JP3195238B2

JP3195238B2 - 投影型カラー液晶表示装置

Info

Publication number: JP3195238B2
Application number: JP15716896A
Authority: JP
Inventors: 浩中西; 浩浜田
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1996-06-18
Filing date: 1996-06-18
Publication date: 2001-08-06
Anticipated expiration: 2016-06-18
Also published as: DE69736966D1; US6163349A; EP0814618A2; EP0814618B1; JPH1010511A; EP0814618A3; TW364270B; DE69736966T2

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、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、１枚の液晶表示素子によりカラー表
示を行う単板式の投影型カラー液晶表示装置に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】投影型カラー液晶表示装置は、液晶表示
素子がそれ自体は発光しないため別に光源を設ける必要
はあるが、投影型ブラウン管表示装置と比較すると、色
再現範囲が広く、小型・軽量であり、かつコンバージェ
ンス調整が不要であるなどの非常に優れた特徴を持って
おり、今後の発展が期待されている。

【０００３】液晶表示素子を用いた投影型カラー画像表
示方式には、３原色に応じて液晶表示素子を３枚用いる
３板式と、１枚のみを用いる単板式とがある。前者の３
板式は、白色光を赤・緑・青（以下Ｒ・Ｇ・Ｂと称す
る）の３原色それぞれの色光に分割する光学系と、その
色光を制御して画像を形成する液晶表示素子とをそれぞ
れ独立に設け、各色の画像を光学的に重畳してフルカラ
ー表示を行う。この３板式の構成では、白色光源から放
射される光を有効に利用できるため、高輝度な投影型カ
ラー液晶表示装置を実現できるが、光学系が繁雑で部品
点数が多くなってしまい、コスト及び小型化の点では後
述の単板式に比べて一般的に不利である。

【０００４】これに対し、後者の単板式は、モザイク
状、ストライプ状等の３原色カラーフィルタパターンを
備えた液晶表示素子を投影光学系によって投影するもの
で、例えば特開昭５９−２３０３８３号公報に開示され
ている。この方式は液晶表示素子の使用が１枚のみであ
り、光学系も３板式と比べて単純な構成であるため、低
コスト、小型の投影型システムに適している。

【０００５】ところが、上記単板式は、低コスト、小型
であるといった優れた特徴を有する反面、カラーフィル
タで光の吸収や反射が発生するため、等しい明るさの光
源を用いた３板式と比較して光の利用効率が約１／３に
低下してしまい、投影画像が暗くなるといった欠点があ
る。

【０００６】このような欠点に対する容易な解決方法と
して、光源を明るくすることが考えられるが、光源を明
るくする方法では、吸収タイプ、誘電体ミラーの反射タ
イプ、何れもそれぞれ問題がある。

【０００７】つまり、前者の吸収タイプのカラーフィル
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ため、光源をいたずらに明るくする
と、カラーフィルタの温度が上昇し、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
を加速させる。また、カラーフィルタの光化学反応によ
る生成物が液晶に与える影響について、未だ解明されて
いない部分があり、将来的に生成物を起因とする表示不
良も懸念され、信頼性が低い。

【０００８】後者の反射タイプ、つまり誘電体ミラーか
らなるカラーフィルタの場合は、光源を明るくしたこと
による上記のような熱に対する問題や退色の問題は解決
されるが、誘電体ミラーをファインピッチでパターニン
グするため、非常にコスト高となり、せっかくの単板式
のメリットである低コスト化が図れない。

【０００９】そこで、このような単板式のカラー液晶表
示装置の明るさを向上させるため、例えば特開平４−６
０５３８号公報には、図１２に示すように、扇型に配置
されたダイクロイックミラー５４Ｒ・５４Ｇ・５４Ｂを
用いることで白色光源５１からの白色光をＲ・Ｇ・Ｂの
各光束に分割し、光の利用効率を向上させるようにした
装置が提案されている。

【００１０】この装置においては、上記ダイクロイック
ミラー５４Ｒ・５４Ｇ・５４Ｂにより分割された各光束
が、液晶表示素子５７の光源側に配置されているマイク
ロレンズアレイ５５にそれぞれ異なった角度で入射す
る。上記マイクロレンズアレイ５５を通過した各光束
は、それぞれに対応した色信号が独立して印加される信
号電極により駆動される液晶部位に、各光束の入射角度
に応じて分配照射される。この装置では、吸収タイプの
カラーフィルタも誘電体ミラーも用いないので、光の利
用効率が向上し、極めて明るい画像を、単板式のメリッ
トを損なうことなく実現できる。尚、図中、５９が投影
レンズ、６０がスクリーンである。

【００１１】ところが、上記特開平４−６０５３８号公
報の装置では、平行度の悪い照明手段を用いた場合やマ
イクロレンズの収差、ダイクロイックミラー間の多重反
射による迷光などにより、ダイクロイックミラーで分離
された光が、対応する画素に入射せず隣の画素に入射
し、色純度が低下する問題がある。

【００１２】このような色純度の低下を抑えるために、
特開平７−１８１４８７号公報には、図１３に示すよう
に、投影レンズ６１の入射瞳位置（瞳面）に波長規制手
段としてのカラーフィルタ６２が設けられた構成が提案
されている。この装置においては、液晶表示素子５７に
おける波長域の対応していない画素を通過した波長域の
光束は、投影レンズ６１の入射瞳位置に設けられたカラ
ーフィルタ６２にて遮断される。したがって、平行度の
悪い照明手段を用いた場合やマイクロレンズの収差、ダ
イクロイックミラー間の多重反射による迷光などが発生
した場合でも、意図に反した混色を抑え、色純度の高い
高画質の投影画像を得ることができる。

