JP3717654B2 - カラー画像表示装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は液晶表示手段（ＬＣＤ：Ｌiquid Ｃrystal Ｄisplay）を用いたＶＳ（Ｖirtual Ｓcreen）型ディスプレイ、ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）、液晶プロジェクター等のカラー画像表示装置、あるいはＬＣＤＴＶ、ノートパソコン、ビデオプロジェクタのファインダ、ナビゲーションシステムの表示装置、リアルプロジェクションＴＶ、フロントプロジェクションＴＶ等に応用されるカラー画像表示装置に関するものであり、特に単板式のカラー表示用ＬＣＤを用い、該ＬＣＤの照明系に特徴を有するカラー画像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶表示手段（ＬＣＤ）を用いたカラー画像表示装置とその照明系に関する技術としては以下のようなものがある。
▲１▼「プロジェクター用光源」東忠利、光学、Vol.25,No.6(June.1996)296-300。
液晶プロジェクターに使われるメタルハライドランプ、ハロゲンランプ、キセノンランプのうち、メタルハラドランプを中心に、直流点灯のメリット、分光分布、輝度分布、寿命特性、発光効率などにつき述べている。また、ハロゲンランプ、キセノンランプ、及び照明用の光学系についても言及している。
▲２▼「バックライトシステム」木村博一、Ｏ＋Ｅ、No.207(Feb.1997)108-114。
ＬＣＤ用バックライトの各種方式について概観した後、ノート型パーソナルコンピューター（ノートＰＣ）用を中心に蛍光ランプを用いた導光体方式と呼ばれるバックライトシステムの技術動向を述べ、最後にこれからのバックライトシステムの技術について述べている。
▲３▼「三洋電機，部品コストが従来比５０％減の背面投射型テレビ開発」NIKKEI ELECTRONICS 1996.10.21(No.674)18-19。
単板式液晶パネルを用いたカラープロジェクタの光源の色分離器として１枚の回折光子を使用したものが述べられている。
▲４▼「画像表示装置」特開平８−７６０７８号公報。
光源と、カラー液晶パネルと、凸レンズとを含んで成り、光源より出射される光を上記カラー液晶パネルに照射して映像を視覚するようにした画像表示装置において、赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の各ＬＥＤ（発光ダイオード）を上記カラー液晶パネルの光軸に略一致するように配設したことが記載されている。または、上記カラー液晶パネルの代わりに白黒液晶パネルを用い、Ｒ，Ｇ，Ｂを時間的に順次点灯し、これに同期して各色に対応する映像信号を面順次点灯する方式が記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ＬＣＤプロジェクタの光源は最近１００Ｗを切る物も出始めたが、上記従来技術の▲１▼に示されているように、１５０Ｗから大きな物では１ＫＷを越える物まで有り、光源の発熱量が大きいため冷却装置が必要であり、その照明系は熱線の除去、色の分割や冷却装置等を含めると、非常に大型で複雑な物になっていた。また、光源の消費電力が大きいうえに冷却用のエネルギー消費が大きいという問題があった。
一方、ノート型パーソナルコンピューターや携帯ＴＶ、ビデオカメラ等の液晶表示装置では、従来技術の▲２▼に示されているバックライトと呼ばれる照明方式が一般的であり、光源としては、冷陰極蛍光ランプが用いられ、１〜１０Ｗ程度の消費電力が普通である。この場合は拡散板や導光板を使用するため発光光の３０％程度しかＬＣＤを照明せず、ＬＣＤはその６％程度しか透過しないので、結局入力電力の１％に満たない光がＬＣＤから出てくるという非常に効率の低い使われ方である。この結果、バックライトの消費電力はＬＣＤモジュール全体の２／３以上を占めてしまう。
【０００４】
従来、単板式ＬＣＤを用いるカラーディスプレイでは、Ｒ，Ｇ，Ｂ情報の表示領域を微細なストライプ状の３領域に分割し、対応する位置にＲ，Ｇ，Ｂのフィルターを配置することによってカラー表示していたが、フィルターによる光の吸収損失が大きく、効率低下の原因となっていた。
これに対して従来技術の▲３▼に示されるように、フィルターを使わずにダイクロイックミラーや回折光子でＲ，Ｇ，Ｂを分ける方式が発表され、効率向上と共にコンパクト化と低コスト化がなされた。しかし消費電力を充分小さくするには至っていない。
【０００５】
そこで登場した方式が発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いる方式である。従来技術の▲４▼の発明では、主としてビデオカメラのファインダやヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）に使われるＬＣＤの照明にＬＥＤを使おうとするものである。この場合は網膜上に像を作るため、光量は非常に少なくて済む。
この従来技術▲４▼の発明では、光源とカラー液晶パネルと凸レンズとで構成され、光源より出射される光を上記カラー液晶パネルに照射して映像を視覚するようにした画像表示装置において、Ｒ，Ｇ，Ｂの各ＬＥＤを上記カラー液晶パネルの光軸に略一致することを特徴としている。または、上記カラー液晶パネルの代わりに白黒液晶パネルを用い、Ｒ，Ｇ，Ｂを時間的に順次点灯し、これに同期して各色に対応する映像信号を面順次点灯する方式を提案している。
しかしながら、このＬＥＤを用いる方式ではなるほど消費電力は極端に小さくなり従来技術▲２▼の１０９頁の表１にもあるように０．１Ｗを切る消費電力で足りそうではあるが、ＬＥＤを光軸上に配置するといっているので、各色に一つづつのＬＥＤを使うことを考えているものと見られる。そしてこの場合、画面が均一に照明されない恐れがある。
【０００６】
本発明は上記従来技術の欠点を解消するためになされたものであって、小型・コンパクトで消費電力が小さく、表示画像の照度分布の均一性の高い、単板式カラーＬＣＤ用のＬＥＤ光源を用いる照明系を備えたカラー画像表示装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るカラー画像表示装置は、赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の３色に対応する３つの画素を一単位のカラー画素として該カラー画素が隣接して２次元的に配列され、Ｒ，Ｇ，Ｂの３色に分割された文字や画像のカラー情報を、空間的に順次３要素に分割して表示する単板式のカラー表示用液晶表示手段（ＬＣＤ）と、この液晶表示手段を照明する照明手段とを有する構成となっている。
