JPH09251162A - 集光素子付画像表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 画像を表示し、かつ、その画像信号を表わす
各画素に光を透過させることのできない部分を有する画
像表示装置において、実効開口率と出射角度を独立して
決定させる構造にして実効開口率を高め、出射角度を小
さくすることを目的とする。 【解決手段】 遮光層６の上に表面に反射面を有する断
面形状が三角形のマイクロミラー１７を形成する。入射
光１０，１１は、直接または、マイクロミラー１７で反
射された後、開口部８に入射される。このとき、実効開
口率Ｅと出射角度ψは、独立して設計できるので、シス
テムに最適な集光素子付画像表示装置を実現できる。さ
らに、断面形状を台形にして作製を容易にしたり、反射
後に光が屈折する構造にすることによりさらに小さい出
射角度を得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、画像を表示し、か
つ、その画像信号を表わす各画素に光を透過させること
のできない部分を有する液晶パネル等の集光素子付画像
表示装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、ビデオテープやレーザディスクの
発展により、家庭で簡単に映画を見ることができるよう
になった。さらに、高画質なハイビジョン放送の本格的
運用やＤＶＤ等新メディアの出現により、従来より大型
画面（５０−１００型）で映像を楽しみたい要望が高ま
ってきた。その要望を満たすため、これまで、ＣＲＴを
用いたリアテレビが実現されてきたが、地磁気によるコ
ンバージェンス調整の問題により、液晶プロジェクタを
用いたリアテレビが近年急速に市場を拡大している。

【０００３】一方、パーソナルコンピュータの普及に伴
い、従来のオーバーヘッドプロジェクタを用いたプレゼ
ンテーションとは異なるプレゼンテーションが最近増え
ている。例えば企業の会議室等で、パーソナルコンピュ
ータに直接プロジェクタを接続し、パーソナルコンピュ
ータの画像を直接拡大投写することにより、リアルタイ
ムで画像を変化させ、会議を進行させるものである。こ
のような場合、小型軽量で調整が少ないフロント型液晶
プロジェクタが最適であり、コンピュータと接続可能な
表示モード（ＶＧＡ、ＳＶＧＡ、ＸＧＡ等）を有する液
晶プロジェクタの要望が非常に高まっている。

【０００４】これらの液晶パネルは、ほとんどの場合、
透過型構造が用いられており、その重要な性能は明るさ
である。これは、一般家庭、企業会議室においては、あ
る程度の照明のもとでこの映像をみるためである。液晶
プロジェクタの構造の中で、明るさを低下させる最大要
因は液晶パネル自体である。液晶パネルは透過率が１０
−２０％しかなく、光の利用効率が極めて低い。その要
因は、液晶パネルに光が通過できない部分や光による誤
動作防止用に遮光している部分があるため、液晶パネル
１画素の面積に対して、光が透過する部分の面積が占め
る割合（開口率）が３０−５０％しかないことにある。
そこで従来、例えば、JAPAN DISPLAY '92 Digest(p.87
5)に示すように光を集める集光素子（マイクロレンズ）
をパネル内に集積する手法が用いられてきた。

【０００５】ここで、その構造を図４を用いて簡単に説
明する。この構造はガラス基板１とガラス基板９の間に
挟まれた間隙に液晶４が存在し、ガラス基板１の液晶４
側の表面には、例えば、薄膜トランジスタ、保持容量お
よび配線等の回路構成部品２や透明電極３が形成されて
いる。さらに回路構成部品２の誤動作やコントラストの
低下を防ぐため、ガラス基板９の回路構成部品２に対向
する位置に遮光層６が設けられ、さらに、ガラス基板９
の液晶４側に透明電極５が形成され、遮光層６の上側に
マイクロレンズ１６が形成されたものである。もし、マ
イクロレンズ１６がなければ、入射した光の一部は遮光
層６で遮られ、各画素の光を透過させることのできる開
口部８を通過する光は少ない。しかしながら、マイクロ
レンズ１６を形成することにより、入射光７は絞られる
ので、遮光層６に遮られることなく開口部８を通過し、
光の損失を防ぐことができる。したがって、この液晶パ
ネルの入射光７からみた開口率（実効開口率）は、実際
の開口率より高くなる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】図４において、マイク
ロレンズ１６は、入射光７を絞り込む機能を有する。入
射光が平行光である場合、絞り込んだスポットサイズ
は、光の波長程度になり、一般に開口部８より十分小さ
く入射光は開口部８を通過する。しかしながら、入射光
を平行にするために他の光学素子（照明系レンズ等）に
よる光の損失が非常に大きくなるため、プロジェクタ全
体としては明るくならない。このため、一般には入射光
は、ある角度広がりをもって入射される。このとき、ス
ポットサイズは大きくなってしまい、簡単な幾何光学的
考察から、スポットサイズ（直径Ｄ）は以下の式で表わ
される。

