(57)【要約】【課題】入射角度の異なる複数の光線のうち、偏光解消する光線数を減少し、あるいは、偏光解消量を減少し、コントラストを向上させる。【解決手段】マイクロレンズ１８の曲率をもつ方向を一方向のみに限定したレンズ面形状にしている。曲率をもつ方向はＸ方向であり、Ｙ方向には曲率をもたない。レンズ面をこのようにすると、コントラストは５０％程度向上する。本発明では、マイクロレンズのレンズ面における屈折時に偏光解消を生じる面傾斜成分をもつ面の領域が減少されていることになる。このため、入射角度の異なる複数の光線のうち、偏光解消する光線数が減少し、あるいは、偏光解消量が減少し、これによって、コントラストが向上する効果が得られる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反射型ライトバルブ本体、および、該反射型ライトバルブ本体がもつ複数の画素の各々に対向配置したマイクロレンズのアレイを有する反射型ライトバルブ素子において、前記マイクロレンズのレンズ面は、該レンズ面の一方向に対してのみ曲率をもつことを特徴とする反射型ライトバルブ素子。
【請求項２】
反射型ライトバルブ本体、および、該反射型ライトバルブ本体がもつ複数の画素の各々に対向配置したマイクロレンズのアレイを有する反射型ライトバルブ素子において、前記マイクロレンズのレンズ面は、該レンズ面の一方向に対して曲率の分布をもつことを特徴とする反射型ライトバルブ素子。
【請求項３】
前記レンズ面の曲率は、前記レンズの中心よりも周辺が緩やかなる分布をもつことを特徴とする請求項２に記載の反射型ライトバルブ素子。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の反射型ライトバルブ素子において、前記レンズ面の曲率方向が、前記反射型ライトバルブを照明する光の振動方向（偏光軸）に一致して用いられていることを特徴とする反射型ライトバルブ素子。
【請求項５】
請求項１乃至３のいずれかに記載の反射型ライトバルブ素子において、前記レンズ面の曲率方向が、前記反射型ライトバルブを照明する光の振動方向に対して９０度となるように配置して用いられていることを特徴とする反射型ライトバルブ素子。
【請求項６】
反射型ライトバルブ本体、および、該反射型ライトバルブ本体がもつ複数の画素の各々と対向配置したマイクロレンズのアレイを有する反射型ライトバルブ素子において、前記マイクロレンズは、２つのレンズ面が積層構成され、該２つのレンズ面のうち、その一方のレンズ面は、該レンズ面の一方向に対して曲率をもつレンズ面１であり、もうひとつのレンズ面は、該レンズ面１の曲率方向と直交する方向に曲率をもつレンズ面２であることを特徴とする反射型ライトバルブ素子。
【請求項７】
請求項６に記載の反射型ライトバルブ素子において、前記２つのレンズ面の、曲率をもつ方向のいずれか一方が、反射型ライトバルブを照明する光の偏光軸に一致して用いられていることを特徴とする反射型ライトバルブ素子。
【請求項８】
反射型ライトバルブ本体、および、反射型ライトバルブ本体がもつ複数の画素の各々と対向配置したマイクロレンズのアレイを有する反射型ライトバルブ素子において、前記マイクロレンズは、レンズ面の一方向に対して曲率の分布をもつレンズ面１と、前記レンズ面の他の一方向に対して曲率の分布をもつレンズ面２を有しており、前記レンズ面１とレンズ面２の曲率をもつ方向が直交していることを特徴とする反射型ライトバルブ素子。
【請求項９】
請求項８に記載の反射型ライトバルブ素子において、前記レンズ面１とレンズ面２の、曲率の分布をもつ方向のいずれか一方が、反射型ライトバルブを照明する光の偏光軸に一致して用いられていることを特徴とする反射型ライトバルブ素子。
【請求項１０】
反射型ライトバルブ本体、および、該反射型ライトバルブ本体がもつ複数の画素の各々に対向配置したマイクロレンズのアレイを有する反射型ライトバルブ素子において、前記マイクロレンズのレンズ開口の中心をＯ、レンズの光軸をＺ軸とし、Ｐ偏光もしくはＳ偏光光の振動方向をＹ軸とするとき、前記マイクロレンズのレンズ面において、前記Ｙ軸に対し±４５度以内の領域は、前記中心Ｏが曲面のピークでＹ方向にのみ曲率を有するレンズ面であり、それ以外の領域は、前記中心Ｏが曲面のピークでＸ方向に曲率を有するレンズ面であることを特徴とする反射型ライトバルブ素子。
【請求項１１】
請求項１０に記載の反射型ライトバルブ素子において、前記複合レンズ面の、曲率を有する方向のいずれか一方が、反射型ライトバルブを照明する光の偏光軸に一致して用いられていることを特徴とする反射型ライトバルブ素子。
【請求項１２】
照明光源と、インテグレータ光学系と、直線偏光子１と、該直線偏光子１により直線偏光に偏光変換された照明光を反射する偏光分離面を有する偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）とが順次配置されてなる光学系１と、
前記偏光分離面の反射光路上に設けられた位相補償板と、ＲＧＢ分離する色分解プリズムと、該色分解プリズムの射出面に配置したＲ，Ｇ，Ｂ用反射型ライトバルブとが順次配置されてなる光学系２と、
前記直線偏光子１とクロスニコル配置され、前記ＰＢＳを透過した前記反射型ライトバルブの反射光を透過／遮断する直線偏光子２と、画素ずらし素子と、ライトバルブの像を投影する投射光学系とが順次配置されてなる光学系３と、
から成る投射型画像表示装置において、
