JPH06308492A

JPH06308492A - 投写型カラー液晶表示装置

Info

Publication number: JPH06308492A
Application number: JP5100676A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Ariki; 美雄有木; Takashi Tsunoda; 隆史角田; Futoshi Yamazaki; 太志山崎
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1993-04-27
Filing date: 1993-04-27
Publication date: 1994-11-04

Abstract

(57)【要約】【目的】カラ−フィルタを用いずに光源からの光の利用
効率の向上が行え明るく、かつ小形で低価格の単板方式
の投写型カラ−液晶表示装置を提供すること。【構成】液晶表示素子の光線の入射側の透明基板上に液
晶表示素子の画素配列に対応するマイクロレンズアレイ
を密着して備え、かつ、コンデンサレンズ系と液晶表示
素子の間に光源からの白色光を、赤，青，緑の色の三原
色に分光する作用を有する第１の光学系と、分光した各
光束を異なる所定の方向からマイクロレンズアレイに入
射させ、液晶表示素子の画素配列に対応した位置に光束
をそれぞれ集光させる作用を有する第２の光学系を介在
させ液晶表示素子を照射するような構成とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、投写型液晶表示装置に
関するものであり、さらに詳しくは、光源からの光の利
用効率の向上を図ることを可能にした投写型カラ−液晶
表示装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の投写型カラ−液晶表示装置は液晶
表示素子を１枚用いる所謂単板方式と液晶表示素子を３
枚用いる所謂３板方式があり、例えば、前者は特開昭５
９−２３０３８３号公報に記載のように、単一光源から
出力された白色光を液晶表示素子内に構成される赤，
青，緑の色の三原色のカラ−フィルタ（前記３板方式に
用いる液晶表示素子にはカラ−フィルタはない。）によ
り分光し、カラ−画像を得て、このカラ−画像を１本の
投写レンズを用いて、スクリ−ン上に拡大投写せしめた
ものであった。

【０００３】また、後者は特開昭６３−１５２２５号公
報に記載のように、単一光源から出力された白色光をダ
イクロイックミラ−により、赤，青，緑の色の三原色に
分光し、この三原色光を３枚の液晶表示素子にそれぞれ
入射することにより、三原色に対応する画像をダイクロ
イックミラ−を用い合成することにより、カラ−画像を
得て、このカラ−画像を１本の投写レンズを用いて、ス
クリ−ン上に拡大投写せしめたものであった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術におい
て、液晶表示素子を１枚用いる単板方式は構成が簡単で
あり、小形でかつ低価格の投写型カラ−液晶表示装置が
実現できる。しかし、この方式では液晶表示素子に光源
から照射された光の約２／３は該液晶表示素子内に設け
られたカラ−フィルタによって吸収されてしまい、残り
の約１／３しか光源からの光が利用されなので投写され
た映像が暗くなる問題があった。その解決手段の一つと
してカラ−フィルタを用いない、すなわち、上記した液
晶表示素子を３枚用いる３板方式がある。しかし、この
方式では構成上からくる装置の大形化及び部品点数から
くる装置のコスト高が問題であった。

【０００５】単板方式で光源からの光の利用効率の向上
を図る他の方式としては、特開昭６１−２１０３２８号
公報に記載されている。この方式は、従来のカラ−フィ
ルタを使用せずに、前記液晶表示素子の画素配列に対応
するマイクロプリズムアレイや前記液晶表示素子の画素
配列に対応する分光ミラ−を配置するものであり、カラ
−フィルタによる損失がないので光源からの光の利用効
率の向上が行える。しかし、前記液晶表示素子の画素数
はプロセス技術の発達により、日々増加しており現在画
素ピッチは５０μｍ〜１００μｍ程度であり、この大き
さのマイクロプリズムアレイや分光ミラ−を製造および
配置することは非常に難しく問題であった。

