JPH10104618A

JPH10104618A - 液晶表示素子および投影型液晶表示装置

Info

Publication number: JPH10104618A
Application number: JP8254836A
Authority: JP
Inventors: Takafumi Nakamura; 貴文中村; Yoshihiro Watanabe; 好浩渡邉
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1996-09-26
Filing date: 1996-09-26
Publication date: 1998-04-24

Abstract

(57)【要約】【課題】反射型液晶表示素子１枚でカラーフィルタを
用いることなく高品質なカラー表示を行う。【解決手段】光入射面に絵素１７毎に形成した回折格
子１９を備えた液晶表示素子１０に所定角度から絵素に
入射した白色の平行光源光は、回折格子（ホログラフィ
ック光学素子）１９により分光されて、波長に応じて画
素１７Ｒ、１７Ｇ、１７Ｂに入射するが、回折格子１９
は反射電極１４で反射され回折格子１９に再入射すると
きには正面方向に出射するようにブレーズされており、
液晶層１３により強度変調された光はマイクロレンズ２
１で平行光化され回折格子１９に再入射し正面方向に出
射する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は液晶表示素子に関
し、特に投影型液晶表示素子に関する。また本発明は反
射型液晶表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、ＣＲＴ表示装置よりも小型で軽量
なフラットパネルディスプレイデバイスとして、液晶表
示装置やプラズマ発光表示装置等が注目されている。こ
れらの表示装置は表示素子が自ら光を発して表示を行う
自発光型の表示装置と、光源を別に備え表示素子そのも
のは光源光の透過率を制御して表示を行う非発光型の表
示装置とに大別される。次世代の表示装置として各種の
分野で広く実用化が進んでいる液晶表示装置は後者の透
過率制御型の表示装置の代表的なものである。

【０００３】また、より大画面での表示を行うことがで
きる表示装置として投影型液晶表示装置が知られてい
る。この液晶表示装置は、光源ランプなどの光源光を液
晶表示素子に集光して入射させ、その透過光または反射
光を投影レンズによりスクリーンに投影して表示素子よ
りもサイズの大きな画像を表示するものである。

【０００４】液晶表示素子は光の強度を二次元的に変調
することができるので、光源光の強度を液晶表示素子に
より変調し、光学系により変調した光を拡大投影して大
画面サイズの投影画像を得ることができる。

【０００５】近年、この液晶表示素子を内蔵した投影型
液晶表示装置としてリヤ型液晶プロジェクタの開発が行
われている。これらのリヤ型液晶プロジェクタは、従来
のＣＲＴ方式のプロジェクタと比較して小型、軽量であ
るという特徴を有し、今後の発展が期待されている。特
に、このようなリヤ型液晶プロジェクタは輝度が高く表
示品質が優れていることと安価であることが期待されて
いる。

【０００６】従来、このような投影型液晶表示装置のカ
ラー表示方式としては、ＲＧＢの各色ごとにそれぞれ１
枚ずつ液晶表示素子を対応させ、色分離、合成をダイク
ロイックミラーで行う３板式液晶プロジェクタと、カラ
ーフィルタを用いる単板式液晶プロジェクタが知られて
いた。

【０００７】３板式液晶プロジェクタは色分離、合成に
よる光の利用効率の低下が少ないことから高輝度の表示
が可能であるという特徴を有する。一方、単板式プロジ
ェクタは用いる液晶表示素子が１枚で済むことから、低
コストの表示システムが実現できるという特徴を有す
る。

【０００８】これに対して、例えば特開平４−６０５３
８号のように、近年、色分離をダイクロイックミラーで
行い、分離された３色の光をマイクロレンズによって１
枚の液晶表示素子の対応する３色の画素にそれぞれ導く
ことにより、ある程度高輝度でかつ安価な表示方式が提
案されている。

【０００９】このような構成の投影型液晶表示装置の１
例を図１７、図１８により説明する。図１７は従来の投
影型液晶表示装置の構成の１例を概略的に示す図であ
り、図１８はこのような液晶表示装置に用いられる従来
の液晶表示素子の構成の１例を概略的に示す図である。

【００１０】光源９１からの白色光は、ＲＧＢ各色の光
に対応するダイクロイックミラー９２Ｒ、９２Ｇ、９２
Ｂにより３原色のビームに分離され、液晶表示素子９４
にビームごとに互いに異なった角度から入射する。

【００１１】液晶表示素子の光入射面には絵素ごとにマ
イクロレンズが形成されたマイクロレンズ９３が設けら
れている。ここで絵素は複数の画素からなる表示単位で
あり、例えばＲＧＢまたはＣＭＹ各色の光を変調する３
個の画素により１絵素を構成することによりカラー表示
を行うことができる。

【００１２】図１８は液晶表示素子２４の構造を概略的
に示す図である。

【００１３】液晶表示素子９４は、液晶層１０１とこの
液晶層１０１を挟持するアレイ基板１０２、対向基板１
０３により構成されている。アレイ基板１０２の液晶層
１０１を挟持する面には、画素毎に画素電極１０４Ｒ、
１０４Ｇ、１０４Ｂが形成されており、また対向基板１
０３の液晶層１０１を挟持する面には、共通の対向電極
１０５が形成されている。

【００１４】１つのマイクロレンズに入射した入射角の
異なる３原色の光は、それぞれ対応する画素１０４Ｒ、
１０４Ｇ、１０４Ｂに振り分けられ、画素開口部に収束
される。画素ごとに液晶分子の配向状態を制御すること
によりカラー表示を行うことができる。強度変調された
ＲＧＢ各色の光はフィールドレンズ９５、投影レンズ９
６を通り、スクリーン９７に投影される。

【００１５】このような構造によれば、カラーフィルタ
を用いないで単板式によるカラー表示が可能になり、ス
クリーンでの表示照度は従来のカラーフィルタを用いた
カラー表示方式よりも明るいという特徴を持っている。

【００１６】しかしながら、表示品質を高めるために液
晶表示素子の画素の配設密度を高めたり、また、表示シ
ステムを更に安価に提供するために液晶表示素子のサイ
ズを縮小を行おうとした場合、表示画素のピッチが狭ピ
ッチ化し、画素の開口率が低下し、表示輝度が低下して
しまうという問題がある。特に、絵素ごとに集光用のマ
イクロレンズを用いる構成の場合は、開口率４０％以下
では実効開口率の低下が著しいという問題がある。

【００１７】一方、画素の配設密度が大きい液晶表示素
子においても高開口率を実現し、高輝度な表示システム
を実現する技術として、反射型の液晶表示素子を使った
方式がある。

【００１８】図１９はこのような反射型液晶表示素子の
画素構成を概略的に示す断面図である。この反射型液晶
表示素子は、液晶層１１１、アレイ基板１１２、対向基
板１１３で構成され、アレイ基板１１２には反射電極１
１４が、対向基板１１３には透明絶縁性膜からなる対向
電極１１５が形成されている。また、アレイ基板１１２
には、ゲート線１１６、信号線１１７、薄膜トランジス
タ１１８などの画素駆動手段が形成されている。

【００１９】入射光は反射電極で反射され、変調光とし
て出射される。このような構造を有する反射型液晶表示
素子においては、画素の駆動手段、例えば、薄膜トラン
ジスタや信号線、走査信号線、画素電圧を保持するため
の補助容量等を反射電極の下側に設けることができるた
め、開口率を大きくとることがでる。したがって画素の
配設密度の高い液晶表示素子においても開口率を大きく
とることができるという特徴を持っている。

