JP2005010382A

JP2005010382A - 画像表示装置

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Publication number: JP2005010382A
Application number: JP2003173496A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Nakanishi; 浩中西
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2003-06-18
Filing date: 2003-06-18
Publication date: 2005-01-13
Anticipated expiration: 2023-06-18
Also published as: JP4152811B2

Abstract

【課題】明るく、色再現範囲の広い画像表示装置を提供する。
【解決手段】光源１０１と、その光束を第１、第２および第３色光束に分離しそれぞれを互いに異なる角度で出射する色分離素子１０６と、第１、第２および第３画素開口部から構成された複数の画素とを有する画像表示素子１０８と、色分離素子と画像表示素子との間に複数の画素に対して一対一で設けられた複数の集光素子１０７ａ（マイクロレンズアレー）とから成る画像投影表示装置。この際、集光素子１０７ａは画像表示素子１０８の複数の画素に対応して一定の関係を満たしている。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非発光型の表示素子を用いて画像信号に従って光源からの光束を変調することによって、画像を表示する画像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、非発光型の画像表示装置は、複数の画素の光透過率（又は反射率）を駆動信号によって変化させ、画像表示素子（表示パネル）に照射される光の強度を変調して、画像や文字を表示する構成を有する。このような画像表示装置には直視するモード（直視型画像表示装置）と、投影光学系によって画像や文字をスクリーン上に拡大投影する投影モードいわゆるプロジェクタ（投影型画像表示装置）とがある。
【０００３】
プロジェクタ（前面型および背面型を含む）には、使用する画像表示素子に、赤、緑および青（以下順にＲ、ＧおよびＢと呼ぶ。）のカラーフィルタを配列したカラー表示パネル用いる単板方式と、白黒表示の３枚の表示パネルを用いた３板式とがある。
【０００４】
非発光型の画像表示素子としては、液晶表示素子、エレクトロクロミック表示素子や電気泳動型表示素子などがあり、中でも液晶表示素子は、例えば、モニター、携帯情報端末、携帯電話やプロジェクタに幅広く利用されている。
【０００５】
液晶表示素子は、マトリクス状に規則的に配列された画素電極に画像信号に対応した駆動電圧をそれぞれ印加することによって、画素開口部の液晶層の光学特性を変化させ、画像や文字などを表示するように構成されている。上述した画素電極に独立した駆動電圧を印加する方式としては、単純マトリクス方式と、非線形２端子素子や３端子素子を液晶表示素子に設けた場合のアクティブマトリクス方式とがある。
【０００６】
後者のアクティブマトリクス方式の場合には、ＭＩＭ（金属−絶縁体−金属）素子やＴＦＴ（薄膜トランジスタ）素子等のスイッチング素子と、画素電極に駆動電圧を供給するための配線とが設けられている。このスイッチング素子に強い光が入射すると、ＯＦＦ状態における素子抵抗が下がり、電圧印加時に充電した電荷が放電されるだけでなく、スイッチング素子や配線が形成された領域に存在する液晶層に正規の駆動電圧が印加されず、本来の表示動作が実行されないため、例えば、黒表示状態で光漏れが発生し、表示のコントラスト比が低下するという問題がある。
【０００７】
従って、例えば透過型の液晶表示素子では、上述した領域に入射する光を遮断するために、スイッチング素子や画素電極が設けられたＴＦＴ基板および液晶層を介してＴＦＴ基板と対向するように配置される対向基板にブラックマトリクスと称される遮光層が設けられている。そのため、透過型の液晶表示素子の場合には、各々遮光性のあるＴＦＴ、ゲートバスラインおよびソースバスラインに加えて、ブラックマトリクスによっても遮光されるため、画素の区画中に占める有効な画素開口部の面積、即ち開口率が低下する。
【０００８】
さらに、これらスイッチング素子や配線電極は、その電気的性能や製造技術等の制約から、ある程度以下の大きさで形成することは困難である。従って、液晶表示素子の高精細化、小型化に伴って、画素電極のピッチが小さくなるほど開口率がさらに低下する。
【０００９】
