JP2002350823A - 液晶表示素子および投射型液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 構成の大型化や製造上の困難性を招くこと無
く、実効開口率を大きくして光の利用効率を改善する。 【解決手段】 液晶表示素子は、液晶層４５と、光が通
過可能な複数の画素開口４６Ａを有する画素電極部４６
と、複数の画素開口に対応して複数のマイクロレンズ４
２Ｍが２次元的に配列形成された少なくとも一つのマイ
クロレンズアレイ４２とを備えている。各マイクロレン
ズは、光軸方向において少なくとも一つのレンズ面Ｒ１
を有し、入射した光を画素開口側に集光させるように機
能する集光用レンズと、光軸方向において少なくとも一
つのレンズ面Ｒ２を有し、焦点位置が集光用レンズの主
点位置に略一致するように構成されたフィールドレンズ
とを含む。集光用レンズとフィールドレンズの合成焦点
位置が、画素開口からシフトして構成されており、その
シフト量は合成焦点位置が画素開口４６Ａに一致する場
合に比べ実効開口率が高くなる様に設定されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、液晶表示素子およ
びこの液晶表示素子を利用して画像を表示する投射型液
晶表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、液晶表示素子（以下、液晶パネル
（ＬＣＤ）という。）によって光変調された光をスクリ
ーンに投射して、画像を表示するようにした投射型液晶
表示装置（液晶プロジェクタ）がある。投射型液晶表示
装置における画像の投射方式としては、スクリーンの前
面側より画像を投射する前面投射式（フロント式）と、
スクリーンの背面側より画像を投射する背面投射式（リ
ア式）とがある。また、投射型液晶表示装置において、
カラー表示を行うものには、液晶パネルを１枚用いる単
板方式と、赤（Red＝Ｒ），緑（Green＝Ｇ），青（Blue
＝Ｂ）の３つの色光に対応した３枚の液晶パネルを用い
る３板方式とがある。

【０００３】図１２は、従来の投射型液晶表示装置の光
学系（主として照明光学系）の概略構成を示している。
この投射型液晶表示装置は、光軸１００に沿って、光源
１０１と、一対の第１、第２マルチレンズアレイインテ
グレータ（以下、「ＭＬＡ」と記す。）１０２，１０３
と、ＰＳ合成素子１０４と、コンデンサレンズ１０５
と、フィールドレンズ１０６と、液晶パネル１０７と、
投射レンズ１０８とを順番に備えている。ＭＬＡ１０
２，１０３には、それぞれ複数の微小レンズ（マイクロ
レンズ）１０２Ｍ，１０３Ｍが２次元的に配列されてい
る。ＰＳ合成素子１０４には、第２ＭＬＡ１０３におけ
る隣り合うマイクロレンズ間に対応する位置に、複数の
１／２波長板１０４Ａが設けられている。

【０００４】この投射型液晶表示装置では、光源１０１
から発せられた照明用の光が、ＭＬＡ１０２，１０３を
透過することにより、複数の小光束に分割される。ＭＬ
Ａ１０２，１０３を透過した光は、次に、ＰＳ合成素子
１０４に入射する。ＰＳ合成素子１０４に入射する光Ｌ
１０には、光軸１００に垂直な面内において互いに直交
するＰ偏光成分およびＳ偏光成分が含まれている。ＰＳ
合成素子１０４は、入射した光Ｌ１０を２種類（Ｐ偏光
成分およびＳ偏光成分）の偏光光Ｌ１１，Ｌ１２に分離
する。分離された偏光光Ｌ１１，Ｌ１２のうち、一方の
偏光光Ｌ１１は、その偏光方向（例えばＰ偏光）を保っ
たままＰＳ合成素子１０４から出射される。他方の偏光
光Ｌ１２（例えばＳ偏光成分）は、１／２波長板１０４
Ａの作用により、他の偏光成分（例えばＰ偏光成分）に
変換して出射される。これにより、分離された２つの偏
光光Ｌ１１，Ｌ１２の偏光方向が特定の方向に揃えられ
る。

【０００５】ＰＳ合成素子１０４を出射した光は、コン
デンサレンズ１０５およびフィールドレンズ１０６を経
て、液晶パネル１０７に照射される。ＭＬＡ１０２，１
０３によって分割された各小光束は、コンデンサレンズ
１０５の焦点距離ｆｃと第２ＭＬＡ１０３に設けられた
マイクロレンズ１０３Ｍの焦点距離ｆ_ML2とで決まる拡
大率で拡大され、液晶パネル１０７の入射面全体を照射
する。これにより、液晶パネル１０７の入射面には、複
数の拡大された光束が重畳され、全体的に均一な照明が
なされる。液晶パネル１０７は、入射した光を画像信号
に応じて空間的に変調して出射する。液晶パネル１０７
を出射した光は、投射レンズ１０８によって図示しない
スクリーンに投射され、スクリーン上に画像を形成す
る。

【０００６】ところで、液晶パネルでは、その駆動デバ
イスとして薄膜トランジスタ（ＴＦＴ；Thin Film Tran
sistor）などを基板上に作り込むため、隣接する画素間
にはブラックマトリクスと呼ばれる光の遮蔽領域が設け
られている。そのため、その開口率は決して１００％と
はならない。そこで、従来では、液晶パネルにおける開
口率を上げるために、例えば、光の入射側に配置された
対向基板上に１ドット（１ピクセルまたは１サブピクセ
ル）につき光軸方向に１面もしくは複数面の集光用マイ
クロレンズを配置し、液晶パネルの実効開口率を上げる
工夫がなされている。ここで、液晶パネルにおける“実
効開口率”とは、液晶パネルに入射する全光束に対す
る、液晶パネルから出射される全光束の割合をいう。な
お、投射型液晶表示装置においては、通常、液晶パネル
による光の損失のみならず、後段の投射レンズによる光
のケラレを考慮したものを、液晶パネルの実効開口率と
いう。

【０００７】図１３は、液晶パネル１０７の構成例とし
て、マイクロレンズを用いた方式のものを示している。
なお、図１３においては、図を見やすくするため、一部
の領域でハッチングを省略している。この液晶パネル１
０７は、画素電極基板１４０Ｂと、画素電極基板１４０
Ｂの光の入射面側に液晶層１４５を介して対向配設され
た対向基板１４０Ａとを備えている。

【０００８】画素電極基板１４０Ｂは、ガラス基板１４
８と、このガラス基板１４８の光の入射面側に積層され
た複数の画素電極部１４６および複数のブラックマトリ
クス部１４７とを有している。画素電極部１４６および
ブラックマトリクス部１４７は、２次元的に配列されて
いる。各画素電極部１４６は、導電性を有した透明な部
材によって構成されている。ブラックマトリクス部１４
７は、隣り合う画素電極部１４６の間に形成されてい
る。各ブラックマトリクス部１４７は、例えば金属膜な
どにより遮光されている。ブラックマトリクス部１４７
の内部には、隣接する画素電極部１４６に対して、画像
信号に応じて選択的に電圧を印加するための図示しない
スイッチング素子が形成されている。画素電極部１４６
に電圧を印加するためのスイッチング素子としては、例
えばＴＦＴが使用される。

【０００９】対向基板１４０Ａは、光の入射側から順
に、ガラス基板１４１と、マイクロレンズアレイ１４２
と、カバーガラス１４４とを有している。ガラス基板１
４１とマイクロレンズアレイ１４２との間には、樹脂層
１４３が積層されている。なお、図示しないが、カバー
ガラス１４４と液晶層１４５との間には、画素電極部１
４６との間で電位を発生させるための対向電極が配設さ
れている。樹脂層１４３は、屈折率がｎ１の光学樹脂に
より構成されている。

【００１０】マイクロレンズアレイ１４２は、屈折率が
ｎ２（＞ｎ１）の光学樹脂により構成され、各画素電極
部１４６に対応して２次元的に設けられた複数のマイク
ロレンズ１４２Ｍを有している。マイクロレンズ１４２
Ｍは、光の入射側が凸形状であり、正の屈折力（パワ
ー）を有している。マイクロレンズ１４２Ｍは、ガラス
基板１４１および樹脂層１４３を介して入射した光を、
対応する画素電極部１４６に向けて集光する機能を有し
ている。後段の投射レンズ１０８に十分なＦナンバーが
確保されていれば、液晶パネルに入射した光のうち、マ
イクロレンズ１４２Ｍによって集光され開口部分１４６
Ａに入射した光が画像表示に利用可能な有効な光とな
る。このようにマイクロレンズ１４２Ｍを設けている場
合には、マイクロレンズ１４２Ｍを設けない場合に比べ
て、画素電極部１４６の開口部分１４６Ａに多くの光を
入射させることができ、実効開口率を上げ、光利用効率
を向上させることができる。

