JP2815910B2 - 投影形画像表示装置 - Google Patents

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、それに対する照明行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シ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プレイ、PLZT等の透過性セラミック
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、ポケッタブルTV（テレビジョン受信機）やワードプ
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MIM（Metal Insulator Metal）
等の非線形２端子素子や薄膜トランジスタ（TFT）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察するモードとしては、表示パ
ネルを直視する場合と、投影レンズによって拡大投影す
る場合とがある。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枚の液晶表示バネル
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
色成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原色の画像を合成する方法には、それぞれの画像を
個別に投影しスクリーン上で合成する方式と、ダイクロ
イックミラーによって合成し、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（特開昭54−18886）の明細書中に、薄
膜ト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パ
ネルをスクリーンに投影して観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60−179723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トリックス方式では、
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MIM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、画面中の絵素領域の占め
る割合（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、絵素以外の領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構
成する。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合、表示パネルの
開口率が低いほど、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。

このような表示パ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60−16
5624には、微小レンズ配列を表示パネルの光源側に設
け、照明光をそれぞれの絵素領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、画像を投影することについても触れられてい
ない。この構成からは、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、前述の特開昭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パラレライザ
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、図面には光パラレイザが
凸レンズ状の形状の要素が配列されたものであることが
表示されている、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、斜めからカラーフィ
ルタに入射した光が隣り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合が多いが、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
影系画像表示装置を構成し、表示パネルの光源側に各絵
素に体して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合、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領域
に集光され、表示信号に応じて変調を受けるが、表示領
域を通過した後は、開口数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（ただしＦ＝
2R/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射光は絵素領域に集光し、表示領
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第２のレンズにより再びほぼ平行な
光束に変化することが開示されている。この場合には表
示パネルと２枚のマイクロレンズアレイの位置合わせを
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ある。

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
素毎にそれぞれ対応して集光する多数の集光レンズを有
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NA1は、集光レンズの開口数NA2よ
りも大きく、 ここで投影レンズの開口数NA1は、投影レンズの半径
をr1とし、投影レンズの焦点距離をf1とするとき、 NA1＝r1/f1 であり、 集光レンズの開口数NA2は、集光レンズの半径をr2と
し、集光レンズの集点距離をf2とするとき、 NA2＝r2/f2 であること特徴とする投影形画像表示装置。

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または複数の絵素毎に対応する集光レ
ンズに関しては、ほぼ平行な光束と考えることができ
る。集光レンズによって、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領域を
集中的に照射する。また、集光された光束は絵素領域に
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、集光レンズの開口数NA2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NA1、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。つまり表示素子に入射し、絵素を通過した
光は、有効に利用されるもので、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間に液晶層が形成され、透光性電極が対向
されて構成される絵素領域1bと、その絵素領域の透光性
電極に電気信号を与える金属導体などを含む遮光領域1c
とを有する。この表示素子の表示画面の対角線は75mm、
絵素ピッチは縦190μｍ＊横161μｍ、絵素領域1bは、縦
88μｍ＊横104μｍ、開口率は30％、各基板1aの屈折率
ｎは1.53、基板1aの厚さは1.1mmである。液晶の動作モ
ードはツイステッド・ネマティックを用いたが、他のモ
ードを用いることもできる。多くの液晶の動作モードで
は偏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１に直接貼り合わせることもできるが、高輝度の
光源を用いる場合には、偏光板の高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
直接貼り合わせない方がよい。偏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
述べる集光要素が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の多数の集光レンズとして働く凸レンズで
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）のピッチは、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≒
0.72mmである）。したがって、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は液晶表示素子の絵素1bの位
置と対応付けられて透明な接着剤で貼り合わされる。

