JPH04175726A - 液晶光学装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、液晶テレビ、液晶ビデオプロジェクタ等に用
いられる液晶パネルに関し、特に照明光を液晶パネルに
照射し投影レンズを介してスクリーンに拡大投影する液
晶プロジェクタに用いられる液晶光学装置に関する。

（従来の技術） 一般に液晶パネルの全面積のうち画素配線や画素トラン
ジスタ（非晶質シリコン又は多結晶シリコンの薄膜トラ
ンジスタ）の占める面積が６０〜７０％であるため、各
画素毎に実際に照明光が透過しうる液晶開口窓の面積は
３０〜４０％と小さく、照明光のうち６０〜７０％は利
用できず無駄になってしまう。

そこで、１画素毎に微小レンズを設け、これによって照
明光を液晶開口窓に集光させて照明の利用効率を上げ、
投影画像を明るくしようとする発明が多数出願されてい
る（例えば、特開昭６０４６５６２３号公報参照）。

（発明が解決しようとする課題） 従来の技術で述べたものにおいては、ごく概念的にしか
記載されておらず、実際大きな効果を得るためにどのよ
うな仕様で微小レンズ等を製作したらよいか具体的に示
されていないという問題点を有していた。

本発明は、従来の技術が有するこのような問題点に鑑み
てなされたものであり、その目的とするところは、実際
に実現可能性の高い液晶パネルとレンズアレイの組合せ
を構成し、かつシュミレーションにより照明の利用効率
を上げるための各構成部品の厚さ、屈折率およびレンズ
面の曲率半径との間に存在する数値関係を見い出し、投
影画像をより明るくすることができる液晶光学装置を提
供しようとするものである。

（課題を解決するための手段） 上記課題を解決すべく本発明は、一対の透明基板で液晶
を挟持してなる液晶パネルにレンズアレイを配設して構
成する液晶光学装置において、前記透明基板の表面に前
記液晶の液晶開口窓に対向するように球面状の凸部を多
数形成して、前記レンズアレイとするとともに前記透明
基板の厚さｔと屈折￥ｘ　ｎｏ、前記凸部の曲〉ネク半
径ｒと屈折率ｎ１との間に ｒ　ｎ　。

なる関係を有するものである。

また、前記透明基板は、アルカリ成分を実質的に含まな
いいわゆる無アルカリガラス材料で製イ１してもよい。

また、前記透明基板の凸部を形成した面とは反対側の面
に、アルカリの析出を防止するコーティングを施すとよ
い。

更に、前記コーティングを透明導電膜で施してもよい。

（作用） 球面状の凸部によって照明光か液晶パネルの各液晶開口
窓に集光し照明光の利用効率が向上する。

（実施例） 以下に本発明の実施例を添付図面に基づいて説明する。

第１図は本発明に係る液晶光学装置の断面図、第２図は
球面状凸部による光線の屈折状態を示す模式図である。

液晶光学装置は、一対の透明基板である液晶セル基板１
，２で液晶３を挟持してなる液晶パネル４の照明光であ
る入射光線５側の液晶セル基板１の表面に液晶３の各画
素と１対１に対向するように球面状の凸部６を形成して
構成されている。なお、液晶セル基板１，２はアルカリ
をほとんど含まないガラス材料で製作され、凸部６を形
成した面とは反対側の面にはアルカリの析出を防止する
ために透明導電膜でコーティングを施しである。

液晶３は各画素毎に光を透過可能な液晶開口窓７を有し
、それ以外の部分８は薄膜トランジスタ（ＴＰＴ）、画
素配線等で光を利用できない部分である。

球面状の凸部６は、例えばＮｉスタンパを用いて２Ｐ樹
脂材料や熱硬化性樹脂材料を液晶セル基板１上にアレイ
状に付着形成するような方法で形成される。

凸部６を成形するためのＮｉスタンバの形状原型、いわ
ゆる「マザー」は、例えばガラス基板にフォトリソグラ
フィ技術を用いて数μｍ径から＋数μｍ径程度の円形開
口を持つ金属マスクを形成し、これをフッ酸系のエッチ
ャントを用いて適当な時間エツチングすることにより製
作する。ガラスのエツチングはマスク開口部からほぼ等
力的に進行するため球面状の凹部が得られ、その曲率半
径はエツチング時間等によって制御できる。また、エツ
チング工程を２段階に分ける等の方法により、半球状よ
り浅い四部や隣接する四部同士か完全につながったいわ
ゆる稠密充填構造の球面状四部アレイを製作することが
できる（特願平２−２７７１２号参照）。

