JPH05303089A

JPH05303089A - 液晶表示装置

Info

Publication number: JPH05303089A
Application number: JP4106453A
Authority: JP
Inventors: Masaharu Deguchi; 雅晴出口; Yoshio Ariki; 美雄有木; Takashi Tsunoda; 隆史角田; Futoshi Yamazaki; 太志山崎; Takesuke Maruyama; 竹介丸山
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1992-04-24
Filing date: 1992-04-24
Publication date: 1993-11-16
Anticipated expiration: 2016-04-16
Also published as: JP3157599B2

Abstract

(57)【要約】【目的】明るく、見易く、小型で、しかも解像度等の性
能が良い液晶表示装置を得ることにある。【構成】光を放射する光源１を有し、光源の出射光を映
像信号に応じた光学像が形成されるライトバルブ４上に
照射させる作用を有する照明光学系と、ライトバルブで
ある一対の透明基板間に液晶を注入し、液晶の電気光学
効果により画像情報を表示する透過型の液晶表示素子か
らなる液晶表示装置であって、液晶表示素子の光源１か
ら放射された光束が入射する側の面に、液晶の画素配列
の各１画素に対応する単位レンズ部からなり液晶の画素
配列と同一の配列を有するマイクロレンズアレイ５を密
着して設けることにより開口率の高い液晶表示素子を得
る。さらには光源１又は凹面鏡２の形状を、液晶表示素
子の開口部形状と対応させることにより、小型で明るく
かつ見やすい液晶表示装置を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、一対の透明基板間に液
晶を注入し、液晶の電気光学効果により画像情報を表示
する透過型の液晶表示素子をライトバルブとして用い、
このライトバルブ上に形成される光学像を、光源を含む
照明光学系で照射する液晶表示装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来より、液晶表示装置として、例えば
ライトバルブに光学的特性の変化として映像信号に応じ
て形成される光学像を、光源を含む照明光学系による照
明光で照射し、この光学像を直視する直視型表示装置、
あるいは投写レンズによりスクリ−ン上に投写する投写
型表示装置等があり、そうした液晶表示装置に用いられ
るライトバルブとして、透過型の液晶表示素子を用いて
いるものが数多く提案されている。液晶表示素子の代表
例であるツイステッド・ネマティック（ＴＮ）型液晶表
示素子の構造は、透明な電極被膜をもつ一対の透明基板
間に液晶を注入して成る液晶セルの前後に、各々の偏光
方向が互いに９０°異なるように２枚の偏光子を配置し
たものであり、液晶の電気光学効果により偏光面を回転
させる作用と、偏光子の偏光成分の選択作用とを組み合
わせることにより、入射光の透過光量を制御して画像情
報を表示するようになっている。

【０００３】なお、この種の液晶表示素子については、
例えば「液晶エレクトロニクスの基礎と応用」佐々木昭
夫編：オ−ム社（昭和５４年発行）などにて詳細に説明
されている。近年、こうした透過型の液晶表示素子自体
の小型化が進むと共に解像度等の性能も急速に向上し、
液晶表示素子を用いた表示装置の小型高性能化が進んで
いる。

【０００４】一方、例えば透過型の液晶表示素子をライ
トバルブとして用いた液晶表示装置に使用される光源を
含む照明光学系に関しても、従来から多くの提案がなさ
れており、また、光源としてもメタルハライド、キセノ
ン、ハロゲン等の光源を用いたランプがあり、明るさ等
の性能、寿命等が改善されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】一般に、ライトバルブ
に光を照射する所謂バックライトと上記透過型の液晶表
示素子を用いた表示装置、あるいは、さらにこの表示装
置による像を投写レンズによりスクリ−ン上に投写する
投写型表示装置においては、明るく、かつ小型で解像度
等の性能が良いことが望まれている。こうした表示装置
において、像の明るさを向上させるためには、光源自体
の明るさを増すこと、光源の放射する全ての光のエネル
ギ−に対する透過型液晶表示素子等のライトバルブ上に
照射される光のエネルギ−の比率（以下光利用効率と呼
ぶ）を高くすること、液晶表示素子等のライトバルブヘ
入射する光のエネルギ−に対する透過して出射する光の
エネルギ−の比率（以下開口率と呼ぶ）が高いこと、さ
らに、投写型表示装置の場合には投写レンズの透過率が
高く、かつ投写レンズが上記ライトバルブから出射され
た光束を全て取り込む充分に明るいＦ値を有しているこ
と、などが必要である。

【０００６】上述のように、光源自体の明るさは近年益
々改善され明るくなって来ているが、単純に明るくする
と消費電力、あるいは発熱等により光源の寿命が短くな
り大幅に明るくすることは難しい。さらに、本来、液晶
表示素子等を用いた液晶表示装置等に用いる光源として
は、光源の放射する光のエネルギ−が同じであれば、点
光源であることが、反射鏡等により全ての出射光をコン
トロ−ルすることができるため理想である。しかし実際
には、ある程度の大きさを持ち、また、上記した様に発
熱などによる寿命の問題が有り、光源を大幅に小型化す
ることが難しい。これに伴い、こうした光源を点光源の
ように使用するためには、反射鏡を大きくする必要があ
り、表示装置自体が大きくなる。従って、液晶表示素子
を用いた液晶表示装置を小型化しようとした場合には不
向きである。

