DE69213339T2

DE69213339T2 - Bildanzeigevorrichtung mit Flüssigkristallfernsehprojektor und einer Matrix konischer optischer Elemente darin

Info

Publication number: DE69213339T2
Application number: DE69213339T
Authority: DE
Inventors: Shigeru Aoyama; Osamu Nishizaki
Original assignee: Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1991-06-14
Filing date: 1992-06-12
Publication date: 1997-04-24
Anticipated expiration: 2012-06-13
Also published as: DE69213339D1; EP0518362B1; JPH04366917A; ATE142353T1; JP2959202B2; EP0518362A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung:

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Bildanzeigevorrichtung, die ein Flüssigkristallplatte verwendet, einen Flüssigkristall-TV-Projektor, und eine Anordnung aus konischen optischen Elementen, die von der Anzeigevorrichtung und dem TV-Projektor verwendet werden.

Beschreibung des Standes der Technik:

Fig. 1 veranschaulicht die optische Gesamtanordnung eines Flüssigkristall-TV-(Fernseh-)Projektors.
Von einer Lichtquelle 11 abgegebenes Licht wird durch einen Parabolspiegel 12 reflektiert, der hinter der Lichtquelle 11 angeordnet ist, wodurch das Licht im wesentlichen parallel gemacht wird. (Wie unten noch beschrieben, wird das Licht nicht vollkommen parallel gemacht, sondern besitzt eine gewisse seitliche Ausbreitung, da die Lichtquelle 11 etwas ausgedehnt ist, z.B. einen Durchmesser der Größenordnung von 2 mm hat, und das Licht inkohärent ist.) Das reflektierte Licht wird durch eine Kondensorlinse 13 konzentriert. Eine Flüssigkristallplatte 14 ist im optischen Weg des mit der Kondensorlinse 13 konzentrierten Lichts angeordnet. Es sind zwei Polarisatoren 15, 16, deren Polarisationsrichtungen einander senkrecht schneiden, vorgesehen, einer (15) hinter der Flüssigkristallplatte 14 und einer (16) davor.
Wie im folgenden noch dargelegt wird, weist das Flüssigkristall 14 eine Vielzahl von Pixeln auf, deren Lichtdurchlässigkeit durch ein von außen angelegtes Videosignal und durch das Zusammenwirken der Polarisatoren 15 und 16 gesteuert wird. Dadurch erscheint ein durch das Videosignal dargestelltes Bild auf der Oberfläche der Flüssigkristallplatte 14. Das Bild, das durch das Licht dargestellt wird, das den Flüssigkristall 14 und die Polarisatoren 15, 16 durchlaufen hat, wird durch eine Bildausbildungslinse (Projektionslinse) 17 auf einem entfernt liegenden Bildschirm 18 ausgebildet.
Fig. 2 veranschaulicht schematisch einen Abschnitt eines vergrößerten Querschnitts der Flüssigkristallplatte 14. Ein Isolationsfilm und der innere Aufbau der Schaltelemente sind nicht veranschaulicht. Fig. 3 zeigt ein Ersatzschaltbild von Pixelelektroden, Schaltelementen und Leitungsverdrahtungsmustern, die auf der Oberfläche von einem von zwei Glassubstraten ausgebildet sind, die die Flüssigkristallplatte 14 aufbauen.
Wie in den Fig. 2 und 3 gezeigt, weist die Flüssigkristallplatte 14 im Grundsatz zwei Glassubstrate 21, 22, die mit einem kleinen Zwischenraum zwischen ihnen (z.B. von der Größenordnung 2 µm) angeordnet sind, und einen den Zwischenraum zwischen den Glassubstraten 21 und 22 ausfüllenden Flüssigkristall 23 auf. Eine Anzahl von gleichförmig im Abstand liegenden, horizontal verlaufenden Abtastelektroden 24A und eine Anzahl von gleichförmig im Abstand liegenden, vertikal verlaufenden Signalelektroden 24B sind auf der Innenseite des einen Glassubstrats 21 ausgebildet. Die Abtastelektroden 24A und die Signalelektroden 24B sind voneinander isoliert (die Signalelektroden 24B sind in der Zeichnung der Fig. 2 weggelassen). In der folgenden Beschreibung sollen die Abtastelektroden 24A und die Signalelektroden 24B Leitungsverdrahtungsmuster 24 genannt werden, wenn kollektiv auf sie Bezug genommen wird.
Pixelelektroden 26 sind in einer Matrixkonfiguration und in einem wechselseitig isolierten Zustand in den Bereichen angeordnet, die durch die Abtastelektroden 24A und Signalelektroden 24B begrenzt werden. Jede Pixelelektrode 26 ist mit der entsprechenden benachbarten Signalelektrode 24B über ein Schaltelement mit drei Anschlüssen (beispielsweise einen einen FET aufweisenden Dünnschichttransistor) verbunden. Jedes Schaltelement weist einen Steueranschluß (z.B einen Gate-Anschluß) auf, der mit der entsprechenden Abtastelektrode 24A verbunden ist. Ferner ist ein Ausrichtungsfilm 28 auf der gesamten inneren Oberfläche des Glassubstrats 21 die Elektroden 24A, 24B und 26 abdeckend ausgebildet.
-, An der Innenfläche des anderen Glassubtrats 22 sind R-, G- und B-Farbfilter 31 den Pixelelektroden 26 gegenüberliegend sowie Lichtabschirmungsfilme (eine Schwarzmatrix) 32 an Stellen, die den Abtastelektroden 24A und Signalelektroden 24B entsprechen, ausgebildet. Es ist bekannt, daß die Anordnung der Farbfilter 31 eine dreieckförmige Anordnung, eine Mosaikanordnung, ein Streifenanordnung etc. sein kann.
Eine gemeinsame Elektrode 33 ist auf der gesamten Innenfläche des Glassubstrats 22 die Farbfilter 31 abdeckend ausgebildet, und ein Ausrichtungsfilm 34 ist auf der gemeinsamen Elektrode 33 ausgebildet.
Die Pixelelektroden 26 und die gemeinsame Elektrode 33 bestehen aus einem transparenten elektrisch leitenden Film (z.B. einem ITO-Film). Andererseits sind die Abtastelektroden 24A, die Signalelektroden 24B und der Lichtabschirmungsfilm 32 aus einem Metall oder dergleichen bestehende lichtundurchlässige Filme. Dementsprechend sind die einzigen Bereiche, durch welche einfallendes Licht übertragen werden kann, die Bereiche der Pixelelektroden, die durch die Abtastelektroden 24A und die Signalelektroden 24B begrenzt werden (diese Bereiche fallen mit den Bereichen zusammen, die nicht durch den Lichtabschirmungsfilm 32 bedeckt sind). Die Bereiche, die Licht durchlaufen kann, sollen als Aperturen A bezeichnet werden. Ein Pixel ist ein Bereich, der durch die Mittellinien der Abtastelektroden 24A und die Mittellinien der Signalelektroden 24B abgegrenzt wird (dieser Bereich fällt mit dem Bereich zusammen, der durch die Mittellinien der Lichtabschirmungsfilme 32 abgegrenzt wird). Ein jeder solcher Bereich soll als Pixel E bezeichnet werden.
