(57)【要約】【課題】  マイクロレンズ本来の目的である光利用効率の向上効果を維持しつつ、ＬＣＤパネルの寿命の改善を図る。【解決手段】  所定の画素ピッチに従って２次元的に配列された各画素に対応する複数のマイクロレンズからなるマイクロレンズアレイ３１において、マイクロレンズは、一の画素電極２２にそれぞれ対応する第１のマイクロレンズ３２並びに複数の第２のマイクロレンズ３３を互いに組み合わせることにより構成され、第１のマイクロレンズ３２は、画素電極２２に対向する第１の凸レンズ面３４ａを有し、第２のマイクロレンズ３３は、第１の凸レンズ面３４ａに対して略反対方向の第２の凸レンズ面３４ｂを有する。【選択図】図３
2006065101.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の画素ピッチに従って２次元的に配列された各画素に対応する複数のマイクロレンズからなるマイクロレンズアレイにおいて、
上記マイクロレンズは、一の上記画素にそれぞれ対応する第１のマイクロレンズ並びに複数の第２のマイクロレンズを互いに組み合わせることにより構成され、
上記第１のマイクロレンズは、上記画素に対向する第１の凸レンズ面を有し、
上記第２のマイクロレンズは、上記第１の凸レンズ面に対して略反対方向の第２の凸レンズ面を有すること
を特徴とするマイクロレンズアレイ。
【請求項２】
上記第１の凸レンズ面の頂点から上記第２の凸レンズ面の頂点に至る距離ｄ１は、上記第１の凸レンズ面の頂点から上記画素に至る距離ｄ２以下であるか、又はこれと略同値であること
を特徴とする請求項１記載のマイクロレンズアレイ。
【請求項３】
上記第１のマイクロレンズの焦点距離ｆ１は、上記第２のマイクロレンズの焦点距離ｆ２以上であるか、又はこれと略同値であること
を特徴とする請求項１記載のマイクロレンズアレイ。
【請求項４】
所定の画素ピッチに従って２次元的に配列された画素並びにこれを駆動するスイッチング素子が形成されたＴＦＴ基板と、上記ＴＦＴ基板に対向する対向基板とを備える画像表示装置において、
上記ＴＦＴ基板上に形成された各画素に対応する複数のマイクロレンズからなるマイクロレンズアレイが上記対向基板上に形成されてなり、
上記マイクロレンズは、一の上記画素にそれぞれ対応する第１のマイクロレンズ並びに複数の第２のマイクロレンズを互いに組み合わせることにより構成され、
上記第１のマイクロレンズは、上記画素に対向する第１の凸レンズ面を有し、
上記第２のマイクロレンズは、上記第１の凸レンズ面に対して略反対方向の第２の凸レンズ面を有すること
を特徴とする画像表示装置。
【請求項５】
上記第１の凸レンズ面の頂点から上記第２の凸レンズ面の頂点に至る距離ｄ１は、上記第１の凸レンズ面の頂点から上記画素に至る距離ｄ２以下であるか、又はこれと略同値であること
を特徴とする請求項４記載の画像表示装置。
【請求項６】
上記第１のマイクロレンズの焦点距離ｆ１は、上記第２のマイクロレンズの焦点距離ｆ２以上であるか、又はこれと略同値であること
を特徴とする請求項４記載の画像表示装置。
【請求項７】
所定の画素ピッチに従って２次元的に配列された画素並びにこれを駆動するスイッチング素子が形成されたＴＦＴ基板を備える画像表示装置において、
上記各画素に対応する複数のマイクロレンズからなるマイクロレンズアレイが上記ＴＦＴ基板上に形成されてなり、
上記マイクロレンズは、一の上記画素にそれぞれ対応する第１のマイクロレンズ並びに複数の第２のマイクロレンズを互いに組み合わせることにより構成され、
上記第１のマイクロレンズは、上記画素に対向する第１の凸レンズ面を有し、
上記第２のマイクロレンズは、上記第１の凸レンズ面に対して略反対方向の第２の凸レンズ面を有すること
を特徴とする画像表示装置。
【請求項８】
上記第１の凸レンズ面の頂点から上記第２の凸レンズ面の頂点に至る距離ｄ１は、上記第１の凸レンズ面の頂点から上記画素に至る距離ｄ２以下であるか、又はこれと略同値であること
を特徴とする請求項７記載の画像表示装置。
【請求項９】
上記第１のマイクロレンズの焦点距離ｆ１は、上記第２のマイクロレンズの焦点距離ｆ２以上であるか、又はこれと略同値であること
を特徴とする請求項７記載の画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶パネルを用いて画像を投射表示するプロジェクタやリアプロジェクションテレビ等の画像表示装置、これに実装されるマイクロレンズアレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年において、液晶パネルを光スイッチング素子として利用し、液晶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液晶プロジェクタや液晶プロジェクションＴＶ（Television）等のいわゆる液晶表示装置の開発が盛んに行われている。これらの装置は、薄型かつ軽量であり、鮮鋭な画像を写し出すことが可能となる。
【０００３】
図１１は、液晶表示装置に用いられるＬＣＤパネル１２０を模式的に表している。ＬＣＤパネル１２０は、画素電極１２２並びにこの画素電極１２２を駆動させるための駆動回路パターン１２５が形成されてなるＴＦＴ基板１２６と、このＴＦＴ基板１２６に対向するように配設された対向基板１２８と、ＴＦＴ基板１２６と対向基板１２８との間でそれぞれ狭持されて構成されてなる液晶層１２７並びに外部からの信号を駆動回路パターン１２５へ供給するためのフレキシブルコネクタ１３０とを備え、ＴＦＴ基板１２６及び対向基板１２８は、防塵ガラス１２９により両側から狭持されて構成されている。
