JP2002350974A

JP2002350974A - 投影型画像表示装置

Info

Publication number: JP2002350974A
Application number: JP2002023101A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Shibatani; 岳柴谷; Hiroshi Hamada; 浩浜田
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2001-03-19
Filing date: 2002-01-31
Publication date: 2002-12-04
Also published as: US6939008B2; US20020131022A1

Abstract

(57)【要約】【課題】より明るい画像を表示する投影型画像表示装
置を提供する。【解決手段】投影型画像表示装置は、異なる波長域の
光を含む光を出射する光源１０と、それぞれが独立して
光を変調することができる複数の画素Ｒ，Ｇ，Ｂと、光
源からの光を複数の画素へ出射する第１の光学系と、複
数の画素で変調された光を投影面上に照射することによ
って投影面１１０上に画像を形成する第２の光学系とを
備える。第１の光学系は、複数の画素が規定されるパネ
ル面の面内における所定の方位において、異なる波長域
の光を、波長域に応じて、複数の画素のうち互いに異な
る画素に集光させる光学素子１０６ｃを有している。こ
の光学素子１０６ｃは、所定の方位Φによって規定され
る第１の方向において第１の長さを有し、第１の方向と
実質的に直交する第２の方向において第１の長さよりも
長い第２の長さを有する。また、第１の方向および第２
の方向において集光することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は投影型画像表示装置
に関し、特に、カラー表示を行なう単板式の投影型画像
表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、液晶表示素子を用いた投影型
カラー画像表示装置が知られている。投影型カラー液晶
表示装置では、液晶表示素子自体が発光しないので、光
源を設ける必要がある。ただし、投影型カラー液晶表示
装置は、投影型ブラウン管表示装置と比較すると、色再
現範囲が広い、小型・軽量であるため持ち運びしやす
い、地磁気に影響されないのでコンバージェンス調整が
不要などのような非常に優れた特徴を持っているので、
今後の発展が期待されている。

【０００３】投影型カラー液晶表示装置における画像表
示方式には、光の３原色のそれぞれに対応して設けられ
る３枚の液晶表示パネル（液晶表示素子）を用いる３板
式と、１枚の液晶表示パネルを用いる単板式とがある。
前者の３板式の投影型液晶表示装置は、光源から発せら
れた白色光を赤・緑・青の３原色の光束（色光）にそれ
ぞれ分離し、それぞれの色光を各液晶表示パネルに向か
わせる光学系と、各色光を制御して画像を形成するため
の３枚の液晶表示パネルとを備えており、各液晶表示パ
ネルによって各色の光を変調する。このようにして変調
された各色の光をスクリーン上で光学的に重畳すること
によってフルカラー表示を行うことができる。

【０００４】この３板式の構成では光源からの光を有効
に利用できる。さらに、表示画像の色純度が高いという
利点も得られる。しかしながら、上述のように色光を各
液晶表示パネルに向かわせるための光学系と、各パネル
で変調された色光を合成するための光学系とが必要であ
る。また、液晶表示パネルを３枚用いる。このため、光
学系が繁雑で部品点数が多くなってしまい、低コスト化
及び小型化の点では、後述の単板式に比べて一般的に不
利である。

【０００５】これに対して、後者の単板式の投影型液晶
表示装置では、使用する液晶表示素子が１枚で足り、光
学系の構成も３板式に比べて単純になるので、低コスト
化が実現でき、また小型の投影型システムに適してい
る。単板式の投影型液晶表示装置としては、モザイク
状、ストライプ状等のパターンで形成された３色のカラ
ーフィルタが設けられた液晶表示素子を用い、この液晶
表示素子において変調された光を投影光学系によって投
影するものが知られており、例えば特開昭５９−２３０
３８３号公報などに開示されている。

【０００６】しかしながら、上述の単板式の表示装置で
は、カラーフィルタによる光の吸収または反射が起こる
ため、入射光の約１／３しか表示に利用できない。つま
り、カラーフィルタを用いる単板式の投影型液晶表示装
置での画面の明るさは、これに用いられる光源と等しい
明るさの光源を用いる３板式の投影型液晶表示装置と比
較して約１／３に低下してしまう。

【０００７】明るさの低下に対する１つの解決方法とし
て、光源を明るくすることが考えられる。しかしなが
ら、特に家庭用として使用する場合には、光源の明るさ
の向上に伴う消費電力の増大は好ましくない。また、光
吸収タイプのカラーフィルタを用いる場合、カラーフィ
ルタに吸収された光のエネルギーは熱に変わるため、光
源を明るくすれば、液晶表示素子の温度上昇を引き起こ
すだけでなく、カラーフィルタの退色が加速される。し
たがって、光源を明るくすることなく光をいかに有効に
利用するかが投影型カラー画像表示装置の利用価値を向
上させる上で重要な課題となっている。

【０００８】そこで、単板式の投影型カラー画像表示装
置において、カラーフィルタを用いず、ダイクロイック
ミラーを用いて白色光を色光に分離することで光利用率
を向上させたものが提案されている（例えば特開平４−
６０５３８号公報に記載）。

【０００９】この投影型カラー画像表示装置は、図１４
に示すように、互いに異なる角度で配置されたダイクロ
イックミラー１０４Ｒ・１０４Ｇ・１０４Ｂを用いて、
白色光源１０１からの白色光を赤、緑、青の各光束に分
離する。なお、以下では、Ｒ・Ｇ・Ｂをそれぞれ赤・緑
・青の色を表すものとし、それぞれの色の光または光束
をＲ光、Ｇ光、Ｂ光と称する。ダイクロイックミラー１
０４Ｒ・１０４Ｇ・１０４Ｂによって分離された各色の
光束は、液晶表示素子１０７の白色光源１０１側に配置
されているマイクロレンズアレイ１０５にそれぞれ異な
った角度で入射される。

【００１０】図１５は、上記投影型カラー液晶表示装置
における液晶表示素子１０７の構成を示す。液晶表示素
子１０７は、画素電極、ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）、
信号線等を含む駆動回路や配向膜等（不図示）が形成さ
れた透明基板１０７ａと、これに対向する透明基板１０
７ｂとの間に、液晶層１０７ｃが介在された構造を有し
ている。また、透明基板１０７ａの液晶層１０７ｃ側の
上面には、配線領域を遮光するブラックマトリクス（Ｂ
Ｍ）１１１が設けられている。

【００１１】マイクロレンズアレイ１０５は、液晶表示
素子１０７の画素の３つ分に対応するサイズを有するマ
イクロレンズ１０６の群によって形成されている。マイ
クロレンズアレイ１０５に異なる角度で入射された各色
の光束は、液晶表示素子１０７の対応する画素に各光束
の入射角度に応じて分配照射される。また、レンズ１０
６によって、Ｒ光・Ｇ光・Ｂ光の光束から３色の集光ス
ポットが、対応する画素においてそれぞれ形成される。
集光スポットが形成された各画素では、画像信号に応じ
て光変調作用（より具体的には、液晶分子の配向状態）
が独立して制御される。このようにして所望の変調作用
を受けた光は、液晶表示素子１０７の前方に設けられた
フィールドレンズ１０８、投影レンズ１０９を介してス
クリーン１１０上に拡大投影される。

【００１２】この投影型カラー画像表示装置では、ダイ
クロイックミラー１０４Ｒ・１０４Ｇ・１０４Ｂおよび
マイクロレンズアレイ１０５を用いて、３色の光束をそ
れぞれ別々の画素に入射させており、光を吸収するカラ
ーフィルタが用いる必要がない。従って、光の利用効率
が向上し、明るい画像を表示することができる。

【００１３】また、液晶表示素子１０７には、上記のよ
うにＴＦＴやその他表示には寄与しない配線領域を遮光
する目的でブラックマトリクス（ＢＭ）１１１が画素毎
に設けられている。各画素において、ＢＭ１１１が形成
されておらず光が通過し得る領域を画素開口部１１２と
呼び、画素サイズに対する画素開口部１１２のサイズの
比を開口率と呼んでいる。

