JP2004077934A - 液晶表示素子及び液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液晶層への入射光発散角が照明系の変動に因らず、視野角補正を容易にできる液晶表示素子及びそれを用いた液晶表示装置を提供する。
【解決手段】各マイクロレンズ４２Ｍは、第２のレンズ面Ｒ２の焦点位置が、第１のレンズ面Ｒ１についての主点位置に略一致し、かつマイクロレンズ全体での焦点位置が、画素開口４６Ａの位置に略一致するように構成されているので、光軸６０に対して±βの角度で液晶層４５を照明する光は、第２のレンズ面Ｒ２を通過する際に、主光線に平行な光になり、照明光の発散角が除去される。これによって、入射光発散角が照明系によって差異があっても、液晶層４５に入射する光強度の角度分布は変化しない。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶表示素子、及び液晶表示素子を用いて光を投影して画像を表示する液晶表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶表示素子（以下、液晶パネル（ＬＣＤ）という。）によって光変調された光をスクリーンに投射して、画像を表示するようにした投射型液晶表示装置（液晶プロジェクタ）が知られている。投射型液晶表示装置における画像の投射方式としては、スクリーンの前面側より画像を投射する前面投射式（フロント式）と、スクリーンの背面側より画像を投射する背面投射式（リア式）とがある。また、投射型液晶表示装置において、カラー表示を行なうものには、液晶パネルを１枚用いる単板方式と、赤（Ｒｅｄ＝Ｒ），緑（Ｇｒｅｅｎ＝Ｇ），青（Ｂｌｕｅ＝Ｂ）の３つの色光に対応した３枚の液晶パネルを用いる３板方式とがある。
【０００３】
図８は、従来の投射型液晶表示装置の概略構成を示している。この投射型液晶表示装置は、光軸１００に沿って、光源１０１と、一対の第１、第２レンズアレイ（以下、「ＭＬＡ」と記す。）１０２，１０３と、ＰＳ合成素子１０４と、コンデンサレンズ１０５と、フィールドレンズ１０６と、液晶パネル１０７と、投射レンズ１０８とを順番に備えている。
ＭＬＡ１０２とＭＬＡ１０３には、それぞれ複数の微小レンズ１０２Ｍ，１０３Ｍが２次元的に配列されている。ＰＳ合成素子１０４には、ＭＬＡ１０３における隣り合うレンズ間に対応する位置に、複数の１／２波長板１０４Ａが設けられている。
【０００４】
この投射型液晶表示装置では、光源１０１から発せられた照明用の光が、ＭＬＡ１０２とＭＬＡ１０３を透過し、複数の小光束に分割され、ＰＳ合成素子１０４に入射する。ＰＳ合成素子１０４に入射する光Ｌ１０は、光軸１００に垂直な面内において互いに直交するＰ偏光成分およびＳ偏光成分偏光光Ｌ１１，Ｌ１２に分離される。分離された偏光光Ｌ１１，Ｌ１２のうち、一方の偏光光Ｌ１１は、その偏光方向（例えばＰ偏光）を保ったままＰＳ合成素子１０４から出射され、他方の偏光光Ｌ１２（例えばＳ偏光成分）は、１／２波長板１０４Ａにより、他の偏光成分（例えばＰ偏光成分）に変換され、分離された２つの偏光光Ｌ１１，Ｌ１２の偏光方向が特定の方向に揃えられて出射される。
【０００５】
ＰＳ合成素子１０４を出射した光は、コンデンサレンズ１０５およびフィールドレンズ１０６を経て、液晶パネル１０７に照射される。ＭＬＡ１０２とＭＬＡ１０３によって分割された各小光束は、コンデンサレンズ１０５の焦点距離と第２ＭＬＡ１０３に設けられたマイクロレンズ１０３Ｍの焦点距離とで決まる拡大率で拡大され、液晶パネル１０７の入射面全体を照射する。これにより、液晶パネル１０７の入射面には、複数の拡大された光束が重畳され、全体的に均一な照明がなされる。液晶パネル１０７は、入射した光を画像信号に応じて空間的に変調して出射する。液晶パネル１０７を出射した光は、投射レンズ１０８によって図示しないスクリーンに投射され、スクリーン上に画像を形成する。
【０００６】
液晶パネル１０７では、その駆動デバイスとして薄膜トランジスタ（ＴＦＴ；Ｔｈｉｎ　Ｆｉｌｍ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などを基板上に作り込むため、隣接する画素間にはブラックマトリクスと呼ばれる光の遮蔽領域が設けられている。そのため、その開口率は１００％とはならない。そこで、従来では、液晶パネルにおける集光効率を上げるために、例えば、光の入射側に配置された対向基板上に１ドット（１ピクセルまたは１サブピクセル）につき光軸方向に１面もしくは複数面の集光用マイクロレンズを配置し、液晶パネルの実効開口率を上げるようにしていた。
【０００７】
図９は、液晶パネル１０７の構成例として、マイクロレンズを用いた方式のものを示している。液晶パネル１０７は、画素電極基板１４０Ｂと、画素電極基板１４０Ｂの光の入射面側に液晶層１４５を介して対向配設された対向基板１４０Ａとを備えている。
【０００８】
