JPH03136004A - 画像表示装置 - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】 く産業上の利用分野〉 本発明は、複数の絵素を有する液晶表示パネル等の透過
型表示パネルへの照明光を絵素領域に集光して表示を明
るくするための集光手段として好適な屈折率分布型平板
マイクロレンズアレイを備えた画像表示装置に関する。

〈従来の技術〉 このような投影型の液晶表示装置において使用される液
晶表示パネルは、絵素と呼ばれる最小の表示単位が規則
的に配列されており、それらの絵素にそれぞれ独立した
駆動電圧を印加し、各絵素を構成する液晶の光学特性を
変化させることによって画像や文字が表示される。

各絵素に独立した駆動電圧を印加する方法には、単純マ
トリックス方式およびＭＩＭ（メタル・インシュレータ
・メタル）等の非線形２端子素子や薄膜トランジスタ等
の３端子スイツチング素子を各絵素に設けたアクティブ
マトリックス方式がある。

アクティブマトリックス方式では、各絵素に独立した駆
動電圧を印加するために、各絵素に薄膜トランジスター
またはＭＩＭなどの素子を設け、それらに駆動信号を供
給するラインを絵素と絵素の間に配線しなければならな
い。そのため、画面中の絵素領域の占める割合（開口率
）が小さくなる。

パネルに照射された光の中で、絵素領域以外の領域に入
射した光は、薄膜トランジスタや信号線あるいは必要に
応じて設けられた遮光マスクにより吸収または反射され
、スクリーンに到達しない。

従って、液晶表示パネルが同じ照度で照明された場合、
液晶表示パネルの開口率が低い程、画面が暗くなる。こ
のような状況は、液晶表示パネルを直視する場合でも、
投影レンズによって拡大投影する場合でも同様である。

このような液晶表示パネルの開口率が低いために画面が
暗くなるという問題を解決する手段として、特開昭６０
−１６５６２１−１６５６２４には、マイクロレンズア
レイを表示パネルの光源側に設け、照明光をそれぞれの
絵素領域に集光して照明光の利用率の向上を図る方法が
開示されている。中でも特開昭６０−１６５６２１では
表示パネルの基板に屈折率分布領域を形成する事が開示
されているが、実施例では凹レンズ効果を有する屈折率
分布が図示されている。また、特開昭６０２６２１３１
には液晶表示パネルの両側にマイクロレンズアレイを設
けることが開示されている。

第３図は、このように液晶表示パネルへの照射光の集光
手段として従来使用されていた屈折率分布型平板マイク
ロレンズアレイを示している。

この平板マイクロレンズアレイは、第３図に示すように
、隣接するマイクロレンズ１１１同士が接触しないよう
に拡散法の一つであるイオン交換法により作製されたも
ので、屈折率分布領域の断面形状はほぼ半球状に形成さ
れている。従って、隣合うマイクロレンズ１１１の拡散
フロントと呼ばれるイオン種拡散領域の最前線１１２は
分離さ・れている。

このように各マイクロレンズｉｌｌの境界である拡散フ
ロント１１２を互いに分離するのは、良好なレンズ効果
を得るために必要な、屈折率分布・形状の光軸に対する
回転対称性が、拡散フロント１１２の融合によって損な
われ、これによって、方向性を持った収差成分が発生し
、レンズの集光特性が劣化すると考えられていたからで
ある。

〈発明が解決しようとする課題〉 しかしながら、集光手段としての上記従来の平板マイク
ロレンズアレイには次のような問題がある。

第１の問題点は、マイクロレンズ１１１の屈折率分布が
光軸に対し回転対称な略半球形状であっても、半径方向
の分布が不適当であれば、球面収差が発生し、レンズの
集光特性に悪影響を及ぼすという問題である。

これについて、本件発明者等が実験検討を重ねた結果、
一般にイオン交換法で平板マイクロレンズアレイを作製
する場合には、拡散フロント１１２近傍での屈折率分布
の勾配が大きく、このため、マイクロレンズ１２の周辺
領域に入射する光軸が過度に屈折してしまい、球面収差
の原因になっていることが見出された。

