JP3169328B2

JP3169328B2 - 投影型液晶表示装置

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Publication number: JP3169328B2
Application number: JP30320095A
Authority: JP
Inventors: 浩巳加藤; 浩中西
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1995-11-21
Filing date: 1995-11-21
Publication date: 2001-05-21
Anticipated expiration: 2015-11-21
Also published as: JPH09146091A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、モザイク状のカラ
ーフィルタを用いず、１枚の液晶表示素子によりカラー
表示を行う単板式液晶表示装置に関し、特に、コンパク
トな投影型カラー液晶テレビジョンシステムや情報表示
システムに適用される投影型液晶表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】画像表示部に液晶表示素子を用いた投影
型液晶表示装置では、液晶表示素子自体は発光しないた
めに別に光源を設ける必要がある。しかし、画像表示部
にブラウン管を用いた投影型ブラウン管表示装置と比べ
ると、色再現範囲が広い、小型・軽量であるため持ち運
びしやすい、コンバージェンス調整が不要である等の非
常に優れた特徴を持っているので、投影型液晶表示装置
は今後の発展が期待されている。

【０００３】投影型液晶表示装置には、３原色に応じて
液晶表示素子を３枚用いる３板式と、液晶表示素子を１
枚しか用いない単板式とがある。３板式の投影型液晶表
示装置は、白色光を赤、緑、および青の３原色それぞれ
の色光に分割する光学系と、３つの色光に対してそれぞ
れ独立して設けられた、色光を制御して画像を形成する
液晶表示素子とを有しており、３枚の液晶表示素子から
の３色の画像を光学的に重畳することによりフルカラー
表示を行う。このような３板式の投影型液晶表示装置で
は、白色光源から放射される白色光を有効に利用するこ
とができる利点がある反面、光学系が煩雑で部品点数が
多くなってしまう。このためコストおよび小型化の点で
は、単板式に比べて一般的に不利である。

【０００４】単板式の投影型液晶表示装置は、３原色カ
ラーフィルターがモザイク状またはストライプ状等のパ
ターンに形成されており、フルカラー画像を形成する液
晶表示素子と、液晶表示素子に表示されたフルカラー画
像を投影する投影光学系とを有している。このような投
影型液晶表示装置は例えば特開昭５９−２３０３８３号
公報に開示されている。単板式の投影型液晶表示装置で
は、液晶表示素子を１枚しか用いておらず、また白色光
を３色に分割する必要がないので光学系の構成も３板式
に比べると単純にすることができる。このため、単板式
の投影型液晶表示装置は、低コスト、小型の投影システ
ムに適している。しかし、カラーフィルタを用いている
ので、液晶表示素子に入射する光の約１／３しか利用す
ることができず、残りの光はカラーフィルタによって反
射または吸収されてしまう。つまり、カラーフィルタを
用いる単板式での画面の明るさは、等しい光量の光を放
射する光源を用いた３板式と比較すると約１／３に低下
してしまう。

【０００５】画面の明るさの低下に対する１つの解決法
として、光源を明るくすることが考えられる。しかし、
民生用の投影システムでは消費電力の大きな光源を用い
ることは好ましくない。また吸収型のカラーフィルタを
用いる場合、カラーフィルタに吸収された光のエネルギ
ーは熱に変わるので、いたずらに光源を明るくすると、
液晶表示素子の温度上昇を引き起こすだけでなく、カラ
ーフィルタの退色が加速される。したがって、与えられ
た光束をいかに有効に利用するかが単板式の投影型液晶
表示装置の利用価値を向上させる上で重要な課題であ
る。

【０００６】そこで、このような単板式の投影型液晶表
示装置の欠点を解決すべく、複数のダイクロイックミラ
ーを扇形に配置して光利用効率の向上を図った投影型液
晶表示装置が特開平４−６０５３８号公報に提案されて
いる。

【０００７】図１１は、特開平４−６０５３８号公報に
示されている単板式投影型液晶表示装置の概略構成図で
ある。白色光源１から出射され、球面鏡２およびコンデ
ンサレンズ３を経てほぼ平行光となった白色光束の光軸
上に、３つのダイクロイックミラー１４Ｒ、１４Ｇ、１
４Ｂがそれぞれ光軸に対して異なる角度で扇状に配置さ
れている。ダイクロイックミラー１４Ｒ、１４Ｇ、１４
Ｂは、それぞれ赤、緑、青の各波長帯の光を選択的に反
射し、他の波長帯の光を透過する特性を有しており、公
知の多層薄膜コーティング技術により形成されている。
以下、Ｒ、Ｇ、Ｂはそれぞれ赤、緑、青の各色を表すも
のとする。

