JP4587346B2

JP4587346B2 - 表示装置

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Publication number: JP4587346B2
Application number: JP2000239613A
Authority: JP
Inventors: 幸夫谷口
Original assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Current assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Priority date: 2000-08-08
Filing date: 2000-08-08
Publication date: 2010-11-24
Anticipated expiration: 2020-08-08
Also published as: JP2002055627A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表示装置に関し、特に、液晶表示素子のような画素の集合からなる空間変調素子の照明側に集光性ホログラムアレイを配置してなる三板式プロジェクター等の表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
Ｒ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）表示用の３枚の液晶表示素子を用いた三板式プロジェクターはすでに一般的なものとなっている。その構成を図５に示す。図５において、この三板式プロジェクターはＲ、Ｇ、Ｂの色分解画像を表示する３枚の液晶表示素子（液晶パネル）１０_R、１０_G、１０_Bを含み、光源１から放射された白色光は、リフレクター２で反射されて第１レンズアレイ３とミラー４と第２レンズアレイ５からなるインテグレータを経て照度分布が均一にされ、重ね合わせレンズ６を経てその均一な照明光は、まず、Ｒ光成分を透過し、残りのＧ、Ｂ光成分を反射するダイクロイックミラー７でＲ光成分が分離され、ダイクロイックミラー７を透過したＲ光成分は、ミラー８とコンデンサーレンズ９を経てＲの色分解画像を表示する液晶パネル１０_Rを裏面から照明する。ダイクロイックミラー７で反射されたＧ光成分とＢ光成分は、Ｇ光成分を反射し、残りの成分を透過するダイクロイックミラー１１でＧ光成分が分離され、そのＧ光成分は、コンデンサーレンズ９を経てＧの色分解画像を表示する液晶パネル１０_Gを裏面から照明する。ダイクロイックミラー１１を透過したＢ光成分は、レンズ１２、ミラー１３、レンズ１４、ミラー１５、コンデンサーレンズ９を経てＢの色分解画像を表示する液晶パネル１０_Bを裏面から照明する。
【０００３】
３枚の液晶パネル１０_R、１０_G、１０_Bの間にダイクロイックプリズム１６が配置され、その中の対角方向には、Ｒ光成分のみを反射し、他の色成分を透過するダイクロイックミラー１８と、Ｂ光成分のみを反射し、他の色成分を透過するダイクロイックミラー１９とが交差するように配置されているので、液晶パネル１０_RからのＲの色分解画像を表示するＲ光成分はダイクロイックミラー１８で反射され、液晶パネル１０_BからのＢの色分解画像を表示するＢ光成分はダイクロイックミラー１９で反射され、液晶パネル１０_GからのＧの色分解画像を表示するＧ光成分はダイクロイックミラー１８、１９を透過する。そのため、３枚の液晶パネル１０_R、１０_G、１０_Bに表示されたＲ、Ｇ、Ｂ３色の色分解像は、このダイクロイックプリズム１６で重畳されてカラー像となり、投影レンズ２０によりスクリーン２１上に拡大投影される。
【０００４】
