法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2016-08-03
未缴年费专利权终止 IPC(主分类):G02B3/00 授权公告日:20081224 终止日期:20150610 申请日:20050610
专利权的终止
2008-12-24
授权
授权
2007-07-25
实质审查的生效
实质审查的生效
2007-05-30
公开
公开
技术领域
本发明涉及一种采用其上投射有图像以供显示的液晶板的投影型显示器，例如投影仪、背投电视机等，以及用于该投影型显示器的液晶显示器及微透镜阵列。
本申请要求享有2004年6月23日在日本专利局递交的日本专利申请No.2004-185381的优先权，该申请在此全部包含引作参考。
背景技术
到目前为止，已经提出了这样的液晶投影仪及液晶投影型电视机，其中用作光开关装置的液晶显示板上的图像通过投影光学系统以放大的比例被投射在屏幕上以便进行显示。这些设备薄、重量轻并且能够显示清晰图像。
1998年日本专利公开No.161097(在此也称作“专利文献1”)中已经提出了一种能够显示较清晰的投影图像的液晶显示器。图1示意性地示出了专利文献1中披露的液晶显示器。液晶显示器通常由附图标记100表示，并包括：分色镜112B、112R和112G，其将白光源发出的入射在其上的白色平行光L1分成蓝(B)光、红(R)光和绿(G)光；用于加强由分色镜112B、112R和112G分离的每个B光、R光和G光的LCD(液晶显示)板120；以及用于将来自LCD板120的B光、R光和G光会聚并混合到屏幕140上的投影透镜130，如图1所示。
分色镜112B、112R和112G彼此成小角度被固定。分色镜将白光L1分成以不同角度分别入射在LCD板120上的B光、R光和G光。
如图所示，LCD板120包括：具有形成在其上的多个像素电极的像素基板121；具有形成在其上的相对电极和微透镜的相对基板122；以及设置在像素基板121和相对基板122之间的液晶层123。
图2为液晶显示器100中包含的LCD板120的截面结构的放大示意图。如图2所示，像素基板121包括：玻璃基板121a；从底部到顶部规则设置在玻璃基板121a一侧上的B光、R光和G光像素电极121B、121R和121G；以及形成在玻璃基板121a上并包括用作根据图像信号为每个像素电极121B、121R和121G施加电压的开关装置的TFT等(未示出)的黑色矩阵121b。每个TFT具有例如由多晶硅形成的栅极、漏极和源极(未示出)。这些电极中，栅极与图中垂直延伸的地址线相连，源极与垂直于图面延伸的数据线相连，并且漏极与每个像素电极121B、121R和121G相连。通过为由地址线和数据线所选择的像素电极选择性地施加图像信号电压，液晶层123中像素电极和相对电极122d之间的液晶分子的配向被改变，从而改变了通过该液晶分子的光的偏振方向。
另一方面，相对基板122包括玻璃基板122a、形成在玻璃基板122a一端上的微透镜阵列122b、邻近微透镜阵列122b设置的玻璃盖板122c以及形成在玻璃盖板122c上的相对电极122d。
相对电极122d为形成在玻璃盖板122c上方或其必要区域上的透明电极，并具有固定电压。
微透镜阵列122b是通过例如选择离子扩散方法形成的折射率渐变透镜。组成微透镜阵列122b的每个微透镜(ML)通常被形成为半圆柱形透镜，其轴垂直于图面延伸。然而，微透镜也可以是普通的球面透镜或类似于球面透镜的曲面透镜。
作为参考，在像素基板121上由分别为三个像素电极121B、121R和121G设置的微透镜形成微透镜阵列122b。从三个不同方向入射在微透镜上的B、R和G光分别通过液晶层123被会聚以入射在像素电极121B、121R和121G上。
在上述构造的液晶显示器100中，以对应TFT像素间距的间距设置的微透镜分别与TFT像素逐一关联，以便使应当被TFT光屏蔽反射而不会通过TFT光屏蔽的光偏振，进而提高透射率。
