KR19980042803A - 액정패널 및 이것을 사용한 투사형 표시장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 액정패널에 의하면, 마이크로렌즈어레이의 각 마이크로렌즈는, 상기 마이크로렌즈어레이와 제1 기판과의 거리보다 길게 설정된 초점거리를 가지고, 각 마이크로렌즈로 집광되는 광이 상기 제1의 기판의 내부에 초점을 맺도록 구성됨으로써, 합초(合焦) 후의 확산각을 작게할 수 있다.

따라서, LCD패널로부터의 최대출사각을 작게 억제할 수 있고, 투영렌즈로서 F치가 큰 것을 사용했다고 해도 색불균일이나 휘도불균일의 원인으로 되는 광속(光束)의 이클립스가 일어나는 일이 없다.

Description

액정패널 및 이것을 사용한 투사형 표시장치

본 발명은 액정화소를 구동하는 화소전극에 대향시켜서 집광용의 마이크로렌즈를 배치하여 고휘도화를 도모한 액정패널 및 이것을 사용한 투사형 표시장치에 관한 것이다.

근년, 액정패널을 광스위칭소자로서 이용하여, 액정패널상의 화상을 투사광학계에 의해 스크린상에 확대투영하도록 한 액정프로젝터나 액정프로젝션TV 등의 개발이 활발히 행해지고 있다. 이들 장치는, 박형이며 경량, 선명한 화상, 지자기(地磁氣)의 영향을 받지 않는 것, 레지조정불필요 등의 우수한 성능을 가지고 있다.

이와 같은 액정표시장치에는, B(청), R(적), G(녹)의 3색의 컬러필터를 구비한 액정패널을 1매 사용하여 구성한 단판(單板)방식과, 모노크로액정패널을 B, R, G의 각 광로마다에 설치하여 구성한 3판방식이 있다. 이 중, 단판방식은 구조가 간단하며 소형화·경량화 및 저가격화가 용이하지만, 그 한편, 컬러필터에 의한 광흡수가 많으므로, 고휘도화에 난점이 있는 동시에, 냉각의 점에서도 불리하다.

이와 같은 문제에 대처할 수 있는, 예를 들면 일본국 특개평(特開平)1992-60538호 공보(이하, 문헌①이라고 함), 또는 「ASIA DISPLAY ＇95, p887」(이하, 문헌②라고 함)에는, 액정화소를 구동하는 3개의 화소전극마다에 1개의 집광용 마이크로렌즈를 대향배치하고, 이 마이크로렌즈의 각각에 각각 상이한 방향으로부터 B, R, G의 3색을 입사시켜서 집광하고, 그 출사광을 B, R, G의 3색에 대응한 화소전극에 각각 입사시키도록 한 컬러액정표시장치가 개시(開示)되어 있다. 이 컬러액정표시장치에서는, 화소와 화소와의 사이의 영역(화소구동용의 스위칭소자인 TFT가 형성된 블랙매트릭스부분)에 입사한 광을 유효하게 이용할 수 있고, 실질적인 개구율이 높아지므로, 고휘도화가 가능하게 된다.

이와 같은 종래의 컬러액정표시장치에서는, 화소전극에 대향시켜서 배치되는 각 마이크로렌즈의 초점위치는, 대응하는 화소부의 근방에 오도록 설정되어 있었다. 즉, 마이크로렌즈에 입사한 평행광은, 이 마이크로렌즈에서 좁혀져 화소부 부근에서 초점이 맺힌 후, 다시 넓어지도록 되어 있었다.

그런데, 액정프로젝션방식의 데이터프로젝터나 리어프로젝터TV는 이미 실용화되어 있지만, 금후는, 멀티미디어의 진전에 따라서, 컴퓨터의 화면표시와 AV(오디오·비디오)표시와를 하이비전TV와 같은 고정세(高精細)로 혼재표시할 수 있는 타입의 장치가 요구되는 것이 예상된다. 이 경우, 액정표시소자를 포함하는 광학시스템에는 종래에 비교하여 더욱 고정세화, 고화질화, 및 고휘도화 등이 필요하게 된다. 예를 들면, 현재 실용화되어 있는 리어프로젝션TV에 사용되고 있는 액정표시패널을 예로 들면, 아몰퍼스실리콘(a­Si)을 사용한 TFT(박막트랜지스터)를 베이스로 하여 형성되고, 그 총(總) 화소수는 3∼5인치의 화면사이즈에서 130만 화소정도가 한계이다. 그러나, 액정프로젝션방식으로 박형 경량화를 실현하기 위해서는, 또한 화소밀도를 높여, 2인치의 화면사이즈에서 150∼200만 화소정도로 할 필요가 있다. 또, 민생용도를 고려하면, 이와 같은 소형 고정세 LCD패널은 광학계를 포함하여 저가격화에 유리하고, 앞으로 점차 수요가 증대할 것으로 예상된다. 그리고, 프로세스기술적으로는, 이와 같은 고정세의 액정패널의 제조에는, 고온폴리실리콘(다결정실리콘) TFT기술, 또는 저온폴리실리콘 TFT기술이 중요하게 될 것으로 생각된다.

이와 같이, 고정세화의 요구가 강한 액정프로젝터에 있어서는, 화소부의 면적을 점차 축소할 필요성이 커지고 있으므로, 상기한 바와 같이, 화소구동용의 스위칭소자인 TFT를 아몰퍼스실리콘을 사용하여 형성하고 있던 것을, 금후는 폴리실리콘으로 변경할 필요성이 생겼다. 이것은, a­Si의 경우는 캐리어이동도가 작으므로, 화소구동에 필요한 크기의 전류를 얻기 위해서는 TFT의 사이즈를 어느 정도 크게 하지 않으면 안되는 것에 대하여, 폴리실리콘의 경우는 캐리어이동도가 큰 TFT의 사이즈를 작게 할 수 있는 것에 의한다. 구체적인 수치를 들면, a­Si의 경우는 100μm정도의 화소피치가 한계인 것에 대하여, 폴리실리콘에서는 20μm라고 하는 미세한 화소피치가 가능하게 된다.

