JP2011022311A - 液晶パネル及びそれを用いた投写型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】マイクロレンズアレイを形成した液晶パネルを用いた投写型表示装置が実用化されている。液晶パネルサイズの小型化と高解像度化が進む中で、投写レンズの大口径化を伴わずに、実効開口率を向上させる高効率な液晶パネル及びそれを用いた投写型表示装置を提供する。
【解決手段】画素開口３２の入射光側に配置する第１のマイクロレンズアレイ３６と、画素開口３２の出射光側に配置する第２、第３のマイクロレンズアレイ３９、４１とを備えたことを特徴とする液晶パネル３０と、ライトバルブとして液晶パネル３０を用いた投写型表示装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、液晶パネル上に形成される画像を照明光で照射し、投写レンズによりスクリーン上に拡大投写する投写型表示装置に関する。

液晶パネルを用いた投写型表示装置の光利用効率を向上させるため、マイクロレンズを形成した液晶パネルがいくつか考案されている。図３に、従来の液晶パネルの構成図を示す。画像を形成し光を透過する液晶画素部１ｃと非画素部１ｄをもつ液晶表示パネル１と、液晶パネルの入射光側に配置した第１のマイクロレンズアレイ２と、液晶パネルの出射光側に配置した第２のマイクロレンズアレイ３を有し、第２のマイクロレンズアレイ３からの光を投写レンズ４に収束、集光させるため、第２のマイクロレンズアレイ３の出射光側面５を凸面としたものである。液晶パネルの有効表示面積に対する液晶画素部の面積を開口率、液晶パネルの入射光束に対する透過光束の比を実効開口率とすると、第１のマイクロレンズの集光作用により、画素開口部の透過光束が向上し、実効開口率が高くなる。第２のマイクロレンズアレイの出射光面を凸面とすることで、第２のマイクロレンズアレイを出射した拡散光を、投写レンズを大口径化することなく、投写レンズへ集光できる。このような構成により、投写レンズを大型化することなく、光利用効率を向上できるというものである（特許文献１参照）。

実際のところ、入射光側のマイクロレンズアレイのみを形成した液晶パネルと比較的口径の大きな投写レンズを用いた投写型表示装置が多数実用化されている。

特許第３０７１０４５号公報 特開２００９−６３８８８号公報

図３に示すような構成では、液晶パネルに平行な成分の光は、画素開口部へ集光し、液晶画素を透過後、第２のマイクロレンズアレイにより再び平行光となり、出射面の凸レンズ作用で、投写レンズに集光される。しかしながら、図３に示すように、液晶パネルに斜めに入射する光線６は、第１のマイクロレンズアレイで集光し、液晶画素を透過した後、対応する第２のマイクロレンズアレイへ集光せず、レンズ以外のマイクロレンズに入射するか、角度の大きな光線となるため、投写画像に有効な光として投写レンズに集光できない。したがって、液晶パネルへ入射する光の入射角度が大きい場合、すなわち、液晶パネルへの入射する光束のＦナンバーが小さい場合でも、投写レンズに有効に集光することが可能な液晶パネルを構成することが課題であった。

本発明の液晶パネルは、投写型表示装置に用いられるアクティブマトリクス方式の液晶パネルであって、画素の入射光側に配置された第１のマイクロレンズアレイと、前記画素の出射光側に配置し、前記画素を透過した光を集光する第２および第３のマイクロレンズアレイとを備えたことを特徴としている。

上記構成の液晶パネルは、液晶パネルへの入射する光の入射角が大きくても、画素の出射光側に配置した第２および第３のマイクロレンズアレイによって、投写レンズに集光できるため、実効開口率が高い液晶パネルを構成できる。

また、本発明の投写型表示装置は、光源と、前記光源からの光を集光し被照明領域に照明する照明手段と、前記照明手段からの白色光を分離する色分離手段と、前記色分離手段により分離された光束を受け、映像信号に応じて画像を形成する３つの液晶パネルと、前記液晶パネルから出射した光束を受け、青、緑、赤の色光を合成する色合成手段と、前記合成手段で合成された光束を拡大投写する投写レンズを備え、前記液晶パネルが請求項１記載の液晶パネルであることを特徴とする。第２および第３のマイクロレンズアレイを備えた液晶パネルを用いるため、投写レンズの大口径化を伴うことなく、光利用効率が高く、明るい投写型表示装置が構成できる。