開口率が小さくなると、液晶表示素子を透過する光が減少するため、小さなパネルを大画面に拡大投影する液晶プロジェクタでは、明るさ不足となる。特に、単板式プロジェクタでは、カラーフィルタによる光吸収により、明るさが大幅に低下することになる。
【００１０】
この問題を解決する１つの方法として、液晶表示素子の個々の画素開口部に光を集光し、液晶表示素子の実効的な開口率を向上させるマイクロレンズを設ける方法が実用化されている。
【００１１】
特許文献１に、扇形に配置されたダイクロイックミラーに白色光を入射させ、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色光束に分割し、液晶表示素子の光源側に配置されているマイクロレンズにそれぞれの色光束を異なる角度で入射させ、各色に対応する画素に所定の色光束を集光する方式が開示されている。この方式を採用すると、マイクロレンズによる実効的な開口率の向上効果に加え、カラーフィルタによる光吸収をなくすことができる。
【００１２】
この方式では、部品点数が少なく低コスト化が図れるという単板式プロジェクタのメリットを生かしながら、従来の単板式プロジェクタで発生していたカラーフィルタによるロスをなくすことができるため、明るい画像を実現することができる。また、この方式では、カラーフィルタ自体の劣化による表示不良や退色の問題が無くなる。
【００１３】
図７（ａ）および（ｂ）を参照しながら、従来のマイクロレンズを備える対向基板の典型的な２つの製造方法を説明する。
【００１４】
第１の製造方法は、図７（ａ）に模式的に示す工程によって、マイクロレンズアレイを備える対向基板を製造する。
【００１５】
▲１▼ガラス基板の上のフォトレジスト層をパターニングする。▲２▼パターニングされたレジスト層を加熱し、熱だれを起こさせ、マイクロレンズの形状を有するレジスト層を形成する。▲３▼マイクロレンズ形状のレジスト層とともにガラス基板をドライエッチングすることによりレジスト層の形状をガラス基板に形成（エッチバック）し、マイクロレンズアレイ基板を得る。▲４▼得られたマイクロレンズアレイ基板に接着層を介してカバーガラスを接着し、カバーガラスの表面を研磨し、対向基板が得られる。なお、必要に応じて、電極や配向膜などが形成される。
【００１６】
第２の製造方法は、図７（ｂ）に模式的に示す工程によって、マイクロレンズアレイを備える対向基板を製造する。
【００１７】
▲１▼ガラス基板の上のフォトレジスト層を例えば電子ビーム露光によってパターニングし、マイクロレンズの形状を有するレジスト層を形成する。これをマスター（原版）とする。▲２▼マスターを用い、例えばメッキ法によって、金属スタンパを作製する。▲３▼金属スタンパを用いて、マイクロレンズの形状をガラス基板に転写し、マイクロレンズアレイ基板を得る。▲４▼得られたマイクロレンズアレイ基板に接着層を介してカバーガラスを接着し、カバーガラスの表面を研磨し、対向基板が得られる。
【００１８】
【特許文献１】
特開平４−６０５３８号公報
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献１に開示されている単板式プロジェクタには以下に説明するように、混色が発生するという問題がある。
【００２０】
この方式の画像表示装置は、図８に模試的に示すように、液晶表示素子８の光入射側に配置したマイクロレンズアレイ７を有している。マイクロレンズアレイ７は、複数のマイクロレンズ７ａとベース基板７ｂとを有しており、１つのマイクロレンズ７ａがＲ、ＧおよびＢの３つの画素開口部８ａに対応するように配置されている。液晶表示素子８の画素開口部８ａは、遮光部８ｂで互いに分離されており、マイクロレンズ７ａでＲ、ＧおよびＢの色光束をそれぞれ対応する画素開口部８ａに集光（図８中の実線で示す光束参照）することにより、カラー表示を実現している。Ｒ、ＧおよびＢの色光束が対応する画素開口部８ａに隣接する画素開口部８ａに入射すると（図８中の破線で示す光束参照）、混色が発生し、表示の色再現範囲が悪くなる。図８では、説明の簡単さのために１色（Ｇ光束）のみ図示しているが、他の２つの色光束についても同様に混色が発生する。
【００２１】
マイクロレンズが収差のない理想的なレンズであれば、混色はほとんど発生しないが、通常は球面収差などの収差を有しており、完全な平行光を入射させたとしてもその集光スポットは１点には集まらず、ある程度の大きさに広がる。また、マイクロレンズのレンズ間の境界付近ではレンズ形状がみだれ、光の集光効果が低下する。さらに、明るさを向上するために、マイクロレンズの集光スポットを画素開口部とほぼ同サイズか、１回り大きくなるような平行度の光を入射させる構成を採用すると、混色が発生しやすくなる。
【００２２】
