JPH07191312A

JPH07191312A - マイクロレンズ配列を有する液晶プロジェクションパネル

Info

Publication number: JPH07191312A
Application number: JP6271174A
Authority: JP
Inventors: Stephen J Willett; スティーブン・ジョゼフ・ウィレット; David J W Aastuen; デイビッド・ジョン・ウィリアムス・アーストゥエン
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1993-11-10
Filing date: 1994-11-04
Publication date: 1995-07-28
Anticipated expiration: 2019-11-17
Also published as: US5398125A; EP0652459B1; DE69415642T2; EP0652459A1; JP3589716B2; DE69415642D1

Abstract

(57)【要約】【目的】輝度特性が向上した液晶ディスプレイプロジ
ェクションパネルを提供する。【構成】液晶ディスプレイ２０の各基板２２,２４の
外面に、ピクセル２６に対応して、マイクロレンズ配列
３２，３４を形成する。配列３２，３４中のマイクロレ
ンズは、平行入射光に対して、基板２２,２４間のイメ
ージ面を越えた位置に焦点を結ぶような焦点距離を有す
る。基板２２，２４の厚さのばらつきの上限に合わせて
上記焦点距離を選択すると、基板２２，２４厚さのばら
つきがあっても、透過光のばらつきは小さくなり、輝度
特性が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、液晶ディスプレイに関
し、詳しくは、マイクロレンズ配列を有する液晶ディス
プレイプロジェクションパネルに関する。

【０００２】

【従来の技術】薄くて軽量である液晶ディスプレイは、
電子表示デバイス、コンピュータディスプレイ、エンタ
ーテイメントデバイスに、一般に用いられるようになっ
てきた。特に、アクティブマトリックスアドレスド液晶
ディスプレイ(最も一般的には、薄膜トランジスタタイ
プ)は、情報密度が高く、フルカラーであり、コントラ
ストが高く、ビデオリフレッシユ速度が速い。しかし、
このような液晶ディスプレイは、伝達率が低いことが問
題であり、一般的に、伝達率は３〜５％であるので、高
出力のバックライトと、周囲の光の低減が必要とする。
伝達率の低い主な要因は、ディスプレイ上のトランジス
タおよびバスラインのためのスペースが必要であるので
約３０〜４０％の開孔率であることである。

【０００３】液晶ディスプレイパネルの輝度の改良が、
望まれるであろう。

【０００４】

【発明の要旨】したがって、本発明は、液晶ディスプレ
イプロジェクションパネルのような画素化ディスプレイ
プロジェクションパネルと、該ディスプレイの各面に形
成された２つのマイクロレンズ配列とを含む。配列中の
マイクロレンズは、配列に直角な角度でマイクロレンズ
に入射する平行光線が、ディスプレイのイメージ面を越
えた点で焦点が合うような焦点距離を有する。

【０００５】また、本発明は、上記したプロジェクショ
ンパネルと、該ディスプレイに向けて光線を発光する光
源と、パネルからの透過光線を投影スクリーンに向けて
投影する投影手段とを備えるプロジェクションシステム
を含む。プロジェクションパネルは、パネルへの入射光
線を収束する２つのフレネルレンズの間に配置されても
よい。

【０００６】また、本発明は、画素化ディスプレイプロ
ジェクションパネルの製造方法を含む。この方法は、上
記したようなパネルを準備するステップを含むが、基板
厚さは、平均値のまわりに既知の範囲内でばらつく。マ
イクロレンズの最適曲率はこの基板厚さの範囲の上限に
基づいて決定される。

【０００７】

【実施例】以下に、図１,２,５に示した本発明の一実施
例に係る液晶プロジェクションパネルについて詳細に説
明する。

【０００８】図１に、本発明に従って構成された液晶プ
ロジェクションシステム１０を示す。プロジェクション
システム１０は、液晶ディスプレイ(ＬＣＤ)２０と、マ
イクロレンズ３２および３４とを備える。液晶ディスプ
レイ２０は、２つの光学的に透明な基板２２および２４
の間に規則的に配列された複数のピクセル２６を有す
る。マイクロレンズ配列３２および３４は、基板２２お
よび２４の外側面に、それぞれ形成される。

