(57)【要約】【課題】高精細化表示に対応できる表示素子、表示装置、及びマイクロレンズアレイを提供する。【解決手段】レンズピッチ２０μｍ以下の回転双曲面マイクロレンズを表示素子に用いれば、マイクロレンズの焦点距離ｆが４５μｍ〜２５μｍの変動、マイクロレンズのエッジからカバーガラスと液晶層の界面までの光学距離Ｓが２０μｍ〜３０μｍの変動があっても、高輝度の表示に十分な集光効率（ＭＬ効率）を確保できる。また、光学距離Ｓが比較的に長くても（３０μｍまで）、高輝度の表示に十分なＭＬ効率を確保できる。即ち、焦点距離ｆ及び光学距離Ｓの変動に対して、輝度変化のマージンがある。【選択図】　　　　図３
2004133430.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
　所定の画素ピッチをもって２次元的に配列された複数の画素部と、
　前記画素部に対して光の入射側または出射側に、前記複数の画素部に対応して２次元的に配列された複数のマイクロレンズを含むマイクロレンズアレイと
　を有し、
　前記マイクロレンズアレイにおいて、前記各マイクロレンズは回転双曲面のレンズ面を有し、かつ、前記複数のマイクロレンズのレンズピッチは、回転双曲面のレンズ及び回転楕円面のレンズの入射光に対する集光効率を略同等に保持できるレンズピッチより小さく、回転楕円面のレンズの集光効率より高い集光効率を保持し得るピッチに設定されている
　表示素子。
【請求項２】
　前記画素ピッチが２０μｍ以下である
　請求項１に記載の表示素子。
【請求項３】
　前記各マイクロレンズの焦点位置が、前記各画素部に略一致する
　請求項１に記載の表示素子。
【請求項４】
　所定の画素ピッチをもって２次元的に配列された複数の画素部と、
　前記画素部に対して光の入射側または出射側に、前記複数の画素部に対応して２次元的に配列された複数のマイクロレンズを含むマイクロレンズアレイと
　を有し、
　前記マイクロレンズアレイにおいて、前記各マイクロレンズは回転双曲面のレンズ面を有し、かつ、レンズピッチは２０μｍ以下である
　表示素子。
【請求項５】
　前記画素ピッチが２０μｍ以下である
　請求項４に記載の表示素子。
【請求項６】
　前記各マイクロレンズの焦点位置が、前記各画素部に略一致する
　請求項４に記載の表示素子。
【請求項７】
　所定の画素ピッチをもって２次元的に配列された複数の画素部と、
　前記画素部を照明する照明光を発する光源と、
　前記画素部に対して光の入射側または出射側に、前記複数の画素部に対応して２次元的に配列された複数のマイクロレンズを含むマイクロレンズアレイと、
　前記画素部から出射された光を投射する投射レンズと
　を有し、
　前記マイクロレンズアレイにおいて、前記各マイクロレンズは回転双曲面のレンズ面を有し、かつ、前記複数のマイクロレンズのレンズピッチは、回転双曲面のレンズ及び回転楕円面のレンズの入射光に対する集光効率を略同等に保持できるレンズピッチより小さく、回転楕円面のレンズの集光効率より高い集光効率を保持し得るピッチに設定されている
　表示装置。
【請求項８】
　前記画素ピッチが２０μｍ以下である
　請求項７に記載の表示装置。
【請求項９】
　前記各マイクロレンズの焦点位置が、前記各画素部に略一致する
　請求項７に記載の表示装置。
【請求項１０】
　所定の画素ピッチをもって２次元的に配列された複数の画素部と、
　前記画素部を照明する照明光を発する光源と、
　前記画素部に対して光の入射側または出射側に、前記複数の画素部に対応して２次元的に配列された複数のマイクロレンズを含むマイクロレンズアレイと、
　前記画素部から出射された光を投射する投射レンズと
　を有し、
　前記マイクロレンズアレイにおいて、前記各マイクロレンズは回転双曲面のレンズ面を有し、かつ、レンズピッチは２０μｍ以下である
　表示装置。
【請求項１１】
　前記画素ピッチが２０μｍ以下である
　請求項１０に記載の表示装置。
【請求項１２】
　前記各マイクロレンズの焦点位置が、前記各画素部に略一致する
　請求項１０に記載の表示装置。
【請求項１３】
　２次元的に配列された複数のマイクロレンズを含み、
　前記各マイクロレンズは回転双曲面のレンズ面を有し、かつ、前記複数のマイクロレンズのレンズピッチは、回転双曲面のレンズ及び回転楕円面のレンズの入射光に対する集光効率を略同等に保持できるレンズピッチより小さく、回転楕円面のレンズの集光効率より高い集光効率を保持し得るピッチに設定されている
　マイクロレンズアレイ。
【請求項１４】
　２次元的に配列された複数のマイクロレンズを含み、
　前記各マイクロレンズは回転双曲面のレンズ面を有し、かつ、前記複数のマイクロレンズのレンズピッチは２０μｍ以下である
　マイクロレンズアレイ。
【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、マイクロレンズを備えた表示素子、およびこのような表示素子を備えた表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
　液晶パネル（ＬＣＤ）、デジタル・ミラー・デバイス（ＤＭＤ）などのライトバルブを用いたプロジェクタの開発が盛んに行なわれている。プロジェクタには、パーソナルコンピュータのモニタ表示を主体としてデータ・プロジェクタ、ホーム・シアター用などＡＶ主体のフロント・プロジェクタ又はリア・プロジェクタ、テレビ用途などのリア・プロジェクタがある。また、使用するライトバルブの枚数によって、１〜３板式に分けられる。例えば、ライトバルブを１枚用いる単板方式と、赤（Ｒｅｄ＝Ｒ），緑（Ｇｒｅｅｎ＝Ｇ），青（Ｂｌｕｅ＝Ｂ）の３つの色光に対応した３枚のライトバルブを用いる３板方式とがある。さらに、ライトバルブは、透過型と反射型の両方がある。
【０００３】
　図１１は、投射型液晶表示装置における、液晶パネルの構成例を示す図である。図１１に示された液晶パネルは、画素電極基板１４０Ｂと、画素電極基板１４０Ｂの光の入射面側に液晶層１４５を介して対向配設された対向基板１４０Ａとを備えている。
【０００４】
　画素電極基板１４０Ｂは、ガラス基板１４８と、このガラス基板１４８の光の入射面側に積層された複数の画素電極部１４６および複数のブラックマトリクス部１４７とを有している。画素電極部１４６およびブラックマトリクス部１４７は、２次元的に配列されている。各画素電極部１４６は、導電性を有した透明な部材によって構成されている。ブラックマトリクス部１４７は、隣り合う画素電極部１４６の間に形成されている。各ブラックマトリクス部１４７は、例えば金属膜などにより遮光されている。ガラス基板１４８上のブラックマトリクス部１４７に遮蔽された領域に、隣接する画素電極部１４６に対して、画像信号に応じて選択的に電圧を印加するための図示しないスイッチング素子が形成されている。画素電極部１４６に電圧を印加するためのスイッチング素子としては、例えばＴＦＴ（Thin Film Transistor）が使用される。
