JP2005352392A - マイクロレンズアレイ、空間光変調装置及びプロジェクタ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 偏光解消の低減、光利用効率の確保が可能なマイクロレンズアレイを提供する。
【解決手段】 複数の異なる曲率半径ｒ１，ｒ２を有するマイクロレンズ２を配列させたマイクロレンズアレイ１であるため、曲率半径ｒ２の大きなマイクロレンズ２を含ませることができ、単一の曲率半径を有するマイクロレンズを配列させたマイクロレンズアレイの場合よりも偏光解消を低減させることができる上に、光軸に垂直な面内での形状を同一として周期的に配列させてなるので、そのマイクロレンズ２のサイズ及び配列を制御することにより光利用効率の向上が可能なマイクロレンズアレイ１を提供できるようにした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、マイクロレンズアレイ、空間光変調装置及びプロジェクタ装置に関する。

多数のマイクロレンズを配列させたマイクロレンズアレイは、プロジェクタ装置の画像表示部として使われる液晶空間光変調装置における画素配列に対向設置され、開口率の向上、光利用効率の向上といった目的で使用されている。プロジェクタ市場においては透過型液晶空間光変調装置にマイクロレンズアレイを設けたものが主流であるが、例えば特許文献１によれば、反射型液晶空間光変調装置にマイクロレンズアレイを設けた構成が提案されている。透過型、反射型を問わず、マイクロレンズアレイを設けることにより、通常は発散していくはずの入射光を、画素のサイズよりも小さな領域に集光させることができることに大きな利点がある。

従来のこのようなマイクロレンズアレイにおいて、マイクロレンズの形状（主として曲率半径で決まる）は、公差の範囲内で、一定に作製され、その作製精度を向上させることが課題とされている。マイクロレンズアレイを用いた光学系、光学デバイスにおいて、ばらつきのない一定（安定）した、性能を確保するためである。また、マイクロレンズアレイにおける各マイクロレンズの配列は、空間光変調装置の画素配列に合わせるため、規則的かつ周期的である。

特開平１１−２５８５８５号公報 特開２０００−２９２７８５公報 特開２０００−０３５６１６公報

ところで、反射型液晶表示装置における用途であるが、上記のような規則的な配列のマイクロレンズアレイではなく、マイクロレンズの配列を不規則的とした例が、特許文献２中において、従来例として示されている。その例を図１１に示す。この場合、マイクロレンズアレイ１００を構成する個々のマイクロレンズ１０１は、その曲率半径だけでなく、マイクロレンズ１０１の光軸に垂直な面内でのサイズ（高さ、或はサグ）も不規則とされている。このようなマイクロレンズアレイ１００では、反射率の不均一性があり、黒白のコントラスト比が低減する旨記述されている。また、このようなマイクロレンズアレイ１００の場合、隣接するマイクロレンズ１０１間の隙間が大きく、光利用効率が悪く、仮に、隙間を無くした構造であっても、偏光解消（偏光解消とは、直線偏光光が、曲率を有する光学素子に入射した（或は反射される）際に、その直線偏光光の電場の振動方向が回転する現象をいう：depolarization）によるコントラスト比の低減は解決できないと推測される。

この点、特許文献２による提案例では、図１２に示すように、異なる形状（多角形）、異なるサイズのマイクロレンズ１１１を２次元的に不規則に配列させてマイクロレンズアレイ１１０を構成することにより、マイクロレンズ１１１間の隙間を制御（面積の低減）し、反射率及びコントラスト比が向上できる旨が記載されている。

また、特許文献３によれば、空間光変調装置への適用例ではないが、図１３に示すように、ランダムな凸形状のマイクロレンズ１２１を配列させたスクリーンシート１２０が提案されている。この例においては、このような構成、構造により、外光反射を抑圧し高輝度、高コントラスト比を実現できる旨記載されている。

マイクロレンズアレイ及び液晶パネルを用いた画像表示装置、関連する光学素子として、高輝度、高光利用効率、高コントラスト比、高精細画像、高品位の画質といったものを実現する場合、偏光解消を解決すること、マイクロレンズのレンズ形状の制御、マイクロレンズアレイにおける配列の制御、レンズ間の隙間の制御などが重要課題である。

ここに、マイクロレンズアレイの作製方法に関しては、透光性基板にレジストを塗布し、リフローにより作製する方法、フォトリソグラフィとドライエッチングによりガラス基板にマイクロレンズを形成する方法、モールド成形、インクジェットによる作製方法などがある。これらの作製技術によれば、アレイ基板上に、異なる形状、サイズ、物質のマイクロレンズを作製することは可能である。

ここに、例えばマイクロレンズの曲率半径を当該マイクロレンズのサイズに対して小さくすると、球面収差が大きくなり、画質の劣化、光利用効率の低下に繋がる。しかし、所望の小さな領域に光を集光できる利点がある。しかしながら、プロジェクタ装置において、直線偏光光を用いる場合、マイクロレンズの球面の度合いがきついほど、偏光解消が大きくなる。これは、マイクロレンズアレイを用いた画像表示装置のコントラスト比（明状態と暗状態との比）を低減させる原因となる。

