JP4171197B2 - 映像表示素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、映像表示素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、バックライト等の光源を必要とする映像表示素子として液晶表示パネルが知られている。この液晶表示パネルは、入射側偏光板と、一対のガラス基板（画素電極や配向膜を形成してある）間に液晶を封入してなるパネル部と、出射側偏光板とから成る。そして、この液晶表示パネルをカラー化するためにカラーフィルタが用いられる。このカラーフィルタは、赤色透過部と緑色透過部と青色透過部とを交互にマトリクス状に配置して成り、一組の赤色透過部と緑色透過部と青色透過部とによって一つのカラー素子部を構成するようになっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記液晶表示パネルは、偏光板やカラーフィルタを用いて色調表現を行うため、光源からの光利用効率が低く、高輝度化が容易でないという欠点がある。
【０００４】
この発明は、上記の事情に鑑み、カラーフィルタや偏光板を使用することなく色再現及び階調表現が行える映像表示素子を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この発明の映像表示素子は、上記の課題を解決するために、白色平行光を色分離して互いに異なる角度で出射する色分離光学素子と、印加電圧にて誘電率を変化させる誘電率可変物質を電極にて挟み込み、光入射側となる一方の電極と誘電率可変物質との界面で表面プラズモンが発生するときには他方の電極と誘電率可変物質との界面で同様の表面プラズモンが発生するプラズモン発生光出射手段と、前記プラズモン発生光出射手段へ入射する光の分散関係と前記電極への印加電圧による表面プラズモンの分散関係で任意の色光の出射量を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする。
【０００６】
上記の構成であれば、入射光の分散関係と表面プラズモンの分散関係を利用して任意の箇所で所望の色光を出射させることができる。
【０００７】
色分離された各色光が前記プラズモン発生光出射手段の画素となる電極上に交わらないように導く光学素子が設けられているのがよい。また、前記プラズモン発生光出射手段の光出射側に拡散体を設けてもよく、これによれば、投写型ではなく、直視型とすることができる。プラズモン発生光出射手段からの各色出射光が前記拡散体上で交わらないように導く光学素子が設けられているのがよい。
【０００８】
画素となる電極は赤色画素用と緑色画素用と青色画素用とに分けられており、各画素用の電極として２種以上の特性が異なる材質が用いられていてもよい。また、画素となる電極は赤色画素用と緑色画素用と青色画素用とに分けられており、各画素用の電極に対応する誘電率可変物質として２種以上の特性が異なる材質が用いられていてもよい。
【０００９】
一方、画素となる電極は赤色画素用と緑色画素用と青色画素用とに分けられておらず、赤色映像信号と緑色映像信号と青色映像信号とが時分割で順次的に供給されるようになっており、前記制御手段は、前記プラズモン発生光出射手段へ入射する光の分散関係と前記電極への印加電圧による表面プラズモンの分散関係で任意の色光の出射量を制御することを前記時分割に対応して行うように構成されていてもよい。
【００１０】
色分離光学素子としては、回折格子或いはプリズムを用いるのがよい。そして、長波長の光ほど前記プラズモン発生光出射手段への入射角が小さくなるように構成されるのがよい。
【００１１】
また、この発明の映像表示素子は、印加電圧に応じて白色平行光を任意の角度で屈折させて出射する出射方向可変手段と、印加電圧にて誘電率を変化させる誘電率可変物質を電極にて挟み込み、光入射側となる一方の電極と誘電率可変物質との界面で表面プラズモンが発生するときには他方の電極と誘電率可変物質との界面で同様の表面プラズモンが発生するプラズモン発生光出射手段と、前記プラズモン発生光出射手段への光入射角による光の分散関係と前記電極への印加電圧による表面プラズモンの分散関係で任意の色光の出射量を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１２】
上記の構成においても、入射光の分散関係と表面プラズモンの分散関係を利用して任意の箇所で所望の色光を出射させることができる。
【００１３】
前記プラズモン発生光出射手段の光出射側に拡散体を設けてもよく、これによれば、投写型ではなく、直視型とすることができる。
【００１４】
赤色映像信号と緑色映像信号と青色映像信号とが時分割で順次的に供給されるようになっており、前記出射方向可変手段は、前記時分割に対応して光出射角度を異ならせ、前記制御手段は、前記プラズモン発生光出射手段への光入射角による光の分散関係と前記電極への印加電圧による表面プラズモンの分散関係で任意の色光の出射量を制御することを前記時分割に対応して行うように構成されていてもよい。
【００１５】
画素となる電極は赤色画素用と緑色画素用と青色画素用とに分けられており、前記出射方向可変手段は、各画素用の電極に向けて異なる角度で光を導くようになっていてもよい。この構成において、各画素用の電極として２種以上の特性が異なる材質が用いられていてもよい。また、各画素用の電極に対応する誘電率可変物質として２種以上の特性が異なる材質が用いられていてもよい。
【００１６】
画素となる電極は赤色画素用と緑色画素用と青色画素用とに分けられるとともに時分割で他の色画素用に切り替わることとし、供給される映像信号は前記時分割に対応して制御され、前記出射方向可変手段は、各画素用の電極に向けて異なる角度で光を導くことを各画素が前記時分割で他の画素用に切り替わることに対応して同一色用画素には切り替わり後も同一角度で入射するように出射角制御を行うようになっていてもよい。
【００１７】
画素となる電極は赤色画素用と緑色画素用と青色画素用とに分けられるとともに時分割で他の色画素用に切り替わることとし、供給される映像信号は前記時分割に対応して制御され、前記出射方向可変手段は、各画素用の電極に向けて異なる角度で光を導くことを、各画素が前記時分割で他の画素用に切り替わることに対応してその画素の切り替わりのための印加電圧変化を少なくできるように入射角度を変化させるようになっていてもよい。
【００１８】
出射方向可変手段は液晶層とプリズムとを有して成っていてもよい。
【００１９】
これらの構成において、誘電率可変物質は液晶層から成っていてもよく、或いは、強誘電結晶から成っていてもよい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
この発明の実施形態の説明に先立ち、表面プラズモンについて図１乃至図４を用いて説明する。図１に表面プラズモンの発生原理について説明する。表面プラズモンは２つの媒質の界面で起こる一種の電子の集団振動と考えられており、表面プラズモンが誘起される条件は、式１及び式２のように表される。式１は表面プラズモンが誘起されるための分散関係を示しており、式２は２媒質の誘電率に関する条件となっている。ここで式２を満足する誘電率ε２１を示す物質としては金属が挙げられる。
【００２１】
【数１】
【００２２】
上記の式において、Ｋは波数、ωは入射光の振動数、ε１１は媒質１の複素誘電率、ε２１は媒質２の複素誘電率、ｃは光速である。
【００２３】
図２は表面プラズモンの分散関係及び光の水平方向成分の分散関係を示している。この図においては、光の分散関係と表面プラズモンの分散関係は交わらない。これは、通常では光による表面プラズモンの誘起は起こらないことを示している。光による誘起を可能とするためには、回折格子やプリズムを用いることが考えられ、図３には回折格子を用いた場合を、図４にはプリズムを用いた場合を、それぞれ示している。このような方法によって光の分散関係を変化させることで、表面プラズモンの分散関係との交点を持つことができ、このように光の分散関係と表面プラズモンの分散関係が一致する所では、光と表面プラズモンのエネルギーが等しくなり、これにより光による表面プラズモン誘起が起こる。