【０００７】また、小型な液晶表示装置を得るために凹
面鏡であるような反射鏡を小さくしすぎると、光源から
拡散した光をコントロ−ルできなくなる。その上、表示
装置を小型なものにするためにライトバルブの大きさを
小型化すると、反射鏡等の大きさに対して光源により照
射するライトバルブの大きさが小さくなり、光源からの
光が拡散しているため光利用効率が悪くなり、明るい液
晶表示装置が得られない。従って、光利用効率が高く、
すなわち明るく、かつ小型な液晶表示装置を得ようとす
ると、ある程度小さい光源及び照明光学系を用い、さら
にその光源より拡散して出射した光をライトバルブ上に
集めなければならない。しかし、光をライトバルブ上に
集める手段として、光源を液晶表示素子等のライトバル
ブに近付け過ぎると光源の発熱により、ライトバルブ等
が破壊されたりする問題が生じ、また、光源より拡散す
る光をライトバルブ上に集めるため、例えば、光源とラ
イトバルブ間の光軸上に集光レンズを設けた場合、どう
してもライトバルブに入射する光線の入射角が周辺でき
つくなり、液晶表示素子を用いた場合には、入射光線の
入射角により光学特性が異なるという性質があるため、
ライトバルブの中央と周辺とで液晶表示装置により表示
された画像の画質が異なったり、さらに、小型なライト
バルブを用いた場合、拡散した光を集光レンズにより集
めるためにはレンズのパワ−（焦点距離の逆数）が強く
なり、収差が悪化し液晶表示装置の画質が悪くなり、こ
れを防止するために集光レンズを構成するレンズ枚数を
増やしたり、レンズが大型化したりし、結局装置が大型
化してしまう等の問題点があった。

【０００８】一方、上述の様な透過型の液晶表示素子に
おいては、各画素中に電極の金属配線、個々の画素を個
別に制御する手段として付加された非線形素子あるいは
スイッチング素子、画素電極の周囲のギャップなど表示
に寄与しない部分（遮光部）がある。上記光源を出射し
液晶表示素子に照射された光のうち、こうした遮光部に
到達した光は、液晶表示素子を通過しない。それ故、こ
の遮光部が上記した開口率を小さくし、遮光部の面積が
液晶表示素子中の光が通過する部分（開口部）の面積に
対して大きく成ればなるほどさらに開口率が小さくな
り、すなわち液晶表示素子等を用いた表示装置を暗くす
る原因となっている。さらに、液晶表示素子を用いた表
示装置を小型なものにするために液晶表示素子を小型化
した場合、液晶表示素子の画素数が同じであるとする
と、液晶表示素子が小型化されればされる程１画素の面
積が小さくなり、上記した遮光部の影響が大きくなり明
るくすることが難しくなる。また、液晶表示素子を同一
サイズで精細度を高くし、液晶表示素子を用いた表示装
置の解像度を高くするには画素ピッチを小さくする必要
があるが、その場合、液晶表示素子の構成要素全てを相
似的に縮小できれば遮光部の開口率に与える影響は変化
しないが、通常はエッチング精度、位置合わせ精度等の
点から電極の金属配線の幅や付加素子の大きさはある程
度以下には小さくすることができず、その結果、精細度
を高くしていくと開口率が悪くなるという問題があっ
た。

【０００９】従って、本発明の目的はこうした従来の問
題点を解決し、明るく、しかも見易く、小型で、かつ解
像度等の性能が良い液晶表示装置を提供することにあ
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明では、上記課題を
解決するため、光を放射する光源を有し、前記光源の出
射光を映像信号に応じた光学像が形成されるライトバル
ブ上に照射する照明光学系と、ライトバルブを構成する
一対の透明基板間に液晶を注入し、液晶の電気光学効果
により画像情報を表示する透過型の液晶表示素子からな
る液晶表示装置において、前記液晶表示素子の光源側の
面に、液晶表示素子の画素配列の各１画素に対応する単
位レンズ部からなり、液晶表示素子の画素配列と同一の
配列を有するマイクロレンズアレイを密着して設け、さ
らにマイクロレンズアレイを通過し出射する光束の光軸
に垂直な光束断面形状と、液晶表示素子の画素において
光を透過する部分を構成する開口部の形状とを相互にほ
ぼ一致させている。

【００１１】また、本発明による構成では、前記マイク
ロレンズアレイを、マイクロレンズアレイのレンズ部と
して作用する領域の形状が、各単位レンズにおいて前記
液晶表示素子の各画素形状と略一致、あるいは液晶表示
素子の画素において光を透過する部分を構成する開口部
の形状とほぼ相似となるように形成するか、もしくは前
記光源を、前記照明光学系の光軸に垂直な断面におい
て、前記液晶表示素子の画素において光を透過する部分
を構成する開口部の形状とほぼ相似となる形状とする
か、少なくともどちらかの構成としている。

【００１２】さらに好ましくは、上記マイクロレンズア
レイは、一対の透明基板間に液晶を注入し、液晶の電気
光学効果により画像情報を表示する透過型の液晶表示素
子と一体的に、例えば液晶表示素子を構成する光入射側
の透明基板内に形成し、マイクロレンズアレイと液晶と
の間隔を極力短縮することが望ましい。

【００１３】

【作用】ここでは後の実施例の説明に用いる図面を引用
して本発明の原理と作用について説明する。図１は、液
晶表示装置の原理を説明する装置全体の構成を示した概
略断面図である。同図（ａ）は、直視型液晶表示装置の
原理図、同図（ｂ）は投写型表示装置の原理図をそれぞ
れ表している。本発明では、例えば白色光を発する光源
１から出射した光は、図示の様にそのまま、あるいは図
示していないが光源１とライトバルブ４の間に照明光学
系を設けた場合には照明光学系の作用を受けた後、ライ
トバルブ４に向かう。ライトバルブ４は、光学特性の変
化として映像信号に応じて光学像を形成する作用を有し
ている。また、ライトバルブに透過型の液晶表示素子等
を用いた場合、後述する様に通常、ライトバルブの遮光
部に入射する光をライトバルブを通過させる様にする作
用を有すマイクロレンズアレイ５をライトバルブの光源
側に設け、光源１を出射した光束は、マイクロレンズア
レイ５を通過した後、ライトバルブ４に入射するように
している。

