JPWO2003062913A1 - 画像表示素子及び画像プロジェクタ装置 - Google Patents

Abstract

ＬＣＤプロジェクタに用いる画像表示素子は、マトリクス状に配された画素１０８の周期構造と、該画素を支持する基板１０１，１０２とを備え、入射面から入射した光を画素単位で変調し、出射面から出射する。基板１０１の光が通過する面に、光の位相をランダムに変化させる位相シフト構造１０９を形成する。位相シフト構造１０９は、基板１０１の光が通過する面をランダムな深さにエッチングして形成した凹凸構造からなる。或いは、位相シフト構造は、基板の光が通過する面に誘電体透明膜をランダムな厚さに成膜した凹凸構造としても良い、位相シフト構造１０９は、フォトリソグラフィー技術を用いて形成される。位相シフト構造１０９は、画素単位で厚みが異なる凹凸構造を有する。これにより微細な画素の周期構造に起因する高次回折光の発生を防止し、本来必要な非回折光の光量を増大させる。

Description

技術分野
本発明は画像表示素子及びこれを利用した画像プロジェクタ装置に関する。詳しくは、本発明は、マトリクス状に配された複数の画素の周期構造と、該複数の画素を支持する基板とを備え、入射面から入射した光を画素単位で変調し、出射面から出射する画像表示素子において、微細な画素の周期構造に起因する高次回折光の発生を防止し、本来必要な非回折光の光量を増大させる技術に関する。
背景技術
従来、ＬＣＤプロジェクタ等の画像表示装置では、ＬＣＤパネル等の画像表示素子の１画素の大きさ（画素ピッチ）は１０数μｍ以上のものが主流であったが、近年、ＬＣＤパネルの小型化・高精細化が進み、画素ピッチが１０μｍ以下のものも出始めている。
画素ピッチの微細化とともに下記に述べる問題に遭遇する。
第一の問題は、ＬＣＤパネルに入射した光束が、画素周期構造により回折され、不要な高次回折光、特に回折効率の無視できない±１次回折光、を発生させることであり、ＬＣＤプロジェクタにおいて迷光（フレアー）の原因となるばかりでなく、その分本来必要な０次光（非回折光）の光量を減少させ、輝度の低下につながることである。
第二の問題は、画素全体の面積に対する光束の通過できる領域の面積比の低下、つまり開口率の低下がある。画素は開口を形成する画素電極の他に薄膜トランジスタなどのスイッチング素子や保持容量が形成されている。画素ピッチの微細化が進むと、相対的にスイッチング素子や保持容量の占める面積が増加し、その分開口面積が犠牲になり（少なくなり）開口率の低下をもたらす。
第一の問題について説明する。従来の１０数μｍピッチのＬＣＤパネルにおいても、原理的には画素周期構造による回折光が発生していた。回折現象を数式で表すと、Ｓｉｎ（θ）＝（λ／ｐ）となる。ここで、λは波長、ｐは画素ピッチ、θは回折角度を示す。従来は、画素ピッチが大きいため、上記関係式で与えられる回折角θが小さく、０次光と高次回折光（±１次、±２次光）とがほとんど分離されないため、上記問題が著しく現れることはなかった。しかし、近年の画素ピッチの精細化により、上記関係式により与えられる回折角度θが大きく、上記問題が無視できなくなってきている。この問題点については、例えば、Ｄａｖｉｄ Ａｒｍｉｔａｇｅ，”Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｉｓｓｕｅｓ ｉｎ ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ ｍｉｃｒｏｄｉｓｐｌａｙｓ”，ＳＰＩＥ Ｖｏｌ．３６３４，１０（１９９９）に記載されている。
次に第二の問題について説明する。この種の画像表示素子、特に投影型の画像表示素子においては、各画素を通過する光束を変調するためのスイッチング素子や保持静電容量の回路パターンが、画素電極に隣接して配置されているが、画素ピッチの微細化とともに、この回路パターンの占める割合が増大する。その結果、開口率が低下し、光利用効率が低下するという問題が起こる。この問題を解決する手段としては、各画素の入射側に微小なレンズを多数配列させたマイクロレンズアレイを設け、マイクロレンズアレイによって画素に入射する光束を絞る方法が、例えば特開平３−２３６９８７号公報に開示されている。しかしマイクロレンズは画素に対応して配されている。従って、マイクロレンズアレイ自体も画素アレイと同様に周期構造となっており、回折光が発生していた。これが画素周期構造による回折と重なって一層無視できない問題点となっていた。
発明の開示
上述した従来の技術の課題を解決するために為に、本願発明者は、以下の手段を講じた。
即ち本発明の第一の観点は、マトリクス状に配された複数の画素の周期構造と、該複数の画素を支持する基板とを備え、入射面から入射した光を画素単位で変調し、出射面から出射する画像表示素子において、該基板の光が通過する面に、光の位相をランダムに変化させる位相シフト構造を形成したことを特徴とする。
本発明の一態様では、前記位相シフト構造は、該基板の光が通過する面をランダムな深さにエッチングして形成した凹凸構造からなる。
本発明の他の態様では、前記位相シフト構造は、該基板の光が通過する面に誘電体透明膜をランダムな厚さに成膜した凹凸構造からなる。
好ましくは、前記位相シフト構造は、フォトリソグラフィー技術を用いて形成される。
又、前記位相シフト構造は、画素単位で厚みが異なる凹凸構造を有する。
本発明は更に、上記の画像表示素子をライトバルブに用いた画像プロジェクタ装置も包含している。