【００２０】しかしながら、このような反射型液晶表示
素子に図１７、図１８に示したようなカラーフィルタを
用いない単板式のカラー表示技術を適用することはでき
なかった。この理由について以下に説明する。

【００２１】カラーフィルタを用いない単板式の技術を
反射型の液晶表示素子に応用した場合、複数のダイクロ
イックミラーにより色分離され、それぞれ異なる角度で
各絵素に入射したＲＧＢの色光は、例えばマイクロレン
ズアレイ９４などの集光素子により集光された後、ＲＧ
Ｂの画素に入射し、反射電極１１４で反射され、再びマ
イクロレンズ９３に入射する。画素で変調された光がマ
イクロレンズ９３を再透過する際、この変調光は入射時
の集光作用に従って再び拡散された状態でマイクロレン
ズ９３に入射するために、複数のマイクロレンズを透過
することになる。このとき、反射電極１１４で反射され
た変調光Ｒ、Ｇ、Ｂは複数のマイクロレンズによって複
数の異なる角度に屈折作用をうけ、フィールドレンズ９
５、投影レンズ９６などの投影光学系に正しく入射せず
に表示輝度が低下したり、本来の焦点位置と違った位置
に投影され表示が乱れてしまうという問題がある。

【００２２】図２０は反射型液晶表示素子にカラーフィ
ルタを用いない単板式の技術を用いた液晶表示装置の光
学系を概略的に示す図である。なお図２０では緑色の光
についてのみ光路を示したが、赤色光、青色光について
も同様である。照明光学系１７１を出射した光は、ダイ
クロイックミラー１７２Ｒ、１７２Ｇ、１７２Ｂにより
各波長成分毎に反射され、入射側偏光板１７３を通り、
反射型液晶表示素子１７４に入射する。ダイクロイック
ミラー１７２Ｒ、１７２Ｇ、１７２Ｂは光源光に対して
それぞれ異なる角度で配設されている。

【００２３】この反射型液晶表示素子１７４に形成され
たマイクロレンズアレイ１７５は、屈折率ｎ₁の材質か
らなる部分１７５ａと、屈折率ｎ₂（ｎ₁−ｎ₂≠０）
の材質からなる部分１７５ｂとから構成されており、液
晶表示素子１７４に入射した光はマイクロレンズアレイ
１７５によりＲＧＢの各色ごとに所定の画素１７６に集
光される。この集光光は所定画素の液晶層を透過し反射
電極で反射され、再びマイクロレンズ１７５に入射する
が、マイクロレンズ１７５を再透過するとき反射光は入
射時の集光作用に従って拡散されるために、複数のマイ
クロレンズ領域を透過することになる。図２１は変調光
が複数のマイクロレンズを透過する様子を模式的に示し
た図である。例えばダイクロイックミラーで色分離され
た青色光は、青色の画素１７６Ｂへ入射するが、出射す
るときに複数のマイクロレンズを透過する。これはダイ
クロイックミラーで色分離された他の色光についても同
様である。

【００２４】マイクロレンズアレイ１７５を再透過した
光は出射側偏光板１７７をとおって投射レンズ１７８に
入射する。しかし、画素１７６で変調され、反射電極で
反射された光は、複数のマイクロレンズによって複数の
異なった角度に屈折作用をうけるために投射レンズ１７
８に正しく入射せず輝度が低下したり、本来の焦点位置
と異なった位置に投射され表示が乱れるという問題があ
る。このような問題が解決されていないために、反射型
の液晶表示素子にカラーフィルタを用いない単板式の技
術を用いることはできず、したがって従来の技術では、
反射型液晶表示素子１枚により、カラーフィルタを用い
ないで投影型液晶表示装置を実現することはできなかっ
た。

【００２５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような
問題を解決にするためになされたもので、カラーフィル
タを用いることなくカラー表示を行うことのできる液晶
表示素子を提供することを目的とする。

【００２６】また本発明は、カラーフィルタを用いるこ
となくカラー表示を行うことのできる投影型液晶表示装
置を提供することを目的とする。

【００２７】また本発明は、画素の配設密度が大きい場
合でも輝度が高く表示品質の優れた液晶表示素子および
投影型液晶表示装置を提供することを目的とする。

【００２８】また本発明は光の利用効率の高い液晶表示
素子および投影型液晶表示装置を提供することを目的と
する。

【００２９】さらに本発明は、輝度が高く表示品質の優
れた液晶表示素子および投影型液晶表示装置を安価に提
供することを目的とする。

【００３０】

【課題を解決するための手段】本発明の液晶表示素子
は、マトリクス状に配設された画素に入射した光源光の
強度を変調して表示を行う液晶表示素子であって、反射
電極である第１の電極が形成された第１の面を有する第
１の基板と、第１の基板の第１の電極との間に液晶層を
挟持して前記画素を形成する第２の電極が形成された第
１の面と、光源光の入射面である第２の面を有する第２
の基板と、第２の基板の第２の面の複数の連続した複数
の画素からなる絵素に対向する領域に形成され、この領
域に入射した光源光を分光し、波長に応じて前記絵素内
の異なった前記画素へ導く第１の光学系とを具備したこ
とを特徴とする。

【００３１】第１の光学系は、その分光方向が前記絵素
内に配置された反射電極の配列方向と平行な回折格子を
用いるようにしてもよい。また、回折格子としてホログ
ラフィック光学素子を用いるようにしてもよい。またこ
の回折格子は、光源光の１次回折光の強度が極大となる
ようにブレーズされたブレーズ格子を用いるようにして
もよい。また、回折格子は、分光した光源光を波長に応
じて前記絵素内の異なった前記画素へ集光するようにチ
ャープするようにしてもよい。

【００３２】本発明の液晶表示素子においては、第１の
光学系へ入射する光源光の入射角度は約３０°から約５
０°の範囲に設定するようにしてもよく、また、前記絵
素内の前記画素の配設ピッチをＰ、前記回折格子と第２
の基板の第２の電極との間隔をＤとしたとき、Ｐ／Ｄを
約０．８から約０．４の範囲に設定するようにしてもよ
い。

【００３３】さらに本発明の液晶表示素子においては、
第２の電極の第２の基板側の前記画素の境界領域に対応
する領域に形成されたブラックマトリクスを具備するよ
うにしてもよい。

【００３４】本発明の液晶表示素子は、第１の電極とし
て反射電極を備えるものである。すなわち、マトリクス
状に配設された画素に入射した光源光の強度を変調して
表示を行う液晶表示素子であって、反射電極が形成され
た第１の面を有する第１の基板と、第１の基板の反射電
極との間に液晶層を挟持して前記画素を形成する第２の
電極が形成された第１の面と、光源光の入射面である第
２の面を有する第２の基板と、第２の基板の第２の面の
複数の連続した複数の画素からなる絵素に対向する領域
に形成され、この領域に入射した光源光を分光し、波長
に応じて前記絵素内の異なった前記画素へ導く第１の光
学系とを具備したことを特徴とし、反射型液晶表示素子
として機能することになる。

