JPH02262185A - 投影型表示装置 - 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、光源から照射され、マトリクス状に配列され
た複数の絵素を有する透過型の表示パネルを透過した光
を、投影レンズでスクリーン上に拡大投影するようにし
た投影型表示装置に関する。

従来の技術 透過型の表示パネルは、それ自身は発光しないが駆動信
号を受けてその光透過率を変えることによって別に設け
られた光源からの光の強度を変調し、画像や文字を表示
するようにしたものであり、その−例として液晶表示パ
ネル、エレクトロクロミックデイスプレィ、ＰＬＺＴ　
（（Ｐｂ、Ｌａ）（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ，磁器）などの透光
性セラミックを用いたデイスプレィなどが周知である。

このような表示パネルでは、最小の表示単位である絵素
がマトリクス状に配列されており、それらの各絵素に個
別に駆動電圧を印加することによって画像や文字の表示
が行われる。

上記表示パネルの各絵素に個別に駆動電圧を印加する方
法として、単純マトリクス駆動法やアク＝１− −２＝ ティダマトリクス駆動法があるが、特にアクティブマト
リクス駆動法の場合には、各絵素に駆動電圧を供給する
ための駆動信号ラインや駆動電圧の供給を制御する薄膜
トランジスタ、ＭＩＭ　（Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔ
ｏｒ−Ｍｅｔａｌ）などの素子を絵素と絵素との間に形
成しなければならず、そのため画面中の絵素領域の占め
る割合（開口率）が小さくなる。

この場合、表示パネルのうち絵素領域以外の領域つまり
駆動電圧が印加されることのない領域に入射した光は信
号（駆動電圧）による変調を受けないので、無電界領域
で光が透過するような動作モードの表示パネルでは、絵
素領域以外の領域に入射した光は表示パネルを透過して
しまう。そのため、光非透過の状態に制御された絵素領
域によって表示画面に表される黒レベルが浮き上がって
しまい、コントラストが低下するという不具合が生じる
。そこで、このコントラスト低下を防止するために、表
示パネルの絵素領域以外の領域には遮光マスクを設け、
表示に寄与しない光をこの遮光マスクによって吸収また
は反射する構成が採られている。

ところが、上述したように表示パネルの絵素領域以外の
領域に遮光マスクを設けると、同し光源でも表示パネル
の開口率が低い程、画面が暗くなるという新たな問題が
生じることになる。

このような問題点を解決するために、表示パネルを構成
する２枚の透明基板のうち、光源側に位置する透明基板
の光源と対向する表面に各絵素に個別に対応する複数の
マイクロレンズをマトリクス状に配列して形成したり、
表示パネルの光源側に別に透明板を設け、その透明板の
片面に同じく各絵素に個別に対応する複数のマイクロレ
ンズをマトリクス状に配列して形成したりして、光源か
ら照射される光を各マイクロレンズで表示パネルの対応
する絵素領域にそれぞれ集光し、それによって表示画面
を明るくする方法が、開発されている（特開昭６０−１
６５６２１〜１６５６２４）。

発明が解決しようとする課題 しかしながら、表示パネルを透過した光を投影レンズで
スクリーン上に拡大投影するようにした投影型表示装置
に上記マイクロレンズによる集光手段を適用した場合、
以下に述べるように表示パネルを透過した光が発散して
しまい、それだけ投影レンズの口径を大きくしなければ
ならないという問題が生じる。

すなわち、上記マイクロレンズで集光された光は、表示
パネルの絵素領域を通過した後、マイクロレンズの口径
と焦点距離との比で決まる角度で発散してしまうので、
その角度に応じて投影レンズの口径を大きくしなければ
ならない。特に３原色のそれぞれに対応する表示パネル
を設け、それらの表示パネルによって各色別に変調され
た画像をダイクロイックミラーによって合成し、共通の
投影レンズによってスクリーン上に拡大投影するように
したカラー表示用の投影型表示装置の場合には、表示パ
ネルと投影レンズの間の距離が長くなるため、更に大口
径の投影レンズが必要になってくる。

そこで、このような問題点を解決するために、表示パネ
ルを構成する２枚の透明基板のうち、投影レンズ側に位
置する透明基板の投影レンズ側に別に配置した透明板の
片面にも、各絵素に個別に対応する第２のマイクロレン
ズをマトリクス状に配列して形成し、絵素領域を通過し
たあと発散しようとする光を第２マイクロレンズによっ
て再びほぼ平行な光束に変換して、投影レンズの口径が
大きくなるのを防止する方法も開発されている（特開昭
６０−２６２１３１＞。

しかしながら、この場合には、表示パネルの２つの透明
基板のそれぞれにマイクロレンズを形成する方法にして
も、表示パネルの前後に別個に配置する各透明板の片面
にマイクロレンズを形成する方法にしても、２枚の透明
基板あるいは２枚の透明板の間での精密な位置合わせが
必要になり、組立作業が複雑になるという新たな問題が
生じる。

