JP3344167B2

JP3344167B2 - 透過型表示装置

Info

Publication number: JP3344167B2
Application number: JP17420995A
Authority: JP
Inventors: 静夫西原
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1995-06-16
Filing date: 1995-06-16
Publication date: 2002-11-11
Anticipated expiration: 2017-11-11
Also published as: JPH095725A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はプロジェクタ等に組み込
まれる透過型表示装置に関する。より詳しくは、マイク
ロレンズを用いた光源光の集光効率改善技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】図８に、従来の単板式のプロジェクタを
示す。光軸１０１に沿って光源１０２、カラー液晶パネ
ル１０３、投射レンズ１０４、スクリーン１０５が順に
配列されている。単板式のプロジェクタでは１枚のカラ
ー液晶パネル１０３が用いられる。このカラー液晶パネ
ル１０３は例えばアクティブマトリクス型であり、個々
の画素に対応してＲ（赤）Ｇ（緑）Ｂ（青）の三原色に
着色されたカラーフィルタが一体的に形成されている。
光源１０２から放射した白色の光源光はカラー液晶パネ
ル１０３を透過した後投射レンズ１０４により拡大投影
され、前方のスクリーン１０５にカラー画像が映し出さ
れる。単板式のプロジェクタでは１枚の液晶パネルのみ
を使用する為、価格的に安いものができる。しかしなが
ら、単板式ではカラーフィルタが形成された液晶パネル
を用いる為、その光吸収があり、スクリーン１０５に映
し出された画像が暗くなるという欠点がある。

【０００３】図９は従来の三板式のプロジェクタを示
す。三板式ではモノクロの液晶パネル２０１〜２０３を
３枚用いている。個々の液晶パネルにはカラーフィルタ
が設けられていない。その代わり、光源２０４から放射
した白色光をダイクロイックミラー及び全反射ミラーを
用いてＲＧＢ三原色成分に分光して対応する液晶パネル
に入射した後、再び三原色成分を混合している。光源２
０４から放射した白色光はダイクロイックミラー２０５
により赤色成分Ｒのみが選択的に反射される。このＲ成
分は全反射ミラー２０６を介して対応する液晶パネル２
０１を透過する。透過したＲ成分はダイクロイックミラ
ー２０７，２０８により他の色成分と混合され、投射レ
ンズ２０９に進入する。一方、ダイクロイックミラー２
０５を通過したＢ成分はダイクロイックミラー２１０に
よりＧ成分から分離され、対応する液晶パネル２０２を
透過する。この後、ダイクロイックミラー２０７，２０
８を介して他の色成分と混合される。最後にダイクロイ
ックミラー２１０を透過したＧ成分は対応する液晶パネ
ル２０３を照射した後、全反射ミラー２１１及びダイク
ロイックミラー２０８を介して他の色成分と混合され
る。この様にして合成されたＲＧＢ三原色成分は投射レ
ンズ２０９を介して前方のスクリーン２１２に拡大投影
される。この様に、三板式では白色光源光をダイクロイ
ックミラー等の組み合わせによりＲＧＢ三原色成分に分
離して、夫々対応する液晶パネルに入射させるので、光
損失がなくスクリーンに投影された画像が明るくなる。
しかも、単板式に使用するカラー液晶パネルと同じ画素
数のモノクロ液晶パネルを使った場合、３枚組み合わせ
る事により解像度は３倍になる。しかしながら、液晶パ
ネルを３枚使うので価格的に不利になる。