通常，投影仪具有两种性能：高透射率和高对比度。在液晶显示器100中，设置的微透镜阵列122允许采用较小的TFT，这能使透射率下降。因此，液晶显示器100能够实现高的图像清晰度、透射率以及较小的整体设计。
在这种连接关系中，投射到液晶显示器中的光的偏振取决于与LCD板中填充的液晶分子的配向方向相关地形成的光入射角。更特别地，倾斜入射到LCD板中的正偏振光由于液晶的双折射而成椭圆偏振光出射，使得仅有一部分应当出射的光出射，进而导致了较低的对比度。特别地，设置在液晶显示器中的微透镜阵列引起入射光以增加的角度扩散到液晶层，这将引起非常低的对比度。
在日本专利公开No.2001-174776(专利文献2)中已经提出了一种用以改善液晶显示器中图像对比度的光补偿技术。该专利文献2中披露的光补偿技术是这样的，具有能够消除LCD板双折射影响的光学特性的光补偿薄膜被设置在液晶显示器中以抑制图像对比度随光的入射角变化，即所谓的对比度对视角的依赖性。光学补偿薄膜也能够很好地补偿以极限角入射的光的相位差，所以对其中具有微透镜的液晶显示器施用该技术能够提高图像对比度。
在“Liquid Crystal-Technique for Increasing Angle of Visibility of TFT-LCDby Discotic Optical Compensation Film-Vol.16，No.1”中披露了利用诸如光学补偿膜的光学补偿元件所引起的视角改进的效果。
因为常规液晶投影仪中使用的微透镜被设计以提供适于透射的最适宜的条件，微透镜和光学补偿元件的结合不能确保根据具体情况所应有的适宜的对比度。例如，在1996年的日本专利公开No.86901(专利文献3)中披露了确保高透射率的微透镜的设计值。可是，在所披露的技术中，给出了关于透射率的主要考虑。
发明内容
因此，期望克服现有技术的上述缺陷，通过提供一种能够在提供光学补偿元件的情况中最大程度改进对比度的微透镜阵列、液晶显示器以及配备光学补偿元件的投影型显示器。
根据本发明的一个实施例，提供一种在基板上二维设置多个微透镜的微透镜阵列，其中微透镜的焦距f与从微透镜的主表面到光入射其上的基板表面之间的距离Ts满足以下关系：
X＝Ts/P
Y＝f/P
在上述微透镜中，以间距P设置微透镜，而(X，Y)处于由点组(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)所围绕到X-Y坐标系中。
同样，根据本发明另一实施例，提供一种液晶显示器，包括：
其上形成有像素电极的像素基板，根据图像数据为像素电极施加信号电压；
具有相对电极的相对基板，对电极关于置于对电极和像素电极之间的液晶层与像素电极相对设置；以及
其中在相对基板上二维设置有多个微透镜的微透镜阵列；
微透镜的焦距f与从微透镜的主表面到光入射其上的基板表面之间的距离Ts满足以下关系：
X＝Ts/P
Y＝f/P
在上述液晶显示器中，以间距P设置微透镜，而(X，Y)处于由点组(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)所围绕到X-Y坐标系中。
同样，根据本发明的另一实施例，提供一种投影型显示器，包括：
光源；
用于将光源发出的光束会聚在预定光路上的照明(lighting)光学系统；
对照明光学系统会聚的光束进行光学调制度液晶板；和
用于以放大的比例投射经过液晶单元光学调制的光束的投影透镜；
包括在基板上二维设置有多个微透镜的微透镜阵列的照明光学系统，以及
微透镜的焦距f与从微透镜的主表面到光入射其上的基板表面之间的距离Ts满足以下关系：
X＝Ts/P
Y＝f/P
在上述投影型显示器中，以间距P设置微透镜，而(X，Y)处于由点组(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)所围绕到X-Y坐标系中。
