JPH11326931A

JPH11326931A - 反射型表示素子、投射型表示装置および基板の製造方法

Info

Publication number: JPH11326931A
Application number: JP10133843A
Authority: JP
Inventors: Yoshiharu Oi; 好晴大井; Minoru Sekine; 実関根; Satoshi Niiyama; 聡新山; Shinya Tawara; 慎哉田原
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd
Current assignee: AGC Inc
Priority date: 1998-05-15
Filing date: 1998-05-15
Publication date: 1999-11-26

Abstract

(57)【要約】【課題】反射型液晶表示素子１５を得る。【解決手段】透光性光学媒体からなる表電極基板２と裏
電極基板５間に、屈折率ｎの透光性誘電体膜３および透
明電極層４の凹凸面（ピッチＰ＝２．４μｍ、平均高さ
ｄ＝９０ｎｍの周期構造をなす）、光変調材料１、反射
機能層６を有し、入射光束の中心波長λ＝５２０ｎｍ、
中心入射角θ＝５°とすると、凹凸面での反射光路の位
相差φ＝４π・ｎ・ｄ・ｃｏｓθ／λ＝π、λ≦Ｐ≦３
０λを満足する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は反射型表示素子、お
よび投射型表示装置に関する。特に、光変調層が液晶を
用いた反射型液晶表示素子、および投射型液晶表示装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】透過散乱型の動作モードを有するＤＳＭ
型液晶素子に、能動素子として単結晶Ｓｉ−ＭＯＳトラ
ンジスタを採用した反射型液晶表示素子およびそれを用
いた投射型液晶表示装置が知られていた（従来例１：
「液晶：応用と実用」１巻１９９０年、４５５〜４６
８頁、ワールドサイエンティフィック出版社参照）。

【０００３】また、透過・散乱型の動作モードを有する
分散型液晶素子、高分子分散型液晶素子または液晶／樹
脂複合体素子等と呼ばれる表示素子が知られていた。例
えば、光励起重合相分離法で形成した液晶／樹脂複合体
を、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）等の能動素子で駆動し
た投射型表示装置が特開平３−９８０２２に開示された
（従来例２）。そして、６４０×４８０画素サイズの表
示画面で、液晶樹脂複合体を光変調層として備え、白色
光源光をＲＧＢ３色に色分離合成して、フルカラーの投
射像を得た透過散乱型の投射表示装置が既に実用化され
た。

【０００４】また、液晶／樹脂複合体と単結晶ＭＯＳト
ランジスタ・アレー基板とを組み合わせて構成した反射
型の液晶表示素子が、特開平６−１９４６９０、特開平
８−３２８０３４に開示された（従来例３）。

【０００５】このように、投射型液晶表示装置に透過散
乱型の液晶表示素子を反射構成で用いた場合、透過型構
成の場合に比較して高性能化が期待できる。偏光板を用
いず、光源光を有効利用でき明るい投射表示を実現でき
るからである。しかし、反射型表示素子として用いる
と、光反射層と平行な素子界面が光路中に存在し、それ
らの界面におけるフレネル反射光（不要光成分）が発生
し、反射層における反射光（表示光成分）に重畳するた
め、特に暗レベルの増大を招くことがあった。

【０００６】その結果、コントラスト比が劣化するため
フレネル反射光の低減対策が必要となる。特に、液晶／
樹脂複合体と接する光入射側の表電極基板における透明
電極界面において、残留するフレネル反射光の影響は顕
著であった。

【０００７】この解決策として、液晶／樹脂複合体と接
する光入射側の表電極基板における透明電極界面に、透
明電極膜と屈折率の異なる誘電体膜を積層した反射防止
膜を配置する技術が特開平３−２２３６８０に示された
（従来例４）。また、反射防止膜を形成する代わりに透
明電極界面に微細な凹凸を形成し、界面反射光を拡散さ
せ、投射レンズの開口絞りに界面反射光を入射させない
技術が特開平４−２５３８６０に記載された（従来例
５）。

【０００８】さらに、透過散乱型の液晶表示素子を透過
型素子として用いた場合に、散乱時の後方散乱光成分を
増大させコントラスト比を向上するため、液晶層を挟む
基板の１面もしくは２面の内面に凹凸構造を設ける技術
が特開平４−３１８５１８に開示された（従来例６）。
また、液晶層を挟持する対向基板の少なくとも一方に等
方性媒質で矩形断面を形成した回折構造を配置する技術
が特開平５−２７２１３に示された（従来例７）。ただ
し、この従来例６、７における凹凸構造の目的および作
用効果は上記の他の従来例のものとは異なる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】反射型の光学系を有す
る投射型表示装置において、不要な反射光をカットして
表示品位を高めることが必要であった。特に、反射型表
示素子の光入射面となる表電極基板には、光変調層と接
する基板界面に、透明電極層が形成される。そして、通
常の透明電極はＩＴＯ（Ｉｎ₂ Ｏ₃ −ＳｎＯ₂ ）であ
り、その屈折率は１．８〜２．０で、ガラス基板の屈折
率１．５に比べ相対的に大きい。

【００１０】そのため、ＩＴＯ膜単層では可視波長域の
界面反射を十分に低減できなかった。また、ＩＴＯ膜を
含み、屈折率の異なる透光性誘電体膜を積層した複合積
層型の反射防止膜としても、可視波長全域で０．３％以
下の残留反射率を安定して達成することは成膜時の膜厚
制御性から見て困難であった。

