JPH095725A - Transmission type display device - Google Patents

Transmission type display device

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JPH095725A
JPH095725A JP7174209A JP17420995A JPH095725A JP H095725 A JPH095725 A JP H095725A JP 7174209 A JP7174209 A JP 7174209A JP 17420995 A JP17420995 A JP 17420995A JP H095725 A JPH095725 A JP H095725A
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pixels
microlens
display device
light
incident light
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Shizuo Nishihara
静夫 西原
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Abstract

PURPOSE: To form finer pixels by improving the light condensing efficiency of microlenses. CONSTITUTION: This transmission type display device 0 has a pair of transparent substrates 1, 2. These substrates are joined to each other via a prescribed spacing and have electrodes forming pixels B, R, G arranged at a specified pitch P. Electro-optical materials 4, such as liquid crystals, are held in the spacing and the transmittance of incident light 5 is modulated by each of the pixels B, R, G, by which the light is converted into exit light 6. The microlenses 7 condense the three primary color components of the incident light 5 previously separated from each other by having a prescribed angle difference (i) to the corresponding pixels B, R, G. The microlenses 7 are arranged in proximity by spacing to the incident light 5 side from the pixels B, R, G by the optical distance (t) determined by the arranging pitch (p) of the fined pixels B, R, G and the angular difference (i) of the three primary color components. The focal length of the microlenses 7 is shortened by setting the refractive index (n) in an optimum range according to the proximate optical distance) (t).

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】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
ロレンズを用いた光源光の集光効率改善技術に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a transmissive display device incorporated in a projector or the like. More specifically, the present invention relates to a technique for improving light source light collection efficiency using a microlens.

【0002】[0002]

【従来の技術】図8に、従来の単板式のプロジェクタを
示す。光軸101に沿って光源102、カラー液晶パネ
ル103、投射レンズ104、スクリーン105が順に
配列されている。単板式のプロジェクタでは1枚のカラ
ー液晶パネル103が用いられる。このカラー液晶パネ
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102から放射した白色の光源光はカラー液晶パネ
ル103を透過した後投射レンズ104により拡大投影
され、前方のスクリーン105にカラー画像が映し出さ
れる。単板式のプロジェクタでは1枚の液晶パネルのみ
を使用する為、価格的に安いものができる。しかしなが
ら、単板式ではカラーフィルタが形成された液晶パネル
を用いる為、その光吸収があり、スクリーン105に映
し出された画像が暗くなるという欠点がある。
2. Description of the Related Art FIG. 8 shows a conventional single plate projector. A light source 102, a color liquid crystal panel 103, a projection lens 104, and a screen 105 are sequentially arranged along an optical axis 101. A single-plate type projector uses one color liquid crystal panel 103. The color liquid crystal panel 103 is, for example, an active matrix type, and color filters colored in three primary colors of R (red) G (green) B (blue) corresponding to individual pixels are integrally formed.
White light source light emitted from the light source 102 is transmitted through the color liquid crystal panel 103 and then enlarged and projected by the projection lens 104 to display a color image on the front screen 105. Since a single-panel type projector uses only one liquid crystal panel, the price can be reduced. However, the single-panel type uses a liquid crystal panel on which a color filter is formed, and thus has a drawback that it absorbs light and the image displayed on the screen 105 becomes dark.

【0003】図9は従来の三板式のプロジェクタを示
す。三板式ではモノクロの液晶パネル201〜203を
3枚用いている。個々の液晶パネルにはカラーフィルタ
が設けられていない。その代わり、光源204から放射
した白色光をダイクロイックミラー及び全反射ミラーを
用いてRGB三原色成分に分光して対応する液晶パネル
に入射した後、再び三原色成分を混合している。光源2
04から放射した白色光はダイクロイックミラー205
により赤色成分Rのみが選択的に反射される。このR成
分は全反射ミラー206を介して対応する液晶パネル2
01を透過する。透過したR成分はダイクロイックミラ
ー207,208により他の色成分と混合され、投射レ
ンズ209に進入する。一方、ダイクロイックミラー2
05を通過したB成分はダイクロイックミラー210に
よりG成分から分離され、対応する液晶パネル202を
透過する。この後、ダイクロイックミラー207,20
8を介して他の色成分と混合される。最後にダイクロイ
ックミラー210を透過したG成分は対応する液晶パネ
ル203を照射した後、全反射ミラー211及びダイク
ロイックミラー208を介して他の色成分と混合され
る。この様にして合成されたRGB三原色成分は投射レ
ンズ209を介して前方のスクリーン212に拡大投影
される。この様に、三板式では白色光源光をダイクロイ
ックミラー等の組み合わせによりRGB三原色成分に分
離して、夫々対応する液晶パネルに入射させるので、光
損失がなくスクリーンに投影された画像が明るくなる。
しかも、単板式に使用するカラー液晶パネルと同じ画素
数のモノクロ液晶パネルを使った場合、3枚組み合わせ
る事により解像度は3倍になる。しかしながら、液晶パ
ネルを3枚使うので価格的に不利になる。
FIG. 9 shows a conventional three-plate type projector. In the three-plate type, three monochrome liquid crystal panels 201 to 203 are used. No color filter is provided on each liquid crystal panel. Instead, the white light emitted from the light source 204 is divided into RGB three primary color components by using a dichroic mirror and a total reflection mirror, and the three primary color components are incident on the corresponding liquid crystal panel, and then the three primary color components are mixed again. Light source 2
The white light emitted from 04 is a dichroic mirror 205.
Thus, only the red component R is selectively reflected. This R component is transmitted through the total reflection mirror 206 to the corresponding liquid crystal panel 2
01 is transmitted. The transmitted R component is mixed with other color components by the dichroic mirrors 207 and 208, and enters the projection lens 209. On the other hand, dichroic mirror 2
The B component that has passed through 05 is separated from the G component by the dichroic mirror 210 and is transmitted through the corresponding liquid crystal panel 202. After this, the dichroic mirrors 207, 20
And mixed with other color components via 8. Finally, the G component transmitted through the dichroic mirror 210 irradiates the corresponding liquid crystal panel 203, and then is mixed with other color components via the total reflection mirror 211 and the dichroic mirror 208. The RGB three primary color components thus combined are enlarged and projected on the front screen 212 via the projection lens 209. In this way, in the three-plate system, white light source light is separated into RGB three primary color components by a combination of dichroic mirrors and made incident on the corresponding liquid crystal panels respectively, so that the image projected on the screen becomes bright without light loss.
Moreover, when a monochrome liquid crystal panel having the same number of pixels as the color liquid crystal panel used in the single plate type is used, the resolution is tripled by combining three panels. However, the cost is disadvantageous because three liquid crystal panels are used.

