JPH0990311A

JPH0990311A - 投影型カラー液晶表示装置

Info

Publication number: JPH0990311A
Application number: JP7246471A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Miyake; 隆浩三宅; Kazuhiko Ueda; 和彦上田
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1995-09-25
Filing date: 1995-09-25
Publication date: 1997-04-04

Abstract

(57)【要約】【課題】カラー表示に必要な３原色の各色毎に液晶表
示素子を有する投影型カラー液晶表示装置において、光
源の明るさを、液晶表示素子からはみ出す光の増加を招
くことなく増大して、より明るい表示を実現する。【解決手段】３原色の各波長域毎に、それぞれの波長
域に対応する液晶表示素子７Ｒ，７Ｂ，７Ｇへの入射角
の異なる複数の光束を発生する光束発生手段として、白
色光源１と、該光源からの光を反射して平行化する回転
放物面鏡２と、該回転放物面鏡２からの反射光を複数の
光束に分割するレンズ群（フライアイレンズ）３，４
と、これらのフライアイレンズからの発散光束を平行光
にする凸レンズ５とを備え、同じ波長域の複数の光束を
相互に異なる方向より、該波長域に対応する共通の液晶
表示素子へ入射させるようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は投影型カラー液晶表
示装置に関し、特に３板式液晶表示装置において投影用
光として用いる光源光の有効利用に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のブラウン管に表示された画像をス
クリーンに投影する方式の画像表示装置に代わるものと
して、液晶表示素子を用いた投影型テレビの開発が行わ
れてきた。このような液晶表示素子を用いた投影型カラ
ー画像表示装置として、特開平３−５３２２１号公報に
開示のように、カラー表示に必要な３原色の各色に応じ
て液晶表示素子を３枚用いる３板式の投影型カラー液晶
表示装置がよく知られている。

【０００３】図１５はこのような液晶表示装置の一構成
例を示す図である。図において、２００は、カラー表示
に必要な３原色の各色に応じて３つの液晶表示素子７
Ｒ，７Ｂ，７Ｇを有する３板式の投影型カラー液晶表示
装置である。

【０００４】この液晶表示装置２００では、白色光源１
からでた光は、その第１焦点が光源の位置と一致するよ
う配置された回転楕円面鏡２’により反射して、該回転
楕円面鏡２’の第２焦点に集光する。この集光した光
は、上記第２焦点付近に配置してあるインテグレーター
２５により光の角度分布が均一化され、さらに発散した
光がコンデンサーレンズ２６で平行化される。この平行
化された光はそれぞれ赤、青の光を選択的に反射するダ
イクロイックミラー６Ｒ、６Ｂにより赤、青、及び緑の
３原色に分離され、それぞれの光はそれぞれの色に対応
する各液晶表示素子７Ｒ、７Ｇ、７Ｂに入射する。

【０００５】該各液晶表示素子７Ｒ、７Ｇ、７Ｂはそれ
ぞれ、マイクロレンズアレイ７２と液晶表示パネル７１
とから構成されており、液晶表示素子７Ｒ、７Ｇ、７Ｂ
に入射する平行光は、マイクロレンズアレイ７２によ
り、液晶表示パネル７１の絵素上に集光される。

【０００６】そして、該各液晶表示素子を透過した光
は、フィールドレンズ１５を介して、緑、青の光を選択
的に反射するダイクロイックミラー３９、４０に至り、
各ダイクロイックミラーにより光学的に重ね合わされ
る。このようにして重ね合わされた３原色の画像が投影
レンズ１６によりスクリーン１７に拡大投影される。

【０００７】なお、４１はダイクロイックミラー６Ｒか
らの赤色の光を液晶表示素子７Ｒ側へ反射するミラー、
４２は液晶表示素子７Ｇの透過光をダイクロイックミラ
ー３９側へ反射するミラーである。

【０００８】図１６は上記液晶表示パネルの詳細な構成
を示す断面模式図である。該液晶表示パネル７１は、対
向するよう配置された一対の基板３７，３２の間に液晶
層３８を挟持してなる構造となっている。上記両基板の
一方の基板（以下、アクティブマトリクス基板ともい
う。）３７の表面には、複数の絵素電極３５がマトリク
ス状に配置されている。また、該基板３７上には、該絵
素電極の各列（あるいは各行）に対応させて信号ライン
２９が設けられ、該絵素電極の各行（あるいは各列）に
対応させてゲートラインが設けられている。さらに上記
基板３７上には、各絵素電極３５毎にこれを駆動する薄
膜トランジスタ（ＴＦＴ）２７及び補助容量２８が設け
られており、該各ＴＦＴ２７のゲート３０は対応するゲ
ートラインに接続され、そのソースは対応する信号ライ
ン２９に接続されている。また、該ＴＦＴのドレイン
は、対応する絵素電極３５、及び対応する補助容量２８
の一方の電極に接続されている。この補助容量２８の他
方の電極には、後述する対向電極と同じレベルの電位が
印加されるようになっている。なお、２７ａは上記ＴＦ
Ｔ２７を構成する半導体層、２７ｂはゲート絶縁膜であ
る。

【０００９】また、このアクティブマトリクス基板３７
と液晶層３８を介して対向する対向基板３２の内面に
は、対向電極３３及び遮光膜３４が順に形成され、遮光
膜３４には絵素電極３５と対向する位置に開口部（絵素
開口部）３６が形成されている。ここで、上記両基板３
７、３２の間に封入されている液晶層３８としては、例
えばツイステッドネマティック配向された液晶層が用い
られている。また、ここで、１つの絵素は、絵素電極３
５と、ＴＦＴ２７と、補助容量２８等から構成されてい
る。

【００１０】また、マイクロレンズアレイ７２は、イオ
ン交換法を用いて、球面レンズの外周部が相互に融合し
た６角形形状をしたマイクロレンズ１０ａを複数作製し
てなるものであり、例えばそのレンズ配列のピッチが液
晶表示パネルの絵素のピッチと同じとなっている。ここ
で、その絵素配列とマイクロレンズアレイとの相対的な
位置関係は図４に示すようになっている。