【０００４】
このＬＣＤパネル１２０では、図示しない光源からの光が図１１中矢印で示されるように対向基板１２８側から入射され、当該入射された光は液晶層１２７内を透過してＴＦＴ基板１２６側から出射することになる。
【０００５】
図１２は、このＬＣＤパネル１２０の断面構造を拡大して表したものである。この図１２に示すように、マイクロレンズアレイ１２４が対向基板１２８上の一端側に形成されてなる。マイクロレンズアレイ１２４は、例えばフォトリソグラフィー技術を用いたドライ又はウエットエッチング法を用いた通常の屈折型のレンズとして形成される。このマイクロレンズアレイ１２４を構成する各マイクロレンズは、通常は図の紙面と垂直方向に軸を有する蒲鉾型レンズとして形成されるが、一般の球面状又はそれに近い曲面のレンズであってもよい。このマイクロレンズアレイ１２４を用いるＬＣＤパネル１２０の例としては、例えば特許文献１において提案されている。
【０００６】
ちなみに、このマイクロレンズアレイ１２４は、各画素電極１２２につき１個のマイクロレンズが配置されることとなるように形成されている。そして、異なる３つの方向から各マイクロレンズに入射したＢ,Ｒ,Ｇの光束はそれぞれ集光され、液晶層１２７を経て画素電極１２２に入射するようにしている。
【０００７】
即ち、このような構成からなるＬＣＤパネル１２０においては、画素電極１２２の画素ピッチに応じたレンズピッチからなるマイクロレンズを、それぞれの画素１個に対して１個ずつ対応させることにより、光の利用効率を向上させることができる。
【０００８】
またプロジェクタ等の液晶表示装置において要求される性能は透過率とコントラストの２つであるが、このＬＣＤパネル１２０においては、マイクロレンズアレイ１２４を備えることにより、透過率を低下させる要因となりうる画素電極１２２をより小型化することができる。このため、かかるＬＣＤパネル１２０を実装する液晶表示装置において、さらなる鮮鋭化、透過率化、小型化を同時に実現することが可能となる。
【０００９】
ところで、ＬＣＤパネル１２０の液晶層１２７における光の集光状態は、上述のマイクロレンズアレイ１２４が搭載されているか否かに支配される。図１３は、マイクロレンズアレイ１２４をＬＣＤパネル１２０中に搭載することによる画素電極１２２上への集光状態の変化を相対的に示している。図１３(b)に示すようにマイクロレンズアレイ１２４をＬＣＤパネル１２０中に搭載した場合には、これを搭載しない図１３(a)と比較して、周辺部から画素の中心部へ向かうに従って光束量が指数関数的に増大していることが分かる。
【００１０】
一般的に、ＬＣＤパネル１２０におけるＴＦＴ基板１２６表面には液晶を配向させるための配向膜が塗布されており、かかる配向膜はポリイミド等の有機材料であることが多い。このため、マイクロレンズアレイ１２４によりＴＦＴ基板１２６上に光が集光されると局所的に光エネルギー密度が高くなり、ＴＦＴ基板１２６上に塗布された配向膜を損傷してしまう畏れがあり、ひいてはＬＣＤパネル１２０自体の寿命を低下させてしまうという問題点が生じる。
【００１１】
ここで、ＬＣＤパネル１２０の寿命につき定義を行う。寿命の絶対的な数値化は、通常、困難を極めるため、マイクロレンズアレイ１２４を搭載した場合と、マイクロレンズアレイ１２４を搭載しない場合との相対的な寿命比に基づいてこれを定義する。
【００１２】
図１４は、一の画素電極１２２表面全体に亘る光強度の平均値を相対的に示している。ここでマイクロレンズアレイ１２４を搭載しない場合における光強度の平均値をＡとし、マイクロレンズアレイ１２４を搭載する場合における上記画素電極１２２表面全体に亘る光強度のうちＡよりも大きい領域内の平均値をＢとした場合に、寿命比をＡ／Ｂと定義する。かかる定義により、マイクロレンズアレイ１２４を搭載した場合における画素電極１２２への表面全体に亘る総光量が大きいほどＢの値が大きくなり、またある限られた領域だけ突出して光強度が大きいほど、換言すれば局所的にエネルギー密度が集中しているほどＢの値が大きくなる。Ｂの値が大きくなるにつれて寿命比は徐々に小さくなることから、かかる簡略な定義によっても一般性は失われない。
【００１３】
また例えば寿命比を０．７とした場合には、マイクロレンズアレイ１２４を搭載した場合における寿命の長さ（ＬＣＤパネル１２０の損傷に至るまでの時間）が、マイクロレンズアレイ１２４を搭載しない場合と比較して０．７倍になることを意味している。即ち、マイクロレンズアレイ１２４を搭載しない場合においてＬＣＤパネル１２０へ連続して光を照射し続けると４０００時間後に損傷するのに対して、マイクロレンズアレイ１２４を搭載した場合には、かかる損傷に至るまでの時間が２８００時間と短くなることを示すものである。
【００１４】
図１５は、マイクロレンズアレイ１２４を搭載したＬＣＤパネル１２０により画像をスクリーン上で投影した場合におけるスクリーン上の明るさと、上記寿命比の関係を示している。
【００１５】
この図１５に示すように、マイクロレンズアレイ１２４をＬＣＤパネル１２０内に搭載することにより、これを搭載しない場合と比較してスクリーン上の明るさは１．７２倍になる一方、寿命比が０．７３倍になり、ＬＣＤパネル１２０の損傷に至るまでの時間が短くなるという問題点が生じる。
