JPH09114023A - 投影型カラー画像表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 液晶表示素子の透明基板を薄くすることな
く、照明光の利用効率を高め、さらにコンパクトな装置
サイズのままで混色を抑えることで、画像品質を保つこ
とができる単板式の投影型カラー画像表示装置を提供す
る。 【解決手段】 白色光源１からの略平行な白色光を分離
して得られたＲ・Ｇ・Ｂの光束を第１のマイクロレンズ
アレイ５によって集光して結像し、この結像を第２のマ
イクロレンズアレイ６によって液晶表示素子７の画素上
に１：２の像倍率で再結像して、スクリーン１０に拡大
投影する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、カラーフィルター
を用いないで１枚の液晶表示素子によりカラー表示を行
なう単板式の投影型カラー画像表示装置に関し、特にコ
ンパクトな投影型カラー液晶テレビジョンシステムや情
報表示システムに適用される投影型カラー画像表示装置
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の液晶表示素子を用いた投影型カラ
ー画像表示装置（以下、投影型カラー液晶表示装置と称
する）について説明する。一般に、投影型カラー液晶表
示装置では、使用される液晶表示素子自体が発光しない
ので、別に光源を設ける必要がある。しかしながら、投
影型カラー液晶表示装置は、投影型ブラウン管表示装置
と比較すると、色再現範囲が広い、小型・軽量であるた
め持ち運びしやすい、地磁気に影響されないのでコンバ
ージェンス調整が不要など非常に優れた特徴を持ってい
るので、今後の発展が期待されている。

【０００３】また、上記した投影型カラー液晶表示装置
における画像表示方式には、３原色に応じて液晶表示素
子を３枚用いる３板式と、１枚のみを用いる単板式とが
ある。

【０００４】前者の３板式は、白色光を赤・緑・青の３
原色の色光にそれぞれ分割する光学系と、各色光を制御
して画像を形成する３枚の液晶表示素子とをそれぞれ独
立に備えており、各色の画像を光学的に重畳してフルカ
ラー表示を行うものである。この３板式の構成では、白
色光源から放射される光を有効に利用でき、かつ色の純
度も高いという利点があるが、上述のように色分離系と
色合成系が必要なため、光学系が繁雑で部品点数が多く
なってしまい、低コスト化及び小型化の点では、後述の
単板式に比べて一般的に不利である。

【０００５】これに対して、後者の単板式は、液晶表示
素子を１枚のみ用いる構成であり、モザイク状、ストラ
イプ状等の３原色カラーフィルタパターンを備えた液晶
表示素子を投影光学系によって投影するもので、例えば
特開昭５９−２３０３８３号公報に開示されたものがあ
る。単板式は使用する液晶表示素子が１枚ですみ、かつ
光学系の構成も３板式に比べて単純になるので、低コス
ト、小型の投影型システムに適している。

【０００６】しかしながら、上記単板式の場合にはカラ
ーフィルタによる光の吸収または反射が起こるため、入
射光の約１／３しか利用できない。つまり、カラーフィ
ルタを用いる単板式での画面の明るさは、この単板式に
使用される光源と等しい明るさの光源を用いた３板式と
比較して約１／３に低下してしまう。

【０００７】上記のような明るさの低下に対する１つの
解決方法として、光源を明るくすることが考えられる。
しかしながら、投影型カラー液晶表示装置を家庭用とし
て使用する場合には、光源の明るさの向上に伴う消費電
力の増大は好ましくない。また、吸収タイプのカラーフ
ィルタを用いる場合、カラーフィルタに吸収された光の
エネルギーは熱に変わるため、光源を明るくすれば、液
晶表示素子の温度上昇を引き起こすだけでなく、カラー
フィルタの退色が加速される。したがって、光源を不要
に明るくすることなく与えられた光束をいかに有効に利
用するかが投影型カラー画像表示装置の利用価値を向上
させる上で重要な課題となっている。

【０００８】そこで、このような単板式の投影型カラー
画像表示装置の課題を解決するため、例えば特開平４−
６０５３８号公報には、複数のダイクロイックミラーを
扇形に配置して光利用率の向上を図った投影型カラー画
像表示装置が提案されている。

【０００９】上記投影型カラー画像表示装置は、例えば
図８に示すように、扇形に配置されたダイクロイックミ
ラー１０４Ｒ・１０４Ｇ・１０４Ｂを用いて、白色光源
１０１からの白色光を赤、青、緑の各光束に分割し、光
の利用効率を向上させるようになっている。尚、以下で
は、Ｒ・Ｇ・Ｂをそれぞれ赤・緑・青の色を表すものと
し、それぞれの色に対する光をＲ光、Ｇ光、Ｂ光と記
す。

【００１０】この装置において、上記ダイクロイックミ
ラー１０４Ｒ・１０４Ｇ・１０４Ｂにより分割された各
光束は、液晶表示素子１０７の白色光源１０１側に配置
されているマイクロレンズアレイ１０５にそれぞれ異な
った角度で入射する。上記マイクロレンズアレイ１０５
を通過した各光束は、それぞれに対応した色信号が独立
して印加される信号電極により駆動される液晶表示素子
１０７の液晶部位に、各光束の入射角度に応じて分配照
射される。そして、分配照射された光束は、液晶表示素
子１０７の前方に配されたフィールドレンズ１０８、投
影レンズ１０９によってスクリーン１１０に拡大投影さ
れる。

【００１１】この投影型カラー画像表示装置では、吸収
タイプのカラーフィルタを用いないので、光の利用効率
が向上し、極めて明るい画像を提供することができる。

【００１２】また、上記投影型カラー液晶表示装置にお
ける液晶表示素子１０７は、図９に示すように、２枚の
透明基板１０７ａ・１０７ｂにＴＦＴや信号線等の駆動
回路や配向膜等が形成され、これら透明基板１０７ａ・
１０７ｂ間に液晶層１０７ｃを介在させて形成されてい
る。そして、透明基板１０７ａの液晶層１０７ｃ側の上
面には、表示には寄与しない配線領域を遮光するための
ブラックマトリクス（ＢＭ）１１１が設けられている。

【００１３】また、マイクロレンズアレイ１０５は、上
記液晶表示素子１０７の画素３つ分に対応する大きさの
マイクロレンズ群からなり、入射されたＲ光・Ｇ光・Ｂ
光の各平行光束から３色の集光スポットを透明基板１０
７ａ上のＢＭ１１１形成面上の対応する色の画素上にそ
れぞれ形成する。そして、集光スポットが形成された各
画素は、画像信号にて制御される。

【００１４】一般に、液晶表示素子には、上記したよう
に各画素毎に、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）やその他表
示には寄与しない配線領域を遮光する目的でブラックマ
トリクス（ＢＭ）が設けられており、画素のうち、光を
通す領域を画素開口部、画素サイズに対する画面サイズ
の面積比を開口率と称している。

【００１５】通常の照射光ではＢＭ１１１で遮光された
光は、表示に寄与できず照射光の利用効率を低下させて
いる。ところが、上記した投影型カラー画像表示装置で
は、マイクロレンズアレイ１０５に照射光を照射するこ
とで、上記ＢＭ１１１に照射された光を画素開口部に集
光することができるので、液晶表示素子１０７を通過で
きる光量が増え、明るい投影画面を得ることができる。
また、集光スポットの大きさが画素開口部よりも小さけ
れば照明光の利用効率が最良となる。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
たダイクロイックミラーとマイクロレンズアレイとを用
いた、従来の単板式の投影型カラー画像表示装置では、
吸収型のカラーフィルタを用いないので光の利用効率が
向上するものの、以下のような問題が生じている。

【００１７】一般に、単板式の投影型カラー画像表示装
置において、光源からの光を有効に利用するためには、
ダイクロイックミラーに入射する光は平行光であること
が望ましい。そこで、光源から平行な照射光を得るに
は、最も簡単な方法の一つとして例えば放物面鏡の焦点
に光源を配置する方法がある。この方法を用いた場合、
放物面鏡の焦点から発した光は、放物面鏡の光軸に平行
な光となって反射される。ところが、現実には光源が有
限な大きさを持ち焦点以外からも光が発せられているた
め、放物面鏡から反射された光は平行光の主光線に対し
幾らかの広がり角θｗを有する光束となっている。この
広がり角θｗとマイクロレンズの焦点距離ｆより、マイ
クロレンズの焦点距離での集光スポットは以下の式
（２）の関係を満たす半径ｒを有している。

【００１８】 ｒ＝ｆ×ｔａｎθｗ ・・・・・・・・・・・・・・・（２） 即ち、式（２）によれば、ｆが大きい程、またはθｗが
大きい程、集光スポットが大きくなることが分かる。