Die Wiedergabe eines Bildes in der Flüssigkristallplatte 14 wird in einer Weise durchgeführt, die nun beschrieben wird.
Eine Abtastspannung wird aufeinanderfolgend an die Abtastelektroden 24A angelegt. Als Folge der an die Abtastelektroden 24A angelegten Spannung werden die Schaltelemente 27 der entsprechenden Pixel Abtastung für Abtastung eingeschaltet, womit die Abtastelektroden 24B und die Pixelelektroden 26 miteinander verbunden sind. Bei jeder Abtastung wird eine Spannung, die dem Videosignal, daß das wiederzugebende Bild darstellt, äquivalent ist, aufeinanderfolgend zwischen den Signalelektroden 24B und der gemeinsamen Elektrode 33 aufgeprägt. Dementsprechend wird eine Spannung, die dem Videosignal entspricht, zwischen der Pixelelektrode 26 und der gemeinsamen Elektrode 33 in jedem Pixel angelegt.
Der Flüssigkristall 23 innerhalb der Flüssigkristall platte 14 ist bei Fehlen einer zwischen einer Pixelelektrode 26 und der gemeinsamen Elektrode 33 angelegten Spannung in einer bestimmten Richtung ausgerichtet. Die Richtung dieser Ausrichtung stimmt mit der Polarisationsrichtung des Polansators 15 überein, der auf der Lichteinfallsseite angeordnet ist. Das einfallende Licht der Lichtquelle 11 mit statistisch verteilter Polarisation wird durch den Polarisator 15 in linear polarisiertes Licht umgewandelt. Das linear polarisierte Licht durchläuft die Flüssigkristallplatte 14, wobei seine Polarisation beibehalten wird. Da die Polarisationsrichtung des Polarisators 16 auf der Lichtausgangsseite die Polarisationsrichtung des Polarisators 15 auf der Lichteinfallsseite senkrecht schneidet, durchläuft das Licht, das den Flüssigkristall 14 durchlaufen hat, nicht den Polarisator 16 auf der Lichtausgangsseite.
Wenn eine geeignete Spannung (entsprechend dem Weißwert des Videosignals) zwischen einer Pixelelektrode 26 und der gemeinsamen Elektrode 33 des Flüssigkristallplatte 14 angelegt wird, wird die Ausrichtungsrichtung des Flüssigkristalls 23 um 90º in Form einer Helix verwunden. Wenn das linear polarisierte Licht, das sich aus der Umwandlung ergibt, die durch den Polarisator 15 auf der Lichteinfallsseite stattfindet, die Flüssigkristallplatte 14 durchläuft, wird seine Polarisationsrichtung um 90º gedreht. Da die um 90º gedrehte Polarisationsrichtung des aus der Flüssigkristallplatte 14 herauskommenden Lichts mit der Polansationsrichtung des Polarisators 16 auf der Lichtausgangsseite zusammenfällt, wird dieses Licht vom Polarisator 16 durchgelassen.
Der Drehwinkel der Ausrichtung des Flüssigkristalls 23 hängt von der Spannung ab, die zwischen der Pixelelektrode 26 und der gemeinsamen Elektrode 33 der Flüssigkristallplatte 14 angelegt wird.
Dementsprechend variiert bei dem oben beschriebenen Abtasten der Flüssigkristallplatte 14 die durchgelassene Lichtmenge abhängig von der Spannung, die dem zwischen den Elektroden 26 und 33 Pixel für Pixel angelegten Videosignal entspricht, und es erscheint dank der Flüssigkristallplatte 14 und der Polarisatoren 15, 16 ein durch das Videosignal dargestelltes Bild.
In jedem Pixel E der Flüssigkristallplatte 14, wie sie oben beschrieben wurde, ist der einzige Abschnitt, der das einfallende Licht überträgt, die Apertur A. Neuere Fortschritte bei der Gewinnung einer besseren Bildqualität und höheren Auflösung gingen mit einer Größenreduktion des Pixels E einher (ein Beispiel hierfür ist ein Pixel mit einer Seitenlänge von 100 µm). Es ist jedoch erforderlich, daß sich das Leitungsmuster 24 (die Abtastelektroden 24A und die Signalelektroden 24B) um den Rand eines jeden Pixels herum erstrecken. Wenn die Breite des Leitungsmusters 24 vermindert wird, gehen Ausbeute und Zuverlässigkeit nach unten und es tritt eine Zunahme des elektrischen Widerstands auf. Dies bedeutet, daß das Leitungsmuster 24 nicht sehr schlank gemacht werden kann. Unvermeidlich wird dadurch der Prozentsatz der Fläche der Apertur A im Pixel E vermindert. Es gibt sogar Fälle, wo das Verhältnis von Fläche des Pixels E zur Fläche der Apertur A zwischen 3:1 bis 4:1 oder schlechter liegt. Wenn solches der Fall ist, nimmt die Lichtmenge, die die Flüssigkristallplatte 14 übertragen kann, ab, und der Bildschirm wird zu dunkel.
Zur Lösung dieses Problems ist eine Anordnung vorgeschlagen worden (siehe beispielsweise JP-A-6435416), bei welcher ein Mikrolinsenfeld 37 auf der Lichteinfallsseite der Flüssigkristallplatte 14 angeordnet ist, wie dies in Fig. 4 veranschaulicht ist.
Das Mikrolinsenfeld 37 weist ein Substrat 39 und eine Anzahl von Mikrolinsen (Konvexlinsen) 38 auf, die in zwei Dimensionen auf dem Substrat 39 angeordnet sind. Die Mikrolinsen 38 sind an Stellen angeordnet, die den Aperturen A der Flüssigkristallplatte 14 entsprechen. Die Mikrolinsen 38 sind dazu vorgesehen, das Licht an den entsprechenden Aperturen A durch Konzentrieren des einfallenden Lichts zu sammeln.
In einem Fall, wo das auf eine Mikrolinse 38 einfallende Licht vollständig parallel und kohärent ist, ist es möglich, durch den Konzentrationsvorgang der Mikrolinse 38 einen Fleck auszubilden, der ausreichend klein ist, daß er vollständig in die Apertur A fällt.
Die tatsächliche Lichtquelle bei einer Flüssigkristall- TV-Projektion sendet jedoch kein kohärentes Licht aus, und das Licht besitzt eine gewisse seitliche Ausbreitung und ist nicht vollkommen parallel. Infolgedessen kann das einfallende Licht durch die Mikrolinse 38 nicht in einer solchen