【００１１】このような構成の液晶パネル１０７におい
て、マイクロレンズ１４２Ｍの光軸２００に対して発散
角βで入射した光２１１は、マイクロレンズ１４２Ｍの
パワーによって屈折されることにより、マイクロレンズ
１４２Ｍがないときよりも発散した状態で出射する。こ
のとき、出射光の発散角度θは、マイクロレンズ１４２
Ｍのパワーによって生じる角度αと入射したときに元々
ある角度成分βとの和であり、以下の式（１）の関係を
満たす。 θ＝α＋β ……（１）

【００１２】ここで、マイクロレンズ１４２Ｍのパワー
によってのみ生ずる角度αは、マイクロレンズ１４２Ｍ
の焦点距離をｆ_ML、マイクロレンズの最大外形（直径）
を２ａとすると、以下の式（２）で定義される。 ｔａｎα＝ａ／ｆ_ML ……（２）

【００１３】一方、液晶パネル１０７に入射する照明光
の発散角（入射発散角）βは、コンデンサレンズ１０５
（図９）の焦点距離をｆｃ、半径をｒｃとすると、以下
の式（３）で定義される。 ｔａｎβ＝ｒｃ／ｆｃ ……（３）

【００１４】また、液晶パネル１０７の出射光の発散角
がθであるとき、投射レンズ１０８に必要なＦナンバー
（Ｆｎｏ．）は、以下の式（４）で定義される。 Ｆｎｏ．＝１／（２ｓｉｎθ） ……（４）

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述の液晶
パネル１０７において、発散角度βの大きい光が入射す
ると、その入射光をマイクロレンズ１４２Ｍによるレン
ズ作用では十分に開口部分１４６Ａに集光させることが
できずに、ブラックマトリクス部１４７によって一部の
光にケラレが生じる。また、発散角度βの大きい光が入
射すると、パネルからの出射光はマイクロレンズ１４２
Ｍのパワーによってマイクロレンズがないときよりも発
散し、その発散角度θは、式（１）から分かるように大
きくなる。一方で、投射レンズ１０８は、式（４）で定
義されるＦナンバーによって決まる所定の角度以上の光
を取り込むことはできない。このため、出射発散角度θ
の大きすぎる光は、後段の投射レンズ１０８においてケ
ラレを生じさせる。

【００１６】以上のことから、マイクロレンズ１４２Ｍ
による光利用効率向上の効果を出すためには、入射発散
角度βを小さくする必要がある。しかしながら、入射発
散角度βを小さくするためには、式（３）から分かるよ
うにコンデンサレンズ１０５の焦点距離ｆｃが長くなる
ことを意味する。また、第２ＭＬＡ１０３におけるマイ
クロレンズ１０３Ｍの焦点距離が長くなることをも意味
する。このため、入射発散角度βを小さくするために
は、光源１０２から液晶パネル１０７に至る光路長の増
大を招くことになる。この光路長の増大は、装置全体の
大型化を招くと共に、液晶パネル１０７の前段の照明光
学系を含めた照明光学系全体での光利用効率の低下を招
く。また、投射レンズ１０８として発散角度θに相当す
る明るいＦナンバー（例えば１．２〜１．５程度）のも
のを使用すれば、投射レンズ１０８におけるケラレを解
消することができるが、明るいＦナンバーのレンズは、
設計の難易度とコストを大幅に増大させることになると
いう問題がある。

【００１７】以上の照明系および液晶パネル１０７のマ
イクロレンズ１４２Ｍにおける問題をまとめると、以下
の（i）〜（iii）のようになる。 （i）入射発散角度βの大きい光は、液晶パネルのブラ
ックマトリクス部または投射レンズにおいてケラレを生
じさせる。 （ii）入射発散角度βを小さく抑えることにより液晶パ
ネルにおける実効開口率は向上するが、照明系全体とし
ての光利用効率は低下し、装置の大型化を招く。 （iii）液晶パネルからの出射光の発散角度θは、マイ
クロレンズのパワーによって生じる角度αと入射発散角
度βの和であり、その出射光はマイクロレンズがないと
きよりも発散する。このため、投射レンズとしては、大
きい発散角度θに対応するために、その発散角度θに相
当する明るいＦナンバーのものが必要となる。これは、
投射レンズの設計の難易度およびコストの増大を招く。

【００１８】ここで、液晶パネル１０７におけるマイク
ロレンズ１４２Ｍの焦点距離を短くすることにより、上
記（ｉ）におけるブラックマトリクス部１４７でのケラ
レの問題を改善することが可能である。しかしながら、
この場合には、マイクロレンズ１４２Ｍのパワーによっ
て生じる角度αが大きくなることにより、出射発散角度
θが大きくなるため、それに付随して上記（iii）の問
題が発生してしまう。このとき、投射レンズ１０８のＦ
ナンバーを小さくして明るくすると、結像性能の低下や
投射レンズ自体の大型化および製造コストの増大などの
問題が生じる。実際の投射型液晶装置では、投射レンズ
１０８のＦナンバーに合わせる形でマイクロレンズ１４
２Ｍの焦点距離ｆ_MLを長く設定し、画素開口部−マイク
ロレンズ間距離の最適化を行っているため、上記（i）
および（ii）の問題を残したままの状態となっている。

【００１９】一方、図１４に示したように、画素電極基
板側にもマイクロレンズアレイ１５２を配置し、対向基
板側のマイクロレンズ１４２Ｍによって生じる角度αを
マイクロレンズアレイ１５２の出射時にキャンセルする
ようにした方式の液晶パネルが提案されている。図１４
に示した構成例では、対向基板側のマイクロレンズアレ
イ１４２が、ガラス基板１４１における光の出射側の面
に直接形成されている。画素電極基板１４０Ｂにおける
光の出射側には、光学樹脂からなる他のマイクロレンズ
アレイ１５２が配置されている。マイクロレンズアレイ
１５２の光の出射側には、ガラス基板１５１が配置され
ている。マイクロレンズアレイ１５２は、対向基板側の
マイクロレンズ１４２Ｍに対応して、複数の他のマイク
ロレンズ１５２Ｍを有している。マイクロレンズ１５２
Ｍは、光の出射側が凸形状となっており、正のパワーを
有している。このマイクロレンズ１５２Ｍは、対向基板
側の対応するマイクロレンズアレイ１４２と組み合わさ
れてコリメータとして機能するよう構成されている。こ
の液晶パネルは、対向基板側のガラス基板１４１および
マイクロレンズ１４２Ｍの屈折率をそれぞれｎ１，ｎ
２、画素電極基板側のマイクロレンズ１５２Ｍおよびガ
ラス基板１５１の屈折率をそれぞれｎ３，ｎ４とする
と、ｎ２＞ｎ１かつｎ３＞ｎ４の関係を満たすように構
成されている。

【００２０】この方式の液晶パネルに入射した光は、例
えば図１４に示した入射光２１２のように、まず、対向
基板側のマイクロレンズ１４２Ｍのパワーによって角度
αの屈折作用を受ける。一方、この入射光は、画素電極
基板側のマイクロレンズ１５２Ｍにおけるコリメータと
しての機能によって、角度αとは逆方向の角度−αの屈
折作用を受ける。これにより、対向基板側のマイクロレ
ンズ１４２Ｍのパワーによってついた角度成分αが、マ
イクロレンズ１５２Ｍを出射するときにはキャンセルさ
れて出射される。この方式では、角度αがキャンセルさ
れることにより、出射発散角度θは、式（１）より「θ
＝β」となり、図１３の方式と比較して角度αの分だけ
発散角度θを小さくすることができる。しかしながら、
このような方式によるマイクロレンズの配置では、発散
角βで入射した光２１３が、本来入射すべきマイクロレ
ンズ152M-1ではなく、例えば隣の位置にあるマイクロレ
ンズ152M-2に入射してしまうと、そのマイクロレンズ15
2M-2は入射光に対してコリメータとして機能しなくな
る。この場合には、上述の「θ＝β」の関係が崩れ、出
射発散角度θは、入射発散角度βよりも大きな値とな
り、実効開口率を向上させることができなくなる。

【００２１】また、例えば特開平５−３４１２８３号公
報には、入射発散角度βをキャンセルして出射する方式
のものが提案されている。この公報記載の液晶パネル
は、一対のガラス基板と、これらのガラス基板間に設け
られた液晶層とを備え、一対のガラス基板の少なくとも
一方の基板の両面に、画素開口部に対応させてマイクロ
レンズを配置した構成となっている。この液晶パネルで
は、基板両面に設けられた２つのマイクロレンズのそれ
ぞれの焦点距離が等しく、かつ、それらのレンズ間距離
が焦点距離と等しくなるように設定されている。これに
より、２つのマイクロレンズのそれぞれが、平行光を入
射させたときに、その平行光をマイクロレンズが設けら
れている基板面とは反対の面の近傍に集光させるような
光学特性を有している。これにより、入射発散角度βを
キャンセルして出射させるようにしている。この提案で
は、マイクロレンズの形成方法としてイオン交換法を用
いるものとしている。

