JP3236202B2 - 液晶装置及びそれを用いたカラー画像表示装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、液晶装置及びその
液晶装置を用いたカラー画像表示装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来より、薄膜トランジスタ（ＴＦ
Ｔ）、薄膜ダイオード（ＴＦＤ）等のアクティブ素子に
より各画素を駆動するアクティブマトリクス方式の液晶
装置が知られている。アクティブ素子は比較的駆動能力
が低くてよいため、多結晶ＳｉやアモルファスＳｉによ
って形成される。しかしながら、高品位テレビ等の高精
細な表示装置に前述の液晶装置を用いる場合、各アクテ
ィブ素子を駆動する周辺駆動回路には、高速、高性能な
ものが必要となる。そのため周辺駆動回路には、結晶性
に優れた単結晶Ｓｉを用いることが望ましい。更に製作
工程の簡便化のため、各アクティブ素子と周辺駆動回路
は同一基板上に設けることが望ましく、このような構成
の液晶装置が、特開平６−２２２３９１号公報に記載さ
れている。

【０００３】一方、一般的な液晶装置を用いた単板カラ
ー光学変調装置は、液晶画素周辺部にあるアクティブ素
子の配線を遮光するブラックマトリクス面積の占める割
合が高く、装置全体の光利用効率を低下させる要因とな
っていた。

【０００４】この問題を解決するため、図１３に示した
ような、マイクロレンズアレイ２をカラーフィルター５
１Ｒ、５１Ｇ、５１Ｂの前面に配置し、白色光源からの
照明光を液晶層２０１の各画素に集光させることによ
り、液晶装置２００の光利用効率を向上させる方法が知
られている。ここで、図１３における３は透明基板、５
はブラックマトリクスである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前述の従来例では、白
色光から各画素に応じた色光を取り出す部材としてカラ
ーフィルターを用いている。しかしながら、カラーフィ
ルターは各画素へ入射する白色光のうち、ある波長成分
の光のみを透過するため、それ以外の波長成分の光に関
しては無駄になっており、光利用効率が非常に低かっ
た。

【０００６】本発明は、光量損失の少ない液晶装置を提
供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明の液晶装
置は、液晶を画素毎に駆動するアクティブ素子と、半導
体単結晶によって形成され、前記アクティブ素子を駆動
する駆動回路と反射板とを有し、前記アクティブ素子と
前記駆動回路が同一基板上に形成された液晶装置であっ
て、広波長帯域の光束を互いに波長帯域が異なる複数の
光束に分解する回折格子と、前記各波長帯域の光束を画
素ごとに変調し、かつ反射板により反射させる液晶とを
有し、前記回折格子が前記液晶によって変調され、反射
された前記各波長帯域の光束を合成することを特徴とし
ている。 請求項２の発明の液晶装置は請求項１に従うも
のであって、前記第１の回折格子は、単位領域毎に前記
広波長帯域の光束を分解する方向が異なり、異なる方向
に出射した同一波長帯域の光束が入射する前記液晶の共
通の画素を有することを特徴とする請求項１記載の液晶
装置。 請求項３の発明の液晶装置は請求項２に従うもの
であって、前記共通の画素から出射する光束が、前記第
１の回折格子の複数の単位領域に入射することを特徴と
している。

【０００８】請求項４の発明の液晶装置は、液晶を画素
毎に駆動するアクティブ素子と、半導体単結晶によって
形成され、前記アクティブ素子を駆動する駆動回路と反
射板とを有し、前記アクティブ素子と前記駆動回路が同
一基板上に形成されるものであって、広帯域の光を複数
の収斂光束に変換する集光素子群と、前記複数の収斂光
束をそれぞれR,G,Bの３色の光束に分解する回折格子
と、前記R,G,Bの３色の光束を変調する複数の画素と前
記R,G,Bの３色の光束を反射する反射板とを備える液晶
層とを有し、前記回折格子が前記液晶層で変調及び反射
された前記R,G,Bの３色の光束を合成する液晶装置にお
いて、前記回折格子は前記集光素子群からの前記複数の
光束のそれぞれに対応する色分解領域を有し、該複数の
色分解領域のうち色分解方向に関して隣り合う色分解領
域は前記Gの色の光束に対するRの色の光束とBの色の光
束の分離方向が互いに逆であり、前記色分解領域の中央
部に対応する位置に前記Gの色の画素が有り、前記隣り
合う色分解領域同士の境界部に対応する位置に前記Rの
色の画素または前記Bの色の画素が有り、前記色分解領
域からのGの色の光束は前記Gの色の画素に入射して前記
反射板で反射することで同じ前記色分解領域に入射し、
前記隣り合う色分解領域のそれぞれからの前記Rの色の
光束は互いに共通の前記Rの色の画素に入射して、前記
反射板で反射することにより隣の前記色分解領域に入射
し、前記隣り合う色分解領域のそれぞれからの前記Bの
色の光束は互いに共通の前記Bの色の画素に入射して、
前記反射板で反射することにより隣の前記色分解領域に
入射することを特徴としている。