本発明によれば、第１、第２および第３のマイクロレンズアレイを形成した実効開口率の高い液晶パネルにより、効率よく投写レンズに集光できるため、投写レンズの大口径化を伴うことなく、光利用効率の高い、明るい投写型表示装置を構成できる。

本発明の実施の形態における液晶パネルの構成図 本発明の実施の形態における投写型表示装置の構成図 従来の液晶パネルの構成図

以下本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態を示す液晶パネルの構成図である。

液晶パネルとしては、ＴＮモードもしくはＶＡモードであって、画素領域に薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor 以下ＴＦＴ）を形成したアクティブマトリクス方式の透過型の液晶パネルを用いている。

３０は液晶パネル、３１は液晶層、３２は画素開口、３３は非有効画素であるブラックマトリクス、３４はマイクロレンズガラス基板、３５はカバーガラス、３６は第１のマイクロレンズアレイ、３７、３８は無機材料、３９は第２のマイクロレンズアレイ、４０はＴＦＴガラス基板、４１は第３のマイクロレンズアレイである。４２は光軸に対して平行な光線、４３は斜め光線を示している。第１、第２および第３のマイクロレンズアレイはピッチＰで各画素に対応してマトリクス状に形成されている。

マイクロレンズガラス基板３４側より入射した光は、各画素に対応した第１のマイクロレンズアレイ３６により、画素開口３２部へ集光する。第１のマイクロレンズアレイ３６のレンズは正のパワーを持つレンズであり、平行光が入射した場合、画素開口３２、第２のマイクロレンズアレイ３９近傍で焦点を結ぶように焦点距離を決めている。第１のマイクロレンズアレイ３６の屈折率はマイクロレンズガラス基板３４およびカバーガラス３５と異なる屈折率を有する。マイクロレンズガラス基板３４はガラスやアクリル系樹脂などの透明材料で形成する。第１のマイクロレンズアレイ３６より集光し、画素開口３２を透過した光は、第２のマイクロレンズアレイ３９に入射する。第２のマイクロレンズアレイ３９は画素開口３２近傍に形成される。第２のマイクロレンズアレイ３９のレンズは正のパワーを持ち、第１のマイクロレンズアレイ３６近傍の像を第３のマイクロレンズアレイ４１近傍で結像するように、その焦点距離を決めている。第２のマイクロレンズアレイ３９により、液晶パネルへの斜め入射光の光線４３は第３のマイクロレンズアレイ４１へ入射する光線となるよう屈折する。第３のマイクロレンズアレイ４１のレンズは正のパワーを持ち、その焦点距離は画素開口３２および第２のマイクロレンズアレイ３９近傍から出射する光を略平行光となるように決めている。平行な光線４２は第１のマイクロレンズアレイ３６により画素開口３２近傍で集光し、第３のマイクロレンズアレイ４１により、再び平行光となる。また、斜め入射光線４３は第１のマイクロレンズアレイで集光し、画素開口を透過後、第２のマイクロレンズアレイ３９により屈折し、第３のマイクロレンズアレイへ入射する。第３のマイクロレンズアレイを出射した光は、第１のマイクロレンズアレイ３６への入射光の入射角と同等な角度範囲で出射する。第１、第２および第３のマイクロレンズアレイ３６、３９、４１のレンズは非球面のレンズ形状であり、レンズ部の周辺の光を効率よく集光、伝達する。

第２、第３のマイクロレンズアレイ３９、４１はＴＦＴガラス基板４０上に、フォトレジスト法により形成される。ＴＦＴガラス基板４０への第１、第２のマイクロレンズアレイ３９、４１の形成方法は特開２００９−６３８８８号公報に開示されている。マイクロレンズアレイのレンズ材料としては、ＳｉＯＮ、ＴｉＯ₂、Ｔａ₂Ｏ₃などの透明無機材料を用いて形成される。画素開口３２と第２のマイクロレンズアレイ３９、第２のマイクロレンズアレイ３９と第３のマイクロレンズアレイ４１間の材料はＳｉＯ₂膜で形成している。

第１、第２および第３のマイクロレンズアレイはリレーレンズ系であり、第１のマイクロレンズアレイに入射する光束のＦナンバーに比べて、第３のマイクロレンズアレイを出射する光束のＦナンバーを同等にする。

出射光側の第２および第３のマイクロレンズアレイは、正のパワーをもつレンズであれば、平面側から入射してレンズ面が入射光側に凸形状のレンズであってもよい。

以上のように、画素の入射光側に形成した第１のマイクロレンズアレイと、出射光側に形成した第２および第３のマイクロレンズアレイを備えた液晶パネルにより、入射光側の第１のマイクロレンズアレイの集光作用で、実効開口率が向上し、出射光側の第２および第３のマイクロレンズアレイにより、拡散光を集光できる。したがって、投写レンズの口径を大きくすることなく、効率よく投写レンズへ集光できる。このため、光利用効率の高い液晶パネルが構成できる。

