(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
画素化ディスプレイプロジェクションパネルであって、
第１のフレネルレンズと、
上記第１のフレネルレンズに対向する第２のフレネルレンズと、
上記第１及び第２のフレネルレンズの間に配置された、２つの光学的に透明な基板の間にイメージ面を形成する複数のピクセルを有する画素化されたディスプレイと、
上記第１のフレネルレンズと上記ディスプレイの間に配置された第１マイクロレンズ配列であって、該配列中の上記マイクロレンズは、上記ディスプレイの上記ピクセルに対応し、上記マイクロレンズは、上記第１マイクロレンズ配列に直角な角度で上記マイクロレンズに第１の方向から入射する平行光線が、上記ディスプレイの上記イメージ面を越えた点で焦点が合うような焦点距離を有する、第１マイクロレンズ配列と、
上記第２のフレネルレンズと上記ディスプレイの間に配置された第２マイクロレンズ配列であって、該配列中の上記マイクロレンズは、上記ディスプレイの上記ピクセルに対応し、上記マイクロレンズは、上記第２マイクロレンズ配列に直角な角度で上記マイクロレンズに上記第１の方向と反対の方向から入射する平行光線が、上記ディスプレイの上記イメージ面を越えた点で焦点が合うような焦点距離を有する、第２マイクロレンズ配列とを備えることを特徴とする、プロジェクションパネル。
【請求項２】
上記画素化されたディスプレイは液晶パネルであることを特徴とする、請求項１記載のプロジェクションパネル。
【請求項３】
上記第１マイクロレンズ配列の上記マイクロレンズの上記焦点距離は、上記第２マイクロレンズ配列の上記マイクロレンズの上記焦点距離に等しいことを特徴とする、請求項１記載のプロジェクションパネル。
【請求項４】
上記第１マイクロレンズ配列の上記マイクロレンズの上記焦点は一方の上記基板内に位置し、上記第２マイクロレンズ配列の上記マイクロレンズの上記焦点は他方の上記基板内に位置することを特徴とする、請求項１記載のプロジェクションパネル。
【請求項５】
画素化ディスプレイプロジェクションパネルシステムであって、
２つの光学的に透明な基板の間にイメージ面を形成する複数のピクセルを有する画素化されたディスプレイと、
該ディスプレイの一方の面に形成された第１マイクロレンズ配列であって、該配列中の上記マイクロレンズは、上記ディスプレイの上記ピクセルに対応し、上記マイクロレンズは、上記第１マイクロレンズ配列に直角な角度で上記マイクロレンズに第１の方向から入射する平行光線が、上記ディスプレイの上記イメージ面を越えた点で焦点が合うような焦点距離を有する、第１マイクロレンズ配列と、
上記ディスプレイの他方の面に形成された第２マイクロレンズ配列であって、該配列中の上記マイクロレンズは、上記ディスプレイの上記ピクセルに対応し、上記マイクロレンズは、上記第２マイクロレンズ配列に直角な角度で上記マイクロレンズに上記第１の方向と反対の方向から入射する平行光線が、上記ディスプレイの上記イメージ面を越えた点で焦点が合うような焦点距離を有する、第２マイクロレンズ配列と、
上記ディスプレイに向けて光線を発光する光源と、
上記光線を平行にするため上記光源と上記第１マイクロレンズ配列の間に設けられる第１のフレネルレンズと、
上記光線を収束するため上記第２マイクロレンズ配列と投影レンズの間に設けられる第２のフレネルレンズと、
上記第２マイクロレンズ配列から出る光線を投影スクリーン方向に投影する投影手段とを備えることを特徴とする、プロジェクションパネルシステム。
【請求項６】
画素化されたディスプレイは液晶ディスプレイであることを特徴とする、請求項５記載のプロジェクションパネルシステム。
【請求項７】
上記第１マイクロレンズ配列の上記マイクロレンズの上記焦点距離は、上記第２マイクロレンズ配列の上記マイクロレンズの上記焦点距離に実質的に等しいことを特徴とする、請求項５記載のプロジェクションパネルシステム。
【請求項８】
上記第１マイクロレンズ配列の上記マイクロレンズの上記焦点は一方の上記基板内に位置し、上記第２マイクロレンズ配列の上記マイクロレンズの上記焦点は他方の上記基板内に位置することを特徴とする、請求項５記載のプロジェクションパネルシステム。
【請求項９】
画素化ディスプレイプロジェクションパネルを製造する方法であって、
２つの光学的に透明な基板の間にイメージ面を形成する複数のピクセルを有する画素化されたディスプレイを準備するステップであって、上記基板の厚さは平均値のまわりに既知の範囲内でばらつく、ステップと、
