JP2520186B2

JP2520186B2 - 投影型画像表示装置

Info

Publication number: JP2520186B2
Application number: JP2174057A
Authority: JP
Inventors: 浩中西; 浩浜田
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1990-06-29
Filing date: 1990-06-29
Publication date: 1996-07-31
Anticipated expiration: 2011-07-31
Also published as: JPH0462532A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、マトリクス状に配列された多数の絵素を有
する透過型の表示パネル上に形成された画像を、スクリ
ーン上に投影するための投影型画像表示装置に関し、特
に、大画面の投影型テレビシステムや、情報システムに
用いられるものである。

（従来の技術）従来より、投影型画像表示装置に於いては、光源から
の光を平行光線とするために、パラボラ反射鏡、楕円反
射鏡、球面鏡等が用いられている。パラボラ反射鏡を用
いる場合には、光源はその焦点に置かれる。楕円反射鏡
を用いる場合には、光源はその第１焦点に置かれ、該楕
円反射鏡からの反射光は第２焦点に収束する。収束した
光は、該第２焦点の位置に焦点を有するコンデンサレン
ズによって平行光線とされる。球面鏡を用いる場合に
は、光源はその球心に置かれ、球面鏡によって反射した
光は再び光源に収束する。このように収束した光は、光
源からの直接光と共に、該球心にその焦点を有するコン
デンサレンズによって、平行光線とされる。

平行光線は透過型表示パネルに入射し、該パネルの各
絵素によってその強度が調整され、画像や文字として表
示を行うことになる。表示パネルとしては、液晶表示パ
ネル、エレクトロクロミックディスプレイ、PLZT（ジル
コン酸チタン酸鉛ランタン）等のセラミックを用いたデ
ィスプレイ等を挙げることができる。これらの中で、液
晶表示パネルは携帯用テレビ、ワードプロセッサのディ
スプレイ等に広く用いられており、完成度が高いので、
投影型画像表示装置にも多用されている。従って、以下
では液晶表示パネルを透過型表示パネルとして用いた場
合について説明する。

マトリクス型の液晶表示パネルでは、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
素を構成する絵素電極に独立した駆動電圧が印加され
る。この電圧により、個々の絵素を構成する液晶層の透
過率が調整され、画面上に画像や文字が表示される。各
絵素電極に独立した駆動電圧を印加する方式として、単
純マトリクス方式、MIM（Metal−Insulator−Metal）等
の非線形２端子素子や薄膜トランジスタ等の３端子スイ
ッチング素子を各絵素電極毎に設けたアクティブマトリ
クス方式等がある。

アクティブマトリクス方式の液晶表示パネルを用いて
高精細な表示を行うには、各絵素間のピッチをちいさく
しなければならない。絵素間のピッチが小さくなると、
開口率、即ち、表示画面全体の面積に対する表示に寄与
する絵素の面積の割合が低下する。開口率の低下は、絵
素間のピッチを小さくしても液晶表示パネルの構成要素
の全てを相似的に小さくすることができないということ
に起因している。エッチング精度、フォトリソグラフィ
に於けるマスクの位置合わせ精度には限界があるため、
絵素電極に接続される金属配線の幅、非線形素子、薄膜
トランジスタ等の大きさを、ある程度以下には小さくす
ることができないからである。従って、絵素間のピッチ
を小さくして高精細な画面を得ようとすると、画面の明
るさは低下してしまうことになる。

（発明が解決しようとする課題）画面の高精細化に伴う明るさの低下を防止するため、
液晶表示パネルの光源側、又は両側に、各絵素に対応し
たマイクロレンズを有するマイクロレンズアレイが配さ
れる。このようなマイクロレンズを設けた構成は、例え
ば特開昭60−262131号、及び特開昭61−11788号に開示
されている。マイクロレンズを用いた場合に平行光線が
収束する様子を第４図に示す。マイクロレンズ15によっ
て平行光線は液晶表示パネル１上に収束する。しかし、
平行光線に対して±θの角度をもって入射する光は、平
行光線が収束する位置とは異なる位置に収束し、２×ｆ
×tanθの直径を有するスポットとなる。マイクロレン
ズ15はこのようにスポット状に入射する光の全てを絵素
に収束させることができないことになる。従って、マイ
クロレンズに入射する光には、高度に平行であることが
要求される。

ところが、パラボラ反射鏡や楕円反射鏡を用いて得ら
れる平行光線の平行の程度には限界がある。第５図
（ａ）及び（ｂ）に、それぞれ楕円反射鏡及びパラボラ
反射鏡を用いた場合に光源からの光が進行する様子を示
す。第５図（ａ）に示すように楕円反射鏡を用いた場合
には、楕円反射鏡の第１焦点に位置する光源から発せら
れた光は、光源が完全な点光源であれば全て楕円反射鏡
の第２焦点に収束する。しかし、実際の光源の発光部分
はある程度の長さを持っているため、また、反射鏡の精
度により、光源から発せられた光は第２焦点に完全には
収束しない。また、第５図（ｂ）に示すように、パラボ
ラ反射鏡を用いた場合にも、光源の発光部分の長さが長
くなるほど、平行光線からのずれの角度αは大きくな
る。このように、楕円反射鏡又はパラボラ反射鏡によっ
て得られる平行光線を用いると、前述の第４図に示すよ
うに、マイクロレンズの効果を十分に発揮することが困
難となる。また、光源の発光部分の長さ方向を光軸と一
致させるように配すると、光源の電極の陰により、その
進行方向に垂直な断面がリング状の平行光線となる。こ
のような光を用いてスクリーン上に画像を投影すると、
照度むらが生じて均一な画像を得ることができない。

