(57)【要約】【課題】狭ピッチ化が進む液晶装置において、光源からの入射光量を低下させず、また画素間の遮光膜による光の損失や、投射レンズの飲込み角による光の損失等を防ぎ、高い光利用効率を実現する。【解決手段】本発明の液晶装置は、液晶に入射する光を画素２５０の中心側に向けて集光する複数の集光素子３３を有する。集光素子３３は、光の光軸ＡＸを中心とする複数の集光領域３３Ａ，３３Ｂを有し、前記光軸ＡＸに近い集光領域３３Ａで集光される光が光軸ＡＸとなす角度は、集光領域３３Ａよりも光軸ＡＸから遠い集光領域３３Ｂで集光される光が前記光軸ＡＸとなす角度よりも大きい。また、光軸ＡＸに近い集光領域３３Ａの光軸ＡＸに平行な断面は、円若しくは正多角形、又はこれらを画素２５０のアスペクト比に合わせてアスペクト変換した形状であり、且つ、その外周部は画素２５０の外周部に平面視で内接している。【選択図】図３
2007212494.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液晶により画像を表示する液晶装置であって、
前記画像を構成する複数の画素と、
前記複数の画素間に設けられた遮光膜と、
前記複数の画素の各々に対応して設けられ、前記液晶に入射する光を前記画素の中心側へ向けて集光する複数の集光素子と、を有し、
前記集光素子は、前記画素の中心に入射する光の光軸を中心とする複数の集光領域を有し、
前記複数の集光領域のうち前記光軸に近い集光領域により集光される光が前記光軸となす角度は、該集光領域よりも前記光軸から遠い集光領域により集光される光が前記光軸となす角度よりも大きく、
前記複数の集光領域のうち少なくとも最も前記光軸に近い集光領域を前記光軸に垂直な面で切った断面は、円又は正多角形を前記画素のアスペクト比に合わせてアスペクト変換した形状であり、
前記複数の集光領域のうち最も光軸に近い集光領域の外周部は、前記画素の外周部に平面視で内接していることを特徴とする液晶装置。
【請求項２】
前記複数の集光領域は、該集光領域を前記光軸を含む面で切った断面において、前記光の入射側の外周が曲線をなす屈折面を有し、
前記複数の集光領域のうち前記光軸に近い集光領域の前記外周の曲率が、該集光領域よりも前記光軸から遠い集光領域の前記外周の曲率よりも大きいことを特徴とする請求項１記載の液晶装置。
【請求項３】
前記複数の集光領域は、前記光軸に近い側に配置された第１集光領域と、その外側に配置された第２集光領域とからなり、
前記第１集光領域における屈折面の曲率半径をＣｒ、前記第２集光領域における屈折面の曲率半径をＯｒとしたときに、
ＣｒとＯｒとの比Ｏｒ／Ｃｒが、１＜Ｏｒ／Ｃｒ≦３の関係を満たすことを特徴とする請求項２記載の液晶装置。
【請求項４】
前記複数の集光領域は、該集光領域を前記光軸を含む面で切った断面において、前記光の入射側の外周が直線をなす屈折面を有し、
前記複数の集光領域のうち前記光軸に近い集光領域の前記屈折面が前記光軸となす角度は、該集光領域よりも前記光軸から遠い集光領域の前記屈折面が前記光軸となす角度よりも小さいことを特徴とする請求項１記載の液晶装置。
【請求項５】
前記複数の集光領域は、前記光軸に近い側に配置された第１集光領域と、その外側に配置された第２集光領域とからなり、
前記第１集光領域における屈折面の前記光軸に対する傾斜角度をθＡ、前記第２集光領域における屈折面の前記光軸に対する傾斜角度をθＢとしたときに、
θＡとθＢとの比θＢ／θＡが、１．１≦θＢ／θＡ≦３の関係を満たすことを特徴とする請求項４記載の液晶装置。
【請求項６】
前記複数の集光領域は、第１集光領域と、該第１集光領域よりも前記光軸から遠い側に配置された第２集光領域とを含み、
前記第１の集光領域及び前記第２の集光領域のうち、一方は、該集光領域を前記光軸を含む平面で切った断面において、前記光の入射側の外周が曲線をなす屈折面を有する集光領域であり、他方は、該集光領域を前記光軸を含む平面で切った断面において、前記光の入射側の外周が直線をなす屈折面を有する集光領域であり、
各集光領域において、当該集光領域により前記光軸に平行に入射した光が屈折された後の当該光の光路と前記光軸との交差する角度の平均を屈折角として定義した場合に、
前記第１の集光領域に入射した光の屈折角が、前記第２の集光領域に入射した光の屈折角よりも大きいことを特徴とする請求項１記載の液晶装置。
【請求項７】
液晶により画像を表示する液晶装置であって、
前記画像を構成する複数の画素と、
前記複数の画素間に設けられた遮光膜と、
前記複数の画素の各々に対応して設けられ、前記液晶に入射する光を前記画素の中心側へ向けて集光する複数の集光素子と、を有し、
前記集光素子は、前記画素の中心に入射する光の光軸を中心とする複数の集光領域を有し、
前記複数の集光領域により前記光軸に平行に入射した光が屈折された後の当該光の光路と前記光軸とが交差する位置は、前記光軸から遠い集光領域により集光されたものほど前記光の入射側から遠く、
前記複数の集光領域のうち少なくとも最も前記光軸に近い集光領域を前記光軸に垂直な面で切った断面は、円又は正多角形を前記画素のアスペクト比に合わせてアスペクト変換した形状であり、
前記複数の集光領域のうち最も光軸に近い集光領域の外周部は、前記画素の外周部に平面視で内接していることを特徴とする液晶装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかの項に記載の液晶装置を空間光変調装置として備えたことを特徴とするプロジェクタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶装置及びプロジェクタに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
プロジェクタは、近年ホームユースの用途が拡大している。このため、プロジェクタの空間光変調装置には、安価、長寿命、かつ高い光利用効率で、高コントラストな画像を得られることが望まれている。空間光変調装置の代表例として、例えば液晶装置が用いられている。液晶装置には、その画像表示領域内に、データ線、走査線、容量線等の各種配線や、薄膜トランジスタ、薄膜ダイオード等の各種電子素子が作り込まれている。このため、各画素において、画像表示に寄与する光が透過又は反射できる領域は、各種配線や電子素子等の存在により制限される。各画素の開口率は、各画素の領域に対する画像表示に寄与する光が透過又は反射できる領域、即ち開口領域の面積比率で定義される。一般的に、液晶装置の開口率は略７０％程度である。また、液晶装置に入射する光源からの光は、略平行光の状態で液晶層を透過又は反射する。このため、液晶装置を略平行光で照明するときは、全光量のうち各画素の開口率に応じた光量だけ利用でき、利用されない光は光量損失となる。
【０００３】
そこで、従来は、マイクロレンズ等の集光素子を液晶装置の対向基板に設け、液晶装置に入射した光を遮光膜の内側（画素の開口領域）に集光させている（例えば、特許文献１参照）。マイクロレンズは、光源からの照明光を画素単位で開口領域へ向かって集光する。マイクロレンズで集光された照明光は、効率良く画素の開口領域を透過することができる。このため、液晶装置にマイクロレンズアレイを用いると、遮光膜による光量損失が少なくなり、光利用効率の向上が図られる。
【特許文献１】特開２０００−１６２４０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、マイクロレンズとしては、一般に球面レンズや非球面レンズが用いられる。これらのレンズでは、レンズの外周部の屈折角の方がレンズの中心部の屈折角よりも大きくなっている。これは、レンズの外周部に入射した大きな角度分布を有する光を画素の中心部に向けて入射させるためである。
【０００５】
しかしながら、狭ピッチ化が進む小型の液晶装置においては、このようなレンズ形状では十分な光利用効率が得られないことが本発明者の検討によって明らかになっている。つまり、画素ピッチの狭い液晶装置では、１画素のサイズが小さくなるのに対して、パネルを構成する基板の厚みやその表面に形成される膜の厚み等はそれ程小さくならない。このため、従来と同じ大きな曲率のレンズを用いると、レンズの外周部に入射した光を大きく屈折させすぎてしまい、遮光膜による光量損失が大きくなってしまうのである。一方、小さな曲率のレンズを用いると、今度はレンズの中央部に斜めに入射した光が十分に屈折されなくなる。このため、従来有効に利用できていた斜め入射光が投射レンズの飲込み角に収まらなくなり（すなわち投射レンズによってケラレてしまい）、やはり光利用効率が不十分になる。
