JP2005181965A - 空間光変調器及び表示装置及び投射表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フリンジ効果を抑制しコントラスト比の低下を改善することができる空間光変調器と、その空間光変調器を備えた表示装置を実現する。
【解決手段】本発明では、少なくとも透光性基板１０２と、液晶層１０４と、反射画素アレイ１０５とで構成される空間光変調器において、透光性基板１０２には、反射画素アレイ１０５に対応したアレイピッチのレンズアレイ１０２ａが形成され、かつ該レンズアレイが形成された基板１０２と液晶層１０４との間には位相差手段１０３を有する構成とした。これにより、液晶の残留位相差を正しく補正することができ、表示画像のコントラスト比の低下を改善することができる。そして、この空間光変調器１０１を、放射光を放出する光源と、光源から放出された光を均一照明させる照明手段等と組み合せることにより、高輝度でコントラスト比の高い表示装置を実現できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、空間光変調器及びそれを用いた表示装置、投射表示装置に関する。

従来、反射型空間光変調器（例えば反射型液晶表示素子）の透光性基板をレンズアレイとし、このレンズアレイによって画素電極間の配向乱れ領域の光を通さないようにして、高輝度で、高品位の画像を得ることができるようにした表示装置が提案されている（例えば特許文献１参照）。
また、マイクロレンズアレイを用いて透過型液晶表示素子（透過型空間光変調素子）の画素を見かけ上小さくし、ウォブリング素子等の画素ずらし機能によって、複数のサブフレーム画像をスクリーン上で所定位置ずらして表示する光学装置が提案されている（例えば特許文献２参照）。マイクロレンズアレイで画素を見かけ上小さくするのは、画素ずらし機能によってサブフレーム画像間で画素の重なりを抑えるためであり、高精細な画像を得ることができる。
さらに、マイクロレンズとウォブリング素子を用い、マイクロレンズによって液晶表示素子の画素を縮小している構成の光学装置が提案されている（例えば特許文献３参照）。

特開平１１−２５８５８５号公報 特許第３２３９９６９号公報 特開平８−１８６７８０号公報 特許第２７８４６８０号公報 特開平８−２９６１８号公報 特開２００２−３２８４０２号公報 M.Shadt et al., Jpn.J.Appl.Phys,34,3240(1995) P.Lazarev et al. 12th International Symposium, Advanced Display Technologies: Basic Studies of Problems in Information Display (FLOWERS'2003), August 25-28, p.186-189( 2003)

マイクロレンズアレイを空間光変調器（例えば液晶表示素子）に設け、照明光を画素の中心近くに絞って照明する技術が知られている。これは画素間の非画素部への照明光を画素部に導き、光利用効率を高めたり、画素周辺部の電界不均一性に基づくフリンジ効果によるコントラスト低下を抑制する目的で行われる。
一方、画素ずらし素子を搭載した表示装置も知られている。これは、投射光の光路中に光路を高速でシフトさせる画素ずらし素子を設け、空間光変調器の画像更新に同期させて画素ずらし素子を、例えば光路が画素の半ピッチ分シフトさせるように動作させることで、空間光変調器の画素数の整数倍の画素数を表示できるようにしたものである。このような装置においては、投射画素の重なりを低減し、解像度性能を上げる目的でマイクロレンズアレイを設けた空間光変調器およびそれを用いた表示装置の開発が行われている。

上述のようなマイクロレンズを設けた空間光変調器においては、マイクロレンズの幾何光学的な性能はもとより、高コントラストを維持することが必要である。空間光変調器を用いたプロジェクターのような画像表示装置においては、照明光を空間光変調器に導き、該空間光変調器によって変調された画像光を投影するように構成される。均一な画像を得るためには照明光は空間光変調器を均一に照明する必要があり、そのため、フライアイレンズやロッドレンズ等のインテグレータ照明系が用いられる。
このような照明光学系においては、照明光は光学系のＦ値で定まる様々な入射角をもって光変調器を照明することになる。このような光学系の場合、高入射角成分の光はマイクロレンズによって偏光面が変化してしまう。
また、このような画像表示装置において、さらにコントラストを高めるために位相差板を光路内に設け、光変調器の残留位相差を解消したり、偏光ビームスプリッターなどの偏光分離素子によるスキュー光を補正するようなことがなされている。
本発明者等は、このような照明系および補償用の位相差板を用いた光学系において、マイクロレンズの曲率が小さく、レンズパワーが大きい場合に、コントラストが低下してしまう問題があることを見いだした。この現象は、偏光の回転により、特に高入射角成分の補償条件がずれることにより生ずることが分かった。また、反射型の空間光変調器においては、このような系において、入射時と出射時の位相板に対する入射角が異なってしまい、さらにコントラストが低下するという問題があることが分かった。

さらに、マイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）を用いて空間光変調素子の画素を見かけ上小さくし、ウォブリング素子等の画素ずらし機能によって、複数のサブフレーム画像をスクリーン上で所定位置ずらして表示する表示装置の場合、マイクロレンズアレイで光を屈折するときに、光の入射面と偏光の振動面が平行（もしくは直交）とならない光線が必ず存在する。この場合、入射光が直線偏光であっても屈折面でｐ偏光成分とｓ偏光成分がある。ｐ偏光とｓ偏光のそれぞれの透過率は異なるために屈折後の偏光面は回転される。このため、マイクロレンズアレイを通過した光は偏光状態が揃わなくなる。したがって、このような光が空間光変調素子に入射されると、暗状態の場合の変調光（本来、投写レンズまで到達しない光）が光漏れを起こし表示面まで到達し、表示画像のコントラスト比を低下させていた。

そこで、空間光変調器において光利用効率向上などのためにマイクロレンズアレイを用いる場合に、レンズの屈折で偏光面が回転し、表示画像のコントラスト比が低下するという問題を解消することを目的として、本発明者らは、レンズアレイの屈折力を有する面に減反射手段を施した空間光変調器（液晶表示装置）、または、これと画素ずらし素子とを用いた表示装置を提案している。この発明では、複数の画素を有し、各画素に入射された光の偏光状態または光強度を変調することによって画像を形成する空間光変調素子からなる空間光変調器において、前記空間光変調素子の画素ピッチと等しいアレイピッチを有するマイクロレンズアレイを空間光変調素子の近傍に配置し、かつ、前記マイクロレンズアレイの屈折力を有する面に、表示画像のコントラスト比の低下を低減するための減反射手段を設けたことを特徴としている。すなわち、マイクロレンズアレイによる光線の屈折時に偏光解消（偏光面がわずかに回転）し、コントラスト比を低下させる現象を低減させている。

しかし、この発明では、例えばλ／４板を用いる表示装置の場合に、λ／４板をマイクロレンズアレイと液晶層との間に配置させることは考慮していなかった。
また、位相差板が偏光分離手段とマイクロレンズアレイの間に配置された場合、位相差板内部を進む光線の角度は照明光と作像光では異なる。作像光の光線の広がりは照明光の光線の広がりよりも大きい。このため、照明光と作像光で位相差が異なり、これが原因となって黒表示が明るくなりコントラストを低下させていた。このコントラストの低下を抑えることは、マイクロレンズアレイの屈折面を減反射処理しただけでは不十分であった。

本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、フリンジ効果を抑制しコントラスト比の低下を改善することができる構成の空間光変調器と、その空間光変調器を備えた表示装置（投射表示装置）を提供することを目的とし、さらには、製造が容易な空間光変調器と、その空間光変調器を備えた表示装置（投射表示装置）を提供することを目的とする。
また、画素ずらし素子搭載の表示装置（投射表示装置）において、画像を形成する空間光変調器の整数倍の画素数を表示でき、かつ、表示隣接画素間の重なりを低減することが可能で、かつ、コントラスト比の高い表示装置（投射表示装置）を提供することを目的とする。

前記目的を達成するための手段として、本発明では以下のような構成を採用したものである。
本発明の第１の構成は、少なくとも透光性基板と液晶層と画素アレイとで構成される空間光変調器において、前記透光性基板と前記液晶層との間には位相差手段を有することを特徴とするものである（請求項１）。
また、本発明の第２の構成は、第１の構成の空間光変調器であって、前記画素アレイはアレイ状の画素電極で構成され、前記透光性基板には、前記画素電極に対応したアレイピッチのレンズアレイが形成され、かつ該レンズアレイが形成された基板と前記液晶層との間には位相差手段を有することを特徴とするものである（請求項２）。

本発明の第３の構成は、空間光変調器を用いた表示装置であり、放射光を放出する光源と、該光源から放出された光を均一照明させる照明手段と、第１または第２の構成の空間光変調器を備えたことを特徴とするものである（請求項３）。
また、本発明の第４の構成は、空間光変調器を用いた表示装置であり、放射光を放出する光源と、該光源から放出された光を均一照明させる照明手段と、偏光分離手段と、第１または第２の構成の空間光変調器を備えたことを特徴とするものである（請求項４）。

本発明の第５の構成は、放射光を放出する光源と、該光源から放出された光を均一照明させる照明手段と、偏光分離手段と、アレイ状に配列された画素で画像を形成する空間光変調素子と該空間光変調素子の画素配列に応じた配列のレンズアレイと位相差板とで構成される空間光変調器と、画素ずらし素子とを備えた表示装置において、前記位相差板は、前記レンズアレイと前記空間光変調素子との間に配置されたことを特徴とするものである（請求項５）。
また、本発明の第６の構成は、第５の構成の表示装置において、前記偏光分離手段は偏光ビームスプリッタで構成され、前記位相差板はλ／４板であることを特徴とするものである（請求項６）。
また、本発明の第７の構成は、第５の構成の表示装置において、前記偏光分離手段はワイヤーグリッド偏光子で構成されたことを特徴とするものである（請求項７）。
さらに本発明の第８の構成は、第５〜７の構成の何れか一つの表示装置において、前記空間光変調素子は、透光性基板と、液晶層と、反射画素アレイとで構成される液晶表示素子であることを特徴とするものである（請求項８）。

本発明の第９の構成は、第５〜８の構成の何れか一つの表示装置において、前記空間光変調器を構成するレンズアレイと位相差板及び空間光変調素子は一体に構成されたことを特徴とするものである（請求項９）。
また、本発明の第１０の構成は、第９の構成の表示装置において、前記空間光変調器は、少なくともレンズアレイ基板と、反射画素電極を含む下側基板と、前記レンズアレイ基板と下側電極に挟持された液晶とで構成される反射型液晶表示素子であり、前記レンズアレイ基板の液晶層側に斜方蒸着で位相差膜が設置されたことを特徴とするものである（請求項１０）。
また、本発明の第１１の構成は、第９の構成の表示装置において、前記空間光変調器は、少なくともレンズアレイ基板と、反射画素電極を含む下側基板と、前記レンズアレイ基板と下側電極に挟持された液晶とで構成される反射型液晶表示素子であり、前記レンズアレイ基板の液晶層側に構造性複屈折で位相差板の構造が設置されたことを特徴とするものである（請求項１１）。

本発明の第１２の構成は、第１の構成の空間光変調器であって、透光性で、かつその表面ないし内部に集光機能を有するレンズアレイを備えた基板と、レンズアレイピッチに対応したアレイピッチを有する画素電極を有するスイッチング素子アレイ基板と、両基板に狭持された光変調用液晶層とから構成され、前記レンズアレイと液晶層の間に液晶状態の配向が固定化された位相差手段を設けたことを特徴とするものである（請求項１２）。

本発明の第１３の構成は、第１２の構成の空間光変調器において、前記位相差手段が、配向した高分子液晶膜をガラス状態に冷却して得られる配向固定化された高分子液晶膜であることを特徴とするものである（請求項１３）。
また、本発明の第１４の構成は、第１２の構成の空間光変調器において、前記位相差手段が、配向された重合性基を有する液晶の重合膜または架橋膜であることを特徴とするものである（請求項１４）。
また、本発明の第１５の構成は、第１２の構成の空間光変調器において、前記位相差手段が、配向したリオトロピック液晶の結晶化膜であることを特徴とするものである（請求項１５）。

本発明の第１６の構成は、第１３〜１５の構成の何れか一つの空間光変調器において、前記位相差手段に隣接する基板表面に液晶を配向させるための配向処理が施されていることを特徴とするものである（請求項１６）。
また、本発明の第１７の構成は、第１３〜１５の構成の何れか一つの空間光変調器において、前記位相差手段が別基板上で形成された膜を基板上に転写することで形成されてなることを特徴とするものである（請求項１７）。
また、本発明の第１８の構成は、第１３〜１７の構成の何れか一つの空間光変調器において、前記レンズアレイ基板に光変調用液晶層に電圧を印加するための透明電極が形成されてなり、前記位相差手段を介して光変調用液晶層に電圧を印加するよう構成されたことを特徴とするものである（請求項１８）。
さらに、本発明の第１９の構成は、第１８の構成の空間光変調器において、前記位相差手段に光変調用液晶層を配向させるための配向処理が施されたことを特徴とするものである（請求項１９）。

本発明の第２０の構成は、第１３〜１７の構成の何れか一つの空間光変調器において、前記位相差手段と光変調用液晶層の間に透光性の中間層を設けたことを特徴とするものである（請求項２０）。
また、本発明の第２１の構成は、第２０の構成の空間光変調器において、前記中間層の光変調用液晶層と接する側に、透明電極と光変調用液晶層を配向させるための配向処理が施されたことを特徴とするものである（請求項２１）。
また、本発明の第２２の構成は、第２０の構成の空間光変調器において、前記中間層が透明電極であり、該中間層の光変調用液晶層と接する側に光変調用液晶層を配向させるための配向処理が施されたことを特徴とするものである（請求項２２）。

本発明の第２３の構成は、第１２〜２２の構成の何れか一つの空間光変調器において、前記画素電極が光反射部材で構成されたことを特徴とするものである（請求項２３）。
また、本発明の第２４の構成は、第１２〜２３の構成の何れか一つの空間光変調器において、前記位相差手段が、λ／４板であることを特徴とするものである（請求項２４）。
さらに、本発明の第２５の構成は、第１２〜２３の構成の何れか一つの空間光変調器において、前記位相差手段が、光変調用液晶層のオン状態またはオフ状態の残留位相差を補償する位相差を有することを特徴とするものである（請求項２５）。

本発明の第２６の構成は、第１の構成の空間光変調器であって、透光性基板と、画素電極を有するスイッチング素子アレイ基板と、両基板に挟持された光変調用液晶層とから構成され、前記透光性基板と前記光変調用液晶との間に外場によって配向状態調整可能な位相差手段を設け、前記配向調整後に配向状態が固定化されたことを特徴とするものである（請求項２６）。
また、本発明の第２７の構成は、第２６の構成の空間光変調器において、前記位相差手段が、前記配向状態調整時に位相差手段厚さ方向の電界印加によって位相差手段面内方向で配向方位を制御可能な液晶性配向制御膜と、硬化型液晶層とからなることを特徴とするものである（請求項２７）。