【００１１】つまり、液晶表示パネル７１では、絵素の
配列は、絵素１１ａを碁盤目状に配置したものの奇数あ
るいは偶数番目の縦列を、偶数あるいは奇数番目の縦列
に対して、絵素の縦寸法の半分だけずらした配列となっ
ており、６角形の個々のマイクロレンズ１０ａは、その
レンズ光軸中心が、対応する絵素の中心と一致するよう
に配列されている。なお、図４中、１１は遮光膜の開口
部３６に相当するもので、以下絵素開口部１１ともい
う。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】ところが上記従来方式
の液晶表示装置では、照明光の平行度が悪い場合、マイ
クロレンズアレイで集光した光のうち遮光膜の開口部３
６（絵素開口部１１）の大きさからはみ出す平行度の悪
い光は液晶表示素子７Ｒ、７Ｇ、７Ｂを透過しない。そ
のため明るい液晶表示装置を実現するには照明光の平行
度はできるだけ良くする必要がある。

【００１３】例えば、絵素ピッチを縦横とも９５μｍ、
絵素開口部１１の大きさを縦６４μｍ，横６４μｍ、絵
素数を縦４５０個，横６００個とした３インチパネルで
は、マイクロレンズアレイの焦点距離を対向基板３２の
厚さ０．７ｍｍ（屈折率ｎ＝１．５３）とすると（空気
中換算距離＝０．７ｍｍ／１．５３＝０．４５８ｍ
ｍ）、絵素の開口部に入射する光の平行度の許容量は、
絵素の縦方向については、±ｔａｎ^-1（３２／４５８）
＝±４．０゜、絵素の横方向については、±ｔａｎ
^-1（３２／４５８）＝±４．０゜となる。

【００１４】これに対し、光源として２５０Ｗ、アーク
長３．０ｍｍのメタルハライドランプを用い、楕円ミラ
ーとして、第１焦点距離２２ｍｍ、第２焦点距離１１０
ｍｍ、有効径φ９０ｍｍのものを用いて、液晶表示素子
に対して有効径φ９０ｍｍの平行光を照射した場合、そ
の光の平行度は±１０゜ｍａｘとなった。

【００１５】つまり、このような照明用光の照射方式に
より有効に利用できる光は、平行度が±１０゜ｍａｘ程
度の照射光のうちたかだかその平行度が絵素の縦方向、
横方向とも±４．０゜までの光のみとなり、それより平
行度が悪い光は利用することができなかった。

【００１６】そのため、従来の照明用光の照射方式でも
ってより明るい液晶表示装置を実現するには、光の平行
度を良くする必要がある。

【００１７】例えば、より明るい液晶表示装置を構成す
るため明るい光源を採用しようとした場合、アークの大
きさは大きくなる。したがってその光の平行度は悪くな
り有効に利用できる光が少なくなる。また、光の平行度
を良くして有効に利用できる光量を増加させるため、ア
ークの大きさを小さくしたりあるいは液晶表示素子に入
射する照明光の大きさを大きくしたりした場合、前者で
は光源の絶対光量が減少し、後者では液晶表示素子から
はみ出す光が増加する。つまり従来の照明用光の照射方
式でもってさらに明るい液晶表示装置を実現することは
困難であり、またこれまでに、上記のような課題を解決
した投影型カラー液晶表示装置はなかった。

【００１８】本発明は上記のような問題点を解決するた
めになされたもので、光源の明るさを、液晶表示素子か
らはみ出す光の増加を招くことなく増大することがで
き、これにより、より明るい表示を実現することができ
る、カラー表示に必要な各色毎に液晶表示素子を有する
投影型カラー液晶表示装置を得ることを目的とする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】この発明（請求項１）に
係る投影型カラー液晶表示装置は、カラー画像表示に必
要な波長域が異なる複数の光束の各々に対応させて設け
られ、対応する波長域の光束に対して光変調処理を施す
複数の液晶表示素子と、該各液晶表示素子に対してその
光出射側に位置するよう配置され、該各液晶表示素子を
透過した光束を表示画面上に重ねて投影してカラー画像
を合成する光学系と、該各波長域毎に、それぞれの波長
域に対応する液晶表示素子への入射角の異なる複数の光
束を発生する光束発生手段とを備えており、同じ波長域
の複数の光束を相互に異なる方向より、該波長域に対応
する共通の液晶表示素子へ入射させるように構成されて
いる。そのことにより上記目的が達成される。

【００２０】この発明（請求項２）は、請求項１記載の
投影型カラー液晶表示装置において、前記各液晶表示素
子を、それぞれの波長域に対応した表示信号を受けて、
絵素を構成する液晶を駆動するカラー表示電極と、該液
晶表示素子に異なる角度で入射された同一の波長域の複
数の光束を、それぞれの絵素を構成する液晶部位に集光
させるマイクロレンズアレイとを備えた構成とし、該マ
イクロレンズアレイを、個々のマイクロレンズが隣接す
る複数の絵素に対応し、かつ各マイクロレンズが該液晶
表示素子に異なる角度で入射された同一の波長域の複数
の光束を、各光束毎に所定の絵素の液晶部位に入射させ
る構成としたものである。

【００２１】この発明（請求項３）は、請求項１記載の
投影型カラー液晶表示装置において、前記光束発生手段
を、複数の凸レンズからなるフライアイレンズを有する
ものとし、該フライアイレンズを、各凸レンズの光軸中
心の配置が、前記液晶表示素子を構成する隣接する所定
個数の絵素の中心位置の配置と相似な関係になっている
構成としたものである。

【００２２】この発明（請求項４）は、請求項１記載の
投影型カラー液晶表示装置において、前記光束発生手段
を、光源からの発散光を反射して集光する放物面鏡を有
するものとし、該放物面鏡を、その対称軸を含む平面に
より複数に分割してなる複数の放物面鏡部分から構成
し、該各放物面鏡部分を、それぞれからの反射光の主光
線が液晶表示素子上で重なるよう、光源からの発散光を
反射して平行光束を形成するための放物面からさらに内
側に傾けたものである。

【００２３】以下、本発明の作用について説明する。

【００２４】この発明（請求項１）においては、カラー
画像表示に必要な各波長域毎に、それぞれの波長域に対
応する液晶表示素子への入射角の異なる複数の光束を発
生する光束発生手段を備え、同じ波長域の複数の光束を
相互に異なる方向より、該波長域に対応する共通の液晶
表示素子へ入射させるようにしたから、液晶表示素子の
各絵素には、同一波長域の複数の光束を重ねて照射する
ことができる。このため、１方向から液晶表示素子に光
束を照射する場合に比べて、液晶表示素子の各絵素に到
達する光量を増大することが可能となり、これにより表
示画像を明るくすることができる。

