JP2005352392A

JP2005352392A - Microlens array, spatial optical modulation device, and projector apparatus

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Publication number: JP2005352392A
Application number: JP2004175634A
Authority: JP
Inventors: Keishin Aisaka; 敬信逢坂
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2004-06-14
Filing date: 2004-06-14
Publication date: 2005-12-22

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a microlens array which can decrease depolarization and secure use efficiency of light. <P>SOLUTION: Since the microlens array 1 comprises arrangement of microlenses 2 having different radii of curvature r1, r2, it can include microlenses 2 having a large radius of curvature r2, which decreases depolarization compared to a microlens array with microlenses having a single radius of curvature arranged thereon. Moreover, since the microlenses are periodically arranged with an identical shape in the plane perpendicular to the optical axis, the obtained microlens array 1 is capable of improving the use efficiency of light by controlling the size and arrangement of the microlenses 2. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

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。 The present invention relates to a microlens array, a spatial light modulation device, and a projector device.

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。 A microlens array in which a large number of microlenses are arranged is placed opposite to a pixel array in a liquid crystal spatial light modulator used as an image display unit of a projector device, and is used for the purpose of improving the aperture ratio and light utilization efficiency. ing. In the projector market, a transmissive liquid crystal spatial light modulator provided with a microlens array is the mainstream. For example, according to Patent Document 1, a configuration in which a reflective liquid crystal spatial light modulator is provided with a microlens array is proposed. Has been. Regardless of the transmission type or the reflection type, by providing the microlens array, there is a great advantage that incident light that should normally diverge can be condensed in a region smaller than the size of the pixel.

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。 In such a conventional microlens array, the shape of the microlens (mainly determined by the radius of curvature) is manufactured within a tolerance range, and it is an object to improve the manufacturing accuracy. This is because, in an optical system and an optical device using a microlens array, a constant (stable) performance without variation is ensured. In addition, the arrangement of the microlenses in the microlens array is regular and periodic in order to match the pixel arrangement of the spatial light modulator.

特開平１１−２５８５８５号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-258585 特開２０００−２９２７８５公報JP 2000-292785 A 特開２０００−０３５６１６公報JP 2000-035616 A

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。 By the way, although it is an application in a reflective liquid crystal display device, an example in which the arrangement of the microlenses is not the regular arrangement of the microlens array as described above but an irregular arrangement of the microlenses is disclosed in Patent Document 2 as a conventional example. It is shown. An example is shown in FIG. In this case, the individual microlenses 101 constituting the microlens array 100 are not only irregular in radius but also in size (height or sag) in a plane perpendicular to the optical axis of the microlens 101. Has been. It is described that such a microlens array 100 has a non-uniform reflectance and reduces the contrast ratio of black and white. Further, in the case of such a microlens array 100, the gap between adjacent microlenses 101 is large, the light utilization efficiency is poor, and even if the gap is eliminated, depolarization (depolarization is a straight line) When polarized light enters (or is reflected) into an optical element having a curvature, it is assumed that the reduction in contrast ratio due to the phenomenon of rotation of the direction of oscillation of the electric field of linearly polarized light cannot be solved. Is done.

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。 In this regard, in the proposed example of Patent Document 2, as shown in FIG. 12, the microlens array 110 is configured by irregularly arranging microlenses 111 having different shapes (polygons) and different sizes in two dimensions. Describes that the gap between the microlenses 111 can be controlled (area reduction) to improve the reflectance and contrast ratio.

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。 Further, according to Patent Document 3, although not an application example to a spatial light modulator, a screen sheet 120 in which random convex microlenses 121 are arranged as shown in FIG. 13 is proposed. In this example, it is described that such a configuration and structure can suppress external light reflection and achieve a high luminance and a high contrast ratio.

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。 When realizing high brightness, high light utilization efficiency, high contrast ratio, high definition image, high quality image quality as image display device using micro lens array and liquid crystal panel, and related optical elements, depolarization is solved In particular, control of the lens shape of the microlens, control of the arrangement in the microlens array, control of the gap between the lenses, and the like are important issues.

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。 Here, regarding a method for manufacturing a microlens array, a method in which a resist is applied to a light-transmitting substrate and then manufactured by reflow, a method in which a microlens is formed on a glass substrate by photolithography and dry etching, molding, and inkjet manufacturing There are methods. According to these manufacturing techniques, it is possible to manufacture microlenses having different shapes, sizes, and substances on the array substrate.