【００１６】
かかる問題点を解決すべく、特許文献２に示す技術が提案されているが、かかる方法ではマイクロレンズ中心付近の曲率を外周部の曲率よりも小さくしていることから、マイクロレンズ本来の目的である集光による光利用効率向上の効果を低減させてしまう危険性もある。
【００１７】
【特許文献１】特開平８−８６９０１号公報
【特許文献２】特開平９−４３５８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、マイクロレンズ本来の目的である光利用効率の向上効果を維持しつつ、ＬＣＤパネルの寿命の改善を図ることが可能なマイクロレンズアレイ、並びに当該マイクロレンズを備える画像表示装置提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明に係るマイクロレンズアレイは、上述した課題を解決するために、所定の画素ピッチに従って２次元的に配列された各画素に対応する複数のマイクロレンズからなるマイクロレンズアレイにおいて、上記マイクロレンズは、一の上記画素にそれぞれ対応する第１のマイクロレンズ並びに複数の第２のマイクロレンズを互いに組み合わせることにより構成され、上記第１のマイクロレンズは、上記画素に対向する第１の凸レンズ面を有し、上記第２のマイクロレンズは、上記第１の凸レンズ面に対して略反対方向の第２の凸レンズ面を有する。
【００２０】
本発明に係る画像表示装置は、上述した課題を解決するために、所定の画素ピッチに従って２次元的に配列された画素並びにこれを駆動するスイッチング素子が形成されたＴＦＴ基板と、上記ＴＦＴ基板に対向する対向基板とを備える画像表示装置において、上記ＴＦＴ基板上に形成された各画素に対応する複数のマイクロレンズからなるマイクロレンズアレイが上記対向基板上に形成されてなり、上記マイクロレンズは、一の上記画素にそれぞれ対応する第１のマイクロレンズ並びに複数の第２のマイクロレンズを互いに組み合わせることにより構成され、上記第１のマイクロレンズは、上記画素に対向する第１の凸レンズ面を有し、上記第２のマイクロレンズは、上記第１の凸レンズ面に対して略反対方向の第２の凸レンズ面を有する。
【００２１】
本発明を適用した画像表示装置は、上述した課題を解決するために、所定の画素ピッチに従って２次元的に配列された画素並びにこれを駆動するスイッチング素子が形成されたＴＦＴ基板を備える画像表示装置において、上記各画素に対応する複数のマイクロレンズからなるマイクロレンズアレイが上記ＴＦＴ基板上に形成されてなり、上記マイクロレンズは、一の上記画素にそれぞれ対応する第１のマイクロレンズ並びに複数の第２のマイクロレンズを互いに組み合わせることにより構成され、上記第１のマイクロレンズは、上記画素に対向する第１の凸レンズ面を有し、上記第２のマイクロレンズは、上記第１の凸レンズ面に対して略反対方向の第２の凸レンズ面を有する。
【発明の効果】
【００２２】
マイクロレンズアレイでは、第１のマイクロレンズよりも更に光源側において、第２のマイクロレンズを形成することにより、第１のマイクロレンズに入射する光束を複数のエリアに分割し、その後第１のマイクロレンズにより画素電極上に集光させる。
【００２３】
これにより、第１のマイクロレンズへ入射する光束が複数のエリアに分割され、第１のマイクロレンズにより画素電極に集光された光束は、画素上において１点に集中しないことから寿命を改善することができ、また、１画素当たりを通過する光束の総量は大きく変わらないことから同等の明るさを維持することも可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明を実施するための最良の形態として、ＬＣＤパネルを赤、緑、青の各色に対応するように３枚用いてフルカラー映像を投射する３板方式の液晶プロジェクタ装置について、図１を参照しながら詳細に説明する。
【００２５】
この液晶プロジェクタ装置１は、外部のスクリーンに対して画像を投射するものであって、図１に示すように、光を出射する光源５１と、光源５１から出射された光の光路順に、後述する液晶層の有効開口領域のアスペクト比にほぼ等しい相似形をした外形を有している複数のレンズセルが例えば正方配列されている第１のフライアイレンズ５２及び第２のフライアイレンズ５３と、第２のフライアイレンズ５３からの光を所定の偏光方向に偏光させるためのＰＳ合成樹脂５４と、ＰＳ合成樹脂５４を通過した光を集光するコンデンサレンズ５５と、光を波長帯域に応じて分離する第１のダイクロイックミラー５６とを備えている。
【００２６】
光源５１は、フルカラー画像を投射するために必要とされる、光の３原色である赤色、緑色及び青色の光を含む白色光を出射することができるようにされている。このような光源５１は、白色光を発する発光体５１ａと、発光体５１ａから発せられた光を反射するリフレクタ５１ｂとを有している。光源５１の発光体５１ａとしては、水銀成分を含むガスが封入された放電ランプ、例えば、超高圧水銀ランプ等が用いられる。光源５１のリフレクタ５１ｂは、凹面鏡となっており、その鏡面が周効率のよい形状とされている。また、リフレクタ５１ｂは、例えば、回転方物面や回転楕円面のような回転対称面の形状とされている。
【００２７】