前記反射型ライトバルブは、請求項１乃至１１のいずれかに記載の反射型ライトバルブ素子であることを特徴とする投射型画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主に、反射型ライトバルブ素子及び該反射型ライトバルブ素子を用いた投射型画像表示装置に関し、特に、ライトバルブの画素数よりもたくさんの画素数を投影表示させる画素ずらし表示手段、および、ライトバルブがもつ画素の投影像を、画面全体の投影倍率よりも小さい倍率で投影するための画素縮小投影手段を併用した液晶プロジェクタ装置に関するが、効果の有効性から透過型ライトバルブ素子を用いた場合も含めることができる。
【０００２】
【従来の技術】
マイクロレンズアレイによる画素縮小系がない一般的な画像投射装置においてもコントラスト低下の課題は存在する。その要因と対策については、たとえば特開２００３−０２１８０７号公報（特許文献１）や、特開平１０−１４２６９１号公報（特許文献２）に開示されている。これらは、偏光ビームスピリッタ（ＰＢＳ）や偏光子において、理想的には、１００％透過／反射されるべき光線の偏光状態が理想状態からずれるためにコントラストが低下するという課題に言及している。しかし、これらは、画素縮小や画素ずらし表示を行う場合におけるコントラスト低下の原因と対策には言及していない。
【０００３】
ライトバルブと、マイクロレンズアレイを積層構成した公知技術は多数あるが、それらは、ライトバルブの開口効率の向上を目的としており、画素縮小することが目的ではない。マイクロレンズアレイのレンズ開口間の隙間や、マイクロレンズアレイ板とライトバルブ面の間にクロストーク防止スリット層を設けたものが特開２０００−０４７２５８号公報（特許文献３）などに開示されているが、これは、フレア光の遮光によって画像コントラストを改善するという主旨内容のもので、光の偏光状態とコントラストについては言及されていない。
【０００４】
本発明において後述される画素ずらし素子については、たとえば、垂直配向型強誘電性液晶を用いた画素ずらし素子の構成動作、および、画素ずらし表示を行うことによる画質改善効果がＳＩＤ２００２、ＩＤＷ２００２などに開示されているが、コントラスト性能については言及されていない。
【０００５】
ライトバルブのパネル上の表示画像を、拡大光学系によってスクリーン上に投射するプロジェクタ装置において、投影像の画素数増加による投影画像の高精細化が進展している。投影画像を高精細化する最も一般的な方法は、ライトバルブの画素数そのものを増やす方法である。しかし、ライトバルブの画素数を増やすには１画素のサイズを小さくする必要がある。このことはライトバルブのコストアップに影響する。画素サイズを小さくしないで画素数を増やすにはライトバルブの面積を大きくすればよい。しかし、ライトバルブの面積を大きくして照明光学系や投射光学系を小さくするのは難しい。投射装置の小型軽量化は重要であり、ライトバルブ素子のサイズは小型化している。
【０００６】
これとは別な方法として、ライトバルブの画素数を増やすことなく、拡大投射像の画素数がみかけ上多くなるようにする方法が提案されている。
それは、ライトバルブの画素を投影する位置を、微小量ずらして投影表示する方法である。この方法を以下、画素ずらし表示と称する。
【０００７】
画素ずらし表示を行うには、画素ずらし表示をしない場合の１フレームの表示情報を２つ以上のサブフレーム表示情報に分割し、分割したサブフレームの表示情報を、表示位置をわずかにずらして投影する。
【０００８】
ずらし方としては、サブフレームで構成された複数の別なる画面を静的に重ねて投影する方法と、これらを時分割で投影表示する方法がある。ずらす量は投影画素のサイズよりも小さくする。画素の半分位ずらすのが良い。
【０００９】
ずらす方法としては、静的な重ね合わせ投影表示の場合には、複数の投射装置を用いて、その各々が分割したサブフレームの画像を投影するという方法がある。動的に時分割投影表示の場合には、アクティブな画素ずらし手段をもってサブフレーム画像を時分割投影表示する。
【００１０】
時分割投影表示する場合には、画像の投影位置を、画像を表示する周波数よりも高速に、投影面上で移動させている。標準的なフレーム周波数を６０Ｈｚとすると、２つのサブフレームに分割して画素ずらし表示する場合には、各サブフレームの表示周波数は１２０Ｈｚとなる。同様に、４つのサブフレームに分割して画素ずらし表示する場合には、各サブフレームの表示周波数は２４０Ｈｚとなる。
【００１１】
画像の表示位置を移動させる方法としては、例えば、光透過性基板、ＩＴＯ電極層、液晶層、ＩＴＯ電極層、光透過性基板の積層構成素子を投射系の光路中におき、液晶層にＩＴＯ電極によって電界を印加する方法により液晶の配向方向を電気的にスイッチングさせ、液晶層中を通過する光路を複屈折効果によって平行シフトさせる方法がある。垂直配向型強誘電性液晶の長軸の方向を、光軸に対し、光軸を含む面内で±に傾くようにスイッチング動作させることにより、液晶層を通過する光線の出射位置を、光軸を含む面内で±にシフト動作させることができる。このような画素ずらし素子に関する説明の詳細は特開２００２−２１４５７９号公報（特許文献４）に記載されている。このほかの方法によっても画素ずらし表示は可能であり、多くの開示例がある。
【００１２】
ところで、ライトバルブの画素を投影表示するとき、投影表示されるライトバルブの画素像の大きさは、通常のプロジェクタ装置においては、画素サイズ×投影倍率である。このときには、隣接する画素の像はほぼ隙間なく投影されている。厳密には、ライトバルブの画素間に隙間があるので、隙間の領域は黒く表示されているが、黒く表示されている領域は画素と比べればはるかに細い。この状態において画素ずらし表示を行うと、隣接する画素同士の像が重なることになる。このため、輪郭のぼけた画像になる。輪郭のぼけは画像の濃淡差の大きいところにおいて特に顕著である。文字や図面などエッジが目立つ画像を表示する場合にこのぼけが目立つことになる。