また、この色純度低下の影響は、光のスペクトル強度の弱い光（例えば、液晶プロジェクタに良く使用される高圧水銀ランプでは、Ｒの波長域の光）ほど大きくなる。これは、本来表示に寄与する色光束に対して混色を発生される他の色光束の相対的な光量が増えるからである。
【００２３】
本発明は上記諸点に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、明るく、色再現範囲の広い画像表示装置を提供することにある。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
本発明の画像表示装置は、光源と；前記光源から出射された光束を互いに異なる波長域の第１、第２および第３色光束に分離し、それぞれを互いに異なる角度で出射する色分離素子と；遮光部と、それぞれが、前記遮光部によって互いに分離された第１、第２および第３画素開口部であって、前記第２および第３画素開口部が前記第１画素開口部を間に挟むように所定の方向に沿って所定のピッチで配列された前記第１、第２および第３画素開口部から構成された複数の画素とを有する画像表示素子と；前記色分離素子と前記画像表示素子との間に前記複数の画素に対して一対一で設けられた複数の集光素子とを備え、前記複数の集光素子のそれぞれを通過した前記第１、第２および第３色光束の、前記複数の画素によって規定される面における集光スポットをそれぞれ第１、第２および第３集光スポットとすると、前記第１集光スポットの中心は前記第１画素開口部内に形成され、前記第２集光スポットの中心は前記第２画素開口部内に形成され、且つ、前記第３集光スポットの中心は前記第３画素開口部内に形成され、前記所定の方向における前記第１集光スポットの中心と前記第２集光スポットの中心との間隔（Ｄａ）および前記第１集光スポットの中心と前記第３集光スポットの中心との間隔（Ｄｂ）の少なくとも一方の間隔（Ｄ）は、前記所定のピッチ（Ｐ）よりも大きいことを特徴とし、そのことによって上記目的が達成される。
【００２５】
ある実施形態において、前記第１集光スポットの中心は前記第１画素開口部の中心に形成される。
【００２６】
ある実施形態において、前記第１色光束のスペクトル強度は、前記第２および第３色光束のスペクトル強度よりも弱い。
【００２７】
ある実施形態において、前記第１色光束は赤色光束である。
【００２８】
ある実施形態において、前記複数の集光素子のそれぞれはマイクロレンズであり、２次元マイクロレンズアレイを構成している。マイクロレンズに代えてマイクロレンズプリズムを用いてもよい。
【００２９】
ある実施形態において、前記第１、第２および第３集光スポットの前記所定の方向における幅（Ｗｓ）は、前記第１、第２および第３画素開口部の前記所定の方向における幅（Ｗｐ）と略等しい。
【００３０】
ある実施形態において、前記遮光部の前記所定の方向における幅をＷｂとすると、前記少なくとも一方の間隔（Ｄ）は、Ｐ＜Ｄ＜Ｐ＋Ｗｂの関係を満足する。
【００３１】
【発明の実施形態】
以下、図面を参照しながら本発明による実施形態の画像表示装置を説明する。投影型液晶表示装置を例示するが、液晶表示素子以外の他の非発光型表示素子を用いた画像表示装置に適用することができる。
【００３２】
図１は、実施形態の投影型液晶表示装置１００の構成を模式的に示す図である。液晶表示装置１００は、光源１０１と、光源１０１から出射された光束１０を互いに異なる波長域の第１、第２および第３色光束（Ｒ、ＧおよびＢ）に分離し、それぞれを互いに異なる角度で出射する色分離素子１０６と、複数の画素を有する液晶表示素子１０８と、色分離素子１０６と液晶表示素子１０８との間に設けられた集光素子群１０７とを備えている。液晶表示素子１０８によって変調され、出射された光束は、投影レンズ１０９を介してスクリーン１１０に投影される。
【００３３】
光源１０１から出射された光は、例えば、放物面鏡１０２で略平行光にされた後、一対のレンズアレイ１０３ａおよび１０３ｂを含むフライアイレンズ１０３と、フィールドレンズ１０４および１０５とを通過した後、色分離素子１０６に入射する。色分離素子１０６は、例えば、３枚のダイクロイックミラー１０６Ｒ、１０６Ｇおよび１０６Ｂで構成され、Ｒ光束１０Ｒ、Ｇ光束１０ＧおよびＢ光束１０Ｂの色光束に分離する。これらの色光束１０Ｒ、１０Ｇおよび１０Ｂは、集光素子群１０７に互いに異なる角度で入射する。
【００３４】
図２を参照しながら、集光素子群１０７の構成とその機能を説明する。集光素子群１０７として、例えば図２に示すマイクロレンズアレイ１０７を用いることができる。マイクロレンズアレイ１０７は、集光素子として複数のマイクロレンズ１０７ａを有する。
【００３５】
