(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
照明光を放出する光源と、
同一平面に配列された複数の画素を有する空間光変調素子と、
上記照明光を上記空間光変調素子に入射させるビームスプリッタと、
上記空間光変調素子から出射される画素情報を有する光を、上記ビームスプリッタを介して取り込み集光結像させ複数の画素像を形成する第一の光学素子と、
第一の光学素子から出射する上記複数の画素像を空間的に縮小させ複数の縮小画像を形成するマイクロレンズアレイと、
マイクロレンズアレイから出射する複数の縮小画像を取り込み観察面に投射結像させる第二の光学素子と、を有する画像表示装置であって、
上記空間光変調素子における複数の画素配列面は第一の光学素子の物面にあって、上記複数の画素像は第一の光学素子の像面内に形成され、
上記マイクロレンズアレイは、第一の光学素子の像面近傍に設置されて上記複数の画素像を複数の縮小画素像にするようになっており、
第二の光学素子の物面は上記複数の縮小画素の位置に設置されて上記複数の縮小画素像を第二の光学素子の像面内に形成させるようになっており、
第二の光学素子の像面は観察面であり上記複数の縮小画素像は縮小された状態で第二の光学素子により拡大投射されることを特徴とする画像表示装置。
【請求項２】
第一の光学素子により第一の光学素子の像面に形成される空間光変調素子の複数の画素像は、倍率が等倍であることを特徴とする請求項１記載の画像表示装置。
【請求項３】
マイクロレンズアレイから出射する画素プロファイルが、観察面に時分割で投射されて、高解像度の画素にする光軸シフト素子が設けられていることを特徴とする請求項１または２記載の画像表示装置。
【請求項４】
空間光変調素子から出射する画像情報を有する光を部分的に遮蔽する素子が設けることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の画像表示装置。
【請求項５】
マイクロレンズアレイが２つ以上設けられていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の画像表示装置。
【請求項６】
マイクロレンズアレイの数が２つであり、マイクロレンズアレイの形状はレンチキュラ型であり、この２つのレンチキュラ型マイクロレンズアレイの母線が互い直交するように配置されていることを特徴とする請求項５記載の画像表示装置。
【請求項７】
マイクロレンズアレイの数が２つ以上であり、この複数のマイクロレンズアレイが一体となっていること特徴とする請求項５記載の画像表示装置。
【請求項８】
マイクロレンズアレイを構成する各マイクロレンズは、片側のみが球面または球面で近似できる形状であることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の画像表示装置。
【請求項９】
マイクロレンズアレイを構成する各マイクロレンズは、両側が球面または球面で近似できる形状であることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の画像表示装置。
【請求項１０】
マイクロレンズアレイを構成する各マイクロレンズは、非球面であることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の画像表示装置。
【請求項１１】
マイクロレンズアレイを構成する各マイクロレンズの形状は、光軸垂直方向に円形であることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の画像表示装置。
【請求項１２】
マイクロレンズアレイを構成する各マイクロレンズの形状は、光軸垂直方向に矩形であることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の画像表示装置。
【請求項１３】
マイクロレンズアレイを構成する各マイクロレンズの形状は、光軸垂直方向に多角形であることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高い空間周波数の光変調を実現する空間光変調装置を有する画像表示装置に関するもので、空間光変調装置を用いた光通信用光交換スイッチ、画像表示用プロジェクタなどに適用可能なものであり、これらの画像の高精細化技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在、画像表示装置ないしはディスプレイとして、ＣＲＴディスプレイ、液晶ディスプレイ、プラズマディスプレイ、プロジェクタなどがある。これらの画像表示装置には、写真のような自然画あるいは文字を主体としたテキスト等の画像をより高い精細度で表示すること、またより大画面での表示であることが求められている。
【０００３】
これらの要求は、市場における画像表示装置の性能を表す尺度である画素数と画面サイズに現れている。画素数は、ＸＧＡ（１０２４×７６８ドット）から、ＳＸＧＡ（１２６０×１０２４ドット）、ＳＸＧＡ＋（１４００×１０５０ドット）、ＱＸＧＡ（１６００×１２００ドット）というように増大する傾向にある。また画面サイズに関しても、画素数の増大と共に、現在主流の１４インチ、１５インチのものから２０インチ、２４インチというように大型化に向かっている。高精細で、大画面のディスプレイを実現するには、画素サイズがより小さいこと、また全画素数が多いことが求められる。
【０００４】
ディスプレイの一つであるプロジェクタ機器の多くは、液晶ライトバルブと呼ばれる液晶空間光変調素子を用いている。液晶ライトバルブは微細な画素を多数配列させた一種の画像表示装置で、プロジェクタは上記液晶ライトバルブにより画像を形成し、これを投射レンズによりスクリーンに投射するものである。液晶ライトバルブが備える画素の形状は正方形、あるいは矩形をしており、サイズは１辺が数十μｍから１０数μｍあるいは数十μｍである。この画素サイズが投影画像の精細度を決定しており、画素が微細であればある程、より高精細な投影画像を得ることができる。しかし、画素の微細化すなわち小サイズ化には、液晶ライトバルブの製造プロセス上の問題がある。また大画面化に対応するには画素数を増大させる必要がある。
【０００５】
液晶空間光変調素子である上記液晶ライトバルブは、透過型ライトバルブと反射型ライトバルブに大別される。透過型ライトバルブでは、画素を微細化したとしても、画素制御用薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）等の画像形成に寄与しない部分の微細化が困難であり、画素を微細化しても、上記画像形成に寄与しない部分の面積が画素の面積に対して相対的に大きくなり、開口率が低下する難点がある。これに対して、反射型ライトバルブ（多くはシリコン基板上に形成されるので、ＬＣｏＳ（Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ  ｏｎ  Ｓｉｌｉｃｏｎ）と呼ばれている）では、画素電極（反射電極）の下に配線部を形成することが可能であるため、開口率あるいは反射率を向上させることができる。
【０００６】
しかしながら、強誘電性液晶を用いて表面安定化構造とした場合や、ネマチック液晶を用いて垂直配向モードにした場合は、液晶層がスイッチングするためには１μｍ程度の液晶層が必要であり、１０μｍ程度の画素サイズを実現することはできる。しかし、コントラスト、階調性及び均一性などで評価される画像品質を高品質に保持したまま、それより小さい５〜７μｍ以下の画素を実現することは非常に困難である。また、液晶ライトバルブ自体のサイズを増大させて、画素数を増大する方法もあるが、これは液晶ライトバルブのコストが指数的に増大すると同時に、光学系の大きさも増大し、より一層高コストの画像表示装置となる。
【０００７】
しかし、反射型ライトバルブであっても開口率が「１」とはならず、光量の損失が生じる。またあとで述べるように画質劣化の問題がある。開口率、効率、画質を向上させるには、反射電極上のある程度狭い領域に光を集光させることが必要であり、画素アレイに対してマイクロレンズアレイを設置する構成がとられる。