第２の問題点は、隣合うマイクロレンズ１１１同士が接
触しないように配列するため、マイクロレンズ１１１の
充填率つまりマイクロレンズアレイ基板１０１の全面積
に対するマイクロレンズ１１１の占有面積の比をある限
界以上には高くできないという点である。ちなみに、こ
の限界となる充填率は、円形のマイクロレンズが正方格
子状に配列される場合にはπ／４″、７８．５％、六方
稠密格子状に配列される場合にはπ／２ｒ３勺９０゜６
％となるが、実際には、マイクロレンズ配列を表示パネ
ルの絵素配列に合わせなければならないので、充填率は
これよりも小さくなる。マイクロレンズ相互の隙間は、
イオン未拡散領域なので屈折作用を持たず、この領域に
入射した光はそのまま直進し、集光効果に寄与しない。

このように、上記従来の平板マイクロレンズアレイは集
光性という点で問題があり、この平板マイクロレンズア
レイを用いた従来の投影型の画像表示装置においては、
表示画面の暗さは十分に改善されなかった。

そこで、本発明は、透過型の表示パネルに対する平板マ
イクロレンズアレイの集光効果を高めて、照明光の利用
率が高く、明るい表面画面を得ることのできる画像表示
装置を提供することを目的としている。

〈課題を解決するための手段〉 上記目的を達成するために、本発明の画像表示装置は、
複数の絵素を有する表示パネルと、上記複数の絵素の夫
々に対して照明光を集束させる複数のマイクロレンズを
基板に拡散法で形成してなる屈折率分布型平板マイクロ
レンズアレイとを備えた画像表示装置において、上記平
板マイクロレンズアレイの隣り合うマイクロレンズの拡
散フロントが互いに融合して、上記基板の内部で一続き
の曲面を形成していることを特徴としている。

なお、上記一続きの曲面の形状は、表示パネルの絵素ピ
ッチや絵素開口部に適したものとするのが望ましい。

〈作用〉 隣り合うマイクロレンズの拡散フロントが互いに融合す
るように形成することによって、各マイクロレンズの周
辺部での屈折率分布の勾配が小さくなるので、従来、マ
イクロレンズ周辺部での過度の屈折によって発生してい
た球面収差による悪影響が低減される。さらに、マイク
ロレンズ間の非レンズ領域がなくなって、マイクロレン
ズの基板に対する充填率カ月ＯＯ％に近い値となり、集
光効果が向上する。

なお、後述のように、隣り合うマイクロレンズ同士の部
分融合によって屈折率分布の回転対称性は損なわれるが
、レンズの集光特性にはほとんど悪影響を及ぼさないこ
とが本件発明者による実験の結果により明らかになった
。

したがって、光源からの照明光は、平板マイクロレンズ
アレイにより効果的に収束されて、表示パネルの絵素領
域を集中的４こ照射するので、従来の投影型画像表示装
置と比較して、明るい画像が得られる。

〈実施例〉 以下、本発明を図示の実施例に上り詳細に説明する。

第１図は本発明の一実施例である投影型画像表示装置の
模式図、第２図は第１図の投影型画像表示装置に使用さ
れた平板マイクロレンズアレイの鳥かん図である。

第１図において、ｌは第２図に示すように複数のマイク
ロレンズ１１を基板１０に形成してなる平板マイクロレ
ンズアレイ、２は複数の絵素領域２ｂを有する液晶表示
パネル、３はハロゲンランプ、メタルハライドランプ、
またはキセノンランプ等からなる白色光源、４は上記光
源３から出射された光を上記液晶表示パネル２に向かう
ように反射させる反射鏡、５はコンデンサレンズ、６は
投影レンズ、７は投影スクリーンである。