液晶セル基板１，２としては、例えばコーニング社製の
７０５９基板や一般的なソーダライム基板等か適用でき
る。なお、プラスチック基板でもよい。

二のよ・うに（７て製作した球面状凹部アレイを用いて
一般的な電鋳方法によりＮｉマスタ（形状か反転して球
面状四部アレイとなる）をとり、更にこれを用いて電鋳
方法により「マザー」と同形状のＮｉスタンバか出来る
。

そして、液晶セル基板１の表面に樹脂材料を塗布し１、
Ｎｉスタンバを密着させれば所望な球面状の凸部６のア
レイを製作することが出来る。

このようにし、て製作された球面状凸部６のアレイイ１
液晶セル基板１を凸部６か液晶３と反射側になるように
してもう一方の液晶セル基板２とで液晶３を挟持する。

この時液晶３の各液晶開口窓７と各凸部６は１対１に対
向している。

次に、第１図に示すような液晶光学装置を構成し、更に
照明光である入射光線５の利用効率を上げてより明るい
投影画像を得るためには、液晶セル基板１の屈折率と厚
さ、凸部６の曲率半径等に対して以下の様な数値限定条
件に従って光学系を構成する必要かある。

ここで、液晶セル基板１の屈折率をｎ。、その厚さをｔ
、凸部の屈折率をｎ□、その曲率半径をｒとする。

照明光である略平行な入射光線５が球面状凸部６に入射
するとき、その球面で光線が屈折して凸レンズとして作
用する。この凸レンズ効果により入射光線５が液晶開口
窓７に出来るだけ多く入射する時が、照明光の利用効率
の最大時である。

曲率半径ｒの凸部６の球面での屈折による凸レンズの焦
点距離ｆは、近軸条件が満足されていれば次式の関係が
ある。

屈折光線を液晶開口窓７に集光させるためにはｆ　＝　
ｔ　／　ｎ　、とすればよい。従って、ｊ＋　　ｎｏｒ
　　ｒ。

ｎｌの関係は基本的に ｔ　／　ｎ　ｏ＝　ｒ　／　（ｎニー１）　　　（２）
となる必要がある。

しかしなから、球面による屈折効果は正の球面収差か大
きく発生してしまい、第２図に示すように近軸光線より
も周辺光線はもつと凸部６側に集光する。従って、入射
光線５の全エネルギーが最も小さい領域に集光する像点
■は前記近軸Ｊ１算による像点■よりも凸部６側に近く
なる。

そこで、実際に第１図に示す光学系により光線追跡を行
い、１画素の寸法を１００μｍ平方、液晶開口窓７の寸
法を２０μｍ平方としたときに球面の屈折によって液晶
開口窓７に入射する光線の本数を討算しその本数の最大
位置から実効的な焦点位置を算出（７た。

第３図は各構成部品の所定屈折率における凸部の曲率半
径ｒと液晶セル基板１中の焦点距離との関係を示す計算
結果の一例である。液晶セル基板１としては、コーニン
グ社製７０５９基板を想定してｎｏ＝１．．５３とし、
液晶セル基板１の表面に樹脂材料を塗布し、Ｎｉスタン
バを密着して成形した凸部６の屈折率は樹脂材料からｎ
ｘ＝１．５２として計算した。

第３図中、横軸は球面状凸部６の曲率半径ｒを、縦軸は
液晶セル基板１（屈折率ｎ。−１，５３）中の焦点距離
の値である。実線は、近軸条件を満足する場合の式（１
）、（２）を用いた計算結果である。これに対して点線
は、前記の様な光線追跡により求めた実効的な焦点距離
と曲率半径ｒとの関係である。従って、本光学系におい
て、球面収差を含めて最も集光効果か大きく得られる位
置が第３図中の点線の値である。この値を近軸計算結果
と比較すると曲率半径ｒの大きな場合には近軸計算結果
とほぼ一致するが、曲率半径ｒの小さな場合には近軸計
算結果の約７０％弱になっている。