【０００４】そこで、モノクロ液晶パネルを１枚使った
単板式で三板式と同等の画像明度を可能にした方式が提
案されており、例えば特開平４−６０５３８号公報に開
示されている。この方式はカラーフィルタを備えていな
いモノクロ液晶パネルを用いるので「カラーフィルタレ
ス方式」と呼ばれる。図１０にカラーフィルタレス方式
のプロジェクタを模式的に示す。このプロジェクタは光
軸に沿って光源３０１、互いに傾斜角の異なる３枚のダ
イクロイックミラー３０２〜３０４、１枚のモノクロ液
晶パネル３０５、投射レンズ３０６、スクリーン３０７
を順に配列したものである。光源３０１は反射鏡と白色
ランプからなる。ランプから発した白色光はダイクロイ
ックミラー３０２によりＢ成分のみが分離され、所定の
入射角でモノクロ液晶パネル３０５に進入する。Ｒ成分
は次のダイクロイックミラー３０３により選択的に反射
され同じく所定の入射角でモノクロ液晶パネル３０５に
進入する。同様に、Ｇ成分は最後のダイクロイックミラ
ー３０４により選択的に反射され所定の入射角でモノク
ロ液晶パネル３０５に進入する。これらＲＧＢの三原色
成分の間には相対的な角度差が与えられる。一方、モノ
クロ液晶パネル３０５にはＲＧＢ三原色に対応した３個
の画素を１組として、各組に対応するマイクロレンズが
設けられている。所定の角度差を持って入射したＲＧＢ
成分はマイクロレンズによって各々対応する画素に集光
される。対応する画素を透過したＲＧＢ成分は投射レン
ズ３０６を介して合成され、前方のスクリーン３０７に
拡大されたカラー画像が投影される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述したカラーフィル
タレス方式では、予めＲＧＢ三原色成分に相対的な角度
差を持たせ、マイクロレンズを用いて対応する画素に各
色成分を集光させる事を特徴にしている。この為、解像
度を上げるには、マイクロレンズにより三原色成分を完
全に分離して対応する画素に集光させる必要がある。し
かしながら、マイクロレンズには種々の収差が含まれる
為、完全に三原色成分を互いに分離する事は不可能であ
る。従って、実際に色解像度を上げる為には画素の寸法
を大きくとる必要があり、この結果モノクロ液晶パネル
３０５のサイズが大きくなる。液晶パネルのサイズが大
型化するとこれに対応して投射レンズ３０６の口径が大
きくなり、さらにダイクロイックミラーのサイズも大き
なものを使わなければならない。従って、価格が高くな
ると共に、プロジェクタ本体のサイズも大きくなってし
まう。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上述した従来の技術の課
題に鑑み、本発明はカラーフィルタレス方式のプロジェ
クタに搭載可能な小型且つ高精細の透過型表示装置を提
供する事を目的とする。この目的を達成する為に以下の
手段を講じた。

【０００７】即ち、透過型表示装置は基本的な構成とし
て一対の透明基板と、電気光学物質と、光学手段とを備
えている。一対の透明基板は所定の間隙を介して互いに
接合しており、一定のピッチで配列した画素を形成する
電極を備えている。電気光学物質は該間隙に保持され入
射光の透過率を画素毎に変調して出射光に変換する。光
学手段は予め所定の角度差を持って互いに分離した入射
光の三原色成分を各々対応する画素に集光する。特徴事
項として、前記光学手段は微細化された画素の配列ピッ
チと三原色成分の角度差とによって決定される実効距離
だけ画素から入射光側に離間して近接配置されており、
且つこの光学手段は互いに距離ｄだけ離れて光軸方向に
重なった少なくとも二枚で焦点距離がそれぞれｆ１，ｆ
２のマイクロレンズからなり近接した実効距離に応じて
式ｆ＝ｆ１×ｆ２／（ｆ１＋ｆ２−ｄ）に従って短縮化
した合成焦点距離ｆを有する。

【０００８】

【作用】本発明では透過型表示装置の小型化及び高精細
化を図る為、画素の配列ピッチを微細化している。この
為、必然的にマイクロレンズと画素間の光学距離が短縮
化される。この状態で、互いに角度差を持った入射光の
三原色成分を対応する画素に集光する為、マイクロレン
ズの焦点距離を短縮化し、色解像度を高めている。焦点
距離の短縮化の具体的な手段として、複数のマイクロレ
ンズを光軸方向に沿って重ね、その合成焦点距離を短縮
化している。

【０００９】

【実施例】以下図面を参照して本発明の好適な実施例を
詳細に説明する。図１は本発明にかかる透過型表示装置
の第１実施例を示す模式的な部分断面図である。図示す
るように、本透過型表示装置は一対の透明基板１，２を
用いて形成されている。上側の透明基板１と下側の透明
基板２は所定の間隙を介して互いに接合しており、一定
のピッチで配列した画素を形成する電極を備えている。
なお、図示を簡略化する為、三原色成分に対応した３個
の画素Ｂ、画素Ｒ、画素Ｇのみを描いてある。個々の画
素はブラックマトリクス３により互いに分離されてい
る。なお、個々の画素を形成する電極については図示を
省略している。一対の透明基板１，２の間隙には液晶等
の電気光学物質４が保持されており、入射光５の透過率
を画素毎に変調して出射光６に変換する。Ｂ，Ｒ，Ｇ１
組の画素に対応してマイクロレンズ７が設けられてい
る。本例では、このマイクロレンズ７は透明基板１を構
成する積層体の中に組み込まれている。即ち、マイクロ
レンズ７は上側の透明層８と下側の透明層９との間に介
在している。各透明層は例えば石英ガラス等からなる。
マイクロレンズ７は上側の透明層８にエッチングで凹面
をパタニング形成した後、光屈折率ｎのエポキシ樹脂等
を充填する事により形成される。このマイクロレンズ７
は予め所定の角度差ｉを持って互いに分離した入射光５
の三原色成分を各々対応する画素に集光する。図示で
は、Ｂ成分の入射光５のみが示されており、マイクロレ
ンズ７を介して対応する画素Ｂに集光される。これに対
し、図示しないがＲ成分は略垂直入射し、マイクロレン
ズ７を介して対応する画素Ｒに集光される。従って、Ｂ
成分とＲ成分の角度差はｉとなる。この角度差ｉは例え
ば８°に設定される。残りのＧ成分についても所定の角
度差を持って入射しマイクロレンズ７を介して対応する
画素Ｇに集光される。