本発明の第二の観点は、マトリクス状に配された複数の画素の周期構造と、該複数の画素を支持する基板とを備え、入射面から入射した光を画素単位で変調し、出射面から出射する画像表示素子において、該基板の光が通過する面に、光の位相をランダムに変化させる位相シフト構造と、入射した光を画素に向けて集光するマイクロレンズ構造とを形成したことを特徴とする。
本発明の一態様では、前記位相シフト構造は、該基板の光が通過する面をランダムな深さにエッチングして形成した凹凸構造からなる。
本発明の他の態様では、前記位相シフト構造は、該基板の光が通過する面に誘電体透明膜をランダムな厚さに成膜した凹凸構造からなる。
好ましくは、前記位相シフト構造は、フォトリソグラフィー技術を用いて形成される。又、前記位相シフト構造は、画素単位で厚みが異なる凹凸構造を有する。
好ましくは、前記マイクロレンズ構造は、一つの画素と同等のサイズの開口を有し、画素の周期構造と同周期で配列されている。また前記マイクロレンズ構造は、入射した光を集光して画素に焦点を結ぶ。
本発明は更に、上記の画像表示素子をライトバルブに用いた画像プロジェクタ装置も包含している。
本発明の第一の観点によれば、画像表示素子の各々の画素の入射面又は出射面において、入射光に対してランダムな位相差を与える位相シフト構造を形成することにより、微細画素周期構造に起因する高次回折光の発生を防止し、０次光（本来必要な非回折光）の光量を増大させ、表示画像の高輝度化を図っている。
本発明の第二の観点によれば、画像表示素子の各々の画素の入射面または出射面において、入射光に対してランダムな位相差を与える位相シフト構造を形成することにより、微細画素周期構造に起因する高次回折光の発生を防止し、０次光（本来必要な非回折光）の光量を増大させるとともに、各画素の入射面にマイクロレンズ構造を形成することにより、画素スイッチング駆動用の回路パターンによる入射光の遮断を防止し、表示画像の高輝度化を図っている。その際、入射光に対してランダムな位相差を与える位相シフト構造を形成することにより、微細なマイクロレンズの周期構造に起因する高次回折光の発生も防止することが可能である。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
投影型ＬＣＤパネル
図１は投影型ＬＣＤパネルを用いた一般的なＬＣＤプロジェクタの光学系の模式図である。図１に図解したＬＣＤプロジェクタの光学系は、光源ランプ００１、第１フライアイレンズ００２、第２フライアイレンズ００３、Ｐ波とＳ波を分離し、合成するＰＳ分離合成素子００４、コンデンサレンズ００５、ＲＧＢ色分離フィルター００６および００７、ミラー００８ａ〜００８ｃ、フィールドレンズ００９ａ〜００９ｃ、リレーレンズ０１０および０１１、ダイクロイックプリズム０１２、投影型ＬＣＤパネル０１３ａ〜０１３ｃ、投射レンズ０１４より構成され、スクリーン０１５に拡大像を投影する。
なお、ＲＧＢ色分離フィルター００６および００７は、それぞれ、Ｒ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）成分を抽出するため、たとえば、フィルター００６においてＢ成分をミラー００８ａに向けて反射させ、ＧおよびＲ成分をフィルター００７に向けて透過させ、フィルター００７は、Ｇ成分をレンズ００９ｂに向けて反射させ、Ｒ成分をレンズ００９ｃに向けて透過させる。
図１に図解した投影型ＬＣＤパネルにおいて、投影型ＬＣＤパネル０１３ａ〜０１３ｃに入力された画像信号に応じて、Ｂ，Ｇ，Ｒ成分が変調されて、変調されて拡大された映像がスクリーン０１５に投影される。
本発明は、投影型ＬＣＤパネル０１３ａ〜０１３ｃなどのＬＣＤパネルについて改善している。
図２Ａ，２Ｂは一般的な投影型ＬＣＤパネルの部分拡大構成図であり、図２Ａは外枠１０５が付いた状態、図２Ｂは外枠をはずした状態である。一般的な投影型ＬＣＤパネルは、ＴＦＴ基板１０１、対向基板１０２、出射側防塵ガラス１０３、入射側防塵ガラス１０４、外枠１０５、フレキシブルコネクタ１０６より構成され、液晶はＴＦＴ基板１０１と対向基板１０２の間に封入される。有効画素領域は符号１０７で示される領域である。通常のプロジェクタ用ＬＣＤパネルの場合、光線は入射光Ｌｉとして対向基板１０２側から入射し、出射光ＬｏとしてＴＦＴ基板１０１側から出射する。
図３Ａ〜３Ｃは、図２Ａ、図２Ｂに図解した対向基板１０２の、光線の入射側（防塵ガラス１０４側）の表面上に位相シフト構造１０９を形成した例である。図３Ｂは図３Ａの有効画素領域１０７内の一部分を拡大して図解したものであり、図３Ｃは図３ＢのＡ−Ａ’断面を拡大して図解したものである。対向基板１０２の入射面は、二次元状に配置された複数の画素の各画素１０８と同ピッチを単位構造として、それぞれ、ｄ＝０からｄ＝λ／｜Ｎ１−Ｎ２｜の間の任意の深さ又は厚さでエッチング又は成膜されている。なお、ｄは深さ、λは中心波長、Ｎ１は中心波長における基板屈折率、Ｎ２は中心波長における位相シフト構造の屈折率を示す。例えば、参照波長λ＝５５０ｎｍ、Ｎ１＝１．５、Ｎ２＝１．０（空気）のとき、ｄは０〜１１００ｎｍの間の任意の値である。このとき、各画素を通過した光線は、エッチング深さ又は成膜厚さが０の領域を基準として
２π／λ×ｄ×｜Ｎ１−Ｎ２｜＝０〜２π
の間の任意の位相差を与えられる。また屈折率Ｎ２が空気ではなく、透明樹脂などにより満たされているとき、例えばＮ２＝１．４の場合、ｄは０〜５５００ｎｍの間の任意の値である。画素ピッチと位相シフト構造のピッチとを合わせる理由は、画素内に位相シフト構造の境界（エッチング深さ或いは成膜厚さの変わるライン）が入り込み、画質に影響することを防ぐためである。