【００１３】また、上記特開平４−６０５３８号公報の
装置の場合、３板式では、色分離手段と色合成手段の両
者のトータルの特性で決まる表示画像の色再現範囲が、
色分離手段である各色に対応したＲ・Ｇ・Ｂのそれぞれ
のダイクロイックミラー１枚のみで決定される。したが
って、各ダイクロイックミラーの波長選択性を高くしな
いと十分な色再現範囲を実現できず、色分離手段が通常
の３板式の投影型カラー液晶表示装置に用いられるもの
と比べてコスト高となっていたが、このように投影レン
ズ６１の入射瞳位置にカラーフィルタ６２を設けること
で、波長選択性の問題も解決される。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
特開平４−６０５３８号公報の装置も、特開平７−１８
１４８７号公報の装置も、カラーフィルタが内付けされ
た液晶表示素子を用いた単板式に比べて明るさの点につ
いては改善されるが、何れもＲ・Ｇ・Ｂの光を液晶表示
素子に対してそれぞれ異なる方向から入射し、マイクロ
レンズによって対応する画素開口部に集光させる構成を
採用している。

【００１５】そのため、液晶表示素子を通過した光束
は、光の入射角度に図７に示すマイクロレンズ４ａの集
光角θ３がプラスされた角度で発散することとなり、こ
の発散光を取り込むためには大口径の投影レンズが必要
となる。そのため、投影レンズのコストが通常の単板式
と比べて高くなり、単板式による低コスト化が思うよう
に図れていない。

【００１６】本願発明は、このような従来の課題に鑑み
成されたものであり、明るく、色再現範囲が広く、小型
で、より低コストな単板式の投影型カラー液晶表示装置
を提供することを目的としている。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明の請求項１記載の投影型カラー液晶表示装
置は、白色光源と、上記白色光源からの光束が照射され
る液晶表示素子と、上記液晶表示素子の光出射側に設け
られ、液晶表示素子における２以上の所定数の画素から
なる画素グループそれぞれに対応するマイクロレンズか
らなるマイクロレンズアレイと、上記液晶表示素子によ
り変調された光束を投影する投影レンズと、上記マイク
ロレンズアレイと投影レンズとの間に設けられ、投影レ
ンズの入射瞳位置にマイクロレンズアレイを通過した光
束を集光するフィールドレンズと、上記投影レンズの入
射瞳位置に設けられ、光束の進路に対応し、上記画素グ
ループの構成画素数に応じて空間分割された着色手段と
を備えていることを特徴としている。

【００１８】本発明の請求項２記載の投影型カラー液晶
表示装置は、上記請求項１の構成において、上記白色光
源と上記液晶表示素子との間に、白色光源からの光束を
上記画素グループの構成画素数に対応した複数の波長域
の光束に分割し、これら複数の波長域の光束を液晶表示
素子に異なる方向から同じ領域に重ねて照射する色分離
手段が設けられていることを特徴としている。

【００１９】本発明の請求項３記載の投影型カラー液晶
表示装置は、上記請求項１又は２の構成において、上記
マイクロレンズアレイは、マイクロレンズが画素グルー
プに対して１対１対応した、複眼レンズであることを特
徴としている。

【００２０】本発明の請求項４記載の投影型カラー液晶
表示装置は、上記請求項１又は２の構成において、上記
マイクロレンズアレイは、マイクロレンズが液晶表示素
子の縦方向又は横方向に配列した複数の画素グループに
対して１つ対応し、画素グループの配列方向と直交する
方向にのみ集光機能を有する、レンチキュラーレンズで
あることを特徴としている。

【００２１】本発明の請求項５記載の投影型カラー液晶
表示装置は、上記請求項１又は２の構成において、上記
着色手段は、１層以上の誘電体よりなる誘電体ミラーで
あることを特徴としている。

【００２２】上記の請求項１の構成によれば、液晶表示
素子の光出射側にマイクロレンズアレイが設けられてい
るので、液晶表示素子の画素を通過した後、各マイクロ
レンズを通過する光束により形成される像（以下、マイ
クロレンズによる像と称する）は、フィールドレンズに
より投影レンズの入射瞳位置に重ね合わされて、画素拡
大像を形成する。

【００２３】マイクロレンズは、液晶表示素子の２以上
の所定数の画素からなる画素毎に設けられているので、
例えばＲ・Ｇ・Ｂの各色が割り当てられた３つの画素
（各画素にはカラーフィルタは設けられていない）から
画素グループが構成されているとすると、マイクロレン
ズによる像は、対応する画素グループのＲ・Ｇ・Ｂの画
素からの光束による３つの画素像と、隣接する画素グル
ープに属する画素からの光束による画素像を含んでい
る。

【００２４】また、マイクロレンズによる像が投影レン
ズの入射瞳位置に重ね合わされて形成される拡大像の拡
大率Ｗは、マイクロレンズの焦点距離がｆμ、フィール
ドレンズの焦点距離がｆγとすると、Ｗ＝ｆγ／ｆμ …（１）にて求められる。

【００２５】したがって、マイクロレンズアレイが請求
項３に記載したような複眼レンズの場合は、図５に示す
ような、複数の画素の相似形をした画素拡大像７…が形
成される。図中、実線にて示す中央のＲ・Ｇ・Ｂの色に
応じた３つの画素拡大像７が、上記したマイクロレンズ
による像の内の、対応する画素グループのＲ・Ｇ・Ｂの
画素からの光束による３つの画素像が重ね合わされたも
のであり、破線にて示す画素拡大像７…が、隣接する画
素グループに属する画素からの光束による画素像が重ね
合わされたものである。