第１図に示した本実施例の投影型画像表示装置は、光源
３から発した光を、反射鏡４およびコンデンサレンズ５
により投影レンズ６に向かうように集光して、スクリー
ン７に投影するもので、コンデンサレンズ５を通過した
光束は平板マイクロレンズアレイｌにより収束され、液
晶表示パネル２の絵素領域２ｂを透過し、液晶層に印加
された画像信号電圧に応じて強度変調を受け、その後、
投影レンズ６によりスクリーン７に投影される。

上記液晶表示パネル２は、表示画面の対角線が７５ｍｍ
、絵素ピッチか縦１９０μｍｘ横１６１μｍ。

絵素領域が縦８８μＩ×横１０４μｌ、開口率が３０％
、基板の屈折率ｎが１．５３、基板２ａの厚さがＬ　、
　ｌ　ｇｕｔという構成である。本実施例において、液
晶の動作モードはツィステッド・ネマティックを用いて
いるが、他のモードを用いることもできる。

多くの液晶の動作モードでは図示しない偏光板を併用す
ることが必要になる。偏光板は液晶表示パネルに直接貼
り合わせることもできるが、高輝度の光源を用いる場合
には、偏光板の光吸収に伴う温度上昇が液晶の動作特性
に影響を与えるので、液晶表示パネルに直接貼り合わせ
ない方がよい。

偏光板を設置する位置は、液晶表示パネルとの間に偏光
特性を変化させるものが入らなければ、どこでも差し支
えない。例えば、平板マイクロレンズアレイが液晶表示
パネルと偏光板の間に挿入されても支障はない。

次に、上記平板マイクロレンズアレイｌについて第２図
、第４図に従って詳細に説明する。ここで、第４図（ａ
）はこの平板マイクロレンズアレイ１の一部をレンズ基
板ｌＯに垂直な方向から見た模式図、第４図（ｂ）は第
４図（ａ）のｘ−ｘ’線断面図である。

平板マイクロレンズアレイ１におけるマイクロレンズｌ
’ｌのピッチは、上記液晶表示パネル２の絵素ピッチ（
縦１９０μ肩×横１６１μＩＩＩ）に対応し、焦点距離
は、液晶表示パネル２の基板２ａの厚さに等しい（空気
中では、１．１／１．５３＃ｏ、７２ＩＩ贋である。）
。

上記マイクロレンズ！１は、次に説明するようにイオン
交換法によって作製されたものである。

まず、ガラス基板ｌＯの表面にＡ（２，Ｔｉ、Ｎｉある
いはＣｒ等からなる金属薄膜をスパッタ法等の周知の薄
膜形成技術で形成する。次に、液晶表示パネル２の絵素
配列と対応した配置の微小開口窓を前記金属薄膜に周知
のフォトリソグラフィ技術により形成し、金属マスクと
する。このガラス基板ｌＯをガラス基板内部に含まれる
イオン（以下、第１のイオンと呼ぶ）よりも屈折率の高
いイオン（以下、第２のイオンと呼ぶ）を含む溶液中に
所定の時間浸す。これにより、金属マスク開口窓を通し
てイオンの交換が行なわれ、その結果、金属マスク開口
窓の近傍から周囲に向かって屈折率が徐々に低くなる略
半球状の屈折率分布型のマイクロレンズ１１が形成され
るのである。

このとき、イオン交換時間などを適当に設定することに
より、第２のイオン種が拡散して行く各領域つまり各マ
イクロレンズ１１の最前線である拡散フロント１２を互
いに融合するようにしている。

本実施例の如く液晶表示パネルの絵素ピッチが縦１９０
μ貢×横１６１μ肩である場合には、各マイクロレンズ
１１の拡散フロント１２を直径的２２４μｌとすること
により、第４図（ａ）に示されるようなガラス基板１０
全面にわたりイオンの未拡散領域のない平板マイクロレ
ンズアレイｌが作製できる。

