(57)【要約】【課題】  入射角θが大きい光学系に対応した液晶パネルを実現するため、現存のマイクロレンズよりも高角度の入射光を集光し得る光学素子等を提供する。【解決手段】  液晶パネルの各単位画素（サイズ□２０μｍ）は、分布屈折率レンズ１、Ｇ用カラーフィルタ２、ブラックマトリクスフィルタ３、透明電極４、液晶層５、対向ガラス基板６、ガラス基板７から構成されている。  同心円構造を有する分布屈折率レンズは、高屈折率材料１０［例えば、ＴiＯ2（ｎ＝２．４３）］と低屈折率材料１１［例えば、空気（ｎ＝１．０）］で構成されており、隣り合う円型光透過膜の外周の半径差１２は２００ｎｍである。また、膜厚は０．５μｍである。【選択図】  図１
2006098790.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光透過性を有する単位画素が２次元に複数設置された液晶パネルであって、
前記単位画素は、
入射光を集光する光透過膜で構成される光学素子と、
前記光学素子を透過した光が、遮光層の開口部を介して透過する液晶層とを備え、
前記光学素子では、一定の方向から入射される光に対する屈折率分布が、前記光透過膜の面心に対して非対称である
ことを特徴とする液晶パネル。
【請求項２】
前記光学素子は、隣接する他の単位画素が備える光学素子と隣接する領域においても、前記非対称な屈折率分布が形成されている
ことを特徴とする請求項１記載の液晶パネル。
【請求項３】
前記液晶パネルは、少なくとも、
前記入射光における第１の代表波長を有する第１の色光用の第１の単位画素と、
前記入射光における、前記第１の代表波長とは異なる第2の代表波長を有する第２の色光用の第２の単位画素とを備え、
前記第１の単位画素は、第１の光学素子を備え、
前記第２の単位画素は、前記第２の色光についての焦点距離が前記第１の単位画素が備える第１の光学素子の焦点距離と等しい第２の光学素子を備える
ことを特徴とする請求項１記載の液晶パネル。
【請求項４】
前記焦点距離は、前記光透過膜の屈折率分布を制御することにより、所定の位置に設定されている
ことを特徴とする請求項３記載の液晶パネル。
【請求項５】
光学素子に係る前記光透過膜の屈折率分布は、最も光強度の大きい光に対する前記開口部における集光効率が所定値以上になるように設定されている
ことを特徴とする請求項１記載の液晶パネル。
【請求項６】
光学素子に係る前記光透過膜の屈折率分布は、当該液晶パネルにおける単位画素の位置にかかわらず、前記開口部における集光効率が一定の値となるように設定されている
ことを特徴とする請求項１記載の液晶パネル。
【請求項７】
前記単位画素では、前記光学素子によって集光された光の焦点の位置が、前記開口部の位置と一致している
ことを特徴とする請求項１記載の液晶パネル。
【請求項８】
前記光学素子が、前記開口部の上位の層内領域に形成されている
ことを特徴とする請求項１記載の液晶パネル。
【請求項９】
前記単位画素は、さらに、
前記光学素子の入射側または出射側に集光レンズを備える
ことを特徴とする請求項１記載の液晶パネル。
【請求項１０】
前記集光レンズは、分布屈折率レンズまたは厚さ分布レンズである
ことを特徴とする請求項９記載の液晶パネル。
【請求項１１】
当該液晶パネルの中央に位置する単位画素が備える光学素子に係る前記光透過膜と、当該液晶パネルの周辺に位置する単位画素が備える光学素子に係る前記光透過では、その屈折率分布が異なっている
ことを特徴とする請求項１記載の液晶パネル。
【請求項１２】
前記光学素子においては、
前記入射光の入射角度をθ、入射側媒質の屈折率に対する差分の最大値をΔｎmaxとし、所定の定数をＡ、Ｂ及びＣとした場合において、面内方向の距離ｘに依存する、入射側媒質の屈折率に対する差分をΔｎ(x)とするとき、
Δｎ(x)＝Δｎmax［(Ａｘ2＋Ｂｘsinθ)／２π＋Ｃ］  （A、B、C：定数）
をほぼ満たす
ことを特徴とする請求項１記載の液晶パネル。
【請求項１３】
前記光学素子においては、さらに、
前記光透過膜の厚さをＬ、前記入射光の波長をλとした場合に、
ΔｎmaxＬ＝λ
をほぼ満たす
ことを特徴とする請求項１２記載の液晶パネル。
【請求項１４】
前記光透過膜は、面内方向の周期幅が入射光の波長と同程度以下の長さで分割された複数のゾーンごとに同心円状の形状を有し、前記周期幅に対して線幅の合計の占める割合が互いに異なる
ことを特徴とする請求項１記載の液晶パネル。
【請求項１５】
前記光透過膜の法線方向の断面形状が矩形である
ことを特徴とする請求項１４記載の液晶パネル。
【請求項１６】
前記同心円状の形状は、その周囲が階段状に形成されている
ことを特徴とする請求項１５記載の液晶パネル。
【請求項１７】
前記光透過膜では、面内方向に入射の対象となる光の波長と同程度か、もしくは小さい直径を有する光透過材料が不均一に分散している
ことを特徴とする請求項１記載の液晶パネル。
【請求項１８】
前記光透過膜では、前記屈折率分布が連続的に変化している
ことを特徴とする請求項１記載の液晶パネル。
【請求項１９】
前記光透過膜は、
その屈折率が１．４５以上３．４以下の高屈折率透明材料から構成されている
ことを特徴とする請求項１記載の液晶パネル。
【請求項２０】
前記光透過膜は、
ＴiＯ2、ＺrＯ2、Ｎb2Ｏ5、Ｔa2Ｏ5、Ａl2Ｏ3、ＨfＯ2、Ｓi3Ｎ4およびＳi2Ｎ3の中のいずれかを含む
ことを特徴とする請求項１記載の液晶パネル。
【請求項２１】
前記光透過膜は、
ＢまたはＰが添加されたＳiＯ２（ＢＰＳＧ）およびＴＥＯＳの中のいずれかを含む
ことを特徴とする請求項１記載の液晶パネル。
【請求項２２】
前記光透過膜は、
ベンゾシクロブテン、ポリメタクリル酸メチル、ポリアミドおよびポリイミドの中のいずれかを含む
ことを特徴とする請求項１記載の液晶パネル。
【請求項２３】
当該液晶パネルの中央に位置する前記単位画素では、前記開口部の中心軸と前記光学素子の中心軸が一致するように形成され、当該液晶パネルの周辺に位置する前記単位画素では、前記開口部の中心軸より前記光学素子の中心軸が当該液晶パネルの中央寄りに形成されている
ことを特徴とする請求項１記載の液晶パネル。
【請求項２４】
照明光を液晶パネルに照射し、前記液晶パネルに表示された像による透過光を投影レンズにより所定のスクリーンに投影させ、前記像を前記スクリーンに表示させる液晶プロジェクタであって、
前記液晶パネルは、光透過性を有する単位画素が２次元に複数設置された液晶パネルであって、前記単位画素は、入射光を集光する光透過膜で構成される光学素子と、前記光学素子を透過した光が、遮光層の開口部を介して透過する液晶層とを備え、前記光学素子では、一定の方向から入射される光に対する屈折率分布が、前記光透過膜の面心に対して非対称であり、
前記照明光を前記液晶パネルに照射すると共に、前記光学素子の近傍にカラーフィルタを配置する
ことを特徴とする液晶プロジェクタ。
【請求項２５】
前記カラーフィルタは、誘電多層膜フィルタである
ことを特徴とする請求項２４記載の液晶プロジェクタ。
【請求項２６】
照明光を色分離手段によって色分離した後、液晶パネルに照射し、前記液晶パネルに表示された像による透過光を合成し、投影レンズにより所定のスクリーンに投影させ、前記像を前記スクリーンに表示させる液晶プロジェクタであって、
前記液晶パネルは、光透過性を有する単位画素が２次元に複数設置された液晶パネルであって、前記単位画素は、入射光を集光する光透過膜で構成される光学素子と、前記光学素子を透過した光が、遮光層の開口部を介して透過する液晶層とを備え、前記光学素子では、一定の方向から入射される光に対する屈折率分布が、前記光透過膜の面心に対して非対称である