【００１４】また、同図（ｂ）に示した投写型表示装置
では、光源１より出射し、前記ライトバルブ４に入射し
通過した後の光を投写レンズ６に入射させ、投写レンズ
６はライトバルブ４による前記光学像を拡大してスクリ
−ン７上に投写する作用を有している。

【００１５】次に、上記マイクロレンズアレイ５の作用
を図を用いて詳細に説明する。図２は、本発明によるマ
イクロレンズアレイを設けた液晶表示素子の一例を示す
斜視図である。ライトバルブ４として透過型の液晶表示
素子を用い、これにマイクロレンズアレイとして平板マ
イクロレンズアレイ１６を設けた場合である。同図にお
いて、１６は図中の破線で示すような２次元配列のマイ
クロレンズアレイである。１１は対向する一対の基板
で、１２は基板１１ａ側に設けた透明の対向電極、１３
は液晶、１４は他方の基板１１ｂ側に設けた画素電極、
１５は１４と同じ基板１１ｂに設けられた各電極の金属
配線、個々の画素を個別に制御する手段として付加され
た非線形素子あるいはスイッチング素子、画素電極の周
囲のギャップなどであり、表示に寄与しない部分（遮光
部）である。

【００１６】この構成において、マイクロレンズアレイ
１６は、透過型液晶パネルの１画素に相当する領域の形
状と等しい形状を有するレンズにより構成し、また、各
レンズの焦点位置を前記液晶面で、かつ画素電極１４の
ほぼ中央部に一致するように設定することにより、透過
型液晶パネルへの入射光が遮光部で遮断されることが少
なく有効に画素電極に導く作用を有し、これにより開口
率が高くなり、すなわち明るい画像情報表示が得られ
る。

【００１７】図３は入射光９とマイクロレンズアレイ１
６との関係を示した図で、同図（ａ）はライトバルブに
入射する光とマイクロレンズアレイ１６を構成している
マイクロレンズの効果を示す図であり、同図（ｂ）はマ
イクロレンズアレイ１６に入射する入射光９の入射角θ
と開口率との関係を示した特性図である。同図（ａ）に
示す様に、マイクロレンズアレイ１６をライトバルブに
設けると、マイクロレンズアレイに入射する光軸１９に
平行な入射光（実線表示）９ａは、マイクロレンズアレ
イの各レンズの焦点位置に集束し、すなわち、ライトバ
ルブに入射する平行光はすべて遮光部１５でなく画素電
極１４を通過することになり、明るい画像情報表示を得
ることが出来る。

【００１８】一方、前述の様に光源から出射される光は
拡散しており、実際にライトバルブに入射する光線は光
軸に平行な光だけではなく、すなわち入射角θの範囲の
様々な光が入射する。同図（ａ）に示す様に、光線が９
ｂ（破線表示）のようにθの入射角でマイクロレンズに
入射する場合、画素電極１４に集束せず、遮光部１５に
入射してしまう場合がある。そうすると開口率が低くな
り、明るい画像情報表示を得ることが出来ない。同図
（ｂ）は、ある光源を含む照明光学系において、横軸が
マイクロレンズに入射する光線の角度〔同図（ａ）の
θ〕を表しており、縦軸は開口率の相対値を表してい
る。また、同中の１８ａは、ｔ（マイクロレンズの出射
面から液晶の出射面間の距離を表示）が１．１ｍｍの場
合、１８ｂはｔが０ｍｍに近い各場合を示している。な
お、ｔが０ｍｍに近い場合とは、対向電極１２と液晶１
３との厚さの合計が極めて薄い場合を便宜上指してい
る。図示の通り、光線入射角θが大きくなると、ｔが大
きい１８ａの場合には開口率が大幅に小さくなり、これ
に対しｔが小さい１８ｂの場合にはｔが大きい１８ａの
場合に比べて開口率がほとんど変化しない。従って、さ
らに明るい画像を得ようとした場合には、ライトバルブ
に入射する光線のすべてがある程度入射角が小さく揃わ
せるようにすること、及びマイクロレンズアレイ１６の
出射面と液晶１３の出射面（液晶１３に接する画素電極
１４の表面）間の間隔（図３中にｔで表示）を小さく
し、さらに各照明系及び構成にあわせて最適なマイクロ
レンズ形状を設定することが望ましい。

【００１９】図４に本発明における液晶表示素子に設け
た平板マイクロレンズアレイ１６の例として、その外観
斜視図を示す。同図に示すように平板マイクロレンズア
レイ１６は、例えば屈折率Ｎ₀の基板２５内に、屈折率
Ｎ₀と異なる屈折率Ｎの領域を周期性を持って形成して
いる、所謂屈折率分布型のマイクロレンズアレイであ
る。この屈折率分布型マイクロレンズアレイは、例えば
イオン交換法により形成することができる。

【００２０】このイオン交換法は、平板状のガラスに所
要のパタ−ンのマスク層を例えば金属によって形成し、
これを溶融塩槽に浸すことにより、ガラス中に含まれる
Ｎａ＋（ナトリウムイオン）、Ｋ＋（カリウムイオン）
等の陽イオンが溶融塩中に含まれるＴｌ＋（タリウムイ
オン）等の陽イオンとガラスの露出面を通して交換され
る。こうしてイオン交換された領域は、元のガラスと屈
折率が異なるようになり、光を屈折させる作用を有する
屈折率分布領域１７になる。このイオン交換法により、
マイクロレンズを形成することにより、平板ガラスの内
部に光を屈折させるレンズ作用を持たせることができる
ため表面が平らである上記平板マイクロレンズアレイを
形成することができ、また、さらに上記所要のパタ−ン
のマスク層の形状及びイオン交換の時間等を調整するこ
とによりイオン交換される領域の形状を変えることが可
能となり、その領域を図４に示す様に略矩形形状とする
ことも可能となる。