【００１４】マイクロレンズアレイ１０５を用いず、照
射光が液晶表示素子１０７に平行光として入射される場
合、この光の一部は、ＢＭ１１１で遮光されて表示に寄
与しないため、照射光の利用効率が低下する。これに対
し、上述の投影型カラー画像表示装置では、マイクロレ
ンズアレイ１０５によって、光を画素開口部１１２に集
光させることができるので、液晶表示素子１０７を通過
できる光量が増え、明るい投影画像を得ることができ
る。

【００１５】ここで３板式の投影型液晶表示装置と上述
の単板式の投影型液晶表示装置とを比較すると、同じ解
像度（画素数）の液晶表示素子を用いる場合には、その
使用枚数の違いからスクリーン上に投影される画像の解
像度には３倍の差が生じる。３板式では、各液晶表示パ
ネルから出射されたＲＧＢ光をスクリーン上で混合して
カラー表示を行なうため、各液晶表示素子の画素数と同
じ画素数を持つフルカラー画像をスクリーン上で表示で
きる。これに対し、単板式では液晶表示素子の１画素は
ＲＧＢのいずれか１色にしか対応していないため、スク
リーン上では液晶表示パネルの画素数の１／３の画素数
を持つフルカラー画像しか表示できない。

【００１６】図１６は、単板式の投影型液晶表示装置に
おいて、３板式の場合と同じ解像度の表示パネルを使用
した場合を示す。ＲＧＢの各画素は略正方形であり、こ
のとき１個のマイクロレンズ１０６ｂはＲＧＢの３つの
画素領域に対応する大きさを有する。この場合、マイク
ロレンズ１０６ｂの形状は、縦１：横３の横長の形にな
る。なお、図においてＲ、Ｇ、Ｂで区別される各画素
は、各色に対応したカラーフィルタを有しているのでは
なく、その画素において、マイクロレンズからどの色の
光束が集束されるかを表している。

【００１７】一方、液晶表示素子の画素数を３倍にすれ
ば、単板式でも３板式の場合と同様の解像度を実現する
ことができる。図１７は、高解像度の単板式用の液晶表
示素子の画素とマイクロレンズとを示したものである。
図示するように、液晶表示素子において、ＲＧＢ光が通
過する３つの画素によって正方形の絵素が形成されてお
り、縦と横の長さが１：１／３のＲ画素、Ｇ画素、Ｂ画
素がストライプ状に配列されている。集光用のマイクロ
レンズ１０６ａのそれぞれは、３画素に対して１つずつ
配置する。この場合、各マイクロレンズの形状は略正方
形である。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、図１７に示し
たように、３板式の場合の１画素に対応する領域にＲＧ
Ｂ３画素を設けた場合、増えた画素２つ分を別個に制御
するための配線領域が必要である。従って、配線領域や
画素を制御するＴＦＴ等のスイッチング素子の個数が増
える分、表示素子の製造歩留まりが下がって製造コスト
が上昇する。液晶表示素子の作り易さ、製造コストの点
からは、図１７に示す構成よりも図１６に示す構成の方
が有利である。従って、高い解像度を必要としない場合
や、液晶表示素子の画素数を増やすことなく他の方法に
よってスクリーン上の画像の解像度を向上させることが
できる場合には、図１６に示すような３板式の場合と同
様の構成を有する液晶表示素子を用いることが好まし
い。

【００１９】また、図１７に示す構成を採用する場合、
光を通過させることの出来る画素開口部の面積は、図１
６に示すような正方形画素の面積の１／３よりも小さく
なり開口率は低下する。しかし、実際には図１６に示す
構成を有する表示装置よりも、図１７に示す構成を有す
る表示装置の方が画素開口率が低いにもかかわらず、投
影画像がより明るくなることがある。つまり、図１６に
示すように画素開口率を高くした場合にも、十分な明る
さを有する画像を得ることができないという問題が生じ
る。

【００２０】画素開口率が大きいにもかかわらず、投影
画像が暗くなる理由としては、投影レンズに対して光が
適切に入射されていないことが挙げられる。投影レンズ
の性能指標のひとつにＦ値（Ｆナンバー）と呼ばれるも
のがある。Ｆ値はレンズの焦点距離ｆを、レンズにおけ
る光が通過できる領域（入射瞳）の直径Ｄで割ったもの
である。Ｆ値が小さいほど入射瞳の直径Ｄ（すなわち、
入射瞳の面積）が大きい、つまり光を受けることが可能
な受光角が大きく、より多くの光を投影画像形成に利用
し得るため、明るい画像を形成することができる。

【００２１】ただし、投影レンズは、所定の画素から出
た光が投影レンズのどこを通ってもスクリーン上でまた
１点に結像するように機能しなければならず、Ｆ値が小
さいほど投影レンズの作製が難しくなりコストが上昇す
る。従って実際に使用される投影レンズのＦ値はむやみ
に小さくはできず、所定の範囲内に収められる。

【００２２】上記投影型カラー画像表示装置では、液晶
表示素子から出射される光束がフィールドレンズを介し
て投影レンズに入射されるが、これらの光束は、液晶表
示素子から出射されるときの出射角度に応じて、投影レ
ンズの入射瞳における所定の場所に入射される。なお、
投影レンズにおいて遮光部が設けられていない場合、レ
ンズの入射瞳は、光の入射方向に対して実質的に垂直な
レンズ断面に相当する。液晶表示素子からレンズの光軸
に平行に出射された光はレンズの瞳のほぼ中心を通る一
方、光軸となす角度が大きい光はレンズの外側を通る。
上述のように投影レンズのＦ値は下限値を有しており、
このＦ値から求められる角度よりも大きい出射角度で液
晶表示素子から出射された光はレンズの入射瞳から外れ
てしまう。これらの光はスクリーンには到達できず、投
影に寄与しない。つまり、液晶表示素子の画素の開口率
が高く、液晶表示素子を出射する光量が多い場合であっ
ても、その最大出射角度が大きすぎると、スクリーン上
の画像は明るくならない。

【００２３】逆に、液晶表示素子から光が投影レンズの
Ｆ値から求められる角度よりも小さい出射角度で出射し
ており、投影レンズの入射瞳の全体に対して光が入射し
ていない（すなわち、投影レンズのＦ値に余裕がある）
場合にも、明るい画像を表示することができない。この
ような場合、画素に集光させるマイクロレンズの焦点距
離をより小さくすることなどにより液晶表示素子からの
光の出射角度をより増加させれば、光源から発せられた
光のうちの主光線に対する平行度が低い光も画素の開口
部を通過し得るので、投影画像をより明るくできる。

【００２４】このように、できるだけ明るい画像を得る
ためには、上述のようにサイズが制限された投影レンズ
において、入射瞳の全体にわたって光が入射されるよう
に、液晶表示素子から光が出射されることが望ましい。

【００２５】図１８および図１９は、液晶表示素子の画
素とマイクロレンズとが図１６および図１７に示すよう
に配置されている場合のそれぞれにおける、投影レンズ
の入射瞳（ここでは、投影レンズの断面に対応）での光
分布状態を示す。図１４および図１５に示したように、
Ｒ光はマイクロレンズアレイに垂直に入射させているの
で円状の瞳面１１３の中央部に入射される。また、Ｂ光
とＧ光は、Ｒ光に対して角度を有しているので、瞳面１
１３でも各々図上で左右にずれた位置に入射される。な
お、フィールドレンズ１０８によって液晶表示素子のパ
ネル面全体からの出射光を投影レンズに集めているた
め、パネル面内のどの画素を通過したかに拘わらず、液
晶表示パネルからの出射光は、その色に応じて図１８お
よび図１９に示すレンズ中の領域を通過することにな
る。

【００２６】入射瞳における各色光の照射領域の形状
は、マイクロレンズの形状、画素領域の開口部の形状、
マイクロレンズの焦点距離などによって決まる。図１８
および図１９からわかるように、図１７に示す構成では
ＲＧＢ各色の光束がほぼ正方形の分布となるのに対し、
図１６の構成の場合、それぞれ横長の長方形のＲＧＢ光
が部分的に重なり合って分布（図１８参照）している。
なお、それぞれの色の光が重なった部分にはＭ（マゼン
タ＝Ｒ＋Ｂ）、Ｙ（イエロー＝Ｒ＋Ｇ）、Ｗ（ホワイト
＝Ｒ＋Ｇ＋Ｂ）と記号をつけている。

