JP3746905B2

JP3746905B2 - Image projector

Info

Publication number: JP3746905B2
Application number: JP32065198A
Authority: JP
Inventors: 正幸篠原; 茂青山; 喜久夫貝瀬
Original assignee: Omron Corp; Sony Corp
Current assignee: Omron Corp; Sony Corp
Priority date: 1998-11-11
Filing date: 1998-11-11
Publication date: 2006-02-22
Anticipated expiration: 2018-11-11
Also published as: JP2000147500A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は画像プロジェクタに関する。特に、本発明は出射光の光軸を平行に揃えるためのレンズアレイ素子を用いた画像プロジェクタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１及び図２は画像プロジェクタの２つの投射方式を示す。図１はフロント投射方式の画像プロジェクタ１を示しており、これは、スライドプロジェクタのように、スクリーン２の前方から画像プロジェクタ１によって画像を投影し、同じく前方から画像を観賞する方式である。また、図２はリア投射方式の画像プロジェクタ１を用いたＣＲＴプロジェクションテレビ３を示しており、これは、画像プロジェクタ１から投射された画像をミラー４，５で反射させて裏面側からスクリーン６に投射し、表側から画像を観賞する方式である。しかし、フロント投射方式に用いられる画像プロジェクタ１とリア投射方式に用いられる画像プロジェクタ１には、基本的な差異はない。
【０００３】
図３に示すものは、画像プロジェクタ１の構造を示す図であって、ランプ７と反射凹面鏡８からなる発光部９の前方に、２枚の偏光板１０，１１に挟まれた液晶表示パネル１２が配置され、その前方にコンデンサレンズ１３が配置されている。しかして、発光部９から出射された平行光が液晶表示パネル１２に照射されると、液晶表示パネル１２の各画素に入射した光線は、各画素のオン、オフに応じて各画素を透過し、あるいは遮断される。液晶表示パネル１２の画素を通過した光線は、コンデンサレンズ１３によってスクリーン２上に結像されるので、スクリーン２上には液晶表示パネル１２によって制御された画像が生成する。また、液晶表示パネル１２の各画素に赤、緑、青からなるカラーフィルタを設けることにより、カラー表示にすることもできる。
【０００４】
しかし、液晶表示パネル１２は、図４に示すように、ＴＦＴ１４を駆動するための配線等が設けられているブラックマトリクス領域１５や透明電極１６等を形成されたガラス基板１７と共通全面電極を形成されたガラス基板１８の間に液晶材料１９を封止したものであって、ブラックマトリクス領域１５によって囲まれた透明電極１６の部分が画素（画素開口）２０となっている。そのため、液晶表示パネル１２に平行光を照射すると、図５に示すように、液晶表示パネル１２に入射した光線の一部はブラックマトリクス領域１５によって遮られ、光の利用効率が低下し、スクリーン２に投影された画像が暗くなる。
【０００５】
そこで、明るくコントラストの高い画像を得るため、液晶表示パネル１２の前面にマイクロレンズアレイ２１を配置し、マイクロレンズアレイ２１の各レンズ２１ａを液晶表示パネル１２の各画素２０に対向させたものが提案されている。マイクロレンズアレイ２１を用いると、図６に示すように、マイクロレンズアレイ２１の各レンズ２１ａに入射した光線は、液晶表示パネル１２の画素２０に集光され、液晶表示パネル１２に入射した光がすべて画素２０を透過でき、光の利用効率が向上することになる。
【０００６】
一方、カラーフィルタを用いることなく画像プロジェクタをカラー表示にすることも試みられている。図７に示すものは、このような画像プロジェクタ２２の構造を示す概略図である。この画像プロジェクタ２２にあっては、光路上における発光部２３と液晶表示パネル１２の間に赤色光を反射するダイクロイックミラー２４、緑色光を反射するダイクロイックミラー２５、青色光を反射するダイクロイックミラー２６を互いに異なる角度に傾けて配置している。しかして、発光部２３から出射された光はコリメートレンズ２７でコリメートされた後、ダイクロイックミラー２４，２５，２６に斜め入射する。ダイクロイックミラー２４，２５，２６で反射された赤色平行光、緑色平行光、青色平行光（赤色光の領域には破線によるハッチングを施し、緑色光は太線で示している）は、それぞれ光軸方向（１点鎖線で光軸を示す）が異なっているから、レンズアレイ２１で集光されると、図８に示すように隣接した異なる画素２０に集光される。赤色光（Ｒ）が集光される画素と緑色光（Ｇ）が集光される画素と青色光（Ｂ）が集光される画素は３画素で一描点となっており、組をなす３画素を通過した光は光軸変換用のレンズ２８で屈折された後、結像レンズ２９によってスクリーン２上の１点に結像される。
【０００７】
しかしながら、このようなカラー表示用の画像プロジェクタ２２にあっては、液晶表示パネル１２の画素２０を通過後、レンズ２８に入射する赤色光、緑色光および青色光の光軸方向が大きく異なっているので（図７，図８）、結像レンズ２９として高級な組みレンズを用いる必要がある。そのため、結像レンズ２９のＦ値を小さくしづらくなり、収差コントロールなども困難になり、フロントプロジェクタ用としてはズームレンズの使用が難しくなる。また、組みレンズを用いると結像レンズ２９が大きくなって重量が大きくなり、コストも高くつくという問題があった。さらには、結像レンズ２９のＦ値が大きめになるので、マイクロレンズの焦点距離を故意に長いめに設定し、ＴＦＴ基板内に集光させたりしている。この場合、隣接画素（pixel）からの光の漏れが多くなる傾向にあり、結果的に混色率が大きくなり、色純度が悪化する一要因となっていた。因みに、ポリＳｉＴＦＴの場合には、画素サイズ２０〜３０μｍ□程度の液晶表示パネルで、投影レンズのＦ値は１.