【００２２】ところで、上記公報の記載では、マイクロ
レンズの一方の面が基板の内側に凸形状であると共に、
他方の面（基板の両端の面）が平坦な形状となってい
る。また、画素開口部側のマイクロレンズと画素開口部
との間の距離が略０となっている。この方式ではマイク
ロレンズを搭載した基板の厚みは数１０μｍ程度になる
と考えられる。しかしながら、このような構成では、特
にマイクロレンズを搭載した基板の作製が非常に困難で
あるという問題がある。特にイオン交換法による製造で
は、厚さのコントロールが困難であり、厚さ数１０μｍ
程度の薄い基板を、マイクロレンズについて所望の光学
特性が得られるように精度良く加工するのは困難であ
る。例えば、この方式では所望の光学特性を出すため
に、基板の両端にあるマイクロレンズのレンズ面を研磨
する必要があると考えられるが、厚さ数１０μｍの薄い
基板を精度良く研磨するのは非常に困難である。近年の
液晶パネルは高精細化が要求されており、画素ピッチも
細かくなって、より精度の高い加工が必要とされてい
る。上記公報記載の液晶パネルは、この点において不利
である。

【００２３】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
ので、その目的は、構成の大型化や製造上の困難性を招
くことなく、実効開口率を大きくして光利用効率を向上
させることができる液晶表示素子および投射型液晶表示
装置を提供することにある。さらに、本発明の目的は、
光軸方向に沿ったマイクロレンズと画素開口との位置関
係を調整して、集光効率の最適化を図ることができる液
晶表示素子および投射型液晶表示装置を提供することに
ある。

【課題を解決するための手段】上述した本発明の目的を
達成する為に以下の手段を講じた。即ち、本発明に係る
液晶表示素子は、液晶層と、光が通過可能な複数の画素
開口を有する画素電極部と、前記液晶層に対して光の入
射側または光の出射側の少なくとも一方の側に、前記複
数の画素開口に対応して複数のマイクロレンズが２次元
的に配列形成された少なくとも一つのマイクロレンズア
レイとを備え、前記各マイクロレンズは、光軸方向にお
いて少なくとも一つのレンズ面を有し、入射した光を前
記画素開口側に集光させるように機能する集光用レンズ
と、光軸方向において少なくとも一つのレンズ面を有
し、焦点位置が前記集光用レンズの主点位置に略一致す
るように構成されたフィールドレンズとを含み、前記集
光用レンズとフィールドレンズの合成焦点位置が、前記
画素開口からシフトして構成されており、そのシフト量
は合成焦点位置が画素開口に一致する場合に比べ実効開
口率が高くなる様に設定されていることを特徴とする。
具体的には、前記シフト量は、合成焦点距離の±１０％
を越える範囲にある。又、前記フィールドレンズの光学
的な作用によって、光軸に対して発散角度成分を有して
入射した入射光について、前記発散角度成分が前記マイ
クロレンズアレイから出射するときに除去され、その出
射角度が光軸に平行に入射した主光線の出射角度と略同
一となるように構成されている。又、液晶表示素子を透
過した光を投射レンズを介して投射する投射型液晶表示
装置に適用され、前記各マイクロレンズの開口数が、前
記投射レンズのＦナンバーに略相当するように構成され
ている。

【００２４】又、本発明に係る投射型液晶表示装置は、
光を発する光源と、入射した光を光学的に変調する機能
を有した液晶表示素子と、前記液晶表示素子によって変
調された光を投射する投射レンズとを備えている。ここ
で、前記液晶表示素子は、液晶層と、光が通過可能な複
数の画素開口を有する画素電極部と、前記液晶層に対し
て光の入射側または光の出射側の少なくとも一方の側
に、前記複数の画素開口に対応して複数のマイクロレン
ズが２次元的に配列形成された少なくとも一つのマイク
ロレンズアレイとを備えている。前記各マイクロレンズ
は、光軸方向において少なくとも一つのレンズ面を有
し、入射した光を前記画素開口側に集光させるように機
能する集光用レンズと、光軸方向において少なくとも一
つのレンズ面を有し、焦点位置が前記集光用レンズの主
点位置に略一致するように構成されたフィールドレンズ
とを含み、前記集光用レンズとフィールドレンズの合成
焦点位置が、前記画素開口からシフトして構成されてお
り、そのシフト量は合成焦点位置が画素開口に一致する
場合に比べ実効開口率が高くなる様に設定されているこ
とを特徴とする。

【００２５】本発明による液晶表示素子および投射型液
晶表示装置では、個々のマイクロレンズを、集光用レン
ズとフィールドレンズとで構成している。集光用レンズ
は光源から入射した光を画素開口側に集光させる様に機
能する。フィールドレンズは、その焦点位置が集光用レ
ンズの主点位置にほぼ一致する様に構成されている。係
る構成により、光軸に対して発散角度成分を有して入射
した光源光について、その発散角度成分がマイクロレン
ズから出射する時に除去される。これにより、マイクロ
レンズの焦点距離を短くしても、出射光の発散角度が大
きくなることを防止できる。投射型液晶表示装置に適用
した場合、投射レンズによる光のけられ量を低減するこ
とが可能である。加えて、本発明では画素開口の位置
が、集光用レンズとフィールドレンズの合成焦点位置か
らシフトしている。このシフト量は画素開口が合成焦点
位置に一致する場合に比べ、実効開口率が高くなる様に
設定されている。入射光について全ての角度成分を解析
すると、必ずしも合成焦点位置が画素開口に完全に一致
している場合が最も実効開口率がよくなるとは限らな
い。むしろ、光源光の角度的なばらつきなど全ての角度
成分を考慮すると、実効開口率が最大となる開口位置
は、マイクロレンズの合成焦点位置からシフトしてい
る。従って、合成焦点位置と画素開口位置との相対的な
関係を最適に調整して、実効開口率が高くなる様に設定
することがよい。尚、実効開口率とは、単位画素に入射
した光源光束の内、マイクロレンズを介して画素開口を
通過し更に投射レンズを通過可能な光束の割合を示して
いる。

【００２６】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の一実施の形態に
係る投射型液晶表示装置の全体構成の一例を示してい
る。この図に示した投射型液晶表示装置は、透過型の液
晶パネルを３枚用いてカラー画像表示を行ういわゆる３
板方式のものである。この投射型液晶表示装置は、光を
発する光源１１と、一対の第１、第２マルチレンズアレ
イインテグレータ（以下、「ＭＬＡ」と記す。）１２，
１３と、ＭＬＡ１２，１３の間に設けられ、光路（光軸
１０）を第２ＭＬＡ１３側に略９０度曲げるように配置
された全反射ミラー１４とを備えている。ＭＬＡ１０
２，１０３には、それぞれ複数のマイクロレンズ１２
Ｍ，１３Ｍが２次元的に配列されている。ＭＬＡ１２，
１３は、光の照度分布を均一化させるためのものであ
り、入射した光を複数の小光束に分割する機能を有して
いる。

【００２７】光源１１は、カラー画像表示に必要とされ
る、赤色光、青色光および緑色光を含んだ白色光を発す
るようになっている。この光源１１は、白色光を発する
発光体（図示せず）と、発光体から発せられた光を反
射、集光する凹面鏡とを含んで構成されている。発光体
としては、例えば、ハロゲンランプ、メタルハライドラ
ンプまたはキセノンランプ等が使用される。凹面鏡は、
集光効率が良い形状であることが望ましく、例えば回転
楕円面鏡や回転放物面鏡等の回転対称な面形状となって
いる。

【００２８】この投射型液晶表示装置は、また、第２Ｍ
ＬＡ１３の光の出射側に、ＰＳ合成素子１５と、コンデ
ンサレンズ１６と、ダイクロイックミラー１７とを順番
に備えている。ダイクロイックミラー１７は、入射した
光を、例えば赤色光ＬＲと、その他の色光とに分離する
機能を有している。

【００２９】ＰＳ合成素子１５には、第２ＭＬＡ１３に
おける隣り合うマイクロレンズ間に対応する位置に、複
数の１／２波長板１５Ａが設けられている。ＰＳ合成素
子１５は、図５に示したように、入射した光Ｌ０を２種
類（Ｐ偏光成分およびＳ偏光成分）の偏光光Ｌ１，Ｌ２
に分離する機能を有している。ＰＳ合成素子１５は、ま
た、分離された２つの偏光光Ｌ１，Ｌ２のうち、一方の
偏光光Ｌ２を、その偏光方向（例えばＰ偏光）を保った
ままＰＳ合成素子１５から出射し、他方の偏光光Ｌ１
（例えばＳ偏光成分）を、１／２波長板１５Ａの作用に
より、他の偏光成分（例えばＰ偏光成分）に変換して出
射する機能を有している。

【００３０】この投射型液晶表示装置は、また、ダイク
ロイックミラー１７によって分離された赤色光ＬＲの光
路に沿って、全反射ミラー１８と、フィールドレンズ２
４Ｒと、液晶パネル２５Ｒとを順番に備えている。全反
射ミラー１８は、ダイクロイックミラー１７によって分
離された赤色光ＬＲを、液晶パネル２５Ｒに向けて反射
するようになっている。液晶パネル２５Ｒは、フィール
ドレンズ２４Ｒを介して入射した赤色光ＬＲを、画像信
号に応じて空間的に変調する機能を有している。