逆に、マイクロレンズの曲率半径を大きくすると、球面収差は低減され、画質の向上、光利用効率の向上に繋がる。また、これは、偏光解消の低減に繋がり、マイクロレンズアレイを用いた画像表示装置のコントラスト比を向上させることが可能となる。しかし、本来の集光機能が低下し所望の小さな領域に光を集光しきれないという問題が生じる。

このように、マイクロレンズアレイを構成するマイクロレンズに関して、画質、光利用効率、集光の能力との間には、トレードオフの関係がある。従来の個々のマイクロレンズの曲率半径を一定としたマイクロレンズアレイにおいては、目標、仕様を絞り、ある性能を優先し、他の性能は犠牲にするという設計を行っていた。

また、空間光変調装置の性能の指標の一つである画素数に関しては、画像表示装置（プロジェクタ装置）の市場では、大画素数化の動向にある。一定の大きさの空間光変調装置のパネル面に、多くの画素を作製しようとすると、個々の画素サイズを小さくしなければならない。駆動用の電気回路を含め画素は半導体製造技術を用いて作製されるため、そのときのデザインルールの制約を受ける。技術的課題の他に、製造コストとの兼ね合いもあり、画素サイズを小さく、かつ、画素数を多く作製することがコスト的に見合わず、大画素数のものが必ずしも可能なわけではない。

本発明の目的は、偏光解消の低減、光利用効率の確保が可能なマイクロレンズアレイを提供することである。

本発明の目的は、このようなマイクロレンズアレイを提供することで、空間光変調装置及びそれを用いたプロジェクタ装置におけるコントラスト比の向上、光利用効率の向上、画質の向上、さらに画素数の増加を図れるようにすることである。

請求項１記載の発明のマイクロレンズアレイは、少なくとも２種類の光学的に異なる曲率半径の複数のマイクロレンズを、個々のマイクロレンズの入射光軸に垂直な面内での形状を同一として、周期的に配列してなる。

請求項２記載の発明は、請求項１記載のマイクロレンズアレイにおいて、全てのマイクロレンズの屈折率が同一で、かつ、隣接する物質との屈折率差が一定であり、物理的な曲率半径を前記マイクロレンズ毎に異ならせることにより、少なくとも２種類の光学的に異なる曲率半径を持つ。

請求項３記載の発明は、請求項１記載のマイクロレンズアレイにおいて、全てのマイクロレンズの物理的な曲率半径が同一で、かつ、隣接する物質との屈折率差を前記マイクロレンズ毎に異ならせることにより、少なくとも２種類の光学的に異なる曲率半径を持つ。

請求項４記載の発明は、請求項１ないし３の何れか一記載のマイクロレンズアレイにおいて、前記マイクロレンズは、入射光軸に垂直な面内での形状が矩形形状又は多角形形状により同一とされ、隙間なく周期的に配列されている。

請求項５記載の発明は、請求項１ないし４の何れか一記載のマイクロレンズアレイにおいて、光学的に異なる曲率半径の前記マイクロレンズ同士の配列が不規則的である。

請求項６記載の発明は、請求項１ないし４の何れか一記載のマイクロレンズアレイにおいて、光学的に異なる曲率半径の前記マイクロレンズ同士の配列が規則的である。

請求項７記載の発明は、請求項１ないし６の何れか一記載のマイクロレンズアレイにおいて、前記マイクロレンズの光軸に対する形状が球面状である。

請求項８記載の発明は、請求項１ないし６の何れか一記載のマイクロレンズアレイにおいて、前記マイクロレンズの光軸に対する形状が非球面状である。

請求項９記載の発明の空間光変調装置は、照明光を画像情報に基づいて画素単位で空間光変調して画像光として出射する画像表示パネルと、個々のマイクロレンズを画像表示パネルの前記画素単位の画素配列に対向配置させた請求項１ないし８の何れか一記載のマイクロレンズアレイと、を備える。

請求項１０記載の発明のプロジェクタ装置は、照明用光源と、その照明光を画像情報に基づいて画素単位で空間光変調して画像光として出射する請求項９記載の空間光変調装置と、この空間光変調装置から出射される画像光をスクリーン上に投影する投影装置と、を備える。

請求項１１記載の発明は、請求項１０記載のプロジェクタ装置において、前記空間光変調装置の画像表示パネルと同期し、その画像光の光路を偏向して前記空間光変調装置の見掛け上の画素数を増倍させる光路シフト装置を備える。

請求項１記載の発明によれば、複数の異なる曲率半径を有するマイクロレンズを配列させたマイクロレンズアレイであるため、曲率半径の大きなマイクロレンズを含ませることができ、単一の曲率半径を有するマイクロレンズを配列させたマイクロレンズアレイの場合よりも偏光解消を低減させることができる上に、光軸に垂直な面内での形状を同一として周期的に配列させてなるので、そのマイクロレンズのサイズ及び配列を制御することにより光利用効率の向上が可能なマイクロレンズアレイを提供することができる。

