JPH0634963A

JPH0634963A - ライトバルブ装置および該装置を用いた表示装置

Info

Publication number: JPH0634963A
Application number: JP4187813A
Authority: JP
Inventors: Yoshito Miyatake; 義人宮武; Yoshimasa Fushimi; 吉正伏見
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1992-07-15
Filing date: 1992-07-15
Publication date: 1994-02-10

Abstract

(57)【要約】【目的】明るく高画質の投写画像を表示できる投写型
表示装置を提供する。【構成】入射光側から順に、第１レンズアレイ板、第
２レンズアレイ板、液晶パネルを配置し、第１レンズア
レイ板の正レンズ素子の焦点距離は第２レンズアレイ板
の各正レンズ素子の焦点距離より短く、第２レンズアレ
イ板の各正レンズ素子は第１レンズアレイの各正レンズ
素子の焦点上の仮想物体に対応する実像を液晶パネルの
各画素に形成する。【効果】第１レンズアレイ板により光源に対応する複
数の微小光源が形成され、第２レンズアレイ板の各正レ
ンズ素子は複数の微小光源からの出射光が入射して液晶
パネルの画素に入射させることができるので液晶パネル
の入射側ガラス基板を薄くすることなく、液晶パネルの
開口部に入射する光を増大するので、明るい投写画像が
得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ライトバルブ装置およ
びそのライトバルブ装置を用いた投写型表示装置および
ビューファインダ装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】大画面映像を得るために、ライトバルブ
に映像信号に応じた光学像を形成し、その光学像に光を
照射し投写レンズによりスクリーン上に拡大投写する方
法が従来よりよく知られている。最近では、ライトバル
ブとして液晶パネルを用いる投写型表示装置が提案され
（例えば、特開昭６２−１３３４２４号公報、特開平２
−２５００１５号公報など）、セット全体がコンパクト
になるという点で注目されている。

【０００３】液晶パネルは、高画質の投写画像を得るた
めに、液晶材料としてツイストネマティック（ＴＮ）液
晶を用い、各画素にスイッチング素子としてＴＦＴを設
けたアクティブマトリックス型を用い、赤用、緑用、青
用として３枚の液晶パネルを用いるのが主流となりつつ
ある。

【０００４】液晶パネルを用いた投写型表示装置の光学
系の従来の構成例を（図１３）に示す。光源１１から出
た光は、ダイクロイックミラー１２，１３と平面ミラー
１４で構成される色分解光学系に入射し、赤、緑、青の
３原色の光に分解される。各原色光は、それぞれフィー
ルドレンズ１５，１６，１７を透過した後に、それぞれ
入射側偏光板１８，１９，２０を透過し、液晶パネル２
１，２２，２３に入射する。映像信号に応じて液晶パネ
ル２１，２２，２３に旋光性の変化として形成された光
学像は、入射側偏光板１８，１９，２０と出射側偏光板
２４，２５，２６の作用により透過率の変化した光学像
となる。液晶パネル２１，２２，２３からの出射光は、
ダイクロイックミラー２７，２８と平面ミラー２９で構
成される色合成光学系により１つの光に合成される。合
成された光は投写レンズ３０に入射し、３つの液晶パネ
ル２１，２２，２３上の光学像は、投写レンズ３０によ
りスクリーン上に拡大投写される。

【０００５】ＴＦＴ液晶パネルの構成を（図１４）に示
す。２枚のガラス基板４１，４２と周辺部のシール樹脂
により密閉空間を形成し、内部にＴＮ液晶４３を封入し
ている。入射側ガラス基板４１の液晶層４３側には透明
導電性膜による共通電極４４が設けられ、出射側ガラス
基板４２の液晶層４３側には透明導電性膜による画素電
極４５がマトリックス状に形成され、各画素電極４５の
近傍にはスイッチング素子としてＴＦＴ４６が形成され
ている。共通電極４４と画素電極４５の上には、ＴＮ液
晶を所定の状態に配向するために配向膜が形成されてい
る。液晶パネルの入射側と出射側には吸収軸を所定の方
向に向けて偏光板４７，４８が配置される。液晶パネル
には強烈光が入射するが、この強烈光によるＴＦＴ４６
の誤動作を防ぐために、入射側ガラス基板４１の液晶層
４３側にＴＦＴ４６と配線を遮光する金属薄膜によるブ
ラックマトリックス４９が形成されている。ＴＦＴ４６
を介して各画素に信号電圧を印加すると、各画素の液晶
層の旋光性が変化し、２枚の偏光板４７，４８の作用に
より各画素の透過率を制御することができる。こうし
て、液晶パネルに透過率の変化として画像が表示され
る。

【０００６】ところで、（図１４）に示した構成でＴＦ
Ｔ液晶パネルが利用する光は、ブラックマトリックス４
９を透過する光だけであり、投写画像の明るさは液晶パ
ネルの開口率（表示領域の全面積に対するブラックマト
リックス４９の開口部５０すべての面積の比）に比例す
る。ブラックマトリックス４９の非開口部５１に入射す
る光も利用できれば、投写画像を明るくすることがで
き、エネルギー利用効率も向上する。そこで、液晶パネ
ルの入射側にレンズアレイ板を近接配置することにより
投写画像を明るくする方法が提案されている（例えば特
開平１−１８９６８５号公報、特開平２−２６２１８５
号公報など）。

【０００７】液晶パネルにレンズアレイ板を組み合わせ
たライトバルブ装置の構成例を（図１５）に示す。レン
ズアレイ板６１は、透明基板６２の液晶パネル６３側の
面に複数の正レンズ素子６４をマトリックス状に形成し
たものである。レンズアレイ板６１は、正レンズ素子６
４と液晶パネル６３の画素５０が対応するように、近接
して配置される。レンズアレイ板６１に入射する光は、
正レンズ素子６４により集束光に変換され、画素５０に
入射する。ブラックマトリックス４９の非開口部５１に
入射する光が開口部５０に入射するので、液晶パネル６
３の実質開口率が向上し、投写画像が明るくなる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】（図１５）に示した構
成で、高精細の投写画像を得るには、液晶パネルの画素
数を増大させるとよい。液晶パネルの表示画面寸法が同
じであれば、画素ピッチを小さくすることになる。この
場合、次のような問題が発生する。

