(57)【要約】【課題】光源からの入射光をロスなく集光でき、かつコントラストの高い液晶デバイスを構成することができるレンズアレイを提供する。【解決手段】ＴＦＴ基板３２と対向基板３３との間にツイステッドネマティック型の液晶３４を挟み込んでいる。対向基板３３内には、マイクロレンズアレイ４６が形成されており、マイクロレンズアレイ４６を構成する各マイクロレンズ４７は回転非球面状をしていて、その光学中心軸Ｆは液晶３４の明視方向に傾けられている。【選択図】      図１２
2005070157.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のレンズからなる、液晶表示装置に用いるためのレンズアレイであって、
前記レンズは、回転非球面レンズであって、その光学中心軸がレンズ配列面に垂直な方向から傾いていることを特徴とするレンズアレイ。
【請求項２】
前記レンズアレイは、光出射側に位置する透明媒質の屈折率が光入射側に位置する透明媒質の屈折率よりも高くなった２つの透明媒質の境界面に形成されており、前記レンズの光学中心軸が液晶の明視方向に傾いていることを特徴とする、請求項１に記載のレンズアレイ。
【請求項３】
前記レンズアレイは、光入射側に位置する透明媒質の屈折率が光出射側に位置する透明媒質の屈折率よりも高くなった２つの透明媒質の境界面に形成されており、前記レンズの光学中心軸が液晶の逆明視方向に傾いていることを特徴とする、請求項１に記載のレンズアレイ。
【請求項４】
前記レンズの焦点距離をｆ、前記レンズのピッチを２Ｄ、前記レンズから液晶までの距離をＬ、液晶の逆明視方向において液晶のコントラスト比が最大値の半値となるときの仰角をθ１とするとき、
Ｌ≦ｆ≦Ｄ／ｔａｎθ１
を満たすことを特徴とする、請求項１に記載のレンズアレイ。
【請求項５】
液晶の逆明視方向において液晶のコントラスト比が最大値の半値Ｃ１となるときの仰角をθ１、液晶の明視方向において仰角がθ１であるときのコントラスト比をＣ２、前記レンズの光学中心軸の傾きをαとするとき、
α≦γ（１−Ｃ１／Ｃ２）
（ただし、γはγ≒２０の定数）
を満たすことを特徴とする、請求項１に記載のレンズアレイ。
【請求項６】
複数のレンズからなる、液晶表示装置に用いるためのレンズアレイであって、
前記レンズは、液晶の明視方向と逆明視方向を結ぶ方向と前記レンズの光軸を含む断面における焦点距離ｆｘが、液晶の明視方向と逆明視方向を結ぶ方向に直交する方向と前記レンズの光軸を含む断面における焦点距離ｆｙよりも長くなるように形成されていることを特徴とするレンズアレイ。
【請求項７】
前記レンズのピッチを２Ｄ、前記レンズへの入射光の発散角度を２δ、液晶の明視方向と逆明視方向を結ぶ方向と前記レンズの光軸を含む断面において逆明視側でコントラスト比が最大値の１／２となる角度をθ１、液晶の明視方向と逆明視方向とを結ぶ方向に直交する方向と前記レンズの光軸を含む断面においてコントラスト比が最大値の１／２となる角度をθ２としたとき、
前記レンズにおける、液晶の明視方向と逆明視方向とを結ぶ方向と前記レンズの光軸を含む断面における焦点距離ｆｘと、液晶の明視方向と逆明視方向とを結ぶ方向に直交する方向と前記レンズの光軸を含む断面における焦点距離ｆｙが、
ｆｘ≦Ｄ／ｔａｎ（θ１−δ）
ｆｙ≦Ｄ／ｔａｎ（θ２−δ）
を満たすことを特徴とする、請求項６に記載のレンズアレイ。
【請求項８】
前記レンズのピッチを２Ｄ、前記レンズへの入射光の発散角度を２δ、液晶の明視方向と逆明視方向とを結ぶ方向と前記レンズの光軸を含む断面において逆明視側でコントラスト比が最大値の１／２及び１／３となる角度をそれぞれθ１及びθ３、液晶の明視方向と逆明視方向とを結ぶ方向に直交する方向と前記レンズの光軸を含む断面においてコントラスト比が最大値の１／２及び１／３となる角度をそれぞれθ２及びθ４としたとき、
前記レンズにおける、液晶の明視方向と逆明視方向とを結ぶ方向と前記レンズの光軸を含む断面における焦点距離ｆｘと、液晶の明視方向と逆明視方向とを結ぶ方向に直交する方向と前記レンズの光軸を含む断面における焦点距離ｆｙが、
Ｄ／ｔａｎ（θ１−δ）≦ｆｘ≦Ｄ／ｔａｎ（θ３−δ）
Ｄ／ｔａｎ（θ２−δ）≦ｆｙ≦Ｄ／ｔａｎ（θ４−δ）
を満たすことを特徴とする、請求項６に記載のレンズアレイ。
【請求項９】
前記レンズのピッチを２Ｄ、前記レンズへの入射光の発散角度を２δ、液晶の明視方向と逆明視方向とを結ぶ方向と前記レンズの光軸を含む断面において逆明視側でコントラスト比が最大値の１／３及び２／３となる角度をそれぞれθ３及びθ５、液晶の明視方向と逆明視方向とを結ぶ方向に直交する方向と前記レンズの光軸を含む断面においてコントラスト比が最大値の１／３及び２／３となる角度をそれぞれθ４及びθ６としたとき、
前記レンズにおける、液晶の明視方向と逆明視方向とを結ぶ方向と前記レンズの光軸を含む断面における焦点距離ｆｘと、液晶の明視方向と逆明視方向とを結ぶ方向に直交する方向と前記レンズの光軸を含む断面における焦点距離ｆｙが、
Ｄ／ｔａｎ（θ５−δ）≦ｆｘ≦Ｄ／ｔａｎ（θ３−δ）
Ｄ／ｔａｎ（θ６−δ）≦ｆｙ≦Ｄ／ｔａｎ（θ４−δ）
を満たすことを特徴とする、請求項６に記載のレンズアレイ。
【請求項１０】
前記レンズの各々が、隣接するレンズとの境界に平坦面または凸形状の非レンズ部分を有することを特徴とする、請求項１または請求項６に記載のレンズアレイ。
【請求項１１】
請求項１〜１０に記載のレンズアレイを搭載した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、レンズアレイおよび投写型画像表示装置に関し、特に、一対の基板間に封入された液晶が当該基板間で捻れ配向した液晶デバイスに使用するのに好適なレンズアレイと、そのレンズアレイを用いた投写型画像表示装置に関する。
【０００２】
【背景技術】
投写型の画像表示装置においては、例えば、赤、青、緑の三原色の光を各液晶デバイス（ライトバルブ）を通してそれぞれの色毎に画像成分を形成し、これらの画像成分を合成して所望のカラー画像を作り出し、スクリーンなどに投射している。
【０００３】
図１は投写型画像表示装置のライトバルブとして用いられるＴＮ（ツイステッドネマティック）モードの液晶デバイス１の概略構造を示す部分断面図である。このような液晶デバイス１は、主として、ＴＦＴ基板２、対向基板３、液晶４及びスペーサ（図示せず）から構成されている。ＴＦＴ基板２は、ガラス基板５の内面に画素電極６をマトリックス状に配列し、画素電極６を囲む領域にブラックマトリックス領域７を形成し、画素電極６及びブラックマトリックス領域７の上にポリイミド膜等からなる配向膜８を形成したものである。画素電極６は、透明な電極膜によって窓状に形成されている。ブラックマトリックス領域７は、各画素電極６をオン／オフ制御するためのＴＦＴ（薄膜トランジスタ）、データ線や走査線などの配線などを形成された領域であり、その表面はクロムなどの金属材料や樹脂ブラックなどからなるブラックマスクで覆われている。対向基板３は、ガラス基板９の内面全体にＩＴＯ等の透明な対向電極１０と、ポリイミド膜等からなる配向膜１１とを形成したものである。対向基板３においても、ＴＦＴ基板２のブラックマトリックス領域７と対向させるようにして遮光膜１２が格子状に形成されている。この遮光膜１２は、クロムなどの金属材料や樹脂ブラックなどからなるブラックマスクである。
