JPH0572626A - 投写型表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 集光用微小レンズを具備した透過型表示パネ
ルからなる投写型表示装置において、出射光束の平行性
が悪い光源系を用いた場合においても、明るい表示画面
を実現する。 【構成】 微小レンズを備えた透過型の表示パネルを配
置した投写型表示装置において、表示パネルを照らす
光源系を表示パネルの略中心軸と特定の角度を成す様に
配置し、投写レンズの光軸を表示パネルの略中心軸と
平行に、且つ、表示パネルの略中心軸を境に光源系とは
反対側に配置する。以上により、光の利用効率が高い、
明るい表示画面が得られる投写型表示装置を提供する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は拡大投写が可能な投写型
の表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】投写型表示装置は、透過型の表示パネル
を用いて画像を表示させ、この表示パネルの表示画像を
投写レンズによりスクリーン面に拡大投影するものであ
る。

【０００３】透過型の表示パネルは、それ自身は発光し
ないが、外部からの電気信号に応じて光透過率を変え、
別に設けられた光源からの光の強度を変調して、画像情
報を表示するようにしたものであり、液晶パネルがその
代表例である。

【０００４】一般的な透過型の液晶パネルは、光透過性
の透明画素開口部と、遮光性の液晶駆動部及び配線部等
から成り、それらは平面的に構成されている。液晶駆動
部及び配線部は機能及び作製プロセス上、常にある有限
の大きさを有しているため、液晶パネルの表示密度を上
げれば上げるほど開口率（透明画素開口部の画素に対す
る面積比）は減少し、表示画面は暗くなる。従って、透
過型の液晶パネルを用いた投写型表示装置の表示画像を
高品位化するためには、そこに用いられる液晶パネルの
画素密度を向上させつつ、なおかつ、光の利用効率を低
下させない工夫をとることが重要となる。

【０００５】上記光の利用効率を低下させない工夫の一
つとして、液晶パネルを構成する２枚の基板のうち光源
側に位置する透明基板の表面に、透明画素開口部に対応
する複数の微小レンズを形成し、光源から照射される光
を各微小レンズにより液晶パネルの対応する透明画素開
口部に集光し、従来遮光性の構造体により遮られていた
光をも画素開口部に導き、それにより表示画面を明るく
する方法が開発されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】一般に、レンズ径が同
じである場合、レンズの焦点距離が短い程、入射光を狭
い領域に絞り込むことが出来る。逆に、焦点距離の長い
レンズ系では、平行光に近い光しか十分に絞り込むこと
は出来ない。上記の微小レンズを用いて表示画面を明る
くする手段は、微小レンズに入射する光が平行性に優れ
た光であることを前提条件としている。しかし、実際に
は投写型表示装置の光源から発せられる光の平行性は悪
く、また、微小レンズの焦点距離（言い換えれば開口
数）も種々の制約（例えば、微小レンズを液晶パネルを
構成する基板を介して基板上に形成するため、基板の物
理的な厚さから微小レンズの焦点距離を短くできないこ
と、あるいは、微小レンズにより集光された光は画素開
口部を通過した後、微小レンズの焦点距離に応じたある
角度で発散しつつ投写レンズに導かれるため、投写レン
ズの開口径及び光線のみ込み角度の制約から焦点距離を
短くできない等の制約がある）から短くすることは難し
い。その結果、図３（ａ）に示すように、微小レンズ３
２に対して入射角０°（垂直）で入射した光は画素開口
部３４の略中心に集光し開口部を通過するが、一方、図
３（ｂ）に示すように、微小レンズに対して大きな入射
角θで入射した光は画素開口部の外側の遮光部３３に集
光するため画素開口部を通過することが出来ないという
現象が生じる。つまり、微小レンズの設置によって、逆
に光の利用効率を下げる可能性もあり、微小レンズの使
用に際しては光源からの出射光束の角度分布特性を考慮
することが必要不可欠となる。

【０００７】ところで、投写型表示装置の光源に使用さ
れるメタルハライドランプは発光効率が高く、爆発性を
伴わず、発色性が良好であり且つその色調を微調整する
ことが可能である等の優れた特徴を有するが、反面、ラ
ンプの電極間隔が長いため発光部の寸法が５〜８mm程度
とかなり大きく、リフレクターを介しての出射光束の平
行性がかなり悪い（通常、リフレクターからの反射光束
はランプの光軸に対して±１０°程度の広がり角を有す
る）という欠点も有している。