画素電極基板１４０Ｂは、ガラス基板１４８と、このガラス基板１４８の光の入射面側に積層された偏光膜１５０と、液晶視野角特性を補正する機能を有する光学部品、例えば、光学補償フィルム１４９と、複数の画素電極部１４６および複数のブラックマトリクス部１４７とを有する。画素電極部１４６およびブラックマトリクス部１４７は、２次元的に配列されている。各画素電極部１４６は、導電性を有した透明な部材によって構成されている。ブラックマトリクス部１４７は、隣り合う画素電極部１４６の間に形成されている。各ブラックマトリクス部１４７は、例えば金属膜などにより遮光されている。光学補償フィルム１４９は、複屈折率を有しており、液晶層１４５に入射する照明光の入射角の分散による表示コントラストの変動を補正する。偏光膜１５０は、所定の偏光方向の偏光光を通過させる。ガラス基板１４８上のブラックマトリクス部１４７に遮蔽された領域に、隣接する画素電極部１４６に対して、画像信号に応じて選択的に電圧を印加するための図示しないスイッチング素子が形成されている。画素電極部１４６に電圧を印加するためのスイッチング素子としては、例えばＴＦＴ（Ｔｈｉｎ　Ｆｉｌｍ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）が使用される。
【０００９】
対向基板１４０Ａは、光の入射側から順に、ガラス基板１４１と、マイクロレンズアレイ１４２と、カバーガラス１４４とを有している。ガラス基板１４１とマイクロレンズアレイ１４２との間には、樹脂層１４３が積層されている。
【００１０】
マイクロレンズアレイ１４２は、屈折率がｎ２（＞ｎ１）の光学樹脂により構成され、各画素電極部１４６に対応して２次元的に設けられた複数のマイクロレンズ１４２Ｍを有している。マイクロレンズ１４２Ｍは、光の入射側が凸形状であり、正の屈折力（パワー）を有している。マイクロレンズ１４２Ｍは、ガラス基板１４１および樹脂層１４３を介して入射した光を、対応する画素電極部１４６に向けて集光する。このようにマイクロレンズ１４２Ｍを設けることによって、光源からの入射光が、ブラックマトリクス１４７や配線パターン等の遮光領域に当たらずに、画素電極部１４６の開口部１４６Ａのみに集光でき、液晶パネル１０７の実効開口率を上げ、光利用効率を向上させることができる。
【００１１】
ところが、このような構成の液晶パネル１０７において、マイクロレンズ１４２Ｍの光軸２００に対して入射角（以降、入射発散角と呼ぶ）βで入射した光２１１は、マイクロレンズ１４２Ｍのパワーに屈折されることにより、マイクロレンズ１４２Ｍがないときより発散角が増大する。
図１０は、マイクロレンズ１４２Ｍに入射する照明光の入射角度強度分布、及びマイクロレンズ１４２Ｍから出射され液晶層１４５に入射する照明光の入射角度強度分布を示している。
図１０（ａ）と（ｂ）において、横軸は、照明光の入射角度、縦軸は、照明光の強度分布を表わし、入射発散角は、空気中での角度に換算したものであり、マイクロレンズ１４２Ｍの光軸２００に対して定義される。
【００１２】
図１０（ａ）において、曲線ｃは、光軸２００に対して最大入射発散角度が約９°の照明光がマイクロレンズ１４２Ｍに入射する時の強度分布を示し、曲線ｄは、曲線ｃで示された照明光がマイクロレンズ１４２Ｍから出射され液晶層１４５に入射する時の強度分布を示している。
また、図１０（ｂ）において、曲線ｅは、最大入射発散角度が約１２°の照明光がマイクロレンズ１４２Ｍに入射する時の強度分布を示し、曲線ｆは、曲線ｅで示された照明光がマイクロレンズ１４２Ｍから出射され液晶層１４５に入射する時の強度分布を示している。
【００１３】
図１０（ａ）と（ｂ）に示すように、マイクロレンズ１４２Ｍからの出射光の発散角度の分布範囲は、マイクロレンズ１４２Ｍに入射したときの発散角度より約５°増大した。
マイクロレンズ１４２Ｍからの出射光の発散角度をθとし、マイクロレンズ１４２Ｍのパワーによって生じる角度をαとすれば、θはαとβとの和となる。
【００１４】
液晶表示装置において、液晶分子に屈折率異方性が存在し、また上下電極基板に対して液晶分子が傾斜して配向しているため、観察する視角、または、照明光の入射角によって表示画面のコントラストが変化し、視野角依存性が存在することは知られている。上記のようにマイクロレンズ１４２Ｍを搭載することにより入射発散角が増大すると、マイクロレンズを搭載していない投射装置に比べて、コントラストは低下する問題が生じる。
この問題を解決するために、従来、液晶パネルの視野角特性補正機能を有する光学部品、例えば、光学補償フィルム１４９を設けることとしていた。光学補償フィルム１４９を設けることによって、マイクロレンズ１４２Ｍを搭載した場合であっても、コントラストを顕著に改善でき、マイクロレンズなしの液晶パネルを使用したときよりも、実機としてのコントラストは向上することが知られている。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、マイクロレンズ１４２Ｍに入射する照明光の入射発散角βの強度分布および液晶層１４５に入射する照明光の入射発散角θの強度分布が照明系の構成によって異なる。
【００１６】
図１１は、入射発散角の強度分布の照明系への依存性を示す。
