JPH09284684A

JPH09284684A - 単板式カラー液晶ディスプレイ装置

Info

Publication number: JPH09284684A
Application number: JP8095036A
Authority: JP
Inventors: Masanori Ogino; 正規荻野
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1996-04-17
Filing date: 1996-04-17
Publication date: 1997-10-31
Also published as: US5801795A; US6064452A; KR100229515B1; EP0802685A3; EP0802685A2; EP0802685B1; CN1175164A; CN1092898C; DE69730553D1; DE69730553T2

Abstract

(57)【要約】【課題】新規な光回折手段によって、入力白色光を相異
なる３方向に進行する３原色光に分解し、かつ３原色光
を液晶パネルの各３原色画素へと収束させることによっ
て、単板式カラー液晶パネルの光伝送効率の向上を図
る。【解決手段】図８において、入力白色光２５は、光回折
手段２６′へと入力される。光回折手段２６′はマクロ
にプリズム状兼レンチキュラー形状を有し、ミクロに回
折格子２７′を有する。回折格子の単位階段の高さ：ｈ
(x）が画素配列周期毎に周期的に変調されることによっ
て、出力回折光が３原色光に分解され、かつ、液晶パネ
ル手段１の３原色画素２の各々へ導かれる。ピッチ変調
式の従来方式の回折格子においては、Ｒ，Ｂ光の収束位
置が約３０％偏移するという欠点を原理的に回避できな
かったのに対し、本構成によれば、Ｒ，Ｂ光の収束位置
の偏移を消去できる。従ってより高効率の単板式液晶デ
ィスプレイを提供できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光の回折性を利用
した高効率の単板式カラー液晶ディスプレイ装置及びそ
の応用製品、特に投写形ディスプレイに関する。

【０００２】

【従来の技術】本発明の理解を容易ならしめるために、
図１に従来技術と対比して、その相違点を要約して示
す。引例（Ａ）は本発明者による先願「高効率液晶ディ
スプレイ」、（Ｂ）は、「表示装置」、（Ｃ）の論文タ
イトルは「Compact Spacio-Chromatic Single-LCD Proj
ection Architecture」、（Ｄ）の論文タイトルは「Hol
ographic Optical Element for Liquid Crystal Projec
tor」である。

【０００３】これらの従来技術は、いずれも、同図２．
１欄に記されている通り、マクロに平板形状を有し、ミ
クロに回折格子を有する回折板手段を用いていた。マク
ロ平板状回折板手段の作用を図２に示す。

【０００４】同図で、１は、単板式カラー液晶パネル手
段、２は、３原色画素、３は、入射３原色光の相異なる
３方向を各３位置へ収束するための３方向３位置化手段
を形成する入射側レンズ群、２３は光源手段、コリメー
タ手段をひとつのブロックで表したものである。上記し
た各要素の作用については、図１の従来技術（Ａ）にそ
の詳細が説明されているので参照されたい。５はマクロ
平板状回折板手段、６はその出射面に形成された回折格
子である。７は、入射白色光、７′は回折板出力の第零
次光の方向である。通常、第零次光のパワを最小化
（零）するように、回折格子の構造が選定される。Ｒ，
Ｇ，Ｂは各々赤光線，緑光線，青光線を示す。以下、Ｒ
光線等略記する場合がある。８，８′，８″は回折板出
力の第１次回折光のＧ光線，Ｒ光線，Ｂ光線である。角
δは回折板によるＧ光線の偏向角、ωは、回折板による
Ｒ光線の偏向角とＧ光線の偏向角との差であり、以下
「ＲＧ分離角」と称する。

【０００５】次に、図１の３．２欄に関して、従来技術
の偏向角が２０°以上とならざるを得なかった根拠を図
３によって説明する。

【０００６】図３において、６，７，８等、及びδ，ω
は既述のものである。α₁は入射光の回折格子６への入
射角、ε₁は入射光の発散角、α₂，ε₂は第１次回折緑
出射光の出射角及び発散角、α₂′は赤出射光の出射
角、Ｐ₀は回折格子の配列ピッチ（配列周期）である。

【０００７】光の回折原理に基き次式が成立する。

【０００８】

【数１】

【０００９】即ち、ＧＲ分離角ωの大きさは、緑偏向角
δ_Gによって従属的に拘束され、δ_Gの約１５％に制約さ
れることが判る。

【００１０】一方、発散角ε₁とε₂の関係は、式（１）
を微分することにより次式の通り求まることに注目する
必要がある。

【００１１】

【数２】

【００１２】Ｇ光線とＲ光線とを分離するためには、次
式を満たす必要がある。

【００１３】

【数３】

【００１４】一般にエネルギ保存則によれば、入射光の
発散角ε₁は、ランバーシャン光源の実効表面積をＡ₀と
し、回折板の入射面積の垂直射影をＡ₁とする時次式に
よって与えられる。