【０００８】
特開２００１−２１５５３１号公報に、上記の反射型液晶ライトバルブの画素上にマイクロレンズアレイを設けた画像表示素子の例が開示されている。この公報記載の発明の目的は、隣接画素間の電圧差により発生する横電界の影響によるディスクリネーション（転移）の発生、およびこれに基づく表示領域の欠陥を防ぐことにある。反射電極を微細化することによって反射電極間の隙間が狭くなると横電界の影響が顕著になるので、これを防ぐために、マイクロレンズアレイで反射電極のより狭い領域に光を集光する。そのために、画素電極のピッチＰに関し、Ｐ＜３０μｍ、また、画素電極間の距離ｌに関し、ｌ／ｄ＞１（ｄ：液晶層の厚さ）の条件を満足していることを特徴としている。
【０００９】
特開平１１−２５８５８５号公報では、同様に、反射電極上にマイクロレンズを設け、かつマイクロレンズの焦点距離と、マイクロレンズと画素との距離にそれぞれ着目した反射型ライトバルブの例が開示されている。この公報記載の発明では、前記特開２００１−２１５５３１号公報に記載の発明と同様に、ディスクリネーションの影響を低減すると同時に、画素の実効的な反射面積率を１００％に近付け、より高輝度、高品位の画像を実現することを目的としている。すなわち、光利用効率の向上を主とするものである。マイクロレンズの焦点距離をｆ、マイクロレンズと反射電極との距離をｔとしたとき、ｆ＞ｔが高輝度、高品位の画像実現の好条件であり、さらに、ｆ＝２ｔが最も好ましいとされている。この条件を満たすことにより、光束が効率良く投写レンズに取り込まれ、マイクロレンズからの出射光を生成し、利用効率を向上させるためである。また、ｆ＝２ｔの条件では、反射電極上で、正方形でマイクロレンズの１辺の１／２サイズのスポットが形成されると記述されている。
【００１０】
このため、液晶ライトライトバルブからの出射光を投射するときに、光軸をシフトさせる素子を設けることにより、時分割で画素を増加させ、高解像度を実現する画像表示装置が、特開平４−１１３３０８号公報に開示されている。この公報記載の画像表示装置では、偏光方向を旋回できる光学素子と、複屈折効果を有する透明素子とを、光軸シフト方向を直交させて２組用いることにより、縦２倍、横２倍で合計４倍に画像を高解像度化している。また、特開平５−２８９０４４号公報および特開平６−３２４３２０号公報には、インターレス駆動の場合に、走査線を補間することによって縦方向の２倍に高密度化する装置が示されている。また、特開平９−２３０３２９号公報には、光軸をシフトすることにより、画素を実質的にΔ（デルタ）配列することが可能な装置が示されている。
【００１１】
しかしながら、上記特開平１１−２５８５８５号公報記載の発明は、光利用効率の向上を目的としており、画素の大きさを実質的に縮小することを目的とはしてない。特開平１１−２５８５８５号公報では、画素が等倍に結像されるように、
照明系のＦ値＝マイクロレンズのＦ値＝投射レンズのＦ値
の条件を満たすＦの範囲が最適であるとしている。
ｆ＝２ｔの関係が成立し、マイクロレンズと反射電極との間の屈折率が１であり、反射電極に入射する照明光が最初に入射するとき、マイクロレンズはほぼフィールドレンズとして作用する。このため、入射した照明光が画素となる反射電極で反射されて反対方向に出射し、再びマイクロレンズに入射するときに、マイクロレンズの大きさを開口にほぼ１００％とすることで、ロスが少なく透過させることができる。このとき、マイクロレンズに入射する照明光のＦ値と、マイクロレンズから出射し変調された反射照明光である映像光のＦ値とはほぼ等しくなる。このため、このＦ値と等しい投射レンズを用いることにより、マイクロレンズから出射し変調された反射照明光である映像光を、ほぼ１００％でロス少なく透過することができる。
【００１２】
特開平１１−２５８５８５号公報に記述されている作用は光学的な原理に基づいているが、実際には、マイクロレンズと反射電極との間の屈折率を「１」にすることは、構造上の問題から作製が非常に困難である。また、この特開平１１−２５８５８５号公報記載の構成は、反射電極で反射され反対向きに出射するときに再入射するマイクロレンズの大きさを、開口にほぼ１００％でロス少なく透過させることは、マイクロレンズと反射電極との間に空気層または真空層を設けた場合に実現しうる特殊な光学系である。または、光学的に、屈折率で距離を割った換算距離を、単なる距離と記述間違いした可能性もあり、この場合、上記の反対方向に出射するときに再入射するマイクロレンズの大きさを、開口にほぼ１００％でロス少なく透過させることは、光学的な原理に基づき可能となる。
【００１３】
しかしながら、いずれにしろこのような光学構成においては、前述の３つのＦ値をほぼ一致させたために、投射レンズのＦ値をより小さくする必要がない代りに、画素を縮小する効果もない。また、出射した映像光がマイクロレンズに再入射した際の画素の大きさは、マイクロレンズとほぼ同じ、つまりは等倍であり、光軸シフト素子と組み合わせた場合の画素縮小効果について何ら考慮検討されたものではない。何故ならば、光軸シフトを行わない場合には、画素縮小を行って、画素と画素の間に隙間が生じると、かえって映像の滑らかさが低減されてしまうからである。
【００１４】
一方、通常の反射型ライトバルブは、シリコンウエハ上にＤＲＡＭまたはＳＲＡＭ等の電気的駆動素子を作製することができるので、これらの電気的駆動素子が占有する面で照明光を反射する際の開口率を、従来の透過型ライトバルブより非常に大きくすることができるという特徴がある。このため、マイクロレンズを使用しない場合においても、通常は９０％以上の開口率を実現しており、この画素の大きさに基づく光利用効率の制約は非常に小さい。現在商品化されている反射型ライトバルブを用いた画像投射装置では、画素の開口率を向上するためにマイクロレンズを用いたものは存在しない。光軸シフト素子を反射型ライトバルブに用いた場合に、画素ごとにマイクロレンズを設けて画素を縮小する光学素子は、特願２０００―２６００７０号の明細書および図面に記載されている。
【００１５】
また、マイクロレンズを用いた反射型ライトバルブが商品化されている。これは光軸の異なる３色のＲＧＢ（赤、緑、青）光を、光軸を異なる状態にしてマイクロレンズに入射させ、反射型ライトバルブの３つの画素をＲＧＢの３色に分割するものである。ここでは、３つの画素に１つのマイクロレンズが用いられている。また、ホログラム型のマイクロレンズを用いており、ホログラムの色収差を考慮して、３色の光軸相互の角度を、従来の曲率を有したマイクロレンズから修正している。
【００１６】
光軸シフト素子に偏光方向を旋回できる光学素子と複屈折効果を有する透明素子以外の素子を用いるものとしては、揺動機構を用いて表示パネル（ライトバルブまたは空間光変調器）を直接シフトさせる特開平５−３１３１１６号公報記載の発明、円周方向で角度の異なる回転板を用いる特開平６−２０８３４５号公報記載の発明、レンズやミラー等の光学部品を振動させる前記特開平６−３２４３２０号公報記載の発明等がある。
また特開平０９−０５４５５４号公報には、光軸シフトをして高解像度化を行う場合に、集光レンズにより、透過型液晶パネルの比較的大きい開口より小さく集光する方法が開示されている。
【００１７】
図１１、図１２に、特開平０９−０５４５５４号公報に開示されている透過型液晶パネルにマイクロレンズを組み合わせた画像表示装置の構成を示す。図１１には、特定の表示画素開口３０３ａを有する透過型液晶ライトバルブ３０３と、この画素に対向したアクティブ素子とにより制約された結果生じる、小さな上記開口３０３ａよりもさらに小さな画素サイズに縮小する円形状の外形を有するマイクロレンズ３０２ａが示されている。しかし、このような構成では、液晶ライトバルブ３０３に対向させてマイクロレンズアレイ３０２を配置するため、一つ一つのマイクロレンズ３０２ａと液晶ライトバルブ３０３とのアライメントが課題となる。
【００１８】
