JP2018146750A - 表示装置、表示方法及び色分離素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 複数色に対応する波長に分散された光がいずれも一定の方向に偏ることなく、同一の分布で輝度範囲を持つように分離制御を可能とする表示装置を提供する。【解決手段】 実施形態の表示装置は、画素配列層と、色分離素子と、照射装置とを備える。画素配列層は、第１色が対応づけられた第１画素、第２色が対応づけられた第２画素、第３色が対応づけられた第３画素が周期的に配列される。色分離素子は、画素配列層に対向して、第１画素、第２画素、第３画素の配列に合わせて周期的に配列される第１素子、第２素子、第３素子を備える。第１素子、第２素子、第３素子は、それぞれ照射装置から入射される光を第１色、第２色、第３色に対応する波長の光に分離して第１画素、第２画素、第３画素に照射する。これにより、第１画素、第２画素、第３画素の配列面に画像を表示する。【選択図】図５

Description

本発明の実施形態は、表示装置、表示方法及び色分離素子に関する。

従来の表示装置で採用しているＲＧＢカラーフィルタ（ＣＦ）方式の表示素子では、バックライト（白色）光のうちそれぞれのＣＦ色に対応する波長以外が吸収されるため、光の利用効率が低い。そこで、従来では、光の利用効率を高める目的で、例えばプリズム（回折格子）とレンズによる色分離素子を用いて、バックライト光を各ＣＦそれぞれに対応する波長ごとに分離した後に、各ＣＦに対応する波長の光を入射して透過させる方式が採用されている。

しかしながら、上記のように、表示素子の各画素に向けて白色光を空間的に分離する従来の方式では、色分離素子で分離された光が色毎に角度依存を持っているため、ＣＦを透過した後、異なる角度方向へ分散してしまい、見る角度によって色、輝度が変わりやすいという問題を持っている。この色、輝度の視認角依存の問題を解消するために、（１）表示素子の各画素ＣＦの上下にレンズ（フレネルレンズ）やプリズム（回折格子）を配置する、（２）強いＨａｚｅの拡散板を配置するという手法が提案されている。しかし、（１）の手法はコストアップにつながるという課題を有している。また、（２）の手法は出射角度ずれが緩和されるだけで、根本的な解決になっておらず、正面輝度の大幅低下につながってしまうという課題を有している。

特開２０１１−１７０２５７号公報 特開平９−３１８９４２号公報 特開２００５−６２６９２号公報

以上のように、従来の表示装置では、ＲＧＢカラーフィルタ（ＣＦ）方式の表示素子の採用に際して、色分離素子によってバックライト光をＣＦ色に対応する波長ごとに分離し、各ＣＦにそれぞれに対応する波長の光を入射し透過させることで、光の利用効率を上げる方式が採用されている。しかし、従来方式の場合には、各ＣＦ色に対応する波長の光の分散方向が特定の方向に偏ってしまうため、当該特定の方向に偏った光を正面に向けるための光学部品が必要となっていた。

そこで、本発明では、複数色に対応する波長に分散された光がいずれも一定の方向に偏ることなく、同一の分布で輝度範囲を持つように分離制御を可能とする表示装置、表示方法及び色分離素子を提供することを課題とする。

本実施形態に係る表示装置は、画素配列層と、色分離素子と、照明装置とを備える。画素配列層は、第１色が対応づけられた第１画素、第２色が対応づけられた第２画素、第３色が対応づけられた第３画素が周期的に配列される。色分離素子は、画素配列層に対向して、第１画素、第２画素、第３画素の配列に合わせて周期的に配列される第１素子、第２素子、第３素子を備える。第１素子、第２素子、第３素子は、それぞれ照射装置から入射される光を第１色、第２色、第３色に対応する波長の光に分離して第１画素、第２画素、第３画素に照射する。これにより、第１画素、第２画素、第３画素の配列面に画像を表示する。

図１は、本実施形態に係る表示装置の構成を示すブロック図である。 図２は、本実施形態に適用可能な照明装置及び表示部の一構成例を示す図である。 図３は、ローカルディミング制御が適用される表示装置の一構成例を示すブロック図である。 図４は、本実施形態の表示装置の分解斜視図である。 図５は、本実施形態に係る表示装置に用いられるＲＧＢカラーフィルタ（ＣＦ）方式の表示素子における色分離の概念を従来と比較して示す断面図である。 図６は、図５に示す表示素子の１周期当たりの色分離素子と１画素単位の色分離素子の３パターンの構造を示す断面図である。 図７は、図６に示す１画素単位の色分離素子の３パターンの組み合わせによる位相状態の変化を説明するための断面図である。 図８は、図６に示す１画素単位の色分離素子の３パターンが担う３色３種類のレンズの繰り返しに相当する役割を示す断面図である。 図９は、図６に示す１画素単位の色分離素子の３色の周期構造を説明するための断面図である。 図１０は、図６に示す色分離素子の形状による入射平行光の位相変調と画素色違い方向を説明するための断面図及び斜視図である。 図１１は、図６に示す色分離素子の１周期構造で組み合わされる３パターンの素子それぞれの平均溝幅、分離距離、高さを説明するための断面図である。 図１２は、本実施形態に係る表示装置の表示素子構造を例示する断面図である。 図１３は、本実施形態に係る表示素子が完全に垂直でない場合の臨界角度を説明するための図である。 図１４は、図６に示す１画素単位がＲＧＢストライプ構造の場合に用いられる異方指向性バックライト方式の光源の特性を示す図である。 図１５は、１画素単位が白Ｗを含むＲＧＢストライプ構造の場合の実施形態の適用例を説明するための図である。 図１６は、１画素単位が１列毎に市松配置された場合に用いられる色分離素子の具体的な構造を示す概念図である。

以下、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態（以下、単に実施の形態と称する）について詳細に説明する。なお、開示はあくまで一例に過ぎず、当業者において、発明の主旨を保っての適宜変更について容易に想到し得るものについては、当然に本発明の範囲に含有されるものである。また、図面は、説明をより明確にするため、実際の態様に比べて、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。また、本明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同一又は類似した機能を発揮する構成要素には同一の参照符号を付し、重複する詳細な説明を適宜省略することがある。

まず、本実施形態に係る表示装置について詳細に説明する。
図１は、本実施形態に係る表示装置ＤＳＰの構成を示すブロック図である。図１に示すように、表示装置ＤＳＰは、制御部１０と、表示部３０と、表示部３０を照明する光を発生する照明装置ＩＬと、を備えている。制御部１０は、信号処理部２０と、表示部３０の駆動を制御する表示駆動部４０と、照明装置ＩＬの駆動を制御する照明装置制御部６０と、を備えている。

信号処理部２０は、画像出力部１１から出力される画像信号ＳＧＩが入力され、表示装置ＤＳＰの各部に画像信号ＤＧＩに基づく表示制御信号ＳＧＯを送り、表示装置ＤＳＰの動作を制御する。信号処理部２０は、表示駆動部４０及び照明装置制御部６０と接続されている。ここで、信号処理部２０は、表示部３０及び照明装置ＩＬの動作を制御する演算処理部に相当する。信号処理部２０は、入力される画像信号ＳＧＩを処理して、表示制御信号ＳＧＯ及び照明装置制御信号ＳＧＩＬを生成する。信号処理部２０は、生成した表示制御信号ＳＧＯを表示駆動部４０に出力し、生成した照明装置制御信号ＳＧＩＬを照明装置制御部６０に出力する。

表示部３０は、信号処理部２０から出力された表示制御信号ＳＧＯに基づいて画像を表示する。表示部３０は、複数の画素ＰＸを有している。複数の画素ＰＸはマトリクス状に配置されている。各画素ＰＸにはスイッチング素子等が配置されている。

