(57)【要約】【課題】  画素を通過する又は反射される光を有効に利用し、また、径の大きな投射レンズを使わなくてすむ光変調装置を提供すること、及び、これを用いて、光の利用効率が良く、コンパクトなプロジェクタを提供することを目的とする。【解決手段】  マイクロプリズムアレイ４、５とガラス基板６、７との屈折率差やそれぞれの形状、及び、マイクロプリズムアレイ４、５間の距離を適切に設定しておくことにより、領域Ｄ１を通過する入射光ＩＬａが、全て領域Ｄ１′より射出光ＥＬａとして外部に射出されることで平行性が保たれ、所望の光変調装置が得られる。また、これを用いることにより、光の利用効率が良く、コンパクトなプロジェクタが得られる。【選択図】図１
2006139059.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれに電極が形成された一対の基板と、
前記一対の基板間に挟持された液晶と、
前記一対の基板にそれぞれ形成された前記電極と、前記一対の電極間に挟持された前記液晶とを含んで構成される複数の画素と、
前記複数の画素のそれぞれの周囲を遮光する遮光部と、
を備える光変調装置であって、
前記一対の基板は、少なくとも一方が前記複数の画素に対応して設けられた複数のプリズムからなるプリズムアレイを有し、
前記プリズムは、当該基板面に平行な底面と、直線によって構成される側面とを有し、前記プリズムの当該基板面に平行な断面の大きさは、前記底面から離れるに従って小さくなることを特徴とする光変調装置。
【請求項２】
前記一対の基板のうち、一方は、光の入射面を形成する入射基板であり、他方は、光の射出面を形成する射出基板であり、前記入射基板と前記射出基板の双方がそれぞれ前記プリズムアレイを有することを特徴とする請求項１記載の光変調装置。
【請求項３】
前記プリズムは、それぞれ対応する前記画素の中心を基準とする対称性を有し、平行入射する入射光の平行性を、前記直線を含む垂直断面内で保つことを特徴とする請求項１及び請求項２のいずれか一項記載の光変調装置。
【請求項４】
前記入射光は、前記中心を基準として対称に交差することを特徴とする請求項３記載の光変調装置。
【請求項５】
前記プリズムは、錐形状及び柱形状のいずれかを少なくとも一部に含み、前記底面は、前記複数の画素の形状に応じて形成されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項記載の光変調装置。
【請求項６】
前記プリズムは、円錐形状の少なくとも一部を含むことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項記載の光変調装置。
【請求項７】
前記プリズムは、円錐形状を軸に沿って２分割した一対の錐部分の少なくとも一部をそれぞれ有する一対の端部と当該一対の錐部分に挟まれた三角柱状の中央部分とを含み、前記複数の画素は、長方形であることを特徴とする請求項６記載のプロジェクタ。
【請求項８】
前記プリズムは、前記底面に対して平行に面取りされた頂部を有する台形状であることを特徴とする請求項５から請求項７のいずれか一項記載の光変調装置。
【請求項９】
照明光を射出する照明装置と、
前記照明光を所定波長ごとに色分離する色分離光学系と、
請求項１から請求項８のいずれか一項記載の複数の光変調装置と、
前記複数の光変調装置で形成された前記各色光それぞれの像光を合成する色合成光学系と、
前記色合成光学系で合成された像光を投射する投射光学系と、
を備えるプロジェクタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロプリズムアレイを有する光変調装置及びこれを用いたプロジェクタに関する。
【背景技術】
【０００２】
光変調装置内の液晶パネルには、各画素に液晶をスイッチングするための薄膜トランジスタなどが内蔵されており、これらは、所謂ブラックマトリックスによって隠されている。しかし、このブラックマトリックスによって光が遮られるため、有効に光が利用できないという課題があった。
【０００３】
この課題を解決するために、例えばマイクロレンズアレイを用いて画素を通過する光を集光させて光量を上げるという方法が用いられている（特許文献１参照）。さらに、この際、径の大きな投射レンズを使わなくてすむように、ブラックマトリックスをはさむように両側にマイクロレンズアレイを設置する方法が提案されている（特許文献２参照）。また、レンズの形状を非球面化したものも知られている（特許文献３、４、５、６等参照）。
【特許文献１】特開２００３−１８５８０３号公報
【特許文献２】特開平６−７５２１２号公報
【特許文献３】特開２００３−２８７６０３号公報
【特許文献４】特開平９−４３５８８号公報
【特許文献５】特開平５−４０２１６号公報
【特許文献６】特開２００３−２６２７０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、マイクロレンズアレイには、レンズの球面収差の影響があり、当該レンズとして非球面化したもの等を用いても、当該光変調装置からの射出光は完全に平行化されないという問題がある。
