JP2000131507A

JP2000131507A - レンズアレイ板、ライトバルブ装置、投写型表示装置およびビューファインダ装置

Info

Publication number: JP2000131507A
Application number: JP10306043A
Authority: JP
Inventors: Yoshito Miyatake; 義人宮武
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1998-10-27
Filing date: 1998-10-27
Publication date: 2000-05-12

Abstract

(57)【要約】【課題】装置全体がコンパクトで光出力の大きい投写
型表示装置を実現するためのライトバルブ装置を提供す
る。【解決手段】ライトバルブの入射側に、中央部が正屈
折力を生起する球面５９で、周囲部が球面５９と滑らか
に接続される円錐面６１である複数のレンズ素子を正方
配列したレンズアレイ板を配置する。球面５９の焦点は
ライトバルブの画素の出射側に位置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、複数のレンズ素子
がマトリックス状に配列されたレンズアレイ板、そのレ
ンズアレイ板を用いたライトバルブ装置、そのライトバ
ルブ装置を用いた投写型表示装置およびビューファイン
ダ装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】大画面映像を得るために、ライトバルブ
に映像信号に応じた光学像を形成し、その光学像に光を
照射し投写レンズによりスクリーン上に拡大投写する方
法が従来よりよく知られている。最近では、ライトバル
ブとして液晶パネルを用いる投写型表示装置が注目され
ている（例えば、特開昭６２−１３３４２４号公報）。
液晶パネルは、高画質の投写画像を得るために、液晶材
料としてツイストネマティック（ＴＮ）液晶を用い、各
画素にスイッチング素子としてＴＦＴを設けたアクティ
ブマトリックス型を用い、赤用、緑用、青用として３枚
の液晶パネルを用いるのが主流となりつつある。

【０００３】ところで、ＴＦＴ液晶パネルは、ＴＦＴと
配線とを遮光するためにブラックマトリックスが設けら
れている。そのため、画素開口率（表示領域の全面積に
対するブラックマトリックスの開口部すべての面積の
比）が低く、その分だけ投写型表示装置の光出力が小さ
くなるという問題がある。この問題は、液晶パネルの画
素数が多くなり、画素密度が高くなるにつれて深刻な問
題となる。この問題を解決するために、液晶パネルの入
射側にレンズアレイ板を近接配置することにより光出力
を向上させる方法が提案されている（例えば特開平１−
１８９６８５号公報、特開平２−２６２１８５号公報な
ど）。また、液晶パネルの表示領域が小さく、画素数が
多い場合には、レンズアレイ板の各レンズ素子の焦点距
離を短くする必要があり、液晶パネルの入射側ガラス基
板を薄くする必要があるため、入射側ガラス基板の内部
にレンズ素子を配置する方法が提案されている（特開平
２−３０２７２６号公報）。

【０００４】ＴＦＴ液晶パネルとレンズアレイ板とを組
み合わせたライトバルブ装置の構成を図１１に示す。Ｔ
ＦＴ液晶パネル１１の入射側にレンズアレイ板１２が配
置されている。

【０００５】液晶パネル１１は、２枚のガラス基板１
３，１４と周辺部のシール樹脂により密閉空間を形成
し、内部にＴＮ液晶１５を封入したものである。入射側
ガラス基板１３の液晶層１５側には透明導電性膜による
共通電極１６が設けられ、出射側ガラス基板１４の液晶
層１５側には透明導電性膜による画素電極１７が正方配
列で形成され、各画素電極１７の近傍にはスイッチング
素子としてＴＦＴ１８が形成されている。共通電極１６
と画素電極１７の上には、ＴＮ液晶を所定の状態に配向
するために配向膜（図示せず）が形成されている。液晶
パネルには強烈光が入射するが、この強烈光によるＴＦ
Ｔ１８の誤動作を防ぐために、入射側ガラス基板１３の
液晶層１５側にＴＦＴ１８と配線とを遮光する金属薄膜
によるブラックマトリックス２１が形成されている。ブ
ラックマトリックス２１の開口部が画素２２となる。Ｔ
ＦＴ１８を介して各画素２２の液晶層に信号電圧を印加
すると、液晶層１５に旋光性の変化として光学像が形成
される。

【０００６】レンズアレイ板１２は、ガラス基板２３の
上に薄い樹脂層２４を形成し、樹脂層２４の表面２６に
外側に凸面を向けた複数のレンズ素子２５を正方配列で
形成したものである。レンズ面２６は球面である。

【０００７】レンズアレイ板１２は、レンズ素子２５の
光軸２７が液晶パネル１１の画素２２の中心（面積中
心；したがって、断面では、図１１のように、画素２２
の断面中心と光軸２７とがずれる場合がある。）を通る
ように、接着剤２８により液晶パネル１１の入射側ガラ
ス基板１３に接着されている。接着剤２８の屈折率は樹
脂層２４の屈折率より低く、レンズ面２６は正屈折力を
生じる。各レンズ素子２５の焦点は、画素２２の中心近
傍に位置するように構成されている。

【０００８】レンズアレイ板１２の入射側と液晶パネル
１１の出射側には、それぞれ吸収軸を所定の方向に向け
て偏光板（図示せず）が配置される。２枚の偏光板は、
液晶層１５の旋光性の変化を透過率の変化に変換する。
こうして、ライトバルブ装置に透過率の変化として光学
像が形成される。

