JP7491851B2 - 表示素子及び投射型表示装置 - Google Patents

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Description

本技術は、入射する光を変調して画像を表示する表示素子及び投射型表示装置に関する。
従来、液晶等により光を変調して画像を表示する表示素子が広く用いられている。このような表示素子は、プロジェクタやディスプレイ等に搭載される。例えば液晶を用いた表示素子には、液晶を制御するスイッチング素子や配線等が設けられ、液晶を通過する光の強度が画素ごとに変調される。
また表示素子には、スイッチング素子や配線等を遮光する遮光部が設けられる。この遮光部により表示素子に入射する光の一部が遮断される場合がある。このため、マイクロレンズ等を用いて光の利用効率の低下を抑制する方法が考案されている。
例えば特許文献１には、マイクロレンズアレイ基板を備えた液晶装置について記載されている。マイクロレンズアレイ基板は、入射する光を２段階で屈折する第１及び第２のマイクロレンズを備える。各マイクロレンズを通過した光は、液晶層を通過し遮光層を避けて画素の中央に集光される。また第２のマイクロレンズの周辺部の曲率は中央部に比べ大きく設定される。これにより、各マイクロレンズの間の距離が小さくなり、それまで利用されていなかった斜め光を利用することが可能となっている（特許文献１の明細書段落［００４５］［００６９］［００７４］［００９２］図３、５等）。
特開２０１８－７２７５７号公報
このように、表示素子に入射する光を効率的に利用して画像の輝度を高める技術が開発されている。近年では、プロジェクタやディスプレイ等の高輝度化に加え画質の向上が期待されており、明るく高品質な画像表示を実現することが可能な技術が求められている。
以上のような事情に鑑み、本技術の目的は、明るく高品質な画像表示を実現することが可能な表示素子及び投射型表示装置を提供することにある。
上記目的を達成するため、本技術の一形態に係る表示素子は、光学制御層と、レンズ層とを具備する。
前記光学制御層は、入射する光を画素ごとに変調する。
前記レンズ層は、入射面と、前記画素ごとに配置された複数の屈折レンズと、前記複数の屈折レンズと対向して前記画素ごとに配置された複数の回折レンズとを有し、前記入射面から入射して前記屈折レンズ及び前記回折レンズを通過した光を前記光学制御層に出射する。
この表示素子では、光学制御層に入射する光が画素ごとに変調される。光学制御層には、レンズ層の入射面に入射して、画素ごとに配置された屈折レンズ及び回折レンズを通過した光が出射される。このように光の屈折と回折とを組み合わせることで、光の波長に依存した収差等が抑制される。この結果、光学制御層に入射する光の光路を波長に係りなく制御することが可能となり、明るく高品質な画像表示を実現することが可能となる。
前記レンズ層は、前記複数の屈折レンズが２次元的に配置された屈折レンズアレイと、前記複数の回折レンズが２次元的に配置された回折レンズアレイとを有してもよい。
前記レンズ層は、前記入射面とは反対側の出射面とを有してもよい。この場合、前記屈折レンズアレイ及び前記回折レンズアレイは、いずれか一方が前記入射面側に配置され、他方が前記出射面側に配置されてもよい。
前記光学制御層は、入射する光を変調する液晶層と、前記液晶層に接合され前記画素ごとに前記液晶層による光の変調を制御する制御基板とを有してもよい。この場合、前記レンズ層は、前記液晶層及び前記制御基板のいずれか一方に対向して配置されてもよい。
前記制御基板は、各々が前記画素となる複数の開口部が形成された遮光部を有してもよい。この場合、前記屈折レンズ及び前記回折レンズは、前記入射面に入射する光を集めて前記開口部を通過させてもよい。
前記屈折レンズ及び前記回折レンズは、前記入射面に入射する光の光路を平行化して前記開口部に出射してもよい。
前記レンズ層は、第１の開口部に対応して配置された第１の回折レンズと、前記第１の開口部と隣り合う第２の開口部に対応して配置された第２の回折レンズとを有し、前記第１及び前記第２の回折レンズの境界部分に入射する光を前記第１の開口部または前記第２の開口部の少なくとも一方に向けて出射してもよい。
前記制御基板は、前記画素ごとに前記液晶層を制御する制御素子を有してもよい。この場合、前記遮光部は、前記制御素子を遮光してもよい。
前記回折レンズは、高屈折率層と、前記高屈折率層よりも屈折率の低い低屈折率層とを有してもよい。
前記回折レンズは、前記高屈折率層及び前記低屈折率層が前記入射面と平行な面方向に交互に配置された回折パターンを有してもよい。
前記回折パターンは、前記入射面から見て、パターンの中心となる中心領域と、中心領域の周りに同心状に配置された複数の帯状領域とを有してもよい。
前記中心領域は、前記入射面から見て、前記開口部の中心に対して偏心して配置されてもよい。
前記中心領域は、円形、楕円形、多角形、または角丸の多角形のいずれか１つであってもよい。
前記回折レンズは、前記高屈折率層に前記低屈折率層が埋め込まれて形成される、または前記低屈折率層に前記高屈折率層が埋め込まれて形成されてもよい。
前記回折レンズは、前記高屈折率層及び前記低屈折率層の接合部に形成されてもよい。
前記回折レンズは、前記高屈折率層及び前記低屈折率層の厚さの割合が前記入射面に平行な面方向に沿って階段状に変化する厚さ変化領域を含んでもよい。
前記表示素子は、さらに、前記光学制御層を挟んで前記レンズ層とは反対側に配置され、前記光学制御層から出射された光の光路を制御するマイクロレンズアレイを具備してもよい。
前記マイクロレンズアレイは、前記光学制御層から出射された光の光路を平行化してもよい。
本技術の一形態に係る投射型表示装置は、光源と、表示素子と、投射光学系とを具備する。
前記表示素子は、入射する光を画素ごとに変調する光学制御層と、前記光源から出射された光が入射する入射面と、前記画素ごとに配置された複数の屈折レンズと、前記複数の屈折レンズと対向して前記画素ごとに配置された複数の回折レンズとを有し、前記入射面から入射して前記屈折レンズ及び前記回折レンズを通過した光を前記光学制御層に出射するレンズ層とを有する。
前記投射光学系は、前記画素ごとに変調された光に基づいて画像を投射する。
本技術の第１の実施形態に係る画像表示装置の構成例を示す概略図である。 液晶ライトバルブの構成例を示す模式図である。 液晶ライトバルブの構成例を模式的に示す断面図である。 屈折レンズ及び回折レンズの特性を説明するための模式図である。 液晶ライトバルブに入射する光の光路の一例を示す模式図である。 液晶ライトバルブに入射する光の光路の他の一例を示す模式図である。 回折レンズの配置パターンの一例を示す模式図である。 回折レンズの構成例を模式的に示す断面図である。 回折レンズの構成例を模式的に示す断面図である。 回折レンズの回折パターンの一例を示す模式図である。 回折レンズの他の構成例を模式的に示す断面図である。 液晶ライトバルブの他の構成例を模式的に示す断面図である。 比較例として挙げる液晶ライトバルブに入射する光の光路の一例を示す模式図である。 第２の実施形態に係る液晶ライトバルブに入射する光の光路の一例を示す模式図である。 比較例として挙げる液晶ライトバルブに入射する光の光路の一例を示す模式図である。 第３の実施形態に係る液晶ライトバルブに入射する光の光路の一例を示す模式図である。 他の実施形態に係る表示装置の一例を示す模式図である。 他の実施形態に係る表示装置の一例を示す模式図である。 他の実施形態に係る表示装置の一例を示す模式図である。 他の実施形態に係る表示装置の一例を示す模式図である。
以下、本技術に係る実施形態を、図面を参照しながら説明する。
＜第１の実施形態＞
［画像表示装置］
図１は、本技術の第１の実施形態に係る画像表示装置の構成例を示す概略図である。画像表示装置５００は、例えばプレゼンテーション用、もしくはデジタルシネマ用のプロジェクタとして用いられる。その他の用途に用いられる画像表示装置にも、以下に説明する本技術は適用可能である。本実施形態では、画像表示装置５００は、投射型表示装置に相当する。
画像表示装置５００は、光源装置５１０と、画像生成システム５１１と、投射システム５１２とを有する。
光源装置５１０は、白色光Ｗ１を画像生成システム５１１に出射する。光源装置５１０としては、例えばレーザダイオードや発光ダイオード等の固体光源が用いられる。また水銀ランプ等を用いて光源装置が構成されてもよい。本実施形態では、光源装置５１０は、光源に相当する。
画像生成システム５１１は、光源装置５１０から出射された白色光Ｗ１をもとに、画像を生成する。画像生成システム５１１は、光学フィルタ５２０と、インテグレータ光学系５２１と、照明光学系５２２と、液晶ライトバルブ１００とを有する。
光学フィルタ５２０は、誘電体多層膜を有する誘電体多層膜フィルタであり、波長選択フィルタとして機能する。光学フィルタ５２０により、光源装置５１０から出射された白色光Ｗ１がフィルタリングされ、白色光Ｗ１のスペクトル（波長特性）が調整される。フィルタリングされた白色光Ｗ２は、インテグレータ光学系５２１に出射される。なお誘電体多層膜の具体的な材料は限定されず、例えば酸化チタンや酸化シリコン等、所望のフィルタ特性が発揮されるように適宜材料が選択されてよい。
インテグレータ光学系５２１は、インテグレータ素子５２３と、偏光変換素子５２４と、集光レンズ５２５とを有する。
インテグレータ素子５２３は、二次元に配列された複数のマイクロレンズを有する第１のフライアイレンズ５２６と、その複数のマイクロレンズに一つずつ対応するように配列された複数のマイクロレンズを有する第２のフライアイレンズ５２７とを含んでいる。
