(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光が通過する複数の入射側レンズと反射光が通過する出射側レンズとから構成されるマイクロレンズアレイと、
各々の入射側レンズの焦点近傍に設置されて入射光を反射するマイクロミラーアレイと、
を有し、
前記マイクロミラーアレイを構成する各々のマイクロミラーの反射光線方向を制御することにより、各々の出射側レンズからの出力光量をアナログ的に又は段階的に調節可能であり、
前記複数の入射側レンズに対して一つのマイクロミラーと一つの出射側レンズが対応するように配置され、前記マイクロミラーの反射光線方向を制御することにより複数の光線の選択と出力光量の調節を同時に行うことが可能であることを特徴とする光スイッチングデバイス。
【請求項２】
入射光が通過する入射側レンズと反射光が通過する出射側レンズとから構成されるマイクロレンズアレイと、
各々の入射側レンズの焦点近傍に設置されて入射光を反射するマイクロミラーアレイと、
を有し、
前記マイクロミラーアレイを構成する各々のマイクロミラーの反射光線方向を制御することにより、各々の出射側レンズからの出力光量をアナログ的に又は段階的に調節可能であり、
進行方向が互いに異なる赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３色の入射光線をそれぞれ集光して略同一点に焦点を結ばせるように直線状に配置された三つの入射側レンズと、焦点近傍に設置したマイクロミラーと、出射側レンズとを有し、マイクロミラーは、入射側レンズの並び方向と平行な方向に角度制御することによって出力光の色を選択可能とし、入射側レンズの並び方向と垂直な方向に角度制御することによって出力光量を調節可能とすることを特徴とする請求項１記載の光スイッチングデバイス。
【請求項３】
光源手段と、光源手段からの光を色によりわずかに光線の方向を変更する色分離手段と、請求項１又は２に記載の光スイッチングデバイスと、投影レンズとを有することを特徴とする画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光スイッチングデバイス素子、画像表示装置に関するものであり、特に画像データやビデオ信号を投影により表示ずる投影型ディスプレイに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光スイッチングデバイスを使用した画像表示装置の中に、例えばＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）等の名称で知られているマイクロミラーアレイを使用するものがある。これは、角度を独立に変化させることのできる複数の微少なミラーから構成されている。電極間に電圧を印可することによりマイクロミラーの角度を変えて反射光の方向を制御するものである。この方式では、マイクロミラーからの反射光を投影レンズに入射させるかさせないかでデジタル的にスイッチングを行うため、光量の調整は高速スイッチングによるＰＷＭ（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ：パルス幅変調）方式を使用している。これは、高周波でスイッチングしたときのＯＮ時のパルス幅を制御することにより、積算ＯＮ時間を変化させ、光量調整するという方式である。
【０００３】
特開平８−１２９１３８には、ＤＭＤとマイクロレンズアレイを組み合わせて光利用効率の改善を図った発明が開示されている。図１０はその原理を示したものである。画像表示装置はマイクロレンズアレイ１００１とＤＭＤ１００４とから構成されていて、入射光１００５は入射側レンズ１００２を通過した後Θの角度でＤＭＤ素子１００４ａに入射する。この時、ＤＭＤ素子１００４ａの角度θがθ＝Θ／２の時、反射光１００６ａは出射側レンズ１００３を通過して出射され、ＯＮ状態となる。また、ＤＭＤ素子１００４ａの角度θがθ＝０の時、反射光１００６ｂは出射側レンズ１００３を通過せず、ＯＦＦ状態となる。ここで光量の調整はＯＮ状態とＯＦＦ状態を高速でスイッチングするＰＷＭ方式により実現される。
【０００４】
