JPH0353221A - 投影型カラー画像表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、マトリックス状に配列された複数の絵素を有
する透過型の表示パネル（例えば液晶表示バネ／Ｌ／）
に表示された画像を投影レンズで拡大投影する投影型画
像表示装置に関するものであシ、特に大画面の投影型Ｔ
Ｖ（テレビジョン）システムや情報表示システムに適用
されるものである。

〈従来の技術〉 本発明に用いられる表示バネ／Ｌ／ぱ、それ自身は発光
しないが、その透過率が駆動＠号によって変化し、別に
設けられた光源からの光の強度を変調することにより画
像や文字を表示するものである。

この例には液晶表示パネル、エレクトロクロミックディ
スプレイ、ＰＬＺＴ等の透光性セラミックを用いたディ
スプレイ等があり、中でも液晶表示パネノレはボケッタ
ブルＴＶ（テレビジョン）やワ一ドプロセッサー等に広
く利用されて釦９、完戒度が高いので、これを例にして
説明する。

マトリックス型と呼ばれる構造の液晶表示パネルでは、
絵素と呼ばれる最小の表示単位が規則的に配列されて釦
ク、それらの絵素にそれぞれ独立した駆動電圧を印加す
ることによ＃）ｇ！晶の光学特を変化させ、それによっ
て画像や文字を表示する。

各絵素に独立した駆動電圧を印加する方式には、単純マ
｝　ＩＪックス方式釦よびＭＩＭ（金属一絶縁層一金属
）等の非線形二端子素子や薄膜トランジスター等の三端
子スイッチング素子を各絵素に設けたアクティブマトリ
ックス方式がある。本発明は、いずれの方式にも適用で
きるが、特に開口率（１絵素の区画中に占める有効な絵
素開口部の面積の割合）の小さいアクティブマトリック
ス方式に適用すると効果的である。

透過型表示パネルを観察するモードとしては、表示パネ
ノレを直視する場合と、投影レンズによって拡大投影す
る場合とがある。本発明は後者の投影型の中でも、特に
三枚の表示パネルをそれぞれ赤・緑・青の光で照射して
三原色の画像を得、それらの画像を同一光路を進むよう
に合成し、共通の投影レンズにより投影丁るような構成
の投影型表示装置に適用される。

く発明が解決しようとする問題点〉 従来の映写機やスライド投影機では、ケーラー照明が用
いられる場合が多く、投影型液晶表示装置でもこの照明
法が踏襲されている。この照明法では、投影レンズの口
径を小さくするために、コンデンサーレンズによる光源
の像を投影レンズの位置に作るように光学系が構或され
る。このような光学系によシ、複数の表示パネノレの画
像、特に三原色の画像を光学的に重ね合わせて合成し、
カラ一画像を表示する投影型画像表示装置を構戒すると
、表示パネルと投影レンズのあいだの距離によって、投
影倍率が変化するので、三枚の表示パネル相互の位置合
わせを精密に行わないと、色ズレが生じる等の問題が発
生する。また、照明光がコンテ゜ンサーレンズから投影
レンズに向かって収束するように構戒されているので、
照明光の表示パネルに対する入射角が、表示パネルの位
置によって異なる。このため、液晶表示パネルの様に視
角依存性のある表示バネ／ｌ／を用いる場合には、画面
の上下でコントラストが不均一になるという問題が生じ
る。

このような問題を解決する方法として、ほぼ平行な光で
表示パネμを照明することが考えられる。

例えば、特開昭６０−２９１６号公報の図面には、ほぼ
平行な光で液晶パネルを照明し、単一の投影レンズで投
影する光学系の概念図が示されている。

該公報では、光学系については詳しい記述は見られない
が、次のような問題点が予想される。

第一ぱ、液晶バネノレよりも大きな口径の投影レンズが
必要になるという点であり、第二は、このような光学系
に於いて投影レンズとして単レンズを用いれば大きな歪
曲収差が発生するので、この歪曲収差を低減するには相
当複雑な構成の投影レンズを用いなければならないとい
う点である。これらのことから、投影レンズの製造コス
トが非常に高くなることが予想される。