５程度が必要となる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は叙上の従来例の欠点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、画像プロジェクタにおいて液晶表示パネル通過後の光線を合理的にすることにより、スクリーンに画像を結像させるための結像レンズの簡略化を図ることにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の画像プロジェクタは、波長や偏光方向等の光特性と光軸方向が異なる光束を発生させる光源と、一対の基板間に液晶が挟持され、かつ、開口を有する画素を２次元的に配列された液晶表示パネルと、レンズを２次元的に配列させた２枚のレンズアレイと、前記２枚のレンズアレイの間に配置される透明樹脂層とを備え、前記２枚のレンズアレイと前記透明樹脂層は、それぞれ互いに異なる屈折率を有し、前記２枚のレンズアレイを、光出射側のレンズアレイの焦点距離だけ離間させ、かつ、それぞれのレンズを１対１に対応させて、液晶表示パネルの両側に配置して２枚のレンズアレイと前記透明樹脂と液晶表示パネルとを一体に形成し、光入射側のレンズアレイの各レンズによって、入射光を、前記液晶表示パネルの基板のうち光入射側に位置する基板上に配列された画素部分においてほぼ１点に集光させ、入射光の光軸方向にかかわらず出射光の光軸方向が平行となるよう、光出射側のレンズアレイの各レンズによって光軸を変換するようにしたことを特徴としている。
【００１０】
請求項２に記載の画像プロジェクタは、波長や偏光方向等の光特性と光軸方向が異なる光束を発生させる光源と、一対の基板の間に液晶を挟持し、かつ、開口を有する画素を２次元的に配列された液晶表示パネルと、レンズを２次元的に配列させた２枚のレンズアレイと、前記２枚のレンズアレイの間に配置される透明樹脂層とを備え、前記２枚のレンズアレイと前記透明樹脂層は、それぞれ互いに異なる屈折率を有し、前記２枚のレンズアレイを、光出射側のレンズアレイの焦点距離だけ離間させ、かつ、それぞれのレンズを１対１に対応させて、液晶表示パネルよりも光入射側に配置して２枚のレンズアレイと前記透明樹脂とを一体に形成し、両レンズアレイの各レンズによって、入射光を、前記液晶表示パネルの基板のうち光入射側に位置する基板上に配列された画素部分においてほぼ１点に集光させ、入射光の光軸方向にかかわらず出射光の光軸方向が平行となるよう、光出射側のレンズアレイの各レンズによって光軸を変換するようにしたことを特徴としている。
【００１１】
【発明の作用及び効果】
本発明の画像プロジェクタに用いられているレンズアレイ素子によれば、光軸の傾きの異なる入射光束を所定面内の異なる位置で集光させるとともに、その後光軸方向の揃った光として出射させることができる。
【００１２】
従って、画像プロジェクタに用いる場合には、入射光束の集光点に液晶表示パネルを配置することによってカラーフィルタを用いないカラー表示方式の画像フロジェクタを製作することができ、しかも、液晶表示パネルを通過した後の出射光線は光軸が揃っているので、出射光線をレンズで結像レンズに光を集めて結像レンズでスクリーンに結像させる場合、結像レンズの構成を簡略にしながら、結像レンズの収差を低減すると共にレンズのＦ値を小さくすることができる。よって、従来のように組みレンズのような高級なレンズを使用する必要がなく、結像レンズを軽量化できると共に結像レンズのコストを安価にできる。さらに、結像面をＴＦＴ面とすることができるので、光の集光によって画素面の実効開口率を大きくして光利用効率を向上させることができ、また漏れ光による混色率の低下を図ることができ、画像プロジェクタの色純度を向上させることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図９は本発明の一実施形態による画像プロジェクタ４１の構成を示す概略図である。全体の構成は、図７の従来例と類似しているが、液晶表示パネル１２とマイクロレンズアレイ素子４３を一体的に構成した部分が異なっている。
【００１４】
光源４４は、発光部２３とコリメートレンズ２７と３枚のダイクロイックミラー２４，２５，２６によって構成されている。発光部２３は、ハロゲンランプのような白色ランプ４５の背後に反射ミラー４６を配置し、前方にコリメートレンズ２７を配置したものであって、白色ランプ４５から出射された白色光は、コリメートレンズ２７により平行光となり、ダイクロイックミラー２４，２５，２６に照射される。
【００１５】
赤色光を選択的に反射するダイクロイックミラー２４、緑色光を選択的に反射するダイクロイックミラー２５、および青色光を選択的に反射するダイクロイックミラー２６は、互いに少しずつ角度を変えて配置されている。しかして、ダイクロイックミラー２４，２５，２６に入射した白色平行光は、ダイクロイックミラー２４で反射された赤色（Ｒ）平行光（赤色平行光の領域を破線によるハッチングで示す）と、ダイクロイックミラー２５で反射された緑色（Ｇ）平行光（緑色光は太線で示す）と、ダイクロイックミラー２６に反射された青色（Ｂ）平行光に分離されて液晶表示パネル１２側へ向けて出射される。ここで、３枚のダイクロイックミラー２４，２５，２６の傾きが異なっているので、赤色平行光と緑色平行光と青色平行光の光軸方向（光軸は１点鎖線で示す）も平行でなく、互いに異なっている。
【００１６】
なお、光源４４は、赤色光と緑色光と青色光を光軸方向の異なる光として出射するものであればよく、図９に示すような構成のものには限らない。例えば、回折格子あるいはホログラフィック素子でも可能である。
【００１７】
液晶表示パネル１２とマイクロレンズアレイ素子４３の構造を図１０に示す。液晶表示パネル１２は、２枚のガラス基板１７，１８間に液晶材料１９を封止した一般的な構造のものであって（図４参照）、画素（画素開口）２０を囲むようにしてブラックマトリクス領域１５が形成されている。マイクロレンズアレイ素子４３は、液晶表示パネル１２のガラス基板１７の外面に、あるいはその付近等に一体に形成されている。マイクロレンズアレイ素子４３は、ガラス板４７の上にマイクロレンズアレイ４８を成形し、その上に透明樹脂層４９を介してマイクロレンズアレイ５０を積層したものであって、マイクロレンズアレイ５０が液晶表示パネル１２のガラス基板１７上に成形されている。
