JP2002148617A

JP2002148617A - 液晶表示装置

Info

Publication number: JP2002148617A
Application number: JP2000344773A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Sekine; 康弘関根
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2000-11-13
Filing date: 2000-11-13
Publication date: 2002-05-22

Abstract

(57)【要約】【課題】マイクロレンズを備えた液晶パネルを色毎に
備えた投射型液晶表示装置において、各液晶パネルにお
けるマイクロレンズの集光を最適化して明るい画像表示
を実現する。【解決手段】各色液晶パネル（Ｒ）、（Ｇ）、（Ｂ）
において、マイクロレンズの曲率を変えることにより、
焦点距離Ｐ_r、Ｐ_g、Ｐ_bを同等とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、透過型液晶パネル
をＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の各色毎に備え、各液
晶パネルにおいて変調された光をスクリーン上に投影し
て画像表示を行う投射型の液晶表示装置に関し、特に、
上記液晶パネルが、光源からの光を集光するマイクロレ
ンズを画素毎に備えた液晶表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、表示装置として、大画面を得る目
的から投射型液晶表示装置が注目されている。この投射
型液晶表示装置は、小型の基板上に高精細にセルアレイ
を形成した液晶パネルを光変調素子として用い、強力な
光源からの光を照明光学系により該液晶パネルに照射
し、変調後の光線を、投射光学系を介して大型のスクリ
ーン上に投射することにより、高品質、高精細な画像を
大画面に表示する構成である。投射型液晶表示装置で
は、一般的なＣＲＴ投射型表示装置などと比較して構成
上、小型化、軽量化が可能であり、例えばモバイルに対
応したプレゼンテーション機器への適用を想定でき、小
型、軽量で高輝度、高精細を実現するための技術開発が
進められている。

【０００３】上記投射型液晶表示装置の液晶パネルとし
て透過型液晶パネルを用いた場合、液晶パネル表面に導
いた光源部からの光を、光変調を行う画素アレイの各画
素の開口部に入射させ、透過した光を投射光学系を用い
てスクリーン上に投射（結像）させることにより画像表
示を行う。

【０００４】従って、高精細な表示を行うには単位面積
当たりの画素数を増やすことになり、必然的に１画素あ
たりの面積は小さくなる。また、装置の小型化には液晶
パネルのサイズをできる限り小さくする必要があり、画
質を低下させずに液晶パネルを小型化するには１画素の
占める面積を小さくしなければならない。

【０００５】しかしながら、高品質な動画表示を行うに
は、画素毎にスイッチング素子を設けたアクティブマト
リクス駆動方式とすることが望ましく、該スイッチング
素子として通常用いられるＴＦＴ（薄膜トランジスタ）
は、トランジスタ部分への光の入射によりリーク電流が
発生するため当該トランジスタ部分を被覆する遮光部が
必要となる。この遮光部の幅は、投射画像の高輝度化を
図る場合には液晶パネルに入射する光量が増えることか
らより広くとる必要がある。また、液晶パネルを小型化
する場合は、投射画像の輝度を同一にしても液晶パネル
に入射する単位面積当たりの光量は増加することにな
り、遮光領域の確保がより必要となる。

【０００６】このため、透過型液晶パネル上に確保でき
る画素面積に占める開口部の面積の比率、即ち開口率は
小型化、高画質化の要求に伴って小さくなり、光源から
の光の利用効率は極めて低くなってしまう。この小面積
化した開口部へ光源からの光を効率的に集光させ、光の
利用効率を上げる方法として、各画素に対応させてマイ
クロレンズを設けることが行われている。