【００３５】本発明の液晶表示素子が備える例えばホロ
グラム素子などの回折格子は、光源光をその１次回折光
の強度が極大となるように前記画素へ導く前記入射光の
前記回折格子に対する入射角と、前記反射電極で反射し
た反射光の透過強度が最大かつ極大になるような前記反
射光の前記回折格子に対する入射角とが異なることを特
徴とする。すなわち、液晶表示素子の光入射面に備えら
れる回折格子は、光源光がその１次回折光の強度が極大
となるように画素へ導かれるときの入射光の回折格子に
対する入射角と、反射電極で反射した反射光強度が極大
になるように出射されるときの反射光の回折格子に対す
る入射角とが異なるように配設される。

【００３６】特にこの１次回折光の強度が極大となる入
射角度が複数ある場合には、そのうち１次回折光強度が
最大となる角度から入射させることにより良い結果が得
られる。また、反射光強度が極大となる入射角度が複数
ある場合には、そのうち回折格子を透過する反射光強度
が最大となる角度から入射させることにより良い結果が
得られる。反射光強度が極大とは、回折格子に反射電極
側から入射する角度を変化させたときに、この反射光が
回折格子を出射する光の強度が大きくなるような所定の
入射角度のことであり、入射角度範囲全体に対して透過
光強度が大きくなくような角度のことである。

【００３７】例えば、前記回折格子、ホログラム素子
は、光源光は１次回折光の強度が極大となるように前記
画素へ導くとともに、前記反射電極で反射した反射光に
対しては０次回折光の強度が極大になるように形成する
ようにすればよい。

【００３８】また、前記回折格子に対する光源光の入射
角度と反射光の出射角度は異なるように設定するように
してもよい。

【００３９】また、第２の基板の第１の面と第２の電極
との間に前記絵素毎に配設され、反射電極で反射された
光を平行光化して前記回折格子に導く第２の光学系を具
備するようにしてもよく、例えばこの第２の光学系とし
てマイクロレンズを用いるようにしてもよい。

【００４０】また、複数の反射電極が並列配置された絵
素領域がマトリクス状に形成されたアレイ基板と、前記
アレイ基板との間に液晶層を挟持する対向基板と、前記
対向基板の前記液晶層を挟持する第１の面に形成された
透明導電性膜と、前記対向基板の第２の面の前記絵素領
域と対向する領域に形成され、この領域に第１の角度で
入射した光源光を分光し、波長に応じて前記絵素領域内
の異なった反射電極へ集光するとともに、反射電極で反
射した光については対向基板の法線方向に出射する光学
素子とを具備するようにしてもよい。

【００４１】すなわち、本発明の液晶表示素子は、第２
の基板の液晶層を挟持する第１の面と反対側の第２の面
に、絵素領域毎に形成された例えば回折格子などの第１
の光学系を備えたものであり、この第１の光学系は、入
射時にはカラー表示を可能にするための分光作用および
波長毎に所定の画素に入射するための集光作用を有する
ものであり、さらに第１の電極として反射電極を備える
場合には、出射時には実質的に分光作用、集光作用を有
しないよう画素で強度変調された光を出射するように設
計されている。

【００４２】すなわち第１の光学系は、第２の基板の第
２の面の絵素に対応する領域に所定の角度で入射した光
を分光し、波長に応じて絵素内の異なった画素へ導く。
また第１の電極として反射電極を備えている場合には、
反射電極で反射された光については実質的に透過して出
射するように配設されている。

【００４３】したがって、絵素を構成する複数の画素
（例えばＲＧＢの３画素）の配列方向と平行に所定角度
で絵素領域に入射した光は、第１の光学系により波長に
応じて異なった画素（ここではＲＧＢの３画素）に連続
して分光・集光され、液晶層により強度変調され、カラ
ー表示が行われる。

【００４４】第１の光学系として例えば回折格子を用い
る場合には、回折格子を１次回折光の強度が極大になる
ようにブレーズし、またそれぞれ波長に応じて集光され
るようにチャープするようにしてもよい。また、反射電
極で反射した反射光については０次回折光の強度が極大
になるようにすればよい。

【００４５】また、第１の電極として反射電極を備える
本発明の液晶表示素子は、強度変調を行う画素が２次元
に配列され、この画素群からの反射光を表示に利用する
液晶表示素子であって、少なくとも２つの異なる波長成
分を有する光が入射したとき、その出射角度を変化させ
るスペクトル変化手段である第１の光学系を、画素群の
光入射面に備えたものである。また、この第１の光学系
により変化する波長成分のエネルギーが第１の光学系に
入射する光全体のエネルギーに対して占める割合が、画
素に入射するときよりも、反射電極で反射されて画素か
ら出射するときの方が小さくなるように配設される。す
なわち、光源光が画素に入射するときには第１の光学系
によりそのスペクトルが変化するが、画素で変調され第
１の光学系に再入射するときにはそのスペクトルは実質
的に変化しないように配設される。

【００４６】画素領域には、表示に寄与する表示領域と
しない非表示領域を備えており、第１の光学系に表示領
域の照度を向上させるための集光作用を持たせるように
してもよい。

【００４７】また、光源光のスペクトルを変化手段とし
て機能するとともに、画素への集光手段として機能する
第１の光学系として回折格子を用いるようにしてもよ
い。

【００４８】この回折格子を、入射光に対して回折格子
の所定次数の光出力を最大とするようにブレーズするよ
うにしてもよい。そして、この回折格子に再入射させる
画素により変調され反射された光については、０次光が
最大に出力される方向に入射させるようにすればよい。

【００４９】この回折格子は、連続する複数の画素を１
単位とする絵素ごとに設けられており、回折格子により
分光された光は、その波長に応じて絵素内の異なった画
素に集光するようにチャープするようにしてもよい。

【００５０】本発明の投影型液晶表示素子は、光源光を
マトリクス状に配設された画素に入射し、この画素で強
度変調した光源光を投影面に投影表示する投影型液晶表
示素子であって、第１の電極が形成された第１の面を有
する第１の基板と、第１の基板の第１の電極との間に液
晶層を挟持して前記画素を形成する第２の電極が形成さ
れた第１の面と、光源光の入射面である第２の面を有す
る第２の基板と、第２の基板の第２の面の複数の連続し
た複数の画素からなる絵素に対向する領域に形成され、
この領域に入射した光源光を分光し、波長に応じて前記
絵素内の異なった前記画素へ導く第１の光学系とを有す
る液晶表示素子と、光源光を所定の角度で第１の光学系
へ導く第３の光学系と、第１の光学系から出射した光を
投影面に投影する第４の光学系とを具備したことを特徴
とする。

【００５１】また本発明の投影型液晶表示素子は、複数
の反射電極が並列配置された絵素領域がマトリクス状に
形成されたアレイ基板と、前記アレイ基板との間に液晶
層を挟持する対向基板と、前記対向基板の前記液晶層を
挟持する第１の面に形成された透明導電性膜とを有する
液晶表示素子と、前記液晶表示素子の対向基板の第２の
面に形成され、前記絵素領域に入射した光源光を１次回
折光が極大となるように分光し、波長に応じて前記絵素
領域内の前記反射電極へ集光するとともに、前記反射電
極で反射した光については０次回折光の強度が極大とな
るよう分光する第１の光学系と、光源光を前記第１の光
学系へ導く第３の光学系と、第１の光学系から出射した
光を投影面に投影する第４の光学系とを具備したことを
特徴とする。