【０００９】請求項５の発明の液晶装置は、液晶を画素
毎に駆動するアクティブ素子と、半導体単結晶によって
形成され、前記アクティブ素子を駆動する駆動回路とを
有し、前記アクティブ素子と前記駆動回路が同一基板上
に形成されるものであって、広帯域の光を複数の収斂光
束に変換する集光素子群と、前記複数の収斂光束をそれ
ぞれR,G,Bの３色の光束に分解する第１の回折格子と、
前記R,G,Bの３色の光束を変調する複数の画素を備える
液晶層と、前記液晶層で変調された前記R,G,Bの３色の
光束を合成する第２の回折格子とを有する液晶装置であ
って、前記第１の回折格子は前記集光素子群からの前記
複数の収斂光束のそれぞれに対応する色分解領域を有
し、前記第１の回折格子の複数の色分解領域のうち色分
解方向に関して隣り合う色分解領域は前記Gの色の光束
に対する前記Rの色の光束と前記Bの色の光束の分離方向
が互いに逆であり、前記液晶層は、前記色分解領域の中
央部に対応する位置にGの色の画素を有し、前記隣り合
う色分解領域同士の境界部に対応する位置にRの色の画
素またはBの色の画素を有し、前記色分解領域からの前
記Gの色の光束は前記Gの色の画素に入射し、前記隣り合
う２つの色分解領域それぞれからの前記Rの色の光束は
互いに共通の前記Rの画素に入射し、前記隣り合う２つ
の色分解領域それぞれからの前記Bの色の光束は互いに
共通の前記Bの画素に入射し、前記第２の回折格子は前
記第１の回折格子の前記複数の色分解領域のそれぞれに
対応する位置に色合成領域を有し、前記色合成領域に、
前記Gの色の画素から出射した前記Gの色の光束と、前記
Gの色の画素を前記色分解方向に関して挟む位置にある
前記Rの色の画素と前記Bの色の画素から出射した前記R
の色の光束と前記Bの色の光束とが入射して合成される
ことを特徴としている。請求項６の発明の液晶装置は請
求項１乃至３いずれか１項に従うものであって、前記広
波長帯域の光束、または前記所定の波長帯域に分解され
た光束を集光して前記液晶層の各画素に収斂光を入射さ
せる集光手段を有することを特徴としている。請求項７
の発明の液晶装置は請求項４乃至６いずれか１項に従う
ものであって、前記集光手段と、前記回折格子又は前記
第１の回折格子の単位領域を対にしたことを特徴として
いる。

【００１０】請求項８の発明の液晶装置は請求項１乃至
７いずれか１項に従うものであって、前記回折格子又は
第１の回折格子によって所定の波長帯域毎に光束が分解
された位置にカラーフィルターを有することを特徴とし
ている。請求項９の発明の液晶装置は請求項１乃至８い
ずれか１項に従うものであって、前記液晶は、高分子分
散型液晶であることを特徴としている。請求項１０の発
明の液晶装置は請求項９に従うものであって、前記液晶
の画素間に遮光壁を有することを特徴としている。

【００１１】請求項１１の発明の液晶装置は請求項１乃
至８いずれか１項に従うものであって、前記液晶は、Ｔ
Ｎ型液晶であることを特徴としている。請求項１２の発
明のカラー画像表示装置は、請求項１乃至１１いずれか
１項記載の液晶装置を用いてカラー画像を表示すること
を特徴としている。

【００１２】本願第１発明の液晶装置において、広波長
帯域の光束、または所定の波長帯域毎に分解された光束
を集光して液晶の各画素に収斂光を入射させる集光手段
を有することが望ましい。

【００１３】本願第１発明の液晶装置において、第１の
回折格子は、単位領域毎に広波長帯域の光束を分解する
方向が異なり、異なる方向に出射した同一波長帯域の光
束が入射する共通の画素を有する形態が考えられる。

【００１４】ここで、集光手段と、第１の回折格子の単
位領域を対にすることが望ましい。

【００１５】また、本願第１発明の液晶装置において、
第１の回折格子によって分解された各波長帯域毎の光束
の主光線を、液晶の各画素に垂直に入射させる手段を有
する形態が考えられる。

【００１６】ここで、第１の回折格子によって分解され
た各波長帯域毎の光束の主光線を、液晶の各画素に垂直
に入射させる手段は、平板マイクロレンズアレイである
ことが望ましい。

【００１７】ここで、本願第１発明の液晶装置は、液晶
の各画素で変調を受け、各画素から垂直に出射する各波
長帯域毎の光束の主光線を所定の角度で光合成手段に入
射させる手段を有することが望ましい。

【００１８】ここで、液晶の各画素で変調を受け、各画
素から垂直に出射する各波長帯域毎の光束の主光線を所
定の角度で光合成手段に入射させる手段は、平板マイク
ロレンズアレイであることが、更に望ましい。

【００１９】本願第１発明の液晶装置において、第１の
回折格子によって所定の波長帯域毎に光束が分解された
位置にカラーフィルターを有する形態が考えられる。

【００２０】本願第１発明の液晶装置において、液晶
は、高分子分散型液晶である形態が考えられる。

【００２１】ここで、液晶の画素間に遮光壁を有するこ
とが望ましい。

【００２２】本願第１発明の液晶装置において、液晶
は、ＴＮ型液晶である形態が考えられる。

【００２３】本願第１発明の液晶装置は、反射板を有
し、液晶の各画素で変調を受けた各波長帯域毎の光束
を、反射板によって反射させる形態が考えられる。

【００２４】ここで、前記第１の回折格子と、光合成手
段が同一部材である形態が考えられる。

【００２５】ここで、第１の回折格子によって分解され
た各波長帯域毎の光束の主光線を液晶の各画素に垂直に
入射させる手段と、液晶の各画素で変調を受け、各画素
から垂直に出射する各波長帯域毎の光束の主光線を所定
の角度で光合成手段に入射させる手段が同一部材である
形態が考えられる。

