JP2003248181A

JP2003248181A - 反射型空間光変調装置

Info

Publication number: JP2003248181A
Application number: JP2002048010A
Authority: JP
Inventors: Keishin Aisaka; 敬信逢坂; Atsushi Takaura; 淳高浦; Kazuya Miyagaki; 一也宮垣; Ikuo Kato; 幾雄加藤; Takeshi Namie; 健史浪江; Kenji Kameyama; 健司亀山; Yasuyuki Takiguchi; 康之滝口
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2002-02-25
Filing date: 2002-02-25
Publication date: 2003-09-05

Abstract

(57)【要約】【課題】光軸シフト素子と反射型ライトバルブを用い
た高解像度の画像表示装置を、より低コストでより信頼
性があり面内での不均一をより減少させて実行する。【解決手段】空間光変調素子となる画素は、反射凹面
構造１、透光性の部材からなる埋め込み層２、液晶層４
からなり、反射凹面構造１と埋め込み層２との間には反
射電極６が設けてあり、埋め込み層２の上には上面を平
坦化された平坦化層３を有する。入射光束１０は、液晶
層４、透光性平坦化層３を透過し凹面反射鏡１に入射
し、該反射凹面鏡１により、反射、集光され、焦点ｆ付
近１１で画素の集光状態つまりは画素サイズを縮小され
た新たなる縮小画素１２を形成する。

Description

【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に関し、また、この空
間光変調装置を用いた光通信用の光交換スイッチ、画像
表示用のプロジェクタやヘッドマウンテッドディスプレ
イ、さらには、この空間光変調装置を用いた光情報処理
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在、画像表示装置（ディスプレイ）と
して、ＣＲＴ、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精細化に表示すること、またより
大画面での表示が求められている。

【０００３】これは、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、画面サイズに現れている。
今、画素数はＸＧＡ（１０２４ｘ７６８ドット）、ＳＸ
ＧＡ（１２６０ｘ１０２４ドット）、ＳＸＧＡ＋（１４
００ｘ１０５０ドット）、ＱＸＧＡ（１６００ｘ１２０
０ドット）と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、１５
インチのものから２０インチ、２４インチといった大型
化に向っている。高精細で、大画面のディスプレイに
は、画素サイズがより小さいこと、また、全画素数が多
いことが求められている。

【０００４】ディスプレイのうちプロジェクタは、液晶
による空間光変調を利用した液晶空間光変調素子（液晶
ライトバルブ）と呼ばれる微細な画素を多数配列させた
画像表示装置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方式を用いるものである。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、数十μｍである。この画
素サイズが画像の高精細化を決定しており、画素が微細
である程、より高精細な画像が実現できる。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、画素を微細化するときに、薄膜トランジスタ（Ｔ
ＦＴ）等の画像形成に寄与しない部分が微細化できず、
画素を微細化してもこれらの画素に占める面積が相対的
に大きくなり、開口率が低下する問題がある。これに対
して、反射型ライトバルブでは、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、液晶層がスイッチングする
ためには、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や１次
のＴＮ構造とした場合において、液晶層の厚さとしては
１ミクロン程度が必要であり、１０ミクロン程度の画素
サイズを実現はできるが、コントラストや階調性や均一
性を高品質に保持したまま、それより小さい５〜７ミク
ロン以下の画素サイズの実現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】このため、液晶ライトライトバルブを投射
するときに、光軸をシフトす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（日本電信電
話株式会社、特許第２９３９８２６号）に開示されてお
り、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倍の高解像度化する
装置が示されている。また、特開平５−２８９０４４号
公報（松下電気産業株式会社）、特開平６−３２４３２
０号公報（ソニー株式会社）にインターレス駆動の場合
に走査線を補間する縦方向の２倍の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、光軸シフトによりΔ（デルタ）配列が実現できる装
置が示されている。

【０００８】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を用いるもの
としては、直接に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）をシフトさせる特開平５−
３１３１１６号公報（日本電信電話株式会社）、円周方
向で角度の異なる回転板を用いる特開平６−２０８３４
５号公報（日本ビクター株式会社）、レンズやミラー等
の光学部品を振動させる特開平６−３２４３２０号公報
（ソニー株式会社）等がある。

【０００９】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。具体的には、特定
の開口を有する透過型液晶ライトバルブと、この画素に
対向してアクティブ素子により制約されて生じる小さな
開口よりもさらに画素サイズを縮小する円形外形状を有
するマイクロレンズが示されている。

【００１０】また、前記特開平０９−０５４５５４号公
報には、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倍の高解像度化を行っ
た場合の動作、作用が従来の例と比較して示されてお
り、従来の構成例の場合は、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
小されているが、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、解像度が向上し
ない。これに対して、該特開平０９−０５４５５４号公
報に記載の発明では、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が示さ
れており、これ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た場合に、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。

【００１１】図１６は、前記特開平０９−０５４５５４
号公報に記載の表示装置の一例を説明するための概略構
成図で、図示の形態例では、モザイク状表示装置１０３
の表示ピント面の入射光ビーム１０１側（バックライト
側）に、集光光学系（マイクロレンズ、フレネルレンズ
等）１０２が配置されており、この集光光学系１０２に
は、モザイク状表示装置１０３の各表示画素開口部１０
３ａに対応させた微小レンズ部１０２ａが配列されてい
る。この微小レンズ部１０２ａは、バックライト側から
の入射光ビーム１０１を、モザイク状表示装置１０３の
表示ピント面において、表示画素開口部１０３ａより小
さい集光画素サイズ１０１ａに絞り込んで、出射光ビー
ム１０４を観察者側もしくはスクリーン側に出射させる
ようにしている。

【００１２】図１７は、図１６に示した表示装置を実施
しないハーフライン・ノンインターレース表示を光学ウ
ォブリングを用いてフルライン・インタレース表示とし
た輝度状態を示す図で、横軸は輝度レベル、縦軸は画素
位置を示す。表示信号としては、ライン毎の白黒の繰り
返し横すじパターンを想定している。ハーフラインなの
でＯＤＤフィールドは白レベル、ＥＶＥＮフィールドは
黒レベルとなる。輝度レベル０の部分は画素と画素の間
のマスク部分で、ラインごとの白黒繰り返し信号が、ハ
ーフライン・ノンインタレース表示の場合に比べて再現
していることがわかる。輝度向上等のため開口部がマス
ク部分よりも広く形成されている場合、元のフィールド
の画素とウォブリングされたフィールドの画素とが一部
重なって見え、このため、垂直解像度が半分になってい
る。

【００１３】図１８は、図１６に示した集光光学系を用
いて集光画素サイズを絞った場合の輝度状態を示す図
で、図１７の場合に比して、集光画素サイズが絞られて
表示画素サイズが小さくなるため、表示画素間の重なり
がなくなり、解像度が向上し、輝度レベルも向上してコ
ントラストが良くなる。従って、フルライン倍速表示と
同等の解像度、コントラストの画質が得られる。動き画
像も考えると、光学ウォブリングによりインタレースし
ているので、画質はフルライン倍速表示よりも良い。

【００１４】しかしながら、前記特開平０９−０５４５
５４号公報に示される構成は、表示画素数の集光機能部
分を配列した集光光学系となるマイクロレンズアレイ
を、表示画素の光源側に配置されることを特徴としてお
り、これは透過型の液晶パネルに対して用いることがで
きる方式ではあるが、反射型の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、またその解決に関しては一切記述さ
れていない。