液晶表示素子１０８は複数の画素を有し、それぞれの画素は互いに異なる色光束（例えば、Ｒ光束１０Ｒ、Ｇ光束１０ＧおよびＢ光束１０Ｂ）に対応する複数の画素開口部（例えば、第１画素開口部１０８Ｒ、第２画素開口部１０８Ｇおよび第３画素開口部１０８Ｂ）を有する。ここで、各画素における画素開口部の配置は、図２に示すように、第１画素開口部１０８Ｒを挟むように第１画素開口部１０８Ｇおよび第３画素開口部１０８Ｂが所定の方向（典型的は行方向）に沿って所定のピッチＰで配列されている。なお、Ｒ光束１０Ｒ、Ｇ光束１０ＧおよびＢ光束１０Ｂは、行方向を含む面内において互いに異なる角度でマイクロレンズアレイ１０７に入射する。
【００３６】
マイクロレンズアレイ１０７が有するそれぞれのマイクロレンズ１０７ａは、複数の画素に対して一対一で設けられており、マイクロレンズ１０７ａを通過した色光束（Ｒ光束１０Ｒ、Ｇ光束１０ＧおよびＢ光束１０Ｂ）の、複数の画素によって規定される面（「画素面」ということがある。）における集光スポットの中心は、それぞれ対応する画素開口部（第１、第２および第３画素開口部１０８Ｒ、１０８Ｇおよび１０８Ｂ）内に形成される。
【００３７】
ここでは、色光束がそれぞれ対応する画素開口部内に収束されている例を示すが、図６を参照しながら後述するように、色光束が画素開口部に収束される必要はなく、マイクロレンズを通過した色光束が画素面よりマイクロレンズ側に収束されても良い。また、これとは逆に、出射側に収束されても良い。本明細書において、特に断らない限り、「集光スポット」は画素面における色光束の断面プロファイルに対応し、収束点（色光束の断面積が最も小さくなる点）と一致することを要しない。また、本明細書における「集光スポットの中心」は、画素面における光の強度分布を考慮した中心であり、集光スポットの断面プロファイルに対応する外形を有し、且つ、光の強度分布に対応する密度分布を有する紙の重心に対応する。光の強度分布が集光スポットの断面プロファイルの幾何学的な重心に対して対称な場合には、「集光スポットの中心」は幾何学的な重心と一致するが、マイクロレンズの収差などの影響によって非対称な強度分布を有する場合には、幾何学的な重心からずれることがある。
【００３８】
従来の画像表示装置では、これら３つの集光スポットの中心がそれぞれ対応する画素開口部の中心に形成されるように設計されている。従って、図８を参照しながら上述したように混色が発生すると、スペクトル強度の弱い色光（例えば、Ｒ）の色純度が最も低下する。
【００３９】
これに対し、本発明による実施形態の液晶表示装置１００においては、３つの集光スポットは図３に示す様な位置に形成される。
【００４０】
図３は本発明による実施形態の液晶表示装置１００における集光スポット１２Ｒ、１２Ｇおよび１２Ｇとそれぞれ対応する画素開口部１０８Ｒ、１０８Ｇおよび１０８Ｇとの位置関係を模式的に示す平面図である。
【００４１】
画素開口部１０８Ｒ、１０８Ｇおよび１０８Ｇは、それぞれ行方向の幅Ｗｐを有し、一定のピッチＰで行方向に配列されている。隣接する画素開口部の間には行方向の幅がＷｂの遮光部１０８ｂが配置されている。従って、行方向において、画素開口部のピッチＰ＝画素開口部の幅Ｗｐ＋遮光部の幅Ｗｂの関係が成立する。また、それぞれの集光スポット１２Ｒ、１２Ｇおよび１２Ｂは、画素開口部と略同じ大きさで、その行方向の幅Ｗｓは画素開口部の幅Ｗｂと略等しくしている。
【００４２】
３つの色光束１０Ｒ、１０Ｇおよび１０Ｂのそれぞれの集光スポット１２Ｒ、１２Ｇおよび１２Ｂのうち、中央の画素開口部１０８Ｒ内に形成されるＲ集光スポット１２Ｒは、その中心が画素開口部１０８Ｒの中心と略一致するように形成されている。Ｇ光束１０ＧのＧ集光スポット１２Ｇは、その中心とＲ集光スポット１２Ｒの中心（すなわちＲ画素開口部１０８Ｒの中心）との間隔ＤａがピッチＰよりも大きい位置に形成されており、Ｂ光束１０ＢのＢ集光スポット１２Ｂもその中心がＲ集光スポット１２Ｒの中心との間隔ＤｂがピッチＰよりも大きい位置に形成されている。ここでは、Ｇ集光スポット１２ＧおよびＢ集光スポット１２Ｂの両方がＲ集光スポット１２ＲからピッチＰ以上離れた位置に中心が位置するように形成されている場合を例示したが、Ｇ集光スポット１２ＧおよびＢ集光スポット１２Ｂのいずれか一方だけが、その中心がＲ集光スポット１２Ｒの中心との間隔Ｄａ（またはＤｂ）がピッチＰよりも大きい位置に形成されるように構成してもよい。
【００４３】
このように、Ｒ集光スポット１２Ｒ、Ｇ集光スポット１２ＧおよびＢ集光スポット１２Ｂの内で最もスペクトル強度の弱い色光束に対応する集光スポット（ここではＲ集光スポット１２Ｒ）を画素の中央の画素開口部１０８Ｒに対応させ、その両側にＧ集光スポット１２ＧおよびＢ集光スポット１２Ｂを形成し、且つ、Ｇ集光スポット１２ＧおよびＢ集光スポット１２Ｂのそれぞれの中心とＲ集光スポット１２Ｒの中心と間隔（ＤａおよびＤｂ）をピッチＰよりも大きくすることによって、Ｒ光束にＢ光束やＧ光束が混ざることが防止され、Ｒの色純度の低下が抑制される。Ｂ光束とＧ光束については、混色が発生しやすくなるが、これらの色光のスペクトル強度はＲ光束よりも高いので、色純度の低下は比較的小さい。