【０００６】そこで、本発明の目的は、上記した単板方
式の従来技術の問題点を解決し、光源からの光の利用効
率の向上が行え明るく、かつ小形で低価格の投写型カラ
−液晶表示装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では、光源と、コンデンサレンズ系と、液晶
表示素子（信号処理回路系含む）と、投写レンズ系から
構成される投写型のカラ−液晶表示装置において、前記
液晶表示素子の光線の入射側の透明基板上に該液晶表示
素子の画素配列に対応するマイクロレンズアレイを密着
して備え、かつ、前記コンデンサレンズ系と液晶表示素
子の間に前記光源からの白色光を、赤，青，緑の色の三
原色に分光する作用を有する第１の光学系と、分光した
各光束を異なる所定の方向から前記マイクロレンズアレ
イに入射させ、前記液晶表示素子の画素配列に対応した
位置に光束をそれぞれ集光させる作用を有する第２の光
学系を介在させ前記液晶表示素子を照射するような構成
としたものである。

【０００８】さらには、前記マイクロレンズアレイとし
て屈折率分布型マイクロレンズアレイを用いることによ
って、前記液晶表示素子の光線の入射側の透明基板とし
て代用させる構成したものである。

【０００９】

【作用】以下、図面を用いて説明する。図６は本発明の
基本原理を示す説明図である。図６において９ａは前記
マイクロレンズアレイの単位レンズ部であり、４０はそ
の光軸である。ここで、レンズ光軸４０に平行に入射さ
れる光線（入射光線３０ａ）は前記単位レンズの光軸上
の焦点位置Ｐに集光される。しかし、前記レンズ光軸４
０に対して入射光線３０ｂ，３０ｃのように角度θを有
して平行に入射した場合には図示の如く前記単位レンズ
の光軸上からずれた位置Ｐ’にそれぞれ集光される。す
なわち、一つの単位レンズに対し、角度の異なる方向か
ら平行光線を入射すれば、その入射角度に応じた位置に
集光スポットをつくることができることが判る。よっ
て、図の入射光線３０ａ，３０ｂ，３０ｃを例えば、入
射光線３０ａは緑色（Ｇ）の光線、入射光線３０ｂは赤
色（Ｒ）の光線、入射光線３０ｃは青色（Ｂ）の光線と
することでＲＧＢの集光スポットをつくることができ、
さらに、この各集光スポットに対応するように液晶表示
素子の画素３１，３２，３３を配置すれば、カラ−フィ
ルタを用いずに各画素にはＲＧＢの画像が得られる。よ
って、光源からの光の利用効率の向上が行え、明るいカ
ラ−表示画像が得られる。

【００１０】図６においてマイクロレンズアレイの単位
レンズの焦点距離ｆとし、対応する液晶表示素子の画素
間隔をｄとすると、前記単位レンズの光軸と入射光線の
成す角度θはｔａｎθ＝ｆ／ｄ（１）で求まる。

【００１１】また、本発明ではマイクロレンズにより入
射光線を集光して画素に導くので、液晶表示素子の各電
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
電極の周囲のギャプなどの表示に寄与しない部分（遮光
部）で遮断されることによる前記入射光線のケラレがほ
とんど生じないために、上記に加えてさらに明るいカラ
−表示画像が得られる

【００１２】。

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を用いて
説明する。図１は本発明の一実施例としての投写型カラ
−液晶表示装置の構成図である。

【００１３】図１において、１は光源であり、例えばメ
タルハライドランプ、ハロゲンランプ等の白色光源であ
る。２は反射鏡であり、３はコンデンサレンズ系であ
る。４，５，６は前記白色光源を赤，青，緑の色の三原
色に分光する作用を有する第１の光学系であり、本実施
例ではダイクロイックミラ−４，５と全反射ミラ−６で
構成される。７，８は分光した各光束を異なる所定の方
向でマイクロレンズアレイに入射させる作用を有する第
２の光学系であり、本実施例ではダイクロイックミラ−
７，８を所定の角度でクロス配置して構成される。９は
マイクロレンズアレイであり、１０の液晶表示素子の入
射側の透明基板上に密着して構成される。１１は液晶表
示素子１０の表示画像を拡大するための投写レンズ系で
あり、１２はスクリ−ンである。１３は液晶表示素子１
０の駆動回路としてのビデオクロマ処理回路であり、１
４は同期処理回路であり、１５はＲＧＢ出力回路であ
り、１６はコントロ−ラであり、１７はＹドライバ−で
あり、１８はＸドライバ−である。以下、本発明の動
作について詳細に説明する。上記構成において、反射鏡
２はその断面が楕円形状のミラ−であり、光源１は前記
反射鏡２の１次焦点に配置する。これにより反射鏡２で
反射された光は前記反射鏡２の２次焦点に集光される。
さらに、コンデンサレンズ系３に入射し、ここで光軸と
ほぼ平行な白色光束となり出射し、次にこの白色光束を
赤，青，緑の色の三原色に分光する作用を有する第１の
光学系（４，５，６）に入射する。第１の光学系では前
記コンデンサレンズ系３の光軸に対して４５°の角度に
配置した赤色（Ｒ）反射ダイクロイックミラ−４により
Ｒが分光され全反射ミラ−６に入射する。さらに、前記
Ｒ反射ダイクロイックミラ−４を透過した光束は、前記
コンデンサレンズ系３の光軸に対して４５°の角度に配
置した緑色（Ｇ）反射ダイクロイックミラ−５によりＧ
が分光される。また、Ｇ反射ダイクロイックミラ−５を
透過した光束は、青色（Ｂ）となり、これにより白色光
束はＲＧＢに分光される。