ことを特徴とする液晶プロジェクタ。
【請求項２７】
前記色分離手段は、ダイクロイックミラーを用いて前記色分離を行う
ことを特徴とする請求項２６記載の液晶プロジェクタ。
【請求項２８】
前記色分離手段は、色分離機能を有するフォトニック結晶を用いて前記色分離を行う
ことを特徴とする請求項２６記載の液晶プロジェクタ。
【請求項２９】
前記色分離手段によって分離された前記複数の色の光は、赤色、緑色、青色である
ことを特徴とする請求項２４〜２８の何れか１項に記載の液晶プロジェクタ。
【請求項３０】
液晶プロジェクタからの投影像を、反射ミラーを用いてスクリーンの背面側に拡大投影するリアプロジェクションテレビであって、
前記液晶プロジェクタは、
照明光を液晶パネルに照射し、前記液晶パネルに表示された像による透過光を投影レンズにより所定のスクリーンに投影させ、前記像を前記スクリーンに表示させる液晶プロジェクタであって、
前記液晶パネルは、光透過性を有する単位画素が２次元に複数設置された液晶パネルであって、前記単位画素は、入射光を集光する光透過膜で構成される光学素子と、前記光学素子を透過した光が、遮光層の開口部を介して透過する液晶層とを備え、前記光学素子では、一定の方向から入射される光に対する屈折率分布が、前記光透過膜の面心に対して非対称であり、
前記照明光を前記液晶パネルに照射すると共に、前記光学素子の近傍にカラーフィルタを配置する
ことを特徴とするリアプロジェクションテレビ。
【請求項３１】
光透過性を有する単位画素が２次元に複数設置された液晶パネルの製造方法であって、
半導体プロセスによって形成された、前記液晶パネルの各単位画素上に配置されている前記光透過膜では、一定の方向から入射される光に対する屈折率分布が、当該光透過膜の面心に対して非対称であり、
前記光透過膜を最小加工寸法１ｎｍ以下の金型を用いたナノインプリントにより形成する工程を含む
ことを特徴とする液晶パネルの製造方法。
【請求項３２】
光透過性を有する単位画素が２次元に複数設置された液晶パネルの製造方法であって、
半導体プロセスによって形成された、前記液晶パネルの各単位画素上に配置されている前記光透過膜では、一定の方向から入射される光に対する屈折率分布が、当該光透過膜の面心に対して非対称であり、
前記光透過膜をイオン注入またはイオン交換により形成する工程を含む
ことを特徴とする液晶パネルの製造方法。
【請求項３３】
光透過性を有する単位画素が２次元に複数設置された液晶パネルの製造方法であって、
半導体プロセスによって形成された、前記液晶パネルの各単位画素上に配置されている前記光透過膜では、一定の方向から入射される光に対する屈折率分布が、当該光透過膜の面心に対して非対称であり、
前記光透過膜を電子線描画または光線描画により形成する工程を含む
ことを特徴とする液晶パネルの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶プロジェクタおよび液晶プロジェクションテレビ等に使用される液晶パネルおよびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、アクティブマトリクス型液晶パネルを用いた投射型表示装置（液晶プロジェクタ）を作製する技術が急速に発達してきている。その理由として、液晶プロジェクタがキーデバイスであるリアプロジェクションテレビやホームシアタ関連製品の市場が急速に拡大してきたことが挙げられる。
【０００３】
特にリアプロジェクションテレビは、プラズマテレビや液晶テレビに代わる大画面テレビとして、大きな注目を集めている。図２７は、リアプロジェクションテレビ８５の構成図を示す図である。液晶プロジェクタ８２から投影された映像は、反射ミラー８３を介して、スクリーン８４に投影される。観賞者はスクリーン８４の背面側に写る映像を観賞することになる。
【０００４】
現在、大画面テレビの課題は、低価格化、高画質化およびデザイン性の向上の３つであるが、リアプロジェクションテレビは、プラズマテレビや液晶テレビに比べて既に価格で優位性がある。このため、現段階の技術課題として、高画質化とデザイン性の向上に重点が置かれている。
【０００５】
高画質化の課題は、液晶パネルの高精細化、つまり画素の微細化をいかに図るかということである。また、デザイン性で重要となるのは薄型化であり、いかにして光学系をコンパクトにできるかが問題となる。今後、大画面、高画質および低価格の大型テレビを実現するためには、液晶パネルの輝度を損なうことなく、液晶パネルの画素サイズを小さくし、短焦点系にする必要がある。
【０００６】
液晶プロジェクタの輝度は、液晶パネルに入射される照明光の透過率に強く依存することから、入射した光を確実に画素の開口部へと導入することが輝度向上のための重要な要素となっている。
【０００７】
図３１は、従来の一般的な単板式液晶パネルを構成している単位画素の基本構造を示す図である。図３１に示す単位画素は、ガラス基板７の上に、各色光（赤色、緑色又は青色）に対応した透明電極４が形成され、その上部に液晶層５、カラーフィルタ２が配置された構造となっている。カラーフィルタ２は、ブラックマトリクスフィルタ３に埋め込まれて配置されており、その上部にはガラスからなる対向基板６が形成されている。
【０００８】
ここで、ブラックマトリクスフィルタ３は、各単位画素の透明電極４以外の箇所を光が通過しないようにするために設けられたものであり、透明電極４の部分だけが開口部となり、他の部分は黒色となって光を透過させないようにしている。図３１に示しているように、垂直に入射した光９５（破線で示した光）は、ブラックマトリクスフィルタ３の開口部にある、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）のいずれかのカラーフィルタ２によって色分離された後、液晶層５に達し、透明電極４の状態によって、ガラス基板７側に透過し出力される。また、ブラックマトリクスフィルタ３の開口部以外に入射した光９６（実線で示した光）は、遮光部で遮られて液晶層５を通過できない。
【０００９】
このように、ブラックマトリクスフィルタを設けることによって、液晶パネルに形成された画素部分だけを光が通過するようになり、表示画像のコントラストが良好になることから、液晶プロジェクタの投影像が高画質となる。
【００１０】
ところが、液晶パネルにブラックマトリクスフィルタを設けると、液晶パネルを透過する光が制限されることになり、スクリーンに投影される光の照度が低下するといった問題が生じる。ブラックマトリクスフィルタの開効率は２５〜４５%程度であるため、光源側から照射される光の半分以上がブラックマトリクスフィルタで遮光されていることになる。
【００１１】
この問題を解決するために、各単位画素９の上部にマイクロレンズ９０を形成する方法が採用されている（図３０）。マイクロレンズ９０によって集光された光８９（破線で示した光）は、ブラックマトリクスフィルタ３の開口部を介して、カラーフィルタ２、液晶層５を通過する。この集光効果により、ブラックマトリクスフィルタ３で遮光される光の割合が減少するため、照明光の利用率が向上し、液晶プロジェクタの輝度は向上する。このように、比較的高い集光効率が得られることから、マイクロレンズは、多くの液晶パネルにおいて使用されている。
【００１２】
上記のように、マイクロレンズを使用した液晶プロジェクタにおいて、各単位画素に対し、周期構造を持つ光学素子を配置する構成例の提案がある（例えば、特許文献１参照。）。この特許文献１には、色分離機能と集光機能を同時に有する光学素子を備えた液晶プロジェクタの実施の形態が記載されている。
【００１３】