【００１８】
ここで、マイクロレンズアレイ４８及び５０の主平面間の距離Ｌは、マイクロレンズアレイ５０の焦点距離に等しくなっており、マイクロレンズアレイ４８の屈折率をｎ１、透明樹脂層４９の屈折率をｎ２、マイクロレンズアレイ５０の屈折率をｎ３とすると、ｎ１＞ｎ２＞ｎ３となっている。
【００１９】
なお、図１２に示すように、マイクロレンズアレイ４８及び５０は、その凸面が対向するように配置してもよい。この場合には、マイクロレンズアレイ４８の屈折率ｎ１、透明樹脂層４９の屈折率ｎ２、マイクロレンズアレイ５０の屈折率ｎ３の関係は、ｎ１＞ｎ２、ｎ２＜ｎ３となる。
【００２０】
ダイクロイックミラー２４，２５，２６で分離して反射された赤色平行光、緑色平行光、青色平行光はマイクロレンズアレイ４８を透過することによって集光されるが、ダイクロイックミラー２４，２５，２６の傾きによって、これらの平行光は互いに光軸方向が異なっているから、異なった位置に集光される。そこで、マイクロレンズアレイ４８，５０は、赤色平行光、緑色平行光、青色平行光をそれぞれ隣接する画素２０内に集光させるように設計されており、これによってブラックマトリックス領域１５による光量ロスをなくしている。しかも、赤色光が集光される画素２０と緑色光が集光される画素２０と青色光が集光される画素２０を隣接させて３画素１組で１描点を構成させることにより、液晶表示パネル１２のカラー表示化を可能にしている。
【００２１】
マイクロレンズアレイ５０は、３画素１組となった画素２０に対して１つのレンズ５０ａが対応するように構成されており、マイクロレンズアレイ４８の各レンズ４８ａは、マイクロレンズアレイ５０の各レンズ５０ａと１対１に対応するように構成されている。
【００２２】
さらに、マイクロレンズアレイ素子４３は、マイクロレンズアレイ４８，５０間の距離（主平面間の距離）Ｌが光出射側のマイクロレンズアレイ５０のレンズ焦点距離と等しくなるように設定されているので、マイクロレンズアレイ素子４３を透過した赤色光、緑色光及び青色光の各光軸はマイクロレンズアレイ素子４３通過後は互いに平行となる。
【００２３】
液晶表示パネル１２を透過した赤色光、緑色光及び青色光は、光軸変換用のレンズ２８によって各光軸が結像レンズ４２の中心を通るように屈折され、結像レンズによってスクリーン２上に結像され、スクリーン２上にカラー画像が表示される。
【００２４】
しかして、液晶表示パネル１２の画素２０を通過した赤色光、緑色光及び青色光の光軸方向が平行となっているので、簡単な結像レンズ４２によって赤色光、緑色光及び青色光をスクリーン２上に結像させることができる。従って、結像レンズ４２として高価な組みレンズを用いる必要がなくなり、結像レンズ４２を軽量化でき、コストも安価にすることができる。
【００２５】
（マイクロレンズアレイ素子の製造方法）
マイクロレンズアレイ素子４３は、図１１（ａ）〜（ｈ）に示すように、液晶表示パネル１２のガラス基板１７と一体に形成される。まず、マイクロレンズアレイ５０の反転パターンを形成されたスタンパ５１上に紫外線硬化樹脂５２を供給し［図１１（ａ）］、その上からガラス基板１７を押し付けて紫外線硬化樹脂５２をスタンパ５１とガラス基板１７間に広げ、ガラス基板１７を通して紫外線を照射することにより紫外線硬化樹脂５２を硬化させ［図１１（ｂ）］、紫外線硬化樹脂５２によってマイクロレンズアレイ５０を成形し、樹脂硬化後にマイクロレンズアレイ５０をスタンパ５１から剥離する［図１１（ｃ）］。同様に、マイクロレンズアレイ４８の反転パターンを形成されたスタンパ５３上に紫外線硬化樹脂５４を供給し［図１１（ｄ）］、その上からガラス板４７を押し付けて紫外線硬化樹脂５４をスタンパ５３とガラス板４７間に広げ、ガラス板４７を通して紫外線を照射することによって紫外線硬化樹脂５４を硬化させ［図１１（ｅ）］、紫外線硬化樹脂５４によってマイクロレンズアレイ４８を成形し、樹脂硬化後にマイクロレンズアレイ４８をスタンパ５３から剥離する［図１１（ｆ）］。ついで、ガラス板４７の上に形成されたマイクロレンズアレイ４８の上に紫外線硬化樹脂５５を供給し［図１１（ｇ）］、マイクロレンズアレイ５０を下に向けたガラス基板１７を紫外線硬化樹脂５５の上に重ねて加圧し、マイクロレンズ４８，５０間の距離Ｌを調整した後、ガラス基板１７及びマイクロレンズアレイ５０を通して紫外線を照射することによって紫外線硬化樹脂５５を硬化させて透明樹脂層４９を成形し［図１１（ｈ）］、マイクロレンズアレイ素子４３が一体に製作される。
【００２６】
このマイクロレンズアレイ素子４３には、ガラス基板１７が一体化されているので、液晶表示パネル１２は、マイクロレンズアレイ素子４３を製作した後、マイクロレンズアレイ素子４３と一体化されているガラス基板１７の上に、ＴＦＴ等のスイッチン素子を形成したり、配線を施したりして、液晶表示パネル１２が一体に製作される。
【００２７】
（第２の実施形態）
図１３は本発明の別な実施形態による画像プロジェクタの液晶表示パネル１２及びマイクロレンズアレイ素子６１を示す一部破断した断面図である。この実施形態にあっては、液晶表示パネル１２のガラス基板１８上にマイクロレンズアレイ５０を成形し、その上に透明樹脂層６２を介してガラス板６３で覆っている。また、ガラス板４７上に成形されたマイクロレンズ４８を透明樹脂層６４を介して液晶表示パネル１２と一体化してある。
【００２８】
この実施形態では、液晶表示パネル１２の両側にマイクロレンズアレイ４８，５０が配置されているが、２枚のマイクロレンズアレイ４８，５０の主平面間の距離Ｌは、光出射側のマイクロレンズアレイ５０の焦点距離に等しくしている。また、マイクロレンズアレイ４８の屈折率ｎ１と透明樹脂層６４の屈折率ｎ５の間には、ｎ１＞ｎ５の関係があり、マイクロレンズアレイ５０の屈折率ｎ２と透明樹脂層６２の屈折率ｎ６の間には、ｎ２＞ｎ６の関係がある。
【００２９】