【０００９】図１２に示すように、光源３２から出射し
た光が光源３２の光軸３３上に位置するレンズ素子２５
に入射すると、レンズ素子２５の焦点２９上に光源３２
に対応する実像３４が形成される。光束径は焦点２９の
位置で最小になる。実像３４の大きさが画素２２の大き
さより小さければ、レンズ素子２５から出射した光がす
べて画素２２を通過する。レンズアレイ板１２を用いな
い場合には画素２２を通過しない光も、レンズアレイ板
１２を用いることにより画素２２を通過するので、液晶
パネル１１から出射する光の光量が増大する。投写レン
ズが画素２２を通過した光を取り込むことができれば、
投写型表示装置の光出力を向上させることができる。光
出力の増大は、液晶パネル１１の実際の開口率に比べて
実効開口率が高くなることを意味する。

【００１０】レンズ素子２５の焦点が画素２２の出射側
に位置する従来例もある。この場合も、レンズアレイ板
２５を用いない場合に比べて、レンズアレイ板２５を用
いることによりレンズ素子２５を出射して画素２２を通
過する光の光量を増大させることができる。この場合
も、投写レンズが画素２２を通過した光を取り込めるこ
とが必要である。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】図１２から分かるよう
に、レンズアレイ板１２を通過した光の拡がり角は、照
明光の拡がり角よりも大きくなる。そのため、液晶パネ
ル１１にレンズアレイ板１２を組み合わせて投写型表示
装置の光出力を向上させるには、投写レンズはレンズ素
子２５から出射する光をすべて取り込めるようにＦ値を
小さくする必要がある。また、液晶パネルを３枚用いる
場合には、液晶パネルと投写レンズとの間に色合成光学
系を配置する必要があるが、液晶パネルから出射する光
の拡がり角が大きくなると色合成光学系の光路長を長く
する必要があり、この光路長の増大に伴って投写レンズ
のバックフォーカスを長くする必要がある。投写レンズ
のＦ値を小さくし、バックフォーカスを長くしようとす
ると、投写レンズがかなり大きくなり、投写型表示装置
が大きくなるという問題を生じる。

【００１２】特に、ライトバルブ装置の画素が正方配列
の場合、図１３に示すように、各レンズ素子２５の有効
領域を正方形とするのがよいが、これが投写レンズのＦ
値に重大な影響を与えるので、この点について説明す
る。

【００１３】図１４に示すように、光源３２から出射し
た光が光源３２の光軸３３上に位置するレンズ素子２５
に入射する場合を考える。レンズ素子２５の光軸２７を
含み画面垂直方向の平面内で光線が進む様子を図１４
(ａ)に、レンズ素子２５の光軸２７を含み対角線方向の
平面内で光線が進む様子を図１４(ｂ)に示す。ここで
は、光源としてランプと凹面鏡とを組み合わせたものを
用いることを考慮して、光源３２の出射光の有効領域は
円とする。また、レンズ素子２５を薄肉レンズとし、レ
ンズ素子２５の出射側は空気と仮定する。

【００１４】図１４(ａ)に示すように、レンズ素子２５
の光軸を含み画面垂直方向の平面内において、レンズ素
子２５からの出射光線のうち傾斜角（光線とレンズ素子
の光軸とのなす角）が最大のものは、光源３２の縁３６
から出射し、レンズ素子２５の有効領域３５の境界をな
す正方形の各辺の中心３７に入射する光線３８である。
また、図１４(ｂ)に示すように、対角線方向の平面内に
おいて、レンズ素子２５からの出射光線のうち傾斜角が
最大のものは、光源３２の縁３６を出射し、レンズ素子
２５の有効領域３５の境界をなす正方形の頂点３９に入
射する光線４０である。光線４０に対応する出射光線４
１の傾斜角は、光線３８に対応する出射光線４２の傾斜
角の約１．４倍とかなり大きくなる。

【００１５】図１３に示したように、レンズ素子２５の
正方形有効領域３５の面積に対して、その内接円４３の
面積の比は７８．５％、内接円４３と正方形３５の間の
領域の面積の比は２１．５％である。レンズ素子２５の
有効領域３５の内接円４３から出射する光だけを利用す
る場合と、有効領域３５全体から出射する光を利用する
場合を比較すると、後者の光出力は前者の光出力の１．
２７倍であるのに、後者の投写レンズに必要なＦ値は前
者のそれの１／１．４倍となる。これは、後者の投写レ
ンズは、外形が極端に大きくなり、コストも非常に高く
なってしまうことを意味している。そのため、画素が正
方配列された液晶パネルにレンズアレイ板を組み合わせ
て投写型表示装置の光出力を増大しようとすると、装置
全体が大きくなり、非常にコスト高になるという問題を
生じる。

【００１６】また、ビデオカメラは、全体を小型軽量に
して可搬性を良好にするために、ビューファインダに液
晶パネルが用いられるようになった。ビューファインダ
を小型軽量にし、液晶パネルに高画質の画像を表示する
には、液晶パネルの表示画面サイズを小さくし、画素数
を多くする必要がある。つまり、液晶パネルの画素ピッ
チを小さくする必要がある。そうすると、液晶パネルの
開口率が小さくなるので、表示画像は暗くなる。表示画
像を明るくするには、明るい光源を用いるとよいが、光
源の消費電力が大きくなり、１回の電池充電における連
続使用時間が短くなるという問題を発生する。