【００２５】例えば、液晶表示素子に入射する照明光の
光束を大きくすると、該照明光を１方向から液晶表示素
子に入射させる場合には、液晶表示素子からはみ出す光
が増加するが、該照明光の光束を複数に分割して、異な
る複数の方向から液晶表示素子に入射させる場合には、
分割した個々の光束を液晶表示素子からはみ出さないよ
うな大きさにして、光束を大きくした照明光をすべて液
晶表示素子に照射することが可能となる。この結果、従
来ムダになって使われていなかった光を使うことができ
る。

【００２６】この発明（請求項２）においては、液晶表
示素子を構成するマイクロレンズアレイを、個々のマイ
クロレンズが隣接する複数の絵素に対応し、かつ各マイ
クロレンズが該液晶表示素子に異なる角度で入射された
同一の波長域の複数の光束を、各光束毎に所定の絵素に
入射させる構成としたので、それぞれ異なる方向から液
晶表示素子に入射する同一波長域の複数の光束を、すべ
て無駄なく対応する液晶表示素子の絵素に入射させるこ
とができる。

【００２７】また、１つのマイクロレンズが複数の絵素
に対応しているため、１つ１つのマイクロレンズの大き
さを絵素より大きくつくることができ、マイクロレンズ
を、特性のよいものとできる。

【００２８】この発明（請求項３）においては、前記光
束発生手段を、複数の凸レンズからなるフライアイレン
ズを有するものとし、該フライアイレンズを、各凸レン
ズの光軸中心の配置が、前記液晶表示素子を構成する隣
接する所定個数の絵素の中心位置の配置と相似な関係に
なっている構成としたので、フライアイレンズの各凸レ
ンズの主光線が液晶表示素子の光入射面上で交わり、該
各凸レンズからの光束を、個々のマイクロレンズアレイ
を通して、それぞれのマイクロレンズに対応する各絵素
に入射させることができる。

【００２９】この発明（請求項４）においては、前記光
束発生手段を、光源からの発散光を反射して集光する放
物面鏡を有するものとし、該放物面鏡を、その対称軸を
含む平面により複数に分割してなる複数の放物面鏡部分
から構成し、該各放物面鏡部分を、それぞれからの反射
光の主光線が液晶表示素子上で重なるよう、光源からの
発散光を反射して平行光束を形成するための放物面から
さらに内側に傾けたので、フライアイレンズやウェッジ
プリズム等の光学素子を増やすことなく、液晶表示素子
に対して複数方向から光を入射させることができる。

【００３０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図を用いて説明する。

【００３１】（実施の形態１）図１は本発明の実施の形
態１による３板式液晶表示装置を説明するための模式図
である。

【００３２】図において、１０１は本実施形態１による
３板式の投影型カラー液晶表示装置で、カラー画像表示
に必要な３原色の各々に対応させて設けられ、対応する
波長域の光束に対して光変調処理を施す３つの液晶表示
素子７Ｒ，７Ｂ，７Ｇを有している。また、本液晶表示
装置１０１では、該各液晶表示素子を透過した光束をス
クリーン１７上に重ねて投影してカラー画像を合成する
光学系が、該各液晶表示素子に対してその光出射側に位
置するよう配置されている。

【００３３】つまり、緑色に対応する液晶表示素子７Ｇ
の光出射側には、フィールドレンズ１５を介して、反射
ミラー６１Ｇ及び緑色の光を選択的に反射するダイクロ
イックミラー６０Ｇが順次配置されており、液晶表示素
子７Ｇからの透過光は、上記各ミラーにて反射されてス
クリーン１７の手前の投影レンズ１６に入射するように
なっている。また、青色に対応する液晶表示素子７Ｂの
光出射側には、フィールドレンズ１５を介して、青色の
光を選択的に反射するダイクロイックミラー６０Ｂが配
置されており、液晶表示素子７Ｂからの透過光は、上記
ダイクロイックミラー６０Ｂにて反射され、ダイクロイ
ックミラー６０Ｇを透過して、上記投影レンズ１６に入
射するようになっている。さらに、赤色に対応する液晶
表示素子７Ｒの透過光は、その光出射面側のフィールド
レンズ１５を介して、上記ダイクロイックミラー６０Ｂ
及び６０Ｇを透過して投影レンズ１６に入射するように
なっている。

【００３４】また、上記液晶表示装置１０１は、上記３
原色の各波長域毎に、それぞれの波長域に対応する液晶
表示素子への入射角の異なる複数の光束を発生する光束
発生手段を備えている。ここでは、光束発生手段は、白
色光源１と、該光源からの光を反射して平行化する回転
放物面鏡２と、該回転放物面鏡２からの反射光を複数の
光束に分割するレンズ群（フライアイレンズ）３，４
と、これらのフライアイレンズからの発散光束を平行光
にする凸レンズ５とを有している。

【００３５】そして、該凸レンズ５と、赤色に対応する
液晶表示素子７Ｒとの間には、赤色光を選択的に反射
し、他の波長域の光を透過するダイクロイックミラー６
Ｒ，及び反射ミラー６１Ｒが配置され、上記ダイクロイ
ックミラー６Ｒ及び反射ミラー６１Ｒにより反射された
複数の赤色の光束が液晶表示素子７Ｒに入射するように
なっている。また、ダイクロイックミラー６Ｒと液晶表
示素子７Ｂとの間には、青色光を選択的に反射し、他の
波長域の光を透過するダイクロイックミラー６Ｂが配置
されており、該ミラーにより反射された複数の青色の光
束が液晶表示素子７Ｂに入射し、該ミラー６Ｂを透過し
た緑色の複数の光束が液晶表示素子７Ｇに入射するよう
になっている。

