JP2006023732A - 微小光学素子、この微小光学素子を用いた空間光変調装置及びプロジェクタ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 光学系内でコントラスト比に影響する偏光状態が損なわれることがない微小光学素子を提供する。
【解決手段】 曲面形状により入射光に対して集光機能を有する複数の微小な光学素子３を周期的に配列してなり、前記各光学素子３の曲面形状３ｂの一部に前記入射光に対して実質的な平坦部３ａを有する微小光学素子３であることを特徴と特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、マイクロレンズアレイ、マイクロミラー（微小凹面鏡）アレイなどが含まれる微小光学素子、さらにこの微小光学素子を用いた画像表示用の空間光変調装置およびプロジェクタ装置に関する。

微小なレンズであるマイクロレンズ、複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、微小なミラーであるマイクロミラー、複数のマイクロミラーを配列させたマイクロミラーアレイ等の微小光学素子は、１９７０年前後に登場して以来、現在に至るまで、光産業において、重要な役割を果している。

これら微小光学素子を用いた画像表示装置として、微小光学素子の一つであるマイクロレンズを複数組み合わせたマイクロレンズアレイを光入射側に配置した空間光変調装置による画像投射が可能な液晶プロジェクタ装置がある。
空間光変調装置は、開口部あるいは反射部を備えた空間光変調素子が複数組み合わされて構成されており、空間光変調素子の開口部あるいは反射部に入射した光を透過または反射させることにより入射光を変調するようになっている。
液晶プロジェクタ装置においては、明るい場所においても明確に投射画像を見れることが望まれており、このための構成として、マイクロレンズアレイを、透過型液晶光変調装置の画素アレイに対向させることにより開口率および光利用率を向上させるようにした構成が提案されている（例えば、非特許文献１）。

また、同じく液晶プロジェクタ装置において反射型の空間光変調装置を用いたものがある。反射型の空間光変調装置は透過型液晶空間光変調装置よりも開口率を高くすることが可能で、より画素の小型化が可能であることが特長の一つである。また、開口率の向上、光利用効率の向上のためにマイクロレンズを使用しなくてもよい利点がある。このような反射型液晶空間光変調装置は、半導体プロセスを用いて、Ｓｉ基板上に駆動用電気回路、画素電極、液晶層等を順次形成することにより作製させる（例えば、非特許文献２、特許文献１）。
これらは、液晶がＳｉ基板上にあることから、ＬＣｏＳ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ ｏｎ Ｓｉ）とも呼ばれる。

またさらに、光利用効率の向上、開口率の向上等の高性能化を図るために反射型空間光変調装置の画素アレイにマイクロレンズアレイを対向配置した構成も提案されている（例えば、特許文献２）。

プロジェクタ装置に関しては、その性能指標の一つに、コントラスト比が挙げられる。
コントラスト比は、明状態の画像と暗状態の画像とを表示させたときの強度の比（明状態／暗状態）によって表される。この明状態と暗状態との切り替えは液晶のスイッチング機能による。
コントラスト比は、その値が高い方が性能がよく、高コントラスト比の反射型空間光変調装置を用いたプロジェクタ装置が市場で望まれている。

マイクロレンズアレイを備えた透過型及び反射型空間光変調装置を用いたプロジェクタ装置においては、偏光状態の変化によるコントラスト比の低下が起り得る。しかしながら透過型空間光変調装置においては、直線偏光がマイクロレンズを通るのは一回であり，偏光状態が変化を受けるのも一回である。
これに対して反射型空間光変調装置にマイクロレンズアレイを配置させた場合、直線偏光が往路復路において２回マイクロレンズを透過することになる。すなわち透過型と比較して２倍という関係で偏光状態の変化が起り得る。このことからすると、コントラスト比の観点からは透過型空間光変調素子が有利といえる。

コントラスト比の大小（或いは、高低）に関しては、プロジェクタ装置内を行き交う光の偏光状態が関係している。
プロジェクタ装置において、超高圧水銀ランプ等の白色光源から出射された無偏光の光は、偏光変換光学系によりＰ偏光とＳ偏光との２つの直線偏光に分離される。
この分離された直線偏光の光が、その偏光状態を損わずにプロジェクタ装置内の光学系を行き交い、投射レンズを経てスクリーンに投射されれば、高コントラスト比が期待できることが知られている（このような偏光状態の変化に関しては、例えば、非特許文献３）。

特開２０００−１３７２４６公報 特開平１１−２５８５８５号公報 浜中賢二郎、Ｏ ＰＬＵＳ Ｅ、２０００−３、Ｖｏｌ．２２、Ｎｏ．３、Ｐ３１３〜３１８ Ｅ．Ｇ．Ｃｏｌｇａｎ、Ｍ．Ｕｄａ、ＩＢＭ Ｊ．ＲＥＳ．ＤＥＶＥＬＯＰ．ＶＯＬ．４２． ＮＯ．３／４、１９９８、Ｐ３３９〜３４５ 鶴田匡夫著、応用光学ＩＩ、培風館、Ｐ２３４〜２４０

しかし、光学系内でコントラスト比に影響する偏光状態が損なわれると（例えば、偏光主軸の回転、楕円偏光化、偏光解消：ｄｅｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）、暗状態のときに漏れ光となり、コントラスト比を損う要因となる。

光学系内でＰ偏光をＳ偏光に変換する（その逆にＳ偏光をＰ偏光に変換する）こともあるが、これは意図的な偏光状態の変化であり、前述した、望ましくない偏光状態の変化とは区別する。

