JP3331238B2 - 直視型表示装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、表示装置に関し、特に
ビデオカメラに用いられるビューファインダや、バーチ
ャルリアリティーシステムに用いられるスコープなどの
表示手段として適用される直視型表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】本発明に用いられる表示パネルとは、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
ことによって画像や文字を表示する透過型の表示パネル
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、およびＰＬＺＴなどの透光性セラ
ミックがあり、中でも液晶表示パネルは携行用テレビジ
ョン、ワードプロセッサおよびプロジェクタなどに広く
利用されている。

【０００３】液晶表示パネルの画素電極は、マトリクス
状に規則的に配列されて形成される。これらの画素電極
には独立した駆動電圧がそれぞれ印加され、液晶の光学
特性を変化させることによって、画像や文字が表示され
る。各画素電極に独立した駆動電圧を印加する方法に
は、単純マトリクス方式と、非線形２端子素子や３端子
素子を設けたアクティブマトリクス方式とがある。特に
後者は、ＭＩＭ（金属−絶縁体−金属）素子やＴＦＴ
（薄膜トランジスタ）素子などのスイッチング素子と、
画素電極に駆動電圧を供給するための配線電極とを設け
る必要があるため、画素の区画中に占める有効な画素開
口部の面積、すなわち開口率が小さくなる。さらに、前
記スイッチング素子や配線電極が形成された領域に存在
する液晶には、正規の駆動電圧が印加されずに本来の表
示動作が実行されないので、ブラックマトリクスと称さ
れる遮光手段によって前記領域を透過した光が遮断され
る。このような液晶表示パネルでは、ブラックマトリク
スによる遮光部分が縞として観察される。

【０００４】ビデオカメラのビューファインダなどに用
いられる直視型表示装置において、上述したアクティブ
マトリクス駆動を行う場合、画素電極、スイッチング素
子および配線電極を比較的小さい面積に高密度に設ける
必要がある。しかし、前記スイッチング素子や配線電極
は、その電気的性能や製造技術などの制約から、ある程
度以下の大きさに形成することは困難である。したがっ
て、画素のピッチを小さくするほど開口率が小さくなっ
て表示が暗くなるとともに、前述したブラックマトリク
スの遮光部分による縞が目立ち、画像品質が著しく低下
するという問題が生じる。

【０００５】このような開口率の低下に伴う問題を解決
する方法として、マイクロレンズを設けて表示パネルの
各画素電極からの出射光を画素の大きさに拡大すること
が考えられている。たとえば、特開昭６４−３５４１５
号には、平行光束を平行光束に拡大変換するためのテレ
セントリック光学系と、メニスカスマイクロレンズとを
用い、プロジェクタなどに利用されるライトバルブとし
て実現した例が紹介されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ビデオカメラのビュー
ファインダは、表示パネルと接眼レンズとの距離が近
く、表示パネルの上下方向および左右方向の視差が大き
くなる。したがって、前記マイクロレンズを設けると、
マイクロレンズのピッチと表示パネルの画素ピッチとの
光学的なずれが生じ、表示パネルからの出射光がマイク
ロレンズの中心を通らなくなり、いわゆるモアレ縞と称
される縞模様が発生して画像品質が著しく低下するとい
う問題が生じる。

【０００７】前記特開昭６４−３５４１５号では、この
問題を考慮してテレセントリック光学系が使用され、表
示パネルへの入射光としては平行光束が用いられてい
る。しかしながら、ビューファインダでは小型であるこ
とも重要視されるため、限られたスペース内で均一な照
度分布を有し、かつ平行度の高い光束を作ることは困難
である。したがって、冷陰極管などを利用した拡散光源
を使わざるを得なくなり、前記特開昭６４−３５４１５
号に記載されている効果は期待できない。

【０００８】本発明の目的は、視差によって生じる縞模
様をなくし、画像品質が向上した直視型表示装置を提供
することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、入射光を制御
する複数の画素がマトリクス状に配列される透過型の表
示パネルと、前記表示パネルに光を照射する光源と、前
記表示パネルに表示された画像を観察する接眼レンズと
を備える直視型表示装置において、前記表示パネルの接
眼レンズ側表面に、該表示パネルの各画素に対応してマ
イクロレンズを形成し、前記表示パネルの画素が配列さ
れている平面とマイクロレンズが形成されている平面と
の距離をｔとし、前記表示パネル側から接眼レンズを覗
いたときの観察者の虚像と表示パネルの画素が配列され
ている平面との距離をＬとし、前記表示パネルの基板の
屈折率をｎとし、前記表示パネルの画素ピッチをＰ０と
し、前記マイクロレンズのピッチをＰ１としたとき、前
記マイクロレンズのピッチＰ１が、Ｐ１＝Ｐ０・｛１−
ｔ／（ｎ・Ｌ）｝であることことを特徴とする直視型表
示装置である。