【００５２】また、本発明の投影型液晶表示装置は、マ
トリクス配置された画素群が主として光の複屈折性ある
いは旋光性を用いて光透過率を制御する光変調層を備え
た液晶層により構成された表示素子であり、この液晶表
示素子に光源からの光源光を導く照明光学系である第３
の光学系と、この液晶表示素子により光変調された変調
光を投影面に投影する投影光学系である第４の光学系と
を備えたものである。本発明の液晶表示素子は、光入射
面に集光・分光作用を持ち、所定の次数の光の強度が高
くなるようにブレーズされ、画素ごとに集光するように
チャープされ、さらに、入射時に分光・集光作用が最大
になり、出射時には最小になるような回折格子を装加し
たものである。さらに、反射型液晶表示素子の画素と第
１の光学系との間に絵素ごとにマイクロレンズなどの変
調光を平行光化する手段を設けることにより、第１の光
学系に再入射する変調光の平行度がより高まる。したが
って液晶表示素子から出射する際に第１の光学系による
分光・集光作用が低減される。また、反射電極により反
射した変調光は正しく投影光学系に導入されるから、変
調光が複数の集光素子を透過するために表示輝度が低下
したり、表示が乱れることはない。

【００５３】

【発明の実施の形態】以下に本発明についてさらに詳細
に説明する。図１は本発明の液晶表示素子の光学系を概
略的に示す図である。照明光学系１０１１を出射した光
は、入射側偏光板１０１２を通過して、対向基板の絵素
に対応する領域ごとに配設された回折格子であるホログ
ラム素子１０００により波長に応じて例えばＲＧＢの光
に分光され、絵素内の複数の画素１０１５Ｒ、画素１０
１５Ｇ、画素１０１５Ｂに入射する。

【００５４】このホログラム素子１０００は、所定角度
で入射する光を画素１０１５Ｒ、画素１０１５Ｇ、画素
１０１５Ｂに入射するように配設されている。ここで、
図１では簡略化のため、波長５４５ｎｍの緑色光の光路
を例にとって示している。

【００５５】したがって、入射光は画素１０１５の反射
電極で反射し、再びホログラム素子１０００に入射する
ことになる。本発明の液晶表示素子においては、反射電
極で反射してホログラム素子１０００に入射する光につ
いては、ほとんど回折が生じないようにホログラム素子
を配設している。図２はホログラム素子１０００に対す
る入射光の入射角度を透過率との関係の１例を示す図で
ある。このホログラム１０００に対する入射光の１次回
折光が最大になる１次回折角は−４０°であり、このと
き全入射光を１００％とすると、１次回折光は約８３
％、０次回折光（すなわち直進光）は約１７％である。
このとき裏面（ホログラム素子の光源と反対側の面）の
１次回折光の出射角度は−５°であり、ここでも１次回
折効果がみられる。

【００５６】図３は、ホログラム素子１０００の裏面か
ら入射する光の入射角度を透過率との関係の１例を示す
図である。上述同様にここでも−４０°が裏面からの１
次回折角であり、−５°が表面の１次回折光の出射角度
になっている。

【００５７】したがって、各画素の反射電極での反射さ
れ、ホログラム素子１０００に再入射する変調光を、ホ
ログラム素子１０００により屈折作用を受けないように
利用するには、前述の回折角をはずしてホログラム素子
１０００に入射させるようにすればよい。

【００５８】例えば、図２および図３に例示したような
特性を有するホログラム素子を光入射面に備えた液晶表
示素子に、光源光を−４０°（ただし、入射方向は絵素
内の反射電極の配列方向と平行）で入射させた場合、ホ
ログラム素子からは−５°の出射角で出射して波長に応
じて角画素に入射する。この光は反射電極で反射され、
＋５°の入射角でホログラム素子の裏面に入射する。こ
の光は、図３に示したようにその約９０％が０次回折光
（直進光）としてホログラム素子１０００から出射す
る。ホログラム素子を出射した光は、出射側偏光板１０
１７、投射レンズ１０１８を経て、スクリーンに投射さ
れる。

【００５９】本発明においては、ホログラム素子の表面
（光源側）および裏面（液晶層側）の１次回折角をはず
すことにより、液晶表示素子に入射する光については回
折し、出射する光についてはほとんど直進させることが
できる。したがって、従来技術のように変調光は投射レ
ンズに正しく入射する。また、焦点もスクリーン上に正
しく結像する。したがって輝度が高く、焦点の正しくあ
った表示を行うことができる。

【００６０】（実施形態１）図４は本発明の液晶表示素
子の構造の１例を概略的に示す断面図であり、図５はこ
の液晶表示素子の単位絵素を模式的に示す図である。

【００６１】この液晶表示素子１０は反射型液晶表示素
子であり、アレイ基板１１と対向基板１２との間に液晶
層１３が挟持されている。アレイ基板１１にはマトリク
ス状に配設された画素領域毎に画素電極である反射電極
１４が配設されている。一方、例えばガラスなどの透明
絶縁性材からなる対向基板１２は、液晶層１３を挟持す
る面（第１の面）に例えばＩＴＯ（ＩｎｄｉｕｍＴｉ
ｎＯｘｉｄｅ）などの透明導電性膜からなる対向電極
１５が形成されている。そして、反射電極１４と対向電
極１５との間に電界を形成し、液晶分子の配向状態を制
御することにより画素１７に入射した光の強度変調して
出射することができる。

【００６２】ここでは、カラー表示を行うために３画素
を１単位として絵素１６が形成されており、画素１７Ｒ
でＲ（赤）の光を変調し、画素１７ＧでＧ（緑）の光を
変調し、画素１７ＢでＢ（青）色の光をそれぞれ変調す
ることによりカラー表示を行う構成となっている。

【００６３】画素１７の大きさは２６μｍ×７８μｍで
あり、ＲＧＢ３画素で単位絵素１６を構成する。画素１
７の開口サイズは１画素あたり２３μｍ×７２μｍであ
り、したがって開口率はほぼ８２％になる。

【００６４】なお、この液晶表示素子１０は、対向基板
１２の対向電極１５側の画素１７の境界領域に対応する
領域にブラックマトリクス１８を備えている。ブラック
マトリクス１８により、各画素１７に入射する色光の境
界がシャープになり、色にじみなどが低減し、表示品質
が向上する。

【００６５】また図４では図示を省略しているが、アレ
イ基板１１には反射電極１４を駆動するためのスイッチ
ング素子である薄膜トランジスタ３３、薄膜トランジス
タのゲートに接続し薄膜トランジスタのオンオフを行う
ための走査線３５、薄膜トランジスタのソース３２ａ・
ドレイン３２ｂを介して反射電極１４に表示信号を印加
するための信号線３６も形成されている（図６参照）。

【００６６】そして本発明の液晶表示素子１０は、対向
基板１２の液晶層を挟持する側の面と反対側の面（第２
の面）に、絵素領域毎に形成された第１の光学系である
回折格子（ホログラム素子）１９を備えている。

【００６７】図５（ａ）は絵素と画素との関係を、図５
（ｂ）はこの液晶表示素子の絵素領域に入射した光が画
素に導かれる様子を模式的に示している。なお、回折格
子通過後の光路は簡単のために赤色光についてのみ示し
ている。

【００６８】この回折格子１９は、入射時にはカラー表
示を可能にするための分光作用および波長毎に所定の画
素１７に入射するための集光作用を有し、出射時には実
質的に分光作用、集光作用を有しないよう画素１７で強
度変調された光を出射するように設計されている。すな
わち回折格子１９は、対向基板１２の第２の面の絵素１
６に対応する領域に所定の角度で入射した光について
は、１次回折光の強度が極大になるように分光し、波長
に応じて絵素１６内の異なった画素１７Ｒ、１７Ｇ、１
７Ｂへ集光するとともに、反射電極で反射した光につい
ては０次回折光の強度が極大になるように出射するよう
に配設されている。