請求項２記載の発明によれば、同一の屈折率材料を用いる通常のマイクロレンズアレイ構成において、その物理的の曲率半径をマイクロレンズ毎に異ならせることにより、請求項１記載の発明を容易に実現することができる。

請求項３記載の発明によれば、物理的な曲率半径は全てのマイクロレンズに関して同一とする構成であっても、隣接する物質との間の屈折率差を適宜設計することにより、請求項１記載の発明を容易に実現することができる。

請求項４記載の発明によれば、入射光軸に垂直な面内での形状を矩形形状等により同一とし、マイクロレンズを隙間なく周期的に配列させているので、隣接するマイクロレンズ間に非有効領域が存在せず、緻密なマイクロレンズアレイとなり、請求項１ないし３記載の発明の効果に加えて、光利用効率の向上を図ることができる。

請求項５記載の発明によれば、異なる曲率半径のマイクロレンズ同士の配列の仕方を不規則的としているため、請求項１ないし４記載の発明の効果に加え、曲率半径が異なることによる照度分布が規則的に現れることがなく、画質劣化を防止することができる。

請求項６記載の発明によれば、異なる曲率半径のマイクロレンズ同士の配列の仕方を規則的としているため、請求項１ないし４記載の発明の効果に加え、光路シフト装置と組み合わせることで画質の向上を図る上で有利な構成となる。

請求項７記載の発明によれば、マイクロレンズの形状として球面状形状を用いるため、請求項１ないし６記載の発明を実現する上で、一般的なレンズ構造のマイクロレンズアレイを提供することができる。

請求項８記載の発明によれば、マイクロレンズの形状として非球面状形状を用いるため、請求項１ないし６記載の発明を実現する上で、種々の収差を低減させることができ、よって、さらなる偏光解消の低減、高光利用効率化、高画質化が可能なマイクロレンズアレイを提供することができる。

請求項９記載の発明によれば、請求項１ないし８記載のマイクロレンズアレイを利用しているため、偏光解消の低減による高コントラスト比、高光利用効率、高画質な空間光変調装置を提供することができる。

請求項１０記載の発明によれば、請求項９記載の空間光変調装置を備えるので、高コントラスト比及び高光利用効率のプロジェクタ装置を提供することができる。

請求項１１記載の発明によれば、請求項１０記載の発明に加えて、マイクロレンズアレイの使用に併せて、見掛け上の画素数を増倍させる光路シフト装置を用いるため画素数増大が可能な高精細・高画質プロジェクタ装置を提供することができる。

本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。図１は本実施の形態のマイクロレンズアレイ１の構成例を示し、（ａ）は光軸方向に見た平面図、（ｂ）はその構成要素となるマイクロレンズ単体の構成例を拡大して示す側面図、（ｃ）は規則的な配列構成例を拡大して示す断面図、（ｄ）は不規則的な配列構成例を拡大して示す断面図である。

本実施の形態のマイクロレンズアレイ１は、曲率半径ｒが図１（ｂ）に示すようにｒ１，ｒ２の如く異なる複数のマイクロレンズ２を適宜組合せてアレイ基板３上に２次元アレイ状に周期的に配列させることにより構成されている。なお、図１においては、マイクロレンズ２の異なる曲率半径としては、ｒ１とｒ２（例えば、ｒ１＜ｒ２）との２種類のみ例示しているが、３種類以上（ｎまで）の曲率半径ｒ１，ｒ２，ｒ３，…，ｒｎであっても構わない。

また、入射光軸に垂直な面内でのマイクロレンズ２の形状は全て同一であり、ここでは、例えば正方形形状とされている。マイクロレンズアレイ１においては、このような正方形形状のマイクロレンズ２が、図１（ａ）に示すように、光軸に垂直な面内で２次元的に周期的に配列、特に隣接するマイクロレンズ２間に隙間を生じないように配列されることにより構成されている。また、図１（ｂ）に示すように光軸に対しては球面状のレンズ部分が存在する形状とされている。いま、マイクロレンズ２の正方形の１辺の長さをｄとする。このとき対角線の長さは√２ｄである。マイクロレンズ２の曲率半径ｒが√２ｄ／２よりも小さい場合は、即ち、ｒ≦√２ｄ／２の場合には、隣接するマイクロレンズ２間には、レンズが存在しない領域（非有効領域と呼ぶことにする）ができる。この非有効領域を通った光は集光されず、このため、光利用効率の低減に繋がる。また、後述するような空間光変調装置に適用した場合には画素の光が隙間に入り、これが迷光となり、画質を劣化させる原因にもなる。このため、マイクロレンズ２の曲率半径ｒは√２ｄ／２以上とすることが好ましい。これ以上の大きさであると隣接するマイクロレンズ２間に非有効領域が無く、稠密なマイクロレンズアレイ１となる。即ち、本実施の形態のマイクロレンズアレイ１は、上記の従来技術のように異なる凸形状のマイクロレンズが隙間を持って配列されているのではなく、異なる凸形状の（或は曲率半径が異なる）マイクロレンズ２であっても、光軸に垂直な面内の形状が例えば正方形のマイクロレンズ２が隙間なく配列されている点を特長の一つとする。なお、入射光軸に垂直な面内での形状としては、正方形だけでなく、長方形等の矩形形状、又は、六角形などの多角形形状であってもよい。マイクロレンズ２間に隙間がないことにより光利用効率の向上が望める。