【０００７】図４は、マイクロレンズを備えたアクティ
ブマトリクス駆動方式の透過型液晶パネルの従来の一例
を示す断面模式図である。図中、１１はアクティブマト
リクス基板、１２は対向基板、１３及び１６は透明基
板、１４は遮光部、１５は画素電極、１７はマイクロレ
ンズ、１８は共通電極、１９は液晶層、２０は開口部で
ある。アクティブマトリクス駆動方式の液晶パネルは、
一般的に、アクティブマトリクス基板１１と、対向基板
１２との間に液晶層１９を挟持してなる。アクティブマ
トリクス基板１１は、ガラス等からなる透明基板１３上
に、画素毎にＴＦＴ等スイッチング素子（不図示）と該
スイッチング素子を遮光する遮光部１４とを備え、該遮
光部１４の開口部２０に該スイッチング素子を介して電
圧を印加される画素電極１５が形成されている。また、
対向基板１２は、ガラス等透明基板１６上にＩＴＯ等透
明導電材からなる共通電極１８と、各画素に対応するマ
イクロレンズ１７が形成されている。

【０００８】当該構成の液晶パネルにおいては、マイク
ロレンズ１７によって、液晶パネルの表面に入射する光
束中で、非使用時には遮光部１４に当たって利用不可能
な光線も画像表示に利用でき、従って表示画像の明るさ
を増加させることができる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、投射型
液晶表示装置において、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色の液晶パネル
に同じ仕様のマイクロレンズを付設した場合、特定波長
の光を基準に光学設計を行うと、他の波長領域の光につ
いて光学設計値が最適値から外れてしまう問題が起き
る。

【００１０】つまり、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色液晶パネルに同
じ光学特性のマイクロレンズを使用した場合は、Ｒ、
Ｇ、Ｂの各色毎にマイクロレンズの焦点距離が相違し、
それぞれの結像位置における集光スポットが異なる大き
さになる。そのため、マイクロレンズからそれぞれ等し
い位置に設けた開口部に対しては、Ｒ、Ｇ、Ｂのそれぞ
れに異なる大きさの集光スポットを形成してしまうこと
になり、集光スポットが最適値から外れるので光利用効
率が低減し、当該開口部の周囲の遮光部で一部の光が遮
蔽されるという問題があった。

【００１１】例えば、前述した図４に示す液晶パネルは
Ｇ光（パネル内において実線で示す）を基準にした光学
設計例であり、マイクロレンズ１７にＲ、Ｇ、Ｂの各色
をそれぞれ入射させると、最適なＧ光の結像位置
（Ｐ_g）よりもＲ光（パネル内において二点鎖線で示
す）の結像位置（Ｐ_r）が長くなり、Ｂ光（パネル内に
おいて破線で示す）の結像位置（Ｐ_b）は短くなり、そ
れぞれ結像位置が異なるため、遮光部１４の開口部２０
内にＲ、Ｇ、Ｂの各色をいずれも効率よく集光すること
は困難である。

【００１２】尚、液晶パネルに入射する光は実際には平
行光線ではないため集光スポットは点に結像することは
ないが、図４では理解を容易にするため平行光線が入射
して点に結像している様子を示す。

【００１３】このように、Ｇ光を基準に光学設計した図
４の液晶パネルでは、Ｇ、Ｂの入射光は開口部２０に取
り込むことはできるが、Ｒ光は一部が開口部２０の周囲
の遮光部１４に遮断されてしまい、光量を損失してしま
うことがわかる。

【００１４】また、投射型液晶表示装置の構成では液晶
パネルのスクリーン側に投射レンズ（不図示）があり、
液晶パネルから出射した光はこの投射レンズに効率良く
取り込まれなければならないが、図４のＢ光は、設計基
準のＧ光と比較して焦点距離Ｆ_bが短いため、透明基板
１３からの出射光の発散角が大きくなってしまい、Ｇ光
の発散角に合わせて設計した投射レンズでは全ての光を
取り込むことができない。

【００１５】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たものであり、各色毎に透過型液晶パネルを備えた投射
型の液晶表示装置において、各色の光を変調する液晶パ
ネルにおいて、マイクロレンズの集光を最適化し、光利
用効率をＲ、Ｇ、Ｂのいずれにおいても向上して、より
明るい画像を表示する液晶表示装置を提供することを目
的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明の第一は、赤、
青、緑の各色の光を変調する複数枚の透過型液晶パネル
と、該液晶パネルに光を照射する光源と、該光源からの
光を各液晶パネルに導く照明光学系と、各液晶パネルを
透過した光をスクリーン上に重ねて投影する投影光学系
とを少なくとも有する投射型の液晶表示装置であって、
上記液晶パネルが画素毎に形成された開口部に光源から
の光を集光させるマイクロレンズを備え、各液晶パネル
において、対応する色の光を透過させた時の焦点距離が
同じであることを特徴とする液晶表示装置である。