【００１９】ところで、投影型画像表示装置に用いられ
る液晶表示素子は、製造技術の進歩に伴い、その表示面
積が小さくなる傾向にある。このように表示面積が小さ
くなった液晶表示素子において、表示素子が小さくなっ
た分だけ投影倍率を上げることで大画面表示を可能にし
ている。近年は、アモルファスＳｉ−ＴＦＴに代わり、
ポリＳｉ−ＴＦＴによって、高開口率を保った小型高精
細の表示素子が製造されており、この小型化の傾向はさ
らに進行する状況にある。

【００２０】これに伴い、画素自体のサイズ、即ち画素
ピッチも小さくなってきており、画素ピッチは１００μ
ｍのオーダーから数十μｍのオーダーになるつつある。
画素の開口率が一定であれば、画素ピッチの縮小と共に
画素開口部も小さくなるので、照明光を有効に利用する
ためには、集光スポットも小さくする必要がある。

【００２１】そこで、上記式（２）より、マイクロレン
ズの焦点距離ｆを小さくするか、あるいは照明光の広が
り角θｗを小さくすれば集光スポットを小さくすること
分かる。しかしながら、ｆあるいはθｗを変更して集光
スポットを小さくする場合には、以下に示す問題が生じ
る。

【００２２】まず、マイクロレンズの焦点距離ｆを小さ
くする場合の問題について説明する。ｆを小さくするに
は、マイクロレンズから画素開口部までの距離を短くす
る必要がある。つまり、図９に示す液晶表示素子１０７
の透明基板１０７ａを薄くすれば良い。

【００２３】ところが、液晶表示素子１０７は１枚の大
きな透明基板から多数枚取りするので、あまり透明基板
を薄くすると製造プロセス中にたわみなどの問題が生じ
る。また、製造後も素子や液晶層のギャップを保持する
ための強度の点から透明基板の厚みを薄くするには限度
がある。これは、液晶表示素子１０７とマイクロレンズ
アレイ１０５とを別々に作成し、これら液晶表示素子１
０７とマイクロレンズアレイ１０５とを貼り合わせると
いう手順を踏むためである。

【００２４】この問題を解決するめに、マイクロレンズ
アレイ１０５に先に透明基板を貼り付けて、更に必要な
らば、研磨等により厚みを調整し、これを透明基板１０
７ａとして液晶表示素子１０７の製造プロセスに適用す
る方法が考えられる。しかしながら、上記マイクロレン
ズアレイ１０５と透明基板１０７ａとを一体的に形成す
る方法における製品の良品率は、マイクロレンズアレイ
１０５と透明基板１０７ａとを別々に作成して貼り合わ
せる方法に比べて低い。

【００２５】また、３板方式の投影型カラー画像表示装
置において各原色光を変調する液晶表示素子にマイクロ
レンズを適用して高輝度化を図る場合にも、透明基板厚
に関する同様の問題がある。この問題を解決するため
に、特開平６−３４９６３号公報には、液晶表示素子の
画素と同等の配列ピッチを有するマイクロレンズアレイ
を２つ用い、短焦点距離の第１のマイクロレンズアレイ
が作る集光スポットを第２のマイクロレンズアレイが像
倍率１：１で再結像して画素開口部に導く構成が開示さ
れている。

【００２６】しかしながら、単板式の投影型カラー液晶
表示装置では、１枚の液晶表示素子に色の異なる画素が
配列されているので、上記の特開平６−３４９６３号公
報における構成を単板式投影型カラー画像表示装置に適
用した場合、集光スポットの再結像の際に隣接する画素
の影響により色の混合が生じる虞があるという問題が生
じる。

【００２７】次に、照明光の広がり角θｗを小さくする
場合の問題について説明する。θｗを小さくするには光
源の大きさ、具体的にはランプの電極等の発光領域を小
さくすれば良いが、光源の総発光量を落とさずに縮小す
るのは技術的に難しく未だに解決されていない。

【００２８】また、光源部を改良する方法、例えば光源
が発する光を楕円鏡で一旦集光し、これを“絞り”で絞
って通過した光をコンデンサーレンズで平行光に戻す方
法がある。しかしながら、この方法では絞りを通過でき
ない光を捨てることになり、液晶表示素子に到達する光
量が減り、結果として投影照度が低下する。

【００２９】一方、θｗが大きいと、大きくなった集光
スポットが画素開口部に収まらないだけでなく、隣接す
る異なった色用の画素の開口部に入る虞がある。このよ
うな場合、例えば赤一色の画面を表示したい時に青や緑
色の成分が混じる「混色」状態となり、色純度が悪く画
像品質を低下させる。

【００３０】このような問題を解決するために、上記し
た楕円鏡や絞り等を備えた光学系を追加して照射光の広
がり角θｗを制限する必要があるが、これにより、光学
部品点数が増えて装置サイズが大きくなるという問題が
生じる。

【００３１】本発明は、上記の各問題点に鑑みなされた
ものであって、その目的は、液晶表示素子の透明基板を
薄くすることなく、照明光の利用効率を高め、さらにコ
ンパクトな装置サイズのままで混色を抑えることで画像
品質を保つことができる単板式の投影型カラー画像表示
装置を提供することにある。

【００３２】

【課題を解決するための手段】請求項１の投影型カラー
画像表示装置は、上記の課題を解決するために、略平行
な白色光束を発生する光源部と、上記光源部からの白色
光束を、互いに異なる波長域を有する３つの色の光束に
分割し、分割したそれぞれの光束を液晶表示素子に入射
させる光学手段と、上記光学手段と液晶表示素子との間
に設けられ、上記液晶表示素子の画素配列に対応し、且
つ画素の配列ピッチの３倍のピッチで配列され、上記光
学手段によって分割された光束から色毎に分離した第１
の集光スポット群を生成する複数のマイクロレンズから
なる第１の集光手段と、上記第１の集光スポット群の生
成面と上記液晶表示素子との間に設けられ、上記液晶表
示素子の画素配列に対応し、且つ画素の配列ピッチと同
じピッチで配列され、上記第１の集光スポット群を上記
液晶表示素子のそれぞれの色に対応する画素上に所定の
像倍率で拡大結像させて第２の集光スポットを生成する
複数のマイクロレンズからなる第２の集光手段と、上記
液晶表示素子により変調された複数の色の光束を拡大し
て投影する投影光学手段とを備えていることを特徴とし
ている。

【００３３】また、請求項２の投影型カラー画像表示装
置は、上記課題を解決するために、請求項１の構成に加
えて、第２の集光手段は、上記第１の集光スポット群を
上記液晶表示素子のそれぞれの色に対応する画素上に像
倍率１：２で拡大結像させ第２の集光スポットを生成す
ることを特徴としている。

【００３４】上記請求項１の構成によれば、第１の集光
手段によって形成された色毎の集光スポット群を上記液
晶表示素子のそれぞれの色に対応する画素上に所定の像
倍率で拡大結像させて第２の集光スポットを生成する第
２の集光手段を備えているので、第１の集光スポット群
の光は、その集光スポットの大きさに関わりなく、第２
の集光手段によって常に所定の像倍率でそれぞれが対応
する色用の画素上に拡大結像される。

【００３５】これにより、第１の集光手段の各マイクロ
レンズの焦点距離ｆは、液晶表示素子を構成する透明基
板厚に関係無く任意に選択することができる。例えば、
上記焦点距離ｆを透明基板厚の１／２よりも小さくした
場合、ｆが小さくなっていることから第１の集光スポッ
トも小さくなるので、第２の集光手段により画素上に形
成される第２の集光スポットの大きさが２倍になるもの
の、第２の集光スポットは画素上の表示有効領域（画素
開口部）内に収まることになる。このことは、透明基板
厚を薄くして集光スポットを小さくすることと同じにな
る。よって、液晶表示素子を構成する透明基板の厚みを
薄くすることなく、白色光源の光を、各集光手段によっ
て効率良く各色用の画素上に各色毎に入射することがで
きるので、明るい投影画像を得ることができる。

【００３６】一般的には、第２の集光手段が１：３×ｎ
−１（ｎ＝１、２、３、…の整数）の像倍率を有すれ
ば、各色の集光スポットを対応する色用の画素にのみ集
光させることができる。しかしながら、ｎが増大すると
画素への光の入射角度が大きくなり、これを受ける為の
大口径の投影レンズが必要となること、また、第１の集
光スポットが大きく拡大されてしまい本来の目的である
投影像を明るくするという目的を達成することができな
くなる。したがって、投影画像を明るくするためには、
上記請求項２記載のように、第２の集光手段は、１：３
×ｎ−１（ｎ＝１、２、３、…の整数）の最小の倍率で
ある像倍率１：２を有することが望ましい。