【００３１】この投射型液晶表示装置は、さらに、ダイ
クロイックミラー１７によって分離された他の色光の光
路に沿って、ダイクロイックミラー１９を備えている。
ダイクロイックミラー１９は、入射した光を、例えば緑
色光と青色光とに分離する機能を有している。

【００３２】この投射型液晶表示装置は、また、ダイク
ロイックミラー１９によって分離された緑色光ＬＧの光
路に沿って、フィールドレンズ２４Ｇと、液晶パネル２
５Ｇとを順番に備えている。液晶パネル２５Ｇは、フィ
ールドレンズ２４Ｇを介して入射した緑色光ＬＧを、画
像信号に応じて空間的に変調する機能を有している。

【００３３】この投射型液晶表示装置は、さらに、ダイ
クロイックミラー１９によって分離された青色光ＬＢの
光路に沿って、リレーレンズ２０と、全反射ミラー２１
と、リレーレンズ２２と、全反射ミラー２３と、フィー
ルドレンズ２４Ｂと、液晶パネル２５Ｂとを順番に備え
ている。全反射ミラー２１は、リレーレンズ２０を介し
て入射した青色光ＬＢを、全反射ミラー２３に向けて反
射するようになっている。全反射ミラー２３は、全反射
ミラー２１によって反射され、リレーレンズ２２を介し
て入射した青色光ＬＢを、液晶パネル２５Ｂに向けて反
射するようになっている。液晶パネル２５Ｂは、全反射
ミラー２３によって反射され、フィールドレンズ２４Ｂ
を介して入射した青色光ＬＢを、画像信号に応じて空間
的に変調する機能を有している。

【００３４】この投射型液晶表示装置は、また、赤色光
ＬＲ、緑色光ＬＧおよび青色光ＬＢの光路が交わる位置
に、３つの色光ＬＲ、ＬＧ，ＬＢを合成する機能を有し
たクロスプリズム２６を備えている。この投射型液晶表
示装置は、また、クロスプリズム２６から出射された合
成光を、スクリーン２８に向けて投射するための投射レ
ンズ２７を備えている。クロスプリズム２６は、３つの
入射面２６Ｒ，２６Ｇ，２６Ｂと、一つの出射面２６Ｔ
とを有している。入射面２６Ｒには、液晶パネル２５Ｒ
から出射された赤色光ＬＲが入射するようになってい
る。入射面２６Ｇには、液晶パネル２５Ｇから出射され
た緑色光ＬＧが入射するようになっている。入射面２６
Ｂには、液晶パネル２５Ｂから出射された青色光ＬＢが
入射するようになっている。クロスプリズム２６は、入
射面２６Ｒ，２６Ｇ，２６Ｇに入射した３つの色光を合
成して出射面２６Ｔから出射する。

【００３５】図２は、液晶パネル２５Ｒ，２５Ｇ，２５
Ｂの構成例を示している。液晶パネル２５Ｒ，２５Ｇ，
２５Ｂは、それぞれ変調対象となる光の成分が異なるの
みで、その機能、構成は実質的に同じである。以下で
は、各色用の液晶パネル２５Ｒ，２５Ｇ，２５Ｂの構成
をまとめて説明する。なお、図２においては、図を見や
すくするため、一部の領域でハッチングを省略してい
る。液晶パネル２５（２５Ｒ，２５Ｇ，２５Ｂ）は、画
素電極基板４０Ｂと、この画素電極基板４０Ｂの光の入
射面側に液晶層４５を介して対向配設された対向基板４
０Ａとを備えている。

【００３６】画素電極基板４０Ｂは、ガラス基板４８
と、このガラス基板４８の光の入射面側に積層された複
数の画素電極部４６および複数のブラックマトリクス部
４７とを有している。画素電極基板４０Ｂは、また、画
素電極部４５およびブラックマトリクス部４６と液晶層
４５との間に積層された配向膜（図示せず）を有してい
る。画素電極部４６およびブラックマトリクス部４７
は、２次元的に配列されている。各画素電極部４６は、
導電性を有した透明な部材によって構成されている。ブ
ラックマトリクス部４７は、隣り合う画素電極部４６の
間に形成されている。各ブラックマトリクス部４７は、
例えば金属膜などにより遮光されている。ブラックマト
リクス部４７の内部には、隣接する画素電極部４６に対
して、画像信号に応じて選択的に電圧を印加するための
図示しないスイッチング素子が形成されている。画素電
極部４６に電圧を印加するためのスイッチング素子とし
ては、例えばＴＦＴが使用される。ブラックマトリクス
部４７によって囲まれ、入射光が透過可能な一つの画素
電極部４６の開口領域が、１画素分の画素開口４６Ａと
なる。

【００３７】対向基板４０Ａは、光の入射側から順に、
ガラス基板４１と、第１の樹脂層４３Ａと、マイクロレ
ンズアレイ４２と、第２の樹脂層４３Ｂと、カバーガラ
ス４４とを有している。対向基板４０Ａは、図示しない
が、カバーガラス４４と液晶層４５との間に、対向電極
と配向膜とをさらに有している。対向電極は、画素電極
部４６との間で電位を発生させるためのものである。

【００３８】マイクロレンズアレイ４２は、光学樹脂に
より構成され、各画素電極部４６に対応して２次元的に
設けられた複数のマイクロレンズ４２Ｍを有している。
各マイクロレンズ４２Ｍは、全体として正の屈折力（パ
ワー）を有しており、液晶パネル２５に入射した光を、
対応する画素電極部４６に向けて集光する機能を有して
いる。後段の投射レンズ２７に十分なＦナンバーが確保
されていれば、液晶パネル２５に入射した光のうち、マ
イクロレンズ４２Ｍによって集光され画素開口４６Ａに
入射した光のほとんどが画像表示に利用可能な有効な光
となる。液晶パネル２５からの出射光を有効利用するた
めに、投射レンズ２７のＦナンバーは、マイクロレンズ
４２Ｍの開口数と略一致または、マイクロレンズ４２Ｍ
の開口数よりも明るくなるような値に設定されているこ
とが望ましい。

【００３９】各マイクロレンズ４２Ｍは、一つの画素開
口４６Ａ、すなわち、１ドット（１ピクセルまたは１サ
ブピクセル）につき光軸方向に２つのレンズ面Ｒ１，Ｒ
２が配置されるように構成されている。各レンズ面Ｒ
１，Ｒ２は、それぞれ正のパワーを有するように構成さ
れている。図２の例では、各レンズ面Ｒ１，Ｒ２は球面
形状で構成され、第１のレンズ面Ｒ１が、光の入射側
（光源側）に凸形状、第２のレンズ面Ｒ２が、光の出射
側に凸形状となっている。このような面形状で正のパワ
ーを持たせるために、第１の樹脂層４３Ａ、マイクロレ
ンズアレイ４２、第２の樹脂層４３Ｂは、その屈折率を
それぞれｎ１，ｎ２，ｎ３とすると、「ｎ２＞ｎ１，ｎ
３」の関係を満たすように構成されている。なお、ｎ２
とｎ１の相対的な屈折率差は、例えば０．２〜０．３程
度で、より高い値が確保されていることが望ましい。ｎ
２とｎ３についても同様である。

【００４０】又、各マイクロレンズ４２Ｍは、第２のレ
ンズ面Ｒ２の焦点位置が、第１のレンズ面Ｒ１について
の主点位置Ｈ１にほぼ一致する（図４参照）。ここで、
マイクロレンズ全体での焦点位置が、画素開口４６Ａの
位置からシフトしている。そのシフト量はマイクロレン
ズ全体での焦点位置が画素開口４６Ａに一致する場合に
比べ、実効開口率が高くなる様に設定されている。第１
のレンズ面Ｒ１は、集光機能を有した集光用レンズを形
成している。第２のレンズ面Ｒ２は、フィールド機能を
有したフィールドレンズを形成している。集光用レンズ
とフィールドレンズの合成焦点が、マイクロレンズ全体
での焦点となる。

【００４１】マイクロレンズ全体での焦点位置は、画素
開口にある程度近い方が、開口効率が良くなると考えら
れる。入射光について全ての角度成分を考慮すると、焦
点位置が画素開口に完全に一致している場合が最も開口
効率がよくなるとは限らない。全ての角度成分を考慮す
ると、むしろマイクロレンズの合成焦点を光軸方向に沿
って画素開口からシフトした方が、結果的に実効開口率
が高くなる。そこで本発明では、マイクロレンズの合成
焦点位置と画素開口の位置との光軸方向に沿った相対的
な位置関係を最適化して、画素開口の集光効率の改善を
図っている。