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。 Here, for example, when the radius of curvature of the microlens is reduced with respect to the size of the microlens, spherical aberration increases, leading to deterioration of image quality and light utilization efficiency. However, there is an advantage that light can be collected in a desired small area. However, when linearly polarized light is used in the projector device, the depolarization increases as the degree of the spherical surface of the microlens increases. This causes a reduction in the contrast ratio (ratio between the bright state and the dark state) of the image display device using the microlens array.

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。 Conversely, when the radius of curvature of the microlens is increased, the spherical aberration is reduced, leading to an improvement in image quality and an improvement in light utilization efficiency. In addition, this leads to reduction of depolarization, and it is possible to improve the contrast ratio of the image display device using the microlens array. However, the original light collecting function is lowered, and there is a problem that light cannot be collected in a desired small area.

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。 As described above, regarding the microlenses constituting the microlens array, there is a trade-off relationship among the image quality, the light utilization efficiency, and the light collecting ability. In the conventional microlens array in which the curvature radius of each individual microlens is constant, the target and specification are narrowed down, priority is given to certain performance, and other performance is sacrificed.

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。 Further, regarding the number of pixels, which is one of the performance indexes of the spatial light modulator, there is a trend toward an increase in the number of pixels in the market of image display devices (projector devices). If many pixels are to be manufactured on the panel surface of a spatial light modulator having a certain size, the size of each pixel must be reduced. Since a pixel including a driving electric circuit is manufactured using a semiconductor manufacturing technique, the design rule is restricted at that time. In addition to the technical problem, there is a tradeoff with manufacturing cost, and it is not always possible to manufacture a large pixel number with a small pixel size and a large number of pixels.

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。 An object of the present invention is to provide a microlens array capable of reducing depolarization and ensuring light use efficiency.

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。 The object of the present invention is to provide such a microlens array, thereby improving the contrast ratio, improving the light utilization efficiency, improving the image quality, and increasing the number of pixels in the spatial light modulator and the projector device using the same. It is to be able to plan.

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。 The microlens array according to the first aspect of the present invention has a periodicity in which a plurality of microlenses having at least two types of optically different radii of curvature have the same shape in a plane perpendicular to the incident optical axis of each microlens. It is arranged in order.

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。 According to a second aspect of the present invention, in the microlens array according to the first aspect, all the microlenses have the same refractive index and a constant refractive index difference from an adjacent substance, and a physical radius of curvature is determined. By differentiating each microlens, at least two kinds of optically different radii of curvature are obtained.

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。 According to a third aspect of the present invention, in the microlens array according to the first aspect, the physical curvature radii of all the microlenses are the same, and the refractive index difference between the adjacent substances is different for each microlens. Thus, it has at least two types of optically different radii of curvature.

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。 According to a fourth aspect of the present invention, in the microlens array according to any one of the first to third aspects, the microlens has the same shape in a plane perpendicular to the incident optical axis due to a rectangular shape or a polygonal shape. And periodically arranged without gaps.

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。 According to a fifth aspect of the present invention, in the microlens array according to any one of the first to fourth aspects, the arrangement of the microlenses having optically different radii of curvature is irregular.

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。 According to a sixth aspect of the present invention, in the microlens array according to any one of the first to fourth aspects, the arrangement of the microlenses having optically different curvature radii is regular.

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。 According to a seventh aspect of the present invention, in the microlens array according to any one of the first to sixth aspects, the shape of the microlens with respect to the optical axis is a spherical shape.

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。 According to an eighth aspect of the present invention, in the microlens array according to any one of the first to sixth aspects, the shape of the microlens with respect to the optical axis is aspherical.

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。 According to a ninth aspect of the present invention, there is provided a spatial light modulation device comprising: an image display panel that illuminates illumination light in units of pixels based on image information and emits the image light as image light; The microlens array according to any one of claims 1 to 8, wherein the microlens array is disposed so as to face the pixel arrangement of the unit.

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。 A projector device according to a tenth aspect of the present invention is an illumination light source, and the spatial light modulation device according to the ninth aspect, wherein the illumination light is spatially modulated in units of pixels based on image information and emitted as image light. A projection device that projects image light emitted from the spatial light modulation device onto a screen.

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。 According to an eleventh aspect of the present invention, in the projector device according to the tenth aspect, the apparent number of pixels of the spatial light modulator by synchronizing with the image display panel of the spatial light modulator and deflecting the optical path of the image light. An optical path shift device for multiplying the frequency is provided.