Weise konzentriert werden, daß der Strahlpunkt kleiner als die Apertur A wird.
Fig. 5 veranschaulicht ein äquivalentes optisches System von der Lichtquelle zu der in Fig. 1 dargestellten Flüssigkristallplatte des Flüssigkristall-TV-Projektors. Der Parabolspiegel 12 ist hier durch eine Kollimatorlinse 12A ersetzt. Die optischen Wirkungen des hinter der Lichtquelle 11 angeordneten Parabolspiegels 12 und der vor der Lichtquelle 11 angeordneten Kollimatorlinse 12A sind äquivalent. Die Lichtquelle 11 ist in Fig. 5 durch den Pfeil ab angegeben. Die Polarisatoren 15, 16 sind weggelassen.
Die Lichtquelle 11 hat endliche Größe (beispielsweise 2 mm, wie weiter oben ausgeführt). Das Licht, das von dem einen Ende a der Lichtquelle 11 ausgeht, wird durch die Linsen 12A, 13, wie durch L1 angegeben, bei a1 abgebildet. Das Licht, das vom anderen Ende b der Lichtquelle 11 ausgeht, wird, wie durch L2 angegeben, bei b1 abgebildet. Dadurch wird ein Bild a1b1 der Lichtquelle vor der Linse 13 ausgebildet.
Fig. 6 veranschaulicht in vergrößerter Form die optische Beziehung zwischen dem Flüssigkristallplatte 14 und dem auf der Lichteinfallsseite angeordneten Mikrolinsenfeld 37. Nur das Leitungsverdrahtungsmuster 24 der Flüssigkristall platt 14 ist, wie in der Figur gezeigt, veranschaulicht; andere Komponenten sind aus der Zeichnung weggelassen.
Das vom Ende a der Lichtquelle 11 ausgesendete Licht Ll und das vom anderen Ende b der Licht ausgesendete Licht L2 ist nicht parallel, sondern hat einen Spreizwinkel θ. In Bezug auf eine einzelne Mikrolinse 38 aus dem Feld 37 bildet das auf die Mikrolinse 38 einfallende Licht einen ziemlich großen Fleck auf dem Leitungsverdrahtungsmuster 34 innerhalb der Flüssigkristallplatte 14 aus. Die Intensitätsverteilung des Flecks ist auf der rechten Seite der Fig. 6 gezeigt. Der Fleck hat eine Größe, die groß genug ist, mehr als ein einzelnes Pixel E vollständig zu überdecken. Eine ziemliche große Menge des Lichts wird durch das Leitungsverdrahtungsmuster 34 abgeblockt und erreicht nicht die Lichtaustrittsseite.
Eine Bildanzeigevorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist aus JP-A-2 089 025 bekannt.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Flüssigkristall-TV-Projektor zu schaffen, der in der Lage ist, ein Bild zu werfen, das so hell wie möglich ist.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Bildanzeigevorrichtung zu schaffen, welche eine Flüssigkristallplatte verwendet, die in der Lage ist, ein Bild wiederzugeben, das so hell wie möglich ist.
Ein weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Feld von konischen optischen Elementen zu schaffen, welches ideal in dem oben erwähnten Flüssigkristall-TV-Projektor und der oben erwähnten Bildanzeigevorrichtung verwendet werden kann.
Die Erfindung ist wie in den Patentansprüchen 1 und 15 definiert.
Es versteht sich, daß die Bildanzeigevorrichtung gemäß der Erfindung nicht nur auf einen Flüssigkristall-TV-Projektor, sondern auch auf die Anzeigevorrichtung des gewöhnlichen Fernsehens und auch andere Anzeigevorrichtungen anwendbar ist.
Andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen deutlich werden, in welchen gleiche Bezugszeichen die gleichen oder ähnliche Teile über alle Figuren hinweg bezeichnen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein Diagramm, welches die optische Anordnung eines Flüssigkristall-TV-Projektors zeigt;
Fig. 2 ist ein vergrößerte Schnittansicht einer Flüssigkristallplatte;
Fig. 3 ist ein Ersatzschaltbild, welches das Verdrahtungsmuster der Flüssigkristallplatte zeigt;
Fig. 4 ist eine abgeschnittene perspektivische Ansicht, welche ein Beispiel des Standes der Technik zeigt, bei welchem ein Mikrolinsenfeld auf der Lichteinfallsseite des Flüssigkristallplatte angeordnet ist;
Fig. 5 ist ein Diagramm, welches ein äquivalentes optisches System eines Flüssigkristall-TV-Projektors zeigt;
Fig. 6 ist ein Diagramm eines optischen Systems, welches ein beim Stand der Technik angetroffenes Problem veranschaulicht;
Fig. 7 ist eine teilweise abgeschnittene perspektivische Ansicht, welche eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 8a und 8b sind eine Seitenansicht und Schnittansicht, welche ein optisches Stumpfelement veranschaulichen;
Fig. 9 ist ein Diagramm, welches die Art und Weise veranschaulicht, in der virtuelle Lichtquellen durch ein Feld von optischen Stumpfelementen ausgebildet werden;
Fig. 10 ist ein Diagramm, welches die Art und Weise veranschaulicht, in der virtuelle Lichtquellen durch ein Mikrolinsenfeld abgebildet werden;
Fig. 11 ist ein Diagramm, welches eine Ausführungsform veranschaulicht, bei welcher ein Polarisator zwischen einem Mikrolinsenfeld und einer Flüssigkristallplatte angeordnet ist;
Fig. 12 ist eine teilweise abgeschnittene perspektivische Ansicht, welche eine Ausführungsform zeigt, bei welcher ein Mikrolinsenfeld als Vorrichtung zur Ausbildung virtueller Lichtquellen verwendet wird;
Fig. 13 ist ein Diagramm, welches die Art und Weise veranschaulicht, in der virtuelle Lichtquellen durch ein Mikrolinsenfeld ausgebildet werden;
Fig. 14 ist ein Diagramm, welches die Art und Weise veranschaulicht, in der virtuelle Lichtquellen durch ein Mikrolinsenfeld abgebildet werden;
Fig. 15a und 15b sind Diagramme, welche einen Aufbau zur Anbringung eines Mikrolinsenfelds in einer Flüssigkristallplatte veranschaulichen; und
Fig. 16 ist eine perspektivische Ansicht eines Mikrolinsenfelds, Fig. 16b eine Seitenansicht und Fig. 16c und 16d perspektivische Ansichten, welche Zylinderlinsenfelder veranschaulichen.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