本発明の第２８の構成は、第２７の構成の空間光変調器において、前記位相差手段は、配向膜と、前記液晶性配向制御膜としてスメクチックＡ相でエレクトロクリニック効果を示す液晶層と、光硬化型液晶層とで構成されたことを特徴とするものである（請求項２８）。
また、本発明の第２９の構成は、第２７の構成の空間光変調器において、前記位相差手段は、配向膜と、前記液晶性配向制御膜として高分子安定化スメクチックＣ相強誘電性液晶層と、光硬化型液晶層とで構成されたことを特徴とするものである（請求項２９）。

本発明の第３０の構成は、第２８または２９の構成の空間光変調器において、前記位相差手段のうち、配向膜を無くした構成であることを特徴とするものである（請求項３０）。
また、本発明の第３１の構成は、第２８〜３０の構成の何れか一つの空間光変調器において、前記光硬化型液晶の誘電異方性は、Δεが実質的に０であることを特徴とするものである（請求項３１）。
さらに、本発明の第３２の構成は、第２６〜３１の構成の何れか一つの空間光変調器において、前記透光性基板が前記スイッチング素子アレイの配列に応じた配列で形成されたレンズアレイ基板であることを特徴とするものである（請求項３２）。

本発明の第３３の構成は、空間光変調器を用いた表示装置であり、放射光を放出する光源と、該光源から放出された光を均一照明させる照明手段と、偏光分離手段と、第１２〜３２の構成の何れか一つの空間光変調器を備えたことを特徴とするものである（請求項３３）。
また、本発明の第３４の構成は、第３３の構成の表示装置において、前記空間光変調器からの出射光路中に、光路をシフトまたは曲折させる画素ずらし素子を備え、レンズアレイによって縮小された画素からなる画像情報を時間的に表示位置を変えることで表示を行うことを特徴とするものである（請求項３４）。
さらに、本発明の第３５の構成は、第３〜１１、３３、３４の構成の何れか一つの表示装置と、該表示装置の表示画像を投射する投射レンズとを備えたことを特徴とするものである（請求項３５）。

第１の構成の空間光変調器では、位相差板を透光性基板と液晶層の間に配置しているため、液晶の残留位相差を正しく補正することができる。
第２の構成の空間光変調器では、レンズアレイの効果で高輝度で高品質の表示ができ、かつ、位相差板をレンズアレイ基板と液晶層の間に配置しているため、液晶の残留位相差を正しく補正することができる。

第３、第４の構成の表示装置では、レンズアレイの効果で高輝度で高品質の表示ができ、かつ、位相差板をレンズアレイ基板と液晶層の間に配置しているため、液晶の残留位相差を正しく補正することができ、表示画像のコントラスト比の低下を改善することができる。

第５、第８の構成の表示装置では、画素ずらし素子とレンズアレイによって空間光変調素子の解像度以上の画素を表示することが可能となり、かつ、位相差板がレンズアレイと空間光変調素子との間に配置されるため、高コントラスト比の表示が可能になる。
第６、第８の構成の表示装置では、画素ずらし素子とレンズアレイによって空間光変調素子の解像度以上の画素を表示することが可能となり、かつλ／４板がレンズアレイと空間光変調素子との間にあるため、偏光ビームスプリッタへの斜め入射光のコントラスト低下を防ぐためのλ／４板の機能を十分に発揮でき、コントラスト比を高くすることができる。
第７、第８の構成の表示装置では、画素ずらし素子とレンズアレイによって空間光変調素子の解像度以上の画素を表示することが可能となり、かつ位相差板がレンズアレイと空間光変調素子との間にあるため、空間光変調素子（液晶表示素子）の残留位相差を解消することができ高コントラスト比となる。

第９、第１０の構成の表示装置では、画素ずらし素子とレンズアレイによって空間光変調素子（液晶表示素子）の解像度以上の画素を表示することが可能となり、かつ位相差板が成膜で作製できレンズアレイが液晶に極めて近く設置できることにより、光利用効率を高くした高精細の表示ができる。
第９、第１１の構成の表示装置では、画素ずらし素子とレンズアレイによって空間光変調素子（液晶表示素子）の解像度以上の画素を表示することが可能となり、かつ位相差板を構造性複屈折で作製するため、レンズアレイが液晶に極めて近く設置できることにより、光利用効率を高くした高精細の表示ができる。

第１２の構成の空間光変調器では、高い画素縮小性能と高コントラストを両立した空間光変調器を提供することができる。また、液晶状態の配向が固定化された位相差手段を用いることで、変調器内部に位相差手段を形成するのが容易であり、位相差手段を薄く形成することができる。また、温度等に対して安定で均一な位相差手段が得られる。

第１３の構成の空間光変調器では、第１２の構成の効果に加え、位相差手段の好ましい構成を提供できる。また、製造が容易であり、高い温度安定性と高い配向性が得られる。
第１４の構成の空間光変調器では、第１２の構成の効果に加え、位相差手段の好ましい構成を提供できる。また、製造が容易であり、高い温度安定性と高い配向性が得られる。さらに、材料の選択によっては、第１３の構成より高い安定性の位相差手段を得ることができる。
第１５の構成の空間光変調器では、第１２の構成の効果に加え、位相差手段の好ましい構成を提供できる。また、製造が容易であり、最終的に形成された膜は結晶であるので、さらに高い安定性を持つ位相差手段を得ることができ、特に使用が高温となるプロジェクター用途に適した空間光変調器を得ることができる。

第１６の構成の空間光変調器では、第１３〜１５の構成の何れかの効果に加え、均一な位相差手段の配向を、簡便な方法で得ることができる。
第１７の構成の空間光変調器では、第１３〜１５の構成の何れかの効果に加え、位相差手段を配向させるための配向処理が不要となり、位相差手段の塗布法の選択の幅が広がる。
第１８の構成の空間光変調器では、第１３〜１７の構成の何れかの効果に加え、位相差手段の高い配向性を活かして、位相差手段を薄く構成することができるので、位相差手段を介した電圧印加が可能となる。また、簡単な構成で位相差手段を内蔵した空間光変調器を構成することができる。
第１９の構成の空間光変調器では、第１８の構成の効果に加え、表示用液晶層と位相差手段が隣接した構成において、位相差手段の配向方向に依存しない任意の配向を表示用の液晶に付与できる利点がある。また、位相差手段に直接配向処理を施した構成では、製造容易な単純な構成で表示用液晶の配向を制御できるという利点がある。

第２０の構成の空間光変調器では、第１３〜１７の構成の何れかの効果に加え、位相差手段と表示用液晶が接触することによるコンタミネーションや双方のダメージを防止し、高信頼性の空間光変調器を得ることができる。
第２１の構成の空間光変調器では、第２０の構成の効果に加え、中間層を有する構成での具体的な電圧印加方法と液晶配向制御方法を提供できる。
第２２の構成の空間光変調器では、第２０の構成の効果に加え、中間層を透明電極で兼ねる構成を提供でき、より簡略化された構成で高信頼性の空間光変調器を得ることができる。また、レンズの主点と液晶層が近接しているため、光学設計の自由度が増し、より高い縮小率を得ることができる。

第２３の構成の空間光変調器では、第１２〜２２の構成の何れかの効果に加え、反射型の空間光変調器に本発明を適用することで、大幅なコントラストの改善が行える。
第２４の構成の空間光変調器では、第１２〜２３の構成の何れかの効果に加え、位相差手段の好ましい位相差値を提供することができる。また、偏光ビームスプリッター用いた系のようなスキュー光によるコントラスト低下の問題がある光学系に対して適用することで、画素縮小を行っても高いコントラストを維持することができる。
第２５の構成の空間光変調器では、第１２〜２３の構成の何れかの効果に加え、位相差手段の好ましい位相差値を提供することができる。また、残留位相差によって高コントラストが得られにくい空間光変調器に適用することで、画素縮小を行っても高いコントラストを維持することができる。

第２６〜２９の構成の空間光変調器では、位相差手段を空間光変調器に一体化することができ、かつ、位相差手段の遅相軸を回転調整してから遅相軸を固定することができ、コンパクトな空間光変調器となる。
第３０の構成の空間光変調器では、第２６〜２９の構成の効果に加え、位相差手段を達成するための層構成を少なくすることが可能となる。
第３１の構成の空間光変調器では、第３０の効果に加え、硬化型液晶が、配向方位を制御可能な液晶層を電界印加で制御中であっても配向方位を制御可能な液晶層の配向に揃うため、所望の位相差を確実に実現できる。
第３２の構成の空間光変調器では、第２６〜３１の構成の何れかの効果に加え、位相差手段の遅相軸を回転調整してから遅相軸を固定することが可能となるため、厳密な位相補正が可能となる。

第３３の構成の表示装置では、第１２〜３２の何れかの構成の高コントラスト比の空間光変調器を用いることで、高コントラストの表示装置を実現できる。
第３４の構成の表示装置では、第１２〜３２の何れかの構成の高コントラスト比の空間光変調器と、画素ずらし素子を用いたことにより、高コントラストで、空間光変調器の画素数より高精細な画像表示を行なうことができる表示装置を実現できる。
第３５の構成の投射表示装置では、高コントラスト、高光利用効率の高精細な投射表示を行なうことができる投射表示装置を実現することができる。

［実施形態１］
まず、本発明の第１〜１１の構成の空間光変調器及び表示装置の実施形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は実施形態１の構成例を示す空間光変調器の概略要部断面図である。この空間光変調器１０１は、レンズアレイ１０２ａが形成されたレンズアレイ基板１０２と、位相差板１０３と、液晶層１０４と、反射画素アレイである画素反射電極１０５と、シリコンバックプレーン１０６で構成されている。図示しないが、位相差板１０３と液晶層１０４との間には透明電極と配向膜が形成されている。また、画素反射電極１０５と液晶層１０４との間にも配向膜が形成されている。なお、このような液晶素子を用いた画像表示用の空間光変調器を液晶ライトバルブという。

レンズアレイ１０２ａは入射光（図１でレンズアレイ１０２ａの左側から入射する光であるが、図示を省略する）を集光ぎみにして対応する画素反射電極１０５に照射する。このため、画素反射電極間（隙間）の液晶分子が配向不良となる領域の光量（照度）が減る。したがって良好な配向状態の液晶分子を光が通過でき、かつ電極の隙間への光量が減り光利用効率も高まる。また、位相差板１０３は液晶層１０４の残留位相差を補正するために用いられる。

前述の従来例（特許文献１）では位相差板を配置するためには、図１のレンズアレイの手前側（図中の左側）に配置するしかなかった。この場合、位相差板への入射光の角度と、反射画素電極で反射されてレンズアレイを通過した復路の光線の角度が異なり、往復の位相差が異なって正しく残留位相差を補正できなかった。これに対して本構成の配置では、位相差板１０３への往路と復路の光線の角度は一致するため、正しく残留位相補正ができる。

位相差板１０３は、例えば、斜方蒸着による複屈折膜が利用できる。また、図示を省略するが、本構成の空間光変調器１０１に光源と照明光学系を追加して表示装置を構築することができる。この場合の効果は前述の通りである。さらに、偏光ビームスプリッタのような偏光分離素子を配置した表示装置も構築することができる。

次に、本発明の第５〜１１の構成に係る表示装置は、放射光を放出する光源と、該光源から放出された光を均一照明させる照明手段と、偏光分離手段と、アレイ状に配列された画素で画像を形成する空間光変調素子と該空間光変調素子の画素配列に応じた配列のレンズアレイと位相差板とで構成される空間光変調器と、画素ずらし素子とを備え、前記位相差板は前記レンズアレイと前記空間光変調器との間に配置されたことを特徴とするが、この表示装置の効果を検証するための実験を行ったので説明する。

図２、図３は実験１を説明するための表示装置の光学系配置を示す図である。実験１では偏光分離素子として偏光ビームスプリッタ１２を用いた。照明光１６ａはダイクロイックフィルターを用いて白色放電ランプの光を緑色の光に制限した。偏光ビームスプリッタ１２の直前には偏光板１１ａを透過軸が紙面に垂直となるように配置した。図２の構成では、空間光変調器の部分は、位相差板（λ／４板）１３、マイクロレンズアレイ１４、反射型液晶表示素子（空間光変調素子）１５の順に配置する。λ／４板１３は紙面と非平行となる照明光のコントラスト低減を図るために用いられる。反射型液晶表示素子１５の作像光１６ｂはマイクロレンズアレイ１４、位相差板１３、偏光ビームスプリッタ１２を経て透過軸を紙面に平行にした偏光板１１ｂを通過して投射レンズ１７で拡大投射した。投影面のほぼ中心に照度計１８を置いた。コントラスト比は、液晶表示素子１５で全面明表示と全面暗表示を表示させ、各々の照度の比をとった値とした。

まず、マイクロレンズアレイ１４を図２の光学系から外してコントラスト比を測定した。次にマイクロレンズアレイ１４を戻してコントラスト比を測定すると、外した場合のコントラスト比に対して相対比１５．６％と低下するが、マイクロレンズアレイ１３とλ／４板１４の配置順を逆転させて、図３の構成のように空間光変調器の部分をマイクロレンズアレイ１４、位相差板（λ／４板）１３、反射型液晶表示素子（空間光変調素子）１５の順に配置すると、相対比４２．４％まで向上した。

次に、図４、図５は実験２を説明するための表示装置の光学系配置を示す図であり、図２、図３と同符号のものは同じ構成部材である。実験2では偏光分離素子としてワイヤーグリッド偏光子２１（Moxtek社製、商品名Proflux）を使用した。図４、図５で用いる位相差板２２は反射型液晶表示素子１５の残留位相差を低減させるために用いられる。位相差（リタデーション）は２０ｎｍのものを使用した。

実験1と同様に、マイクロレンズアレイ１４を光学系から外した場合のコントラスト比を測定したところ、偏光ビームスプリッタの場合と比較して相対比１４６％となった。次に図４のように、位相差板２２と反射型液晶表示素子１５との間にマイクロレンズアレイ１４を配置すると相対比２１％に低下したが、図５に示すように位相差板２２とマイクロレンズアレイ１４の配置順を逆にして配置すると相対比１３４％にまで向上した。

以上の実験１と実験２の結果を下記の表１にまとめて示す。この実験結果から明らかなように、位相差板１３（２２）の位置をマイクロレンズアレイ１４と反射型液晶表示素子１５との間に配置する（図３、図５の構成）ことによって、マイクロレンズアレイ１４によるコントラスト比の低下を抑制することができた。なお、図３、図５の構成において、空間光変調器を構成するマイクロレンズアレイ１４と位相差板１３（２２）及び空間光変調素子（反射型液晶表示素子）１５は一体に構成することができる。