【００３６】ここで、上記白色光源１としては、２５０
Ｗ、アーク長３．０ｍｍのメタルハライドランプを用
い、回転放物面鏡２としては、その焦点が光源の位置と
一致するよう配置され、焦点距離２２ｍｍ、有効径φ１
２０×１２０ｍｍ（つまり開口が正方形形状であり、そ
の縦横の有効寸法が１２０×１２０ｍｍ）であるものを
用いている。また、上記フライアイレンズ３は、図２に
示すように、平面正方形形状を有する７つの凸レンズ３
ａ〜３ｇから構成されており、凸レンズ３ａを中心とし
て、その上下に凸レンズ３ｃ，３ｆを配置し、これらの
３つの凸レンズの左側に凸レンズ３ｂ，３ｇを、右側に
凸レンズ３ｄ，３ｅを配置してなるものであり、これら
のレンズの配置は上下及び左右対称となっている。図２
では、フライアイレンズ３についてのみ示しているが、
フライアイレンズ４についても、これと同様な構成とな
っている。

【００３７】次に作用効果について説明する。

【００３８】上記白色光源１からでた光は、その焦点が
光源の位置と一致する回転放物面鏡２で反射されて平行
化される。この平行化された光は、図２のような凸レン
ズ３ａを中心としてその回りに６個の凸レンズ３ｂ〜３
ｇを配置したフライアイレンズ３に入射して複数の光束
に分割される。そして、これらの光束は、該フライアイ
レンズ３のそれぞれのレンズ３ａ〜３ｇの焦点位置に配
置された、上記フライアイレンズ３と同一構成のフライ
アイレンズ４を通り、さらにその後ろに配置された凸レ
ンズ５に入射する。該凸レンズ５により平行化された複
数の光束は、それぞれ赤、青の光を選択的に反射するダ
イクロイックミラー６Ｒ、６Ｂにより赤、青、及び緑の
３原色に分離され、それぞれの光はそれぞれの色に対応
する液晶表示素子７Ｒ、７Ｇ、７Ｂに入射する。

【００３９】ここで各液晶表示素子７Ｒ、７Ｇ、７Ｂ
は、図３のように偏光板８、１３と、マイクロレンズア
レイ９と、液晶表示パネル１４とから構成されている。

【００４０】該液晶表示パネル１４は、液晶層を挟持す
る一対の対向基板１０，１２からなり、これらの間に
は、複数の絵素開口部１１が形成されている。図３で
は、液晶表示パネル１４は概略的に示しているが、これ
は図１６に示す液晶表示パネルの構成と同様な構成とな
っている。

【００４１】また、マイクロレンズアレイ９は、例え
ば、球面レンズの外周部が相互に融合した６角形のマイ
クロレンズを複数イオン交換法により作製してなるもの
であり、その絵素配列とマイクロレンズアレイの相対的
な位置関係は図４に示すようになっている。つまり、液
晶表示パネル１４を構成する絵素１１ａの配列は、絵素
を碁盤目状に配置したものの奇数あるいは偶数番目の縦
列を、偶数あるいは奇数番目の縦列に対しては、絵素の
縦寸法の半分だけずらした配列となっている。なおここ
で、１１は絵素の有効領域で、実際に光が透過する部分
（絵素開口部）である。また、６角形の個々のマイクロ
レンズ１０ａは、そのレンズ光軸中心が、対応する絵素
の中心と一致するように配列されている。

【００４２】ただし、上記絵素配列とマイクロレンズア
レイの相対的な位置関係は、図４に示すように各マイク
ロレンズと絵素とが１対１に対応する位置関係に限られ
るものではなく、これ以外に例えば図５のように個々の
マイクロレンズ１０ａの面積を４倍に大きくし、１つの
マイクロレンズを７つの絵素に対応させた構成であって
も良い。こうすることで１つ１つのマイクロレンズを比
較的大きく形成できるため、精度のよいものを比較的簡
単につくることができる。これは、マイクロレンズも当
然小さいほど製作が困難で、精度が出しにくくコスト高
になるためである。また、図５に示す構成では、液晶表
示パネル自体を小さくしたり、あるいは高解像度を実現
するために絵素ピッチを細かくした場合においても、マ
イクロレンズは大きくつくれるメリットがある。

【００４３】また、フライアイレンズ３、４とレンズ５
からなる光学系は、マイクロレンズアレイ９に対する光
の主光線の入射角が図４の液晶表示素子における線分ｄ
_lで示す断面内にて図３（ａ）に示すようにそれぞれ０
゜、±θ゜となり、図４の液晶表示素子における線分ｄ
₂あるいはｄ₃で示す断面内にて、図３（ｂ）に示すよう
にそれぞれ０゜、±θ’゜となり、合計７つの方向から
の光が液晶表示素子に入射し、７個の集光スポットがそ
れぞれ別の絵素開口部１１に入射するように設計されて
いる。なお、図３では、説明の都合上、各光束の主光線
のみを表示している。

【００４４】こうして偏光板８、マイクロレンズアレイ
９、各絵素を透過した光は、偏光板９、フィールドレン
ズ１５、投影レンズ１６を介してスクリーン１７に投影
されカラー画像表示が行われる。

【００４５】次に、上記角度θ、θ’の設定方法につい
て説明する。

【００４６】例えば、絵素ピッチを縦横とも９５μｍ、
絵素開口部の大きさを縦６４μｍ，横６４μｍ、絵素数
を縦４５０個，横６００個とした３インチパネルでは、
マイクロレンズアレイ９の焦点距離を、対向基板１０の
厚さ０．７ｍｍ（屈折率ｎ＝１．５３）とすると（空気
中換算距離＝０．７ｍｍ／１．５３＝０．４５８ｍ
ｍ）、図３（ａ）に示す断面において、絵素の開口部１
１に入射する光の平行度の許容量は、±ｔａｎ^-1（３２
／４５８）＝±４．０゜となる。

【００４７】次に、隣接する絵素開口部に入射する光
は、その平行光束の主光線の方向がθ＝±ｔａｎ^-1（９
５／４５８）＝±１１．７゜傾き、光の入射角許容量
は、±（ｔａｎ^-1（（９５＋３２）／４５８）〜ｔａｎ
^-1（（９５−３２）／４５８））＝±（１５．５゜〜
７．８゜）となり、いいかえれば主光線がθ＝１１．７
゜傾いた光束に対する光の平行度の許容量＝±（３．８
゜〜（−３．９゜））となる。

【００４８】図３（ｂ）に示す断面において、１つのマ
イクロレンズに入射する光のうち、マイクロレンズ真下
に配置されている絵素開口部と、隣接する絵素開口部に
入射する光は、その平行光束の主光線の方向がθ’＝±
ｔａｎ^-1（（９５²＋４７．５²）^1/2／４５８）＝±１
３．１゜傾いている。