表示駆動部４０は、信号出力回路４１及び走査回路４２を備えている。信号出力回路４１は、信号線ＳＬを介して表示部３０と電気的に接続されている。走査回路４２は、走査線ＧＬを介して表示部３０と電気的に接続されている。表示駆動部４０は、信号出力回路４１によって映像信号が含まれる表示制御信号ＳＧＯを保持し、順次、表示部３０に出力する。また、表示駆動部４０は、走査回路４２によって、表示部３０における画素ＰＸを選択し、画素ＰＸの動作（光透過率）を制御するためのスイッチング素子のオン及びオフを制御する。

図２は、本実施形態に適用可能な照明装置ＩＬ及び表示部３０の一構成例を示す図である。図中の第１方向（以下、Ｘ方向）、第２方向（以下、Ｙ方向）、及び、第３方向（以下、Ｚ方向）は、互いに直交しているが、９０度以外の角度で交差していても良い。Ｘ方向及びＹ方向で規定されるＸ−Ｙ平面は、表示部３０や照明装置ＩＬ等の光学部品の主面と平行であり、Ｚ方向は、照明装置ＩＬ及び表示部３０の積層方向あるいは照明装置ＩＬから出射された光の進行方向に相当する。

図示した例では、表示部３０は、液晶表示パネルであり、第１基板ＳＵＢ１と、第２基板ＳＵＢ２と、液晶層ＬＣを備えている。液晶層ＬＣは、表示機能層として第１基板ＳＵＢ１と第２基板ＳＵＢ２との間に保持されている。第１基板ＳＵＢ１は、例えばガラス基板又はフィルム基板である。また、第２基板ＳＵＢ２は、例えばガラス基板又はフィルム基板である。第１基板ＳＵＢ１の背面側には、偏光板ＰＬ１が配置されている。また、第２基板ＳＵＢ２の前面側には、偏光板ＰＬ２が配置されている。例えば、偏光板ＰＬ１及び偏光板ＰＬ２のそれぞれの吸収軸はＸ−Ｙ平面内において直交している。なお、ここでは、表示部３０から見て照明装置ＩＬが配置されている側を背面側、表示部３０の背面側とは反対側を前面側と定義する。

表示部３０は、画像を表示する表示領域ＤＡを備えている。表示部３０は、表示領域ＤＡにおいて、Ｘ方向及びＹ方向にマトリクス状に配置された複数の画素ＰＸを備えている。画素ＰＸは、例えば、第１画素ＰＸＲと、第２画素ＰＸＧと、第３画素ＰＸＢと、を含んでいる。第１画素ＰＸＲには、第１色が対応づけられる。例えば、第１色として赤色のカラーフィルタが配置され、第１画素ＰＸＲは赤色を表示する。第２画素ＰＸＧには、第２色が対応づけられる。例えば、第２色として緑色のカラーフィルタが配置され、第２画素ＰＸＧは緑色を表示する。第３画素ＰＸＢには、第３色が対応づけられる。例えば、第３色として青色のカラーフィルタが配置され、第３画素ＳＰＸ３は青色を表示する。ここで、信号処理部２０から出力される表示制御信号ＳＧＯには、第１色に対応する第１色表示制御信号ＳＧＯＲ、第２色に対応する第２色表示制御信号ＳＧＯＧ、第３色に対応する第３色表示制御信号ＳＧＯＢが含まる。そして、第１画素ＰＸＲは、第１色表示制御信号ＳＧＯＲに基づいて駆動されて第１色である赤色を表示し、第２画素ＰＸＧは第２色表示制御信号ＳＧＯＧに基づいて駆動されて第２色である緑色を表示し、第３画素ＳＰＸＢは、第３色表示制御信号ＳＧＯＢに基づいて駆動されて第３色である青色を表示する。

第１基板ＳＵＢ１には、複数の走査線ＧＬ（ゲート線ともいう）、及び、走査線ＧＬと交差する複数の信号線ＳＬ（データ配線あるいはソース線ともいう）が配置されている。各走査線ＧＬは、表示領域ＤＡの外側に引き出され、走査回路４２に接続されている。各信号線ＳＬは、表示領域ＤＡの外側に引き出され、信号出力回路４１に接続されている。走査回路４２及び信号出力回路４１は、表示領域ＤＡに画像を表示するための画像データを含む表示制御信号ＳＧＯに基づいて制御される。

各画素ＰＸは、スイッチング素子ＳＷ（例えば薄膜トランジスタ）、画素電極ＰＥ、共通電極ＣＥなどを備えている。スイッチング素子ＳＷは、走査線ＧＬ及び信号線ＳＬと電気的に接続されている。画素電極ＰＥは、スイッチング素子ＳＷと電気的に接続されている。共通電極ＣＥは、複数の画素電極ＰＥと対向している。画素電極ＰＥ及び共通電極ＣＥは、表示機能層である液晶層ＬＣを駆動する駆動電極として機能する。画素電極ＰＥ及び共通電極ＣＥは、例えば、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）やインジウム亜鉛酸化物（ＩＺＯ）などの透明導電材料によって形成されている。

照明装置ＩＬは、表示部３０の背面に配置され、表示部３０に向けて光を照射する。照明装置ＩＬは、表示領域ＤＡに対向する照明領域ＩＡを備えている。照明装置ＩＬは、照明領域ＩＡにおいて、光源ＬＳを備えている。光源ＬＳはマトリクス状に配置されている。光源ＬＳは、例えば白色に発光する発光ダイオードであるが、これに限定されるものではない。白色に発光する光源ＬＳとしては、例えば、赤色、緑色、及び、青色にそれぞれ発光する発光ダイオードを１チップ化したものや、青色または近紫外に発光する発光ダイオードと蛍光体とを組み合わせたものなどが適用可能である。このような光源ＬＳは、供給される電流の大きさに応じて輝度を制御することができる。

一例では、１個の光源ＬＳは、ｍ＊ｎ個の画素ＰＸからなるサブ表示領域と対向するように配置されている。但し、ｍ及びｎは正の整数であり、ｍはＸ方向に並んだ画素ＰＸの個数に相当し、ｎはＹ方向に並んだ画素ＰＸの個数に相当する。光源ＬＳの各々について、点灯および消灯は、個別に制御することができる。このため、照明装置ＩＬは、照明領域ＩＡにおいて、点灯および消灯を個別に制御可能なサブ照明領域を形成することができる。サブ照明領域は、少なくとも１個の光源ＬＳを備えている。サブ照明領域は、Ｘ−Ｙ平面内において、Ｘ方向に延びた帯状、Ｙ方向に延びた帯状、Ｘ方向及びＹ方向に並んだマトリクス状など種々の形状に形成することができる。

次に、ローカルディミング制御について説明する。

図３は、ローカルディミング制御が適用される表示装置ＤＳＰの一構成例を示すブロック図である。照明装置ＩＬは、照明領域ＩＡにおいて、複数のサブ照明領域ＩＡ１１、ＩＡ１２…を備えている。サブ照明領域ＩＡ１は、マトリクス状に配置される。表示部３０は、表示領域ＤＡにおいて、複数のサブ表示領域ＤＡ１１、ＤＡ１２…を備えている。サブ表示領域ＤＡ１はマトリクス状に配置されている。図２を参照して説明した通り、サブ照明領域の各々は、１個以上の光源を備えている。サブ表示領域の各々は、サブ照明領域と対向し、ｍ＊ｎ個の画素ＰＸを備えている。サブ照明領域の輝度は、光源に供給される電流値に応じて制御することができる。このため、サブ照明領域の各々の光源の電流値を変えることで、サブ照明領域毎に輝度を変えることができる。各サブ照明領域から出射された光は、対向するサブ表示領域を照明する。このため、表示領域ＤＡにおいて、階調が低い画素ＰＸを多く含むサブ表示領域を照明するサブ照明領域の輝度は低く設定し、階調が高い画素ＰＸを多く含むサブ表示領域を照明するサブ照明領域の輝度は高く設定することで、表示領域ＤＡに表示された画像のコントラスト比を向上することができる。

