JPH0996704A - フレネルレンズ及び表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 フレネルレンズ及び表示装置に関し、光がフ
レネル面側へ入射するように構成し、ゴーストが生じな
いようにすることを目的とする。 【解決手段】 フレネルレンズは、平坦な表面１８ａ
と、周期的な隆起部１９を有するフレネル面１８ｂとを
有する本体からなり、前記隆起部１９の各々は前記平坦
な表面１８ａと概略平行な平坦な頂部１９ａと該平坦な
頂部から前記平坦な表面１８ａに向かって延びる少なく
とも一つの傾斜面１９ｂとを含み、遮光層１９ｄが該隆
起部の各々の該平坦な頂部１９ａに設けられている構成
とする。また、このフレネルレンズは表示装置の画像拡
大手段として使用される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は遮光層を有するフレ
ネルレンズ並びに拡大要素としてフレネルレンズを使用
した液晶表示装置等の表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】液晶表示装置は比較的に薄型に構成で
き、多くの分野で応用されている。最近、大きなスクリ
ーンをもった投射型液晶表示装置が開発されている。典
型的な投射型液晶表示装置は、拡大された画像をスクリ
ーンに投射するように投射レンズを備えている。一方、
投射レンズ以外の光学素子を用いて、画像を拡大するこ
ともできる。

【０００３】例えば、特開平５─１８８３４０号公報
は、液晶表示パネルと、液晶表示パネルによって生成さ
れた画像を拡大するためのフレネルレンズと、スクリー
ンとを含む投射型液晶表示装置を開示している。この場
合、投射型液晶表示装置は収束性光伝送体素子のアレイ
をさらに含んでいる。収束性光伝送体素子のアレイの各
々は等倍正立像を形成するのに適したものであり、フレ
ネルレンズの各々は収束性光伝送体素子のアレイを出射
した画像を拡大するために設けられている。

【０００４】収束性光伝送体素子は、直径が１ｍｍから
２ｍｍの樹脂製またはガラス製の棒状透明体で、半径方
向に屈折率が変化しており、その長さ及び屈折率分布を
適切に設定することにより、一個の素子で正立像の結像
が可能である。このような性質をもった同じ長さの複数
の光伝送体素子を、その端面をそろえ列状や面状に多数
近接配置して収束性光伝送体アレイとし、等倍正立結像
装置として使用することができる。このような光伝送体
アレイを使用した結像装置は、通常の球面レンズを使用
した結像装置と比べて、焦点距離を非常に短くでき、光
学性能が列、面内で一定であり、レンズ間の距離調整が
不要等の大きな利点がある。

【０００５】しかし、このような光伝送体アレイを結像
装置として使用した場合、素子単体では、その素子の長
さを変えることによって、拡大、縮小像を得ることがで
きるが、これをアレイとして構成すると、各素子の像が
ばらばらに重なって、正常な像が得られない。従って、
光伝送体アレイとしては等倍像しか得ることができず、
変倍の手段が求められている。

【０００６】これを解決するために、特公昭５８─３３
５２６号公報、及び特公昭６１─１２２４９号公報は、
収束性光伝送体アレイを使用した拡大、縮小結像装置を
開示している。これらの従来技術は、収束性光伝送体ア
レイの出射端面側又は入射端面側に凸レンズ又は凹レン
ズを配置することを開示している。しかし、上記従来技
術においては、凸レンズ又は凹レンズは１枚のレンズで
あっても、複数枚を組み合わせた複合レンズであっても
よく、種々の形状のものを使用して所望の倍率を達成で
きると説明している。しかしながら、このような結像装
置を例えば拡大光学系として液晶表示装置に使用する場
合、液晶パネルの中心部に相当するスクリーン上の像
と、周辺部に相当するスクリーン上の像とで、解像度Ｍ
ＴＦが変わるという問題が生じた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】解像度ＭＴＦは４（ｌ
ｐ／ｍｍ）の条件で５０％以上が良好な結像状態である
ことが分かった。しかし、上記従来技術において、解像
度ＭＴＦが５０％以上を達成することは難しく、これを
達成するためには、液晶パネルの周辺部を通る光の液晶
パネルの法線に対する角度が１０°程度でなければなら
ない。この角度が小さいと拡大倍率がかなり小さくな
る。従って、収束性光伝送体アレイ自体は薄型化に向い
ているけれども、収束性光伝送体アレイとともに凸レン
ズ又は凹レンズを使用すると、装置の薄型化は達成でき
ない。