【００１１】また、上記の従来例に見られるように、基
板面に凹凸を設ける手法は簡便であり、透明電極層界面
の残留反射を散乱させ、投射像のコントラスト比の向上
にかなり有効であった。しかし、反射型表示素子の表示
画素が３０μｍ以下程度に微細化され、かつ画素数が多
く、かつ小型の高精細度表示素子においては、拡大投射
したときに表示素子の基板面に設けた凹凸の大きさのば
らつきが、表示むらとして直接視認されやすくなった。
そのため、ガラス基板の材質に依存しないで、高精度の
微細凹凸を安定して製造することが求められていたが、
製造上相当に困難なものであった。

【００１２】また、従来例６では、液晶表示素子が散乱
状態の時に液晶層界面の０次光回折（正規反射光）が最
大となるように矩形断面の回折格子が形成された。その
ため、反射型の液晶表示素子として投射型表示装置に用
いた場合、散乱時に回折格子界面の正規反射光成分が最
大となって投射像に重畳してしまいコントラスト比の向
上が達成できるものではなかった。

【００１３】したがって、表示画素を３０μｍ以下程度
に微細化し、多画素数・小型・高精細度表示の反射型表
示素子を用いた投射型表示装置においては、反射型表示
素子の表電極基板の透明電極界面の構成を最適化して、
投射像に重畳する不要光成分を実質的に低減し、表示む
らのない高コントラスト比の投射像を実現することが大
きな課題となっていた。

【００１４】また、量産に適した製造の容易な構造であ
って、かつ歩留のよい安定した製造方法で製造できる反
射型表示素子の実現が期待されていた。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は、前述の課題を
解決すべくなされたものであり、すなわち、本発明の態
様１は、透明電極層を有する表電極基板と、反射機能層
を有する裏電極基板との間に透過・散乱型または透過・
吸収型の動作モードを有する光変調層が挟持され、表電
極基板の内面側に凹凸面が形成され、凹凸面にはピッチ
Ｐおよび平均高さｄの周期構造が備えられた反射型表示
素子において、表側から入射される入射光束の中心波長
をλとし、中心波長λに対して凹凸面の隣接する凹部で
反射せしめられて表側に戻る第１の反射光路と、凸部で
反射せしめられて表側に戻る第２の反射光路との位相差
をφとすると、λ≦Ｐ≦３０λ、かつ、φ≒（２Ｍ＋
１）・π（但し、Ｍは０または正の整数）を満足するこ
とを特徴とする反射型表示素子を提供する。この態様１
において、好ましくは、４λ≦Ｐ≦１６λに設定する。

【００１６】また、態様２は、透明電極層には、屈折率
ｎ_T の透明電極膜と屈折率ｎ_D の１層または多層の透光
性誘電体膜とを含む積層構造が備えられ、入射角θで入
射せしめられた入射光束の凹凸面におけるフレネル反射
光が低減された態様１の反射型表示素子を提供する。

【００１７】また、態様３は、位相差φ≒πである態様
１または２の反射型表示素子を提供する。また、態様４
は、光源系と投射系と態様１、２、または３の反射型表
示素子とが備えられた投射型表示装置を提供する。

【００１８】また、態様５は、ピッチＰおよび平均高さ
ｄの周期構造を有する凹凸面を、透明電極層を有する電
極基板の少なくとも片面に形成し、反射型表示素子の入
射面側に用いる基板の製造方法において、基板上に透光
性誘電体膜を形成し、透光性誘電体膜上に周期構造を有
する開口パターンを形成し、開口パターンをマスクとし
てエッチングを行い、開口パターンの開口部に位置する
透光性誘電体膜の膜厚を薄くし、その上に透明電極層を
形成することを特徴とする基板の製造方法を提供する。

【００１９】また、態様６は、反射型表示素子の入射面
側から入射せしめられる入射光束の中心入射角をθ、中
心波長をλ、ピッチＰおよび平均高さｄの周期構造を有
する透光性誘電体膜の屈折率をｎとすると、ｄ＝λ／
（４・ｎ・ｃｏｓθ）を満足する態様５の基板の製造方
法を提供する。

【００２０】また、上記の各態様において、多層の透光
性誘電体膜は相対的に高屈折率の透光性誘電体膜Ｈと相
対的に低屈折率の透光性誘電体膜Ｌとが積層されてなる
ことが好ましい。また、凹凸面の断面形状がほぼ矩形で
あることが好ましい。また、光変調層は液晶／樹脂複合
体であることが好ましい。

【００２１】

【発明の実施の形態】図１は本発明の反射型表示素子１
５（以下、反射素子または反射ＬＣＤと略記する。）の
構成を模式的に示した断面図である。反射素子１５は、
内面に微細な周期的凹凸３と透明電極層４とが形成され
た表電極基板２と、内面に反射電極６が形成された裏電
極基板５とによってセル組みされ、両電極基板間に液晶
／樹脂複合体やＴＮ液晶を光変調層１として配置され
る。この透明電極層４と反射電極６との間に駆動電圧を
印加して光変調層１の透過・散乱特性または入射光の偏
波面特性を変化せしめる。中間電位に対する中間調表示
も可能となる。

【００２２】透明電極層４が形成される表電極基板２の
表面には、例えば図２に示すような形状のピッチＰ、高
さｄの微細な矩形状の凹凸が形成される。裏電極基板５
に形成された反射電極膜６は光学的な平坦面を有し、表
示単位である画素電極に分割される。