【００２４】
（実施形態１）
次に、この発明の第１の実施形態を図５乃至図８に基づいて説明していく。光源１の発光部（例えば、メタルハライドランプ等）から出射された白色光はパラボラリフレクタによって略平行光化されて出射され、平行光生成光学系２によって平行光となって偏光変換装置３に至る。平行光生成光学系２はコンデンサレンズ等の複数のレンズを組み合わせて構成されている。偏光変換装置３は偏光ビームスプリッタアレイ（ＰＢＳアレイ）から成る。このＰＢＳアレイは、Ｐ偏光を透過させ、Ｓ偏光を反射する偏光分離膜を入射光に対して４５°配置で備えており、前記偏光分離膜はＰ偏光を通過させ、Ｓ偏光を９０°光路偏光して前記偏光分離膜にて反射・出射する。そして、Ｓ偏光の出射側には位相差板が設けられており、Ｓ偏光はＰ偏光に変換されて出射される。すなわち、ほぼ全ての光はＰ偏光に変換される。図の場合、Ｐ偏光はその電場成分が図面に垂直に振動しているものとする。なお、偏光変換装置３は無くてもよい。偏光変換された白色平行光は、色分離光学素子であるプリズム（回折格子でもよいが、この実施形態ではプリズムとしている）４の作用により、色分離され、各色ごとに入射角が異なるかたちでプラズモン発生光出射パネル１５に入射する。
【００２５】
上記プラズモン発生光出射パネル１５は、光入射側から、ガラス５、金属薄膜電極６、屈折率可変層（液晶層）７、金属薄膜電極８、及びガラス９をこの順で有して成る。屈折率可変層７は電極６・８間の印加電圧に応じて屈折率（誘電率）を変化させるものである。電極６と電極８は同じ金属材料からなりプラズモンに関して同じ特性を有する。そして、パネル１５の光出射側には拡散層１０が設けられている。
【００２６】
プラズモン発生光出射パネル１５に入射してきた各色光は、ガラス５によって屈折し、電極６で反射する。この入射した各色光の分散関係と、電極６と屈折率可変層７との界面（以下、界面６−７と記する）での表面プラズモンの誘起条件が合えば、表面プラズモンが界面６−７で誘起される。界面６−７での表面プラズモンは同時に屈折率可変層７と電極８との界面（以下、界面７−８と記する）での表面プラズモンと一致する。これは各々の界面での分散関係が両者で全く等価であるためである。そして、界面６−７での表面プラズモンは界面７−８での表面プラズモンと結合し、結果としてエネルギーが界面７−８に到達する。そして、入射光が界面６−７で表面プラズモンに誘起されたのと全く逆の過程で、界面７−８での表面プラズモンは光となり、入射光に平行な方向に同一の光を出射する。
【００２７】
プリズム４で色分離された光が各色ごとに異なる方向に出射し、パネル１５に異なる方向から入射することで表面プラズモンに寄与するのであるが、この入射角の傾きによる光の分散関係の変化は、図６に示すようになる。すなわち、光の分散関係は媒質が等しい場合、ｓｉｎΘ（Θ：入射角）で決まり、この光の分散関係は各色光によって異なることになる。図６に示すごとく、光の分散関係と表面プラズモンとの分散関係が等しい所では、上述した表面プラズモンの結合が起こり、最終的に対応する光が透過してくる。
【００２８】
図８（ａ）は、赤色光（Ｒ光）、緑色光（Ｇ光）、青色光（Ｂ光）が互いに異なる入射角度でパネル１５に導かれ、各画素部分でＲ光とＧ光とＢ光の選択出射が行われる様子を示している。このパネル１５では、Ｒ光とＧ光とＢ光の調光を各画素共通の金属薄膜および屈折率可変物質層の構成で実現しており、各画素部分には、Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光の全てが到達しているため、Ｒ光を調光しているつもりが、同時にＧ光、Ｂ光をも調光しかねない。
【００２９】
この場合、Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光がある程度ピークを持ち、図７（ａ）に示すように、スペクトル上、分離されていれば良い。そして、Ｒ光を出射することとなる領域（画素）では、光の分散関係と表面プラズモンの分散関係が図７（ｂ）のごとくなり、Ｇ光を出射することとなる領域（画素）では、両分散関係が図７（ｃ）のごとくなり、Ｂ光を出射することとなる領域（画素）では、両分散関係が図７（ｄ）のごとくなればよい。そして、同図（ｂ）の状態で表面プラズモンの分散関係を微調整（金属電極への印加電圧調整）すれば、Ｒ光の光量調整が行われることになり、同図（ｃ）の状態で表面プラズモンの分散関係を微調整すれば、Ｇ光の光量調整が行われることになり、同図（ｄ）の状態で表面プラズモンの分散関係を微調整すれば、Ｂ光の光量調整が行われることになる。
【００３０】
このように、各画素において、任意の色光についてだけ、その分散関係と表面プラズモンの分散関係とが交点を持つように、入射角度調整や図８（ａ）に示したスペクトル分離がなされることで、カラーフィルタや偏光板を不要とし、各画素を任意の色光用画素として機能させることができる。
【００３１】
図８（ｂ）は、パネル１５の光入射側にレンズ１６を配置した構成を示している。このようにレンズ１６を配置することで、各色光の多くを対応する色光用の画素部分に導くことが可能になる。この場合には、前述したごとく各画素部分にＲ光、Ｇ光、Ｂ光の全てが到達するといったことが回避されることになり、各画素部分によって入射する光の波長が決まることになるので、図８（ａ）に示したスペクトル分離の要請を緩和できる。なお、レンズ１６としては、実際にはレンチキュラーレンズや蠅の目レンズが用いられる。
【００３２】
上記の例では、各画素部分にはそれが担う色に対応した映像信号（電圧）が印加されることとしているが、図８（ｃ）に示すように、各画素部分にＲＧＢ各光が入射することを利用し、時分割でＲ光用映像信号、Ｇ光用映像信号、Ｂ光用映像信号を順繰りに供給することとし、パネル１５においては、タイミングＴ１では全画素部分がＲ光用となり、タイミングＴ２では全画素部分がＧ光用となり、タイミングＴ３では全画素部分がＢ光用とするといった制御も可能である。このような時分割制御により、解像度を実質的に高めることが可能になる。
【００３３】
（実施形態２）
次に、この発明の第２の実施形態を図９に基づいて説明していく。なお、説明の重複による冗長を避けるため、同一の要素には同一の符号を付記して説明を簡略化することとする。この実施形態では、パネル１５の光出射側にＲＧＢドットに対応したレンズ（レンチキュラーレンズや蝿の目レンズ）１１を設け、このレンズ１１の光出射側に、当該レンズ１１から所定距離をおいて拡散層１０を設けている。
【００３４】
前記パネル１５はＲ光、Ｇ光、Ｂ光を互いに異なる角度で出射している。このため、前述の実施形態１の構成では、Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光が拡散層１０上で混ざって表示される可能性がある。一方、この実施形態２の構成であれば、レンズ１１により、出射角が違うＲ光、Ｇ光、Ｂ光（平行光）を集光して拡散層１０上に混ざらないようにあてることができる。レンズ１１の焦点距離に拡散層１０を持ってくる必要はなく、ＲＧＢ各光が混ざらない程度に各色が分離されるような距離に配置すればよい。なお、レンズ１１と拡散層１０とを一体化することは容易である。
【００３５】
（実施形態３）
