JP3586326B2

JP3586326B2 - 透過型表示装置

Info

Publication number: JP3586326B2
Application number: JP30659495A
Authority: JP
Inventors: 俊広福田
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1995-10-31
Filing date: 1995-10-31
Publication date: 2004-11-10
Anticipated expiration: 2015-10-31
Also published as: US5764323A; JPH09127496A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
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、マイクロレンズを利用した光源光の利用効率改善技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１０に示す様に、従来のプロジェクタは、光軸に沿って光源１０１、凸レンズ１０２、液晶パネル１０３、投射レンズ（図示せず）、スクリーン（図示せず）が順に配列されている。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１０１から放射した白色の光源光は凸レンズ１０２で集光された後カラー液晶パネル１０３を透過し、さらに投射レンズにより拡大投影され前方のスクリーンにカラー画像が写し出される。光源１０１と凸レンズ１０２を組み合わせた構造はケーラー照明と呼ばれている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、光源光の利用効率を高める為、液晶パネル１０３には個々の画素に対応してマイクロレンズが形成されている。このマイクロレンズは光源光を画素の開口部に集光して、ブラックマトリクス等により吸収される無駄な光量を削減する為のものである。従来のマイクロレンズはイオン交換法やエッチング法等により作成されていた。イオン交換法はガラスの表面の一点からイオンをガラス内に等方的に拡散して屈折率を局部的に変化させマイクロレンズを形成する。エッチング法はガラスの表面を被覆するレジストの微小開口部からガラスのエッチングを行ない凹球面を形成する。この凹球面にガラスとは屈折率の異なる透明樹脂等を充填してマイクロレンズを形成する。何れにしろ、イオン交換法におけるイオンの拡散やエッチング法におけるガラスのエッチングは等方的に行なわれる為、得られたマイクロレンズは球面形状を有している。この為光源光を集光した場合球面収差の為一点に集束できず、マイクロレンズの効率を落とす事になる。この傾向は液晶パネルへの入射光の傾斜角が大きくなるに従って顕著になる。特に、プロジェクタに一般的に用いられているケーラー照明ではマイクロレンズが殆ど機能していない場合もある。又、この傾向は液晶パネルの小型化及び画素の高精細化が進んだ場合も顕著となる。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上述した従来の技術の課題を解決する為以下の手段を講じた。即ち、本発明にかかる透過型表示装置は基本的な構成として、所定の間隙を介して互いに接合し且つマトリクス状に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束の透過率を画素毎に変調して出射光束に変換する電気光学物質と、非球面形状を有し球面収差が零となる条件で入射光束を画素に集光するマイクロレンズとを備えている。具体的には、前記マイクロレンズは楕円球面形状又は回転双曲面形状を有する。一応用例では、前記マイクロレンズは予め所定の角度差を持って互いに分離した三原色の入射光束を対応する組の三画素に向けて集光する。さらには、互いに対応するマイクロレンズと三画素の組との間に介在するマイクロプリズムを備えており、マイクロレンズの光軸に対して傾斜した入射光束を該光軸に略平行な入射光束に変換する。
【０００５】
本発明ではマイクロレンズを非球面形状とし球面収差が零となる条件で入射光束を画素に集光する。光源からの入射光がマイクロレンズの屈折によってブラックマトリクスや配線パタン等の遮光領域に当たる光を画素の開口部のみに集光する様にしたものである。このマイクロレンズは回転楕円面や回転双曲面等の一部を切り取った非球面形状をしている。これらの非球面形状のマイクロレンズを用いると入射光束は略一点に集光させる事が可能である。更に効率を高める為、前記楕円球面形状のマイクロレンズは出射側に、屈折率ｎ１の材料からなる球面形状のマイクロレンズを備える。あるいは、前記回転双曲面形状のマイクロレンズは、出射側に屈折率ｎ１のガラス材料が張り合わされている。その場合、該マイクロレンズの屈折率ｎ２の出射側材料と、該マイクロレンズの出射側に張り合わされた屈折率ｎ１の該ガラス材料との境界面は、平面もしくは該マイクロレンズの焦点を中心とする球面である。
【０００６】
【発明の実施の形態】
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の（Ａ）は本発明にかかる透過型表示装置の基本的な構成を示す模式的な断面図である。図示する様に、本透過型表示装置は所定の間隙を介して互いに接合し且つマトリクス状に配列した画素を形成する電極を備えた一対の透明基板１，２とで構成されている。上側の透明基板１の内表面にはブラックマトリクス３によって囲まれた画素開口４がマトリクス状に配列している。又、個々の画素開口４に対応してＲＧＢ三原色に分かれて着色されたカラーフィルタ５も形成されている。なお、両透明基板１，２の内表面には透明電極も形成されているが、図を見やすくする為これらは省略している。透明基板１，２の間隙には液晶等の電気光学物質６が保持されており、入射光束７の透過率を画素毎に変調して出射光束８に変換する。上側の透明基板１には個々の画素に対応してマイクロレンズ９が形成されている。このマイクロレンズ９は非球面形状を有し球面収差が零となる条件で入射光束７を画素開口４に集光している。このマイクロレンズ９は例えば楕円球面形状又は回転双曲面形状を有する。
【０００７】
（Ｂ）は回転楕円面を有するマイクロレンズ９の光線追跡図である。楕円球面の場合には入射光束７が略完全に焦点Ｆに集光している事が分かる。
【０００８】
図２は参考として凸球面を有するマイクロレンズ９の光線追跡図を示している。図から理解される様に、凸球面の場合には入射光束７が一点に集光する事はなくある程度の広がりを持ったスポットとなる。
【０００９】
図３を参照して、マイクロレンズに形成される楕円球面のパラメータの設定方法を説明する。図では楕円球面１０を境にして入射側に位置する物質の屈折率をｎ１とし出射側に位置する物質の屈折率をｎ２としている。この場合ｎ１＜ｎ２としている。楕円球面１０の長軸半径をａとし短軸半径をｂとしている。長軸（ｚ軸）に平行な入射光束について考える。短軸（ｙ軸）に平行で距離ａに位置する面上の点Ａから点Ｃを通って焦点Ｆに進む光線を考えた場合、その全光路長ＡＣＦは次の数式１で与えられる。
【数１】