【００１５】

【数４】

【００１６】発散角分布が一様である場合に、式（８）
が成立する。しかし現実には、発散角分布は一様ではな
いので式（９）が成立する。通常、ε₁の最大値ε_1MAX
はε₁の約１．５倍である場合が多い。過去にテストケ
ースとして提案された最小の投写用光源の直径は約１.
４ｍｍφであり、従ってその表面積は、π(１.４ｍｍ)²
即ち約６.３(ｍｍ)²である。通常の投写用光源の表面積
は約２５(ｍｍ)²である。一方、回折板の面積はほぼ液
晶パネルの面積に等しく、投写用の最大規模のものにお
いて約６.５″対角、面積１３０００(ｍｍ)²である。こ
れらの数値を代入して次式を得る。

【００１７】

【数５】

【００１８】上式から判る通り、従来技術においては、
ＲＢ分離角０.０５rad以上の場合に、偏向角δ_Gを１０
°以内とすることが甚だ困難であった。

【００１９】上記説明によって、図１の３．２欄の従来
技術に関する記述が理解される。

【００２０】次に図１の３．４欄の従来技術に関する記
述の根拠を証明する。

【００２１】そのためには、まず第１ステップとして、
図１の３．３欄に関する従来技術(Ｂ），（Ｄ）の原理
について説明する必要がある。これを、図４によって説
明する。

【００２２】図４において、１，２は既述のもの、１
１，１２，１３は入射光線、１１′，１２′，１３′は
各第零次光出射方向、６′は変調ピッチ式平板状回折格
子である。ωは既述のＲＧ分離角であり、Ｔは液晶パネ
ル１のトリオ画素配列ピッチ、δ₁，δ₂，δ₃は各々第
１次回折Ｇ光線の下部，中央部，上部偏向角である。こ
のように偏向角をトリオ画素配列ピッチ毎に変調するた
めに、既述式（１）に基いて、回折格子のピッチを変調
することが図１の従来技術（Ｂ），（Ｄ）において、イ
ンプリシットに提案されている。従って、図１の関係及
び式（１）から次式の関係を満たす必要がある。

【００２３】次式においてＰ₀₁，Ｐ₀₂，Ｐ₀₃は各δ₁，
δ₂，δ₃に対応する部分の回折格子のピッチである。

【００２４】

【数６】

【００２５】以上の解析によって次のことが解明され
た。即ち、式（１３），（１４）を満たすように回折格
子のピッチをトリオ画素配列周期に同期して変調してお
けば、回折格子６′によって、図２における３方向３位
置手段：３の役割を兼ねさせることが、Ｇ光線に関して
は、成立する。以上で図１の３．３欄の従来技術を本発
明者が解明した結果の説明を終る。

【００２６】次に第２ステップとして図１の３．４欄の
従来技術の説明に入る。平板状回折格子においては、既
述の通り、式（４）に示した制約条件が存在する。式
（４），（１）と式（１５）から悲惨な次式が成立せざ
るを得ない。

【００２７】

【数７】

【００２８】上式において、ω₀₁，ω₀₃は各々図４のδ
₃，δ₁に対応する部分に位置する回折格子によるＲＧ分
離角である。上式の意味する所を図５に示す。

【００２９】図５は、トリオ画素配列ピッチの１周期分
のみを示している。同図で２，６′は既述のものであ
る。１４，１５，１６は第１次回折Ｇ光線、１７，１
８，１９は第１次回折Ｒ光線、２０，２１，２２は第１
次回折Ｂ光線を示す。同図から理解される通り、回折格
子６′の各配列周期の中央に対する主要光（principal
r-ay）はＲ，Ｂ共に正しく各画素へと入射する。しかし
乍ら、各配列周期の境界部に対応する限界光（marginal
ray）は、目的とする画素へと入射できず、蹴られてし
まうことが判る。従って、図１の（Ｂ），（Ｄ）に示し
た従来技術においては、図１の３．４欄に示した通り、
回折格子による赤画素，青画素への各収束作用が両立し
ないという問題点が解明された。具体的には、Ｒ光，Ｂ
光の伝送効率の劣化及び相互混色に起因する色純度の劣
化という問題があった。

【００３０】上記説明の過程で、使用可能な光源の寸法
上の制約について記したがこれを考慮に入れることは、
致命的に重要なことである。

【００３１】何故なら、数学上の点概念で表現され得る
ような点光源は、現実的に存在し得ないだけでなく、不
確定性原理ないしは熱力学第２法則によって存在し得な
いと理解するべきだからである。たったひとつのまちが
った仮定を含む前提から出発して、無限に多くの不可能
が恰も可能であると錯覚されるのである。例えば点光源
の実現性を仮定すれば核融合発電も恐らく容易と演繹さ
れるであろう。

【００３２】従って上記光源の寸法制約は重要な要考慮
事項である。

【００３３】本発明者による上記解明結果に基いて始め
て、本発明が可能となったものであって、次にまずその
課題を整理して記す。

【００３４】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、その
光伝送効率の向上された、単板式カラー液晶ディスプレ
イ装置を提供するにある。

【００３５】本発明の他のひとつの目的は、光回折手段
による緑光線の偏向角を１０°（０.１７rad）以内とし
て、かつ、ＲＧ分離角を３°（０.０５rad）以上とする
（即ち、式４の制約を克服する）ことの可能な液晶ディ
スプレイを提供するにある。