【００４４】
上述したように、通常、投影型液晶表示装置の光源として使用される高圧水銀ランプ（例えば、Ｐｈｉｌｉｐｓ社製ＵＨＰランプなど）やメタルハライドランプは、Ｇ光やＢ光と比較して、Ｒ光のスペクトル強度が弱く、混色が発生するとＲが混色の影響を大きく受けるので、上述の構成を採用することが好ましい。
【００４５】
図９（ａ）および（ｂ）を参照しながら、混色の程度と色再現範囲の関係を説明する。図９（ａ）は従来の液晶表示装置についてのＣＩＥ色度図であり、図９（ｂ）は本実施形態の液晶表示装置についてのＣＩＥ色度図である。なお、光源には、Ｐｈｉｌｉｐｓ社製ＵＨＰランプを用いた。また、図９（ａ）および（ｂ）における混色率とは、隣接する画素開口部に入射する迷光量を百分率で示したものであり、混色率１％とは、例えば液晶表示素子に入射するＧ光束の全光量を１００％としたとき、隣接するＲ光束に対応した画素開口部に入射する迷光の量がＧ光束の全光量の１％であることを示している（Ｒ光束に対するＧ光束の混色）。Ｒ光束に対応した画素開口部には、Ｂ光束からの迷光も入射する（Ｒ光束に対するＢ光束の混色）。同様に、Ｇ光束に対応した画素開口部に対してはＲ光束とＢ光束から迷光が入射し、Ｂ光束に対応した画素開口部に対してはＧ光束とＲ光束から迷光が入射する。
【００４６】
従って、上述したように、Ｇ光束やＢ光束と比較して、Ｒ光束のスペクトル強度が弱い光源を用いた場合、同じ混色率でも、Ｒ光束にはスペクトル強度がより強いＧ光束およびＢ光束の迷光が入射することになるので、混色の影響を大きく受ける。
【００４７】
まず、図９（ａ）からわかるように、従来の液晶表示装置においては、同じ混色率（１％または２％）でもＲの色度（ｘ＝０．６〜０．７付近、ｙ＝０．３付近）が、ＢやＧによりも大きく変化している。これに対し、本発明の実施形態の液晶表示装置においては、図９（ｂ）に示すように、混色によるＲの色度の変化量が低減している。
【００４８】
また、図９（ａ）および（ｂ）からわかるように、Ｒの画素開口部の中心からＧおよびＢの集光スポットを離すことで、ＧおよびＢの集光スポットが互いに接近し、ＧとＢとの迷光量は多少増えるが、これらの色光はもともとスペクトル強度が強いため、表示品位に大きく影響を及ぼすような大きな色度のシフトはない。
【００４９】
本実施形態の液晶表示装置１００において、上記間隔ＤａまたはＤｂ（これらを代表して「Ｄ」とする。）は、遮光部１０８ｂの行方向における幅Ｗｂおよび画素開口部のピッチＰと、Ｐ＜Ｄ＜Ｐ＋Ｗｂの関係を満足することが好ましい。上述の関係を満足すると、図３に示したように、Ｇ集光スポット１２ＧやＢ集光スポット１２Ｂが隣接する画素開口部に重なることが抑制され、これらの色光の色純度が低下することを抑制・防止することができる。
【００５０】
図４を参照しながらこのことを説明する。図４中のＬはＧ集光スポットとＢ集光スポット間の距離を示し、ＭはＲ集光スポットとＧ集光スポット（またはＢ集光スポット）との間の距離を示す。
【００５１】
上述したように、Ｒ集光スポットに対して、ＧおよびＢ集光スポットの間隔を画素開口部のピッチＰ以上に離すということは、ＧおよびＢ集光スポットが互いに近づくことになる。その結果として、例えば、Ｇ光束がＢ光束に対応する画素開口部に直接入射すると、Ｂ光束の色純度が極端に悪くなる。
【００５２】
ここで、上記の関係を満足するように、上記間隔ＤａおよびＤｂを設定しておくと、例えば、図３に示すように、Ｒに対応する画素開口部１０８Ｒの両隣の画素開口部１０８Ｇおよび画素開口部１０８Ｂに形成される集光スポット１２Ｇおよび１２Ｂは、それぞれ隣接するＢ光束に対応する画素開口部とＧ光束に対応する画素開口部に近づくことになるが、上述したようにＧ光束（またはＢ光束）がＢ光束（またはＧ光束）に対応する画素開口部に直接入射することが抑制・防止され、これらの色光束の色純度の低下を抑制することができる。
【００５３】
なお、図３では、説明の簡単さのために、左右両端の画素開口部に形成される集光スポットを図示していないが、実際には画素の配列に対応してＲ、ＧおよびＢ光束の集光スポットが周期的に形成される。
【００５４】
なお、上記間隔Ｄ（ＤａまたはＤｂ）が、上記関係式の範囲であっても、マイクロレンズの収差等の影響で間隔Ｄが大きくなるほど、Ｇ光束およびＢ光束の光光の色純度は低下するが、ＧおよびＢ光束はもともとスペクトル強度が強いため、表示品位に大きく影響を及ぼすような大きな色度の変化はない。
【００５５】
また、画素開口部間の遮光部１０８ｂの幅Ｗｂが、１つの画素内で異なる場合は、最も小さい値を用いて設計することが好ましい。
【００５６】
