JPH0450817A - 液晶光学素子 - Google Patents
液晶光学素子Info
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- JPH0450817A JPH0450817A JP2156479A JP15647990A JPH0450817A JP H0450817 A JPH0450817 A JP H0450817A JP 2156479 A JP2156479 A JP 2156479A JP 15647990 A JP15647990 A JP 15647990A JP H0450817 A JPH0450817 A JP H0450817A
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Landscapes
- Liquid Crystal (AREA)
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。
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、液晶テレビ、液晶ビデオプロジェクタ等に用
いられる液晶パネルに関するものであり、特に、照明光
を液晶パネルに照射し、これを投影レンズを用いてスク
リーンに拡大投影する液晶プロジェクタに有用な液晶パ
ネルに関する。
いられる液晶パネルに関するものであり、特に、照明光
を液晶パネルに照射し、これを投影レンズを用いてスク
リーンに拡大投影する液晶プロジェクタに有用な液晶パ
ネルに関する。
［従来の技術］
液晶パネルは一般に画素配線や画素トランジスタ（α−
Ｓｉ ＴＦＴ、ｐｏｌｙ−３ｉ ＴＦＴが使用されてい
る）の面積が全液晶パネル面積の６０〜７０％を占め、
各画素ごとに実際に照明光が透過しうる液晶開口窓の面
積は３０〜４０％と小さい。即ち、照明光のうちの上記
６０〜７０％は実際には利用できず無駄になる。このよ
うな問題を解決する１つの手段として、液晶パネルの１
画素ごとに微小レンズを設け、これを用いて液晶開口窓
に照明光を集光させる事によって照明の利用効率を上げ
、投影画像を明るくしようとする改良方法が多数提案さ
れている。
Ｓｉ ＴＦＴ、ｐｏｌｙ−３ｉ ＴＦＴが使用されてい
る）の面積が全液晶パネル面積の６０〜７０％を占め、
各画素ごとに実際に照明光が透過しうる液晶開口窓の面
積は３０〜４０％と小さい。即ち、照明光のうちの上記
６０〜７０％は実際には利用できず無駄になる。このよ
うな問題を解決する１つの手段として、液晶パネルの１
画素ごとに微小レンズを設け、これを用いて液晶開口窓
に照明光を集光させる事によって照明の利用効率を上げ
、投影画像を明るくしようとする改良方法が多数提案さ
れている。
しかしながら、これまでの公開特許その他の公知文献の
中ではごく概念的な事しが記述されておらず、実際にど
のような仕様のレンズを作製する事が大きな効果を得る
ために必要なのがが具体的に提示されていなかった。
中ではごく概念的な事しが記述されておらず、実際にど
のような仕様のレンズを作製する事が大きな効果を得る
ために必要なのがが具体的に提示されていなかった。
［問題点を解決するための手段］
そこで本発明者らは、実際に実現可能性の高い液晶パネ
ルとレンズアレイの組合せ構成について検討し、かつ、
シミュレーションにより明るさ向上効果について計算し
、その結果より、各構成部品の厚み、屈折率とレンズ面
の曲率半径との間に存在する、大きな効果を得るために
必要な条件の数値関係を見い出した。すなわち本発明に
係る液晶光学素子は、液晶バ名ルを成す一対のセル基板
のうち、少くとも一方のセル基板表面にレンズアレイ板
を接着固定して構成される。
ルとレンズアレイの組合せ構成について検討し、かつ、
シミュレーションにより明るさ向上効果について計算し
、その結果より、各構成部品の厚み、屈折率とレンズ面
の曲率半径との間に存在する、大きな効果を得るために
必要な条件の数値関係を見い出した。すなわち本発明に
係る液晶光学素子は、液晶バ名ルを成す一対のセル基板