【０００６】
なお、ここでは集光素子としてマイクロレンズを用いた場合について説明したが、このような問題は集光素子としてミラー等の反射光学素子やホログラム等の回折光学素子を用いた場合にも共通の問題である。
【０００７】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、特に狭ピッチ化が進む小型の液晶装置において、光源からの入射光量を低下させず、また画素間の遮光膜による光の損失や、投射レンズの飲込み角による光の損失等を防ぎ、高い光利用効率を実現することのできる液晶装置を提供することを目的とする。また、このような液晶装置を備えることにより明るい画像表示が可能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】
【０００８】
上記の課題を解決するため、本発明の液晶装置は、液晶により画像を表示する液晶装置であって、前記画像を構成する複数の画素と、前記複数の画素間に設けられた遮光膜と、前記複数の画素の各々に対応して設けられ、前記液晶に入射する光を前記画素の中心側へ向けて集光する複数の集光素子と、を有し、前記集光素子は、前記画素の中心に入射する光の光軸を中心とする複数の集光領域を有し、前記複数の集光領域のうち前記光軸に近い集光領域により集光される光が前記光軸となす角度は、該集光領域よりも前記光軸から遠い集光領域により集光される光が前記光軸となす角度よりも大きく、前記複数の集光領域のうち少なくとも最も前記光軸に近い集光領域を前記光軸に垂直な面で切った断面は、円又は正多角形を前記画素のアスペクト比に合わせてアスペクト変換した形状であり、前記複数の集光領域のうち最も光軸に近い集光領域の外周部は、前記画素の外周部に平面視で内接していることを特徴とする。
この構成によれば、画素外周部に入射した光が過剰に屈折等されることがないので、従来に比べて遮光膜による光量損失が少なくなり、明るい表示が可能になる。また、画素の外周部から射出される光が光軸に対して平行に近い状態となるため、コントラストの高い表示が実現される。さらに、集光領域の形状が画素の形状に合わせて適切に設計されているので、他の形状に設計する場合に比べて高い効率が得られる。
なお、本発明において「画素」とは、画像表示領域内における表示の最小単位を意味する。モノクロ表示を行なう液晶装置では、その最小表示単位である各々の画素が本発明の「画素」となる。一方、カラー表示を行なう液晶装置では、Ｒ，Ｇ，Ｂのカラー表示を行なう各々のサブ画素が本発明の「画素」となる。
１画素の領域は、画素の境界が遮光膜によって仕切られている場合には、その遮光膜の中央部までの領域で規定される。「画素のアスペクト比」とは、１画素における縦サイズと横サイズとの比をいう。アスペクト比は概算でよい。例えば、モノクロ表示を行なう正方形の画素の場合はアスペクト比は１：１として設計される。プロセス上十分な精度が得られない場合があり、また、集光領域の形状が正確にアスペクト変換した形状から若干ずれていても、光学特性上殆ど有意な差が生じない場合には正確にアスペクト変換したのと同じ効果が得られるからである。このような場合には、実質的にアスペクト変換されているものとして本発明の技術的範囲に含まれるものとする。
【０００９】
「画素の外周部に平面視で内接している」には、正確に内接している場合だけでなく、正確に内接している状態から若干ずれた場合も含まれる。プロセス上十分な精度が得られない場合や、マイクロレンズを作製する過程で集光領域の境界部が明確に形成できない場合もあり、また、内接している状態から若干ずれていても、光学特性上殆ど有意な差が生じない場合には内接しているのと同じ効果が得られるからである。このような場合には、実質的に内接しているものとして本発明の技術的範囲に含まれるものとする。
【００１０】
ここで、本発明の集光素子としては、種々の光学素子を用いることができる。代表的なものとして、マイクロレンズ等の屈折光学素子があるが、反射光学素子や回折光学素子を用いることもできる。反射光学素子や回折光学素子は、光を反射又は回折することにより遮光膜の内側に導く点を除いて屈折光学素子と同様の作用効果を有する。なお、以下の説明では、集光素子として屈折光学素子を用いた例について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００１１】
集光素子として屈折光学素子を用いた場合、本明細書では、光軸に対する光の「屈折角」は、以下のように定義される。
（１）前記集光領域が、該集光領域を前記光軸を含む平面で切った断面において、前記光の入射側の外周が曲線をなす屈折面を有する場合。この場合には、前記光軸に平行に入射した光が屈折された後の当該光の光路と前記光軸との交差する角度の平均を意味する。「平均」とは、例えば、屈折光と光軸とのなす角の最大値と最小値の平均（中間の値）である。ただし、断面の切り方によっては、この角度が変わる場合があるので、その場合には、断面を３６０°回転した全周方向の積分平均を上記「平均」として定義する。
（２）前記集光領域が、該集光領域を前記光軸を含む平面で切った断面において、前記光の入射側の外周が直線をなす屈折面を有する場合。この場合には、前記光軸に平行に入射した光が屈折された後の当該光の光路と前記光軸との交差する角度を意味する。断面が傾斜面からなる場合には、屈折光と光軸とのなす角度は当該傾斜面において一定である。したがって、（１）のように最大値と最小値を求める必要はない。しかし、断面の切り方によっては、この角度が変わる場合があるので、その場合には、断面を３６０°回転した全周方向の平均（積分平均）を上記「平均」として定義する。
【００１２】
また、上述の（１）、（２）の組み合わせに応じて、本発明の液晶装置は以下の３つの形態に具体化することができる。
すなわち、本発明の第１の形態の液晶装置は、前記複数の集光領域が、それぞれ、該集光領域を前記光軸を含む平面で切った断面において、前記光の入射側の外周が曲線をなす屈折面を有し、前記複数の集光領域のうち、前記光軸に近い集光領域の前記外周の曲率が、該集光領域よりも前記光軸から遠い集光領域の前記外周の曲率よりも大きいことを特徴とする。
本発明の第２の形態の液晶装置は、前記複数の集光領域が、それぞれ、該集光領域を前記光軸を含む平面で切った断面において、前記光の入射側の外周が直線をなす屈折面を有し、前記複数の集光領域のうち、前記光軸に近い集光領域の前記屈折面が前記光軸となす角度は、該集光領域よりも前記光軸から遠い集光領域の前記屈折面が前記光軸となす角度よりも小さいことを特徴とする。
本発明の第３の形態の液晶装置は、前記複数の集光領域が、第１集光領域と、該第１集光領域よりも前記光軸から遠い側に配置された第２集光領域とを含み、前記第１の集光領域及び前記第２の集光領域のうち、一方は、該集光領域を前記光軸を含む平面で切った断面において、前記光の入射側の外周が曲線をなす屈折面を有する集光領域であり、他方は、該集光領域を前記光軸を含む平面で切った断面において、前記光の入射側の外周が直線をなす屈折面を有する集光領域であり、各集光領域において、当該集光領域により前記光軸に平行に入射した光が屈折された後の当該光の光路と前記光軸との交差する角度の平均を屈折角として定義した場合に、前記第１の集光領域に入射した光の屈折角が、前記第２の集光領域に入射した光の屈折角よりも大きいことを特徴とする。
【００１３】
本発明の第１の形態の液晶装置においては、前記複数の集光領域は、第１集光領域と、該第１集光領域よりも前記光軸から遠い側に配置された第２集光領域とからなり、前記第１集光領域の前記外周の曲率半径をＣｒ、前記第２集光領域の前記曲率半径をＯｒとしたときに、ＣｒとＯｒとの比Ｏｒ／Ｃｒが、１＜Ｏｒ／Ｃｒ≦３の関係を満たすことが望ましい。また、本発明の第２の形態の液晶装置においては、前記複数の集光領域は第１集光領域と、該第１集光領域よりも前記光軸から遠い側に配置された第２集光領域とからなり、前記第１集光領域における屈折面の前記光軸に対する傾斜角度をθＡ、前記第２集光領域における屈折面の前記光軸に対する傾斜角度をθＢとしたときに、θＡとθＢとの比θＢ／θＡが、１．１≦θＢ／θＡ≦３の関係を満たすことが望ましい。
これらの構成によれば、コントラストと光利用効率の双方で高い性能を得ることができる。
【００１４】