【００２１】図５はマイクロレンズアレイの作用を説明
する原理図で、同図（ａ）は、上記液晶表示素子の１画
素に対応したマイクロレンズとして、例えば屈折率分布
領域であるようなレンズ作用を有する領域２６が円形の
形状であった場合を表しており、この平板マイクロレン
ズの領域２６に入射する光線２７は前記レンズ作用によ
り液晶表示素子の遮光部１５に到達しないで液晶表示素
子を透過する。しかし、レンズ作用を有する領域２６が
本図に示す様に円形であった場合には、液晶表示素子の
１画素の形状は通常、ほぼ矩形の形状を有しているため
その領域２６と隣接した画素に対応した同領域との間に
レンズ作用を有さない屈折率Ｎ₀の領域２５から成るギ
ャップが存在し、このため同図（ａ）のギャップ部２５
に入射する光線２８の様に平板マイクロレンズに入射す
る光線は、液晶表示素子の遮光部１５に到達し液晶表示
素子を透過しない。

【００２２】これに対し、同図（ｂ）に示す様に、略矩
形の形状を有するマイクロレンズにより構成された平板
マイクロレンズアレイの場合には、レンズ作用を有する
例えば屈折率分布領域である領域が、液晶表示素子の１
画素の形状に対応して、ほぼその画素と同じ形状の略矩
形形状の領域２９となる様に形成することにより、前記
光線２８はレンズ作用を受け液晶表示素子の遮光部１５
に到達せず、液晶表示素子を透過するようになる。これ
により同図（ａ）に対し、同図（ｂ）の場合は、液晶表
示素子を透過する光が増え、開口率が高くなる。すなわ
ち、明るい表示素子となり、これを用いて明るい液晶表
示装置が得られる。本例においては、画素形状が矩形で
あるため前記屈折率分布領域を略矩形形状としたが、画
素形状が矩形以外のものであっても、画素形状に略一致
して屈折率分布領域を形成すれば同様の効果が得られ
る。

【００２３】また、上記の様にマイクロレンズアレイ１
６を平板にすることにより、一方の基板１１ａを兼ねて
構成し、図６に示す様に、平板マイクロレンズアレイを
上記液晶表示素子と一体として形成することも可能とな
る。すなわち、図６は、図２における透明基板１１ａを
平板マイクロレンズアレイ１６により構成したもので、
例えば液晶表示素子であるようなライトバルブ４と平板
マイクロレンズアレイ１６とを一体的に形成したもので
ある。これにより、マイクロレンズアレイ１６がライト
バルブ４に近付き、すなわち図２における入射光９側の
基板１１ａの厚み分が無くなっただけ図３（ａ）におけ
るｔを小さくしたことになる。その結果、上述した様
に、ライトバルブへの光の入射角がある程度大きくなっ
ても開口率は高いままで、明るい液晶表示素子が得ら
れ、集光レンズ等により光をライトバルブ上に集めても
照明光学系全体を小型化でき、かつ明るい液晶表示装置
を得ることができる。さらに、上記した様に、例えば液
晶表示素子であるようなライトバルブと平板マイクロレ
ンズアレイを一体的に同一基板内に形成することによ
り、平板マイクロレンズアレイを設けた液晶表示素子の
部品点数が少なくなりコスト等の製造面において適して
おり、また、液晶表示素子と平板マイクロレンズアレイ
が一体的でない場合に対し、各マイクロレンズと液晶表
示素子の各画素の位置合わせが簡単になる。以上によ
り、例えば光利用効率が等しい、すなわち光源１から出
射した光のエネルギ−に対するライトバルブ４上に照射
される光のエネルギ−（マイクロレンズアレイを設けた
場合は、マイクロレンズアレイにおける光源側の面上に
照射されるエネルギ−）の比率が等しい液晶表示装置で
も、マイクロレンズアレイ１６による開口率の向上作用
により、マイクロレンズアレイ１６を設けるのみで明る
い液晶表示装置を得る。

【００２４】本発明においては、上述の様に前記マイク
ロレンズアレイ５を、マイクロレンズアレイ５のレンズ
部として作用する領域の形状が、各単位レンズにおいて
前記液晶表示素子の各画素形状と略一致、あるいは液晶
表示素子の画素において光を透過する部分を構成する開
口部の形状とほぼ相似となるように形成するか、また
は、前記光源１を、光源１の前記照明光学系の光軸に垂
直な断面において、前記液晶表示素子の画素の光を透過
する部分を構成する開口部の形状とほぼ相似となる形状
とするか、少なくともどちらかの構成として、さらに性
能の良い液晶表示装置を得ている。このことに関し次に
説明する。上述の様に、マイクロレンズにより液晶表示
素子の開口部に光束を集める場合、マイクロレンズに入
射する光束の角度が開口率に影響し、開口率が最適とな
るようにマイクロレンズの焦点距離等を設定する必要が
ある。しかし、この場合開口率のみでなく、マイクロレ
ンズによる光束が液晶表示素子の開口部を通過する場所
も重要となる。

【００２５】図７にマイクロレンズにより集光し、液晶
表示素子の開口部を通過する光束の原理図を示す。同図
は、液晶表示素子の１画素分に相当するマイクロレンズ
及び画素を示したものであり、また、マイクロレンズに
入射する光束が、全て互いに平行である所謂アフォ−カ
ル光の場合である。同図（ａ）、（ｂ）は、マイクロレ
ンズ１６のレンズ作用を有する部分の形状、すなわちレ
ンズ開口が円形である場合、同図（ｃ）、（ｄ）は形状
が矩形である場合をそれぞれ示し、また本図において液
晶表示素子の開口部２０の形状は矩形である場合を示し
ている。