上記ディスプレイの一方の面に形成された第１マイクロレンズ配列を準備するステップであって、該配列中の上記マイクロレンズは上記ディスプレイの上記ピクセルに対応し、上記マイクロレンズは、上記第１マイクロレンズ配列に直角な角度で上記マイクロレンズに第１の方向から入射する平行光線が、上記ディスプレイの上記イメージ面を越えた点で焦点が合うような焦点距離を有する、ステップと、
上記ディスプレイの他方の面に形成された第２マイクロレンズ配列を準備するステップであって、該配列中の上記マイクロレンズは、上記ディスプレイの上記ピクセルに対応し、上記マイクロレンズは、上記第２マイクロレンズ配列に直角な角度で上記マイクロレンズに上記第１の方向と反対の方向から入射する平行光線が、上記ディスプレイの上記イメージ面を越えた点で焦点が合うような焦点距離を有する、ステップと、
上記基板の上記厚さ範囲の上限に基づき、上記両配列における上記マイクロレンズの最適曲率半径を選択するステップと
光源と上記第１マイクロレンズ配列との間に第１のフレネルレンズを、上記第２マイクロレンズ配列と投影レンズとの間に第２のフレネルレンズをそれぞれ準備するステップと、を備えることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、液晶ディスプレイに関し、詳しくは、マイクロレンズ配列を有する液晶ディスプレイプロジェクションパネルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
薄くて軽量である液晶ディスプレイは、電子表示デバイス、コンピュータディスプレイ、エンターテイメントデバイスに、一般に用いられるようになってきた。特に、アクティブマトリックスアドレスド液晶ディスプレイ（最も一般的には、薄膜トランジスタタイプ）は、情報密度が高く、フルカラーであり、コントラストが高く、ビデオリフレッシユ速度が速い。しかし、このような液晶ディスプレイは、伝達率が低いことが問題であり、一般的に、伝達率は３〜５％であるので、高出力のバックライトと、周囲の光の低減が必要とする。伝達率の低い主な要因は、ディスプレイ上のトランジスタおよびバスラインのためのスペースが必要であるので約３０〜４０％の開孔率であることである。
【０００３】
液晶ディスプレイパネルの輝度の改良が、望まれるであろう。
【０００４】
【発明の要旨】
したがって、本発明は、液晶ディスプレイプロジェクションパネルのような画素化ディスプレイプロジェクションパネルと、該ディスプレイの各面に形成された２つのマイクロレンズ配列とを含む。配列中のマイクロレンズは、配列に直角な角度でマイクロレンズに入射する平行光線が、ディスプレイのイメージ面を越えた点で焦点が合うような焦点距離を有する。
【０００５】
また、本発明は、上記したプロジェクションパネルと、該ディスプレイに向けて光線を発光する光源と、パネルからの透過光線を投影スクリーンに向けて投影する投影手段とを備えるプロジェクションシステムを含む。プロジェクションパネルは、パネルへの入射光線を収束する２つのフレネルレンズの間に配置されてもよい。
【０００６】
また、本発明は、画素化ディスプレイプロジェクションパネルの製造方法を含む。この方法は、上記したようなパネルを準備するステップを含むが、基板厚さは、平均値のまわりに既知の範囲内でばらつく。マイクロレンズの最適曲率はこの基板厚さの範囲の上限に基づいて決定される。
【０００７】
【実施例】
以下に、図１，２，５に示した本発明の一実施例に係る液晶プロジェクションパネルについて詳細に説明する。
【０００８】
図１に、本発明に従って構成された液晶プロジェクションシステム１０を示す。プロジェクションシステム１０は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）２０と、マイクロレンズ３２および３４とを備える。液晶ディスプレイ２０は、２つの光学的に透明な基板２２および２４の間に規則的に配列された複数のピクセル２６を有する。マイクロレンズ配列３２および３４は、基板２２および２４の外側面に、それぞれ形成される。
【０００９】
プロジェクション１０は、積層構造４０および５０も備える。この積層構造４０および５０は、マイクロレンズ配列３２および３４から、それぞれ、間隔７２および７４を置いて配列される。積層構造４０は、硬質保護面６２と、偏光子５２と、光学フレネルレンズ４２とを備える。同様に、積層構造５０は、硬質保護面６４と、偏光子５４と、光学フレネルレンズ４４とを備える。積層構造４０および５０は、プロジェクションシステム１０内において、空気の干渉回数をできるだけ少なくして、それによって、システムを透過する光量をできるだけ多くする。