【０００９】レンズアレイを用いる場合、液晶パネル６
３の画素５０上に光源の縮小された実像が形成される。
この実像の寸法が画素５０の寸法より大きい場合には、
平行光を入射した場合の実質開口率は向上するものの、
投写画像は明るくならない。光源の実像の寸法を小さく
するには、レンズアレイ板６１の正レンズ素子６４の焦
点距離を短くする必要があり、それには入射側ガラス基
板４１を薄くする必要がある。しかし、入射側ガラス基
板４１を薄くすると、液晶層４３の厚さを均一にするこ
とが困難となる。そのため、入射側ガラス基板４１の内
部にレンズ素子を配置する方法が提案されている（特開
平２−３０２７２６号公報）。ところが、イオン交換法
により屈折率分布型のレンズアレイを作成する場合、ガ
ラス基板としてアルカリイオンを含むガラスを用いる必
要があるが、アルカリイオンの溶出によりＴＦＴの特性
が劣化するという問題がある。また、レンズアレイを２
枚のガラス基板の間に形成する場合、屈折率材質の異な
る材料を組み合わせる必要があるが、熱膨張率が異なる
ために、広い温度範囲で液晶層の厚さを均一にすること
が困難である。いずれにしても、入射側ガラス基板の内
部に正レンズ素子を形成する方法では、液晶パネルに高
画質の画像を表示することが困難である。結局、高精細
で明るい投写画像を得ることは困難という問題があっ
た。

【００１０】次に、ビデオカメラは、可搬性を良好にす
るために全体を小型軽量にする必要があり、全体を小型
にするためにビューファインダに液晶パネルを用いるこ
とが考えられている。ビューファインダを小型軽量に
し、液晶パネルに高画質の画像を表示するには、液晶パ
ネルの表示画面を小さくし、画素数を多くする必要があ
る。つまり、液晶パネルの画素ピッチを小さくする必要
がある。そうすると、液晶パネルの開口率が小さくなる
ので、表示画像は暗い。表示画像を明るくするには、明
るい光源を用いるとよいが、光源の消費電力が大きくな
り、１回の電池充電における連続使用時間が短くなると
いう問題を発生する。

【００１１】本発明は、液晶パネルの画素ピッチが小さ
い場合でも、ガラス基板を薄くすることなく、明るい投
写画像を表示する投写型表示装置および低消費電力で表
示画像の明るいビューファインダを提供することを目的
とする。また、このためのライトバルブ装置を提供する
ことを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明のライトバルブ装
置は、複数の画素をマトリックス配列したライトバルブ
と、複数の正レンズ素子を前記ライトバルブの画素配列
と相似にマトリックス配列した第１のレンズアレイ手段
と、複数の正レンズ素子を前記ライトバルブの画素配列
と相似にマトリックス配列した第２のレンズアレイ手段
とを備え、前記第２のレンズアレイ手段は前記ライトバ
ルブの入射側に配置され、前記第１のレンズアレイ手段
は前記第２のレンズアレイ手段の入射側に配置され、前
記第１のレンズアレイ手段の各正レンズ素子の焦点距離
は前記第２のレンズアレイ手段の各正レンズ素子の焦点
距離と比較して等しいかまたは短く、前記第２のレンズ
アレイ手段の各正レンズ素子は前記第１のレンズアレイ
手段の複数の正レンズ素子の焦点上にある仮想物体の実
像をそれぞれ前記ライトバルブの対応する画素上に形成
するようにしたものである。

【００１３】第２のレンズアレイ手段の各正レンズ素子
の光軸は、第１のレンズアレイ手段の正レンズ素子の光
軸と一致させるか、または第１のレンズアレイ手段の隣
接する２つの正レンズ素子の中心を結ぶ直線の中点を通
るようにするとよい。さらに、ライトバルブ装置の画素
が正方配列の場合には、第１のレンズアレイ手段の各正
レンズ素子の光軸が第２のレンズアレイ手段の隣接する
４つの正レンズ素子の中心で構成される四角形の中心を
通るようにしてもよい。

【００１４】本発明の投写型表示装置は、光源と、前記
光源の出射光が入射し映像信号に応じて光学像が形成さ
れるライトバルブ装置と、その光学像をスクリーン上に
投写する投写レンズとを備え、前記ライトバルブ装置と
して上記のライトバルブ装置を用いたものである。

【００１５】本発明のビューファインダ装置は、光源
と、前記光源の出射光が入射し映像信号に応じて光学像
を形成するライトバルブと、その光学像を拡大する拡大
レンズとを備え、前記ライトバルブ装置として上記のラ
イトバルブ装置を用いたものである。

【００１６】

【作用】本発明のライトバルブ装置のモデルを（図１）
に示す。入射側から順に第１のレンズアレイ手段７１、
第２のレンズアレイ手段７２、ライトバルブ７３が配置
されている。ここでは、ライトバルブ７３、第１のレン
ズアレイ手段７１および第２のレンズアレイ手段７２は
いずれも非常に薄く、間は空気とする。ライトバルブ７
３の画素７４は正方配列とする。第１のレンズアレイ手
段７１、第２のレンズアレイ手段７２は、それぞれ正方
形の正レンズ素子７５，７６を正方配列したものであ
り、いずれも非レンズ領域はないとする。正レンズ素子
７５，７６はすべて薄肉レンズとし、無収差の理想的な
レンズと仮定する。第１のレンズアレイ手段７１のピッ
チと第２のレンズアレイ手段７２のピッチは、ライトバ
ルブ７３のピッチと全く同一とし、各正レンズ素子７５
の光軸７７と対応する正レンズ素子７６の光軸７８とは
一致し、さらに各光軸７７，７８はライトバルブ７３の
画素７４の中心７９を通ると仮定する。