【００４２】なお、第１の樹脂層４３Ａ、マイクロレン
ズアレイ４２、第２の樹脂層４３Ｂは、レンズ面Ｒ１，
Ｒ２が正のパワーを持ち、所定の光学特性を満たすよう
に構成されていれば良く、図示した形状に限定されな
い。また、マイクロレンズ４２Ｍの機能を持たせるため
の十分なパワーが得られれば、後述の変形例に示すよう
に、樹脂層４３Ａ，４３Ｂを構成から省き、ガラス基板
４１とカバーガラス４４との間に直接マイクロレンズア
レイ４２を形成するようにしても良い。

【００４３】ここで、液晶パネル２５におけるマイクロ
レンズアレイ部分の製造方法について簡単に説明する。
まず、第１の樹脂層４３Ａおよび第２の樹脂層４３Ｂを
製造する。第１の樹脂層４３Ａは、例えばアクリル系の
樹脂を、マイクロレンズ４２Ｍの第１のレンズ面Ｒ１の
パターンが形成されたスタンパによって成型して製造す
る。第２の樹脂層４３Ｂについても同様であり、例えば
アクリル系の樹脂を、マイクロレンズ４２Ｍの第２のレ
ンズ面Ｒ２のパターンが形成されたスタンパによって成
型することにより製造する。このように成型された２つ
の樹脂層４３Ａ，４３Ｂを対向配置し、その間にマイク
ロレンズアレイ４２の材料となる光学樹脂（例えばウレ
タン系やアクリル系の樹脂）を充填する。充填された樹
脂が接着剤の役割を果たし、第１の樹脂層４３Ａ、マイ
クロレンズアレイ４２および第２の樹脂層４３Ｂが一体
化される。その後、第１の樹脂層４３Ａおよび第２の樹
脂層４３Ｂの表面に研磨を施す。なお、マイクロレンズ
アレイの製造方法は以上の方法に限定されず、他の方法
を用いても良い。

【００４４】なお、液晶パネル２５において、第２のレ
ンズ面Ｒ２と画素開口４６Ａの間にはカバーガラス４
４、配向膜（図示せず）、液晶層４５などの層が存在す
ることになるが、これらの層厚はできるだけ薄くする方
が望ましい（例えば全体の厚さが５〜２５μｍ ｉｎ
ａｉｒ程度）。

【００４５】図３は、液晶パネルの参考例を示してい
る。基本的な構成は、図２に示した液晶パネルと同様で
あり、対応する部分には対応する参照番号を付して理解
を容易にしている。異なる点は、図３に示した参考例で
はマイクロレンズ４２Ｍの合成焦点が、ちょうど画素開
口４６Ａと一致していることである。この様にすると、
画素開口でのスポット像は、照明光の絞りと像共役の関
係にあり、絞り面上の強度分布をそのまま投影する様に
なる。しかし、ランプから出る光は必ずしも均一ではな
い為、パネル入射角度によってその強度は異なり、焦点
位置のスポット像が必ずしも開口部の透過効率最大とは
なり得ない。

【００４６】次に、上記のような構成の投射型液晶表示
装置の作用について説明する。まず、図１を参照して、
投射型液晶表示装置の全体的な作用について説明する。
光源１１から発せられた白色光は、まず、ＭＬＡ１２，
１３を透過することにより、複数の小光束に分割され
る。ＭＬＡ１２，１３を透過した光は、次に、ＰＳ合成
素子１５に入射する。ＰＳ合成素子１５に入射する光に
は、光軸１０に垂直な面内において互いに直交するＰ偏
光成分およびＳ偏光成分が含まれている。ＰＳ合成素子
１５は、図５に示したように、入射した光Ｌ０を２種類
（Ｐ偏光成分およびＳ偏光成分）の偏光光Ｌ１，Ｌ２に
分離する。分離された偏光光のうち、一方の偏光光Ｌ２
は、その偏光方向（例えばＰ偏光）を保ったままＰＳ合
成素子１５から出射される。他方の偏光光Ｌ１（例えば
Ｓ偏光成分）は、１／２波長板１５Ａの作用により、他
の偏光成分（例えばＰ偏光成分）に変換して出射され
る。これにより、分離された２つの偏光光Ｌ１，Ｌ２の
偏光方向が特定の方向（例えばＰ偏光）に揃えられる。

【００４７】ＰＳ合成素子１５を出射した光は、次に、
コンデンサレンズ１６を透過した後、ダイクロイックミ
ラー１７に入射する。ダイクロイックミラー１７に入射
した光は、ダイクロイックミラー１７の作用により、例
えば赤色光ＬＲと、その他の色光とに分離される。

【００４８】ダイクロイックミラー１７によって分離さ
れた赤色光ＬＲは、全反射ミラー１８によって、液晶パ
ネル２５Ｒに向けて反射される。全反射ミラー１８によ
って反射された赤色光ＬＲは、フィールドレンズ２４Ｒ
を介して液晶パネル２５Ｒに入射する。液晶パネル部２
５Ｒに入射した赤色光ＬＲは、液晶パネル２５Ｒにおい
て、画像信号に応じて空間的に変調された後、クロスプ
リズム２６の入射面２６Ｒに入射する。

【００４９】一方、ダイクロイックミラー１７によって
分離されたその他の色光は、次に、ダイクロイックミラ
ー１９に入射し、ここで、例えば緑色光ＬＧと青色光Ｌ
Ｂとに分離される。ダイクロイックミラー１９によって
分離された緑色光ＬＧは、フィールドレンズ２４Ｇを介
して液晶パネル２５Ｇに入射する。液晶パネル２５Ｇに
入射した緑色光ＬＧは、液晶パネル２５Ｇにおいて、画
像信号に応じて空間的に変調された後、クロスプリズム
２６の入射面２６Ｇに入射する。

【００５０】ダイクロイックミラー１９によって分離さ
れた青色光ＬＢは、リレーレンズ２０を介して全反射ミ
ラー２１に入射し、ここで、全反射ミラー２３に向けて
反射される。全反射ミラー２１によって反射された青色
光ＬＢは、リレーレンズ２２を介して全反射ミラー２３
に入射し、ここで、液晶パネル部２５Ｂに向けて反射さ
れる。全反射ミラー２３によって反射された青色光ＬＢ
は、フィールドレンズ２４Ｂを介して液晶パネル２５Ｂ
に入射する。液晶パネル２５Ｂに入射した青色光ＬＢ
は、液晶パネル２５Ｂにおいて、画像信号に応じて空間
的に変調された後、クロスプリズム２６の入射面２６Ｂ
に入射する。

【００５１】なお、液晶パネル２５Ｒ，２５Ｇ，２５Ｂ
のそれぞれの入射面には、ＭＬＡ１２，１３によって分
割された複数の小光束が拡大された状態で重畳され、全
体的に均一な照明がなされる。ＭＬＡ１２，１３によっ
て分割された各小光束は、コンデンサレンズ１６の焦点
距離ｆｃと第２ＭＬＡ１３に設けられたマイクロレンズ
１３Ｍの焦点距離ｆ_MLA2とで決まる拡大率で拡大され
る。

【００５２】クロスプリズム２６に入射した３つの色光
ＬＲ、ＬＧ，ＬＢは、クロスプリズム２６の作用により
合成され、出射面２６Ｔから投射レンズ２７に向けて出
射される。その出射光が、投射レンズ２７によってスク
リーン２８の前面側または背面側に投射されることによ
り、スクリーン２８上に画像を形成する。

【００５３】次に、主として図４を参照して、本実施の
形態の特徴部分である液晶パネル２５におけるマイクロ
レンズ４２Ｍによる光学的な作用および効果について説
明する。図４では、説明を簡略化するため、液晶パネル
２５におけるマイクロレンズ部分の主要な構成要素のみ
を示している。既に説明したように、マイクロレンズ４
２Ｍにおいて、第１のレンズ面Ｒ１および第２のレンズ
面Ｒ２は、正のパワーを有している。また、第２のレン
ズ面Ｒ２の焦点位置は、第１のレンズ面Ｒ１についての
主点位置Ｈ１に略一致し、かつマイクロレンズ全体での
焦点位置が、画素開口４６Ａの位置にからシフトしてい
る。以下、このような構成において、液晶パネル２５の
前段の照明光学系によって液晶パネル２５に発散角βの
照明光が全体的に照明されるものとして説明する。

【００５４】まず、マイクロレンズ４２Ｍの光軸６０に
対して平行な主光線６０Ａ（図中、実線で示す）につい
て考える。主光線６０Ａは、マイクロレンズ全体のパワ
ーによって画素開口４６Ａ付近に集光される。マイクロ
レンズ４２Ｍを通過後の出射光の光軸６０に対する最大
発散角度αは、マイクロレンズ４２Ｍの最大外形とマイ
クロレンズ４２Ｍ全体の合成焦点距離との関係で決ま
る。具体的には、最大外形（直径）を２ａ、合成焦点距
離をｆとすると、以下の式（５）で表される。 ｔａｎα＝ａ／ｆ ……（５）