インテグレータ素子５２３に入射した白色光Ｗ２は、第１のフライアイレンズ５２６のマイクロレンズによって複数の光束に分割され、第２のフライアイレンズ５２７に設けられた対応するマイクロレンズにそれぞれ結像される。第２のフライアイレンズ５２７のマイクロレンズのそれぞれが二次光源として機能し、輝度が揃った複数の平行光を、後段の偏光変換素子５２４に出射する。
偏光変換素子５２４は、インテグレータ素子５２３を介して入射する入射光の、偏光状態を揃える機能を有する。偏光変換素子５２４を通った光は、集光レンズ５２５を介して照明光学系５２２に出射される。
インテグレータ光学系５２１は、全体として、光学フィルタ５２０から照明光学系５２２へ向かう白色光Ｗ２を均一な輝度分布に整え、偏光状態の揃った光に調整する機能を有する。インテグレータ光学系５２１の具体的な構成は限定されない。
照明光学系５２２は、ダイクロイックミラー５３０及び５３１、ミラー５３２、５３３及び５３４、フィールドレンズ５４０Ｒ、５４０Ｇ及び５４０Ｂ、リレーレンズ５４１及び５４２、各色光を変調する液晶ライトバルブ１００（液晶ライトバルブ１００Ｒ、１００Ｇ、１００Ｂ）、及びダイクロイックプリズム５４３を含んでいる。
ダイクロイックミラー５３０及び５３１は、所定の波長域の色光を選択的に反射し、それ以外の波長域の光を透過させる性質を有する。ダイクロイックミラー５３０は、白色光Ｗ２に含まれる緑色光Ｇ１及び青色光Ｂ１を選択的に反射し、白色光Ｗ２に含まれる赤色光Ｒ１を透過させる。ダイクロイックミラー５３１は、ダイクロイックミラー５３０により反射された緑色光Ｇ１を選択的に反射し、青色光Ｂ１を透過させる。これにより異なる色光は、それぞれ異なる光路に分離される。なおＲＧＢの各色光を分離するための構成や、用いられるデバイス等は限定されない。
分離された赤色光Ｒ１は、ミラー５３２により反射され、フィールドレンズ５４０Ｒにより平行化された後、赤色光の変調用の液晶ライトバルブ１００Ｒに入射する。緑色光Ｇ１は、フィールドレンズ５４０Ｇにより平行化された後、緑色光の変調用の液晶ライトバルブ１００Ｇに入射する。青色光Ｂ１はリレーレンズ５４１を通ってミラー５３３によって反射され、さらにリレーレンズ５４２を通ってミラー５３４によって反射される。ミラー５３４により反射された青色光Ｂ１は、フィールドレンズ５４０Ｂにより平行化された後、青色光の変調用の液晶ライトバルブ１００Ｂに入射する。
液晶ライトバルブ１００Ｒ、１００Ｇ及び１００Ｂは、透過型の液晶表示素子であり、画像情報を含んだ画像信号を供給する図示しない信号源（例えばＰＣ等）と電気的に接続されている。例えば、液晶ライトバルブ１００は、互いにクロスニコルとなる一対の偏光板の間に配置される。液晶ライトバルブ１００は、透過する光の偏光方向を適宜回転させることで、各偏光板を通過する光の光量を画素ごとに変調することが可能である。なお予め偏光した光が入射するような構成では、入射側の偏光板は設けられなくてもよい。
液晶ライトバルブ１００Ｒ、１００Ｇ及び１００Ｂは、供給される各色の画像信号に基づき、入射光を画素毎に変調し、それぞれ赤色画像、緑色画像及び青色画像を生成する。本実施形態では、液晶ライトバルブ１００（１００Ｒ、１００Ｇ、１００Ｂ）は、表示素子に相当する。液晶ライトバルブ１００については、後に詳しく説明する。
各液晶ライトバルブ１００により変調された各色の光（形成された画像）は、ダイクロイックプリズム５４３に入射して合成される。ダイクロイックプリズム５４３は、３つの方向から入射した各色の光を重ね合わせて合成し、投射システム５１２に向けて出射する。
投射システム５１２は、液晶ライトバルブ１００により生成された画像を投射する。投射システム５１２は、複数のレンズ５４５等を有し、ダイクロイックプリズム５４３によって合成された光を図示しないスクリーン等に投射する。このように、投射システム５１２は、液晶ライトバルブ１００により画素ごとに変調された光に基づいて画像を投射する。これによりフルカラーの画像が表示される。投射システム５１２の具体的な構成は限定されない。本実施形態では、投射システムは、投射光学系に相当する。
［液晶ライトバルブ］
図２は、液晶ライトバルブ１００の構成例を示す模式図である。液晶ライトバルブ１００は、例えばモジュールとして構成され、画像表示装置５００に組み込まれる。図２には、光が入射する入射側から見た液晶ライトバルブ１００の平面図が模式的に図示されている。液晶ライトバルブ１００は、パッケージ１０と、表示領域１１と、駆動回路１２と、外部配線１３とを有する。
パッケージ１０は、液晶ライトバルブ１００の本体を格納するための筐体である。パッケージ１０の入射側及び出射側には、液晶ライトバルブ１００の本体を露出させるための窓が設けられる。パッケージ１０を設けることで、液晶ライトバルブ１００を容易にモジュール化することが可能となる。
表示領域１１は、液晶ライトバルブ１００において実質的に表示に寄与する領域である。表示領域１１は、液晶ライトバルブ１００の入射側に設けられた第１の面１４と出射側に設けられた第２の面１５とを有する。すなわち表示領域１１は、第１の面１４及び第２の面１５に挟まれた領域であるとも言える。第１の面１４（第２の面１５）は、典型的には、所定のアスペクト比に設定された長方形である。上記したパッケージ１０の窓は、第１の面１４（第２の面１５）と重なるように形成される。
以下では、第１の面１４の長手方向（図中の左右方向）に平行な方向をＸ方向と記載し、第１の面１４の短手方向（図中の上下方向）に平行な方向をＹ方向と記載する。またＸＹ平面に垂直な方向をＺ方向と記載する。
図２に示すように、表示領域１１には、複数の画素１６がＸ方向及びＹ方向に沿って格子状に配置される。これら複数の画素１６は、後述するように複数の開口部２８により形成される。また表示領域１１には、Ｙ方向に延在する複数のデータ線及びＸ方向に延在する複数の走査線（ともに図示省略）が配置される。これらデータ線及び走査線の交点に対応して、各画素１６がそれぞれ配置される。また表示領域１１には、各走査線と平行に複数の容量線（図示省略）が配置される。
例えば表示領域１１の第１の面１４に入射した光は、各画素１６ごとに変調され、第２の面１５から出射される。表示領域１１（第１の面１４及び第２の面１５）の形状やサイズ、画素数（画像の解像度）等は限定されない。
駆動回路１２は、画素１６ごとに設けられた制御素子２３（図３参照）を駆動するための信号を生成する。駆動回路１２は、例えば表示領域１１の外側となるように液晶ライトバルブ１００の本体に形成される。また駆動回路１２の配線が延長されることで、図示しない外部接続端子が形成される。外部接続端子には、フレキシブルプリント配線基板等の外部配線１３が接続される。この外部配線１３により、液晶ライトバルブ１００の本体と信号源とが電気的に接続される。
駆動回路１２は、走査線駆動回路１２ａとデータ線駆動回路１２ｂとを有する。データ線駆動回路１２ｂは、信号源から供給される輝度情報に応じた画像信号の信号電圧を、信号線を介して選択された、画素ごとに設けられた制御素子２３に供給する。走査線駆動回路１２ａは、入力されるクロックパルスに同期してスタートパルスを順にシフト（転送）するシフトレジスタなどによって構成されている。走査線駆動回路１２ａは、各画素１６への画像信号の書き込みに際して行単位でそれらを走査し、各走査線に走査信号を順次供給する。
図３は、液晶ライトバルブ１００の構成例を模式的に示す断面図である。図３には、図２に示すＡＡ'線に沿った液晶ライトバルブ１００における表示領域１１の断面の一部が模式的に図示されている。液晶ライトバルブ１００は、さらに、制御基板２０と、対向基板３０と、制御基板２０及び対向基板３０に挟まれた液晶層４０とを有する。本実施形態では、液晶ライトバルブ１００の入射側に対向基板３０が配置され、出射側に制御基板２０が配置される。
制御基板２０は、液晶層４０に接合され画素１６ごとに液晶層４０による光の変調を制御する。制御基板２０は、透明基板２１と、回路層２２と、制御素子２３と、遮光部２４と、画素電極２５と、配向膜２６とを有する。
透明基板２１は、例えば石英やガラス等の透明性を有する基板である。透明基板２１の一方の面は、上記した表示領域１１の出射側（第２の面１５）となる。また透明基板２１の第２の面１５とは反対側には、回路層２２が形成される。
回路層２２は、制御素子２３及び遮光部２４を含む層である。例えば制御素子２３や遮光部２４を形成する過程で積層される透明な絶縁膜（ＳｉＯＸ膜やアモルファスＳｉ膜）等により回路層２２が構成される。図３には、平坦化された回路層２２が模式的に図示されているが、これに限定されず、制御素子２３や遮光部２４の形状に応じて厚み方向（Ｚ方向）に凹凸のある回路層２２等が構成されてもよい。
制御素子２３は、画素１６ごとに液晶層４０を制御する素子である。具体的には、制御素子２３は、走査線及びデータ線に入力される信号に基づいて、後述する画素電極２５に印加する電圧を制御する。制御素子２３としては、典型的には薄膜トランジスタ（ＴＦＴ２７：Thin Film Transistor）が用いられる。ＴＦＴ２７は、スイッチング素子として機能する。
ＴＦＴ２７は、図示を省略したソース端子、ドレイン端子、及びゲート端子を有する。ソース端子はデータ線に接続され、ドレイン端子は後述する画素電極２５に接続され、ゲート端子は走査線に接続される。またドレイン端子（画素電極２５）と容量線との間には、キャパシタ（図示省略）が接続される。