筐タ、アクティブ・マトリックス駆動方式の表示パネル
では、絵素と絵素の間隙にＭ　Ｉ　Ｍ等の非線形二端子
素子や薄膜トランジスター等の三端子スイッチング素子
釦よびそれらの素子を駆動するための信号線を設けなけ
ればならないが、これらの占有面積は電気的性能釦よび
製造技術上の制約からある程度以下には小さくできない
。そのため絵素ピッチを小さくする程、開口率（１絵素
の区画中に占める有効な絵素開口部即ち光透過部の面積
の割合）が小さくなってし筐い、同じ明るさの光源を用
いても表示画面が暗くなってし１つという問題が重大に
なってくる。

本発明は上述のような問題点を解決するためになされた
ものであり、複数の表示パネル相互間の位置合わせが容
易で、画面内でコントラストが均一な投影型画像表示装
＠を提供することを目的としている。また、本発明は、
表示パネルの実効的開口率を向上させるためにマイクロ
レンズアレイを適用し、明るい画像の得られる投影型画
像表示装置を提供することを目的としている。

〈問題点が解決するための手段〉 上記目的を達成する為に本発明に釦いては、三原色のそ
れぞれの表示パネルに対して、主光線がほぼ平行になる
ように設定された照叫光系によってそれぞれ対応する色
の光を照射し、各表示パネルの後にフィールドレンズの
作用をする第一のレンズ群を、それぞれの後側焦点が各
色の画像を合戒する手段を通過した後に一致するように
配置し、それらの共通の後側焦点付近に、投影レンズの
作用をする第二のレンズ群を配置して、いわゆるテレセ
ントリンク系を構成する。

更に、各表示パネルのそれぞれの光源側に、表示パネル
の各絵素と位置的に対応づけられて、蝿ノ目状のマイク
ロレンヌ゛アレイまたＩｄ．Ｖンｆキュラーレンズ（以
下の説明では両者を含めて単にマイクロレンズアレイと
呼ぶ。）が配置される。これらの焦点が、表示パネＮの
絵素の開口部に入るように、位置と焦点距離が設定され
る。

尚、特開昭６１−１６７２９７号には、液晶パネルと投
影レンズの間にリレーレンズを設けるという記述が見ら
れるが、該出願の趣旨は、三枚の液晶パネルをそれぞれ
赤・緑・青の光で照明し、それぞれ独立した光学系で投
影するという点にあるが、本発明では、三枚の表示パネ
ルの画像を光学的に合成した後で、共通の投影レンズで
スクリーンに投影する点が異なる。塘た、特開昭６１−
１７７０７９号、特開昭６２−４２１８２号にもフィー
ルドレンズを用いるとの記述が見られるが、これらの例
では、複数の画像を合成した後に、つのフィールドレン
ズを用いてかり、本発明は、各表示パネルにそれぞれフ
ィールドレンズを設ける点が異なっている。

〈作　用〉 上記手段を投影型画像表示装置に適用することにより、
三原色の画像を表示する各表示パネノレは、主光線がほ
ぼ平行になるように設定された照明光学系によって照明
される。

照明光は表示パネルの直前に設けられたマイクロレンズ
アレイにより集光されて絵素の開口部を通過するので、
マイクロレンズアレイを適用しない場合、表示画像の明
るくなる。従来のようにケーラー照明系に適用する場合
には、マイクロレンズアレイに入射する光は投影レンズ
に向かって収束されているので、マイクロレンズアレイ
のピッチを絵素ピッチに対して補正しないとモアレ縞が
発生するが、本発明では平行光を入射させるので、マイ
クロレンズアレイのピッチと絵素ビツチが等ければモア
レ縞は発生しない。