【0004】そこで、モノクロ液晶パネルを1枚使った
単板式で三板式と同等の画像明度を可能にした方式が提
案されており、例えば特開平4−60538号公報に開
示されている。この方式はカラーフィルタを備えていな
いモノクロ液晶パネルを用いるので「カラーフィルタレ
ス方式」と呼ばれる。図10にカラーフィルタレス方式
のプロジェクタを模式的に示す。このプロジェクタは光
軸に沿って光源301、互いに傾斜角の異なる3枚のダ
イクロイックミラー302〜304、1枚のモノクロ液
晶パネル305、投射レンズ306、スクリーン307
を順に配列したものである。光源301は反射鏡と白色
ランプからなる。ランプから発した白色光はダイクロイ
ックミラー302によりB成分のみが分離され、所定の
入射角でモノクロ液晶パネル305に進入する。R成分
は次のダイクロイックミラー303により選択的に反射
され同じく所定の入射角でモノクロ液晶パネル305に
進入する。同様に、G成分は最後のダイクロイックミラ
ー304により選択的に反射され所定の入射角でモノク
ロ液晶パネル305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、モノ
クロ液晶パネル305にはRGB三原色に対応した3個
の画素を1組として、各組に対応するマイクロレンズが
設けられている。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。対応する画素を透過したRGB成分は投射レン
ズ306を介して合成され、前方のスクリーン307に
拡大されたカラー画像が投影される。
Therefore, there has been proposed a single plate type using one monochrome liquid crystal panel, which enables an image brightness equivalent to that of the three plate type, and is disclosed in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 4-60538. This system uses a monochrome liquid crystal panel without a color filter and is therefore called a "color filterless system". FIG. 10 schematically shows a color filterless projector. This projector includes a light source 301 along an optical axis, three dichroic mirrors 302 to 304 having different tilt angles, one monochrome liquid crystal panel 305, a projection lens 306, and a screen 307.
Are arranged in order. The light source 301 includes a reflecting mirror and a white lamp. The white light emitted from the lamp is separated into only the B component by the dichroic mirror 302 and enters the monochrome liquid crystal panel 305 at a predetermined incident angle. The R component is selectively reflected by the next dichroic mirror 303 and similarly enters the monochrome liquid crystal panel 305 at a predetermined incident angle. Similarly, the G component is selectively reflected by the last dichroic mirror 304 and enters the monochrome liquid crystal panel 305 at a predetermined incident angle. A relative angle difference is given between these three primary color components of RGB. On the other hand, the monochrome liquid crystal panel 305 includes three pixels corresponding to the three primary colors of RGB as one set, and a microlens corresponding to each set is provided. RGB incident with a certain angle difference
The components are condensed by the microlenses to the corresponding pixels. The RGB components transmitted through the corresponding pixels are combined via the projection lens 306, and the enlarged color image is projected on the screen 307 in the front.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】上述したカラーフィル
タレス方式では、予めRGB三原色成分に相対的な角度
差を持たせ、マイクロレンズを用いて対応する画素に各
色成分を集光させる事を特徴にしている。この為、解像
度を上げるには、マイクロレンズにより三原色成分を完
全に分離して対応する画素に集光させる必要がある。し
かしながら、マイクロレンズには種々の収差が含まれる
為、完全に三原色成分を互いに分離する事は不可能であ
る。従って、実際に色解像度を上げる為には画素の寸法
を大きくとる必要があり、この結果モノクロ液晶パネル
305のサイズが大きくなる。液晶パネルのサイズが大
型化するとこれに対応して投射レンズ306の口径が大
きくなり、さらにダイクロイックミラーのサイズも大き
なものを使わなければならない。従って、価格が高くな
ると共に、プロジェクタ本体のサイズも大きくなってし
まう。
The above-described color filterless system is characterized in that the RGB three primary color components are given a relative angular difference in advance and each color component is condensed to the corresponding pixel by using a microlens. ing. Therefore, in order to increase the resolution, it is necessary to completely separate the three primary color components by the microlens and focus them on the corresponding pixels. However, since various aberrations are included in the microlens, it is impossible to completely separate the three primary color components from each other. Therefore, in order to actually increase the color resolution, it is necessary to increase the pixel size, which results in an increase in the size of the monochrome liquid crystal panel 305. As the size of the liquid crystal panel increases, the diameter of the projection lens 306 correspondingly increases, and the size of the dichroic mirror must be increased. Therefore, the price increases and the size of the projector body also increases.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】上述した従来の技術の課
題に鑑み、本発明はカラーフィルタレス方式のプロジェ
クタに搭載可能な小型且つ高精細の透過型表示装置を提
供する事を目的とする。この目的を達成する為に以下の
手段を講じた。即ち、本発明の第1側面によれば、透過
型表示装置は基本的な構成として、一対の透明基板と、
電気光学物質と、マイクロレンズとを備えている。一対
の透明基板は所定の間隙を介して互いに接合しており、
一定のピッチで配列した画素を形成する電極を備えてい
る。電気光学物質は該間隙に保持され入射光の透過率を
画素毎に変調して出射光に変換する。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入射光の三原
色成分を各々対応する画素に集光する。特徴事項とし
て、前記マイクロレンズは、微細化された画素の配列ピ
ッチと三原色成分の角度差とによって決定される光学距
離だけ画素から入射光側に離間して近接配置されてお
り、且つ近接した光学距離に応じて屈折率を最適範囲に
設定してマイクロレンズの焦点距離を短縮化している。
具体的には、20μm以下に設計された画素の配列ピッ
チに対応して、該マイクロレンズの屈折率を1.60〜
1.70の最適範囲に設定する。
SUMMARY OF THE INVENTION In view of the above-mentioned problems of the prior art, it is an object of the present invention to provide a small and high-definition transmissive display device that can be mounted on a color filterless type projector. The following measures were taken to achieve this purpose. That is, according to the first aspect of the present invention, the transmissive display device has, as a basic configuration, a pair of transparent substrates,
It comprises an electro-optic material and a microlens. The pair of transparent substrates are bonded to each other with a predetermined gap,
The electrodes are provided to form pixels arranged at a constant pitch. The electro-optical material is held in the gap and modulates the transmittance of incident light for each pixel to convert it into emitted light. The microlens collects the three primary color components of the incident light, which are separated from each other with a predetermined angle difference, in the corresponding pixels. Characteristically, the microlenses are arranged close to the incident light side from the pixels by an optical distance determined by the array pitch of the miniaturized pixels and the angular difference of the three primary color components, The focal length of the microlens is shortened by setting the refractive index in the optimum range according to the distance.
Specifically, the refractive index of the microlens is 1.60 to 1.60 corresponding to the arrangement pitch of pixels designed to be 20 μm or less.
Set to the optimum range of 1.70.