【００１０】
プロジェクションシステム１０は、以下のように作動する。光源１２は、発散光線ＡおよびＢを集光レンズ１４に向けて照射する。集光レンズによって、光線は、保護面６４に接近するとき、互いに収束される。そして、発散光線ＡおよびＢは、硬質保護面６４と偏光子５４とを通り、発散するフレネルレンズ４４によって、平行にされる。
【００１１】
つぎに、平行にされた光線ＡおよびＢは、間隔７４を通過し、マイクロレンズ配列３４によって、液晶ディスプレイ２０内のピクセル２６を通って焦点が合わされる。そして、光線ＡおよびＢは、マイクロレンズ配列３２によって再び平行にされ、空間７２を通過する。したがって、配列３２および３４内のマイクロレンズは、ピクセル２６に関して、正確に位置決めされなければならない。
【００１２】
つぎに、平行にされた光線ＡおよびＢは、収束するフレネルレンズ４２と、偏光子５２と、硬質保護面６２とを通る。そして、光線ＡおよびＢは、プロジェクションレンズ８０を通り、光学ミラー８２によってプロジェクションスクリーン（図示せず）方向に反射される。
【００１３】
偏光子５２および５４は、好ましくは、吸収染料タイプ偏光子であり、液晶ディスプレイ２０が所望のモード（標準白色または標準黒色）で作動するために、互いに向きが合わされるすべきである。硬質保護面６２および６４は、好ましくは、ガラスまたは耐傷性プラスチックである。他の実施例では、偏光子５２および５４を薄くし、代りに、硬質保護面６２および６４は、偏光子上に形成された保護被覆とすることも可能である。フレネルレンズ４２および４４は、好ましくは、セルロースアセテートブチレート、ポリカーボネート、アクリルのような光学プラスチックである。
【００１４】
マイクロレンズ配列３２および３４は、好ましくは、柔軟で、プラスチック製で、屈折性を有する。液晶ディスプレイ２０は、好ましくは、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）ディスプレイであり、また、カラーディスプレイとすることも可能である。
【００１５】
間隔７２および７４は、好ましくは、空気のような気体を含む。加圧空気を、空間７２および７４から、カラー偏光子５２および５４とディスプレイ電子回路（図示せず）に供給することが可能である。積層構造４０および５０は、マイクロレンズ配列３２および３４から、それぞれ、約０．２〜２ｃｍの間隔を設けられるべきである。
【００１６】
プロジェクションパネル３０を通過するときの光線Ａについての要部拡大図を、図２に示す。光線Ａは、マイクロレンズ配列３４によって、ピクセル２６によって形成されるイメージ面内ではなく、その面を越えて点Ｆに、焦点が合わされる。光線Ａの焦点面は、好ましくは、図２において点Ｆで示すように、基板２２内に位置する。
【００１７】
同様に、配列３２内のマイクロレンズは、イメージ面に関して点Ｆとは反対側に焦点面が位置するように、選択されるべきである。もっとも、図１に示されたように、プロジェクションシステム１０において、光線は上からマイクロレンズ配列３２に入らないが、光線Ａ’がイメージ平面を越えて点Ｅで焦点が合されるように、配列３２内のマイクロレンズが選択されるべきである。光線Ａ’の焦点面は、好ましくは、図２において点Ｅで示されたように、基板２４内に位置する。したがって、マイクロレンズ配列３２の焦点面は、マイクロレンズ配列３４の焦点面と、共面ではない。
【００１８】
従来技術のプロジェクションパネル１３０を通過する光線Ｃについての要部拡大図を、図３に示す。プロジェクションパネル１３０は、液晶ディスプレイ１２０と、マイクロレンズ配列１３２および１３４とを備える。液晶ディスプレイ１２０は、２つの光学的に透明な基板１２２および１２４の間に規則的に配列された複数のピクセル１２６を有する。マイクロレンズ配列１３２および１３４は、基板１２２および１２４の外側面に、それぞれ形成される。
【００１９】
マイクロレンズ配列１３４に入る光線Ｃは、プロジェクションパネル１３０のイメージ面内のピクセル１２６内の点Ｄで焦点が合わされる。マイクロレンズ配列１３２内のマイクロレンズは、マイクロレンズ配列１３２に入る光線Ｃ’も、プロジェクションパネル１３０のイメージ面内のピクセル１２６内の点Ｄで焦点が合わされるような焦点距離を有すべく選択される。