【００２６】また、マイクロレンズアレイが、請求項４
に記載したような、レンチキュラーレンズの場合は、１
方向のみ集光機能を有するため、図９に示すように画素
がレンチキュラーレンズの集光機能を有しない方向に引
き伸ばされるような画素拡大像７…が形成される。ここ
でも、図中、実線にて示す中央のＲ・Ｇ・Ｂの色に応じ
た３つの画素拡大像７が、上記したマイクロレンズによ
る像の内の、対応する画素グループのＲ・Ｇ・Ｂの画素
からの光束による３つの画素像が重ね合わされたもので
あり、破線にて示す画素拡大像７…が、隣接する画素グ
ループに属する画素からの光束による画素像が重ね合わ
されたものである。

【００２７】そして、投影レンズの入射瞳位置には、複
数の光束の進路に対応し、画素グループの構成画素数に
応じて空間分割された着色手段が配設されている。この
着色手段は、例えば、上記のＲ・Ｇ・Ｂの色に応じた３
つの画素拡大像の形成位置にそれぞれの色に応じた色領
域を有するカラーフィルタにて実現できる。このような
カラーフィルタにより、投影レンズにより投影される光
束は、投影レンズの入射瞳位置の各色領域を通過するこ
とで着色され、カラーの投影画像を形成する。

【００２８】以上のように、従来のマイクロレンズアレ
イを液晶表示素子の光入射側に配し、マイクロレンズに
よって対応する画素に集光させる構成では、液晶表示素
子を通過後の発散光を取り込むために、光の入射角度に
マイクロレンズの集光角をプラスした角度で発散する光
が受光可能な大きな投影レンズが必要であったが、上記
の構成においては、マイクロレンズアレイが液晶表示素
子の光出射側に配されているので、マイクロレンズの集
光角が発散角にプラスされることがない。そのため、投
影レンズの小型化（高Ｆ値化）が可能となり、システム
の小型・低コスト化が図れる。また、上記の構成によ
れば、着色手段が液晶表示素子と分離されており、液晶
表示素子としてはカラーフィルタを内付けしない白黒タ
イプを用いるので、投影画像に必要な明るさを得るため
に、白色光源の照度を上げたとしても、従来のカラーフ
ィルタが内付けされた液晶表示素子を用いる単板式のよ
うに、カラーフィルタの光吸収による発熱、及び、退色
や光化学反応生成物による液晶の表示不良といった耐光
性が問題とならないので、容易に必要な明るさが得られ
る。

【００２９】さらに、請求項４に記載したようなレンチ
キュラーレンズをマイクロレンズアレイとして用いた構
成では、投影レンズを液晶表示素子に対して、レンチキ
ュラーレンズの集光機能を持たない方向に対して移動さ
せたとしても色ずれが発生しないため、投影レンズの位
置を上下方向に移動させることにより投影画像の高さを
シフトさせる方式（あおり）を採用している装置にとっ
て、非常に効果的である。

【００３０】また、請求項２の構成によれば、さらに色
分離手段が備えられているので、白色光源からの光束が
画素グループの構成画素数に対応した複数の波長域の光
束に分割され、これら複数の光束が液晶表示素子に異な
る方向から同じ領域に重ねて照射される。つまり、この
色分離手段にて、Ｒ・Ｇ・Ｂの光束が、それぞれ異なる
入射角で液晶表示素子に入射するようになる。

【００３１】したがって、色分離手段を用いない場合に
は、対応するマイクロレンズではなく、隣接するマイク
ロレンズに入射していた光束が、対応するマイクロレン
ズに効率良く入射するようになる。これらの光束は、図
５、図９にて実線にて示した、中央のＲ・Ｇ・Ｂの色に
応じた３つの画素拡大像７に集光するため、より多くの
光を効率よく小口径の投影レンズに入射させることがで
き、請求項１の構成よりも、光の利用効率を上げること
ができる。

【００３２】尚、上記の構成においても、色再現性範囲
を左右する色分離は、あくまで着色手段にて行われるの
で、この場合の色分離手段としては、従来の色分離手段
に求められたような厳しい色分離の条件は必要ない。

【００３３】また、請求項５の構成によれば、着色手段
を誘電体ミラーから形成しているので、着色手段自体の
発熱や退色を防止でき、着色手段として吸収タイプのカ
ラーフィルタを用いた場合に比べて、信頼性が向上す
る。そして、本発明の構成においては、投影レンズの入
射瞳位置に、画素拡大像に合わせて色領域が設定される
ので、従来のようにファインピッチにパターニングする
必要がなく、誘電体ミラーを用いても低コスト化のメリ
ットを何ら損なうものではない。

【００３４】

【発明の実施の形態】

〔実施の形態１〕本発明の実施の一形態について図１な
いし図７に基づいて説明すれば、以下の通りである。

【００３５】図１は、本実施の形態の投影型カラー液晶
表示装置の模式図である。本実施の形態では、白色光源
１として、１５０ワット、アーク長５ｍｍのメタルハラ
イドランプを用いている。白色光源１としては、上記メ
タルハライドランプ以外に、例えばハロゲンランプやキ
セノンランプ等を用いることができる。

【００３６】白色光源１の背面には、放物面鏡２が設け
られており、白色光源１はこの放物面鏡２の焦点位置に
設置されている。これにより、白色光源１から出射され
た光は放物面鏡２によって反射され、略平行光として液
晶表示素子３を照射することとなる。

【００３７】上記液晶表示素子３として、本実施の形態
では、マトリクス状に配置された矩形画素をスイッチン
グするＴＦＴ（Thin Film Transistor) を備えたアクテ
ィブマトリクス型液晶表示素子を用いている。液晶表示
素子３は、カラーフィルタを持たない白黒タイプのもの
であるが、図２（ａ）に示すように、その複数の画素
（図においては画素開口部を示す）２１…には、Ｒ・Ｇ
・Ｂの各色がそれぞれ割り当てられ、各色毎に対応した
信号により駆動されるようになっている。Ｒ・Ｇ・Ｂの
各色に対応した画素２１…の画素配列は、同図（ｂ）に
示すように、デルタ配列であり、ここでの画素配列ピッ
チは縦横とも１３０μｍ、画素開口部の大きさは縦横と
も９０μｍである。