【０００８】従って、収束性光伝送体アレイとともに使
用されることができ、且つ液晶表示装置の薄型化は達成
できる拡大要素が求められている。このような要求を満
足するものとして、上記特開平５─１８８３４０号公報
に開示されているように、収束性光伝送体素子のアレイ
とともにフレネルレンズを使用することが着目された。
しかし、この公報にはフレネルレンズをどのようにして
使用するかについては説明されていない。本願の発明者
は、最近フレネルレンズの好ましい形態を研究した結
果、こうして得られたフレネルレンズを拡大手段として
使用すれば好ましい表示装置及び液晶表示装置が得られ
ることを見いだした。ただし、フレネルレンズの使用方
法によってはゴーストが生じることがあった。

【０００９】本発明の目的は、光がそのフレネル面側か
ら入射するように構成し、ゴーストがでないようにした
フレネルレンズを提供することである。本発明の他の目
的は、適切に配置されたフレネルレンズを備えた表示装
置及び液晶表示装置を提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明によるフレネルレ
ンズは、平坦な表面１８ａと、周期的な隆起部１９を有
するフレネル面１８ｂとを有する本体からなり、前記隆
起部１９の各々は前記平坦な表面１８ａと概略平行な平
坦な頂部１９ａと該平坦な頂部から前記平坦な表面１８
ａに向かって延びる少なくとも一つの傾斜面１９ｂとを
含み、遮光層１９ｄが該隆起部の各々の該平坦な頂部１
９ａに設けられていることを特徴とするものである。

【００１１】この構成は、表示装置において、光をフレ
ネルレンズのフレネル面１８ｂから入射させるのに適し
ている。しかし、光をフレネルレンズのフレネル面１８
ｂから入射させると、フレネルレンズの本体内に入射し
た光が本体内で好ましくない反射をしてゴーストを生じ
させる問題がある。上記構成においては、隆起部１９の
頂点が切断されて平坦な頂部１９ａとして形成されてお
り、そして遮光層１９ｄがその平坦な頂部１９ａに設け
られている。これによって、ゴーストの発生が防止され
る。

【００１２】これに加えて、前記平坦な頂部の幅が前記
隆起部の位置に応じて変化する構成とすると、フレネル
レンズの位置に従った表示の変化がなくなる。さらに、
前記少なくとも一つの傾斜面が前記平坦な頂部の一側に
延びる主傾斜面と前記平坦な頂部の該主傾斜面とは他側
に延びる副傾斜面とからなる構成とするとよい。これに
よって、フレネルレンズの製造が容易になる。

【００１３】これに加えて、ｄが平坦な頂部の幅、ｐが
隆起部のピッチ、ｒが前記主傾斜面から前記本体に入射
した主光線の前記本体の軸線に対する角度、θ₁ が前記
平坦な表面に対する前記主傾斜面の角度、θ₂ が前記副
傾斜面の前記本体の軸線に対する角度とするとき、前記
平坦な頂部の幅が、

【００１４】

【数２】 によって定められる構成とするとよい。これによって、
ゴーストの発生を防止しつつ、フレネルレンズの特性を
より良く引き出すことができる。

【００１５】また、本発明による表示装置は、少なくと
も一つの画像変調要素と、該画像変調要素からの光を受
けて等倍正立像を形成する収束性光伝送体素子のアレイ
と、平坦な表面と、周期的な隆起部を有するフレネル面
とを有する本体を備え、前記隆起部の各々は前記平坦な
表面と概略平行な平坦な頂部と該平坦な頂部から前記平
坦な表面に向かって延びる少なくとも一つの傾斜面とを
含み、遮光層が該隆起部の各々の該平坦な頂部に設けら
れているフレネルレンズと、スクリーンとを備え、該フ
レネルレンズは、光が前記収束性光伝送体素子のアレイ
から前記フレネル面へ入射するように配置されているこ
とを特徴とする。

【００１６】この場合、前記少くとも一つの画像変調要
素は複数の液晶表示パネルからなり、前記収束性光伝送
体素子のアレイとフレネルレンズとが、各液晶表示パネ
ルに対応して設けられている構成とするのが好ましい。

【００１７】こられの表示装置及び液晶表示装置の構成
によれば、フレネルレンズを画像拡大手段として使用
し、しかもスクリーンの中央部と周辺部とで解像度の差
が小さく、そしてゴーストのない画像が得られる。

