液晶表示素子
【目的】 液晶プロジェクタに使用した場合に、照明光の利用効率を大きく保ちつつ投影レンズの口径を小さくでき、装置の小型化と低コスト化に寄与する液晶表示素子を提供する。
【構成】 液晶素子５の両ガラス基板１１、１２のうち照明光入射側の基板１１の両面に、液晶層１５の各画素開口部１５Ａ単位に１対１に対応させて、微小レンズ１３及び１４をそれぞれ配列形成する。これにより、照明光が液晶層の各画素開口部１５Ａに集光されるようにする。このようにガラス基板１１の両面に微小レンズのアレイを形成すると、角度θだけ傾いた光束も微小レンズ１３で屈折して、液晶層の画素開口部１５Ａの近傍に集光する時点で、さらに他面側の微小レンズ１４で屈折して、主光線の方向が光軸に平行に曲げられる。
【構成】 液晶素子５の両ガラス基板１１、１２のうち照明光入射側の基板１１の両面に、液晶層１５の各画素開口部１５Ａ単位に１対１に対応させて、微小レンズ１３及び１４をそれぞれ配列形成する。これにより、照明光が液晶層の各画素開口部１５Ａに集光されるようにする。このようにガラス基板１１の両面に微小レンズのアレイを形成すると、角度θだけ傾いた光束も微小レンズ１３で屈折して、液晶層の画素開口部１５Ａの近傍に集光する時点で、さらに他面側の微小レンズ１４で屈折して、主光線の方向が光軸に平行に曲げられる。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、テレビ画面、コンピュータ出力画面等を拡大表示するための液晶投影装置、いわゆる液晶プロジェクタあるいは液晶プロジェクションテレビに有用な液晶表示素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】液晶プロジェクタ光学系の代表例を図３に示す。メタルハライドランプ１から射出した光束を凹面鏡２で反射させた後又は直接にコンデンサレンズ３でコリメートし、リレーレンズ４を介して液晶表示素子５（以下ＬＣＤと略記する）を照明する。ＬＣＤ５には、テレビ映像やパソコン画面等が表示されており、この表示画面が投影レンズ６によってスクリーン７上に拡大投影される。
【０００３】リレーレンズ４は、ＬＣＤ５を照明した光を投影レンズ６の位置に絞り込むようにすることにより、投影レンズ６の口径が大きくなくても、光のケラレがそれほど大きくならないようになっている。実際のランプ１は点光源ではなく有限の大きさを持っているため、図中点線で示されるような光線は投影レンズ６上で光軸から離れた位置に到達する。従って、投影レンズ６の口径をこの分だけ大きくする必要がある。
【０００４】例えば、照明光の平行度を±θ＝±６°程度とし、リレーレンズ４と投影レンズ６との間隔をＬ＝２００ｍｍとすると、 投影レンズ６上での光束の広がりはおよそ、
【数１】
２Ｌｔａｎθ＝４２ｍｍ （１）
程度となり、従って投影レンズ６の口径は４２ｍｍ以上必要となる。
【０００５】一方、ＬＣＤ５は、配線領域、画素毎のＴＦＴ（画素トランジスタ）領域など、光を透過できない部分いわゆるブラックマトリクスを持ち、一般に開口率は全液晶パネル面積の３０％ないし４０％程度と低く、これ以外の部分に入射する光は上記ブラックマトリクスによりカットされて利用できないといった問題がある。
【０００６】これを解決する一方法として、図４に示すように、ＬＣＤを構成する２枚のガラス基板１１、１２のうち光の入射する側のガラス基板１１に、各画素に対向して微小レンズ１３を設け、入射光を微小レンズ１３により画素開口部１５に集光させることにより、ＬＣＤを透過する光量を増加させる方法が従来から提案されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の素子構造ではＬＣＤ透過後の光束は、照明光の広がり角±θに加え、微小レンズ１３のＮＡ（開口数）に相当する角度±αが足されて±（θ＋α）だけ広がることになる。αは微小レンズ１３の各レンズ径をｄ、ガラス基板１１の厚みをｔ、屈折率をｎとすれば、
