JPH05232430A - 投写型表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 集光用微小レンズを具備した透過型表示パネ
ルからなる投写型表示装置において、出射光束の平行性
が悪い光源系を用いた場合においても、明るい表示画面
を実現する。 【構成】 表示パネルを照らす光源系を表示パネルの
略中心軸と特定の角度を成す様に傾けて配置し、投写
レンズの光軸を表示パネルの略中心軸と平行に、且つ、
表示パネルの略中心軸を境に光源系とは反対側に配置
し、微小レンズはシリンドリカルレンズにより構成す
る。以上により、光の利用効率が高い、明るい表示画像
が得られる投写型表示装置を提供する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は拡大投写が可能な投写型
の表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】投写型表示装置は、透過型の表示パネル
を用いて画像を表示させ、この表示パネルの表示画像を
投写レンズによりスクリーン面に拡大投写するものであ
る。

【０００３】透過型の表示パネルは、自らは発光しない
が、外部からの電気信号に応じて光透過率を変え、別に
設けられた光源からの光の強度を表示パネルにより変調
して、画像情報を表示するようにしたものであり、液晶
パネルがその代表例である。以下では、表示パネルとし
て液晶パネルを取り上げるが、液晶以外の透過型表示パ
ネルにおいても状況は同じであり、以下に述べる技術的
内容が検討されている。

【０００４】一般的な透過型の液晶パネルは、光透過性
の透明画素開口部と、遮光性の液晶駆動部及び配線部等
から成り、それらは平面的に構成されている。液晶駆動
部及び配線部は機能及び作製プロセス上、常にある有限
の大きさを有しているため、液晶パネルの表示密度を上
げれば上げるほど開口率（透明画素開口部の画素に対す
る面積比）は減少し、表示画像は暗くなる。従って、透
過型の液晶パネルを用いた投写型表示装置の表示画像を
高品位化するためには、そこに用いられる液晶パネルの
画素密度を向上させつつ、なおかつ、光の利用効率を低
下させない工夫をとることが重要となる。

【０００５】上記光の利用効率を低下させない工夫の一
つとして、液晶パネルを構成する２枚の基板のうち光源
側に位置する透明基板の表面に、透明画素開口部に対応
する複数の微小レンズを形成し、光源から照射される光
を各微小レンズにより液晶パネルの対応する透明画素開
口部に集光し、従来遮光性の構造体により遮られていた
光をも画素開口部に導き、それにより表示画像を明るく
する方法が開発されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】一般に、レンズ径が同
じである場合、レンズの焦点距離が短い程、入射光を狭
い領域に絞り込むことが出来る。逆に、焦点距離の長い
レンズ系では、平行光に近い光しか十分に絞り込むこと
は出来ない。上記の微小レンズを用いて表示画像を明る
くする手段は、微小レンズに入射する光が平行性に優れ
た光であることを前提条件としている。しかし、実際に
は投写型表示装置の光源から発せられる光の平行性は悪
く、また、微小レンズの焦点距離も種々の制約（例え
ば、微小レンズを液晶パネルを構成する基板を介して基
板上に形成するため、基板の物理的な厚さから微小レン
ズの焦点距離を短くできないこと、あるいは、微小レン
ズにより集光された光は画素開口部を通過した後、微小
レンズの焦点距離に応じたある角度で発散しつつ投写レ
ンズに導かれるため、投写レンズの開口径及び光線取り
込み角度の制約から焦点距離を短くできない等）から短
くすることは難しい。

【０００７】ここで、投写型表示装置の光源から発せら
れる光の平行性が悪い場合に、微小レンズを備えた液晶
パネルにおいて生ずる現象に付いて簡単に説明する。図
４は微小レンズを備えた液晶パネルの断面構造を模式的
に示したものである。微小レンズ２２に対して入射角０
°（垂直）で入射した光２９は画素開口部２５の略中心
部に集光し開口部を通過するが、一方、微小レンズに対
して大きな入射角θで入射した光３０は画素開口部の周
囲の遮光膜２４に集光するため、画素開口部を通過する
ことが出来ない。つまり、微小レンズに入射した光は全
て画素開口部に導かれるのではなく、画素開口部を通過
するか否かは微小レンズの集光性と表示パネルへの入射
角度により決まる。微小レンズに入射した光の内、投写
レンズを通ってスクリーンまで導かれる光を、微小レン
ズに入射する光の入射角の関数として図５に示す。図５
において、斜線部分で明示された角度で微小レンズに入
射する光のみがスクリーンまで達する。以下、斜線部分
の角度域を「微小レンズの利用可能角度域」、また、微
小レンズを通ってスクリーンまで達する光を「微小レン
ズに有効な光」と呼ぶこととする。

