JP2004171010A - 液晶表示装置用平行光源及びそれを用いた液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ホログラムカラーフィルターを用いた液晶表示装置用の奥行きが浅くコンパクトなバックライト用平行光源とそれを用いた液晶表示装置。
【解決手段】 カラーフィルターとしてほぼ平行光を回折分光して対応する色の分光画素に入射させるホログラムカラーフィルターを用いた液晶表示装置用の平行光源において、フレネル反射鏡５８と、その前面に配置した白色光源１０とからなり、ホログラムカラーフィルターに入射させるほぼ平行な光３を発生させる。
【選択図】 図１２

Description

本発明は、液晶表示装置用平行光源及びそれを用いた液晶表示装置に関し、特に、ホログラムカラーフィルターを採用した液晶表示装置用の奥行きが浅くコンパクトなバックライト用平行光源とそれを用いた液晶表示装置に関する。

従来より、高輝度の液晶カラー表示装置においては、表示用のバックライトが必要不可欠なものとなっている。しかしながら、カラーフィルターを用いた液晶表示装置においては、このバックライトの利用効率の悪さが問題となっていた。その主な原因には、下記のような理由があげられる。

（１）各色のセル以外のブラック・マトリクスの占める面積が広く、そこに当たった光は無駄になる。

（２）各セルに入射する白色光の中、Ｒ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）のカラーフィルターを透過する色成分は各々一色に制限されてしまうので、その他の補色成分は無駄になる。

（３）各カラーフィルターで光の吸収により損失が生じる。

これらの問題の中、（１）の解決策として、図１６に示すように、例えばマイクロレンズアレー２をカラーフィルター１の前面に設置し、白色光のバックライト３をそれぞれカラーフィルターセルＲ、Ｇ、Ｂへ集光させるようにすることにより、ブラック・マトリックス４を避けて照明してバックライト３の利用効率を上げる方法が従来より知られている（例えば、非特許文献１）。

さらに、ホログラムによる分光を利用して白色光を効率良くＲ、Ｇ、Ｂに分け、上記（１）〜（３）に対しても、ブラック・マトリックス、カラーフィルターでの吸収を減らし、効率を上げる方法を、本出願人は、特願平５−１２１７０〜１号、同５−１４５７３号、同５−９７５１７号、同５−１４９２１１号等において提案している。例えば、回折波長依存性がなく分光機能を持つホログラムと集光機能をもつマイクロレンズアレーを組み合わせる方法や、多重化あるいは積層された回折波長及び角度選択性のあるホログラムを用いる方法、分光機能と集光機能の両方を持つホログラムを用いる方法等がある。

また、このようなホログラムカラーフィルターを用いた液晶表示装置用の奥行きが浅くコンパクトなバックライト用平行光源として、本出願人は、特願平５−１２５５４号において、マイクロレンズアレーとその各レンズの焦点に配置された微小二次光源からなるものを提案した。
「ディスプレイ アンド イメージング」，１９９２，Ｖｏｌ．１，Ｎｏ．１，ｐｐ．３３〜３８

しかし、上記のホログラムカラーフィルターを用いた液晶表示装置において、現行の液晶フラットディスプレイ用のバックライトをそのまま用いると、期待した効果が得られない。これは、ホログラムは、本来、厳しい入射角度選択性を有しているにもかかわらず、液晶フラットディスプレイのバックライトは凡そ±５０°程度の散乱光であるため、高い回折効率が得られず、また、所定の色のカラーフィルターセルに本来の色の回折光が入射しなくなる等の現象が生じ、期待通りにバックライトの利用効果を上げることができないためである。

また、従来、プロジェクター型の液晶表示装置等に利用されるバックライトとして平行光が用いられているが、これは光源と平行光までの距離が長いので、装置が大きく、嵩張ってしまうため、コンパクトであるべき液晶フラット型表示装置用としては使用できない。

また、上記した特願平５−１２５５４号による平行光源は、１つの提案であり、それ以外にも液晶表示装置用の奥行きの浅い平行光源を構成できる可能性がある。

したがって、本発明はこの可能性を探るべくなされたものであり、その目的は、ホログラムカラーフィルターを用いた液晶表示装置用の奥行きが浅くコンパクトなバックライト用平行光源のさらに別の形態とそれを用いた液晶表示装置を提案することである。