図１１において、横軸は、照明光の入射発散角度、縦軸は、照明光の強度を表わす。入射発散角は、空気中での角度に換算したものである。
図１１（ａ）において、曲線ｃは、図１０（ａ）における曲線ｃと同様に、最大入射発散角度が約９°の照明光がマイクロレンズ１４２Ｍに入射する時の角度分布を示し、曲線ｄは、図１０（ｂ）における曲線ｅと同様に、最大入射発散角度が約１２°の照明光がマイクロレンズ１４２Ｍに入射する時の角度分布を示している。
図１１（ｂ）において、曲線ｅは、図１０（ａ）における曲線ｄと同様に、（ａ）の曲線ｃで示された照明光がマイクロレンズ１４２Ｍから出射され液晶層１４５に入射する時の角度分布を示しており、曲線ｆは、図１０（ｂ）における曲線ｆと同様に、（ａ）の曲線ｄで示された照明光がマイクロレンズ１４２Ｍから出射され液晶層１４５に入射する時の角度分布を示している。
【００１７】
図１１に示すように、構成の異なる照明系が、角度分布が異なる照明光を発生し、図１１（ａ）に示された角度分布の照明光がマイクロレンズ１４２Ｍに入射すると、図１１（ｂ）に示されたように、マイクロレンズ１４２Ｍから出射され液晶層１４５に入射する照明光の角度分布が異なる。また、製造公差等によるマイクロレンズ１４２Ｍの光学特性の違いも、液晶層１４５に入射する照明光の角度分布の変動を生じさせる。
液晶層１４５に入射する照明光の角度分布が異なると、液晶パネル１０７の視野角特性の補正によるコントラストの改善効果は、液晶層１４５に対する入射光強度の角度分布によって影響を受ける。コントラストを最大限に引き出すため、従来では、マイクロレンズのパワー、光学補償フィルム１４９の光学パラメータをそれぞれの光学系に最適化させてやる必要があった。そのため、同一フォーマットの液晶パネル１０７に対して、多様な規格が存在し、開発時に膨大な検証工数が必要となり、品種が増えることにより、生産性も低下させる要因にもなっていた。
【００１８】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、液晶層への入射光角度分布が照明系の変動に因らず、視野角補正を容易にできる液晶表示素子及びそれを用いた液晶表示装置を提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明による液晶表示素子は、２次元的に配列された複数の画素部を含む液晶層と、前記液晶層に対して光の入射側または出射側に、前記複数の画素部に対応して２次元的に配列された複数のマイクロレンズを含むマイクロレンズアレイと、前記液晶層に対して光の入射側または出射側に、前記液晶層の各画素部から射出された光に対して、視野角補正を行なう視野角補正部とを有し、前記各マイクロレンズは、光軸方向において、入射光を前記画素部に集光させる第１のレンズと、焦点位置が前記第１のレンズの主点位置に略一致する第２のレンズとを含む。
【００２０】
好ましくは、前記各マイクロレンズの焦点位置が、前記画素部に略一致する。また、前記各マイクロレンズの前記第１のレンズまたは第２のレンズは、球面レンズ、非球面レンズ、または、フレネル面レンズのいずれか１つ、もしくは２つ以上の組み合わせを含む。
前記視野角補正部は、位相補償フィルム、または、コレステリック液晶のいずれか１つを含む。
【００２１】
本発明による液晶表示装置は、２次元的に配列された複数の画素部を含む液晶層と、前記液晶層を照明する照明光を発する光源と、前記液晶層に対して光の入射側または出射側に、前記複数の画素部に対応して２次元的に配列された複数のマイクロレンズを含むマイクロレンズアレイと、前記液晶層に対して光の入射側または出射側に、前記液晶層の各画素部から射出された光に対して、視野角補正を行なう視野角補正部と、前記液晶層及び前記資格補正部を透過した光を投射する投射レンズとを有し、前記各マイクロレンズは、光軸方向において、入射光を前記画素部に集光させる第１のレンズと、焦点位置が前記第１のレンズの主点位置に略一致する第２のレンズとを含む。
【００２２】
本発明による液晶表示素子および液晶表示装置では、各マイクロレンズには、光軸方向において、入射光を集光する第１のレンズと、フィールドレンズとして機能する第２のレンズとが形成され、さらに、第２のレンズの焦点位置が第１のレンズの主点位置に略一致させるように形成されている。従って、第１のレンズ表面のある箇所に入射する入射角度の異なる光線が、第２のレンズの焦点近傍から第２のレンズに入射するのに相当するので、これらの入射角度の異なる光線が第２のレンズから出射された後に、これら光線の主光線と平行する光束となる。これにより、照明系の構成に依存する第１のレンズに入射する時の発散角度の分布が除去される。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施の形態に係る液晶表示装置の全体構成の一例を示している。図１に示した液晶表示装置は、透過型の液晶パネルを３枚用いてカラー画像表示を行なういわゆる３板方式のものである。この液晶表示装置は、光を発する光源１１と、一対の第１、第２レンズアレイＭＬＡ１２とＭＬＡ１３と、ＭＬＡ１２とＭＬＡ１３の間に設けられ、光路（光軸１０）をＭＬＡ１３側に略９０度曲げるように配置された全反射ミラー１４とを備えている。ＭＬＡ１２とＭＬＡ１３には、それぞれ複数の微小レンズ１２Ｍ，１３Ｍが２次元的に配列されている。ＭＬＡ１２、ＭＬＡ１３は、光の照度分布を均一化させるためのものであり、入射した光を複数の小光束に分割する機能を有している。