【００３８】液晶表示素子３の光出射側には、マイクロ
レンズアレイ４が設置されている。本実施の形態では、
マイクロレンズアレイ４として、図２（ｂ）に示すよう
に、球面レンズの外周部が相互に融合した６角形のマイ
クロレンズ４ａが稠密に配列した蜂の巣状の複眼レンズ
が用いられている。そして、マイクロレンズアレイ４
は、一つのマイクロレンズ４ａが図中点線にて囲む一列
に並んだＲ・Ｇ・Ｂの各色に対応した３つの画素２１に
対応するように配置されている。これら点線にて囲んだ
３つの画素２１にて、一つの画素グループが構成され
る。ここでのマイクロレンズアレイ４の焦点距離ｆμ
は、７２０μｍ（ガラス基板中では液晶表示素子３のＴ
ＦＴ基板厚１．１ｍｍに相当）である。

【００３９】尚、上記マイクロレンズアレイ４の製造方
法としては、イオン交換法 Appl.Opt.Vol.21,p.1052(19
84),またはElectron.Lett.Vol.17,p.452(1981) 、膨潤
法（鈴木他、“プラスチックマイクロレンズの新しい作
製法”第２４回微小光学研究会）、熱ダレ法 Zoran D.P
opovic et al. “Technique for monolithic fabricati
on of microlenz arrays”,Appl.Opt.Vol.27,p.1281 (1
988) 、蒸着法（特開昭５５−１３５８０８号公報）、
熱転写法（特開昭６１−６４１５８号公報）、機械加工
法、特開平３−２４８１２５号公報に示されている方法
等が利用できる。

【００４０】マイクロレンズアレイ４の光出射側には、
図１に示すように、フィールドレンズ５と、投影レンズ
６とがこの順に設置されている。フィールドレンズ５
は、マイクロレンズアレイ４の各マイクロレンズ４ａを
通過した各光束を、投影レンズ６の入射瞳位置に集光さ
せる機能を有している。ここでのフィールドレンズ５の
焦点距離ｆγは、１４５ｍｍである。

【００４１】投影レンズ６は、このフィールドレンズ５
により集光された光束を、投影レンズ６の前方に設けら
れたスクリーン９に投影するものであり、その瞳径は、
後述のように設定されている。

【００４２】投影レンズ６の入射瞳位置には、着色手段
であるカラーフィルタ８が配設されている。本実施の形
態では、このカラーフィルタ８として、透過波長域以外
の波長域の光を反射する誘電体ミラーの干渉カラーフィ
ルタを用いている。カラーフィルタ８には、図３に示す
ように、Ｒ・Ｇ・Ｂの各色に応じた３つの色領域８Ｒ・
８Ｇ・８Ｂが形成されている。色領域８Ｒでは約６００
ｎｍ以上の可視光を、色領域８Ｂでは約５００ｎｍ以下
の可視光、色領域８Ｇでは５００ｎｍ〜５７０ｎｍの可
視光を、それぞれ透過するように設定されている。これ
ら色領域８Ｒ・８Ｇ・８Ｂの配置位置の設定について
は、後述する。

【００４３】白色光源１から液晶表示素子３に照射され
た白色光は、液晶表示素子３のＲ・Ｇ・Ｂの各色に応じ
た複数の画素２１…を通過した後、マイクロレンズアレ
イ４に入射し、図６（ａ）に示すように、マイクロレン
ズ４ａにより主光線αを中心として発散角θ１以内の略
平行光に変換される。主光線αとは、画素開口部の中心
とマイクロレンズ４ａの中心とを通る光線であり、発散
角θ１は、画素開口部のエッジとマイクロレンズ４ａの
中心を通る光線βと主光線αのなす角度である。

【００４４】液晶表示素子３の画素２１…を通過した
後、各マイクロレンズ４ａを通過する光束により形成さ
れる像（以下、マイクロレンズ４ａによる像と称する）
は、フィールドレンズ５により入射瞳位置に重ね合わさ
れて画素拡大像を形成する。

【００４５】マイクロレンズ４ａは、液晶表示素子３の
Ｒ・Ｇ・Ｂの各色に応じた３つの画素２１からなる画素
グループにそれぞれ対応して設けられているので、マイ
クロレンズ４ａによる像は、対応する画素グループのＲ
・Ｇ・Ｂの画素２１からの光束による３つの画素像と、
隣接する画素グループに属する画素２１からの光束によ
る画素像を含んでいる。

【００４６】これは、図４（ｂ）に示すように、液晶表
示素子３に入射する光束が、対応するマイクロレンズ４
ａに入射する光と、図中Ｍにて示す一部の光のように、
隣接するマイクロレンズ４ａに入射するものとがあるた
めである。

【００４７】また、マイクロレンズ４ａによる像が投影
レンズ６の入射瞳位置に重ね合わされて形成される拡大
像の拡大率Ｗは、マイクロレンズ４ａの焦点距離がｆ
μ、フィールドレンズ５の焦点距離がｆγとすると、前
述した（１）の式、つまり、Ｗ＝ｆγ／ｆμ …（１）にて求められる。

【００４８】したがって、本実施の形態では、マイクロ
レンズアレイ４が複眼レンズであるので、図５に示すよ
うな、画素２１の相似形をした複数の画素拡大像７…が
形成される。図中、実線にて示す中央のＲ・Ｇ・Ｂの色
に応じた３つの画素拡大像７が、上記したマイクロレン
ズ４ａによる画素２１の像の内の、対応する画素グルー
プのＲ・Ｇ・Ｂの画素２１からの光束による３つの画素
像が重ね合わされたものであり、破線にて示す画素拡大
像７…が、隣接する画素グループに属する画素からの光
束による画素像が重ね合わされたものである。