白色光源３としては、ハロゲンランプ、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４は、光源から反対側に出射された光を液晶表
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１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１図に示した実施例では、ケーラ照明を構成してい
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５としてｆ＝180mmの平凸レンズ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
イクロレンズアレイ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１図の右側のコンデンサレンズ５の表面から右に10
mm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170mmとなる。ここでマイクロレンズアレ
イ２と挿入すると、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＝−170mm、ｆ＝0.72mmを代入することによりｂ
＝1/（1/0.72＋1/170）≒0.717mm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、マイクロレ
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
による光源像の大きさは幾何光学的には、（マイクロレ
ンズアレイのf/コンデンサレンズ５のｆ）に縮小され
る。本実施例では0.72/180＝0.004倍になる。光源の発
光部の大きさを10mmφ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
示パネルの絵素領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
の絵素領域1bを通過した光は、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
tanθ＝±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_pと、投影倍率ｍによって Ｌ＝f_p・（１＋1/m） …（２） で与えられるが、投影レンズ６の焦点距離fcを150mmと
し、投影倍数ｍを５〜30とすると、Ｌ＝155〜180mmとな
る。Ｌが180mm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20mm円内に広がる。したが
って、投影レンズ６の口径が40mm以上であれば、液晶表
示素子１を透過した光を捕促することができる。このと
き投影レンズ６の開口数（NA）は20/150＝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合成樹脂な
どから成る基材９の中に、基材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、
また基材が合成樹脂の場合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成るマイクロレンズ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２図に示されるよう
に、集光要素として、透光材料からなり、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、多数の集光レンズを絵素配列
と整合するように２次元配列したものである。

このような第１図に示されるマイクロレンズアレイ２
および第２図に示される複眼レンズ10は、たとえば第３
図に示されるような構成を有する液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、絵素領域を形成する透明電極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TFT）15でスイッチング動作されて絵
素領域1bの透明電極11に対応する液晶が活性化される。

また第４図に示されるように絵素領域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
のかまぼこ状集光レンズを絵素ピッチと同じか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、実施することがえき
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、細長い絵素領域1bを形成する透明電極11が
配置され、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細長い絵素領域1b
毎に配置される。

本件発明者の実験によれば、第１図に示される実施例
では、マイクロレンズアレイ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20mm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20mm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、ケーラ照明の場合を示したが、他の照
明法、たとえばクリスティカル照明やテレセントリック
系にも適用することができる。また、液晶表示素子を１
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程または
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、凸レンズを形成
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
学研究グループ機関誌Vol.5 No.2 p118（1987）、同
Vol.6 No.2 p87（1988）に記述されている。

（３）熱可塑性樹脂を周知のフォト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、その後、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。

この場合、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。

この方法については、特開昭60−38989、特開昭60−1
65623、特開昭61−67003に記載されている。

（４）感光性樹脂にプロキシミティ露光（フォトマスク
を密着させずに露光させる方法）を行い、パターンのエ
ッジをボケ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）感光性樹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成し、レンズ効
果を持たせる方法。

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
は特開昭60−166946にて出願されている。

（６）選択型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、 Electronics Letters Vol.17 No.13 p452（1981）
に記載されている。

この方法でマイクロレンズ２を形成した場合には、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
合わせることができ、基板表面での反射損失をほとんど
無視できる程度に低減できる。

（７）感光性ガラスに対する光照明によって引き起こさ
れる液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、Applied Opties Vol.24 No.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付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。光をパターン化して照射すると、光照射部は
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
表示装置は、表示素子の光源側に設けられる集光要素を
構成する多数の集光レンズによって、表示素子に入射す
る照明光を絵素領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、表示素子の絵素領域を通過した後
は、発散していくが、投影レンズの開口数NA1は、集光
レンズの開口数NA2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像表示装置によれ
ば、比較的簡単な構成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、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の斜視図、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５図に示されるレンテイキュラーレンズ
16が関連して用いられる液晶表示素子の一部の簡略化し
た平面図である。 １……液晶表示素子、1a……基板、1b……絵素領域、1c
……遮光領域、２……マイクロレンズ、３……光源、４
……反射鏡、５……コンデンサレンズ、６……投影レン
ズ、７……投影スクリーン、10……複眼レンズ、16……
レンテイキュラーレンズ

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】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
   毎にそれぞれ対応して集光する多数の集光レンズを有す
   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NA1は、集光レンズの開口数NA2より
   も大きく、 ここで投影レンズの開口数NA1は、投影レンズの半径をr
   1とし、投影レンズの焦点距離をf1とするとき、 NA1＝r1/f1 であり、 集光レンズの開口数NA2は、集光レンズの半径をr2と
   し、集光レンズの集点距離をf2とするとき、 NA2＝r2/f2 であることを特徴とする投影形画像表示装置。