のうち、少くとも一方のセル基板表面にレンズアレイ板
を接着固定して構成される。
レンズアレイ板は、透明基板表面に球面状の微小くぼみ
を多数個配列形成するとともに、これら微小くぼみ内に
基板よりも屈折率の高い透明材料を充填して構成する。
を多数個配列形成するとともに、これら微小くぼみ内に
基板よりも屈折率の高い透明材料を充填して構成する。
そしてレンズアレイ板が接合される液晶セル基板の厚み
ｔ、その屈折率ｎ０、レンズアレイ基板の屈折率ｎ１、
微小くぼみの曲率半径ｒ、及び充填材料の屈折率ｎ２を
、ｒ ｎ。
ｔ、その屈折率ｎ０、レンズアレイ基板の屈折率ｎ１、
微小くぼみの曲率半径ｒ、及び充填材料の屈折率ｎ２を
、ｒ ｎ。
の関係を満足するように設定する。
（作 用〕
各構成部品の仕様を上述のように設計し、作製する事に
より、後述実施例で示される如く極めて大きな明るさ向
上効果を得る事ができる。
より、後述実施例で示される如く極めて大きな明るさ向
上効果を得る事ができる。
（実施例〕
第１図に本発明の１実施例を示す。
液晶パネル１が２枚の液晶セル基板２１．２２とその間
に保持された液晶層で構成されている。
に保持された液晶層で構成されている。
液晶層は各画素ごとに光を透過可能な液晶開口窓３を持
ち、それ以外の部分４はＴＰＴ、画素配線等の不透光部
分である。
ち、それ以外の部分４はＴＰＴ、画素配線等の不透光部
分である。
このような液晶パネルｌに対し一面側から照射される照
明光１０の入射側には、レンズアレイ板５が接着固定し
である。このレンズアレイ板５の基板５Ａの液晶セル基
板２１に対向する側の面には、略球面形状の微小なくぼ
み６が各液晶画素と１対１に対応させて設けられている
。
明光１０の入射側には、レンズアレイ板５が接着固定し
である。このレンズアレイ板５の基板５Ａの液晶セル基
板２１に対向する側の面には、略球面形状の微小なくぼ
み６が各液晶画素と１対１に対応させて設けられている
。
そして各くぼみ６内には高屈折率材料７が充填され、液
晶セル基板２１に透明接着層を介して接着固定されてい
る。レンズアレイ基板５Ａの材質はガラスが望ましいが
、樹脂材であってもよ（、また高屈折率材料７は５、屈
折率が基板５Ａより高い透明材料であればガラス材料で
も樹脂材料でもよい。また、予めくぼみ６内を高屈折率
材料７で充填してから液晶セル基板２工に接着固定して
もよいし、高屈折率の樹脂材料から成る液状接着剤を用
いて、くぼみ６内に充填すると同時に液晶セル基板に接
着固定してもよい。
晶セル基板２１に透明接着層を介して接着固定されてい
る。レンズアレイ基板５Ａの材質はガラスが望ましいが
、樹脂材であってもよ（、また高屈折率材料７は５、屈
折率が基板５Ａより高い透明材料であればガラス材料で
も樹脂材料でもよい。また、予めくぼみ６内を高屈折率
材料７で充填してから液晶セル基板２工に接着固定して
もよいし、高屈折率の樹脂材料から成る液状接着剤を用
いて、くぼみ６内に充填すると同時に液晶セル基板に接
着固定してもよい。
このような球面状くぼみ６は、例えばガラス基板にフォ
トリソグラフィ技術を用いて数μｍ径から十数μｍ径程
度の円形開口を持つ金属マスクを形成し、これをフッ酸
系のエッチャントを用いて適当な時間エツチングする事
により作製できる。
トリソグラフィ技術を用いて数μｍ径から十数μｍ径程
度の円形開口を持つ金属マスクを形成し、これをフッ酸
系のエッチャントを用いて適当な時間エツチングする事
により作製できる。
ガラスのエツチングはマスク開口部からほぼ等方的に進
行するため、略半球状のくぼみが得られ、その曲率半径
はエツチング時間等によって制御する事ができる。また
、エツチング工程を２段に分ける等の方法により、半球
形状より浅い球面状くぼみや、隣接する球面くぼみ同士
が完全につながったいわゆる稠密充填構造の球面くぼみ
アレイを作製する事もできる。なお、このエツチング方
法は本発明の本質的部分ではないので、詳細な説明は省
略するが、特願平２−２７７１２には詳しく開示されて
いる。ガラス基板としては、例えばコーニング社７０５
９ガラス基板や、−船釣なソーダライム基板等が選択可