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。 According to the first aspect of the present invention, since the microlens array includes a plurality of microlenses having different radii of curvature, microlenses having a large curvature radius can be included, and the single lens has a single radius of curvature. The depolarization can be reduced more than in the case of the microlens array in which the microlenses are arranged, and the shape in the plane perpendicular to the optical axis is periodically arranged so that the microlens of the microlens is arranged. It is possible to provide a microlens array capable of improving the light utilization efficiency by controlling the size and arrangement.

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。 According to the second aspect of the present invention, in the normal microlens array configuration using the same refractive index material, the physical curvature radius is made different for each microlens, so that the first aspect of the invention can be easily achieved. Can be realized.

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。 According to the third aspect of the present invention, even if the physical radius of curvature is the same for all the microlenses, the difference in refractive index between adjacent substances is appropriately designed to achieve the first aspect. The described invention can be easily realized.

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。 According to the fourth aspect of the present invention, the shape in the plane perpendicular to the incident optical axis is made the same by a rectangular shape or the like, and the microlenses are periodically arranged without gaps. An effective area does not exist, and it becomes a precise | minute microlens array, In addition to the effect of the invention of Claims 1 thru | or 3, the improvement of light utilization efficiency can be aimed at.

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。 According to the invention described in claim 5, since the arrangement of the microlenses having different radii of curvature is irregular, in addition to the effects of the inventions of claims 1 to 4, the illuminance distribution due to the different curvature radii. Does not appear regularly and image quality deterioration can be prevented.

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。 According to the invention described in claim 6, since the arrangement of the microlenses having different radii of curvature is regular, in addition to the effects of the invention described in claims 1 to 4, the image quality can be improved by combining with the optical path shift device. This is an advantageous configuration for improvement.

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。 According to the seventh aspect of the present invention, since a spherical shape is used as the shape of the microlens, it is possible to provide a microlens array having a general lens structure for realizing the inventions according to the first to sixth aspects. it can.

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。 According to the invention described in claim 8, since the aspherical shape is used as the shape of the microlens, various aberrations can be reduced in realizing the invention described in claims 1 to 6, and therefore, further It is possible to provide a microlens array capable of reducing depolarization, increasing light utilization efficiency, and improving image quality.

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。 According to the ninth aspect of the present invention, since the microlens array according to the first to eighth aspects is used, a high contrast ratio, high light utilization efficiency, and high image quality spatial light modulator by reducing depolarization is provided. be able to.

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。 According to the tenth aspect of the invention, since the spatial light modulation device according to the ninth aspect is provided, a projector apparatus having a high contrast ratio and a high light utilization efficiency can be provided.

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。 According to the invention described in claim 11, in addition to the invention described in claim 10, in addition to the use of the microlens array, the number of pixels can be increased because the optical path shift device for multiplying the apparent number of pixels is used. A high-definition and high-quality projector device can be provided.

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。 The best mode for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a configuration example of a microlens array 1 of the present embodiment, (a) is a plan view seen in the optical axis direction, and (b) is an enlarged configuration example of a single microlens as a component. The side view to show, (c) is sectional drawing which expands and shows the example of a regular arrangement structure, (d) is sectional drawing which expands and shows the example of an irregular arrangement structure.

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。 In the microlens array 1 of the present embodiment, a plurality of microlenses 2 having different radii of curvature r such as r1 and r2 as shown in FIG. It is comprised by arranging in order. In FIG. 1, only two types of curvature radii r1 and r2 (for example, r1 <r2) are illustrated as different radii of curvature of the microlens 2, but three or more (up to n) radii of curvature r1, r2, r3,..., rn may be used.

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。 In addition, the shape of the microlens 2 in the plane perpendicular to the incident optical axis is all the same, and is, for example, a square shape here. In the microlens array 1, such microlenses 2 having a square shape are periodically arranged in a two-dimensional manner in a plane perpendicular to the optical axis as shown in FIG. It is configured by arranging so that no gap is generated between the two. Further, as shown in FIG. 1B, a spherical lens portion is present with respect to the optical axis. Now, let d be the length of one side of the square of the microlens 2. At this time, the length of the diagonal line is √2d. When the radius of curvature r of the microlens 2 is smaller than √2d / 2, that is, when r ≦ √2d / 2, there is no region between adjacent microlenses 2 (an ineffective region and an ineffective region). Can be called). The light passing through the ineffective area is not collected, and this leads to a reduction in light utilization efficiency. In addition, when applied to a spatial light modulation device as described later, pixel light enters a gap, which becomes stray light and causes image quality degradation. For this reason, it is preferable that the radius of curvature r of the microlens 2 is √2d / 2 or more. When the size is larger than this, there is no ineffective area between the adjacent microlenses 2, and the dense microlens array 1 is obtained. That is, in the microlens array 1 of the present embodiment, different convex microlenses are not arranged with a gap as in the prior art described above, but different convex shapes (or different radii of curvature). ) One of the features of the microlens 2 is that the microlenses 2 having, for example, square shapes in a plane perpendicular to the optical axis are arranged without a gap. The shape in the plane perpendicular to the incident optical axis is not limited to a square, but may be a rectangular shape such as a rectangle, or a polygonal shape such as a hexagon. The absence of a gap between the microlenses 2 can improve the light utilization efficiency.