【００２４】
光源１１は、カラー画像表示に必要とされる、赤色光、青色光および緑色光を含んだ白色光を発する。光源１１は、白色光を発する発光体（図示せず）と、発光体から発せられた光を反射、集光する凹面鏡とを含んで構成されている。発光体としては、例えば、ハロゲンランプ、メタルハライドランプまたはキセノンランプ等が使用される。凹面鏡は、集光効率が良い形状であることが望ましく、例えば回転楕円面鏡や回転放物面鏡等の回転対称な面形状となっている。
【００２５】
ＭＬＡ１３の光の出射側に、ＰＳ合成素子１５と、コンデンサレンズ１６と、ダイクロイックミラー１７とを順番に備えている。ダイクロイックミラー１７は、入射した光を、例えば赤色光ＬＲと、その他の色光とに分離する。
【００２６】
ＰＳ合成素子１５には、第２ＭＬＡ１３における隣り合うマイクロレンズ間に対応する位置に、複数の１／２波長板１５Ａが設けられている。ＰＳ合成素子１５は、入射した光をＰ偏光成分およびＳ偏光成分の偏光光に分離し、また、分離された２つの偏光光のうち、一方の偏光光を、その偏光方向（例えばＰ偏光）を保ったままＰＳ合成素子１５から出射し、他方の偏光光（例えばＳ偏光成分）を、１／２波長板１５Ａの作用により、他の偏光成分（例えばＰ偏光成分）に変換して出射する。
【００２７】
この液晶表示装置は、ダイクロイックミラー１７によって分離された赤色光ＬＲの光路に沿って、全反射ミラー１８と、フィールドレンズ２４Ｒと、液晶パネル２５Ｒとを順番に備えている。全反射ミラー１８は、ダイクロイックミラー１７によって分離された赤色光ＬＲを、液晶パネル２５Ｒに向けて反射する。液晶パネル２５Ｒは、フィールドレンズ２４Ｒを介して入射した赤色光ＬＲを、画像信号に応じて空間的に変調する。
さらに、ダイクロイックミラー１７によって分離された他の色光の光路に沿って、ダイクロイックミラー１９を備えている。ダイクロイックミラー１９は、入射した光を、例えば緑色光と青色光とに分離する。
【００２８】
この液晶表示装置は、ダイクロイックミラー１９によって分離された緑色光ＬＧの光路に沿って、フィールドレンズ２４Ｇと、液晶パネル２５Ｇとを順番に備えている。液晶パネル２５Ｇは、フィールドレンズ２４Ｇを介して入射した緑色光ＬＧを、画像信号に応じて空間的に変調する。
さらに、ダイクロイックミラー１９によって分離された青色光ＬＢの光路に沿って、リレーレンズ２０と、全反射ミラー２１と、リレーレンズ２２と、全反射ミラー２３と、フィールドレンズ２４Ｂと、液晶パネル２５Ｂとを順番に備えている。全反射ミラー２１は、リレーレンズ２０を介して入射した青色光ＬＢを、全反射ミラー２３に向けて反射するようになっている。全反射ミラー２３は、全反射ミラー２１によって反射され、リレーレンズ２２を介して入射した青色光ＬＢを、液晶パネル２５Ｂに向けて反射するようになっている。液晶パネル２５Ｂは、全反射ミラー２３によって反射され、フィールドレンズ２４Ｂを介して入射した青色光ＬＢを、画像信号に応じて空間的に変調する。
【００２９】
赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧおよび青色光ＬＢの光路が交わる位置に、３つの色光ＬＲ、ＬＧ，ＬＢを合成する機能を有したクロスプリズム２６を備えている。また、クロスプリズム２６から出射された合成光を、スクリーン２８に向けて投射するための投射レンズ２７を備えている。クロスプリズム２６は、３つの入射面２６Ｒ，２６Ｇ，２６Ｂと、一つの出射面２６Ｔとを有している。入射面２６Ｒには、液晶パネル２５Ｒから出射された赤色光ＬＲが入射するようになっている。入射面２６Ｇには、液晶パネル２５Ｇから出射された緑色光ＬＧが入射するようになっている。入射面２６Ｂには、液晶パネル２５Ｂから出射された青色光ＬＢが入射するようになっている。クロスプリズム２６は、入射面２６Ｒ，２６Ｇ，２６Ｇに入射した３つの色光を合成して出射面２６Ｔから出射する。
【００３０】
図２は、液晶パネル２５Ｒ，２５Ｇ，２５Ｂの構成例を示している。液晶パネル２５Ｒ，２５Ｇ，２５Ｂは、それぞれ変調対象となる光の成分が異なるのみで、その機能、構成は実質的に同じである。以下では、各色用の液晶パネル２５Ｒ，２５Ｇ，２５Ｂの構成をまとめて説明する。液晶パネル２５（２５Ｒ，２５Ｇ，２５Ｂ）は、画素電極基板４０Ｂと、この画素電極基板４０Ｂの光の入射面側に液晶層４５を介して対向配設された対向基板４０Ａとを備えている。
【００３１】
画素電極基板４０Ｂは、ガラス基板４８と、このガラス基板４８の光の入射面側に積層された偏光板５０と、液晶視野角特性を補正する機能を有する光学部品、例えば、光学補償フィルム４９と、複数の画素電極部４６、および複数のブラックマトリクス部４７とを有している。
