JPH0784246A - 投射型画像表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 画面全体の輝度やコントラスト特性を効果的
に向上して、高輝度、高コントラストの高画質な画像表
示を行なう投射型画像表示装置を実現する。 【構成】 本発明によれば、ライトバルブとしての液晶
表示パネル１０１の複数の画素１０２のうち輝度を向上
させたい領域１０９の第１のマイクロレンズアレイ１０
５に対して集光スポットの位置合わせができるように第
２のマイクロレンズアレイ１０６を設けている。従って
中央部の領域１１０の画素１０２における輝度を向上す
ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、液晶表示素子のような
ライトバルブを用いて光源光の透過を制御し画像をスク
リーンに拡大投射する投射型画像表示素子に係り、特に
高輝度、高コントラスト特性を実現した投射型画像表示
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】投射型画像表示装置は一般に、光源から
出射された光を例えば液晶表示パネルなどを用いたライ
トバルブに入射させ、このライトバルブによって各画素
ごとの光の透過あるいは反射の光量を制御して、このラ
イトバルブを透過した光を投射レンズ系により外部のス
クリーン面上に拡大照射して、所望の画像を表示するも
のである。

【０００３】このような投射型画像装置は、装置本体が
小型軽量で簡易に大画面を得ることができるという特長
を有している。近年ＨＤＴＶに代表されるように、高精
細かつ大画面の表示を実現する表示装置の研究・開発が
進められており、投射型画像表示装置はこのような用途
に好適な装置として注目されている。

【０００４】ところで、このような投射型画像表示装置
を用いて高精細かつ大画面の表示を行なうに際して、液
晶表示素子のようなライトバルブのパネル上で形成され
た画像を大画面の画像としてスクリーンに投射するため
に、投射レンズ系における拡大率を極めて高くして投射
しているので、投射された画像の輝度やコントラストを
良好なものとするためにはライトバブルの光利用効率を
高くしなければならない。

【０００５】しかしながら、ライトバルブの各画素は一
画素あたりの面積のうち 100％を画像表示に使用するこ
とができるわけではなく、入射光の透過あるいは反射を
制御することのできる部分、いわゆる開口部は、一画素
あたりの周辺部を除く中心からの一部分に限られる。特
に高精細で画素数の多い画面を、ライトバルブとして液
晶表示素子を用いて実現する場合、装置の小型化の要請
とあいまって一画素あたりの画素寸法が微細化するた
め、前記の開口率の低下が著しいものとなる。その結
果、ライトバルブに入射する光のうち、画素の開口部を
透過して実際に表示に有効である光の量が低下して、投
射画像の輝度の低下を招くという問題がある。さらには
ライトバルブを透過しないで損失した光がライトバルブ
の温度上昇をもたらし、これによりライトバルブの性能
を劣化させるという問題も生じる。特に液晶表示素子は
温度変化による表示特性や組成の変化が比較的大きく、
また劣化も助長されてしまう可能性も高い。

【０００６】そこでこのような光源光の利用効率の低下
に起因した問題を解決するために、各画素の光入射側に
マイクロレンズアレイを設けて光源光を各画素の開口部
へ集光することにより、光利用効率を向上させるという
方法が提案されている。この従来のマイクロレンズアレ
イは、一般に透明基板上に光学的特性の等しいレンズが
等間隔に各画素と各レンズとが全画面にわたって一体一
対応するように配列されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ようなマイクロレンズを用いて光利用効率を高める方法
は、ライトバルブの画面中央部寄りの比較的画角の小さ
い領域においては極めて有効であるが、画面周辺部の領
域においては、その部分のライトバルブの画素に対する
光源光の入射角度およびライトバルブの画素を透過する
透過光の出射角度が周辺部に行くほど大きくなるので、
マイクロレンズによって集光された光の有効スポットが
画素の開口部に合致せず位置ずれを生じるため、光の有
効利用率が低下して、画像の輝度向上が得られないとい
う問題がある。