（実施の形態２）
図２は本発明の実施の形態を示す投写型表示装置である。

液晶パネルとしては、図１に示す液晶パネルを用いている。

１３０は光源である高圧水銀放電ランプ、１３１は反射鏡、１３２は凹レンズ、１３３は第１のレンズアレイ板、１３４は第２のレンズアレイ板、１３５は偏光変換光学素子、１３６は集光レンズ、１３７は青反射のダイクロイックミラー、１３８は緑反射のダイクロイックミラー、１３９、１４０、１４１は反射ミラー、１４２、１４３はリレーレンズ、１４４、１４５、１４６はフィールドレンズ、１４７、１４８、１４９は入射側偏光板、１５０、１５１、１５２は液晶パネル、１５３、１５４、１５５は出射側偏光板、１５６は赤反射のダイクロイックミラーと青反射のダイクロイックミラーから構成される色合成プリズム、１５７は投写レンズである。

ランプ１３０から放射される光は反射鏡１３１により集光され、凹レンズ１３２により略平行光に変換される。略平行光に変換された光は、複数のレンズ素子から構成される第１のレンズアレイ板１３３に入射する。第１のレンズアレイ板１３３に入射した光束は多数の光束に分割される。分割された多数の光束は、複数のレンズから構成される第２のレンズアレイ板１３４に収束する。第１のレンズアレイ板１３３のレンズ素子は液晶パネルと相似形の開口形状である。第２のレンズアレイ板１３４のレンズ素子は第１のレンズアレイ板１３３と液晶パネル１５０、１５１、１５２とが略共役関係となるようにその焦点距離を決めている。第２のレンズアレイ板１３４から出射した光は偏光変換素子１３５に入射する。偏光変換素子１３５は、偏光分離プリズムと１／２波長板により構成され、ランプからの自然光を一つの偏光方向の光に変換する。偏光変換素子１３５からの光は集光レンズ１３６に入射する。集光レンズ１３６は第２のレンズアレイ板１３４の各レンズ素子からの出射した光を液晶パネル１５０、１５１、１５２上に重畳照明するためのレンズである。第１および第２のレンズアレイ板１３３、１３４と、偏光変換素子１３５と、集光レンズ１３６が照明手段である。集光レンズ１３６からの光は、色分離手段である青反射のダイクロイックミラー１３７、緑反射のダイクロイックミラー１３８により、青、緑、赤の色光に分離される。緑の色光はフィールドレンズ１４４、入射側偏光板１４７を透過して、液晶パネル１５０に入射する。青の色光は反射ミラー１３９で反射した後、フィールドレンズ１４５、入射側偏光板１４８を透過して液晶パネル１５１に入射する。赤の色光はリレーレンズ１４２、１４３や反射ミラー１４０、１４１を透過屈折および反射して、フィールドレンズ１４６、入射側偏光板１４９を透過して、液晶パネル１５２に入射する。

３枚の液晶パネル１５０、１５１、１５２はアクティブマトリックス方式の透過型液晶パネルであり、各画素の入射光側に第１のマイクロレンズアレイと画素の出射光側に第２および第３のマイクロレンズアレイを形成したものである。液晶パネルは１５０、１５１、１５２は映像信号に応じた画素への印加電圧の制御により入射する光の偏光状態を変化させ、それぞれの液晶パネル１５０、１５１、１５２の両側に透過軸を直交するように配置したそれぞれの入射側偏光板１４７、１４８、１４９および出射側偏光板１５３、１５４、１５５を組み合わせて光を変調し、緑、青、赤の画像を形成する。出射側偏光板１５３、１５４、１５５を透過した各色光は色合成プリズム１５６により、赤、青の各色光がそれぞれ赤反射のダイクロイックミラー、青反射のダイクロイックミラーによって反射し、緑の色光と合成され、投写レンズ１５７に入射する。投写レンズ１５７に入射した光は、スクリーン（図示せず）上に拡大投写される。

液晶パネル１５０、１５１、１５２は、それぞれ入射光側に第１のマイクロレンズアレイ、出射光側に第２および第３のマイクロレンズアレイを形成しているため、入射光側の第１のマイクロレンズアレイの集光作用で、実効開口率が向上し、出射光側の第２、第３のマイクロレンズアレイにより、出射する拡散光を集光できる。出射光側のマイクロレンズアレイにより、投写レンズを大口径化することなく、光利用効率の高い、明るい投写型表示装置を構成できる。