【００２６】本願第１発明の液晶装置は、液晶の入射側
と出射側にそれぞれ回折格子と集光手段を有する形態が
考えられる。

【００２７】本願第２発明は、本願第１発明の液晶装置
を用いてカラー画像を表示することを特徴とするカラー
画像表示装置である。

【００２８】

【発明の実施の形態】図１は本発明の特徴を最もよく表
す液晶装置の断面図（装置光軸に対して平行な断面）で
ある。

【００２９】同図において、１は液晶層であり、本実施
の形態においては高分子分散型液晶を用いる。２は入射
光を集光する集光素子群、３は透明基板、４は画像表示
に不要な光を遮光する遮光膜である。６は集光素子群２
に対して一対一で設けられ、集光素子群２によって集光
された光を複数の色光に分解し、かつ液晶層１から出射
した色光を合成する色分解合成素子群である。７は液晶
層１の直下に設けられた反射板である。９は液晶の流出
を防止する封止部材である。１ａは多結晶Ｓｉによって
形成された、ＴＦＴやＴＦＤのようなアクティブ素子で
あり、１６は単結晶Ｓｉで形成されたアクティブ素子を
駆動するトランジスタ等の周辺駆動回路である。（図１
においてアクティブ素子１ａは、一部のみを図示してい
る。）１００は単結晶Ｓｉ基板、１０１はフィールド酸
化膜であり、本実施の形態では厚さ１μｍ程度である。

【００３０】なお、アクティブ素子１ａは、アモルファ
スＳｉで形成してもよい。

【００３１】図中、液晶層１のＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ
（青）の符号は、それぞれの液晶画素に入射及び反射す
る光の波長帯域を表している。

【００３２】図１において、任意の集光素子をＡ０、Ａ
０に隣接した集光素子をＡ＋１、Ａ−１、Ａ０の光軸
（集光光束の中心線）を含む液晶層の画素をＴ０、Ｔ０
に隣接した画素をＴ＋１、Ｔ−１、Ａ０の光軸を含む色
分解合成素子をＳ０、Ｓ０に隣接した色分解合成素子を
Ｓ＋１、Ｓ−１とする。Ａ０で集光された白色光束は色
分解合成素子Ｓ０を通過後、ＲＧＢ帯域の３つの色光に
色分解され、画素Ｔ０、Ｔ＋１、Ｔ−１に入射し、反射
板７で反射される。それぞれの波長帯域の光束は、画素
Ｔ０、Ｔ＋１、Ｔ−１を出射するまでの間に光学変調を
受ける。画素Ｔ０によって変調を受けたＧの波長帯域の
光は、色分解合成素子Ｓ＋１によって分解されＴ＋１に
よって変調を受けたＲの波長帯域の光と、色分解合成素
子Ｓ−１によって分解され画素Ｔ−１によって変調を受
けたＢの波長帯域の光と、色分解合成素子Ｓ０において
合成された後、集光素子Ａ０において略平行光とされ出
射する。

【００３３】ただし、図中では異なる媒質間の光の屈折
は記載されておらず、実際に設計する際はこの屈折率の
差を考慮する必要がある。これは、以後の光線が描かれ
た図においても同様である。

【００３４】高分子分散型液晶による光学変調原理につ
いては一般的に知られているため、説明は省略する。

【００３５】次に、色分解合成素子群６について、図２
の断面拡大図を用いて説明する。

【００３６】本実施の形態において色分解合成素子群６
は、１次元バイナリー型回折格子を樹脂で成形したもの
である。１次元バイナリー型回折格子とは、図２に示す
ように階段形状をした回折格子であり、特に本実施の形
態に示したものは、回折格子のある格子ピッチ、位相変
化量を特定することにより各回折格子の０次と±１次の
回折光にエネルギーの大半を集中させ、かつ０次、±１
次光それぞれの最もエネルギーの高い波長帯域（以下主
波長帯域）が、ＲＧＢのどれかに対応するように構成し
たものである。本実施の形態では、格子ピットＰ内にス
テッブ幅Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３の３段形状としている。な
お、階段数は３段以上であれば４段でも５段でも同様の
効果が得られるよう構成することができる。本実施の形
態に示すような透過型の回折格子は、Ａｐｐｌｉｅｄ
Ｏｐｔｉｃｓ誌１７巻１５号２２７３〜２２７９（１９
７８．８．１号）に開示されているように、回折格子に
入射した入射光束が透過回折されて主に３方向に分離さ
れる。この回折格子は、例えばブレーズド波長をλ０と
したとき、ブレーズド波長λ０に対し必要な格子厚Ｄｔ
は Ｄｔ＝ｍ・λ０／（ｎλ０−１） となる。ここで、ｎλ０は媒質の屈折率である。ｍ，λ
０をｍ＝２、λ０＝５３０ｎｍとし、屈折率ｎλ０＝
１．５程度として算出した場合、格子厚はＤｔ＝２１２
０ｎｍ程度となる。

【００３７】本実施の形態において、入射光が回折する
方向に隣接する色分解合成素子同士では、＋１次回折
光、−１次回折光の主波長帯域が互いに逆になるよう構
成している。すなわち、図２において左側に分解される
光を＋１次回折光、右側に分解される光を−１次回折光
とすると、色分解合成素子Ｓ０は、主波長帯域がＢの光
を＋１次側に、Ｒの光を−１次側に回折する。色分解合
成素子Ｓ＋１，Ｓ−１では、逆に、主波長帯域がＲの光
を＋１次側に、Ｂの光を−１次側に回折する。