【０００８】液晶表示素子８の光源側には、マイクロレ
ンズアレイ７が配置され貼り合わせられている。マイク
ロレンズアレイ７は、ダイクロイックミラー１４Ｒ、１
４Ｇ、１４Ｂによって作られたＲ、Ｇ、Ｂの光束を受
け、光束のそれぞれを、対応する色信号が独立して印加
されている表示電極で駆動される液晶部位（画素）に分
配して照射し、かつ画素の開口部に収束する。なお、マ
イクロレンズアレイ７のマイクロレンズの周期は液晶表
示素子８のＲ、Ｇ、Ｂ３画素分の周期に対応している。

【０００９】このように、図１１に示す構成の単板式投
影型液晶表示装置では、カラーフィルターを用いないの
で光の利用効率を向上させることができる。しかし、以
下のような問題があった。

【００１０】所定の波長域成分のみ順次反射するダイク
ロイックミラー１４Ｒ、１４Ｇ、１４Ｂによって白色光
束は各色の光束に分離されるが、そのために光束の進路
を６０°〜９０°と大きく曲げている。したがって、光
学系が占めるスペースが大きくなってしまう。また、白
色光束の光軸に対してミラー面を斜めにして配置するの
で、光軸に対してミラー面を垂直に配置する場合と比較
すると、ダイクロイックミラー１４Ｒ、１４Ｇ、１４Ｂ
の表面積を大きくする必要がある。これは光学部品のコ
スト上昇につながる。

【００１１】このような問題点を解決する構成として、
特開平５−２４９３１８号公報では、ダイクロイックミ
ラーの代わりに波長選択性を有するホログラム素子を用
いることが提案されている。図１０にこの公報に示され
ている投影型液晶表示装置の概略構成を示す。ホログラ
ム素子４、５、６は、コンデンサレンズ３から出射した
白色光束の光軸に対して格子面が垂直になるように、白
色光束の光路上に配置されており、赤、緑、青の波長帯
の光をそれぞれ異なる方向に回折する。回折された各色
光は、マイクロレンズ７によって液晶表示素子８の対応
する画素に収束され、液晶表示素子８によって変調され
る。このようにして液晶表示素子８に表示されたフルカ
ラー画像をフィールドレンズ９および投影レンズ１０を
介して投影スクリーン１１に投影する。

【００１２】また、特開平６−２８１９３２号公報で
は、上述したホログラム素子に回折機能だけではなく、
集光機能をも持たせることが提案されている。これによ
り、マイクロレンズを不要にすることができる。

【００１３】特開平７−９２３２８号公報では、ホログ
ラム素子に斜めから光を入射させる構成が提案されてい
る。この公報に示されている構成は、波長依存性がない
かもしくは少ないホログラム素子を用いており、波長分
散による分光作用を利用することを前提としている。こ
のようなホログラム素子であれば、入射角度によって光
の波長分散方向を決定することもあり、該公報に示され
ている構成では、斜めから光が入射したときのホログラ
ム素子表面での不要な反射を防止することを目的として
いる。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、特開平５−２
４９３１８号公報および特開平６−２８１９３２号公報
において提案されている投影型液晶表示装置では、現実
にホログラム素子によって所望の波長域の光の１００％
を回折させることは難しい。実際の投影型液晶表示装置
には、ホログラム素子の設計波長および設計入射角以外
の光も存在し、設計値から外れるにしたがってホログラ
ム素子の回折効率は低下していき、回折せずに直進する
光が存在する。そのために、印加される色信号に対応し
ない光が液晶部位に入射することになり、表示画像の色
純度の低下につながる。

【００１５】一方、光源から出射された白色光は、一般
には反射鏡等を用いて、断面形状が円形である平行光束
にされる。これに対して、液晶表示素子の表示部の形状
は一般には長方形であるので、表示部を照射しない光が
多くあり、白色光源の光が有効に利用されない。

【００１６】本発明はこのような現状に鑑みてなされた
ものであり、その目的は、表示画像の色純度を向上さ
せ、光源の光利用効率を向上させた投影型液晶表示装置
を提供することである。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明の投影型液晶表示
装置は、液晶表示素子と、該液晶表示素子を照明するた
めの白色光を発生する光源と、該光源からの該白色光を
回折し、それにより、異なる波長帯の複数の光束を互い
に異なる方向に出射する光学素子と、該光学素子からの
該複数の光束を該液晶表示素子の対応する画素に収束さ
せる微小集光素子のアレイと、該液晶表示素子により変
調された該複数の光束を受け取り、該液晶表示素子に表
示された画像を投影する投影手段であって、少なくとも
レンズを含んでいる投影手段とを備えており、該白色光
は、該投影手段の該レンズの入射瞳内に該白色光の０次
回折光が入射しないような角度で該光学素子に入射し、
そのことにより上記目的を達成する。