【００２３】光変調層が透明状態のとき、反射電極膜６
に対して入射角θの入射光は反射電極膜６により反射角
θで正規反射される。一方、微細な周期的凹凸面の正規
反射光は、いわゆる反射型回折格子における０次回折光
成分として、反射電極膜６で反射された正規反射光に重
畳する。しかし、本発明では、０次回折光成分をきわめ
て低い値に低減できるため、その影響を無視できる。ま
た、反射素子への入射光の分散全角がΦのとき、微細な
周期構造を持つ凹凸面のピッチＰを最適化して、１次以
上の回折光成分の投射光への混入が排除される。

【００２４】本発明では、液晶を構成要素として含む光
変調層を用いることが好ましい。ＴＮ型液晶や垂直配行
型液晶などのように入射光を偏光光として液晶層への電
圧印加に応じて偏波面が回転し、検光子を用いてその回
転量を濃淡の階調表示に変換する偏光型の液晶表示素子
も使用できる。また、従来例３のような透過散乱型の動
作モードを有する液晶表示素子を適用できる。偏光型の
素子よりもさらに明るく、高コントラスト比の投射像を
実現できるので好ましい。そして、他の光学要素と組み
合わせて反射型の投射表示装置を構成する。

【００２５】裏電極基板５はガラス、プラスチック、金
属、セラミックス、半導体基板等の何れでもよい。そし
て、この裏電極は画素電極６として、パターニングされ
て用いられるので、必要に応じて、ＴＦＴ、薄膜ダイオ
ード、ＭＩＭ、ＭＯＳトランジスタ等の能動素子を設け
て接続する。

【００２６】また、反射性の裏電極ではなく、裏電極と
反射膜との組み合わせでもよく、反射膜として屈折率が
相対的に高い透光性誘電体薄膜と屈折率が相対的に低い
透光性誘電体薄膜とを積層した誘電体多層膜を用いても
よい。

【００２７】誘電体多層膜は、Ｓｉ０₂ 、ＭｇＦ₂ 、Ｎ
ａ₃ ＡｌＦ₆ 等の低屈折率透光性誘電体薄膜と、Ｔｉ０
₂ 、Ｚｒ０₂ 、Ｔａ₂ Ｏ₅ 、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴ
ｅ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｙ₂ Ｏ₃ 、Ａｌ₂ Ｏ₃ 等の高屈折率透
光性誘電体薄膜とを交互に積層した構造からなり、必要
とする反射および透過波長帯、反射率に応じて、材料・
膜厚・層数を異なるように設けることができ、設計自由
度が金属膜に比べてかなり広い。反射素子の画像情報を
搬送する反射電極層の反射光に重畳する反射電極層と平
行な界面からの反射を極力低減する必要のある用途に適
している。

【００２８】図３は、本発明の投射型表示装置の基本的
構成を示すブロック図である。光源系１０に、ランプ１
１、集光鏡１２、第１の絞り１３が備えられ、投射光学
系２０には集光レンズ１４、第２の絞り１６、投射レン
ズ１７が備えられている。

【００２９】図３の構成において、ランプ１１から出射
した光は集光鏡１２によって集光された後、その集光点
近傍に配置された第１の絞り１３を通過した発散光が集
光レンズ１４によって集光され、反射素子１５に入射
し、裏側の反射機能層で反射されて入射側に出射され、
再度集光レンズ１４を通過し投射光学系２０の第２の絞
り１６の開口部に集光され、透過した光が、投射レンズ
１７により図示されていないスクリーンに投射される。

【００３０】反射ＬＣＤ１５の反射機能層の法線に対し
て入射光の光軸ＡＸは角度γ／２で入射し、反射機能層
で正規反射した出射光の光軸ＢＸも角度γ／２をなす。

【００３１】反射ＬＣＤ１５の透過状態の画素の部分で
は、光が透過し、反射機能層で正規反射した後、空気側
（表面側）に出射してくる。この直進光は拡散光を減ず
る装置である第２の絞り１６を通過する光となるので、
投射スクリーン上で明るく表示される。一方、散乱状態
の画素の部分では、光が散乱されて、拡散光として出射
してくる。この光はほとんどが拡散光を減ずる装置であ
る第２の絞り１６を通過できないので、投射スクリーン
上では暗く見えることになる。

【００３２】また、集光レンズ１４と投射光学系２０の
第２の絞り１６の開口部によって規定される集光角δを
反射ＬＣＤ１５への入射光の分散角Φと同一に設定して
おけば、反射機能層での正規反射光は第２の絞り１６の
開口部を通過して投射レンズ１７により図示されていな
いスクリーンに投射されるが、微細な凹凸面によって発
生した１次以上の回折光も遮断されてスクリーンに到達
しない。

【００３３】次に本発明の反射素子の構成および表電極
基板に形成された正規反射防止膜の作用について図２を
参照して説明する。本発明では表電極基板の内面側の透
明電極層界面に微細な凹凸３を設ける。屈折率ｎ_g の透
光性表電極基板２上に、幅Ｐ_a 高さｄで屈折率ｎの透光
性誘電体膜３が、間隔Ｐ_b で紙面垂直軸ｙ方向に沿って
平行線状にパターニングされる。さらに、このような周
期構造を持つ凹凸３の表面全体に、透明電極層４をほぼ
均一の膜厚に形成する。そして、この透明電極層４は液
晶を構成要素とする光変調層１に接する。