【００３６】本発明の他のひとつの目的は、光回折手段
による赤，緑，青の各画素への光の収束を両立させる
（即ち式１６の制約を克服する）ことの可能な新規な光
学系を提供するにある。

【００３７】本発明の他のひとつの目的は、光回折手段
によるＲＧ分離角に起因する実質的な光の発散角の増加
をほぼ半減するための新規な光学系を提供するにある。

【００３８】本発明の他のひとつの目的は、より優れた
画質の液晶ディスプレイ装置を提供するにある。

【００３９】本発明の他のひとつの目的は、より消費電
力の小さい液晶ディスプレイ装置を提供するにある。

【００４０】本発明の他のひとつの目的は、よりコンパ
クトな省スペースの、またはより軽量の液晶ディスプレ
イ装置を提供するにある。

【００４１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の各実施例においては、図１の型［Ｉ］，[I
I］のいづれにおいても共通して、新規な光回折手段を
備え、該光回折手段のマクロな形状は、マクロな周期性
を有する非平板式の立体形状であって、かつ、マクロプ
リズム形状及びマクロレンチキュラー形状の少く共一方
を有し、かつ、ミクロに、階段状回折格子を有する。

【００４２】上記目的を達成するために本発明のひとつ
の実施例においては、マクロにプリズム形状を有し、か
つ、そのプリズム形状の斜辺に相当する面にミクロに回
折格子を有する光回折手段を備える。

【００４３】該光回折手段はそのマクロなプリズム形状
によって光回折手段の偏向角を打ち消すように作用す
る。従って、ＲＧ分離角を３°以上として、かつ、Ｇ光
線偏向角を２０°以内とすることができる。偏向角の低
減は、光学系を収容するキャビネットの体積を小さくす
ることに有効である。

【００４４】本発明の他のひとつの実施例においては、
上記光回折手段にマクロレンチキュラー形状が付与さ
れ、該レンチキュラー形状の配列ピッチが液晶パネル手
段の画素トリオ配列ピッチに等しく選定される。該レン
チキュラー形状は、回折格子出力のＧ光線がＧ画素へと
収束することを可能ならしめる。更に回折格子の配列ピ
ッチは、Ｇ光線の回折方向の変調とは独立して、適切な
ＲＧ分離角ωが得られるように設定される。従って、既
述式（１６）の制約条件を克服して、光回折手段による
Ｒ，Ｇ，Ｂの各画素への収束作用の両立化を達成するこ
とができる。従って光伝送効率向上及び色純度の向上、
従って画質の向上を図ることができる。

【００４５】本発明の他のひとつの実施例においては、
上記回折格子より後方に、光発散角低減用コリメータ手
段が配置される。該コリメータ手段の焦平面は、該回折
格子の位置に実質的に合致（精度約±３０％以内）する
ように選定される。従って、回折格子の同一点に入射し
た光線は、その入射方向の相違にも拘らず、該コリメー
タ手段を経て後は平行光線として出射される。従って、
光発散角を低減することができる。従って、液晶パネル
手段の後方に投写レンズ手段が配置される応用において
は、該投写レンズ手段の口径及び重量の小形化に有効で
ある。また、一般に液晶パネルは、それを通過する光の
発散角が小さい程、高いコントラスト比の高画質画像を
再現できる。従って、上記光発散角低減用コリメータ手
段の作用によって画質を向上できる。

【００４６】

【発明の実施の形態】本発明の第１の実施例を図６に示
す。

【００４７】図６において１は既述の単板式カラー液晶
パネル手段、３は既述の３方向３位置化手段である。２
３は既述の光源手段及びコリメータ手段を含むブロッ
ク、２５は白色光線である。２６は本発明の、マクロに
プリズム形状を有し、かつ、そのプリズム形状の斜辺に
相当する面にミクロに回折格子を有するマクロプリズム
状光回折手段である。２７は回折格子である。θはマク
ロプリズムの頂角、Ｐ₀は回折格子の配列ピッチ、Ｐは
第１次回折光の出射方向から見たＰ₀の射影即ち、光進
行方向に直交する方向に沿って測ったピッチ射影であっ
て、ほぼＰ₀cosθに等しい。ｈは回折格子を構成する単
位階段の高さである。２４，２４′は、マクロプリズム
列を構成する各面であって、各々、入射白色光線２５と
ほぼ平行及び直交するように配置される。Ｑは入射光線
の方向から見たマクロプリズム列の配列ピッチ即ち、光
進行方向に直交する方向に沿うピッチ射影である。８，
８′，８″は第１次回折出力光のＧ，Ｒ，Ｂ光線であ
り、ωはＲＧ分離角である。本実施例の動作原理を次式
達に基いて説明する。