【００３８】以上、色分解について説明を行ったが、光
線の進路を逆にとって考えることで３色光を合成する作
用についても説明が付く。

【００３９】次にアクティブ素子１ａ、周辺駆動回路１
ｂについて、図３を用いて詳細な説明を行う。ここで、
図３記載の一部の構成部品は、図１において不図示であ
るが、図３は図１の詳細拡大図であり、両図とも同一の
装置を表すものである。

【００４０】図中、１００は単結晶Ｓｉ基板、１０１は
フィールド酸化膜、１０２はＬＣＤ駆動用単結晶Ｓｉト
ランジスタのウェル層、１０３は画素部ＴＦＴを形成す
る多結晶Ｓｉ層、１０４、１０５はそれぞれ駆動用単結
晶Ｓｉトランジスタのソース、ドレイン部、１０６は駆
動用単結晶Ｓｉトランジスタのゲート部、１０７、１０
８はそれぞれ画素部ＴＦＴのソース、ドレイン部１０９
は画素部ＴＦＴのゲート部、１１０は画素部ＴＦＴのソ
ース部と接続される信号線用配線層、１１１は画素部反
射電極、１１２はパッシベーション膜、１１３、１１４
は配向膜、１は液晶層、１１５は透明電極、３は透明基
板、１１６は反射防止膜である。ここで、画素部反射電
極１１１により、図１の反射板７が形成されている。配
向膜１１３、１１４は液晶層１が高分子分散液晶の場
合、特に必要としなくても良い。

【００４１】本液晶装置において、液晶層１には、透明
電極１１５と反射電極１１１の間に電圧が印加される。
透明基板３側から入射する光束は、反射防止膜１１６に
より表面反射をせずに液晶層１に入射される。同様に反
射電極１１１で反射して、液晶層１から出射する光が再
度反射防止膜１１６に入射する時も表面反射がほとんど
おこらないことから、光量ロスの少ない構成となってい
る。また反射防止膜１１６は、透明基板表面等での反射
成分が液晶層内部での反射光に混入し、コントラスト低
下することを抑制している。

【００４２】反射防止膜１１６の変わりに、同様の効果
を得る手段も考えられる。この場合、透明基板３の液晶
側表面を三角波形状とし、その形状にならないように透
明電極１１５を形成する。

【００４３】このように形成することで、透明基板３と
透明電極１１５の界面での反射光を分離しコントラスト
の低下を抑制することができる。

【００４４】本実施の形態では、画素部に多結晶ＳｉＴ
ＦＴを使用し、且つ多結晶Ｓｉの膜厚が２００〜５００
Åと極めて薄いため、画素部に段差を生じることがな
い。更に周辺回路に単結晶Ｓｉから構成される回路を用
いているため、高速駆動が実現でき、数１０〜数１００
万画素の高精細表示も実現しうる。

【００４５】本実施の形態の液晶装置の駆動方法の一例
を簡単に説明する。

【００４６】まず始めに、入力画像がビデオ信号の場
合、表示する画像の１フレーム分の画像信号をメモリに
一時的に蓄積した後、パネルの画素配列と対応するよう
に順次順番を入れ替えサンプリングを行う。また、パソ
コン等のデータ信号のようにすでにメモリに保管されて
いる入力画像の場合には、サンプリング方法を変えるこ
とが容易に対応できる。ただし本実施の形態において
は、各ライン中各色のパネル画素が異なることから、画
素数の少ない色光に対応する画像信号は、元の画像信号
の２画素分を１画素分に平均化する等の画像処理をサン
プリングの前の時点で行う必要がある。

【００４７】次に、液晶装置１０を用いた反射型のカラ
ー画像表示装置の概略図を図４に示す。

【００４８】図４中、１０は本発明の液晶装置、１１は
放物鏡１２の焦点位置に置かれた白色光源、１３はコン
デンサレンズ、１４は投射レンズ、１５は投射レンズ絞
り、１６は投射スクリーン、１７は集光レンズ、１８は
投写レンズ絞り１５の白色光源１１側に設けられたミラ
ーである。

【００４９】白色光源１１から出射した光は放物線１２
により略平行光にされ、集光レンズ１７、ミラー１８、
コンデンサレンズ１３を介して液晶装置１０に入射す
る。液晶装置１０によりＲＧＢの色光ごとの画像情報を
与えられた光は、コンデンサレンズ１３、投射レンズ１
４を介して投射スクリーン１６上に画像表示を行う。

【００５０】ＲＧＢ各色光の画像情報は液晶装置１０に
よる光束の拡散度に依存している。図３のよう光軸上に
開口を有するような絞りを用いる場合では、拡散度の低
い光束が投射レンズ絞り１５を通過して投射スクリーン
１６に到達し、拡散度の高い光束は投射レンズ絞り１５
に遮光され、投射スクリーン１６に到達しない。すなわ
ち、液晶装置１０の各画素の光束の拡散性を変えること
で、投射スクリーン１６に到達する光量を変えることが
でき、画像の階調表示が可能となる。また、図４のよう
な構成とは逆に、光軸近傍の光束を遮光するような絞り
形状である場合も、同様な画像の階調表示が可能とな
る。