根据本发明，微透镜的焦距f和覆盖层的厚度Ts满足以下关系：
X＝Ts/P
Y＝f/P
根据本发明，以间距P设置微透镜，而(X，Y)处于由点组(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)所围绕到X-Y坐标系中。
根据本发明，能够减少入射在畴上的光。因此，能够防止由于光透射过所述畴所引起的图像对比度的降低。
结合附图，本发明的前述和其他特征、方面和优点根据以下本发明实施例的详细描述变得清楚。
附图说明
图1为用于使投影仪投射的图像清晰化的常规液晶显示器的侧视图。
图2为常规液晶显示器中所使用的LCD板的截面结构的放大截面图。
图3为根据本发明一个实施例的液晶投影仪的侧视图。
图4为根据本发明一个实施例的液晶投影仪中使用的液晶显示器的侧视图。
图5为示出了每个像素与微透镜的间距P之间关系的透视图。
图6A、6B、6C和6D为从其上形成有微透镜阵列的玻璃基板延伸到玻璃盖板的系统的截面图。
图7示出了液晶层中液晶分子对畴的配向依赖性的模拟结果。
图8为示出了畴发生的平面图。
图9解释了设计微透镜中使用的参数。
图10示出了用矩阵表示的光追踪模拟结果，所述矩阵由以0.25间距设置的点X和Y所形成。
图11A和11B示出了在液晶投影仪中设置其中设有微透镜阵列的液晶显示器时，一个像素内光强分布的模拟结果。
图12示出了测量的对比度模拟结果。
具体实施方式
以下参照附图关于本发明的实施例详细描述本发明。所述实施例为本发明在三板型液晶投影仪中的应用，所述投影仪利用分别适用于红(R)光、蓝(B)光和绿(G)光的透射型液晶板投射全色图像。
通常由附图标记1表示的液晶投影仪用于将图像投射在外部屏幕上。如图3所示，投影仪包括：发光光源51；沿着光源51发出的光的行进路径第一和第二微透镜阵列52和53，其中在每个透镜阵列中例如四方地设置多个透镜单元，透镜单元分别具有在附图中通常等于液晶层的有效开口区域的纵横比的轮廓；用于沿预定方向起偏来自第二微透镜阵列53的光的PS合成树脂54；用于会聚已经通过PS合成树脂54的光的会聚透镜55；以及用于根据波长分离光的第一分色镜56。
光源51发射包含投射全色图像所必需的红色、蓝色和绿色(三原色)组分的白光。光源51包括白光发射器51a以及反射发光器51a发出的光的反射器51b。光源51的发光器51a是具有包含水银成分的气体的放电灯，例如超高压汞灯等。光源51的反射器51b为凹形反射镜，其具有成形为具有高聚光系数的反射镜表面。同样，反射镜51b被成形为具有旋转对称表面，诸如例如旋转抛物面或旋转椭圆面。
第一微透镜阵列52具有面积等于液晶层有效面积的形状以便与第二微透镜阵列53一起均匀地照亮液晶层的有效区域，这将在后面详细描述，进而均匀地分布光强。第一微透镜阵列52具有以阵列形式设置的多个小透镜元件的结构。第一微透镜阵列52的每个小透镜元件会聚光源51发出的光以产生小的点光源，而第二微透镜阵列53混合多个点光源的照明光。
会聚透镜55为用于调节光点直径以便按照预定的偏振方向将PS合成树脂54控制的光更高效率地投射在液晶层开口区域上的凸透镜。
通过在玻璃基板等的主表面上形成多个电介质膜，制成第一分色镜56。即，第一分色镜为其上涂覆有所谓的分色涂层的波长选择反射镜。
第一分色镜56相对于入射在会聚透镜55上的光的光路成45度角垂直设置，以允许从会聚透镜55入射的蓝色和绿色分量的光通过，并通过近乎垂直地反射红色分量光而将红色分量光的方向改变90度。
沿着第一分色镜56分离的红光的行进光路，液晶投影仪1包括：用于对光实行全反射的折转反射镜57；用于会聚光的第一场透镜58R；用于仅允许沿预定方向偏振的光分量通过的第一入射侧偏振片59R；用于对光进行空间调制的液晶显示装置3R；用于补偿从液晶显示装置3R发出的光的相位的光补偿元件60R；以及仅允许沿预定方向偏振的光分量通过的第一出射侧偏振片61R。