【数２】α＝ｔａｎ-1［ｄｎ／２ｔ］ （２）
と表され、例えば、ｄ＝１４０μｍ、ｎ＝１．５３、ｔ＝１．１ｍｍとすれば、α＝５．６°と、θとほぼ同程度の大きさになる。従って、明るさを向上させるために微小レンズ１３を挿入する場合、投影レンズ６の口径を
【数３】２ｌｔａｎ（θ＋α）＝８２ｍｍ （３）
と大きくする必要があり、装置の小型化が難しい、投影レンズのコスト高になる等の問題が生じる。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上述のような従来技術の問題点を解決するため、本発明ではＬＣＤを構成する２枚のガラス基板の少なくとも一方のガラス基板の両面にそれぞれ、液晶層の各画素開口部と対応させて微小レンズを配列形成した。
【０００９】
【作用】本発明によれば、ＬＣＤガラス基板の片面のみに微小レンズのアレイを設ける場合に比べて、ＬＣＤ透過後の光束の広がりを小さく抑えることができ、投影レンズの口径を従来より大幅に小さくすることができる。
【００１０】
【実施例】以下本発明を図面に示した実施例に基づき詳細に説明する。図１は本発明の一実施例を示すＬＣＤの拡大断面図であり、液晶プロジェクタにおけるＬＣＤ５の配置は図３と同様でよい。図１においてＬＣＤ５は、２枚の透明ガラス基板１１、１２間に液晶層１５を挟み周辺を封止して構成され、両ガラス基板１１、１２のうち照明光入射側の基板１１の両面に微小レンズ１３、１４が配列形成されている。
【００１１】微小レンズ１３、１４は、例えばソーダライムガラスからなる基板１１の両面に、公知のイオン交換法を用いて屈折率分布型レンズとして作製できる。すなわち、基板ガラスの両面をイオン透過防止の機能を有する金属膜等のマスク膜で被覆し、このマスク膜にフォトリソグラフィにより所定のレンズ配列パターンで開口を設け、この開口を通してガラスの屈折率を高めるイオンをガラス中のアルカリイオンとの交換で拡散させる方法で作製することができる。この方法で得られるレンズ１３、１４は、屈折率が基板表面で最大で、基板肉厚内に向け放射方向に次第に減少する屈折率分布を有する。
【００１２】基板両面の微小レンズ１３、１４は共に、液晶層１５の各画素開口部１５Ａ単位に１対１に対応させて配列形成する。これにより、照明光が液晶層の各画素開口部１５Ａに集光されるようにする。即ち、微小レンズ１３の焦点距離は、ガラス基板内において基板１１の厚みに略等しくなるように作製する。また同様に基板他面側の微小レンズ１４の焦点距離も、レンズ１３と略等しく作製する。
【００１３】このようにガラス基板１１の両面に微小レンズのアレイを形成すると、角度θだけ傾いた光束も微小レンズ１３で屈折して、液晶層の画素開口部１５Ａの近傍に集光する時点で、さらに他面側の微小レンズ１４で屈折して、主光線の方向が光軸に平行に曲げられる。従ってＬＣＤ５から射出する光束の広がり角は、従来図４R>４の構成において±（θ＋α）であったのが±αと大幅に小さくでき、よって投影レンズ６の口径は
【数４】２ｌｔａｎθ＝３９ｍｍ （４）
と大幅に小口径化できる。
【００１４】なお微小レンズ１３、１４のそれぞれの配列ピッチは、図３のようにＬＣＤ５の前にリレーレンズ４を挿入する場合、その収束角度に合わせてＬＣＤの画素ピッチに対し僅かにずらせて、リレーレンズ４を透過後収束して伝搬する光を微小レンズ１３、１４で液晶層の各画素開口部１５Ａに入射させるようにする。