本発明の液晶装置は、液晶により画像を表示する液晶装置であって、前記画像を構成する複数の画素と、前記複数の画素間に設けられた遮光膜と、前記複数の画素の各々に対応して設けられ、前記液晶に入射する光を前記画素の中心側へ向けて集光する複数の集光素子と、を有し、前記集光素子は、前記画素の中心に入射する光の光軸を中心とする複数の集光領域を有し、前記複数の集光領域により前記光軸に平行に入射した光が屈折された後の当該光の光路と前記光軸とが交差する位置は、前記光軸から遠い集光領域により集光されたものほど前記光の入射側から遠く、前記複数の集光領域のうち少なくとも最も前記光軸に近い集光領域を前記光軸に垂直な面で切った断面は、円又は正多角形を前記画素のアスペクト比に合わせてアスペクト変換した形状であり、前記複数の集光領域のうち最も光軸に近い集光領域の外周部は、前記画素の外周部に平面視で内接していることを特徴とする。
この構成によれば、画素外周部に入射した光が過剰に屈折等されることがないので、従来に比べて遮光膜による光量損失が少なくなり、明るい表示が可能になる。また、画素の外周部から射出される光が光軸に対して平行に近い状態となるため、コントラストの高い表示が実現される。さらに、集光領域の形状が画素の形状に合わせて適切に設計されているので、他の形状に設計する場合に比べて高い効率が得られる。
【００１５】
本発明のプロジェクタは、上述した本発明の液晶装置を空間光変調装置として備えたことを特徴とする。
この構成によれば、明るい画像表示が可能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】
【００１６】
［プロジェクタ］
図１は、本発明の一実施の形態に係るプロジェクタの概略構成を示す模式図である。
このプロジェクタ１０は、観察者側に設けられたスクリーン２６に光を供給し、スクリーン２６で反射する光を観察することで画像を鑑賞する、いわゆるフロント投写型のプロジェクタである。光源部１１は、赤色光（以下、「Ｒ光」という。）、緑色光（以下、「Ｇ光」という。）、及び青色光（以下、「Ｂ光」という。）を含む光を供給する超高圧水銀ランプである。インテグレータ１４は、光源部１１からの光の照度分布を均一化する。照度分布を均一化された光は、偏光変換素子１５にて特定の振動方向を有する偏光光、例えばｓ偏光光に変換される。ｓ偏光光に変換された光は、色分離光学系を構成するＲ光透過ダイクロイックミラー１６Ｒに入射する。
【００１７】
Ｒ光透過ダイクロイックミラー１６Ｒは、Ｒ光を透過し、Ｇ光、Ｂ光を反射する。Ｒ光透過ダイクロイックミラー１６Ｒを透過したＲ光は、反射ミラー１７に入射する。反射ミラー１７は、Ｒ光の光路を９０度折り曲げる。光路を折り曲げられたＲ光は、Ｒ光を画像信号に応じて変調する空間光変調装置２０Ｒに入射する。空間光変調装置２０Ｒは、Ｒ光を画像信号に応じて変調する透過型の液晶装置である。なお、ダイクロイックミラーを透過しても、光の偏光方向は変化しないため、空間光変調装置２０Ｒに入射するＲ光は、ｓ偏光光のままの状態である。
【００１８】
空間光変調装置２０Ｒは、λ／２位相差板２３Ｒ、硝子板２４Ｒ、第１偏光板２１Ｒ、液晶パネル２５Ｒ、及び第２偏光板２２Ｒを有する。λ／２位相差板２３Ｒ及び第１偏光板２１Ｒは、偏光方向を変換させない透光性の硝子板２４Ｒに接する状態で配置される。これにより、第１偏光板２１Ｒ及びλ／２位相差板２３Ｒが、発熱により歪んでしまうという問題を回避できる。なお、図１において、第２偏光板２２Ｒは独立して設けられているが、液晶パネル２５Ｒの出射面や、クロスダイクロイックプリズム２７の入射面に接する状態で配置しても良い。
【００１９】
空間光変調装置２０Ｒに入射したｓ偏光光は、λ／２位相差板２３Ｒによりｐ偏光光に変換される。ｐ偏光光に変換されたＲ光は、硝子板２４Ｒ及び第１偏光板２１Ｒをそのまま透過し、液晶パネル２５Ｒに入射する。液晶パネル２５Ｒに入射したｐ偏光光は、画像信号に応じた変調により、Ｒ光がｓ偏光光に変換される。液晶パネル２５Ｒの変調により、ｓ偏光光に変換されたＲ光が、第２偏光板２２Ｒから出射される。このようにして、空間光変調装置２０Ｒで変調されたＲ光は、色合成光学系であるクロスダイクロイックプリズム２７に入射する。
【００２０】
Ｒ光透過ダイクロイックミラー１６Ｒで反射されたＧ光及びＢ光は、光路を９０度折り曲げられる。光路を折り曲げられたＧ光とＢ光とは、Ｂ光透過ダイクロイックミラー１６Ｇに入射する。Ｂ光透過ダイクロイックミラー１６Ｇは、Ｇ光を反射し、Ｂ光を透過する。Ｂ光透過ダイクロイックミラー１６Ｇで反射されたＧ光は、Ｇ光を画像信号に応じて変調する空間光変調装置２０Ｇに入射する。空間光変調装置２０Ｇは、Ｇ光を画像信号に応じて変調する透過型の液晶装置である。空間光変調装置２０Ｇは、液晶パネル２５Ｇ、第１偏光板２１Ｇ及び第２偏光板２２Ｇを有する。
【００２１】
空間光変調装置２０Ｇに入射するＧ光は、ｓ偏光光に変換されている。空間光変調装置２０Ｇに入射したｓ偏光光は、第１偏光板２１Ｇをそのまま透過し、液晶パネル２５Ｇに入射する。液晶パネル２５Ｇに入射したｓ偏光光は、画像信号に応じた変調により、Ｇ光がｐ偏光光に変換される。液晶パネル２５Ｇの変調により、ｐ偏光光に変換されたＧ光が、第２偏光板２２Ｇから出射される。このようにして、空間光変調装置２０Ｇで変調されたＧ光は、色合成光学系であるクロスダイクロイックプリズム２７に入射する。
【００２２】
Ｂ光透過ダイクロイックミラー１６Ｇを透過したＢ光は、２枚のリレーレンズ１８と、２枚の反射ミラー１７とを経由して、Ｂ光を画像信号に応じて変調する空間光変調装置２０Ｂに入射する。空間光変調装置２０Ｂは、Ｂ光を画像信号に応じて変調する透過型の液晶装置である。なお、Ｂ光にリレーレンズ１８を経由させるのは、Ｂ光の光路の長さがＲ光及びＧ光の光路の長さよりも長いためである。リレーレンズ１８を用いることにより、Ｂ光透過ダイクロイックミラー１６Ｇを透過したＢ光を、そのまま空間光変調装置２０Ｂに導くことができる。空間光変調装置２０Ｂは、λ／２位相差板２３Ｂ、硝子板２４Ｂ、第１偏光板２１Ｂ、液晶パネル２５Ｂ、及び第２偏光板２２Ｂを有する。空間光変調装置２０Ｂの構成は、上述した空間光変調装置２０Ｒと同様の構成を有する。
【００２３】
空間光変調装置２０Ｂに入射するＢ光は、ｓ偏光光に変換されている。空間光変調装置２０Ｂに入射したｓ偏光光は、λ／２位相差板２３Ｂによりｐ偏光光に変換される。ｐ偏光光に変換されたＢ光は、硝子板２４Ｂ及び第１偏光板２１Ｂをそのまま透過し、液晶パネル２５Ｂに入射する。液晶パネル２５Ｂに入射したｐ偏光光は、画像信号に応じた変調により、Ｂ光がｓ偏光光に変換される。液晶パネル２５Ｂの変調により、ｓ偏光光に変換されたＢ光が、第２偏光板２２Ｂから出射される。空間光変調装置２０Ｂで変調されたＢ光は、色合成光学系であるクロスダイクロイックプリズム２７に入射する。このように、色分離光学系を構成するＲ光透過ダイクロイックミラー１６ＲとＢ光透過ダイクロイックミラー１６Ｇとは、光源部１１から供給される光を、Ｒ光と、Ｇ光と、Ｂ光とに分離する。
【００２４】
色合成光学系であるクロスダイクロイックプリズム２７は、２つのダイクロイック膜２７ａ、２７ｂをＸ字型に直交して配置して構成されている。ダイクロイック膜２７ａは、Ｂ光を反射し、Ｇ光を透過する。ダイクロイック膜２７ｂは、Ｒ光を反射し、Ｇ光を透過する。このように、クロスダイクロイックプリズム２７は、空間光変調装置２０Ｒ、空間光変調装置２０Ｇ、及び空間光変調装置２０Ｂでそれぞれ変調されたＲ光、Ｇ光及びＢ光を合成する。投射レンズを含む投写光学系２８は、クロスダイクロイックプリズム２７で合成された光をスクリーン２６に投写する。これにより、スクリーン２６上にフルカラー画像を表示することができる。
【００２５】
なお、上述のように、空間光変調装置２０Ｒ及び空間光変調装置２０Ｂからクロスダイクロイックプリズム２７に入射される光は、ｓ偏光光となるように設定される。また、空間光変調装置２０Ｇからクロスダイクロイックプリズム２７に入射される光は、ｐ偏光光となるように設定される。このようにクロスダイクロイックプリズム２７に入射される光の偏光方向を異ならせることで、クロスダイクロイックプリズム２７において各色光用空間光変調装置から出射される光を有効に合成できる。ダイクロイック膜２７ａ、２７ｂは、通常、ｓ偏光光の反射特性に優れる。このため、ダイクロイック膜２７ａ、２７ｂで反射されるＲ光及びＢ光をｓ偏光光とし、ダイクロイック膜２７ａ、２７ｂを透過するＧ光をｐ偏光光としている。
【００２６】
［液晶パネル］
図２は、液晶パネル２５Ｒの要部斜視構成を示す模式図である。
