專利名稱：液晶顯示元件和投影型液晶顯示裝置的制作方法
背景技術：
1.發(fā)明領域本發(fā)明涉及一種液晶顯示元件，并且涉及一種采用該液晶顯示元件顯示圖象的投影型液晶顯示裝置。
2.現(xiàn)有技術說明傳統(tǒng)上，通過投射經(jīng)液晶顯示元件(以下稱作“液晶面板(LCD)”)光學調(diào)制的光束來顯示圖象的投影型液晶顯示裝置(液晶投影儀)是公知的。投影型液晶顯示裝置可以采用兩種圖象投影方法，即，用于從屏幕前側投影圖象的前投影方法(前投式)和用于從屏幕后側投影圖象的背投影方法(背投式)。產(chǎn)生彩色顯示的投影型液晶顯示裝置分成采用單個液晶面板的單面板型，和采用對應于三色光紅色(R)、綠色(G)和藍色(B)的三個液晶面板的三面板型。
圖9表示現(xiàn)有技術投影型液晶顯示裝置的光學系統(tǒng)(主要是照明光學系統(tǒng))的一般結構。該投影型液晶顯示裝置包括光源101、一對第一和第二多透鏡陣列集合器(以下稱作“MLA”)102和103、PS光束組合器104、聚光透鏡105、場透鏡106、液晶面板107，和投影透鏡108，按上述順序沿光軸100設置。MLA 102和103分別具有多個微透鏡102M和103M，分別設置成二維形式。PS光束組合器104包括多個半波片104A，對應于第二MLA 103的相鄰微透鏡103M之間的交界設置。
在該投影型液晶顯示裝置中，從光源101發(fā)出的照明光束通過MLA102和103，被分割成多個小光束。通過MLA 102和103的光束作為光束L10進入PS光束組合器104，光束L10包括在垂直于光軸100的平面內(nèi)彼此相交的P偏振光分量和S偏振光分量。PS光束組合器104將光束L10分離成兩類偏振光分量L11和L12(分別為P偏振光分量和S偏振光分量)。一個經(jīng)分離的偏振光分量L11從PS光束組合器104出射，同時保持其偏振方向(例如P偏振方向)。另一偏振光分量L12(例如S偏振光分量)在通過半波片104A的作用轉換成另一偏振光分量(例如P偏振光分量)之后由之出射。然后，將兩個分離偏振光分量L11和L12的偏振方向統(tǒng)一成一個特定方向。
從PS光束組合器104出射的光束通過聚光透鏡105和場透鏡106，射向液晶面板107。由MLA 102和103分離的小光束被放大，其放大率由聚光透鏡105的焦距fc和第二MLA 103的微透鏡103M的焦距fML2決定，然后照射液晶面板107的整個入射表面。繼而，多個放大光束疊加在液晶面板107的入射表面，從而其整個入射表面得以均勻照明。液晶面板107根據(jù)圖象信號對入射光進行空間調(diào)制并發(fā)出光束。從液晶面板107發(fā)出的光束由投影透鏡108投射在屏幕上(未畫出)，從而在屏幕上形成圖象。
在液晶面板中，在其基板上形成有薄膜晶體管(TFT)作為驅動裝置，因此，在其相鄰象素之間形成稱作黑底的遮蔽區(qū)域。為此原因，液晶面板的孔徑比不等于100％。傳統(tǒng)上，為了提高液晶面板的有效孔徑比，例如在一個位于光入射側的相對基板上沿光軸方向每點(每象素或每子象素)設置一個或多個聚光微透鏡。此處，液晶面板的“有效孔徑比”指的是從液晶面板出射的光束與所有入射在液晶面板上的光束之比。在投影型液晶顯示裝置中，一般不僅考慮液晶面板的光損耗，而且考慮位于下游端的投影透鏡引起的光束遮蔽來定義其液晶面板的有效孔徑比。


圖10表示一例采用微透鏡的液晶面板107的結構。為便于觀看，圖10的一部分沒有畫影線。液晶面板107包括一個象素電極基板140B，和一個設置成與象素電極基板140B相對的在其光入射側的相對基板140A，其間為液晶層145。
象素電極基板140B包括一個玻璃基板148、多個象素電極部分146，和多個位于玻璃基板148光入射側的黑底部分147。象素電極部分146和黑底部分147設置成二維形式。每個象素電極部分146都是由導電透明材料制成的。每個黑底部分147形成于相鄰的象素電極部分146之間，由例如金屬膜遮蔽。在各黑底部分147形成有開關元件例如TFT(未畫出)，以便根據(jù)圖象信號選擇性地施加電壓至相鄰的象素電極部分146。
相對基板140A包括一個玻璃基板141、微透鏡陣列142，和一個蓋板玻璃144，從光入射側按上述順序設置。在玻璃基板141與微透鏡陣列142之間形成有樹脂層143。盡管沒有畫出，但是在蓋板玻璃144與液晶層145之間插入有相對電極，以便在相對電極與對應的象素電極部分146之間產(chǎn)生電勢。樹脂層143由具有折射率n1的光學樹脂制成。
微透鏡周率142包括多個微透鏡142M，由具有折射率n2(＞n1)的光學樹脂制成，設置成與象素電極部分146相對應的二維形式。每個微透鏡142M都凸向光入射側，并且具有正的折射光焦度。微透鏡142M用于會聚經(jīng)由玻璃基板141和樹脂層143入射其上的光束，并將其射向對應的象素電極部分146。只要位于下游端的投影透鏡108具有足夠的F數(shù)，則入射在液晶面板107的光束中由微透鏡142M會聚并進入孔徑146A的光束就可用于圖象顯示。與沒有形成微透鏡142的情況相比，這種微透鏡142M允許更多的光束進入象素電極部分146的孔徑146A。這增大了有效孔徑比，并且提高了光利用效率。