【０００７】 Ｄ＝２・ｆ・ｔａｎ（θ）………………式１ ここで、ｆはマイクロレンズの焦点距離、θは入射光の
広がり角度である。このスポットサイズが、開口部８よ
り広いと、遮光層６で光が遮られてしまい、マイクロレ
ンズ１６の役目を果たさない。従って、スポットサイズ
を小さくするためには、焦点距離ｆの小さいマイクロレ
ンズを使う必要がある。

【０００８】一方マイクロレンズ１６によって光の進行
方向は曲げられる（マイクロレンズ中心部の曲げられる
角度は小さいが、周辺部ほど大きくなる）。その偏向後
の出射角度ψは、以下の式で表わされる。

【０００９】 ψ＝ａｒｃｔａｎ｛（Ｐ／２）／ｆ｝………………式２ ここで、Ｐはマイクロレンズの直径である。出射角度ψ
が大きくなると、パネルから出射される光が広がってし
まい、プロジェクタの投写レンズに取り込まれない分は
損失になってしまう。従って出射角度ψを小さくするた
めには、焦点距離ｆの大きいマイクロレンズを用いる必
要がある。

【００１０】以上からわかるように、従来構造のマイク
ロレンズの焦点距離は、式１と式２の相反する制約があ
るため、例えば、小型画素を用いた液晶パネル等では、
マイクロレンズによる集光効果を十分に利用できなかっ
た。

【００１１】本発明は、大きな開口率を有する画像表示
装置において、独立に実効開口率と出射角度を決定でき
る集光素子付画像表示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】本発明の集光素子付画像
表示装置においては、各画素の光を透過させることので
きない部分に向かう光の光路上に、光を反射させる凸状
の光学素子が配置され、光学素子により反射した光が、
各画素の光を透過させることのできる部分に向かわせる
ようにしたものである。

【００１３】この発明によれば、独立に実効開口率と出
射角度を決定できる集光素子を供することができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明の請求項１に記載の発明
は、光を強度変調して透過させることにより画像を表わ
し、かつ、その画像の各要素を表わす各画素に光を透過
させることのできない部分を有する画像表示装置におい
て、前記各画素の光を透過させることのできない部分に
向かう光の光路上に、光を反射させる凸状の光学素子が
配置され、前記光学素子により反射した光が、各画素の
光を透過させることのできる部分に向かうようにしたも
のであり、集光効果（実効開口率）は、入射光方向から
見た光学素子の光反射面の面積で決まり、また出射角度
は入射光方向と光反射面の成す角で決まるので、実効開
口率と出射角度を独立に決定できるという作用を有す
る。

【００１５】請求項２に記載の発明は、光を反射させる
凸状の光学素子の断面形状が三角形であるものを用いた
請求項１に記載の発明であり、断面三角形形状により実
効開口率を高めるとともに出射角度を小さくすることが
できる。

【００１６】請求項３に記載の発明は、光を反射させる
凸状の光学素子の断面形状が台形であるものを用いた請
求項１に記載の発明であり、断面形状が三角形のものよ
り実効開口率が低下するが、形状を小型にすることがで
きる。

【００１７】請求項４に記載の発明は、光が凸状光学素
子により反射した後、その光が高屈折率層から低屈折率
層に通過する請求項１に記載の発明であり、これにより
屈折を受けた光は各画素の光を透過させることのできる
部分に向かい、進行方向が変化した分出射角度を低減さ
せるという作用を有する。

