JP3629273B2 - カラー表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、カラー表示装置に関し、さらに詳細にはカラー液晶表示装置に関する。
大型のビデオ画像を生成するために、現在の傾向として、投写装置中でアクティブ形液晶マトリックスLCDを使用する方向に向かっている。
カラー画像の投写は、それぞれ三原色成分の一つ、すなわち赤、緑、または青（Ｒ、Ｇ、Ｂ）によって照明される三つのアクティブマトリックスに基づいて、あるいは単一の三色アクティブマトリックス（この場合は色フィルタを備えている）に基づいて実施することができる。
Ｒ、Ｇ、Ｂの色フィルタをスクリーンLCDの構造に組み込むことによって、一つの光源と単一のLCDスクリーンからなる、簡単な設計のカラー画像投写装置、モノバルブ投写装置を作ることができる。
しかしながら、これらの色フィルタが存在すると、LCDスクリーンの有効伝送を三分割するこれらの色フィルタの吸収と空間分布に関係して発光収率が低くなる。
これらの色フィルタを得るためには追加のマスキングレベルを実施する必要があり、また妥当な寸法（対角線が６インチ以上）のカラースクリーンを作成しようと望む場合には、（単色スクリーンと比較して）カラースクリーンの場合に必要な画像素子（ピクセル）の密度を高める必要があるので、このようなスクリーンのコストは、やはり高いままになっている。
これらの欠点を除去するために、色フィルタを、単一の白色光源を基にして赤、緑、青（Ｒ、Ｇ、Ｂ）の色光線を三つの異なる方向に拡散させることのできる回折格子で置き換えた、表示スクリーンが考えられる。したがって、各色範囲の光が実質的にスクリーンのピクセル上に集束するようにするレンズの配列を用いて、モノバルブ投写としても使用できる色フィルタなしの三色スクリーンを作成することが可能になる。各レンズは三色組サブピクセル（Ｒ、Ｇ、Ｂ）を表すドットに対応する。第１図は従来の技術による表示装置を示す。ある範囲を有する光源Ｓが色成分（Ｒ、Ｇ、Ｂ）を含む白色光を発生する。これらの成分は共にコリメータを経て分散格子RCに送られ、分散格子は異なる方向に向いた光線Ｒ、Ｇ、Ｂを発生する。レンズの配列MLCは、これらの光線がアクティブマトリックスLCDのピクセル上に集束するようにする。スポットSR、SG、SBは種々のピクセルにおける光源Ｓの赤、緑、青の画像を表し、したがって光源Ｓから出る光束のすべてをアクティブマトリックスに集中させることができる。マトリックスを出ると、視野レンズＬが、一セットの色ビームを投写光学系POに収束させることができるようにする。しかしながら、この形式の装置で使用されている色分散はビームの水平拡散を発生させ、そのため投写光学系のアパーチャを水平方向に大きくすることが必要となり、この光学系の垂直アパーチャは利用されない。第２図にこの分散を示す。寸法h_L及びl_Lの断面を有するレンズでは、ｐがサブピクセルの二つの中心の間隔を示すものとして、レンズからの画像の各側でｐによる水平拡散が得られる。
投写対物レンズの通常は円形のアパーチャを最適に使用するために、本発明は、一セットの三色組サブピクセルと結合した分散色アレイを投写光学系の形状で使用するのが適当でないという問題に対する最良の解決方法を提供できるようにする表示装置を提案する。
さらに正確には、本発明の主題は、複数の範囲の色成分Ｒ、Ｇ、Ｂを同時に放射する光源Ｓと、軸ｘに沿って整列した一セットの三色組サブピクセルを含む空間光変調器LCDを含み、各三色組がその軸ｘに沿って寸法sp_xを有し、各サブピクセルが表示すべき色成分に対応するという、カラー表示装置であって、さらに光源Ｓと空間光変調器LCDとの間に、
− 異なる方向に沿って種々の色範囲Ｒ、Ｇ、Ｂの光を角度分離する少なくとも一つの色分離器RCと、
− 各色範囲の光を実質的にサブピクセル上に集束させることができる球面レンズアレイMLCとを含み、このレンズアレイが空間光変調器の寸法と実質的に同じ寸法を有し、各レンズが、軸ｘに垂直の軸ｙに沿った寸法をlyとし、軸ｘと軸ｙが空間光変調器によって規定される平面（Px,Py）の軸に対応するとして、寸法Px、Pyによって規定される断面を有し、前記断面が三色組の断面と同じ断面を有し、しかし軸ｘに沿ったその寸法lxが寸法3sp_xより小さいことを特徴とするカラー表示装置である。
本発明による装置では、光変調器を液晶スクリーンとすると有利である。球面レンズアレイMLCを空間光変調器LCDに取り付けることができる。
次に非限定的な例として挙げる説明を読み添付の図面を見れば、本発明はさらによく理解され、その他の利点も明らかになろう。
第１図は、回折格子を使用する従来技術による例示的な表示装置を示す図である。
第２図は、第１図に示すような表示装置における投写光学系の近くの光ビームの拡散を示す略図である。
第3a図、第3b図は、液晶スクリーンの画像素子の例示的な配列を示す図である。
第４図は、本発明による例示的な表示装置における「デルタ」構造上でのレンズアレイの重ね合せを示す略図である。
第５図は、本発明による例示的な表示装置における三つのビーム、赤、緑、青の照明によって作られる、レンズからの画像の重ね合せを示す図である。
アクティブマトリクスLCDを使用する表示装置において、三つのサブピクセル（Ｒ、Ｇ、Ｂ）の一セットで白色ピクセルＤが定義でき、このセットを一般にドットと呼ぶ。したがって第3a図と第3b図は、ドット内の例示的な色の分布を示すものである。第3a図は、同一の色のピクセルが垂直方向に沿って整列している配置（「ストライプ」構成）を示す。第3b図は、同一の色のピクセルが傾斜した方向に沿って整列しているが、互いに接触してはいない配置を示す。「デルタ」構造とも呼ばれるこの構成では、三原色は五の目型にレイアウトされ、二行を使用して一連の白色点を定義する。第3a図ではこれと異なり、一行が一連の白色点に対応する。
この「デルタ」構成は、第3a図と第3b図を比較して図示されているものと同じ画像解像度を得るために「ストライプ」形構成で使用される白色点の数をＮとする時に、アクティブマトリクスの同じ面積で、N/2個の白色点の使用を可能にする点で特に有利である。さらに、いわゆる「デルタ」構造は、光源の円形画像の形状により良く適合する形状を有する原色サブピクセルをもたらす。実際に、同じ行方向及び列方向の空間解像度を得るためには、「ストライプ」形ピクセルは一辺がpsの正方形でなければならない。これは原色ピクセル寸法がps及びps/3であることを意味する。
第3b図に示すような「デルタ」構造においては、「ストライプ」構造に対応する頻度と同じ列方向の空間周波数は、原色サブピクセルの寸法ｈに相当し、行方向の空間周波数は3/2×ｌ（ｌはサブピクセルの他の寸法）に相当する。したがって、「ストライプ」形ピクセルの原色面積はps×ps/3に等しいが、「デルタ」構造では、その原色面積ｈ×ｌはps×3/2psである。後者の構造では、使用される原色サブピクセルはより大きな面積を有し、特に各原色サブピクセルに集束すると考えられる光源の画像の円形形状により良く適合される。
本発明による表示装置の動作原理は、第１図に基づいて正確に説明することができる。
分離器RCの機能は、コリメート光源Ｓの三つのスペクトル成分を角度分離することである。次に三つのスペクトル帯域は三本の軸に沿って各レンズの焦面に集束する。第１図に模式的に示す例では、緑色ビームＧはレンズMLCの焦面に垂直であり、赤Ｒと青Ｂはこの垂直線に関して対称で、入射角θｉを形成する。従って、一方では球面レンズ上の各スペクトル成分の入射角θｉを、他方ではこれらのレンズの焦点距離ｆを適合させることによって、下記の機能を同時に達成することができる。すなわち、
− アクティブマトリックスLCDの平面内に、同じ色によってアドレスされる各サブピクセル列に中心を置いて各色をうまく集束させる。装置の特性（θi,f）は、アクティブマトリックスLCDのサイズ、ピクセルの数、及びドット内のサブピクセルの分布に依存する。
− 原色サブピクセルの寸法より小さな寸法に色帯域が集束されるとき、マトリックスLCDの透過率の利得。この利得の値は、次の各パラメータ、すなわち球面レンズのアパーチャ、光源Esの幾何的広がり、および対角線Ｄによって特徴づけられるマトリックスLCDのサイズに依存する。
分離（RC）機能が、サブピクセルＲ、Ｇ、Ｂの整列方向に垂直に離間している回折格子によって提供されると有利である。
ここで、三つ組として分布したＲ、Ｇ、Ｂサブピクセルを有するLCDスクリーンのサイズに適合した表示装置の例示的実施形態を提案する。
LCDスクリーンの特性は次の通りである。
− 16/9フォーマット、４インチ対角線長、すなわち三つのＲ、Ｇ、Ｂサブピクセルの寸法が125×125/3μm²の場合に、80×60mm²のセル及び125×250/3μm²の原色サブピクセルについて、480行及び640列によって定義される画像。通常のLCD技術によれば、ピクセルの取扱いに必要な線幅は約15μｍである（透明ピクセルの一部分をマスクする線）。
− マイクロレンズは、LCDスクリーンの裏当て板の一つ上に直接作ることができ、第４図に示すようにすることができる。
幾何的広がりE_S＝80mm²−srの光源Ｓを使用して、得られる性能を所定の投写光学系を通過することのできる光束によって比較する。
実際に、光源の幾何的広がりの限界値E_S（max）はLCDスクリーンのサイズに依存する。これは次のように、表示装置の各種パラメータの関数として表される。