【０００４】
ＴＦＴ基板２と対向基板３とはスペーサを介して対向配置されており、ＴＦＴ基板２の配向膜８と対向基板３の配向膜１１との間には液晶４が封入されて挟持されている。ここに封入される液晶４としては、配向膜８、１１によってＴＦＴ基板２と対向基板３との間で９０°捻れ配向したＴＮモードの液晶が広く用いられている。このように構成した液晶デバイス１では、画像信号によって各ＴＦＴをオン／オフすることにより画素電極６と対向電極１０との間において液晶４の配向状態を制御することができる。それ故、透過型の液晶デバイス１において、対向基板３の側から液晶デバイス１に入射した光は、入射側偏光板（図示せず）によって所定の方向の直線偏光光に揃えられた後、対向基板３の側から液晶４に入射し、ある領域を透過する直線偏光光は偏光軸を捩じられてＴＦＴ基板２から出射される一方、他の領域を通過した直線偏光光は偏光軸を捩じられることなくＴＦＴ基板２の側から出射される。その結果、出射側偏光板（図示せず）を通過するのは、液晶４によって偏光軸が捩じられた方の直線偏光光、あるいは液晶４によって偏光軸が捩じられることのなかった直線偏光光のうちの一方となる。よって、これらの偏光状態を画素毎に制御することにより所定の情報を表示することができる。
【０００５】
図２はＴＦＴ基板２の配向膜８と対向基板３の配向膜１１との間に封止された液晶４の配向状態を模式的に示す図である。図２は光出射側から見た斜視図となっており、ＴＦＴ基板２と対向基板３の間で、液晶分子が９０°の角度で捩じれ配向した状態にある。液晶４に９０°の捩じれを持たせるためには、各基板２、３の内面に配向膜８、１１となるポリイミド膜などを形成した後、矢印Ａ１及びＡ２でそれぞれのラビング方向を示すように、各配向膜８、１１間で互いに９０°の角度をなす方向にそれぞれラビング処理を施し、ついで、ＴＦＴ基板２と対向基板３とを貼り合わせ、その隙間に液晶４を充填する。その結果、液晶４は、配向膜８、１１へのラビング方向に長軸方向を向けて配向し、一対の配向膜８、１１間においては液晶４の長軸方向が９０°回転して捩じれる。
【０００６】
このようにして捩じれ配向させた液晶４を用いた液晶デバイス１では、見る角度によって液晶の位相差が異なるので、以下に説明するように、基板２、３間に位置する液晶４の配向状態（長軸方向および長軸の傾き）によりコントラスト特性が異方性（異方性の方向は、液晶４が右捻れの場合と左捻れの場合とで異なる。）を示す。図２における点Ｏは、液晶デバイス１の光出射面上の１点を表しており、ＯＮは光出射面で点Ｏに立てた法線を表し、ＯＰは点Ｏから出射される光の出射方向を表し、ＯＹは液晶デバイス１の光出射面と平行な方向（後述の逆明視野方位）を表している。また、角度θは、光の出射方向ＯＰが法線ＯＮから傾いているその角度（仰角）を示し、角度φは、平面ＰＯＮが平面ＹＯＮ（線分ＯＹ及び線分ＯＮを含む平面）となす角度（方位角）を示している。なお、図２に示すように、配向膜８のラビング方向Ａ１はＯＹ方向と４５°の角度をなし、配向膜１１のラビング方向Ａ２はＯＹ方向と１３５°の角度をなしている。
【０００７】
図３は、液晶デバイス１の光出射面からＯＰの方向（θ、φ）へ出射される光のコントラスト比を表した等高線図であって、中央部でコントラスト比が大きくなり、周辺部へ向かうほどコントラスト比が小さくなっている。図３は、半径座標に仰角θをとり、角度座標に方位角φをとった極座標で表現されている。この図によれば、液晶デバイス１の光出射面におけるコントラスト比が異方性を示しており、Ｙ方向（φ＝０°の方向）ではコントラストが小さくなり、Ｙ方向と反対方向（φ＝１８０°の方向）ではコントラストが大きくなっている。
【０００８】
図４（ａ）は方向ＯＹ及び法線ＯＮを含む平面に垂直で、かつ、液晶デバイス１の光出射面に垂直な平面（φ＝９０°及びφ＝２７０°の平面）におけるコントラスト特性を示す図である。また、図４（ｂ）は方向ＯＹ及び法線ＯＮを含む平面（φ＝０°及びφ＝１８０°の平面）におけるコントラスト特性を示す図である。図４（ａ）に示すように、φ＝９０°及びφ＝２７０°の平面におけるコントラスト特性は、法線ＯＮを中心に左右対称の特性を示している。これに対し、図４（ｂ）に示すように、φ＝０°及びφ＝１８０°の平面におけるコントラスト特性は、φ＝１８０°の方位に偏った位置でコントラスト比がピークを示す一方、それから外れるとコントラスト比が大幅に低下する。従って、φ＝０°の方位では著しくコントラスト比が低下している。
【０００９】
このようなコントラストの異方性を示す場合、コントラスト比の極大点の位置しているφ方向を明視野方位といい、それと反対側のφ方向を逆明視野方位という。よって、ここでは、Ｙ方向が逆明視野方位となっている。なお、この明細書中においては、コントラスト比の高い光が液晶デバイスに入出射する、三次元空間における方向を明視方向といい、コントラスト比の低い光が液晶デバイスに入出射する側で明視方向と同じ仰角θを有する、三次元における方向を逆明視方向という。明視野方位とは、光出射面の側から液晶デバイスを見たときにコントラスト比の高い光が出射する二次元の方位であり、逆明視野方位とは、光出射側から画面を見たときにコントラスト比の低い光が出射する二次元の方位であるから、光出射面に垂直な方向から見ると、明視野方位と明視方向とは一致し、逆明視野方位と逆明視方向とは一致するが、光入射側から見るとこれらは互いに反対向きになる。
【００１０】
ところで、投写型画像表示装置では、光源から明るい平行光を送り出す必要があるので、図５に示すような構造の光源２１を用いている。この光源２１は後ろ向きに配置されたキセノンランプ等のランプ２２と、ランプ２２の後方に配置された回転放物面状をした反射鏡２３によって構成されており、ランプ２２から出射された光を反射鏡２３で反射させることによりほぼ平行光として前方へ光を出射させている。
【００１１】
しかし、このような光源２１から出射される光は、平行光線に近いが、中心部が暗いドーナツ状の光量分布を有する出射光となっている。そのため、通常液晶と光源の間には、液晶面で光量分布がほぼ均一に照明されるようなレンズ光学系（図示せず）が形成されている。このレンズ光学系により、光源から出た光は液晶面で光量が均一となるが、液晶面へ入射する光は入射方向αで光量がピークとなり、入射方向の広がり角は片側で２α程度となる（図２２（ａ）参照）。なお、図６は方向ＯＹ及び法線ＯＮを含む平面（φ＝０°及びφ＝１８０°の平面）における出射光光量の角度分布を表した図であり、図６においては破線で明視／逆明視方向におけるコントラスト比（図４（ｂ）と同じもの）を表しているが、このピーク位置における明視方向の仰角θをθｏとすると、このθｏは数度程度（＜α）である。
【００１２】