이와 같이, 화소면적이 축소해 가면, 이에 대응하여, 마이크로렌즈에 의한 집광경(集光徑)도 작게 할 필요가 생긴다. 이 경우, 전단(前段)의 프로젝션광학계로부터 마이크로렌즈에 입사하는 광은 완전한 평행광인 것이 이상적이지만, 실제로는 평행광으로부터 약간의 각도시프트가 있으므로, 어떤 화소에만 입사할 광이, 인접화소와의 경계부의 블랙매트릭스부에도 조사(照射)되어, 집광효율이 저하된다. 이 경우에는, 결과로서 표시화상의 휘도저하를 초래하게 되어, 마이크로렌즈의 효과가 감소하게 된다. 또, 어느 색용의 화소(예를 들면 G용 화소)에만 입사할 광이 인접하는 다른 색용의 화소(예를 들면 R용 화소)에도 새어 들어와 버려, 이른바 혼색이라는 현상이 생겨 색화질이 열화되는 경우도 있다. 예를 들면, 어떤 색의 화소(예를 들면 G화소)에 입사하는 광속의 본래의 입사각으로부터의 시프트와 입사강도와의 사이에는 도 5에 나타낸 바와 같은 관계가 있고, 본래의 입사각으로부터 약간 시프트된 곳에서 광강도가 최대로 되어 있으므로, 입사각의 시프트는 표시화상의 휘도저하나 혼색에 민감하게 영향을 주게 된다.

이와 같은 경향은 화소부로부터 마이크로렌즈까지의 거리가 떨어져 있을수록 현저하게 된다. 따라서, 고정세의 요구가 높아질수록 화소부와 마이크로렌즈와의 거리를 가깝게 할 필요가 있다. 이 경우의 방책으로서는, 상사형(相似形)을 유지한 채 마이크로렌즈의 사이즈를 작게 하여 그 초점거리를 작게 하는 방법과, 마이크로렌즈의 사이즈는 그대로 하고 초점거리만을 작게 하는 방법이 있다. 이 중, 전자의 방법은, 마이크로렌즈의 사이즈가 상사형이므로, 출사측(出射側)의 개구각(렌즈경이 초점위치에 있어서 뻗는 각)은 변화하지 않고 되지만, 그와 같은 미세한 마이크로렌즈를 형성하는 것은 설계·제작상 용이하지 않고, 또 표시소자의 포맷 및 다른 광학부품과의 상성(相性)을 고려해도, 마이크로렌즈만을 상사형을 유지한 채 소형화하는 것은 실질적인 방법이라고는 말할 수 없다. 따라서, 결과적으로, 마이크로렌즈의 렌즈경을 그다지 변화시키지 않고 초점거리를 상대적으로 작게할 필요가 생긴다.

이 경우, 상기한 바와 같이 화소부에 초점이 맺히도록 설정한 경우에는, 개구각이 커지게 되고, 결과로서 마이크로렌즈의 출사측 광선의 확대각이 커지게 된다. 그러므로, 액정패널로부터 출사한 광이 이클립스되지 않고 모든 광이 유효하게 이용되도록 하기 위해서는, 액정패널의 후방에 배치하는 프로젝션용 투영렌즈의 F치를 상당히 작게(즉, 밝은 렌즈계로)하지 않으면 안된다. 광의 이클립스가 생기면, 스크린상에 투영된 화상에 휘도나 색의 불균일이 생기기 때문이다. 그러나, F치가 작은 렌즈계는 일반적으로 설계 및 제작이 용이하지 않고 가격도 높아지므로, 장치전체로서 코스트업으로 된다고 하는 문제가 있었다.

본 발명은 이러한 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은, 고정세화상이 요구되는 경우에 있어서도 휘도나 색불균일 등의 화질열화를 수반하지 않고, 보다 저가격으로 제작할 수 있는 액정패널 및 이것을 사용한 투사형 표시장치를 제공하는 것에 있다.

도 1은 본 발명의 일실시의 형태에 관한 액정표시장치의 요부(要部)구성을 나타낸 도면.

도 2는 도 1에 있어서의 LCD패널의 구조 및 작용을 나타낸 단면도.

도 3은 종래의 LCD패널의 구조 및 작용을 나타낸 단면도.

도 4는 본 발명의 다른 실시의 형태에 관한 액정표시장치에 있어서의 LCD패널의 구조를 나타낸 단면도.

도 5는 입사각(入射角) 시프트량과 입사광 강도와의 관계를 나타낸 설명도.

도 6은 본 발명에 따른 일실시의 형태의 LCD패널의 광학시스템을 나타낸 단면도.

〈도면의 주요부분에 관한 부호의 설명〉

11 : 평행백색광, 12B, 12R, 12G : 다이크로익미러, 20 : LCD패널, 21, 121 : 화소기판, 21a, 121a : 유리기판, 21b, 121b : 블랙매트릭스부, 21B, 21R, 21G, 121B, 121R, 121G : 화소전극, 22, 122 : 대향기판, 22a, 122a : 유리기판, 22b, 122b : 마이크로렌즈어레이, 22c, 122c : 커버유리, 22d, 122d : 대향전극, 30 : 투영렌즈, 122e : 컬러필터

본 발명의 액정패널은, 매트릭스형으로 배열된 화소전극을 가지는 제1의 기판과, 상기 제1의 기판에 대향하여 배치되고, 투명기판과, 상기 화소전극에 대향하도록 배치된 대향전극과, 상기 투명기판과 대향전극과의 사이에 배치된 마이크로렌즈어레이를 가지는 제2의 기판과, 상기 제1 및 제2의 기판간에 협지된 액정층과로 이루어지고, 상기 마이크로렌즈어레이의 각 마이크로렌즈는, 상기 마이크로렌즈어레이와 상기 제1의 기판과의 거리보다 길게 설정된 초점거리를 가지고, 각 마이크로렌즈로 집광된 광이 상기 화소전극을 투과하여 상기 제1의 기판의 내부에 초점을 맺도록 구성되어 있는 것을 특징으로 한다. 상기 각 마이크로렌즈는, 상기 제1의 기판의 각 화소전극마다 대향배치된다. 상기 대향전극과 상기 마이크로렌즈와의 사이에 컬러필터를 가진다.