以下、制御の一例について簡単に説明する。図１に示すように、信号処理部２０には、表示する画像の情報である画像信号ＳＧＩが外部の画像出力部１１から入力される。信号処理部２０は、タイミング生成部２１、画像処理部２２、画像解析部２３、光源駆動値決定部２４を備えている。

タイミング生成部２１は、表示部３０が画像を表示する駆動と、照明装置ＩＬの駆動を同期させる。すなわち、タイミング生成部２１は、入力される画像信号ＳＧＩを処理することで、１フレーム期間ごとに表示部３０と照明装置制御部６０とのタイミングを同期するための同期信号を表示駆動部４０及び照明装置制御部６０へ送信する。

画像処理部２２は、照明装置ＩＬの駆動に応じて、表示部３０に画像を表示するための処理を行う。すなわち、画像処理部２２は、入力される画像信号ＳＧＩに基づいて、第１乃至第３画素のそれぞれの表示階調を決定するための表示制御信号ＳＧＯを生成し、表示駆動部４０に出力する。また、画像処理部２０は、後述する光源駆動値決定部２４からの補正信号に応じて、入力される画像信号ＳＧＩに基づくデータを光源駆動に応じた画像を表示するように補正した上で、表示制御信号ＳＧＯを生成する。画像解析部２３は、入力信号ＳＧＩに基づいて、サブ照明領域ＩＡ１１、ＩＡ１２…ごとに表示する画像を解析し、解析データを光源駆動値決定部２４に出力する。光源駆動値決定部２４は、画像解析部２３において解析されたデータに基づいて各光源の駆動値を決定し、画素ごとの輝度データを画像処理部２２に出力し、照明装置制御部６０に輝度データに基づく照明装置制御信号ＳＧＩＬを出力する。また、照明装置制御部６０は、光源駆動値決定部２４から出力された照明装置制御信号ＳＧＩＬに基づき、照明装置ＩＬを制御する。

図４は、本実施形態の表示装置ＤＳＰの分解斜視図である。
照明装置ＩＬは、表示部３０の背面側に位置している。照明装置ＩＬは、複数の光源ＬＳと、複数の光源ＬＳと表示部３０との間に位置した仕切り部材ＰＴと、を備えている。照明装置ＩＬと表示部３０の間には、色分離素子Ａ１が配置される。色分離素子Ａ１は、特定の波長の光を所定の方向に分離する。複数の光源ＬＳは、Ｘ方向及びＹ方向にマトリクス状に配置されている。これらの光源ＬＳは、回路基板ＬＦＰＣにそれぞれ実装されている。

仕切り部材ＰＴは、各光源ＬＳからの出射光を色分離素子Ａ１に向けて導く導光部ＬＧを備えている。導光部ＬＧは、光源ＬＳの各々と対向して、Ｘ方向Ｘ及びＹ方向にマトリクス状に配置されている。１つの導光部ＬＧは、１つの光源ＬＳと対向している。ここで、１つの光源ＬＳは、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）等の少なくとも１つの発光素子を含んでいる。

以下、１つの導光部ＬＧに着目して、その構造について説明する。
導光部ＬＧは、光源ＬＳと対向する第１開口部ＯＰ１と、色分離素子Ａ１と対向する第２開口部ＯＰ２と、光源ＬＳを囲む側面Ｐ１０と、を備えている。図示した例では、導光部ＬＧは、１個の光源ＬＳを囲む４つの側面Ｐ１０を備えている。また、第１開口部ＯＰ１及び第２開口部ＯＰ２は、いずれも四角形であり、第１開口部ＯＰ１の面積は、第２開口部ＯＰ２の面積よりも小さい。なお、一例では、第１開口部ＯＰ１の面積は光源ＬＳの面積と同等以上であり、また、第１開口部ＯＰ１の形状は光源ＬＳの外形に応じて適宜決定され、光源ＬＳは第１開口部ＯＰ１に嵌め込まれている。このような導光部ＬＧは、光源ＬＳから色分離素子Ａ１に向かって広がる角錐台状に形成されている。

なお、ここでは、１つの光源ＬＳを囲む側面Ｐ１０の個数が４つである場合について説明したが、この例に限らない。また、第１開口部ＯＰ１及び第２開口部ＯＰ２の形状について、四角形である場合について説明したが、円形、楕円形、他の多角形などのいずれの形状であってもよい。

図５は、本実施形態に係る表示装置に用いられる色分離素子による色分離の概念を従来と比較して示す断面図である。図５（ａ）が本実施形態に係る表示装置の構造を示し、図５（ｂ）が従来の表示装置の構造を示している。それぞれの表示装置は、色分離素子Ａ１，Ａ２のいずれかと、表示部３０に含まれる第１画素ＰＸＲ，第２画素ＰＸＧ，第３画素ＰＸＢが配列される画素列Ｂ１，Ｂ２で構成される。それぞれの表示装置に、照明装置ＩＬから光軸が一定方向の平行光ＰＲが照射された場合、従来の色分離素子Ａ２が、図５（ｂ）に示すように、同一の領域からの光を隣接する異なる色が対応づけられる３つの画素にそれぞれ回折させているのに対して、本実施形態の色分離素子Ａ１では、図５（ａ）に示すように、１画素ずつずれた領域からの光が、隣接する異なる色が対応付けられる３つの画素にそれぞれ回折されている。なお、Ｒ，Ｇ，Ｂの画素列Ｂ１，Ｂ２は基本的に同じである。

すなわち、本実施形態では、照明装置ＩＬとして平行光ＰＲを照射する平行光源を用い、各波長に分離する色分離素子Ａ１に垂直に入射する。この色分離素子Ａ１は、Ｒ，Ｇ，Ｂの３色を分離・集光することができる。集光面付近には、表示パネルの各画素の画素列Ｂ１が配置され、３色を集光する範囲が各色ごとに１画素ずつずれるような構造をもつ。広視野角化が必要な場合には、画素列Ｂ１の集光後に拡散層もしくはレンズを配置する。

図６において、（ａ）は、図５（ａ）に示す表示装置に用いられる画素列Ｂ１に対する１周期当たりの色分離素子Ａ１の構造を示し、（ｂ），（ｃ），（ｄ）は、それぞれ、色分離素子Ａ１に含まれる第１構造を有する第１素子Ａ１ａ、第２構造を有する第２素子Ａ１ｂ、第３構造を有する第３素子Ａ１ｃのパターン構造を示す断面図である。本実施形態において、第１素子Ａ１ａは、第１画素ＰＸＲ１に対応付けられた位置に配置され、第２素子Ａ１ｂは、第２画素ＰＸＧ２に対応付けられた位置に配置され、第３素子Ａ１ｃは、第３画素ＰＸＢ３に対応付けられた位置に配置される。色分離素子Ａ１は、透明な誘電体材料を任意の凹凸形状に成形した構造であり、第１素子Ａ１ａ，第２素子Ａ１ｂ，第３素子Ａ１ｃがそれぞれ有する第１構造、第２構造、第３構造はそれぞれ異なる構造である。また、色分離素子Ａ１は、平行光ＰＲが入射したときに、その形状に応じて入射された平行光ＰＲに位相変調を生じさせ、その位相変調により透過光を任意の方向に回折させる特性を有する。画素列Ｂ１が第１画素ＰＸＲ⇒第２画素ＰＸＧ⇒第３画素ＰＸＲと周期的に配列されるのに対応し、第１素子Ａ１ａ、第２素子Ａ１ｂ、第３素子Ａ１ｃも周期的に配列されている。