以相對于微透鏡142M的光軸200具有發(fā)散角β進入具有這種結構的液晶面板107的光束，由微透鏡142M的光焦度加以折射并由之出射，同時以比沒采用微透鏡142M的情況更大的角度發(fā)散。在此情況下，出射光的發(fā)散角θ為微透鏡142M的光焦度產(chǎn)生的角度α與角度分量β之和，滿足下式(1)表示的條件θ＝α+β ...(1)若假定微透鏡142M的焦距表示為fML并且其最大外部尺寸(直徑)表示為“2a”，則僅由微透鏡142M的光焦度產(chǎn)生的角度α由下式(2)限定tanα＝a/fML...(2)入射在液晶面板107上的照明光束的發(fā)散角(入射發(fā)散角)β由下式(3)限定tanβ＝rc/fc ...(3)其中fc表示聚光透鏡105(圖9)的焦距，rc表示其半徑。
若將從液晶面板107所出射光束的發(fā)散角表示為θ，則投影透鏡108所需的F數(shù)(Fno.)由下式(4)限定Fno.＝1/(2sinθ) ...(4)在上述液晶面板107中，當具有較大發(fā)散角β的光束進入時，它不能由微透鏡142M的透鏡作用充分會聚在孔徑146A中，其一部分由黑底部分147遮蔽。當光束從該面板出射時，由于微透鏡142M光焦度的作用其發(fā)散角比未采用微透鏡時的發(fā)散角更大，從而增大了其發(fā)散角θ，如式(1)所示。另一方面，投影透鏡108不能將其發(fā)散角大于既定角度的光束聚集其中，其中該既定角度決定于式(4)所限定的F數(shù)。為此原因，具有過大出射發(fā)散角θ的光束由位于下游端的投影透鏡108加以遮蔽。
從上述可知，為使微透鏡142M提高光利用效率，必須降低入射發(fā)散角β。然而，入射發(fā)散角β的降低會導致聚光透鏡105的焦距fc的增大，如式(3)所示，并且還會導致第二MLA 103的微透鏡103M的焦距增大。因此，為了降低入射發(fā)散角β，必須增加從光源101至液晶面板107的光程。這種光程的增加使得裝置的總尺寸增大，并且降低了包括位于液晶面板107上游的部件在內(nèi)的整個照明光學系統(tǒng)的光利用效率。雖然可以通過采用具有對應于發(fā)散角β的較大F數(shù)(例如，大約1.2至1.5)的透鏡作為投影透鏡來避免投影透鏡108的遮蔽，但是這種具有較大F數(shù)的透鏡會實質提高設計難度并且增加了成本。
如上所述，照明光學系統(tǒng)和液晶面板107的微透鏡142M具有下述問題(i)至(iii)(i)具有較大入射發(fā)散角β的光束受到液晶面板的黑底部分或投影透鏡的遮蔽。
(ii)通過降低入射發(fā)散角β，提高了液晶面板的有效孔徑比，但是降低了整個照明系統(tǒng)的光利用效率并且增大了裝置尺寸。
(iii)從液晶面板出射光束的發(fā)散角β為由微透鏡光焦度產(chǎn)生的角度α與入射發(fā)散角β之和，出射光束以比未采用微透鏡時更大的角度發(fā)散。為此原因，投影透鏡必須具有對應于較大發(fā)散角β的較大F數(shù)。這提高了投影透鏡的設計難度并且增加了成本。
可以通過降低液晶面板107的微透鏡142M的焦距來減少上面(i)所述的黑底部分147的遮蔽。然而在此情況下，由微透鏡142M的光焦度產(chǎn)生的角度α增大，并且出射發(fā)散角θ增大。這導致上述問題(iii)。如果通過降低投影透鏡108的F數(shù)來保證亮度，則成象性能受到影響，并且提高了投影透鏡本身的尺寸和制造成本。在實際的投影型液晶顯示裝置中，通過使微透鏡142M的焦距fML與投影透鏡108的F數(shù)一致來優(yōu)化象素孔徑與微透鏡之間的長度。因此，仍然沒用解決上述問題(i)和(ii)。
如圖11所示，已有提出了另一種類型的液晶面板，其中微透鏡陣列152也設置在象素電極基板140B的一側，由相對基板140A中微透鏡陣列142的微透鏡142M產(chǎn)生的角度α在光束從微透鏡陣列152出射時變?yōu)榱?。相對基?40A中的微透鏡陣列142直接形成在玻璃基板141的光出射表面上。另一微透鏡陣列152由光學樹脂制成，設置在象素電極基板140B的光出射側。玻璃基板151設置在微透鏡陣列152的光出射側。微透鏡陣列152包括多個微透鏡152M，與相對基板140A的微透鏡142M相對應。每個微透鏡152M凸向光出射側，并且具有正的光焦度。微透鏡152M與相對基板140A的對應微透鏡142M一起用作準直器。在該液晶面板中，相對基板140A的玻璃基板141和微透鏡142M的折射率n1和n2，以及象素電極基板140B的微透鏡152M和玻璃基板151的折射率n3和n4，滿足條件n2＞n1以及n3＞n4。
入射在這種類型的液晶面板上的光束首先由相對電極140A的微透鏡142M的光焦度以角度α折射，例如圖11中所示入射光212。由于在象素電極基板140B一側微透鏡152M作為準直器的作用，入射光212然后以角度-α折射，角度-α與角度α相反。繼而，當光束從微透鏡152M出射時，由相對基板140A的微透鏡142M的光焦度產(chǎn)生的角度分量α變?yōu)榱恪Ｓ捎诮嵌确至喀磷優(yōu)榱?，所以出射發(fā)散角θ根據(jù)式(1)等于β，并且可以比圖10所示類型中小角α。在微透鏡152M的該結構中，例如當具有發(fā)散角β的入射光213進入與微透鏡152M-1相鄰的微透鏡152M-2時，微透鏡152M-2不用作入射光的準直器。在此情況下，上述關系“θ＝β”受到影響，出射發(fā)散角θ大于入射發(fā)散角β。這使得不能提高有效孔徑比。