【０００５】
そこで、本発明は、画素を通過する又は反射される光を有効に利用し、また、径の大きな投射レンズを使わなくてすむ光変調装置を提供すること、及び、これを用いて、光の利用効率が良く、コンパクトなプロジェクタ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】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明に係る光変調装置は、それぞれに電極が形成された一対の基板と、一対の基板間に挟持された液晶と、一対の基板にそれぞれ形成された電極と、一対の電極間に挟持された液晶とを含んで構成される複数の画素と、複数の画素のそれぞれの周囲を遮光する遮光部とを備える。さらに、上記一対の基板は、少なくとも一方が複数の画素に対応して設けられた複数のプリズムからなるプリズムアレイを有する。また、上記プリズムは、当該基板面に平行な底面と、直線によって構成される側面とを有し、プリズムの当該基板面に平行な断面の大きさは、底面から離れるに従って小さくなる。
【０００７】
マイクロレンズアレイとして、非球面レンズ等を用いてもレンズの残存収差の影響があって平行光束の形成は困難であるが、本発明におけるプリズムは、当該基板面に平行な底面と、直線によって構成される側面とを有するため、レンズによる収差が発生しない。また、プリズムによって遮光部を回避することにより、光を有効に利用することができる。
【０００８】
尚、ここで、遮光部とは、例えば、薄膜トランジスタなどを隠すための所謂ブラックマトリックス等を含むが、ブラックマトリックス等に限らず、画素の形状を定めるための仕切りといった、結果として画素形成のために光を遮断するもの全般を示すものである。
【０００９】
また、本発明の具体的な態様として、一対の基板のうち、一方が、光の入射面を形成する入射基板であり、他方が、光の射出面を形成する射出基板であり、入射基板と射出基板の双方がそれぞれプリズムアレイを有する。この場合、当該光変調装置は、光の入射側と反射側とが対峙する光透過型であり、彩度の高い像光形成が可能である。
【００１０】
また、本発明の具体的な態様として、プリズムが、それぞれ対応する画素の中心を基準とする対称性を有し、平行入射する入射光の平行性を、上記直線を含む垂直断面内で保つ。この場合、光の平行性が確実に保たれることにより、光変調装置によって形成される像光を投射する場合に、径の大きな投射レンズを使わなくてすむ。尚、ここで、垂直断面とは、上記プリズムにおいて、上記直線を含み、当該光変調装置の入射面に対して垂直な断面を指す。
【００１１】
また、本発明の具体的な態様として、入射光が、上記中心を基準として対称に交差する。この場合、光の均一性が保たれるとともに、遮光部によって光量が減衰されるのを防ぎ、結果として画素を通過する光の光量を上げることができる。
【００１２】
また、本発明の具体的な態様として、プリズムが、錐形状及び柱形状のいずれかを少なくとも一部に含み、底面が、複数の画素の形状に応じて形成される。この場合、底面が画素の形状に応じていることにより、光量を効率的に確保できる。また、錐形状及び柱形状のいずれかを少なくとも一部に含むことにより、球面収差等を発生させることなく画素を通過する又は反射される光の光量を上げることができる。
【００１３】
また、本発明の具体的な態様として、プリズムが、円錐形状の少なくとも一部を含む。この場合、入射光が形成する光束が高い対称性を有する。
【００１４】
また、本発明の具体的な態様として、プリズムが、円錐形状を軸に沿って２分割した一対の錐部分の少なくとも一部をそれぞれ有する一対の端部と、当該一対の錐部分に挟まれた三角柱状の中央部分とを含み、前記複数の画素は、長方形である。この場合、端部と中央部分とはともに、収差を発生することなく画素を通過する又は反射される光の光量を上げる。また、長方形である画素の形状に合わせて三角柱状の中央部分を設計することにより、光量をより効率的に確保できる。
【００１５】
また、本発明の具体的な態様として、プリズムが、底面に対して平行に面取りされた頂部を有する台形状である。この場合、当該頂部を通過する光は屈折することなく当該画素に到達することができる。
【００１６】
上記課題を解決するための本発明に係るプロジェクタは、照明光を射出する照明装置と、照明光を所定波長ごとに色分離する色分離光学系と、上記いずれかの複数の光変調装置と、複数の光変調装置で形成された各色光それぞれの像光を合成する色合成光学系と、色合成光学系で合成された像光を投射する投射光学系とを備える。この場合、当該光変調装置を用いることにより、光の利用効率が良く、径の大きな投射レンズを使わなくてすむことでコンパクトなプロジェクタを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
〔第１実施形態〕
図１は、第１実施形態における光変調装置を説明するための断面図である。図示の光変調装置１００は光透過型の光変調装置であり、入射基板１と、射出基板２と、表示層３と、マイクロプリズムアレイ４、５と、ガラス基板６、７とを備える。これらのうち、表示層３は、液晶画素８とブラックマトリックス部９とを備える。