또한, 본 발명의 투사형 표시장치는, 광원과, 상기 광원의 출사광을 파장역(波長域)이 서로 상이한 복수개의 광속(光束)으로 분할하는 수단과, 분할된 각 광속이 조사(照射)되는 액정패널로서, 이 액정패널은 매트릭스형으로 배열된 화소전극을 가지는 제1의 기판과, 상기 제1의 기판에 대향하여 배치되고, 투명기판과, 상기 화소전극에 대향하도록 배치된 대향전극과, 상기 투명기판과 대향전극과의 사이에 배치된 마이크로렌즈어레이를 가지는 제2의 기판과, 상기 제1 및 제2의 기판사이에 협지된 액정층과로 이루어지고, 상기 마이크로렌즈어레이의 각 마이크로렌즈는, 상기 마이크로렌즈어레이와 상기 제1의 기판과의 거리보다 길게 설정된 초점거리를 가지고, 각 마이크로렌즈로 집광된 광이 상기 화소전극을 투과하여 제1의 기판의 내부에 초점을 맺도록 구성되어 있는 액정패널과, 상기 액정패널을 투과하고 또한 변조된 각 광속을 표시화면상에 합성하는 수단과로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 상기 각 마이크로렌즈는, 상기 제1의 기판의 복수의 화소전극마다 대향배치되어 있다. 상기 분할수단은 다이크로익미러, 홀로그램소자, 회절격자, 프리즘의 어느 하나로 구성되어 있다.

또한, 본 발명의 투사형 표시장치는, 광원과, 상기 광원의 출사광을 파장역이 서로 상이한 복수개의 광속으로 분할하는 수단과, 상기 광속분할수단으로부터의 각 출력광이 각각 조사되는 복수의 액정패널로서, 각각의 액정패널은 매트릭스형으로 배열된 화소전극을 가지는 제1의 기판과, 상기 제1의 기판에 대향하여 배치되고, 투명기판과, 상기 화소전극에 대향하도록 배치된 대향전극과, 상기 투명기판과 대향전극과의 사이에 배치된 마이크로렌즈어레이를 가지는 제2의 기판과, 상기 제1 및 제2의 기판간에 협지된 액정층과로 이루어지고, 상기 마이크로렌즈어레이의 각 마이크로렌즈는, 상기 마이크로렌즈어레이와 상기 제1의 기판과의 거리보다 길게 설정된 초점거리를 가지고, 각 마이크로렌즈로 집광된 광이 상기 화소전극을 투과하여 제1의 기판의 내부에 초점을 맺도록 구성되어 있는 액정패널과, 각 액정패널로부터의 출력광을 표시화면상에 합성하는 수단과로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 상기 각 마이크로렌즈는, 상기 제1의 기판의 각 화소전극마다 대향배치되어 있다. 상기 복수의 액정패널은 RGB의 3원색이 각각 입사(入射)되는 패널이다.

본 발명의 액정패널에서는, 마이크로렌즈의 초점거리를 마이크로렌즈어레이와 화소기판과의 거리보다 길게 설정하는 동시에, 각 마이크로렌즈로 집광된 광이 화소기판의 내부에서 초점을 맺도록 했으므로, 합초(合焦)후의 확산각을 작게할 수 있다.

다음에, 본 발명의 실시의 형태에 대해 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은, 본 발명의 일실시의 형태에 관한 액정표시장치의 요부구성을 나타낸 것이다. 여기서는, 컬러액정프로젝터를 예로 들어 설명한다. 이 장치는, 도시하지 않은 백색광원으로부터 얻어진 평행백색광(11)을 각각 B, R, G의 각 색광으로 색분해하는 다이크로익미러(12B,12R,12G)와, 다이크로익미러(12B,12R,12G)에서 색분해된 B, R, G의 각 색광을 컬러화상신호에 따라서 강도(强度)변조하는 LCD패널(20)과, LCD패널(20)로부터의 출사광을 집광하여 스크린(40)상에 색합성하는 투영렌즈(30)와를 구비하고 있다.

다이크로익미러(12B,12R,12G)는 서로 미소각(微小角)을 이루도록 조정고정되어 있고, 평행백색광(11)을 R, G, B의 3색으로 색분해하여 LCD패널(20)에 상이한 각도로 입사시키는 기능을 가지고 있다. 이 예에서는, R광은 LCD패널(20)에 수직으로 입사하고, B광 및 G광은 R광에 대해서 각각 [＋θ], [－θ]의 각도를 가지고 LCD패널(20)에 입사하도록 되어 있다. LCD패널(20)은, 도 2에서 상세히 설명하지만, 화소전극이 다수 형성된 화소기판(21)과, 대향전극 및 마이크로렌즈(본 도면에서는 함께 도시하지 않음)가 형성된 대향기판(22)과, 화소기판(21)과 대향기판(22)과에 의해 협지된 액정층(23)과를 구비하고 있다.

그리고, LCD패널(20)에 수직입사시키는 광, 및 수직방향에 대해서 ＋θ, －θ의 각도로 입사하는 광은 B광, R광, G광중의 어느 것으로 해도 된다.

