JP2000047198A - 液晶光変調素子及び投影表示装置 - Google Patents

液晶光変調素子及び投影表示装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 吸収型のカラーフィルターを用いることな
く、簡単な構成で高い表示品質のカラー表示を行うこと
が可能な反射型の液晶光変調素子と、明るく高品位なカ
ラー表示を行うことができる安価な単板式の投影表示装
置を提供する。 【解決手段】 白色照明光(L1)をB,G,Rに分光する
回折素子(D1)と、2次元の複数画素に対する入射光の強
度を変調する液晶層(2)と、回折素子(D1)で分光された
光が液晶層(2)の各画素に導光されるように集光するマ
イクロレンズ(1)と、液晶層(2)を透過した光を反射させ
る反射電極(M)と、を備え、反射電極(M)が入射光の入射
方向と略同じ方向に入射光を反射させる機能を有する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、液晶光変調素子及
び投影表示装置に関するものであり、更に詳しくは、反
射型の液晶光変調素子と、それを用いてカラー画像をス
クリーン上に投影する投影表示装置に関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】光変調素子の代表である液晶光変調素子
には透過型と反射型があり、いずれのタイプについて
も、パネルの小型化とともに表示画素数の増加が求めら
れている。大きさが同じパネルであれば、画素数が増え
ると一般には開口率が低下してしまうが、反射型の液晶
光変調素子では画素の駆動配線等を反射電極の裏側に配
置することができるため、同じ大きさで同じ画素数であ
れば開口率を大きくとることができる。また、同じ開口
率で同じ画素数であれば小型化が可能である。したがっ
て、反射型の液晶光変調素子はデジタルTV等のHDT
V(high definitiontelevision)フォーマットに対応す
る上で有利であり、反射型の液晶光変調素子を用いれば
高品位な表示を得ることができる。
【0003】また、液晶光変調素子を用いてカラー画像
を表示する装置には、R(赤),G(緑),B(青)のそれぞ
れに対応した3枚の液晶光変調素子を用いる3板式と、
1枚の液晶光変調素子を用いる単板式と、がある。単板
式の方が装置の小型化が可能であり、また部品点数も少
なくできることからコストの面で非常に有利である。し
かし、カラー化のためにRGBのパターンを有する吸収
型カラーフィルターが液晶光変調素子に用いられるた
め、略3分の2の光が無駄になってしまう。したがっ
て、単板式には照明効率が非常に悪いという欠点があ
る。これを解決するために、カラーフィルターとして回
折素子(例えばホログラム)を用いた液晶光変調素子が提
案されている。
【0004】図13に、回折素子から成るカラーフィル
ターが用いられた透過型の液晶光変調素子の一例を示
す。白色照明光(L1)は、アレイ状に配置されたマイクロ
レンズで集光されるとともに、1次元の回折素子(D0)で
B,G,Rの各波長帯域に分光される。分光された各光
束は、液晶層(2)の対応画素を透過してカラー画像の表
示に用いられる。このように、回折素子をカラーフィル
ターとして用いる液晶光変調素子の大部分は透過型であ
る。これは、反射型の液晶光変調素子に回折素子から成
るカラーフィルターを用いると、以下に説明するような
問題が生じるからである。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】例えば、反射型の液晶
光変調素子を用いてカラー画像の投影を行う表示装置で
は、透過型とは異なり、一般に液晶面から投影面までの
間で、偏光ビームスプリッタ等により照明光と投影光と
が分離される。3板式の場合、液晶光変調素子には色分
解後の照明光が入射するため、各素子にそれぞれ入射す
る光束の主光線は、集光用のマイクロレンズを通過し、
液晶層の対応画素に対して垂直に入射した後、反射電極
で正反射されて同じマイクロレンズに戻ることになる。
【0006】これに対し、カラーフィルターとして回折
素子を用いた単板式の場合には、回折素子の回折分散作