図６（ａ）に示すように、色分離素子は、第１素子Ａ１ａ，第２素子Ａ１ｂ，第３素子Ａ１ｃからなる１つの素子群Ａ１Ｕを有し、この素子群ＡＵがＸ方向に周期的に配列されている。言い換えると、色分離素子の構造周期は、素子群ＡＵのＸ方向の幅に対応する。また、画素配列層は、第１画素ＰＸＲ、第２画素ＰＸＧ、第３素子ＰＸＢからなる画素群ＰＸＵを有し、画素群ＰＸＵがＸ方向に周期的に配列されている。言い換えると画素配列層の画素周期は、画素群ＰＸＵのＸ方向の幅に対応する。そして、色分離素子の構造周期とが画素配列の画素周期が同一である。また、本実施形態において、第１画素ＰＸＲ，第２画素ＰＸＧ，第３画素ＰＸＢの表示に対応する波長は、それぞれ第１波長λ１，第２波長λ２，第３波長λ３であり、各波長の大小関係は、第１波長λ１＞第２波長λ２＞第３波長λ３である。

図６（ｂ）に示すパターン構造の第１素子Ａ１ａは、第１波長λ１の光を対向位置にある第１画素ＰＸＲ１に集光するように回折させ、第３波長λ３の光を第１画素ＰＸＲ１の左側に位置する第３画素ＰＸＢ１に集光するように回折させ、第２波長λ２の光を第１画素ＰＸＲの右側に位置する第２画素ＰＸＧに集光するように回折させる特性を有する。言い換えると、第１素子Ａ１ａは色分離素子の基板平面に対して、垂直方向である第１回折方向に第１波長λ１の光が集光するように回折させ、垂直方向に対して所定の角度ｐを有する第２回折方向に第３波長λ３の光が集光するように回折させ、垂直方向に対して所定の角度ｑを有する第３回折方向に第２波長λ２の光が集光するように回折させる構造を有する。

図６（ｃ）に示すパターン構造の第２素子Ａ１ｂは、第２波長λ２の光を対向位置にある第２画素ＰＸＧ２に集光するように回折させ、第１波長λ１の光を第２画素ＰＸＧ２の左側に位置する第１画素ＰＸＲ２に集光するように回折させ、第３波長λ３の光を第２画素ＰＸＧ２の右側に位置する第３画素ＰＸＢ２に集光するように回折させる特性を有する。言い換えると、第２素子Ａ１ｂは第１回折方向に第２波長λ２の光が集光するように回折させ、第２回折方向に第１波長λ１の光が集光するように回折させ、第３回折方向に第３波長λ３の光が集光するように回折させる構造を有する。

図６（ｄ）に示すパターン構造の第３素子Ａ１ｃは、第３波長λ３の光を対向位置にある第３画素ＰＸＢ３に集光するように回折させ、第２波長λ２の光を第３画素ＰＸＢ３の左側に位置する第２画素ＰＸＧ３に集光するように回折させ、第１波長λ１の光を第３画素ＰＸＢ３の右側に位置する第１画素ＰＸＲ３に集光するように回折させる特性を有する。言い換えると、第３素子Ａ１ｃは第１回折方向に第３波長λ３の光が集光するように回折させ、第２回折方向に第２波長λ２の光が集光するように回折させ、第３回折方向に第１波長λ１の光が集光するように回折させる構造を有する。

なお、各画素の幅と各素子の幅は同一の幅としているが、これに限られない。例えば、各素子の幅は各画素の幅に対して所定の幅α分大きくしてもよい。

また、図６（ａ）に示すように、隣接配置された第１画素ＰＸＲと第２画素ＰＸＧと第３画素ＰＸＢからなる１つの画素群ＰＸＵ１に対向して１つの素子群ＡＵ１が配置される。そして、素子群ＡＵ１と画素群ＰＸＵ１を対向配置すると、第２波長λ２の全ての光は、素子群ＡＵ１によって対応画素群ＰＸＵ１の第２画素ＰＸＧへ回折される。また、第１波長λ１の２／３の光は、素子群ＡＵ１によって対応画素群ＰＸＵ１の第２画素ＰＸＲへ、残りの１／３の光は素子群ＡＵ１によって右側に隣接する画素群ＰＸＵ２の第１画素ＰＸＲへ回折される。また、第３波長λ３の２／３の光は、素子群ＡＵ１によって対応画素群ＰＸＵ１の第３画素ＰＸＢへ、残りの１／３の光は左側に隣接する画素群ＰＸＵ３の第３画素ＰＸＢへ回折される。

ここで、上記配列の設計方法は、１つの画素群ＰＸＵに対応する１つの素子群ＡＵ単位ではなく、それぞれの色を異なる方向に回折させる３種類のパターン構造を有する第１素子Ａ１ａ，第２素子Ａ１ｂ，第３素子Ａ１ｃをそれぞれ設計し、それらを順番に３つ組み合わることで１つの素子群ＡＵを設計する（第１素子Ａ１ａ＋第２素子Ａ１ｂ＋第３素子Ａ１ｃ＝素子群ＡＵ）。その素子群ＡＵの左１／３のパターン構造に対応する第１構造を有する第１素子Ａ１ａは、図６（ｂ）に示すように、第１波長λ１の光を中心に集め、第２波長λ２の光を右側に集め、第３波長λ３の光を左側に集める特性を有する。また、上記素子群ＡＵの中央１／３のパターン構造に対応する第２構造を有する第２素子Ａ１ｂは、図６（ｃ）に示すように、第２波長λ２の光を中心に集め、第３波長λ３の光を右側に集め、第１波長λ１の光を左側に集める特性を有する。また、上記素子群ＡＵの右側１／３のパターン構造に対応する第３構造を有する第３素子Ａ１ｃは、図６（ｄ）に示すように、第３波長λ３の光を中心に集め、第１波長λ１の光を右側に集め、第２波長λ２の光を左側に集める特性を有する。

但し、色分離素子は、通常、回折強度を位相によらず振幅の２乗で決定し、振幅だけを設計位置で強くする最適化方法を採用するが、本実施形態において、別々の色分離素子をただ組み合わせただけでは位相が異なると打ち消しあって弱め合う構造になってしまう可能性がある。そこで、本実施形態では、以下の方法を採用する。

図７は、図６に示す１画素単位の色分離素子Ａ１の３パターンの組み合わせによる位相状態の変化を説明するための断面図で、（ａ）は第１素子Ａ１ａと第２素子Ａ１ｂによる位相の違い、（ｂ）は第２素子Ａ１ｂと第３素子Ａ１ｃによる位相の違い、（ｃ）は第３素子Ａ１ｃと第１素子Ａ１ａによる位相の違い、（ｄ）は第１素子Ａ１ａ，第２素子Ａ１ｂ，第３素子Ａ１ｃを１つの画素群ＰＸＵに合わせて配置した様子を示している。

例えば、図７（ａ）の第１素子Ａ１ａと第２素子Ａ１ｂとの配列においては、第１素子Ａ１ａを通過する第１波長λ１と第２素子Ａ１ｂを通過する第１波長λ１の光のそれぞれが位相を強めあい、かつ、第１素子Ａ１ａを通過する第２波長λ２の光と第２素子Ａ１ｂを通過する第２波長λ２の光が位相を強めあう様に、それぞれの素子の共通の厚みＷＡを最適化させる。

同様に、図７（ｂ）の第２素子Ａ１ｂと第３素子Ａ１ｃとの配列においては、第２素子Ａ１ｂを通過する第２波長λ２と第３素子Ａ１ｃを通過する第２波長λ２の光のそれぞれが位相を強めあい、かつ、第２素子Ａ１ｂを通過する第３波長λ３の光と第３素子Ａ１ｃを通過する第３波長λ３の光が位相を強めあう様に、それぞれの素子の共通の厚みＷＡを最適化させる。