【００１８】以下、本発明の実施の形態について、図１
から図３を用いて説明する。 （実施の形態１）図１は本発明の集光素子付液晶パネル
の第１の形態を示した断面構造図である。図１におい
て、光を反射させる凸状の光学素子は、入射された光を
各画素の光を透過させることのできる開口部８に導き、
かつ、その出射角度を任意に決定できるように断面が三
角形状のマイクロミラー１７により構成されている。こ
の構造は、ガラス基板１とガラス基板９の間に挟まれた
間隙に液晶４が存在し、ガラス基板１の液晶４側の表面
には、例えば、薄膜トランジスタ、保持容量および配線
等の回路構成部品２や透明電極３が形成されている。さ
らに回路構成部品２の誤動作やコントラストの低下を防
ぐため、回路構成部品２に対向するガラス基板９に遮光
層６が設けられ、さらに液晶４と接する面に透明電極５
が形成されている。さらに、遮光層６上のガラス基板９
側には、断面が三角形状のマイクロミラー１７が形成さ
れている。マイクロミラー１７は、その表面で光を反射
するもので、好ましくは、高反射率材料を、その界面に
形成することが望ましい。高反射率材料としては、アル
ミニウムやクロム等が使用できる。また、その界面を挟
む二つの材料の屈折率差による反射を用いても、マイク
ロミラーを形成することができる。さらに、マイクロミ
ラー１７の内部には、平坦化層１８が形成されている。
入射した光のうち、直接開口部８へ進む光１０は、マイ
クロミラー１７の影響を受けることなく、開口部８を通
過する。一方、入射した光のうち、遮光層６へ進む光１
１はマイクロミラー１７で反射され開口部８に到達す
る。従って、この構造では、実効開口率Ｅは以下の式で
表わされる。

【００１９】 Ｅ＝Ａ＋（１−Ａ）・Ｒ………………式３ ここで、Ａは構造で決まる開口率、Ｒはマイクロミラー
の反射率を表わす。一方、マイクロミラー１７で反射さ
れた光の出射角度ψは、以下の式で表わすことができる
（すべて、基板表面の法線方向からの角度）。

【００２０】ψ＝θ＋２・α………………式４ ここで、θは入射光の角度、αは、マイクロミラー表面
が基板法線と成す角度である。また、簡単のため、空気
とガラス基板界面の屈折効果等は表わしていないが、そ
れらを導入しても、本発明の内容は変わらない。この式
からわかるように、角度αをできるだけ小さくすること
により、出射角度ψを小さくすることができる。式３、
式４からわかるように実効開口率Ｅと、出射角度ψは独
立に調整できるので実効開口率Ｅが高く、出射角度ψの
小さいプロジェクタシステムに最適な高輝度液晶パネル
を実現することができる。

【００２１】次にマイクロミラー１７のサイズについて
考察する。マイクロミラーの高さｈは、以下の式で与え
られる。

【００２２】 ｈ＝ｗ・（１−Ａ）／｛２・ｔａｎ（α）｝………………式５ ここでｗは、画素のピッチである。従って、マイクロミ
ラー表面の角度αを小さくすると、マイクロミラーの高
さが大きくなる。しかしながら、画素が小さく開口率が
大きい場合、ｗ・（１−Ａ）が十分小さくなるので、マ
イクロミラーの高さｈは殆ど問題とならない。このた
め、本発明を適用する画像表示装置としては、高開口率
を実現できるポリシリコン画素薄膜トランジスタを用い
た液晶パネルが好ましい。

【００２３】（実施の形態２）図２は、本発明の集光素
子付液晶パネルの第２の形態を示した断面構造図であ
る。この構造は、図１と異なり、マイクロミラー１７の
断面形状の三角形の頂点が削られ台形になっているもの
である。これによりマイクロミラー１７の作製を小形で
かつ容易にすることができる。このとき、二つの台形斜
面の延長が交わる点を本来のマイクロミラー面の頂点と
定義する。Ｓ１を本来のマイクロミラーの頂点から、遮
光層６の端部までの水平距離、Ｓ２を遮光層６の端部か
ら台形斜面の上部角までの距離とし、ｋ＝Ｓ２／Ｓ１と
定義する。すなわち、ｋ＝１では、図１と同じであり、
ｋ＝０では、マイクロミラー１７がない状態である。台
形マイクロミラーの上面（水平面）で反射された光は開
口部を通過しないから、実効開口率は、 Ｅ＝Ａ＋（１−Ａ）・Ｒ・ｋ………………式６ となる。また、出射角度ψは、式４と同様である。一
方、マイクロミラーの高さｈは、 ｈ＝｛ｗ・（１−Ａ）／（２・ｔａｎ（α））｝・ｋ………………式７ で与えられる。したがって、ｋを０以上にすることによ
り、実効開口率は小さくなるが、マイクロミラーの高さ
ｈが小さくなり、作製が容易になる。

