JP5200337B2 - ディスプレイ装置 - Google Patents

Description

本発明はバックライト装置を備えた透過型変調素子によるディスプレイ装置に関するものである。

従来、バックライト装置を備えた透過型変調素子による、いわゆるライトバルブ方式のディスプレイ装置は、バックライト装置の光源に白色光を発する冷陰極管（ＦＬＣ）を用いている。透過型変調素子である液晶パネルは色信号毎に異なる波長帯の光を透過し、他の波長帯の光は吸収するカラーフィルターを備えており、各開口部を透過する光を変調することで画像表示を行っている。

近年、バックライト装置の光源として、小型のものは白色のＬＥＤ、大型のものはＲＧＢ各色光を発するＬＥＤを用いたものが商品化されている。前者は小型化が可能なため、モバイル機器搭載用として用いられ、後者は従来の冷陰極管のものよりも色再現性が優れた点を訴求点として、モニター用途やテレビ用途に用いられている。

従来の光源では、前述の様に透過すべき波長帯の光のみを透過するが、他の波長帯の光を吸収し最終的には熱になる。即ち、光源に投入される電力のおよそ２／３は熱としてロスされていることとなる。

このため、特に、冷陰極管に比べて発光効率の劣るＬＥＤを、透過型変調素子によるディスプレイ装置のバックライト装置の光源として用いる場合に、その改善が求められている。

この課題を鑑み、カラーフィルターを使用せず、マイクロレンズアレイを使用することにより、白色光を色分離してロスなく利用できるようにしたものがある（例えば特許文献１参照）。図１５に特許文献１に記載された画像表示装置を示す。この例では、白色光を発する光源９からの光を導光板７で導いた後、回折格子３で色毎に分離したＲＧＢの光を、マイクロレンズアレイ４を通して２次元的に配列された画素開口を多数備えた画素表示素子５のＲＧＢ毎の各色に相当する開口に光を導くとしている。

ここにある２枚のマイクロレンズアレイによる導光原理は、特許文献２で提案されているものである。
特開平１１−２５８６０４号公報 特開昭５８−１３４６２７号公報

上記特許文献１にある構成では、先に述べた白色光をカラーフィルターで色選択するものに比べて必ずしも改善されるとは言えない。その理由は、光源の発光スペクトルが連続成分を持つ場合、回折格子で分離すると虹色に色分離される。その位置は画像表示素子のＲＧＢの開口（同間隔）位置とは必ずしも一致しない。導光板から回折格子に入射する光は拡散光、あるいはそれに近い光であるから、マイクロレンズアレイで画素開口上に集光しきれず漏れ光となり、隣の画素に入射し混色が発生し、目的の色分離は得られないことである。

本発明は、このような従来の問題を解決するもので、ＬＥＤをバックライト光源とした場合の、光利用効率の向上を実現するバックライト装置を備えた透過型変調素子によるディスプレイ装置を提供することを目的とする。

本発明にかかるディスプレイ装置は、２次元に配列され、色毎に独立して透過する光の比率を制御可能な開口を有し、透過光を変調可能な画像表示素子と、表裏に凸レンズの作用を持つマイクロレンズを１対として多数を２次元的に配置して成る光路合成光学系と、異なる色光の主光線を異なる角度で前記光路合成光学系に出射する照明光学系と、異なる色光を発する複数の光源とからなり、前記光路合成光学系は、入射側マイクロレンズと、画像表示素子近傍に配置される出射側マイクロレンズとから成り、前記出射側マイクロレンズの焦点距離は、前記２つのマイクロレンズ間の距離におよそ等しく、前記２つのマイクロレンズにより、前記画像表示素子上の開口に照明光学系からの色光は集光されるように、前記２つのマイクロレンズの合成焦点距離が設定されており、前記照明光学系の任意の投光レンズの瞳中心、光路合成光学系の２つのマイクロレンズの曲率中心、画像表示素子の画素開口中心を通る光軸を含む面上で、投光レンズの出射瞳の高さをＨｐｌ、出射瞳位置と光路合成光学系の入出射のレンズを合成して単レンズとしたときに、有効部上端を結ぶ線と前記光軸でなす角をθｐｌ、画像表示素子の画素開口有効高さをＨｌｖ、前記画素開口中心と光路合成光学系の入出射のレンズを合成して単レンズとしたときに有効部上端を結ぶ線と前記光軸でなす角をθｌｖとした場合、
θｐｌ×Ｈｐｌ≦θｌｖ×Ｈｌｖ
の関係が成り立つことを特徴とする。但し、この関係式において、上記記号はいずれも同一屈折率中にあると換算して成立している。