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。 For example, the size of one pixel of the spatial light modulation device or the size of one microlens used while being opposed to the spatial light modulation device is a spatial light modulation device of the XGA (1024 × 768 dots) standard and is about 10 μm. In the following description, the case of 14 μm (one side of a square) will be described as an example.

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。 At this time, the lower limit of the radius of curvature r is about 10 μm, and there is no limit on the upper limit. In this case, it is infinite, that is, includes a plane. However, when a mask made of a thin film of metal such as Cr is provided in the ineffective area of the microlens array and stray light can be shielded, the lower limit may be used.

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。 Further, in the microlens array 1 of the present embodiment, with respect to the periodic arrangement structure, the microlenses 2 having different radii of curvature r1 and r2 are regularly arranged every other as shown in FIG. A configuration and a configuration in which microlenses 2 having different radii of curvature r1 and r2 are irregularly arranged as shown in FIG. 1D can be adopted.

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。 Further, the microlenses 2 shown in FIG. 1 have the same refractive index of all the microlenses 2 and have a constant refractive index difference from an adjacent substance (for example, air or adhesive) in the optical axis direction. Although the example in which the physical radius of curvature r is different is shown, in short, it is only necessary that the radius of curvature felt by the incident light is optically different. Therefore, for example, as shown in FIG. 2, the physical radius of curvature r is the same for all the microlenses 12, but the difference in refractive index between the adjacent substances 13 in the optical axis direction is different for each microlens 12. Accordingly, a configuration in which optically different radii of curvature are provided may be used. The microlens array 11 of FIG. 2A uses a material 12a, 12b, and 12c having different refractive indexes n1, n2, and n3 for each microlens 12, and the refractive index of the adjacent substance 13 is made common as n4. 2B), on the contrary, the microlens 12 side is entirely formed of a material having a refractive index n1, and the adjacent substance 13 side has a refractive index n2, which is different for each microlens 12 region. The structural example formed by the materials 13a, 13b, and 13c of n3 and n4 is shown. In these cases, it can also be converted into a physical radius of curvature.

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。 The effects of reducing the depolarization, improving the contrast ratio, maintaining and improving the light collecting ability in the microlens array 1 having such a configuration are quantitatively obtained and confirmed by ray tracing calculation, and will be described below.

［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。 [Contrast ratio]
First, in the ray tracing calculation for obtaining the contrast ratio, an optical system model (an optical system model of a liquid crystal projector apparatus including a spatial light modulator) shown in FIG. 3 was used. 21 is a light source, 22 is a linear polarizer, 23 is a polarizing beam splitter, 24 is a retarder plate, 25 is a reflecting surface (pixel electrode), 26 is an analyzer, 27 is a screen (receiver), and a cover glass 28 is bonded. The double-sided flat microlens array 1 provided via the layer 29 is positioned between the retarder plate 24 and the reflection surface (pixel electrode: image display panel) 25 and each pixel on the reflection surface (pixel electrode) 25. The microlenses 2 are arranged so as to be aligned with the electrodes (a reflective liquid crystal spatial light modulator 30 is configured). Reference numeral 31 denotes an opening. As a result, the light from the light source 21 is limited by the opening 31 and the linear polarization direction is aligned by the linear polarizer 22. The polarization beam splitter 23 moves the light toward the microlens array 1 and the reflection surface (pixel electrode) 25 according to the polarization direction. Depending on the state of the reflection surface (pixel electrode) 25 that is deflected and reflected and controlled according to the image data, the light becomes bright and dark and again enters the polarization beam splitter 23 side, passes through the polarization separation surface, and passes through the analyzer 26. And projected onto a screen (light receiver) 27. Here, a bright state and a dark state are modeled by rotating the retarder plate 24. This ratio was taken as the contrast ratio. The light source 21 has an orientation distribution.