【００５１】このように構成することで、液晶装置１０
に入射する白色光を色分解合成素子群６により複数の色
光に分解し、それぞれの色光に対応する画素に無駄なく
集光させることができるため、光利用効率を大幅に向上
させることができる。また同時に、本発明の液晶装置１
０をカラー画像表示装置に用いることにより明るい装置
の提供が装置サイズを大型化することなしに可能とな
る。また、スクリーン上に液晶装置の周期構造（ＲＧＢ
モザイク構造とブラックマトリクス）が見えなくなると
同時にＲＧＢ３色が完全に合成された画像表示を行える
ため、スクリーンに近づいた時にも、高画質の画像を鑑
賞することが可能となる。また、１画素に対して入射光
束を集光していることから開口率の低い画素を採用でき
るため、製造上の歩留まりを上げることが可能となるな
どの多くのメリットが存在する。

【００５２】更に、周辺駆動回路部を単結晶Ｓｉトラン
ジスタにより構成していることから、装置の小型化、低
コスト化を図ることができると同時に、高速駆動が実現
でき、数１０〜数１００万画素の高精細表示が可能にな
る。

【００５３】本実施の形態においては、色分解合成素子
として通過型回折格子を用いたが、ホログラム等のその
他の色分解合成素子を用いてもかまわない。また、集光
素子を平板マイクロレンズとしても構わない。更に集光
素子と色分解合成素子の配置の順序を逆にすることも考
えられる。

【００５４】本実施の形態において、色分解合成素子の
１素子内のピッチ数は図２に示すように２ピッチとした
が、液晶装置の仕様によって変える必要がある。また、
回折格子１ピッチ内の格子厚を格段ごとに若干変えるこ
と、及び回折格子１ピッチ内の格子幅が不等間隔になる
ように回折格子形状を設計することで、±１次回折光内
側帯成分低減ができ、理想的な色分解が更に可能とな
る。

【００５５】また、各色光が分離した箇所に色補正用カ
ラーフィルターを設けた形態も考えられる。この構成で
は、色分解合成素子６で分解された各色光の分光特性が
画像信号のもつ分光特性と異なる場合、各色光を色補正
用カラーフィルターに入射させ、理想的色情報を得るこ
とによって忠実な画像色再現が可能になる。この場合、
各色光に分解した後にカラーフィルターを透過させるの
で、それほど光利用効率の低下も生じない。この効果
は、以後説明するすべての実施例に共通する。

【００５６】また、各画素間に高分子分散型液晶の拡散
光を隣接素子に入射し、クロストークの原因となること
を防止するために遮光壁を設ける形態も考えられる。こ
の構成により、更に高い画質のカラー画像表示装置の提
供が可能となる。

【００５７】次に本発明の液晶装置の他の実施の形態を
図５に示す。

【００５８】図５において、図１と同符号のものは同様
の作用をするので説明は省略する。図５の液晶装置２０
が図１のものと最も大きく異なっているのは、ＴＮ型液
晶を液晶層２１に用いている点である。それにともない
本実施の形態の液晶装置２０は偏光板２２を有してい
る。

【００５９】次に、液晶装置２０を用いた反射型のカラ
ー画像表示装置の概略図を図６に示す。

【００６０】図６において、図４と同符号のものは同様
の作用をするので説明は省略する。１９は偏光ビームス
プリッターである。液晶装置２０は、偏光板２２と反射
時に光線位相差がπ変化する反射板７を組み合わせて用
いることで画像情報をもった色光の透過率を制御するシ
ャッターの役割をする。但し、偏光板２２の偏光軸と液
晶分子配列方向は一義的に決められるためここでの説明
は省略する。

【００６１】このように液晶装置を構成することで、高
分子分散型液晶を用いた時と同様の効果が得られると同
時に、ＴＮ型液晶を用いることでコントラストの高い画
像表示装置を提供できる。

【００６２】また、ＴＮ型液晶以外に、ゲストホスト液
晶等その他の液晶を用いても構わない。また、図６中、
偏光ビームスプリッター１９の偏光分離精度が充分でな
い場合には、コンデンサレンズ１３と偏光ビームスプリ
ッター１９の間に偏光板を１枚追加すれば、更なるコン
トラストの向上が図れる。

【００６３】図７は透過型の液晶装置３０を示す図であ
る。反射型の液晶装置１０と同符号の構成要素のものは
同様の機能を有しているので説明を省略する。

【００６４】反射型の液晶装置１０と異なる点は、集光
素子群２と色分解合成素子群６が入射側と出射側に１対
で設けられている点である。したがって、出射側の集光
素子群２はコリメート素子として働き、入射側の色分解
合成素子群６は色分解のみ、出射側は色合成のみを行
う。図中、上方が入射側で、下方が出射側である。

【００６５】次に液晶装置３０の画像形成の動作につい
て説明する。図１の場合と同様に、任意の集光素子をＡ
０、Ａ０に隣接した集光素子をＡ＋１、Ａ−１、Ａ０の
光軸（集光光束の中心線）を含む液晶層の画素をＴ０、
Ｔ０に隣接した画素をＴ＋１、Ｔ−１、Ａ０の光軸を含
む入射側の色分解合成素子をＳ０、Ｓ０に隣接した色分
解合成素子をＳ＋１、Ｓ−１、Ａ０との光軸を含む出射
側の色分解合成素子をＭ０、Ｍ０に隣接した色分解合成
素子をＭ＋１、Ｍ−１、Ａ０の光軸を含む出射側の集光
素子をＣ０、Ｃ０に隣接した集光素子をＣ＋１、Ｃ−１
とする。Ａ０で集光された白色光束は色分解合成素子Ｓ
０を通過後、ＲＧＢの帯域の３つの色光に色分解され、
Ｔ０、Ｔ＋１、Ｔ−１に入射し光学変調を受ける。画素
Ｔ０によって変調を受けたＧの波長帯域の光は、色分解
合成素子Ｓ＋１によって分解され画素Ｔ＋１によって変
調を受けたＲの波長帯域の光と、色分解合成素子Ｓ−１
によって分解された画素Ｔ−１によって変調を受けたＢ
の波長帯域の光と、色分解合成素子Ｍ０において合成さ
れた後、集光素子Ｃ０によって略平行光とされ出射す
る。