【００１３】
上述の画像ぼけを改善する方法として、投影面上の画素の大きさを縮小する方法がある。以下、画素縮小表示と称する。
【００１４】
画素縮小表示というのは、投影画面そのもののサイズを縮小することではない。画素の像の大きさのみが縮小されるものである。画素の像の大きさのみが縮小表示されると、隣接する画素の像同士は隙間を以って投影された状態となる。この状態にて画素ずらしを行うと、隣接する画素像の重なりの問題を解消できる。これにより、画像のぼけが解消される。
【００１５】
上記の画素縮小表示を実現する手段として、ライトバルブの画素の各々に対してマイクロレンズを配置した構成手段がある。すなわち、マイクロレンズアレイをライトバルブの画素配列と等しく構成し、ライトバルブと対向配置させる構成手段である。マイクロレンズアレイとライトバルブを接着層によって固定する構成が好ましい。マイクロレンズの焦点距離、接着層の屈折率、層厚などのパラメータを適切に設計すると、マイクロレンズの手前側からライトバルブに向けて照明することにより、ライトバルブの画素の縮小像を中間像として生成することができる。ライトバルブが反射型の場合には、縮小像はライトバルブの手前側にできる。この縮小像の位置と投影面が光学的に共役な関係になるように投射光学系を配置すると、この縮小像を拡大投影することができる。
【００１６】
図１２は、上述のプロジェクタ光学系の構成をさらに詳細に説明するための図で、照明光源１からの光は、インテグレータ光学系２、偏光変換素子３を通してＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）４に入射され、該ＰＢＳ４の偏光分離面５で反射され、リターダー６を通過し、色分解／合成素子７によって、Ｒ、Ｇ、Ｂの３色に色分離される。ここで、Ｒとは赤、Ｇとは緑、Ｂとは青のことである。色分離された３色の照明光の各々は、画素縮小光学系８（８Ｒ，８Ｇ，８Ｂ）を介し、反射型ライトバルブ９（９Ｒ，９Ｇ，９Ｂ）に至る光学系を構成する。これを、ここでは往路光学系と称する。偏光変換素子３として１／２λ板が用いられる。リターダー６は位相補償素子のことであり、１／４λ板が用いられる。
【００１７】
また、前記反射型ライトバルブ９の反射光が、画素縮小光学系８、色分解／合成素子７、リターダー６、偏光ビームスプリッタ４の順に戻り、偏光分離面５を透過／反射し、透過光は偏光変換素子１０、画素ずらし素子１１、投射光学系１２を介して、投影面に至る光学系を構成する。これを、ここでは復路光学系と称する。往路光学系と復路光学系は同一の素子を共有している。上記偏光変換素子１０は偏光変換素子３に対してクロスニコル配置としている。
【００１８】
図１３及び図１４は、上記の画素縮小光学系８および反射型ライトバルブ９の断面構成を示す図で、図中１３はマイクロレンズ基板、１４はマイクロレンズアレイであり、光透過性材料が用いられる。１５は接着層、１６は反射型ライトバルブ９の液晶層、１７はライトバルブ基板、画素縮小系８と反射型ライトバルブ９は接着層１５によって接着されている。図１３および１４におけるＺ軸は照明光束の光軸方向にとっている。
【００１９】
マイクロレンズアレイ１４を構成する個々のマイクロレンズ１４は反射型ライトバルブ９の反射面１７上にある画素と１対１に対応するように構成配置されている。なお、図１３および図１４におけるマイクロレンズの数は概念的なものであり、実際の数は反射型ライトバルブ９の画素数に相当する。また、各層の厚さもここでは模式的表現になっているが、たとえば、マイクロレンズ１４の厚さは１０ミクロン程度である。
【００２０】
図１５は、図１３及び図１４に示した画素縮小系８及び反射型ライトバルブ９を通る光学系を説明するための図で、まず、往路において、照明光は画素縮小系８にいたる。画素縮小系８は複数のマイクロレンズの開口を有しており、照明光束は開口分割される。各々のマイクロレンズ面にて照明光は集光作用をうけ、接着層１５、液晶層１６を介して、反射型ライトバルブ９の画素面にいたる。
【００２１】
復路においては、反射型ライトバルブ９の画素面で反射し、液晶層１６、接着層１５、画素縮小光学系８を再度通過する。反射型ライトバルブ９の画素の縮小像が、各マイクロレンズ１４Ｍのレンズ面よりも図１５の上側に生成されるようにする。さらに、この縮小像の位置と投影面の位置が光学的に共役になるように、復路の投射光学系を配置する。これにより、縮小された画素の像が投影面に投影表示される。
【００２２】
図１５に示した光学系は、光線が図の上から下に向かってマイクロレンズの光軸と平行に入射された場合の光路を模式的に示している。実際には照明光のなかには非平行な光線成分が存在するため、結像位置Ｉ−１における像は所定の大きさをもつことになる。なお、画素縮小像位置Ｉ−１と投影面の光学的共役関係については容易に理解されるので図による説明を省略する。
【００２３】
上記光学配置において、反射型ライトバルブ素子９の液晶層１６は入／反射光の偏光を回転させる機能をもつ。これによって、復路光学系の色合成素子７、リターダー６、ＰＢＳ４、偏光変換素子１０を透過する光量を変える。すなわち、投影表示画像の明暗を制御する。
【００２４】
ここで、ライトバルブ素子９のオン／オフ時、すなわち、明／暗状態における投影画面上のコントラストについては、以下に述べるような、コントラスト低下の課題がある。
【００２５】