【００１０】

【００１１】さらに本発明は、入射光を制御する複数の
画素がマトリクス状に配列される透過型の表示パネル
と、前記表示パネルに光を照射する光源と、前記表示パ
ネルに表示された画像を観察する接眼レンズとを備える
直視型表示装置において、前記表示パネルの接眼レンズ
側表面に、該表示パネルの各画素に対応してマイクロレ
ンズを形成し、前記マイクロレンズの接眼レンズ側に、
該マイクロレンズを透過した光の光軸に対して平行な主
光線が前記接眼レンズに集光するフィールドレンズを配
置したことを特徴とする直視型表示装置である。

【００１２】

【作用】本発明に従えば、表示パネルの接眼レンズ側表
面にマイクロレンズが形成される。前記表示パネルは、
マトリクス状に配列され、入射光を制御する複数の画素
を有し、光源からの照射光を選択的に制御して画像を形
成する。また、前記マイクロレンズは、前記複数の画素
に対応して形成される。したがって、複数の画素電極か
ら出射した光が画素の大きさに拡大されて互いに繋が
り、縞模様がなくなって明るく、かつコントラストが均
一となり、画像品質が向上する。

【００１３】また、前記マイクロレンズのピッチＰ１
は、Ｐ１＝Ｐ０・｛１−ｔ／（ｎ・Ｌ）｝とされる。こ
こで、Ｐ０は表示パネルの画素ピッチであり、ｔは表示
パネルの画素が配列されている平面とマイクロレンズが
形成されている平面との距離である。また、ｎは表示パ
ネルの基板の屈折率であり、Ｌは表示パネル側から接眼
レンズを覗いたときの観察者の虚像と表示パネルの画素
が配列されている平面との距離である。したがって、前
記複数の画素電極から出射した光が互いに繋がるととも
に、マイクロレンズの中心を通るので、表示パネルとマ
イクロレンズとの間において視差によって生じるモアレ
縞をなくして画像品質を向上することができる。

【００１４】また、本発明に従えば、表示パネルの接眼
レンズ側表面にマイクロレンズが形成され、さらにマイ
クロレンズの接眼レンズ側にフィールドレンズが配置さ
れる。前記表示パネルは、マトリクス状に配列され、入
射光を制御する複数の画素を有し、光源からの照射光を
選択的に制御して画像を形成する。前記マイクロレンズ
は、前記複数の画素に対応して形成される。また、前記
フィールドレンズは、前記マイクロレンズから出射した
光の光軸に対して平行な主光線を接眼レンズに集光す
る。したがって、複数の画素電極から出射した光が画素
の大きさに拡大されて互いに繋がり、明るく、かつコン
トラストが均一となる。また、接眼レンズから観察する
観察者は、マイクロレンズから出射した光のうちのほぼ
平行な成分の光のみを観察するので、前記特開昭６４−
３５４１５号で実施される平行光束を用いる必要はな
く、たとえば拡散光源を用いてもモアレ縞のない画像品
質の向上した画像を得ることが可能となる。さらに、液
晶表示装置として用いると、コントラスト比が均一で良
好な表示が実現できる。

【００１５】

【実施例】図１は、本発明の第１の実施例である表示装
置１０の概略的構成を示す側面図である。図１には、表
示装置１０を構成するブラックマトリクス４による遮光
領域４ａをわかりやすくするために、該領域４ａにハッ
チングを記載し、以下に示される図２、図４についても
同様のハッチングを記載した。表示装置１０は、直視型
の表示装置であり、液晶パネル１と、マイクロレンズア
レイ５と、バックライト６と、フィールドレンズ７と、
接眼レンズ８とを含んで構成される。

【００１６】液晶パネル１は透光性を有する基板２，３
を含み、該基板２，３のいずれか一方基板表面に、図示
しない規則的に配列される画素電極と、該画素電極に電
圧を供給する配線電極と、画素電極と配線電極間で印加
電圧のスイッチングを行うＴＦＴなどのスイッチング素
子と、ブラックマトリクス４とが形成されて、他方基板
表面に対向電極が形成され、液晶パネル１では、いわゆ
るアクティブマトリクス駆動が実施される。また、基板
２，３の表面には液晶分子を配向させる配向膜が形成さ
れており、該基板２，３の間には液晶が介在されてい
る。