例えば、空間光変調装置の１画素の大きさ、或いはそれに対向配置させて用いる１つのマイクロレンズの大きさは、ＸＧＡ（１０２４×７６８ドット）規格の空間光変調装置で、１０μｍ程度であるので、以下の説明では、一例として、１４μｍ（正方形の１辺）の場合で説明する。

このとき、曲率半径ｒの下限は約１０μｍであり、上限に関しては制限はなく、この場合無限大、即ち平面も含むものとする。しかし、マイクロレンズアレイの非有効領域に、Ｃｒ等の金属の薄膜によるマスクを設け、迷光を遮蔽できる場合、この下限以下であっても構わない。

また、本実施の形態のマイクロレンズアレイ１では、周期的な配列構造に関して、異なる曲率半径ｒ１，ｒ２のマイクロレンズ２同士を図１（ｃ）に示す如く１個置きに規則的に配列させた構成と、異なる曲率半径ｒ１，ｒ２のマイクロレンズ２同士を図１（ｄ）に示す如く不規則的に配列させた構成とを採り得る。

また、図１に示したマイクロレンズ２は、その全てのマイクロレンズ２の屈折率が同一で、光軸方向において隣接する物質（例えば、空気や接着剤等）との屈折率差が一定であり、物理的な曲率半径ｒを異ならせた例を示しているが、要は、入射光が感ずる曲率半径が光学的に異なればよい。このため、例えば図２に示すように、全てのマイクロレンズ１２に関して物理的な曲率半径ｒは同一とするが、光軸方向において隣接する物質１３との屈折率差をマイクロレンズ１２毎に異ならせることにより、光学的に異なる曲率半径を持たせる構成であってもよい。図２（ａ）のマイクロレンズアレイ１１はマイクロレンズ１２毎に異なる屈折率ｎ１，ｎ２，ｎ３の材料１２ａ，１２ｂ，１２ｃを用い、隣接する物質１３の屈折率をｎ４として共通化させた構成例を示し、図２（ｂ））のマイクロレンズアレイ１１は逆に、マイクロレンズ１２側は全て屈折率ｎ１の材料により形成し、隣接する物質１３側をマイクロレンズ１２領域毎に異なる屈折率ｎ２，ｎ３，ｎ４の材料１３ａ，１３ｂ，１３ｃにより形成した構成例を示している。なお、これらの場合も、物理的な曲率半径に換算できる。

このような構成のマイクロレンズアレイ１における偏光解消の低減、コントラスト比の向上、集光の能力の維持、向上といった効果を光線追跡計算により定量的に求め、確認したので、以下に説明する。

［コントラスト比］
まず、コントラスト比を求める光線追跡計算においては、図３に示す光学系のモデル（空間光変調装置を含む液晶プロジェクタ装置の光学系のモデル）を用いた。２１は光源、２２はリニアポーラライザ、２３は偏光ビームスプリッタ、２４はリターダ板、２５は反射面（画素電極）、２６は検光子、２７はスクリーン（受光器）であり、カバーガラス２８が接着層２９を介して設けられた両面平坦なマイクロレンズアレイ１はリターダ板２４と反射面（画素電極：画像表示パネル）２５との間に位置させ、かつ、反射面（画素電極）２５の各画素電極にマイクロレンズ２を位置合わせさせて配置されている（反射型液晶空間光変調装置３０を構成している）。また、３１は開口である。これにより、光源２１からの光は開口３１により制限されつつリニアポーラライザ２２により直線偏光方向が揃えられ、その偏光方向に従い偏光ビームスプリッタ２３でマイクロレンズアレイ１及び反射面（画素電極）２５側に偏向反射され、画像データに従い制御される反射面（画素電極）２５の状態に応じて明暗を伴う光となって再び偏光ビームスプリッタ２３側に入射しその偏光分離面を透過し検光子２６を介してスクリーン（受光器）２７上に投影される。ここでは、リターダ板２４を回転させることにより、明状態と暗状態とをモデル化した。この比をとりコントラスト比とした。光源２１としては配向分布をもたせている。

マイクロレンズアレイ１に関しては、マイクロレンズ２（アレイ基板３を含む）、樹脂層（接着層）２９、カバーガラス２８の３層からなる。そのマイクロレンズ２（アレイ基板３を含む）の屈折率は１．５４、樹脂層２９の屈折率は１．４２、カバーガラス２８の屈折率は１．５２である。このマイクロレンズアレイ１のマイクロレンズ２の曲率半径ｒは異なる複数の値（ｒ１，ｒ２，…，ｒｎ）を取る。そのアレイ数は１５×１５（２２５個）である。以下の例では曲率半径ｒがｒ１，ｒ２の２つの場合を説明する。ｒ１，ｒ２との曲率半径で形成されたマイクロレンズ２の数の比は、ほぼ１：１とする。