図１２には、図１１の構成の液晶ライトバルブと、光軸シフト素子を用いた投射拡大装置により、一方向に２倍の高解像度化を図った場合の動作、作用が示されている。図１２（ａ）は画素ごとの集光光学系がない場合であり、（ｂ）は画素ごとに集光光学系を用いて、表示画素サイズを小さくした場合である。従来は、図１２（ａ）に示すように、アクティブ素子により、画素ピッチよりも小さい開口により必然的に画素が若干縮小されていたが、この場合のビームプロファイルは矩形形状であり、このような画素で、光軸シフトにより高解像度化を図っても、シフトした画素同士が重なり、重なり部分の輝度がステップ的に増大して、解像度の向上を期待することはできない。
【００１９】
これに対して、図１２（ｂ）は、図１１に示す構成で集光された画素となる円形形状の場合に対応した、矩形形状のビームプロファイルを示している。このビームプロファイルが画素ピッチよりも小さいことにより、光軸シフト素子を用いて光軸シフトした場合に、画素の重なりがなくなり解像度が向上することがわかる。
【００２０】
しかしながら、上記特開平０９−０５４５５４号公報に示されている構成は、表示画素ごとの集光機能部分を、集光光学系の配列からなるマイクロレンズアレイを、表示画素の光源側に配置することを特徴としている。これは透過型の液晶パネルに対して用いることができる方式ではある。しかし、反射型ライトバルブの通常の構成においては、入射の際にマイクロレンズアレイにより集光された照明光が、出射の際には同一のマイクロレンズアレイにより拡大されるために、画素を縮小することができない。特開平０９−０５４５５４号公報には、このような反射型ライトバルブで生じる問題点に関しては考慮されておらず、またそのの解決に関しては一切記述されていない。
【００２１】
一方、反射型ライトバルブを用いた画像表示装置において、光利用効率を向上させるために、画素ごとにマイクロレンズを設けた例として、特開平１１−２５８５８５号公報、特開２００１−２１５５３１号公報等に記載されているものがある。特開平１１−２５８５８５号公報記載の発明では、反射電極上にマイクロレンズを設け、かつその焦点距離とマイクロレンズと画素との距離に着目した反射型ライトバルブの従来例が開示されている。この発明では、特開２００１−２１５５３１号広報と同様に、ディスクリネーションの影響を低減すると同時に、画素の実効的な反射面積率を１００％に近付けて、光利用効率を向上させ、より高輝度、高品位の画像を実現することを目的としている。特開平１１−２５８５８５号公報の発明については既に述べたとおりである。
【００２２】
しかしながら、上記の反射型ライトバルブにマイクロレンズアレイを設置する際にアライメントを調整する必要があるにもかかわらず、一旦設置後は、マイクロレンズと画素との間の距離を変更できなくなり、不便が生じる。これは画素を縮小させるときに、その縮小率を変化させるときに必要になる。また、反射型ライトバルブの画素部のバックプレーンにはシリコンが使われる、マイクロレンズの部材との熱的な整合性が重要となる。つまり、マイクロレンズの部材には、熱膨張係数において、シリコンの熱膨張係数に近いものが求められる。しかしながら、この二者の熱膨張係数が同じあるいは非常に近い場合をのぞいて、マイクロレンズを画素上に設置する限り、この不一致はさけられない。このため、マイクロレンズを画素から離した位置に設置する方式は有効である。
【００２３】
特開平１１−２５８５８５号公報記載の発明は、光利用効率の向上を目的としており、光軸シフト素子を組み合わせた場合の画素サイズ縮小素子に関しては一切考慮しておらず、この構成で光軸シフト素子を用いて高解像度の画像表示装置とすることはできない。なぜならば、既に述べたとおり、特開平１１−２５８５８５号公報では、画素が等倍に結像されるように、照明系のＦ値＝マイクロレンズのＦ値＝投射レンズのＦ値を満たすFの範囲が最適であるとしている。さらに、ｆ＝２ｔの関係が成立し、マイクロレンズと反射電極との間の屈折率が１であり、反射電極に入射する照明光が最初に入射するとき、マイクロレンズはほぼフィールドレンズとして作用する。このため、入射した照明光が画素となる反射電極で反射されて反対方向に出射し、再びマイクロレンズに入射するときに、この反射光をマイクロレンズの大きさである開口にほぼ１００％の大きさで、光のロスもなく透過させることができるものである。つまり、画素縮小を全く行っていない。
【００２４】
また、反射型ライトバルブにおいて光利用効率を向上させるために、各画素ごとにその光源側にマイクロレンズを設けると同時に、それに加えて基板側にもマイクロレンズまたはマイクロ集光鏡を設ける画像表示装置が、特開平９−９０３１０号公報に開示されている。図１３に、特開平０９−９０３１０号公報に開示されている光利用効率を向上させる反射型ライトバルブの構成例を示す。図１３に示す例においては、レンズ４０１が、入射時と出射時の２回とも特定の照明角の照明に対してフィールドレンズ的に構成し、さらには液晶層に対して上記レンズ４０１とは反対側に設けたマイクロレンズまたはマイクロ集光鏡４０２をリレーレンズ的な構成とすることにより、光のロスと、照明角に対する出射角の広がりがほとんどなく、画素ごとに対応したマイクロレンズを構成することができるとしている。図１３において、符号４０７は透明電極、４０６は透明電極４０７を備えた光入射側透明性基板、４０５は光反射性基板、４０８は画素電極をそれぞれ示している。
【００２５】
しかしながら、特開平０９−９０３１０号公報記載の発明においては、光利用効率を向上させるために、入射する照明角と出射角をほぼ同じにすることと、レンズの大きさを絞りとする光学系でのケラレがないことが重要となるので、レンズ４０１の大きさ一杯に反射された出射光が透過することを考慮しており、光軸シフト素子を用いた場合に画素サイズを縮小することは一切考慮しているものではない。このため、マイクロ集光鏡４０２も、リレーレンズとして焦点距離の約２倍の位置にフィールドレンズとなるレンズ４０１を配置した構成となっている。これは等倍結像であるので、光軸シフト素子による高解像度化や画素サイズを縮小することを、一切考慮しているものではない。
【００２６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記従来技術に鑑みて発明されたものであり、光軸シフト素子と空間光変調素子および画像縮小光学素子を用いた高解像度の画像投射装置を実現する場合に、画素を駆動する回路を有する基板に、画像縮小光学素子を含む対向基板を作製する必要がなく、より低コストでより信頼性が高く、画像表示面内での不均一さをより減少させることができる画像表示装置を提供することを目的とする。
さらには、従来のマイクロレンズ等の画像縮小素子を用いた画像表示装置よりも、より高解像度でより明るい視認性に優れた画像表示装置を提供することを目的とする。
以下、各請求項記載の発明に分けて解決課題を記載する。
【００２７】
本発明が解決しようとする第１の課題は、空間光変調素子を用いた画像表示装置であって、光利用効率を高効率化し、かつ、高品位の投射画像を得ることができる画像表示装置を提供することである。
【００２８】
本発明の第２の課題は、空間光変調素子を用いた画像表示装置であって、マイクロレンズアレイを用いて、光利用効率を高効率化し、高品位の投射画像を得ることができる画像表示装置を提供することである。
【００２９】
本発明の第３の課題は、空間光変調素子を用いた画像表示装置であって、ディフォーカスに関して寛容である光学系を提供すること、そして、光利用効率を高効率化し、かつ、高品位の投射画像を得ることができる画像表示装置を提供することである。
【００３０】
本発明の第４の課題は、空間光変調素子を用いた画像表示装置であって、光利用効率を高効率化し、また高品位の投射画像を得ることができる画像表示装置を提供することである。
【００３１】
本発明の第５の課題は、空間光変調素子を用いた画像表示装置であって、さらなる光利用効率の高効率化を図り、かつ、高品位の投射画像を得ることができる画像表示装置を提供することである。
【００３２】
本発明の第６の課題は、空間光変調素子を用いた画像表示装置であって、光利用効率の高効率化を図り、かつ、高品位の投射画像を得ることができ、また光路シフトデバイスの搭載、およびそれに伴い画素数を増大させることができる画像表示装置を提供することである。