【０００８】従って、メタルハライドランプのように出
射光束の平行性が悪い光源系を用いた投写型表示装置で
は、集光用微小レンズの光の利用効率を上げ表示画面を
明るくする効果（以下、明るさ向上効果と呼ぶ）を十分
に発揮できないという問題点があった。

【０００９】そこで、本発明は以上のような問題点を解
決するもので、その目的とするところは、出射光束の平
行性が悪い光源系を用いた投写型表示装置においても集
光用微小レンズの明るさ向上効果を十分に発揮させる新
規な光学機構を用いた投写型表示装置を提供することに
ある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明の投写型表示装置は、表示パネルの光が通過す
る片面あるいは両面に、各々の画素と位置的に対応関係
を成すようにレンズアレイを具備した表示パネルを備
え、光源から照射され、マトリックス状に配列された複
数の画素を有する透過型の該表示パネルを透過した光
を、投写レンズでスクリーン上に拡大投影する投写型表
示装置において、該表示パネルは該投写レンズの光軸
と垂直な平面内にあって、且つ、該表示パネルの略中心
軸が該投写レンズの光軸上に位置しないように配置され
ており、該表示パネルに向けられた光源の光軸が、該
表示パネルの略中心軸と平行な位置関係を成さないよう
に配置されていること、を特徴とする。

【００１１】

【作用】図４はメタルハライドランプを用いた一般的な
光源系からの出射光束の角度分布を示したものである。
図中の符号４１、４２及び４３で示される領域（各々角
度域１、２及び２’と呼ぶ）は集光用の微小レンズで利
用可能な光束のパネルへの入射角度範囲を示したもので
ある。図から、最も明るさに寄与する出射光束量のピー
ク（角度±θで入射する光束）は微小レンズが利用でき
る角度域にはなく、従って、微小レンズの明るさ向上効
果が十分に発揮できないことが判る。

【００１２】図５（ａ）は、先の図４を基に表示パネル
５４へ角度θで入射する、最も明るさに寄与する最強光
束成分を矢印で模式的に表したものである（表示パネル
への入射角度については誇張して表現してある）。つま
り、表示パネル５４には角度±θで最強光束５３が入射
しているが、これらの光束は微小レンズで利用できない
ため（入射角度が微小レンズで利用可能な角度範囲外に
あり、表示パネルの遮光部で遮られている）明るさの向
上には寄与していない。一方、図５（ｂ）は光源の光軸
５２を表示パネルの略中心軸５５に対して角度θ傾けた
場合を示しており、表示パネル５４に対して０°、＋２
θ（あるいは−２θ）の角度で光束が入射する。この状
態では０°で入射する光束は微小レンズの利用可能角度
域に完全に入り、また、＋２θ（あるいは−２θ）で入
射する光束も、微小レンズの焦点距離などの集光特性を
適当にあわせれば、利用可能な角度域２あるいは２’に
入れることが可能であり、結果として、微小レンズ部分
（含む表示パネル）で光が遮られることがない。

【００１３】つまり、表示パネルに対して光源系の光軸
を傾けることにより微小レンズで利用可能な角度域に最
も明るさに寄与する最強光束成分を取り込み、微小レン
ズによる明るさ向上効果を最大限に発揮させることが可
能となる。

【００１４】上記構成では表示パネルを通過した光束は
片側方向（図５（ｂ）では上側）に大きな出射角を有す
るが、図１に示すように投写レンズをパネルの上方に、
且つ、表示パネルの略中心軸と投写レンズの光軸が平行
になるように配置することにより、表示パネルからの出
射光束を効率的に取り込むことが可能となる。

【００１５】以上の光学構成をとることにより、出射光
束の平行性が悪い光源系を用いた投写型表示装置におい
ても、集光用微小レンズの明るさ向上効果を十分に発揮
することが出来ることが判る。

【００１６】

【実施例】以下、実施例に基づき本発明を詳細に説明す
る。但し、本発明は以下の実施例に限定されるものでは
ない。

【００１７】（実施例１）図１は本発明の一実施例であ
る投写型表示装置の光学系を示す構成図である。ここで
は、表示パネルとしてアクティブマトリックス型の液晶
パネルを用いた。図１において、光源１から出た光はコ
ンデンサレンズ１０により集光され、光束径を小さくし
て表示パネル４に照射される。光源から出る光束径が表
示パネルの寸法に対して大きい場合には、光束径をコン
デンサレンズを用いて小さく絞り込み、表示パネルの寸
法に合わせることにより光密度を向上させ、明るい画面
表示を得ることが出来る。