このように光源２１から液晶デバイス１に垂直に入射する光がほとんど無く、光源２１の光は、２・α程度の広がりを持ってα程度の傾きで液晶デバイス１に斜め入射するので、逆明視方向の側から液晶デバイス１に入射する光は遮光膜１２やブラックマトリックス領域７に遮られ、その結果、液晶デバイス１のコントラストは比較的高くなる。しかし、図７に示すように、明視方向から入射した光も、その一部が遮光膜１２やブラックマトリックス領域７によって遮られる（図７においては、光の遮断されている領域にハッチングを施している。）ので、図１に示したような構造の液晶デバイス１では、画面が暗くなるという問題があった。
【００１３】
図８に示すものは、従来の別な構造をした液晶デバイス１３の概略断面図である。この液晶デバイス１３にあっては、対向基板においてガラス基板に代えてレンズアレイ基板１４を用いている。レンズアレイ基板１４は、レンズパターンを形成された屈折率ｎ１のレンズ層１５と薄板ガラス１７を屈折率ｎ２（＜ｎ１）の接着剤１６によって積層一体化したものである。レンズ層１５と接着剤１６との境界面には、マイクロレンズアレイ１８が形成されており、マイクロレンズアレイ１８を構成する各マイクロレンズはＴＦＴ基板２の各画素電極６と対向するように配列されている。
【００１４】
このような液晶デバイス１３によれば、明視方向から入射した光は、図８に示すように、各マイクロレンズによって液晶デバイス１３の画素電極６に集光されるので、明視方向からの光が遮光膜１２やブラックマトリックス領域７で遮断されにくくなり、光の利用効率が向上し、液晶デバイス１３の画面が明るくなる。
【００１５】
しかし、光源２１から出射された光は、図６で太い実線により示すように比較的小さな傾きの狭い広がりの光であるが、この光源光がマイクロレンズアレイ１８を通過すると、図６で細い実線により示すように光軸の傾きが大きく、広がりも大きな光となり、特に逆明視方向の光は非常にコントラストの悪い範囲へ広がってしまう。そして、このような逆明視方向からの光も画素電極６に集光される結果、遮光膜１２やブラックマトリックス領域７で遮断されにくくなり、液晶デバイス１３のコントラストが低下するという問題があった。
【００１６】
投写型画像表示装置では、画像の明るさとコントラストが重要な要素となるが、従来においては、図１のような液晶デバイス１を用いた場合には、明るさが犠牲になり、図８に示すような液晶デバイス１３を用いた場合には、コントラストが犠牲になり、実際の使用に適した液晶デバイスを得ることが困難であった。
【００１７】
そこで、特開２００１−２４９３１６号公報（特許文献１）に記載された液晶デバイス１９では、レンズアレイ基板１４内のマイクロレンズアレイ２０を構成する各マイクロレンズの光学的中心軸をＴＦＴ基板２の画素開口（画素電極６）の中心位置に対して明視野方位の側へ平行にずらすことにより、コントラストを向上させようとしている。
【００１８】
図９はこのような液晶デバイス１９の概略構成を示す部分断面図である。この液晶デバイス１９にあっては、レンズパターンを形成された屈折率ｎ１のレンズ層１５と薄板ガラス１７を屈折率ｎ２（＞ｎ１）の接着剤１６によって積層一体化してレンズアレイ基板１４を構成しており、レンズ層１５と接着剤１６との境界面にマイクロレンズアレイ２０が形成されている。しかも、マイクロレンズアレイ２０を構成する各マイクロレンズは、その光学的中心軸を明視野方位へ平行にずらされており、各マイクロレンズの明視野方位側の縁は、レンズアレイ基板１４に垂直な平面に形成されている。
【００１９】
このような液晶デバイス１９によれば、マイクロレンズの光学的中心軸が明視野方位へずれているので、図９に示すように、明視方向から液晶デバイス１９に入射した光は、マイクロレンズを通過することにより、明視方向に傾いたままで画素電極６に集光される。これに対し、逆明視方向から液晶デバイス１９に入射したコントラストの低い光は、マイクロレンズで屈折することによって対向基板３の遮光膜１２やＴＦＴ基板２のブラックマトリックス領域７で遮断される。
【００２０】
従って、このような液晶デバイス１９によれば、マイクロレンズアレイを用いて入射光を集光させることによって光利用効率を向上させて明るい画像表示を可能にすることができる。さらに、マイクロレンズの光学的中心軸を明視野方位へずらせるという簡単な構造により、垂直に入射した光を明視方向に曲げて液晶を通過させると同時に、逆明視方向から入射した光を遮断させることにより、コントラストの高い表示を可能にすることができる。すなわち、明るさの低下が少なく、かつ、コントラスト特性の良好な表示が可能な液晶デバイスを作製することができる。
【００２１】
また、図１０に示すものは上記液晶デバイス１９の別な実施形態であって、図９に示した液晶デバイス１９とほぼ同様な構成と作用効果を有しているが、図１０の液晶デバイス１９では、マイクロレンズの明視野方位側の縁に丸みを持たせている。
【００２２】
しかしながら、このような構造の液晶デバイス１９では、図１１に示すように、マイクロレンズの明視野方位側の縁に位置するほぼ垂直な領域（以下、マイクロレンズの不連続面という。）に逆明視方向の光が入射すると、その光がＴＦＴ基板２の画素電極６を透過して逆明視方向へ出射されてしまい、画像のコントラストを低下させる。また、図１１に示すように、マイクロレンズの不連続面に明視方向の光が入射すると、その光が対向する画素電極６から大きく外れた方向へ出射され、隣接する画素電極６に入射して迷光となり、画像の明るさやコントラストを低下させる。図１０の液晶デバイス１９でも不連続面に相当する湾曲箇所は理想形状からは外れているので、同様な光線の挙動が発生する。この結果、図９や図１０に示されるような構造の液晶デバイス１９では、実際には、液晶デバイス１９のコントラストを向上させることが困難であった。
【００２３】
【特許文献１】特開２００１−２４９３１６号公報
【００２４】
【発明の開示】
本発明は上記のような技術的課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、画像の明るさの低下をできるだけ小さく抑えつつ、画像のコントラストをより向上させることができるレンズアレイと、そのレンズアレイを用いた投射型画像表示装置を提供することにある。
【００２５】
本発明に係る第１のレンズアレイは、複数のレンズからなる、液晶表示装置に用いるためのレンズアレイであって、前記レンズは、回転非球面レンズであって、その光学中心軸がレンズ配列面に垂直な方向から傾いていることを特徴としている。ここで、光学中心軸とは、回転非球面状をしたレンズ面の回転中心軸である。
【００２６】
前記第１のレンズアレイは、レンズの光学中心軸がレンズ配列面に垂直な方向から傾いているので、液晶デバイスに用いることにより、液晶デバイスの明るさを維持しつつコントラストを向上させることができる。
【００２７】
本発明のある実施態様において、前記第１のレンズアレイは、光出射側に位置する透明媒質の屈折率が光入射側に位置する透明媒質の屈折率よりも高くなった２つの透明媒質の境界面に形成されており、前記レンズの光学中心軸が液晶の明視方向に傾いている。屈折率の関係から、この場合のレンズ面は光入射側へ突出している。このような場合には、レンズの光学中心軸を液晶の明視方向へ傾けることにより、液晶デバイスの明るさを維持しつつコントラストを向上させることができる。