また、マイクロ集光板を利用した液晶パネルとして、各単位画素に対し、ミクロンサイズの反射ミラーや屈折率分布構造を配置する構成例の提案がある（例えば、特許文献２参照。）。この特許文献２には、開口部周辺を、テーパー形状の反射ミラー、または屈折率の異なる材料で囲むことによって集光効率を向上させる実施の形態が記載されている。
【特許文献１】特開平１１−２０２７９３号公報
【特許文献２】特開平６−１１８２０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
今後、液晶パネルの輝度を損なうことなく、画素サイズを小さくし、短焦点系の液晶パネルを実現するためには、広角入射光に対応した液晶パネルの開発が必須であり、特定の角度で入射する光を確実に開口部へと導入する必要がある。
【００１５】
しかしながら、マイクロレンズを用いた場合は、集光効率が信号光の入射角度に依存して低下する。つまり、図３０に示すように、レンズに垂直に入射してくる光８９については高効率に集光することができるが、斜め入射の光８（実線で示した光）に対しては、集光効率が減少するのである。これは、斜め入射の光８が、画素中のブラックマトリクスフィルタ３に遮光されてしまい、液晶層５まで到達できないためである。
【００１６】
液晶パネルは、複数の単位画素の２次元配列で構成されているため、広がり角を持つ入射光の場合、中央の単位画素と周辺の単位画素とでは入射角が異なる（図２８参照）。その結果、周辺の単位画素の集光効率が中央の単位画素より低下するという問題が起こる。
【００１７】
図２９は、従来のマイクロレンズを用いた液晶パネルにおける、ブラックマトリクスフィルタ開口部における集光効率の入射角度依存性を示す図である。図２９に示すように、入射角度が２０°程度までの入射光に対しては高効率に集光できていることがわかる。しかしながら、それ以上の入射角度になると、集光効率は急激に減少する。結果として、周辺の単位画素の光量は中央部分の単位画素の約４０％程度となり、投影画像に輝度ムラが発生する。また、この割合は画素サイズの減少に伴ってさらに低下するため、液晶プロジェクタの小型化やリアプロジェクションテレビの薄型化のための大きな障壁となる。
【００１８】
そこで、本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、入射角θが大きい光学系に対応した液晶パネルを実現するため、現存のマイクロレンズよりも高角度の入射光を集光し得る光学素子等を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記課題を解決するために、本発明に係る液晶パネルは、光透過性を有する単位画素が２次元に複数設置された液晶パネルであって、前記単位画素は、入射光を集光する光透過膜で構成される光学素子と、前記光学素子を透過した光が、遮光層の開口部を介して透過する液晶層とを備え、前記光学素子では、一定の方向から入射される光に対する屈折率分布が、前記光透過膜の面心に対して非対称であることを特徴とする。これにより、広角入射に対応した液晶パネルの開発が可能となり、液晶プロジェクタの高画質化、高輝度化が実現できる。
【００２０】
さらに、前記光学素子は、隣接する他の単位画素が備える光学素子と隣接する領域においても、前記非対称な屈折率分布が形成されていることを特徴とする。これにより、光の入射面が画素領域全体となり、集光ロスが低減する。
【００２１】
さらに、前記液晶パネルは、少なくとも、前記入射光における第１の代表波長を有する第１の色光用の第１の単位画素と、前記入射光における、前記第１の代表波長とは異なる第2の代表波長を有する第２の色光用の第２の単位画素とを備え、前記第１の単位画素は、第１の光学素子を備え、前記第２の単位画素は、前記第２の色光についての焦点距離が前記第１の単位画素が備える第１の光学素子の焦点距離と等しい第２の光学素子を備えることを特徴とする。これにより、入射光の波長によって各単位画素のレンズ構造を最適化することが可能となり、色による集光効率の違いを無くすことができる。
【００２２】
さらに、前記焦点距離は、前記光透過膜の屈折率分布を制御することにより、所定の位置に設定されていることを特徴とする。これにより、入射光の焦点距離が可変となり、各単位画素の仕様に適したレンズ設計が可能となる。
【００２３】
さらに、光学素子に係る前記光透過膜の屈折率分布は、最も光強度の大きい光に対する前記開口部における集光効率が所定値以上になるように設定されていることを特徴とする。これにより、入射光の入射角度によって各単位画素のレンズ構造を最適化することが可能となり、入射角度の増加に伴う集光効率の低下を無くすことができる。
【００２４】
さらに、光学素子に係る前記光透過膜の屈折率分布は、当該液晶パネルにおける単位画素の位置にかかわらず、前記開口部における集光効率が一定の値となるように設定されていることが望ましい。これにより、各画素の輝度は一定となり、液晶パネルの輝度ムラがなくなる。
【００２５】
さらに、前記単位画素では、前記光学素子によって集光された光の焦点の位置が、前記開口部の位置と一致していることを特徴とする。これにより開口部を最大限に使用でき、集光効率が高くなる。
【００２６】
さらに、前記光学素子が、前記開口部の上位の層内領域に形成されていることを特徴とする。これにより、集光素子の位置を自由に設計することができる。
【００２７】
さらに、前記単位画素は、前記光学素子の入射側または出射側に集光レンズを備えることを特徴とする。これにより、画素内での集光ロスが低減し、前記光学素子の設計が容易となる。具体的には、前記集光レンズは、分布屈折率レンズまたは厚さ分布レンズである。
【００２８】
さらに、当該パネルの中央に位置する単位画素が備える光学素子に係る前記光透過膜と、当該液晶パネルの周辺に位置する単位画素が備える光学素子に係る前記光透過では、その屈折率分布が異なっていることを特徴とする。これにより、液晶パネル上の画素の位置によって、レンズ構造を最適化することが可能となり、液晶パネルの輝度ムラが緩和される。
【００２９】
さらに、前記光学素子においては、前記入射光の入射角度をθ、入射側媒質の屈折率に対する差分の最大値をΔｎmaxとし、所定の定数をＡ、Ｂ及びＣとした場合において、面内方向の距離ｘに依存する、入射側媒質の屈折率に対する差分をΔｎ(x)とするとき、
Δｎ(x)＝Δｎmax［(Ａｘ2＋Ｂｘsinθ)／２π＋Ｃ］  （A、B、C：定数）
をほぼ満たすことを特徴とする。これにより、特定の角度で入射する光を任意の位置で集光可能となり、高集光効率な分布屈折率レンズを形成できることから、液晶パネルの輝度を向上できる。
【００３０】
また、前記光学素子においては、さらに、前記光透過膜の厚さをＬ、前記入射光の波長をλとした場合に、
ΔｎmaxＬ＝λ
をほぼ満たすことが望ましい。これにより、前記分布屈折率レンズによる最大位相変調が入射光の１位相分となり、集光ロスが最小となることから、高効率な集光が可能となる。
【００３１】
また、前記光透過膜は、面内方向の周期幅が入射光の波長と同程度以下の長さで分割された複数のゾーンごとに同心円状の形状を有し、前記周期幅に対して線幅の合計の占める割合が互いに異なることが望ましい。これにより、同心円の線幅を変化させることによって、有効屈折率を変化させ、分布屈折率素子を容易に形成できる。
【００３２】
このとき、前記光透過膜の法線方向の断面形状が矩形であることが望ましい。これにより、より鋭い屈折率変化が生じ、集光性が高まる。
【００３３】
また、前記同心円状の形状は、その周囲が階段状に形成されていることが望ましい。これによって、微細加工が容易となり、生産コストのダウンを図ることができる。