【００３３】
本発明の第７の課題は、空間光変調素子を用いた画像表示装置であって、さらなる光利用効率の高効率化を図り、さらに高品位の投射画像を得ることができる画像表示装置を提供することである。
【００３４】
本発明の第８の課題は、空間光変調素子を用いた画像表示装置であって、さらなる光利用効率の高効率化を図り、さらに高品位の投射画像を得ることができる画像表示装置を提供することである。
【００３５】
本発明の第９の課題は、空間光変調素子を用いた画像表示装置であって、さらなる光利用効率の高効率化を図り、さらに高品位の投射画像を得ることができる画像表示装置を提供することである。
【００３６】
本発明の第１０の課題は、アライメントフリーの画像縮小光学素子を備えた画像表示装置を提供することである。
【００３７】
本発明の第１１の課題は、低コストのマイクロレンズを用いた、高光利用効率で高精細画像を得ることができる画像表示装置を提供することである。
【００３８】
本発明の第１２の課題は、低コストのマイクロレンズを用いた、高光利用効率で高精細画像を得ることができる画像表示装置を提供することである。
【００３９】
本発明の第１３の課題は、より高品位で、光利用効率を高めることができるマイクロレンズを用いた、画像表示装置を提供することである。
【００４０】
本発明の第１４の課題は、低コストのマイクロレンズを用いた、高光利用効率で高精細画像を得ることができる画像表示装置を提供することである。
【００４１】
本発明の第１５の課題は、低コストのマイクロレンズを用いた、高光利用効率で高精細画像を得ることができる画像表示装置を提供することである。
【００４２】
本発明の第１６の課題は、低コストのマイクロレンズを用いた、高光利用効率で高精細画像を得ることができる画像表示装置を提供することである。
【００４３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、照明光を放出する光源と、同一平面に配列された複数の画素を有する空間光変調素子と、上記照明光を上記空間光変調素子に入射させるビームスプリッタと、上記空間光変調素子から出射される画素情報を有する光を、上記ビームスプリッタを介して取り込み集光結像させ複数の画素像を形成する第一の光学素子と、第一の光学素子から出射する上記複数の画素像を空間的に縮小させ複数の縮小画像を形成するマイクロレンズアレイと、マイクロレンズアレイから出射する複数の縮小画像を取り込み観察面に投射結像させる第二の光学素子と、を有する画像表示装置であって、
上記空間光変調素子における複数の画素配列面は第一の光学素子の物面にあって、上記複数の画素像は第一の光学素子の像面内に形成され、
上記マイクロレンズアレイは、第一の光学素子の像面近傍に設置されて上記複数の画素像を複数の縮小画素像にするようになっており、
第二の光学素子の物面は上記複数の縮小画素の位置に設置されて上記複数の縮小画素像を第二の光学素子の像面内に形成させるようになっており、
第二の光学素子の像面は観察面であり上記複数の縮小画素像は縮小された状態で第二の光学素子により拡大投射されることを最も主要な特徴とする。
【００４４】
第一の光学素子により第一の光学素子の像面に形成される空間光変調素子の複数の画素像は、倍率を等倍にするとよい。
マイクロレンズアレイから出射する画素プロファイルを、観察面に時分割で投射して、高解像度の画素にする光軸シフト素子を設けるとよい。
空間光変調素子から出射する画像情報を有する光を部分的に遮蔽する素子を設けるとよい。
マイクロレンズアレイは、これを２つ以上設けるとよい。
マイクロレンズアレイの数を２つとし、マイクロレンズアレイの形状はレンチキュラ型とし、この２つのレンチキュラ型マイクロレンズアレイの母線が互い直交するように配置するとよい。
マイクロレンズアレイの数を２つ以上とし、この複数のマイクロレンズアレイを一体にするとよい。
マイクロレンズアレイを構成する各マイクロレンズは、片側のみが球面または球面で近似できる形状にするとよい。
マイクロレンズアレイを構成する各マイクロレンズは、両側を球面または球面で近似できる形状にするとよい。
マイクロレンズアレイを構成する各マイクロレンズは、非球面にしてもよい。
マイクロレンズアレイを構成する各マイクロレンズの形状は、光軸垂直方向に円形としてもよい。
マイクロレンズアレイを構成する各マイクロレンズの形状は、光軸垂直方向に矩形としてもよい。
マイクロレンズアレイを構成する各マイクロレンズの形状は、光軸垂直方向に多角形としてもよい。
【００５７】
第１５の課題は、画像縮小光学素子がマイクロレンズアレイであり、このマイクロレンズアレイを構成する各マイクロレンズの形状は、光軸垂直方向に矩形であることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２または１３記載の画像表示装置により達成される。
【００５９】
【発明の実施形態】
以下、本発明にかかる画像表示装置の実施形態について説明する。
本発明にかかる画像表示装置に使用される画像縮小表示装置の概念を図１に示す。図１において、基本構成としては、照明光源として白色ランプ１が用いられ、画素を表示するための空間光変調素子として液晶ライトバルブ２が用いられている。この例では、液晶ライトバルブ２が反射型となっており、そのために、その前にビームスプリッタ３が配置され、ライトバルブ２を出射した光を一旦集光結像させる第一の光学素子としてマクロレンズ４、またマクロレンズ４の像点に配置された画像縮小光学素子５があり、画像縮小光学素子５から出射した画像情報を有する光をスクリーン７に投射する第二の光学素子６、そして観察面であるスクリーン７が設置されている。
【００６０】
ここで第二の光学素子６とは、拡大表示のための投射レンズまたは、虚像表示のためのレンズのことをいう。ライトバルブ２を出た画像情報を有する光は、マクロレンズ４を経て、画像縮小光学素子５で縮小され、第二の光学素子である投射レンズ６を経てスクリーン７上に、もとの画素の拡大画像よりも縮小されて投射される。ここで言う、もとの画素の拡大画像とは、画像縮小光学装置５を設置することなく、他の光学系は同じとして投射した場合の、画素の拡大画像を指す。
【００６１】
光源としては、近年、ランプ以外にＬＥＤやレーザなども検討されており、本発明に使用される光源もランプに限られるものではなく、ＬＥＤ、レーザなどであっても差し支えない。
【００６２】
請求項１記載の発明に用いられる画像縮小光学素子５の一例としては、図２に示すマイクロレンズアレイがある。図２において、光源から出射した光は広がり、この広がりは光源に続く光学系においても維持され、図２示すようにマイクロレンズアレイ５１に入射する際にも傾き８を持っている。これを照明角８と呼ぶことにする。この照明角８が、投射像を劣化させる一因となり、このため光学系の構成に影響を与える。
【００６３】
図１に示す例において、マイクロレンズアレイ５をマクロレンズ４の像点に置き、画素サイズを縮小するようにするとよい。あるいは、マイクロレンズの位置を、マクロレンズ４の像点から投射レンズ６の間としてもよい。このとき、画素自体の縮小率は、マクロレンズ４の配置によってのみ決められる。また投射像の総合倍率は、
（第一の光学素子の倍率）×（第二の光学素子の倍率）
により決められる。後者の場合、マイクロレンズの配置により縮小率が変化させられることがメリットであるが、位置ずれが生じると、所望の縮小率が得られない恐れがある。これに対して、前者の場合、マクロレンズ４の像点にマイクロレンズを設置すればよく、調整が容易であるとともに固定的であり、縮小率の安定した光学系の設計が可能である。
【００６４】
マイクロレンズアレイ５の設置位置を、第二の光学素子６、およびマクロレンズ４の像点から設置するのは、焦点深度との関係による。レンズには収差があり、また光源の輝度分布などにより像の形状が必ずしも所望のものでなく、像点から僅かにずれた位置に画像縮小光学系であるマイクロレンズアレイ５を設置したほうが良い場合がある。