【００４９】次に、フライアイレンズ３、４とレンズ５
からなる光学形において、フライアイレンズ３、４の焦
点距離とレンズ５の焦点距離および配置位置の設計の仕
方について説明する。

【００５０】図２において、フライアイレンズ３、４を
構成する、平面正方形形状を有する各凸レンズの一辺の
長さをφ₁、焦点距離をｆ₁、液晶表示素子の長辺の長さ
をφ₂、凸レンズ５の焦点距離をｆ₂とする。このとき図
１のようにフライアイレンズ３からフライアイレンズ４
までの光路長をｆ₁、フライアイレンズ４から凸レンズ
５までの光路長をｆ₂、凸レンズ５から各液晶表示素子
７Ｒ、７Ｇ、７Ｂまでの光路長をｆ₂とする。なお、上
記フライアイレンズ４の配置位置はフライアイレンズ３
の後ろ側焦点位置であり、凸レンズ５の前側焦点位置に
はフライアイレンズ４が配置され、液晶表示素子の配置
位置は凸レンズ５の後ろ側焦点位置となっている。

【００５１】液晶表示素子７Ｒ、７Ｇ、７Ｂに入射する
図３（ａ）の断面での主光線の入射角をθとすると、 φ₁＝ｆ₂×ｓｉｎθ ・・・（１） φ₁／φ₂＝ｆ₁／ｆ₂ ・・・（２）という関係をもつ。

【００５２】例えば、フライアイレンズ３への入射ビー
ム径を１２０×１２０ｍｍ、φ₂＝６１ｍｍ、θ＝１
１．７゜のとき、φ₁＝φ₂／３＝１２０／３＝４０ｍｍ
を満たすとすると、（１）よりｆ₂＝φ₁／ｓｉｎθ＝４０／ｓｉｎ１１．
７゜＝１９７ｍｍ（２）よりｆ₁＝φ₁×ｆ₂／θ₂＝４０×１９７／６１
＝１２９ｍｍとなる。

【００５３】よって、この実施の形態１では、例えばフ
ライアイレンズ３、４の中心のレンズ３ａを透過した光
は、液晶表示素子７Ｒ、７Ｇ、７Ｂのマイクロレンズア
レイ９に対して入射角０゜で入射し、それ以外の６つの
レンズ３ｂ〜３ｇを透過した光は、マイクロレンズアレ
イ９の各マイクロレンズの光軸に対して、図３（ａ）の
断面にて入射角θ＝１１．７゜、図３（ｂ）の断面にて
入射角θ’＝１３．１゜の傾きをもって６方向から入射
し、計７方向からの光が液晶表示素子の対応する絵素内
に同じだけ取り込まれる。このため表示の明るさは原理
的には従来の７倍の明るさまで可能となる。

【００５４】さらに、図２において、前記フライアイレ
ンズ３、４における個々の凸レンズ３ａ〜３ｇは、液晶
表示素子７Ｒ、７Ｇ、７Ｂの絵素と相似な矩形形状であ
るため、液晶表示素子上での照射ビーム断面形状も矩形
形状となり、従来の円ビームで液晶表示素子を照射する
のに比べ光利用効率が高くなるという効果もある。

【００５５】なお、上記実施の形態１では、７つの凸レ
ンズ３ａ〜３ｇからなるフライアイレンズ３、４で、７
方向から光を液晶表示素子に入射させる構成を示した
が、フライアイレンズの構成はこれに限るものではな
い。

【００５６】例えば、図６のように４つの平面矩形の凸
レンズ３ａ’〜３ｄ’からなるフライアイレンズ３’を
用い、４方向から光を液晶表示素子に入射させるように
してもよく、また、図７に示すように３つの矩形の凸レ
ンズ３ａ”〜３ｃ”からなるフライアイレンズ３”を用
い、３方向から光を液晶表示素子に入射させるようにし
てもよく、光学系の設計は上記実施の形態１と同様に行
うことができる。ただし図６あるいは図７で示すいずれ
のフライアイレンズを用いる場合でも、液晶表示素子
は、図４に示す絵素配列のものを用いる。なお、図６及
び図７中にてｃは、フライアイレンズを構成する各凸レ
ンズの光軸中心である。

【００５７】つまり、フライアイレンズを構成する各凸
レンズの光軸中心の配置は、液晶表示素子における隣接
する複数の絵素の中心の配置と相似な関係になっている
必要があり、フライアイレンズの各凸レンズの主光線が
液晶表示素子の光入射面上で交わりマイクロレンズアレ
イを通して対応する各絵素に光が入射するように設計さ
れていればよい。例えば、図６に示すフライアイレンズ
の各凸レンズの中心の配置は、図４に示す縦方向の１列
を隔てて対向する左右２つの絵素の中心の配置と相似と
なっている。また、図７に示すフライアイレンズの各凸
レンズの中心の配置は、図４に示す縦方向に並ぶ３つの
絵素の中心の配置と相似となっている。このようなこと
から、図２に示すフライアイレンズの構成は、図１８に
示すように、中央に縦に並ぶ３つの凸レンズが平面正方
形形状、左右両側に位置する凸レンズが平面長方形形状
となってるものでもよく、要するに各凸しンズの光軸中
心ｃの配置が図２のものと同じならばよい。

【００５８】さらに、液晶表示素子の絵素の配置が、図
１７（ａ）のように碁盤目状に並んでいる場合には、フ
ライアイレンズは、その各凸レンズの光軸中心が図１７
（ｂ）〜（ｆ）のように、液晶表示素子の、隣接する所
定個数の絵素の中心ｃの配置と相似な関係になっていれ
ばよい。なお、図１７（ａ）では簡単のためマイクロレ
ンズアレイを省いている。

【００５９】ここで、図１７（ｂ）に示すフライアイレ
ンズは、液晶表示素子に対して２方向から光を入射させ
る場合、図１７（ｃ）に示すフライアイレンズは、液晶
表示素子に対して３方向から光を入射させる場合に用い
るものである。さらに、図１７（ｄ）に示すフライアイ
レンズは、液晶表示素子に対して９方向から光を入射さ
せる場合、図１７（ｅ）に示すフライアイレンズは、液
晶表示素子に対して４方向から光を入射させる場合、図
１７（ｆ）に示すフライアイレンズは、液晶表示素子に
対して５方向から光を入射させる場合に用いられるもの
である。