【００３４】反射ＬＣＤ１５においては、入射光束が表
電極基板の平坦面側から入射するため、光入射面側から
見て、幅Ｐ_a ・高さｄで屈折率ｎの透光性誘電体膜３の
部分が凹部に相当し、間隔Ｐ_b の部分が凸部に相当す
る。このような周期構造を持つ凹凸３に対して、凹凸３
が形成されている面内に直行するｘ軸とｙ軸があり、周
期構造を成す軸をｘ軸とし、ｘ軸およびｙ軸に直交する
軸をｚ軸とする。

【００３５】このような凹凸３のなす界面に、ｚ軸に対
して入射角θで入射する入射光束の反射率は、幅Ｐ_b と
幅Ｐ_a のｚ軸方向の各光学薄膜の光干渉とｘ軸方向の周
期構造に起因して発生する光回折とを考慮して算出され
る。

【００３６】この凹凸が入射光の波長に対して回折を生
じるサイズ領域においては、回折角および回折波長が規
定された回折光強度として算出されることが知られてい
る。また、回折光学素子の周期が波長に比べて十分に大
きく、薄い周期構造と見なせる場合はホイヘンス・フレ
ネルのスカラー回折理論により反射率が計算される。回
折光学素子の周期が波長程度に小さくなった場合は、境
界面にマクスウェル電磁理論と矛盾しない境界条件を与
えて電磁界解析を行うベクトル回折理論が適用できるこ
とが知られている。例えば、ゾンマーフェルト理論物理
学講座IV「光学」の第５〜６章（著者アーノルド・ゾン
マーフェルト、邦訳瀬谷／波岡講談社昭和４４年
発行）に記載されている。

【００３７】

【作用】本発明では、周期構造の界面に入射角θで入射
した入射光束が反射され、反射光束となり、そのうち角
度θで反射される不要な正規反射光束成分を、投射像か
ら低減せしめることができる。以下に、正規反射成分で
ある０次回折光について説明する。

【００３８】図２の周期構造において、幅Ｐ_a の凹部は
透光性誘電体膜３と透明電極層４の屈折率および膜厚に
より、中心波長λの入射光束に対して光干渉理論により
振幅反射率ｒ_a （λ、θ）が規定される。同様に間隔Ｐ
_b の凸部は透明電極層４の屈折率および膜厚により中心
波長λの入射光束に対して光干渉理論により振幅反射率
ｒ_b （λ、θ）が規定される。

【００３９】幅Ｐ_a の凹部と間隔Ｐ_b の凸部が周期的に
配置された周期構造、つまり凹凸のピッチＰ＝Ｐ_a ＋Ｐ
_b のグレーティング構造において、その０次反射回折光
強度Ｉ₀ はｒ_a およびｒ_b の強度｜ｒ_a ｜、｜ｒ_b ｜が
１に比べて十分に小さい場合は近似的に（１）式で記述
される。また、ｒ_a とｒ_b との位相がほぼ等しい場合、
（１Ａ）式のときに最小となる。

【００４０】

【数１】Ｉ₀ ＝２｜（Ｐ_a ・ｒ_a ＋Ｐ_b ・ｒ_b ・ｅｘｐ（ｉ・４π・ｎ・ｄ・ｃｏｓθ／λ））／Ｐ｜・・・（１）４π・ｎ・ｄ・ｃｏｓθ／λ＝π・（２Ｌ＋１）：Ｌは０または正の整数・・・（１Ａ）

【００４１】すなわち、凹凸の空間的振幅に相当するｄ
_X が（２）式のときに正規反射は最小となる。なお、ｎ
は図２の凹部に相当する透光性誘電体膜３の屈折率を示
す。

【００４２】

【数２】ｄ_X ＝（２Ｌ＋１）・λ／（４・ｎ・ｃｏｓθ）：Ｌは０または正の整数・・・（２）

【００４３】これは、凸部と凹部との光路長の位相差φ
＝４π・ｎ・ｄ・ｃｏｓθ／λがπのほぼ奇数倍となる
条件である。このときの、正規反射率（０次反射回折光
強度Ｉ₀ ）は（３）式となる。

【００４４】

【数３】Ｉ_O ＝２・｜（Ｐ_a ・ｒ_a −Ｐ_b ・ｒ_b ）／（Ｐ_a ＋Ｐ_b ）｜・・・（３）

【００４５】したがって、ｒ_a およびｒ_b のλおよびθ
依存性にもよるが、Ｐ_a ・ｒ_a ＝Ｐ_b ・ｒ_b の条件で正
規反射率＝０となる。すなわち、入射光束の主波長であ
るλが（２）式を満たすように幅Ｐ_a で屈折率ｎの透光
性誘電体膜３の膜厚ｄを規定すれば、中心波長λ付近の
波長域での正規反射率を低い値に維持できる。

【００４６】０次回折光の波長依存性および入射角度依
存性を低減し、広い波長域で正規反射防止効果を得るた
めには、凸部と凹部との光路長の位相差φ＝４π・ｎ・
ｄ・ｃｏｓθ／λがπ、すなわちｄ＝λ／（４・ｎ・ｃ
ｏｓθ）であることが好ましい。