次に、この発明の第３の実施形態を図１０に基づいて説明していく。この実施形態では、金属薄膜電極６′・８′は、各色用の画素部分において異なる金属を使用している。具体的には、或る色用の画素を成す対の電極６１と電極８１、電極６２と電極８２、及び電極６３と電極８３は各々同一種金属であるが、電極６１と電極６２と電極６３は互いに異なる金属から成り、電極８１と電極８２と電極８３は互いに異なる金属である。これは表面プラズモンが誘起される波長を、誘電率制御（印加電圧制御）により可変としているが、使用する金属によっては十分に可変し切れない場合がある。これは式１で表されるように、誘電率変化による表面プラズモンの分散関係の可変には自ずと限界があるためである。この実施形態のごとく、各色用の画素となる電極をＲ，Ｇ，Ｂに合わせて選択しておくことで、誘電率可変物質に求められる可変量を低減できる（印加電圧制御幅を小さくできる）ことになる。誘電率の可変が少ないということは、高速応答が容易になるということである。
【００３６】
（実施形態４）
次に、この発明の第４の実施形態を図１１に基づいて説明していく。この実施形態では、前記実施形態３と同様の理由により、屈折率可変物質７′は、Ｒ用として屈折率可変物質７１、Ｇ用として屈折率可変物質７２、Ｂ用として屈折率可変物質７３を用いている。屈折率可変物質７′として液晶を用いる場合には、このような構造の作製はかなり複雑になるが、屈折率可変物質７′として（強誘電体結晶（バリスタ）等を用いれば作製は容易である。
【００３７】
（実施形態５）
次に、この発明の第５の実施形態を図１２乃至図１４に基づいて説明する。光源１の発光部（例えば、メタルハライドランプ等）から出射された白色光はパラボラリフレクタによって略平行光化されて出射され、平行光生成光学系２によって平行光となって偏光変換装置３に至る。平行光生成光学系２はコンデンサレンズ２等の複数のレンズを組み合わせて構成されている。偏光変換装置３は偏光ビームスプリッタアレイ（ＰＢＳアレイ）から成る。このＰＢＳアレイは、Ｐ偏光を透過させ、Ｓ偏光を反射する偏光分離膜を入射光に対して４５°配置で備えており、前記偏光分離膜はＰ偏光を通過させ、Ｓ偏光を９０°光路偏光して前記偏光分離膜にて反射・出射する。そして、Ｓ偏光の出射側には位相差板が設けられており、Ｓ偏光はＰ偏光に変換されて出射される。すなわち、ほぼ全ての光はＰ偏光に変換される。図の場合、Ｐ偏光はその電場成分が図面に垂直に振動しているものとする。偏光変換された白色平行光は、パネル３５に入射する。
【００３８】
上記パネル３５は、出射方向可変パネル部３５Ａと、プラズモン発生光出射パネル部３５Ｂとから成る。これら出射方向可変パネル部３５Ａとプラズモン発生光出射パネル部３５Ｂとは、ガラス板２５を両者で共用することとしている。
【００３９】
出射方向可変パネル部３５Ａは、図１３にも示すように、ガラス板２１と、このガラス板２１に対面する側に複数の微小プリズム２５ａを有したガラス板２５と、これら基板間に注入された平行配向の液晶層２３と、各ガラス基板２２，２５の対向面側に各々形成された透明電極２２，２４とから成る。この出射方向可変パネル部３５Ａにおいて必要な機能は屈折率変化であり、光の施光などは生じてはならない。従ってＴＮやＳＴＮのように捩れているものは使用しない。前記平行配向の液晶層２３は電気的な変化により屈折率のみ可変するものである。出射方向可変パネル部３５Ａにおける出射角α近似的に、以下のように表される。
【００４０】
α＝（ｎＬＣＤ−ｎＧＬＡＳＳ）×Θ
ｎＬＣＤ：液晶の屈折率（ｎｏ〜ｎｅ）
ｎＧＬＡＳＳ：ガラスの屈折率
Θ：プリズムの頂角
【００４１】
ここで、液晶層２３の屈折率と透明電極２４とプリズム２５ａを成すガラス板２５との屈折率の関係であるが、実際には、透明電極２４と液晶層２３の屈折率によって出射角が可変される。透明電極２４とガラス板２５の屈折率が異なっていたとしても、それは液晶層２３の屈折率可変時において一定であるので、その部分での出射角変化は一定と換算できる。なお、例えば、透明電極２４とプリズム２５ａを成すガラス板２５との屈折率が等しく、更に、ガラス板２５と液晶層２３の屈折率も等しいとすれば、入射した光はプリズム２５ａと液晶層２３との界面での影響を受けずに入射方向と同方向に出射することになる。勿論、このよに透明電極２４とガラス板２５と液晶層２３の屈折率を等しくすることが要求されるわけではない。
【００４２】
ガラス板２５にプリズム２５ａを設けずに、ガラス板２１側にプリズムを設けても同様の機能が得られる。また、プラズモン発生光出射パネル部３５Ｂにおいては、光を斜めに入射させて光の分散関係を変化させるので、図１３では出射方向可変パネル部３５Ａへの入射光を垂直に描いているが、図１２のごとく斜めにするのが望ましい。そして、この斜め入射とする場合には、プリズム２５ａの側面ではなく上面側に多くの光が入射するような斜め方向とするのがよい。
【００４３】
プラズモン発生光出射パネル部３５Ｂは、光入射側から、ガラス２５（共用）、金属薄膜電極２６、屈折率可変層（液晶層）２７、金属薄膜電極２８、及びガラス２９をこの順で有して成る。屈折率可変層２７は電極２６・２８間の印加電圧に応じて屈折率（誘電率）を変化させるものである。電極２６と電極２８は同じ金属材料から成る。そして、プラズモン発生光出射パネル部３５Ｂの光出射側には拡散層３０が設けられている。
【００４４】
プラズモン発生光出射パネル部３５Ｂに所定の角度で入射してきた白色光は、ガラス２５を透過して電極６で反射する。この入射した各色光の分散関係及び表面プラズモンの分散関係については、実施形態１で説明したのと同様である。
【００４５】
上記構成においては、プラズモン発生光出射パネル部３５Ｂの各画素部分には白色光が入射することになり、その入射角度は出射方向可変パネル部３５Ａにて変化させることができる。そこで、時分割でＲ光用映像信号、Ｇ光用映像信号、Ｂ光用映像信号を順繰りに供給することとし、パネル部３５Ｂにおいては、図１４に示すように、タイミングＴ１では全画素部分がＲ光用となり、タイミングＴ２では全画素部分がＧ光用となり、タイミングＴ３では全画素部分がＢ光用とするといった制御を行い、この時分割のタイミングに合わせて、出射方向可変パネル部３５Ａで光出射角度を変更することで、映像表示が行えることになる。なお、実施形態１で示した図６から分かるように、Ｒ表示のタイミングでは、パネル部３５Ｂへの入射角度が最も小さくなるように、出射方向可変パネル部３５Ａでの光出射角度を制御し、Ｂ表示のタイミングでは、パネル部３５Ｂへの入射角度が最も大きくなるように、出射方向可変パネル部３５Ａでの光出射角度を制御し、Ｇ表示のタイミングでは、その略中間となるように出射方向可変パネル部３５Ａでの光出射角度を制御する。
【００４６】
（実施形態６）
次に、この発明の第６の実施形態を図１５に基づいて説明する。なお、説明の重複による冗長を避けるため、実施形態５と同一の要素には同一の符号を付記して説明を簡略化する。前記の実施形態５では、時分割でＲ光用映像信号、Ｇ光用映像信号、Ｂ光用映像信号を順繰りに供給することとしたが、この実施形態６では、各画素部分にはそれが担う色に対応した映像信号（電圧）を印加することとしている。このため、ガラス板２５′のプリズム２５ａ′を各画素部分に対応して形成し、電極２４′も各プリズム２５ａ′に対応して個別に形成している。そして、この個別化された電極２４′によって、プラズモン発生光出射パネル部３５Ｂにおける赤色用となる画素部分の電極２６Ｒへは最も小さい入射角度で光を入射させ、青色用となる画素部分の電極２６Ｂへは最も大きい入射角度で光を入射させ、緑色用となる画素部分の電極２６Ｇへはその略中間の入射角度で光を入射させる。画素部分への光入射状態は図のごとくクロスさせている。
【００４７】
かかる構成では、プラズモン発生光出射パネル部３５Ｂにおいて、各画素部分はそれが担う色が固定されているため、解像度は実施形態５よりも劣る（１／３）が、出射方向可変パネル部３５Ａの液晶層２３の屈折率を時分割的に駆動する必要はなく、プラズモン発生光出射パネル部３５Ｂの屈折率可変層（液晶層）２７においては、その駆動速度は時分割の場合ほど速い必要はない（各画素部分が異なる色用になるような印加電圧変化は必要なく、或る色の画素としてその光量を調整する程度（プラズモンの結合度合いの微調整）で足りる）。また、このように画素が担う色が固定であるため、実施形態３のごとく、各色用の画素部分において異なる金属を使用したり、実施形態４のごとく、各色用の画素部分において異なる誘電率可変物質を使用したりすることができる。なお、プリズム側でのＲＧＢ位置は任意であるが、その配置に対してはプラズモン発生光出射パネル部３５Ｂ側での各画素部分の配置が対応している必要がある。