［コントラスト比の結果］
まず、比較のために、曲率半径ｒが全てのマイクロレンズにおいて一定の場合（２２５個）のコントラスト比を示す。ｒ＝１０，１２，１４，１６，１８，２０［μｍ］で、コントラスト比は、各々、２４１，３９１，４９４，６０３，７１０であった。次に、２つの異なる曲率半径ｒ（ｒ１，ｒ２）のときのコントラスト比を示す。（１０μｍ，２０μｍ）、（１２μｍ，２０μｍ）、（１４μｍ，２０μｍ）、（１６μｍ，２０μｍ）、（１８μｍ，２０μｍ）の組合せで、コントラスト比は、各々３２３，４８３，５８１，６４１，６８８であった。

例えば、全てのマイクロレンズが一定曲率半径ｒ＝１０μｍの場合、コントラスト比は２４１であるが、組合せ曲率（ｒ１，ｒ２）＝（１０μｍ，２０μｍ）では３２３となる。また、一定曲率半径ｒ＝１２μｍの場合、コントラスト比は３９１であるが、組合せ曲率（１２μｍ，２０μｍ）の場合は、コントラスト比は６４１となる。これは２つのコントラスト比を足して２で割ったことに相当する。いま、曲率半径ｒ１，ｒ２のコントラスト比を各々、Ｃ／Ｒ（ｒ１），Ｃ／Ｒ（ｒ２）として、曲率半径ｒ１，ｒ２のマイクロレンズ数の比が１：１であることから、結果としてのコントラスト比Ｃ／Ｒは次式で表される。

Ｃ／Ｒ＝０．５Ｃ／Ｒ（ｒ１）＋０．５Ｃ／Ｒ（ｒ２） …………（１）
ここで、画質がそれほど要求されない、或いは画質が維持される状況が生じるならば、このマイクロレンズアレイ１によるコントラスト比の向上は効果的である。

また、異なるｎ個の曲率半径ｒの存在するマイクロレンズアレイのコントラスト比Ｃ／Ｒは次式で表されると考えられる。

Ｃ／Ｒ＝ｐ１＊Ｃ／Ｒ（ｒ１）＋ｐ２＊Ｃ／Ｒ（ｒ２）
＋ … ＋ｐｎ＊Ｃ／Ｒ（ｒｎ）、 ……………………（２）
ここで、ｐｉ：ｒｉのマイクロレンズ（数）の全アレイ（数）に占める割合（ｐ１＋ｐ２＋…＋ｐｎ＝１）、Ｃ／Ｒ（ｒｉ）：ｒｉのコントラスト比、である（ｉ＝１，２，３，…，ｎ）。

また、上記の例で曲率半径ｒ１（＝１０μｍ）と曲率半径ｒ２（＝１２μｍ）とのマイクロレンズ２の配列は規則的であるが（図１（ｃ））、これらの値の曲率半径ｒ１とｒ２とのマイクロレンズ２の並び方を不規則にした場合（図１（ｄ））のコントラスト比は３５０であって、大差のない結果となった。複数の異なる曲率半径ｒのマイクロレンズ同士の並び方が規則的、不規則であってもコントラスト比に差はない。しかしながら、規則的にすることにより以下の光軸シフト素子の箇所で示すように画質の向上に関して有利になることが分かる。

上記のように、曲率半径ｒ１，ｒ２のマイクロレンズ２を交互に規則的に配列させたマイクロレンズアレイ１（図１（ｃ）参照）を用いた場合、場所により光の集光の度合いが異なる。その様子を模式的に図４に示す。ここで、ｒ１は曲率半径が小さく、入射光をよく集光し、ｒ２はｒ１よりも曲率半径が大きく、入射光を緩やかに集光している様子を示している。図４中の観察面において、マイクロレンズ２により集光された光は照度分布を形成する。照度分布の配列は、異なる曲率半径のマイクロレンズ２の配列を反映したものとなる。上記のｒ１とｒ２との例では、異なる２つの照度分布が交互に現れる。これは画質の観点からすると良いものとは言えない。コントラスト比は、画像全体での評価値であるが、この照度分布は、画像を構成する個々の画素の画質に関するものであり、直接的に画質の優劣に影響する。以下に照度分布評価に関して説明する。