【００２６】同図（ａ）は、マイクロレンズに入射した
アフォ−カル光をほぼ液晶表示素子の画素電極部分であ
る開口部（２０）の中央に集光させるように、マイクロ
レンズの焦点距離及びマイクロレンズと画素の間隔（図
３におけるｔ）を設定している。この時、これを表示装
置として直視あるいは投写したものを見た場合、１画素
において同図（ａ）の破線で示す開口部を通過した光束
形状２１ａの部分が明るく、それ以外の部分は暗くな
り、液晶表示装置全体としては所謂ブラックマトリクス
の範囲が大きくなり、非常に画像品位が悪い。すなわ
ち、見にくい画像となってしまう。

【００２７】同図（ｂ）は、同図（ａ）における入射光
９を集光させる位置を開口部２０からずらした場合であ
り、この場合には開口部を通過する光束の形状は所謂デ
フォ−カスの位置となり同図（ａ）に比べ大きくなり、
液晶表示装置全体としてブラックマトリクスの範囲が狭
くなる。しかし、同図（ｂ）においてはマイクロレンズ
の開口であるレンズ作用を有する領域が円形領域２６で
あるため、デフォ−カスしていった場合には、マイクロ
レンズの円形領域２６を通過する光束のみがレンズ作用
を受けるため、開口通過光束形状２１ｂがほぼ円形とな
る。

【００２８】これに対し、同図（ｃ）、（ｄ）の場合
は、いずれもマイクロレンズの開口であるレンズ作用を
有する領域が矩形領域２９となっている。同図（ａ）の
場合と同様に、入射光９を開口部２０の中央に集光させ
るようにマイクロレンズの焦点距離及びマイクロレンズ
と画素の間隔を設定した場合には、同図（ｃ）に示す様
な開口通過光束形状２１ｃとなり、見にくい表示装置と
なるが、これをデフォ−カスしていった場合には、同図
（ｄ）に示すように、同図（ｂ）の理由と同じく開口通
過光束形状２１ｄが矩形となり、この光束形状２１ｄが
開口部２０の形状とほぼ一致するようにマイクロレンズ
の焦点距離及びマイクロレンズと画素の間隔を設定すれ
ば、液晶表示素子の開口部全体が明るくなり、液晶表示
素子を用いて液晶表示装置とした場合に非常に見やすい
画像となる。

【００２９】同図（ｄ）では、マイクロレンズ１６の開
口形状を液晶表示素子の開口部２０の形状とほぼ相似と
なるように形成している。このように液晶表示素子の開
口部を通過する光束が、開口部の全ての範囲を覆ってい
れば見やすい表示装置が得られるが、例えば、同図
（ｂ）の開口通過光束形状２１ｂを開口部２０より大き
い範囲を光束が通過するようにマイクロレンズ焦点距離
あるいはマイクロレンズと画素の間隔を変化させた場合
には、どうしても液晶表示素子の遮光部１５に光束が到
達し、前記したように開口率が悪く暗い表示装置となっ
てしまうことになる。従って、上記同図（ｄ）の場合の
ように、開口部２０を通過する光束の光軸に垂直な断面
形状が開口部２０の形状とほぼ一致するようにすれば、
開口率も良く、すなわち明るく、かつ見やすい液晶表示
装置を得ることができる。なお、図７においてはデフォ
−カスさせる場合に、集光位置をマイクロレンズと反対
側に示したが、マイクロレンズの側、すなわちマイクロ
レンズ１６と液晶表示素子との間に設定してもよい。

【００３０】図７においては、マイクロレンズ１６に入
射する光９がほぼアフォ−カルである場合を示したが、
次に示す図８には入射光９がアフォ−カル光でなくなっ
た場合、すなわち様々な角度で光が入射する場合を例に
述べる。すなわち、図８は図７と同様にマイクロレンズ
１６により集光し、液晶表示素子の開口部を通過する光
束の原理図を示したものである。マイクロレンズに入射
する光が様々な角度であるのは、例えばマイクロレンズ
１６から見た光源１の大きさが、光源とマイクロレンズ
の距離に比べて無視できない大きさを持っているような
時である。なお、ここでいうマイクロレンズから見た光
源１とは、光源からマイクロレンズ１６に到達する光９
が凹面鏡のような照明光学系を通過する場合には、照明
光学系による光源の像を意味し、また光源とマイクロレ
ンズの距離とは光源の像の距離を示している。

【００３１】この場合にも、図８（ａ）に示したように
光源１のマイクロレンズ１６による像が、液晶表示素子
の開口部２０の大きさよりかなり小さい場合には、図７
で説明したように、その像位置をずらしデフォ−カスさ
せることにより、開口通過光束形状が開口部２０の広い
範囲を覆うようにでき、ブラックマトリクスが目立つこ
となく見やすい画面とすることができるが、この場合に
もマイクロレンズ開口形状を液晶表示素子の開口部２０
の形状とほぼ相似となるように形成することにより、開
口率を悪化させずに見やすい液晶表示装置ができる。し
かし、マイクロレンズによる光源の像がある程度大きく
なってしまうなどの場合には、液晶表示素子の開口部２
０の近傍に光源の像を結像するように、マイクロレンズ
の焦点距離などの条件を設定した方が開口率が良く、明
るい表示装置が得られる。しかし、そうした場合には光
源の形状が、そのまま液晶表示素子の開口通過光束形状
に反映される。このため、図８（ｂ）に示すように、マ
イクロレンズから見た光源の形状が円形で、液晶表示素
子の開口部形状が矩形であるような場合には、開口部を
通過する光束形状２２ｂが小さく、すなわち開口部より
も狭い範囲のみが明るくなり、図７（ｂ）の場合と同様
に見にくい表示装置となってしまう。