【０００８】微小レンズに有効な光は、入射角度の違い
から２種類に大別できる。その１つは図２で、液晶パネ
ル２１に対して垂直に近い角度で入射する光２９であ
り、この光は微小レンズ２２と正対する画素開口部２５
を通過しスクリーンへ達する。この場合の入射光の入射
角度範囲は図５の角度域１（５１）で示される。他の１
つは、液晶パネルに対してかなり大きな角度で斜め入射
する光３０であり、この光は微小レンズと正対する画素
開口部のその隣に位置する画素開口部を通過しスクリー
ンに達する。この場合の入射光の入射角度範囲は図５の
角度域２（５２）あるいは２’（５３）で示される。そ
の他の角度で入射した光は、図４に示すように微小レン
ズにより遮光膜上に集光されるため、スクリーンには達
しない。その他の角度域は微小レンズに対して有効でな
い角度域であると言える。この有効でない角度域が存在
するということは、つまり、微小レンズの設置によっ
て、逆に光の利用効率を下げる可能性があることを意味
する。従って、微小レンズの使用に際しては光源からの
出射光束の角度分布特性を考慮することが必要不可欠と
なる。

【０００９】ところで、投写型表示装置の光源に使用さ
れるメタルハライドランプは発光効率が高く、爆発性を
伴わず、発色性が良好であり且つその色調を微調整する
ことが可能である等の優れた特徴を有するが、反面、ラ
ンプの電極間隔が長いため発光部の寸法が５〜８ｍｍ程
度とかなり大きく、リフレクターを介しての出射光束の
平行性がかなり悪い（通常、リフレクターからの反射光
束はランプの光軸に対して±１０°程度の広がり角を有
する）という欠点も有している。

【００１０】図５には、光源にメタルハライドランプを
用いた場合の、液晶パネルに入射する光束の強度分布が
併せて示されている。図８に示すように、光源の光軸と
液晶パネルの略中心軸が一致するように、即ち、光源と
液晶パネルが正対するように配置した従来の投写型表示
装置の場合、微小レンズの利用可能角度域と光源からの
入射強度分布は図５に示すような対応関係となる。即
ち、最も明るさに寄与する強度の強い光が存在する角度
域と微小レンズの利用可能角度域が一致しておらず、微
小レンズによる明るさ向上効果が十分に発揮されないこ
とが判る。

【００１１】従って、メタルハライドランプのように出
射光束の平行性が悪い光源系を用い、なお且つ、光源と
液晶パネルが正対するように配置した従来の投写型液晶
装置では、集光用微小レンズの光の利用効率を上げ表示
画像を明るくする効果（以下、明るさ向上効果と呼ぶ）
を十分に発揮できないという問題点があった。

【００１２】そこで、本発明は以上のような問題点を解
決するもので、その目的とするところは、出射光束の平
行性が悪い光源系を用いた投写型表示装置においても集
光用微小レンズの明るさ向上効果を十分に発揮させる新
規な光学機構を用いた投写型表示装置を提供することに
ある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明の投写型表示装置は、透過型の表示パネルを構
成する多数の画素と対応関係を成すようにレンズアレイ
を具備した表示パネルと、光源、及び投写レンズから成
る投写型表示装置において、 レンズアレイを構成する個々のレンズは、シリンドリ
カルレンズであって、 光源の光軸は表示パネルの略中心部を通りシリンドリ
カルレンズの集光能を生じる平面内にあって、且つ、表
示パネルの略中心部において、表示パネルの略中心軸と
特定の角度を成すように、光源は配置されており、 投写レンズの光軸は表示パネルの略中心軸と平行であ
り、且つ、光源の光軸を含みシリンドリカルレンズの集
光能を生じる平面内の、表示パネルの略中心軸を境に光
源とは反対側に、投写レンズは配置されていること、 を特徴とする。