【００４７】透光性誘電体膜３と透明電極層４の組み合
わせ、あるいは透明電極層４を、透明電極を必須の構成
要素として含み、相対的に高屈折率の薄膜と相対的に低
屈折率の薄膜とを交互に積層した多層反射防止膜とする
ことにより、広い波長帯域で振幅反射率ｒ_a 、ｒ_b を低
い値に保つことが可能となるため、（３）式で記述され
た回折による反射防止効果と相乗して広波長帯域で高い
正規反射防止効果が得られる。

【００４８】このような反射防止膜を反射型表示素子に
適用する場合、０次回折光のみを利用する角度領域では
有効であるが、０次光以外の高次回折光も取り込まれる
構成においてはその回折作用による反射防止効果が低減
する。そこで次に、高次回折光の回折角度について以下
に説明する。ｋ次回折光の回折角度θ_k は（４）式で記
述され、±１次回折角θ±1 が、入射角θに対して最も
小角回折光となる。

【００４９】

【数４】ｓｉｎθ_k ＝ｓｉｎθ＋ｋ・λ／Ｐ（ｋ＝０、±１、±２…）・・・（４）

【００５０】したがって、正規反射光束に高次回折光の
混入を防止するためには凹凸のピッチＰを小さく設け
て、中心波長λの入射光束に対して１次回折光回折角度
θ₁ を大きくするように設定すればよい。

【００５１】ピッチＰが波長λより小さい場合、回折効
率は（１）式の計算式では近似されず、その値が低下す
るとともに、凹凸の作製そのものが困難であるため、Ｐ
＞λであることが好ましい。また、１次回折角度は２°
以上にすることが入射光束の指向性確保の点で実用的で
あり、Ｐ≦３０λであることが好ましい。したがって、
ピッチＰは入射光束の波長λに対して（５）式を満たす
ことが好ましい。

【００５２】

【数５】λ＜Ｐ≦３０λ ・・・（５）

【００５３】１次回折角は大きな値ほど好ましいが、微
細加工法の制約から、２μｍ未満の寸法のピッチを加工
することは難しく、生産性を悪化させる。したがって、
可視光域の入射光の１次回折角度が３°以上で、微細加
工が容易なピッチＰは２〜８μｍの範囲にすることが好
ましい。

【００５４】本発明の作用の一例として、図１に示した
矩形のラミナリー断面をもつ溝型のものをあげて説明し
たが、他の断面形状でも構わない。例えば、鋸歯断面状
のブレーズ型回折格子形状や正弦波断面形状の場合にお
いても０次光回折強度の式（１）や回折角度の式（４）
は異なるが同様の作用効果が得られる。

【００５５】また、本発明は、凹凸のない界面における
反射防止膜のみの場合に比べて、正規反射光束が低減す
るが、その減少分に相当する光は界面を直進透過する成
分と回折光となって反射あるいは透過する成分となる。
したがって、本発明の反射防止膜を用いる場合、大半の
入射光束は直進透過し、正規反射光束はきわめて低い値
となるため、正規反射光束の混入を防止し０次回折透過
光のみを信号光とし１次以上の回折光は利用しない光学
素子としての用途に適している。以下、実施例により、
本発明を具体的に説明する。

【００５６】

【実施例】以下、実施例により本発明を具体的に説明す
る。例１〜例４が実施例、例１Ａと２Ａが比較例であ
る。

【００５７】（例１、１Ａ）図２に本例の反射ＬＣＤ１
５に用いられる表電極基板２の断面図を示す。また、そ
の製法について図４に示す。屈折率約ｎ_g ＝１．５の透
光性ガラス板表面に、屈折率約ｎ＝１．４５のＳｉ０₂
膜を膜厚ｄ＝９０ｎｍとなるように成膜する［図４
（ａ）］。これは、表側から垂直に入射される入射光
（中心波長λ＝５２０ｎｍ）に対して、膜厚ｄ＝λ／
（４×ｎ）の条件を満足する。

【００５８】次に、このＳｉ０₂ 膜の上にフォトレジス
トを塗布し、ベーキングして固化せしめた後、ライン幅
Ｐ_a ＝１．２μｍ、間隔Ｐ_b ＝１．２μｍで、凹凸のピ
ッチＰ＝２．４μｍの微細線形状を有するフォトマスク
を用いて露光・現像する。そして、微細線形状レジスト
パターン７を形成する［図４（ｂ）］。

【００５９】次に、この基板面に反応性イオンエッチン
グ（ＲＩＥ）により、イオンを均一照射することにより
フォトレジストでマスキングされていないＳｉ０₂ がエ
ッチングされてパターニングされる。ここで、イオンエ
ッチング時間によりＳｉ０₂のエッチング深さを制御で
きるが、通常基板ガラスに比べてＳｉ０₂ 膜の方がエッ
チングレートが高いため、Ｓｉ０₂ 膜がなくなった時点
でエッチングは完了する。したがって、予め必要とする
凸部の高さｄに相当する膜厚のＳｉ０₂ 膜を成膜するこ
とにより、凸部の高さｄを精度よく制御できる［図４
（ｃ）］。以下、Ｐ、Ｐ_a およびＰ_b と略記する。

【００６０】次に、マスキングとして用いたフォトレジ
ストを溶剤により除去することにより、図４（ｄ）に示
す凹凸のＰ＝２．４μｍ（Ｐ_a ＝１．２μｍ、Ｐ_b ＝
１．２μｍ）で、ｄ＝９０ｎｍのＳｉ０₂ からなる微細
線周期パターン３が形成される。