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。 The microlens array 1 includes three layers of a microlens 2 (including the array substrate 3), a resin layer (adhesive layer) 29, and a cover glass 28. The refractive index of the microlens 2 (including the array substrate 3) is 1.54, the refractive index of the resin layer 29 is 1.42, and the refractive index of the cover glass 28 is 1.52. The curvature radius r of the microlens 2 of the microlens array 1 takes a plurality of different values (r1, r2,..., Rn). The number of arrays is 15 × 15 (225). In the following example, two cases where the radius of curvature r is r1 and r2 will be described. The ratio of the number of microlenses 2 formed with a radius of curvature of r1 and r2 is approximately 1: 1.

［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。 [Contrast ratio result]
First, for comparison, the contrast ratio when the radius of curvature r is constant for all microlenses (225) is shown. At r = 10, 12, 14, 16, 18, 20 [μm], the contrast ratios were 241, 391, 494, 603, and 710, respectively. Next, contrast ratios at two different radii of curvature r (r1, r2) are shown. In the combinations of (10 μm, 20 μm), (12 μm, 20 μm), (14 μm, 20 μm), (16 μm, 20 μm), (18 μm, 20 μm), the contrast ratio was 323,483,581,641,688, respectively. .

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。 For example, when all the microlenses have a constant radius of curvature r = 10 μm, the contrast ratio is 241, but the combined curvature (r1, r2) = (10 μm, 20 μm) is 323. Further, when the constant curvature radius r = 12 μm, the contrast ratio is 391, but when the combined curvature is 12 μm or 20 μm, the contrast ratio is 641. This is equivalent to adding two contrast ratios and dividing by two. Now, the contrast ratio of the curvature radii r1 and r2 is C / R (r1) and C / R (r2), respectively, and the ratio of the number of microlenses of the curvature radii r1 and r2 is 1: 1. The contrast ratio C / R is expressed by the following equation.

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。 C / R = 0.5C / R (r1) + 0.5C / R (r2) (1)
Here, if a situation where image quality is not so required or image quality is maintained occurs, the improvement of the contrast ratio by the microlens array 1 is effective.

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。 Further, it is considered that the contrast ratio C / R of the microlens array having n different radii of curvature r is expressed by the following equation.

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）。 C / R = p1 * C / R (r1) + p2 * C / R (r2)
+ ... + pn * C / R (rn), ... (2)
Here, the ratio (p1 + p2 + ... + pn = 1) of the microlens (number) of pi: ri to the entire array (number), C / R (ri): the contrast ratio of ri (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。 In the above example, the arrangement of the microlenses 2 with the radius of curvature r1 (= 10 μm) and the radius of curvature r2 (= 12 μm) is regular (FIG. 1 (c)). When the arrangement of the microlenses 2 with respect to r2 is irregular (FIG. 1 (d)), the contrast ratio is 350, which is not much different. There is no difference in contrast ratio even if the arrangement of microlenses having different curvature radii r is regular or irregular. However, it can be seen that the regularization is advantageous in terms of improving the image quality as shown by the following optical axis shift element.

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。 As described above, when the microlens array 1 (see FIG. 1C) in which the microlenses 2 having the curvature radii r1 and r2 are alternately arranged regularly is used, the degree of light collection differs depending on the location. . This is schematically shown in FIG. Here, r1 has a small radius of curvature and collects incident light well, and r2 has a larger radius of curvature than r1, and shows a state where incident light is collected gently. On the observation surface in FIG. 4, the light condensed by the microlens 2 forms an illuminance distribution. The arrangement of the illuminance distribution reflects the arrangement of the microlenses 2 having different radii of curvature. In the above example of r1 and r2, two different illuminance distributions appear alternately. This is not good from the viewpoint of image quality. The contrast ratio is an evaluation value for the entire image, but this illuminance distribution relates to the image quality of each pixel constituting the image, and directly affects the superiority or inferiority of the image quality. The illuminance distribution evaluation will be described below.

［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。 [Illuminance distribution evaluation]
Ray tracing calculation was performed to evaluate the illuminance distribution on this observation surface and to evaluate the image quality. A model of the optical system is schematically shown in FIG. 3, but as described in FIG. 3, the microlens array 1 is flat on both sides having a cover glass 28 with an adhesive layer (resin layer) 29 interposed therebetween. The configuration was FIG. 5 shows an example of the illuminance distribution by one microlens 2 on the observation surface as a result of the ray tracing calculation. The two horizontal axes (x, y) represent the spatial spread (length, arbitrary unit) of the illuminance distribution, and the vertical axis represents the illuminance (or intensity, arbitrary unit). As described above, the illuminance distribution has a profile shape, and will be referred to as “illuminance distribution profile” or simply “profile” in the following. When the curvature radius r of the microlens 2 is small, the spread of the profile on the xy plane (a plane perpendicular to the optical axis) is narrow, and when the curvature radius r is large, the spread is widened.