【００６５】
マイクロレンズアレイ５を構成するマイクロレンズの焦点距離の設定は、画像サイズの縮小率に影響するとともに、もう一つの問題である焦点深度に関係してくる。焦点深度が大きいということは、マイクロレンズの位置がずれている場合でも、投射像のピントが合うということである。したがって、焦点深度が大きい方が、位置調整が容易となる。現在、一般的なライトバルブの画素の大きさは１０μｍ程度である。これと同じ大きさのマイクロレンズの焦点距離はせいぜい数十μｍであり、曲率半径を大きくした場合、焦点距離は２００μｍから３００μｍ程度である。曲率半径を大きくすると、焦点距離はさらに大きくできるが、曲率半径を大きくすると加工精度の問題が生じる。焦点距離が数十μｍのマイクロレンズを用いると、焦点深度が短くなり、わずかな位置ずれで投射像が劣化してしまう問題がある。このようにマイクロレンズにはある程度の焦点距離の長さと、ある程度深い焦点深度が求められる。
【００６６】
次に、第一の光学素子であるマクロレンズ４について説明する。図１では、マクロレンズ４および第二の光学素子である投射レンズ６は１枚のレンズで描かれてかれている。これは、例えば非球面レンズを使用したときには１枚のみのレンズで構成することは可能である。球面レンズでは種々の収差があるので、この場合は複数枚の球面レンズを組み合せた構成であっても構わない。マクロレンズ４の倍率は等倍であることが望ましく、また、物体側と像面側の両方向にテレセントリックであることが好ましい。しかし、物体側、像面側どちらかだけテレセントリック、いわゆる片側テレセントリックであっても良い。倍率は等倍が好ましい。
【００６７】
本発明において、投射レンズ６を画像拡大レンズとし、その投射レンズ６のＦ値がＦｐであるとき、マクロレンズ４のＦ値を２＊Ｆｐとして、マクロレンズ４のＦ値と投射レンズ６のＦ値との間に関係を設けるのは、実用可能なレンズ性能および画素縮小光学系を考慮にいれ、できる限り明るい画像を投射するためである。例えば現在市場に流通している液晶プロジェクタの投射レンズのＦ値は、明るいものでＦ１．８からＦ２．０程度、暗いものでもＦ４程度である。ここでＦ４の投射レンズとして、この半分のＦ値がマクロレンズに課せられたとして、Ｆ２となり、実現に問題はない。しかし、Ｆ１．８からＦ２．０という明るい投射レンズでは、マクロレンズに課されるＦ値は０．９、１．０というように要求性能が厳しいものになる。マクロレンズ４のＦ値はＦ１．２からＦ２が望ましく、投射レンズ６もこれに対応してＦ２．４からＦ４とするのが望ましい。
【００６８】
照明光のマイクロレンズ入射時の最大入射角をθｉｎとし、出射時の最大出射角をθｏｕｔとしたとき、画素縮小率αはθｉｎ／θｏｕｔで表される。θｉｎは照射光学系によって決定され、その照射する入射光に関しては一定の値であるが、θｏｕｔは、ｎ及びｒ（それぞれマイクロレンズの屈折率及び曲率半径）により変化する。また、画素が縮小され、αが１未満の場合、θｏｕｔ＞θｉｎが成り立つ。θｉｎを７°として、αを１／２とすると、θｏｕｔは１４°となる。このときθｉｎは、第一の光学素子であるマクロレンズ４のＦ値に依存する。また光学系の光利用効率は、第二の光学素子である投射レンズ６のＦ値が、θｏｕｔと比較してどの程度大きいかによる。Ｆ値（度として）がθｏｕｔより大きいと、ケラレがなく効率１００％となる。
【００６９】
図１に示す光学系の構成につき、光線追跡により、効果を確認した。以下に構成の具体例と効果確認結果を示す。光源は長方形で１０×３０μｍ、角度定義は（出射時の広がり角、すなわち照明角）３度とした。マクロレンズ４の仕様は、直径が５０ｍｍ、厚み１２．５ｍｍ、曲率半径が５０ｍｍ、物体側が球面、像側が非球面の両凸レンズで等倍とした。マイクロレンズアレイ５を構成する各マイクロレンズは、直径１０μｍの円形で、両凸であり、曲率は物体側が５μｍ、像側が６μｍであり、これを３つ並列に並べたものをアレイとした。マイクロレンズアレイ５はマクロレンズ４のほぼ焦点位置におかれている。投射レンズ６の仕様は、直径８０ｍｍ、厚み４０ｍｍ、曲率半径５０ｍｍ、物体側が球面、像側が非球面の両凸レンズである。光源の大きさは上記マイクロレンズ３個分の大きさに対応している。
【００７０】
この光学系において、マイクロレンズアレイ５を設置しなければ、スクリーン７上には、長方形の光源の像が、投射レンズ６の倍率に応じて投射されるだけであるが、マイクロレンズアレイ５を置くことにより、この像は３つの小さな像に分割され、投射される。その様子を図６に示す。図６において、横軸はスクリーン７上での位置（単位は長さ）であり、縦軸は放射照度（Ｗ／ｍ＾２）である。図６に示すように、もともと一つの光源が、マイクロレンズアレイ５の作用により、３つに分割され、分割された個々の像が、マイクロレンズが無い場合の投射拡大像よりも縮小されて投射され、効果を確認することができた。
【００７１】
図９は、反射型ライトバルブ２、第一の光学素子４を経て、画像縮小光学素子から出射する画素プロファイルが変形され、縮小された画素が、光軸シフト素子によってスクリーン７に時分割で投射されて、高解像度の画像となる動作を示したものである。ここで、画像縮小光学素子であるマイクロレンズアレイ５による画素サイズの縮小率αは１／２とする。空間光変調素子である上記ライトバルブ２の画素が正方形であり、理想的に縮小された像として、正方形の縮小像となっている。
【００７２】
はじめ、動いていない初期状態を（０）、次に、ｙ方向に空間光変調素子の画素サイズの１／２シフトさせた状態を（１）（例えば、画素サイズを１４μｍとすれば７μｍ＝Δｘ、Δｙ）、そこから、ｘ方向に画素サイズの１／２シフトさせた状態を（２）、続いて、（１）とは反対の方向（マイナス、「―」で表示）に画素サイズの１／２シフトさせた状態を（３）、続いて、（２）とは反対方向の方向にシフトさせた状態を（４）、最後に、ｙ方向に画素サイズの１／２シフトさせた状態を（５）で表しており、（５）は（０）に戻っている。この結果、これらのシフトの周期が早ければ画像のちらつき、フリッカーを感じることなしに、画素の一辺のサイズが１／２、密度が４倍の高精細化画像を実現することができる。また、この例では、空間変調素子と光路変調手段が一つのデバイスとなるため、光学系を拡張し光路変調装置を挿入する必要がなくなり、装置の小型化につながる。上記の例はｘ、ｙの２方向に動かしているが、ｘあるいはｙのいずれか一方のみのシフトであってもかまわない。この場合、画素は２倍増加する。また、αを１／３として、シフト量を１／３とすれば、３×３で９倍の画素数増加を見込むことができる。
【００７３】
また、光軸シフト素子は、光路を空間座標的にシフトする素子であればよい。例えば、直接的に機械的に反射型ライトバルブを移動させてもよく、複屈折材料である液晶からなる光学素子を用いて、光軸を平行シフトさせたり、光軸を偏向させたり、または光軸の平行シフトと光軸の偏向を同時に行ってもよい。また、クサビ形状や斜めに配置した光路長の異なる透明部材を機械的に変位させてもよい。
【００７４】
画像縮小光学素子により出射光を画素縮小する場合に、単にその画素サイズを１／２にする必要はない。光軸シフト素子を用いて高解像度化を行うときの、変形された画素プロファイルは、単に画素の縮小率で、画像の解像度や滑らかさ等の視認性が決定されるわけではなく、同じ画素縮小率においても、画素プロファイルが異なるならば、視認性が大きく異なる場合もある。また、画素サイズが１／２でなくとも、視認性に大きな差が認められない場合もある。
【００７５】
以下、評価等基準について説明する。画素プロファイルの特性を定量的に評価するために、以下の評価値を用いた。これは、（１）ＣＴＦ（ＣｏｎｔｒａｓｔＴｒａｎｓｆｅｒ  Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）、（２）縮小率：α、及び（３）光利用効率；ηである。図８に、ＣＴＦを説明する図を示す。図８（ａ）は、画素縮小光学素子により画素プロファイルが元の正方形から縮小され変形された場合の外径形状の概要図あり、図８（ｂ）は、図８（ａ）の紙面水平方向断面の画素プロファイルとなる光強度分布である。図８（ａ）に示すように、測定または視認される３つの画素は、実際に定量的に評価すると、図８（ｂ）に示されるように、完全な矩形形状の画素プロファイルではなく、連続低な画素プロファイルであると同時に、０以外の最小値を有する。このとき、この画素プロファイルの最大値ＭＡＸと最小値ＭＩＮとで、式１に示すように定義される。
