JPH0720461A

JPH0720461A - 画像表示装置

Info

Publication number: JPH0720461A
Application number: JP5163441A
Authority: JP
Inventors: Toshio Imai; 寿雄今井
Original assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Priority date: 1993-07-01
Filing date: 1993-07-01
Publication date: 1995-01-24

Abstract

(57)【要約】【目的】透過型の画像表示装置において、光軸合わせ
の必要がなく、平行度の高い、収束あるいは発散する出
射光の得られる光学系をもった平板マイクロレンズを備
え、表示画面あるいは投影画面の明るい画像表示装置を
提供することを目的とする。【構成】２次元に配置された複数の画素を有する透過
型の表示パネルと、前記複数の画素の各々に対応し、か
つ入射光の平行光線束の幅とは異なる幅を持つ平行光線
束を出射させることができ、かつその出射光を前記表示
パネルの光透過部分だけに照射するようにした光学系を
用いた画像表示装置を作製した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、液晶表示パネル等に照
明光を照射して表示パターンを形成する透過型の画像表
示装置に関し、特に照明光を透過型表示パネルの各画素
に集光させるための平板マイクロレンズアレイを備えた
画像表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、液晶などの透過型表示パネルは、
画素と呼ばれる最小の表示単位が規則的に配置されてい
て、それらの画素に、各々独立した駆動電圧を印加し、
各画素を構成する液晶などの光学特性を変化させること
によって、画像や文字を表示している。

【０００３】しかし、駆動電圧を供給するラインを、各
画素中に配線しなければならないため、配線部に入射し
た光は、実際には画素の部分を透過しない。このため、
この光は画素の照明には寄与しない。その結果として、
表示画面あるいは投影画面が暗くなってしまう、という
問題が起こってくる。

【０００４】そこで、上述の問題を解決するため、図９
に示したように透過型表示パネルへの照明光を画素毎に
集光させる手段として、透明基板に複数の微小レンズを
形成したいわゆる平板マイクロレンズを、各画素に対応
する位置に配置したものが知られている。（例えば、特
開平３−１３６００４号）。

【０００５】一方、透過型表示パネルの照明光として
は、液晶画素透過後の出射光の平行度の高いものが必要
とされている。この照明光を、従来の単玉の平板マイク
ロレンズで集光すると集光はできるが、その出射後の光
の平行度は悪くなり、光が発散してしまう。

【０００６】発散した上記出射光を、投影レンズにて拡
大投影すると、投影レンズの瞳径が小さい場合には、出
射光の大部分が損なわれてしまう。したがって、透過型
表示パネルを通り抜けた出射光を十分に利用できず、投
影画面は暗くなってしまう。

【０００７】また、投影レンズの瞳径を大きくすると、
表示装置全体を大きくしなければならず、実用には適さ
ない。そこで、上記出射光にも高い平行度が要求される
ことになる。

【０００８】上記出射光の平行度を上げるためには、一
枚のレンズでは不可能であり、発散光を平行光に直すコ
リメータレンズが必要になってくる。

【０００９】このコリメータレンズは、平板マイクロレ
ンズの各々のレンズに対応して配置しなければならな
い。例えば、この平板マイクロレンズに、別の平板マイ
クロレンズの貼り合わせたような方法が考えられる。し
かし、この方法では、各々のマイクロレンズの光軸を正
確に合わせることは困難である。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明では、上記光軸
合わせの必要がなく、平行度の高い、収束あるいは発散
する出射光の得られる光学系をもった平板マイクロレン
ズを備え、表示画面あるいは投影画面の明るい画像表示
装置を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題と解決するための手段】そこで本発明では、２次
元に配置された複数の画素を有する透過型の表示パネル
と、上記複数の画素の各々に対応し、かつ入射光の口径
と異なる口径の出射光が得られる光学系を、１枚の基板
内の入射側と出射側に、一体に形成した平板マイクロレ
ンズを備えた画像表示装置を作製した。