도 2는 도 1에 있어서의 LCD패널(20)의 단면(斷面)구조를 확대하여 나타낸 것이다. 이 도면에 나타낸 바와 같이, 화소기판(21)은 유리기판(21a)과, 유리기판(21a)의 편면측(片面側)(도면의 광입사측)에 도면의 아래쪽으로부터 위쪽으로 향하여 규칙적으로(주기적으로) 배치된 B광, R광, G광용의 화소전극(21B,21R,21G)과, 이들 각 화소전극에 대해서 화상신호에 따른 전압을 인가하기 위한 스위칭소자로서 기능하는 TFT(도시하지 않음) 등으로 이루어지는 블랙매트릭스부(21b)가 형성되어 있다. 각 TFT는 예를 들면 폴리실리콘으로 이루어지는 게이트전극, 드레인전극 및 소스전극(모두 도시하지 않음)을 구비하고 있다. 이 중, 게이트전극은, 도면의 상하방향으로 통하는 어드레스배선(도시하지 않음)에 접속되고, 소스전극은 도면의 지면(紙面)에 수직인 방향으로 통하는 데이터배선(도시하지 않음)에 접속되고, 드레인전극은 각 화소전극(21B,21R,21G)에 접속되어 있다. 그리고, 어드레스배선과 데이터배선과에 의해 선택된 화소전극에 화상신호전압이 선택적으로 인가됨으로써, 그 화소전극과 대향전극(22d)과의 사이의 액정층(23) 중의 액정분자의 배향이 변화하여, 이곳을 통과하는 광의 편광방향을 변화시키도록 되어 있다.

한편, 대향기판(22)은 유리기판(22a)과, 유리기판(22a)의 한쪽의 면측(도면의 광출사측)에 형성된 마이크로렌즈어레이(22b)와, 마이크로렌즈어레이(22b)상에 밀착배치된 커버유리(22c)와, 커버유리(22c)상에 형성된 대향전극(22d)과를 구비하고 있다.

대향전극(22d)은, 커버유리(22c)의 전체면 또는 필요한 영역(즉, 최소한 화소기판(21)의 화소전극(21B,21R,21G)과 대향하는 영역)에 형성된 투명전극이고, 일정의 전위에 고정되어 있다.

마이크로렌즈어레이(22b)는, 예를 들면 선택적 이온확산법에 의한 굴절률분포형 렌즈로서 형성되지만, 그 외의 임의의 방법으로 형성된 것이라도 된다. 또, 마이크로렌즈어레이(22b)를 구성하는 각 마이크로렌즈 ML는, 통상은 도면의 지면과 수직방향으로 축을 가지는 평철형(平凸形) 렌즈(plano­convex)로서 형성되지만, 그 외에, 일반의 구면형 또는 그것에 가까운 곡면의 렌즈라도 된다. 또, 본 실시의 형태에서는, 마이크로렌즈 ML의 광입사측을 볼록면으로 하고 출사측을 평행으로 하고 있지만, 이것과는 역으로, 광입사측을 평면으로 하고 출사측을 볼록면으로 해도 된다.

마이크로렌즈어레이(22b)는, 화소기판(21)의 3개의 화소전극(21B,21R,21G)마다에 1개의 마이크로렌즈가 배치되어 이루어지도록 형성되어 있다. 그리고, 상이한 3개의 방향으로부터 각 마이크로렌즈에 입사한 B, R, G의 광속은 각각 집광되어, 액정층(23)을 지나 화소전극(21B,21R,21G)에 입사하도록 되어 있다. 여기서, 예를 들어 R광에 착안하면, 마이크로렌즈어레이(22b)의 초점 F_R은, 화소전극(21R)상 또는그 근방이 아니고, 유리기판(21a)의 내부의 깊은 곳에 설정한다. 즉, 화소전극(21R)과 마이크로렌즈의 주점(主点) A과의 거리 d보다 마이크로렌즈의 초점거리 f를 크게 설정한다. 그러므로, 마이크로렌즈로부터 출사한 R광은 초점을 맺기 전의 아직 완전하게는 수속(收束)되어 있지 않은 상태에서 각 화소전극(21R)을 통과하도록 되어 있다. 다른 광(B광 및 G광)에 대해서도 마찬가지이다. 이 점이 본 발명의 큰 특징을 이루고 있다.

다음에, 이와 같은 구성의 액정표시장치의 작용을 설명한다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 도시하지 않은 광원으로부터의 평행백색광(11)은, 다이크로익미러(12B,12R,12G)에 의해 B, R, G의 3색으로 색분해된 후, 도시하지 않은 편광판을 지나 직선편광으로 된 후, LCD패널(20)의 마이크로렌즈어레이(22b)에 각각 상이한 방향으로부터 입사한다. 여기서, 마이크로렌즈어레이(22b) 중의 1개의 마이크로렌즈 ML에 입사하는 광에 대해서 생각한다. R광은 유리기판(22a)에 수직으로 입사하므로, 마이크로렌즈 ML의 광축이 통하는 화소전극(21R)을 통하여 유리기판(21a)의 내부에 초점을 맺는다. 또, B광은 유리기판(22a)에 입사각 θ으로 입사하고, 굴절각 ψ으로 굴절된 후, 이와 같은 입사각 ψ으로 마이크로렌즈 ML에 입사하고, 마이크로렌즈 ML의 광축과 각 ψ을 이루는 직선이 지나는 화소전극(21B)을 통하여 유리기판(21a)의 내부에 초점 F_B을 맺는다. 마찬가지로, G광은 유리기판(22a)에 입사각 θ으로 입사하고, 굴절각 ψ으로 굴절된 후, 이와 같은 입사각 ψ으로 마이크로렌즈 ML에 입사하고, 마이크로렌즈 ML의 광축과 각 ψ을 이루는 직선이 지나는 화소전극(21G)을 통하여 유리기판(21a)의 내부에 초점 F_G을 맺는다.

이 때, 부여된 화소신호에 따라서 화소전극(21B,21R,21G)에의 인가전압이 변화하고, 이에 따라서 액정층(23)내를 통과하는 B, R, G의 각 색광의 편광방향이 변조를 받는다.

화소기판(21)의 유리기판(21a)내에서 각각 초점을 맺은 B, R, G의 각 색광은, 다시 각각 확산각 ø_B, ø_R, ø_G을 가지고 확산되어 유리기판(21a)으로부터 출사하고, 도시하지 않은 편광판을 선택적으로 투과하여, 투영렌즈(30)에 의해 집광되어 스크린(40)상에 색합성된다.