あるいは、前記マイクロレンズは、蒲鉾型のレンチキュラレンズであることを特徴として構成できる。

レンチキュラレンズは、その長手方向が、画像表示素子の同一色信号で駆動される画素配列の方向に合致して配置されていることを特徴として構成される。

光路合成光学系は、画像表示素子の画素数を、異なる色光の数で除した数の対のマイクロレンズからなることを特徴として構成できる。

光路合成光学系は、画像表示素子の同一色信号で制御する画素配列の数を、異なる色光の数で除した数の対のレンチキュラレンズからなる。

入射側マイクロレンズと出射側マイクロレンズは、蒲鉾型のレンチキュラレンズであることを特徴として構成される。

画像表示素子は、各色光に対応した開口部を備え、各前記開口部には変調すべき色光のみ選択透過するフィルターを備えて構成することも出来る。

画像表示素子の出射側には拡散層が備えられていることで構成出来る。また、拡散層は、基材中に屈折率の異なる材料によって構成出来る。

光路合成光学系と、照明光学系の間にフレネルシートを備えて構成される。フレネルシートは入射してくる光を複数のマイクロプリズム面で光路合成光学系に導くことを特徴として構成出来る。

また、フレネルシートは、画像表示素子の同一色信号で制御される画素の配列方向に対しては正面に光が入射し、前記配列方向に直交する方向に入射光の波長特性の光毎に異なる角度で光を導く光学素子と、前記光学素子に対して一定の入射角を持って光源からの光が入射するように制御する照明光学系とを経た光を、マイクロプリズム面内で均一な作用になるように光路合成光学系に対し出射することを特徴として設けられている。

前記照明光学系は、画像表示素子の同一色信号で駆動される画素の配列方向において、少なくとも開口面積がフレネルシート入射面積に略等しい出射面と、前記出射開口面と鋭角の頂角を持って対向する背面と、前記出射面と前記背面の成す頂点と対向する位置に設けられた光源からの光の入射面とから成るテーパープリズムを備えて構成できる。

また、投光レンズは、異なる色光を発光する光源についてそれぞれ設けられている。

さらには、投光レンズの光軸はフレネルシートを透過し、光路合成光学系に入射する際、光路合成光学系の１対の入射、出射レンズの曲率中心を通る軸に対して対称になるように、各色用投光レンズが備えられている。

あるいは、前記投光レンズは、異なる色光を発光する光源からの光を１本で投写可能に設けられていることを特徴とする構成も可能である。また、この投光レンズは異なる色光を発光する光源からの光を１本で投写可能に設けられている構成で、異なる色光を発光する光源像が、その瞳上において別の位置に形成されるように設けられている投光レンズを備えていることを特徴として構成される。

投光レンズの出射瞳に形成される、任意の色光の光源像中心位置間隔が、画像表示装置の画素間隔に相当する様に、介在する部品の倍率関係が設定されていることを特徴として構成できる。投光レンズの出射瞳に形成される任意の色光の光源像中心位置間隔をＰｐｌ、各色光源像のそれぞれの面積をＳｐｌとし、画像表示装置の画素間隔をＰｌｖ、画素開口の各色用の面積をＳｌｖとしたとき、
Ｐｐｌ／Ｐｌｖ≧Ｓｐｌ／Ｓｌｖ
の関係が成り立つことを特徴としても構成できる。

光源はＬＥＤ素子であることを特徴として構成することも出来る。さらに、光源から出射された光の偏光方向整合機能を備えた素子を有することで、画像表示素子に偏光を応用した液晶パネルなどを用いる際に高効率を実現できる。前記偏光方向整合機能を備えた光学素子は、偏光ビームスプリッターによる偏光分離素子と、位相差板から成る偏光方向変換素子と、偏光方向をそろえた複数の光路の方向を整合する光路変換手段から構成することが出来る。

光源は半導体レーザー素子であることを特徴としても構成可能である。さらに、レーザー光源から出射された光が、画像表示素子入射面近傍に配置されたフレネルシート入射面相当に拡大投射されるように設定されたＤＯＥ素子から成る照明光学系を有することで構成することが可能である。前記レーザー光源はＲＧＢそれぞれの波長域の光を出射する半導体レーザー素子としても構成可能である。

前記画像表示素子は、入射側、出射側の偏光板で挟まれて成る液晶を応用した装置であり、光源は、出射光の偏光方向が画像表示素子の入射側偏光板の透過軸方向に合致するように配置されていることとして構成できる。

あるいは前記照明光学系は、端面（厚み方向）から入射した光を大きな開口部の１面から出射する作用を備えた板状立方体の導光部と、前記光源からの光のうち前記導光部の厚み方向の光は大きな集光角で集光せしめられ、前記導光部の幅方向に相当する方向の光は、前記導光部の幅を包括する光線高を持ち、出射光はテレセントリックな平行光となる投光光学系を備えていることを特徴として構成できる。ここで、前記光源は、前記導光部の幅方向に配列されていることを特徴として構成可能である。特に、前記導光部は平行平面板であり、画像表示装置と反対面（背面）には光入射面と平行に長さを持つ凹部を持ち、凹部の光入射面側には背面あるいは出射面に対し略４５度の傾きを持った斜面を有してなることを特徴として構成できる。