【００４９】ここでの上記マイクロレンズアレイ４の焦
点距離ｆμは、前述したように７２０μｍであり、フィ
ールドレンズ５の焦点距離ｆγは１４５ｍｍであるの
で、拡大率Ｗは、Ｗ＝ｆγ／ｆμ＝（１４５／０．７２）≒２００となる。したがって、画素拡大像７…の配列ピッチ、及
びその大きさは、画素２１…の画素配列ピッチが縦横と
も１３０μｍ、画素開口部の大きさが縦横とも９０μｍ
であるので、それぞれ２６ｍｍ、１８ｍｍで、投影レン
ズ６の入射瞳位置に結像することとなる。

【００５０】そこで、本実施の形態では、実線にて示す
Ｒ・Ｇ・Ｂの各色に応じた３つ画素拡大像７をその入射
瞳内に収め得るように投影レンズ６の瞳径が設計されて
いる。そして、この実線にて示すＲ・Ｇ・Ｂの各色に応
じた３つ画素拡大像７の形成位置に合わせて、カラーフ
ィルタ８の３つの色領域８Ｒ・８Ｇ・８Ｂが形成されて
いる。

【００５１】上記の構成において、白色光源１から液晶
表示素子３に向かって照射された光は、液晶表示素子３
に設けられたＲ・Ｇ・Ｂの各色が割り当てられた画素２
１…を通過する。このとき、各画素２１…がそれぞれ対
応するＲ・Ｇ・Ｂに色に応じた信号にて駆動されること
で、通過する光の強度が変調される。変調後の光は、マ
イクロレンズアレイ４とフィールドレンズ５を通過し
て、投影レンズ６の入射瞳位置に集光し、投影レンズ６
によりスクリーン９上に投影される。このとき、Ｒ色に
応じた画素２１…を通過した各光束が、投影レンズ６の
入射瞳位置に配されたカラーフィルタ８の色領域８Ｒを
通ることでＲ色に着色され、同様に、Ｇ色に応じた画素
２１…を通過した各光束が、カラーフィルタ８の色領域
８Ｇを通ることでＧ色に着色され、Ｂ色に応じた画素２
１…を通過した各光束が、カラーフィルタ８の色領域８
Ｂを通ることでＢ色に着色され、スクリーン９上にカラ
ー画像が表示される。

【００５２】そして、上記構成の投影型カラー液晶表示
装置の色再現性範囲を、図１３にて示した従来の単板式
（特開平７−１８１４８７号公報）の投影型カラー液晶
表示装置の色再現性範囲と比較した結果、同等以上の範
囲を確保できることが確認された。

【００５３】ところで、前述の図１３に示した従来方式
の投影型カラー液晶表示装置の場合は、マイクロレンズ
アレイ５５が液晶表示素子５７の光入射側に配されてい
るため、投影レンズ６１としては、前述した図６（ａ）
に示すθ１に、同図（ｂ）に示すマイクロレンズ４ａを
通過したＲ・Ｇ・Ｂ光の主光線の傾き角、及び図７に示
すマイクロレンズ４ａの集光角θ３をプラスした角度で
発散する光を受光可能な大口径のレンズが必要であっ
た。

【００５４】これに対し、本実施の形態の投影型カラー
液晶表示装置では、マイクロレンズアレイ４が液晶表示
素子３の光出射側に配されているので、投影レンズ６に
入射する光の発散角は（θ１＋θ２）の範囲内に抑えら
れ、投影レンズ６の小型化が可能となり、ひいてはシス
テムの小型・低コスト化が可能となる。

【００５５】また、ここでもカラーフィルタ８でＲ・Ｇ
・Ｂの各色の分離を行う構成としたが、カラーフィルタ
８は投影レンズ６の入射瞳位置に配され、液晶表示素子
３としてはカラーフィルタを内蔵しない白黒の液晶表示
素子を用いている。したがって、投影画像を明るくする
ために、白色光源１の照度を上げても、従来のカラーフ
ィルタが内付けされた液晶表示素子を用いた構成のよう
に、カラーフィルタの光吸収による発熱や、退色及び光
化学反応生成物による液晶の表示不良といった耐光性の
問題は生じず、必要な明るさを問題なく得ることができ
る。

【００５６】尚、図１３にて示した前述の従来方式の投
影型カラー液晶表示装置の場合は、マイクロレンズアレ
イ５５を液晶表示素子５７の光入射側に設置し、各マイ
クロレンズによって液晶表示素子５７の画素開口部に光
を集光する構成であるので、投影レンズ６１の入射瞳位
置には、フィールドレンズ５８によって液晶表示素子５
７の各画素開口部とマイクロレンズアレイ５５の双方を
通り抜けた光線の角度分布に対応した３原色の像（近似
的にはマイクロレンズの立体的な受光角と相似形であ
る）ができることになるが、これらの３原色の像はマイ
クロレンズが無収差であっても互いにその一部がオーバ
ーラップする。したがって、この像に合わせたカラーフ
ィルタ６２を設置することにより、色純度の低下を低減
することはできるが、この手段だけを用い光源側のダイ
クロイックミラー５４Ｒ・５４Ｇ・５４Ｂを省略すると
実用上十分な色純度は得られないこととなる。

【００５７】これに対し、本実施の形態の投影型カラー
液晶表示装置の構成では、マイクロレンズアレイ４を液
晶表示素子の光出射側に設置するため、フィールドレン
ズ５によって、投影レンズ６の入射瞳位置にはＲ・Ｇ・
Ｂの各色に応じた画素拡大像７…ができる。これらの像
はマイクロレンズ４ａの収差がなければ互いにオーバー
ラップすることなく、完全に分離している。したがっ
て、これらの画素拡大像７…に合わせてカラーフィルタ
８の色領域８Ｒ・８Ｇ・８Ｂを設置するだけで、実用上
十分な色純度のフルカラー画像を表示することができて
いる。