第１のフライアイレンズ５２は、第２のフライアイレンズ５３と共に後述する液晶層の有効面積内を均一に照明するために、光を液晶層の有効面積の形状の光束とし、照度分布を均一化するようされている。第１のフライアイレンズ５２は、複数の小さなレンズ素子をアレイ状に設けた構造とされており、光源５１から出射された光を各レンズ素子により集光し小さな点光源を作り出し、他方の第２のフライアイレンズ５２によりそれぞれの点光源からの照明光を合成する。
【００２８】
コンデンサレンズ５５は、凸レンズであり、ＰＳ合成樹脂５４により所定の偏光方向に制御された光を液晶層の開口領域に効率よく照射されるようにスポット径を調整する。
【００２９】
第１のダイクロイックミラー５６は、ガラス基板等の主面上に、誘電体膜を多層形成した、いわゆるダイクロイックコートが施された波長選択性のミラーである。第１のダイクロイックミラー５６は、反射させる赤色光と、透過させるその他の色光、すなわち緑色光及び青色光とに分離する。
【００３０】
即ち、この第１のダイクロイックミラー５６は、コンデンサレンズ５５から入射する光のうち青色光及び緑色光を透過させ、赤色光を略垂直方向に反射して９０°向きを変化させるように、コンデンサレンズ５５から入射する光の光路に対して垂直方向に４５°傾けて配設されている。
【００３１】
また、この液晶プロジェクタ装置１は、第１のダイクロイックミラー５６によって分離された赤色光の光路順に、光を全反射する折り返しミラー５７と、光を集光する第１のフィールドレンズ５８Ｒと、光を所定の偏光方向の成分のみ透過させる第１の入射側偏光板５９Ｒと、光を空間的に変調するＬＣＤパネル３Ｒと、ＬＣＤパネル３Ｒから出射された光につき所定の偏光方向の成分のみ透過させる第１の出射側偏光板６１Ｒとを備えている。
【００３２】
折り返しミラー５７は、第１のダイクロイックミラー５６を反射した光を垂直方向に反射して９０°向きを変えさせる全反射ミラーであり、かかる反射された赤色光の光路に対して垂直方向に４５°傾けて配設されている。これにより、折り返しミラー５７は、この赤色光を、第１のフィールドレンズ５８Ｒに向けて反射することができる。
【００３３】
第１のフィールドレンズ５８Ｒは、コンデンサレンズ５５と共に照明光学系を形成する集光レンズであり、折り返しミラー５７により反射された赤色光を第１の入射側偏光板５９Ｒ側に出力すると共にＬＣＤパネル３Ｒに集光する。
【００３４】
第１の入射側偏光板５９Ｒは、第１のフィールドレンズ５８Ｒから出力された赤色光を所定の偏光方向の成分のみ透過するようにされた偏光板である。第１の入射側偏光板５９Ｒは、ＬＣＤパネル３Ｒの入射側の基板表面における液晶分子の配向と同一方向となるように配設されている。
【００３５】
ＬＣＤパネル３Ｒは、液晶分子を用いた透過型のパネルであり、図示しない２つの透明基板の間に液晶分子が封入されている。このようなＬＣＤパネル３Ｒは、赤色の映像情報に対応して入力される映像信号に応じて、液晶分子の状態を変化させて、第１の入射側偏光板５９Ｒを介して入射した赤色光を空間的に変調して透過する。ＬＣＤパネル３Ｒは、投射する映像が垂直方向よりも水平方向が長尺とされた略長方形状とされているため、これに対応して入射面が略長方形状とされている。
【００３６】
第１の出射側偏光板６１Ｒは、ＬＣＤパネル３Ｒにより変調された赤色光を、第１の入射側偏光板５９Ｒと直交する偏光方向の成分のみ透過させる。第１の出射側偏光板６１Ｒは、ＬＣＤパネル３Ｒの出射側の基板表面における液晶分子の配向と同一方向となるように配設されている。つまり、第１の出射側偏光板６１Ｒは、第１の入射側偏光板５９Ｒに対して光の透過軸が互いに直交した、いわゆる直交ニコルの関係となるように配設されている。
【００３７】
さらに、この液晶プロジェクタ装置１は、第１のダイクロイックミラー５６によって分離された他の色光、すなわち青色光及び緑色光の光路に沿って、入射光を波長帯域に応じて分離する第２のダイクロイックミラー６５を備えている。
【００３８】
第２のダイクロイックミラー６５は、入射した光を青色光と、その他の色光、すなわち緑色光とに分離する。
【００３９】
第２のダイクロイックミラー６５は、第１のダイクロイックミラー５６から入射する光のうち青色光を透過させ、緑色光を９０°向きを変化させるように、第１のダイクロイックミラー５６から入射する光の光路に対して垂直方向に４５°傾けて配設されている。
【００４０】
液晶プロジェクタ装置１は、第２のダイクロイックミラー６５によって分離された緑色光の光路順に、光を集光する第２のフィールドレンズ５８Ｇと、光を所定の偏光方向の成分のみ透過させる第２の入射側偏光板５９Ｇと、光を空間的に変調するＬＣＤパネル３Ｇと、ＬＣＤパネル３Ｇから出射された光につき所定の偏光方向の成分のみ透過させる第２の出射側偏光板６１Ｇとを備えている。
【００４１】
第２のフィールドレンズ５８Ｇは、コンデンサレンズ５５と共に照明光学系を形成する集光レンズであり、第２のダイクロイックミラー６５により反射された緑色光を第２の入射側偏光板５９Ｇ側に出力すると共にＬＣＤパネル３Ｇに集光する。
【００４２】
第２の入射側偏光板５９Ｇは、フィールドレンズ５８Ｇから出力された緑色光を所定の偏光方向の成分のみ透過するようにされた偏光板である。第２の入射側偏光板５９Ｇは、ＬＣＤパネル３Ｇの入射側の基板表面における液晶分子の配向と同一方向となるように配設されている。
【００４３】