今、点Ｃの座標を（ｚ，ｙ）とすると、ＡＣ＝ａ＋ｚである。又ＣＦは以下の数式２で与えられる。
【数２】

従って、数式１は次の数式３の様に変換できる。
【数３】

この数式３によって表わされる全光路長ＡＣＦが全ての楕円球面上の点Ｃに関し一定となれば入射光束が焦点Ｆに完全に集束する事になる。従って、数式３をｚについて微分すると、以下の数式４で表わされるパラメータの設定条件が得られる。
【数４】

即ち、屈折率のパラメータｎ１，ｎ２と楕円球面のパラメータａ，ｂを上記数式４を満す様に設定すれば良い。
【００１０】
図４はマイクロレンズの他の実施例を示している。このマイクロレンズ構成は屈折率ｎ１のガラス材料１１と、屈折率ｎ２のガラス材料１２と、屈折率ｎ１のガラス材料１３を入射側から出射側に向って順に貼り合わせたものである。ガラス材料１１と１２の境界面Ｓ１は本発明に従って楕円球面となっている。又ガラス材料１２と１３の間の境界面Ｓ２は球面となっている。なおこの球面Ｓ２は焦点Ｆを中心としている。又屈折率はｎ２＞ｎ１である。この様に、ガラス材料１１，１２で構成されたマイクロレンズに貼り合わせたガラス材料１３を球面とする事で無収差条件を得ている。図２に示した楕円球面のマイクロレンズに比べ本例の方が効率的には高くなる。
【００１１】
図５はマイクロレンズの別の実施例を表わしている。（Ａ）に示す様に、入射側から出射側に向って屈折率ｎ１のガラス材料１５、屈折率ｎ２のガラス材料１６、屈折率ｎ１のガラス材料１７が貼り合わされている。この場合屈折率ｎ１＞ｎ２である。ガラス材料１５，１６の間に位置する境界面Ｓ１は回転双曲面である。図４に示した実施例とは屈折率の大小関係が逆になっているので、この回転双曲面Ｓ１の凹凸形状も図４に示した回転楕円面とは逆になっている。又ガラス材料１６，１７の間の境界面Ｓ２は平面である。但し、これに代えて焦点Ｆを中心とする球面にしても良い。
【００１２】
（Ｂ）を参照して回転双曲面におけるパラメータの設定条件を説明する。この設定条件は図３を参照して説明した楕円球面に関するパラメータの設定手順と同様に算出され、その結果は以下の数式５により表わされる。
【数５】