各マイクロレンズにより収束された光は、後側焦点ヲ過
ぎると、頂角θ＝ｔａｎ　　（マイクロレンズの半径／
マイクロレンズの焦点距離）の円錐の内部に広がってい
く。各マイクロレンズの中心を通る光はそのまま直進す
る。これらの光線群を以下では主光線群と呼ぶ。これら
の主光線群は、ブイーμドレンズの作用を有する第一の
レンズ群により、その後側焦点付近に収束され、その付
近に配置された投影レンズの作用を有する第二のレンズ
群に入射する。この時、マイクロレンズヲ通過した全光
線は、投影レンズの位置では、半径が、（表示パネルと
投影レンズの間隔＊　ｔａｎθ）の円？に広がっている
ので、投影レンズの口径をこれよりも大きくする必要が
ある。これは、投影レンズのＦ数≦マイクロレンズのＦ
＆という条件と同値である。

投影画像のピント合わせた■一のレンズ群と第二のレン
ズ群との間隔を一定に保った筐ま両者を移動させること
も可能だが、実用的には、第一のレンズ群は液晶表示パ
ネルに対して固定し第二のレンズ群だけを移動させて行
う方が簡単である。

第一のレンズ群による液晶表示パネルの虚像を第二のレ
ンズ群により投影すると考えて設計すれば良い。第二の
レンズ群は、主光線の収束点付這に設けられているので
、その口径ぱあｌ）大きくする必要はない。このことは
、投影レンズの設計やコスト面で有利であり、特にズー
ムレンズを採用する場合にはメリットが大きい。このよ
うに構戊された光学系では、複数の表示層を有する表示
パネルに主光線がほぼ平行になるように入射するので、
表示層の位置が合焦面から前後した場合、投影画像はピ
ンボケＫｆｘるが投影倍率は変化しない。

従って、表示パネル間の光軸方向の位置の差による投影
倍率の違いによって生じる画面のズレを防止することが
できる。

〈央施例〉 本発明の１実施例を図面に従い、光路の順を追って説明
する。

添附の図面は本発明の１実施例を示す投影型画像表示装
置の光学系の模式図である。

１は白色光源である。これ鉱は、ハロゲンランプ、メタ
ルハライドランプ、キセノンランプなどが用いられる。

光源から輻射される、紫外線や赤外線が液晶表示パネル
に悪影響を及ぼす慣れのある場合には、紫外線や赤外線
゛一−一゜４目獣響４４旨雲 ９４．／ｖうスルクー４１−　ｆ，ｉｌ．ｋ．；（２４
　ｔ＋’ｉｒＬ−＋１１　ｉｃ　神Ａ　’Ｚ　Ｍ　ｋ　
−２は回転楕円面鏡であや、その第一焦点に光源を置き
、その光を第二焦点に集光する。反射面には必要に応じ
て、可視光だけを反射し、赤外線は透過するいわゆるコ
ーｐドミラーが用いられる。

次に第二焦点付近にインテグレータ−１１を置き、光の
角度分布を均一化する。更に、コンデンサーレンズ３を
、その前側焦点とインテグレータ−１１の中心が一致す
るように配置し、主光線（インテグレーターの中心から
発した光線）が平行になった光束を得て、液晶表示パネ
ルを照射する。この構ｔ７，ｕ、露光機やソーラーシミ
ュレーターに用いられる光学系と同じ設計思想によるも
のである。

尚、光源部としては、このような構成例以外に、球面鏡
や回転放物面鏡とコンデンサーレンズを組み合わせて平
行な光束を得ることもできる。

４Ｒ、４Ｂは、それぞれ赤・青の光を選択的に反射する
ダイクロイックミラーであり、白色の平行な光束は三原
色の或分に分離される。４Ｍは波長選択性のないミラー
である。これらにより、次に説明する各液晶表示パネル
に、それぞれ対応する色の平行な光束が入射し、三原色
の画像が形或される。

