこで、実効的な開口率を上げるために、１画素に１つ対向基板側にマイクロレンズなどの集光用レンズを形成して、画素開口部を効率よく通過することにより実効開口率を高めることができるようにする（たとえば、特許文献１，２参照）。
【００１０】
【特許文献１】特開平８−３２８００２号公報
【特許文献２】特開平１０−１６１０９７号公報
【００１１】
特に、今後大きな市場が期待される高精細プロジェクタテレビジョン（ＨＤ−ＰＴＶ）では、高密度に画素が配列しているため、これに対応した集光用レンズアレイも、当然ながら多数個の微小レンズを高密度で配列させることになる。レンズが高密度で配列されている場合は、必然的にレンズの開口径は小さくなるので、画素密度が低く開口径の大きいレンズアレイと、同程度の開口数ＮＡを達成するためには、焦点距離をその分短くする必要がでてくる。たとえば、液晶パネルの小型化、高精細化で画素ピッチや開口率が小さくなることに伴い、個々の集光用レンズの焦点距離を短くしなければならない。
【００１２】
このような要求に応えるには、集光用レンズを表示素子の対向電極基板の光入射側に貼り合わせて使用する仕組みでは対応できない。このため、対向基板側に集光用レンズを搭載し、集光用レンズそのものを光スイッチング素子（たとえば液晶表示素子）の対向電極基板として用い、各集光用レンズの主平面とブラックマトリクスあるいは遮光部が存在する平面との間の距離を極めて小さくする仕組みと、集光用レンズの集光特性が最適となるような設計手法が考えられている（たとえば特許文献３参照）。
【００１３】
【特許文献３】特開平８−８６９０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、短焦点になるとレンズ厚が深くなり制御性を従来以上に行なう必要があるので、価格上昇（コストアップ）に繋がる。また、集光用レンズを搭載した液晶パネルなどの表示装置は集光用レンズの集光に起因して、強度分布が場所によって異なる。このため、画素位置面での単位面積当たりの強度が集光用レンズなしの表示パネルよりも強い部分が生じる。
【００１５】
そのため集光用レンズを搭載した表示パネルは、集光用レンズなしの表示パネルに比べてパネル内部のカラーフィルタや配向膜をなす液晶層などの有機材料の耐光性寿命が短くなる。すなわち、集光用レンズなしの光強度分布は略均一だが、集光用レンズありの光強度分布は中央が強く周辺が弱いといった場所による差がみられる。
【００１６】
このように集光用レンズがある場合、実効開口率を上げようとすると、有機材料の耐光性寿命が短くなり、結果的には表示パネルの寿命が短くなる。一例として、マイクレンズなしパネル比で約０．６〜０．８倍になってしまう。
【００１７】
今後の高画質化の流れの中で、ポリシリコンを用いたＴＦＴを前提として画素ピッチを２０μｍ以下程度まで高精細化しようとする場合には、マイクロレンズで集光（短焦点）する度合いが強くなるので、従来の仕組みでは、寿命的にも益々悪くなる傾向になる。
【００１８】
このような耐光性寿命の問題に関しては、上記特許文献１〜３の何れも触れられていないし示唆もない。たとえば、特許文献１に記載の仕組みでは、マイクロレンズアレイ形成面から液晶層側の面までの距離を、マイクロレンズの焦点距離に略等しく、焦点距離を、液晶デバイスにおける画素のピッチの１０倍以下の大きさに設定することで、光利用効率をよくする仕組みが開示されているが、この場合、液晶層表面もしくは液晶層内で焦点を結ぶこととなり、有機材料である液晶層の耐光性寿命が短くなる。
【００１９】
また、特許文献２に記載の仕組みでは、マイクロレンズアレイを構成する各マイクロレンズの焦点距離をマイクロレンズアレイと画素基板との距離よりも長く設定し、各マイクロレンズで集光された光が画素基板における各々対応する画素電極を透過して画素基板の内部で焦点を結ぶように設定することで合焦後の拡散角を小さくする仕組みが開示されている。
【００２０】
しかしながら、特許文献２に記載の仕組みは、焦点距離を相対的に小さくすることに起因する出射側光線の広がり角（合焦後の拡散角）およびそれによる蹴られと、これに基づくスクリーン上での輝度むらや色むらの問題や製作難易度やコストの問題を解消しようとするもので、表示パネルの有機材料の耐光性寿命の問題に関しては記載も示唆もない。
【００２１】
また、特許文献３に記載の仕組みでは、対向基板側にマイクロレンズを搭載し明るさが最大値（Ｍａｘ）になる設計値の範囲を規定している。具体的には、平板レンズアレイそのものを液晶表示素子の対向電極基板として用いることを前提とし、マイクロレンズの主平面とブラックマトリクスあるいは画素電極部分が存在する平面との間の距離と、マイクロレンズの焦点距離とを最適化する。
【００２２】
この際には、照明白色光の広がりを解析の１つのパラメータとし、レンズアレイによる明るさ増大の効果が有効に発揮されるマイクロレンズの焦点距離と、マイクロレンズの主平面から集光側基板表面までの厚みの関係を求め、レンズピッチとマイクロレンズの主平面から集光基板表面までの媒体の屈折率のパラメータでこれらを規格化し、最適な領域を求める。
【００２３】
平板レンズアレイそのものを液晶表示素子の対向電極基板として用い、マイクロレンズの主平面とブラックマトリクスあるいは画素電極部分が存在する平面との間の距離とマイクロレンズの焦点距離とを最適化することで、実効開口率を向上させて、レンズアレイによる明るさ増大の効果を最大限に発揮できるようにしている。
【００２４】
しかしながら、この特許文献３に記載の仕組みでは、実効開口率の向上に際して明るさしか考慮されておらず、特許文献３が規定している範囲では、平板レンズアレイによって集光された照明光が集光側基板表面付近に位置する画素電極（画素開口部）に焦点を結ぶ定数範囲を含んでいる。
【００２５】
つまり、特許文献３の図４から分かるように、（Ｔsub ／ｎsub ）／Ｐｐとｆ／ｐとが同じ値を結ぶ線分近傍が、マイクロレンズアレイ形成面から液晶層（表示層；照射層）側の面までの距離がマイクロレンズの焦点距離に略等しくなり、この線上の光学定数を有するものは画素開口部での集光効率が最大となる（後述する図１０を参照）。
【００２６】
よって、マイクロレンズアレイを構成する各マイクロレンズの焦点距離をマイクロレンズアレイと画素基板との距離よりも長くする超焦点距離の定数範囲を含んではいるものの、カラーフィルタや液晶層などの有機材料部分側で集光され、その焦点位置が有機材料部に形成される可能性があるので、有機材料の耐光性寿命を確実に長くするということを保証できない。
【００２７】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、耐光性寿命の問題を解決しつつ集光用レンズアレイの集光特性が良好となる光学装置の設計手法と、この設計手法を用いて製造された光学装置を用いた投影型の表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２８】
本発明に係るレンズ設計方法は、複数の集光用レンズを配列してなり、光を集光用レンズで被照射体の所定位置に集光させる光学装置における集光用レンズの光学定数を設定する方法であって、集光用レンズの集光効率と集光用レンズで集光される光による被照射体の寿命に与える影響を表わす寿命係数とに基づいて、集光用レンズの光学定数を設定することとした。具体的には、集光用レンズの集光効率が所定値以上となり、かつ集光用レンズで集光される光による被照射体の寿命劣化の度合いが所定値以下となるように、集光用レンズの光学定数を設定する。
【００２９】
また、本発明に係る光学装置は、前記本発明に係るレンズ設計方法を適用して構成された集光用レンズを有する光学装置である。また、本発明に係る投影型の表示装置は、前記本発明に係る光学装置を用いた投影型の表示装置である。
【００３０】
また従属項に記載された発明は、本発明に係る光学装置や表示装置のさらなる有利な具体例を規定する。
【００３１】
たとえば、集光効率と寿命とを考慮して集光用レンズの光学定数を設定する際には、以下のようなアプローチを適用するのがよい。
