JPH0351882A - 投影形画像表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、投影形画像表示装置に関し、たとえば、マト
リックス状に配列された複数の絵素を有する透過形の表
示素子である表示パネル（たとえば液晶表示パネル）と
、それに対する照明光を絵素領域に集光し表示を明るく
するための集光手段として用いられるマイクロレンズア
レイ《微少なレンズが２次元的に規則正しく配列された
もの》を備え，該表示パネルに表示された画像を投影レ
ンズで拡大投影する投影形画像表示装置に関するもので
あり、特に大画面の投影形ＴＶ（テレビジョン受信機》
システムや情報表示ジステムに適用され得るものである
． 従来の技術 本発明に用いられる透過形の表示素子（表示パネルと言
うこともある〉とは、それ自身は発光しないが、その透
過率が駆動信号によって変化し、別に設けられた光源か
らの光の強度を変調することにより画像や文字を表示す
るものである．この例には液晶表示パネル、エレクトロ
クロミックディス１レイ、ＰＬＺＴ等の透光性セラミッ
クを用いたディスプレイ等があり、中でも液晶表示パネ
ルはボケッタブルＴＶ（テレビジョン受信機）やワード
１ロセッサ等に広く利用されている．このような液晶表
示パネルは、絵素と呼ばれる最小の表示単位が規則的に
配列されており、それらの絵素にそれぞれ独立した駆動
電圧を印加することにより液晶の光学特性が変化し、そ
れによって画像や文字が表示される．各絵素に独立し駆
動電圧を印加する方法には、単純マトリックス方式およ
びＭ　Ｉ　Ｍ　（　Ｍｅｔａｌ　Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ　
Ｍｅｔａｌ）等の非線形２端子素子や薄膜トランジスタ
（ＴＰＴ）等の３端子スイッチング素子を各絵素に設け
たアクティブマトリックス方式がある． 透過形表示パネルを観京するモードとして番よ、表示パ
本ルを直視する場１と、投影レンズによって拡大投影す
る場ｈとがある．投影形には、３原色のモザイク状のカ
ラーフィルタを備えたカラー液晶表示パネルを１枚用い
る方式と白黒〈モノクロ）表示の３枚の液晶表示パネル
を用いる方式とがある．後者では、３枚の液晶表示パネ
ルそれぞれ３原色の色光で照明し、各パネルに照射光の
色戒分に対応する白黒の画像を表示させることによって
、３原色の各色の画像を得る．このようにして得られた
３原色の画像を合戒する方法には、それぞれの画像を個
別に投影しスクリーン上でき成する方式と、ダイクロイ
ックミラーによってき成し、共通の投影レンズによって
投影する方式とがある． カラー液晶表示パネルを１枚用いる方式については、特
開昭４９−７４４３８　（特公昭５４−ｌ８８８６　）
の明細書中に、？’＊膜｝・ランジスタにより個々の絵
素が制御され、３原色のモザイク状のカラーフィルタを
備えたカラー液晶表示バ木ルをスクリーンに投影してＩ
ｌ察するということが触れられており、３枚の液晶表示
パネルを用いる方法については、特開昭６０−１７９７
２３に開示されている． 発明が解決しようとする課題 ところで、前述のアクティブマｌ・リックス方式では、
各絵素に独立した駆動電圧を供給するために、各絵素に
薄膜トランジスタまたはＭ　Ｉ　Ｍなどの素子を設け、
それらに駆動信号を供給するラインを絵素と絵素の間に
配線しなければならない。

そのため、画面中の絵素顕域の占める割き（開口率）が
小さくなる．パネルに照射された光の中で、絵素領域以
外の領域に入射した光は、表示信号による変調を受けな
い．表示動作モードがノーマリブラックモード（液晶層
に電界が印加されていない時に、光が透過しないような