液晶反射型空間光変調装置の画素（電極）配列にマイクロレンズアレイを対向配置させた場合、このマイクロレンズアレイで直線偏光の偏光主軸の回転，また反射防止膜がある場合は楕円偏光化等偏光状態の変化が生じる。
これは入射角が大きい場合に顕著となる。また、液晶反射型空間光変調装置を用いた液晶プロジェクタ装置の光学系においては、液晶反射型空間光変調装置の前方に偏光ビームスプリッタが設置されるため、偏光状態の変化が生じると、偏光状態（Ｐ偏光とＳ偏光）によるビームの分離が厳密に行われず、暗状態においても、光がスクリーンに到達し、コントラスト比が低減する問題が生じる。

一方、液晶プロジェクタ装置の性能指標にはコントラスト比に加えて、画像の高精細度も挙げられる。これは画素サイズ及び画素数で表され、画素サイズが小さく、かつ、画素数が多い方がより高精細な画像を実現しているといえる。
反射型液晶空間光変調装置は透過型液晶空間光変調装置よりも画素サイズの小型化に関しては有利であるが、その画素サイズの小型化は、そのときの半導体プロセスの制約を受ける。そこで、このような半導体プロセスに制約を受けないで画素サイズの小型化を実現することが課題として挙げられることになる。

本発明の目的は、偏光状態の変化を低減した微小光学素子、空間光変調装置を提供することにある。

本発明の別の目的は、偏光状態の変化を低減しつつ、かつ、界面での反射による損失、収差を抑えた、アレイ構造の微小光学素子を提供することにある。

本発明のさらに別の目的は、特に偏光状態の変化を低減し、コントラスト比の高いプロジェクタ装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、コントラスト比が高く、かつ、高精細なプロジェクタ装置を提供することにある。

請求項１記載の発明は、曲面形状により入射光に対して集光機能を有する複数の微小な光学素子を周期的に配列してなり、前記各光学素子の曲面形状の一部に前記入射光に対して実質的な平坦部を有する微小光学素子であることを特徴としている。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の微小光学素子において、前記各光学素子が、凸状の曲面形状の一部に前記実質的な平坦部を有する透過型のレンズ素子であることを特徴としている。

請求項３記載の発明は、請求項１記載の微小光学素子において、前記各光学素子が、凹状の曲面形状の一部に前記平坦部を有する反射型のミラー素子であることを特徴としている。

請求項４記載の発明は、請求項２記載の微小光学素子において、前記平坦部を含む前記凸状の曲面形状が存在する面側に、前記光学素子とは異なる部材を介して透光性の平坦層を有することを特徴としている。

請求項５記載の発明は、請求項３記載の微小光学素子において、前記凹状の曲面形状が存在する面側に充填されて表面が平坦化された透光性の平坦層を有することを特徴としている。

請求項６記載の発明は，請求項１，２，４記載の微小光学素子において、該微小光学素子として用いられる透過型のレンズ素子が、二つ以上のＦ値を有することを特徴としている。

請求項７記載の発明は，請求項６記載の微小光学素子において、前記透過型のレンズ素子が有する二つのＦ値をそれぞれＦ₁及びＦ_２で表すと、Ｆ_１が３．４以上とされ、Ｆ_２が２．３≦Ｆ_２≦４．８であり、Ｆ_１＞Ｆ_２の関係であることを特徴としている。

請求項８記載の発明、請求項１，２，４，６，７のうちの一つに記載の微小光学素子を用いて照明光を画像情報に基づき画素単位で空間光変調して画像光として出射する空間光変調装置であって、個々の光学素子が前記画素単位の画素位置に位置合わせされていることを特徴としている。

請求項９記載の発明は、請求項１，３，５のうちの一つに記載の微小光学素子を用いて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空間光変調装置であって、個々の光学素子が前記画素単位の画素位置に位置合わせされていることを特徴としている。

請求項１０記載の発明は、請求項８または９記載の空間光変調装置を用いるプロジェクタ装置であって、前記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射する投影装置を備えていることを特徴としている。

請求項１１記載の発明は、請求項１０記載のプロジェクタ装置において、前記空間光変調装置から出射する光束の光路をシフトさせる画素シフト装置を備えていることを特徴としている。

請求項１記載の発明によれば、偏光主軸の回転を主とする偏光状態の変化は、直線偏光が入射面に大きな入射角で入射する場合に大きくなり、入射角が同じであれば、曲面では平面よりも偏光状態の変化が大きくなる。すなわち、本発明は、平面であれば偏光状態の変化を小さくできる点に着目し、光学素子の曲面形状の一部に実質的な平坦部を設けたので、偏光状態の変化を低減させることができ、かつ、残された曲面形状部分により集光機能を確保することができる。

請求項２記載の発明によれば、凸状の曲面形状の一部に実質的な平坦部を備えた透過型のレンズ素子を用いたマイクロレンズアレイとした場合において、前記平坦部による偏光状態の変化を低減させるとともに平坦部以外の曲面形状部分を利用した集光機能も確保できる。

請求項３記載の発明によれば、凹状の曲面形状の一部に実質的な平坦部を備えた反射型のレンズ素子を用いたマイクロミラーアレイとした場合において、前記平坦部による偏光状態の変化を低減させるとともに平坦部以外の曲面形状部分を利用した集光機能も確保できる。

請求項４記載の発明によれば、透過型マイクロレンズアレイにおける偏光状態の変化を低減できることに加えて、界面の屈折率差が小さくなる構成としているので、界面での反射による損失が低減でき、光利用効率の向上が可能な上に、平坦層を利用することで例えば空間光変調装置等に対する設置の容易化を図ることもできる。

請求項５記載の発明によれば、反射型マイクロレンズアレイにおける偏光状態の変化が低減できることに加えて、集光特性が向上する構成としているので、光利用効率の向上が可能な上に、平坦層を利用することで例えば空間光変調装置等に対する設置の容易化を図ることもできる。

