KR100569793B1

KR100569793B1 - 투사형 액정표시장치

Info

Publication number: KR100569793B1
Application number: KR1019980041304A
Authority: KR
Inventors: 도시히로 후쿠다; 아키라 나카무라
Original assignee: 소니 가부시끼 가이샤
Priority date: 1997-09-30
Filing date: 1998-09-30
Publication date: 2006-11-30
Anticipated expiration: 2018-09-30
Also published as: DE69834532T2; US6219111B1; EP0905542A3; CN1115589C; EP0905542B1; JPH11109285A; CN1217480A; KR19990030327A; ID20954A; DE69834532D1; EP0905542A2

Abstract

본 발명은 더스트 등의 이물(異物)의 부착이나 광원의 아크 변동 등에 의한 화질의 저하 등을 방지할 수 있는 투사형(投射型) 액정표시장치를 제공한다.

액정패널의 조명광학계는 복수의 렌즈요소를 배열하여 구성한 제1 렌즈어레이와, 제1 렌즈어레이의 각 렌즈요소에 대응하여 렌즈요소를 배열하여 구성한 제2 렌즈어레이로 이루어지는 인테그레이터(integrator)를 구비한다. 제1 렌즈어레이에 입사된 단일광속(光束)은 제1 렌즈어레이에 의해 복수의 소(小)광속으로 분할되고, 대응하는 제2 렌즈어레이의 렌즈요소를 통과한 후, 콜리메이터렌즈, 2색 미러, 및 액정패널을 통과한다. 액정패널은 제1 렌즈어레이의 모든 렌즈요소로부터의 광속에 의해 중첩적으로 조명되어, 그 조도(照度)분포가 균일화된다.

Description

투사형 액정표시장치

본 발명은 투사광학계에 의해 액정패널상의 화상을 스크린에 확대 투영하여 화상을 표시하는 투사형 액정표시장치에 관한 것이며, 특히, 컬러필터를 갖지 않은 단일의 액정패널을 사용하여 구성되는 투사형 액정표시장치에 관한 것이다.

근래에, 액정패널을 광스위칭소자로서 이용하여, 액정패널상의 화상을 투사광학계에 의해 스크린상에 확대 투영하도록 한 액정프로젝터나 액정프로젝션TV 등의 투사형 액정표시장치가 등장하고 있다. 이러한 종류의 액정표시장치에는, B(청), R(적), G(녹)의 3색 컬러필터(CF)를 구비한 액정패널을 1장 사용하여 구성한 단판(單板)방식과, 단색 액정패널을 B, R, G의 각 광로마다 배설하여 구성한 3판방식이 있다. 이 중, 단판방식은 구조가 간단해 소형화·경량화 및 저가격화가 용이한 반면, 컬러필터에 의한 광흡수가 많으므로 고휘도화(高輝度化)에 난점이 있으며 동시에 액정표시장치의 냉각면에서도 불리하다.

이러한 문제를 해결하기 위해, 예를 들면 일본국 특개평 4(1992)-60538호 공보 또는 「ASIA DISPLAY '95, p887」 에는, 3개의 화소마다 1개의 집광용 마이크로렌즈를 대향배치하고, 이 마이크로렌즈의 각각에 각각 상이한 방향으로부터 B, R, G의 3색을 입사시켜 집광하고, 그 출사광을 B, R, G의 3색에 대응하는 화소에 각각 입사시키도록 한 단판방식의 컬러액정표시장치가 개시되어 있다. 이 컬러액정표시장치에서는, 화소와 화소와의 사이의 영역(화소 구동용의 스위칭소자인 TFT(박막트랜지스터)가 형성된 블랙매트릭스부분)에 입사한 광도 유효하게 이용할 수 있어, 실질적인 개구율이 높아지므로, 고휘도가 가능하게 되는 특징을 가지고 있다. 이러한 종류의 투사형 액정표시장치는 컬러필터 대신 마이크로렌즈어레이를 구비한 단일의 액정패널을 사용하여 구성되므로, 이하에서는, 이러한 종류의 장치를 컬러필터가 없는(color-filterless) 단판마이크로렌즈방식의 투사형 액정표시장치라고 칭한다.

도 1은, 종래의 컬러필터가 없는 단판마이크로렌즈방식의 투사형 액정표시장치에 사용되고 있던 광학계의 개략구성을 나타낸 것이다. 이러한 투사형 액정표시장치는 백색광을 방사하는 광원(501)과, 광원(501)으로부터 방사(放射)된 백색광 중 자외 및 적외영역의 광을 제거하는 UV/IR컷필터(502)와, UV/IR컷필터(502)를 통과한 광속의 단면(斷面)내 강도분포를 균일화하기 위한 글라스로드인테그레이터(glass rod integrator)(503)와, 글라스로드인테그레이터(503)로부터 출사된 광속을 집광하는 릴레이렌즈(504)와, 릴레이렌즈(504)로부터 입사되는 광속을 대략 평행광속으로 변환하는 콜리메이터렌즈(505)를 구비하고 있다. 이러한 투사형 액정표시장치는 또한, 콜리메이터렌즈(505)의 후방의 광로상에 차례로 배설되어, 콜리메이터렌즈(505)로부터 출사된 백색광속을 B, R, G의 각 색광(色光)으로 색분해하는 동시에 이들의 각 색광을 서로 상이한 각도로 반사하는 2색 미러(dichroic mirror)(506B,506R,506G)와, 2색 미러(506B,506R,506G)에 의해 색분해된 B, R, G의 각 색광을 소정 편광방향의 직선편광으로 변환하는 입사측 편광판(507)과, 이 편광판(507)을 통과한 각 색광을 컬러화상신호에 따라 강도변조하는 액정(LCD)패널(508)과, 액정패널(508)로부터의 출사광을 집광한 후 스크린(510) 상에 투영하여 합성하는 투영렌즈(509)를 구비하고 있다.

광원(501)은 통상 메탈할라이드계의 에미터(501a)와 회전대칭을 가지는 요 (凹)면경(501b)을 사용하여 구성된다. 글라스로드인테그레이터(503)는 프리즘 형태의 글라스재로 이루어지고, 한 끝면으로부터 입사된 광속을 내면에서 다수회 반사시킴으로써 광속단면내에서의 강도분포를 균일화시켜, 다른 끝면으로부터 출사하도록 되어 있다. 액정패널(508)은 컬러필터가 없는 마이크로렌즈방식의 액정패널이고, R, G, B의 각색에 대응하여 규칙적으로 2차원 배치된 화소전극(도시하지 않음)과, 도시하지 않은 액정층을 사이에 두고 R, G, B용의 3개의 화소전극마다 1개씩 대향배치된 집광용 마이크로렌즈(도시하지 않음)와, 도시하지 않은 출사측 편광판을 포함하여 구성된다. 상기의 집광용 마이크로렌즈는 2색 미러(506B,506R,506G)로 색분해된 후 서로 상이한 각도에서 입사되는 B, R, G의 3색광을 각각 집광하여 B, R, G의 3색에 대응한 화소에 각각 입사시키도록 되어 있다.

이와 같은 구성의 투사형 액정표시장치에서는, 액정패널(508)의 각 화소전극에 인가되는 각색에 대한 컬러화상신호에 따라, 각 화소용으로 제공되는 액정층에 입사되는 B, R, G의 3색광 각각에 대해 선택적으로 공간변조가 행해진다. 액정패널(508)에서 변조된 각 색광은 투영렌즈(509)에 의해 스크린(510)상에서 결상하여, 색합성된다. 이로써, 스크린(510) 상에 컬러화상이 투영 표시된다.

상기와 같이, 종래의 투사형 액정표시장치에서는, 액정패널(508) 상의 조도 (照度)분포를 균일화하기 위한 수단으로 글라스로드인테그레이터(503)를 사용하고 있었다. 이 경우, 글라스로드인테그레이터(503)의 출사면은 액정패널(508)의 면과 상(像) 공역(共役)관계를 가지므로, 글라스로드인테그레이터(503)의 출사면에 더스트 등의 이물이 부착되면, 이 이물이 확대투영되어 버려 화질이 현저하게 저하된다는 문제가 있었다.

또, 이 투사형 액정표시장치에서는, 글라스로드인테그레이터(503)의 내면반사에 의해 출사광속 단면내의 강도분포가 어느 정도 균일화되지만, 장치 전체의 소형화를 고려하여 글라스로드인테그레이터(503)의 길이를 제한하는 경우에는, 내면반사를 하지 않고 직접 출사면에 도달하는 광도 있으므로, 액정패널(508)상에 있어서의 조도분포의 균일화에 한계가 있다. 그러므로, 예를 들면 광원(501)의 에미터에 아크변동이 발생한 경우, 이것이 화면의 플리커(flicker)를 발생시켜 화질을 저하시키는 경우가 있다.

일본국 특개평 5(1993)-346557호 공보에는, 예를 들면 멀티렌즈어레이인테 그레이터를 사용한 3판방식의 투사형 액정표시장치가 제안되어 있다. 이 장치는, 로드형의 인테그레이터 대신에, 복수의 렌즈를 2차원형(2次元形)으로 배열한 제1 렌즈어레이와, 제1 렌즈어레이의 각 렌즈와 쌍을 이루는 복수의 렌즈를 2차원형으로 배열한 제2 렌즈어레이로 이루어지는 멀티렌즈어레이인테그레이터를 구비하고 있다.

그러나, 상기 공보에서 제안하고 있는 멀티렌즈어레이인테그레이터는, 종래의 컬러필터방식의 액정패널을 사용한 투사형 액정표시장치나, 3판식의 투사형 액정표시장치를 전제한 것으로서, 컬러필터가 없는 마이크로렌즈방식의 투사형 액정표시장치에 그대로 적용할 수 있는 구성으로는 되어 있지 않고, 또 이러한 적용 가능성에 대해 시사한 바가 없다. 이는 다음과 같은 이유 때문이다.

즉, 종래의 컬러필터방식 또는 3판식의 투사형 액정표시장치에서는, 그들에 사용되는 액정패널 자체의 성질로부터 액정패널을 조명하는 높은 광의 평행도가 요구되지 않고, 입사발산각(또는 수렴각)이 예를 들면 14도 또는 그 이상의 큰 각도라도 화질상의 문제는 없다. 여기에서, 입사발산각은 액정패널상의 어느 화소에 입사하는 모든 광의 입사각의 범위를 말한다. 그러나, 입사발산각을 너무 크게 하면 액정패널로부터의 출사발산각도 커져 투영렌즈의 부하(負荷)가 과대해지므로, 장치에 드는 코스트를 고려하면, 입사발산각을 14도 정도로 하는 것이 일반적이다.

이와 같이, 종래의 컬러필터방식이나 3판식의 투사형 액정표시장치에서는, 액정패널에 있어서의 입사발산각의 각도제한이 크게 엄격하지 않으므로, 조리개로 기능하는 제2 렌즈어레이의 사이즈를 비교적 크게 형성해도 문제는 없다. 그러므로, 예를 들면 상기 공보에는, 제2 렌즈어레이의 외접원(外接圓)의 직경이 70mm 정도라고 하는 상당히 큰 예가 기재되어 있다.

이에 대하여, 컬러필터가 없는 마이크로렌즈방식의 투사형 액정표시장치에서는, 상기한 바와 같이, 3개의 화소에 대응하여 배설된 각 마이크로렌즈에 각각 상이한 방향으로부터 B, R, G의 각 색광을 입사시켜, 이 마이크로렌즈에 의해 집광된 각 색광을 B, R, G용의 각 화소에 각각 입사시킴으로써 컬러표시를 행하도록 하고 있으므로, 액정패널을 조사하는 광의 입사발산각이 크면, 어느 색광(예를 들면 B광)이 B용 화소뿐만 아니라 인접화소(이 경우, R용 화소 또는 G용 화소)에도 입사하여 혼색(混色)이 생긴다. 그 결과, 표시화상의 색순도가 저하되어, 화질을 현저하게 손상할 우려가 있다. 그러므로, 액정패널에 입사하는 광의 입사발산각을 충분히 작게 할 필요가 있다.

이와 같이, 컬러필터가 없는 마이크로렌즈방식의 투사형 액정표시장치에서는, 액정패널에 요구되는 입사발산각의 각도제한이 다른 방식의 투사형 액정표시장치에 비해 각별히 엄격하므로, 상기 공보에 개시된 기술을 그대로 적용한 것으로는 충분한 화질을 담보할 수 없었다.

또한, 상기한 바와 같은 엄격한 입사발산각의 각도제한이 이루어지는 경우라 하더라도, 그에 따라 필연적으로 액정패널에 도달하는 광량이 감소되므로, 이번에는, 충분한 화상휘도를 얻는 것이 곤란해진다고 하는 또 다른 문제가 발생한다.

본 발명은 이러한 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 제1 목적은 더스트 등의 이물의 부착이나 광원의 아크변동 등에 의해 화질이 저하되는 것을 방지할 수 있는 투사형 액정표시장치를 제공하는 것에 있다. 또, 본 발명의 제2 목적은, 액정패널을 조사하는 광의 입사발산각을 작게 억제하여 색순도의 저하를 방지하는 동시에, 광원으로부터의 광량을 효율적으로 이용하여 고휘도의 투영화상을 얻을 수 있는 투사형 액정표시장치를 제공하는 것에 있다.