【０００５】
　対向基板１４０Ａは、光の入射側から順に、ガラス基板１４１と、マイクロレンズアレイ１４２と、マイクロレンズアレイ１４２が形成されたガラス基板であるカバーガラス１４４とを有している。ガラス基板１４１とマイクロレンズアレイ１４２との間には、屈折率ｎ１の樹脂層１４３が積層されている。
【０００６】
　マイクロレンズアレイ１４２は、光源光の利用効率を高める為、液晶層の光入射側に個々の画素に対応して形成されている。図１１に示すように、マイクロレンズ１４２Ｍの屈折によって、光源からの入射光が、ブラックマトリクス１４７や配線パターン等の遮光領域に当たらずに、画素電極部１４６の開口部のみに集光する。
　マイクロレンズアレイ１４２は、屈折率がｎ２（＞ｎ１）の光学樹脂により構成され、各画素電極部１４６に対応して２次元的に設けられた複数のマイクロレンズ１４２Ｍを有している。図１１に示すように、マイクロレンズ１４２Ｍの大きさは画素サイズに対応している。
　マイクロレンズ１４２Ｍは、光の入射側が凸形状であり、正の屈折力（パワー）を有し、ガラス基板１４１および樹脂層１４３を介して入射した光を、対応する画素電極部１４６に向けて集光する。マイクロレンズ１４２Ｍによって集光され開口部に入射した光が画像表示に用いられる。
【０００７】
　従来、マイクロレンズ１４２を非球面形状とし球面収差が零となる条件で入射光束を画素に集光するようにしていた。例えば、マイクロレンズ１４２は回転楕円面や回転双曲面等の一部を切り取った非球面形状をしている。これらの非球面形状のマイクロレンズを用いると入射光束は略一点に集光させる事が可能となった。
　図１２は回転楕円面を有するマイクロレンズ１４２Ｍの光線追跡図である。図１２に示すように、入射光束Ｌ１が楕円球面のマイクロレンズ１４２Ｍに入射し、出射光束Ｌ２が略完全に焦点Ｆに集光している。回転双曲面を有するマイクロレンズについても、同じ結果がある。
　一方、凸球面を有するマイクロレンズの場合は、球面収差の為、出射光束が一点に集光する事ができず、ある程度の広がりを持ったスポットとなり、マイクロレンズの効率が低下する。
【０００８】
　従来、液晶プロジェクタ用途向けの高精細液晶パネル用マイクロレンズの形成方法としては、石英基板、あるいは、ネオセラム基板など各種ガラス基板を用い、ウエットエッチング法（Ｗｅｔ　Ｅｔｃｈｉｎｇ）、または、２Ｐ法（Ｐｈｏｔｏ　Ｐｏｌｙｍｅｒｉｚａｔｉｏｎ）、あるいは、ドライエッチング法（Ｄｒｙ　Ｅｔｃｈｉｎｇ）などにより形成する方法が実用化されている。
　エッチング法はガラス基板の表面を被覆するレジストの微小開口部からガラス基板のエッチングを行ない凹球面を形成する。この凹球面にガラス基板と屈折率の異なる透明樹脂等を充填してマイクロレンズを形成する。
　２ｐ法は、ガラス基板の表面の一点からイオンをガラス内に等方的に拡散して屈折率を局部的に変化させマイクロレンズを形成する。
【０００９】
　ウエットエッチング法は等方性エッチングであり、現状、回転対称形状（例えば、球面形状）のマイクロレンズの例しかない。樹脂とガラス基板との屈折率差△ｎによってレンズパワーを生じさせレンズ作用を持たせることになる。この場合は、基板エッチングは、等方性であるため、球面構造あるいは、円柱状などの回転対称形状しか形成できない。現状では、球面構造が一般的である。
　ドライエッチング法では、半導体形成技術を応用し、球面以外の非球面形状形成も可能である。
　２ｐ法は、非常に精密に制御でき、レンズ形状制御に優れた方法で、非球面形状のレンズ形状なども形成可能である。
　２ｐ法もドライエッチング法でも非球面形成可能であるが、比較的に容易に回転楕円体を形成できた。
【００１０】
　このように、非球面形状のマイクロレンズを用いることから、球面収差がないので、球面収差によるマイクロレンズを透過した光の発散がなく、投影レンズのＦナンバー（投射レンズが受けとめられる角度）範囲内で十分高い効率で集光でき、球面レンズより集光効率が優れている。楕円体レンズは容易に製造でき、また、そのため、従来、回転楕円形状のマイクロレンズが広く使われていた。
　特許文献１は、楕円球面形状または回転双曲面形状の非球面形状のマイクロレンズを用いた表示装置を開示している。
【特許文献１】特開平９−１２７４９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
　近年、液晶プロジェクタは、液晶パネルの小型化及び画素の高精細化が進展している。液晶パネルのサイズが小さくなると、図１３（Ａ），（Ｂ）に図解しているように、これに比例して画素サイズが微細化するので、マイクロレンズ自身も配列ピッチも小さくなる。これに伴って、カバーガラスも薄くする必要が生じてくる。
　図１３（Ａ）は、図１１に示した液晶パネルの一画素分を拡大した模式図である。マイクロレンズ１４２Ｍは、光源からの入射光を集光し、ブラックマトリクス部１４７、配線パターンなどに囲まれた画素電極部１４６の開口部に照射する。
　図１３（Ｂ）は、画素サイズと画素ピッチが縮小化された場合を表わしている。画素ピッチの縮小化、即ち液晶パネルの高精細化に伴い、マイクロレンズ１４２Ｍ自身も相似的に小さくする必要がある。これにより、マイクロレンズ１４２Ｍが短焦点化し、カバーガラス１４４も極薄に加工する必要がある。また、画素サイズが縮小化されると、画素電極部１４６の開口部のサイズも比較的に小さくなるので、光を投影して画像を表示するスクリーン上に高い照明輝度を保つ措置も必要である。
【００１２】
　具体的に、画素ピッチは２０μｍ以上の場合に、開口率が４０％以上、焦点距離は４０μｍ以上であれば、楕円体のマイクロレンズ１４２Ｍが良好な性能を示しているが、画素ピッチが小さくなると、それに伴い、開口率が小さくなり、さらに、短焦点化が進むと、楕円体マイクロレンズ１４２は、焦点距離のばらつき及びカバーガラス１４４の厚さに対して集光効率のばらつきが大きくなり、それにより、輝度変化が大きくなる傾向がある。
【００１３】
　したがって、高精細化の場合、楕円体マイクロレンズ１４２Ｍを用いると、焦点距離の微細な制御を行なう必要があり、カバーガラス１４４の極薄化が要求される。これにより、カバーガラス１４４を製造する段階では、樹脂厚制御や研磨精度を高くすることが必要であり、これらは、技術的に難しく、コストの上昇につながる。
　例えば、カバーガラス１４４を実厚で３０μｍ以下に薄くしようとすると、マイクロレンズ１４２Ｍを構成する光学樹脂の効果収縮、若しくは、熱膨張率の差により、応力が生じ、カバーガラス１４４のうねりや反りが起きる。一般的に、実厚２０μｍのカバーガラス１４４は、既存加工技術の限界になると思われている。