여기서, 마이크로렌즈 ML의 주점 A으로부터 화소전극(21B,21R,21G)까지의 거리를 d로 하고, 화소피치(화소전극(21B, 21R, 21G)의 피치)를 p로 하면, 다음의 (1)식을 만족할 필요가 있다.

d·tanψ＝p……(1)

여기에, ψ와 θ와의 사이에는 스넬의 법칙에 의해 다음의 (2)식의 관계가 있다.

n_AIR·sinθ＝n_SUB·sinψ……(2)

단, n_AIR,n_SUB는 각각 공기의 굴절률, 유리기판(22a)의 굴절률이다.

다음에, 마이크로렌즈 ML의 초점위치를 화소기판(21)의 화소전극(21B,21R, 21G)상 또는 그 근방에 설정한 경우와 비교하여 본 실시의 형태의 효과를 설명한다.

도 3은, 마이크로렌즈와 화소와의 거리를 도 2의 경우와 동일하게 하는 동시에, 마이크로렌즈의 초점위치를 화소전극상 또는 그 근방에 설정했을 때의 상태를 나타낸 것이며, 상기한 문헌②에 기재된 구성(즉, 대향기판의 광출사측 표면에 마이크로렌즈를 배치한다고 하는 대향기판 내재형(內在型))을 전제로 한 것이다. 이 도면에서, 도 2와 동일 부분에는 동일 부호를 붙이고, 설명을 생략한다.

이 도면에 나타낸 바와 같이, 상이한 방향으로부터 마이크로렌즈 ML에 입사한 B, R, G의 각 색광은 각각 집광되어, 화소기판(21)의 화소전극(21B,21R,21G)상에 각각 초점을 맺는다. 이 때, 마이크로렌즈 ML의 공기중에서의 초점거리를 f＇로 하고, 화소피치(화소전극(21B,21R,21G)를 p로 하면, B, G광의 입사각(즉 R광과 이루는 각) θ은, 상기 문헌에도 기재되어 있는 바와 같이, 다음의 (3)식을 만족하는 것으로 된다.

tanθ＝p／f＇……(3)

이 경우, 합초후에 있어서의 B, R, G의 각 색광의 확산각은, 각각 ø_B＇, ø_R＇, ø_G＇로 되지만, 이들 확산각은, 본 실시의 형태 도 2에 있어서의 확산각 ø_B, ø_R, ø_G, 과 비교하면 상당히 큰 것으로 되어 있다. 다시 말하면, 본 실시의 형태와 같이, 마이크로렌즈 ML의 초점거리 f를 마이크로렌즈 ML와 화소전극(21B,21R,21G)과의 거리 d보다 길게 설정하는 동시에, 그 초점위치를 화소기판(21)의 유리기판(21a)의 내부에 설정함으로써, 확산각 ø_B, ø_R, ø_G을 작게 억제할 수 있는 것이다. 결국, 본 실시의 형태의 액정표시장치에서는, LCD패널(20)로부터의 출사광의 확산각이 작아지고, 투영렌즈(30)의 유효경이 작아져도(F치가 커켜도), 이클립스가 생기는 일이 없다. 즉, 액정표시장치의 구성요소중 코스트비율이 큰 투영렌즈(30)로서, 제작코스트가 낮고 F치가 큰 렌즈를 사용할 수 있다.

다음에, 본 실시의 형태에 있어서의 바람직한 실시예를 든다..

도 2에 있어서, 화소피치 p를 20μm, 공기중에서의 마이크로렌즈 ML의 초점거리 f를 230μm(단, 굴절률이 1.46의 석영기판 중에서는 336μm), 마이크로렌즈 ML와 화소전극(21B,21R,21G)과의 거리 d를 217μm, 마이크로렌즈 ML에의 입사각 ψ을 5.3°(θ＝7.7°)로 하면, 초점 F_R은 화소전극(21R)으로부터 약 120μm만큼 유리기판(21a)내에 들어온 위치로 된다. 이 때, 화소상에 투영되는 집광경(즉, R광이 화소전극(21R)을 통과하는 위치에서의 광속경(光束徑))은 약 21.2μm로 되지만, 화소피치 20μm와 블랙매트릭스폭 4.5μm과의 합이 24.5μm로 되는 것을 고려하면, 혼색은 생기기 어렵다. 이와 같이, 본 실시의 형태에서는, 화소상에 투영되는 집광경은 화소피치와 블랙매트릭스폭과의 합을 넘지 않는 것이 필요하다.

또, 혼색은 집광경뿐만아니라 입사광의 각도분포에도 의존하므로, 가능한 한 아크길이가 짧은 램프를 백색광원으로서 사용하여, 균일한 평행광을 얻을 필요가 있다. 예를 들면, 아크길이가 1.4mm의 메탈할라이드램프를 사용하였다고 하면, 이들로부터 얻어지는 입사광의 각도분포는 도 5에 나타낸 바와 같이 －3.5°∼＋3.5°의 범위로 되지만, 강도가 피크로 되는 입사각은 1°부근의 곳이므로, 혼색은 실제상 문제로 되지 않는다.

본 실시예(도 2)에서는, LCD패널(20)로부터의 출사광의 최대출사각은 LCD패널(20)의 법선에 대해서 약 18.7°로 되고, 이 출사광을 모두 커버하기 위해서는 투영렌즈(30)의 F치는 1.5°정도로 된다.

이에 대하여, 도 4에 나타낸 바와 같이, 화소전극(21B,21R,21G)상에 초점을 맺도록 한 경우에는, 공기중에서의 마이크로렌즈 ML의 초점거리를 150μm로 하면 LCD패널(20)로부터의 최대출사각은 약 22.7°로 되고, 이 출사광을 모두 커버하기 위해서는 투영렌즈(30)의 F치를 1.5보다 더욱 작게 약 1.3정도로 하지 않으면 안된다. 따라서, 투영렌즈(30)의 제작코스트가 높아진다.

다음에, 종래기술을 포함하는 다른 방법에 의해 LCD패널로부터의 최대출사각을 작게하도록 하는 경우의 실현가능성에 대해 고찰한다.