コントラストが低下する要因は、画素縮小系がない状態においても存在しており、その要因と対策については、たとえば、特開２００３−０２１８０７号公報（特許文献５）や、特開平１０−１４２６９１号公報（特許文献６）などにおいて開示されている。これらでは、ＰＢＳや偏光子において、理想的には１００％透過／反射されるべき理想的な偏光状態からずれている光線成分があるためにコントラストが低下するとの課題を提示し、その解決方向について言及している。しかしながら、これらの開示例においては、画素縮小表示を行う場合におけるコントラスト低下の原因と対策には言及されていない。広義に表現すればマイクロレンズ系が介在することに起因するコントラスト低下については言及されていない。
【００２６】
以上に例示した光学系において、光軸をＺ軸、Ｓ偏光方向をＹ軸、Ｐ偏光方向をＸ軸とし、偏光変換素子３と偏光変換素子１０は通常クロスニコル配置としている。照明光源１がランプである場合、照明光は無偏光である。これを、偏光変換素子３を通過した後に直線偏光に偏光変換している。ここでの直線偏光をＳ偏光とすると、その偏光状態を維持したままＰＢＳ４の偏光分離面５で反射し、反射型ライトバルブ９に至り、復路におけるライトバルブのオン時にはＰ偏光、オフ時にはＳ偏光の状態で、ＰＢＳ４の偏光分離面５に戻れば、理想的なコントラスト特性が得られるはずである。しかし、実際には、往路、復路の各々の素子において偏光回転が生じて偏光軸が傾き、さらには、楕円偏光化し、余計な偏光成分が発生するために、消光比が下がってしまう。つまりは、コントラストが低下してしまう。しかし、特開２００３−０２１８０７号公報（特許文献５）や、特開平１０−１４２６９１号公報（特許文献６）の構成条件をとれば、上記の原因によるコントラスト低下が改善されると記載されている。
【００２７】
しかしながら、マイクロレンズを用いた画素縮小系が追加された場合には、事情が異なる。曲率半径が数１０ミクロンレベルのマイクロレンズが介在する場合には、偏光解消によってコントラスト（消光比）が低下する。
【００２８】
図１６は、偏光解消（ｄｅ−ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）について説明するための図で、図１６（Ａ）に示すようなレンズの円形断面図において、レンズの中心を通る紙面直交方向に光軸をとり、レンズ面を含む面にＸ軸とＹ軸を定義した場合において、たとえば、図１６（Ｂ）に示すように、Ｙ軸と同一方向に振動面をもつ直線偏光光が入射すると、光線入射位置の座標がＸ≠０、Ｙ≠０の位置では、偏光軸、偏光の振動面が傾く。Ｘ軸から４５度の位置に入射した場合の入射位置Ｍを図示すると、Ｍにおいて光軸とＭのつくる面が入射面となるので、図示されるように、半径方向がＰ成分、これに直交する方向がＳ成分になる。反射防止膜がついている場合には、偏光軸が傾くだけでなく、位相差の発生を伴うために楕円偏光化（図１６（Ｃ））することが、光の鉛筆（非特許文献１）に記載されている。
【００２９】
しかしながら、通常のレンズにおいて偏光解消が問題になることは稀である。それは一般的な光学装置においては、使用されるレンズ面の曲率半径がマイクロレンズの場合に比べて大きく、また、使用するレンズ周縁部の面の傾きがさほどきつくない形状のレンズであることが多く、レンズ面への光線入射角度が比較的小さいことや、偏光特性が装置性能上の問題とならないケースが多いためで、これらのケースにおいては、偏光解消が問題になることはほとんどないといってよい。
【００３０】
偏光解消が問題になる装置としては、偏光顕微鏡の例がある。偏光顕微鏡においては、ＮＡが大きく明るい対物レンズを通過すると光の偏光情報の乱れが顕著になるので、これを補正しなければならないが、偏光顕微鏡の場合にはレクティファイアによる対策があり、光の鉛筆（非特許文献１、１９５ｐ）などにも紹介されている。しかしながら、レクティファイアの構成対策がとれるのは光学系が透過系の場合に限られている。反射型ライトバルブを使用する光学系は再帰光学系なので、レクティファイアの構成対策がとれない。よって、別なる対策を考える必要がある。
【００３１】
それゆえに、本発明において提示している課題は特異的な課題であり、本課題に言及した公知例がないのが現状である。
【００３２】
【特許文献１】
特開２００３−０２１８０７号公報
【特許文献２】
特開平１０−１４２６９１号公報
【特許文献３】
特開２０００−０４７２５８号公報
【特許文献４】
特開２００２−２１４５７９号公報
【特許文献５】
特開２００３−０２１８０７号公報
【特許文献６】
特開平１０−１４２６９１号公報
【非特許文献１】
鶴田匡夫著「光の鉛筆」新技術コミュニケーションズ刊、１９８８年８月２０日、ｐ．１８６−１９６、図２５．５
【００３３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、マイクロレンズを併用した反射型ライトバルブ素子、及び、上述した画素縮小機能と画素ずらし表示機能をもつ投射型画像表示装置において、コントラストの改善に適した反射型ライトバルブ素子および画像表示装置を提供することを目的とする。
【００３４】
なお、厳密には反射型ライトバルブ素子とマイクロレンズを主体とする画素縮小素子は別個の素子ととらえることができる。しかし、通常、反射型ライトバルブの画素とマイクロレンズをペアで用いているので、両者は一体的な構成で機能しているととらえることができる。そこで、以下においては、反射型ライトバルブ素子は画素縮小光学系を含めたものとして説明するが、画素縮小機能のない反射型ライトバルブ素子、たとえば、開口効率の向上を目的としてマイクロレンズアレイを併用する場合、あるいは、画素縮小機能が得られる構成でマイクロレンズアレイを使用する場合における画素縮小素子部のみの構造も、以下に述べる理由から、本発明の対象範囲である。