上記目的を達成する本発明の液晶表示装置用平行光源は、カラーフィルターとしてほぼ平行光を回折分光して対応する色の分光画素に入射させるホログラムカラーフィルターを用いた液晶表示装置用の平行光源であって、フレネル反射鏡と、その前面に配置した白色光源とからなり、ホログラムカラーフィルターに入射させるほぼ平行な光を発生させることを特徴とするものである。

以上の液晶表示装置用平行光源は、もちろん、ホログラムカラーフィルターを用いない他の液晶表示装置用にも用いることができる。

また、本発明による液晶表示装置は、光源側から、平行光源、液晶表示パネルの順で配置され、前記液晶表示パネルの入射側、前記液晶表示パネルの内部、前記液晶表示パネルの出射側に拡散板が配置されてなり、平行光源として、以上の液晶表示装置用平行光源を用いたことを特徴とするものである。

もう１つの本発明による液晶表示装置は、光源側から、平行光源、ほぼ平行光を回折分光して対応する色の分光画素に入射させるホログラムカラーフィルター、液晶表示パネルの順で配置され、前記液晶表示パネルの内部、前記ホログラムカラーフィルターと前記液晶表示パネルの間、あるいは、前記液晶表示パネルの出射側に拡散板が配置されてなり、平行光源として、以上の液晶表示装置用平行光源を用いたことを特徴とするものである。

本発明おいては、平行光源を奥行きの浅い平板状に構成できるので、これをホログラムカラーフィルターを採用した液晶表示装置に組み込むことにより、奥行きが浅くコンパクトで視角が広く明るいカラー液晶表示装置を構成することができる。

本発明によるバックライト用平行光源の実施例の説明に先立って、まず、本出願人が先に提案したホログラムカラーフィルターの代表的なものの原理について図面を参照に説明する。

まず、図１の液晶表示装置の断面図を参照にして先に提案した第１の形態のカラーフィルターの原理と作用について説明する。同図において、規則的に液晶セル６′に区切られた液晶表示素子６のバックライト３入射側に先に提案したカラーフィルターを構成するホログラムアレー５が離間して配置される。液晶表示素子６背面には、各液晶セル６′と整列した図１６と同様なＲ、Ｇ、Ｂの着色セル１′及びその間に設けられたブラック・マトリックス４からなるカラーフィルター１が配置されるか、又は、着色セル１′を省き、ブラック・マトリックス４のみが配置される。以上の他、図示しない偏光板が液晶表示素子６の両側に配置される。

ホログラムアレー５は、Ｒ、Ｇ、Ｂの分色画素の繰り返し周期、すなわち、液晶表示素子６の紙面内の方向に隣接する３つの液晶セル６′の組各々に対応して、その繰り返しピッチと同じピッチでアレー状に配置された微小ホログラム５′からなり、微小ホログラム５′は液晶表示素子６の紙面内の方向に隣接する３つの液晶セル６′各組に整列して各々１個ずつ配置されており、各微小ホログラム５′は、ホログラムアレー５の法線に対して角度θをなして入射するバックライト３の中の緑色の成分の光を、その微小ホログラム５′に対応する３つの分色画素Ｒ、Ｇ、Ｂの中心の着色セル１′又は液晶セル６′上に集光するようにフレネルゾーンプレート状に形成されているものである。そして、微小ホログラム５′は、回折効率の波長依存性がないかもしくは少ない、レリーフ型、位相型、振幅型等の透過型ホログラムからなる。ここで、回折効率の波長依存性がないかもしくは少ないとは、リップマンホログラムのように、特定の波長だけを回折し、他の波長は回折しないタイプのものではなく、１つの回折格子で何れの波長も回折するものを意味し、この回折効率の波長依存性がない回折格子は、波長に応じて異なる回折角で回折する。