動作モード）の表示パ本ルでは、絵素領域以外の領域に
入射した光が表示パネルを透過しない．表示動作モード
がノーマリホワイトモード（液晶層に電界が印加されて
いない時に、光が透過するような動作モード〉の表示パ
ネルでは、絵素領域以外の領域に入射した光が表示パネ
ルを透過すると、表示画面の黒レベルが浮き上がってコ
ントラストが低下する．これを防ぐため必要に応じて、
絵素以外の顕域に遮光マスクを設け、表示に寄与しない
光を吸収または反射するように横或する．したがって、
いずれの表示モードにおいても、表示パネルが同じ照度
で照明された場１、表示パネルの間口率が低いほど、画
面が暗くなるという問題が生じる．このような状況は、
表示パネルを直視する場合でも、投影レンズによって拡
大投影する場合でも同様である． このような表示バネ，ルの開口率が低いために画面が暗
くなるという問題を解決する手段として、特開昭６０　
　１６５６２４には、微少レンズ配列を表示バネ・ルの
光源側に設け、照明光をそれぞれの絵素頭域に集光して
照明光の利用率の向上を図る方法が開示されている。た
だし、これらの出願では、光源の種類、照明光の平行度
に触れられておらず、Ｈ像を投影することについても触
れられていない．この横成からは、視界が拡大されると
いう効果が期待できると推察される． なお、前述の待閏昭４９−７４４３８　（特公昭５４　
　１８８８６）の明細書中には液晶表示パネルの光源側
に光バラレライザが設けられ、光源からの平行または平
行に近い光のみを通過させるという記述があり、図面に
は光パラレライザが凸レンズ状の形態の要素の配列され
たものであることが示されている，これは，カラーフィ
ルタが液晶表示パネルの外部に設けられているので、斜
めがらカラーフィルタに入射した光が隣の絵素に入射し
色ずれを起こすのを防止するのが目的であると推測され
る． ところで、従来の映写機やスライド投影機では、ケーラ
ー照明が用いられる場かが多いが、この照明法では、コ
ンデンサレンズによる光源の像を投影レンズの位置に作
るように光学系を構成する．そのため、投影レンズとし
ては、口径が光源の発光部の大きさ程度の比較的小さい
ものが用いられていた．このような光学系を用いて投影
形画像表示装置を構成し、表示パネルの光源側に各絵素
に対して１個ずつの凸レンズであるマイクロレンズを有
するマイクロレンズアレイを設けた場き、表示パネルに
入射する照明光はマイクロレンズによって各絵素頭域に
集光され、表示信号に応じて変調を受けるが、表示顕域
を通過した後は、間口数ＮＡで決まる角度で発散して行
く．この角度が大きいと表示パネルを透過した光の一部
しか投影レンズに入射しなくなり、投影画面が暗くなる
という問題が生じる． ここで開口数ＮＡは、レンズの開口部の半径をＲとし、
焦点距離をｆとし、そのレンズのＦ数をＦとする とき、第１式で定義される． 特開昭６０−２６２１３１には、表示パネルの両側に各
絵素に対して一対のレンズ要素を設け、第１のレンズに
より表示パネルに入射する照明光を絵素領域に集光し、
表示領域を通過した後は、開口数で決まる角度で発散し
て行く光を第２のレンズにより再びほぼ平行な光束に′
ｘ：ｔａすることが開示されている．この場きには、表
示パネルと２枚のマイクロレンズアレイの位置なわせを
精密に行わなければならない．またマイクロレンズアレ
イに収差があると第２のレンズを通過しても完全に平行
な光束には戻らない．さらに、境界面の数が増えるので
、反射損失や迷光が増加する危険性も＋Ｐ）る． 本発明は上記のような問題点を解決するためになされた
ものであり、照明光の利用率が高く、表示画面の明るい
投影形画像表示装置を提供することを目的としている。

課題を解決するための手段 本発明は、光源と、 多数の絵素を有する透過形表示素子と、光源と表示素子