먼저, LCD패널(20)로부터의 최대출사각을 작게 하기 위해서는, 유리기판(22a)에 있어서의 굴절각 ψ을 작게 하는 방법이 고려된다. 그러기 위해서는 유리기판(22a)에의 입사각 θ을 작게 하면 되지만, 이 경우에는 혼색을 막기 위해 각 색마다의 입사광 평행도를 더욱 양호하게 할 필요가 있다. 그런데, 입사광의 평행도를 양호하게 하여 광발산각 분포범위를 작게 하면, 도 5에 나타낸 바와 같이, 광학계 그것에 있어서 LCD패널(20)에의 입사광량 자체가 억제됨으로써, 밝기가 감소한다. 즉, 마이크로렌즈를 사용한 것의 본래의 목적인 휘도향상을 달성할 수 없다.

도 2에, 상기 문헌①에 나타나 있는 바와 같이, LCD패널의 대향기판의 광입사측 표면에 마이크로렌즈를 배치하도록 한 경우를 고려한다. 이 경우, 대향기판의 두께는 1.1∼0.7mm정도로 생각되지만, 가령 대향기판두께가 하한의 0.7mm라고 가정하면, 마이크로렌즈의 초점거리도 또 0.7mm(700μm)정도로 된다. 따라서, 상기의 (3)식을 만족하는 입사각 θ은 1.8°로 된다. 그러나, 실제로 입사각의 평행도를 1.8° 이내로 하고자 했을 때에는, 상기의 경우와 동일하게, 광학계 자체에서의 광량저하를 초래한다고 하는 문제점이 생긴다. 더욱이 이 경우, 3매의 다이크로익미러의 상호간 각도는 0.9°(＝θ／2)로 하지 않으면 안되므로, 그와 같은 조정은 실제상 극히 곤란하고, 현실적이지 않다. 또한, 대향기판두께가 상한의 1.1mm라고 가정하면, 입사각 θ은 더욱 작게 할 필요가 있어, 실현은 한층 곤란해진다.

이상과 같이, 상기한 문헌①, ②에서는, 화소상에 마이크로렌즈의 초점을 설정하고 있지만, 이것은 실제의 혼색이나 휘도저하의 방지를 고려한 것으로 생각된다. 그러나, 마이크로렌즈는 반드시 화소상에 초점을 맺지 않으면 안되는 것이 아니고, 혼색에 대해서는 광원램프의 아크길이의 단축이나 다이크로익미러의 분광특성을 적절화함으로써 현실적인 대응은 가능하고, 또 휘도저하에 대해서도, 유효개구부(화소부)를 광이 투과하면 문제는 생기지 않을 것이다. 본 발명은 더욱 이 점에 착안하여 이루어진 것이고, 마이크로렌즈의 초점위치를 화소상이 아닌 화소기판내에 설정한 것이다.

또, 상기한 문헌 ①, ②을 포함하는 종래의 설계사상은 아몰퍼스실리콘을 사용한 TFT에 주안을 둔 것이며, 화소피치가 100μm정도인 것을 전제로 하고 있다. 따라서, 종래와 같이 화소상에 마이크로렌즈의 초점을 맺게한다고 하는 방식이라도, 투영렌즈에 있어서의 이클립스라고 하는 문제는 생기는 일이 없고, 또 그 문제의 인식도 되어 있지 않았다고 말할 수 있다. 그러나, 금후의 고화질화의 흐름중에서, 폴리실리콘을 사용한 TFT를 전제로 하여 화소피치를 20μm 이하 정도까지 고정세화하려고 하는 경우에는, 종래의 방법에서는 투영렌즈의 F치를 상당히 작게 할 필요가 생겨, 투영렌즈의 제작상의 곤란성과 제작코스트의 증대는 당연하다. 본 발명은, 이와 같은 문제점을 해결할 수 있는 점에서 매우 유효한 것이고, 금후 한층 엄격해질 고정세화의 요구에도 충분히 대응가능하다.

다음에, 본 발명의 다른 실시의 형태를 설명한다.

도 4는 본 발명의 다른 실시의 형태에 관한 액정표시장치의 LCD패널의 단면구조를 확대하여 나타낸 것이며, 도 1에 나타낸 바와 같은 다이크로익미러에 의한 색분리를 행하지 않고, 1화소마다에 마이크로렌즈 및 컬러필터를 배치하여 컬러표시를 행하도록 한 컬러액정표시장치에 관한 것이다. 이 도면에 나타낸 바와 같이, 이 LCD패널은, 화소전극이 다수 형성된 화소기판(121)과, 대향전극, 마이크로렌즈 및 컬러필터가 형성된 대향기판(122)과, 화소기판(121)과 대향기판(122)과에 의해 협지된 액정층(123)과를 구비하고 있다. 화소기판(121)은, 도 2에 있어서의 화소기판(21)과 동일하게 구성되고, 유리기판(121a)과, 유리기판(21a)의 광입사측에 규칙적으로 배치된 화소전극(121B,121R,121G)과, 이들 각 화소전극에 대하여 화상신호에 따른 전압을 인가하기 위한 스위칭소자로서 기능하는 TFT(도시하지 않음) 등으로 이루어지는 블랙매트릭스부(121b)가 형성되어 있다. 각 화소전극에의 신호전압의 인가방식(즉, TFT의 구성 및 그 스위칭구동방식)은 도 2의 경우와 동일하므로 설명을 생략한다.

한편, 대향기판(122)은 유리기판(122a)과, 유리기판(122a)의 광출사측에 형성된 마이크로렌즈어레이(122b)와, 마이크로렌즈어레이(122b)상에 밀착배치된 커버유리(122c)와, 커버유리(122c)상에 각 화소에 대응하여 형성된 B, R, G광용의 컬러필터(122e)와, 컬러필터(122e)상에 형성된 대향전극(122d)과를 구비하고 있다. 단, 컬러필터(122e)는, 3판방식의 프로젝터에 있어서는 반드시 필요하지 않다.