【００１４】
　本発明の目的は、高精細化表示に対応できる表示素子、表示装置、及びマイクロレンズアレイを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
　本発明の表示素子は、所定の画素ピッチをもって２次元的に配列された複数の画素部と、前記画素部に対して光の入射側または出射側に、前記複数の画素部に対応して２次元的に配列された複数のマイクロレンズを含むマイクロレンズアレイとを有し、前記マイクロレンズアレイにおいて、前記各マイクロレンズは回転双曲面のレンズ面を有し、かつ、前記複数のマイクロレンズのレンズピッチは、回転双曲面のレンズ及び回転楕円面のレンズの入射光に対する集光効率を略同等に保持できるレンズピッチより小さく、回転楕円面のレンズの集光効率より高い集光効率を保持し得るピッチに設定されている。
　好ましくは、画素ピッチが２０μｍ以下である。
　また、好ましくは、前記各マイクロレンズの焦点位置が、前記各画素部に略一致する。
【００１６】
　また、本発明の表示素子は、所定の画素ピッチをもって２次元的に配列された複数の画素部と、前記画素部に対して光の入射側または出射側に、前記複数の画素部に対応して２次元的に配列された複数のマイクロレンズを含むマイクロレンズアレイとを有し、前記マイクロレンズアレイにおいて、前記各マイクロレンズは回転双曲面のレンズ面を有し、かつ、レンズピッチは２０μｍ以下である。
　好ましくは、画素ピッチが２０μｍ以下である。
　また、好ましくは、前記各マイクロレンズの焦点位置が、前記各画素部に略一致する。
【００１７】
　本発明の表示装置は、所定の画素ピッチをもって２次元的に配列された複数の画素部と、前記画素部を照明する照明光を発する光源と、前記画素部に対して光の入射側または出射側に、前記複数の画素部に対応して２次元的に配列された複数のマイクロレンズを含むマイクロレンズアレイと、前記画素部から出射された光を投射する投射レンズとを有し、前記マイクロレンズアレイにおいて、前記各マイクロレンズは回転双曲面のレンズ面を有し、かつ、前記複数のマイクロレンズのレンズピッチは、回転双曲面のレンズ及び回転楕円面のレンズの入射光に対する集光効率を略同等に保持できるレンズピッチより小さく、回転楕円面のレンズの集光効率より高い集光効率を保持し得るピッチに設定されている。
　好ましくは、画素ピッチが２０μｍ以下である。
　また、好ましくは、前記各マイクロレンズの焦点位置が、前記各画素部に略一致する。
【００１８】
　また、本発明の表示装置は、所定の画素ピッチをもって２次元的に配列された複数の画素部と、前記画素部を照明する照明光を発する光源と、前記画素部に対して光の入射側または出射側に、前記複数の画素部に対応して２次元的に配列された複数のマイクロレンズを含むマイクロレンズアレイと、前記画素部から出射された光を投射する投射レンズとを有し、前記マイクロレンズアレイにおいて、前記各マイクロレンズは回転双曲面のレンズ面を有し、かつ、レンズピッチは２０μｍ以下である。
　好ましくは、画素ピッチが２０μｍ以下である。
　また、好ましくは、前記各マイクロレンズの焦点位置が、前記各画素部に略一致する。
【００１９】
　本発明のマイクロレンズアレイは、２次元的に配列された複数のマイクロレンズを含み、前記各マイクロレンズは回転双曲面のレンズ面を有し、かつ、前記複数のマイクロレンズのレンズピッチは、回転双曲面のレンズ及び回転楕円面のレンズの入射光に対する集光効率を略同等に保持できるレンズピッチより小さく、回転楕円面のレンズの集光効率より高い集光効率を保持し得るピッチに設定されている。
【００２０】
　また、本発明のマイクロレンズアレイは、２次元的に配列された複数のマイクロレンズを含み、前記各マイクロレンズは回転双曲面のレンズ面を有し、かつ、前記複数のマイクロレンズのレンズピッチは２０μｍ以下である。
【００２１】
　以上の本発明によれば、レンズピッチは２０μｍ以下の回転双曲面形状のマイクロレンズが２次元的に配列されて、各マイクロレンズに入射した光は対応する各画素部に集光する。レンズピッチは２０μｍ以下の回転双曲面形状のマイクロレンズは、焦点距離及びマイクロレンズと画素部との距離のばらつきがあっても、集光効率が低下せずに、サイズが２０μｍ以下の画素部に集光する。
【発明の効果】
【００２２】
　本発明によれば、高精細化により開口率や画素ピッチが小さくなるのに伴い、焦点距離が短く、レンズから画素部までの距離が薄くなっても、回転双曲面マイクロレンズは高い集光効率を維持できる。特に、レンズピッチが２０μｍ以下の場合、回転双曲面マイクロレンズは顕著な効果を示しており、焦点距離のばらつき及びレンズから画素部までの厚さのばらつきに対して集光効率のマージンが大きく、高精細度表示に対応できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
　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。本発明の表示素子及び表示装置の一例として、液晶表示素子及び投影型液晶表示装置を用いて述べる。
【００２４】
第１の実施形態
　図１は、本発明の第１の実施形態に係る液晶表示装置の概略構成を示している。この液晶表示装置は、光軸１０に沿って、光源１と、一対の第１のレンズアレイ２および第２のレンズアレイ（以下、「ＭＬＡ」と記す。）３と、ＰＳ合成素子４と、コンデンサレンズ５と、フィールドレンズ６と、液晶パネル７と、投射レンズ８とを順番に配置して構成されている。
　ＭＬＡ２とＭＬＡ３には、それぞれ複数の微小レンズ２Ｍ，３Ｍが２次元的に配列されている。ＰＳ合成素子４には、第２のＭＬＡ３における隣り合うレンズ間に対応する位置に、複数の１／２波長板４Ａが設けられている。
【００２５】
　ＭＬＡ２とＭＬＡ３は、光源１から発せられた照明光を複数の小光束に分割し、ＰＳ合成素子４に入射する。
　ＰＳ合成素子４は、入射光Ｌ１０を光軸１０に垂直な面内において互いに直交する偏光Ｌ１１、Ｌ１２（Ｐ偏光成分およびＳ偏光成分）に分離し、さらに、分離された偏光Ｌ１１，Ｌ１２の偏光方向が特定の方向に揃えられる。
【００２６】
　液晶パネル７は、ＰＳ合成素子４から出射され、コンデンサレンズ５およびフィールドレンズ６を経て照射された光を画像信号に応じて空間的に変調して出射する。
　投射レンズ８は、液晶パネル７から出射された光を図示しないスクリーンに投射し、スクリーン上に画像を形成する。
　なお、図１において、紙面内光軸１０と直交する方向を水平方向，紙面と垂直な方向を垂直方向と呼ぶ。
【００２７】
　図２は、液晶パネル７の構成の一例を示す断面図である。