【００１７】（図１）に対応する光路図を（図２）に示
す。光源からの入射光８０が第１のレンズアレイ手段７
１に入射すると、第１のレンズアレイ手段７１の各正レ
ンズ素子７５は、それぞれの焦点８１上に光源に対応す
る微小な実像８２を形成する。つまり、第１のレンズア
レイ手段７１の出射側に、第１の微小光源群８３が形成
される。第２のレンズアレイ手段７２の各正レンズ素子
７６は、微小光源８２の１８０゜回転した等倍の実像８
４を形成する。つまり、第２のレンズアレイ手段７２の
出射側に第２の微小光源群８５が形成される。第１の微
小光源群８３のピッチと第２の微小光源群８５のピッチ
は互いに等しい。各正レンズ素子７５の光軸７７と対応
する正レンズ素子７６の光軸７８とが一致する場合、各
正レンズ素子７６が形成する第２の微小光源群８５は各
微小光源８４がすべて重なる。ライトバルブ７３の画素
ピッチが第２の微小光源群８５のピッチと等しければ、
ライトバルブ７３の各画素７４を第２の微小光源群８５
の各微小光源８４に重ねることができる。

【００１８】焦点８１から正レンズ素子７６の主点まで
の距離が正レンズ素子７５の焦点距離より長ければ、第
１レンズアレイ手段７１の１つの正レンズ素子７５ａか
らの出射光は、第２レンズアレイ手段７２の複数の正レ
ンズ素子７６ａ，７６ｂ，７６ｃに入射する。その出射
光は、いずれもライトバルブ７３のいずれかの画素に入
射する。こうして、ライトバルブ７３の１つの画素に
は、第２のレンズアレイ手段７２の複数の正レンズ素子
７６ａ，７６ｂ，７６ｃから光が入射する。

【００１９】第１のレンズアレイ手段７１の各正レンズ
素子７５の焦点距離をｆ₁、第２のレンズアレイ手段７
２の各正レンズ素子７６の焦点距離をｆ₂とする。第２
の微小光源群８５の各微小光源８４をすべて重ねるため
には、第１のレンズアレイ手段７１の焦点８１から第２
のレンズアレイ手段７２の主点までの距離をｂ、第２の
レンズアレイ手段７２の主点からライトバルブ７３の画
素７４までの距離をｃとして、

【００２０】

【数３】

【００２１】

【数４】

【００２２】とすればよい。また、第１のレンズアレイ
手段７１の主点から焦点８１までの距離をａとすると、

【００２３】

【数５】

【００２４】となる。（図１）に示したモデルにおい
て、ｃはライトバルブ７３により制約されるが、ａ＋ｂ
を制約する要因は存在しない。従って、第１のレンズア
レイ手段７１の焦点距離ｆ₁は短くすることができ、ｆ
₁が短くなれば第２の微小光源群８５の各微小光源８４
の寸法が小さくなる。また、上述のように第１のレンズ
アレイ手段７１からの出射光は第２のレンズアレイ手段
７２の複数の正レンズ素子７６を介してすべてライトバ
ルブ７３のすべての画素７４に到達するので、（図１）
に示したライトバルブ装置の実質開口率が向上する。ラ
イトバルブの各画素から出射する光がすべて投写レンズ
に入射すれば、投写画像は明るくなる。

【００２５】（図１）、（図２）に示した構成により実
質開口率を向上させる場合の望ましい条件について説明
する。ライトバルブの１個の画素に第２のレンズアレイ
手段の複数の正レンズ素子から光が入射する一般的な場
合の光路図を（図３）に示す。（図３）に示す状態の場
合、正レンズ素子７６ｂは有効領域のすべてが利用され
ているが、正レンズ素子７６ａ、７６ｃは有効領域の一
部しか利用されていない。この場合、投写レンズは、瞳
の中域部が利用されないので、無駄が多いことになる。
この無駄を最小にするには、第１のレンズアレイ手段７
１の１個の正レンズ素子７５ａの端８６から出射する光
線が、第２のレンズアレイ手段７２の隣接する複数の正
レンズ素子７６ａ，７６ｂ，７６ｃの集合の端８７を通
るようにすればよい。この条件は、第１のレンズアレイ
手段７１の各正レンズ素子７５の焦点距離をｆ₁、第２
レンズアレイ手段７２の各正レンズ素子７６の焦点距離
をｆ₂、正整数をｍとして、

【００２６】

【数６】

【００２７】となる。（図２）には、第１のレンズアレ
イ手段７１の１個の正レンズ素子７５からの出射光が第
２のレンズアレイ手段７２に入射するとき、９個の正レ
ンズ素子７６に入射する場合を示したが、９個に限ら
ず、２５個、４９個と多くすることも可能である。いず
れの場合も、（数６）を満足するのが望ましい。

【００２８】本発明によれば、ライトバルブの入射側面
からライトバルブ層までの距離を短くすることができな
い場合でも、（図１）に示したモデルのように２つのレ
ンズアレイ手段を用いることにより、実質開口率の高い
ライトバルブ装置を実現することができる。このライト
バルブ装置を投写型表示装置に用いれば、明るい投写画
像を得ることができる。また、このライトバルブ装置を
ビューファインダ装置に用いれば、明るい表示画像を得
ることができる。

【００２９】以上の説明では、ライトバルブの画素が正
方配列であり、第１のレンズアレイ手段の各正レンズの
光軸と第２のレンズアレイ手段の各正レンズの光軸とが
一致する場合について説明したが、ライトバルブの画素
がデルタ配列の場合や光軸の関係が上記と異なる場合で
も、第２のライトバルブ手段の各正レンズによる第２の
微小光源群がすべて重なれば本発明の意図する効果が得
られる。

【００３０】

【実施例】以下に、本発明の実施例について添付図面を
参照しながら説明する。

【００３１】本発明のライトバルブ装置の第１の実施例
の構成を（図４）に示す。９１は入射側偏光板、９２は
第１レンズアレイ板、９３は第２レンズアレイ板、９４
は液晶パネル、９５は出射側偏光板である。