このような構成であるので、ホログラムアレー５の液晶表示素子６と反対側の面からその法線に対して角度θをなして入射する白色のバックライト３を入射させると、波長に依存して微小ホログラム５′による回折角は異なり、各波長に対する集光位置はホログラムアレー５面に平行な方向に分散される。その中の、赤の波長成分はカラーフィルターセルＲ又は赤を表示する液晶セル６′の位置に、緑の成分はカラーフィルターセルＧ又は緑を表示する液晶セル６′の位置に、青の成分はカラーフィルターセルＢ又は青を表示する液晶セル６′の位置にそれぞれ回折集光するように、ホログラムアレー５を構成配置することにより、それぞれの色成分は各カラーフィルターセルＲ、Ｇ、Ｂ及びブラック・マトリックス４でほとんど減衰されずに各液晶セル６′を通過し、対応する位置の液晶セル６′の状態に応じた色表示を行うことができる。なお、ホログラムアレー５へのバックライト３の入射角度θは、ホログラム記録条件、ホログラムアレー５の厚み、ホログラムアレー５と液晶表示素子６との距離等の種々の条件により定まるものである。

このように、ホログラムアレー５をカラーフィルターとして用いることにより、従来のカラーフィルター用バックライトの各波長成分を無駄なく各色セルへ入射させることができるため、その利用効率を大幅に向上させることができる。

また、上記の第１の形態を変形したものも考えられる。これを図２を参照にして説明する。図２の同様の断面図を参照にして先に提案した第１の形態の変形のカラーフィルターの原理と作用について説明する。同図において、規則的に液晶セル６′に区切られた液晶表示素子６のバックライト３入射側にすでに提案したホログラムを用いたカラーフィルター３０が離間して配置される。液晶表示素子６背面には、各液晶セル６′と整列した図１６と同様なＲ、Ｇ、Ｂの着色セル１′及びその間に設けられたブラック・マトリックス４からなるカラーフィルター１が配置されるか、又は、着色セル１′を省き、ブラック・マトリックス４のみが配置される。以上の他、図示しない偏光板が液晶表示素子６の両側に配置される。

先に提案した第１の形態の変形のカラーフィルター３０は、ホログラム２７とマイクロレンズアレー２８とからなり、マイクロレンズアレー２８を構成するマイクロレンズ２８′は、Ｒ、Ｇ、Ｂの分色画素の繰り返し周期、すなわち、液晶表示素子６の紙面内の方向に隣接する３つの液晶セル６′の組各々に対応して、その繰り返しピッチと同じピッチでアレー状に配置されている。また、ホログラム２７は、回折格子の作用をする一様な干渉縞からなり、回折効率の波長依存性がないかもしくは少ない、レリーフ型、位相型、振幅型等の透過型ホログラムからなる。

このような構成であるので、ホログラム２７の液晶表示素子６と反対側の面からその法線に対して角度θをなしてバックライト３を入射させると、波長に依存して異なる角度で回折され、ホログラム２７の出射側に分散される。ホログラム２７の入射側又は出射側に配置されたマイクロレンズ２８′により、この分散された光は、その焦点面に波長毎に分離されて集光する。その中の、赤の波長成分はカラーフィルターセルＲ又は赤を表示する液晶セル６′の位置に、緑の成分はカラーフィルターセルＧ又は緑を表示する液晶セル６′の位置に、青の成分はカラーフィルターセルＢ又は青を表示する液晶セル６′の位置にそれぞれ回折集光するように、カラーフィルター３０を構成配置することにより、それぞれの色成分は各カラーフィルターセルＲ、Ｇ、Ｂ及びブラック・マトリックス４でほとんど減衰されずに各液晶セル６′を通過し、対応する位置の液晶セル６′の状態に応じた色表示を行うことができる。なお、ホログラム２７へのバックライト３の入射角度θは、ホログラム記録条件、ホログラム２７の厚み、ホログラム２７と液晶表示素子６との距離等の種々の条件により定まるものである。

このような配置において、ホログラム２７として、集光性でなく一様な干渉縞からなる回折効率の波長依存性がないかもしくは少ない透過型ホログラムを用いることができるため、ホログラム２７をマイクロレンズアレー２８の各マイクロレンズ２８′と位置合わせする必要がない点、及び、マイクロレンズアレー２８のピッチが図１６の従来の場合の３倍になり、作りやすくかつ整列しやすい点に特長がある。

次に、図３の同様の断面図を参照にして先に提案した第２の形態のカラーフィルターの原理と作用について説明する。同図において、規則的に液晶セル６′に区切られた液晶表示素子６のバックライト３入射側にすでに提案したカラーフィルターを構成するホログラムアレー１５が離間して配置される。液晶表示素子６背面には、各液晶セル６′と整列した図１６と同様なＲ、Ｇ、Ｂの着色セル１′及びその間に設けられたブラック・マトリックス４からなるカラーフィルター１が配置されるか、又は、着色セル１′を省き、ブラック・マトリックス４のみが配置される。以上の他、図示しない偏光板が液晶表示素子６の両側に配置される。