ＬＣＤパネル３Ｇは、液晶分子を用いた透過型のパネルであり、図示しない２つの透明基板の間に液晶分子が封入されている。このようなＬＣＤパネル３Ｇは、緑色の映像情報に対応して入力される映像信号に応じて、液晶分子の状態を変化させて、第１の入射側偏光板５９Ｇを介して入射した緑色光を空間的に変調して透過する。ＬＣＤパネル３Ｇは、投射する映像が垂直方向よりも水平方向が長尺とされた略長方形状とされているため、これに対応して入射面が略長方形状とされている。
【００４４】
第２の出射側偏光板６１Ｇは、ＬＣＤパネル３Ｇにより変調された緑色光を、第２の入射側偏光板５９Ｇと直交する偏光方向の成分のみ透過させる。第２の出射側偏光板６１Ｇは、ＬＣＤパネル３Ｇの出射側の基板表面における液晶分子の配向と同一方向となるように配設されている。つまり、第２の出射側偏光板６１Ｇは、第２の入射側偏光板５９Ｇに対して光の透過軸が互いに直交した、いわゆる直交ニコルの関係となるように配設されている。
【００４５】
さらにこの液晶プロジェクタ装置１は、第２のダイクロイックミラー６５によって分離された青色光の光路順に、光路長を補正するリレーレンズ６７ａと、入射光を全反射する折り返しミラー６６と、光路長を補正するリレーレンズ６７ｂと、入射光を全反射する折り返しミラー６８と、光を集光する第３のフィールドレンズ５８Ｂと、入射光を所定の偏光方向の成分のみ透過させる第３の入射側偏光板５９Ｂと、入射光を空間的に変調するＬＣＤパネル３Ｂと、ＬＣＤパネル３Ｂから出射された光につき、入射光を所定の偏光方向の成分のみ透過させる第３の出射側偏光板６１Ｂとを備えている。
【００４６】
折り返しミラー６６は、第２のダイクロイックミラー６５によって分離された青色光を水平方向に反射して９０°向きを変えさせる全反射ミラーであり、ダイクロイックミラー６５からの青色光の光路に対して垂直方向に４５°傾けて配設されている。これにより、折り返しミラー６６は、第２のダイクロイックミラー６５からの青色光を、リレーレンズ６７に向けて反射する。
【００４７】
リレーレンズ６７は、コンデンサレンズ５５と共に光路長を調整するためのレンズであり、折り返しミラー６６によって反射された青色光を、折り返しミラー６８へ導く。
【００４８】
なお、リレーレンズ６７ａ,ｂは、青色光のＬＣＤパネル３Ｂまでの光路が、赤色光のＬＣＤパネル３Ｒまでの光路や緑色光のＬＣＤパネル３Ｇまで光路と比して長いため、これを補正して、ＬＣＤパネル３Ｂに焦点が合うように適切に青色光を導くようになっている。
【００４９】
折り返しミラー６８は、リレーレンズ６７からの光を垂直方向に反射して９０°向きを変えさせる全反射ミラーであり、リレーレンズ６７からの青色光の光路に対して垂直方向に４５°傾けて配設されている。これにより、折り返しミラー６８は、リレーレンズ６７からの青色光を、第３のフィールドレンズ５８Ｂに向けて反射する。
【００５０】
第３のフィールドレンズ５８Ｂは、コンデンサレンズ５５と共に照明光学系を形成する集光レンズであり、折り返しミラー６８により反射された青色光を第３の入射側偏光板５９Ｂ側に出力すると共にＬＣＤパネル３Ｂに集光する。
【００５１】
第３の入射側偏光板５９Ｂは、第３のフィールドレンズ５８Ｂから出力された青色光を所定の偏光方向の成分のみ透過するようにされた偏光板である。第３の入射側偏光板５９Ｂは、ＬＣＤパネル３Ｂの入射側の基板表面における液晶分子の配向と同一方向となるように配設されている。
【００５２】
ＬＣＤパネル３Ｂは、液晶分子を用いた透過型のパネルであり、図示しない２つの透明基板の間に液晶分子が封入されている。このようなＬＣＤパネル３Ｂは、青色の映像情報に対応して入力される映像信号に応じて、液晶分子の状態を変化させて、第１の入射側偏光板５９Ｂを介して入射した青色光を空間的に変調して透過する。ＬＣＤパネル３Ｂは、投射する映像が垂直方向よりも水平方向が長尺とされた略長方形状とされているため、これに対応して入射面が略長方形状とされている。
【００５３】
第３の出射側偏光板６１Ｂは、ＬＣＤパネル３Ｂにより変調された青色光を、第３の入射側偏光板５９Ｂと直交する偏光方向の成分のみ透過させる。第３の出射側偏光板６１Ｂは、ＬＣＤパネル３Ｂの出射側の基板表面における液晶分子の配向と同一方向となるように配設されている。つまり、第３の出射側偏光板６１Ｂは、第３の入射側偏光板５９Ｂに対して光の透過軸が互いに直交した、いわゆる直交ニコルの関係となるように配設されている。
【００５４】
また、液晶プロジェクタ装置１は、ＬＣＤパネル３Ｒ、ＬＣＤパネル３Ｇ及びＬＣＤパネル３Ｂによりそれぞれ空間的に変調されて出射側偏光板６１Ｒ、６１Ｇ、６１Ｂを透過した赤色光、緑色光及び青色光の光路が交わる位置に、これら赤色光、緑色光及び青色光を合成する合成プリズム７８と、合成プリズム７８により合成された合成光を、スクリーンに向けて投射するための投射レンズ７９とを備えている。
【００５５】
合成プリズム７８は、ＬＣＤパネル３Ｒから出射され第１の出射側偏光板６１Ｒを透過した赤色光が入射され、ＬＣＤパネル３Ｇから出射され第１の出射側偏光板６１Ｇを透過した緑色光が入射され、さらにＬＣＤパネル３Ｂから出射され第１の出射側偏光板６１Ｂを透過した青色光が入射するようになっている。合成プリズム７８は、入射された赤色光、緑色光、青色光を合成して出射面７８Ｔから出射する。
【００５６】
投射レンズ７９は、合成プリズム７８の出射面７８Ｔから出射された合成光をスクリーンに拡大して投射する。
【００５７】
次に上述の如き構成からなる液晶プロジェクタ装置１の動作について説明をする。