以上のシミュレーション結果より、最も集光効果か大き
く得られる実効的な焦点距離ｆｅは、およそ ０．６ｒ／（ｎｘ−１）＜ｆｅ＜ｒ／（ｎｔ−１）　　
　（３）のように示される。従って、この値ｆｅをｔ　
／　ｎｏに等しくすることにより、液晶開口位置で最大
の集光効果が得られる。

即ち、ｔ、ｎｏｒ　　ｒ、　　ｎ工の間の数値関係をｒ
　ｎ　。

とする必要がある。

なお、本実施例では球面状凸部６を液晶セル基板１，２
のうちの一方にのみ形成したが、第４図に示すように双
方の液晶セル基板１，２の面に設けてもよい。この場合
式（４）は双方の凸部６付き液晶セル基板１．２におい
て別個に満足されなければならない。

また、各式において焦点距離は球面の頂点がらの距離で
あり、解析する場合にはレンズの厚み分を考慮するべき
であるが、本用途では焦点距離４゜Ｏ〜８００μｍ稈度
に比へ、レンズの厚みは数１０μｍ以下であり事実上考
慮の必要はない。

また、凸部６の材料は光硬化性又は熱硬化性等の樹脂材
の他に、ゾルゲルガラス、低融点ガラス等のガラス材料
でも良く、凸部６の表面に耐湿性等を向上させるための
コーティングや反射防止コーティングを施すと良い場合
がある。

なお、本発明においては、液晶セル基板１の厚さｔか０
　、５　ｍｍ−１６１闘、液晶３の１画素の大きさが５
０μｍ平方〜１５０μｍ平方、液晶開口窓１ｏの寸法が
１画素の２０％〜５０％の範囲であることが前提条件と
なる。

例えば、凸部６の１個の大きさ約１００μｍ平方で曲率
半径ｒが約３５０μｍ、　　ｎ　ｏ＝　１．５３．　　
ｔ　＝　１．．１ｍｍ、　　ｎ、−１，５９の光学系の
場合、約４０μｍ平方内に集光する照明光量が凸部６を
形成しない場合に比べ２倍量ト得られた。

（発明の効果） 以上説明したように本発明によれば、所定の条件式を満
足するように各数値を設定することによって最大の集光
効果か得られ、照明光の利用効率の向上が図れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る液晶光学装置の断面図、第２図は
球面状凸部による構成の屈折状態を示す模式図、第３図
は各構成部品の所定屈折率における凸部の曲率半径ｒと
液晶セル基板中の焦点距離との関係を示す計算結果の一
例、第４図は別実施例の断面図である。 １．２・・・液晶セル基板、３・・液晶、４・・・液晶
パネル、５・・・入射光線、６・・・凸部１．７・・液
晶開口窓、ｎｏ・・・液晶セル基板の屈折率、ｎ工・・
・凸部の屈折率、ｔ・・・液晶セル基板の厚さ、ｒ・・
・凸部の曲率半径。 特　許　出　願　人　　日本板硝子株式会社代　理　人
　弁理士　　　下　１）　容一部間　　　弁理士　　　
大　橋　　邦　産量　　　弁理士　　　小　山　　　　
有第１図　　　第４図 ｎ。 第２図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）一対の透明基板で液晶を挟持してなる液晶パネル
   にレンズアレイを配設して構成する液晶光学装置におい
   て、 前記透明基板の表面に前記液晶の液晶開口窓に対向する
   ように球面状の凸部を多数形成して、前記レンズアレイ
   とするとともに前記透明基板の厚さｔと屈折率ｎ＿０、
   前記凸部の曲率半径ｒと屈折率ｎ＿１との間に ０．６≦ｔ（ｎ＿１−１）／ｒｎ＿０≦１ なる関係を有することを特徴とする液晶光学装置。
2. （２）前記透明基板は、アルカリを実質的に含まないガ
   ラス材料で製作した請求項１記載の液晶光学装置。
3. （３）前記透明基板の凸部を形成した面とは反対側の面
   に、アルカリの析出を防止するコーティングを施した請
   求項１又は２記載の液晶光学装置。
4. （４）前記コーティングを透明導電膜で施した、請求項
   ３記載の液晶光学装置。