例如，日本未審查專利申請說明書No.5-341283提出了一種液晶面板，其中入射發(fā)散角β在光束出射時變?yōu)榱?。該液晶面板包括一對玻璃基板和位于其間的液晶層，微透鏡設置在至少一個玻璃基板的兩側，對應于象素孔徑。位于基板兩側的兩個微透鏡具有相同的焦距，并且其間的長度設定成等于其焦距。因此，每個微透鏡具有光學特性將入射平行光會聚在一個與形成有微透鏡的基板表面相對的表面附近，從而使入射發(fā)散角β變?yōu)榱?。在該液晶面板中，微透鏡用離子交換法形成。
在上述說明書中，微透鏡的一個表面凸向基板的內(nèi)側，其另一表面(基板的兩個端表面)是平面。另外，象素孔徑一側的微透鏡與該象素孔徑之間的長度接近等于零。一般認為帶有微透鏡的基板的厚度大約為數(shù)十個毫米。然而在這種結構中，非常難于制作具有微透鏡的基板。特別地，在采用離子交換法的制作過程中，難以調(diào)整厚度，并且難以精確加工具有大約數(shù)十毫米厚度的薄基板從而實現(xiàn)微透鏡的所需光學特性。例如，雖然認為需要拋光位于基板兩端的微透鏡表面，但是非常難于精確拋光這種薄的基板。近年來，已存在提高液晶面板分辨率并降低象素間距的需求。因而需要更為精確的加工。上述說明書中公開的液晶面板在此方面是不利的。
發(fā)明概述本發(fā)明考慮到上述問題作出，而本發(fā)明的目的在于提供一種液晶顯示元件和一種投影型液晶顯示裝置，其中通過增大其有效孔徑比來提高光利用效率，而不增加其尺寸并且不會增加制作難度。
為了實現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種液晶顯示元件，包括一個液晶層；一個象素電極部分，具有多個用于透射光的象素孔徑；和至少一個微透鏡陣列，具有多個微透鏡，在液晶層的光入射側和光出射側至少其一上對應于象素孔徑設置成二維形式。每個微透鏡包括一個聚光透鏡，在光軸方向具有至少一個透鏡表面用于將入射光會聚向對應的一個象素孔徑；和一個場透鏡，在光軸方向具有至少一個透鏡表面使得其焦點位置與所述聚光透鏡的主點基本一致。聚光透鏡和場透鏡都可以形成在液晶層的光入射側，或者例如聚光透鏡可以形成在液晶層的光入射側而場透鏡可以形成在光出射側。
優(yōu)選地，各微透鏡整個的焦點位置與象素孔徑基本一致。雖然認為隨著整個微透鏡的焦點位置設置得更靠近象素孔徑而使得其遮光系數(shù)變高，但是考慮到入射光的所有角度分量，遮光系數(shù)在焦點位置與象素孔徑完全一致時并不總是最高。例如，優(yōu)選將該焦點位置設定成使得光束的束腰與象素孔徑一致。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種投影型液晶顯示裝置，包括一個光源，用于發(fā)射光束；一個液晶顯示元件，用于對入射光進行光學調(diào)制；和一個投影透鏡，用于投射由所述液晶顯示元件調(diào)制的光束。本發(fā)明適用于液晶顯示元件。
在本發(fā)明的的液晶顯示元件和投影型液晶顯示裝置中，通過增大其有效孔徑比提高了光利用效率，而沒有增加其尺寸并且沒有增加制作難度。另外，例如在入射光相對于光軸具有發(fā)散角分量的情況下，該發(fā)散角分量在光束從微透鏡陣列出射時得以消除。因此，例如即使在微透鏡的焦距減小時，也可以防止出射光的發(fā)散角過分增大。這可以減少在例如投影型液晶顯示裝置中所用投影透鏡對光束的遮蔽。
從下面參照附圖給出的優(yōu)選實施例的說明可以清楚本發(fā)明的其他目的、特色和優(yōu)點。
附圖的簡要說明圖1為表示根據(jù)本發(fā)明實施例的投影型液晶顯示裝置的光學系統(tǒng)整體結構的結構圖。
圖2為表示第一實施例中液晶面板的一般結構的剖面圖。
圖3為表示圖2所示液晶面板中微透鏡部分的結構的簡化圖。
圖4為表示第二微透鏡陣列和PS光束組合器的基本結構的局部放大圖。
圖5A和5B為表示圖2所示液晶面板中孔徑比的具體例和對比例的示意圖。
圖6A和6B為表示圖2所示液晶面板的改型的剖面圖。
圖7A至7C為表示微透鏡表面形狀的改型的示意圖。
圖8為表示圖2所示液晶面板的另一改型的剖面圖。
圖9為表示公知類型的投影型液晶顯示裝置中光學系統(tǒng)的一般結構的平面圖。
圖10為表示公知類型液晶面板的結構例的剖面圖。
圖11為表示該液晶面板另一結構例的剖面圖。
優(yōu)選實施例的說明圖1表示根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的投影型液晶顯示裝置整體結構的一個例子。圖1所示的投影型液晶顯示裝置是所謂的三面板型，通過采用三個透射式液晶面板來產(chǎn)生彩色圖象顯示。該投影型液晶顯示裝置包括用于發(fā)射光束的光源11；一對第一和第二多透鏡陣列集合器(以下稱作“MLA”)12和13；和一個全反射鏡14，位于MLA 12和13之間，用以將光路(光軸10)彎曲大約90°朝向第二MLA 13。多個微透鏡12M和13M以二維形式設置在MLA 12和13中。MLA 12和13用于將入射光分割成多個小光束以使照明分布均勻。
