JPH09127496A - 透過型表示装置 - Google Patents

透過型表示装置

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JPH09127496A
JPH09127496A JP7306594A JP30659495A JPH09127496A JP H09127496 A JPH09127496 A JP H09127496A JP 7306594 A JP7306594 A JP 7306594A JP 30659495 A JP30659495 A JP 30659495A JP H09127496 A JPH09127496 A JP H09127496A
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    • G02F1/133526—Lenses, e.g. microlenses or Fresnel lenses

Abstract

(57)【要約】 【課題】 プロジェクタ等に組み込まれる透過型表示装
置に対する入射光束の集光効率を改善する。 【解決手段】 透過型表示装置は所定の間隙を介して互
いに接合し且つマトリクス状に配列した画素を形成する
電極を備えた一対の透明基板１，２を用いて構成されて
いる。両基板１，２の間隙に電気光学物質６が保持され
ており、入射光束７の透過率を画素毎に変調して出射光
束８に変換する。上側の透明基板１には非球面形状を有
するマイクロレンズ９が形成されており、球面収差が零
となる条件で入射光束７を画素開口４に集光する。この
マイクロレンズ９は例えば楕円球面形状又は回転双曲面
形状を有する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はプロジェクタ等に組
み込まれる透過型表示装置に関する。より詳しくは、マ
イクロレンズを利用した光源光の利用効率改善技術に関
する。
【０００２】
【従来の技術】図１０に示す様に、従来のプロジェクタ
は、光軸に沿って光源１０１、凸レンズ１０２、液晶パ
ネル１０３、投射レンズ（図示せず）、スクリーン（図
示せず）が順に配列されている。液晶パネル１０３は例
えばアクティブマトリクス型であり、個々の画素に対応
してＲ（赤）Ｇ（緑）Ｂ（青）の三原色に着色されたカ
ラーフィルタが一体的に形成されている。光源１０１か
ら放射した白色の光源光は凸レンズ１０２で集光された
後カラー液晶パネル１０３を透過し、さらに投射レンズ
により拡大投影され前方のスクリーンにカラー画像が写
し出される。光源１０１と凸レンズ１０２を組み合わせ
た構造はケーラー照明と呼ばれている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】一般に、光源光の利用
効率を高める為、液晶パネル１０３には個々の画素に対
応してマイクロレンズが形成されている。このマイクロ
レンズは光源光を画素の開口部に集光して、ブラックマ
トリクス等により吸収される無駄な光量を削減する為の
ものである。従来のマイクロレンズはイオン交換法やエ
ッチング法等により作成されていた。イオン交換法はガ
ラスの表面の一点からイオンをガラス内に等方的に拡散
して屈折率を局部的に変化させマイクロレンズを形成す
る。エッチング法はガラスの表面を被覆するレジストの
微小開口部からガラスのエッチングを行ない凹球面を形
成する。この凹球面にガラスとは屈折率の異なる透明樹
脂等を充填してマイクロレンズを形成する。何れにし
ろ、イオン交換法におけるイオンの拡散やエッチング法
におけるガラスのエッチングは等方的に行なわれる為、
得られたマイクロレンズは球面形状を有している。この
為光源光を集光した場合球面収差の為一点に集束でき
ず、マイクロレンズの効率を落とす事になる。この傾向
は液晶パネルへの入射光の傾斜角が大きくなるに従って
顕著になる。特に、プロジェクタに一般的に用いられて
いるケーラー照明ではマイクロレンズが殆ど機能してい
ない場合もある。又、この傾向は液晶パネルの小型化及