との間に介在され、１または複数の絵素毎に対応して集
光する集光要素と、表示素子の出ｑｔ（ｌｔ１に配置さ
ｈ、表示素子に表示された画面をスクリーンに投影する
ための投影レンズとを含み、 没影レンズの開口数は、集光要素の開口数よりも大きい
ことを特徴とする投影形画像表示装置である。

作　　用 本発明に従えば、光源から集光要素に入射する光は、そ
の集光要素の１または複数の絵素４に対応する部分に関
しては、ほぼ平行な光束と考えることができる．集光要
素によって、光源からの光は収束され、液晶などの表示
素子に入射し、その表示素子の絵素ｉｉａ域を集中的に
照射する．また集光された光束は絵素顕域を通過し、そ
の表示素子の画像信号に応じて変調を受けた後、集光要
素の間口数ＮＡで決まる角度の円錐内に広がっていくが
，これらの光束を受光するように投影レンズの開口数、
したがって口径が選ばれているので、それによって表示
素子を透過した光が制限されるということはない．一）
まり表示素子に入射し、絵素顕域を通過した光は、有効
に利用されるので、従来の投影形画像表示装置と比較し
て、明るい画像が得られる． 実施例 本発明を図面に従って説明する．第１図は、本発明の一
実施例の投影形画像表示装置の光学系の模式図である．
液晶表示素子１は、一対の透光性のたとえばガラスなど
の基板１ａ間に液晶層が形戒され、透光性電極が対向さ
れて構戊される絵素顕域１ｂと、その絵素領域の透光性
電極に電気１２号を与える金属導体などを含む遮光顕域
１（とを有する．この表示素子の表示画面の対角線は７
５ｍｍ．絵素ピッチはｉ！　１　９　０　μｍ　＊横１
６１μｍ、絵素頭域１ｂは、ｍ８８ｕｒｎ＊横１０４μ
−ｍ．開口率は３０２≦、各基板１ａの屈折率ｒ１は１
．５３、基仮１ａの厚さは１．１ｍｍである．液晶の勤
ｆ？モードはツイステンド・ネマティックを用いたが、
池のモードを用いることもできる．３くの液晶の動作モ
ードでは廣光板を併用することが必要になる．偏光板は
液晶表示素子ｌに直接貼りｂわせることもできるが、高
輝度の光源を用いる堝含には、偏光板の光吸収に伴う温
度上昇が液晶の動作特性に影響を与えるので、液晶表示
素子に直接貼りなわせない方がよい．ｉ光板を設置する
位置は、液晶表示素子との間に偏光特性を変化させるも
のが入らなければ、どこでも差し支えない．たとえば、
次に述べる集光要素であるマイクロレンズが液晶表示素
子と偏光板の間に挿入されても構わない．液晶表示素子
１の光源側には、凸レンズ効果を有するマイクロレンズ
アレイ２が配置される．このマイクロレンズアレイ２の
多数の凸レンズであるマイクロレンズ（後述のように参
照符８で示すことがある〉のピンチは、液晶表示素子１
の絵素ピッチに対応し、その口径は１６０μｍ、焦点距
離は、液晶表示素子の基板１ａの厚さと等しくする（空
気中では，１．１／１．５３”；０．７２ｒｎｍである
）．シたがって、マイクロレンズアレイ２のマイクロレ
ンズの開口数ＮＡは８０／７２０＝１／９となる．この
マイクロレンズアレイ２は；α晶表示素子の絵素１ｂの
位置と対応付けられて透明な接着剤で貼りきわされる． 白色光源３としては、ハロゲンランア、メタルハライド
ランプ、キセノンランプなどが用いられる． 反射鏡，１は、光源から反対側に出射された光を液晶ｋ
示素子１に向かうように反射させるためのものである．
５はコンデンサレンズ、６は投影レンズ、７は投影スク
リーンを示す． 光源３から発した光は、反射鏡およびコンデンサレンズ
５により投影レンズ６に向かうように集光される。この
光束は第ｌ図から明らかなように、マイクロレンズアレ
イ２により収束され、液晶表示素子の絵素領域１ｂを透
過し、液晶層に印加された画像信号電圧に応じて強度変