また、表示パネルの前後にそれぞれマイクロレンズを形
成した透明板を配置する場合、光路の途中における境界
面の数がそれだけ増えるので、反射損失や迷光が増加し
て表示品位を低下させるという問題も生じる。

したがって、本発明の目的は、投影レンズの口径を大き
くする必要がなく、組立作業も容易でかつ明るい投影画
像を得ることのできる投影型表示装置を提供することを
目的とする。

課題を解決するための手段 本発明は、光源から照射され、マトリクス状に配列され
た複数の絵素を有する透過型の表示パネルを透過した光
を、投影レンズでスクリーン上に拡大投影するようにし
た投影型表示装置において、表示パネルの光源と対向す
る表面側に位置し、表示パネルの個々の絵素に対応付け
られ光源からの照射光を個別に集束する複数の第１のレ
ンズ要素が光源と対向する表面にマトリクス状に配列し
て形成される一方、これら第１のレンズ要素にそれぞれ
対応付けられ第１のレンズ要素によって集束した光を表
示パネルに対応する絵素を経て投影レンズに向かう平行
光束に変換する複数の第２のレンズ要素が表示パネルと
対向する表面にマトリクス状に配列して形成された透光
性板部材を設けたことを特徴とする投影型表示装置であ
る。

作　　用 本発明に従えば、表示パネルの光源と対向する表面側に
設けられた透光性板部材の光源と対向する表面に形成さ
れたそれぞれの第１のレンズ要素によって光源から照射
される光が個別に集束され、透光性板部材の表示パネル
と対向する表面に形成されたそれぞれの第２のレンズ要
素によって第１のレンズ要素による集束光が対応する絵
素を経て投影レンズに向かう平行光束に変換される。レ
ンズ要素の形成された透光性板部材は１枚であるので、
その位置合わせは容易であり、また光路の途中の境界面
の数もそれだけ少なくなる。

実施例 第１図は、本発明の一実施例である投影型表示装置の光
学系を示す構成図である。

第１図において、コンデンサレンズ１は光源２から照射
される光を集光して光線とするためのレンズであり、そ
の光線は透光性板部材３を介して透過型の液晶表示パネ
ル４に入射される。液晶表示パネル４を挟んで透光性板
部材３と対向する側には、液晶表示パネル４を透過した
光をスクリーン６上に拡大投影する投影レンズ５が設け
られている。また、光源２を挟んでコンデンサレンズ１
と対向する側には、コンデンサレンズ１と反対側に照射
される光源２からの光をコンデンサレンズ１側に反射す
るための反射鏡７が設けられている。

第２図は、第１図における透光性板部材３と液晶表示パ
ネル４とが配置されている部分を一部拡大して示す断面
図である。

第２図において、液晶表示パネル４の概略的な構成は２
枚の透明基板８ａ、８ｂで液晶層９を挟んだものであっ
て、その液晶層９はマトリクス状に配列された複数の絵
素領域９ａと、それ以外の非絵素領域９ｂとに分けられ
ている。そのうち、絵素領域９ａは駆動電圧の印加・非
印加に応じて光を透過しうる状態と光を通過しない状態
とに切り替えれる一方、非絵素領域９ｂには図示しない
遮光マスクが設けられていて入射した光は透過されない
。

一方、透光性板部材３のコンデンサレンズ１と対向する
表面には液晶表示パネル４の各絵素領域９ａに対応付け
られ凸レンズ効果を有する複数の第１のマイクロレンズ
３ａがマトリクス状に配列して形成されている。また、
この透光性板部材３の液晶表示パネル４と対向する表面
には第１のマイクロレンズ３ａに個別に対応付けられ同
じく凸レンズ効果を有する複数の第２のマイクロレンズ
３ｂがマトリクス状に配列して形成されている。

この場合の第１のマイクロレンズ３ａの焦点距離を、ｆ
ｌ、第２のマイクロレンズ３ｂの焦点距離をｆ２、透光
性板部材３の厚さをｔとすると、これらの値は ｆ１＋ｆ２！＝：ｔ　　　　　　　　・・・（１）ｆｌ
＞ｆ２　　　　　　　　　　　・・・（２）の関係が成
り立つように設定されている。ただし、各焦点距離１１
．！２は２つのマイクロレンズ３ａ、３ｂの間の媒質中
での値とする。

次に上記投影型表示装置の動作について説明する。

光源２から照射された光はコンデンサレンズ１によって
、光源２とスクリーン６の中心とを結ぶ光軸と平行な光
線に変換される。その光線は第２図に示すように透光性
板部材３のそれぞれの第１のマイクロレンズ３ａによっ
て個別にそれらの各焦点の近傍（透光性板部材４内に位
置する）に集束される。それらの集束点は、透光性板部
材３の第２のマイクロレンズ３ｂの焦点に相当している
ので、集束された光はそれぞれ対応する第２のマイクロ
レンズ３ｂによってほぼ平行な光線に変換され、液晶表
示パネル４の対応する絵素領域９ａに入射する。