光源11發(fā)出白光，含有彩色圖象顯示所必需的紅色光、藍色光和綠色光。光源11包括用于發(fā)射白光的光發(fā)射部件(未畫出)，和用于反射和會聚從光發(fā)射部件發(fā)出的光束的凹面反射鏡。光發(fā)射部件例如是鹵素燈、金屬鹵化物燈或氙燈。優(yōu)選地，凹面反射鏡具有可以提高聚光效率的形狀，例如，具有旋轉對稱的形狀如橢球面反射鏡和拋物面反射鏡。
該投影型液晶顯示裝置還包括PS光束組合器15、聚光透鏡16和二向色鏡17，以上述順序設置在第二MLA 13的光出射側。二向色鏡17用于將入射光分離成例如紅色光和另一顏色的光束。
PS光束組合器15具有多個半波片15a，形成在與第二MLA 13中相鄰微透鏡13M之間的交界相對應的位置。PS光束組合器15用于將入射光LO分離成兩種類型的偏振光分量L1和L2(P偏振光分量和S偏振光分量)，如圖4所示。PS光束組合器15還用于由之出射一個經(jīng)分離的偏振光分量L2，同時保持其偏振方向(例如P偏振方向)，并且在通過半波片15A的作用將該偏振光L1轉換成另一個偏振光分量(例如P偏振光分量)之后，出射另一偏振光分量L1(例如S偏振光分量)。
該投影型液晶顯示裝置還包括一個全反射鏡18、場透鏡24R和液晶面板25R，以所述順序沿著由二向色鏡17分離的紅色光LR的光路設置。全反射鏡18將經(jīng)由二向色鏡17分離的紅色光LR反射向液晶面板25R。液晶面板25R用于根據(jù)圖象信號對經(jīng)由場透鏡24R入射其上的紅色光LR進行空間調(diào)制。
該投影型液晶顯示裝置還包括一個二向色鏡19，沿著由二向色鏡17分離的另一顏色光的光路設置。二向色鏡19用于將入射光分離成例如綠色光和藍色光。
該投影型液晶顯示裝置還包括一個場透鏡24G和一個液晶面板25G，以所述順序沿著由二向色鏡19分離的綠色光LG的光路設置。液晶面板25G用于根據(jù)圖象信號對經(jīng)由場透鏡24G入射其上的綠色光LG進行空間調(diào)制。
該投影型液晶顯示裝置還包括中繼透鏡20、全反射鏡21、中繼透鏡22、全反射鏡23、場透鏡24B和液晶面板25B，以所述順序沿著由二向色鏡19分離的藍色光LB的光路設置。全反射鏡21將經(jīng)由中繼透鏡20入射其上的藍色光LB反射向全反射鏡23。全反射鏡23將由全反射鏡21反射并經(jīng)由中繼透鏡22入射其上的藍色光LB反射向液晶面板25B。液晶面板25B用于根據(jù)圖象信號對由全反射鏡23反射并經(jīng)由場透鏡24B入射其上的藍色光LB進行空間調(diào)制。
該投影型液晶顯示裝置還包括一個正交棱鏡26，設置在紅色光LR、綠色光LG和藍色光LB的光路的交點處，用以合成所述三種色光LR、LG和LB。該投影型液晶顯示裝置還包括一個投影透鏡27，用于將從正交棱鏡26出射的合成光投射向屏幕28。正交棱鏡26具有三個入射表面26R、26G和26B，以及一個出射表面26T。從液晶面板25R出射的紅色光LR進入入射表面26R，從液晶面板25G出射的綠色光LG進入入射表面26G，并且從液晶面板25B出射的藍色光LB進入入射表面26B。正交棱鏡26將入射在入射表面26R、26G和26B上的三種色光加以合成，并將合成光從出射表面26T出射。
圖2表示液晶面板25R、25G和25B的一例結構。液晶面板25R、25G和25B除了其調(diào)制不同的光束成分之外基本具有相同的功能和結構。下面總體說明液晶面板25R、25G和25B的結構。為便于觀看，圖2的一部分沒有畫出影線。液晶面板25(25R、25G和25B)包括一個象素電極基板40B，和一個與象素電極基板40B的入射側相對的相對基板40A，液晶層45位于其間。
象素電極基板40B包括一個玻璃基板48，和設置在玻璃基板48入射側的多個象素電極部分46和多個黑底部分47。象素電極基板40B還包括一個介于象素電極部分46和黑底部分47與液晶層45之間的對準膜(未畫出)。象素電極部分46和黑底部分47設置成二維形式。象素電極部分46由透明導電材料制成。各黑底部分47形成在相鄰的象素電極部分46之間，并且由例如金屬膜遮蔽。黑底部分47其中具有開關元件例如TFT(未畫出)，用于根據(jù)圖象信號選擇性地施加電壓至相鄰象素電極部分46。由黑底部分47圍繞的一個象素電極部分46的開口區(qū)域用于透射入射光，并且形成用于一個象素的象素孔徑46A。
相對基板40A包括玻璃基板41、第一樹脂層43A、微透鏡陣列42、第二樹脂層43B，和蓋板玻璃44，從光入射側按上述順序設置。相對基板40A還包括相對電極和一個形成在蓋板玻璃44與液晶層45之間的對準膜(未畫出)。各相對電極與對應的象素電極46一起產(chǎn)生電勢。
微透鏡陣列42由光學樹脂制成，包括多個微透鏡42M，對應于象素電極部分46設置成二維形式。各微透鏡42M整體上具有正的折射光焦度，用于將入射在液晶面板25上的光束會聚向對應的象素電極部分46。當位于下游端的投影透鏡27具有足夠的F數(shù)時，進入液晶面板25的絕大多數(shù)光束由微透鏡42M加以會聚，并且進入象素孔徑46A，從而可用于圖象顯示。為了有效地利用來自液晶面板25的出射光，投影透鏡27的F數(shù)優(yōu)選大于或近似等于微透鏡42M的數(shù)值孔徑。