折转反射镜57为全反射反射镜，其通过垂直反射第一分色镜56所反射的光而将光的方向改变90度。折转反射镜相对于反射的红光光路成45度角垂直设置。因此，折转反射镜57能够朝第一场透镜58R反射红光。
第一场透镜58R为与会聚透镜55一起构成照明光学系统的会聚透镜。第一物镜将折转反射镜57反射的红光输出至第一入射侧偏振片59R，并将该光会聚到液晶显示装置3R上。
第一入射侧偏振片59R用于仅允许来自第一场透镜58R在预定方向偏振的红光分量通过。第一入射侧偏振片59R沿着与液晶显示装置3R入射侧基板表面侧的液晶分子的配向方向相同的方向设置。
液晶显示装置3R为使用液晶分子的透射板。在两个透明基板(未示出)中填充液晶分子。如上所述构造的液晶显示装置3R空间调制通过第一入射侧偏振片59R入射的红光，并根据对应红色图像信息所施加的图像信号改变液晶分子的状态而允许红光通过。液晶显示装置3R具有通常形成为矩形的入射表面，以对应常规宽度大于高度的矩形投影图像。
光学补偿元件60R具有能够消除液晶显示装置3R的双折射影响的光学特性。该光学补偿元件60R能够抑制图像对比度根据光的入射角变化，即抑制所谓的对比度对视角的依赖性。
第一出射侧偏振片61R仅允许液晶显示装置3R所调制的红光中指向垂直于第一入射侧偏振片59R的方向的分量通过。第一出射侧偏振片61R沿着与在液晶显示装置3R的出射侧基板表面上的液晶分子配向方向相同的方向设置。更特别地，第一出射侧偏振片61R被设置以具有垂直于第一出射侧偏振片59R光透射轴的光透射轴，即与第一入射侧偏振片59R具有所谓的正交尼科耳关系。
液晶投影仪1进一步包括沿着被第一分色镜56分离的其他颜色光(即蓝光和绿光)的光路根据波段分离入射光的第二分色镜65。
第二分色镜65将入射光分离为蓝光和其它颜色的光，即绿光。
第二分色镜65相对于从第一分色镜56入射的光的光路成45度角垂直设置，以允许来自第一分色镜56的入射光的蓝光分量通过，并将绿色分量的方向改变90度。
沿着被第二分色镜65分离的绿光的行进方向，液晶投影仪1进一步包括：用于会聚光的第二场透镜58G、仅允许沿预定方向偏振的光分量通过的第二入射侧偏振片59G、对光进行空间调制的液晶显示装置3G、用于补偿来自液晶显示装置3G的光的相位的光补偿元件60G以及仅允许沿预定方向偏振的光分量通过的第二出射侧偏振片61G。
第二场透镜58G为与会聚透镜55一起构成照明光学系统的会聚透镜。第二物镜将第二分色镜65反射的绿光输出至第二入射侧偏振片59G，并将光会聚到液晶显示装置3G上。
第二入射侧偏振片59G用于仅允许来自第二场透镜58G的沿预定方向偏振的绿光分量通过。第二入射侧偏振片59G沿着与液晶显示装置3G入射侧基板侧的液晶分子的配向方向相同的方向设置。
液晶显示装置3G为使用液晶分子的透射板。在两个透明基板(未示出)中填充液晶分子。如上所述构造的液晶显示装置3G空间调制通过第二入射侧偏振片59G入射的绿光，并根据对应绿色图像信息所施加的图像信号改变液晶分子的状态而允许绿光通过。液晶显示装置3G具有通常形成为矩形的入射表面，以对应常规宽度大于高度的矩形投影图像。
光学补偿元件60G具有能够消除液晶显示装置3G的双折射影响的光学特性。该光学补偿元件60G能够抑制图像对比度根据光的入射角变化，即抑制所谓的对比度对视角的依赖性。
第二出射侧偏振片61G仅允许液晶显示装置3G调制的绿光中指向垂直于第二入射侧偏振片59G的方向的分量通过。第二出射侧偏振片61G沿着与在液晶显示装置3G的出射侧基板表面上的液晶分子的配向方向相同的方向设置。更特别地，第二出射侧偏振片61G被设置以具有与第二出射侧偏振片59G的光透射轴垂直的光透射轴，即与第二入射侧偏振片59G具有所谓的正交尼科耳关系。