【００６６】図中１５０は、単結晶Ｓｉ基板１００の一
方の主面側に形成された酸化フィールド膜１０１（透光
性）直下の単結晶Ｓｉ領域を他方の主面から除去した領
域であり、空気層である。ここで、１５０と単結晶Ｓｉ
基板１５１領域を他方の主面から除去した領域の界面、
および１５０と透明基板３との界面に反射防止膜（不図
示）を設けている。反射防止膜を設けることにより、各
界面における表面反射が減少し、液晶装置全体の光量ロ
スが少なくなるため明るい画像表示装置の提供が可能と
なる。ただし、反射防止膜は必須要素ではない。

【００６７】ところで、本実施の形態では、液晶層１に
対する光線の入射側、出射側の各構成要素は対称構成と
はなっていない。任意の１画素に入出射した任意の１色
を考えた場合、入射側の色分解合成素子６の出射面と出
射側の色分解合成素子６の入射面上で光束径が等しくな
るように、ガラス基板３の厚み、単結晶Ｓｉ基板１００
の厚みを各構成要素の屈折率を考慮しながら最適設計す
る必要がある。以上のように構成することで出射面の照
度分布が均一で、かつ光量ロスの少ない高画質の液晶装
置の提供が可能となる。

【００６８】上記内容は、本実施の形態の透過型の全て
の構成に共通に言えることであり、以下透過型の参考例
の説明においては記述を省略する。

【００６９】次に、液晶装置３０を用いた透過型のカラ
ー画像表示装置の概略図を図８に示す。

【００７０】白色光源１１から出射した光は、放物鏡１
２により略平行光にされ液晶装置３０に入射する。液晶
装置３０によりＲＧＢの色光ごとの画像情報を与えられ
た光は、コンデンサレンズ１３、投射レンズ１４を介し
て投射スクリーン１６上に画像表示を行う。

【００７１】ＲＧＢ各色光の画像情報は液晶装置３０に
よる光束の拡散度に依存している。図８のように光軸上
に開口を有するような絞りを用いる場合では、拡散度の
低い光束が投射レンズ絞り１５を通過して投射スクリー
ン１６に到達し、拡散度の高い光束は投射レンズ絞り１
５に遮光され、投射スクリーン１６に到達しない。すな
わち、液晶装置３０の各画素の光束の拡散性を変えるこ
とで、投射スクリーン１６に到達する光量を変えること
ができ、画像の階調表示が可能となる。また、図８のよ
うな構成とは逆に、光軸近傍の光束を遮光するような絞
り形状である場合も、同様な画像の階調表示が可能とな
る。

【００７２】

【００７３】液晶には、高分子分散型液晶だけでなくＴ
Ｎ型液晶も使用できる。その構成を図９に示す。図９に
おいて、２１はＴＮ型液晶である液晶層、２２、２３は
互いに偏光軸が直交した配置である偏光板である。

【００７４】図１０は、この液晶装置を用いたカラー画
像表示装置の概略図である。図１０のカラー画像表示装
置の光学系は、一般にケーラー照明系と呼ばれ、光源の
像を投射レンズの瞳上に結像し、光量のムラの少ない光
学系として知られている。液晶装置４０は、偏光板２
２、２３と組み合わせて用いることで画像情報をもった
色光の透過率を制御するシャッターの役割をする。

【００７５】このように構成することで、高分子分散型
液晶を用いた時と同様の効果が得られると同時に、ＴＮ
型液晶を用いることでコントラストの高い画像表示装置
を提供できる。

【００７６】また、ＴＮ型液晶以外に、ゲストホスト液
晶等その他の液晶を用いても構わない。

【００７７】図１１は、本発明の他の実施の形態を表す
液晶装置である。

【００７８】図１１において、図１と同符号のものは同
様の機能を有するので説明は省略する。本実施の形態の
液晶装置５０には、平板マイクロレンズ８が透明基板３
と液晶層１の間に挿入されている。この構成により、集
光素子Ａ０に入射した白色光は、色分解合成素子Ｓ０に
よってＲＧＢの各波長帯域の色光に分解され、平板マイ
クロレンズ８で各色光の主光線が液晶層の各画素Ｔ０、
Ｔ−１、Ｔ＋１に対してそれぞれ垂直になるよう偏光を
受け、各画素Ｔ０、Ｔ−１、Ｔ＋１に入射して、反射板
８で反射する。各画素で変調を受けた各色光は、逆の光
路をたどり再び色分解合成素子Ｓ０に入射して合成さ
れ、集光素子Ａ０で平行光にされて液晶装置５０から出
射する。すなわち、本実施の形態の液晶装置５０は、１
つの集光素子に対して３つの各色成分の画素が対応して
いる。