In der Beschreibung der Ausführungsform, die nun folgt, werden Komponenten, die mit den in den Fig. 1 bis 6 gezeigten identisch sind, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und brauchen im einzelnen nicht mehr beschrieben zu werden.
Fig. 7 veranschaulicht ein Mikrolinsenfeld 37 und ein Feld 40 von optischen Stumpfelementen, die auf der Lichteintrittsseite der Flüssigkristallplatte 14 angeordnet sind. Das Stumpfelementenfeld 40, das Mikrolinsenfeld 37 und die Flüssigkristallplatte 14 sind in der erwähnten Reihenfolge längs der Laufrichtung des einfallenden Lichts angeordnet. Im Zusammenhang mit Fig. 1 sind das Stumpfelementenfeld 40 und das Mikrolinsenfeld 37 zwischen der Kondensorlinse 13 und der Flüssigkristallplatte 14 vorgesehen. Die Lage des Polarisators 15 wird später beschrieben.
Das Feld 40 von optischen Stumpfelementen ist durch einen transparenten Körper gebildet und weist ein Substrat 42 sowie eine Vielzahl von Stumpfelementen 41 auf, die fest in zwei Dimensionen auf dem Substrat 42 angeordnet sind. Die optischen Stumpfelemente 41, Mikrolinsen 38 und Pixel E (Aperturen A) stehen in Eins-zu-Eins-Entsprechung, wobei wechselseitig entsprechende dieser Elemente, Linsen und Pixel in einer Geraden angeordnet sind, die parallel zur optischen Achse des in Fig. 1 gezeigten optischen Systems liegt.
Bei dieser Ausführungsform hat jedes Stumpfelement 41 eine Form, die durch Trennung der Spitze einer vierseitigen Pyramide durch eine zur Basis des Konus parallele Ebene gewonnen ist. Wie in Fig. 8a gezeigt, ist die Fläche, die die Basis der vierseitigen Pyramide ist, eine Apertur 41b auf der Seite, auf der das einfallende Licht eintritt, und die Fläche, die durch Abschneiden der Spitze gebildet ist, eine Apertur 41a auf der Seite, auf der das Licht abgeht. Die Fläche der Apertur 41a auf der Lichtaustrittsseite ist kleiner als die Fläche der Apertur 41b auf der Lichteinfallsseite.
Auf das optische Stumpfelement 41 an der Apertur 41b auf der Lichteinfallsseite einfallende Lichtstrahlen L1, L2 werden an den Seitenflächen des optischen Stumpfelements 41 totalreflektiert, und treten aus der austrittsseitigen Apertur 41a unter Divergenz aus. Vorzugsweise ist die Form des optischen Stumpfelementes 41 so ausgelegt, daß die Einfallslichtstrahlen L1, L2 mit nur einmaliger Totalreflexion an den Seitenflächen des Elements austreten.
Die Apertur 41a auf der Lichtaustrittsseite des optischen Stumpfelements dient als virtuelle Lichtquelle. Das Licht tritt aus der Apertur 41a genauso aus, als ob die Apertur 41a eine Lichtquelle wäre.
Wie später noch im einzelnen beschrieben wird, sollte die Größe der Apertur 41a auf der Lichtaustrittsseite des optischen Stumpfelements 41 die gleiche wie die der Apertur A innerhalb der Flüssigkristallplatte 14 sein, wenngleich dies von der bildausbildenden Vergrößerung des durch die Mikrolinse 38 gebildeten optischen Systems abhängt. Der Grund ist der, daß, wenn die bildausbildende Vergrößerung des optischen Systems 1 ist, ein Punkt mit einer Größe ausgebildet werden kann, die gleich derjenigen der Lichtquelle ist.
Das oben beschriebene Stumpfelement 40 kann durch ES- (Elektronenstrahl-)Lithographie, ein Belichtungsverfahren oder ein Schleifverfahren hergestellt werden. Massenfertigung ist unter Verwendung eines Gießverfahrens möglich, das eine Form verwendet (Spritzgießverfahren oder Gießverfahren unter Verwendung eines Verfahrens, das durch Infrarotstrahlung aushärtet).
die Form des optischen Stumpfelements 41 beschränkt sich nicht auf eine vierseitige Pyramide. Andere Formen, die angenommen werden können, sind ein kreisförmiger Konus, eine hexagonale Pyramide und dergleichen.
Fig. 8b veranschaulicht ein weiteres Beispiel eines optischen Stumpfelements. Ein optisches Stumpfelement 43 ist hier hohl und pyramidenförmig und enthält eine Apertur 43b auf der Lichteinfallsseite und eine Apertur 43a auf der Lichtaustrittsseite, wobei die Fläche letzterer Apertur kleiner als diejenige der ersteren ist. Eine Reflexionsschicht (z.B. eine Reflexionsschicht aus Metall) 44 ist an den inneren Randflächen des optischen Stumpfelements 43 ausgebildet. Lichtstrahlen L1, L2, die auf das Innere des optischen Stumpfelements 43 von der Apertur 43b auf den Lichteinfallsseite her auftreffen, treten unter, vorzugsweise einmaliger, Spiegelung durch den Reflexionsfilm 44 an der Apertur 43a auf der Lichtaustrittsseite aus.
Neben der plankonvexen Linse der Art, wie sie in Fig. 7 veranschaulicht ist, sind andere Beispiele von Linsen, die als das Mikrolinsenfeld 37 aufbauende Mikrolinsen 38 verwendet werden können, eine Fresnel-Linse, eine Meniskuslinse, eine Zylinderlinse und dergleichen. Die Einzelheiten werden später dargelegt. Das Mikrolinsenfeld 37 kann auch mit den oben erwähnten Verfahren hergestellt werden.