【００４８】
（実施形態７）
次に、この発明の第７の実施形態を図１６及び図１７に基づいて説明する。この実施形態の映像表示素子においては、ガラス板２５′のプリズム２５ａ′を各画素部分に対応して形成し、電極２４′も各プリズム２５ａ′に対応して個別に形成している。そして、この個別化された電極２４′によって、各プリズム側では任意の角度で光を出射できることとし、尚且つ、プリズム３個セットの単位が、時分割的に１プリズム分ずつ出射角を変化させていくようになっている。プラズモン発生光出射パネル部３５Ｂにおいては、各画素部分はそれが担う色が固定されているのではなく、時分割的に、或るタイミングでは赤色用、次のタイミングでは緑色用、次のタイミングでは青色用といったように、変わっていく。図１６に示している例では、電極２６ｂが青色用、電極２６ｃが緑色用、電極２６ｄが赤色用であった状態から、次のタイミングでは、電極２６ａが青色用、電極２６ｂが緑色用、電極２６ｃが赤色用のごとく、変化する。なお、実施形態５のように、全画素が同時に同一色用になることはない。
【００４９】
プラズモン発生光出射パネル部３５Ｂへの信号供給は、上記のごとく各画素がＲ→Ｇ→Ｂに変化していくことに鑑みて、図１７のごとくプラズモンを変化させるように制御されることになる。かかる構成においても、時分割駆動により、解像度が向上することになる。一方、実施形態５と同様に、各画素部分が異なる色用として機能するために、高い応答速度が求められる。
【００５０】
（実施形態８）
次に、上記応答速度に鑑みたこの発明の第８の実施形態を図１８に基づいて説明する。この実施形態の映像表示素子においては、ガラス板２５′のプリズム２５ａ′を各画素部分に対応して形成し、電極２４′も各プリズム２５ａ′に対応して個別に形成している。そして、この個別化された電極２４′によって、各プリズム側では任意の角度で光を出射できることとし、尚且つ、プリズム３個セットの単位が、時分割的に１画素分のシフトを行うように出射角を変化させていくようになっている。プラズモン発生光出射パネル部３５Ｂにおいては、各画素部分はそれが担う色が固定されているのではなく、時分割的に、或るタイミングでは赤色用、次のタイミングでは緑色用、次のタイミングではまた赤色用に戻るといったように、変わっていく。図１８に示している例では、実線の状態で、電極２６ｅが赤色用、電極２６ｆが青色用、電極２６ｇが緑色用、電極２６ｈが赤色用であった状態から、次のタイミングでは、電極２６ｅが青色用、電極２６ｆが緑色用、電極２６ｇが赤色用のごとく、変化する。
【００５１】
ここで、電極２６ｇが緑色用から赤色用に変化する場合において、入射角は、実線の状態から点線で示すごとく、小さくなり、赤色のプラズモン誘起に向く状態となり、当該電極２６ｇを赤色用とする印加電圧変化を小さくでき、応答速度が高速化する。また、電極２６ｆが青色用から緑色用に変化する場合において、入射角は、実線の状態から点線で示すごとく、小さくなり、緑色のプラズモン誘起に向く状態となり、当該電極２６ｆを緑色用とする印加電圧変化を小さくでき、応答速度が高速化する。また、電極２６ｅが赤色用から青色用に変化する場合において、入射角は、実線の状態から点線で示すごとく、大きくなり、青色のプラズモン誘起に向く状態となり、当該電極２６ｅを青色用とする印加電圧変化を小さくでき、応答速度が高速化する。なお、同じ色を発色させることにおいて、実線で示す光入射角状態と点線でで示す光入射角状態とがあり、同じ色の発色でも入射角度を変えていることになる。また、出射方向可変パネル部３５Ａの液晶層２３の屈折率変化とプラズモン発生光出射パネル部３５Ｂの屈折率可変層（液晶層）２７の屈折率変化を共に利用することで、高速化を図っているとも言えることになる。
【００５２】
プラズモン発生光出射パネル部３５Ｂへの信号供給は、上記のごとく各画素が異なる色用に変化していくことに鑑みて、制御されることになる。かかる構成においても、時分割駆動により、解像度が向上することになる。
【００５３】
なお、以上の実施形態では、拡散層１０，３０を設けて直視型に対応できるようにしたが、拡散層１０，３０を設けずに、レンズ等を設けて投写型（プロジェクタ）とすることもできる。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、カラーフィルタや偏光板を使用することなく色再現及び階調表現が行えるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】プラズモン現象を説明する説明図である。
【図２】プラズモン現象を説明する説明図である。
【図３】回折格子によるプラズモン現象を説明する説明図である。
【図４】光入射角によるプラズモン現象を説明する説明図である。
【図５】この発明の第１の実施形態の映像表示素子を示した説明図である。
【図６】プラズモン現象による任意の色光の出射を説明する説明図である。
【図７】同図（ａ）は光源の光スペクトルを示し、同図（ｂ）は赤色光の出射を説明する説明図であり、同図（ｃ）は緑色光の出射を説明する説明図であり、同図（ｄ）は青色光の出射を説明する説明図であり、
【図８】同図（ａ）は第１の実施形態の映像表示素子を示した説明図であり、同図（ｂ）及び同図（ｃ）はその変形例を示した説明図である。
【図９】この発明の第２の実施形態の映像表示素子を示した説明図である。
【図１０】この発明の第３の実施形態の映像表示素子を示した説明図である。
【図１１】この発明の第４の実施形態の映像表示素子を示した説明図である。
【図１２】この発明の第５の実施形態の映像表示素子を示した説明図である。
【図１３】この発明の第５の実施形態の映像表示素子における光路変更素子を示した説明図である。
【図１４】この発明の第５の実施形態の映像表示素子における表示動作を示した説明図である。
【図１５】この発明の第６の実施形態の映像表示素子を示した説明図である。
【図１６】この発明の第７の実施形態の映像表示素子を示した説明図である。
【図１７】この発明の第７の実施形態の映像表示素子における表面プラズモンの分散関係と光の分散関係を示した説明図である。
【図１８】この発明の第８の実施形態の映像表示素子を示した説明図である。
【符号の説明】
１ 光源
２ 平行光生成光学系
３ 偏光変換装置
４ プリズム
５ ガラス
６ 金属薄膜電極
７ 屈折率可変層（液晶層）
８ 金属薄膜電極
９ ガラス
１０ 拡散層
１５ プラズモン発生光出射パネル
２１ ガラス板
２２ 透明電極
２３ 液晶層
２４ 透明電極
２５ ガラス板
２５ａ微小プリズム
２６ 金属薄膜電極
２７ 屈折率可変層（液晶層）
２８ 金属薄膜電極
２９ ガラス板
３０ 拡散層
３５ パネル
３５Ａ出射方向可変パネル部
３５Ｂプラズモン発生光出射パネル部
【産業上の利用分野】
この発明は、映像表示素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、バックライト等の光源を必要とする映像表示素子として液晶表示パネルが知られている。この液晶表示パネルは、入射側偏光板と、一対のガラス基板（画素電極や配向膜を形成してある）間に液晶を封入してなるパネル部と、出射側偏光板とから成る。そして、この液晶表示パネルをカラー化するためにカラーフィルタが用いられる。このカラーフィルタは、赤色透過部と緑色透過部と青色透過部とを交互にマトリクス状に配置して成り、一組の赤色透過部と緑色透過部と青色透過部とによって一つのカラー素子部を構成するようになっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記液晶表示パネルは、偏光板やカラーフィルタを用いて色調表現を行うため、光源からの光利用効率が低く、高輝度化が容易でないという欠点がある。
【０００４】