図７（ｃ）の第３素子Ａ１ｃと第１素子Ａ１ａとの配列においては、第３素子Ａ１ｃを通過する第１波長λ１と第１素子Ａ１ａを通過する第１波長λ１の光のそれぞれが位相を強めあい、かつ、第３素子Ａ１ｃを通過する第３波長λ３の光と第３素子Ａ１ｃを通過する第３波長λ３の光が位相を強めあう様に、それぞれの素子の共通の厚みＷＡを最適化させる。ここで、素子の共通の厚みＷＡとは、各素子において、光分子素子の底面から最も深い溝までの距離を示す。

このように構成することで、色分離素子Ａ１に対して垂直に光を入射するとき、一定の厚みを加えても、回折強度は全く変化せず、位相の状態だけが変化するため、それぞれ設計した素子の厚みＷＡを最適化させて配列することで、３色全ての色を強め合うようにすることができる。

図８は、色分離素子Ａ１が果たすそれぞれ異なる色に対応する３種類のレンズとしての役割を示す断面図である。具体的には、色分離素子Ａ１は、第１色に対応する第１画素ＰＸＲに対向する第１レンズＬＲと、第２色に対応する第２画素ＰＸＧに対向する第２レンズＬＧと、第３色に対応する第３画素ＰＸＢに対向する第３レンズＬＢとしての機能を有する。また、第１レンズＬＲ、第２レンズＬＧ、第３レンズＬＢはそれぞれ焦点の軸が各レンズに対向する画素の中心にあり、対向するレンズを中心とする３つの画素に対応する大きさを有する。色分離素子Ａ１は、これらの３種類のレンズの繰り返しのような役割を１つの素子で担う。

図９は、図６に示す各色に対応する画素ＰＸと、色分離素子を構成する各素子との対応関係を説明するための断面図で、（ａ）は各画素と素子との対応関係（ｂ）は色分離素子に平行光ＰＲが照射された際の各波長の光の分布を示している。図９に示す通り、第１画素ＰＸＲ１に光を集光させる構造である第１構造体ＡＵＲ１と、第２画素ＰＸＧ１に光を集光させる構造である第２構造体ＡＵＧ１と、第３画素ＰＸＢ１に光を集光させる構造である第３構造体ＡＵＢ１は、１画素ずつずれて形成されている。

本実施形態において、第１構造体ＡＵＲ１は、第３素子Ａ１ｃと第１素子Ａ１ａと第２素子Ａ１ｂが順番に配置され、第２構造体ＡＵＧ１は、第１素子Ａ１ａと第２素子Ａ１ｂと第３素子Ａ１ｃが順番に配置され、第３構造体ＡＵＢ１は、第２素子Ａ１ｂと第３素子Ａ１ｃと第１素子Ａ１ａが順番に配置される。第１構造体ＡＵＲ、第２構造体ＡＵＧ、第３構造体ＡＵＢは、それぞれ第１画素ＰＸＲ、第２画素ＰＸＧ、第３画素ＰＸＢに応じて周期的に配列される。そして、このように、色ごとに集光させる構造体の位置をずらす事によって、３色全ての色が同じ角度で回折され、画素透過後の各色の角度ずれをなくすことができる。

図１０は、異なる色に対応付けられた画素が周期的に配列される方向をＸ方向とした場合における、色分離素子Ａ１の画素色違い方向（Ｘ方向）の形状とそれに垂直な方向（Ｙ方向）の形状とを説明するための図である。図１０（ａ）は第１素子Ａ１ａ，第２Ａ１ｂ，第３Ａ１ｃのパターン形状による入射する平行光ＰＲの位相変調部分（Ｘ方向）の構造を示す断面図、（ｂ）は色分離素子Ａ１のＸＹ方向の形状を示す斜視図、（ｃ）はＲＧＢがＸ方向で一様なストライプ状の場合の画素配列を示す斜視図である。色分離素子Ａ１は、具体的にはガラスやポリカーボネートなどの透明誘電体物質で構成され、画素列Ｂ１が図１０（ｃ）に示すように第１画素ＰＸＲ、第２画素ＰＸＧ、第３画素ＰＸＢがＸ方向にストライプ状に配列される構造の場合、画素の色違い方向（Ｘ方向）に位相変調を生じる構造を有し、素子群ＡＵの周期＝画素群ＰＸＵの周期となる。但し、前述したように、各色を集光する範囲はそれぞれの色で１画素ずつずれている。一方で、垂直方向には一様な構造を有する。なお、画素の色違い方向はＹ方向であってもよい。

なお、色分離素子Ａ１の画素色違い方向の構造は、３色の光を空間的に分離できることができれば任意の構造でよい。但し、構造の作製難易度を考慮すると、図１０（ａ）のように色分離素子の底面に平行なマルチレベルの段差構造であることが望ましい。言い換えると、底面に対して平行かつ高さの異なる辺を有する複数の溝Ｇを有する。このとき、溝Ｇの横幅Ｗの最小値は使用する光源の最大波長程度〜０．６μｍに抑えることが望ましい。なお、色分離素子Ａ１の溝の横幅Ｗは、素子毎若しくは溝毎に異なっていてもよい。また、色分離素子Ａ１の底面から溝の底面に平行な辺までの高さを溝の高さＨとすると、溝の高さＨの最大高ＭａｘＨと最小高ＭｉｎＨの差Δｈについても、作製難易度を考慮すると、なるべく薄くすることが望ましい（〜５μｍ以内）。なお、屈折率が高い物質を使用するほど薄く形成できる。

図１１（ａ）は図６に示す色分離素子Ａ１の１周期構造で組み合わされる３パターンの第１素子Ａ１ａ，第２素子Ａ１ｂ，第３素子Ａ１ｃの其々の溝の幅Ｗ１、溝の幅Ｗ２、溝の幅Ｗ３を示し、図１１（ｂ）は色分離素子Ａ１と画素列Ｂ１との分離距離を示し、図１１（ｃ）は図６に示す色分離素子Ａ１の３パターンの第１素子Ａ１ａ，第２素子Ａ１ｂ，第３素子Ａ１ｃそれぞれの溝の高さＨ１、溝の高さＨ２、溝の高さＨ３の最大値−最小値を説明するための断面図である。第１素子Ａ１ａに含まれる溝Ｇ１の横幅が溝の幅Ｗ１であり、第２素子Ａ１ｂに含まれる溝Ｇ２の横幅が溝の幅Ｗ２であり、第３素子Ａ１ｃに含まれる溝Ｇ３の横幅が身の幅Ｗ３である。更に、第１素子Ａ１ａに含まれる複数の溝Ｇ１の幅Ｗ１の平均溝ＷＡ１とし、第２素子Ａ１ａに含まれる複数の溝Ｇ２の幅Ｗ２の平均溝ＷＡ２とし、第１素子Ａ１ａに含まれる複数の溝Ｇ３の幅Ｗ３の平均溝ＷＡ３とすると、ＷＡ２≦ＷＡ１≦ＷＡ３の関係を満たす方が好ましい。なお、各素子における溝の幅は一定に限らず、各素子内で溝の幅は異なってもよい。また、溝Ｇ１の数をＮ１、溝Ｇ２の数をＮ２、溝Ｇ３の数をＮ３とすると、Ｎ２≧Ｎ１≧Ｎ３の関係を満たす方が好ましい。ここで、第１素子Ａ１ａは第１波長λ１の光を中心に集める構造、第２素子Ａ１ｂは第２波長λ２の光を中心に集める構造、第３素子Ａ１ｃは第３波長λ３の光を中心に集める構造であって、λ１＞λ２＞λ３の関係にある。