【００２７】図１６に示す構成を採用した場合おいて、
画素開口率は高いのに投影画像が暗くなる現象は、ＲＧ
Ｂの光がマイクロレンズの形状により投影レンズの入射
瞳上で左右に伸びた分布になり、レンズの上下部に光が
入射されない未使用域Ｕが形成されるために起こる。こ
の場合、投影レンズを有効に使えておらず、主光線に対
する平行度が低い光のうち表示光として利用される光が
少ない。従って、投影画像を明るくすることができな
い。

【００２８】このように、従来の投影型表示装置では、
図１６に示すように画素の形状が略正方形の液晶表示素
子を用いつつ、明るい投影画像を得ることが困難であっ
た。液晶表示素子の作り易さ、製造コストの点からは、
図１７に示す構成よりも図１６に示す構成の方が有利で
ある。本発明は上記従来技術の問題点を鑑みてなされた
ものであり、明るい画像を表示することができる投影型
画像表示装置を提供することをその目的とする。

【００２９】

【課題を解決するための手段】本発明の投影型画像表示
装置は、異なる波長域の光を含む光を出射する光源と、
それぞれが独立して光を変調することができる複数の画
素と、前記光源からの光を受け、前記複数の画素へ光を
出射する第１の光学系と、前記複数の画素で変調された
光を投影面上に照射することによって前記投影面上に画
像を形成する第２の光学系とを備える投影型画像表示装
置であって、前記第１の光学系は、前記複数の画素が規
定されるパネル面の面内における所定の方位において、
前記異なる波長域の光を、前記波長域に応じて、前記複
数の画素のうち互いに異なる画素に集光させる光学素子
を有し、前記光学素子は、前記所定の方位によって規定
される第１の方向において第１の長さを有し、前記第１
の方向と実質的に直交する第２の方向において前記第１
の長さよりも長い第２の長さを有し、かつ、前記第１の
方向および第２の方向において集光する。

【００３０】ある好ましい実施形態において、前記第１
の光学系は、前記光源からの光を波長域の異なる複数の
光束に分離する光分離素子を有し、前記複数の光束は、
前記所定の方位においてそれぞれ異なる入射角度で前記
光学素子に入射される。

【００３１】ある好ましい実施形態において、前記光学
素子は、異なる入射角度で入射された前記複数の光束
を、前記複数の画素のうちの前記互いに異なる画素に集
光させるレンズである。

【００３２】ある好ましい実施形態において、前記光学
素子は、前記光源からの光を、前記所定の方位におい
て、異なる波長域を有する複数の光束に分離することが
できる。

【００３３】ある好ましい実施形態において、前記光学
素子は、ホログラム素子から形成されている。

【００３４】ある好ましい実施形態において、前記第２
の長さは、前記第２の方向における画素の配列ピッチの
２倍以上の長さである。

【００３５】ある好ましい実施形態において、前記光学
素子は、３色の光を前記複数の画素のうちの対応する３
つの画素のそれぞれに集光させる。

【００３６】ある好ましい実施形態において、前記第１
の長さは、前記第１の方向における画素の配列ピッチの
１倍の長さに対応しており、かつ、前記第２の長さは、
前記第２の方向における画素領域の配列ピッチの３倍の
長さに対応している。

【００３７】ある好ましい実施形態において、前記光学
素子は、前記３色の光を、前記第１の方向において連続
する３つの画素領域のそれぞれに集光させる。

【００３８】ある好ましい実施形態において、前記第１
の光学系は、互いに隣接する複数の前記光学素子を有
し、前記複数の光学素子のうち前記第１の方向において
隣接する光学素子は、前記第１の方向において光学素子
同士がずれた位置関係を有する。

【００３９】ある好ましい実施形態において、前記隣接
する光学素子同士は、前記２の方向において画素ピッチ
の整数倍だけずれている。

【００４０】ある好ましい実施形態において、前記第２
の方向において隣接する光学素子は、前記第２の方向に
おいて光学素子同士が整列した位置関係を有する。

【００４１】ある好ましい実施形態において、前記複数
の画素のそれぞれは、液晶層を含む表示パネルにおいて
規定されている。

【００４２】本発明の投影型画像表示装置は、３色の色
光を含む光を出射する光源と、それぞれが独立して光を
変調することができる複数の画素と、前記光源からの光
を受け、前記複数の画素へ光を出射する第１の光学系
と、前記複数の画素で変調された光を投影面上に照射す
ることによって前記投影面上に画像を形成する第２の光
学系とを備える投影型画像表示装置であって、前記第１
の光学系は、前記複数の画素が規定されるパネル面の面
内における所定の方位において、前記３色の色光を含む
光を、色毎に、前記複数の画素のうち互いに異なる画素
に集光させる光学素子を有し、前記光学素子は、前記所
定の方位によって規定される第１の方向において、画素
の配列ピッチの略１倍に対応する長さを有し、かつ、前
記第１の方向および前記第１の方向に実質的に垂直な第
２の方向において光を集光することができ、前記光学素
子は、前記３色の色光のそれぞれを、前記第１の方向に
おいて連続する３つの画素のそれぞれに集光させる。

【００４３】ある好ましい実施形態において、前記第２
の光学系は、前記画素を通過した光を、時間に応じて前
記投影面上の異なる位置に投影させることによって、前
記投影面上に形成された画像をシフトさせるシフト素子
を備える。

【００４４】ある好ましい実施形態において、前記レン
ズは、基板上にレジストを形成する工程と、前記レンズ
の形状に応じて前記レジストの露光強度を変化させる露
光工程と包含する製造方法によって製作されている。

【００４５】なお、本明細書において「光学素子」は、
所定の光学作用を示し得る最小単位構造を指すものとす
る。典型的には、規則的に配置された複数の光学素子
（例えばレンズ）によって、１つの光学部材（例えばレ
ンズアレイまたはレンズシート）が構成される。また、
各光学素子は、必ずしも形状的に区別されるものである
必要はない。所定の光学作用を示し得る限りにおいて、
光学部材における所定部分（または所定領域）を光学素
子と呼ぶこともある。例えば、ホログラム素子アレイ
（光学部材）において、所定の光学作用（例えば集光作
用）を示す複数の領域が規定される場合には、各領域を
ホログラム素子（光学素子）と呼ぶ。この場合、光学素
子のサイズは上記の所定領域のサイズに対応する。

【００４６】

【発明の実施の形態】［実施形態１］以下、本実施形態
１の画像表示装置として、独立して光を変調することが
できる複数の画素を有する一枚の液晶表示素子（液晶パ
ネル）を用いて構成された単板式の投影型カラー液晶表
示装置を説明する。

【００４７】図１は、本実施形態に係る投影型カラー画
像表示装置の全体構成を示す。本実施形態の投影型カラ
ー画像表示装置は、白色光源１０１、球面鏡１０２、コ
ンデンサーレンズ１０３を含む光源部１０と、ダイクロ
イックミラー１４（１０４Ｒ・１０４Ｇ・１０４Ｂ）
と、複数の画素が形成された液晶表示素子１０７と、液
晶表示素子１０７の光入射側に設けられたマイクロレン
ズアレイ１０５と、フィールドレンズ１０８および投影
レンズ１０９を含む投影光学系１８とを有している。投
影型カラー画像表示装置は、投影レンズ１０９の後方に
配置されたスクリーン（投影面）１１０上に画像を表示
する。

【００４８】上記の白色光源１０１としては、公知のメ
タルハライドランプを用いることができる。ただしこの
他にも、ハロゲンランプやキセノンランプ等の光源を使
用しても良い。光源１０１から出射される光は、Ｒ光、
Ｇ光、およびＢ光を含む白色光であり、コンデンサレン
ズ１０３によって平行光にされた後にダイクロイックミ
ラー１０４Ｇ、１０４Ｒ、１０４Ｂに向かう。球面鏡１
０２は、光源からの光の一部を反射させてコンデンサレ
ンズ１０３に向かう光量を増加させている。

【００４９】また、図１では省略しているが、本表示装
置では、液晶表示素子１０７に入射される紫外線および
赤外線をカットするためのＵＶ−ＩＲカットフィルタが
コンデンサーレンズ１０３の光出射側に設けられてい
る。これによって、紫外線および赤外線が液晶表示素子
１０７に入射することを防止し、液晶表示素子１０７の
温度上昇を防ぐことができる。