【００１７】本発明は、上述したこのような従来のレン
ズアレイ板、ライトバルブ装置、投写型表示装置および
ビューファインダ装置が有する課題を考慮して、出射光
の最大傾斜角が極端に大きくならないレンズアレイ板を
提供することを目的とするものである。また、このレン
ズアレイ板を備えることによって、出射光の最大傾斜角
が極端に大きくならずに実効開口率を大きくできるライ
トバルブ装置を提供することを目的とするものである。
さらに、このライトバルブ装置を備えることによって、
コンパクトで光出力の大きい投写型表示装置および低消
費電力で表示画像の明るいビューファインダ装置を提供
することを目的とするものである。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、第１の本発明（請求項１に記載の本発明に対応）
は、マトリックス状に配列された複数のレンズ素子を備
え、前記レンズ素子の有効領域が、正方形状または長方
形状であり、前記各レンズ素子のレンズ面が、前記レン
ズ面の中央部に配置された、正屈折力を生起する球面ま
たは回転対称非球面と、その周囲に配置された、正屈折
力を生起する円錐面とで構成され、前記レンズ素子毎の
前記球面または前記回転対称非球面と前記円錐面との境
界が、一つの円の円周または一つの円の円周の一部を構
成する１つもしくは複数の円弧であり、前記球面または
前記回転対称非球面と前記円錐面とが、滑らかに接続さ
れていることを特徴とするレンズアレイ板である。

【００１９】第２の本発明（請求項４に記載の本発明に
対応）は、本発明のレンズアレイ板と、前記各レンズ素
子に対応する複数の画素がマトリックス状に配列された
ライトバルブとを備え、前記レンズアレイ板が、前記ラ
イトバルブの入射側に配置され、前記各レンズ素子の光
軸が、それに対応する前記画素の中心を通ることを特徴
とするライトバルブ装置である。

【００２０】第３の本発明（請求項７に記載の本発明に
対応）は、光源と、前記光源から放射される光を映像信
号に応じて光学像として出射する本発明のライトバルブ
装置と、前記ライトバルブ装置から出射された前記光学
像をスクリーン上に拡大投写する投写レンズとを備える
ことを特徴とする投写型表示装置である。

【００２１】第４の本発明（請求項８に記載の本発明に
対応）は、光源と、前記光源から放射される光を映像信
号に応じて光学像として出射する本発明のライトバルブ
装置と、前記ライトバルブ装置から出射された前記光学
像を観察可能にする接眼レンズとを備えることを特徴と
するビューファインダ装置である。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照して説明する。

【００２３】（第１の実施の形態）まず、本発明の第１
の実施の形態を図面を参照して説明する。

【００２４】図１、図２は、本発明の第１の実施の形態
におけるレンズアレイ板の概略構成を示したものであ
り、図１は平面図、図２は対角線方向断面図である。図
１、図２において、５１はガラス基板、５２は樹脂層、
５３はレンズ素子、５４は接着剤、５５はガラス基板、
５９は球面、６１は円錐面である。

【００２５】本実施の形態におけるレンズアレイ板は、
ガラス基板５１の上に薄い樹脂層５２を形成し、樹脂層
５２の表面に外側に凸面を向けた複数のレンズ素子５３
を正方配列で形成し、さらにその上に接着剤５４により
薄いガラス基板５５を接着したものである。

【００２６】レンズ素子５３の有効領域５６の境界５７
は正方形である。レンズ素子５３のレンズ面は、中央部
５８が球面５９であり、周辺部６０が円錐面６１であ
り、球面５９と円錐面６１とが滑らかに接続されてい
る。球面５９と円錐面６１との境界６２は円であり、こ
の境界円６２は有効領域５６の境界５７に内接してい
る。レンズ素子５３の光軸６３は有効領域５６の中心を
通っている。

【００２７】レンズアレイ板の全有効領域の寸法は、水
平２６．６２ｍｍ×垂直１９．９７ｍｍ、レンズ素子５
３の数は、水平１０２４×垂直７６８、レンズ素子５３
のピッチは、水平２６μｍ×垂直２６μｍ、レンズ素子
５３の有効領域５６は、水平２５μｍ×垂直２５μｍで
ある。光軸６３上で見て、ガラス基板５１の厚さは、
１．０ｍｍ、樹脂層５２の厚さは、１３μｍ、接着剤５
４の厚さは、６μｍ、ガラス基板５５の厚さは、７７μ
ｍである。球面５９の曲率半径は、２４μｍ、樹脂層５
２の屈折率は、１．５９、接着剤５４の屈折率は、１．
３８である。また、レンズ素子５３の焦点距離は、１１
４μｍである。

【００２８】図１、図２に示したレンズアレイ板は、次
のようにして作成される。両面が研磨された面精度の良
好はガラス基板５１の上に紫外線硬化樹脂を塗布し、そ
の上に所定の形状を有する型を重ね、ガラス基板５１側
から紫外線を照射して紫外線硬化樹脂を硬化させて樹脂
層５２の外面を形成する。次に、樹脂層５２の上に紫外
線硬化接着剤を塗布し、その上に厚さ０．７ｍｍのガラ
ス基板を重ねて、ガラス基板５５側から紫外線を照射し
て紫外線硬化接着剤を硬化させる。最後に、ガラス基板
５５の外面を研削、研磨して、面精度の良好な面で、レ
ンズアレイ板全体の厚さが１．１ｍｍとなるように仕上
げる。

【００２９】図１、図２に示したレンズアレイ板の作用
について説明する。

【００３０】図３に示すように、円板状の光源６４から
出射した光が光源６４の光軸６５上に位置するレンズ素
子５３に入射する場合を考える。レンズ素子５３は薄肉
レンズとし、レンズ素子の出射側は空気と仮定する。レ
ンズ素子５３の光軸を含み画面垂直方向の平面内で光線
が進む様子を図３(ａ)に、レンズ素子５３の光軸６３を
含み対角線方向の平面内で光線が進む様子を図３(ｂ)に
示す。

【００３１】画面垂直方向の平面内で見ると、図３(ａ)
に示すように、光源６４から出射してレンズ素子５３に
入射する光線は、球面５９に入射するため、焦点６６の
近傍に円形の光源像６７を形成する。レンズ素子５３か
ら出射する光線のうち傾斜角が最大のものは、光源６４
の縁６８から出射してレンズ素子５３の境界円６２上の
点６９に入射する光線７０により生じる光線７１であ
る。