【００１８】表示パネルの光源側には微小レンズ５がア
レイ状に配置されている。ここで用いた微小レンズはシ
リンドリカルレンズであり、図１で紙面と平行な方向に
のみ集光作用を生じ、紙面と垂直な方向には集光作用を
生じないという特性を持つものである。もちろん他の一
般的な円形レンズを用いてもよい。ここで、表示パネル
の構造を図２に示す。

【００１９】図２において、表示パネルは２枚の透明基
板（対向基板２２とＴＦＴ基板２６）とそれらの基板間
に形成された液晶層２５から構成されている。更に、液
晶層と接するＴＦＴ基板上には液晶を駆動する能動スイ
ッチング素子２４が形成され、他方、液晶層と接する対
向基板上には入射する強い光から前記能動スイッチング
素子を保護するために遮光膜２３が、能動スイッチング
素子を覆うように形成されている。

【００２０】ここで、アレイ状に形成されている微小レ
ンズ２１は、前述したように、表示パネルの遮光膜２３
で遮られていた入射光を、微小レンズにより集光した状
態で画素開口部を通過させ投写レンズに導くことによ
り、表示パネルにおける光の利用効率を向上させること
を目的として設置されている。図３で示したように、微
小レンズに入射する光は全て画素開口部に導かれるので
はなく、画素開口部を通過するか否かは微小レンズの集
光性と表示パネルへの入射角度により決まる。図２で、
表示パネルに対して垂直に近い角度で入射する光２７
は、微小レンズと正対する画素開口部を通過し、この場
合の入射光の入射角度範囲は図４の角度域１で示され
る。また、表示パネルに対してかなり大きな特定の角度
で斜め入射する光２８は、微小レンズと正対する画素開
口部のその隣に位置する画素開口部を通過し、この場合
の入射光の入射角度範囲は図４の角度域２あるいは２’
で示される。

【００２１】再び図１に戻る。光源系は表示パネルの略
中心軸に対して角度θ傾けて配置されている。ここでθ
は、図４で示される最強光束の入射角度である。光源系
を表示パネルに正対させて配置した場合には、表示パネ
ルに入射する光束の角度成分は図４の通りとなり、明る
さに最も寄与する最強光束を微小レンズは利用できない
が、光源系をθ傾けて配置することにより、相対的に最
強光束の表示パネルへの入射角度が−θ→０°、＋θ→
＋２θへと変化するため、微小レンズにおいて利用でき
る光束量が大幅に増加する。即ち、表示パネルに入射す
る光束の角度成分は相対的に図６で示されたものと同等
となる。図６から判るように、微小レンズで利用可能な
入射光の角度域１及び２に光束強度のピークが位置する
ため、微小レンズを通して画素開口部に導かれる光束量
は大幅に増加する。

【００２２】本発明の投写型表示装置に用いられる表示
パネルにおいては、光の入射側（つまり対向基板２２）
にのみ微小レンズアレイを形成してある。従って、微小
レンズにより集光され画素開口部を通過した光は、発散
しながらある角度を伴って表示パネルから出射される。
ＴＦＴ基板２５の出射側にも対向基板２２に形成された
ものと同様のレンズを形成すれば、出射光は再び略平行
光になり投写レンズへと導かれていくことになるが、Ｔ
ＦＴ基板の厚みを対向基板並に薄くすることが難しいこ
とから、このような２つの微小レンズアレイを対にして
用いた光学系は、その実現が難しい。もっとも、光源か
らの光の平行性が向上すれば、微小レンズの焦点距離を
長くとることができ、上記の１対のレンズアレイを用い
た光学系を採用することが可能となる。その場合には、
投写レンズにおける光線の取り込み効率を一層向上させ
ることが可能となる。

【００２３】そこで、表示パネルの略中心軸３に対して
投写レンズの光軸８を平行関係を保ちつつ、表示パネル
の略中心軸を境にして光源系が位置する側と反対の側に
ずらして配置することにより、投写レンズの光線取り込
み角の非対称性を利用して、表示パネルを透過した光を
効果的に補足しスクリーン９面に導くことが出来る。こ
の場合の非対称性とは、光線の取り込み角がレンズの光
軸上では対称形であるが、光軸から離れるに従って、光
軸が存在する側に大きく、それとは反対側に小さくなる
ことを意味する。表示パネルと投写レンズを上記のよう
に配置することにより、発散しながらある角度を伴って
表示パネルから出射される光束の大部分を投写レンズへ
と導くことが可能となる。