【００１２】

【作用】上述の平板マイクロレンズを、透過型の表示パ
ネルの照明光の集光に用いることによって、表示パネル
の明るさを高めることができる。

【００１３】

【実施例】本発明で用いる平板マイクロレンズの作製方
法を図２に示す。その手順は、以下に示す通りである。（ａ）ソーダライムガラス材料基板１の両面を十分に洗
浄する。（ｂ）ガラス材料基板１の両面にイオン非透過効果のあ
るＴｉ膜２を、スパッタリング法等で形成する。（ｃ）周知の技術であるフォトリソグラフィ技術によ
り、適当なパターンの開口部３をＴｉ膜２に形成させ
る。この時、所定の出射光が得られるように、基板の両
面にそれぞれ適当な大きさの開口部とする。例えば、開
口径が５〜４００μｍで、そのピッチＰが１０μｍ〜１
ｍｍである。（図３（ａ）参照）（ｄ）所定の大きさの開口部を形成したガラス材料基板
を、イオン交換処理用の溶融塩５（例えば、Ｔｌ，Ｋ，
Ｎａ等の一価のアルカリ金属を含む硝酸塩など）に浸漬
処理し、レンズ効果を持ったイオン拡散領域を形成す
る。なお、溶融塩５は４００〜６００℃に保持されてお
り、前記基板はこの中に１ｍｉｎ〜１０００ｈ、浸漬処
理される。（ｅ）Ｔｉ膜２を除去する。

【００１４】上記の方法により作製した基板の表裏１対
の平板マイクロレンズは、それぞれレンズ口径が５μｍ
〜１．５ｍｍであり、それぞれの焦点距離ｆ1，ｆ2は、
ｆ1，ｆ2＝１０μｍ〜１００ｍｍである。

【００１５】具体例としては、マスクの開口径は表面が
６０μｍで、裏面が１０μｍである。そのピッチＰはい
ずれも１２０μｍである。この場合、表裏面における開
口径の中心は、もちろん一致させている。この場合、作
製しようとしているマイクロレンズの配置は、碁盤の目
状である（図３（ａ））。このピッチＰは、目的とする
表示パネルの画素のピッチに対応させている。

【００１６】溶融塩５は、Ｔｌ⁺：Ｋ⁺＝４：６の比率の
硝酸塩で、４９０℃に保持されている。１５０ｍｍ角で
板厚が１．１ｍｍのソーダライムガラス基板を、この溶
融塩中に１２０ｈ浸漬しイオン交換処理を行った。

【００１７】以上の工程で、表裏で１対となる平板マイ
クロレンズが複数組作製される（図４（ａ）参照）。表
裏面にそれぞれ作製された各レンズの口径は、上記の具
体例の場合、表面側のそれが１２０μｍであり、裏面側
のそれが７０μｍである。この場合、出射光のビーム径
は、入射光の約１．７分の１となっている。

【００１８】また、表面側のレンズの焦点距離ｆ1は、
ｆ1＝０．７ｍｍ（ガラス中）（＝０．４６、空気中）
であり、裏面側のそれｆ2は、ｆ2＝０．４ｍｍ（ガラス
中）（＝０．２６、空気中）である。この場合、ｆ1，
ｆ2は異なっており、基板の中でｆ1，ｆ2の位置が同じ
で、ｆ1とｆ2の和が前記板厚に一致している。

【００１９】また、出射光のビームを絞る場合における
ｆ1：ｆ2の比率は、ｆ1：ｆ2＝３：１〜１．５：１程度
である。

【００２０】図５に示すように、上述した平板マイクロ
レンズは、光源から出た平行光に近い光を入射光７と
し、光の平行度を変えることなく口径だけを絞り、より
小さい範囲に光を効率的に集めた出射光８を得ることが
可能である。したがって、透過型表示パネルの光透過部
分だけを効率的に照明することができる。なお、いずれ
の光路図においても、作図の便宜上、イオン拡散領域と
非拡散領域との界面で、光が屈折したように表現されて
いるが、実際に光はイオン拡散領域内の屈折率差によっ
て、徐々に曲げられるものである。

【００２１】以上の例では、マイクロレンズの配置は碁
盤の目状（図３（ａ））であったが、目的とする画素に
対応して、図３（ｂ）のように最密配置にしてもよい。
この場合は、図４（ｂ）に示すようなマイクロレンズが
作製される。このような最密配置の場合において、入射
側のマスク開口径を大きくするなどして、各マイクロレ
ンズが重なり合うようにイオン交換処理を行うと、図６
に示すような６角形のイオン拡散領域形状を持つマイク
ロレンズができる。この場合、入射面側のほぼ全面にマ
イクロレンズが作製されているので、非常に効率よく入
射光を取り込むことができる。

【００２２】さらに、碁盤の目状配置の場合でも、各マ
イクロレンズが重なり合うようにイオン交換処理を行う
と、正方形のイオン拡散領域形状を持つマイクロレンズ
ができる。また、矩形状のものも可能である。いずれの
場合も、非常に効率よく入射光を取り込むことができ
る。

【００２３】上述したように、表裏の開口部のサイズ、
イオン交換処理用の溶融塩の濃度および組成、イオン交
換処理温度、ガラス材料基板の厚み、ガラス材料基板の
組成、ガラス材料基板の屈折率等を変えることにより、
出射光の口径や平行度を変えることができる。