しかして、この実施形態にあっては、マイクロレンズアレイ４８で集光された赤色光、緑色光、青色光は互いに光軸方向が異なった状態でそれぞれの画素２０に集光されるが、液晶表示パネル１２の各画素２０を通過した赤色光、緑色光及び青色光はマイクロレンズアレイ５０で互いに光軸が平行となるように屈折され、光軸変換用のレンズ２８へ出射される。従って、やはり結像レンズ４２の構成を簡略にでき、結像レンズ４２を軽量化すると共にコストも安価にできる。
【００３０】
（第３の実施形態）
図１４に示すものは本発明のさらに別な実施形態による画像プロジェクタの液晶表示パネル１２とマイクロレンズアレイ素子７１の構成を示す一部破断した断面図である。この実施形態は、図１０の構成に加え、液晶表示パネル１２の光出射側のガラス基板１８の表面に、各画素２０を通過した光をコリメートさせるためのコリメートレンズアレイ７２を一体成形したものである。このコリメートレンズアレイ７２の各レンズ７２ａは、液晶表示パネル１２の各画素２０と１対１に対応している。
【００３１】
この実施形態では、液晶表示パネル１２の外面にコリメートレンズアレイ７２を備えているので、液晶表示パネル１２を通過した赤色光、緑色光及び青色光の光軸が平行となるように揃うだけでなく、画素２０を通過した赤色光、緑色光及び青色光が平行光としてコリメートレンズアレイ７２からレンズ２８へ向けて出射される。従って、液晶表示パネル１２の縁から出射された光が、レンズ２８外へ広がって画像の周辺部分で光量不足となるのを防止できる。
【００３２】
（第４の実施形態）
図１５は本発明のさらに別な実施形態による画像プロジェクタの液晶表示パネル１２とマイクロレンズアレイ素子８１の部分を示す一部破断した断面図である。
【００３３】
この実施形態では、液晶表示パネル１２を透過した赤色光、緑色光、青色光の光軸を液晶表示パネル１２と垂直な方向を向くように揃えるのでなく、各光軸が結像レンズ４２のレンズ中心を通るようにマイクロレンズアレイ４８，５０を構成している。この実施形態では、液晶表示パネル１２を通過した赤色光、緑色光、青色光が結像レンズ４２のレンズ中心に向けて出射されるので、光軸変換用のレンズ２８を不要にすることができる。
【００３４】
（第５の実施形態）
図１６（ａ）は本発明のさらに別な実施形態による画像プロジェクタ９１の構成を示す概略図である。この画像プロジェクタ９１にあっては、光源（図示せず）から出射された平行光を偏光ビームスプリッタ９２に入射させ、偏光ビームスプリッタ９２によってＰ偏光とＳ偏光とに分け、偏光ビームスプリッタ９２を透過したＳ偏光をプリズム９４で偏向させて液晶表示パネル１２に入射させる。また、偏光ビームスプリッタ９２で反射したＰ偏光をミラー９３で反射させた後、プリズム９４で偏向させて液晶表示パネル１２に入射させる。
【００３５】
図１６（ｂ）は液晶表示パネル１２の周囲の構造を示す概略断面図であって、液晶表示パネル１２の入射側と出射側にはそれぞれ、マイクロレンズアレイ素子９６を構成するマイクロレンズ４８及び５０が設けられており、マイクロレンズアレイ５０に対向して偏光フィルタ９５が設けられている。なお、９７，９８は透明樹脂層である。
【００３６】
しかして、液晶表示パネル１２に入射するＰ偏光とＳ偏光は光軸が反対側へ傾いているので、それぞれ隣接する所定に画素２０に集光される。この対となる画素２０を一方をオン、他方をオフとなるように制御し、あるいは、一方をオフ、他方をオンとなるように制御すれば、両画素２０を同時に光（Ｐ偏光、Ｓ偏光）が透過するか、あるいは同時に遮断される。従って、Ｐ偏光及びＳ偏光を同時に利用することができ、画像プロジェクタ９１の光量損失を低減して明るい画像を得ることができる。
【００３７】
また、この画像プロジェクタ９１にあっても、マイクロレンズアレイ５０によって光軸が平行に揃えられるので、レンズ２８を通過した光を結像させる結像レンズ４２として簡易なものを用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のフロント投射方式の画像プロジェクタを示す概略図である。
【図２】従来のリア投射方式の画像プロジェクタを用いたＣＲＴプロジェクションテレビの断面図である。
【図３】従来の画像プロジェクタの構成を示す図である。
【図４】液晶表示パネルの一部破断した斜視図である。
【図５】同上の画像プロジェクタの問題点を説明する図である。
【図６】同上の問題点の解決手段を説明する図である。
【図７】カラー表示方式の画像プロジェクタの構成を示す図である。
【図８】同上の画像プロジェクタの問題点を示す図である。
【図９】本発明の一実施形態による画像プロジェクタの構成を示す図である。
【図１０】同上の画像プロジェクタの液晶表示パネル及びマイクロレンズアレイ素子の構造を詳細に示す一部破断した断面図である。
【図１１】同上のマイクロレンズアレイ素子の製造方法を示す図である。
【図１２】図１０とは異なるマイクロレンズアレイ素子の配置を示す一部破断した断面図である。
【図１３】本発明の別な実施形態におけるマイクロレンズアレイ素子の構造を示す一部破断した断面図である。
【図１４】本発明のさらに別な実施形態におけるマイクロレンズアレイ素子の構造を示す一部破断した断面図である。
【図１５】本発明のさらに別な実施形態におけるマイクロレンズアレイ素子の構造を示す一部破断した断面図である。
【図１６】（ａ）は本発明のさらに別な実施形態における画像プロジェクタの構成を示す図、（ｂ）はその液晶表示パネル及びマイクロレンズアレイ素子の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１２液晶表示パネル
１７，１８ガラス基板
４７ガラス板
４８，５０マイクロレンズアレイ
４８ａ，５０ａマイクロレンズアレイのレンズ
４９透明樹脂層[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an image projector. In particular, the present invention relates to an image projector using a lens array element for aligning optical axes of emitted light in parallel.