【００３４】
また、前記光透過膜では、面内方向に入射の対象となる光の波長と同程度か、もしくは小さい直径を有する光透過材料が不均一に分散していることが望ましい。この手法を用いれば、隣り合う前記光透過材料の間隔を変化させることによって、有効屈折率を変化させ、分布屈折率素子を容易に形成できる。
【００３５】
また、前記光透過膜では、前記屈折率分布が連続的に変化している  ことが望ましい。これにより、入射光の位相は連続的に変化することから、集光効率が向上する。
【００３６】
さらに、前記光透過膜は、その屈折率が１．４５以上３．４以下の高屈折率透明材料から構成されていることを特徴とする。
【００３７】
さらに、前記光透過膜は、ＴiＯ2、ＺrＯ2、Ｎb2Ｏ5、Ｔa2Ｏ5、Ａl2Ｏ3、ＨfＯ2、Ｓi3Ｎ4およびＳi2Ｎ3の中のいずれかを含むことを特徴とする。これらは高屈折率材料であるため、光透過膜の膜厚を薄くでき、製造プロセスが容易になる。
【００３８】
また、前記光透過膜は、ＢまたはＰが添加されたＳiＯ２（ＢＰＳＧ：Boro-PhosphoSilicated Glass）およびＴＥＯＳ（Tetraethoxysilane）の中のいずれかを含むことを特徴とする。これらは従来の半導体プロセスで一般的に使用されている材料であるので、光学素子の容易な形成が可能であり、製造コストを低減させることができる。
【００３９】
さらに、当該液晶パネルの中央に位置する前記単位画素では、前記開口部の中心軸と前記光学素子の中心軸が一致するように形成され、当該液晶パネルの周辺に位置する前記単位画素では、前記開口部の中心軸より前記光学素子の中心軸が当該液晶パネルの中央寄りに形成されていることを特徴とする。これにより、低度のシュリンク構造をとることができ、周辺画素の透過率がより向上することから、液晶パネルの輝度ムラが緩和される。
【００４０】
また、上記課題を解決するために、本発明に係る液晶プロジェクタは、照明光を液晶パネルに照射し、前記液晶パネルに表示された像による透過光を投影レンズにより所定のスクリーンに投影させ、前記像を前記スクリーンに表示させる液晶プロジェクタであって、前記液晶パネルは、光透過性を有する単位画素が２次元に複数設置された液晶パネルであって、前記単位画素は、入射光を集光する光透過膜で構成される光学素子と、前記光学素子を透過した光が、遮光層の開口部を介して透過する液晶層とを備え、前記光学素子では、一定の方向から入射される光に対する屈折率分布が、前記光透過膜の面心に対して非対称であり、前記照明光を前記液晶パネルに照射すると共に、前記光学素子の近傍にカラーフィルタを配置することを特徴とする。この手法を用いれば、照明光の利用効率を向上させることができ、単板式液晶プロジェクタの低輝度問題を解消することができる。
【００４１】
ここで、前記カラーフィルタは、誘電多層膜フィルタであることが望ましい。これにより、微小画素サイズにおいても、優れた色再現性を実現できる。また、無機材料で作製するので、従来の半導体プロセスを踏襲できるだけでなく、経時変化の小さいフィルタを形成できる。
【００４２】
さらに、本発明に係る液晶プロジェクタは、照明光を色分離手段によって色分離した後、液晶パネルに照射し、前記液晶パネルに表示された像による透過光を合成し、投影レンズにより所定のスクリーンに投影させ、前記像を前記スクリーンに表示させる液晶プロジェクタであって、前記液晶パネルは、光透過性を有する単位画素が２次元に複数設置された液晶パネルであって、前記単位画素は、入射光を集光する光透過膜で構成される光学素子と、前記光学素子を透過した光が、遮光層の開口部を介して透過する液晶層とを備え、前記光学素子では、一定の方向から入射される光に対する屈折率分布が、前記光透過膜の面心に対して非対称であることを特徴とする。このように、照明光の色や入射角度によって最適化された前記光学素子を液晶パネルに備えることによって、三板式液晶プロジェクタの複雑な光学素子配置を簡易化することができる。
【００４３】
さらに、前記色分離手段は、ダイクロイックミラーを用いて前記色分離を行うことが望ましい。これにより、従来の技術を踏襲して、高輝度な三板式液晶プロジェクタを容易に形成できる。
【００４４】
さらに、前記色分離手段は、色分離機能を有するフォトニック結晶を用いて前記色分離を行うことが望ましい。これにより、色分離光学系をさらにコンパクトにすることが可能となり、より小型の液晶プロジェクタを形成することができる。
【００４５】
また、前記色分離手段によって分離された前記複数の色の光は、赤色、緑色、青色であることが望ましい。これにより、各波長によって最適化した前記光学素子を備えた液晶パネルを形成できることから、高輝度な液晶プロジェクタを作製できる。
【００４６】
さらに、上記課題を解決するために、本発明に係るリアプロジェクションテレビは、液晶プロジェクタからの投影像を、反射ミラーを用いてスクリーンの背面側に拡大投影するリアプロジェクションテレビであって、前記液晶プロジェクタは、照明光を液晶パネルに照射し、前記液晶パネルに表示された像による透過光を投影レンズにより所定のスクリーンに投影させ、前記像を前記スクリーンに表示させる液晶プロジェクタであって、前記液晶パネルは、光透過性を有する単位画素が２次元に複数設置された液晶パネルであって、前記単位画素は、入射光を集光する光透過膜で構成される光学素子と、前記光学素子を透過した光が、遮光層の開口部を介して透過する液晶層とを備え、前記光学素子では、一定の方向から入射される光に対する屈折率分布が、前記光透過膜の面心に対して非対称であり、前記照明光を前記液晶パネルに照射すると共に、前記光学素子の近傍にカラーフィルタを配置することを特徴とする。これにより、投影光学系の距離が短くなり、より薄型のリアプロジェクションテレビを形成することができる。
【００４７】
さらに、上記課題を解決するために、本発明に係る液晶パネルの製造方法は、光透過性を有する単位画素が２次元に複数設置された液晶パネルの製造方法であって、半導体プロセスによって形成された、前記液晶パネルの各単位画素上に配置されている前記光透過膜では、一定の方向から入射される光に対する屈折率分布が、当該光透過膜の面心に対して非対称であり、前記光透過膜を最小加工寸法１ｎｍ以下の金型を用いたナノインプリントにより形成する工程を含むことを特徴とする。これにより、微細な同心構造を容易に大量形成することが可能となる。また各画素間の相対位置のズレがなくなり、調整作業の工程が減り、光学素子の低価格化が実現できる。
【００４８】
さらに、本発明に係る液晶パネルの製造方法は、光透過性を有する単位画素が２次元に複数設置された液晶パネルの製造方法であって、半導体プロセスによって形成された、前記液晶パネルの各単位画素上に配置されている前記光透過膜では、一定の方向から入射される光に対する屈折率分布が、当該光透過膜の面心に対して非対称であり、前記光透過膜をイオン注入またはイオン交換により形成する工程を含むことを特徴とする。これにより、入射光の位相変化が連続的になり、高集光効率な光学素子を形成できる。
【００４９】
さらに、本発明に係る液晶パネルの製造方法は、光透過性を有する単位画素が２次元に複数設置された液晶パネルの製造方法であって、半導体プロセスによって形成された、前記液晶パネルの各単位画素上に配置されている前記光透過膜では、一定の方向から入射される光に対する屈折率分布が、当該光透過膜の面心に対して非対称であり、前記光透過膜を電子線描画または光線描画により形成する工程を含むことを特徴とする。これにより、従来の半導体プロセスを使用でき、製造コストを低減することができる。
【発明の効果】
【００５０】