【００１５】一方、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、各画素ごとにマイクロレン
ズを設ける画像表示装置は、特開平１１−２５８５８５
号公報、特開２００１−２１５５３１号公報等に記載さ
れている。特開平１１−２５８５８５号公報では、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２
００１−２１５５３１号公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％に近付け光利用効率を向上し、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号公報においては、マイクロレ
ンズの焦点距離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。これは、この条件を満たす構成が、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、反射電極上ではマイクロレンズ（正方
形）の１辺の１／２のサイズのスポットが形成されると
記述されている。

【００１６】図１９は、特開平１１−２５８５８５号公
報に記載された表示装置の一例を示す図で、光源１１１
からの光はビームスプリッタ１１２により液晶表示装置
１１３へ入射し、該液晶表示装置１１３がオン状態にあ
る時は、反射電極１１４により反射され、ビームスプリ
ッタ１１２を通して投影レンズ１１５に達し、スクリー
ン１１６上に投影される。

【００１７】しかしながら、上記特開平１１−２５８５
８５号公報に記載の発明は、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、特開平１１−２５８５
８５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、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。つまり、画素縮小
を全く行っていない。

【００１８】このような光学構成においては、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が生ぜ
ず、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
縮小に関する効果を何等、考慮検討したものではない。
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。

【００１９】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。

【００２０】図２０は、上記特開平０９−９０３１０号
公報に記載の反射型液晶装置の一例を説明するための斜
視構成図、図２１は断面構成図で、１２１は第１の集光
性手段であるマイクロレンズ１２１ａを有する前方光入
射側透光性基板、１２２は画素電極１２２ａを有する後
方光入射側透光性基板で、これらは、図２１に示すよう
に、接着剤１２５により接合されている。１２３は第２
の集光性手段である反射電極１２３ａを有する反射電極
で、液晶を主たる構成要素とする電気光学機能層１２４
に接するか又は近接される面に前記透明電極１２２ａが
形成されている。

【００２１】この特開平０９−９０３１０号公報に開示
された光利用効率を向上させる反射型ライトバルブにお
いては、レンズ１２１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す
ると同時に、さらには液晶層に対してこのレンズ１２１
と反対側に設けたマイクロレンズまたはマイクロ集光鏡
１２３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。

【００２２】しかしながら、前記特開平０９−９０３１
０号公報においては、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１２１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１２
３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１２１を配置した構成とな
っており、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。

【００２３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の問題
に鑑みてなされたものであり、光軸シフト素子と反射型
ライトバルブを用いた高解像度の画像表示装置を実現す
る場合に、従来の画素を駆動する回路と反射面を有する
基板とマイクロレンズを有する対向基板を張り合わせた
反射型ライトバルブと光軸シフト素子を用いた高解像度
画像表示装置よりも、より低コストでより信頼性がある
と同時に面内での不均一をより減少させることができる
画像表示装置を提供でき、さらには、従来のマイクロレ
ンズを照射光の経路においてスイッチング層の透過より
も先に作用させて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
ことにある。

【００２４】

【課題を解決するための手段】本発明は、従来の光軸シ
フト素子を用いた高解像度画像表示装置で必要であった
駆動回路と反射面を有する基板と画素プロファイルを変
形するマイクロレンズを有する対向基板との間における
高精度の位置合わせを、マイクロレンズを有する対向基
板からマイクロレンズをなくしかつ駆動する回路と反射
面を有する基板上に反射すると同時に画素プロファイル
を変形する光学素子を設けることにより、対向基板と回
路を有する基板とをアライメントフリーとし、また、従
来のマイクロレンズからなる画素プロファイル変形素子
を照射光の経路においてスイッチング層の透過よりも先
に作用させるかわりに、画素プロファイル変形素子を照
射光の経路においてスイッチング層の最初の透過の後に
作用させることにより解決した。

【００２５】第１の発明は、光を放出する光源と、該光
源からの光を整形して照射光とする照射光学素子と、入
射した前記照射光を光変調するとともに該照射光を反射
して出射せしめる略同一の平面上に配列された複数の光
変調素子と、該複数の光変調素子から出射された出射光
の光路を空間座標的に変調させる光路変調素子とを有す
る反射型空間光変調装置において、前記光変調素子が、
該光変調素子ごとに照射光を反射するとともに該反射に
より出射された出射光の光束プロファイルを変形させる
反射型光束プロファイル変形素子を有していることを特
徴としたものである。

【００２６】第２の発明は、第１の発明において、前記
反射型光束プロファイル変形素子が、凹形状を有する鏡
面を有する光学素子であることを特徴としたものであ
る。

【００２７】第３の発明は、第１の発明において、前記
反射型光束プロファイル変形素子が、曲面を有する凹形
状の鏡面を有する光学素子であることを特徴としたもの
である。

【００２８】第４の発明は、第１又は第２又は第３の発
明において、前記反射型光束プロファイル変形素子の前
記凹形状の鏡面の入出射側に、屈折率ｎが１.６以上の
透明部材でかつ前記鏡面に埋め込まれる形状となる埋め
込み部材を有することを特徴としたものである。

【００２９】第５の発明は、第１乃至第４のいずれかの
発明において、前記反射光束プロファイル変形素子の前
記曲面を有する凹形状の鏡面の口径をｄとし、前記凹形
状の鏡面の平均曲率をｒとしたときに、２.２／（ｍ／
２）＜ｒ／ｄ＜１７.９／（ｍ／２）（ただし、ｍは光
路変調素子の変調ステップ数）であることを特徴とした
ものである。

【００３０】第６の発明は、第１乃至第５のいずれかの
発明において、前記反射光束プロファイル変形素子の前
記曲面を有する凹形状の鏡面のＦ値をＦｒ値としたとき
に、１.１／（ｍ／２）＜ｎ×Ｆｒ＜８.９／（ｍ／２）
（ただし、ｎは埋め込み部材の屈折率、ｍは光路変調素
子の変調ステップ数）であることを特徴としたものであ
る。

【００３１】第７の発明は、第１乃至第６のいずれかの
発明において、前記反射光束プロファイル変形素子の前
記曲面を有する凹形状の鏡面のＦ値をＦｒ値とし、前記
空間光変調素子へ入射する前記照射光のＦ値をＦｉ値と
したときに、０.２７／（ｍ／２）＜ｎ×（Ｆｒ／Ｆ
ｉ）＜２.２／（ｍ／２）（ただし、ｎは埋め込み部材
の屈折率、ｍは光路変調素子の変調ステップ数）である
ことを特徴としたものである。

【００３２】第８の発明は、第１乃至第７のいずれかの
発明において、前記反射型光束プロファイル変形素子
が、鏡面とマイクロレンズとが一体化された光学素子を
有することを特徴としたものである。

【００３３】第９の発明は、第８の発明において、前記
反射型光束プロファイル変形素子のマイクロレンズが、
曲面を有するマイクロレンズであることを特徴としたも
のである。

【００３４】第１０の発明は、第８の発明において、前
記反射型光束プロファイル変形素子の前記マイクロレン
ズが、屈折率分布部材を有するマイクロレンズを有する
ことを特徴としたものである。

【００３５】第１１の発明は、第１乃至第１０のいずれ
かの発明において、前記反射型光束プロファイル変形素
子が、鏡面とマイクロプリズムとが一体化された光学素
子であることを特徴としたものである。

【００３６】第１２の発明は、第４又は第９の発明にお
いて、前記反射型光束プロファイル変形素子の前記マイ
クロレンズまたは前記マイクロプリズムが、回折格子を
有することを特徴としたものである。

