JP2934062B2 - 投影型カラー画像表示装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、マトリクス状に配列さ
れた複数の表示用の絵素を有する透過型の表示パネル
と、表示を明るくするための集光手段として用いられ、
該表示パネルに対する照明光を絵素領域に集光するマイ
クロレンズアレイと、該表示パネルの個々の絵素に対応
するように配置され、かつ、所定の透過スペクトルを有
するカラーフィルタと、該表示パネルに表示されたカラ
ー画像をスクリーン上に拡大投影する投影レンズとを備
えた投影型カラー画像表示装置に関し、特に大画面の投
影型ＴＶシステムや情報表示システムに適用が期待され
る投影型カラー画像表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来一般の透過型表示パネルは、それ自
体は発光しない表示パネルの透過率を駆動信号によって
変化させ、該表示パネルに照明光を照射する光源からの
照明光の強度を変調して画像や文字をスクリーン上に表
示する構成をとる。このような表示パネルとして、液晶
表示パネル、エレクトロクロミックディスプレイ、ＰＬ
ＺＴ等の透光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トＴＶやワードプロ
セッサ等に広く利用されている。

【０００３】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、該絵素
にそれぞれ独立した駆動電圧を印加して表示媒体として
の液晶の光学特性を変化させ、これにより画像や文字を
表示する。ここで、各絵素に独立した駆動電圧を印加す
る方法には、単純マトリクス駆動方式と、ＭＩＭ（Ｍｅ
ｔａｌ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ Ｍｅｔａｌ）ダイオード
等の非線形２端子スイッチング素子やＴＦＴ（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に設け
たアクティブマトリクス駆動方式がある。

【０００４】また、透過型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モードと、投影レンズ
によって画像や文字をスクリーン上に拡大投影する投影
（投射）モードとがある。

【０００５】そして、観察モードが投影モードである投
影型の表示パネルには、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）
三原色のモザイク状のカラーフィルタを配列したカラー
液晶表示パネルを１枚用いるいわゆる１枚パネル方式
と、白黒（モノクロ）表示の３枚の液晶表示パネルを用
いたいわゆる３枚パネル方式とがある。前者は、液晶表
示パネルに表示されたカラー画像を投影レンズによって
投影する方式であり、後者と比べると液晶表示パネルの
小型軽量化が図れるほか、製造コストを大幅に低減でき
る利点がある。

【０００６】また、前者の方式には、カラーフィルタを
液晶層内に配置する方式と、例えば特開昭49-74438（特
公昭54-18886）号公報に開示されているように、該カラ
ーフィルタを液晶表示パネルの一方のガラス基板の外面
側に配置する、いわゆるカラーフィルタ外付け方式とが
知られている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述の
アクティブマトリクス駆動方式では、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
又はＭＩＭ等のスイッチング素子を設け、かつ該スイツ
チング素子に駆動信号を供給するバスライン（ゲートバ
スラインおよびソースバスライン）を絵素と絵素の間に
配線しなければならない。そのため、液晶表示パネルに
おける画面中の絵素領域の占める割合（開口率）が小さ
くなり、以下に示す欠点がある。

【０００８】光源から液晶表示パネルに照射された照明
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。このため、表示動作モードが
ノーマリーブラックモード（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）の液晶
表示パネルでは、絵素領域以外の領域に入射した表示に
寄与しない光が液晶表示パネルを透過する。

【０００９】一方、表示モードがノーマリーホワイトモ
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）である液晶表示パネルでは、絵
素領域以外の領域に入射した光が液晶表示パネルを透過
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。

【００１０】そこで、上記のような不具合を防止するた
めに、絵素領域以外の領域に遮光マスクを設け、これに
より表示に寄与しない光を吸収又は反射させて表示品位
を向上させる構成がとられる。

【００１１】しかるに、このような遮光マスクで表示に
寄与しない光を確実に吸収又は反射しようとすると、該
遮光マスクを絵素（絵素電極）の周辺部に相当する部分
まで設ける必要がある。従って、遮光マスクを設ける
と、開口率が更に低下することになる。