【００５５】一方、合成焦点距離ｆは、第１のレンズ面
Ｒ１についての焦点距離をｆ１、第２のレンズ面Ｒ２に
ついての焦点距離をｆ２とすると、以下の式（６）で表
される。△は、第１のレンズ面Ｒ１についての主点Ｈ１
と第２のレンズ面Ｒ２についての主点Ｈ２との間隔（主
点間隔）を示す。 ｆ＝ｆ１×ｆ２／（ｆ１＋ｆ２−△） …（６）

【００５６】ここで、第２のレンズ面Ｒ２についての焦
点位置と第１のレンズ面Ｒ１についての主点位置Ｈ１と
を一致させたときには、△＝ｆ２となるので、合成焦点
距離ｆは、以下の式（７）で表される。 ｆ＝ｆ２ ……（７）

【００５７】式（７）は、合成焦点距離ｆが、第１のレ
ンズ面Ｒ１についての焦点距離ｆ１の値によらず、一定
の値ｆ２となることを示している。式（７）と式（５）
から、主光線６０Ａについての出射光の最大発散角度α
は、マイクロレンズ４２Ｍの外形（半径）ａと第２のレ
ンズ面Ｒ２による焦点距離ｆ２とで一義的に決定される
ことが分かる。またこのとき、第１のレンズ面Ｒ１によ
る焦点距離ｆ１の値により、合成焦点距離ｆを一定の値
に保ったまま、レンズ全体の合成焦点位置をコントロー
ルすることが可能となる。焦点距離ｆ１を適当な値にす
ることにより、画素開口４６Ａと第２のレンズ面Ｒ２と
の間の距離を加工上必要なだけ確保することができる。

【００５８】次に、光軸６０に対して角度成分を持って
入射する発散光６０Ｂ（図中、破線で示す）について考
える。光軸６０に対して±βの角度で液晶パネル２５を
照明する光は、主光線６０Ａを中心に、±βの角度で発
散した状態で第１のレンズ面Ｒ１を通過する。この光
は、第２のレンズ面Ｒ２についての焦点位置が第１のレ
ンズ面Ｒ１についての主点Ｈ１と略一致していることに
より、第２のレンズ面Ｒ２を通過する際に、すべて主光
線６０Ａに平行な光に変わってしまう。すなわち、主光
線６０Ａと発散光６０Ｂの双方とも、マイクロレンズ４
２Ｍを出射した後の最大発散角度αは等しくなる。

【００５９】以上の光学的作用を有するマイクロレンズ
４２Ｍを搭載することにより、液晶パネル２５を出射す
る光の最大発散角度θは、以下の式（８）で表されるこ
とになる。 θ＝α ……（８）

【００６０】この式（８）は、液晶パネル２５における
出射光の発散角度θも、マイクロレンズ４２Ｍの外形
（半径）ａと第２のレンズ面Ｒ２による焦点距離ｆ２と
の２つのパラメータだけで決まり、照明光の発散角度β
は、出射光の発散角度θに影響を及ぼさないことを意味
している。すなわち、本実施の形態によれば、照明光の
発散角度βが液晶パネル２５を出射するときには除去さ
れ、図１３の従来方式と比較して角度βの分だけ出射発
散角度θを小さくすることができる。これにより、本実
施の形態では、マイクロレンズ４２Ｍの焦点距離を短く
したとしても、図１３の従来方式と比較して、ブラック
マトリクス部４７における光のケラレの量を低減するこ
とができる。この効果によって、実効開口率を悪化させ
ることなくマイクロレンズ４２Ｍの焦点距離を従来に比
べて大幅に短くすることが可能になると共に、画素開口
４６Ａに形成される集光スポットサイズも大幅に小さく
することができる。これにより、液晶パネル２５におけ
る実効開口率を向上させることが可能となる。

【００６１】さらに、本実施の形態では、従来に比べて
画素開口４６Ａに対して集光スポットサイズを十分に小
さくすることが可能になるので、従来に比べて入射発散
角度βを大きくすることができる。そして、図４より明
らかなように、入射発散角度を大きくすることによっ
て、集光スポットサイズを画素開口４６Ａの開口寸法限
界まで拡大して、出射光量の向上を図ることが可能であ
る。また、この入射発散角度βを拡大することは、液晶
パネル２５への入射光量および光学系を格納する筐体の
サイズについて非常に重要な意味を持つ。

【００６２】既に図１２を参照して説明した場合と同様
に、液晶パネル２５に入射する照明光の発散角度βは、
コンデンサレンズ１６の焦点距離をｆｃ、半径をｒｃと
すると、以下の式（３）で定義される。 ｔａｎβ＝ｒｃ／ｆｃ ……（３）

【００６３】このように発散角度βは、コンデンサレン
ズ１６の半径ｒｃと焦点距離ｆｃによって決まるパラメ
ータである。しかしながら、コンデンサレンズ１６の半
径ｒｃの値については実質的に、光源１１を構成するラ
ンプの大きさによって決定されるため、発散角度βを大
きくすることは焦点距離ｆｃを短くすることになる。一
方、第１ＭＬＡ１２の各マイクロレンズ１２Ｍの拡大率
Ｍ（液晶パネル２５に対する照明エリアと第１ＭＬＡ１
２の相似比で一定値）は、以下の式（７）に示すよう
に、第２ＭＬＡ１３の各マイクロレンズ１３Ｍの焦点距
離ｆ_MLA2とコンデンサレンズ１６の焦点距離ｆｃとの比
である。ＭＬＡ１２，１３によって分割された各小光束
は、この拡大率Ｍで拡大され液晶パネル２５を照明す
る。 Ｍ＝ｆｃ／ｆ_MLA2 ……（７）

【００６４】そのため、発散角度βを拡大するためにコ
ンデンサレンズ１６の焦点距離ｆｃを小さくすること
は、第２ＭＬＡ１３の各マイクロレンズ１３Ｍの焦点距
離ｆ_{ML A2}も短くしなければならないことを意味する。焦
点距離ｆ_MLA2が短くなれば、２つのＭＬＡ間の間隔も短
くなるため、光学系は全体的にダウンサイズが可能とな
る。従って、光学系の筐体のダウンサイズを図ることが
できる。

【００６５】ところで、図５に示したように、第２ＭＬ
Ａ１３の一つのマイクロレンズ１３Ｍの有効径をＤとす
れば、ＰＳ合成素子１５の構造上、ＰＳ合成素子１５に
よって偏光成分の変換が可能なものは、一つのマイクロ
レンズ１３Ｍにつき約Ｄ／２の大きさの開口部分に入射
した光束のみとなる。従って、ＰＳ合成素子１５への光
の取り込み効率を向上させるためには、第２ＭＬＡ１３
上の光源像を小さくし、ＰＳ合成素子１５に入射する光
束径を小さくすることが望ましい。ここで、第２ＭＬＡ
１３上にできる光源像の大きさは、一般的に、光源１１
を構成するランプのアーク長と、光源１１の反射鏡とア
ークとの距離（アーク・反射鏡間距離）とに関する以下
の式（８）で表される。 ランプアーク長×ｆ_MLA2／アーク・反射鏡間距離 ……（８）

【００６６】このことから、発散角度βを大きくして焦
点距離ｆ_MLA2を短くすると、第２ＭＬＡ１３上の光源像
が小さくなることが分かる。これにより、第２ＭＬＡ１
３およびＰＳ合成素子１５への光の取り込み効率が向上
し、液晶パネル２５の前段の照明系セット全体での光出
力を向上させ、液晶パネル２５への入射光量を向上させ
ることが可能となる。

【００６７】以上のように、液晶パネル２５への入射発
散角度βを拡大することで、光学系の筐体のダウンサイ
ズと照明系全体での光出力の向上とを同時に達成可能と
なる。

【００６８】続いて、マイクロレンズの合成焦点位置と
画素開口の位置関係について説明する。本発明では、両
者の位置関係を調節し、画素開口部での集光状態をコン
トロールし、以て液晶パネルの小型化および高精細化を
行なった時、開口率が低下した場合でも高い実効開口率
を得るものである。ここでは、図６の表図に示したパラ
メータを有するマイクロレンズを用いて、実験を行なっ
たのでその結果を説明する。即ち、マイクロレンズの合
成焦点距離と画素開口の位置を変え、実効開口率を測定
した。用いたマイクロレンズのパラメータは、図６の表
図に示す様に、第１レンズ焦点距離が５９．３μｍ、第
２レンズ焦点距離が４１．４μｍ、レンズ間距離が４
１．４μｍ、合成焦点距離が４１．４μｍ、幾何学的な
開口率が３１％、投射レンズＦ値が１．７、ドットピッ
チ（画素の配列ピッチ）が１８μｍ×１８μｍである。