一般に、図４に図解したように、光束がある周期構造領域を通過し、注目している観察面に到達した場合、各々の周期単位から観察面までの光路長差が半波長の偶数倍のところで光波が強め合い、半波長の奇数倍のところで光波が弱め合うことにより、回折（干渉）パターンを形成する。このとき、０次光（非回折光）の回折効率（入射光に対する光量比）は６０〜７０％程度まで減少し、逆に１０〜２０％程度の回折効率を持つ回折１次光や、数％程度の回折効率を持つ高次回折光が発生してしまう。ただしこれは各周期構造を入射する光線の位相がお互いに揃っていることが前提である。
しかし図５に図解したように、ランダムな位相シフト構造を周期構造の入射面（或いは出射面）に形成することにより、出射直後の光線の位相が揃わなくなり、結果回折パターン（高次回折光）の発生を抑えることができる。したがって、本発明に係る位相シフト構造を対向基板１０２の入射面に形成することにより、高次回折光の発生を抑えることが可能となる。
本発明の１実施の形態では対向基板１０２の入射面に位相シフト構造を形成したが、図６に図解したようにＴＦＴ基板１０１の出射面や、図７に図解したように防塵ガラス１０４の入射面（或いは出射面）に位相シフト構造を形成しても、同様の効果が得られる。
通常のプロジェクタ用ＬＣＤパネルでは、光線は対向基板側に入射し、ＴＦＴ基板側から出射するが、仮に光線がＴＦＴ基板側に入射し、対向基板側から出射する構成であったとしても、同様に各基板の入射面が出射面のいずれか一方に本発明にかかる位相シフト構造を形成することにより、同様の効果が得られる。
また本実施例では投影型ＬＣＤパネルの出射面に位相シフト構造を形成した例を示したが、その他の投影型（又は透過型）画像表示デバイスにも適用可能である。
以上のように、本発明に係る画像表示素子は、基本的な構成として、マトリクス状に配された画素１０８の周期構造と、該画素を支持する基板１０１，１０２とを備え、入射面から入射した光を画素単位で変調し、出射面から出射する。本発明の特徴として、例えば基板１０１の光が通過する面に、光の位相をランダムに変化させる位相シフト構造１０９を形成する。位相シフト構造１０９は、基板１０１の光が通過する面をランダムな深さにエッチングして形成した凹凸構造からなる。或いは、位相シフト構造は、基板の光が通過する面に誘電体透明膜をランダムな厚さに成膜した凹凸構造としても良い、位相シフト構造１０９は、例えばフォトリソグラフィ技術を用いて形成される。好ましくは、位相シフト構造１０９は、画素単位で厚みが異なる凹凸構造を有する。
図８Ａ、８Ｂは一般的な反射型ＬＣＤパネルの構成図である。図８Ａは外枠が付いた状態を示し、図８Ｂは外枠を外した状態を示す。一般的な反射型ＬＣＤパネルはＴＦＴ基板２０１、対向基板２０２、反射板２０３、防塵ガラス２０４、外枠２０５、フレキシブルケーブル２０６より構成される。或いは対向基板２０２が反射板２０３側に、ＴＦＴ基板２０１が防塵ガラス２０４側に構成される場合もある。有効画素領域は２０７で示される領域である。
図９Ａ〜９Ｃは、図８Ａ、８Ｂに図解したＬＣＤパネルにおける対向基板２０２の光線の入射側（防塵ガラス２０４側）の表面に位相シフト構造２０９を形成した例である。図９Ｂは図９Ａの有効画素領域２０７内の一部分を拡大して図解したものであり、図９Ｃは図９ＢのＡ−Ａ’断面を拡大して図解したものである。ＴＦＴ基板２０１の各画素領域の表面（防塵ガラス２０４側の面）は、各画素２０８と同ピッチを単位構造として、それぞれ、ｄ＝０からｄ＝λ／｜Ｎ１−Ｎ２｜／２の間の任意の深さ又は厚さでエッチング又は成膜されている。ｄは深さ、λは中心波長、Ｎ１は中心波長における基板屈折率、Ｎ２は中心波長における位相シフト構造の屈折率を示す。例えば、参照波長λ＝５５０ｎｍ、Ｎ１＝１．５、Ｎ２＝１．０（空気）のとき、ｄは０〜５５０ｎｍの間の任意の値である。また位相シフト構造が透明樹脂でなどで満たされている場合、例えばＮ２＝１．４として、ｄは０〜２７５０ｎｍの間の任意の値である。このとき、各画素を通過した光線は、エッチング深さ又は成膜厚さが０の領域を基準にして
２×２π／λ×ｄ×｜Ｎ１−Ｎ２｜／２＝０〜２π
の間の任意の位相差を与えられる。
これにより、上述した実施の形態と同様、微細画素周期構造に起因する高次回折光の発生を抑えることができる。
本発明の実施の形態では対向基板２０２の表面に位相シフト構造を形成したが、図１０に図解したように防塵ガラス２０４上や、或いはＴＦＴ基板２０２の表面に位相シフト構造を形成しても、同様の効果が得られる、また、対向基板２０２が反射板２０４側に、ＴＦＴ基板２０１が防塵ガラス２０３側に構成される反射型ＬＣＤパネルの場合でも同様に、ＴＦＴ基板側又は対向基板側いずれか一方に位相シフト構造を形成すれば、同様の効果が得られる。また、本発明の実施の形態では反射型ＬＣＤパネルに位相シフト構造を適用した例を示したが、その他の反射型画像表示装置にも応用可能である。例えば、ＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ）やＤＬＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｐｒｏｓｅｓｓｏｒ）、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）などにも応用可能である。
位相シフト構造のエッチングによる形成方法
位相シフト構造１０９又は２０９の形成方法として、フォトリソグラフィー技術を用いたエッチング法や成膜法が挙げられる。以下、位相シフト構造のエッチングによる形成方法の例を示す。位相シフト構造の形成方法は、フォトリソグラフィー技術を用いた一般的な回折型光学素子の作成方法と同様である。
（１）露光・現像