用によって分光されたB,G,Rの光束のうちの少なく
とも2つは、その主光線が反射電極面に対して所定の角
度をもって入射することになる。例えば図14に示すよ
うに、集光用のマイクロレンズ(1)と分光用の回折素子
(D0)を照明光(L1)が通過すると、第1基板(P1)及び液晶
層(2)を通過して第2基板(P2)上の反射電極(3)に集光・
入射する光束のうち、RとGの光束の主光線は反射電極
(3)の反射面に対して所定の角度をもって入射すること
になる。したがって、RとGの光成分の一部は通常のミ
ラーのように反射面で正反射されて、他の画素の方向に
反射されてしまう。この光は迷光(LS)として、投影光(L
2)と共にカラー画像の表示に用いられることになるた
め、絵素ごとのクロストークが発生して、投影画像の表
示品質が大きく低下してしまう。
【0007】特開平9−50016号公報や特開平9−
288268号公報では、上記問題を解決するために工
夫された液晶光変調素子が提案されている。しかしその
構成によれば、解決しなければならない問題が新たに発
生してしまう。例えば前者の液晶光変調素子では、液晶
の画像信号の駆動を従来と異なる方法で行うような複雑
な構成にする必要がある。後者の液晶光変調素子では、
照明光を斜めから入射させる必要があるため4層構造の
複雑なホログラムが必要である。また、P,S偏光の分
離を十分に行うためにホログラムを厚くする必要があ
り、波長及び角度に対するホログラムの回折効率の依存
性が増大することになる。
【0008】本発明は、このような状況に鑑みてなされ
たものであって、吸収型のカラーフィルターを用いるこ
となく、簡単な構成で高い表示品質のカラー表示を行う
ことが可能な反射型の液晶光変調素子を提供することを
目的とする。さらに、明るく高品位なカラー表示を行う
ことができる安価な単板式の投影表示装置を提供するこ
とを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、第1の発明の液晶光変調素子は、白色照明光を所定
の波長帯域ごとに分光する分光手段と、2次元の複数画
素に対する入射光の強度を変調する液晶層と、前記分光
手段で分光された光が前記液晶層の各画素に導光される
ように集光する集光手段と、前記液晶層を透過した光を
反射させる反射手段と、を備えた反射型の液晶光変調素
子であって、前記反射手段が入射光の入射方向と略同じ
方向に入射光を反射させる機能を有することを特徴とす
る。
【0010】第2の発明の液晶光変調素子は、上記第1
の発明の構成において、前記反射手段がホログラムアレ
イ素子であることを特徴とする。
【0011】第3の発明の液晶光変調素子は、上記第1
の発明の構成において、前記反射手段がブレーズド反射
回折格子であることを特徴とする。
【0012】第4の発明の液晶光変調素子は、上記第1
の発明の構成において、前記反射手段が再帰反射型素子
であることを特徴とする。
【0013】第5の発明の液晶光変調素子は、上記第1
の発明の構成において、前記分光手段が回折素子である
ことを特徴とする。
【0014】第6の発明の液晶光変調素子は、上記第1
の発明の構成において、前記集光手段が屈折素子である
ことを特徴とする。
【0015】第7の発明の液晶光変調素子は、上記第1
の発明の構成において、前記集光手段が回折素子である
ことを特徴とする。
【0016】第8の発明の投影表示装置は、上記第1〜
第7の発明のいずれか1つの液晶光変調素子を用いてカ
ラー画像の投影表示を行うことを特徴とする。
【0017】
【発明の実施の形態】以下、本発明を実施した液晶光変
調素子及び投影表示装置を、図面を参照しつつ説明す
る。なお、実施の形態相互で同一の部分や相当する部分
には同一の符号を付して重複説明を適宜省略する。
【0018】《第1の実施の形態》図1に、第1の実施
の形態の断面構造を示す。第1の実施の形態は反射型の
液晶光変調素子であって、マイクロレンズ(1),回折素
子(D1),第1基板(P1),液晶層(2),反射電極(M)及び第
2基板(P2)を備えている。第1基板(P1)の下面には透明
電極(不図示)が設けられており、その透明電極と反射電