【００１８】

【発明の実施の形態】図１及び図２は本発明の実施例に
よる液晶表示装置１０を示す図である。この液晶表示装
置１０は４個の液晶表示パネル１２を含む。４個の液晶
表示パネル１２は田の字形に並べて配置されている。各
液晶表示パネル１２は有効表示領域１２ａ及びその周囲
の非有効表示領域１２ｂからなる。非有効表示領域１２
ｂは、液晶のドライブ回路手段等を取りつけるために必
要である。従って、図２の状態のままで表示を行うと、
非有効表示領域１２ｂの部分は画像のない領域となる。
この実施例は、フレネルレンズ１８を画像拡大手段とし
て使用することによって、つなぎ目のないマルチディス
プレイ装置を実現するものである。

【００１９】図１において、液晶表示パネル１２の前面
側にはバックライト１４が配置される。液晶表示パネル
１２の後面側には、各液晶表示パネル１２と対応して、
収束性光伝送体アレイ１６が配置される。各収束性光伝
送体アレイ１６の面積は、液晶表示パネル１２の有効表
示領域１２ａの面積よりも大きく、非有効表示領域１２
ｂを含む面積よりも小さい。各収束性光伝送体アレイ１
６は各液晶表示パネル１２の像を等倍正立像として結像
するものである。

【００２０】各収束性光伝送体アレイ１６の後面側に
は、各収束性光伝送体アレイ１６と対応して、フレネル
レンズ１８が配置される。図８及び図９に示されるよう
に、フレネルレンズ１８は一方の表面１８ａが平坦な表
面で、他方の表面１８ｂが起伏のあるフレネル面であ
る。フレネル面１８ｂは同心円状の隆起部１９を有し、
断面で鋸状の曲面からなる。光は収束性光伝送体アレイ
１６からフレネルレンズ１８に入射する。図１では、フ
レネルレンズ１８のフレネル面１８ｂは入射側、すなわ
ち収束性光伝送体アレイ１６側に向けて配置される。フ
レネルレンズ１８の平坦な表面１８ａは出射側にあるこ
とになる。

【００２１】さらに、フレネルレンズ１８の後方には、
スクリーン用フレネルレンズ２０を含むスクリーン２２
がある。図１に示されるように、フレネルレンズ１８か
ら出た光は広がりながら進み、隣接の液晶表示パネル１
２の有効表示領域１２ａから出た光がスクリーン２２に
おいて隙間なく出会うようになっている。従って、液晶
表示パネル１２の非有効表示領域１２ｂの存在は、スク
リーン２２を見る者には分からない。本実施例では、表
示部に液晶表示パネルを使用したが、発光型のものであ
れば、どのような画像変調要素でもよい。

【００２２】図３は、収束性光伝送体アレイ１６を構成
する収束性光伝送体素子１６ａの特徴を示す図である。
収束性光伝送体素子１６ａは、直径が１ｍｍから２ｍｍ
の樹脂製またはガラス製の棒状透明体で、（Ｃ）に示す
ように、半径方向に屈折率が変化している。

【００２３】収束性光伝送体素子１６ａの端面から入っ
た入射光は屈折率の高い方に曲げられ、図４のように、
一定の周期で蛇行しながら進む。そして、図５に示すよ
うに、レンズ長Ｚを適切に設定すると、距離ｌのところ
に等倍正立実像ができる。図６は同じ長さの収束性光伝
送体素子１６ａを端面を平行にそろえて列状や面状に多
数近接配置して収束性光伝送体アレイ１６とし、等倍正
立結像装置とした例を示している。このような光伝送体
アレイ１６を使用した結像装置は、通常の球面レンズを
使用した結像装置と比べて、焦点距離を非常に短くで
き、光学性能が列、面内で一定であり、レンズ間の距離
調整が不要等の大きな利点がある。このような光伝送体
アレイ１６を結像装置として使用した場合、素子単体で
は、その素子の長さを変えることによって、拡大、縮小
像を得ることができるが、これをアレイとして構成する
と、各素子の像がばらばらに重なって、正常な像が得ら
れない。従って、光伝送体アレイとしては等倍像しか得
ることができない。従って、変倍の手段として、ここで
はフレネルレンズ１８が使用されている。

【００２４】そして、フレネルレンズ１８を液晶表示装
置に組み込む際に、フレネルレンズ１８のフレネル面１
８ｂを入射側に向けて配置するか、又はフレネル面１８
ｂを出射側に向けて配置するかによって、特にスクリー
ム２２の周辺部における解像度が変化する。本願の発明
者は、フレネルレンズ１８のフレネル面１８ｂを入射側
に向けて配置することによりスクリーム２２の周辺部に
おける解像度とスクリーム２２の中心部における解像度
との差が小さく、望ましいことを見いだしている。