【００１７】前記ブラックマトリクス４は、画素電極に
電圧を供給する配線電極やスイッチング素子上に存在す
る液晶分子の配向不良によって生じる表示の不均一をな
くするために、これらの領域の透過光を遮断する部材で
あり、該ブラックマトリクス４によって斜線で示される
複数の遮光領域４ａと複数の透過領域４ｂとが形成され
る。このようにして構成される液晶パネル１の対角線方
向の長さは、たとえば２インチ（縦方向長さ３０．５ｍ
ｍ、横方向長さ４０．６ｍｍ）とされる。また、画素ピ
ッチＰ０はたとえば縦方向が４８μｍ、横方向が４８μ
ｍとされ、画素開口部、すなわち透過領域４ｂはたとえ
ば縦方向が２４μｍ、横方向が３６μｍとされる。

【００１８】前記液晶パネル１の基板２の表面２ａ側に
は、拡散光源であるバックライト６が配置される。該バ
ックライト６は、白色光を発する冷陰極管で実現され
る。さらに、液晶パネル１の基板３の表面３ａ上には、
マイクロレンズアレイ５が形成される。該マイクロレン
ズアレイ５は、複数の画素に対応して形成され、かつプ
ラノマイクロレンズで実現される複数のマイクロレンズ
５ａから成る。該マイクロレンズ５ａは、前記複数の透
過領域４ｂから出射した光が互いに繋がるような拡大率
に設計されているので、遮光領域４ａによって生じる縞
模様をなくすことができる。

【００１９】マイクロレンズアレイ５の接眼レンズ８側
には、フィールドレンズ７が配置される。このフィール
ドレンズ７は、前記マイクロレンズアレイ５を通過した
光の光軸に対して平行な主光線を接眼レンズ８に集光す
るように設計されている。

【００２０】表示装置１０においてバックライト６から
発せられた光は、液晶パネル１に入射する。液晶パネル
１に入射した光のうち、複数の遮光領域４ａに入射した
光は、遮断される。一方、複数の透過領域４ｂに入射し
た光は、基板２，３間に存在する液晶分子の配向状態に
従って制御される。液晶パネル１の透過領域４ｂから出
射した光は、マイクロレンズ５ａによって拡大され、互
いの光が繋がる。マイクロレンズアレイ５を通過した光
は、フィールドレンズ７によって該光の光軸に対して平
行な主光線が接眼レンズ８に入射するように屈折する。
観察者９は、接眼レンズ８を介して前記光を観察するの
で、マイクロレンズアレイ５から出射した光のうち、接
眼レンズ８を通過することのできる光、すなわち光軸に
対して平行に近い成分の光のみを観察する。

【００２１】すなわち、観察者９は、液晶パネル１の透
過領域４ｂの１点を個々のマイクロレンズ５ａの大きさ
に拡大して観察する。この観察される１点は、透過領域
４ｂのどの部分でもよい。したがって、マイクロレンズ
アレイ５から出射した光は、光軸に対してある角度範囲
内に分布する。

【００２２】図２は、マイクロレンズアレイ５から出射
した光の拡がり角θを示す図である。基板３の厚さｔを
６００μｍ、屈折率ｎを１．５２とすると、マイクロレ
ンズ５ａの焦点距離は、３９５μｍ（＝６００／１．５
２）となり、画素開口部の拡がり角θは、幾何学的に縦
方向が２．３°（＝２・ｔａｎ^-1｛（２４／２）／６０
０｝）、横方向が３．４°（＝２・ｔａｎ^-1｛（３６／
２）／６００｝）となる。さらに、液晶パネル１側から
接眼レンズ８を覗いたときの観察者９の虚像９ａと、液
晶パネル１の画素が配列されている平面との距離Ｌ１を
１１０ｍｍとし、接眼レンズ８と観察者９との距離Ｌ２
を２０ｍｍとし、液晶パネル１の画素が配列されている
平面と接眼レンズ８との距離Ｌ３を８０ｍｍとすると、
ビューファインダのアイポイントにおけるアイリングの
大きさは、幾何学的に２．９ｍｍ（＝｛２０／（１１０
−８０）｝・２・１１０・ｔａｎ（２．３／２））×
４．４ｍｍ（＝｛２０／（１１０−８０）｝・２・１１
０・ｔａｎ（３．４／２））となる。前記アイリングと
は、接眼レンズから目を離して見たときに接眼レンズの
後ろに見える小さな明るい円の像、すなわち射出瞳のこ
とであり、この射出瞳の位置をアイポイントと呼ぶ。前
記アイリングの大きさは、ビューファインダとして十分
に利用できる値である。