【００３７】請求項３の投影型カラー画像表示装置は、
上記の課題を解決するために、請求項１または２の構成
に加えて、第１の集光スポットが形成される位置に、上
記第１の集光手段のマイクロレンズと同配列ピッチ且つ
同焦点距離のマイクロレンズ群からなり、第１の集光手
段を通過する光束の各色の主光線の進行方向を各色共同
じ方向に揃えるように屈折させる第３の集光手段が配置
されていることを特徴としている。

【００３８】上記の構成によれば、第３の集光手段が第
１の集光手段を通過する光束の各色の主光線の進行方向
を各色共同じ方向に揃えるように屈折させるので、投影
光学手段に対して各色の光を均等に出射することができ
る。

【００３９】請求項４の投影型カラー画像表示装置は、
上記の課題を解決するために、請求項１、２または３の
構成に加えて、第１の集光手段のマイクロレンズの空気
中の焦点距離をｆ₁ 、第１の集光スポット群から第２集
光手段のマイクロレンズまでの空気換算距離をａ、上記
第２の集光手段から液晶表示素子の画素開口部までの空
気換算距離をｂ、上記液晶表示素子の画素配列ピッチを
Ｐ、投影光学手段の実効的な明るさを示すＦ値をＦｅと
したとき、整数ｋが３×ａ／ｆ₁ を下回らないときに、
Ｆｅ≦ｂ／（Ｐ（２×ｋ−１））の式を満足することを
特徴としている。

【００４０】上記の構成によれば、上記の式を満たす実
効的なＦ値であるＦｅによって、投影光学手段としての
投影レンズの口径との関係を最適にすることができる。
これにより、液晶表示素子を通過する光束と液晶表示素
子により変調された複数の色の光束を無駄なく投影する
ことができるので、明るい投影画像を得ることができ
る。

【００４１】請求項５の投影型カラー画像表示装置は、
上記の課題を解決するために、請求項１、２、３または
４の構成に加えて、第１の集光スポット群が形成される
位置に、上記液晶表示素子の画素配列と同ピッチの周期
で上記液晶表示素子の画素開口部の上記第２の集光手段
による像倍率の逆数倍の大きさの開口部が形成された遮
光マスクが配置されていることを特徴としている。

【００４２】上記の構成によれば、照明光が第１の集光
手段のマイクロレンズに入射する時点での広がり角が大
きく、そのままでは液晶表示素子の画素開口部に正しく
入らず混色を起こす光を、集光スポットができる位置に
配置された遮光マスクによって排除することができる。

【００４３】これにより、第１の集光スポットには、各
色に対応した光が集まるようになるので、液晶表示素子
の画素上に混色無く各色の光束を導くことができる。し
たがって、色純度の高い投影画像を得ることができる。

【００４４】また、従来のように混色を防止するために
光源部を工夫する必要がなく、しかも混色防止のための
各種の光学部品を用いなくても済むので、光学部品点数
の増大に伴う装置の大型化に比べて遮光マスクの厚みは
無視できる程薄くて済み、この結果、装置の小型化ひい
てはコストダウンを図ることができる。

【００４５】

【発明の実施の形態】

〔実施の形態１〕本発明の実施の一形態について図１な
いし図３に基づいて説明すれば、以下の通りである。
尚、本実施の形態では、一枚の液晶表示素子を使用した
単板式の投影型カラー画像表示装置について説明する。

【００４６】本実施の形態に係る投影型カラー画像表示
装置は、図１に示すように、白色光源１、球面鏡２、コ
ンデンサーレンズ３からなる光源部と、ダイクロイック
ミラー４Ｒ・４Ｇ・４Ｂと、第１のマイクロレンズアレ
イ５、第２のマイクロレンズアレイ６を備えた液晶表示
素子７と、フィールドレンズ８および投影レンズ９から
なる投影光学系とを有しており、本投影型カラー画像表
示装置で作られる画像は、投影レンズ９の後方に配置さ
れたスクリーン１０に投影表示される。

【００４７】上記の白色光源１としては、消費電力１５
０Ｗのメタルハライドランプを用いた。この他にも、白
色光源１としてハロゲンランプやキセノンランプ等の光
源を使用しても良い。

【００４８】上記光源部は、白色光源１から略平行光を
取り出すために、白色光源１の背面に球面鏡２を、ま
た、前面にコンデンサーレンズ３を配置している。この
コンデンサーレンズ３は、口径φ＝１００ｍｍ、焦点距
離ｆｃ＝６０ｍｍである。また、上記球面鏡２は、球中
心を白色光源１の発光部の中心と一致するように配置す
ることで、球面鏡２の方向に発せられた光を正反対の方
向に反射させるようになっている。また、コンデンサー
レンズ３は、焦点位置を白色光源１の発光部の中心と一
致するように配置することで、白色光源１の大きさを無
視すれば、コンデンサーレンズ３を透過した光束は略平
行となる。

【００４９】白色光源１からの光を略平行にする方法と
して、上記したコンデンサーレンズ３を用いたコンデン
サーレンズ方式に限定するものではなく、例えば放物面
鏡を用いる方法、楕円鏡とインテグレーターを併用する
方法等を使用しても良く、これらの各方法が適宜選択さ
れる。

【００５０】尚、図１では省略しているが、本投影型カ
ラー画像表示装置には、液晶表示素子７への無用な紫外
線および赤外線をカットするためのＵＶ−ＩＲカットフ
ィルタがコンデンサーレンズ３の光束の出射口に挿入配
置されている。これによって、紫外線および赤外線によ
る液晶表示素子７の不要な温度上昇を低減できる。

【００５１】ダイクロイックミラー４Ｒ、４Ｇ、４Ｂ
は、それぞれ赤、緑、青の各波長帯の光を選択的に反射
するものであって、１種類の波長帯の光以外は透過する
ようになっており、白色光源１からの略平行光の進行方
向に対してそれぞれ異なる角度で配置されている。

【００５２】上記ダイクロイックミラー４Ｒ、４Ｇ、４
Ｂで反射されたそれぞれの光束は、第１の集光手段とし
ての第１のマイクロレンズアレイ５に入射される。この
とき光束は、図２に示すように、第１のマイクロレンズ
アレイ５に対してダイクロイックミラー４Ｒからの反射
光（以下、Ｒ光と称する）は垂直に、ダイクロイックミ
ラー４Ｇからの反射光（以下、Ｇ光と称する）とダイク
ロイックミラー４Ｂからの反射光（以下、Ｂ光と称す
る）とは上記Ｒ光を中心にしてそれぞれ反対方向にθｍ
だけ傾いて、且つ第１のマイクロレンズアレイ５上で各
色の光束の照射領域が互いに重なり合うように入射する
ようになっている。これらダイクロイックミラー４Ｒ、
４Ｇ、４Ｂは、周知の多層膜コーティングによって作製
される。

【００５３】第１のマイクロレンズアレイ５の前方に
は、第２の集光手段としての第２のマイクロレンズアレ
イ６を介して液晶表示素子７が設けられている。これ
ら、第１のマイクロレンズアレイ５、第２のマイクロレ
ンズアレイ６および液晶表示素子７は一体的に積層され
ている。

【００５４】液晶表示素子７は、図２に示すように、ガ
ラス等からなる一対の透明基板７ａ・７ｂを有し、この
透明基板７ａ・７ｂ間に液晶を封入して液晶層７ｃを形
成すると共に、透明基板７ａの対向面側には、Ｒ・Ｇ・
Ｂの各画素毎に遮光領域と光の透過する開口部領域とを
分けるブラックマトリクス（ＢＭ）１１が形成されてい
る。また、透明基板７ａ・７ｂ間には、上記液晶層７ｃ
およびＢＭ１１の他に、図示しないが液晶を駆動するた
めのＴＦＴ素子や配線、配向膜等も設けられている。ま
た、図示しないが第１のマイクロレンズアレイ５から液
晶表示素子７にかけての光路上の前後に偏光板も配置さ
れている。

【００５５】上記液晶表示素子７は、対角約９１ｍｍの
画面サイズであり、画素ピッチＰは、縦１１４μｍ、横
３８μｍでＲＧＢの各画素が水平に並んだストライプ配
列、画素数は縦４８０、横６４０×３（ＲＧＢ）＝１９
２０である、所謂ＶＧＡ（Video Graphics Alley）タイ
プのものである。尚、本実施の形態で使用する液晶表示
素子７は、周知の技術により製造されるものである。