図１で説明したプロジェクタ１０は、３つの液晶パネル２５Ｒ、２５Ｇ、２５Ｂを備えている。これら３つの液晶パネル２５Ｒ、２５Ｇ、２５Ｂは変調する光の波長領域が異なるだけであり、基本的構成は同一である。このため、液晶パネル２５Ｒを代表例として以後の説明を行う。一つの開口領域ＡＰは、一つの画素に対応している。図２では、液晶パネル２５Ｒのうち一つの画素に対応する部分のみを示している。
【００２７】
光源部１１からのＲ光は、図２の左側から液晶パネル２５Ｒに入射し、右側からスクリーン２６の方向へ出射する。防塵硝子である入射側防塵プレート３１の出射側には、マイクロレンズアレイ基板３２が設けられている。マイクロレンズアレイ基板３２は接着剤層３４によって対向基板３６に接着されている。マイクロレンズアレイ基板３２の対向基板３６側の面には凹曲面部が形成されており、この凹曲面部に配置された接着剤層３４によって、屈折光学素子であるマイクロレンズ３３が形成されている。
【００２８】
一のマイクロレンズ３３は、一つの開口領域ＡＰに対応して設けられている。各マイクロレンズ３３は、光源１１から入射された光を、対応する開口領域ＡＰ内、すなわち対応する画素の中心側に向けて集光する集光素子として機能する。液晶パネル２５Ｒの全体では、複数の開口領域ＡＰに対応して複数のマイクロレンズ３３がマトリクス状に配列されている。そして、これらマトリクス状に配列された複数のマイクロレンズ３３によってマイクロレンズアレイが構成されている。
【００２９】
略平行光束である入射光は、マイクロレンズアレイ基板３２と接着剤層３４との屈折率差に応じて屈折され、ブラックマトリックスＢＭの開口領域ＡＰを通過するように集光される。マイクロレンズの形状（すなわち、屈折面である凹曲面部の形状）、マイクロレンズアレイ基板３２の屈折率、及び接着剤層３４の屈折率は、屈折光が開口領域ＡＰを効率良く通過できるように適宜設定される。
【００３０】
マイクロレンズ３３の出射側には、ＩＴＯ膜を備える透明電極３７等を有する対向基板３６が配置されている。対向基板３６及び透明電極３７の間には、遮光部であるブラックマトリックス（遮光膜）ＢＭが形成されている。ブラックマトリックスＢＭは、マトリクス状に配された複数の画素を仕切るように画素の境界領域（画素間）に格子状に設けられている。ブラックマトリックスＢＭには、画素に対応する矩形の開口領域ＡＰが設けられている。透明電極３７の出射側には、ラビング処理等の所定の配向処理が施された配向膜３８が設けられている。配向膜３８は、例えば、ポリイミド膜等の透明な有機膜で構成されている。
【００３１】
出射側防塵プレート４３の入射側には、ＴＦＴ基板４２が形成されている。ＴＦＴ基板４２の入射側には、透明電極やＴＦＴ形成層４１が設けられている。ＴＦＴ形成層４１のさらに入射側には、配向膜４０が設けられている。配向膜３８、配向膜４０は、それぞれのラビング方向が互いに略直交するように配置されている。入射側防塵プレート３１及び出射側防塵プレート４３は、対向基板３６とＴＦＴ基板４２とを対向させて貼り合わされている。対向基板３６とＴＦＴ基板４２との間には、液晶層３９が封入されている。
【００３２】
なお、図１で示した構成では、第１偏光板２１Ｒ及び第２偏光板２２Ｒを、液晶パネル２５Ｒに対して別体として設けている。これに代えて、入射側防塵プレート３１と対向基板３６との間や、出射側防塵プレート４３とＴＦＴ基板４２との間などに偏光板を設けることとしても良い。
【００３３】
［マイクロレンズ−１］
次に、図３に基づいて、本発明の第１の実施の形態のマイクロレンズの構成と作用を説明する。図３（ａ）は、一の開口領域ＡＰに対応する一のマイクロレンズ３３の平面図であり、図３（ｂ）は、そのＡ−Ａ′線に沿う断面図である。なお、図３において、マイクロレンズアレイ基板３２の法線方向をＺ軸方向とし、Ｚ軸に垂直な方向をＸ軸方向及びＹ軸方向としている。Ｘ軸方向及びＹ軸方向は、それぞれ画像を構成する複数の画素２５０が配列する方向と一致する。
【００３４】
図３（ａ）に示すように、マイクロレンズ３３には、画素の中心に入射する光の光軸ＡＸを中心として複数のレンズ部（本実施形態では２つのレンズ部３３１，３３２）が設けられている。これらのレンズ部は、光軸ＡＸから近い側から順に、レンズ部３３１、レンズ部３３２が配置されている。レンズ部３３１及びレンズ部３３２は、所定の曲率を持った球面レンズ又は非球面レンズである。
【００３５】
レンズ部３３１を光軸ＡＸに垂直な平面（ＸＹ平面）で切った断面は円形であり、そのレンズ部３３１の最外周部は、矩形の画素２５０の外周部に概ね内接するように形成されている。また、その外側に配置されたレンズ部３３２の外周部は、画素２５０の形状に合わせて矩形状に形成されている。こうすることで、所定のコーン角で入射された光を効率良く集光できるようになる。
【００３６】
ここで、画素２５０の外縁は、ブラックマトリックスＢＭの中央部の位置で規定される。したがって、１画素２５０の領域は、ブラックマトリックスＢＭの中央部まで及ぶ矩形の領域として規定される。本実施形態の場合、液晶パネル２５はモノクロ表示を行なうものであるため、画素２５０の平面形状は正方形とされている。また、「画素２５０の外周部に概ね内接する」とは、正確に内接している場合だけでなく、正確に内接している状態から若干ずれた場合（例えば、光軸ＡＸに近い側の縁部ＢＭ１から光軸ＡＸから遠い側の縁部ＢＭ２までの間にレンズ部３３１の最外周部が配置された場合）も含む趣旨である。プロセス上十分な精度が得られない場合や、マイクロレンズ３３を作製する過程でレンズ部の境界が明確に形成できない場合もあり、また、内接している状態から若干ずれていても、光学特性上殆ど有意な差が生じない場合には内接しているのと同じ効果が得られるからである。
【００３７】
図３（ｂ）に示すように、レンズ部３３１及び３３２には、それぞれ異なる曲率の屈折面が形成されている。すなわち、レンズ部３３１，３３２は、該レンズ部３３１，３３２を光軸ＡＸを含む平面で切った断面において、光の入射側の外周が曲線をなす屈折面を有しており、それぞれのレンズ部の前記外周のの曲率が互いに異なるものとなっている。レンズ部３３１及びレンズ部３３２は、いずれも光軸ＡＸを中心軸とした球面状又はそれに近似する非球面状の屈折面を有しており、これらが光軸ＡＸを中心として同心状に配置された構造となっている。そして、これらのレンズ部３３１及びレンズ部３３２により、光軸ＡＸを中心とした複数の集光領域３３Ａ及び３３Ｂが形成されている。
【００３８】
レンズ部３３１及びレンズ部３３２は、ガラス等からなるマイクロレンズアレイ基板３２（屈折率ｎ１）をエッチング等することにより形成される。このレンズ部３３１及び３３２の表面には接着剤層３４（屈折率ｎ２）が配置されており、この接着剤層３４を介してマイクロレンズアレイ基板３２と液晶パネルの対向基板（図示略）とが接着されている。なお、マイクロレンズアレイ基板３２の屈折率ｎ１と接着剤層３４の屈折率ｎ２との間には、ｎ１＜ｎ２の関係がある。
【００３９】
レンズ部３３１及びレンズ部３３２では、光軸ＡＸに近い側のレンズ部３３１の屈折面の曲率半径をＣｒとし、光軸ＡＸから遠い側のレンズ部３３２の屈折面の曲率半径をＯｒとした場合に、これらの間には、Ｃｒ＜Ｏｒの関係が成り立っている。そして、これにより光軸ＡＸに近い集光領域３３Ａほど光軸ＡＸに対して大きな角度で光が屈折されるようになっている。
【００４０】
ここで、集光領域が曲面で構成される場合の光軸ＡＸに対する光の「屈折角」とは、光軸ＡＸに平行に入射した光が屈折された後の当該光の光路と光軸ＡＸとの交差する角度の平均を意味する。「平均」とは、例えば、屈折光と光軸ＡＸとのなす角の最大値と最小値の平均（中間の値）である。ただし、ただし、断面の切り方によっては、この角度が変わる場合があるので、その場合には、断面を３６０°回転したときの全周方向の積分平均を上記「平均」として定義する。すなわち、「屈折角」を計算する場合には、まず、光軸ＡＸを含む特定の断面において、当該集光領域で屈折される光が光軸ＡＸとなす角の最大値と最小値を求め、それらの中間の値を当該特定の断面における屈折角αとして算出する。この特定の断面が、例えば、ＸＺ平面に対して角度βだけ傾斜した面であるとした場合、その角度βを０°から３６０°回転まで変化させ、それぞれについて屈折角αを算出する。そして、その積分平均から、全周方向における屈折角αの平均を求める。こうして得られた屈折角αの平均が、本明細書における「屈折角」となる。
【００４１】