【０００９】プロジェクション１０は、積層構造４０お
よび５０も備える。この積層構造４０および５０は、マ
イクロレンズ配列３２および３４から、それぞれ、間隔
７２および７４を置いて配列される。積層構造４０は、
硬質保護面６２と、偏光子５２と、光学フレネルレンズ
４２とを備える。同様に、積層構造５０は、硬質保護面
６４と、偏光子５４と、光学フレネルレンズ４４とを備
える。積層構造４０および５０は、プロジェクションシ
ステム１０内において、空気の干渉回数をできるだけ少
なくして、それによって、システムを透過する光量をで
きるだけ多くする。

【００１０】プロジェクションシステム１０は、以下の
ように作動する。光源１２は、発散光線ＡおよびＢを集
光レンズ１４に向けて照射する。集光レンズによって、
光線は、保護面６４に接近するとき、互いに収束され
る。そして、発散光線ＡおよびＢは、硬質保護面６４と
偏光子５４とを通り、発散するフレネルレンズ４４によ
って、平行にされる。

【００１１】つぎに、平行にされた光線ＡおよびＢは、
間隔７４を通過し、マイクロレンズ配列３４によって、
液晶ディスプレイ２０内のピクセル２６を通って焦点が
合わされる。そして、光線ＡおよびＢは、マイクロレン
ズ配列３２によって再び平行にされ、空間７２を通過す
る。したがって、配列３２および３４内のマイクロレン
ズは、ピクセル２６に関して、正確に位置決めされなけ
ればならない。

【００１２】つぎに、平行にされた光線ＡおよびＢは、
収束するフレネルレンズ４２と、偏光子５２と、硬質保
護面６２とを通る。そして、光線ＡおよびＢは、プロジ
ェクションレンズ８０を通り、光学ミラー８２によって
プロジェクションスクリーン(図示せず)方向に反射され
る。

【００１３】偏光子５２および５４は、好ましくは、吸
収染料タイプ偏光子であり、液晶ディスプレイ２０が所
望のモード(標準白色または標準黒色)で作動するため
に、互いに向きが合わされるすべきである。硬質保護面
６２および６４は、好ましくは、ガラスまたは耐傷性プ
ラスチックである。他の実施例では、偏光子５２および
５４を薄くし、代りに、硬質保護面６２および６４は、
偏光子上に形成された保護被覆とすることも可能であ
る。フレネルレンズ４２および４４は、好ましくは、セ
ルロースアセテートブチレート、ポリカーボネート、ア
クリルのような光学プラスチックである。

【００１４】マイクロレンズ配列３２および３４は、好
ましくは、柔軟で、プラスチック製で、屈折性を有す
る。液晶ディスプレイ２０は、好ましくは、薄膜トラン
ジスタ(ＴＦＴ)ディスプレイであり、また、カラーディ
スプレイとすることも可能である。

【００１５】間隔７２および７４は、好ましくは、空気
のような気体を含む。加圧空気を、空間７２および７４
から、カラー偏光子５２および５４とディスプレイ電子
回路(図示せず)に供給することが可能である。積層構造
４０および５０は、マイクロレンズ配列３２および３４
から、それぞれ、約０.２〜２cmの間隔を設けられるべ
きである。

【００１６】プロジェクションパネル３０を通過すると
きの光線Ａについての要部拡大図を、図２に示す。光線
Ａは、マイクロレンズ配列３４によって、ピクセル２６
によって形成されるイメージ面内ではなく、その面を越
えて点Ｆに、焦点が合わされる。光線Ａの焦点面は、好
ましくは、図２において点Ｆで示すように、基板２２内
に位置する。

【００１７】同様に、配列３２内のマイクロレンズは、
イメージ面に関して点Ｆとは反対側に焦点面が位置する
ように、選択されるべきである。もっとも、図１に示さ
れたように、プロジェクションシステム１０において、
光線は上からマイクロレンズ配列３２に入らないが、光
線Ａ'がイメージ平面を越えて点Ｅで焦点が合されるよ
うに、配列３２内のマイクロレンズが選択されるべきで
ある。光線Ａ'の焦点面は、好ましくは、図２において
点Ｅで示されたように、基板２４内に位置する。したが
って、マイクロレンズ配列３２の焦点面は、マイクロレ
ンズ配列３４の焦点面と、共面ではない。