【００３２】
先ず、合焦後の拡散角を小さくするべく、集光用レンズの焦点距離を、集光用レンズと被照射体における所定の開口部分までの距離よりも長く設定し、集光用レンズで集光された光が被照射体における開口部分を通過して被照射体の内部で焦点を結ぶようにするのがよい。なお、集光用レンズの形状は、球面、非球面、フレネルの内の何れでもよい。
【００３３】
また集光効率が所定値以上となり、かつ寿命劣化の度合いが所定値以下となるような光学定数を設定するとの観点では、被照射体上の適正な集光点に焦点距離を設定した場合の集光用レンズの集光効率である効率最大値に対して、実際の焦点距離を異なる値に設定することで、実際の集光効率を所定範囲内で低下させ、これにより集光用レンズで集光される光による被照射体の寿命劣化の度合いが低くなるように集光用レンズの光学定数を設定する。要するに、照射層に集光点を設定した場合の集光レンズの集光効率（効率最大値）に対して、実際の集光効率を犠牲にして若干落すことで、照射層の寿命を改善する。
【００３４】
たとえば、開口部分に集光点を設定した集光用レンズの集光効率に対する効率低下が１０％程度以内で、かつ開口部分に集光点を設定した集光用レンズの寿命係数に対して略１．２倍以上の寿命係数となる範囲内に集光用レンズの光学定数を設定するのがよい。
【００３５】
一例としては、たとえば、集光用レンズの配列ピッチをＰ、集光用レンズの空気換算値で示される焦点距離をｆ、集光用レンズの主点から被照射体の開口部分を有する照射層までの空気換算値で示される光学距離をＴｓとし、Ｔｓ／ＰをＸ座標、ｆ／ＰをＹ座標とするＸＹ平面において、（０．５１３，３．８４６），（０．５１３，６．４１），（１．２８２，６．４１），（１．２８２，３．８４６）の点集合で囲まれる範囲内に集光用レンズの光学定数を設定するのがよい。
【００３６】
好ましくは開口部分に集光点を設定した集光用レンズの寿命係数に対して略１．３倍以上の寿命係数となる範囲内に集光用レンズの光学定数を設定するのがよい。一例としては、前記ＸＹ平面において、（０．５１３，３．８４６），（０．５１３，６．４１），（１．２８２，６．４１），（１．２８２，５．１２８），（０．９６２，３．８４６）の点集合で囲まれる範囲内に集光用レンズの光学定数を設定するのがよい。
【００３７】
さらに好ましくは開口部分に集光点を設定した集光用レンズの寿命係数に対して略１．４倍以上の寿命係数となる範囲内に集光用レンズの光学定数を設定するのがよい。一例としては、前記ＸＹ平面において、（０．５１３，３．８４６），（０．５１３，６．４１），（１．２８２，６．４１），（１．２８２，５．７６９），（０．８５４，３．８４６）の点集合で囲まれる範囲内に、集光用レンズの光学定数を設定するのがよい。
【００３８】
なお、集光用レンズの主点から照射層までが、空気換算値で示される光学距離がＴｓ１，Ｔｓ２，…，Ｔｓkのｋ個の多層構造からなる場合には、集光用レンズの主点から照射層までの空気換算値で示される光学距離Ｔｓを、Ｔｓ１＋Ｔｓ２＋…＋Ｔｓｋで定義する。
【発明の効果】
【００３９】
本発明によれば、集光効率だけでなく被照射体の寿命をも考慮して、集光用レンズの集光効率と寿命係数がそれぞれ所定値以上となるように、集光用レンズの光学定数を設定するようにした。具体的には、照射層に集光点を設定した場合の集光レンズの集光効率（効率最大値）に対して、実際の集光効率を犠牲にして若干落す。開口部での集光度合いつまり光強度を低下させる。集光効率を若干落しても実効開口率をある程度高く維持できる。このため、被照射体の開口部に集光して光を有効に利用して高い実効開口率を実現するとともに、被照射体の照射層に用いられる有機材料などの耐光性寿命を確実に長くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００４１】
＜光学系の概略＞
図１は、本発明に係る平板状光学装置の一例であるマイクロレンズアレイを搭載した液晶表示装置を利用して構成された投影型の表示装置の一例である液晶プロジェクタにおける光学系の概略構成を示した図である。
【００４２】
液晶プロジェクタは、Ｂ（青），Ｇ（緑）、Ｒ（赤）の３色の何れかを処理対象とする各色用のモノクロ液晶パネルをＢ，Ｒ，Ｇの光路ごとに設けて構成した３板方式のカラー表示装置として構成されていて、標準的な１５．６μｍピッチ用の３板式透過型液晶プロジェクタ用に構成されている。
【００４３】
具体的には、液晶プロジェクタの光学系３は、照明光Ｌ０を出射する光源５と、図示しないスクリーン上を投写する投写光学系７と、光源５から出射された照明光Ｌ０を投写光学系７側に導く光学部材群９とを備えている。
【００４４】
光源５は、照明光Ｌ０を発する光源ランプ５２を有するとともに、照明光Ｌ０の内の紫外線ＵＶ（UltraViolet rays）および赤外線ＩＲ（InfRared rays ）を遮断し、可視光ＶＬ（Visible light ）を透過させるＵＶ／ＩＲカットフィルタ５４と、所定形状のレンズセルを配列してなる平板状光学装置（集合レンズ）の一例であるマルチレンズアレイ（ＭＬＡ；Multi Lens Array）５６とを光路上にこの順に有している。
【００４５】
光源ランプ５２は、レジストレーションずれ防止のため（単板式の場合は混色防止も兼ねる）、高輝度の揃った白色平行光を発することが可能な、アーク長の短い光源とする。一例として、アーク長１．０ｍｍのメタルハライドランプあるいは短アーク水銀高圧ランプ（ＵＨＰ；Ultra High Performance）を使用する。後述するように、本実施形態の光学系では、インテグレータレンズや偏光変換素子などの複雑な光学系を用いており、これらの性能を十分引き出すためには、光源はできるだけ理想的な点光源に近いものが望ましい。この点、ＵＨＰランプは、従来使われてきたメタルハライドランプに比較しアーク長を約１／２に抑えることができ、高輝度・高性能の液晶プロジェクタ光学系の高効率化を図る上で好ましい。この光源ランプ５２から発せられた照明光Ｌ０をＵＶ／ＩＲカットフィルタ５４に透過させることで、Ｂ，Ｇ，Ｒの各色成分光ＬＢ，ＬＧ，ＬＲでなる可視光成分（白色光）Ｌ１のみがマルチレンズアレイ５６に入射する。
【００４６】
投写光学系７は、Ｂ，Ｇ，Ｒ各色用の液晶パネル１枚に向けて、Ｂ，Ｇ，Ｒの各色成分光ＬＢ，ＬＧ，ＬＲをＢ，Ｇ，Ｒの各色の液晶パネル上に導き得るように、Ｂ，Ｇ，Ｒの各色成分光ＬＢ，ＬＧ，ＬＲをそれぞれ取り込む入射部７２Ｂ，７２Ｇ，７２Ｒと、入射部７２Ｂ，７２Ｇ，７２Ｒで取り込んだ各色成分光ＬＲ，ＬＧ，ＬＢを略同一の光路に合成して出射端７９ａから出射するクロスプリズム７９と、液晶表示部７６から出射されクロスプリズム７９で合成された各色の光を図示しないスクリーン上に投写する投写レンズ８０とを備えている。
【００４７】
出射端７９ａから出射された各色成分光ＬＢ，ＬＲ，ＬＧは、投写レンズ８０で集光されスクリーン上にて色合成される。後述するように、本実施形態では、対向基板１３０に設けられるマイクロレンズを長焦点距離にすることで、出射側光線の広がり角を小さくできるようにするので、クロスプリズム７９からの出射光をすべてカバーするためには、投写レンズ８０のＦ値は、従来マイクロレンズ用に使用した投写レンズのＦ値よりも大きくできる。一例として、投写レンズ８０のＦナンバーはＦ１．７とすることができる。
【００４８】
入射部７２Ｂ，７２Ｇ，７２Ｒは、それぞれカラートリミングコートが施されたフィールドレンズ７４と、液晶表示部７６と、液晶表示部７６の光路上の両側に配された偏光板７７，７８とを備えている。
【００４９】
液晶表示部７６は、光スイッチ素子として薄膜トランジスタ（ＴＦＴ；Thin Film Transistor ）を使用した液晶パネル１１０と、液晶パネル１１０上に設けられたカバーガラス１２０と、透明基板の表面に１次元または２次元に配列した複数の屈折率分布型マイクロレンズを有するベース基板に透明カバー基板を貼り合わせた構造の平板レンズアレイを備えた対向基板１３０とを備えている。液晶表示部７６は、液晶パネル１１０が偏光板７７を挟んでクロスプリズム７９側となり、対向基板１３０が偏光板７８を挟んでフィールドレンズ７４側となるように配されている。