さらに、照明光学系は、光路上に斜めに配置された反射鏡と、反射鏡で反射された光を画像表示装置側に導くプリズムアレイとからなり、前記光源からの光のうち、反射鏡の幅方向に相当する方向の光は反射鏡の幅に略相当する光線高を持ち、出射光はテレセントリックな平行光となる投光光学系を備えていることを特徴としても構成できる。

また、前記光源は、レーザー光源としたときには、前記投光光学系にＤＯＥ素子を用いて構成することも有効である。特に、投光光学系から出射される光のうち、導光部幅方向については、異なる光源から出射された各色光は異なる角度で導光部に入射するように設けられていることが望ましい。

前記導光部は、画像表示素子の、同一色信号で駆動される画素の配列方向において、少なくとも開口面積が画像表示装置有効部入射面積に略等しい出射面と、前記出射開口面と鋭角の頂角を持って対向する背面と、前記出射面と前記背面の成す頂点と対向する位置に設けられた入射面とから成るテーパープリズムであることを特徴としての構成が考えられる。特に、後者に於いては前記斜面はテーパープリズム面内に離散的に配置されていることで、均一化を図る上で有利である。

本発明によれば、ライトバルブ方式の表示素子を用いたディスプレイ装置に於いて、光源からの光を効率よく用いることで消費電力を最小限に抑えることが可能となる。白色光源からの光に対しカラーフィルターで色表示する従来装置に対し、理想的には３倍の光利用効率が実現できる。

以下、本発明にかかるディスプレイ装置の実施の形態を図１〜図１７を用いて説明する。

（実施の形態１）
本発明の第１の実施の形態によるディスプレイ装置の全体構成図を図１に示し、液晶表示部周辺の詳細断面を図２に示す。また、図３はマイクロレンズアレイの斜視図、図４は投光レンズの光学関係図である。図において、ディスプレイ装置には光源として、各々赤、緑、青光を発するＬＥＤ光源１００、１０１、１０２が配置されている。光源前面には、開口絞り１０３、投光レンズ１０４が設けられている。投光レンズ１０４は、この画像表示部１０５の入射側有効部に、前記開口絞り１０３の像を全域と同じか、若干の余裕を持った倍率で転写可能に設計されることで照明できる。画像表示部１０５は、入射側からフレネルシート１０６、マイクロレンズアレイ１０７、入射側偏光板１０８、液晶パネルユニット１０９、出射側偏光板１１０、拡散層１１１からなる。フレネルシート１０６は、投光レンズ１０４の出射瞳付近に焦点位置を設定されてなるレンズと同様な作用を備え、マイクロレンズアレイ１０７の有効部の位置にかかわらず、同じ光の入射角となる。マイクロレンズアレイ１０７は、図３にあるように、表裏、つまり入射側、出射側に対になって多数のマイクロレンズが備えられている。マイクロレンズは液晶パネルユニット１０９の表示画素のうち、赤緑青の組に対応する数だけ配置されている。このうち、出射側マイクロレンズ１１２は、入射側マイクロレンズ１１３の主点位置に焦点位置を持つよう設定されており、入射側マイクロレンズ１１３は、出射側マイクロレンズ１１２と合成した系に於いて、焦点位置が液晶パネルユニット１０９の画素開口部に相当するように設計されて成る。

以上のように構成されたディスプレイ装置に於いて、ＬＥＤ光源１００、１０１、１０２から投射された光は、投光レンズ１０４を経て画像表示部１０５に入射する。画像表示部１０５のフレネルシート１０６で同じ入射角になり、マイクロレンズアレイ１０７によって、光源からの光は液晶パネルユニット１０９の画素開口部に集光する。即ち、投光レンズ１０４の出射瞳に形成される発光体像が画素開口部に形成されることを意味する。特に、図４に於いて、投光レンズ１０４の出射瞳上の発光体像の高さをＨｐｌ、マイクロレンズアレイ１０７の、入射側の有効高さを決める入射側マイクロレンズ１１３の開口端と前記投光レンズ１０４の瞳位置のなす角をθｐｌとし、液晶パネルユニット１０９の画素開口有効高さをＨｌｖ、前記画素開口中心とマイクロレンズアレイ１０７の出射側の有効高さを決める出射側マイクロレンズ１１２の開口端のなす角をθｌｖとしたときに、以下の関係にある。

θｐｌ×Ｈｐｌ≦θｌｖ×Ｈｌｖ
（ただし、上記記号はいずれも同一屈折率中にあると換算して成立している。）
図１では、画像表示素子の赤緑青の画素が同一面上に配列される方向について述べたが、これに直交する方向についても同じことが言える。

また、投光レンズ１０４の瞳上の各色光の発光体像が以下の関係となるように各色光用光源の配列間隔は設定されている。

Ｐｐｌ／Ｐｌｖ＝Ｈｐｌ／Ｈｌｖ
ここで、Ｐｐｌ：投光レンズ上の色光別発光体間ピッチ、Ｐｌｖ：異なる色信号に合わせて駆動される画素間のピッチを示す。

マイクロレンズアレイ１０７から出射された光は入射側偏光板１０８に入射する。ここに入射した光の内、偏光板の透過軸と同じ偏光方向の光は透過し、吸収軸方向の光は吸収される。入射側偏光板１０８を透過した後、液晶パネルユニット１０９に入射する。