【００１８】従来技術のプロジェクションパネル１３０
を通過する光線Ｃについての要部拡大図を、図３に示
す。プロジェクションパネル１３０は、液晶ディスプレ
イ１２０と、マイクロレンズ配列１３２および１３４と
を備える。液晶ディスプレイ１２０は、２つの光学的に
透明な基板１２２および１２４の間に規則的に配列され
た複数のピクセル１２６を有する。マイクロレンズ配列
１３２および１３４は、基板１２２および１２４の外側
面に、それぞれ形成される。

【００１９】マイクロレンズ配列１３４に入る光線Ｃ
は、プロジェクションパネル１３０のイメージ面内のピ
クセル１２６内の点Ｄで焦点が合わされる。マイクロレ
ンズ配列１３２内のマイクロレンズは、マイクロレンズ
配列１３２に入る光線Ｃ'も、プロジェクションパネル
１３０のイメージ面内のピクセル１２６内の点Ｄで焦点
が合わされるような焦点距離を有すべく選択される。

【００２０】他の従来技術のプロジェクションパネル２
３０を通過する光線Ｇについての要部拡大図を、図４に
示す。プロジェクションパネル２３０は、液晶ディスプ
レイ２２０と、マイクロレンズ配列２３２および２３４
とを備える。液晶ディスプレイ２２０は、２つの光学的
に透明な基板２２２および２２４の間に規則的に配列さ
れた複数のピクセル２２６を有する。マイクロレンズ配
列２３２および２３４は、基板２２２および２２４の外
側面に、それぞれ形成される。

【００２１】マイクロレンズ配列２３４に入る光線Ｇ
は、ピクセル２２６によって形成されるイメージ面を越
えて、点Ｈで焦点が合わされる。マイクロレンズ配列２
３２内のマイクロレンズは、マイクロレンズ配列２３２
に入る光線Ｇ'も、イメージ面の手前の点Ｈで焦点が合
わされるような焦点距離を有すべく選択される。

【００２２】本発明のプロジェクションパネル１３０
は、従来技術に勝るいくつかの利点をもたらす。第１
に、光線は各ピクセル内の一点に焦点が合わされないの
で、本発明のデザインは、ピクセル内の液晶材料の局所
加熱と、一体的な光学カラーフィルタの色あせと、焦点
が自然にずれていく(self-focusing)ような非線形光学
効果をできるだけ少なくする。また、これにより、光は
ピクセルの一部分ではなく全体を用いることができるの
で、ピクセル内の一つの不均一が投影されたピクセルの
総合的な見え具合に影響を及ぼす可能性をできるだけ少
なくする。

【００２３】第２に、両方のマイクロレンズ配列の焦点
距離が、配列からイメージ面までの距離より長いので、
本発明のデザインによって、焦点距離のより長いマイク
ロレンズを有するマイクロレンズ配列を用いることがで
きる。焦点距離の長いマイクロレンズほど、曲率半径が
大きくなり、したがって、薄くなる。薄いマイクロレン
ズほど、製造が容易であり、球面収差にわずらわされに
くくなる。

【００２４】第３に、図４に示されたプロジェクション
パネル２３０と異なり、配列３２および３４のマイクロ
レンズは、焦点距離が同じである(たとえ、プロジェク
ションパネル３０内に組み込まれたときに、焦点面が共
通でなくとも)。これは、二つの異なるタイプのマイク
ロレンズ配列を作ることを不要とするので、コストを低
減する。また、これによって、プロジェクションパネル
３０は、逆向き投影にも使用可能である、すなわち、パ
ネルは上下逆にしても使用可能である。

【００２５】第４に、焦点距離を重ねて使用することに
よって、ピクセル２６および配列３２のマイクロレンズ
に対する配列３２のマイクロレンズの位置決め許容範囲
を広くすることが可能であり、その結果、プロジェクシ
ョンパネル３０の輝度が向上し、プロジェクションパネ
ルの製造コストが低減し、また、その両方の組み合わせ
をもたらすことが分かった。