본 발명의 투사형 액정표시장치는 복수의 렌즈요소가 2차원적으로 배열되며, 입사된 단일광속을 렌즈요소에 의해 복수의 소광속으로 분할하여 출사하고 각각을 집광시키는 제1 렌즈어레이; 제1 렌즈어레이의 각 렌즈요소에 대응하여 2차원적으로 배열되며, 제1 렌즈어레이가 대응하는 렌즈요소를 거쳐 입사되는 각 소광속을 서로 겹치는 방향으로 각각 출사시키는 복수의 렌즈요소를 포함는 제2 렌즈어레이; 제2 렌즈어레이로부터 출사된 광을 복수의 기본색의 색광으로 색분해하며, 색분해된 각 색광을 서로 상이한 각도에서 출사하는 색분해수단; 및 복수의 기본색의 각각에 대응한 화소를 구비하고 각 화소를 투과하는 색광을 선택적으로 변조(變調)하는 액정표시소자, 및 모든 화소그룹마다 각각 배설되며, 색분해수단으로부터 출사되어 서로 상이한 각도로 입사되는 복수의 색광을 각각 집광하여 대응하는 색의 화소에 각각 입사시키는 집광수단을 포함하는 단일의 액정패널을 구비하고 있다.

여기에서, 제2 렌즈어레이의 전체형상이 액정표시소자의 화소의 개구형상과 거의 유사하고, 제2 렌즈어레이의 전체가 상기 액정표시소자의 각 화소와 각각 상 공역 또는 그에 가까운 관계를 가지도록 구성되는 것이 바람직하다. 또한, 제2 렌즈어레이의 각 렌즈요소가 제1 렌즈어레이의 대응하는 렌즈요소로부터 출사된 소광속에 의해 형성되는 광학상에 대응하는 크기 및 형상을 가지도록 구성하는 것이 바람직하다. 또한, 제1 렌즈어레이의 전체형상을 상기 단일광속의 거의 전부를 수광할 수 있는 크기로 형성하고, 상기 제1 렌즈어레이의 각 렌즈요소로부터 출사된 소광속이 제2 렌즈어레이의 대응하는 렌즈요소 상에 수렴하도록 제1 렌즈어레이의 각 렌즈요소가 편심상태로 배치되도록 구성하는 것이 바람직하다. 또, 제1 렌즈어레이에 있어서의 각 렌즈요소의 형상이 액정패널의 형상과 거의 유사하고, 제1 렌즈어레이에 있어서의 각 렌즈요소가 액정패널과 각각 상 공역 또는 그에 가까운 관계를 가지도록 구성되는 것이 바람직하다. 또, 입사광속을 서로 직교하는 2개의 편광방향의 직선편광으로 분리하고, 그 중의 한쪽의 편광방향의 직선편광을 다른 쪽의 편광방향의 직선편광으로 변환하며, 이 변환된 직선편광과 변환대상으로 되지 않은 직선편광을 합성하여 단일편광방향의 직선편광으로서 출사하는 편광분리합성수단을 추가로 구비하도록 해도 된다.

본 발명의 투사형 액정표시장치에서는, 제1 렌즈어레이의 각 렌즈요소에 의해 분할된 각 소광속이 각각 제2 렌즈어레이의 대응하는 렌즈요소에 입사한다. 제2 렌즈어레이의 각 렌즈요소에 입사된 각 소광속은 서로 겹치는 방향으로 각각 출사된다. 제2 렌즈어레이의 각 렌즈요소로부터 출사된 각 소광속은 색분해수단에 의해 복수의 기본색의 색광으로 색분해되어, 서로 상이한 각도로 출사된다. 색분해수단으로부터 서로 상이한 각도로 출사된 각 색광은 액정패널에 입사한다. 이로써, 제1 렌즈어레이의 각 렌즈요소에 의해 분할된 모든 소광속이 최종적으로 액정패널 상에 중첩적으로 투영된다. 액정패널에 입사된 각 색광은 집광수단에 의해 각각 집광되어, 대응하는 색의 화소에 각각 입사된 후 선택적으로 변조된다.

제2 렌즈어레이의 전체형상이 액정표시소자의 화소의 개구형상과 거의 유사 하고, 제2 렌즈어레이의 전체가 액정표시소자의 각 화소와 각각 상 공역 또는 그것에 가까운 관계를 가지도록 구성도는 경우에는, 액정패널에 입사하는 광속의 입사발산각의 각도제한이 적정화된다. 또한, 제2 렌즈어레이의 각 렌즈요소가 제1 렌즈어레이의 대응하는 렌즈요소로부터 출사된 소광속에 의해 형성되는 광학상에 대응하는 크기 및 형상을 가지도록 구성되는 경우에는, 제2 렌즈어레이에 입사한 광의 대부분을 액정패널 상에 도달시킬 수 있다. 또한, 제1 렌즈어레이의 전체형상을 상기 단일광속의 모두를 그의 수광할 수 있는 크기로 형성하고, 제1 렌즈어레이의 각 렌즈요소로부터 출사된 소광속이 제2 렌즈어레이의 대응하는 렌즈요소 상에 수렴하도록 제1 렌즈어레이의 각 렌즈요소가 편심상태로 배치되는 경우에는, 입사하는 단일광속이 제1 렌즈어레이에 의해 흐려지지 않아, 입사광량을 고효율로 이용할 수 있다. 또, 제1 렌즈어레이에 있어서의 각 렌즈요소의 형상이 액정패널의 형상과 거의 유사하고, 제1 렌즈어레이에 있어서의 각 렌즈요소가 액정패널과 각각 상 공역 또는 그에 가까운 관계를 가지도록 구성되는 경우에는, 제1 렌즈어레이의 각 렌즈요소에 의해 분할된 소광속이 액정패널 상에 손실없이 중첩투영된다. 또, 본 발명의 액정투사장치가 편광분리합성수단을 구비한 경우에는, 입사광의 거의 모두가 소정 편광방향의 직선편광으로 형성되어 이용되므로, 액정패널의 앞쪽에 통상 배치되는 편광판에서 손실되는는 광량이 저감된다.

본 발명의 기타 및 추가 목적, 특징 및 장점이 후술하는 상세한 설명으로부터 더욱 완전하게 이해될 수 있다.

다음에, 본 발명의 실시의 형태에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

[제1의 실시의 형태]

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 투사형 액정표시장치의 광학계를 개략적으로 나타낸 것으로, 장치를 바로 위에서 내려다 본 상태를 나타내고 있다. 그리고, 도 2에서는, 설명의 편의를 위해, 주된 광선의 경로만을 묘사하고, 다른 경로는 생략되어 있다. 본 발명의 장치는 컬러필터가 없는 마이크로렌즈방식의 투사형 액정표시장치로서 구성된 것으로, 백색광을 방사하는 광원(11); 광원(11)으로부터 방사된 백색광 중 자외 및 적외영역의 광을 제거하는 UV/IR컷필터(12); UV/IR컷필터(12)를 통과한 후 발산하는 광을 대략 평행의 광속으로 변환하는 콜리메이터렌즈(13); 복수의 렌즈요소가 2차원적으로 배열되며, 콜리메이터렌즈(13)로부터의 대략 평행의 단일광속을 각 렌즈요소에 의해 복수의 소광속으로 분할하여 각각 집광하는 제1 렌즈어레이(21); 제1 렌즈어레이의 각 렌즈요소에 대응하여 2차원적으로 배열된 복수의 렌즈요소를 포함하는 제2 렌즈어레이(22); 및 제2 렌즈어레이(22)를 투과한 광속을 대략 평행의 광속으로 변환하는 콜리메이터렌즈(15)를 구비하고 있다. 제1 렌즈어레이(21)는 본 발명의 「제1 렌즈어레이」에 대응하고, 제2 렌즈어레이(22)는 본 발명의 「제2 렌즈어레이」에 대응한다.

본 발명의 투사형 액정표시장치는 또한, 콜리메이터렌즈(15)의 후방의 광로상에 차례로 배설되어, 콜리메이터렌즈(15)로부터 출사된 백색 광속을 B, R, G의 각 색광으로 색분해하며 이들 각 색광을 서로 상이한 각도로 반사하는 2색 미러(16B, 16R, 16G); 2색 미러(16B, 16R, 16G)로 색분해된 B, R, G의 각 색광을 소정 편광방향의 직선편광으로 변환하는 입사측 편광판(17); 입사측 편광판(17)을 통과한 각 색광을 컬러화상신호에 따라 강도변조하는 액정패널(18); 액정패널(18)로부터의 출사광을 집광하여 스크린(20) 상에 투영하여 색합성하는 투영렌즈(19)를 추가로 구비하고 있다. 액정패널(18)의 배면측에는 출사측 편광판이 배치되어 있지만, 여기에서는 도시를 생략하고 있다.

광원(11)은 에미터(11a)와 회전대칭을 가지는 요면경(11b)을 포함한다. 에미터(11a)로서는, 예를 들면 메탈할라이드계의 램프가 사용된다. 요면경(11b)으로는 가능한 한 집광효율이 좋은 형상의 것이 양호한데, 예를 들면 타원면경이 사용된다. 제1 렌즈어레이(21) 및 제2 렌즈어레이(22)는 광원(11)으로부터 출사된 백색광을 확산시켜 액정패널(18)에 있어서의 면내 조도분포를 균일화하기 위한 인테그레이터로서 기능한다. 이 중, 제2 렌즈어레이(22)의 각 렌즈요소는 제1 렌즈어레이(21)의 대응하는 렌즈요소로부터 입사된 각 소광속을 서로 겹치게 하여 각각 출사되도록 되어 있다. 이들 제1 렌즈어레이 및 제2 렌즈어레이에 대해서는 나중에 상술한다.

2색 미러(16B,16R,1G)는 서로 미소각(微小角)을 이루며, 콜리메이터렌즈(15)로부터 출사된 광축(10)과 대략 평행의 광속을 약 90°의 각도에서 선택적으로 반사하여 B, R, G의 3색광으로 색분해하여, 각각을 액정패널(18)에 상이한 각도에서 입사시키는 기능을 가지고 있다. 본 실시예에서, 2색 미러(16B,16R,16G)는 R광이 액정패널(18)에 수직으로 입사되고, B광 및 G광이 R광에 대하여 각각 〔+θ〕, 〔-θ〕의 각도를 가지고 액정패널(18)에 입사하도록 배치되어 있다. 다만, 액정패널(18)에 수직입사하는 광이 B광(또는 G광)이고, 수직방향에 대하여 각각 〔+θ〕, 〔-θ〕의 각도에서 입사하는 광이 R광, G광(또는 R광, B광)이 되도록 배치해도 된다. 여기에서, 2색 미러(16B,16R,16G)가 본 발명에 있어서는 「색분해 수단」에 대응한다.

액정패널(18)은 컬러필터가 없는 마이크로렌즈방식의 액정패널이고, R, G, B의 각 색에 대응하여 규칙적으로 2차원 배치된 화소전극(도시하지 않음)과, 액정층(도시하지 않음)을 사이에 두고, R, G, B용의 3개의 화소전극(도시하지 않음)마다 1개씩 대향배치된 집광용의 마이크로렌즈(도시하지 않음)를 포함한다. 여기에서, 집광용의 마이크로렌즈는 2색 미러(16B,16R,16G)로 색분해된 후 서로 상이한 각도로 입사되는 B, R, G의 3색광을 각각 집광하여 B, R, G의 3색에 대응하는 화소에 각각 입사시키기 위한 것이다. 액정패널(18)에 대해서는 나중에 상술한다.

그리고, 도 2에 나타낸 각 광학소자에 대해서는 지면(紙面)내에서 광축(10)과 직교하는 방향을 수평방향, 지면과 수직한 방향을 수직방향이라고 부르고, 다음의 설명에서도 이들의 정의에 따르기로 한다.

도 3 및 도 4는 제1 렌즈어레이(21)의 구조를 나타낸 것으로, 이 중 도 3은 광입사측에서 본 평면구조를 나타내고, 도 4는 도 3의 IV-IV에 따른 단면구조를 나타낸다. 이들 도면에 나타낸 바와 같이, 제1 렌즈어레이(21)는 같은 크기의 직사각형 형상의 렌즈요소(21a)를 수평방향으로 4열, 수직방향으로 6열 배열하여 구성되고, 렌즈요소(21a)는 예를 들면 PMMA(폴리메타크릴산메틸) 등의 투명수지를 사용하여 일체로 형성된다. 각 렌즈요소(21a)의 한쪽 면은 평탄면, 다른 쪽 면은 소정의 곡률을 가지는 철(凸)구면이다. 각 철구면의 정점(21b)은 각 렌즈요소(21a)의 중앙에 위치하고 있다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 제1 렌즈어레이(21)는 철구면이 광입사측으로 향해 배치되어 있다. 또, 도 3에 나타낸 바와 같이, 제1 렌즈어레이(21)는 전체의 외연(外緣)형상이 대략 정방형으로 되어 있고, 광원(11)의 투영상(구체적으로는 에미터(11a)의 상으로 이하에서는 단순히 광원상이라고 함)(25)가 그 정방형에 내접(內接)하는 위치에 배치되도록 되어 있다. 각 렌즈요소(21a)의 형상은 액정패널(18)의 유효영역의 형상과 기하학적으로 거의 닮은꼴로 되어 있고, 수평방향과 수직방향의 비는 예를 들면 4대3으로 설정된다. 그리고, 제1 렌즈어레이(21)는 그 중심을 광축(10)이 통과하고, 각 렌즈요소(21a)는 액정패널(18)의 유효영역과 상 공역 또는 그에 가까운 관계가 되는 위치에 배치된다.

도 5 및 도 6은 제2 렌즈어레이(22)의 구조를 나타내는 것으로, 이 중 도 5는 광출사측에서 본 평면구조를 나타내고, 도 6은 도 5의 VI-VI에 따른 단면구조를 나타낸 것이다. 이들 도면에 나타낸 바와 같이, 제2 렌즈어레이(22)의 각 렌즈요소(22a)의 한쪽의 면이 평탄면이고 다른 쪽의 면이 소정의 곡률을 가지는 철구면인 점은 제1 렌즈어레이(21)의 경우와 동일하다. 다만, 도 2에 나타낸 바와 같이, 제2 렌즈어레이(22)는 평탄면이 광입사측을 향하도록 배치되어 있다. 그리고, 투명수지를 사용하여 일체로 형성되는 점은 제1 렌즈어레이(21)의 경우와 동일하다.