在各微透鏡42M中，對于一個象素孔徑46A也即每個點(每象素或每子象素)，沿光軸方向設有兩個透鏡表面R1和R2。在圖2中，透鏡表面R1和R2是球面，第一透鏡表面R1凸向光入射側(光源側)，而第二透鏡表面R2凸向光出射側。為使透鏡表面R1和R2具有正光焦度的形狀，將第一樹脂層43A、微透鏡陣列42和第二樹脂層43b的折射率n1、n2和n3設置成具有如下關系n2＞n1、n3。優(yōu)選地，折射率n2和n1之間的相對差盡可能地大，例如大約0.2至0.3。這同樣適用于n2和n3。
在各微透鏡42M中，第二透鏡表面R2的焦點位置與第一透鏡表面R1的主點H1(見圖3)基本一致，整個微透鏡42M的焦點位置與象素孔徑46A的位置基本一致。第一透鏡表面R1形成聚光透鏡，第二透鏡表面R2形成場透鏡。后面將詳細說明滿足上述光學條件的微透鏡42M的光學作用和優(yōu)點。
雖然認為隨著微透鏡的焦點位置設置得更靠近象素孔徑而使得其遮光系數(shù)變高，但是遮光系數(shù)在焦點位置與象素孔徑完全一致時并不總是最高?？紤]到入射光的所有角度分量，優(yōu)選將其焦點位置設定成例如使得光束的束腰與象素孔徑一致。
只要第一樹脂層43A、微透鏡陣列42和第二樹脂層43B構造成使得透鏡表面R1和R2具有正的光焦度和預定的光學特性就是符合要求的，其形狀并不限于圖中所示的那些形狀。只要能夠確保足夠的光焦度使微透鏡42M適當工作，可以省去樹脂層43A和43B，并且可以將微透鏡陣列42直接形成在玻璃基板41與蓋板玻璃44之間，如下面的改型中所述。
下面簡要說明在液晶面板25中制作微透鏡陣列42的方法。首先，形成第一樹脂層43A和第二樹脂層43B。第一樹脂層43A例如通過由一個其上具有微透鏡42M的第一透鏡表面R1的圖紋的壓模來模制丙烯酸樹脂而形成。類似地，第二樹脂層43B例如通過由一個其上具有微透鏡42M的第二透鏡表面R2的圖紋的壓模來模制丙烯酸樹脂而形成。如此模制的這兩個樹脂層43A和43B彼此相對地設置，并且將其間的空間填充以光學樹脂(例如氨基甲酸乙酯或丙烯酸樹脂)作為微透鏡陣列42的材料。所填充的樹脂還用作粘合劑，用以粘合第一樹脂層43A、微透鏡陣列42和第二樹脂層43B。然后，對第一樹脂層43A和第二樹脂層43B的表面進行拋光。微透鏡陣列的制作方法并不限于上述方法，也可以采用其它方法。
在液晶面板25中，蓋板玻璃44、對準膜(未畫出)和液晶層45介入在第二透鏡表面R2與象素孔徑46A之間。優(yōu)選地，其厚度設定得盡可能小(例如其總厚度在空氣中約為5μm至25μm)。
下面說明具有上述結構的投影型液晶顯示裝置的運作。
首先，參照圖1說明投影型液晶顯示裝置的一般運作。從光源11發(fā)出的白光通過MLA 12和13的透射被分割成多個小光束。透過MLA 12和13的光束進入PS光束組合器。PS光束組合器上15的入射光LO包括P偏振光分量和S偏振光分量，在垂直于光軸10的平面內(nèi)相交。PS光束組合器15將入射光LO分離成兩種類型的偏振光分量(P偏振光分量和S偏振光分量)L1和L2，如圖4所示。一個經(jīng)分離的偏振光分量L2從PS光束組合器15出射同時保持其偏振方向(例如P偏振方向)。另一偏振光分量L1(例如S偏振光分量)在通過半波片15A的作用轉換成另一個偏振光分量(例如P偏振光分量)之后出射。然后，將兩個經(jīng)分離的偏振光分量L1和L2的偏振方向統(tǒng)一成一個特定方向(例如P偏振方向)。
從PS光束組合器15出射的光束通過聚光透鏡16，進入二向色鏡17。例如，入射光通過二向色鏡17的作用被分離成紅色光LR和另一顏色的光。
由二向色鏡17分離的紅色光LR由全反射鏡18反射向液晶面板25R，并經(jīng)由場透鏡24R進入液晶面板25R。入射的紅色光LR在液晶面板25R中被根據(jù)圖象信號進行空間調(diào)制，然后進入正交棱鏡26的入射表面26R。
相反地，由二向色鏡17分離的另一顏色光進入二向色鏡19，并分離成例如綠色光LG和藍色光LB。由二向色鏡19分離的綠色光LG經(jīng)由場透鏡24G進入液晶面板25G。綠色光LG在液晶面板25G中被根據(jù)圖象信號進行空間調(diào)制，然后進入正交棱鏡26的入射表面26G。
由二向色鏡19分離的藍色光LB經(jīng)由中繼透鏡20進入全反射鏡21，并且由之反射向全反射鏡23。藍色光LB然后經(jīng)由中繼透鏡22進入全反射鏡23，并由之反射向液晶面板25B。藍色光LB經(jīng)由場透鏡24B進入液晶面板25B，并且被根據(jù)圖象信號進行空間調(diào)制，然后進入正交棱鏡26的入射表面26B。
由MLA 12和13分離的多個光束被放大并疊加在液晶面板25R、25G和25B的入射表面上，并且均勻地照明該入射表面。光束被放大的放大率由聚光透鏡16的焦距fc和第二MLA 13的微透鏡13M的焦距fMLA2決定。
所述三種顏色的光束LR、LG和LB由正交棱鏡26加以合成，并且從出射表面26T出射向投影透鏡27。出射光由投影透鏡27投射在屏幕28的前側或后側，從而在屏幕28上形成圖象。