そして本発明のカラー画像表示装置では、上記照明手段が、Ｒ，Ｇ，Ｂの３色の発光ダイオード（ＬＥＤ）を一組にして一つの光源単位とし該一組の光源単位を複数個隣接して２次元的に配列してなる発光ダイオード光源アレイ（ＬＥＤＡ）と、該発光ダイオード光源アレイの上記３色の発光ダイオード（ＬＥＤ）を一組にした一つの光源単位に対して一個づつのレンズ単位のコンデンサーレンズが対応するように構成されるコンデンサーレンズアレイ（ＣＬＡ）と、上記３色に分割された液晶表示手段のＲ，Ｇ，Ｂの３画素一組のカラー画素に対して一単位のマイクロレンズが対応するように構成されるマイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）とで構成されることを特徴としている（請求項１）。
【０００８】
また本発明では上記カラー画像表示装置において、上記照明手段のコンデンサーレンズアレイ（ＣＬＡ）を構成するレンズ素子数をＮ、マイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）を構成するレンズ素子数をｎとする時、１０００Ｎ＜ｎであることを特徴としている（請求項２）。
【０００９】
さらに本発明では上記カラー画像表示装置において、上記照明手段の３色の発光ダイオード（ＬＥＤ）の並びのピッチをPs、このピッチがコンデンサーレンズアレイ（ＣＬＡ）に対して張る角度をα、該コンデンサーレンズアレイの構成要素である単位レンズの焦点距離をfc、マイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）の構成要素である単位レンズの焦点距離をfm、液晶表示手段のＲ，Ｇ，Ｂ対応部の画素のピッチをPlとする時、次式がほぼ成り立つことを特徴としている（請求項３）。
Ps／fc＝Pl／fm＝tanα
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明によるカラー画像表示装置の照明光学系の概念を示す図であり、図中の符号１はＬＥＤ光源アレイ（ＬＥＤＡ）、２はコンデンサーレンズアレイ（ＣＬＡ）、３はマイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）、４は液晶表示パネル等の液晶表示手段（ＬＣＤ）である。
【００１１】
ＬＥＤ光源アレイ１は赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の３色のＬＥＤを一組にして一つの光源単位１ａとし該一組の光源単位１ａを複数個隣接して２次元的に配列したものであり、上記３色のＬＥＤ一組が一つの光源単位１ａとしてコンデンサーレンズアレイ２の一単位のコンデンサーレンズ２ａと対応して一体化されている。ＬＥＤ光源アレイ１はコンデンサーレンズアレイ２からその単位レンズ２ａの略焦点距離：fcに相当する距離だけ離れて配置されているため、コンデンサーレンズアレイ２の単位レンズ２ａから射出される光束はほぼ平行光束となる。そして図１では、Ｒ，Ｇ，Ｂの３色のうち中央に位置するＧ色のＬＥＤから出射された光束はコンデンサーレンズアレイ２の単位レンズ２ａの光軸にほぼ平行な平行光束であり、両側のＲ，Ｂ色のＬＥＤから出射された光束は単位レンズ２ａの光軸に対してほぼ角度±α傾いた略平行な平行光束となる。ここにＲ，Ｇ，ＢのＬＥＤの並びのピッチがPsであれば、
Ps＝fc×tanα
となる。
【００１２】
図１から明らかなように、ＬＥＤ光源アレイ１のＲ，Ｇ，ＢのＬＥＤを一組とした光源単位１ａとコンデンサーレンズアレイ２の一単位のコンデンサーレンズ２ａが一体化されてアレイ状に並んでいるから、コンデンサーレンズアレイ２を透過した光束は中央のＧ色がコンデンサーレンズアレイ２の光軸群にほぼ平行な幅の広い光束となる（図１は断面的な表示になっているが、実際は紙面に垂直な方向にもコンデンサーレンズアレイ２が並んでいるため、この光束は面状の平行光束となる）。従って、Ｒ，Ｂ色の光束は図１から予測できるように光軸群に対して図１の上下方向にほぼ角度±α傾いた面状の平行光束になる。
【００１３】
図１においてＬＥＤ光源アレイ１のＲ，Ｇ，Ｂの各色に対応する部分を＋，・，×の各記号で表した場合に、液晶表示手段４は図１のように＋，・，×がそれぞれＲ，Ｇ，Ｂの各色に対応する情報を表示する画素部分に分割されており、実際には紙面の上下方向にストライプ状に連なっている（図１は断面的な表示になっているが、実際にはこのストライプ状に連なった画素配列が紙面に垂直な方向に多数並んだ２次元配列となっている）。これに対してマイクロレンズアレイ３は液晶表示手段４のＲ，Ｇ，Ｂの３画素一組のカラー画素４ａに一単位のマイクロレンズ３ａが対応するようなアレイとなっており、液晶表示手段４からほぼレンズの焦点距離：fmだけ離れて設置されている。従ってＧ色の光束は・の記号で示す画素近傍に焦点を結ぶ。そこで液晶表示手段４のＲ，Ｇ，Ｂ対応部の画素のピッチ：Plを、
Pl＝fm×tanα
としておけば、Ｒ，Ｂ色の光束はそれぞれ＋、×の記号で示す画素近傍に焦点を結ぶことになる。
【００１４】
このようにしてＬＥＤ光源アレイ１とコンデンサーレンズアレイ２が必要な平行性と位置精度で一体化され、マイクロレンズアレイ３と液晶表示手段４が必要な平行性と位置精度で一体化されているので、それら二つのユニット間の組み合わせ精度はそれほど厳しくなくても、液晶表示手段４のＲ，Ｇ，Ｂ情報表示部（Ｒ，Ｇ，Ｂ各色の画素）に対しＬＥＤ光源アレイ１からのＲ，Ｇ，Ｂ光を混信なく供給することができる。液晶表示手段４を出たＲ，Ｇ，Ｂ色の光束はそれぞれがほぼsinαの開口数を有しており、液晶表示手段４の前面でほぼ均一な方向に（図１の例では、Ｒ色の光束は幾分下向きに、Ｂ色の光束は幾分上向きに、そしてＧ色の光束はほとんど上下対称に）射出される。
【００１５】
図１ではＲ，Ｇ，Ｂに対応する光線をそれぞれ破線、実線、一点鎖線で示したが、煩雑さを防ぐため、図面の中央の部分の光線だけを正確に表記した。また、同図の上部ではＲ色の光束中、コンデンサーレンズアレイ２の一単位のコンデンサーレンズ（ＣＬ）２ａの光軸上にあるマイクロレンズアレイ３の一つのマイクロレンズ（ＭＬ）３ａを通る光束が、ＬＥＤを出た後にＣＬで平行化され、ＣＬとＭＬの光軸に対し−αの角度をなしてＭＬに入射し、液晶表示手段４上のＲ色に対応する画素（＋記号）位置に集束した後、発散して行く様子を示している。同様にして同図の中央部ではＧ色の、下部ではＢ色の光束についてＣＬを通過した後の平行化、ＭＬを出た後の集束の様子を示した。
尚、実際にはどのアレイについても同様な形で光束が通っていることは言うまでもない。また、図１では簡略化のため液晶表示手段４を一層で示してあるが、実際には基板、電極、偏光層等を有する多層構成であり、さらにカラー画像表示装置としては、ＬＥＤ光源アレイ１の駆動回路、液晶表示手段４の駆動回路、画像信号処理回路、及びこれらを制御する制御回路、電源回路等を備えた構成であるが、簡略化のため図示を省略してある。また、必要に応じて液晶表示手段４からの射出光を投影するレンズやスクリーン等の表示媒体が設けられるが、これらの図示も省略した。