球面鏡の球心に光源を配し、コンデンサレンズの焦点
を該球心に一致させた構成では、前述の楕円反射鏡又は
パラボラ反射鏡を用いた場合より良好な平行光線が得ら
れる。この構成では球面鏡へ向かう光は球面鏡で反射さ
れた後、再び光源に収束する。その後、光源を通過して
コンデンサレンズによって平行光線とされる。

ところが、一般に光源はガラス、石英等の透明材料か
らなる球状体であるため、球面鏡からの反射光は光源自
体によって反射、屈折されてしまう。従って、球面鏡に
よって反射した光は、光源から直接コンデンサレンズに
到達する光の50〜60％の強度となってしまう。

本発明はこのような問題点を解決するために為された
ものであり、本発明の目的は、光源からの光を有効に利
用した投影型画像表示装置を提供することである。本発
明の他の目的は、マイクロレンズの効果を十分に発揮さ
せることにより、明るい画面を有する投影型画像表示装
置を提供することである。

（課題を解決するための手段）本発明の投影型画像表示装置は、球面鏡と、該球面鏡
の球心に焦点を有するコンデンサレンズと、該球面鏡と
該コンデンサレンズとの間に位置する光源と、該コンデ
ンサレンズの該光源とは反対側に設けられ多数の絵素を
有するマトリクス型透過パネルと、該マトリクス型透過
パネルの該光源側に設けられ該絵素のそれぞれに対応す
るマイクロレンズを有するマイクロレンズアレイと、を
備えた投影型画像表示装置であって、該光源が、該球面
鏡の球心を通り光軸に垂直な直線上の該球心とは異なる
位置に配されており、そのことによって上記目的が達成
される。

また、前記光源からの直接光と前記球面鏡からの反射
光とが、前記マイクロレンズの一つによって、それぞれ
隣接する前記絵素に収束するように、該光源が配されて
いる構成とすることができ、そのことによって上記目的
が達成される。

（作用）本発明の投影型画像表示装置では、球面鏡の球心にコ
ンデンサレンズの焦点が置かれている。光源は、球面鏡
の球心を通り光軸に垂直な直線上の該球心とは異なる位
置に配されている。この構成により、光源から球面鏡に
向かって発せられた光は球面鏡によって反射された後、
光源とは異なる位置に収束する。従って、収束した光が
光源によって反射、屈折等を受けず、光源からの光を有
効に利用することができる。

また、本発明の投影型画像表示装置では、光源からの
直接光と球面鏡からの反射光とが、マイクロレンズの一
つによって、それぞれ隣接する絵素に収束するように光
源が配されている構成とすることにより、マイクロレン
ズの効果を十分に発揮させることができる。

（実施例）本発明の実施例について以下に説明する。第１図に本
発明の投影型画像表示装置の一実施例の模式図を示す。
本実施例の投影型画像表示装置は、球面鏡３と、球面鏡
３の球心に焦点を有するコンデンサレンズ４と、球面鏡
３とコンデンサレンズ４との間に位置する光源２と、コ
ンデンサレンズ４の光源２とは反対側に設けられ多数の
絵素を有するマトリクス型透過パネル１と、マトリクス
型透過パネル１の光源２側に設けられ該絵素のそれぞれ
に対応するマイクロレンズを有するマイクロレンズアレ
イ５とを備えている。マトリクス型透過パネル１のコン
デンサレンズ４とは反対側には、フィールドレンズ６、
及び投影レンズ７が順に配されている。この投影型画像
表示装置による画像は、スクリーン８上に投影される。

本実施例では光源２として、アーク長5mmのメタルハ
ライドランプを用いた。ここでアーク長とは、アーク放
電を行う電極間の距離をいう。光源２としてはメタルハ
ライドランプ以外に、ハロゲンランプ、キセノンランプ
等を用いることができる。

また、本実施例ではマトリクス型透過パネル１とし
て、アクティブマトリクス駆動方式の液晶表示パネルを
用いた。絵素の縦方向のピッチは190μｍ、横方向のピ
ッチは161μｍである。絵素の開口部は、縦88μｍ×横1
04μｍ、マトリクス型透過パネル１の開口率は30％であ
る。

コンデンサレンズ４は非球面を有し、その直径は80m
m、焦点距離は60mmである。コンデンサレンズ４の一方
の焦点は、前述のように球面鏡３の球心に一致するよう
に設定されている。