本発明の液晶パネルは、上記光学素子を有しているため、小型化、高解像度化ならびに輝度の向上や製造工程の容易化を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５１】
以下、本発明に係る実施の形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。
（実施の形態１）
図１は、本実施の形態に係る液晶パネルにおける単位画素の基本構造を示す図である。図１に示すように、各単位画素（サイズ□２０μｍ）は、分布屈折率レンズ１、Ｇ用カラーフィルタ２、ブラックマトリクスフィルタ３、透明電極４、液晶層５、対向ガラス基板６、ガラス基板７から構成されている。
【００５２】
図２は、分布屈折率レンズ１の上面図の一例である。図２に示すように、分布屈折率レンズ１は、同心円状かつ筒体の高屈折率材料１０［例えば、ＴiＯ2（ｎ＝２．４３）］および低屈折率材料１１［例えば、空気（ｎ＝１．０）］で構成されており、隣り合う筒体同士の間隔１２（即ち、筒体同士の平均半径差）は２００ｎｍである。また、分布屈折率レンズ１の膜厚は０．４μｍである。
【００５３】
図３は、分布屈折率レンズ１の断面構造の一例を示す図である。図３に示すように、同心円状の筒体の線幅１２ａは円の中心部分が最も大きく、外側の筒体になるに従って、線幅１２ａは順に小さくなっていく。この場合、筒体同士の間隔１２（周期幅ともいう。）が入射光の波長と同程度か波長より小さいときには、有効屈折率は、高屈折率材料と低屈折率材料の体積比によって算出できる。本発明の最大の特長は、上記線幅を変えるだけで、屈折率分布を自由自在に制御できることである（特願２００３−４２１１１１、特願２００４-１１７６８９参照）。
【００５４】
本実施の形態に係る分布屈折率レンズの屈折率の変化は図４のように表され、非対称である。分布屈折率レンズの屈折率は、円の中心部分が最も高く、端になるに従って順に低くなる。つまり、上記図１に示す入射光８のように、一定の斜め方向から入射される光に対する屈折率分布が、分布屈折率レンズの中心（面心ともいう。）に対して非対称である。
【００５５】
図４において実線で示した放物線は、波長λ（５５０ｎｍ）の入射光を焦点距離ｆ（本実施の形態では、レンズ下部から透明電極までの距離）で集光させるための屈折率分布Δｎ(x)を示しており、以下の（１）式で表される。
【００５６】
Δｎ(x)＝Δｎmax［(Ａｘ2＋Ｂｘsinθ)／２π＋Ｃ］  （A、B、C：定数）  （１）
ここで、Δｎmaxは、入射側媒質とレンズ材料との屈折率差（今回は１．４３）である。また、上記（１）式は、入射側媒質の屈折率をｎ0、出射側媒質の屈折率をｎ1とするときに、
Ａ＝−（ｋ0ｎ1）／２ｆ                （１−１）
Ｂ＝−ｋ0ｎ0                          （１−２）
ｋ0＝２π／λ                         （１−３）
のようにパラメータを設定できる。これにより、目的とする焦点距離ならびに対象とする入射光の入射角度や波長ごとにレンズを最適化することが可能となる。なお、上記（１）式において、単位画素の中央からの距離ｘの２次関数で定義されるのは集光成分であり、ｘと三角関数の積で定義されているのは偏向成分である。
【００５７】
本実施の形態では、屈折率分布によって入射光を位相変調することによって、光の伝播方向を制御している。このとき、図５に示すように、上記（１）式でもたらされる位相変調は、第１ゾーン１４だけでなく、第２ゾーン１５、第３ゾーン１６のように、上記（１）式を２πで分割して得られる不連続な位相変調となる。しかしながら、１位相毎にゾーンを区別しているため、実効的な位相変調は連続的な位相変調１３と等しくなる。
【００５８】
また、複数ゾーンを有する光透過膜を形成するときの、各ゾーンの境界での位相差を２πとするための条件は、レンズ厚をLとすると、
ΔｎmaxＬ＝λ                              （２）
となる。光透過膜が薄い場合は、一般には損失要因はないので、上記（２）式を満たしていれば、集光効率は１００％となる。
【００５９】
図６（ａ）〜（ｃ）は、本実施の形態における、同心円構造を有する分布屈折率レンズの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。
【００６０】
この分布屈折率レンズは、溶融石英基板上に、電子線（ＥＢ）描画用レジスト（ＺＥＰ５２０：屈折率１．５６）と空気の屈折率差を利用した分布屈折率レンズをＥＢ描画によって形成した。作製手法の詳細は後述する。レンズ径は２．８μｍ、レンズ厚は１μｍ、周期は０．２μｍである。焦点距離は５μｍ、入射光の波長を０．５５μｍ、入射側媒質の屈折率を１．４５（溶融石英）、出射側媒質の屈折率を１（空気）として設計した。
【００６１】
図６（ａ）は、入射角度設定値が０°（θ＝０°）の分布屈折率レンズの上面ＳＥＭ写真を示す。真円の同心円（図６（ａ））が複数個配列している様子が確認できる。入射角度設定値を５°(図６(ｂ))、１０°図６（ｃ））と増加するに従って、同心円が紙面右側方向にシフトしている。これは有効屈折率の高い領域が右側にシフトしていくことを意味している。
【００６２】
図７（ａ）〜（ｄ）は、入射窓領域が円形の場合と四角の場合との比較を示す。
入射窓領域が円形の場合（図７（ａ））は、図７（ｂ）に示すようにレンズとレンズの間に隙間ができるため、集光スポット１６２のほかに漏れ光１６３が発生し、集光ロスの大きな原因となる。しかしながら、入射窓領域を四角とし、隣のレンズと共有する領域についても本屈折率分布を形成させると（図７（ｃ））、図７（ｄ）に示すように画素全領域の入射光を集光することができるので、漏れ光１６３は無くなり、上記の集光ロスを低減することができる。
【００６３】
図８（ａ）〜（ｄ）は、本実施の形態に係る分布屈折率レンズの作製工程を示す図である。分布屈折率レンズの形成は、ナノインプリンティングとエッチングによって行った。
【００６４】
まず、通常の半導体プロセスを用いて、ガラス基板上に透明電極、および液晶層、カラーフィルタ、ブラックマトリクスフィルタからなる液晶パネル９（上記図８では描いていない。）を形成する。１単位画素のサイズは、２０μｍ角である。
【００６５】
この後、プラズマＣＶＤを用いて、ＴiＯ2膜１８を形成し、その上にレジスト１７を塗布する（図８(ａ)）。ＴiＯ2膜１８とレジスト１７の厚みはそれぞれ、０．５μｍ と０．５μｍである。同心円状の構造をパターニングしてあるＳiＣ製のモールド（金型）１９を、レジスト１７に１５０℃で加熱プレスすることによって、微細構造をレジスト１７上に転写する（図８(ｂ)）。モールド１９は、通常の電子線ビームリソグラフィーとエッチングによって形成したものである。
【００６６】
その後、１８０℃でポストベークを行った後、Ａrイオンミリングによって、第１段階のエッチング２０を行う（図８(ｃ)）。レジスト１７を除去した後、ウェットエッチング２１によって画素上に同心円状の構造を形成する（図８(ｄ)）。
【００６７】
なお、本実施の形態では、分布屈折率レンズを単位画素の最上面に配置しているが、層内に形成しても、もちろんよい（例えば、カラーフィルタとブラックマトリクスフィルタの間に形成する）。これによって、単位画素の構造についての設計自由度が拡張し、作製プロセスの簡易化を図ることができる。
【００６８】
（実施の形態２）