なお、数式５中のパラメータａ，ｂは（Ｂ）に示した回転楕円面の式ｘ^２／ａ^２−ｙ^２／ｂ^２＝１に含まれるものである。
【００１３】
図６はカラーフィルタレス方式でマイクロレンズにより三原色入射光の分割を行なう場合の応用例である。図示する様に透過型表示装置は上側の透明基板２１と下側の透明基板２２と両者の間に保持された液晶２３とを備えている。上側のガラス基板２１の内表面には画素開口２４を規定するブラックマトリクス２５が形成されている。この透過型表示装置は図１に示した例と異なりカラーフィルタを用いる事なくカラー画像を写し出す為カラーフィルタレス方式と呼ばれる。光源（図示せず）の白色光から分離されたＢ成分は所定の入射角で透過型表示装置に進入する。同じく白色光からＲ成分が分離され所定の入射角で透過型表示装置に進入する。同様に、Ｇ成分も白色光から分離され所定の入射角で透過型表示装置に進入する。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、表示装置にはＲＧＢ三原色に対応した３個の画素を一組として、各組に対応するマイクロレンズ２６が設けられている。このマイクロレンズ２６は本発明に従って非球面形状を有している。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２６によって各々対応する画素に集光される。対応する画素を通過したＲＧＢ成分は投射レンズ（図示せず）を介して合成され、前方のスクリーンに拡大されたカラー画像が投影される。マイクロレンズ２６を非球面形状とする事により、ＲＧＢ成分は各々対応する画素に略正確に集光され、混色が生じない。なお、非球面マイクロレンズはカラーフィルタ方式以外にも全ての透過型表示装置に適用できる。
【００１４】
図７は図６に示したカラーフィルタレス方式の発展形を示しており、マイクロレンズによる色分離とマイクロプリズムによる出射方位調整を組み合わせたものである。図示する様に本透過型表示装置は一対の透明基板３１，３２を用いて組み立てられており、両者は所定の間隙を介して互いに接合している。両透明基板３１，３２は互いに対向する内表面に夫々所定の形状にパタニングされた透明電極を備えており、互いに重なり合ってマトリクス状の画素を形成している。なお本例では、各画素は格子状にパタニングされたブラックマトリクス３３によって互いに分離されている。両透明基板３１，３２の間隙には液晶等からなる電気光学物質３４が保持されており、入射光束３５の透過率を画素毎に変調して出射光束３６に変換する。入射側の透明基板３１には本発明に従って非球面形状を有するマイクロレンズ３７とマイクロプリズム３８が一体的に形成されている。具体的にはマイクロレンズ３７の非球面が形成された上側のガラス基材３９とマイクロプリズム３８のプリズム面が形成された下側のガラス基材４０とを接着剤４１で接合して積層型の透明基板３１としている。この接着層４１に沿ってマイクロレンズ３７及びマイクロプリズム３８が形成される。マイクロレンズ３７は予め所定の角度差を持って互いに分離した三原色の入射光束（Ｒ成分、Ｇ成分、Ｂ成分）を、対応する三画素の組４２に向けて集光する。一方、マイクロプリズム３８は互いに対応するマイクロレンズ３７と三画素の組４２との間に介在し、マイクロレンズ３７の光軸に対して傾斜した入射光束を該光軸に略平行な入射光束に変換する。具体的には、マイクロプリズム３８は台形型であり、もともと光軸に平行な第１の入射光束（Ｒ成分）をそのまま直進させる平面部と、一方に傾斜した第２の入射光束（Ｂ成分）を平行化する一方の斜面部と、他方に傾斜した第３の入射光束（Ｇ成分）を平行化する他方の斜面部とを備えている。