［実施例１］
次に実施形態１の空間光変調器を用いた表示装置（投射表示装置）の具体的な実施例について説明する。

（実施例１−１）
図６は実施形態１の一実施例を示す表示装置の概略構成図である。この表示装置は、偏光分離手段と、マイクロレンズアレイ１４と位相差板１３と反射型液晶表示素子１５とで構成される空間光変調器と、画素ずらし素子１９と、投射レンズ１７と、光源及び照明光学系（図示せず）から構成されている。
光源としては放電ランプを用いることができる。照明光学系は光源から放出された光を液晶表示素子１５に均一照明させるために用いられ、例えばフライアイインテグレータを利用することができる。偏光分離手段は２枚の偏光板１１ａ，１１ｂと偏光ビームスプリッタ１２で構成される。偏光板１１ａは透過軸を紙面に垂直とし、偏光板１１ｂの透過軸は紙面に平行方向とする。位相差板１３はλ／４板である。また、水晶などの複屈折板を利用することができる。

反射型液晶表示素子１５は、透光性基板と液晶層と反射画素アレイ（画素反射電極）とで構成され、画素が２次元に配列され、各画素への印加電圧を制御することで入射偏光状態を変化させることができ、これによって画像が作像される。この画素配列とマイクロレンズアレイ１４のアレイ配列を同じに設定すると、マイクロレンズアレイ１４の各レンズアレイの屈折により、見かけ上、液晶表示素子１５の画素を小さくすることができる。画素ずらし素子１９は作像光の光軸を１／２画素ピッチ分シフトさせる。例えば、画素ずらし素子１９として、透明平行平板を圧電素子で傾斜方位を時間毎に変化させ、これに液晶表示素子１５の画像を同期して表示させる。このように画素ずらし素子１９は液晶表示素子１５の解像度の整数倍の画素を表示させる働きを有する。また、マイクロレンズアレイ１４により画素を小さくするため、画素ずらしによる投射隣接画素同士の重なりは低減される。なお、２枚の偏光板１１ａ，１１ｂは必ずしも必要ではない。

照明光１６ａは偏光板１１ａで紙面に垂直な直線偏光となり、偏光ビームスプリッタ１２で反射される。マイクロレンズアレイ１４を通過した光は、照明光の光線の広がりより大きくなる。λ／４板１３は斜めの光線（紙面に非平行な光線）の暗表示（黒表示）の際に投射レンズ側に光が洩れないようにするために用いられる。図６の構成では、空間光変調器のλ／４板１３がマイクロレンズアレイ１４と液晶表示素子１５の間に配置されているため、照明光１６ａと作像光１６ｂで光線の広がりが等しく斜め入射光線への位相の与え方が等しい。このため、前述の実験結果の通り、コントラスト比の低下を低減させることが可能である。

図６では空間光変調器が１つの構成であるが、３つの空間光変調器を用いてカラー画像を表示する場合には、図１０に示すような構成にする。すなわち、照明用の白色光を図示しないダイクロイックフィルタなどで例えば赤、緑、青の３色の光（１６ｒ，１６ｇ，１６ｂ）に色分解する。そして各色の光をそれぞれ偏光ビームスプリッタ５２ｒ，５２ｇ，５２ｂ、マイクロレンズアレイ５４、λ／４板５３ｒ，５３ｇ，５３ｂ、液晶表示素子１５の順に進ませる。そして液晶表示素子１５による各色の作像光は偏光ビームスプリッタ５２ｒ，５２ｇ，５２ｂを経てダイクロイックプリズム５１で色合成され、合成光１６は画素ずらし素子１９、投射レンズ５７をへてスクリーン（図示せず）に投影される。これによりスクリーン上にカラー画像を表示することができる。

（実施例１−２）
図７は実施形態１の別の実施例を示す表示装置の概略構成図である。本実施例で実施例１−１と異なるのは、偏光分離手段の構成部品で偏光ビームスプリッタがワイヤーグリッド偏向子２１に置き換わり、λ／４板よりはリタデーションの小さい位相差板２２を用いたことであり、投射レンズ２３はバックフォーカスの長いレンズに置き換わっている。これら以外は実施例１と同様である。
位相差板２２は、前述の実験１で用いたものと同じで液晶表示素子１５の残留位相を補正するために用いられる。リタデーションは２０ｎｍ程度のものを用いる。なお、液晶表示素子１５の特性が異なれば位相差板２２の最適なリタデーションは変わることが十分考えられる。

本実施例でも実施例１−１と同様に、画素ずらし素子１９によって液晶表示素子１５の画素ピッチの半分の量だけ光軸が周期的に切り換わる。これに同期して液晶表示素子１５の画像を切り替え、見かけ上、液晶表示素子１５の解像度の整数倍の画像を表示することができる。投射画素はマイクロレンズアレイ１４による見かけ上の画素を小さくする効果によって、隣接画素との光の重なりが減って高精細な画像を表示することができる。また、前述の実験２の結果のように、マイクロレンズアレイ１４と液晶表示素子１５との間に位相差板２２を配置するため、マイクロレンズアレイによるコントラスト比の低下を改善させることができる。

（実施例１−３）
図８は実施形態１のさらに別の実施例を示す表示装置の概略構成図である。なお、図８では偏光分離素子３０と空間光変調器３１の部分を拡大して図示しており、それ以外の構成部品の図示は省略している。偏光分離素子３０としては、偏光ビームスプリッタを用いるタイプでも、ワイヤーグリッド偏光子を用いるタイプでも良い。
本実施例では、空間光変調器３１を構成するマイクロレンズアレイと位相差板及び空間光変調素子は一体に構成されており、例えば図１に示した構成の空間光変調器１０１と同様の構成である。すなわち、この空間光変調器３１は、マイクロレンズアレイ３２ａが形成されたマイクロレンズアレイ基板３２と、反射画素アレイである画素反射電極３５が形成されたシリコンバックプレーン３６との間に、液晶層３４が封入されている構成の反射型液晶表示素子であり、マイクロレンズアレイ基板３２の液晶層側の面には斜方蒸着で複屈折層（位相差板として機能する位相差膜）３３が形成されている。偏光分離素子３０に偏光ビームスプリッタが用いられている場合には複屈折層３３はλ／４のリタデーションで遅相軸または進相軸が図８の紙面に平行（照明光１６ａの光軸と投射光１６ｂの光軸が含まれる平面に平行）となるように設定する。また、ワイヤーグリッド偏光子を偏光分離素子に用いる場合には、複屈折層３３のリタデーションは、例えば２０ｎｍ程度に設定する。

本実施例の構成によれば、画素ずらし素子（図示せず）とマイクロレンズアレイ３２ａにより高精細表示が実現でき、位相差板機能を反射型液晶表示素子（空間光変調器）３１のマイクロレンズアレイ基板３２と液晶層３４との間に配置することで、コントラスト比の低減を抑えることができる。また、これらの効果以外にも、マイクロレンズアレイと液晶表示素子の画素が極めて近くに設置でき、隣接画素ミラーからの光の周り込みを少なくすることができ、照明光の光線の広がりを比較的大きくすることができ、表示装置の光利用効率を高くすることができる。

（実施例１−４）
図９は実施形態１のさらに別の実施例を示す表示装置の概略構成図である。なお、図９では偏光分離素子３０と空間光変調器４１の部分を拡大して図示しており、それ以外の構成部品の図示は省略している。
本実施例では、空間光変調器４１を構成するマイクロレンズアレイと位相差板及び空間光変調素子は一体に構成されており、図１に示した構成の空間光変調器１０１と略同様の構成である。すなわち、この空間光変調器４１は、マイクロレンズアレイ３２ａが形成されたマイクロレンズアレイ基板３２と、反射画素アレイである画素反射電極３５が形成されたシリコンバックプレーン３６との間に液晶層３４が封入されている構成の反射型液晶表示素子であり、マイクロレンズアレイ基板３２の液晶層側面には、位相差板の機能を有する構造性複屈折４２が形成されている。構造性複屈折４２としては、マイクロレンズアレイ基板３２の平面側の基板表面に波長以下の微細周期構造を作製することによって形成でき、複屈折性を持たせることができる。

本実施例の構成によれば、画素ずらし素子（図示せず）とマイクロレンズアレイ３２ａにより高精細表示が実現でき、位相差板機能を反射型液晶表示素子（空間光変調器）３１のマイクロレンズアレイ基板３２と液晶層３４との間に配置することで、コントラスト比の低減を抑えることができる。また、これらの効果以外にも、マイクロレンズアレイと液晶表示素子の画素が極めて近くに設置でき、隣接画素ミラーからの光の周り込みを少なくすることができ、照明光の光線の広がりを比較的大きくすることができ、表示装置の光利用効率を高くすることができる。

［実施形態２］
次に本発明の第１２〜２５の構成の空間光変調器及び第３３〜３４の構成の表示装置の実施形態を図面を参照して詳細に説明する。
前述の実施形態１では、空間光変調器のマイクロレンズアレイと液晶層の間に位相差手段を有する空間光変調器およびそれを用いた表示装置を示した。しかしながら、実施形態１では、構造性複屈折を利用した位相差板または斜方蒸着膜からなる位相差板を示したが、液晶状態の配向が固定化された位相差手段については触れ無かった。また、構造性複屈折を利用した位相差板または斜方蒸着膜からなる位相差板においても液晶状態の配向が固定化された位相差手段を実現することは可能であるが、製造プロセスが複雑であり、コスト増加につながる。そこで本実施形態２では、製造容易な空間光変調器およびそれを用いた表示装置を実現するものである。

図１１は空間光変調器の一例を示す概略要部断面図である。この空間光変調器２０１は、レンズアレイ基板２０２と、位相差手段２０３と、その電気光学効果によって画像表示を行う光変調用液晶層２０４と、画素電極２０５と、各画素に対応してスイッチング用のトランジスタが形成されたスイッチング素子アレイ基板２０６で構成されている。図示しないが、位相差手段２０３と光変調用液晶層２０４との間には液晶に電圧を印加するための透明電極と、液晶を所望の方向に配向させるための配向膜が形成されている。また、画素電極２０５と液晶層２０４との間にも配向膜が形成されている。

レンズアレイ基板２０２はマイクロレンズアレイを有し、そのマイクロレンズは、そのピッチがスイッチング素子アレイ基板２０６の画素電極２０５によって定まる画素のピッチと等しくなるよう設けられ、入射光（図１１でレンズアレイ２０２の左側から入射する光（図示せず））を集光ぎみにして、対応する画素電極２０５に照射する。なお、図では簡略化のためにマイクロレンズアレイが基板の外側に露出して描いてあるが、集光性能を有するものであれば使用でき、例えばマイクロレンズアレイを屈折率の異なる材料で埋め込んだ構造を採用することもできる。位相差手段２０３は光変調用液晶層２０４の残留位相差や空間光変調器が反射型である場合には、図１１の素子の入社側に設けられる偏光分離に用いる偏光ビームスプリッター（図示せず）による偏光のスキューを補正する目的で設けられる。

本実施形態の第一の特徴は、図のようにレンズアレイ基板２０２と光変調用液晶層２０４の間に位相差手段２０３を設けることにある。従来例（特許文献１）では位相差板を配置するためには、図１１のレンズアレイ基板２０２の手前側（図中、左側）に配置していたが、この場合、特に高入射角成分の照明光に対してマイクロレンズによる偏光面回転を生じ、正しい偏光補償を行なうことができず、コントラストが低下していた。それに対して、本実施形態の構成では、このようなことはなく、所望の偏光補償を行わせることができ、きわめて高いコントラストの空間光変調器を提供することができる。例えば、位相差手段２０３が液晶層２０４の残留位相差を補償する場合、マイクロレンズなしの構成で位相差手段の位相差及び角度を調整しても、マイクロレンズによる偏光回転によって、高入射角成分は補償条件からずれ、コントラストが低下してしまうのに対し、本実施形態の構成では、光変調用液晶層２０４と位相差手段２０３の間にマイクロレンズを含まないため、位相補償関係は保たれ、高いコントラストを得ることができる。

ここで用いるスイッチング素子アレイ基板２０６としては、ガラスや石英基板上に薄膜トランジスタアレイと透明電極を形成した透過型のアレイ基板や、単結晶シリコンにトランジスタアレイを形成し、反射電極を形成した反射型のアレイ基板を採用することができる。特に、反射型のアレイ基板を用いた反射型空間光変調器では、光が往復でマイクロレンズを通るため、従来の方式ではコントラストの劣化が特に顕著であり、本実施形態の構成を適用することできわめて大きなコントラスト改善を行うことができる。なお、画素ピッチは数ミクロン〜２０ミクロン程度が一般的である。

本実施形態の第二の特徴は位相差手段２０３にあり、レンズアレイ基板２０２と光変調用液晶層２０４の間に設けられる位相差手段２０３として液晶状態の配向が固定化された位相差手段を設けることを特徴とする。位相差手段２０３のリターデーションとしては、残留位相差補償用には１０ｎｍ〜１００ｎｍが好ましく、スキュー光線補正用には１００ｎｍ〜２００ｎｍが好ましい。

一般に位相差手段としては、延伸高分子フィルムや石英等の光学結晶が用いられる。これらの位相差手段を図１１の様にレンズアレイ基板２０２と光変調用液晶層２０４の間に設けようとしても、例えば残留位相差補償用途ではきわめて薄いフィルムを挟み込む必要があり、製造上、フィルムのハンドリングに問題がある。また、光学結晶の場合には、このような薄膜結晶自体がきわめて高価なものとなってしまう。

本実施形態の液晶状態の配向が固定化された位相差手段２０３とは、液晶状態をとる材料を液晶状態で配向させ、その後、相変化や化学反応、溶媒留去等の組成変化などにより、その配向状態を固相ないし結晶相ないしガラス相に固定化したものを言う。このような位相差手段は物理的、化学的に安定である上、塗布等の方法で容易に薄膜を形成できる点で生産上有利である。

本実施形態で用いる液晶状態の配向が固定化された位相差手段の第一の好ましい例は、配向した高分子液晶膜をガラス状態に冷却して得られる配向固定化された高分子液晶膜である。用いる高分子液晶はサーモトロピック高分子液晶であって、液晶相の低温側にガラス相を有するものが固定化膜で良好な配向を得るために好ましい。また、液晶相としてはネマティック相を呈するものが好ましい。このような高分子液晶膜を形成する好ましい方法は、必要に応じて配向処理の施された基板上に高分子液晶の溶液を塗布し、乾燥させるか、または溶融状態の高分子液晶を塗布し、液晶相を呈する温度で高分子液晶を配向させてから、冷却することによって成される。このような技術としては、特許文献４に記載されているような技術を用いることができる。高分子液晶が液晶相を呈する温度は、配向の安定性を維持するために空間光変調器の使用温度以上であることが好ましく、例えば、５０℃以上であることが好ましい。プロジェクター用途のように、素子が高温となる場合には６０℃以上が好ましく、７０℃以上であることが更に好ましい。液晶材料としては上述のような特性を有するものであれば特に限定されず、ポリエステルのような主鎖型高分子液晶や側鎖に液晶性基を有するポリアクリレート、ポリメタクリレート、ポリシロキサンのよな側鎖型高分子液晶、ポリペプチドのような剛直主鎖型高分子液晶などを用いることができる。