び画素の高精細化が進んだ場合も顕著となる。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上述した従来の技術の課
題を解決する為以下の手段を講じた。即ち、本発明にか
かる透過型表示装置は基本的な構成として、所定の間隙
を介して互いに接合し且つマトリクス状に配列した画素
を形成する電極を備えた一対の透明基板と、該間隙に保
持され入射光束の透過率を画素毎に変調して出射光束に
変換する電気光学物質と、非球面形状を有し球面収差が
零となる条件で入射光束を画素に集光するマイクロレン
ズとを備えている。具体的には、前記マイクロレンズは
楕円球面形状又は回転双曲面形状を有する。一応用例で
は、前記マイクロレンズは予め所定の角度差を持って互
いに分離した三原色の入射光束を対応する組の三画素に
向けて集光する。さらには、互いに対応するマイクロレ
ンズと三画素の組との間に介在するマイクロプリズムを
備えており、マイクロレンズの光軸に対して傾斜した入
射光束を該光軸に略平行な入射光束に変換する。
【０００５】本発明ではマイクロレンズを非球面形状と
し球面収差が零となる条件で入射光束を画素に集光す
る。光源からの入射光がマイクロレンズの屈折によって
ブラックマトリクスや配線パタン等の遮光領域に当たる
光を画素の開口部のみに集光する様にしたものである。
このマイクロレンズは回転楕円面や回転双曲面等の一部
を切り取った非球面形状をしている。これらの非球面形
状のマイクロレンズを用いると入射光束は略一点に集光
させる事が可能である。
【０００６】
【発明の実施の形態】以下図面を参照して本発明の好適
な実施例を詳細に説明する。図１の（Ａ）は本発明にか
かる透過型表示装置の基本的な構成を示す模式的な断面
図である。図示する様に、本透過型表示装置は所定の間
隙を介して互いに接合し且つマトリクス状に配列した画
素を形成する電極を備えた一対の透明基板１，２とで構
成されている。上側の透明基板１の内表面にはブラック
マトリクス３によって囲まれた画素開口４がマトリクス
状に配列している。又、個々の画素開口４に対応してＲ
ＧＢ三原色に分かれて着色されたカラーフィルタ５も形
成されている。なお、両透明基板１，２の内表面には透
明電極も形成されているが、図を見やすくする為これら
は省略している。透明基板１，２の間隙には液晶等の電
気光学物質６が保持されており、入射光束７の透過率を
画素毎に変調して出射光束８に変換する。上側の透明基
板１には個々の画素に対応してマイクロレンズ９が形成
されている。このマイクロレンズ９は非球面形状を有し
球面収差が零となる条件で入射光束７を画素開口４に集
光している。このマイクロレンズ９は例えば楕円球面形
状又は回転双曲面形状を有する。
【０００７】（Ｂ）は回転楕円面を有するマイクロレン
ズ９の光線追跡図である。楕円球面の場合には入射光束
７が略完全に焦点Ｆに集光している事が分かる。
【０００８】図２は参考として凸球面を有するマイクロ
レンズ９の光線追跡図を示している。図から理解される
様に、凸球面の場合には入射光束７が一点に集光する事
はなくある程度の広がりを持ったスポットとなる。
【０００９】図３を参照して、マイクロレンズに形成さ
れる楕円球面のパラメータの設定方法を説明する。図で
は楕円球面１０を境にして入射側に位置する物質の屈折
率をｎ１とし出射側に位置する物質の屈折率をｎ２とし
ている。この場合ｎ１＜ｎ２としている。楕円球面１０
の長軸半径をａとし短軸半径をｂとしている。長軸（ｚ
軸）に平行な入射光束について考える。短軸（ｙ軸）に
平行で距離ａに位置する面上の点Ａから点Ｃを通って焦
点Ｆに進む光線を考えた場合、その全光路長ＡＣＦは次
の数式１で与えられる。
【数１】 今、点Ｃの座標を（ｚ，ｙ）とすると、ＡＣ＝ａ＋ｚで
ある。又ＣＦは以下の数式２で与えられる。
【数２】 従って、数式１は次の数式３の様に変換できる。
【数３】 この数式３によって表わされる全光路長ＡＣＦが全ての
楕円球面上の点Ｃに関し一定となれば入射光束が焦点Ｆ
に完全に集束する事になる。従って、数式３をｚについ
て微分すると、以下の数式４で表わされるパラメータの
設定条件が得られる。