下面主要參照圖3說明作為該實施例主要部分的液晶面板25中微透鏡42M的光學作用和優(yōu)點。
為了簡化說明，圖3僅畫出了液晶面板25的微透鏡部分的主要部件。如上所述，微透鏡42M的第一透鏡表面R1和第二透鏡表面R2具有正的光焦度。第二透鏡表面R2的焦點位置與第一透鏡表面R1的主點H1基本一致，整個微透鏡的焦點位置與象素孔徑46A基本一致。在下面的說明中，假定整個液晶面板25用位于上游端的照明光學系統(tǒng)出射的具有發(fā)散角β的照明光束加以照明。
首先，對平行于微透鏡42M的光路60的主光線60A(以實線表示)進行說明。主光線60A由整個微透鏡的光焦度會聚至相鄰的象素孔徑46A。從微透鏡42M出射的光束相對于光軸60的最大發(fā)散角α由微透鏡42M的最大外部尺寸與整個微透鏡42M的合成焦距之間的關系決定。更具體地說，最大發(fā)散角α由下式(5)給出tanα＝a/f ...(5)其中2a表示所述直徑，f表示所述合成焦距。
合成焦距f由下式(6)給出f＝f1×f2/(f1+f2-Δ)...(6)其中f1表示第一透鏡表面R1的焦距，f2表示第二透鏡表面R2的焦距，Δ表示第一透鏡表面R1的主點H1與第二透鏡表面R2的主點H2之間的距離(主距)。
當?shù)诙哥R表面R2的焦點位置與第一透鏡表面R1的主點H1彼此一致時，Δ等于f2，因此，合成焦距f由下式(7)給出f＝f2 ...(7)式(7)表明合成焦距f為恒定值f2，與第一透鏡表面R1的焦距f1無關。式(5)和(7)表明主光線60A的出射光的最大發(fā)散角α由微透鏡42M的半徑“a”和第二透鏡表面R2的焦距f2直接且排他性地決定。在此情況下，整個透鏡的合成焦點位置可以通過根據(jù)第一透鏡表面R1的焦距f1用確定的合成焦距f進行控制。通過適當?shù)卦O定焦距f1，可以確保工作所需的象素孔徑46A與第二透鏡表面R2之間的距離。
下面說明以一定的角度分量進入光軸60的發(fā)散光60B(以虛線表示)。相對于光軸60以角度±B照射液晶面板25的光束，通過第一透鏡表面R1，相對于主光線60A以±β的角度發(fā)散。該光束在通過第二透鏡表面R2時轉而平行于主光線60A，因為第二透鏡表面R2的焦點位置與第一透鏡表面R1的主點H1基本一致。也就是說，主光線60A和發(fā)散光60B在從微透鏡42M出射之后其最大發(fā)散角α相等。
通過設置具有上述光學作用的微透鏡42M，使得從液晶面板25出射的光束的最大發(fā)散角θ由下式(8)給出θ＝α ...(8)式(8)表明從液晶面板25出射光束的發(fā)散角θ也僅由兩個參數(shù)決定，即微透鏡42M的半徑“a”和第二透鏡表面R2的焦距f2，照明光束的發(fā)散角β對出射光束的發(fā)散角θ不具有任何影響。也就是說，根據(jù)此實施例，照明光束的發(fā)散角β在照明光束從液晶面板25出射時得以消除，發(fā)散角θ可以比圖10所示現(xiàn)有技術中小角度β。相應地，即使在微透鏡42M的合成焦距減小時，也可以降低在黑底部分47的光束遮蔽程度。這使得可以實質減小微透鏡42M的焦距而不降低有效孔徑比，從而實質減小形成在象素孔徑46A中的光斑的尺寸。其結果是，可以降低液晶面板25的有效孔徑比。
另外，由于該實施例中象素孔徑46A處光斑的尺寸與現(xiàn)有技術相比可以令人滿意地降低，所以可以增大入射發(fā)散角β。如圖3所示，通過增大入射發(fā)散角β，可以將光斑尺寸增大至象素孔徑46A的孔徑尺寸，并且可以增加出射光束的量。入射發(fā)散角β的增大對于液晶面板25上的入射光通量以及用于容納該光學系統(tǒng)的盒體的尺寸來說十分重要。
類似于參照圖9所述的現(xiàn)有技術的方式，入射在液晶面板25上的照明光束的發(fā)散角β由下式(3)限定tanβ＝rc/fc...(3)其中fc表示聚光透鏡16的焦距，rc表示其半徑。
以此方式，發(fā)散角β成為由聚光透鏡16的半徑rc及其焦距fc決定的參數(shù)。然而，由于聚光透鏡16的半徑rc基本上由構成光源11的燈的尺寸決定，所以當發(fā)散角β增加時，焦距fc降低。另一方面，第一MLA 12的每一微透鏡12M的放大率M(與液晶面板25和第一MLA 12的照明區(qū)域的相似比相對應的固定值)為每一微透鏡13M的焦距fMLA2與聚光透鏡16的焦距fc之比，由式(7)給出。由MLA 12和13分離的小光束被放大至放大率M以照明液晶面板。
M＝fc/fMLA2...(7)為此原因，減小聚光透鏡16的焦距fc以增大發(fā)散角β意味著第二MLA13的每一微透鏡13M的焦距fMLA2也必須減小。由于兩個MLA 12和13之間的距離隨著焦距fMLA2的降低而降低，所以可以減小光學系統(tǒng)的總尺寸。因而減小了光學系統(tǒng)盒體的尺寸。