Fig. 9 zeigt die Lagebeziehung zwischen dem Stumpfelementfeld 40, dem Mikrolinsenfeld 37 und der Flüssigkristall platte 14 sowie die Art und Weise, in welcher Licht vom Stumpfelementfeld 40 ausgesendet wird. In dieser Darstellung sowie den unten erläuterten Fig. 10 und 11 ist nur das Leitungsverdrahtungsmuster 24 auf der Flüssigkristallplatte 14 gezeigt.
Von der Lichtquelle 11 abgegebenes und auf das Stumpfelementfeld 40 über die Kondensorlinse 13 einfallendes Licht tritt divergent aus den Aperturen 41a auf der Lichtaustrittsseite der entsprechenden Stumpfelemente 41 aus. Dementsprechend scheinen, gesehen vom Mikrolinsenfeld 37 oder der Flüssigkristallplatte 14 aus, eine Vielzahl von sehr kleinen Lichtquellen in zwei Dimensionen angeordnet zu sein.
Fig. 10 veranschaulicht die Art und Weise, in der das Licht, das aus dem Stumpfelement 41 des Stumpfelementfelds 40 ausgetreten ist, über das Mikrolinsenfeld 37 sein Bild auf der Flüssigkristallplatte 14 ausbildet. Der Polarisator 15 ist auf der Lichteinfallsseite des Stumpfelementfelds 40 angeordnet.
d1 soll den Abstand zwischen dem Stumpfelementfeld 40 und dem Mikrolinsenfeld 37, n1 den Brechnungsindex des Materials (im allgemeinen Luft) zwischen den beiden Feldern, d2 die Dicke des Mikrolinsenfelds 37 (des Substrats desselben), n2 den Brechungsindex des Mikrolinsenfelds, d3 die Dicke des Glassubstrats 21 der Flüssigkristallplatte 14 auf der Lichteinfallsseite und n3 den Brechungsindex dieses Glassubstrats darstellen.
In der Gleichung
(d1/n1)/[(d2/n2)+(d3/n3)] = C/D (1)
werden d1, d2, d3, n1, n2, n3 in einer solchen Weise bestimmt, daß C/D oder D/C eine positive ganze Zahl wird.
In einem Fall, wo diese Forderung erfüllt ist, bildet das aus dem Stumpfelementfeld 41 ausgetretene Licht über die betreffenden der einzelnen Mikrolinsen 38 des Mikrolinsenfeldes 37 sein Bild exakt auf den Aperturen A innerhalb der Flüssigkristalltafel 14 aus.
In einem Fall, wo die Beziehung C/D 1 errichtet ist, wird die Größe des auf der Apertur A ausgebildeten Flecks ungefähr gleich der Größe der Apertur 41a auf der Lichtaustrittsseite des Stumpfelementfelds 41 (der Größe der virtuellen Lichtquelle). Die Größe des auf der Apertur A ausgebildeten Flecks wird kleiner als die Größe der Apertur 41a auf der Lichtaustrittsseite, wenn C/D gleich 2, 3 etc. gesetzt wird.
Fig. 10 veranschaulicht einen Fall, wo die Beziehungen n1 = 1, n2 = n3 = 1,5 gelten.
Es wird also nahezu das gesamte Licht, das aus dem Stumpfelementfeld 41 austritt, in die Apertur A innerhalb der Flüssigkristallplatte 14 konzentriert und nicht auf das Leitungsverdrahtungsmuster 24 am Rand der Apertur eingestrahlt. Das gleiche gilt für das Licht, welches aus den anderen Stumpfelementen 41 austritt. Dank einer solchen Anordnung ist das Bild, welches von der Flüssigkristallplatte 14 her erscheint, hell.
Auch wenn die vorstehenden Forderungen nicht erfüllt sind, wird das Licht, das ein Stumpfelement 41 verlassen hat, zumindest durch die ihm entsprechende Mikrolinse 38 konzentriert, und das Bild der Lichtquelle wird in die Apertur A fokussiert, die diesem optischen Element entspricht. Da angenommen wird, daß die Lichtintensität des Bildes dieser Lichtquelle die größte ist und daß die Lichtintensitäten der Bilder, die durch die peripheren Mikrolinsen 38 erzeugt werden, kleiner sind, ist der Verlust an Licht nicht so groß und die Helligkeit des Bildes kann in gewissem Maße gewährleistet werden.
In einem Fall, wo das Stumpfelementfeld 40 oder Mikrolinsenfeld 37 unter Verwendung eines Harzmaterials (z.B. Polycarbonat oder dergleichen) hergestellt wird, haben die Felder 40, 37 eine Doppelbrechungscharakteristik. In der Anordnung der Fig. 10, in der der Polarisator 15 auf der Lichteinfallsseite der Felder 40, 37 angeordnet ist, ist die bedauerliche Folge, daß das Licht, das durch den Polarisator 15 in linear polarisiertes Licht umgewandelt worden ist, durch die Doppelbrechungseigenschaft der Felder in elliptisch polarisiertes Licht umgewandelt wird, wenn das Licht diese durchläuft. Wenn dies eintritt, geht leider ein Teil des Lichts durch die Flüssigkristallplatte 14 und den Polarisator 16 auch in einem Zustand hindurch, in dem keine Spannung an die Flüssigkristallplatte 14 angelegt ist.
Eine in Fig. 11 dargestellte Abwandlung veranschaulicht eine Anordnung, bei der das oben erwähnte Problem gelöst ist. Hier ist der Polarisator 15 zwischen dem Mikrolinsenfeld 37 und der Flüssigkristallplatte 14 angeordnet.
Gemäß einer Anordnung dieser Art wird das einfallende Licht, das natürliches Licht (statistisch polarisiertes Licht) ist, in linear polarisiertes Licht umgewandelt, unmittelbar bevor es auf die Flüssigkristallplatte 14 auftrifft. Daher hat auch dann, wenn das Stumpfelementfeld 40 oder das Mikrolinsenfeld 37 Doppelbrechungseigenschaft besitzt, die Doppelbrechungseigenschaft keinen Einfluß. Dementsprechend läßt sich ein klares Bild, bei welchem die Helligkeitsdifferenz zwischen dunklen und hellen Abschnitten groß ist, gewinnen.