調を受け、その後、投影レンズ６によりスクリーン７に
投影される， 第１１Ｍに示した実施例では、ゲーラ照明を携成してい
るので、各マイクロレンズの中心を通る光線は投影レン
ズの中心に向かう． コンデンサレンズうとしてｆ＝１８０ｍｍの平凸レン７
′２枚をそれらの凸面どうしが向かい合うよう配置し、
一方のレンズの入射側である左側の焦点に光源を置くと
、マイクロレンてアレイ２がなければもう一方のレンズ
の出射側である右側の焦点に光源の像が形成される． 第１１２１の右側のコ〉′デンサレンズ５の表面から右
に１　０　ｒｏ　ｍのところに液晶表示素子１を置くと
、これと前記光源像との間隔は１　７　０　ｍ　ｍとな
る．ここでマイクロレンズアレイ２を挿入すると、マイ
クロレンズアレイ２に対して後方（右側）１７０ｍｍの
ところに虚の光源をおいたことになる．この場合、マイ
クロレンズアレイによって集光された光源の像の位置は
レンズの公式１　／’　ｆ　＝　１　，／ａ　−｝−　
１　／　ｂにおいて、ａ　＝　−　１　７　０　ｍ　ｒ
ｎ　．ｆ　＝　０　．７　２　ｍ　ｒｎを代入すること
によりｂ　＝　１　／　（　１　ｙ’　０　．７２＋−
１ｚ’ｌ７０）＃０．７１７ｒｎｍとなる．これからわ
かるようにコンデンサレンズ５の焦点距離は、マイクロ
レンズの焦点距離に比べて非常に大きいので、マ・ｆク
ロレンズによる光源の像はほぼマイクロレンズの焦点の
位置にできると考えて差し支えない．なお、マイクロレ
ンズによる光源の像の大きさは幾何光学的には、（マイ
クロレ〉ズアレイのｆ　，，／コ〉・デンサレンズ５の
ｆ）に縮小される．本実施例では０．７２／１８０＝０
．００−１倍になる．光源の発光部の大きさを１　０　
ｍ　ｒｎφとすると、マイクロレンズにより縮小された
光源の像の大きさは４０μｍφとなり、液晶表示パオ，
ルの絵素顕域よりも小さいので、マイクロレンズに入射
した光はすべて絵素領域を通過することができる．各マ
イクロレンズにより集束され、液晶表示素子１の絵＄領
域１ｂを透過した光は、各マイクロレンズの中心を通り
投影レンズ６の中心に向かう光線のまわりに角度ｔ　ａ
　ｒ＋θ＝±１／９内に円錐状に広がって投影レンズ６
に向かう．液晶表示素子１と投影レンズ６の間隔Ｌは、
投影レンズ６の焦点距離ｆ．と、投影倍率ｍによってＬ
　＝　ｆｔ　・（　１　＋　１／ｍ）　　　　　　　　
”’　（２）で与えられるが、投影レンズ６の焦点距離
ｆｃを１　５　０　ｒｎ　ｒｎとし、投影倍゛率ｍを５
〜３０とすると、Ｌ＝１５５〜１８０ｍとなる．Ｌが１
　８　０　ｒｎ　ｍのとき、液晶表示素子を透過した光
は、投影レンズ６の位置では半径２　０　ｍ　ｍ円内に
広がる．したがって、投影レンズ６の口径が４　Ｑ　ｍ
　ｍ以上であれば、；α晶表示素子１を透過した光を捕
促することかできる．このとき投影レンズ６の開口数（
ＮＡ）は２０／’１　５０＝１，／７．５であるので、
マイクロレンズの開口数（ＮＡ）よりも２０％大きい．
このように、投影レンズ６の開口数がマイクロレンズ２
の開口数（ＮＡ）よりも大きいこと、望ましくは２０％
以上大きいことが必要条件となる．マイクロレンズアレ
イ２は、透光性材料、たとえばガラスおよび今成樹脂な
どから成る基材９の中に、基付の屈折率を変化させる物
質、たとえば基材がガラスの場合にはアルカリイオン、
また基材がｈ成樹脂のｊｌ：，　．６には分子分極率の
異なる有機分子を図示しないマスクを通して選択的に拡
散させ、半球状の高屈折率領域から戒るマイクロレンズ
８が形成されたものである． 本発明の他の実施例として、第２ｌ２Ｉに示されるよう
に、集光要素として、透光性材料からなり、多数の凸面
の配列された表面形状を有する複眼レンズ１０を用いて