【００４８】

【数８】

【００４９】上式（１７）において、λ₀は本システム
の特性波長、ｎはマクロプリズム状光回折手段２６を形
成する媒質の屈折率である。波長λ₀の第１次回折光
は、偏向角零で光回折手段２６を通過する。何故なら、
回折格子の単位階段毎の実効光路差は、媒質内ｎｈと空
中ｈとの差（ｎ−１）ｈとなり、これは式（１７）によ
って波長λ₀に等しいからである。図６には、λ₀をλ_G
に等置した場合を例示してある。λ₀は式（２１）を満
たす範囲内でλ_R，λ_B、赤外，紫外の任意の特定波長に
選定することができる。

【００５０】式（１８）はＲＢ分離角ωと、回折格子の
ピッチ射影Ｐとの関係を示す。本発明の目的とするＲＧ
分離角３°以上（ω値０.０５rad以上）を実現するに
は、式（１８）に基き、ピッチ射影Ｐを１.６μｍ以下
とすれば良い。

【００５１】式（１９）は、マクロプリズムに起因する
光の回折を０.０１rad以内に納めるための条件である。
この条件を満たすことによって、光発散角の増大を防止
することができ、従って、ＲＧＢ相互間の混色の少ない
優れた画質の液晶ディスプレイを達成できる。

【００５２】式（２０），（２１）は、Ｇ光線に対する
偏向角を１０°以内とする条件である。式（２２）は、
本実施例の目的とするＲＢ分離角０.０５rad以内におい
て、緑光線偏向角を１０°以内とするための条件であ
る。本実施例の条件を一般化して整理すると次の通りで
ある。

【００５３】(１)回折格子の単位階段毎の実効光路長差
(ｎ−１)ｈが特定波の整数倍Ｌλ₀に等しいこと。…式
（１７） (２)配列ピッチ射影Ｐが８０Ｌｎｍ／ωに等しいこと。
…式（１８） (３)マクロプリズムの射影ピッチＱが緑波長λ_Gの１０
０倍即ち５３μｍより大であること。…式（１９） (４)特定波長λ₀と緑波長λ_Gとの差が２６０ｎｍより小
さいこと。…式(２２) 上記（１），（２）項において、Ｌは１以上かつ３以下
の正整数である。上述の具体説明においては、Ｌ値が１
の場合について示した。しかし、Ｌ値が４以上の場合に
は、その詳細説明を略するが、回折効率が過度に劣化す
るため、推奨できない。Ｌ値が、１，２，３の場合に
は、本実施例を適用できる。その場合、第Ｌ次回折光を
利用する方式となる。

【００５４】以上で本発明の第１の実施例の説明を終
る。

【００５５】次に本発明の第２の実施例を図７に示す。

【００５６】図７において、１，３，８，２４，２
４′，２５，２６，２７は既述のものと同類である。図
６との相違点は、マクロプリズムが、回折格子と同一の
側に形成されていることであってその他は図６と同一で
ある。従って、式（１７）〜（２２）は本実施例にも共
通に適用される。以上で図７の説明を終る。以上の各実
施例は既掲図１の本発明の型［Ｉ］に相当する。次に型
［II］の開陳に移る。

【００５７】図８に本発明の第３の実施例を示す。図８
において、１，２，２４，２４′，２５は既述のものと
同類である。２６′はマクロレンチキュラー状光回折手
段、２７′は回折格子である。マクロレンチキュラの配
列ピッチＱは本例においては、液晶パネル手段１の画素
トリオ配列ピッチに等しく構成される。本例が図７と相
異なる点は、マクロプリズム列の斜面がレンチキュラー
状に曲面化されている点である。従って、回折格子２
７′を構成する単位階段の高さｈは一定ではなく、配列
ピッチ毎に周期的に変調されている。

【００５８】従来技術図４，図５においては、回折格子
の配列ピッチＰ₀が変調されていたのに対して、本実施
例においては、回折格子の高さｈ（ｘ）が周期的に変調
される。座標ｘを図８の方向にとり、Ｄ（ｘ）を画素列
（２）と回折格子との間の距離として、次式に本実施例
の構成条件を示す。ｈ（ｘ），Ｄ（ｘ）は、Ｔを周期と
する周期関数であるため、最上端の第１周期分について
のみ記す。

【００５９】

【数９】

【００６０】上式において、Ｌは１〜３の整数、ｎは液
晶パネル手段及び光回折手段の媒質の屈折率、Ｄ₀は液
晶パネル手段の表面から画素列までの距離である。Ｔは
画素トリオ周期、Ｐ（ｘ）は回折格子の射影ピッチ（光
進行方向に直交する方向に沿って測ったピッチ）、
λ_R，λ_Gは赤，緑光の波長、δ_GはＧ光線偏向角であ
る。

【００６１】式（２３）は第Ｌ次回折Ｇ光線がＧ画素の
方向へ向かうように、Ｇ光線に対する各格子階段の実効
光路長差（ｎ−１）ｈ（ｘ）を設定するための条件であ
る。式（２３）の最終項の分母Ｄ₀／ｎ＋Ｄ（ｘ）−Ｄ₀
は回折格子から液晶パネル画素列までの実効光路長であ
り、分子のｘは緑画素中心から測ったｘ方向距離であ
る。これら両者の比はＧ光線偏向角δ_Gに等しい。…式
（２４）式（２５）はＲＧ分離角をωに等しくするための条件で
ある。式（１９）は既述のものである。