【００１５】
本実施例は、カラーフィルタレス方式の単板型プロジェクタに使用する透過型表示装置が小型化及び高精細化された時でも、明るい画面が得られる様にするものである。本実施例の特徴事項はマイクロレンズ３７を非球面にすると共に、その下に屈折面を設けている点である。ここではこの屈折面を上述した様にマイクロプリズム３８と呼んでいる。このマイクロプリズム３８により、マイクロレンズ３７を通過した後に画素に対して斜めに入射したＧ成分及びＢ成分の主光線軸のみが曲げられ、画素に垂直入射したＲ成分の主光線軸は曲げられない。従って、このマイクロプリズム３８により各画素を通過した入射光束の発散角を抑える事ができる。この結果、投射レンズの口径を大きくする事なく、画面の輝度アップが可能になる。即ち、マイクロプリズム３８は投射レンズでの光のケラレを抑える為のものであり、入射光束の発散角が大きい場合には混色等の問題を起すが、集光性の高い非球面マイクロレンズを用いた場合には発散角が大きい入射光束を用いる事が可能となり、より明るいプロジェクタが実現できる。なお、非球面レンズはマイクロプリズムと組み合わせなくても、図６に示した様にカラーフィルタ方式に適用可能であることは勿論である。
【００１６】
図８は、図７に示した透過型表示装置の具体的な構成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型であり、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の内面には透明な対向電極５３が全面的に形成されている。一方駆動基板５１の内面には同じく透明な画素電極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５１側に形成する場合もある。対向基板５０は積層構造を有し、上側の透明基材５９と下側の透明基材６１を中間の透明接着層６０で互いに貼り合わせている。上側の透明基材５９と中間の接着層６０との間に非球面マイクロレンズ５７が形成され、接着層６０と下側の透明基材６１との間に台形マイクロプリズム５８が形成されている。
【００１７】
最後に図９を参照して本発明の特徴構成要素となる非球面マイクロレンズの作成方法の一例を説明する。先ず（Ａ）に示す様に石英もしくはネオセラム等の透明基板７１を用意する。次に（Ｂ）に示す様にエッチング等で透明基板７１の表面を非球面形状に加工する。次に（Ｃ）に示す様に前述したパラメータ設定条件に従って無収差となる様な屈折率を持つ樹脂７２を透明基板７１のエッチングされた表面に塗布する。この樹脂７２は接着剤を兼ねる。続いて（Ｄ）に示す様に、樹脂７２を介してカバーガラス７３を透明基板７１に接合する。最後に（Ｅ）に示す様に、パネルに組み込んだ場合画素開口部が焦点Ｆの位置に整合する様にカバーガラス７３を研磨する。
【００１８】
【発明の効果】
以上説明した様に、請求項１記載の本発明によれば楕円球面形状を有するマイクロレンズであって、この楕円球面の長軸半径を a,短軸半径を b とし、かつこのマイクロレンズの入射側材料の屈折率を n1, 出射側材料の屈折率を n2 ( n1＜n2 )としたときに