【００３７】第１３の発明は、第１乃至第１２のいずれ
かの発明において、前記光変調素子が、透過率変化また
は偏向角変化により光を変調する光変調層を有し、前記
光変調層に対して照射光の入射方向と反対側に前記反射
型光束プロファイル変形素子を有することを特徴とした
ものである。

【００３８】第１４の発明は、第１３の発明において、
前記反射型光束プロファイル変形素子と前記光変調層と
の間に、平坦化層を有することを特徴としたものであ
る。

【００３９】第１５の発明は、第１４の発明において、
前記反射型光束プロファイル変形素子の前記平坦化層と
前記光変調層との間に導電層を有することを特徴とした
ものである。

【００４０】第１６の発明は、第１乃至第１２のいずれ
かの発明において、前記光変調素子が、透過率変化また
は偏向角変化により光を変調する光変調層を有し、前記
反射型光束プロファイル変形素子が前記光変調層と一体
化されていることを特徴としたものである。

【００４１】第１７の発明は、第１乃至第１５のいずれ
かの発明において、前記光変調素子が、開口を有する遮
光層を有することを特徴としたものである。

【００４２】第１８の発明は、第１乃至第１７のいずれ
かの発明において、前記光変調素子から出射された出射
光の光束プロファイルの半値全幅が元の前記光変調素子
のピッチよりも小さくかつ前記光変調素子の光変調層の
位置とは異なる位置の出射光を結像する結像レンズを有
することを特徴としたものである。

【００４３】第１９の発明は、第１乃至第１７のいずれ
かの発明において、前記光変調素子から出射された出射
光の光束プロファイルの半値全幅が元の前記光変調素子
のピッチよりも小さくかつ前記光変調素子の光変調層の
位置とは異なる位置の出射光の虚像を形成する虚像形成
レンズを有することを特徴としたものである。

【００４４】

【発明の実施の形態】（実施例１）図１は、本発明の実
施例１を説明するための図であり、光軸シフト素子を用
いて元の反射型ライトバルブの解像度を増大する反射型
画像表示装置の、画素プロファイ変形素子となる凹面鏡
を画素ごとに有する反射型ライトバルブの断面の模式図
である。図１には、基本構成のみ示されており、空間光
変調素子となる画素は、反射凹面構造１、透光性の部材
からなる層である埋め込み層２、液晶層４、からなり、
反射凹面構造１と埋め込み層２との間には反射電極６が
設けてあり、埋め込み層２の上には上面を平坦化された
平坦化層３を有し、この平坦化層３の上部でかつ液晶層
４の下には別途透明な電極７がある。また、液晶層４の
上には対向基板５が設けてあり、この対向基板５の液晶
側には別途透明な電極８が設けてある。また、透明電極
７および反射電極６は図示はされていないが画素ごとに
分離しており、それぞれスルーホール充填部材９により
電気的に接続されている。ここで凹面反射板１の曲率半
径をｒ、また埋め込み層２の屈折率をｎとする。反射凹
面鏡１の基板にはＳｉ、高温ｐＳｉ付きＳｉＯ₂基板等
が使用される。また反射電極６にはＡｌ等の金属の薄膜
が、また透明な電極７にはＩＴＯ等の薄膜が使われる。

【００４５】図２は、図１に示した実施例１の場合の動
作概要を説明するための図で、図２は、実施例１の図１
における照射光の動作と反射凹面鏡により画素の像が形
成される様子を示す図で、図２においては、入射光束１
０は平行光のみが示されている。入射光束１０が、液晶
層４、透光性平坦化層３を透過し反射凹面鏡１に入射
し、該反射凹面鏡１により、反射、集光され、焦点ｆ付
近１１で画素の集光状態つまりは画素サイズが縮小され
た新たなる縮小画素１２を形成する。図２で、縮小画素
１２が広がっているのは、実際には、光束には光源、或
いは装置による広がり、すなわち照明角（発散角）θｉ
ｎ（図３参照）があるためである。幾何学的に考える
と、縮小画素の大きさは、照明角と焦点距離に応じた大
きさを持つ。また、収差に応じて、縮小画素はさらに大
きくなる。さらに、この変形された縮小画素の画素プロ
ファイルを、投射レンズを用いてスクリーンに投射する
場合には、投射レンズの伝達関数に対応してさらなる画
素プロファイルの変形を受ける。しかしながら、これら
を最適化することにより、反射凹面鏡１の焦点位置付近
１１に、画素からの出射光が画素縮小された集光状態を
形成することができる。

【００４６】図３は、画素への入射時の最大角θｉｎと
出射時の最大角θｏｕｔとの関係を示す図である。θｉ
ｎ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によ
り変化する。図３で、θｏｕｔは、光束の広がりの約半
分の角度としているが、画素サイズを縮小して約１／２
にした場合には、この約２倍の角度（±θｏｕｔ）とな
る。このため、光軸シフト素子と画素縮小素子を用い
て、画素サイズを約１／２にした場合に光利用効率を保
持したまま高解像度化を行うには、投射レンズで反射型
ライトバルブからの出射光を投射するときに、従来より
も約１／２倍のＦ値の投射レンズを用いることが好まし
い。

【００４７】また、図３に示すように、画素サイズが縮
小された集光状態の画素プロファイルは光学素子の焦点
付近であるので、画素への照射光の角度分布も大きく影
響する。さらには、画素自体の外形形状、凹面鏡の曲率
プロファイル、投射レンズの特性および位置関係等によ
っても大きく画素の縮小率が異なり、これらを最適化す
ることが好ましい。

【００４８】また、凹面鏡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、
画像の解像度やなめ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、大きく異なる視認性となる場合もあ
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。

【００４９】図４は、本発明の実施例２を説明するため
の図であり、実施例１のおける反射型ライトバルブによ
り反射凹面鏡から出射する（画素から出射する）画素プ
ロファイルが変形され、画素サイズが縮小された画素が
光路を変調（空間的にシフト）する素子により、画素数
（画素の像）を増大させる動作を示す。この例では、空
間光変調素子２１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２２，２３を用いている
（光軸に垂直に見たものである）。これは、ピエゾ素子
２２，２３を用いて、空間変調素子２１自体を機械的に
動かすものである。素子自体が動くため、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μ
ｍ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、空間光変調素子２１と治具２４に縦
（ｙ軸方向）２５及び横（ｘ軸方向）２６にピエゾ素子
２２，２３を設置し、周期的に動かせばよい。なお、ｚ
軸は紙面に垂直な方向で、光軸と一致している。

【００５０】図５は、図１の実施例１における反射型ラ
イトバルブにより反射凹面鏡から出射する画素プロファ
イルが変形され、画素サイズを縮小された画素が、図４
の実施例２における光軸シフト素子によりスクリーンに
時分割で投射されて、高解像度の画像となる動作を示す
図である。ここで、マイクロレンズアレイによる画素サ
イズの縮小率αは１／２とする。空間光変調素子の画素
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。はじめ、動いていない初期状態を
（Ａ）、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（Ｂ）とすると、例えば、画
素サイズを１４μｍとすれば７μｍ＝Δｘ、Δｙであ
る。（Ｂ）から、ｘ方向に画素サイズの１／２シフトさ
せた状態が（Ｃ）、続いて、（Ｂ）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
状態が（Ｄ）、続いて、（Ｃ）とは、反対の方向にシフ
トさせた状態が（Ｅ）、最後に、ｙ方向に画素サイズの
１／２シフトさせた状態が（Ｆ）で、次いで、（Ａ）の
状態にもどる。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（Ｇ）が実現できる。また、この例では、空間光変調
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るた
め、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のいずれかのみの方
向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、３ｘ３で９倍の画素数増加が見込める。

