專利名稱：液晶顯示裝置、以及使用液晶顯示層的投影型顯示器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種采用其上投射有圖像以供顯示的液晶板的投影型顯示器，例如投影儀、背投電視機等，以及用于該投影型顯示器的液晶顯示器及微透鏡陣列。
本申請要求享有2004年6月23日在日本專利局遞交的日本專利申請No.2004-185381的優(yōu)先權(quán)，該申請在此全部包含引作參考。
背景技術(shù)：
到目前為止，已經(jīng)提出了這樣的液晶投影儀及液晶投影型電視機，其中用作光開關(guān)裝置的液晶顯示板上的圖像通過投影光學系統(tǒng)以放大的比例被投射在屏幕上以便進行顯示。這些設備薄、重量輕并且能夠顯示清晰圖像。
1998年日本專利公開No.161097(在此也稱作“專利文獻1”)中已經(jīng)提出了一種能夠顯示較清晰的投影圖像的液晶顯示器。圖1示意性地示出了專利文獻1中披露的液晶顯示器。液晶顯示器通常由附圖標記100表示，并包括分色鏡112B、112R和112G，其將白光源發(fā)出的入射在其上的白色平行光L1分成藍(B)光、紅(R)光和綠(G)光；用于加強由分色鏡112B、112R和112G分離的每個B光、R光和G光的LCD(液晶顯示)板120；以及用于將來自LCD板120的B光、R光和G光會聚并混合到屏幕140上的投影透鏡130，如圖1所示。
分色鏡112B、112R和112G彼此成小角度被固定。分色鏡將白光L1分成以不同角度分別入射在LCD板120上的B光、R光和G光。
如圖所示，LCD板120包括具有形成在其上的多個像素電極的像素基板121；具有形成在其上的相對電極和微透鏡的相對基板122；以及設置在像素基板121和相對基板122之間的液晶層123。
圖2為液晶顯示器100中包含的LCD板120的截面結(jié)構(gòu)的放大示意圖。如圖2所示，像素基板121包括玻璃基板121a；從底部到頂部規(guī)則設置在玻璃基板121a一側(cè)上的B光、R光和G光像素電極121B、121R和121G；以及形成在玻璃基板121a上并包括用作根據(jù)圖像信號為每個像素電極121B、121R和121G施加電壓的開關(guān)裝置的TFT等(未示出)的黑色矩陣121b。每個TFT具有例如由多晶硅形成的柵極、漏極和源極(未示出)。這些電極中，柵極與圖中垂直延伸的地址線相連，源極與垂直于圖面延伸的數(shù)據(jù)線相連，并且漏極與每個像素電極121B、121R和121G相連。通過為由地址線和數(shù)據(jù)線所選擇的像素電極選擇性地施加圖像信號電壓，液晶層123中像素電極和相對電極122d之間的液晶分子的配向被改變，從而改變了通過該液晶分子的光的偏振方向。
另一方面，相對基板122包括玻璃基板122a、形成在玻璃基板122a一端上的微透鏡陣列122b、鄰近微透鏡陣列122b設置的玻璃蓋板122c以及形成在玻璃蓋板122c上的相對電極122d。
相對電極122d為形成在玻璃蓋板122c上方或其必要區(qū)域上的透明電極，并具有固定電壓。
微透鏡陣列122b是通過例如選擇離子擴散方法形成的折射率漸變透鏡。組成微透鏡陣列122b的每個微透鏡(ML)通常被形成為半圓柱形透鏡，其軸垂直于圖面延伸。然而，微透鏡也可以是普通的球面透鏡或類似于球面透鏡的曲面透鏡。
作為參考，在像素基板121上由分別為三個像素電極121B、121R和121G設置的微透鏡形成微透鏡陣列122b。從三個不同方向入射在微透鏡上的B、R和G光分別通過液晶層123被會聚以入射在像素電極121B、121R和121G上。
在上述構(gòu)造的液晶顯示器100中，以對應TFT像素間距的間距設置的微透鏡分別與TFT像素逐一關(guān)聯(lián)，以便使應當被TFT光屏蔽反射而不會通過TFT光屏蔽的光偏振，進而提高透射率。
通常，投影儀具有兩種性能高透射率和高對比度。在液晶顯示器100中，設置的微透鏡陣列122允許采用較小的TFT，這能使透射率下降。因此，液晶顯示器100能夠?qū)崿F(xiàn)高的圖像清晰度、透射率以及較小的整體設計。
在這種連接關(guān)系中，投射到液晶顯示器中的光的偏振取決于與LCD板中填充的液晶分子的配向方向相關(guān)地形成的光入射角。更特別地，傾斜入射到LCD板中的正偏振光由于液晶的雙折射而成橢圓偏振光出射，使得僅有一部分應當出射的光出射，進而導致了較低的對比度。特別地，設置在液晶顯示器中的微透鏡陣列引起入射光以增加的角度擴散到液晶層，這將引起非常低的對比度。
在日本專利公開No.2001-174776(專利文獻2)中已經(jīng)提出了一種用以改善液晶顯示器中圖像對比度的光補償技術(shù)。該專利文獻2中披露的光補償技術(shù)是這樣的，具有能夠消除LCD板雙折射影響的光學特性的光補償薄膜被設置在液晶顯示器中以抑制圖像對比度隨光的入射角變化，即所謂的對比度對視角的依賴性。光學補償薄膜也能夠很好地補償以極限角入射的光的相位差，所以對其中具有微透鏡的液晶顯示器施用該技術(shù)能夠提高圖像對比度。
在“Liquid Crystal-Technique for Increasing Angle of Visibility of TFT-LCDby Discotic Optical Compensation Film-Vol.16，No.1”中披露了利用諸如光學補償膜的光學補償元件所引起的視角改進的效果。