【００１７】上記本発明の液晶表示装置においては、上
記マイクロレンズにおいて、対応する色によってレンズ
の曲率或いは屈折率が異なることにより、対応する色の
光を透過させた時の焦点距離を等しくしたことを好まし
い態様として含むものである。

【００１８】また、本発明の第二は、赤、青、緑の各色
の光を変調する複数枚の透過型液晶パネルと、該液晶パ
ネルに光を照射する光源と、該光源からの光を各液晶パ
ネルに導く照明光学系と、各液晶パネルを透過した光を
スクリーン上に重ねて投影する投影光学系とを少なくと
も有する投射型の液晶表示装置であって、上記液晶パネ
ルが画素毎に形成された開口部に光源からの光を集光さ
せるマイクロレンズを備え、赤色光を変調する液晶パネ
ルにおけるマイクロレンズの頂点から開口部までの距離
をＬ_r、緑色光を変調する液晶パネルにおけるマイクロ
レンズの頂点から開口部までの距離をＬ_g、青色光を変
調する液晶パネルにおけるマイクロレンズの頂点から開
口部までの距離をＬ_bとした時、Ｌ_r＞Ｌ_g＞Ｌ_bであるこ
とを特徴とする液晶表示装置である。

【００１９】上記本発明の第二は、上記マイクロレンズ
が透明基板上に形成されており、各液晶パネルに形成さ
れたマイクロレンズが同一仕様であって、透明基板の厚
さを変えることによって、マイクロレンズの頂点から開
口部までの距離を液晶パネル毎に調整したことを好まし
い態様として含むものである。

【００２０】上記本発明の第一、第二のいずれにおいて
も、上記液晶パネルが画素毎にスイッチング素子を備え
たアクティブマトリクス駆動方式の液晶パネルであるこ
と、該スイッチング素子が薄膜トランジスタであること
を好ましい態様として含むものである。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の液晶表示装置の実
施形態を図面に沿って説明する。

【００２２】（実施形態１）図１は、本発明の液晶表示
装置の一実施形態の基本構成を示す概略図である。図
中、１は投影レンズ、２はクロスダイクロイックプリズ
ム、３ａ〜３ｃは液晶パネル、４ａ〜４ｄはミラー、５
はリレーレンズ、６ａ、６ｂは色分解ダイクロイックミ
ラー、７はランプ、８ａ、８ｂはインテグレータ、９は
偏光変換素子、１０は集光レンズである。本構成におい
ては、光源としてランプ７を備え、照明光学系としてイ
ンテグレータ８ａ、８ｂ、偏光変換素子９、集光レンズ
１０、ミラー４ａ〜４ｄ、色分解ダイクロイックミラー
６ａ、６ｂを備え、投影光学系としてクロスダイクロイ
ックプリズム２と投影レンズ１とを備えている。

【００２３】本発明の液晶表示装置は、Ｒ、Ｇ、Ｂの各
色に対応して液晶パネル３ａ、３ｂ、３ｃを備え、各液
晶パネルにおいて各色の光を変調し、不図示のスクリー
ンに投射する投射型に構成されている。

【００２４】即ち、本構成の液晶表示装置においては、
ランプ７から出射した白色光は、インテグレーター８
ａ、８ｂにより均一化され、偏光変換素子９により直線
偏光に変換される。次に、集光レンズ１０、ミラー４ａ
を経て色分解ダイクロイックミラー６ａ、６ｂにより
Ｒ、Ｇ、Ｂに色分解され、各色の光は、ミラー４ｂ〜４
ｄ及びリレーレンズ５を通じて各色の光を変調する液晶
パネル３ａ〜３ｃにそれぞれ照射される。