【００５１】また、図４の光軸シフト素子は、光路を空
間座標的にシフトする素子であればよく、直接に機械的
に反射型ライトバルブを移動させる以外にも、複屈折材
料である液晶を用いた光学素子を用いて、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。

【００５２】図６は、図５で示した動作に基づき、図１
の実施例１のおける反射型ライトバルブにより反射凹面
鏡から出射する画素プロファイルを、変形され画素サイ
ズを縮小された画素が、図４の実施例２における光軸シ
フト素子によるスクリーンに時分割で投射されて、高解
像度の画像表示を実現する画像表示装置の構成となる実
施例３であり、前記高精細化画像表示装置を用いた高精
細化画像投射装置（プロジェクタ）に関するものであ
る。一例として、反射型の空間光変調素子を一枚用いて
いる単板式プロジェクタの例を示す。白色光源３１を出
た光は、まず、フライアイレンズ等の均一化光学素子
（光インテグレータ）３２により、その照度が均一化さ
れる。次に、カラーホイール等の色分離装置３３によ
り、赤、緑、青の３色に分離される。カラーホイールを
用いた場合、同時に、赤、緑、青に分離されるのではな
く、時系列に赤、緑、青に分離される。次に各色ごとに
偏光ビームスプリッター３５に入り、空間光変調素子
（反射型液晶ライトバルブ）３４の画素で反射され、偏
光ビームスプリッター３５を抜け、最終的に、投射レン
ズ３６により投影され、スクリーン３７に高精細画像が
形成される。

【００５３】空間光変調素子としては、図１の実施例１
に記載の反射型ライトバルブであるＬＣＯＳ以外にも、
ＤＭＤのようにＭＥＭＳ技術を用いて反射型偏向素子を
用いてもよい。また、空間光変調素子を用いる方式は図
６の単板式に限られるものではなく、３板式、２板式で
あてもよい。空間光変調素子は、光軸シフト素子と組み
合わせるので高速応答のものであることが好ましい。

【００５４】また、図６に示すプロジェクタのように画
素プロファイルが変形された縮小画素を、投射レンズを
用いて、共役の関係を満たす結像により拡大した高解像
度の画像を表示する装置以外にも、ルーペのような虚像
表示が可能な虚像形成用の拡大レンズを用いて、虚像と
して拡大することにより、画像を拡大させて表示する画
像表示装置でもよい。これにより、ビデオカメラのファ
インダー、ヘッドマウンテッドディスプレイ、セルラー
フォン用の小型ディスプレイ等が実現できる。

【００５５】本発明における光軸シフト素子と反射型ラ
イトバルブを組み合わせてかつ反射型の画素縮小素子を
用いて高解像度の表示を行った場合に、従来の対向基板
上のマイクロレンズでの画素縮小を用いた場合と比較し
た場合の作用の違いに関して、以下に説明する。実施例
１の図１および図４、図６に示す構成で、反射型ライト
バルブにおいて画素プロファイルの変形を行った場合、
従来のマイクロレンズを光源側に設ける場合と異なり、
反射電極を有するシリコン基板と対向する基板に位置あ
わせの必要な光学素子を設けていないので、対向基板と
張り合わせる際に位置調整の必要がなくなりアライメン
トフリーとなるので、組み付け時に高額な重ね合わせ装
置や防振設備を用いる必要がなくなり、また組み付けの
歩留まりも大きく向上することにより、非常に低コスト
化できる。また、組み付け後に対向基板との水平方向の
位置ずれが生じても、画素プロファイルが変化しないの
で、非常に信頼性に優れるようになる。また、対向基板
として通常用いるガラス基板とシリコン基板とでは、膨
張係数に差があるために、作製時のプロセス温度および
製品としての使用環境に大きな制約があった。対角１イ
ンチのシリコン基板と通常の光学ガラスとにおいては、
１０度の温度変化でも端どうしでは数ミクロンの位置ズ
レ分の膨張差を生じ、さらには接着硬化の１２０〜１５
０度の工程での、１００度の温度変化では１０ミクロン
以上の位置ズレ分の膨張差があった。これらは、直接に
位置ズレとなったり、液晶スペーサを損傷したり、反り
となって反射型ライトバルブの特性を劣化していた。し
かし、位置ズレの影響を解消することができ、より低コ
ストにで作製できると同時に、寒冷地や夏の車内等の厳
しい環境下での信頼性を大きく向上することができるよ
うになる。さらには、大型の２インチの反射型ライトバ
ルブを用いても、その絶対的な位置ズレが増大するにも
かかわらず、その影響がないので、反射型ライトバルブ
を大型にすることでも、より解像度を向上することがで
きるようになる。

【００５６】また、実施例１の図１および図４、図６に
示す構成で、反射型ライトバルブにおいて画素プロファ
イルの変形を行った場合、従来のマイクロレンズを光源
側に設ける場合と異なり、シリコン基板側に画素プロフ
ァイルを変形する素子を設けているので、別途偏光分離
素子と組み合わせて偏光回転によりスイッチングする液
晶層を開口として、最初に照明光がそのまま透過した後
に、画素プロファイルを変形する光学素子の作用を受
け、その後に再び液晶層を透過している。このため、従
来の光源側のマイクロレンズが、最初の画素プロファイ
ルを縮小しようと集光機能を付与しても、帰りに拡大さ
れてしまう場合があり縮小できない場合がある。また、
マイクロレンズの焦点距離を変化させて、１枚のレンズ
を往路と復路とで両方効果的に作用させて画素縮小を行
うこともできるが、照明角や基板の厚さ、マイクロレン
ズの構造の制限等を受けやすく、また１枚のレンズなの
で、往路と復路でのレンズのパワーが必然的に同じであ
るために、画素プロファイルを変化させる場合の解像度
や光利用率が十分ではなく、またより明るい照明角やよ
り暗い投射レンズ等を用いることもできない。

【００５７】これに対して、本発明のマイクロレンズ
は、往路の最初の液晶層までは作用せずに、それ以後の
光路で作用することができるので、画素プロファイルの
変形をより解像度がでて、かつ光利用効率が向上するよ
うに設計するようになる。また、従来の対向基板に設け
たマイクロレンズによる画素プロファイル変形では実現
できない形状の画像プロファイルを実現することもでき
るようになり、さらなる高解像度化を実現することがで
きる。また、透過型のマイクロレンズで、とくにＦ値が
非常に小さい単レンズの大きな色収差を、反射鏡の場合
は皆無とすることができるので、この点でも画素プロフ
ァイルの色によるばらつきを大きく低減でき、従来より
高解像度を実現することができるようになる。

【００５８】また、光学系としての実効的な開口が、従
来の方法は対向基板のマイクロレンズであったのに対し
て、本発明は液晶層の画素の大きさそのものが開口とな
る。このため、従来は、対向基板に設けたマイクロレン
ズの周辺および隣接部分の特性に隣接間のクロストーク
が大きく影響され解像度が低減していたのに対し、液晶
自体の隣接どうしの画素のクロストークを減少させるこ
とにより解像度を向上できるので、電極パターンや遮光
層を設けることで隣接する画像のクロストークを容易に
減少できるようになり、より高解像度の画像を実現する
ことができるようになる。