もよい．この複眼レンズ１０は、多数のレンズを絵素配
列と整なするように２次元配列したものである． このような第１［７Ｉに示されるマイクロレ〉′ズアレ
イ２および第２図に示される複眼レ〉′ズ１０は、たと
えば第３Ｉ２Ｉに示されるような構成を有するｊα晶表
示素子に関連して用いることができる。この第３図に示
される液晶表示素子では、絵素顕域を形成する透明電％
１１はＸＹマトリックス状の金属導体１２．１３からの
電気信号によって薄膜ト・ランジスタ（略称ＴＰＴ）１
５でスイッチング動作されて絵素領域１ｂの透明電極１
１に対向する液晶が活性化される． また第４１１２ｆｆに示されるように絵素ｗＩ域１ｂに
複数の電極１１ａが配置された構成を有する液晶表示素
子では、マイクロレンズ８および第２図の複眼レンズの
多数の凸レンズ部分がこれらの複数（この実施例では４
〉の透明電極１１毎に共通に設けられてもよい． 本発明のさらに他の実施例として、集光要素としては、
第５図に示されるレンテイキュラーレンズ１６が用いら
れてもよい．このレンテイキュラーレンズ１６は、多数
のかまぼこ状レンズを絵素ビッチと同じか２倍のピッチ
で並べた構成を有し、一方向についてのみ集束作用を持
つ．このようなレンテイキュラーレンズ１６は第６図に
示される液晶表示素子に関して、実施することができる
．たとえば第６図に示される液晶表示素子では、金属導
体１３間に、４１Ｂ長い絵素領域１ｂを形成する透明ｔ
ｌｉｌｌが配度され、非線形素子１７を介して、スイッ
チング動作が行われ、このような液晶表示素子に関連し
てレンテイキュラーレンズ１６のかまぼこ状レンズがａ
ｔ長い絵素顔域１ｂＪ７Ｆに配置される． 本件発明昔の実験によれば、第１［７Ｉに示される実施
例では、マイクロレンズアレ．（　２を用いない場合に
比べて、表示画像の輝度が２倍に向上した．また投影レ
ンズ６の口径を変化させると、半径２　０　ｍ　ｍ以下
では、口径に応じて投影画面の明るさが変化したが、半
径２　０　ｍ　ｍ以上では、投影画面の明るさは一定に
なった． 本実施例では、テーラ照明の場きを示したが、他の照明
法、たとえばクリスティカル照明やテしセ〉・トリック
系にも適用することができる。また、液晶表示素子をｌ
枚用いる方式を例として示したが、本発明は、前述の３
枚の液晶表示素子を用いる方式にも適用できることは言
うまでもない．なお、第１図の実施例におけるマイクロ
レンズアレイ２の形成は、以下に挙げる方法によって行
うことができる． （１）プラスティックあるいはガラスを機械工または金
型によって成形する方法。金型は直接加工する以外に、
以下に説明する（２）〜（５）および（７）の方法で形
成されたものを原型として、電鋳等の方法により転写し
たものを用いてもよい．（２〉或る種の感光性樹脂にパ
ターン状に露光したとき、非露光から露光部に未反応の
モリマーが移動し、露光部が盛り上がるという現象を利
用し、凸レンズを形戒する方法． この方法については、応用物理学会光学懇話会微小光学
研究グループ機ｒＭ誌Ｖｏｌ．　５　　Ｎｏ．２ｐｉ１
８（１９８７）、同　Ｖｏｌ．　６　　Ｎｏ．２ρ８７
　（１９８８）に記述されている．（３〉熟可塑性樹脂
を周知のフォｌ・グラフィ技術等により、レンズの平面
形状にパターン化し、その渣、軟化点以上の温度に加熱
して流動性をもたせ、エッジのダレを起こさせて凸レン
ズを得るという方法． この４ｉ｝、熱可塑性樹脂が感光性であれば、それ自身
を露光することによってパターン化することができる． この方法に′）いては、特開昭６０　　３８９８９、特
開昭６０　　１６５６２３、特開昭６１−６７００３に
記載されている． （４）感光性圏脂にプロキジミティ露光（フォｌ・マス
クを密着させずに露光させる方法〉を行いパターンのエ