【００６９】絵素１６を構成する画素１７Ｒ、１７Ｇ、
１７Ｂの配列方向と平行に所定角度で絵素領域に入射し
た光は、回折格子により１次回折光の強度が極大になる
ように分光されて、赤色波長成分を有する光は画素１７
Ｒへ、緑色波長成分を有する光は画素１７Ｇへ、そして
青色波長成分を有する光は画素１７Ｂへ、それぞれ波長
に応じて集光される。そして、反射電極１４で反射した
反射光については０次回折光の強度が極大になるように
出射される。

【００７０】図６はアレイ基板１１の１画素部分を拡大
して示す断面図である。アレイ基板１１には、画素１７
毎に液晶層１３に表示信号電圧を印加するための画素電
極である反射電極１４がマトリクス状に形成されてい
る。絵素１６内では画素１７Ｒ、画素１７Ｇ、画素１７
Ｂは回折格子１９の分光方向と平行に配列されている。

【００７１】この反射電極１４のスイッチング素子とし
て、ガラス基板３１上にポリシリコン半導体膜３２をチ
ャネルに用いた薄膜トランジスタ（ｐ−ＳｉＴＦΤ）３
３が画素１７毎に形成されている。そして、ｐ−ＳｉＴ
ＦΤ３３のゲート電極３４にゲート電圧を印加するため
の走査線３５、ソース３２ａ、ドレイン３２ｂを通じて
反射電極１４に表示信号電圧を印加するための信号線３
６により画素１７ごとに液晶層１３に表示信号電圧を印
加することにより、入射した光の強度を変調する構成と
なっている。ゲート電極３４とｐ−Ｓｉ半導体膜３２と
はゲート絶縁膜３７により絶縁されている。３８は補助
容量を形成する補助容量電極であり、３９は補助容量線
（Ｃｓ線）である。

【００７２】ｐ−ＳｉＴＦＴ３３は、無アルカリガラス
基板１４上にアモルファスシリコン薄膜をＣＶＤ法で成
膜した後、レーザーアニール法で多結晶シリコン膜に形
成し、島状にパタ−ニングしてソース領域３２ａ、ドレ
イン領域３２ｂにセルフアラインで不純物を注入して形
成した。そして、ゲート絶縁膜３７、ゲート電極３５、
補助容量電極３８、ソース３２ａ、ドレイン３３ｂと信
号線３６、反射電極１４との接続を得るためのコンタク
トホールを形成した。

【００７３】反射電極１４は例えばスパッタ法などで形
成したアルミニウム薄膜を露光、エッチングによりパタ
−ニングして形成されている。

【００７４】なお、ここではコプラナ型のｐ−ＳｉＴＦ
Ｔ３３をスイッチング素子として用いた例について示し
ているが、用いるＴＦＴは逆スタガ型でもよく、またア
モルファスシリコンを用いたａ−ＳｉＴＦＴでもよい。
また、スイッチング素子はＴＦＴに限ることはなくＭＩ
Ｍなどを用いるようにしてもよい。さらに、アレイ基板
としてアルカリを含有するガラスを用いる場合には、Ｓ
ｉＯｘ膜、ＳｉＮｘ膜およびこれらの積層膜などの保護
膜を形成してアルカリの拡散を防止するようにすればよ
い。図７はアレイ基板１１の回路構成を模式的に示す図
である。各画素に配設されたスイッチング素子である薄
膜トランジスタ３３は、走査線駆動回路４１と接続した
走査線３５に印加されるアドレス信号によりオン状態と
オフ状態とが制御される。オン状態のときに信号線駆動
回路４２と接続した信号線３６に印加される表示信号電
圧を画素２０２ｂに書き込むことにより表示が行われ
る。

【００７５】本実施形態のようにｐ−ＳｉＴＦＴ３３を
用いることにより、走査線駆動回路４１、信号線駆動回
路４２などの表示画素アレイ４３の駆動手段をアレイ基
板１１上に一体的に形成することができる。

【００７６】本発明の液晶表示素子は、前述のようにそ
の光入射面に絵素毎に配設した回折格子１９を有し、こ
の回折格子を用いて入射光を波長に応じて各画素へ導く
ように構成されている。

【００７７】液晶表示素子１０の各絵素１６の光入射面
に設けられた回折格子１９に入射した光は、波長に応じ
て異なった画素１７Ｒ、画素１７Ｇ、画素１７Ｂに連続
して分光・集光される。各画素に入射した光を液晶層１
３により強度変調することにより、カラー表示を行うこ
とができる。

【００７８】回折格子１９は、ガラス基板上に感光材料
であるフォトポリマー（デュポン社製オムニデックス３
５２）の膜厚１０μｍ、屈折率差Δｎが０．０３のもの
を用い、光源としてアルゴン５Ｗレーザを電流３０Ａ、
出力０．１Ｗ、波長５１４．５ｎｍシングルモード状態
で用い、感光体層の法線方向（膜厚方向）に対して同じ
側に２４．３度の角度を有する平行光により感光させて
作成した。

【００７９】この回折格子１９は、入射向きにおいて
は、波長に応じて画素１７Ｒ、１７Ｇ、１７Ｂごとに集
光するようにチャープされており、また、回折格子の形
成面の法線方向に対して４０度で入射した時に、１次回
折光が強くなるようにブレーズされている。

【００８０】すなわちこの回折格子は格子ピッチを連続
的に変化させて形成されており、例えば波長５４５ｎｍ
の光を１絵素を構成する３画素のうち中央の画素に集光
するように、すなわち緑の表示信号により制御される画
素１７Ｇに集光するように形成されている。このとき、
例えば波長６２０ｎｍの光は赤の表示画素１７Ｒに集光
し、波長４２０ｎｍの光は青の表示画素１７Ｂに集光す
るように形成されている。

【００８１】対向基板１２はコ−ニング社製の無アルカ
リガラス１７３７を、基板厚０．４ｍｍまで研磨して用
いた。

【００８２】回折格子１９を形成した対向基板１２の厚
さを０．１〜１ｍｍまで変化させて作成したところ、
０．２〜０．７ｍｍまでの範囲が良好な特性を示した。
図８はこのときの画素の配設ピッチＰと対向基板Ｄの比
Ｐ／Ｄと入射光の利用効率との関係を示す図である。Ｐ
／Ｄの値が約０．１〜約０．５程度の範囲ではほぼ５０
％以上の利用効率を保てることがわかる。また、Ｐ／Ｄ
の値が約０．１〜約０．３５程度の範囲ではほぼ６０％
以上の利用効率を保つことができ、さらにＰ／Ｄの値が
約０．１２〜約０．２程度の範囲では、ほぼ８０％以上
の非常に高い利用効率を保てることがわかる。このよう
に回折格子１９を形成した対向基板１２の厚さを調節す
ることにより、より効率的に入射光を各画素に導入する
ことができる。