この発明は、上記の事情に鑑み、カラーフィルタや偏光板を使用することなく色再現及び階調表現が行える映像表示素子を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この発明の映像表示素子は、上記の課題を解決するために、白色平行光を色分離して互いに異なる角度で出射する色分離光学素子と、印加電圧にて誘電率を変化させる誘電率可変物質を電極にて挟み込み、光入射側となる一方の電極と誘電率可変物質との界面で表面プラズモンが発生するときには他方の電極と誘電率可変物質との界面で同様の表面プラズモンが発生するプラズモン発生光出射手段と、前記プラズモン発生光出射手段へ入射する光の分散関係と前記電極への印加電圧による表面プラズモンの分散関係で任意の色光の出射量を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする。
【０００６】
上記の構成であれば、入射光の分散関係と表面プラズモンの分散関係を利用して任意の箇所で所望の色光を出射させることができる。
【０００７】
色分離された各色光が前記プラズモン発生光出射手段の画素となる電極上に交わらないように導く光学素子が設けられているのがよい。また、前記プラズモン発生光出射手段の光出射側に拡散体を設けてもよく、これによれば、投写型ではなく、直視型とすることができる。プラズモン発生光出射手段からの各色出射光が前記拡散体上で交わらないように導く光学素子が設けられているのがよい。
【０００８】
画素となる電極は赤色画素用と緑色画素用と青色画素用とに分けられており、各画素用の電極として２種以上の特性が異なる材質が用いられていてもよい。また、画素となる電極は赤色画素用と緑色画素用と青色画素用とに分けられており、各画素用の電極に対応する誘電率可変物質として２種以上の特性が異なる材質が用いられていてもよい。
【０００９】
一方、画素となる電極は赤色画素用と緑色画素用と青色画素用とに分けられておらず、赤色映像信号と緑色映像信号と青色映像信号とが時分割で順次的に供給されるようになっており、前記制御手段は、前記プラズモン発生光出射手段へ入射する光の分散関係と前記電極への印加電圧による表面プラズモンの分散関係で任意の色光の出射量を制御することを前記時分割に対応して行うように構成されていてもよい。
【００１０】
色分離光学素子としては、回折格子或いはプリズムを用いるのがよい。そして、長波長の光ほど前記プラズモン発生光出射手段への入射角が小さくなるように構成されるのがよい。
【００１１】
また、この発明の映像表示素子は、印加電圧に応じて白色平行光を任意の角度で屈折させて出射する出射方向可変手段と、印加電圧にて誘電率を変化させる誘電率可変物質を電極にて挟み込み、光入射側となる一方の電極と誘電率可変物質との界面で表面プラズモンが発生するときには他方の電極と誘電率可変物質との界面で同様の表面プラズモンが発生するプラズモン発生光出射手段と、前記プラズモン発生光出射手段への光入射角による光の分散関係と前記電極への印加電圧による表面プラズモンの分散関係で任意の色光の出射量を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１２】
上記の構成においても、入射光の分散関係と表面プラズモンの分散関係を利用して任意の箇所で所望の色光を出射させることができる。
【００１３】
前記プラズモン発生光出射手段の光出射側に拡散体を設けてもよく、これによれば、投写型ではなく、直視型とすることができる。
【００１４】
赤色映像信号と緑色映像信号と青色映像信号とが時分割で順次的に供給されるようになっており、前記出射方向可変手段は、前記時分割に対応して光出射角度を異ならせ、前記制御手段は、前記プラズモン発生光出射手段への光入射角による光の分散関係と前記電極への印加電圧による表面プラズモンの分散関係で任意の色光の出射量を制御することを前記時分割に対応して行うように構成されていてもよい。
【００１５】
画素となる電極は赤色画素用と緑色画素用と青色画素用とに分けられており、前記出射方向可変手段は、各画素用の電極に向けて異なる角度で光を導くようになっていてもよい。この構成において、各画素用の電極として２種以上の特性が異なる材質が用いられていてもよい。また、各画素用の電極に対応する誘電率可変物質として２種以上の特性が異なる材質が用いられていてもよい。
【００１６】
画素となる電極は赤色画素用と緑色画素用と青色画素用とに分けられるとともに時分割で他の色画素用に切り替わることとし、供給される映像信号は前記時分割に対応して制御され、前記出射方向可変手段は、各画素用の電極に向けて異なる角度で光を導くことを各画素が前記時分割で他の画素用に切り替わることに対応して同一色用画素には切り替わり後も同一角度で入射するように出射角制御を行うようになっていてもよい。
【００１７】
画素となる電極は赤色画素用と緑色画素用と青色画素用とに分けられるとともに時分割で他の色画素用に切り替わることとし、供給される映像信号は前記時分割に対応して制御され、前記出射方向可変手段は、各画素用の電極に向けて異なる角度で光を導くことを、各画素が前記時分割で他の画素用に切り替わることに対応してその画素の切り替わりのための印加電圧変化を少なくできるように入射角度を変化させるようになっていてもよい。
【００１８】
出射方向可変手段は液晶層とプリズムとを有して成っていてもよい。
【００１９】
これらの構成において、誘電率可変物質は液晶層から成っていてもよく、或いは、強誘電結晶から成っていてもよい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
この発明の実施形態の説明に先立ち、表面プラズモンについて図１乃至図４を用いて説明する。図１に表面プラズモンの発生原理について説明する。表面プラズモンは２つの媒質の界面で起こる一種の電子の集団振動と考えられており、表面プラズモンが誘起される条件は、式１及び式２のように表される。式１は表面プラズモンが誘起されるための分散関係を示しており、式２は２媒質の誘電率に関する条件となっている。ここで式２を満足する誘電率ε２１を示す物質としては金属が挙げられる。
【００２１】
【数１】
上記の式において、Ｋは波数、ωは入射光の振動数、ε１１は媒質１の複素誘電率、ε２１は媒質２の複素誘電率、ｃは光速である。
【００２３】
図２は表面プラズモンの分散関係及び光の水平方向成分の分散関係を示している。この図においては、光の分散関係と表面プラズモンの分散関係は交わらない。これは、通常では光による表面プラズモンの誘起は起こらないことを示している。光による誘起を可能とするためには、回折格子やプリズムを用いることが考えられ、図３には回折格子を用いた場合を、図４にはプリズムを用いた場合を、それぞれ示している。このような方法によって光の分散関係を変化させることで、表面プラズモンの分散関係との交点を持つことができ、このように光の分散関係と表面プラズモンの分散関係が一致する所では、光と表面プラズモンのエネルギーが等しくなり、これにより光による表面プラズモン誘起が起こる。
【００２４】
（実施形態１）
次に、この発明の第１の実施形態を図５乃至図８に基づいて説明していく。光源１の発光部（例えば、メタルハライドランプ等）から出射された白色光はパラボラリフレクタによって略平行光化されて出射され、平行光生成光学系２によって平行光となって偏光変換装置３に至る。平行光生成光学系２はコンデンサレンズ等の複数のレンズを組み合わせて構成されている。偏光変換装置３は偏光ビームスプリッタアレイ（ＰＢＳアレイ）から成る。このＰＢＳアレイは、Ｐ偏光を透過させ、Ｓ偏光を反射する偏光分離膜を入射光に対して４５°配置で備えており、前記偏光分離膜はＰ偏光を通過させ、Ｓ偏光を９０°光路偏光して前記偏光分離膜にて反射・出射する。そして、Ｓ偏光の出射側には位相差板が設けられており、Ｓ偏光はＰ偏光に変換されて出射される。すなわち、ほぼ全ての光はＰ偏光に変換される。図の場合、Ｐ偏光はその電場成分が図面に垂直に振動しているものとする。なお、偏光変換装置３は無くてもよい。偏光変換された白色平行光は、色分離光学素子であるプリズム（回折格子でもよいが、この実施形態ではプリズムとしている）４の作用により、色分離され、各色ごとに入射角が異なるかたちでプラズモン発生光出射パネル１５に入射する。