【００３５】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、少なくとも、反射型ライトバルブ素子本体、および、前記反射型ライトバルブ素子本体がもつ複数の画素の各々と対向配置したマイクロレンズのアレイを有する反射型ライトバルブ素子において、前記マイクロレンズのレンズ面は、前記レンズ面内の一方向に対して曲率をもっていることを特徴とする、反射型ライトバルブ素子である。
【００３６】
第２の発明は、少なくとも、反射型ライトバルブ素子本体、および、前記反射型ライトバルブ素子本体がもつ複数の画素の各々と対向配置したマイクロレンズのアレイを有する反射型ライトバルブ素子において、前記マイクロレンズのレンズ面は、前記レンズ面内の一方向に対して曲率の分布をもっていることを特徴とする、反射型ライトバルブ素子であり、曲率の分布をもっているという点において第１の発明とは異なるものである。
【００３７】
第３の発明は、第２の発明において、前記レンズ面内の曲率が、前記レンズの中心よりも周辺が緩やかな分布をもっていることを特徴とする、反射型ライトバルブ素子である。
【００３８】
第４の発明は、第１乃至３のいずれかに記載される反射型ライトバルブ素子において、前記レンズ面の曲率が変化する方向を、前記反射型ライトバルブ素子を照明する光の偏光軸に一致させて用いることを特徴とする、反射型ライトバルブ素子である。
【００３９】
第５の発明は、第１乃至３のいずれかに記載される反射型ライトバルブ素子において、前記レンズ面の曲率が変化する方向を、前記反射型ライトバルブ素子を照明する光の偏光軸と９０度傾けて用いることを特徴とする、反射型ライトバルブ素子である。
【００４０】
第６の発明は、少なくとも、反射型ライトバルブ素子本体、および、前記反射型ライトバルブ素子本体がもつ複数の画素の各々と対向配置したマイクロレンズのアレイを有する反射型ライトバルブ素子において、前記マイクロレンズは、前記レンズ面内の一方向に対して曲率をもっているレンズ面１と、該レンズ面１の曲率をもっている方向と直交する方向に曲率をもつレンズ面２を具備してなることを特徴とする、反射型ライトバルブ素子である。
【００４１】
第７の発明は、第６に記載の前記２つのレンズ面の、曲率をもつ方向のいずれか一方を、前記反射型ライトバルブ素子を照明する光の偏光軸に一致させて用いることを特徴とする、反射型ライトバルブ素子である。
【００４２】
第８の発明は、第７に記載の反射型ライトバルブ素子において、前記レンズ面１ないしレンズ面２の少なくとも一方が曲率の分布を有してなる、すなわち、レンズ面内の曲率が一様でないことを特徴とする、反射型ライトバルブ素子である。
【００４３】
第９の発明は、第８に記載の反射型ライトバルブ素子において、前記２つのレンズ面の、曲率の分布をもつ方向のいずれか一方を、前記反射型ライトバルブ照明光の偏光軸に一致させて用いることを特徴とする、反射型ライトバルブ素子である。
【００４４】
第１０の発明は、少なくとも、反射型ライトバルブ本体、および、前記反射型ライトバルブ本体がもつ複数の画素の各々に対向配置したマイクロレンズのアレイを有する反射型ライトバルブ素子において、前記マイクロレンズのレンズ開口の中心をＯ、レンズの光軸をＺ軸とし、Ｐ偏光、もしくは、Ｓ偏光の振動方向をＹ軸方向とするときに、前記マイクロレンズのレンズ面において、前記Ｙ軸に対し±４５度以内の領域は、前記中心Ｏが曲面のピークでＹ方向にのみ曲率を有するレンズ面であり、それ以外の領域は前記中心Ｏが曲面のピークでＸ方向に曲率を有するレンズ面であることを特徴とする反射型ライトバルブ素子である。
【００４５】
第１１の発明は、第１０の反射型ライトバルブ素子において、前記レンズ面の、曲率をもつ方向のいずれか一方を、前記反射型ライトバルブ素子を照明光の偏光軸に一致させて用いることを特徴とする、反射型ライトバルブ素子である。
【００４６】
第１２の発明は、照明光源と、インテグレータ光学系と、直線偏光子１と、直線偏光子１により直線偏光に偏光変換された照明光を反射する偏光分離面を有する偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）とが順次配置されてなる光学系１と、前記偏光分離面の反射光路上に設けた位相補償板と、ＲＧＢ分離する色分解プリズムと、色分解プリズムの射出面に配置したＲ，Ｇ，Ｂ用反射型ライトバルブ素子とが順次配置されてなる光学系２と、前記直線偏光子１とクロスニコル配置し、前記ＰＢＳを透過した前記反射型ライトバルブの反射光を透過／遮断する直線偏光子２と、画素ずらし素子と、反射型ライトバルブ素子の表示像を投影する投射光学系とが順次配置されてなる光学系３とから成る投射型画像表示装置において、前記反射型ライトバルブは、前記第１乃至１１のいずれかに記載の反射型ライトバルブ素子であることを特徴とする、投射型画像表示装置である。
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施形態につき、従来技術と比較しながら説明する。
従来の画素縮小機能を備えた反射型ライトバルブ素子においては、マイクロレンズの曲率面は、レンズの光軸と垂直な面内で一様な曲率を有しているものが提案されている。この構成の曲率面に対して光線が入射するとき、光線は曲率面において屈折するが、このときに、光線が入射する位置や角度によって、偏光解消の発生のしかたは異なっている。ここでいう偏光解消とは、上述したように、レンズ面に入射する光線が例えばＳ偏光（直線偏光）であった場合に、レンズ面における屈折に伴い、偏光角度の回転が生じる現象のことをいう。偏光回転した光線は、レンズ面の後（光の進行方向）に、屈折率の異なる媒質境界があれば、この境界面において、さらに偏光性が変化し、楕円偏光化する。偏光回転し、かつ、楕円偏光化した光線は、反射型ライトバルブ素子の液晶のスイッチングによって反射光線の偏光を制御しても、本来はリターダー偏光子やＰＢＳの偏光分離面で透過すべき成分が反射し、あるいは反射すべき成分が透過してしまうために、コントラストが低下する。