沿着被第二分色镜65分离的蓝光的行进路线，液晶投影仪1进一步包括：用于对入射光实行全反射的折转反射镜66；用于纠正光路长度的延迟透镜67；用于对入射光实行全反射的折转反射镜68；用于会聚光的第三场透镜58B；用于仅允许沿预定方向偏振的入射光分量通过的第三入射侧偏振片59B；用于空间调制入射光的液晶显示装置3B；用于补偿来自液晶显示装置3B的光相位的光补偿元件60B；以及用于仅允许沿预定方向偏振的入射光光分量通过的第三出射侧偏振片61B。
折转反射镜66为全反射反射镜，其通过垂直反射第二分色镜65所反射的蓝光而将光的方向改变90度。折转反射镜66相对于被分色镜65的反射的蓝光的光路成45度角垂直设置。因此，折转反射镜66能够向延迟透镜67反射来自第二分色镜65的蓝光。
延迟透镜67协同会聚透镜55调节光路长度，以便将折转反射镜66所反射的蓝光引至折转反射镜68。
注意到，因为到达蓝光液晶显示装置3B的光路分别长于到红光液晶显示装置3R和绿光液晶显示装置3G的光路，故延迟透镜67调节到达蓝光液晶显示装置3B的光路长度以准确地引导蓝光聚焦在液晶显示装置3B上。
折转反射镜68为通过垂直反射蓝光将来自延迟透镜67的蓝光的行进方向改变90度的全反射反射镜。折转反射镜相对于来自延迟透镜67的蓝光光路成45度角垂直设置。因此，折转反射镜68能够向第三场透镜58B反射来自延迟透镜67的蓝光。
第三场透镜58B为与会聚透镜55一起构成照明光学系统的会聚透镜。第三物镜将折转反射镜68反射的蓝光输出至第三入射侧偏振片59B，并将光会聚到液晶显示装置3B上。
第三入射侧偏振片59B用于仅允许来自第三场透镜58B沿预定方向偏振的蓝光分量通过。第三入射侧的偏振片59B沿着与液晶显示装置3B入射侧基板侧的液晶分子的配向方向相同的方向设置。
液晶显示装置3B为使用液晶分子的透射板。在两个透明基板(未示出)中填充液晶分子。如上所述构造的液晶显示装置3B空间调制通过第三入射侧偏振片59B入射的蓝光，并根据对应蓝色图像信息所施加的图像信号改变液晶分子的状态而允许蓝光通过。液晶显示装置3B具有通常形成为矩形的入射表面，以常规对应宽度大于高度的矩形投影图像。
光学补偿元件60B具有能够消除液晶显示装置3B的双折射影响的光学特性。该光学补偿元件60B能够抑制图像对比度根据光的入射角变化，即抑制所谓的对比度对视角的依赖性。
第三出射侧偏振片61B仅允许液晶显示装置3B调制的蓝光中指向垂直于第三入射侧偏振片59B的方向的分量通过。第三出射侧偏振片61B沿着与在液晶显示装置3B的出射侧基板表面上的液晶分子配向方向相同的方向设置。更特别地，第三出射侧偏振片61B被设置以具有与第三出射侧偏振片59B光透射轴垂直的光透射轴，即与第三入射侧偏振片59B具有所谓的正交尼科耳关系。
液晶投影仪1还包括：设置在已经分别被液晶显示装置3R、3G和3B空间调制并分别通过出射侧偏振片61R、61G和61B的红光、绿光和蓝光的行进光路中彼此相交的位置上的光混合棱镜78，所述光混合棱镜混合这些红光、绿光和蓝光；以及用于朝屏幕投射光混合棱镜78由此合成的光的投影透镜79。
已经从液晶显示装置3R出射并通过第一出射侧偏振片61R的红光、已经从液晶显示装置3G出射并通过第二出射侧偏振片61G的绿光和已经从液晶显示装置3B出射并通过第三出射侧偏振片61B的蓝光入射在光混合棱镜78上。该光混合棱镜78混合入射的红光、绿光和蓝光并从输出表面78T输出混合光。
投影透镜79将来自光混合棱镜78的出射面78T的混合光放大投射到屏幕上。
注意到，在上述实施例中，液晶补偿元件60被设置在液晶显示装置3和出射侧偏振片61之间，作为示例，因为置于液晶显示装置3和光学补偿元件60之间的诸如透镜等光学元件(若存在的话)将限制光学补偿元件60对通过液晶显示装置3的光的光学补偿作用。
以下将描述根据上述功能构造的液晶投影仪1：