【００２５】
上記プラズモン発生光出射パネル１５は、光入射側から、ガラス５、金属薄膜電極６、屈折率可変層（液晶層）７、金属薄膜電極８、及びガラス９をこの順で有して成る。屈折率可変層７は電極６・８間の印加電圧に応じて屈折率（誘電率）を変化させるものである。電極６と電極８は同じ金属材料からなりプラズモンに関して同じ特性を有する。そして、パネル１５の光出射側には拡散層１０が設けられている。
【００２６】
プラズモン発生光出射パネル１５に入射してきた各色光は、ガラス５によって屈折し、電極６で反射する。この入射した各色光の分散関係と、電極６と屈折率可変層７との界面（以下、界面６−７と記する）での表面プラズモンの誘起条件が合えば、表面プラズモンが界面６−７で誘起される。界面６−７での表面プラズモンは同時に屈折率可変層７と電極８との界面（以下、界面７−８と記する）での表面プラズモンと一致する。これは各々の界面での分散関係が両者で全く等価であるためである。そして、界面６−７での表面プラズモンは界面７−８での表面プラズモンと結合し、結果としてエネルギーが界面７−８に到達する。そして、入射光が界面６−７で表面プラズモンに誘起されたのと全く逆の過程で、界面７−８での表面プラズモンは光となり、入射光に平行な方向に同一の光を出射する。
【００２７】
プリズム４で色分離された光が各色ごとに異なる方向に出射し、パネル１５に異なる方向から入射することで表面プラズモンに寄与するのであるが、この入射角の傾きによる光の分散関係の変化は、図６に示すようになる。すなわち、光の分散関係は媒質が等しい場合、ｓｉｎΘ（Θ：入射角）で決まり、この光の分散関係は各色光によって異なることになる。図６に示すごとく、光の分散関係と表面プラズモンとの分散関係が等しい所では、上述した表面プラズモンの結合が起こり、最終的に対応する光が透過してくる。
【００２８】
図８（ａ）は、赤色光（Ｒ光）、緑色光（Ｇ光）、青色光（Ｂ光）が互いに異なる入射角度でパネル１５に導かれ、各画素部分でＲ光とＧ光とＢ光の選択出射が行われる様子を示している。このパネル１５では、Ｒ光とＧ光とＢ光の調光を各画素共通の金属薄膜および屈折率可変物質層の構成で実現しており、各画素部分には、Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光の全てが到達しているため、Ｒ光を調光しているつもりが、同時にＧ光、Ｂ光をも調光しかねない。
【００２９】
この場合、Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光がある程度ピークを持ち、図７（ａ）に示すように、スペクトル上、分離されていれば良い。そして、Ｒ光を出射することとなる領域（画素）では、光の分散関係と表面プラズモンの分散関係が図７（ｂ）のごとくなり、Ｇ光を出射することとなる領域（画素）では、両分散関係が図７（ｃ）のごとくなり、Ｂ光を出射することとなる領域（画素）では、両分散関係が図７（ｄ）のごとくなればよい。そして、同図（ｂ）の状態で表面プラズモンの分散関係を微調整（金属電極への印加電圧調整）すれば、Ｒ光の光量調整が行われることになり、同図（ｃ）の状態で表面プラズモンの分散関係を微調整すれば、Ｇ光の光量調整が行われることになり、同図（ｄ）の状態で表面プラズモンの分散関係を微調整すれば、Ｂ光の光量調整が行われることになる。
【００３０】
このように、各画素において、任意の色光についてだけ、その分散関係と表面プラズモンの分散関係とが交点を持つように、入射角度調整や図８（ａ）に示したスペクトル分離がなされることで、カラーフィルタや偏光板を不要とし、各画素を任意の色光用画素として機能させることができる。
【００３１】
図８（ｂ）は、パネル１５の光入射側にレンズ１６を配置した構成を示している。このようにレンズ１６を配置することで、各色光の多くを対応する色光用の画素部分に導くことが可能になる。この場合には、前述したごとく各画素部分にＲ光、Ｇ光、Ｂ光の全てが到達するといったことが回避されることになり、各画素部分によって入射する光の波長が決まることになるので、図８（ａ）に示したスペクトル分離の要請を緩和できる。なお、レンズ１６としては、実際にはレンチキュラーレンズや蠅の目レンズが用いられる。
【００３２】
上記の例では、各画素部分にはそれが担う色に対応した映像信号（電圧）が印加されることとしているが、図８（ｃ）に示すように、各画素部分にＲＧＢ各光が入射することを利用し、時分割でＲ光用映像信号、Ｇ光用映像信号、Ｂ光用映像信号を順繰りに供給することとし、パネル１５においては、タイミングＴ１では全画素部分がＲ光用となり、タイミングＴ２では全画素部分がＧ光用となり、タイミングＴ３では全画素部分がＢ光用とするといった制御も可能である。このような時分割制御により、解像度を実質的に高めることが可能になる。
【００３３】
（実施形態２）
次に、この発明の第２の実施形態を図９に基づいて説明していく。なお、説明の重複による冗長を避けるため、同一の要素には同一の符号を付記して説明を簡略化することとする。この実施形態では、パネル１５の光出射側にＲＧＢドットに対応したレンズ（レンチキュラーレンズや蝿の目レンズ）１１を設け、このレンズ１１の光出射側に、当該レンズ１１から所定距離をおいて拡散層１０を設けている。
【００３４】
前記パネル１５はＲ光、Ｇ光、Ｂ光を互いに異なる角度で出射している。このため、前述の実施形態１の構成では、Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光が拡散層１０上で混ざって表示される可能性がある。一方、この実施形態２の構成であれば、レンズ１１により、出射角が違うＲ光、Ｇ光、Ｂ光（平行光）を集光して拡散層１０上に混ざらないようにあてることができる。レンズ１１の焦点距離に拡散層１０を持ってくる必要はなく、ＲＧＢ各光が混ざらない程度に各色が分離されるような距離に配置すればよい。なお、レンズ１１と拡散層１０とを一体化することは容易である。
【００３５】
（実施形態３）
次に、この発明の第３の実施形態を図１０に基づいて説明していく。この実施形態では、金属薄膜電極６′・８′は、各色用の画素部分において異なる金属を使用している。具体的には、或る色用の画素を成す対の電極６１と電極８１、電極６２と電極８２、及び電極６３と電極８３は各々同一種金属であるが、電極６１と電極６２と電極６３は互いに異なる金属から成り、電極８１と電極８２と電極８３は互いに異なる金属である。これは表面プラズモンが誘起される波長を、誘電率制御（印加電圧制御）により可変としているが、使用する金属によっては十分に可変し切れない場合がある。これは式１で表されるように、誘電率変化による表面プラズモンの分散関係の可変には自ずと限界があるためである。この実施形態のごとく、各色用の画素となる電極をＲ，Ｇ，Ｂに合わせて選択しておくことで、誘電率可変物質に求められる可変量を低減できる（印加電圧制御幅を小さくできる）ことになる。誘電率の可変が少ないということは、高速応答が容易になるということである。
【００３６】
（実施形態４）
次に、この発明の第４の実施形態を図１１に基づいて説明していく。この実施形態では、前記実施形態３と同様の理由により、屈折率可変物質７′は、Ｒ用として屈折率可変物質７１、Ｇ用として屈折率可変物質７２、Ｂ用として屈折率可変物質７３を用いている。屈折率可変物質７′として液晶を用いる場合には、このような構造の作製はかなり複雑になるが、屈折率可変物質７′として（強誘電体結晶（バリスタ）等を用いれば作製は容易である。
【００３７】
（実施形態５）