【００２５】各色液晶パネル３ａ〜３ｃにおいて変調さ
れ、出射された光は、クロスダイクロイックプリズム２
により色合成され、投射レンズ１を通じて外部のスクリ
ーン等に投射される。

【００２６】図２は、図１の各色液晶パネル３ａ〜３ｃ
の構成を示す断面模式図であり、（Ｒ）はＲ色液晶パネ
ル３ａ、（Ｇ）はＧ色液晶パネル３ｂ、（Ｂ）はＢ色液
晶パネル３ｃをそれぞれ示している。また、図中の符号
は図４と同じ部材を示す。

【００２７】本発明に用いられる液晶パネルの基本構成
は先に説明した図４の液晶パネルと同様である。即ち、
ＴＦＴ等スイッチング素子を遮光する遮光部１４と該遮
光部１４の開口部２０に形成された画素電極１５とを備
えたアクティブマトリクス基板１１と、共通電極１８と
遮光部１４の開口部２０に対応するマイクロレンズ１７
とを備えた対向基板１２との間に液晶層１９を挟持して
なる。尚、アクティブマトリクス基板１１、対向基板１
２の液晶層１９との界面には通常、配向膜が形成される
等、用いる液晶層１９のモードに応じた配向処理が施さ
れる。また、本発明に係る液晶層１９には、いずれのモ
ードの液晶も好適に用いることができ、当該液晶パネル
の外側には、適宜偏光板（不図示）が配置される。

【００２８】本発明においては、液晶パネルが特にアク
ティブマトリクス駆動方式に限定されるものではない
が、高品質な画像表示を得る上で当該駆動方式の液晶パ
ネルが好ましく適用され、また、スイッチング素子とし
ては一般に広く用いられているＴＦＴが好適である。

【００２９】当該構成においては、スイッチング素子を
介して表示に対応した情報信号が画素電極１５に印加さ
れ、該画素電極１５と共通電極１８間の電圧に応じて当
該領域の液晶層１９が駆動され、液晶の配向状態に応じ
て画素毎に入射光が変調される。

【００３０】本実施形態に用いられるマイクロレンズ１
７の材料としては、例えばアッべ数約２０の樹脂が用い
られる。

【００３１】本実施形態において、各色液晶パネルにお
けるマイクロレンズ１７は、Ｒ色液晶パネル（Ｒ）でＲ
光透過にかかる焦点距離Ｆ_rと、Ｇ色液晶パネル（Ｇ）
でＧ光透過にかかる焦点距離Ｆ_gと、Ｂ色液晶パネル
（Ｂ）でＢ光透過にかかる焦点距離Ｆ_bとが同じになる
ように設定されている。この焦点距離の設定には、本実
施形態では各マイクロレンズ１７の曲率をそれぞれの対
応値に選定することで行う。即ち、屈折率が相対的に小
さいＲ光にはマイクロレンズ１７の曲率を大きくし、逆
に屈折率が相対的に大きなＢ光にはマイクロレンズ１７
の曲率を小さくし、屈折率がＲ光とＢ光の中間であるＧ
光にはマイクロレンズ１７の曲率をＲ、Ｂの中間とす
る。

【００３２】尚、各マイクロレンズ１７の焦点距離を設
定するには、各色毎に曲率を選定する方法に限定される
ものではない。例えばレンズの屈折率をそれぞれの対応
値に選定する方法を採ってもよく、あるいは屈折率分布
型のマイクロレンズを用いて屈折率分布をそれぞれの対
応値に選定することでもよい。

【００３３】このように、各色液晶パネル（Ｒ）、
（Ｇ）、（Ｂ）では、マイクロレンズ１７の焦点距離Ｆ
_r、Ｆ_g、Ｆ_bを、それぞれの対象色光で同等に合わせる
ので、各液晶パネルにおいて、遮光部１４の開口部２０
に対する集光スポットを同等に合わせることができ、そ
れぞれの結像位置Ｐ_r、Ｐ_g、Ｐ_bが一致する。つまり、
Ｒ、Ｇ、Ｂの各色のいずれにおいても、形成される集光
スポットが同じ大きさとなり、開口部２０から射出した
後の発散角がほぼ同じになる。