【００５９】また、図１において、凹面鏡は、球面鏡に
限定されるものではなく、非球面鏡または自由曲面鏡で
もよい。また、曲面を有しない平面鏡を複数枚組み合わ
せて用いてもよい。２枚で対称にＶ字型に斜めに対向し
た鏡面に用いることにより、水平または垂直方向のどち
らか１方向の画素プロファイルを変形して画素を縮小す
ることができる。また、３枚以上用いると、画素をより
効果的に縮小することができて好ましい。さらには、逆
ピラミッド構造のように２方向に斜めに対向した４枚の
鏡面を用いることにより、水平および垂直の２方向に画
素を縮小することができる。さらに、鏡面の枚数を増や
すことにより、画素を効果的に縮小することができる。
これらは、曲面構造を形成する必要がないので、鏡面の
枚数が数枚程度の場合には、ＭＥＭＳ技術を用いて比較
的容易に製作でき、より低コストである。

【００６０】図１において、埋め込み層２を有すること
により、凹面形状に液晶層４を形成する必要がないの
で、対向基板に凸形状を設ける必要がなくなり、位置合
わせ等も不要となり、組み付けが非常に容易となる。さ
らに、空気層とせずに、透明の誘電体材料を埋め込むこ
とにより、その屈折率は、少なくとも１.３以上となる
ので、凹面鏡の焦点距離ｆ（絶対値）は曲率ｒと直径ｄ
と屈折率によりｆ＝ｒ／（ｎｄ）で与えられるので、凹
面鏡の焦点距離を同じ曲率であっても空気層に対して３
割以上小さくすることができ、凹面鏡の軸上の球面収差
や、軸外の非点収差、コマ収差等の諸収差を大きく減少
することができるようになり、画素の縮小率を大きく低
減することにより、より高解像度化できるようになる。

【００６１】また、図１において、埋め込み層２の上部
に、別の透明材料からなる平坦化層３を設けてあり、こ
の平坦化層３は、上面を化学研磨によって平坦化処理さ
れている。この平坦化層３の上には、透明電極、配向膜
を形成したのち、液晶層を形成してあり、これにより液
晶層の厚さをプラスマイナス１ミクロン以内にすること
を実現でき、良好なコントラストとさらにはその面内の
均一性が実現でき、さらにはパネル内での均一性が向上
する。平坦化層３は、埋め込み層２を一体化して埋め込
み層自体を平坦化層として用いてもよい。

【００６２】液晶に電界を印加する場合には、透明な電
極７を設けずに、直接に反射電極６により電界を印加す
ることもでき、構造が単純であるので低コストで信頼性
にすぐれる。しなしながら、凹面鏡の曲率が小さいと
き、または画素ピッチが大きいときには、凹面形状部材
１の凹凸差が大きくなり、液晶層４に均一に電界を印加
できない場合が生じる。このため、図１に示すように、
平坦化層３の上に別途透明な電極７を設けることによ
り、液晶層に画素内で均一な電界を印加することができ
るようになり、画像のコントラストを向上することがで
きるようになる。透明な電極７と反射電極６とはスルー
ホール充填部材を用いて電気的に接触する以外に、埋め
込み層２を薄くして、反射電極６のエッジ部分で直接に
透明電極７と電気的に接触してもよい。

【００６３】図１の実施例１の構成において、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、すなわち、（１）ＣＴＦ（ＣｏｎｔｒａｓｔＴｒ
ａｎｓｆｅｒＦｕｎｃｔｉｏｎ）、（２）縮小率：
α、及び、（３）利用効率；ηを用いた。

【００６４】図７は、ＣＴＦを説明するための図で、図
７（Ａ）は、画素縮小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７（Ｂ）は、図７（Ａ）の紙面水平方向の
断面図である画素プロファイルとなる光強度分布図であ
る。図７（Ａ）に示すように、測定または視認される３
つの画素４１は、実際に定量的に評価すると、図７
（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的な画素プロファイルであると同時
に、０以外の最小値ＭＩＮ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。ＣＴＦ＝（ＭＡＸ−ＭＩＮ）／（ＭＡＸ＋ＭＩＮ）…式（１）

【００６５】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、画素
縮小した場合のＣＴＦであるので、空間周波数は、元の
画素の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周波数およびより
低周波数のＭＴＦ特性によりＣＴＦが決定されるので、
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、ＭＴ
Ｆ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。

【００６６】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。

【００６７】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、かちっとした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「なめらかさ」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。

【００６８】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（２）で定義される。 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…式（２）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
状態であることがわかった。

【００６９】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
高解像化した場合に、画像品質に大きく影響する。図７
（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２倍、横２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。

【００７０】

【表１】

【００７１】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。

【００７２】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では効果は
顕著ではないが、１.０の時と比較すると差があり、よ
って、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’は適当に小さければよ
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。上記例のように、画素数
を４倍（２×２）にした場合は、α’は０.５前後がよ
り適切であるが、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形状であるため、画素間で重なり
が生じ、ＣＴＦが劣化、画質が劣化するからである。

【００７３】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つ以上の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程度がより最適値でであるとあ
る。

【００７４】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、利用効率も重要であ
る。これをはかる尺度として、一画素に関する利用効率
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効
率の定義を示す。 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） …式（３）

【００７５】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つまり
は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。

【００７６】（作製、評価手段）本発明の実施例１の反
射型ライトバルブの作製は、以下のように製作できる。
通常のＬＣＯＳ用のシリコン基板バックプレーンをその
まま用い、このアルミニウム金属反射電極上に透明誘電
体層を約２ミクロンの厚さで成膜する。成膜は、ＰＣＶ
ＤによりＳｉＯ₂層、ＳｉＯＮ層、ＳｉＮ層、ＥＢ蒸着
およびスパッタによるＡｌ₂Ｏ₃層、ＴｉＯ₂層、ＺｎＯ
層等を成膜する。この後、画素のエッジ部分にコンタク
ト用のスルーホールを形成したのち、この部分にアルミ
ニウム金属を電鋳により込む。また、階調性マスクで転
写用凹面形状レジスト層を形成したのち、ドレイエッチ
ングにより約０.５〜２ミクロンの凹面形状を形成す
る。この後、全面にアルミニウム電極を成膜した後、画
素間のコンタクトを防ぐために周辺部分をエッチングに
より除去する。その後、再び、このアルミニウム金属反
射電極上に透明誘電体層を約２ミクロンの厚さで成膜す
る。成膜は、ＰＣＶＤによりＳｉＯ₂層、ＳｉＯＮ層、
ＳｉＮ層、ＥＢ蒸着およびスパッタによるＡｌ₂Ｏ ₃層、
ＴｉＯ₂層、ＺｎＯ層等を成膜する。

【００７７】その後、画素のエッジ部分にコンタクト用
の２箇所目のスルーホールを形成したのち、この部分に
アルミニウム金属を電鋳により込む。その後、化学研磨
をした後、全面にＩＴＯ電極を成膜した後、画素間のコ
ンタクトを防ぐために周辺部分をドライエッチングによ
り除去する。さらに、このＩＴＯ膜の上にポリイミドの
配向膜を塗布する。この後は、通常のＬＣＯＳと同様の
対向基板との重ね合わせ、組み付け、注液、シールを行
うことで作製することができる。