【００１０】マイクロレンズ７は微細化された画素の配
列ピッチｐとＲＧＢ三原色成分の角度差ｉとによって決
定される光学距離ｔだけ、画素から入射光側に離間して
近接配置されている。本発明の特徴事項として、近接し
た光学距離ｔに応じて屈折率ｎを最適範囲に設定し、マ
イクロレンズ７の焦点距離を短縮化する。具体的には、
２０μｍ以下に設計された画素の配列ピッチｐに対応し
て、マイクロレンズ７の屈折率ｎを１．６０〜１．７０
の最適範囲に設定している。

【００１１】マイクロレンズと画素の間の光学距離ｔは
入射光の角度差ｉ及び画素の配列ピッチｐによって決定
される。その算出方法を以下の数式に示す。ｎ１・ｓｉｎｉ＝ｎ２・ｓｉｎｒｒ＝ｓｉｎ^-1（ｎ１・ｓｉｎｉ／ｎ２）ｔ＝ｐ／ｔａｎｒ上記数式において、ｎ１は空気の屈折率を表わし、ｎ２
は透過型表示装置０を構成する透明基板１，２の屈折率
を表わす。ｉは入射光５の入射角を表わし、ｒは同じく
屈折角を表わす。ｐは画素の配列ピッチを表わし、ｔは
マイクロレンズ７と画素との間の光学距離を表わしてい
る。上記数式から理解される様に、屈折角ｒは屈折率ｎ
１，ｎ２及び入射角（正確には入射角度差）ｉにより決
定される。なお、屈折率ｎ２は透明基板１，２が石英ガ
ラスからなる場合１．４６程度である。次に、図１に示
した幾何学的な関係から明らかな様に、光学距離ｔは屈
折角ｒと画素の配列ピッチｐによって決定される。例え
ば、入射角度差ｉが８°で、画素の配列ピッチｐが２０
μｍの場合、光学距離ｔは２００μｍ程度になる。

【００１２】図２は画素Ｂ，Ｒ，Ｇとマイクロレンズ７
の平面的な関係を示す模式図である。図示する様に、画
素Ｂ，Ｒ，Ｇの１組毎に、マイクロレンズ７が対応して
いる。個々の画素は中央の開口部１０とこれを囲む遮光
部１１とに分かれている。遮光部１１は図１に示したブ
ラックマトリクス７により覆われる。本例では透過型表
示装置は全体として１．３５インチの対角寸法を有し、
画素の配列ピッチは横が１８．８μｍで縦が３５μｍに
設定されている。又、開口部１０の寸法は１５．３×２
０μｍに設定されている。

【００１３】図３は、マイクロレンズ／画素間距離ｔと
実効開口率との関係を示すグラフである。なお、実効開
口率はマイクロレンズに入射した光線のうち、実際に集
光されて画素開口部を通過した割合を表わしている。こ
のグラフはマイクロレンズの光学材料として屈折率が
１．６のエポキシ系樹脂を用いた場合をシミュレートし
たものである。グラフから理解される様に、マイクロレ
ンズ／画素間距離ｔを前述の計算結果に従って２００μ
ｍ程度に設定すると、６０％程度の実効開口率が得られ
る。マイクロレンズを２００μｍよりも画素に近接配置
すると、実効開口率は悪化する。