図９は、実施の形態２に係る、ＶＧＡ使用（３１万画素）の液晶パネルにおいて2次元に配列された単位画素の様子を示す図である。図９において、入射光２２は、光学レンズ２３によって集光され、分布屈折率レンズを有する液晶パネル２４上に照射される。液晶層とブラックマトリクスフィルタからなる単位画素９ならびに分布屈折率レンズが２次元配列している液晶パネルにおいては、その中心部分の単位画素と周辺部分の単位画素とでは、光の入射角度が異なる。中心部分では、入射光がほぼ０°で入射するのに対して、周辺部分では約３０°で入射する。
【００６９】
本実施の形態に係る単位画素における分布屈折率レンズは、液晶パネルの中心部分から周辺部分にかけて、各単位画素に入射する最も光強度の強い入射光の成分に対応する分布屈折率レンズを形成している。それぞれの分布屈折率レンズは、液晶パネル上の単位画素の位置によって、レンズ構造を最適化し、最も集光効率が高くなるようにしている。
【００７０】
図１０（ａ）〜（ｃ）は、実施の形態２に係る１つの単位画素の基本構造を示す図である。入射窓に入射角０°で入射してくる光２９、入射角α°で入射してくる光３０、入射角２α°で入射してくる光３１は、それぞれ０°入射光用分布屈折率レンズ３２、α°入射光用分布屈折率レンズ３３、２α°入射光用分布屈折率レンズ３４によって集光され、ブラックマトリクスフィルタ、液晶層、さらに液晶パネルを透過する。
【００７１】
照射光の入射角度の増加に伴って、第１ゾーンの屈折率分布の最大値は、入射側にシフトしていく（図１１（ａ）〜（ｃ））。さらに角度を大きくすると、第２、第３ゾーンが出現する。４５°以上の高角度で入射する入射光に対しても、複数ゾーンを使用することにより、高集光効率を維持することが可能である。原理上、膜厚が１位相分であるとき、集光効率は１００％となるが、膜厚が上記（２）式を満たさないときや、各ゾーン配列の周期構造が１位相毎でない場合には、効率は減少する。
【００７２】
図１２は、集光スポット位置の入射角度依存性の一例を示す図である。図１２は光学顕微鏡写真であり（２本の破線で示した１画素領域）、入射角１０°用に最適化した分布屈折率レンズの特性を示している。入射光が垂直（０°）に入射した場合には、集光スポットは単位画素（点線で囲った領域）の端に現れている。入射角度の増加に伴って、集光スポットが紙面右側にシフトしていき、入射角１０°では、単位画素のほぼ中心にスポットが観測されている。これは、液晶パネルに対する斜め入射光を効率よく、単位画素の中心に集光できていることを示唆している。
【００７３】
図１３は、集光効率の画素位置依存性を示す図である。図１３において、入射角が増加するということは、単位画素の位置が液晶パネルの周辺部分であることを示している。図１３には、比較用として、マイクロレンズを有する固体撮像装置のデータが併記されている。図１３から明らかなように、入射角度２０°以上の高角度領域においては、マイクロレンズを有する固体撮像装置より優れた集光効率を得ることに成功している。この結果は、集光効率が画素位置に依存しない高輝度の液晶パネルが作製できることを示唆している。
【００７４】
また、本実施の形態に係る分布屈折率レンズでは、入射光の波長によって各単位画素の分布屈折率レンズの構造を最適化することが可能であることから、色による集光効率の違いはなく、高効率に集光することができる。
【００７５】
さらに、本実施の形態に係る分布屈折率レンズでは、入射光の焦点距離によって各単位画素のレンズ構造を最適化することが可能であるので、画素構造に合わせたレンズ設計を行うことにより、高い集光効率を得ることができる。本実施の形態では、焦点をブラックマトリクスフィルタの開口部にすることによって、入射光の８０％程度を液晶層へと導入している。
【００７６】
なお、上記実施の形態１および２における分布屈折率レンズは、前記ナノプリンティング法によって形成しており、ＴiＯ2と空気の屈折率差を利用した分布屈折率レンズである。
【００７７】
（実施の形態３）
図１４は、実施の形態３に係るＳＶＧＡ対応（４８万画素）の液晶パネルの基本構造を示す図である。各単位画素は、分布屈折率レンズ３４４、カラーフィルタ２、ブラックマトリクスフィルタ３、透明電極４、液晶層５、対向基板６、ガラス基板７から構成されている。
【００７８】
図１５は、本実施の形態に係る分布屈折率レンズの上面図の一例である。この分布屈折率レンズの屈折率は、面内方向において、高屈折率領域３５[例えば、Ｇe０2(ｎ＝１．６５)]から低屈折率領域３６[Ｓi０2(ｎ＝１．４５)]まで連続的に変化している。屈折率が連続的に分布しているため、レンズ表面での散乱ロスがなくなり、集光効率が大きく改善される。本実施の形態における屈折率分布は、単一ゾーンである。また、分布屈折率レンズ３４４の膜厚は１μｍである。
【００７９】
また、本実施の形態に係る光学素子においては、前記光透過膜の屈折率分布を制御することにより、開口部分における集光効率が一定の値となるように設定している。これにより、各単位画素の輝度は一定となり、液晶パネルの輝度ムラがなくなる。
【００８０】
図１６（ａ）〜（ｅ）は、本実施の形態に係る分布屈折率レンズの作製工程を示す図である。レンズ形成は、イオン注入によって行った。まず、通常の半導体プロセスを用いて、ガラス基板上に透明電極、および液晶層、カラーフィルタ、ブラックマトリクスフィルタからなる液晶パネル３７（上記図１６では描いていない）を形成する。その後に、スパッタ装置を用いて、Ｓi０2膜３８を形成し、その上にレジスト３９を塗布する。その後、電子線露光４０によって、パターニングを行う（図１６(ａ)）。Ｓi０2膜３８とレジスト３９の厚みは、それぞれ０．５μｍ と０．５μｍである。現像した後（図１６(ｂ)）、マスクとして金属（今回はＡuを用いた）を電子線蒸着４１する。（図１６(ｃ)）。レジスト３９を除去した後、１８０ｋｅＶの加速電圧でＧe４４のイオン注入４３を行う（図１６(ｄ)）。レジスト３９を除去した後、６００℃でポストベークを行うことにより、画素上に連続的に屈折率が分布された分布屈折率レンズが形成できる（図１６(ｅ)）。
【００８１】
（実施の形態４）
図１７は、実施の形態４におけるＶＧＡ対応（３１万画素）の液晶パネルの基本構造を示す図である。各単位画素は、分布屈折率レンズ４５、カラーフィルタ２、ブラックマトリクスフィルタ３、透明電極４、液晶層５、対向基板６、ガラス基板７から構成されている。
【００８２】
図１８は、本実施の形態に係る分布屈折率レンズの上面図の一例である。この分布屈折率レンズは、面内方向に入射の対象となる光の波長と同程度か、もしくは小さい直径を有する光透過材料が、異なる屈折率を有する光透過膜の中、もしくは上に不均一に分散している構造を有している。このとき、入射光に対する有効屈折率は、高屈折率材料４７と低屈折率材料４６の体積比によって算出できる。この分布屈折率レンズの最大の特長は、隣り合う高低屈折率材料の間隔を変化させることによって、有効屈折率を変化させ、分布屈折率素子を容易に形成できることである。本実施の形態では、一辺が０．２μｍ以下の高屈折率材料４７[例えば、Ｔi０2(ｎ＝２．４３)]が低屈折率材料４６[例えば、Ｓi０2(ｎ＝１．４５)]の中に分散している構造となっている。
【００８３】
ここで、高屈折材料と低屈折材料は、互いに数珠のように繋がっていてもかまわない（図１９）。見かけ上、前記円周構造が階段状になったようにも見られるが、階段構造が入射波の波長よりも十分小さい場合は、高い集光効率が得られる（集光効率は８０％程度）。
【００８４】
図２０（ａ）〜（ｄ）は、本実施の形態に係る分布屈折率レンズの作製工程を示す図である。レンズ形成は、電子線描画とエッチングによって行った。まず、通常の半導体プロセスを用いて、ガラス基板上に透明電極、および液晶層、カラーフィルタ、ブラックマトリクスフィルタからなる液晶パネル４８（上記図１９では描いていない）を形成する。その後に、スパッタ装置を用いて、ＳiＯ2膜４９を形成し、その上にレジスト５０を塗布する。その後、電子線露光５１によって、パターニングを行う（図１９(ａ)）。ＳiＯ2膜４９とレジスト５０の厚みはそれぞれ、０．５μｍ と０．５μｍである。現像した後、エッチング５２を行い、単位画素の表面に微細構造を形成する（図１９(ｂ)）。