【００３２】対角線方向の面内で見ると、図３(ｂ)に示
すように、光源６４から出射してレンズ素子５３の球面
５９に入射する光は焦点６６の近傍に光源像６７を形成
する。レンズ素子５３の球面５９から出射する光線のう
ち傾斜角が最大のものは、光源６４の縁７２から出射し
てレンズ素子５３の境界円６２上の点７３に入射する光
線７４により生じる出射光線７５である。光源６４の縁
７２から出射してレンズ素子５３の円錐面６１上の任意
の点に入射する光線７６により生じる出射光線７７は、
光源６４からレンズ素子５３までの距離がレンズ素子５
３のピッチに比べて十分に長いため、光線７５とほぼ平
行に進む。従って、レンズ素子５３の円錐面６１から出
射する光線の傾斜角の最大値は、光線７５の傾斜角とほ
ぼ等しくなり、周辺部６０が球面の場合の出射光線の傾
斜角の最大値より小さくなる。

【００３３】焦点６６上における光束の断面形状は、球
面５９だけから出射する光では図４に示すような円７８
となり、球面５９と円錐面６１とから出射する光では図
４に示すような円７８に外接する糸巻き形７９となる。
レンズ素子５３から焦点６６までの空間の光束の断面形
状も糸巻き形となる。

【００３４】以上のように、本発明のレンズアレイ板
は、レンズ素子５３から焦点６６までの空間における光
束の断面形状が糸巻き形となり、レンズ面全体が球面の
場合に比べて光線傾斜角の最大値が小さくなる。レンズ
アレイ板と組み合わせるライトバルブの画素が正方形状
の場合には、レンズ素子５３から焦点６６まで空間の光
束の断面形状が糸巻き形でも、レンズ素子５３から出射
した光が画素の四隅を通過するので、ライトバルブ装置
の実効開口率は高くできる。レンズ素子からの出射光線
の最大傾斜角が小さいため、投写レンズのＦ値を極端に
小さくしなくてもよく、投写レンズの外形はそれほど大
きくならない。そのため、本発明のレンズアレイ板を用
いれば、コンパクトで光出力の大きい投写形表示装置を
提供することができる。

【００３５】なお、図１、図２に示したレンズアレイ板
は、収差を小さくするために、レンズ素子５３の球面５
９を回転対称非球面に置き換えてもよい。ただし、回転
対称非球面と円錐面とが滑らかに接続されるようする。
こうすると、焦点６６近傍の光源像６７を小さくするこ
とができる。

【００３６】図１には、レンズ素子５３の境界円６２が
有効領域５６の境界５７に接するようにした場合を示し
たが、境界円６２の直径をレンズ素子５３のピッチと同
一にしてもよく、あるいは、図５(ａ)、図５(ｂ)に示す
ように、境界円６２の直径が有効領域５６の幅に比べて
多少大きくても、逆に多少小さくても差し支えない。い
ずれの場合も、レンズ素子５３の境界円６２の中心は有
効領域５６の中心と一致させるのがよい。そうすれば、
レンズ素子５３から出射する光線の最大傾斜角を最小に
すると同時に、レンズ素子５３の焦点６６近傍における
光束径を最小にすることができる。いずれの場合も、コ
ンパクトで光出力の大きい投写型表示装置を提供するこ
とができる。

【００３７】また、レンズ素子の有効領域が長方形状で
あってもよい。ただし、この場合でも、レンズ素子毎の
球面または回転対称非球面と円錐面との境界が、一つの
円の円周または一つの円の円周の一部を構成する１つも
しくは複数の円弧である必要がある。

【００３８】本発明のレンズアレイ板は、少なくともガ
ラス基板５１の上に複数のレンズ素子５３を形成したも
のである。従って、図１、図２に示したようなガラス基
板５１、樹脂層５２、接着剤５４、ガラス基板５５で構
成したものに限らず、ガラス基板５１、樹脂層５２、接
着剤５４で構成したものであってもよい、また、ガラス
基板５１樹脂層５２で構成したものであってもよい。要
するに、本発明のレンズアレイ板は、マトリックス状に
配列された複数のレンズ素子を備え、前記レンズ素子の
有効領域が、正方形状または長方形状であり、前記各レ
ンズ素子のレンズ面が、前記レンズ面の中央部に配置さ
れた、正屈折力を生起する球面または回転対称非球面
と、その周囲に配置された、正屈折力を生起する円錐面
とで構成され、前記レンズ素子毎の前記球面または前記
回転対称非球面と前記円錐面との境界が、一つの円の円
周または一つの円の円周の一部を構成する１つもしくは
複数の円弧であり、前記球面または前記回転対称非球面
と前記円錐面とが、滑らかに接続されているものであり
さえすればよい。

【００３９】（第２の実施の形態）次に、本発明の第２
の実施の形態について、図面を参照して説明する。本実
施の形態におけるレンズアレイ板が上述した第１の実施
の形態におけるレンズアレイ板と異なるのは、レンズ面
の向きと屈折率に関する点のみであり、それ以外は、第
１の実施の形態と同様である。したがって、本実施の形
態において、特に説明のないものについては、第１の実
施の形態と同じとし、第１の実施の形態と同じ呼称の構
成部材については、特に説明のない限り、第１の実施の
形態と同様の機能を持つものとする。

【００４０】図６は、本発明の第２の実施の形態におけ
るレンズアレイ板の対角線方向の概略断面構成を示した
ものであり、８１はガラス基板、８２は樹脂層、８３は
レンズ素子、８４は接着剤、８５はガラス基板である。