ただし、D :インチ単位で表したスクリーンの対角線長、
f :レンズの焦点距離、
φf:ピクセルの有効幅（ピクセルから線幅を引いたもの）
レンズの焦面における光源の画像はサブピクセルの有効幅に等しく、したがってE_S＝E_S（max）であることを考慮すると、ｆを、したがってガラス内の拡張部分ｔ＝ｆ・ｎを決定することができ、この拡張部分ｔはレンズマトリックスと液晶セルとの間の距離に対応する。
こうして、焦点距離ｆを計算することによって、Ｒ、Ｇ、Ｂサブピクセル画像の拡散を考慮して、レンズアレイによって定義されるＲ、Ｇ、Ｂサブピクセル画像をすべて集めるために必要な投写光学系のアパーチャＮを決定することが可能である。
実際に、Ｎ＝t_objective/φobjective（ただし、ｔは投写レンズの拡張部分、φobjectiveは第１図に示す直径）であるので、三つの光束Ｒ、Ｇ、Ｂを集めるのに必要な対物レンズのアパーチャＮを計算することが可能である。また、Ｎ＝t/φ（ただし、φは第５図に示す三つの照明Ｒ、Ｇ、Ｂの拡散の大きさを示す）を相似変換することによっても可能である。この直径φは、寸法250μｍ×（80＋125＋83）μｍあるいはこの場合も385μｍで定義される矩形の対角線長に相当する。
これらの計算を、本発明による表示装置を従来技術による表示装置と比較するため、例示した三つのケースについて行った。これらの結果を表Ｉにまとめて示す。