【０００８】この問題を図６を用いて説明する。光源
（図省略）から出射された光源光６０１は液晶表示パネ
ル６００のマイクロレンズ６０３に入射するが、このマ
イクロレンズ６０３によって集光された光源光６０１の
有効スポットは画素６０５の開口部６０７に対して合致
せず、非開口部によって遮られる部分が大きくなってし
まうので、この開口部６０７に入射する光の一部分しか
表示に利用することができない。このため、投射レンズ
系６０９を介して外部のスクリーン（図示省略）に投射
されて得られる画像の輝度やコントラストが著しく低下
してしまう。また甚だしい場合には、このマイクロレン
ズ６０３を使用しなかった場合よりも画面周辺部におけ
る画像の輝度が低下してしまうという問題がある。その
ようなマイクロレンズ６０３を用いない場合の従来の投
射型画像表示装置におけるスクリーン上の投射画面内で
の輝度分布特性、および従来のマイクロレンズ６０３を
使用した場合の投射型画像表示装置における投射画面内
での輝度分布特性を、図７に示す。

【０００９】図７に示すように、マイクロレンズ６０３
を用いた場合の輝度分布曲線７０１はマイクロレンズ６
０３を用いない場合の輝度曲線７０３よりも図中に示す
交点７０５の外側に対応する領域（つまり画面の周辺部
の領域）においては、輝度がむしろ低下していることが
明らかに読み取れる。このように、従来の技術では、画
面の全体としての輝度を効果的に向上することが困難で
あるという問題があった。

【００１０】本発明はこのような問題を解決するために
成されたもので、その目的は、画面全体の輝度やコント
ラスト特性を効果的に向上して、高輝度、高コントラス
トの高画質な画像表示を行なうことのできる投射型画像
表示装置を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の投射型画像表示
装置は、光源光を出射する光源と、前記光源光の透過を
制御する複数の画素が配列されたライトバルブと、前記
ライトバルブを透過した光を外部のスクリーン上に投射
する投射レンズ系と、前記ライトバルブの複数の画素に
対応して一様に形成された第１のマイクロレンズアレイ
と、前記ライトバルブの複数の画素のうち画面中央部を
避けて画面周辺部の画素に対して設けられた第２のマイ
クロレンズアレイとを具備することを特徴としている。

【００１２】なお、上記の周辺部とは、その画面の中央
部を避けた画面の周辺部であって、画面中央を中心とし
た画面総面積の15乃至75％程度の領域を避けて、その周
辺部に第２のマイクロレンズアレイを設けることが望ま
しい。

【００１３】あるいは上記の中央部の領域としては、第
１のマイクロレンズアレイを用いた場合のライトバルブ
の透過光の輝度が用いない場合の輝度よりも低くなる領
域に設定することが望ましい。このように設定すること
により、中央部での透過光の輝度は第１のマイクロレン
ズアレイによって高めることができ、かつその中央部の
領域の外側の周辺部の領域については、画面中央部の開
口部に対して集光スポットを適合するように第１のマク
ロレンズアレイのピッチ及び寸法を設定したことによる
画面周辺部での集光位置ずれに起因した輝度低下を第２
のマイクロレンズアレイによって解消して、周辺部分で
の輝度の向上を図ることができる。

【００１４】

【作用】光源から出射された光源光は、液晶表示素子の
ような表示パネルを用いたライトバルブに入射するが、
このとき従来技術においてはマクロレンズアレイを画面
ほぼ全面に配置しており、そのピッチおよび大きさは画
面全域に渡って同じピッチおよび大きさに形成していた
ので、例えば中央部分の画素に対してそのピッチおよび
大きさを揃えた場合には周辺部の画素においてはマイク
ロレンズによる集光スポットがその開口部に対して位置
ずれを起こしていた。あるいは逆に周辺部分の画素の開
口部に対してマイクロレンズアレイの集光スポットの位
置を合わせるように設定した場合にはその逆に中央部分
の画素において集光スポットの位置ずれが発生してい
た。また中央部と周辺部とでマイクロレンズアレイのピ
ッチおよび外形寸法を変化させることは、画素の微細化
ともあいまって、極めて困難であった。

【００１５】そこで、本発明においてはライトバルブの
画面の周辺部分に対してのみ第２のマイクロレンズアレ
イを設けて、その周辺部分の画素の開口に集光スポット
が効果的に位置合わせしているので、集光スポットの有
効な利用が可能となり、画面全体の輝度を効果的にほぼ
均一に向上することができる。