　図２に示すように、液晶パネル７は、画素電極基板４０Ｂと、画素電極基板４０Ｂの光の入射面側に液晶層４５を介して対向配設された対向基板４０Ａとを備えている。
【００２８】
　画素電極基板４０Ｂは、ガラス基板４８と、ガラス基板４８の光の入射面側に積層された複数の画素電極部４６および複数のブラックマトリクス部４７とを有している。画素電極部４６およびブラックマトリクス部４７は、２次元的に配列されている。各画素電極部４６は、導電性を有した透明な部材によって構成されている。ブラックマトリクス部４７は、隣り合う画素電極部４６の間に形成されている。各ブラックマトリクス部４７は、例えば金属膜などにより遮光されている。ガラス基板４８上に、ブラックマトリクス部４７に遮蔽された領域に、隣接する画素電極部４６に対して、画像信号に応じて選択的に電圧を印加するための図示しないスイッチング素子が形成されている。画素電極部４６に電圧を印加するためのスイッチング素子としては、例えばＴＦＴが使用される。
【００２９】
　対向基板４０Ａは、光の入射側から順に、ガラス基板４１と、マイクロレンズアレイ４２と、マイクロレンズアレイ４２が形成されたガラス基板であるカバーガラス４４とを有している。ガラス基板４１とマイクロレンズアレイ４２との間には、樹脂層４３が積層されている。なお、図示しないが、カバーガラス４４と液晶層４５との間には、画素電極部４６との間で電位を発生させるための対向電極が配設されている。樹脂層４３は、屈折率がｎ１の光学樹脂により構成されている。
【００３０】
　マイクロレンズアレイ４２は、屈折率がｎ２（＞ｎ１）の光学樹脂により構成され、各画素電極部４６に対応して２次元的に設けられ、１ピクセルにつき光軸方向に１面もしくは複数面の集光用レンズ面を配置された複数のマイクロレンズ４２Ｍを有する。
　本実施形態において、液晶パネル７は小型化、高精細化に対応して、図２に示された画素ピッチは、たとえば２０μｍ以下に設定されている。それに対応して、マイクロレンズアレイ４２は、レンズピッチ（ＬＰ）が２０μｍ以下で形成されている。
【００３１】
　レンズピッチは２０μｍ以下になると、マイクロレンズ４２Ｍの焦点距離のばらつき、及びレンズエッジから液晶層４５までの光学樹脂の厚さのばらつきにより、マイクロレンズアレイ４２の集光効率が変動し、スクリーン上に表示輝度が変動または低下するおそれがある。
　本実施形態では、各マイクロレンズ４２Ｍを回転双曲面形状で形成し、これによって、レンズピッチは２０μｍ以下の場合に、マイクロレンズ４２Ｍの焦点距離のばらつき、及びレンズエッジから液晶層４５までの光学樹脂の厚さのばらつきがあっても、マイクロレンズアレイ４２の集光効率が大きく変動しない。
【００３２】
　マイクロレンズ４２Ｍの回転双曲面のレンズ面は下記の式１で定義される。式１において、Ｚはレンズ曲線を表わす関数であり、ＣＶは曲率半径、ρはレンズ半径、ＣＣは非球面定数をそれぞれ表わす。各パラメータは、図２に示されている。
　式１において、非球面定数ＣＣ＜−１の場合、関数Ｚは双曲面を表わし、−１＜ＣＣ＜０の場合は、Ｚは楕円を表わし、ＣＣ＝−１の場合、放物面を表わす。
【００３３】
【数１】
2004133430.tif 000003
【００３４】
　また、特許文献１に示されたように、マイクロレンズ４２Ｍの回転双曲面形状、及びマイクロレンズ４２Ｍのレンズ面両側の光学樹脂の屈折率ｎ１、ｎ２は、球面収差がゼロとなる条件を満たしており、入射光束を球面収差が無く画素電極部４６の開口部に集光する。
【００３５】
　各マイクロレンズ４２Ｍの焦点位置が、画素電極部の開口部の位置に略一致するように構成されている。
　マイクロレンズ４２Ｍは、光の入射側が凸形状であるので、正の屈折力（パワー）を有し、ガラス基板４１および樹脂層４３を介して入射した光を、対応する画素電極部４６に向けて集光する。後段の投射レンズ８に十分なＦナンバーが確保されていれば、液晶パネル７に入射した光のうち、マイクロレンズ４２Ｍによって集光され、画素電極部４６の開口部に入射した光が画像表示に利用可能な有効な光となる。
　マイクロレンズ４２Ｍを設けることから、画素電極部４６の開口部に多くの光を入射させることができ、実効開口率を上げ、光利用効率を向上させることができる。
【００３６】
　以上のマイクロレンズアレイ４２の光学特性についてシミュレーションを行なった、次に、そのシミュレーションの結果を説明する。
　マイクロレンズを製造する段階で、レンズをガラス基板上に転写するときに、屈折率やエッチング等のばらつきにより、レンズの焦点距離ｆは±１０μｍ程度変動すると考えられる。マイクロレンズ４２Ｍから液晶層４５までの光学樹脂の厚さも、研磨等のばらつきにより、±１０μｍ程度変動すると考えられる。
　次に説明するシミュレーションは、以上の変動があった時に、マイクロレンズの集光効率の変化を考察する。
　ここで、焦点距離とは、図２に示すように、マイクロレンズ４２Ｍの主点から、光束が収束され輝度が最大になる位置までの光学距離をいう。即ち、かかる各層の実厚を空気中の光学距離に変換した値である。図３〜図８において、このような定義を用いる。
【００３７】
　図３において、横軸は、図２に示すように、マイクロレンズ４２Ｍのエッジからカバーガラス４４と液晶層４５の界面までの光学距離Ｓを示している。ここでは、マイクロレンズ４２Ｍを構成する樹脂の実厚とその樹脂の屈折率の積と、カバーガラス４４の実厚とその屈折率の積との和と定義し、以下「光学距離」と呼ぶ。
　また、縦軸は、マイクロレンズ４２Ｍの集光効率を示している。以下、マイクロレンズ４２Ｍの集光効率をＭＬ効率（ＭＬＥ）と呼ぶ。ＭＬ効率は、液晶パネル７を用いて、対向基板４０Ａにマイクロレンズアレイ４２を装着してない場合に光学系投影スクリーン上の輝度に対する、対向基板４０Ａにマイクロレンズアレイ４２を装着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。
　図３のシミュレーションでは、一例として、レンズピッチＬＰを１４μｍとする。また、双曲面の非球面定数ＣＣは−１．２９０である。図中に示す曲線ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅは、レンズピッチＬＰが１４μｍとなる双曲面マイクロレンズアレイ４２について、焦点距離ｆが２５μｍ、３０μｍ、３５μｍ、４０μｍ、４５μｍとなるマイクロレンズ４２Ｍは、ＭＬ効率の光学距離Ｓによる変化のシミュレーションの結果を示している。
【００３８】
　図３のシミュレーションでは、光源１はＵＨＰタイプであり、そのランプのアーク長が１．４ｍｍである。第１のレンズアレイ２と第２のレンズアレイ３は、例えば、それぞれ８（垂直）×６（水平）個の微小レンズから構成される。液晶パネル７に対する入射光発散角は、主光線に対して、垂直方向９°、水平方向１０°となっている。また、画素電極部４６の開口率ＡＰＲが４０％とし、投射レンズ８のＦナンバーは、Ｆ１．７である。