液晶パネルユニット１０９は、現在一般的に市場に供給されている一般的な液晶パネルであり、３種の色信号別に独立制御可能な多数の画素を有して成っている。

液晶パネルユニット１０９に入射した光は、液晶層１１４を透過した後、カラーフィルター層１１５、ブラックマトリックス開口部１１６を透過し、出射側偏光板１１０に至る。

出射側偏光板１１０は、入射側偏光板１０８とねじりの方向にその偏光軸を備えている。従って、液晶層１１４で偏光方向を９０度捻られた光は、出射側偏光板１１０を透過する。この透過光は、周辺の保持材料に周辺と屈折率の異なるビーズ材料が練り込まれた拡散層１１１により、観察者に対して広い視野角を提供できる。この拡散層は、表面を荒らした磨りガラス状のものでも転用できるが、前述の構成とすることで、外光を観察者側に返すことなく、装置内部側に外光を導き、偏光板で吸収することから、外光を受けても画質を損なうことがない。

このように構成することで、光源からの各波長の光を、各色光に合わせた信号により駆動される画像表示装置の画素に導けることから、従来の白色光からカラー表示をする構成に対し３倍の高効率化を望むことが出来る。

なお、本実施の形態では、液晶パネルユニット１０９にカラーフィルター層１１５を設けたが、理想的に色分離が出来ればその必要はないことは言うまでもない。カラーフィルター層１１５がなければ、コストのみならず透過率も向上することは明らかである。

図１の構成では、フレネルシート１０６から光源側が大きくスペースを取っているが、説明の便宜上の構成であり、ミラーの折り返しなど、省スペース化の手段を併せ持っても構成可能である。このとき用いられる投光レンズは、焦点距離が短いほど投写距離が短くなり、装置全体を小型に形成できることから望ましい。このとき周辺光量比を確保しなければならないことは言うまでもない。

また、光路合成光学系としてマイクロレンズアレイを用いたが、図５にあるような、蒲鉾型のマイクロレンチキュラレンズアレイをこれに代える構成も可能である。この際には、色分離方向のみにレンズとしての作用を持つことから、液晶パネル上の同一色信号用で駆動される画面縦方向の画素間には集光作用を持たないため、開口率はマイクロレンズを用いる場合よりも劣る。ただし量産時にはこの画面縦方向について位置決めは精度を要求されないことから、歩留まり上有利になる。このマイクロレンチキュラレンズアレイの数は、画像表示パネルの同一色信号で駆動される列の数と等しいことは言うまでもない（全表示画素横配列画素数の１／３）。

また、図６に本実施の形態の投光レンズ部を軸ずらしレンズとした場合、ここでは投写像の下端が投写レンズの光軸に一致するよう設置されている（破線図）。このように構成されることで、ミラー１１７で折り返した構成にしたときに、薄型化に対して有利に構成できる。

更に図７に有るように、本実施の形態の投光レンズ部をあおり投写レンズとし、光源、あるいはその前面に設けられた開口面積を決定する開口絞り１１８と、投光レンズ１０４と、画像表示部１０５との間でシャインプルーフの関係が成り立っている。これによれば、前述の軸ずらしレンズよりもフォーカス良く、開口絞り１１８形状を画像表示部１０５に転写出来る。ただし、このとき画像表示部１０５の上部から下部にかけて転写倍率が変わることから、開口絞りは上部から下部にかけて幅が連続的に変化する台形状になっていることが望ましい。

また、投光レンズ１０４と、画像表示部１０５間にミラー１１７を配置することで、薄型化が可能になることは言うまでもない。

（実施の形態２）
本発明の第２の実施の形態によるディスプレイ装置の全体構成図を図８に示す。液晶表示部周辺は実施の形態１と同構成なので説明は割愛する。図において、ディスプレイ装置には光源として各々赤、緑、青光を発するＬＥＤ光源１００、１０１、１０２が配置されている。ＬＥＤ光源１００、１０１、１０２から出射された光は、集光レンズ１１９を透過後、偏向ビームスプリッター１２０に入射する。入射光の内、偏向ビームスプリッター１２０に対してＰ偏光成分光はそのまま透過するが、Ｓ偏光成分光は偏光分離面で反射され、折り返しミラー面１２１で反射されて、光路の方向が先のＰ偏光光と光軸が平行に光路を整合される。この光は、位相差板１２２を透過した後に、合成レンズ１２３、開口絞り１２４を透過し、投光レンズ１２５に至る。位相差板１２２は透過光の偏光方向が９０度変換されるように設定されている。

投光レンズ１２５からの出射光は、テーパープリズム１２６に入射する。このテーパープリズム１２６は、画像表示素子の同一色信号で駆動される画素の配列方向において開口面積が画像表示装置有効面積とおよそ等しい出射開口面１２７と、出射開口面１２７と鋭角の頂角を持って対向する背面１２８と、出射開口面１２７と背面１２８の成す頂点と対向する位置に設けられた光源からの光の入射面１２９とからなっている。