（式１）
ＣＴＦ＝（ＭＡＸ−ＭＩＮ）／（ＭＡＸ＋ＭＩＮ）
【００７６】
ただし、通常のＭＴＦが正弦波の伝達関数であるのに対して、ここではその最初の波形を、反射型ライトバルブの画素矩形波としている。このため、また画素縮小した場合のＣＴＦであるので、空間周波数は、元の画素ピッチの逆数がそのまま対応する空間周波数となる。ただし、このＣＴＦは矩形波の伝達関数であるので、対応する空間周波数以外のより高い周波数およびより低い周波数のＭＴＦ特性によりＣＴＦが決定され、特定の空間周波数のＭＴＦと一義的に対応するものではない。しかしながら、解像限界という視点からは、ＭＴＦとほぼ同様であって、通常は少なくとも２０％以上、好ましくは３０％以上、より好ましくは５０％以上の値がよい。また、６５％以上であれば、視認性としてはほぼ元の矩形波と同様に認識される。
【００７７】
これらのＣＴＦの測定は、プリズム型ビームスプリッタを介して、顕微鏡対物レンズとＣＣＤ受光素子を組み合わせることによって行った。また、顕微鏡対物レンズのかわりにＭＴＦ特性の異なる投射レンズを用いて、共役となるスクリーンを配置する面にＣＣＤを直接に配置して行った。顕微鏡対物レンズは、ニコンの長作動距離のＳＬＷＤ２０倍、４０倍を、必要により開口を設けて取り込みＮＡを制御して用いた。投射レンズは、自作のものを用いた。ＣＣＤのダークノイズ分は除去して計算した。
【００７８】
矩形形状の画素プロファイルに対して、理想光学系を用いれば、スクリーン上に投射される画像は矩形であり、カチッとした切れのよい明瞭な画像を実現できる。しかしながら、このような画像は、従来の低解像度の表示で画像情報が少ないデータプロジェクタの場合には主観評価で良好な結果を得るが、従来の倍以上の高解像度の表示で画像の「滑らかさ」を実現しようとする画像表示装置や動画像の映像表示が主な画像情報の画像表示装置においては、「ジャギー」感や「階調性の不連続性」感が主観評価により生じ、必ずしも優れた画像品質を与えるとは限らない。これらは、開口率と対応する以下に述べる縮小率とも組み合わされて画像品質に影響する。
【００７９】
縮小率は、ＣＴＦを評価する光学系と同様の構成で、半値全幅を用いて評価した。縮小率αは、以下の式で定義した。
（式２）
α＝画素プロファイルの半値全幅／空間光変調素子の画素サイズ
ただし、拡大光学系を用いている場合には、その拡大率で正規化して、縮小率αが１．０または１００％のときに縮小なしの等倍とした。この縮小率が画像の高精細化の基準として、ＣＴＦとともに重要である。画素縮小による高精細化画像という観点からは、αが１．０の場合、全く縮小されておらず、高精細化画像にはなり得ないが、逆に値が小さ過ぎても、今度はプロファイル以外の隙間が顕著となり、高精細画像とはなり得ない過縮小の状態があることがわかった。
【００８０】
そこで、光軸シフト素子を用いて画像をシフトした場合の、縮小率と画像品質との関係を、主観評価により実験した。縮小率は、光軸シフト素子を用いて高解像度化した場合に、画像品質に大きく影響する。図８（ａ）に示したようなプロファイルをもとにした画像の主観的評価から縮小率と画像の高精細化に関して表１に示す結果を得た。ここでは、上記で述べた画素数の増加に関しては、４倍（縦二倍、横二倍）とした。画像は、αの異なる画像プロファイルを有する画素からなる画像を評価した。
【００８１】
表１
0004030357.tif 000002
ここで、○は良、△は可、×は不可を意味し、１０人の観察者に対して系列範疇法である５段階の尺度をもとに行い、４以上を○、３を△、２以下を×とした。５段階の尺度としては、非常によい、よい、普通、悪い、非常に悪い、の尺度を用い、階調、先鋭度、ノイズに関する複数の評価を行った。
【００８２】
αが１．０の時、画素像は全く縮小されず高精細化画像とは言えない。αが０．８で効果は顕著ではないが、１．０の時と比較すると差があり、よって、請求項２で述べるように、αの上限は０．９前後と考えられる。しかし、好ましくは０．３５前後から０．８前後であり、より好ましくは０．４前後から０．７前後である。画素縮小による画像の高精細化のみの場合、αは適度に小さければよいが、画素数を増加させるときには、縮小率は増加率に応じた値でなければならない。上の例のように画素数を４倍（２Ｘ２）にした場合は、αは０．５前後がより適切である。
【００８３】
しかし、画素数を９倍（縦３倍、横３倍）にした場合、この値では大きい。なぜなら、プロファイルが裾野を引いたような形状であるため、画素間で重なりが生じ、ＣＴＦが劣化し、画質が劣化するからである。光軸シフト素子により光軸をシフトする水準が、２つ以外で、３つ上のｎ個である場合は、０．８＊２／３倍の画素サイズ縮小率であることが好ましい。これにより、２倍の光軸シフトと同様のコンボルーションの画像を得ることができ、３倍および４倍の光軸シフトにおいても、隣接する画素間のクロストークによる解像度の劣化を低減することができる。より具体的には、３倍のときには、０．２３以上０．５３以下が好ましく、さらには０．２３以上０．４６以下がさらにはより好ましい。αは０．３３程度が最も好ましい。
【００８４】
また画像が高精細であっても、像が暗くては良好な画像品質とはならず、利用効率も重要な要素である。これをはかる尺度として、一画素に関する光利用効率ηを定義した。これは、空間光変調素子の画素アレイ上の一画素から出射したエネルギが画素縮小された位置およびこれと共役な位置で結像関係にあるスクリーンに投射された１画素に相当する領域にどれだけ到達したかの比である。式（３）に、スクリーンに投射した場合の光利用効率の定義を示す。
式（３）
η＝スクリーン上の一画素相当領域に到達するエネルギ（Ｗ）／ライトバルブ上の一画素が反射するエネルギ（Ｗ）
単純に遮光層のみの開口を用いて画素サイズを縮小した場合には、１／２倍の画素縮小の場合つまりはα＝０．５の場合の光利用効率は、０．２５すなわち２５％であるので、少なくともこれ以上であることが好ましい。
光軸シフト素子を用いた高解像度化に関しては、上記のＣＴＦ、α、ηの値を適切に向上することが必要である。
【００８５】
図示の本発明に使用される画素サイズ縮小装置は、基本的な構成のみを示している。画像投射装置（プロジェクタ）への実装には、プロジェクタの他の構成要素が当然含まれる。図１では、ライトバルブが１枚のみ描かれているが、これは、単板式のプロジェクタの場合であり、ライトバルブを３板用いた３板式プロジェクタであっても差し支えない。実際の構成では、光強度の均一化、光利用効率の向上をはかるために、マイクロレンズアレイを用いた偏光変換光インテグレータ等を用いる。また、白色ランプの光から、赤、緑、青の３色を分離する色分離光学系、そして３色を合成する色合成光学系などが必要となる。また、図１においては、光学系が直線的に描かれているが、光学系の途中でミラー、プリズムなどにより、光の進行方向が変更され、折り返された光学系であっても差し支えない。またライトバルブとしては、透過型、反射型のものであってもよい。前面投射型プロジェクタ、あるいは背面投射型プロジェクタのどちらでも組み込むことが可能である。
【００８６】
図１０に、画像縮小光学素子（マイクロレンズ）、光軸シフト素子を用いた、高精細プロジェクタの例を示す。図１０において、白色ランプ３１から放射された照明光は、フライアイレンズなどからなる光均一化光学素子３２を透過し、カラ−ホイールなどからなる色分離装置３３でＲＧＢの３色に分離され、偏光ビームスプリッタ３５で反射されて反射型液晶ライトバルブ３４を照明する。空間光変調素子である反射型液晶ライトバルブ３４で反射され逆向きに出射される画素情報を有する光は、偏光ビームスプリッタ３５を透過し、第１の光学素子であるマクロレンズ３６で、画像縮小光学素子であるマイクロレンズアレイ３７の面近傍に反射型液晶ライトバルブ３４の各画素の像が形成される。マイクロレンズアレイ３７を構成する各マイクロレンズは、上記各画素の像を複数の縮小画素にし、この縮小画素を第２の光学素子である投射レンズ３８がスクリーン３９に拡大投射するように構成されている。