まず、図１１Ａに図解したように、予め対向基板１０２に塗布されたフォトレジスト１１０を、第１ＥＢマスク１２１とＵＶ照射器を用いて露光し、図１１Ｂに図解したように、現像する。
図１２のように第１ＥＢマスク１２１には１画素と同寸法を単位領域としたＣｒ（白色部分）と非Ｃｒ（黒色部分）領域がランダムに配列されており、これを用いて露光した対向基板１０２を現像すると、ランダム配列のフォトレジストパターン１１１が転写される。
（２）エッチング・レジスト除去
この状態で、図１１Ｃに図解したように、基板をλ／２／（Ｎ−１）＝５５０ｎｍ（反射型の場合はその半分の２７５ｎｍ）の深さでエッチングし、図１１Ｄに図解したように、フォトレジストパターン１１１を除去すると、対向基板１０２の表面上にはエッチンされた領域と、エッチングされていない領域の、ランダムなパターン構造１１２が形成される。
次に図１３Ａに図解したように、パターン構造１１２を有する対向基板１０２に再びフォトレジスト１１０を塗布した後、第２ＥＢマスク１２２を用いて同様にＵＶ照射器で露光し、図１３Ｂに図解したように現像し、図１３Ｃに図解したように、λ／４／（Ｎ−１）＝２７５ｎｍ（反射型の場合はその半分の１３８ｎｍ）の深さでエッチングを行い、図１３Ｄに図解したように、フォトレジストパターン１１３を除去する。図１４に図解したように第２ＥＢマスク１２２には、第１ＥＢマスク１２１と同様に、１画素を単位としたＣｒと非Ｃｒの領域がランダムに配列されている。ただし、配列のパターンはＥＢマスク１２１とは異なる。この工程により、対向基板１０２の表面上には４種類のエッチング深さがランダムに配列された構造１１４が形成される。
さらに図１５Ａ〜１５Ｄに図解したように、第３ＥＢマスク１２３により、図１１Ａ〜１１Ｄおよび図１２Ａ〜１２Ｄを参照して述べた方法と同様に、ＵＶ露光、現像、エッチング、レジスト除去の処理を行なう。図１６に図解したように第３ＥＢマスク１２３には第１マスク１２１、第２マスク１２２と同様、１画素を単位としたＣｒと非Ｃｒの領域がランダムに配列されている。ただし、配列のパターンは第１マスク１２１、第マスク１２２とは異なる。この工程でのエッチング深さはλ／８／（Ｎ−１）＝１３８ｎｍ（反射型の場合はその半分の６９ｎｍ）である。フォトレジストパターンを除去すれば、対向基板１０２の表面上には、１３８ｎｍ、２７５ｎｍ、４１３ｎｍ、５５０ｎｍ、６８８ｎｍ、８２５ｎｍ、９６３ｎｍ、１１００ｎｍ（反射型の場合は６９ｎｍ、１３８ｎｍ、２０７ｎｍ、２７５ｎｍ、３４４ｎｍ、４１３ｎｍ、４８２ｎｍ、５５０ｎｍ）の８種類のエッチング深さがランダムに配列された位相シフト構造１０９（８レベルバイナリー形状）が形成される。
以上の工程後、図１７に図解した位相シフト構造１０９が形成された対向基板１０２に、ＴＦＴ基板１０１、防塵ガラス１０３および１０４を接合すれば、ランダム位相シフト構造付きの画像表示素子の形態となる。
位相シフト構造としては、基板をエッチングする替わりに、誘電体透明膜を成膜することでも、形成することができる。この例示を図１８Ａ〜１８Ｄに図解した。図１８Ａ〜１８Ｄに図解した工程は、図１５Ａ〜１５Ｄを参照して工程と同様であるが、図１５Ｃ図解したエッチング工程の替わりに、エッチング深さと同じ膜厚で、図１８Ｃに図解した成膜工程を行なう。
以上の具体例では８レベルバイナリー型を示したが、ｎ枚の異なるＥＢマスクを用いて同様の工程をｎ回繰り返せば、２^ｎレベルのバイナリー形状を形成することが可能であり、より位相シフト効果の向上が期待できる。
また画素単位領域ごとにランダムなＵＶ光透過率を有するグレイレベルマスクを用いた場合、一度の工程で無限レベルのランダム位相シフト構造を形成でき、さらなる位相シフト効果の向上が期待できる。また、Ｘ線リソグラフィーＬＩＧＡプロセスなどを用いても形成し得る。
透過型液晶パネル
図１９は、本発明に係る画像表示素子の具体的な構成例である透過型液晶パネルを示す模式図である。
このような透過型液晶パネルをＬＣＤプロジェクタに用いている。
図１９に図示する様に、アクティブマトリクスタイプの透過型液晶パネルは、所定の間隙を介して貼り合わされた駆動基板３０１と対向基板３０２との間に液晶３０３が保持されている。駆動基板３０１の内表面には互いに直交する走査線３０４と信号線３０５が設けられている。各交点には画素電極３０６と、画素スイッチを構成する薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）３０７がマトリクス状に配列されている。さらに、図示しないが駆動基板３０１の内表面にはラビング処理を施された配向膜も形成されている。又、駆動基板３０１の外表面には本発明に従って、位相シフト構造が形成されている。一方対向基板３０２の内表面には対向電極３０８及びカラーフィルタ層３０９が形成されている。カラーフィルタ層３０９はＲＧＢ三原色のセグメントを有し個々の画素電極３０６と整合している。又、図示しないが対向電極３０８の表面にも同様にラビング処理を施された配向膜が設けられている。さらに互いに接着された駆動基板３０１と対向基板３０２の外表面には各々偏光板３１０，３１１が貼着されている。
走査線３０４を介して薄膜トランジスタ３０７を選択し、信号線３０５を介して画素電極３０６に信号電荷を書き込む。画素電極３０６と対向電極３０８の間に電圧が印加され液晶３０３が立ち上がる。これを一対のクロスニコル配置された偏光板３１０，３１１により白色入射光の透過量変化として取り出しカラー表示を行なう。この表示画面を拡大投射光学系により前方に投射してスクリーンに写し出せば液晶プロジェクタになる。特にカラーフィルタ層３０９を設けたアクティブマトリクスタイプの透過型液晶パネルを組み込む事により単板型の液晶プロジェクタが得られる。