極(M)との間に液晶層(2)が位置している。この液晶層
(2)は、2次元の複数画素に対する入射光の強度を変調
する変調手段である。
【0019】回折素子(D1)は、白色照明光(L1)を所定の
波長帯域ごとに分光する分光手段であって、1次元の回
折格子構造を有している。また回折素子(D1)は、B,
G,Rの各波長帯域の中心波長がいずれも同じ回折次数
(通常+1次を用いる。)で回折分光されるタイプであっ
て、広い波長帯域で高い回折効率を持つ薄い回折素子で
ある。この回折素子(D1)としては、図10に示すような
表面レリーフ型の回折素子、バイナリー素子型の回折素
子、薄いホログラムから成る回折素子等を用いることが
できる。マイクロレンズ(1)は、回折素子(D1)で分光さ
れた光が液晶層(2)の各画素に導光されるように集光す
る集光手段であって、シリンドリカルレンズアレイ構造
を有している。屈折素子であるマイクロレンズ(1)の集
光作用と回折素子(D1)の分光作用との組み合わせによっ
て、B,G,Rの各波長帯域の光が液晶層(2)の対応画
素に導光されることになる。
【0020】反射電極(M)は、液晶層(2)を透過した光を
反射させる反射手段であって、入射光の入射方向と略同
じ方向に入射光を反射させる機能を有している。通常の
ミラーであれば正反射によって入射光と反射光の光路が
大きく異なることになるが、反射電極(M)では正反射が
行われず、液晶層(2)を透過した光は反射電極(M)に対す
る入射光と略同じ方向(クロストークが生じない程度に
同じ方向であればよい。)に反射されるため、反射電極
(M)に対する入射光と反射光とは同じ光路を通ることに
なる。反射電極(M)の上記機能を実現するための構成例
を以下に挙げて説明する。
【0021】図5は、反射型体積ホログラムで反射面が
構成された反射電極(M)を示している。この反射電極(M)
は、反射型体積ホログラムと、その液晶層(2)側の面に
設けられた透明電極(不図示)と、が一体化された構造を
有している。透明電極はITO膜等で構成されており、
反射型体積ホログラムはB,G,Rの各波長帯域に対し
て反射光の回折効率が最大となるようなホログラムアレ
イ構造を有している。
【0022】反射型体積ホログラムの作成は、厚いホロ
グラム基板の両側から角度を持った物体光と参照光を照
射することにより行われ、その2つの光の干渉により所
定の回折構造を有するホログラムが得られる。本実施の
形態に用いられるホログラムアレイ素子は、図6に示す
ようにB,G,Rの各波長成分で感光材料(M')を3回露
光することにより得られる。Bの露光を行う場合には、
G,Rの画素領域をマスク(4)で遮光する。そして、B
のレーザー光(LO)を物体光としてマイクロレンズ(1)に
入射させるとともに、第2基板(P2)側からマスク(4)を
介して参照光(LR)の照射を行う。このようにしてBの画
素に対応する干渉縞が感光材料(M')に記録されて、Bの
画素に対応するホログラムアレイ構造が得られる。G,
R用のホログラムアレイ構造も同様にして作成すること
ができる。このように3回の露光で1枚のホログラムを
作成してもよいが、各波長成分で露光されたホログラム
を3枚重ね合わせて反射型体積ホログラムを構成しても
よい。
【0023】図7は、ブレーズ化した回折面で反射面が
構成された反射電極(M)を示している。この反射電極(M)
はブレーズド反射回折格子であって、ガラス,樹脂等で
構成された表面レリーフ型回折格子の表面に金属製の電
極膜(不図示)をコートしたものでもよく、電極パターン
を有する金属シートで表面レリーフ型回折格子を構成し
たものでもよい。反射電極(M)の反射面は、B,G,R
の各波長成分に対応する領域ごとに異なる入射角θB,θ
G,θRとなるようなブレーズ形状のミラー面になってお
り、ブレーズ角度α(αB,αG,αR)が主光線の入射角度
θ(θB,θG,θR)と同じになるように構成されている。
そして、2sinθ=λ/Λ(ここで、λ:各波長領域での
中心波長、Λ:格子ピッチ、である。)を満たすこと
で、入射光と略同じ方向に反射光が戻るようにしてい
る。
【0024】図8と図9は、再帰反射型素子であるレト
ロリフレクタで反射面が構成された反射電極(M)を示し