【００６０】また、本発明の基本概念は、図４あるいは
図５のようなマイクロレンズアレイ付きの液晶表示素子
に対して、複数方向から光を入射させ、それぞれの方向
の光を各絵素上に重ねて集光させるところにあり、上記
実施の形態１はその複数の光を生成するための手段にフ
ライアイレンズを使った具体例であり、本発明は、この
実施の形態に限定されるものではなく、以下にその他の
実施の形態について説明する。

【００６１】（実施の形態２）図８は本発明の実施の形
態２による３板式液晶表示装置の構成を示す模式図であ
る。

【００６２】図において、１０２は本実施形態２の３板
式の投影型カラー液晶表示装置であり、この液晶表示装
置１０２では、上記実施の形態１の液晶表示装置１０１
におけるフライアイレンズ３，４及び凸レンズ５に代え
て、回転放物面鏡２からの平行光を６つの光束に分割す
るウェッジプリズム（６角錐プリズム）１８を用いてい
る。図９（ａ）は該６角錐プリズム１８を光軸方向から
みた図、図９（ｂ）はその側面図である。その他の構成
は、実施の形態１の液晶表示装置１０１と同一である。

【００６３】次に作用効果について説明する。

【００６４】白色光源１からでた光は、その焦点が光源
の位置と一致する回転放物面鏡２で反射されて平行化さ
れる。この平行化された光は、図９のような６角錐プリ
ズム１８に入射し、それぞれ赤、青の光を選択的に反射
するダイクロイックミラー６Ｒ、６Ｂにより赤、青、及
び緑の３原色に分離され、それぞれの光はそれぞれの色
に対応する各液晶表示素子７Ｒ、７Ｇ、７Ｂに入射す
る。

【００６５】ここで、６角錐プリズム１８からなる光学
系は、各液晶表示素子のマイクロレンズアレイ９に対す
る光の主光線の入射角が図４の液晶表示素子における線
分ｄ₁で示す断面内にて図３（ａ）に示すようにそれぞ
れ±θ゜となり（図３（ａ）中の入射角０゜の光は本実
施形態２では存在しない。）、図４の液晶表示素子にお
ける線分ｄ₂あるいはｄ₃で示す断面内にて、図３（ｂ）
に示すようにそれぞれ±θ’゜となり（図３（ｂ）中の
入射角０゜の光は本実施形態２では存在しない。）、合
計６つの方向からの光が液晶表示素子に入射し、６個の
集光スポットが、各マイクロレンズに対応するそれぞれ
別の絵素開口部１１に入射するように設計されている。

【００６６】こうして各絵素を透過した光は偏光板９、
フィールドレンズ１５、投影レンズ１６を介してスクリ
ーン１７に投影されカラー画像表示が行われる。

【００６７】このような構成の実施の形態２において
は、表示画像の明るさは原理的に従来の約６倍まで同上
する。

【００６８】なお、この実施の形態２では、マイクロレ
ンズアレイ９に対して、光の主光線が計６方向から入射
し、６個の集光スポットが、各マイクロレンズに対応す
るそれぞれ別の絵素開口部に入射するようにするために
６角錐プリズムを使った例を示したが、マイクロレンズ
アレイ９に対して６方向から光を入射させる構成は、上
記６角錐プリズムを用いたものに限るものではない。

【００６９】例えば、図１０のように、該放物面鏡２”
を、その対称軸を含む平面により等分割した６つの放物
面鏡部分１９からなり、各放物面鏡部分１９を、それぞ
れからの反射光の主光線が液晶表示素子上で重なるよ
う、光源からの発散光を反射して平行光束を形成するた
めの放物面からさらに内側に傾けた構成としてもよい。
なお、図１０（ａ）は放物面鏡２”を光軸方向からみた
図、図１０（ｂ）はその側面図である。

【００７０】この場合、液晶表示素子への入射角は、上
記実施形態２と同様、図４の液晶表示素子における線分
ｄ₁で示す断面内では±θ゜であり、図４の液晶表示素
子における線分ｄ₂あるいはｄ₃で示す断面内では、±
θ’゜である。つまり、この場合も、放物面鏡２”を含
む光学系は、６角錐プリズムを用いたものと同様、分割
された各放物面鏡部分から出射する主光線が液晶表示素
子の光入射面上で交わりマイクロレンズアレイを通して
対応する各絵素に入射するように設計されている。こ
のようにマイクロレンズアレイ９に対して６方向から光
を入射させる構成を、上記図１０に示すような該放物面
鏡２”を用いたものとすることにより、光学素子を増や
すことなく液晶表示素子に対して６方向から光を入射さ
せることができ、装置のさらなるコストダウンを図れて
好ましい。

【００７１】（実施の形態３）図１１は本発明の実施の
形態３による３板式液晶表示装置を示す模式図である。

【００７２】図において、１０３は、本実施形態３の３
板式の投影型カラー液晶表示装置で、これは、実施の形
態１の液晶表示装置１０１におけるフライアイレンズ
３，４及び凸レンズ５に代えて、回転放物面鏡２からの
平行光からＰ偏光光とＳ偏光光（第１のＳ偏光光）とを
分離し、さらにＰ偏光光を第２のＳ偏光光に変換して上
記第１のＳ偏光光と合成するＰＳ分離合成装置１０３ａ
を備えたものである。

【００７３】また、この実施の形態３では、回転放物面
鏡２として、焦点距離２２ｍｍ、有効径φ９０×９０ｍ
ｍ（矩形形状の開口の縦横の寸法が９０×９０ｍｍであ
るもの）を用いている。

【００７４】上記ＰＳ分離合成装置１０３ａは、回転放
物面鏡２からの平行光のＰ偏光光を透過し、そのＳ偏光
光を反射する偏光ビームスプリッター２０と、該透過し
たＰ偏光光を反射するミラー２１と、該反射されたＰ偏
光光を第２のＳ偏光光に変換するλ／２板２２とを有し
ている。そして、上記偏光ビームスプリッター２０から
の第１のＳ偏光光と、上記λ／２板２２からの第２のＳ
偏光光は、これらから７つの光束を形成する２種類のウ
ェッジプリズム２３、２４からなる光学系に入射するよ
うになっている。図１２（ａ）は第２のウェッジプリズ
ム２４を、図１２（ｂ）は第１のウェッジプリズム２３
を示す斜視図である。