画素電極基板４０Ｂは、また、画素電極部４５およびブラックマトリクス部４６と液晶層４５との間に積層された配向膜（図示せず）を有している。画素電極部４６およびブラックマトリクス部４７は、２次元的に配列されている。各画素電極部４６は、導電性を有した透明な部材によって構成されている。ブラックマトリクス部４７は、隣り合う画素電極部４６の間に形成されている。各ブラックマトリクス部４７は、例えば金属膜などにより遮光されている。
光学補償フィルム４９は、複屈折率を有しており、液晶のプレチルトによって生じる視野角特性、即ち、液晶層４５に入射する照明光の入射角度の分散による表示コントラストの変動を補正する。液晶視野角特性を補正する機能を有する光学部品として、コレステリック液晶を用いても良い。
偏光板５０は、液晶層４５に変調された所定の偏光方向の偏光光を通過させる。ガラス基板４８上のブラックマトリクス部４７に遮蔽された領域に、隣接する画素電極部４６に対して、画像信号に応じて選択的に電圧を印加するための図示しないスイッチング素子が形成されている。画素電極部４６に電圧を印加するためのスイッチング素子としては、例えばＴＦＴが使用される。ブラックマトリクス部４７によって囲まれ、入射光が透過可能な一つの画素電極部４６の開口領域が、１画素分の画素開口４６Ａとなる。
【００３２】
対向基板４０Ａは、光の入射側から順に、ガラス基板４１と、第１の樹脂層４３Ａと、マイクロレンズアレイ４２と、第２の樹脂層４３Ｂと、カバーガラス４４とを有している。対向基板４０Ａは、図示しないが、カバーガラス４４と液晶層４５との間に、対向電極と、配向膜とをさらに有し、また、ガラス基板４１と樹脂層４３Ａの間に液晶パネル入射側の偏光膜を有する。
【００３３】
マイクロレンズアレイ４２は、光学樹脂により構成され、各画素電極部４６に対応して２次元的に設けられた複数のマイクロレンズ４２Ｍを有している。各マイクロレンズ４２Ｍは、全体として正の屈折力（パワー）を有しており、液晶パネル２５に入射した光を、対応する画素電極部４６に向けて集光する機能を有している。後段の投射レンズ２７に十分なＦナンバーが確保されていれば、液晶パネル２５に入射した光のうち、マイクロレンズ４２Ｍによって集光され画素開口４６Ａに入射した光のほとんどが画像表示に利用可能な有効な光となる。
【００３４】
各マイクロレンズ４２Ｍは、一つの画素開口４６Ａ、すなわち、１ドット（１ピクセルまたは１サブピクセル）につき光軸方向に２つのレンズ面Ｒ１，Ｒ２が配置されるように構成されている。各レンズ面Ｒ１，Ｒ２は、それぞれ正のパワーを有するように構成されている。図２の例では、各レンズ面Ｒ１，Ｒ２は球面形状で構成され、第１のレンズ面Ｒ１が、光の入射側（光源側）に凸形状、第２のレンズ面Ｒ２が、光の出射側に凸形状となっている。このような面形状で正のパワーを持たせるために、第１の樹脂層４３Ａ、マイクロレンズアレイ４２、第２の樹脂層４３Ｂは、その屈折率をそれぞれｎ１，ｎ２，ｎ３とすると、「ｎ２＞ｎ１，ｎ３」の関係を満たすように構成されている。なお、ｎ２とｎ１の相対的な屈折率差は、例えば０．２〜０．３程度で、より高い値が確保されていることが望ましい。ｎ２とｎ３についても同様である。
【００３５】
また、各マイクロレンズ４２Ｍは、第２のレンズ面Ｒ２の焦点位置が、第１のレンズ面Ｒ１についての主点位置Ｈ１（図３）に略一致し、かつマイクロレンズ全体での焦点位置が、画素開口４６Ａの位置に略一致するように構成されている。第１のレンズ面Ｒ１は、集光機能を有した集光用レンズを形成している。第２のレンズ面Ｒ２は、フィールド機能を有したフィールドレンズを形成している。
【００３６】
なお、マイクロレンズ全体での焦点位置は、画素開口付近にある方が、開口効率が良くなると考えられるが、入射光についてすべての角度成分を考慮すると、焦点位置が画素開口に完全に一致している場合が最も開口効率が良くなるとは限らない。すべての角度成分を考慮すると、例えば光のビームウェストが画素開口に一致するように焦点位置を設定することが望ましいと考えられる。
【００３７】
なお、第１の樹脂層４３Ａ、マイクロレンズアレイ４２、第２の樹脂層４３Ｂは、レンズ面Ｒ１，Ｒ２が正のパワーを持ち、所定の光学特性を満たすように構成されていれば良く、図示した球面形状に限定されない。また、マイクロレンズ４２Ｍの機能を持たせるための十分なパワーが得られれば、樹脂層４３Ａ，４３Ｂを構成から省き、ガラス基板４１とカバーガラス４４との間に直接マイクロレンズアレイ４２を形成するようにしても良い。
【００３８】
次に、液晶パネル２５におけるマイクロレンズ４２Ｍの光学特性について説明する。
図３では、説明を簡略化するため、液晶パネル２５におけるマイクロレンズ部分の主要な構成要素のみを示している。既に説明したように、マイクロレンズ４２Ｍにおいて、第１のレンズ面Ｒ１および第２のレンズ面Ｒ２は、正のパワーを有している。また、第２のレンズ面Ｒ２の焦点位置は、第１のレンズ面Ｒ１についての主点位置Ｈ１に略一致し、かつマイクロレンズ全体での焦点位置が、画素開口４６Ａの位置に略一致している。以下、このような構成において、液晶パネル２５の前段の照明光学系によって液晶パネル２５に発散角βの照明光が全体的に照明されるものとして説明する。