マイクロレンズアレイ５は、マトリクス型透過パネル
１の各絵素に対応した多数のマイクロレンズ15を有して
いる。各マイクロレンズ15の焦点距離720μｍである。
マイクロレンズアレイ５は、イオン交換法によってガラ
スに屈折率分布をもたせることにより形成した。

フィールドレンズ６には、焦点距離200mm、直径100mm
の平凸レンズを用いた。投影レンズ７には、焦点距離20
0mm、直径40mmの凸レンズを用いた。

第２図（ａ）に、コンデンサレンズ４の側から光軸ａ
に沿って球面鏡３と光源２とを見た図を示す。第２図
（ａ）に示すように、本実施例では、光源２は光軸ａ上
の球心には位置せず、該球心を通り光軸ａに垂直な直線
上の該球心とは異なる位置に配されている。このような
配置によれば、光源２から発せられて球面鏡３によって
反射した光の結像点Ｂと、光源２とは光軸ａに関して対
称の位置関係となる（第２図（ａ））。マイクロレンズ
15としてレンチキュラーレンズを用いた場合には、レン
チキュラーレンズの長辺方向と、光源２の発光部分の縦
長の方向とを一致させるのが好ましい。

光源２と結像点Ｂとの距離Ｌは、絵素間のピッチに、
マイクロレンズ15の焦点距離とコンデンサレンズ４の焦
点距離との比を掛け合わせた値、即ち、Ｌ＝190μｍ×（60mm/720μｍ）＝15.8mm に設定した。

Ｌの値を上述の15.8mmに設定して第１図の光学系を構
成した。球面鏡３を用いず、コンデンサレンズ４のみを
用いて集光した場合の光の利用率を１とすると、従来の
ように光源２を球面鏡３の球心に一致させた場合には、
光の利用率は1.5〜1.6であった。これに対し、本実施例
では光の利用率は1.7〜1.8に向上した。このような光の
利用率の向上は、以下のように説明することができる。
即ち、本実施例では光源２と結像点Ｂとの位置が異なる
ので、結像点Ｂに収束した光が光源２による反射、屈折
等を受けず、結像点Ｂに収束した反射光を全てコンデン
サレンズ４に入射させることができるからである。更
に、第２図（ｂ）に示すように、光源２からの直接光10
と、球面鏡３から結像点Ｂを通過してきた反射光20と
は、一つのマイクロレンズ15によって、それぞれ隣接す
る絵素に収束する。従って、直接光10と反射光20とを有
効に利用でき、マイクロレンズ15の効果を十分に発揮さ
せることができる。

第３図に示すように、絵素の列が互いに２分の１ピッ
チづつずれたデルタ配列を有するマトリクス型透過パネ
ルを用いる場合には、例えば、光源２からの直接光10が
絵素Ｘに収束するように、また、球面鏡３からの反射光
20が絵素Ｙに収束するように、光源２の位置を設定すれ
ば、上述と同様に、光源からの光を有効に利用すること
ができる。

（発明の効果）本発明の投影型画像表示装置に於いては、光源からの
光が有効に利用されているので、明るく均一な画像を得
ることができる。また、高精細な画像の要求に対して
も、本発明を適用することにより、画面の明るさを低下
させることなく対応することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の投影型画像表示装置の一実施例の模式
図、第２図（ａ）は第１図の表示装置に於いてコンデン
サレンズの側から光軸に沿って球面鏡と光源とを見た
図、第２図（ｂ）は直接光と反射光とがマイクロレンズ
によって絵素に収束する様子を示す図、第３図は本発明
を構成する他のマトリクス型透過パネルを示す図、第４
図はマイクロレンズによって光が収束する様子を示す
図、第５図（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ楕円反射鏡及び
パラボラ反射鏡を用いた場合の集光状態を示す図であ
る。１…マトリクス型透過パネル、２…光源、３…球面鏡、
４…コンデンサレンズ、５…マイクロレンズアレイ、６
…フィールドレンズ、７…投影レンズ、８…スクリー
ン、10…直接光、15…マイクロレンズ、20…反射光。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】球面鏡と、該球面鏡の球心に焦点を有する
コンデンサレンズと、該球面鏡と該コンデンサレンズと
の間に位置する光源と、該コンデンサレンズの該光源と
は反対側に設けられ多数の絵素を有するマトリクス型透
過パネルと、該マトリクス型透過パネルの該光源側に設
けられ該絵素のそれぞれに対応するマイクロレンズを有
するマイクロレンズアレイと、を備えた投影型画像表示
装置であって、該光源が、該球面鏡の球心を通り光軸に垂直な直線上の
該球心とは異なる位置に配されている投影型画像表示装
置。
【請求項２】前記光源からの直接光と前記球面鏡からの
反射光とが、前記マイクロレンズの一つによって、それ
ぞれ隣接する前記絵素に収束するように、該光源が配さ
れている請求項１に記載の投影型画像表示装置。