【００７５】次に作用効果について説明する。

【００７６】白色光源１からでた光は、その焦点が光源
の位置に一致する上記回転放物面鏡２で反射して平行化
される。この平行化された光のうちＰ偏光光は偏光ビー
ムスプリッター２０を透過し、そのＳ偏光光は該偏光ビ
ームスプリッター２０により反射される。そして透過し
たＰ偏光光はミラー２１により反射され、λ／２板２２
により第２のＳ偏光光に変換される。

【００７７】このようにして、回転放物面鏡２で反射し
て平行化された光はその全てがＳ偏光光に揃えられて、
２種類のウェッジプリズム２３、２４に順次入射する。
そして、上記第１及び第２のＳ偏光光は、これらの２種
類のウェッジプリズム２３、２４により、７つの光束に
変換され、それぞれの光束は、赤、青の光を選択的に反
射するダイクロイックミラー６Ｒ、６Ｂにより赤、青、
及び緑の３原色に分離され、それぞれの色に対応する各
液晶表示素子７Ｒ、７Ｇ、７Ｂに入射する。

【００７８】ここで、上記２種類のウェッジプリズム２
３、２４からなる光学系は、液晶表示素子のマイクロレ
ンズアレイ９に対する光の主光線の入射角が、図４の液
晶表示素子における線分ｄ₁で示す断面内にて、図３
（ａ）に示すようにそれぞれ０°、±θ°となり、図４
の液晶表示素子における線分ｄ₂あるいはｄ₃で示す断面
内にて、図３（ｂ）に示すようにそれぞれ０°、±θ’
°となり、計７方向からの光が液晶表示素子に入射し、
７個の集光スポットが、各マイクロレンズに対応するそ
れぞれ別の絵素開口部に入射するように設計されてい
る。

【００７９】詳述すると、上記光学系は以下のように設
計されている。ＰＳ分離合成装置１０３ａから出射した
ビームのうち両側の部分の上半分と下半分は、それぞれ
第１のウェッジプリズム２３によりその主光線が図１１
の紙面に平行な垂直面内にて、入射光の光軸に対して、
α＝ｔａｎ^-1（４７．５／４５８）＝±５．９°傾いた
ものとなり、上記出射ビームの残りの中央部分の上部及
び下部は、そのビームの主光線が、紙面に平行な垂直面
内にて入射光の光軸に対してθ＝ｔａｎ^-1（９５／４５
８）＝±１１．７°傾き、該中央部分の、上部と下部の
間の部分は、入射光に対して傾くことなく、そのまま出
射される。

【００８０】また、第２のウェッジプリズム２４によ
り、主光線が上記垂直面内にてα＝±５．９°傾いた、
出射ビームのうち両側部分は、さらに紙面と垂直な水平
面内にてθ＝ｔａｎ^-1（９５／４５８）＝±１１．７°
傾く。そして、上記両ウェッジプリズムにより形成され
た７つの光束は、液晶表示素子面上で重なる。

【００８１】このとき上記２種類のウェッジプリズム２
３、２４で屈折出射するビームの断面形状のそれぞれ
が、液晶表示素子面形状と相似形になるようにプリズム
面形状を設計しておくことで、液晶表示素子上での照射
ビーム断面形状が素子形状となり光をロスなく利用する
ことができ光利用効率が高くなる。

【００８２】また計７方向からの光が液晶表示素子の対
応する絵素内に同じだけ取り込まれるため表示の明るさ
は原理的に従来の約７倍まで向上する。

【００８３】さらに、前記ＰＳ分離合成装置により、従
来ムダになっていたＳ偏光光もＰ偏光光に変換されて液
晶表示素子の対応する絵素内に同じだけ取り込まれるた
め、表示の明るさはＳ偏光光をカットしていた場合の約
２倍に向上する。また、従来のようにＳ偏光光が偏光板
で遮断、吸収されて熱にかわることもないので偏光板が
溶けたりあるいは燃えてしまったりすることがなくな
る。また、ウェッジプリズムを用いているため、前記Ｐ
Ｓ分離合成装置の採用により大きくなった投影用ビーム
を、すべて有効に利用することが可能である。

【００８４】なお、上記実施形態３では、２つのウェッ
ジプリズム２３、２４で７方向から光を液晶表示素子に
入射させる構成について示したが、例えば図１３
（ａ），（ｂ）に示すような２つのウェッジプリズム２
４’、２３’を用いて４方向から光を液晶表示素子に入
射させるようにしてもよい。

【００８５】さらに、図１４のような１つのウェッジプ
リズム２３”を用いて３方向から光を液晶表示素子に入
射させるようにしてもよい。

【００８６】図１３あるいは図１４のウェッジプリズム
を光学系に用いた場合も、その設計の仕方は上記実施形
態３同様にできる。ただし、いずれの場合も、対応する
液晶表示素子は図４のものを用いる必要がある。つま
り、これらの場合においても、プリズムの各面で屈折し
て出射する光線群の主光線が、液晶表示素子の光入射面
上で交わりマイクロレンズアレイを通して、対応する各
絵素に入射するように設計されていればよい。

【００８７】さらに、上記図１３あるいは図１４のウェ
ッジプリズムを用いた光学系に、前記ＰＳ分離合成装置
を組み合わすことにより、従来ムダになっていたＳ偏光
光もＰ偏光光に変換されて液晶表示素子の対応する絵素
内に同じだけ取り込まれるため、表示の明るさはＳ偏光
光をカットしていた場合の約２倍に向上する。また、こ
の場合、従来のようにＳ偏光光が偏光板で遮断、吸収さ
れて熱にかわることもないので偏光板が溶けたりあるい
は燃えてしまったりすることがなくなる。さらにこの場
合、前記ＰＳ分離合成装置の採用により投影用ビームが
大きくなっても、ウェッジプリズムによりすべてのビー
ムを有効に利用することができる。さらにこのウェッジ
プリズム方式はＰＳ分離合成装置を採用したものに限ら
ず、単なるランプからの平行光を液晶表示素子に照射す
る構成に対しても有効に適用できる。