【００５０】
光学部材群９は、光源５から出射されＵＶ／ＩＲカットフィルタ５４およびマルチレンズアレイ５６を透過した可視光成分Ｌ１（ＬＢ，ＬＲ，ＬＧ）を反射するミラー２１２と、ミラー２１２で反射された可視光成分Ｌ１（ＬＢ，ＬＲ，ＬＧ）を透過させる光学部材群２２０とを備えている。
【００５１】
また光学部材群９は、光学部材群２２０を透過した可視光成分Ｌ１（ＬＢ，ＬＲ，ＬＧ）の内の青色成分光ＬＢを反射し、残りの赤色成分光ＬＲおよび緑色成分光ＬＧを透過させるダイクロイックミラー（ＤＭ）２３２と、ダイクロイックミラー２３２で反射した青色成分光ＬＢを入射部７２Ｂに向けて反射させることで入射部７２Ｂの液晶表示部７６に所定の入射光発散角にて入射させるミラー２１４を備えている。
【００５２】
また光学部材群９は、ダイクロイックミラー２３２を透過した赤色成分光ＬＲおよび緑色成分光ＬＧの内の赤色成分光ＬＲを入射部７２Ｒに向けて反射させることで入射部７２Ｒの液晶表示部７６に所定の入射光発散角にて入射させるとともに、緑色成分光ＬＧを透過させるダイクロイックミラー（ＤＭ）２３４を備えている。
【００５３】
マルチレンズアレイ５６、ミラー２１２、および光学部材群２２０とで、導光照明部が構成されるようになっている。すなわち、先ずマルチレンズアレイ５６はＸ方向にｍ個およびＹ方向にｎ個の凸レンズ型のレンズセル５６ａを透明基板５６ｂ上に有しており光分割部（フライアイ）として機能する。具体的には、光源ランプ５２から出射されＵＶ／ＩＲカットフィルタ５４を透過した可視光成分Ｌ１（ＬＢ，ＬＲ，ＬＧ）を、Ｘ方向にｍ分割およびＹ方向にｎ分割して合計ｍ＊ｎ本の可視光成分Ｌ１としてミラー２１２側に出力する。一例として、フライアイ（すなわちレンズセル５６ａ）のコマ数は、縦１０個、横８個である。
【００５４】
光学部材群２２０は、光分割部として機能するマルチレンズアレイ５６から出力されミラー２１２で反射したｍ＊ｎ本の可視光成分Ｌ１を集光してダイクロイックミラー２３２に導く。
【００５５】
このため、光学部材群２２０は所定形状のレンズセルを配列してなる平板状光学装置の一例であるマルチレンズアレイ（ＭＬＡ）２２２と、偏光を利用して液晶パネルへの入射光の偏光を揃えるＰＳ合成素子（ＰＳ偏光変換素子）２２４と、ＰＳ合成素子２２４を透過した可視光成分Ｌ１をダイクロイックミラー２３２の所定位置に導くコンデンサレンズ２２６とをこの順に、光路上においてマイクロレンズアレイ２２２がミラー２１２側となるように備えている。
【００５６】
マイクロレンズアレイ２２２は、Ｘ方向にｍ個およびＹ方向にｎ個の凸レンズ型のレンズセル２２２ａを透明基板２２２ｂ上に有しており光合成部として機能するもので、ミラー２１２で反射された合計ｍ＊ｎ本の可視光成分Ｌ１を集光してＰＳ合成素子２２４に導く。
【００５７】
すなわち、マイクロレンズアレイ２２２の凸レンズ型のレンズセル２２２ａの配列間隔は、マイクロレンズアレイ５６から出射されるｍ＊ｎ本の可視光成分Ｌ１の間隔と同一で、各凸レンズ型のレンズセル２２２ａが各可視光成分Ｌ１の光軸上に設けられている。これにより、マイクロレンズアレイ５６から出射されたｍ＊ｎ本の可視光成分Ｌ１は、マイクロレンズアレイ２２２によって一旦集光されてｍ＊ｎ個の２次光源（点光源）として整形されてから、コンデンサレンズ２２６に入射される。つまり、マイクロレンズアレイ２２２は、２次光源生成部の一例をなす。
【００５８】
ＰＳ合成素子２２４は、液晶パネルへの入射光の偏光を揃えることで、従来吸収されていた偏光の利用を図ることを目的に用いている。すなわち、液晶パネルは光源からの光のうち、ある一方の偏光を変調することにより画像を出力しているが、他方の偏光は利用されず偏光板に熱として吸収されてしまう。これに対してＰＳ合成素子２２４を用いて液晶パネルへの入射光の偏光を揃えることで、従来吸収されていた偏光の利用を図る。
【００５９】
具体的には、ＰＳ合成素子２２４は、マイクロレンズアレイ２２２側にはＰＢＳ膜（Polarizing Beam splitter；偏光ビームスプリッタ）２２４ａが形成され、コンデンサレンズ２２６側には所定間隔で１／２波長板２２４ｂが形成されている。マイクロレンズアレイ２２２からＰＳ合成素子２２４に入射した光は、ＰＢＳ膜２２４ａでＰ波とＳ波に分離される。このうちＰ波は１／２波長板２２４ｂによって偏光面が９０°回転させられ出射光はすべてＳ波に偏光面が揃えられる。この結果、液晶表示部７６の液晶パネル１１０に入射する光はＳ偏光一成分となるため、従来熱として捨てられてきた光を照明として有効に使うことができるようになる。
【００６０】
コンデンサレンズ２２６は、マイクロレンズアレイ２２２で集光されＰＳ合成素子２２４を透過した合計ｍ＊ｎ本の可視光成分Ｌ１を合成して、ダイクロイックミラー２３２上の所定の照射領域に集光する。このとき、マイクロレンズアレイ２２２をなすｍ＊ｎ個の凸レンズ型のレンズセル２２２ａの内の同一のものからから射出された可視光成分Ｌ１同士は、コンデンサレンズ２２６によりそれぞれ略平行光束となり、ダイクロイックミラー２３２上に導かれる。
【００６１】
ここで、マイクロレンズアレイ５６とマイクロレンズアレイ２２２とで、インテグレータレンズを構成するようにしている。このような構成のインテグレータレンズを採用することにより、液晶パネルへの集光効率と周辺光量比の向上を図ることができる。すなわち、第１のインテグレータレンズ（ランプ側）であるマイクロレンズアレイ５６の各レンズセル５６ａの像を第２のインテグレータレンズ（液晶側）であるマイクロレンズアレイ２２２とコンデンサーレンズ２２６とにより液晶表示面に結像させることで、光源ランプ５２からの光を効率よく液晶表示面へ集めると同時に、レンズセル像の重合せにより照明むらを改善することができる。
【００６２】
また光学部材群９は、ダイクロイックミラー２３４を透過した緑色成分光ＬＧを集光するリレーレンズ２４２と、リレーレンズ２４２を透過した緑色成分光ＬＧを反射するミラー２１６と、ミラー２１６で反射した緑色成分光ＬＧを集光するリレーレンズ２４４と、リレーレンズ２４２を透過した緑色成分光ＬＧを入射部７２Ｇに向けて反射させることで入射部７２Ｇの液晶表示部７６に所定の入射光発散角にて入射させるミラー２１８とを備えている。
【００６３】
なお、一例として、液晶表示部７６Ｂ，７６Ｒ，７６Ｇに対する入射光発散角は、縦方向９°、横方向１１°である。つまり、各色成分光ＬＢ，ＬＲ，ＬＧ用の液晶パネル１１０の画素の開口窓（画素電極）に集光される光量（実効開口率）を略±１０゜の白色光源を用いる。従来のマイクロレンズを搭載したプロジェクタの入射光発散角は±１０°程度であるのに対応して、現実的な入射光発散角としている。特許文献３に記載の仕組みでは、非現実的な入射光発散角±４°の光学系を想定しているのと、大きく異なる。
【００６４】
このような構成により、液晶プロジェクタの光学系３は、光源ランプ５２から発せられた照明光Ｌ０の内の可視光成分Ｌ１（ＬＢ，ＬＲ，ＬＧ）を、マイクロレンズアレイ５６，２２２、ＰＳ合成素子２２４、コンデンサレンズ２２６を透過させた後、２つのダイクロイックミラー２３２，２３４で各色成分光ＬＢ，ＬＲ，ＬＧのそれぞれに色分解し、入射部７２のフィールドレンズ７４を経て、液晶表示部７６の液晶パネル１１０面に均一照明を得るようにしている。
【００６５】
各色成分光ＬＢ，ＬＲ，ＬＧは対向基板１３０に設けられた図示しないマイクロレンズにより液晶パネル１１０内の所定位置に集光され、液晶パネル１１０の各々対応する画素位置を通過する。このとき、与えられた画素信号に応じて液晶パネル１１０の図示しない画素電極への印加電圧が変化し、これに応じて図示しない液晶層中を通過する各色成分光ＬＢ，ＬＲ，ＬＧの偏光方向が変調を受ける。
【００６６】
そして、液晶パネル１１０内でそれぞれ焦点を結んだＢ，Ｒ，Ｇの各色成分光ＬＢ，ＬＲ，ＬＧは、液晶パネル１１０の裏面から出射し偏光板７８を選択的に透過して、クロスプリズム７９に入射し、クロスプリズム７９で合成され、その出射端７９ａから出射して投写レンズ８０によってスクリーン上にて変調度合いに応じて色合成される。