【００１２】それ故、ノーマリーブラックモード、ノー
マリーホワイトモードいずれの表示モードにおいても、
開口率の低下に起因して画面が暗くなる欠点がある。こ
のような欠点は、直視型、投影型を問わず、いずれの液
晶表示パネルにおいても発生する。

【００１３】上記欠点を解決するために、特開昭60-165
621〜165624号公報には、微小レンズ配列（マイクロレ
ンズアレイ）を液晶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。しかるに、液晶表示パネ
ルに入射する照明光の平行度には限界があるので、マイ
クロレンズを通過した光は対応する絵素だけに集光され
ず、その一部は隣の絵素に入射する。

【００１４】このため、例えば特開昭49-74438、特開平
3-51882号公報に開示されているようなカラーフィルタ
外付け方式の投影型カラー画像表示装置にマイクロレン
ズを適用すると、これが色ずれの原因になる。

【００１５】本発明はこのような従来技術の欠点を解決
するものであり、表示画面が明るく、かつ色ずれのない
投影型カラー画像表示装置を提供することを目的とす
る。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明の投影型カラー画
像表示装置は、光源と、一対の透明基板間に表示媒体が
封入され、かつ表示用の絵素をマトリクス状に配列して
なる透過型の表示パネルと、該表示パネルの個々の絵素
に対応して配置されたマイクロレンズと、該表示パネル
の個々の絵素に対応するように配置され、かつ、所定の
透過スペクトルを有するカラーフィルタと、該表示パネ
ルに表示された画像をスクリーン上に投影する投影レン
ズとを備えた投影型カラー画像表示装置において、該投
影レンズの開口数ａと、該マクロレンズの開口数ｂとを
略一致させてなり、そのことにより上記目的が達成され
る。

【００１７】好ましくは、前記投影レンズの開口数ａ
と、該マクロレンズの開口数ｂとの関係を０．８＊ｂ≦
ａ≦１．２＊ｂに設定する。

【００１８】

【作用】上記構成によれば、マイクロレンズアレイ（マ
イクロレンズ）に入射するほぼ平行な成分の光は、ま
ず、透明基板の光源側に設けられるマイクロレンズの凸
レンズ部により収束されて表示パネルの絵素領域に入射
し、画像信号に応じて変調を受けた後、マイクロレンズ
の開口数（Ｎａ）で決まる角度の円錐内に広がってい
く。

【００１９】また、平行度の悪い成分の光がマイクロレ
ンズに入射した場合、対応する絵素ではなく、隣接する
絵素に入射する光の成分が発生し、表示パネルの外側に
カラーフィルタが形成されている場合は、これが色ずれ
の原因となる。しかし、この光は、表示パネルを通過し
た後、投影レンズの瞳付近では、それぞれのマイクロレ
ンズに対応する絵素を通過した光（平行な成分の光）よ
り外側に広がる。

【００２０】ここで、投影レンズの開口数（Ｎａ）ａ
と、マイクロレンズの開口数（Ｎａ）ｂを上記０．８＊
ｂ≦ａ≦１．２＊ｂの関係に設定すると、後述する理由
により、投影レンズの口径が前者の光を通過させ、後者
の光をカットするように選択される。従って、このよう
な関係を設定すれば、マイクロレンズの効果を保った状
態で、色ずれを防止することができる。

【００２１】

【実施例】以下本発明の実施例を説明する。

【００２２】図１は本発明の投影型カラー画像装置の構
成を示す。光源４から出射された照明光はコンデンサレ
ンズ６により平行光束化されて液晶表示パネル１に照射
される。該液晶表示パネル１を透過した光は投影レンズ
７により拡大されてスクリーン８上に投影される。これ
により、液晶表示パネル１上の画像や文字がスクリーン
８上に表示される。

【００２３】光源４は白色光源であり、ハロゲンラン
プ、メタルハライドランプ、キセノンランプ等が用いら
れる。光源４のコンデンサレンズ６と反対側の位置に
は、光源４から反対側に出射された光を液晶表示パネル
１に向けて反射させる反射鏡５が配設される。