【００５０】ダイクロイックミラー１０４Ｒ、１０４
Ｇ、１０４Ｂのそれぞれは、赤、緑、青の各波長帯（ま
たは波長域）の光をそれぞれ選択的に反射するととも
に、対応する１種類の波長帯の光以外の光を透過させ
る。これらのダイクロイックミラーは、光源部から発せ
られた略平行な光の進行方向に対してそれぞれ異なる角
度で配置されている。ダイクロイックミラー１０４Ｒ、
１０４Ｇ、１０４Ｂは、周知の多層膜コーティング技術
を用いて作製することができる。

【００５１】上記ダイクロイックミラー１０４Ｒ、１０
４Ｇ、１０４Ｂのそれぞれで反射された波長域の異なる
３色の光束は、マイクロレンズアレイ１０５’に入射さ
れる。このとき、マイクロレンズアレイ１０５’に対し
て、ダイクロイックミラー１０４Ｒからの反射光（Ｒ
光）はほぼ垂直に入射し、ダイクロイックミラー１０４
Ｇからの反射光（Ｇ光）とダイクロイックミラー１０４
Ｂからの反射光（Ｂ光）とは、紙面と平行な面内におい
て、上記Ｒ光を中心としてそれぞれ±θ°だけ傾いた方
向から入射する。

【００５２】このように各色の光束は或る方向から観察
した場合に、互いに異なる角度でマイクロレンズアレイ
１０５’に入射される。すなわち、各色の光束がパネル
面内における所定の方位（角）Φにおいて異なる入射角
度でマイクロレンズアレイに入射される。なお、パネル
面とは、典型的には表示パネル（本実施形態では液晶表
示素子１０７）における複数の画素が規定された面を意
味する。また、本明細書では、図１において矢印Φで示
される方向（図において、紙面と平行で、且つ液晶表示
素子１０７のパネル面と平行な方向）を、方位Φによっ
て規定される方向と呼ぶ。

【００５３】本実施形態では、図１に示すように、パネ
ル面内の方位Φにおいて、Ｒ光は入射角度０°でマイク
ロレンズアレイ１０５’に入射され、Ｇ光はθ°で入射
され、Ｂ光は−θ°で入射されている。なお、本明細書
では、Ｇ光の入射角度θ°とＢ光の入射角度−θ°を区
別しており、これらは互いに異なる入射角度で入射され
ているものとして記載している。

【００５４】本実施形態において、３色の光束は、マイ
クロレンズアレイ１０５’に対して、所定の方位Φにお
いて互いに入射角度が異なるように入射させられている
が、パネル面内における、方位Φと９０°異なる方位で
規定される方向（すなわち、図における紙面に垂直な方
向）では、３色の光束のそれぞれの入射角度は異ならな
い。

【００５５】このように本実施形態では、白色光源１０
１と、白色光を複数の色光に分離するダイクロイックミ
ラー１０４Ｒ、１０４Ｇ、１０４Ｂとを用いて、波長域
の異なる光束（色光）を所定の方位において異なる入射
角度でマイクロレンズアレイに入射させることができる
光源ユニットが構成されている。ただし、各色の光束を
所定の方位Φにおいて異なる入射角度でマイクロレンズ
アレイ１０５’に入射させることができる限り、上記光
源部と上記ダイクロイックミラーとを用いる形態以外に
も種々の形態を採用し得る。

【００５６】例えば、図２（ａ）に示すように、ダイク
ロイックミラー１０４Ｒ、１０４Ｇ、１０４Ｂを用いる
代わりに、入射光を波長域ごとに異なる角度で出射させ
ることができる面状ホログラム素子２０１を用いて白色
光を複数の色光に分離するようにしてもよい。図２
（ａ）に示す表示装置では、マイクロレンズアレイ１０
５’上に、面状ホログラム素子２０１が設けられてい
る。この面状ホログラム素子２０１は、マイクロレンズ
アレイ１０５’に接着されていてもよいし、接着されて
いなくても良い。面状ホログラム素子２０１としては、
特開平８-２９７３２７号公報に記載されているものを
用いることができる。

【００５７】図２（ｂ）に示すように、コンデンサーレ
ンズ１０３によって平行光束にされた白色光源１０１か
らの白色光は、面状ホログラム素子２０１によって回折
され、各色光に分離される。また、面状ホログラム素子
２０１からは、各色の光は互いに異なる角度で出射して
おり、Ｇ、Ｂの各光束はＲ光束に対して互いに所定の角
度差θをつけて出射される。ホログラム素子２０１から
の光束は直ちにマイクロレンズアレイ１０５’に入射さ
れる。このようにすれば、図１に示したようなダイクロ
イックミラー１０４Ｒ、１０４Ｇ、１０４Ｂを用いるの
と同様に、各色光を、それぞれ異なる入射角度でマイク
ロレンズアレイ１０５’に入射させることができる。

【００５８】上述のようにダイクロイックミラーや面状
ホログラム素子などを用いて、異なる入射角度でマイク
ロレンズアレイ１０５’に入射されたＲＧＢの各光束
は、マイクロレンズアレイ１０５’を構成する複数のマ
イクロレンズ１０６ｃ（図３参照）のそれぞれによっ
て、液晶表示素子１０７の対応する画素の開口部に向け
て集光される。なお、本実施形態では、マイクロレンズ
アレイ１０５’と液晶表示素子１０７とは、これらが一
体的なパネル構造を為すように積層されているが、この
ような構造に限らず種々の形態を取り得る。また、液晶
表示素子１０７の外側表面上またはマイクロレンズアレ
イ１０５’の外側に、必要に応じて偏光板や位相差板な
どの他の光学素子が設けられていても良い。

【００５９】本実施形態の液晶表示素子１０７は、例え
ば、対角約３３ｍｍの画面サイズを有し、画素領域のピ
ッチＰは縦横ともに２６μｍに設定される。各画素領域
の平面形状は、正方形であり、これらが格子状（行列
状）に配列されている。また、液晶表示素子１０７の総
画素数は、縦７６８×横１０２４で、所謂ＸＧＡ（eXte
ned Graphics Alley）タイプのものである。本実施形態
で使用する液晶表示素子１０７としては、ＯＡ用途向け
に市販されている３板式の投影型画像表示装置において
用いられている従来の液晶表示素子を用いることができ
る。

【００６０】次に、図３を参照しながら、液晶表示素子
１０７の各画素と、マイクロレンズアレイ１０５’が有
する複数のマイクロレンズ１０６ｃのそれぞれとの配置
関係を説明する。

【００６１】図示するように、本実施形態では、ＲＧＢ
の各正方形画素領域が斜め方向に直線状に並んだモザイ
ク配列が形成されている。但し、ＲＧＢ各色の画素は、
実際に各色のカラーフィルタを備えているわけではな
く、ＲＧＢの画素のそれぞれに対して、ＲＧＢ各色の光
束（集束光）がそれぞれ入射される。液晶表示素子１０
７に画像信号を入力する映像回路は、対応する色用の階
調信号に基づいてその画素の光変調状態を制御する。

【００６２】マイクロレンズアレイ１０５’は、例え
ば、ガラス等から形成される透明基板を用いて作製され
る。透明基板の一方の面には、液晶表示素子１０７の３
画素分のサイズを有する、縦方向（図３に示すｙ方向）
に長い長方形マイクロレンズ１０６ｃがモザイク状に密
に配列されている。なお、図においては一つ一つのマイ
クロレンズを識別しやすいように境界線に隙間を設けて
いるが、好適には、これらは互いに隣接している。マイ
クロレンズ１０６ｃの横方向（ｘ方向）の長さ（または
配列ピッチ）は液晶表示素子１０７の画素ピッチＰと同
じ２６μｍ、縦方向の長さ（または配列ピッチ）は画素
ピッチＰの３倍の７８μｍであり、本実施形態では、そ
れぞれのマイクロレンズ１０６ｃは、縦方向に連続して
隣接する３つ１組のＲＧＢ画素を覆っている。

【００６３】行方向（ｘ方向）において、マイクロレン
ズ１０６ｃのそれぞれは隣接するレンズ同士がずれた位
置関係を有するように配列されるとともに、列方向（ｙ
方向）においては整列するように配列されている。より
詳細には、ある列のマイクロレンズ１０６ｃの左隣の列
において隣接するマイクロレンズは、１画素領域分だけ
列方向下側にずれており、右隣の列において隣接するマ
イクロレンズは、１画素領域分だけ列方向上側にずれて
いる。