【００８３】このような回折格子１９により赤、緑、青
の光に分光された入射光は、それぞれ対応する色の表示
画素１７に集光され、反射電極１４で反射した後、再び
回折格子を通って出射する。回折格子１９に再入射する
変調光の平行度をより高めるために、例えば対向基板１
２と対向電極１５との間に、絵素毎にマイクロレンズを
配設するようにしてもよい。マイクロレンズを設けるこ
とにより画素１７で強度変調された光は平行化され、再
び回折格子を通って出射する。

【００８４】前述のようにこの回折格子１９は回折光が
特定の次数に集中するようにされたブレーズ格子である
が、本実施形態では回折格子１９の形成面の法線方向に
対して４０度で入射したときに、１次回折光が強くなる
ようにブレーズされている。

【００８５】入射角度を０度〜９０度の範囲で変化させ
て実験したところ、入射角度が約３０度〜約５０度の範
囲で良好な特性を示した。図９は、回折格子１９への光
の入射角度θと透過率との関係を示す図であり、図１０
は回折格子１９への光の入射角度θと画素１７へ入射す
る光の強度との関係を模式的に示す図である。また図１
１は回折格子と入射光の位置関係を模式的に示す図であ
る。なお、回折格子１９の分光方向と、単位絵素を構成
する画素１７Ｒ、画素１７Ｇ、画素１７Ｂの配列方向と
は平行になるように配設されている。

【００８６】図９に示したように、−４０°付近を中心
として−５０°〜−３０°の角度範囲と、＋５°付近を
中心として−１０°〜＋１０°の角度範囲で透過率が低
下していることがわかる。これは入射光が回折している
ためであり、これらの入射角度範囲では各画素に入射す
る光の強度が大きくなっている（図２、図３、図１０参
照）。したがって、入射角θを例えば−４０°付近に設
定することにより、光入射面から画素方向に効果的に回
折光を導くことができる。

【００８７】このように絵素１６に所定角度で入射した
光源からの平行光は回折格子１９の作用により波長に応
じて画素１７Ｒ、画素１７Ｇ、画素１７Ｂに入射し、液
晶層１３により強度変調される。

【００８８】一方、反射電極で反射された変調光の回折
格子への再入射角度については、０次光が極大になるよ
うな角度で入射することが好ましく、さらにこの再入射
角度は回折格子の形成面の法線方向に近いことが好まし
い。本実施形態の液晶表示素子では、画素で強度変調さ
れた光を回折格子の形成面に対してほぼ鉛直方向で再入
射させ、強度が極大かつ最大の０次光を出射光として得
ることができた。

【００８９】また、画素による変調光の回折格子への再
入射角度については、０次光が極大になる角度から離れ
るほど光の利用効率は低下することになるが、本実施形
態では画素からの出射光の平行度を高めるための光学系
としてマイクロレンズを用いたため、回折格子通過する
際の損失はほとんど無くすることができた。

【００９０】このような構成を採用することにより、本
発明の液晶表示素子は、入射向きには、赤、緑、青の表
示をするための分光作用を持ち、また、表示画素開口部
を透過するように集光作用を持ち、−方、反射した後の
出射向きには、分光作用、集光作用をもたない特性を得
ることができた。

【００９１】以上の構成の液晶表示素子の光の利用効率
を測定したところ、まず、入射時の回折効率は波長５４
５ｎｍの光ではほぼ１００％になり、白色光では全体の
８０％であった。また、回折格子の持つ集光作用により
表示画素開口部に集光されているため、開口率の影響は
ほとんど受けなかった。次に、表示画素の反射部におけ
る光の利用効率は、全体の８０％であった。

【００９２】さらに、出射時に、反射光を回折格子の形
成面の法線方向に対して０度で入射させたところ、０次
光の波長５４５ｎｍの光の透過効率はほぼ１００％であ
り、白色光の再透過時の効率低下は全体に対して９０％
程度であった。

【００９３】以上のように、回折、反射、再透過時の効
率低下を合計しても約６０％利用効率を得ることができ
た。これは、通常のカラーフィルタを用いた液晶表示素
子の光の利用効率の１０倍近い極めて高い利用効率であ
る。

【００９４】以上のように、本発明の液晶表示装置にお
いては、集光・分光作用を持ち、所定の次数の光の強度
が高くなるようにブレーズされ、画素ごとに集光するよ
うにチャープされており、さらに、入射透過時に分光・
集光能力が最大になり、出射透過時に最小になるように
された回折格子を装加し、さらにこの回折格子と反射型
液晶表示素子の間に絵素ごとにマイクロレンズを設ける
ようにしてもよく、マイクロレンズにより変調光が回折
格子から出射する際の効率低下を低減することができ
る。

【００９５】また、単位絵素から出射する光は、絵素毎
に集光素子を通過して投射光学系に入射するから、輝度
が高く、焦点のあった品質の優れた表示を行うことがで
きる。さらに、カラーフィルタを用いない単板式の技
術を、反射型液晶表示素子で実現することができるた
め、高表示品質な液晶表示素子を安価に提供することが
できる。

【００９６】（実施形態２）図１２は本発明の液晶表示
素子の構造の別の１例を概略的に示す断面図であり、図
１３はこの液晶表示素子に入射する光が変調されて出射
される様子を示す図である。この液晶表示素子２０で
は、第２の光学系として、対向基板１２と対向電極１５
との間に絵素１６ごとにマイクロレンズ２１が配設され
たマイクロレンズアレイ２２を備えている。

【００９７】白色平行光源から液晶表示素子２０の光入
射面に入射した光源光は、絵素毎に形成された回折格子
１９に入射角θで入射する。この入射光は回折格子１９
により波長に応じて回折角φで分光されて画素１７Ｒ、
画素１７Ｇ、画素１７Ｂに入射する。ここで、回折格子
のピッチをｄ、光の波長をλとすると、ｓｉｎθ＋ｓｉｎφ＝λ／ｄである。回折格子１９は、反射電極１４で反射され回折
格子１９に再入射する光は正面方向に出射するようにブ
レーズされており、液晶層１３により強度変調された光
はマイクロレンズ２１で平行光化され回折格子１９に再
入射し正面方向に出射する。このとき、画素１７Ｒ、画
素１７Ｇ、画素１７Ｂで強度変調された光はマイクロレ
ンズ２１によりより平行度を高められて、回折格子１９
に再入射する（図１３）参照。

【００９８】したがって、本発明の液晶表示素子２０に
おいても、入射向きには、赤、緑、青の表示をするため
の分光作用を持ち、また、表示画素開口部を通過するよ
うに集光作用を持ち、−方、反射した変調光の出射向き
には、分光作用、集光作用をもたない特性を得ることが
できた。

【００９９】図１４は、マイクロレンズ２１を用いた本
発明の液晶表示素子２０の光学系を模式的に示す図であ
る。反射型液晶表示素子２０にマイクロレンズ２１を備
えることにより、画素で変調された光の出射角度の範囲
を狭くすることができる。すなわち、図２１に示した通
り、ホログラム素子１９に入射した光は波長に応じて分
光され、ＲＧＢの光として集光される。ここで、ホログ
ラム素子を通過する入射光の焦点にマイクロレンズを配
設した場合、マイクロレンズ２１により屈折作用をう
け、焦点通過後の発散角は小さくなる。

【０１００】なお、図１４中ＡＡは反射面を表わし、Ａ
Ａに対してホログラム素子と反対側に示した光路は、反
射電極で折り返された反射後の光路を示している。マイ
クロレンズ２１のない場合の最大発散角θよりも、マイ
クロレンズ２１を備えた場合の最大発散角θ_Mの方が小
さくなる。したがって出射角度範囲を小さくすることが
できる。