上記の実施形態では、各色光束の集光スポット１２Ｒ、１２Ｇおよび１２Ｂの行方向の幅Ｗｓを画素開口部１０８Ｒ、１０８Ｇおよび１０８Ｂと略同一とし、Ｒ集光スポット１２Ｒの中心を画素開口部１０８Ｒの中心と略一致させた構成を例示したが、これに限られず、例えば、各色光束の集光スポットのサイズを画素開口部よりも若干大きく設定しても良いし、Ｒ集光スポット１２Ｒの中心を画素開口部１０８Ｒの中心からずらしても良い。さらには、複数の色光束の内で最もスペクトル強度の弱い色光束を中央の画素開口部に対応させた例を示したが、これに限られず、色純度の向上が望まれる色光束を中央の画素開口部に対応させても良い。
【００５７】
上述の説明では、混色の発生を抑制すべき色光束を１つの画素内の中央の画素開口部に対応付ける例を説明したがこれに限られない。
【００５８】
例えば、図３に示した画素配列において、画素開口部１０８ＧにＲ光束１０ＲおよびＢ光束１０Ｂの迷光が入射するのを防止するために、Ｇ集光スポット１２Ｇの中心を画素開口部１０８Ｇの中心と一致させ、Ｒ集光スポット１２Ｒの中心を画素開口部１０８Ｒの中心よりも図中右側にずらし、Ｂ集光スポット１２Ｂの中心を画素開口部１０８Ｂの中心よりも図中左側にずらしてもよい。このとき、Ｇ集光スポット１２Ｇの中心とＲ集光スポット１２Ｒの中心との間隔（Ｄａ）は画素開口部のピッチＰよりも大きく、Ｒ集光スポット１２Ｒの中心とＢ集光スポット１２Ｂの中心との間隔（Ｄｂ）は、画素開口部のピッチＰよりも小さくなるが、Ｇ集光スポット１２Ｇを中心に見ると、その右側のＲ集光スポットとの間隔およびその左側のＢ集光スポット（隣の画素に属する）との間隔は、いずれも画素開口部のピッチＰよりも大きいので迷光が入射することが防止される。
【００５９】
図１から図３に示した本実施形態の液晶表示装置１００のさらに具体的な構成を説明する。光源１０１として、１２０Ｗ、アーク長１．４ｍｍのＰｈｉｌｉｐｓ社製のＵＨＰランプを用いた。
【００６０】
図２に示したマイクロレンズアレイ１０７は、例えば、図７を参照しながら説明した公知の方法によって作製される。このとき、液晶表示素子１０８を作製するに先立って、その対向基板につくり込んでもよい。
【００６１】
液晶表示素子１０８の画素開口部１０８Ｒ、１０８Ｇおよび１０８ＢのピッチＰは例えば２１μｍであり、色分離方向（例えば行方向）におけるそれぞれの画素開口部の幅は１８μｍである。また、マイクロレンズ１０７ａと画素開口部までの距離（カバーガラス基板の厚さ）は１５０μｍ（光学的な距離はカバーガラスの屈折率でカバーガラスの厚さを割った約１００μｍに相当）である。
【００６２】
マイクロレンズ１０７ａによる集光スポット１２Ｒ、１２Ｇおよび１２Ｂのサイズは、画素開口部１０８Ｒ、１０８Ｇおよび１０８Ｂと同じサイズになるように、光源１０１から出射される照明光の平行度を調整した。
【００６３】
ここで、従来のように、集光スポット１２Ｒ、１２Ｇおよび１２Ｂを画素開口部１０８Ｒ、１０８Ｇおよび１０８Ｂに対応して、画素ピッチＰ：２１μｍの間隔で配列するためには、Ｒ光束１０ＲとＧ光束１０Ｂとの色分離角およびＲ光束１０ＲとＢ光束１０Ｂとの色分離角θ１が下記角度になるように調整することになる。
【００６４】
θ１＝ｔａｎ^−１（２１／１００）＝１１．９°
【００６５】
これに対し、本実施形態の液晶表示装置１００では、Ｒ集光スポット１２Ｒの中心（＝画素開口部１０８Ｒの中心）に対し、Ｇ集光スポット１２ＧおよびＢ集光スポット１２Ｂの中心が画素ピッチＰ＝２１μｍより大きい間隔Ｄａ＝Ｄｂ＝２３μｍだけ離れた位置に形成されるように、Ｒ光束１０ＲとＧ光束１０Ｇ及びＲ光束１０ＲとＢ光束１０Ｂとの色分離角θ２を下記角度になるように調整した。
【００６６】
θ２＝ｔａｎ^−１（２３／１００）＝１２．９°
【００６７】
図５に色分離角をθ２とした場合（本実施形態）の色再現範囲と、色分離角をθ１とした場合（比較例）の色再現範囲を示す。
【００６８】
図５からわかるように、色分離角度をθ２とした場合（本実施形態）の方が、Ｒ光束の色純度（色再現範囲）が大幅に改善されていることがわかる。また、本実施形態においては、Ｇ、Ｂの光に関しては、若干混色が増え、色度のシフトが発生しているが、非常に小さいもので、実質上表示品位の低下にはつながらない。
【００６９】
本実施形態では、Ｒ集光スポットとＧ集光スポット間の間隔ＤａおよびＲ集光スポットとＢ集光スポット間の間隔Ｄｂを画素開口部のピッチＰよりも２μｍ大きく（２３μｍ）設定した。
【００７０】
ここで用いた液晶表示素子１０８の遮光部の幅Ｗｂ（ビデオライン幅およびブラックマトリクスを含む）は３μｍであり、マイクロレンズアレイ１０７が形成された対向基板とＴＦＴ基板との貼り合せ誤差を１μｍと、上記２μｍとの合計が遮光部幅Ｗｂの３μｍと一致するように設定した。すなわち、貼り合せ誤差を考慮しても、Ｂ光束およびＧ光束が直接隣の画素開口部に入射することがないように、集光スポット間の間隔ＤａおよびＤｂを設定した。