光源５１から出射された光は、第１のフライアイレンズ５２、第２のフライアイレンズ５３に導かれて照度分布が均一化され、さらにＰＳ合成樹脂５４により偏光方向が制御された上でコンデンサレンズ５５に導かれることになる。このコンデンサレンズ５５に導かれた光は、そこで集光され、更に第１のダイクロイックミラー５６により赤色光が反射されて折り返しミラー５７へ導かれ、その他の色光、即ち緑色光及び青色光は第１のダイクロイックミラー５６を透過して第２のダイクロイックミラー６５に導かれる。
【００５８】
折り返しミラー５７へ導かれた赤色光は、伝播方向を９０°折り曲げられ第１の入射側偏光板５９Ｒへ導かれ、第１の入射側偏光板５９Ｒにより所定の偏光方向の成分のみ透過し、ＬＣＤパネル３Ｒへ導かれる。ＬＣＤパネル３Ｒへ導かれた赤色光は、ＬＣＤパネル３Ｒ内の後述するマイクロレンズアレイにより各画素に集光され赤色の画像情報に対応した画像信号に基づいて空間的に変調され、第１の出射側偏光板６１Ｒを第１の入射側偏光板５９Ｒと直交する偏光方向の成分のみ透過して合成プリズム７８に入射することになる。
【００５９】
一方、第２のダイクロイックミラー６５に導かれた、緑色光及び青色光は、第２のダイクロイックミラー６５により、緑色光が反射されて第２のフィールドレンズ５８Ｇへ導かれ、また青色光が透過されて折り返しミラー６６へ導かれることになる。
【００６０】
第１の入射側偏光板５９Ｇへ導かれた緑色光は、第１の入射側偏光板５９Ｇにつき所定の偏光方向の成分のみ透過し、ＬＣＤパネル３Ｇへ導かれる。ＬＣＤパネル３Ｇへ導かれた緑色光は、ＬＣＤパネル３Ｇ内の後述するマイクロレンズアレイにより各画素に集光され緑色の画像情報に対応した画像信号に基づいて空間的に変調され、第１の出射側偏光板６１Ｇを第１の入射側偏光板５９Ｇと直交する偏光方向の成分のみ透過して合成プリズム７８に入射することになる。
【００６１】
一方、折り返しミラー６６に導かれた青色光は、当該折り返しミラー６６により反射されてリレーレンズ６７ｂに導かれ、リレーレンズ６７ｂによりさらに折り返しミラー６８に導かれ、当該折り返しミラー６８により反射されて第３のフィールドレンズ５８Ｂに導かれる。この第３のフィールドレンズ５８Ｂへ導かれた青色光は、第３の入射側偏光板５９Ｂにつき所定の偏光方向の成分のみ透過し、ＬＣＤパネル３Ｂに導かれる。ＬＣＤパネル３Ｂに導かれた青色光は、ＬＣＤパネル３Ｂ内の後述するマイクロレンズアレイにより各画素に集光され青色の画像情報に対応した画像信号に基づいて空間的に変調され、第３の出射側偏光板６１Ｂを第３の入射側偏光板５９Ｂと直交する偏光方向の成分のみ透過して合成プリズム７８に入射することになる。
【００６２】
合成プリズム７８の各面から入射した赤色光、緑色光及び青色光は、合成プリズム７８により合成されて合成光となり出射面７８Ｔから投射レンズ７９に向けて出射され、投射レンズ７９によりスクリーンに拡大投射される。
【００６３】
次に、ＬＣＤパネル３の詳細につき図２を用いて説明をする。ＬＣＤパネル３は、画素電極２２並びにこの画素電極２２を駆動させるための駆動回路パターン２５が形成されてなるＴＦＴ基板２６と、このＴＦＴ基板２６に対向するように配設された対向基板２８と、ＴＦＴ基板２６と対向基板２８との間でそれぞれ狭持されて構成されてなる液晶層２７並びに外部からの信号を駆動回路パターン２５へ供給するためのフレキシブルコネクタ３０とを備え、ＴＦＴ基板２６及び対向基板２８は、防塵ガラス２９により両側から狭持されて構成されている。
【００６４】
このＬＣＤパネル３では、光が図２中矢印で示されるように対向基板２８側から入射され、当該入射された光は液晶層２７内を透過してＴＦＴ基板２６側から出射することになる。
【００６５】
図３は、このＬＣＤパネル３の断面構造を拡大して表したものである。この図３に示すように、マイクロレンズアレイ３１が対向基板２８上の一端側に形成されてなる。マイクロレンズアレイ３１は、例えばフォトリソグラフィー技術を用いたドライ又はウエットエッチング法を用いた通常の屈折型のレンズとして形成される。このマイクロレンズアレイ３１を構成する各マイクロレンズは、図３に示すように、一の画素電極２２にそれぞれ対応する第１のマイクロレンズ３２並びに、かかる一の画素電極２２に対応する複数の第２のマイクロレンズ３３を互いに組み合わせることにより構成される。
【００６６】
第１のマイクロレンズ３２は、画素電極２２に対向する第１の凸レンズ面３４ａを有し、第２のマイクロレンズ３３は、第１の凸レンズ面３４ａに対して略反対方向の第２の凸レンズ面３４ｂを有する。この第１のマイクロレンズ３２並びに第２のマイクロレンズ３３は、一般の球面状又はそれに近い曲面のレンズで構成されるが、他のいかなる形状で構成されていてもよい。
【００６７】
このような構成からなるマイクロレンズアレイ３１では、第１のマイクロレンズ３２よりも更に光源５１側において、第２のマイクロレンズ３３を形成することにより、第１のマイクロレンズ３２に入射する光束を複数のエリアに分割し、その後第１のマイクロレンズ３２により画素電極２２上に集光させる。第１のマイクロレンズ３２に入射する光束が複数のエリアに分割されていることにより、第１のマイクロレンズ３２により画素電極２２に集光された光束は、画素上において１点に集中しないことから、複数の極大値を持つようになる。１画素当たりを通過する光束の総量は大きく変わらないことから、従来におけるマイクロレンズアレイを用いたＬＣＤパネルと比較して同等の明るさを維持しつつ、寿命を改善することができる。