【００２８】
本発明の別の実施態様において、前記第１のレンズアレイは、光入射側に位置する透明媒質の屈折率が光出射側に位置する透明媒質の屈折率よりも高くなった２つの透明媒質の境界面に形成されており、前記レンズの光学中心軸が液晶の逆明視方向に傾いている。屈折率の関係から、この場合のレンズ面は光出射側へ突出している。このような場合には、レンズの光学中心軸を液晶の逆明視方向へ傾けることにより、液晶デバイスの明るさを維持しつつコントラストを向上させることができる。
【００２９】
本発明のさらに別の実施態様において、前記第１のレンズアレイは、前記レンズの焦点距離をｆ、前記レンズのピッチを２Ｄ、前記レンズから液晶までの距離をＬ、液晶の逆明視方向において液晶のコントラスト比が最大値の半値となるときの仰角をθ１とするとき、
Ｌ≦ｆ≦Ｄ／ｔａｎθ１
を満たすことを特徴としている。このような条件を満足させることにより、より明るく、コントラストの高い液晶デバイスを製作することができる。
【００３０】
本発明のさらに別の実施態様において、前記第１のレンズアレイは、液晶の逆明視方向において液晶のコントラスト比が最大値の半値Ｃ１となるときの仰角をθ１、液晶の明視方向において仰角がθ１であるときのコントラスト比をＣ２、前記レンズの光学中心軸の傾きをαとするとき、
α≦γ（１−Ｃ１／Ｃ２）      〔ただし、γはγ≒２０の定数〕
を満たすことを特徴としている。このような条件を満足させることにより、より明るく、コントラストの高い液晶デバイスを製作することができる。
【００３１】
本発明に係る第２のレンズアレイは、複数のレンズからなる、ＴＮ型液晶表示装置に用いるためのレンズアレイであって、前記レンズは、液晶の明視方向と逆明視方向を結ぶ方向と前記レンズの光軸を含む断面（明視方向−逆明視方向の断面という。）における焦点距離ｆｘが、液晶の明視方向と逆明視方向を結ぶ方向に直交する方向と前記レンズの光軸を含む断面（明視方向−逆明視方向と直交する方向の断面という。）における焦点距離ｆｙよりも長くなるように形成されていることを特徴としている。
【００３２】
前記第２のレンズアレイは、明視方向−逆明視方向の断面における焦点距離を長くして出射角度を小さくし、明視方向−逆明視方向と直交する方向の断面における焦点距離を短くして出射角度を大きくしているので、液晶デバイスに用いることにより、液晶デバイスの明るさを維持しつつコントラストを向上させることができる。また、前記第２のレンズアレイのレンズ形状は、第１のレンズアレイのように非対称ではないので、設計が容易である。
【００３３】
本発明のある実施形態において、前記第２のレンズアレイは、前記レンズのピッチを２Ｄ、前記レンズへの入射光の発散角度を２δ、液晶の明視方向と逆明視方向を結ぶ方向と前記レンズの光軸を含む断面において逆明視側でコントラスト比が最大値の１／２となる角度をθ１、液晶の明視方向と逆明視方向とを結ぶ方向に直交する方向と前記レンズの光軸を含む断面においてコントラスト比が最大値の１／２となる角度をθ２としたとき、前記レンズにおける、液晶の明視方向と逆明視方向とを結ぶ方向と前記レンズの光軸を含む断面における焦点距離ｆｘと、液晶の明視方向と逆明視方向とを結ぶ方向に直交する方向と前記レンズの光軸を含む断面における焦点距離ｆｙが、
ｆｘ≦Ｄ／ｔａｎ（θ１−δ）
ｆｙ≦Ｄ／ｔａｎ（θ２−δ）
を満たすことを特徴としている。このような条件を満足させることにより、より明るく、コントラスト比の高い液晶デバイスを製作することができる。
【００３４】
本発明の別の実施形態において、前記第２のレンズアレイは、前記レンズのピッチを２Ｄ、前記レンズへの入射光の発散角度を２δ、液晶の明視方向と逆明視方向とを結ぶ方向と前記レンズの光軸を含む断面において逆明視側でコントラスト比が最大値の１／２及び１／３となる角度をそれぞれθ１及びθ３、液晶の明視方向と逆明視方向とを結ぶ方向に直交する方向と前記レンズの光軸を含む断面においてコントラスト比が最大値の１／２及び１／３となる角度をそれぞれθ２及びθ４としたとき、前記レンズにおける、液晶の明視方向と逆明視方向とを結ぶ方向と前記レンズの光軸を含む断面における焦点距離ｆｘと、液晶の明視方向と逆明視方向とを結ぶ方向に直交する方向と前記レンズの光軸を含む断面における焦点距離ｆｙが、
Ｄ／ｔａｎ（θ１−δ）≦ｆｘ≦Ｄ／ｔａｎ（θ３−δ）
Ｄ／ｔａｎ（θ２−δ）≦ｆｙ≦Ｄ／ｔａｎ（θ４−δ）
を満たすことを特徴としている。このような条件を満足させることにより、より明るい液晶デバイスを製作することができる。
【００３５】
本発明のさらに別の実施形態において、前記第２のレンズアレイは、前記レンズのピッチを２Ｄ、前記レンズへの入射光の発散角度を２δ、液晶の明視方向と逆明視方向とを結ぶ方向と前記レンズの光軸を含む断面において逆明視側でコントラスト比が最大値の１／３及び２／３となる角度をそれぞれθ３及びθ５、液晶の明視方向と逆明視方向とを結ぶ方向に直交する方向と前記レンズの光軸を含む断面においてコントラスト比が最大値の１／３及び２／３となる角度をθ４及びθ６としたとき、前記レンズにおける、液晶の明視方向と逆明視方向とを結ぶ方向と前記レンズの光軸を含む断面における焦点距離ｆｘと、液晶の明視方向と逆明視方向とを結ぶ方向に直交する方向と前記レンズの光軸を含む断面における焦点距離ｆｙが、
Ｄ／ｔａｎ（θ５−δ）≦ｆｘ≦Ｄ／ｔａｎ（θ３−δ）
Ｄ／ｔａｎ（θ６−δ）≦ｆｙ≦Ｄ／ｔａｎ（θ４−δ）
を満たすことを特徴としている。このような条件を満足させることにより、よりコントラスト比の高い液晶デバイスを製作することができる。
【００３６】
本発明のさらに別の実施形態において、前記第２のレンズアレイは、前記レンズの各々が、隣接するレンズとの境界に平坦面または凸形状の非レンズ部分を有することを特徴としている。このように設計することにより、各レンズの境界部分においても光の出射角度を制御することが可能になる。
【００３７】
本発明に係る投射型画像表示装置は、前記第１のレンズアレイまたは前記第２のレンズアレイの特徴を有するレンズアレイを備えている。前記レンズアレイの各々は、明視方向から画素に入射する光量が多く、逆明視方向から画素に入射する光量が少なくなるように設計されているので、コントラストの高い画像表示装置が得られる。
【００３８】
なお、この発明の以上説明した構成要素は、可能な限り組み合わせることができる。
【００３９】
【発明の実施の形態】