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。 Here, the illuminance distribution of the light immediately after exiting from the microlens 2 is seen. If an optical system in which a projection lens and a screen are added to this microlens array 1 is assembled and the illumination distribution and the screen are installed so that an imaging relationship is established by the projection lens, this optical system can be applied to a projector apparatus. The observation surface is the object surface of the projection lens, and the screen is the image surface of the projection lens. At this time, an image projected by the projection lens having an illuminance distribution by one microlens 2 corresponds to one pixel of the image.

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。 If the radius of curvature r of the microlens 2 is appropriate for the purpose, the illuminance distribution on the observation surface formed by the microlens 2 is the size of one pixel of the spatial light modulator or the microlens 2. It becomes smaller than the size (here, 14 μm × 14 μm). When this is projected (enlarged) onto the screen by the projection lens, smaller pixels (images) are projected than when one pixel having a size of 14 μm × 14 μm is projected (enlarged), and high definition of the image becomes possible. . This effect is referred to herein as “pixel reduction”. Further, this image projected on the screen is referred to as “projection reduced pixel” herein.

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。 In the microlens array 1 in which the microlenses 2 having different curvature radii r exist, if the difference in the curvature radii r is small, the difference in the projected reduction pixels on the screen will not be noticed by the observer. However, when the difference in the radius of curvature r is large, the difference in the projected reduction pixels is also large, and the difference will be recognized by the observer's eyes. This may be perceived by the observer as an inferior image. This problem will be considered together with the solution to the following problem of increasing the number of pixels.

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。 If the degree of reduction (referred to as “reduction rate”) of the projected reduced pixels projected on the screen is not so large, the deterioration of the image quality is not an issue. However, when the reduction ratio is reduced, an image is generated in which a gap is generated between adjacent projected reduced pixels on the screen. This will be an image that is difficult to see.

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。 A pixel shift device (or an optical path shift device) is proposed by, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-174852 as means for making up such a gap between projection reduced pixels. This spatially displaces (shifts) the light beam emitted from the spatial light modulator toward the screen to change the projection position on the screen. The above gap can be filled by shifting in the horizontal and vertical directions on the screen. Further, if the reduction ratio is ½ and the shift amount is ½ of the pixel size, it is possible to realize four times the number of pixels.

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。 As an example of this pixel shift device (optical path shift device), an example of a mechanical drive device is shown in FIG. FIG. 6 shows a view in the optical axis direction. In this example, a piezo element is used as means for modulating the optical path of light emitted from the pixels of the image display device. This is an example in which a spatial light modulation element (image display panel) itself is mechanically moved using a piezo element. Since the device itself moves, the pixels also move. If a piezo element is used, even if the pixel size is less than 10 μm, the optical path can be shifted by less than that. This is achieved by installing a piezo element 42 for shifting in the vertical direction (y direction) and a piezo element 43 for shifting in the horizontal direction (x direction) with respect to the spatial light modulator (image display panel) 41 and moving them periodically. . Reference numeral 44 denotes an L-shaped jig.

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。 FIG. 7 schematically shows a movement that causes a pixel increase effect of a projected image on the screen when the pixel shift device (optical path shift device) shown in FIG. 6 is used. The projected image is projected in a time division manner as shown in FIG. 7 by the optical path shift device, and as a result, becomes a high-definition and high-resolution image as shown in FIG.

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。 Now, at the thinnest position of the light beam collected and emitted by the microlens 2, the surface perpendicular to the optical axis is the object surface of the projection lens, and the illuminance distribution in the surface is reduced (reduced pixel). When this reduced pixel is defined and projected onto the screen, the size of the reduced pixel is smaller than when the pixel is projected onto the screen with the surface at the position of the pixel as the object surface of the projection lens (pixel reduction). . At this time, the ratio of the reduced pixels by the microlens 2 to the pixel size and the reduction rate of the pixel size are set to α. In the present embodiment, the reduction rate α is ½. Assuming that the pixel is a square and is ideally reduced, a reduced image of the square is obtained.