このとき、液晶表示パネル４に入射する光束の径は、第
１のマイクロレンズ３ａの径よりも小さくなっているの
で、本来なら液晶表示パネル４の非絵素領域９ｂに入射
してしまう光も、上記透光性板部材３のマイクロレンズ
３ａ、３ｂの作用によって絵素領域９ａに集光される。

絵素領域９ａが光透過の状態に制御されている場合、絵
素領域９ａに入射した光は液晶表示パネル４を透過する
。

この光は第２のマイクロレンズ３ｂによってほぼ平行な
光線に変換されているので、投影レンズ５の口径がさほ
ど大きくなくても投影レンズ５によって十分捕捉される
。投影レンズ５に入射されてくる光は、スクリーン６上
に拡大投影され、これによって画像がスクリーン６上に
映し出される。

第３図は上記透光性板部材３の第２のマイクロレンズ３
ｂとして凹レンズ効果を有するレンズを形成した場合の
実施例を示す部分拡大断面図である。第１のマイクロレ
ンズ３ａは先の実施例と同じ凸レンズ効果を有するレン
ズであり、その他の構成についても先の実施例と同様で
ある。

この場合には、第１のマイクロレンズ３ａの焦点距離を
、ｆｌ、第２のマイクロレンズ３ｂの焦点距離をＩ２、
透光性板部材３の厚さをｔとするとき、これらの値は 、、４１−　１２　　ζｔ　　　　　　・・・（３）ｆ
ｌ＞　　、ｆ２＋　　　　　　　　　・・・（４）の関
係が成り立つように設定されている。ただし、各焦点距
離ｆ１．　Ｉ２は２つのマイクロレンズ３ａ、３ｂの間
の媒質中での値であり、また焦点距離Ｉ２は凹レンズ効
果を有するマイクロレンズ３ｂの値であるから負の値で
ある。

この実施例の場合、コンデンサレンズ１から透光性板部
材３へ照射されるほぼ平行な光線はそれぞれの第１のマ
イクロレンズ３ａによって個別にそれらの各焦点（透光
性板部材３の外側の液晶表示パネル４に近い位置にある
）に向けて集束される。それらの集束点は、透光性板部
材３の第２のマイクロレンズ３ｂ（凹レンズ効果）の焦
点に相当しているので、集束に向かう光はそれぞれ対応
する第２のマイクロレンズ３ｂによってほぼ平行な光線
に変換され、液晶表示パネル４の対応する絵素領域９ａ
に入射する。

このときも、液晶表示パネル４に入射する光束の径は、
第１のマイクロレンズ３ａの径よりも小さくなっている
ので、本来なら液晶表示パネル４の非絵素領域９ｂに入
射してしまう光も絵素領域９ａに集光されることになる
。絵素領域９ａを透過したほぼ平行な光線が投影レンズ
５に向かうことは先の実施例の場合と同様である。

なお、上記各実施例における透光性板部材３の両面への
マイクロレンズ３ａ、３ｂの形成は、以下に挙げる方法
によって行うことができる。

（１）透光性板部材３の材料としてプラスチックあるい
はガラスを用い、この材料を機械加工または金型によっ
て成型する方法。金型は直接加工する以外に、以下に説
明する（２）〜（５）の方法で形成されたものを原型と
して、電鋳などの方法によって転写したものを用いても
よい。

（２）透光性板部材３の材料としである種の感光性樹脂
を用い、その感光性樹脂の表面を部分的に露光したとき
、非露光部から露光部に未反応のモノマーが移動し、露
光部が盛り上がるという現象を利用して凸レンズを形成
する方法（応用物理学会光学懇話会微小光学研究グルー
プ機関紙Ｖｏ１５　Ｎｏ、２　Ｐ１１８（１９８７）、
同Ｖｏ１．６　Ｎｏ、２　Ｐ８７（１９８８））。

（３）透光性板部材３の材料として熱可塑性樹脂を用い
、その表面を周知のフォトグラフィ技術によってレンズ
の平面形状にパターン化し、その後、軟化点以上の温度
に加熱して流動性をもたせ、エツジのブレを起こさせて
凸レンズを得る方法（特開昭６０−３８９８９、特開昭
６０−１６５６２３、特開昭６ｌ−６７００３）。この
場合、熱可塑性樹脂が感光性を持つものとすると、それ
自身を露光することによってパターン化することができ
る。