図１２は本発明の一実施形態による液晶デバイス３１の概略構造を示す部分断面図である。この液晶デバイス３１は、例えば投写型画像表示装置のライトバルブとして用いられるＴＮモードの液晶デバイスである。この液晶デバイス３１は、主として、ＴＦＴ基板３２、対向基板３３、液晶３４及びスペーサ（図示せず）から構成される。ＴＦＴ基板３２は、ガラス基板３５の内面に画素電極３６をマトリックス状に配列し、画素電極３６を囲む領域にブラックマトリックス領域３７を形成し、画素電極３６及びブラックマトリックス領域３７の上にポリイミド膜等からなる配向膜３８を形成したものである。画素電極３６は、透明な電極膜によって窓状に形成されている（従って、この領域を画素開口と呼ぶことがある。）。ブラックマトリックス領域３７は、各画素電極３６をオン／オフ制御するためのＴＦＴ、データ線や走査線などの配線などを形成された領域であり、その表面をクロムなどの金属材料や樹脂ブラックなどからなるブラックマスクで覆うことにより画素をくっきりさせると共にＴＦＴに光電流などが発生するのを防止している。
【００４０】
対向基板３３は、レンズアレイ基板３９の内面全体にＩＴＯ等の透明な対向電極４０と、ポリイミド膜等からなる配向膜４１とを形成したものである。対向基板３３においても、クロムなどの金属材料や樹脂ブラックなどからなるブラックマスクにより形成された遮光膜４２が格子状に形成されている。ＴＦＴ基板３２のブラックマトリックス領域３７及び画素開口と、対向基板３３の遮光膜４２及び開口とは、図１３の概略斜視図に示すように、互いに対向するように形成されている。スペーサは、ＴＦＴ基板３２と対向基板３３の間隔を一定間隔に保つとともに液晶３４の周囲を封止するものである。
【００４１】
レンズアレイ基板３９は、透明樹脂又は透明ガラスからなるレンズ層４３と、透明な接着剤層４４と、透明な薄板ガラス４５によって構成されている。レンズ層４３の内面には複数のレンズパターンが形成されており、レンズ層４３の内面と薄板ガラス４５との間に接着剤を充填し、接着剤層４４を介してレンズ層４３と薄板ガラス４５を積層一体化している。屈折率の異なるレンズ層４３と接着剤層４４の界面にはマイクロレンズアレイ４６が形成されており（ただし、図１２では、マイクロレンズ４７の形状は、理解を容易にするために、誇張して描いている。）、マイクロレンズアレイ４６を構成する各マイクロレンズ４７は、それぞれの光学中心軸Ｆを中心とする回転対称な形状、例えば回転非球面レンズ状をしている。この実施形態では、接着剤層４４の屈折率ｎ２がレンズ層４３の屈折率ｎ１よりも大きくなっており（ｎ１＜ｎ２）、各マイクロレンズ４７はレンズ層４３側へ突出していて凸レンズの作用をするようになっている。
【００４２】
（第１の実施形態）
図１４（ａ）、（ｂ）は、本発明に従った第１のマイクロレンズアレイのレンズ形状を説明する説明図である。図１４（ａ）は、マイクロレンズ４７の光学中心軸（レンズ面の回転中心軸）Ｆが画素電極３６に垂直である状態を示す。図１４（ｂ）は、第１のマイクロレンズアレイのレンズ形状を示しており、光学中心軸Ｆとレンズ面との交点をＰ（この点をレンズ面の光学中心と言うことにする。）とするとき、光学中心Ｐを中心として明視方向へ角度αだけ傾いている。マイクロレンズアレイ４６を構成する各マイクロレンズ４７は、このようにして明視方向に傾けられており、レンズ面と光学中心軸Ｆとの交点（光学中心）Ｐは画素電極３６（画素開口）の中心を通る垂線上に位置している。また、マイクロレンズ４７を明視方向に傾けると、図１５に示すように、マイクロレンズ４７の逆明視野方位の縁が下に下がり、マイクロレンズ４７の明視野方位の縁が上に上がり、そのままでは、隣接するマイクロレンズ４７間に不連続面が生じる。そのため、本発明においては、明視野方位の縁からはレンズ面を延長し、逆明視野方位の縁ではレンズ面を収縮させ、それによって傾いたマイクロレンズ４７の下面が水平面となるようにし、図１２に示したようにマイクロレンズ４７間が連続して不連続面が発生しないようにしている。なお、このような微細なレンズパターンは、レンズ層４３が樹脂である場合には、スタンパ等を用いてレンズ層４３の内面に形成しておくことができる。また、接着剤層４４としては、紫外線硬化樹脂などを用いるのが望ましい。
【００４３】
ＴＦＴ基板３２と対向基板３３とはスペーサを介して対向配置されており、ＴＦＴ基板３２の配向膜３８と対向基板３３の配向膜４１との間には液晶３４が封入されている。ここに封入される液晶３４としては、配向膜３８、４１によってＴＦＴ基板３２と対向基板３３との間で９０°捻れ配向したＴＮモードの液晶を用いている。このようなＴＮモードの液晶では、ＴＦＴ基板３２の配向膜３８と対向基板３３の配向膜４１と間で、９０°の角度で捩じれ配向した状態にある（図２及びその説明を参照）。このような液晶３４を用いた液晶デバイスでは、明視方向の側では光線の仰角θが大きくなってもコントラストが高いが、逆明視方向の側では、仰角θが大きくなるとコントラストが極端に悪くなる（図３及び図４参照）。なお、図１２に示す符号４８は入射側偏光板、符号４９は出射側偏光板である。
【００４４】
また、この液晶デバイス３１にあっては、各画素開口に対向してそれぞれマイクロレンズ４７が設けられているので、図１６に示すように、明視方向から斜めに入射した光は、マイクロレンズ４７で画素電極３６の付近に集光させられた後、画素電極３６を透過してＴＦＴ基板３２側から出射され、明視方向から入射した光が遮光膜４２などで遮られにくくなる。よって、光の利用効率を高めて明るい画像を得ることができる。しかも、各マイクロレンズ４７の光学中心軸Ｆを明視方向に傾けて、マイクロレンズ４７間を連続的に形成しているので、マイクロレンズ４７間には不連続な領域やレンズ面として望ましくない領域がほとんど発生せず、そのため、明視方向から入射した光がマイクロレンズ４７間の不連続な部分で散乱されたり、迷光となって隣の画素開口から出射されたりしにくくなり、画像の明るさを低下させたり、コントラストを低下させたりする恐れが少なくなる。
【００４５】
一方、逆明視方向から斜めに入射したコントラストの低い光は、図１７に示すように、マイクロレンズ４７で屈折させられた後、対向基板３３の遮光膜４２又はＴＦＴ基板３２のブラックマトリックス領域３７へ向かい、遮光膜４２又はブラックマトリックス領域３７で遮断され、ＴＦＴ基板３２側から出射されにくくなる。しかも、マイクロレンズ４７の境界領域に逆明視方向から斜めに入射したコントラストの低い光も、図１７に示すように、マイクロレンズ４７で屈折させられた後、対向基板３３の遮光膜４２又はＴＦＴ基板３２のブラックマトリックス領域３７へ向かい、遮光膜４２又はブラックマトリックス領域３７で遮断され、ＴＦＴ基板３２側から出射されにくくなる。
【００４６】
しかも、マイクロレンズアレイ４６を構成する各マイクロレンズ４７を明視方向に傾けると、マイクロレンズ４７を通過することによって明視方向の光が増加し、逆明視方向の光が減少する。つまり、図１４（ａ）のようにマイクロレンズ４７の光学中心軸Ｆが垂直方向を向いていて水平となっている場合には、図１８に細い実線で示す光量分布（図６に示したものと同じ）のように明視方向の光の光量と逆明視方向の光量とは等しい。図１４（ｂ）のようにマイクロレンズ４７の光学中心軸Ｆを明視方向に傾けると、図１８に太い実線で示す光量分布のように明視方向の光の光量が増大し、逆明視方向の光量が減少する。この結果、マイクロレンズ４７を明視方向に傾けた場合には、図１８に示されているように、明視方向のコントラストの高い領域で光量が増大し、逆明視方向のコントラストの低い領域で光量が減少し、全体としてコントラストが向上する。