【００６７】
なお、クロスプリズム７９は、たとえば液晶表示部７６からの出射光を、緑はＰ波に、赤と青はＳ波に設計することで、同じダイクロイック膜でも緑の透過特性と赤・青の反射特性の波長域を広げることができ、その結果、ランプのスペクトルを広く利用することができる。
【００６８】
＜液晶表示部の構成＞
図２は、平板レンズアレイを有する対向基板１３０を用いた液晶表示部７６の概念を示す断面図である。
【００６９】
液晶表示部７６の液晶パネル１１０（ＴＦＴ基板１１２）は、光スイッチング素子（液晶駆動素子）としてのＴＦＴ（薄膜トランジスタ）を配したＴＦＴ基板（画素基板）１１２と、ツイストネマチック液晶などの液晶材料でなる液晶層１１７と、透明電極でなる対向電極１１８とを備え、カバーガラス１２０表面の対向電極１１８とＴＦＴ基板１１２との間に液晶層１１７を狭持するように配されている。なお、単板式とする場合には、対向電極１１８のカバーガラス１２０側表面にＲ，Ｇ，Ｂの各色分離用の有機材料で形成されたカラーフィルタが配設される。
【００７０】
液晶表示部７６の対向基板１３０は、ベース基板１３２と、規則的に並んで形成された多数のマイクロレンズ１３３を有する平板状光学装置としての平板レンズアレイ１３４と、集光側基板１３６とを備え、集光側基板１３６上にカバーガラス１２０が密着配置されている。
【００７１】
この対向基板１３０は、集光側基板１３６の表面にカバーガラス１２０を挟んで液晶パネル１１０が密着配設されており、液晶パネル１１０のＴＦＴ基板１１２に対する対向基板（レンズ内蔵型基板）として使用され、液晶表示部７６としてマイクロレンズ付液晶表示パネルが構成されるようになっている。
【００７２】
ＴＦＴ基板１１２は、光透過性の支持基板１１３と、支持基板１１３の片面側（図の光入射側）に透明電極でなる開口窓としての画素電極１１４と、これらの各画素電極１１４に対して画像信号に応じた電圧を印加することで液晶層１１７の光透過性を制御するスイッチング素子として機能するＴＦＴなどからなるブラックマトリクス部１１５とが規則的に並んで形成されている。画素電極１１４とブラックマトリクス１１５とで光スイッチング層１１６が構成される。
【００７３】
平板レンズアレイ１３４のマイクロレンズ１３３のピッチＰと、画素ピッチＷＤすなわち画素電極１１４の幅ＷＤ１とブラックマトリクス１１５の幅ＷＤ２との和が同じになるようにしつつ、開口部（画素電極１１４）とマイクロレンズ１３３の各中心Ｃ／Ｌが一致するように、液晶パネル１１０の画素１つ（１ドット）に対して１個のマイクロレンズ１３３が対向配置するように対向基板１３０上に搭載する。
【００７４】
液晶駆動素子としての各ＴＦＴには、たとえばアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）や多結晶シリコン（ｐ−Ｓｉ）などが用いられる。通常ａ−ＳｉＴＦＴには、多成分系無アルカリガラスが支持基板１１３として用いられ、ｐ−Ｓｉには特に成膜時に高温を必要とするため、石英ガラスが支持基板１１３として用いられる。
【００７５】
図示を割愛するが、各ＴＦＴは、たとえばポリシリコンからなるゲート電極、ドレイン電極、およびソース電極を備えている。このうち、ゲート電極は、アドレス配線に接続され、ソース電極はデータ配線に接続され、ドレイン電極は各画素電極に接続される。対向電極１１８は、カバーガラス１２０の全面あるいは必要な領域（すなわち、少なくともＴＦＴ基板１１２の画素電極１１４と対向する領域）に形成された透明電極であり、一定の電位に固定されている。
【００７６】
そして、アドレス配線とデータ配線とによって選択された画素電極に画像信号電圧が選択的に印加されることによって、その画素電極１１４と対向電極１１８との間の液晶層１１７中の液晶分子の配向が変化し、ここを通過する光の偏光方向を変化（変調）させるようになっている。
【００７７】
液晶層１１７と、これを挟持するように両側に設けられている画素電極１１４およびブラックマトリクス１１５でなる一方の透明電極層および対向電極１１８である他方の透明電極層とで、集光用レンズとしてのマイクロレンズ１３３で集光された光が照射される照射層の一例である表示層１１９が構成されている。
【００７８】
一方、平板レンズアレイ１３４を形成するベース基板１３２や集光側基板１３６さらにはカバーガラス１２０の材料は、ＴＦＴ基板１１２と同じ材料もしくは略同等の熱膨張係数を有する材料を用いることが、ＴＦＴ基板１１２と対向基板１３０すなわちマイクロレンズ１３３との重ねズレ、すなわち画素と照明光との位置ズレをなくする上で好ましい。
【００７９】
また、平板レンズアレイ１３４を構成する各マイクロレンズ１３３は、たとえば蒲鉾型レンズとして形成されてもよいし、一般の球面状またはそれに近い曲面のレンズであってもよい。また、本実施形態では、マイクロレンズ１３３の光入射側を凸面とし出射側を平面としているが、これとは逆に、光入射側を平面とし出射側を凸面としてもよい。
【００８０】
たとえば、図示するように、略球面で接する屈折率の異なる２つの材料で平板レンズアレイ１３４を形成する場合においてマイクロレンズ１３３の光入射側を凸面とし出射側を平面とする場合には、ベース基板１３２側を低屈折率材料で形成し、集光側基板１３６側を高屈折率材料で形成し、その境界部分に多数の略球面形状部を形成することで、略球面形状部をマイクロレンズ１３３として形成することができる。
【００８１】
このような構成により、平板レンズアレイ１３４によって集光された照明光（本実施形態では青色成分光ＬＢ、赤色成分光ＬＲ、緑色成分光ＬＧのそれぞれ）は、集光側基板１３６表面付近に位置する画素電極１１４を効率よく透過する。
【００８２】
＜光学系の光学常数の特徴点＞
ここで、本実施形態では、画素開口部上すなわち画素電極１１４上に焦点を結ばないように光学系３の光学常数を設定する点に特徴を有する。つまり、平板レンズアレイ１３４を形成する各マイクロレンズ１３３の焦点距離ｆを、画素電極１１４すなわち開口窓上またはその近傍ではなく、マイクロレンズ１３３の主点位置（主平面の位置）Ｈから液晶パネル１１０までの距離よりも長くして支持基板１１３の内部の深い所に設定する点に特徴を有する。
【００８３】
たとえば画素電極１１４とマイクロレンズ１３３の主点位置Ｈとの距離よりもマイクロレンズ１３３の焦点距離ｆを大きく設定する。なお、焦点距離ｆは、マイクロレンズ１３３の主点位置Ｈから焦点位置Ｆ０までの距離であって、空気換算値すなわち空気中の焦点距離とする。
【００８４】
一例として、マイクロレンズ１３３の主点位置Ｈからカバーガラス１２０の液晶パネル１１０側表面までの光学距離（空気換算値）Ｔｓよりも焦点距離ｆ（波長５５０ｎｍ、空気中）を大きく設定する。ここで、光学距離（空気換算値）Ｔｓは、マイクロレンズ１３３の主点位置Ｈからカバーガラス１２０の液晶パネル１１０側表面までの厚み（実効距離）をＴsub 、マイクロレンズ１３３の主点位置Ｈから液晶パネル１１０表面（つまり表示層１１９表面）までの媒体の屈折率をｎsub （空気中の可視光の中心波長５５０ｎｍでの値）としたとき、下記式（１）で定義されるものである。
【００８５】
【数１】
2006171051.tif 000003
【００８６】
また、マイクロレンズ１３３の主点位置Ｈから液晶パネル１１０表面（つまり表示層１１９表面）までが、厚みｔｓ１，ｔｓ２，…，ｔｓｋ（それぞれ空気換算値）、厚みｔ１，ｔ２，…，ｔｋ（それぞれ実効距離）のｋ個の層が存在し、それぞれの層の屈折率がｎ１，ｎ２，…，ｎｋである多層構造からなる場合には、光学距離（空気換算値）Ｔｓは下記式（２）で定義されるものである。
【００８７】
【数２】
2006171051.tif 000004
【００８８】