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。 FIG. 7 (a) shows an initial state that does not move first, and FIG. 7 (b) shows a state in which the pixel size of the spatial light modulator is shifted in the y direction (for example, if the pixel size is 14 μm). Δx, Δy = 7 μm), and a state in which the pixel size is shifted by ½ in the x direction from there, FIG. 7C, and then the pixel in the opposite direction (displayed with minus −) from FIG. FIG. 7D shows a state where the size is shifted by 1/2, and FIG. 7E shows a state where the pixel size is shifted in the direction opposite to FIG. 7C. By setting the state shifted by 1/2 to FIG. 7 (f), the original state of FIG. 7 (a) is restored.

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。 As a result, if the cycle of these shift operations is fast, a high-definition image in which the size of one side of the pixel is ½ and the density is four times as shown in FIG. 8 without feeling flickering and flickering of the image. Can be realized. In this example, since the image display device and the optical axis shift device are one device, it is not necessary to expand the optical system and insert the optical path modulator, leading to miniaturization of the device. In the above example, the movement is performed in two directions of x and y, but the shift may be performed only in one direction of either x or y. In this case, the number of pixels increases by a factor of two.

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。 In addition, the optical path shift device required in the present invention may be any device that can shift the optical path in terms of spatial coordinates. In addition to mechanically moving the reflective spatial light modulator 41 directly as shown in FIG. However, a method of shifting the optical path using liquid crystal is also effective. In this case, the optical path shift device is inserted in any place of the optical system.

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。 Next, an embodiment relating to a projector apparatus using the reflection type spatial light modulation apparatus as described above will be described with reference to FIG. Since the reflective spatial light modulation device according to the present invention has high light utilization efficiency, high image quality, and high contrast as described above, when it is used in a projector device, the performance of the projector device itself is improved, and high light utilization efficiency, high image quality is achieved. Thus, a projector device with a high contrast ratio can be realized. FIG. 9 is a schematic plan view schematically showing an example of the configuration of an optical system of a single-plate projector device using one reflection type spatial light modulation device as the projector device of the present embodiment. Reference numeral 51 denotes a white lamp as a light source, 52 denotes a light uniformizing optical element configured to make the light from the white lamp 51 uniform, such as a fly-eye lens, 53 denotes a color separation device having a color wheel configuration, for example, and 54 denotes a reflection A reflective liquid crystal light valve as a spatial light modulation device, 55 is a polarization beam splitter, 56 is a projection lens constituting the projection device, and 57 is a screen. Here, the reflective liquid crystal light valve 54 includes the microlens array 1 having the above-described configuration, an optical path shift device, and the like, although not particularly shown in FIG.

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。 Here, in the case of the microlens array 1 in which the microlenses 2 having r1 = 10 μm and r2 = 20 μm are arranged, by using the pixel shift device (optical path shift device) as described above, two different illuminance distributions (or It is possible to prevent the observer from noticing the difference in the projection reduction pixels. This is a pixel shift device (optical path shift device) that can display two different images alternately in a time-sharing manner in the x- or y-axis direction. If the switching speed is fast enough, the two different images will alternate at high speed and are superimposed as an afterimage on the viewer's retina. The image at this time will see the average value of two illumination distributions (projection reduction pixels).

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。 In the illuminance distribution shown three-dimensionally in FIG. 5, when the illuminance distribution only in the x or y axis direction is cut out, it becomes as shown in FIG. 10 (only one side is drawn because it is bilaterally symmetric). FIG. 10 shows a two-dimensional illuminance distribution by the microlens 2 having a curvature radius r = 10, 15, 20, 30 [μm]. The profile is narrow when the radius of curvature r = 10 μm, and the width of the profile increases as the radius of curvature r = 15, 20, 30 [μm], depending on the light collection capability of the microlens 2. In FIG. 10, the horizontal axis is the position on the observation surface, but a value of 1.0 corresponds to a pixel size (or microlens 2 size) of 14 μm. For this reason, for example, when the full width at half maximum of the profile is considered, it can be seen that the size is one pixel or less (pixel reduction effect). For this reason, the above-described pixel reduction is possible. The ratio of the profile size (for example, full width at half maximum) to the pixel size is defined as a reduction ratio α. FIG. 10 shows a profile obtained as an average value. Average profile of two profiles by a microlens having a radius of curvature r of 10 μm and 20 μm (denoted as (r10 + r20) / 2), and an average profile when the radius of curvature r is 10 μm and 30 μm (denoted as (r10 + r30) / 2) ). The profile of (r10 + r20) / 2 is between the profiles with r = 10 μm and r = 20 μm, and the profile of (r10 + r30) / 2 is between the profiles of r = 10 μm and r = 30 μm. In the profile, r = 15 μm, which is an intermediate value between r = 10 μm and r = 20 μm, and r = 20 μm, which is an intermediate value between r = 10 μm and r = 30 μm. The profile of (r10 + r20) / 2 is somewhat smaller than the profile of r = 15 μm, and the profile of (r = 10 + r30) / 2 is smaller than the profile of r = 20 μm. That is, it is shown that high-definition image display is possible by alternately displaying two different profiles, rather than displaying a profile with an intermediate value r.