【００６４】このように配置されたマイクロレンズに入
射されるＲＧＢの各光束は、方位Φで規定される方向に
おいて入射角度が異なるが、本実施形態では、液晶表示
素子１０７のパネル面（すなわち、複数の画素が規定さ
れる面）内における、この方位Φで規定される方向と、
マイクロレンズ１０６ｃの短辺方向（ｘ方向）とを一致
させている。すなわち、マイクロレンズ１０６ｃは、方
位Φで規定される方向において、画素ピッチＰと同じ長
さを有しており、これと垂直な方向において画素ピッチ
Ｐの３倍の長さを有している。

【００６５】また、Ｒ光は、マイクロレンズ１０６ｃの
中央部に対応するＲ画素領域に集光され、Ｂ光とＧ光と
はマイクロレンズ１０６ｃによって覆われていない、上
記Ｒ画素領域の左右に隣りあうＢ画素領域およびＧ画素
領域のそれぞれに集光される。このようにマイクロレン
ズ１０６ｃは、方位Φで規定される方向（またはマイク
ロレンズ１０６ｃの短辺方向）において、異なる色の光
を異なる画素に集光させることができる。

【００６６】次に、図４〜図６を参照しながら、上述の
ように設けられたマイクロレンズ１０６ｃに入射された
Ｒ光、Ｇ光、およびＢ光の進む経路について説明する。

【００６７】図４に示すように、液晶表示素子１０７の
パネル面に垂直で、かつ、マイクロレンズ１０６ｃの短
辺方向に平行な面をＳｘとしたとき、上述のように、本
実施形態では、この短辺方向と、上記方位Φとが揃って
おり、面Ｓｘ内においてＲ光、Ｇ光、およびＢ光は、そ
れぞれ異なる方向からマイクロレンズ１０６ｃに入射さ
れる。

【００６８】この面Ｓｘにおける各光の進む経路を図５
に示す。図において実線で示すように、Ｒ光はマイクロ
レンズ１０６ｃに対して垂直に入射され、図において破
線および一点鎖線で示すように、Ｂ光およびＧ光は、Ｒ
光の入射方向から±θ°だけ傾いた角度でマイクロレン
ズ１０６ｃに対して入射される。

【００６９】マイクロレンズ１０６ｃに入射された各光
束は、方位Φにおいて並んでいる画素のそれぞれに集光
される。すなわち、マイクロレンズ１０６ｃは、方位Φ
において各色の光を、色に応じて、複数の画素のうち互
いに異なる画素に集光させるように機能する。具体的に
は、Ｒ光は、マイクロレンズ１０６ｃが覆っている直下
の画素領域Ｒに集光され、Ｂ光およびＧ光のそれぞれ
は、画素領域Ｒの両隣に位置する画素領域Ｇおよび画素
領域Ｂにそれぞれ集光される。図から明らかなように、
これらの画素領域Ｇおよび画素領域Ｂは、Ｂ光およびＧ
光が入射されたマイクロレンズ１０６ｃによっては覆わ
れていない。

【００７０】各画素に集光された各光は、画像信号に応
じてそれぞれ所望の状態に変調されるが、マイクロレン
ズ１０６ｃの集光作用によって、光源からの光の多くが
画素開口部を通過するため、非常に高い効率で光源光を
利用することができる。

【００７１】画素開口部に向けて集光され、画素におい
て変調された各色の光は、次に発散しながらフィールド
レンズ１０８を通過した後、投影レンズ１０９に入射さ
れる。このとき、投影レンズ１０９の入射瞳１１３にお
いて、各色の光の分布領域は、図において矢印で示すよ
うに、入射瞳の直径よりも狭い幅を有するように形成さ
れる。その後、投影レンズ１０９を通過した光はスクリ
ーン上において結像される。

【００７２】一方、図４に示す面Ｓｙ（面Ｓｘおよびパ
ネル面に垂直な面）における光の経路を図６に示す。こ
の面Ｓｙにおいて、Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光の何れもが、パネ
ル面に対して全て実質的に同じ入射角度でマイクロレン
ズ１０６ｃに入射される。なお、面Ｓｙにおいては、マ
イクロレンズ１０６ｃは、３つの画素に対応するサイズ
を有する。

【００７３】このようなマイクロレンズ１０６ｃによっ
て集光されたＲ光は、図５に示した場合よりも集束され
る程度が大きく、従って、画素から出射された光が発散
される程度も大きい。その結果、投影レンズ１０９の入
射瞳１１３に入射されたＲ光の分布領域は、面Ｓｙにお
いてレンズの直径と同じ程度のサイズをもつ。

【００７４】このように、投影レンズ１０９の入射瞳１
１３においてＲＧＢ各色の光は、マイクロレンズ１０６
ｃの形状に応じた分布領域を形成する。その結果、図７
に示すように、入射瞳１１３における各色の光の分布領
域は、それぞれ縦長の長方形になり、これらは互いに部
分的に重畳し、全体としてほぼ正方形の光分布領域が形
成される。

【００７５】このように、方位Φによって規定される方
向において、マイクロレンズの長さを比較的短くし、こ
れと垂直な方向においてマイクロレンズの長さを比較的
長くしておけば、投影レンズの入射瞳１１３の面全体を
有効に利用することができ、明るい投影画像を得ること
ができる。瞳面１１３は円形であるので投影に寄与しな
い成分も存在し得るが、従来の構成に比べれば、より効
果的に瞳面全体を利用しているので、投影画像の明度を
大幅に向上させることが可能になる。なお、特開平８−
１１４７８０号公報で開示されるように、Ｂ光とＧ光の
一部を入射瞳１１３から故意にはみ出させるように設定
し、ＲＧＢ光のスペクトル強度の不ぞろいを補正してホ
ワイトバランスをとるようにしてもよい。

【００７６】マイクロレンズ１０６ｃの中心に対応する
Ｒ画素の上下にあるＧ画素およびＢ画素には別のマイク
ロレンズ１０６ｃ（図３においては左下と右上に位置す
るマイクロレンズ）によってＧ光およびＢ光が集光され
る。本実施形態では、各マイクロレンズは、そのレンズ
が覆う画素以外の画素にも光束を集光させる。また、マ
イクロレンズの配列が画素ピッチ分だけずらされている
ため、光が集光されない画素は存在しない。また画面周
辺の画素領域における集光もれを防止するために、マイ
クロレンズ１０６ｃは画面周囲にも余分に作りこまれて
いることが望ましい。

【００７７】なお、本実施形態で用いられるマイクロレ
ンズ１０６ｃの焦点距離は、面Ｓｘ内における場合と面
Ｓｙ内における場合とで実質的に同じである。すなわ
ち、マイクロレンズ１０６ｃは収差を持たない集束光を
出射する。従って、スクリーン上に適切な像を形成する
ことができる。

【００７８】マイクロレンズアレイ１０５’の製造方法
としては、従来のイオン交換法（Appl.Opt.Vol.21,p.10
52(1984)またはElectron.Lett.Vol.17,p.452(1981)）、
膨潤法（鈴木他、“プラスチックマイクロレンズの新し
い作製法”第２４回微小光学研究会）、熱ダレ法（Zora
n D.Popovic et al. Technique for monolithic fabric
ation of microlenz arrays”,Appl.Opt.Vol.27,p.1281
(1988)）、蒸着法（特開昭５５−１３５８０８号公
報）、熱転写法（特開昭６１−６４１５８号公報）、機
械加工法、特開平３−２４８１２５号公報に記載されて
いる方法等を利用することができる。

【００７９】ただし、マイクロレンズアレイ１０５’に
形成されるマイクロレンズ１０６ｃのそれぞれは所望の
集光機能を有する必要があり、レンズ表面は、レンズセ
ンターにおける法線を回転軸とする回転対称な曲面とな
るため、レンズセンターとレンズ周辺部との間に高低差
が生じる。また、マイクロレンズのセンターは、レンズ
短辺方向において、液晶表示素子１０７のR画素の配置
に従って１ライン毎に１画素ピッチ分、言い換えると、
マイクロレンズの長辺方向ピッチの１／３の距離ずつず
れて配置されている。従って、図８に示すように、マイ
クロレンズアレイ１０５’では、レンズ短辺方向におい
て隣接するマイクロレンズ１０６ｃの境界に段差１６０
が存在している。