配向した高分子液晶膜をガラス状態に冷却して得られる配向固定化された高分子液晶膜を用いることで、塗布、乾燥という簡便な工程で製造できるとともに、膜の複屈折を大きくすることができ、薄い膜厚で機能を発現することができる。また、得られた膜は、ガラス状態であれば安定であるという特徴を有している。

本実施形態で用いる液晶状態の配向が固定化された位相差手段の第二の好ましい例は、配向された重合性基を有する液晶の重合膜または架橋膜を用いることで成される。重合性基を有する液晶としては、例えば、特許文献５に開示されているような液晶性骨格を有する単官能または多官能モノマーまたはこれらの混合物を用いることができる。液晶相としてはネマティック相を呈するものが好ましい。位相差手段を形成する好ましい方法としては、必要に応じて配向処理の施された基板上に上記重合性基を有する液晶の溶液を塗布し、乾燥させるか、または液晶相ないし等方相の上記液晶を塗布し、液晶相を呈する温度で該液晶を配向させてから、重合性基を反応させることで得られる。塗布する重合性基を有する液晶には必要に応じて熱重合開始剤や光重合開始剤を添加することができる。架橋構造を持たせるには、多官能モノマーを適宜添加すれば良い。添加する重合開始剤によって熱重合または光重合を選択することができる。ただし、生産性や重合時の温度の選択幅が広がることから光重合を好ましく用いることができる。このようにして得られた重合膜は、重合性基を有する液晶の材料を適宜選択することで素子の使用温度範囲で安定な配向した高分子膜を得ることができる。

別の好ましい例としては、架橋性基を有する高分子液晶を同様にして塗布し、その後、架橋基を反応させることによって固化させる方法を例示することができる。また、異方的光架橋反応を行う高分子液晶を用いて、偏光露光によって架橋反応を誘起することで位相差手段として機能する配向した高分子膜を得ることもできる。このような例としては、非特許文献１に記載されているような桂皮酸やクマリン基を側鎖に有する高分子液晶を好ましく例示することができる。

さらに、上記２例を組み合わせ、架橋性基を有する高分子液晶の偏光露光による架橋膜を配向膜とし、これを用いて重合性液晶を配向させ、ついで重合反応を行わせることができる。
前者の配向された重合性基を有する液晶の重合膜または架橋膜を用いることによって、塗布、必要に応じて乾燥、硬化という簡便な工程で製造できるとともに、膜の複屈折を大きくすることができ、薄い膜厚で機能を発現することができる。また、得られた膜は、重合固化した膜であるので安定であるという特徴を有している。
また、後者の架橋性基を有する高分子液晶を同様にして塗布し、その後、架橋基を反応させることによって固化させる方法によっては、塗布、必要に応じて乾燥、硬化という簡便な工程で製造できるとともに、偏光露光を利用することで配向処理が不要となるという特徴がある。また、得られた膜は、重合固化した膜であるので安定であるという特徴を有している。さらに、上記２例を組み合わせた場合には、後者の特徴に加えて、膜の複屈折を大きくすることができ、薄い膜厚で機能を発現することができるという特徴を有している。

本実施形態で用いる液晶状態の配向が固定化された位相差手段の第三の好ましい例は、配向したリオトロピック液晶の結晶化膜を用いることでなされる。リオトロピック液晶はよく知られているように溶液状態で液晶相を呈する液晶材料であり、これを液晶状態で配向させてから溶媒を留去し、結晶化させることで方位の揃った結晶を得ることができる。このような例は、非特許文献２に開示されている。リオトロピック液晶を配向させる手段としては、表示素子で用いられているような配向膜の上にリオトロピック液晶を塗布して配向させる方法や、ロールコートやダイコートなどの剪断応力を塗布液にかけながらの塗布方法を好ましく用いることができる。このようにして配向されたリオトロピック液晶は、溶媒を留去することで、液晶状態の配向を維持した結晶膜にすることができる。このようにして形成された配向したリオトロピック液晶の結晶化膜はきわめて高い耐熱性を有し、また、製造方法も上述のように簡便である。加えて、複屈折を大きくすることができるため、薄膜で機能を発現させることができるという特徴も有している。

以上のような構成において、液晶状態の配向が固定化された位相差手段は、きわめて薄いため、マイクロレンズを有する基板またはその構成要素に直接塗工したり、または別途調整した位相差手段をマイクロレンズを有する基板またはその構成要素に転写することによって好ましく製造される。前者の直接塗工する場合には、均一で高コントラストな空間光変調器を得るためには、位相差手段は、良好な配向性に伴う均一な複屈折を有する必要がある。このような目的のため、位相差手段に隣接する基板表面に液晶を配向させるための配向処理が施されていることが好ましい。

図１２は以上のような液晶状態の配向が固定化された位相差手段を用いた空間光変調器の構成例を示す概略要部断面図である。この空間光変調器２０１の基本的な構成は図１１と同様であるが、配向処理が施された膜（配向膜）２０３１が、液晶状態の配向が固定化された位相差手段２０３とマイクロレンズを有するレンズアレイ基板２０２の間に設けられている。配向処理としては、ポリイミド等の膜を布などで一方向に擦ったラビング膜、高分子材料等への偏光露光による光架橋や光分解を用いた異方性高分子膜、ＳｉＯなどの斜方蒸着膜などを好ましく用いることができる。配向膜の膜厚は、用いる材料や処理方法にもよるが、概ね数十オングストロームから０．３μｍ程度である。

別途調整した位相差手段をマイクロレンズを有するレンズアレイ基板２０２またはその構成要素に転写するには、液晶状態の配向が固定化された位相差手段２０３を上述のような方法で別のガラスや金属、樹脂等の基板に形成し、この位相差手段２０３をマイクロレンズを有するレンズアレイ基板２０２またはその構成要素に転写すればよい。転写に際しては、必要に応じて、別基板に離型層を設けたり、位相差手段２０３またはマイクロレンズを有するレンズアレイ基板２０２またはその構成要素に接着層を設けることができる。このような転写法においては、空間光変調器２０１に位相差手段２０３を配向させるための配向処理が不要となるという利点がある。また、位相差手段２０３の塗布法の選択の幅が広がるという利点もある。

液晶を用いた空間光変調器においては、液晶に電圧を印加するための電極を液晶を挟むようにして形成する必要がある。このような電極の構成において、第一の好ましい構成例は、レンズアレイ基板２０２に、光変調用液晶層２０４に電圧を印加するための透明電極を形成し、位相差手段２０３を介して光変調用液晶層２０４に電圧を印加するよう構成にすることである。図１３はその一例を示すものであり、透明電極２０３２はレンズアレイ基板２０２と配向膜２０３１の間に設けてある。液晶２０４には電極２０３２と画素電極２０５の電位差に応じた電圧が印加されることになる。本実施形態による液晶状態の配向が固定化された位相差手段２０３は高い配向性を示し、そのため、高い複屈折値を発現させることが可能となる。例えば位相差として２０ｎｍを与える膜厚は、位相差手段２０３の屈折率異方性を０．１とした場合、２００ｎｍ程度である。この値は、位相差手段２０３が絶縁体であるとした場合においても、ほとんど電圧降下がなく、液晶相に十分な電圧を印加できる膜厚である。すなわち、液晶状態の配向が固定化された位相差手段２０３を採用することで得られる、新規で生産性に優れた構成である。なお、透明電極としては、ＩｎＯ_２やＳｎＯ_２、ＩｎＯ_２にＳｎＯ_２をドープした膜などが一般的である。

上述のような構成において、位相差手段２０３が光変調用液晶層２０４に接する場合、光変調用液晶層２０４を配向させるための配向処理が施されていることが好ましい。その一例を図１４に示す。図１４において、符号２０３３が配向処理の施された配向膜である。この配向膜２０３３としては、液晶を水平配向させる場合にはポリイミド等の膜を布などで一方向に擦ったラビング膜、高分子材料等への偏光露光による光架橋や光分解を用いた異方性高分子膜、ＳｉＯなどの斜方蒸着膜などを好ましく用いることができる。また、液晶を垂直配向させる場合には、垂直配向性のポリイミド膜、長鎖アルキル基を有するシランやチタン型のカップリング剤、ＳｉＯなどの斜方蒸着膜などの公知の膜を用いることができる。このような方法によれば、位相差手段２０３の配向方向に依存しない任意の配向を液晶に付与できる利点がある。
一方、位相差手段２０３によっては、位相差手段２０３の表面をラビングしたり、偏光紫外光を露光するなどの方法で位相差手段自体に配向処理を施すことも可能である。この場合、配向膜を形成する工程が不要となるという利点がある。

図１５は本実施形態の別の好適な例を示す空間光変調器の概略要部断面図である。本例では位相差手段２０３と液晶層２０４の間に透光性の中間層２０３４が設けられている。この中間層２０３４としては、ガラス、樹脂膜、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２などの酸化物系膜などを用いることができる。本構成では、中間層２０３４により位相差手段２０３と液晶層２０４の直接的な接触を避けることができ、特に位相差手段２０３が表示用液晶によって溶解したり、膨潤したりするような材料である場合には、特に有用な構成となる。このようなマイクロレンズを用いた光学系では、マイクロレンズの主点と液晶層の距離が短いほど、マイクロレンズの設計に余裕が出るため、中間層２０３４はできるだけ薄いものが好ましい。中間層２０３４の厚さとしては、５０ｎｍから１００μｍの範囲が好ましく、特に５０ｎｍから４０μｍであることが好ましい。これが薄すぎた場合には、上述のような接触を十分阻止できず、また、厚すぎる場合にはマイクロレンズの光学性能を損ねてしまう。薄膜が容易にできることから酸化物系の真空成膜膜や、酸化物系材料のアルコキシド等の前駆体を塗布して焼結させた塗布膜、有機物系の塗布膜および真空成膜膜を特に好適に用いることができる。

なお、図中の符号２０３２は液晶に電圧を印加するための透明電極である。また、符号２０３３は表示用液晶層２０４を配向させるための配向膜であり、必要に応じて設けられる。透明電極２０３２は、中間層２０３４が薄い場合には、中間層２０３４のマイクロレンズ側に設けることもできる。
また、中間層２０３４を透明電極で兼ねさせることもできる。この場合には、図１６に示すような構成となる。本構成は、マイクロレンズの主点と液晶層の距離を短くできる上、電極と液晶層の間に余分な絶縁層が入らないため、液晶に有効に電圧を印加できるという特徴がある。

本実施形態は、透過型の空間光変調器および反射型の空間光変調器に対して適用することができるが、特に反射型の場合には、本実施形態の構成にすることにより、位相差手段に入射する光の入射角を往路と復路で等しくすることができるため、完全な光学補償を行わせることができ、コントラストの大きな改善効果が得られる。画素電極の反射部材としてはＡｌやＡｇまたはこれらの合金などを好ましく用いることができる。用いる液晶は表示に偏光の変調を利用するものであれば特に限定されず、誘電異方性が正のネマティック液晶を用いたツイステッドネマティック型や誘電異方性が負の液晶を用いた垂直配向型などで代表される、公知の表示方法を採用することができる。

本実施形態の空間光変調器を用いた表示装置は、放射光を放出する光源と、光源から放出された光を均一照明させる照明手段と、上述のような空間光変調器から基本的に構成される。光源としては特に制約されないが、プロジェクターとして用いる場合には高圧水銀ランプのような放電ランプが通常用いられる。また、低輝度であったり、ヘッドマウントディスプレイのような用途では発光ダイオードや半導体レーザーのような固体光源を用いることもできる。これらからの放射光はフライアイレンズや、ロッドインテグレータなどの照明均一化手段によって空間光変調器に導かれ、さらに結像レンズによって実像、または虚像を形成する。

図１７は本実施形態に係る表示装置の一例を示すものであり、上記のような光学系を、反射型の空間光変調器を用いた単純な光学系で説明したものである。図示しない照明均一化手段からの出射光２１６ａは偏光ビームスプリッター２１２によって、本実施形態による反射型の空間光変調器２０１に導かれ、所望の偏光（本例ではｓ偏光）で空間光変調器２０１を照明する。そして、空間光変調器２０１で偏光面を９０°回転された画像光は、偏光ビームスプリッター２１２を透過し、結像レンズ２１７によって、画像を形成する。なお、前述の説明のように、本実施形態の空間光変調器２０１は位相差手段２０３がその内部に構成されている（図１７では図示を省略）。
これに対して、図１８は従来の空間光変調器を用いた表示装置の構成例であり、内部に位相差手段を有さない空間光変調器３０１と偏光ビームスプリッター２１２の間に位相差手段３０２が設けられている。
図１７に示す本実施形態の表示装置では、空間光変調器２０１の内部に位相差手段２０３が設けられているので、従来装置における位相差手段３０２を省くことができる。

これまでの説明のように、本実施形態による空間光変調器は、位相差手段による光学補償が理想的に行えるため、コントラストが高く、図１７のように表示装置として構成した場合にも高いコントラストが得られ、また、大きな入射角に対してもコントラスト低下が少ないため、Ｆ値の小さな光学系を採用することができ、明るく、高効率の表示装置を提供することができる。
また、マイクロレンズの曲率を小さくしても、コントラストの低下が少ないことから、画素電極のより小さい領域に光を絞り込むことができ、そのためフリンジ効果等の画素周辺に起因する表示への悪影響の少ない表示を行わせることができる。
なお、図１７では単板の空間光変調器２０１を用いた場合について示したが、多板にして色分解光学系や色合成光学系を組み込むことで多板システムも構築することができる。

本実施形態による空間光変調器は、上述のように画素電極のより小さい領域に光を絞り込むことができることから、出射光路中に、光路をシフトまたは曲折させる画素ずらし素子を備えた表示装置（例えば特許文献６参照）に特に好適に用いることができる。その画素ずらし素子を備えた表示装置の構成例を図１９に示す。図１９において、符号２２１が画素ずらし素子であり、空間光変調器２０１ｂのレンズアレイによって縮小された画素からなる画像情報を時間的に表示位置を変えるように作用する。空間光変調器２０１ｂは、高速の画像切り替えが可能な本実施形態による空間光変調器であり、画素ずらし素子２２１の動作に同期して、画素位置に対応した画像を切り替え、表示する。このような構成において、表示位置の変化を画素の半ピッチ分とすることで２倍の画素数の表示が可能となり、さらに直交する方向にも画素をずらすことで４倍の高精細画像を得ることができる。本実施形態の空間光変調器は、高コントラストで高い縮小性能を実現できることから、このような表示装置を構成した場合に、高コントラストで画素間の重なりのない高解像度の表示を行わせることができる。