【００３２】一方、図８（ｃ）に示すように、液晶表示
素子の開口部２０の形状が矩形で、マイクロレンズ１６
側から見た光源１の形状、すなわち光源の光軸に垂直な
断面の形状が、開口部２０の形状とほぼ相似となるよう
なものであれば、結像位置近傍の光束形状２２ｃが開口
部２０の形状とほぼ一致し、これにより開口率も高く、
すなわち明るく、かつ見やすい液晶表示装置が得られ
る。

【００３３】以上説明したように、液晶表示装置におけ
る明るさを向上するためには、例えば液晶表示素子であ
るようなライトバルブの開口率を上げるか、あるいは光
源からの光がライトバルブ上に照射する時の光利用効率
を上げる必要があり、上述の様に本発明によれば、上記
マイクロレンズアレイを液晶表示素子に設ければ開口率
が高く明るく、かつ性能の良い液晶表示装置が得られ
る。なお、本発明におけるマイクロレンズアレイ１６
は、上記製法のみならず、プラスチックレンズの成型、
ガラス基板の表面に熱変形樹脂を材料として圧着押圧成
型法を用いた形成等のその他の材料及び製法によって
も、レンズとしての作用があれば開口率を向上する効果
があることは言うまでもない。

【００３４】

【実施例】以下、図面により本発明の一実施例を説明す
る。〈実施例１〉図９は液晶表示装置の全体構成の一例を示
す概略断面図である。本実施例は、光を放射する光源１
と、光源１の出射光を映像信号に応じた光学像が形成さ
れるライトバルブ４上に照射させる作用を有する例えば
放物面鏡や楕円面鏡であるような凹面鏡２及び集光レン
ズ群２３からなる照明光学系と、ライトバルブ４である
一対の透明基板間に液晶を注入し、液晶の電気光学効果
により画像情報を表示する透過型の液晶表示素子と、液
晶表示素子の光源１から出射された光束が入射する側の
面に設けた、液晶表示素子の画素配列の各１画素に対応
する単位レンズ部からなり、液晶表示素子の画素配列と
同一の配列を有するマイクロレンズアレイ５とで構成さ
れている。

【００３５】すなわち、光源１から放射された光は直
接、あるいは上記凹面鏡２で反射された後に上記集光レ
ンズ群２３に入射し、その後マイクロレンズアレイ５を
通過し、液晶表示素子であるライトバルブ４上に照射さ
れる。ここで、ライトバルブ４及びマイクロレンズアレ
イ５は、例えば、既に図２で説明した構成のものであ
り、マイクロレンズアレイ５は、例えば図４で説明した
ような屈折率分布領域１７を平板２５に設けることによ
り形成したものである。また、本実施例におけるライト
バルブ（液晶表示素子）４の開口部の形状は矩形のもの
を用いており、これに対応した光源１の例を図１０に示
す。

【００３６】すなわち、図１０は光源の例を示したもの
であり、同図（ａ）はハロゲンランプ３０の正面図、同
図（ｂ）はそのＡ−Ａ´切断平面図を示している。ま
た、同図（ｃ）メタルハライドランプ３２の正面図、同
図（ｄ）はそのＡ−Ａ´切断平面図を示している。ハロ
ゲンランプ３０は、石英製細管中に例えばアルゴンガス
に少量の窒素ガスを混合したような封入ガスと共に、ヨ
ウ素、臭素、塩素、フッ素などのハロゲン元素を微量添
加したものであり、また、図示のようにフィラメント３
１は、例えばタングステンのようなもので作られてい
る。ここで、フィラメント３１の形状は同図（ｂ）に示
すように、光軸に垂直な断面において略矩形形状をして
おり、マイクロレンズ１６により開口率を大きくするこ
とを目的に光源１の像を液晶表示素子の開口部近傍に結
像させた場合には、図８（ｃ）に示したように光束が開
口部２０を通過するため、液晶表示装置による画像が見
やすいものとなる。

【００３７】また、メタルハライドランプ３２の場合
は、高圧水銀蒸気中のア−ク放電現象を利用したランプ
であり、同図（ｃ）、（ｄ）に示すように、例えば石英
製であるバルブ４６に１対の電極４５を気密封着してあ
り、内部に主にアルゴンの如き希ガスと水銀、及び発光
物質である金属ハロゲン化物が封入してあり、これによ
り電極の間で放電が始まると、その熱により水銀が蒸発
し数気圧から十数気圧の高圧気体となり、中心部に高温
のア−ク４７を生じ、金属のハロゲン化物はこのア−ク
からの熱によって一部または全部が蒸発し、ア−ク中で
金属元素特有の光を発生させる作用がある。また、同図
（ｄ）はバルブ４６の断面を示し、バルブはその表面か
ら出射する光が拡散されるような作用を有し、その断面
形状は略矩形形状となっており、これにより同図（ａ）
に示した光源の例と同等の効果が得られる。なお、本実
施例の光源の例として上記２つを上げたが、光源の断面
形状は、例えば液晶表示素子の開口部の形状が円形であ
れば円形であるように、開口部の形状とほぼ相似の形状
となっていれば良く、さらに光源としてはハロゲンラン
プ、あるいはメタルハライドランプ以外にもキセノンラ
ンプなどその他の発光体を用いても良い。

【００３８】また、上記光源の形状によらず、図９に示
した凹面鏡２を図１１、もしくは図１２に示す様な形状
にすることによっても見やすい画像を得ることができ
る。すなわち、図１１（ａ）は側面図、（ｂ）はその正
面図を示しているが、凹面鏡２４は、例えば光軸に沿っ
た断面が楕円形状の楕円面鏡や、光軸に沿った断面が放
物形状の放物面鏡などにおいて、凹面鏡を光源１から放
射した光が進む光軸方向から見た場合に略矩形形状とな
るように形成した略矩形凹面鏡２４を示しており、これ
により光源１の形状によらず、マイクロレンズ１６によ
り光源１の像を液晶表示素子の開口部近傍に結像させた
場合に、図８（ｃ）に示したように開口部を光束が通過
し、液晶表示装置の画像が見やすいものとなる。