例えばソース端子には輝度情報に応じた信号電圧（画像信号）が供給される。またゲート端子には走査信号が供給され、ＴＦＴ２７は一定期間だけＯＮ状態となる。これにより、画素電極２５には、ドレイン端子を介して信号電圧が印加される。この信号電圧は、キャパシタにより一定期間保持される。画素電極２５に信号電圧を印加することで、画素１６に対応する液晶の配向状態が変化する。これにより、液晶層４０を通過する光を変調することが可能となる。
遮光部２４は、制御素子２３であるＴＦＴ２７を遮光する。遮光部２４は、例えばＡｌやＡｕ等の金属や他の金属化合物等を用いて形成される。また上記したデータ線、走査線、容量線等を利用して遮光部２４が形成されてもよい。この他、入射する光を遮断する任意の材料が用いられてよい。
遮光部２４は、ＴＦＴ２７の入射側に設けられた入射側遮光層２４ａと、ＴＦＴ２７の出射側に設けられた出射側遮光層２４ｂとを有する。入射側遮光層２４ａ及び出射側遮光層２４ｂは、Ｚ方向から見てＴＦＴ２７と重なるように形成される。また入射側遮光層２４ａ及び出射側遮光層２４ｂは、キャパシタや他の配線等を遮光するように構成されてもよい。
入射側遮光層２４ａ及び出射側遮光層２４ｂを設けることで、ＴＦＴ２７や配線等に対して入射側及び出射側からの光入射を遮ることが可能となる。これにより、ＴＦＴ２７や配線等に光が入射することで生じる誤作動等に伴う画質の低下を抑制することが可能となる。
また遮光部２４には、各々が画素１６となる複数の開口部２８が形成される。開口部２８は、遮光部２４に設けられた窓であり、入射する光を遮ることなく通過させることが可能な部位である。例えば図３に示すように、入射側遮光層２４ａ及び出射側遮光層２４ｂには、光を通過させる窓がＺ方向から見て重なるようにそれぞれ形成される。これら窓の間の領域が開口部２８となる。なお開口部２８の周りには、上記したＴＦＴ２７等が配置されることになる。
遮光部２４（回路層２２）には、複数の開口部２８がＸＹ平面方向に沿って格子状に形成される。これにより、格子状に配列された複数の画素１６が構成される。開口部２８の形状やサイズ等は限定されない。例えば表示領域１１のサイズや、画素数等に応じて開口部２８の形状やサイズ等が適宜設定されてよい。
画素電極２５は、画素１６（開口部２８）に対応して回路層２２の入射側に配置された透明電極である。画素電極２５は、例えばＺ方向から見て開口部２８を覆うように開口部２８よりも広い範囲に形成される。画素電極２５としては、例えば、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）やＩＺＯ（Indium Zinc Oxide）などの透明導電膜が用いられる。
配向膜２６は、画素電極２５を覆うように回路層２２の入射側に形成される。配向膜２６は、液晶層４０に含まれる液晶を配向させる溝が刻まれた膜である。この溝の方向により、例えば電圧が印加されていない状態での液晶の配向方向が設定される。配向膜２６としては、例えば配向用の溝が形成されたポリイミド樹脂やＳｉＯ2等が用いられる。この他、配向膜２６の具体的な構成は限定されない。
対向基板３０は、透明基板３１と、レンズ層３２と、共通電極３３と、配向膜３４とを有する。透明基板３１は、例えば石英やガラス等の透明性を有する基板である。透明基板３１の一方の面は、上記した表示領域１１の入射側（第１の面１４）となる。また透明基板３１の第１の面１４とは反対側には、透明基板３１を加工してレンズ層３２が形成される。従って透明基板３１は、レンズ層３２の入射側を構成する基板であると言える。
レンズ層３２は、入射面３５と、出射面３６と、屈折レンズアレイ３７と、回折レンズアレイ３８とを有する。入射面３５は、光が入射する面であり、レンズ層３２の入射側に向けられた面である。本実施形態では、透明基板３１の第１の面１４が、レンズ層３２の入射面３５となる。出射面３６は、入射面３５とは反対側の面である。本実施形態では、レンズ層３２は、出射面３６を液晶層４０に向けて、液晶層４０に対向して配置される。
屈折レンズアレイ３７は、複数の屈折レンズ５０が２次元的に配置されたレンズアレイである。具体的には、複数の屈折レンズ５０は、Ｚ方向から見て複数の開口部２８（複数の画素１６）と重なるようにＸＹ平面に沿って格子状に配置される。
図３に示す例では、屈折レンズアレイ３７は、レンズ層３２の入射面３５側に配置される。すなわち、屈折レンズアレイ３７は、透明基板３１の出射側に形成される。例えば、透明基板３１の出射側に凹部を形成し、透明基板３１とは屈折率の異なる透明材料を用いて凹部を埋めることで、屈折レンズ５０が構成される。
屈折レンズ５０を構成する透明材料は限定されない。例えば透明基板３１が、ＳｉＯ2等で構成されている場合には、ＳｉＯＮやＡｌ2Ｏ3等の透明基板３１よりも屈折率の高い透明材料が用いられる。もちろん、透明基板３１よりも屈折率の低い透明材料が用いられてもよい。この他、透明基板３１とは異なる屈折率を有する任意の材料が用いられてよい。
回折レンズアレイ３８は、複数の回折レンズ５１が２次元的に配置されたレンズアレイである。具体的には、複数の回折レンズ５１は、Ｚ方向から見て複数の開口部２８（複数の画素１６）と重なるようにＸＹ平面に沿って格子状に配置される。すなわち、複数の回折レンズ５１は、屈折レンズアレイ３７の複数の屈折レンズ５０と対向して配置されることになる。
図３に示す例では、回折レンズアレイ３８は、レンズ層３２の出射面３６側に配置される。例えば屈折レンズアレイ３７を形成した後に、屈折レンズアレイ３７の出射側が平坦化される。この平坦化された面に、互いに屈折率の異なる材料を用いて所定の回折パターンを形成することで、回折レンズ５１が構成される。
回折レンズ５１を構成する材料等は限定されない。例えば屈折率の異なる材料として、二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）、窒化ケイ素（ＳｉＮ）、金属酸化膜（ＴｉＯ2、Ｎｂ2Ｏ3、Ｔａ2Ｏ5、ＺｒＯ2）等を用いることが可能である。この他、屈折率の異なる任意の材料の組み合わせにより、回折レンズ５１を構成することが可能である。回折レンズ５１の具体的な構成については、後に詳しく説明する。
このようにレンズ層３２は、画素１６ごとに配置された複数の屈折レンズ５０と、複数の屈折レンズ５０と対向して画素１６ごとに配置された複数の回折レンズ５１とを有する。すなわち、レンズ層３２には、１つの画素１６に対応して屈折レンズ５０及び回折レンズ５１からなるマイクロレンズのペアが形成されるとも言える。
共通電極３３は、レンズ層３２の出射面３６を覆うように形成された透明電極である。共通電極３３は、全ての画素１６に共通の電極として機能し、例えばＧＮＤ等に接続される。この共通電極３３と上記した画素電極２５とにより、液晶層４０に対して電圧が印加される。共通電極３３としては、例えば、ＩＴＯやＩＺＯなどの透明導電膜が用いられる。
配向膜３４は、共通電極３３を覆うように共通電極３３の出射側に形成される。配向膜３４には、典型的には液晶層４０を挟んで反対側の配向膜２６に刻まれた溝と直交する方向に液晶を配向させる溝が刻まれる。これにより、電圧が印加されていない状態では、入射する光の偏光方向を９０°回転させることが可能となる。配向膜３４としては、例えば配向用の溝が形成されたポリイミド樹脂やＳｉＯ2等が用いられる。
液晶層４０は、制御基板２０と対向基板３０との間に液晶を充填して形成される。例えば制御基板２０及び対向基板３０が所定の間隔を空けて配置された状態で、各基板が図示しないシール材等を介して接着される。そして制御基板２０、対向基板３０、及びシール材により囲まれた空間に液晶が封入される。液晶層４０を構成する液晶材料の種類等は限定されず、ネマティック液晶やコレスティック液晶等が適宜用いられてよい。
液晶層４０を構成する液晶は、印加される電圧に応じて分子集合の配向や秩序が変化する。これにより、液晶層４０は、入射する光を変調することが可能である。なお、液晶層４０に印加される電圧は、共通電極３３を基準として各画素電極２５により画素１６ごとに制御される。これにより、画素１６ごとに光の強度を変化させた諧調表示が可能となる。
本実施形態では、制御基板２０と、液晶層４０と、対向基板３０に設けられた配向膜３４及び共通電極３３により、入射する光を画素１６ごとに変調する光学制御層４１が構成される。すなわち、液晶ライトバルブ１００は、レンズ層３２と、光学制御層４１とが接合された構成となっているとも言える。
また上記したように、レンズ層３２には、屈折レンズ５０及び回折レンズ５１のペアが画素ごとに配置される。従ってレンズ層３２は、入射面３５から入射して屈折レンズ５０及び回折レンズ５１を通過した光を光学制御層４１に出射する。言い換えれば、光学制御層４１には、屈折及び回折により光路が制御された光が入射する。以下では、屈折レンズ５０及び回折レンズ５１の特性について詳しく説明する。
図４は、屈折レンズ５０及び回折レンズ５１の特性を説明するための模式図である。図４Ａには、光を屈折する屈折レンズ５０に入射した光の光路の一例が模式的に図示されている。また図４Ｂには、光を回折する回折レンズ５１に入射した光の光路の一例が模式的に図示されている。なお屈折レンズ５０及び回折レンズ５１は、ともに正の屈折率を有し、光を集光するように屈折及び回折する。