如圖4所示，當?shù)诙﨧LA 13的一個微透鏡13M的有效直徑表示為D時，考慮到PS光束組合器15的結構，PS光束組合器15對于一個微透鏡13可以只轉換入射在具有大約D/2尺寸的孔徑上的光束的偏振光成分。因此，為了提高光束會聚至PS光束組合器15中的效率，優(yōu)選通過減小第二MLA 13上光源圖象的尺寸來降低入射在PS光束組合器15上的光束的直徑。形成在第二MLA 13上的光源圖象的尺寸通常由下式(8)給出，與構成光源11的燈的燈弧長度以及光源11中反射鏡與燈弧之間的距離(弧鏡距離)有關燈弧長度×fMLA2/弧鏡距離 ...(8)這表明通過增大發(fā)散角β以降低焦距fMLA2，可以使第二MLA 13上的光源圖象變小。因此，可以提高光束會聚至第二MLA 13和PS光束組合器15中的效率，以增加位于自液晶面板25上游的整個照明系統(tǒng)的光輸出，并且增加液晶面板25上的入射光通量。
如上所述，通過增大液晶面板25上入射光的發(fā)散角β，可以既減小光學系統(tǒng)盒體的尺寸，也增加整個照明系統(tǒng)的光輸出。圖5A表示在采用圖2所示結構的液晶面板的情況下有效孔徑比(光束會聚至投影透鏡的效率)的實際例子。在此例中，其有效孔徑比在圖5B所示的模擬條件下計算。如圖5B所示，點尺寸(對應于圖3所示“2a”)設定為18μm×18μm，象素孔徑46A的尺寸設定為12μm×12μm。作為照明光學系統(tǒng)，采用蠅眼集合器光學系統(tǒng)用于0.9英寸的面板(液晶面板上入射光的發(fā)散角β為±9°)。投影透鏡27的F數(shù)設定為1.7(從液晶面板出射光束的發(fā)散角θ為17.1°)。
通過這種模擬條件，當微透鏡42M的合成焦距f為41μm以及第二透鏡表面2R與象素孔徑46A之間距離為8μm時，計算結果是有效孔徑比為96％。對于對比例，采用傳統(tǒng)的其中一個透鏡表面具有光焦度的單透鏡聚光微透鏡(見圖10)進行模擬運算。在第一對比例中，微透鏡的焦距設定為70μm，這是相當長的，其有效孔徑比為86％。在第二對比例中，微透鏡的焦距設定為41μm，這是相當短的，其有效孔徑比為77％。
在對比例的條件下，由于焦距較短時投影透鏡的遮蔽程度較大，所以焦距為70μm時的有效孔徑比高于焦距為41μm時。相反地，在此實例中，類似于第二對比例中的方式，其合成焦距較短(f＝41μm)，但是其有效孔徑比比焦距較長的第一對比例中高10％。這是因為入射照明光束的發(fā)散角β由于微透鏡42M的作用而變?yōu)榱?。特別地，由于該模擬結果包含具有不同折射率的表面之間界面處的反射損耗，所以可以認為4％(100％-96％)對應于該反射損耗。也就是說，在該實例中，可以認為遮蔽作用很少由黑底部分或投影透鏡所引致，微透鏡42M在增加有效孔徑比方面是有效的。
如上所述，根據(jù)該實施例，將具有兩個透鏡表面R1和R2的微透鏡42M設置成對應于各象素孔徑，使第二透鏡表面R2的焦點位置與第一透鏡表面R1的主點H1基本一致，并且使整個微透鏡的焦點位置與象素孔徑46A的位置基本一致。因此，可以在光束從微透鏡42M出射時消除入射光相對于光軸的發(fā)散角β。這增大了液晶面板的有效孔徑比，并且提高了整個照明光學系統(tǒng)的光利用效率。除了這種光輸出的增加之外，還可以減小照明光學系統(tǒng)的尺寸并且降低投影透鏡的成本。因此，可以實現(xiàn)尺寸的減小和亮度的增加，并且便于微透鏡的制作。
以此方式，該實施例可以增大有效孔徑比并提高光利用效率，而不會增大其結構和增加制作難度。圖6A和6B表示液晶面板25的結構的改型。參照圖6A和6B，相對基板40A-1和40A-2與圖2所示不同。雖然微透鏡42M的透鏡表面R1和R2由圖2中樹脂層之間的界面形成，但是它們也可以由玻璃與樹脂(或空氣間隙)之間的界面形成。在圖6A和6B中，通過將具有折射率n1的樹脂層52設置在具有折射率ng1和ng2的兩個玻璃層51之間，形成微透鏡42M。第一透鏡表面R1由玻璃層51與樹脂層52之間的界面形成，第二透鏡表面R2由玻璃層53與樹脂層52之間的界面形成。在此情況下，透鏡表面R1和R2的形狀由這兩個界面之間的折射率之差決定。
在圖6A所示的結構中，樹脂層52和玻璃層51和53的折射率具有關系n1＞ng1和ng2。在此情況下，第一透鏡表面R1凸向光入射側(光源側)，第二透鏡表面R2凸向光出射側。相反地，在圖6B所示的結構中，樹脂層52和玻璃層51和53的折射率具有關系n1＜ng1和ng2。在此情況下，第一透鏡表面R1凹向光入射側，第二透鏡表面R2凹向光出射側。在圖6B中，樹脂層52可以用空氣間隙替代。
圖6A和6B中所示液晶面板的相對基板40A-1和40A-2例如如下制作，首先分別在兩個玻璃基板的表面上形成透鏡表面R1和R2的圖紋，將玻璃基板設置成彼此相對，然后將其間的空間填充以光學樹脂(例如氨基甲酸乙酯或丙烯酸樹脂)用作樹脂層52的材料。玻璃基板的表面可以通過例如多種刻蝕方法例如各向同性刻蝕、各向異性刻蝕和干法刻蝕加以處理。
與圖2中所示的結構相反，在圖6A和6B的相對基板40A-1和40A-2中省去了樹脂層43A和43B。因此，可以減少樹脂層的數(shù)目并降低成本。
圖7A和7B畫出了微透鏡42M的透鏡表面R1和R2形狀的改型。透鏡表面R1和R2不僅可以是球面(圖7C)，也可以是非球面，例如橢球面(圖7B)或者菲涅爾型表面(圖7A)。雖然球面透鏡可以容易地進行加工，但是使其焦距最小化的曲率半徑受到點尺寸的限制，因此難以降低其焦距，除非能夠在透鏡界面處確保足夠的折射率差。相反地，非球面表面和菲涅爾表面具有較短焦距和平面主面的優(yōu)點，如圖中所示，因而可以有效地使發(fā)散角β變?yōu)榱恪?br> 圖8表示液晶面板25的結構的另一改型。在此改型中，在相對基板中設有一個聚光透鏡表面，在象素電極基板中設有一個具有向場功能的透鏡表面。該液晶面板包括一個象素電極基板50B，和一個位于象素電極基板50B的光入射側并且與之相對的相對基板50A，液晶層45位于其間。