以上はモノクロ表示の場合であるが、カラー表示の場合は、入射光を赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の回転カラーフィルタに通し、時分割で各色の光量を調整することによりカラーが再現される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の光スイッチングデバイスはＰＷＭ方式を使用するため、スイッチング特性として超高速性、線形性が要求された。これらの要求特性は製造の困難性を高め、歩留まり悪化の一因となっていた。また、高速駆動と駆動回数の増加により素子の寿命が短いという問題があった。
【０００６】
また、カラー画像表示装置の光利用効率を考えると、回転カラーフィルタにより原理的に１／３の光が損失してしまい、輝度、コントラスト、彩度が低下するという問題もあった。さらに時分割による色再現方式ではスイッチングの高速性がより要求されるという問題もあった。
【０００７】
そこで、本発明は、製造が容易で寿命が長く、光の利用効率が高い光スイッチングデバイス及び画像表示装置を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、下記（１）〜（３）の光スイッチングデバイス、及び（４）の画像表示装置が提供される。
（１）入射光が通過する入射側レンズと反射光が通過する出射側レンズとから構成されるマイクロレンズアレイと、各々の入射側レンズの焦点近傍に設置されて入射光を反射するマイクロミラーアレイとを有し、マイクロミラーアレイを構成する各々のマイクロミラーの反射光線方向を制御することにより、各々の出射側レンズからの出力光量をアナログ的に又は段階的に調節可能であることを特徴とする光スイッチングデバイス。
【０００９】
上記発明によれば、ＰＷＭ方式を使用せずに光量調節が可能となるため、製造が容易で寿命の長い光スイッチングデバイスが実現される。
（２）上記（１）の光スイッチングデバイスにおいて、複数の入射側レンズに対して一つのマイクロミラーと一つの出射側レンズが対応するように配置され、マイクロミラーの反射光線方向を制御することにより複数の光線の選択と出力光量の調節を同時に行うことが可能であることを特徴とする光スイッチングデバイス。
（３）上記（１）又は（２）の光スイッチングデバイスにおいて、進行方向が互いに異なる赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３色の入射光線をそれぞれ集光して略同一点に焦点を結ばせるように直線状に配置された三つの入射側レンズと、焦点近傍に設置したマイクロミラーと、出射側レンズとを有し、マイクロミラーは、入射側レンズの並び方向と平行な方向に角度制御することによって出力光の色を選択可能とし、入射側レンズの並び方向と垂直な方向に角度制御することによって出力光量を調節可能とすることを特徴とする光スイッチングデバイス。
【００１０】
上記発明によれば、カラー光スイッチングデバイスにて、光利用効率を高くすることが可能となる。
（４）光源手段と、光源手段からの光を色によりわずかに光線の方向を変更する色分離手段と、上記（１）乃至（３）のいずれかの光スイッチングデバイスと、投影レンズとを有することを特徴とする画像表示装置。
【００１１】
上記構成により、製造が容易で寿命が長く、光の利用効率が高い画像表示装置が提供される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を実施例に沿って、図を参照しながら説明する。
【００１３】
（実施例１）
図１〜３は本発明の上記（１）に関わる光スイッチングデバイスの構成を模式的に示す図である。本発明の光スイッチングデバイスは、マイクロレンズアレイ１０１とマイクロミラーアレイ１０４とから構成されていて、この光スイッチングデバイスの各々の画素は入射側レンズ１０２、マイクロミラー１０４ａ、出射側レンズ１０３とから構成されている。
【００１４】