【００４７】
ここで、ランプ光源を用いる場合、発光体が有限体積体であり、アーク長が有限の長さを有するために、レンズ面への光線入射角度は一様ではなく、所定の角度内に分布している。すなわち、レンズ面に入射する光線はレンズの光軸に対して一様に平行ではない。このように光線入射角のファクタが加わると、偏光解消はより顕著になる。
【００４８】
特に、マイクロレンズ系を含む反射型ライトバルブ素子の場合、マイクロレンズの曲率面の曲率半径を数１０ミクロン程度とし、光線がマイクロレンズ開口周縁部にも入射すると、上記の偏光解消によるコントラスト低下は顕著になる。
【００４９】
繰り返しになるが、レンズ面内における偏光解消は、レンズの周縁部の方が中心部よりもその度合いが大きい。つまり、周縁部の方がレンズ面に対する入射角度が大きくなることと、偏光解消が大きくなることとは関連性がある。このことは、マイクロレンズの曲率半径を変えた場合のコントラストの比較によって確認することができる。すなわち、曲率半径が小さい場合の方がコントラストは低下する。
【００５０】
このことから、マイクロレンズの曲率を緩めることによって偏光解消量を少なくすることができることはわかる。しかし、曲率をゆるくすると画素縮小効果が低くなるので、画素ずらし表示する際の画像ぼけの問題が浮上する可能性がある。
【００５１】
これに対し、本発明では、図１に示すように、マイクロレンズ１８の形状をマイクロレンズ１８の曲率をもつ方向を一方向のみに限定したレンズ面形状にしている。図１において、曲率をもつ方向はＸ方向であり、Ｙ方向には曲率をもたない。レンズ面をこのように変更すると、コントラストは５０％程度向上する。本発明では、マイクロレンズのレンズ面における屈折時に偏光解消を生じる面傾斜成分をもつ面の領域が減少されていることになる。このため、入射角度の異なる複数の光線のうち、偏光解消する光線数が減少する。あるいは、偏光解消量が減少する。これによって、コントラストが向上する効果が得られる。
【００５２】
図１に示すようなレンズ面形状にすると、マイクロレンズのレンズ光軸をＺ軸としたときに、入射光線の振動面をＹ軸と平行にとると、Ｙ方向の入射角がゼロである入射光線は偏光解消しなくなる。また、レンズ面の曲率のピークを結んだ稜線１９上に入射する光線はＹ方向の入射角がゼロか、Ｘ方向の入射角がゼロのいずれかの条件を満たせば偏光解消しない。
【００５３】
これに対し、通常のレンズ面の場合には、偏光解消が発生しない領域は、レンズ中心を通るＸ軸上に入射し、入射角のＹ成分がゼロの条件、あるいは、レンズ中心を通るＹ軸上に入射し、入射角のＸ成分がゼロの条件を満たす光線のみであり、それ以外の光線は偏光解消する。以上の比較から、図１に示すレンズ形状の方が、偏光解消しない光線条件が広いことがわかる。
【００５４】
図１において、レンズ面は＋Ｚ方向に標記されている。このとき、光線は−Ｚ方向から入射させた方がよい。照明光は所定の角度分布をもっているが、これらを−Ｚ側から入射させると、光線はレンズ媒質と空気層の境界で屈折する。レンズ媒質の屈折率は空気の屈折率よりも大きいので、レンズ媒質中における照明光の角度分布は狭くなる。このことによって、レンズ面において発生する偏光解消を少なくする効果がある。その理由について以下に説明する。
【００５５】
図１のレンズ面において、図１のＸＺ面上に存在する光線は、Ｘ方向の入射角成分をもっていても偏光解消を生じない。一方、Ｙ方向の入射角成分がある光線は偏光解消する。これらの光線は、Ｙ方向の入射角成分が少ないほど、偏光解消が少なくなる。つまり、先に述べたように、空気層からレンズ面に光線を入射させるよりも、レンズ媒質中からレンズ面に光線を入射させた方が、光線入射角は小さくなるので、偏光解消を発生するＹ方向成分も少なくなり、コントラストは２０％程度向上する。
【００５６】
図１のマイクロレンズ１８は、実際には、図２に示すように、アレイ状に構成される。個々のマイクロレンズ１８が、反射型ライトバルブ素子の画素と対に構成される条件は、従来と同一である。なお、図２は模式図であり、実際のマイクロレンズ数は反射型ライトバルブ素子の画素数と同一である。
【００５７】
なお、図１のレンズ面を使用する場合、その曲率方向と入射光線の振動方向の配置関係によってもコントラストに差がでる。好ましい配置条件は、振動方向と一致させるか、９０度回転させた２つの状態である。比較例として、入射光線の振動方向をＹ軸と４５度回転して入射した場合、偏光解消しない光線は、図１の稜線１９上に入射し、入射角のＸ成分がゼロの条件を満たす光線のみとなる。
【００５８】
また、図３の２０の領域に示されるように、マイクロレンズ１８の中央部の曲率半径に対し、周縁部の曲率が緩い非球面形状にすると、球面の場合よりコントラストはさらに１０％程度向上する。非球面化によって、レンズ周縁部の光線入射角を小さくすると偏光解消作用が抑制され、コントラストが向上する。
【００５９】
図４ではレンズ面の曲率のある方向がＹ方向になっている。このレンズ面を図５のようにアレイ化する。
【００６０】
以上は、マイクロレンズのレンズ面が１つである場合を例に説明した。この構成では、ライトバルブの画素を縮小投影する作用は１方向のみに限定されている。たとえば、図１の場合、画素縮小効果はＸＺ面内においてのみ得られる。
画素ずらし表示する場合には、画素ずらしする方向を１方向とし、画素縮小方向と画素ずらしする方向を一致させる。