テーパープリズム１２６の材料は、樹脂あるいはガラスといった高屈折率材料からなっている。

ここに入射した光は、出射開口面１２７と背面１２８の間で全反射が繰り返される内に、出射開口面１２７に対する臨界角を超えて入射する光が、出射開口面１２７から出射される。この作用が、投光レンズ１２５からの各出射角の光に対して全反射の回数や出射開口面１２７からの出射位置は異なるものの、全ての光は出射開口面１２７から出射される。ただし、出射光は出射開口面１２７に対して、図にあるように大きな角度を持っているので、フレネルシート１３０は、入射してくる光を複数のマイクロプリズム面で画像表示部１０５に導く。もちろん、画像表示素子の同一色信号で制御される画素の配列方向（前記背面１２８が形成される図８で表される方向）に対しては、正面に光が入射し、それに直交する方向については作用しない、あるいは作用しても、周辺光を収れんするための本来のコリメーション機能だけを持っている。即ち、フレネルシート１３０のマイクロプリズム面は、およそ図８に示す形状を持って紙面の奥の方向に伸びた形状となる。フレネルシート１３０を経た光は画像表示部１０５に入射する。ここから先の作用は、実施の構成１と同じなので割愛する。

このように構成すると、実施の形態１と同様に、光源からの各波長の光を、各色光に合わせた信号により駆動される画像表示装置の画素に導けることから、従来の白色光からカラー表示をする構成に対し、３倍の高効率化を望むことが出来る。

この構成でも、カラーフィルター層１１５は状況で選択可能であるし、また、光路合成光学系のマイクロレンズアレイを、マイクロレンチキュラレンズアレイに代える構成も可能であることは言うまでもない。

本実施の形態では、偏光変換素子で光源からの光の偏光方向を、画像表示素子の入射側偏光板１０８の透過軸方向に合わせることで、光利用効率を倍近く改善できる。また、テーパープリズムを用いることで装置全体の薄型化を可能にできる。

図９では、本実施の形態にレーザーを応用した際の構成を示している。緑光を発する緑色レーザー光源１３１からの光は、赤反射ダイクロイックミラー１３２を透過するが、赤光を発する赤色レーザー光源１３３からの光は、ここで反射されることで光路が合成される。次に、入射する青反射ダイクロイックミラー１３４では、これらの光に青光を発する青色レーザー光源１３５からの光が、同様にして同光路上に加わる。合成光は、光路拡大レンズ１３６、折り返しミラー１３７、フィールドレンズ１３８、開口絞り１３９を経て、投光レンズ１４０によりテーパープリズム１２６に入射する。出射開口面１２７からの光は、角度を持ってＤＯＥ素子（光学回折素子）１４１に入射する。ここでは、波長毎に異なる角度で出射されるよう構成されている。この出射角と、色分離系のマイクロレンズアレイ（あるいはマイクロレンチキュラアレイ）に求められる色光毎に、求められる入射角と整合が取れる様配置される。この際、図８に示した形態とは、ＤＯＥ素子１４１、マイクロレンズアレイ１０５までの構成と、画像表示装置１１４の位置関係は９０度ねじれた関係にある。（カラーフィルターの各色ストライプ配列が画面の横方向になる。）この際、レーザー光源は偏光光なのでその偏光軸は画像表示装置の入射側偏光板１０８の透過軸と一致している。

ここまで説明した実施の形態に於いては、光源をＬＥＤとしてきたものについてはレーザー光源でも応用可能であることは言うまでもない。ただし、レーザー光源のほとんどは偏光光を出射するため、偏光方向を変換するための系が不要となる。

（実施の形態３）
第３の実施の形態によるディスプレイ装置の全体構成図を図１０、導光板部分拡大図を図１１に示す。液晶表示部周辺は実施の形態１および２と同構成なので説明は割愛する。ディスプレイ装置には光源として、各々赤、緑、青光を発するレーザー光源１３１、１３３、１３５が配置されている。レーザー光源１３１、１３３、１３５から出射された光は、集光レンズ１４２を透過後、合成レンズ１４３、開口絞り１４４を透過し、投光レンズ１４５に至る。投光レンズ１４５からの出射光は、図１０（ｂ）方向に於いてのみ，入射光を拡大する拡大レンズ１４６、図１０（ａ）の方向には、出射光が導光板１４８の入射面近傍に集光するパワーを持ち、図１０（ｂ）の方向に於いても、およそ導光板１４８の幅を持ち、投光レンズ１４５の出射瞳までの距離を焦点距離とするパワーを持っているコリメーターレンズ１４７を経て、導光板１４８に入射する。導光板１４８は、図１１にある様に、導光板の図１０（ａ）の方向に於いては、多数のくさび状の凹部１５０が設けられており、入射面１４９からの入射光は凹部１５０の斜面１５０ａで全反射せしめられ、出射面１５１から出射される。