【数４】 即ち、屈折率のパラメータｎ１，ｎ２と楕円球面のパラ
メータａ，ｂを上記数式４を満す様に設定すれば良い。
【００１０】図４はマイクロレンズの他の実施例を示し
ている。このマイクロレンズ構成は屈折率ｎ１のガラス
材料１１と、屈折率ｎ２のガラス材料１２と、屈折率ｎ
１のガラス材料１３を入射側から出射側に向って順に貼
り合わせたものである。ガラス材料１１と１２の境界面
Ｓ１は本発明に従って楕円球面となっている。又ガラス
材料１２と１３の間の境界面Ｓ２は球面となっている。
なおこの球面Ｓ２は焦点Ｆを中心としている。又屈折率
はｎ２＞ｎ１である。この様に、ガラス材料１１，１２
で構成されたマイクロレンズに貼り合わせたガラス材料
１３を球面とする事で無収差条件を得ている。図２に示
した楕円球面のマイクロレンズに比べ本例の方が効率的
には高くなる。
【００１１】図５はマイクロレンズの別の実施例を表わ
している。（Ａ）に示す様に、入射側から出射側に向っ
て屈折率ｎ１のガラス材料１５、屈折率ｎ２のガラス材
料１６、屈折率ｎ１のガラス材料１７が貼り合わされて
いる。この場合屈折率ｎ１＞ｎ２である。ガラス材料１
５，１６の間に位置する境界面Ｓ１は回転双曲面であ
る。図４に示した実施例とは屈折率の大小関係が逆にな
っているので、この回転双曲面Ｓ１の凹凸形状も図４に
示した回転楕円面とは逆になっている。又ガラス材料１
６，１７の間の境界面Ｓ２は平面である。但し、これに
代えて焦点Ｆを中心とする球面にしても良い。
【００１２】（Ｂ）を参照して回転双曲面におけるパラ
メータの設定条件を説明する。この設定条件は図３を参
照して説明した楕円球面に関するパラメータの設定手順
と同様に算出され、その結果は以下の数式５により表わ
される。
【数５】 なお、数式５中のパラメータａ，ｂは（Ｂ）に示した回
転楕円面の式ｘ2 ／ａ2 −ｙ2 ／ｂ2 ＝１に含まれるも
のである。
【００１３】図６はカラーフィルタレス方式でマイクロ
レンズにより三原色入射光の分割を行なう場合の応用例
である。図示する様に透過型表示装置は上側の透明基板
２１と下側の透明基板２２と両者の間に保持された液晶
２３とを備えている。上側のガラス基板２１の内表面に
は画素開口２４を規定するブラックマトリクス２５が形
成されている。この透過型表示装置は図１に示した例と
異なりカラーフィルタを用いる事なくカラー画像を写し
出す為カラーフィルタレス方式と呼ばれる。光源（図示
せず）の白色光から分離されたＢ成分は所定の入射角で
透過型表示装置に進入する。同じく白色光からＲ成分が
分離され所定の入射角で透過型表示装置に進入する。同
様に、Ｇ成分も白色光から分離され所定の入射角で透過
型表示装置に進入する。これらＲＧＢの三原色成分の間
には相対的な角度差が与えられる。一方、表示装置には
ＲＧＢ三原色に対応した３個の画素を一組として、各組
に対応するマイクロレンズ２６が設けられている。この
マイクロレンズ２６は本発明に従って非球面形状を有し
ている。所定の角度差を持って入射したＲＧＢ成分はマ
イクロレンズ２６によって各々対応する画素に集光され
る。対応する画素を通過したＲＧＢ成分は投射レンズ
（図示せず）を介して合成され、前方のスクリーンに拡
大されたカラー画像が投影される。マイクロレンズ２６
を非球面形状とする事により、ＲＧＢ成分は各々対応す
る画素に略正確に集光され、混色が生じない。なお、非
球面マイクロレンズはカラーフィルタ方式以外にも全て
の透過型表示装置に適用できる。
【００１４】図７は図６に示したカラーフィルタレス方
式の発展形を示しており、マイクロレンズによる色分離
とマイクロプリズムによる出射方位調整を組み合わせた
ものである。図示する様に本透過型表示装置は一対の透
明基板３１，３２を用いて組み立てられており、両者は
所定の間隙を介して互いに接合している。両透明基板３
１，３２は互いに対向する内表面に夫々所定の形状にパ
タニングされた透明電極を備えており、互いに重なり合
ってマトリクス状の画素を形成している。なお本例で
は、各画素は格子状にパタニングされたブラックマトリ
クス３３によって互いに分離されている。両透明基板３