【００３２】ライトバルブ装置は、入射側から順に、入
射側偏光板９１、第１レンズアレイ板９２、第２レンズ
アレイ板９３、液晶パネル９４、出射側偏光板９５で構
成されている。

【００３３】液晶パネル９４は、２枚のガラス基板９
６，９７の間にＴＮ液晶９８を封入したものである。出
射側ガラス基板９７の液晶層９８側には、透明導電性膜
による画素電極がマトリックス状に形成され、各画素電
極の近傍にはスイッチング素子としてＴＦＴ１００が設
けられている。隣接する画素電極の間には信号線と走査
線が形成され、各ＴＦＴ１００は、ソース電極が信号線
に接続され、ゲート電極が走査線に接続され、ドレイン
電極が画素電極に接続されている。入射側ガラス基板９
６の液晶層９８側には、透明導電性膜による共通電極が
形成され、その上にＴＦＴ１００、信号線、走査線を覆
うように金属薄膜によるブラックマトリックス１０２が
形成されている。ブラックマトリックス１０２の開口部
が画素１０３となる。画素電極と共通電極の上には配向
膜が塗布され、液晶分子を所定の状態に配向させるため
にラビングされる。信号供給回路と走査回路により各画
素１０３の液晶層に電界を加えると、電界に応じて液晶
層の旋光性が変化するので、液晶パネル９４に映像信号
に応じた旋光性の変化として光学像を形成できる。この
光学像は、入射側偏光板９１と出射側偏光板９５の作用
により透過率の変化による光学像となる。

【００３４】液晶パネル９４の画素数は水平４８０×垂
直４６０、表示画面の寸法は水平４４．６４ｍｍ×垂直
３３．５８ｍｍ、画素ピッチは水平９４μｍ×垂直７３
μｍである。画素１０３は、（図５）に示すように正方
配列であり、画素の寸法は水平５３μｍ×垂直３２μ
ｍ、開口率は２５％である。２枚のガラス基板９６，９
７は、いずれも厚さが１．１ｍｍ、屈折率が１．５２で
ある。

【００３５】第１レンズアレイ板９２は、ガラス基板１
０４の出射側面に薄い透明樹脂１０５を重ね、その表面
に複数の正レンズ素子１０６をマトリックス状に形成し
たものであり、第２レンズアレイ板９３は、ガラス基板
１０７の出射側面に薄い透明樹脂１０８を重ね、その表
面に複数の正レンズ素子１０９をマトリックス状に形成
したものである。正レンズ素子１０６，１０９は、それ
ぞれ（図５）に示すように、正方配列としている。正レ
ンズ素子１０６，１０９は、いずれも有効領域が長方形
で、配列ピッチは液晶パネル９４の画素ピッチと同じ水
平９４μｍ×垂直７３μｍであり、隣接する正レンズ素
子の間には幅が約５μｍの非レンズ部１１０，１１１が
設けられている。第１レンズアレイ板９２は、ガラス基
板１０４の厚さが１．１ｍｍ、屈折率が１．５２、焦点
距離が２４０μｍである。第２レンズアレイ板９３は、
ガラス基板１０７の厚さが１．４ｍｍ、屈折率が１．５
２、焦点距離が３６０μｍである。２つのレンズアレイ
板９２，９３は、ガラス基板１０４，１０７の上に紫外
線硬化樹脂を塗布し、その上に所定のレンズアレイ板の
表面形状を有する型を重ね、ガラス基板１０４，１０７
を通して紫外線硬化樹脂に紫外線を照射することにより
作成している。

【００３６】第１レンズアレイ板９２、第２レンズアレ
イ板９３、液晶パネル９４は、第１レンズアレイ板９２
の各正レンズ素子１０６の光軸１１２と第２レンズアレ
イ板９３の各正レンズ素子１０９の光軸１１３とが一致
し、さらに光軸１１２，１１３が液晶パネル９４の各画
素１０３の中心１１４を通るように重ね、間に薄い空気
層を挟んで周辺部を接着材で固着している。入射側偏光
板９１は第１レンズアレイ板９２から分離されており、
出射側偏光板９５は液晶パネル９４の出射側に貼付され
ている。

【００３７】本発明の投写型表示装置の第１の実施例に
ついて説明する。（図６）は、その構成を示したもので
あり、１２１は光源、１２５はフィールドレンズ、１２
６はライトバルブ装置、１２７は投写レンズ、１２８は
スクリーンである。

【００３８】ライトバルブ装置１２６は、（図４）、
（図５）に示したものと同一であり、入射側から順に入
射側偏光板９１、第１レンズアレイ板９２、第２レンズ
アレイ板９３、液晶パネル９４、出射側偏光板９５で構
成されている。

【００３９】光源１２１は、ランプ１２２、凹面鏡１２
３、フィルタ１２４で構成されている。ランプ１２２は
ハロゲンランプであり、ランプ１２２から放射される光
は凹面鏡１２３により反射されて平行に近い光となって
出射する。フィルタ１２４は、ガラス基板上に可視光を
透過し赤外光を反射する多層膜を蒸着したものであり、
凹面鏡１２３からの出射光から赤外光を除去する。

【００４０】光源１２１からの出射光は、フィールドレ
ンズ１２５を透過して、ライトバルブ装置１２６に入射
し、その出射光は投写レンズ１２７に入射する。こうし
て、液晶パネル９４に形成された画像は投写レンズ１２
７によりスクリーン１２８上に拡大投写される。フィー
ルドレンズ１２５は、光源１２１から液晶パネル９４の
周辺部の画素に入射する主光線を液晶層９８と垂直にす
るために用いる。投写レンズ１２７は、液晶パネル９４
の出射側に配置される補助レンズ１２９と主投写レンズ
１３０とで構成され、口径比はＦ３．５である。補助レ
ンズ１２９は、液晶パネル９４のすべての画素を通過す
る主光線を液晶層９８と垂直にするためのものである。
こうして、第１レンズアレイ板９２の正レンズ素子１０
６の光軸１１２に沿って進む光線は、第２レンズアレイ
板９３の対応する正レンズ素子１０９の光軸１１３を通
過し、液晶パネル９４の対応する画素１０３の中心１１
４に入射する。