従来の一般的な光学常数の設定では、画素位置、具体的には画素電極１１４上に焦点を結ぶように設定するが、これは実際の混色や輝度低下の防止を考慮したものと考えられる。しかし、マイクロレンズは必ずしも画素上に焦点を結ばなければならないものでもなく、混色については光源ランプのアーク長の短縮やダイクロイックミラーの分光特性を適切化することで現実的な対応は可能である。また、輝度低下についても、有効開口部（画素部）を光が透過すれば問題は生じないはずである。本実施形態の光学常数の設定は、この点に着目しているのであり、マイクロレンズの焦点位置を画素開口部（画素電極１１４）上ではなく画素基板（ＴＦＴ基板１１２）内に設定したのである。
【００８９】
なお、マイクロレンズ１３３で集光された各色成分光ＬＢ，ＬＲ，ＬＧが焦点Ｆ０を結ぶ前の未だ完全には収束していない集光度合いの低い状態でＴＦＴ基板１１２に入射すると、集光度合いによっては、画素上に投影される集光径（すなわち各色成分光ＬＢ，ＬＲ，ＬＧが画素電極１１４を通過する位置での光束径）が隣接する画素にまで達し、隣接する画素の画素電極１１４にも入射してしまう可能性が生じる。
【００９０】
よって、本実施形態の仕組みを採用する場合においては、この隣接する画素への入射が生じないように、画素上に投影される集光径が、画素ピッチＷＤすなわち画素電極１１４の幅ＷＤ１とブラックマトリクス１１５の幅ＷＤ２との和を超えないようにすることが必要となる。
【００９１】
このように焦点距離ｆを長くすることにより、マイクロレンズ１３３で集光された各色成分光ＬＢ，ＬＲ，ＬＧは焦点Ｆ０を結ぶ前の未だ完全には収束していない集光度合いの低い状態でＴＦＴ基板１１２における各々対応する画素位置、具体的には各画素電極１１４を通過して、ＴＦＴ基板１１２の内部で焦点Ｆ０を結ぶようになる。各色成分光ＬＢ，ＬＲ，ＬＧを確実に各画素位置を通過させつつ、画素位置での集光度合いを低く抑えることで、輝度低下を防止しつつ、液晶パネル１１０を構成するの有機材料の耐光性寿命を確実に改善することができ、プロジェクションＴＶなどの品質向上に寄与できる。
【００９２】
加えて、焦点距離ｆを長くすることによって、レンズ形状を浅くできるので技術的に作製し易くなる。よって、高歩留まり、低コスト化が可能になる。また、樹脂の屈折率が低いものが使用でき、樹脂の選択がし易くなり、高寿命樹脂、低コスト樹脂などを使用し易くなる。
【００９３】
また、長焦点距離にすることで、出射側光線の広がり角を小さくでき、光が蹴られることなくすべての光が有効に利用されるようになり、スクリーン上に投影された画像に輝度むらや色むらが生ずる虞れが少なくなる。
【００９４】
さらに、従来マイクロレンズ用に使用した投写レンズのＦ値よりも大きくできる、すなわち有効径が小さく暗いレンズ系にでき、かつ蹴られが生ずることがないので、液晶表示装置の構成要素のうちコスト比率の大きい投写レンズとして、製作コストの安いＦ値の大きいレンズを使用することができる。投写レンズの設計がし易くなり、装置全体としての低価格化にも寄与できる。
【００９５】
なお、特許文献２には、本実施形態の光学系３の構成と同様に、マイクロレンズアレイを構成する各マイクロレンズの焦点距離をマイクロレンズアレイと画素基板との距離よりも長く設定し、各マイクロレンズで集光された光が画素基板における各々対応する画素電極を透過して画素基板の内部で焦点を結ぶように設定することで、焦点距離を相対的に小さくすることに起因する出射側光線の広がり角とそれによる蹴られと、これに基づくスクリーン上での輝度むらや色むらの問題や、製作難易度やコストの問題を解消しようとしている。
【００９６】
しかしながら、液晶表示部７６の有機材料である液晶層１１７の耐光性寿命の問題を確実に解消できる光学定数については一切の開示がなく、その問題の認識もなされていなかったといえる。したがって、特許文献２に記載の仕組みを用いたとしても、液晶表示部７６の有機材料である液晶層１１７の耐光性寿命の問題を解消すること保証することができない。
【００９７】
＜光学常数の設定手法＞
以下、マイクロレンズ１３３の焦点位置をＴＦＴ基板１１２の画素電極１１４上またはその近傍ではなく、より深い位置に設定するための光学系３の光学常数の具体的な設定手法について詳細に説明する。
【００９８】
図３は、マイクロレンズあり／なしにおけるＴＦＴ画素開口部での光強度分布の状態の違いを示すシミュレーション図である。
【００９９】
ここで、図３（Ａ）はマイクロレンズの主点からカバーガラス１２０のパネル表面までの光学距離（空気換算値）Ｔｓ＝１２μｍ、マイクロレンズ１３３の主点位置Ｈから液晶パネル１１０表面（つまり表示層１１９表面）までの媒体の屈折率ｎsub （空気中の可視光の中心波長５５０ｎｍでの値）が３．３程度であって、焦点位置が略画素開口部面となるような焦点距離ｆ（＝４０μｍ）の場合であり、図３（Ｂ）はマイクロレンズなしの場合である。
【０１００】
また、図４は、マイクロレンズありの場合であってマイクロレンズの主点からカバーガラスのパネル側表面までの光学距離（空気換算値）Ｔｓ＝１２μｍにおけるＴＦＴ画素部での焦点距離ｆ（＝５０μｍ，６５μｍ，８０μｍ）と光強度分布の関係を示すシミュレーション図である。
【０１０１】
また、図５は、マイクロレンズの主点からカバーガラスのパネル表面までの光学距離Ｔｓ（空気換算値）はすべて１２μｍ、屈折率ｎsub ＝３．３、と一定とした場合における焦点距離ｆと寿命係数との関係を示すシミュレーション図である。また図６は、寿命係数の定義を説明する図である。
【０１０２】
図３（Ａ）および図３（Ｂ）から分かるように、マイクロレンズなしの光強度分布（図３（Ｂ））は略均一だが、マイクロレンズありの光強度分布（図３（Ａ））は中央が強く場所による差がみられる。すなわち、集光用レンズとしてのマイクロレンズ１３３を液晶表示部７６の光入射面（すなわち画素開口面）側に搭載した場合（図３（Ａ））、光強度はマイクロレンズ１３３の集光に起因して強度分布が場所によって異なり、画素開口面における焦点位置に対応する部分（マイクロレンズ１３３の光軸中心に対応する部分）での強度が、マイクロレンズ１３３なしの表示パネル（図３（Ｂ））よりも強くなる。このようにマイクロレンズがある場合、実効開口率を上げようとすると、液晶表示パネルの寿命が短くなる。
【０１０３】
ここで、図４（Ａ）〜図４（Ｃ）から分かるように、光強度の最大値と焦点距離ｆとの間には一定の関係があり、図示した例では、焦点距離ｆが小さく焦点位置が画素開口面に近いほど分布における最大強度が大きくなり（たとえばｆ＝５０μｍ）、焦点距離ｆが大きく焦点位置が支持基板内になるほど分布における最大強度が小さくなり（たとえばｆ＝６５μｍ）、たとえば焦点距離ｆが８０μｍになると、概ねマイクロレンズなしの表示パネル（図３（Ｂ））と同等に、光強度分布は略均一になる。
【０１０４】
つまり、焦点距離ｆが長くなれば、ＴＦＴ開口部の光強度分布が略均一に近づいているので寿命を延ばすことができると考えられる。なお、焦点距離ｆを短くしても最大強度が小さくなると考えられるが、この場合には、合焦後の拡散角が大きくなり、蹴られが生じ、スクリーン上での輝度むらや色むらの問題や製作難易度やコストの問題があるので都合が悪い。
【０１０５】
たとえば、図５において、横軸の焦点距離ｆはマイクロレンズ１３３の主点位置Ｈからビーム輝度が最大（ＭＡＸ）になるところまでの距離であり、縦軸の寿命係数は、図６に示すような式で求めた数値である。ここで、マイクロレンズ（ＭＬ）１３３による有機材料の寿命係数（以下ＭＬ寿命係数という）は、スクリーン輝度一定条件においてのマイクロレンズなし／ありの寿命を比較した指標値である。
【０１０６】
マイクロレンズなし／ありで、開口部（画素電極１１４）における集光度合いつまり光強度が異なり、その光強度（集光度合い）が強いほど寿命が短くなると考えてよい。よって、マイクロレンズなし／ありでの光強度（集光度合い）の比を取ることでＭＬ寿命係数を表わすことができる。具体的には、マイクロレンズ１３３なし品の平均光強度をＡ、マイクロレンズ１３３なし品の平均光強度以上の領域におけるマイクロレンズ１３３あり品の光強度平均値をＢとすると、ＭＬ寿命係数は、下記式（３）のように、Ａ／Ｂで定義することができる。
【０１０７】
【数３】
2006171051.tif 000005
【０１０８】