[0002]
[Prior art]
1 and 2 show two projection methods of the image projector. FIG. 1 shows an image projector 1 of a front projection method, which is a method of projecting an image by the image projector 1 from the front of the screen 2 and similarly viewing the image from the front, like a slide projector. FIG. 2 shows a CRT projection television 3 using a rear projection type image projector 1, which reflects the image projected from the image projector 1 by mirrors 4 and 5 to the screen 6 from the back side. This is a method of projecting and viewing an image from the front side. However, there is no fundamental difference between the image projector 1 used for the front projection method and the image projector 1 used for the rear projection method.
[0003]
FIG. 3 shows a structure of the image projector 1, and a liquid crystal display panel 12 sandwiched between two polarizing plates 10 and 11 in front of a light emitting unit 9 including a lamp 7 and a reflective concave mirror 8. Is disposed, and a condenser lens 13 is disposed in front thereof. Thus, when the parallel light emitted from the light emitting unit 9 is applied to the liquid crystal display panel 12, light rays incident on the respective pixels of the liquid crystal display panel 12 are transmitted through the respective pixels in accordance with on / off of the respective pixels. Or blocked. Light rays that have passed through the pixels of the liquid crystal display panel 12 are imaged on the screen 2 by the condenser lens 13, so that an image controlled by the liquid crystal display panel 12 is generated on the screen 2. In addition, color display can be achieved by providing each pixel of the liquid crystal display panel 12 with a color filter composed of red, green, and blue.
[0004]
However, as shown in FIG. 4, the liquid crystal display panel 12 forms a common full-surface electrode with a glass substrate 17 on which a black matrix region 15 provided with wiring for driving the TFT 14 and the like, a transparent electrode 16 and the like are formed. A liquid crystal material 19 is sealed between the formed glass substrates 18, and a portion of the transparent electrode 16 surrounded by the black matrix region 15 is a pixel (pixel opening) 20. Therefore, when the liquid crystal display panel 12 is irradiated with parallel light, as shown in FIG. 5, a part of the light rays incident on the liquid crystal display panel 12 are blocked by the black matrix region 15, and the light use efficiency is reduced. The image projected on the screen becomes dark.
[0005]
Therefore, in order to obtain a bright and high-contrast image, a proposal is made in which a microlens array 21 is arranged in front of the liquid crystal display panel 12 and each lens 21a of the microlens array 21 is opposed to each pixel 20 of the liquid crystal display panel 12. Has been. When the microlens array 21 is used, as shown in FIG. 6, the light rays incident on the respective lenses 21 a of the microlens array 21 are condensed on the pixels 20 of the liquid crystal display panel 12, and the light incident on the liquid crystal display panel 12 is converted. All the pixels 20 can be transmitted, and the light use efficiency is improved.
[0006]
On the other hand, it has also been attempted to display an image projector in color without using a color filter. FIG. 7 is a schematic diagram showing the structure of such an image projector 22. The image projector 22 includes a dichroic mirror 24 that reflects red light, a dichroic mirror 25 that reflects green light, and a dichroic mirror 26 that reflects blue light between the light emitting unit 23 and the liquid crystal display panel 12 on the optical path. They are arranged at different angles. Thus, the light emitted from the light emitting unit 23 is collimated by the collimating lens 27 and then obliquely enters the dichroic mirrors 24, 25 and 26. The red parallel light, green parallel light, and blue parallel light reflected by the dichroic mirrors 24, 25, and 26 (the red light area is hatched by a broken line, and the green light is indicated by a thick line), respectively. (The optical axis is indicated by a one-dot chain line) is different. Therefore, when the light is condensed by the lens array 21, it is condensed on the adjacent different pixels 20 as shown in FIG. The pixels on which the red light (R) is collected, the pixels on which the green light (G) is collected, and the pixels on which the blue light (B) is collected are three pixels, and form a set 3 The light that has passed through the pixels is refracted by the optical axis conversion lens 28 and then imaged at one point on the screen 2 by the imaging lens 29.
[0007]
However, in such an image projector 22 for color display, the optical axis directions of red light, green light, and blue light entering the lens 28 after passing through the pixels 20 of the liquid crystal display panel 12 are greatly different. Therefore, it is necessary to use a high-grade assembled lens as the imaging lens 29 (FIGS. 7 and 8). This makes it difficult to reduce the F value of the imaging lens 29, makes it difficult to control aberrations, and makes it difficult to use a zoom lens for a front projector. Further, when the assembled lens is used, there is a problem in that the imaging lens 29 becomes large and increases in weight and costs are increased. Furthermore, since the F value of the imaging lens 29 becomes large, the focal length of the microlens is intentionally set to be long and condensed in the TFT substrate. In this case, leakage of light from adjacent pixels tends to increase, resulting in an increase in the color mixture rate and a cause of deterioration in color purity. Incidentally, in the case of a poly-Si TFT, a liquid crystal display panel having a pixel size of about 20 to 30 μm □ requires an F value of about 1.5 for a projection lens.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of the drawbacks of the conventional examples described above, and the object of the present invention is to form an image on a screen by rationalizing the light beam after passing through a liquid crystal display panel in an image projector. The purpose of this is to simplify the imaging lens.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The image projector according to claim 1 is a two-dimensional pixel having a light source that generates a light beam having a different optical characteristic and optical axis direction such as a wavelength and a polarization direction , a liquid crystal sandwiched between a pair of substrates, and an opening. Liquid crystal display panel, two lens arrays in which lenses are two-dimensionally arranged, and a transparent resin layer disposed between the two lens arrays, the two lenses The array and the transparent resin layer have different refractive indexes from each other, the two lens arrays are separated from each other by a focal length of the lens array on the light emitting side, and the respective lenses are made to correspond one-to-one. The two lens arrays, the transparent resin, and the liquid crystal display panel are integrally formed on both sides of the liquid crystal display panel, and incident light is transmitted by the lenses of the light incident side lens array to the liquid crystal display panel. Board Is converged to substantially one point in the pixels arranged portion on the substrate which is located among light incident side, so that the optical axis of the emitted light regardless of the direction of the optical axis of the incident light is parallel, the light exit lens The optical axis is converted by each lens of the array.