【００１６】
次に本発明のカラー画像表示装置に対する比較例を図２〜４に示す。
図２は本出願人による先願である特願平９−２２８２４５号の明細書に記載された「プロジェクタ型カラー画像表示装置」の概略構成を示した図である。このプロジェクタ型カラー画像表示装置では、Ｒ，Ｇ，Ｂ各色の光源（ＬＥＤアレイ）１１，１２，１３をそれぞれ３つの平面上に配列し、ダイクロイックプリズム１０で合成して液晶パネル１５に入射すると共に、Ｒ，Ｇ，Ｂを時分割して点灯し色分離をしようとしたものである。また、液晶パネル１５を透過した各色の光は投影レンズ１６によってスクリーン等の表示媒体に投影される。
このカラー画像表示装置では、単板式の液晶パネルを用い、Ｒ，Ｇ，Ｂ各色の光源（ＬＥＤアレイ）を用いているので、画素密度の高い良質のカラー画像を表示でき、面倒な色分解が不要であり、且つ消費電力も少なくてすむが、Ｒ，Ｇ，Ｂの光源をそれぞれ３つの平面上に配列し、ダイクロイックプリズムで合成しているので、これらを配置するスペースが必要であり、コンパクト化の点で難がある。
【００１７】
図３は一般の３板式ＬＣＤプロジェクタの主に照明光学系を示すものであり、投影ランプ２０からの光は３枚のダイクロイックミラー２１でＢ，Ｇ，Ｒの各色の光に分解された後、それぞれに対応する液晶パネル２２を透過し、ダイクロイックプリズム２３で合成されて投影レンズ２４によりスクリーン等の表示媒体に投影される。
このような構成の３板式ＬＣＤプロジェクタの照明光学系では、光源（投影ランプ）としては高出力のメタルハライドランプが使われ、ダイクロイックミラー、ダイクロイックプリズムの使用が必須であるため、複雑、高価で大型化が避けられなかった。また、光源の冷却や消費電力が大きいという問題がある。
【００１８】
図４はカラーフィルターを使わない単板式ＬＣＤプロジェクタの主として照明光学系を示したもので、光源３０からの光は３枚のダイクロイックミラー３１でＲ，Ｇ，Ｂの各色の光に色分解された後、単板式の液晶パネル（ＬＣＤ）３２を透過し、フレネルレンズ３３を介して投影レンズ３４でスクリーン３５上に投影される。
このような構成の単板式ＬＣＤプロジェクタは図３の３板式ＬＣＤプロジェクタに比べ簡素で小型にできるが、光源の出力は図３と同様である。また、この照明方式は３枚のダイクロイックミラーでＲ，Ｇ，Ｂ各色を角度として分離し、吸収の多いカラーフィルターを不要にし、光量アップを図った例であり、実用化されている。しかしダイクロイックミラーで色分解を行うので、色分解のためのスペースが必要であり、また、光源の冷却や消費電力が大きいという問題がある。
【００１９】
上記比較例に対して、図１に示した本発明のカラー画像表示装置では、照明光学系の光源として、Ｒ，Ｇ，Ｂの３色のＬＥＤを一組の光源単位としてこの光源単位を複数隣接して２次元配列したＬＥＤ光源アレイを用いたことにより、色分解用のカラーフィルターやダイクロイックミラーを不要とし、また、図２のような合成用のダイクロイックプリズムも不要であるので、簡素、小型で高効率な照明光学系を実現でき、低消費電力でコンパクトなカラー画像表示装置を提供できる。
【００２０】
【実施例】
次に本発明の具体的な実施例について説明する。
【００２１】
（実施例１）
図１において、ＬＥＤ光源アレイ１の一単位の光源１ａは、例えば素子サイズ２mm×１．２５mmの表面実装タイプのＲ，Ｇ，Ｂ３色のＬＥＤを１．２５mmサイドで密着させて一列に並べて構成すれば、並びのピッチは２．５mmになる。そしてこれをコンデンサーレンズアレイ２の一単位のレンズ２ａと対応させて一体化する。ＬＥＤ光源アレイ１はコンデンサーレンズアレイ２から例えばそのレンズの略焦点距離：fc＝２３．８mmだけ離れて配置されているので、コンデンサーレンズアレイ２の単位レンズから射出される光束はほぼ平行光束となる。この時、Ｇ色の光束はコンデンサーレンズアレイ２の単位レンズの光軸にほぼ平行になり、Ｒ，Ｂ色の光束はその単位レンズの光軸に対してほぼα＝±６度傾いたほぼ平行な光束となる。図１の照明光学系では、Ｒ，Ｇ，Ｂ３色のＬＥＤを一組とした光源一単位とコンデンサーレンズアレイ２の一単位のレンズが一体化されたものがアレイ状に並んでいるから、コンデンサーレンズアレイ２を通過した光束はＧ色がコンデンサーレンズアレイ２の光軸群にほぼ平行な幅の広い面状の平行光束となる。同様にしてＲ，Ｂ色の光束は光軸群に対して図１の上下方向にほぼ角度α＝±６度傾いた幅の広い面状の平行光束になる。コンデンサーレンズアレイ２の単位レンズの大きさは、ＬＥＤの光束発散角、光量及びムラに対する要求に従って異なるが、例えば垂直方向から１０度程度までを使うとして、２×２３．８×sin１０から８mm角程度の大きさが考えられる。
【００２２】
液晶表示手段（ＬＣＤ）４の画素ピッチは型と画素数で大きく変わるが、例えば液晶表示手段としてＲＧＢ縦ストライプ型と同様な１５．１型（対角１５．１インチ）のＳＸＧＡ（カラー画素数：１２８０×１０２４）ＬＣＤを考えると、Ｒ，Ｇ，Ｂ対応部の画素のピッチはPl＝０．０７８mmとなるから、マイクロレンズアレイ３の単位レンズ３ａの焦点距離はfm＝０．７４mmで、大きさが０．２３４mm角になる。従ってこの場合、コンデンサーレンズアレイ２のレンズ数またはＬＥＤ光源アレイ１のＲ，Ｇ，Ｂの組の数はＮ＝３５×２８＝９８０程度とかなり多くなる。また、マイクロレンズアレイ３のレンズ数はｎ＝１２８０×１０２４＝１３１０７２０であり、従ってｎ／Ｎ＝１３３７．５となる。
【００２３】
（実施例２）
図１において、ＬＥＤ光源アレイ１の一単位の光源１ａは、例えば素子サイズ２mm×１．２５mmの表面実装タイプのＲ，Ｇ，Ｂ３色のＬＥＤを１．２５mmサイドで密着させて一列に並べて構成すれば、並びのピッチは２．５mmになる。そしてこれをコンデンサーレンズアレイ２の一単位のレンズ２ａと対応させて一体化する。ＬＥＤ光源アレイ１はコンデンサーレンズアレイ２から例えばそのレンズの略焦点距離：fc＝２３．８mmだけ離れて配置されているので、コンデンサーレンズアレイ２の単位レンズから射出される光束はほぼ平行光束となる。この時、Ｇ色の光束はコンデンサーレンズアレイ２の単位レンズの光軸にほぼ平行になり、Ｒ，Ｂ色の光束はその単位レンズの光軸に対してほぼα＝±６度傾いたほぼ平行な光束となる。図１の照明光学系では、Ｒ，Ｇ，Ｂ３色のＬＥＤを一組とした光源一単位とコンデンサーレンズアレイ２の一単位のレンズが一体化されたものがアレイ状に並んでいるから、コンデンサーレンズアレイ２を通過した光束はＧ色がコンデンサーレンズアレイ２の光軸群にほぼ平行な幅の広い面状の平行光束となる。同様にしてＲ，Ｂ色の光束は光軸群に対して図１の上下方向にほぼ角度α＝±６度傾いた幅の広い面状の平行光束になる。コンデンサーレンズアレイ２の単位レンズの大きさは、ＬＥＤの光束発散角、光量及びムラに対する要求に従って異なるが、例えば垂直方向から１０度程度までを使うとして、２×２３．８×sin１０から８mm角程度の大きさが考えられる。