【００２４】以上の構成により、表示パネル上の画像情
報は投写レンズを介してスクリーン面に拡大投影される
ことになる。

【００２５】以上、表示パネルとしてＴＦＴ素子を備え
たアクティブマトリックス型の液晶パネルを例にとり本
実施例を説明してきたが、その他の表示パネルとして単
純マトリックス型の液晶パネル、エレクトロクロミック
パネル、ＰＬＺＴパネル等を用いた場合でも本発明の光
学機構は同様に対応できるものである。

【００２６】

【発明の効果】以上述べたように、本発明の微小レンズ
を備えた透過型の表示パネルを配置した投写型表示装置
において、表示パネルを照らす光源系を表示パネルの略
中心軸と特定の角度を成す様に配置することにより、最
も明るさに寄与する光源系からの出射光束を微小レンズ
において高い効率で利用することが可能となる。また、
投写レンズの光軸を表示パネルの略中心軸と平行に、且
つ、表示パネルの略中心軸を境に光源系とは反対側に配
置することにより、表示パネルを透過し投写レンズに向
かう光を高い効率で投写レンズに導くことが出来る。以
上の２つの光学系の配置はそれらが同時に用いられるこ
とにより、より優れた効果を発揮し、光の利用効率が非
常に高い、明るい表示画面が得られる投写型表示装置を
実現することが出来る。尚、光源系を表示パネルの略中
心軸と特定の角度を成すように配置するという光学系の
配置は、それ単独でも微小レンズにおける光の利用効率
を向上させる作用を有することを付記しておく。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施例１で作製した本発明の投写型表示装置
の光学系の構成図。

【図２】 実施例１で用いた表示パネルの構成断面図。

【図３】 微小レンズを備えた表示パネルに入射した光
線の透過状態を説明するための図であり、（ａ）は表示
パネルに垂直に平行光束が入射した場合を示した図、
（ｂ）は表示パネルに斜め方向から平行光束が入射した
場合を示した図。

【図４】 光源からの出射光束の角度分布を示した図。

【図５】 表示パネルに入射する最強光束成分を模式的
に示した図であり、（ａ）は表示パネルの略中心軸と光
源の光軸が一致している場合を示す図、（ｂ）は一致し
ていない場合を示す図。

【図６】 表示パネルの略中心軸に対して、光源の光軸
が角度θをなすように光源を設置した場合に、表示パネ
ルに入射する光束の角度分布を示した図。

【符号の説明】

１ 光源 ２ 光源の光軸 ３ 表示パネルの略中心軸 ４ 表示パネル ５ 微小レンズ ６ 透過光 ７ 投写レンズ ８ 投写レンズの光軸 ９ スクリーン １０ コンデンサレンズ ２１ 微小レンズ ２２ 対向基板 ２３ 遮光膜 ２４ 能動スイッチング素子 ２５ 液晶層 ２６ ＴＦＴ基板 ２７ 垂直に入射する光 ２８ 斜めに入射する光 ３１ 微小レンズ基板 ３２ 微小レンズ ３３ 遮光部 ３４ 画素開口部 ４１ 角度域１ ４２ 角度域２ ４３ 角度域２’ ５１ 光源 ５２ 光源の光軸 ５３ 最強光束 ５４ 表示パネル ５５ 表示パネルの略中心軸 ５６ 透過光

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 表示パネルの光が通過する片面あるいは
   両面に、各々の画素と位置的に対応関係を成すようにレ
   ンズアレイを具備した表示パネルを備え、光源から照射
   され、マトリックス状に配列された複数の画素を有する
   透過型の該表示パネルを透過した光を、投写レンズでス
   クリーン上に拡大投影する投写型表示装置において、 該表示パネルは該投写レンズの光軸と垂直な平面内に
   あって、且つ、該表示パネルの略中心軸が該投写レンズ
   の光軸上に位置しないように配置されており、 該表示パネルに向けられた光源の光軸が、該表示パネ
   ルの略中心軸と平行な位置関係を成さないように配置さ
   れていること、 を特徴とする投写型表示装置。