【００６１】
ところで、画素ずらし素子を光軸方向に２段化して交互に光路シフト動作を行うことによって、ＸＹの２方向の画素ずらし表示を行うことができる。この場合には、図１のようなレンズ面形状であると、レンズ集光効果のない方向には画素縮小されていないので、投影像における隣接画素同士が重なる。
【００６２】
ＸＹ２方向に画素ずらし表示する場合には、以上に説明した形状のレンズ面を、互いの光軸を一致させて、光軸方向に２段構成し、互いのレンズ面の曲率方向を直交配置させると、ＸＹ２方向に対する画素縮小効果が得られるので、上記の隣接画素像の重なり現象を回避できる。
【００６３】
図６において、第１のレンズ面１８ＡはＸ方向にのみ曲率をもち、第２のレンズ面１８ＢはＹ方向にのみ曲率をもつ。図６は、レンズ面１８Ａと１８Ｂを、レンズ面の開口中心を一致させて対向配置した構成を示している。なお、図６における２１はライトバルブの画素を示すものである。
図１２は、図１１に示したレンズをアレイ化した模式図を示したものである。
【００６４】
図６の変形例として、１８Ａと１８Ｂのレンズ面が向かい合うように配置する構成は、上述したように、レンズ面への光線入射角度範囲が狭くなるので、好ましい構成である。
さらに、上記の直交配置に加えて、少なくとも一方のレンズ面の曲率がレンズ中心より周辺の方がゆるい形状にすれば、コントラストは１０％程度向上する。
【００６５】
次に、レンズ面１と２の一部を一体的に複合化した構成について説明する。図８に示すように、レンズの開口中心をＯ、レンズ光軸をＺ軸方向とする。このとき、図９に示すように、レンズ開口面の±４５度内の領域２２と２３はＹ方向に曲率を有する曲面とし、それ以外の領域２４と２５をＸ方向に曲率を有する曲面とする。このようにすると、４つのレンズ面領域からなる連続で切れ目ない複合レンズ面ができる。図９は、ひとつのマイクロレンズの面を表わすものであり、ライトバルブ素子に対しては図１０に示すようにアレイ状に配列して使用されることはいうまでもない。
【００６６】
上述のようにして得られた複合レンズ面は、光線をＸＹ２軸方向に集光する作用をもつ。また、Ｘ軸方向の光線屈折が生じる面と、Ｙ軸方向の光線屈折が生じる面の位置は、光軸Ｚ方向に対してずれていない。よって、光線の集光位置をＸＺ面内とＹＺ面内に分離して考えるとき、それぞれの集光位置はそろえやすくなり、同一の焦点距離にすることができ、また、同一の集光角度にすることができる。このため、画素縮小した中間像を投射光学系で投影する場合にも、得られる像性能のＸ方向とＹ方向の対称性がよくなる。
【００６７】
また、レンズ面１とレンズ面２を光軸方向に積層構成した場合には、たとえばレンズ面１を通過する際には偏光解消がほとんどなくても、次にレンズ面２を通過する際に偏光解消がおこる。これは、レンズ面１における屈折によって光線が屈折して進行方向が変わることにより、レンズ面２に対する光線入射角が、偏光解消をおこす成分をもつようになることがあるためである。レンズ面１と２を積層化するとこのような理由で偏光解消をおこす光線数が増える。これに対し、レンズ面１と２を複合構成した場合にはこのようなことはおこらない。
上述した新規な反射型ライトバルブ素子を用いて投射型画像表示装置を構成することができる。かかる装置においては画素ずらし表示を行うことができる。
【００６８】
図１１は、本発明によるプロジェクタ光学系の一実施例を説明するための図であるが、その構成は前述の図１２に示した構成とほぼ同じである。図１２の構成動作についてはすでに説明したとおりである。図１１と図１２の相違点は、画素縮小光学系８にある。画素縮小光学系８を構成するマイクロレンズの面形状については、すでに述べたように、本発明では従来の球面とは異なる面が使用されている。
【００６９】
上記画素ずらし表示方式のプロジェクタ装置において、ライトバルブとペアで構成される画素縮小素子のマイクロレンズの面形状をこれまでに説明した形状に変更することによって、コントラストは５０％以上向上する。
【００７０】
上記のほか、反射型ライトバルブ素子を１枚だけ使用するフィールドシーケンシャル型プロジェクタエンジンにおいても、同様に、偏光解消に伴うコントラスト低下を抑制する効果はある。フィールドシーケンシャル方式は、ダイクロイックプリズムないしダイクロイックミラーが不要なこと、時分割回転カラーフィルタを使用すること、画素ずらし表示のタイミングが変わることなどの違いがあるが、これらの差異は、偏光解消に伴うコントラスト低下とは関係がなく、マイクロレンズを使用していることにより偏光解消がおこることにかわりない。
【００７１】
このほか、ライトバルブが透過型である場合においても同様に偏光解消の抑制効果が得られる。この場合にも、偏光解消がおこる原因となるマイクロレンズを使用する点で共通しているので、本発明によるコントラスト向上の効果は透過型ライトバルブにおいても得られる。
【００７２】
透過型ライトバルブで画素縮小を行うには、画素縮小を行うためのマイクロレンズをライトバルブの光線出射側に設ける。この場合、光はマイクロレンズを１回だけ通過するので、偏光解消は反射型ライトバルブの場合と比較すればおこりにくい。反射型の場合には、往路で生じた復路でもマイクロレンズを通るので偏光解消がさらに大きくなる。このことから、透過型の方が偏光解消によるコントラストの低下は少ない。しかし、それでも、マイクロレンズ通過時に偏光解消はおこるので、上述の新規なるマイクロレンズを用いたライトバルブ構成による対策は有効である。
【００７３】