を満足する条件で入射光束を画素に集光するマイクロレンズを液晶パネルに搭載するとともに、楕円球面形状のマイクロレンズは出射側に、屈折率 n1 の材料からなる球面形状のマイクロレンズをさらに備えることにより、球面収差をほぼ零で入射光束を画素面に集光することができ、液晶プロジェクタ等の輝度を向上させることができる。さらに請求項２記載の本発明によれば、回転双曲面形状を有するマイクロレンズであって、この双曲面を構成する双曲線のｘ軸との交点の座標を a , この双曲線の漸近線のｘ座標が a のときのＹ座標を b とし、かつこのマイクロレンズの入射側材料の屈折率を n1, 出射側材料の屈折率を n2 ( n1＞n2 )としたときに、

を満足する条件で入射光束を画素に集光するとともに、さらに出射側に屈折率n1のガラス材料が張り合わされているマイクロレンズを液晶パネルに搭載することにより、請求項１記載の発明と同様に、球面収差をほぼ零で入射光束を画素面に集光することができ、液晶プロジェクタ等の輝度を向上させることができる。さらにこのように集光性が高いマイクロレンズを使用することにより、パネル組み立て時の基板重ね合わせ精度のマージンを拡大できる。
【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基本的な構成を示す断面図並びに非球面マイクロレンズの光線追跡図である。
【図２】従来の球面マイクロレンズの光線追跡図である。
【図３】楕円球面マイクロレンズのパラメータ設定条件の説明に供する幾何図である。
【図４】本発明にかかる非球面マイクロレンズの一実施例を示す模式的な断面図である。
【図５】同じく非球面マイクロレンズの他の実施例を示す断面図並びに幾何図である。
【図６】本発明にかかる透過型表示装置の一応用例を示す模式的な断面図である。
【図７】本発明にかかる透過型表示装置のマイクロレンズにマイクロプリズムを組み合わせた実施例を示す模式的な断面図である。
【図８】図７に示した透過型表示装置の具体的な構成例を示す模式的な断面図である。
【図９】本発明の主要構成要素である非球面マイクロレンズの作成方法を示す工程図である。
【図１０】ケーラー照明を備えた従来のプロジェクタの一例を示す模式図である。
【符号の説明】
１透明基板
２透明基板
３ブラックマトリクス
４画素開口
５カラーフィルタ
６電気光学物質
７入射光束
８出射光束
９マイクロレンズ

Claims

所定の間隙を介して互いに接合し且つマトリクス状に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束の透過率を画素毎に変調して出射光束に変換する電気光学物質と、
楕円球面形状を有するマイクロレンズであって、この楕円球面の長軸半径を a,短軸半径を b とし、かつこのマイクロレンズの入射側材料の屈折率を n1, 出射側材料の屈折率を n2 ( n1＜n2 )としたときに

を満足する条件で入射光束を画素に集光するマイクロレンズとを備え、
前記楕円球面形状のマイクロレンズは出射側に、屈折率 n1 の材料からなる球面形状のマイクロレンズをさらに備えてなる透過型表示装置。
所定の間隙を介して互いに接合し且つマトリクス状に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束の透過率を画素毎に変調して出射光束に変換する電気光学物質と、
回転双曲面形状を有するマイクロレンズであって、該双曲面を構成する双曲線のｘ軸との交点の座標を a , この双曲線の漸近線のｘ座標が a のときのＹ座標を b とし、かつこのマイクロレンズの入射側材料の屈折率を n1, 出射側材料の屈折率を n2 ( n1＞n2 )としたときに、

を満足する条件で入射光束を画素に集光するマイクロレンズとを備え、
さらに該マイクロレンズの出射側に屈折率n1のガラス材料が張り合わされている透過型表示装置。
該マイクロレンズの屈折率n2の出射側材料と、該マイクロレンズの出射側に張り合わされた屈折率n1のガラス材料との境界面は、平面もしくは該マイクロレンズの焦点を中心とする球面である請求項２記載の透過型表示装置。