【００２０】
他の従来技術のプロジェクションパネル２３０を通過する光線Ｇについての要部拡大図を、図４に示す。プロジェクションパネル２３０は、液晶ディスプレイ２２０と、マイクロレンズ配列２３２および２３４とを備える。液晶ディスプレイ２２０は、２つの光学的に透明な基板２２２および２２４の間に規則的に配列された複数のピクセル２２６を有する。マイクロレンズ配列２３２および２３４は、基板２２２および２２４の外側面に、それぞれ形成される。
【００２１】
マイクロレンズ配列２３４に入る光線Ｇは、ピクセル２２６によって形成されるイメージ面を越えて、点Ｈで焦点が合わされる。マイクロレンズ配列２３２内のマイクロレンズは、マイクロレンズ配列２３２に入る光線Ｇ’も、イメージ面の手前の点Ｈで焦点が合わされるような焦点距離を有すべく選択される。
【００２２】
本発明のプロジェクションパネル１３０は、従来技術に勝るいくつかの利点をもたらす。第１に、光線は各ピクセル内の一点に焦点が合わされないので、本発明のデザインは、ピクセル内の液晶材料の局所加熱と、一体的な光学カラーフィルタの色あせと、焦点が自然にずれていく（ｓｅｌｆ−ｆｏｃｕｓｉｎｇ）ような非線形光学効果をできるだけ少なくする。また、これにより、光はピクセルの一部分ではなく全体を用いることができるので、ピクセル内の一つの不均一が投影されたピクセルの総合的な見え具合に影響を及ぼす可能性をできるだけ少なくする。
【００２３】
第２に、両方のマイクロレンズ配列の焦点距離が、配列からイメージ面までの距離より長いので、本発明のデザインによって、焦点距離のより長いマイクロレンズを有するマイクロレンズ配列を用いることができる。焦点距離の長いマイクロレンズほど、曲率半径が大きくなり、したがって、薄くなる。薄いマイクロレンズほど、製造が容易であり、球面収差にわずらわされにくくなる。
【００２４】
第３に、図４に示されたプロジェクションパネル２３０と異なり、配列３２および３４のマイクロレンズは、焦点距離が同じである（たとえ、プロジェクションパネル３０内に組み込まれたときに、焦点面が共通でなくとも）。これは、二つの異なるタイプのマイクロレンズ配列を作ることを不要とするので、コストを低減する。また、これによって、プロジェクションパネル３０は、逆向き投影にも使用可能である、すなわち、パネルは上下逆にしても使用可能である。
【００２５】
第４に、焦点距離を重ねて使用することによって、ピクセル２６および配列３２のマイクロレンズに対する配列３２のマイクロレンズの位置決め許容範囲を広くすることが可能であり、その結果、プロジェクションパネル３０の輝度が向上し、プロジェクションパネルの製造コストが低減し、また、その両方の組み合わせをもたらすことが分かった。
【００２６】
いかなる特定の理論とも結び付けられていないので、本発明のデザインは、従来技術より進歩していると考えられる。なぜなら、従来技術のプロジェクションパネルは、“光源は非常に小さい点光源であり、それゆえ、マイクロレンズ配列に入射する光線は完全に平行である”との仮定に基づいているからである。しかし、実際には、光源すなわちプロジェクションランプのフィラメントは有限の寸法を有し、その結果、マイクロレンズ配列に入射される光線は、完全には平行でない。
【００２７】
マイクロレンズ配列に入射される光が完全平行からずれる角度を、テーパ角と称することができる。このテーパ角は、プロジェクションシステム１０のプロジェクションパネル３０内に法線方向のピンホールを配置したときに形成される円錐状光線の円錐角の半分として、定義される。従来技術のデザインは、このテーパ角を考慮しなかったので、このようなデザインにおいて、光の損失が生じる。なぜなら、用いることができる光のある割合は、イメージ面の手前で焦点が合わされ、その結果、用いることが可能な光の割合は、プロジェクションパネル内で吸収され、あるいは、大きな角度となって、プロジェクションレンズに達することができないからである。この光損失は、投影されたイメージの全体的な輝度を低下させる。
【００２８】
具体的なプロジェクションシステム内のマイクロレンズ配列に対する最適焦点距離に影響を及ぼすのは、少なくとも４つの相互に関係するパラメータである。すなわち、（１）ピクセル２６の実際の寸法と、（２）テーパ角と、（３）マイクロレンズ配列３２および３４からピクセル２６までの距離と、（４）プロジェクションレンズ８０の入射ひとみ径である。