［照度分布評価］
この観察面での照度分布の評価、及び画質評価を行うために光線追跡計算を行った。その光学系のモデルを模式的に示すと図３のようであるが、図３で説明したように、マイクロレンズアレイ１に接着層（樹脂層）２９を介して、カバーガラス２８を有する両面平坦な構成とした。光線追跡計算の結果、観察面上での、１つのマイクロレンズ２による照度分布の例を図５に示す。２つの横軸（ｘ、ｙ）に照度分布の空間的な広がり（長さ、任意単位）、縦軸に照度（或は強度、任意単位）をとってある。このように照度分布はプロファイル状であり、以下では「照度分布プロファイル」、或いは単に「プロファイル」と呼ぶことにする。マイクロレンズ２の曲率半径ｒが小さい場合、プロファイルのｘｙ面（光軸に垂直な面）での広がりは狭くなり、曲率半径ｒが大きい場合、その広がりは広くなる。

ここでは、マイクロレンズ２から出射した直後の光の照度分布を見ている。このマイクロレンズアレイ１に投射レンズ及びスクリーン加えた光学系を組み、この照度分布とスクリーンとが、投射レンズにより結像関係が成立するように設置すれば、この光学系はプロジェクタ装置に適用できる。上記の観察面が、投射レンズの物面であり、スクリーンが投射レンズの像面である。このとき１つのマイクロレンズ２による照度分布の投射レンズによる投射像が、画像の１画素に相当する。

マイクロレンズ２の曲率半径ｒが、目的に対して、適正であれば、当該マイクロレンズ２により形成された観察面での照度分布は、空間光変調装置の１画素のサイズ或はマイクロレンズ２のサイズ（ここでは、１４μｍ×１４μｍとしている）よりも小さくなる。これを、投射レンズによりスクリーンに（拡大）投影すると、１４μｍ×１４μｍサイズの１画素を（拡大）投影するよりも、小さな画素（画像）を投影することとなり、画像の高精細化が可能となる。この効果を、ここでは、「画素縮小」と呼ぶことにする。また、スクリーンに投射したこの像を、ここでは、「投射縮小画素」と呼ぶことにする。

異なる曲率半径ｒのマイクロレンズ２が存在するマイクロレンズアレイ１において、その曲率半径ｒの差が小さい場合、観察者にとって、スクリーン上の投射縮小画素の差は気にならないであろう。しかしながら、曲率半径ｒの差が大きい場合、投射縮小画素の差も大きく、観察者の目においても、違いが分かるであろう。これは、劣画像として観察者に捉えられるかもしれない。この課題に関して、以下の画素数増大の課題解決とともに考える。

スクリーンに投射された投射縮小画素は、その縮小の度合い（「縮小率」と呼ぶことにする）が、さほど大きくなければ画質の劣化は気にならない。しかしながら、縮小率が小さくなると、スクリーン上で隣接する投射縮小画素間に隙間の生じる画像となる。これは、見づらい画像であろう。

このような、投射縮小画素間の隙間を埋め合わせる手段として、ピクセルシフト装置（或いは、光路シフト装置）が、例えば特開２００２−１７４８５２公報により提案されている。これは、空間光変調装置から、スクリーンに向って出射する光束を空間的に変位（シフト）させ、スクリーン上での投射位置を変化させるものである。スクリーン上の左右上下方向にシフトさせれば、上記の隙間を埋めることができる。また、縮小率を１／２として、シフト量を画素サイズの１／２とすれば、４倍の画素数の実現が可能となる。

このピクセルシフト装置（光路シフト装置）の一例として、機械的駆動による装置の例を図６に示す。図６は光軸方向に見た図を示している。この例では画像表示装置の画素から出射した光の光路を変調させる手段としてピエゾ素子を用いている。これはピエゾ素子を用いて空間光変調素子（画像表示パネル）自体を機械的に動かすようにした例である。装置自体が動くため画素も動くことになる。ピエゾ素子を用いれば画素サイズが１０数μｍ以下であってもそれ以下の光路のシフトを行うことができる。これは、空間光変調装置（画像表示パネル）４１に対して縦方向（ｙ方向）シフト用のピエゾ素子４２、横方向（ｘ方向）シフト用のピエゾ素子４３を設置し周期的に動かせばよい。４４はＬ字形状の治具である。

図７は、図６に示したピクセルシフト装置（光路シフト装置）を利用した場合のスクリーン上での投射像の画素増大効果を生ずる動きを模式的に示したものである。投射画像は、光路シフト装置により、図７に示すように時分割で投射されて、結果的に図８に示すように高精細・高解像度の画像となる。

いま、マイクロレンズ２により集光され出射される光束の最も細い位置で、光軸に垂直な面を投射レンズの物面とし、その面内での照度分布を縮小された画素（縮小画素）と定義し、この縮小画素をスクリーンに投影すると、その縮小画素の大きさは、画素のある位置の面を投射レンズの物面として、画素をスクリーンに投影した場合よりも、小さくなる（画素縮小）。このとき、マイクロレンズ２による縮小画素の、画素サイズに対する比、画素サイズの縮小率をαとする。本実施の形態では当該縮小率αを１／２としている。画素が正方形であり理想的に縮小されたとして、正方形の縮小像となっている。