ここで、図５のシミュレーション結果から分かるように、焦点距離ｆを長くすることでＭＬ寿命係数が延びる傾向になる。ＭＬ寿命係数＝１は、マイクロレンズ１３３なし寿命と同等であり、“１”に近い方が好ましい。特に画素ピッチが１４μｍ以下の狭ピッチになると、マイクロレンズ１３３で集光（短焦点）し、寿命的にも悪くなる傾向になるので、焦点距離を長く設定する手法は特に有効であるといえる。本例では、ＭＬ寿命係数の観点では、焦点距離ｆ＝８０μｍ程度以上にすることが好ましいといえる。
【０１０９】
図７および図８は、図５でのシミュレーションにおけるものと同等の光学系において、マイクロレンズ１３３の焦点距離ｆ（空気換算値）および光学距離Ｔｓ（空気換算値）と、ＭＬ寿命係数やマイクロレンズ１３３の集光効率（以下ＭＬ効率という）の関係を示したシミュレーション図である。
【０１１０】
ここで、図７（Ａ）は、ＭＬ効率分布を示す図、図７（Ｂ）は、ＭＬ寿命係数分布を示す図、図８は、図７の結果を受けて合成したＭＬ効率とＭＬ寿命係数との関係を示す図である。焦点距離ｆは、マイクロレンズ１３３の焦点距離であって、ここではマイクロレンズ１３３の主点位置Ｈからビーム輝度ＭＡＸになるところまでの光学距離である。
【０１１１】
ここで、横軸のＭＬ効率は、マイクロレンズを搭載してない場合に対するマイクロレンズを搭載した場合の被測定点における輝度比で定義することができる。具体的には、同一な開口液晶表示パネルを用いて対向基板にマイクロレンズを搭載してない場合の光学系投影スクリーン上輝度に対する、対向基板にマイクロレンズを搭載した場合の同一光学系でのスクリーンの輝度の比である。
【０１１２】
図８のシミュレーション結果から分かるように、ＭＬ効率を高くすることのできる焦点距離ｆと光学距離Ｔｓの組合せの他に、ＭＬ効率が若干低下するものの、ＭＬ寿命係数を大きくしてより“１”に近くすることのできる焦点距離ｆと光学距離Ｔｓの組合せも存在する。つまり、液晶パネル１１０の開口部分（画素電極１１４）に集光点を設定した場合のマイクロレンズの集光効率（ＭＬ効率ＭＡＸ値）に対して、ＭＬ効率を犠牲にして若干落すことで、ＭＬ寿命係数を大幅に改善できるマイクロレンズの設計値があることが分かる。
【０１１３】
たとえば、図中に一点鎖線で示す範囲Ｓok１は、シミュレーションのサンプル点Ｓ１〜Ｓ１６のうち、ＭＬ効率最大値のものＳ０（ＭＬ寿命係数≒０．６，ＭＬ効率≒１．３７）に対して、ＭＬ寿命係数を１．３倍程度以上、たとえばＭＬ寿命係数≒０．８以上を確保でき、かつＭＬ効率低下が１０％程度以内、たとえばＭＬ効率≒１．２３以上となるものの範囲を示している。ＭＬ効率の低下が１０％程度であれば、実効開口率を向上させて、レンズアレイによる明るさ増大の効果を十分に発揮させることができる。点Ｓ１４は、範囲Ｓok１において、ＭＬ寿命係数が最大（≒１）でかつＭＬ効率が最少のものである。
【０１１４】
同様に、範囲Ｓok１の範囲内において、さらに図中に二点鎖線で示す範囲Ｓok２は、ＭＬ効率最大値のものＳ０に対して、ＭＬ寿命係数を１．４倍程度以上、たとえばＭＬ寿命係数≒０．８５以上を確保でき、かつＭＬ効率低下が１０％程度以内、たとえばＭＬ効率≒１．２３以上となるものの範囲を示している。ＭＬ寿命係数を１．４倍程度以上とするので、たとえば範囲Ｓok１内の点Ｓ１０が除外され、点Ｓ６，Ｓ１３が概ね境界に位置する。
【０１１５】
同様に、範囲Ｓok１を含み、さらに図中に点線で示す範囲Ｓok３は、ＭＬ効率最大値のものＳ０に対して、ＭＬ寿命係数を１．２倍程度以上、たとえばＭＬ寿命係数≒０．７以上を確保でき、かつＭＬ効率低下が１０％程度以内、たとえばＭＬ効率≒１．２３以上となるものの範囲を示している。ＭＬ寿命係数を１．２倍程度以上とするので、たとえば範囲Ｓok１外の点Ｓ４，Ｓ７が境界点となる。
【０１１６】
図９は、図５でのシミュレーションにおけるものと同等の光学系において、シミュレーションにより求めた、マイクロレンズ１３３の焦点距離ｆ（空気換算値）と、マイクロレンズ１３３の主点位置Ｈからカバーガラス１２０の液晶パネル１１０側表面までの光学距離Ｔｓ（空気換算値）の適正範囲を示す図である。
【０１１７】
ここでは、焦点距離ｆおよび光学距離Ｔｓをそれぞれマイクロレンズ１３３のピッチＰで規格化し、Ｔｓ／ＰをＸ座標、ｆ／ＰをＹ座標とするＸＹ平面において、各光学定数の適正範囲を示している。
【０１１８】
なお、光学距離Ｔsub （実効距離）はマイクロレンズ１３３の主点位置Ｈから液晶パネル１１０表面（つまり表示層１１９表面）までの厚み、焦点距離ｆは、マイクロレンズ１３３の主点位置Ｈからビーム輝度ＭＡＸになるところまでの光学距離とする。
【０１１９】
また、マイクロレンズ１３３のピッチＰは、レンズ配列の仕方によって以下ように定義している。Ｘ方向のレンズ配列ピッチＰｘ、Ｙ方向のレンズ配列ピッチＰｙとしたときの、六方配列の場合のレンズピッチＰは下記式（４−１）で定義され、四方配列の場合のレンズピッチＰは下記式（４−２）で定義される。
【０１２０】
【数４】
2006171051.tif 000006
【０１２１】
また、先にも述べたように、マイクロレンズ１３３の主点位置Ｈから液晶パネル１１０表面までの媒体の屈折率をｎsub としたとき、光学距離（空気換算値）Ｔｓは式（１）で定義される。また、マイクロレンズ１３３の主点位置Ｈから液晶パネル１１０表面までが、厚みｔｓ１，ｔｓ２，…，ｔｓｋ（それぞれ空気換算値）、厚みｔ１，ｔ２，…，ｔｋ（それぞれ実効距離）のｋ個の層が存在し、それぞれの層の屈折率がｎ１，ｎ２，…，ｎｋである多層構造からなる場合には、光学距離（空気換算値）Ｔｓは式（２）で定義される。
【０１２２】
図９において、●印のＧ１（０．５１３，３．８４６），Ｇ２（０．５１３，４．４８７），Ｇ３（０．５１３，５．１２８），Ｇ４（０．５１３，５．７６９），Ｇ５（０．５１３，６．４１），Ｇ６（０．９６２，６．４１），Ｇ７（１．０６８，６．４１），Ｇ８（１．２８２，６．４１），Ｇ９（１．２８２，５．７６９），Ｇ１０（１．２８２，５．１２８），Ｇ１１（０．９６２，３．８４６）の各点で囲まれた範囲Ｇok１は、図８中に一点鎖線で示した範囲Ｓok１に対応して画定される範囲である。
【０１２３】
たとえば、点Ｓ２からＧ１（０．５１３，３．８４６），点Ｓ５からＧ２（０．５１３，４．４８７），点Ｓ８からＧ３（０．５１３，５．１２８），点Ｓ１１からＧ４（０．５１３，５．７６９），点Ｓ１４からＧ５（０．５１３，６．４１），点Ｓ６からＧ６（０．９６２，６．４１），点Ｓ１２からＧ７（１．０６８，６．４１），点Ｓ１６からＧ８（１．２８２，６．４１），点Ｓ１３からＧ９（１．２８２，５．７６９），点Ｓ１０からＧ１０（１．２８２，５．１２８），Ｇ１１（０．９６２，３．８４６）をそれぞれ特定することができる。
【０１２４】
Ｇ１〜Ｇ１１の各点で示された折線の近傍内は、ＭＬ効率最大設計にしたときのＭＬ寿命よりも１．３倍程度以上長寿命を確保できる光学定数（光学パラメータ）の領域である。ただし、ＭＬ効率が若干（最大で約１０％程度）落ちてしまう。
【０１２５】
点Ｇ１０，Ｇ１１を結ぶ線分Ｌ１．３よりもＴｓ／Ｐが小さくかつｆ／Ｐが大きい範囲（図中の⇒ａ側）が、ＭＬ効率最大設計にしたときのＭＬ寿命よりも１．３倍程度以上長寿命を確保できる範囲である。
【０１２６】
先にも述べたように、図８中の点Ｓ１４は、範囲Ｓok１においてＭＬ寿命係数が最大（≒１）でかつＭＬ効率が最少のものであるので、ＭＬ効率低下を１０％程度以内に抑えるには、実際には、線分Ｌ１．３よりも⇒ａ側でかつ、点Ｓ１４で特定可能な線分Ｌ０よりもＴｓ／Ｐが大きくかつｆ／Ｐが小さい範囲（図中の⇒ｂ側）内に光学定数（光学パラメータ）を設定することとなる。
【０１２７】
ここで、線分Ｌ１．３よりも⇒ａ側でかつ線分Ｌ０よりも⇒ｂ側の範囲内である限り、ＭＬ寿命係数を１．３倍程度以上かつＭＬ効率低下を１０％程度以内に確保することができるが、実際には、設計のし易さやコストなどの観点から、Ｔｓ／Ｐやｆ／Ｐの取り得る範囲を規定する。
【０１２８】