能である。
行するため、略半球状のくぼみが得られ、その曲率半径
はエツチング時間等によって制御する事ができる。また
、エツチング工程を２段に分ける等の方法により、半球
形状より浅い球面状くぼみや、隣接する球面くぼみ同士
が完全につながったいわゆる稠密充填構造の球面くぼみ
アレイを作製する事もできる。なお、このエツチング方
法は本発明の本質的部分ではないので、詳細な説明は省
略するが、特願平２−２７７１２には詳しく開示されて
いる。ガラス基板としては、例えばコーニング社７０５
９ガラス基板や、−船釣なソーダライム基板等が選択可
能である。
さて、このような作製方法により、第１図に示すレンズ
アレイ付き液晶パネルを構成する場合、大きな明るさ向
上効果を得るためには、液晶パネルの屈折率、厚み、レ
ンズの曲率半径等に対して以下の様な数値限定条件に従
って光学系を構成する必要がある。
アレイ付き液晶パネルを構成する場合、大きな明るさ向
上効果を得るためには、液晶パネルの屈折率、厚み、レ
ンズの曲率半径等に対して以下の様な数値限定条件に従
って光学系を構成する必要がある。
ここで、液晶セル基板２１の屈折率をｎ０、厚みをｔ、
レンズアレイ基板５Ａの屈折率をｎ球面状くぼみ６の曲
率半径をｒ、高屈折率充填材料７の屈折率をｎ２とする
。
レンズアレイ基板５Ａの屈折率をｎ球面状くぼみ６の曲
率半径をｒ、高屈折率充填材料７の屈折率をｎ２とする
。
照明光である略平行な入射光線１０は、レンズアレイ板
５に入射するとき、球面状くぼみ６で屈折する。この時
、ｎ、＜ｎ、であれば球面状くぼみ６は凸レンズとして
作用する。この凸レンズ効果により、入射光線が液晶開
口窓３に最も有効に入射する時が照明光の利用効果が最
大になると言える。
５に入射するとき、球面状くぼみ６で屈折する。この時
、ｎ、＜ｎ、であれば球面状くぼみ６は凸レンズとして
作用する。この凸レンズ効果により、入射光線が液晶開
口窓３に最も有効に入射する時が照明光の利用効果が最
大になると言える。
球面１面の屈折によるレンズの焦点距離ｆは、近軸計算
によれば ｆ ＝ｒ／ （ｎｚ ｎ＋） ”（１）式となる（例
えば「光学の原理■」東海大学出版会等）。屈折光線を
液晶開口面に集光させるためにはｆ ＝ ｔ ／ ｎ
ｏとすればよく、従ってｔ ＋ ｎ ｏ ＋ ｒ。
によれば ｆ ＝ｒ／ （ｎｚ ｎ＋） ”（１）式となる（例
えば「光学の原理■」東海大学出版会等）。屈折光線を
液晶開口面に集光させるためにはｆ ＝ ｔ ／ ｎ
ｏとすればよく、従ってｔ ＋ ｎ ｏ ＋ ｒ。
ｎ Ｉ ＋ ｎ ２の関係は基本的にｔ／ｎｏ＝ｒ／
（ｎｚ ｎ＋）・・・・（２）式となる必要がある
。
（ｎｚ ｎ＋）・・・・（２）式となる必要がある
。
しかしながら、球面１面による屈折効果は正の球面収差
が大きく発生してしまい、第２図に示すように近軸光線
よりも周辺光線はもっと近くに集光する。従って、入射
光線の全エネルギーが最も小さい領域に集光する位置は
上記近軸計算の値よりももっと近くなる。
が大きく発生してしまい、第２図に示すように近軸光線
よりも周辺光線はもっと近くに集光する。従って、入射
光線の全エネルギーが最も小さい領域に集光する位置は
上記近軸計算の値よりももっと近くなる。
そこで、実際に第１図の光学系により光線追跡を行い、
１画素の寸法を１００μｍ角、液晶開口寸法を２０μｍ
角としたときに実際に球面の屈折によって液晶開口に入
射する光線の本数を計算し、その本数の最大位置から実
効的な焦点位置を算出した。第３図が計算結果の１例で
ある。液晶セル基板としてはコーニング社７０５９ガラ
スの基板を想定してｎ ｏ＝ １．５３とし、また、入
手が容易なガラス基板、樹脂材料からｎ、が１．４７と
１．５１の二種、ｎ２＝１゜５９を例にあげて計算した
。
１画素の寸法を１００μｍ角、液晶開口寸法を２０μｍ
角としたときに実際に球面の屈折によって液晶開口に入
射する光線の本数を計算し、その本数の最大位置から実
効的な焦点位置を算出した。第３図が計算結果の１例で
ある。液晶セル基板としてはコーニング社７０５９ガラ