도 5에 나타낸 바와 같이, 제2 렌즈어레이(22)는 제1 렌즈어레이(21)와 동형(대략 정방형)인 전체 외연형상을 가지는 동시에, 제1 렌즈어레이(21)의 렌즈요소(22a)와 동수의 렌즈요소(21a)를 배열하여 구성되어 있다. 다만, 제2 렌즈어레이(22)는 제1 렌즈어레이의 경우와는 달리, 서로 상이한 형상 및 크기의 렌즈요소(22a)를 포함하고 있다. 도 5에서, 수평방향으로 연장되는 중앙의 경계선을 X축으로 하고, 수직방향으로 연장되는 중앙의 경계선을 Y축이라고 하면, 도 5의 제1 상한(象限)에 속하는 6개의 렌즈요소(22a)의 형상 및 크기는 모두 서로 상이하다. 구체적으로는, 제2 렌즈어레이(22)의 중심으로부터 멀어질수록 렌즈요소(22a)는 작게 또한 편평(扁平)하게 되어 있다. 또, 제2 상한에 속하는 6개의 렌즈요소(22a)는 제1 상한의 6개의 렌즈요소(22a)와 Y축에 대하여 대칭 관계에 있다. 또한, 제3 및 제4 상한에 속하는 12개의 렌즈요소(22a)는 제2 및 제1 상한에 있는 12개의 렌즈요소(22a)와 X축에 대하여 대칭 관계에 있다. 이들의 각 렌즈요소(22a)는 제1 렌즈어레이(21)의 각 렌즈요소(21a)(도 3)와 대응한 관계에 있고, 제1 렌즈어레이(21)의 각 렌즈요소(21a)로부터 출사된 소광속은 제2 렌즈어레이(22)의 대응하는 렌즈요소(22a)의 대략 중앙에 입사하도록 되어 있다. 이와 같이 각 렌즈요소(22a)의 형상 및 크기가 상이한 이유는 후술한다.

제1 렌즈어레이(21)의 렌즈요소(21a)의 초점거리를 f1로 하고, 제2 렌즈어레이(22)의 렌즈요소(22a)의 초점거리를 f2(=f1)로 했을 때, 양 렌즈요소의 합성초점거리 f가 역시 f1로 되는 위치에 제2 렌즈어레이(22)의 렌즈요소(22a)를 배치한 경우 렌즈요소(22a)는 필드렌즈로서 기능한다.

제2 렌즈어레이(22)의 각 렌즈요소(22a)를 제1 렌즈어레이(21)의 대응하는 렌즈요소(21a)의 필드렌즈로서 기능하게 하기 위해서는, 상기 편심 배치에 추가하여 제1 렌즈어레이(21)의 렌즈요소(21a)의 초점위치가 제2 렌즈어레이(22)의 각 렌즈요소(22a)의 주면(主面)상에 오도록 배치할 필요가 있다. 따라서, 후술하는 도 8에 나타낸 바와 같이, 제1 렌즈어레이(21)의 각 렌즈요소(21a)에 의해 집광된 광속의 단면이 최소로 되는 위치에 제2 렌즈어레이(22)의 대응하는 렌즈요소(22a)를 배치시키도록 하고 있다.

제2 렌즈어레이(22)는 그 중심을 광축(10)이 통과하고, 또한, 자기자신 전체가 액정패널(18)의 각 화소개구와 상 공역 또는 그에 가까운 관계를 가지는 위치에 배치된다. 화소개구는 후술하는 도 7에 도시된 검은 색 매트릭스부(81b)로 덮히지 않은 화소전극의 일부이다. 제2 렌즈어레이(22)는 필드렌즈라고 하는 역할을 다할 뿐만 아니라, 그 전체가 액정패널(18)에의 입사광속의 조리개로서 기능하여 후술하는 입사발산각 α(도 7)를 제한한다. 따라서, 제2 렌즈어레이(22)의 전체형상은 액정패널(18)의 각 화소(후술하는 도 6의 화소전극(81B,81R,81G))의 개구형상과 거의 닮은꼴로 형성된다. 본 실시예에서는, 도 5에 나타낸 바와 같이, 제2 렌즈어레이(22) 전체의 외연형상은 대략 정방형으로 되어 있으므로, 액정패널(18)의 화소개구형상이 대략 정방형인 경우에 최적이다.

도 7은 도 2에 있어서의 액정패널(18)의 수평방향의 단면구조를 확대하여 나타낸 것이다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 액정패널(18)은 화소전극이 다수 형성된 화소기판(81)과, 대향전극 및 마이크로렌즈가 형성된 대향기판(82)과, 화소기판(81)과 대향기판(82)에 의해 끼워진 액정층(83)을 구비하고 있다.

화소기판(81)은 글라스기판(81a)과, 글라스기판(81a)의 일면측(광입사측)에 규칙적으로(주기적으로) 배치된 B광, R광, G광용의 화소전극(81B,81R,81G) 등과, 이들 각 화소전극에 대하여 화상신호에 따른 전압을 인가하기 위한 스위칭소자로서 기능하는 TFT(도시하지 않음) 등으로 이루어지는 블랙매트릭스부(81b)를 포함하고 있다. 상기 TFT는 예를 들면 폴리실리콘으로 이루어지는 게이트전극, 드레인전극, 및 소스전극(모두 도시하지 않음)을 가지고 있다. 이 중, 게이트전극은 도면의 지면내에서 좌우로 연장되는 어드레스배선(도시하지 않음)에 접속되고, 소스전극은 도면의 지면과 수직의 방향으로 연장되는 B, R, G용의 각 데이터배선(도시하지 않음)에 접속되며, 드레인전극은 각 화소전극(81B,81R,81G)에 접속되어 있다. 그리고, 어드레스배선과 데이터배선에 의해 선택된 화소전극에 B, R, G의 화상신호전압이 선택적으로 인가됨으로써, 화소전극과 대향전극(82d)과의 사이의 액정층(83) 중의 액정분자 배향(配向)이 변화하여, 이곳을 통과하는 광의 편광방향을 변화시키도록 되어 있다. 블랙매트릭스부(81b)는 도시하지 않은 알루미늄 등의 금속막으로 차광되어, 광 조사에 의해 TFT가 오동작하는 일이 없도록 되어 있다.

한편, 대향기판(82)은 글라스기판(82a)과, 글라스기판(82a)의 일면측(광출사측)에 형성된 집광용의 마이크로렌즈(82b)로 이루어지는 마이크로렌즈어레이와, 마이크로렌즈(82b)에 밀착하여 배치된 커버글라스(82c)와, 커버글라스(82c) 상에 형성된 대향전극(82d)을 구비하고 있다. 대향전극(82d)은 커버글라스(82c)의 전면(全面) 또는 필요한 영역(즉, 최소한 화소기판(81)의 화소전극(81B,81R,81G)과 대향하는 영역)에 형성된 투명전극이고, 일정한 전위로 고정되어 있다. 마이크로렌즈(82b)는, 예를 들면 기판을 렌즈형으로 에칭하여 투명수지를 채우는 방법이나 선택적 이온확산법에 의한 굴절률분산형 렌즈로서 형성되지만, 그 밖의 임의의 방법으로 형성된 것이라도 된다. 또, 마이크로렌즈(82b)는 통상은 도면의 지면과 수직방향으로 축을 가지는 반원통렌즈로서 형성되지만, 그밖에, 일반의 구면형(球面形) 또는 그에 가까운 곡면의 렌즈라도 된다. 여기에서, 액정패널(18)은 본 발명의 「액정패널」에 대응하고, 마이크로렌즈(82b)는 본 발명의 「집광수단」에 대응한다.

도 7에 나타낸 바와 같이, 마이크로렌즈(82b)는 화소기판(81)의 3개의 화소전극(81B,81R,81G)에 대하여 1개씩 형성 배치되어 있고, 상이한 3방향으로부터 입사한 B, R, G의 광속을 각각 집광하여 액정층(83)을 거쳐 화소전극(81B,81R,81G)에 각각 입사시키도록 되어 있다. 여기에서, 예를 들면 수직입사하는 R광을 중심으로 설명하면 마이크로렌즈(82b)의 초점이 화소전극(81R)상 또는 그 근방으로 오도록 설정하는 것이 통상적이지만, 필요에 따라 글라스기판(81a)의 내부의 깊은 곳에 초점이 오도록 설정해도 된다. 다른 광(B광 및 G광)에 대해서도 동일하다.

다음에, 도 2, 도 8 및 도 9를 참조하여, 이와 같은 구성의 투사형 액정표시장치의 동작 및 작용을 설명한다.

먼저, 도 2의 광학계를 참조하여, 투사형 액정표시장치 전체의 동작을 설명한다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 광원(11)으로부터 나온 백색광은 UV/IR컷필터(12)에 의해 자외 및 적외역의 광이 제거되어 일단 수렴된 후 발산하여 콜리메이터렌즈(13)에 입사한다. 콜리메이터렌즈(13)는 입사되는 광을 광축(10)에 대략 평행한 단일광속으로 변환하여 출사한다. 단일광속은 제1 렌즈어레이(21)에 입사되고, 각 렌즈요소(21a)에 의해 복수의 소광속으로 분할된다. 이 때, 도 3에 나타낸 바와 같이, 제1 렌즈어레이(21) 상에 있어서의 광원상(25)(즉, 입사된 단일광속의 단면)은, 제1 렌즈어레이(21)의 외연 중에 대략 완전히 포함되도록 되어 있으므로 광원으로부터의 광 효율이 양호하게 이용된다.

후술하는 도 8에 나타낸 바와 같이, 제1 렌즈어레이(21)의 각 렌즈요소(21a)에 의해 분할된 각 소광속은 제2 렌즈어레이(22)의 대응하는 렌즈요소(22a)의 대략 중앙에 수렴된 후, 여기에서 약간 진행방향을 바꿔 확산하여, 콜리메이터렌즈(15)에 입사한다. 콜리메이터렌즈(15)는 제2 렌즈어레이(22)로부터의 입사광속을 대략 텔리센트릭(telecentric) 상태의 광속으로 변환한다.

콜리메이터렌즈(15)에 의해 대략 텔리센트릭 상태로 된 광속은 2색 미러(16B,16R,16G)(도 2)에 입사한다. 2색 미러(16B,16R,16G)는 입사광속을 B, R, G의 3색광으로 색분해하고, 각 색광을 서로 상이한 각도방향으로 반사한다. 2색 미러(16B,16R,16G)로 색분해되어 반사된 각 색광은 입사측 편광판(17)(도 2)에 입사한다. 이 입사측 편광판(17)은 입사된 각 색광에 대하여, 소정의 편광방향의 직선편광성분만을 투과시킨다. 입사측 편광판(17)을 투과하여 완전한 직선편광이 된 각 색광은, 액정패널(18)의 각 마이크로렌즈(82b)에 각각 상이한 방향으로부터 입사한다. 액정패널(18)은 B, R, G의 각 색광을 컬러화상신호에 따라 강도 변조하여 출사한다.

도 7을 참조하여 마이크로렌즈(82b) 중의 1개의 마이크로렌즈 ML에 입사하는 광의 경로에 대하여 고찰한다. R광은 글라스기판(82a)에 수직으로 입사하므로, 마이크로렌즈 ML의 광축이 통과하는 화소전극(81R)의 중앙 또는 그 근방에 초점을 잇는다. 또, B광은 글라스기판(82a)에 입사각 ø로 입사하여, 굴절각 ø로 굴절한 후, 이와 동일 입사각 ø로 마이크로렌즈 ML에 입사하고, 화소전극(81R)과 인접하고 있는 화소전극 중 마이크로렌즈 ML의 광축과 각 ø을 이루는 직선이 중심을 통하고 있는 쪽의 화소전극(81B)의 중앙 또는 그 근방에 초점을 형성한다. 마찬가지로, G광은 글라스기판(82a)에 입사각 〔-θ〕으로 입사하고, 굴절각 ø로 굴절한 후, 이와 동일 입사각 ø로 마이크로렌즈 ML에 입사하고, 화소전극(81R)과 인접하고 있는 화소전극 중 마이크로렌즈 ML의 광축과 각 〔-ø〕을 이루는 직선이 중심을 통과하고 있는 화소전극(81G)의 중앙 또는 그 근방에 초점을 형성한다. 이 때, 주어진 화소신호에 따라 화소전극(81B,81R,81G)에의 인가전압이 변화하고, 이에 따라 액정층(83)을 통과하는 B, R, G의 각 색광의 편광방향이 변조된다.

화소기판(81)의 화소전극(81B,81R,81G)상 또는 그 근방에 각각 초점을 형성하는 B, R, G의 각 색광은, 다시 각각 확대되면서 글라스기판(81a)으로부터 출사하고, 도시하지 않은 출사측 편광판을 선택적으로 투과한 후, 투영렌즈(20)에 의해 투사되어 스크린(19)상에 도달한 후 합성된다. 이와 같이 하여, 스크린(20) 상에 컬러화상이 투영 표시된다.

다음에, 이 투사형 액정표시장치에서 특징적인 작용을 설명한다.