【００５８】しかも、本実施の形態では、カラーフィル
タ８として透過波長域の光以外を反射する誘電体ミラー
を用いたので、カラーフィルタ自体の発熱や退色を防止
でき、信頼性の向上が図れる。そしてこの場合、従来の
液晶表示素子に内付けされたカラーフィルタのようにフ
ァインピッチでのパターニングは必要ないので、誘電体
ミラーを用いても単板式の低コスト化に対するメリット
は何ら損なわれない。

【００５９】尚、カラーフィルタ８としては、その他の
染料カラーフィルタや顔料分散型のカラーフィルタとい
った吸収タイプのカラーフィルタを用いることももちろ
ん可能である。

【００６０】また、本実施の形態の投影型カラー液晶表
示装置では、図３に実線にて示したＲ・Ｇ・Ｂの各色に
応じた３つの画素拡大像７が投影レンズ６の瞳内に収ま
るように投影レンズ６の瞳径を設定したが、図中破線で
表示したその周囲に形成される画素拡大像７…が投影レ
ンズ内に取り込めるように投影レンズ６を設計し、その
位置にもカラーフィルタ８の色領域８Ｒ・８Ｇ・８Ｂを
設けることで、光の利用効率を上げ、明るさを更に向上
できる。

【００６１】〔実施の形態２〕本発明の実施の他の形態
について図８ないし図１０に基づいて説明すれば、以下
の通りである。尚、説明の便宜上、前述の実施の形態１
で示した部材と同じ機能を有する部材には、同一の符号
を付記し、その説明を省略する。

【００６２】本実施の形態の投影型カラー液晶表示装置
は、前述の実施の形態１の投影型カラー液晶表示装置と
同じ光学系を有している。ただ、前述の実施の形態１で
は、画素配列がデルタ配列の液晶表示素子３を用いてい
たのに対して、図８に示すようなストライプ配列の液晶
表示素子３を用いている。したがって、マイクロレンズ
アレイ４は、本実施の形態ではレンチキュラーレンズを
用いている。

【００６３】図８に示すように、レンチキュラーレンズ
は、蒲鉾型のマイクロレンズ４ｂが配列されてなり、各
マイクロレンズ４ｂは、横一列に並んだ３つのＲ・Ｇ・
Ｂの各色が割り当てられた画素２１から構成される画素
グループ（図中、破線にて囲む）の配列方向と直交する
方向にのみ集光機能を有している。

【００６４】画素配列とマイクロレンズアレイ４とは、
液晶表示素子３のＲ・Ｇ・Ｂの各色が割り当てられた複
数の画素２１…の横一列に並ぶＲ・Ｇ・Ｂに対応する３
つの画素２１から構成される画素グループの縦方向に並
ぶもの全てに一つのマイクロレンズ４ｂが対応するよう
に位置合わせされている。

【００６５】この場合、投影レンズ６の入射瞳位置に
は、図９に示すような画素２１が立て方向に引き伸ばさ
れたようなストライプ状の画素拡大像７が、Ｒ・Ｇ・Ｂ
の色に応じて形成される。ここでも、図中破線にて示す
画素拡大像７・７が、対応するマイクロレンズ４ｂに入
射せず、隣接するマイクロレンズ４ｂに入射した光によ
る画素拡大像である。

【００６６】前述の実施の形態１の投影型カラー液晶表
示装置と同様に、投影レンズ６の入射瞳径は、図中実線
にて示すＲ・Ｇ・Ｂに色に応じた３つの画素拡大像７を
その入射瞳内に収め得るように設定されている。

【００６７】また、投影レンズ６の入射瞳位置に配され
たカラーフィルタ８には、図１０に示すように、これら
の３つの画素拡大像７に対応する短冊状の色領域８Ｒ・
８Ｇ・８Ｂが形成されている。

【００６８】そして、上記構成の投影型カラー液晶表示
装置の色再現性範囲を、前述の実施の形態１の投影型カ
ラー液晶表示装置の色再現性範囲と比較した結果、同等
の範囲を確保できることが確認された。

【００６９】また、特に、本実施の形態の投影型カラー
液晶表示装置では、投影レンズ６を液晶表示素子３の上
下方向（レンチキュラーレンズを９０度回転させた場合
は左右方向）に対して移動させても色ずれが発生しな
い。したがって、本実施の形態の投影型カラー液晶表示
装置の構成は、投影レンズ６の位置を上下方向に移動さ
せることにより投影画像の高さをシフトさせる方式（あ
おり）を採用している装置に非常に効果的である。

【００７０】〔実施の形態３〕本発明の実施の他の形態
について、図４、図５、図１１に基づいて説明すれば、
以下の通りである。尚、説明の便宜上、前述の実施の形
態１・２で示した部材と同じ機能を有する部材には、同
一の符号を付記し、その説明を省略する。

【００７１】図１１は、本実施の形態の投影型カラー液
晶表示装置の模試図であり、図にも示すように、本投影
型カラー液晶表示装置は、図１に示した実施の形態１の
投影型カラー液晶表示装置とは、白色光源１と液晶表示
素子３との間に、色分離手段である３種のダイクロイッ
クミラー１０Ｒ・１０Ｇ・１０Ｂが配置されている点が
異なる。

【００７２】白色光源１から出射された光は、その背面
に設置されている放物面鏡２によって反射され、略平行
光に変換される。放物面鏡２の前方には、３種のダイク
ロイックミラー１０Ｒ・１０Ｇ・１０Ｂがそれぞれ異な
る角度で配置されている。ダイクロイックミラー１０Ｒ
・１０Ｇ・１０Ｂは、それぞれＲ・Ｇ・Ｂの各波長帯の
光を選択的に反射し、他は透過する特性を有し、この順
に光軸上に配置されている。これらのダイクロイックミ
ラー１０Ｒ・１０Ｇ・１０Ｂは、周知の多層薄膜コーテ
ィングにより形成される。また、液晶表示素子３の温度
上昇を低減するために、いずれのダイクロイックミラー
も赤外線を透過するよう設計するのがよい。