【００１８】
入射基板１と射出基板２とはともに、透明なガラス板で形成されており、一対の基板として対向して配置され、表示層３を挟持している。表示層３は、ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）駆動によるアクティブマトリクス駆動方式の所謂液晶パネルとしての機能の要部である。表示層３は、液晶分子を含み複数の画素を構成する複数の液晶画素８と、ＴＦＴを含む駆動回路等を内蔵するとともにこれらを隠すブラックマトリックスを設けたブラックマトリックス部９とを備える。両基板１、２の対向する面に透明電極が形成されており、これらにより、表示層３に画素単位で所定電圧が印加され、液晶画素８内の液晶分子が制御されることで表示パネルとしての役割を果たす。ここで、各液晶画素８を仕切るブラックマトリックス部９は、画素の周囲の光を遮断する遮光部となっている。
【００１９】
マイクロプリズムアレイ４、５は、円錐柱状のプリズム状部材４ａ、５ａ（図中点線による区切りを１単位とする）を各液晶画素８に対応して２次元配列させたものからなり、それぞれ入射基板１及び射出基板２上に形成されている。
【００２０】
図２を参照して、マイクロプリズムアレイ４、５の形状を説明する。図２は、図１のＡＡ矢視断面でマイクロプリズムアレイ４、５を切り取ることで、各プリズム状部材４ａ、５ａの円錐部分（プリズム）を取り出した斜視図である。逆に、図２のＢＢ方向の断面が図１に対応する。ここで、円錐ＣＮは、直円錐であり、側面は直線を母線として形成される。また、この場合、円錐ＣＮの底面ＢＳに対して平行な円錐ＣＮの断面は、底面ＢＳから離れるに従って小さくなる。尚、底面ＢＳは、基板１、２に対して平行に配置されており、円錐ＣＮの頂点Ｓから底面ＢＳに垂直に下ろした直線上に液晶画素８の中心があるように設計されている。
【００２１】
図１に戻って、ガラス基板６、７は、それぞれ光変調装置１００における光の入射面と射出面とを形成するとともに、マイクロプリズムアレイ４、５の凹凸を反転させた形状を有し、これらマイクロプリズムアレイ４、５に密着している。
【００２２】
当該密着箇所は、例えば、入射基板１とガラス基板６との間に樹脂接着剤を挟んで両者を接着し、当該樹脂接着剤からなる接着部をマイクロプリズムアレイ４とすることにより形成される。射出基板２とガラス基板７とに関しても上記と同様の手法によって形成される。
【００２３】
マイクロプリズムアレイ４、５の材料とガラス基板６、７の材料とが異なる屈折率を有するので、双方の境界において屈折現象が生じる。図１の光変調装置１００においては、マイクロプリズムアレイ４、５の屈折率がガラス基板６、７の屈折率より大きいものとし、これらの屈折率を適宜定めることにより、光変調装置１００を透過する光の光路を制御する。尚、ここで、マイクロプリズムアレイ４とマイクロプリズムアレイ５とは同じ材料を使用し、かつ、同形状であるとする。また、ガラス基板６とガラス基板７とについても同じ材料を使用し、かつ、同形状であるとする。即ち、図１においてこれらは、表示層３を中心として幾何学的に対称なものとなっている。
【００２４】
以下、図１を用いて本実施形態における光変調装置１００による変調光の形成について各液晶画素８ごとにおける光路を辿ることにより説明する。そのために、まず、光路及び光路上に存在する要素等を次のように定義する。
【００２５】
図１において、光変調装置１００に対する入射光のうち、マイクロプリズムアレイ４内の１つのプリズム状部材４ｂにおける円錐ＣＮ１の側面ＳＦを通過するものを入射光ＩＬとする。入射光ＩＬのうち、側面ＳＦにおいて、円錐ＣＮ１の頂点Ｓ１より図面右側の領域Ｄ１を通過するものを入射光ＩＬａ、図面左側の領域Ｄ２を通過するものを入射光ＩＬｂとする。尚、ここで入射光ＩＬは、入射時において平行光であり、光変調装置１００に垂直入射するものとする。液晶画素８のうち、円錐ＣＮ１に対応するものを注目画素８ａとする。注目画素８ａに対応するマイクロプリズムアレイ５内の１つのプリズム状部材をプリズム状部材５ｂとし、プリズム状部材５ｂにおける円錐を円錐ＣＮ１′とし、頂点をＳ１′とする。即ち頂点Ｓ１と頂点Ｓ１′とを結んだ線上に注目画素８ａの中心がくる。円錐ＣＮ１′の側面ＳＦ′のうち、頂点Ｓ１′より図面左側の領域を領域Ｄ１′、図面右側の領域を領域Ｄ２′とする。
【００２６】
入射光ＩＬのうち、入射光ＩＬａは、領域Ｄ１において進行方向に対し右側に折り曲げられる。屈折後、入射光ＩＬａは、プリズム状部材４ｂから入射基板１、注目画素８ａ、射出基板２を経てプリズム状部材５ｂの領域Ｄ１′において進行方向に対し左側に折り曲げられ、射出光ＥＬａとなる。
【００２７】