たとえば本実施形態では、焦点位置が略画素開口部面となるような距離（＝４０μｍ）よりも焦点距離ｆを長くすることで、ある程度の効率低下を犠牲にしつつ長寿命化を図ることを目的としているので、こういった点では、図７（Ａ）のＭＬ効率分布を参照すれば、たとえば焦点距離ｆの下限は６０ないし７０μｍ程度にするのがよい。よって、ｆ／Ｐの下限値は、ピッチＰ＝１５．６μｍであるから３．８４６となる。
【０１２９】
また、マイクロレンズ１３３の主点位置Ｈからカバーガラス１２０の液晶パネル１１０側表面までの光学距離Ｔｓ（空気換算値）を極端に短くすると、焦点距離ｆ（空気換算値）も短くする必要が生じ、結果的には短焦点距離の光学系になるので都合が悪い。
【０１３０】
また、図７（Ａ）のＭＬ効率分布から分かるように、光学距離Ｔｓの値に関わらずＭＬ効率低下を１０％以内に留めようとする場合、焦点距離ｆの上限は１００μｍ程度にするのがよい。よって、ｆ／Ｐの上限値は、ピッチＰ＝１５．６μｍであるから６．４１となる。
【０１３１】
また、光学距離Ｔｓ（空気換算値）を極端に短くする、すなわち薄くすることは、強度や製造上の問題もあり、ある程度の限界がある。こういった点では、現状では、光学距離Ｔｓは８μｍ程度が限界である。よって、Ｔｓ／Ｐの下限値は、ピッチＰ＝１５．６μｍであるから０．５１３となる。
【０１３２】
また、マイクロレンズ１３３の主点位置Ｈからカバーガラス１２０の液晶パネル１１０側表面までの光学距離Ｔｓ（空気換算値）を極端に長くすると、焦点距離ｆ（空気換算値）も長くする必要が生じ、光学系が大きくなりコストアップにもなるので、やはり都合が悪い。
【０１３３】
また、図７（Ｂ）のＭＬ寿命係数分布から分かるように、光学距離Ｔｓが大きくなると、ＭＬ寿命係数が焦点距離ｆの影響を大きく受け、ＭＬ寿命係数を、焦点距離ｆの値に関わらずある程度の値を維持するという点では、光学距離Ｔｓをある程度の波にに留めておくことが望ましい。一例としては、焦点距離ｆの値に関わらずＭＬ寿命係数が０．７８以上となるようにするには、２０μｍ以下にするのがよい。よって、Ｔｓ／Ｐの上限値は、ピッチＰ＝１５．６μｍであるから１．２８２となる。
【０１３４】
このような観点から、図９中ではＴｓ／Ｐの取り得る範囲を０．５１３〜１．２８２、ｆ／Ｐの取り得る範囲を３．８４６〜６．４１に設定している。
【０１３５】
なお、Ｔｓ／Ｐ＝０．５１３は焦点距離ｆに左右されない範囲で線分Ｌ０よりも⇒ｂ側（ＭＬ効率低下１０％程度以内）を規定するものであり、ｆ／Ｐ＝６．４１は光学距離Ｔｓに左右されない範囲で線分Ｌ０よりも⇒ｂ側（ＭＬ効率低下１０％程度以内）を規定するものである。
【０１３６】
範囲Ｇok１の規定に際して、上記では点Ｇ１〜Ｇ１１の各点を使用して、Ｔｓ／Ｐが０．５１３，１．２８２上の中間点、およびｆ／Ｐが３．８４６，６．４１上の中間点をも範囲規定に使用しているが、直線で結ばれた範囲Ｇok１を規定しているので、中間点を範囲規定に使用する必要はなく、Ｇ１（０．５１３，３．８４６），Ｇ５（０．５１３，６．４１），Ｇ８（１．２８２，６．４１），Ｇ１０（１．２８２，５．１２８），Ｇ１１（０．９６２，３．８４６）の点をそれぞれ直線で結んで範囲Ｇok１を規定すればよい。
【０１３７】
また、図８における二点鎖線で示した範囲Ｓok２に対応して、境界点Ｓ６，Ｓ１３を利用して、たとえば点Ｓ６から点Ｇ１２（１．０６８，４．９８），点Ｓ１３からＧ１３（０．９６２，４．３２），Ｇ１４（０．８５４，３．８４６）を特定したとき、点Ｇ９，点Ｇ１２，点Ｇ１３，点Ｇ１４をほぼ結ぶ直線Ｌ１．４よりもＴｓ／Ｐが小さくかつｆ／Ｐが大きい範囲（図中の⇒ｃ側）が、ＭＬ効率最大設計にしたときのＭＬ寿命よりも１．４倍程度以上長寿命を確保できる範囲である。
【０１３８】
実際には、ＭＬ効率低下を１０％程度以内に抑えつつ１．４倍程度以上長寿命を確保するとともに、設計のし易さやコストなどの観点も考慮して、範囲Ｇok１のうち、線分Ｌ１．４より⇒ｃ側となる範囲Ｇok２内に光学定数（光学パラメータ）を設定する。
【０１３９】
範囲Ｇok２の規定に際して、上記では点Ｇ１〜Ｇ９，Ｇ１２〜Ｇ１４の各点を使用して、Ｔｓ／Ｐが０．５１３，１．２８２上の中間点、およびｆ／Ｐが３．８４６，６．４１上の中間点などをも範囲規定に使用しているが、直線で結ばれた範囲Ｇok２を規定しているので、中間点を範囲規定に使用する必要はなく、Ｇ１（０．５１３，３．８４６），Ｇ５（０．５１３，６．４１），Ｇ８（１．２８２，６．４１），Ｇ９（１．２８２，５．７６９），Ｇ１４（０．８５４，３．８４６）の点をそれぞれ直線で結んで範囲Ｇok２を規定すればよい。
【０１４０】
同様に、図８における点線で示した範囲Ｓok３に対応して、境界点Ｓ４，Ｓ７を利用して、点Ｓ７からＧ１５（１．２８２，４．４８７），点Ｓ４から点Ｇ１６（１．２８２，３．８４６），点Ｓ７からＧ１７（１．１０，３．８４６）を特定したとき、点Ｓ４で特定可能な線分Ｌ１．２よりもＴｓ／Ｐが小さくかつｆ／Ｐが大きい範囲（図中の⇒ｄ側）が、ＭＬ効率最大設計にしたときのＭＬ寿命よりも１．２倍程度以上長寿命を確保できる範囲である。
【０１４１】
実際には、ＭＬ効率低下を１０％程度以内に抑えつつ１．２倍程度以上長寿命を確保するとともに、設計のし易さやコストなどの観点も考慮して、範囲Ｇok１の延長線となるように、Ｔｓ／Ｐの取り得る範囲を０．５１３〜１．２８２、ｆ／Ｐの取り得る範囲を３．８４６〜６．４１に設定するので、点Ｇ１０，点Ｇ１５，点Ｇ１６を結ぶ線分Ｌ１．２ａよりもＴｓ／Ｐが小さくかつＧ１１，点Ｇ１７，点Ｇ１６を結ぶ線分Ｌ１．２ｂよりもｆ／Ｐが大きい範囲Ｇok３（図中の⇒ｅ側）内に光学定数（光学パラメータ）を設定する。
【０１４２】
範囲Ｇok３の規定に際して、上記では点Ｇ１〜Ｇ１０，Ｇ１５〜Ｇ１７の各点を使用して、Ｔｓ／Ｐが０．５１３，１．２８２上の中間点、およびｆ／Ｐが３．８４６，６．４１上の中間点をも範囲規定に使用しているが、直線で結ばれた範囲Ｇok３を規定しているので、中間点を範囲規定に使用する必要はなく、Ｇ１（０．５１３，３．８４６），Ｇ５（０．５１３，６．４１），Ｇ８（１．２８２，６．４１），Ｇ１６（１．２８２，３．８４６）の点をそれぞれ直線で結んで範囲Ｇok３を規定すればよい。
【０１４３】
以上説明したように、集光効率だけでなくパネル寿命をも考慮して、マイクロレンズ１３３のピッチＰで規格化した焦点距離ｆと、マイクロレンズ１３３のピッチＰで規格化した光学距離Ｔｓ（空気換算値）、つまりカバーガラス１２０の液晶パネル１１０側表面までの光学距離Ｔsub （実効距離）およびその屈折率ｎsub の関係を規定することで、画素開口部に集光して有効に利用して高い実効開口率を実現するとともに、液晶パネル１１０が使用している有機材料の耐光性寿命を確実に長くすることができる。
【０１４４】
今後の高画質化の流れの中で、ポリシリコンを用いたＴＦＴを前提として画素ピッチを２０μｍ以下程度まで高精細化しようとする場合には、マイクロレンズで集光（短焦点）する度合いが強くなるので、従来の仕組みでは、寿命的にも益々悪くなる傾向になる。
【０１４５】
これに対して、本実施形態の定数設定手法は、実効開口率の向上と有機材料の耐光性寿命を確実に長くすることができる長寿命平板状光学装置を実現でき、このような問題点を解決し得る点で極めて有効なものであり、今後一層厳しくなるであろう高精細化の要求にも十分対応可能である。
【０１４６】
＜特許文献３に記載の設定範囲との差について＞
図１０は、本実施形態の光学定数の設定範囲と特許文献３に記載の光学定数の設定範囲とを比較した図である。
【０１４７】
特許文献３でも、本実施形態の光学系３の構成と同様に、光学定数の範囲を限定している。しかしながら、その設定範囲は、対向基板側にマイクロレンズを搭載し明るさが最大値（Ｍａｘ）になるように、平板レンズアレイそのものを液晶表示素子の対向電極基板として用い、マイクロレンズの主平面とブラックマトリクスあるいは画素電極部分が存在する平面との間の距離とマイクロレンズの焦点距離とを最適化することで、実効開口率を向上させて、レンズアレイによる明るさ増大の効果を最大限に発揮させようとするものである。
【０１４８】