【００３９】図１２に示す液晶表示装置は、例えば通常
のハロゲンランプやメタルハライドランプやキセノンラ
ンプであるような光源１と略矩形の凹面鏡２４と反射鏡
３と集光レンズ群２３とマイクロレンズアレイ５および
液晶表示素子であるライトバルブ４により構成されてい
る。上記光源１から出射した光の一部は、略矩形の凹面
鏡２４で反射されて集光レンズ群２３に入射し、また光
源１から出射した光の他の一部は直接集光レンズ群２３
に入射し、さらに光源１から出射した光の他の一部は反
射鏡３に入射した後、再び光源１の方向に進み、そのほ
とんどの光が略矩形の凹面鏡２４で反射されて集光レン
ズ群２３に入射し、集光レンズ群２３に入射した光はレ
ンズ通過後、マイクロレンズアレイ５に入射し、その後
ライトバルブ４に到達する。ここで略矩形の凹面鏡２４
による作用及びマイクロレンズアレイ５による開口率向
上の作用については上述の通りであり、省略する。本実
施例において、凹面鏡２４の形状を図１１に示すように
略矩形形状とした場合には、光源から出射した光束の
内、凹面鏡２４に反射する光束数が、略矩形形状とする
前、すなわち円形である場合に比べ少なくなり、これを
用いて液晶表示装置とした場合に光利用効率が小さくな
り、明るい画像が得られなくなってしまうため、本実施
例では反射鏡３を設け、光源１から出射した後、凹面鏡
２４で反射せずに外部に拡散する光束を反射鏡３で反射
させ、再び光源１の方向に戻す作用を持たせることによ
り、光利用効率が大きく明るい液晶表示装置を得てい
る。なお、反射鏡３は、球面鏡や放物面鏡あるいは楕円
面鏡、さらには高次の非球面である鏡であり、形状及び
設ける位置は、光利用効率が最適となるように設定され
る。

【００４０】以上の図９及び図１２に示した実施例によ
れば、上記ライトバルブ４に設けたマイクロレンズアレ
イ１６により、開口率がマイクロレンズアレイが無い場
合に対して約２倍となる結果を得ており、また、液晶表
示素子の開口部形状に対応した形状の光源あるいは凹面
鏡により、液晶表示素子の開口部全体を光が通過し、見
やすい画像表示となった。なお、図９に示す実施例の照
明光学系では、凹面鏡２及び集光レンズ群２３を設けて
いるが、これら両方あるいはどちらかが無くても光利用
効率が大きい場合には、特に設ける必要は無く、また、
図１２に示す実施例の照明光学系では、集光レンズ群２
３は無くてもよい。さらに、図９および図１２に示した
実施例は、直視型液晶表示装置の例を示したが、これら
を用いて図１（ｂ）に示すように、投写レンズ６により
スクリ−ン７上に画像を表示する投写型液晶表示装置に
応用しても良いことは言うまでもない。

【００４１】〈実施例２〉図１３は、本発明による投写
型液晶表示装置の具体的な一実施例を示す概略図であ
る。同図は、本発明による液晶表示素子を所謂色の３原
色であるＲ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）の３色に
それぞれ対応して、合計３枚用いた３板式投写型表示装
置を示している。光源１として、例えばメタルハライ
ド、キセノン、ハロゲン等を用い、これより出射した光
線は、直接あるいは凹面鏡２で反射され、熱線を反射し
可視光を通過させる赤外カットフィルタ３９を通過し、
集光レンズ群２３に入射した後、光線の光軸に対してほ
ぼ平行となる様に出射され、その後光線は、光線の光軸
に対して４５°の角度に配置されたＢ（青色）反射ダイ
クロイックミラ−４０ａにより、Ｂの光は反射され、Ｒ
（赤色）とＧ（緑色）の光は透過する。

【００４２】反射したＢ光線は、全反射ミラ−４１ａに
よりその光路を折り曲げられて偏光板８、平板マイクロ
レンズアレイ１６、対向電極１２、液晶１３等で構成さ
れた液晶表示素子に入射される。一方、Ｂ反射ダイクロ
イックミラ−４０ａを透過したＲ及びＧ光線は、光線の
光軸に対して４５°の角度に配置されたＧ反射ダイクロ
イックミラ−４０ｂに入射し、Ｇ反射ダイクロイックミ
ラ−４０ｂによりＧ光線は反射され、Ｒ光線は透過す
る。反射したＧ光線は、そのまま液晶表示素子に入射さ
れる。一方、Ｇ反射ダイクロイックミラ−４０ｂを透過
したＲ光線は、全反射ミラ−４１ｂ、さらには４１ｃに
よりその光路を折り曲げられて液晶表示素子に入射され
る。

【００４３】３枚の各液晶表示素子の液晶１３面上に表
示されるＲ、Ｇ、Ｂそれぞれに対応する画像を、Ｂ反射
面４４及びＲ反射面４３を有し、かつその反射面は各色
の光線の光軸に対して４５°の角度となるように構成さ
れたダイクロイックプリズム４２によって合成し、この
合成された画像を投写レンズ６によって拡大し、スクリ
−ン７上に拡大した実像を得ている。

【００４４】また、液晶表示素子の駆動回路としては、
例えば図１３の下方に示す如き回路がある。すなわち、
レ−ザ−ディスク、ＶＴＲなどから入力されるビデオ入
力をビデオ・クロマ処理回路３６により処理し、Ｒ、
Ｇ、Ｂ各色に対応した出力回路３７に入力する。ＲＧＢ
出力回路３７では、各色に対応する映像信号及び液晶表
示素子をＡＣ駆動するため、垂直期間ごとに極性反転
し、各色に対応したＸドライバ３８を介して対向電極１
２に入力する。上記ビデオ・クロマ処理回路３６、各色
に対応した出力回路３７、Ｘドライバ３８、及びＹドラ
イバ３５は、同期処理回路３３と各色に対応したコント
ロ−ラ３４により同期が取られている。