【００１４】

【作用】図６（ａ）は、先の図５を基に液晶パネル６４
へ角度θで入射する、最も明るさに寄与する最強光束成
分を矢印で模式的に表したものである（液晶パネルへの
入射角度については誇張して表現してある）。つまり、
液晶パネル６４には角度±θで最強光束６３が入射して
いるが、これらの光束は微小レンズで利用できないため
（入射角度が微小レンズの利用可能角度域を外れてお
り、液晶パネルの遮光膜で遮られている）明るさの向上
には寄与していない。一方、図６（ｂ）は光源の光軸６
２を液晶パネルの略中心軸６５に対して角度θ傾けた場
合を示しており、液晶パネル６４に対して０°、＋２θ
（あるいは−２θ）の角度で光束が入射する。この状態
では０°で入射する光束は微小レンズの利用可能角度域
に完全に入り、また、＋２θ（あるいは−２θ）で入射
する光束も、微小レンズの焦点距離などの集光特性を適
当にあわせれば、利用可能な角度域２あるいは２’に入
れることが可能であり、結果として、微小レンズによる
明るさ向上効果が十分に発揮できることを示している。

【００１５】しかし、上記の様な明るさ向上効果の改善
が有効に作用するのは、ＸＺ平面に沿って液晶パネルに
入射する光に限定される。ＸＹ平面に沿って入射する光
では、全く効果の改善は見られない。従って、微小レン
ズアレイには集光効率が入射方向により異なるレンズを
用いるべきであり、その様な要求を満たすレンズとして
は、シリンドリカルレンズが最も適している。

【００１６】また、光源の光軸の延長付近に投写レンズ
を配置することにより、液晶パネルを通過した光を効果
的にスクリーン面に導くことが可能である。

【００１７】以上の光学構成をとることにより、出射光
束の平行性が悪い光源系を用いた投写型表示装置におい
ても、集光用微小レンズの明るさ向上効果を十分に発揮
させることが出来る。

【００１８】

【実施例】以下、実施例に基づき本発明を詳細に説明す
る。但し、本発明は以下の実施例に限定されるものでは
ない。

【００１９】図１は本発明の一実施例である投写型表示
装置の光学系を示す構成図である。概略的には、光源
１、表示パネル４及び投写レンズ６から構成されてお
り、本光学系の特徴は以下の３点に集約される。第１の
特徴として、光源１は表示パネル４の略中心を向いてい
るが正対しておらず、光源の光軸２と表示パネルの略中
心軸３がＸＺ平面内において特定の角度を成す様に配置
されている（光源の光軸及び表示パネルの略中心軸は共
にＸＺ平面内に存在する）。第２の特徴として、表示パ
ネルの略中心軸３と投写レンズの光軸７はＸＺ平面内に
おいて平行であるがその光軸は一致しておらず、表示パ
ネルの略中心軸を境に光源が存在しない側に平行に変位
している（表示パネルの略中心軸及び光源の光軸は共に
ＸＺ平面内に存在する）。第３の特徴として、表示パネ
ルの光源側に形成されている微小レンズアレイ５は一方
向集光性のシリンドリカルレンズより成っており、シリ
ンドリカルレンズの長手方向がＹ軸方向と一致するよう
に構成されている。

【００２０】ここで、表示パネルとして用いたアクティ
ブマトリックス型液晶パネルの概略外観と概略断面構造
を各々図３及び図２に示す。液晶パネルの画素配置は直
交マトリックス型であり、１本のシリンドリカルレンズ
はＹ軸方向に配列した一連の画素と対応関係を成す様に
配置されている。シリンドリカルレンズは一方向集光性
のレンズであり、図３から判るようにＸＺ平面内の光成
分のみを集光する。図２において、液晶パネル２１は２
枚の透明基板（対向基板２３とＴＦＴ基板２８）とそれ
らの基板間に形成された液晶層２７から構成されてい
る。更に、液晶層と接するＴＦＴ基板上には液晶を駆動
する能動スイッチング素子２６が形成され、他方、液晶
層と接する対向基板上には入射する強い光から前記能動
スイッチング素子を保護するために遮光膜２４が、能動
スイッチング素子を覆うように形成されている。当然の
ことながら、遮光膜部分に入射した光は画素開口部に導
かれないため、従来のレンズアレイを備えない液晶パネ
ルにおいては、この遮光膜の存在が光の利用効率を低下
させる大きな要因になっている。

【００２１】そこで、前述したように、アレイ状に形成
されている微小レンズ２２は、本来、液晶パネルの遮光
膜２４で遮られていた入射光を、微小レンズにより集光
した状態で画素開口部２５を通過させ投写レンズに導く
ことにより、液晶パネルにおける光の利用効率を向上さ
せることを目的として設置されている。