【００２６】いかなる特定の理論とも結び付けられてい
ないので、本発明のデザインは、従来技術より進歩して
いると考えられる。なぜなら、従来技術のプロジェクシ
ョンパネルは、“光源は非常に小さい点光源であり、そ
れゆえ、マイクロレンズ配列に入射する光線は完全に平
行である"との仮定に基づいているからである。しか
し、実際には、光源すなわちプロジェクションランプの
フィラメントは有限の寸法を有し、その結果、マイクロ
レンズ配列に入射される光線は、完全には平行でない。

【００２７】マイクロレンズ配列に入射される光が完全
平行からずれる角度を、テーパ角と称することができ
る。このテーパ角は、プロジェクションシステム１０の
プロジェクションパネル３０内に法線方向のピンホール
を配置したときに形成される円錐状光線の円錐角の半分
として、定義される。従来技術のデザインは、このテー
パ角を考慮しなかったので、このようなデザインにおい
て、光の損失が生じる。なぜなら、用いることができる
光のある割合は、イメージ面の手前で焦点が合わされ、
その結果、用いることが可能な光の割合は、プロジェク
ションパネル内で吸収され、あるいは、大きな角度とな
って、プロジェクションレンズに達することができない
からである。この光損失は、投影されたイメージの全体
的な輝度を低下させる。

【００２８】具体的なプロジェクションシステム内のマ
イクロレンズ配列に対する最適焦点距離に影響を及ぼす
のは、少なくとも４つの相互に関係するパラメータであ
る。すなわち、(１)ピクセル２６の実際の寸法と、(２)
テーパ角と、(３)マイクロレンズ配列３２および３４か
らピクセル２６までの距離と、(４)プロジェクションレ
ンズ８０の入射ひとみ径である。

【００２９】ＬＣＤ内で使用される基板２２および２４
の厚さは、通常、厳密には特定されず、一般には、１.
１mm±０.１mmである。さらに、マイクロレンズ配列３
２および３４の組み立て中に、厚さにばらつきが生じる
かもしれない。したがって、マイクロレンズ配列３２お
よび３４が映写光をできるだけ多くし、それによって、
ある最低特性を基板厚さ範囲を通じて保証する一方、こ
のような寸法のばらつきをできるだけ許容するようにデ
ザインされることが、望ましい。そうするには、基板
(２２,２４)の厚さを許容範囲内で最大にし、テーパ角
と同程度に平行にされた、均一出力光を用いて開始す
る。それによって、プロジェクションレンズを通過する
光量が最大にするマイクロレンズ曲率半径(両方の配列
も等しいと仮定)が分かる。この分野の技術者は、いく
つかの市販の光路解析プログラムを用いて、この計算を
実行できる。

【００３０】この分野の技術者であれば分かるように、
本発明はＬＣＤに関して説明されたが、本発明は、画素
化された任意のディスプレイに関して有用である。ま
た、この分野の技術者であれば分かるように、プロジェ
クションシステム１０は、フレネルレンズ４２および４
４を備えるものとして説明されたが、フレネルレンズは
必須ではない、すなわち、プロジェクションパネル３０
は、収束光線とともに使用できる。

【００３１】本発明について、以下の限定されない実施
例によって、さらに説明する(すべての計測値は概略値
である)。

【００３２】実施例以下の情報は、コンピュータ光路解析プログラムを用い
て、数値を求めた。すなわち、(１)ガラス基板２２およ
び２４は、１.１±０.１mmの全く同一の厚さであり、
(２)プロジェクションレンズの直径は６２.２mmであ
り、(３)アクリル製マイクロレンズ配列３２および３４
は、それぞれ厚さが０.２mmであり、屈折率が合った接
着剤で基板に結合し、(４)テーパ角は２.５°であり(３
Ｍモデル９５５オーバーヘッドプロジェクターで計
測)、(５)ピクセルの寸法・形状は、ヒタチモデルＴＭ
２６Ｄ０８ＶＣ１ＡＢとして特定され、ＬＣＤプロジェ
クションパネルとして一般に使用される平均対角線計測
値が２６４mmであるカラーＶＧＡ薄膜トランジスタ(Ｔ
ＦＴ)ＬＣＤであり、日本国東京のヒタチコーポレイシ
ョンから市販されている。１.１mmの平均基板厚さにつ
いて、システムを通過する最大伝達光量を与えるマイク
ロレンズの曲率半径Ｒは、Ｒ＝０.５０mmと計算され
た。特定の範囲内のすべての基板に、Ｒのこの値を適用
した結果を、図５において、線９０で示す。