【００７８】本発明の実施例１の反射型ライトバルブ
は、前述の図６に示したような構成で投射画像を、スク
リーン面の代用として顕微鏡で拡大した面に配置したＣ
ＣＤカメラと、さらには投射されたスクリーン面での評
価に光学設計評価ツールを用いて評価した。光学設計評
価ツールとしては、米国オプチカルリーサチアソシエー
ション社のノンシーケンシャル光線追跡解析が可能なラ
イツールズ（第３版）を用い、光線数は約２０万本とし
た（１ＧＨｚのＣＰＵを用いて約５０分間の計算量）。
光線追跡は、計算の負担を減じるために、特定の領域の
複数の画素についてのみ実行し、別途の計算ツ−ルによ
りコンボルーションすることによりスクリーン面での広
い領域での光強度分布を計算し、評価した。高圧水銀ラ
ンプは、ウシオ社の１５０Ｗ級のＤＣ放電ランプの値を
用いた。照明角は、５×８のフライアイレンズにより、
垂直方向の照明角が７度となるように設計作製した。ま
た、投射レンズはＦ２.４の高解像のものに相当する開
口を設置した。

【００７９】表２は、図１の構成における、画素縮小の
評価値である実施例５、実施例６を示す。実施例５は、
埋め込み層２の屈折率ｎ＝１.８３、ｒ＝１５０ミクロ
ンであり、実施例６は、埋め込み層２の屈折率ｎ＝１.
８３、ｒ＝１９０ミクロンである。画素ピッチは１４ミ
クロンである。

【００８０】

【表２】

【００８１】また、マイクロレンズを用いた場合の比較
例１を表３に、比較例２を表４に示す。ただし、屈折率
は凸形状を有する部材の屈折率であり、凹形状を有する
部材は、フッ素系の光硬化性接着剤で、屈折率はｎ＝
１.４であり、厚さｔは、凸形状を有する部材の凸部と
液晶層との距離であり、このフッ素系の光硬化性接着剤
の平均厚み４ミクロンを含む。厚さｔは、中間基板の厚
さにより不均一になりやすく、面内の均一性を優先した
場合には、少なくとも２０ミクロン以上であることが好
ましい。画素ピッチは１４ミクロンである。

【００８２】

【表３】

【００８３】

【表４】

【００８４】実施例５、６および比較例１、２を比較し
てわかるように、反射鏡を用いた場合のほうが、ＣＴ
Ｆ、η、αのうちの少なくとも２以上の評価値を同時に
向上し、かつ残りの評価値の低減を最小限とすることが
できることがわかる。

【００８５】図８に、曲率ｒを１００ミクロンに固定し
た場合に埋め込み層の屈折率を変化させた場合の、図１
の場合の画素縮小の評価値となる実施例７を示す。図８
に示すように、埋め込み層の屈折率は、より大きい方が
好ましく、１.６以上（ｎ＞＝１.６）であれば、光利用
効率が９０％以上と、１０分の１以下の損失となる非常
に高い光利用効率となる。さらには、１.７以上であれ
ばほぼ９７％以上の一定な光利用効率となりより好まし
い。さらには、高屈折率になるほど、縮小率はほぼ変化
しないものの、光利用効率が低下してくることと、屈折
率２.２以下であるならば、種々の透明誘電体材料がＰ
ＣＶＤ、ＥＢ蒸着、スパッタ等により成膜でき、かつ、
これらの屈折率２.２以下の材料はドレイエッチングも
しやすいので、屈折率は１.７以上２.２以下であること
が特に好ましい。

【００８６】実施例７に示すように、通常の１.４以上
で１.６未満のＳｉＯ₂、ＢＫ７、アクリルポリマー、サ
イトップ、１７３７ガラス（コーニング社）等の透明材
料よりも、屈折率１.６以上の材料が好ましいのは、前
述のように、凹面鏡の焦点距離ｆ（絶対値）は曲率ｒと
直径ｄと屈折率ｎによりｆ＝ｒ／（ｎｄ）で与えられる
ので、高屈折率になるほど、凹面鏡の軸上の球面収差
や、軸外の非点収差、コマ収差等の諸収差を大きく減少
することができるようになる以外にも、同様の動作では
あるが入射した照明角が平坦化層部分で屈折されてスネ
ルの法則によりその入射角度が小さくなることより、投
射レンズでのケラれによる光束となる反射光が小さくな
ることによる。

【００８７】図９、図１０に、図１の構成における凹面
鏡の曲率を変化させた場合の画素縮小の評価値である実
施例８を示す。実施例８は、埋め込み層の屈折率ｎ＝
１.６で、画素ピッチは１４ミクロンである。図９に示
すように、縮小率は曲率半径が３０ミクロンより大きく
２５０ミクロンより小さいことが好ましく、より好まし
くは、５０ミクロン以上２００ミクロン以下である。ま
た、図１０に示すように、ＣＴＦは急激に変化し、図９
と同様に、曲率半径が３０ミクロンより大きく２５０ミ
クロンより小さいことが好ましく、より好ましくは、５
０ミクロン以上２００ミクロン以下である。このとき、
縮小率は４０％以上５０％以下であり、過縮小でもな
く、かつ解像度を劣化させる縮小でもなく、かつ矩形形
状ではないので、さらには５０％以上のＣＴＦが確保で
きており、このように画素プロファイルを変形した縮小
画素に対して光軸シフト素子を用いることにより、画像
の解像度となめらかさを同時に実現できる非常に高品位
の画像を実現する画像表示装置を実現できる。

【００８８】実施例８における画素ピッチは１４ミクロ
ンであり、画素ピッチで曲率半径を正規化することがで
き、また光軸シフト素子の変位ステップ数を考慮して、
上記の非常に高品位の解像度を実現する範囲は、２.２
／（ｍ／２）＜ｒ／ｄ＜１７.９／（ｍ／２）（ただ
し、ｎは埋め込み部材の屈折率、ｍは光路変調素子の変
調ステップ数）となる。また、これを１.６以上の埋め
込み層の屈折率を考慮することにより、凹形状の鏡面の
Ｆ値をＦｒ値としたときに、１.１／（ｍ／２）＜ｎ×
Ｆｒ＜８.９／（ｍ／２）（ただし、ｎは埋め込み部材
の屈折率、ｍは光路変調素子の変調ステップ数）が好ま
しい範囲であり、さらには、照明角７度であるＦ値とし
ての４を考慮し、さらに好ましい範囲は、照明径のＦ値
をＦｉ値としたときに、０.２７／（ｍ／２）＜ｎ×
（Ｆｒ／Ｆｉ）＜２.２／（ｍ／２）（ただし、ｎは埋
め込み部材の屈折率、ｍは光路変調素子の変調ステップ
数）となる。

【００８９】図１１に、マイクロレンズと鏡面が一体と
なった場合の構成例となる本発明の第９の実施例を示
す。図１１において、５１は上面反射電極を有するバッ
クプレーン、５２はマイクロレンズ、５３は平坦化層、
５４は液晶層、５５は対向基板である。図示はしていな
いが、図１と同様に液晶層を挟むＩＴＯ電極、コンタク
トホール等が形成されている。このとき、反射電極とマ
イクロレンズが一体となり、かつ液晶層に対して光源側
と反対側に配置されることにより、ほぼ図１と同様の画
素プロファイルの変形を行うことができると同時に、反
射鏡を平面で構成できるので、作製がより容易となり、
歩留まりも向上し低コストとすることができるようにな
る。マイクロレンズの形状も、同じ箇所で同時に２回作
用できるので曲率が小さくてよいのでプロセスも簡単と
なり、収差も小さくなる。高屈折率の凸形状のマイクロ
レンズを低屈折率の材料で埋め込んで平坦化する以外
に、低屈折率の凹形状のマイクロレンズを高屈折率の材
料で埋め込んで形成してもよい。