スの基板を想定してｎ ｏ＝ １．５３とし、また、入
手が容易なガラス基板、樹脂材料からｎ、が１．４７と
１．５１の二種、ｎ２＝１゜５９を例にあげて計算した
。
図中、横軸は球面状くぼみ６の曲率半径を、縦軸は液晶
セル基板中での焦点距離である。２本の実線は、各々ｎ
、を１．４７及び１．５１として（１）（２）式を用い
て計算した近軸近似による計算結果である。これに対し
て２本の破線は上記の様な光線追跡により求めた実効的
な焦点距離である。即ち、本光学系において、球面収差
を含めて最も集光効果の大きく得られる位置が図中の点
線の値である。
セル基板中での焦点距離である。２本の実線は、各々ｎ
、を１．４７及び１．５１として（１）（２）式を用い
て計算した近軸近似による計算結果である。これに対し
て２本の破線は上記の様な光線追跡により求めた実効的
な焦点距離である。即ち、本光学系において、球面収差
を含めて最も集光効果の大きく得られる位置が図中の点
線の値である。
この値を近軸計算結果と比較すると、曲率半径の大きな
場合には近軸結果の約９０％程度、曲率半径の小さな場
合には近軸結果の約５０％弱になっている。
場合には近軸結果の約９０％程度、曲率半径の小さな場
合には近軸結果の約５０％弱になっている。
以上のシミュレーション結果より最も集光効果が大きく
得られる実効的な焦点距離ｆｅはおよそ０．４ｒ／（ｎ
ｚ−ｎ＋）≦ｆｅ≦ｒ ／（ｎ＋＋−ｎｌ） ” ”（
３）式のごとくに示される。従って、この値ｆｅをｔ／
ｎ。
得られる実効的な焦点距離ｆｅはおよそ０．４ｒ／（ｎ
ｚ−ｎ＋）≦ｆｅ≦ｒ ／（ｎ＋＋−ｎｌ） ” ”（
３）式のごとくに示される。従って、この値ｆｅをｔ／
ｎ。
に等しくする事により、液晶開口位置で最大の集光効果
が得られる事になり、即ちｔ＋ ｎＯ＋ ｒ＋ ｎｌ
＋ｎ２の間の数値関係を ｒ ｎ。
が得られる事になり、即ちｔ＋ ｎＯ＋ ｒ＋ ｎｌ
＋ｎ２の間の数値関係を ｒ ｎ。
とする必要がある事になる。
なお、第１図はレンズアレイ板５が液晶セル基板の一方
の面のみ設けてあったが、第４図の様に双方の面に設け
られていてもよい。この時、（４）式は双方の面におい
て別個に満たされなければならない。
の面のみ設けてあったが、第４図の様に双方の面に設け
られていてもよい。この時、（４）式は双方の面におい
て別個に満たされなければならない。
また、各式において、焦点距離は球面の頂点からの距離
であり、解析はレンズの厚み分を考慮するべきであるが
、冒頭に述べた用途では、焦点距離４００〜８００μｍ
程度に比べて、レンズの厚みは数十μｍ以下であり、実
用上、考慮の必要はない。
であり、解析はレンズの厚み分を考慮するべきであるが
、冒頭に述べた用途では、焦点距離４００〜８００μｍ
程度に比べて、レンズの厚みは数十μｍ以下であり、実
用上、考慮の必要はない。
〔発明の効果］
以上に説明したように、前記（４）式の条件に各数値を
設定してやる事により、第１図の構成において最大の明
るさ向上効果が得られる。
設定してやる事により、第１図の構成において最大の明
るさ向上効果が得られる。
ちなみに、レンズ１個の大きさ約１００μｍ角、ｎｏ＝
１．５３． ｔ＝１．１ｍｍ、 ｎ＋＝１．５１、
ｎｚ＝１．５９として曲率半径約７５μｍのくぼみを用
いてレンズを作製し、約４０μｍ角の面積内に集光する
照明光量が、レンズなしに比べ２倍以上得られた。
１．５３． ｔ＝１．１ｍｍ、 ｎ＋＝１．５１、
ｎｚ＝１．５９として曲率半径約７５μｍのくぼみを用
いてレンズを作製し、約４０μｍ角の面積内に集光する
照明光量が、レンズなしに比べ２倍以上得られた。
第１図は本発明の一実施例を示す断面図、第２図は本発
明で使用するレンズアレイ板で１つのレンズを構成する
球面状くぼみによる光線の屈折状態を示す模式図、第３
図は本発明において用いるレンズアレイ板のくぼみの曲
率半径、各材料の屈折率、及びレンズ焦点距離の関係を
計算で求めた結果を示す線図、第４図は本発明の他の実
施例を示す断面図である。 １・・・液晶パネル、２Ｌ２２・・・液晶セル基板、３
・・・液晶開口窓、４・・・不透光部分、５・・・レン