【００４７】
よって、このような液晶デバイス３１によれば、光軸が垂直方向を向いたマイクロレンズを用いた液晶デバイスに比べれば多少は明るさが犠牲になるが、液晶デバイス３１の光利用効率をより向上させて画像を明るくすると共に、逆明視方向の光を遮蔽してコントラストをより高くすることができる。よって、本発明の液晶デバイスによれば、従来の液晶デバイスの課題を解決することが可能になり、投写型画像表示装置に用いるのに適した特性の液晶デバイスを製作することが可能になる。さらに、本発明の液晶デバイスでは、非球面レンズの光学中心軸（主光線の方向）を明視方向に傾けて配列させるだけでよいので、マイクロレンズアレイ４６のレンズ形状が簡略になり、設計を容易に行える利点もある。
【００４８】
上述のように、マイクロレンズ４７の光学中心軸Ｆの傾きを明視方向に傾けると、一部の光がレンズアレイ基板３９の遮光膜４２等に遮蔽されて画素開口を通過する光量が減少し、明るさが低下する。そこで、液晶デバイス３１の明るさの低下をできるだけ小さくし、かつ、コントラストを向上させることができるレンズアレイ基板３９を設計する方法について説明する。
【００４９】
まず、図１９に示した明視方向及び逆明視方向でのコントラスト分布から、逆明視方向におけるコントラスト比のピーク値Ｃｐの半値Ｃ１＝Ｃｐ／２となる仰角θ１を求める。また、明視方向において仰角がθ１のときのコントラスト比Ｃ２を求める。ついで、図２０に示すように、マイクロレンズ４７の焦点Ｋまでの距離（焦点距離）をｆ、マイクロレンズ４７の半画素サイズをＤとすると、マイクロレンズ４７から出た平行光の発散角度をθ３は、次の（１）式で表される。
ｔａｎθ３＝Ｄ／ｆ      ．．．（１）
【００５０】
マイクロレンズ４７の焦点Ｋが遮光膜４２で囲まれた開口部分よりも近くにあると、液晶デバイス３１から出射される光の発散角度θ３が大きくなるので、マイクロレンズ４７の焦点Ｋは、遮光膜４２で囲まれた開口部分よりも遠くにある方がよい。すなわち、マイクロレンズ４７の焦点Ｋが遮光膜４２間の開口に位置している場合の平行光の発散角度をθ２とすれば、
θ３≦θ２      ．．．（２）
とする。また、θ３を小さくすると、液晶３４を透過する光が減少し、暗い画像となる。これを回避するために、θ３はθ１よりも大きくすることが好ましい。従って、
θ１≦θ３      ．．．（３）
とする必要がある。上記（２）式及び（３）式より、次の（４）式を満たすように設計すればよい。
θ１≦θ３≦θ２      ．．．（４）
この（４）式に上記（１）式を代入し、式を整理すると、次の（５）式が得られる。
Ｄ／ｔａｎθ２  ≦  ｆ  ≦  Ｄ／ｔａｎθ１      ．．．（５）
よって、マイクロレンズ４７を設計するに当たっては、その焦点距離ｆが（５）式を満たすように設計すればよい。
【００５１】
ここで、θ１は図１９のようなコントラスト特性の図から求めることができる。また、図２０に示すように、マイクロレンズ４７から液晶３４（あるいは、遮光膜４２）までの距離をＬ、マイクロレンズ４７の半画素サイズ（ハーフピッチ）をＤとすると、マイクロレンズ４７の焦点Ｋが遮光膜４２間の開口に位置している場合の平行光の発散角度θ２は、次の（６）式で表される。
ｔａｎθ２＝Ｄ／Ｌ      ．．．（６）
【００５２】
次に、マイクロレンズ４７の偏向角度αは、明視方向と逆明視方向とにおけるコントラスト比Ｃ１、Ｃ２と、明視方向と逆明視方向での出射光量比η（＝逆明視方向の光量／明視方向の光量）から決定する。マイクロレンズ４７の偏向角度をαとすると、出射光量比ηはほぼ、
η＝１−０．０５α      ．．．（７）
と経験的に表される。この出射光量比ηが、
η≧Ｃ１／Ｃ２
をほぼ満たすように、偏向角度αを決めると、
α≦γ（１−Ｃ１／Ｃ２）      ．．．（８）
となる。この（８）式における定数γは約２０である。（８）式で表される範囲は、図１９（ｂ）に示す直線よりも下方の領域である。マイクロレンズ４７の焦点距離ｆを上記（５）式を満たすように設計し、偏向角度αを上記（８）式を満たすように設計することにより、明るくかつコントラストの高い液晶デバイスを容易に得ることができる。
【００５３】
図２１は上記設計手順を表したフロー図である。このフロー図に沿って説明すると、まず図１９（ａ）のような液晶デバイス（ＬＣＤ）３１のコントラスト特性を得て（ステップＳ１）、そのコントラスト特性から、コントラスト比がピーク値Ｃｐの半分Ｃ１＝Ｃｐ／２となるときの仰角θ１を求める（ステップＳ２）。ついで、液晶デバイス３１の設計値からマイクロレンズ４７と液晶３４の距離Ｌとマイクロレンズ４７の半画素サイズＤの値を求め（ステップＳ３）、ｔａｎθ２＝Ｄ／Ｌからθ２の値を求める（ステップＳ４）。この後、マイクロレンズ４７の焦点距離に関する条件
Ｄ／ｔａｎθ２≦ｆ≦Ｄ／ｔａｎθ１
を求める（ステップＳ５）。
【００５４】
一方、ステップＳ１で得たコントラスト特性を用いて、逆明視方向におけるコントラスト比Ｃ１と明視方向におけるコントラスト比Ｃ２を求め（ステップＳ６）、逆明視方向の光量低下率がＣ１／Ｃ２となる偏向角度α１を求める（ステップＳ７）。この後、マイクロレンズ４７の偏向角度αに関する条件
α≦α１
を求める（ステップＳ８）。最後に、マイクロレンズ４７の設計値（焦点距離ｆ、偏向角度αの値）を抽出する（ステップＳ９）。
【００５５】
次に、本発明の効果を示すデータを説明する。図２２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は液晶３４に入射する光の光量分布を示す図であって、図２２（ａ）はマイクロレンズ４７が傾いていない（α＝０°）場合、図２２（ｂ）はマイクロレンズ４７が偏向角度α＝５°で傾いている場合、図２２（ｃ）はマイクロレンズ４７が偏向角度α＝１０°で傾いている場合の光量分布を示している。これから分かるように、マイクロレンズ４７が傾いていない場合には、明視方向と逆明視方向とで光量が等しくなっているが、偏向角度αが５°、１０°と傾くと、次第に明視方向の光量が逆明視方向の光量よりも大きくなっている。
【００５６】
図２３はマイクロレンズ４７の偏向角度αと、液晶デバイス３１を透過した光の明るさ（あるいは、実効開口率）及びコントラストとの関係を表した図である。これから分かるように、マイクロレンズ４７を傾けると、明るさは多少低下するが、コントラスト比がかなり改善され、明るくてコントラストの良好な液晶デバイス３１を製作できる。
【００５７】
（第２の実施形態）
図２４（ａ）は一般的なマイクロレンズアレイのレンズ形状を示す説明図、図２４（ｂ）は本発明にかかる第２のマイクロレンズアレイ４６のレンズ形状を示す説明図である。図２４（ａ）に示す一般的なマイクロレンズでは、画素電極に垂直な光学中心軸Ｆの回りに回転対称なレンズ表面を有している。これに対し、図２４（ｂ）に示すマイクロレンズ４７では、液晶の明視方向と逆明視方向を結ぶ方向と前記レンズの光軸を含む断面（明視方向−逆明視方向の断面）（図２４（ｂ）に示すＡ１−Ａ２方向の断面）で焦点距離が長く、液晶の明視方向と逆明視方向を結ぶ方向に直交する方向と前記レンズの光軸を含む断面（明視方向−逆明視方向と直交する方向の断面）（図２４（ｂ）に示すＢ１−Ｂ２方向の断面）で焦点距離が短くなるように設計されている。