【００６８】
ここでＬＣＤパネル３に対して光を照射する照射光学系を固定として場合に、画素電極２２内における集光分布は、図４に示すように、第１のマイクロレンズ３２の焦点距離ｆ１、第２のマイクロレンズ３３の焦点距離ｆ２、第１の凸レンズ面３４ａの頂点３５ａから第２の凸レンズ面３４ｂの頂点３５ｂに至る距離ｄ１、第１の凸レンズ面３４ａの頂点から画素電極２２に至る距離ｄ２の４つのパラメータにより支配される。
【００６９】
一方、上述の照明光学系及びＬＣＤパネル３により表示された画像をスクリーン上に拡大投影する投影光学系を固定とした場合に、かかるスクリーン上の明るさについても同様に、第１のマイクロレンズ３２の焦点距離ｆ１、第２のマイクロレンズ３３の焦点距離ｆ２、第１の凸レンズ面３４ａの頂点３５ａから第２の凸レンズ面３４ｂの頂点３５ｂに至る距離ｄ１、第１の凸レンズ面３４ａの頂点から画素電極２２に至る距離ｄ２の４つのパラメータにより支配される。
【００７０】
即ち、スクリーン上の明るさを従来におけるマイクロレンズアレイを用いたＬＣＤパネルとほぼ同等に維持しつつ、画素面内における集光分布を改善することで寿命を改善するためには、上述した４つのパラメータを制御してこれを最適化する必要がある。
【００７１】
ここでいう明るさが同等以上とは、従来におけるスクリーン上の明るさ比が１．７２である場合に、望ましくは１．６０以上の明るさ比が維持されることをいう。また上述の寿命比が改善された状態とは、従来のマイクロレンズアレイを搭載した場合における寿命比が０．７３である場合に、望ましくは０．９０以上の寿命比が維持されることをいう。
【００７２】
図５,６は、上述した４つのパラメータを変化させた場合におけるスクリーン上の明るさ比と寿命比をシミュレーションにより求めて比較した結果を示している。ここで第２のマイクロレンズ３３は一画素当たりに対して２×２の分割数で構成されているものとする。
【００７３】
先ず図５に示すようにｄ１,ｄ２を固定し、第１のマイクロレンズ３２の焦点距離ｆ１と、第２のマイクロレンズ３３の焦点距離ｆ２を正負の値に振った場合における明るさの比と寿命比を算出すると、ｆ１,ｆ２のうち何れか一方でも負の値が存在すると光束は発散し、画素における開口領域や投射レンズにより伝搬経路が制限されることから、スクリーンに到達することができない。このため、ｆ１とｆ２はともに正であることが必須となる。このため、本発明では、第１のマイクロレンズ３２並びに第２のマイクロレンズ３３を何れも凸レンズで構成する。
【００７４】
次に図６に示すように第１のマイクロレンズ３２の焦点距離ｆ１を固定し、第２のマイクロレンズアレイ３３の焦点距離ｆ２、ｄ１,ｄ２の３つのパラメータを振った場合における明るさの比と寿命比を算出する。図６に示すＡグループは、ｄ１＜ｄ２とした場合、Ｂグループは、ｄ１≒ｄ２とした場合、Ｃグループはｄ１＞ｄ２とした場合における明るさの比と寿命比を示している。明るさの比と寿命比は、ともにＡ＞Ｂ＞Ｃという傾向になることが分かる。また、この図６からｄ１はｄ２と略同値又はそれ以下が望ましいことが分かる。
【００７５】
また、Ａ,Ｂ,Ｃの各グループ間の比較においては、ｆ２が大きくなるにつれて寿命比が増加するが、明るさ比は減少する傾向にあり、両者はトレードオフの関係になっている。しかしながら、Ａグループにおける２）,３）のようにｆ１をｆ２と略同値またはそれ以上に設定することにより、明るさ比を１．６０以上に維持することができるとともに、寿命比を０．９０以上に改善することができる。これは、従来におけるマイクロレンズアレイを用いたＬＣＤパネルと比較して同等の明るさを維持しつつ、寿命を改善することができることを意味している。
【００７６】
上述した図５,６から示されるように、ｆ１,ｆ２をともに正とすることにより、従来におけるマイクロレンズアレイを用いたＬＣＤパネルと比較して同等の明るさを維持しつつ、寿命を改善することができる。特にこの第１のマイクロレンズ３２の焦点距離ｆ１は、第２のマイクロレンズ３３の焦点距離ｆ２以上であるか、又はこれと略同値で構成することにより、明るさ比をより高水準に維持しつつ寿命比を改善することができる。また、ｄ１をｄ２以下とするか、又はこれと略同値で構成することにより、明るさ比をより高水準に維持しつつ寿命比を改善することができる。例えば、ｆ１＝６２．２μｍ、ｆ２＝４３．１μｍ、ｄ１＝４．０μｍ、ｄ２＝２１．０μｍとすることにより、明るさ比を１．６３とし、寿命比を０．９３とすることができる。このとき画素面内における集光分布は図７で表され、画素電極２２において光束は１点に集中せず、適度に分散されていることが分かる。
【００７７】
図８は、各パラメータをＡグループにおける２）に示される値で割り当てたとき（ｆ１＝６２．２μｍ、ｆ２＝４３．１μｍ、ｄ１＝４．０μｍ、ｄ２＝２１．０μｍ）において、想定される製造誤差が生じた場合における明るさ比及び寿命比の変化を表している。この図８におけるＤグループは、ｆ１とｆ２を固定するとともにｄ１とｄ２の製造誤差を±１０％として明るさ比と寿命比の変化を算出したものであり、またＥグループは、ｄ１とｄ２を固定し、ｆ１とｆ２の製造誤差を±５μｍとして明るさ比と寿命比を算出したものである。この図８から示されるように、想定される製造誤差が生じても、明るさ比と寿命比は大きく減少することがなく十分に維持されることが分かる。
【００７８】