【００１８】前記投影型液晶表示装置は、前記光学素子
と前記投影手段の前記レンズとの距離がＬ、該レンズの
有効口径がφであり、前記微小集光素子アレイの各微小
集光素子の空気中での焦点距離がｆであり、ピッチがｐ
であり、前記白色光が該光学素子の法線方向に対してα
°の角度から入射するときに、 α°＞tan^-1（φ／２Ｌ）＋tan^-1（ｐ／２ｆ）であってもよい。

【００１９】前記液晶表示素子は、縦と横の長さの比が
ａ：ｂである表示部を有しており、前記白色光は、ａ＜
ｂのときに、 cos^-1（ａ／ｂ）−１５°＜α°＜cos^-1（ａ／ｂ）＋１
０° を満足する角度α°で前記光学素子に横方向から入射
し、ａ＞ｂのときに、 cos^-1（ｂ／ａ）−１５°＜α°＜cos^-1（ｂ／ａ）＋１
０° を満足する角度α°で該光学素子に縦方向から入射して
もよい。

【００２０】

【００２１】前記光学素子は、前記異なる波長帯の１つ
の光束のみを回折するホログラム素子を複数個有してお
り、それにより前記白色光を該複数個の光束ごとに回折
してもよい。

【００２２】

【発明の実施の形態】本発明の投影型液晶表示装置を以
下に図面を参照しながら説明する。

【００２３】（実施例１）図１は、本発明の投影型液晶
表示装置の一実施例の構成を示す模式図である。上述し
た従来の投影型液晶表示装置と同様の構成要素には、同
じ参照符号を付している。

【００２４】図１に示すように、白色光源１の背面には
球面鏡２が設けられており、前面にはコンデンサレンズ
３が設けられている。白色光源１、球面鏡２およびコン
デンサレンズ３は、球面鏡２の中心およびコンデンサレ
ンズ３の焦点が白色光源１の発光部の中心と一致するよ
うに配置されている。コンデンサレンズ３から出射した
光束はほぼ平行光となっている。

【００２５】白色光源１としては、メタルハライドラン
プ、ハロゲンランプあるいはキセノンランプ等を用いる
ことができる。本実施例では白色光源１として消費電力
１５０Ｗ、アーク長５ｍｍのメタルハライドランプを用
いた。また、コンデンサレンズ３としては、口径８０ｍ
ｍφ、焦点距離ｆｃ＝６０ｍｍのものを用いた。なお、
白色光源から平行光束を得る方法としては、上述したよ
うなコンデンサレンズ法に限らず、回転放物面鏡を用い
る方法、あるいは回転楕円面鏡とインテグレータを併用
する方法等が適宜選択される。

【００２６】図２は本実施例で用いられる液晶表示素子
８の近傍部分を模式的に示す断面図である。液晶表示素
子８の構成要素である偏光板、配向膜等は図を簡略にす
るために省略されている。図２に示すように、液晶表示
素子８の光の入射側の面、すなわちコンデンサレンズ３
側の面には、液晶表示素子８から遠い順にホログラム素
子４、５、６およびマイクロレンズ７が積み重なって貼
り合わされている。

【００２７】コンデンサレンズ３を通過して略平行光と
なった白色光束は、ホログラム素子４、５、６の格子が
形成されている面の法線方向に対して角度α°で入射す
る。ホログラム素子４、５、６は波長選択性を有してお
り、ホログラム素子４は青の波長域の光Ｂのみを、ホロ
グラム素子５は赤の波長域の光Ｒのみを、ホログラム素
子６は緑の波長域の光Ｇのみを選択的に回折する。各ホ
ログラム素子４、５、６における回折角は、回折された
赤色光Ｒ、緑色光Ｇおよび青色光Ｂは、緑色光Ｇの出射
方向と青色光Ｂの出射方向とが赤色光Ｒの出射方向に対
して紙面内で対称になるように、θ°ずつ異なる角度に
設定されている。この角度θ°は、各色光が対応する画
素の開口部のみに照射され、他の色光に対応する画素の
開口部には入射しないように決定される。しかし、青色
光Ｂ、赤色光Ｒおよび緑色光Ｇのそれぞれの何％かは、
図１に破線で示すようにホログラム素子４、５、６によ
って方向を変えられることなく、０次回折光として液晶
表示素子に入射する。これらの０次回折光が色純度の質
を劣化させる。したがって、本発明の投影型液晶表示装
置では、白色光束がホログラム素子４、５、６に入射す
る角度α°は、各ホログラム素子の０次回折光が投影レ
ンズ１０に入射しないように決定されている。具体的に
は、ホログラム素子４、５、６の入射角α°は、図７に
示すようにホログラム素子４、５、６と投影レンズ１０
との距離がＬ（ｍｍ）、投影レンズ１０の有効口径がφ
（ｍｍ）であり、さらに図２に示すようにマイクロレン
ズアレイ７の各レンズの空気中での焦点距離がｆ（ｍ
ｍ）、マイクロレンズのピッチがｐ（ｍｍ）であるとき
に、下記の式（１）を満足するように決定されている。