例示ケース１の結果は、非現実的な形式のレンズと非現実的な形式の対物レンズが得られる（300μｍの裏当て板上のレンズは製造困難）。したがって、この形式の投写装置の光束は著しく限定される。
例示ケース２は、確かに現実的な形式のレンズ（900μｍの裏当て板）であるが、考えるのが困難な大きなアパーチャを有する対物レンズをもたらす。このケースでは、アパーチャＮを大きくするために、より大きな拡張部分を有するレンズを選択する必要がある。したがって、投写光束は限定される。
本発明による例示のケースでは、拡張部分もアパーチャもすべて現実的な値で、これらは大きな光束を通すように決定される。
実際に、900μｍの裏当て板上にマイクロレンズを用いて、エクステントE_S＝80mm²srの150Wランプからの光束を４インチセルに効率的に通過させることは可能である。したがって、300〜400ルーメン程度の射出光束は、アクティブ液晶マトリックスの通常の効率（５％）とセルの外接円に対する面積比（60％）を考慮して、12000ルーメンの初期光束から得られる。
ここで、表IIにケース１、ケース２、及び同じ現実的な投写アパーチャ（Ｎ＝1.5）を有するケース３で得られた性能を挙げるが、この表によって色フィルタを使用するアクティブマトリックスとの比較ができる。

Claims (6)

1. 複数の範囲の色成分（Ｒ、Ｇ、Ｂ）を同時に放射する光源（Ｓ）と、軸ｘに沿って整列した一セットの三色組サブピクセルを含む空間光変調器（LCD）とを含み、サブピクセルの各々が軸ｘに沿った寸法sp_xを有し、各サブピクセルが表示すべき色成分に対応し、ビ ームの水平方向広がりを発生する、カラー表示装置であって、さらに光源（Ｓ）と空間光変調器（LCD）との間に、
   異なる方向に沿って種々の色範囲（Ｒ、Ｇ、Ｂ）の光を角度分離する少なくとも一つの色分離器（RC）と、
   各色範囲の光を実質的にサブピクセル上に集束させることができる球面レンズアレイ（MLC）とを含み、前記レンズアレイが空間光変調器の寸法と実質的に同じ寸法を有し、各レンズは、l _L が、軸ｘに沿った寸法であり、h _L が、軸ｘに垂直な軸ｙに沿った寸法であり、軸ｘと軸ｙが空間光変調器によって規定される平面の軸であるとす ると、寸法l _L 及びh _L によって規定される断面を有し、前記断面が三色組の断面と同じ面積を有するが、軸ｘに沿ったその寸法l _L が寸法3sp_xより小さく、寸法l _L が寸法h _L より小さいことを特徴とするカラー表示装置。
2. 同一の色のサブピクセルが軸ｘに対して傾斜した方向に沿って整列し、且つ隣接しておらず、また各レンズの中心が実質的に同一の色のサブピクセルの中心に対応することを特徴とする請求の範囲第１項に記載のカラー表示装置。
3. レンズの断面が各三色組によって規定される矩形と同じ矩形であるが、平面（Px,Py）内で前記三色組に対して垂直に向いていることを特徴とする請求の範囲第１項または第２項に記載のカラー表示装置。
4. 色分離器（RC）が、感光性物質に工学的に記録することによって得られる位相微細構造コンポーネント（インデッスクまたはリリーフのグレーディング）を含むことを特徴とする請求の範囲第１項から第３項のいずれか一項に記載のカラー表示装置。
5. 空間光変調器（LCD）が液晶スクリーンであることを特徴とする請求の範囲第１項から第４項のいずれか一項に記載のカラー表示装置。
6. レンズアレイ（MLC）が空間光変調器（LCD）に取り付けられていることを特徴とする請求の範囲第１項から第５項のいずれか一項に記載のカラー表示装置。

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