請求項６記載の発明によれば，二つ以上のＦ値を有するマイクロレンズを用い、主としてＦ値の大きなマイクロレンズの部分でコントラスト比を向上させ、Ｆ値の小さなマイクロレンズの部分で集光機能の確保及び高光利用効率を向上させることが可能となる。

請求項７記載の発明によれば，異なる二つのＦ値を有するマイクロレンズを用い、最適なＦ値範囲の規定により、さらなるコントラスト比の向上及び集光機能の確保及び高光利用効率が可能となる。

請求項８記載の発明によれば、偏光状態の変化の低減、光利用効率の向上が可能なマイクロレンズアレイを用いることにより高コントラスト比、高光利用効率を設定できる空間光変調装置を得ることができる。

請求項９記載の発明によれば、偏光状態の変化の低減、光利用効率の向上が可能な微小凹面鏡を画素として用いているので、高コントラスト比、高光利用効率が可能な空間光変調装置を提供することができる。

請求項１０記載の発明によれば、高コントラスト比、高光利用効率が可能な空間光変調装置を用いているので、高コントラスト比、高光利用効率が可能なプロジェクタ装置を提供することができる。

請求項１１記載の発明によれば、高コントラスト比、高光利用効率が可能なプロジェクタ装置において、画素シフト装置を搭載することにより、高コントラスト比、高光利用効率に加え、高精細な画像が可能なプロジェクタ装置を提供することができる。

本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。

［第一の実施の形態］
本発明の第一の実施の形態を図１に基づいて説明する。
図１は、本実施の形態の一つとしての微小光学素子であるマイクロレンズアレイ１の構成例を示す模式的な断面図である。
本実施の形態でのマイクロレンズアレイ１は、ガラス、透明樹脂等の透光性のアレイ基板２と一体に形成されて、凸状の曲面形状により入射光に対して集光機能を有する複数の微小な光学素子であるマイクロレンズ３を周期的に配列させたものである。ここに、本実施の形態でのマイクロレンズアレイ１は、個々のマイクロレンズ３に関して、図１中に仮想線で示すような球面状の従来形状に対して、当該曲面形状の頂部を含む一部に実質的な平坦部３ａを持たせ、中央の平坦部３ａとその周囲の曲面部３ｂとにより構成した点を特徴とする。つまり、平坦部３ａは入射光に対して平面をなす構成とされている。

一般に、偏光主軸の回転は、垂直入射以外では起こり、その程度は入射角度に依存する。球面レンズに光が入射する場合、レンズ頂点から周囲に向かうに従い、入射角は大きくなり、偏光主軸の回転は大きくなる。しかし、これが平面であれば、入射角は変らず、偏光主軸の回転を小さくすることができる。
従って、個々のマイクロレンズ３が入射光に対して実質的な平面をなす平坦部３ａを有するので、偏光状態の変化の低減に寄与する。もっとも、全てが完全に平坦部による平面構成の場合、偏光状態の変化は少なく、問題ないが、マイクロレンズ３による本来の集光作用が期待できず、光利用効率、開口率の向上、また、画質の向上、さらには、後述するような画素サイズの縮小の効果が望めない。
この点、平坦部３ａの周囲の曲面部３ｂによりマイクロレンズ３による集光機能が確保される。

つまり、本実施の形態では、このように球面の一部を平坦部３ａとして平坦にすることにより、マイクロレンズ３としては、本来の集光機能が部分的に損なわれることになるが、その集光機能を許容範囲内で犠牲にして、偏光状態の変化を極力低減させ、コントラスト比を向上させるように構成したものである。

このような平坦部３ａのあるマイクロレンズアレイ１は容易に作製することができる。

マイクロレンズアレイ１の材質がガラスである場合、マイクロレンズアレイ１は、例えば、特開平６−１９４５０２号公報、特開平６−２５０００２号公報等に示されているような、主としてフォトリソグラフィ技術及びドライエッチング技術により作製される。

作製された球面状のマイクロレンズから平坦部３ａのあるマイクロレンズ３を作製する場合、研磨により頂点から平坦にすることが可能である。
研磨手法としてＣＭＰを用いれば量産にも対応でき、低コスト化も図れる。また、表面粗さを抑え、光学的に問題のないレベルに仕上げることが可能となる。

また、マイクロレンズを研磨せずに平坦部を作る手法は次のようである。まず、所望の平坦部のあるフォトマスクを作製する。マイクロレンズを作る基板２にレジストをスピンコータにより塗布し、フォトリソグラフィでレジストのパターンを作るときに、この平坦部３ａのあるマイクロレンズ３を作製する。この場合、レンズの頂点だけでなく、レンズ周囲に平坦部を設けることも可能となる。また、先端部と周辺部との２箇所に分けて、平坦部を設けることも可能となる。即ち、自由度が高い設計が可能な利点もある。

［第二の実施の形態］
本発明の第二の実施の形態を図２に基づいて説明する。
図２は本実施の形態の微小光学素子であるマイクロミラーアレイ（微小凹面鏡アレイ）１１の構成例を示す模式的な断面図である。
本実施の形態のマイクロミラーアレイ１１は、例えばＳｉＯ_２等の誘電体基板１２上に凹状の曲面形状により入射光に対して集光機能を有する複数の微小な光学素子であるマイクロミラー１３を周期的に配列させ、これらのマイクロミラー１３の表面上にＡｌなどの金属箔膜を蒸着することでミラー構成としたものである。
ここに、本実施の形態のマイクロミラーアレイ１１は、個々のマイクロミラー１３に関して、図２中に仮想線で示すような球面状の従来形状に対して、当該曲面形状の底部を含む一部に平坦部１３ａを持たせ、中央の平坦部１３ａとその周囲の曲面部１３ｂとにより構成した点を特徴とする。すなわち、平坦部１３ａは入射光に対して平面をなす構成とされている。