【００３９】
　図３に示すように、レンズピッチが１４μｍとなる双曲面マイクロレンズ４２Ｍを用いる場合、焦点距離ｆが４５μｍ〜２５μｍの範囲に変動した場合、ＭＬ効率の減少が少なく、その減少率は約１６％にとどまる。また、焦点距離ｆが４５μｍ〜２５μｍの範囲に変動し、かつ、光学距離Ｓが２０μｍ〜３０μｍの範囲に変動した場合、ＭＬ効率を約１．５以上保つことができる。光学距離Ｓは約１８μｍになるときに、ＭＬ効率が１．７〜１．８であり、最大となる。
　したがって、レンズピッチ１４μｍの双曲面マイクロレンズ４２Ｍを用いれば、焦点距離ｆが４５μｍ〜２５μｍのばらつき、光学距離Ｓが２０μｍ〜３０μｍのばらつきがあっても、高輝度の表示に十分なＭＬ効率を確保できる。即ち、焦点距離ｆ及び光学距離Ｓのばらつきに対して、輝度変化のマージンがある。
　また、光学距離Ｓが比較的に長くても（３０μｍまで）、高輝度の表示に十分なＭＬ効率を確保できる。
【００４０】
　図３の双曲面マイクロレンズのシミュレーションの比較例として、図４は、レンズ面が回転楕円体形状であり、レンズピッチが１４μｍであるマイクロレンズアレイについてのシミュレーション結果を示す。回転楕円体の形状は、式１で定義され、非球面定数ＣＣは−０．７７５である。
　図４では、曲線ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅは、レンズピッチＬＰが１４μｍとなる楕円体マイクロレンズアレイについて、焦点距離ｆが３０μｍ、３５μｍ、４０μｍ、４５μｍ、５０μｍのマイクロレンズは、ＭＬ効率の光学距離Ｓによる変化のシミュレーションの結果を示している。
【００４１】
　光学系の条件は、図３のシミュレーションと同様である。即ち、光源１はＵＨＰタイプであり、そのランプのアーク長が１．４ｍｍであり、第１のレンズアレイ２と第２のレンズアレイ３は、それぞれ８（垂直）×６（水平）個の微小レンズから構成され、液晶パネル７に対する入射光発散角は、主光線に対して、垂直方向９°、水平方向１０°となっている。また、画素電極部４６の開口率ＡＰＲが４０％とし、投射レンズ８のＦナンバーは、Ｆ１．７である。
【００４２】
　図４に示すように、レンズピッチ１４μｍの回転楕円体マイクロレンズは、焦点距離ｆが３５μｍ以上であれば、光学距離Ｓが３０μｍまで変動しても、ＭＬ効率を約１．５以上に保つことができる。光学距離Ｓは約１８μｍに、ＭＬ効率が１．７〜１．８であり、最大となる。以上の結果は、図３に示された双曲面マイクロレンズは焦点距離が２５μｍ〜４５μｍの範囲での結果と同じである。
　しかし、図４に示すように、回転楕円体マイクロレンズの焦点距離ｆがさらに短くなり、ｆ＝３０μｍの場合、ＭＬ効率が大幅に減少し、光学距離Ｓは約１２μｍでＭＬ効率が最大値１．６となるが、光学距離Ｓが３０μｍの時に、ＭＬ効率が１．２まで減少し、焦点距離ｆが３５μｍ以上のＭＬ効率と比べ、約３０％減少する。
【００４３】
　即ち、レンズピッチ１４μｍの楕円体マイクロレンズは、焦点距離ｆが４５μｍ〜３５μｍのばらつき、光学距離Ｓが２０μｍ〜３０μｍのばらつきがあった場合、高輝度の表示に十分なＭＬ効率を確保できる。しかし、焦点距離ｆが３０μｍ以下になると、比較的に長い光学距離Ｓで（３０μｍまで）、ＭＬ効率が大幅に低下し、十分なＭＬ効率を確保できなくなる。
　したがって、楕円体マイクロレンズは、焦点距離ｆ及び光学距離Ｓのばらつきに対して、輝度変化のマージンが双曲面マイクロレンズより小さいことが分る。
【００４４】
　図５は、図３と図４のシミュレーションに用いられた回転双曲面マイクロレンズと回転楕円体レンズについて、レンズピッチが１４μｍの場合に、ＭＬ効率がレンズの焦点距離ｆ、及び画素電極部４６の開口率ＡＰＲにより変化する傾向のシミュレーションの結果を示している。図５において、縦軸はＭＬ効率（ＭＬＥ）を、横軸はマイクロレンズの焦点距離ｆをそれぞれ示している。
　図５において、図中の曲線ａ、ｂは、楕円体マイクロレンズアレイ及び双曲面マイクロレンズアレイにおいて画素部開口率ＡＰＲが４０％の場合に、ＭＬ効率の焦点距離ｆによる変化、ｃ、ｂは、楕円体マイクロレンズアレイ及び双曲面マイクロレンズアレイにおいて画素部開口率ＡＰＲが３０％の場合に、ＭＬ効率の焦点距離ｆによる変化のシミュレーションの結果を示している。
　シミュレーションに用いられた光学系の条件は、図３と図４のシミュレーションと同様である。回転双曲面と回転楕円体が式１で定義され、それぞれの非球面定数ＣＣは−１．２９０、−０．７７５である。また、図５のシミュレーションにおいて、回転双曲面と回転楕円体ともに、光学距離Ｓを一定にし、１８μｍとする。
【００４５】
　図５に示すように、画素部開口率ＡＰＲが変化すると、レンズピッチ１４μｍの回転双曲面マイクロレンズと回転楕円体マイクロレンズのＭＬ効率がともに変化する。焦点距離ｆが３５μｍ以上の場合は、回転双曲面マイクロレンズと回転楕円体マイクロレンズのＭＬ効率が略同じであり、しかも、開口率ＡＰＲに従がって略同じように変化する。
　しかし、焦点距離ｆが３５μｍ以下になると、回転楕円体マイクロレンズのＭＬ効率が急激に減少する。それに対して、回転双曲面マイクロレンズのＭＬ効率が略一定に保たれ、ｆが２２μｍになるまで、あまり大きく変動しない。
　したがって、楕円体マイクロレンズに比べ、開口率ＡＰＲが変動しても、双曲面マイクロレンズが、焦点距離のばらつきに対しての輝度変化のマージンがあることがわかる。
【００４６】
　図６は、レンズピッチ（ＬＰ）が２０μｍの場合に、回転双曲面マイクロレンズと回転楕円体レンズについて、ＭＬ効率及びその最大値がレンズの焦点距離ｆにより変化する傾向のシミュレーション結果を示している。図６において、縦軸はＭＬ効率（ＭＬＥ）を、横軸はマイクロレンズの焦点距離ｆをそれぞれ示している。
　具体的には、グラフａは、楕円体マイクロレンズアレイについて、ＭＬ効率の焦点距離ｆによる変化、グラフｂは、双曲面マイクロレンズアレイについて、ＭＬ効率の焦点距離ｆによる変化のシミュレーションの結果を示している。
　図６は、焦点距離のばらつきによる楕円体及び双曲面マクロレンズアレイのＭＬ効率のばらつきを反映している。
【００４７】
　図６のシミュレーションに用いられた光学系の条件は、図３と図４のシミュレーションと同様である。即ち、光源１はＵＨＰタイプであり、ランプのアーク長が１．４ｍｍである。第１のレンズアレイ２と第２のレンズアレイ３は、それぞれ８（垂直）×６（水平）個の微小レンズから構成される。液晶パネル７に対する入射光発散角は、主光線に対して、垂直方向９°、水平方向１０°となっている。