도 8은, 도 2의 제1 렌즈어레이(21)로부터 액정패널(18)에 이르는 광로를 간략화하여 나타낸 것이다. 그리고, 이 도면에서는 설명의 편의상, 도 2의 굴곡된 광로를 직선광로로 고쳐 등가적으로 묘사하고 있으며, 또, 도 2에서 도시한 2색 미러(16B,16R,16G)의 도시를 생략하고 있다. 도 8에 나타낸 바와 같이, 제1 렌즈어레이(21)로부터 각 렌즈요소(21a)의 외연과 닮은꼴의 단면을 가지고 출사된 복수의 소광속은 각각 렌즈요소(21a)와 대략 닮은꼴을 가지는 액정패널(18)의 유효영역에 대략 평행으로(정확하게는, 입사발산각 α를 갖고) 입사한다. 이로써, 액정패널(18)은 제1 렌즈어레이(21)의 모든 렌즈요소(21a)로부터의 광원광에 의해 중첩적으로 조명한다. 이 경우, 제1 렌즈어레이(21)에 입사하는 단일광속은 광축(10)과 수직의 단면내에서 상당히 큰 강도분포(즉, 불균일한 분포)를 가지고 있지만, 이 단일광속을 제1 렌즈어레이(21)로 분할한 복수의 소광속의 각 단면내에서의 강도분포는 비교적 균일하게 되어 있다. 따라서, 이들 복수의 소광속을 확대하여 중첩한 결과로서의 액정패널(18) 상의 조도분포도 또한 상당히 균일한 것으로 된다. 따라서, 스크린(20)상에 확대투영되는 화상의 화면내 휘도분포를 충분히 균일화하는 것이 가능하게 된다.

본 발명이 대상으로 하고 있는 컬러필터가 없는 마이크로렌즈방식의 투사형 액정표시장치에서는, 이미 도 7에서 설명한 바와 같이, B, R, G용의 3개의 화소전극(81B, 81R, 81G)에 대응하여 배설한 각 마이크로렌즈(82b)(도 7)에 각각 상이한 방향으로부터 B, R, G의 각 색광을 입사시키고, 이 마이크로렌즈(82b)에 의해 집광된 각 색광을 화소전극(81B, 81R, 81G)에 각각 입사시킴으로써 컬러표시를 행하도록 하고 있으르로, 액정패널(18)을 조사하는 광의 입사발산각 α(도 7)이 크면, 어느 색광(예를 들면 B광)이 B용의 화소전극(81B) 뿐만 아니라 인접하는 화소(이 경우, R용의 화소전극(81R) 또는 G용의 화소전극(81G))에도 입사한다. 그러므로, 혼색이 생겨 표시화상의 색순도가 저하되어, 화질을 현저하게 손상할 우려가 있다. 그래서, 액정패널(18)에 입사하는 광의 입사발산각 α를 충분히 작게 할 필요가 있다. 즉, 컬러필터가 없는 마이크로렌즈방식의 투사형 액정표시장치에서는, 액정패널에 요구되는 입사발산각 α의 각도제한이 다른 방식(컬러필터부착 단판식 또는 3판식)의 투사형 액정표시장치에 비해 각별히 엄격하다.

그래서, 본 실시예에서는, 액정패널(18)에 입사되는 광의 입사발산각 α을 작게 하기 위해, 제2 렌즈어레이(22)의 외연형상을 될 수 있는 한 작게 형성하도록 하고 있다. 상기한 바와 같이, 제2 렌즈어레이(22) 전체의 외연은, 이러한 조명계에 있어서의 조리개로서의 역할도 가지고 있으며, 액정패널(18)의 각 화소에 입사되는 광의 입사발산각 α를 정하는 것이기 때문이다. 그리고, 제2 렌즈어레이(22)의 사이즈를 작게 형성할 경우, 종래 사용되고 있던 글라스프레스에 의한 제작방법에서는 정밀도상의 한계가 있으므로, 플라스틱수지를 사용한 성형방법을 사용하는 것이 적합하다. 예를 들면, 글라스프레스법의 경우에는, 각 렌즈요소(22a)의 사이즈가 약4mm×3mm 이상일 필요가 있지만, 플라스틱성형에 의한 경우에는 그 이하의 사이즈라도 충분히 정밀도를 담보할 수 있다.

액정패널(18)에 입사하는 광의 입사발산각 α는 수평방향 및 수직방향의 쌍방에서 제한하지 않으면 안된다. 그 제한의 정도는 화소개구의 형상에 의존한다. 예를 들면, 화소개구의 형상이 수직방향의 크기가 크고 수평방향이 작은 가늘고 긴 직사각형 형상(장방형)이라고 하면, 수직방향보다도 수평방향의 쪽이 혼색에 대한 마진이 적어, 혼색이 일어나기 쉽다. 따라서, 이 경우, 수평방향의 입사발산각 α의 각도제한은 수직방향보다도 엄격해지므로, 광이용 효율을 충분히 높이려고 한다면, 입사발산각 α의 각도제한을 수평방향과 수직방향에서 상이하게 할 필요가 있다. 이와 같은 이유에서, 본 실시예에서는 제2 렌즈어레이(22)의 렌즈요소(22a)의 외연형상을 화소개구형상과 닮은꼴로 하여, 화소개구의 수평·수직크기비에 따른 입사발산각의 제한을 행하고 있는 것이다. 예를 들면, 화소개구형상이 정방형인 경우에는, 도 5에 나타낸 바와 같이, 제2 렌즈어레이(22)의 외연형상도 정방형으로 하면 된다. 이 경우, 수평방향 및 수직방향의 입사발산각 α의 각도제한은 동일하다.

도 9는 본 실시예에 있어서의 제2 렌즈어레이(22) 상에 광원상26)이 투영된 상태를 나타내고, 도 10은 도 9에 대한 비교예를 나타낸 것이다. 여기에서, 도 10은 본 실시예와 달리, 제1 렌즈어레이(21)의 렌즈요소(21a)(도 3)와 같은 형상 같은 크기의 렌즈요소(22a)만을 배열하여 제2 렌즈어레이(122)를 형성한 경우의 예를 나타내고 있다. 그리고, 이들 도면에 나타낸 각 광원상(26)은 제1 렌즈어레이(21)의 각 렌즈요소(21a)로부터 출사된 소광속에 의해 형성된 것이다. 또, 도 10의 제2 렌즈어레이(22)에 대응하는 제1 렌즈어레이는 도 3과 동일한 것으로 한다.

도 10에 나타낸 바와 같이, 광축(10)이 통과하는 제2 렌즈어레이(122)의 중심에 가까운 렌즈요소(122a)에 입사하는 광원상(26)은 비교적 크고, 광축(10)으로부터 먼 렌즈요소(122a)에 입사하는 광원상(26)만큼 작게 되어 있다. 또, 각 광원상(26)의 중심은 대응하는 렌즈요소(122a)의 중심과 반드시 일치하고 있지 않다. 한편, 렌즈요소(122a)는 모두 같은 형상 같은 크기이다. 따라서, 대응하는 렌즈요소(122a)로부터 벗어나 이웃의 렌즈요소(122a)에 투영되는 광원상 부분도 비교적 크게 된다. 이 경우, 그 벗어난 부분의 광은 도 8에 나타낸 바와 같은 본래의 광로를 진행하지 않으므로, 액정패널(18)에 도달하지 않아, 액정패널(18)의 조명에 기여하지 못한다. 즉, 광량손실이 커져 광이용효율이 저하된다. 따라서, 이와 같은 렌즈요소(122a)로부터 벗어나는 광원상 부분의 비율이 너무 커지면, 액정패널(18)상의 조도가 불충분하게 되어 스크린(20) 상에 표시되는 화상의 휘도도 저하된다.

이에 대하여, 본 실시예에 있어서의 제2 렌즈어레이(22)의 경우에서는, 도 9에 나타낸 바와 같이, 각 렌즈요소(22a)의 형상 및 크기를, 광원상(26)의 형상 및 크기에 맞춰 적절히 상이하게 하고 있으므로, 각 광원상(26)은 제2 렌즈어레이(22)에 대응하는 렌즈요소(22a)의 외연내에 거의 수용되고 있다. 특히, 중앙 부근의 큰 광원상(26)은 대응하는 렌즈요소(22a) 내에 비교적 완전히 가까운 형태로 수용되고 있다. 또, 다른 광원상(26)에 대해서는 대응하는 렌즈요소(22a)로부터 다소 벗어나 있는 것도 있지만, 그 비율은 그다지 크지 않다. 따라서, 제2 렌즈어레이(22)에 있어서의 광량손실은 도 10에 나타낸 비교예에 비해 작아, 액정패널(18) 상의 조도저하를 방지할 수 있다. 즉, 광이용 효율의 향상이 가능해진다.

다음에, 제2 렌즈어레이(22)의 크기와, 제1 렌즈어레이(21)의 각 렌즈요소(21a)의 초점거리를 구하는 방법을 설명한다.

도 8에서, 제1 렌즈어레이(21)의 각 렌즈요소(21a)의 하나하나가 액정패널(18)의 면과 상 공역 또는 그에 가까운 관계를 가지도록 되어 있으므로, 그 확대배율 m은 대략 다음의 수학식 1에 의해 나타난다.

[수학식 1]

m=f3/f1

여기에, f1은 제1 렌즈어레이(21)의 각 렌즈요소(21a)의 초점거리이고, f3은 콜리메이터렌즈(15)의 초점거리이다.

제1 렌즈어레이(21)의 각 렌즈요소(21a)의 크기와 액정패널(18)의 크기가 이미 결정되어 있다고 하면, 확대배율 m이 결정된다. 따라서, 콜리메이터렌즈(15)의 초점거리 f3이 결정되어 있으면, 수학식 1로부터 제1 렌즈어레이(21)의 렌즈요소(21a)의 초점거리 f1은 f3/m으로 구해진다.

한편, 제2 렌즈어레이(22)의 주면위치가 액정패널(18)에의 입사광의 조리개위치로 되어 있고, 또 제2 렌즈어레이(22)의 외연형상은 콜리메이터렌즈(15) 및 마이크로렌즈(82b)에 관해, 액정패널(18)의 화소개구와 상 공역 또는 그에 가까운 관계를 가지도록 되어 있으므로, 제2 렌즈어레이(22)의 외연형상의 액정패널(18)의 화소개구에 대한 축소배율 m'은 대략 다음의 수학식 2으로 나타난다.

[수학식 2]

m'=f4/f3

여기에, f4는 마이크로렌즈(82b)의 초점거리이다.

여기에서, 액정패널(18)의 화소개구의 크기를 d로 하고, 제2 렌즈어레이(22)의 전체 크기를 D로 하면, 다음의 수학식 3이 성립된다.

[수학식 3]

m'=d/D

축소배율 m'은 콜리메이터렌즈(15)의 초점거리 f3 및 마이크로렌즈(82b)의 초점거리 f4가 결정되어 있으면 수학식 2에 의해 정해진다. 따라서, 액정패널(18)의 화소개구의 크기 d가 결정되어 있으면, 수학식 3에 의해 제2 렌즈어레이(22)의 크기 D는 d/m'으로 구해진다.

그리고, 제2 렌즈어레이(22)의 크기는 이론상, 상기 수학식 2를 만족시키는 한 임의로 설정 가능하고, 축소배율 m'을 가능한 한 작게 설정하면 제2 렌즈어레이(22)를 크게 할 수도 있지만, 그 경우에는, 콜리메이터렌즈(15)의 초점거리 f3을 상당히 크게 하지 않으면 안되므로, 장치가 상당히 커져 현실성이 없다. 따라서, 장치의 소형화를 도모하는데는, 제2 렌즈어레이(22)의 크기를 될 수 있는 한 작게 하여, 축소배율 m'을 될 수 있는 한 1에 가깝게 설정하는 것이 좋다.

이상과 같이, 본 실시예에 의하면, 제1 렌즈어레이(21)의 각 렌즈요소(21a)의 외연과 닮은꼴의 단면을 가진 복수의 광속이 각각 렌즈요소(21a)와 대략 닮은꼴을 가지는 액정패널(18)의 유효영역에 입사되므로, 액정패널(18)은 제1 렌즈어레이(21)의 모든 렌즈요소(21a)로부터의 광원광에 의해 손실 없이 중첩적으로 조명된다. 이 경우, 제1 렌즈어레이(21)에 입사하는 단일광속은 광축(10)과 수직의 단면내에서 상당히 큰 강도분포(즉, 불균일한 분포)를 가지지만, 단일광속을 제1 렌즈어레이(21)로 분할한 복수의 소광속의 각 단면내에서의 강도분포는 비교적 균일하게 되어 있다. 따라서, 이들 복수의 소광속을 중첩한 결과로서의 액정패널(18)상의 조도분포도 또한 상당히 균일한 것으로 된다. 따라서, 스크린(20) 상에 확대투영되는 화상의 화면내 휘도분포를 충분히 균일화하는 것이 가능하게 된다.

그리고, 본 실시예에서는, 제1 렌즈어레이(21)를 각 구면의 정점(21b)을 렌즈요소(21a)의 중심에 위치하도록 하여, 편심시키지 않는 구성으로 했지만, 예를 들면 도 11 및 도12에 나타낸 바와 같이, 각 구면의 정점(21b')을 각 렌즈요소(21a')의 중심으로부터 벗어나 편심시키도록 구성해도 된다. 여기에서, 도 11은 광입사측에서 본 평면구조를 나타내고, 도 12는 도 11의 XE-XE에 따른 단면구조를 나타낸다. 이 변형예에서는 구면의 정점(21b')을 광축(10)에 근접시키는 방향으로 렌즈요소(21a)를 편심시키고 있으므로, 제1 렌즈어레이(21)의 각 렌즈요소(21a)에 의해 분할된 소광속은 광축(10)의 방향에 근접하는 방향으로 진행한다. 이로써, 광원상(26)은 제2 렌즈어레이 상의 중심방향으로 모여, 실질적으로 조리개 개구를 작게 한 것과 동일하게 되므로, 액정패널(18)에의 입사발산각을 보다 작게 제한할 수 있다. 또, 제2 렌즈어레이(22)로부터 외측으로 벗어나는 광속의 비율을 적게 할 수 있어, 제2 렌즈어레이(22)에 있어서의 광량손실을 저감할 수도 있다.