【００５６】第１のマイクロレンズアレイ５は、ガラス
等の透明基板からなり、この透明基板の一方の面（本実
施の形態では光束の入射側の面）に、縦方向（図では紙
面に対して垂直方向）に長いレンチキュラーレンズ１２
が横方向に密に配列されたものである。この第１のマイ
クロレンズアレイ５は、レンチキュラーレンズ１２の横
方向の配列ピッチが液晶表示素子７の横方向の画素ピッ
チＰの３倍の１１４μｍに等しくなるように、また、レ
ンズ中心がＲ用画素の画素開口部１７中心に来るように
設けられている。よって、レンチキュラーレンズ１２
は、横方向に１組のＲＧＢの画素に対応するようなって
いる。

【００５７】第１のマイクロレンズアレイ５は、第１の
マイクロレンズアレイ５を構成する透明基板の基板厚
を、透明基板の屈折率で割った空気換算距離が、レンチ
キュラーレンズ１２の空気中での焦点距離ｆ₁ と等しく
なるように設計されている。これにより、レンズの形成
された側から入射した平行光束は、第１のマイクロレン
ズアレイ５の透明基板のレンチキュラーレンズ１２形成
面とは反対側の面に、直線状の集光スポット１３Ｒ・１
３Ｇ・１３Ｂの群を作る。説明の便宜上、第１のマイク
ロレンズアレイ５の集光スポット１３Ｒ・１３Ｇ・１３
Ｂの群が形成される面を集光面１５と称する。

【００５８】第２のマイクロレンズアレイ６は、ガラス
等の透明基板からなり、この透明基板の一方の面（本実
施の形態では透明基板７ａ側の面）に、縦方向（図では
紙面に対して垂直方向）に長いレンチキュラーレンズ１
４が横方向に密に配列されたものである。この第２のマ
イクロレンズアレイ６は、レンチキュラーレンズ１４の
横方向の配列ピッチが液晶表示素子７の横方向の画素ピ
ッチＰと等しくなるように、また、レンズ中心がＲＧＢ
の各画素の開口部中心に対応するように設けられてい
る。

【００５９】第２のマイクロレンズアレイ６では、レン
チキュラーレンズ１４は液晶表示素子７の透明基板７ａ
側に設けられており、第１のマイクロレンズアレイ５の
集光面１５からレンチキュラーレンズ１４までの距離ａ
（ここでは第２のマイクロレンズアレイ６の透明基板の
基板厚となる）、透明基板７ａの基板厚ｂ、及びレンチ
キュラーレンズ１４の焦点距離ｆ₂ は以下の式（３）で
決定される。但し、基板厚や焦点距離等の光学長は空気
中での光路長に換算した値を用いることとする。尚、以
降の説明においても同様とする。

【００６０】 １／ｆ₂ ＝１／ａ＋１／ｂ ・・・・・・・・・（３） 上記式（３）は、レンズの結像公式である。よって、第
２のマイクロレンズアレイ６の各レンチキュラーレンズ
１４…は、集光面１５上に存在する集光スポット１３Ｒ
・１３Ｇ・１３Ｂを、液晶表示素子７の画素開口部１７
に対応する透明基板７ａのＢＭ１１形成面上に所定の像
倍率で結像させるようになっている。このとき、ａとｂ
との比は１：２に固定されており、これにより透明基板
の基板厚ａ（空気換算）はｂの半分であり、ｆ₂ もｂ、
即ち透明基板７ａの厚みに依存することになる。透明基
板７ａの実際の厚みは０．７ｍｍで、この厚みを屈折率
ｎ＝１．５２で割った空気換算値ｂは４６０μｍであ
る。よって、ｆ₂ は、約１５３μｍに調整される。

【００６１】以上のように、第１のマイクロレンズアレ
イ５、第２のマイクロレンズアレイ６および液晶表示素
子７を順に配置することで、第１のマイクロレンズアレ
イ５に入射したＲＧＢの光束は、レンチキュラーレンズ
１２から焦点距離ｆ₁ の集光面１５上に集光スポット１
３Ｒ・１３Ｇ・１３Ｂを作る。尚、上記の集光面１５
は、第１のマイクロレンズアレイ５と第２のマイクロレ
ンズアレイ６との境界面に等しい。

【００６２】上記集光面１５上に形成される集光スポッ
ト１３Ｒ・１３Ｇ・１３Ｂ群のうち、第１のマイクロレ
ンズアレイ５に垂直に入射するＲ光束の集光スポット１
３Ｒは、レンチキュラーレンズ１２の中心軸上、即ち液
晶表示素子７のＲ画素の開口部上にあり、Ｇ光束および
Ｂ光束の集光スポット１３Ｇ・１３ＢもそれぞれのＧ画
素、Ｂ画素の開口部上に生じるようになっている。つま
り、ＲＧＢの各集光スポット１３Ｒ・１３Ｇ・１３Ｂ
は、横方向画素ピッチＰと等しい間隔で並んだ状態とな
る。このために、ＧとＲの各光束の入射角θｍは以下の
式（４）で定められる。

【００６３】 θｍ＝ａｒｃｔａｎ（Ｐ／ｆ₁ ） ・・・・・・（４） 集光スポット１３Ｒ・１３Ｇ・１３Ｂ群のうち、図２に
示す中央のＲ光のものに注目すると、Ｒ光は集光面１５
を過ぎると、拡がりつつ第２のマイクロレンズアレイ６
内の複数のレンチキュラーレンズ１４…に入射する。一
つの集光スポット１３Ｒからの光が幾つのレンチキュラ
ーレンズ１４に入射するかは、以下の式（５）で求めら
れる。

【００６４】 ｋ＝３×ａ／ｆ₁ ・・・・・・・・・・・・（５） 但し、ｋは受光範囲数である。また、ｋは自身を下回ら
ない最小の整数に切り上げられる。即ち、上記式（５）
は、第１の集光手段としての第１のマイクロレンズアレ
イ５によって生成される集光スポット１３が集光面１５
を越えて第２の集光手段としての第２のマイクロレンズ
アレイ６に達するときに幾つのレンチキュラーレンズ１
４がこの光を受け取るのかを算出する式である。つま
り、式（５）によれば、ピッチ３Ｐのレンチキュラーレ
ンズ１２が焦点位置ｆ₁ に集光するときの像が、そこか
ら更にａだけ進んだとき（レンチキュラーレンズ１４の
位置）ピッチＰのレンチキュラーレンズ１４の何個分に
相当するかが求められる。このとき、式（５）では、分
子と分母両方のＰは消去され、求められたｋの小数点以
下の分はレンチキュラーレンズ１４の一部に光が入射さ
れることを意味している。しかしながら、レンチキュラ
ーレンズ１４のどこに入射しても、その入射されたレン
チキュラーレンズ１４に対応する画素開口部１７に結像
するように光が進むので、上記の小数点以下は切り上げ
て整数化する。

【００６５】また、上記のｋから、液晶表示素子７を透
過した後の光の広がり角を計算できるので、投影レンズ
９に必要な実効的なＦ値を求めることができる。

【００６６】さらに、整数となるｋを予め決定してお
き、このｋから焦点距離ｆ₁ を設定することができる。
本実施の形態では、奇数を選んでｋ＝５とすると上記式
（５）からｆ₁ は、３×ａ／５≒１３８μｍとなる。

【００６７】集光スポット１３は、第２のマイクロレン
ズアレイ６のレンチキュラーレンズ１４により、ＢＭ１
１の形成面上に結像されるが、集光面１５上の集光スポ
ット１３と、各レンチキュラーレンズ１４の中心と、Ｂ
Ｍ１１の形成面上に結像される集光スポット１６とは同
一直線上にある。集光面１５上のひとつのＲ光の集光ス
ポット１３Ｒから、各レンチキュラーレンズ１４の中心
を通り、さらにＢＭ１１の形成面上に達するときの横方
向の移動距離はａ：ｂ＝１：２の距離関係にあるので、
３×Ｐの倍数となり、常にＲ画素の開口部上に集光スポ
ットの像ができる。

【００６８】ＧやＲの光束の集光スポット１３Ｇ・１３
Ｂも同様であり、集光スポット１３がＢＭ１１の形成面
上の各色用の画素開口部１７上に配置されているので、
レンチキュラーレンズ１４のどれを通過してもやはり対
応する同色の画素開口部１７に結像するようになってい
る。レンチキュラーレンズ１４の結像倍率を１：２に設
定するのは、以上のように、第１のマイクロレンズアレ
イ５と第２のマイクロレンズアレイ６の各結像の距離比
を１：２とし、各色の集光スポット１３を同色の画素に
集光させるためである。

【００６９】上記第１のマイクロレンズアレイ５のレン
チキュラーレンズ１２が作る集光スポット１３が、第２
のマイクロレンズアレイ６により２倍の大きさに拡大さ
れることを計算にいれると、従来方式のマイクロレンズ
の焦点距離を２７６μｍにしたことに相当する。一方、
液晶表示素子７の透明基板７ａの空気換算厚ｂは、４６
０μｍのままであるので、その分ＢＭ１１の形成面上の
画素開口部１７での集光スポット１６が小さくなり、照
明光が画素開口部１７を通過しやすくなって投影画像の
明るさを向上させることができる。