（４）透光性板部材３の材料として感光性樹脂を用い、
その表面にプロキシミティ露光（フォトマスクを密着さ
せずに露光させる）を行い、パターンのエツジのボケに
応じて光反応生成物の量に分布を持たせ、それによって
凸レンズ形状を得る方法（特開昭６ｌ−１５３６０２）
。

（５）透光性板部材３の材料として感光性樹脂を用い、
その表面に強度分布を持った光を照射し、光の強度に応
じた屈折率分布のパターンを形成し、レンズ効果を持た
せる方法（特開昭６Ｏ−７２９２７）。

（６）透光性板部材３の材料としてガラス板を用い、こ
のガラス板を溶融塩に浸漬し、ガラス板上に設けられた
マスクを通して、ガラス板と溶融塩との間で異種のアル
カリイオン等のイオンを交換させ、マスクパターンに対
応した屈折率分布を持つガラス板を得る方法（Ｅｌｅｃ
ｔｒｏｎｉｃｓ　ＬｅｔｔｅｒｓＶｏｌ、１７　　Ｎｏ
　、１３　Ｐ２Ｓ５（１９８１））。

また、上述した（６）の方法を用いて、各実施例に示し
たように透光性板部材３の両面に異なった焦点距離のマ
イクロレンズ３ａ、３ｂを形成する場合、次の手順に従
って行えばよい。

まず、マイクロレンズ３ａ、３ｂを形成する透光性板部
材３の両面に金属薄膜を形成する。次に一方の金属薄膜
にパターニングを行って焦点距離の長いマイクロレンズ
３ａ、３ｂ形成用の金属マスクを形成し、さらにイオン
交換を行ってレンズの形成を開始する。そのイオン交換
は所望のマイクロレンズ３ａが完成するまで継続せず途
中で中断する。

次に、もう一方の金属薄膜にパターニングを行って焦点
距離の短いマイクロレンズ３ｂの形成用の金属マスクを
形成し、このあとイオン交換を再開する。このようにし
て透光性板部材３の両面に第１のマイクロレンズ３ａと
第２のマイクロレンズ３ｂを同時に形成する。つまり、
焦点距離の長いマイクロレンズ３ａ形成のためのイオン
交換を先に開始して、そのイオン交換と焦点距離の短い
マイクロレンズ３ｂの形成のためのイオン交換とが同時
に終了するようにするのである。

この方法によってマイクロレンズ３ａ、３ｂを形成した
場合には、得られるマイクロレンズ３ａ。

３ｂの外形に凹凸がないので、カナダバルサムや光軟化
性樹脂などの接着剤を用いて、透光性板部材３を空気層
を介さずに液晶表示パネル４に張り合わせることができ
、透光性板部材３の表面での光の反射損失をほとんど無
視できる程度に低減できる。

発明の効果 以上のように、本発明の投影型表示装置によれば、透光
性板部材の光源側表面に光源がら照射される光を表示パ
ネルの各絵素に対応付けて個別に集束する第１のレンズ
要素を形成する一方、透光性板部材の表示パネル側表面
に第１のレンズ要素で集束された光を平行光束に変換し
て対応する絵素に入射させる第２のレンズ要素を形成し
たので、表示パネルの各絵素に光が集中して明るい投影
画像が得られるとともに、表示パネルを透過した光が発
散しないので投影レンズの口径を小さく抑えることがで
きる。また、１枚の透光性板部材だけで表示パネルの絵
素への集光かはがられるため、表示パネルとの位置合わ
せも容易になり、さらに光路途中の境界面の数も低減さ
れて表示品位が向上するなどの効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である投影型表示装置の光学
系を示す構成図、第２図はその光学系の一部を拡大して
示す断面図、第３図は本発明の他の実施例である投影型
表示装置の光学系の一部を拡大して示す断面図である。 ２・・・光源、３・・・透光性板部材、３ａ・・・第１
のマイクロレンズ、３ｂ・・・第２のマイクロレンズ、
４・・・液晶表示パネル、５・・・投影レンズ、６・・
・スクリーン、９ａ・・・絵素領域

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 光源から照射され、マトリクス状に配列された複数の絵
   素を有する透過型の表示パネルを透過した光を、投影レ
   ンズでスクリーン上に拡大投影するようにした投影型表
   示装置において、 表示パネルの光源と対向する表面側に位置し、表示パネ
   ルの個々の絵素に対応付けられ光源からの照射光を個別
   に集束する複数の第１のレンズ要素が光源と対向する表
   面にマトリクス状に配列して形成される一方、これら第
   １のレンズ要素にそれぞれ対応付けられ第１のレンズ要
   素によつて集束した光を表示パネルに対応する絵素を経
   て投影レンズに向かう平行光束に変換する複数の第２の
   レンズ要素が表示パネルと対向する表面にマトリクス状
   に配列して形成された透光性板部材を設けたことを特徴
   とする投影型表示装置。