[제2 실시예]

다음에, 본 발명의 제2 실시예를 설명한다.

먼저 본 실시예에 대한 비교예로서 제1 실시예의 작용에 대하여 추가로 설명한다. 상기 제1 실시예에서는, 제1 렌즈어레이(21)와 제2 렌즈어레이(22)가 전체적으로 같은 형태 같은 크기로 되어 있고, 더욱이 도 3에 나타낸 바와 같이 제1 렌즈어레이(21)의 각 렌즈요소(21a)는 모두 편심되지 않은 상태로 배치되어 있으므로, 도 9에 나타낸 바와 같이, 제2 렌즈어레이(22) 상에 있어서의 광원상(26) 상호간에는 상당한 간극(space)이 존재하여, 렌즈요소(22a)가 불필요한 간극을 포함하게 된다. 이는 도 10에 나타낸 비교예에서도 동일하다. 이것은 제2 렌즈어레이(22)(또는 122)의 크기가 필요 이상으로 크다는 것을 의미한다.

예를 들면, 보다 고정밀화를 도모하기 위해 액정패널(18)의 화소개구의 크기를 작게 할 필요가 있는 경우에는, 액정패널(18)에 입사되는 광의 입사발산각 α를 작게 하기 위해 제2 렌즈어레이(22)의 전체 크기를 작게 할 필요가 있으므로, 이에 따라 대응하는 제1 렌즈어레이(21)의 전체 크기도 작게 하지 않으면 안된다. 그렇게 하지 않으면, 제2 렌즈어레이(22) 상에서의 각 광원상(26)이 각각 대응하는 각 렌즈요소(22a)로부터 크게 벗어나 버려, 광이용 효율이 저하되기 때문이다. 그런데, 제1 렌즈어레이(21)의 전체 크기를 작게 하면, 광원(11)으로부터 나오는 광의 전부를 제1 렌즈어레이(21)에서 수용하는 것이 곤란하게 되고, 결과적으로 광이용 효율이 저하되어 액정패널(18) 상의 조도가 저하된다.

한편, 액정패널(18)에 입사하는 광의 입사발산각 α를 작게 하기 위해 단지 제2 렌즈어레이(22)의 외연 형상만을 작게 하는 경우에는, 필연적으로 제2 렌즈어레이(22)에 의해 액정패널에 도달하는 광량이 감소되므로, 액정패널(18) 상의 조도도 역시 저하된다.

본 실시예에 따른 투사형 액정표시장치는, 이와 같은 광량 저하라고 하는 문제점을 개선하기 위해, 상기 제1 실시예에 따른 투사형 액정표시장치에 변형을 가한 것이다. 본 실시예가 도 13∼도 19를 참조하여 이하에서 설명된다. 그리고, 이들 도면에 있어서, 상기 제1 실시예에서 나타낸 각 도면에 있어서의 요소와 동일 요소에는 동일한 부호를 붙이고, 필요한 설명을 적절히 생략하기로 한다.

도 13은 본 발명의 제2 실시예에 관한 투사형 액정표시장치의 광학계를 개략적으로 나타낸 것으로, 장치를 바로 위에서 내려다 본 상태를 나타내고 있다. 이 장치는, 컬러필터가 없는 마이크로렌즈방식의 투사형 액정표시장치로 구성된 것이라는 점에서 상기 제1 실시예에 관한 투사형 액정표시장치와 동일하지만, 도 2에 있어서의 제1 렌즈어레이(21) 및 제2 렌즈어레이(22) 대신에, 각각 제1 렌즈어레이(31) 및 제2 렌즈어레이(32)를 배치하고 있는 점에서 상이하다. 여기에서, 제1 렌즈어레이(31)는 본 발명의 「제1 렌즈어레이」에 대응하고, 제2 렌즈어레이(32)는 본 발명의 「제2 렌즈어레이」에 대응한다. 다음에, 제1 렌즈어레이(31) 및 제2 렌즈어레이(32)에 대하여 상술한다.

도 14 및 도 15는 도 13에 나타낸 제1 렌즈어레이(31)의 구조를 나타낸 것으로, 이 중 도 14는 광입사측에서 본 평면구조를 나타내고, 도 15는 도 14의 XV-XV에 따른 단면구조를 나타낸다. 이들 도면에 나타낸 바와 같이, 제1 렌즈어레이(31)는 같은 형태 같은 크기의 직사각형 렌즈요소(31a)를 수평방향으로 4열, 수직방향으로 6열 배열하여 구성되어 있다. 각 렌즈요소(31)의 한쪽 면은 평탄면, 다른 쪽의 면은 소정의 곡률을 가지는 철(凸)구면이다. 각 철구면의 정점(31b)은 각 렌즈요소(31a)의 중앙으로부터 각각 소정 방향으로 소정량씩 시프트되어 있고, 각 렌즈요소(21a)의 외연에 대하여 각각 편심되어 있다. 도 13에 나타낸 바와 같이, 제1 렌즈어레이(31)는 철구면을 광입사측으로 향해 배치되어 있다.

도 14에 나타낸 바와 같이, 수평방향에 있어서의 중앙의 경계선을 X축으로 하고, 수직방향에 있어서의 중앙의 경계선을 Y축으로 하면, 이 도면의 제1 상한에 속하는 6개의 렌즈요소(31a)의 편심방향 및 편심량은 모두 상이하다. 또, 제2 상한에 속하는 6개의 렌즈요소(31a)는 제1 상한의 6개의 렌즈요소(31a)와 Y축에 대하여 대칭 관계에 있다. 또한, 제3 및 제4 상한에 속하는 12개의 렌즈요소(31a)는 제2 및 제1 상한의 12개의 렌즈요소(31a)와 X축에 대하여 대칭 관계에 있다.

제1 렌즈어레이(31)는 그 전체형상이 대략 정방형으로 되어 있고, 광원(11)의 광원상(25)이 그 정방형에 내접하게 되는 위치에 배치된다. 한편, 각 렌즈요소(31a)의 형상은 액정패널(18)의 유효영역의 형상과 대략 닮은꼴로 되어 있고, 수평방향과 수직방향의 비는 예를 들면 4대3으로 설정된다. 그리고, 제1 렌즈어레이(31)는 각 렌즈요소(31a)가 액정패널(18)과 상 공역 또는 그에 가까운 관계를 가지는 위치에 배치된다.

도 16 및 도 17은 도 2에 있어서의 제2 렌즈어레이(32)의 구조를 나타낸 것으로, 이 중 도 16은 광출사측에서 본 평면구조를 나타내고, 도 17은 도 16의 XVⅡ-XVⅡ에 따른 단면구조를 나타낸다. 제2 렌즈어레이(32)는 서로 상이한 크기 및 상이한 형상의 렌즈요소(32a)를 포함하고 있다. 제2 렌즈어레이(32)의 각 렌즈요소(32a)의 한쪽 면이 평탄면이고 다른 쪽 면이 소정의 곡률을 가지는 철구면인 점은, 제1 렌즈어레이(31)의 경우와 동일하다.

도 16에 나타낸 바와 같이, 수평방향에 있어서의 중앙의 경계선을 X축으로 하고, 수직방향에 있어서의 중앙의 경계선을 Y축으로 하면, 이 도면의 제1 상한에 속하는 6개의 렌즈요소(32a)는 모두 서로 상이한 크기 및 형상으로 되어 있다. 구체적으로는, 제2 렌즈어레이(32)의 중심(X축과 Y축의 교점)으로부터 멀어짐에 따라 크기가 작아지도록 되어 있다. 각 렌즈요소(32a)에 있어서의 구면의 정점(31b)은 각 렌즈요소(32a)의 중앙으로부터 각각 소정의 방향으로 소정량씩 시프트되어, 각 렌즈요소(32a)의 외연에 대하여 편심되어 있다. 또, 제2 상한에 속하는 6개의 렌즈요소(32a)는 제1 상한의 6개의 렌즈요소(32a)와 Y축에 대하여 대칭 관계에 있다. 또한, 제3 및 제4 상한에 속하는 12개의 렌즈요소(32a)는 제2 및 제1 상한의 렌즈요소(32a)와 X축에 대하여 대칭 관계에 있다. 제2 렌즈어레이(32)의 각 렌즈요소(32a)의 광출사면을 이루는 구면의 정점(32b)은 모두 제1 렌즈어레이(31)의 대응하는 렌즈요소(31a)의 중심을 통과하며 광축(10)과 평행한 직선 상에 위치하고 있다. 따라서, 제2 렌즈어레이(32)의 각 렌즈요소(32a)는 각각의 외연의 중앙으로부터 각각 소정 방향으로 편심되어 있다.

렌즈요소(32a)의 전체는 제1 렌즈어레이(31)의 경우와 동일하여, 수평방향으로 4열, 수직방향으로 6열로 합계 24개이지만, 제2 렌즈어레이(32)의 전체형상에 있어서는, 상기 제1 실시예의 경우(도 5)와는 달리, 수직방향으로 약간 가늘고 긴 직사각형으로 되어 있다. 이는 액정패널(18)을 보다 고정밀화한 경우에 화소개구형상이 약간 세로로 길게(수직방향으로 긴 것) 된 것을 고려하여, 그와 같은 화소개구형상과 닮은꼴로 한 것이다. 제2 렌즈어레이(32)의 각 렌즈요소(32a)는 제1 렌즈어레이(31)의 각 렌즈요소(31a)에 대응하고 있으며, 후술하는 도 18에 나타낸 바와 같이, 제1 렌즈어레이(31)의 각 렌즈요소(31a)로부터 출사된 광속이 제2 렌즈어레이(32)의 대응하는 렌즈요소(32a)의 대략 중심으로 입사하도록 되어 있다.

도 14에 나타낸 바와 같이, 제1 렌즈어레이(31)의 각 렌즈요소(31a)는 제1 렌즈어레이(31)의 각 렌즈요소(31a)를 통한 소광속이 모두 제2 렌즈어레이(32)의 대응하는 렌즈요소(32a)의 중심에 수렴되도록 각각 편심되어 있다. 또, 도 16에 나타낸 바와 같이, 제2 렌즈어레이(32)의 각 렌즈요소(32a)는 제2 렌즈어레이(32)의 각 렌즈요소(32a)가 필드렌즈로서의 역할을 다할 수 있도록 각각 편심되어 있고, 이로써, 제1 렌즈어레이(31)의 각 렌즈요소(32a)로부터의 소광속을 모두 액정패널(18)상에 거의 정확하게 중첩시켜 확대 투영하는 것이 가능하게 된다. 또, 제2 렌즈어레이(32)의 각 렌즈요소(32a)가 제1 렌즈어레이(31)의 대응하는 렌즈요소(31a)의 필드렌즈로 기능하기 위해서는, 상기 편심배치 이외에, 제1 렌즈어레이(31)의 렌즈요소(31a)의 초점위치가 제2 렌즈어레이(32)의 각 렌즈요소(32a)의 주면상에 오도록 배치해야 한다. 구체적으로는, 후술하는 도 18에 나타낸 바와 같이, 제1 렌즈어레이(31)의 각 렌즈요소(31a)에 의해 집광된 광속의 단면이 최소로 되는 위치에 제2 렌즈어레이(32)의 대응하는 렌즈요소(32a)의 주면(主面)이 배치된다.

제2 렌즈어레이(32)는 액정패널(18)의 각 화소개구와 상 공역 또는 그에 가까운 관계를 가지는 위치에 배치된다. 또, 제2 렌즈어레이(32)는 필드렌즈로서의 역할을 할 뿐만 아니라, 그 전체가 액정패널(18)에의 입사광속의 조리개로서 기능하여 입사발산각 α를 제한하는 역할도 다하므로, 제2 렌즈어레이(32)의 전체형상을 액정패널(18)의 각 화소의 개구형상과 대략 닮은꼴로 하고 있다. 또, 장치의 소형화를 도모하기 위해, 제2 렌즈어레이(22)의 크기를 될 수 있는대로 작게 형성하여, 수학식 2에 나타낸 축소배율 m'이 될 수 있는대로 1에 가깝게(환언하면, 축소의 정도가 가능한 한 작게) 되도록 하고 있다. 이러한 점은 상기 제1 실시예와 동일하다.

다음에, 본 실시예에 관한 투사형 액정표시장치의 작용을 설명한다. 다만, 도 12에 나타낸 광학계 전체로서, 상기 제1 실시예와 동일한 기본적 작용은 설명을 생략하고, 본 실시예에 있어서의 특징적인 작용만을 설명한다.

도 18은 도 13의 제1 렌즈어레이(31)로부터 액정패널(18)에 이르는 광로를 간략화하여 나타낸 것으로, 상기 제1 실시예에 관련된 도 8에 상당하는 것이다. 도 18에서는, 설명의 편의상, 도 13의 굴곡된 광로를 직선광로로 고쳐 등가적으로 묘사하고 있으며, 도 13에서 도시된 2색 미러(16B,16R,16G)의 도시가 생략되어 있다.

도 18에 나타낸 바와 같이, 제1 렌즈어레이(31)의 각 렌즈요소(31a)의 외연과 닮은꼴의 단면을 가진 복수의 광속이, 각각 렌즈요소(31a)와 대략 닮은꼴을 가지는 액정패널(18)의 유효영역에 입사된다. 이로써, 액정패널(18)은 제1 렌즈어레이(31)의 모든 렌즈요소(31a)로부터의 광원광에 의해 중첩적으로 조명된다. 이 경우, 제1 렌즈어레이(31)에 입사되는 단일광속은 광축(10)과 수직 단면내에서 불균일한 분포를 가지고 있지만, 이 단일광속을 제1 렌즈어레이(31)로 분할한 복수의 소광속의 단면내에서의 강도분포는 비교적 균일하게 되어 있으므로, 이들 복수의 소광속을 중첩한 결과로서의 액정패널(18) 상의 조도분포도 또한 상당히 균일하게 된다. 따라서, 스크린(20) 상에 확대투영되는 화상의 화면내 휘도분포를 충분히 균일화하는 것이 가능하게 된다. 이 점은 상기 제1 실시예의 경우와 동일하다.