【００７９】平板マイクロレンズ８は、透明基板３と同
屈折率ｎ０の基板をベースにし、Ｔ−１、Ｔ＋１に入出
射するレンズ部のみの屈折率ｎ１をｎ０よりも高く形成
している。本実施の形態においては平板マイクロレンズ
を用いたが台形レンズ、レンチキュラーレンズでも構わ
ない。

【００８０】液晶装置５０を用いたカラー画像表示装置
は、図４に示したものと同じものであるので説明は省略
する。

【００８１】このように構成することで、図１に示した
液晶装置１０と同様の効果が得られる。

【００８２】なお、色分解合成素子６については詳述し
なかったが、図２に示したものと同様なものや、各色光
の出射方向が同じタイプのものが使用できる。本実施の
形態は後者を用いている。

【００８３】本実施の形態においても、上述までの実施
の形態と同様に、色分解合成素子には１次元バイナリー
型回析格子を用いているが、ホログラム等のその他の色
分解合成素子を用いても構わない。また、集光素子２を
平板マイクロレンズとしても構わない。

【００８４】また、図１１に示した液晶装置にＴＮ型液
晶を用いた形態も考えられる。このような構成において
も前述までの実施の形態と同様の効果が得られる。

【００８５】また、ＴＮ型液晶の他にゲストホスト液晶
等その他の液晶を用いても構わない。

【００８６】次に本発明の実施の形態ではないが、本発
明の参考例として平板マイクロレンズ８を有する透過型
の液晶装置を図１２に示す。液晶層の各画素Ｔ０、Ｔ０
−１、Ｔ０＋１に入射するまでは図１１に示した反射型
の液晶装置５０と同様なので説明は省略する。各画素Ｔ
０、Ｔ０−１、Ｔ０＋１によって変調され出射した各色
光は、出射側の平板マイクロレンズ８によって光路を曲
げられ色分解合成素子Ｍ０に入射し、合成されて集光素
子Ｃ０から平行光となって出射する。

【００８７】カラー画像表示装置は、図８に示した形態
と同じであるので説明は省略する。

【００８８】また、本実施の形態においても、液晶層に
ＴＮ型液晶、ゲストホスト液晶等を用いた形態が考えら
れる。このような構成においても前述までの実施の形態
と同様の効果が得られる。

【００８９】液晶層にＴＮ型液晶を用いた場合のカラー
画像表示装置の構成は、図１０に示したものと同じもの
であるので説明は省略する。また、図１０中、偏光ビー
ムスプリッター１９の偏光分離精度が充分ではないため
更にコントラストの向上を図る場合、コンデンサレンズ
１３と偏光ビームスプリッター１９の間に偏光板を１枚
追加してもよい。

【００９０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
光利用効率の良い光学変調装置が実現でき、本発明の光
学変調装置をカラー画像表示装置に用いれば、画質のよ
い装置が実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の反射型の液晶装置（高分子分散液晶）
の要部断面図である。

【図２】色分解合成素子の拡大断面図である。

【図３】図１の反射型液晶装置の駆動部拡大断面図であ
る。

【図４】図１の液晶装置を用いたカラー画像表示装置の
概略図である。

【図５】本発明の反射型の液晶装置（ＴＮ型液晶）の要
部断面図である。

【図６】図５の液晶装置を用いたカラー画像表示装置の
概略図である。

【図７】本発明の透過型の液晶装置（高分子分散液晶）
の要部断面図である。

【図８】図７の液晶装置を用いたカラー画像表示装置の
概略図である。

【図９】本発明の透過型の液晶装置（ＴＮ型液晶）の要
部断面図である。

【図１０】図９の液晶装置を用いたカラー画像表示装置
の概略図である。

【図１１】本発明の平板マイクロレンズを有する反射型
の液晶装置の要部断面図である。

【図１２】本発明の平板マイクロレンズを有する透過型
の液晶装置の要部断面図である。

【図１３】従来の液晶装置の要部断面図である。

【符号の説明】

１ 液晶層 １ａ アクティブ素子 １ｂ 周辺駆動回路 ２ 集光素子 ３ 透明基板 ４ 遮光膜 ６ 色分解合成素子 ７ 反射膜 ９ 封止部材 １０ 液晶装置 １１ 白色光源 １２ 放物鏡 １３ コンデンサーレンズ １４ 投射レンズ １５ 投射レンズ絞り １６ 投射スクリーン １７ 集光レンズ １８ ミラー １００ 単結晶Ｓｉ基板 １０１ フィールド酸化膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−249318（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−293223（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−49489（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−92316（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−150317（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−56138（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−199513（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−199514（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−199666（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−199667（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02F 1/1335 - 1/13357