溝の幅Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３は、画素群ＰＸＵの色違い方向（Ｘ方向）における幅である画素群幅ＰＸＵＷと、画素群ＰＵＸと色分離素子Ａ１までの距離である分離距離Ｌに応じて増減される。例えば、画素群幅ＰＸＵＷが一定である場合、分離距離Ｌが短くなるほど各素子の平均幅ＷＡは小さくなる。

なお、画素群幅ＰＸＵＷは言い換えると、同一の色に対応する画素が配列される画素周期に対応しており、例えば、１つの方向（Ｘ方向）において、１つの第１画素ＰＸＲ１の一方端から隣接する第１画素ＰＸＲ２の他方端までの距離に対応する。また、分離距離Ｌは、画素を構成する画素配列層ＰＸＬに含まれるいずれかの層のＺ方向の端部との距離を示し、画素を構成する画素配列層ＰＸＬには、少なくとも表示機能層ＤＦＬ（液晶層ＬＱ）、カラーフィルタ層ＣＦ、画素電極層ＰＥＬを含む。

例えば、画素群ＰＸＵと分離素子の間が空気とした場合、図１１（ｂ）に示す画素周期（画素群幅ＰＸＵＷ）：分離距離Ｌの比率が１：６程度の場合、
ＷＡ１=１．７〜２．７μｍ
ＷＡ２＝１．５〜２．５μｍ
ＷＡ３＝２．０〜３．０μｍ
程度が望ましい。

また、画素群ＰＸＵと分離素子の間が空気とした場合、画素周期（画素群幅ＰＸＵＷ）：分離距離Ｌの比率が１：４程度の場合、
ＷＡ１＝１．２〜１．７μｍ
ＷＡ２＝１．０〜１．５μｍ
ＷＡ３＝１．３〜１．８μｍ
程度が望ましい。

図１１（ｃ）において、色分離素子Ａ１の素子群ＡＵで組み合わされる３パターンの第１素子Ａ１ａ，第２素子Ａ１ｂ，第３素子Ａ１ｃのそれぞれの溝Ｇ１の高さを溝の高さＨ１、溝Ｇ２の高さを溝の高さＨ２、溝Ｇ３の高さを溝の高さＨ３とし、それぞれの溝の高さＨの最大値ＭａｘＨ−最小値ＭｉｎＨをΔｈ１，Δｈ２，Δｈ３とすると、Δｈ１≦Δｈ２，Δｈ３を満たす方が好ましい。但し、Δｈ２とΔｈ３の関係は任意である。

図１２は、本実施形態に係る表示装置の具体的な表示素子構造を例示する断面図で、（ａ）に示す構造は、第１層：照明装置ＩＬ、第２層：色分離素子Ａ１、第３層：第１偏光板ＰＬ１、第４層：第１基板ＳＵＢ１、第５層：画素配列層ＰＸＬ、第６層：第２基板ＳＵＢ２、第７層：拡散板ＤＰ、第８層：第２偏光板ＰＬ２を順に積層したものである。画素配列層ＰＸＬは、少なくとも画素電極層ＰＥＬ、表示機能層ＤＦＬ（液晶層ＬＱ）、カラーフィルタＣＦを積層したものである。（ｂ）に示す構造は、例として（ａ）に示す構造における第２層と第３層、第７層と第８層をそれぞれ選択的に入れ替えたものである。なお、画素配列層ＰＸＬの積層順はこれに限られず、例えば、画素電極層ＰＥＬ、カラーフィルタＣＦ、表示機能層ＤＦＬの順で積層されてもよい。

なお、拡散板ＤＰは、画素配列層ＰＸＬより前面側（光の透過面側の上部）に配置されていればどこでもよい。また、色分離素子Ａ１は、素子素材の複屈折性が小さければ、第１偏光板ＰＬ１から見て画素側にあってもよい。また、色分離素子Ａ１は、画素配列層ＰＸＬの光入射面側に配置される第１偏光版ＰＬ１と照明装置ＩＬの間、または画素配列層ＰＸＬの光入射面側に配置される第１偏光版ＰＬ１と第１基板ＳＵＢ１との間に配置される。位置ずれ対策として、画素配列層ＰＸＬと色分離素子Ａ１との分離距離Ｌが近い方が好ましい。そのため、第１偏光板ＰＬ１と第１基板ＳＵＢ１との間に色分離素子Ａ１が配置される方が好ましい。また、分離距離Ｌを近づけるために、第１基板ＳＵＢ１の厚さをできるだけ薄くした方が好ましい(例えば、５００μｍ以下)。位置ずれ対策として、画素との位置精度が重要なので、色分離素子Ａ１は第１基板ＳＵＢ１、第１偏光板ＰＬ１に貼り付けておく方が好ましい。

また、上記色分離素子Ａ１の凹凸の向きはＺ方向に関しては逆でもよい。つまり、凹凸の無い平面から平行光ＰＲを入射させる必要はない。但し、平行光ＰＲが凹凸面から入光した場合と凹凸の無い平面から入光した場合、回折する波長は逆になるので注意を要する。また、色分離素子Ａ１の溝Ｇの間は空気層である方が好ましい。そのため、他部材との接着層は全面でなく、周辺を両面テープ等で接着することが好ましい。

図１３は、本実施形態に係る表示装置において、照明装置ＩＬからの光の軸と画素配列層ＰＸＬの形成された平面が完全に垂直でない場合の臨界角度を説明するための図である。図１３に示すように、色分離素子Ａ１及び画素列Ｂ１に対して、Ｚ方向に対して所定の角度βを有する平面波は、目的の画素とは違う隣の色の画素へと集光してしまう。目的の画素に集光できる臨界角度は、同じ画素周期（画素群幅ＰＸＵＷ）を一定とした場合、焦点距離（分離距離Ｌ：色分離素子Ａ１と画素列Ｂ１との距離）が短ければ短いほど大きくなる。正確には画素周期（画素群幅ＰＸＵＷ）と分離距離Ｌの比で決まる。具体的には、画素周期を１としたとき、分離距離は６以下にすることが望ましく、４以下にすることがさらに望ましい。更に、光源の平行性が良くない場合、色分離素子Ａ１を第１基板ＳＵＢ１と第１偏光板ＰＬ１の間に配置し、さらに第１基板ＳＵＢ１をなるべく薄くして分離距離Ｌを短くすることが望ましい。

なお、色分離素子Ａ１の素材に複屈折性がないものを使用することが望ましい。また、完全な平行光光源を用いるときは、視野角が小さくなるので、画素通過後に拡散板などを用いて視野角を任意の角度に広げることも考えられる。

照明装置ＩＬとしては、表示領域ＤＡに対向する位置に光源を配置した直下型の照明装置を例として説明したが、平行光を照射することができればこれに限られない。例えば、表示領域ＤＡ外の周辺領域に光源を配置して導光板およびプリズムシートを利用して平行光ＰＲを照射するサイドライト型の照明装置を適用可能である。但し、サイドライト型の照明装置において導光板やプリズムシートで平行光ＰＲを生成する過程のロスを考えると直下型の照明装置の方が望ましい。
用途は、透過型のディスプレイデバイスとして有用である。特に、ある程度の指向性が要求され、広すぎる視野角は要求されないＨＵＤ（ヘッド・アップ・ディスプレイ）等が最適である。視野角が要求されるモバイル端末やＴＶなどにおいても、視認側に拡散板を配置して任意の視野角に制御することで使用することができる。

図１４は、異なる色が対応付けられた第１画素ＰＸＲ、第２画素ＰＸＧ、第３画素ＰＸＢがＸ方向に対してストライプ構造の場合に用いて好適な照明装置ＩＬの光源の特性を示す図であり、（ａ）は１つの画素におけるＸ方向、Ｙ方向に対する指向性特性、（ｂ）は異なる色が対応づけられた画素がストライプ構造を有する表示装置のＸ方向、Ｙ方向に対する指向性特性、（ｃ）は光源からの光の指向性特性を示す。