대향전극(122d)의 구성 및 작용은 도 2의 대향전극(22d)과 동일하다. 마이크로렌즈어레이(122b)는, 화소기판(121)의 각 화소전극(121B,121R,121G)에 대응하여 각각 1개의 마이크로렌즈가 배치되도록 형성되어 있다. 그리고, 도시하지 않은 광원으로부터의 평행백색광은 모든 마이크로렌즈 ML에 입사하여 각각 집광되고, 대응하는 색의 컬러필터(122e)를 통과하여 B, R, G의 각 색광속으로 되어, 액정층(123)을 지나 각각 화소전극(121B,121R,121G)에 입사하도록 되어 있다. 즉 본 실시의 형태에서는, 도 2의 경우와 상이하고, B, R, G의 각 색광의 광축은 서로 평행으로 되어 있다.

여기서, R광에 착안하면, 마이크로렌즈어레이(122b)의 초점 F_R은, 화소전극(121R)상 또는 그 근방이 아닌 유리기판(121a)의 내부의 깊은 곳에 설정한다. 즉, 화소전극(121R)과 마이크로렌즈어레이(122b)의 주점 A과의 거리 d보다 마이크로렌즈의 초점거리 f를 크게 설정한다. 그러므로, 마이크로렌즈로부터 출사한 R광은 초점을 맺기 전의 아직 완전하게는 수속되어 있지 않은 상태로 화소전극(121R)을 통과하도록 되어 있다. 다른 광에 대해서도 동일하다.

본 실시의 형태에서는, 도 2의 경우와 동일하게, 마이크로렌즈의 초점위치를 화소전극상에서가 아닌 화소기판(121)상에 설정하도록 하고 있으므로, 화소피치의 축소에 따라서 마이크로렌즈어레이(122b)와 화소기판(121)과의 거리 d를 축소한 경우에도, 마이크로렌즈의 초점거리를 d보다 크게 취할 수 있다. 따라서, 이 경우의 확산각 ø_R은, 마이크로렌즈의 초점위치를 화소전극상에 설정한 경우(도면 중의 파선)의 확산각 ø_R＇보다 작아지고, 결과로서 LCD패널로부터의 출사각도 또 작아진다. 그러므로, 각 색광을 스크린상에 합성하기 위한 투영렌즈(도시하지 않음)의 F치를 그다지 작게 할 필요가 없어져, 제작코스트의 저감이 가능해진다.

예를 들면, 화소피치 p를 32μm, 마이크로렌즈의 공기중에서의 초점거리를 180μm, 마이크로렌즈의 주점 A으로부터 화소전극까지의 거리 d를 135μm로 하면, 마이크로렌즈의 초점위치는, 화소전극(121R) 등으로부터 유리기판(121a)내에 128μm들어온 곳으로 된다. 이 경우, LCD패널로부터의 최대출사각은 LCD패널의 법선에 대하여 약 13.8°(＋／－8°의 발산각을 가진 광을 입사한 경우)로 되고, 투영렌즈의 F치는 2.3정도로 된다. 한편, 종래와 같은 화소상에 초점을 맺도록 설정한 경우는, 최대출사각이 18.1°로 되고, 투영렌즈의 F치를 2.3보다 작게 설계하지 않으면 안된다. 따라서, 본 실시의 형태의 구성에 의하면, 종래에 비해 제작이 용이하고 염가의 투영렌즈를 사용할 수 있게 되어, 장치전체로서의 코스트저감이 가능해진다.

이상, 실시의 형태를 들어 본 발명을 설명하였지만, 본 발명은 이 실시의 형태에 한정되는 것은 아니고, 그 균등의 범위에서 여러가지 변형가능하다. 예를 들면, 상기의 각 실시의 형태에서는, 화소전극을 구동하는 TFT는 화소기판의 측에 배치하도록 했지만, 이것을 대향기판측에 배치하도록 해도 된다. 또, 도 1 및 도 2에 나타낸 실시의 형태에서는, 중심광에 대하여 다른 2색광의 입사각을 동일하게 θ로 했지만, 이들 입사각을 상이하도록 구성해도 된다. 단, 이 경우에는 대응하는 화소피치도 변화시킬 필요가 있다.

또, 도 4에 나타낸 실시의 형태에서는, 컬러필터(122d)는 커버유리기판(122c)의 광출사측에 배치하도록 하였지만, 광입사측(마이크로렌즈측)에 배치하도록 해도 된다. 또한, 컬러필터를 생략하여 모노크로타입의 액정표시장치로 하는 것도 가능하다. 또한, 3판방식의 프로젝터나 프로젝션TV와 같이, B, R, G의 각 광로마다에 배치한 모노크로액정패널에 마이크로렌즈를 탑재하여 더욱 고휘도화를 도모한 시스템에 있어서도 본 발명은 적용가능하다.

액정패널을 확대투영하여 컬러의 대화면을 얻는 표시방식으로서는 단판식과, 도 6에 나타낸 바와 같이 RGB 3매를 사용하는 3판식이 있다. 단판식은, 컬러필터를 설치한 1매의 패널을 사용하는 방식이고, 3판식은 도 1에 나타낸 바와 같이 RGB의 3원색으로 분리한 광을 액정패널의 표시도트에 집광하여 컬러화상을 재생하는, 컬러필터를 사용하지 않는 방식이 있다. 즉, RGB의 3원색에 대하여 각각 전용으로 액정패널을 가지고, 각 액정패널에서 변조된 광을 합성하여 1개의 투사렌즈로 스크린상에 투영한다.