因為常規(guī)液晶投影儀中使用的微透鏡被設計以提供適于透射的最適宜的條件，微透鏡和光學補償元件的結(jié)合不能確保根據(jù)具體情況所應有的適宜的對比度。例如，在1996年的日本專利公開No.86901(專利文獻3)中披露了確保高透射率的微透鏡的設計值?？墒牵谒兜募夹g(shù)中，給出了關(guān)于透射率的主要考慮。

發(fā)明內(nèi)容
因此，期望克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，通過提供一種能夠在提供光學補償元件的情況中最大程度改進對比度的微透鏡陣列、液晶顯示器以及配備光學補償元件的投影型顯示器。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，提供一種在基板上二維設置多個微透鏡的微透鏡陣列，其中微透鏡的焦距f與從微透鏡的主表面到光入射其上的基板表面之間的距離Ts滿足以下關(guān)系X＝Ts/PY＝f/P在上述微透鏡中，以間距P設置微透鏡，而(X，Y)處于由點組(0.75，1.00)、(0.75，1.25)、(1.00，1.75)、(1.75，2.50)、(2.25，2.50)、(2.25，2.00)、(1.50，1.25)、(1.00，1.00)所圍繞到X-Y坐標系中。
同樣，根據(jù)本發(fā)明另一實施例，提供一種液晶顯示器，包括其上形成有像素電極的像素基板，根據(jù)圖像數(shù)據(jù)為像素電極施加信號電壓；具有相對電極的相對基板，對電極關(guān)于置于對電極和像素電極之間的液晶層與像素電極相對設置；以及其中在相對基板上二維設置有多個微透鏡的微透鏡陣列；微透鏡的焦距f與從微透鏡的主表面到光入射其上的基板表面之間的距離Ts滿足以下關(guān)系X＝Ts/PY＝f/P在上述液晶顯示器中，以間距P設置微透鏡，而(X，Y)處于由點組(0.75，1.00)、(0.75，1.25)、(1.00，1.75)、(1.75，2.50)、(2.25，2.50)、(2.25，2.00)、(1.50，1.25)、(1.00，1.00)所圍繞到X-Y坐標系中。
同樣，根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，提供一種投影型顯示器，包括光源；用于將光源發(fā)出的光束會聚在預定光路上的照明(lighting)光學系統(tǒng)；對照明光學系統(tǒng)會聚的光束進行光學調(diào)制度液晶板；和用于以放大的比例投射經(jīng)過液晶單元光學調(diào)制的光束的投影透鏡；包括在基板上二維設置有多個微透鏡的微透鏡陣列的照明光學系統(tǒng)，以及微透鏡的焦距f與從微透鏡的主表面到光入射其上的基板表面之間的距離Ts滿足以下關(guān)系X＝Ts/PY＝f/P在上述投影型顯示器中，以間距P設置微透鏡，而(X，Y)處于由點組(0.75，1.00)、(0.75，1.25)、(1.00，1.75)、(1.75，2.50)、(2.25，2.50)、(2.25，2.00)、(1.50，1.25)、(1.00，1.00)所圍繞到X-Y坐標系中。
根據(jù)本發(fā)明，微透鏡的焦距f和覆蓋層的厚度Ts滿足以下關(guān)系X＝Ts/PY＝f/P根據(jù)本發(fā)明，以間距P設置微透鏡，而(X，Y)處于由點組(0.75，1.00)、(0.75，1.25)、 (1.00，1.75)、(1.75，2.50)、(2.25，2.50)、(2.25，2.00)、(1.50，1.25)、(1.00，1.00)所圍繞到X-Y坐標系中。
根據(jù)本發(fā)明，能夠減少入射在疇上的光。因此，能夠防止由于光透射過所述疇所引起的圖像對比度的降低。
結(jié)合附圖，本發(fā)明的前述和其他特征、方面和優(yōu)點根據(jù)以下本發(fā)明實施例的詳細描述變得清楚。


圖1為用于使投影儀投射的圖像清晰化的常規(guī)液晶顯示器的側(cè)視圖。
圖2為常規(guī)液晶顯示器中所使用的LCD板的截面結(jié)構(gòu)的放大截面圖。
圖3為根據(jù)本發(fā)明一個實施例的液晶投影儀的側(cè)視圖。
圖4為根據(jù)本發(fā)明一個實施例的液晶投影儀中使用的液晶顯示器的側(cè)視圖。
圖5為示出了每個像素與微透鏡的間距P之間關(guān)系的透視圖。
圖6A、6B、6C和6D為從其上形成有微透鏡陣列的玻璃基板延伸到玻璃蓋板的系統(tǒng)的截面圖。
圖7示出了液晶層中液晶分子對疇的配向依賴性的模擬結(jié)果。
圖8為示出了疇發(fā)生的平面圖。
圖9解釋了設計微透鏡中使用的參數(shù)。
圖10示出了用矩陣表示的光追蹤模擬結(jié)果，所述矩陣由以0.25間距設置的點X和Y所形成。
圖11A和11B示出了在液晶投影儀中設置其中設有微透鏡陣列的液晶顯示器時，一個像素內(nèi)光強分布的模擬結(jié)果。
圖12示出了測量的對比度模擬結(jié)果。
具體實施例方式
以下參照附圖關(guān)于本發(fā)明的實施例詳細描述本發(fā)明。所述實施例為本發(fā)明在三板型液晶投影儀中的應用，所述投影儀利用分別適用于紅(R)光、藍(B)光和綠(G)光的透射型液晶板投射全色圖像。
