JP3595203B2

JP3595203B2 - 液晶表示装置

Info

Publication number: JP3595203B2
Application number: JP20265999A
Authority: JP
Inventors: 賢二郎浜中; 大介新井; 敏谷口; 厚範松田; 健一仲間; 健二森尾; 隆岸本
Original assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Priority date: 1999-07-16
Filing date: 1999-07-16
Publication date: 2004-12-02
Anticipated expiration: 2015-07-28
Also published as: JP2000039608A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、平板型マイクロレンズをその一部とした液晶表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
透過型の液晶表示装置を用いたプロジェクタテレビジョン（ＰＴＶ）が、実用化されている。このプロジェクタテレビジョンの概略構成は、図３に示すように、液晶表示装置１００を照射光源とコンデンサレンズ１０１との間に配置し、液晶表示装置１００を透過した光をコンデンサレンズ１０１及び投影レンズ１０２を介して壁等のスクリーンに映し出すようにしている。
尚、液晶表示装置１００をコンデンサレンズ１０１の図３において右側に配置する構造のものもある。
【０００３】
従来の液晶表示装置１００は２枚の透明パネル１０３，１０４間に液晶層１０５を保持し、この液晶層１０５のうち、５〜７割程度が配線やＴＦＴ（薄膜トランジスタ）、ブラックマトリクス等によって照射光の透過が阻止される部分で、残りの５〜３割程度が照射光が透過する画素開口部１０５ａとなっている。
【０００４】
従来のＰＴＶにあっては、平行な照射光のうち約５〜７割が液晶層１０５の部分でその透過を阻止されるので、画面が暗くなってしまう。一方、画面を明るくするために照射光の強度を上げると、温度が上昇し、液晶層に悪影響を及ぼす。
【０００５】
そこで、特開平３−２１４１０１号公報、特開平３−２１４１２１号公報、特開平４−５０８１７号公報、特開平５−３４６５７７号公報等に平板型マイクロレンズを用いて上記の不利を解消する提案がなされている。これら先行例に記載される内容は、図４に示すように、液晶表示装置１００を構成する２枚の透明パネルの一方のパネル１０３を２枚のガラス基板１０３ａ、１０３ｂで構成し、この２枚のガラス基板の少なくとも一方を平板型マイクロレンズ１０６とし、照射光を画素開口部１０５ａに集光し、照射光の殆どが画素開口部１０５ａを通過するようにして画面が暗くなるのを防止している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、平板型マイクロレンズ１０６をその一部に組込んだ液晶表示装置は、レンズの焦点が画素開口部１０５ａに一致するように設計している。しかしながら、画素開口部の１点に照射光を集光せしめると、集光した１点が高温になり液晶層に悪影響を及ぼす。
【０００７】
また、平板型マイクロレンズ１０６の焦点を液晶面に設定すると、投影レンズの大口径化及びコストアップにつながる。
即ち、レンズのＦＮｏ．は（空気中での焦点距離／レンズ最大径）で定義され、平板型マイクロレンズの焦点を液晶面に設定すると、焦点距離が短くなるので平板型マイクロレンズのＦＮｏ．が小さくなり、この平板型マイクロレンズのＦＮｏ．に対応して投影レンズのＦＮｏ．も小さくしなければならず、その結果投影レンズの口径を大きくしなければならない。
【０００８】
尚、平板型マイクロレンズを構成する基板のうち、液晶層側の基板の厚みを厚くして焦点を液晶面に設定すれば、平板型マイクロレンズのＦＮｏ．は大きくなるのであるが、照射光として完全に平行でなく３〜６°傾いたまま入射する照射光もある。このような平行光でない照射光を想定すると、液晶層側の基板の厚みを厚くして焦点を液晶面に設定した場合には、液晶面における照射光のずれが大きくなり、照射光の多くの部分が画素開口部から外れ、画素開口部を透過する光量が低下する。