【００４１】（図４）、（図５）に示した構成の作用に
ついて説明する。（図４）に示すように、光源１２１か
らの出射光１１５は第１レンズアレイ板９２に入射す
る。第１レンズアレイ板９２の各正レンズ素子１０６の
焦点１１６には、凹面鏡１２３の開口部に対応する微小
な実像が形成される。第２レンズアレイ板９３の各正レ
ンズ素子１０９は、この複数の微小光源を等倍で液晶パ
ネル９４の液晶層９８上に形成する。第１レンズアレイ
板９２の正レンズ素子１０６の焦点距離ｆ₁ と、第２レ
ンズアレイ板９３の正レンズ素子１０９の焦点距離ｆ₂
とは、（数６）の条件を満足するようにしている。その
ため、第１レンズアレイ板９２の１個の正レンズ素子１
０６ａから出射する光は、第２レンズアレイ板９３の９
個の正レンズ素子１０９ａ，１０９ｂ，１０９ｃに入射
し、９個の正レンズ素子１０９ａ，１０９ｂ，１０９ｃ
から出射する光は、それぞれ液晶パネル９４の画素１０
３ａ，１０３ｂ，１０３ｃに入射する。液晶パネル９４
の１個の画素１０３ｄには、第２レンズアレイ板９３の
隣接する９個の正レンズ素子１０９ｄ，１０９ｅ，１０
９ｆからの出射光が入射する。液晶パネル９４からの出
射光はすべて投写レンズ１２７に入射するようにしてい
る。ライトバルブ装置１２６には映像信号に応じて透過
率の変化として光学像が形成される。この光学像は投写
レンズ１２７により拡大投写され、スクリーン上に拡大
された白黒の投写画像が表示される。

【００４２】光源１２１から出て第１レンズアレイ板９
２の１個の正レンズ素子１０６に入射した光がすべて投
写レンズ１２７に入射する場合、ライトバルブ装置１２
６の実質開口率は、第１レンズアレイ板９２の全領域の
面積に対するすべての正レンズ素子のレンズ面の面積の
比となる。投写画像の画面中心における輝度は、液晶パ
ネルの実際の開口率に対する実質開口率の比だけ明るく
なる。

【００４３】２つのレンズアレイ板９２，９３を組み合
わせて実験すると、レンズアレイ板を用いない場合に比
べて、投写画像の画面中心付近の明るさを約１．５倍に
することができ、本発明の有効性を確認することができ
た。なお、液晶パネル９４の開口率は２５％であり、レ
ンズアレイ板９２，９３の表面反射を無視した実質開口
率は理論的には６５％であることを考えると、明るさ向
上の効果は理論値をかなり下回るが、その原因はレンズ
アレイ板９２，９３のレンズ面の精度が良くないためと
思われる。

【００４４】（図１５）に示した従来の構成では、投写
画像を明るくするには液晶パネルの入射側ガラス基板を
薄くする必要があったが、（図４）に示した本発明の構
成では、液晶パネル９４の入射側ガラス基板９６を薄く
しないでも投写画像を明るくすることができる。入射側
ガラス基板９６を薄くする必要がないので、液晶層９８
の厚さの均一性を確保することができ、液晶パネル９４
に高画質の画像を表示することができる。そのため、
（図４）に示すような構成とすることにより、高画質
で、しかも明るい投写画像を得ることができる。

【００４５】本発明の投写型表示装置の第２の実施例の
構成を（図７）に示す。１４１は光源、１４７，１４８
はダイクロイックミラー、１４９は平面ミラー、１５
０，１５１，１５２はフィールドレンズ、１５３，１５
４，１５５はライトバルブ装置、１７１，１７２，１７
３は補助レンズ、１７４，１７５はダイクロイックミラ
ー、１７６は平面ミラー、１７７は主投写レンズであ
る。

【００４６】光源１４１は、ランプ１４２、凹面鏡１４
３とフィルタ１４４で構成されている。ランプ１４２は
メタルハライドランプであり、３原色の色成分を含む光
を放射する。凹面鏡１４３はガラス製で、反射面１４５
の形状は放物面であり、反射面１４５に赤外光を透過さ
せ可視光を反射する多層膜を蒸着したものである。フィ
ルタ１４４は、ガラス基板の上に可視光を透過させ赤外
光と紫外光を反射する多層膜を蒸着したものである。凹
面鏡１４３の光軸１４６は水平方向に向き、ランプ１４
２は管軸を光軸１４６と一致させて配置される。ランプ
１４２の放射光は、凹面鏡１４３で反射して赤外光が除
去された平行に近い光に変換され、フィルタ１４４を透
過して赤外光と紫外光を除去されて可視光が出射する。
光源１４１の出射光は、２枚のダイクロイックミラー１
４７，１４８と平面ミラー１４９とで構成される色分解
光学系により赤、緑、青の原色光に分解される。各原色
光は、いずれもフィールドレンズ１５０，１５１，１５
２を透過してライトバルブ装置１５３，１５４，１５５
に入射する。

【００４７】ライトバルブ装置１５３，１５４，１５５
は、いずれも（図４）に示したものと同一であり、光源
側から順、にそれぞれ入射側偏光板１５６，１５７，１
５８、第１レンズアレイ板１５９，１６０，１６１、第
２レンズアレイ板１６２，１６３，１６４、液晶パネル
１６５，１６６，１６７、出射側偏光板１６８，１６
９，１７０を組み合わせたものである。ライトバルブ装
置１５３，１５４，１５５には、それぞれ映像信号に応
じて透過率の変化として光学像が形成される。ライトバ
ルブ装置１５３，１５４，１５５の出射光は、それぞれ
補助レンズ１７１，１７２，１７３を透過した後、ダイ
クロイックミラー１７４，１７５と平面ミラー１７６を
組み合わせた色合成光学系により１つの光に合成され、
合成された光は主投写レンズ１７７に入射する。