図１４に示す通り、Ｘ方向において、異なる色が対応づけられた画素が配列され、Ｙ方向において同一の色が対応付けられた画素が配列されている場合、照明装置ＩＬからの光の平行性は少なくともＸ方向すなわち色を分離させる方向のみ有していればよい。すなわち、同一の色に対応する画素が配列されるＹ方向は、照明装置からの光がＺ方向に対して任意の角度広がりを持つ異方指向性の照明装置を照明装置ＩＬとして用いてもよい。勿論、Ｘ方向、Ｙ方向のいずれの方向にも任意の角度広がりを持たない照明装置、例えば、全方向の指向性を持つ照明装置でもよい。なお、Ｘ方向又はＹ方向のいずれか一方の方向において、同一色に対応する画素を配置する場合は、同一色に対応する画素を配列した方向については、照明装置から照射される光の指向性を弱くしてもよい。

図１５は、白色に対応する第４画素ＰＸＷを含む実施形態の適用例を説明するための図で、（ａ）は第４画素ＰＸＷを含む画素群ＰＸＵの配置例、（ｂ）は各画素に対する光分離入射例を示している。なお、第４画素ＰＸＷとは、例えば、白色若しくは透明なカラーフィルタが配置された画素、若しくは、カラーフィルタが配置されない画素である。言い換えると、第４画素ＰＸＷとは、入力信号ＳＧＩに基づいて、信号処理部２０で生成される第４色出力信号ＳＧＯＷに基づいて制御される画素である。このように、第４画素ＰＸＷを追加することで白の輝度を向上させることができる。例えば、第１波長λ１、第２波長λ２、第３波長λ３以外の波長を有する光を利用することで白の輝度を向上させることができる。

比較例として、第１画素ＰＸＲと第２画素ＰＸＧと第３画素ＰＸＢと第４画素ＰＸＷをＸ方向においてストライプ状に配置した場合、第４画素ＰＸＷに対して色分離素子Ａによって分離された全ての光、若しくは、分離されない光が照射される必要がある。そのため、図５（ｂ）に示される色分離機能を有する色分離素子Ａ２の場合、第４画素ＰＸＷに対応する位置において、色分離機能を有さない素子またはスリットを形成する必要がある。一方で、図５（ａ）の色分離機能を有する色分離素子Ａ１の場合は色によって光を集める周期が１画素ずつ異なっているので、第１素子Ａ１ａ、第２素子Ａ１ｂ、第３素子Ａ１ｃの間に色分離機能を有さない素子又はスリットを形成することが難しい。

そこで、図１５（ａ）に示すように、Ｘ方向において、第４画素ＰＸＷが配列された第１列と、第１画素ＰＸＲと第２画素ＰＸＧと第３画素ＰＸＢがストライプ状に配列された第２列を有する構造が適している。なお、Ｘ方向において、第４画素ＰＸＷの幅は、第１画素ＰＸＲの幅と第２画素ＰＸＧの幅と第３画素ＰＸＢの幅に対応する。すなわち、本実施形態の色分離素子Ａ１１によれば、Ｘ方向において、第１波長λ１、第２波長λ２、第３波長λ３の光がそれぞれ分離されるが、第４画素ＰＸＷにおいて１つの画素として制御され、白画素としての役割を果たす。なお、このように第１列に第４画素ＰＸＷを配置し、第２列に第１画素ＰＸＲ、第２画素ＰＸＧ、第３画素ＰＸＢを配列する構造は、図５（ｂ）のような色分離機能を有する色分離素子Ａ２を利用した表示装置であっても従来のような色分離素子でも適用可能である。

図１６は、Ｘ方向、Ｙ方向の両方の方向において、異なる色が対応づけられた画素が周期的に配置された場合に用いられる色分離素子Ａ１２の具体的な構造を示す概念図で、（ａ）は、異なる色が対応づけられた画素が市松状に配置された画素列Ｂ１１の例を示し、（ｂ）は（ａ）の画素列Ｂ１１に対する色分離素子Ａ１２の形成例を示している。

照明装置ＩＬから照射される光に、画素配列平面に対して垂直な方向に対して所定の角度βを有する光を許容する平行光条件は、画素周期（画素群幅ＰＸＵＷ）と分離距離Ｌに依存する。例えば、画素周期に対して分離距離が短くなるほど平行光条件は緩和される。しかし、現実的に第１基板ＳＵＢ１の厚さ分の距離はどうしても必要である。すなわち、第１基板ＳＵＢ１の厚さを固定したときは、高精細になればなるほど平行光の条件が厳しくなってしまう。そこで、平行光条件を緩和する方法として、高精細であって、画素周期の大きさを大きくする構成を考える。

図１６（ａ）に示す通り、Ｘ方向において、第１画素ＰＸＲ、第２画素ＰＸＧ、第３画素ＰＸＢが周期的に配列されており、Ｙ方向においても第１画素ＰＸＲ、第２画素ＰＸＧ、第３画素ＰＸＢが周期的に配列されている。また、図１６（ｂ）に示す通り、Ｘ方向において、第１素子Ａ１ａ、第２素子Ａ１ｂ、第３画素Ａ１ｃが周期的に配列されており、Ｙ方向においても第１素子Ａ１ａ、第２素子Ａ１ｂ、第３素子Ａ１ｃが周期的に配列されている。第１素子Ａ１ａ、第２素子Ａ１ｂ、第３素子Ａ１ｃは、照明装置ＩＬからの平行光ＰＲをＹ方向に分離する。ここで、１つの画素ＰＸのＹ方向の幅は１つの画素ＰＸのＸ方向の幅の約３倍に対応するため、Ｙ方向の画素周期もＸ方向の画素周期に比べて３倍となる。そのため、Ｙ方向に光を分離する素子を有する色分離素子Ａ１２の平行光条件を緩めることができる。なお、本実施形態において、Ｘ方向、Ｙ方向のいずれの方向についても各画素の幅と各素子の幅は対応していたが、各画素の幅に対して各素子の幅が所定の幅α分だけ大きくてもよい。

なお、図１６において、Ｘ方向は一様ではなく１画素ずつ溝が存在することになるが、その構造横幅はＹ方向における色分離方向の溝横幅〜数μｍにくらべて十分大きく、色分素子Ａ１２から画素までの距離程度では目に見えた回折は起こらない。しかし、実際の素子作製時を考えると、色分離素子のＸ方向に隣接する素子の各溝ＧのＹ方向の幅は、一定の方が望ましい。例えば、第１素子Ａ１ａと第３素子Ａ１ｃがＸ方向に隣接する場合、第１素子Ａ１ａの溝Ｇ１と第３素子Ａ１ｃの溝Ｇ３のＹ方向の幅は一定の方が望ましい。

以上のように、本実施形態に係る表示装置は、色分離素子を用いることで各色に対応する波長に分散された光がいずれも一定の方向に偏ることなく、同一の分布で輝度範囲を持つように分離制御が可能となり、特定の方向に偏った光を正面に向けるための光学部品が不要となる。

なお、上記実施形態では、表示部３０が液晶表示装置の場合について説明したが、白色発光層を行う有機ＥＬ表示装置の場合でも同様に実施可能である。つまり、本実施形態の照明装置ＩＬの代わりに白色発光層が配置され、白色発光層の上に色分離素子Ａ１が配置される構成であってもよい。また、カラーフィルタＣＦを採用する場合について説明したが、本実施形態は色分離を行っているため、カラーフィルタＣＦレス方式の場合でも適用可能である。
その他、本発明は上記各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記各実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