【００６２】符号２８は、面２４′と面２７′とを表裏
逆に交換して構成しても良いことを示す。これは図７に
おいても同様である。上記説明から了解されるように、
本実施例によれば、図１の３．４欄に記した従来技術の
欠点を克服することができる。

【００６３】しかし乍ら、本例における液晶パネル出力
の光発散角は、図８に示した通り大きな値：５ωとな
る。この値は従来技術の図５における出力発散角５ωと
同等であってその由来は、図４の±ωと±１.５ωの合
計値に相当する。この出力発散角を約３ωに低減するた
めの実施例を第４実施例として図９に示す。

【００６４】図９において、４以外は図８におけると同
一である。４は光発散角低減用コリメータ手段を構成す
るレンチキュラーレンズである。該コリメータ手段の焦
平面は実質的にほぼ回折格子面２７′に合致（精度±３
０％以内）するように選定される。図示の判り易すさの
ために、マクロプリズムの高さ：△Ｄを画素面までの距
離：Ｄ₀に比べて同程度に表現してあるが、実際上は、
△ＤはＤ₀の約１／５以下の寸法である。従って上記の
ことが可能となる。コリメータ手段４の作用によって、
回折格子面２７′の各同一点から出射する光は、その方
向の如何を問わずコリメータ手段の出力において平行光
に変換される。従ってマクロプリズム面の各中心：３０
から出射する光即ち主要光（principal ray）は、液晶
パネル面に対して垂直な平行光に変換される。また、限
界光（marginal ray）３０′，３０″は、液晶パネル法
線に対して±１.５ωの角をなす各平行光に変換され
る。従ってパネル出力光の発散角は約３ω（５ω比約半
減）に低減される。以上で図９の説明を終る。更に発散
角を低減できる実施例を第５実施例として図１０に示
す。

【００６５】図１０において、３１はブラックストライ
プ手段である。これは、光回折手段２６″の出射面直後
または、光回折手段２６′の入射面２４′に３１′の如
く形成される。２４″は光進行方向に沿う面であって、
これを図示の通り傾斜させて構成することができる。
（そのような傾斜させた方が製造が容易化される場合が
存在する。）その他の部分は図９と同一である。

【００６６】ブラックストライプの幅を画素トリオ周
期：Ｔの約２／３に設定しておくことにより、パネル出
射光の発散角２／３に低減し、図示例の通り約２ωとす
ることができる。

【００６７】本例によればブラックストライプ率に比例
して光伝送効率は劣化するが、出力光の発散角を低減で
きるので、混色の防止及びコントラスト比の向上によっ
て、画質を向上することができる。本実施例の構成要件
は、単板式カラー液晶パネル手段，３原色３方向化手
段，３方向３位置化手段、及びブラックストライプ列手
段であること、即ち、回折格子手段を必要条件としない
ことに注意されたい。以上で図１０の説明を終る。以上
の各実施例は画素配列パタンがＲＧＢ、ＲＧＢのトリオ
式である場合について開陳した。次に画素配列が、ＲＧ
ＢＧＲＧＢＧのようにクォド式である場合への応用を示
す。

【００６８】図１１にクォド式応用例を本発明の第６実
施例として示す。同図で２７″は既述２７′とは逆方向
に傾斜するマクロプリズム斜面に形成された回折格子で
ある。２′はクォド配列の画素列である。同図の各光線
矢印から理解されるように、本構成によれば、クォド画
素列へ各色光を集めることができる。

【００６９】周知の通り白色を構成する各Ｒ，Ｇ，Ｂ光
成分の輝度寄与率は約３０％：６０％：１０％である。
従って、クォド配列によってより高い解像度の画像をよ
り少ない総画素数によって実現できるという長所があ
る。尚、本実施例の出力発散角は約４ωである。図８に
対して図９，図１０の変形がなされたのと同様の変形を
図１１に対して適用することができ、それらの変形を本
発明は含む。

【００７０】上記各実施例において回折格子を形成する
ミクロな各プリズム列の各面は、ほぼ光進行方向に平行
な面及びほぼ直交する面によって構成される。但し、該
ほぼ直交する面を光の波面がそろうようにＧ光線の偏向
角に応じて傾斜させても良い。そうすることによってわ
ずかではあるが更に回折効率を向上することができる。

【００７１】第７の実施例を、図１２に示す。図１２は
既述図１の本発明型［II］に属する。

【００７２】図１２において、１，２，２５は既述のも
のと同一である。３２はリニアフレネルレンズ手段、３
２′はその入射面、３２″はその出射面に形成されたプ
リズム面、３３はマクロにプリズム形状兼レンチキュラ
ー形状を有し、かつ、ミクロに回折格子を備える光回折
手段、３４はその入射面に形成されたプリズム面、点線
３６はマクロプリズム形状兼レンチキュラー形状面、３
７は回折格子、３８は、マクロプリズムの不連続面であ
る。