【００２４】
液晶表示手段（ＬＣＤ）４の画素ピッチは型と画素数で大きく変わるが、例えば液晶表示手段としてＲＧＢ縦ストライプ型と同様な４型（対角４インチ）のＳＶＧＡ（カラー画素数：８００×６００）ＬＣＤを考えると、Ｒ，Ｇ，Ｂ対応部の画素のピッチはPl＝０．０３３mm程度となるから、マイクロレンズアレイ３の単位レンズ３ａの焦点距離はfm＝０．３０mmで、大きさが０．１mm角程度になる。従ってこの場合、コンデンサーレンズアレイ２のレンズ数またはＬＥＤ光源アレイ１のＲ，Ｇ，Ｂの組の数はＮ＝１０×８＝８０程度となる。また、マイクロレンズアレイ３のレンズ数はｎ＝８００×６００＝４８００００であり、従ってｎ／Ｎ＝６０００となる。
【００２５】
（実施例３）
直径５mm程度の比較的大きなＲ，Ｇ，Ｂ３色のＬＥＤを７．５mmピッチで並べる場合、ＬＥＤ光源アレイ１はコンデンサーレンズアレイ２から例えばその単位レンズ２ａの焦点距離：fc＝８０mmだけ離れて配置すれば、コンデンサーレンズアレイ２の単位レンズ２ａから射出される光束はほぼ平行光束となる。この時、Ｇ色の光束はコンデンサーレンズアレイ２の単位レンズの光軸にほぼ平行になり、Ｒ，Ｂ色の光束はその単位レンズの光軸に対してほぼα＝±５度傾いたほぼ平行な光束となる。コンデンサーレンズアレイ２の単位レンズの大きさは、ＬＥＤの光束発散角、光量及びムラに対する要求に従って異なるが、例えば垂直方向から１０度程度までを使うとして、２×８０×sin１０から２８mm角程度の大きさが考えられる。
【００２６】
液晶表示手段（ＬＣＤ）４が実施例２と同じ４型（対角４インチ）のＳＶＧＡ（カラー画素数：８００×６００）ＬＣＤであれば、マイクロレンズアレイ３の単位レンズ３ａの焦点距離はfm＝０．３０mmで、大きさが０．１mm角程度（マイクロレンズアレイのレンズ数はｎ＝８００×６００＝４８００００）である。この場合はコンデンサーレンズアレイ２のレンズ数またはＬＥＤ光源アレイ１のＲ，Ｇ，Ｂの組の数はＮ＝３×２となり、かなり少ないといえる。従ってｎ／Ｎ＝８００００となる。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１のカラー画像表示装置では、照明手段が、Ｒ，Ｇ，Ｂの３色の発光ダイオードを一組にして一つの光源単位とし該一組の光源単位を複数個隣接して２次元的に配列してなる発光ダイオード光源アレイと、該発光ダイオード光源アレイの上記３色の発光ダイオードを一組にした一つの光源単位に対して一個づつのレンズ単位のコンデンサーレンズが対応するように構成されるコンデンサーレンズアレイと、上記３色に分割された液晶表示手段のＲ，Ｇ，Ｂの３画素一組のカラー画素に対して一単位のマイクロレンズが対応するように構成されるマイクロレンズアレイとで構成されるので、従来のＬＣＤプロジェクタ等の画像表示装置に用いられていた色分解用のカラーフィルターやダイクロイックミラーを不要とし、また、色分解された光を合成するようなダイクロイックプリズムも不要であるので、簡素、小型で高効率な照明光学系を実現でき、低消費電力でコンパクトなカラー画像表示装置を提供できる。
【００２８】
請求項２のカラー画像表示装置では、請求項１の構成に加えて、照明手段のコンデンサーレンズアレイを構成するレンズ素子数をＮ、マイクロレンズアレイを構成するレンズ素子数をｎとする時、１０００Ｎ＜ｎであるので、効率良く照明することができ、簡素、小型で高効率な照明光学系を備えた、低消費電力でコンパクトなカラー画像表示装置を提供できる。
【００２９】
請求項３のカラー画像形成装置では、請求項１の構成に加えて、照明手段の３色の発光ダイオードの並びのピッチをPs、このピッチがコンデンサーレンズアレイに対して張る角度をα、該コンデンサーレンズアレイの構成要素である単位レンズの焦点距離をfc、マイクロレンズアレイの構成要素である単位レンズの焦点距離をfm、液晶表示手段のＲ，Ｇ，Ｂ対応部の画素のピッチをPlとする時、
Ps／fc＝Pl／fm＝tanα
の関係が成り立つように構成しているので、発光ダイオード光源アレイとコンデンサーレンズアレイが必要な平行性と位置精度で一体化され、マイクロレンズアレイと液晶表示手段が必要な平行性と位置精度で一体化されるので、これら二つのユニット間の組み合わせ精度がそれほど厳しくなくても、液晶表示部のＲ，Ｇ，Ｂ情報表示部（Ｒ，Ｇ，Ｂに対応する画素）に対して発光ダイオード光源のＲ，Ｇ，Ｂ光を混信なく供給することができる。従って、表示画像の照度分布の均一性が高く、Ｒ，Ｇ，Ｂ光の混信がない、簡素、小型で高効率な照明光学系を備えた、低消費電力でコンパクトなカラー画像表示装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるカラー画像表示装置の照明光学系の概略構成を示す図である。
【図２】本出願人の先願によるカラー画像表示装置の照明光学系の概略構成を示す図である。
【図３】従来の３板式ＬＣＤプロジェクタの照明光学系の構成例を示す図である。
【図４】従来の単板式ＬＣＤプロジェクタの照明光学系の構成例を示す図である。
【符号の説明】
１ ＬＥＤ光源アレイ（ＬＥＤＡ）
１ａ 光源単位
２ コンデンサーレンズアレイ（ＣＬＡ）
２ａ コンデンサーレンズ（ＣＬ）
３ マイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）
３ａ マイクロレンズ（ＭＬ）
４ 液晶表示手段（ＬＣＤ）
４ａ カラー画素（Ｒ，Ｇ，Ｂに対応する３つの画素）
【発明の属する技術分野】
本発明は液晶表示手段（ＬＣＤ：Ｌiquid Ｃrystal Ｄisplay）を用いたＶＳ（Ｖirtual Ｓcreen）型ディスプレイ、ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）、液晶プロジェクター等のカラー画像表示装置、あるいはＬＣＤＴＶ、ノートパソコン、ビデオプロジェクタのファインダ、ナビゲーションシステムの表示装置、リアルプロジェクションＴＶ、フロントプロジェクションＴＶ等に応用されるカラー画像表示装置に関するものであり、特に単板式のカラー表示用ＬＣＤを用い、該ＬＣＤの照明系に特徴を有するカラー画像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶表示手段（ＬＣＤ）を用いたカラー画像表示装置とその照明系に関する技術としては以下のようなものがある。
▲１▼「プロジェクター用光源」東忠利、光学、Vol.25,No.6(June.1996)296-300。