【００２４】液晶表示パネル１は一対のガラス基板１
ａ、１ａ間に表示媒体としての液晶を封入してなり、そ
の表示画面の対角線は７５ｍｍ、絵素ピッチは縦190μ
ｍ、横161μｍである。また、絵素領域は縦８８μｍ、
横104μｍである。更に、開口率は３０％、基板の屈折
率ｎはｎ＝１．５３、基板の厚さは１．１ｍｍである。

【００２５】本実施例の液晶表示パネル１において、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
板は液晶表示パネル１に直接貼り合わせることもできる
が、メタルハライドランプのような高輝度の光源を用い
る場合には、偏光板の光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、液晶表示パネル１に直接貼
り合わせない方がよい。また、偏光板を設置する位置
は、液晶表示パネル１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。例えば、次
に述べるマイクロレンズ２が液晶表示パネル１と偏光板
の間に挿入されても構わない。

【００２６】液晶表示パネル１の光源４側には凸レンズ
効果を有するマイクロレンズ２が設けられる。該マイク
ロレンズ２のピッチは、液晶表示パネル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
パネル１のガラス基板１ａの厚さと等しくする（空気中
では、１．１／１．５３∇０．７２ｍｍである。）。従
って、マイクロレンズ２の開口数（Ｎａ）は８０／７２
０＝１／９となる。このマイクロレンズ２は液晶表示パ
ネル１の絵素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。

【００２７】マイクロレンズ２の液晶表示パネル１側の
表面には、絵素に対応してＲ、Ｇ、Ｂの三原色のカラー
フィルタ３Ｒ、３Ｇ、３Ｂが形成されている。これらの
カラーフィルタ３Ｒ、３Ｇ、３Ｂとしては、顔料カラー
フィルタ、干渉カラーフィルタ等が用いられる。

【００２８】上記のようにコンデンサレンズ６により平
行光束化された照明光は、図１に示すようにマイクロレ
ンズ２により収束され、該マイクロレンズ２の表面に形
成されたカラーフィルタ３Ｒ、３Ｇ、３Ｂ及び液晶表示
パネル１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、投影レンズ７に
よりスクリーン８上に投影される。なお、１ｃは遮光領
域を示している。

【００２９】液晶パネル１に入射する光のうち、平行度
のよい光は各マイクロレンズ２を通過した後、各マイク
ロレンズ２の中心を通って投影レンズ７の光軸中心に向
かう光線の回りにｔａｎθ＝±１／９の角度内で円錐状
に広がって投影レンズ７に向かう。ここで、液晶表示パ
ネル１と投影レンズ７の間隔をＬとすると、該間隔Ｌは
投影レンズ７の焦点距離ｆ_cと投影倍率ｍにより下記
式で表される。

【００３０】Ｌ＝ｆ_c＊（１＋１／ｍ）… 従って、上記式より、投影レンズ７の焦点距離ｆ_cを
１５０ｍｍとし、投影倍率ｍを５〜３０とすると、Ｌ＝
１５５〜１８０ｍｍとなる。Ｌ＝１８０ｍｍの時、液晶
表示パネル１を透過した光は、上記したｔａｎθ＝±１
／９の関係より投影レンズ７の位置では半径２０ｍｍの
円内に広がる。

【００３１】一方、平行度の悪い光のうち、図２に点線
で示すような成分の光は、それぞれ対応する絵素ではな
く、隣接する絵素に入射するため投影レンズ７の瞳付近
では半径２０ｍｍの円より外側に広がる。