一般に、偏光主軸の回転を、直線偏光の光が角度を持って面に入射することにより起こる。
このため、入射角が一定でも光の入射する面が曲面であれば偏光主軸の回転は大きくなる。これに対して平面であれば、これを小さくすることができる。
従って、個々のマイクロミラー１３が入射光に対して平面をなす平坦部１３ａを有するので、偏光状態の変化の低減に寄与する。もっとも、全てが完全に平坦部による平面構成の場合、偏光状態の変化は小さく、問題ないが、マイクロミラー１３による本来の集光作用が期待できず、光利用効率、開口率の向上、また、画質の向上、さらには、後述するような画素サイズの縮小の効果が望めない。
この点、平坦部１３ａの周囲の曲面部１３ｂによりマイクロミラー１３による集光機能が確保される。

本実施の形態では、このように球面の一部を平坦部１３ａとして平坦にすることにより、マイクロミラー１３としては、本来の集光機能が部分的に損なわれることになるが、その集光機能を許容範囲内で犠牲にして、偏光状態の変化を極力低減させ、コントラスト比を向上させるように構成されている。

［第三の実施の形態］
本発明の第三の実施の形態を図３に基づいて説明する。
図３は本実施の形態の微小光学素子であるマイクロレンズアレイ２１の構成例を示す模式的な断面図である。本実施の形態のマイクロレンズアレイ２１は、第一の実施の形態に示したマイクロレンズアレイ１の構成をベースとし、その平坦部３ａを含む凸状の曲面形状（マイクロレンズ３）が存在する面側に、当該マイクロレンズ３とは異なる材料からなる接着層２２を介して表面が平坦な平坦層２３を備えることで、両面が平坦な構成としたものである。ここに、平坦層２３は透光性を有する部材、例えばガラスがカバーガラスとして用いられている。

より具体的な構成例としては、例えば、マイクロレンズ３を含む基板２部分は屈折率が１．５４のガラス製とされ、接着層２２の接着剤としては屈折率が１．４２のものが用いられ、平坦層２３は屈折率が１．５２のカバーガラスとされている。このときにマイクロレンズ３を含む基板２部分の屈折率と接着層２２の屈折率との差は小さく、この２者の界面による光損失を、ガラス（屈折率１．５４）と空気（屈折率１．０）との場合と比較して、低減させることが可能となる。また、集光能力は犠牲にするが、球面収差を低減することにもなる。このため光利用効率を向上させることができる。接着層２２の接着剤としては、例えば、紫外線硬化樹脂が用いられる。また、このようにカバーガラスによる平坦層２３を有する素子構成とすれば、例えば反射型液晶空間光変調装置の画素アレイに対する位置合わせ設置を容易にすることもできる。

［第四の実施の形態］
本発明の第四の実施の形態を図４に基づいて説明する。図４は本実施の形態の微小光学素子であるマイクロミラーアレイ３１の構成例を示す模式的な断面図である。本実施の形態のマイクロミラーアレイ３１は、第二の実施の形態に示したマイクロミラーアレイ１１の構成をベースとし、その凹状の曲面形状（マイクロミラー１３）が存在する面側に、透光性の部材を充填しその表面を平坦化させた平坦層３２を設けたものである。ここに、平坦層３２の充填は、薄膜作製手法であるスパッタリング等により行われる。また、平坦層３２の材質としては、ＳｉＯ_２、ＭｇＯなどの低屈折率のものからＺｒＯ_２、ＺｎＯ等の高屈折率のものまで、蒸着できるものであれば使用可能である。このとき、凹状の曲面形状は転写され、部材を充填した後でも窪みが残る。これは、後に化学的機械的研磨（ＣＭＰ）により平坦化すればよい。

本実施の形態のマイクロミラーアレイ３１の構成によれば、当該マイクロミラーアレイ３１に、垂直以外の角度で入射する光（照明角を有する光）を、スネルの法則に従って、その角度が小さくなる方に屈折させることができ、より小さな照明角度でマイクロミラー１３で反射させることができるため、マイクロミラー１３の集光特性を向上させることができる。このため、光利用効率が向上する。

［第五の実施の形態］
本発明の第五の実施の形態を図５に基づいて説明する。図５は本実施の形態の画像表示用の空間光変調装置である反射型液晶空間光変調装置４１の構成例を示す模式的な断面図である。
この反射型液晶空間光変調装置４１は、例えば第三の実施の形態で説明したような平坦層２３を有するマイクロレンズアレイ２１を用いた点を特長とするものである。このマイクロレンズアレイ２１はＳｉ基板４２上に設けられた画素電極４３を有する液晶層４４上に積層させる形で設けられている。
この際、マイクロレンズアレイ２１はその個々のマイクロレンズ３が画素電極６５の各々に対応するように位置合わせさせて配置されている。また、画素電極４３やマイクロレンズ３は実際には、例えばＸＧＡ規格に従い、１０２４×７６８ドットの２次元配列として多数設けられている。

本実施の形態の反射型液晶空間光変調装置４１によれば、偏光状態の変化の低減、光利用効率の向上が可能なマイクロレンズアレイ２１を用いているので、高コントラスト比、高光利用効率が可能な反射型空間光変調装置を提供することができる。