【００７３】入力白色光（２５）はプリズム面（３
２″，３４）によって屈折され、方向角α₁′にて回折
格子（３７）へと入射する。

【００７４】図示の通り、ｘ座標を定義し、局所拡大図
図１３の通りにθ，β，ｈ₁，ｈ₂，Ｐ，α_Gを定義する
と次式が成立する。

【００７５】

【数１０】

【００７６】上式において、式（２５′），（２６）は
既述（２５），（２６）と同様である。式（２７）は緑
光線の出力方向を示し、既述式（２４）と同様である。
式(２８）の左辺（ｎｈ₁−ｈ₂）は回折格子の単位階段
毎の実効光路差である。

【００７７】従って、式（３３）に基いて、該実効単位
光路差を、ｘの関数として周期的に変調しておくことに
よって、緑出力光線を緑画素へと向わせることができ
る。また、この変調は、赤緑分離角の規定を示す拘束条
件式（２５′）と両立して達成される。従って、既述図
１の欄３．３と欄３．４とを同時に満たすことができ
る。式（３４）は、プリズム面３２″及び３４の満たす
べき条件である。式（３５）は、回折格子のミクロなプ
リズム角を指定する条件で、これを満たすことが、回折
効率を高めて１に近づけるのに有効である。

【００７８】以上で図１２，１３の説明を終る。

【００７９】図１４に本発明の第８の実施例を示す。本
図は、既述図１の本発明の型［II］に属する。同図で、
１，２，２５，３２，３２′，３２″，３４，３５は既
述のものと同一である。３３′は、マクロにレンチキュ
ラー形状を有し、かつ、ミクロに回折格子を備える光回
折手段、３６′はそのマクロレンチキュラー形状、３
７′は回折格子である。図１５に局所拡大図を示す。

【００８０】本例に対応する条件式は次の通りである。

【００８１】

【数１１】

【００８２】前例の式群と本例の式群との主な相違点
は、式（２８）におけるＬλ_Gの正符号が式（３６）に
おいては負符号となっている点である。この違いは図１
４においては、図示しないが第零次光出力の方向が右上
方向に向っているためである。本構成において、ＲＧ分
離角ωに関する式（２５）と緑光線の進行方向角α_Gに
関する式（３８）とを独立に両立させ得るが故に、図１
の３．４欄と３．５欄との両立化を達成することができ
る。式（３９）は、回折効率向上のために、回折格子の
不連続面の方向角α₁″の満たすべき推奨条件である。
以上で本例の説明を終る。

【００８３】図１６に本発明の第９の実施例を示す。同
図の各番号の要素は各々既述のものと同一である。即
ち、本例は図１４に、光発散角低減用コリメータ手段４
を追加することによって、パネル出力光の発散角を３ω
に低減したものである。コリメータ手段４の焦平面は、
実質的に回折格子３７′の位置に合致するように配置さ
れる。

【００８４】本例に更に図１０に示したブラックストラ
イプ手段３１を付加する変形が可能であり、本発明はそ
のような変形を含む。また、図１６において、コリメー
タ手段４は、パネル手段の入射面４″側に設けても良
い。回折格子３７′は、面３７″側に設けても良い。以
上で図１６の説明を終る。

【００８５】図１７に本発明の第１０の実施例を示す。
図１７において、３３″はマクロプリズム状兼マクロレ
ンチキュラー状光回折手段であって、３４′は、その入
射面に形成されたマクロプリズム兼レンチキュラー面で
ある。３１はブラックストライプ手段である。３９は回
折格子である。本例の動作原理は矢印付光線及び、既掲
図の各説明から理解される。本図において光発散角低減
用コリメータ手段の焦平面は実質的に回折格子：３９の
位置に合致するように配置される。ブラックストライプ
手段３１の存在によって光損失は増大するが、パネル出
力の発散角は３ωより小とすることができるという長所
を有する。

【００８６】図１４，１６に記した本発明の第８，第９
実施例の適用可能範囲を図１８のグラフ図に示す。

【００８７】図１８は、既述式（３７）を図示したもの
で屈折率の値が通常の材質値１.５の場合に対応する。
媒質内光進行方向角度α₁′を約０.６rad以内とするこ
とが各プリズム要素を実際的に実現するために必要とさ
れる。従って第８，第９実施例の適用範囲は同図の５０
で示される範囲となる。この範囲は既述式（１０）に例
示した範囲を十分にカバーするものである。

【００８８】尚、既述第１〜第６実施例は更に大きなＲ
Ｇ分離角が必要とされる応用にも適するものである。

【００８９】尚、ブロック２３の中に含まれるコリメー
タ手段が色収差を有する場合に、該色収差量に応じて、
ＲＧ分離角ωの値を修正することによって、該色収差を
容易に補正することができる。

【００９０】また、直視形液晶ディスプレイにおいて
は、ブロック２３中の光源手段としては、通常、線状光
源が用いられ、コリメータ手段としては導光板及びプリ
ズム列，ブラックストライプ，レンチキュラーレンズ等
を組み合わせて用いられる。そのような応用に際して
は、ＲＧ分離角ωの値を約０.３〜０.６radに選定して
本発明を適用できる。以上で本発明の各実施例の説明を
終る。