또, 상기한 바와 같이, 컬러필터가 없는 마이크로렌즈방식의 투사형 액정표시장치에서는 액정패널(18)에 입사되는 광의 입사발산각 α를 충분히 작아지도록 감소될 필요가 있으므로, 본 실시예에서는 이러한 조명계에 있어서의 조리개 역할도 하는 제2 렌즈어레이(22)의 외연형상을 될 수 있는 한 작게 형성하여, 액정패널(18)의 각 화소에 입사되는 광의 입사발산각 α를 정하도록 하고 있다. 이러한 특징도 상기 제1 실시예의 경우와 동일하다.

상기한 바와 같이, 액정패널(18)에 입사되는 광의 입사발산각 α는 수평방향 및 수직방향 쌍방에서 제한하지 않으면 안되고, 이 제한의 정도는 화소개구의 형상에 의존하므로, 예를 들면, 고정밀화를 위해 화소개구의 형상을 수직방향으로 가늘고 긴 장방형으로서 형성한 경우에는, 제2 렌즈어레이(22)의 렌즈요소(22a)의 외연형상도 또 화소개구형상과 닮은꼴의 장방형으로 할 필요가 있다. 그래서, 본 실시예에서는 도 16에 나타낸 바와 같이, 액정패널(18)의 화소개구형상과 그의 닮은 장방형으로 하고 있다. 이 경우, 수평방향의 입사발산각 α의 각도제한은 수직방향보다도 엄격해지지만, 그에 따라, 제2 렌즈어레이(32)의 수평방향의 길이를 짧게 하여 수평방향의 조절량을 많게 하고 있으므로, 수직방향 뿐만 아니라 수평방향에 있어서의 혼색을 효과적으로 방지하는 것이 가능하다. 물론, 화소개구형상을 수평방향 뿐만 아니라 수직방향으로도 작게 할 경우에는, 그에 따라 제2 렌즈어레이(32)의 수직방향의 길이도 축소하면 된다.

그런데, 이와 같이 제2 렌즈어레이(32)의 외연형상의 축소에 따라, 제1 렌즈어레이도 마찬가지로 축소한느 경우에는, 필연적으로 액정패널에 도달하는 광량이 제한되어 액정패널(18)상의 조도가 저하된다.

그래서, 본 실시예에서는 제2 렌즈어레이(32)의 외연형상을 축소하는 한편, 도 14에 나타낸 바와 같이 제1 렌즈어레이(31)의 전체형상을 될 수 있는대로 원형 또는 정방형에 가깝게 형성하고, 또한, 제1 렌즈어레이(31) 상에 있어서의 광원상(25)(즉, 입사된 단일광속의 단면)이 제1 렌즈어레이(31) 전체의 외연 중에 거의 전부가 포함되도록(즉, 광원(11)으로부터의 광속을 최대한 받을 수 있도록), 제1 렌즈어레이(31)의 전체형상을 될 수 있는대로 크게 형성하고 있다. 이로써, 제1 렌즈어레이(31)에서의 흐려짐에 의한 광량손실을 최소화하고 있다.

또, 본 실시예에서는, 제1 렌즈어레이(31)의 각 렌즈요소(31a)를 통과해 제2 렌즈어레이(32)에 도달하는 소광속이 제1 렌즈어레이(31)보다도 전체 크기가 작은 제2 렌즈어레이(32)의 대응하는 렌즈요소(32a)로부터 될 수 있는 한 벗어나지 않도록 하기 위해, 제1 렌즈어레이(31)로부터 출사되는 각 소광속의 상호간 거리가 될 수 있는대로 작아지도록 제1 렌즈어레이(31)의 각 렌즈요소(31a)를 적절히 편심시키고, 또한, 그와 같이 해서 정해진 소광속의 각 도달지점 및 크기에 따라 제2 렌즈어레이(32)의 위치 및 크기를 정하도록 하고 있다. 이 결과, 도 19에 나타낸 바와 같이, 각 렌즈요소(32a)의 중심간 거리는 손실이 없도록 충분히 작게 설정되고, 또한, 제1 렌즈어레이(31)의 각 렌즈요소(31a)에 의한 광원상(36)은 제2 렌즈어레이(32)의 대응하는 렌즈요소(32a)로부터 벗어나지 않고 중앙에 거의 정확히 투영하게 된다.

도 19는 제2 렌즈어레이(32) 상에서의 광원상의 모양을 나타낸 것으로, 제2 렌즈어레이(32)를 입사면측으로부터 본 상태를 나타내고 있다. 도 19에 나타낸 바와 같이, 광축(10)(제2 렌즈어레이(32)의 중심)에 가까운 렌즈요소(32a)에 입사되는 광원상(36)은 크고, 광축(10)으로부터 먼 렌즈요소(32a)에 입사되는 광원상(36)은 상대적으로 작게 되어 있으며, 이에 따라 렌즈요소(22a)의 크기 및 형상이 최적화되어 있는 것을 알 수 있다. 즉, 도 9의 경우와 비교하여 명백한 바와 같이, 각 렌즈요소(32a)에는 소광속에 의한 광원상(36)이 닿지 않고 있는 불필요한 간극이 적어지는 한편, 광원상(36)이 벗어나 있는 렌즈요소(32a)는 거의 없다. 이것은, 제2 렌즈어레이(32)의 전체크기가 효율적으로 축소되어 있다는 것을 의미한다. 즉, 조리개 역할을 하는 제2 렌즈어레이(32)가 축소되어 있으므로, 액정패널(18)에 있어서의 입사발산각 α가 충분히 작게 제한된다.

이상과 같이, 본 실시예에 관한 투사형 액정표시장치에 의하면, 제1 렌즈어레이(31)의 외연 크기를 광원으로부터의 단일광속의 거의 모두를 받을 수 있도록 될 수 있는 한 크게 형성고, 제1 렌즈어레이(31)로 분할되어 출사되는 각 소광속이 될 수 있는대로 광축(10)에 근접하도록 각 렌즈요소(31a)를 편심시키며, 이들 소광속의 도달위치에 따라 제2 렌즈어레이(32)의 대응하는 렌즈요소(32a)의 크기, 형상 및 위치를 설정하여, 제1 렌즈어레이(31)에 의한 흐려짐에 따른 광량손실을 저감할 수 있는 동시에, 제2 렌즈어레이(32)를 충분히 축소하면서 제2 렌즈어레이(32)에서의 광량손실을 충분히 적게 할 수 있다. 따라서, 조명광학계 전체로서의 광이용 효율을 높일 수 있다. 또, 조리개 역할을 하는 제2 렌즈어레이(32)의 축소가 가능하게 되므로, 액정패널(18)에 입사되는 광의 입사발산각 α를 충분히 작게 할 수 있어, 액정패널(18)에 있어서의 혼색을 효과적으로 방지할 수 있다. 물론, 상기 제1 실시예와 마찬가지로, 액정패널(18)의 면은 제1 렌즈어레이(31)의 각 렌즈요소(31a)에 의해 중첩적으로 조명되므로, 종래의 글라스로드인테그레이터에 비해 충분히 균일한 조도분포를 얻을 수 있다. 따라서, 스크린(20)상에, 균일하고 밝으며 더욱이 색순도가 양호한 투영화상을 표시하는 것이 가능하게 된다.

[제3 실시예]

다음에, 도 20∼도 23을 참조하여, 본 발명의 제3 실시예에 대하여 설명한다.

도 20 및 도 21은 본 발명의 제3 실시예에 관한 투사형 액정표시장치의 광학계를 개략적으로 나타낸 것이다. 이 중, 도 20은 장치를 바로 위에서 내려다 본 상태를 나타내고, 도 21은 장치를 바로 옆에서 본 상태를 나타냈다. 이들 도면에서, 도 2에 나타낸 요소와 동일한 요소에는 동일한 부호를 붙이고, 필요한 경우 설명을 적절히 생략한다. 또, 이들 도면에서는, 설명의 편의상, 도 1에 나타낸 바와 같이 실제로는 2색 미러(16B,16R,16G)에 의해 굴곡되어 있는 광로를 직선광로로 고쳐 등가적으로 묘사하는 동시에, 번잡을 피하기 위해 주된 광선의 경로만을 묘사하고 다른 것을 생략하고 있다. 또, 이들 도면에서는, 도 2에서 나타낸 투영렌즈(19) 및 스크린(20)의 도시를 생략하고, 또한 도 21에서는, 2색 미러(16B,16R,16G)의 도시를 생략하고 있다.

제3 실시예에 따른 장치는 상기 제1 및 제2 실시예와 마찬가지로, 컬러필터가 없는 마이크로렌즈방식의 투사형 액정표시장치로서 구성된 것이지만, 본 장치는 도 13에 나타낸 장치에 더욱 고정밀화 및 양호한 조도를 가능하게 하기 위한 수단이 부가되어 있다. 본 장치에서는, 도 2 또는 도 13의 구성에 입사될 ps 및 편광을 가지는 혼합광속을 p편광광속과 s편광광속으로 분리하는 동시에 그 한쪽을 다른 쪽의 편광방향의 편광광속으로 변환하여 합성하는 기능을 가진 PS합성분리소자(50)를 추가로 구비하고 있다. 또, 본 장치에서는 도 2 및 도 13에 나타낸 제1 렌즈어레이(21,31) 및 제2 렌즈어레이(22,32) 대신에, 수직방향으로 충분히 가늘고 긴 형상을 가지는 제1 렌즈어레이(41) 및 제2 렌즈어레이(42)를 구비하고 있다. 또한, 본 장치에서는 고정밀화를 위해 액정패널(18)의 각 화소의 수평방향의 크기를 충분히 축소하여 세로방향(수직방향)으로 가늘고 긴 형상으로 하고, 이 화소개구형상과 닮은꼴이 되도록 상기 제2 렌즈어레이(42)의 외연형상을 설정하고 있다. 여기에서, PS합성분리소자(50)는 본 발명의 「편광합성분리수단」에 대응한다. 또, 제1 렌즈어레이(41)는 본 발명의 「제1 렌즈어레이」에 대응하고, 제2 렌즈어레이(42)는 본 발명의 「제2 렌즈어레이」에 대응한다.

도 21에 나타낸 바와 같이, PS합성분리소자(50)는 대략 직교하는 2개의 편광분리미러가 내부에 형성된 편광분리프리즘(51)과, 이 편광프리즘(51)의 양측(장치의 상하방향)에 배치된 반사미러(52a,52b)와, 편광분리프리즘(51)의 후방(광출사측)에 배치된 1/2파장판(53)을 가지고 있다. 편광분리프리즘(51)은 상기 각 편광분리미러가 광축(10)과 대략 45도의 각도를 이루도록 배치되어 있다. 편광분리프리즘(51)의 입사면으로부터 입사된 광속 중, s편광성분이 광축(10)과 대략 90도의 방향으로(장치의 상하방향으로) 반사되고, p편광성분은 그대로 편광분리프리즘(51)을 통과하도록 되어 있다. 편광분리프리즘(51)에 의해 각각 상하방향으로 반사된 s편광광속은 반사미러(52a,52b)에 의해 광축(10)과 대략 평행한 방향으로 반사되어, 제1 렌즈어레이(41)의 상부영역 및 하부영역에 각각 입사한다. 한편, 편광분리프리즘(51)을 투과한 p편광광속은 그 후방에 배치된 1/2파장판(53)을 투과한 후 s편광광속으로 변환되어, 제1 렌즈어레이(41)의 중심영역에 입사한다. 결국, PS합성분리소자(50)는 입사광속의 거의 모두를 s편광광속으로 변환하는 동시에, 장치의 상하방향으로 광속의 폭을 증가시킬 수 있도록 되어 있다. 대안적으로, 반사미러(52a,52b) 대신에, 내부에 편광분리미러를 가지는 편광분리프리즘이 사용될 수 있다. 이 경우에는, 반사미러(52a,52b)를 사용한 경우에 비해, 보다 고굴절율의 매질(媒質)내를 진행하게 되므로 광속의 발산량을 억제할 수 있다.

도 22는 제1 렌즈어레이(41)를 광입사측으로부터 본 상태를 나타낸 것이다. 그리고, 이 도면의 상하방향은 투사형 액정표시장치의 상하방향(즉, 액정패널(18)의 상하방향)과 일치하고 있다. 이 도면에 나타낸 바와 같이, 제1 렌즈어레이(41)는 상기 제2 실시예(도 14)에 나타낸 제1 렌즈어레이(31)의 상하에, 제1 렌즈어레이(31)의 제1 및 제2 상한영역의 12개의 렌즈요소(31a)와 제3 및 제4 상한영역의 12개의 렌즈요소(31a)를 각각 부가한 세로길이형상으로 형성되어 있다. 다만, 이 도면에서는 각 렌즈요소에 새로운 번호인 (41a)를 붙이고 있다. 각 렌즈요소(41a)의 구면이 광입사측에 배치되고, 각 렌즈요소(41a)의 구면의 정점(41b)이 각 렌즈요소(41a)의 중심으로부터 시프트하여 편심되어 있으며, 각 렌즈요소(41a)의 형상이 액정패널(18)의 형상과 닮은꼴로 되어 있다는 점은 도 14의 경우와 동일하다.