【００６１】最後に、基板と液晶／樹脂複合体層と間の
界面反射を低減する反射防止膜４を形成する。少なくと
も透明電極膜（ＩＴＯ）を構成要素として含むものであ
る。具体的には、基板側からＳｉ０₂ （ｎ＝１．４
５）／Ｔａ₂ Ｏ₅ （ｎ＝２．０）／Ｓｉ０₂ （ｎ＝１．
４５）／Ｔａ₂ Ｏ₅ （ｎ＝２．０）／ＩＴＯ（ｎ＝１．
８４）を、それぞれ膜厚が１９８ｎｍ／２０ｎｍ／３８
ｎｍ／３８ｎｍ／１００ｎｍとなるように形成する。

【００６２】このようにして形成された正規反射防止膜
の垂直入射光束に対する、可視波長域の分光反射率を図
５（ａ）に示す。４２０〜７００ｎｍの広い可視波長域
で正規反射率０．１％以下で、４４０〜７００ｎｍでは
ゼロレベルの反射率、例えば正規反射率が０．０２％以
下を示す反射防止効果が得られる。

【００６３】例１Ａとして、平坦なガラス基板に実施例
１と同じ反射防止膜が積層成膜された基板界面の分光反
射率を図５（ｂ）に示す。４４０〜７００ｎｍの可視波
長域で０．１〜０．２％程度の反射率であり、ゼロレベ
ルになることはなく、本発明に比べ残留反射率がどの波
長においても高い。また、各層の膜厚制御性を考慮する
と安定して得られる残留反射レベルは０．３％程度にと
どまる。

【００６４】また、本発明の構成による一般的な光学特
性について図７に示す。１次回折光の回折角度θ₁ の波
長依存性を０次回折光角度を０°基準にして示す。図７
から、４２０ｎｍ以上の可視波長光の１次回折反射光
は、垂直入射光に対して１０°以上の角度に散らされる
ため、１０°以内の分散角光のみを投射光とするように
投射光学系を配置した投射型表示装置において、可視波
長域における正規反射防止膜として利用できる。

【００６５】また、凹凸のピッチが２．４μｍであり、
一般的な表示画素サイズ（およそ、１０μｍ以上）に比
べて小さく、微細加工技術により形成されているため、
形状むらが少なく、拡大投射した場合でも凹凸の存在が
視認されない。

【００６６】その結果、投射型表示素子として本例の反
射ＬＣＤを用いた場合、可視波長域で、高いコントラス
ト比が実現できるとともに表示むらのない投射像が得ら
れる。本例ではＰ_a の部分に位置する材料、つまり凹部
の透光性誘電体膜３の材料がＳｉ０₂ の場合について説
明したが、他の材料でも構わない。好ましくは透光性基
板２の屈折率ｎ_g と同程度の屈折率を有する透光性誘電
体膜３が適している。よく用いられる光学材料の屈折率
は１．４〜１．８程度であり、この屈折率に相当する膜
材料としてはＳｉ０₂ とＳｉ₃ Ｎ₄ との混合物であるＳ
ｉＯ_x Ｎ_y （ｘ＋ｙ＝１）がある。混合比を調整したＳ
ｉＯ_x Ｎ_y をターゲットとして、スパッタリング法で成
膜することにより屈折率１．４５〜１．８の中間域の値
を持つ薄膜作成が可能である。

【００６７】また、例１では、Ｐを２．４μｍに形成
し、可視光の１次回折光の回折角度を１０°以上に設定
することにより、投射光学系の絞りで遮断され、投射像
に重畳しない条件とした。これに対して、投射光学系の
集光角が１０°以下の場合ではピッチＰはそれに応じて
大きな値でも構わない。また、投射光学系の集光角に比
べて、１次回折光の回折角度が小さな場合でも、回折光
の一部が投射像に重畳するが、従来の反射防止膜のみの
構成に比べて、優れた正規反射防止効果を達成できる。

【００６８】（例２、例２Ａ）例２として、例１の多層
構造の反射防止膜の代わりに、中心入射光＝５２０ｎｍ
の場合での反射防止条件、つまり、光学膜厚ｎ・ｄ＝λ
／２＝２６０ｎｍになるように、単層のＩＴＯを図４
（ｄ）の微細凹凸付ガラス基板表面に成膜する。本例の
分光反射率を図６（ａ）に示す。４３０〜６９０ｎｍの
波長域で０．２％以下の残留反射となり、４７０〜６０
０ｎｍではほぼゼロレベルの反射率を示す反射防止効果
が得られる。例１に比べれば反射防止効果が少なく短波
長域および長波長域の透過率が低下するが、ＩＴＯ単層
の構成でも高い反射防止効果が得られる。

【００６９】例２Ａとして、平坦なガラス基板に、例２
と同じＩＴＯ単層膜が成膜された基板界面の分光反射率
を図６（ｂ）に示す。４９０〜５７０ｎｍの狭い波長域
で残留反射０．３％以下となっているが、可視波長域で
は残留反射が１％以上の波長域が存在する。

【００７０】（例３）図８は本発明の投射型液晶表示装
置２００の模式的な平面図、図９は模式的な側面図であ
る。図８と図９において、楕円鏡１２の第１焦点位置に
ランプ１１の発光部が配置され、ランプ１１から出射し
た光は楕円鏡１２でその第２焦点近傍に集光された後、
第２焦点位置に配置された第１の開口絞り１３を通過し
た光が平凸レンズ１４で集光される。