通常由附圖標記1表示的液晶投影儀用于將圖像投射在外部屏幕上。如圖3所示，投影儀包括發(fā)光光源51；沿著光源51發(fā)出的光的行進路徑第一和第二微透鏡陣列52和53，其中在每個透鏡陣列中例如四方地設置多個透鏡單元，透鏡單元分別具有在附圖中通常等于液晶層的有效開口區(qū)域的縱橫比的輪廓；用于沿預定方向起偏來自第二微透鏡陣列53的光的PS合成樹脂54；用于會聚已經(jīng)通過PS合成樹脂54的光的會聚透鏡55；以及用于根據(jù)波長分離光的第一分色鏡56。
光源51發(fā)射包含投射全色圖像所必需的紅色、藍色和綠色(三原色)組分的白光。光源51包括白光發(fā)射器51a以及反射發(fā)光器51a發(fā)出的光的反射器51b。光源51的發(fā)光器51a是具有包含水銀成分的氣體的放電燈，例如超高壓汞燈等。光源51的反射器51b為凹形反射鏡，其具有成形為具有高聚光系數(shù)的反射鏡表面。同樣，反射鏡51b被成形為具有旋轉(zhuǎn)對稱表面，諸如例如旋轉(zhuǎn)拋物面或旋轉(zhuǎn)橢圓面。
第一微透鏡陣列52具有面積等于液晶層有效面積的形狀以便與第二微透鏡陣列53一起均勻地照亮液晶層的有效區(qū)域，這將在后面詳細描述，進而均勻地分布光強。第一微透鏡陣列52具有以陣列形式設置的多個小透鏡元件的結(jié)構(gòu)。第一微透鏡陣列52的每個小透鏡元件會聚光源51發(fā)出的光以產(chǎn)生小的點光源，而第二微透鏡陣列53混合多個點光源的照明光。
會聚透鏡55為用于調(diào)節(jié)光點直徑以便按照預定的偏振方向?qū)S合成樹脂54控制的光更高效率地投射在液晶層開口區(qū)域上的凸透鏡。
通過在玻璃基板等的主表面上形成多個電介質(zhì)膜，制成第一分色鏡56。即，第一分色鏡為其上涂覆有所謂的分色涂層的波長選擇反射鏡。
第一分色鏡56相對于入射在會聚透鏡55上的光的光路成45度角垂直設置，以允許從會聚透鏡55入射的藍色和綠色分量的光通過，并通過近乎垂直地反射紅色分量光而將紅色分量光的方向改變90度。
沿著第一分色鏡56分離的紅光的行進光路，液晶投影儀1包括用于對光實行全反射的折轉(zhuǎn)反射鏡57；用于會聚光的第一場透鏡58R；用于僅允許沿預定方向偏振的光分量通過的第一入射側(cè)偏振片59R；用于對光進行空間調(diào)制的液晶顯示裝置3R；用于補償從液晶顯示裝置3R發(fā)出的光的相位的光補償元件60R；以及僅允許沿預定方向偏振的光分量通過的第一出射側(cè)偏振片61R。
折轉(zhuǎn)反射鏡57為全反射反射鏡，其通過垂直反射第一分色鏡56所反射的光而將光的方向改變90度。折轉(zhuǎn)反射鏡相對于反射的紅光光路成45度角垂直設置。因此，折轉(zhuǎn)反射鏡57能夠朝第一場透鏡58R反射紅光。
第一場透鏡58R為與會聚透鏡55一起構(gòu)成照明光學系統(tǒng)的會聚透鏡。第一物鏡將折轉(zhuǎn)反射鏡57反射的紅光輸出至第一入射側(cè)偏振片59R，并將該光會聚到液晶顯示裝置3R上。
第一入射側(cè)偏振片59R用于僅允許來自第一場透鏡58R在預定方向偏振的紅光分量通過。第一入射側(cè)偏振片59R沿著與液晶顯示裝置3R入射側(cè)基板表面?zhèn)鹊囊壕Х肿拥呐湎蚍较蛳嗤姆较蛟O置。
液晶顯示裝置3R為使用液晶分子的透射板。在兩個透明基板(未示出)中填充液晶分子。如上所述構(gòu)造的液晶顯示裝置3R空間調(diào)制通過第一入射側(cè)偏振片59R入射的紅光，并根據(jù)對應紅色圖像信息所施加的圖像信號改變液晶分子的狀態(tài)而允許紅光通過。液晶顯示裝置3R具有通常形成為矩形的入射表面，以對應常規(guī)寬度大于高度的矩形投影圖像。
光學補償元件60R具有能夠消除液晶顯示裝置3R的雙折射影響的光學特性。該光學補償元件60R能夠抑制圖像對比度根據(jù)光的入射角變化，即抑制所謂的對比度對視角的依賴性。
第一出射側(cè)偏振片61R僅允許液晶顯示裝置3R所調(diào)制的紅光中指向垂直于第一入射側(cè)偏振片59R的方向的分量通過。第一出射側(cè)偏振片61R沿著與在液晶顯示裝置3R的出射側(cè)基板表面上的液晶分子配向方向相同的方向設置。更特別地，第一出射側(cè)偏振片61R被設置以具有垂直于第一出射側(cè)偏振片59R光透射軸的光透射軸，即與第一入射側(cè)偏振片59R具有所謂的正交尼科耳關(guān)系。
液晶投影儀1進一步包括沿著被第一分色鏡56分離的其他顏色光(即藍光和綠光)的光路根據(jù)波段分離入射光的第二分色鏡65。
第二分色鏡65將入射光分離為藍光和其它顏色的光，即綠光。
第二分色鏡65相對于從第一分色鏡56入射的光的光路成45度角垂直設置，以允許來自第一分色鏡56的入射光的藍光分量通過，并將綠色分量的方向改變90度。
沿著被第二分色鏡65分離的綠光的行進方向，液晶投影儀1進一步包括用于會聚光的第二場透鏡58G、僅允許沿預定方向偏振的光分量通過的第二入射側(cè)偏振片59G、對光進行空間調(diào)制的液晶顯示裝置3G、用于補償來自液晶顯示裝置3G的光的相位的光補償元件60G以及僅允許沿預定方向偏振的光分量通過的第二出射側(cè)偏振片61G。
第二場透鏡58G為與會聚透鏡55一起構(gòu)成照明光學系統(tǒng)的會聚透鏡。第二物鏡將第二分色鏡65反射的綠光輸出至第二入射側(cè)偏振片59G，并將光會聚到液晶顯示裝置3G上。