相對基板50A包括玻璃基板41、樹脂層43A、第一微透鏡陣列42A，和蓋板玻璃44A，從光入射側按上述順序設置。另一方面，象素電極基板50B包括象素電極部分46和黑底部分47、蓋板玻璃44B、第二微透鏡陣列42B、樹脂層43B，和玻璃基板48，從光入射側按上述順序設置。
第一微透鏡陣列42A由光學樹脂制成，包括多個第一微透鏡42M-1，對應于象素電極部分46設置成二維形式。每個第一微透鏡42M-1具有正光焦度的第一透鏡表面R1，用作聚光透鏡。樹脂層43A的折射率n1和第一微透鏡陣列42A的折射率n2具有關系n2＞n1，第一透鏡表面R1凸向光入射側(光源側)。
類似地，第二微透鏡陣列42B由光學樹脂制成，包括多個第二微透鏡42M-2，對應于象素電極部分46設置成二維形式。每個第二微透鏡42M-2具有正光焦度的第二透鏡表面R2，用作場透鏡。也就是說，第二透鏡表面R2的焦點位置與第一透鏡表面R1(第一微透鏡42M-1)的主點基本一致。樹脂層43B的折射率n4和第二微透鏡陣列42B的折射率n3具有關系n3＞n4，第二透鏡表面R2凸向光出射側。
圖8中所示改型與圖2中所示結構的不同之處在于象素孔徑46A設置在兩個微透鏡42M-1與42M-2(兩個透鏡表面R1和R2)之間，而其相同之處在于兩個微透鏡42M-1和42M-2的合成焦點位置設置得鄰近象素孔徑46A。合成焦點位置與象素孔徑46位置的對準可以通過例如調(diào)節(jié)微透鏡42M-1和42M-2與象素孔徑46A之間的距離來加以控制?？梢哉J為該改型的結構實現(xiàn)了最高的遮蔽系數(shù)，但是使得制作最為困難。
圖6至8中所示的上述改型不是彼此獨立的，而是可以任意組合。
雖然本發(fā)明是結合目前認為是優(yōu)選的實施例進行說明的，但是應當理解，本發(fā)明并不限于所公開的實施例。相反地，本發(fā)明意在覆蓋包含在所附權利要求的精神和范圍之內(nèi)的各種改型和等同結構。例如，雖然上述實施例中對于一個點僅設有兩個具有光焦度的透鏡表面，但是一個點的透鏡表面數(shù)量可以是三個或更多。本發(fā)明不僅適用于三面板型投影型液晶顯示裝置，而且適用于單面板型投影型液晶顯示裝置。
權利要求
1.一種液晶顯示元件，包括一液晶層；一象素電極部分，具有多個用于透射光的象素孔徑；和至少一個微透鏡陣列，具有多個微透鏡，在所述液晶層的光入射側和光出射側至少其一上對應于所述象素孔徑設置成二維形式，其中每個所述微透鏡包括一個聚光透鏡，在光軸方向具有至少一個透鏡表面，用于將入射光會聚向對應的一個所述象素孔徑；和一個場透鏡，在光軸方向具有至少一個透鏡表面，使得其焦點位置與所述聚光透鏡的主點基本一致。
2.如權利要求1所述的液晶顯示元件，其中每個所述微透鏡的整體的焦點位置與所述對應的象素孔徑基本一致。
3.如權利要求1所述的液晶顯示元件，其中在相對于光軸具有發(fā)散角分量的入射光從所述微透鏡陣列出射時，所述發(fā)散角分量通過所述場透鏡的光學作用被消除，并且該入射光的出射角與平行于光軸入射的主光線的出射角基本一致。
4.如權利要求1所述的液晶顯示元件，其中所述液晶顯示元件應用于將透過所述液晶顯示元件的光束通過一個投影透鏡加以投射的投影型液晶顯示裝置，并且每個所述微透鏡的數(shù)值孔徑與所述投影透鏡的F數(shù)基本一致。
5.如權利要求1所述的液晶顯示元件，其中每個所述微透鏡由一個或多個球面表面、非球面表面和菲涅爾表面構成。
6.一種投影型液晶顯示裝置，包括一光源，用于發(fā)射光束；一液晶顯示元件，用于對入射光進行光學調(diào)制；和一投影透鏡，用于投射由所述液晶顯示元件調(diào)制的光束，其中所述液晶顯示元件包括一液晶層；一象素電極部分，具有多個用于透射光的象素孔徑；和至少一個微透鏡陣列，具有多個微透鏡，在所述液晶層的光入射側和光出射側至少其一上對應于所述象素孔徑設置成二維形式，其中每個所述微透鏡包括一個聚光透鏡，在光軸方向具有至少一個透鏡表面，用于將入射光會聚向對應的一個所述象素孔徑；和一個場透鏡，在光軸方向具有至少一個透鏡表面，使得其焦點位置與所述聚光透鏡的主點基本一致。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種液晶顯示元件和投影型液晶顯示裝置。在液晶面板中,將具有第一和第二透鏡表面的微透鏡對應于每個象素孔徑設置。第二透鏡表面的焦點位置與第一透鏡表面的主點基本一致,整個微透鏡的焦點位置與象素孔徑基本一致。在該液晶面板中,當相對于光軸具有發(fā)散角分量的入射光從微透鏡出射時,所述發(fā)散角分量被消除。
文檔編號G02F1/1335GK1353326SQ0113786
公開日2002年6月12日 申請日期2001年11月9日 優(yōu)先權日2000年11月10日
發(fā)明者福田俊廣 申請人:索尼株式會社