【００３９】
まず、マイクロレンズ４２Ｍの光軸６０に対して平行な主光線６０Ａ（図中、実線で示す）について考える。主光線６０Ａは、マイクロレンズ全体のパワーによって画素開口４６Ａ付近に集光される。マイクロレンズ４２Ｍを通過後の出射光の光軸６０に対する最大発散角度αは、マイクロレンズ４２Ｍの最大外形とマイクロレンズ４２Ｍ全体の合成焦点距離との関係で決まる。具体的には、最大外形（直径）を２ａ、合成焦点距離をｆとすると、以下の式（１）で表される。
ｔａｎα＝ａ／ｆ　……（１）
【００４０】
一方、合成焦点距離ｆは、第１のレンズ面Ｒ１についての焦点距離をｆ１、第２のレンズ面Ｒ２についての焦点距離をｆ２とすると、以下の式（２）で表される。△は、第１のレンズ面Ｒ１についての主点Ｈ１と第２のレンズ面Ｒ２についての主点Ｈ２との間隔（主点間隔）を示す。
ｆ＝ｆ１×ｆ２／（ｆ１＋ｆ２−△）　…（２）
【００４１】
ここで、第２のレンズ面Ｒ２についての焦点位置と第１のレンズ面Ｒ１についての主点位置Ｈ１とを一致させた時には、△＝ｆ２となるので、合成焦点距離ｆは、以下の式（３）で表される。
ｆ＝ｆ２　……（３）
【００４２】
式（３）は、合成焦点距離ｆが、第１のレンズ面Ｒ１についての焦点距離ｆ１の値によらず、一定の値ｆ２となることを示している。式（３）と式（１）から、主光線６０Ａについての出射光の最大発散角度αは、マイクロレンズ４２Ｍの外形（半径）ａと第２のレンズ面Ｒ２による焦点距離ｆ２とで一義的に決定されることが分かる。また、このとき、第１のレンズ面Ｒ１による焦点距離ｆ１の値により、合成焦点距離ｆを一定の値に保ったまま、レンズ全体の合成焦点位置をコントロールすることが可能となる。焦点距離ｆ１を適当な値にすることにより、画素開口４６Ａと第２のレンズ面Ｒ２との間の距離を加工上必要なだけ確保することができる。
【００４３】
次に、光軸６０に対して角度成分を持って入射する発散光６０Ｂ（図中、破線で示す）について考える。光軸６０に対して±βの角度で液晶パネル２５を照明する光は、主光線６０Ａを中心に、±βの角度で発散した状態で第１のレンズ面Ｒ１を通過する。この光は、第２のレンズ面Ｒ２についての焦点位置が第１のレンズ面Ｒ１についての主点Ｈ１と略一致していることにより、第２のレンズ面Ｒ２を通過する際に、すべて主光線６０Ａに平行な光に変わる。すなわち、主光線６０Ａと発散光６０Ｂの双方とも、マイクロレンズ４２Ｍを出射した後の最大発散角度αは等しくなる。
【００４４】
以上の光学的作用を有するマイクロレンズ４２Ｍを搭載することにより、液晶パネル２５を出射する光の最大発散角度θは、以下の式（４）で表されることになる。
θ＝α　……（４）
【００４５】
この式（４）は、液晶パネル２５における出射光の発散角度θも、マイクロレンズ４２Ｍの外形（半径）ａと第２のレンズ面Ｒ２による焦点距離ｆ２との２つのパラメータだけで決まり、照明光の発散角度βは、出射光の発散角度θに影響を及ぼさないことを意味している。
図４は、本実施形態の液晶表示装置において、入射光発散角９°及び１２°の照明系に対して、マイクロレンズアレイ４２を通過した後に、液晶層４５に入射する照明光の角度強度分布を示す。図４において、横軸は、液晶層４５に入射する照明光の入射発散角度、縦軸は、照明光の強度をそれぞれ表わす。入射発散角は、空気中での角度に換算したものである。
図４において、実線と点線がマイクロレンズアレイ４２に入射する照明光の入射光発散角が９°と１２°の場合の角度分布をそれぞれ示している。
【００４６】
図４に示すように、入射光発散角９°と１２°という差異があるにもかかわらず、液晶層４５に入射する光強度の角度分布は、変化していないということが分かる。すなわち、本実施の形態によれば、照明光の発散角度βが液晶パネル２５を出射するときには除去され、従来方式と比較して角度βの分だけ出射発散角度θを小さくすることができる。このことは、液晶層４５を透過する光の角度分布は、照明光学系の入射光発散角およびその光強度の角度分布に依存しないことを意味しており、視野角補償は、マイクロレンズ４２Ｍのパラメータによって決まる強度分布についてだけ最適化すればよいことになる。
【００４７】
次に、本実施形態の液晶表示装置の動作について説明する。
光源１１から発せられた白色光は、ＭＬＡ１２とＭＬＡ１３を透過し、複数の小光束に分割され、そして、ＰＳ合成素子１５に入射する。ＰＳ合成素子１５は、入射した光を２種類（Ｐ偏光成分およびＳ偏光成分）の偏光光に分離し、分離された偏光光のうち、一方の偏光光は、その偏光方向（例えばＰ偏光）を保ったままＰＳ合成素子１５から出射され、他方の偏光光（例えばＳ偏光成分）は、１／２波長板１５Ａの作用により、他の偏光成分（例えばＰ偏光成分）に変換して、分離された２つの偏光光の偏光方向を特定の方向（例えばＰ偏光）に揃えて出射する。
【００４８】