第二入射側(cè)偏振片59G用于僅允許來自第二場透鏡58G的沿預定方向偏振的綠光分量通過。第二入射側(cè)偏振片59G沿著與液晶顯示裝置3G入射側(cè)基板側(cè)的液晶分子的配向方向相同的方向設置。
液晶顯示裝置3G為使用液晶分子的透射板。在兩個透明基板(未示出)中填充液晶分子。如上所述構(gòu)造的液晶顯示裝置3G空間調(diào)制通過第二入射側(cè)偏振片59G入射的綠光，并根據(jù)對應綠色圖像信息所施加的圖像信號改變液晶分子的狀態(tài)而允許綠光通過。液晶顯示裝置3G具有通常形成為矩形的入射表面，以對應常規(guī)寬度大于高度的矩形投影圖像。
光學補償元件60G具有能夠消除液晶顯示裝置3G的雙折射影響的光學特性。該光學補償元件60G能夠抑制圖像對比度根據(jù)光的入射角變化，即抑制所謂的對比度對視角的依賴性。
第二出射側(cè)偏振片61G僅允許液晶顯示裝置3G調(diào)制的綠光中指向垂直于第二入射側(cè)偏振片59G的方向的分量通過。第二出射側(cè)偏振片61G沿著與在液晶顯示裝置3G的出射側(cè)基板表面上的液晶分子的配向方向相同的方向設置。更特別地，第二出射側(cè)偏振片61G被設置以具有與第二出射側(cè)偏振片59G的光透射軸垂直的光透射軸，即與第二入射側(cè)偏振片59G具有所謂的正交尼科耳關(guān)系。
沿著被第二分色鏡65分離的藍光的行進路線，液晶投影儀1進一步包括用于對入射光實行全反射的折轉(zhuǎn)反射鏡66；用于糾正光路長度的延遲透鏡67；用于對入射光實行全反射的折轉(zhuǎn)反射鏡68；用于會聚光的第三場透鏡58B；用于僅允許沿預定方向偏振的入射光分量通過的第三入射側(cè)偏振片59B；用于空間調(diào)制入射光的液晶顯示裝置3B；用于補償來自液晶顯示裝置3B的光相位的光補償元件60B；以及用于僅允許沿預定方向偏振的入射光光分量通過的第三出射側(cè)偏振片61B。
折轉(zhuǎn)反射鏡66為全反射反射鏡，其通過垂直反射第二分色鏡65所反射的藍光而將光的方向改變90度。折轉(zhuǎn)反射鏡66相對于被分色鏡65的反射的藍光的光路成45度角垂直設置。因此，折轉(zhuǎn)反射鏡66能夠向延遲透鏡67反射來自第二分色鏡65的藍光。
延遲透鏡67協(xié)同會聚透鏡55調(diào)節(jié)光路長度，以便將折轉(zhuǎn)反射鏡66所反射的藍光引至折轉(zhuǎn)反射鏡68。
注意到，因為到達藍光液晶顯示裝置3B的光路分別長于到紅光液晶顯示裝置3R和綠光液晶顯示裝置3G的光路，故延遲透鏡67調(diào)節(jié)到達藍光液晶顯示裝置3B的光路長度以準確地引導藍光聚焦在液晶顯示裝置3B上。
折轉(zhuǎn)反射鏡68為通過垂直反射藍光將來自延遲透鏡67的藍光的行進方向改變90度的全反射反射鏡。折轉(zhuǎn)反射鏡相對于來自延遲透鏡67的藍光光路成45度角垂直設置。因此，折轉(zhuǎn)反射鏡68能夠向第三場透鏡58B反射來自延遲透鏡67的藍光。
第三場透鏡58B為與會聚透鏡55一起構(gòu)成照明光學系統(tǒng)的會聚透鏡。第三物鏡將折轉(zhuǎn)反射鏡68反射的藍光輸出至第三入射側(cè)偏振片59B，并將光會聚到液晶顯示裝置3B上。
第三入射側(cè)偏振片59B用于僅允許來自第三場透鏡58B沿預定方向偏振的藍光分量通過。第三入射側(cè)的偏振片59B沿著與液晶顯示裝置3B入射側(cè)基板側(cè)的液晶分子的配向方向相同的方向設置。
液晶顯示裝置3B為使用液晶分子的透射板。在兩個透明基板(未示出)中填充液晶分子。如上所述構(gòu)造的液晶顯示裝置3B空間調(diào)制通過第三入射側(cè)偏振片59B入射的藍光，并根據(jù)對應藍色圖像信息所施加的圖像信號改變液晶分子的狀態(tài)而允許藍光通過。液晶顯示裝置3B具有通常形成為矩形的入射表面，以常規(guī)對應寬度大于高度的矩形投影圖像。
光學補償元件60B具有能夠消除液晶顯示裝置3B的雙折射影響的光學特性。該光學補償元件60B能夠抑制圖像對比度根據(jù)光的入射角變化，即抑制所謂的對比度對視角的依賴性。
第三出射側(cè)偏振片61B僅允許液晶顯示裝置3B調(diào)制的藍光中指向垂直于第三入射側(cè)偏振片59B的方向的分量通過。第三出射側(cè)偏振片61B沿著與在液晶顯示裝置3B的出射側(cè)基板表面上的液晶分子配向方向相同的方向設置。更特別地，第三出射側(cè)偏振片61B被設置以具有與第三出射側(cè)偏振片59B光透射軸垂直的光透射軸，即與第三入射側(cè)偏振片59B具有所謂的正交尼科耳關(guān)系。
液晶投影儀1還包括設置在已經(jīng)分別被液晶顯示裝置3R、3G和3B空間調(diào)制并分別通過出射側(cè)偏振片61R、61G和61B的紅光、綠光和藍光的行進光路中彼此相交的位置上的光混合棱鏡78，所述光混合棱鏡混合這些紅光、綠光和藍光；以及用于朝屏幕投射光混合棱鏡78由此合成的光的投影透鏡79。
已經(jīng)從液晶顯示裝置3R出射并通過第一出射側(cè)偏振片61R的紅光、已經(jīng)從液晶顯示裝置3G出射并通過第二出射側(cè)偏振片61G的綠光和已經(jīng)從液晶顯示裝置3B出射并通過第三出射側(cè)偏振片61B的藍光入射在光混合棱鏡78上。該光混合棱鏡78混合入射的紅光、綠光和藍光并從輸出表面78T輸出混合光。