【００２３】以上のように本実施例によれば、表示装置
１０には、マイクロレンズアレイ５と、該マイクロレン
ズアレイ５から出射した光の光軸に対して平行な主光線
が接眼レンズ８に集光するようなフィールドレンズ７と
が設けられる。したがって、遮光領域４ａによって生じ
る縞模様をなくすことができ、表示を明るく、かつコン
トラストを均一にすることができる。また、拡散光源で
あるバックライト６を用いても液晶パネル１とマイクロ
レンズアレイ５との間において視差によって生じるモア
レ縞の発生をなくすことができ、画像品質を向上するこ
とができる。さらに、観察者９は接眼レンズ８を介して
透過領域４ｂの１点を拡大して観察するため、実質的な
開口率が向上して明るい表示を得ることが可能となる。

【００２４】なお、表示装置１０のフィールドレンズ７
と接眼レンズ８とを目的に応じて設計すれば、観察者９
は、任意の場所に任意の大きさの虚像を観察することが
できる。たとえば、接眼レンズ８の焦点距離ｆを６０ｍ
ｍとすれば、図３に示すように、実像Ａは、レンズの結
像の公式、すなわち（１／ｄ１）＋（１／ｄ２）＝１／
ｆによって、接眼レンズ８から、距離ｄ２＝２４０ｍｍ
の位置に、実像Ａに対して約３倍の大きさの虚像Ｂとし
て観察される。ここで、ｄ１は接眼レンズ８と実像Ａと
の距離を表す。また、接眼レンズ８から虚像Ｂまでの距
離ｄ２＝１ｍとなるようにフィールドレンズ７と接眼レ
ンズ８とを設計すれば、約１２．５倍の大きさの虚像Ｂ
を観察することができ、バーチャルリアリティシステム
用のスコープとして利用することが可能となる。

【００２５】図４は、本発明の第２の実施例である表示
装置１１の概略的構成を示す側面図である。本実施例
は、マイクロレンズ１２ａのピッチＰ１の補正を行った
ものである。表示装置１１は、表示装置１０とぼほ同様
の構成であり、液晶パネル１とバックライト６と、接眼
レンズ８と、さらにピッチ補正を行ったマイクロレンズ
アレイ１２とを含んで構成される。

【００２６】液晶パネル１は、第１の実施例と同様にア
クティブマトリクス駆動を行うための画素電極やスイッ
チング素子などが形成された基板２，３の間に液晶を介
在して成り、さらに両基板間には、ブラックマトリクス
４が形成されている。前記液晶パネル１の基板２の表面
２ａ側には、拡散光源であるバックライト６が配置さ
れ、さらに液晶パネル１の基板３の表面３ａ上には、マ
イクロレンズアレイ１２が形成される。該マイクロレン
ズアレイ１２は、複数の画素に対応して形成され、かつ
プラノマイクロレンズで実現される複数のマイクロレン
ズ１２ａから成る。前記マイクロレンズアレイ１２の観
察者９側には接眼レンズ８が配置されている。前記マイ
クロレンズ１２ａには後述するピッチ補正が施されてい
るとともに、複数の透過領域４ｂから出射した光が互い
に繋がるような拡大率に設計されている。

【００２７】表示装置１１の液晶パネル１の画素ピッチ
Ｐ０を４８μｍとし、基板３の厚さｔを６００μｍと
し、基板３の屈折率ｎを１．５２とし、液晶パネル１側
から接眼レンズ８を覗いたときの観察者９の虚像９ａ
と、液晶パネル１の画素が配列されている平面との距離
Ｌ１を１１０ｍｍとすると、マイクロレンズ１２ａのピ
ッチＰ１は、Ｐ１＝Ｐ０・｛１−ｔ／（ｎ・Ｌ）｝とな
り、すなわちマイクロレンズ１２ａのピッチＰ１が４
７．８μｍとなり、液晶パネル１から出射した光がマイ
クロレンズ１２ａの中心を通るように補正される。