図３（ｂ）では、光軸ＡＸに近い側の集光領域（第１集光領域）３３Ａに入射した光軸ＡＸに平行な光は、焦点位置Ｃ１で焦点を結び、その光の光軸ＡＸとのなす角度の平均（屈折角）はａとなっている。また、光軸ＡＸから遠い側の集光領域（第２集光領域）３３Ｂに入射した光軸ＡＸに平行な光は、焦点位置Ｏ１で焦点を結び、その光の光軸ＡＸとのなす角度の平均（屈折角）はｂとなっている。集光領域３３Ａの方が集光領域３３Ｂよりも光軸ＡＸに近い側に配置されていることから、屈折角ａ及び屈折角ｂの間には、ａ＞ｂの関係が成り立っている。また、このような関係から、集光領域３３Ａ及び集光領域３３Ｂに入射した光の集光点、すなわち、各集光領域３３Ａ，３３Ｂにより光軸ＡＸに平行に入射した光が屈折された後の当該光の光路と光軸ＡＸとが交差する位置は、光軸ＡＸから遠い集光領域ほど光の入射側から遠いものとなっている。
【００４２】
次に、このマイクロレンズ３３の作用を図３及び図４を用いて説明する。
図３（ｂ）に示すように、集光領域３３Ａに対して光軸ＡＸに平行に入射した光は、曲率半径Ｃｒで形成されたレンズ面で屈折され、ブラックマトリックスＢＭの内側の領域（開口領域ＡＰ）に集光された後、液晶パネル内又は液晶パネルの射出側の点Ｃ１で集光する。また、集光領域３３Ａに斜めに入射した光も同様にブラックマトリックスＢＭの内側の領域に集光され、液晶パネル内又は液晶パネルの射出側の点Ｃ２で集光する。したがって、集光領域３３Ａに入射した平行光及び斜入射光は、いずれもブラックマトリックスＢＭによって遮光されずに開口領域ＡＰ内に集光され、表示に寄与する。
【００４３】
一方、集光領域３３Ｂに対して光軸ＡＸに平行に入射した光は、曲率半径Ｏｒで形成されたレンズ面で屈折され、ブラックマトリックスＢＭの内側の領域（開口領域ＡＰ）に集光された後、液晶パネル内又は液晶パネルの射出側の点Ｏ１で集光する。また、集光領域３３Ｂに斜めに入射した光も、その入射角が光軸ＡＸに平行に近い場合には、ブラックマトリックスＢＭの内側の領域に集光され、液晶パネル内又は液晶パネルの射出側の点Ｏ２で集光する。
【００４４】
ここで、光軸ＡＸに対して大きく傾いた角度で入射した光は、レンズ面での屈折角が小さいので、ブラックマトリックスＢＭによって遮光されるが、このような光は、従来の球面レンズ等を用いた場合に比べて少なく、したがって光の損失も小さなものとなる。
【００４５】
この理由を図４を用いて具体的に説明する。
図４（ａ）は、従来のマイクロレンズ３３０（例えば球面レンズ）の集光作用を説明するための断面図である。また、図４（ｂ）は、本発明のマイクロレンズ３３の集光作用を説明するための断面図である。
【００４６】
図４（ａ）に示すように、狭ピッチ化が進む液晶パネルにおいては、画素サイズが小さくなるのに比べて画素開口領域ＡＰとマイクロレンズ３３０との間に配置される部材、例えば基板３６やその表面に形成される膜材料の厚みはそれ程小さくならない。このため、画素のスケールを一定とした場合に、マイクロレンズ３３０とブラックマトリックスＢＭとの間隔は、画素ピッチが狭くなるほど大きくなることになる。すなわち、開口領域ＡＰ内に光を集光させようとした場合には、マイクロレンズ３３０の屈折角ａ１，ａ２は、画素ピッチが狭くなるほど、０°に近い角度（光軸ＡＸに平行に近い角度）となることが求められる。例えば、従来の球面レンズのようにレンズの外周部ほど屈折角が大きく場合には、レンズの中央部において所望の屈折角ａ１が得られたとしても、レンズの外周部では屈折角ａ２が大きくなりすぎ、その結果、画素ピッチが広い場合には開口領域ＡＰ内に集光できた光が、画素ピッチが狭くなっていくとブラックマトリックスＢＭによって遮光されるようになる。逆に、レンズの曲率を小さくしてレンズ外周部において所望の屈折角ａ２が得られるようにすることも可能であるが、この場合はレンズの中央部での屈折角ａ１が小さくなりすぎ、従来有効に活用できていたレンズ中央部に斜め入射した光を十分に屈折できなくなり、その結果、投射レンズの飲込み角に収まらなくなる（すなわち投射レンズによってケラレてしまう）という問題が生じるようになる。
【００４７】
一方、図４（ｂ）に示した本発明のマイクロレンズ３３では、レンズ外周部の集光領域３３Ｂの曲率がレンズ中央部の集光領域３３Ａの曲率よりも小さくなっているので、各々のレンズの曲率を適切に設計すれば、少なくとも光軸ＡＸに平行に入射される光については、集光領域３３Ａで屈折される光及び集光領域３３Ｂで屈折される光の双方を開口領域ＡＰ内に集光させることができる。もっとも、集光領域３３Ｂにおいて光軸ＡＸに対して大きく傾いた角度で入射した光については、十分な屈折角が得られないので、ブラックマトリックスＢＭによって遮光されることになるが、そもそも光源から入射される光は極めて狭い角度分布を持った光であるので、そのような光の損失は無視できるほど小さなものである。
【００４８】
さらに、集光領域３３Ｂの屈折角ｂは集光領域３３Ａの屈折角ａよりも小さいため、集光領域３３Ｂによる集光点Ｏ１，Ｏ２は、集光領域３３Ａによる集光点Ｃ１，Ｃ２に比べて、マイクロレンズ３３から遠い位置に集光することとなる。すなわち、集光領域３３Ｂで屈折された光は光軸ＡＸに対して平行に近い状態となり、その結果、コントラストの高い表示が実現されるようになる。
【００４９】
図５は、液晶層に入射される光の入射角度分布を示す図である。この入射角度分布は、ブラックマトリックスで遮光されずに通過した光の入射角度分布をシミュレーションしたものである。図５中、実線は本発明のマイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）を設けた場合の光量分布であり、点線は従来の球面マイクロレンズアレイを設けた場合の光量分布であり、一点鎖線はマイクロレンズアレイを設けない場合の光量分布（すなわち入射光線の光量分布）である。また、横軸においてθは投射レンズの飲込み角を示している。
【００５０】
図５に示すように、光源から照射される光（入射光線）は、０°に急峻なピークを有する狭い入射角度分布を持った光である。このような光は、投射レンズによるケラレが少なく、コントラストの高い表示を行なう上でも好ましいものである。しかしながら、マイクロレンズを備えてない構成では、ブラックマトリックスによる遮光量が大きく、全体として暗い表示となってしまう。例えば、画素開口率を７０％とした場合には、入射光量の３０％が損失となる。
【００５１】
一方、従来の球面マイクロレンズを用いた液晶パネルでは、入射光を画素開口領域内に集光させるため、マイクロレンズを設けない場合に比べてブラックマトリックスによる遮光量は少なくなる。しかし、球面マイクロレンズでは、レンズ外周部に入射した光を大きく屈折させるため、投射レンズの飲込み角θに収まらない光が多く生じる。また、狭ピッチ化が進んだ場合には、上述した理由によりブラックマトリックスによる遮光や投射レンズによるケラレが多くなってくるため、実質的に利用できる光は、マイクロレンズを設けない場合に比べてそれ程大きくならない。また、液晶層に入射される光の角度分布がブロードになるため、コントラストが低下し、十分な表示品質が得られないといった問題も生じる。
【００５２】
これに対して、本発明のマイクロレンズを用いた場合には、０°付近の光線角度は低下するものの、レンズ外周部（集光領域３３Ｂ）で屈折される角度が小さいため、マイクロレンズから射出される光の角度は、球面マイクロレンズを用いた場合に比べて０°側にシフトした状態となる。もっとも、球面マイクロレンズに比べてレンズ外周部での屈折角が小さいので、レンズ外周部に大きな角度で入射した光はブラックマトリックスで遮光され、表示に寄与しなくなるが、このような光はもともと投射レンズでケラレて表示に寄与しないか、寄与したとしてもコントラストの低下をもたらすものであるため、遮光されても表示特性上はそれ程大きな問題を生じない。むしろ、レンズ外周部で屈折される光は、ブラックマトリックスによってある程度遮光されても、全体として射出光の光路が光軸に平行に近い状態に維持されていた方が、投射レンズでのケラレが少なくなり、またコントラストの向上にも寄与するため好ましいものとなる。
【００５３】
例えば、図５において投射レンズの飲込み角θを１７°とすると、点線で示した従来の光量分布では、飲込み角θ以上の角度で射出される光成分が多くなり、明るい表示が得られなくなる。それに対して、本発明の光量分布では、ブラックマトリックスで遮光される光成分はあるものの、画素開口領域内を通過した光の殆どは飲込み角θ以下の角度で射出されるため、投射レンズでケラレることは殆どない。したがって、トータルで見た場合には、本発明のマイクロレンズを用いることが、高輝度且つ高コントラストな表示を行なう上で望ましいものとなる。
【００５４】