【００１５】また図１では省略していたが、両面に微小レンズ１３、１４の各アレイを備えたガラス基板１１を用いてＬＣＤ５を構成する場合、図２に示すような具体的構成がその代表例として挙げられる。図２で、ガラス基板１１の液晶層２５と対向する側の面には、ガラス中からのアルカリ成分の溶出を防止する被膜２０がコーティングされており、その上にブラックマトリクス２１、カラーフィルタ２２、レベルコート材２３、透明導電膜２４が設けられる。
【００１６】また他方のガラス基板１２の液晶層２５に対向する側の面には、配線部２８、ＴＦＴ部２６、画素電極２７が設けられ、これと前記ガラス基板１１との間に液晶を封入してＬＣＤとする。アルカリ溶出防止膜２０は、例えばＳｉＯ2を液相でディッピングした後、焼成して膜とすることによって得られ、透明導電膜２４、画素電極２７は例えばＩＴＯ膜等が用いられる。
【００１７】なお、図１、２では２枚のガラス基板１１、１２のうちの一方のみに微小レンズ１３、１４を形成したが、例えば図１の微小レンズ付ガラス基板１１と同じものを反対側のガラス基板１２に用いて、微小レンズアレイの４層構造としてもよい。この場合、ＬＣＤ射出後の光束の広がり角は、微小レンズのＮＡに対応する±αではなく、照明光の平行度±θとなる。
【００１８】
【発明の効果】従来は、ＬＣＤの光利用効率を上げるために微小レンズのアレイをＬＣＤ直前に配置すると、投影レンズ上での光束の広がりが大きくなり、従って投影レンズの口径を大きくする必要があったが、本発明により、ＬＣＤの光利用効率を大きく保ちつつ、投影レンズの口径を小さくでき、装置の小型化と低コスト化に極めて有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す断面図
【図２】本発明の他の実施例を示す断面図
【図３】液晶プロジェクタの概略断面図
【図４】従来のレンズ付き液晶表示素子を示す断面図
【符号の説明】
１ 光源ランプ
２ 凹面鏡
３ コンデンサレンズ
４ リレーレンズ
５ 液晶表示素子（ＬＣＤ）
６ 投影レンズ
１１ ガラス基板
１２ ガラス基板
１３ 微小レンズ
１４ 微小レンズ
１５ 液晶層
１５Ａ 画素開口部
２０ アルカリ溶出防止膜
２１ ブラックマトリクス
２２ カラーフィルタ
２３ レベルコート層
２４ 透明導電膜
２５ 液晶層
２６ ＴＦＴ（画素トランジスタ）
２７ 画素透明電極
２８ 配線部
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、テレビ画面、コンピュータ出力画面等を拡大表示するための液晶投影装置、いわゆる液晶プロジェクタあるいは液晶プロジェクションテレビに有用な液晶表示素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】液晶プロジェクタ光学系の代表例を図３に示す。メタルハライドランプ１から射出した光束を凹面鏡２で反射させた後又は直接にコンデンサレンズ３でコリメートし、リレーレンズ４を介して液晶表示素子５（以下ＬＣＤと略記する）を照明する。ＬＣＤ５には、テレビ映像やパソコン画面等が表示されており、この表示画面が投影レンズ６によってスクリーン７上に拡大投影される。
【０００３】リレーレンズ４は、ＬＣＤ５を照明した光を投影レンズ６の位置に絞り込むようにすることにより、投影レンズ６の口径が大きくなくても、光のケラレがそれほど大きくならないようになっている。実際のランプ１は点光源ではなく有限の大きさを持っているため、図中点線で示されるような光線は投影レンズ６上で光軸から離れた位置に到達する。従って、投影レンズ６の口径をこの分だけ大きくする必要がある。