【００１４】分光した各光束は前記コンデンサレンズ系
３の光軸に対して４５°の角度に配置した全反射ミラ−
６によりその方向を変えて、分光した各光束を異なる所
定の方向（入射角度）で前記マイクロレンズアレイ９に
入射させる作用を有する第２の光学系（８，９）に入射
する。第２の光学系ではＲ反射ダイクロイックミラ−７
とＢ反射ダイクロイックミラ−８を光軸に対して所定の
角度θ’でクロス配置して構成した。これにより、第２
の光学系からの出射光はマイクロレンズアレイ９に対し
てＲＧＢの３原色の平行光束が異なる３方向から入射す
ることになる。図２に図１のマイクロレンズアレイ９と
液晶表示素子１０との断面模式図を示し、図３にマイク
ロレンズアレイ９の単位レンズ部９ａと液晶表示素子１
０の画素配列との位置関係を示す平面模式図をそれぞれ
示す。

【００１５】図２においてマイクロレンズアレイ９は、
例えば屈折率Ｎ₀の基板内に該屈折率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。

【００１６】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Ｎ
ａ＋（ナトリウムイオン），Ｋ＋（カリウムイオン）等
の陽イオンが容融塩中に含まれる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
屈折率分布領域が単位レンズ部９ａ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、本実施例では図３に示すように単
位レンズ部９ａは３画素分に相当する略楕円形状であ
る。

【００１７】図２の液晶表示素子１０において２０、２
０は一対の透明基板で、一方の透明基板２０の対向面側
には透明の対向電極２１が、また、他方の透明基板２０
の対向面側には透明の画素電極３１，３２，３３がそれ
ぞれ設けられており、この対をなす透明基板２０、２０
間に液晶２２が封入されている。斜線部の２３は上記他
方の透明基板２０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
子やスイッチング素子、画素電極の周囲のギャップなど
で形成される表示に寄与しない部分（遮光部）である。
なお、ここではでは偏光板等の上記した以外の液晶表示
素子１０の構成要素については簡略化のために省略して
いる。また、従来の単板方式用の液晶表示素子と異なる
点は、カラ−フィルタ層が無いことである。本実施例で
は図３に示すように画素ピッチは縦６０μｍ×横６０μ
ｍの斜めモザイク配列を用いた。

【００１８】また、図２において入射光線３０ａは図１
のＧ反射ミラ−５により分光された光束であり、前記マ
イクロレンズアレイ９の単位レンズ９ａの光軸に平行に
入射され画素電極３２上で集光される。ここで、本実施
例ではマイクロレンズアレイ９の単位レンズの焦点距離
ｆは液晶表示素子１０の透明基板厚さｔの０．７ｍｍと
一致するように０．４６ｍｍ（０．７／１．５３）と設
定した。よって、前述したように本実施例においては、
他の入射光線３０ｂ，３０ｃはそれぞれ前記マイクロレ
ンズアレイ９の単位レンズ９ａの光軸に対して前記
（１）式で求まる入射角度すなわち、θ＝７°の平行光
束を入射すると、両隣の画素電極３１，３３上に集光さ
せることができる。よって、図１に示した第２の光学系
７，８の配置角度はθ’＝４８．５°になる。なお、入
射光線３０ｂは図１のＲ反射ミラ−７により反射された
光束であり、前記単位レンズ９ａによって画素電極３１
上で集光される。同様に、入射光線３０ｃは図１のＢ反
射ミラ−７により反射された光束であり、前記単位レン
ズ９ａによって画素電極３３上で集光される。以上のよ
うに、マイクロレンズ９対してＲＧＢに分光した光束を
適当な条件で異なる方向から入射することによって、Ｒ
ＧＢに対応する画素電極部に集光することができる。