【００９１】本発明の型［II]に属する図８以降の各実
施例においては、マクロレンチキュラー要素の配列ピッ
チは、液晶パネル手段の配列ピッチと実質的に等しい。
従って、基材の温度膨張係数を、液晶パネル手段のそれ
に整合させる必要がある。通常の液晶パネル手段の基材
はガラス材である。従って本発明の各実施例において
も、マクロレンチキュラー状光回析手段の基材は通常ガ
ラス材である。該マクロレンチキュラー状光回析手段の
表面層に形成される回析格子、レンチキュラー要素は、
ガラス材または樹脂材によって形成される。通常の用途
においては、紫外線硬化型の樹脂材の使用が推奨され
る。

【００９２】本発明の各実施例の開陳において、相異な
る構成要素逹の間のスペースは空気であることを前提と
して説明した。

【００９３】しかし乍らこれらのスペースにその屈折率
が構成要素の屈折率より小さい屈折率ｎ₂を有する樹脂
材を充填しても良い。その場合には、実効光路差ｎｈ₁
−ｈ₂がｎｈ₁−ｎ₂ｈ₂に変わることを考慮に入れること
によって本発明の各実施例を構築できる。

【００９４】本発明の液晶ディスプレイ装置は、直視形
に限定されるものではなく、投写形及び光ファイバ式の
ものにも応用できる。図１９に投写形への応用例を示
す。同図で４０は本発明の既述のマクロプリズム状また
はマクロレンチキュラー状の光回析手段を含む既述各実
施例を代表するブロックである。２３は光源手段及びコ
リメータ手段からなるブロック、１は液晶パネル手段、
４１は投写レンズ手段、４２はスクリーン手段である。

【００９５】図２０に光ファイバ式への応用例を示す。
同図で４３は光ファイバ、４４はファイバ受光端、４５
はファイバ出力端兼ファイバスクリーン手段である。

【００９６】光の偏光を利用する形式の液晶パネルを利
用する場合には、各実施例において、Ｐ波（これは電波
分野におけるＥ_Z波即ちＴＭ波と等価である。）を用い
ることが、必須ではないが推奨される。何故ならＰ波の
界面反射損失は、Ｓ波のそれに比べて周知の通り小さ
く、従ってより高効率の光学系を構成できるからであ
る。以上で本発明の各実施例及び応用例の開陳を終る。

【００９７】

【発明の効果】本発明の各実施例によれば、入力白色光
を各相異なる進行方向を有する３原色光に分解して、単
板式液晶パネル手段の各３原色画素へと導くことができ
るため、光伝送効率の向上された、単板式カラー液晶デ
ィスプレイ装置を提供できる。

【００９８】本発明の第１（図６），第２（図７）の実
施例によれば、光回折手段によるＲＧ分離角を０.０５r
ad以上とし、かつ、緑光線の偏向角を０.１７rad以内と
することができ、従ってよりコンパクトな光学系を提供
できる。

【００９９】本発明の第３〜第１０実施例によれば、光
回折手段によるＲ，Ｇ，Ｂの各画素への各収束作用の両
立化を達成できる。従ってより混色の少ない高画質の、
より所要電力消費の少ない、液晶ディスプレイ装置を提
供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明と従来技術との比較を示す表。