【００８０】理想的にはこの境界段差１６０がレンズア
レイの配列面に対して垂直に切り立ったものであること
が望ましいが、上述のようなマイクロレンズアレイの製
造方法によってこのような形状を作製しようとすると、
レンズ曲面形状が設計値からずれて回転非対称になって
収差が生じたり、段差部分が斜面状となってマイクロレ
ンズ曲面の面積を減少させる等の理由で光の利用率が減
少し投影画面が若干暗くなってしまうことがあった。

【００８１】これに対して、フレネルレンズ化してもよ
いが、以下に示すように、露光強度に濃淡をつけるハー
フトーン露光法または電子ビーム露光法と、異方性エッ
チングとを用いれば、より望ましい形状のマイクロレン
ズアレイを作製することができる。

【００８２】図９（ａ）〜（ｄ）は、本実施形態のマイ
クロレンズアレイの製造工程を示す。まず、作製しよう
とするマイクロレンズの表面形状に対応する等高線図を
用いて、マイクロレンズの高さに応じて濃淡（光透過
率）が変化するマスク３００を作製する。このマスク３
００を用いて、材料基板３０１表面に塗布したレジスト
膜３０２を露光する（図９（ａ））。なお、上述のよう
なマスクを用いる代わりに、マイクロレンズの高さに応
じて強度変調されるようにした電子ビーム、レーザー光
でレジスト膜面３０２をスキャンすることで、これを露
光するようにしてもよい。このようにして露光したレジ
スト膜３０２を現像することにより、マイクロレンズの
形状に対応した表面形状を有するレジスト膜３０２’を
材料基板１表面に形成する（図９（ｂ））。

【００８３】さらに、レジスト膜３０２’を用いて材料
基板３０１の法線方向からのドライエッチング等の異方
性エッチングを行なうことによって、目的とする曲面及
び段差を有する表面形状を有する材料基板３０１’を作
製する（図９（ｃ））。

【００８４】材料基板３０１としてガラス基板などの透
明材料を用いている場合、上述のようにして表面の形状
が加工された材料基板３０１’（図９（ｄ））をマイク
ロレンズアレイ１０５’として用いることができる。ま
た、材料基板３０１’から金型を作り、樹脂などに転写
によることによってマイクロレンズアレイを作製しても
よい。また、上記工程と同様の工程によって、ガラス基
板または金属基板等に上記工程で示したものとは凹凸が
逆の形状を形成し、これをレンズ型として用いて樹脂な
どに転写することでマイクロレンズアレイを作製しても
よい。

【００８５】なお、図９（ａ）で示す工程におけるマス
ク３００の濃淡パターンは、レジスト３０２と材料基板
３０１とのエッチング速度の差などを考慮して、エッチ
ング後に所望のマイクロレンズの曲面およびレンズ境界
の段差が得られるように適切に選択されることが望まし
い。

【００８６】このようにして作製されたマイクロレンズ
アレイは形状精度が高く、各レンズは所望の曲面を有す
るとともに、レンズ間には急峻な境界段差が形成され
る。このようなマイクロレンズアレイを用いれば、光源
からの光を表示光としてより効率良く利用できるので、
より明るい投影画像を得ることができる。

【００８７】なお、上記実施形態の説明では、液晶表示
パネルの横方向に対応するｘ方向においてＲＧＢ光の色
分離を行なうようにしたが、光源部からの平行光束を受
けて上下方向に角度がつくようにダイクロイックミラー
１４を配置し、横長の長方形のマイクロレンズ１０６ｃ
から構成されるマイクロレンズアレイ１０５’を用いて
縦方向（ｙ方向）に光を分離するようにしてもよい。た
だし、この場合にも、１つのマイクロレンズ１０６ｃが
３画素に対応するとともに、光が分離される方向とレン
ズの短辺方向とが一致する。この場合、投影レンズ１０
８の瞳面における各色の光の分布も、図７に示した状態
を９０度回転させた状態となる。

【００８８】また、上記にはＧ光を液晶表示素子に対し
て垂直に入射させる形態を説明したが、ＲＧＢの光束の
うちいずれか１色の光束を液晶表示パネルに垂直に入射
させることは必須ではない。ＲＧＢの各色の光が、液晶
表示素子のパネル面において所定の間隔で略一列に並ん
だ集光スポットを形成するようにマイクロレンズへの各
光束の入射角度が設定され、マイクロレンズからの各色
の光が対応するそれぞれの画素に入射されればよい。こ
の場合に、各マイクロレンズは、必ずしも３つの画素領
域を覆うように配置されている必要はない。

【００８９】例えば、画像表示装置を床に置き、上方に
向けて画像を投影する場合に、光源ユニット、液晶表示
パネル、フィールドレンズ、投影レンズを、それぞれ床
面から徐々に上方にシフトさせた位置に配置し、液晶表
示パネルに対して上方にも角度をつけた光束（すなわ
ち、図４および図６に示すＳｙ面内においてパネル面に
対して斜め下方向から入射する光束）を入射させること
がある。本発明の画像表示装置においてもこのような構
成を採用することができ、マイクロレンズに対して各色
の光束をＳｙ面において斜め方向から入射させ、各光束
の集光スポットに所定の画素領域の開口部が対応するよ
うに、マイクロレンズと液晶表示パネルの画素領域との
位置関係を適切に設定すればよい。この場合、マイクロ
レンズ１０６ｃの境界は画素領域の境界と重ならなくな
るが、投影画像を明るくできるという本発明の効果は損
なわれない。

【００９０】以上説明したように、本実施形態の画像表
示装置では、投影レンズの瞳面での状態を考えると、図
７に示すようにＲＧＢの各色の光束の分布がＲＧＢの色
分離方向（方位Φで規定される方向）とは垂直な方向に
長い長方形となり、ＲＧＢ光全体で正方形に近い光分布
となるので、投影レンズの瞳全体を有効に使えるように
なり、投影画像の明るさを向上させることができる。ま
た、図１７に示した従来例のように液晶表示素子におけ
る画素数を増やしていないので液晶表示素子の製造コス
トの上昇を防止することができる。

【００９１】なお、図３のような画素配列を有する液晶
表示素子において、色分離を行なう方向にだけ集光機能
を持ち、それと垂直な方向においては集光機能を有して
いないレンズ（いわゆるレンチキュラーレンズ）を用い
る場合にも、投影レンズの瞳面での光の分布が本実施形
態（図７）での分布とみかけ上同等になり得る。

【００９２】しかし、レンチキュラーレンズを使用した
場合、色分離と垂直な方向には集光されないため、レン
ズからの光の一部が画素ＢＭで遮光され、液晶表示素子
を通過できない。このため、投影レンズ瞳面での光分布
は同様でも、実際の総光量は減少する。

【００９３】これに対して、本実施形態の液晶表示装置
によれば、色分離方向と垂直な方向にも集光機能のある
マイクロレンズを用いて画素開口部に光を集めているの
で、画素ＢＭでの遮光量は大幅に減少し、その分投影レ
ンズの通過光量は増え、より明るい投影画面が得られ
る。

【００９４】[実施形態２]以下、図１０および図１１を
参照しながら、本発明の実施形態２にかかる画像表示装
置を説明する。なお、説明の便宜上、実施形態１と同様
の機能を有する部材には同一の番号を付記し、その説明
は省略する。

【００９５】本実施形態に係る投影型カラー液晶表示装
置が実施形態１の画像表示装置と異なる点は、図１０に
示すように、液晶表示素子１０７と投影レンズ１０９と
の間に光学シフト素子１１４が設けられていることであ
る。

【００９６】光学シフト素子１１４は、第１素子１１４
ａと第２素子１１４ｂとから構成されており、それぞれ
が電気信号によって制御されることで、液晶表示素子１
０７から投影レンズに向かう光束を画素ピッチ１つ分の
相当量だけ、画面（紙面に垂直な面）内で上下方向また
は左右方向にシフトさせることができる。