これまでの説明において、位相差手段をスキュー補正として用いる場合には、位相差手段はλ／４板であることが好ましく、位相差手段の主光軸は、光軸に平行な照明光の偏光方向に平行または直交して設けることが好ましい。また、光変調用液晶層のオン状態またはオフ状態の残留位相差を補償する位相差手段である場合には、必要な位相差は数ｎｍから１００ｎｍの範囲が好ましく、光軸に平行な照明光の偏光方向に対して主光軸が傾斜して配置されることが好ましい。

［実施例２］
以下、実施形態２の空間光変調器及び表示装置の具体的な実施例と比較例を示す。

（比較例１）
まず、比較例として図２０に示すような表示装置の光学系を評価用に構成した。偏光分離素子として偏光ビームスプリッタ２１２を用いた。照明光２１６ａはダイクロイックフィルター（図示せず）を用いて白色放電ランプの光を緑色の光に制限した。偏光ビームスプリッタ２１２の直前には偏光板２１１ａを透過軸が紙面に垂直となるように配置した。位相差板（λ／４板）２１３、マイクロレンズアレイを有する反射型空間光変調器２１４を図のように配置した。反射型空間光変調器２１４の作像光は、位相差板２１３、偏光ビームスプリッタ２１２を経て、透過軸を紙面に平行にした偏光板２１１ｂを通過して投射レンズ２１７で拡大投射した。投影面のほぼ中心に照度計２１８を置いた。コントラスト比は、空間光変調器２１４で全面明表示と全面暗表示を表示させ、各々の照度の比をとった値とした。
また、マイクロレンズアレイを有さない素子を作製し、同様にコントラスト比を測定した。
この比較例の構成の場合、マイクロレンズのない場合のコントラスト比に対して相対比で１５．６％と低下してしまった。

（実施例２−１）
次に実施形態２の一実施例として図２１に示すような表示装置の光学系を評価用に構成した。偏光分離素子として偏光ビームスプリッタ２１２を用いた。照明光２１６ａはダイクロイックフィルター（図示せず）を用いて白色放電ランプの光を緑色の光に制限した。偏光ビームスプリッタ２１２の直前には偏光板２１１ａを透過軸が紙面に垂直となるように配置した。反射型空間光変調器２０１は図１５に示すような構造であり、位相差手段２０３としては、ポリエステル系のネマティック高分子液晶（ガラス相−液晶相転移温度＝１２０℃）をポリイミドのラビング膜からなる配向処理を施されたマイクロレンズ基板上に塗布により１．４μｍの膜厚で形成し、緑色光に対してλ／４板として機能するよう形成した。位相差手段２０３の表層には中間層２０３４となるＳｉＯ_２膜を２００ｎｍの厚さでスパッタ法で形成し、次に、酸化インジウムからなる透明電極を１５０ｎｍの厚さでスパッタ法で形成した。さらにその上にポリイミドの膜を形成し、ラビング処理を行った。この位相差手段２０３を有するマイクロレンズアレイ基板２０２と、シリコンウェハーに駆動用トランジスタと反射板を兼ねた画素電極２０５を形成したトランジスタ基板２０６を用いて空間光変調器２０１を構成した。画素およびマイクロレンズのピッチは１４μｍとし、マイクロレンズの曲率半径ｒはｒ＝１３０μｍとした。
反射型空間光変調器２０１の作像光は偏光ビームスプリッタ２１２を経て、透過軸を紙面に平行にした偏光板２１１ｂを通過して投射レンズ３１７で拡大投射した。投影面のほぼ中心に照度計２１８を置いた。コントラスト比は、空間光変調器２０１で全面明表示と全面暗表示を表示させ、各々の照度の比をとった値とした。
本実施例の構成の場合、コントラストは、空間光変調器にマイクロレンズがない場合に対して相対比で４２．４％まで向上した。

（実施例２−２）
実施例２−１において、図２２のように偏光分離素子としてワイヤーグリッド偏光子２２１（Moxtek社製、商品名Proflux）を使用した。空間光変調器２０１の位相差手段の位相差は６３．６°ツイストのＴＮ型液晶のオン時の残留位相差を補償するため２０ｎｍとし、ラビングの方向を調整して表示液晶の入射側の配向方向と３８°の角度を成すように構成した。
本実施例の構成において、空間光変調器２０１にマイクロレンズが無い場合は、偏光ビームスプリッタを用い空間光変調器にマイクロレンズがない場合と比較して、コントラストは相対比で１４６％と向上した。
さらにマイクロレンズ付きの空間光変調器２０１の場合には、コントラストは相対比で１３４％であった。また、ワイヤーグリッド偏光子を用い空間光変調器にマイクロレンズがない場合に対しては、相対比で９２％であった。

（比較例２）
実施例２−２において、空間光変調器の内部に位相差手段を有さず、マイクロレンズを有する空間光変調器を使用し、ワイヤーグリッド偏光子と空間光変調器の間に同等の性能を有する位相差板を配置してコントラストを測定した。コントラスト値は、偏光ビームスプリッタを用い空間光変調器にマイクロレンズがない場合と比較して、相対比で２１％に低下した。また、ワイヤーグリッド偏光子を用い空間光変調器にマイクロレンズがない場合に対しては、相対比で１５％に低下した。

（実施例２−３）
実施例２−２において、空間光変調器にＳｉＯ_２膜を設けず、酸化インジウムからなる透明電極を２００ｎｍの厚さで直接位相差手段の上に形成した。次いで、同様に配向処理を行い、実施例２−２と同様にして空間光変調器を構成した。この空間光変調器においても実施例２−２と同様の優れた光学性能が得られた。

（実施例２−４）
実施例２−２において、空間光変調器２０１の位相差手段２０３として下記の化学式（式１〜３）の重合性液晶化合物（Ｔni＝６４．８℃）の混合物と光重合開始剤イルガキュア１８４（重合性液晶化合物に対して０．５wt％）の混合組成物の硬化物を用いた。本組成物をポリイミドのラビング膜からなる配向処理を施されたマイクロレンズアレイ基板２０２上に塗布し、５０℃で紫外線照射して２２０ｎｍの膜厚の位相差手段２０３を形成した。この位相差手段の緑色光に対する位相差は、２０ｎｍであった（Δｎ＝０．０９）。位相差手段２０３の表層には中間層２０３４となるＳｉＯ_２膜を２００ｎｍの厚さでスパッタ法で形成し、次に、酸化インジウムからなる透明電極２０３２を１５０ｎｍの厚さでスパッタ法で形成した。さらにその上にポリイミドの膜を形成し、ラビング処理を行った。この位相差手段２０３を有するマイクロレンズアレイ基板２０２と、シリコンウェハーに駆動用トランジスタと反射板を兼ねた画素電極２０５を形成したトランジスタ基板２０６を用いて実施例２−２と同様の空間光変調器２０１を作製した。
本実施例の構成において、偏光ビームスプリッターを用い空間光変調器にマイクロレンズがない場合と比較したコントラスト比は、相対比で１３５％であった。

（実施例２−５）
実施例２−２において、空間光変調器２０１の位相差手段２０３として、配向したリオトロピック液晶の結晶化膜を用いた。リオトロピック液晶としては下記の化学式（式４と式5）の異性体の混合物を用いた。この混合物の水溶液からなるリオトロピック液晶を、ドクターブレードによりマイクロレンズアレイ基板２０２上に塗布し、乾燥させることで３７ｎｍの膜厚の位相差手段２０３を形成した。この位相差手段の赤色光に対する位相差は、２０ｎｍであり（Δん＝０．５）、きわめて薄い膜厚で位相差手段を形成できた。位相差手段２０３の表層には中間層２０３４となるＳｉＯ_２膜を２００ｎｍの厚さでスパッタ法で形成し、次に、酸化インジウムからなる透明電極２０３２を１５０ｎｍの厚さでスパッタ法で形成した。さらにその上にポリイミドの膜を形成し、ラビング処理を行った。この位相差手段２０３を有するマイクロレンズアレイ基板２０２と、シリコンウェハーに駆動用トランジスタと反射板を兼ねた画素電極２０５を形成したトランジスタ基板２０６を用いて実施例２−２と同様の空間光変調器２０１を作製した。
本実施例の構成において、偏光ビームスプリッターを用い空間光変調器にマイクロレンズがない場合と比較したコントラスト比は、相対比で１４０％と良好であった。なお、本実施例では、赤色の光で測定を行った。

（実施例２−６、２−７）
実施例２−４、２−５において、酸化インジウム膜の位置を変え、マイクロレンズアレイ基板２０２と、位相差手段２０３の間に配置した他は実施例２−４、２−５と同様にして実施例２−６、２−７の空間光変調器２０１を作製した。
この実施例２−６、２−７の構成においても、実施例２−４、２−５と同様の高いコントラストが得られた。

（実施例２−８、２−９）
実施例２−４、２−６において、中間層と表示用液晶配向用のポリイミド膜を設けずに、位相差手段に表示用液晶配向用のラビング処理を直接施すことで、実施例２−８，２−９の空間光変調器を作製した。
この実施例２−８、２−９の構成においても、簡略化された構成にもかかわらず、実施例２−４、２−６と同様の高いコントラストが得られた。

（実施例２−１０、２−１１）
実施例２−１において、位相差手段２０３としてネマティック高分子液晶の代わりに、重合性液晶化合物の硬化膜、および配向したリオトロピック液晶の結晶化膜を用いて実施例２−１０、２−１１の空間光変調器を作製した。
それぞれの膜厚は１．５μｍ、０．２７μｍとした。位相差手段２０３の表層には中間層２０３４となるＳｉＯ_２膜を２００ｎｍの厚さでスパッタ法で形成し、次に、酸化インジウムからなる透明電極２０３２を１５０ｎｍの厚さでスパッタ法で形成した。さらにその上にポリイミドの膜を形成し、ラビング処理を行った。この位相差手段２０３を有するマイクロレンズアレイ基板２０２と、シリコンウェハーに駆動用トランジスタと反射板を兼ねた画素電極２０５を形成したトランジスタ基板２０６を用いて実施例２−１と同様の空間光変調器を作製した。
この実施例２−１０、２−１１の構成においても、偏光ビームスプリッターを用い空間光変調器にマイクロレンズがない場合と比較したコントラスト比は、相対比で５０％と良好であった。なお、リオトロピック液晶の場合は、赤色の光で測定を行った。

（実施例２−１２）
実施例２−１１において、酸化インジウム膜の配置をマイクロレンズアレイ基板上に変更し、中間層および配向膜を設けずに空間光変調器を作製した。この空間光変調器は、配向膜を持たないが、表示用液晶が位相差手段の配向方向に配向し、また、位相差手段の膜厚が薄いため、液晶層への電圧印加にも問題はなかった。コントラスト性能は実施例２−１１と同等であった。

（実施例２−１３）
実施例２−１において、ネマティック高分子液晶を別のラビングしたポリイミドフィルム上に形成し、これを紫外線硬化接着剤を塗布したマイクロレンズアレイ基板に重ね、紫外線照射によって接着剤を硬化させ、次いでポリイミドフィルムを剥がすことで配向固定化された高分子ネマティック液晶膜をマイクロレンズアレイ基板に転写した。以後は、実施例２−１と同様にして空間光変調器を作製した。この空間光変調器も実施例２−１と同様の高コントラストが確認できたことから、転写工法が可能であることが確認された。

（実施例２−１４）
図２３は実施形態２に係る表示装置の別の実施例を示す概略構成図である。この表示装置は、偏光分離手段と、マイクロレンズアレイと位相差手段を有する反射型液晶素子からなる空間光変調器２１５と、画素ずらし素子２１８と、投射レンズ２１７と、光源及び照明光学系（図示せず）から構成されている。光源は放電ランプを用いることができる。照明光学系は光源から放出された光を空間光変調器２１５に均一照明させるために用いられ、例えばフライアイインテグレータを利用することができる。偏光分離手段は２枚の偏光板２１１ａ，２１１ｂと偏光ビームスプリッタ２１２で構成されている。偏光板２１１ａは透過軸を紙面に垂直とし、偏光板２１１ｂの透過軸は紙面に平行方向とする。空間光変調器２１５内に設けた位相差手段はλ／４板であり、本実施例では、空間光変調器として実施例２−１に示したものを用いた。また、画素電極による表示画素配列とマイクロレンズアレイのアレイ配列を同じに設定する。

空間光変調器２１５では、マイクロレンズアレイの各レンズアレイの屈折により、液晶素子の反射画素からの出射光は、集光されながら反射される。投射レンズ２１７のフォーカス位置を調整することで、液晶素子の画素を光学的に小さくすることができる。画素ずらし素子２１８は作像光の光軸を１／２画素ピッチ分シフトさせる。ここでは、特許文献６に開示されているような、垂直配向した強誘電性液晶からなる画素ずらし素子を用いた。この画素ずらし素子２１８による画素ずらしのタイミングに同期させて空間光変調器２１５の液晶素子の画像を同期して表示させる。このように構成することで、画素ずらし素子２１８は、空間光変調器２１５の液晶素子の解像度の整数倍の画素を表示させる働きを有する。また、マイクロレンズにより画素を小さくするため、画素ずらしによる投射隣接画素同士の重なりが低減される。なお、２枚の偏光板２１１ａ，２１１ｂは必ずしも必要ではない。

図２３において、照明光２１６ａは偏光板２１１ａで紙面に垂直な直線偏光となり、偏光ビームスプリッタ２１２で反射される。空間光変調器２１５のマイクロレンズアレイを通過した光は、照明光の光線の広がりより大きくなる。位相差手段は斜めの光線（紙面に非平行な光線）の暗表示（黒表示）の際に投射レンズ側に光が漏れないようにするために用いられる。本実施例の構成では位相差手段としてλ／４板がマイクロレンズアレイと液晶素子との間に配置されることになるため、照明光２１６ａ画像光２１６ｂで光線の広がりが等しく、斜入射光線への位相の与え方が等しい。このため、前述の実験結果の通り、コントラスト低下を低減させることが可能である。

図２３では空間光変調器２１５が１枚の構成であるが、３枚の空間光変調器を用いる場合は図１０と同様な配置・構成となる。すなわち、図示しない光源及び照明光学系からの白色光をダイクロイックフィルタなどで３色の照明光１６ｒ、１６ｇ、１６ｂに色分解する（図示せず）。そして、各色の照明光１６ｒ、１６ｇ、１６ｂを偏光ビームスプリッタ５２ｒ、５２ｇ、５２ｂ、レンズアレイ５４、λ／４板５３ｒ、５３ｇ、５３ｂ、液晶素子１５の順に進ませ、液晶素子１５で作像した画像光は偏光ビームスプリッタ（５２ｒ、５２ｇ、５２ｂ）を経てダイクロイックプリズム５１で色合成されて画素ずらし素子１９、投射レンズ５７をへてスクリーンに投影される。