液晶プロジェクターに使われるメタルハライドランプ、ハロゲンランプ、キセノンランプのうち、メタルハラドランプを中心に、直流点灯のメリット、分光分布、輝度分布、寿命特性、発光効率などにつき述べている。また、ハロゲンランプ、キセノンランプ、及び照明用の光学系についても言及している。
▲２▼「バックライトシステム」木村博一、Ｏ＋Ｅ、No.207(Feb.1997)108-114。
ＬＣＤ用バックライトの各種方式について概観した後、ノート型パーソナルコンピューター（ノートＰＣ）用を中心に蛍光ランプを用いた導光体方式と呼ばれるバックライトシステムの技術動向を述べ、最後にこれからのバックライトシステムの技術について述べている。
▲３▼「三洋電機，部品コストが従来比５０％減の背面投射型テレビ開発」NIKKEI ELECTRONICS 1996.10.21(No.674)18-19。
単板式液晶パネルを用いたカラープロジェクタの光源の色分離器として１枚の回折光子を使用したものが述べられている。
▲４▼「画像表示装置」特開平８−７６０７８号公報。
光源と、カラー液晶パネルと、凸レンズとを含んで成り、光源より出射される光を上記カラー液晶パネルに照射して映像を視覚するようにした画像表示装置において、赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の各ＬＥＤ（発光ダイオード）を上記カラー液晶パネルの光軸に略一致するように配設したことが記載されている。または、上記カラー液晶パネルの代わりに白黒液晶パネルを用い、Ｒ，Ｇ，Ｂを時間的に順次点灯し、これに同期して各色に対応する映像信号を面順次点灯する方式が記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ＬＣＤプロジェクタの光源は最近１００Ｗを切る物も出始めたが、上記従来技術の▲１▼に示されているように、１５０Ｗから大きな物では１ＫＷを越える物まで有り、光源の発熱量が大きいため冷却装置が必要であり、その照明系は熱線の除去、色の分割や冷却装置等を含めると、非常に大型で複雑な物になっていた。また、光源の消費電力が大きいうえに冷却用のエネルギー消費が大きいという問題があった。
一方、ノート型パーソナルコンピューターや携帯ＴＶ、ビデオカメラ等の液晶表示装置では、従来技術の▲２▼に示されているバックライトと呼ばれる照明方式が一般的であり、光源としては、冷陰極蛍光ランプが用いられ、１〜１０Ｗ程度の消費電力が普通である。この場合は拡散板や導光板を使用するため発光光の３０％程度しかＬＣＤを照明せず、ＬＣＤはその６％程度しか透過しないので、結局入力電力の１％に満たない光がＬＣＤから出てくるという非常に効率の低い使われ方である。この結果、バックライトの消費電力はＬＣＤモジュール全体の２／３以上を占めてしまう。
【０００４】
従来、単板式ＬＣＤを用いるカラーディスプレイでは、Ｒ，Ｇ，Ｂ情報の表示領域を微細なストライプ状の３領域に分割し、対応する位置にＲ，Ｇ，Ｂのフィルターを配置することによってカラー表示していたが、フィルターによる光の吸収損失が大きく、効率低下の原因となっていた。
これに対して従来技術の▲３▼に示されるように、フィルターを使わずにダイクロイックミラーや回折光子でＲ，Ｇ，Ｂを分ける方式が発表され、効率向上と共にコンパクト化と低コスト化がなされた。しかし消費電力を充分小さくするには至っていない。
【０００５】
そこで登場した方式が発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いる方式である。従来技術の▲４▼の発明では、主としてビデオカメラのファインダやヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）に使われるＬＣＤの照明にＬＥＤを使おうとするものである。この場合は網膜上に像を作るため、光量は非常に少なくて済む。
この従来技術▲４▼の発明では、光源とカラー液晶パネルと凸レンズとで構成され、光源より出射される光を上記カラー液晶パネルに照射して映像を視覚するようにした画像表示装置において、Ｒ，Ｇ，Ｂの各ＬＥＤを上記カラー液晶パネルの光軸に略一致することを特徴としている。または、上記カラー液晶パネルの代わりに白黒液晶パネルを用い、Ｒ，Ｇ，Ｂを時間的に順次点灯し、これに同期して各色に対応する映像信号を面順次点灯する方式を提案している。
しかしながら、このＬＥＤを用いる方式ではなるほど消費電力は極端に小さくなり従来技術▲２▼の１０９頁の表１にもあるように０．１Ｗを切る消費電力で足りそうではあるが、ＬＥＤを光軸上に配置するといっているので、各色に一つづつのＬＥＤを使うことを考えているものと見られる。そしてこの場合、画面が均一に照明されない恐れがある。
【０００６】
本発明は上記従来技術の欠点を解消するためになされたものであって、小型・コンパクトで消費電力が小さく、表示画像の照度分布の均一性の高い、単板式カラーＬＣＤ用のＬＥＤ光源を用いる照明系を備えたカラー画像表示装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るカラー画像表示装置は、赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の３色に対応する３つの画素を一単位のカラー画素として該カラー画素が隣接して２次元的に配列され、Ｒ，Ｇ，Ｂの３色に分割された文字や画像のカラー情報を、空間的に順次３要素に分割して表示する単板式のカラー表示用液晶表示手段（ＬＣＤ）と、この液晶表示手段を照明する照明手段とを有する構成となっている。
そして本発明のカラー画像表示装置では、上記照明手段が、Ｒ，Ｇ，Ｂの３色の発光ダイオード（ＬＥＤ）を一組にして一つの光源単位とし該一組の光源単位を複数個隣接して２次元的に配列してなる発光ダイオード光源アレイ（ＬＥＤＡ）と、該発光ダイオード光源アレイの上記３色の発光ダイオード（ＬＥＤ）を一組にした一つの光源単位に対して一個づつのレンズ単位のコンデンサーレンズが対応するように構成されるコンデンサーレンズアレイ（ＣＬＡ）と、上記３色に分割された液晶表示手段のＲ，Ｇ，Ｂの３画素一組のカラー画素に対して一単位のマイクロレンズが対応するように構成されるマイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）とで構成されることを特徴としている（請求項１）。
【０００８】
また本発明では上記カラー画像表示装置において、上記照明手段のコンデンサーレンズアレイ（ＣＬＡ）を構成するレンズ素子数をＮ、マイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）を構成するレンズ素子数をｎとする時、１０００Ｎ＜ｎであることを特徴としている（請求項２）。
【０００９】