５Ｒ，５Ｇ，５Ｂは、イオン拡散法によシ形成された屈
折率分布型のマイクロレンズアレイテアる。レンズ配列
のピッチは液晶表示パネルの絵素ピッチと同じである。

隣接レンズが接触しないようにレンズの口径は１６０μ
仇とした。焦点距離は、屈折率ｎ＝１．５３の液晶表示
パネＮのガラス基板中でその厚さと同じ１．　１　ｆｌ
になるように、空気中では７２０μ汎となるように作成
した。これらを次に説明する液晶表示バネノレ６Ｒ．６
Ｇ．６Ｂの前面に光学用の紫外線硬化型の接着剤で接着
した。マイクロレンズプレイは、本出願人により昭和６
３年１０月２６日に出願された「投影型画像装置」の明
則書に記載されている各種の方法によシ製作することも
できる。

６Ｒ，６Ｇ，６Ｂｉｉ、それぞれ赤・緑・青の各色の画
像を表示するための液晶表示パネルである。

表示画面の対角線は７５ｎ１給素ビッチは縦１９０μれ
＊横１６１μ卵、給素の開口部は縦８８μ肌＊横１０４
μ風、開口率は３０％である。液晶はツイスデッド・ネ
マティック・モードで動作し、アモルファス・シリコン
を用いた薄膜トランジスターにより駆動されるアクティ
ブ・マトリックス方式とした。これ以外の液晶の動作モ
ードや駆動法を用いることもできる。

７Ｒ．７Ｇ．７Ｂは、三枚の各パネノレ毎に設けられた
フィールドレンメ゛の作用金する第一のレンズ群であり
、図の向きに配置された焦点距離２００１１１、直？＋
＝８０ｕ＋の平凸レンズを用いた。

三原色の画像を形成する光は、これらのレンズにより収
束されるが、後側焦点１での間に挿入された、緑・青の
光を選択的に反射するダイクロイックミラ−８Ｇ．８Ｂ
により三原色の画像ヲ光学的ＶＣ重ね合わせて合成され
る。８Ｍは波長選択性のないミラーである。ここで、各
レンズ７Ｒ．７Ｇ，７Ｂの後側焦点が一致するように配
置されているので、投影レンズの位置から液晶表示バネ
）Ｌｔｆ見ると三原色の各画沫の虚像が同じ位置に同じ
大きさで重なったカラー画像が見られる。フィーノレド
レンズは、収束作用を持つレンズであれば、両凸レンズ
、平凸レンズ、メニスカス凸レンズのいずれの形状でも
よいが、投影レンズとの岨み合わせて総合的な収差が小
さくなるよｆ）に設計される。

１た、フィールドレンズの構成は、収差トコストとの兼
合いで、単玉’！７’ｃは二枚以上のレンズから構戒さ
れるアクロマート、アポクロマート等の複合レンズや非
球面レンズあるいはこれらを組合せたレンズが用いられ
る。

この合戊されたカラー画像は、投影レンズ９Ｋより、投
影スクリーン１０に投影される。投影レンズとしては市
販の大型スライド映写機用のｆ＝２　０　（ｌｆｌ，　
Ｆ／４．５のレンズを用いた。このＦ数ハマイクロレン
ズのＦ数＝７２０／１６０．！：等Ｌいので、マイクロ
レンズによって円錐状に広がった光はすべて投影レンズ
に捕捉される。投影レンズとしては、通常のスライド映
写機の投影レンズや、写真機のレンズと同じ構戒のもの
を用いることができ、必要に応じて、更に複数のレンズ
群から構成し、それらの相対的位置ヲ変化させることに
よって、投影レンズ全体の合成焦点距離が変化するよう
なズームレンズとすることができる。

液晶表示バネノレとフィールドレンズの間隔を４０目、
フィーｐドレンズと投影レンズの間隔を２００Ｕとした
時、フィールドレンズによる液晶表示バネルの虚像が形
或され、更にその像が投影レンズの後方１０００ｆｌＱ
所に元の液晶表示パネルの５倍の大きさに拡大投影され
た。フィールドレンズと投影レンズの間隔を１　７　０
　朋とした時には、投影レンズの後方２２００１１の所
に元の液晶表示パネルの１０倍の大きさに拡大投影され
た。