【００２５】図７は、平坦な表面１８ａを入射側に、フ
レネル面１８ｂを出射側にすると、何故周辺部の解像度
が低下するかを説明する図である。図７に示すように、
中心部の焦点距離に対して、周辺部に向かうほど、焦点
距離は短くなっており、破線Ｆのように、像面がスクリ
ーン２２からずれて湾曲していることが分かる。像面湾
曲の原因を解析したところ、主光線以外の、光軸に対し
て角度をもった光線において、主光線に対する角度が同
じで極性が反対の光線３０、３１（同角度反極性副光線
と呼ぶ）の間の角度差が、フレネルレンズ１８に入射す
ると小さくなり、出射すると大きくなるという特性をも
っていて、入射面、出射面とも、光線と面との角度が大
きいほど（平面ではなく曲率を有した面ほど）、その性
質も顕著になることが分かった。従って、出射面がフレ
ネル面１８ｂの光学系の場合、同角度反極性副光線間の
角度差が大きくなり、スクリーン２２より手前で結像し
てしまい、解像度を低下させていることが分かった。中
心部と周辺部を平面上に結像させるためには、周辺部
の、同角度反極性副光線間の角度差を小さくしてやらな
くてはならない。従って、主光線の曲がり角度が１３°
以上の場合、フレネル面（曲面）１８ｂは入射側になく
てはならないことになる。

【００２６】図１０は図１のフレネルレンズ１８の詳細
を示す図である。上記したように、フレネルレンズ１８
は、平坦な表面１８ａと、周期的な隆起部１９を有する
起伏のあるフレネル面１８ｂとを有する本体からなる。
隆起部１９の各々は平坦な表面１８ａと概略平行な平坦
な頂部１９ａとこの平坦な頂部１９ａから平坦な表面１
８ａに向かって延びる主傾斜面１９ｂとを含む。また、
副傾斜面１９ｃが主傾斜面１９ｂとは反対側においてこ
の平坦な頂部１９ａから延びる。図１０では、副傾斜面
１９ｃは平坦な頂部１９ａに対してほぼ垂直に示してあ
る。

【００２７】遮光層１９ｄが隆起部１９の各々の平坦な
頂部１９ａに設けられる。平坦な頂部１９ａは平坦な表
面１８ａと平行であるので、平坦な頂部１９ａは印刷法
によって容易に形成されることができる。図１１は、隆
起部１９を有する従来のフレネルレンズ１８を示す図で
ある。図１０の平坦な頂部１９ａは図１１の隆起部１９
の頂点を切断して形成したものであることが分かる。

【００２８】図１１に示される従来のフレネルレンズ１
８においては、ゴーストの原因となる迷光の問題があ
る。すなわち、光Ｓが副傾斜面１９ｃの近くの位置で主
傾斜面１９ｂに入射すると、この光Ｓは副傾斜面１９ｃ
において反射してその進路を制御されない方向に変え、
よってゴーストの原因となる。遮光層１９ｄはこの問題
点を解決するために設けられている。

【００２９】図８から分かるように、隆起部１９の形状
又は傾斜はフレネルレンズ１８の中心からの隆起部１９
の位置に従って変化する。従って、平坦な頂部１９ａの
幅は隆起部１９の位置に従って変化するのが好ましい。
図１２に示されるように、フレネルレンズ１８の製造上
の理由から、副傾斜面１９ｃは実際には平坦な表面１８
ａに対して傾斜する。説明するまでもないことである
が、平坦な頂部１９ａの一側に位置する主傾斜面１９ｂ
は、光が主としてこの主傾斜面１９ｂからフレネルレン
ズ１８の本体に入射するように形成されているものであ
って、平坦な頂部１９ａの他側に設けられている副傾斜
面１９ｃは実際の作用は期待されていない。

【００３０】本願の発明者は、平坦な頂部１９ａの幅は
下記の関係によって定められるとき、フレネルレンズ１
８の本来の作用が実現され、且つゴーストを効果的に低
減することができることを見いだした。