【００２２】先に述べた様に、シリンドリカルレンズは
入射方向により集光の仕方が異なる。ＸＺ平面、及びＸ
Ｙ平面に沿って入射する光に関して、微小レンズによる
光利用効率の分布を各々図７に示す。横軸には入射角度
を、縦軸には光利用効率をとり、微小レンズを具備して
いない液晶パネルの光利用効率を基準（＝１）にして、
入射角度に対する光利用効率の分布を示した。尚、この
場合の光利用効率とは、微小レンズを通ってスクリーン
面まで到達する光量の微小レンズに入射した光量に対す
る割合を言う。

【００２３】シリンドリカルレンズでは、一般に焦線が
形成されるが、その集光状態をＸＺ平面とＸＹ平面の２
平面に分解して考える。ＸＺ平面内をＸ軸方向に入射す
る光はシリンドリカルレンズによる集光作用を受け焦点
を形成する。その場合、微小レンズの利用可能角度域
は、本来ならば図５に示したように、３箇所存在するは
ずであるが、液晶パネルの略中心軸に対して光源の光軸
を傾けているため、図７（ａ）に示すように、利用可能
角度域は相対的に＋θ度分高角度側に移動し、実質的に
２箇所に集約され、最も明るさに寄与する強度の強い光
が存在する角度域と重なる。図では光源の光軸を基準と
して液晶パネルへの入射角を示している。一方、ＸＹ平
面内をＸ軸方向に入射する光はシリンドリカルレンズに
よる集光作用を受けないが、レンズにより光路が曲げら
れる（微小レンズの中心以外の所を通る光は、全てその
光路がレンズ中心方向に曲げられる）ことにより、本来
レンズが無いならば画素開口部を通過しない光の一部
が、画素開口部を通過することとなる。ＸＹ平面内で
は、光源の光軸の傾きによる影響は生じないため、投写
レンズの光線取り込み角で規制される角度域に対応し
て、１箇所の微小レンズの利用可能角度域は図７（ｂ）
で示されるように存在する。

【００２４】今、仮に集光方向が円形状の円形レンズを
微小レンズとして用いた場合を考える。ＸＺ平面内にお
ける微小レンズの光利用効率は、シリンドリカルレンズ
の場合と同様に図７（ａ）の通りとなり、従って、この
平面内に沿って入射する光は有効に微小レンズで利用で
きる。しかし、他方、ＸＹ平面内における微小レンズの
光利用効率は先に図５に示したものとなり、従って、こ
の平面内に沿って入射する光はほとんど微小レンズで利
用できないことになる。逆に考えれば、図７（ｂ）の様
な光利用効率の分布を示すのは、集光性能の方向異方性
が大きいシリンドリカルレンズ特有の現象であるといえ
る。

【００２５】次に、液晶パネルの略中心軸３に対して投
写レンズの光軸７を平行関係を保ちつつ、液晶パネルの
略中心軸を境にして光源１が位置しない側の、光源の光
軸２の延長付近に投写レンズ６を配置する。この配置に
より、投写レンズの光線取り込み角の非対称性を利用し
て、液晶パネルを透過した光を効果的に補足しスクリー
ン８面に導くことが出来る。この場合の非対称性とは、
光線の取り込み角がレンズの光軸上では対称形である
が、光軸から離れるに従って、光軸が存在する側に大き
く、それとは反対側に小さくなることを意味する。液晶
パネル４と投写レンズ６を上記のように配置することに
より、発散しながらある角度を伴って液晶パネルから出
射される光束の大部分を投写レンズへと導くことが可能
となる。

【００２６】以上の構成により、液晶パネル上の画像情
報は投写レンズを介してスクリーン面に拡大投写され
る。

【００２７】図２に示したように、本発明の投写型表示
装置に用いられる液晶パネルにおいては、光の入射側
（つまり対向基板２２）にのみ微小レンズ２２が形成さ
れている。従って、微小レンズにより集光され画素開口
部２５を通過した光は、発散しながらある角度を伴って
液晶パネルから出射される。ＴＦＴ基板２８の出射側に
も対向基板２３に形成されたものと同様のレンズを形成
すれば、出射光は再び略平行光になり投写レンズへと導
くことが出来、微小レンズにおける光利用効率は一層向
上する。