【0007】本発明の第2側面によれば、透過型表示装
置は基本的な構成として一対の透明基板と、電気光学物
質と、光学手段とを備えている。一対の透明基板は所定
の間隙を介して互いに接合しており、一定のピッチで配
列した画素を形成する電極を備えている。電気光学物質
は該間隙に保持され入射光の透過率を画素毎に変調して
出射光に変換する。光学手段は予め所定の角度差を持っ
て互いに分離した入射光の三原色成分を各々対応する画
素に集光する。特徴事項として、前記光学手段は微細化
された画素の配列ピッチと三原色成分の角度差とによっ
て決定される実効距離だけ画素から入射光側に離間して
近接配置されており、且つこの光学手段は互いに光軸方
向に重なった複数のマイクロレンズからなり近接した実
効距離に応じて短縮化した合成焦点距離を有する。
According to the second aspect of the present invention, the transmissive display device basically comprises a pair of transparent substrates, an electro-optical material, and optical means. The pair of transparent substrates are bonded to each other with a predetermined gap, and are provided with electrodes forming pixels arranged at a constant pitch. The electro-optical material is held in the gap and modulates the transmittance of incident light for each pixel to convert it into emitted light. The optical means collects the three primary color components of the incident light, which are separated from each other with a predetermined angle difference, in the corresponding pixels. Characteristically, the optical means is arranged in proximity to the incident light side from the pixel by an effective distance determined by the array pitch of the miniaturized pixels and the angular difference of the three primary color components, and the optical means is It has a plurality of microlenses that overlap each other in the optical axis direction, and has a synthetic focal length that is shortened according to the effective distance that is close to each other.

【0008】[0008]

【作用】本発明では透過型表示装置の小型化及び高精細
化を図る為、画素の配列ピッチを微細化している。この
為、必然的にマイクロレンズと画素間の光学距離が短縮
化される。この状態で、互いに角度差を持った入射光の
三原色成分を対応する画素に集光する為、マイクロレン
ズの焦点距離を短縮化し、色解像度を高めている。焦点
距離の短縮化の具体的な手段として、マイクロレンズを
構成する光学材料の屈折率を高めに設定している。ある
いは、複数のマイクロレンズを光軸方向に沿って重ね、
その合成焦点距離を短縮化している。
In the present invention, the pixel array pitch is made fine in order to miniaturize the transmissive display device and to achieve high definition. Therefore, the optical distance between the microlens and the pixel is inevitably shortened. In this state, since the three primary color components of the incident light having the angle difference from each other are condensed on the corresponding pixels, the focal length of the microlens is shortened and the color resolution is improved. As a specific means for shortening the focal length, the refractive index of the optical material forming the microlens is set to be high. Alternatively, a plurality of microlenses are stacked along the optical axis direction,
Its combined focal length is shortened.