ズアレイ板、５Ａ・・・レンズアレイ基板、６・・・球
面状くぼみ、７・・・高屈折率充填材料、１０・・・照
明光ｖ＝、＋六丁 第４図 第２図 （最良像点）（近軸像ａ）
明で使用するレンズアレイ板で１つのレンズを構成する
球面状くぼみによる光線の屈折状態を示す模式図、第３
図は本発明において用いるレンズアレイ板のくぼみの曲
率半径、各材料の屈折率、及びレンズ焦点距離の関係を
計算で求めた結果を示す線図、第４図は本発明の他の実
施例を示す断面図である。 １・・・液晶パネル、２Ｌ２２・・・液晶セル基板、３
・・・液晶開口窓、４・・・不透光部分、５・・・レン
ズアレイ板、５Ａ・・・レンズアレイ基板、６・・・球
面状くぼみ、７・・・高屈折率充填材料、１０・・・照
明光ｖ＝、＋六丁 第４図 第２図 （最良像点）（近軸像ａ）
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 液晶パネルを成す一対のセル基板のうち、少なくとも一
方のセル基板表面にレンズアレイ板を接着固定して成る
液晶光学素子であって、前記レンズアレイ板は、透明基
板の表面に球面状の微小くぼみを多数個配列形成すると
ともに、これらくぼみ内に基板よりも屈折率の高い透明
材料を充填して構成され、且つ、レンズアレイ板が接合
される前記セル基板の厚みをｔ、その屈折率をｎ＿０、
レンズアレイ基板の屈折率をｎ＿１、微小くぼみの曲率
半径をｒ、該くぼみ内の充填材料の屈折率をｎ＿２とし
たとき、 ０．４≦ｔ（ｎ＿２−ｎ＿０）／ｒｎ＿０≦１の条件を
満足するようにした液晶光学素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2156479A JPH0450817A (ja) | 1990-06-14 | 1990-06-14 | 液晶光学素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2156479A JPH0450817A (ja) | 1990-06-14 | 1990-06-14 | 液晶光学素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0450817A true JPH0450817A (ja) | 1992-02-19 |
Family
ID=15628658
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2156479A Pending JPH0450817A (ja) | 1990-06-14 | 1990-06-14 | 液晶光学素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0450817A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000002803A (ja) * | 1998-06-17 | 2000-01-07 | Nippon Sheet Glass Co Ltd | 平板型マイクロレンズアレイ |
| JP2008097032A (ja) * | 2000-10-04 | 2008-04-24 | Sharp Corp | マイクロレンズアレイ、液晶表示素子および投影型液晶表示装置 |
-
1990
- 1990-06-14 JP JP2156479A patent/JPH0450817A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000002803A (ja) * | 1998-06-17 | 2000-01-07 | Nippon Sheet Glass Co Ltd | 平板型マイクロレンズアレイ |
| JP2008097032A (ja) * | 2000-10-04 | 2008-04-24 | Sharp Corp | マイクロレンズアレイ、液晶表示素子および投影型液晶表示装置 |
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