【００８５】
なお、上記実施の形態１の分布屈折率レンズは、レジストを露光し、現像した段階で作製工程を完了している。レジスト５０を除去した後、プラズマＣＶＤを用いて、ＴiＯ2を堆積する（図１９(ｃ)）。単位画素の全域を被覆したＴiＯ2層を、表面研磨によって取り除いた後、８００度でポストベークを行う（図１９(ｄ)）。以上の工程により、単位画素上に光屈折率材料が不均一に分散している屈折率分布レンズを形成する。
【００８６】
（実施の形態５）
図２１は、実施の形態５における、本発明に係る偏向成分を有する光透過膜と従来のマイクロレンズを備えた液晶パネルを示す図である。各単位画素（サイズ□２０μｍ）は、分布屈折率レンズ５４、マイクロレンズ５５、カラーフィルタ２、ブラックマトリクスフィルタ３、透明電極４、液晶層５、対向基板６、ガラス基板７から構成されている。
【００８７】
図２２（ａ）は、分布屈折率レンズの上面図の一例である。分布屈折率レンズ５４の屈折率は、面内方向において、高屈折率領域５６[例えば、ＧeＯ2(ｎ＝１．６５)]から低屈折率領域５７[例えば、ＳiＯ2(ｎ＝１．４５)]まで連続的に変化している。本実施の形態における分布屈折率レンズ５４の屈折率分布は、上記（１）式右辺の［］内の第２項で示される分布を与えるように設計している。この第２項の成分は、xの１次関数であるため、屈折率の変化は線形となり、光の入射側の屈折率が高くなる。本実施の形態では、単一ゾーンとしたが、もちろん複数ゾーンを利用してもよい。本実施の形態では、分布屈折率レンズの後段にマイクロレンズを配置したが、逆の配置としてももちろんよい。また、集光素子は分布屈折率レンズでもよく、重要なのは集光成分と偏向成分とを分離することである。こうすることによって、レンズ構造が単純なものとなり、レンズ形成が容易となる。
【００８８】
（実施の形態６）
図２３は、実施の形態６に係る、光学素子の中心軸の位置と開口部の中心軸の位置（それぞれ一点鎖線で示している）をずらした液晶パネルを示す図である。各単位画素（サイズ□２０μｍ）は、分布屈折率レンズ５８、Ｇ用カラーフィルタ５９、Ｒ用カラーフィルタ６０、Ｂ用カラーフィルタ６１、ブラックマトリクスフィルタ６１１、透明電極６２、液晶層６３、対向基板６４、ガラス基板６５から構成されている。
【００８９】
前述したように、液晶パネルは、複数の単位画素の２次元配列で構成されているため、広がり角を持つ入射光の場合、中央の画素と周辺の画素とでは入射角が異なる（図２８参照）。その結果、周辺の単位画素の集光効率が中央の単位画素より低下するという問題が起こる。
【００９０】
そこで、本実施の形態の液晶パネルでは、ブラックマトリクスフィルタ層６１１をパネル中心に対して縮小している。これにより、パネル中心部における光学素子と開口部の中心軸は一致するが、パネル周辺部における中心軸は大きくずれることになる。結果として、液晶パネルの周辺部では入射角度が大きくなる入射光６６は、効率良く開口部を通過することができ、液晶パネルの輝度ムラが緩和される。また、光学素子の構造を簡単化することができるので、素子の形成が容易になる。
【００９１】
（実施の形態７）
図２４は、実施の形態７に係る、前記液晶パネルを用いた単板式液晶プロジェクタの構成図を示す図である。光学系は、光源６７、集光レンズ６８、液晶パネル６９、投影レンズ７０、スクリーン７１で構成されている。
【００９２】
前記液晶パネルには、赤色、青色および黄色用の色分離フィルタと、入射光の角度と波長に対して最適化した分布屈折率レンズが設置されている。ここで、入射光の焦点はブラックマトリクスフィルタの開口部としている。これにより、入射光のほとんどが液晶層まで到達することができ、プロジェクタの輝度が向上する。
【００９３】
また、現行のカラーフィルタでは、顔料フィルタ、または染色フィルタを用いて色分離を行っている。しかしながら、顔料フィルタは薄膜化が困難であり、染色フィルタは退色するなどの問題点がある。そこで、各単位画素の色分離素子として、誘電多層膜フィルタを用いることによって、色再現性に優れた薄膜カラーフィルタを形成することができる。また、無機材料で作製できるので、従来の半導体プロセスを踏襲できるだけでなく、経時変化の小さいフィルタを形成することができる。
【００９４】
（実施の形態８）
図２５は、実施の形態８に係る、前記液晶パネルを用いた三板式液晶プロジェクタの構成図を示す図である。光学系は、光源７２、Ｒ用反射ミラー７３、Ｇ用反射ミラー７４、Ｂ用反射ミラー７５、全反射ミラー７６、Ｒ用液晶パネル７７、Ｇ用液晶パネル７８、Ｂ用液晶パネル７９、プリズム８０および投影レンズ８１で構成されている。
【００９５】
三板式液晶プロジェクタは、３枚の白黒表示の液晶パネル７７〜７９（上記実施の形態１〜６においてカラーフィルタが無いパネル）にそれぞれ、赤、緑、青の３原色に対応した光を照射し、得られた各原色成分の画像をプリズム８０により合成して、スクリーンに投影する。液晶パネル上の分布屈折率レンズは、入射光の波長、角度に対して最適化している。
【００９６】
また、ここでは、反射ミラー７３〜７５としてダイクロイックミラーを用いているが、色分離機能を有するフォトニック結晶を用いても当然よい。フォトニック結晶を構成する材料の屈折率、周期を変化させ、分散面を制御することによって、任意の波長の光を異なる角度で抽出することが可能である（特願２００３−３０４９３７参照）。
【００９７】
（実施の形態９）
図２６は、実施の形態９に係る、フォトニック結晶を用いた三板式液晶プロジェクタの構成図を示す図である。ダイクロイックミラーの代わりに色分離機能を有するフォトニック結晶９４を用いることにより、光学系が簡単化し、小型化が容易になる。また、光学素子の構成数が減少することによって、コストが低減する。
【００９８】
上記実施の形態１〜６の液晶パネル、または上記実施の形態７〜９の液晶プロジェクタをリアプロジェクション光学系の光学エンジンとして用いることによって、高輝度、大画面、薄型のリアプロジェクションテレビが作製できる。
【００９９】
なお、上記の分布屈折率レンズと同じ特性をもつ他の材料によって形成された分布屈折率レンズで構成されている液晶パネルを用いてももちろんよい。また、説明を行った以外の製造方法を用いて液晶パネルを製造してももちろんよい。
【産業上の利用可能性】
【０１００】
本発明に係る液晶パネルは、液晶プロジェクタ、リアプロジェクションテレビをはじめとする映像投影装置の性能向上、低価格化を実現でき、産業上有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】本発明の第１の実施の形態における１画素の基本構造を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態における分布屈折率レンズの上面構造の一例を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態における分布屈折率レンズの断面構造の一例を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態における分布屈折率レンズの屈折率分布を示す図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態における光の位相変調を示す図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態における、同心円構造を有する分布屈折率レンズの走査型電子顕微鏡写真である。