ッジをボゲに応じて光反応生成物の量の分布を持たせ、
凸レンズ形状を得る方法。

この方法については、特開昭６１−１５３６０２に記載
されている． （５〉感光性圏脂に強度分布を持った光を照射し、光の
強度に応じた屈折率分布のパターンを形戒し、レンズ効
果を持た仕る方法． この方法については、特開昭６０−７２９２７にて出願
されている。光照射によって屈折率の変化する材料につ
いては持閏昭ｂ　Ｏ　　１　６　６　９　４　６にて出
願されている． （６）ａｌ択的イオン拡散により屈折率分布形レンズを
得る方法． これは、母体となるガラス板を熔融塩に浸漬し、ガラス
板上に設けられたマスクを通して、ガラス板と熔融塩と
の間で異種のアルカリイオン等のイオンを交換させ、マ
スクパターンに対応した屈折率分布を持つガラス板を得
る方法であり、Ｅｌｅｅｔｒｏｎｉｅｓ　Ｌｅｔｔｅｒ
ｓ　Ｖｏｌ．　１　７　　Ｎｏ．１　３ｐ４５２　（１
９８１）に記載されている．この方法でマイクロレンズ
２を形戒したＩｌｌには、レンズの外形は凹凸がないの
で、カナダバルサムや光硬化性樹脂を用いて、空気層を
介さずに液晶表示素子に貼りなわせることができ、基板
表面での反射損失をはとｌしど無視できる程度に低減で
きる． 〈７）ｒｆ５光性ガラスに対する光照射によって引き起
こされる結晶化に伴う収縮を利用して凸レンズを得る方
法． この方法は、＾ｐｐＨｅｔＪ　Ｏｐｔｉｃｓ　Ｖｏ１．
　２　４Ｎｏ．１６　　ｐ２５２０（１９８５）に記載
されており、その原理は次のとおりである．銀塩により
感光性をトｔ与されたガラスに光を照射すると銀が遊離
し結晶核の潜像を形成する．これを加熱すると結晶核を
中心にしてガラスが結晶化し、その体積が収縮する。光
をパターンｌヒして照射すると、光照財部は収縮するが
、非照射部は収縮しないので相対的に取り残されて盛り
上がり、表面張力により凸レンズ状となる． 発明の効果 以上のように本発明によって、実現される投影形画像表
示装ｎは、表示素子の光源側に設けられる集光要素によ
って、表示素子に入射する照明光を絵素傾域を集中的に
照射し、光源の光を有効に利用し、明るい投影画像を表
示することができる．集光された光束は、表示素子の絵
素鎖域を通過した？炎は、Ｑ　ｉｔ！［　Ｌていくが、
投影レンズの開口数は、集光要素の開口数よりも大きく
、したがって投影レンズの口径は、このような光束を制
限しないように選ばれているので、照明光が有効に利用
される． このようにして本発明の投影形画ｔｌＩ表示装置によれ
ば、比較的簡単な楕戊で、投影画面の明るさを向上させ
ることができ、産業上の効果が大きい．

【図面の簡単な説明】

第１［２ｌは本発明の一実施例の｛１影形画像表示装置
の光学系の模式図、第２図は本発明の他の実施例の集光
要素として用いることができる複眼レンズ１０／Ｊ斜視
図、第３図および第４図はマイクロレンズアレイ２およ
び複眼レンズ１０が関連して用いることができる液晶表
示素子の一部の平面図、第５図は本発明の他の実施例の
集光要素として用いることができるレンテイキュラーレ
ンズ１６の斜視図、第６図は第５ＵｊＵに示されるレン
テイキュラーレンズ１６が閏連して用いられる液晶表示
素子の一部の簡略１ヒした平面図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 光源と、 多数の絵素を有する透過形表示素子と、 光源と表示素子との間に介在され、１または複数の絵素
   毎に対応して集光する集光要素と、表示素子の出射側に
   配置され、表示素子に表示された画面をスクリーンに投
   影するための投影レンズとを含み、 投影レンズの開口数は、集光要素の開口数よりも大きい
   ことを特徴とする投影形画像表示装置。