JP3244078B2 - 反射型液晶表示装置 - Google Patents

反射型液晶表示装置

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JP3244078B2 JP24295199A JP24295199A JP3244078B2 JP 3244078 B2 JP3244078 B2 JP 3244078B2 JP 24295199 A JP24295199 A JP 24295199A JP 24295199 A JP24295199 A JP 24295199A JP 3244078 B2 JP3244078 B2 JP 3244078B2
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裕文 今岡
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は光利用率の高い反射
型液晶表示装置に関する。
【0002】
【従来の技術】低価格で明るく小型な液晶表示装置とし
て、NIKKEI ELECTRONICS 199
5.1.30(no.627)記載の単板式透過型液晶
表示装置が知られている。本従来例に示す液晶表示装置
の概要を図4,図5を用いて説明する。図4は従来例の
液晶表示装置の概略構成を示した説明図である。図4に
おいて、11は光源を、1は色分解系を示し、赤色光の
みを反射するダイクロイックミラーDRと、緑色光のみ
を反射するダイクロイックミラーDGと、青色光のみを
反射するダイクロイックミラーDBの3枚のダイクロイ
ックミラーで構成されている。また、6はマイクロレン
ズアレイを、7は透過型液晶表示素子を、8はフレネル
レンズを、9は投射レンズを、10はスクリーンを示
す。
【0003】光源11からの白色光は色分解系1に入射
すると、色分解系1において特定波長領域の光のみを反
射させるダイクロイックミラーDR,DG,DBによ
り、赤,緑,青の光に分離され、透過型液晶表示素子7
に入射する。ここで、3枚のダイクロイックミラーD
R,DG,DBは平行ではなく、それぞれ所定の角度を
付けて配置している。こうすることで、透過型液晶表示
素子7に入射する赤,緑,青の光をそれぞれ異なった角
度から入射させることができる。
【0004】透過型液晶表示素子7に入射する光は、透
過型液晶表示素子7の前面に配置したマイクロレンズア
レイ6に入射する。マイクロレンズアレイ6は、微小凸
レンズ6′を面状に並べたものである。図5(a),図
5(b)は、マイクロレンズアレイ6を構成する微小凸
レンズ6′と、透過型液晶表示素子7の各画素との対応
を示した説明図である。
【0005】図5(a)において、6′はマイクロレン
ズアレイ6を構成する微小な凸レンズを、5はR,G,
Bの画素を、R,G,Bは透過型液晶表示素子7の赤、
緑、青の各色に対応した画素5a,5b,5cを示して
いる。同図においては、六角形状の微小凸レンズ6′の
各頂点部に対応してR及びBの画素5a,5cが配置さ
れ、微小凸レンズ6′の中心に対応してGの画素5bが
配置されている。且つ、透過型液晶表示素子7上の各画
素はGの画素5bを中心として左側にR画素5a、右側
にB画素5cがくるように配置されている。また、図5
(b)はマイクロレンズアレイ6を構成する微小凸レン
ズ6′の一つと、それに対応するR,G,Bの画素5
a,5b,5cの配置を示している。
【0006】凸レンズ6′に対して垂直に緑の光線を入
射させると、緑の光線はGの画素5bに集光し、微小凸
レンズ6′に対して斜め右上方より青の光線を入射させ
ると、該青の光線はBの画素5cに集光し、また凸レン
ズ6′に対して斜め左上方より赤の光線を入射させる
と、赤の光線はRの画素5aに集光させることができ
る。
【0007】しかしながら、赤,緑,青の光が異なった
角度で透過型液晶表示素子7に入射するために、透過型
液晶表示素子7を出た光は広がってしまう。そこで、図
4に示したようにフレネルレンズ8を設けて光の広がり
を抑え、且つ投射レンズ9の口径を大きくして、広がる
光を全て該投射レンズ9に取り込めるようにし、明るい
映像をスクリーン10に投影可能にしている。
【0008】次に上で説明した透過型液晶表示素子7に
換えて反射型液晶表示素子を用いて反射型液晶表示装置
を構成する場合について説明する。図6はPBS12を
用い、透過型液晶表示素子7に換えて反射型液晶表示素
子を用いて反射型表示装置を構成した例を示す。液晶表
示素子は反射型の素子であり、反射型液晶表示素子3の
画素とマイクロレンズアレイ6の配置は図5と同じであ
る。先ず、図6において1は色分解系を、3は反射型液
晶表示素子を、6はマイクロレンズアレイを、9は投射