図２０は本発明の改良型の実施の形態を示す模式的な断面図であり、対向基板１０２に位相シフト構造１０９及びマイクロレンズ構造１３０を形成した例を示す説明図である。
本例の投影型ＬＣＤパネルは、ＴＦＴ基板１０１、対向基板１０２、出射側防塵ガラス１０３及び入射側防塵ガラス１０４より構成され、液晶はＴＦＴ基板１０１と対向基板１０２の間に封入される。通常のプロジェクタ用ＬＣＤパネルの場合、光線は対向基板１０２側から入射し、ＴＦＴ基板１０１側から出射する。
ＬＣＤパネルはマトリクス状に配された画素１０８が集積形成されている。画素の具体的な構造は図１９に示した通りであり、光束が通過する透明画素電極が配された開口領域と、この画素電極をスイッチング駆動するための回路パターンが配された非開口領域とがある。従来技術では回路パターンが形成された非開口領域は光束が通過することができず、光利用効率の低下につながっていた。１画素の全面積に対する光束が通過する面積の比は開口率と呼ばれるが、通常プロジェクタ用のＬＣＤパネルの場合、開口率は５０〜６０％程度のものが主流である。したがって、半分近くの光束が、回路パターンによって遮られていた。
そこで本発明の改良型のパネルでは、図２０に示すように画素に対応して設けられている微小なレンズの集合であるマイクロレンズ１３０を対向基板１０２のＴＦＴ基板１０１側の表面に、個々の画素に対応してアレイ状に形成する。マイクロレンズ１３０により入射光束は対応する画素１０８上に集光するため、画素スイッチング駆動用の回路パターンによる入射光の遮断を防ぐことができる。このとき、マイクロレンズ１３０の外形は各画素１０８の外形に等しく、マイクロレンズアレイのピッチと画素のピッチは等しい。
図２０に図示するように、本ＬＣＤパネルには位相シフト構造１０９が形成されている。即ち、対向基板１０２のＴＦＴ基板１０１側の面は、各画素１０８と同ピッチを単位構造として、それぞれ、ｄ＝０からｄ＝λ／｜Ｎ１−Ｎ２｜の間の任意の深さ又は厚さでエッチング又は成膜されている。ｄは深さ、λは中心波長、Ｎ１は中心波長における基板屈折率、Ｎ２は中心波長における位相シフト構造の屈折率である。例えば、参照波長λ＝５５０ｎｍ、Ｎ１＝１．５、Ｎ２＝１．０（空気）のとき、ｄは０〜１１００ｎｍの間の任意の値である。このとき、各画素を通過した光線は、エッチング深さ又は成膜厚さ０の領域に対して
２π／λ×ｄ×｜Ｎ１−Ｎ２｜＝０〜２π
の間の任意の位相差を与えられる。またＮ２が空気ではなく、透明樹脂などにより満たされているとき、例えばＮ２＝１．４の場合、ｄは０〜５５００ｎｍの間の任意の値である。画素ピッチと位相シフト構造１０９のピッチとを合わせる理由は、画素内に位相シフト構造１０９の境界（エッチング深さ或いは成膜厚さの変わるライン）が入り込み、画質に影響することを防ぐためである。
なお、図２０に描かれている位相シフト構造１０９は、深さｄが強調された図となっているが、実際の位相シフト構造の深さｄは、媒質Ｎ２が空気の場合、最大でも１μｍ程度であるため、各画素ごとのマイクロレンズの焦点位置の違いは、全く問題になるレベルでは無い。上記のように、対向基板１０２のＴＦＴ基板１０１側の面に位相シフト構造１０９と、マイクロレンズ構造１３０を形成することにより、画素周期構造に起因する高次回折光の発生を防止すると同時に、画素駆動用の回路パターンによる遮光を防ぎ、光利用効率の増大に貢献する。
図２０に示した実施例では対向基板１０２のＴＦＴ基板側の面に位相シフト構造１０９とマイクロレンズ構造１３０を形成したが、図２１に図解したように位相シフト構造１０９のみ対向基板１０２の防塵ガラス１０４側の面や、図２２に図解したように防塵ガラス１０４の出射面（或いは入射面）に形成しても、同様の効果が得られる。また、通常のプロジェクタ用ＬＣＤパネルは、光線が対向基板側に入射し、ＴＦＴ基板側から出射するが、仮に光線がＴＦＴ基板側に入射し、対向基板側か出射する構成であったとしても、同様に入射側基板に本発明に係るマイクロレンズ構造を形成し、入射側基板又は出射側基板の入射面又は出射面のいずれか一方に本発明に係る位相シフト構造を形成することにより、同様の効果が得られる。
また本実施の形態では投影型ＬＣＤパネルの出射面に位相シフト構造を形成した例を示したが、その他の投影型（又は透過型）画像表示素子にも適用可能である。
以上のように、本発明の発展形態に係る画像表示素子は、基本的な構成として、マトリクス状に配された画素１０８の周期構造と、該画素を支持する基板１０１、１０２とを備え、入射面から入射した光を画素単位で変調し、出射面から出射する。特徴として、例えば基板１０１の光が通過する面に、光の位相をランダムに変化させる位相シフト構造１０９とマイクロレンズ構造１３０を形成する。位相シフト構造１０９は、基板１０１の光が通過する面をランダムな深さにエッチングして形成した凹凸構造からなる。位相シフト構造１０９は、例えばフォトリソグラフィ技術を用いて形成される。好ましくは、位相シフト構造１０９は、画素単位で厚みが異なる凹凸構造を有する。
反射型ＬＣＤパネル
図２０〜図２２に示した実施の形態は何れも透過型のＬＣＤパネルである。これに対し、図２３に示す実施の形態は反射型ＬＣＤパネルである。すなわち、図２３は本発明の１実施の形態としての反射型ＬＣＤパネルを示す図であり、対向基板２０２に位相シフト構造２０９及びマイクロレンズ構造１３０を形成した例を示す説明図である。
このような反射型液晶パネルをＬＣＤプロジェクタに用いている。
図２３に図示する様に、本反射型ＬＣＤパネルはＴＦＴ基板２０１、対向基板２０２、ＴＦＴ基板上の反射層２０３、防塵ガラス２０４などにより構成される。或いはＴＦＴ基板２０１が防塵ガラス２０４側に構成される場合もある。