ホログラムアレー１５は、２枚のホログラム１６、１７を重畳したものか、又は、１枚の感光材料中に２つのホログラム１６、１７を二重に重ねて多重記録されてなるものであり、Ｒ、Ｇ、Ｂの分色画素の繰り返し周期、すなわち、液晶表示素子６の紙面内の方向に隣接する３つの液晶セル６′の組各々に対応して、その繰り返しピッチと同じピッチでアレー状に配置された微小ホログラム１５′からなっている。微小ホログラム１５′は液晶表示素子６の紙面内の方向に隣接する３つの液晶セル６′各組に整列して各々１個ずつ配置されており、各微小ホログラム１５′の中のホログラム１６に属する部分は、ホログラムアレー１５にほぼ垂直に入射する白色のバックライト３の中の赤の波長成分を選択的に回折して、その微小ホログラム１５′に対応する３つの液晶セル６′の組のカラーフィルターセルＲ又は赤を表示する液晶セル６′の位置に集光するように波長選択性のあるフレネルゾーンプレート状に形成されており、また、各微小ホログラム１５′の中のホログラム１７に属する部分は、ホログラムアレー１５にほぼ垂直に入射する白色のバックライト３の中の青の波長成分を選択的に回折して、その微小ホログラム１５′に対応する３つの液晶セル６′の組のカラーフィルターセルＢ又は青を表示する液晶セル６′の位置に集光するように波長選択性のあるフレネルゾーンプレート状に形成されている。ここで、波長選択性があるホログラムとは、リップマンホログラムのように、特定の波長だけを回折し、他の波長は回折しないで透過させるタイプのものである。したがって、液晶表示装置の背後からカラーフィルター１５に垂直に入射する白色のバックライト３の中の青の波長成分の大部分は青色用ホログラム１７により回折集光されてカラーフィルターセルＢ又は青を表示する液晶セル６′の位置に入射し、赤の波長成分の大部分は赤色用ホログラム１６により回折集光されてカラーフィルターセルＲ又は赤を表示する液晶セル６′の位置に入射する。ホログラム１７、１６により回折集光されない緑の成分は、ホログラムアレー１５を通過して直進し、カラーフィルターセルＲ、Ｇ、Ｂ又はそれらの色を表示する液晶セル６′に３分の１ずつ入射するが、カラーフィルターセルＲ、Ｂに入射した分はその位置のフィルターにより遮断され（カラーフィルターの着色セル１′を省く場合は、緑成分が青及び赤を表示する液晶セル６′の位置に入射してしまうので、以下に述べるホログラム３枚重ね又は三重に多重記録する方がより彩度が上がる。）、カラーフィルターセルＧ又は緑を表示する液晶セル６′の位置にのみに実効的に入射する。それぞれの波長成分はほとんど減衰されずに各液晶セル６′を通過し、対応する位置の液晶セル６′の状態に応じた色表示を行うことができる。なお、この代わりに、同様に波長選択性のあるフレネルゾーンプレート状の緑色用ホログラムをさらに加えるか三重に多重記録して、３枚のホログラムそれぞれにより対応するカラーフィルターセル又は液晶セル６′へ対応する波長成分を回折集光させて入射させるようにしてもよい、この場合は、ホログラムの枚数又は多重記録の回数は増えるが、バックライト３の各波長成分を無駄なく各色セルＲ、Ｇ、Ｂ又は液晶セル６′へ入射させることができるため、その利用効率はさらに向上する。

ところで、上記の図３のものにおいては、紙面内の方向に隣接する３つのカラーフィルターセルＲ、Ｇ、Ｂ又は３つの液晶セル６′の組各々に対応して、フレネルゾーンプレート状の微小ホログラム１５′を整列して配置するものであったが、図２の場合と同様、波長選択性がある一様な回折格子状のホログラムを２ないし３枚重ねるか多重記録したものに同様のマイクロレンズアレーを組み合わせて、同様に、ホログラムの回折の波長選択性を利用して、液晶表示用バックライトの利用効率を大幅に向上させることができる。