【００２８】 α°＞tan^-1（φ／２Ｌ）＋tan^-1（ｐ／２ｆ）・・・（１）また回折角の差θ°は、液晶表示素子８の画素配列ピッ
チをｐ’（ｍｍ）とすると、下記の式（２）を満足する
ように決定されている。

【００２９】 θ＝tan^-1（ｐ’／ｆ）・・・（２）図４は、ホログラム素子４、５、６の近傍の光の進行経
路を示す。本実施例では、各ホログラム素子を、図５に
示すように感光材料を用いて光の干渉縞を屈折率の差と
して書き込む方法によって作製した。具体的には、例え
ばデュポン（株）製オムニデックス３５２等をホログラ
ム記録用の感光材料として用い、これを透明基板に塗布
する。続いて、この状態の透明基板に対して、例えば、
アルゴンレーザ（波長５１４．５ｎｍ）を用いて２つの
平行光束を両者間の角度を調整して照射し、このとき生
じた干渉縞を記録する。このようにして、青色光に対応
したホログラム素子４、赤色光に対応したホログラム素
子５、および緑色光に対応したホログラム素子６を、そ
れぞれの入射角α°が上記式（１）を満足するように作
製した。なお、ホログラム記録用光源としては、アルゴ
ンレーザの他にＨｅ−Ｎｅレーザ、Ｋｒレーザ等を用い
ることができる。

【００３０】また、各色光に対応する３枚のホログラム
素子４、５、６を重ねて用いる代わりに、１枚のホログ
ラムに３つの干渉縞を重ねて記録した多重ホログラム素
子を用いることもできる。図６に、このような多重ホロ
グラム素子１２を用いた場合のホログラム素子近傍の光
の進行経路を示す。

【００３１】多重ホログラム素子１２の作製方法は、基
本的には上述したホログラム素子４、５、６のそれぞれ
の作製方法と同じであるが、１枚のホログラムに対して
複数の干渉縞を書き込む必要がある。具体的には、以下
のようにすることができる。例えば、本実施例のように
赤色光、緑色光および青色光に対応する３つの干渉縞を
書き込む場合、まずいずれか１つの色光に対応する干渉
縞を書き込み、順次残りの色光の干渉縞を書き込む。し
たがって、それぞれの干渉縞を記録するための露光量
は、干渉縞を１度しか記録しない場合の約３分の１にす
る必要がある。

【００３２】ホログラム素子４、５、６の作製に用いた
ものと同じ感光材料およびレーザを用いて赤色光、緑色
光および青色光に対応する３つの干渉縞を１つのホログ
ラムに書き込んだ多重ホログラム素子１２を作製したと
ころ、図４に示すように３枚のホログラム素子４、５、
６を重ねて用いた場合と同等の効果が得られた。

【００３３】本実施例では、ホログラム素子を、感光材
料を用いて光の干渉縞を屈折率の差として書き込む方法
にて作製したが、ホログラム素子の作製方法はこれに限
られない。例えば、ＵＶ硬化樹脂や透明プラスチック等
を用い、ブレーズド格子やグレーティングでホログラム
素子を作製してもよい。

【００３４】また、本実施例では、１つの色の波長域の
光のみを選択的に回折するホログラム素子を３枚重ねて
用いる、あるいは多重ホログラム素子１枚を用いる構成
としたが、その他にも波長選択性があり、白色光で再生
することができるものであれば、いかなるものでも使用
することができる。この場合には、１つのホログラム素
子で３以上の異なる波長域の光束の出射角を調整するこ
とが可能である。

【００３５】ホログラム素子４、５、６あるいは多重ホ
ログラム素子１２は、上述したようにして、いったん記
録・作製してしまえば、公知の複製技術により同等の回
折特性を有する光学素子を安価に作製することができ
る。このため、白色光を複数の色光に分離するための手
段としてダイクロイックミラーを用いる場合と比べて、
低コスト化を実現することができる。また、複数の色光
に分離する手段から、液晶表示素子までの光路長を最短
にすることができ、その結果、投影型液晶表示装置全体
のサイズを小さくすることができる。

【００３６】以下、３枚のホログラム素子４、５、６を
用いた場合の光学系を説明する。

【００３７】図４は、図１におけるホログラム素子４、
５、６のみを抜き出して光の進行経路を示したものであ
る。本発明では、ホログラム素子４、５、６の後方に設
置したマイクロレンズアレイ７によって各色光を液晶表
示素子８の対応する画素に収束させている。このため、
ホログラム素子４、５、６のそれぞれの回折条件は面内
において一定で周期性は不要であり、干渉縞の記録もそ
れぞれ１回で終了する。