一般に、光が屈折される場合、光の波長が長波長であるほど、その屈折角は小さくなる。例えば図４Ａに示すように、屈折レンズ５０の光軸Ｏと平行に白色光が入射した場合、白色光に含まれる青色光Ｂ１（実線）、緑色光Ｇ１（点線）、赤色光Ｒ１（一点鎖線）の屈折角は、この順番で小さくなる。この結果、青色光Ｂ１は屈折レンズ５０に最も近い位置で焦点を結び、赤色光Ｒ１は屈折レンズ５０から最も遠い位置で焦点を結ぶ。また緑色光Ｇ１の焦点は、青色光Ｂ１及び赤色光Ｒ１の各焦点の間に形成される。
また光が回折される場合、光の波長が長波長であるほど、その回折角は大きくなる。例えば図４Ｂに示すように、回折レンズ５１の光軸Ｏと平行に白色光が入射した場合、白色光に含まれる青色光Ｂ１（実線）、緑色光Ｇ１（点線）、赤色光Ｒ１（一点鎖線）の回折角は、この順番で大きくなる。この結果、青色光Ｂ１は屈折レンズ５０に最も遠い位置で焦点を結び、赤色光Ｒ１は屈折レンズ５０から最も近い位置で焦点を結ぶ。また緑色光Ｇ１の焦点は、青色光Ｂ１及び赤色光Ｒ１の各焦点の間に形成される。
このように、光を屈折する、あるいは光を回折する場合には、光の波長（色）ごとに光を曲げる曲げ角度（屈折角、あるいは回折角）がずれるために、各色光の焦点位置がずれるといった色収差が生じる。このため、光を屈折する（回折する）レンズのみを用いて光の光路を制御するような構成では、色収差の影響により、光の集光等を適正に行うことができない場合があり得る（図１３参照）。
一方で、図４Ａ及び図４Ｂに示すように、光を屈折する場合と、光を回折する場合とでは、波長に対する曲げ角度のずれは逆の関係となる。従って、このような波長に対する屈折角の違いを利用し、屈折を用いた屈折レンズ５０と回折を用いた回折レンズ５１とを適宜組み合わせることで、波長に依存しない高効率な集光特性を実現することが可能である。
図５は、液晶ライトバルブに入射する光の光路の一例を示す模式図である。図５Ａ～図５Ｃには、液晶ライトバルブ１００に入射した緑色光Ｇ１、赤色光Ｒ１、青色光Ｂ１の各式光の光路の一例が模式的に図示されている。なお、図５Ａ～図５Ｃでは、屈折レンズ５０及び回折レンズ５１以外の界面等で生じる屈折等の図示が省略されている。
本実施形態では、屈折レンズ５０及び回折レンズ５１は、入射面３５に入射する光を集めて開口部を通過させる。すなわち、屈折レンズ５０及び回折レンズ５１は、液晶ライトバルブ１００に入射する光を集光し、遮光部２４等により遮られないよう出射する。これにより、光の利用効率を十分に高めることが可能である。
また本実施形態では、屈折レンズ５０の収差（色収差）が回折レンズ５１により補正されるように、屈折レンズ５０及び回折レンズ５１が構成される。例えば、入射面３５から入射して屈折レンズ５０及び回折レンズ５１を通過した光の焦点位置が、光の波長に寄らず一致するように、屈折レンズ５０及び回折レンズ５１が構成される。なお焦点位置は、例えば開口部２８の中央等に設定される。
屈折レンズ５０及び回折レンズ５１の焦点位置や間隔等は限定されない。例えば入射面３５から入射する光が対応する開口部２８を通過可能となるように、各レンズが適宜構成されてよい。またレンズ層３２には、屈折レンズ５０及び回折レンズ５１の他に、焦点位置等を調整するためのスペース等が適宜設けられてもよい。
図５Ａでは屈折レンズ５０の入射位置Ｐに第１～第３の光路５ａ～５ｃに沿って緑色光Ｇ１が入射する。第１の光路５ａは、屈折レンズ５０の中央から周縁（図中の左側から右側）に向かうように光軸Ｏに対して傾いた光路である。第２の光路５ｂは、光軸Ｏと平行な光路である。第３の光路５ｃは、屈折レンズ５０の周縁から中央（図中の右側から左側）に向かうように光軸Ｏに対して傾いた光路である。
各光路５ａ～５ｂに沿って入射した緑色光Ｇ１は、屈折レンズ５０により屈折された後、回折レンズ５１により回折され、液晶層４０に入射する。液晶層４０を通過した各緑色光Ｇ１は、画素電極２５を介して開口部２８に入射し、そのまま開口部２８を通過する。
図５Ｂでは屈折レンズ５０の入射位置Ｐに図５Ａと同様の第１～第３の光路５ａ～５ｃに沿って赤色光Ｒ１が入射する。各光路５ａ～５ｃに沿って入射した赤色光Ｒ１は、屈折レンズ５０により屈折された後、回折レンズ５１により開口部２８を通過するように回折される。
ここで第１の光路５ａに沿って入射する赤色光Ｒ１に着目する。例えば図５Ｂの白抜きの矢印で示すように、回折レンズ５１での回折角が小さい場合には、第１の光路５ａに沿って入射する赤色光Ｒ１は、開口部２８の右側の遮光部２４（入射側遮光層２４ａ）に入射する可能性がある。この場合、集光効率が低下する可能性がある。実際には、回折レンズ５１は、波長の長い赤色光Ｒ１の光路を十分に大きく曲げることが可能であるため、第１の光路５ａに沿って入射する赤色光Ｒ１も開口部２８を通過することが可能である。
図５Ｃでは屈折レンズ５０の入射位置Ｐに図５Ａと同様の第１～第３の光路５ａ～５ｃに沿って青色光Ｂ１が入射する。各光路５ａ～５ｃに沿って入射した青色光Ｂ１は、屈折レンズ５０により屈折された後、回折レンズ５１により開口部２８を通過するように回折される。
ここで第３の光路５ｃに沿って入射する青色光Ｂ１に着目する。例えば図５Ｃの白抜きの矢印で示すように、回折レンズ５１での回折角が大きい場合には、第３の光路５ｃに沿って入射する青色光Ｂ１は、開口部２８の左側のＴＦＴ２７に入射する可能性がある。この場合、集光効率が低下するとともに、ＴＦＴ２７の誤作動等が発生する可能性がある。実際には、回折レンズ５１は、波長の短い青色光Ｂ１の光路を十分に小さく曲げることが可能であるため、第３の光路５ｃに沿って入射する青色光Ｂ１も開口部２８を通過することが可能である。
このように、光を屈折する屈折レンズ５０と、光を回折する回折レンズ５１とを組み合わせることで、色収差に伴う光利用効率の低下やＴＦＴ２７の誤作動等を十分に抑制することが可能となる。この結果、液晶ライトバルブ１００は、画素１６ごとに変調された明るい光を精度よく出射することが可能となり、明るく高品質な画像表示を実現することが可能となる
なお、図５Ａ～図５Ｃでは、説明を簡単にするため、緑色光Ｇ１、赤色光Ｒ１、青色光Ｂ１の光路を略同様の光路を用いて記載した。実際には、各色光は波長に応じた光路に沿って進行することになる。この場合であっても、光の屈折及び回折を組み合わせて用いることで、各色光の光路のずれ等が補正され、遮光部２４やＴＦＴ２７等に入射する光を十分に低減可能である。
図６は、液晶ライトバルブ１００に入射する光の光路の他の一例を示す模式図である。図６には、互いに隣合う屈折レンズ５０の境界部分に光軸Ｏと平行に光が入射した場合の光路が模式的に図示されている。
以下では、図中の中央に配置される開口部２８を第１の開口部２８ａと記載し、第１の開口部２８ａの右側の開口部２８を第２の開口部２８ｂと記載する。また第１の開口部２８ａに対応して配置された屈折レンズ５０及び回折レンズ５１を第１の屈折レンズ５０ａ及び第１の回折レンズ５１ａと記載する。また第２の開口部２８ｂに対応して配置された屈折レンズ５０及び回折レンズ５１を第２の屈折レンズ５０ｂ及び第２の回折レンズ５１ｂと記載する。
図６では、第１及び第２の屈折レンズ５０ａ及び５０ｂの境界部分に光軸Ｏと平行に光が入射する。各屈折レンズ５０ａ及び５０ｂの境界部分に入射した光は、屈折をほとんど受けることなく直進して、第１及び第２の回折レンズ５１ａ及び５１ｂの境界部分に入射する。
本実施形態では、隣接する回折レンズ５１の境界部分に回折格子が形成される。すなわち、第１及び第２の回折レンズ５１ａ及び５１ｂの境界部分は、回折格子となる。回折格子は、例えば入射する光を分割して第１及び第２の開口部２８ａ及び２８ｂに出射するように構成される。なお回折格子を適宜構成することで、光を分割する割合を設定することや、第１及び第２の開口部２８ａ及び２８ｂのどちらか一方に光を出射させるといったことが可能である。
このように、レンズ層３２では、第１及び第２の回折レンズ５１ａ及び５１ｂの境界部分に入射する光が第１の開口部２８または第２の開口部２８の少なくとも一方に向けて出射される。
例えば、回折格子等が設けられない場合には、屈折レンズ５０の境界部分に入射した光はそのまま直進して遮光部２４により遮られる可能性がある。これに対し、本実施形態では、屈折レンズ５０の境界部分に入射する光であっても、その後に配置される回折レンズ５１の効果によって、光線角度（光路）を変えることが可能である。これにより遮光される光を低減することが可能となり、光利用効率を向上することが可能となる。
図７は、回折レンズ５１の配置パターンの一例を示す模式図である。図７には、入射面３５から見た３×３の格子状に配置された回折レンズ５１（回折レンズアレイ３８）が図示されている。図３を参照して説明したように、回折レンズ５１は、互いに屈折率の異なる材料を用いて構成される。本実施形態では、屈折率の高い高屈折率層５２と、高屈折率層５２よりも屈折率の低い低屈折率層５３とを用いて回折レンズ５１が構成される。
なお、高屈折率層５２は、相対的に屈折率の高い層であり、低屈折率層５３は、相対的に屈折率の低い層である。高屈折率層５２及び低屈折率層５３の一例としては、例えばＳｉＮ（屈折率ｎ＝２．０）及びＳｉＯ2（屈折率ｎ＝１．４６）が挙げられる。もちろんこれに限定されるわけではない。
図７では、屈折レンズ５０の高屈折率層５２がグレーの領域で示されており、低屈折率層５３が白色の領域で示されている。図７に示すように、回折レンズ５１は、光軸Ｏ（Ｚ軸方向）に対して横方向に高屈折率層５２及び低屈折率層５３が交互に配置されて構成される。すなわち、回折レンズ５１は、高屈折率層５２及び低屈折率層５３が入射面３５と平行な面方向（ＸＹ平面方向）に交互に配置された回折パターン５４を有する。