ここで、本実施例の光学系では、液晶表示パネルの位置
を合焦面から前後にずらせた場合、投影倍率は変わらず
、ボケを生じるだけなので、三原色の画像を表示する三
枚の液晶表示パネル相互の位置合わせは非常に容易に行
える。また、本実施例では、歪曲収差は殆ど見られなか
ったが、比較のためにフィールドレンズを取シ去ク、焦
点距離＝　２　０　０　ｎ＋、直径＝ｌＯＯＩＩＩＯ平
凸レンズだけで投影スクリーンに投影した所、大きな糸
巻き型の歪曲収差が発生した。１た、マイクロレンズア
レイを適用した場合の投影画像の明るさは、マイクロレ
ンズアレイ無しの場合のＦＪ２倍の明るさであった０ 尚、本実施例に示した三原色の光の分離・合戒に用いる
ダイクロイックミラーと各表示パネＮの配置は、これに
限るものではなく、各表示パネルと投影レンズとの間の
光路長が等しければ、これ以外の配置にも本発明は同様
に適用できる。光源から各表示パネル１での光路長も等
しくするほうが、各表示バネＩレ面での薫度分布が相似
形になり、画面内の色ムラ（ホワイトバランスのムラ）
が生じ難くなるので好１しいが、この条件は必ずしも満
たされなくても良い。１た、ダイクロイツクミラーの入
射角は、必ずしも４５°にする必要はなく、むしろ入射
角を小さくする方が、ダイクイックミラーの色分離の性
能や光学系を構或する機構設計の面で有利な場合もある
。

タイクロイックミラーの代りにダイクロイツクプリズム
やこれらをＸ型に組合せたものを用いてもよい。

また、液晶表示バネＩレの最適視角が、その法線方向か
ら外れている場合には、照明光に対して、液晶表示パネ
ルを傾ける場合もある。この場合、液晶表示パネＮの法
線、投影レンズの光軸、投影スクリーンの法線のそれぞ
れを平行にすれば、投影画像が台形に歪むキーストーン
歪みは生じない。

〈発明の効果〉 以上のように、本発明を投影型画像表示装置に適用すれ
ば、画面内のコントラヌトが均一で、複数の表示パネル
相互間の位置合わせが容易で、更に、マイクロレンズア
レイの適用により、表示パネルの実効的開口率を向上さ
せた表示画像の明るい投影型画像表示装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の１実施例を示す投影型画像表示装置の光
学系の模式図である。 １：光源　　２：反射鏡　　３：コンテ゜ンサーレンズ
　　４Ｒ，４Ｂ：ダイクロイックミラ−５Ｒ，５Ｇ，５
Ｂ：マイクロレンズアレイ゛６Ｒ．６Ｇ．６Ｂ：液晶表
示パネル　　　７Ｒ，７Ｇ．７Ｂ：フィールドレンズ　
　８Ｇ．８Ｂ＝ダイクロイックミラ−　　９：投影レン
ズ１０：投影スクリーン　　１１：インテグレータ−　
　４Ｍ．８Ｍ：ミラ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、赤・緑・青の画像信号に応じて画像を表示する三枚
   のマトリックス型表示パネルを配置し、各表示パネルに
   表示された三色の画像を光学的に重ね合わせてスクリー
   ンに投影する投影型画像表示装置に於いて、 赤・緑・青の三原色のほぼ平行な光を対応する各表示パ
   ネルに入射させる手段と、 前記表示パネルよりも大きく、 前記表示パネルの各部を透過した主光線を同一の点に収
   束させる 前記表示パネルのそれぞれに対応して設けられた第一の
   レンズ群と、 各表示パネルによって表示された三原色の画像を光学的
   に重ね合わせて合成する手段と、前記第一のレンズ群の
   後側焦点付近に配置され、合成された画像を投影するた
   めの第二のレンズ群とが、光源側から、この順に配置さ
   れていることを特徴とする投影型カラー画像表示装置。