次に、この発明の第５の実施形態を図１２乃至図１４に基づいて説明する。光源１の発光部（例えば、メタルハライドランプ等）から出射された白色光はパラボラリフレクタによって略平行光化されて出射され、平行光生成光学系２によって平行光となって偏光変換装置３に至る。平行光生成光学系２はコンデンサレンズ２等の複数のレンズを組み合わせて構成されている。偏光変換装置３は偏光ビームスプリッタアレイ（ＰＢＳアレイ）から成る。このＰＢＳアレイは、Ｐ偏光を透過させ、Ｓ偏光を反射する偏光分離膜を入射光に対して４５°配置で備えており、前記偏光分離膜はＰ偏光を通過させ、Ｓ偏光を９０°光路偏光して前記偏光分離膜にて反射・出射する。そして、Ｓ偏光の出射側には位相差板が設けられており、Ｓ偏光はＰ偏光に変換されて出射される。すなわち、ほぼ全ての光はＰ偏光に変換される。図の場合、Ｐ偏光はその電場成分が図面に垂直に振動しているものとする。偏光変換された白色平行光は、パネル３５に入射する。
【００３８】
上記パネル３５は、出射方向可変パネル部３５Ａと、プラズモン発生光出射パネル部３５Ｂとから成る。これら出射方向可変パネル部３５Ａとプラズモン発生光出射パネル部３５Ｂとは、ガラス板２５を両者で共用することとしている。
【００３９】
出射方向可変パネル部３５Ａは、図１３にも示すように、ガラス板２１と、このガラス板２１に対面する側に複数の微小プリズム２５ａを有したガラス板２５と、これら基板間に注入された平行配向の液晶層２３と、各ガラス基板２２，２５の対向面側に各々形成された透明電極２２，２４とから成る。この出射方向可変パネル部３５Ａにおいて必要な機能は屈折率変化であり、光の施光などは生じてはならない。従ってＴＮやＳＴＮのように捩れているものは使用しない。前記平行配向の液晶層２３は電気的な変化により屈折率のみ可変するものである。出射方向可変パネル部３５Ａにおける出射角α近似的に、以下のように表される。
【００４０】
α＝（ｎＬＣＤ−ｎＧＬＡＳＳ）×Θ
ｎＬＣＤ：液晶の屈折率（ｎｏ〜ｎｅ）
ｎＧＬＡＳＳ：ガラスの屈折率
Θ：プリズムの頂角
【００４１】
ここで、液晶層２３の屈折率と透明電極２４とプリズム２５ａを成すガラス板２５との屈折率の関係であるが、実際には、透明電極２４と液晶層２３の屈折率によって出射角が可変される。透明電極２４とガラス板２５の屈折率が異なっていたとしても、それは液晶層２３の屈折率可変時において一定であるので、その部分での出射角変化は一定と換算できる。なお、例えば、透明電極２４とプリズム２５ａを成すガラス板２５との屈折率が等しく、更に、ガラス板２５と液晶層２３の屈折率も等しいとすれば、入射した光はプリズム２５ａと液晶層２３との界面での影響を受けずに入射方向と同方向に出射することになる。勿論、このよに透明電極２４とガラス板２５と液晶層２３の屈折率を等しくすることが要求されるわけではない。
【００４２】
ガラス板２５にプリズム２５ａを設けずに、ガラス板２１側にプリズムを設けても同様の機能が得られる。また、プラズモン発生光出射パネル部３５Ｂにおいては、光を斜めに入射させて光の分散関係を変化させるので、図１３では出射方向可変パネル部３５Ａへの入射光を垂直に描いているが、図１２のごとく斜めにするのが望ましい。そして、この斜め入射とする場合には、プリズム２５ａの側面ではなく上面側に多くの光が入射するような斜め方向とするのがよい。
【００４３】
プラズモン発生光出射パネル部３５Ｂは、光入射側から、ガラス２５（共用）、金属薄膜電極２６、屈折率可変層（液晶層）２７、金属薄膜電極２８、及びガラス２９をこの順で有して成る。屈折率可変層２７は電極２６・２８間の印加電圧に応じて屈折率（誘電率）を変化させるものである。電極２６と電極２８は同じ金属材料から成る。そして、プラズモン発生光出射パネル部３５Ｂの光出射側には拡散層３０が設けられている。
【００４４】
プラズモン発生光出射パネル部３５Ｂに所定の角度で入射してきた白色光は、ガラス２５を透過して電極６で反射する。この入射した各色光の分散関係及び表面プラズモンの分散関係については、実施形態１で説明したのと同様である。
【００４５】
上記構成においては、プラズモン発生光出射パネル部３５Ｂの各画素部分には白色光が入射することになり、その入射角度は出射方向可変パネル部３５Ａにて変化させることができる。そこで、時分割でＲ光用映像信号、Ｇ光用映像信号、Ｂ光用映像信号を順繰りに供給することとし、パネル部３５Ｂにおいては、図１４に示すように、タイミングＴ１では全画素部分がＲ光用となり、タイミングＴ２では全画素部分がＧ光用となり、タイミングＴ３では全画素部分がＢ光用とするといった制御を行い、この時分割のタイミングに合わせて、出射方向可変パネル部３５Ａで光出射角度を変更することで、映像表示が行えることになる。なお、実施形態１で示した図６から分かるように、Ｒ表示のタイミングでは、パネル部３５Ｂへの入射角度が最も小さくなるように、出射方向可変パネル部３５Ａでの光出射角度を制御し、Ｂ表示のタイミングでは、パネル部３５Ｂへの入射角度が最も大きくなるように、出射方向可変パネル部３５Ａでの光出射角度を制御し、Ｇ表示のタイミングでは、その略中間となるように出射方向可変パネル部３５Ａでの光出射角度を制御する。
【００４６】
（実施形態６）
次に、この発明の第６の実施形態を図１５に基づいて説明する。なお、説明の重複による冗長を避けるため、実施形態５と同一の要素には同一の符号を付記して説明を簡略化する。前記の実施形態５では、時分割でＲ光用映像信号、Ｇ光用映像信号、Ｂ光用映像信号を順繰りに供給することとしたが、この実施形態６では、各画素部分にはそれが担う色に対応した映像信号（電圧）を印加することとしている。このため、ガラス板２５′のプリズム２５ａ′を各画素部分に対応して形成し、電極２４′も各プリズム２５ａ′に対応して個別に形成している。そして、この個別化された電極２４′によって、プラズモン発生光出射パネル部３５Ｂにおける赤色用となる画素部分の電極２６Ｒへは最も小さい入射角度で光を入射させ、青色用となる画素部分の電極２６Ｂへは最も大きい入射角度で光を入射させ、緑色用となる画素部分の電極２６Ｇへはその略中間の入射角度で光を入射させる。画素部分への光入射状態は図のごとくクロスさせている。
【００４７】
かかる構成では、プラズモン発生光出射パネル部３５Ｂにおいて、各画素部分はそれが担う色が固定されているため、解像度は実施形態５よりも劣る（１／３）が、出射方向可変パネル部３５Ａの液晶層２３の屈折率を時分割的に駆動する必要はなく、プラズモン発生光出射パネル部３５Ｂの屈折率可変層（液晶層）２７においては、その駆動速度は時分割の場合ほど速い必要はない（各画素部分が異なる色用になるような印加電圧変化は必要なく、或る色の画素としてその光量を調整する程度（プラズモンの結合度合いの微調整）で足りる）。また、このように画素が担う色が固定であるため、実施形態３のごとく、各色用の画素部分において異なる金属を使用したり、実施形態４のごとく、各色用の画素部分において異なる誘電率可変物質を使用したりすることができる。なお、プリズム側でのＲＧＢ位置は任意であるが、その配置に対してはプラズモン発生光出射パネル部３５Ｂ側での各画素部分の配置が対応している必要がある。
【００４８】
（実施形態７）
次に、この発明の第７の実施形態を図１６及び図１７に基づいて説明する。この実施形態の映像表示素子においては、ガラス板２５′のプリズム２５ａ′を各画素部分に対応して形成し、電極２４′も各プリズム２５ａ′に対応して個別に形成している。そして、この個別化された電極２４′によって、各プリズム側では任意の角度で光を出射できることとし、尚且つ、プリズム３個セットの単位が、時分割的に１プリズム分ずつ出射角を変化させていくようになっている。プラズモン発生光出射パネル部３５Ｂにおいては、各画素部分はそれが担う色が固定されているのではなく、時分割的に、或るタイミングでは赤色用、次のタイミングでは緑色用、次のタイミングでは青色用といったように、変わっていく。図１６に示している例では、電極２６ｂが青色用、電極２６ｃが緑色用、電極２６ｄが赤色用であった状態から、次のタイミングでは、電極２６ａが青色用、電極２６ｂが緑色用、電極２６ｃが赤色用のごとく、変化する。なお、実施形態５のように、全画素が同時に同一色用になることはない。