さらに本発明では上記カラー画像表示装置において、上記照明手段の３色の発光ダイオード（ＬＥＤ）の並びのピッチをPs、このピッチがコンデンサーレンズアレイ（ＣＬＡ）に対して張る角度をα、該コンデンサーレンズアレイの構成要素である単位レンズの焦点距離をfc、マイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）の構成要素である単位レンズの焦点距離をfm、液晶表示手段のＲ，Ｇ，Ｂ対応部の画素のピッチをPlとする時、次式がほぼ成り立つことを特徴としている（請求項３）。
Ps／fc＝Pl／fm＝tanα
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明によるカラー画像表示装置の照明光学系の概念を示す図であり、図中の符号１はＬＥＤ光源アレイ（ＬＥＤＡ）、２はコンデンサーレンズアレイ（ＣＬＡ）、３はマイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）、４は液晶表示パネル等の液晶表示手段（ＬＣＤ）である。
【００１１】
ＬＥＤ光源アレイ１は赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の３色のＬＥＤを一組にして一つの光源単位１ａとし該一組の光源単位１ａを複数個隣接して２次元的に配列したものであり、上記３色のＬＥＤ一組が一つの光源単位１ａとしてコンデンサーレンズアレイ２の一単位のコンデンサーレンズ２ａと対応して一体化されている。ＬＥＤ光源アレイ１はコンデンサーレンズアレイ２からその単位レンズ２ａの略焦点距離：fcに相当する距離だけ離れて配置されているため、コンデンサーレンズアレイ２の単位レンズ２ａから射出される光束はほぼ平行光束となる。そして図１では、Ｒ，Ｇ，Ｂの３色のうち中央に位置するＧ色のＬＥＤから出射された光束はコンデンサーレンズアレイ２の単位レンズ２ａの光軸にほぼ平行な平行光束であり、両側のＲ，Ｂ色のＬＥＤから出射された光束は単位レンズ２ａの光軸に対してほぼ角度±α傾いた略平行な平行光束となる。ここにＲ，Ｇ，ＢのＬＥＤの並びのピッチがPsであれば、
Ps＝fc×tanα
となる。
【００１２】
図１から明らかなように、ＬＥＤ光源アレイ１のＲ，Ｇ，ＢのＬＥＤを一組とした光源単位１ａとコンデンサーレンズアレイ２の一単位のコンデンサーレンズ２ａが一体化されてアレイ状に並んでいるから、コンデンサーレンズアレイ２を透過した光束は中央のＧ色がコンデンサーレンズアレイ２の光軸群にほぼ平行な幅の広い光束となる（図１は断面的な表示になっているが、実際は紙面に垂直な方向にもコンデンサーレンズアレイ２が並んでいるため、この光束は面状の平行光束となる）。従って、Ｒ，Ｂ色の光束は図１から予測できるように光軸群に対して図１の上下方向にほぼ角度±α傾いた面状の平行光束になる。
【００１３】
図１においてＬＥＤ光源アレイ１のＲ，Ｇ，Ｂの各色に対応する部分を＋，・，×の各記号で表した場合に、液晶表示手段４は図１のように＋，・，×がそれぞれＲ，Ｇ，Ｂの各色に対応する情報を表示する画素部分に分割されており、実際には紙面の上下方向にストライプ状に連なっている（図１は断面的な表示になっているが、実際にはこのストライプ状に連なった画素配列が紙面に垂直な方向に多数並んだ２次元配列となっている）。これに対してマイクロレンズアレイ３は液晶表示手段４のＲ，Ｇ，Ｂの３画素一組のカラー画素４ａに一単位のマイクロレンズ３ａが対応するようなアレイとなっており、液晶表示手段４からほぼレンズの焦点距離：fmだけ離れて設置されている。従ってＧ色の光束は・の記号で示す画素近傍に焦点を結ぶ。そこで液晶表示手段４のＲ，Ｇ，Ｂ対応部の画素のピッチ：Plを、
Pl＝fm×tanα
としておけば、Ｒ，Ｂ色の光束はそれぞれ＋、×の記号で示す画素近傍に焦点を結ぶことになる。
【００１４】
このようにしてＬＥＤ光源アレイ１とコンデンサーレンズアレイ２が必要な平行性と位置精度で一体化され、マイクロレンズアレイ３と液晶表示手段４が必要な平行性と位置精度で一体化されているので、それら二つのユニット間の組み合わせ精度はそれほど厳しくなくても、液晶表示手段４のＲ，Ｇ，Ｂ情報表示部（Ｒ，Ｇ，Ｂ各色の画素）に対しＬＥＤ光源アレイ１からのＲ，Ｇ，Ｂ光を混信なく供給することができる。液晶表示手段４を出たＲ，Ｇ，Ｂ色の光束はそれぞれがほぼsinαの開口数を有しており、液晶表示手段４の前面でほぼ均一な方向に（図１の例では、Ｒ色の光束は幾分下向きに、Ｂ色の光束は幾分上向きに、そしてＧ色の光束はほとんど上下対称に）射出される。
【００１５】
図１ではＲ，Ｇ，Ｂに対応する光線をそれぞれ破線、実線、一点鎖線で示したが、煩雑さを防ぐため、図面の中央の部分の光線だけを正確に表記した。また、同図の上部ではＲ色の光束中、コンデンサーレンズアレイ２の一単位のコンデンサーレンズ（ＣＬ）２ａの光軸上にあるマイクロレンズアレイ３の一つのマイクロレンズ（ＭＬ）３ａを通る光束が、ＬＥＤを出た後にＣＬで平行化され、ＣＬとＭＬの光軸に対し−αの角度をなしてＭＬに入射し、液晶表示手段４上のＲ色に対応する画素（＋記号）位置に集束した後、発散して行く様子を示している。同様にして同図の中央部ではＧ色の、下部ではＢ色の光束についてＣＬを通過した後の平行化、ＭＬを出た後の集束の様子を示した。
尚、実際にはどのアレイについても同様な形で光束が通っていることは言うまでもない。また、図１では簡略化のため液晶表示手段４を一層で示してあるが、実際には基板、電極、偏光層等を有する多層構成であり、さらにカラー画像表示装置としては、ＬＥＤ光源アレイ１の駆動回路、液晶表示手段４の駆動回路、画像信号処理回路、及びこれらを制御する制御回路、電源回路等を備えた構成であるが、簡略化のため図示を省略してある。また、必要に応じて液晶表示手段４からの射出光を投影するレンズやスクリーン等の表示媒体が設けられるが、これらの図示も省略した。
【００１６】
次に本発明のカラー画像表示装置に対する比較例を図２〜４に示す。
図２は本出願人による先願である特願平９−２２８２４５号の明細書に記載された「プロジェクタ型カラー画像表示装置」の概略構成を示した図である。このプロジェクタ型カラー画像表示装置では、Ｒ，Ｇ，Ｂ各色の光源（ＬＥＤアレイ）１１，１２，１３をそれぞれ３つの平面上に配列し、ダイクロイックプリズム１０で合成して液晶パネル１５に入射すると共に、Ｒ，Ｇ，Ｂを時分割して点灯し色分離をしようとしたものである。また、液晶パネル１５を透過した各色の光は投影レンズ１６によってスクリーン等の表示媒体に投影される。
このカラー画像表示装置では、単板式の液晶パネルを用い、Ｒ，Ｇ，Ｂ各色の光源（ＬＥＤアレイ）を用いているので、画素密度の高い良質のカラー画像を表示でき、面倒な色分解が不要であり、且つ消費電力も少なくてすむが、Ｒ，Ｇ，Ｂの光源をそれぞれ３つの平面上に配列し、ダイクロイックプリズムで合成しているので、これらを配置するスペースが必要であり、コンパクト化の点で難がある。
【００１７】