【００５８】
図２５（ａ）、図２６（ａ）はいずれも図２４（ｂ）に示したマイクロレンズアレイ４６を備えた液晶デバイスの断面図であり、図２５（ａ）は明視方向−逆明視方向（Ａ１−Ａ２方向）の断面を示し、図２６（ａ）は明視方向−逆明視方向と直交する方向（Ｂ１−Ｂ２方向）の断面を示す。また、図２５（ｂ）は図２５（ａ）に対応する明視方向−逆明視方向（Ａ１−Ａ２方向）の断面におけるコントラスト比の分布を示し、図２６（ｂ）は図２６（ａ）に対応する明視方向−逆明視方向と直交する方向（Ｂ１−Ｂ２方向）の断面におけるコントラスト比の分布を示す。なお、図２５〜図２７では、レンズ曲面は誇張して示している。
【００５９】
図２５（ａ）、（ｂ）に示すように、明視方向−逆明視方向の断面においては、液晶デバイスから出射される光のコントラスト比の分布は、逆明視方向で大幅に低下する非対称な特性を示すので、マイクロレンズ４７の焦点距離ｆｘを長くすることで液晶デバイスからの出射角度を小さくし、コントラスト比の低い領域に出射する光量を減らすことができる。また、図２６（ａ）、（ｂ）に示すように、明視方向−逆明視方向と直交する方向の断面においては、コントラスト比の分布が対称的であるので、マイクロレンズ４７の焦点距離ｆｙを短くすることで液晶デバイスからの出射角度を大きくし、多くの光を出射させることができる。すなわち、マイクロレンズ４７の形状を、方向によって焦点距離が異なってｆｘ＞ｆｙを満たすトーリックレンズ形状とすることで、明るく、かつ、コントラストの高い液晶デバイスが得られる。
【００６０】
さらに、図２７を参照しながら、焦点距離ｆｘ、ｆｙの設定方法について説明する。マイクロレンズアレイ４６のピッチを２Ｄ、マイクロレンズアレイ４６への入射光の発散角度を２δ、明視方向−逆明視方向においてコントラスト比が最大値Ｃｐの１／２となるときの角度（逆明視方向での値）をθ１、明視方向−逆明視方向と直交する方向においてコントラスト比が最大値Ｃｑの１／２となるときの角度をθ２としたとき、マイクロレンズ４７の焦点距離ｆｘ、ｆｙが、
ｆｘ≦Ｄ／ｔａｎ（θ１−δ）
ｆｙ≦Ｄ／ｔａｎ（θ２−δ）
を満たす場合に、より明るく、コントラスト比の高い液晶デバイスが得られる。
【００６１】
また、マイクロレンズアレイ４６のピッチを２Ｄ、マイクロレンズアレイ４６への入射光の発散角度を２δ、明視方向−逆明視方向においてコントラスト比が最大値Ｃｐの１／２となる逆明視方向での角度をθ１、明視方向−逆明視方向と直交する方向においてコントラスト比が最大値Ｃｑの１／２となる角度をθ２、明視方向−逆明視方向においてコントラスト比が最大値Ｃｐの１／３となる角度（逆明視方向での値）をθ３、明視方向−逆明視方向と直交する方向においてコントラスト比が最大値Ｃｑの１／３となる角度をθ４としたとき、マイクロレンズ４７の焦点距離ｆｘ、ｆｙが、
Ｄ／ｔａｎ（θ１−δ）≦ｆｘ≦Ｄ／ｔａｎ（θ３−δ）
Ｄ／ｔａｎ（θ２−δ）≦ｆｙ≦Ｄ／ｔａｎ（θ４−δ）
を満たす場合に、より明るい液晶デバイスが得られる。
【００６２】
さらに、マイクロレンズアレイ４６のピッチを２Ｄ、マイクロレンズアレイ４６への入射光の発散角度を２δ、明視方向−逆明視方向においてコントラスト比が最大値Ｃｐの１／３となる角度をθ３、明視方向−逆明視方向と直交する方向においてコントラスト比が最大値Ｃｑの１／３となる角度をθ４、明視方向−逆明視方向においてコントラスト比が最大値Ｃｐの２／３となる角度をθ５、明視方向−逆明視方向と直交する方向においてコントラスト比が最大値Ｃｑの２／３となる角度をθ６としたとき、マイクロレンズの焦点距離ｆｘ、ｆｙが、
Ｄ／ｔａｎ（θ５−δ）≦ｆｘ≦Ｄ／ｔａｎ（θ３−δ）
Ｄ／ｔａｎ（θ６−δ）≦ｆｙ≦Ｄ／ｔａｎ（θ４−δ）
を満たす場合に、よりコントラスト比の高い液晶デバイスが得られる。
【００６３】
図２８は、マイクロレンズを用いない場合と、従来のマイクロレンズを用いる場合と、本発明のマイクロレンズアレイを用いる場合の液晶デバイスについて、その明るさ（実効開口率）とコントラスト比を比較したものである。マイクロレンズを用いない場合は、明るさが１番悪いが、コントラスト比が１番よい。従来のマイクロレンズを用いる場合は、明るさは１番よいが、コントラスト比は１番悪い。このように両従来例では、極端な特性を有していて液晶デバイスに用いる場合に、必ずしも望ましいものではないが、本発明のマイクロレンズを用いた場合は、明るさもコントラスト比も中間にあり、比較的明るくてコントラスト比も良好な液晶デバイスを製作することができ、実際の使用に適したものにすることができる。
【００６４】
図２９（ａ）は、本発明に係る液晶デバイスに用いられるレンズアレイ基板３９の別な構造を示す断面図である。図１２に示したようなマイクロレンズアレイ４６では、マイクロレンズ４７間の境界が尖っているので、その先端が欠けたり、成形不良が発生したりする恐れがある。そこで、この実施形態では、ガラス基板５０の表面にレンズ層４３を成形すると共に、マイクロレンズ４７とマイクロレンズ４７の間の境界部分５１を平坦に成形している。なお、このレンズアレイ基板３９の内面には、図２９（ｂ）のように、遮光膜４２を予め設けておいてもよい。また、境界部分５１は、平坦面に限らず、図３０（ａ）、（ｂ）に示すように、曲面に成形しておいてもよい。
【００６５】
図３１は本発明にかかる液晶デバイスの別な実施形態を示す断面図である。この液晶デバイス５２においては、図１２の液晶デバイス３１と同一構成部分には、同一の符号を付して説明を省略する。この液晶デバイス５２でも、屈折率の異なるレンズ層４３と接着剤層４４の界面にマイクロレンズアレイ４６が形成されており（ただし、図３１でも、マイクロレンズ４７の形状は、誇張して描いている。）、マイクロレンズアレイ４６を構成する各マイクロレンズ４７は、それぞれの光学中心軸Ｆを中心とする回転対称な形状、例えば回転非球面レンズ状をしている。マイクロレンズ４７は接着剤層４４側へ凸状に突出しており、接着剤層４４の屈折率ｎ２がレンズ層４３の屈折率ｎ１よりも小さくなっており（ｎ１＞ｎ２）、各マイクロレンズ４７は凸レンズの作用を有している。この場合には、各マイクロレンズ４７の光学中心軸Ｆは、逆明視方向に向けて角度αだけ傾いている。このような実施形態でも、図１２等の実施形態と同様な作用効果を奏することができる。
【００６６】
図３２は本発明の液晶デバイス５９を用いた投写型の画像表示装置５３を示す概略図である。この画像表示装置５３は、キセノンランプ等のランプ２２と回転放物面状をした反射鏡２３とからなる光源２１からほぼ平行な光を出射するようになっており、光源２１から出射された光は、マイクロレンズアレイ５４、５５や集光レンズ５７、５８からなる集光光学系により集光されて液晶デバイス５９に照射され、その途中において偏光変換系５６により偏光方向を揃えられる。光が液晶デバイス５９を透過して生成された画像は、投影レンズ６０によってスクリーン６１に投射される。