【００６９】図７は、実験結果を表わしている。（Ａ）
は、図６に示したパラメータのマイクロレンズを用い
て、その合成焦点を画素開口に一致させた場合におけ
る、開口部上の光強度分布を表わしている。この時の実
効開口率は８０％であった。（Ｂ）は、同じく図６に示
したパラメータのマイクロレンズを用いて、その合成焦
点位置を画素開口から６μｍ程光源側にシフトさせた場
合における、開口部上の光強度分布を表わしている。
尚、図６に示した寸法および以下に述べる寸法は、全て
大気下換算での値である。シフト量は、百分率で表わす
と６μｍ／４１μｍ×１００＝１５％程度である。この
時の実効開口率は８５％であった。（Ｃ）は、更にシフ
ト量を１０μｍまで光源側に長くした場合である。この
時の実効開口率は７５％であった。尚、実効開口率と
は、個々の画素に入射した光源光束の内、マイクロレン
ズを介して画素開口を通過し且つ投射レンズに入射した
光束の割合を表わしている。（Ａ）に示す様に、焦点位
置では第２アレイ上の光源像が明確に映るが、（Ｂ）に
示す様に６μｍ離れた時にはアレイ像はぼやけた状態と
なる。しかし、スポットサイズにほとんど変化は見られ
ない。注目すべきことは、画素開口および投射レンズを
通過する有効光線は、６μｍシフトした時の方が５％程
増加していることである。このことは、焦点面に画素開
口がある場合、開口でけられている部分に投射レンズを
通過できる有効光線が多く含まれていることを示してい
る。又、６μｍシフトした状態の時には、投射レンズに
対する有効光線が中央部により多く集まっていることを
示している。一方、（Ｃ）に示した様に、焦点位置より
１０μｍ離した場合には、スポット像は拡大している
為、６μｍの場合よりも投射レンズを通過する実効開口
率は低下している。この時のシフト量をマイクロレンズ
の合成焦点に対する百分率で表わすと、約２４％であ
る。以上のことから、画素開口を焦点距離の１０％を越
える範囲で焦点面からシフトすると、実効開口率が改善
できることが分かる。但し、（Ｃ）の様に、実効開口率
を低下してまで、画素開口を焦点面からシフトすること
はメリットが少ない。尚、シフト方向は、光源側に近づ
く−方向と光源から遠ざかる＋方向の両者を含むもので
あり、±１０％以上が好ましい範囲となっている。以上
の事実は、用いる光源の発光強度分布によって、スポッ
ト径、有効光線の分布、ひいては実効開口率の最適ポイ
ントが、焦点位置よりもシフトしていることを意味して
いる。シフト量の最適化を行なうことによって、より明
るい液晶投射表示装置を実現することができる。この様
な最適化を行なうことにより、照明光の発散角βを更に
増大させることが可能となり、照明系の光利用効率向上
による光出力の改善およびセット小型化のメリットが増
すことになる。

【００７０】図８は、マイクロレンズアレイと画素開口
が形成された基板との間の重ね合わせずれ量と、光出力
との関係を示している。グラフ中、丸印を結んだカーブ
は、図２に示した構成の場合であって、マイクロレンズ
の合成焦点位置と画素開口とは６μｍ程シフトしてい
る。三角印を結んだカーブは、図３に示した参考例に対
応しており、マイクロレンズの合成焦点位置と画素開口
の位置は一致している。四角印を結んだカーブは、集光
用レンズとフィールドレンズを組み合わせたダブルマイ
クロレンズ構造ではなく、単一のマイクロレンズを用い
たシングルレンズ構成の例である。グラフから明らかな
様に、重ね合わせずれ量が大きくなる程、光出力は低下
している。即ち、重ね合わせずれ量が大きくなる程画素
開口でけられる照明光量が大きくなる。しかし、ダブル
レンズ構造で且つ焦点位置と画素開口をずらした場合、
重ね合わせずれ量が大きくなっても光出力はそれ程低下
しない。例えば、±１μｍの範囲では光出力はほとんど
低下していない。本発明によれば、マイクロレンズを開
口スポット径に対して大きなパネルに用いた場合特に有
効であり、マイクロレンズアレイと画素開口が形成され
た基板との重ね合わせずれによって生じる光量ダウンを
防ぎ、品質のばらつきを大幅に改善することが可能であ
る。

【００７１】図９（Ａ），（Ｂ）は、液晶パネル２５の
構成の変形例を示している。図９（Ａ），（Ｂ）の構成
では、対向基板40A-1,40A-2の部分が、図２の構成と異
なっている。図２の構成では、樹脂と樹脂との界面でマ
イクロレンズ４２Ｍのレンズ面Ｒ１，Ｒ２を形成するよ
うにしたが、ガラスと樹脂（または空気層）との界面に
よってレンズ面Ｒ１，Ｒ２を形成するようにしても良
い。図９（Ａ），（Ｂ）は、屈折率がｎｇ１，ｎｇ２の
２つのガラス層５１，５３の間に、屈折率がｎ１の樹脂
層５２を挟み込んでマイクロレンズ４２Ｍを形成した構
成となっている。ガラス層５１と樹脂層５２との界面に
よって第１のレンズ面Ｒ１が形成され、ガラス層５１と
樹脂層５３との界面によって第２のレンズ面Ｒ２が形成
されている。このとき、レンズ面Ｒ１，Ｒ２の形状は、
２つの界面の屈折率差によって決まる。

【００７２】図９（Ａ）は、樹脂層５２とガラス層５
１，５３との屈折率が「ｎ１＞ｎｇ１，ｎｇ２」の関係
を満たしているときの構成例である。このとき、第１の
レンズ面Ｒ１は光の入射側（光源側）に凸形状、第２の
レンズ面Ｒ２は光の出射側に凸形状となる。一方、図９
（Ｂ）は、樹脂層５２とガラス層５１，５３との屈折率
が「ｎ１＜ｎｇ１，ｎｇ２」の関係を満たしているとき
の構成例である。このとき、第１のレンズ面Ｒ１は光の
入射側に凹形状、第２のレンズ面Ｒ２は光の出射側に凹
形状となる。なお、図９（Ｂ）の構成において、樹脂層
５２を空気層としても良い。

【００７３】図９（Ａ），（Ｂ）に示した液晶パネルの
対向基板40A-1,40A-2の部分の製造は、例えば、まず、
２つのガラス基板の表面にレンズ面Ｒ１，Ｒ２のパター
ンを形成した後、その２つのガラス基板を対向配置し、
その間に樹脂層５２の材料となる光学樹脂（例えばウレ
タン系やアクリル系の樹脂）を充填することにより行
う。ガラス基板の表面加工は、例えば種々のエッチング
方法（等方性、異方性またはドライエッチングなど）を
用いて行うことができる。

【００７４】図９（Ａ），（Ｂ）は、図２の構成と比較
して、対向基板から樹脂層４３Ａ，４３Ｂを省いた構成
となっているので、図２の構成よりも樹脂層を減らすこ
とができる。このため、図２の構成に比べてコスト的に
安く製造できる。

【００７５】図１０（Ａ），（Ｂ）は、マイクロレンズ
４２Ｍのレンズ面Ｒ１，Ｒ２の形状についての変形例を
示している。レンズ面Ｒ１，Ｒ２の形状は、球面（図１
０（Ｃ））の他にも、楕円などの非球面（図１０
（Ｂ））や、フレネル面（図１０（Ａ））などを使用す
ることが可能である。球面レンズは、表面加工がしやす
いという点で有利ではあるが、焦点距離が最短となる曲
率半径がドット寸法に規制されてしまうため、レンズ界
面での屈折率差が十分に確保されなければ、短焦点化は
難しい。一方、非球面やフレネル面は、図からも分かる
ように、短焦点化やレンズ主面の平面性の点で優れてお
り、発散角βのキャンセル効果が高いレンズ形状であ
る。

【００７６】図１１は、液晶パネル２５の構成の他の変
形例を示している。図１１の変形例は、集光用のレンズ
面を対向基板側に配置すると共に、フィールド機能を有
するレンズ面を画素電極基板側に配置したものである。
この変形例に係る液晶パネルは、画素電極基板５０Ｂ
と、この画素電極基板５０Ｂの光の入射面側に液晶層４
５を介して対向配設された対向基板５０Ａとを備えてい
る。

【００７７】対向基板５０Ａは、光の入射側から順に、
ガラス基板４１と、樹脂層４３Ａと、第１のマイクロレ
ンズアレイ４２Ａと、カバーガラス４４Ａとを有してい
る。一方、画素電極基板５０Ｂは、光の入射側から順
に、画素電極部４６およびブラックマトリクス部４７
と、カバーガラス４４Ｂと、第２のマイクロレンズアレ
イ４２Ｂと、樹脂層４３Ｂと、ガラス基板４８とを有し
ている。

【００７８】第１のマイクロレンズアレイ４２Ａは、光
学樹脂により構成され、各画素電極部４６に対応して２
次元的に設けられた複数の第１のマイクロレンズ42M-1
を有している。各マイクロレンズ42M-1は、正のパワー
の第１のレンズ面Ｒ１を有し、集光用のレンズとして機
能する。図１１の例では、樹脂層４３Ａの屈折率ｎ１、
第１のマイクロレンズアレイ４２Ａの屈折率ｎ２とが、
「ｎ２＞ｎ１」の関係を満たし、第１のレンズ面Ｒ１
が、光の入射側（光源側）に凸形状となっている。