【００７０】上記の構成によれば、第１の集光手段であ
る第１のマイクロレンズアレイ５によって形成された色
毎の集光スポット１３群を上記液晶表示素子７のそれぞ
れの色に対応する画素上に所定の像倍率で拡大結像させ
て第２の集光スポットを生成する第２の集光手段である
第２のマイクロレンズアレイ６を備えているので、第１
の集光スポット１３群の光は、その集光スポット１３の
大きさに関わりなく、第２のマイクロレンズアレイ６に
よって常に所定の像倍率でそれぞれが対応する色用の画
素上に拡大結像される。

【００７１】これにより、第１のマイクロレンズアレイ
５の各レンチキュラーレンズ１２…の焦点距離ｆ₁ は、
液晶表示素子７を構成する透明基板７ａの厚みに関係無
く任意に選択することができる。例えば、上記したよう
に、焦点距離ｆ₁ を透明基板厚の１／２よりも小さくし
た場合、ｆ₁ が小さくなっていることから第１の集光ス
ポット１３の大きさも小さくなるので、第２のマイクロ
レンズアレイ６により画素上に形成される第２の集光ス
ポット１６…の大きさが２倍になるものの、第２の集光
スポット１６は画素上の画素開口部１７内に収まること
になる。このことは、透明基板７ａの厚みを薄くした液
晶表示素子７を作り、その基板厚に等しい焦点距離のマ
イクロレンズアレイを用いて集光スポット１４…を小さ
くすることと同じになる。よって、液晶表示素子７を構
成する透明基板７ａの厚みを薄くすることなく、白色光
源１の光を、第１および第２のマイクロレンズアレイ５
・６によって効率良く各色用の画素上に各色毎に入射す
ることができるので、明るい投影画像を得ることができ
る。

【００７２】ところで、明るい投影画像を得るには、液
晶表示素子７を透過した光束のロスをできるだけ少なく
してスクリーン１０に投影する必要がある。

【００７３】このため、投影レンズ９のＦ値を考慮する
必要がある。この場合のレンズのＦ値とは、レンズの明
るさを示す値であり、液晶表示素子７からフィールドレ
ンズ８までの物距離を入射瞳の直径で割った値で表され
る実効的なＦ値を示す。Ｆ値が大きいと、液晶表示素子
７を通過した光が投影レンズ９のレンズ口径をはみ出
し、所謂「ケラレ」が生じて、その分がロスとなる。

【００７４】そこで、本投影型カラー画像表示装置で
は、レンチキュラーレンズ１４の受光範囲数ｋより液晶
表示素子７を通過する光の最大出射角を作図で求めるこ
とができ、投影レンズ９の実効的なＦ値であるＦｅを以
下の式（１）を用いて設定することでケラレをなくすこ
とができる。

【００７５】 Ｆｅ≦ｂ／（Ｐ（２×ｋ−１）） ・・・・・・・・・・（１） 但し、これは第１のマイクロレンズアレイ５に垂直に入
射させたＲ光束についてであって、Ｂ・Ｇの光束につい
てはそれぞれＲ光に対して斜めに入射する分、ｋに２だ
け加算して考える必要がある。これは、Ｒ光に対して斜
めに入射するＢ・Ｇ光についてはそれぞれ液晶表示素子
７を透光した後の光の広がり角が大きくなるからであ
る。つまり、Ｂ・Ｇ光は、Ｒ光に対して第２のマイクロ
レンズアレイ６のレンチキュラーレンズ１４が約１個分
増えたことに相当する。したがって、Ｒ光に対してレン
チキュラーレンズ１４が両側に増えるので、合計２個分
のレンチキュラーレンズ１４としてｋに２を加算してＦ
ｅ値を算出する必要がある。

【００７６】上記の構成によれば、上記の式（１）を満
たす実効的なＦ値であるＦｅによって、投影光学手段と
しての投影レンズ９の口径との関係を最適にすることが
できる。これにより、液晶表示素子７を通過する光束と
液晶表示素子７により変調された複数の色の光束を無駄
なく投影することができるので、明るい投影画像を得る
ことができる。

【００７７】本実施の形態では、ＲＧＢの各光束のう
ち、Ｒ光成分の弱いメタルハライドランプを用いたの
で、ＧとＢだけがケラレを起こす状態となり、結果的に
投影画像のホワイトバランスが取れるのでケラレのロス
は重大ではなかったが、光源によっては上述のように受
光範囲数ｋを加算して投影レンズに必要なＦｅ値を求め
ると良い。

【００７８】また、レンズに対して斜めから入射される
ＧとＢの光束のケラレ防止には、例えば図３に示すよう
に、第１のマイクロレンズアレイ５と第２のマイクロレ
ンズアレイ６との間に第３のマイクロレンズアレイ１８
を配することで、ＧとＢの光束の進行方向をＲの光束と
同じになるように屈折させても良い。

【００７９】上記第３のマイクロレンズアレイ１８は、
複数のレンチキュラーレンズ１９からなり、集光面１５
の第２のマイクロレンズアレイ６側に設けられている。
レンチキュラーレンズ１９は、焦点距離ｆ₃ がレンチキ
ュラーレンズ１２の焦点距離ｆ₁ に等しく、横方向の配
列ピッチもレンチキュラーレンズ１２の配列ピッチに等
しい。また、各レンチキュラーレンズ１９…は、焦点が
第１のマイクロレンズアレイ５の各レンチキュラーレン
ズ１２の中心軸に一致しており、ここを通る光線を平行
光に屈折させる働きを持つ。即ち、レンチキュラーレン
ズ１２の中心を通るＲ光の主光線は屈折せずに直進し、
斜めから入射するＢとＧ光の主光線はＲ光と平行にな
る。

【００８０】但し、集光スポット１３の位置は変わらな
いので、ＲＧＢの各光束が第２のマイクロレンズアレイ
６の働きにより液晶表示素子７の対応するＲＧＢの画素
のみ集光スポット１３の像を結像させるのは、上述の第
３のマイクロレンズアレイ１８を用いない場合と同じで
ある。

【００８１】上記の構成によれば、第３の集光手段であ
る第３のマイクロレンズアレイ１８が第１のマイクロレ
ンズアレイ５を通過する光束の各色の主光線の進行方向
を各色共同じ方向に揃えるように屈折させるので、第１
のマイクロレンズアレイ５から斜めに出射される光を第
２のマイクロレンズアレイ６の各色毎に対応したマイク
ロレンズ１４…に垂直に入射させることができる。これ
により、各色の光束を、液晶表示素子７の画素に対して
垂直に入射させることができるので、投影レンズ９等の
投影光学手段に対して各色の光を均等に出射することが
できる。

【００８２】第１、２及び第３のマイクロレンズアレイ
５・６・１８の製造方法としては、イオン交換法 Appl.
Opt.Vol.21,p.1052(1984),またはElectron.Lett.Vol.1
7,p.452(1981) 、膨潤法（鈴木他、“プラスチックマ
イクロレンズの新しい作製法”第２４回微小光学研究
会）、熱ダレ法 Zoran D.Popovic et al. “Technique
for monolithic fabrication of microlenz arrays”,A
ppl.Opt.Vol.27,p.1281 (1988) 、蒸着法（特開昭５５
−１３５８０８号公報）、熱転写法（特開昭６１−６４
１５８号公報）、機械加工法、特開平３−２４８１２５
号公報に示されている方法等が利用できる。

【００８３】また、第３のマイクロレンズアレイ１８を
設けない場合は、第１および第２のマイクロレンズアレ
イ５・６は別々の透明基板に設ける必要はなく、１枚の
透明基板の両面にレンズ加工を施しても良い。また、別
々の透明基板にマイクロレンズアレイを設ける場合も、
前述した集光スポットの結像関係を満たしてさえいれ
ば、各々の透明基板の境界面を集光面１５と一致させる
必要はない。

【００８４】本実施の形態では、第１の集光手段である
第１のマイクロレンズアレイ５が作る異なる３つの色の
集光スポットを各色毎に集光させるため、第２の集光手
段である第２のマイクロレンズアレイ６は１：２の像倍
率になるように配置されている。この他にも３色の画素
が規則的に配列している場合、一般的には第２の集光手
段が１：３×ｎ−１（ｎ＝１、２、３、・・・の整数）
の像倍率を持つ場合であれば、各色の集光スポットを対
応する色の光を変調する画素にのみ集光させることが可
能である。しかしながら、ｎが増大すると画素への光の
入射角度が大きくなり、これを受ける為に大口径（低Ｆ
値）の投影レンズが必要になること、また、第１の集光
スポットが大きく拡大されてしまい元々の目的である投
影像を明るくするという目的を達成できないことになる
ので、最小の倍率である１：２が望ましい。