【数３】

【００３１】ここで、ｄが平坦な頂部１９ａの幅、ｐが
隆起部１９のピッチ、ｒが主傾斜面１９ｂからフレネル
レンズ１８の本体に入射した主光線の前記本体の軸線に
対する角度、θ₁ が平坦な表面１８ａに対する主傾斜面
１９ｂの角度、θ₂ が副傾斜面１９ｃのフレネルレンズ
１８の本体の軸線に対する角度とする。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によるフレ
ネルレンズでは、光をフレネルレンズのフレネル面から
入射させるときにゴーストのない表示を行うことができ
る。また、フレネルレンズを画像拡大手段として使用し
て、ゴーストのない表示装置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の液晶表示装置を示す図であ
る。

【図２】図１の液晶表示パネルの配置図である。

【図３】収束性光伝送体素子の特徴を示す図である。

【図４】収束性光伝送体素子の光の伝播を示す図であ
る。

【図５】収束性光伝送体素子の等倍正立像の形成を示す
図である。

【図６】収束性光伝送体アレイを示す図である。

【図７】解像度の低下を説明する図である。

【図８】フレネルレンズの断面図である。

【図９】フレネルレンズの平面図である。

【図１０】フレネルレンズの拡大断面図である。

【図１１】従来のフレネルレンズの断面図である。

【図１２】フレネルレンズの寸法関係を示す断面図であ
る。

【符号の説明】

１０…液晶表示装置 １２…液晶表示パネル １６…収束性光伝送体アレイ １８…フレネルレンズ １８ａ…平坦な表面 １８ｂ…フレネル面 １９…隆起部 １９ａ…平坦な頂部 １９ｂ…主傾斜面 １９ｃ…副傾斜面 １９ｄ…遮光層

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 平坦な表面（１８ａ）と、周期的な隆起
   部（１９）を有するフレネル面（１８ｂ）とを有する本
   体からなり、前記隆起部（１９）の各々は前記平坦な表
   面（１８ａ）と概略平行な平坦な頂部（１９ａ）と該平
   坦な頂部から前記平坦な表面（１８ａ）に向かって延び
   る少なくとも一つの傾斜面（１９ｂ）とを含み、遮光層
   （１９ｄ）が該隆起部の各々の該平坦な頂部（１９ａ）
   に設けられていることを特徴とするフレネルレンズ。
2. 【請求項２】 前記平坦な頂部（１９ａ）の幅が前記隆
   起部（１９）の位置に応じて変化することを特徴とする
   請求項１に記載のフレネルレンズ。
3. 【請求項３】 前記少なくとも一つの傾斜面が前記平坦
   な頂部の一側に延びる主傾斜面（１９ｂ）と前記平坦な
   頂部の該主傾斜面とは他側に延びる副傾斜面（１９ｃ）
   とからなることを特徴とする請求項２に記載のフレネル
   レンズ。
4. 【請求項４】 ｄが平坦な頂部（１９ａ）の幅、ｐが隆
   起部（１９）のピッチ、ｒが前記主傾斜面（１９ｂ）か
   ら前記本体に入射した主光線の前記本体の軸線に対する
   角度、θ₁ が前記平坦な表面に対する前記主傾斜面（１
   ９ｂ）の角度、θ₂ が前記副傾斜面（１９ｃ）の前記本
   体の軸線に対する角度とするとき、前記平坦な頂部（１
   ９ａ）の幅が、 【数１】 によって定められることを特徴とする請求項３に記載の
   フレネルレンズ。
5. 【請求項５】 少なくとも一つの画像変調要素（１２）
   と、 該画像変調要素からの光を受けて等倍正立像を形成する
   収束性光伝送体素子のアレイ（１６）と、 平坦な表面と、周期的な隆起部を有するフレネル面とを
   有する本体を備え、前記隆起部の各々は前記平坦な表面
   と概略平行な平坦な頂部と該平坦な頂部から前記平坦な
   表面に向かって延びる少なくとも一つの傾斜面とを含
   み、遮光層が該隆起部の各々の該平坦な頂部に設けられ
   ているフレネルレンズ（１８）と、 スクリーン（２２）とを備え、 該フレネルレンズ（１８）は、光が前記収束性光伝送体
   素子のアレイ（１６）から前記フレネル面（１８ｂ）へ
   入射するように配置されていることを特徴とする表示装
   置。
6. 【請求項６】 前記少くとも一つの画像変調要素が複数
   の液晶表示パネル（１２）からなり、前記収束性光伝送
   体素子のアレイ（１６）と前記フレネルレンズ（１８）
   とが、各液晶表示パネルに対応して設けられていること
   を特徴とする請求項５に記載の液晶表示装置。