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。 In the above examples, the microlens constituting the microlens array has a spherical shape, but may be an aspherical shape. When an aspherical shape is used, aberration can be reduced, and further improvement in contrast ratio, high light utilization efficiency, and high image quality are possible.

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。1 shows a configuration example of a microlens array according to an embodiment of the present invention, where (a) is a plan view viewed in the optical axis direction, and (b) is an enlarged configuration example of a single microlens that is a component thereof. FIG. 3C is a side view, FIG. 3C is a cross-sectional view showing an enlarged regular arrangement example, and FIG. 3D is a cross-sectional view showing an irregular arrangement example. 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。It is sectional drawing which shows the modification structural example of a micro lens array. 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。It is a top view which shows the model structural example of the optical system for ray tracing calculation which calculates | requires contrast ratio. 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。It is a side view which shows typically a mode that two different illumination distributions appear alternately in the case of a regular arrangement | sequence. 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。It is a characteristic view showing an illuminance distribution example by one microlens. 光路シフト装置の構成例を示す概略正面図である。It is a schematic front view which shows the structural example of an optical path shift apparatus. 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。It is a schematic diagram which shows the mode of the motion of the projection image of the pixel on a screen in order. その増倍効果を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the multiplication effect. 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。It is a schematic plan view which shows schematically the structural example of a projector apparatus. 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。It is a characteristic view which cuts out and shows a three-dimensional illumination distribution in one dimension. 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。It is a schematic plan view which shows an example of a structural example of the conventional microlens array. 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。It is a schematic plan view which shows the other example of a structural example of the conventional microlens array. 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。It is a schematic sectional drawing which shows the structural example of the screen sheet by the conventional random convex-shaped microlens.

符号の説明Explanation of symbols

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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Micro lens array 2 Micro lens 11 Micro lens array 12 Micro lens 13 Adjacent substance 25 Image display panel 41 Image display panels 42 and 43 Optical path shift device 51 Light source 54 Spatial light modulation device 56 Projection device 57 Screen

Claims

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。 A plurality of microlenses having at least two kinds of optically different radii of curvature are arranged periodically with the same shape in a plane perpendicular to the incident optical axis of each microlens being the same. Lens array.

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。 All the microlenses have the same refractive index and a constant refractive index difference from the adjacent substance, and at least two types of optically different by changing the physical curvature radius for each microlens. The microlens array according to claim 1, wherein the microlens array has a radius of curvature.

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。 All microlenses have the same physical radius of curvature, and have at least two types of optically different radii of curvature by making the difference in refractive index between adjacent microlenses different for each microlens. The microlens array according to claim 1.

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。 4. The micro lens according to claim 1, wherein a shape in a plane perpendicular to the incident optical axis is the same by a rectangular shape or a polygonal shape, and is periodically arranged without a gap. The microlens array according to one.

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。 The microlens array according to any one of claims 1 to 4, wherein the arrangement of the microlenses having optically different radii of curvature is irregular.

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。 The microlens array according to any one of claims 1 to 4, wherein the arrangement of the microlenses having optically different radii of curvature is regular.

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。 The microlens array according to any one of claims 1 to 6, wherein the shape of the microlens with respect to the optical axis is spherical.

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。 The microlens array according to any one of claims 1 to 6, wherein the shape of the microlens with respect to the optical axis is aspherical.

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。 An image display panel that emits image light by spatially modulating illumination light in units of pixels based on image information;
The microlens array according to any one of claims 1 to 8, wherein each microlens is disposed so as to face the pixel arrangement of the pixel unit of the image display panel.
A spatial light modulation device comprising:

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。 A light source for illumination;
The spatial light modulation device according to claim 9, wherein the illumination light is spatially modulated in units of pixels based on image information and emitted as image light,
A projection device that projects image light emitted from the spatial light modulation device onto a screen;
A projector apparatus comprising:

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。
The projector apparatus according to claim 10, further comprising an optical path shift device that synchronizes with an image display panel of the spatial light modulator and deflects an optical path of the image light to multiply an apparent number of pixels of the spatial light modulator.