【００８７】
入射光束を部分的に制限する機能または入射光束を部分的に制限するための素子を設けるとよい。その実施形態として、例えば、マイクロレンズの中に開口を設けるとよい。その例を図５に示す。ここでは、光束を制限する機能として、開口を想定しており、マイクロレンズにその大きさよりも小さい開口１０が設けられていることを示している。マイクロレンズで集光された入射光１１のうち、照明角の大きいものはこの開口１０で部分的にカットされ、それより小さい照明角範囲のもののみが開口を通過し出射される。この出射光を符号１２で示す。このため、マイクロレンズの焦点距離に影響を受けず、安定した画素縮小が可能となり、また、大きな照明角の光学系においても性能を発揮できる。また、焦点深度の問題に関しても、ずれた位置にマイクロレンズアレイがあっても、開口により一定の光のみを通すため、有効である。
【００８８】
これは、マイクロレンズのみによる画素縮小では限界がある構成の場合、画素縮小に有利である。当然ながら、開口により光束が部分的に遮蔽される分、光利用効率も低減することとなる。これは、効率を犠牲にして画質を高めるものである。適当な開口を設置することにより、マイクロレンズの画素縮小効果と合わせて、良好な画素縮小を行うことができ、画像の高精細化が可能となる。また、開口を設けて画素縮小を行った場合には、単にマイクロレンズだけの場合と比較して、より矩形に近いビームプロファイルを実現することができ、投射画像のエッジの先鋭さを向上することができる。
【００８９】
また、上記開口１０の位置は、反射型ライトバルブ上の画素の位置に限定されるものではなく、マイクロレンズ内に設けると、より反射光の集光位置に近いので、αを効率的よく小さくできる。また、集光位置は投射レンズによるスクリーンとの共役の位置関係にあって結像位置でもあるので、開口の形状が焦点ずれによりボケる程度が小さく、ビームプロファイルがより矩形に近くなり、画像のエッジが非常に先鋭となる。また高い空間周波数においても解像度を向上させた投射画像を実現することができる。
【００９０】
ここで、上記開口の材質は光吸収型のほうが良い。開口を設けることによりＣＴＦは向上する。入射光束を制限する機能としては、マイクロレンズアレイ内に開口を設けることに制限されるものではなく、開口の配列が、マイクロレンズアレイの外にあってもよい。
【００９１】
複数の画像縮小光学素子を光軸上に、例えば直列に配列させてもよい。図３にマイクロレンズアレイを３つ組み合わせた例を示す。光線追跡で効果を確認した例では、マイクロレンズアレイ（全て両凸レンズ）を４つ直列に配列したものがある。４つのマイクロレンズアレイの、各曲面の曲率半径は、光源からスクリーン側に進むにつれて、５μｍ、６μｍ、７μｍ、８μｍ、９μｍ、１０μｍ、１１μｍ、１２μｍとし、長さを２５μｍ、５０μｍ、４５μｍ、７０μｍとした。このとき、（式１）のＣＴＦは、照明角３度で０．７８であり、性能が向上していることがわかる。また照明角が４度の場合も、このＣＴＦは０．７０であり、照明角が大きくなっても投射像に著しい劣化がないことが分かる。これは、上述の焦点距離、照明角、焦点深度の問題に対して、焦点距離を長くし、かつ、照明角が大きくてもよいマイクロレンズアレイの一例である。図３に示す例では、３つのマイクロレンズアレイ８１、８２、８３を光の進行方向に直列に設置して、いわゆるリレーをさせている。これらのマイクロレンズアレイ８１、８２、８３はそれぞれ長さと曲率半径が異なっており、光源側からスクリーン側に向かって徐々にそれぞれのレンズアレイの焦点距離が伸びている。
【００９２】
またこれら一連のマイクロレンズアレイの位置を前後にずらしたとき、＋５０μｍ（＋はスクリーン側にずらすこと、−は光源側にずらすことを意味する）でＣＴＦ０．６５、＋１００μｍで０．５８であり、−５０μｍで０．６４、−１００μｍで０．３８であった。この程度の劣化であれば、図６において、投射像を３つの像として充分明確に認識でき、最低でも±１００μｍ程度の焦点深度があることになる。ちなみに一枚のマイクロレンズアレイでは、このずれは±３０μｍ程度であり、複数のマイクロレンズアレイを組み合わせることによって、焦点深度が向上していることが分かる。
【００９３】
本発明の別の実施形態は、マイクロレンズアレイを２個のレンチキュラレンズで構成するもので、その実施形態を図４に示す。図４に示す例では、第１のレンチキュラレンズ９１を、ピッチがｘ方向（水平方向）に平行に、また第２のレンチキュラレンズ９２を、ピッチが第１のレンチキュラレンズ９１に直交する方向であるｙ方向（垂直方向）に平行に配置している。第１のレンチキュラレンズ９１により、マクロレンズで集光された光はｘ方向にのみ分割、集光され、その後、これが第２のレンチキュラレンズ９２に入射し、ｙ方向にも分割、縮小され、画素サイズ縮小となる。このように、レンチキュラレンズ２枚の構成でよいため、構成が簡単であり、かつ調節が容易な画像縮小表示装置を得ることができる。
【００９４】
マイクロレンズアレイ等の画像縮小光学素子を複数設置する際に、空間光変調素子上の画素アレイとの位置調整が重要となる。これは、マイクロレンズアレイを、例えば６軸のステージに搭載し、最終的な投射面での画像を見ながら合わせるといった方法が考えられる。しかし、マイクロレンズアレイが複数枚ある場合、各々について位置合わせを行うのは実用的でなく、また、ステージがその数だけ必要であり、小スペース化を図ることができない。このため、作製時に一体成形しておく。本発明の別の実施形態は、上記のように、複数の画像縮小光学素子としてのマイクロレンズアレイを一体化したものである。
【００９５】
本発明のさらに別の実施形態は、画像縮小光学素子としてのマイクロレンズアレイを、例えば図２に示すように、片側が凸となったマイクロレンズからなるマイクロレンズアレイ５１としたものである。マイクロレンズ５１の片側のみレンズ状であることは、焦点距離が一定という制限を受けてしまうものの、まず、マイクロレンズアレイ５１が１つであるため、構成が簡単で、調整が容易な装置の設計が可能である。また、この型のマイクロレンズは市販されており、そのサイズ、焦点距離などの種類も豊富である。このため、焦点距離等に関して光学系全体との整合性をとれば、マイクロレンズ作製から行わなくてもよく、コスト面でも有利である。
【００９６】
本発明のさらに別の実施形態は、マイクロレンズアレイを、例えば図７における、マイクロレンズアレイ２０１のような、片側が凸、もう片側が凹になったマイクロレンズアレイとしたものである。片側のみが曲面をなすマイクロレンズを用いると、焦点距離に制約を受け、その焦点距離が短いと、マイクロレンズを出射後の光線の広がりが大きくなり、投射レンズ６で取り込むことができなくなる。また、大きく広がった光線を取り込むためには、大口径の投射レンズが必要になるという問題が生じる。さらに、画素の縮小率の設定にも任意性が高い方が良いということもある。このため、図７に示すように、マイクロレンズの両側を球面状にして、焦点距離を長くすれば、マイクロレンズからの出射光の広がりを小さく抑えることができる。また画素縮小率の設計にも自由度が増す。マイクロレンズのレンズ形状は、上記の凸面と凹面の組合せに限定されるものではなく、凸と凸の組合せであっても構わない。
【００９７】
本発明のさらに別の実施形態は、マイクロレンズアレイのレンズ部を非球面にすることにより、像の歪みを低減、除去するようにしたものである。球面状レンズでは、光がレンズの中心から外れた部分に入射すると、収差が大きくなり、投射像が劣化するが、非球面にすることにより収差を取り除くことができ、高品質な像を投射することができる。
【００９８】