投影透鏡79將來自光混合棱鏡78的出射面78T的混合光放大投射到屏幕上。
注意到，在上述實施例中，液晶補償元件60被設置在液晶顯示裝置3和出射側(cè)偏振片61之間，作為示例，因為置于液晶顯示裝置3和光學補償元件60之間的諸如透鏡等光學元件(若存在的話)將限制光學補償元件60對通過液晶顯示裝置3的光的光學補償作用。
以下將描述根據(jù)上述功能構(gòu)造的液晶投影儀1從光源51發(fā)出的光被引導至第一和第二微透鏡陣列52和53，在此光的強度均勻分布并且其偏振方向受PS合成樹脂54的控制，并且光隨后被引導至會聚透鏡55。光被會聚透鏡55會聚，其紅色分量被第一分色鏡56反射并被引至折轉(zhuǎn)反射鏡57。其他顏色的光，即綠色和藍色分量光，被允許通過第一分色鏡56并被引導至第二分色鏡65。
引至折轉(zhuǎn)反射鏡57的紅光的行進方向被旋轉(zhuǎn)90度，并被引至僅允許沿預定方向偏振的紅光分量通過的第一入射側(cè)偏振片59R，并且通過第一入射側(cè)偏振片59R的紅光被引導至液晶顯示裝置3R。由此被引導至液晶顯示裝置3R的紅光被微透鏡陣列被會聚到液晶顯示裝置3R中的每個像素，這將在下文中予以說明，并且根據(jù)對應紅色圖像信息的圖像信號被空間調(diào)制。另外，紅光進一步受到光學補償元件60R的相位校正，并且紅光中沿垂直于第一入射側(cè)偏振片59R的方向偏振的分量通過第一出射側(cè)偏振片61R并入射在光混合棱鏡78上。
另一方面，被引導至第二分色鏡65的綠光和藍光被第二分色鏡65反射并被引導至第二場透鏡58G，并且被引導至第二分色鏡65的藍光通過分色鏡并被引導至折轉(zhuǎn)反射鏡66。
被引導至僅允許綠光中沿預定方向偏振的分量通過的第一入射側(cè)偏振片59G的綠光，并且通過第一入射側(cè)偏振片59G的綠光被引導至液晶顯示裝置3G。由此被引導至液晶顯示裝置3G的綠光被微透鏡陣列會聚到液晶顯示裝置3G中的每個像素上，這將在下文中予以說明，并且根據(jù)對應綠色圖像信息的圖像信號被空間調(diào)制。另外，綠光進一步受到光學補償元件60G的相位校正，并且綠光中沿垂直于第二入射側(cè)偏振片59G的方向偏振的分量通過第二出射側(cè)偏振片61G并入射在光混合棱鏡78上。
另一方面，被引導至折轉(zhuǎn)反射鏡66的藍光被該反射鏡反射并被引導至延遲透鏡67，該延遲透鏡進一步將藍光引導至折轉(zhuǎn)反射鏡68。藍光被折轉(zhuǎn)反射鏡68反射并因此被引導至第三場透鏡58B。被引導至第三場透鏡58B的藍光中僅沿預定方向偏振的分量通過第三入射側(cè)偏振片59B并被引導至液晶顯示裝置3B。由此被引導至液晶顯示裝置3B的藍光被微透鏡陣列被會聚到液晶顯示裝置3B中的每個像素上，這將在下文中予以說明，并且根據(jù)對應藍色圖像信息的圖像信號被空間調(diào)制。藍光中僅沿著垂直于第三入射側(cè)偏振片59B的方向偏振的分量通過第三出射側(cè)偏振片61B并入射在光混合棱鏡78上。
從光混合棱鏡78相應表面入射的紅光、綠光和藍光被光混合棱鏡混合，并且混合光從出射表面78T朝投影透鏡79行進并被投影透鏡79以放大的尺寸投射在屏幕上。
以下參照圖4進一步詳細說明上述液晶顯示裝置3。
液晶顯示裝置3包括玻璃基板12，光L2沿著圖4中箭頭A的方向從入射側(cè)偏振片59入射到玻璃基板12上；由二維設置在玻璃基板12上的多個微透鏡21所形成的微透鏡陣列11；覆蓋微透鏡陣列11會聚側(cè)面的玻璃蓋板13；其上形成有多個像素電極的像素基板34；以及置于像素基板34和玻璃蓋板13之間的液晶層35。液晶顯示器進一步包括分別覆蓋玻璃基板12的入射側(cè)面以及像素基板34的會聚側(cè)面的防灰塵玻璃29。
在像素基板34的入射側(cè)面上，形成有從底部到頂部規(guī)則設置的藍(B)光、紅(R)和綠(G)光像素電極37，以及由用作根據(jù)圖像信號為每個像素電極施加電壓的開關(guān)元件的TFT等(未示出)形成的黑色矩陣38。每個TFT具有例如由多晶硅或非晶硅形成的柵極、漏極和源極(未示出)。柵極與垂直于圖4的圖面延伸的地址線相連，源極與垂直于圖4平面延伸的數(shù)據(jù)線相連，而漏極與每個像素電極37相連。當選擇性地為被地址線和數(shù)據(jù)線選定的像素電極施加圖像信號電壓時，像素電極37和玻璃基板12之間的液晶層35中的液晶分子的配向發(fā)生改變，從而改變了通過該液晶分子的光的偏振方向。具體地，像素基板34可與柔性布線板(未示出)相連，以便更容易地施加圖像信號電壓。
如圖5所示，每個像素電極37由與微透鏡21的間距P大小相同的像素形成。即，通過為每個像素電極的一個像素設置一個微透鏡21，能夠使應該不通過黑色矩陣38的光因為被黑色矩陣反射而偏振，故能夠提高透射率。
液晶層35為基板(未示出)之間填充有液晶分子的透射板。液晶層35根據(jù)從外部施加的對應將要顯示的圖像信息的圖像信號改變液晶分子的狀態(tài)，并空間調(diào)制微透鏡21所會聚的光以使其通過液晶層35。通過液晶層35的光將通過像素基板34和防灰塵玻璃29并出射到外部。
例如，利用選擇離子擴散方法將微透鏡陣列11形成為折射率漸變透鏡。共同形成微透鏡陣列11的每個微透鏡21通常被形成為半圓柱形透鏡，其軸垂直于圖面延伸，但所述微透鏡也可以是普通的球面透鏡、曲面透鏡或非球面透鏡。