Claims (12)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 液晶を画素毎に駆動するアクティブ素子
   と、半導体単結晶によって形成され、前記アクティブ素
   子を駆動する駆動回路と反射板とを有し、前記アクティ
   ブ素子と前記駆動回路が同一基板上に形成された液晶装
   置であって、広波長帯域の光束を互いに波長帯域が異な
   る複数の光束に分解する回折格子と、前記各波長帯域の
   光束を画素ごとに変調し、かつ反射板により反射させる
   液晶とを有し、前記回折格子が前記液晶によって変調さ
   れ、反射された前記各波長帯域の光束を合成することを
   特徴とする液晶装置。
2. 【請求項２】 前記第１の回折格子は、単位領域毎に前
   記広波長帯域の光束を分解する方向が異なり、異なる方
   向に出射した同一波長帯域の光束が入射する前記液晶の
   共通の画素を有することを特徴とする請求項１記載の液
   晶装置。
3. 【請求項３】 前記共通の画素から出射する光束が、前
   記第１の回折格子の複数の単位領域に入射することを特
   徴とする請求項２記載の液晶装置。
4. 【請求項４】 液晶を画素毎に駆動するアクティブ素子
   と、半導体単結晶によって形成され、前記アクティブ素
   子を駆動する駆動回路と反射板とを有し、前記アクティ
   ブ素子と前記駆動回路が同一基板上に形成されるもので
   あって、 広帯域の光を複数の収斂光束に変換する集光素子群と、
   前記複数の収斂光束をそれぞれR,G,Bの３色の光束に分
   解する回折格子と、前記R,G,Bの３色の光束を変調する
   複数の画素と前記R,G,Bの３色の光束を反射する反射板
   とを備える液晶層とを有し、前記回折格子が前記液晶層
   で変調及び反射された前記R,G,Bの３色の光束を合成す
   る液晶装置において、 前記回折格子は前記集光素子群からの前記複数の光束の
   それぞれに対応する色分解領域を有し、該複数の色分解
   領域のうち色分解方向に関して隣り合う色分解領域は前
   記Gの色の光束に対するRの色の光束とBの色の光束の分
   離方向が互いに逆であり、前記色分解領域の中央部に対
   応する位置に前記Gの色の画素が有り、前記隣り合う色
   分解領域同士の境界部に対応する位置に前記Rの色の画
   素または前記Bの色の画素が有り、前記色分解領域から
   のGの色の光束は前記Gの色の画素に入射して前記反射板
   で反射することで同じ前記色分解領域に入射し、前記隣
   り合う色分解領域のそれぞれからの前記Rの色の光束は
   互いに共通の前記Rの色の画素に入射して、前記反射板
   で反射することにより隣の前記色分解領域に入射し、前
   記隣り合う色分解領域のそれぞれからの前記Bの色の光
   束は互いに共通の前記Bの色の画素に入射して、前記反
   射板で反射することにより隣の前記色分解領域に入射す
   ることを特徴とする液晶装置。
5. 【請求項５】 液晶を画素毎に駆動するアクティブ素子
   と、半導体単結晶によって形成され、前記アクティブ素
   子を駆動する駆動回路とを有し、前記アクティブ素子と
   前記駆動回路が同一基板上に形成されるものであって、 広帯域の光を複数の収斂光束に変換する集光素子群と、
   前記複数の収斂光束をそれぞれR,G,Bの３色の光束に分
   解する第１の回折格子と、前記R,G,Bの３色の光束を変
   調する複数の画素を備える液晶層と、前記液晶層で変調
   された前記R,G,Bの３色の光束を合成する第２の回折格
   子とを有する液晶装置であって、 前記第１の回折格子は前記集光素子群からの前記複数の
   収斂光束のそれぞれに対応する色分解領域を有し、前記
   第１の回折格子の複数の色分解領域のうち色分解方向に
   関して隣り合う色分解領域は前記Gの色の光束に対する
   前記Rの色の光束と前記Bの色の光束の分離方向が互いに
   逆であり、前記液晶層は、前記色分解領域の中央部に対
   応する位置にGの色の画素を有し、前記隣り合う色分解
   領域同士の境界部に対応する位置にRの色の画素またはB
   の色の画素を有し、前記色分解領域からの前記Gの色の
   光束は前記Gの色の画素に入射し、前記隣り合う２つの
   色分解領域それぞれからの前記Rの色の光束は互いに共
   通の前記Rの画素に入射し、前記隣り合う２つの色分解
   領域それぞれからの前記Bの色の光束は互いに共通の前
   記Bの画素に入射し、前記第2の回折格子は前記第１の回
   折格子の前記複数の色分解領域のそれぞれに対応する位
   置に色合成領域を有し、前記色合成領域に、前記Gの色
   の画素から出射した前記Gの色の光束と、前記Gの色の画
   素を前記色分解方向に関して挟む位置にある前記Rの色
   の画素と前記Bの色の画素から出射した前記Rの色の光束
   と前記Bの色の光束とが入射して合成されることを特徴
   とする液晶装置。
6. 【請求項６】 前記広波長帯域の光束、または前記所定
   の波長帯域に分解された光束を集光して前記液晶層の各
   画素に収斂光を入射させる集光手段を有することを特徴
   とする請求項１乃至３いずれか１項記載の液晶装置。
7. 【請求項７】 前記集光手段と、前記回折格子又は前記
   第１の回折格子の単位領域を対にしたことを特徴とする
   請求項４乃至６いずれか１項記載の液晶装置。
8. 【請求項８】 前記回折格子又は第１の回折格子によっ
   て所定の波長帯域毎に光束が分解された位置にカラーフ
   ィルターを有することを特徴とする請求項１乃至７いず
   れか１項記載の液晶装置。
9. 【請求項９】 前記液晶は、高分子分散型液晶であるこ
   とを特徴とする請求項１乃至８いずれか１項記載の液晶
   装置。
10. 【請求項１０】 前記液晶の画素間に遮光壁を有するこ
    とを特徴とする請求項９記載の液晶装置。
11. 【請求項１１】 前記液晶は、ＴＮ型液晶であることを
    特徴とする請求項１乃至８いずれか１項記載の液晶装
    置。
12. 【請求項１２】 請求項１乃至１１いずれか１項記載の
    液晶装置を用いてカラー画像を表示することを特徴とす
    るカラー画像表示装置。