【００９７】例えば、時刻ｔ１において、図１１（ａ）
に示すように光学シフト素子１１４はシフト量０に制御
されている。このとき、液晶表示素子１０７はサブフレ
ーム１に対応する状態に制御され、スクリーン１１０に
は投影像Ｐ１が投影表示されている。

【００９８】次に、時刻ｔ２においては、図１１（ｂ）
に示すように液晶表示素子１０７はサブフレーム２に対
応する状態に制御され、光学シフト素子１１４はシフト
量が”１”（スクリーン１１０上におけるシフト量が１
画素分）になるように各素子１１４ａ、１１４ｂを制御
する。これにより、スクリーン１１０には投影像Ｐ２が
表示される。このとき時刻ｔ１において、投影像Ｐ１で
はＲ画素が投影されていた場所にＧ画素が投影され、Ｇ
画素が投影されていた場所にはＢ画素が投影され、Ｂ画
素が投影されていた場所にはＲ画素が投影される。すな
わち、所定の画素領域を通過した光が、時刻ｔ１におい
てスクリーン上に投影される位置と、時刻ｔ２において
スクリーン上に投影される位置とが異なる。

【００９９】さらに次の時刻ｔ３において図１１（ｃ）
に示すように液晶表示素子１０７はサブフレーム３に対
応する状態に制御され、光学シフト素子１１４はシフト
量が”２”（スクリーン１１０上におけるシフト量が２
画素分）になるように素子１１４ａ、１１４ｂを制御す
る。スクリーンには投影像Ｐ３が表示され、投影像Ｐ１
でＲ画素が投影されていた場所にＢ画素が、Ｇ画素が投
影されていた場所にＲ画素が、Ｂ画素が投影されていた
場所にＧ画素がそれぞれ表示される。

【０１００】以上、時刻ｔ１からｔ３の間に、３つのサ
ブフレームに分割された画像を表示することで、スクリ
ーン上では全ての画素位置においてＲＧＢがそれぞれ１
回ずつ表示される。サブフレーム表示とシフトの切り替
え周期を映像源の画像フレームの２倍〜３倍と早く行な
えば、結果として人間の目には３板式と同様、１画素毎
にＲＧＢのカラー表示能力を持ったＸＧＡ解像度の投影
画像として映る。即ち本実施形態では、単板式で３板式
と同様のフルカラーの投影画像を実現できるので３板式
と比較して低コスト化が実現できる。

【０１０１】[実施形態３]以下、図１２および図３を参
照しながら、本発明の実施形態３にかかる画像表示装置
を説明する。なお、説明の便宜上、実施形態１と同様の
機能を有する部材には同一の番号を付記し、その説明は
省略する。

【０１０２】本実施形態に係る投影型カラー画像表示装
置が実施形態１の画像表示装置と異なる点は、マイクロ
レンズアレイに代えて、各々が集光機能を有するホログ
ラム素子のアレイを用いる点である。図１または図２に
示した実施形態１にかかる表示装置と比べればわかるよ
うに、図１２に示す本実施形態の投影型画像表示装置
は、マイクロレンズアレイ１０５’（図１参照）を備え
ておらず、色分離機能を有する面状ホログラム素子２０
１（図２参照）とは機能の異なるホログラム素子アレイ
２０２を液晶表示素子１０７の入射側に有している。

【０１０３】このホログラム素子アレイ２０２は、光源
部１０からの白色光束を回折し、色分離を行なうととも
に、液晶表示素子１０７の各Ｒ、Ｇ、Ｂ画素のそれぞれ
に、対応する色の光を集光させることができる。すなわ
ち、ホログラム素子アレイ２０２は、面状ホログラム素
子２０１の色分離機能とマイクロレンズアレイ１０５’
の集光機能とを併せ持っている。

【０１０４】面状ホログラム素子２０１では面内でＲ，
Ｇ，Ｂ各光束の回折角度が一定であるのに対し、ホログ
ラム素子アレイ２０２では、それぞれが所定の光学作用
を示す複数のホログラム素子が設けられており、各ホロ
グラム素子は、ホログラム素子内の位置に応じて各光の
回折角度を変化させる。具体的には、素子の中央部は回
折角度が比較的小さく、素子の周縁に向かうにつれて回
折角度が大きくなるように回折角度を変化させる。これ
によって各ホログラム素子が集光機能を持つ。さらに、
ホログラム素子のそれぞれは、面状ホログラム素子２０
１と同様に、入射された白色光を色分離して出射させる
ことができる。

【０１０５】ここでいうホログラム素子とは、ホログラ
ム素子アレイにおいて規定される、上述のような集光作
用を示し得る複数の部分（領域）を意味している。これ
らは、同一平面内に規定されている。各ホログラム素子
の形状は、上記複数の部分（領域）の形状に対応してい
る。すなわち、ホログラム素子アレイにおける、上記集
光作用を持つ複数の領域のそれぞれの形状を各ホログラ
ム素子の形状と呼んでいる。なお、このようなホログラ
ム素子アレイ２０２は、例えば特開平８−１９００９２
号公報に開示されている方法等を利用して作製すること
ができる。

【０１０６】各ホログラム素子の形状は、実施形態１の
マイクロレンズアレイ１０５’と同様に、集光先のＲ、
Ｇ、Ｂ画素の並ぶ方向に対して垂直な方向に長い長方形
をなしている。つまり、ホログラム素子の形状と配列は
図３のマイクロレンズ１０６ｃのそれと同様である。こ
のようなホログラム素子を介して液晶表示素子１０７を
通過した後のＲ，Ｇ、Ｂの各光束の進み方も、実施形態
１の場合と同様のものとなる。本実施形態においても、
投影レンズ１０９の瞳面全体を利用可能とすることがで
きるので、明るい投影画面を実現することができる。

【０１０７】また、本実施形態においても、実施形態２
に示したように液晶表示素子１０７の出射側に光学シフ
ト素子１１４を設ければ、明るく、しかも解像度を向上
させた画像表示装置を実現することが可能である。

【０１０８】以上、本発明の実施形態を説明したが、実
施形態１から３において、ＲＧＢの各光束の入射角度は
必ずしもＲ光がパネル面に対して垂直である必要はな
く、Ｇ光またはＢ光の光束を垂直にし、残り２つの光束
を所定の入射角±θ°でそれぞれ入射させるようにして
も良い。この場合、所定の色に対応する画素に対してそ
の色の集束光が入射されるように、マイクロレンズと画
素との配置関係を適宜変更すれば良い。

【０１０９】また、本発明の表示装置は、３色の光を用
いて画像表示を行なうものに限られず、波長域の異なる
複数の光束を変調して画像の表示を行なう種々の表示装
置であり得る。例えば、図１３（ａ）に示すように、Ｃ
１およびＣ２の２色の光を用いる場合、画素領域１５０
と光学素子（例えば、マイクロレンズ）１０６ｄとを図
示するように配置させ、光Ｃ１および光Ｃ２を、光学素
子の短辺方向に対応する方位において入射角が異なるよ
うに入射させれば良い。この場合、図１３（ｂ）に示す
ように、投影レンズの入射瞳１１３において、レンズの
形状に対応した縦長の光Ｃ１およびＣ２が入射されるた
め、入射瞳１１３の全体を効果的に利用することができ
る。これにより、より明るい投影画像を得ることができ
る。なお、光学素子の短辺方向における長さは、好まし
くは画素ピッチの１倍であり、光学素子の短辺方向に直
交する方向（長辺方向）における長さは、好ましくは画
素ピッチの２倍以上である。

【０１１０】また、以上には、光の入射する面とは反対
側の面から変調された光が出射される、いわゆる「透過
型」の表示素子（液晶表示素子１０７）を用いた例を示
したが、これに代えて、入射する面と同じ側に光を反射
する「反射型」の表示素子を用いることもできる。

【０１１１】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、単板式の
投影型カラー画像表示装置であっても投影レンズを有効
に使うことで明るい投影画像を得ることが出来る。本発
明の表示装置は、コンパクトな投影型カラー液晶テレビ
ジョンシステムや情報表示システムに用いられる投影型
カラー画像表示装置として好適に用いられる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１に係る投影型カラー画像表
示装置の概略構成図である。