【００３３】しかし、計算では、最大基板厚さ１.２mm
において、Ｒ＝０.６６mmで伝達が最大になる。Ｒのこ
の値を、すべての基板厚さを通じて適用した結果を、図
５において、線９２で示す。

【００３４】線９２を与える本発明の方法に従うことに
よって、ＬＣＤプロジェクションパネル通過時の伝達率
は、適切な基板厚さ範囲を通じて、ほぼ一定であり、す
くなくとも６２.７％となる。しかし、線９０を与える
方法に従うことによって、上記伝達率は、上記範囲内で
大きくばらつき、あるプロジェクションパネルでは、伝
達率は、５９.５％のように、低い値となる。したがっ
て、本発明の方法は、最小伝達率を向上し、基板厚さの
範囲内で伝達率を均一に改良する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る液晶プロジェクショ
ンパネルの側面断面図である。

【図２】図１のプロジェクションパネルの要部拡大断
面図である。

【図３】従来技術のパネルの要部拡大断面図である。

【図４】従来技術のパネルの要部拡大断面図である。

【図５】基板厚さに対する光の伝達率を表すグラフ図
である。

【符号の説明】

１０液晶プロジェクトシステム１２光源１４集光レンズ２０液晶ディスプレイ２２,２４基板２６ピクセル３０プロジェクションパネル３２,３４マイクロレンズ配列４０積層構造４２,４４フレネルレンズ５０積層構造５２,５４偏光子６２,６４保護面７２,７４間隔８０プロジェクションレンズ８２光学ミラーＡ,Ｂ光線Ｅ,Ｆ焦点