図６は、投射レンズの飲込み角と集光効率比との関係を示す図である。図６中、実線はレンズ外周部の曲率を変えた場合（本発明）のシミュレーション結果であり、点線はレンズ外周部の曲率を変えない場合（従来）のシミュレーション結果である。集光効率比は、マイクロレンズアレイが有る場合マイクロレンズアレイが無い場合の集光効率の比（ＭＬＡ有りの集光効率／ＭＬＡ無しの集光効率）として計算している。また、横軸は投射レンズの飲込み角を示している。なお、各マイクロレンズのレンズ中央部の曲率は共通としている。
【００５５】
一般に、飲込み角の大きい投射レンズほどｆ値が小さく明るいプロジェクタを提供することができる。しかし、ｆ値の小さい投射レンズはコストが上がってしまうため、実際使用される投射レンズのｆ値は１．７以上（飲込み角１７°以下）である。図６のシミュレーション結果から、本発明のマイクロレンズは、飲込み角が大きい投射レンズを使用した場合には、従来の非球面マイクロレンズに対して集光効率が落ちるが、飲込み角が小さい領域では、本発明のマイクロレンズの方が集光効率比は高くなる。これは、飲込み角が小さい領域では、投射レンズのケラレによる光量損失の方がブラックマトリックスの遮光による光量損失よりも支配的となるからである。
【００５６】
図６は、レンズの曲率を特定の状態に固定した場合のシミュレーション結果であるが、レンズの曲率を変えても同様の結果が得られる。両マイクロレンズの集光効率比の差は、レンズ外周部から入射した光の寄与分によるからである。集光領域３３Ａのサイズを変えるとこの差も変化するが、適切なサイズに設計されていれば、従来よりも高い集光効率比が得られる。特に、集光領域３３Ａの外周部が画素２５０の外周部に内接するように配置されている場合には、最も高い集光効率が得られる。
【００５７】
なお、従来のマイクロレンズでは、レンズの曲率を変えることによって図６の点線の傾きを変えることができる。しかし、このようにして最適化された構成であっても、本発明のマイクロレンズの構成（集光領域３３Ａが画素の外周部に内接する構成）に比べると、やはり集光効率の劣るものとなる。
【００５８】
なお、本実施形態では、正方形の画素２５０に対して円形の集光領域３３Ａを配置したが、集光領域３３Ａの形状は必ずしも円形に限られるわけではない。例えば、円形の代わりに、正方形形、正五角形、正六角形、…等の正多角形の形状とすることもできる。
【００５９】
また、本実施形態では、画素２５０が正方形であったため、集光領域３３Ａもそれに合わせて円形の形状とした。しかし、画素２５０が正方形でない場合には、集光領域３３Ａの形状もそれに合わせて変えることが望ましい。例えば、本実施形態ではモノクロ表示を行なう液晶装置を対象としたため画素２５０の形状を正方形としたが、カラー表示を行なう液晶装置の場合は１つの画素はＲ，Ｇ，Ｂの３つのサブ画素によって構成され、マイクロレンズもそれぞれのサブ画素毎に配置される。この場合は、サブ画素の形状が長方形であるため、円形の集光領域３３Ａを配置すると反って集光効率比を落とす原因となる。したがって、このような場合には、集光領域３３Ａの形状をサブ画素のアスペクト比に合わせてアスペクト変換した形状、すなわち楕円形状とすることが望ましい。集光領域３３Ａを正多角形とした場合には、それをサブ画素のアスペクト比に合わせてアスペクト変換した多角形形状とする。こうすることで、画素開口領域内に効率的に光を集光することが可能になる。
【００６０】
ここで、「画素のアスペクト比」とは、１画素における縦サイズと横サイズとの比をいう。アスペクト比は概算でよい。例えば、モノクロ表示を行なう正方形の画素の場合はアスペクト比は１：１として設計される。プロセス上十分な精度が得られない場合があり、また、集光領域の形状が正確にアスペクト変換した形状から若干ずれていても、光学特性上殆ど有意な差が生じない場合には正確にアスペクト変換したのと同じ効果が得られるからである。
【００６１】
図７は、マイクロレンズの形状と集光効率比との関係を示す図である。この図は、画素領域を正方形、画素ピッチを８μｍ、開口率を４５％とした場合のシミュレーション結果を示している。図７中、実線は集光領域３３Ａの外周部が画素の外周部に内接している場合のシミュレーション結果であり、点線は集光領域３３Ａの外周部が画素の外周部の内側に設けられている場合（内接していない場合）のシミュレーション結果である。集光領域３３Ａの形状は、正多角形（角数ｎ＝４，６，８）又は円としている。また、集光効率比は、マイクロレンズがない場合を１として規格化している。
【００６２】
図７に示すように、集光効率比は正多角形の角数ｎが大きいほど大きくなり、円の場合に最も大きくなる。この傾向は、集光領域３３Ａの外周部が画素の外周部に内接している場合と内接していない場合の双方において共通である。また、画素ピッチを１５μｍ、開口率を５５％とした場合にも同様の結果が得られており、この傾向は画素ピッチ等の条件に依らないことがわかる。さらに、集光効率比は、集光領域３３Ａの外周部が画素の外周部に内接している場合の方が大きい。したがって、集光領域３３Ａが円で且つ画素の外周部に内接している場合に最も集光効率比が大きくなることがわかる。
【００６３】
図８は、同様のシミュレーションを画素が長方形の場合について行なった結果を示している。この画素としては、具体的には、カラー表示を行なうＲ，Ｇ，Ｂのサブ画素、すなわちアスペクト比が１：３のサブ画素を対象としている。集光領域３３Ａの形状は、上述した正多角形（角数ｎ＝４，６，８）又は円を画素のアスペクト比に応じて変換した形状（多角形又は楕円）である。
【００６４】
図８に示すように、画素が長方形の場合にも図７と同様の結果が得られる。すなわち、集光効率比は多角形の角数ｎが大きいほど大きくなり、楕円の場合に最も大きくなる。この傾向は、集光領域３３Ａの外周部が画素の外周部に内接している場合と内接していない場合の双方において共通である。また、集光効率比は、集光領域３３Ａの外周部が画素の外周部に内接している場合で最も大きい。したがって、集光領域３３Ａが楕円で且つ画素の外周部に内接している場合に最も集光効率比が大きくなることがわかる。
【００６５】
なお、図７と図８の場合で集光効率比が異なっているが、これはそれぞれの場合について画素の開口率が異なるためである。図７では画素の開口率を４５％としており、図８では画素の開口率を４３％としているため、図７の方が集光効率比が高くなっているが、開口率を同じ設定とすれば集光効率比も同じ値が得られる。
【００６６】
なお、本実施形態では、集光領域３３Ａと集光領域３３Ｂとの境界を不連続に変化させたが、図９に示すように、これらの境界を連続的に変化させることも可能である。この場合、集光領域３３Ａと集光領域３３Ｂとの間には、曲面で構成される接続部３３Ｄが配置されることになる。この接続部３３Ｄはマイクロレンズ３３の一部に必然的に形成されてしまう領域である。接続部３３Ｄでは、光軸ＡＸに平行に入射した光は発散されてしまうため、表示上好ましいものではないが、このような接続部３３Ｄはマイクロレンズ全体から見ると一部分に過ぎず、主要部分ではないため、仮にこのような領域が形成されていても、本発明の趣旨を逸脱するものではない。なお、このような場合には、集光領域３３Ａと集光領域３３Ｂとの境界は必ずしも明確ではないが、少なくとも接続部３３Ｄの平面領域内に画素の外周部が配置されていれば、集光領域３３Ａの外周部は画素の外周部に内接しているものとする。
【００６７】
［マイクロレンズ−２］
次に、本発明の第２の実施の形態のマイクロレンズについて図１０を用いて説明する。
本実施形態のマイクロレンズの基本構成は第１実施形態と同様であり、異なる点は、マイクロレンズの形状のみである。したがって、本実施形態では図１０を用いてマイクロレンズの形状についてのみ説明し、共通部分の説明は省略する。
【００６８】
第１実施形態のマイクロレンズでは、レンズ部３３１及びレンズ部３３２の屈折面を、いずれも光軸ＡＸを含む平面で切った断面が所定の曲率を持った曲面からなるものとした。これに対して、本実施形態のマイクロレンズでは、レンズ部３３１及びレンズ部３３２の屈折面を、光軸ＡＸを含む平面で切った断面がいずれも光軸ＡＸに対して一定の角度で傾斜した傾斜面からなるものとしている。すなわち、レンズ部３３１，３３２は、該レンズ部３３１，３３２を光軸ＡＸを含む平面で切った断面において、光の入射側の外周が直線をなす屈折面を有するものとなっている。なお、図１０では、その光軸ＡＸに平行な断面形状のみを示しているが、光軸ＡＸに垂直な面で切った断面を見た場合には、レンズ部３３１及びレンズ部３３２はそれぞれ光軸ＡＸを中心とした円形形状を有するものとなっている。すなわち、レンズ部３３１及びレンズ部３３２は、いずれも光軸ＡＸを中心軸とした円錐状の屈折面を有しており、これらが光軸ＡＸを中心として同心円状に配置された構造となっている。そして、これらのレンズ部３３１及びレンズ部３３２により、光軸ＡＸを中心とした複数の集光領域３３Ａ及び３３Ｂが形成されている。