ている。このレトロリフレクタは、微細なコーナーキュ
ーブが2次元的に配置されたシート状構造を有してい
る。入射光は各コーナーキューブで3回反射されて入射
方向と同じ方向に反射されるため、各波長成分の光は入
射角度がそれぞれ異なるにもかかわらず、同じ絵素に対
応するマイクロレンズ(1)内に戻ることになる。なお、
反射電極(M)は、ガラス,樹脂等で構成されたレトロリ
フレクタの表面に金属製の電極膜(不図示)をコートした
ものでもよく、電極パターンを有する金属シートでレト
ロリフレクタを構成したものでもよい。
【0025】図1に示すように、平行光である白色照明
光(L1)がマイクロレンズ(1)と回折素子(D1)を通過する
と、回折素子(D1)の回折作用でB,G,Rの各波長帯域
ごとに分光された光が、マイクロレンズ(1)の集光作用
で液晶層(2)の対応画素に導光される。このときB,
G,Rの光がそれぞれ所定角度で回折するため、1つの
マイクロレンズ(1)を1絵素とするとき、それに対応す
る液晶層(2)の3つの画素がマイクロレンズ(1)に対して
平行シフトすることになる。したがって、全ての波長成
分の光の主光線は、反射電極(M)の反射面に対して斜め
に集光することになる。液晶層(2)を通過した光は反射
電極(M)で反射される。先に述べたように、反射電極(M)
は入射光の入射方向と略同じ方向に入射光を反射させる
機能を有しているので、反射電極(M)に対しそれぞれ所
定の角度で入射したB,G,Rの光は、その入射方向と
略同じ方向に反射される。反射光は再び回折素子(D1)で
各波長帯域ごとに回折されて波長合成され、マイクロレ
ンズ(1)から射出する。
【0026】上述したように、反射電極(M)に付与され
ている前記特徴的な機能によって、1つの絵素を構成す
るB,G,Rの各画素からの表示光をマイクロレンズ
(1)側に戻すことができる。したがって、図14に示す
ような迷光(LS)が生じなくなるため、絵素ごとのクロス
トークの発生が防止される。このようにして、簡単な構
成でありながら高い表示品質のカラー表示を行うことが
可能となる。また、反射型の液晶光変調素子でありなが
ら吸収型のカラーフィルターを用いずに回折素子(D1)を
カラーフィルターとして用いているため、単板でのカラ
ー表示を高い光利用効率で実現することができる。
【0027】《第2の実施の形態》図2に、第2の実施
の形態の断面構造を示す。第2の実施の形態は回折素子
(D2)に特徴があり、前記マイクロレンズ(1)及び回折素
子(D1)の代わりに回折素子(D2)が用いられているほか
は、前述した第1の実施の形態と同様に構成されてい
る。第1の実施の形態では、回折素子(D1)が分光を行い
マイクロレンズ(1)が集光を行うように機能分担されて
いるが、第2の実施の形態では、分光と集光を共に回折
素子(D2)が行う構成となっている。したがって、回折素
子(D2)と反射電極(M)との間では、B,G,Rの各波長
成分が第1の実施の形態と同じ光路をとることになる。
この回折素子(D2)は、チャープ(chirp)された1次元の
回折格子構造を有しており、その変化したピッチ周期に
よって、B,G,Rの光をそれぞれを所定の角度に回折
・集光させる。
【0028】《第3の実施の形態》図3に、第3の実施
の形態の断面構造を示す。第3の実施の形態は回折素子
(D3)に特徴があり、前記回折素子(D1)の代わりに回折素
子(D3)が用いられているほかは、前述した第1の実施の
形態と同様に構成されている。第1の実施の形態で用い
られている回折素子(D1)は、B,G,Rの各波長帯域の
中心波長がいずれも同じ回折次数で回折分光されるタイ
プであるが、第3の実施の形態で用いられている回折素
子(D3)は、B,G,Rの各波長帯域の中心波長がいずれ
も異なる回折次数で回折分光されるタイプである。そし
て、R,Bの波長帯域の光はそれぞれ所定の角度で回折
し、Gの波長帯域の光は回折せずに回折素子(D3)を透過
する構成になっている。したがって、1絵素に対応する
液晶層(2)の3つの画素は、マイクロレンズアレイ(1)に
対してシフトしない位置関係となる。
【0029】この回折素子(D3)としては、図11に示す
ような表面レリーフ型のバイナリー回折素子を用いるこ