도 21에서, PS합성분리소자(50)의 1/2파장판(53)으로부터 출사된 s편광광속은 도 22에 나타낸 바와 같이 제1 렌즈어레이(41)의 중심영역의 24개의 렌즈요소(41a) 상에 입사하여 광원상(25)으로 되고, PS합성분리소자(50)의 반사미러(52a,52b)로 반사된 s편광광속은 도 22에 나타낸 바와 같이 제1 렌즈어레이(41)의 상부영역 및 하부영역의 각 12개의 렌즈요소(41a)상에 입사하여 각각 광원상(25a,25b)이 된다. 그 결과, 제1 렌즈어레이(41)의 전체에 걸쳐, 원래의 광속의 대략 2배인 단면적의 광속이 입사하게 된다.

도 23은 제 2 렌즈어레이(42)를 광출사측으로부터 본 상태를 나타낸 것이다. 그리고, 이 도면의 상하방향은 투사형 액정표시장치의 상하방향과 일치하고 있다. 이 도면에 나타낸 바와 같이, 제2 렌즈어레이(42)는 상기 제2 실시예(도 16)에 나타낸 제2 렌즈어레이(32)의 상하에, 제2 렌즈어레이(32)의 제 1 및 제2 상한영역의 12개의 렌즈요소(32a)와 제3 및 제4 상한영역의 12개의 렌즈요소(32a)를 각각 부가한 세로길이 형상으로 형성되어 있다. 다만, 이 도면에서는 각 렌즈요소에 새로운 부호인 (42a)를 붙이고 있다. 도 16에 도시된 실시예에서와 마찬가지로 각 렌즈요소(42a)의 구면으로부터 광이 출사되고, 각 렌즈요소(42a)의 정점(42b)이 편심되어 있다. 또, 상기한 바와 같이, 제2 렌즈어레이(42)의 가는 세로길이형상은 액정패널(18)의 화소개구형상과 닮은꼴로 되어 있다.

본 실시예에서는 표시화면의 고정밀화를 가능하게 하기 위해, 제2 렌즈어레이(42)의 외연형상을 세로길이로 하는 동시에, 수학식 2에 나타낸 액정패널(18)의 화소크기에 대한 제2 렌즈어레이(42)의 축소배율 m'을 상기 제2 실시예의 경우보다 작게 설정한다. 이 밖의 구성은 상기 제1 및 제2 실시예의 경우와 동일하다.

다음에, 이 투사형 액정표시장치의 작용을 설명한다. 본 장치에서는, 콜리메이터렌즈(13)로부터 출사된 대략 평행한 단일광속은 편광분리프리즘(51)에 대략 수직으로 입사한다. 이 때, 제1 렌즈어레이(41)의 크기는 충분히 확보되어 있으므로, 입사광속이 흐려지는 일은 없다. 상기한 바와 같이, 입사광속 중 s편광성분만이 내부의 편광분리미러로 반사되고, 또한 반사미러(52a,52b)로 반사되어 광축(10)과 거의 평행한 s편광광속으로 되어, 제1 렌즈어레이(41)에 입사한다. 한편, 입사광속 중 p편광성분은 편광분리프리즘(51)을 그대로 통과한 후 1/2파장판(53)으로 s편광광속으로 변환되어 제1 렌즈어레이(41)에 입사한다.

제1 렌즈어레이(41)의 각 렌즈요소(41a)는 입사된 s편광광속을 소광속으로 분할하여, 제2 렌즈어레이(42)의 대응하는 렌즈요소(42a)에 입사한다. 이 때, 상기 제2 실시예의 경우와 마찬가지로, 제2 렌즈어레이(42)에 투영된 각 광원상(도 23에는 도시하지 않음)은, 대응하는 렌즈요소(42a)로부터 거의 벗어나지 않으므로, 제2 렌즈어레이(42)에 입사한 광의 거의 모두가 액정패널(18)의 조명에 기여하게 된다.

제2 렌즈어레이(42)로부터 출사된 각 소광속은 콜리메이터렌즈(15)에 의해 대략 평행한 광속으로 되어, 입사측 편광판(17)을 거쳐 액정패널(18)에 입사한다. 이 때, 제1 렌즈어레이(41)의 각 렌즈요소(41a)의 광이 액정패널(18) 상에서 중첩되므로 균일한 조도가 얻어진다. 이 때, 조리개 역할을 하는 제2 렌즈어레이(42)에 의해 액정패널(18)에의 입사광은 입사발산각의 각도제한을 받고 있지만, 그 각도제한의 정도는 제2 렌즈어레이(42)의 외연형상을 반영하여 화소개구의 수평방향과 수직방향에서 상이하다. 일예로서, 화소개구의 수평방향과 수직방향과의 비를 예를 들어 1대3으로 한 경우에는, 수평방향의 입사발산각 αH(도 20)를 약 5도, 수직방향의 입사발산각 αV(도 21)를 약 15도로 할 수 있다.

본 장치에서는, PS합성분리소자(50)의 작용에 의해, 액정패널(18)의 바로 앞의 입사측 펀광판(17)에 입사되는 광속은 거의 직선편광으로 되어 있으므로, 입사측 편광판(17)의 편광축을 입사광의 편광방향에 맞춰 두면, 거의 손실없이 완전한 직선편광을 얻을 수 있다. 이는, 종래와 같이 ps혼합광을 입사측 편광판(17)만으로 직선편광으로 만드는 경우 입사측 편광판(17)의 편광축방향 이외의 편광성분은 모두 흡수되어 손실되지만, 본 실시예와 같이 미리 거의 직선편광으로 만들어 입사측 편광판(17)의 편광축을 따라 입사시키면, 입사측 편광판(17)에서 흡수되는 편광성분은 매우 적어지기 때문이다.

이와 같이, 본 실시예에 관한 투사형 액정표시장치에 의하면, 고정밀화를 도모하는 경우에 통상 채용되는 가는 세로길이의 화소개구형상에 따라 제2 렌즈어레이(42)의 외연형상을 가는 세로길이형상으로 하는 동시에, 이 제2 렌즈어레이(42)의 길이방향에 따라 제1 렌즈어레이(41)의 외연형상도 세로길이로 하고, 또한, 제1 렌즈어레이(41)의 앞쪽에, 입사된 단일광속의 폭을 세로방향(수직방향)으로 연장시키기 위한 PS합성분리소자(50)를 배설하도록 했으므로, 극히 가늘고 긴 형상의 화소를 배열한 액정패널(18)을 사용하는 경우라도, 그 화소개구의 종횡비에 따른 입사발산각의 각도제한을 행할 수 있어, 혼색을 방지할 수 있다. 따라서, 고정밀화를 도모하면서 색순도가 양호한 화면표시를 행하는 것이 가능하게 된다.

또, 본 실시예에 의하면, 제1 렌즈어레이(41)의 앞쪽에 PS합성분리소자(50)를 배설하여, 미리 광속의 거의 모두를 직선편광에 가까운 상태로 변환하도록 하여, 입사측 편광판(17)에 있어서의 광량손실을 적게 할 수 있다. 그러므로, 고정밀화에 따라 생기는 광량저하가 보상되어 투영된 상의 조도는 계속 양호한 상태가 달성된다.

[제4의 실시예]

다음에, 본 발명의 제4 실시예에 대하여 설명한다.

도 24는 본 발명의 제4 실시예에 관한 투사형 액정표시장치의 광학계의 요부구성을 나타낸 것이다. 본 실시예는, 예를 들면 상기 제1 실시예(도 2)에서 나타낸 광학계에서, 제2 렌즈어레이(22)의 바로 후방에 어레이형의 PS합성분리소자(60)를 배설한 것이다. 그리고, 도 24는 장치의 위쪽으로부터 제2 렌즈어레이(22) 및 PS합성분리소자(60)를 본 상태를 확대하여 나타낸 것이다. 여기에서, PS합성분리소자(60)도 본 발명의 「편광분리합성수단」에 대응한다.

이 도에 나타낸 바와 같이, PS합성분리소자(60)는 제2 렌즈어레이(22)의 각 렌즈요소(22a)의 중심부에 대응하여 배치된 편광분리프리즘(61)과, 인접하는 렌즈요소(22a) 간에 배치된 반사프리즘(62)과, 반사프리즘(62)의 후방에 배치된 1/2파장판(63)으로 구성되어 있다. 편광분리프리즘(61)은 그 내부에 편광분리미러를 가지고, 여기에 입사된 광 중 s편광성분을 반사하는 한편, p편광성분을 투과하도록 되어 있다. 반사프리즘(62)은 그 내부에 전(全)반사미러 또는 편광분리미러를 가지며, 편광분리프리즘(61)으로부터 입사된 s편광광속을 거의 모두 반사하도록 되어 있다. 1/2파장판(63)은 반사프리즘(62)으로부터 출사된 s편광광속을 p편광광속으로 변환하도록 되어 있다. 이 광학계에서는 액정패널(18)에 입사되는 입사발산각을 제한하는 조리개의 위치는, 상기 각 실시예의 경우와는 달리, 도 24에 부호 ST로 나타낸 위치, 즉, 각 편광분리프리즘(61)의 편광분리미러의 대략 중심을 통과하는 면상에 위치하고 있다. 그 밖의 구성은 도 2와 동일하다.

이 투사형 액정표시장치에서는, 도 24에 나타낸 바와 같이, 제1 렌즈어레이(21)로부터 출사된 ps혼합의 소광속이, 렌즈요소(21a)를 거쳐 편광분리프리즘(61)에 입사되고, 그 내부의 편광분리미러에 집광된다. 소광속 중 s편광성분은 편광분리프리즘(61)의 편광분리미러로 반사되어 인접하는 반사프리즘(62)에 입사한 후, 이 반사프리즘(62)의 전반사미러로 반사되어, 1/2파장판(63)에 의해 p편광광속으로 변환된다. 한편, 입사된 소광속 중 s편광성분은 편광분리프리즘(61)의 편광분리미러를 투과하여 그대로 출사된다. 이와 같이 하여, PS합성분리소자(60)로부터 출사되는 모든 소광속이 거의 p편광광속으로 되어, 도 2에 나타낸 입사측 편광판(17)을 거쳐 액정패널(18)에 입사한다. 이 경우도, 상기 제3 실시예와 마찬가지로, 입사측 편광판(17)에서의 광량손실은 거의 없으므로, 액정패널(18) 상의 조도를 높일 수 있다.

이와 같이, 본 실시예에 의하면, 제2 렌즈어레이(22)의 후방에 PS합성분리소자(60)를 배설하고, 미리 광속의 거의 모두를 직선편광에 가까운 상태로 변환하도록 하여, 입사측 편광판(17)에 있어서의 광량손실을 적게 할 수 있으므로, 밝은 투영화상을 얻을 수 있다.

그리고, 도 24에 나타낸 바와 같은 구성을 제2 실시예(도 12)에 나타낸 광학계에 적용하는 것도 가능하다.

이상, 몇가지 실시예를 들어 본 발명을 설명했지만, 본 발명은 이들 실시예에 한정되지 않고, 여러 가지로 변경 가능하다. 예를 들면, 인테그레이터를 구성하는 제1 렌즈어레이 및 제2 렌즈어레이의 각 외연형상이나 크기, 또는 제1 렌즈어레이 및 제2 렌즈어레이를 구성하는 각 렌즈요소의 형상이나 크기 또는 배열은 상기한 실시예에만 한정되지 않고, 사용할 액정패널(18)의 형상이나 화소개구의 형상 및 크기에 따라 적절히 변경하여 최적화하는 것이 가능하다.

또, 상기 각 실시예에 나타낸 입사측 편광판(17)의 바로 뒤에, 예를 들면 편광방향을 45도 회전시키기 위한 위상차판(位相差板)을 부가하도록 해도 된다. 이 경우에는, 액정패널(18)에 입사하는 광의 편광방향이 2색 미러(16B,16R,16G)로 반사되어 액정패널(18)에 입사하는 B, R, G의 각 색광을 포함하는 면의 방향(액정패널(18)에 있어서의 수평방향)에 대하여 대략 45도의 각도를 이루도록 되어 화면의 수평방향에 있어서의 색얼룩을 저감할 수 있다.

또, 상기 각 실시예에서는 집광효율을 향상시키기 위해 광원의 요면경으로 타원경을 사용하기로 했지만, 이에 한정되지 않고, 예를 들면 회전포물면경(回轉抛物面鏡)이나 구면경을 비구면렌즈 등과 조합하여 사용하도록 해도 된다. 상기 각 실시예에서는 투과형 패널이 액정패널로 사용되었지만, 반사형 패널이 사용될 수도 있다.

본 발명에 따른 투사형 액정표시장치에 의하면, 제1 렌즈어레이의 각 렌즈요소로 분할된 각 소광속을 각각 제2 렌즈어레이의 대응하는 렌즈요소에 입사시키는 동시에, 이 제2 렌즈어레이의 각 렌즈요소에 입사된 각 소광속을 서로 겹치는 방향으로 각각 출사시키고, 색분해수단을 거쳐 액정패널 상에 중첩적으로 입사시키도록 하여, 제1 및 제2 렌즈어레이가 인테그레이터로서 기능하여, 액정패널 상의 조도가 균일화된다. 따라서, 컬러필터가 없는 마이크로렌즈방식의 투사형 액정표시장치에서, 종래의 로드인테그레이터를 사용한 경우보다 투영화상의 휘도를 균일화시킬 수 있고, 더스트 등의 이물의 부착이나 광원의 아크변동 등에 의한 영향을 저감할 수도 있다.

본 발명의 투사형 액정표시장치에 의하면, 제2 렌즈어레이의 전체형상을 액정표시소자의 화소의 개구형상과 거의 유사하게 하고, 또한, 제2 렌즈어레이의 전체가 액정표시소자의 각 화소와 각각 상 공역 또는 그에 가까운 관계를 가지도록 구성하며, 또한, 액정패널에 입사되는 광속의 입사발산각의 각도제한의 적정화가 가능하게 된다. 즉, 화소의 종횡비 크기에 따라, 액정패널에의 입사광속을 과부족 없이 조여 넣을 수 있어, 수평방향 및 수직방향의 입사발산각을 함께 최적화할 수 있다. 따라서, 입사광속의 과잉 감소에 의한 광량저하를 방지하여 광이용 효율을 향상시켜, 밝은 투영화상을 얻을 수 있는 한편, 입사광속의 감소가 부족한 경우에 생기는 혼색을 방지하여 투영화상의 색순도를 향상시킬 수 있다는 효과가 달성된다.