１，３２の間隙には液晶等からなる電気光学物質３４が
保持されており、入射光束３５の透過率を画素毎に変調
して出射光束３６に変換する。入射側の透明基板３１に
は本発明に従って非球面形状を有するマイクロレンズ３
７とマイクロプリズム３８が一体的に形成されている。
具体的にはマイクロレンズ３７の非球面が形成された上
側のガラス基材３９とマイクロプリズム３８のプリズム
面が形成された下側のガラス基材４０とを接着剤４１で
接合して積層型の透明基板３１としている。この接着層
４１に沿ってマイクロレンズ３７及びマイクロプリズム
３８が形成される。マイクロレンズ３７は予め所定の角
度差を持って互いに分離した三原色の入射光束（Ｒ成
分、Ｇ成分、Ｂ成分）を、対応する三画素の組４２に向
けて集光する。一方、マイクロプリズム３８は互いに対
応するマイクロレンズ３７と三画素の組４２との間に介
在し、マイクロレンズ３７の光軸に対して傾斜した入射
光束を該光軸に略平行な入射光束に変換する。具体的に
は、マイクロプリズム３８は台形型であり、もともと光
軸に平行な第１の入射光束（Ｒ成分）をそのまま直進さ
せる平面部と、一方に傾斜した第２の入射光束（Ｂ成
分）を平行化する一方の斜面部と、他方に傾斜した第３
の入射光束（Ｇ成分）を平行化する他方の斜面部とを備
えている。
【００１５】本実施例は、カラーフィルタレス方式の単
板型プロジェクタに使用する透過型表示装置が小型化及
び高精細化された時でも、明るい画面が得られる様にす
るものである。本実施例の特徴事項はマイクロレンズ３
７を非球面にすると共に、その下に屈折面を設けている
点である。ここではこの屈折面を上述した様にマイクロ
プリズム３８と呼んでいる。このマイクロプリズム３８
により、マイクロレンズ３７を通過した後に画素に対し
て斜めに入射したＧ成分及びＢ成分の主光線軸のみが曲
げられ、画素に垂直入射したＲ成分の主光線軸は曲げら
れない。従って、このマイクロプリズム３８により各画
素を通過した入射光束の発散角を抑える事ができる。こ
の結果、投射レンズの口径を大きくする事なく、画面の
輝度アップが可能になる。即ち、マイクロプリズム３８
は投射レンズでの光のケラレを抑える為のものであり、
入射光束の発散角が大きい場合には混色等の問題を起す
が、集光性の高い非球面マイクロレンズを用いた場合に
は発散角が大きい入射光束を用いる事が可能となり、よ
り明るいプロジェクタが実現できる。なお、非球面レン
ズはマイクロプリズムと組み合わせなくても、図６に示
した様にカラーフィルタ方式に適用可能であることは勿
論である。
【００１６】図８は、図７に示した透過型表示装置の具
体的な構成例を示す模式的な部分断面図である。この透
過型表示装置はアクティブマトリクス型であり、対向基
板５０と駆動基板５１を一定の間隙を介して互いに接合
したパネル構造を有し、間隙内には電気光学物質として
液晶５２が保持されている。対向基板５０の内面には透
明な対向電極５３が全面的に形成されている。一方駆動
基板５１の内面には同じく透明な画素電極５４がマトリ
クス状に配列している。又、個々の画素電極５４を駆動
する薄膜トランジスタ５５も集積形成されている。画素
電極５４と対向電極５３の間に画素が規定される。個々
の画素は対向基板５０に形成されたブラックマトリクス
５６により分離されている。なお、ブラックマトリクス
５６は駆動基板５１側に形成する場合もある。対向基板
５０は積層構造を有し、上側の透明基材５９と下側の透
明基材６１を中間の透明接着層６０で互いに貼り合わせ
ている。上側の透明基材５９と中間の接着層６０との間
に非球面マイクロレンズ５７が形成され、接着層６０と
下側の透明基材６１との間に台形マイクロプリズム５８
が形成されている。
【００１７】最後に図９を参照して本発明の特徴構成要
素となる非球面マイクロレンズの作成方法の一例を説明
する。先ず（Ａ）に示す様に石英もしくはネオセラム等
の透明基板７１を用意する。次に（Ｂ）に示す様にエッ
チング等で透明基板７１の表面を非球面形状に加工す
る。次に（Ｃ）に示す様に前述したパラメータ設定条件
に従って無収差となる様な屈折率を持つ樹脂７２を透明