【００３８】ホログラム素子４、５、６の働きにより赤
色光、緑色光および青色光は、マイクロレンズアレイ７
に互いに異なる角度で入射する。マイクロレンズアレイ
７は、液晶表示素子８の対向基板に光学接着材料を用い
て貼り付けられている。マイクロレンズアレイ７のそれ
ぞれのマイクロレンズは、液晶表示素子８の赤色光に対
応する１つの画素、緑色光に対応する１つの画素および
青色光に対応する１つの画素の計３つの画素に対応して
おり、これらの３つの画素に液晶表示素子８の対向基板
側から赤色光、緑色光および青色光を照射する。各マイ
クロレンズは、その焦点距離ｆが、対向基板として用い
られる材料中では対向基板の厚さに実質的に等しくなる
ように設定されている。本実施例では、対向基板として
１．１ｍｍの厚さのガラス基板を用い、各マイクロレン
ズの焦点距離ｆを空気中で０．７２ｍｍ（ガラス媒質中
では１．１ｍｍに相当する）とした。

【００３９】液晶表示素子８としては、例えば、複数の
画素のそれぞれに薄膜トランジスタを接続し、薄膜トラ
ンジスタによって各画素をスイッチングすることにより
各画素をダイナミック駆動するツイステッド・ネマティ
ックモード（ＴＮモード）のアクティブマトリクス型液
晶表示素子を用いることができる。本実施例では、図３
に示すように、矩形状の画素１３がデルタ配列でマトリ
クス状に配置されており、画素ピッチｐ’が縦横ともに
０．１ｍｍ（したがってマイクロレンズのピッチｐが
０．３ｍｍ）、画素開口部の大きさが縦０．０５ｍｍ×
横０．０７ｍｍ、画素数が縦４８０×６４０であるアク
ティブマトリクス型液晶表示素子を用いた。したがっ
て、ホログラム素子４、５の回折角の差、およびホログ
ラム素子５、６の回折角の差である角度θ°は、式
（２）からθ＝tan^-1（０．１／０．７２）＝８°とな
る。よって、緑色光および青色光は、赤色光に対して±
８°の角度で液晶表示素子８に入射する。なお、本実施
例では赤色光を液晶表示素子８に対して垂直に入射させ
ている。このようにして赤色光、緑色光および青色光
は、マイクロレンズアレイ７によって、それぞれ異なる
画素に収束される。

【００４０】液晶表示素子８の駆動回路（図示せず）
は、外部から入力される画像信号をもとに駆動信号を生
成し、駆動信号を各画素に独立に印加することにより液
晶表示素子８の画素を駆動する。駆動信号が印加された
画素に入射した色光は光学的に変調され、それによりカ
ラー画像が形成される。液晶表示素子８から出射した光
は、フィールドレンズ９によって効率よく投影レンズ１
０に導かれる。投影レンズ１０は、スクリーン１１上に
液晶表示素子８に表示されたカラー画像を拡大投影す
る。

【００４１】本実施例では、図７に示す投影レンズ１０
の有効口径φを５０ｍｍとし、ホログラム素子と投影レ
ンズ１０の主平面までの距離Ｌが１４０ｍｍとなるよう
にフィールドレンズ９を設計した。したがって、投影レ
ンズ１０にホログラム素子４、５、６の０次回折光が入
射しないのは、上記式（１）より、入射角α°がtan^-1
（５０／（２×１４０））＋tan^-1（０．３／（２×
０．７２））＝２１．９°以上のときである。このた
め、本実施例では、白色光がホログラム素子４、５、６
の法線方向に対して２２°の傾きをもって入射するよう
に、ホログラム素子４、５、６を作製した。このよう
に、白色光をホログラム素子の法線方向に対して上記式
（１）を満足する角度で入射するように設計すれば、ホ
ログラム素子４、５、６で進行方向を変えられなかった
光、つまり各ホログラム素子の０次回折光は、フィール
ドレンズ９によって投影レンズ１０に集光されないの
で、０次回折光が画像品位に影響を与えることもなく、
色ずれ等は起こらない。

【００４２】なお、液晶表示素子８の入射側表面にマイ
クロレンズアレイ７を貼り付ける際には、従来の投影型
液晶表示装置と同様に、液晶表示素子８の画素とマイク
ロレンズアレイ７の各マイクロレンズとの位置合わせを
正確に行う必要がある。しかし、ホログラム素子４、
５、６のホログラムは周期構造を有していないので、ホ
ログラム素子４、５、６とマイクロレンズアレイ７およ
び液晶表示素子８との正確な位置調整は必要ない。