図２３に図解した実施の形態では、対向基板２０２の光線の出射側（防塵ガラス２０４と反対側）の表面に画素２０８と対応させて位相シフト構造２０９とマイクロレンズ構造２３０を形成している。画素２０８は、入射光束を反射する画素電極が配された開口領域と、この画素電極をスイッチング駆動するための回路パターンが配された非開口領域とがある。従来技術では回路パターンが形成された非開口領域は光束を反射せず、光利用効率の低下につながっていた。そこで本実施の形態ではマイクロレンズ２３０を対向基板２０２のＴＦＴ基板２０１側の表面に、個々の画素２０８に対応してアレイ状に形成することにより、光束は画素２０８上に集光するため、画素駆動用の回路パターンによる吸収を防ぐことができる。このとき、マイクロレンズ２３０の外形は各画素２０８の外形に等しく、マイクロレンズアレイのピッチと画素のピッチは等しい。またマイクロレンズの焦点位置は画素の中央で反射層表面上にあるため、反射した光は再びマイクロレンズにより平行光束になり、出射する。
対向基板２０２の各画素領域２０８の表面（防塵ガラス２０４と反対側の面）は、各画素構造単位２０８と同ピッチを単位構造として、それぞれ、ｄ＝０からｄ＝λ／｜Ｎ１−Ｎ２｜／２の間の任意の深さ又は厚さでエッチング又は成膜されている。ｄは深さ、λは中心波長、Ｎ１は中心波長における基板屈折率、Ｎ２は中心波長における位相シフト構造の屈折率である。例えば、参照波長λ＝５５０ｎｍ、Ｎ１＝１．５、Ｎ２＝１．０（空気）のとき、ｄは０〜５５０ｎｍの間の任意の値である。また位相シフト構造が透明樹脂でなどで満たされている場合、例えばＮ２＝１．４として、ｄは０〜２７５０ｎｍの間の任意の値である。このとき、各画素を通過した光線は、エッチング深さ又は成膜厚さ０の領域に対して
２×２π／λ×ｄ×｜Ｎ１−Ｎ２｜／２＝０〜２π
の間の任意の位相差を与えられる。したがって、透過型ＬＣＤパネルの場合と同様、ランダムな位相シフト構造が形成され、画素周期構造による高次回折光の発生を防止することができる。
なお図２３に描かれている位相シフト構造は、深さｄが強調された図となっているが、実際の位相シフト構造の深さｄは、媒質Ｎ２が空気の場合、最大でも１μｍ程度であるため、各画素ごとのマイクロレンズの焦点位置の違いは、全く問題になるレベルでは無い。上記のように、対向基板２０２のＴＦＴ基板２０１側の面に位相シフト構造２０９と、マイクロレンズ構造２３０を形成することにより、画素周期構造に起因する回折光の発生を防止すると同時に、画素駆動用の回路パターンによる遮光を防ぎ、光利用効率の増大に貢献する。
図２４は本発明の他の実施の形態としての反射型ＬＣＤパネルを示す図であり、防塵ガラス２０４に位相シフト構造２０９を形成し対向基板２０２にマイクロレンズ構造１３０を形成した例を示す断面図である。
図２３に示した実施の形態では対向基板２０２の表面に位相シフト構造２０９およびマイクロレンズ構造２３０を形成したが、図２４に図解したようにマイクロレンズ構造２３０を対向基板２０２の表面に、位相シフト構造２０９を防塵ガラス２０４上に形成しても、同様の効果が得られる、また、本実施の形態では反射型ＬＣＤパネルに位相シフト構造を適用した例を示したが、その他の反射型画像表示素子にも応用可能である。例えばＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ）やＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）などである。
マイクロレンズアレイの製造方法
図２５Ａ、２５Ｂは本発明に係るマイクロレンズアレイの製造方法を示す工程図であり、スタンパ法を用いている。まず図２５Ａに示す様に、あらかじめガラス基板４１０の表面に形成された第一光学樹脂層４２０に、Ｎｉ電鋳原盤を押圧して、マイクロレンズ面を転写する。第一光学樹脂層４２０は低屈折率のＵＶ樹脂からなる。この後ガラス基板４１０の裏側から３６５ｎｍ付近の波長のＵＶ光を３０００ｍＪのエネルギーで照射し、ＵＶ樹脂を硬化する。なお、ガラス基板４１０の裏面にはあらかじめ位相シフト構造４０９が形成されている。
続いて図２５Ｂに示す様に、マイクロレンズ面の凹凸を、第二の屈折率を有する樹脂で埋め且つその表面をフラットスタンパＦＳで平坦化して第二光学樹脂層４３０を形成する。本実施形態では、高屈折率のＵＶ樹脂を滴下してマイクロレンズ面の凹凸を埋めた後、フラットスタンパＦＳで押圧し、表面を平坦化している。この状態でＵＶ照射を行ない第二光学樹脂層４３０の平坦化された表面を固定する。尚、液状の樹脂を滴下する代わりに、スピンコーティングで供給してもよい。これにより低屈折率の第一光学樹脂層４２０と高屈折率の第二光学樹脂層４３０とからなる積層構造のマイクロレンズアレイが得られる。
引き続き、図２６Ａ〜２６Ｃを参照して、ウェットエッチング法を用いたマイクロレンズアレイの製造方法を説明する。まず図２６Ａに示す様に、石英基板４１０を洗浄した後、レジストを塗布し、露光現像して、画素に合わせたパタニングを行なう。なお、石英基板４１０にはあらかじめ位相シフト構造４０９が形成されている。続いて図２６Ｂに示すように、レジストを介して石英基板４１０の等方性エッチングを行ない、球面形状のレンズ面Ｒを形成する。なお、レジストの代わりに耐薬品性に優れた金属又はポリシリコンやアモルファスシリコン膜などをマスク材に用いることもできる。エッチング液としてはＨＦ系あるいはＢＨＦ系を用いることができる。続いて図２６Ｃに示す様に、石英基板４１０の表面に屈折率の異なる透明樹脂４３０を塗工する。樹脂の塗工は、スピンコート法やスプレイ法を用いることができる。ウェットエッチングで球面加工されたレンズ面Ｒに樹脂を充填し、ＵＶ光照射あるいは加熱処理して、樹脂を完全硬化させる。エポキシ系、アクリル系、シリコン系、フッ素系などの樹脂が用いられるが、いずれも紫外線照射処理あるいは加熱処理で硬化固体化される。これにより、各画素に対応したマイクロレンズが作成される。