始めに動いていない初期状態を図７（ａ）、次にｙ方向に空間光変調装置の画素サイズの１／２シフトさせた状態を図７（ｂ）（例えば、画素サイズを１４μｍとすればΔｘ、Δｙ＝７μｍ）、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図７（ｃ）、続いて、図７（ａ）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図７（ｄ）、続いて、図７（ｃ）とは反対方向の方向にシフトさせた状態を図７（ｅ）、最後にｙ方向に画素サイズの１／２シフトさせた状態を図７（ｆ）とすることで、当初の図７（ａ）の状態に戻る。

この結果、これらのシフト動作の周期が速ければ画像のちらつき、フリッカーを感じることなしに、図８に示すように、画素の１辺のサイズが１／２、密度が４倍の高精細化画像が実現できる。また、この例では画像表示装置と光軸シフト装置とが一つのデバイスとなるため、光学系を拡張させて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。なお、上記の例は、ｘ，ｙの２方向に動かしているが、ｘ或いはｙの何れか一方向のみのシフトであっても構わない。この場合、画素は２倍増加する。

また、本発明で必要とする光路シフト装置は、光路を空間座標的にシフトできる装置であればよく、図６に示したように機械的に反射型空間光変調装置４１を直接移動させる以外にも、液晶を使って光路をシフトさせる方式も有効である。この場合、光学系の何れかの場所に光路シフト装置を挿入することになる。

次に、上述したような反射型空間光変調装置を用いたプロジェクタ装置に関する実施の形態を図９に基づいて説明する。本発明による反射型空間光変調装置は上記のように高光利用効率、高画質、高コントラストであるため、これをプロジェクタ装置に用いると、プロジェクタ装置自体の性能も向上し、高光利用効率、高画質、高コントラスト比のプロジェクタ装置の実現が可能となる。図９は本実施の形態のプロジェクタ装置として、反射型空間光変調装置を１枚用いる単板式プロジェクタ装置の光学系構成例を略図的に示す概略平面図である。５１は光源としての白色ランプ、５２はフライアイレンズ等により構成されて白色ランプ５１からの光を均一化させるための光均一化光学素子、５３は例えばカラーホイール構成の色分離装置、５４は反射型空間光変調装置としての反射型液晶ライトバルブ、５５は偏光ビームスプリッタ、５６は投射装置を構成する投射レンズ、５７はスクリーンである。ここに、反射型液晶ライトバルブ５４は、図９では特に図示しないが、前述したような構成のマイクロレンズアレイ１や光路シフト装置等を備えるものである。

ここに、ｒ１＝１０μｍ、ｒ２＝２０μｍのマイクロレンズ２を配列させたマイクロレンズアレイ１の場合、前述したようなピクセルシフト装置（光路シフト装置）を用いることにより、異なる２つの照度分布（又は、投射縮小画素）の差を観察者に気づかせないことが可能となる。これはピクセルシフト装置（光路シフト装置）により、ｘ或いはｙの軸方向で考えると、２つの異なる画像を交互に時分割で表示できる。切り替えの速度が充分に速ければ、２つの異なる画像は高速で交互に入れ替わり、観察者の網膜上で、残像として、重ね合わされる。このときの画像は、２つの照度分布（投射縮小画素）の平均値を見ることになる。

図５の３次元的に示した照度分布において、ｘ或いはｙ軸方向のみの照度分布を切り出すと、図１０に示すようになる（左右対称であるため片側のみ描いてある）。図１０において、曲率半径ｒ＝１０，１５，２０，３０［μｍ］のマイクロレンズ２による２次元的な照度分布が示されている。マイクロレンズ２の集光の能力に応じて、曲率半径ｒ＝１０μｍのとき幅の狭いプロファイルであり、曲率半径ｒ＝１５，２０，３０［μｍ］になるに従い、プロファイルの幅が広がっていく。図１０において、横軸は、観察面上の位置であるが、値１．０のところが、画素サイズ（或いは、マイクロレンズ２のサイズ）の１４μｍに相当する。このため、例えば、プロファイルの半値全幅を考えた場合には、そのサイズは１画素以下であることが分かる（画素縮小効果）。このため、上記の画素縮小が可能となる。画素サイズに対する、プロファイルのサイズ（例えば、半値全幅での）の比を縮小率αとする。図１０には、平均値として求めたプロファイルが描いてある。曲率半径ｒが１０μｍと２０μｍとのマイクロレンズによる２つのプロファイルの平均プロファイル、（（ｒ１０＋ｒ２０）／２と表記）、曲率半径ｒが１０μｍと３０μｍとの場合の平均プロファイル（（ｒ１０＋ｒ３０）／２と表記）である。（ｒ１０＋ｒ２０）／２のプロファイルはｒ＝１０μｍとｒ＝２０μｍによるプロファイルの間にあり、（ｒ１０＋ｒ３０）／２のプロファイルはｒ＝１０μｍとｒ＝３０μｍのプロファイルの間にある。ｒ＝１０μｍとｒ＝２０μｍの中間値であるｒ＝１５μｍ、また、ｒ＝１０μｍとｒ＝３０μｍとの中間値であるｒ＝２０μｍとを、プロファイルにおいて比較する。（ｒ１０＋ｒ２０）／２のプロファイルはｒ＝１５μｍのプロファイルよりも幾分小さく、また、（ｒ＝１０＋ｒ３０）／２のプロファイルはｒ＝２０μｍのプロファイルよりも小さくなっている。即ち、異なる２つのプロファイルを交互に表示したほうが、中間値のｒによるプロファイルを表示するよりも、高精細な画像表示が可能なことを示している。