【０１０１】以上の構成の液晶表示素子２０の光の利用
効率を測定したところ、まず、入射時の回折効率は波長
５４５ｎｍの光ではほぼ１００％になり、白色光では全
体の８０％であった。また、回折格子の持つ集光作用に
より表示画素開口部に集光されているため、開口率の影
響はほとんど受けなかった。次に、表示画素の反射部に
おける光の利用効率は、全体の８０％であった。

【０１０２】さらに、出射時に、反射光を回折格子の形
成面の法線方向に対して０度で入射させたところ、０次
光の波長５４５ｎｍの光の透過効率はほぼ１００％であ
り、白色光の再透過時の効率低下は全体に対して９８％
程度であった。

【０１０３】以上のように、回折、反射、再透過時の効
率低下を合計しても約６５％の利用効率を得ることがで
きた。これは、通常のカラーフィルタを用いた液晶表示
素子の光の利用効率の１１倍近い極めて高い利用効率で
ある。

【０１０４】以上のように、本発明の液晶表示装置にお
いては、集光・分光作用を持ち、所定の次数の光の強度
が高くなるようにブレーズされ、画素ごとに集光するよ
うにチャープされており、さらに、入射透過時に分光・
集光能力が最大になり、出射透過時に最小になるように
された回折格子を装加し、さらにこの回折格子と反射型
液晶表示素子の間に絵素ごとにマイクロレンズを設ける
ようにしてもよく、マイクロレンズにより変調光が回折
格子から出射する際の効率低下を低減することができ
る。

【０１０５】また、単位絵素から出射する光は、絵素毎
に集光素子を通過して投射光学系に入射するから、輝度
が高く、焦点のあった品質の優れた表示を行うことがで
きる。さらに、カラーフィルタを用いない単板式の技
術を、反射型液晶表示素子で実現することができるた
め、高表示品質な液晶表示素子を安価に提供することが
できる。

【０１０６】（実施形態３）図１５は本発明の投影型液
晶表示装置３０の構成を概略的に示す図である。

【０１０７】この投影型液晶表示装置３０は、実施形態
１、実施形態２に例示したような光入射面に回折格子１
９を備えた本発明の液晶表示素子を用いたものである。
ここでは、図１２に例示したマイクロレンズアレイ２２
を備えた液晶表示素子２０を用いた例について説明す
る。

【０１０８】液晶表示素子を照射する照明光学系である
第３の光学系は、反射鏡３１およびランプ３２からなる
白色の光源３３と、光源光の平行度をさらに高めるため
のレンズ３４から構成されており、液晶表示素子２０の
光入射面に対して−４０°の角度で平行光を入射するよ
うに配置されている。液晶表示素子２０への入射光はで
きるだけ高い平行度を有することが好ましい。

【０１０９】また、液晶表示素子２０により２次元的に
強度変調された光を投射する第４の光学系は、集光レン
ズ３５、不要光を取り除く絞り３６、表示画像を拡大投
影する投影レンズ３７、およびスクリーン３８により構
成されている。

【０１１０】光源３３から平行光束として出射した照明
光束は液晶表示素子２０に照射される。光源３３のラン
プ３２としては、たとえばメタルハライドランプ、キセ
ノンランプ等の放電ランプやハロゲンランプ等が反射鏡
３１と組み合わせて使用される。液晶表示素子２０の画
素アレイ上には画像が表示され、表示画像の濃淡に応じ
て面内に入射した光束の強度が変調される。図１６は、
液晶表示素子２０により光が変調されて出射する様子を
模式的に示す図であり、マイクロレンズは図示を省略し
た。

【０１１１】液晶表示素子２０の画素アレイに対して垂
直に出射した光束Ｌ₀は集光レンズ３５により絞り上に
集光され、絞り３６を透過した後に、投射レンズ３７に
入射する。液晶表示素子２０で散乱し、集光レンズ３５
を透過した光束Ｌ_eは絞り３６により遮断され、投射レ
ンズ３７に入射することはない。すなわち絞り３６は不
要光（散乱光）を選択的に遮断し、液晶表示素子２０か
らほぼ垂直に出射する変調光の光束のみを選択的に投射
レンズ３７に送り込むことにより、コントラストを向上
させる。投射レンズ３７を透過した光束はスクリーン３
８上に拡大結像される。

【０１１２】このように、本発明の投影型液晶表示装置
においては、実施形態１および実施形態２で説明したよ
うな、集光・分光作用を持ち、所定の次数の光の強度が
高くなるようにブレーズされかつ画素ごとに集光するよ
うにチャープされ、さらに、入射透過時に分光・集光能
力が最大になり、出射透過時に最小になるようにされた
回折格子を装加した構成の液晶表示素子を用いることに
より、反射型液晶表示素子１枚だけで、カラーフィルタ
を用いることなくカラー表示を行うことができる。した
がって、画素の配設密度の大きい液晶表示素子において
も、画素開口率低下による表示品質の低下を解消するこ
とができる。また、カラーフィルタが不要であるので、
光の利用効率が極めて高く、輝度の高い品質の優れた表
示を行うことができる。

【０１１３】さらにこの回折格子と反射型液晶表示素子
の間に絵素ごとにマイクロレンズを設けるようにしても
よく、マイクロレンズにより変調光が回折格子から出射
する際の効率低下を低減することができる。

【０１１４】また、単位絵素から出射する光は、絵素毎
に集光素子を通過して投射光学系に入射するから、輝度
が高く、焦点のあった品質の優れた表示を行うことがで
きる。さらに、反射型液晶表示素子単板でカラー表示
を実現することができるため、高表示品質な投影型液晶
表示素子を安価に提供することができる。

【０１１５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の投影型液
晶表示装置によれば、集光・分光作用を持ち、所定の次
数の光の強度が高くなるようにブレーズされかつ画素ご
とに集光するようにチャープされ、さらに、入射透過時
に分光・集光能力が最大になり、出射透過時に最小にな
るようにされた回折格子を装加した構成の液晶表示素子
を用いることにより、反射型液晶表示素子１枚だけで、
カラーフィルタを用いることなくカラー表示を行うこと
ができる。したがって、画素の配設密度の大きい液晶表
示素子においても、画素開口率低下による表示品質の低
下を解消することができる。また、カラーフィルタが不
要であるので、光の利用効率が極めて高く、輝度の高い
品質の優れた表示を行うことができる。

【０１１６】さらにこの回折格子と反射型液晶表示素子
の間に絵素ごとにマイクロレンズを設けるようにしても
よく、マイクロレンズにより変調光が回折格子から出射
する際の効率低下を低減することができる。

【０１１７】また、単位絵素から出射する光は、絵素毎
に集光素子を通過して投射光学系に入射するから、輝度
が高く、焦点のあった品質の優れた表示を行うことがで
きる。さらに、反射型液晶表示素子単板でカラー表示
を実現することができるため、高表示品質な投影型液晶
表示素子を安価に提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の液晶表示素子の光学系を概略的に示す
図。