なお、図１０の構成において、本実施例では各色の空間光変調器として、レンズアレイ５４、λ／４板５３ｒ、５３ｇ、５３ｂ、液晶素子１５を一体に設けた空間光変調器２１５を用いるものであり、具体的には、実施例２−１に示したような構成の空間光変調器が用いられる。また、他の実施例に示したような位相差手段を内蔵した空間光変調器でもよく、特に、λ／４の位相差を有する位相差手段を内蔵したものを同様に用いることができる。

本実施例の表示装置は、前述の実施例のように、大幅にコントラストが改善されており、また、マイクロレンズによって、画素の寸法が約６０％に縮小されており、図のような画素ずらし素子を用いた装置の構成であっても、画素間の重なりはほとんど観察されなかった。

（実施例２−１５）
図２４は実施形態２に係る表示装置のさらに別の実施例を示す概略構成図である。この表示装置の構成で実施例２−１４と異なるのは、偏光分離素子の構成部品で偏光ビームスプリッタがワイヤーグリッド偏光子２２１に置き換わり、λ／４板よりはリタデーションの小さい位相差手段を有する空間光変調器２１５を用いている点である。このため投射レンズ２２３はバックフォーカスの長いレンズに置き換わっている。これら以外は実施例２−１４と同様である。
空間光変調器２１５の位相差手段は、前述の実施例２−２で用いたものと同じであり、液晶素子の残留位相を補正するために用いられる。また、リタデーションは２０ｎｍのものを用いた。液晶素子の特性が異なれば位相差手段の最適なリタデーションを変えて構成する必要がある。

本実施例でも、実施例２−１４と同様に、画素ずらし素子２１８によって空間光変調器２１５の液晶素子の画素ピッチの半分の量だけ光軸が周期的に切り換わる。これに同期して液晶素子の画像を切り替え、見かけ上、液晶素子の解像度の整数倍の画像を表示することができる。投射画素はマイクロレンズアレイによって見かけ上画素を小さくする効果によって、隣接画素との光の重なりが減って高精細な画像を表示することができる。また、実施例２−２の結果のように、マイクロレンズアレイと液晶素子との間に位相差手段を配置しているため、マイクロレンズアレイによるコントラスト比の低下を大幅に改善することができる。
なお、本実施例では、実施例２−２の空間光変調器を用いたが、他の実施例の位相差手段を内蔵した空間光変調器も同様に用いることができ、特に、数十ｎｍの位相差を有する位相差手段を内蔵し、液晶素子の残留位相差を補償するタイプの空間光変調器であれば同様に用いることができる。

本実施例の装置は、前述の実施例のように、大幅にコントラストが改善されており、また、マイクロレンズアレイによって、画素の寸法が約６０％に縮小されており、図のような画素ずらし素子２１８を用いた装置の構成であっても、画素間の重なりはほとんど観察されなかった。

［実施形態３］
次に本発明の第２６〜３２の構成の空間光変調器及び第３３〜３４の構成の表示装置の実施形態を説明する。
マイクロレンズアレイ付きの液晶素子からなる空間光変調器（液晶ライトバルブ）において、液晶の残留位相差を補正するための位相差板をレンズアレイ基板と液晶層との間に配置すれば、空間光変調器のコントラスト比を向上できることを先の実施形態１で説明した。また、位相差板として斜方蒸着、構造複屈折以外に、液晶状態の配向が固定化された位相差手段を先の実施形態２で説明した。ところが、レンズアレイ基板と液晶層との間に位相差構造を作製した後は、従来の位相差板と空間光変調器が別々に配置されている時のような位相差手段の調整が不可能であった。より詳細には、従来では位相差板として複屈折板（波長板）を回転調整して、黒表示の明るさが最も暗くなる状態を探して位相差板を固定していた。しかし、斜方蒸着、構造複屈折では位相差手段の作製時に遅相軸が決まる。従って空間光変調器の残留位相差は、作製バラツキに大きく左右される。このため、高コントラスト比で表示可能とするには、位相差手段を空間光変調器に設置した後で何らかの方法で遅相軸を調整する必要があった。

そこで、この実施形態３では、空間光変調器の外側に配置していた位相差板を無くし、透光性基板と光変調用液晶層との間に位相差手段を設置する構成とした場合にも、空間光変調器固有の残留位相差に対応して位相差手段の遅相軸を調整可能とした、コンパクトな空間光変調器を実現するものである。また、遅相軸の調整を可能とした位相差手段を、少ない層構成で達成するものである。そして、本実施形態では、レンズアレイ基板と液晶層との間に位相差手段を設置した構成の空間光変調器において、空間光変調器固有の位相差補正を可能にし、高コントラスト比の表示装置や投射型表示装置を実現するものである。さらには、高コントラスト比で、かつ空間光変調器の画素数よりも多い画素数を表示できる表示装置や投射表示装置を実現するものである。

［実施例３］
以下、実施形態３の具体的な実施例を、図面を参照して詳細に説明する。

（実施例３−１）
図２５は実施形態３の一実施例を示す空間光変調器の概略要部断面図である。本実施例の空間光変調器４１０は、主に画像表示用空間光変調部と位相差調整部から構成される。図２５では３枚の透光性基板４１１ａ，４１１ｂ，４１１ｃのうち、２枚の透光性基板４１１ｂ，４１１ｃの間に画像表示用空間光変調部を形成し、透光性基板４１１ａ，４１１ｂの２枚の間に位相差調整部を形成している。すなわち、透光性基板４１１ｂ，４１１ｃの間に光変調用液晶層４１６が挟まれ、光変調用液晶層４１６に接する面には透明電極層と配向膜４１５ａ，４１５ｂが設置されている。また、２枚の透光性基板４１１ｂ，４１１ｃの一方は透明電極層が画素状に分割されたスイッチングアレイ基板になっている。一方、透光性基板４１１ａ，４１１ｂの間には、配向膜４１２と、厚み方向の電界印加によって面内方位の配向方向を制御可能な液晶性配向制御膜４１３と、該液晶性配向制御膜４１３によって配向方向が制御される硬化型液晶層４１４が挟まれている。また、各種の液晶性材料が流れ出さないように側面を封止するが、図２５では省略している。

画像表示用空間光変調部において、配向膜４１５ａ，４１５ｂの配向方位の角度に応じて光変調用液晶層４１６の液晶には所定のねじれ角が発生する。光変調用液晶層４１６の厚さ方向に電圧を印加（電極は図示せず）すると、液晶分子が透光性基板の法線方向に向きだす。ここで、空間光変調器４１０の前後に偏光板を配置（図示せず）する。例えば、所定のねじれ角によって図２５の紙面に平行な入射偏光を、紙面に垂直な偏光に変換するように設計しておき、入射側偏光板の透過軸を紙面に平行に、出射側偏光板を紙面に垂直に配置しておくと、光変調用液晶層４１６に電圧をかけない時には明状態となる。また、電圧をかけていくと徐々に透過光量が減少し、十分な電圧印加により暗状態となる。しかし、透光基板４１１ｃから液晶をはさんで透光性基板４１１ｂまでの構成だけでは、完全に真っ暗にすることができない。これは、配向膜近傍の液晶分子がプレチルト角と呼ばれる角度を維持するため、この部分による残留位相が発生するためである。この残留位相の大きさは光変調用液晶層４１６のパラメータ設計により、おおよそ求めることができる。この残留位相を補正するための位相差板の位相差量と、位相差板の遅相軸を算出しておく。この遅相軸に合うように位相差調整部の配向膜４１２をラビング処理する。液晶性配向制御膜４１３は配向膜４１２のラビング方向に沿って初期的に配向される。また、硬化型液晶４１４も液晶性配向制御膜４１３の配向方向に揃って初期的に配向される。すなわち、配向膜４１２のラビング方向に従う。

ここで、透光性基板４１１ｂ，４１１ａの間に電圧を印加することで、液晶性配向制御膜４１３の配向方位を基板面内で調整することができる。この配向方位の変化に応じて硬化型液晶層４１４の配向方位も変化し、前述の残留位相を補正するための所望の位相差量が得られる状態に調整後、光あるいは熱などによって硬化型液晶層４１４を固定化する。
液晶性配向制御膜４１３としては、厚み方向への電界印加によって面内方向に配向方位を連続的に変化する液晶材料を用いる。例えば、高分子安定型スメクチックＣ相液晶材料やエレクトロクリニック効果を示すスメクチックＡ相液晶材料などを用いることができる。液晶性配向制御膜４１３の厚さは、使用する液晶材料の屈折率の異方性にも依存するが、位相差量の点から、数十ナノメートルから数百ナノメートルの範囲が好ましい。

高分子安定型スメクチックＣ相液晶層は一般に高分子安定型強誘電液晶層とも呼ばれ、例えば以下の方法で形成できる。まず、透明電極層と配向膜を有する基板上に、液晶性（メタ）アクリレートを含有する硬化性組成物及び強誘電性液晶材料を含有する液晶組成物をスピンコートにより塗布する。薄膜塗布された液晶組成物がスメクチックＡ相を示す状態を保ちながら、液晶組成物に熱や光もしくは電子線を照射することにより、液晶性（メタ）アクリレートを含有する硬化性組成物を高分子化させる。つまり、液晶性（メタ）アクリレートを含有する光硬化性組成物及び強誘電性液晶材料を含有する液晶組成物を、スメクチックＡ相において配向膜の容易軸方向に一軸配向させ、この状態で熱や光もしくは電子線を照射し、液晶性（メタ）アクリレートの液晶骨格を配向膜の容易軸方向に一致させた状態で固定化する。その結果、液晶性（メタ）アクリレートの液晶骨格を有する硬化物の高分子安定化効果により強誘電性液晶材料の双安定性が消滅し、厚み方向の電界印加によって面内方向に配向方位が連続的に変化する液晶性配向制御膜を得ることができる。

液晶性配向制御膜中に含有される強誘電性液晶材料は、通常この技術分野で強誘電性液晶と認識されるものであれば特に制限なく使用することができるが、カイラルスメクチックＣ相より上の温度領域でスメクチックＡ相を呈するものを使用するのが好ましく、更に好ましくは、良好な配向状態を得るためスメクチックＣ相より上の温度領域でスメクチックＡ相及びネマチック相を呈するものを使用するのが好ましい。また、液晶性（メタ）アクリレートを含有する硬化性組成物は、強誘電性液晶材料の液晶性を損なわないように、硬化性組成物として液晶性を有するものを使用することが好ましく、ネマチック液晶相を有するものが更に好ましく、スメクチックＡ液晶相を有するものが特に好ましい。

また、硬化性組成物を高分子化させる行程における光又は電子線の照射量は、使用する液晶組成物及び光重合開始剤の濃度にも依存するが、５０から１００００ｍＪ／ｃｍ²の範囲が好ましい。紫外線又は電子線の照射量が、５０ｍＪ／ｃｍ²以下であると、光硬化性組成物が十分に硬化せず、製造後の経時変化が大きくなってしまい、１００００ｍＪ／ｃｍ²以上であると液晶組成物自体が劣化してしまう傾向がある。ここで、使用できる液晶性（メタ）アクリレートモノマーは、一般にこの技術分野で液晶性（メタ）アクリレートモノマーとして認識されるものであれば、特に制限なく使用することができる。
また、使用する配向膜は従来用いられているラビング処理を施したポリイミド配向膜を特に制限なく使用することができる。また、ポリビニルシンナメート薄膜に偏光紫外線を照射した、ラビング処理を施していない配向制御膜も用いることができる。

また、液晶性（メタ）アクリレートモノマー及び強誘電性液晶を含有する液晶組成物には、スメクチックＡ相における光硬化性組成物の光硬化を迅速に行う目的で、光重合開始剤を添加してもよい。ここで使用することができる光重合開始剤としては、例えば公知のベンゾインエーテル類、ベンゾフェノン類、アセトフェノン類、ベンジルケタール類から選択して使用することができる。その添加量は、液晶組成物中に含有される液晶性（メタ）アクリレートモノマーに対して、１０重量％以下であることが好ましい。

なお、上記では液晶組成物がスメクチックＡ相を示す温度で硬化させる場合について記載したが、スメクチックＣ相を示す温度で電界を印加しながら硬化させても良く、同様に機能する液晶性配向制御膜を得ることができる。

一方、液晶性配向制御膜の別な材料として、エレクトロクリニック効果を示す液晶材料を用いることができる。エレクトロクリニック効果あるいは電傾効果は、カイラル液晶化合物、またはカイラル化合物を含む液晶混合物が示すスメクチック液晶相の中で、液晶分子のディレクターが層の法線に対して平行なスメクチック相に見られる。かかるスメクチック相は一般的にはスメクチックＡ相である。このようなスメクチックＡ相に外部から電界を印加すると、液晶分子のディレクターが層の法線方向から傾く。この現象がエレクトロクリニック効果と呼ばれる。この効果を用いて、厚み方向の電界印加よって面内方向に配向方位を連続的に変化させることができる。

硬化型液晶層４１４としては、上記と同様に、一般にこの技術分野で液晶性（メタ）アクリレートモノマーとして認識されるものであれば、特に制限なく使用することができる。硬化型液晶層４１４の厚さは、使用する液晶材料の屈折率の異方性にも依存するが、位相差量の点から、数十ナノメートルから数百ナノメートルの範囲が好ましい。
例えば、液晶骨格と一つのアクリロイルオキシ基の間にメチレンスペーサーが無い液晶性（メタ）アクリレートを含有する液晶性モノマーを用いることができる。
液晶性（メタ）アクリレートとしては、下記の一般式(1) のような材料を用いることができる。

式中、Ｘは水素原子又はメチル基を表し、ｎは０又は１の整数を表し、６員環Ａ、Ｂ及びＣはそれぞれ独立的に、フェニレン基、又はトランスシクロヘキシル基を表し、Ｙ¹及びＹ²はそれぞれ独立的に、単結合、−ＣＨ₂ＣＨ₂−、−ＣＨ₂Ｏ−、−ＯＣＨ₂−、−ＣＯＯ−、−ＯＣＯ−、−Ｃ≡Ｃ−、−ＣＨ＝ＣＨ−、−ＣＦ＝ＣＦ−、−（ＣＨ₂）₄−、−ＣＨ₂ＣＨ₂ＣＨ₂Ｏ−、−ＯＣＨ₂ＣＨ₂ＣＨ₂−、−ＣＨ＝ＣＨ−ＣＨ₂ＣＨ₂−、−ＣＨ₂ＣＨ₂−ＣＨ＝ＣＨ−を表し、Ｙ³は単結合、−Ｏ−、−ＣＯＯ−、−ＯＣＯ−を表し、Ｚは水素原子、ハロゲン原子、シアノ基、炭素原子数１〜２０のアルキル基又は炭素原子数２〜２０のアルケニル基を表す。