可按照圖6A、6B、6C和6D中所示形成液晶顯示裝置3中包括從形成有微透鏡陣列11的玻璃基板12到玻璃蓋板13的部分。
也就是，玻璃基板12和玻璃蓋板13可由玻璃制成，而微透鏡陣列11可由樹脂制成，如圖6A所示。同樣，玻璃蓋板13可由玻璃制成，微透鏡陣列11可由樹脂制成，而玻璃基板12可由樹脂層91和玻璃層92所替代，如圖6B所示。并且，玻璃蓋板13和微透鏡陣列11的集合體可由玻璃制成，而玻璃基板12可由樹脂層91和玻璃層92所替代，如圖6C所示。同樣，微透鏡陣列11可由所謂的菲涅耳透鏡、折射率漸變透鏡(grin lens)等形成，而玻璃基板12可由樹脂層91和玻璃層92所替代，如圖6D所示。
注意到，根據(jù)具體情況，在玻璃蓋板13的表面上形成與液晶層35接觸的鋁(Al)或鉻(Cr)遮光膜。在遮光膜(未示出)上可形成透明的薄導電膜。
防灰塵玻璃29使液晶顯示裝置3表面上的灰塵散開。防灰塵玻璃29由光透射率高的材料(如石英)制成，并在其接觸空氣的表面上涂覆AR。
接著，說明根據(jù)上述構(gòu)造的液晶顯示裝置3上形成的圖像的對比度所依賴的因素。
這些因素中的第一個就是液晶的視角。光的偏振取決于與液晶層35中填充的液晶分子的配向相關(guān)的光入射角。因為在施加電壓時液晶分子被保持在基板(未示出)之間且理想地不對齊，入射在液晶層35上的光沿著光軸方向通過液晶分子并在從液晶分子出射之前被線性偏振?？墒?，當具有極限角的光傾斜入射在液晶層35上時，該光由于液晶的雙折射而被橢圓偏振，故僅能輸出部分應當輸出的光，進而降低了圖像對比度。
第二個因素是所謂的通過疇(domain)的光泄漏。圖4中所示的透射型液晶顯示裝置3主要由所謂的“1H反向驅(qū)動方法”所驅(qū)動。1H反向驅(qū)動是指在像素基板34入射側(cè)表面上從底部到頂部于間隔的陣列中寫入像素。因為極性彼此相反的電壓被施加給像素電極37上相互垂直鄰近的像素，故在相鄰像素之間產(chǎn)生電場，使得電場附近的液晶分子未對準。未對準的液晶分子被稱作“疇”。通過疇的光被橢圓偏振，而這是引起圖像對比度顯著下降的因素。
圖7示出了液晶層中液晶分子的配向?qū)Ξ牭囊蕾囆缘哪M結(jié)果。在該模擬中，基于像素電極34a已經(jīng)被施加有+5V電壓而像素電極34b已經(jīng)被施加有-5V電壓并且與這些像素電極34相對的相對電極41被施加以+7.5V電壓的假定，進行計算，此時液晶層35置于像素電極34和相對電極41之間。
如圖7所示，透射光的強度St表示當具有0度極限角的光入射在置于入射側(cè)偏振片59和出射側(cè)偏振片61之間的液晶層3上時，通過出射側(cè)偏振片61的光強。因為通過未對準液晶分子的光包含橢圓偏振分量，故其能通過出射側(cè)偏振片(未示出)。因此，通過已經(jīng)發(fā)生疇的區(qū)域的光的強度St較大。圖8示出了沿圖7中箭頭B觀看疇是如何產(chǎn)生的二維示意圖。如圖所示，疇39發(fā)生在黑色矩陣38上及其附近。疇39根據(jù)摩擦方向等形成在不同的位置。疇根據(jù)像素電極34的大小形成在像素開口區(qū)域44的附近。應當注意到，在該模擬中，像素間距P1為16μm并且像素開口區(qū)域44與一個像素的面積比(以下稱作“TFT開口率”)為60％。如圖6所示，疇發(fā)生在距離像素端部大約3.5μm的范圍W1內(nèi)。
在液晶視角和通過疇的光泄漏這兩個降低圖像對比度的因素中，能夠改善前者，因為通過設置光學補償元件60能夠補償液晶層的相位差。因此，可以知曉對于在本實施例中，倘若液晶層3設置在其中配有光學補償元件60的液晶投影儀1中，那么通過疇的光泄漏就是決定低圖像對比度的因素。因此，倘若液晶投影儀1具有光學補償元件60和設置在其中的液晶層3，那么可通過微透鏡設計值的優(yōu)化減少入射在疇上的光來進一步改善對比度。
根據(jù)本實施例，基于將在設有光學補償元件60的液晶投影儀1中設置微透鏡陣列的假設，微透鏡陣列11等的形狀按照下述進行優(yōu)化，以便改善對比度。
在設計微透鏡21的過程中，通常必須主要確定兩個參數(shù)，即焦距f和表面覆蓋層厚度Ts。表面覆蓋層厚度Ts是在微透鏡21的主表面H和玻璃蓋板13的會聚側(cè)表面13a之間所測量的厚度。具體地，主表面H對應微透鏡的頂點，如圖9所示。
由以下等式(1)給出焦距ff＝r/Δn(1)其中，r為透鏡表面的曲率半徑，Δn為微透鏡陣列11和玻璃基板12之間的折射率差。
通過確定上述兩個參數(shù)，即焦距和表面覆蓋層厚度Ts，能夠自由地控制通過微透鏡陣列11的光L的角度和光束強度。
關(guān)于本實施例的微透鏡陣列11，根據(jù)以下方式確定這些參數(shù)首先，按照圖7和8所示，模擬液晶層35中疇的產(chǎn)生。
接著，通過在包括液晶層35的液晶投影儀1的光學系統(tǒng)中進行光追蹤模擬，確定像素開口區(qū)域44中的光強分布。即，根據(jù)光追蹤的結(jié)果優(yōu)化微透鏡陣列11中包含的微透鏡21的設計值，從而沒有光進入根據(jù)疇發(fā)生模擬所確定的區(qū)域W1(在圖8所示的實例中，距離像素端部大約3.5μm的范圍)。