［第六の実施の形態］
本発明の第六の実施の形態を図６に基づいて説明する。図６は本実施の形態の画像表示用の空間光変調装置である反射型液晶空間光変調装置５１の構成例を示す模式的な断面図である。この反射型液晶空間光変調装置５１は、例えば第四の実施の形態で説明したような平坦層３２を有するマイクロミラーアレイ３１を用いた点を特長とするものである。このマイクロミラーアレイ３１は液晶駆動用のトランジスタ等の電気回路部品５２が組み込まれたＳｉ基板５３上に積層させる形で設けられ、かつ、その平坦層３２上には一対の透明電極５４ａ、５４ｂにより挟まれた液晶層５５及び表層のカバーガラス５６が積層させる形で設けられている。電気回路部５２はソース、ドレイン、ゲート及びそれらの配線からなるＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）５００ａ及び保持容量５００ｂからなる。
また、金属等の導電性の遮光層５０１が設けられており、これはマイクロミラーアレイ３１間の隙間５０４から入る光が、電気回路部５２に届かないよう遮光するものである。また、電気回路部５２と遮光層５０１との間には誘電体層５０３が設けられている。電気回路部５２と透明電極５４ａとは、スルーホール５０２により導電性の遮光層５０１を介して電気的に接続されている。

ここに、第五の実施の形態のマイクロレンズアレイ２１の場合には画素電極４３のアレイに位置合わせして設置させる必要があるが、本実施の形態のマイクロミラーアレイ３１の場合、液晶空間光変調装置５１の画素自体をマイクロミラーアレイ３１の個々のマイクロミラー１３を画素として作製することができる。即ち、マイクロミラーアレイ３１のマイクロミラー１３を液晶空間光変調装置５１の画素配列に用いる場合は、作製に関しては、液晶空間光変調装置５１の画素を作製する工程において、平坦部１３ａのあるマイクロミラー１３を作製する。

本実施の形態によれば、偏光状態の変化の低減、光利用効率の向上が可能なマイクロミラーアレイ３１のマイクロミラー１３を画素として用いているので、高コントラスト比、高光利用効率が可能な反射型液晶空間光変調装置５１を提供することができる。

以上のような実施形態における微小光学素子において、構成上での特徴として挙げた実質的な平坦部とは、微小光学素子の一部が完全に平坦である場合及び、完全に平坦でないが平坦とみなせる場合を含む。これはマイクロレンズでは、曲率半径が大きい場合である。
図７（Ａ）にマイクロレンズの断面図を示す。ここで曲率半径をｒ、マイクロレンズの有効幅を２ｄとして、サグｓを求めてみる。
２ｄ＝１４μｍとして、ｒを幾つか変えた時のｓを表１に示す。

表１において、曲率半径が大きくなるにつれてサグは減少しており、平坦に近づいていくことが分る。ｒ＝２５μｍのときにサグは１μｍとなる。ここではサグがこれ以下の時を実質的な平坦部と定義する。
また図７（Ａ）では、ｒとマイクロレンズの全長が一致するように描いてあるが、これに限られるものではない。
マイクロミラーの場合も同様であるが、マイクロレンズの凸形状をマイクロミラーの凹形状に置き換える（図７（Ｂ））。

次に、前述したように部分的に平坦部３ａがあるマイクロレンズアレイ２１における偏光状態の変化の低減、コントラスト比向上、集光機能の維持といった効果を、光線追跡計算により定量的に求め、確認する実験を行なったので、実施例として説明する。

本実施例では、１マイクロレンズ３の大きさ（面積）に対する平坦部３ａの大きさ（面積）との比（以下、面積比という）とコントラスト比との関係を求めた。このとき、マイクロレンズ３の光軸に垂直な面内での形状は正方形であり、その大きさは１３．２μｍ×１３．２μｍである。また、レンズは球形であるため、光軸に垂直な面での断面形状は円形であり、平坦部３ａの形状は円形である。しかし、平坦部３ａの円の直径が正方形の１辺のサイズの１３．２μｍを超えると、円から正方形を差し引いた形状となる。ここで、マイクロレンズ３の曲率半径は１０μｍであり、その硝材の屈折率は１．５４である。また、樹脂層(接着層)２２の屈折率は１．４２、カバーガラス（平坦層）２３の屈折率は１．５２である。

［コントラスト比］
コントラスト比を求める光線追跡計算においては、図８に示すような液晶プロジェクタ装置の光学系のモデルを用いた。
同図において符号６１は光源、６２はリニアポーラライザ、６３は偏光ビームスプリッタ、６４はリターダ板、６５は反射面（画素電極）、６６は検光子、６７はスクリーン（受光器）であり、カバーガラス２３が接着層２２を介して設けられたマイクロレンズアレイ２１はリターダ板６４と反射面（画素電極）６５との間に位置させ、かつ、反射面（画素電極）６５の各画素電極にマイクロレンズ３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４１を構成している）。また、６８は開口である。
これにより、光源６１からの光は開口６８により制限されつつリニアポーラライザ６２により直線偏光成分に分離され、その偏光方向に従い偏光ビームスプリッタ６３でマイクロレンズアレイ２１及び反射面（画素電極）６５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）６５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６３側に入射しその偏光分離面を透過し検光子６６を介してスクリーン（受光器）６７上に投影される。ここでは、リターダ板６４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６１としては配向分布をもたせている。

面積比とコントラスト比との関係を表すグラフを図９に示す。
横軸が面積比であり、縦軸はコントラスト比である。グラフから、平坦部３ａの面積が増えるに従い、コントラスト比が向上していくことが分かる。
また、この向上の仕方は、面積比が０．８程度までは比較的緩やかであり、面積比０．８を超えるあたりから急激にコントラスト比が向上することが分かる。 これはマイクロレンズ３周辺部での偏光主軸の回転が大きいためと考えられる。