【００４８】主投写レンズ１７７は、補助レンズ１７
１，１７２，１７３と組み合わせることにより投写レン
ズとして機能する。補助レンズ１７１，１７２，１７３
は、主投写レンズ１７７の主光線が液晶層を垂直に通過
するように、つまりテレセントリック性を良くするため
に用いる。こうして、３つのライトバルブ装置１５３，
１５４，１５５に形成される光学像は、主投写レンズ１
７７により離れた位置にあるスクリーン（図示せず）上
に拡大投写される。

【００４９】（図７）に示した投写型表示装置を試作し
実験を行うと、第１の実施例と同様に、レンズアレイ板
を用いない場合に比べて明るい投写画像を得ることがで
きた。画質の均一性も、レンズアレイ板の明かな欠陥部
分を除けば、良好であった。

【００５０】本発明のライトバルブ装置の第２の実施例
の構成を（図８）に示す。１９１は入射側偏光板、１９
２はレンズアレイ板、１９３は液晶パネル、１９４は出
射側偏光板である。

【００５１】ライトバルブ装置は、入射側から順に、入
射側偏光板１９１、レンズアレイ板１９２、液晶パネル
１９３、出射側偏光板１９４で構成されている。

【００５２】液晶パネル１９３は、（図４）に示したも
のと同様のＴＮ液晶を用いたＴＦＴ液晶パネルであり、
画素配列は（図９）に示すようなデルタ配列である。出
射側ガラス基板１９５の液晶層１９６側には、画素電極
１９７とＴＦＴ１９８が設けられている。入射側ガラス
基板１９９の液晶層１９６側には、ＴＦＴを遮光するた
めのブラックマトリックス２００が設けられ、その上に
モザイク状のカラーフィルタ２０１が設けられ、さらに
その上に共通電極が設けられている。画素数は水平４８
０×垂直４６０、表示画面の寸法は水平３０．７ｍｍ×
垂直２３．０ｍｍ、画素ピッチは水平６４μｍ×垂直５
０μｍである。画素の寸法は水平３３μｍ×垂直２９μ
ｍ、開口率は２５％である。入射側ガラス基板の厚さは
１．１ｍｍ、屈折率は１．５２である。

【００５３】レンズアレイ板１９２は、ガラス基板２０
２の入射側面に第１レンズアレイ２０３を形成し、出射
側面に第２レンズアレイ２０４を形成したものである。
第１レンズアレイ２０３、第２レンズアレイ２０４は、
いずれもガラス基板２０２の上に薄い透明樹脂２０５，
２０６を重ね、その表面に凸レンズ面２０７，２０８を
形成したものである。各正レンズ素子２０７，２０８
は、（図９）に示すように、有効領域が六角形であり、
液晶パネル１９３と同一のピッチでデルタ配列されてい
る。各正レンズ素子２０７，２０８は隣接する正レンズ
素子との間に幅５μｍの非レンズ部２０９，２１０を有
する。各正レンズ素子２０７の光軸２１１は、対応する
正レンズ素子２０８の光軸２１２と一致している。ガラ
ス基板１９８は、厚さが１．４ｍｍ、屈折率が１．５２
であり、第１レンズアレイ２０３の焦点距離は２４０μ
ｍ、第２レンズアレイ２０４の焦点距離は３６０μｍで
ある。

【００５４】レンズアレイ板１９２と液晶パネル１９３
の入射側ガラス基板１９５とは間に薄い空気層を挟んで
周辺部を接着材で固着している。このとき、レンズアレ
イ板１９２の各正レンズ素子２０７，２０８の光軸２１
１，２１２が液晶パネル１９３の対応する画素２１３の
中心２１４を通るようにしている。（図８）に示した構
成は、レンズアレイ板を２枚使う場合よりも屈折率差を
有する境界面が少ないため、透過率が有利となる。

【００５５】この場合も、第１レンズアレイ２０３の正
レンズ素子２０７の焦点２１５上にある仮想物体の像が
第２レンズアレイ２０４により液晶パネル１９３の画素
２１３上に形成される。第１レンズアレイ２０３の１個
の正レンズ素子２０７から出射する光は、第２レンズア
レイ２０４の７個の正レンズ素子２０８に入射し、液晶
パネル１９３の１個の画素２１３には、第２レンズアレ
イ２０７の７個の正レンズ素子からの出射光が入射す
る。前出の実施例と同様に、レンズアレイ板１９２によ
り実質開口率を向上させることができる。（図６）に示
した構成の投写型表示装置のライトバルブ装置を（図
８）に示したライトバルブ装置と置き換えると、フルカ
ラーの投写画像を得ることができる。実験では、投写画
像の中心付近の明るさが、レンズアレイ板がない場合に
比べて約１．５倍となった。

【００５６】次に、本発明のライトバルブ装置をビュー
ファインダ装置に応用した実施例について説明する。
（図１０）はその構成を示したものであり、２２１はラ
イトバルブ装置、２２６は光源、２２９は接眼レンズで
ある。

【００５７】ライトバルブ装置２２１は、各部の寸法は
異なるが、（図８）に示したものと同一の構成であり、
入射側から順に、入射側偏光板２２２、レンズアレイ板
２２３、液晶パネル２２４、出射側偏光板２２５で構成
されている。液晶パネル２２４は、（図８）に示した液
晶パネルと同様の構成のＴＮ液晶を用いたＴＦＴ液晶パ
ネルで、モザイク状のカラーフィルタを内臓している。
表示寸法は０．７インチであり、フルカラーの画像を表
示する。画素数は水平３７２×垂直２３８、画素ピッチ
は水平３８μｍ×垂直４４μｍ、画素の寸法は水平１８
μｍ×垂直２４μｍで開口率は２５％である。液晶パネ
ルのガラス基板の厚さはいずれも１．１ｍｍ、屈折率は
１．５２である。レンズアレイ基板は、厚さが１．３ｍ
ｍ、屈折率が１．５２であり、第１レンズアレイの焦点
距離は１００μｍ、第２レンズアレイの焦点距離は３６
０μｍである。