이 광의 합성을 다이크로익프리즘으로 행하는 방식을 도 6에 나타낸다. 광원(60)으로부터의 광은 간섭필터(61)를 통한다. 다이크로익미러(62B)는 B의 광만이 반사되어 액정패널(63B)을 향하여 90도 방향 바꾸고, 다른 광 R, G은 투과한다. 투과한 광은 다이크로익미러(62G)에 입사되고, 여기서는 G의 광만이 액정패널(63G)을 향하여 반사되고, R광은 미러(67)에 의하여 액정패널(63R)을 향하여 투과한다. 이와 같이 R, G, B로 분광된 각각의 광은 3매의 액정패널(63R,63G,63B)에 입사된다. 각 패널에서는 각 색에 대응한 영상이 각각 재생되고, 입사광은 여기서 각 색마다 변조를 받은 후, 다이크로익프리즘(64)에 3방향으로부터 입사된다. 다이크로익프리즘(64)에서 각 색의 합성이 행해진다. 그 후 투사렌즈(65)로 스크린(66)상에 투영된다. 이와 같은 투사표시장치에 있어서의 액정패널에 있어서는, 1화소마다에 마이크로렌즈와 화소전극이 대응하도록 구성되어 있다. 그와 같은 액정패널에 있어서도, 마이크로렌즈의 초점을 화소기판내에 맺도록 구성하면, 투영렌즈의 F치를 크게 하고 투영렌즈의 설계를 간단히 하여 저코스트화를 도모할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 패널에서는, 마이크로렌즈의 초점거리를 마이크로렌즈어레이와 화소기판과의 거리보다 길게 설정하는 동시에, 각 마이크로렌즈로 집광된 광이 화소기판의 내부에서 초점을 맺도록 구성했으므로, 합초후의 확산각을 작게할 수 있다. 그러므로, LCD패널로부터의 최대출사각을 작게 억제할 수 있고, 후단의 투영렌즈로서 F치가 큰 것을 사용했다고 해도, 색불균일이나 휘도불균일의 원인으로 되는 광속의 이클립스가 일어나는 일이 없다. 따라서, 투영렌즈의 제작이 용이하게 되어 제작코스트를 억제할 수 있어, 장치전체로서 코스트를 저감할 수 있다고 하는 효과가 있다.

Claims (10)

1. 매트릭스형으로 배열된 화소전극을 가지는 제1의 기판과,

   상기 제1의 기판에 대향하여 배치되고, 투명기판과, 상기 화소전극에 대향하도록 배치된 대향전극과, 상기 투명기판과 대향전극과의 사이에 배치된 마이크로렌즈어레이를 가지는 제2의 기판과,

   상기 제1 및 제2의 기판간에 협지된 액정층과로 이루어지고,

   상기 마이크로렌즈어레이의 각 마이크로렌즈는, 상기 마이크로렌즈어레이와 상기 제1의 기판과의 거리보다 길게 설정된 초점거리를 가지고, 각 마이크로렌즈로 집광된 광이 상기 화소전극을 투과하여 상기 제1의 기판의 내부에 초점을 맺도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 액정패널.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 각 마이크로렌즈는, 상기 제1의 기판의 각 화소전극마다 대향배치되어 있는 것을 특징으로 하는 액정패널.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 대향전극과 상기 마이크로렌즈와의 사이에 컬러필터를 가지는 것을 특징으로 하는 액정패널.
4. 청구항 1에 있어서, 상기 각 마이크로렌즈는, 복수의 화소전극마다 대향배치되어 있는 것을 특징으로 하는 액정패널.
5. 광원과,

   상기 광원의 출사광을 파장역(波長域)이 서로 상이한 복수개의 광속(光束)으로 분할하는 수단과,

   분할된 각 광속이 조사(照射)되는 액정패널로서, 이 액정패널은 매트릭스형으로 배열된 화소전극을 가지는 제1의 기판과, 상기 제1의 기판에 대향하여 배치되고, 투명기판과, 상기 화소전극에 대향하도록 배치된 대향전극과, 상기 투명기판과 대향전극과의 사이에 배치된 마이크로렌즈어레이를 가지는 제2의 기판과, 상기 제1 및 제2의 기판사이에 협지된 액정층과로 이루어지고, 상기 마이크로렌즈어레이의 각 마이크로렌즈는, 상기 마이크로렌즈어레이와 상기 제1의 기판과의 거리보다 길게 설정된 초점거리를 가지고, 각 마이크로렌즈로 집광된 광이 상기 화소전극을 투과하여 상기 제1의 기판의 내부에 초점을 맺도록 구성되어 있는 액정패널과,

   상기 액정패널을 투과하고 또한 변조된 각 광속을 표시화면상에 합성하는 수단과

   로 이루어지는 것을 특징으로 하는 투사형 표시장치.
6. 청구항 5에 있어서, 상기 각 마이크로렌즈는, 상기 제1의 기판의 복수의 화소전극마다 대향배치되어 있는 것을 특징으로 하는 투사형 표시장치.
7. 청구항 5에 있어서, 상기 분할수단은 다이크로익미러, 홀로그램소자, 회절격자, 프리즘의 어느 하나로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 투사형 표시장치.
8. 광원과,

   상기 광원의 출사광을 파장역이 서로 상이한 복수개의 광속으로 분할하는 수단과,

   상기 광속분할수단으로부터의 각 출력광이 각각 조사되는 복수의 액정패널로서, 각각의 액정패널은 매트릭스형으로 배열된 화소전극을 가지는 제1의 기판과, 상기 제1의 기판에 대향하여 배치되고, 투명기판과, 상기 화소전극에 대향하도록 배치된 대향전극과, 상기 투명기판과 대향전극과의 사이에 배치된 마이크로렌즈어레이를 가지는 제2의 기판과, 상기 제1 및 제2의 기판간에 협지된 액정층과로 이루어지고, 상기 마이크로렌즈어레이의 각 마이크로렌즈는, 상기 마이크로렌즈어레이와 상기 제1의 기판과의 거리보다 길게 설정된 초점거리를 가지고, 각 마이크로렌즈로 집광된 광이 상기 화소전극을 투과하여 상기 제1의 기판의 내부에 초점을 맺도록 구성되어 있는 액정패널과,

   각 액정패널로부터의 출력광을 표시화면상에 합성하는 수단과

   로 이루어지는 것을 특징으로 하는 투사형 표시장치.
9. 청구항 8에 있어서, 상기 각 마이크로렌즈는, 상기 제1의 기판의 각 화소전극마다 대향배치되어 있는 것을 특징으로 하는 투사형 표시장치.
10. 청구항 8에 있어서, 상기 복수의 액정패널은 RGB의 3원색이 각각 입사(入射)되는 패널인 것을 특징으로 하는 투사형 표시장치.