この際、マイクロプリズムアレイ４とガラス基板６との屈折率差やそれぞれの形状、及び、マイクロプリズムアレイ４、５間の距離を適切に設定しておくことにより、仮に屈折せず直進した場合にはブラックマトリックス部９によって遮られてしまう周辺光を注目画素８ａ内に透過させるとともに、中央光が注目画素８ａ外へはみ出してしまうことのないようにすることができる。さらに、入射光ＩＬの最外光（図面右端）が円錐ＣＮ１′の頂点Ｓ１′に到達するように設計することにより、領域Ｄ１と領域Ｄ１′とが対応する。つまり、領域Ｄ１を通過する入射光ＩＬａは、全て領域Ｄ１′より射出光ＥＬａとして外部に射出される。一方、対称性により同様にして、領域Ｄ２を通過する入射光ＩＬｂは、領域Ｄ２′より射出光ＥＬｂとして外部に射出される。射出光ＥＬａと射出光ＥＬｂとを合わせて射出光ＥＬが形成され、変調光として光変調装置１００より射出される。
【００２８】
以上において、まず、ブラックマトリックス部９によって入射光ＩＬが遮光されることがないので、液晶画素８を透過する光の光量が上がる。また、垂直断面である入射断面と交差する側面ＳＦ及び垂直断面である射出断面と交差する側面ＳＦ′の直線性により、入射光ＩＬａ及び入射光ＩＬｂは、それぞれ縦断面内で平行性が保たれたまま射出光ＥＬａ及び射出光ＥＬｂとして射出される。従って、レンズを用いた場合に生じる球面収差が発生しない。さらに、入射光ＩＬａと入射光ＩＬｂとは対称に交差するため、射出位置が入れ替わるが、上記設計により、射出光ＥＬａと射出光ＥＬｂとが重畳して射出される領域がなく、入射光ＩＬが均一であればその均一性が保たれる。また、入射光ＩＬａ、ＩＬｂ及び射出光ＥＬａ、ＥＬｂについては、縦断面内での平行性が保たれることにより、入射光ＩＬと射出光ＥＬとの光束の方向及び形状が同一であるから、例えば、得られる変調光を像光として投射する際に、径の大きな投射レンズを使わなくて良い。
【００２９】
図３は、図２のマイクロプリズムアレイ４、５の変形例を説明するための図である。図２と同様、図１のＡＡ矢視断面でマイクロプリズムアレイ４、５をそれぞれ切り取ることで、各プリズム状部材４ａ、５ａの突起部分（プリズム）を取り出した斜視図である。逆に、図３のＢＢ方向の断面が図１に対応する。突起部ＰＲは、直円錐を軸に沿って２分割した一対の錐部分ＣＰ１、ＣＰ２と、一対の錐部分ＣＰ１、ＣＰ２に挟まれた三角柱である中央部分ＴＰとからなる。この場合、突起部ＰＲの底面ＣＳは、１つの矩形と２つの半円とからなるトラック形状となる。図２の円錐ＣＮにおいては、底面ＢＳは円であるから、対応する液晶画素８の形状が正方形等の場合に適するのに対し、本変形例は、液晶画素８の形状が長方形等である場合に適する。特に、当該長方形の辺の比率に応じて中央部分ＴＰのサイズを適宜調節することにより、各プリズム状部材４ａ、５ａに対して最適な形状の底面ＣＳを有する突起部ＰＲを設計できる。
【００３０】
〔第２実施形態〕
図４は、第２実施形態に係る光変調装置を説明するための断面図である。本実施形態の光変調装置２００のうち、各マイクロプリズムアレイ２０４、２０５の形状及びそれに伴って変形するガラス基板２０６、２０７の形状を除いた各構成要素は、図１の光変調装置１００と同様であるから説明を割愛する。本実施形態における各マイクロプリズムアレイ２０４、２０５を形成するプリズム状部材２０４ａ、２０５ａにおいて、図１のプリズム状部材４ａ、５ａの円錐ＣＮ等に相当する突起部ＰＰは、円錐ＣＮの先端部が、底面ＢＳに対して平行に面取りされることで頂部ＳＳが形成された台形状である。尚、光変調装置１００の場合と同様、マイクロプリズムアレイ２０４とマイクロプリズムアレイ２０５とは同一形状・同質材料であり、対称性を有するものとする。
【００３１】
以下、図４を用いて本実施形態における光変調装置２００による変調光の形成について各液晶画素８ごとにおける光路を辿ることにより説明する。図１の場合と同様、まず、光路及び光路上に存在する要素等を次のように定義する。
【００３２】
図４において、光変調装置２００に対する入射光のうち、マイクロプリズムアレイ２０４内の１つのプリズム状部材２０４ｂにおける突起部ＰＰ１の表面ＰＦを通過するものを入射光ＩＬとする。表面ＰＦは、上述した頂部ＳＳ１と、頂部ＳＳ１より図面右側の側面領域である右側面ＲＳと、頂部ＳＳ１より図面左側の側面領域である左側面ＬＳとからなる。入射光ＩＬのうち、右側面ＲＳを通過するものを入射光ＩＬａ、左側面ＬＳを通過するものを入射光ＩＬｂ、頂部ＳＳ１を通過するものをＩＬｃとする。尚、ここで入射光ＩＬは、入射時において平行光であり、光変調装置２００に垂直入射するものとする。液晶画素８のうち、突起部ＰＰ１に対応するものを注目画素８ａとする。注目画素８ａに対応するマイクロプリズムアレイ２０５内の１つのプリズム状部材をプリズム状部材２０５ｂとし、プリズム状部材２０５ｂにおける突起部を突起部ＰＰ１′とし、頂部をＳＳ１′とする。突起部ＰＰ１′の表面ＰＦ′は、頂部ＳＳ１′と、頂部ＳＳ１′より図面右側の側面領域である右側面ＲＳ′と、頂部ＳＳ１′より図面左側の側面領域である左側面ＬＳ′とからなる。
【００３３】
入射光ＩＬのうち、入射光ＩＬａは、右側面ＲＳにおいて進行方向に対し右側に折り曲げられる。屈折後、入射光ＩＬａは、プリズム状部材２０４ｂから入射基板１、注目画素８ａ、射出基板２を経てプリズム状部材２０５ｂの領域ＬＳ′において進行方向に対し左側に折り曲げられ、射出光ＥＬａとなる。
【００３４】