【００３４】従って、開口部２０の周囲の遮光部１４で
遮断されたり、投射レンズ１からはずれることによる光
量の損失を、Ｒ、Ｇ、Ｂのいずれにおいても低減した光
学設定を採ることができ、各色液晶パネルにおいてマイ
クロレンズ１７の集光を最適化することができる。その
結果、各色の光利用効率を向上して、より明るい画像表
示を得ることができる。

【００３５】本発明では、液晶パネルの製造プロセスは
特に変更する必要がなく、上述したように使用するマイ
クロレンズの焦点距離を変更するだけであるため、容易
に実施することができる。

【００３６】（実施形態２）図３は、本発明の他の実施
形態の液晶パネルの構成を示す断面模式図であり、図中
の符号は、図２と同じ部材を示す。

【００３７】本実施形態において、その基本構成は先に
説明した実施形態１と同様であり、図１の液晶パネル３
ａ〜３ｃとして適用される。本実施形態では、各液晶パ
ネルにおいて、マイクロレンズの頂点から開口部までの
距離を調整することにより、変調する光の焦点距離に対
応させるものであり、よって、マイクロレンズとしては
各液晶パネルに同一仕様のものを用いることができる。

【００３８】図３の構成において、各色液晶パネル
（Ｒ）、（Ｇ）、（Ｂ）におけるマイクロレンズ１７
は、同一仕様、即ち光学特性が同一に設定されており、
従って、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色の焦点距離Ｆ_r、Ｆ_g、Ｆ_bは
図４の従来例と同様にそれぞれ異なっている。

【００３９】本実施形態では、各色液晶パネル（Ｒ）、
（Ｇ）、（Ｂ）の対向基板１２を構成する透明基板１６
の厚さｔ_r、ｔ_g、ｔ_bを互いに異なるように構成するこ
とによって、Ｒ色液晶パネル（Ｒ）におけるマイクロレ
ンズ１７の頂点から開口部２０までの距離Ｌ_rと、Ｇ色
液晶パネル（Ｇ）におけるマイクロレンズ１７の頂点か
ら開口部２０までの距離Ｌ_gと、Ｂ色液晶パネル（Ｂ）
におけるマイクロレンズ１７の頂点から開口部２０まで
の距離Ｌ_bとが、Ｌ_r＞Ｌ_g＞Ｌ_bの関係に設定されてい
る。つまり、Ｒ光では長い焦点距離Ｆ_rに対応させて透
明基板１６の厚さｔ_rを最も厚くし、Ｂ光では短い焦点
距離Ｆ_bに対応させて透明基板１６の厚さｔ _bを最も薄く
し、Ｇ光ではＲ光とＢ光の中間の焦点距離Ｆ_gに対応さ
せて透明基板１６のｔ_gの厚さを中間にする。

【００４０】このように、上述したＬ_r＞Ｌ_g＞Ｌ_bの関
係は、波長の長い順に距離を延ばす関係となり、各開口
部２０に対して、各色の光の集光スポットを同じ位置に
合わせることができる。つまり、Ｒ、Ｇ、Ｂのいずれの
色の光も形成される集光スポットがほぼ同じ大きさとな
る。従って、開口部２０周囲の遮光部１４で遮断される
光を最小限に設定することができ、各色液晶パネル
（Ｒ）、（Ｇ）、（Ｂ）において、マイクロレンズ１７
の集光を最適化することができる。その結果、各色の光
利用効率を向上して、より明るい画像表示を得ることが
できる。

【００４１】尚、本実施形態の場合、各開口部２０に対
して、各色の光の結像位置Ｐ_r、Ｐ_g、Ｐ_bが一致しない
ことは図４に示す従来例と同様であり、開口部２０から
射出した後の発散角が相違するので、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色
の光について投射レンズ１に取り込まれない光を発生さ
せない光学設定にする必要がある。

【００４２】本発明の実施には、液晶パネルの製造プロ
セスは特に変更する必要がなく、上述したように使用す
る透明基板の厚さを変更するだけで容易に実施すること
ができる。