[0010]
According to a second aspect of the present invention, there is provided an image projector that includes a light source that generates a light beam having a different optical characteristic and optical axis direction, such as a wavelength and a polarization direction , and a pixel having an opening and a liquid crystal sandwiched between a pair of substrates. A two-dimensionally arranged liquid crystal display panel, two lens arrays in which lenses are two-dimensionally arranged, and a transparent resin layer disposed between the two lens arrays, The lens array and the transparent resin layer have different refractive indexes, the two lens arrays are separated from each other by a focal length of the lens array on the light exit side, and each lens is in a one-to-one correspondence. The two lens arrays and the transparent resin are integrally formed on the light incident side of the liquid crystal display panel, and the incident light is transmitted to the substrate of the liquid crystal display panel by the lenses of both lens arrays . Of which on the light incident side Is converged to substantially one point in the pixels arranged portion on the substrate that location, so that the optical axis direction of the irrespective of the optical axis of the incident light outgoing light becomes parallel, by the respective lenses of the lens array at the light emitting side It is characterized by changing the optical axis.
[0011]
[Action and effect of the invention]
According to the lens array element used in the image projector of the present invention, incident light beams having different optical axis inclinations are condensed at different positions within a predetermined plane, and then emitted as light aligned in the optical axis direction. Can do.
[0012]
Therefore, when used in an image projector, it is possible to manufacture a color display type image projector that does not use a color filter by placing a liquid crystal display panel at the condensing point of incident light flux, and passes through the liquid crystal display panel. Since the emitted light beam after alignment is aligned with the optical axis, when the emitted light beam is collected on the imaging lens by the lens and imaged on the screen by the imaging lens, the imaging lens is simplified while forming the image. It is possible to reduce the aberration of the lens and reduce the F value of the lens. Therefore, it is not necessary to use a high-grade lens such as an assembled lens as in the prior art, and the imaging lens can be reduced in weight and the imaging lens can be made inexpensive. Furthermore, since the imaging surface can be a TFT surface, the effective aperture ratio of the pixel surface can be increased by condensing light to improve the light utilization efficiency, and the color mixing ratio due to leakage light can be reduced. And the color purity of the image projector can be improved.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 9 is a schematic diagram showing the configuration of the image projector 41 according to an embodiment of the present invention. The overall configuration is similar to that of the conventional example of FIG. 7, but the portion in which the liquid crystal display panel 12 and the microlens array element 43 are integrally formed is different.
[0014]
The light source 44 includes a light emitting unit 23, a collimating lens 27, and three dichroic mirrors 24, 25, and 26. The light emitting unit 23 includes a reflecting mirror 46 disposed behind a white lamp 45 such as a halogen lamp, and a collimating lens 27 disposed in front thereof. The white light emitted from the white lamp 45 is emitted from the collimating lens 27. Becomes parallel light and is applied to the dichroic mirrors 24, 25, and 26.
[0015]
The dichroic mirror 24 that selectively reflects red light, the dichroic mirror 25 that selectively reflects green light, and the dichroic mirror 26 that selectively reflects blue light are arranged at slightly different angles. Thus, the white parallel light incident on the dichroic mirrors 24, 25, 26 is reflected by the red (R) parallel light reflected by the dichroic mirror 24 (the region of the red parallel light is indicated by hatching with a broken line) and the dichroic mirror 25. The reflected green (G) parallel light (green light is indicated by a thick line) and the blue (B) parallel light reflected by the dichroic mirror 26 are separated and emitted toward the liquid crystal display panel 12 side. Here, since the inclinations of the three dichroic mirrors 24, 25, and 26 are different, the optical axis directions of the red parallel light, the green parallel light, and the blue parallel light (the optical axis is indicated by a one-dot chain line) are not parallel. Are different from each other.
[0016]
The light source 44 only needs to emit red light, green light, and blue light as light having different optical axis directions, and is not limited to the configuration shown in FIG. For example, a diffraction grating or a holographic element is also possible.
[0017]
The structure of the liquid crystal display panel 12 and the microlens array element 43 is shown in FIG. The liquid crystal display panel 12 has a general structure in which a liquid crystal material 19 is sealed between two glass substrates 17 and 18 (see FIG. 4), and a black matrix region surrounding a pixel (pixel opening) 20. 15 is formed. The microlens array element 43 is integrally formed on the outer surface of the glass substrate 17 of the liquid crystal display panel 12 or in the vicinity thereof. The microlens array element 43 is obtained by forming a microlens array 48 on a glass plate 47 and laminating a microlens array 50 on a transparent resin layer 49 thereon. The microlens array 50 is a liquid crystal display. It is formed on the glass substrate 17 of the panel 12.
[0018]
Here, the distance L between the main planes of the microlens arrays 48 and 50 is equal to the focal length of the microlens array 50, the refractive index of the microlens array 48 is n1, and the refractive index of the transparent resin layer 49 is n2. When the refractive index of the microlens array 50 is n3, n1>n2> n3.
[0019]
As shown in FIG. 12, the microlens arrays 48 and 50 may be arranged so that their convex surfaces face each other. In this case, the relationship between the refractive index n1 of the microlens array 48, the refractive index n2 of the transparent resin layer 49, and the refractive index n3 of the microlens array 50 is n1> n2 and n2 <n3.
[0020]
The red parallel light, the green parallel light, and the blue parallel light separated and reflected by the dichroic mirrors 24, 25, and 26 are collected by being transmitted through the microlens array 48. However, the inclinations of the dichroic mirrors 24, 25, and 26 are collected. Therefore, since these parallel lights have different optical axis directions, they are condensed at different positions. Therefore, the microlens arrays 48 and 50 are designed to collect the red parallel light, the green parallel light, and the blue parallel light in the adjacent pixels 20, respectively, thereby eliminating the light amount loss due to the black matrix region 15. ing. Moreover, the pixel 20 that collects the red light, the pixel 20 that collects the green light, and the pixel 20 that collects the blue light are adjacent to each other to form one drawing point by one set of three pixels. The panel 12 can be displayed in color.