　回転双曲面と回転楕円体が式１で定義され、それぞれの非球面定数ＣＣは−１．２９０、−０．７７５である。また、図６のシミュレーションにおいて、回転双曲面と回転楕円体ともに、光学距離Ｓを一定にし、２２μｍとする。また、画素電極部４６の開口率ＡＰＲが３０％、投射レンズ８のＦナンバーは、Ｆ１．７である。
【００４８】
　図６に示すように、レンズピッチＬＰが２０μｍの場合に、楕円体形状に比べ双曲面形状の方がＭＬ効率がやや高くなっている。図６によれば、双曲面形状レンズアレイのＭＬ効率は１．３２であり、楕円体形状レンズアレイのＭＬ効率１．３１となっている。
【００４９】
　図７は、図６のシミュレーションと同じ光学系条件で、レンズピッチＬＰが２２μｍの場合に、回転双曲面マイクロレンズと回転楕円体レンズについて、ＭＬ効率及びその最大値がレンズの焦点距離ｆにより変化する傾向のシミュレーション結果を示している。図７において、記号の定義も図６と同じである。
【００５０】
　図７に示すように、レンズピッチＬＰが２２μｍの場合に、楕円体形状のレンズアレイと双曲面形状のレンズアレイのＭＬ効率が同じである。図７によれば、双曲面形状と楕円体形状のレンズアレイのＭＬ効率はとも１．１４となっている。
　したがって、図６と図７によれば、レンズピッチＬＰが２０μｍの所から、楕円体形状と双曲面形状のレンズアレイのＭＬ効率の差が出てきている。
【００５１】
　レンズピッチＬＰが２０μｍ以下場合の他の比較例として、図８は、回転双曲面マイクロレンズと回転楕円体レンズについて、レンズピッチが２２μｍの場合に、マイクロレンズアレイの集光効率の光学距離Ｓによる変化のシミュレーションの結果を示す。
　図８では、マイクロレンズのレンズ面は、式１で定義され、回転楕円体の場合に、非球面定数ＣＣが−０．８２６であり、回転双曲面の場合に、非球面定数ＣＣが−１．１である。
　図８において、縦軸のＭＬ効率、及び横軸の光学Ｓの定義は、図３、図４と同様である。グラフａ、ｂ、ｃは、楕円体マイクロレンズアレイの結果を示し、焦点距離ｆがそれぞれ７５μｍ、８５μｍ、６５μｍである。グラフｄは、双曲面マイクロレンズアレイの結果を示し、焦点距離ｆが６８μｍである。
【００５２】
　図８のシミュレーションの光学条件としては、光源１はアーク長が１．４ｍｍのＵＨＰタイプであり、第１のレンズアレイ２と第２のレンズアレイ３は、それぞれ１２（垂直）×８（水平）個の微小レンズから構成され、液晶パネル７に対する入射光発散角は、主光線に対して、垂直方向９°、水平方向１１°となっている。また、画素電極部４６の開口率ＡＰＲが５０％とし、投射レンズ８のＦナンバーは、Ｆ１．７である。
【００５３】
　図８に示すように、レンズピッチＬＰが２２μｍの場合、焦点距離ｆが異なる回転双曲面マイクロレンズと回転楕円体マイクロレンズは、光学距離Ｓの全変動範囲において、略同じＭＬ効率の値及び同じ変化傾向を示している。
【００５４】
　したがって、図３〜図８のシミュレーションから分るように、マイクロレンズアレイのレンズピッチが２０μｍ以上の場合、回転双曲面マイクロレンズと回転楕円体マイクロレンズは、略同じ光学特性を示す。
　しかし、液晶パネルの小型化と高精細化に伴い、開口率、画素ピッチが小さくなってきた場合、レンズピッチが短くなり、具体的に、レンズピッチが２０μｍ以下となる。これに応じて、焦点距離が短くなり、レンズエッジからカバーガラス表面までの厚さＳを薄くしていかなければならない。回転楕円体マイクロレンズが以上のレンズピッチが２０μｍ以下の場合の各要求に満足できず、回転双曲面マイクロレンズが良好な光学特性を示している。
【００５５】
　表１は、レンズピッチＬＰが１４μｍの回転双曲面マイクロレンズと回転楕円体マイクロレンズについて、画素部の開口率ＡＰＲが４０％、ＭＬ効率が最大となるマイクロレンズの曲率半径ＣＶ、焦点距離ｆ、非球面定数ＣＣ、及びレンズの深さＤを比較したものである。曲率半径ＣＶ、焦点距離ｆ、非球面定数ＣＣ、及びレンズの深さＤが図２に示されている。
　表１に示すように、マイクロレンズのレンズ面は、式１で定義され、回転楕円体の場合に、非球面定数ＣＣが−０．７７５であり、回転双曲面の場合に、非球面定数ＣＣがー１．２９０である。
【００５６】
　表１に示すように、レンズピッチＬＰが１４μｍの楕円体マイクロレンズは、ＭＬ効率が最大となる曲率半径ＣＶ、焦点距離ｆ、及びレンズの深さＤがそれぞれ７．６μｍ、４０μｍ、７．２２μｍとなる。一方、レンズピッチＬＰが１４μｍの双曲面マイクロレンズは、ＭＬ効率が最大となる曲率半径ＣＶ、焦点距離ｆ、及びレンズの深さＤがそれぞれ６．６５μｍ、３５μｍ、６．４６μｍとなり、楕円体マイクロレンズより小さい。
　即ち、楕円体マイクロレンズに比べ、レンズピッチ１４μｍの双曲面マイクロレンズは、レンズ形状を小さくでき、特に、レンズの深さＤが小さいので、レンズが浅くできる。これにより、双曲面マイクロレンズは、技術的に作製しやすくなる。楕円体マイクロレンズは、焦点距離が短くなるのに伴いレンズ周辺部分の曲率がきつくなりレンズ深さが深くなる傾向がある。
【００５７】
【表１】
2004133430.tif 000004
【００５８】
　次に、以上の本実施形態の表示装置の動作を説明する。
　図１に示された液晶表示装置では、光源１から発せられた照明光が、ＭＬＡ２，３を透過し、複数の小光束に分割され、ＰＳ合成素子４に入射される。ＰＳ合成素子４に入射する光Ｌ１０は、２種類（Ｐ偏光成分およびＳ偏光成分）の偏光Ｌ１１、Ｌ１２に分離され、分離された偏光Ｌ１１，Ｌ１２のうち、一方の偏光Ｌ１１は、その偏光方向（例えばＰ偏光）を保ったままＰＳ合成素子４から出射され、他方の偏光Ｌ１２（例えばＳ偏光成分）は、１／２波長板４Ａにより、他の偏光成分（例えばＰ偏光成分）に変換され、分離された２つの偏光Ｌ１１，Ｌ１２の偏光方向が特定の方向に揃えられて出射される。
【００５９】
　ＰＳ合成素子４を出射した光は、コンデンサレンズ５およびフィールドレンズ６を経て、液晶パネル７に照射される。ＭＬＡ２とＭＬＡ３によって分割された各小光束は、コンデンサレンズ５の焦点距離と第２ＭＬＡ３に設けられたレンズ３Ｍの焦点距離とで決まる拡大率で拡大され、液晶パネル７の入射面全体を照射する。これにより、液晶パネル７の入射面には、複数の拡大された光束が重畳され、全体的に均一な照明がなされる。液晶パネル７に照射された光は、双曲面レンズ面の複数のマイクロレンズ４２Ｍから構成され、レンズピッチが２０μｍ以下のマイクロレンズアレイ４２によって集光され、各マイクロレンズ４２Ｍに対応する画素ピッチ２０μｍ以下の画素部の開口部に収束され、液晶層４５により、画素電極部４６に印加された画像信号に対応する駆動信号に応じて空間的に変調され出射される。液晶パネル７を出射した光は、投射レンズ８によって図示しないスクリーンに投射され、スクリーン上に画像を形成する。