【0009】[0009]

【実施例】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は本発明にかかる透過型表示装置
の第1実施例を示す模式的な部分断面図である。図示す
るように、本透過型表示装置は一対の透明基板1,2を
用いて形成されている。上側の透明基板1と下側の透明
基板2は所定の間隙を介して互いに接合しており、一定
のピッチで配列した画素を形成する電極を備えている。
なお、図示を簡略化する為、三原色成分に対応した3個
の画素B、画素R、画素Gのみを描いてある。個々の画
素はブラックマトリクス3により互いに分離されてい
る。なお、個々の画素を形成する電極については図示を
省略している。一対の透明基板1,2の間隙には液晶等
の電気光学物質4が保持されており、入射光5の透過率
を画素毎に変調して出射光6に変換する。B,R,G1
組の画素に対応してマイクロレンズ7が設けられてい
る。本例では、このマイクロレンズ7は透明基板1を構
成する積層体の中に組み込まれている。即ち、マイクロ
レンズ7は上側の透明層8と下側の透明層9との間に介
在している。各透明層は例えば石英ガラス等からなる。
マイクロレンズ7は上側の透明層8にエッチングで凹面
をパタニング形成した後、光屈折率nのエポキシ樹脂等
を充填する事により形成される。このマイクロレンズ7
は予め所定の角度差iを持って互いに分離した入射光5
の三原色成分を各々対応する画素に集光する。図示で
は、B成分の入射光5のみが示されており、マイクロレ
ンズ7を介して対応する画素Bに集光される。これに対
し、図示しないがR成分は略垂直入射し、マイクロレン
ズ7を介して対応する画素Rに集光される。従って、B
成分とR成分の角度差はiとなる。この角度差iは例え
ば8°に設定される。残りのG成分についても所定の角
度差を持って入射しマイクロレンズ7を介して対応する
画素Gに集光される。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Preferred embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic partial sectional view showing a first embodiment of a transmissive display device according to the present invention. As shown, the transmissive display device is formed using a pair of transparent substrates 1 and 2. The transparent substrate 1 on the upper side and the transparent substrate 2 on the lower side are bonded to each other with a predetermined gap, and are provided with electrodes forming pixels arranged at a constant pitch.
For simplification of the drawing, only three pixels B, R, and G corresponding to the three primary color components are drawn. The individual pixels are separated from each other by the black matrix 3. The electrodes forming the individual pixels are not shown. An electro-optical material 4 such as liquid crystal is held in the gap between the pair of transparent substrates 1 and 2, and the transmittance of incident light 5 is modulated for each pixel and converted into emitted light 6. B, R, G1
Microlenses 7 are provided corresponding to the pixels of the set. In this example, the microlens 7 is incorporated in a laminated body that constitutes the transparent substrate 1. That is, the microlens 7 is interposed between the upper transparent layer 8 and the lower transparent layer 9. Each transparent layer is made of, for example, quartz glass.
The microlens 7 is formed by patterning a concave surface on the upper transparent layer 8 by etching and then filling it with an epoxy resin or the like having an optical refractive index n. This micro lens 7
Is the incident light 5 separated from each other with a predetermined angle difference i.
The three primary color components of are collected on the corresponding pixels. In the figure, only the incident light 5 of the B component is shown, and is condensed on the corresponding pixel B via the microlens 7. On the other hand, although not shown, the R component is incident substantially vertically and is condensed on the corresponding pixel R via the microlens 7. Therefore, B
The angular difference between the component and the R component is i. This angle difference i is set to 8 °, for example. The remaining G component is also incident with a predetermined angle difference and is condensed on the corresponding pixel G via the microlens 7.

【0010】マイクロレンズ7は微細化された画素の配
列ピッチpとRGB三原色成分の角度差iとによって決
定される光学距離tだけ、画素から入射光側に離間して
近接配置されている。本発明の特徴事項として、近接し
た光学距離tに応じて屈折率nを最適範囲に設定し、マ
イクロレンズ7の焦点距離を短縮化する。具体的には、
20μm以下に設計された画素の配列ピッチpに対応し
て、マイクロレンズ7の屈折率nを1.60〜1.70
の最適範囲に設定している。
The microlenses 7 are arranged close to the incident light side from the pixels by an optical distance t determined by the arrangement pitch p of the miniaturized pixels and the angle difference i of the RGB three primary color components. As a feature of the present invention, the refractive index n is set in the optimum range according to the optical distance t that is close to the optical distance t, and the focal length of the micro lens 7 is shortened. In particular,
The microlens 7 has a refractive index n of 1.60 to 1.70 corresponding to the pixel arrangement pitch p designed to be 20 μm or less.
Is set to the optimum range.