図３は一般の３板式ＬＣＤプロジェクタの主に照明光学系を示すものであり、投影ランプ２０からの光は３枚のダイクロイックミラー２１でＢ，Ｇ，Ｒの各色の光に分解された後、それぞれに対応する液晶パネル２２を透過し、ダイクロイックプリズム２３で合成されて投影レンズ２４によりスクリーン等の表示媒体に投影される。
このような構成の３板式ＬＣＤプロジェクタの照明光学系では、光源（投影ランプ）としては高出力のメタルハライドランプが使われ、ダイクロイックミラー、ダイクロイックプリズムの使用が必須であるため、複雑、高価で大型化が避けられなかった。また、光源の冷却や消費電力が大きいという問題がある。
【００１８】
図４はカラーフィルターを使わない単板式ＬＣＤプロジェクタの主として照明光学系を示したもので、光源３０からの光は３枚のダイクロイックミラー３１でＲ，Ｇ，Ｂの各色の光に色分解された後、単板式の液晶パネル（ＬＣＤ）３２を透過し、フレネルレンズ３３を介して投影レンズ３４でスクリーン３５上に投影される。
このような構成の単板式ＬＣＤプロジェクタは図３の３板式ＬＣＤプロジェクタに比べ簡素で小型にできるが、光源の出力は図３と同様である。また、この照明方式は３枚のダイクロイックミラーでＲ，Ｇ，Ｂ各色を角度として分離し、吸収の多いカラーフィルターを不要にし、光量アップを図った例であり、実用化されている。しかしダイクロイックミラーで色分解を行うので、色分解のためのスペースが必要であり、また、光源の冷却や消費電力が大きいという問題がある。
【００１９】
上記比較例に対して、図１に示した本発明のカラー画像表示装置では、照明光学系の光源として、Ｒ，Ｇ，Ｂの３色のＬＥＤを一組の光源単位としてこの光源単位を複数隣接して２次元配列したＬＥＤ光源アレイを用いたことにより、色分解用のカラーフィルターやダイクロイックミラーを不要とし、また、図２のような合成用のダイクロイックプリズムも不要であるので、簡素、小型で高効率な照明光学系を実現でき、低消費電力でコンパクトなカラー画像表示装置を提供できる。
【００２０】
【実施例】
次に本発明の具体的な実施例について説明する。
【００２１】
（実施例１）
図１において、ＬＥＤ光源アレイ１の一単位の光源１ａは、例えば素子サイズ２mm×１．２５mmの表面実装タイプのＲ，Ｇ，Ｂ３色のＬＥＤを１．２５mmサイドで密着させて一列に並べて構成すれば、並びのピッチは２．５mmになる。そしてこれをコンデンサーレンズアレイ２の一単位のレンズ２ａと対応させて一体化する。ＬＥＤ光源アレイ１はコンデンサーレンズアレイ２から例えばそのレンズの略焦点距離：fc＝２３．８mmだけ離れて配置されているので、コンデンサーレンズアレイ２の単位レンズから射出される光束はほぼ平行光束となる。この時、Ｇ色の光束はコンデンサーレンズアレイ２の単位レンズの光軸にほぼ平行になり、Ｒ，Ｂ色の光束はその単位レンズの光軸に対してほぼα＝±６度傾いたほぼ平行な光束となる。図１の照明光学系では、Ｒ，Ｇ，Ｂ３色のＬＥＤを一組とした光源一単位とコンデンサーレンズアレイ２の一単位のレンズが一体化されたものがアレイ状に並んでいるから、コンデンサーレンズアレイ２を通過した光束はＧ色がコンデンサーレンズアレイ２の光軸群にほぼ平行な幅の広い面状の平行光束となる。同様にしてＲ，Ｂ色の光束は光軸群に対して図１の上下方向にほぼ角度α＝±６度傾いた幅の広い面状の平行光束になる。コンデンサーレンズアレイ２の単位レンズの大きさは、ＬＥＤの光束発散角、光量及びムラに対する要求に従って異なるが、例えば垂直方向から１０度程度までを使うとして、２×２３．８×sin１０から８mm角程度の大きさが考えられる。
【００２２】
液晶表示手段（ＬＣＤ）４の画素ピッチは型と画素数で大きく変わるが、例えば液晶表示手段としてＲＧＢ縦ストライプ型と同様な１５．１型（対角１５．１インチ）のＳＸＧＡ（カラー画素数：１２８０×１０２４）ＬＣＤを考えると、Ｒ，Ｇ，Ｂ対応部の画素のピッチはPl＝０．０７８mmとなるから、マイクロレンズアレイ３の単位レンズ３ａの焦点距離はfm＝０．７４mmで、大きさが０．２３４mm角になる。従ってこの場合、コンデンサーレンズアレイ２のレンズ数またはＬＥＤ光源アレイ１のＲ，Ｇ，Ｂの組の数はＮ＝３５×２８＝９８０程度とかなり多くなる。また、マイクロレンズアレイ３のレンズ数はｎ＝１２８０×１０２４＝１３１０７２０であり、従ってｎ／Ｎ＝１３３７．５となる。
【００２３】
（実施例２）
図１において、ＬＥＤ光源アレイ１の一単位の光源１ａは、例えば素子サイズ２mm×１．２５mmの表面実装タイプのＲ，Ｇ，Ｂ３色のＬＥＤを１．２５mmサイドで密着させて一列に並べて構成すれば、並びのピッチは２．５mmになる。そしてこれをコンデンサーレンズアレイ２の一単位のレンズ２ａと対応させて一体化する。ＬＥＤ光源アレイ１はコンデンサーレンズアレイ２から例えばそのレンズの略焦点距離：fc＝２３．８mmだけ離れて配置されているので、コンデンサーレンズアレイ２の単位レンズから射出される光束はほぼ平行光束となる。この時、Ｇ色の光束はコンデンサーレンズアレイ２の単位レンズの光軸にほぼ平行になり、Ｒ，Ｂ色の光束はその単位レンズの光軸に対してほぼα＝±６度傾いたほぼ平行な光束となる。図１の照明光学系では、Ｒ，Ｇ，Ｂ３色のＬＥＤを一組とした光源一単位とコンデンサーレンズアレイ２の一単位のレンズが一体化されたものがアレイ状に並んでいるから、コンデンサーレンズアレイ２を通過した光束はＧ色がコンデンサーレンズアレイ２の光軸群にほぼ平行な幅の広い面状の平行光束となる。同様にしてＲ，Ｂ色の光束は光軸群に対して図１の上下方向にほぼ角度α＝±６度傾いた幅の広い面状の平行光束になる。コンデンサーレンズアレイ２の単位レンズの大きさは、ＬＥＤの光束発散角、光量及びムラに対する要求に従って異なるが、例えば垂直方向から１０度程度までを使うとして、２×２３．８×sin１０から８mm角程度の大きさが考えられる。
【００２４】
液晶表示手段（ＬＣＤ）４の画素ピッチは型と画素数で大きく変わるが、例えば液晶表示手段としてＲＧＢ縦ストライプ型と同様な４型（対角４インチ）のＳＶＧＡ（カラー画素数：８００×６００）ＬＣＤを考えると、Ｒ，Ｇ，Ｂ対応部の画素のピッチはPl＝０．０３３mm程度となるから、マイクロレンズアレイ３の単位レンズ３ａの焦点距離はfm＝０．３０mmで、大きさが０．１mm角程度になる。従ってこの場合、コンデンサーレンズアレイ２のレンズ数またはＬＥＤ光源アレイ１のＲ，Ｇ，Ｂの組の数はＮ＝１０×８＝８０程度となる。また、マイクロレンズアレイ３のレンズ数はｎ＝８００×６００＝４８００００であり、従ってｎ／Ｎ＝６０００となる。
【００２５】
（実施例３）