【００３２】図３は投影レンズ７の口径を変化させた場
合のマイクロレンズ効果の変化を示す。但し、縦軸はマ
イクロレンズ効果（倍）を、横軸は投影レンズ７の口径
（ｍｍ）をそれぞれ示している。また、図４は投影レン
ズ７の口径を変化させた場合の色度の変移を国際照明委
員会（ＣＩＥ）で導入された色度図とともに示してい
る。但し、Ｒ、Ｇ、ＢはＮＴＳＣ（Ｎａｔｉｏｎａｌ
ＴｅｌｅｖｉｓｉｏｎＳｙｓｔｅｍ Ｃｏｍｍｉｔｔｅ
ｅ）の基準色度を示す。また、図示例では、投影レンズ
７の口径を６０ｍｍ、５４ｍｍ、４８ｍｍに設定した場
合の色度の変化を示している。

【００３３】まず、図３よりマイクロレンズ効果を２倍
以上に維持するためには、投影レンズ７の口径ａを３２
ｍｍ以上に設定する必要がある。また、図４より色再現
範囲を向上するためには、投影レンズ７の口径ａを４８
ｍｍ以下に設定する必要がある。また、この時、カラー
フィルタ３Ｒ、３Ｇ、３Ｂは図４に示される色度図内に
おける所定の透過スペクトルを有する必要がある。

【００３４】上記した理由により、マイクロレンズ２の
効果を維持しつつ、色再現範囲を向上させるには、投影
レンズの口径ａをおおよそ３２ｍｍ≦ａ≦４８ｍｍ程度
に設定すればよいことがわかる。

【００３５】また、色ずれの発生を防止するためには、
投影レンズ７の口径ａが平行な成分の光を透過させ、平
行でない光をカットできるものであればよい。従って、
そのためには、投影レンズの口径ａ＝３２〜４８ｍｍ、
マイクロレンズ２の開口数１／９、間隔Ｌ＝１８０ｍｍ
の条件下において、図５に破線で示す平行でない光の成
分の投影レンズ７側端部が投影レンズ７の口径から外れ
る位置を通ればよい。そして、そのためには、投影レン
ズの瞳付近で、平行成分の中心と平行でない成分の中心
が４０ｍｍだけずれればよい。このずれ量４０ｍｍは、
マイクロレンズ２の開口数（Ｎａ）で規定される値であ
る。

【００３６】従って、上記条件を満たす投影レンズ７の
口径ａ、すなわち開口数（Ｎａ）ａとマイクロレンズ２
の開口数（Ｎａ）ｂとの関係を考察すると、３２÷４０
＝０．８、４８÷４０＝１．２であるので、両者が下記
式に示す関係を充足すればよいことがわかる。

【００３７】０．８＊ｂ≦ａ≦１．２＊ｂ… なお、投影レンズの開口数（Ｎａ）ａがこの範囲より大
きくなると色ずれが発生し、小さくなるとマイクロレン
ズの効果が減少し、画面が暗くなる。以上の理由によ
り、画面が明るく、かつ色ずれを発生しないためには、
投影レンズ７の開口数（Ｎａ）ａとマイクロレンズ２の
開口数（Ｎａ）ｂとが略一致すればよく、好ましくは上
記式の関係を満たせばよい。

【００３８】本実施例では、ケーラー照明の場合を示し
たが、他の照明法、例えばクリティカル照明やテレセン
トリック照明系にも適用することができる。

【００３９】また、本実施例では、カラーフィルタ３
Ｒ、３Ｇ、３Ｂを液晶表示パネル１の光源側に配置した
が、図６に示すようにスクリーン８側に配置することに
してもよい。

【００４０】尚、上記各実施例におけるマイクロレンズ
アレイの形成は、以下に挙げる方法によって行うことが
できる。

【００４１】（１）プラスチック或はガラスを機械加工
または金型によって成型する方法。

【００４２】金型は直接加工する以外に、以下に説明す
る（２）〜（５）及び（７）の方法で形成されたものを
原型として、電気鋳造等の方法により転写したものを用
いてもよい。

【００４３】（２）ある種の感光性樹脂をパターン状に
露光した時、非露光部から露光部に未反応のモノマーが
移動し、露光部が盛り上がるという現象を利用して凸レ
ンズを形成する方法。