図２７Ａ〜２７Ｃを参照して、ウェットエッチング法を用いたマイクロレンズアレイの製造方法の他の例を説明する。本例では、図２６Ａ〜２６Ｃを参照して述べた例と異なり、石英基板には位相シフト構造は形成されておらず、別工程でカバーガラス側に位相シフト構造を形成する方式である。まず図２７Ａに示す様に、石英基板を洗浄した後、レジストを塗布し、露光現像して、画素に合わせたパタニングを行なう。続いて図２７Ｂに示すように、レジストを介して石英基板の等方性エッチングを行ない、球面形状のレンズ面Ｒを形成する。なお、レジストの代わりに耐薬品性に優れた金属又はポリシリコンやアモルファスシリコン膜などをマスク材に用いることもできる。エッチング液としてはＨＦ系あるいはＢＨＦ系を用いることができる。続いて図２７Ｃに示す様に、石英基板の表面にカバーガラスを貼り合わせ、両者の間隙に屈折率の異なる透明樹脂を充填する。樹脂の充填は真空注入で行なうことができる。あるいは、スピンコート法やスプレイ法を用いても良い。ウェットエッチングで球面加工されたレンズ面Ｒに樹脂を充填し、ＵＶ光照射あるいは加熱処理して、樹脂を完全硬化させる。エポキシ系、アクリル系、シリコン系、フッ素系などの樹脂が用いられるが、いずれも紫外線照射処理あるいは加熱処理で硬化固体化される。これにより、各画素に対応したマイクロレンズが作成される。最後に図２７Ｄに示す様に、カバーガラスを研磨した後、その表面にＩＴＯなどの透明電極を形成し、対向基板とする。この後図示しないが、画素電極や薄膜トランジスタが形成された駆動基板と対向基板を貼り合わせ、両者の間隙に液晶を注入して、アクティブマトリクス型の液晶表示素子が完成する。
図２８は、それぞれ別に作成した位相シフト構造とマイクロレンズ構造を互いに積層して複合化したアクティブマトリクス表示装置用の基板の一例を示す模式的な断面図である。図２８に図示する様に、カバーガラスにはあらかじめランダムな回折格子を構成する位相シフト構造を形成しておく。尚、この位相シフト構造の形成方法は、第１１図〜第１８図に示したプロセスを採用することができる。各画素に対応した回折格子の高さは、樹脂屈折率や基板屈折率差などに応じて適宜設定変更する。一方石英基板にはマイクロレンズ構造があらかじめ形成されている。このマイクロレンズ構造は、例えば図２７Ａ〜２７Ｄに示したプロセスで形成することができ、微細なマイクロレンズが画素毎に分かれて集積形成されている。あらかじめ位相シフト構造が形成されたカバーガラスとマイクロレンズ構造が形成された石英基板とをアライメント調整し、樹脂で互いに貼り合わせる。本実施の形態の場合、カバーガラスと石英基板の接着に用いる樹脂は屈折率が１．６０程度であり、アクリル系、エポキシ系もしくはウレタン系の樹脂を用いることができる。尚、位相シフト構造の凹凸を反対にした場合には、接着樹脂としてフッ素系もしくはシリコン系などを使用する。本例では、カバーガラス単体で回折格子を作成し、マイクロレンズの高さ位置は調整なしにできる為、位相シフト構造及びマイクロレンズ構造それぞれ単独で良品のみを組み合わすことができ、歩留りの向上につながる。
以上説明したように、本発明の第一の観点によれば、位相シフト構造を形成することにより、高次回折光の発生を低減でき、液晶プロジェクタにおけるフレアの発生を防止できる。又、位相シフト構造を形成することにより、本来必要な０次光（非回折光）の光量を増大させ、輝度アップに貢献できる。
また本発明の第二の観点によれば、位相シフト構造を形成することにより、高次回折光の発生を低減でき、液晶プロジェクタにおけるフレア発生を防止できる。又、位相シフト構造を形成することにより、本来必要な０次光（非回折光）の光量を増大させ、投影画像の輝度アップに貢献できる。さらにマイクロレンズ構造を形成することにより、画素スイッチング回路領域による光のケラレを防ぎ、投影画像の輝度アップに貢献できる。
産業上の利用可能性
本発明のＬＣＤパネルを画像変調手段として用いたＬＣＤプロジェクタは種々の分野で画像表示に適用できる。
【図面の簡単な説明】
図１は投影型ＬＣＤパネルを用いた一般的なＬＣＤプロジェクタの光学系の模式図である。
図２Ａ，２Ｂは一般的な投影型ＬＣＤパネルの部分拡大構成図である。
図３Ａ〜３Ｃは、図２Ａ、図２Ｂに図解した対向基板の、光線の入射側（防塵ガラス側）の表面上に位相シフト構造を形成した例を示す図である。
図４は、一般的な周期構造による回折現象を説明する図である。
図５は本発明の第１実施の形態として周期構造に位相シフト構造を付加した場合の説明図である。
図６は本発明の第２実施の形態として、ＴＦＴ基板に位相シフト構造を形成した例を示す図である。
図７は本発明の第３実施の形態として、防塵ガラスに位相シフト構造を形成した例を示す図である。
図８Ａ、８Ｂは一般的な反射型ＬＣＤパネルの構成図である。
図９Ａ〜９Ｃは、図８Ａ、８Ｂに図解したＬＣＤパネルにおける対向基板に位相シフト構造を形成した例を示す説明図である。
図１０は、図８Ａ、８Ｂに図解したＬＣＤパネルにおける防塵ガラスに位相シフト構造を形成した例を示す図である。
図１１Ａ〜１１Ｄは、本発明の１実施の形態として、フォトリソグラフィー技術による位相シフト構造の形成方法を説明する図である。
図１２は、図１１Ａ〜１１Ｄにおける第１ＥＢマスクを説明する図である。