【図７】本発明の第１の実施の形態における、入射窓領域が円形の場合と四角の場合との比較を示す図である。
【図８】本発明の第１および第２の実施の形態における分布屈折率レンズの作製工程を示す図である。
【図９】本発明の第２の実施の形態における液晶パネルの画素配列の基本構造を示す図である。
【図１０】本発明の第２の実施の形態における画素の断面構造を示す図である。
【図１１】本発明の第２の実施の形態における分布屈折率レンズの屈折率分布を示す図である。
【図１２】本発明の第２の実施の形態における集光スポット位置を示す図である。
【図１３】本発明の第２の実施の形態におけるレンズの集光効率を示す図である。
【図１４】本発明の第３の実施の形態における１画素の基本構造を示す図である。
【図１５】本発明の第３の実施の形態における分布屈折率レンズの上面構造を示す図である。
【図１６】本発明の第３の実施の形態における分布屈折率レンズの作製工程を示す図である。
【図１７】本発明の第４の実施の形態における１画素の基本構造を示す図である。
【図１８】本発明の第４の実施の形態における分布屈折率レンズの上面構造の一例を示す図である。
【図１９】本発明の第４の実施の形態における分布屈折率レンズの上面構造のその他の例を示す図である。
【図２０】本発明の第４の実施の形態における分布屈折率レンズの作製工程を示す図である。
【図２１】本発明の第５の実施の形態における１画素の基本構造を示す図である。
【図２２】本発明の第５の実施の形態における分布屈折率レンズの上面構造と屈折率分布を示す図である。
【図２３】本発明の第６の実施の形態における液晶パネルの断面構造を示す図である。
【図２４】本発明の第７の実施の形態における単板式液晶プロジェクタの構成図を示す図である。
【図２５】本発明の第８の実施の形態における三板式液晶プロジェクタの構成図を示す図である。
【図２６】本発明の第９の実施の形態における三板式液晶プロジェクタの構成図を示す図である。
【図２７】従来技術におけるリアプロジェクションテレビの構成図を示す図である。
【図２８】従来技術における液晶パネルの画素配列の基本構造を示す図である。
【図２９】従来技術におけるマイクロレンズを用いた液晶パネルの集光特性を示す図である。
【図３０】従来技術におけるマイクロレンズを用いた液晶パネル画素の基本構造を示す図である。
【図３１】従来技術における液晶パネル画素の基本構造を示す図である。
【符号の説明】
【０１０２】
１      分布屈折率レンズ
２      カラーフィルタ
３      ブラックマトリクスフィルタ
４      透明電極
５      液晶層
６      対向ガラス基板
７      ガラス基板
８      入射光（斜め入射）
９      液晶パネル
１０      高屈折率領域 [ＴiO2(ｎ=２．４３)]
１１      低屈折率領域 [ＳiO2(ｎ=１．４５)]
１２      周期
１３      位相変調
１４      第１ゾーン
１５      第２ゾーン
１６      第３ゾーン
１７      レジスト
１８      ＴiO2
１９      金型
２０      Ａｒイオンミリング
２１      ウェットエッチング
２２      入射光
２３      集光レンズ
２４      液晶パネル
２５      入射光（パネル中心部）
２６      分泌屈折率レンズ（パネル中心部）
２７      入射光（パネル周辺部）
２８      分泌屈折率レンズ（パネル周辺部）
２９      入射光（０°入射）
３０      入射光（α／２°入射）
３１      入射光（α°入射）
３２      ０°入射光用分布屈折率レンズ
３３      α／２°入射光用分布屈折率レンズ
３４      α°入射光用分布屈折率レンズ
３５      高屈折率領域  ［ＧeＯ2（ｎ＝１．６５）］
３６      低屈折率領域  ［ＳiＯ2（ｎ＝１．４５）］
３７      液晶パネル（前記２〜７によって構成）
３８      ＳiＯ2
３９      レジスト
４０      電子線描画
４１      電子線蒸着
４２      Ａu
４３      イオン注入
４４      Ｇe
４５      分布屈折率レンズ
４６      低屈折率材料  ［ＳiＯ2（ｎ＝１．４５）］
４７      高屈折率材料  ［ＴiＯ2（ｎ＝２．４３）］
４８      液晶パネル（前記２〜７によって構成）
４９      ＳiＯ2
５０      レジスト
５１      電子線描画
５２      エッチング
５３      ＴiＯ2
５４      分布屈折率レンズ（偏向成分のみ）
５５      マイクロレンズ
５６      高屈折率領域  ［ＧeＯ2（ｎ＝１．６５）］
５７      低屈折率領域  ［ＳiＯ2（ｎ＝１．４５）］
５８      分布屈折率レンズ
５９      Ｇ用カラーフィルタ
６０      Ｒ用カラーフィルタ
６１      Ｂ用カラーフィルタ
６２      透明電極
６３      液晶層
６４      対向ガラス基板
６５      ガラス基板
６６      入射光
６７      光源
６８      集光レンズ
６９      液晶パネル
７０      投影レンズ
７１      スクリーン
７２      光源
７３      Ｒ用反射ミラー
７４      Ｇ用反射ミラー
７５      Ｂ用反射ミラー
７６      全反射ミラー
７７      Ｒ用液晶パネル
７８      Ｇ用液晶パネル
７９      Ｂ用液晶パネル
８０      プリズム
８１      投影レンズ
８２      液晶プロジェクタ
８３      反射ミラー
８４      スクリーン
８５      リアプロジェクションテレビ
８６      入射光
８７      集光レンズ
８８      液晶パネル
８９      入射光（垂直入射）
９０      マイクロレンズ
９１      Ｒ光
９２      Ｇ光
９３      Ｂ光
９４      フォトニック結晶
９５      入射光（画素中央部）
９６      入射光（画素周辺部）
１６２      集光スポット
１６３      漏れ光
３４４      分布屈折率レンズ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１３】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図６】
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【図７】
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【図１２】
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【図１４】
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【図１５】
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【図２１】
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【図２２】
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