上記の幾つかの例では、マイクロレンズアレイを構成するマイクロレンズの形状を球面としたが、非球面形状としてもよい。非球面形状にすると、収差が低減でき、さらなるコントラスト比の向上、高光利用効率化、高画質化が可能となる。

本発明の一実施の形態のマイクロレンズアレイの構成例を示し、（ａ）は光軸方向に見た平面図、（ｂ）はその構成要素となるマイクロレンズ単体の構成例を拡大して示す側面図、（ｃ）は規則的な配列構成例を拡大して示す断面図、（ｄ）は不規則的な配列構成例を拡大して示す断面図である。 マイクロレンズアレイの変形構成例を示す断面図である。 コントラスト比を求める光線追跡計算用の光学系のモデル構成例を示す平面図である。 規則的配列の場合に異なる２つの照度分布が交互に現れる様子を模式的に示す側面図である。 １つのマイクロレンズによる照度分布例を示す特性図である。 光路シフト装置の構成例を示す概略正面図である。 スクリーン上の画素の投影像の動きの様子を順に示す模式図である。 その増倍効果を示す模式図である。 プロジェクタ装置の構成例を略図的に示す概略平面図である。 ３次元の照度分布を１次元で切り出して示す特性図である。 従来のマイクロレンズアレイの構成例の一例を示す概略平面図である。 従来のマイクロレンズアレイの構成例の他例を示す概略平面図である。 従来のランダムな凸形状のマイクロレンズによるスクリーンシートの構成例を示す概略断面図である。

符号の説明

１ マイクロレンズアレイ
２ マイクロレンズ
１１ マイクロレンズアレイ
１２ マイクロレンズ
１３ 隣接する物質
２５ 画像表示パネル
４１ 画像表示パネル
４２，４３ 光路シフト装置
５１ 光源
５４ 空間光変調装置
５６ 投影装置
５７ スクリーン

Claims (11)

1. 少なくとも２種類の光学的に異なる曲率半径の複数のマイクロレンズを、個々のマイクロレンズの入射光軸に垂直な面内での形状を同一として、周期的に配列してなることを特徴とするマイクロレンズアレイ。
2. 全てのマイクロレンズの屈折率が同一で、かつ、隣接する物質との屈折率差が一定であり、物理的な曲率半径を前記マイクロレンズ毎に異ならせることにより、少なくとも２種類の光学的に異なる曲率半径を持つことを特徴とする請求項１記載のマイクロレンズアレイ。
3. 全てのマイクロレンズの物理的な曲率半径が同一で、かつ、隣接する物質との屈折率差を前記マイクロレンズ毎に異ならせることにより、少なくとも２種類の光学的に異なる曲率半径を持つことを特徴とする請求項１記載のマイクロレンズアレイ。
4. 前記マイクロレンズは、入射光軸に垂直な面内での形状が矩形形状又は多角形形状により同一とされ、隙間なく周期的に配列されていることを特徴とする請求項１ないし３の何れか一記載のマイクロレンズアレイ。
5. 光学的に異なる曲率半径の前記マイクロレンズ同士の配列が不規則的であることを特徴とする請求項１ないし４の何れか一記載のマイクロレンズアレイ。
6. 光学的に異なる曲率半径の前記マイクロレンズ同士の配列が規則的であることを特徴とする請求項１ないし４の何れか一記載のマイクロレンズアレイ。
7. 前記マイクロレンズの光軸に対する形状が球面状であることを特徴とする請求項１ないし６の何れか一記載のマイクロレンズアレイ。
8. 前記マイクロレンズの光軸に対する形状が非球面状であることを特徴とする請求項１ないし６の何れか一記載のマイクロレンズアレイ。
9. 照明光を画像情報に基づいて画素単位で空間光変調して画像光として出射する画像表示パネルと、
   個々のマイクロレンズを前記画像表示パネルの前記画素単位の画素配列に対向配置させた請求項１ないし８の何れか一記載のマイクロレンズアレイと、
   を備えることを特徴とする空間光変調装置。
10. 照明用光源と、
    その照明光を画像情報に基づいて画素単位で空間光変調して画像光として出射する請求項９記載の空間光変調装置と、
    この空間光変調装置から出射される画像光をスクリーン上に投影する投影装置と、
    を備えるプロジェクタ装置。
11. 前記空間光変調装置の画像表示パネルと同期し、その画像光の光路を偏向して前記空間光変調装置の見掛け上の画素数を増倍させる光路シフト装置を備える請求項１０記載のプロジェクタ装置。
    

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