【００４１】図６に示したレンズアレイ板は、図１、図
２に示したレンズアレイ板のレンズ面の向きを逆にし、
樹脂層８２の屈折率に比べて接着剤８４の屈折率を高く
したものである。レンズ素子８３のレンズ面は、中央部
８８では球面８９、周辺部９０では円錐面９１で、球面
８９と円錐面９１とは滑らかに接続されている。

【００４２】図６に示したレンズアレイ板も、図１、図
２に示したものと同様の作用が得られ、コンパクトで光
出力の大きい投写型表示装置を提供することができる。

【００４３】（第３の実施の形態）次に、本発明の第３
の実施の形態について、図面を参照して説明する。本実
施の形態におけるライトバルブ装置は、上述した第１の
実施の形態におけるレンズアレイ板のガラス基板５５の
替わりに液晶パネルを接着して構成されたものである。
したがって、本実施の形態において、特に説明のないも
のについては、第１の実施の形態と同じとし、第１の実
施の形態と同じ呼称の構成部材については、特に説明の
ない限り、第１の実施の形態と同様の機能を持つものと
する。

【００４４】図７は、本発明の第３の実施の形態におけ
るライトバルブ装置の構成を示したものであり、１０１
は液晶パネル、１０２はレンズアレイ板、１０３は接着
剤である。

【００４５】ライトバルブ装置は、液晶パネル１０１の
入射側にレンズアレイ板１０２を接着剤１０３により接
着したものである。

【００４６】液晶パネル１０１は、２枚のガラス基板１
０４，１０５の間にＴＮ液晶１０６を封入したものであ
る。出射側ガラス基板１０５の液晶層１０６側には、透
明導電性膜による画素電極１０７が正方配列で形成さ
れ、各画素電極１０７の近傍にはスイッチング素子とし
てＴＦＴ１０８が設けられている。隣接する画素電極１
０８の間には信号線と走査線が形成され、各ＴＦＴ１０
８は、ソース電極が信号線に接続され、ゲート電極が走
査線に接続され、ドレイン電極が画素電極１０７に接続
されている。入射側ガラス基板１０４の液晶層１０６側
には、ＴＦＴ１０８、信号線、走査線を遮光するため
に、図８に示すような金属薄膜によるブラックマトリッ
クス１１４が形成され、その上に透明導電性膜による共
通電極１１５が形成されている。ブラックマトリックス
１１４の各開口部は正方形状であり、この開口部が画素
１１６となる。画素電極１０７と共通電極１１５の上に
は配向膜（図示せず）が塗布され、液晶分子を所定の状
態に配向させるためにラビングされる。液晶パネル１０
１は、表示領域の寸法が水平２６．６２ｍｍ×垂直１
９．９７ｍｍ、画素数が水平１０２４×垂直７６８、画
素ピッチが水平２６μｍ×垂直２６μｍであり、画素１
１６の有効領域の寸法は水平１９μｍ×垂直１９μｍ、
開口率は５１％である。

【００４７】ガラス基板１１９、樹脂層１２０および接
着剤１０３の構成は、図１、図２に示したレンズアレイ
板のガラス基板５１、樹脂層５２および接着剤５４の構
成と全く同一である。すなわち、レンズアレイ板１０２
は、ガラス基板１１９の出射側面に薄い樹脂層１２０を
形成し、その表面１２１に外側に凸面を向けた複数のレ
ンズ素子１２２を正方配列で形成したものである。レン
ズ素子１２２は有効領域の境界が正方形である。レンズ
素子１２２のレンズ面は、中央部１２５が球面１２６で
あり、周辺部１２７が円錐面１２８であり、球面１２６
と円錐面１２８とが滑らかに接続されている。球面１２
６と円錐面１２８との境界１２９は円であり、この境界
円１２９は有効領域境界５７に内接している。

【００４８】レンズアレイ板１０２は、各レンズ素子１
２２の光軸１３０は対応する各画素１１６の中心（面積
中心；したがって、断面では、図７のように、画素１１
６の断面中心と光軸１３０とがずれる場合がある。）を
通るように、液晶パネル１０１に接着剤１０３により接
着されている。各レンズ素子１２２の焦点は、画素の中
心近傍に位置する。

【００４９】レンズアレイ板１０２の入射側と液晶パネ
ル１０１の出射側には、それぞれ吸収軸を所定の方向に
向けて偏光板（図示せず）が配置される。信号供給回路
と走査回路により各画素１１６の液晶層１０６に電界を
加えると、電界に応じて液晶層１０６の旋光性が変化す
るので、液晶パネル１０１に映像信号に応じた旋光性の
変化として光学像が形成される。この光学像は、２枚の
偏光板により透過率の変化による光学像に変換される。

【００５０】図７に示したライトバルブ装置は、次のよ
うにして作成される。図１、図２を用いて説明した方法
で、ガラス基板１１９、樹脂層１２０、接着剤１０３、
ガラス基板１０４で構成されるレンズアレイ板を作成し
た後、ガラス基板１０４の上にブラックマトリックス１
１４を形成し、さらにその上に共通電極１１５を形成し
て、第１の基板を作成する。ガラス基板１０５の上にＴ
ＦＴ１０８、画素電極１０７等を形成して第２の基板を
作成する。第１の基板と第２の基板とを周辺部のシール
樹脂により間に薄い密閉空間が構成されるように貼り合
わせ、密閉空間にＴＮ液晶１０６を封入する。

【００５１】レンズアレイ板１０２の焦点距離をｆ、レ
ンズ素子１２２の頂点から画素１１６の中心までの空気
換算光路長をｓとすると、図７に示した構成では、ｆ＝
１１４μｍ、ｓ＝５７μｍであり、ｆ＝２ｓとなってい
る。