【００４３】また、ホログラム素子４、５、６をマイク
ロレンズアレイ７および液晶表示素子８からごく近距離
に配置すれば、ホログラム素子４、５、６によって分離
された赤色光、緑色光および青色光の液晶表示素子８上
での照度分布のずれをほとんど無視することができる。
本実施例では、ホログラム素子４、５、６をマイクロレ
ンズアレイ７と重ねて液晶表示素子８の入射側表面上に
貼り付けているので、ホログラム素子４、５、６と液晶
表示素子８との距離は最小になり、各色光の照度分布の
ずれも最小になる。したがって、投影される画像のホワ
イトバランスを高めることができる。

【００４４】さらに、本実施例では、赤色光がマイクロ
レンズアレイ７に対して垂直に入射し、緑色光および青
色光の入射方向が、赤色光の入射方向に対して対称であ
るような構成にしているが、各色光の配列はこれに限ら
れない。つまり、マイクロレンズアレイ７に対して垂直
に入射するのは、緑色光であっても、青色光であっても
上述した効果と同様の効果が得られる。

【００４５】また、ホログラム素子４、５、６のそれぞ
れに、対応する色の波長域の光のみを回折する機能だけ
ではなく、集光機能をも持たせてもよい。この場合、マ
イクロレンズアレイ７を省略することができる。なお、
３枚のホログラム素子４、５、６の代わりに１枚の多重
ホログラム素子１２を用いる場合にも同様である。

【００４６】（実施例２）続いて、本発明の投影型液晶
表示装置の第２の実施例を説明する。

【００４７】本実施例の投影型液晶表示装置は、白色光
がホログラム素子に入射させる角度および方向を、ホロ
グラム素子からの各色光の０次回折光が投影レンズ１０
に入射しないように、かつ液晶表示素子８での光の利用
効率が最も高くなるように設定する。

【００４８】光源１からの白色光を平行光束にするため
に、図１に示されているようにコンデンサレンズを用い
る方法、回転放物面鏡を用いる方法、あるいは回転楕円
面鏡とインテグレータを併用する方法等のいずれの方法
を用いても、ホログラム素子およびマイクロレンズアレ
イを経て液晶表示素子８に入射する白色光束の断面形状
は一般に円形である。これに対して液晶表示素子８の表
示部、つまり複数の画素が配置されている部分の形状は
一般的には長方形である。このため、図８（ａ）に示す
ように、液晶表示素子８の表示部を照射しない無駄な光
束が多く存在することになる。

【００４９】本実施例では、白色光束をホログラム素子
に対して斜めに入射させることにより、ホログラム素子
からの各色光によって照射される液晶表示素子８の領域
の形状を楕円形状にし、さらに図８（ｂ）に示すよう
に、この楕円形状の縦と横の比を液晶表示素子８の縦と
横の比と一致させている。これにより、断面形状が円形
である光束を液晶表示素子８に入射させていた従来の投
影型液晶表示装置よりも、光源から出射する白色光を有
効に利用することができる。また、断面が楕円形状であ
る光束の短い方の直径が光束の直径になるので、従来と
比べてより小さな光束で液晶表示素子８の表示部を照射
することが可能となる。しかも、白色光束がホログラム
素子に入射する角度を、上記実施例１で述べたようにホ
ログラム素子からの各色光の０次回折光が投影レンズに
入射しないような角度、つまり上記式（１）を満足する
ような角度に設定すれば、上記実施例１の効果も同時に
得ることができ、明るく、色純度のよい画像を投影する
ことができるコンパクトな投影型液晶表示装置を実現す
ることができる。

【００５０】具体的には、液晶表示素子８を照射する光
束の断面形状である楕円の縦と横の比を液晶表示素子８
の縦と横の比と一致させるためには、白色光束がホログ
ラム素子４、５、６に入射する角度は以下のようにして
決定される。

【００５１】ホログラム素子４、５、６に白色光束が入
射する角度をα°、液晶表示素子８の表示部の縦の長さ
および横の長さがそれぞれａ（ｍｍ）、ｂ（ｍｍ）であ
るときに、液晶表示素子８の表示部全体を照射すること
のできる最小の大きさの照射部の楕円形状の面積は、（π／４）・（ａ²＋ｂ²／（cosα°）²）cosα° ・・・（３）で表すことができる。したがって、その楕円中に占める
液晶表示素子８の表示部の割合、すなわち光の利用効率
は、１００×（ａ・ｂ）／｛（π／４）・（ａ²＋ｂ²／（cosα°）²）cosα°｝・・・（４）となる。

【００５２】本実施例では、液晶表示素子８として、上
記実施例１と同様に、デルタ配列でマトリクス状に配置
された矩形状の画素１３が、画素１３をスイッチングす
る薄膜トランジスタを介してダイナミック表示駆動され
るツイステッドネマティック（ＴＮ）モードのアクティ
ブマトリクス型液晶表示素子を用いた。また、表示部の
サイズは、縦５４．９ｍｍ×横７３．２ｍｍとした。こ
のときのホログラム素子への白色光束の入射角度α°と
光の利用効率との関係を図９に示す。式（４）および図
９から、α°＝cos^-1（ａ／ｂ）のときに最も光の利用
効率がよいことが分かる。その効果は、液晶表示素子８
の表示部の形状が細長くなればなるほど現れる。