これらの液晶パネル１０（以後、特に断らない限り、液晶パネル１０_R、１０_G、１０_Bを代表して液晶パネル１０とする。）は、現在、図５のような透過型が主流であるが、透過型液晶パネル１０は、図６に示すように、ブラックマトリックスやＴＦＴ、配線２７があるために、各画素１０ａの光が有効に通過できる有効変調域は制限されてしまい、この有効変調域を十分大きく取れない。このため、各マイクロレンズ３１ａが液晶パネル１０の各画素１０ａに整列するように、液晶パネル１０の照明光３２入射側にマイクロレンズアレイ３１を配置し、照明光３２を各画素１０ａの有効変調域に集光させて透過させるようにしている。
【０００５】
このマイクロレンズアレイ３１は、従来、紫外線硬化型樹脂を用いて原版からレリーフ複製したり、イオン交換や部分的光重合により屈折率を変調させてＧＲＩＮ（屈折率分布レンズ）として作製されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、各画素１０ａの寸法は１０μｍ程度と細かく、その寸法に応じてマイクロレンズアレイ３１の各マイクロレンズ３１ａの径も定まり、精密にそのような微小なマイクロレンズを作製することは困難である。
【０００７】
上記のレリーフ複製で作製する場合、原版は選択的エッチングや電子線描画により作製するが、レンズとしての曲面を正確にかつ面内で均一に作製することは困難である。一方、屈折率を変調させる方法の場合も、材料の性質を利用するため、設計通りの光学特性を得ることは困難である。そのため、収差が発生し、焦点がぼけて無効領域にまで光がかかってしまい、ケラレにより照明光利用効率が低下してしまう。
【０００８】
本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、従来のマイクロレンズアレイの代わりに集光性ホログラムアレイを用いて明るく照明可能な液晶表示素子等の空間変調素子を用いた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】
上記目的を達成する本発明の表示装置は、画素の集合からなる空間変調素子とその各画素の有効領域に照明光を集光する集光素子アレイとからなる表示装置において、前記集光素子アレイとして微小ホログラムアレーを用いていることを特徴とするものである。
【００１０】
この場合、その微小ホログラムアレーは、略垂直方向から入射する照明光を略正面方向へ集光させるインライン型でもよいが、モノマー拡散型フォトポリマー等の材料を使うときは、斜め方向から入射する照明光を略正面方向へ集光させるものであることが望ましい。
【００１１】
本発明のもう１つの表示装置は、色分解像を表示する３枚の空間変調素子と、表示された色分解像を合成する色分解像合成手段とを備え、各空間変調素子の各画素の有効領域に照明光を集光する微小ホログラムアレーをそれぞれの空間変調素子が備えていることを特徴とするものである。
【００１２】
この場合、その微小ホログラムアレーが斜め方向から入射する照明光を略正面方向へ集光させるものであることが望ましい。
【００１３】
また、微小ホログラムアレーはそれぞれの原色の略中心波長に対して最大の回折効率を有するように設定されていることが望ましい。
【００１４】
また、少なくとも２色用の空間変調素子に関して、共通の照明光源から空間変調素子までの光路長が略等しく設定されていることが望ましい。
【００１５】
また、少なくとも３番目の色用の空間変調素子に関して、共通の照明光源から空間変調素子までの光路長が、１番面及び２番目の色用の空間変調素子の共通の照明光源からの光路長より長く、１番面及び２番目の色用の空間変調素子と光学的に略共役な位置であって倍率が略等倍になる位置になるようリレーレンズが配置されていることが望ましい。
【００１６】
また、全ての空間変調素子用の微小ホログラムアレーの干渉縞パターンが共通であり、微小ホログラムアレーと空間変調素子の距離を各色の中心波長に略反比例させるようにしてもよく、また、全ての空間変調素子に関して空間変調素子と微小ホログラムアレーの距離及び微小ホログラムアレーに対する照明光入射角を等しくし、各空間変調素子の変調面に微小ホログラムアレーの集光点が一致するように、各微小ホログラムアレーの干渉縞パターンが設定されているようにしてもよい。