【図２】ホログラム素子に対する入射光の入射角度と透
過率との関係の１例を示す図。

【図３】ホログラム素子の裏面から入射する光の入射角
度と透過率との関係の１例を示す図。

【図４】本発明の液晶表示素子の構造の１例を概略的に
示す断面図。

【図５】本発明の液晶表示素子の単位絵素を模式的に示
す図。

【図６】本発明の液晶表示素子の１画素部分を拡大して
示す断面図。

【図７】アレイ基板の回路構成を模式的に示す図。

【図８】画素の配設ピッチＰと対向基板Ｄの比Ｐ／Ｄと
入射光の利用効率との関係を示す図。

【図９】回折格子への光の入射角度θと透過率との関係
を示す図。

【図１０】回折格子への光の入射角度θと画素へ入射す
る光の強度との関係を模式的に示す図。

【図１１】回折格子と入射光の位置関係を模式的に示す
図。

【図１２】本発明の液晶表示素子の構造の別の１例を概
略的に示す断面図。

【図１３】図１２の液晶表示素子に入射した光が画素で
強度変調されて出射する様子を示す図。

【図１４】マイクロレンズを備えた本発明の液晶表示素
子の光学系を模式的に示す図。

【図１５】本発明の投影型液晶表示装置の構成を概略的
に示す図。

【図１６】照明光学系と液晶表示素子の回折格子、ブラ
ックマトリクス、画素との関係を模式的に示す図。

【図１７】従来の投影型液晶表示装置の構成の１例を概
略的に示す図。

【図１８】従来の液晶表示素子の構成の１例を概略的に
示す図。

【図１９】反射型液晶表示素子の画素構成を概略的に示
す断面図。

【図２０】単板式のカラー表示技術を反射型液晶表示素
子に応用した場合の問題を模式的に示す図。

【図２１】単板式のカラー表示技術を反射型液晶表示素
子に応用した場合の問題を模式的に示す図。

【符号の説明】

１０……液晶表示素子、１１……アレイ基板、１２……
対向基板１３……液晶層、１４……反射電極、１５……対向電
極、１６……絵素１７Ｒ……画素（赤色）、１７Ｇ……画素（緑色）、１
７Ｂ……画素（青色）１８……ブラックマトリクス、１９……回折格子２０……液晶表示素子、２１……マイクロレンズ２２……マイクロレンズアレイ３０……投影型液晶表示装置、３１……反射鏡、３２…
…ランプ３３……光源、３４……レンズ、３５……集光レンズ、
３６……絞り３７……投影レンズ、３８……スクリーン４０……投影型液晶表示装置、４１……液晶表示素子９１……光源、９２……ダイクロイックミラー、９３…
…マイクロレンズ９４……液晶表示素子、９５……フィールドレンズ、９
６……投影レンズ９７……スクリーン１０１……液晶層、１０２……アレイ基板、１０３……
対向基板１０４Ｒ……画素（赤）、１０４Ｇ……画素（緑）、１
０４Ｂ……画素（青）１０５……対向電極１１１……液晶層、１１２……アレイ基板、１１３……
対向基板１１４……反射電極、１１５……対向電極、１１６……
ゲート線１１７……信号線、１１８……薄膜トランジスタ１０００……ホログラム素子１０１１……照明光学系、１０１２……入射側偏光板、
１０１５……画素

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】マトリクス状に配設された画素に入射し
た光源光の強度を変調して表示を行う液晶表示素子であ
って、反射電極が形成された第１の面を有する第１の基板と、第１の基板の反射電極との間に液晶層を挟持して前記画
素を形成する透明電極が形成された第１の面と、光源光
の入射面である第２の面とを有する第２の基板と、複数の連続した前記画素からなる絵素に対応する第２の
基板の第２の面上の領域に形成され、この領域に入射し
た光源光を分光し、波長に応じて前記絵素内の異なった
前記画素へ導く第１の光学系とを具備したことを特徴と
する液晶表示素子。
【請求項２】第１の光学系は、その分光方向が前記絵
素内に配置された前記画素の配列方向と平行な回折格子
であることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示素
子。
【請求項３】前記回折格子は、光源光の１次回折光の
強度が極大となるようにブレーズされたブレーズ格子で
あることを特徴とする請求項２に記載の液晶表示素子。
【請求項４】前記回折格子は、分光した光源光を波長
に応じて前記絵素内の異なった前記画素へ集光するよう
にチャープされていることを特徴とする請求項２乃至３
のいずれかに記載の液晶表示素子。
【請求項５】第１の光学系へ入射する光源光の入射角
度は約３０°から約５０°の範囲にあることを特徴とす
る請求項１に記載の液晶表示素子。
【請求項６】前記絵素内の前記画素の配設ピッチを
Ｐ、前記回折格子と第２の基板の第２の電極との間隔を
Ｄとしたとき、Ｐ／Ｄは約０．８から約０．４の範囲に
あることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示素子。
【請求項７】第２の電極の第２の基板側の前記画素の
境界領域に対応する領域に形成されたブラックマトリク
スを具備したことを特徴とする請求項１に記載の液晶表
示素子。
【請求項８】前記回折格子は、光源光をその１次回折
光の強度が極大となるように前記画素へ導く前記入射光
の前記回折格子に対する入射角と、前記反射電極で反射
した反射光の透過強度が極大になるような前記反射光の
前記回折格子に対する入射角とが異なることを特徴とす
る請求項２に記載の液晶表示素子。
【請求項９】前記回折格子に対する光源光の入射角度
と反射光の出射角度は異なることを特徴とする請求項８
に記載の液晶表示素子。
【請求項１０】第２の基板の第１の面と第２の電極と
の間に前記絵素毎に配設され、反射電極で反射された光
を平行光化して前記回折格子に導く第２の光学系を具備
したことを特徴とする請求項２に記載の液晶表示素子。
【請求項１１】第２の光学系はマイクロレンズである
ことを特徴とする請求項１０に記載の液晶表示素子。
【請求項１２】光源光をマトリクス状に配設された画
素に入射し、この画素で強度変調した光源光を投影面に
投影表示する投影型液晶表示素子であって、第１の電極が形成された第１の面を有する第１の基板
と、第１の基板の第１の電極との間に液晶層を挟持して
前記画素を形成する第２の電極が形成された第１の面
と、光源光の入射面である第２の面を有する第２の基板
と、第２の基板の第２の面の複数の連続した複数の画素
からなる絵素に対向する領域に形成され、この領域に入
射した光源光を分光し、波長に応じて前記絵素内の異な
った前記画素へ導く第１の光学系とを有する液晶表示素
子と、光源光を所定の角度で第１の光学系へ導く第３の光学系
と、前記画素で強度変調された光源光を投影面に投影する第
４の光学系とを具備したことを特徴とする投影型液晶表
示装置。
【請求項１３】光源光をマトリクス状に配設された画
素に入射し、この画素で強度変調した光源光を投影面に
投影表示する投影型液晶表示素子であって、反射電極である第１の電極が形成された第１の面を有す
る第１の基板と、第１の基板の第１の電極との間に液晶
層を挟持して前記画素を形成する第２の電極が形成され
た第１の面と、光源光の入射面である第２の面を有する
第２の基板と、第２の基板の第２の面の複数の連続した
複数の画素からなる絵素に対向する領域に形成され、こ
の領域に入射した光源光を分光し、波長に応じて前記絵
素内の異なった前記画素へ導くとともに、前記画素で強
度変調され第１の電極で反射された変調光を出射する第
１の光学系とを有する液晶表示素子と、光源光を所定の角度で第１の光学系へ導く第３の光学系
と、前記液晶表示素子から出射した変調光を投影面に投影す
る第４の光学系とを具備したことを特徴とする投影型液
晶表示装置。