【００５２】ｆとｓの関係はｆ＝２ｓとするのが最も望
ましい。しかし、ｆ／ｓが１．５〜３の範囲であれば、
従来に比べて十分に実効開口率を高くすることができ
る。ｆ／ｓが１．５より小さい場合には投写レンズのＦ
値を小さくすることが困難となり、ｆ／ｓが３より大き
い場合には実効開口率を十分高くすることが困難とな
る。また、液晶パネルの画面サイズが大きく、照明光の
Ｆ値が十分に大きいために、投写レンズのＦ値を小さく
できる余裕がある場合には、ｆ＝ｓとしてもよい。

【００５３】図７に示したライトバルブ装置を投写型表
示装置に用いる場合、光源のＦ値をＦ_S、レンズアレイ
板１０２のレンズ素子１２２のＦ値をＦ_L、投写レンズ
のＦ値をＦ_Pとして、数１および数２の関係を満足する
ように構成するとよい。

【００５４】

【数１】

【００５５】

【数２】

【００５６】以上のように、球面と円錐面とを組み合わ
せた複数のレンズ素子を正方配列したレンズアレイ板を
用いた本発明のライトバルブ装置を用いると、前述した
レンズアレイ板の作用、効果により、コンパクトで従来
よりも光出力の大きい投写型表示装置を提供することが
できる。

【００５７】なお、本発明のライトバルブ装置は、本実
施の形態においては、第１の実施の形態におけるレンズ
アレイ板のガラス基板５５の替わりにＴＦＴ液晶パネル
を接着して構成されたものであるとして説明したが、こ
れに限るものではなく、例えば、第２の実施の形態にお
けるレンズアレイ板のガラス基板８５の替わりに別の種
類の液晶パネルを接着して構成されたものであってもよ
い。要するに、本発明のライトバルブ装置は、本発明の
レンズアレイ板と、前記各レンズ素子に対応する複数の
画素がマトリックス状に配列されたライトバルブとを備
え、前記レンズアレイ板が、前記ライトバルブの入射側
に配置され、前記各レンズ素子の光軸が、それに対応す
る前記画素の中心を通るものでありさえすればよい。

【００５８】（第４の実施の形態）次に、本発明の第４
の実施の形態について、図面を参照して説明する。本実
施の形態における投写型表示装置は、上述した第３の実
施の形態におけるライトバルブ装置を備えるものであ
る。したがって、本実施の形態において、特に説明のな
いものについては、第３の実施の形態と同じとする。

【００５９】図９は、本発明の第４の実施の形態におけ
る投写型表示装置の構成を示したものであり、１４１は
光源、１４６，１４７はダイクロイックミラー、１４
９，１５０，１５５はフィールドレンズ、１５１，１５
３はリレーレンズ、１５６，１５７，１５８，１６２，
１６３，１６４は偏光板、１５９，１６０，１６１はラ
イトバルブ装置、１６５は色合成プリズム、１７２は投
写レンズである。

【００６０】光源１４１は、ランプ１４２と凹面鏡１４
３で構成されている。ランプ１４２はメタルハライドラ
ンプであり、３原色の色成分を含む光を放射する。凹面
鏡１４３は楕円面鏡である。ランプ１４２の放射光は、
凹面鏡１４３で反射して赤外光が除去された平行に近い
光となって出射する。

【００６１】光源１４１からの出射光に含まれる可視光
は、フィルタ１４４を透過し、コールドミラー１４５で
反射される。フィルタ１４４は、ガラス基板の上に可視
光を透過させ、赤外光と紫外光を反射する多層膜を蒸着
したものであり、コールドミラー１４５は、ガラス基板
の上に可視光を反射し、赤外光を反射する光学多層膜を
蒸着したものである。

【００６２】コールドミラー１４５で反射された光は、
青透過ダイクロイックミラー１４６に入射し、入射した
光のうち、青色光は透過し、赤色光と緑色光とは反射す
る。赤色光と緑色光とは緑反射ダイクロイックミラー１
４７に入射し、これらのうち、赤色光は透過し、緑色光
は反射する。青透過ダイクロイックミラー１４６を透過
した青色光は平面ミラー１４８で反射されて、フィール
ドレンズ１４９に入射し、緑反射ダイクロイックミラー
１４７によって反射された緑色光は直接フィールドレン
ズ１５０に入射する。緑反射ダイクロイックミラー１４
７を透過した赤色光は第１リレーレンズ１５１、平面ミ
ラー１５２、第２リレーレンズ１５３、平面ミラー１５
４を順に通過してフィールドレンズ１５５に入射する。
各フィールドレンズ１４９，１５０，１５５を出射した
光は、それぞれ入射側偏光板１５６，１５７，１５８を
透過して、対応するライトバルブ装置１５９，１６０，
１６１に入射する。

【００６３】ライトバルブ装置１５９，１６０，１６１
は、図７に示したものと同一であり、映像信号に応じて
旋光性の変化として光学像が形成される。フィールドレ
ンズ１４９，１５０，１５１は、ライトバルブ装置の周
辺部の画素に入射する主光線を液晶層と垂直にするため
に用いる。

【００６４】ライトバルブ装置１５９，１６０，１６１
の出射光は、出射側偏光板１６２，１６３，１６４を透
過して、色合成プリズム１６５に入射する。色合成プリ
ズム１６５は、４つの三角プリズムの斜面に赤反射ダイ
クロイック多層膜および青反射ダイクロイック多層膜を
着け、赤反射ダイクロイック多層膜と青反射ダイクロイ
ック多層膜とがＸ字に交差するように４つの三角プリズ
ムを接合したものである。色合成プリズム１６５に入射
した３つの原色光は、赤反射ダイクロイック多層膜と青
反射ダイクロイック多層膜により１つの光に合成され、
合成された光はＦ２．２でテレセントリックな投写レン
ズ１７２に入射する。