【００１７】
なお、色分解像合成手段としては例えばダイクロイックプリズムを用いることができる。
【００１８】
また、微小ホログラムアレーは、体積型ホログラムあるいはレリーフホログラムの何れでもよい。
【００１９】
また、空間変調素子といては、例えば透過型液晶表示素子を用いることができる。
【００２０】
本発明においては、空間変調素子と集光素子アレイとからなる表示装置において、集光素子アレイとして微小ホログラムアレーを用いているので、集光素子アレイが製造しやすく、照明光の利用効率が高く明るい液晶表示装置等の表示装置を容易に構成することが可能になる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の表示装置の原理と実施例について説明する。
【００２２】
本出願人は、特開平６−２２２３６１号等においてホログラムカラーフィルターを提案した。このホログラムカラーフィルターは、図３にその干渉縞を模式的に示すような偏心した集光性のフレネルゾーンプレート状の微小ホログラムのアレーからなるものであり、この微小ホログラムのアレーは、図２に示すように、狭帯域の略平行な光４２を所定の斜めの入射角θで入射させると、微小ホログラムアレー４１から焦点距離ｆだけ離れて各微小ホログラム４１ａの例えば中心に対応する点Ｐに集光するものである。したがって、このような微小ホログラムアレー４１を透過型液晶パネル１０の照明光入射側に、液晶パネル１０の各画素１０ａの中心がこの集光点Ｐに一致するように整列して配置することにより、従来のマイクロレンズアレイ３１を配置する場合（図６）と同様に、液晶パネル１０のブラックマトリックスやＴＦＴ、配線２７によって遮光されずに効率良く照明することができる。その構成を図１に示す。
【００２３】
図１において、透過型液晶パネル１０は、２枚の透明基板２５、２５’とその透明基板２５と２５’の間に例えばＴＮ（ツイストネマッチック）液晶層２６が挟持されており、この透明基板２５、２５’の一方の液晶層２６側内面には透明画素電極が他方には透明対向電極が設けられ、それらの上に配向膜等が設けられており、また、透明基板２５、２５’の内側には、ブラックマトリックス、ＴＦＴ、配線等の遮光パターン２７も配置されており、その間に画素電極の配置に基づいて画素１０ａが等間隔にアレー状に配置されている。
【００２４】
この透明基板２５表面に密着するか距離をおいて、上記の微小ホログラムアレー４１が配置され、その各微小ホログラム４１ａの集光位置が液晶パネル１０の各画素１０ａの有効変調域に整列するように配置される。図１の場合は、照明光４２入射側の透明基板２５の厚さを微小ホログラムアレー４１の焦点距離ｆに一致するように選んで、この透明基板２５表面に微小ホログラムアレー４１を接着してある。
【００２５】
このような配置であるので、波長域が、Ｒ光成分、Ｇ光成分あるいはＢ光成分のみからなる狭帯域の略平行光４２を斜めの入射角θで微小ホログラムアレー４１に入射させると、各微小ホログラム４１ａで集光されて液晶パネル１０の各画素１０ａの略中央の透明な有効変調域を通り、各画素１０ａの変調信号に基づいた変調を受けて透過するので、照明光４２を有効に利用した明るい表示ができる。
【００２６】
ここで、微小ホログラムアレー４１の各微小ホログラム４１ａとして斜め入射で正面方向へ集光するものを用いる理由は、０次透過光の影響を少なくすること、及び、そのようなホログラムの方が正面入射、正面集光のインライン特性のものより作製がしやすためである。
【００２７】
ここで、斜め入射で正面方向へ集光するものの方が作製しやすい理由としては、このような特性のものの方が干渉縞のピッチが細かくなり、特にホログラム感光材料としてモノマー拡散の原理を利用するフォトポリマーを用いる場合、モノマーの拡散距離が短くなる分、より回折効率の高いものが作製できるからである。
【００２８】
また、レリーフ型ホログラムやモノマー拡散以外のフォトポリマーを利用する場合は、インランイン型も用いることができる。