図１３Ａ〜１３Ｄは、本発明の２実施の形態として、フォトリソグラフィー技術による位相シフト構造の形成方法を説明する図である。
図１４は、図１３Ａ〜１３Ｄにおける第２ＥＢマスクを説明する図である。
図１５Ａ〜１５Ｄは、本発明の３実施の形態として、フォトリソグラフィー技術による位相シフト構造の形成方法を説明する図である。
図１６は、図１５Ａ〜１５Ｄにおける第３ＥＢマスクを説明する図である。
図１７は、図８Ａ、８Ｂに図解したＬＣＤパネルにおける対向基板上に位相シフト構造が形成されたことを説明する図である。
図１８Ａ〜１８Ｄは、本発明の４実施の形態として、フォトリソグラフィー技術による位相シフト構造の形成方法を説明する図である。
図１９は、本発明に係る画像表示素子の具体的な構成例である透過型液晶パネルを示す模式図である。
図２０は本発明の改良型の実施の形態を示す模式的な断面図であり、対向基板に位相シフト構造及びマイクロレンズ構造を形成した例を示す説明図である。
図２１は、図１９に図解した透過型液晶パネルにおける対向基板に位相シフト構造及びマイクロレンズ構造を形成した例を示す断面図である。
図２２は、図１９に図解した透過型液晶パネルにおける防塵ガラスに位相シフト構造を形成し対向基板にマイクロレンズ構造を形成した例を示す断面図である。
図２３は本発明の１実施の形態としての反射型ＬＣＤパネルを示す図であり、対向基板に位相シフト構造及びマイクロレンズ構造を形成した例を示す説明図である。
図２４は本発明の他の実施の形態としての反射型ＬＣＤパネルを示す図であり、防塵ガラスに位相シフト構造を形成し対向基板にマイクロレンズ構造を形成した例を示す断面図である。
図２５Ａ、２５Ｂは、本発明のＬＣＤパネルに用いるマイクロレンズ構造の形成方法の１実施の形態を示す工程図である。
図２６Ａ〜２６Ｃは、本発明のＬＣＤパネルに用いるマイクロレンズ構造の形成方法の他の実施の形態を示す工程図である。
図２７Ａ〜２７Ｄは、本発明のＬＣＤパネルに用いるマイクロレンズ構造の形成方法のさらに他の実施の形態を示す工程図である。
図２８は、本発明の実施の形態としてのマイクロレンズ構造と位相シフト構造の組み合わせ状態を示す模式的な断面図である。

Claims (14)

1. マトリクス状に配された画素の周期構造と、該画素を支持する基板とを備え、入射面から入射した光を画素単位で変調し、出射面から出射する画像表示素子において、
   該基板の光が通過する面に、光の位相をランダムに変化させる位相シフト構造を形成したことを特徴とする
   画像表示素子。
2. 前記位相シフト構造は、該基板の光が通過する面をランダムな深さにエッチングして形成した凹凸構造からなることを特徴とする
   請求項１記載の画像表示素子。
3. 前記位相シフト構造は、該基板の光が通過する面に誘電体透明膜をランダムな厚さに成膜した凹凸構造からなることを特徴とする
   請求項１記載の画像表示素子。
4. 前記位相シフト構造は、フォトリソグラフィー技術を用いて形成されることを特徴とする
   請求項１記載の画像表示素子。
5. 前記位相シフト構造は、画素単位で厚みが異なる凹凸構造を有することを特徴とする
   請求項１記載の画像表示素子。
6. 光源と、表示パネルと、拡大投射光学系とを光軸に沿って順に配置した画像プロジェクタ装置において、
   前記表示パネルは、マトリクス状に配された画素の周期構造と、該画素を支持する基板とを備え、入射面から入射した光を画素単位で変調して、出射面から出射し、
   該基板の光が通過する面に、光の位相をランダムに変化させる位相シフト構造を形成したことを特徴とする
   画像プロジェクタ装置。
7. マトリクス状に配された画素の周期構造と、該画素を支持する基板とを備え、入射面から入射した光を画素単位で変調し、出射面から出射する画像表示素子において、
   該基板の光が通過する面に、光の位相をランダムに変化させる位相シフト構造と、入射した光を画素に向けて集光するマイクロレンズ構造とを形成したことを特徴とする
   画像表示素子。
8. 前記位相シフト構造は、該基板の光が通過する面をランダムな深さにエッチングして形成した凹凸構造からなることを特徴とする
   請求項７記載の画像表示素子。
9. 前記位相シフト構造は、該基板の光が通過する面に誘電体透明膜をランダムな厚さに成膜した凹凸構造からなることを特徴とする
   請求項７記載の画像表示素子。
10. 前記位相シフト構造は、フォトリソグラフィー技術を用いて形成されることを特徴とする
    請求項７記載の画像表示素子。
11. 前記位相シフト構造は、画素単位で厚みが異なる凹凸構造を有することを特徴とする
    請求項７記載の画像表示素子。
12. 前記マイクロレンズ構造は、一つの画素と同等のサイズの開口を有し、画素の周期構造と同周期で配列されていることを特徴とする
    請求項７記載の画像表示素子。
13. 前記マイクロレンズ構造は、入射した光を集光して画素に焦点を結ぶことを特徴とする
    請求項７記載の画像表示素子。
14. 光源と、表示パネルと、拡大投射光学系とを光軸に沿って順に配置した画像プロジェクタ装置において、
    前記表示パネルは、マトリクス状に配された画素の周期構造と、該画素を支持する基板とを備え、入射面から入射した光を画素単位で変調して、出射面から出射し、
    該基板の光が通過する面に、光の位相をランダムに変化させる位相シフト構造と、入射した光を画素に集光するマイクロレンズ構造とを形成したことを特徴とする
    画像プロジェクタ装置。

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