【００１６】

【実施例】以下本発明に係る投射型画像表示装置の実施
例を、図面に基づいて詳細に説明する。

【００１７】（実施例）図１は本発明の第１の実施例の
投射型画像表示装置の画面部分を示す図、図２はその投
射スクリーン上の画像の輝度分布を示す図である。なお
以降の説明では、説明の簡潔化のためにライトバルブと
して用いられる液晶表示パネルの画面部分を中心として
説明する。

【００１８】本実施例ではライトバルブとして液晶表示
パネルを用いた。このライトバルブすなわち液晶表示パ
ネル１０１には、各画素１０２の開口部１０３と一対一
に対応するように画像表示領域すなわち液晶表示パネル
上の画面の全領域にわたって等間隔にマイクロレンズ１
０４が設けられており、第１のマイクロレンズアレイ１
０５を成している。マイクロレンズ１０４の屈折率をｎ
Ｌ1 、それ以外のマイクロレンズアレイ１０５における
屈折率をｎＢ1 とするとき、ｎＬ1 ＞ｎＢ1 となってい
る。

【００１９】この液晶表示パネル１０１は、本発明に係
るマイクロレンズアレイとして更に第２のマイクロレン
ズアレイ１０６を具備していることを特徴としている。

【００２０】このマイクロレンズアレイ１０６は上下 2
層のマイクロレンズアレイ１０７、１０８からなり、そ
の光学的中心軸は一致するように作成されている。ま
た、画面の周辺部の領域１０９に対してのみマイクロレ
ンズ１０７、１０８を画素中心部から僅かにずらして且
つ等間隔に形成し、それ以外の画面中央部１１０にはマ
イクロレンズ１０７、ｌ０８の形成を省略している。そ
してその境界部分１１１は、マイクロレンズが画素ごと
に形成された領域１０９とマイクロレンズの形成が省略
された領域１１０とが不連続に分かれている。すなわち
境界部分１１１で上記の二つの領域は明確に区分されて
いる。第２のマイクロレンズアレイ１０６の各部の屈折
率の関係は、マイクロレンズが形成されている画面周辺
部１０９においては、光入射側のマイクロレンズ１０７
の屈折率をｎＬ21、第１のマイクロレンズアレイ１０５
に接する側のマイクロレンズ１０８をｎＬ22、それ以外
の部分をｎＢ21とするとき、ｎＬ21とｎＢ21、ｎＬ22と
ｎＢ1 はほぼ等しく、ｎＢ21＞ｎＬ22の関係となるよう
に設定されている。

【００２１】また、マイクロレンズアレイが形成されて
いない画面中央部分１１０における屈折率は一様にｎＢ
22であり、ｎＢ22とｎＢ1 はほぼ等しい。マイクロレン
ズ１０７、１０８の関係はアフォーカル系であり、マイ
クロレンズ１０７側から入射する光に対する倍率は1 未
満となっている。

【００２２】前記第２のマイクロレンズ１０６の作用を
以下に説明する。画面中央部１１０においては、マイク
ロレンズ１０７、１０８が形成されておらず、屈折率ｎ
Ｂ22と第１のマイクロレンズの界面の屈折率ｎＢ1 とは
ほとんど等しいため、界面反射や屈折を受けることがな
い。従って液晶表示パネルの画面１０１に対し概ね垂直
に入射した光１１２は第１のマイクロレンズ１０４の面
積全領域にわたって画素開口部１０３に焦点を結ぶた
め、白（明）表示の場合において光源からの光１１２は
光量をほとんど減ずることなく液晶表示パネル画面を透
過して、投射レンズによってスクリ−ン（図示省略）上
に投射され、白（明）投射画面を形成する。一方、画面
周辺部１０９においては、投射レンズ（図示省略）を通
過し、スクリ−ン（図示省略）上に投射される光は光線
１１３で示されるように液晶表示パネル１０１に対して
斜め方向の成分を持つ。この成分に対応する入射光１１
４は第２のマイクロレンズアレイ１０６のマイクロレン
ズ１０７により集光され、次にマイクロレンズ１０８に
おいて平行光に再び変換される。この光が第１のマイク
ロレンズアレイ１０５に入射してマイクロレンズ１０４
によって画素開口部１０３に集光される。この場合、マ
イクロレンズアレイ１０６により画素開口部を通過しう
る光成分が増加することになり、スクリ−ン（図中省
略）に投射される画面は画面周辺においても明るくな
る。