とができる。このような階段状構造を有する回折素子(D
3)は、半導体製造技術等を用いて容易に作成することが
可能である。各ステップの段差hは、h=λG/(n-1){こ
こで、λG:Gの中心波長(〜540nm)、n:回折素子(D3)
の媒体の屈折率、である。}で表される。回折される各
波長帯域の中心波長は、それぞれ異なる回折次数におい
て回折効率が最大となる。そして、Gの波長成分につい
ては、各ステップで2πの位相の変調が与えられるた
め、回折をしないことになる。
【0030】第3の実施の形態では、Gの波長帯域の光
が反射電極(M)の反射面に対して垂直方向から入射・集
光するため、反射電極(M)におけるGの対応領域に、入
射光の入射方向と略同じ方向に入射光を反射させる前記
機能を付与する必要がない。Gの波長成分は、正反射し
ても他の絵素に対応する方向には反射せず、したがって
画質を低下させることがないからである。ただし、反射
電極(M)の製作を容易にするために、Gの対応領域に前
記反射機能を付与してもよいことはいうまでもない。
【0031】《第4の実施の形態》図4に、第4の実施
の形態の断面構造を示す。第4の実施の形態は回折素子
(D4)に特徴があり、前記マイクロレンズ(1)及び回折素
子(D3)の代わりに回折素子(D4)が用いられているほか
は、前述した第3の実施の形態と同様に構成されてい
る。第3の実施の形態では、回折素子(D3)が分光を行い
マイクロレンズ(1)が集光を行うように機能分担されて
いるが、第4の実施の形態では、分光と集光を共に回折
素子(D4)が行う構成となっている。したがって、回折素
子(D4)と反射電極(M)との間では、B,G,Rの各波長
成分が第3の実施の形態と同じ光路をとることになる。
【0032】回折素子(D4)は、分光用の回折格子構造と
集光用の回折格子構造との両方を有するものであればよ
い。図11に示す回折素子によれば分光は可能である
が、パワーがないため集光は不可能である。そこで、集
光用のパワーを有する回折レンズを、図11に示す回折
素子に組み合わせて用いればよい。分光・集光の両機能
を兼ね備えた回折素子(D4)を用いることによって、B,
G,Rの光をそれぞれ所定の角度で集光させながら、
R,Bの波長帯域をそれぞれを所定の角度に回折させ、
Gの波長帯域については分光のための回折をさせずに回
折素子(D4)を透過させることができる。なお、回折レン
ズとしては、例えばB,G,Rの光がそれぞれ所定の角
度で集光するようにチャープ(chirp)された1次元の回
折格子構造を有するものが挙げられる。
【0033】《第5の実施の形態》図12に、第5の実
施の形態の光学構成を模式的に示す。第5の実施の形態
は、前述した第1〜第4の実施の形態のうちのいずれか
一つの液晶光変調素子(15)を用いて、スクリーン(17)に
カラー画像の投影表示を行う投影表示装置である。この
投影表示装置は、主な構成要素として、白色光源(10),
偏光変換素子(11),コンデンサーレンズ(12),偏光ビー
ムスプリッタ(13),コンデンサーレンズ(14),反射型の
液晶光変調素子(15)及び投影光学系(16)を備えている。
【0034】偏光ビームスプリッタ(13)には偏光変換素
子(11)で均一なS偏光のみに揃えられた白色照明光(L1)
が入射し、その白色照明光(L1)が偏光ビームスプリッタ
(13)で反射されて液晶光変調素子(15)に入射する。そし
て、前記液晶層(2)で部分的にP偏光に変換されて、液
晶光変調素子(15)を射出する。偏光ビームスプリッタ(1
3)をそのまま直進・透過したP偏光は、投影光(L2)とし
て投影光学系(16)に入射し、スクリーン(17)上にカラー
画像を形成する。このようにして、明るく高品位なカラ
ー表示を安価な単板式で行うことができる。
【0035】
【発明の効果】以上説明したように本発明の液晶光変調
素子によれば、反射手段に付与されている特徴的な機能
が迷光の発生を防止するため、簡単な構成でありながら
絵素ごとのクロストークの発生が防止される。したがっ
て、高い表示品質のカラー表示を安価に行うことができ
る。また、吸収型のカラーフィルターを用いずにカラー
表示を行うことができるため、光利用効率に優れた明る