特に、一般式(1)において、Ｘは水素原子を表し、ｎは０を表し、６員環Ａ及びＣはそれぞれ独立的に１，４−フェニレン基、又は１，４−トランスシクロヘキシル基を表し、Ｙ¹は単結合又は−Ｃ≡Ｃ−を表し、Ｙ³は単結合を表し、Ｚはハロゲン原子、シアノ基又は炭素原子数１〜２０のアルキル基を表す材料が好ましい。
また、さらに好ましい例として下記の一般式(2)や(3)のようなものがあげられる。また、これらの混合物を用いても良い。例えば下記の一般式(2)と(3)のものを５０重量部づつ混合したものは、室温下でネマチック相を示し、扱いやすい。

ここで、前述の液晶性配向制御膜４１３の配向方位を調整するための厚み方向の電界を印加した時に、硬化型液晶層４１４にも厚み方向の電界が印加される。この時、硬化型液晶層４１４が電界に反応して配向変化してしまうことは好ましくない。したがって、硬化型液晶層４１４の誘電異方性Δεは小さいことが好ましく、Δεが略ゼロであることがより好ましい。
また、液晶性（メタ）アクリレートモノマーを含有する液晶組成物には、位相差量調整動作後の硬化を迅速に行う目的で、光重合開始剤を添加してもよい。ここで使用することができる光重合開始剤としては、例えば公知のベンゾインエーテル類、ベンゾフェノン類、アセトフェノン類、ベンジルケタール類から選択して使用することができる。その添加量は、液晶組成物中に含有される液晶性（メタ）アクリレートモノマーに対して、１０重量％以下であることが好ましい。

図２７は高分子安定型強誘電性液晶４１３が電界印加によって配向状態を調整できることを説明するための図である。図２７は空間光変調器４１０を透光性基板４１１ａ側から見た斜視図で透光性基板４１１ａ、配向膜４１２、高分子安定型強誘電性液晶層４１３のみを図示している。電界印加前は配向膜ラビング処理方向４３３に沿って高分子安定型強誘電性液晶分子４３２ａが配向している。これに、電界を印加する（電界印加方向３１）ことによって、液晶層の面内で配向方向をラビング方向から回転させることが可能となる。この回転調整された高分子安定型強誘電性液晶分子４３２ｂが光硬化型液晶４１４の配向膜として機能することになる。

光硬化型液晶４１４が硬化しない長波長の光を照射し、暗状態の漏れ光強度を測定する。必要に応じて、垂直入射光以外に斜め入射光を照射しても良い。実使用時の波長で暗状態が一番暗くなる時に長波長の漏れ光がどの程度であるかは、別途、計算で予測が可能である。所定の漏れ光強度になるように、高分子安定型強誘電性液晶４１３に電圧を印加する。所定の漏れ光強度になればその電圧を維持しながら、光硬化型液晶４１４が硬化する波長の光を照射する。硬化後、高分子安定型強誘電性液晶４１３への印加電圧をなくしても硬化した光硬化型液晶４１４の配向状態は変化しない。高分子安定型強誘電性液晶４１３は配向膜４１２のラビング方向に沿った配向状態になる。高分子安定型強誘電性液晶４１３のリタデーション（常光屈折率と異常光屈折率との差に液晶層厚をかけた値）よりも光硬化型液晶４１４のリタデーションを大きくしておけば、光硬化型液晶４１４のリタデーションが支配的になり、位相差板として光硬化型液晶層４１４が機能する。なお、高分子安定型強誘電性液晶４１３に電圧を印加（すなわち電界印加）したが、磁界を印加する方法も利用できる。

光硬化型液晶４１４の誘電異方性Δεは実質的に０であることが良い。なぜなら、高分子安定型強誘電性液晶層４１３へ電圧を印加した際に、光硬化型液晶層４１４にも電界が印加される。このときに、光硬化型液晶層４１４が層の厚さ方向にチルトすると所望のリタデーションが得られなくなる。Δεの大きさは０．１以内となることが望ましい。
なお、光硬化型液晶は熱硬化型液晶であっても良い。この場合には、高分子安定型強誘電性液晶４１３の配向状態を調整後に空間光変調器自体を加熱する。

上記の構成と動作説明から、本実施例では、従来の空間光変調器の外に配置していた位相差板を空間光変調器と一体化することができ、かつ、従来の位相差板回転調整を電圧調整で容易に行なうことができ遅相軸調整することができる。このため、コンパクトな位相差手段付き空間光変調器を構築することができる。
なお、図２５では透過型の空間光変調器で説明したが、反射型の空間光変調器であっても良い。

（実施例３−2）
図２６は実施形態３の別の実施例を示す空間光変調器の概略要部断面図である。本実施例の空間光変調器４２０は、実施例３−１（図２５）の配向膜４１２が省略された構成である。すなわち、透光性基板４１１ａ，４１１ｃの間に高分子安定型強誘電性液晶４１３と光硬化型液晶層４１４が挟まれ、透光性基板４１１ｃ，４１１ｂの間に光変調用の液晶層４１６が挟まれる。液晶層４１６に接する面には配向膜４１５ａ，４１５ｂが設置される。
透光性基板４１１ａに配向膜はないが、ラビング処理を行なう。透光性基板４１１ａに接する高分子安定型強誘電性液晶４１３はラビング方向に配向される。また、光硬化型液晶層４１４は高分子安定型強誘電性液晶４１３の配向方向に揃って配向される。

次に、光硬化型液晶４１４が硬化しない長波長の光を照射し、暗状態の漏れ光強度を測定する。必要に応じて、垂直入射光以外に斜め入射光を照射しても良い。実使用時の波長で暗状態が一番暗くなる時に長波長の漏れ光がどの程度であるかは、別途、計算で予測が可能である。所定の漏れ光強度になるように、高分子安定型強誘電性液晶４１３に電圧を印加する。所定の漏れ光強度になればその電圧を維持しながら、光硬化型液晶４１４が硬化する波長の光を照射する。硬化後、高分子安定型強誘電性液晶４１３への印加電圧をなくしても硬化した光硬化型液晶４１４の配向状態は変化しない。高分子安定型強誘電性液晶４１３は配向膜４１２のラビング方向に沿った配向状態になる。高分子安定型強誘電性液晶４１３のリタデーション（常光屈折率と異常光屈折率との差に液晶層厚をかけた値）よりも光硬化型液晶４１４のリタデーションを大きくしておけば、光硬化型液晶４１４のリタデーションが支配的になり、位相差板として光硬化型液晶層４１４が機能する。

本実施例の構成によれば、空間光変調器４２０にコントラスト比を向上させるための位相差手段を一体化させることができ、かつ、従来のような位相差板後相軸の調整も電界（または磁界）を印加することで容易に可能となる。また、位相差手段の構成要素を減らすことができる。

（実施例３−３）
図２８は実施形態３のさらに別の実施例を示す空間光変調器の概略要部断面図である。この空間光変調器４４０は、レンズアレイ基板４４１と、高分子安定型強誘電性液晶層４１３と、光硬化型液晶層４１４と、透光性基板４４２と、光変調用のスイッチング素子を含むバックプレーン４４３と、透光性基板４４２とバックプレーン４４３に挟持される光変調用液晶４４４で構成される。レンズアレイ基板４４１の高分子安定型強誘電性液晶層４１３側には配向膜４１２が設置される。また、透光性基板４４２とバックプレーン上の画素反射電極４４６の上にはそれぞれ配向膜４４５ａ，４４５ｂが設置される。レンズアレイ基板４４１の各アレイ４４７は画素反射電極４４６に対応した配列となっている。
なお、配向膜４１２から光硬化型液晶層４１４までの構成、動作については実施例３−1に記載したとおりであるため、ここでは説明を省略する。

従来のレンズアレイ付き反射型空間光変調器では位相差板がレンズアレイ基板の外側に配置されていた。反射型液晶素子の照明光はレンズアレイを往路と復路で２度通過し、レンズの屈折作用のために反射光（光変調された画像光）はその広がり角が大きくなる。このため、照明光が位相差板に入る入射角と、反射光（光変調された画像光）が位相差板に入る入射角が異なり、液晶の残留位相を補正しきれなかった。
これに対して、本実施例の構成によれば、レンズアレイと光変調用液晶素子との間に位相差手段を設けることが可能となり、この位相差手段への往路と復路の光の入射角が一致し、位相補償が厳密に達成可能となる。したがって、高コントラスト比の空間光変調器となる。

また、図２９に示すように、本実施例の空間光変調器４４０と、偏光分離素子として偏光ビームスプリッタ４５１とを組合せて表示装置とした場合には、配向膜４１２のラビング方向は紙面に平行もしくは垂直方向とし、光硬化型液晶層４１４のリタデーションはλ／４（４分の１波長）程度とする。この構成によって光源４５４からの出射光４５２は、暗状態とする画素光は効率良く光源４５４側に戻り、明状態の画素光は偏光ビームスプリッタ４５１を通過して表示される。光源としてはランプやＬＥＤを用いることができる。
なお、実施例３−２のように配向膜４１２を無くし、レンズアレイ基板を直接ラビング処理しても良い。

（実施例３−４）
図３０は実施形態３のさらに別の実施例を示す投射表示装置の概略構成図である。この投射表示装置は、光源４６１と、照明手段４６２と、実施例３−１に記載の空間光変調器４１０と、投射レンズ４６３で構成される。光源には例えば超高圧水銀ランプを用いることができる。光源４６１からの出射光を照明手段４６２で空間光変調器４１０に均一照明する。照明手段としてはフライアイインテグレータ光学系を用いることができる。また、図示しないが空間光変調器４１０の前後には偏光板を配置する。空間光変調器４１０で作像された画像光は偏光板を透過して投射レンズ４６３でスクリーン４６４に拡大投射される。

前述のとおり、位相差手段を含んだ空間光変調器４１０における位相差手段（光硬化型液晶）の遅相軸の調整は電界または磁界を印加して行ない、調整後に光硬化させる。このため、高コントラスト比の空間光変調器となる。したがって、拡大投射された画像光も高コントラスト比が達成される。
なお、本実施例では透過型空間光変調器４１０を用いているが、反射型空間光変調器と偏光分離素子とで置き変えても良い。また、光源から空間光変調器までの間に回転カラーフィルタを配置することにより、フィールドシーケンシャルでカラー画像を作成できる。さらに、以下の実施例に示すように、光源光をダイクロイックミラーなどで色分解し、各色をそれぞれ個別の空間光変調器で画像作成し、これらの画像を色合成することにより、カラー画像の表示装置を構成することができる。

（実施例３−５）
図３１は実施形態３のさらに別の実施例を示す投射表示装置の概略構成図である。本実施例の投射表示装置は、光源４６１と、照明光学系４６２と、色分離用のダイクロイックミラー４７１ａ，４７１ｂと、３枚の反射型空間光変調器４４０と、３組の偏光ビームスプリッタ４４１と、色合成用のダイクロイックプリズム４７４と、画素ずらし手段４７５と、投射レンズ４７６で構成される。
光源４６１としてのランプは白色光が放射されるものであれば良く、例えば、超高圧水銀ランプを用いることができる。光源４６１から放射された光を空間光変調器４４０に均一照明させるために照明光学系４６２が使われる。照明光学系４６２にはフライアイインテグレータが利用できる。照明光は一つ目のダイクロイックミラー４７１ａで青色光のみ反射される。ダイクロイックミラー４７１ａを透過した光は二つ目のダイクロイックフィルタ４７１ｂで赤色光が透過し、緑色光が反射される。図示しないが、超高圧水銀ランプは無偏光の光を放出するので、照明光学系の前後または内部で偏光変換素子を利用することが望ましい。また、光利用効率を低下させても良ければ、偏光板を用いるだけでも同様の効果は得られる。なお、図中の符号７２は折返しミラーであり、７３はリレーレンズで青色光だけが照明光学長が長くなるために配置される。

各色の光は偏光ビームスプリッタ４４１で反射され空間光変調器４４０を照射する。ここで用いる空間光変調器４４０は実施例３−３に記載のレンズアレイ付き反射型空間光変調器である。この反射型空間光変調器４４０では、前述の通り、レンズアレイ基板と光変調用液晶との間に位相差手段が配置されており、電界または磁界の印加で位相差手段の遅相軸の回転調整ができる。各空間光変調器４４０で変調された各色の画像光は偏光ビームスプリッタ４４１を透過してダイクロイックプリズム４７４で色合成され、画素ずらし４７５手段に入る。

ここで、画素ずらし手段４７５について説明する。画素ずらし手段４７５は空間光変調器４４０からの画像光の光路を所定の距離だけシフトさせる機能を有する。例えば、透光性平行平板をピエゾ素子で所定の角度だけあおる方式が利用できる。空間光変調器の画素ピッチの半分の距離を光学シフトさせ、空間光変調器４４０と画素ずらし手段４７５との同期をとることによって、表示装置を見る人は空間光変調器の２倍の解像度画像を見ることができる。同様に、画素ずらし手段４７５を水平方向と鉛直方向のそれぞれに画素ピッチの半分の量を光学シフトすれば、空間光変調器４４０の４倍の解像度を表示することが可能になる。なお、画素ずらし手段４７５としては、上記以外にも複屈折を利用した素子を用いることができる。

次にレンズアレイ付き反射型空間光変調器４４０のレンズアレイの働きについて説明する。画素ずらし手段４７５は水平方向（または鉛直方向）に半画素ピッチ分、光学シフトさせる。このため、投射隣接画素どうしは重なる領域が存在する。このため、水平・鉛直の４倍画素ずらしのためには空間光変調器４４０の画素を１／２倍（面積比１／４）にする必要がある。

ここで図３２を用いて、空間光変調器の各画素の画素形状をレンズアレイ４８３によって見かけ上小さくする動作を説明する。図３２において、符号４８１は空間光変調器を表している（透光性基板などの図示は省略している）。空間光変調器４８１の近傍には空間光変調器の画素ピッチに対応するレンズアレイ４８３が配置される。空間光変調器４８１には照明光学系によって照度均一化された照明光が照射される。しかし、画素面の照明光には、図３３に示すような光源に固有の配光分布特性を保持している。ただし、ランプ光源の光束を絞った照明光学系を採用すると、空間光変調器上では図３３の横軸が延びたような配光分布となる。逆にランプ光束を広げた場合には図３３の横軸が圧縮された特性になる。さて、図３２にもどり、図３３のような配光分布を有する画素からの光をレンズアレイ４８３を経て絞る。レンズアレイ４８３は液晶画素に近接されるため、フィールドレンズに近い働きをもつ。このため、画素４８２の配光分布形状が、図中の符号４８５で示す二点鎖線の位置（焦点付近）では図３４に示すような照度分布となる。ただし、焦点付近からレンズアレイ側の手前の位置（図中の符号４８４で示す二点鎖線の位置）であっても、照度分布は空間光変調器４８１の画素面の配光分布にかなり似た図３４に示すような照度分布が得られる。放電ランプの配光分布は図３３のような分布であるため、この形状が符号４８４の位置において画素ピッチで配列されると、あたかも画素４６１が縮小されたかのような照度分布となる。従って、図３１の表示装置では、投射レンズ４７６のバックフォーカス位置は図３２の符号４８４の位置に一致させることになる。