【００１９】前記液晶表示素子１０の駆動回路として
は、例えば図１に示す回路ブロックであり、レ−ザ−デ
ィスク、ＶＴＲ等から入力されるビデオ入力をビデオク
ロマ処理回路１３により処理し、ＲＧＢ出力回路１５に
入力される。ＲＧＢ出力回路１５ではＲ、Ｇ、Ｂに対応
する映像信号及び液晶表示素子１０をＡＣ駆動するた
め、垂直期間ごとに極性反転し、Ｘドライバ−１８を介
して液晶表示素子１０に入力される。前記ビデオクロマ
処理回路１３、ＲＧＢ出力回路１５、Ｘドライバ−１
８、及びＹドライバ−１７は同期処理回路１４、コント
ロ−ラ１６により同期がとられている。そして、変調さ
れたＲＧＢ光束は投写レンズ系１１によりスクリ−ン１
２に投写されカラ−画像表示を行なう。

【００２０】本実施例によれば従来のカラ−フィルタを
用いる単板方式の投写型カラ−液晶表示装置では液晶表
示素子に照射された光の約２／３は該液晶表示素子内に
設けられたカラ−フィルタによって吸収されてしまい、
残りの約１／３しか光源からの光が利用されていなかっ
たものが全て利用できること。また、図２，図３で示す
ように従来液晶表示素子の各電極の金属配線、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プなど
の表示に寄与しない部分（遮光部）で遮断されることに
よる前記入射光線のケラレがマイクロレンズにより集光
することでほとんど生じないためにスクリ−ン上での明
るさが従来に対して約４．５倍に向上された。

【００２１】なお、本実施例では、白色光束を赤，青，
緑の色の三原色に分光する作用を有する第１の光学系及
び分光した各光束を異なる所定の方向で前記マイクロレ
ンズアレイに入射させる作用を有する第２の光学系に図
１に示すようにダイクロイックミラ−を用いたが、例え
ば、ダイクロイックプリズム等の他の分光手段を用いて
もよい。また、ダイクロイックミラ−を用いる場合にお
いても分光の順序及び反射の色成分についてはどのよう
な順序及び方法であってもよい。さらに、本実施例で
は、マイクロレンズアレイ９を液晶表示素子１０の入射
側の透明基板２０上に接着剤により密着して構成したが
図４に示すような構成でもよい。

【００２２】図４は本発明の他の実施例としてのマイク
ロレンズアレイと液晶表示素子との構造断面の模式図で
あり、図２と同一構成部は同一符号を付し、その詳細説
明は省略する。図４において、本実施例の特徴はマイク
ロレンズアレイ９を液晶表示素子の透明基板として代用
した点である。前記したようにマイクロレンズアレイと
して屈折率分布型を用いることで、外見は精度の良い平
板であり、基板として十分使用できる。なお、２４はマ
イクロレンズアレイ９からのアルカリイオンの溶出によ
る液晶劣化を防ぐための保護層であり、実施例ではＳｉ
Ｏ₂をアンダ−コ−トした。本構造によれば、部品点数
が削減でき、さらにマイクロレンズアレイと液晶表示素
子との位置合わせがプロセス工程上に入るので高精度に
なる利点がある。

【００２３】また、本実施例では図３に示すように液晶
表示素子として画素配列に斜めモザイク配列を用いが、
図５に示すような構成でもよい。

【００２４】図５は本発明の他の実施例としてのマイク
ロレンズアレイ９の単位レンズ部９ａと液晶表示素子１
０の画素配列との位置関係を示す平面模式図であり、図
３と同一構成部は同一符号を付し、その詳細説明は省略
する。図５において、図３と異なる点は、液晶表示素子
に画素配列がトライアングル配列を用いたことであり、
画素ピッチは縦６０μｍ×横６０μｍである。