第４図（ｂ）は、第４図（ａ）のｘ−ｘ’断面における
屈折率の様子と光線の集束される様子を示したものであ
る。この図かられかるように、各マイクロレンズ１１の
拡散フロント１２が融合したことにより、レンズアレイ
全面にわたる拡散フロント１２は基板１０内部で一続き
の曲面を形成する。

この結果、各マイクロレンズの屈折率分布（１３は等屈
折率線を表す。）は、各マイクロレンズｌｌの周辺部で
屈折率勾配が小さくなり、マイクロレンズ周辺部を通る
光線は過度に屈折して曲げられることなく、すべての光
線１４が良好にほぼ一点に集光するようになった。

なお、隣接するマイクロレンズとの拡散フロントの融合
領域の形状は、各マイクロレンズ１１の光軸に対し回転
対称ではないが、集光に対してさほど悪影響せず、各マ
イクロレンズ１１は、第４図（ａ）の点線で示される六
角形の領域（第２図の鳥かん図に示されたマイクロレン
ズ１１の形状はこの領域の形状に対応する。）中に入射
する光線を良好にほぼ一点に集光させるように機能する
ことがわかった。

このように優れた集光特性を有する平板マイクロレンズ
アレイｌは、各マイクロレンズ１１を液晶表示パネル２
の各絵素領域２ｂの位置に対応づけて、屈折率が液晶表
示パネルの透明基板の屈折率とほぼ等しい透明な光学用
の接着剤で貼り合わすことにより、第１図に示した状態
に設置されるのである。

なお、本実施例の投影型画像表示装置に使用する上記平
板マイクロレンズアレイ１の比較対象として、隣接する
マイクロレンズの拡散フロント同士が接するのみで互い
に融合しないレンズ径１６１μｌの従来型の平板マイク
ロレンズアレイを作製した。この従来型の平板マイクロ
レンズアレイの平面図および断面図を第５図（ａ）　（
ｂ）にそれぞれ示す。これらの図においては、便宜上第
４図に使用したのと同じ参照番号を用いている。

拡散フロントが横方向に互いに接するのみで融合しない
平板マイクロレンズアレイの場合、第５図（ｂ）に示す
ように、各マイクロレンズｌｌの周辺部に入射する光線
！４は、周辺部の屈折率勾配が大きすぎるため過度に屈
折され、各光線の集光位置がレンズ中心部と周辺部とで
は大きくずれてしまい、大きな球面収差が生じる結果と
なった。

この結果は隣り合う拡散フロントが接することなく分離
していた上記従来の平板マイクロレンズアレイと同様で
あった。

本実施例の投影型画像表示装置によって表示される画像
の輝度を調べたところ、同じ平板マイクロレンズアレイ
１を用いない場合に比べて、約２゜５倍であった。一方
、比較のために作成した従来の構造を有する平板マイク
ロレンズアレイを用いた場合には、それを使用しない場
合に比べて、表示画像の輝度は約１．８倍であった。

また、平板マイクロレンズアレイｌを白色の平行光線で
照明したときの集光スポットを顕微鏡で観察したところ
、従来の平板マイクロレンズアレイでは、集光スポット
の大きさが最小になるところに顕微鏡のピントを合わせ
ると、マイクロレンズの周辺部の収差による色付いたハ
ローが集光スポットの回りに観察されたが、本実施例に
おいて使用された平板マイクロレンズアレイｌでは、集
光スポットの形状は円みを帯びた六角形であったが、そ
の回りにはハローは観察されなかった。

ところで、本実施例では、平板マイクロレンズアレイ１
をマイクロレンズ１１相互間の隙間がなくなるように形
成したが、このようにマイクロレンズ相互間の間隙が皆
無の状態となるように平板マイクロレンズアレイを作製
した場合、液晶表示パネルの各絵素の配列の仕方によっ
ては、各マイクロレンズの拡散フロントの融合する領域
の面積が方向によって著しく異なり、これにより集光ス
ポットの形状が多少部れることがある。このような場合
は、各マイクロレンズの間に若干の隙間を設けて拡散フ
ロントの融合する領域を少し小さ目にした方が集光効果
を良くすることがある。このような場合でも、各マイク
ロレンズの融合領域を設けることにより、各マイクロレ
ンズ周辺部に起因する球面収差を低減させ、また、マイ
クロレンズアレイ全面に対するマイクロレンズの占有面
積を上げ、集光効果、照明光の利用率を高めようとする
本発明の主旨に変わりはない。