从光源51发出的光被引导至第一和第二微透镜阵列52和53，在此光的强度均匀分布并且其偏振方向受PS合成树脂54的控制，并且光随后被引导至会聚透镜55。光被会聚透镜55会聚，其红色分量被第一分色镜56反射并被引至折转反射镜57。其他颜色的光，即绿色和蓝色分量光，被允许通过第一分色镜56并被引导至第二分色镜65。
引至折转反射镜57的红光的行进方向被旋转90度，并被引至仅允许沿预定方向偏振的红光分量通过的第一入射侧偏振片59R，并且通过第一入射侧偏振片59R的红光被引导至液晶显示装置3R。由此被引导至液晶显示装置3R的红光被微透镜阵列被会聚到液晶显示装置3R中的每个像素，这将在下文中予以说明，并且根据对应红色图像信息的图像信号被空间调制。另外，红光进一步受到光学补偿元件60R的相位校正，并且红光中沿垂直于第一入射侧偏振片59R的方向偏振的分量通过第一出射侧偏振片61R并入射在光混合棱镜78上。
另一方面，被引导至第二分色镜65的绿光和蓝光被第二分色镜65反射并被引导至第二场透镜58G，并且被引导至第二分色镜65的蓝光通过分色镜并被引导至折转反射镜66。
被引导至仅允许绿光中沿预定方向偏振的分量通过的第一入射侧偏振片59G的绿光，并且通过第一入射侧偏振片59G的绿光被引导至液晶显示装置3G。由此被引导至液晶显示装置3G的绿光被微透镜阵列会聚到液晶显示装置3G中的每个像素上，这将在下文中予以说明，并且根据对应绿色图像信息的图像信号被空间调制。另外，绿光进一步受到光学补偿元件60G的相位校正，并且绿光中沿垂直于第二入射侧偏振片59G的方向偏振的分量通过第二出射侧偏振片61G并入射在光混合棱镜78上。
另一方面，被引导至折转反射镜66的蓝光被该反射镜反射并被引导至延迟透镜67，该延迟透镜进一步将蓝光引导至折转反射镜68。蓝光被折转反射镜68反射并因此被引导至第三场透镜58B。被引导至第三场透镜58B的蓝光中仅沿预定方向偏振的分量通过第三入射侧偏振片59B并被引导至液晶显示装置3B。由此被引导至液晶显示装置3B的蓝光被微透镜阵列被会聚到液晶显示装置3B中的每个像素上，这将在下文中予以说明，并且根据对应蓝色图像信息的图像信号被空间调制。蓝光中仅沿着垂直于第三入射侧偏振片59B的方向偏振的分量通过第三出射侧偏振片61B并入射在光混合棱镜78上。
从光混合棱镜78相应表面入射的红光、绿光和蓝光被光混合棱镜混合，并且混合光从出射表面78T朝投影透镜79行进并被投影透镜79以放大的尺寸投射在屏幕上。
以下参照图4进一步详细说明上述液晶显示装置3。
液晶显示装置3包括：玻璃基板12，光L2沿着图4中箭头A的方向从入射侧偏振片59入射到玻璃基板12上；由二维设置在玻璃基板12上的多个微透镜21所形成的微透镜阵列11；覆盖微透镜阵列11会聚侧面的玻璃盖板13；其上形成有多个像素电极的像素基板34；以及置于像素基板34和玻璃盖板13之间的液晶层35。液晶显示器进一步包括分别覆盖玻璃基板12的入射侧面以及像素基板34的会聚侧面的防灰尘玻璃29。
在像素基板34的入射侧面上，形成有从底部到顶部规则设置的蓝(B)光、红(R)和绿(G)光像素电极37，以及由用作根据图像信号为每个像素电极施加电压的开关元件的TFT等(未示出)形成的黑色矩阵38。每个TFT具有例如由多晶硅或非晶硅形成的栅极、漏极和源极(未示出)。栅极与垂直于图4的图面延伸的地址线相连，源极与垂直于图4平面延伸的数据线相连，而漏极与每个像素电极37相连。当选择性地为被地址线和数据线选定的像素电极施加图像信号电压时，像素电极37和玻璃基板12之间的液晶层35中的液晶分子的配向发生改变，从而改变了通过该液晶分子的光的偏振方向。具体地，像素基板34可与柔性布线板(未示出)相连，以便更容易地施加图像信号电压。
如图5所示，每个像素电极37由与微透镜21的间距P大小相同的像素形成。即，通过为每个像素电极的一个像素设置一个微透镜21，能够使应该不通过黑色矩阵38的光因为被黑色矩阵反射而偏振，故能够提高透射率。