［画素縮小プロファイル］
次に、スクリーン６７上に投射した反射型液晶空間光変調装置４１の画素の投射像の評価に関する光線追跡計算を行った。その光学系のモデルを図１０に示す。
上記と同じ接着層２２を介してカバーガラス２３のあるマイクロレンズアレイ２１に対して投射レンズ７１、スクリーン（受光器）６７とが存在する。
投射レンズ７１のＭＴＦ（Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）は５０％である。光源はマイクロレンズアレイ２１の中にあるものとモデル上では設定してある。

ここでは１画素を投射したことに相当するスクリーン６７上での像（投射像）が、図１１に示すようになる。
横軸（ｘ、ｙ）に投射像の空間的な広がり（任意）、縦軸に照度（或は強度、任意）をとってある。図１１は面積比が０．１７のときの結果である。
ここでは、この投射された画素の照度プロファイルを単に「投射画素プロファイル」と呼ぶことにする。これを１軸方向で抜き出し、片側だけをプロット下結果は図１２に示すグラフのようになる。
図１２では、５つの面積比（０．０、０．１７、０．３４、０．６４、０．９２）で求めた投射画素プロファイルを図示してある。
面積比が０．３４までは、投射画素プロファイルはほとんど変化していない。これはマイクロレンズ３の中心付近が、それほど、集光作用には影響を与えていないためである。しかしながら、０．６４、０．９２となるにつれて投射画素プロファイルの幅が広がっていくことが分かる。これは、平坦部３ａが増えるに従い、レンズの集光作用が無くなっていくためである。

本結果において、投射画素プロファイルが変らない範囲（面積比０．０〜０．３４）では、コントラスト比は３５８から４４０と約１．２３倍に向上している。また、多少の投射画素プロファイルの広がりを許容するならば、面積比０．０〜０．６４では、コントラスト比は３５８から６４３と約１．８倍に向上している。平坦部３ａを設けることによるコントラスト比の向上の効果が分かり、また、投射画像の質はさほど劣化しないことが分かる。

ここで上記のような投射画素プロファイルの広がりに関して従来技術と比較してみる。
本実施例の結果と同様なプロジェクタ装置の画素の投射像の評価が文献に紹介されている（遠藤貴雄他、第２８回光学シンポジウム（光学技術・学術講演会）講演予稿集、２１−２２ページ、２００３年、発行：応用物理学会分科会 日本光学会）。この文献では、主として１画素の投射像に関する、実験による結果が紹介されている。述べられている結果に関して、１画素としたのは、隣接画素（対角方向）の像が存在すると、強度において、画素のプロファイルの特に裾野が重なり、１画素の評価が正確にできないためとの旨の記述がある。このときの裾野の重なりというのは、最大強度を１００％と規格化して、２５％とされている。ここでのライトバルブ（空間光変調装置）の画素は１辺１３．７μｍの正方画素である。また、この裾野広がりは、プロジェクタ装置の光学系により生じ、画質の劣化を表す。この値が大きくなるほど、隣接画素同士の区別が明確でなくなり、所謂ＣＴＦ（Ｃｏｎｔｒａｓｔ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）が小さい画像となる。

本検討において、上記と同様に対角に隣接画素の像がある場合の投射画素の裾野の重なりの評価を行った。その結果を図１３（１２）に示す。
図１３は面積比が０．６４のときの等高線図である。このときの裾野の重なり（図１３中の符号３の８１のところ）は、１５％であった。また、面積比０．０、０．１７、０．３４、０．９２で、裾野の重なりは各々１５％、１９％、１７％、３９％であった。面積比０．９２の結果を除いては、上記の例の２５％を下回っており、隣接する画素の分離がより明確であり、画質として良いという結果である。

図１３のように２つの投射画素プロファイルの間には、隙間（強度が低い領域）が存在することが分かる。これはマイクロレンズ３があることにより、入射光が集光され、１画素のサイズよりも小さくなり、これを（この位置を）投射レンズ７１の物面として、スクリーン６７に投射すると、投射レンズ７１の物面を画素の面とするときよりも小さな像として投射することができる。このように空間光変調装置の１画素の大きさよりも小さな像を投射することにより画像の高精細化が図れる。また、これにより、サイズの小さな画素を作製すること無しに、より小さな画素を作ったのと同等の効果が得られる。このような小さな画素を、ここでは「縮小画素」と呼ぶことにする。

この縮小画素のある投射画像は、例えば、空間光変調装置において全画素が明状態の全白の表示画像であっても、隙間（周期的に）のある画像として、観察者には認識される。

しかしながら、上記のように隙間のある投射画像であっても、プロジェクタ装置内に光束の光路を周期的にシフトさせる画素シフト装置(特に図示しないが、例えば特開２００２−１７４８５２公報等参照)を用いることにより、隙間のない画像として投射することが可能となる。

[第七の実施の形態]
本発明の第七の実施の形態について図１４に基づき説明する。
ここではＦ値が２つの場合を例に説明するが、３つ以上であっても同様である。
図１４（Ａ）は光軸に垂直な方向から、図１４（Ｂ）は光軸からみた遮光部の図である。
マイクロレンズの屈折率はｎ１である。それに隣接し、光入射側の部材の屈折率がｎ０である。これは空気であってもよい。
マイクロレンズのサイズはＤであり、単独の場合、これはマイクロレンズのサイズであるが、マイクロレンズアレイの場合はピッチである。またマイクロレンズの光軸上の長さをＬとする。