【０００４】例えば、照明光の平行度を±θ＝±６°程度とし、リレーレンズ４と投影レンズ６との間隔をＬ＝２００ｍｍとすると、 投影レンズ６上での光束の広がりはおよそ、
【数１】
２Ｌｔａｎθ＝４２ｍｍ （１）
程度となり、従って投影レンズ６の口径は４２ｍｍ以上必要となる。
【０００５】一方、ＬＣＤ５は、配線領域、画素毎のＴＦＴ（画素トランジスタ）領域など、光を透過できない部分いわゆるブラックマトリクスを持ち、一般に開口率は全液晶パネル面積の３０％ないし４０％程度と低く、これ以外の部分に入射する光は上記ブラックマトリクスによりカットされて利用できないといった問題がある。
【０００６】これを解決する一方法として、図４に示すように、ＬＣＤを構成する２枚のガラス基板１１、１２のうち光の入射する側のガラス基板１１に、各画素に対向して微小レンズ１３を設け、入射光を微小レンズ１３により画素開口部１５に集光させることにより、ＬＣＤを透過する光量を増加させる方法が従来から提案されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の素子構造ではＬＣＤ透過後の光束は、照明光の広がり角±θに加え、微小レンズ１３のＮＡ（開口数）に相当する角度±αが足されて±（θ＋α）だけ広がることになる。αは微小レンズ１３の各レンズ径をｄ、ガラス基板１１の厚みをｔ、屈折率をｎとすれば、
【数２】α＝ｔａｎ-1［ｄｎ／２ｔ］ （２）
と表され、例えば、ｄ＝１４０μｍ、ｎ＝１．５３、ｔ＝１．１ｍｍとすれば、α＝５．６°と、θとほぼ同程度の大きさになる。従って、明るさを向上させるために微小レンズ１３を挿入する場合、投影レンズ６の口径を
【数３】２ｌｔａｎ（θ＋α）＝８２ｍｍ （３）
と大きくする必要があり、装置の小型化が難しい、投影レンズのコスト高になる等の問題が生じる。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上述のような従来技術の問題点を解決するため、本発明ではＬＣＤを構成する２枚のガラス基板の少なくとも一方のガラス基板の両面にそれぞれ、液晶層の各画素開口部と対応させて微小レンズを配列形成した。
【０００９】
【作用】本発明によれば、ＬＣＤガラス基板の片面のみに微小レンズのアレイを設ける場合に比べて、ＬＣＤ透過後の光束の広がりを小さく抑えることができ、投影レンズの口径を従来より大幅に小さくすることができる。
【００１０】
【実施例】以下本発明を図面に示した実施例に基づき詳細に説明する。図１は本発明の一実施例を示すＬＣＤの拡大断面図であり、液晶プロジェクタにおけるＬＣＤ５の配置は図３と同様でよい。図１においてＬＣＤ５は、２枚の透明ガラス基板１１、１２間に液晶層１５を挟み周辺を封止して構成され、両ガラス基板１１、１２のうち照明光入射側の基板１１の両面に微小レンズ１３、１４が配列形成されている。
【００１１】微小レンズ１３、１４は、例えばソーダライムガラスからなる基板１１の両面に、公知のイオン交換法を用いて屈折率分布型レンズとして作製できる。すなわち、基板ガラスの両面をイオン透過防止の機能を有する金属膜等のマスク膜で被覆し、このマスク膜にフォトリソグラフィにより所定のレンズ配列パターンで開口を設け、この開口を通してガラスの屈折率を高めるイオンをガラス中のアルカリイオンとの交換で拡散させる方法で作製することができる。この方法で得られるレンズ１３、１４は、屈折率が基板表面で最大で、基板肉厚内に向け放射方向に次第に減少する屈折率分布を有する。
【００１２】基板両面の微小レンズ１３、１４は共に、液晶層１５の各画素開口部１５Ａ単位に１対１に対応させて配列形成する。これにより、照明光が液晶層の各画素開口部１５Ａに集光されるようにする。即ち、微小レンズ１３の焦点距離は、ガラス基板内において基板１１の厚みに略等しくなるように作製する。また同様に基板他面側の微小レンズ１４の焦点距離も、レンズ１３と略等しく作製する。