この際、マイクロプリズムアレイ２０４とガラス基板２０６との屈折率差やそれぞれの形状、及び、マイクロプリズムアレイ２０４、２０５間の距離を適切に設定しておくことにより、仮に屈折せず直進した場合にはブラックマトリックス部９によって遮られてしまう周辺光を注目画素８ａ内に透過させるとともに、中央光が注目画素８ａ外へはみ出してしまうことのないようにすることができる。入射光ＩＬａの最外光（図面右端）が頂部ＳＳ１′と左側面ＬＳ′との交わりに到達するように設計することにより、右側面ＲＳと左側面ＬＳ′とが対応する。つまり、右側面ＲＳを通過する入射光ＩＬａは、全て左側面ＬＳ′より射出光ＥＬａとして外部に射出される。一方、対称性により同様にして、左側面ＬＳを通過する入射光ＩＬｂは、右側面ＲＳ′より射出光ＥＬｂとして外部に射出される。
【００３５】
入射光ＩＬｃは、頂部ＳＳ１に垂直入射するので、折り曲げられることなく直進し、プリズム状部材２０４ｂから入射基板１、注目画素８ａ、射出基板２を経て、プリズム状部材２０５ｂの頂部ＳＳ１′に達し、頂部ＳＳ１′においても折り曲げられることなく射出光ＥＬｃとして外部に射出される。
【００３６】
以上の説明から明らかなように、射出光ＥＬａ、射出光ＥＬｂ及び射出光ＥＬｃを合わせて射出光ＥＬが形成され、変調光として光変調装置２００より射出される。
【００３７】
本実施形態においても、ブラックマトリックス部９によって入射光ＩＬが遮光されることなく、液晶画素８を透過する光の光量が上がる。また、入射光ＩＬａ、入射光ＩＬｂ及び入射光ＩＬｃは、それぞれ縦断面内で平行性が保たれたまま射出光ＥＬａ、射出光ＥＬｂ及び射出光ＥＬｃとして射出される。従って、レンズを用いた場合に生じる球面収差が発生しない。さらに、入射光ＩＬａと入射光ＩＬｂとは対称に交差するため、射出位置が入れ替わるが、上記設計により、射出光ＥＬａ、射出光ＥＬｂ及び射出光ＥＬｃが重畳して射出される領域がなく、入射光ＩＬが均一であればその均一性が保たれる。また、入射光ＩＬａ、入射光ＩＬｂ及び入射光ＩＬｃ、並びに、射出光ＥＬａ、射出光ＥＬｂ及び射出光ＥＬｃについては、縦断面内で平行性が保たれることにより、入射光ＩＬと光束の方向及び形状が同一であるから、例えば、得られる変調光を像光として投射する際に、径の大きな投射レンズを使わなくて良い。
【００３８】
〔第３実施形態〕
図５は、第３実施形態に係る光変調装置を説明するための断面図である。これまでの実施形態において、各マイクロプリズムアレイとガラス基板との屈折率については、いずれもマイクロプリズムアレイの屈折率がガラス基板の屈折率より大きいものとしたが、本実施形態では、これとは逆に、ガラス基板の屈折率がマイクロプリズムアレイの屈折率より大きいものについて説明する。図５において、本実施形態の光変調装置３００のうち、各マイクロプリズムアレイ３０４、３０５の形状及びそれに伴って変形するガラス基板３０６、３０７の形状を除いた各構成要素は、第１及び第２実施形態の光変調装置１００、２００と同様であるから説明を割愛する。本実施形態では、ガラス基板３０６、３０７が図１、２の円錐ＣＮ等に相当する形状を有している。つまり、図５のＡＡ矢視断面でガラス基板３０６、３０７を切り取った場合に、図２のような斜視図が得られる。また、このほかにも、例えば、ガラス基板３０６、３０７を切り取った部分が図４において説明した台形状であってもよい。特に、図５は、ガラス基板３０６、３０７を切り取った部分が図２のような直円錐である場合であり、マイクロプリズムアレイ３０４、３０５を形成するプリズム状部材３０４ａ、３０５ａは、それぞれ当該直円錐に対応したすり鉢状の形状である凹部ＰＱを含んでいる。図１での態様と同様、マイクロプリズムアレイ３０４、３０５は、プリズム状部材３０４ａ、３０５ａを、各液晶画素８に対応して２次元配列させることで、それぞれ入射基板１及び射出基板２上に形成されおり、凹部ＰＱの底点Ｑが、図１の頂点Ｓと同様に液晶画素８の各画素の中心に対応している。尚、マイクロプリズムアレイ３０４とマイクロプリズムアレイ３０５とは同一形状であり、同質材料であるものとする。
【００３９】
以下、図５を用いて本実施形態における光変調装置３００による変調光の形成について各液晶画素８ごとにおける光路を辿ることにより説明する。図１、図４の場合と同様、まず、光路及び光路上に存在する要素等を次のように定義する。
【００４０】
図５において、光変調装置３００に対する入射光のうち、マイクロプリズムアレイ３０４内の１つのプリズム状部材３０４ｂにおける凹部ＰＱ１の側面ＱＦを通過するものを入射光ＩＬとする。入射光ＩＬのうち、側面ＱＦにおいて、凹部ＰＱ１の底点Ｑ１より図面右側の領域ＤＤ１を通過するものを入射光ＩＬａ、図面左側の領域ＤＤ２を通過するものを入射光ＩＬｂとする。尚、ここで入射光ＩＬは、入射時において平行光であり、光変調装置３００に垂直入射するものとする。液晶画素８のうち、凹部ＰＱ１に対応するものを注目画素８ａとする。注目画素８ａに対応するマイクロプリズムアレイ３０５内の１つのプリズム状部材をプリズム状部材３０５ｂとし、プリズム状部材３０５ｂにおける凹部を凹部ＰＱ１′とし、底点をＱ１′とする。即ち底点Ｑ１と底点Ｑ１′とを結んだ線上に注目画素８ａの中心がくる。凹部ＰＱ１′の側面ＱＦ′のうち、底点Ｑ１′より図面左側の領域を領域ＤＤ１′、図面右側の領域を領域ＤＤ２′とする。