【００２９】
ＬＣＤ内で使用される基板２２および２４の厚さは、通常、厳密には特定されず、一般には、１．１ｍｍ±０．１ｍｍである。さらに、マイクロレンズ配列３２および３４の組み立て中に、厚さにばらつきが生じるかもしれない。したがって、マイクロレンズ配列３２および３４が映写光をできるだけ多くし、それによって、ある最低特性を基板厚さ範囲を通じて保証する一方、このような寸法のばらつきをできるだけ許容するようにデザインされることが、望ましい。そうするには、基板（２２，２４）の厚さを許容範囲内で最大にし、テーパ角と同程度に平行にされた、均一出力光を用いて開始する。それによって、プロジェクションレンズを通過する光量が最大にするマイクロレンズ曲率半径（両方の配列も等しいと仮定）が分かる。この分野の技術者は、いくつかの市販の光路解析プログラムを用いて、この計算を実行できる。
【００３０】
この分野の技術者であれば分かるように、本発明はＬＣＤに関して説明されたが、本発明は、画素化された任意のディスプレイに関して有用である。また、この分野の技術者であれば分かるように、プロジェクションシステム１０は、フレネルレンズ４２および４４を備えるものとして説明されたが、フレネルレンズは必須ではない、すなわち、プロジェクションパネル３０は、収束光線とともに使用できる。
【００３１】
本発明について、以下の限定されない実施例によって、さらに説明する（すべての計測値は概略値である）。
【００３２】
実施例
以下の情報は、コンピュータ光路解析プログラムを用いて、数値を求めた。すなわち、（１）ガラス基板２２および２４は、１．１±０．１ｍｍの全く同一の厚さであり、（２）プロジェクションレンズの直径は６２．２ｍｍであり、（３）アクリル製マイクロレンズ配列３２および３４は、それぞれ厚さが０．２ｍｍであり、屈折率が合った接着剤で基板に結合し、（４）テーパ角は２．５°であり（３Ｍモデル９５５オーバーヘッドプロジェクターで計測）、（５）ピクセルの寸法・形状は、ヒタチモデルＴＭ２６Ｄ０８ＶＣ１ＡＢとして特定され、ＬＣＤプロジェクションパネルとして一般に使用される平均対角線計測値が２６４ｍｍであるカラーＶＧＡ薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）ＬＣＤであり、日本国東京のヒタチコーポレイションから市販されている。１．１ｍｍの平均基板厚さについて、システムを通過する最大伝達光量を与えるマイクロレンズの曲率半径Ｒは、Ｒ＝０．５０ｍｍと計算された。特定の範囲内のすべての基板に、Ｒのこの値を適用した結果を、図５において、線９０で示す。
【００３３】
しかし、計算では、最大基板厚さ１．２ｍｍにおいて、Ｒ＝０．６６ｍｍで伝達が最大になる。Ｒのこの値を、すべての基板厚さを通じて適用した結果を、図５において、線９２で示す。
【００３４】
線９２を与える本発明の方法に従うことによって、ＬＣＤプロジェクションパネル通過時の伝達率は、適切な基板厚さ範囲を通じて、ほぼ一定であり、すくなくとも６２．７％となる。しかし、線９０を与える方法に従うことによって、上記伝達率は、上記範囲内で大きくばらつき、あるプロジェクションパネルでは、伝達率は、５９．５％のように、低い値となる。したがって、本発明の方法は、最小伝達率を向上し、基板厚さの範囲内で伝達率を均一に改良する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係る液晶プロジェクションパネルの側面断面図である。
【図２】図１のプロジェクションパネルの要部拡大断面図である。
【図３】従来技術のパネルの要部拡大断面図である。
【図４】従来技術のパネルの要部拡大断面図である。
【図５】基板厚さに対する光の伝達率を表すグラフ図である。
【符号の説明】
１０  液晶プロジェクトシステム
１２  光源
１４  集光レンズ
２０  液晶ディスプレイ
２２，２４  基板
２６  ピクセル
３０  プロジェクションパネル
３２，３４  マイクロレンズ配列
４０  積層構造
４２，４４  フレネルレンズ
５０  積層構造
５２，５４  偏光子
６２，６４  保護面
７２，７４  間隔
８０  プロジェクションレンズ
８２  光学ミラー
Ａ，Ｂ  光線
Ｅ，Ｆ  焦点
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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