本発明のさらに別の実施形態は、マイクロレンズアレイを構成するマイクロレンズ各々の形状を円形にしたものである。これは平坦な基板の上に、一定の間隔で凸（あるいは凹）曲面状のレンズが配列させられるものである。このため、レンズとレンズの間には隙間が生じる場所がある。レンズと基板は同じ材質の場合が多いが、材質を変え屈折率を異ならせる場合もある。この形状のものは市販されているので、請求項４記載の発明の説明にあるように、利用の面から考えて有利であり、低コストの装置を実現することができる。なお、各マイクロレンズの外形は正確な円形でなくてもよく、楕円形状であっても構わない。
【００９９】
本発明のさらに別の実施形は、マイクロレンズアレイ５を構成する各々のマイクロレンズとして矩形のものを利用するものである。その理由は、ライトバルブの画素は正方形が多く、このライトバルブの形状にマイクロレンズの形状を合わせるためである。マイクロレンズアレイ５を構成する各々のマイクロレンズとして円形のレンズを用いると、前に説明したように、円形のレンズ間に隙間が生じるため、マイクロレンズで集光されることなく、透過する光が生じる。これは、光利用効率の低下に繋がる。また円形のマイクロレンズを用いて正方形の画素を投射すると、像が丸みを帯びる結果になる。レンズの形状が正方形であれば、像の歪みが小さく、またレンズ間に隙間が生じないため、光利用効率の向上をはかることが可能である。
【０１００】
マイクロレンズの形状としては上述のような円形、正方形のほか、六角形、レンチキュラタイプなどがある。これら各タイプのレンズは市販されている。例えば６角形状のものは、レンズ配列の間隔が同じであれば、最密充填すると、充填率が円形のものよりも高くなり、より高精細な画像を表示することが可能となる。請求項１６記載の発明はこの効果を狙うものである。
【０１０１】
【発明の作用と効果】
本発明の最も主要な特徴とする構成によれば、空間光変調素子を用いた画像投射装置において、第一の光学素子、画像縮小光学素子としてのマイクロレンズアレイからなる光学系を用いることにより、光利用効率の高効率化を図ることができ、また画像縮小光学素子を用いるため画素が縮小され、その状態で第二の光学素子により観察面に投射されるため、高品位の画像を得ることができる。
また、画像縮小光学素子としてマイクロレンズアレイを用いることにより、光利用効率の高効率化を図ることができ、また画素を縮小することができ、高品位の画像を提供できことができる。
【０１０２】
本発明の別の実施形態によれば、画像縮小光学素子を、第一の光学素子の像面からずらして設置することにより、収差、光源の配向分布等を考慮した上で最適な画素縮小を行うことができるため、光利用効率の高効率化及び高品位の画像を提供でき、またディフォーカスに対して寛容なシステムを提供できる。
本発明のさらに別の実施形態によれば、第一の光学素子の投射倍率を等倍とするため、照明光の入射角と出射角が変らず、よって、画像縮小光学素子に、抑えた照明角で入射でき、このため、光利用効率の高効率化をはかることができ、また高品位の画像を提供できる。
本発明のさらに別の実施形態によれば、光軸シフト素子を光学系に設置し、縮小後の画素を周期的にシフトしながら投射するため、高品位でかつ増大した画素数からなる高品位の画像を提供することができる。
【０１０３】
本発明のさらに別の実施形態によれば、光学系にもともとの空間光変調素子上の画素、あるいは縮小された画素像よりも小さなマスクを設け、画像情報を有する光の一部を遮蔽するため、より高品位な画像を提供できる。
本発明のさらに別の実施形態によれば、複数の画像縮小光学素子を用いることにより、設計の自由が増し、光損失の少ない画像縮小光学素子を構成することが可能であり、このため、光利用効率の高効率化を図ることができ、また高品位の画像を提供することができる。
本発明のさらに別の実施形態によれば、２つのレンチキュラ型の画像縮小光学素子を用い、それぞれの母線が直交するように配置するため、空間光変調素子の画素を縮小することができ、２枚のレンズにより光損失を抑えることができ、よって高光利用効率を実現することができ、また高品位な画像を提供できる。
本発明のさらに別の実施形態によれば、複数の画像縮小光学素子を一体化するため、アライメントフリーの画素縮小光学素子を提供できる。
【０１０４】
本発明のさらに別の実施形態によれば、片面が球面またはこれに近似の面で汎用のマイクロレンズを用いることが可能で、低コスト化を図ることができ、また画素縮小が可能なため、高品位の画像を提供できる。
本発明のさらに別の実施形態によれば、両面が球面またはこれに近似の面であるマイクロレンズを用いることにより、低コスト化を図ることができるとともに、収差を抑え、かつ光利用効率の高効率化を図ることができ、また高品位の画像を提供することができる。
本発明のさらに別の実施形態によれば、マイクロレンズのレンズ形状を非球面にするため、収差を抑えることができ、よって、光利用効率の高効率化、及び高品位の画像を提供することができる。
本発明のさらに別の実施形態によれば、汎用のマイクロレンズを用いることが可能なため、コストの低減が可能であり、また円形であるため充填率が高く、よって光利用効率の高効率化が可能であり、高品位の画像を提供することができる。
本発明のさらに別の実施形態によれば、汎用のマイクロレンズを用いることが可能なため、低コスト化が可能であり、またレンズ形状が矩形であるため、ほぼ隙間無く配列させることが可能で、このため、光利用効率の高効率化を図ることができ、よって公品位の画像を提供することができる。
本発明のさらに別の実施形態によれば、汎用のマイクロレンズを用いることが可能なため、低コスト化が可能であり、またレンズ形状が矩形であるため、設計の自由度を高めることができ、このため充填率を上げることにより、光利用効率の高効率化を図ることができ、また高品位の画像を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる画像表示装置の基本的な構成例を示す光学配置図である。
【図２】上記画像縮小表示装置に適用可能なマイクロレンズアレイの一例を示す側面図である。
【図３】上記画像縮小表示装置に適用可能なマイクロレンズアレイの別の例を示す側面図である。
【図４】上記画像縮小表示装置に適用可能なマイクロレンズアレイのさらに別の例を示す斜視図である。
【図５】本発明に適用可能な光束を部分的に制限するための光学素子の例を示す側面図である。
【図６】マイクロレンズアレイを置くことによって画素の像が小さな像に分割され投射される様子を示すグラフである。
【図７】上記画像縮小表示装置に適用可能なマイクロレンズアレイのさらに別の例を示す側面図である。
【図８】画素プロファイル特性の定量的評価方法を示すもので、（ａ）は画素縮小光学素子により画素プロファイルが元の正方形から縮小され変形された場合の外径形状の概要図、（ｂ）は（ａ）の紙面水平方向断面の画素プロファイルとなる光強度分布図である。
【図９】画像縮小光学素子から出射する画素プロファイルが変形され縮小された画素が光軸シフト素子によってスクリーンに時分割で投射されて高解像度の画像となる動作を順に示す模式図である。
【図１０】本発明にかかる画像表示装置の実施形態である高精細プロジェクタの例を示す光学配置図である。
【図１１】従来知られている透過型液晶パネルにマイクロレンズを組み合わせた画像表示装置の例を示す斜視図である。
【図１２】上記画像表示装置の作用を示すもので、（ａ）は画素ごとの集光光学系がない場合、（ｂ）は画素ごとに集光光学系を用いて表示画素サイズを小さくした場合の角画素ごとの輝度レベルを示すグラフである。
【図１３】従来知られている液晶パネルにマイクロレンズを組み合わせた画像表示装置の別の例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１  光源
２  空間光変調素子
４  第１の光学素子（マクロレンズ）
５  画像縮小光学素子（マイクロレンズアレイ）
６  第２の光学素子（投射レンズ）
７  スクリーン
【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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