【図２】従来技術の液晶ディスプレイを示す断面図。

【図３】従来技術のマクロ平板状回折板手段の動作原理
を示す図。

【図４】従来技術の変調ピッチ式マクロ平板状回折板の
動作原理を示す図。

【図５】従来技術の変調ピッチ式マクロ平板状回折板の
問題点を示す図。

【図６】本発明のマクロプリズム状光回析手段を備える
第１の実施例（型Ｉ）を示す断面図。

【図７】本発明のマクロプリズム状光回析手段を備える
第２の実施例（型Ｉ）を示す断面図。

【図８】本発明のマクロプリズム状兼マクロプリズム状
を備える第３の実施例（型II）を示す断面図。

【図９】本発明のマクロプリズム状兼マクロプリズム状
を備える第４の実施例（型II）を示す断面図。

【図１０】本発明のマクロプリズム状兼マクロプリズム
状を備える第５の実施例（型II）を示す断面図。

【図１１】本発明のマクロプリズム状兼マクロプリズム
状を備える第６の実施例（型II）を示す断面図。

【図１２】本発明のマクロプリズム状兼マクロプリズム
状を備える第７の実施例（型II）を示す断面図。

【図１３】図１２の局所拡大図。

【図１４】本発明のマクロレンチキュラー状光回折手段
を備える第８の実施例（型II）を示す断面図。

【図１５】図１４の局所拡大図。

【図１６】本発明のマクロレンチキュラー状光回折手段
を備える第９の実施例（型II）を示す断面図。

【図１７】本発明のマクロレンチキュラー状光回折手段
を備える第１０の実施例（型II）を示す断面図。

【図１８】本発明の第８，第９の実施例の適用範囲を示
すグラフ図。

【図１９】本発明の投写形への応用を示す図。

【図２０】本発明の光ファイバ式への応用を示す図。

【符号の説明】

１…単板式カラー液晶パネル手段、２…３原色画素列、
３…３方向３位置化手段、５…マクロ平板状回折板手
段、６…回折格子、７，１１，１２，１３，２５…入射
白色光線、７′…零次光出力方向、８，８′，８″…回
折出力第１次光のＧ，Ｒ，Ｂ光線、２３…光源，コリメ
ータ手段、２４…入射光に平行するプリズム面、２４′
…入射光に直交するプリズム面、２６，２６′，２６″
…マクロプリズム状光回折手段、２７…回折格子、２
７′，２７″，３７，３７′…収束作用付回折格子、４
…光発散角低減用コリメータ手段、２６′，２６″３
３，３３′，３３″…マクロレンチキュラー状光回折手
段、３１…ブラックストライブ手段。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源手段，コリメータ手段、及び単板式液
晶パネル手段を備えた液晶ディスプレイ装置において、該コリメータ手段と該単板式液晶パネル手段との間に配
置された光回折手段と３方向３位置化手段を備え、該光回折手段のマクロな形状はマクロ周期性を有する非
平板式の立体形状であって、かつ、マクロプリズム形状
及びマクロレンチキュラー形状の少く共一方を有し、か
つミクロに階段状回折格子を有し、かつ、該マクロ周期性ピッチは５３μｍより大であり、
かつ、該階段状回折格子によって、入力白色光が、相異
なる各３方向を有する回折出力３原色光線に分解され、
かつ、該３原色光線中の赤光線と緑光線との間の分離
角：ωは、０.０５radより大であり、かつ、該階段状回
折格子の単位階段に基く実効単位光路差は少く共主要光
線に対して特定の光波長λ₀の約Ｌ（Ｌは１，２，３の
うちのひとつの整数）倍に選定され、かつ、緑出力光線
の進行方向に直交する方向に沿う該単位階段の配列ピッ
チ射影：Ｐは、赤緑波長差（約８０ｎｍ）の約Ｌ倍を前
記赤緑分離角：ωで除した値即ち８０Ｌｎｍ／ωに実質
的に等しくなるように配置され、該各３方向を有する回折出力３原色光線を該３方向３位
置化手段によって該液晶パネル手段上の相異なる３位置
の方向へと収束するように構成されてなる単板式カラー
液晶ディスプレイ装置。
【請求項２】１項において、該特定の光波長と緑波長と
の差を２６０ｎｍより小としてなる単板式カラー液晶デ
ィスプレイ装置。
【請求項３】１項において、該マクロプリズム形状は、
該光回折手段の入力側に形成されてなる単板式カラー液
晶ディスプレイ装置。
【請求項４】１項において、該マクロプリズム形状は、
該光回折手段の出力側に形成されてなる単板式カラー液
晶ディスプレイ装置。
【請求項５】１項において、該マクロレンチキュラー形
状の該マクロ周期性ピッチは、該液晶パネル手段の３原
色画素配列周期：Ｔと実質的に等しく配置され、かつ、
該実効単位光路差は、各緑出力光線が各緑色用画素へと
向うように、周期的に変調され、従って、赤緑分離角ω
と、緑出力光線の進行方向とが相互独立に選定され、従
って該３方向３位置化手段が該光回折手段の作用の一部
によって置換されてなる単板式カラー液晶ディスプレイ
装置。
【請求項６】５項において、更に光発散角低減用コリメ
ータ手段が、該光回折手段の後方に配置され、該光発散
角低減用コリメータ手段の焦平面が該光回折手段の該階
段状回折格子の位置に実質的に合致され、該光発散角低
減用コリメータ手段によって該相異なる３位置の方向が
該液晶パネル手段の各３画素の位置の方向へと変換され
てなる単板式カラー液晶ディスプレイ装置。
【請求項７】１項において、該マクロレンチキュラー形
状は該光回折手段の入射面にマクロプリズム形状兼マク
ロレンチキュラー形状として付与され、更に該入射面の
一部にブラックストライプ手段が形成され、更に該回折
格子の後方に光発散角低減用コリメータ手段を備え、該
光発散角低減用コリメータ手段の焦平面を実質的に該回
折格子の位置に合致させてなる単板式カラー液晶ディス
プレイ装置。
【請求項８】５項において、更にブラックストライプ手
段を備え、該ブラックストライプ手段が該光回折手段の
入射面及び該光回折手段に後続する面の少く共一方に配
置されてなる単板式カラー液晶ディスプレイ装置。
【請求項９】６，７，８項において、更に投写レンズ手
段及びスクリーン手段を備えてなる投写形単板式カラー
液晶ディスプレイ装置。
【請求項１０】６，７，８項において、更に光ファイバ
手段及びファイバスクリーン手段を備え、該光ファイバ
手段によって、該単板式液晶パネル手段の出力光を該フ
ァイバスクリーン手段へと導いてなる単板式カラー液晶
ディスプレイ装置。