ＰＳ合成素子１５を出射した光は、コンデンサレンズ１６を透過した後、ダイクロイックミラー１７に入射し、例えば赤色光ＬＲと、その他の色光とに分離される。分離された赤色光ＬＲは、全反射ミラー１８によって、液晶パネル２５Ｒに向けて反射され、フィールドレンズ２４Ｒを介して液晶パネル２５Ｒに入射する。液晶パネル２５Ｒにおいて、赤色光ＬＲは、所定の発散角度分布を持ってマイクロレンズアレイ４２に入射し、マイクロレンズアレイ４２における各マイクロレンズ４２Ｍの光学作用により、赤色光ＬＲの所定の発散角度分布が除去され、各マイクロレンズ４２Ｍの屈折パワーにより生じた発散角度のみを持って液晶層４５に入射し、画像信号に応じて空間的に変調された後、光学補償フィルム４９に入射し、液晶層４５の視野角特性を補正する。そして、赤色光ＬＲはクロスプリズム２６の入射面２６Ｒに入射する。
【００４９】
同様に、ダイクロイックミラー１７によって分離されたその他の色光は、次に、ダイクロイックミラー１９に入射し、例えば緑色光ＬＧと青色光ＬＢとに分離される。分離された緑色光ＬＧは、液晶パネル２５Ｇを通過した後、クロスプリズム２６の入射面２６Ｇに入射する。
ダイクロイックミラー１９によって分離された青色光ＬＢは、リレーレンズ２０を介して全反射ミラー２１に入射し、ここで、全反射ミラー２３に向けて反射される。全反射ミラー２１によって反射された青色光ＬＢは、リレーレンズ２２を介して全反射ミラー２３に入射し、ここで、液晶パネル部２５Ｂに向けて反射される。全反射ミラー２３によって反射された青色光ＬＢは、フィールドレンズ２４Ｂを介して液晶パネル２５Ｂを通過し後、クロスプリズム２６の入射面２６Ｂに入射する。
【００５０】
液晶パネル２５Ｇ，２５Ｂにおいても、各色の入射光は、所定の発散角度分布を持ってマイクロレンズアレイ４２に入射し、マイクロレンズアレイ４２における各マイクロレンズ４２Ｍの光学作用により、入射光の発散角度分布が除去され、各マイクロレンズ４２Ｍの屈折パワーにより生じた発散角度のみを持って液晶層４５に入射し、画像信号に応じて空間的に変調された後、光学補償フィルム４９に入射し、液晶層４５の視野角特性を補正する。
なお、液晶パネル２５Ｒ，２５Ｇ，２５Ｂのそれぞれの入射面には、ＭＬＡ１２とＭＬＡ１３によって分割された複数の小光束が拡大された状態で重畳され、全体的に均一な照明がなされる。
【００５１】
クロスプリズム２６に入射した３つの色光ＬＲ、ＬＧ，ＬＢは、クロスプリズム２６の作用により合成され、出射面２６Ｔから投射レンズ２７に向けて出射される。その出射光が、投射レンズ２７によってスクリーン２８の前面側または背面側に投射されることにより、スクリーン２８上に画像を形成する。
【００５２】
以上説明したように、本実施の形態によれば、各画素ごとに、２つのレンズ面Ｒ１，Ｒ２を有するマイクロレンズ４２Ｍを配置し、第２のレンズ面Ｒ２の焦点位置を、第１のレンズ面Ｒ１についての主点位置Ｈ１に略一致させると共に、マイクロレンズ全体での焦点位置が、画素開口４６Ａの位置に略一致するようにしたので、例えば、光軸に対して発散角度成分βを有して入射した入射光について、その発散角度成分βがマイクロレンズ４２Ｍから出射するときに除去される。これにより、出射発散角度を小さくすることができ、さらに、液晶層４５を透過する光の角度分布は、照明光学系の入射光発散角およびその光強度の角度分布に依存せず、光学補償フィルム４９の光学パラメータは、マイクロレンズ４２Ｍのパラメータによって決まる強度分布についてだけ最適化すれば視野角特性の補正を容易にできる。
【００５３】
また、液晶表示装置に使われる照明光学系では、光源１１の発光体に対する凹面鏡のアライメントによって入射光強度の角度分布は大きなバラツキが存在する。本実施形態は、そのバラツキがある場合にも、入射光強度の角度分布を一定にすることから、コントラストの安定に、大きな効果を発揮することになる。
【００５４】
本発明は、上記実施の形態に限定されず種々の変形実施が可能である。
例えば、図５（Ａ）と（Ｂ）に示すように、レンズ面Ｒ１，Ｒ２の形状は、球面（図５（Ｃ））の他にも、回転楕円体及び回転双曲面などの非球面（図５（Ｂ））や、フレネル面（図５（Ａ））など、または、それらのうち、２つ以上の組み合わせを使用することが可能である。球面レンズは、表面加工がしやすいという点で有利ではあるが、焦点距離が最短となる曲率半径がドット寸法に規制されてしまうため、レンズ界面での屈折率差が十分に確保されなければ、短焦点化は難しい。一方、非球面やフレネル面は、図からも分かるように、短焦点化やレンズ主面の平面性の点で優れており、発散角βのキャンセル効果が高いレンズ形状である。
【００５５】
図６は、液晶パネル２５の構成の変形例を示している。図６に示された液晶パネルにおいて、光学補償フィルム５５は、入射側の偏光膜５６と樹脂層４３Ａとの間に配置されている。
図７は、液晶パネル２５の構成の他の変形例を示している。図７に示された液晶パネルにおいて、出射側の光学補償フィルム４９に加え、入射側の偏光膜５６と樹脂層４３Ａとの間にも光学補償フィルム５５が配置されている。
【００５６】