【００２９】
ここで、従来のマイクロレンズアレイを用いる場合に比較して、微小ホログラムアレー４１を用いる場合、ホログラムの光学特性は干渉縞のパターンで決定されるため、従来技術と異なり、制御が容易でかつ正確であるので、収差は限りなくゼロに近づけられる点にメリットがある。
【００３０】
さて、以上のような各画素１０ａへの照明光を微小ホログラムアレー４１を用いて集光させる液晶パネル１０をＲ、Ｇ、Ｂ表示用に３枚用いる場合、微小ホログラムアレー４１としては、Ｒ、Ｇ、Ｂ用にそれぞれ別々に作製する方法と、各色共通に用いる方法がある。微小ホログラムアレー４１の微小ホログラム４１ａは回折格子と同様なものであるので、その焦点距離ｆは使用する波長域の中心波長に反比例した長さになる。しかも、回折光を微小ホログラム４１ａの正面方向へ集光させるためには、使用する波長域の中心波長に応じて照明光入射角を変えなければならない。各色共通に単一仕様の微小ホログラムアレー４１を用いる場合は、微小ホログラムアレー４１のパターンを共通化できるので、微小ホログラムアレー４１の製造が容易になる。しかし、照明光４２の入射角θと焦点距離ｆが、Ｒ、Ｇ、Ｂ用それぞれで異なるため、それぞれの色分解画像用の光学配置はそれに合わせて異ならせる必要がある。他方、Ｒ、Ｇ、Ｂ用にそれぞれ別々の微小ホログラムアレー４１を作製する場合は、各色用の微小ホログラムアレー４１の照明光入射角θと焦点距離ｆを同じに設定しておけば各色分解画像用の光学配置は同じでよいので、微小ホログラムアレー４１と液晶層液晶層２６の距離を共通化することができ、表示装置の製造が容易になる。
【００３１】
図４に、本発明に基づいて、Ｒ、Ｇ、Ｂの色分解画像を表示する３枚の液晶表示素子（液晶パネル）１０_R、１０_G、１０_Bの照明側に微小ホログラムアレー４１_R、４１_G、４１_Bを配置してなる三板式液晶プロジェクターを示す。微小ホログラムアレー４１_R、４１_G、４１_Bは、上記のように、各液晶パネル１０_R、１０_G、１０_Bに共通のものであってもよく、また、それぞれ別の仕様のものであってもよい。
【００３２】
図４において、Ｒ、Ｇ、Ｂ用の３枚の液晶パネル１０_R、１０_G、１０_Bはコの字状に配置され、その間にＲ光成分のみを反射し、他の色成分を透過するダイクロイックミラー１８と、Ｂ光成分のみを反射し、他の色成分を透過するダイクロイックミラー１９とが交差するように対角方向に配置されてなるダイクロイックプリズム１６が配置されており、Ｒの色分解画像が表示された液晶パネル１０_RからのＲ光成分はダイクロイックミラー１８で反射され、Ｂの色分解像が表示された液晶パネル１０_BからのＢ光成分はダイクロイックミラー１９で反射され、Ｇの色分解像が表示された液晶パネル１０_GからのＧ光成分は両ダイクロイックミラー１８、１９を透過するように、ダイクロイックプリズム１６が配置されている。そのため、３枚の液晶パネル１０_R、１０_G、１０_Bに表示されたＲ、Ｇ、Ｂの色分解画像は、このダイクロイックプリズム１６で重畳されたカラー像となり、投影レンズ２０によりスクリーン２１上に拡大投影される。ここまでの構成は、図５の従来例と同じである。
【００３３】
本発明に基づいて、各液晶パネル１０_R、１０_G、１０_Bの照明光入射側には、図１に示したように、それぞれ微小ホログラムアレー４１_R、４１_G、４１_Bが配置されており、それそれの微小ホログラムアレー４１_R、４１_G、４１_Bに設定された入射角θ_R、θ_G、θ_BでそれぞれＲ光成分、Ｇ光成分、Ｂ光成分の光が入射したとき、その各微小ホログラム（４１ａ）の集光位置が液晶パネル１０_R、１０_G、１０_Bの各画素（１０ａ）の有効変調域に整列するように配置されている。
【００３４】
そして、光源１から放射された白色光は、平行化光学系５１を経て略平行な光になり、まず、Ｒ光成分を透過し、残りのＧ、Ｂ光成分を反射するダイクロイックミラー５２でＲ光成分が分離され、ダイクロイックミラー５２を透過したＲ光成分は、ミラー５３で反射されて微小ホログラムアレー４１_Rに入射角θ_Rで入射する。そのため、Ｒの色分解画像を表示する液晶パネル１０_Rの各画素（１０ａ）の有効変調域のみが集光照明され、明るいＲの色分解画像を表示する。