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者デイビッド・ジョン・ウィリアムス・アーストゥエンアメリカ合衆国55144−1000ミネソタ州セント・ポール、スリーエム・センター（番地の表示なし)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】画素化ディスプレイプロジェクションパ
ネル(３０)であって、２つの光学的に透明な基板(２２,２４)の間のイメージ
面に形成された複数のピクセル(２６)を有する画素化さ
れたディスプレイ(２０)と、該ディスプレイの一方の面に形成された第１マイクロレ
ンズ配列(３４)であって、該配列中の上記マイクロレン
ズは、上記ディスプレイの上記ピクセルに対応し、上記
マイクロレンズは、上記第１配列に直角な角度で上記マ
イクロレンズに入射する平行光線(Ａ)が、上記ディスプ
レイの上記イメージ面(２６)を越えて点(Ｆ)で焦点が合
うような焦点距離を有する、第１マイクロレンズ配列
と、上記ディスプレイの他方の面に形成された第２マイクロ
レンズ配列(３２)であって、該配列中の上記マイクロレ
ンズは、上記ディスプレイの上記ピクセルに対応し、上
記マイクロレンズは、上記第２配列に直角な角度で上記
マイクロレンズに入射する平行光線(Ａ')が、上記ディ
スプレイの上記イメージ面(２６)を越えて点(Ｅ)で焦点
が合うような焦点距離を有する、第２マイクロレンズ配
列とを備えることを特徴とする、プロジェクションパネ
ル。
【請求項２】上記画素化されたディスプレイは液晶パ
ネルであることを特徴とする、請求項１記載のプロジェ
クションパネル。
【請求項３】上記第１配列の上記マイクロレンズの上
記焦点距離は、上記第２配列の上記マイクロレンズの上
記焦点距離に等しいことを特徴とする、請求項１記載の
プロジェクションパネル。
【請求項４】上記第１配列の上記マイクロレンズの上
記焦点は一方の上記基板内に位置し、上記第２配列の上
記マイクロレンズの上記焦点は他方の上記基板内に位置
することを特徴とする、請求項１記載のプロジェクショ
ンパネル。
【請求項５】画素化ディスプレイプロジェクションパ
ネルシステム(１０)であって、２つの光学的に透明な基板(２２,２４)の間のイメージ
面に形成された複数のピクセル(２６)を有する画素化さ
れたディスプレイ(２０)と、該ディスプレイの一方の面に形成された第１マイクロレ
ンズ配列(３４)であって、該配列中の上記マイクロレン
ズは、上記ディスプレイの上記ピクセルに対応し、上記
マイクロレンズは、上記第１配列に直角な角度で上記マ
イクロレンズに入射する平行光線(Ａ)が、上記ディスプ
レイの上記イメージ面(２６)を越えて点(Ｆ)で焦点が合
うような焦点距離を有する、第１マイクロレンズ配列
と、上記ディスプレイの他方の面に形成された第２マイクロ
レンズ配列(３２)であって、該配列中の上記マイクロレ
ンズは、上記ディスプレイの上記ピクセルに対応し、上
記マイクロレンズは、上記第２配列に直角な角度で上記
マイクロレンズに入射する平行光線(Ａ')が、上記ディ
スプレイの上記イメージ面(２６)を越えて点(Ｅ)で焦点
が合うような焦点距離を有する、第２マイクロレンズ配
列と、上記ディスプレイに向けて光線(Ａ,Ｂ)を発光する光源
(１２)と、上記第２マイクロレンズ配列から出る光線を投影スクリ
ーン方向に投影する投影手段(８０)とを備えることを特
徴とする、プロジェクションパネルシステム。
【請求項６】画素化されたディスプレイは液晶ディス
プレイであることを特徴とする、請求項５記載のプロジ
ェクションパネルシステム。
【請求項７】上記光源と上記第１マイクロレンズ配列
との間に設けられる第１フレネルレンズ(４４)と、上記
第２マイクロレンズ配列と上記投影レンズとの間に設け
られる第２フレネルレンズ(４２)とを、さらに備えるこ
とを特徴とする、請求項５記載のプロジェクションパネ
ルシステム。
【請求項８】上記第１配列の上記マイクロレンズの上
記焦点距離は、上記第２配列の上記マイクロレンズの上
記焦点距離に実質的に等しいことを特徴とする、請求項
５記載のプロジェクションパネルシステム。
【請求項９】上記第１配列の上記マイクロレンズの上
記焦点は一方の上記基板内に位置し、上記第２配列の上
記マイクロレンズの上記焦点は他方の上記基板内に位置
することを特徴とする、請求項５記載のプロジェクショ
ンパネルシステム。
【請求項１０】画素化ディスプレイプロジェクション
パネル(３０)を製造する方法であって、２つの光学的に透明な基板(２２,２４)の間のイメージ
面に複数のピクセル(２６)を有する画素化されたディス
プレイ(２０)を準備するステップであって、上記基板の
厚さは平均値のまわりに既知の範囲内でばらつく、ステ
ップと、上記ディスプレイの一方の面に形成された第１マイクロ
レンズ配列(３４)を準備するステップであって、該配列
中の上記マイクロレンズは上記ディスプレイの上記ピク
セルに対応し、上記マイクロレンズは、上記第１配列に
直角な角度で上記マイクロレンズに入射する平行光線
(Ａ)が、上記ディスプレイの上記イメージ面(２６)を越
えて点(Ｆ)で焦点が合うような焦点距離を有する、ステ
ップと、上記ディスプレイの他方の面に形成された第２マイクロ
レンズ配列(３２)を準備するステップであって、該配列
中の上記マイクロレンズは、上記ディスプレイの上記ピ
クセルに対応し、上記マイクロレンズは、上記第２配列
に直角な角度で上記マイクロレンズに入射する平行光線
(Ａ')が、上記ディスプレイの上記イメージ面(２６)を
越えて点(Ｅ)で焦点が合うような焦点距離を有する、ス
テップと、上記基板の上記厚さ範囲の上限に基づき、上記両配列に
おける上記マイクロレンズの最適曲率半径を選択するス
テップとを、備えることを特徴とする方法。