直径５mm程度の比較的大きなＲ，Ｇ，Ｂ３色のＬＥＤを７．５mmピッチで並べる場合、ＬＥＤ光源アレイ１はコンデンサーレンズアレイ２から例えばその単位レンズ２ａの焦点距離：fc＝８０mmだけ離れて配置すれば、コンデンサーレンズアレイ２の単位レンズ２ａから射出される光束はほぼ平行光束となる。この時、Ｇ色の光束はコンデンサーレンズアレイ２の単位レンズの光軸にほぼ平行になり、Ｒ，Ｂ色の光束はその単位レンズの光軸に対してほぼα＝±５度傾いたほぼ平行な光束となる。コンデンサーレンズアレイ２の単位レンズの大きさは、ＬＥＤの光束発散角、光量及びムラに対する要求に従って異なるが、例えば垂直方向から１０度程度までを使うとして、２×８０×sin１０から２８mm角程度の大きさが考えられる。
【００２６】
液晶表示手段（ＬＣＤ）４が実施例２と同じ４型（対角４インチ）のＳＶＧＡ（カラー画素数：８００×６００）ＬＣＤであれば、マイクロレンズアレイ３の単位レンズ３ａの焦点距離はfm＝０．３０mmで、大きさが０．１mm角程度（マイクロレンズアレイのレンズ数はｎ＝８００×６００＝４８００００）である。この場合はコンデンサーレンズアレイ２のレンズ数またはＬＥＤ光源アレイ１のＲ，Ｇ，Ｂの組の数はＮ＝３×２となり、かなり少ないといえる。従ってｎ／Ｎ＝８００００となる。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１のカラー画像表示装置では、照明手段が、Ｒ，Ｇ，Ｂの３色の発光ダイオードを一組にして一つの光源単位とし該一組の光源単位を複数個隣接して２次元的に配列してなる発光ダイオード光源アレイと、該発光ダイオード光源アレイの上記３色の発光ダイオードを一組にした一つの光源単位に対して一個づつのレンズ単位のコンデンサーレンズが対応するように構成されるコンデンサーレンズアレイと、上記３色に分割された液晶表示手段のＲ，Ｇ，Ｂの３画素一組のカラー画素に対して一単位のマイクロレンズが対応するように構成されるマイクロレンズアレイとで構成されるので、従来のＬＣＤプロジェクタ等の画像表示装置に用いられていた色分解用のカラーフィルターやダイクロイックミラーを不要とし、また、色分解された光を合成するようなダイクロイックプリズムも不要であるので、簡素、小型で高効率な照明光学系を実現でき、低消費電力でコンパクトなカラー画像表示装置を提供できる。
【００２８】
請求項２のカラー画像表示装置では、請求項１の構成に加えて、照明手段のコンデンサーレンズアレイを構成するレンズ素子数をＮ、マイクロレンズアレイを構成するレンズ素子数をｎとする時、１０００Ｎ＜ｎであるので、効率良く照明することができ、簡素、小型で高効率な照明光学系を備えた、低消費電力でコンパクトなカラー画像表示装置を提供できる。
【００２９】
請求項３のカラー画像形成装置では、請求項１の構成に加えて、照明手段の３色の発光ダイオードの並びのピッチをPs、このピッチがコンデンサーレンズアレイに対して張る角度をα、該コンデンサーレンズアレイの構成要素である単位レンズの焦点距離をfc、マイクロレンズアレイの構成要素である単位レンズの焦点距離をfm、液晶表示手段のＲ，Ｇ，Ｂ対応部の画素のピッチをPlとする時、
Ps／fc＝Pl／fm＝tanα
の関係が成り立つように構成しているので、発光ダイオード光源アレイとコンデンサーレンズアレイが必要な平行性と位置精度で一体化され、マイクロレンズアレイと液晶表示手段が必要な平行性と位置精度で一体化されるので、これら二つのユニット間の組み合わせ精度がそれほど厳しくなくても、液晶表示部のＲ，Ｇ，Ｂ情報表示部（Ｒ，Ｇ，Ｂに対応する画素）に対して発光ダイオード光源のＲ，Ｇ，Ｂ光を混信なく供給することができる。従って、表示画像の照度分布の均一性が高く、Ｒ，Ｇ，Ｂ光の混信がない、簡素、小型で高効率な照明光学系を備えた、低消費電力でコンパクトなカラー画像表示装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるカラー画像表示装置の照明光学系の概略構成を示す図である。
【図２】本出願人の先願によるカラー画像表示装置の照明光学系の概略構成を示す図である。
【図３】従来の３板式ＬＣＤプロジェクタの照明光学系の構成例を示す図である。
【図４】従来の単板式ＬＣＤプロジェクタの照明光学系の構成例を示す図である。
【符号の説明】
１ ＬＥＤ光源アレイ（ＬＥＤＡ）
１ａ 光源単位
２ コンデンサーレンズアレイ（ＣＬＡ）
２ａ コンデンサーレンズ（ＣＬ）
３ マイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）
３ａ マイクロレンズ（ＭＬ）
４ 液晶表示手段（ＬＣＤ）
４ａ カラー画素（Ｒ，Ｇ，Ｂに対応する３つの画素）
Claims (3)
- 赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の３色に対応する３つの画素を一単位のカラー画素として該カラー画素が隣接して２次元的に配列され、Ｒ，Ｇ，Ｂの３色に分割された文字や画像のカラー情報を、空間的に順次３要素に分割して表示する単板式のカラー表示用液晶表示手段と、この液晶表示手段を照明する照明手段とを有するカラー画像表示装置において、
上記照明手段が、Ｒ，Ｇ，Ｂの３色の発光ダイオードを一組にして一つの光源単位とし該一組の光源単位を複数個隣接して２次元的に配列してなる発光ダイオード光源アレイと、該発光ダイオード光源アレイの上記３色の発光ダイオードを一組にした一つの光源単位に対して一個づつのレンズ単位のコンデンサーレンズが対応するように構成されるコンデンサーレンズアレイと、上記３色に分割された液晶表示手段のＲ，Ｇ，Ｂの３画素一組のカラー画素に対して一単位のマイクロレンズが対応するように構成されるマイクロレンズアレイとで構成されることを特徴とするカラー画像表示装置。 - 請求項１記載のカラー画像表示装置において、上記照明手段のコンデンサーレンズアレイを構成するレンズ素子数をＮ、マイクロレンズアレイを構成するレンズ素子数をｎとする時、１０００Ｎ＜ｎであることを特徴とするカラー画像表示装置。
- 請求項１記載のカラー画像表示装置において、上記照明手段の３色の発光ダイオードの並びのピッチをPs、このピッチがコンデンサーレンズアレイに対して張る角度をα、該コンデンサーレンズアレイの構成要素である単位レンズの焦点距離をfc、マイクロレンズアレイの構成要素である単位レンズの焦点距離をfm、液晶表示手段のＲ，Ｇ，Ｂ対応部の画素のピッチをPlとする時、次式がほぼ成り立つことを特徴とするカラー画像表示装置。
Ps／fc＝Pl／fm＝tanα
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1998
- 1998-02-17 JP JP03488798A patent/JP3717654B2/ja not_active Expired - Lifetime
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| JPH11231316A (ja) | 1999-08-27 |
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