【００４３】

【発明の効果】本発明においては、色毎に液晶パネルを
備えた投射型の液晶表示装置において、煩雑な製造プロ
セスや装置を付加させることなく、各液晶パネルにおけ
るマイクロレンズの集光を最適化し、光量の損失を大幅
に低減して従来にない明るい画像を表示することができ
る。よって、さらなる装置の小型化、高精細化に対応す
ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の液晶表示装置の一実施形態の基本構成
を示す概略図である。

【図２】図１の液晶表示装置の液晶パネルの断面模式図
である。

【図３】本発明の液晶表示装置の他の実施形態の液晶パ
ネルの断面模式図である。

【図４】従来の透過型液晶パネルの断面模式図である。

【符号の説明】

１投影レンズ２クロスダイクロイックプリズム３ａ〜３ｃ液晶パネル４ａ〜４ｄミラー５リレーレンズ６ａ、６ｂ色分解ダイクロイックミラー７ランプ８ａ、８ｂインテグレータ９偏光変換素子１０集光レンズ１１アクティブマトリクス基板１２対向基板１３、１４透明基板１５画素電極１６透明基板１７マイクロレンズ１８共通電極１９液晶層２０開口部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2H088 EA14 EA15 HA01 HA13 HA21 HA25 HA28 MA03 MA06 2H091 FA29X FD01 GA01 GA13 LA03 LA11 LA16 MA07 5C060 AA05 BA04 BA09 BB13 BC05 BD02 DA02 GA02 GB05 HD00 JB06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】赤、青、緑の各色の光を変調する複数枚
の透過型液晶パネルと、該液晶パネルに光を照射する光
源と、該光源からの光を各液晶パネルに導く照明光学系
と、各液晶パネルを透過した光をスクリーン上に重ねて
投影する投影光学系とを少なくとも有する投射型の液晶
表示装置であって、上記液晶パネルが画素毎に形成され
た開口部に光源からの光を集光させるマイクロレンズを
備え、各液晶パネルにおいて、対応する色の光を透過さ
せた時の焦点距離が同じであることを特徴とする液晶表
示装置。
【請求項２】上記マイクロレンズにおいて、対応する
色によってレンズの曲率が異なることにより、対応する
色の光を透過させた時の焦点距離を等しくした請求項１
に記載の液晶表示装置。
【請求項３】上記マイクロレンズにおいて、対応する
色によってレンズの屈折率が異なることにより、対応す
る色の光を透過させた時の焦点距離を等しくした請求項
１に記載の液晶表示装置。
【請求項４】赤、青、緑の各色の光を変調する複数枚
の透過型液晶パネルと、該液晶パネルに光を照射する光
源と、該光源からの光を各液晶パネルに導く照明光学系
と、各液晶パネルを透過した光をスクリーン上に重ねて
投影する投影光学系とを少なくとも有する投射型の液晶
表示装置であって、上記液晶パネルが画素毎に形成され
た開口部に光源からの光を集光させるマイクロレンズを
備え、赤色光を変調する液晶パネルにおけるマイクロレ
ンズの頂点から開口部までの距離をＬ_r、緑色光を変調
する液晶パネルにおけるマイクロレンズの頂点から開口
部までの距離をＬ_g、青色光を変調する液晶パネルにお
けるマイクロレンズの頂点から開口部までの距離をＬ_b
とした時、Ｌ_r＞Ｌ_g＞Ｌ_bであることを特徴とする液晶
表示装置。
【請求項５】上記マイクロレンズが透明基板上に形成
されており、各液晶パネルに形成されたマイクロレンズ
が同一仕様であって、透明基板の厚さを変えることによ
って、マイクロレンズの頂点から開口部までの距離を液
晶パネル毎に調整した請求項４に記載の液晶表示装置。
【請求項６】上記液晶パネルが画素毎にスイッチング
素子を備えたアクティブマトリクス駆動方式の液晶パネ
ルである請求項１〜５のいずれかに記載の液晶表示装
置。
【請求項７】上記スイッチング素子が薄膜トランジス
タである請求項６に記載の液晶表示装置。