液晶层35为基板(未示出)之间填充有液晶分子的透射板。液晶层35根据从外部施加的对应将要显示的图像信息的图像信号改变液晶分子的状态，并空间调制微透镜21所会聚的光以使其通过液晶层35。通过液晶层35的光将通过像素基板34和防灰尘玻璃29并出射到外部。
例如，利用选择离子扩散方法将微透镜阵列11形成为折射率渐变透镜。共同形成微透镜阵列11的每个微透镜21通常被形成为半圆柱形透镜，其轴垂直于图面延伸，但所述微透镜也可以是普通的球面透镜、曲面透镜或非球面透镜。
可按照图6A、6B、6C和6D中所示形成液晶显示装置3中包括从形成有微透镜阵列11的玻璃基板12到玻璃盖板13的部分。
也就是，玻璃基板12和玻璃盖板13可由玻璃制成，而微透镜阵列11可由树脂制成，如图6A所示。同样，玻璃盖板13可由玻璃制成，微透镜阵列11可由树脂制成，而玻璃基板12可由树脂层91和玻璃层92所替代，如图6B所示。并且，玻璃盖板13和微透镜阵列11的集合体可由玻璃制成，而玻璃基板12可由树脂层91和玻璃层92所替代，如图6C所示。同样，微透镜阵列11可由所谓的菲涅耳透镜、折射率渐变透镜(grin lens)等形成，而玻璃基板12可由树脂层91和玻璃层92所替代，如图6D所示。
注意到，根据具体情况，在玻璃盖板13的表面上形成与液晶层35接触的铝(Al)或铬(Cr)遮光膜。在遮光膜(未示出)上可形成透明的薄导电膜。
防灰尘玻璃29使液晶显示装置3表面上的灰尘散开。防灰尘玻璃29由光透射率高的材料(如石英)制成，并在其接触空气的表面上涂覆AR。
接着，说明根据上述构造的液晶显示装置3上形成的图像的对比度所依赖的因素。
这些因素中的第一个就是液晶的视角。光的偏振取决于与液晶层35中填充的液晶分子的配向相关的光入射角。因为在施加电压时液晶分子被保持在基板(未示出)之间且理想地不对齐，入射在液晶层35上的光沿着光轴方向通过液晶分子并在从液晶分子出射之前被线性偏振。可是，当具有极限角的光倾斜入射在液晶层35上时，该光由于液晶的双折射而被椭圆偏振，故仅能输出部分应当输出的光，进而降低了图像对比度。
第二个因素是所谓的通过畴(domain)的光泄漏。图4中所示的透射型液晶显示装置3主要由所谓的“1H反向驱动方法”所驱动。1H反向驱动是指在像素基板34入射侧表面上从底部到顶部于间隔的阵列中写入像素。因为极性彼此相反的电压被施加给像素电极37上相互垂直邻近的像素，故在相邻像素之间产生电场，使得电场附近的液晶分子未对准。未对准的液晶分子被称作“畴”。通过畴的光被椭圆偏振，而这是引起图像对比度显著下降的因素。
图7示出了液晶层中液晶分子的配向对畴的依赖性的模拟结果。在该模拟中，基于像素电极34a已经被施加有+5V电压而像素电极34b已经被施加有-5V电压并且与这些像素电极34相对的相对电极41被施加以+7.5V电压的假定，进行计算，此时液晶层35置于像素电极34和相对电极41之间。
如图7所示，透射光的强度St表示当具有0度极限角的光入射在置于入射侧偏振片59和出射侧偏振片61之间的液晶层3上时，通过出射侧偏振片61的光强。因为通过未对准液晶分子的光包含椭圆偏振分量，故其能通过出射侧偏振片(未示出)。因此，通过已经发生畴的区域的光的强度St较大。图8示出了沿图7中箭头B观看畴是如何产生的二维示意图。如图所示，畴39发生在黑色矩阵38上及其附近。畴39根据摩擦方向等形成在不同的位置。畴根据像素电极34的大小形成在像素开口区域44的附近。应当注意到，在该模拟中，像素间距P1为16μm并且像素开口区域44与一个像素的面积比(以下称作“TFT开口率”)为60％。如图6所示，畴发生在距离像素端部大约3.5μm的范围W1内。