【００４１】
入射光ＩＬのうち、入射光ＩＬａは、領域ＤＤ１において進行方向に対し右側に折り曲げられる。屈折後、入射光ＩＬａは、プリズム状部材３０４ｂから入射基板１、注目画素８ａ、射出基板２を経てプリズム状部材３０５ｂの領域ＤＤ１′において進行方向に対し左側に折り曲げられ、射出光ＥＬａとなる。
【００４２】
この際、マイクロプリズムアレイ３０４とガラス基板３０６との屈折率差やそれぞれの形状、及び、マイクロプリズムアレイ３０４、３０５間の距離を適切に設定しておくことにより、仮に屈折せず直進した場合にはブラックマトリックス部９によって遮られてしまう周辺光を注目画素８ａ内に透過させるとともに、中央光が注目画素８ａ外へはみ出してしまうことのないようにすることができる。本実施形態では、さらに、入射光ＩＬの最外光（図面右端）が凹部ＰＱ１′の底点Ｑ１′に到達するように設計することにより、領域ＤＤ１と領域ＤＤ１′とが対応する。つまり、領域ＤＤ１を通過する入射光ＩＬａは、全て領域ＤＤ１′より射出光ＥＬａとして外部に射出される。一方、対称性により同様にして、領域ＤＤ２を通過する入射光ＩＬｂは、領域ＤＤ２′より射出光ＥＬｂとして外部に射出される。射出光ＥＬａと射出光ＥＬｂとを合わせて射出光ＥＬが形成され、変調光として光変調装置３００より射出される。以上により、光変調装置１００と同様の効果を得ることが可能となる。
【００４３】
上記すべてにおいて、第１乃至第３実施形態における光変調装置１００、２００、３００の構造は、幾何学的・光学的に対称なものとしているが、これに限らず、結果として光路差を生じることなく光の平行性を保つことが可能であれば、各マイクロプリズムアレイ４、５、２０４、２０５、３０４、３０５の形状・材質を異なるものとしても構わない。また、ガラス基板６、７、２０６、２０７、３０６、３０７の材質はガラスに限らず、必要とする屈折率等に応じて、例えば、プラスチック等としても良い。
【００４４】
また、プリズムである図２の円錐ＣＮ等の外形は、適宜変更することができる。例えば、当該形状が錐形状であれば、当該プリズムの底面の形は、円以外に、例えば、多角形や楕円といった形状であってもよい。
【００４５】
〔第４実施形態〕
図６は、第４実施形態に係るプロジェクタを説明するための図である。本実施形態におけるプロジェクタ５００は、照明装置４１０と、色分離光学系４３０と、光変調装置４００と、色合成光学系であるクロスダイクロイックプリズム４７０と、投射光学系である投射レンズ４９０とを備える。尚、本実施形態における光変調装置４００は、第１乃至第３実施形態に示した光変調装置１００、２００、３００のいずれかを複数用いたものであり、さらに後述する偏光子等をも含んでいる。
【００４６】
照明装置４１０は、光源光ＷＬの発生し、光源光ＷＬから均一な偏光光である照明光ＳＬが形成される。
【００４７】
色分離光学系４３０は、ダイクロイックミラー３１、３２と、ミラー３３、３４、３５と、リレーレンズ３６、３７と、フィールドレンズ３８、３９、４０とを備える。ここで、ダイクロイックミラー３１、３２は、照明装置４１０によって形成された照明光ＳＬを選択的に透過又は反射することによって所定波長帯域ごとに色分離し、各色の色光を形成する。特に、ダイクロイックミラー３１は、赤色光ＲＬを含む波長領域の成分を透過させる一方、その他の領域を反射する特性を有する。これにより、照明光ＳＬから赤色光ＲＬが分離される。また、ダイクロイックミラー３２は、青色光ＢＬを含む波長領域の成分を反射する一方、その他の領域を透過させる特性を有する。これにより、照明光ＳＬの残りの成分から青色光ＢＬが分離され、残りが緑色光ＧＬとなる。ミラー３３、３４、３５は、反射により各色光の光路を所定方向に変更する。リレーレンズ３６、３７は、各色光間の光路差、即ち照明装置４１０から各液晶ライトバルブ５１ｒ、５１ｂ、５１ｇまでの光路の長さの相違のために必要となるビーム形状の補正を行う。フィールドレンズ３８、３９、４０は、照明光の色分離によって得られる各色光の、後述する偏光子への入射角度を調整する。
【００４８】
光変調装置４００は、液晶ライトバルブ５１ｒ、５１ｂ、５１ｇを備え、さらに、各液晶ライトバルブ５１ｒ、５１ｂ、５１ｇは、それぞれ偏光子５２ｒ、５２ｂ、５２ｇと、液晶パネル５３ｒ、５３ｂ、５３ｇと、検光子５４ｒ、５４ｂ、５４ｇとを備える。偏光子５２ｒ、５２ｂ、５２ｇは、それぞれ光路上液晶パネルの入射側に位置し、各液晶パネル５３ｒ、５３ｂ、５３ｇへの入射光の偏光方向をより狭い範囲に限定して偏光度を高めるための偏光板である。いずれの液晶パネル５３ｒ、５３ｂ、５３ｇも、入射した各色光を、電気的信号として入力された駆動信号或いは画像信号に応じて画素単位でそれぞれ偏光状態について調整することにより、変調光を形成する。検光子５４ｒ、５４ｂ、５４ｇは、各液晶パネル５３ｒ、５３ｂ、５３ｇから射出された変調光から特定方向の偏光成分を選択するための偏光板である。
【００４９】