【００２３】図２は本発明に係る投射型画像表示装置に
おけるスクリ−ン上に投射される投射画面内の位置毎の
輝度分布を示す図である。図２において曲線２０１はマ
イクロレンズを全く使用しない場合における輝度分布曲
線、曲線２０２は第１のマイクロレンズのみを設けた場
合の輝度分布曲線、曲線２０３は第１のマイクロレンズ
アレイに加え、第２のマイクロレンズアレイを設けた場
合の輝度分布曲線を示している。

【００２４】画面の周辺部１０９においては、第２のマ
イクロレンズアレイ１０６によって第１のマイクロレン
ズアレイ１０５に入射し画素開口部１０３を通過する光
の入射面積が拡大されるので、曲線２０１、２０２より
も高い輝度を得ることができる。画面の中央部１１０で
は前述したように第２のマイクロレンズ１０６の形成を
省略しているので、第１のマイクロレンズアレイ１０５
のみを形成した場合の曲線と同等の高い輝度を得ること
ができる。つまり、画面周辺部１０９にのみマイクロレ
ンズ１０７、１０８が形成されている第２のマイクロレ
ンズアレイ１０６を設けることによって液晶表示画面の
周辺部１０９に入射する光が最も効率よく画素開口部１
０３を透過してスクリ−ン上に投射されるように光源か
らの光の入射特性を最適化する役割を果たしている。

【００２５】一方、従来の発明である第１のマイクロレ
ンズアレイ１０５のみを形成した液晶表示パネルを使用
した場合、曲線２０２で示されるように画面中央部の輝
度は向上するものの、画面周辺部での輝度低下が著しく
なってしまうことが明らかである。

【００２６】なお、曲線２０３のスクリーン上における
輝度変化は、これを原因とする視覚妨害（視覚的な見辛
さ）が生じないような範囲に抑えておくことは言うまで
もない。これを実現する手法として、上記の実施例では
画面中央部１１０の領域の外形形状をほぼ円形とした
が、この他にも用いる液晶表示パネルの輝度分布特性に
対応してレンズアレイの形状、ピッチ、およびそれを形
成する中央部の領域の大きさおよびその形状を種々変更
することが可能である。中央部１１０の形状は、上記の
実施例の円形の他にも例えば楕円状や長円状に設定する
ことなども可能である。

【００２７】また、上記実施例ではライトバルブとして
液晶表示パネルを用いる場合について示したが、本発明
の投射型画像表示装置に用いるライトバルブとしては液
晶表示パネルのみには限定しない。この他にも一般に光
の透過を制御することにより画像形成を行なう表示パネ
ルを用いることができることは言うまでもない。

【００２８】（比較例１）本発明者らは、本発明に係る
投射型画像表示装置を開発するにあたり、輝度向上のた
めにマイクロレンズアレイを形成する場合の画面中央部
と画面周辺部との輝度のずれを解消すべく、種々の方式
を試行した。以下にそれらを比較例として示す。

【００２９】図３は本発明の投射型画像表示装置に対す
る第１の比較例を示す図である。なお以降の説明では、
説明の簡潔化のためにライトバルブとして用いられる液
晶表示パネルの画面部分を中心として説明する。

【００３０】このライトバルブの光学系は一般的な投射
型画像表示装置の構造と同様に、図示しない光源、ライ
トバルブ、投射レンズ系からその主要部が構成されてお
り、光源から出射された光源光はライトバルブでその透
過を制御され画像表現を付与され、投射レンズ系により
拡大されて外部のスクリーンに画像が投射されるような
構造となっている。