【００７１】そして、反射ＬＣＤ１５に入射し、裏側で
反射されて入射側に出射してきて、再度平凸レンズ１４
を通過し集光され、拡散光を減ずる装置である第２の開
口絞り１６を通過し、投射レンズ１７により図示されて
いないスクリーンに投射される。

【００７２】図８において、楕円鏡１２の第２焦点位置
近傍に配置された錐体状プリズム１８は液晶表示素子１
５に照射される光の分布を均一化するとともに光利用効
率を改善する効果を有する。

【００７３】平凸レンズ１４の平面側は液晶表示素子１
５の光入射側ガラス基板に平凸レンズ１４およびガラス
基板と屈折率がほぼ等しいカップリングオイルを用いて
接合されることによって、界面反射は生じない。

【００７４】ここで用いられる平凸レンズ１４の素材は
ガラスまたはプラスティックのいずれでも構わないが、
反射ＬＣＤ１５の表電極基板１５１と屈折率が略等しく
することが好ましい。接着界面のフレネル反射を生じさ
せないためである。

【００７５】また、凸面の形状は球面が一般的だが、投
射像の解像度および投射レンズと組み合わせたときの収
差を向上するために非球面形状とすることが好ましい。
また、フレネル形状とすることによって平凸レンズの厚
さを軽減し、軽量・安価にしてもよい。また、平凸レン
ズの空気と接する凸面には入射光波長域に対応した従来
の反射防止膜が成膜されている。

【００７６】本実施例の平凸レンズは、図１１に示すよ
うに、その回転対称軸が表示素子の表示面外に位置する
ように配置することにより、表示素子の反射電極層の反
射光に凸面の残留反射光が重畳しない構成となってい
る。

【００７７】本発明に用いる光源系は、図７と図８では
楕円面鏡を集光鏡として用いた例を示したが、放物面
鏡、球面鏡やレンズ等を適当に組み合わせたものも光源
光学系として使用できる。ランプとしては、ハロゲンラ
ンプ、メタルハライドランプ、キセノンランプ等があ
る。さらに、この光源系には冷却系を付加したり、赤外
線カットフィルタや紫外線カットフィルタ等を組み合わ
せて用いる。

【００７８】また、凸錐体状プリズム１８はその凸面を
光源側に配置しても構わないし、代わりに凹錐体状プリ
ズムを用いてもよい。このような光学素子を用いること
により、投射光の照度均一性および光利用効率が向上す
る。また、レンズアレイ・インテグレータ、ロッド・イ
ンテグレータ、単一レンズや拡散板等の光学素子を配置
しても構わない。

【００７９】反射ＬＣＤの画素が相当に微細で、スクリ
ーン上に画像を投射する場合、表示面の隅々まで表示画
素を分解できる投射レンズの解像度が要求される。その
ため、投射レンズは一般に複数枚の材質・形状の異なる
レンズから構成される。このような場合、第２の絞り１
６の相対的位置は投射レンズ内の瞳位置、すなわち、平
凸レンズ１４によって形成される第１の絞り１３の共役
像位置に、第１の絞り１３の開口形状の共役像とほぼ一
致するように開口形状が設定されることが好ましい。

【００８０】（例４）また、白色光源からの出射光をＲ
ＧＢ３色の色光に分離し各々の色光に対応した画像を表
示する反射ＬＣＤ１５に入射させる場合には、ダイクロ
イックミラー、ダイクロイックプリズム等により分光し
てもよい。反射ＬＣＤ１５と光源系１０および投射光学
系２０の投射レンズ１７との間に色分離合成系４０とし
て２種のダイクロイックミラー４１、４２を配置し、Ｒ
ＧＢの各色光に対して３個の反射ＬＣＤを配置した、投
射型液晶表示装置３００の平面図を図１０に、側面図を
図１１に示す。

【００８１】図１０において、ダイクロイックミラー４
１と４２は反射ＬＣＤの入射光の光軸ＡＸおよび出射光
の光軸ＢＸに対して入射角がいずれも略３０°となり各
々のなす角度が略６０°となるように配置される。光源
から出射された白色光はダイクロイックミラー４１によ
ってＲ色光が反射され、Ｂ色光およびＧ色光が透過し、
ダイクロイックミラー４２によってＢ色光が反射され、
Ｇ色光が透過する。ＲＧＢの各色光は反射ＬＣＤが透明
状態の時、反射層で正規反射された後、ダイクロイック
ミラー４１と４２によって色合成されたカラーとなって
投射レンズへと伝搬する。

【００８２】上記の各実施例で示した投射型液晶表示装
置は、いずれも透過散乱型の動作モードの反射ＬＣＤを
用いたが、反射ＬＣＤが入射光の偏波面を回転させる動
作モードのものであっても構わない。この場合は、反射
ＬＣＤへの入射光および投射光が直線偏光となるよう
に、光源系と表示素子および表示素子と投射レンズとの
間に偏光フィルムや偏光プリズムの等の偏光素子を配置
する。

【００８３】本発明は、このほか、本発明の効果を損し
ない範囲で種々の応用が可能である。

【００８４】

【発明の効果】本発明の反射型表示素子は表電極基板の
透明電極層が形成される界面に微細な周期的凹凸が形成
される。さらに、その上に透明電極膜を構成要素とする
反射防止膜が形成されることにより、屈折率の異なる透
光性光学材料界面に垂直方向における誘電体膜の光干渉
を利用した反射防止効果と、透光性光学材料界面の面内
方向における周期構造の光回折とを利用することによ
り、両者の相乗効果として、安定して効率の高い正規反
射防止効果が得られる。その結果、高精細の投射表示に
おいても表示むらのない高コントラスト画像が得られ
る。