高屈折率層５２と低屈折率層５３とを交互に配列することにより、各層の間に位相差が生じるため、回折レンズ５１を容易に構成することができる。なお、以下で説明するように、各層の間には目的の位相差が発生する配列が成されていれば良いため、高屈折率層５２と低屈折率層５３との位置関係が入れ替わっていてもよい。
図８及び図９は、回折レンズの構成例を模式的に示す断面図である。図８Ａ～図８Ｄ及び図９Ａ～図９Ｄには、図７に示す３×３の回折レンズ５１の配置パターンを斜めに切断するＢＢ'線での断面の例が模式的に図示されている。各図面には、それぞれ３つの画素１６に対応する３つの回折レンズ５１の断面が含まれる。
図８Ａ及び図８Ｂでは、回折レンズ５１は、低屈折率層５３に高屈折率層５２が埋め込まれて形成される。すなわち、回折レンズ５１は、低屈折率層５３の内部に形成された島状の高屈折率層５２により構成される。
図８Ａに示す回折パターン５４では、パターンの中心に高屈折率層５２が形成される。この場合、パターンの中心では、隣接する部分よりも光の位相が遅れるため、入射する光を集光する集光効果を実現することが可能である。
図８Ｂに示す回折パターン５４は、図８Ａに示す回折パターン５４における高屈折率層５２と低屈折率層５３との位置関係を反転させたパターンであり、パターンの中心に低屈折率層５３が形成される。この場合、パターンの中心では、隣接する部分よりも光の位相が進むため、入射する光を発散する発散効果を実現することが可能である。
図８Ｃ及び図８Ｄでは、回折レンズ５１は、高屈折率層５２に低屈折率層５３が埋め込まれて形成される。すなわち、回折レンズ５１は、高屈折率層５２の内部に形成された島状の低屈折率層５３により構成される。
図８Ｃに示す回折パターン５４では、パターンの中心に低屈折率層５３が形成される。この場合、パターンの中心では、隣接する部分よりも光の位相が進むため、入射する光を発散する発散効果を実現することが可能である。
図８Ｄに示す回折パターン５４は、図８Ｃに示す回折パターン５４における高屈折率層５２と低屈折率層５３との位置関係を反転させたパターンであり、パターンの中心に高屈折率層５２が形成される。この場合、パターンの中心では、隣接する部分よりも光の位相が遅れるため、入射する光を集光する集光効果を実現することが可能である。
図９Ａ～図９Ｄでは、回折レンズは、高屈折率層５２及び低屈折率層５３の接合部に形成される。例えば一方の層の表面に回折パターン５４に応じた凹凸を形成し、その凹凸を埋めるように他方の層が形成される。すなわち、回折レンズ５１は、高屈折率層５２及び低屈折率層５３の２層がかみ合った状態により形成されるとも言える。
図９Ａでは、入射側に高屈折率層５２が配置され出射側に低屈折率層５３が配置される。またパターンの中心には高屈折率層５２が形成される。この場合、パターンの中心では、隣接する部分よりも光の位相が遅れるため、入射する光を集光する集光効果を実現することが可能である。
図９Ｂに示す回折パターン５４は、図９Ａに示す回折パターン５４（接合部）における高屈折率層５２と低屈折率層５３との位置関係を反転させたパターンであり、パターンの中心に低屈折率層５３が形成される。この場合、パターンの中心では、隣接する部分よりも光の位相が進むため、入射する光を発散する発散効果を実現することが可能である。
図９Ｃでは、入射側に低屈折率層５３が配置され出射側に高屈折率層５２が配置される。またパターンの中心には高屈折率層５２が形成される。この場合、パターンの中心では、隣接する部分よりも光の位相が遅れるため、入射する光を集光する集光効果を実現することが可能である。
図９Ｄに示す回折パターン５４は、図９Ｃに示す回折パターン５４（接合部）における高屈折率層５２と低屈折率層５３との位置関係を反転させたパターンであり、パターンの中心に低屈折率層５３が形成される。この場合、パターンの中心では、隣接する部分よりも光の位相が進むため、入射する光を発散する発散効果を実現することが可能である。
図１０は、回折レンズ５１の回折パターン５４の一例を示す模式図である。図１０には、入射面３５から見た単一の回折レンズ５１の回折パターン５４ａ～５４ｆが図示されている。各回折パターン５４ａ～５４ｆは、入射面３５から見て、パターンの中心となる中心領域５５と、中心領域５５の周りに同心状に配置された複数の帯状領域５６とを有する。これにより、低屈折率層５３と高屈折率層５２とを光軸Ｏに対して横方向に交互に配列することが可能となる。また光軸Ｏを基準として光を集光または発散する機能等を容易に実現することが可能である。
回折パターン５４ａの中心領域５５は円形である。この円形の中心領域５５は、例えば画素１６（開口部２８）の中心と重なるように配置される。また中心領域５５の周辺には、同心状に配置された円弧状の複数の帯状領域５６が形成される。なお回折パターン５４ａは、図７に示す回折パターン５４と同様のパターンである。このように円形のパターンを用いることで、集光精度を高めることが可能である。
回折パターン５４ｂの中心領域５５楕円形であり、その周りには楕円型の外形を備えた帯状領域５６が形成される。楕円形のパターンを用いることで、例えば細長い領域に光を集光するといったことが可能となる。これにより、開口部２８の形状に合わせて集光効率を高めるといったことが可能となる。
回折パターン５４ｃ及び５４ｄの中心領域５５は、多角形であり、その周りには中心領域５５と相似な外形を備えた帯状領域５６が形成される。回折パターン５４ｃでは四角形の形状が用いられる。これにより例えば四角形状に光を集光する回折レンズ等を構成することが可能となり、輝度むら等を改善することが可能である。回折パターン５４ｄでは、８角形の形状が用いられる。このように、任意の多角形を用いて回折パターン５４を構成可能である。
回折パターン５４ｅの中心領域５５は、角に丸みのある角丸の多角形（四角形）である。このように多角形の角を丸くすることで、例えばエッジでの光の干渉等を抑制することが可能となり、光を精度よく集光するといったことが可能となる。このように、回折パターン５４の形状としては、パネル平面視で円、楕円、多角形、角丸の多角形等が用いられる。もちろん、これに限定されず、任意の形状の回折パターン５４が用いられてよい。
回折パターン５４ｆの中心領域５５は、回折レンズ５１が設けられる範囲の中心からずれて配置される。すなわち中心領域５５は、入射面３５から見て、開口部２８の中心に対して偏心して配置される。図１０に示す例では、回折パターン５４ｆは、円形の中心領域５５がパターンの中心から図中の右側にずれた状態で形成される。従って中心領域５５の右側では高屈折率層５２と低屈折率層５３との間隔が短くなり、左側では各層の間隔が広くなる。
従って回折パターン５４ｆでは、右側に入射する光は、左側に入射する光と比べて大きな回折角度で曲げられる。例えば、表示領域１１の周縁（第１の面１４の周縁）において、入射面３５に入射する光の角度が光軸Ｏからずれるといった場合が考えられる。このような場合であっても、回折パターン５４ｆのように偏心したパターンを用いることで、入射する光を所望の方向に回折することが可能となる。これにより、周縁で輝度が低下するといった事態を十分に回避することが可能となる。
図１１は、回折レンズ５１の他の構成例を模式的に示す断面図である。図１１に示す回折レンズ５１には、回折レンズ５１を構成する高屈折率層５２の厚さと低屈折率層５３の厚さと割合が変化する領域（厚さ変化領域５７）が設けられる。
図１１では、低屈折率層５３に埋め込まれた高屈折率層５２の周縁の厚さが変化する。この場合高屈折率層５２の周縁が厚さ変化領域５７に相当する。例えばパターンの中心（中心領域５５）を形成する高屈折率層５２では、周縁から中心にかけて高屈折率層５２の厚さが階段状に増加し、低屈折率層５３の厚さが階段状に減少する。このように、回折レンズ５１は、高屈折率層５２及び低屈折率層５３の厚さの割合が入射面３５に平行な面方向に沿って階段状に変化する厚さ変化領域５７を含む。
厚さ変化領域５７に設けられる階段形状は、ブレーズド回折格子と呼ばれる。例えば、階段形状を構成する各層の屈折率差により複数の位相差が生まれ、特定の角度方向に効率良く回折させることが可能となる。これにより、所望の方向に光を曲げることが可能となり、集光効率等を向上することが可能である。
図１１に示す例は、高屈折率層５２の厚さが０段から３段までの４レベルの階段形状である。この階段のステップ数が大きくなるほど、特定の角度方向に曲がる効率は高くなる。階段のステップ数等は限定されず、例えば回折レンズ５１は、２つ以上の異なる厚みの高屈折率層と低屈折率層の積み重ねにより構成することが可能である。
なお階段形状は、例えばフォトリソグラフィーの手法等を用いて実現することが可能である。例えば１段目の高屈折率層５２を積層した後に、１段目よりも開口の大きいマスクを用いて２段目の高屈折率層５２のリソグラフィー及び成膜等を行う。このような工程を繰り返すことで、階段形状を容易に形成することが可能である。
図１２は、液晶ライトバルブの他の構成例を模式的に示す断面図である。図１２に示す液晶ライトバルブ１１０では、図３等を参照して説明した液晶ライトバルブ１００と比べて、屈折レンズアレイ３７と回折レンズアレイ３８との配置が入れ替えられている。具体的には、屈折レンズアレイ３７は、レンズ層３２の出射面３６側に配置され、回折レンズアレイ３８は、レンズ層３２の入射面３５側に配置される。
このようにレンズ層３２を構成した場合であっても、回折レンズ５１及び屈折レンズ５０を適宜構成することで、入射面３５に入射する光を集めて開口部２８を通過させることが可能である。また、屈折レンズ５０は、回折レンズ５１による色収差を補正するように構成される。これにより屈折レンズ５０から出射される光の色収差を十分に抑制することが可能となり、開口部２８への集光効率等を十分に向上させることが可能となる。