【００５３】本願発明者らの検討によると、一般的な画
像表示装置においては、ａ、ｂ、αの間に、ａ＜ｂのときに、cos^-1（ａ／ｂ）−１５°＜α°＜cos
^-1（ａ／ｂ）＋１０° なる関係が成り立つように横方向から、ａ＞ｂのときに、cos^-1（ｂ／ａ）−１５°＜α°＜cos
^-1（ｂ／ａ）＋１０° なる関係が成り立つように縦方向から白色光束をホログ
ラム素子に入射させると、最も光の利用効率がよいとき
の半分以上の効果を得ることができた。

【００５４】本実施例では、ａ＝５４．９ｍｍ、ｂ＝７
３．２ｍｍであるので、最も光の利用効率が良くなるの
は、α°＝cos^-1（５４．９／７３．２）＝４１．４°
のときである。この角度α°は、上記式（１）をも満足
している。したがって、本実施例では、白色光束を、ホ
ログラム素子の法線方向に対して４１．４°の角度をな
すようにホログラム素子にした方向から入射させ、それ
により、ホログラム素子からの各色光の０次回折光が投
影レンズに入射するのを防ぎつつ、光の利用効率の最も
よい投影型液晶表示装置を得た。

【００５５】無駄に照射されている光束の断面積を本実
施例において計算する。従来のように光束を垂直にホロ
グラム素子８に入射させる場合には、液晶表示素子８の
表示部の面積が５４．９×７３．２＝４０１８．６８ｍ
ｍ²であるので、光束の直径を少なくとも９１．５ｍｍ
にする必要がある。このとき無駄になる光束の断面積
は、４５．７５×４５．７５×３．１４−４０１８．６
８＝２５５６．８７ｍｍ²である。これにたいして、本
実施例では、ホログラム素子の法線方向に対して４１．
４°の角度をなすように白色光束をホログラム素子に入
射させているために、白色光束の直径は、少なくとも７
７．７ｍｍであればよく、しかも、無駄に照射される部
分の断面積は、３８．８×３８．８×３．１４×（７
３．２／５４．９）−４０１８．６８＝２２８７．２９
ｍｍ²である。したがって、上述したサイズの表示部を
有する液晶表示素子を用いる場合、従来のように白色光
束をホログラム素子に垂直に入射させた場合における表
示部に入射する光束の割合は、６１．１％であるのに対
して、本実施例では６３．７％となる。このように、本
実施例によると、上記実施例１で述べたように投影レン
ズ１０へのホログラム素子の０次回折光の入射を防ぎつ
つ、光の利用効率を高めることができる。

【００５６】コンデンサレンズ等の設計を変更すれば、
光源が同じであっても白色光束の大きさを変えることが
できる。これにより、より明るく、かつよりコンパクト
に投影型液晶表示装置を設計することが可能となる。

【００５７】なお、本実施例においても、ホログラム素
子４、５、６のホログラムは周期構造を有していないの
で、ホログラム素子４、５、６とマイクロレンズアレイ
７および液晶表示素子８との正確な位置調整は必要な
い。また、ホログラム素子４、５、６をマイクロレンズ
アレイ７と重ねて液晶表示素子８の入射側表面上に貼り
付けているので、ホログラム素子４、５、６と液晶表示
素子８との距離は最小になり、各色光の照度分布のずれ
も最小になる。したがって、投影される画像のホワイト
バランスを高めることができる。

【００５８】さらに、本実施例では、赤色光がマイクロ
レンズアレイ７に対して垂直に入射し、緑色光および青
色光の入射方向が、赤色光の入射方向に対して対称であ
るような構成にしているが、各色光の配列はこれに限ら
れない。つまり、マイクロレンズアレイ７に対して垂直
に入射するのは、緑色光であっても、青色光であっても
上述した効果と同様の効果が得られる。

【００５９】また、ホログラム素子４、５、６のそれぞ
れに、対応する色の波長域の光のみを回折する機能だけ
ではなく、集光機能をも持たせてもよい。この場合、マ
イクロレンズアレイ７を省略することができる。なお、
３枚のホログラム素子４、５、６の代わりに１枚の多重
ホログラム素子１２を用いる場合にも同様である。