【０００９】
そこで、画素開口部の位置から焦点をずらすことが考えられる。しかしながら焦点の位置を画素開口部よりも照射光源側（図４において左側）にずらした場合には、光の広がり角θが大きくなるので、コンデンサレンズ及び投影レンズの径を更に大きくしなければならず、逆にコンデンサレンズ側（図４において右側）にずらした場合には、光の広がり角θは小さくなるものの、あまりずらすと照射光の一部が光の不透過部分にかかってしまう。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、液晶表示装置に組込まれる平板型マイクロレンズを構成するガラス基板の屈折率、レンズとなる高屈折率材料の屈折率、高屈折率材料からなる凸レンズの曲率半径、平板型マイクロレンズを構成するガラス基板のうち液晶層側のガラス基板の厚みと焦点距離との関係に着目してなしたものである。
【００１１】
即ち、一対の透光性パネルの間に液晶層を設けてなる液晶表示装置の、前記一対の透光性パネルのうち照射光が入射する側の透光性パネルを２枚のガラス基板を接合して構成し、この２枚のガラス基板のうち一方のガラス基板の他方のガラス基板との接合面に多数の凸レンズを規則的且つ稠密状に配列し、２枚のガラス基板を接合する接合材の屈折率をｎ_１、凸レンズとなる高屈折率材料の屈折率をｎ_２、他方のガラス基板の屈折率をｎ_３、凸レンズの曲率半径をｒ、前記２枚のガラス基板のうち液晶層側のガラス基板の厚みをｔ、焦点距離をｆとすると、１／ｆ＝（１／ｒ）（ｎ_２−ｎ_１）／ｎ_３で表わされる。
そして、ｆ＝ｔのときに焦点が液晶面に位置していることなので、前記したようにｆ＞ｔでなければならない、またｆ＞ｔとした場合でも焦点位置が液晶面から離れ過ぎると照射光の一部が光の不透過部分にかかってしまう。効率よく照射が行われるのは０．６ｆ＝ｔまでであることが実験の結果判明した。
したがって、０．６／ｔ≦（１／ｒ）（ｎ_２−ｎ_１）／ｎ_３＜１／ｔとする。
【００１２】
また、図５に示すように平板型マイクロレンズの凸レンズ１０６で絞られた照射光は液晶層１０５を通過した後、発散光となって投影レンズ１０２に入射するが、平凸レンズ１０６のＦＮｏ．（ｆ／ｎ_３・ｐ）が投影レンズ１０２のＦＮｏ．（ｆ_０／ｐ_０）よりも大きくなると、発散光が投影レンズでケラれてしまう。
ここで、図５ではコンデンサレンズを省略しているが、上記の関係はコンデンサレンズがある場合でも成立する。また、凸レンズ１０６のＦＮｏ．＝ｆ／ｎ_３・ｐとしたのは空気中での焦点距離に換算するためであり、またｐは稠密状に配列された互いに隣接する凹部の中心間の最長距離をいう。例えば図６に示すような場合には凹部の中心間距離が２種類あるが、長い方を指す。
【００１３】
そして、ｐ（１／ｒ）（ｎ_２−ｎ_１）は凸レンズのＦＮｏ．の逆数を表わしており、一方、投影レンズとしてはＦＮｏ．は１．８〜８の間である。即ちＦＮｏ．＝１．８以下のレンズは製作困難であり、ＦＮｏ．＝８以上はＮＡが小さいことを意味し、集光効果が不十分となる。
まとめると、凸レンズのＦＮｏ．は投影レンズのＦＮｏ．より小さく、投影レンズのＦＮｏ．は１．８〜８の間で、しかも凸レンズのＦＮｏ．の逆数はｐ（１／ｒ）（ｎ_２−ｎ_１）であるので、１／８≦ｐ（１／ｒ）（ｎ_２−ｎ_１）≦１／１．８で表わされる関係式を満足させる必要がある。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。ここで、図１は本発明に係る液晶表示装置を組込んだプロジェクタテレビジョン（ＰＴＶ）の概念図、図２は同液晶表示装置の拡大断面図であり、プロジェクタテレビジョン（ＰＴＶ）は本発明に係る液晶表示装置１を照射光源とコンデンサレンズ２１との間に配置し、液晶表示装置１を透過した光をコンデンサレンズ２１及び投影レンズ２２を介して壁等のスクリーンに映し出すようにしている。
【００１５】
液晶表示装置１は一対の透光性パネル２，３の間に液晶層４を設けている。液晶層４の一面側（入射側）には透明電極５が設けられ、他面側（出射側）には配線やＴＦＴ等からなる光不透過部６と光が透過する画素開口部７が形成されている。