【００３１】本比較例ではライトバルブとして液晶表示
パネル３０１を用いた。このライトバルブの画像表示領
域すなわち液晶表示パネル３０１の画面において、画面
の中央部３０３にはマイクロレンズの形成を省略してい
る。そして図３（ａ）に斜線を付して示すようにマイク
ロレンズ３０５を画面の周辺部３０７の領域に対しての
みアレイ状に形成し、それ以外そしてその境界の部分
は、図３（ｂ）および図３（ｃ）の拡大断面図に示すよ
うに、マイクロレンズ３０５が画素ごとに形成された領
域とマイクロレンズ３０５の形成が省略された領域とが
不連続に分かれている。すなわち境界３０９部分で上記
の二つの領域は明確に区分されている。

【００３２】マイクロレンズ３０５はそのひとつひとつ
が周辺部３０７の各画素３１１の開口部３１３のピッチ
と同じピッチで形成されており、その集光スポットが開
口部３１３内に位置的に収まるようなピッチおよび寸法
で形成されている。このマイクロレンズ３０５のピッチ
および外形寸法および形状は、このマイクロレンズ３０
５が配列されたマイクロレンズアレイ全体として均一に
揃えられている。

【００３３】図４は第１の比較例の投射型画像表示装置
における液晶表示パネル３０１画面内の位置に対応して
スクリーン上に投射される投射画面内での輝度分布を示
す図である。図４において曲線４０１はマイクロレンズ
アレイを全く使用しない場合の輝度分布曲線、曲線４０
３は外周部３０７の画素３１１に適応した仕様で画面全
面に渡って均一にマイクロレンズ３０５をアレイ状に設
けた場合の輝度分布曲線、曲線４０５は本発明に係るマ
イクロレンズアレイを画面の周辺部３０７に設けた場合
の輝度分布特性を示す曲線である。

【００３４】画面の周辺部３０７においては、前述した
ようにその領域内の画素３１１の開口部３１３上に集光
スポットが位置するようにマイクロレンズ３０５をアレ
イ状に等ピッチおよび同一寸法および同一形状で形成し
て設けているので、この周辺部３０７内の画素３１１に
は図４の曲線４０３で示した輝度分布特性を得ることが
できる。つまりマイクロレンズ３０５を形成しなかった
場合の（曲線４０１に示すような）輝度よりも高い輝度
を得ることができる。

【００３５】一方、画面の中央部３０３においては、前
述したようにマイクロレンズ３０５の形成を省略してい
るので、この部分での従来の輝度低下の問題を解消する
ことができる。つまり、従来ではこのマイクロレンズ３
０５を周辺部３０７の画素３１１の入射角度に合わせた
ピッチおよび外形寸法に形成したことによるレンズアレ
イの累積的な位置ずれが起きて集光スポットの位置ずれ
を起こし、むしろ輝度低下を引き起こしていた。しかし
本発明によれば上記のようにマイクロレンズ３０５を省
略することによって、中央部３０３においては輝度特性
は曲線４０１に従うことになり、従来のような中央部に
までマイクロレンズ３０５のアレイを設けた場合の曲線
４０３で示されるような輝度特性の低下を避けて、輝度
を向上することができる。このようにすれば、画面の中
央部３０３においても周辺部３０７においても、図４の
曲線４０５に示すように画像の輝度を向上することがで
きる。上記のマイクロレンズ３０５を形成する画面の周
辺部３０７とその形成を省略する画面の中央部３０３と
の境界３０９としては、図４に示す曲線４０１と曲線４
０３との交点４０７に相当する画面の部分を境界３０９
として設定することが望ましい。つまりこの交点４０７
が、マイクロレンズ３０５を画面の周辺部の画素に対し
て有効な集光状態となるように設定した場合の輝度向上
の効果が得られる領域とむしろ輝度を低下させてしまう
ような位置ずれを起こす領域との臨界点となっており、
この部分を境として周辺部３０７にはレンズアレイを設
けて輝度を効果的に向上させる一方、その臨界点である
交点４０７に相当する画面内での境界３０９の内側の領
域すなわち中央部３０３にはマイクロレンズ３０５の形
成を省略することによって中央部３０３での輝度を向上
することができる。