画素への入射光１０５は入射側レンズ１０２を通過した後、入射側レンズ１０２の焦点付近に配置されたマイクロミラー１０４ａに入射する。マイクロミラー１０４ａの角度は角度調整手段を使用してアナログ的に任意に設定可能となっている。入射光１０５はマイクロミラー１０４ａに集光するので、反射光は拡散光となり、出射側レンズ１０３の付近で一定の広がりを持つようになる。
【００１５】
図1に示すようにマイクロミラー１０４ａの角度θがθ＝θ1のとき反射光１０６は、そのほとんど全てが出射側レンズ１０３を通過して出射されるため１００％出力となる。また、図２に示すようにθ＝θ2の時、反射光の約半分（２０６ａ）が出射側レンズ１０３を通過するため５０％出力となる。この時反射光の残り成分２０６ｂは出射側レンズの隣接レンズを通過してスイッチング方向とは異なる方向に曲げられ、開口などによって外部に捨てられる。 また、図３に示すようにθ＝θ3の時、反射光３０６の全てが出射側レンズ１０３を通過せずに外部に捨てられるため０％出力となる。
【００１６】
このようにマイクロミラー１０４ａの角度をθ1からθ3の間で微調整して反射光線方向を制御することにより、光スイッチングデバイスの各々の画素の出射側レンズ１０３からの光出力をアナログ的に任意に設定することが可能となる。
【００１７】
ここでは、各々の画素の光出力をアナログ的に調節可能としたが、段階的に調節可能とすることで同様の効果を得ることも可能である。
【００１８】
（実施例２）
図５〜７は、上記（２）、（３）にかかる光スイッチングデバイスの構成を模式的に示す図である。
【００１９】
本発明の光スイッチングデバイスは、マイクロレンズアレイ５０１とマイクロミラー５０４を含むマイクロミラーアレイとから構成されていて、進行方向が互いに異なるＲ入射光５０５ａ、Ｇ入射光５０５ｂ、Ｂ入射光５０５ｃは、それぞれ入射側レンズ５０２ａ、５０２ｂ、５０２ｃを通過した後マイクロミラー５０４に入射する。
【００２０】
ＲＧＢ３色の入射光のなす角度は、図８に示すように、入射側レンズ８０１ａ、８０１ｂ、８０１ｃとマイクロミラー８０２の位置関係により一律に決まる。この場合は、入射側レンズ８０１ｂとマイクロミラー８０２の光学的距離をｔ、入射側レンズ８０１ａ、８０１ｂ、８０１ｃのピッチをｐ、入射光のなす角をΘとすると、ｔａｎΘ ＝ ｐ／ｔの関係を満たす必要がある。
【００２１】
マイクロミラー５０４は、図４に示すように、ミラー４０１、支柱４０２、θ方向角度調整手段４０３ａ、φ方向角度調整手段４０３ｂから構成されている。角度調整手段４０３ａ、４０３ｂは圧電素子を使用しており、電極４０４ａ、４０４ｂ間に電圧を加えるとその電圧に応じて長さが変化する。角度調整手段４０３ａ、４０３ｂの長さを独立に調整することにより、ミラー４０１の角度をθ方向、φ方向共に独立かつ任意に設定可能となっている。このマイクロミラー５０４は、ＭＥＭＳと呼ばれるエッチングを主体とした微細加工プロセスにて作成可能である。ここでは角度調整手段４０３ａ、４０３ｂとしては圧電素子を用いたが、静電力や電磁力を利用する方法など何を用いても構わない。
【００２２】
マイクロミラー５０４に入射した３色の入射光５０５ａ、５０５ｂ、５０５ｃは反射光もそれに応じて３色に別れるため、入射側レンズの並び方向と平行な方向の角度φを調整することにより、出射側レンズ５０３への入射光をＲ、Ｇ、Ｂ又はその中間の混合色の中から選択することが可能となっている。また、入射側レンズの並び方向と垂直な方向の角度θを調整することにより、出射側レンズ５０３からの出力光量を調節することが可能となっている。
【００２３】
図５はθ＝θ1、φ＝φ1に設定し、出射光５０６としてＧを１００％出力した状態、図６はθ＝θ2に設定し、出射光６０６としてＧを５０％出力した状態、図７は、φ＝φ2に設定し、出射光７０６としてＢを１００％出力した状態を示す。このように、θ、φの各角度を調整することにより、色の選択と出力光量を独立に、任意に調節可能となる。
【００２４】
（実施例３）
図９は、上記（４）に関わる画像表示装置の構成を模式的に示す。
【００２５】
光源手段９０１から出射された白色光は、反射鏡９０２、コリメートレンズ９０３を使用して平行光９０７に変換される。平行光９０７は、色分離手段９０４によってＲ、Ｇ、Ｂ各色によってわずかに光線の方向を変更されて光スイッチングデバイス８０５に入射される。色分離手段９０４として、ここでは各色によってわずかに角度を変化させて組み合わせたダイクロックミラーを用いたが、ホログラムカラーフィルタやプリズム等、色分離可能なものならば何でも良い。