【００６５】こうして３つのライトバルブ装置１５９，
１６０，１６１に形成された光学像は、投写レンズ１７
２により離れて配置されるスクリーン上に拡大投写され
る。

【００６６】図８に示した投写型表示装置は、球面と円
錐面とを組み合わせたレンズ素子を正方配列したレンズ
アレイ板をライトバルブ装置と組み合わせるため、投写
レンズ１７２のＦ値を極端に小さくすることなくライト
バルブ装置の実効開口率を向上できるため、装置全体を
コンパクトにし、光出力を大きくすることができる。

【００６７】なお、本発明の投写型表示装置は、本実施
の形態においては、第３の実施の形態におけるライトバ
ルブ装置を備えるものであるとして説明したが、これに
限るものではなく、例えば、第３の実施の形態で変形例
として説明した、本発明のレンズアレイ板と別の種類の
液晶パネルとを備えるような本発明のライトバルブ装置
であってもよい。要するに、本発明の投写型表示装置
は、光源と、前記光源から放射される光を映像信号に応
じて光学像として出射する本発明のライトバルブ装置
と、前記ライトバルブ装置から出射された前記光学像を
スクリーン上に拡大投写する投写レンズとを備えるもの
でありさえすればよい。

【００６８】（第５の実施の形態）次に、本発明の第５
の実施の形態について、図面を参照して説明する。本実
施の形態におけるビューファインダ装置は、上述した第
３の実施の形態におけるライトバルブ装置と基本的な構
成が同じものを備えるものである。したがって、本実施
の形態において、特に説明のないものについては、第３
の実施の形態と同じとする。

【００６９】図１０は、本発明の第５の実施の形態にお
けるビューファインダ装置の構成を示したものであり、
１８２，１８３，１８４はＬＥＤ、１８５は色合成プリ
ズム、１９１は集光レンズ、１９２はライトバルブ装
置、１９７は接眼レンズ、１９８は筐体である。

【００７０】それぞれ赤色光、緑色光、青色光を放射す
る３個のＬＥＤ１８２，１８３，１８４と色合成プリズ
ム１８５で光源が構成されている。各ＬＥＤ１８２，１
８３，１８４は、いずれも半導体チップの直後に正レン
ズ素子を組み合わせて指向性を狭くしたものである。色
合成プリズム１８５は、３個のプリズム１８６，１８
７，１８８を組み合わせたものであり、隣接するプリズ
ムの間に緑反射ダイクロイック多層膜、赤反射ダイクロ
イック多層膜が挟まれるように構成されている。３個の
ＬＥＤ１８２，１８３，１８４から出射する光は、いず
れも色合成プリズム１８５によりプリズム１８６から出
射し、集光レンズ１９１によりさらに指向性が狭めら
れ、ライトバルブ装置１９２に入射する。

【００７１】ライトバルブ装置１９２は、図７に示した
ライトバルブ装置において、表示領域の寸法を水平１
６．６４ｍｍ×垂直１２．４８ｍｍに、画素数を水平６
４０×垂直４８０に変更し、応答速度の速い液晶を用い
たものであり、他は図７に示したものと全く同一であ
る。ライトバルブ装置１９２の入射側面と出射側面に
は、それぞれ吸収軸を所定の方向に向けて偏光板１９
３，１９４が貼付されている。

【００７２】ライトバルブ装置１９２から出射する光は
２枚のレンズ１９５，１９６を組み合わせた接眼レンズ
１９７に入射する。観察者が接眼レンズ１９７を覗く
と、ライトバルブ装置１９２上に形成される画像に対応
する拡大された虚像を観察することができる。光学系、
駆動回路は、すべて１つの筐体１９８に収納されてい
る。なお、筐体１９８は、レンズ１９５，１９６の光軸
方向にレンズ１９６を移動可能な構成となっており、視
度を調整できるようになっている。

【００７３】ライトバルブ装置１９２は、時分割駆動に
より映像信号に応じて赤、緑、青の光学像を順次形成
し、３個のＬＥＤ１８２，１８３，１８４はライトバル
ブ装置の駆動に同期して赤、緑、青の順に点灯するた
め、観察者はフルカラー画像を観察することができる。

【００７４】図１０に示したビューファインダ装置は、
レンズアレイ板を用いることによりライトバルブ装置の
実効開口率が高くなるので、光利用効率が高くなる。観
察者の眼のＦ値はライトバルブ装置の表示画像の輝度に
より変化するが、下限が存在する。そのため、ライトバ
ルブ装置の実効開口率が向上しても、表示画像が明るく
ならない場合が発生する。しかし、本発明のレンズアレ
イ板を用いると、実効開口率は同じでも、ライトバルブ
装置からの出射光の傾斜角の最大値が小さいため、表示
画像の輝度が向上する。表示画像の明るさに余裕が生ま
れるため、ＬＥＤの消費電力を小さくすることができ、
レンズアレイ板を用いない場合に比べて１回の電池充電
における連続使用時間を長くすることができる。

【００７５】なお、本発明のビューファインダ装置は、
本実施の形態においては、第３の実施の形態におけるラ
イトバルブ装置と基本的な構成が同じものを備えるもの
であるとして説明したが、これに限るものではなく、例
えば、第３の実施の形態で変形例として説明した、本発
明のレンズアレイ板と別の種類の液晶パネルとを備える
ような本発明のライトバルブ装置であってもよい。要す
るに、本発明のビューファインダ装置は、光源と、前記
光源から放射される光を映像信号に応じて光学像として
出射する本発明のライトバルブ装置と、前記ライトバル
ブ装置から出射された前記光学像を観察可能にする接眼
レンズとを備えるものでありさえすればよい。