レンズを、11は光源を、12は偏光ビームスプリッタ
ー(以下PBSと記す)をそれぞれ示す。
【0009】光源11からの白色光は色分解系1に入射
すると、該色分解系1において特定波長領域の光のみを
反射させるダイクロイックミラーDR,DG,DBによ
り、赤,緑,青の光に分離される。赤,緑,青の光はP
BSにおいて偏光方向の異なるP偏光波とS偏光波に分
離され、P偏光波が反射型液晶表示3に入射し、S偏光
波は図中右方に反射される。ここで、前記3枚のダイク
ロイックミラーDR,DG,DBは平行ではなく、それ
ぞれ所定の角度を付けて配置されているから、反射型液
晶表示素子3に入射する赤,緑,青の光はそれぞれ異な
った角度でマイクロレンズアレ−6に入射することにな
る。
【0010】マイクロレンズアレイ6は、微小凸レンズ
6′を面状に並べたものである。マイクロレンズアレイ
6の微小凸レンズ6′に、異なる入射角度で入射する
赤,緑,青の光は、図5(b)の関係により反射型液晶
表示素子3のそれぞれの色に対応した画素5a,5b,
5cに集光する。そして、反射型液晶表示素子3におい
て映像変調を受け、反射される赤,緑,青の変調光は再
びPBS12に入射する。PBS12では赤,緑,青の
変調光のS偏光波成分のみが反射され、後段の投影レン
ズ9によりスクリーン10に拡大投影される。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、反射型
液晶表示素子3の反射光の該マイクロレンズアレイ6か
らの射出角度は、透過型表示装置における透過型液晶表
示素子7からの射出角度よりも大きく、広がった光線と
なり後述する問題を有している。これを、以下図7を用
いて説明する。
【0012】同図において、反射型液晶表示素子3の画
素とマイクロレンズアレイ6の配置は図5と同じであ
る。図7は該マイクロレンズアレイに対する赤の光線の
入射角度と、赤の光線の該反射型液晶表示素子3におけ
る反射光の該マイクロレンズアレイ6からの射出角度の
関係を示した図である。液晶表示素子として反射型素子
を使用した場合の図5(a)におけるA−A′断面の一
部拡大概略図で示している。
【0013】マイクロレンズアレイ6の微小凸レンズ
6′aに対し、入射角度θ1 で斜めに入射した赤の光
は、反射型液晶表示素子3の赤の画素R5aに集光す
る。そして、画素R5aで反射された赤の光の一部は、
マイクロレンズアレイ6の別の微小凸レンズ6′bより
射出する。この時、該微小凸レンズ6′bの射出光は、
微小凸レンズ6′bの中心を通る光線に平行に射出する
から、その射出角度θ2 は入射角度θ1 より大幅に大き
く、入射光とは異なる角度成分を持つ光束を射出する。
更には、入射光のコーンアングルを考慮すると、微小凸
レンズ6′aに対して垂直に入射する緑の光も、その反
射光は微小凸レンズ6′aに隣接する6個の微小凸レン
ズを通して射出するから、その射出光は様々な角度成分
を持った光束となる。青の光の射出光も同様に入射光と
は異なる角度成分を多く含む。
【0014】一方、反射型表示装置においては一般にP
BS12を使用するが、PBS12は入射光の角度依存
性が強く、様々な角度成分を持つ光束に対してはその性
能を十分に発揮できず、コントラスト比の劣化を招く。
【0015】更にまた、前述したようにマイクロレンズ
アレイ6の射出光の射出角度は、入射角度よりも大きい
広がった光線であり、これは透過型表示装置における透
過型液晶表示素子7からの射出角度よりも大きい。従っ
て、この広がった射出光を全て投射レンズ10に取り込
むためには、透過型表示装置における投射レンズの口径
よりも大きいF1.3からF1.4程度のレンズが必要
で、実現性が極めて難しかった。一方、投射レンズの実
現性を考えF2程度のレンズを用いた場合には、レンズ
周辺の赤,青の光の一部が蹴られ、スクリーン上で色シ
ェーディングが発生するという問題があった。
【0016】
【課題を解決するための手段】本発明の反射型液晶表示
装置は、赤、緑、青の3原色光に対応した各画素を有す
る反射型液晶表示素子と、前記反射型液晶表示素子に入
射する前記3原色光の入射側に配置され、それぞれ異な
る入射角度で入射させた前記3原色光をそれぞれの波長
及び入射角度に応じて回折するホログラムと、このホロ
グラムによって回折された前記3原色光をそれぞれ対応
する前記各画素に集光するホログラムレンズとを積層し
たホログラムレンズアレイとを備え、前記ホログラムレ
ンズアレイは、前記各画素で反射した前記3原色光をそ
の入射方向と同方向に帰還させることを特徴とする。
【0017】
【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施例を図1〜