【００２６】
光スイッチングデバイス９０５に入射された光は、表示する画像に対応した各画素毎に色と光量の変調を受け、投影レンズ９０６を通過してスクリーンに投影される。光スイッチングデバイス９０５としては、実施例２に説明したものを用いることが可能である。
【００２７】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、請求項１の発明によれば、マイクロミラーの反射光線方向を制御することにより各々の画素の出力光量をアナログ的に又は段階的に調節可能となるため、 ＰＷＭ方式を使用せずに光量調節が可能となり、製造が容易で寿命の長い光スイッチングデバイスを提供することが可能となる。
【００２８】
又、請求項２、３の発明によれば、マイクロミラーの反射光線方向を制御することにより複数の光線の選択と出力光量の調節を同時に行うことが可能となる。このことにより、カラー光スイッチングデバイスにて、例えば全面青（Ｂ）の表示をするようなときには従来は時分割で１／３の時間しか表示できなかったものが、全時間表示可能となるため、この場合の光利用効率は３倍となる。これは同一光源光量における彩度及び輝度を上げる効果があり、光利用効率を高くすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１に関わる光スイッチングデバイス（１００％出力）の構成を模式的に示す図。
【図２】本発明の実施例１に関わる光スイッチングデバイス（５０％出力）の構成を模式的に示す図。
【図３】本発明の実施例１に関わる光スイッチングデバイス（０％出力）の構成を模式的に示す図。
【図４】本発明の実施例２に関わるマイクロミラーの構成を模式的に示す図。
【図５】本発明の実施例２に関わる光スイッチングデバイス（Ｇ１００％出力）の構成を模式的に示す図。
【図６】本発明の実施例２に関わる光スイッチングデバイス（Ｇ５０％出力）の構成を模式的に示す図。
【図７】本発明の実施例２に関わる光スイッチングデバイス（Ｂ１００％出力）の構成を模式的に示す図。
【図８】本発明の実施例２に関わる入射光のなす角を説明するための図。
【図９】本発明の実施例３に関わる画像表示装置の構造を模式的に示す図。
【図１０】従来の光スイッチングデバイスの原理を模式的に示す図。
【符号の説明】
１０１    マイクロレンズアレイ
１０２    入射側レンズ
１０３    出射側レンズ
１０４    マイクロミラーアレイ
１０４ａ    マイクロミラー
１０５    入射光
１０６、２０６ａ、２０６ｂ、３０６    反射光
４０１    ミラー
４０２    支柱
４０３ａ  θ方向角度調整手段
４０３ｂ  φ方向角度調整手段
４０４ａ、４０４ｂ    電極
５０１    マイクロレンズアレイ
５０２ａ、５０２ｂ、５０２ｃ    入射側レンズ
５０３    出射側レンズ
５０４    マイクロミラー
５０５ａ    Ｒ入射光
５０５ｂ    Ｇ入射光
５０５ｃ    Ｂ入射光
５０６、６０６、７０６    出射光
８０１ａ、８０１ｂ、８０１ｃ    入射側レンズ
８０２    マイクロミラー
９０１    光源手段
９０２    反射鏡
９０３    コリメートレンズ
９０４    色分離手段
９０５    光スイッチングデバイス
９０６    投影レンズ
９０７    平行光
１００１  マイクロレンズアレイ
１００２  入射側レンズ
１００３  出射側レンズ
１００４  ＤＭＤ
１００４ａ  ＤＭＤ素子
１００５  入射光
１００６ａ、１００６ｂ    反射光
【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】
0003755378.tif 000008
【図８】
0003755378.tif 000009
【図９】
0003755378.tif 000010
【図１０】
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