【００５８】光源２２６は、ランプ２２７と集光レンズ
２２８により構成されている。ランプ２２７は、直径が
７ｍｍ、長さが２０ｍｍの直流点灯の蛍光管である。ラ
ンプ２２７から広がって出射する光は、集光レンズ２２
８により指向性の狭い光に変換され、ライトバルブ装置
２２１に入射し、その出射光は接眼レンズ２２９に入射
する。観察者が接眼レンズ２２９を覗くと、ライトバル
ブ装置２２１上の画像の拡大された虚像を観察すること
ができる。

【００５９】以上の構成要素は、すべて１つの筐体２３
０に収納されている。ランプ２２７として、ＬＥＤ、ハ
ロゲンランプ、陰極線管など発光体が小さく高輝度の光
源を用いるとよい。

【００６０】（図１０）に示したビューファインダ装置
は、レンズアレイを用いることによりライトバルブ装置
の実質開口率が高くなるので、光利用効率が高くなる。
そのため、ランプの電力を小さくすることができ、レン
ズアレイを用いない場合に比べて１回の電池充電におけ
る連続使用時間が長くなる。

【００６１】以下に、本発明のライトバルブ装置の他の
実施例について説明する。本発明のライトバルブ装置で
重要な役割を果たす第１レンズアレイと第２レンズアレ
イはそれらを支持するものが必要となる。前出の実施例
の他に、液晶パネルの入射側にガラス基板を近接配置
し、そのガラス基板の入射側面に第１レンズアレイを形
成し、液晶パネルの入射側ガラス基板の入射側面に第２
レンズアレイを形成する構成も可能である。

【００６２】（図５）、（図９）には第１レンズアレイ
の各正レンズ素子の光軸と第２レンズアレイの対応する
正レンズ素子の光軸を一致させる構成を示したが、それ
以外の構成も可能である。（図１１ａ）に示すように、
第１レンズアレイ２４１の正レンズ素子２４２の光軸２
４３が、第２レンズアレイ２４４の隣接する２つの正レ
ンズ素子２４５ａ，２４５ｂの中心２４６ａ，２４６ｂ
を結ぶ直線の中点２４７を通るようにしてもよい。ただ
し、光軸２４３は液晶パネル２４８の画素２４９を通過
する必要がある。液晶パネルの画素がデルタ配列の場合
も、（図１１ｂ）に示すように、第１レンズアレイ２５
１の正レンズ素子２５２の光軸２５３が、第２レンズア
レイ２５４の隣接する２つの正レンズ素子２５５ａ，２
５５ｂの中心２５６ａ，２５６ｂを結ぶ直線の中点２５
７を通り、液晶パネル２５８の画素２５９を通過するよ
うにしてもよい。また、正方配列の場合には、（図１
２）に示すように、第１レンズアレイ２６１の正レンズ
素子２６２の光軸２６３が第２レンズアレイ２６４の隣
接する４つの正レンズ素子２６５ａ，２６５ｂ，２６５
ｃ，２６５ｄの中心で構成される四角形２６６の中心２
６７を通り、液晶パネル２６８の画素２６９を通るよう
にしてもよい。いずれの場合も、第２レンズアレイによ
り、第１レンズアレイの各正レンズ素子の焦点に形成さ
れる微小光源の実像を液晶パネルの各画素につくること
ができる。

【００６３】（図１１（ａ））、（図１１（ｂ））、
（図１２）に示した構成の場合、投写レンズに無駄のな
い条件は、（数６）に示した条件と異なり、第１レンズ
アレイの焦点距離をｆ₁ 、第２レンズアレイの焦点距離
をｆ₂ 、ｍを正整数とすると、

【００６４】

【数７】

【００６５】となる。第１レンズアレイの正レンズ素子
のピッチを液晶パネルの画素ピッチに比べてわずかに大
きくしてもよい。光路図の簡単な作図により、第２レン
ズアレイのピッチと配置を最適に選べば、第１レンズア
レイの各正レンズ素子の焦点に形成される微小光源の実
像を第２レンズアレイにより液晶パネルの画素上に形成
できることが分かる。このようにすると、液晶パネルの
周辺部の画素を通過する主光線を内側に向けることがで
きるので、（図６）に示した構成に用いられている補助
レンズ１２９を省略することもできる。

【００６６】ＴＮ液晶を用いた液晶パネルはコントラス
トの良好な方向が液晶層の法線からわずかに傾斜した方
向となるので、高コントラストの投写画像を得るために
は、液晶パネルに対して斜めに光を入射させるとよい。
この場合、液晶パネルの画素群に対して第１レンズアレ
イの正レンズ素子群と第２レンズアレイの正レンズ素子
群とををわずかに平行移動し、第１レンズアレイの各焦
点に形成される微小光源の実像が液晶パネルの各画素上
に形成されるようにするとよい。

【００６７】レンズアレイ板の作成方法として、第１の
実施例で説明した方法の他に、ガラス基板の表面にイオ
ン交換や選択拡散により屈折率分布型レンズを形成する
方法、ガラス基板の上に透明な熱可塑性樹脂を重ね加熱
成形によりレンズを形成する方法などがある。

【００６８】以上の実施例ではライトバルブがＴＮ液晶
を用いるＴＦＴ液晶パネルの場合について説明したが、
他の方式の液晶パネルや電気光学結晶を用いるものな
ど、光学的特性の変化として光学像を形成するものであ
ればライトバルブとして用いることができる。

【００６９】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、ライトバ
ルブに制約を加えることなく実質開口率の大きなライト
バルブ装置を実現することができ、また、このライトバ
ルブ装置を用いることにより、投写画像の明るい投写型
表示装置および低消費電力で表示画像の明るいビューフ
ァインダ装置を提供することができるので、非常に大き
な効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のライトバルブ装置の作用を説明するモ
デルの概略線図