図3を用いて説明する。図1は本発明の反射型液晶表示
装置の第一実施例を示した概念図である。図1におい
て、1はダイクロイックミラーDR,DG,DBにより
構成された色分解手段を、2はホログラムレンズアレイ
を、3は反射型液晶表示素子を、5a,5b,5cはR
(赤),G(緑),B(青)それぞれの光に対応した画
素を示す。
【0018】光源11からの白色光は色分解系1に入射
すると、色分解系1において特定波長領域の光のみを反
射させるダイクロイックミラーDR,DG,DBによ
り、赤,緑,青の光に分離され、反射型液晶表示素子3
に入射する。ここで、3枚のダイクロイックミラーD
R,DG,DBは平行ではなく、それぞれ所定の角度を
付けて配置している。こうすることで、反射型液晶表示
素子3に入射する赤,緑,青の光をそれぞれ異なった角
度から入射させることができる。
【0019】反射型液晶表示素子3に入射する光は、反
射型液晶表示素子3の前面に配置したホログラムレンズ
アレイ2に入射する。ホログラムレンズアレイ2は、レ
ンズ機能を有する微小ホログラムレンズ2′を面状に並
べたものである。ホログラムレンズ2′に対して垂直に
緑の光線を入射させると、緑の光線はGの画素5bに集
光し、ホログラムレンズ2’に対して斜め右上方より青
の光線を入射させると、青の光線はBの画素5cに集光
し、また該ホログラムレンズ2’に対して斜め左上方よ
り赤の光線を入射させると、赤の光線はRの画素5aに
集光させることができる。
【0020】ホログラムレンズアレイ2は、ガラスまた
はペットフィルム上に塗布された感光材を露光感光して
作成されるものであるから、従来技術のマイクロレンズ
アレイに比べ生産性が高く低価格である。図2は本発明
の反射型液晶表示装置の第二実施例を示した概念図であ
る。図1と異なる点についてのみ説明する。図2におい
て、4はホログラムレンズアレイを示し、光路を一方向
に折り曲げる回折機能を有するホログラム4aと、光線
を集光するレンズ機能とを有するホログラムレンズ4b
の2層構成となっている。
【0021】ホログラムレンズアレイ4に対し、色分離
された赤,緑,青の各光をそれぞれ所定の入射角度で入
射させると、ホログラム4aで前記赤,緑,青の各光は
それぞれの波長及び入射角度に応じて回折され、赤,
緑,青の各光はそれぞれ異なる入射角度で2層目のホロ
グラムレンズ4bに入射する。2層目のホログラムレン
ズ4bにおいて、該赤,緑,青の各光は屈折されそれぞ
れの対応する該画素5a,5b,5cに集光する。
【0022】第一実施例の反射型液晶表示装置は、ホロ
グラムレンズ2′に対する各色の光線の入射角度が小さ
いから、サイズの大きいホログラムレンズ2′に対して
は集光機能を十分に発揮することができるが、ホログラ
ムレンズ2′のサイズが小さくなると回折効率が小さく
なり、レンズ効果がなくなる。それに対して図2の第二
実施例の反射型液晶表示装置は、光路を一方向に大きく
曲げる回折機能を有する1層目のホログラム4aを該2
層目のホログラムレンズ4bの前面に配置しているか
ら、2層目のホログラムレンズ4bに対する各色の光線
の入射角度を大きくすることができ、小さなサイズのホ
ログラムレンズでも回折効率を高くでき、集光効率の高
い稠密な該ホログラムレンズアレイ4を作製できる。
【0023】図3は本発明の反射型液晶表示装置の反射
型液晶表示素子における反射光の該ホログラムレンズア
レイ4からの射出角度を解析したものである。同図の
(a)は第1層目に設けたホログラム4aの干渉縞が斜
め左下がりの場合であり、(b)はその逆でホログラム
4aの干渉縞が斜め右下がりの場合である。
【0024】図3を用いて、反射型液晶表示素子3にお
ける反射光のホログラムレンズアレイからの射出角度に
ついて以下に説明する。特に、画素に対して斜めに入射
する赤の光線に着目して説明する。図3において、実線
は各色の入射光を、破線は赤の光線の反射光を示す。
尚、図3の各色の入射光はホログラムレンズ4bを透過
した集光光線で示している。
【0025】先ず、図3(a)について説明する。R画
素5aにおける赤の光線の反射光の内、R画素5aの法
線に対して左側に反射した赤の光線は、ホログラム4a
の干渉縞が斜め左下がりであるために、ほとんど回折さ
れることなく入射角度と同じ角度でホログラム4aを透
過射出する。一方、R画素5aの法線に対して右側に反
射した赤の光線の内、60%が回折されることなく入射
角度と同じ角度で第1層目のホログラムレンズ4aを透
過射出する。残りの光線の内34%が第2層目のホログ
ラムレンズ4b及びホログラム4aで回折され、青の光
線のホログラムレンズアレイ4への入射方向と同方向に
射出する。