【００３５】
ダイクロイックミラー５２で反射されたＧ光成分とＢ光成分は、Ｇ光成分を反射し、残りの成分を透過するダイクロイックミラー５４でＧ光成分が反射分離されて微小ホログラムアレー４１_Gに入射角θ_Gで入射し、Ｇの色分解画像を表示する液晶パネル１０_Gは同様に明るいＧの色分解画像を表示する。
【００３６】
ダイクロイックミラー５２を透過したＢ光成分は、レンズ５５、ミラー５６、レンズ５７、ミラー５８を経て微小ホログラムアレー４１_Bに入射角θ_Bで入射し、Ｂの色分解画像を表示する液晶パネル１０_Bは同様に明るいＢの色分解画像を表示する。
【００３７】
ここで、ダイクロイックミラー５２から液晶パネル１０_Rまでの光路長と、液晶パネル１０_Gまでの光路長とは等しく設定されており、また、液晶パネル１０_Bと液晶パネル１０_R、１０_Gとは光学的に共役な位置であって倍率が等倍になるように、レンズ５５、５７の配置位置とパワーが設定されているので、３枚の液晶パネル１０_R、１０_G、１０_B上での照明光の明るさ分布には差がないようになっている。
【００３８】
そして、上記入射角θ_R、θ_G、θ_Bは、それぞれの微小ホログラムアレー４１_R、４１_G、４１_Bが各色共通の単一仕様の場合は、相互に異なるように、Ｒ、Ｇ、Ｂ用にそれぞれ別に作製されている場合は、相互に等しくなるように、ミラー５３、ダイクロイックミラー５４、ミラー５８の角度が設定されている。
【００３９】
このような配置であるので、３枚の液晶パネル１０_R、１０_G、１０_Bに表示された明るいＲ、Ｇ、Ｂの色分解画像は、ダイクロイックプリズム１６で重畳されてカラー像となり、投影レンズ２０によりスクリーン２１上に明るいカラー像として拡大投影される。
【００４０】
なお、図４の配置において、白色照明光の平行度は高い方が望ましいが、液晶パネル１０_R、１０_G、１０_Bの開口率が高い場合、図５のような第１レンズアレイと第２レンズアレイからなるインテグレータを用いた白色光源からの照明光であってもよい。
【００４１】
ここで、微小ホログラムアレー４１_R、４１_G、４１_Bの数値例について説明する。
【００４２】
数値例１
上記のように、各色共通の単一仕様の場合、Ｒ、Ｇ、Ｂ各色に共通の原版を用いて複製法により製造できるため、微小ホログラムアレー４１_R、４１_G、４１_Bの製造が容易になる。この場合、原版は１種類のみ用意すればよく、ホログラム複製時の入射角度を変えるだけでＲ、Ｇ、Ｂそれぞれ用の微小ホログラムアレー４１_R、４１_G、４１_Bが製造できる。この場合、前記したように、ホログラムと液晶層の距離、照明光の入射角を決める必要がある。
【００４３】

上記において、入射角（照明光）は微小ホログラムの正面方向へ集光するようにする場合の入射角である（数値例２も同じ。）。
【００４４】
数値例２
Ｒ、Ｇ、Ｂ各色の微小ホログラムアレー４１_R、４１_G、４１_Bと液晶層の距離を共通にすると、共通のスペーサ（図１の透明基板２５）を用いることができるため、表示装置の製造が容易になり、異なる厚みのスペーサを用意する必要はなくなる。ただし、微小ホログラムアレー４１_R、４１_G、４１_Bのホログラムのパターンを、Ｒ、Ｇ、Ｂ各色毎に異ならせる必要がある。
【００４５】

【００４６】
ところで、微小ホログラムアレー４１、４１_R、４１_G、４１_Bとしては、位相型でもレリーフ型でもよく、したがって、用いるホログラム感光材料もフォトポリマーに限定されず、銀塩フィルム、フォトレジスト等、公知の全てのホログラム感光材料を用いることができる。複製は、ホログラム複製法による二光束干渉により行うことができるが、レリーフ型で構成する場合、原版からエンボス複製により作製することもできる。
【００４７】