【００６０】上記説明からわかるように、本発明の投影
型液晶表示装置で用いられるホログラム素子は、特開平
７−９２３２８号公報に示されている構成において用い
られるホログラム素子とは異なり、角度依存性および波
長依存性を有する体積ホログラムである。しかも本発明
は、画像品位の向上および装置のコンパクト化を目的と
している。このように、本発明の投影型液晶表示装置
は、特開平７−９２３２８号公報に開示されている装置
とは用いるホログラム素子、目的が本質的に異なる。

【００６１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によると、
白色光を複数の色光に分離する光学素子に白色光が入射
する角度を、この光学素子の０次回折光が液晶表示素子
に表示された画像を投影するためのレンズに入射しない
ように設定する。このため、従来と比べて投影された画
像の色純度を向上させることができる。

【００６２】さらに、白色光が光学素子に入射する角度
を、液晶表示素子の表示部に照射させる光束の形状が、
表示部の縦横比と同一の縦横比を有する楕円になるよう
に設定することにより、白色光が光学素子に垂直に入射
する場合に比べて光の利用効率を向上させることができ
る。

【００６３】このように、投影される画像の色純度を向
上させることができ、かつ光源の光利用効率を高めるこ
とができるので、投影される画像の明るさを落とさずに
光源をより小さくすることができる。したがって、より
コンパクトで色純度の向上した投影型液晶表示装置を提
供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の投影型液晶表示装置の一実施例の構成
を概略的に示す図である。

【図２】図１に示す投影型液晶表示装置に備えられてい
る液晶表示素子の要部の詳細を示す断面図である。

【図３】図１に示す投影型液晶表示装置に備えられてい
るマイクロレンズアレイと液晶表示素子の画素配列とを
模式的に示す正面図である。

【図４】本発明の投影型液晶表示装置におけるホログラ
ム素子の近傍を示す図である。

【図５】図４のホログラム素子の作製方法を説明する図
である。

【図６】本発明の投影型液晶表示装置における多重ホロ
グラム素子の近傍を示す図である。

【図７】本発明の投影型液晶表示装置の原理を説明する
図である。

【図８】本発明の投影型液晶表示装置の他の実施例にお
ける液晶表示素子に照射される白色光束の説明図であ
る。

【図９】本発明の投影型液晶表示装置の他の実施例にお
ける、液晶表示素子に照射される白色光束の入射角度と
光の利用効率との関係を示す図である。

【図１０】従来の投影型液晶表示装置の構成を模式的に
示す図である。

【図１１】従来の投影型液晶表示装置の構成を模式的に
示す図である。

【符号の説明】

１白色光源２球面鏡３コンデンサレンズ４、５、６ホログラム素子７マイクロレンズアレイ８液晶表示素子９フィールドレンズ１０投影レンズ１１投影スクリーン１２多重ホログラム素子１３画素１４Ｒ、１４Ｇ、１４Ｂダイクロイックミラー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02F 1/1335 - 1/13363 G02F 1/13 505

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】液晶表示素子と、該液晶表示素子を照明するための白色光を発生する光源
と、該光源からの該白色光を回折し、それにより、異なる波
長帯の複数の光束を互いに異なる方向に出射する光学素
子と、該光学素子からの該複数の光束を該液晶表示素子の対応
する画素に収束させる微小集光素子のアレイと、該液晶表示素子により変調された該複数の光束を受け取
り、該液晶表示素子に表示された画像を投影する投影手
段であって、少なくともレンズを含んでいる投影手段
と、を備えており、該白色光は、該投影手段の該レンズの入
射瞳内に該白色光の０次回折光が入射しないような角度
で該光学素子に入射する、投影型液晶表示装置。
【請求項２】前記光学素子と前記投影手段の前記レン
ズとの距離がＬ、該レンズの有効口径がφであり、前記
微小集光素子アレイの各微小集光素子の空気中での焦点
距離がｆであり、ピッチがｐであり、前記白色光が該光
学素子の法線方向に対してα°の角度から入射するとき
に、 α°＞tan^-1（φ／２Ｌ）＋tan^-1（ｐ／２ｆ）である、請求項１に記載の投影型液晶表示装置。
【請求項３】前記液晶表示素子は、縦と横の長さの比
がａ：ｂである表示部を有しており、前記白色光は、ａ＜ｂのときに、cos^-1（ａ／ｂ）−１５°＜α°＜cos^-1（ａ／ｂ）＋１０° を満足する角度α°で前記光学素子に横方向から入射
し、ａ＞ｂのときに、cos^-1（ｂ／ａ）−１５°＜α°＜cos^-1（ｂ／ａ）＋１０° を満足する角度α°で該光学素子に縦方向から入射す
る、請求項２に記載の投影型液晶表示装置。
【請求項４】前記光学素子は、前記異なる波長帯の１
つの光束のみを回折するホログラム素子を複数個有して
おり、それにより前記白色光を該複数個の光束ごとに回
折する、請求項１から３のいずれか１つに記載の投影型
液晶表示装置。