【００２４】図１は、本発明の透過型投影画像表示装置
の模式図である。上記の平板マイクロレンズを、透過型
液晶パネルに組み合わせることによって、投影画面の明
るい表示装置が得られた。

【００２５】例えば、平板マイクロレンズなしの場合の
投影スクリーン上の明るさを１とすると、従来の平板マ
イクロレンズ付きでは１．５倍程度であるが、本発明に
よる平板マイクロレンズを使用した場合は、３倍程度の
明るさを得ることが可能である。

【００２６】透過型画像表示装置は、透過型表示パネル
である液晶表示パネル９と、上記平板マイクロレンズ１
２と、コンデンサレンズ１４と、点光源に近い白色光源
１５と、投影スクリーン１６と、液晶パネルを透過した
光を投影スクリーンに投影するための投影レンズ１７と
から構成されている。

【００２７】図７に、液晶画素部と平板マイクロレンズ
部の拡大図を示す。この場合は、やや収束した光の例で
あり、光の有効利用を図るために、画素開口部の大きさ
に出射光の径を合わせている。

【００２８】なお上述の実施例では、平板マイクロレン
ズを、ガラス基板を用いたイオン交換法によって作製し
ているが、プラスチックを用いた拡散重合法で作製する
ことも可能である。

【００２９】また、本実施例ではケーラー照明の場合を
示したが、他の照明法、例えばクリティカル照明やテレ
セントリック照明系にも適用できる。

【００３０】さらに、本実施例では、液晶表示パネルを
１枚のみ用いる方式の装置であったが、３枚の液晶表示
パネルを用いて、各々に３原色の画像を表示し、それら
を光学的に合成してカラー画像を得る３枚方式にも適用
できることは、いうまでもない。

【００３１】表示パネルは、液晶表示パネルに限らず透
過性の表示パネルであれば本発明の適用が可能である。
プロジェクタ方式でなくとも、直視型の透過型表示パネ
ルにも極めて有効である。

【００３２】また、本発明で用いた平板マイクロレンズ
は、このほかに受発光素子と結合したり、光ファイバと
結合したりして、レンズ端面上での他の光学素子との結
合を容易にして、微小な光学素子との集積化が可能とな
る。図８（ａ，ｂ）に、その応用例を示す。

【００３３】

【発明の効果】本発明によれば、まず照明光側のマイク
ロレンズが、照明光を集光する。さらに、出射光側のマ
イクロレンズは、さきの集光後発散してた光を平行光に
変換することができる。このため、集光後発散して一部
投影レンズで損なわれていた光をも利用することができ
るようになる。透過型表示パネルの光透過部分を効率的
に照明することができ、このため、スクリーン上に投影
した場合に、非常に明るい投影画像が得られる。

【００３４】また、別々の焦点距離の異なる２枚のマイ
クロレンズを貼り合わせた場合に比べて、マイクロレン
ズの光軸を合わせる必要がない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る液晶画像表示装置の模式図。

【図２】本発明で用いる平板マイクロレンズを作製する
段階を示す断面図。

【図３】本発明で用いる平板マイクロレンズを作製する
ためのマスクパターンの図。

【図４】本発明で用いる平板マイクロレンズの入射側の
レンズを示す図。

【図５】本発明で用いた平板マイクロレンズの光路を示
す図。

【図６】最密配置をした平板マイクロレンズを示す図。

【図７】ＴＦＴ液晶素子の場合の光路図の例。

【図８】本発明で用いた平板マイクロレンズの他の応用
例を示す図。

【図９】従来例の液晶画像表示装置の模式図。

【符号の簡単な説明】

１ガラス材料基板２イオン非透過効果のある膜（マスク）３パターン開口部３’ 裏面のパターン開口部４イオン拡散領域５イオン交換処理用の溶融塩６イオン交換槽７入射光８出射光９液晶表示パネル１０画素１０’ＴＦＴ１１一体型平板マイクロレンズアレイ１２一体型平板マイクロレンズの集光点１３マイクロレンズ１３’裏面側のマイクロレンズ１４コンデンサレンズ１５白色光源１６投影スクリーン１７投影レンズ１８受発光素子１９光ファイバ２０平板マイクロレンズアレイ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】２次元に配置された複数の画素を有する
透過型の表示パネルと、前記複数の画素の各々に対応
し、かつ入射光の平行光線束の幅とは異なる幅を持つ平
行光線束を出射させることができ、かつその出射光を前
記表示パネルの光透過部分だけに照射するようにした光
学系を、１枚の基板内の入射側と出射側に一体に形成し
た平板マイクロレンズアレイを備えたことを特徴とする
画像表示装置。