ＤＳＰ…表示装置、１０…制御部、１１…画像出力部、ＰＮＬ…表示パネル、ＩＬ…照明装置、２０…信号処理部、２１…タイミング生成部、２２…画像処理部、２３…画像解析部、２４…光源駆動値決定部、４０…表示パネル駆動部、４１…信号出力回路、４２…走査回路、６０…照明装置制御部、Ａ１，Ａ１１，Ａ２…色分離素子、Ｂ１，Ｂ１１，Ｂ２…画素列。

Claims (18)

1. 第１色が対応づけられた第１画素、第２色が対応づけられた第２画素、第３色が対応づけられた第３画素が周期的に配列される画素配列層と、
   前記画素配列層に対向して、前記第１画素、前記第２画素、前記第３画素の配列に合わせて周期的に配列され、それぞれ入射される光を前記第１色、前記第２色、前記第３色に対応する波長の光に分離して前記第１画素、前記第２画素、前記第３画素に照射する第１素子、第２素子、第３素子を備える色分離素子と、
   前記色分離素子の前記第１素子、前記第２素子、前記第３素子に光を照射する照明装置と
   を具備する表示装置。
2. 前記第１素子は、前記第１色の波長の分離光を対向位置にある前記第１画素に集光するように回折し、前記第３色の波長の分離光を前記第１画素の左側に位置する前記第３画素に集光するように回折し、前記第２色の波長の分離光を前記第１画素の右側に位置する前記第２画素に集光するように回折する特性を有し、
   前記第２素子は、前記第２色の波長の分離光を対向位置にある前記第２画素に集光するように回折し、前記第１色の波長の分離光を前記第２画素の左側に位置する前記第１画素に集光するように回折し、前記第３色の波長の分離光を前記第１画素の右側に位置する前記第３画素に集光するように回折する特性を有し、
   前記第３素子は、前記第３色の波長の分離光を対向位置にある前記第３画素に集光するように回折し、前記第２色の波長の分離光を前記第３画素の左側に位置する前記第２画素に集光するように回折し、前記第１色の波長の分離光を前記第３画素の右側に位置する前記第１画素に集光するように回折する特性を有する請求項１記載の表示装置。
3. 第１色が対応づけられた第１画素、第２色が対応づけられた第２画素、第３色が対応づけられた第３画素が周期的に配列される画素配列層と、
   第１構造を有する第１素子、第２構造を有する第２素子、第３構造を有する第３素子を有し、前記第１素子、前記第２素子、前記第３素子は、前記第１画素、前記第２画素、前記第３画素の配列に合わせて周期的に配列され、それぞれ入射される光を前記第１色、前記第２色、前記第３色に対応する波長の光に分離して前記第１画素、前記第２画素、前記第３画素に照射する色分離素子と、
   前記色分離素子の前記第１素子、前記第２素子、前記第３素子に光を照射する照射装置と
   を具備する表示装置。
4. 前記色分離素子の第１素子、前記第２素子、前記第３素子は、透明な誘電体材料を凹凸形状に成形した構造を有する請求項３記載の表示装置。
5. 前記画素配列層は、第１方向について異なる色が対応付けられた画素が配列され、前記第１方向に対して垂直な第２方向について同一の色が対応付けられた画素が配列され、
   前記色分離素子は、前記第１方向について前記凹凸形状に成形され、前記第２方向について前記凹凸形状の前記第１方向及び前記第２方向に対して垂直な第３方向の厚さが略同一に成形された構造を有する請求項４記載の表示装置。
6. 前記色分離素子は、前記凹凸形状の溝幅が、前記第１画素、前記第２画素、前記第３画素の画素周期と前記画素配列層との距離に応じて増減される構造を有する請求項４記載の表示装置。
7. 前記色分離素子の前記第１素子、前記第２素子、前記第３素子は、少なくとも第１色に対応する第１波長λ１の光をそれぞれ異なる方向に回折させる請求項３に記載の表示装置。
8. 前記色分離素子は、前記第１素子が前記第１色に対応する第１波長λ１の分離光を中央に向けて回折し、前記第２素子が前記第２色に対応する第２波長λ２の分離光を中央に向けて回折し、前記第３素子が前記第３色に対応する第３波長λ３の分離光を中央に向けて回折する構造を有する請求項３記載の表示装置。
9. 前記第１色は第１波長λ１の光に対応し、前記第２色は第２波長λ２の光に対応し、前記第３色は第３波長λ３の光に対応し、前記第１波長λ１、前記第２波長λ２、前記第３波長λ３は、λ１＞λ２＞λ３の関係を示す請求項３に記載の表示装置。
10. 前記色分離素子は、凹凸形状を有し、前記第１素子、前記第２素子、前記第３素子それぞれの前記凹凸形状の平均溝幅Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３がＷ２≦Ｗ１≦Ｗ３の関係を満たす構造を有する請求項９記載の表示装置。
11. 前記色分離素子は、凹凸形状を有し、前記第１素子、前記第２素子、前記第３素子それぞれの前記凹凸形状の溝本数Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３がＮ２≦Ｎ１≦Ｎ３の関係を満たす構造を有する請求項９記載の表示装置。
12. 前記色分離素子は、凹凸形状を有し、前記第１素子、前記第２素子、前記第３素子それぞれの前記凹凸形状の前記第３方向の最大値−最小値の厚さΔｈ１，Δｈ２，Δｈ３がΔｈ１≦Δｈ２，Δｈ３の関係を満たす構造を有する請求項５記載の表示装置。
13. 前記色分離素子は、前記画素配列層の光入射面側に配置される第１偏光板と前記照射装置との間に配置される請求項３記載の表示装置。
14. 前記色分離素子は、前記画素配列層の光入射面側に配置される第１偏光板と第１基板との間に配置される請求項３記載の表示装置。
15. 前記画素配列層の前記光の透過面側の上部に拡散板が配置される請求項３記載の表示装置。
16. 第１色が対応づけられた第１画素、第２色が対応づけられた第２画素、第３色が対応づけられた第３画素を周期的に配列し、
    前記第１画素、前記第２画素、前記第３画素の配列に合わせて、その配列に対向するように第１素子、第２素子、第３素子を周期的に配列し、第１素子、第２素子、第３素子それぞれによって背面から入射される光を前記第１色、前記第２色、前記第３色に対応する波長の光に分離して互いに異なる方向に照射することで、前記第１画素、前記第２画素、前記第３画素の配列面に画像を表示する表示方法。
17. 前記第１素子が、前記第１色の波長の分離光を対向位置にある前記第１画素に集光するように回折し、前記第３色の波長の分離光を前記第１画素の左側に位置する前記第３画素に集光するように回折し、前記第２色の波長の分離光を前記第１画素の右側に位置する前記第２画素に集光するように回折し、
    前記第２素子が、前記第２色の波長の分離光を対向位置にある前記第２画素に集光するように回折し、前記第１色の波長の分離光を前記第２画素の左側に位置する前記第１画素に集光するように回折し、前記第３色の波長の分離光を前記第１画素の右側に位置する前記第３画素に集光するように回折し、
    前記第３素子が、前記第３色の波長の分離光を対向位置にある前記第３画素に集光するように回折し、前記第２色の波長の分離光を前記第３画素の左側に位置する前記第２画素に集光するように回折し、前記第１色の波長の分離光を前記第３画素の右側に位置する前記第１画素に集光するように回折することで、前記画像を表示する請求項１６記載の表示方法。
18. 第１波長の光を第１回折方向に集光させる第１素子と、
    第１波長の光を第１回折方向とは異なる第２回折方向に集光させる第２素子と、
    第１波長の光を第１回折方向とは異なる第３回折方向に集光させる第３素子と
    を有する色分離素子。

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