このくさび状の凹部１５０は図１０（ｂ）にあるように、図１０（ｂ）の方向については入射面１４９の長手方向にパワーを持たない形状となっていて、背面１５２上に離散的に設けられている。本発明に於いて、導光板１４８に求められる機能は、図１０（ａ）に示す方向には９０度光路を変更しながらも、図１０（ｂ）に示す方向、即ち画像表示部のマイクロレンズアレイ、あるいはマイクロレンチキュラアレイの色分離方向については、極力影響を与えない（各色光の入射角の違いを維持できる）ことが求められる。よって、入射光の強度分布によっては、４５度の傾斜を持つ斜面１５０ａの角度を場所によって最適化する、凹部１５０の配置を部分的に密にする、あるいは疎にするということも必要になると考えられる。また、図１２に有るように、複数の光源組１５３、１５４、１５５を複数持つことも可能である。

図１３に本実施の形態の応用例である、ＤＯＥ（回折光学素子）を用いたディスプレイ装置の全体構成図を示す。ここでは、光源からの光を赤、緑、青光の最適化したＤＯＥ素子１５６、１５７、１５８によって、導光板１４８の入射面を包括する大きさに拡大した後、コンデンサレンズ１５９で導光板の厚み方向には集光され、幅方向にはテレセントリック系をなす設計となっている。これによれば構成の簡素化が可能となる。

図１４に本実施の形態の他の応用例である、光源をＬＥＤにしたディスプレイ装置の全体構成図を示す。赤、緑、青光を発するＬＥＤ光源１６０、１６１、１６２からの光は、実施の形態２と同じ機能を持つ偏光変換素子１６３に入射して、一方向の変更となって色合成レンズ１６４に入射し、開口絞り１６５に入射する。そして、集光レンズ１６６、凸ミラー１６７、凹ミラー１６８を経て、導光板１６９に入射している。この導光板１６９は、先の導光板１４８と同じ構成で成立する。導光板１６９までの集光をレンズに代えてミラーで行えば、大きいパワーを持たせることが出来るので光路短縮に有効である。

ここまでの全ての実施の形態に於いて、投光レンズは、異なる色光を発光する光源についてそれぞれ設けることでも構成できる。このときは、開口絞りは各投光レンズと光源間に備えることとなる。そして、この構成に於いても、投光レンズに出来る光源像の大きさ、その間隔などは、投光レンズが１つの構成の時と同じであることは言うまでもない。

以上のように本発明にかかるディスプレイ装置は、ＬＥＤをバックライト光源とした場合の光利用効率が向上し、消費電力を最小限に抑えることが可能となり、バックライト装置を備えた透過型変調素子によるディスプレイ装置等に有用である。

本発明の第１の実施の形態によるディスプレイ装置の全体構成図 本発明の第１の実施の形態によるディスプレイ装置の液晶表示部周辺の詳細断面図 マイクロレンズアレイの斜視図 本発明の第１の実施の形態における投光レンズの光学関係を示す図 マイクロレンチキュラレンズアレイの斜視図 本発明の第１の実施の形態の投光レンズ部を軸ずらしレンズとした場合の構成図 本発明の第１の実施の形態の投光レンズ部をあおり投写レンズとした場合の構成図 本発明の第２の実施の形態によるディスプレイ装置の全体構成図 本発明の第２の実施の形態のレーザーを応用した際の構成図 本発明の第３の実施の形態によるディスプレイ装置の全体構成図 本発明の第３の実施の形態の導光板の部分拡大図 本発明の第３の実施の形態の応用例のディスプレイ装置の全体構成図 本発明の第３の実施の形態の応用例のディスプレイ装置の全体構成図 本発明の第３の実施の形態の応用例のディスプレイ装置の全体構成図 従来の画像表示装置の構成図

符号の説明

１００、１６０ 赤色ＬＥＤ光源
１０１、１６１ 緑色ＬＥＤ光源
１０２、１６２ 青色ＬＥＤ光源
１０３、１１８、１２４、１３９、１４４、１６５ 開口絞り
１０４、１２５、１４０、１４５ 投光レンズ
１０５ 画像表示部
１０６、１３０ フレネルシート
１０７ マイクロレンズアレイ
１０８ 入射側偏光板
１０９ 液晶パネルユニット
１１０ 出射側偏光板
１１１ 拡散層
１１２ 出射側マイクロレンズ
１１３ 入射側マイクロレンズ
１１４ 液晶層
１１５ カラーフィルター層
１１６ ブラックマトリックス開口部
１１７ ミラー
１１９、１４２ 集光レンズ
１２０ 偏光ビームスプリッター
１２１ 折り返しミラー面
１２２ 位相差板
１２３、１４３ 合成レンズ
１２６ テーパープリズム
１２７ 出射開口面
１２８、１５２ 背面
１２９ 入射面
１３１ 緑色レーザー光源
１３２ 赤反射ダイクロイックミラー
１３３ 赤色レーザー光源
１３４ 青反射ダイクロイックミラー
１３５ 青色レーザー光源
１３６ 光路拡大レンズ
１３７ 折り返しミラー
１３８ フィールドレンズ
１４１ ＤＯＥ素子（光学回折素子）
１４６ 拡大レンズ
１４７ コリメーターレンズ
１４８、１６９ 導光板
１４９ 導光板入射面
１５０ 導光板凹部
１５０ａ 導光板斜面
１５１ 出射面
１５３、１５４、１５５ 光源組
１５６ 赤色光の最適化したＤＯＥ素子
１５７ 緑色光の最適化したＤＯＥ素子
１５８ 青色光の最適化したＤＯＥ素子
１５９ コンデンサレンズ
１６３ 偏光変換素子
１６４ 色合成レンズ
１６６ 集光レンズ
１６７ 凸ミラー
１６８ 凹ミラー