【００１６】
一方、透光性パネル２は２枚のガラス基板８，９を接合して構成され、この２枚のガラス基板８，９のうち一方のガラス基板８の他方のガラス基板９との対向面には多数の高屈折率材料からなる凸レンズ１０が稠密状に設けられ、この凸レンズ１０を設けた面と他方のガラス基板９とが低屈折率樹脂からなる接着剤１１を介して接合されている。
尚、ガラス基板８をガラス基板９に接合する時期は、透光性パネル２とガラス基板９との間に液晶層４を設けた後でもよい。
【００１７】
ここで、前記した各部材の材質、寸法、特性（屈折率）などは以下の通りである。
（ガラス基板８）
材質：無アルカリガラス（ボロシリケート系ガラス）
厚み：１．１ｍｍ
屈折率ｎ_１：１．５２
（凸レンズ部１０）
中心間の最長距離：１１２μｍ
高さ：４０μｍ
配列：デルタ配列（六角稠密アレイ）
配列ピッチ：Ｘ方向１００μｍ、Ｙ方向１００μｍ
曲率半径ｒ：５９．２μｍ
材質：熱硬化性樹脂
屈折率ｎ_２：１．６６
（ガラス基板９）
材質：無アルカリガラス（ボロシリケート系ガラス）
厚み：４００μｍ
屈折率ｎ_３：１．５２
（画素開口部７）
開口寸法：□６０μｍ
画素面積に対する開口部面積の比：３６％
（透光性パネル３）
材質：無アルカリガラス（コーニング社＃７０５９）
厚み：１．１ｍｍ
【００１８】
以上において、凸レンズ１０に入射した照射光はある程度絞られて画素開口部７を透過し、コンデンサレンズ２１及び投影レンズ２２を介して壁等のスクリーンに投影される。
【００１９】
また、平板型マイクロレンズのレンズ部の形状については、平面視でその輪郭形状は正方形、長方形、正六角形、六角形あるいは帯状（レンチキュラータイプ）等液晶層の画素開口部の形状に合せて選定することができる。
【００２０】
【発明の効果】
以上に説明したように本発明によれば、液晶表示装置に組込まれる平板型マイクロレンズを構成するガラス基板の屈折率、レンズとなる高屈折率材料の屈折率、レンズの曲率半径、平板型マイクロレンズを構成するガラス基板のうち液晶層側のガラス基板の厚みと焦点距離との関係を適切なものとしたので、液晶層に照射光が集中せず、高温にならないので液晶に液影響を与えない。しかも、照射光の殆んどが画素開口部を通るので画面が暗くなることもない。
【００２１】
即ち、従来のように平板型マイクロレンズの焦点を液晶面からＦＮｏ．が大きくなる側にずらすことで投影レンズの口径を大きくすることもなく、照射光の殆んどを有効利用でき、また照射光が多少傾いている場合であっても画素開口部を透過する光量がそれほど低減することがなくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る液晶表示装置を組込んだプロジェクタテレビジョンの概念図
【図２】同液晶表示装置の拡大断面図
【図３】従来のプロジェクタテレビジョンの概念図
【図４】液晶表示装置に平板型マイクロレンズを組み合わせた従来例の断面図
【図５】凸レンズのＦＮｏ．と投影レンズのＦＮｏ．との関係を説明した図
【図６】凹部の中心間距離の概念図
【符号の説明】
１…液晶表示装置、２，３…透光性パネル、４…液晶層、５…透明電極、６…光不透過部、７…画素開口部、８，９…ガラス基板、１０…平凸レンズ、１１…接着剤層。

Claims

一対の透光性パネルの間に液晶層を設けてなる液晶表示装置において、前記一対の透光性パネルのうち照射光が入射する側の透光性パネルは２枚のガラス基板を接合して構成され、この２枚のガラス基板のうち一方のガラス基板の他方のガラス基板との対向面には高屈折率材料からなる多数の凸レンズが規則的且つ稠密状に配列され、２枚のガラス基板のうちの一方のガラス基板の屈折率をｎ_１、凸レンズとなる高屈折率材料の屈折率をｎ_２、他方のガラス基板の屈折率をｎ_３、凸レンズの曲率半径をｒ、前記２枚のガラス基板のうち液晶層側のガラス基板の厚みをｔ、隣接する凸レンズの中心間の最長距離をｐとするとき、これらは以下の関係式（１）及び（２）を満足することを特徴とする液晶表示装置。
０．６／ｔ≦（１／ｒ）（ｎ_２−ｎ_１）／ｎ_３＜１／ｔ・・・・・・（１）
１／８≦ｐ（１／ｒ）（ｎ_２−ｎ_１）≦１／１．８・・・・・・・（２）