【００３６】しかしながら、中央部３０３での輝度は曲
線４０５のように向上するものの、周辺部３０７の輝度
は高々従来のマイクロレンズアレイを用いた場合の曲線
４０３のような輝度であるため、中央部３０３の輝度と
周辺部３０７の輝度との輝度の差があり、画像の輝度分
布の均一性が十分ではないという問題が生じた。

【００３７】また、光源の照度分布を調整して、曲線４
０１をさらに滑らかな曲線にした場合においても、画像
の輝度分布の均一性は改善されたが、中央部３０３での
輝度が不足して光利用効率が低下するという問題が生じ
た。

【００３８】（比較例２）図５は第２の比較例の投射型
画像表示装置を示す図である。なお説明および図示の簡
潔化を図るために、第１の比較例と同様の部位は同じ符
号を付して示している。

【００３９】この第２の比較例の投射型画像表示装置に
おいては、液晶表示パネル３０１の画面の中央部分３０
３の領域に位置する画素３１１に対してマイクロレンズ
３０５が形成されており、その中央部３０３の境界３０
５からの外側の領域すなわち周辺部３０７には、図５
（ｂ）、（ｃ）に示すようにマイクロレンズ３０５の形
成が省略されている。このマイクロレンズ３０５が形成
された中央部３０３を図５（ａ）において斜線を付して
示している。

【００４０】なお上記の比較例のマイクロレンズ３０５
を形成する中央部３０３の領域については、その面積が
画面３０１の全体の面積に対して15乃至75％の面積とな
るように設定することが望ましい。また上記の比較例で
は中央部３０３の外形形状をほぼ円形としたが、この他
にも用いる液晶表示パネル３０１の輝度分布特性に対応
してレンズアレイの形状、ピッチ、およびそれを形成す
る中央部３０３の領域の大きさおよびその形状を種々変
更することが可能である。例えば上記の他にも中央部３
０３を楕円状や長円状に設定することなども可能であ
る。

【００４１】このように、画面３０１の中央部３０３の
みにマイクロレンズ３０５を形成することによって、表
示を行なう際に画面内で最も目立つ領域である中央部３
０３の輝度をさらに向上させて画面の輝度を向上させる
ことができる。

【００４２】しかしながら、中央部３０３での輝度はさ
らに向上させることができるものの、周辺部３０７の輝
度は高々従来の液晶表示パネルに光源光を直接透過させ
る場合の輝度でしかないため、この比較例の構造にする
ことによって画面内での輝度分布の格差がマイクロレン
ズアレイを用いない従来の場合よりもさらに大きくなっ
てしまうという問題が生じた。

【００４３】

【発明の効果】以上詳細な説明で示したように、本発明
によれば、画面全体の輝度やコントラスト特性を効果的
に向上して、高輝度、高コントラストの高画質な画像表
示を行なう投射型画像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】本発明の投射型画像表示装置の液晶表示パネル
部分を示す図。

【図２】本発明の投射型画像表示装置における投射画面
内の位置ごとの輝度分布を示す図。

【図３】第１の比較例の投射型画像表示装置の液晶表示
パネル部分を示す図。

【図４】第１の比較例の投射型画像表示装置における投
射画面内での輝度分布特性を示す図。

【図５】第２の比較例の投射型画像表示装置の液晶表示
パネル部分を示す図。

【図６】従来の投射型画像表示装置の光学的な構造を液
晶表示パネル部分を中心として示す図。

【図７】従来の投射型画像表示装置における投射画面内
での輝度分布特性を示す図。

【符号の説明】

１０１…液晶表示パネル、１０２…画素、１０３…開口
部、１０４…マイクロレンズ、１０５…第１のマイクロ
レンズアレイ、１０６…第２のマイクロレンズアレイ、
１０７、１０８…マイクロレンズ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源光を出射する光源と、 前記光源光の透過を制御する複数の画素が配列されたラ
   イトバルブと、 前記ライトバルブを透過した光を外部のスクリーン上に
   投射する投射レンズ系と、 前記ライトバルブの複数の画素に対応して一様に形成さ
   れた第１のマイクロレンズアレイと、 前記ライトバルブの複数の画素のうち画面中央部を避け
   て画面周辺部の画素に対して設けられた第２のマイクロ
   レンズアレイとを具備することを特徴とする投射型画像
   表示装置。