【００１４】ところで、前述した計算結果に従ってマイ
クロレンズを所定の光学距離ｔだけ画素から離間して配
置しても、このままでは高い実効開口率を得る事はでき
ない。マイクロレンズ／画素間距離ｔに応じてマイクロ
レンズの焦点距離を最適化する必要がある。特に、画素
配列ピッチの微細化に伴ない、光学距離ｔが短縮化した
時、これに応じてマイクロレンズの焦点距離を合わせ込
む必要がある。図４は、マイクロレンズの焦点距離が最
適範囲外にある場合を模式的に表わしている。入射光の
効率的な集光が行なえない為、三原色成分の光スポット
１２は、各々対応する画素の開口部１０よりも拡大して
いる。従って、ブラックマトリクス３により遮断される
光量が増加し、実効開口率が悪い。ブラックマトリクス
３の面に対して三原色成分の各光スポット１２のサイズ
が開口部１０のサイズよりも大きくなっている。これに
より実効開口率が悪化する。この他にも、画素の高精細
化に伴ない、開口部１０のサイズが微細化されると、マ
イクロレンズ７を通過した光の回折により光スポット１
２が広がる為、この影響も大きく出る。さらに、プロジ
ェクタの光源として通常メタルハライドランプ等を使用
しているが、そのアークは点光源ではなく有限長である
ので、表示装置に入射する光線は完全な平行光とならな
い。この事も、光スポット１２のサイズを拡大している
原因となっている。

【００１５】図５は、マイクロレンズ７の焦点距離が最
適範囲内にある場合の状態を表わしている。図示する様
に、三原色成分の光スポット１２のサイズはブラックマ
トリクス３の面上において縮小化されており、略光スポ
ット１２の全体が対応する画素の開口部１０に整合して
いる。従って、図４の状態に比べ実効開口率が大幅に改
善できる。

【００１６】ところで、一般に光学レンズの焦点距離は
屈折率と曲率半径によって決まる。ところが、マイクロ
レンズの場合、図２に示した様にその外径は画素の配列
ピッチによって規制されており、調整の余地がない。即
ち、表示装置に入射する光の利用効率を高める為、隣接
するマイクロレンズ同士が図２のパタンに示す様に配列
されている（Δ配列）。従って、個々のマイクロレンズ
の曲率半径は画素の配列ピッチにより一義的に決まる。
そこで、本発明ではマイクロレンズの屈折率（正確には
マイクロレンズの屈折率と透明基板の屈折率との差）を
調節してレンズ焦点距離を最適化している。図６はマイ
クロレンズの屈折率ｎと実効開口率との関係を示すグラ
フであり、図１に示した光学構成におけるシミュレーシ
ョン結果である。このグラフから明らかな様に、マイク
ロレンズの屈折率を１．６０〜１．７０の範囲に設定す
る事で６０％以上の実効開口率が確保できる。本発明で
はマイクロレンズの屈折率を１．６０よりも大きくする
事により、マイクロレンズの焦点距離を短縮化し、前述
した光学距離ｔに合わせる様にしている。この結果、実
効開口率が上がり、投影画像の輝度がアップする。但
し、マイクロレンズの屈折率を１．７を超えて大きくす
ると、逆に焦点距離が短縮化され過ぎ、実効開口率は悪
化する。最適条件はマイクロレンズとして屈折率が１．
６５程度の光学材料を使った時である事が分かる。この
条件に適合する材料として、例えばＡｌ₂Ｏ₃を用いる
事ができる。この場合、実効開口率は８０％程度に達
し、マイクロレンズによる集光効果が顕著に現われ、色
解像度が大幅に改善する。この様に、マイクロレンズの
屈折率を調整する事により、その焦点距離を最適化で
き、小型高精細の表示装置をカラーフィルタレス方式の
プロジェクタに組み込む事ができる。