本発明では、光源として、高圧水銀ランプを用いた場合を説明しているが、光源の長寿命化が可能な発光ダイオードを用いてもよい。発光ダイオードは発光部が放電ランプに比べて大きいので、光利用効率の向上には液晶パネルへの入射光のＦナンバーを小さくする必要があるが、本発明の液晶パネルは、入射光のＦナンバーが小さくても、出射光側の第２、第３のマイクロレンズアレイにより、拡散光を集光できるため、投写レンズのＦナンバーを小さくする必要がない。したがって、発光ダイオードを用いた投写型表示装置の光利用効率を高くすることができる。

以上のように、本発明の投写型表示装置は、光源からの自然光を効率よく直線偏光の光に変換し、均一に液晶パネルへ照明し、液晶パネルとして、第１、第２および第３のマイクロレンズアレイを形成した実効開口率が高い３つの液晶パネルを用いているため、光利用効率が高くて、明るく、均一で高精細な投写画像を実現する。

本発明は、ライトバルブとして液晶パネル及びそれを用いた投写型表示装置に利用できるものである。

３０、１５０、１５１、１５２ 液晶パネル
３１ 液晶層
３２ 画素開口
３３ ブラックマトリクス
３４ マイクロレンズガラス基板
３５ カバーガラス
３６ 第１のマイクロレンズアレイ
３７、３８ 無機材料
３９ 第２のマイクロレンズアレイ
４０ ＴＦＴガラス基板
４１ 第３のマイクロレンズアレイ
４２ 光軸に対して平行な光線
４３ 斜め光線
１３０ ランプ
１３１ 反射鏡
１３２ 凹レンズ
１３３ 第１のレンズアレイ板
１３４ 第２のレンズアレイ板
１３５ 偏光変換素子
１３６ 集光レンズ
１３７ 青反射のダイクロイックミラー
１３８ 緑反射のダイクロイックミラー
１３９、１４０、１４１ 反射ミラー
１４２、１４３ リレーレンズ
１４４、１４５、１４６ フィールドレンズ
１４７、１４８、１４９ 入射側偏光板
１５３、１５４、１５５ 出射側偏光板
１５６ 色合成プリズム
１５７ 投写レンズ

Claims (10)

1. 投写型表示装置に用いられるアクティブマトリクス方式の液晶パネルであって、画素の入射光側に配置された第１のマイクロレンズアレイと、前記画素の出射光側に配置し、前記画素を透過した光を集光する第２および第３のマイクロレンズアレイとを備えた液晶パネル。
2. 第１のマイクロレンズアレイのレンズは、平行に入射する光を画素および第２のマイクロレンズアレイ近傍で焦点を結ぶ正のパワーを有するレンズであることを特徴とする請求項１記載の液晶パネル。
3. 第２のマイクロレンズアレイのレンズは、第１のマイクロレンズアレイ近傍の像を第３のマイクロレンズアレイ近傍に結像する正のパワーを有することを特徴とする請求項１記載の液晶パネル。
4. 第３のマイクロレンズアレイのレンズは、画素近傍からの光を略平行光にする正のパワーを有するレンズであることを特徴とする請求項１記載の液晶パネル。
5. 第１、第２および第３のマイクロレンズアレイのレンズは非球面レンズであることを特徴とする請求項１記載の液晶パネル。
6. 第２および第３のマイクロレンズアレイは無機材料にて形成されたことを特徴とする請求項１記載の液晶パネル。
7. 液晶パネルの液晶はＴＮモード液晶、またはＶＡモード液晶であることを特徴とする請求項１記載の液晶パネル。
8. 光源と、前記光源からの光を集光し被照明領域に照明する照明手段と、前記照明手段からの白色光を分離する色分離手段と、前記色分離手段により分離された光束を受け、映像信号に応じて画像を形成する３つの液晶パネルと、前記液晶パネルから出射した光束を受け、青、緑、赤の色光を合成する色合成手段と、前記合成手段で合成された光束を拡大投写する投写レンズを備え、前記液晶パネルが請求項１記載の液晶パネルであることを特徴とする投写型表示装置。
9. 光源が高圧水銀ランプであることを特徴とする請求項８記載の投写型表示装置。
10. 光源が発光ダイオードであることを特徴とする請求項８記載の投写型表示装置。

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