【００７１】
上述した本発明の実施形態の液晶表示装置１００は、従来の液晶表示装置に比べて、より明るく、且つ、より色再現範囲の広い表示を実現することができる。
【００７２】
本実施形態では、Ｒ光束のスペクトル強度の弱いＵＨＰランプを用いたため、最も混色の影響を受けるＲ光束の集光スポットに対してＧ光束とＢ光束の集光スポットの間隔（ＤａおよびＤｂ）を画素開口部ピッチＰより大きくしたが、ハロゲンランプやキセノンランプなど、スペクトル強度比が異なるランプを用いた場合は、最もスペクトル強度の弱い色光束の集光スポットに対して、その他の２つの色光束の集光スポットが、画素開口部ピッチより大きくなるように調整すると、上記の実施形態と同様の効果を得ることができる。例えば、ハロゲンランプを用いた場合、Ｂ光束のスペクトル強度が他の２つの色光束よりも弱いので、Ｂ光束の集光スポットを画素の中央の画素開口部に形成し、Ｂ光束の集光スポットに対するＧ光束とＲ光束の集光スポットの間隔を画素開口部ピッチよりも大きく調整すればよい。
【００７３】
また、上記の実施形態では、Ｒ光束とＧ光束およびＲ光束とＢ光束の両方の色分離角を調節し、Ｒ集光スポットに対し、Ｇ集光スポットとＢ集光スポットの両方を２３μｍの間隔で配置したが、Ｇ集光スポットおよびＢ集光スポットのいずれか一方のみを画素開口部ピッチＰよりも大きな間隔で配置したり、あるいは、Ｒ集光スポットとＧ集光スポットと間隔Ｄａと、Ｒ集光スポットとＢ集光スポットとの間隔Ｄｂとを異ならせても（Ｄａ≠Ｄｂ）、本発明の効果を得ることができる。
【００７４】
また、上記の実施形態では、マイクロレンズ１０７の集光スポットが液晶表示素子１０８の画素開口部上に形成されるように設定したが、投影レンズとのマッチングを考慮し、集光スポットが液晶表示素子１０８の画素開口部よりも投影レンズ側に来るように設定しても良い。この場合においても、画素開口部の位置におけるＲ光束、Ｇ光束およびＢ光束の集光スポットの間隔を調整することで、本発明の効果を得ることがきる。
【００７５】
また、上記の実施形態では、液晶表示素子１０８の光入射側にマイクロレンズアレイ１０７を１枚配置する構成を例示したが、例えば、図６（ａ）および（ｂ）に示すように、２層のマイクロレンズアレイを用いても良い。また、マイクロレンズアレイに代えてマイクロプリズムアレイを用いることもできる。なお、図６（ａ）および（ｂ）には、それぞれの色光束の主光線のみを図示している。
【００７６】
図６（ａ）に示した光学素子５０は、第１マイクロレンズ５２ａを含む第１マイクロレンズアレイ５２と、第１マイクロレンズ５２ａと一対一で配置された第２マイクロレンズアレイ５４ａを含む第２マイクロレンズアレイ５４とを有している。第１マクロレンズアレイ５２は、ベース基板５１に形成されており、中間基板５３を介して第１マイクロレンズアレイ５２の集光側に第２マイクロレンズアレイ５４が形成されている。第２マイクロレンズアレイ５４の光出射側（液晶表示素子側）には透明基板（カバーガラス）５５が設けられている。第１マイクロレンズアレイ５２で集光された光束は第２マイクレンズアレイ５４で平行化され、それぞれ対応する画素開口部に導かれる。
【００７７】
図６（ｂ）に示した光学素子６０は、マイクロレンズ６２ａを含むマイクロレンズアレイ６２と、マイクロレンズ６２ａと一対一で配置されたマイクプリズム６４ａを含むマイクロプリズムアレイ６４とを有している。マクロレンズアレイ６２は、ベース基板６１に形成されており、中間基板６３を介してマイクロレンズアレイ６２の集光側にマイクロプリズムアレイ６４が形成されている。マイクロプリズムアレイ６４の光出射側（液晶表示素子側）には透明基板（カバーガラス）６５が設けられている。マイクロレンズアレイ６２で集光された光束はマイクプリズムアレイ６４で平行化され、それぞれ対応する画素開口部に導かれる。マイクロプリズム６４ａは、斜面ａおよびｂとそれらの間にセンター部（マイクロプリズムアレイ６０の主面に平行な頂面を有する平坦部）ｃとを有している。両側の斜面ａおよびｂで、対応するマイクロレンズ６２ａから斜面ａおよびｂにそれぞれ入射する光束の主光線を屈折させ、センター部ｃに入射する光束の主光線と略平行にする。
【００７８】
図６（ａ）および（ｂ）に示した光学素子５０または６０を用いると、Ｒ、ＧおよびＢ光束が互いに同じ角度で液晶表示素子に入射するため、光入射角を液晶表示素子の特性に合わせて設定でき、表示のコントラスト比を向上させることができる。また、例えば図２に示したマイクロレンズアレイ１０７を用いた構成では、斜めから入射していたＧおよびＢ光束は、液晶表示素子を通過後、その出射角度がＲ光束よりも大きいため、その一部が投影レンズ１０９でけられていたが、光学素子５０または６０を用いるとＧおよびＢ光束がけられることなく、全てスクリーンに到達することになり、明るさを向上することができる。