【0011】マイクロレンズと画素の間の光学距離tは
入射光の角度差i及び画素の配列ピッチpによって決定
される。その算出方法を以下の数式に示す。 n1・sin i=n2・sin r r=sin-1(n1・sin i/n2) t=p/tan r 上記数式において、n1は空気の屈折率を表わし、n2
は透過型表示装置0を構成する透明基板1,2の屈折率
を表わす。iは入射光5の入射角を表わし、rは同じく
屈折角を表わす。pは画素の配列ピッチを表わし、tは
マイクロレンズ7と画素との間の光学距離を表わしてい
る。上記数式から理解される様に、屈折角rは屈折率n
1,n2及び入射角(正確には入射角度差)iにより決
定される。なお、屈折率n2は透明基板1,2が石英ガ
ラスからなる場合1.46程度である。次に、図1に示
した幾何学的な関係から明らかな様に、光学距離tは屈
折角rと画素の配列ピッチpによって決定される。例え
ば、入射角度差iが8°で、画素の配列ピッチpが20
μmの場合、光学距離tは200μm程度になる。
The optical distance t between the microlens and the pixel is determined by the angle difference i of the incident light and the pixel arrangement pitch p. The calculation method is shown in the following mathematical formula. n1 · sin i = n2 · sin r r = sin −1 (n1 · sin i / n2) t = p / tan r In the above formula, n1 represents the refractive index of air, and n2
Represents the refractive index of the transparent substrates 1 and 2 constituting the transmissive display device 0. i represents the incident angle of the incident light 5, and r also represents the refraction angle. p represents the arrangement pitch of the pixels, and t represents the optical distance between the microlens 7 and the pixels. As understood from the above formula, the refraction angle r is the refractive index n.
1, n2 and the incident angle (more precisely, the incident angle difference) i. The refractive index n2 is about 1.46 when the transparent substrates 1 and 2 are made of quartz glass. Next, as apparent from the geometrical relationship shown in FIG. 1, the optical distance t is determined by the refraction angle r and the pixel arrangement pitch p. For example, the incident angle difference i is 8 ° and the pixel arrangement pitch p is 20.
In the case of μm, the optical distance t is about 200 μm.

【0012】図2は画素B,R,Gとマイクロレンズ7
の平面的な関係を示す模式図である。図示する様に、画
素B,R,Gの1組毎に、マイクロレンズ7が対応して
いる。個々の画素は中央の開口部10とこれを囲む遮光
部11とに分かれている。遮光部11は図1に示したブ
ラックマトリクス7により覆われる。本例では透過型表
示装置は全体として1.35インチの対角寸法を有し、
画素の配列ピッチは横が18.8μmで縦が35μmに
設定されている。又、開口部10の寸法は15.3×2
0μmに設定されている。
FIG. 2 shows pixels B, R and G and a microlens 7.
It is a schematic diagram which shows the planar relationship of. As shown in the figure, the microlens 7 corresponds to each set of pixels B, R, and G. Each pixel is divided into a central opening 10 and a light shielding portion 11 surrounding the opening 10. The light shielding portion 11 is covered with the black matrix 7 shown in FIG. In this example, the transmissive display device has an overall diagonal dimension of 1.35 inches,
The pixel arrangement pitch is set to 18.8 μm in the horizontal direction and 35 μm in the vertical direction. The size of the opening 10 is 15.3 × 2.
It is set to 0 μm.

【0013】図3は、マイクロレンズ/画素間距離tと
実効開口率との関係を示すグラフである。なお、実効開
口率はマイクロレンズに入射した光線のうち、実際に集
光されて画素開口部を通過した割合を表わしている。こ
のグラフはマイクロレンズの光学材料として屈折率が
1.6のエポキシ系樹脂を用いた場合をシミュレートし
たものである。グラフから理解される様に、マイクロレ
ンズ/画素間距離tを前述の計算結果に従って200μ
m程度に設定すると、60%程度の実効開口率が得られ
る。マイクロレンズを200μmよりも画素に近接配置
すると、実効開口率は悪化する。
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the microlens / pixel distance t and the effective aperture ratio. It should be noted that the effective aperture ratio represents the ratio of light rays that have actually entered the microlens and passed through the pixel aperture. This graph simulates a case where an epoxy resin having a refractive index of 1.6 is used as the optical material of the microlens. As understood from the graph, the microlens / pixel distance t is set to 200 μm in accordance with the above calculation result.
When set to about m, an effective aperture ratio of about 60% can be obtained. When the microlens is arranged closer to the pixel than 200 μm, the effective aperture ratio deteriorates.

【0014】ところで、前述した計算結果に従ってマイ
クロレンズを所定の光学距離tだけ画素から離間して配
置しても、このままでは高い実効開口率を得る事はでき
ない。マイクロレンズ/画素間距離tに応じてマイクロ
レンズの焦点距離を最適化する必要がある。特に、画素
配列ピッチの微細化に伴ない、光学距離tが短縮化した
時、これに応じてマイクロレンズの焦点距離を合わせ込
む必要がある。図4は、マイクロレンズの焦点距離が最
適範囲外にある場合を模式的に表わしている。入射光の
効率的な集光が行なえない為、三原色成分の光スポット
12は、各々対応する画素の開口部10よりも拡大して
いる。従って、ブラックマトリクス3により遮断される
光量が増加し、実効開口率が悪い。ブラックマトリクス
3の面に対して三原色成分の各光スポット12のサイズ
が開口部10のサイズよりも大きくなっている。これに
より実効開口率が悪化する。この他にも、画素の高精細
化に伴ない、開口部10のサイズが微細化されると、マ
イクロレンズ7を通過した光の回折により光スポット1
2が広がる為、この影響も大きく出る。さらに、プロジ
ェクタの光源として通常メタルハライドランプ等を使用
しているが、そのアークは点光源ではなく有限長である
ので、表示装置に入射する光線は完全な平行光とならな
い。この事も、光スポット12のサイズを拡大している
原因となっている。
By the way, even if the microlenses are arranged apart from the pixels by a predetermined optical distance t in accordance with the above-mentioned calculation result, a high effective aperture ratio cannot be obtained as it is. It is necessary to optimize the focal length of the microlens according to the microlens / pixel distance t. In particular, when the optical distance t is shortened with the miniaturization of the pixel array pitch, it is necessary to adjust the focal length of the microlens accordingly. FIG. 4 schematically shows a case where the focal length of the microlens is outside the optimum range. Since the incident light cannot be efficiently collected, the light spots 12 of the three primary color components are larger than the openings 10 of the corresponding pixels. Therefore, the amount of light blocked by the black matrix 3 increases, and the effective aperture ratio is poor. The size of each light spot 12 of the three primary color components is larger than the size of the opening 10 with respect to the surface of the black matrix 3. This deteriorates the effective aperture ratio. In addition to this, when the size of the opening 10 is miniaturized as the pixel becomes finer, the light spot 1 is generated by the diffraction of the light passing through the microlens 7.
As 2 spreads, this effect is also significant. Further, although a metal halide lamp or the like is usually used as a light source of the projector, since the arc is not a point light source but a finite length, the light rays incident on the display device are not perfectly parallel light. This also causes the size of the light spot 12 to be enlarged.