Claims (33)

1. ２次元に配列され、色毎に独立して透過する光の比率を制御可能な開口を有し、透過光を変調可能な画像表示素子と、表裏に凸レンズの作用を持つマイクロレンズを１対として多数を２次元的に配置して成る光路合成光学系と、異なる色光の主光線を異なる角度で前記光路合成光学系に出射する照明光学系と、異なる色光を発する複数の光源とからなり、
   前記光路合成光学系は、入射側マイクロレンズと、画像表示素子近傍に配置される出射側マイクロレンズとから成り、前記出射側マイクロレンズの焦点距離は、前記２つのマイクロレンズ間の距離におよそ等しく、前記２つのマイクロレンズにより、前記画像表示素子上の開口に照明光学系からの色光は集光されるように、前記２つのマイクロレンズの合成焦点距離が設定されており、
   前記照明光学系の任意の投光レンズの瞳中心、光路合成光学系の２つのマイクロレンズの曲率中心、画像表示素子の画素開口中心を通る光軸を含む面上で、投光レンズの出射瞳の高さをＨｐｌ、出射瞳位置と光路合成光学系の入出射のレンズを合成して単レンズとしたときに、有効部上端を結ぶ線と前記光軸でなす角をθｐｌ、画像表示素子の画素開口有効高さをＨｌｖ、前記画素開口中心と光路合成光学系の入出射のレンズを合成して単レンズとしたときに有効部上端を結ぶ線と前記光軸でなす角をθｌｖとした場合、
   θｐｌ×Ｈｐｌ≦θｌｖ×Ｈｌｖ
   の関係が成り立つことを特徴とするディスプレイ装置。
2. 前記マイクロレンズは、蒲鉾型のレンチキュラレンズであることを特徴とする請求項１記載のディスプレイ装置。
3. 前記レンチキュラレンズは、その長手方向が、画像表示素子の同一色信号で駆動される画素配列の方向に合致して配置されていることを特徴とする請求項２記載のディスプレイ装置。
4. 前記光路合成光学系は、画像表示素子の画素数を、異なる色光の数で除した数の対のマイクロレンズからなることを特徴とする請求項１記載のディスプレイ装置。
5. 前記光路合成光学系は、画像表示素子の同一色信号で制御する画素配列の数を、異なる色光の数で除した数の対のレンチキュラレンズからなることを特徴とする請求項２記載のディスプレイ装置。
6. 前記入射側マイクロレンズと出射側マイクロレンズは、蒲鉾型のレンチキュラレンズであることを特徴とする請求項１記載のディスプレイ装置。
7. 前記画像表示素子は、各色光に対応した開口部を備え、各前記開口部には変調すべき色光のみ選択透過するフィルターを備えていることを特徴とする請求項１記載のディスプレイ装置。
8. 前記画像表示素子の出射側には拡散層が備えられていることを特徴とする請求項１記載のディスプレイ装置。
9. 前記拡散層は、基材中に屈折率の異なる材料が含まれてなることを特徴とする請求項８記載のディスプレイ装置。
10. 前記光路合成光学系と、照明光学系の間にフレネルシートを備えていることを特徴とする請求項１記載のディスプレイ装置。
11. 前記フレネルシートは、入射してくる光を複数のマイクロプリズム面で光路合成光学系に導くことを特徴とする請求項１０記載のディスプレイ装置。
12. 前記フレネルシートは、画像表示素子の同一色信号で制御される画素の配列方向に対しては正面に光が入射し、前記配列方向に直交する方向に入射光の波長特性の光毎に異なる角度で光を導く光学素子と、前記光学素子に対して一定の入射角を持って光源からの光が入射するように制御する照明光学系とを経た光を、マイクロプリズム面内で均一な作用になるように光路合成光学系に対し出射することを特徴とする請求項１１記載のディスプレイ装置。
13. 前記照明光学系は、画像表示素子の同一色信号で駆動される画素の配列方向において、少なくとも開口面積が画像表示装置有効面積に略等しい出射面と、前記出射開口面と鋭角の頂角を持って対向する背面と、前記出射面と前記背面の成す頂点と対向する位置に設けられた光源からの光の入射面とから成るテーパープリズムを備えたことを特徴とする請求項１記載のディスプレイ装置。
14. 前記投光レンズは、異なる色光を発光する光源について、それぞれ設けられていることを特徴とする請求項１記載のディスプレイ装置。
15. 前記複数の投光レンズの光軸はフレネルシートを透過し、光路合成光学系に入射する際、光路合成光学系の１対の入射、出射レンズの曲率中心を通る軸に対して対称になるように、各色用投光レンズが備えられていることを特徴とする請求項１４記載のディスプレイ装置。