なお、本実施例では、ケーラー照明の場合を示したが、
他の照明法、例えばクリティカル照明やテレセントリッ
ク系にも適用することができる。

また、本実施例の投影型画像表示装置は液晶表示パネル
を１枚のみ用いる方式のものであったが、本発明は、３
枚の液晶表示パネルを用い、それぞれに３原色の画像を
表示し、それらを光学的に合成してカラー画像を得る方
式にも適用できることは言うまでもない。さらに、表示
パネルは液晶表示パネルに限らず、透過型の表示パネル
であればよい。

また、上記平板マイクロレンズアレイ１はイオン交換法
によって作製したが、モノマー拡散共重合法、つまり、
第１のモノマーを半重合さ仕た透明基板を準備し、その
表面に形成すべきマイクロレンズの配列に対応した多数
の開口部を設けた分子透過防止マスクを設け、その分子
透過防止マスクの開口部を通して、基板中に第２のモノ
マーを拡散させた後重合を完結させる方法によって作製
してもよい。

また、本実施例では平板マイクロレンズアレイを半球状
のマイクロレンズによって形成したが、マイクロレンズ
アレイはレンチキュラーレンズやフレネルレンズを形成
するものであってもよい。

なお、マイクロレンズの形状は表示パネルの絵素配列や
絵素開口部の形状によって決定されるのが望ましい。

〈発明の効果〉 以上より明らかなように、本発明によれば、隣り合うマ
イクロレンズの拡散フロントが互いに融合して、一続き
の曲面をなすので、従来においては平板マイクロレンズ
アレイの各マイクロレンズ周辺部の過度の屈折によって
発生していた球面収差を低減させると共に、平板マイク
ロレンズアレイの基板全面に対するマイクロレンズの占
有面積を１００％近くまで上げることができ、表示パネ
ルに入射される照明光を無駄なく絵素領域に集光して有
効に利用でき、明るい投影画像を得ることかできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である投影型画像表示装置の
模式図、 第２図は第１図の投影型画像表示装置に使用された平板
マイクロレンズアレイの鳥かん図、第３図は従来の平板
マイクロレンズアレイの鳥かん図、 第４図（ａ）は本実施例において使用された上記平板マ
イクロレンズアレイの模式平面図、第４図（ｂ）は第４
図（ａ）のｘ−ｘ’線断面図、第５図（ａ）は第４図に
示した平板マイクロレンズアレイの比較対象として作製
された従来型の平板マイクロレンズの模式平面図、第５
図（ｂ）は第５図（ａ）のｘ−ｘ’線断面図である。 ｌ・・・平板マイクロレンズアレイ ２・・・液晶表示パネル ２ａ・・・液晶表示パネルの基板 ２ｂ・・・絵素領域 ２ｃ・・・遮光領域 ３・・・光源 ４・・・反射鏡 ５・・・コンデンサレンズ ６・・・投影レンズ ７・・・投影スクリーン ０・・・平板マイクロレンズアレイの基板１・・・マイ
クロレンズ ２・・・拡散フロント ３・・・等屈折率線 ４・・・光線

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）複数の絵素を有する表示パネルと、上記複数の絵
   素の夫々に対して照明光を集束させる複数のマイクロレ
   ンズを基板に拡散法で形成してなる屈折率分布型平板マ
   イクロレンズアレイとを備えた画像表示装置において、 上記平板マイクロレンズアレイの隣り合うマイクロレン
   ズの拡散フロントが互いに融合して、上記基板の内部で
   一続きの曲面を形成していることを特徴とする画像表示
   装置。