[0021]
The microlens array 50 is configured such that one lens 50 a corresponds to the pixel 20 that is a set of three pixels, and each lens 48 a of the microlens array 48 corresponds to each lens 50 a of the microlens array 50. And one-to-one correspondence.
[0022]
Further, the microlens array element 43 is set so that the distance L between the microlens arrays 48 and 50 (distance between the main planes) L is equal to the lens focal length of the microlens array 50 on the light exit side. The optical axes of red light, green light and blue light transmitted through the microlens array element 43 are parallel to each other after passing through the microlens array element 43.
[0023]
The red light, green light, and blue light transmitted through the liquid crystal display panel 12 are refracted by the optical axis conversion lens 28 so that each optical axis passes through the center of the imaging lens 42, and is formed on the screen 2 by the imaging lens. An image is formed and a color image is displayed on the screen 2.
[0024]
Since the optical axes of red light, green light, and blue light that have passed through the pixels 20 of the liquid crystal display panel 12 are parallel to each other, the simple imaging lens 42 allows the red light, green light, and blue light to be screened. 2 can be imaged. Therefore, it is not necessary to use an expensive assembled lens as the imaging lens 42, the imaging lens 42 can be reduced in weight, and the cost can be reduced.
[0025]
(Manufacturing method of microlens array element)
The microlens array element 43 is formed integrally with the glass substrate 17 of the liquid crystal display panel 12 as shown in FIGS. First, the ultraviolet curable resin 52 is supplied onto the stamper 51 on which the reverse pattern of the microlens array 50 is formed [FIG. 11A], and the glass substrate 17 is pressed from the stamper 51 so that the ultraviolet curable resin 52 is attached to the stamper 51 and the glass. The ultraviolet curable resin 52 is cured by spreading between the substrates 17 and irradiating ultraviolet rays through the glass substrate 17 [FIG. 11B], and the microlens array 50 is formed by the ultraviolet curable resin 52, and the microlens array is cured after the resin is cured. 50 is peeled from the stamper 51 [FIG. 11 (c)]. Similarly, the ultraviolet curable resin 54 is supplied onto the stamper 53 on which the reversal pattern of the microlens array 48 is formed [FIG. 11D], and the glass plate 47 is pressed from the stamper 53 so that the ultraviolet curable resin 54 and the stamper 53 are pressed. The ultraviolet curable resin 54 is cured by spreading between the glass plates 47 and irradiating the ultraviolet rays through the glass plate 47 [FIG. 11 (e)], and the microlens array 48 is formed by the ultraviolet curable resin 54. The array 48 is peeled from the stamper 53 [FIG. 11 (f)]. Next, an ultraviolet curable resin 55 is supplied onto the microlens array 48 formed on the glass plate 47 [FIG. 11 (g)], and the glass substrate 17 with the microlens array 50 facing downward is placed on the ultraviolet curable resin 55. After the pressure is applied, the distance L between the microlenses 48 and 50 is adjusted, and then the ultraviolet curable resin 55 is cured by irradiating the ultraviolet rays through the glass substrate 17 and the microlens array 50 to form the transparent resin layer 49. Then, the microlens array element 43 is integrally manufactured (FIG. 11 (h)).
[0026]
Since the glass substrate 17 is integrated with the microlens array element 43, the liquid crystal display panel 12, after manufacturing the microlens array element 43, the glass substrate 17 integrated with the microlens array element 43. A liquid crystal display panel 12 is integrally manufactured by forming a switch element such as a TFT or wiring.
[0027]
(Second Embodiment)
FIG. 13 is a partially broken sectional view showing a liquid crystal display panel 12 and a microlens array element 61 of an image projector according to another embodiment of the present invention. In this embodiment, the microlens array 50 is formed on the glass substrate 18 of the liquid crystal display panel 12 and covered with the glass plate 63 via the transparent resin layer 62 thereon. A microlens 48 formed on the glass plate 47 is integrated with the liquid crystal display panel 12 via a transparent resin layer 64.
[0028]
In this embodiment, the microlens arrays 48 and 50 are arranged on both sides of the liquid crystal display panel 12, but the distance L between the main planes of the two microlens arrays 48 and 50 is the microlens array on the light emitting side. The focal length is equal to 50. Further, there is a relationship of n1> n5 between the refractive index n1 of the microlens array 48 and the refractive index n5 of the transparent resin layer 64, and the refractive index n2 of the microlens array 50 and the refractive index n6 of the transparent resin layer 62 are There is a relationship of n2> n6 between them.
[0029]
In this embodiment, the red light, the green light, and the blue light collected by the microlens array 48 are collected on the respective pixels 20 with the optical axis directions different from each other. The red light, green light, and blue light that have passed through each pixel 20 of the display panel 12 are refracted by the microlens array 50 so that their optical axes are parallel to each other, and are emitted to the lens 28 for optical axis conversion. Accordingly, the configuration of the imaging lens 42 can be simplified, and the imaging lens 42 can be reduced in weight and cost.
[0030]
(Third embodiment)
FIG. 14 is a partially cutaway sectional view showing the configuration of the liquid crystal display panel 12 and the microlens array element 71 of an image projector according to still another embodiment of the present invention. In this embodiment, in addition to the configuration of FIG. 10, a collimating lens array 72 for collimating light that has passed through each pixel 20 is integrally formed on the surface of the glass substrate 18 on the light emission side of the liquid crystal display panel 12. is there. Each lens 72 a of the collimating lens array 72 corresponds to each pixel 20 of the liquid crystal display panel 12 on a one-to-one basis.
[0031]
In this embodiment, since the collimating lens array 72 is provided on the outer surface of the liquid crystal display panel 12, not only the optical axes of the red light, the green light, and the blue light that have passed through the liquid crystal display panel 12 are aligned. The red light, green light, and blue light that have passed through the pixel 20 are emitted from the collimating lens array 72 toward the lens 28 as parallel light. Therefore, it is possible to prevent the light emitted from the edge of the liquid crystal display panel 12 from spreading out of the lens 28 and causing the light quantity to be insufficient in the peripheral portion of the image.