16. 前記投光レンズは、異なる色光を発光する複数の光源からの光を１本で投写可能に設けられており、異なる色光を発光する光源像が、その瞳上において別の位置に形成されるように設けられている投光レンズを備えていることを特徴とする請求項１記載のディスプレイ装置。
17. 投光レンズの出射瞳に形成される、任意の色光の光源像中心位置間隔が、画像表示装置の画素間隔に相当する様に、介在する部品の倍率関係が設定されていることを特徴とする請求項１記載のディスプレイ装置。
18. 投光レンズの出射瞳に形成される任意の色光の光源像中心位置間隔をＰｐｌ、各色光源像のそれぞれの面積をＳｐｌとし、画像表示装置の画素間隔をＰｌｖ、画素開口の各色用の面積をＳｌｖとしたとき、
    Ｐｐｌ／Ｐｌｖ≧Ｓｐｌ／Ｓｌｖ
    の関係が成り立つことを特徴とする請求項１７記載のディスプレイ装置。
19. 光源はＬＥＤ素子であることを特徴とする請求項１記載のディスプレイ装置。
20. 光源から出射された光の偏光方向整合機能を備えた素子を有することを特徴とする請求項１９記載のディスプレイ装置。
21. 前記偏光方向整合機能を備えた素子は、偏光ビームスプリッターによる偏光分離素子と、位相差板から成る偏光方向変換素子と、偏光方向をそろえた複数の光路の方向を整合する光路変換手段から成ることを特徴とする請求項２０記載のディスプレイ装置。
22. 光源は半導体レーザー素子であることを特徴とする請求項１記載のディスプレイ装置。
23. 光源から出射された光が、画像表示素子入射面相当に拡大投射されるように設定されたＤＯＥ素子から成る照明光学系を有することを特徴とする請求項２２記載のディスプレイ装置。
24. 前記光源は、ＲＧＢそれぞれの波長域の光を出射する半導体レーザー素子であることを特徴とする請求項２３記載のディスプレイ装置。
25. 前記画像表示素子は、入射側、出射側の偏光板で挟まれて成る液晶を応用した装置であり、光源は、出射光の偏光方向が画像表示素子の入射側偏光板の透過軸方向に合致するように配置されていることを特徴とする請求項２１乃至２４のいずれか一項に記載のディスプレイ装置。
26. 前記照明光学系は、端面（厚み方向）から入射した光を大きな開口部の１面から出射する作用を備えた板状立方体の導光部と、前記光源からの光のうち前記導光部の厚み方向の光は大きな集光角で集光せしめられ、前記導光部の幅方向に相当する方向の光は、前記導光部の幅を包括する光線高を持ち、出射光はテレセントリックな平行光となる投光光学系を備えていることを特徴とする請求項１記載のディスプレイ装置。
27. 前記導光部は平行平面板であり、画像表示装置と反対面（背面）には光入射面と平行に長さを持つ凹部を持ち、凹部の光入射面側には背面あるいは出射面に対し略４５度の傾きを持った斜面を有してなることを特徴とする請求項２６記載のディスプレイ装置。
28. 前記照明光学系は、光路上に斜めに配置された反射鏡と、反射鏡で反射された光を画像表示装置側に導くプリズムアレイとからなり、前記光源からの光のうち、反射鏡の幅方向に相当する方向の光は反射鏡の幅に略相当する光線高を持ち、出射光はテレセントリックな平行光となる投光光学系を備えていることを特徴とする請求項１記載のディスプレイ装置。
29. 前記光源は、前記導光部の幅方向に配列されていることを特徴とする請求項２６または２８記載のディスプレイ装置。
30. 前記光源は、レーザー素子光源であり、前記投光光学系にはＤＯＥ素子が含まれていることを特徴とする請求項２６または２８記載のディスプレイ装置。
31. 前記投光光学系から出射される光のうち、導光部幅方向については、異なる光源から出射された各色光は異なる角度で導光部に入射するように設けられていることを特徴とする請求項２６または２８記載のディスプレイ装置。
32. 前記導光部は、画像表示素子の、同一色信号で駆動される画素の配列方向において、少なくとも開口面積が画像表示装置有効部入射面積に略等しい出射面と、前記出射開口面と鋭角の頂角を持って対向する背面と、前記出射面と前記背面の成す頂点と対向する位置に設けられた入射面とから成るテーパープリズムであることを特徴とする請求項２６記載のディスプレイ装置。
33. 前記斜面を持つ凹部は、テーパープリズム面内に離散的に配置されていることを特徴とする請求項２７記載のディスプレイ装置。

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