圖10利用以下等式(2)中以0.25間距設置的點X和Y所形成的矩陣，示出了在像素間距PP1(微透鏡的間距)為16μm并且疇發(fā)生的區(qū)域離像素端部為3.5μm的情況下，微透鏡21的焦距與表面覆蓋層厚度Ts的光追蹤模擬結(jié)果X＝Ts/PY＝f/P(2)在圖10所示的X-Y坐標系中，每個小的白色圓點表示符合沒有光入射在疇發(fā)生區(qū)域上的要求的點，而每個小的黑色原點表示不符合所述要求的點。對于上述優(yōu)化的結(jié)果，在坐標(X，Y)處于X-Y坐標系中以下點組所圍繞的區(qū)域內(nèi)的情況下，滿足所述要求并由此沒有光入射在疇發(fā)生的區(qū)域上(0.75，1.00)、(0.75，1.25)、(1.00，1.75)、(1.75，2.50)、(2.25，2.50)、(2.25，2.00)、(1.50，1.25)、(1.00，1.00)。
應當知曉，在上述條件下設計的微透鏡21所形成的微透鏡陣列11的焦距比前面提及的1996年日本專利公開No.86901中披露的微透鏡陣列的設計值短。通常，焦距越短，微透鏡將整形光束使其具有更細的束腰，進而改善圖像對比度。
同樣，像素間距P越小，疇的影響就變得越大。因此，本發(fā)明的效果就越大。像素間距P越小，疇發(fā)生的區(qū)域比例就變得越大，根據(jù)光追蹤模擬結(jié)果的證明，像素間距P小于14μm時，上述情況將變得更明顯。應當注意到，當疇發(fā)生的區(qū)域離像素端部的距離k在像素間距P的1/3至1/5范圍內(nèi)時，本發(fā)明更有效。
因為根據(jù)前述等式(2)優(yōu)化微透鏡21的焦距f和表面覆蓋層厚度Ts，根據(jù)本發(fā)明實施例的微透鏡陣列11能夠減少入射在疇上的光并進而限制圖像對比度由于通過疇的光泄漏而引起的下降。
特別地，通過按照本實施例在配有光學補償元件60的液晶投影儀1中設置微透鏡陣列11，能夠限制對比度關(guān)于液晶視角的降低以及由于通過疇的光泄漏所引起的對比度的降低，并由此提供高對比度、清晰的圖像。
在主要用于會議等顯示的投影儀中，至今為止主要考慮的事項是圖像亮度而非圖像對比度。另一方面，在用于觀看電影的投影儀中，一直強烈要求提高清晰圖像的對比度以及圖像亮度。根據(jù)本發(fā)明，能夠?qū)崿F(xiàn)高亮度和高對比度。例如，根據(jù)本發(fā)明的液晶投影儀1能夠用于觀看電影，甚至是在明亮的房間內(nèi)，并由此分別用作家用投影儀。
具體地，微透鏡21的焦距f可通過利用諸如蝕刻的技術(shù)改變曲率半徑或通過改變微透鏡21和玻璃基板12之間的折射率差來調(diào)節(jié)。本發(fā)明可采用這些調(diào)節(jié)焦距f的技術(shù)中的任一種。微透鏡21的透鏡表面旋轉(zhuǎn)對稱并由基于三維坐標系(x，y，z)的以下等式(3)所確定，其中z表示平行于光軸的平面Z=Cr21+1-(k+1)C2r2---(3)]]>其中，C為微透鏡21的曲率(＝1/曲率半徑)，k為非球面常數(shù)，并且r表示距微透鏡21的中心的坐標。
注意到，當微透鏡21和玻璃基板12之間的折射率差為0.2或更大時，能夠更容易地按照所需形成微透鏡21。同樣，非球面常數(shù)k也包含在微透鏡21的參數(shù)內(nèi)。當非球面常數(shù)k為零時，微透鏡21是球面的。在此情況中，曲率半徑的自由度較低。因此，期望微透鏡21的非球面常數(shù)k是零之外的所需值。換句話說，期望微透鏡21由非球面透鏡形成。
作為實例，之前已經(jīng)提出了透射型液晶顯示裝置3?？墒牵景l(fā)明并不限于這樣的液晶顯示器，但有效地用于反射型液晶顯示器。
接著，詳細解釋根據(jù)本發(fā)明一個實施例的液晶投影儀1。
圖11A示出了當其中設有按照上述設計的微透鏡陣列11的液晶顯示裝置3被設置在本發(fā)明的液晶投影儀1中時，一個像素內(nèi)光強分布的模擬結(jié)果。
在以下條件下實現(xiàn)上述模擬-光波長 550nm-入射在液晶顯示裝置3上的光的最大極限角 9度-液晶顯示器中的像素間距 16μm-TFT中開口區(qū)域的比例60％-焦距f34.0μm-表面覆蓋層厚度22.6μm按照圖6A中所示構(gòu)造微透鏡陣列11、玻璃基板12和玻璃蓋板13。利用公知的光刻技術(shù)形成微透鏡陣列11。利用石英(折射率為1.46)形成玻璃基板12。利用具有1.70折射率的樹脂形成微透鏡陣列11。
另外，圖11B示出了微透鏡陣列21和常規(guī)微透鏡之間像素中光強分布的比較結(jié)果，所述常規(guī)微透鏡的焦距為34.0μm并且表面覆蓋層厚度為22.6μm。
在根據(jù)本發(fā)明的液晶顯示裝置3中，根據(jù)圖11A中所示的模擬結(jié)果，沒有光入射在其中發(fā)生疇的區(qū)域W1(距離像素端部3.5μm更少)上。
圖12示出了在本發(fā)明的液晶投影儀1中設有液晶顯示裝置3時，進行的測量對比度模擬的結(jié)果，在所述液晶顯示器中設有按照以下設計值設計的微透鏡21。
以下為用于測量對比度模擬的條件-入射在液晶顯示裝置3上的光的最大極限角 9度-投影透鏡79的F值1.5-液晶顯示器中像素間距13μm按照圖6A中所示構(gòu)造微透鏡陣列11、玻璃基板12和玻璃蓋板13。利用公知的光刻技術(shù)形成微透鏡陣列11。利用石英(折射率為1.46)形成玻璃基板12。利用具有1.70折射率的樹脂形成微透鏡陣列11。在X為1.8至2.5以及Y為0.8至1.5的條件下實驗地制造微透鏡21。
在本發(fā)明的液晶顯示裝置3中，在滿足上述等式(2)的區(qū)域內(nèi)，對比度高，如圖12所示。