【００２４】（実施の形態３）図３は、本発明の集光素
子付液晶パネルの第３の形態を示した断面構造図であ
る。この構造は、図１に示したマイクロミラーの周囲に
マイクロミラー反射領域材料１３を設けたものである。
このマイクロミラー反射領域材料１３は、出射角度を小
さくする作用を行うもので、開口部８上面の材料１４の
屈折率より屈折率が高い材料から構成されている。マイ
クロミラー反射領域材料１３の屈折率をｎ２、開口部の
上面材料１４の屈折率をｎ１とする。入射光１２は、マ
イクロミラー１７で反射を受けた直後の出射角度は、出
射角度ψ＝θ＋２・α……（式４）となる。この光が開
口部８に到達する前に、光は開口部の上面材料１４とマ
イクロミラー反射領域材料１３の境界１５で屈折を受け
る。シュネルの法則等簡単な幾何光学により、屈折後の
出射角度δは、以下のようになる。

【００２５】 δ＝ａｒｃｃｏｓ｛ｎ２／ｎ１ｃｏｓ（θ＋２・α）｝………………式８ 従って、屈折率ｎ２をｎ１より大きく選べば、δ＜θ＋
２・αになるので、出射角度δは図１の場合の出射角度
ψより小さくすることができる。

【００２６】なお、以上の説明は、マイクロミラーを薄
膜トランジスタ、保持容量、配線等の回路構成部品２が
形成されていないガラス基板９にマイクロミラーを構成
する場合を示したが、回路構成部品２が形成されている
ガラス基板１にマイクロミラーを構成しても同様の効果
が得られる。

【００２７】また、本発明は、実施の形態として透過型
液晶画像表示装置を示したが、例えば、反射型液晶画像
表示装置やプラズマディスプレイ画像表示装置等他の画
像表示装置にも利用可能な技術である。

【００２８】

【発明の効果】本発明の集光素子付画像表示装置によれ
ば、実効開口率と出射角度を独立に設計でき、実効開口
率を高めるとともに、出射角度を小さくできるという有
利な効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の第１の形態による集光素子付画
像表示装置を示す断面図

【図２】本発明の実施の第２の形態による集光素子付画
像表示装置を示す断面図

【図３】本発明の実施の第３の形態による集光素子付画
像表示装置を示す断面図

【図４】従来の集光素子付画像表示装置を示す断面図

【符号の説明】

１，９ ガラス基板 ２ 回路構成部品 ３，５ 透明電極 ４ 液晶 ６ 遮光層 ７ 入射光 ８ 開口部 １０ 各画素の光を透過させることのできる部分に向か
う光 １１，１２ 各画素の光を透過させることのできない部
分に向かう光 １３ マイクロミラー反射領域材料 １４ 開口部上面材料 １５ マイクロミラー反射領域材料と開口部上面材料の
界面 １６ マイクロレンズ １７ マイクロミラー １８ 平坦化層

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光を強度変調して透過させることにより
   画像を表わし、かつ、その画像の各要素を表わす各画素
   に光を透過させることのできない部分を有する画像表示
   装置において、前記各画素の光を透過させることのでき
   ない部分に向かう光の光路上に、光を反射させる凸状の
   光学素子が配置され、前記光学素子により反射した光
   が、各画素の光を透過させることのできる部分に向かう
   ことを特徴とした集光素子付画像表示装置。
2. 【請求項２】 光を反射させる凸状の光学素子の断面形
   状が三角形であることを特徴とする請求項１記載の集光
   素子付画像表示装置。
3. 【請求項３】 光を反射させる凸状の光学素子の断面形
   状が台形であることを特徴とする請求項１記載の集光素
   子付画像表示装置。
4. 【請求項４】 光が凸状光学素子により反射した後、そ
   の光が高屈折率層から低屈折率層に通過することを特徴
   とする請求項１記載の集光素子付画像表示装置。