In einem Fall, wo der Polarisator 15, wie in Fig. 11 gezeigt, angeordnet ist, sollte d4/n4 zum Nenner der linken Seite der Gleichung 1 addiert werden, wobei d4 die Dicke des Polarisators 15 und n4 dessen Brechungsindex darstellt.
Indem man das Glassubstrat 21 der Flüssigkristallplatte 14 mit der Funktion des Polarisators 15 versieht (d.h., indem man das Substrat 21 aus einer Polarisationsplatte aufbaut), kann die Notwendigkeit für den Polarisator 15 beseitigt werden. Es ist zulässig, eine polarisierende Schicht am Glassubstrat 21 anzubringen. Außerdem kann das Substrat des Mikrolinsenfelds 37 aus einer polarisierenden Platte hergestellt werden. Beispielsweise kann eine Anzahl von Mikrolinsen 38 auf einem polarisierenden Film ausgebildet sind.
Fig. 12 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform der Erfindung.
In Fig. 12 ist statt des Stumpfelementfelds ein Mikrolinsenfeld 50 auf der Lichteinfallsseite des Mikrolinsenfelds 37 als Vorrichtung zur Ausbildung virtueller Lichtquellen vorgesehen. Das Mikrolinsenfeld 50 kann den gleichen Aufbau wie das Mikrolinsenfeld 37 haben. Das Mikrolinsenfeld 50 umfaßt ein Substrat 52 und eine Anzahl von Mikrolinsen 51, die zweidimensional auf dem Substrat 52 angeordnet sind. Die Mikrolinsen 51 des Mikrolinsenfelds 50 und die Mikrolinsen 38 des Mikrolinsenfelds 37 stehen in einer Eins-zu-Eins- Entsprechung. Einander entsprechende der Mikrolinsen 51, 38 und Aperturen A der Flüssigkristallplatte 14 liegen auf einer Geraden, die parallel zur optischen Achse verläuft.
Fig. 13 zeigt die Lagebeziehung zwischen dem Mikrolinsenfeld 50, dem Mikrolinsenfeld 37 und der Flüssigkristallplatte 14 sowie die Art und Weise, in der eine virtuelle Lichtquelle a2b2 durch eine Mikrolinse 51 des Mikrolinsenfelds 50 ausgebildet wird. In den Fig. 13 und 14 ist der Polarisator 15 weggelassen, es versteht sich jedoch, daß der Polarisator 15 in der in Fig. 10 oder Fig. 11 gezeigten Weise angeordnet werden kann. Ferner ist nur das Leitungsverdrahtungsmuster 24 in der Flüssigkristallplatte gezeigt.
Durch das Auftreffen der Lichtstrahlen L1, L2 auf die Mikrolinse 51 des Mikrolinsenfelds 50 wird das Bild der Lichtquelle a2b2 durch die Mikrolinse 51 ausgebildet. Die Lichtquelle a2b2 dient als virtuelle Lichtquelle. Die Größe der Lichtquelle a2b2 ist, wie weiter oben erwähnt, vorzugsweise die gleiche wie diejenige der Apertur A. Virtuelle Lichtquellen der Art a2b2 werden vor allen Mikrolinsen 51 ausgebildet.
Fig. 14 veranschaulicht die Art und Weise, in der das Bild der virtuellen Lichtquelle a2b2 an der Stelle der Apertur A der Flüssigkristallplatte 14 durch die Mikrolinse 38 des Mikrolinsenfelds 37 ausgebildet wird. Da eine große Lichtmenge aus der Flüssigkristallplatte 14 durch die Apertur A in exakt gleicher Weise, wie weiter oben unter Bezug auf die Fig. 10 und 11 beschrieben, austritt, läßt sich ein helles Bild gewinnen.
Die Fig. 15a und 15b veranschaulichen ein Beispiel des vereinigten Aufbaus aus Flüssigkristallplatte 14 und Mikrolinsenfeldern 37, 50.
In Fig. 15a sind die Mikrolinsen 38 direkt am Glassubstrat (oder Polarisator) auf der Lichteinfallsseite der Flüssigkristallplatte 14 befestigt. Das Mikrolinsenfeld 50 ist an der Flüssigkristallplatte 14 über ein Abstandsteil 55 angebracht.
In Fig. 15b ist das Substrat 39 des Mikrolinsenfelds 37 an der Flüssigkristallplatte 14 und das Mikrolinsenfeld 50 an der Flüssigkristallplatte 14 über das Abstandsteil 55 befestigt.
Die Fig. 16a und 16b veranschaulichen ein Mikrolinsenfeld, bei welchem die Mikrolinsen durch Doppelkonvexlinsen verwirklicht sind.
Die Fig. 16c und 16d veranschaulichen Beispiele von Zylinderlinsen. Es ist also möglich, Zylinderlinsen als die Linsen des Mikrolinsenfelds 37 oder 50 zu verwenden. Da die Konzentrationswirkung nur in einer Richtung stattfindet, ergibt sich ein Abfall in der Wirksamkeit, mit der das Licht auf die Aperturen A innerhalb der Flüssigkristalltafel kondensiert wird, ein Vorteil besteht jedoch darin, daß dank des einfachen Aufbaus dieser Anordnung die Herstellung einfach ist. Ähnlich kann das Stumpfelementfeld auch durch ein Feld aus optischen Elementen, die eine geneigte Fläche in nur einer Richtung ausweisen, ersetzt sein. In einem solchen Fall würden lineare virtuelle Lichtquellen ausgebildet.
Vorstehende Ausführungsform bezieht sich zwar auf einen Flüssigkristall-TV-Projektor, es versteht sich jedoch, daß die Erfindung auch auf eine gewöhnliche Flüssigkristallvorrichtung (ein Flüssigkristall-Fernsehgerät oder dergleichen) anwendbar ist.