ここで、液晶パネル５３ｇ、５３ｒ、５３ｂは、第１乃至第３実施形態で開示した光変調装置１００、２００、３００のいずれかによって形成されている。液晶パネル５３ｇ、５３ｒ、５３ｂに入射する各色光の波長帯域に応じて各マイクロプリズムアレイとガラス基板との屈折率差やそれぞれの形状、及び、マイクロプリズムアレイ間の距離を適切に設定することによって第１乃至第３実施形態で開示した所望の光変調装置４００を形成することができる。
【００５０】
クロスダイクロイックプリズム４７０は、各液晶パネル５３ｒ、５３ｂ、５３ｇから射出された変調光に応じて得られる像光を結合し、合成光を形成するための色合成光学系である。
【００５１】
投射レンズ４９０は、形成された合成光を投射光として、不図示のスクリーン等へ投射するための投射光学系である。
【００５２】
以下、図６を用いて本画像形成部による画像形成の手順に従って、本画像形成部の機能を説明する。まず、照明装置４１０において形成された照明光ＳＬは、色分離光学系４３０において、まず、第１のダイクロイックミラー３１によって、赤色光ＲＬを主成分として含む波長帯域が色分離される。次に、照明光ＳＬの残りの成分については、第２のダイクロイックミラー３２によって、青色光ＢＬを主成分として含む波長帯域と緑色光ＧＬを主成分として含む波長帯域とに色分離される。以上の各ダイクロイックミラーの機能により、照明光ＳＬは、波長帯域ごとに赤色光ＲＬ、緑色光ＧＬ、青色光ＢＬに分離される。赤色光ＲＬは、ミラー３３で反射され、さらに、フィールドレンズ３８によって入射角度が調整され、光変調装置４００の液晶ライトバルブ５１ｒに導かれ、液晶ライトバルブ５１ｒを照射する。青色光ＢＬも同様に、ダイクロイックミラー３２での反射により抽出された後、フィールドレンズ３９によって入射角度が調整され、光変調装置４００の液晶ライトバルブ５１ｂに導かれ、液晶ライトバルブ５１ｂを照射する。緑色光ＧＬは、ダイクロイックミラー３２での透過により抽出された後、ミラー３４及び３５で反射され、さらに、フィールドレンズ４０によって入射角度が調整され、光変調装置４００の液晶ライトバルブ５１ｇに導かれ、液晶ライトバルブ５１ｇを照射する。尚、色分離光学系４３０内において、緑色光ＧＬの光路が、物理的に他の光の光路より長くなっている。よってビーム形状の補正が必要となり、かかる補正のためにリレーレンズ３６、３７等が緑色光ＧＬの光路中に設けられている。
【００５３】
次に、光変調装置４００において、各液晶ライトバルブ５１ｒ、５１ｂ、５１ｇをそれぞれ照射した各色の色光ＲＬ、ＢＬ、ＧＬは、まず、各液晶ライトバルブ５１ｒ、５１ｂ、５１ｇ内の偏光子５２ｒ、５２ｂ、５２ｇにより、各液晶パネル５３ｒ、５３ｂ、５３ｇへの入射光の偏光方向がより狭い範囲に限定され、偏光度が高められる。偏光度が高められた各色光のうち、赤色光ＲＬと青色光ＢＬと緑色光ＧＬとは、それぞれ液晶パネル５３ｒ、５３ｂ、５３ｇに入射する。各液晶パネル５３ｒ、５３ｂ、５３ｇによって変調された各色光ＲＬ、ＢＬ、ＧＬは、さらに検光子５４ｒ、５４ｂ、５４ｇによって特定方向の偏光成分が選択される。以上により、各液晶ライトバルブ５１ｒ、５１ｂ、５１ｇによって各色光ＲＬ、ＢＬ、ＧＬの像光が形成される。
【００５４】
光変調装置４００で形成された像光は、クロスダイクロイックプリズム４７０で互いに結合する。これにより形成された合成光は、投射レンズ４９０から投射光としてスクリーン等に投影され、当該スクリーン上に所望の拡大率のカラー合成画像が表示される。
【００５５】
光変調装置４００において、第１乃至第３実施形態で開示した光変調装置のいずれかを用いることにより、本実施形態におけるプロジェクタ５００は、光の利用効率が良く、径の大きな投射レンズを使わなくてすむことでコンパクトなものとなる。
【００５６】
〔第５実施形態〕
図７は、第５実施形態における光変調装置を説明するための断面図である。第１乃至第３実施形態における光変調装置はいずれも光透過型の光変調装置であり、これを用いる第４実施形態のプロジェクタも従って透過型のものである。これに対し、図示の本実施形態における光変調装置６００は光反射型であり、反射型のプロジェクタに用いることが可能である。
【００５７】
光変調装置６００は、入射射出基板６０１と、反射基板６０２と、表示層６０３と、マイクロプリズムアレイ６０４と、ガラス基板６０６とを備える。尚、構成要素について、特に詳しく説明しない点に関しては、第１実施形態等における同名のものと同等であるとする。
【００５８】
入射射出基板６０１と反射基板６０２とはともに、ガラスで形成されており、一対の基板として対向して配置され、表示層６０３を挟持している。表示層６０３は、第１実施形態における表示層３と同様所謂液晶パネルとしての機能の要部である。表示層６０３は、液晶分子を含み、複数の画素を構成する液晶画素６０８と、液晶画素６０８の画素間を仕切る遮光部６０９とを備える。基板６０１、６０２の対抗する面に電極が形成されている。入射射出基板６０１側には透明電極が施される一方、反射基板６０２側には反射電極が施されている。これにより、表示層６０３に所定電圧が印加され、液晶画素６０８内の液晶分子が制御される。この際、反射基板６０２側の反射電極により光が反射されるので、光反射型のパネルとしての役割を果たす。ここで、各液晶画素６０８を仕切る遮光部６０９は、画素の周囲の光を遮断する部分となっている。