【００１７】図７は本発明にかかる透過型表示装置の第
２実施例を示す模式的な部分断面図である。この透過型
表示装置はアクティブマトリクスタイプであり、対向基
板５０と駆動基板５１を一定の間隙を介して互いに接合
したパネル構造を有し、間隙内には電気光学物質として
液晶５２が保持されている。対向基板５０の内面には全
面的に対向電極５３が形成されている。一方駆動基板５
１の内表面には画素電極５４がマトリクス状に配列して
いる。又、個々の画素電極５４を駆動する薄膜トランジ
スタ５５も集積形成されている。画素電極５４と対向電
極５３の間に画素が規定される。個々の画素は対向基板
５０に形成されたブラックマトリクス５６により分離さ
れている。なお、ブラックマトリクス５６は駆動基板５
１側に形成する場合もある。対向基板５０には光学手段
が形成されており、予め所定の角度差を持って互いに分
離した入射光の三原色成分を各々対応する画素に集光す
る。この光学手段は微細化された画素の配列ピッチと三
原色成分の角度差とによって決定される実効距離だけ画
素から入射光側に離間して近接配置されている。具体的
には、この光学手段は互いに光軸方向に重なった２枚の
マイクロレンズ５７，５８からなり、近接した実効距離
に応じて短縮化した合成焦点距離を有する。一方のマイ
クロレンズ５７は上側の透明層５９と中間の透明層６０
との間に挟持されており、その焦点距離はｆ２である。
他方のマイクロレンズ５８は中間の透明層６０と下側の
透明層６１との間に挟持されており、その焦点距離はｆ
１である。一対のマイクロレンズ５７，５８の距離はｄ
に設定されている。即ち、中間の透明層６０の厚みがｄ
となっている。この様に、一対のマイクロレンズ５７，
５８を二層に重ねる構造とする事で、実質的にマイクロ
レンズの焦点距離を短縮化する事ができる。即ち、第１
実施例で示したマイクロレンズの屈折率を高くする方式
と同様の効果が得られる。ここで、マイクロレンズの合
成焦点距離はｆ＝ｆ１×ｆ２／（ｆ１＋ｆ２−ｄ）で与
えられる。例えば、ｆ１を２００μｍとし、ｆ２を２５
０μｍとし、ｄを８５μｍにすると、合成焦点距離ｆは
１３７μｍとなり、夫々のマイクロレンズ５７，５８の
焦点距離よりも短い焦点距離が得られる。なお、マイク
ロレンズを三層以上に重ねる事によっても同様の効果が
得られる。合成焦点距離ｆが短縮化された分、画素の配
列ピッチをさらに微細化可能である。

【００１８】

【発明の効果】以上説明した様に、本発明によれば例え
ば画素の配列ピッチが２０μｍ以下の小型高精細な表示
装置において、マイクロレンズの屈折率を１．６０〜
１．７０の範囲に設計する事で、短焦点距離のマイクロ
レンズを実現し、三原色成分に分かれた入射光の集光効
率を改善している。あるいは、マイクロレンズを多層に
重ねる事で、短焦点距離のマイクロレンズと同等の機能
を実現している。かかる構成を有する表示装置をプロジ
ェクタに用いる事により、プロジェクタ全体のサイズを
小型化でき、コストの低減にも寄与可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる透過型表示装置の第１実施例を
示す模式的な部分断面図である。

【図２】第１実施例の平面形状を示す模式図である。

【図３】実効開口率とマイクロレンズ／画素間距離との
関係を示すグラフである。

【図４】マイクロレンズによる入射光の集光状態を示す
平面図である。

【図５】同じくマイクロレンズによる入射光の集光状態
を示す模式図である。

【図６】実効開口率とマイクロレンズの屈折率との関係
を示すグラフである。

【図７】本発明にかかる透過型表示装置の第２実施例を
示す模式的な部分断面図である。

【図８】従来の単板式プロジェクタを示す模式図であ
る。

【図９】従来の三板式プロジェクタを示す模式図であ
る。

【図１０】従来のカラーフィルタレス方式を採用したプ
ロジェクタを示す模式図である。

【符号の説明】

０透過型表示装置１透明基板２透明基板３ブラックマトリクス４電気光学物質５入射光６出射光７マイクロレンズ１０開口部１１遮光部

───────────────────────────────────────────────────── 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 G02F 1/13 505 G09F 9/00 - 9/46

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】所定の間隙を介して互いに接合しており
且つ一定のピッチで配列した画素を形成する電極を備え
た一対の透明基板と、該間隙に保持され入射光の透過率を画素毎に変調して出
射光に変換する電気光学物質と、予め所定の角度差を持って互いに分離した入射光の三原
色成分を各々対応する画素に集光する光学手段とを有す
る透過型表示装置であって、前記光学手段は、微細化された画素の配列ピッチと三原
色成分の角度差とによって決定される実効距離だけ画素
から入射光側に離間して近接配置されており、且つこの
光学手段は互いに距離ｄだけ離れて光軸方向に重なった
少なくとも二枚で焦点距離がそれぞれｆ１，ｆ２のマイ
クロレンズからなり近接した実効距離に応じて式ｆ＝ｆ
１×ｆ２／（ｆ１＋ｆ２−ｄ）に従って短縮化した合成
焦点距離ｆを有する事を特徴とする透過型表示装置。