図９は、本発明を適用したＬＣＤパネル３の一設計例を示している。この図９に示すように、対向基板２８上に第２のマイクロレンズ３３が形成され、その表面において樹脂等の高屈折率材料３８が充填される。また、かかる高屈折率材料の上においてカバーガラス３９が搭載され、カバーガラス３９の高屈折率材料側において第１のマイクロレンズ３２が形成される。対向基板２８の屈折率ｎ１は、１．４６であり、高屈折率材料３８の屈折率ｎ２は、１．６７であり、さらにカバーガラス３９の屈折率ｎ３は、１．４６である。また、第２のマイクロレンズ３３の分割数を一の第１のマイクロレンズ３２に対して２×２のアレイ状とし、かかる第１のマイクロレンズ３２の曲率半径ｒ１を−１３μｍ、第２のマイクロレンズ３３の曲率半径ｒ２を９μｍとし、ｄ１を４．０μｍ、ｄ２を２１．０μｍとする。さらに第１のマイクロレンズ３２の焦点距離ｆ１を６２．２μｍとし、第１のマイクロレンズ３３の焦点距離ｆ２を４３．１μｍとする。
【００７９】
かかるＬＣＤパネル３の設計例においては、明るさ比を１．６３に維持しつつ、寿命比を０．９３まで改善することが可能となる。
【００８０】
なお、この図９に示す設計例においては、第１のマイクロレンズ３２並びに第２のマイクロレンズ３３は、フォトリソグラフィー技術を用いて、ドライエッチング又はウェットエッチングにより形成される。
【００８１】
ちなみに、かかる設計例における第２のマイクロレンズ３３は、回折光学素子や波長λよりも小さいピッチの周期構造を持つ構造複屈折体により形成されていてもよい。また、上述した設計例においては、第２のマイクロレンズ３３の分割数を２×２のアレイ状にした場合を例にとり説明をしたが、かかる場合に限定されるものではなく、ｍ×ｎのアレイ状に展開されるものであればいかなる分割数で構成されていてもよい。しかしながら、分割数が大きくなるほど画素電極２２上における光強度分布が均一化され寿命比は増大するが、製作がより困難になることから分割数は２×２とすることが好ましい。
【００８２】
また、本発明は、マイクロレンズアレイ３１を対向基板２８上に設ける場合に限定されるものではなく、例えば図１０に示すようにＴＦＴ基板２６上にこれを設けるようにしてもよい。
【００８３】
さらに、上述した実施の形態においては、マイクロレンズアレイ３１をあくまで投射型のＬＣＤパネル３に適用する場合を例に挙げて説明をしたが、かかる場合に限定されるものではなく、他のいかなる投射型（又は透過型）のＬＣＤパネルに適用してもよいことは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】本発明を適用した液晶プロジェクタ装置の構成につき説明するための図である。
【図２】本発明を適用したＬＣＤパネルの詳細につき説明するための図である。
【図３】ＬＣＤパネルの断面構造を拡大して表した図である。
【図４】画素電極における集光分布を支配する４つのパラメータにつき説明するための図である。
【図５】４つのパラメータを変化させた場合におけるスクリーン上の明るさ比と寿命比をシミュレーションにより求めた結果を示す図である。
【図６】４つのパラメータを変化させた場合におけるスクリーン上の明るさ比と寿命比をシミュレーションにより求めた結果を示す他の図である。
【図７】画素面内における集光分布の改善傾向を示す図である。
【図８】想定される製造誤差が生じた場合における明るさ比及び寿命比の変化を表した図である。
【図９】本発明を適用したＬＣＤパネルの一設計例を示す図である。
【図１０】マイクロレンズアレイをＴＦＴ基板上に設ける構成を示す図である。
【図１１】ＬＣＤパネルの構成につき説明するための図である。
【図１２】ＬＣＤパネルの断面構造を拡大して表した図である。
【図１３】マイクロレンズアレイを搭載した場合における光強度分布を示す図である。
【図１４】寿命比につき説明するための図である。
【図１５】マイクロレンズアレイを搭載したＬＣＤパネルにより画像をスクリーン上で投影した場合におけるスクリーン上の明るさと寿命比の関係を示す図である。
【符号の説明】
【００８５】
１  液晶プロジェクタ装置、３  ＬＣＤパネル、２２  画素電極、３１  マイクロレンズアレイ、３２  第１のマイクロレンズ、３３  第２のマイクロレンズ、５１  光源、５２  第１のマルチレンズアレイ、５３  第２のマルチレンズアレイ、５５  コンデンサレンズ、５６  第１のダイクロイックミラー、５７  折り返しミラー、５８  第１のフィールドレンズ、５９  入射側偏光板、６１  出射側偏光板、７８  合成プリズム、７９  投射レンズ
【図１】
2006065101.tif 000003
【図２】
2006065101.tif 000004
【図３】
2006065101.tif 000005
【図４】
2006065101.tif 000006
【図５】
2006065101.tif 000007
【図６】
2006065101.tif 000008
【図７】
2006065101.tif 000009
【図８】
2006065101.tif 000010
【図９】
2006065101.tif 000011
【図１０】
2006065101.tif 000012
【図１１】
2006065101.tif 000013
【図１２】
2006065101.tif 000014
【図１３】
2006065101.tif 000015
【図１４】
2006065101.tif 000016
【図１５】
2006065101.tif 000017