【0015】図5は、マイクロレンズ7の焦点距離が最
適範囲内にある場合の状態を表わしている。図示する様
に、三原色成分の光スポット12のサイズはブラックマ
トリクス3の面上において縮小化されており、略光スポ
ット12の全体が対応する画素の開口部10に整合して
いる。従って、図4の状態に比べ実効開口率が大幅に改
善できる。
FIG. 5 shows a state in which the focal length of the microlens 7 is within the optimum range. As shown in the figure, the size of the light spots 12 of the three primary color components is reduced on the surface of the black matrix 3, and the entire light spots 12 are substantially aligned with the openings 10 of the corresponding pixels. Therefore, the effective aperture ratio can be significantly improved as compared with the state of FIG.

【0016】ところで、一般に光学レンズの焦点距離は
屈折率と曲率半径によって決まる。ところが、マイクロ
レンズの場合、図2に示した様にその外径は画素の配列
ピッチによって規制されており、調整の余地がない。即
ち、表示装置に入射する光の利用効率を高める為、隣接
するマイクロレンズ同士が図2のパタンに示す様に配列
されている(Δ配列)。従って、個々のマイクロレンズ
の曲率半径は画素の配列ピッチにより一義的に決まる。
そこで、本発明ではマイクロレンズの屈折率(正確には
マイクロレンズの屈折率と透明基板の屈折率との差)を
調節してレンズ焦点距離を最適化している。図6はマイ
クロレンズの屈折率nと実効開口率との関係を示すグラ
フであり、図1に示した光学構成におけるシミュレーシ
ョン結果である。このグラフから明らかな様に、マイク
ロレンズの屈折率を1.60〜1.70の範囲に設定す
る事で60%以上の実効開口率が確保できる。本発明で
はマイクロレンズの屈折率を1.60よりも大きくする
事により、マイクロレンズの焦点距離を短縮化し、前述
した光学距離tに合わせる様にしている。この結果、実
効開口率が上がり、投影画像の輝度がアップする。但
し、マイクロレンズの屈折率を1.7を超えて大きくす
ると、逆に焦点距離が短縮化され過ぎ、実効開口率は悪
化する。最適条件はマイクロレンズとして屈折率が1.
65程度の光学材料を使った時である事が分かる。この
条件に適合する材料として、例えばAl2 3 を用いる
事ができる。この場合、実効開口率は80%程度に達
し、マイクロレンズによる集光効果が顕著に現われ、色
解像度が大幅に改善する。この様に、マイクロレンズの
屈折率を調整する事により、その焦点距離を最適化で
き、小型高精細の表示装置をカラーフィルタレス方式の
プロジェクタに組み込む事ができる。
By the way, generally, the focal length of an optical lens is determined by the refractive index and the radius of curvature. However, in the case of a microlens, as shown in FIG. 2, its outer diameter is regulated by the pixel arrangement pitch, and there is no room for adjustment. That is, in order to improve the utilization efficiency of light incident on the display device, adjacent microlenses are arranged as shown in the pattern of FIG. 2 (Δ arrangement). Therefore, the radius of curvature of each microlens is uniquely determined by the pixel arrangement pitch.
Therefore, in the present invention, the lens focal length is optimized by adjusting the refractive index of the microlens (correctly, the difference between the refractive index of the microlens and the refractive index of the transparent substrate). FIG. 6 is a graph showing the relationship between the refractive index n of the microlens and the effective aperture ratio, which is a simulation result in the optical configuration shown in FIG. As is clear from this graph, an effective aperture ratio of 60% or more can be secured by setting the refractive index of the microlens in the range of 1.60 to 1.70. In the present invention, the refractive index of the microlens is made larger than 1.60 to shorten the focal length of the microlens so as to match the optical distance t described above. As a result, the effective aperture ratio is increased and the brightness of the projected image is increased. However, if the refractive index of the microlens is increased to more than 1.7, the focal length is shortened too much, and the effective aperture ratio deteriorates. The optimum condition is that the microlens has a refractive index of 1.
It can be seen that it is the time when about 65 optical materials are used. As a material that meets this condition, for example, Al 2 O 3 can be used. In this case, the effective aperture ratio reaches about 80%, the condensing effect of the microlens is remarkably exhibited, and the color resolution is significantly improved. In this way, by adjusting the refractive index of the microlens, the focal length can be optimized, and a compact and high-definition display device can be incorporated in a color filterless projector.