ところで、以上のようなホログラムカラーフィルター５、３０、１５を背後から照明するための白色バックライト３に要求される光束の平行度としては、カラーフルターのＲ、Ｇ、Ｂの分色画素の２次元配置がストライプ型の場合は、同じ色の分色画素が並んだＸ方向については±４０°程度でもよいが、Ｒ、Ｇ、Ｂの分色画素が周期的に繰り返すＹ方向については±１０°以下、望ましくは５°以下であることが好ましい。また、Ｒ、Ｇ、Ｂの分色画素の２次元配置がデルタ型あるいはその他の型の場合は、Ｘ、Ｙ何れの方向にも±１０°以下、望ましくは５°以下であることが好ましい。

さて、このような平行度を有する白色バックライト３用の本発明による奥行きが浅くコンパクトな平行光源の実施例について、以下に説明する。

先に出願した特願平５−１２５５４号による平行光源は、マイクロレンズアレーの各レンズの焦点に、光ファイバーの先端、導波路の反射面に設けた微小開口を微小二次光源として配置し、マイクロレンズアレーからバックライト用の白色平行光を発生させるものであったが、図４の例では、マイクロレンズアレー３１の背後に特殊な導波路３２を平行に配置する。この導波路３２は、高屈折率のコア３３をなす平板の両側に低屈折率のクラッド３４を被覆してなるものであるが、マイクロレンズアレー３１の二次元ピッチと同じピッチでマイクロレンズアレー３１側のクラッド３４に、周期的に高屈折率部３５が設けられている。この高屈折率部３５の屈性率はコア３３の屈性率と同じかより高くしておく。こうすると、白色光源１０から導波路３２の一端に導入された光は、コア３３とクラッド３４の界面で全反射され、外部に漏れないで導波路３２中をコア３３に沿ってガイドされるが、マイクロレンズアレー３１側のクラッド３４の高屈折率部３５からそのガイド光が外に漏れ、その高屈折率部３５が二次光源となる。したがって、この各高屈折率部３５をマイクロレンズアレー３１の各レンズの焦点に一致させることにより、マイクロレンズアレー３１前方に平行なバックライト３を発生させることができる。

この場合、コア３３の材料として、透明で光伝送性があり光散乱性がある、屈折率の異なる数十μｍ以下の大きさのドメインが相分離してなるブロックポリマー、ポリマーブレンドのような光散乱ポリマーを用いると、損失なくかつ一様で輝度の高い二次光源が高屈折率部３５に得られ、より明るいバックライト３を発生させることができる。

次に、図５の場合は、マイクロレンズアレー３１の背後に配置する導波路３６として、透明板３７の両面に、マイクロレンズアレー３１の二次元ピッチと同じピッチで、かつ、両面で半ピッチずれて微小凸面３８を設け、マイクロレンズアレー３１側のその各レンズの焦点に一致される谷部３９を除いて、両面にアルミニウム等の金属反射層４０を蒸着してなる導波路３６を用いる例である。この場合も、白色光源１０から導波路３６の一端に導入された光は、導波路３６中を透明板３７に沿ってガイドされるが、マイクロレンズアレー３１側の金属反射層４０間の谷部３９からそのガイド光が外に漏れ、その谷部３９がバックライト３用の二次光源となる。しかも、この場合、微小凸面３８表面に設けた金属反射層４０が集光面となり、より効率的に谷部３９から光が漏れることになる。なお、この場合にも、透明板３７の材料として、透明で光伝送性があり光散乱性がある、屈折率の異なる数十μｍ以下の大きさのドメインが相分離してなるブロックポリマー、ポリマーブレンドのような光散乱ポリマーを用いると、損失なくかつ一様で輝度の高い二次光源が谷部３９に得られ、より明るいバックライト３を発生させることができる。

ところで、マイクロレンズアレーの各レンズの焦点に、光ファイバーの先端、導波路の反射面に設けた微小開口、上記のような高屈折率部３５、谷部３９等の微小二次光源の代わりに、直接微小一次光源を配置するようにしても、奥行きが浅くコンパクトな平行光源を構成することができる。以下、この微小一次光源をマイクロレンズアレーの背後に配置するいくつかの例を示す。

図６は、Ｒ、Ｇ、Ｂ各色の光を発光する３つのＬＥＤを近接して配置して構成した白色ＬＥＤ４２を基板４１上にマイクロレンズアレー３１の二次元ピッチと同じピッチで配置し、この白色ＬＥＤ４２をマイクロレンズアレー３１の各レンズの焦点に配置して平行光の白色バックライト３を得るものである。