【0026】図3(b)においては(a)とミラー対称
の関係になり、R画素5aの法線に対して左側に反射し
た赤の光線の内、60%が回折されることなく入射角度
と同じ角度で第1層目のホログラムレンズ4aを透過射
出する。残りの光線の内34%が第2層目,第1層目の
ホログラムレンズ4b,4aで回折され、青の光線の2
層ホログラムレンズアレイ4への入射方向と同方向に射
出する。一方、R画素5aの法線に対して右側に反射し
た赤の光線は、ほとんど回折されることなく入射角度と
同じ角度でホログラムを透過射出する。
【0027】図3において、青の光線は赤の光線とミラ
ー対称の関係になるから、図3(a)の青の反射光の光
路は図3(b)の赤の反射光の光路に一致し、図3
(b)の青の反射光の光路は図3(a)の赤の反射光の
光路に一致する。また、緑の光線は該G画素5bに対し
て垂直に入射するから、その反射光は入射方向と同方向
に射出する。
【0028】以上説明したように、反射型液晶表示素子
3の反射光の94%以上が入射光と同方向に帰還するか
ら、従来技術で説明したような光線の広がりは少なく、
反射光のほとんど全てを投射レンズ9で取り込むことが
でき、色シェーディングのない明るい投射映像を得るこ
とができる。以上は、本発明の液晶表示装置への応用例
であるが、本発明の技術は撮像装置や光信号処理装置等
にも適用できるのは言うまでもない。
【0029】
【発明の効果】以上説明してきたように本発明は、赤、
緑、青の3原色光に対応した各画素を有する反射型液晶
表示素子と、前記反射型液晶表示素子に入射する前記3
原色光の入射側に配置され、それぞれ異なる入射角度で
入射させた前記3原色光をそれぞれの波長及び入射角度
に応じて回折するホログラムと、このホログラムによっ
て回折された前記3原色光をそれぞれ対応する前記各画
素に集光するホログラムレンズとを積層したホログラム
レンズアレイとを備え、前記ホログラムレンズアレイ
は、前記各画素で反射した前記3原色光をその入射方向
と同方向に帰還させるようにしたので、反射型液晶素子
の反射光の94%以上を入射光と同方向に帰還させるこ
とができ、従来技術で説明したような光線の広がりは少
なく、反射光のほとんど全てを投射レンズで取り込むこ
とができ、色シェーディングのない明るい投射映像を得
ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の反射型液晶表示装置の第一実施例を示
した概念図。
【図2】本発明の反射型液晶表示装置の第二実施例を示
した概念図。
【図3】本発明の反射型液晶表示装置の反射型液晶表示
素子における反射光の射出角度を説明するための概略説
明図。
【図4】従来技術の透過型液晶表示装置を示した概念
図。
【図5】従来技術の透過型液晶表示装置におけるマイク
ロレンズアレイと液晶表示素子の画素との配置を説明す
るための概略説明図。
【図6】従来技術を反射型液晶表示装置に応用した場合
の概念図。
【図7】従来技術を反射型液晶表示装置に応用した場合
の反射光の射出角度を説明するための概略説明図。
【符号の説明】
1 色分解系(ダイクロイックミラーDR,DG,D
B) 2 ホログラムレンズアレイ 2′ ホログラムレンズ 3 反射型液晶表示素子 4 2層ホログラムレンズアレイ 4a ホログラム 4b 2層目のホログラムレンズ 5 画素 5a R(赤),5b G(緑),5c B(青)の画
素 6 マイクロレンズアレイ 6′ 微小凸レンズ 7 透過型液晶表示素子 8 フレネルレンズ 9 投射レンズ 10 スクリーン 11 光源 12 偏光ビームスプリッター(PBS)
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G03B 33/12 G02B 5/32 G02F 1/1335

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】赤、緑、青の3原色光に対応した各画素を
    有する反射型液晶表示素子と、 前記反射型液晶表示素子に入射する前記3原色光の入射
    側に配置され、それぞれ異なる入射角度で入射させた前
    記3原色光をそれぞれの波長及び入射角度に応じて回折
    するホログラムと、このホログラムによって回折された
    前記3原色光をそれぞれ対応する前記各画素に集光する
    ホログラムレンズとを積層したホログラムレンズアレイ
    とを備え、前記ホログラムレンズアレイは、前記各画素
    で反射した前記3原色光をその入射方向と同方向に帰還
    させることを特徴とする反射型液晶表示装置。
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