【0017】図7は本発明にかかる透過型表示装置の第
2実施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タイプであり、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の内面には全
面的に対向電極53が形成されている。一方駆動基板5
1の内表面には画素電極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5
1側に形成する場合もある。対向基板50には光学手段
が形成されており、予め所定の角度差を持って互いに分
離した入射光の三原色成分を各々対応する画素に集光す
る。この光学手段は微細化された画素の配列ピッチと三
原色成分の角度差とによって決定される実効距離だけ画
素から入射光側に離間して近接配置されている。具体的
には、この光学手段は互いに光軸方向に重なった2枚の
マイクロレンズ57,58からなり、近接した実効距離
に応じて短縮化した合成焦点距離を有する。一方のマイ
クロレンズ57は上側の透明層59と中間の透明層60
との間に挟持されており、その焦点距離はf2である。
他方のマイクロレンズ58は中間の透明層60と下側の
透明層61との間に挟持されており、その焦点距離はf
1である。一対のマイクロレンズ57,58の距離はd
に設定されている。即ち、中間の透明層60の厚みがd
となっている。この様に、一対のマイクロレンズ57,
58を二層に重ねる構造とする事で、実質的にマイクロ
レンズの焦点距離を短縮化する事ができる。即ち、第1
実施例で示したマイクロレンズの屈折率を高くする方式
と同様の効果が得られる。ここで、マイクロレンズの合
成焦点距離はf=f1×f2/(f1+f2−d)で与
えられる。例えば、f1を200μmとし、f2を25
0μmとし、dを85μmにすると、合成焦点距離fは
137μmとなり、夫々のマイクロレンズ57,58の
焦点距離よりも短い焦点距離が得られる。なお、マイク
ロレンズを三層以上に重ねる事によっても同様の効果が
得られる。合成焦点距離fが短縮化された分、画素の配
列ピッチをさらに微細化可能である。
FIG. 7 is a schematic partial sectional view showing a second embodiment of the transmissive display device according to the present invention. This transmissive display device is an active matrix type and has a panel structure in which a counter substrate 50 and a drive substrate 51 are bonded to each other with a certain gap, and a liquid crystal 52 is held as an electro-optical substance in the gap. . A counter electrode 53 is formed on the entire inner surface of the counter substrate 50. On the other hand, drive substrate 5
Pixel electrodes 54 are arranged in a matrix on the inner surface of 1. Further, a thin film transistor 55 that drives each pixel electrode 54 is also integrated. A pixel is defined between the pixel electrode 54 and the counter electrode 53. Individual pixels are separated by a black matrix 56 formed on the counter substrate 50. The black matrix 56 is the drive substrate 5.
It may be formed on one side. Optical means is formed on the counter substrate 50, and the three primary color components of the incident light, which are separated from each other with a predetermined angle difference, are condensed on the corresponding pixels. This optical means is arranged close to the incident light side from the pixels by an effective distance determined by the array pitch of the miniaturized pixels and the angular difference of the three primary color components. Specifically, this optical means is composed of two microlenses 57 and 58 that are overlapped with each other in the optical axis direction, and has a synthetic focal length shortened in accordance with the effective distance in proximity. One microlens 57 has an upper transparent layer 59 and an intermediate transparent layer 60.
It is sandwiched between and, and its focal length is f2.
The other microlens 58 is sandwiched between an intermediate transparent layer 60 and a lower transparent layer 61, and its focal length is f.
It is one. The distance between the pair of microlenses 57 and 58 is d
Is set to That is, the thickness of the intermediate transparent layer 60 is d
It has become. In this way, the pair of microlenses 57,
With the structure in which 58 is stacked in two layers, the focal length of the microlens can be substantially shortened. That is, the first
The same effect as the method of increasing the refractive index of the microlens shown in the embodiment can be obtained. Here, the composite focal length of the microlens is given by f = f1 × f2 / (f1 + f2-d). For example, f1 is 200 μm and f2 is 25 μm.
When 0 μm and d are 85 μm, the combined focal length f becomes 137 μm, and focal lengths shorter than the focal lengths of the respective microlenses 57 and 58 are obtained. The same effect can be obtained by stacking three or more microlenses. Since the synthetic focal length f is shortened, the pixel arrangement pitch can be further miniaturized.

【0018】[0018]

【発明の効果】以上説明した様に、本発明によれば例え
ば画素の配列ピッチが20μm以下の小型高精細な表示
装置において、マイクロレンズの屈折率を1.60〜
1.70の範囲に設計する事で、短焦点距離のマイクロ
レンズを実現し、三原色成分に分かれた入射光の集光効
率を改善している。あるいは、マイクロレンズを多層に
重ねる事で、短焦点距離のマイクロレンズと同等の機能
を実現している。かかる構成を有する表示装置をプロジ
ェクタに用いる事により、プロジェクタ全体のサイズを
小型化でき、コストの低減にも寄与可能である。
As described above, according to the present invention, for example, in a small and high-definition display device in which the pixel arrangement pitch is 20 μm or less, the refractive index of the microlens is 1.60 to 1.60.
By designing in the range of 1.70, a microlens with a short focal length is realized, and the efficiency of collecting incident light divided into three primary color components is improved. Alternatively, by stacking microlenses in multiple layers, a function equivalent to that of a microlens having a short focal length is realized. By using a display device having such a configuration in a projector, the size of the entire projector can be reduced, which can contribute to cost reduction.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明にかかる透過型表示装置の第1実施例を
示す模式的な部分断面図である。
FIG. 1 is a schematic partial sectional view showing a first embodiment of a transmissive display device according to the present invention.