【００１３】このようにガラス基板１１の両面に微小レンズのアレイを形成すると、角度θだけ傾いた光束も微小レンズ１３で屈折して、液晶層の画素開口部１５Ａの近傍に集光する時点で、さらに他面側の微小レンズ１４で屈折して、主光線の方向が光軸に平行に曲げられる。従ってＬＣＤ５から射出する光束の広がり角は、従来図４R>４の構成において±（θ＋α）であったのが±αと大幅に小さくでき、よって投影レンズ６の口径は
【数４】２ｌｔａｎθ＝３９ｍｍ （４）
と大幅に小口径化できる。
【００１４】なお微小レンズ１３、１４のそれぞれの配列ピッチは、図３のようにＬＣＤ５の前にリレーレンズ４を挿入する場合、その収束角度に合わせてＬＣＤの画素ピッチに対し僅かにずらせて、リレーレンズ４を透過後収束して伝搬する光を微小レンズ１３、１４で液晶層の各画素開口部１５Ａに入射させるようにする。
【００１５】また図１では省略していたが、両面に微小レンズ１３、１４の各アレイを備えたガラス基板１１を用いてＬＣＤ５を構成する場合、図２に示すような具体的構成がその代表例として挙げられる。図２で、ガラス基板１１の液晶層２５と対向する側の面には、ガラス中からのアルカリ成分の溶出を防止する被膜２０がコーティングされており、その上にブラックマトリクス２１、カラーフィルタ２２、レベルコート材２３、透明導電膜２４が設けられる。
【００１６】また他方のガラス基板１２の液晶層２５に対向する側の面には、配線部２８、ＴＦＴ部２６、画素電極２７が設けられ、これと前記ガラス基板１１との間に液晶を封入してＬＣＤとする。アルカリ溶出防止膜２０は、例えばＳｉＯ2を液相でディッピングした後、焼成して膜とすることによって得られ、透明導電膜２４、画素電極２７は例えばＩＴＯ膜等が用いられる。
【００１７】なお、図１、２では２枚のガラス基板１１、１２のうちの一方のみに微小レンズ１３、１４を形成したが、例えば図１の微小レンズ付ガラス基板１１と同じものを反対側のガラス基板１２に用いて、微小レンズアレイの４層構造としてもよい。この場合、ＬＣＤ射出後の光束の広がり角は、微小レンズのＮＡに対応する±αではなく、照明光の平行度±θとなる。
【００１８】
【発明の効果】従来は、ＬＣＤの光利用効率を上げるために微小レンズのアレイをＬＣＤ直前に配置すると、投影レンズ上での光束の広がりが大きくなり、従って投影レンズの口径を大きくする必要があったが、本発明により、ＬＣＤの光利用効率を大きく保ちつつ、投影レンズの口径を小さくでき、装置の小型化と低コスト化に極めて有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す断面図
【図２】本発明の他の実施例を示す断面図
【図３】液晶プロジェクタの概略断面図
【図４】従来のレンズ付き液晶表示素子を示す断面図
【符号の説明】
１ 光源ランプ
２ 凹面鏡
３ コンデンサレンズ
４ リレーレンズ
５ 液晶表示素子（ＬＣＤ）
６ 投影レンズ
１１ ガラス基板
１２ ガラス基板
１３ 微小レンズ
１４ 微小レンズ
１５ 液晶層
１５Ａ 画素開口部
２０ アルカリ溶出防止膜
２１ ブラックマトリクス
２２ カラーフィルタ
２３ レベルコート層
２４ 透明導電膜
２５ 液晶層
２６ ＴＦＴ（画素トランジスタ）
２７ 画素透明電極
２８ 配線部
【特許請求の範囲】
【請求項１】 一対のガラス基板と、これら基板間に設けられた液晶層とを有する液晶表示素子において、前記ガラス基板のうち少なくとも一方のガラス基板の両面にそれぞれ、前記液晶層の各画素開口部に対応させて微小レンズを配列形成したことを特徴とする液晶表示素子。