また、例えば、上記実施の形態では、パワーを有するレンズ面が１ドットにつき２つのみである場合について説明したが、パワーを有するレンズ面を１ドットにつき３つ以上形成するようにしても良い。また、本発明は、３板式に限らず、単板式の投射型液晶表示装置にも適用することが可能である。
【００５７】
【発明の効果】
以上説明した本発明の液晶表示素子及び液晶表示装置によれば、マイクロレンズが、光軸方向において第１のレンズ面と第２のレンズ面を有し、かつ、第２のレンズ面の焦点位置が第１のレンズの主点位置に略一致するように構成されているので、第１のレンズに入射する時の発散角度の分布が除去され、液晶層に入射する照明光の入射発散角度を小さくすることができ、さらに、液晶層を入射する光の角度分布は、照明光学系の入射光の角度分布に依存せず、視野角特性の補正を容易にでき、コントラストの安定に、大きな効果を発揮することになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る液晶表示装置の構成図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る液晶パネルの概略構成を表す断面図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る液晶パネルにおけるマイクロレンズの光学作用を説明する図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る液晶表示装置において、異なる照明系からの照明光をマイクロレンズアレイを通過した後の角度分布を比較する図である。
【図５】マイクレンズの面形状の変形例を示す説明図である。
【図６】図２に示した液晶パネルの変形例を示す断面図である。
【図７】図２に示した液晶パネルの他の変形例を示す断面図である。
【図８】従来の投射型液晶表示装置の光学系の概略構成を示す平面図である。
【図９】従来の液晶パネルの構成例を示す断面図である。
【図１０】従来の液晶パネルにおいて、マイクロレンズアレイが入射光の発散角分布を広げるシミュレーションの結果である。
【図１１】従来の液晶パネルにおいて、液晶層に入射する照明光発散角の照明系の依存性を示すシミュレーションの結果である。
【符号の説明】
Ｒ１，Ｒ２…レンズ面、１０…光軸、１１…光源、１２…第１レンズアレイ、１２Ｍ…マイクロレンズ、１３…第２レンズアレイ、１３Ｍ…マイクロレンズ、１４…ミラー、１５…ＰＳ分離合成素子、１５Ａ…位相板、１６…コンデンサレンズ、１７…ダイクロイックミラー、１８…ミラー、１９…ダイクロイックミラー、２０…リレーレンズ、２２…リレーレンズ、２３…ミラー、２４…フィールドレンズ、２５（２５Ｒ，２５Ｇ，２５Ｂ）…液晶パネル、２６…クロスプリズム、２７…投射レンズ、２８…スクリーン、４０Ａ…対向基板、４０Ｂ…画素電極基板、４１…ガラス基板、４２…マイクロレンズアレイ、４２Ｍ…マイクロレンズ、４３Ａ…第１の樹脂層、４３Ｂ…第２の樹脂層、４５…液晶層、４６…画素電極部、４６Ａ…画素開口、４７…ブラックマトリクス部、４８…ガラス基板、４９…光学補償フィルム、５０…偏光膜、５５…光学補償フィルム、５６…偏光膜。

Claims (5)

1. ２次元的に配列された複数の画素部を含む液晶層と、
   前記液晶層に対して光の入射側または出射側に、前記複数の画素部に対応して２次元的に配列された複数のマイクロレンズを含むマイクロレンズアレイと、
   前記液晶層に対して光のまたは出射側または出射側に、前記液晶層の各画素部から射出された光に対して、視野角補正を行なう視野角補正部と
   を有し、
   前記各マイクロレンズは、光軸方向において、入射光を前記画素部に集光させる第１のレンズと、焦点位置が前記第１のレンズの主点位置に略一致する第２のレンズとを含む
   液晶表示素子。
2. 前記各マイクロレンズの焦点位置が、前記画素部に略一致する
   請求項１記載の液晶表示素子。
3. 前記各マイクロレンズの前記第１のレンズまたは第２のレンズは、球面レンズ、非球面レンズ、または、フレネル面レンズのいずれか１つ、もしくは２つ以上の組み合わせを含む
   請求項１記載の液晶表示素子。
4. 前記視野角補正部は、位相補償フィルム、または、コレステリック液晶のいずれか１つを含む
   請求項１記載の液晶表示素子。
5. ２次元的に配列された複数の画素部を含む液晶層と、
   前記液晶層を照明する照明光を発する光源と、
   前記液晶層に対して光の入射側または出射側に、前記複数の画素部に対応して２次元的に配列された複数のマイクロレンズを含むマイクロレンズアレイと、
   前記液晶層に対して光の入射側または出射側に、前記液晶層の各画素部から射出された光に対して、視野角補正を行なう視野角補正部と、
   前記液晶層及び前記資格補正部を透過した光を投射する投射レンズと
   を有し、
   前記各マイクロレンズは、光軸方向において、入射光を前記画素部に集光させる第１のレンズと、焦点位置が前記第１のレンズの主点位置に略一致する第２のレンズとを含む
   液晶表示装置。

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