【００８５】〔実施の形態２〕本発明の他の実施の形態
について、図４に基づいて説明すれば、以下の通りであ
る。尚、説明の便宜上、前記実施の形態１と同一の機能
を有する部材には同一の番号を付記し、その説明は省略
する。以降の実施の形態においても同様とする。

【００８６】本実施の形態に係る投影型カラー画像表示
装置では、図４に示すように、第１のマイクロレンズア
レイ５のレンチキュラーレンズ１２が横方向についてＲ
ＧＢ３画素分の配列ピッチを有している。このことは、
前記実施の形態１と同じであるが、その中心軸が液晶表
示素子７のＢとＧの画素の中間点、即ちＢＭ１１の形成
面上の遮光領域上にある。即ち、本投影型カラー画像表
示装置では、レンチキュラーレンズ１２同士の境界が、
Ｒ用の画素の画素開口部１７の中心に来るようになって
いる。

【００８７】つまり、第１のマイクロレンズアレイ５に
垂直に入射するＲ光の集光スポットは、レンチキュラー
レンズ１２の中心軸上に存在するが、第２のマイクロレ
ンズアレイ６側から見るとレンチキュラーレンズ１４の
境界に来るように存在している。

【００８８】一つのレンチキュラーレンズ１２からの光
を受けるレンチキュラーレンズ１４の数、即ち受光範囲
数ｋは本実施例では偶数値を取るのが都合が良く、図４
では、ｋ＝４となるように、レンチキュラーレンズ１２
の焦点距離ｆ₁ として３×ａ／４＝１７３μｍを選ん
だ。集光スポット１３ＲのＲ光が集光面１５から垂直方
向にａだけ進みレンチキュラーレンズ１４の中心を通る
時、各主光線の横方向の移動距離は±Ｐ／２と±３×Ｐ
／２である。ここで、ａは第１の集光スポット１３群か
ら第２のマイクロレンズアレイ６のマイクロレンズ１４
…までの空気換算距離を示し、Ｐは画素ピッチを示す。

【００８９】本実施の形態では、前記実施の形態１と同
様レンチキュラーレンズ１４を介して集光スポット１３
からＢＭ１１の形成面までは、１：２の距離比となって
いる。これにより、ＢＭ１１の形成面上に結像する集光
スポット１６の紙面横方向の移動距離は集光スポットの
位置から±３×Ｐ／２、±９×Ｐ／２と以後３Ｐ分ずつ
増減した値となる。したがって、図４に示すように、レ
ンチキュラーレンズ１２の中心軸、即ちＢとＧの画素の
中心地点から３×Ｐ／２（１．５画素）分の位置には左
右両側ともＲの画素が存在する。また、そこから３画素
分先には常にＲの画素がある。

【００９０】これにより、本実施の形態においても、前
記実施の形態１と同様に、Ｂ光束の集光スポットが液晶
表示素子７のＲとＧの画素の中間地点上に、Ｇの集光ス
ポットがＲとＧの画素の中間地点上にあることから、Ｒ
ＧＢの各集光スポットがそれぞれの色用の画素開口部に
だけ結像して集められる。

【００９１】また、ケラレのない投影レンズのＦｅ値を
求める方法も上記式（１）と同様であり、斜めに入射す
るＢとＧの光の主光線をＲ光と平行化するために第３の
マイクロレンズアレイを設けることも可能である。

【００９２】〔実施の形態３〕本発明のさらに他の実施
の形態について、図５および図６に基づいて説明すれ
ば、以下の通りである。

【００９３】上記の実施の形態１、２では、第１のマイ
クロレンズアレイ５および第２のマイクロレンズアレイ
６によって照明光の拡がり角θｗが十分小さく集光スポ
ット１６が画素開口部１７に入射する場合を考えた。し
かしながら、白色光源１の大きさ等により、θｗが大き
いと、液晶表示素子７の画素開口部１７に達した時点
で、例えばＲ光束の集光スポット１６がＲ用の画素開口
部１７をはみ出して隣接するＢまたはＧの画素開口部１
７にまで達する虞がある。このようなことから、液晶表
示素子７において混色が生じ、色再現性が著しく低下し
てしまう。

【００９４】そこで、本実施の形態では、前記各実施の
形態１、２における集光面１５上にＢＭ相当の遮光マス
クを設けることで混色の元となる光成分を遮断し、液晶
表示素子７の画素に到達することを防ぐようになってい
る。

【００９５】本実施の形態に係る投影型カラー画像表示
装置では、図５に示すように、遮光手段として遮光マス
ク２１が、集光面１５上に設けられている。遮光マスク
２１は、第１のマイクロレンズアレイ５のレンチキュラ
ーレンズ１２によるＲＧＢの各光束の集光スポット１３
Ｒ・Ｇ・Ｂを除く部分を覆うように形成されている。

【００９６】ここで、上記遮光マスク２１について図６
を参照しながら以下に説明する。図６は、一つのレンチ
キュラーレンズ１２に対応するＢＭ１１と遮光マスク２
１とを示すものであり、同図（ａ）は、レンズ中心線ｏ
としＲ・Ｇ・Ｂの各画素開口部１７に対応した開口部１
１ａ…を有するＢＭ１１を示し、同図（ｂ）は、（ａ）
のＢＭ１１の開口部１１ａに対応するスリット２１ａ…
を有する遮光マスク２１を示すものとする。

【００９７】つまり、本実施の形態では、液晶表示素子
７に集光スポットを形成するために集光手段としてレン
チキュラーレンズ１２・１４を使用しているので、液晶
表示素子７の画面縦方向には集光効果を持たない。これ
により、遮光マスク２１の開口形状は、図６（ｂ）に示
すように、縦長のスリット２１ａとし、開口幅ｂ₁ −ｃ
₁ は液晶表示素子７の画素開口部１７の横幅ｂ₀ −ｃ₀
の１／２とした。これは、レンチキュラーレンズ１４の
像倍率が１：２であることによる。つまり、レンチキュ
ラーレンズ１４の像倍率の逆数としている。したがっ
て、遮光マスク２１を通過した光は、それぞれの対応す
る色の画素開口部１７にのみ到達するようになる。

【００９８】例としてＲ光束に着目すると、遮光マスク
２１のない状態では、ＢＭ１１の形成面上におけるＲ光
束の集光スポットが図中のレンズ中心線ｏを中心に拡が
り幅がＲ用の画素開口部１７の幅であるｂ₀ −ｃ₀ より
小さければ集光スポットの光は全て通過でき、明るい投
影画像を得ることができる。しかしながら、画素開口部
１７の幅ｂ₀ −ｃ₀ を越えると通過できない光が生じ、
さらに幅ａ₀ −ｄ₀ を越えるとＧやＢ用の画素開口部１
７にＲ光が交じり混色が発生する。

【００９９】また、ＲＧＢ全ての画素について開口部幅
を小さくすると、Ｒ用画素から見た幅ａ₀ −ｄ₀ が大き
くなって混色が起こりにくくなるが、これは、開口部幅
ｂ₀−ｃ₀ も一緒に小さくなるので混色を防ぐために投
影画像が暗くなってしまう。

【０１００】一方、遮光マスク２１を設けた場合にマス
ク上での開口部幅ｂ₁ −ｃ₁ は、画素開口部１７の幅ｂ
₀ −ｃ₀ の１／２になるが、混色を引き起こすａ₀ −ｄ
₀ に相当するａ₁ −ｂ₁ に対してＧとＢの実際の開口領
域の境界線ａ₂ とｄ₂ は、集光面１５における集光スポ
ットの配列ピッチがＰのままで半分になっていないため
更に遠方にある。

【０１０１】これにより、必要な色の光を遮ることな
く、混色の元となる光成分だけを遮光することができ
る。遮光マスク２１は、ＢＭ１１の形成面の画素開口部
１７に入りきらない光成分だけを遮光することができ、
投影画像の照度低下は生じない。したがって、広がり角
θｗが多少大きい照明光を使った場合でも遮光マスク２
１により投影画像の混色を防止することができる。

【０１０２】遮光マスク２１は、液晶表示素子７内のＢ
Ｍ１１と同様に、厚みを１μｍ以下にするために金属薄
膜等にパターニングして設ければよい。したがって、光
学部品を組み合わせた集光光学系により照明光の拡がり
角の制限を行なう場合よりも、装置サイズを小さくコン
パクトにすることができる。

【０１０３】また、遮光マスク２１の設置は、前記した
実施の形態１、２のいずれに適用しても有効である。ま
た、第３のマイクロレンズアレイ１８を用いてＧ、Ｂの
光束の主光線をＲ光束と平行となるようにしても良い。