【請求項２】 前記基板両面の微小レンズはいずれも、平行光を入射させたとき基板の反対面近傍に集光するような光学特性を有している請求項１に記載の液晶表示素子。
【請求項３】 前記微小レンズは、基板表面を屈折率最大として基板肉厚内に向けて放射方向に次第に減少する屈折率分布を有している請求項１、２のいずれかに記載の液晶表示素子。
【請求項４】 前記微小レンズは、光源に対向する側のガラス基板のみに備えられている請求項１、２、３のいずれかに記載の液晶表示素子。
【請求項５】 前記微小レンズを形成したガラス基板の少なくとも一方の面に、ガラス中のアルカリイオン溶出を防止する透明被膜をコーティングした請求項１、２、３、４のいずれかに記載の液晶表示素子。
【請求項６】 前記微小レンズを形成したガラス基板の少なくとも一方の面に、透明導電膜をコーティングした請求項１、２、３、４、５のいずれかに記載の液晶表示素子。
【請求項７】 前記微小レンズを形成したガラス基板の少なくとも一方の面に、ブラックマトリクスを設けた請求項１、２、３、４、５、６のいずれかに記載の液晶表示素子。
【請求項８】 前記微小レンズを形成したガラス基板の少なくとも一方の面に、各画素に対応した複数色のカラーフィルタを設けた請求項１、２、３、４、５、６、７のいずれかに記載の液晶表示素子。
【請求項１】 一対のガラス基板と、これら基板間に設けられた液晶層とを有する液晶表示素子において、前記ガラス基板のうち少なくとも一方のガラス基板の両面にそれぞれ、前記液晶層の各画素開口部に対応させて微小レンズを配列形成したことを特徴とする液晶表示素子。
【請求項２】 前記基板両面の微小レンズはいずれも、平行光を入射させたとき基板の反対面近傍に集光するような光学特性を有している請求項１に記載の液晶表示素子。
【請求項３】 前記微小レンズは、基板表面を屈折率最大として基板肉厚内に向けて放射方向に次第に減少する屈折率分布を有している請求項１、２のいずれかに記載の液晶表示素子。
【請求項４】 前記微小レンズは、光源に対向する側のガラス基板のみに備えられている請求項１、２、３のいずれかに記載の液晶表示素子。
【請求項５】 前記微小レンズを形成したガラス基板の少なくとも一方の面に、ガラス中のアルカリイオン溶出を防止する透明被膜をコーティングした請求項１、２、３、４のいずれかに記載の液晶表示素子。
【請求項６】 前記微小レンズを形成したガラス基板の少なくとも一方の面に、透明導電膜をコーティングした請求項１、２、３、４、５のいずれかに記載の液晶表示素子。
【請求項７】 前記微小レンズを形成したガラス基板の少なくとも一方の面に、ブラックマトリクスを設けた請求項１、２、３、４、５、６のいずれかに記載の液晶表示素子。
【請求項８】 前記微小レンズを形成したガラス基板の少なくとも一方の面に、各画素に対応した複数色のカラーフィルタを設けた請求項１、２、３、４、５、６、７のいずれかに記載の液晶表示素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開平５−３４１２８３
【公開日】平成５年（１９９３）１２月２４日
【国際特許分類】
【出願番号】特願平４−１５２１０８
【出願日】平成４年（１９９２）６月１１日
【出願人】（０００００４００８）日本板硝子株式会社 (853)
【公開日】平成５年（１９９３）１２月２４日
【国際特許分類】
【出願日】平成４年（１９９２）６月１１日
【出願人】（０００００４００８）日本板硝子株式会社 (853)
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