【００６０】
　以上の本実施形態によれば、レンズピッチが２０μｍ以上の場合、回転双曲面マイクロレンズと回転楕円体マイクロレンズは、略同じ光学特性を示しているが、液晶パネルの小型化と高精細化に伴い、開口率、画素ピッチが小さくなるのにつれて、焦点距離が短く、レンズエッジからカバーガラス表面までの厚さＳが薄くなった場合であっても、回転双曲面マイクロレンズは依然高い集光効率を維持できる。特に、レンズピッチが２０μｍ以下の場合、回転双曲面マイクロレンズは回転楕円体マイクロレンズより、良好な光学特性を示しており、焦点距離のばらつき及びレンズエッジからカバーガラス表面までの厚さＳのばらつきに対して集光効率のマージンが大きく、カバーガラスを極薄しなくても良く、高精細度表示に適用できる。
　また、双曲面マイクロレンズがレンズ形状を浅くできるので、容易に製造することが可能である。
【００６１】
第２の実施形態
　図９は、本発明の第２の実施形態に係る液晶表示装置の概略構成を示している。
　図９に示されたのは、３板式反射型プロジェクタ装置であり、反射層が液晶パネルに内蔵されている。
　なお、第１の実施形態と同じ構成に同じ符号を用い、説明を省略する。
【００６２】
　図１０の液晶表示装置は、光源１、一対の第１のレンズアレイ２および第２のレンズアレイ（以下、「ＭＬＡ」と記す。）３と、ＰＳ合成素子４と、コンデンサレンズ５と、第１の分離ミラー６６、第２の色分離ミラー６７、反射ミラー６８、第１の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）６９Ｒ、第２の偏光ビームスプリッタ６９Ｇ、第３の偏光ビームスプリッタ６９Ｂ、第１反射型液晶パネル７０Ｒ、第２反射型液晶パネル７０Ｇ、第３反射型液晶パネル７０Ｂ、色合成プリズム７１、投射レンズ７２、およびスクリーン７３を有している。
【００６３】
　コンデンサレンズ５は、ＰＳ合成素子４を出射した光をほぼ平行な光束に変換し、第１の色分離ミラー６６に向けて出射する。第１の色分離ミラー６６は、コンデンサレンズ５より出射された照明光の光路上で、所定波長の光（図９において、緑色光）を反射ミラー６８に向けて反射する。残りの照明光が第１の色分離ミラー６６を透過する。第２の色分離ミラー６７は、第１の色分離ミラー６６を通過した照明光の光路上で、所定波長の照明光（図９において、赤色光）を第１の偏光ビームスプリッタ６９Ｒに向けて反射する。残りの照明光（図９において、青色光）が第３の偏光ビームスプリッタ６９Ｂに入射する。これらにより、光源１より出射された照明光は、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の照明光に分離される。
【００６４】
　第１の偏光ビームスプリッタ６９Ｒは、入射した照明光のうち、所定偏光面の照明光が第１反射型液晶パネル７０Ｒに向けて反射し、この偏光面と直交する偏光面の照明光は第１の偏光ビームスプリッタ６９Ｒを透過する。
　第１反射型液晶パネル７０Ｒは、入射した照明光を空間光変調し、この変調光が再び第１の偏光ビームスプリッタ６９Ｒに入射される。そして、第１の偏光ビームスプリッタ６９Ｒは、変調光のうち偏光成分が透過されて色合成プリズム７１に出射する。
　第２の偏光ビームスプリッタ６９Ｇと第３の偏光ビームスプリッタ６９Ｂは同様に動作する。
【００６５】
　色合成プリズム７１は、第１〜第３の偏光ビームスプリッタ６９Ｒ，６９Ｇ，６９Ｂより入射された変調光を合成する。投射レンズ７２がこの合成光をスクリーン７３に投射する。
【００６６】
　図１０は、反射型液晶パネル７０Ｒ，７０Ｇ，７０Ｂ（７０と省略する）の構成の一例を示す図である。
　図１０に示すように、液晶パネル７０は、シリコン基板８０と、液晶層８２と、例えば、光の入射側に配置されたガラス基板となるカバーガラス８３と、カバーガラス８３上に形成され、画素部に光を集光するマイクロレンズアレイ８４とを備えている。また、シリコン基板８０に、画素ごとに反射ミラー８１が設けられている。反射ミラー８１ａと８１ｂは、マイクロレンズアレイ８４で集光され、液晶層８２に入射した光は、液晶層８２を通過した後にその入射光を反射し、再び液晶層８２を通過し、入射側へ出射させる。
【００６７】
　このときに、各画素に印加される電界により、液晶が回転し、液晶材料の閃光性という性質により、入射光の偏光面が回転する。
　反射型液晶パネルでは、各画素の配線を、反射層の光の非入射側（光が通らない部位側）に作ることで、画素数が増えても、開口率が劣化しないという特徴がある。このため、小さなサイズの液晶パネルで、かつ多くの画素を持つことができる。
【００６８】
　マイクロレンズアレイ８４は、液晶層８２の各画素に対応して２次元的に設けられた複数のマイクロレンズ８４Ｍを有している。マイクロレンズ８４Ｍは、入射光を各画素に対応する反射ミラー８１ａ、または、８１ｂに向けて集光する。
　本実施形態において、液晶パネル７０は小型化、高精細化に対応して、画素ピッチは２０μｍ以下に設定されている。それに対応して、マイクロレンズアレイ８４は、レンズピッチ（ＬＰ）が２０μｍ以下で形成されている。
　レンズピッチは２０μｍ以下になると、マイクロレンズ８４Ｍの焦点距離のばらつき、及びレンズエッジから液晶層８２までの光学樹脂の厚さのばらつきにより、マイクロレンズアレイ８４の集光効率が変動し、スクリーン７３上に表示輝度が変動または低下する恐れがある。
　本実施形態では、各マイクロレンズ８４Ｍを回転双曲面形状で形成し、これによって、レンズピッチは２０μｍ以下の場合に、焦点距離のばらつき、及びレンズエッジから液晶層８２までの光学樹脂の厚さのばらつきがあっても、マイクロレンズアレイ８４の集光効率が大きく変動しない。
【００６９】
　マイクロレンズ８４Ｍの回転双曲面のレンズ面は、第１の実施形態と同じように、式１で定義される。また、マイクロレンズ４２Ｍの回転双曲面形状、及びマイクロレンズ８４Ｍは、球面収差がゼロとなる条件を満たしており、入射光束を球面収差が無く反射ミラー８１ａ、８１ｂに集光する。
　各マイクロレンズ８４Ｍの焦点位置が、反射ミラー８１ａ、８１ｂ位置に略一致するように構成されている。
【００７０】
　次に、以上の液晶表示装置の動作を説明する。
　ＰＳ合成素子４を出射した光は、コンデンサレンズ６５によりほぼ平行な光束に変換されて、第１の色分離ミラー６６に向けて出射される。第１の色分離ミラー６６では、コンデンサレンズ６５より出射された照明光の光路上で、例えば緑色光が反射ミラー６８に向かって反射され、残りの照明光が透過される。第２の色分離ミラー６７では、第１の色分離ミラー１３を通過した照明光の光路上で、例えば赤色光が第１の偏光ビームスプリッタ６９Ｒに向かって反射され、残りの青色光が第３の偏光ビームスプリッタ６９Ｂに入射する。