【００４４】この方法については、応用物理学会光学懇
話回微小光学研究グループ機関誌ｖｏｌ．５ Ｎｏ．２
ｐ１１８（１９８７）、同ｖｏｌ．６ ＮＯ．２ ｐ
８７（１９８８）に記述されている。

【００４５】（３）熱可塑性樹脂を周知のフォトグラフ
ィー技術等により、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。

【００４６】この場合、熱可塑性樹脂が感光性で有れ
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。

【００４７】この方法については、特開昭60-38989、特
開昭60-165623および特開昭61-67003号公報に記載され
ている。

【００４８】（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、パターンのエッジの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。

【００４９】この方法については、特開昭61-153602号
公報に記載されている。

【００５０】（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。

【００５１】この方法については、特開昭60-72927号公
報に記載されている。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ー166946号公報に記載されてい
る。

【００５２】（６）選択的イオン拡散により屈折率分布
型レンズを得る方法。

【００５３】これは、母胎となるガラス板を溶融塩に浸
漬し、ガラス板上に設けられたマスクを通して、ガラス
板と溶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。

【００５４】この方法でマイクロレンズを形成した場合
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パ
ネル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。

【００５５】（７）感光性ガラスに対する光照射によっ
て引き起こされる結晶化に伴う収縮を利用して凸レンズ
を得る方法。

【００５６】この方法は、Applied Optics Vol.24 No.1
6p2520 (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。

【００５７】

【発明の効果】以上の本発明投影型カラー画像表示装置
は、投影レンズの開口数（Ｎａ）ａとマイクロレンズの
開口数（Ｎａ）ｂとが略一致、好ましくは０．８＊ｂ≦
ａ≦１．２＊ｂなる関係を満たすように設定されるの
で、表示パネルの光源側に設けられたマイクロレンズの
効果を減少させることなく、該投影レンズで平行度の悪
い成分をカットすることができる。従って、カラーフィ
ルタを外付けした場合の１枚パネル方式において、明る
い画面が得られ、かつ色ずれのない画像表示装置を実現
できる。それ故、大画面の投影型ＴＶシステムや情報表
示システムに応用が期待できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の投影型カラー画像表示装置の全体構成
を示す模式図。

【図２】図１の液晶表示パネルを拡大して示す図面。

【図３】投影レンズの口径を変化させた場合のマイクロ
レンズ効果の変化の測定結果を示すグラフ。

【図４】投影レンズの口径を変化させた場合の色度の変
移の測定結果を国際照明委員会（ＣＩＥ）で導入された
色度図とともに示すグラフ。

【図５】本発明の原理説明図。

【図６】本発明の他の実施例を示す図面。

【符号の説明】

１ 液晶表示パネル １ａ、１ａ ガラス基板 １ｂ 絵素領域 １ｃ 遮光領域 ２ マイクロレンズ ３Ｒ Ｒのカラーフィルタ ３Ｇ Ｇのカラーフィルタ ３Ｂ Ｂのカラーフィルタ ４ 光源 ５ 反射鏡 ６ コンデンサーレンズ ７ 投影レンズ ８ スクリーン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G03B 21/00 G02F 1/1335 G02F 1/13

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光源と、一対の透明基板間に表示媒体が封
   入され、かつ表示用の絵素をマトリクス状に配列してな
   る透過型の表示パネルと、該表示パネルの個々の絵素に
   対応して配置されたマイクロレンズと、該表示パネルの
   個々の絵素に対応するように配置され、かつ、所定の透
   過スペクトルを有するカラーフィルタと、該表示パネル
   に表示された画像をスクリーン上に投影する投影レンズ
   とを備えた投影型カラー画像表示装置において、 該投影レンズの開口数ａと、該マクロレンズの開口数ｂ
   とを略一致させた投影型カラー画像表示装置。
2. 【請求項２】前記投影レンズの開口数ａと、該マクロレ
   ンズの開口数ｂとの関係を０．８＊ｂ≦ａ≦１．２＊ｂ
   に設定した請求項１記載の投影型カラー画像表示装置。