【００７６】

【発明の効果】以上説明したところから明らかなよう
に、請求項１〜３の本発明は、出射光の最大傾斜角が極
端に大きくならないレンズアレイ板を提供することをが
できる。

【００７７】また、請求項４〜６の本発明は、出射光の
最大傾斜角が極端に大きくならなずに実効開口率を大き
くできるライトバルブ装置を提供することができる。

【００７８】さらに、請求項７の本発明は、コンパクト
で光出力の大きい投写型表示装置ができる。

【００７９】また、請求項８の本発明は、低消費電力で
表示画像の明るいビューファインダ装置を提供すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態におけるレンズアレ
イ板の構成を示す平面図である。

【図２】本発明の第１の実施の形態におけるレンズアレ
イ板の構成を示す対角線方向断面図である。

【図３】本発明の第１の実施の形態におけるレンズアレ
イ板の作用を説明するための線図である。

【図４】図１、図２に示したレンズアレイ板のレンズ素
子の焦点における光束の断面形状を示す線図である。

【図５】本発明の第１の実施の形態におけるレンズアレ
イ板の変形例の構成を示す平面図である。

【図６】本発明の第２の実施の形態におけるレンズアレ
イ板の構成を示す対角線方向断面図である。

【図７】本発明の第３の実施の形態におけるライトバル
ブ装置の構成を示す断面図である。

【図８】本発明の第３の実施の形態におけるライトバル
ブ装置のブラックマトリックスの構成を示す概略構成図
である。

【図９】本発明の第４の実施の形態における投写型表示
装置の構成を示す概略構成図である。

【図１０】本発明の第５の実施の形態におけるビューフ
ァインダ装置の構成を示す概略構成図である。

【図１１】従来のレンズアレイ板とＴＦＴ液晶パネルと
を組み合わせたライトバルブ装置の構成を示す断面図で
ある。

【図１２】図１１に示したレンズアレイ板の作用を説明
するための線図である。

【図１３】図１１に示したレンズアレイ板のレンズ素子
の有効領域を示す線図である。

【図１４】図１１に示したレンズアレイ板の作用を説明
するための線図である。

【符号の説明】

５１，５５，８１，８５ガラス基板５２，８２樹脂層５３，８３レンズ素子５４，８４接着剤５９，８９球面６１，９１円錐面１０１液晶パネル１０２レンズアレイ板１０３接着剤１０４，１０５，１１９ガラス基板１１４ブラックマトリックス１１６画素１２０樹脂層１２２レンズ素子１２６球面１２８円錐面１４１光源１４６，１４７ダイクロイックミラー１４８，１５２，１５４平面ミラー１４９，１５０，１５５フィールドレンズ１５１，１５３リレーレンズ１５６，１５７，１５８，１６２，１６３，１６４偏
光板１５９，１６０，１６１ライトバルブ装置１６５色合成プリズム１７２投写レンズ１８２，１８３，１８４ＬＥＤ１８５色合成プリズム１９１集光レンズ１９２ライトバルブ装置１９３，１９４偏光板１９７接眼レンズ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】マトリックス状に配列された複数のレン
ズ素子を備え、前記レンズ素子の有効領域は、正方形状
または長方形状であり、前記各レンズ素子のレンズ面
は、前記レンズ面の中央部に配置された、正屈折力を生
起する球面または回転対称非球面と、その周囲に配置さ
れた、正屈折力を生起する円錐面とで構成され、前記レ
ンズ素子毎の前記球面または前記回転対称非球面と前記
円錐面との境界は、一つの円の円周または一つの円の円
周の一部を構成する１つもしくは複数の円弧であり、前
記球面または前記回転対称非球面と前記円錐面とは、滑
らかに接続されていることを特徴とするレンズアレイ
板。
【請求項２】前記一つの円の中心と前記有効領域の中
心とは、前記レンズ素子毎に、一致することを特徴とす
る請求項１に記載のレンズアレイ板。
【請求項３】前記レンズ素子の有効領域は、正方形状
であり、前記一つの円の直径は、前記レンズ素子の幅ま
たは前記レンズ素子の配列ピッチと等しいことを特徴と
する請求項２に記載のレンズアレイ板。
【請求項４】請求項１〜３のいずれかに記載のレンズ
アレイ板と、前記各レンズ素子に対応する複数の画素が
マトリックス状に配列されたライトバルブとを備え、前
記レンズアレイ板は、前記ライトバルブの入射側に配置
され、前記各レンズ素子の光軸は、それに対応する前記
画素の中心を通ることを特徴とするライトバルブ装置。
【請求項５】前記各レンズ素子の前記球面または前記
回転対称非球面の焦点は、前記画素の中心または中心近
傍に位置することを特徴とする請求項４に記載のライト
バルブ装置。
【請求項６】前記各レンズ素子の前記球面または前記
回転対称非球面の焦点距離は、前記レンズ素子の頂点か
ら前記画素の中心までの空気換算距離の１．５倍から３
倍の範囲にあることを特徴とする請求項４に記載のライ
トバルブ装置。
【請求項７】光源と、前記光源から放射される光を映
像信号に応じて光学像として出射する請求項４〜６のい
ずれかに記載のライトバルブ装置と、前記ライトバルブ
装置から出射された前記光学像をスクリーン上に拡大投
写する投写レンズとを備えることを特徴とする投写型表
示装置。
【請求項８】光源と、前記光源から放射される光を映
像信号に応じて光学像として出射する請求項４〜６のい
ずれかに記載のライトバルブ装置と、前記ライトバルブ
装置から出射された前記光学像を観察可能にする接眼レ
ンズとを備えることを特徴とするビューファインダ装
置。