また、微小ホログラムアレー４１、４１_R、４１_G、４１_BはそれぞれのＲ、Ｇ、Ｂ色の略中心波長に対して最大の回折効率を有するように設定しておくことが効率の点から望ましい。
【００４８】
以上、本発明の表示装置をその原理と実施例に基づいて説明してきたが、本発明はこれら実施例に限定されず種々の変形が可能である。
【００４９】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の表示装置によると、空間変調素子と集光素子アレイとからなる表示装置において、集光素子アレイとして微小ホログラムアレーを用いているので、集光素子アレイが製造しやすく、照明光の利用効率が高く明るい液晶表示装置等の表示装置を容易に構成することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による透過型液晶装置の基本構成を示す断面図である。
【図２】微小ホログラムアレーの集光機能を説明するための図である。
【図３】各微小ホログラムの干渉縞を模式的に示す図である。
【図４】本発明に基づく三板式液晶プロジェクターの１例の構成と作用を示す断面図である。
【図５】従来の三板式液晶プロジェクターの構成と作用を示す断面図である。
【図６】図５の液晶パネルにおけるマイクロレンズアレイの作用を説明するための図である。
【符号の説明】
１…白色光源
２…リフレクター
３…第１レンズアレイ
４…ミラー
５…第２レンズアレイ
６…レンズ
７…ダイクロイックミラー
８…ミラー
９…コンデンサーレンズ
１０、１０_R、１０_G、１０_B…液晶表示素子（液晶パネル）
１０ａ…液晶パネルの画素
１１…ダイクロイックミラー
１２…レンズ
１３…ミラー
１４…レンズ
１５…ミラー
１６…ダイクロイックプリズム
１８、１９…ダイクロイックミラー
２０…投影レンズ
２１…スクリーン
２５、２５’…透明基板
２６…液晶層
２７…遮光パターン（ブラックマトリックス、ＴＦＴ、配線）
３１…マイクロレンズアレイ
４１、４１_R、４１_G、４１_B…微小ホログラムアレー
４１ａ…微小ホログラム
４２…照明光
５１…平行化光学系
５２…ダイクロイックミラー
５３…ミラー
５４…ダイクロイックミラー
５５…レンズ
５６…ミラー
５７…レンズ
５８…ミラー
Ｐ…集光点

Claims

色分解像を表示する３枚の空間変調素子と、表示された色分解像を合成する色分解像合成手段とを備え、各空間変調素子の各画素の有効領域に照明光を集光する微小ホログラムアレーをそれぞれの空間変調素子が備えており、
全ての空間変調素子用の微小ホログラムアレーの干渉縞パターンが共通であり、
前記微小ホログラムアレーが斜め方向から入射する照明光を略正面方向へ集光させるものであり、
前記微小ホログラムアレーと前記空間変調素子の距離を各色の中心波長に略反比例させたことを特徴とする表示装置。
前記微小ホログラムアレーはそれぞれの原色の略中心波長に対して最大の回折効率を有するように設定されていることを特徴とする請求項１記載の表示装置。
少なくとも２色用の空間変調素子に関して、共通の照明光源から空間変調素子までの光路長が略等しく設定されていることを特徴とする請求項１又は２記載の表示装置。
少なくとも３番目の色用の空間変調素子に関して、共通の照明光源から空間変調素子までの光路長が、１番面及び２番目の色用の空間変調素子の共通の照明光源からの光路長より長く、１番面及び２番目の色用の空間変調素子と光学的に略共役な位置であって倍率が略等倍になる位置になるようリレーレンズが配置されていることを特徴とする請求項１から３の何れか１項記載の表示装置。
前記色分解像合成手段がダイクロイックプリズムからなることを特徴とする請求項１から４の何れか１項記載の表示装置。
前記微小ホログラムアレーは体積型ホログラムからなることを特徴とする請求項１から５の何れか１項記載の表示装置。
前記微小ホログラムアレーはレリーフホログラムからなることを特徴とする請求項１から５の何れか１項記載の表示装置。
前記空間変調素子は透過型液晶表示素子からなることを特徴とする請求項１から７の何れか１項記載の表示装置。