【００４５】なお、光源１としては、例えば図１０に示
した構成とするか、あるいは図には示してないが凹面鏡
２を図１１に示すような形状として、さらに反射鏡３を
設けた構成とし、また、平板マイクロレンズアレイを設
けた液晶表示素子としては、図２、図６に示すものを用
いることにより、明るくコンパクトでかつ性能のよい投
射型表示装置を得る。

【００４６】

【発明の効果】以上説明した本発明の構成により、所期
の目的を達成することができた。すなわち、開口率の高
い液晶表示素子となり、液晶表示素子を用いて明るく、
かつ見やすい、小型の液晶表示装置を提供することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による液晶表示装置の原理説明図。

【図２】本発明の一実施例となる液晶表示素子の要部斜
視図。

【図３】入射光と平板マイクロレンズアレイの関係を示
す原理図。

【図４】本発明の実施例となる平板マイクロレンズアレ
イを模式的に示す外観斜視図。

【図５】矩形マイクロレンズアレイの作用を示す原理
図。

【図６】本発明の一実施例となる液晶表示素子の要部斜
視図。

【図７】マイクロレンズの形状と液晶表示素子の開口部
の形状との関係及び開口部を通過する光束の断面形状と
の関係を示す原理図。

【図８】同じく光源の形状と液晶表示素子の開口部の形
状及び開口部を通過する光束の断面形状との関係を示す
原理図。

【図９】本発明の一実施例となる液晶表示装置の概略構
成図。

【図１０】同じく光源の一実施例を示す概略説明図。

【図１１】同じく凹面鏡の一実施例を示す概略説明図。

【図１２】同じく凹面鏡の他の実施例を示す概略説明
図。

【図１３】本発明の一実施例となる３板式投写型表示装
置の概略構成図。

【符号の説明】

１…光源、２…凹面鏡、
３…反射鏡、４…ライトバルブ、５…マイクロレ
ンズアレイ、６…投写レンズ、７…スクリ−ン、
８…偏光板、９…入射光、１０…出射
光、１１…基板、１２…対向
電極、１３…液晶、１４…画素電極、
１５…遮光部、１６…平板マイクロレンズアレ
イ、１７…屈折率分布領域、２３…
集光レンズ群、２４…略矩形凹面鏡、３０…
ハロゲンランプ、３１…フィラメント、３２…メタ
ルハライドランプ、３９…赤外カットフィルタ、４０…
ダイクロイックミラ−、４２…ダイクロイックプリズ
ム。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者山崎太志神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式会社日立製作所映像メディア研究所内 (72)発明者丸山竹介神奈川県横浜市戸塚区吉田町292地株式会社日立製作所映像メディア研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光を放射する光源を有し、前記光源の出射
光を映像信号に応じた光学像が形成されるライトバルブ
上に照射する照明光学系と、ライトバルブを構成する一
対の透明基板間に液晶を注入し、液晶の電気光学効果に
より画像情報を表示する透過型の液晶表示素子とを有し
てなる液晶表示装置において、前記液晶表示素子の光源
側の面に、液晶表示素子の画素配列の各１画素に対応す
る単位レンズ部からなり、液晶表示素子の画素配列と同
一の配列を有するマイクロレンズアレイを密着して設
け、さらにマイクロレンズアレイを通過し出射する光束
の光軸に垂直な光束断面形状と、前記液晶表示素子の画
素において光を透過する部分を構成する開口部の形状と
を相互にほぼ同一形状として成る液晶表示装置。
【請求項２】上記マイクロレンズアレイを、屈折率Ｎ₀
の基板内に屈折率Ｎ₀と異なる屈折率Ｎの領域を周期性
を持って形成して成る屈折率分布型マイクロレンズアレ
イとして成る請求項１記載の液晶表示装置。
【請求項３】上記マイクロレンズアレイは、レンズ部と
して作用する領域の形状が、各単位レンズにおいて上記
液晶表示素子の各画素形状と略一致しているか、もしく
は液晶表示素子の画素において光を透過す開口部の形状
とほぼ相似となるように形成して成る請求項１もしくは
２記載の液晶表示装置。
【請求項４】上記マイクロレンズアレイは、一対の透明
基板間に液晶を注入し、液晶の電気光学効果により画像
情報を表示する透過型の液晶表示素子と一体的に形成し
て成る請求項１乃至３何れか記載の液晶表示装置。
【請求項５】上記マイクロレンズアレイは、液晶表示素
子を構成する光入射側の基板内に一体的に形成されて成
る請求項４記載の液晶表示装置。
【請求項６】上記光源は、上記照明光学系の光軸に垂直
な断面において、上記液晶表示素子の画素において光を
透過する開口部の形状とほぼ相似となる形状を有して成
る請求項１乃至５何れか記載の液晶表示装置。
【請求項７】上記照明光学系は、上記光源から出射され
る光束を上記ライトバルブ方向に反射させる凹面鏡を有
し、前記凹面鏡の照明光学系の光軸に垂直な断面への射
影が、上記液晶表示素子の開口部の形状とほぼ相似とな
る形状を有して成る請求項１乃至６何れか記載の液晶表
示装置。
【請求項８】上記照明光学系は、上記光源から一度出射
し、上記ライトバルブ、もしくは上記凹面鏡に入射しな
い光束を、光源、ライトバルブ、もしくは前記凹面鏡に
入射させる作用を有する反射鏡を具備して成る請求項７
記載の液晶表示装置。