在液晶视角和通过畴的光泄漏这两个降低图像对比度的因素中，能够改善前者，因为通过设置光学补偿元件60能够补偿液晶层的相位差。因此，可以知晓对于在本实施例中，倘若液晶层3设置在其中配有光学补偿元件60的液晶投影仪1中，那么通过畴的光泄漏就是决定低图像对比度的因素。因此，倘若液晶投影仪1具有光学补偿元件60和设置在其中的液晶层3，那么可通过微透镜设计值的优化减少入射在畴上的光来进一步改善对比度。
根据本实施例，基于将在设有光学补偿元件60的液晶投影仪1中设置微透镜阵列的假设，微透镜阵列11等的形状按照下述进行优化，以便改善对比度。
在设计微透镜21的过程中，通常必须主要确定两个参数，即焦距f和表面覆盖层厚度Ts。表面覆盖层厚度Ts是在微透镜21的主表面H和玻璃盖板13的会聚侧表面13a之间所测量的厚度。具体地，主表面H对应微透镜的顶点，如图9所示。
由以下等式(1)给出焦距f：
f＝r/Δn (1)
其中，r为透镜表面的曲率半径，Δn为微透镜阵列11和玻璃基板12之间的折射率差。
通过确定上述两个参数，即焦距和表面覆盖层厚度Ts，能够自由地控制通过微透镜阵列11的光L的角度和光束强度。
关于本实施例的微透镜阵列11，根据以下方式确定这些参数：
首先，按照图7和8所示，模拟液晶层35中畴的产生。
接着，通过在包括液晶层35的液晶投影仪1的光学系统中进行光追踪模拟，确定像素开口区域44中的光强分布。即，根据光追踪的结果优化微透镜阵列11中包含的微透镜21的设计值，从而没有光进入根据畴发生模拟所确定的区域W1(在图8所示的实例中，距离像素端部大约3.5μm的范围)。
图10利用以下等式(2)中以0.25间距设置的点X和Y所形成的矩阵，示出了在像素间距PP1(微透镜的间距)为16μm并且畴发生的区域离像素端部为3.5μm的情况下，微透镜21的焦距与表面覆盖层厚度Ts的光追踪模拟结果：
X＝Ts/P Y＝f/P (2)
在图10所示的X-Y坐标系中，每个小的白色圆点表示符合没有光入射在畴发生区域上的要求的点，而每个小的黑色原点表示不符合所述要求的点。对于上述优化的结果，在坐标(X，Y)处于X-Y坐标系中以下点组所围绕的区域内的情况下，满足所述要求并由此没有光入射在畴发生的区域上：
(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)。
应当知晓，在上述条件下设计的微透镜21所形成的微透镜阵列11的焦距比前面提及的1996年日本专利公开No.86901中披露的微透镜阵列的设计值短。通常，焦距越短，微透镜将整形光束使其具有更细的束腰，进而改善图像对比度。
同样，像素间距P越小，畴的影响就变得越大。因此，本发明的效果就越大。像素间距P越小，畴发生的区域比例就变得越大，根据光追踪模拟结果的证明，像素间距P小于14μm时，上述情况将变得更明显。应当注意到，当畴发生的区域离像素端部的距离k在像素间距P的1/3至1/5范围内时，本发明更有效。
因为根据前述等式(2)优化微透镜21的焦距f和表面覆盖层厚度Ts，根据本发明实施例的微透镜阵列11能够减少入射在畴上的光并进而限制图像对比度由于通过畴的光泄漏而引起的下降。
特别地，通过按照本实施例在配有光学补偿元件60的液晶投影仪1中设置微透镜阵列11，能够限制对比度关于液晶视角的降低以及由于通过畴的光泄漏所引起的对比度的降低，并由此提供高对比度、清晰的图像。
在主要用于会议等显示的投影仪中，至今为止主要考虑的事项是图像亮度而非图像对比度。另一方面，在用于观看电影的投影仪中，一直强烈要求提高清晰图像的对比度以及图像亮度。根据本发明，能够实现高亮度和高对比度。例如，根据本发明的液晶投影仪1能够用于观看电影，甚至是在明亮的房间内，并由此分别用作家用投影仪。
具体地，微透镜21的焦距f可通过利用诸如蚀刻的技术改变曲率半径或通过改变微透镜21和玻璃基板12之间的折射率差来调节。本发明可采用这些调节焦距f的技术中的任一种。微透镜21的透镜表面旋转对称并由基于三维坐标系(x，y，z)的以下等式(3)所确定，其中z表示平行于光轴的平面：