在上述中，參照附圖詳細描述了本發(fā)明的作為實例的一些優(yōu)選實施例。可是，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應當理解本發(fā)明并不限于這些實施例，并在不脫離所附權(quán)利要求闡述和限定的范圍和精神的情況下，能夠以各種方式修改、以各種其他形式可選地構(gòu)造或具體化上述實施例。
權(quán)利要求
1.一種在基板上二維設置多個微透鏡的微透鏡陣列，其中微透鏡的焦距f與從微透鏡的主表面到光入射其上的基板表面之間的距離Ts滿足以下關(guān)系X＝Ts/PY＝f/P其中，P為微透鏡的間距，而(X，Y)處于由點組(0.75，1.00)、(0.75，1.25)，(1.00，1.75)、(1.75，2.50)、(2.25，2.50)、(2.25，2.00)、(1.50，1.25)、(1.00，1.00)所圍繞的X-Y坐標系中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微透鏡陣列，其中，以14μm或更小的間距設置微透鏡。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微透鏡陣列，其中，微透鏡與基板具有0.2的折射率差。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微透鏡陣列，其中，微透鏡由非球面透鏡形成。
5.一種液晶顯示器，包括其上形成有像素電極的像素基板，根據(jù)圖像數(shù)據(jù)為像素電極施加信號電壓；具有相對電極的相對基板，該相對電極與像素電極相對設置，且液晶層置于所述相對電極和像素電極之間；以及在相對基板上二維設置多個微透鏡的微透鏡陣列；微透鏡的焦距f與從微透鏡的主表面到光入射其上的基板表面之間的距離Ts滿足以下關(guān)系X＝Ts/PY＝f/P其中P為微透鏡的間距，而(X，Y)處于由點組(0.75，1.00)、(0.75，1.25)、(1.00，1.75)、(1.75，2.50)、(2.25，2.50)、(2.25，2.00)、(1.50，1.25)、(1.00，1.00)所圍繞的X-Y坐標系中。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的液晶顯示器，其中，以14μm或更小的間距設置微透鏡。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的液晶顯示器，其中，微透鏡與基板具有0.2的折射率差。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的液晶顯示器，其中，微透鏡由非球面透鏡形成。
9.一種投影型顯示器，包括光源；用于將光源發(fā)出的光束會聚在預定光路上的照明光學系統(tǒng)；對照明光學系統(tǒng)會聚的光束進行光學調(diào)制的液晶板；和用于以放大的比例投射經(jīng)過液晶單元光學調(diào)制的光束的投影透鏡；照明光學系統(tǒng)包括在基板上二維設置有多個微透鏡的微透鏡陣列，并且微透鏡的焦距f與從微透鏡的主表面到光入射其上的基板表面之間的距離Ts滿足以下關(guān)系X＝Ts/PY＝f/P其中P為微透鏡的間距，而(X，Y)處于由點組(0.75，1.00)、(0.75，1.25)、(1.00，1.75)、(1.75，2.50)、(2.25，2.50)、(2.25，2.00)、(1.50，1.25)、(1.00，1.00)所圍繞的X-Y坐標系中。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的投影型顯示器，其中，以14μm或更小的間距設置微透鏡。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的投影型顯示器，其中，微透鏡與基板具有0.2的折射率差。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的投影型顯示器，其中，微透鏡由非球面透鏡形成。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的投影型顯示器，其中，進一步包括分別設置在液晶單元的入射側(cè)和出射側(cè)處的第一和第二偏振片；偏振控制裝置，其用于控制第一偏振片以允許照明光學系統(tǒng)所會聚的光束的第一偏振分量通過并且從而被引導至液晶單元，并控制第二偏振元件以允許來自液晶單元的光束的第二偏振分量通過并且從而被引導至投射透鏡；以及設置在第二偏振片和液晶板之間并包括用于調(diào)節(jié)光束相位差的光學各向異性元件的相位差補償裝置。
全文摘要
本發(fā)明提供一種具有二維設置在基板上的多個微透鏡(21)的微透鏡陣列(11)。微透鏡(21)的焦距f與從微透鏡(21)的主表面到基板的會聚側(cè)表面之間的距離Ts滿足以下表達式X＝Ts/
文檔編號G02F1/1335GK1973216SQ20058002099
公開日2007年5月30日 申請日期2005年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月23日
發(fā)明者渡邊真也, 前澤昌平, 古家知喜, 栗田俊兒 申請人:索尼株式會社