い画像投影が可能である。そして、その液晶光変調素子
を用いた投影表示装置によれば、安価な単板式でありな
がら、明るく高密度・高品位なカラー表示を行うことが
できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施の形態を示す光学構成図。
【図2】第2の実施の形態を示す光学構成図。
【図3】第3の実施の形態を示す光学構成図。
【図4】第4の実施の形態を示す光学構成図。
【図5】反射型体積ホログラムで反射面が構成された反
射電極を示す断面図。
【図6】反射型体積ホログラムから成る反射電極の作製
方法を説明するための図。
【図7】ブレーズ化した回折面で反射面が構成された反
射電極を示す断面図。
【図8】シート状のレトロリフレクタで反射面が構成さ
れた反射電極を示す斜視図。
【図9】シート状のレトロリフレクタを拡大して示す断
面図。
【図10】第1,第2の実施の形態に用いることができ
る回折素子を示す断面図。
【図11】第3,第4の実施の形態に用いることができ
る回折素子を示す断面図。
【図12】第5の実施の形態を示す光学構成図。
【図13】回折素子から成るカラーフィルターが用いら
れた透過型の液晶光変調素子の従来例を示す断面図。
【図14】回折素子から成るカラーフィルターが用いら
れた反射型の液晶光変調素子の従来例を示す断面図。
【符号の説明】
D1 …分光用の回折素子(分光手段) D2 …分光・集光兼用の回折素子(分光手段) D3 …分光用の回折素子(分光手段) D4 …分光・集光兼用の回折素子(分光手段) M …反射電極(反射手段) P1 …第1基板 P2 …第2基板 L1 …白色照明光 L2 …投影光 1 …マイクロレンズ(集光手段) 2 …液晶層 10 …白色光源 11 …偏光変換素子 12 …コンデンサーレンズ 13 …偏光ビームスプリッタ 14 …コンデンサーレンズ 15 …反射型の液晶光変調素子 16 …投影光学系 17 …スクリーン
フロントページの続き Fターム(参考) 2H049 AA03 AA07 AA25 AA50 AA60 AA63 AA64 BC22 CA01 CA05 CA09 CA15 CA22 2H088 EA13 HA10 HA18 HA20 HA21 HA25 MA06 2H091 FA02X FA07X FA10X FA14Z FA19X FA26X FA29X FA41X FA50Z FC10 LA16 LA17 MA07

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 白色照明光を所定の波長帯域ごとに分光
    する分光手段と、2次元の複数画素に対する入射光の強
    度を変調する液晶層と、前記分光手段で分光された光が
    前記液晶層の各画素に導光されるように集光する集光手
    段と、前記液晶層を透過した光を反射させる反射手段
    と、を備えた反射型の液晶光変調素子であって、前記反
    射手段が入射光の入射方向と略同じ方向に入射光を反射
    させる機能を有することを特徴とする液晶光変調素子。
  2. 【請求項2】 前記反射手段がホログラムアレイ素子で
    あることを特徴とする請求項1記載の液晶光変調素子。
  3. 【請求項3】 前記反射手段がブレーズド反射回折格子
    であることを特徴とする請求項1記載の液晶光変調素
    子。
  4. 【請求項4】 前記反射手段が再帰反射型素子であるこ
    とを特徴とする請求項1記載の液晶光変調素子。
  5. 【請求項5】 前記分光手段が回折素子であることを特
    徴とする請求項1記載の液晶光変調素子。
  6. 【請求項6】 前記集光手段が屈折素子であることを特
    徴とする請求項1記載の液晶光変調素子。
  7. 【請求項7】 前記集光手段が回折素子であることを特
    徴とする請求項1記載の液晶光変調素子。
  8. 【請求項8】 請求項1〜7のいずれか1項に記載の液
    晶光変調素子を用いてカラー画像の投影表示を行うこと
    を特徴とする投影表示装置。
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