【図２】本発明のライトバルブ装置の作用を説明する概
略線図

【図３】本発明のライトバルブ装置の作用を説明する概
略線図

【図４】本発明のライトバルブ装置の第１の実施例にお
ける要部拡大側断面図

【図５】本発明のライトバルブ装置の第１の実施例にお
ける概略線図

【図６】本発明の投写型表示装置の第１の実施例におけ
る概略構成図

【図７】本発明の投写型表示装置の第２の実施例におけ
る概略構成図

【図８】本発明のライトバルブ装置の第２の実施例にお
ける概略構成図

【図９】本発明のライトバルブ装置の第２の実施例にお
ける概略線図

【図１０】本発明のビューファインダ装置の実施例にお
ける概略構成図

【図１１】本発明のライトバルブ装置の他の実施例にお
ける概略線図

【図１２】本発明のライトバルブ装置の他の実施例にお
ける概略線図

【図１３】従来の投写型表示装置の概略構成図

【図１４】液晶パネルの構成を示す要部拡大側断面図

【図１５】従来のライトバルブ装置の構成を示す要部拡
大側断面図

【符号の説明】

７１第１レンズアレイ手段７２第２レンズアレイ手段７３ライトバルブ９１入射側偏光板９２第１レンズアレイ板９３第２レンズアレイ板９４液晶パネル９５出射側偏光板１２１光源１２５フィールドレンズ１２６ライトバルブ装置１２７投写レンズ１２８スクリーン１４１光源１４７，１４８ダイクロイックミラー１４９平面ミラー１５０，１５１，１５２フィールドレンズ１５３，１５４，１５５ライトバルブ装置１５６，１５７，１５８入射側偏光板１５９，１６０，１６１第１レンズアレイ板１６２，１６３，１６４第２レンズアレイ板１６５，１６６，１６７液晶パネル１６８，１６９，１７０出射側偏光板１７１，１７２，１７３補助レンズ１７４，１７５ダイクロイックミラー１７６平面ミラー１７７主投写レンズ１９１入射側偏光板１９２レンズアレイ板１９３液晶パネル１９４出射側偏光板２０３第１レンズアレイ２０４第２レンズアレイ２２１ライトバルブ装置２２２入射側偏光板２２３レンズアレイ板２２４液晶パネル２２５出射側偏光板２２６光源２２９接眼レンズ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の画素をマトリックス配列したライト
バルブと、複数の正レンズ素子を前記ライトバルブの画
素配列と相似にマトリックス配列した第１のレンズアレ
イ手段および第２のレンズアレイ手段とを備え、前記第
２のレンズアレイ手段は前記ライトバルブの入射側に配
置され、前記第１のレンズアレイ手段は前記第２のレン
ズアレイ手段の入射側に配置され、前記第１のレンズア
レイ手段の各正レンズ素子の焦点距離は前記第２のレン
ズアレイ手段の各正レンズ素子の焦点距離と比較して等
しいかまたは短く、前記第２のレンズアレイ手段の各正
レンズ素子は前記第１のレンズアレイ手段の複数の正レ
ンズ素子の焦点上にある仮想物体の実像をそれぞれ前記
ライトバルブの対応する画素上に形成するようにしたラ
イトバルブ装置。
【請求項２】第２のレンズアレイ手段はライトバルブの
入射側に配置された透明基板の出射側面またはその表面
近傍に形成され、第１のレンズアレイ手段は前記第２の
レンズアレイ手段の入射側に配置された透明基板の出射
側面またはその表面近傍に形成されている請求項１記載
のライトバルブ装置。
【請求項３】第１のレンズアレイ手段はライトバルブの
入射側に配置された透明基板の出射側面またはその表面
近傍に形成され、第２のレンズアレイ手段は前記ライト
バルブの入射側面またはその表面近傍に形成されている
請求項１記載のライトバルブ装置。
【請求項４】第１のレンズアレイ手段はライトバルブの
入射側に配置された透明基板の入射側面またはその表面
近傍に形成され、第２のレンズアレイ手段は前記透明基
板の出射側面またはその表面近傍に形成されている請求
項１記載のライトバルブ装置。
【請求項５】第２のレンズアレイ手段の各正レンズ素子
の光軸は第１のレンズアレイ手段の対応する正レンズ素
子の光軸と一致する請求項１記載のライトバルブ装置。
【請求項６】第１のレンズアレイ手段の各正レンズ素子
の焦点距離をｆ₁、第２レンズアレイ手段の各正レンズ
素子の焦点距離をｆ₂、正整数をｍとして、次の条件を
満足する請求項５記載のライトバルブ装置。【数１】
【請求項７】第２のレンズアレイ手段の各正レンズ素子
の光軸は第１のレンズアレイ手段の隣接する２つの正レ
ンズ素子の中心を結ぶ直線の中点を通る請求項１記載の
ライトバルブ装置。
【請求項８】ライトバルブ装置は画素を正方配列したも
のであって、第１のレンズアレイ手段の各正レンズ素子
の光軸は第２のレンズアレイ手段の隣接する４つの正レ
ンズ素子の中心で構成される四角形の中心を通る請求項
１記載のライトバルブ装置。
【請求項９】第１のレンズアレイ手段の各正レンズ素子
の焦点距離をｆ₁、第２レンズアレイ手段の各正レンズ
素子の焦点距離をｆ₂、正の整数をｍとして、次の条件
を満足する請求項７または請求項８記載のライトバルブ
装置。【数２】
【請求項１０】光源と、前記光源の出射光が入射し映像
信号に応じて光学像が形成されるライトバルブ装置と、
前記ライトバルブ装置の光学像をスクリーン上に投写す
る投写レンズとを備え、前記ライトバルブ装置として請
求項１から請求項９のいずれかに記載のライトバルブ装
置を用いた投写型表示装置。
【請求項１１】光源と、前記光源の出射光が入射し映像
信号に応じて光学像が形成されるライトバルブ装置と、
前記ライトバルブ装置の光学像を拡大する拡大レンズと
を備え、前記ライトバルブ装置として請求項１から請求
項９のいずれかに記載のライトバルブ装置を用いたビュ
ーファインダ装置。
【請求項１２】光源は発光手段と、前記発光手段の出射
光を指向性の狭い光に変換する集光レンズとを備えたも
のである請求項１１記載のビューファインダ装置。