図７は、ハロリン酸カルシウム等の白色蛍光体４４、又は、（Ｙ，Ｇｅ）ＢＯ₃ ：Ｅｕ等のＲ色蛍光体とＺｎ₂ ＳｉＯ₄ ：Ｍｎ等のＧ色蛍光体とＢａＭｇＡｌ₁₄Ｏ₂₃：Ｅｕ等のＢ色蛍光体とを混合した白色蛍光体４４を、基板４３上にマイクロレンズアレー３１の二次元ピッチと同じピッチで配置し、この白色蛍光体４４をマイクロレンズアレー３１の各レンズの焦点に配置して平行光の白色バックライト３を得るものである。

図８は、マイクロレンズアレー３１の二次元ピッチと同じピッチを有するピンホールアレー４７を各ピンホールがマイクロレンズアレー３１の各レンズの焦点に位置するように配置し、このピンホールアレー４７を介してその背後の基板４６上に設けた白色蛍光体層４８からの白色光をマイクロレンズアレー３１に入射させ、平行光の白色バックライト３を得るものである。

図９は、上記のような白色蛍光体５０をキセノンガス中に保ち、その両側から電極５１、５１で挟んで、キセノンガスから発生した紫外線により白色蛍光体５０を発光させる薄膜蛍光体アレー５２を、基板４９上にマイクロレンズアレー３１の二次元ピッチと同じピッチで配置し、この薄膜蛍光体アレー５２をマイクロレンズアレー３１の各レンズの焦点に合わせて配置して平行光の白色バックライト３を得るものである。

先に出願した特願平５−１２５５４号による、マイクロレンズアレーの各レンズの焦点に、光ファイバーの先端、導波路の反射面に設けた微小開口を微小二次光源として配置する場合、及び、上記の図４〜図９の場合を含め、用いた微小凸レンズからなるマイクロレンズアレーの代わりに、商品名セルフォックとして知られている屈折率分布レンズ（ＧＲＩＮレンズ）をアレー状に配置したＧＲＩＮレンズアレーを用いてもよい。図１０は、光ファイバー５３の先端を二次光源とする場合にＧＲＩＮレンズアレー５４を用いる例を示すもので、光ファイバー５３の一端をＧＲＩＮレンズアレー５４の各レンズの焦点に合わせて配置し、その他端を他の光ファイバー５３の他端と共にまとめて白色光源１０前面に配置し、白色光源１０から各光ファイバー５３の他端に導入された光は、各光ファイバー５３中をガイドされ、各光ファイバー５３の一端から出射した光はＧＲＩＮレンズアレー５４の各ＧＲＩＮレンズにより平行光に変換され、白色の平行バックライト３を得るものである。

なお、図１及び図２のホログラムカラーフィルター５、３０のように、バックライト３をその法線に対して角度θをなして入射させる必要がある場合は、レンズアレー３１、５４の各レンズの焦点に配置すべき一次光源ないし二次光源は、偏心して軸外れで配置すれば、レンズアレー３１、５４はホログラムカラーフィルター５、３０に平行に配置することができる。

以上は、平行光３を得るのにレンズアレー３１、５４を用いる例であったが、次にルーバーを用いて平行なバックライト３を得る例を図１１に示す。ルーバー５５は、空気中又はガラス等の透明媒体中に光吸収層５６を僅かな間隔を置いて平行に一次元状又は二次元状に配置したものであり、この光吸収層５６に沿う直進成分のみを通過させ、光吸収層５６と交差する成分を吸収して通過させないものである。したがって、ルーバー５５の一方の側に発光面積の大きな蛍光灯等の白色光源５７を配置すると、ルーバー５５の他方の側にはその光吸収層５６が向いている方向の直進成分、すなわち、平行光のみが得られるので、これを白色平行バックライト３として利用することができる。

また、奥行きの浅い平行光源を構成するために、フレネル反射鏡を用いることもできる。図１２は放物面をフレネル反射鏡として構成した放物面フレネル反射鏡５８を用いる例を示す図であり、図（ａ）は平行光源の断面図、図（ｂ）は放物面フレネル反射鏡５８の平面図である。図に示すように、放物面フレネル反射鏡５８は、放物面反射鏡を多数の輪帯状の微小反射面５９に切断して断面が鋸の歯状になるように組み合わせてなるもので、放物面反射鏡と同様に点状の白色光源１０から発散する光を平行光３に変換して反射するものである。したがって、この反射光を白色平行バックライト３として利用することができる。