【００９０】図１２に、マイクロレンズと鏡面が一体と
なった場合の別の構成例となる本発明の第１０の実施例
を示す。図１２において、５１は上面反射電極を有する
バックプレーン、６１はマイクロレンズ下部層、６２は
マイクロレンズ、５３は平坦化層、５４は液晶層、５５
は対向基板である。図示はしていないが、図１と同様に
液晶層を挟むＩＴＯ電極、コンタクトホール等が形成さ
れている。このとき、マイクロレンズは凹面形状材料と
下部層６１により分離されているが、光学的な作用とし
ては、液晶層の反対側にあることにより、図１１と同様
に反射電極とマイクロレンズが一体となった場合と同様
である。この場合には、レンズの面数を増加できるの
で、レンズの収差をより低減して、より画素プロファイ
ルを制御することにより高解像度の画像表示を行うこと
ができる。また、レンズの厚さを薄くすることにより、
凹凸構造に対応したストレスにより生じる研磨の際の平
坦化層の厚さのばらつきの絶対値を減少することもで
き、よりギャップが均一でコントラストの高い、面内ば
らつきの少ない画像表示装置を提供することができる。

【００９１】図１３は、マイクロプリズムと鏡面が一体
となった場合の構成例となる本発明の第１１の実施例を
示す。図１３において、５１は上面反射電極を有するバ
ックプレーン、７１はマイクロレンズ、５３は平坦化
層、５４は液晶層、５５は対向基板である。図示はして
いないが、図１と同様に液晶層を挟むＩＴＯ電極、コン
タクトホール等が形成されている。このとき、図１１と
同様に、反射電極とマイクプリズムが一体となり、かつ
液晶層に対して光源側と反対側に配置されることによ
り、ほぼ図１と同様の画素プロファイルの変形を行うこ
とができると同時に、反射鏡およびプリズムを平面で構
成できるので、作製がより容易となり、歩留まりも向上
し低コストとすることができるようになる。

【００９２】図１４は、変調層と凹鏡面が一体となった
場合の構成例となる本発明の第１２の実施例を示す。図
１４において、８１はＳＲＡＭを有するバックプレー
ン、８２はひんじピラー、８３ａ、８３ｂは凹面鏡可動
部、８４ａ、８４ｂは凹面鏡の平坦化層である。８３
ａ、８３ｂは、ＭＥＭＳ技術により作製した、偏向制御
により光変調を行う変調層であり、８３ａ、８４ａの状
態と、８３ｂ、８４ｂの状態の２つの状態において、反
射光を０値と１値のデジタル変調を行う反射型素子であ
る。このとき、この可動鏡となる部分に凹面鏡構造を形
成することにより、図１または図１１とほぼ同様の画素
プロファイルの変形を行うことができると同時に、従来
のマイクロレンズ対向基板では不可能であった、偏向型
光変調素子における画素縮小を実現できるので、偏向型
光変調素子の高いコントラストを実現できると同時に、
ＭＥＭＳ構造により制限のある画素ピッチの制約を、光
軸シフトにより解決し、高解像度の画像表示装置を実現
することができる。また、平坦化層は、凹面鏡の焦点距
離を小さくできるので効果的である。また、凹面鏡構造
以外にも、平面鏡上にマイクロレンズを構成してもよ
い。

【００９３】図１５に、空間光変調素子に遮光層を用い
た場合の構成例となる本発明の第１３の実施例を示す。
図１５において、５１は上面反射電極を有するバックプ
レーン、５２はマイクロレンズ、５３は平坦化層、５４
は液晶層、５５は対向基板であり、９１ａ、９１ｂ、９
１ｃ、９１ｄは凹面鏡の周辺に格子状に設けたブラック
マトリックス層である。。図示はしていないが、図１と
同様に液晶層を挟むＩＴＯ電極、コンタクトホール等が
形成されている。このとき、ブラックマトリックス層９
１ａ〜９１ｄは、凹面鏡のエッジ付近の散乱光を低減す
ることができ、コントラストを向上すると同時に、凹面
鏡の収差の大きい部分をマスキングすることにより画素
サイズをより縮小することができ、より高解像度の画像
表示装置を実現できる。

【００９４】なお、図１の反射型ライトバルブは、上記
画像表示装置に限定されるものではなく、光通信用の空
間型光交換スイッチとして用いてもよいし、また、平面
型受光素子や、演算回路、平面型発光素子、マイクロレ
ンズ多段アレイ等を組み合わせることにより、光情報処
理回路装置を構成してもよい。

【００９５】

【発明の効果】本発明によると、光軸シフト素子と反射
型ライトバルブを用いた高解像度の画像表示装置を実現
する場合に、従来の光軸シフト素子を用いた高解像度画
像表示装置で必要であった駆動する回路と反射面を有す
る基板と画素プロファイルを変形するマイクロレンズを
有する対向基板との間における高精度の位置合わせを、
マイクロレンズを有する対向基板からマイクロレンズを
なくしかつ駆動する回路と反射面を有する基板上に反射
すると同時に画素プロファイルを変形する光学素子を設
けているので、対向基板と回路を有する基板とをアライ
メントフリーとすることにより、より低コストでより高
信頼性であると同時に面内での不均一をより減少させる
ことができる画像表示装置を提供できる。また、従来の
マイクロレンズからなる画素プロファイル変形素子を照
射光の経路においてスイッチング層の透過よりも先に作
用させるかわりに、画素プロファイル変形素子を照射光
の経路においてスイッチング層の最初の透過の後に作用
させることにより、往路の液晶層に対する作用を無視で
きる光学素子の設計ができるようになり、この従来のマ
イクロレンズを照射光の経路においてスイッチング層の
透過よりも先に作用させて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
提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による反射型ライトバルブの断面模式
図である。