【００２５】この場合マイクロレンズアレイ９の単位レ
ンズ部９ａと液晶表示素子１０の画素配列との位置関係
は図５（ａ）に示すように、前記図３と同様の単位レン
ズ部９ａは３画素分に相当する略楕円形状とすることに
より、前記説明したようにＧは単位レンズ９ａの光軸上
に配置されているＧに対応する画素電極に集光される。
そして、Ｒ及びＢは単位レンズ９ａの光軸上に対して入
射角度７°（図では左右方向から）の平行光束を入射す
ると、両隣のＲ及びＢに対応する画素電極に集光させる
ことができる。また、画素配列がトライアングル配列の
場合には図５（ｂ）に示すような配置に単位レンズ部９
ａを構成しても同様の効果が得られる。

【００２６】

【発明の効果】本発明によれば、従来のカラ−フィルタ
を用いる単板方式の投写型カラ−液晶表示装置では液晶
表示素子に照射された光の約２／３は該液晶表示素子内
に設けられたカラ−フィルタによって吸収されてしま
い、残りの約１／３しか光源からの光が利用されていな
かったものが全て利用できるので、光の有効利用率を大
幅に改善でき、この結果、画面の明るい単板方式の投写
型カラ−液晶表示装置液晶表示装置を実現することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例としての投写型カラ−液晶表
示装置の概略構成図である。

【図２】本発明のマイクロレンズアレイと液晶表示素子
との断面模式図である。

【図３】本発明のマイクロレンズアレイの単位レンズ部
と液晶表示素子の画素配列との位置関係を示す平面模式
図である。

【図４】本発明の他の実施例としてのマイクロレンズア
レイと液晶表示素子との構造断面の模式図である。

【図５】本発明の他の実施例としてのマイクロレンズア
レイの単位レンズ部と液晶表示素子の画素配列との位置
関係を示す平面模式図である。

【図６】本発明の基本原理を示す説明図である。

【符号の説明】

１…光源、２…反射鏡、３…コンデンサレンズ系、４…
Ｒ反射ダイクロイックミラ−、５…Ｇ反射ダイクロイッ
クミラ−、６…全反射ミラ−、７…Ｒ反射ダイクロイッ
クミラ−、８…Ｂ反射ダイクロイックミラ−、９…マイ
クロレンズアレイ、９ａ…単位レンズ部、１０…液晶表
示素子、１１…投写レンズ系、１２…スクリ−ン、１３
…ビデオクロマ処理回路、１４…同期処理回路、１５…
ＲＧＢ出力回路、１６…コントロ−ラ、１７…Ｙドライ
バ−、１８…Ｘドライバ−、２０…透明基板、２１…対
向電極、２２…液晶、２３…遮光部、２４…保護層、３
０ａ，３０ｂ，３０ｃ…入射光線、４０…レンズ光軸。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源と、コンデンサレンズ系と、液晶表示
素子（信号処理回路系含む）と、投写レンズ系から構成
される投写型のカラ−液晶表示装置において、前記液晶表示素子の光線の入射側の透明基板上に該液晶
表示素子の画素配列に対応するマイクロレンズアレイを
密着して備え、かつ、前記コンデンサレンズ系と液晶表
示素子の間に前記光源からの白色光を、赤，青，緑の色
の三原色に分光する作用を有する第１の光学系と、分光
した各光束を異なる所定の方向から前記マイクロレンズ
アレイに入射させ、前記液晶表示素子の画素配列に対応
した位置に光束をそれぞれ集光させる作用を有する第２
の光学系を介在させたことを特徴とする投写型カラ−液
晶表示装置。
【請求項２】請求項１において、前記第１の光学系は特
定の色のみを反射するダイクロイックミラ−と全反射ミ
ラ−から構成されることを特徴とする投写型カラ−液晶
表示装置。
【請求項３】請求項１において、前記第２の光学系は特
定の色のみを反射するダイクロイックミラ−２枚を所定
の角度でクロス配置して構成したことを特徴とする投写
型カラ−液晶表示装置。
【請求項４】請求項１において、前記マイクロレンズア
レイを前記液晶表示素子の光線の入射側の透明基板とし
て代用するように構成したことを特徴とする投写型カラ
−液晶表示装置。