また、図１３に断面図を示すように、ガラス等の透明体からなるテーパー状導光体６５の斜面に断面鋸歯状の全反射フレネル面６６を設け、焦線に配置した直線状白色光源１１からの光を樋状のパラボラ反射鏡１２により平行光にして、テーパー状導光体６５の側面からこの平行光を導入し、全反射フレネル面６６で前方へ反射させ、テーパー状導光体６５のもう１つの側面から所定の角度θで射出させて白色平行バックライト３とすることができる。

さて、以上に提案したような平行光源の何れかと、図１〜図３に示したようなホログラムカラーフィルター５、３０、１５を用いた液晶表示装置とを組み合わせて、カラー液晶表示装置を構成すると、以下のようになる。なお、以下の説明において、図４〜図１３に示したような平行光源の何れかのものを平行光源６０、図１〜図３に示したような、液晶表示素子６、その背面に整列して設けられたカラーフィルター１（又は、ブラック・マトリックス４のみ）及びそれらの両側に配置された偏光板からなる表示パネルをＬＣＤパネル６１と呼ぶことにする。また、ホログラムカラーフィルター５、３０、１５（変形を含めて）の何れかをホログラムカラーフィルター６２と呼ぶことにする。

図１４（ａ）は、ホログラムカラーフィルター６２が斜め方向からのバックライト３を必要とする場合に、平行光源６０としてその出射面から斜めの方向に平行光３を出射させるものを利用する場合のカラー液晶表示装置全体の構成を示す配置を示す図であり、平行光源６０側から順に、平行光源６０、ホログラムカラーフィルター６２、ＬＣＤパネル６１、拡散板６３を平行に配置して奥行きを浅く、全体の厚さを薄く構成することができる。なお、拡散板６３は、ＬＣＤパネル６１の内部あるいはホログラムカラーフィルター６２とＬＣＤパネル６１の間に配置してもよい。

図１４（ｂ）は、ホログラムカラーフィルター６２が斜め方向からのバックライト３を必要とする場合に、平行光源６０としてその出射面から垂直方向に平行光３を出射させるものを利用する場合の同様の図であり、平行光源６０、ホログラムカラーフィルター６２、ＬＣＤパネル６１、拡散板６３の配置順は同図（ａ）と同様であるが、平行光源６０とホログラムカラーフィルター６２は平行でなく、その間にくさび状のスペースを配置しなければならない。その分、全体の厚さは若干厚くなる。

図１４（ｃ）は、ホログラムカラーフィルター６２が垂直方向からのバックライト３を必要とする場合、又は、特願平５−２２５６１４号で提案したように、屈折又は反射を用いた偏向光学素子を利用してバックライト３をホログラムカラーフィルター６１に垂直に入射させる構成の場合に、平行光源６０としてその出射面から垂直方向に平行光３を出射させるものを利用する場合の同様の図であり、平行光源６０、ホログラムカラーフィルター６２、ＬＣＤパネル６１、拡散板６３の配置順は同図（ａ）と同様である。この場合は、平行光源６０はホログラムカラーフィルター６２に平行に配置でき、同図（ａ）と同様に、奥行きを浅く、全体の厚さを薄く構成することができる。

なお、本発明による平行光源６０と組み合わせた液晶表示装置は、ホログラムカラーフィルター６２からの０次光を遮断してＬＣＤパネル６１に入射しないようにすることもできる。図１５はその１つの手段を示しており、ホログラムカラーフィルター６２とＬＣＤパネル６１の間、すなわち、ホログラムカラーフィルター６２の射出側に、所定方向の光のみをカットする構成の０次光遮断ルーバー６４を配置する。このような構成にすると、不要な光が観察側に達しないため明るくコントラストの高い表示ができる。

以上、本発明の液晶表示装置用平行光源及びそれを用いた液晶表示装置をいくつかの実施例に基づいて説明してきたが、本発明はこれら実施例に限定されず種々の変形が可能である。