また、マイクロレンズは二つの異なる曲率半径ｒ１及びｒ２を有する。第一の曲率半径ｒ１が有効であるのは、ピッチの半分のＤ／２に対してｄとする。また第二の曲率半径ｒ２が有効であるのは、Ｄ／２−ｄである。
また、マイクロレンズは遮光部を有する。これはブラックマトリクスである。
遮光部側には、図示しないが、空間光変調素子の液晶層が設けられている。
マイクロレンズのピッチＤに対して、遮光部の開口のサイズがＡであり、開口率はＡ^２／Ｄ^２で定義される。
ｒ１、ｎ０及びｎ１を用いて、マイクロレンズのｄの部分の焦点距離ｆ１は、ｆ１＝（ｎ０／（ｎ１−ｎ０））×ｒ１であり、またｒ２、ｎ０及びｎ１を用いて、マイクロレンズのＤ／２−ｄの部分の焦点距離ｆ２は、ｆ２＝（ｎ０／（ｎ１−ｎ０））×ｒ２である。
これらから、前記二つのＦ値はｄの部分でＦ_１＝ｆ１／２Ｄであり、Ｄ／２−ｄの部分で、Ｆ_２＝ｆ２／２Ｄであり、二つの異なるＦ値を有する。
また、位置Ｐ１は、ｒ１のレンズの端部であり、位置Ｐ２、はｒ２のレンズの端部である。

ｒ１を大きくして平坦に近づけ、ｒ２を小さく保ち球面とする。上述のように実質的な平坦部では、偏光状態が良好に維持されコントラスト比が向上し、球面の部分は、集光機能を確保する。

また、本実施形態では、遮光層があり、ｒ１、ｒ２、ｎ０、ｎ１、ｄ等のパラメータをより適切な値にしないと、遮光層で遮光される光が生じ、光利用効率が低減する。図１５に基づいて説明する。
入射光は照明角を有し、それをθとする。真中の光線は光軸に平行な光である。位置Ｐ１はｄにより変化し、Ｐ２はマイクロレンズの端であり、変化しない。
Ｐ１、Ｐ２に照明角θの光が入射した場合、それぞれの部材の曲率半径と屈折率とに応じた角度で光は屈折される。
パラメータが適切であれば、図示したように、これら屈折された光は、遮光部で遮光されることなくマイクロレンズを出射し液晶層に入射する。
しかし、パラメータによっては、光は遮光部で遮光され、光利用効率が低下する。

いま、ｎ０＝１（空気）、ｎ１＝１．５１７、Ｄ＝１４μｍ、Ｌ＝３０μｍ、Ａ＝１３μｍとして（これらは固定）、またｒ１＝３０〜１００μｍ、ｒ２＝１０〜３０μｍ、ｄ＝１〜６μｍとして（これからは可変）、またθ＝７°（固定）として、光線追跡計算を行った。
最終的に、マイクロレンズ端部での光線が到達する座標（ｘ、ｙ）を求めた。光軸から（ｘ、ｙ）までの長さが、開口のサイズ以下であれば、光線は遮光されずにマイクロレンズを出射する。またマイクロレンズ出射時の照明角θ’も求めた。
遮光されずにマイクロレンズを透過した光も、後続の光学系により光路が遮断される場合がある。
これは、マイクロレンズの光出射側に投射レンズを設置した場合（図示せず）、この投射レンズのＦ値に対してθ’が小さければ、光はさらに後続のスクリーンに到達するが、逆の場合、光は投射レンズでケラれる。
図１５に示したように６本の光線に関して光線追跡を行い、何本光線が通過するかでパラメータ（最終的にはＦ値）を評価した。だだし、マイクロレンズの光軸からみて、対角線方向で光線を飛ばした。これは、対角線方向が最も長いためである。開口率は８６％である。投射レンズのＦ値は２とした。その結果を表２に示す。

表２において、光線が４本以上通過するのは、Ｆ₁が３．４以上であり、Ｆ₂が２．３≦Ｆ_２≦４．８であることが分る。
Ｆ₁の上限に関しては、完全な平面であってもよく、設けていない。
また通過光線本数は光利用効率に相当し、すなわち、６７％以上である。これは集光機能も考慮されている。

前述したコントラスト比に関する検討から、マイクロレンズの曲率半径とコントラスト比との間には図１６に示す関係があることが分った。
つまり、曲率半径が大きくなるにつれてコントラスト比が向上することを表したものである。自然対数ｌｎを用いて近似できる。
コントラスト比＝ａ×ｌｎ（ｒ）＋ｂと表され、ａ、ｂは光学系に依存する係数である。図１６の例では、ａ＝８３０、ｂ＝−１０４０であった。ここでｒをＦ値としても同様である。

例えば、このグラフから任意のｒ、Ｆ値のコントラスト比が求まる。本発明のように異なる二つのＦ値を有するマイクロレンズにおいては、コントラスト比は、マイクロレンズがすべてＦ₁のとき得られるコントラスト比と、マイクロレンズがすべてＦ_２のとき得られるコントラスト比との間の値となる。
この両コントラスト比の間のどこになるかはＦ_１とＦ_２有効な領域の面積比による。つまり、Ｆ₁が有効な面積Ｓ１＝ｄ^２Π、Πは円周率とＦ_２が有効な面積Ｓ２＝Ｄ^２−Ｓ１との比である。 またこれらをマイクロレンズ全面積の比で表すと、 Ｓ’１＝Ｓ１／Ｄ^２、Ｓ’２＝Ｓ２／Ｄ^２
であり、異なる二つのＦ値を有するマイクロレンズのコントラスト比（ＣＲ：Ｃｏｎｔｒａｓｔ Ｒａｔｉｏ）は
ＣＲ（Ｆ_１）×Ｓ’１＋ＣＲ（Ｆ_２）×Ｓ’２である。