【００７３】上記ダイクロイックミラー１０Ｒ・１０Ｇ
・１０Ｂは、それぞれが紙面に垂直な方向を回転軸とし
て順次角度θずつ傾いた状態に配置してある。この相対
的な角度θは液晶表示素子３の画素ピッチをＰと、マイ
クロレンズアレイ４の焦点距離をｆμとすると、下式の
ようになる。

【００７４】 θ＝ｔａｎ^-1（Ｐ／ｆμ）／２・・・（２）したがって、実施の形態１と同様の液晶表示素子３及び
マイクロレンズアレイ４を用いているので、前述の式
（２）より、 θ＝ｔａｎ^-1（１３０／７２０）／２≒５度となり、ここでは、ダイクロイックミラー１０Ｒ・１０
Ｇ・１０Ｂは、液晶表示素子３に対してＧの光束を垂直
入射し、Ｒ，Ｂの２光束がそれぞれ±１０度の角度で入
射するように設定されている。

【００７５】このようにダイクロイックミラー１０Ｒ・
１０Ｇ・１０Ｂを配置することにより、液晶表示素子３
の各画素２１…を通過したＲ・Ｇ・Ｂの各光束は、図４
（ａ）に示すように対応するマイクロレンズ４ａに効率
的に入射する。そしてその後、これらの光束はフィール
ドレンズ５を通過後、投影レンズ６に入射し、その入射
瞳位置に画素拡大像７…を形成する。

【００７６】この時、入射瞳位置に形成された画素拡大
像７…は、画素２１を通過した光が対応するマイクロレ
ンズ４ａに効率的に入射しているため、図５に図中実線
にて示す、入射瞳位置の中心近辺に位置する３つのＲ・
Ｇ・Ｂの各色に応じた画素像拡大像７に光のほとんどが
集中する。したがって、実施の形態１と同様の口径の投
影レンズ６を用いた場合、より明るさを改善することが
できる。

【００７７】そして、上記構成の投影型カラー液晶表示
装置の色再現性範囲を、前述の実施の形態１の投影型カ
ラー液晶表示装置の色再現性範囲と比較した結果、同等
の範囲を確保できることが確認され、かつ、その投影画
像の明るさは、同じ投影レンズ６を用いて約２０％も向
上できることが確認された。

【００７８】尚、投影レンズ６の入射瞳位置に設けたカ
ラーフィルタ８によって表示画像の色純度が決まるの
で、照明光の色分離は必ずしも完全でなくてもよく、上
記のようなダイクロイックミラー１０Ｒ・１０Ｇ・１０
Ｂに代えて、回折格子やホログラフィック光学素子を用
いた構成であってもよい。

【００７９】また、マイクロレンズアレイ４として複眼
レンズを用いたが、前述の実施の形態２に示したよう
に、画素配列がストライプ配列の液晶表示素子３を使用
した場合は、レンチキュラーレンズを用いることもでき
る。

【００８０】また、本実施の形態の投影型カラー液晶表
示装置では、従来の特開平４−６０５３８号公報、特開
平７−１８１４８７号公報の各装置とは異なり、入射光
の平行度を制限する必要がないため、入射光の平行度が
悪くなる小型パネルに対して非常に有効である（入射光
の平行度は同じ光源を用いた場合、パネルサイズが小さ
くなるほど悪くなる）。

【００８１】

【発明の効果】以上のように、本発明の請求項１記載の
投影型カラー液晶表示装置は、白色光源と、上記白色光
源からの光束が照射される液晶表示素子と、上記液晶表
示素子の光出射側に設けられ、液晶表示素子における２
以上の所定数の画素からなる画素グループそれぞれに対
応するマイクロレンズからなるマイクロレンズアレイ
と、上記液晶表示素子により変調された光束を投影する
投影レンズと、上記マイクロレンズアレイと投影レンズ
との間に設けられ、投影レンズの入射瞳位置にマイクロ
レンズアレイを通過した光束を集光するフィールドレン
ズと、上記投影レンズの入射瞳位置に設けられ、光束の
進路に対応し、上記画素グループの構成画素数に応じて
空間分割された着色手段とを備えている構成である。

【００８２】本発明の請求項２記載の投影型カラー液晶
表示装置は、上記請求項１の構成において、上記白色光
源と上記液晶表示素子との間に、白色光源からの光束を
上記画素グループの構成画素数に対応した複数の波長域
の光束に分割し、これら複数の波長域の光束を液晶表示
素子に異なる方向から同じ領域に重ねて照射する色分離
手段が設けられている構成である。

【００８３】本発明の請求項３記載の投影型カラー液晶
表示装置は、上記請求項１又は２の構成において、上記
マイクロレンズアレイは、マイクロレンズが画素グルー
プに対して１対１対応した、複眼レンズである構成であ
る。

【００８４】本発明の請求項４記載の投影型カラー液晶
表示装置は、上記請求項１又は２の構成において、上記
マイクロレンズアレイは、マイクロレンズが液晶表示素
子の縦方向又は横方向に配列した複数の画素グループに
対して１つ対応し、画素グループの配列方向と直交する
方向にのみ集光機能を有する、レンチキュラーレンズで
ある構成である。

【００８５】本発明の請求項５記載の投影型カラー液晶
表示装置は、上記請求項１又は２の構成において、上記
着色手段は、１層以上の誘電体よりなる誘電体ミラーで
ある構成である。