Claims

1. Bildanzeigevorrichtung mit

einer Lichtquelle,

einer Flüssigkristallplatte (14) mit zwei transparenten Platten (21, 22) und zwischen den transparenten Platten eingefülltem Flüssigkristall, wobei auf einer der transparenten Platten eine Anzahl von Pixelelektroden (26) und eine Anzahl von zwischen den Pixelelektroden so angeordneten leitfähigen Mustern (24A, 24B), daß die leitfähigen Muster ein Signal zur Steuerung einer an die einzelnen Pixelelektroden angelegten Spannung anlegen, ausgebildet ist, einem ersten Konzentrationselementfeld (37), welches eine Anzahl von zweidimensional angeordneten optischen Konzentrationselementen (38) aufweist, wobei das erste Feld auf der Lichtquellenseite des Flüssigkristallplattees (14) angeordnet ist, und

einem zweiten Konzentrationselementfeld (40) mit einer Anzahl von zweidimensional angeordneten optischen Konzentrationselementen (41),

wobei die betreffenden Elemente beider Felder (37, 40) und ebenso betreffende Pixelelektroden (26) in Eins-zu-Eins- Entsprechung ausgerichtet sind, dadurch gekennzeichnet, daß

das zweite Konzentrationselementfeld (40) auf der Lichtquellenseite des ersten Konzentrationselementfelds (37) angeordnet ist und von dem ersten Konzentrationselementfeld (37) so im Abstand liegt, daß jedes Element (41) des zweiten Konzentrationselementfelds (40) ein virtuelles Bild der Lichtquelle in dem Raum zwischen den beiden Feldern (37, 40) an einer Stelle in Ausrichtung mit dem entsprechenden Element (38) des ersten Konzentrationselementfelds (37) ausbildet, und so, daß jenseits des Orts des virtuellen Bildes das Licht divergiert und dann durch das korrespondierende Element des ersten Konzentrationselementfelds (37) auf die entsprechende Pixelelektrode (26) konzentriert wird.

2. Bildanzeigevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Konzentrationselement (41) ein optisches Stumpfelement mit einer Apertur (41b, 43b) auf der Lichteinfallsseite und einer Apertur (41a, 43a) auf der Lichtaustrittsseite, die kleiner als die Apertur auf der Lichteinfallsseite ist, ist, wobei Licht der Lichtquelle, das auf die Apertur auf der Lichteinfalisseite auftrifft, aus der Apertur auf der Lichtaustrittsseite das virtuelle Bild der Lichtquelle bildend austritt.

3. Bildanzeigevorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Stumpfelement (41) eine Randseitenfläche aufweist und das auf die Apertur auf der Lichteinfallsseite auftreffende Licht in die Apertur auf der Lichtaustrittsseite durch Totalreflexion an den Randseitenflächen einführt.

4. Bildanzeigevorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Stumpfelement (43) eine Randseitenfläche aufweist, deren Innenseite mit einer Spiegelreflektorfläche (44) versehen ist, und das auf die Apertur auf der Lichteinfallsseite einfallende Licht in die Apertur auf der Lichtaustrittsseite durch Reflexion an den Spiegelreflektorflächen einführt.

5. Bildanzeigevorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Stumpfelement (41) durch einen transparenten Körper gebildet ist und ein distales Ende aufweist, wobei das distale Ende so geschnitten ist, daß es die Apertur (41) auf der Lichtaustrittsseite bildet.

6. Bildanzeigevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildanzeigevorrichtung ferner zwei Polarisatoren aufweist, von denen der eine hinter und der andere vor dem Flüssigkristallplatte (14) angeordnet ist, wobei die Polarisatoren Polarisationsrichtungen haben, die einander senkrecht schneiden.

- 7. Bildanzeigevorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß einer (15) der Polarisatoren zwischen der Lichtquelle und dem zweiten Konzentrationselementfeld (40) angeordnet ist.

8. Bildanzeigevorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß einer (15) der Polarisatoren zwischen dem ersten Konzentrationselementfeld (37) und der Flüssigkristallplatte (14) angeordnet ist.

9. Bildanzeigevorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der eine der Polarisatoren ein polarisierender Film ist.

10. Bildanzeigevorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der eine der Polarisatoren eine der transparenten Platten (21) der Flüssigkristallplatte (14) ist und durch eine polarisierende Platte gebildet ist.

11. Bildanzeigevorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Konzentrationselementfeld (37) ein Substrat (39) und eine Anzahl der optischen Kondensationselemente (38) aufweist, die zweidimensional auf dem Substrat angeordnet sind, wobei der eine der Polarisatoren das Substrat (39) ist und eine polarisierende Platte ist.

12. Bildanzeigevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Konzentrationselementfeld (40) eine Anzahl von linearen virtuellen Bildern der Lichtquelle bildet, die jeweils einer Anzahl der Pixelelektroden (26) entsprechen.

13. Bildanzeigevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Konzentrationselementfeld (37) das einfallende Licht in eine Anzahl von Linien in einer solchen Weise konzentriert, daß die einzelnen Linien einer Anzahl der Pixelelektroden (26) entsprechen.

14. Flüssigkristall-TV-Projektor mit einer Bildanzeigevorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkristall-TV-Projektor ferner

ein erstes optisches System zum Konzentrieren von Licht der Lichtquelle und Einstrahlen des Lichts auf die Flüssigkristallplatte (14), und

ein zweites optisches System zum Einstrahlen von Licht, welches von der Flüssigkristallplatte (14) durchgelassen worden ist, auf einen Schirm aufweist.

15. Feld optischer Stumpfelemente mit einer Anzahl von zweidimensional angeordneten optischen Stumpfelementen (41, 43), wobei jedes optische Stumpfelement eine Apertur auf einer Lichteinfallsseite (41b, 43b) und eine Apertur (41a, 43a) auf einer Lichtaustrittsseite aufweist, die kleiner als die Apertur auf der Lichteinfallsseite ist, wobei auf die Apertur auf der Lichteinfallsseite auftreffendes Licht aus der Apertur auf der Lichtaustrittsseite austritt.

16. Feld optischer Stumpfelemente nach Anspruch 15, wobei jedes optisches Stumpfelement (41) eine Randseitenfläche aufweist und das auf die Apertur (41b) auf der Lichteinfallsseite einfallende Licht in die Apertur (43b) auf der Lichtaustrittsseite durch Totalreflexion an den Randseitenflächen einführt.

17. Feld optischer Stumpfelemente nach Anspruch 15, wobei jedes optische Stumpfelement (43) eine Randseitenfläche aufweist, deren Innenseite mit einer Spiegelreflexionsfläche (44) versehen ist, und das auf die Apertur (43b) auf der Lichteinfallsseite einfallende Licht in die Apertur (43a) auf der Lichtaustrittsseite durch Reflexion an den spiegelnden Reflektorflächen einführt.

18. Feld optischer Stumpfelemente nach Anspruch 15, wobei jedes optisches Stumpfelement (41) durch einen transparenten Körper gebildet ist und ein distales Ende aufweist, wobei das distale Ende so geschnitten ist, daß es die Apertur an der Lichtaustrittsseite ausbildet.