【００７９】
【発明の効果】
本発明によれば、マイクロレンズなどの集光素子の収差等による混色（迷光）の影響が押さえられ、色再現範囲を広げることができ、表示品位の優れた画素表示装置を提供することができる。
【００８０】
画像表示素子に入射する複数の色光束（例えばＲ、ＧおよびＢ光束）のうちスペクトル強度の最も弱い色光束を画素内の中央に位置する画素開口部に対応させ、その他の色光束の集光スポットの中心（中央の画素開口部の中心）と最もスペクトル強度の弱い色光束の集光スポットの中心との間隔を画像表示素子の画素開口部の配列ピッチ以上に離すことで、混色の影響をより大きく受ける色の色度を改善でき、より色再現範囲を広げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による実施形態の投影型カラー液晶表示装置１００の構成を模式的に示す図である。
【図２】液晶表示装置１００における集光素子群１０７および液晶表示素子１０８の模式的な断面図である。
【図３】液晶表示装置１００における色光束の集光スポット１２Ｒ、１２Ｇおよび１２Ｂと画素開口部１０８Ｒ、１０８Ｇおよび１０８Ｂとの配置関係を示す模式図である。
【図４】液晶表示装置１００におけるマイクロレンズ１０７ａの機能を説明するための模式図である。
【図５】液晶表示装置の色再現範囲を説明するためのＣＩＥ色度図である。
【図６】（ａ）および（ｂ）は本発明による実施形態の液晶表示装置に用いられるマイクロレンズを含む光学素子の構造を模式的に示す断面図である。
【図７】本発明による実施形態の液晶表示装置に用いられるマイクロレンズの製造方法を説明するための模式図である。
【図８】従来の投影型画像表示装置において混色が発生するメカニズムを説明するための模式図である。
【図９】（ａ）および（ｂ）は、混色の程度と色再現範囲の関係を説明するための図であり、（ａ）は従来の液晶表示装置についてのＣＩＥ色度図であり、（ｂ）は本実施形態の液晶表示装置についてのＣＩＥ色度図である。
【符号の説明】
１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂ色光集光スポット
１０１光源
１０２放物面鏡（リフレクター）
１０３フライアイレンズ
１０４フィールドレンズ
１０５フィールドレンズ
１０６ダイクロイックミラー
１０７マイクロレンズアレイ
１０８液晶表示素子
１０８Ｒ、１０８Ｇ、１０８Ｂ画素開口部
１０９投影レンズ
１１０スクリーン

Claims

光源と、
前記光源から出射された光束を互いに異なる波長域の第１、第２および第３色光束に分離し、それぞれを互いに異なる角度で出射する色分離素子と、
遮光部と、それぞれが、前記遮光部によって互いに分離された第１、第２および第３画素開口部であって、前記第２および第３画素開口部が前記第１画素開口部を間に挟むように所定の方向に沿って所定のピッチで配列された前記第１、第２および第３画素開口部から構成された複数の画素と、を有する画像表示素子と、
前記色分離素子と前記画像表示素子との間に前記複数の画素に対して一対一で設けられた複数の集光素子とを備え、
前記複数の集光素子のそれぞれを通過した前記第１、第２および第３色光束の、前記複数の画素によって規定される面における集光スポットをそれぞれ第１、第２および第３集光スポットとすると、前記第１集光スポットの中心は前記第１画素開口部内に形成され、前記第２集光スポットの中心は前記第２画素開口部内に形成され、且つ、前記第３集光スポットの中心は前記第３画素開口部内に形成され、
前記所定の方向における前記第１集光スポットの中心と前記第２集光スポットの中心との間隔（Ｄａ）および前記第１集光スポットの中心と前記第３集光スポットの中心との間隔（Ｄｂ）の少なくとも一方の間隔（Ｄ）は、前記所定のピッチ（Ｐ）よりも大きい、画像表示装置。
前記第１集光スポットの中心は前記第１画素開口部の中心に形成される、請求項１に記載の画像表示装置。
前記第１色光束のスペクトル強度は、前記第２および第３色光束のスペクトル強度よりも弱い、請求項１または２に記載の画像表示装置。
前記第１色光束は赤色光束である、請求項３に記載の画像表示装置。
前記複数の集光素子のそれぞれはマイクロレンズであり、２次元マイクロレンズアレイを構成している、請求項１から４のいずれかに記載の画像表示装置。
前記第１、第２および第３集光スポットの前記所定の方向における幅（Ｗｓ）は、前記第１、第２および第３画素開口部の前記所定の方向における幅（Ｗｐ）と略等しい、請求項１から５のいずれかに記載の画像表示装置。
前記遮光部の前記所定の方向における幅をＷｂとすると、前記少なくとも一方の間隔（Ｄ）は、
Ｐ＜Ｄ＜Ｐ＋Ｗｂ
の関係を満足する、請求項６に記載の画像表示装置。