基板７１のエッチングされた表面に塗布する。この樹脂
７２は接着剤を兼ねる。続いて（Ｄ）に示す様に、樹脂
７２を介してカバーガラス７３を透明基板７１に接合す
る。最後に（Ｅ）に示す様に、パネルに組み込んだ場合
画素開口部が焦点Ｆの位置に整合する様にカバーガラス
７３を研磨する。
【００１８】
【発明の効果】以上説明した様に、本発明によれば、非
球面形状（楕円球面形状、回転双曲面形状等）を持つマ
イクロレンズアレイを液晶パネルに搭載する事により、
従来の球面マイクロレンズよりも集光性を上げ、液晶プ
ロジェクタ等の輝度を向上させている。非球面マイクロ
レンズは集光性が高い為、パネル組み立て時の基板重ね
合わせ精度のマージンを拡大できる。さらに、非球面マ
イクロレンズは単独で又はマイクロプリズムと組み合わ
せる事によりカラーフィルタレス方式に適用可能であ
り、画素間の混色を生じる事なく輝度を改善可能であ
る。加えて、ケーラー照明型のプロジェクタに使用した
場合でも光量をアップする事が可能である。さらに小型
高精細なパネルを使用した高輝度小型プロジェクタが実
現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる透過型表示装置の基本的な構成
を示す断面図並びに非球面マイクロレンズの光線追跡図
である。
【図２】従来の球面マイクロレンズの光線追跡図であ
る。
【図３】楕円球面マイクロレンズのパラメータ設定条件
の説明に供する幾何図である。
【図４】本発明にかかる非球面マイクロレンズの一実施
例を示す模式的な断面図である。
【図５】同じく非球面マイクロレンズの他の実施例を示
す断面図並びに幾何図である。
【図６】本発明にかかる透過型表示装置の一応用例を示
す模式的な断面図である。
【図７】本発明にかかる透過型表示装置のマイクロレン
ズにマイクロプリズムを組み合わせた実施例を示す模式
的な断面図である。
【図８】図７に示した透過型表示装置の具体的な構成例
を示す模式的な断面図である。
【図９】本発明の主要構成要素である非球面マイクロレ
ンズの作成方法を示す工程図である。
【図１０】ケーラー照明を備えた従来のプロジェクタの
一例を示す模式図である。
【符号の説明】
１ 透明基板 ２ 透明基板 ３ ブラックマトリクス ４ 画素開口 ５ カラーフィルタ ６ 電気光学物質 ７ 入射光束 ８ 出射光束 ９ マイクロレンズ
フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０４Ｎ 5/74 Ｈ０４Ｎ 5/74 Ｋ 9/31 9/31 Ｂ

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 所定の間隙を介して互いに接合し且つマ
    トリクス状に配列した画素を形成する電極を備えた一対
    の透明基板と、 該間隙に保持され入射光束の透過率を画素毎に変調して
    出射光束に変換する電気光学物質と、 非球面形状を有し球面収差が零となる条件で入射光束を
    画素に集光するマイクロレンズとを備えた透過型表示装
    置。
  2. 【請求項２】 前記マイクロレンズは楕円球面形状又は
    回転双曲面形状を有する請求項１記載の透過型表示装
    置。
  3. 【請求項３】 前記マイクロレンズは予め所定の角度差
    を持って互いに分離した三原色の入射光束を対応する組
    の三画素に向けて集光する請求項１記載の透過型表示装
    置。
  4. 【請求項４】 互いに対応するマイクロレンズと三画素
    の組との間に介在するマイクロプリズムを備えており、
    該マイクロレンズの光軸に対して傾斜した入射光束を該
    光軸に略平行な入射光束に変換する請求項３記載の透過
    型表示装置。
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Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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