【００８５】また、反射型表示素子であるので、入射光
束が光変調層を往復するので、光に対する作用長が透過
型の場合のほぼ２倍となる。その結果、散乱時の散乱能
が高くなる。

【００８６】また、透過型の表示素子に対して同じ散乱
能とした場合、相対的に光変調層を薄く形成できる。そ
の結果、対向電極間に印加する駆動電圧が低減できる。
また、この液晶表示素子とＴＦＴ−アクティブマトリッ
クス駆動方式とを組み合わせた場合、反射型の光学構成
を採用することにより、各画素ごとの蓄積容量形成に伴
う画素開口率の減少を抑制できる。その結果、透過型構
成に比べて高開口率が得られるとともに、能動素子の設
計自由度が広がる。

【００８７】また、反射型構成であるため、Ｓｉウェハ
上に形成した単結晶ＭＯＳトランジスタを能動素子とし
て用い、反射型アクティブマトリックス・アレー基板と
して使用可能となる。つまり、Ｓｉウェハを一方の基板
に用い、透明な対向基板と組み合わせて表示素子を形成
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の反射型表示素子の構成例を示す断面
図。

【図２】本発明の反射型表示素子の表電極基板の構成例
を示す断面図。

【図３】本発明の反射型表示素子を用いた投射型表示装
置の基本的構成を示すブロック図。

【図４】本発明の表示基板（第１構成例）の製造方法を
示す断面図。

【図５】（ａ）例１の表電極基板における分光反射率デ
ータ、（ｂ）例１Ａ（従来例の表電極基板）における分
光反射率データを示すグラフ。

【図６】（ａ）例２の表電極基板における分光反射率デ
ータ、（ｂ）例２Ａ（従来例の表電極基板）における分
光反射率データを示すグラフ。

【図７】本発明の表電極基板における１次回折光の回折
角度の波長依存性を示すグラフ。

【図８】本発明の投射型表示装置（第１構成例）の平面
図。

【図９】本発明の投射型表示装置（第１構成例）の側面
図。

【図１０】本発明の投射型表示装置（第２構成例）の平
面図。

【図１１】本発明の投射型表示装置（第２構成例）の側
面図。

【符号の説明】

１：光変調材料２：表電極基板３：微細凹凸形状４：透明電極層５：裏電極基板６：反射機能層７：微細凹凸形成用フォトレジストマスクパターン１０：光源系１１：光源１２：楕円鏡１３：第１の開口絞り１４、１４Ｒ、１４Ｂ、１４Ｇ：集光レンズ１５、１５Ｂ、１５Ｇ、１５Ｒ：液晶表示素子１６：第２の開口絞り１７：投射用レンズ１８：錐体状プリズム１９：コールドミラー２０：投射光学系４０：色分離合成系４１、４２：ダイクロイックミラー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者田原慎哉神奈川県横浜市神奈川区羽沢町1150番地旭硝子株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】透明電極層を有する表電極基板と、反射機
能層を有する裏電極基板との間に透過・散乱型または透
過・吸収型の動作モードを有する光変調層が挟持され、
表電極基板の内面側に凹凸面が形成され、凹凸面にはピ
ッチＰおよび平均高さｄの周期構造が備えられた反射型
表示素子において、表側から入射される入射光束の中心
波長をλとし、中心波長λに対して凹凸面の隣接する凹
部で反射せしめられて表側に戻る第１の反射光路と、凸
部で反射せしめられて表側に戻る第２の反射光路との位
相差をφとすると、λ≦Ｐ≦３０λ、かつ、φ≒（２Ｍ
＋１）・π（但し、Ｍは０または正の整数）を満足する
ことを特徴とする反射型表示素子。
【請求項２】透明電極層には、屈折率ｎ_T の透明電極膜
と屈折率ｎ_D の１層または多層の透光性誘電体膜とを含
む積層構造が備えられ、入射角θで入射せしめられた入
射光束の凹凸面におけるフレネル反射光が低減された請
求項１記載の反射型表示素子。
【請求項３】位相差φ≒πである請求項１または２記載
の反射型表示素子。
【請求項４】光源系と投射系と請求項１、２、または３
記載の反射型表示素子とが備えられた投射型表示装置。
【請求項５】ピッチＰおよび平均高さｄの周期構造を有
する凹凸面を、透明電極層を有する電極基板の少なくと
も片面に形成し、反射型表示素子の入射面側に用いられ
る基板の製造方法において、基板上に透光性誘電体膜を
形成し、透光性誘電体膜上に周期構造を有する開口パタ
ーンを形成し、開口パターンをマスクとしてエッチング
を行い、開口パターンの開口部に位置する透光性誘電体
膜の膜厚を薄くし、その上に透明電極層を形成すること
を特徴とする基板の製造方法。
【請求項６】反射型表示素子の入射面側から入射せしめ
られる入射光束の中心入射角をθ、中心波長をλ、ピッ
チＰおよび平均高さｄの周期構造を有する透光性誘電体
膜の屈折率をｎとすると、ｄ＝λ／（４・ｎ・ｃｏｓ
θ）を満足する請求項５記載の基板の製造方法。