【００５９】
マイクロプリズムアレイ６０４は、第１実施形態のプリズム状部材４ａと同様、直円錐を含むプリズム状部材６０４ａを各液晶画素６０８に対応して２次元配列させたものからなり、それぞれ入射射出基板６０１上に形成されている。
【００６０】
ガラス基板６０６は、光変調装置６００における光の入射・射出面を形成するとともに、マイクロプリズムアレイ６０４の凹凸を反転させた形状を有し、マイクロプリズムアレイ６０４に密着している。形成過程は、第１実施形態と同様である。
【００６１】
以下、本実施形態における光変調装置６００による変調光の形成について各液晶画素６０８ごとにおける光路を辿ることにより説明する。そのために、まず、光路及び光路上に存在する要素等を次のように定義する。
【００６２】
図７において、光変調装置６００に対する入射光のうち、マイクロプリズムアレイ６０４内の１つのプリズム状部材６０４ｂにおける円錐ＣＮ２の側面ＳＦを通過するものを入射光ＩＬとする。入射光ＩＬのうち、側面ＳＦにおいて、円錐ＣＮ２の頂点Ｓ２より図面右側の領域Ｅ１を通過するものを入射光ＩＬａ（図中実線）、図面左側の領域Ｅ２を通過するものを入射光ＩＬｂ（図中破線）とする。尚、ここで入射光ＩＬは、入射時において平行光であり、光変調装置６００に垂直入射するものとする。液晶画素６０８のうち、円錐ＣＮ２に対応するものを注目画素６０８ａとする。
【００６３】
入射光ＩＬのうち、入射光ＩＬａは、領域Ｅ１において進行方向に対し右側に折り曲げられる。屈折後、入射光ＩＬａは、プリズム状部材６０４ｂから入射射出基板６０１を介して注目画素８ａを透過し、反射基板６０２によって反射され、領域Ｅ２において進行方向に対し右側に折り曲げられ、射出光ＥＬａとなる。
【００６４】
この際、マイクロプリズムアレイ６０４とガラス基板６０６との屈折率差やそれぞれの形状、及び、マイクロプリズムアレイ６０４と表示層６０３との距離を適切に設定しておくことにより、仮に屈折せず直進した場合には遮光部６０９によって遮られてしまう周辺光を注目画素６０８ａ内に透過させるとともに、中央光が注目画素６０８ａ外へはみ出してしまうことのないようにすることができる。さらに、入射光ＩＬａの最外光（図面右端）が射出光ＥＬａとして領域Ｅ２から射出される際、円錐ＣＮ２の頂点Ｓ２に到達するように設計することにより、領域Ｅ１と領域Ｅ２とが対応する。つまり、領域Ｅ１から入射する入射光ＩＬａは、全て領域Ｅ２より射出光ＥＬａとして外部に射出される。逆に、対称性により、領域Ｅ２を通過する入射光ＩＬｂは、領域Ｅ１より射出光ＥＬｂとして外部に射出される。射出光ＥＬａと射出光ＥＬｂとを合わせて射出光ＥＬが形成され、変調光として光変調装置６００より射出される。以上により、第１実施形態における各光変調装置と同様の効果を有する光反射型の光変調装置を得ることが可能となる。
【００６５】
尚、図７について、さらに、各プリズムが、図４において説明した台形状であっても良い。また、図７は、マイクロプリズムアレイとガラス基板との屈折率に関しては、マイクロプリズムアレイの屈折率がガラス基板の屈折率より大きいものについての説明であるが、第３実施形態における図５と同様にして、ガラス基板の屈折率がマイクロプリズムアレイの屈折率より大きいものについて考察することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】第１実施形態に係る光変調装置を説明するための断面図である。
【図２】第１実施形態に係るマイクロプリズムアレイの形状を説明するための斜視図である。
【図３】第１実施形態に係るマイクロプリズムアレイの形状の変形例を説明するための斜視図である。
【図４】第２実施形態に係る光変調装置を説明するための断面図である。
【図５】第３実施形態に係る光変調装置を説明するための断面図である。
【図６】第４実施形態に係るプロジェクタを説明するための平面図である。
【図７】第５実施形態に係る光変調装置を説明するための断面図である。
【符号の説明】
【００６７】
１００、２００、３００、４００、６００…光変調装置、  １…入射基板、  ２…射出基板、  ３…表示層、  ４、５…マイクロプリズムアレイ、  ６、７…ガラス基板、  ８…液晶画素、  ９…ブラックマトリックス部９、  ４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂ…プリズム状部材、  ＣＮ、ＣＮ１、ＣＮ１′…円錐、  ＢＳ…底面、  Ｓ、Ｓ１、Ｓ１′…頂点、  ８ａ…注目画素、  ＩＬ、ＩＬａ、ＩＬｂ…入射光、  ＥＬ、ＥＬａ、ＥＬｂ…反射光
【図１】
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【図２】
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【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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