以上、本実施形態に係る液晶ライトバルブ１００では、光学制御層４１に入射する光が画素１６ごとに変調される。光学制御層４１には、レンズ層３２の入射面３５に入射して、画素１６ごとに配置された屈折レンズ５０及び回折レンズ５１を通過した光が出射される。このように光の屈折と回折とを組み合わせることで、光の波長に依存した収差等が抑制される。この結果、光学制御層４１に入射する光の光路を波長に係りなく制御することが可能となり、明るく高品質な画像表示を実現することが可能となる。
液晶表示素子等において、光の利用効率を高める方法として、屈折を利用した単一のマイクロレンズを設ける方法等が挙げられる。この方法では、マイクロレンズを用いて画素開口に光が集光される。一方で、マイクロレンズが屈折を利用していることから、波長による収差の違いを受ける。そのため、波長によってマイクロレンズから出射される光路等が異なってしまい、遮光層やＴＦＴ等に光が入射してしまうといった可能性がある。
図１３は、比較例として挙げる液晶ライトバルブ１５０に入射する光の光路の一例を示す模式図である。液晶ライトバルブ１５０は、光を屈折するマイクロレンズ１５１が複数配置されたレンズアレイを備える。なお液晶ライトバルブ１５０には、回折レンズ等の回折手段は設けられない。
図１３Ａ～図１３Ｃには、液晶ライトバルブ１５０に入射した緑色光Ｇ１、赤色光Ｒ１、青色光Ｂ１の各式光の光路の一例が模式的に図示されている。また図１３Ａ～図１３Ｃでは、マイクロレンズ１５１の入射位置Ｐに対して３種類の光路に沿って光が入射する。これらの光路は、例えば図５を参照して説明した３つの光路と同様の光路である。
液晶ライトバルブ１５０のように、単一のマイクロレンズ１５１（レンズアレイ）が用いられる構成では、例えば特定の波長において効率が最大となるようにレンズ形状等を最適化される。例えばマイクロレンズ１５１は、緑色光Ｇ１の光路が開口部２８を通過するように最適化される。これは緑色光Ｇ１が最も明るく見えるためである。例えば図１３Ａに示すように、３種類の光路に沿って入射した緑色光Ｇ１は、マイクロレンズ１５１により屈折されて開口部２８を通過する。
図１３Ｂでは、図１３Ａの３種類の光路と同様の光路に沿ってマイクロレンズ１５１の入射位置Ｐに赤色光Ｒ１が入射する。このとき各赤色光Ｒ１の屈折角は緑色光Ｇ１と比べて小さくなる。このため、例えば一部の赤色光Ｒ１は、遮光部２４に入射して遮光される。この結果、開口部２８を通過する光の光量が低下し、光の利用効率が低下する。
また図１３Ｃでは、図１３Ａの３種類の光路と同様の光路に沿ってマイクロレンズ１５１の入射位置Ｐに青色光Ｂ１が入射する。このとき各青色光Ｂ１の屈折角は緑色光Ｇ１と比べて大きくなる。このため、例えば一部の青色光Ｂ１は、遮光部２４やＴＦＴ２７に入射する。この結果、光の利用効率の低下やＴＦＴ２７の誤作動による画質の劣化等を招く恐れがある。
また、屈折を利用したマイクロレンズ１５１を２段にして、入射光の光路を制御する方法が考えられる。この場合、マイクロレンズ１５１はいずれも屈折を利用して光を集光することから、波長による収差の影響を受けてしまい、波長によっては効率改善が十分できない。すなわち光利用効率に波長依存性が生じてしまう。
本実施形態では、レンズ層３２に屈折レンズ５０及び回折レンズ５１が設けられる。そして屈折レンズ５０及び回折レンズ５１を通過した光が、開口部２８を備える光学制御層４１に出射される。
このように、レンズの一方は屈折を利用し、もう一方は回折を利用して光角度を制御することで、レンズ層３２から出射される光の色収差等の影響を十分に抑制することが可能である。これにより、開口部２８を通過する光の量を増加させることが可能となり、光の波長に依存しない光利用効率の改善を実現することが可能である。
また色収差等の影響が抑制されるため、波長に係らず光量を増大させることが可能である。従って、例えば特定の波長に最適化された構成と比べて、ＲＧＢの各波長の色をバランスよく増大させることが可能となる。これにより、高品質なカラー画像を表示するといったことが可能となる。
開口部２８を通過する光量の増加に伴い、遮光部２４に入射する光の量が低減されるため、遮光部２４が受ける熱の影響を抑制することが可能である。この結果、素子全体の温度を低下させることが可能となる。また温度の上昇に伴う、各素子の故障等のリスクを十分に回避することが可能となる。
また開口部２８の周辺に配置されるＴＦＴ２７等に入射する光リーク等を十分に抑制可能である。これにより、ＴＦＴ２７等の誤作動を回避することが可能となり、光リークによる画質の低下を抑制することが可能である。
このように、光の回折及び屈折を組み合わせて、光学制御層４１に入射する光の光路を制御することで、光利用効率とともに、画質を向上することが可能となる。これにより明るく高品質な画像表示を実現することが可能となる。
また図８及び図９等を参照して説明したように、回折レンズ５１は薄膜状の回折パターン５４により構成することが可能であるため、薄型化に優れている。例えば屈折レンズ５０と回折レンズ５１との組み合わせは、屈折レンズ同士の組み合わせと比べ、基板そのものを薄く構成することが可能である。このようにレンズの薄型化により、基板が反ってしまう状態を抑制することが可能となる。この結果、パネル面内の均一性を改善することが可能となり、画質や装置の信頼性等を向上することが可能となる。
＜第２の実施形態＞
本技術に係る第２の実施形態の液晶ライトバルブについて説明する。これ以降の説明では、上記の実施形態で説明した液晶ライトバルブ１００における構成及び作用と同様な部分については、その説明を省略又は簡略化する。
図１４は、第２の実施形態に係る液晶ライトバルブ２００に入射する光の光路の一例を示す模式図である。本実施形態では、レンズ層２３２に設けられる屈折レンズ２５０及び回折レンズ２５１が入射する光を平行化して出射するように構成される。なお液晶ライトバルブ２００の光学制御層２４１は、例えば図３を参照して説明した液晶ライトバルブ１００の光学制御層４１と同様に構成される。
レンズ層２３２には、入射面２３５側に複数の屈折レンズ２５０が配置された屈折レンズアレイ２３７が配置され、出射面２３６側に複数の回折レンズ２５１が配置された回折レンズアレイ２３８が配置される。なお、入射面側２３５に回折レンズアレイ２３８が配置され、出射面２３６側に屈折レンズアレイ２３７が配置される場合であっても、以下の説明は適用可能である。
本実施形態では、屈折レンズ２５０及び前記回折レンズ２５１は、入射面２３５に入射する光の光路を平行化して開口部２８に出射する。屈折レンズ２５０及び回折レンズ２５１は、典型的には、光軸Ｏに平行な平行光を出射可能となるように構成される。
例えば屈折レンズ２５０及び回折レンズ２５１のいずれか一方が、正の屈折力を有する集光レンズとして構成され、他の一方が、負の屈折力を有する発散レンズとして構成される。これら集光レンズと発散レンズとの組み合わせにより、入射する光を平行化するレンズペアが構成される。これに限定されず、入射面２３５に入射する光を平行化することが可能な任意の構成が用いられてよい。
図１４Ａ～図１４Ｃには、液晶ライトバルブ２００に入射した緑色光Ｇ１、赤色光Ｒ１、青色光Ｂ１の各色光の光路の一例が模式的に図示されている。図１４Ａでは、光軸Ｏに平行な光路と、その光路から両側に離れる方向に進行する２つの光路との３種類の光路に沿って緑色光Ｇ１が屈折レンズ２５０に入射する。屈折レンズ２５０で屈折された緑色光Ｇ１は、回折レンズ２５１で回折され、平行光として出射面２３６から出射される。平行光となった緑色光Ｇ１は、光学制御層２４１に入射して開口部２８を通過する。
図１４Ｂ及び図１４Ｃでは、赤色光Ｒ１及び青色光Ｂ１が、図１４Ａに示す緑色光Ｇ１と同様の光路に沿って屈折レンズ２５０に入射する。赤色光Ｒ１及び青色光Ｂ１は、屈折レンズ２５０と回折レンズ２５１とを通過して平行光として出射され、そのまま開口部２８を通過する。
このように屈折レンズ２５０及び回折レンズ２５１を用いることで、光の波長に依存した屈折角や回折角のずれ等が抑制され、色収差を補正することが可能となる。この結果、レンズ層２３２は、光の波長に係らず入射する光を平行化して出射することが可能となる。
図１５は、比較例として挙げる液晶ライトバルブ１６０に入射する光の光路の一例を示す模式図である。液晶ライトバルブ１６０では、屈折を利用したマイクロレンズ１６１により入射する光が平行化される。なお液晶ライトバルブ１６０には、回折レンズ等の回折手段は設けられない。
図１５Ａ～図１５Ｃには、液晶ライトバルブ１６０に入射した緑色光Ｇ１、赤色光Ｒ１、青色光Ｂ１の各式光の光路の一例が模式的に図示されている。各色光は、３種類の光路に沿ってマイクロレンズ１６１に入射する。これらの光路は、例えば図１６を参照して説明した３つの光路と同様の光路である。
マイクロレンズ１６１は緑色光Ｇ１を平行化するように最適化されている。図１５Ａに示すように、マイクロレンズ１６１に入射した緑色光Ｇ１は、光軸Ｏに平行な光路に沿って液晶層４０に向けて出射される。
一方で赤色光Ｒ１及び青色光Ｂ１は、マイクロレンズ１６１の色収差の影響を受ける。例えば図１５Ｂに示すように、中央の光路の両側の光路に沿って入射した赤色光Ｒ１は、緑色光Ｇ１よりも屈折される角度が小さいために、開口部２８の両側にそれぞれ入射することになる。また図１５Ｃに示すように、中央の光路の両側の光路に沿って入射した青色光Ｂ１は、緑色光Ｇ１よりも屈折される角度が小さいために開口部２８に向けて集光するように出射される。