以上の説明から、本実施例では、レンズアレイを使っているにもかかわらず高コントラスト比の作像光学系が得られ、かつ、レンズアレイによる画素縮小効果と画素ずらし手段との組み合わせによって高精細な表示画像を得ることができる。

以上説明したように、本発明に係る空間光変調器では、レンズアレイの効果で高輝度で高品質の表示が可能であり、かつ位相差手段をレンズアレイ基板と液晶層の間に配置しているため、液晶の残留位相差を正しく補正することができ、表示画像のコントラスト比の低下を改善することができるので、プロジェクタやヘッドマウントディスプレイ等の種々の表示装置（投射表示装置）に好適に利用することができる。そして、本発明に係る表示装置では、その空間光変調器と画素ずらし素子を備えることにより、画像を形成する空間光変調器の整数倍の画素数を表示でき、かつ表示隣接画素間の重なりを低減することが可能であるので高精細な画像を表示でき、かつコントラスト比が高く高輝度で高品質の表示ができるので、プロジェクタやヘッドマウントディスプレイ等の種々の表示装置（投射表示装置）に応用することができる。

本発明の第一の実施形態を示す空間光変調器の概略要部断面図である。 実施形態１に係る表示装置の効果を検証するための実験に用いた表示装置の光学系配置を示す図である。 実施形態１に係る表示装置の効果を検証するための実験に用いた表示装置の光学系配置を示す図である。 実施形態１に係る表示装置の効果を検証するための実験に用いた表示装置の光学系配置を示す図である。 実施形態１に係る表示装置の効果を検証するための実験に用いた表示装置の光学系配置を示す図である。 実施形態１の第１の実施例を示す表示装置の概略構成図である。 実施形態１の第２の実施例を示す表示装置の概略構成図である。 実施形態１の第３の実施例を示す表示装置の概略構成図である。 実施形態１の第４の実施例を示す表示装置の概略構成図である。 実施形態１に係る空間光変調器を３つ用いたカラー画像表示装置の構成例を示す概略構成図である。 実施形態２に係る空間光変調器の一例を示す概略要部断面図である。 実施形態２の空間光変調器の構成例を示す概略要部断面図である。 実施形態２の空間光変調器の別の構成例を示す概略要部断面図である。 実施形態２の空間光変調器の別の構成例を示す概略要部断面図である。 実施形態２の空間光変調器の別の構成例を示す概略要部断面図である。 実施形態２の空間光変調器の別の構成例を示す概略要部断面図である。 実施形態２に係る表示装置の一例を示す概略構成図である。 従来の表示装置の一例を示す概略構成図である。 実施形態２に係る表示装置の別の例を示す概略構成図である。 実施形態２の比較例として用いた表示装置の概略構成図である。 実施形態２の一実施例を示す表示装置の概略構成図である。 実施形態２の別の実施例を示す表示装置の概略構成図である。 実施形態２の別の実施例を示す表示装置の概略構成図である。 実施形態２の別の実施例を示す表示装置の概略構成図である。 実施形態３の一実施例を示す空間光変調器の概略要部断面図である。 実施形態３の別の実施例を示す空間光変調器の概略要部断面図である。 図２６に示す空間光変調器の高分子安定型強誘電性液晶が電界印加によって配向状態を調整できることを説明するための図である。 実施形態３の別の実施例を示す空間光変調器の概略要部断面図である。 実施形態３の別の実施例を示す表示装置の概略構成図である。 実施形態３の別の実施例を示す投射表示装置の概略構成図である。 実施形態３の別の実施例を示すカラー表示装置の概略構成図である。 空間光変調器の各画素の画素形状を、レンズアレイによって見かけ上小さくする動作の説明図である。 ランプ光源の配光分布特性を示す図である。 図３２に示すレンズアレイの焦点付近での照度分布を示す図である。

符号の説明

１１ａ，１１ｂ：偏光板
１２：偏光ビームスプリッタ
１３：位相差板（λ／４板）
１４：マイクロレンズアレイ
１５：反射型液晶表示素子（空間光変調素子）
１７：投射レンズ
１９：画素ずらし素子
２１：ワイヤーグリッド偏光子
２２：位相差板
３０：偏光分離素子
３１，４１，１０１：空間光変調器（マイクロレンズ付き反射型液晶表示素子）
３２，１０２：マイクロレンズアレイ基板
３２ａ，１０２ａ：マイクロレンズアレイ
３３，１０３：複屈折層（位相差板）
３４，１０４：液晶層
３５，１０５：画素反射電極
３６，１０６：シリコンバックプレーン
４２：構造性複屈折
２０１，２１５：空間光変調器
２０２：レンズアレイ基板
２０３：位相差手段
２０４：光変調用液晶層
２０５：画素電極
２０６：スイッチング素子アレイ基板
２１１ａ，２１１ｂ：偏光板
２１２：偏光ビームスプリッタ
２１７：投射レンズ
２１８：画素ずらし素子
２２１：ワイヤーグリッド偏光子
２０３１，２０３３：配向膜
２０３２：透明電極
２０３４：中間層
４１０，４２０：透過型空間光変調器
４１１ａ，４１１ｂ，４１１ｃ：透光性基板
４１２：配向膜
４１３：液晶性配向制御膜（高分子安定型強誘電性液晶）
４１４：硬化型液晶
４１５ａ，４１５ｂ：配向膜
４１６：光変調用液晶層
４４０：反射型空間光変調器
４４１：レンズアレイ基板
４４２：透光性基板
４４３：バックプレーン
４４４：光変調用液晶
４４５ａ，４４５ｂ：配向膜
４４６：画素反射電極
４５１：偏光ビームスプリッタ
４５４：光源
４６１：光源
４６２：照明手段（照明光学系）
４６３：投射レンズ
４６４：スクリーン
４７１ａ，４７１ｂ：ダイクロイックミラー（色分離手段）
４７２：折り返しミラー
４７４：ダイクロイックプリズム（色合成手段）
４７５：画素ずらし手段
４７６：投射レンズ

Claims (35)

1. 少なくとも透光性基板と液晶層と画素アレイとで構成される空間光変調器において、
   前記透光性基板と前記液晶層との間には位相差手段を有することを特徴とする空間光変調器。
2. 請求項１記載の空間光変調器であって、
   前記画素アレイはアレイ状の画素電極で構成され、前記透光性基板には、前記画素電極に対応したアレイピッチのレンズアレイが形成され、かつ該レンズアレイが形成された基板と前記液晶層との間には位相差手段を有することを特徴とする空間光変調器。
3. 放射光を放出する光源と、該光源から放出された光を均一照明させる照明手段と、請求項１または２記載の空間光変調器を備えたことを特徴とする表示装置。
4. 放射光を放出する光源と、該光源から放出された光を均一照明させる照明手段と、偏光分離手段と、請求項１または２記載の空間光変調器を備えたことを特徴とする表示装置。
5. 放射光を放出する光源と、該光源から放出された光を均一照明させる照明手段と、偏光分離手段と、アレイ状に配列された画素で画像を形成する空間光変調素子と該空間光変調素子の画素配列に応じた配列のレンズアレイと位相差板とで構成される空間光変調器と、画素ずらし素子とを備えた表示装置において、
   前記位相差板は、前記レンズアレイと前記空間光変調素子との間に配置されたことを特徴とする表示装置。
6. 請求項５記載の表示装置において、
   前記偏光分離手段は偏光ビームスプリッタで構成され、前記位相差板はλ／４板であることを特徴とする表示装置。
7. 請求項５記載の表示装置において、
   前記偏光分離手段はワイヤーグリッド偏光子で構成されたことを特徴とする表示装置。
8. 請求項５〜７の何れか一つに記載の表示装置において、
   前記空間光変調素子は、透光性基板と、液晶層と、反射画素アレイとで構成される液晶表示素子であることを特徴とする表示装置。
9. 請求項５〜８の何れか一つに記載の表示装置において、
   前記空間光変調器を構成するレンズアレイと位相差板及び空間光変調素子は一体に構成されたことを特徴とする表示装置。
10. 請求項９記載の表示装置において、
    前記空間光変調器は、少なくともレンズアレイ基板と、反射画素電極を含む下側基板と、前記レンズアレイ基板と下側電極に挟持された液晶とで構成される反射型液晶表示素子であり、前記レンズアレイ基板の液晶層側に斜方蒸着で位相差膜が設置されたことを特徴とする表示装置。
11. 請求項９記載の表示装置において、
    前記空間光変調器は、少なくともレンズアレイ基板と、反射画素電極を含む下側基板と、前記レンズアレイ基板と下側電極に挟持された液晶とで構成される反射型液晶表示素子であり、前記レンズアレイ基板の液晶層側に構造性複屈折で位相差板の構造が設置されたことを特徴とする表示装置。
12. 請求項１記載の空間光変調器であって、
    透光性で、かつその表面ないし内部に集光機能を有するレンズアレイを備えた基板と、レンズアレイピッチに対応したアレイピッチを有する画素電極を有するスイッチング素子アレイ基板と、両基板に狭持された光変調用液晶層とから構成され、前記レンズアレイと液晶層の間に液晶状態の配向が固定化された位相差手段を設けたことを特徴とする空間光変調器。
13. 請求項１２記載の空間光変調器において、
    前記位相差手段が、配向した高分子液晶膜をガラス状態に冷却して得られる配向固定化された高分子液晶膜であることを特徴とする空間光変調器。
14. 請求項１２記載の空間光変調器において、
    前記位相差手段が、配向された重合性基を有する液晶の重合膜または架橋膜であることを特徴とする空間光変調器。
15. 請求項１２記載の空間光変調器において、
    前記位相差手段が、配向したリオトロピック液晶の結晶化膜であることを特徴とする空間光変調器。
16. 請求項１３〜１５の何れか一つに記載の空間光変調器において、
    前記位相差手段に隣接する基板表面に液晶を配向させるための配向処理が施されていることを特徴とする空間光変調器。
17. 請求項１３〜１５の何れか一つに記載の空間光変調器において、
    前記位相差手段が別基板上で形成された膜を基板上に転写することで形成されてなることを特徴とする空間光変調器。
18. 請求項１３〜１７の何れか一つに記載の空間光変調器において、
    前記レンズアレイ基板に光変調用液晶層に電圧を印加するための透明電極が形成されてなり、前記位相差手段を介して光変調用液晶層に電圧を印加するよう構成されたことを特徴とする空間光変調器。
19. 請求項１８記載の空間光変調器において、
    前記位相差手段に光変調用液晶層を配向させるための配向処理が施されたことを特徴とする空間光変調器。
20. 請求項１３〜１７の何れか一つに記載の空間光変調器において、
    前記位相差手段と光変調用液晶層の間に透光性の中間層を設けたことを特徴とする空間光変調器。
21. 請求項２０記載の空間光変調器において、
    前記中間層の光変調用液晶層と接する側に、透明電極と光変調用液晶層を配向させるための配向処理が施されたことを特徴とする空間光変調器。
22. 請求項２０記載の空間光変調器において、
    前記中間層が透明電極であり、該中間層の光変調用液晶層と接する側に光変調用液晶層を配向させるための配向処理が施されたことを特徴とする空間光変調器。
23. 請求項１２〜２２の何れか一つに記載の空間光変調器において、
    前記画素電極が光反射部材で構成されたことを特徴とする空間光変調器。
24. 請求項１２〜２３の何れか一つに記載の空間光変調器において、
    前記位相差手段が、λ／４板であることを特徴とする空間光変調器。
25. 請求項１２〜２３の何れか一つに記載の空間光変調器において、
    前記位相差手段が、光変調用液晶層のオン状態またはオフ状態の残留位相差を補償する位相差を有することを特徴とする空間光変調器。
26. 請求項１記載の空間光変調器であって、
    透光性基板と、画素電極を有するスイッチング素子アレイ基板と、両基板に挟持された光変調用液晶層とから構成され、前記透光性基板と前記光変調用液晶との間に外場によって配向状態調整可能な位相差手段を設け、前記配向調整後に配向状態が固定化されたことを特徴とする空間光変調器。
27. 請求項２６記載の空間光変調器において、
    前記位相差手段が、前記配向状態調整時に位相差手段厚さ方向の電界印加によって位相差手段面内方向で配向方位を制御可能な液晶性配向制御膜と、硬化型液晶層とからなることを特徴とする空間光変調器。
28. 請求項２７記載の空間光変調器において、
    前記位相差手段は、配向膜と、前記液晶性配向制御膜としてスメクチックＡ相でエレクトロクリニック効果を示す液晶層と、光硬化型液晶層とで構成されたことを特徴とする空間光変調器。
29. 請求項２７記載の空間光変調器において、
    前記位相差手段は、配向膜と、前記液晶性配向制御膜として高分子安定化スメクチックＣ相強誘電性液晶層と、光硬化型液晶層とで構成されたことを特徴とする空間光変調器。
30. 請求項２８または２９記載の空間光変調器において、
    前記位相差手段のうち、配向膜を無くした構成であることを特徴とする空間光変調器。
31. 請求項２８〜３０の何れか一つに記載の空間光変調器において、
    前記光硬化型液晶の誘電異方性は、Δεが実質的に０であることを特徴とする空間光変調器。
32. 請求項２６〜３１の何れか一つに記載の空間光変調器において、
    前記透光性基板が前記スイッチング素子アレイの配列に応じた配列で形成されたレンズアレイ基板であることを特徴とする空間光変調器。
33. 放射光を放出する光源と、該光源から放出された光を均一照明させる照明手段と、偏光分離手段と、請求項１２〜３２の何れか一つに記載の空間光変調器を備えたことを特徴とする表示装置。
34. 請求項３３記載の表示装置において、
    前記空間光変調器からの出射光路中に、光路をシフトまたは曲折させる画素ずらし素子を備え、レンズアレイによって縮小された画素からなる画像情報を時間的に表示位置を変えることで表示を行うことを特徴とする表示装置。
35. 請求項３〜１１、３３、３４の何れか一つに記載の表示装置と、該表示装置の表示画像を投射する投射レンズとを備えたことを特徴とする投射表示装置。
    

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