[0032]
(Fourth embodiment)
FIG. 15 is a partially broken cross-sectional view showing the liquid crystal display panel 12 and the microlens array element 81 of an image projector according to still another embodiment of the present invention.
[0033]
In this embodiment, the optical axes of the red light, the green light, and the blue light transmitted through the liquid crystal display panel 12 are not aligned so as to face the direction perpendicular to the liquid crystal display panel 12, but each optical axis is a lens of the imaging lens 42. The microlens arrays 48 and 50 are configured to pass through the center. In this embodiment, since the red light, green light, and blue light that have passed through the liquid crystal display panel 12 are emitted toward the center of the imaging lens 42, the optical axis conversion lens 28 can be eliminated. .
[0034]
(Fifth embodiment)
FIG. 16A is a schematic diagram showing a configuration of an image projector 91 according to still another embodiment of the present invention. In this image projector 91, parallel light emitted from a light source (not shown) is incident on a polarizing beam splitter 92, divided into P-polarized light and S-polarized light by the polarizing beam splitter 92, and transmitted through the polarizing beam splitter 92. The S-polarized light is deflected by the prism 94 and is incident on the liquid crystal display panel 12. Further, the P-polarized light reflected by the polarization beam splitter 92 is reflected by the mirror 93, then deflected by the prism 94 and made incident on the liquid crystal display panel 12.
[0035]
FIG. 16B is a schematic cross-sectional view showing the structure around the liquid crystal display panel 12. The microlenses 48 and 50 constituting the microlens array element 96 are respectively provided on the incident side and the emission side of the liquid crystal display panel 12. And a polarizing filter 95 is provided so as to face the microlens array 50. Reference numerals 97 and 98 are transparent resin layers.
[0036]
Accordingly, the P-polarized light and the S-polarized light incident on the liquid crystal display panel 12 are focused on the pixels 20 adjacent to each other because the optical axes are inclined to the opposite side. If this pair of pixels 20 is controlled so that one is turned on and the other is turned off, or one is turned off and the other is turned on, both pixels 20 are simultaneously illuminated (P-polarized light, S-polarized light). ) Is transmitted or simultaneously blocked. Therefore, P-polarized light and S-polarized light can be used at the same time, and the light loss of the image projector 91 can be reduced to obtain a bright image.
[0037]
Also in this image projector 91, since the optical axes are aligned in parallel by the microlens array 50, a simple one can be used as the imaging lens 42 that forms an image of the light that has passed through the lens 28.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a conventional front projection type image projector.
FIG. 2 is a cross-sectional view of a CRT projection television using a conventional rear projection type image projector.
FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration of a conventional image projector.
FIG. 4 is a partially broken perspective view of a liquid crystal display panel.
FIG. 5 is a diagram illustrating a problem of the image projector described above.
FIG. 6 is a diagram for explaining means for solving the same problem as above.
FIG. 7 is a diagram illustrating a configuration of a color display type image projector.
FIG. 8 is a diagram showing a problem of the image projector described above.
FIG. 9 is a diagram showing a configuration of an image projector according to an embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a partially cutaway sectional view showing in detail the structure of the liquid crystal display panel and the microlens array element of the image projector.
FIG. 11 is a diagram showing a manufacturing method of the microlens array element same as above.
12 is a partially cutaway cross-sectional view showing an arrangement of microlens array elements different from FIG. 10. FIG.
FIG. 13 is a partially broken cross-sectional view showing the structure of a microlens array element in another embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a partially broken cross-sectional view showing the structure of a microlens array element in still another embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a partially broken cross-sectional view showing the structure of a microlens array element in still another embodiment of the present invention.
FIG. 16A is a diagram showing a configuration of an image projector in still another embodiment of the present invention, and FIG. 16B is a cross-sectional view showing the structure of the liquid crystal display panel and the microlens array element.
[Explanation of symbols]
12 Liquid crystal display panel 17, 18 Glass substrate 47 Glass plate 48, 50 Micro lens array 48a, 50a Lens 49 of micro lens array Transparent resin layer

Claims

A light source that generates light beams having different optical characteristics and optical axis directions such as wavelength and polarization direction, a liquid crystal display panel in which liquid crystal is sandwiched between a pair of substrates, and pixels having openings are two-dimensionally arranged; Two lens arrays in which lenses are two-dimensionally arranged, and a transparent resin layer disposed between the two lens arrays,
The two lens arrays and the transparent resin layer each have a different refractive index,
Said two lens arrays, by the focal length of the lens array of the light emitting side is separated, and each of the lens to correspond to one-to-one, and two lens arrays arranged on both sides of the liquid crystal display panel The transparent resin and the liquid crystal display panel are integrally formed ,
Incident light is condensed at approximately one point in the pixel portion arranged on the light incident side of the substrate of the liquid crystal display panel by each lens of the lens array on the light incident side. An image projector characterized in that the optical axis is converted by each lens of the lens array on the light output side so that the optical axis direction of the emitted light is parallel regardless of the axial direction.

A light source that generates a light flux having a different optical characteristic such as wavelength and polarization direction and an optical axis direction , and a liquid crystal display panel in which liquid crystal is sandwiched between a pair of substrates and pixels having openings are two-dimensionally arranged , Two lens arrays in which the lenses are two-dimensionally arranged, and a transparent resin layer disposed between the two lens arrays,
The two lens arrays and the transparent resin layer each have a different refractive index,
The two lens arrays are separated from each other by the focal length of the lens array on the light exit side, and the lenses are arranged in a one-to-one correspondence to the light incident side of the liquid crystal display panel . A lens array and the transparent resin are integrally formed ,
With each lens of both lens arrays, incident light is condensed at approximately one point in the pixel portion arranged on the light incident side of the substrate of the liquid crystal display panel , and is incident in the optical axis direction of the incident light. Regardless of this, an image projector is characterized in that the optical axis is converted by each lens of the lens array on the light output side so that the optical axis direction of the emitted light is parallel.