【００６７】
【発明の効果】
本発明のレンズアレイを用いれば、明るく、かつ、コントラストの高い画像を表示することができる、高画質な液晶デバイスが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ツイステッドネマティックモードの液晶デバイスの概略構造を示す部分断面図である。
【図２】ＴＦＴ基板の配向膜と対向基板の配向膜との間に封止された液晶の配向状態を模式的に示す図である。
【図３】液晶デバイスの光出射面から出射される光のコントラスト比を表した等高線図である。
【図４】（ａ）は図２の方向ＯＹ及び法線ＯＮを含む平面に垂直で、かつ、液晶デバイスの光出射面に垂直な平面におけるコントラスト特性を示す図、（ｂ）は図２の方向ＯＹ及び法線ＯＮを含む平面におけるコントラスト特性を示す図である。
【図５】投写型画像表示装置に用いられる光源の構造を示す概略断面図である。
【図６】液晶を透過した光のコントラスト比と、マイクロレンズを通過しない光の光量分布と、マイクロレンズを通過した光の光量分布とを示す図である。
【図７】図１の液晶デバイスに明視方向から入射する光が遮光膜等によって遮蔽される様子を説明する図である。
【図８】従来の別な構造をした液晶デバイスの概略断面図である。
【図９】従来のさらに別な構造をした液晶デバイスの概略断面図である。
【図１０】図９の液晶デバイスの別な実施形態を示す概略断面図である。
【図１１】図９及び図１０の液晶デバイスの問題点を説明する図である。
【図１２】本発明の一実施形態による液晶デバイスの概略構造を示す部分断面図である。
【図１３】ＴＦＴ基板のブラックマトリックス領域と対向基板の遮光膜との位置関係を示す概略斜視図である。
【図１４】本発明に係る第１のマイクロレンズアレイのレンズ形状を説明する斜視図である。
【図１５】マイクロレンズを傾けたときのレンズ面の形状変化を示す説明図である。
【図１６】図１２の液晶デバイスに明視方向から斜めに入射した光の挙動を示す図である。
【図１７】図１２の液晶デバイスに逆明視方向から斜めに入射した光の挙動を示す図である。
【図１８】液晶を透過した光のコントラスト比と、傾いていないマイクロレンズを通過した光の光量分布と、傾いたマイクロレンズを通過した光の光量分布とを示す図である。
【図１９】（ａ）はマイクロレンズの設計に用いられるパラメータである、θ１、Ｃ１、Ｃ２を説明する図、（ｂ）は出射光量比ηと偏光角度αとの関係を示す図である。
【図２０】マイクロレンズの設計に用いられるパラメータを説明する図である。
【図２１】マイクロレンズアレイの設計手順を表したフロー図である。
【図２２】（ａ）はマイクロレンズが傾いていない場合の、（ｂ）はマイクロレンズが偏向角度α＝５°で傾いている場合の、（ｃ）はマイクロレンズが偏向角度α＝１０°で傾いている場合の、液晶に入射する光の光量分布を示す図である。
【図２３】マイクロレンズ４７の偏向角度αと、液晶デバイスを透過した光の明るさ（実効開口率）及びコントラストとの関係を表した図である。
【図２４】（ａ）は通常のマイクロレンズアレイのレンズ形状を示す斜視図、（ｂ）は本発明に係る第２のマイクロレンズアレイのレンズ形状を示す斜視図である。
【図２５】（ａ）は本発明に係る第２のマイクロレンズアレイを用いた液晶デバイスの、明視方向−逆明視方向における断面図と、（ｂ）は明視方向−逆明視方向におけるコントラスト比の分布を示す図である。
【図２６】（ａ）は本発明に係る第２のマイクロレンズアレイを用いた液晶デバイスの、明視方向−逆明視方向と直交する方向における断面図と、（ｂ）は明視方向−逆明視方向と直交する方向におけるコントラスト比の分布を示す図である。
【図２７】本発明に係る第２のマイクロレンズアレイの焦点距離の設計を説明する図である。
【図２８】マイクロレンズを用いない場合と、従来のマイクロレンズを用いる場合と、本発明のマイクロレンズアレイを用いた液晶デバイスについて、その明るさ（実効開口率）とコントラストを比較した結果を示す図である。
【図２９】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ本発明に係る液晶デバイスに用いられるレンズアレイ基板の別な構造を示す断面図である。
【図３０】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ本発明に係る液晶デバイスに用いられるレンズアレイ基板のさらに別な構造を示す断面図である。
【図３１】本発明にかかる液晶デバイスの別な実施形態を示す断面図である。
【図３２】本発明の液晶デバイスを用いた投写型の画像表示装置を示す概略図である。
【符号の説明】
３１  液晶デバイス
３２  ＴＦＴ基板
３３  対向基板
３４  液晶
３６  画素電極
３７  ブラックマトリックス領域
３９  レンズアレイ基板
４０  対向電極
４２  遮光膜
４３  レンズ層
４４  接着剤層
４６  マイクロレンズアレイ
４７  マイクロレンズ
【図１】
2005070157.tif 000003
【図２】
2005070157.tif 000004
【図３】
2005070157.tif 000005
【図４】
2005070157.tif 000006
【図５】
2005070157.tif 000007
【図６】
2005070157.tif 000008
【図７】
2005070157.tif 000009
【図８】
2005070157.tif 000010
【図９】
2005070157.tif 000011
【図１０】
2005070157.tif 000012
【図１１】
2005070157.tif 000013
【図１２】
2005070157.tif 000014
【図１３】
2005070157.tif 000015
【図１４】
2005070157.tif 000016
【図１５】
2005070157.tif 000017
【図１６】
2005070157.tif 000018
【図１７】
2005070157.tif 000019
【図１８】
2005070157.tif 000020
【図１９】
2005070157.tif 000021
【図２０】
2005070157.tif 000022
【図２１】
2005070157.tif 000023
【図２２】
2005070157.tif 000024
【図２３】
2005070157.tif 000025
【図２４】
2005070157.tif 000026
【図２５】
2005070157.tif 000027
【図２６】
2005070157.tif 000028
【図２７】
2005070157.tif 000029
【図２８】
2005070157.tif 000030
【図２９】
2005070157.tif 000031
【図３０】
2005070157.tif 000032
【図３１】
2005070157.tif 000033
【図３２】
2005070157.tif 000034