【００４９】
プラズモン発生光出射パネル部３５Ｂへの信号供給は、上記のごとく各画素がＲ→Ｇ→Ｂに変化していくことに鑑みて、図１７のごとくプラズモンを変化させるように制御されることになる。かかる構成においても、時分割駆動により、解像度が向上することになる。一方、実施形態５と同様に、各画素部分が異なる色用として機能するために、高い応答速度が求められる。
【００５０】
（実施形態８）
次に、上記応答速度に鑑みたこの発明の第８の実施形態を図１８に基づいて説明する。この実施形態の映像表示素子においては、ガラス板２５′のプリズム２５ａ′を各画素部分に対応して形成し、電極２４′も各プリズム２５ａ′に対応して個別に形成している。そして、この個別化された電極２４′によって、各プリズム側では任意の角度で光を出射できることとし、尚且つ、プリズム３個セットの単位が、時分割的に１画素分のシフトを行うように出射角を変化させていくようになっている。プラズモン発生光出射パネル部３５Ｂにおいては、各画素部分はそれが担う色が固定されているのではなく、時分割的に、或るタイミングでは赤色用、次のタイミングでは緑色用、次のタイミングではまた赤色用に戻るといったように、変わっていく。図１８に示している例では、実線の状態で、電極２６ｅが赤色用、電極２６ｆが青色用、電極２６ｇが緑色用、電極２６ｈが赤色用であった状態から、次のタイミングでは、電極２６ｅが青色用、電極２６ｆが緑色用、電極２６ｇが赤色用のごとく、変化する。
【００５１】
ここで、電極２６ｇが緑色用から赤色用に変化する場合において、入射角は、実線の状態から点線で示すごとく、小さくなり、赤色のプラズモン誘起に向く状態となり、当該電極２６ｇを赤色用とする印加電圧変化を小さくでき、応答速度が高速化する。また、電極２６ｆが青色用から緑色用に変化する場合において、入射角は、実線の状態から点線で示すごとく、小さくなり、緑色のプラズモン誘起に向く状態となり、当該電極２６ｆを緑色用とする印加電圧変化を小さくでき、応答速度が高速化する。また、電極２６ｅが赤色用から青色用に変化する場合において、入射角は、実線の状態から点線で示すごとく、大きくなり、青色のプラズモン誘起に向く状態となり、当該電極２６ｅを青色用とする印加電圧変化を小さくでき、応答速度が高速化する。なお、同じ色を発色させることにおいて、実線で示す光入射角状態と点線でで示す光入射角状態とがあり、同じ色の発色でも入射角度を変えていることになる。また、出射方向可変パネル部３５Ａの液晶層２３の屈折率変化とプラズモン発生光出射パネル部３５Ｂの屈折率可変層（液晶層）２７の屈折率変化を共に利用することで、高速化を図っているとも言えることになる。
【００５２】
プラズモン発生光出射パネル部３５Ｂへの信号供給は、上記のごとく各画素が異なる色用に変化していくことに鑑みて、制御されることになる。かかる構成においても、時分割駆動により、解像度が向上することになる。
【００５３】
なお、以上の実施形態では、拡散層１０，３０を設けて直視型に対応できるようにしたが、拡散層１０，３０を設けずに、レンズ等を設けて投写型（プロジェクタ）とすることもできる。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、カラーフィルタや偏光板を使用することなく色再現及び階調表現が行えるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】プラズモン現象を説明する説明図である。
【図２】プラズモン現象を説明する説明図である。
【図３】回折格子によるプラズモン現象を説明する説明図である。
【図４】光入射角によるプラズモン現象を説明する説明図である。
【図５】この発明の第１の実施形態の映像表示素子を示した説明図である。
【図６】プラズモン現象による任意の色光の出射を説明する説明図である。
【図７】同図（ａ）は光源の光スペクトルを示し、同図（ｂ）は赤色光の出射を説明する説明図であり、同図（ｃ）は緑色光の出射を説明する説明図であり、同図（ｄ）は青色光の出射を説明する説明図であり、
【図８】同図（ａ）は第１の実施形態の映像表示素子を示した説明図であり、同図（ｂ）及び同図（ｃ）はその変形例を示した説明図である。
【図９】この発明の第２の実施形態の映像表示素子を示した説明図である。
【図１０】この発明の第３の実施形態の映像表示素子を示した説明図である。
【図１１】この発明の第４の実施形態の映像表示素子を示した説明図である。
【図１２】この発明の第５の実施形態の映像表示素子を示した説明図である。
【図１３】この発明の第５の実施形態の映像表示素子における光路変更素子を示した説明図である。
【図１４】この発明の第５の実施形態の映像表示素子における表示動作を示した説明図である。
【図１５】この発明の第６の実施形態の映像表示素子を示した説明図である。
【図１６】この発明の第７の実施形態の映像表示素子を示した説明図である。
【図１７】この発明の第７の実施形態の映像表示素子における表面プラズモンの分散関係と光の分散関係を示した説明図である。
【図１８】この発明の第８の実施形態の映像表示素子を示した説明図である。
【符号の説明】
１ 光源
２ 平行光生成光学系
３ 偏光変換装置
４ プリズム
５ ガラス
６ 金属薄膜電極
７ 屈折率可変層（液晶層）
８ 金属薄膜電極
９ ガラス
１０ 拡散層
１５ プラズモン発生光出射パネル
２１ ガラス板
２２ 透明電極
２３ 液晶層
２４ 透明電極
２５ ガラス板
２５ａ微小プリズム
２６ 金属薄膜電極
２７ 屈折率可変層（液晶層）
２８ 金属薄膜電極
２９ ガラス板
３０ 拡散層
３５ パネル
３５Ａ出射方向可変パネル部
３５Ｂプラズモン発生光出射パネル部
Claims (4)
- 白色平行光を色分離して互いに異なる角度で出射する色分離光学素子と、印加電圧にて誘電率を変化させる誘電率可変物質を電極にて挟み込み、光入射側となる一方の電極と誘電率可変物質との界面で表面プラズモンが発生するときには他方の電極と誘電率可変物質との界面で同様の表面プラズモンが発生するプラズモン発生光出射手段と、前記プラズモン発生光出射手段へ入射する光の分散関係と前記電極への印加電圧による表面プラズモンの分散関係で任意の色光の出射量を制御する制御手段と、を備える映像表示素子において、
画素となる電極は赤色画素用と緑色画素用と青色画素用とに分けられており、各画素用の電極として２種以上の特性が異なる材質が用いられていることを特徴とする映像表示素子。 - 請求項１に記載の映像表示素子において、
色分離された各色光が前記プラズモン発生光出射手段の画素となる電極上に交わらないように導く光学素子が設けられていることを特徴とする映像表示素子。 - 印加電圧に応じて白色平行光を任意の角度で屈折させて出射する出射方向可変手段と、印加電圧にて誘電率を変化させる誘電率可変物質を電極にて挟み込み、光入射側となる一方の電極と誘電率可変物質との界面で表面プラズモンが発生するときには他方の電極と誘電率可変物質との界面で同様の表面プラズモンが発生するプラズモン発生光出射手段と、前記プラズモン発生光出射手段への光入射角による光の分散関係と前記電極への印加電圧による表面プラズモンの分散関係で任意の色光の出射量を制御する制御手段と、を備える映像表示素子において、
画素となる電極は赤色画素用と緑色画素用と青色画素用とに分けられており、各画素用の電極として２種以上の特性が異なる材質が用いられ、前記出射方向可変手段は、各画素用の電極に向けて異なる角度で光を導くことを特徴とする映像表示素子。 - 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の映像表示素子において、
前記プラズモン発生光出射手段の光出射側に拡散体を設けたことを特徴とする映像表示素子。
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