【００８８】

【発明の効果】以上のように本発明（請求項１）によれ
ば、光源の明るさを、液晶表示素子からはみ出す光の増
加を招くことなく増大することができ、光源光の有効な
利用により、従来のものに比べ表示画像が非常に明るく
なるという効果がある。

【００８９】また、本発明（請求項２）によれば、高効
率で明るい液晶表示素子が実現できるとともに、精度の
よいマイクロレンズアレイの製作が容易になりコストダ
ウンが図れる。

【００９０】また、本発明（請求項３）によれば、比較
的容易に複数方向から液晶表示素子に光を入射させる光
学系が構成でき、光源光の有効利用により従来のものに
比べ表示画像が非常に明るくなる。

【００９１】また、本発明（請求項４）によれば、光学
部品を増やすことなく比較的容易に複数方向から液晶表
示素子に光を入射させる光学系が構成できるため、低コ
ストで従来のものに比べ表示画像が非常に明るい液晶表
示装置が実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１による投影型カラー液晶
表示装置の構成を示す模式図である。

【図２】上記液晶表示装置を構成するフライアイレンズ
を光軸方向からみた模式図である。

【図３】上記液晶表示装置を構成する液晶表示素子の構
成を示す断面図である。

【図４】上記液晶表示素子を構成する絵素とマイクロレ
ンズアレイの位置関係を説明するための図である。

【図５】上記絵素とマイクロレンズアレイの他の位置関
係を示す図である。

【図６】本発明の液晶表示装置に適用可能な他のフライ
アイレンズを光軸方向からみた模式図である。

【図７】本発明の液晶表示装置に適用可能なその他のフ
ライアイレンズを光軸方向からみた模式図である。

【図８】本発明の実施の形態２による投影型カラー液晶
表示装置を示す模式図である。

【図９】上記実施の形態２の液晶表示装置を構成するウ
ェッジプリズムを光軸方向及び側面からみた模式図であ
る。

【図１０】上記実施の形態２の液晶表示装置に、該ウェ
ッジプリズムの代わりに適用可能な楕円放物面鏡を光軸
方向及び側面からみた模式図である。

【図１１】本発明の実施の形態３による投影型カラー液
晶表示装置を示す模式図である。

【図１２】上記実施の形態３による投影型カラー液晶表
示装置に用いるウェッジプリズムの立体斜視図である。

【図１３】上記実施の形態３の投影型カラー液晶表示装
置に適用可能な他のウェッジプリズムの立体斜視図であ
る。

【図１４】上記実施の形態３の投影型カラー液晶表示装
置に適用可能なその他のウェッジプリズムの立体斜視図
である。

【図１５】従来の投影型カラー液晶表示装置を示す模式
図である。

【図１６】従来の投影型カラー液晶表示装置における液
晶表示素子を説明するための断面図である。

【図１７】上記実施の形態１における液晶表示素子の絵
素配列の他の構成例、及びそれに対応するフライアイレ
ンズの構成を説明するための図である。

【図１８】上記実施の形態１の液晶表示装置に適用でき
る他のフライアイレンズを光軸方向からみた模式図であ
る。

【符号の説明】

１光源２回転放物面鏡２” 放物面鏡３、４フライアイレンズ５凸レンズ６Ｒ、６Ｂ、６０Ｂ、６０Ｇダイクロイックミラー７Ｒ、７Ｇ、７Ｂ液晶表示素子８、１３偏光板９マイクロレンズアレイ１０、１２、３２、３７対向基板１１絵素開口部１４液晶表示パネル１５フィールドレンズ１６投影レンズ１７スクリーン１８、２３、２３’、２３”、２４、２４’ ウェッジ
プリズム１９放物面鏡部分２０偏光ビームスプリッター２１ミラー２２ λ／２板２７薄膜トランジスタ２８補助容量２９信号ライン３０ゲートライン３３対向電極３４遮光層３５絵素電極３６遮光層開口部３８液晶層６１Ｇ、６１Ｒ全反射ミラー７１液晶パネル１０１，１０２，１０３投影型カラー液晶表示装置１０３ａＰＳ分離合成装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】カラー画像表示に必要な波長域が異なる
複数の光束の各々に対応させて設けられ、対応する波長
域の光束に対して光変調処理を施す複数の液晶表示素子
と、該各液晶表示素子に対してその光出射側に位置するよう
配置され、該各液晶表示素子を透過した光束を表示画面
上に重ねて投影してカラー画像を合成する光学系と、該各波長域毎に、それぞれの波長域に対応する液晶表示
素子への入射角の異なる複数の光束を発生する光束発生
手段とを備え、同じ波長域の複数の光束を相互に異なる方向より、該波
長域に対応する共通の液晶表示素子へ入射させるように
した投影型カラー液晶表示装置。
【請求項２】請求項１記載の投影型カラー液晶表示装
置において、前記各液晶表示素子は、それぞれの波長域に対応した表示信号を受けて、絵素を
構成する液晶を駆動するカラー表示電極と、該液晶表示素子に異なる角度で入射された同一の波長域
の複数の光束を、それぞれの絵素を構成する液晶部位に
集光させるマイクロレンズアレイとを備えたものであ
り、該マイクロレンズアレイは、個々のマイクロレンズが隣
接する複数の絵素に対応し、かつ各マイクロレンズが該
液晶表示素子に異なる角度で入射された同一の波長域の
複数の光束を、各光束毎に所定の絵素の液晶部位に入射
させるよう構成したものである投影型カラー液晶表示装
置。
【請求項３】請求項１記載の投影型カラー液晶表示装
置において、前記光束発生手段は、複数の凸レンズからなるフライア
イレンズを有し、該フライアイレンズは、各凸レンズの光軸中心の配置
が、前記液晶表示素子を構成する隣接する所定個数の絵
素の中心位置の配置と相似な関係になっている投影型カ
ラー液晶表示装置。
【請求項４】請求項１記載の投影型カラー液晶表示装
置において、前記光束発生手段は、光源からの発散光を反射して集光
する放物面鏡を有し、該放物面鏡は、その対称軸を含む平面により複数に分割
してなる複数の放物面鏡部分からなり、該各放物面鏡部分は、それぞれからの反射光の主光線が
液晶表示素子上で重なるよう、光源からの発散光を反射
して平行光束を形成するための放物面からさらに内側に
傾けたものである投影型カラー液晶表示装置。