【００２８】以上のように本実施例によれば、表示装置
１１にはマイクロレンズアレイ１２が形成され、さらに
該マイクロレンズアレイ１２のマイクロレンズ１２ａの
ピッチＰ１が液晶パネル１から出射した光がマイクロレ
ンズ１２ａの中心を通るように補正される。したがっ
て、遮光領域４ａによって生じる縞模様をなくすことが
でき、表示を明るく、かつコントラストを均一にするこ
とができる。また、拡散光源であるバックライト６を用
いても液晶パネル１とマイクロレンズアレイ１２との間
において視差によって生じるモアレ縞をなくして、画像
品質を向上することができる。

【００２９】なお、第１および第２の実施例では、マイ
クロレンズ５ａ，１２ａとして、プラノマイクロレンズ
を用いる例について説明したけれども、それぞれの実施
例における条件を満たすメニスカスマイクロレンズや両
凸マイクロレンズなどを使用することも本発明の範囲に
属するものである。

【００３０】また、第１および第２の実施例では、液晶
パネル１を用いる例について説明したけれども、エレク
トロクロミックパネルや、ＰＬＺＴなどの透光性セラミ
ックを用いたディスプレイを用いる例も本発明の範囲に
属するものである。

【００３１】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、表示パネ
ルの接眼レンズ側表面に、マイクロレンズが形成され
る。したがって、表示パネルの複数の画素に形成される
画素電極からの出射光が拡大されて互いに繋がり、表示
を明るく、かつコントラストを均一にすることができ
る。また、形成されるマイクロレンズのピッチは、表示
パネルから出射する光がマイクロレンズの中心を通るよ
うに補正される。したがって、前記効果とともに、視差
によって生じるモアレ縞をなくして画像品質を向上する
ことが可能となる。

【００３２】さらに本発明によれば、表示パネルの接眼
レンズ側表面にマイクロレンズが形成され、さらにマイ
クロレンズの接眼レンズ側にフィールドレンズが配置さ
れる。したがって、表示パネルの複数の画素に形成され
る画素電極からの出射光が拡大されて互いに繋がり、表
示を明るく、かつコントラストを均一にすることができ
るとともに、視差によって生じるモアレ縞をなくして画
像品質を向上することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例である表示装置１０の概
略的構成を示す側面図である。

【図２】マイクロレンズアレイ５から出射した光の拡が
り角θを示す図である。

【図３】実像Ａおよび虚像Ｂを示す図である。

【図４】本発明の第２の実施例である表示装置１１の概
略的構成を示す側面図である。

【符号の説明】

１ 液晶パネル ２，３ 基板 ４ ブラックマトリクス ４ａ 遮光領域 ４ｂ 透過領域 ５，１２ マイクロレンズアレイ ５ａ，１２ａ マイクロレンズ ６ バックライト ７ フィールドレンズ ８ 接眼レンズ １０，１１ 表示装置

───────────────────────────────────────────────────── 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

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入射光を制御する複数の画素がマトリク
   ス状に配列される透過型の表示パネルと、 前記表示パネルに光を照射する光源と、 前記表示パネルに表示された画像を観察する接眼レンズ
   とを備える直視型表示装置において、 前記表示パネルの接眼レンズ側表面に、該表示パネルの
   各画素に対応してマイクロレンズを形成し、 前記表示パネルの画素が配列されている平面とマイクロ
   レンズが形成されている平面との距離をｔとし、前記表
   示パネル側から接眼レンズを覗いたときの観察者の虚像
   と表示パネルの画素が配列されている平面との距離をＬ
   とし、前記表示パネルの基板の屈折率をｎとし、前記表
   示パネルの画素ピッチをＰ０とし、前記マイクロレンズ
   のピッチをＰ１としたとき、 前記マイクロレンズのピッチＰ１が、Ｐ１＝Ｐ０・｛１
   −ｔ／（ｎ・Ｌ）｝であることことを特徴とする直視型
   表示装置。
2. 【請求項２】 入射光を制御する複数の画素がマトリク
   ス状に配列される透過型の表示パネルと、 前記表示パネルに光を照射する光源と、 前記表示パネルに表示された画像を観察する接眼レンズ
   とを備える直視型表示装置において、 前記表示パネルの接眼レンズ側表面に、該表示パネルの
   各画素に対応してマイクロレンズを形成し、 前記マイクロレンズの接眼レンズ側に、該マイクロレン
   ズを透過した光の光軸に対して平行な主光線が前記接眼
   レンズに集光するフィールドレンズを配置したことを特
   徴とする直視型表示装置。