【００６９】
レンズ部３３１及びレンズ部３３２では、該レンズ部３３１，３３２を光軸ＡＸを含む平面で切った断面において、光軸ＡＸに近い側のレンズ部３３１の屈折面（集光領域３３Ａ）の光軸ＡＸと交差する角度をθＡとし、光軸ＡＸから遠い側のレンズ部３３２の屈折面（集光領域３３Ｂ）の光軸ＡＸと交差する角度をθＢとした場合に、これらの間には、θＡ＜θＢの関係が成り立っている。そして、これにより光軸ＡＸに近い集光領域３３Ａほど光軸ＡＸに対して大きな角度で光が屈折されるようになっている。
【００７０】
ここで、集光領域が光軸ＡＸに対して一定の角度で傾斜した傾斜面で構成される場合の光軸ＡＸに対する光の「屈折角」とは、光軸ＡＸに平行に入射した光が屈折された後の当該光の光路と光軸ＡＸとの交差する角度を意味する。図１０では、光軸ＡＸに近い側の集光領域（第１集光領域）３３Ａに入射した光軸ＡＸに平行な光は、光軸ＡＸに対して角度ａで交差している。また、光軸ＡＸから遠い側の集光領域（第２集光領域）３３Ｂに入射した光軸ＡＸに平行な光は、光軸ＡＸに対して角度ｂで交差している。集光領域３３Ａの方が集光領域３３Ｂよりも光軸ＡＸに近い側に配置されていることから、屈折角ａ及び屈折角ｂの間には、ａ＞ｂの関係が成り立っている。また、このような関係から、集光領域３３Ａ及び集光領域３３Ｂに入射した光の集光点、すなわち、各集光領域３３Ａ，３３Ｂにより光軸ＡＸに平行に入射した光が屈折された後の当該光の光路と光軸ＡＸとが交差する位置は、光軸ＡＸから遠い集光領域ほど光の入射側から遠いものとなっている。
【００７１】
なお、本実施形態では、集光領域３３Ａ及び集光領域３３Ｂの屈折面の形状をいずれも円錐状としたため、光軸ＡＸを含む平面で切った断面における屈折面の光軸ＡＸに対する傾斜角は、断面の切り方に依らず常に一定となる。しかし、屈折面の形状が角錐状である場合には、断面の切り方によって当該傾斜角が変わる場合があるので、このような場合には、断面を３６０°回転したときの全周方向の積分平均を上記「平均」として定義する。
【００７２】
このマイクロレンズでは、レンズ外周部の集光領域３３Ｂの屈折角ｂがレンズ中央部の集光領域３３Ａの屈折角ａよりも小さくなっているので、特に、狭ピッチ化された液晶パネルにおいては、集光領域３３Ｂに対して光軸ＡＸに平行に入射した光がブラックマトリックスＢＭで遮光されるのを有効に防止することができる。もっとも、光軸ＡＸに対して大きく傾いた角度で入射した光についてはブラックマトリックスＢＭで遮光されることになるが、トータルで見た場合には、光軸ＡＸに平行に入射する光の方が光軸ＡＸに斜めに入射する光よりも表示に対する寄与率が高いので、明るい表示が可能になる。
【００７３】
また、集光領域３３Ｂの屈折角ｂは集光領域３３Ａの屈折角ａよりも小さいので、集光領域３３Ｂによる集光点Ｏ１，Ｏ２は、集光領域３３Ａによる集光点Ｃ１，Ｃ２に比べて、マイクロレンズ３３から遠い位置に集光することとなる。すなわち、集光領域３３Ｂで屈折された光は光軸ＡＸに対して平行に近い状態となり、その結果、コントラストの高い表示が実現されるようになる。
【００７４】
［マイクロレンズ−３］
次に、本発明の第３の実施の形態のマイクロレンズについて図１１を用いて説明する。
本実施形態のマイクロレンズの基本構成は第１実施形態と同様であり、異なる点はレンズ部３３２の形状のみである。したがって、本実施形態では図１１を用いてマイクロレンズの形状についてのみ説明し、共通部分の説明は省略する。
【００７５】
第１実施形態のマイクロレンズでは、レンズ部３３１及びレンズ部３３２の屈折面を、いずれも光軸ＡＸを含む平面で切った断面が所定の曲率を持った曲面からなるものとした。これに対して、本実施形態のマイクロレンズでは、レンズ部３３１の屈折面の形状をそのままにして、レンズ部３３２の屈折面を、光軸ＡＸを含む平面で切った断面が光軸ＡＸに対して一定の角度で傾斜した傾斜面からなるものとしている。すなわち、光軸ＡＸを含む平面で切った断面において、光の入射側の外周が曲線をなす屈折面を有するレンズ部と、光の入射側の外周が直線をなす屈折面を有するレンズ部とを、１つのマイクロレンズ内に混在させたものとなっている。なお、図１１では、その光軸ＡＸに平行な断面形状のみを示しているが、光軸ＡＸに垂直な面で切った断面を見た場合には、レンズ部３３１及びレンズ部３３２は、それぞれ光軸ＡＸを中心とした円形形状を有するものとなっている。すなわち、レンズ部３３１は光軸ＡＸを中心軸とした球面状又はそれに近似する非球面状の屈折面を有しており、レンズ部３３２は光軸ＡＸを中心軸とする円錐状の屈折面を有しており、これらが光軸ＡＸを中心として同心円状に配置された構造となっている。そして、これらのレンズ部３３１及びレンズ部３３２により、光軸ＡＸを中心とした複数の集光領域３３Ａ及び３３Ｂが形成されている。
【００７６】
レンズ部３３１及びレンズ部３３２では、光軸ＡＸに近い側のレンズ部３３１の屈折面（集光領域３３Ａ）の方が、光軸ＡＸから遠い側のレンズ部３３２の屈折面（集光領域３３Ｂ）よりも大きな角度で光を屈折するようになっている。
【００７７】
ここで、集光領域が曲面で構成される場合の光軸ＡＸに対する光の「屈折角」とは、光軸ＡＸに平行に入射した光が屈折された後の当該光の光路と光軸ＡＸとの交差する角度の平均を意味する。また、集光領域が光軸ＡＸに対して一定の角度で傾斜した傾斜面で構成される場合の光軸ＡＸに対する光の「屈折角」とは、光軸ＡＸに平行に入射した光が屈折された後の当該光の光路と光軸ＡＸとの交差する角度を意味する。これらの定義は、第１実施形態及び第３実施形態で説明したものと同じである。
【００７８】
図１１では、光軸ＡＸに近い側の集光領域（第１集光領域）３３Ａに入射した光軸ＡＸに平行な光は、焦点位置Ｃ１で焦点を結び、その光の光軸ＡＸとのなす角度の平均（屈折角）はａとなっている。また、光軸ＡＸから遠い側の集光領域（第２集光領域）３３Ｂに入射した光軸ＡＸに平行な光は、光軸ＡＸに対して角度ｂで交差している。集光領域３３Ａの方が集光領域３３Ｂよりも光軸ＡＸに近い側に配置されていることから、屈折角ａ及び屈折角ｂの間には、ａ＞ｂの関係が成り立っている。また、このような関係から、集光領域３３Ａ及び集光領域３３Ｂに入射した光の集光点、すなわち、各集光領域３３Ａ，３３Ｂにより光軸ＡＸに平行に入射した光が屈折された後の当該光の光路と光軸ＡＸとが交差する位置は、光軸ＡＸから遠い集光領域ほど光の入射側から遠いものとなっている。
【００７９】
このマイクロレンズによれば、レンズ外周部の集光領域３３Ｂの屈折角ｂがレンズ中央部の集光領域３３Ａの屈折角ａよりも小さくなっているので、特に、狭ピッチ化された液晶パネルにおいて明るくコントラストの高い表示が可能となる。
【実施例１】
【００８０】
本発明者は、第１実施形態のマイクロレンズの構成についてシミュレーションを行ない、レンズ部３３１及びレンズ部３３２の屈折面の曲率半径の比Ｏｒ／Ｃｒと、集光効率及びコントラストとの関係を評価した。その評価結果について報告する。
なお、Ｃｒは集光領域３３Ａにおける屈折面の曲率半径であり、Ｏｒは集光領域３３Ｂにおける屈折面の曲率である。コントラストは空間光変調装置の全遮光状態である黒照度と、全開口状態である白照度との比（白照度／黒照度）として計算している。また、集光効率は、マイクロレンズアレイが有る場合マイクロレンズアレイが無い場合の集光効率の比（ＭＬＡ有りの集光効率／ＭＬＡ無しの集光効率）として計算している。また、画素ピッチは、ブラックマトリックスＢＭの横方向のサイズをＰ１、ブラックマトリックスＢＭの縦方向のサイズをＰ２としたときに、（Ｐ１＋Ｐ２）／２を画素ピッチとして定義している。
【００８１】
シミュレーションに使用した条件の一例を以下に示す。
（１）接着剤層３４の屈折率（屈折面を挟んで液晶側に配置された部材の屈折率）：１．５９
（２）マイクロレンズアレイ基板３２の屈折率（液晶とは反対側に配置された部材の屈折率）：１．４６
（３）画素のピッチ：８．５μｍ
（４）液晶と屈折面との間に配置される対向基板の厚み：１５μｍ
（５）液晶に入射される光の光軸に対する入射角度：−６°〜６°
（６）液晶を透過した光を投射する投射レンズの飲込み角：１４．７°
【００８２】
図１２にシミュレーション結果を示す。