表２のコントラスト比（ｒ１とｒ２）は上記式の係数ａ、ｂをそれぞれ１と０にしたものである。
このようにすれば光学系の値によらず比較できる。またｒ１の時のコントラスト比及びｒ２の時のコントラスト比を併せて示す。
ｒ１とｒ２のコントラスト比がｒ１とｒ２とのコントラスト比の間の値であることが分る。

通過光線本数が多いＦ値のものは、このコントラスト比が大きいものが多い（２後半から３以上）。
光利用効率、集光性能、コントラスト比ともに良好であることが分る。

また、このようなマイクロレンズは、前述したように、研磨せずに平坦部を作る場合と同様な手法、つまり、所望の平坦部のあるフォトマスクを作製し、マイクロレンズを作る基板に対してスピンコータによるレジスト塗布後、リソグラフィでレジストのパターン作成等の行程を実施することにより作製することができる。

本発明の第一の実施の形態のマイクロレンズアレイの構成例を示す模式的な断面図である。 本発明の第二の実施の形態のマイクロミラーアレイの構成例を示す模式的な断面図である。 本発明の第三の実施の形態のマイクロレンズアレイの構成例を示す模式的な断面図である。 本発明の第四の実施の形態のマイクロミラーアレイの構成例を示す模式的な断面図である。 本発明の第五の実施の形態の反射型液晶空間光変調装置の構成例を示す模式的な断面図である。 本発明の第六の実施の形態の反射型液晶空間光変調装置の構成例を示す模式的な断面図である。 本発明の実施の形態に用いられるレンズ素子の平坦部での作用を説明するための図である。 コントラスト比を求める光線追跡計算用の液晶プロジェクタ装置の光学系構成例を示すモデル図である。 面積比とコントラスト比との関係を表すグラフである。 スクリーン上に投射した反射型液晶空間光変調装置の画素の投射像の評価に関する光線追跡計算を行うための光学系構成例を示すモデル図である。 １画素を投射したことに相当するスクリーン上での像（投射像）の例を示す説明図である。 投射画素プロファイルに関して１軸方向で抜き出し、片側だけをプロットして示すグラフである。 対角に隣接画素の像がある場合の投射画素の裾野の重なりの評価を行った結果を示す説明図である。 本発明の第七の実施の形態に用いられるレンズ素子のＦ値が複数設定されている場合の構成を説明するための模式的な図であり、（Ａ）は光軸に垂直な方向での断面図を、（Ｂ）は、光軸側から見た場合の遮光部を示している。 本発明の実施の形態に用いられるレンズ素子の構成上のパラメータと光利用効率との関係を説明するための模式的な断面図である。 本発明の実施の形態に用いるレンズ素子の曲率半径とコントラスト比との関係を説明するためのグラフである。

符号の説明

１ 微小光学素子
３ 光学素子
３ａ 平坦部
１１ 微小光学素子
１３ 光学素子
１３ａ 平坦部
２１ 微小光学素子
２２ 異なる部材
２３ 平坦層
３１ 微小光学素子
３２ 平坦層
４１ 空間光変調装置
５１ 空間光変調装置
ｒ１，ｒ２ 微小光学素子における光入射側の面に設定される半径

Claims (11)

1. 曲面形状により入射光に対して集光機能を有する複数の微小な光学素子を周期的に配列してなり、前記各光学素子の曲面形状の一部に前記入射光に対して実質的な平坦部を有することを特徴とする微小光学素子。
2. 請求項１記載の微小光学素子において、
   前記各光学素子が、凸状の曲面形状の一部に前記実質的な平坦部を有する透過型のレンズ素子であることを特徴とする微小光学素子。
3. 請求項１記載の微小光学素子において、
   前記各光学素子が、凹状の曲面形状の一部に前記実質的な平坦部を有する反射型のミラー素子であることを特徴とする請求項１記載の微小光学素子。
4. 請求項２記載の微小光学素子において、
   前記実質的な平坦部を含む前記凸形状の曲面形状が存在する面側には前記光学素子とは異なる部材を介して前記透光性の平坦層を有することを特徴とする微小光学素子。
5. 前記凹状の曲面形状が存在する面側に充填されて表面が平坦化された透光性の平坦層を有することを特徴とする請求項３記載の微小光学素子。
6. 請求項１，２，４記載の微小光学素子において、
   該微小光学素子として用いられる透過型のレンズ素子は、二つ以上のＦ値を有することを特徴とする透過型のレンズ素子。
7. 請求項６記載の微小光学素子において、
   前記透過型のレンズ素子が有する二つのＦ値をそれぞれＦ₁及びＦ_２で表すと、
   Ｆ_１が３．４以上とされ、Ｆ_２が２．３≦Ｆ_２≦４．８であり、Ｆ_１＞Ｆ_２の関係であることを特徴とする微小光学素子。
8. 請求項１，２，４，６，７のうちの一つに記載の微小光学素子を用いて照明光を画像情報に基づき画素単位で空間光変調して画像光として出射する空間光変調装置であって、
   個々の光学素子が前記画素単位の画素位置に位置合わせされていることを特徴とする空間光変調装置。
9. 請求項１，３，５のうちの一つに記載の微小光学素子を用いて照明光を画像情報に基づき画素単位で空間光変調して画像光として出射する空間光変調装置であって、
   個々の光学素子が前記画素単位の画素位置に位置合わせされていることを特徴とする空間光変調装置。
10. 請求項８または９記載の空間光変調装置を用いるプロジェクタ装置であって、
    前記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射する投影装置を備えていることを特徴とするプロジェクタ装置。
11. 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から出射する光束の光路をシフトさせる画素シフト装置を備えていることを特徴とするプロジェクタ装置。
    

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