このように、マイクロレンズ１６１を単体で用いる場合には、色収差の影響により、マイクロレンズ１６１に入射する光の一部が遮光されることがあり得る。また波長によっては、発散光や集光光に変換される可能性がある。
例えば、液晶層４０に対して、光軸Ｏと平行に入射する光と、光軸Ｏから傾いた状態で斜めに入射する光とでは、液晶による光の変調精度に差が生じる。具体的には、液晶層４０を通過することで回転される偏光の角度に差が生じる。この結果、例えば斜めに入射する光は、各画素１６における不要な漏れ光等の原因となり、画像表示のコントラストを低下させる可能性がある。
本実施形態では、図１６に示すように、入射面２３５から入射した光が、波長に係らず平行化され光軸Ｏに沿って出射される。これにより、様々な色の平行光を光軸に沿って液晶層４０に入射させることが可能となり、液晶層４０に対して斜めに入射する光が十分に抑制される。この結果、各画素における不要な漏れ光等を十分に低減することが可能となり、画像表示のコントラストを向上することが可能となる。
＜第３の実施形態＞
図１６は、第３の実施形態に係る液晶ライトバルブ３００に入射する光の光路の一例を示す模式図である。上記では、光学制御層の入射側にレンズ層が設けられ、開口部に入射する光の光路等が制御された。本実施形態では、光学制御層３４１の出射側に、レンズ層３３２とは異なるマイクロレンズアレイ３１０が形成される。
図１６Ａ～図１６Ｃには、液晶ライトバルブ３００に入射した緑色光Ｇ１、赤色光Ｒ１、青色光Ｂ１の各式光の光路の一例が模式的に図示されている。各色光は、３つの光路に沿ってマイクロレンズアレイ３１０の対応するマイクロレンズ３１１に入射する。これらの光路は、例えば図７を参照して説明した３つの光路５ａ～５ｂと同様の光路である。
図１６Ａに示すように、液晶ライトバルブ３００は、レンズ層３３２と、光学制御層３４１と、マイクロレンズアレイ３１０とを有する。マイクロレンズアレイ３１０は、光学制御層３４１を挟んでレンズ層３３２とは反対側に配置され、光学制御層３４１から出射された光の光路を制御する。従って、液晶ライトバルブ３００からは、マイクロレンズアレイ３１０により集光、発散、あるいは平行化された光が出射される。これにより、後段の光学系に合わせて光の光路を適宜設定するといったことが可能となる。
マイクロレンズアレイ３１０は、例えば屈折レンズが格子状に配置されたレンズアレイである。あるいは、回折レンズが格子状に配置されたレンズアレイにより、回折型のマイクロレンズアレイ３１０が設けられてもよい。また例えば屈折レンズと回折レンズとの組み合わせによりマイクロレンズアレイ３１０が構成されてもよい。
図１６Ａに示す例では、マイクロレンズアレイ３１０は、制御基板３２０の内部の回路層３２２と透明基板３２１との間に配置される。この他、透明基板３２１の出射側（第２の面）にマイクロレンズアレイ３１０が構成されてもよい。
本実施形態では、マイクロレンズアレイ３１０は、光学制御層３４１から出射された光の光路を平行化する。すなわちマイクロレンズアレイ３１０は、液晶ライトバルブ３００から平行光を出射させる。このように平行光を出射することで、液晶ライトバルブ３００の後段の光学系（ダイクロイックミラーや投射システム等）が取り込む光量を増加させることが可能となる。
例えば、入射側にレンズ（レンズ層３３２）を設ける場合、光学制御層３４１から出射される光の出射角度（光線角度）等が大きくなり、投射システムの投射レンズ等が取り込める光量が低下する可能性がある。このため、出射側にマイクロレンズ３１１を設けることで、広がって出射される光を平行化して光の発散を抑制することが可能である。これにより、投射レンズ等が取り込める光量を増加することができる。
例えば図１６Ａに示すように、３つの光路に沿って入射した緑色光Ｇ１は、入射側に設けられた屈折レンズ３５０及び回折レンズ３５１により開口部２８を通過するように出射される。開口部２８を通過した緑色光Ｇ１は、光学制御層３４１の出射側に設けられたマイクロレンズアレイ３１０（マイクロレンズ３１１）に入射し、平行光として出射される。同様に、図１６Ｂ及び図１６Ｃに示す赤色光Ｒ１及び青色光Ｂ１も、開口部２８を通過して平行光として出射される。
マイクロレンズ３１１に入射する光は、回折レンズ３５１及び屈折レンズ３５０を通過したことで、焦点距離の波長依存性等が抑制されている。このため、マイクロレンズアレイ３１０は、例えば回折レンズ３５１及び屈折レンズ３５０のペアを設けない場合の構成と比べて、効率的に光を取り出すことが可能となる。これにより、十分に明るく高品質な画像表示を実現することが可能となる。
＜その他の実施形態＞
本技術は、以上説明した実施形態に限定されず、他の種々の実施形態を実現することができる。
上記では、レンズ層から入射した光が液晶層を通過して制御基板に入射される構成について説明した。これに限定されず、例えばレンズ層から入射した光が制御基板を通過して液晶層に入射するといった構成が採用されてもよい。すなわち制御基板に対向してレンズ層が配置されてもよい。
例えばレンズ層は制御基板の一方の面に接合される。また制御基板の他方の面には、所定の間隔を空けて透明基板が配置され、制御基板と透明基板との間に液晶層が形成される。この場合、透明基板から画素ごとに変調された光が出射される。このような構成であっても、レンズ層に屈折レンズ及び回折レンズのペアを適宜設けることで、色収差を補正するとともに、光利用効率を向上することが可能である。
図１７～図２０は、他の実施形態に係る表示装置の一例を示す模式図である。上記では、主に投射型表示装置（画像表示装置等）等に用いられる液晶ライトバルブについて説明した。本技術は、投射型表示装置の他、各種の表示装置に適用可能である。以下では図１７～図１８を参照して他の表示装置の一例について説明する。
図１７は、携帯端末の外観を表したものである。図１７（Ａ）は、携帯端末４００の正面図であり、図１７（Ｂ）は携帯端末４００の背面図である。携帯端末４００の正面には表示用のディスプレイ４０１が配置される。このディスプレイ４０１に液晶ライトバルブ等を適用される。この場合、例えば白色光を発するバックライトからの光が、屈折レンズ及び回折レンズを備えたレンズ層に入射される。このように白色光が入射される場合であっても、各色光の収差を適正に補正することが可能である。
図１８は、デジタルカメラの外観を表したものである。図１８（Ａ）はデジタルカメラ４１０の正面図であり、図１８（Ｂ）はデジタルカメラ４１０の背面図である。このデジタルカメラ４１０は、ビューファインダ部４１１を有しており、このビューファインダ部４１１に上記した液晶ライトバルブ等が用いられる。またデジタルカメラ４１０は、背面ディスプレイ４１２を有する。この背面ディスプレイ４１２に液晶ライトバルブ等が用いられてもよい。
図１９は、メガネやゴーグル、サングラス等のアイウェア４２０に、アイウェア装着型の片目用ディスプレイモジュール４２１を装着した外観を表したものである。アイウェア装着型の片目用ディスプレイモジュール４２１は、例えば光源と、液晶表示素子４２２とを有しており、この液晶表示素子４２２に上記した液晶ライトバルブ等が適用される。
図２０は、電子機器としてテレビジョン装置４３０の外観を表したものである。このテレビジョン装置４３０は、フラットパネル型の液晶ディスプレイ４３１を備える。この液晶ディスプレイ４３１を駆動する液晶素子（液晶表示素子）に、上記した液晶ライトバルブのレンズ層等の構成が適用される。この他、液晶等を用いて画像表示を行う任意の表示装置に対して本技術は適用可能である。
以上説明した本技術に係る特徴部分のうち、少なくとも２つの特徴部分を組み合わせることも可能である。すなわち各実施形態で説明した種々の特徴部分は、各実施形態の区別なく、任意に組み合わされてもよい。また上記で記載した種々の効果は、あくまで例示であって限定されるものではなく、また他の効果が発揮されてもよい。
本開示において、「同じ」「等しい」「直交」等は、「実質的に同じ」「実質的に等しい」「実質的に直交」等を含む概念とする。例えば「完全に同じ」「完全に等しい」「完全に直交」等を基準とした所定の範囲（例えば±１０％の範囲）に含まれる状態も含まれる。
なお、本技術は以下のような構成も採ることができる。
（１）入射する光を画素ごとに変調する光学制御層と、
入射面と、前記画素ごとに配置された複数の屈折レンズと、前記複数の屈折レンズと対向して前記画素ごとに配置された複数の回折レンズとを有し、前記入射面から入射して前記屈折レンズ及び前記回折レンズを通過した光を前記光学制御層に出射するレンズ層と
を具備する表示素子。
（２）（１）に記載の表示素子であって、
前記レンズ層は、前記複数の屈折レンズが２次元的に配置された屈折レンズアレイと、前記複数の回折レンズが２次元的に配置された回折レンズアレイとを有する
表示素子。
（３）（２）に記載の表示素子であって、
前記レンズ層は、前記入射面とは反対側の出射面とを有し、
前記屈折レンズアレイ及び前記回折レンズアレイは、いずれか一方が前記入射面側に配置され、他方が前記出射面側に配置される
表示素子。
（４）（１）から（３）のうちいずれか１つに記載の表示素子であって、
前記光学制御層は、入射する光を変調する液晶層と、前記液晶層に接合され前記画素ごとに前記液晶層による光の変調を制御する制御基板とを有し、
前記レンズ層は、前記液晶層及び前記制御基板のいずれか一方に対向して配置される
表示素子。
（５）（４）に記載の表示素子であって、
前記制御基板は、各々が前記画素となる複数の開口部が形成された遮光部を有し、