【０１０４】以上の実施の形態１〜３では、いずれも集
光手段として横方向にのみ集光機能を有するレンチキュ
ラーレンズ１２・１４を用いた場合について説明してい
るが、これに限定されるものではなく、例えば縦方向に
も趣向機能を備えたマイクロレンズを用いることも可能
である。この場合、第１、第２、または第３のマイクロ
レンズの画面縦方向の配列ピッチは全て液晶表示素子７
の画素の縦方向ピッチに一致させれば良い。

【０１０５】ここで、第１のマイクロレンズアレイ５と
第２のマイクロレンズアレイ６とに使用されるマイクロ
レンズの組み合わせについて図７に基づいて以下に説明
する。尚、図７では、図２に示す液晶表示素子７を紙面
に対して直交する方向、即ち縦方向から見た断面を示す
ものとする。また、上述のように液晶表示素子７は、画
素がストライプ状に配されているので、同色の画素が縦
方向に並んでいるものとする。

【０１０６】上記実施の形態１〜３における場合では、
第１および第２のマイクロレンズアレイ５・６共に、レ
ンチキュラーレンズ１２・１４を使用しているので、図
７（ａ）に示すように、面内で集光しないようになって
いる。この他に、第１のマイクロレンズアレイ５と第２
のマイクロレンズアレイ６とに使用されるマイクロレン
ズの組み合わせとして、以下に示す３通りが考えられ
る。

【０１０７】図７（ｂ）に示すように、第１のマイクロ
レンズアレイ５には横方向以外の縦方向にも集光するマ
イクロレンズ３２…を使用し、第２のマイクロレンズア
レイ６にはレンチキュラーレンズ１４…をそのまま使用
することも考えられる。この場合、第１のマイクロレン
ズアレイ５のマイクロレンズ３２の焦点距離ｆは、ｆ＝
ｆ₁ ＋ａ＋ｂとなる。ここで、ｆ₁ はレンチキュラーレ
ンズ１２の焦点距離、ａは第１のマイクロレンズアレイ
５の集光面１５からレンチキュラーレンズ１４までの距
離（ここでは第２のマイクロレンズアレイ６の透明基板
の基板厚となる）、ｂは透明基板７ａの基板厚を示す。

【０１０８】したがって、第１のマイクロレンズアレイ
５に入射された平行光は、第２のマイクロレンズアレイ
６のレンチキュラーレンズ１４を介して直接液晶表示素
子７の画素上に集光される。

【０１０９】また、図７（ｃ）に示すように、第１のマ
イクロレンズアレイ５にはレンチキュラーレンズ１２…
をそのまま使用し、第２のマイクロレンズアレイ６には
縦方向にも集光するマイクロレンズ３４…を使用するこ
とも考えられる。この場合、第２のマイクロレンズアレ
イ６のマイクロレンズ３４の焦点距離ｆは、ｆ＝ｂとな
る。

【０１１０】したがって、第１のマイクロレンズアレイ
５に入射される平行光は、そのまま第２のマイクロレン
ズアレイ６のマイクロレンズ３４まで透過し、マイクロ
レンズ３４により液晶表示素子７の画素上に集光され
る。

【０１１１】さらに、図７（ｄ）に示すように、第１お
よび第２のマイクロレンズアレイ５・６とも、横方向以
外の縦方向に集光するマイクロレンズ３２…・３４…を
使用することも考えられる。この場合、上記のマイクロ
レンズ３２とマイクロレンズ３４とは、それぞれ同一ピ
ッチで、且つ各レンズ中心が同一となるように配置され
ている。マイクロレンズ３２の焦点距離ｆは、レンチキ
ュラーレンズ１２の焦点距離ｆ₁ と等しく、また、マイ
クロレンズ３４の焦点距離ｆは、レンチキュラーレンズ
１４の焦点距離ｆ₂ と等しい。

【０１１２】したがって、第１のマイクロレンズアレイ
５に入射される平行光は、マイクロレンズ３２によりレ
ンチキュラーレンズ１２による集光面上に集光スポット
を形成し、上記のマイクロレンズ３２の真下に配置され
た第２のマイクロレンズアレイ６のマイクロレンズ３４
に入射され、マイクロレンズ３４により液晶表示素子７
の画素上に集光される。尚、マイクロレンズ３２から出
射された光のうち、真下に配置されたマイクロレンズ３
４に入射されない光も、他のマイクロレンズ３４に入射
され、液晶表示素子７の画素上に結像される。

【０１１３】尚、図７に示す第１のマイクロレンズアレ
イ５と第２のマイクロレンズアレイ６とに使用されるマ
イクロレンズの組み合わせのうち、図７（ａ）〜図７
（ｃ）では、集光面１５上に配置する遮光マスクとし
て、開口部の形状が同一画素配列状に開口するようにし
たストライプ状であることが望ましい。これは、ストラ
イプ状に同一の画素が配列されているためであり、それ
ぞれの画素に入射されない光も他の同一色の画素で利用
できるので、投影画像を明るくすることができるからで
ある。

【０１１４】また、実施の形態３における遮光マスク２
１の開口部の形状は、液晶表示素子７の画素開口部と相
似形にすれば良く、また、開口部の大きさは第２のマイ
クロレンズアレイ６のレンチキュラーレンズ１４の像倍
率より、その結像倍率の逆数の大きさに設定すれば良
い。実施の形態３では、レンチキュラーレンズ１４の像
倍率は、１：２であり、その逆数は１／２である。

【０１１５】また、実施の形態１〜３において、ＲＧＢ
の各光束の入射角度は必ずしもＲが垂直である必要はな
く、ＧやＢの光束を垂直にし、残り２光束の所定のθｍ
で入射させても良い。この場合、対応する色の画素に集
光スポットが来るようにアクティブマトリクスマイクロ
レンズアレイと画素との配置関係は適宜変更される。

【０１１６】

【発明の効果】請求項１の発明の投影型カラー画像表示
装置は、以上のように、略平行な白色光束を発生する光
源部と、上記光源部からの白色光束を、互いに異なる波
長域を有する３つの色の光束に分割し、分割したそれぞ
れの光束を液晶表示素子に入射させる光学手段と、上記
光学手段と液晶表示素子との間に設けられ、上記液晶表
示素子の画素配列に対応し、且つ画素の配列ピッチの３
倍のピッチで配列され、上記光学手段によって分割され
た光束から色毎に分離した第１の集光スポット群を生成
する複数のマイクロレンズからなる第１の集光手段と、
上記第１の集光スポット群の生成面と上記液晶表示素子
との間に設けられ、上記液晶表示素子の画素配列に対応
し、且つ画素の配列ピッチと同じピッチで配列され、上
記第１の集光スポット群を上記液晶表示素子のそれぞれ
の色に対応する画素上に所定の像倍率で拡大結像させて
第２の集光スポットを生成する複数のマイクロレンズか
らなる第２の集光手段と、上記液晶表示素子により変調
された複数の色の光束を拡大して投影する投影光学手段
とを備えている構成である。

【０１１７】また、請求項２の投影型カラー画像表示装
置は、上記課題を解決するために、請求項１の構成に加
えて、第２の集光手段は、上記第１の集光スポット群を
上記液晶表示素子のそれぞれの色に対応する画素上に像
倍率１：２で拡大結像させ第２の集光スポットを生成す
る構成である。

【０１１８】上記請求項１及び２の発明によれば、第１
の集光手段の各マイクロレンズの焦点距離ｆは、液晶表
示素子を構成する透明基板厚に関係無く任意に選択する
ことができる。例えば、上記焦点距離ｆを透明基板厚の
１／２よりも小さくした場合、ｆが小さくなっているこ
とから第１の集光スポットも小さくなるので、第２の集
光手段により画素上に形成される第２の集光スポットの
大きさが２倍になるものの、第２の集光スポットは画素
上の表示有効領域（画素開口部）内に収まることにな
る。このことは、透明基板厚を薄くして集光スポットを
小さくすることと同じになる。よって、液晶表示素子を
構成する透明基板の厚みを薄くすることなく、白色光源
の光を、各集光手段によって効率良く各色用の画素上に
各色毎に入射することができるので、明るい投影画像を
得ることができるという効果を奏する。

【０１１９】一般的には、第２の集光手段が１：３×ｎ
−１（ｎ＝１、２、３、…の整数）の像倍率を有すれ
ば、各色の集光スポットを対応する色用の画素にのみ集
光させることができる。しかしながら、ｎが増大すると
画素への光の入射角度が大きくなり、これを受ける為の
大口径の投影レンズが必要となること、また、第１の集
光スポットが大きく拡大されてしまい本来の目的である
投影像を明るくするという目的を達成することができな
くなる。したがって、投影画像を明るくするためには、
上記請求項２記載のように、第２の集光手段は、１：３
×ｎ−１（ｎ＝１、２、３、…の整数）の最小の倍率で
ある像倍率１：２を有することが望ましい。