図１２に示すように、Ｏｒ／Ｃｒ＜１又はＯｒ／Ｃｒ＞３の範囲では、集光効率及びコントラストの双方で大きな落ち込みが生じている。しかし、１＜Ｏｒ／Ｃｒ≦３の範囲では、集光効率及びコントラストの双方で安定した特性が得られている。したがって、比Ｏｒ／Ｃｒをこのような範囲に設定すれば、空間光変調装置として十分な特性が得られることがわかる。特に、比Ｏｒ／Ｃｒが１＜Ｏｒ／Ｃｒ≦２．５の範囲、より好ましくは１．２≦Ｏｒ／Ｃｒ≦２．５の範囲では、コントラストが高く、集光効率も飽和した状態となるため、空間光変調装置の特性を十分に引き出すことが可能である。
【００８３】
なお、このシミュレーション結果は上述の条件において得られたものであるが、本実施形態の一例から推測可能なパラメータの変更範囲である、屈折率差０．０５〜０．５２の範囲、画素ピッチ３μｍ〜１５μｍの範囲、投射レンズ呑み込み角２３°〜９.４°の範囲で同様の傾向が確認されており、前記の範囲内で本発明が有効である。また、このシミュレーション結果に基づいて試作品を作製し、光学特性を測定したところ、上記のシミュレーション結果と同様の傾向が確認されており、これにより上記パラメータ範囲の有効性が検証されている。
【００８４】
以上、具体的数値を示して実施の手段を説明したが、当然のことながら光線入射側部材の屈折率ｎ１と、液晶層側部材側の屈折面構成部材の屈折率ｎ２との関係が反転した場合には、屈折率構成は反転する。また、屈折率差は、焦点距離と、屈折面の極性とに対応した条件となる。本発明は、上記手段に限定されることなく、本発明の趣旨の範囲でのバリエーションは無数に考えられる。
【実施例２】
【００８５】
本発明者は、第２実施形態のマイクロレンズの構成についてシミュレーションを行ない、レンズ部３３１及びレンズ部３３２の屈折面の傾斜角の比θＢ／θＡと、集光効率及びコントラストとの関係を評価した。その評価結果について報告する。
なお、θＡは集光領域３３Ａにおける屈折面の光軸に対する傾斜角であり、θＢは集光領域３３Ｂにおける屈折面の光軸に対する傾斜角である。コントラストの算出方法、集光効率の算出方法、シミュレーションに使用した条件及び画素ピッチの算出方法等については第１実施例と同じである。
【００８６】
図１３にシミュレーション結果を示す。
図１３に示すように、θＢ／θＡ＜１．１又はθＢ／θＡ＞３の範囲では、集光効率及びコントラストの双方で大きな落ち込みが生じている。しかし、１．１≦θＢ／θＡ≦２．５の範囲では、集光効率及びコントラストの双方で安定した特性が得られている。したがって、比θＢ／θＡをこのような範囲に設定すれば、空間光変調装置として十分な特性が得られることがわかる。特に、比θＢ／θＡが１．３≦θＢ／θＡ≦２．５、より好ましくは１．３≦θＢ／θＡ≦２の範囲では、コントラストが高く、集光効率も飽和した状態となるため、空間光変調装置の特性を十分に引き出すことが可能である。
【００８７】
なお、このシミュレーション結果は上述の条件において得られたものであるが、本実施形態の一例から推測可能パラメータの変更範囲である、屈折率差０．０５〜０．５２の範囲、画素ピッチ３μｍ〜１５μｍの範囲、投射レンズ呑み込み角２３°〜９.４°の範囲で同様の傾向が確認されており、前記の範囲内で本発明が有効である。また、このシミュレーション結果に基づいて試作品を作製し、光学特性を測定したところ、上記のシミュレーション結果と同様の傾向が確認されており、これにより上記パラメータ範囲の有効性が検証されている。
【実施例３】
【００８８】
本発明者は、第１実施形態のマイクロレンズの構成についてシミュレーションを行ない、画素ピッチと集光効率との関係を調べた。そして、これらの関係を、レンズ部３３１及びレンズ部３３２の屈折面の曲率半径の比Ｏｒ／Ｃｒが１より大きい場合（従来の構成）と小さい場合（本発明の構成）との比較において評価した。その評価結果について報告する。
なお、従来の構成において比Ｏｒ／Ｃｒは０．８であり、本発明の構成において比Ｏｒ／Ｃｒは２．１である。集光効率の算出方法、シミュレーションに使用した条件及び画素ピッチの算出方法等については第１実施例と同じである。
【００８９】
図１４にシミュレーション結果を示す。
図１４に示すように、従来のマイクロレンズでは、画素ピッチが１５μｍよりも広いピッチの場合に高い効率を実現できるが、画素ピッチが１５μｍ以下の狭ピッチになった場合には効率確保が困難な状況となる。一方、本発明のマイクロレンズでは、画素ピッチが１５μｍよりも広いピッチの場合に十分な集光効率を確保できないが、１５μｍ以下の狭ピッチになった場合には従来よりも高い集光効率を確保することができる。これは、前述した画素開口領域ＡＰの開口比率の低下と、マイクロレンズの焦点距離並びに投射レンズの飲込み角との関係に起因する。
【００９０】
なお、このシミュレーション結果は上述の条件において得られたものであるが、本実施形態の一例から推測可能パラメータの変更範囲である、屈折率差０．０５〜０．５２の範囲、画素ピッチ３μｍ〜１５μｍの範囲、投射レンズ呑み込み角２３°〜９.４°の範囲で同様の傾向が確認されており、前記の範囲内で本発明が有効である。また、このシミュレーション結果に基づいて試作品を作製し、光学特性を測定したところ、上記のシミュレーション結果と同様の傾向が確認されており、これにより上記パラメータ範囲の有効性が検証されている。
【００９１】
以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施の形態例について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。上述した例において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【００９２】
例えば、上記実施形態では、マイクロレンズの屈折面を２つの集光領域に分割したが、集光領域の数はこれらに限定されるものではない。３つ以上の集光領域に屈折面を分割することも可能である。
また、上記実施形態では、画素開口領域ＡＰに光を集光する集光素子としてマイクロレンズを用いたが、集光素子はこれに限定されるものではない。例えば、反射光学素子や回折光学素子を集光素子として用いることもできる。反射光学素子や回折光学素子は、光を反射又は回折することによりブラックマトリックスの内側に導く点を除いて屈折光学素子と同様の作用効果を有する。したがって、このような場合にも本発明を広く適用可能である。
また、上記実施形態では、本発明を透過型の空間光変調装置に適用したが、本発明は反射型の空間光変調装置やミラー型の空間光変調装置に転用可能であり、さらに空間変調装置のほか撮像装置等に転用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】プロジェクタの一例を示す模式図である。
【図２】液晶装置の一画素の構成を示す部分斜視図である。
【図３】マイクロレンズの第１実施形態を説明するための断面模式図である。
【図４】同マイクロレンズの作用を説明するための断面模式図である。
【図５】液晶に対する光の入射角度分布を示す図である。
【図６】投射レンズの飲込み角と集光効率比との関係を示すグラフである。
【図７】マイクロレンズの形状と集光効率比との関係を示す図である。
【図８】マイクロレンズの形状と集光効率比との関係を示す図である。
【図９】マイクロレンズの変形例を説明するための断面模式図である。
【図１０】マイクロレンズの第２実施形態を説明するための断面模式図である。
【図１１】マイクロレンズの第３実施形態を説明するための断面模式図である。
【図１２】実施例１のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図１３】実施例２のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図１４】実施例３のシミュレーション結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００９４】
１０…プロジェクタ、１１…光源、２０Ｒ，２０Ｇ，２０Ｂ…空間光変調装置（液晶装置）、２８…投射光学系、３２…マイクロレンズアレイ基板、３３…マイクロレンズ（集光素子）、３３Ａ…第１集光領域、３３Ｂ…第２集光領域、３９…液晶層、２５０…画素、ＡＰ…開口領域、ＡＸ…光軸、ＢＭ…ブラックマトリックス（遮光膜）
【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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