【図２】図１に示した反射型ライトバルブの動作概要
を説明するための図で、照射光の動作と反射凹面鏡によ
り画素の像が形成される様子を示す図である。

【図３】画素への入射時の最大角θｉｎと出射時の最
大角θｏｕｔとの関係を示す図である。

【図４】反射型ライトバルブにより出射される画素プ
ロファイルを変形させ、画素数を増大させる動作を説明
するための図である。

【図５】反射型ライトバルブにより反射凹面鏡から出
射する縮小画素を、スクリーンに時分割で投射する動作
を説明するための図である。

【図６】本発明が適用された高精細プロジェクタの一
例を説明するための全体構成図である。

【図７】ＣＴＦを説明するための図である。

【図８】埋め込み層の屈折率を変化させた場合の画素
縮小の評価値を示す図である。

【図９】凹面鏡の曲率を変化させた場合の画素縮小の
評価値である縮小率を示す図である。

【図１０】凹面鏡の曲率を変化させた場合の画素縮小
の評価値であるＣＴＦを示す図である。

【図１１】マイクロレンズと鏡面が一体となった場合
の実施例を示す図である。

【図１２】マイクロレンズと鏡面が一体となった場合
の他の実施例を示す図である。

【図１３】マイクロプリズムと鏡面が一体となった場
合の他の実施例を示す図である。

【図１４】変調層と凹鏡面が一体となった場合の実施
例を示す図である。

【図１５】空間光変調素子に遮光層を用いた場合の構
成例となる本発明の実施例を示す図である。

【図１６】特開平９−５４５５４号公報に記載の表示
装置の一例を説明するための図である。

【図１７】図１６に示した表示装置を用いない場合の
輝度状態を示す図である。

【図１８】図１６に示した表示装置を用いた場合の輝
度状態を示す図である。

【図１９】特開平１１−２５８５８５号公報に記載さ
れた表示装置の一例を示す図である。

【図２０】特開平９−９０３１０号公報に記載された
表示装置の一例を示す図である。

【図２１】特開平０９−９０３１０号公報に記載の反
射型液晶装置の一例を説明するため断面構成図である。

【符号の説明】

１…反射凹面構造、２…埋め込み層、３…平坦化層、４
…液晶層、５…対向基板、６…反射電極、７，８…透明
電極、９…スルーホール充填部材、１０…入射光束、１
１…焦点付近、１２…縮小画素、２１…空間光変調素
子、２２，２３…ピエゾ素子、２４…治具、３１…白色
光源、３２…均一化光学素子、３３…色分離装置、３４
…反射型液晶ライトバルブ、３５…偏光ビームスプリッ
ター、３６…投射レンズ、３７…スクリーン、４１…画
素、５１…バックプレーン、５２…マイクロレンズ、５
３…平坦化層、５４…液晶層、５５…対向基板、６１…
マイクロレンズ下部層、６２…マイクロレンズ、７１…
マイクロレンズ、８１…バックプレーン、８２…ひんじ
ピラー、８３ａ，８３ｂ…凹面鏡可動部、８４ａ，８４
ｂ…凹面鏡の平坦化層、９１ａ，９１ｂ，９１ｃ，９１
ｄ…ブラックマトリックス層。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｇ０２Ｆ 1/13357 Ｇ０２Ｆ 1/13357 (72)発明者加藤幾雄東京都大田区中馬込１丁目３番６号株式会社リコー内 (72)発明者浪江健史東京都大田区中馬込１丁目３番６号株式会社リコー内 (72)発明者亀山健司東京都大田区中馬込１丁目３番６号株式会社リコー内 (72)発明者滝口康之東京都大田区中馬込１丁目３番６号株式会社リコー内Ｆターム(参考） 2H041 AA16 AB14 AC06 AZ01 AZ05 AZ08 2H079 AA02 AA12 BA01 CA02 DA08 EB01 GA05 KA01 KA14 2H088 EA13 EA16 EA18 FA19 GA02 HA20 HA24 HA28 MA06 MA20 2H091 FA10X FA17Y FA26X FA26Z FA41Z FA50X FA50Z FD02 LA18 LA30 MA07

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光を放出する光源と、該光源からの光を
整形して照射光とする照射光学素子と、入射した前記照
射光を光変調するとともに該照射光を反射して出射せし
める略同一の平面上に配列された複数の光変調素子と、
該複数の光変調素子から出射された出射光の光路を空間
座標的に変調させる光路変調素子とを有する反射型空間
光変調装置において、前記光変調素子が、該光変調素子
ごとに照射光を反射するとともに該反射により出射され
た出射光の光束プロファイルを変形させる反射型光束プ
ロファイル変形素子を有していることを特徴とする反射
型空間光変調装置。
【請求項２】前記反射型光束プロファイル変形素子
が、凹形状を有する鏡面を有する光学素子であることを
特徴とする請求項１に記載の反射型空間光変調装置。
【請求項３】前記反射型光束プロファイル変形素子
が、曲面を有する凹形状の鏡面を有する光学素子である
ことを特徴とする請求項１に記載の反射型空間光変調装
置。
【請求項４】前記反射型光束プロファイル変形素子の
前記凹形状の鏡面の入出射側に、屈折率ｎが１.６以上
の透明部材でかつ前記鏡面に埋め込まれる形状となる埋
め込み部材を有することを特徴とする請求項１又は２又
は３に記載の反射型空間光変調装置。
【請求項５】前記反射光束プロファイル変形素子の前
記曲面を有する凹形状の鏡面の口径をｄとし、前記凹形
状の鏡面の平均曲率をｒとしたときに、２.２／（ｍ／
２）＜ｒ／ｄ＜１７.９／（ｍ／２）（ただし、ｍは光
路変調素子の変調ステップ数）であることを特徴とする
請求項１乃至４のいずれかに記載の反射型空間光変調装
置。
【請求項６】前記反射光束プロファイル変形素子の前
記曲面を有する凹形状の鏡面のＦ値をＦｒ値としたとき
に、１.１／（ｍ／２）＜ｎ×Ｆｒ＜８.９／（ｍ／２）
（ただし、ｎは埋め込み部材の屈折率、ｍは光路変調素
子の変調ステップ数）であることを特徴とする請求項１
乃至５のいずれかに記載の反射型空間光変調装置。
【請求項７】前記反射光束プロファイル変形素子の前
記曲面を有する凹形状の鏡面のＦ値をＦｒ値とし、前記
空間光変調素子へ入射する前記照射光のＦ値をＦｉ値と
したときに、０.２７／（ｍ／２）＜ｎ×（Ｆｒ／Ｆ
ｉ）＜２.２／（ｍ／２）（ただし、ｎは埋め込み部材
の屈折率、ｍは光路変調素子の変調ステップ数）である
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の反
射型空間光変調装置。
【請求項８】前記反射型光束プロファイル変形素子
が、鏡面とマイクロレンズとが一体化された光学素子を
有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記
載の反射型空間光変調装置。
【請求項９】前記反射型光束プロファイル変形素子の
マイクロレンズが、曲面を有するマイクロレンズである
ことを特徴とする請求項８に記載の反射型空間光変調装
置。
【請求項１０】前記反射型光束プロファイル変形素子
の前記マイクロレンズが、屈折率分布部材を有するマイ
クロレンズを有することを特徴とする請求項８に記載の
反射型空間光変調装置。
【請求項１１】前記反射型光束プロファイル変形素子
が、鏡面とマイクロプリズムとが一体化された光学素子
であることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに
記載の反射型空間光変調装置。
【請求項１２】前記反射型光束プロファイル変形素子
の前記マイクロレンズまたは前記マイクロプリズムが、
回折格子を有することを特徴とする請求項４又は９に記
載の反射型空間光変調装置。
【請求項１３】前記光変調素子が、透過率変化または
偏向角変化により光を変調する光変調層を有し、前記光
変調層に対して照射光の入射方向と反対側に前記反射型
光束プロファイル変形素子を有することを特徴とする請
求項１乃至１２のいずれかに記載の反射型空間光変調装
置。
【請求項１４】前記反射型光束プロファイル変形素子
と前記光変調層との間に、平坦化層を有することを特徴
とする請求項１３に記載の反射型空間光変調装置。
【請求項１５】前記反射型光束プロファイル変形素子
の前記平坦化層と前記光変調層との間に導電層を有する
ことを特徴とする請求項１４に記載の反射型空間光変調
装置。
【請求項１６】前記光変調素子が、透過率変化または
偏向角変化により光を変調する光変調層を有し、前記反
射型光束プロファイル変形素子が前記光変調層と一体化
されていることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれ
かに記載の反射型空間光変調装置。
【請求項１７】前記光変調素子が、開口を有する遮光
層を有することを特徴とする請求項１乃至１５のいずれ
かに記載の反射型空間光変調装置。
【請求項１８】前記光変調素子から出射された出射光
の光束プロファイルの半値全幅が元の前記光変調素子の
ピッチよりも小さくかつ前記光変調素子の光変調層の位
置とは異なる位置の出射光を結像する結像レンズを有す
ることを特徴とする請求項１乃至１７のいずれかに記載
の反射型空間光変調装置。
【請求項１９】前記光変調素子から出射された出射光
の光束プロファイルの半値全幅が元の前記光変調素子の
ピッチよりも小さくかつ前記光変調素子の光変調層の位
置とは異なる位置の出射光の虚像を形成する虚像形成レ
ンズを有することを特徴とする請求項１乃至１７のいず
れかに記載の反射型空間光変調装置。