【図2】第1実施例の平面形状を示す模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing a planar shape of the first embodiment.

【図3】実効開口率とマイクロレンズ/画素間距離との
関係を示すグラフである。
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the effective aperture ratio and the microlens / pixel distance.

【図4】マイクロレンズによる入射光の集光状態を示す
平面図である。
FIG. 4 is a plan view showing how incident light is condensed by a microlens.

【図5】同じくマイクロレンズによる入射光の集光状態
を示す模式図である。
FIG. 5 is a schematic diagram showing a condensed state of incident light by a microlens.

【図6】実効開口率とマイクロレンズの屈折率との関係
を示すグラフである。
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the effective aperture ratio and the refractive index of microlenses.

【図7】本発明にかかる透過型表示装置の第2実施例を
示す模式的な部分断面図である。
FIG. 7 is a schematic partial sectional view showing a second embodiment of the transmissive display device according to the present invention.

【図8】従来の単板式プロジェクタを示す模式図であ
る。
FIG. 8 is a schematic view showing a conventional single plate projector.

【図9】従来の三板式プロジェクタを示す模式図であ
る。
FIG. 9 is a schematic diagram showing a conventional three-plate type projector.

【図10】従来のカラーフィルタレス方式を採用したプ
ロジェクタを示す模式図である。
FIG. 10 is a schematic view showing a projector adopting a conventional color filterless system.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

0 透過型表示装置 1 透明基板 2 透明基板 3 ブラックマトリクス 4 電気光学物質 5 入射光 6 出射光 7 マイクロレンズ 10 開口部 11 遮光部 0 transmissive display device 1 transparent substrate 2 transparent substrate 3 black matrix 4 electro-optical material 5 incident light 6 emitted light 7 microlens 10 opening 11 light shielding part

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 所定の間隙を介して互いに接合しており
且つ一定のピッチで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の透過率を画素毎に変調して出
射光に変換する電気光学物質と、 予め所定の角度差を持って互いに分離した入射光の三原
色成分を各々対応する画素に集光するマイクロレンズと
を有する透過型表示装置であって、 前記マイクロレンズは、微細化された画素の配列ピッチ
と三原色成分の角度差とによって決定される光学距離だ
け画素から入射光側に離間して近接配置されており、且
つ近接した光学距離に応じて屈折率を最適範囲に設定し
てマイクロレンズの焦点距離を短縮化する事を特徴とす
る透過型表示装置。
1. A pair of transparent substrates, which are bonded to each other through a predetermined gap and have electrodes forming pixels arranged at a constant pitch, and a transmittance of incident light held in the gap for each pixel. A transmissive display device having an electro-optical substance that is modulated into light and converted into emitted light, and a microlens that condenses the three primary color components of incident light, which are separated from each other with a predetermined angle difference, to corresponding pixels. The microlenses are arranged close to each other on the incident light side from the pixels by an optical distance determined by the array pitch of the miniaturized pixels and the angular difference of the three primary color components, and the optical distances are close to each other. Accordingly, the transmission type display device is characterized in that the refractive index is set in the optimum range to shorten the focal length of the microlens.
【請求項2】 20μm以下に設計された画素の配列ピ
ッチに対応して、該マイクロレンズの屈折率を1.60
〜1.70の最適範囲に設定する事を特徴とする請求項
1記載の透過型表示装置。
2. The refractive index of the microlens is 1.60 corresponding to the arrangement pitch of pixels designed to be 20 μm or less.
2. The transmissive display device according to claim 1, wherein the transmissive display device is set to an optimum range of 1.70.
【請求項3】 所定の間隙を介して互いに接合しており
且つ一定のピッチで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の透過率を画素毎に変調して出
射光に変換する電気光学物質と、 予め所定の角度差を持って互いに分離した入射光の三原
色成分を各々対応する画素に集光する光学手段とを有す
る透過型表示装置であって、 前記光学手段は、微細化された画素の配列ピッチと三原
色成分の角度差とによって決定される実効距離だけ画素
から入射光側に離間して近接配置されており、且つこの
光学手段は互いに光軸方向に重なった複数のマイクロレ
ンズからなり近接した実効距離に応じて短縮化した合成
焦点距離を有する事を特徴とする透過型表示装置。
3. A pair of transparent substrates, which are joined to each other through a predetermined gap and have electrodes forming pixels arranged at a constant pitch, and a transmittance of incident light held in the gap for each pixel. A transmissive display device having an electro-optical material that is modulated into light and converted into emitted light, and an optical means that condenses the three primary color components of the incident light, which are separated from each other with a predetermined angle difference, to corresponding pixels. The optical means is disposed close to the incident light side from the pixel by an effective distance determined by the array pitch of the miniaturized pixels and the angular difference of the three primary color components, and the optical means are arranged close to each other. A transmissive display device comprising a plurality of microlenses overlapping in the optical axis direction, and having a synthetic focal length shortened according to the effective distance of proximity.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2004070462A1 (en) * 2003-02-10 2004-08-19 Sharp Kabushiki Kaisha Microlens substrate, and liquid crystal display element provided with it, and projection liquid crystal display unit
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