以上の説明から明らかなように、本発明の液晶表示装置用平行光源によると、平行光源を奥行きの浅い平板状に構成できるので、これをホログラムカラーフィルターを採用した液晶表示装置に組み込むことにより、奥行きが浅くコンパクトで視角が広く明るいカラー液晶表示装置を構成することができる。

先に提案した第１の形態のカラーフィルターの原理と作用を説明するための断面図である。 第１の形態の変形のカラーフィルターの原理と作用を説明するための断面図である。 先に提案した第２の形態のカラーフィルターの原理と作用を説明するための断面図である。 本発明による平行光源の第１実施例の断面図である。 本発明による平行光源の第２実施例の断面図である。 本発明による平行光源の第３実施例の断面図である。 本発明による平行光源の第４実施例の断面図である。 本発明による平行光源の第５実施例の断面図である。 本発明による平行光源の第６実施例の断面図である。 本発明による平行光源の第７実施例の断面図である。 本発明による平行光源の第８実施例の断面図である。 本発明による平行光源の第９実施例の断面図とそれに用いる放物面フレネル反射鏡の平面図である。 本発明による平行光源の第１０実施例の断面図である。 本発明による液晶表示装置の構成例を示す断面図である。 本発明によりホログラムカラーフィルターからの０次光を遮断する構成の液晶表示装置の断面図である。 マイクロレンズアレーを用いる従来例の断面図である。

符号の説明

Ｒ、Ｇ、Ｂ…カラーフィルターセル、分色画素
１…カラーフィルター（吸収型：従来型）
１′…着色セル
３…バックライト
４…ブラック・マトリックス
５…ホログラムアレー（先の提案）
５′…微小ホログラム
６…液晶表示素子
６′…液晶セル
１０…白色光源
１１…直線状白色光源
１２…パラボラ反射鏡
１５…ホログラムアレー（カラーフィルター：先の提案）
１５′…微小ホログラム
１６、１７…ホログラム
２７…ホログラム
２８…マイクロレンズアレー
２８′…マイクロレンズ
３０…カラーフィルター（先の提案）
３１…マイクロレンズアレー
３２…導波路
３３…コア
３４…クラッド
３５…高屈折率部
３６…導波路
３７…透明板
３８…微小凸面
３９…谷部
４０…金属反射層
４１…基板
４２…白色ＬＥＤ
４３…基板
４４…白色蛍光体
４６…基板
４７…ピンホールアレー
４８…白色蛍光体層
４９…基板
５０…白色蛍光体
５１…電極
５２…薄膜蛍光体アレー
５３…光ファイバー
５４…屈折率分布レンズ（ＧＲＩＮレンズ）アレー
５５…ルーバー
５６…光吸収層
５７…白色光源
５８…放物面フレネル反射鏡
５９…微小反射面
６０…平行光源
６１…ＬＣＤパネル
６２…ホログラムカラーフィルター
６３…拡散板
６４…０次光遮断ルーバー
６５…テーパー状導光体
６６…全反射フレネル面

Claims (4)

1. フレネル反射鏡と、その前面に配置した白色光源とからなり、液晶表示装置に入射させるほぼ平行な光を発生させることを特徴とする液晶表示装置用平行光源。
2. カラーフィルターとしてほぼ平行光を回折分光して対応する色の分光画素に入射させるホログラムカラーフィルターを用いた液晶表示装置用の平行光源であって、フレネル反射鏡と、その前面に配置した白色光源とからなり、ホログラムカラーフィルターに入射させるほぼ平行な光を発生させることを特徴とする液晶表示装置用平行光源。
3. 光源側から、平行光源、液晶表示パネルの順で配置され、前記液晶表示パネルの入射側、前記液晶表示パネルの内部、あるいは、前記液晶表示パネルの出射側に拡散板が配置されてなり、前記平行光源として、請求項１又は２記載の液晶表示装置用平行光源を用いたことを特徴とする液晶表示装置。
4. 光源側から、平行光源、ほぼ平行光を回折分光して対応する色の分光画素に入射させるホログラムカラーフィルター、液晶表示パネルの順で配置され、前記液晶表示パネルの内部、前記ホログラムカラーフィルターと前記液晶表示パネルの間、あるいは、前記液晶表示パネルの出射側に拡散板が配置されてなり、前記平行光源として、請求項１又は２記載の液晶表示装置用平行光源を用いたことを特徴とする液晶表示装置。

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