【００７９】第２のマイクロレンズアレイ４２Ｂも、第
１のマイクロレンズアレイ４２Ａと同様に、光学樹脂に
より構成され、各画素電極部４６に対応して２次元的に
設けられた複数の第２のマイクロレンズ42M-2を有して
いる。各マイクロレンズ42M-2は、正のパワーの第２の
レンズ面Ｒ２を有し、フィールドレンズとして機能す
る。すなわち、第２のレンズ面Ｒ２についての焦点位置
は、第１のレンズ面Ｒ１（第１のマイクロレンズ42M-
1）についての主点位置に略一致している。図８の例で
は、樹脂層４３Ｂの屈折率ｎ４、第２のマイクロレンズ
アレイ４２Ｂの屈折率ｎ３とが、「ｎ３＞ｎ４」の関係
を満たし、第２のレンズ面Ｒ２が、光の出射側に凸形状
となっている。

【００８０】図１１の変形例では、図２の構成例とは異
なり、画素開口４６Ａが２つのマイクロレンズ42M-1，4
2M-2の間（２つのレンズ面Ｒ１，Ｒ２の間）に位置する
ことになるが、２つのマイクロレンズ42M-1，42M-2の合
成の焦点位置が、画素開口４６Ａからシフトしているこ
とに変わりはない。なお、合成の焦点位置と画素開口４
６との位置合わせは、例えば、マイクロレンズ42M-1，4
2M-2と画素開口４６Ａとの間の厚みを調整することによ
り制御することができる。この変形例の構成は、開口効
率自体は最も良くなる考えられるが、加工性の難易度は
最も高いものと考えられる。

【００８１】図１１の変形例の場合、開口部に対する効
率を決定するのは光源側にある第１レンズである為、第
１レンズの焦点距離を第２レンズで受けることが可能な
範囲で焦点距離を短く設定し、尚且つその焦点よりも光
源側にあるビームウエスト部分に開口を設定することに
より実効開口率を向上させることが可能となる。この時
には、開口部分の設定位置はマイクロレンズの合成焦点
よりも出射側に来る場合もある。

【００８２】なお、本発明は、上記実施の形態に限定さ
れず種々の変形実施が可能である。例えば、上記実施の
形態では、パワーを有するレンズ面が１ドットにつき２
つのみである場合について説明したが、パワーを有する
レンズ面を１ドットにつき３つ以上形成するようにして
も良い。また、本発明は、３板式に限らず、単板式の投
射型液晶表示装置にも適用することが可能である。

【００８３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の液晶表示
素子または投射型液晶表示装置によれば、マイクロレン
ズが、光軸方向において少なくとも一つのレンズ面を有
し、入射した光を画素開口側に集光させるように機能す
る集光用レンズと、光軸方向において少なくとも一つの
レンズ面を有し、焦点位置が集光用レンズの主点位置に
略一致するように構成されたフィールドレンズとを含ん
でいるので、構成の大型化や製造上の困難性を招くこと
なく、実効開口率を大きくして光利用効率を向上させる
ことができる。そして、集光用レンズとフィールドレン
ズの合成焦点位置が画素開口からシフトして構成されて
いる。このシフト量は合成焦点位置が画素開口に一致す
る場合に比べ実効開口率が高くなる様に設定されてい
る。これにより、光源光の利用効率が向上し光出力がア
ップする。又、投射型液晶表示装置のセットをダウンサ
イジングできる。又、投射レンズのコストダウンも可能
である。加えて、画素開口の形成された基板とマイクロ
レンズが形成された基板の重ね合わせマージンの拡大な
どの効果が期待できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態に係る投射型液晶表示装
置の光学系の全体構成を表す構成図である。

【図２】本発明の一実施の形態に係る液晶パネルの概略
構成を表す断面図である。

【図３】液晶パネルの参考例を示す断面図である。

【図４】図２に示した液晶パネルにおけるマイクロレン
ズ部分の構成を簡略化して示す説明図である。

【図５】第２マイクロレンズアレイとＰＳ合成素子の要
部構成を示す部分拡大図である。

【図６】マイクロレンズアレイの光学的パラメータを示
す表図である。

【図７】画素開口を介して観察される光源像を示す模式
図である。

【図８】マイクロレンズと画素開口の重ね合わせずれ量
と光出力との関係を示すグラフである。

【図９】図２に示した液晶パネルの変形例を示す断面図
である。

【図１０】マイクレンズの面形状の変形例を示す説明図
である。

【図１１】図２に示した液晶パネルの他の変形例を示す
断面図である。

【図１２】従来の投射型液晶表示装置の光学系の概略構
成を示す平面図である。

【図１３】従来の液晶パネルの構成例を示す断面図であ
る。

【図１４】従来の液晶パネルの他の構成例を示す断面図
である。

【符号の説明】

Ｒ１，Ｒ２…レンズ面、１０…光軸、１１…光源、２４
（２５Ｒ，２５Ｇ，２５Ｂ）…液晶パネル、２７…投射
レンズ、２８…スクリーン、４０Ａ…対向基板、４０Ｂ
…画素電極基板、４２…マイクロレンズアレイ、４２Ｍ
…マイクロレンズ、４３Ａ…第１の樹脂層、４３Ｂ…第
２の樹脂層、４５…液晶層、４６…画素電極部、４６Ａ
…画素開口、４７…ブラックマトリクス部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2H088 EA14 EA15 HA13 HA25 HA27 HA28 KA30 MA06 2H091 FA05X FA05Z FA27Y FA29Y FA41Z FD06 GA02 LA30 MA07

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 液晶層と、 光が通過可能な複数の画素開口を有する画素電極部と、 前記液晶層に対して光の入射側または光の出射側の少な
   くとも一方の側に、前記複数の画素開口に対応して複数
   のマイクロレンズが２次元的に配列形成された少なくと
   も一つのマイクロレンズアレイとを備え、 前記各マイクロレンズは、 光軸方向において少なくとも一つのレンズ面を有し、入
   射した光を前記画素開口側に集光させるように機能する
   集光用レンズと、 光軸方向において少なくとも一つのレンズ面を有し、焦
   点位置が前記集光用レンズの主点位置に略一致するよう
   に構成されたフィールドレンズとを含み、 前記集光用レンズとフィールドレンズの合成焦点位置
   が、前記画素開口からシフトして構成されており、その
   シフト量は合成焦点位置が画素開口に一致する場合に比
   べ実効開口率が高くなる様に設定されていることを特徴
   とする液晶表示素子。
2. 【請求項２】 前記シフト量は、合成焦点距離の±１０
   ％を越える範囲にあることを特徴とする請求項１記載の
   液晶表示素子。
3. 【請求項３】 前記フィールドレンズの光学的な作用に
   よって、光軸に対して発散角度成分を有して入射した入
   射光について、前記発散角度成分が前記マイクロレンズ
   アレイから出射するときに除去され、その出射角度が光
   軸に平行に入射した主光線の出射角度と略同一となるよ
   うに構成されていることを特徴とする請求項１記載の液
   晶表示素子。
4. 【請求項４】 液晶表示素子を透過した光を投射レンズ
   を介して投射する投射型液晶表示装置に適用され、 前記各マイクロレンズの開口数が、前記投射レンズのＦ
   ナンバーに略相当するように構成されていることを特徴
   とする請求項１記載の液晶表示素子。
5. 【請求項５】 前記各マイクロレンズは、球面、非球面
   またはフレネル面のいずれか１つもしくは２つ以上を組
   み合わせて構成されていることを特徴とする請求項１記
   載の液晶表示素子。
6. 【請求項６】 光を発する光源と、 入射した光を光学的に変調する機能を有した液晶表示素
   子と、 前記液晶表示素子によって変調された光を投射する投射
   レンズとを備えた投射型液晶表示装置であって、 前記液晶表示素子は、液晶層と、光が通過可能な複数の
   画素開口を有する画素電極部と、前記液晶層に対して光
   の入射側または光の出射側の少なくとも一方の側に、前
   記複数の画素開口に対応して複数のマイクロレンズが２
   次元的に配列形成された少なくとも一つのマイクロレン
   ズアレイとを備え、 前記各マイクロレンズは、光軸方向において少なくとも
   一つのレンズ面を有し、入射した光を前記画素開口側に
   集光させるように機能する集光用レンズと、光軸方向に
   おいて少なくとも一つのレンズ面を有し、焦点位置が前
   記集光用レンズの主点位置に略一致するように構成され
   たフィールドレンズとを含み、 前記集光用レンズとフィールドレンズの合成焦点位置
   が、前記画素開口からシフトして構成されており、その
   シフト量は合成焦点位置が画素開口に一致する場合に比
   べ実効開口率が高くなる様に設定されていることを特徴
   とする投射型液晶表示装置。