【０１２０】請求項３の発明の投影型カラー画像表示装
置は、以上のように、請求項１または２の構成に加え
て、第１の集光スポットが形成される位置に、上記第１
の集光手段のマイクロレンズと同配列ピッチ且つ同焦点
距離のマイクロレンズ群からなり、第１の集光手段を通
過する光束の各色の主光線の進行方向を各色共同じ方向
に揃えるように屈折させる第３の集光手段が配置されて
いる構成である。

【０１２１】それゆえ、請求項１の構成による効果に加
えて、各色の光束が、液晶表示素子の画素に対して垂直
に入射されるので、投影光学手段に対して各色の光を均
等に出射することができるという効果を奏する。

【０１２２】請求項４の発明の投影型カラー画像表示装
置は、以上のように、請求項１、２または３の構成に加
えて、第１の集光手段のマイクロレンズの空気中の焦点
距離をｆ₁ 、第１の集光スポット群から第２集光手段の
マイクロレンズまでの空気換算距離をａ、上記第２の集
光手段から液晶表示素子の画素開口部までの空気換算距
離をｂ、上記液晶表示素子の画素配列ピッチをＰ、投影
光学手段の実効的な明るさを示すＦ値をＦｅとしたと
き、整数ｋが３×ａ／ｆ₁ を下回らないときに、Ｆｅ≦
ｂ／（Ｐ（２×ｋ−１））の式を満足する構成である。

【０１２３】それゆえ、請求項１、２または３の構成に
よる効果に加えて、液晶表示素子を通過する光束と液晶
表示素子により変調された複数の色の光束を無駄なく投
影することができるので、明るい投影画像を得ることが
できるという効果を奏する。

【０１２４】請求項５の発明の投影型カラー画像表示装
置は、以上のように、請求項１、２、３または４の構成
に加えて、第１の集光スポット群が形成される位置に、
上記液晶表示素子の画素配列と同ピッチの周期で上記液
晶表示素子の画素開口部の上記第２の集光手段による像
倍率の逆数倍の大きさの開口部が形成された遮光マスク
が配置されている構成である。

【０１２５】それゆえ、請求項１、２、３または４の構
成による効果に加えて、第１の集光スポットには、各色
に対応した光が集まるようになるので、液晶表示素子の
画素上に混色無く各色の光束を導くことができる。した
がって、色純度の高い投影画像を得ることができる。

【０１２６】また、従来のように混色を防止するために
光源部を工夫する必要がなく、しかも混色防止のための
各種の光学部品を用いなくても済むので、光学部品点数
の増大に伴う装置の大型化に比べて遮光マスクの厚みは
無視できる程薄くて済み、この結果、装置の小型化ひい
てはコストダウンを図ることができるという効果を奏す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施の形態に係る投影型カラー画像
表示装置の概略構成図である。

【図２】図１に示す投影型カラー画像表示装置に備えら
れた液晶表示素子近傍での入射光の集光状態を示す説明
図である。

【図３】図１に示す投影型カラー画像表示装置に備えら
れた液晶表示素子近傍での入射光の集光状態を示すもの
であって、第１のマイクロレンズアレイと第２のマイク
ロレンズアレイとの間に第３のマイクロレンズアレイを
形成した状態での説明図である。

【図４】本発明の他の実施の形態に係る投影型カラー画
像表示装置に備えられた液晶表示素子近傍での入射光の
集光状態を示す説明図である。

【図５】本発明のさらに他の実施の形態に係る投影型カ
ラー画像表示装置に備えられた液晶表示素子近傍での入
射光の集光状態を示すものであって、第１のマイクロレ
ンズアレイの集光面に遮光マスクが配置された状態での
説明図である。

【図６】上記液晶表示素子近傍に配置された遮光マスク
とブラックマトリクスとの平面図である。

【図７】図２を紙面の縦方向から見た第１および第２の
マイクロレンズアレイと液晶表示素子との間での集光状
態を示すものであって、第１および第２のマイクロレン
ズアレイのマイクロレンズの種類を変えた場合の集光状
態を示す説明図である。

【図８】従来の投影型カラー画像表示装置の概略構成図
である。

【図９】図８に示す投影型カラー画像表示装置に備えら
れている液晶表示素子近傍での集光状態を示す説明図で
ある。

【符号の説明】

１ 白色光源（光源部） ２ 球面鏡（光源部） ３ コンデンサーレンズ（光源部） ４Ｒ ダイクロイックミラー（光学手段） ４Ｇ ダイクロイックミラー（光学手段） ４Ｂ ダイクロイックミラー（光学手段） ５ 第１のマイクロレンズアレイ（第１の集光手
段） ６ 第２のマイクロレンズアレイ（第２の集光手
段） ７ 液晶表示素子 ８ フィールドレンズ（投影光学手段） ９ 投影レンズ（投影光学手段） １１ ブラックマトリクス １２ レンチキュラーレンズ（マイクロレンズ） １３Ｒ 集光スポット（第１の集光スポット） １３Ｇ 集光スポット（第１の集光スポット） １３Ｂ 集光スポット（第１の集光スポット） １４ レンチキュラーレンズ（マイクロレンズ） １５ 集光面（第１の集光スポット郡の生成面） １６ 集光スポット（第２の集光スポット） １８ 第３のマイクロレンズアレイ（第３の集光
手段） １９ レンチキュラーレンズ（マイクロレンズア
レイ） ２１ 遮光マスク

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】略平行な白色光束を発生する光源部と、 上記光源部からの白色光束を、互いに異なる波長域を有
   する３つの色の光束に分割し、分割したそれぞれの光束
   を液晶表示素子に入射させる光学手段と、 上記光学手段と液晶表示素子との間に設けられ、上記液
   晶表示素子の画素配列に対応し、且つ画素の配列ピッチ
   の３倍のピッチで配列され、上記光学手段によって分割
   された光束から色毎に分離した第１の集光スポット群を
   生成する複数のマイクロレンズからなる第１の集光手段
   と、 上記第１の集光スポット群の生成面と上記液晶表示素子
   との間に設けられ、上記液晶表示素子の画素配列に対応
   し、且つ画素の配列ピッチと同じピッチで配列され、上
   記第１の集光スポット群を上記液晶表示素子のそれぞれ
   の色に対応する画素上に所定の像倍率で拡大結像させて
   第２の集光スポットを生成する複数のマイクロレンズか
   らなる第２の集光手段と、 上記液晶表示素子により変調された複数の色の光束を拡
   大して投影する投影光学手段とを備えていることを特徴
   とする投影型カラー画像表示装置。
2. 【請求項２】上記第２の集光手段は、上記第１の集光ス
   ポット群を上記液晶表示素子のそれぞれの色に対応する
   画素上に像倍率１：２で拡大結像させ第２の集光スポッ
   トを生成することを特徴とする請求項１記載の投影型カ
   ラー画像表示装置。
3. 【請求項３】上記第１の集光スポットが形成される位置
   に、上記第１の集光手段のマイクロレンズと同配列ピッ
   チ且つ同焦点距離のマイクロレンズ群からなり、第１の
   集光手段を通過する光束の各色の主光線の進行方向を各
   色共同じ方向に揃えるように屈折させる第３の集光手段
   が配置されていることを特徴とする請求項１または２記
   載の投影型カラー画像表示装置。
4. 【請求項４】上記第１の集光手段のマイクロレンズの空
   気中の焦点距離をｆ₁ 、 上記第１の集光スポット群から上記第２集光手段のマイ
   クロレンズまでの空気換算距離をａ、 上記第２の集光手段から上記液晶表示素子の画素開口部
   までの空気換算距離をｂ、 上記液晶表示素子の画素配列ピッチをＰ、 上記投影光学手段の実効的な明るさを示すＦ値をＦｅと
   したとき、 整数ｋが３×ａ／ｆ₁ を下回らないときに、以下の式
   （１）を満足することを特徴とする請求項１、２または
   ３記載の投影型カラー画像表示装置。 Ｆｅ≦ｂ／（Ｐ（２×ｋ−１）） ・・・・・・（１）
5. 【請求項５】上記第１の集光スポット群が形成される位
   置に、上記液晶表示素子の画素配列と同ピッチの周期で
   上記液晶表示素子の画素開口部の上記第２の集光手段に
   よる像倍率の逆数倍の大きさの開口部が形成された遮光
   マスクが配置されていることを特徴とする請求項１、
   ２、３または４記載の投影型カラー画像表示装置。