前記屈折レンズ及び前記回折レンズは、前記入射面に入射する光を集めて前記開口部を通過させる
表示素子。
（６）（５）に記載の表示素子であって、
前記屈折レンズ及び前記回折レンズは、前記入射面に入射する光の光路を平行化して前記開口部に出射する
表示素子。
（７）（５）又は（６）に記載の表示素子であって、
前記レンズ層は、第１の開口部に対応して配置された第１の回折レンズと、前記第１の開口部と隣り合う第２の開口部に対応して配置された第２の回折レンズとを有し、前記第１及び前記第２の回折レンズの境界部分に入射する光を前記第１の開口部または前記第２の開口部の少なくとも一方に向けて出射する
表示素子。
（８）（５）から（７）のうちいずれか１つに記載の表示素子であって、
前記制御基板は、前記画素ごとに前記液晶層を制御する制御素子を有し、
前記遮光部は、前記制御素子を遮光する
表示素子。
（９）（１）から（８）のうちいずれか１つに記載の表示素子であって、
前記回折レンズは、高屈折率層と、前記高屈折率層よりも屈折率の低い低屈折率層とを有する
表示素子。
（１０）（９）に記載の表示素子であって、
前記回折レンズは、前記高屈折率層及び前記低屈折率層が前記入射面と平行な面方向に交互に配置された回折パターンを有する
表示素子。
（１１）（１０）に記載の表示素子であって、
前記回折パターンは、前記入射面から見て、パターンの中心となる中心領域と、中心領域の周りに同心状に配置された複数の帯状領域とを有する
表示素子。
（１２）（１１）に記載の表示素子であって、
前記中心領域は、前記入射面から見て、前記開口部の中心に対して偏心して配置される
表示素子。
（１３）（１１）又は（１２）に記載の表示素子であって、
前記中心領域は、円形、楕円形、多角形、または角丸の多角形のいずれか１つである
表示素子。
（１４）（９）から（１３）のうちいずれか１つに記載の表示素子であって、
前記回折レンズは、前記高屈折率層に前記低屈折率層が埋め込まれて形成される、または前記低屈折率層に前記高屈折率層が埋め込まれて形成される
表示素子。
（１５）（９）から（１３）のうちいずれか１つに記載の表示素子であって、
前記回折レンズは、前記高屈折率層及び前記低屈折率層の接合部に形成される
表示素子。
（１６）（９）から（１５）のうちいずれか１つに記載の表示素子であって、
前記回折レンズは、前記高屈折率層及び前記低屈折率層の厚さの割合が前記入射面に平行な面方向に沿って階段状に変化する厚さ変化領域を含む
表示素子。
（１７）（１）から（１６）のうちいずれか１つに記載の表示素子であって、さらに、
前記光学制御層を挟んで前記レンズ層とは反対側に配置され、前記光学制御層から出射された光の光路を制御するマイクロレンズアレイを具備する
表示素子。
（１８）（１７）に記載の表示素子であって、
前記マイクロレンズアレイは、前記光学制御層から出射された光の光路を平行化する
表示素子。
（１９）光源と、
入射する光を画素ごとに変調する光学制御層と、
前記光源から出射された光が入射する入射面と、前記画素ごとに配置された複数の屈折レンズと、前記複数の屈折レンズと対向して前記画素ごとに配置された複数の回折レンズとを有し、前記入射面から入射して前記屈折レンズ及び前記回折レンズを通過した光を前記光学制御層に出射するレンズ層と
を有する表示素子と、
前記画素ごとに変調された光に基づいて画像を投射する投射光学系と
を具備する投射型表示装置。
１１…表示領域
１６…画素
２０、３２０…制御基板
２３…制御素子
２４…遮光部
２８、２８ａ、２８ｂ…開口部
３２、２３２、３３２…レンズ層
３５、２３５…入射面
３６、２３６…出射面
３７、２３７…屈折レンズアレイ
３８、２３８…回折レンズアレイ
４０…液晶層
４１、２４１、３４１…光学制御層
５０、２５０、３５０…屈折レンズ
５１、２５１、３５１…回折レンズ
５２…高屈折率層
５３…低屈折率層
５４、５４ａ～５４ｆ…回折パターン
５５…中心領域
５６…帯状領域
５７…変化領域
１００、１００Ｒ、１００Ｇ、１００Ｂ、１１０、２００、３００…液晶ライトバルブ
５００…画像表示装置

Claims (19)

  1. 入射する光を画素ごとに変調する光学制御層と、
    入射面と、前記画素ごとに配置された複数の屈折レンズと、前記複数の屈折レンズと対向して前記画素ごとに配置された複数の回折レンズとを有し、前記入射面から入射して前記屈折レンズ及び前記回折レンズを通過した光を前記光学制御層に出射するレンズ層と
    を具備する表示素子。
  2. 請求項１に記載の表示素子であって、
    前記レンズ層は、前記複数の屈折レンズが２次元的に配置された屈折レンズアレイと、前記複数の回折レンズが２次元的に配置された回折レンズアレイとを有する
    表示素子。
  3. 請求項２に記載の表示素子であって、
    前記レンズ層は、前記入射面とは反対側の出射面とを有し、
    前記屈折レンズアレイ及び前記回折レンズアレイは、いずれか一方が前記入射面側に配置され、他方が前記出射面側に配置される
    表示素子。
  4. 請求項１に記載の表示素子であって、
    前記光学制御層は、入射する光を変調する液晶層と、前記液晶層に接合され前記画素ごとに前記液晶層による光の変調を制御する制御基板とを有し、
    前記レンズ層は、前記液晶層及び前記制御基板のいずれか一方に対向して配置される
    表示素子。
  5. 請求項４に記載の表示素子であって、
    前記制御基板は、各々が前記画素となる複数の開口部が形成された遮光部を有し、
    前記屈折レンズ及び前記回折レンズは、前記入射面に入射する光を集めて前記開口部を通過させる
    表示素子。
  6. 請求項５に記載の表示素子であって、
    前記屈折レンズ及び前記回折レンズは、前記入射面に入射する光の光路を平行化して前記開口部に出射する
    表示素子。
  7. 請求項５に記載の表示素子であって、
    前記レンズ層は、第１の開口部に対応して配置された第１の回折レンズと、前記第１の開口部と隣り合う第２の開口部に対応して配置された第２の回折レンズとを有し、前記第１及び前記第２の回折レンズの境界部分に入射する光を前記第１の開口部または前記第２の開口部の少なくとも一方に向けて出射する
    表示素子。
  8. 請求項５に記載の表示素子であって、
    前記制御基板は、前記画素ごとに前記液晶層を制御する制御素子を有し、
    前記遮光部は、前記制御素子を遮光する
    表示素子。
  9. 請求項１に記載の表示素子であって、
    前記回折レンズは、高屈折率層と、前記高屈折率層よりも屈折率の低い低屈折率層とを有する
    表示素子。
  10. 請求項９に記載の表示素子であって、
    前記回折レンズは、前記高屈折率層及び前記低屈折率層が前記入射面と平行な面方向に交互に配置された回折パターンを有する
    表示素子。
  11. 請求項１０に記載の表示素子であって、
    前記回折パターンは、前記入射面から見て、パターンの中心となる中心領域と、中心領域の周りに同心状に配置された複数の帯状領域とを有する
    表示素子。
  12. 請求項１１に記載の表示素子であって、
    前記光学制御層は、入射する光を変調する液晶層と、前記液晶層に接合され前記画素ごとに前記液晶層による光の変調を制御する制御基板とを有し、
    前記制御基板は、各々が前記画素となる複数の開口部が形成された遮光部を有し、
    前記中心領域は、前記入射面から見て、前記開口部の中心に対して偏心して配置される
    表示素子。
  13. 請求項１１に記載の表示素子であって、
    前記中心領域は、円形、楕円形、多角形、または角丸の多角形のいずれか１つである
    表示素子。
  14. 請求項９に記載の表示素子であって、
    前記回折レンズは、前記高屈折率層に前記低屈折率層が埋め込まれて形成される、または前記低屈折率層に前記高屈折率層が埋め込まれて形成される
    表示素子。
  15. 請求項９に記載の表示素子であって、
    前記回折レンズは、前記高屈折率層及び前記低屈折率層の接合部に形成される
    表示素子。
  16. 請求項９に記載の表示素子であって、
    前記回折レンズは、前記高屈折率層及び前記低屈折率層の厚さの割合が前記入射面に平行な面方向に沿って階段状に変化する厚さ変化領域を含む
    表示素子。
  17. 請求項１に記載の表示素子であって、さらに、
    前記光学制御層を挟んで前記レンズ層とは反対側に配置され、前記光学制御層から出射された光の光路を制御するマイクロレンズアレイを具備する
    表示素子。
  18. 請求項１７に記載の表示素子であって、
    前記マイクロレンズアレイは、前記光学制御層から出射された光の光路を平行化する
    表示素子。
  19. 光源と、
    入射する光を画素ごとに変調する光学制御層と、前記光学制御層の前記光源側に配置されたレンズ層とを有する表示素子と、
    前記画素ごとに変調された光に基づいて画像を投射する投射光学系と
    を具備し、
    前記レンズ層は、前記光源から出射された光が入射する入射面と、前記画素ごとに配置された複数の屈折レンズと、前記複数の屈折レンズと対向して前記画素ごとに配置された複数の回折レンズとを有し、前記入射面から入射して前記屈折レンズ及び前記回折レンズを通過した光を前記光学制御層に出射する
    投射型表示装置。
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