つまり、この特許文献３に記載の仕組みでは、実効開口率の向上に際して明るさしか考慮されておらず、その規定範囲では、画素上に焦点を結ばない長焦点距離側の定数範囲および短焦点距離側の定数範囲を含んでいるとはいうものの、（Ｔsub ／ｎsub ）／Ｐｐとｆ／ｐとが同じ値を結ぶ線分Ｌmax 近傍をも含んでいるので、マイクロレンズアレイ形成面から表示層表面までの距離がマイクロレンズの焦点距離に略等しくなり、この線Ｌmax 近傍の光学定数を有するものは画素開口部での集光効率が最大となるものも含まれてしまう。よって、カラーフィルタや液晶層などの有機材料部分内で集光され得る範囲を含んでおり、有機材料の耐光性寿命を確実に長くするということを保証できない。
【０１４９】
これに対して、図１０から分かるように、本実施形態の定数設定の範囲は特許文献３に記載の設定範囲と異なり、マイクロレンズアレイ形成面から表示層表面までの距離がマイクロレンズの焦点距離に略等しくなる定数を含まず、かつ、長焦点距離側に範囲を設定している。この違いは、入射光発散角の違い（本実施形態では±１０°程度，特許文献３では±４°）の影響もあるが、それよりも、本実施形態がＭＬ効率とＭＬ寿命係数との双方から光学定数を規定していることによるものが大きい。入射光発散角の影響による光学定数の範囲の違いがあっても、本実施形態の定数設定の範囲とすることで、効率と寿命の双方を確実に満足させることができる。
【０１５０】
すなわち、本実施形態の定数設定の範囲では、ＭＬ効率とＭＬ寿命係数とを用いて、実効開口率と有機材料の耐光性寿命の両面から光学定数（焦点距離ｆと光学距離Ｔｓ）の範囲を規定しているので、実効開口率を向上させて、レンズアレイによる明るさ増大の効果をできるだけ発揮させつつ、有機材料の耐光性寿命を確実に長くすることができる。
【０１５１】
＜平板レンズアレイの他の構造例＞
図１１は、上記実施形態を適用した長寿命平板状光学装置における、マイクロレンズ形状の変形例を説明する図である。
【０１５２】
上記実施形態では、平板レンズアレイ１３４のマイクロレンズ１３３を形成するに当たり、略球面で接する屈折率の異なる２つの材料を用いて、図１１（Ａ）に示すように、球面レンズとしていが、これに限らず、たとえば、図１１（Ａ）に示すような回転楕円体および回転双曲面の非球面、または図１１（Ａ）に示すようなフレネルレンズなど、様々な形態を採用することができる。
【０１５３】
球面レンズは、加工の面で有利である。また、焦点距離最短となる曲率半径がドット寸法に規制されてしまうため、レンズ界面での屈折率差が充分に確保されてなければ、短焦点は難しいが、長寿命マイクロレンズは長焦点側に長寿命の傾向があるため、球面レンズでも効果を出すことができる。
【０１５４】
一方、非球面（回転楕円体および回転双曲面）、フレネルレンズは形状を任意に設定できるので、球面レンズと同等以上の効果を出すことができる。
【０１５５】
また、図１１（Ｂ）および図１１（Ｃ）に示した変形例に限らず、たとえば、表面に１次元または２次元に配列した複数の屈折率分布型マイクロレンズを有するベース基板に透明カバー基板としての集光側基板を貼り合わせてマイクロレンズを屈折率分布型マイクロレンズとする構造を採用することもできる。また、表面に１次元または２次元に配列した略球面状の複数の凹部を配列した複数の高屈折率材料充填型マイクロレンズを有するガラス製（たとえば石英ガラス）のベース基板に、このベース基板の屈折率より屈折率が高い透明材料を凹部に充填し、ガラス製（たとえば石英ガラス）の透明カバー基板としての集光側基板を透明材料を挟み込むように貼り合わせてマイクロレンズを高屈折率材料充填型マイクロレンズとする構造を採用することもできる。
【０１５６】
以上、本発明を実施形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。発明の要旨を逸脱しない範囲で上記実施形態に多様な変更または改良を加えることができ、そのような変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
【０１５７】
また、上記の実施形態は、クレーム（請求項）にかかる発明を限定するものではなく、また実施形態の中で説明されている特徴の組合せの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。前述した実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜の組合せにより種々の発明を抽出できる。実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、効果が得られる限りにおいて、この幾つかの構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。
【０１５８】
たとえば、上記実施形態では、液晶層と、開口部および液晶層の開口部における光透過性の光透過性を制御する光スイッチング素子としてのＴＦＴが形成された光スイッチング層とを有する液晶パネルを被照射体の一例として説明したが、これに限らず、所定形状の開口部とこの開口部の光透過性を制御する光スイッチング素子とを有するものであればどのようなものであってもよい。もちろん光スイッチング素子もＴＦＴに限らず、その他の光学変調素子を使用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１５９】
【図１】本発明に係る平板状光学装置の一例であるマイクロレンズアレイを利用して構成された光学系の概略構成を示した図である。
【図２】平板レンズアレイを有する対向基板を用いた液晶表示部の概念を示す断面図である。
【図３】マイクロレンズあり／なしにおけるＴＦＴ画素開口部での光強度分布の状態の違いを示すシミュレーション図である。
【図４】マイクロレンズあり時のＴＦＴ画素部での焦点距離ｆと光強度分布の関係を示すシミュレーション図である。
【図５】マイクロレンズあり時の焦点距離と寿命係数との関係を示すシミュレーション図である。
【図６】寿命係数の定義を説明する図である。
【図７】マイクロレンズの焦点距離およびマイクロレンズの光学距離と、寿命係数や集光効率の関係を示したシミュレーション図である（その１）。
【図８】マイクロレンズの焦点距離およびマイクロレンズの光学距離と、寿命係数や集光効率の関係を示したシミュレーション図である（その２）。
【図９】マイクロレンズの焦点距離と光学距離の適正範囲を示す図である。
【図１０】本実施形態の光学定数の設定範囲と特許文献３に記載の光学定数の設定範囲とを比較した図である。
【図１１】マイクロレンズ形状の変形例を説明する図である。
【符号の説明】
【０１６０】
３…光学系、５…光源、７…投写レンズ、９…光学部材群、７２…入射部、７４…フィールドレンズ、７６…液晶表示部、７７，７８…偏光板、７９…クロスプリズム、７９ａ…出射端、１１０…液晶パネル、１１２…ＴＦＴ基板、１１３…支持基板、１１４…画素電極、１１５…ブラックマトリクス、１１６…光スイッチング層、１１７…液晶層、１１８…対向電極、１１９…表示層、１２０…カバーガラス、１３０…対向基板、１３２…ベース基板、１３３…マイクロレンズ、１３４…平板レンズアレイ、１３６…集光側基板、２１２，２１４，２１６，２１８…ミラー、２２０…光学部材群、２２２…マイクロレンズアレイ、２３２…ダイクロイックミラー，２４２，２４４…リレーレンズ、Ｌ０…照明光、Ｌ１…可視光成分、ＬＢ…青色成分光、ＬＧ…緑色成分光、ＬＲ…赤色成分光
【図１】
2006171051.tif 000007
【図２】
2006171051.tif 000008
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2006171051.tif 000015
【図１０】
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【図１１】
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