【００７１】
　第２の色分離ミラー６７で反射された赤色照明光は、第１の偏光ビームスプリッタ６９Ｒに入射される。第１の色分離ミラー６６で反射された緑色照明光は、反射ミラー６８に向かって反射され、第２の偏光ビームスプリッタ６９Ｇに入射される。また、第２の色分離ミラー６７を透過した青色照明光は、第３の偏光ビームスプリッタ６９Ｂに入射される。
【００７２】
　第１の偏光ビームスプリッタ６９Ｒでは、入射した照明光のうち、所定偏光面の照明光が第１反射型液晶パネル７０Ｒに向けて反射され、この偏光面と直交する偏光面の照明光は透過される。
　また、第１反射型液晶パネル７０Ｒでは、第１反射型液晶パネル７０Ｒに照射された光は、双曲面レンズ面の複数のマイクロレンズ８４Ｍから構成され、レンズピッチが２０μｍ以下のマイクロレンズアレイ８４によって集光され、液晶層８２を通過し、各マイクロレンズ８４Ｍに対応する画素ピッチ２０μｍ以下の画素部の反射ミラー８１ａ、８１ｂに収束され、そして、反射ミラー８１ａ、８１ｂに反射され、再び液晶層８２を通過して、空間光変調され、再び第１の偏光ビームスプリッタ６９Ｒに入射される。そして、第１の偏光ビームスプリッタ６９Ｒでは、変調光のうち偏光成分が透過されて色合成プリズム７１に出射される。
　第２の偏光ビームスプリッタ６９Ｇと第３の偏光ビームスプリッタ６９Ｂは同様に動作する。
【００７３】
　色合成プリズム７１では、第１〜第３の偏光ビームスプリッタ６９Ｒ，６９Ｇ，６９Ｂより入射された変調光が合成されて、この合成光が投射レンズ７２を介してスクリーン７３に投射される。
　これにより、それぞれ第１〜第３の反射型液晶パネル７０Ｒ，７０Ｇ，７０Ｂで形成された映像がスクリーン７３に拡大投影され、所望のカラー画像が表示される。
【００７４】
　前述したように、レンズピッチが２０μｍ以上の場合、回転双曲面マイクロレンズと回転楕円体マイクロレンズは、ほぼ同じ光学特性を示しているが、液晶パネルの小型化と高精細化に伴い、開口率、画素ピッチが小さくなるのにつれて、焦点距離が短く、レンズエッジからカバーガラス表面までの厚さが薄くなった場合は、回転楕円体マイクロレンズの集光効率が低下するのに対して、回転双曲面マイクロレンズは依然高い集光効率を維持できる。特に、レンズピッチが２０μｍ以下の場合、回転双曲面マイクロレンズは回転楕円体マイクロレンズより、顕著な効果を示しており、焦点距離のばらつき及びレンズエッジからカバーガラス表面までの厚さのばらつきに対して集光効率のマージンが大きく、カバーガラスを極薄しなくても済む。したがって、レンズピッチが２０μｍ以下の回転双曲面マイクロレンズを用いれば、高精細度表示に対応できる。
【００７５】
　本実施形態は、第１の実施形態と同じ効果を奏する。
【００７６】
　以上、本発明を好ましい実施の形態に基づき説明したが、本発明は以上に説明した実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の改変が可能である。
　第１と第２の実施形態で説明した投影型液晶表示装置の構成は一例であり、本発明は、この構成に限定されず、本発明の目的を達成できれば、他の構成でも良い。
　また、本発明は、液晶表示装置だけではなく、デジタル・ミラー・デバイス（ＤＭＤ）などのライトバルブを用いた表示装置にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る表示装置の概略構成図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る表示装置における表示素子の構成の一例を示す図である。
【図３】レンズピッチ２０μｍ以下の回転双曲面マイクロレンズについてのシミュレーション結果を示すグラフである。
【図４】レンズピッチ２０μｍ以下の回転楕円体マイクロレンズについてのシミュレーション結果を示すグラフである。
【図５】レンズピッチ２０μｍ以下の回転双曲面マイクロレンズとレンズピッチ２０μｍ以下の回転楕円体マイクロレンズの特性を比較するシミュレーションの結果を示すグラフである。
【図６】レンズピッチ２０μｍの回転双曲面マイクロレンズとレンズピッチ２０μｍの回転楕円体マイクロレンズの特性を比較するシミュレーションの結果を示すグラフである。
【図７】レンズピッチ２０μｍ以上の回転双曲面マイクロレンズとレンズピッチ２０μｍ以上の回転楕円体マイクロレンズの特性を比較するシミュレーションの結果を示すグラフである。
【図８】レンズピッチ２０μｍ以上の回転双曲面マイクロレンズとレンズピッチ２０μｍ以上の回転楕円体マイクロレンズの特性を示す他のシミュレーションの結果を示すグラフである。
【図９】本発明の第２の実施形態に係る表示装置の概略構成図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態に係る表示装置における表示素子の構成の一例を示す図である。
【図１１】従来の表示装置における表示素子の構成の一例を示す図である。
【図１２】回転楕円面を有するマイクロレンズの光線追跡図である。
【図１３】高精細化に伴い、表示装置における表示素子構成の変化を示す図である。
【符号の説明】
【００７８】
１…光源、２…第１レンズアレイ、２Ｍ…マイクロレンズ、３…第２レンズアレイ、３Ｍ…マイクロレンズ、４…ＰＳ分離合成素子、４Ａ…位相板、５…コンデンサレンズ、６…フィールドレンズ、７…液晶パネル、８…投影レンズ、２０…光軸、４０Ａ…対向基板、４０Ｂ…画素電極基板、４１…ガラス基板、４２…マイクロレンズアレイ、４２Ｍ…マイクロレンズ、４３…樹脂、４４…カバーガラス、４５…液晶層、４６…画素電極部、４７…ブラックマトリックス、４８…ガラス基板、６６，６７…色分離ミラー、６８…反射ミラー、６９Ｒ，６９Ｇ，６９Ｂ…偏光ビームスプリッタ、７０Ｒ，７０Ｇ，７０Ｂ…反射型液晶パネル、７１…色合成プリズム、７２…投影レンズ、７３…スクリーン、８０…シリコン基板、８１…反射ミラー、８２…液晶層、８３…カバーガラス、８４…マイクロレンズアレイ、１４０Ａ…対向基板、１４０Ｂ…画素電極基板、１４１…ガラス基板、１４２…マイクロレンズアレイ、１４２Ｍ…マイクロレンズ、１４３…樹脂、１４４…カバーガラス、１４５…液晶層、１４６…画素電極部、１４７…ブラックマトリックス、１４８…ガラス基板、２００…光軸、ＬＰ…レンズピッチ、ＡＰＲ…画素開口率、ｆ…焦点距離、ＬＰ…レンズピッチ、Ｓ…レンズエッジからカバーガラスと液晶層の境界面までの光学距離。
【図１】
2004133430.tif 000005
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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