【００２８】尚、本発明の投写表示装置では微小レンズ
としてシリンドリカルレンズの使用を想定してきたが、
離心率の大きな楕円レンズを用いても、集光性能の方向
異方性がある程度大きいため、使用可能である。

【００２９】以上、表示パネルとしてＴＦＴ素子を備え
たアクティブマトリックス型の液晶パネルを例にとり本
実施例を説明してきたが、その他の表示パネルとして透
過型の単純マトリックス型液晶パネル、ＰＬＺＴパネル
等を用いた場合でも本発明の光学機構は同様に対応でき
るものである。

【００３０】

【発明の効果】以上述べたように、本発明の微小レンズ
を備えた透過型の表示パネルを配置した投写型表示装置
において、表示パネルを照らす光源系を表示パネルの略
中心軸と特定の角度を成す様に配置することにより、最
も明るさに寄与する光源系からの出射光束を微小レンズ
において高い効率で利用することが可能となる。また、
集光性能の方向異方性が非常に大きいシリンドリカルレ
ンズから成る微小レンズをアレイ化して用いることによ
り、表示パネルにおける光利用効率を高めることが可能
となる。更に、投写レンズの光軸を表示パネルの略中心
軸と平行に、且つ、表示パネルの略中心軸を境に光源系
とは反対側に配置することにより、表示パネルを透過し
投写レンズに向かう光を高い効率で投写レンズに導くこ
とが出来る。以上の３つの光学系の配置はそれらが同時
に用いられることにより、より優れた効果を発揮し、光
の利用効率が非常に高い、明るい表示画面が得られる投
写型表示装置を実現することが出来る。尚、光源系を表
示パネルの略中心軸と特定の角度を成すように配置する
という光学系の配置は、それ単独でも微小レンズにおけ
る光の利用効率を向上させる作用を有することを付記し
ておく。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施例１で作製した本発明の投写型表示装置
の光学系の構成図。

【図２】 実施例１で用いた液晶パネルの概略断面図。

【図３】 実施例１で用いた液晶パネルの概略外観図。

【図４】 微小レンズを備えた液晶パネルに入射した光
線の透過状態を説明するための図。

【図５】 光源と液晶パネルを正対して配置した場合
の、微小レンズの利用可能角度域を示す図。

【図６】 液晶パネルに入射する最強光束成分を模式的
に示した図であり、（ａ）は液晶パネルの略中心軸と光
源の光軸が一致している場合を示す図、（ｂ）は液晶パ
ネルに対して光源が傾いている場合を示す図。

【図７】 液晶パネルの略中心軸に対して、光源の光軸
が角度θをなすように光源を設置した場合に、液晶パネ
ルにおける光利用効率の分布を示した図であり、（ａ）
はＸＺ平面における光利用効率の分布図であり、（ｂ）
はＸＹ平面における光利用効率の分布図。

【図８】 光源と表示パネルを正対するように配置した
従来の投写型表示装置の光学系の構成図。

【符号の説明】

１ 光源 ２ 光源の光軸 ３ 表示（液晶）パネルの略中心軸 ４ 表示（液晶）パネル ５ 微小レンズアレイ ６ 投写レンズ ７ 投写レンズの光軸 ８ スクリーン 21 液晶パネル 22 微小レンズ 23 対向基板 24 遮光膜 25 画素開口部 26 能動スイッチング素子 27 液晶層 28 ＴＦＴ基板 29 垂直に入射する光 30 斜めに入射する光 51 角度域１ 52 角度域２ 53 角度域２’ 54 入射光束の強度分布 61 光源 62 光源の光軸 63 最強光束 64 表示パネル 65 表示パネルの略中心軸 71 光利用効率

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】透過型の表示パネルを構成する多数の画素
   と対応関係を成すようにレンズアレイを具備した表示パ
   ネルと、光源、及び投写レンズから成る投写型表示装置
   において、 レンズアレイを構成する個々のレンズは、シリンドリ
   カルレンズであって、 光源の光軸は表示パネルの略中心部を通りシリンドリ
   カルレンズの集光能を生じる平面内にあって、且つ、表
   示パネルの略中心部において、表示パネルの略中心軸と
   特定の角度を成すように、光源は配置されており、 投写レンズの光軸は表示パネルの略中心軸と平行であ
   り、且つ、光源の光軸を含みシリンドリカルレンズの集
   光能を生じる平面内の、表示パネルの略中心軸を境に光
   源とは反対側に、投写レンズは配置されていること、 を特徴とする投写型表示装置。