また、透過型ライトバルブの場合、画素縮小の目的とは別に、ライトバルブの開口効率・光利用効率を上げるという目的から、ライトバルブの、照明光源に近い側の面の手前にマイクロレンズをおくことが多い。この場合にはライトバルブの前後でマイクロレンズを光線が通過するので、偏光解消は大きくなり、本発明による効果はさらに有効である。
【００７４】
【発明の効果】
マイクロレンズのレンズ面は、レンズ面の一方向に対してのみ曲率をもつことを特徴としているので、従来の球面マイクロレンズ形状よりも偏光解消作用が抑制され、コントラストが向上する。
【００７５】
マイクロレンズのレンズ面は、レンズ面の一方向に対して曲率の分布をもつことを特徴としているので、レンズ面の周縁部における光線入射角が小さくなることによって特にレンズ周縁部の偏光解消作用が抑制され、これにより、コントラストは更に向上する。
【００７６】
プロジェクタ装置への適用を考えた場合、ライトバルブへの入射光線は直線偏光化されている。この場合には、偏光方向に対しマイクロレンズの曲率面の方向を揃えるか直交させることによって、マイクロレンズ面で発生する偏光解消を少なくすることができ、これにより、ライトバルブのオン／オフにおけるコントラストは更に向上する。
【００７７】
投影面内の２方向に画素ずらしを行う場合にも、ライトバルブの画素像の縮小効果がＸＹ２方向に対して得られているので、１枚レンズ構成時よりも画質が改善する。また、偏光解消作用を受けにくい点において従来の球面マイクロレンズのレンズ面の場合よりも優れているのでコントラストも向上する。
【００７８】
２つのレンズ面の、曲率をもつ方向のいずれか一方が、反射型ライトバルブを照明する光の偏光軸に一致して用いられていることによって、コントラストを最もよくすることができる。
【００７９】
レンズ面１とレンズ面２の曲率をもつ方向が直交しているので、各レンズ面の周縁部における光線入射角が小さくなり、特に、レンズ周縁部の偏光解消作用が抑制され、これにより、コントラストは更に向上する。
【００８０】
レンズ面１とレンズ面２の、曲率の分布をもつ方向のいずれか一方が、反射型ライトバルブを照明する光の偏光軸に一致して用いられていることによって、コントラストを最もよくすることができる。
【００８１】
マイクロレンズのレンズ面において、Ｙ軸に対し±４５度以内の領域は、レンズ中心Ｏが曲面のピークでＹ方向にのみ曲率を有するレンズ面であり、それ以外の領域は、レンズ中心Ｏが曲面のピークでＸ方向に曲率を有するレンズ面であることを特徴としているので、曲率の存在するレンズ面位置が光軸方向にずれていないので、ライトバルブの画素縮小像の位置をあわせやすくなるばかりでなく、偏光解消がおこりにくく、投影表示画像のコントラストは向上する。
【００８２】
複合レンズ面の、曲率を有する方向のいずれか一方が、反射型ライトバルブを照明する光の偏光軸に一致して用いられているので、入射光線の偏光方向がレンズ面の曲率が存在する方向に一致もしくは直交し、最も高いコントラストがえられる。
【００８３】
従来の画素ずらし方式の投射光学装置と比較して、偏光解消抑制効果が得られるので、ライトコントラスト特性の改善された画像投射表示装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるマイクロレンズの一実施例を説明するための概略斜視図である。
【図２】図１に示したマイクロレンズをアレイ化した場合の一例を示す模式図である。
【図３】本発明によるマイクロレンズの他の実施例を説明するための図である。
【図４】本発明によるマイクロレンズの他の実施例を説明するための図である。
【図５】図４に示したマイクロレンズをアレイ化した場合の一例を示す模式図である。
【図６】本発明によるマイクロレンズの他の実施例を説明するための図である。
【図７】図６に示したマイクロレンズをアレイ化した場合の一例を示す模式図である。
【図８】レンズの開口中心と光軸との関係を示す図である。
【図９】本発明による複合レンズ面を有するマイクロレンズの一例を示す図である。
【図１０】図９に示したマイクロレンズをアレイ化した場合の一例を示す模式図である。
【図１１】本発明による反射型ライトバルブ素子を備えた投射型画像表示装置の一例を説明するための図である。
【図１２】従来の反射型ライトバルブ素子を備えた投射型画像表示装置の一例を説明するための図である。
【図１３】従来の画素縮小系および反射型ライトバルブのＸ−Ｚ断面構成を示す図である。
【図１４】従来の画素縮小系および反射型ライトバルブのＹ−Ｚ断面構成を示す図である。
【図１５】マイクロレンズの動作説明をするための光線図である。
【図１６】マイクロレンズの偏光解消について説明するための図である。
【符号の説明】
１…照明光源、２…インテグレータ光学系、３…偏光変換素子、４…偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）、５…偏光分離面、６…リターダー、７…色分解／合成素子、８（８Ｒ，８Ｇ，８Ｂ）…画素縮小光学系、９（９Ｒ，９Ｇ，９Ｂ）…反射型ライトバルブ、１０…偏光変換素子、１１…画素ずらし素子、１２…投射光学系、１３…マイクロレンズ基板、１４…マイクロレンズアレイ、１５…接着層、１６…液晶層、１７…ライトバルブ基板、１８（１８Ａ，１８Ｂ）…レンズ面、１９…稜線。
【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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【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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