【図２】本発明の実施形態１に係る投影型カラー画像表
示装置の変形例を示す概略構成図である。

【図３】図１に示す投影型カラー画像表示装置に備えら
れたマイクロレンズと液晶表示素子の画素領域との対応
関係を示す平面図である。

【図４】実施形態１にかかる画像表示装置の構成要素を
簡略化して示す斜視図である。

【図５】図４に示すＳｘ面に対応する図である。

【図６】図４に示すＳｙ面に対応する図である。

【図７】図１に示す投影型カラー画像表示装置に備えら
れた投影レンズの入射瞳における光の分布状態の説明図
である。

【図８】図１に示す投影型カラー画像表示装置に備えら
れたマイクロレンズアレイの斜視図である。

【図９】本実施形態のマイクロレンズアレイの製造工程
を示す図であり、（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ別の工程を
示す。

【図１０】本発明の実施形態２に係る投影型カラー画像
表示装置の概略構成図である。

【図１１】図１０に示す投影型カラー画像表示装置での
画像表示を説明する図である。

【図１２】本発明の実施形態３にかかる投影型カラー画
像表示装置の概略構成図である。

【図１３】本発明の別の実施形態の画像表示装置を説明
するための図であり、（ａ）は画素領域とマイクロレン
ズとの配置関係を示し、（ｂ）は投影レンズにおける入
射瞳を示す。

【図１４】従来の投影型カラー画像表示装置の概略構成
図である。

【図１５】図１４に示す投影型カラー画像表示装置に備
えられている液晶表示素子近傍での集光状態を示す断面
図である。

【図１６】従来の他の投影型カラー画像表示装置に備え
られたマイクロレンズと液晶表示素子の画素との対応関
係を示す平面図である。

【図１７】従来の投影型カラー画像表示装置に備えられ
たマイクロレンズと液晶表示素子の画素との対応関係を
示す平面図である。

【図１８】図１６に示すマイクロレンズと液晶表示素子
の画素領域との関係を有する投影型カラー画像表示装置
に備えられた投影レンズにおける、光の分布状態の説明
図である。

【図１９】図１７に示すマイクロレンズと液晶表示素子
の画素領域との関係を有する投影型カラー画像表示装置
に備えられた投影レンズにおける、光の分布状態の説明
図である。

【符号の説明】

１０１白色光源１０２球面鏡１０３コンデンサーレンズ１０４Ｒ，Ｇ，Ｂダイクロイックミラー１０５、１０５’ マイクロレンズアレイ１０６ａ，ｂ，ｃマイクロレンズ１０７液晶表示素子１０７ａ、１０７ｂ透明基板１０７ｃ液晶層１０８フィールドレンズ１０９投影レンズ(投影光学系）１１０スクリーン１１１ブラックマトリクス（ＢＭ）１１２画素開口部１１３投影レンズの入射瞳１１４ａ，ｂ光学シフト部材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｇ０３Ｂ 21/14 Ｇ０３Ｂ 21/14 ＺＨ０４Ｎ 9/31 Ｈ０４Ｎ 9/31 ＣＦターム(参考） 2H088 EA12 EA13 EA15 EA18 EA23 EA44 EA46 EA48 EA49 HA10 HA11 HA13 HA25 KA04 KA30 MA16 MA20 2H091 FA05Z FA19Z FA29Z FA41Z FB04 FC10 FC23 FD02 FD06 FD07 FD12 FD21 FD22 FD24 LA09 LA11 LA12 LA15 LA30 MA07 5C060 BC01 GA01 GB06 HC07 HC16 HC24 JB06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】異なる波長域の光を含む光を出射する光
源と、それぞれが独立して光を変調することができる複数の画
素と、前記光源からの光を受け、前記複数の画素へ光を出射す
る第１の光学系と、前記複数の画素で変調された光を投影面上に照射するこ
とによって前記投影面上に画像を形成する第２の光学系
とを備える投影型画像表示装置であって、前記第１の光学系は、前記複数の画素が規定されるパネ
ル面の面内における所定の方位において、前記異なる波
長域の光を、前記波長域に応じて、前記複数の画素のう
ち互いに異なる画素に集光させる光学素子を有し、前記光学素子は、前記所定の方位によって規定される第
１の方向において第１の長さを有し、前記第１の方向と
実質的に直交する第２の方向において前記第１の長さよ
りも長い第２の長さを有し、かつ、前記第１の方向およ
び第２の方向において集光する投影型画像表示装置。
【請求項２】前記第１の光学系は、前記光源からの光
を波長域の異なる複数の光束に分離する光分離素子を有
し、前記複数の光束は、前記所定の方位においてそれぞれ異
なる入射角度で前記光学素子に入射される請求項１に記
載の投影型画像表示装置。
【請求項３】前記光学素子は、異なる入射角度で入射
された前記複数の光束を、前記複数の画素のうちの前記
互いに異なる画素に集光させるレンズである請求項２に
記載の投影型画像表示装置。
【請求項４】前記光学素子は、前記光源からの光を、
前記所定の方位において、異なる波長域を有する複数の
光束に分離することができる請求項１に記載の投影型画
像表示装置。
【請求項５】前記光学素子は、ホログラム素子から形
成されている請求項４に記載の投影型画像表示装置。
【請求項６】前記第２の長さは、前記第２の方向にお
ける画素の配列ピッチの２倍以上の長さである請求項１
から５のいずれかに記載の投影型画像表示装置。
【請求項７】前記光学素子は、３色の光を前記複数の
画素のうちの対応する３つの画素のそれぞれに集光させ
る請求項１から６のいずれかに記載の投影型画像表示装
置。
【請求項８】前記第１の長さは、前記第１の方向にお
ける画素の配列ピッチの１倍の長さに対応しており、か
つ、前記第２の長さは、前記第２の方向における画素領
域の配列ピッチの３倍の長さに対応している請求項７に
記載の投影型画像表示装置。
【請求項９】前記光学素子は、前記３色の光を、前記
第１の方向において連続する３つの画素領域のそれぞれ
に集光させる請求項７または８に記載の投影型画像表示
装置。
【請求項１０】前記第１の光学系は、互いに隣接する
複数の前記光学素子を有し、前記複数の光学素子のうち
前記第１の方向において隣接する光学素子は、前記第１
の方向において光学素子同士がずれた位置関係を有する
請求項１から９のいずれかに記載の投影型画像表示装
置。
【請求項１１】前記隣接する光学素子同士は、前記２
の方向において画素ピッチの整数倍だけずれている請求
項１０に記載の投影型画像表示装置。
【請求項１２】前記第２の方向において隣接する光学
素子は、前記第２の方向において光学素子同士が整列し
た位置関係を有する請求項１０または１１に記載の投影
型画像表示装置。
【請求項１３】前記複数の画素のそれぞれは、液晶層
を含む表示パネルにおいて規定されている請求項１から
１１のいずれかに記載の投影型画像表示装置。
【請求項１４】３色の色光を含む光を出射する光源
と、それぞれが独立して光を変調することができる複数の画
素と、前記光源からの光を受け、前記複数の画素へ光を出射す
る第１の光学系と、前記複数の画素で変調された光を投影面上に照射するこ
とによって前記投影面上に画像を形成する第２の光学系
とを備える投影型画像表示装置であって、前記第１の光学系は、前記複数の画素が規定されるパネ
ル面の面内における所定の方位において、前記３色の色
光を含む光を、色毎に、前記複数の画素のうち互いに異
なる画素に集光させる光学素子を有し、前記光学素子は、前記所定の方位によって規定される第
１の方向において、画素の配列ピッチの略１倍に対応す
る長さを有し、かつ、前記第１の方向および前記第１の
方向に実質的に垂直な第２の方向において光を集光する
ことができ、前記光学素子は、前記３色の色光のそれぞれを、前記第
１の方向において連続する３つの画素のそれぞれに集光
する投影型画像表示装置。
【請求項１５】前記第２の光学系は、前記画素を通過
した光を、時間に応じて前記投影面上の異なる位置に投
影させることによって、前記投影面上に形成された画像
をシフトさせるシフト素子を備える請求項１〜１４のい
ずれかに記載の投影型画像表示装置。
【請求項１６】基板上にレジストを形成する工程と、
前記レンズの形状に応じて前記レジストの露光強度を変
化させる露光工程と包含する製造法で製作した前記レン
ズを備える請求項３に記載の投影型画像表示装置。