본 발명의 투사형 액정표시장치에 의하면, 제2 렌즈어레이의 각 렌즈요소가 제1 렌즈어레이의 대응하는 렌즈요소로부터 출사된 소광속에 의해 형성되는 광학상에 대응한 크기 및 형상을 가지도록 구성하여, 제2 렌즈어레이에 입사된 광의 대부분을 액정패널 상에 도달시킬 수 있다. 이로써, 제2 렌즈어레이에 있어서의 광량손실을 추가로 저감하여 광이용 효율을 향상시킬 수 있으므로, 밝은 투영화상을 얻을 수 있다는 효과가 달성된다.

본 발명의 투사형 액정표시장치에 의하면, 제1 렌즈어레이의 전체형상을 상기 단일광속의 거의 모두를 수광할 수 있는 크기로 형성하고, 또한, 제1 렌즈어레이의 각 렌즈요소를 이들 각 렌즈요소로부터 출사된 소광속이 제2 렌즈어레이의 대응하는 렌즈요소 상에 수렴하도록 각각 편심상태로 배치하여, 제2 렌즈어레이 전체의 크기에 상관없이, 제1 렌즈어레이 전체의 크기를 충분히 확보할 수 있다. 그러므로, 입사하는 단일광속이 제1 렌즈어레이에 의해 흐려지지 않아, 입사광을 고효율로 이용할 수 있다. 따라서, 액정패널 상의 조도를 더욱 높일 수 있어, 한층 투영화상의 고휘도화가 가능하게 된다는 효과가 달성된다.

본 발명의 투사형 액정표시장치에 의하면, 제1 렌즈어레이의 각 렌즈요소 형상을 액정패널의 형상과 거의 유사하게 하고, 제1 렌즈어레이의 각 렌즈요소가 액정패널과 각각 상 공역 또는 그에 가까운 관계를 가지도록 구성하여, 제1 렌즈어레이의 각 렌즈요소에 의해 분할된 소광속이 액정패널 상에 거의정확히 중첩투영된다. 따라서, 제1 렌즈어레이를 통과한 광이 손실없이 액정패널의 조명에 이용될 수 있다는 효과가 달성된다.

본 발명의 투사형 액정표시장치에 의하면, 편광분리합성수단을 구비하여, 입사광의 거의 전부가 소정의 편광방향의 직선편광으로 되어 이용이 가능하게 되어, 액정패널의 앞쪽에 통상 배치되는 편광판에서 손실되는 광량이 저감된다. 이로써, 광이용 효율이 추가로 향상되어, 보다 밝은 투영화상이 얻어진다는 효과가 달성된다.

본 발명의 투사형 액정표시장치에 의하면, 편광분리합성수단을 제1 렌즈어레이의 전방에 배치하고, 또한 편광분리합성수단으로부터의 출사광속이 입사광속폭보다도 폭이 확대되어 제1 렌즈어레이 전체에 입사되도록 구성하여, 투영화상의 휘도가 추가로 개선된다. 또한, 예를 들면 고정밀화를 도모하는 경우에 채용될 수 있는 극히 가늘고 긴 형상인 화소의 액정패널을 사용하는 장치에서도, 그 화소개구와 닮은꼴의 가늘고 긴 제2 렌즈어레이의 전체에 대하여 입사광속을 균일하게 분배 입사시킬 수 있고, 이로써 화소개구의 종횡비에 따른 입사발산각의 각도제한을 적절히 행할 수 있다. 따라서, 고정밀화를 도모하면서, 혼색을 방지하여 색순도가 양호한 투영화상을 얻는 것이 가능하게 된다는 효과가 달성된다.

도 1은 관련기술분야의 투사형(投射型) 액정표시장치의 광학계의 개략구성을 나타낸 평면도.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 투사형 액정표시장치의 광학계의 개략구성을 나타낸 평면도.

도 3은 도 2에 있어서의 제1 렌즈어레이의 구성을 나타낸 평면도.

도 4는 도 2에 있어서의 제1 렌즈어레이의 구성을 나타낸 단면도.

도 5는 도 2에 있어서의 제2 렌즈어레이의 구성을 나타낸 평면도.

도 6은 도 2에 있어서의 제2 렌즈어레이의 구성을 나타낸 단면도.

도 7은 도 2에 있어서의 액정패널의 요부구성을 나타낸 단면도.

도 8은 도 2에 나타낸 광학계의 주요한 광로를 등가적으로 나타낸 도면.

도 9는 도 5에 나타낸 제2 렌즈어레이 상에 투영된 광원상(光源像)을 나타낸 도면.

도 10은 비교예로서의 제2 렌즈어레이 상에 투영된 광원상을 나타낸 도면.

도 11은 제1 실시예에 있어서의 제1 렌즈어레이의 변형예 구성을 나타낸 평면도.

도 12는 제1 실시예에 있어서의 제1 렌즈어레이의 변형예 구성을 나타낸 단면도.

도 13은 본 발명의 제2 실시예에 관한 투사형 액정표시장치의 광학계의 개략구성을 나타낸 평면도.

도 14는 도 13에 있어서의 제1 렌즈어레이의 구성을 나타낸 평면도.

도 15는 도 13에 있어서의 제1 렌즈어레이의 구성을 나타낸 단면도.

도 16은 도 13에 있어서의 제2 렌즈어레이의 구성을 나타낸 평면도.

도 17은 도 13에 있어서의 제2 렌즈어레이의 구성을 나타낸 단면도.

도 18은 도 13에 나타낸 광학계의 주요한 광로를 등가적으로 나타낸 도면.

도 19는 도 16에 나타낸 제2 렌즈어레이 상에 투영된 광원상을 나타낸 도면.

도 20은 본 발명의 제3 실시예에 관한 투사형 액정표시장치의 광학계의 개략구성을 나타낸 평면도.

도 21은 본 발명의 제3 실시예에 관한 투사형 액정표시장치의 광학계의 개략구성을 나타낸 측면도.

도 22는 도 20에 있어서의 제1 렌즈어레이의 구성을 나타낸 평면도.

도 23은 도 20에 있어서의 제2 렌즈어레이의 구성을 나타낸 평면도.

도 24는 본 발명의 제4 실시예에 관한 투사형 액정표시장치의 광학계의 요부구성을 나타낸 평면도.

<도면의 주요부부에 대한 부호의 설명>

11: 광원, 13,15: 콜리메이터렌즈, 16B,16R,16G: 2색 미러(dichroic mirror), 17: 입사측 편광판, 18: 액정패널, 19: 투영렌즈, 21,21',31,41: 제1 렌즈어레이, 22,32,42: 제2 렌즈어레이, 21a,21a',31a,41a: 렌즈요소, 22a,32a,42a: 렌즈요소, 50,60: PS합성분리소자, 51,61: 편광분리프리즘, 52a,52b: 반사미러, 53,63: 1/2파장판, 53,62: 반사프리즘, α: 입사발산각(發散角), αH: 수평방향의 입사발산각, αV: 수직방향의 입사발산각.

Claims

복수의 렌즈요소를 2차원적으로 배열하며, 입사(入射)된 단일광속(光束)을 상기 렌즈요소로 복수의 소(小)광속으로 분할하여 출사(出射)하고, 분할된 소광속을 집광시키는 제1 렌즈어레이;

상기 제1 렌즈어레이의 각 렌즈요소에 대응하여 2차원적으로 배열되며, 상기 제1 렌즈어레이의 대응하는 렌즈요소를 거쳐 입사해 온 각 소광속을 서로 겹치는 방향으로 각각 출사시키는 복수의 렌즈요소를 포함하는 제2 렌즈어레이;

상기 제2 렌즈어레이로부터 출사된 광을 복수의 기본색 색광(色光)으로 색분해하고, 색분해된 각 색광을 서로 상이한 각도로 출사하는 색분해수단; 및

상기 복수의 기본색 각각에 대응하는 화소를 가지며, 각 화소를 투과하는 색광을 선택적으로 변조(變調)하는 액정표시소자와, 모든 화소그룹용으로 제공되며, 상기 색분해수단으로부터 출사되어 서로 상이한 각도로 입사되는 복수의 색광을 각각 집광하며, 상기 색광을 대응하는 색의 화소에 각각 입사시키는 집광수단을 포함하는 단일의 액정패널을 구비하고,

상기 제2 렌즈어레이의 전체형상은 상기 액정표시소자의 화소의 개구형상과 거의 유사하고, 또한, 상기 제2 렌즈어레이 전체가 상기 액정표시소자의 각 화소와 각각 상(像) 공역(共役) 또는 그에 가까운 관계를 가지도록 구성되는

투사형(投射型) 액정표시장치.
제1항에 있어서,

상기 제2 렌즈어레이의 각 렌즈요소가 상기 제1 렌즈어레이의 대응하는 렌즈요소로부터 출사된 소광속에 의해 형성되는 광학상(光學像)에 대응하는 크기 및 형상을 가지도록 형성되는 투사형 액정표시장치.
제2항에 있어서,

상기 제1 렌즈어레이의 전체형상은 상기 단일광속의 거의 전부를 수광할 수 있는 크기로 형성되고, 상기 제1 렌즈어레이의 각 렌즈요소는 이들 각 렌즈요소로부터 출사된 소광속이 상기 제2 렌즈어레이가 대응하는 렌즈요소상에 수렴하도록 각각 편심(偏心) 상태로 배치되는 투사형 액정표시장치.
복수의 렌즈요소를 2차원적으로 배열하며, 입사(入射)된 단일광속(光束)을 상기 렌즈요소로 복수의 소(小)광속으로 분할하여 출사(出射)하고, 분할된 소광속을 집광시키는 제1 렌즈어레이;

상기 제1 렌즈어레이의 각 렌즈요소에 대응하여 2차원적으로 배열되며, 상기 제1 렌즈어레이의 대응하는 렌즈요소를 거쳐 입사해 온 각 소광속을 서로 겹치는 방향으로 각각 출사시키는 복수의 렌즈요소를 포함하는 제2 렌즈어레이;

상기 제2 렌즈어레이로부터 출사된 광을 복수의 기본색 색광(色光)으로 색분해하고, 색분해된 각 색광을 서로 상이한 각도로 출사하는 색분해수단; 및

상기 복수의 기본색 각각에 대응하는 화소를 가지며, 각 화소를 투과하는 색광을 선택적으로 변조(變調)하는 액정표시소자와, 모든 화소그룹용으로 제공되며, 상기 색분해수단으로부터 출사되어 서로 상이한 각도로 입사되는 복수의 색광을 각각 집광하며, 상기 색광을 대응하는 색의 화소에 각각 입사시키는 집광수단을 포함하는 단일의 액정패널을 구비하고,

상기 제1 렌즈어레이에 있어서의 각 렌즈요소의 형상은 상기 액정패널의 형상과 거의 유사하고, 상기 제1 렌즈어레이에 있어서의 각 렌즈요소가 상기 액정패널과 각각 상 공역 또는 그에 가까운 관계를 가지도록 구성되는 투사형 액정표시장치.
복수의 렌즈요소를 2차원적으로 배열하며, 입사(入射)된 단일광속(光束)을 상기 렌즈요소로 복수의 소(小)광속으로 분할하여 출사(出射)하고, 분할된 소광속을 집광시키는 제1 렌즈어레이;

상기 제1 렌즈어레이의 각 렌즈요소에 대응하여 2차원적으로 배열되며, 상기 제1 렌즈어레이의 대응하는 렌즈요소를 거쳐 입사해 온 각 소광속을 서로 겹치는 방향으로 각각 출사시키는 복수의 렌즈요소를 포함하는 제2 렌즈어레이;

상기 제2 렌즈어레이로부터 출사된 광을 복수의 기본색 색광(色光)으로 색분해하고, 색분해된 각 색광을 서로 상이한 각도로 출사하는 색분해수단;

상기 복수의 기본색 각각에 대응하는 화소를 가지며, 각 화소를 투과하는 색광을 선택적으로 변조(變調)하는 액정표시소자와, 모든 화소그룹용으로 제공되며, 상기 색분해수단으로부터 출사되어 서로 상이한 각도로 입사되는 복수의 색광을 각각 집광하며, 상기 색광을 대응하는 색의 화소에 각각 입사시키는 집광수단을 포함하는 단일의 액정패널; 및

입사광속을 서로 직교하는 2개의 편광방향의 직선편광으로 분리하며, 그 중 한쪽 편광방향의 직선편광을 다른 쪽 편광방향의 직선편광으로 변환하고, 이 변환된 직선편광과 변환대상으로 되지 않은 직선편광을 합성하여 단일편광방향의 직선편광으로 출사하는 편광분리합성수단을 구비하는 투사형 액정표시장치.
제5항에 있어서,

상기 편광분리합성수단은 상기 제1 렌즈어레이의 전방에 배치되고, 상기 편광분리합성수단으로부터의 출사광속이 입사광속폭보다 폭이 확대되어 상기 제1 렌즈어레이 전체에 입사되도록 구성되는 투사형 액정표시장치.
제5항에 있어서,

상기 편광분리합성수단은 상기 제2 렌즈어레이의 후방에 배치되고, 상기 편광분리합성수단은 상기 제1 렌즈어레이에 의해 분할되어 상기 제2 렌즈어레이의 각 렌즈요소를 통과한 각 소광속에 대하여 편광분리합성을 각각 행하여 단일편광방향의 직선편광으로 변환하는 복수의 편광분리합성 유닛을 포함하는 투사형 액정표시장치.