【００８６】請求項１の構成により、投影レンズの小型
化が可能となり、システムの小型・低コスト化が図れ
る。また、光源の照度を上げたとしても、従来のカラー
フィルタが内付けされた液晶表示素子を用いる単板式の
ように、カラーフィルタの光吸収による発熱、及び、退
色や光化学反応生成物による液晶の表示不良といった耐
光性が問題とならず、光源を明るくすることで、容易に
必要な明るさを実現できる。

【００８７】また、請求項４に記載のように、レンチキ
ュラーレンズをマイクロレンズアレイとして用いた構成
では、投影レンズを液晶表示素子に対して、レンチキュ
ラーレンズの集光機能を持たない方向に対して移動させ
たとしても色ずれが発生しないため、投影レンズの位置
を上下方向に移動させることにより、投影像の高さをシ
フトさせる方式（あおり）を採用している投影装置にと
って非常に効果的である。

【００８８】さらに、請求項２に記載のように、白色光
源と液晶表示素子との間に、色分離手段を設けること
で、より多くの光を効率よく小口径の投影レンズに入射
させることができ、請求項１の構成よりも、光の利用効
率を向上させることができる。尚、ここでの色分離手段
は、従来の色分離手段に求められたような厳しい色分離
の条件を必要とするものではないので、小型軽量化、低
コスト化を損なうことはない。

【００８９】また、請求項５に記載のように、着色手段
を誘電体ミラーから形成することで、着色手段自体の発
熱や退色を防止でき、信頼性を向上させることができ
る。尚、本発明の構成においては、投影レンズの入射瞳
位置に、画素の拡大像に合わせて色領域が設定されるの
で、従来のようにファインピッチにパターニングする必
要はなく、誘電体ミラーを用いても低コスト化のメリッ
トを何ら損なうものではない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１、２の投影型カラー液晶
表示装置の概略の構成を示す模式図である。

【図２】実施の形態１の投影型カラー液晶表示装置に備
えられた、複眼レンズのマイクロレンズアレイと画素配
列との位置関係を示す説明図である。

【図３】実施の形態１の投影型カラー液晶表示装置に備
えられる投影レンズの入射瞳位置に設けられたカラーフ
ィルタを示す模式図である。

【図４】色分離手段を用いた場合と色分離手段を用いな
い場合の、マイクロレンズへの光の入射状態を示した説
明図である。

【図５】実施の形態１の投影型カラー液晶表示装置に備
えられた投影レンズの入射瞳位置での画素拡大像を示す
模式図である。

【図６】マイクロレンズを通過後の光の広がり角の説明
図である。

【図７】マイクロレンズの集光角の説明図である。

【図８】実施の形態２の投影型カラー液晶表示装置に備
えられた、レンチキュラーレンズのマイクロレンズアレ
イと画素配列の位置関係を示す説明図である。

【図９】実施の形態２の投影型カラー液晶表示装置に備
えられた投影レンズの入射瞳位置での画素拡大像を示す
模式図である。

【図１０】実施の形態２の投影型カラー液晶表示装置に
備えられる投影レンズの入射瞳位置に設けられたカラー
フィルタを示す模式図である。

【図１１】本発明の実施の形態３の投影型カラー液晶表
示装置の概略の構成を示す模式図である。

【図１２】従来技術の投影型カラー液晶表示装置の概略
の構成を示す模式図である。

【図１３】従来技術の他の投影型カラー液晶表示装置の
概略の構成を示す模式図である。

【符号の説明】

１白色光源３液晶表示素子４マイクロレンズアレイ５フィールドレンズ６投影レンズ８カラーフィルタ（着色手段）１０ａダイクロイックミラー（色分離手段）１０ｂダイクロイックミラー（色分離手段）１０ｃダイクロイックミラー（色分離手段）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平６−208112（ＪＰ，Ａ) 特開平８−15686（ＪＰ，Ａ) 特開平８−220656（ＪＰ，Ａ) 特開平８−297327（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02F 1/1335 G02F 1/1335 505 G02F 1/13 505 G03B 21/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】白色光源と、上記白色光源からの光束が照射される液晶表示素子と、上記液晶表示素子の光出射側に設けられ、液晶表示素子
における２以上の所定数の画素からなる画素グループそ
れぞれに対応するマイクロレンズからなるマイクロレン
ズアレイと、上記液晶表示素子により変調された光束を投影する投影
レンズと、上記マイクロレンズアレイと投影レンズとの間に設けら
れ、投影レンズの入射瞳位置にマイクロレンズアレイを
通過した光束を集光するフィールドレンズと、上記投影レンズの入射瞳位置に設けられ、光束の進路に
対応し、上記画素グループの構成画素数に応じて空間分
割された着色手段とを備えていることを特徴とする投影
型カラー液晶表示装置。
【請求項２】上記白色光源と上記液晶表示素子との間
に、白色光源からの光束を上記画素グループの構成画素
数に対応した複数の波長域の光束に分割し、これら複数
の波長域の光束を液晶表示素子に異なる方向から同じ領
域に重ねて照射する色分離手段が設けられていることを
特徴とする請求項１記載の投影型カラー液晶表示装置。
【請求項３】上記マイクロレンズアレイは、マイクロレ
ンズが画素グループに対して１対１対応した、複眼レン
ズであることを特徴とする請求項１又は２記載の投影型
カラー液晶表示装置。
【請求項４】上記マイクロレンズアレイは、マイクロレ
ンズが液晶表示素子の縦方向又は横方向に配列した複数
の画素グループに対して１つ対応し、画素グループの配
列方向と直交する方向にのみ集光機能を有する、レンチ
キュラーレンズであることを特徴とする請求項１又は２
記載の投影型カラー液晶表示装置。
【請求項５】上記着色手段は、１層以上の誘電体よりな
る誘電体ミラーであることを特徴とする請求項１又は２
記載の投影型カラー液晶表示装置。