JP2005062692A - カラー表示装置、光学素子、およびカラー表示装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 1つの画素を赤(R)、緑(G)、青(B)の3つのサブ画素にて表現するカラー表示装置であって、光源11と、この光源11から照射された光を複数の波長領域の光に分離する回折格子15と、この回折格子15により分離された光を受光し、各サブ画素に対応させて光を集光する円筒状レンズアレイ16と、各サブ画素ごとに、集光された光の角度を補正する構造部を含む液晶セル20を備え、この液晶セル20の構造部は、円筒状レンズアレイ16から光が入射される側を高屈折率層、光を出射する出射側を低屈折率層にすると共に、高屈折率層と低屈折率層とによってフレネル型のマイクロプリズム構造を形成する。
【選択図】 図1
Description
また他の目的は、角度補正によって、各サブ画素ごとの出射光を略平行光化することにある。
更に他の目的は、光源が含む波長スペクトル構造に応じた設計を行い、色再現性を向上させることにある。
(実施の形態1)
図1は、本実施の形態が適用されるカラーフィルタレス液晶表示装置(カラーフィルタレス直視型液晶表示装置)の構成を示した図である。このカラーフィルタレス液晶表示装置は、例えば直線状の白色蛍光灯を用いた光源11、光源11からの光を導く入射光学系12、例えばくさび形状を有する導光板13、反射シート14、入射白色光を赤(R)、緑(G)、青(B)の光に分離する分光素子としての回折格子15を備えている。また、液晶セル20、複数のシリンドリカルレンズなどを備えた光学素子(集光素子)である円筒状レンズアレイ16、偏光フィルム17、および拡散フィルム18を備えている。液晶セル20は、後述するように、2枚のガラス基板の間に液晶層が挿入されている。また、液晶セル20は、2枚のガラス基板の間に、本実施の形態における特徴的な構成としてプリズム構造部(後述)を備えている。尚、本実施の形態では、拡散フィルム18の部分に従来設けられていた視野角補正のためのフィルムは必要としていない。
尚、図1に示すようなカラーフィルタレス液晶表示装置における液晶セル20の構成は、投影画像をスクリーンに投射する液晶プロジェクション表示装置に対しても適用することができる。
図4は、斜面および対斜面の2底角と入射光(出射光)との関係について、その最適化を説明するための図である。フレネル型マイクロプリズム構造への入射光の中で、図4に示す例1の入射光は、高屈折率層41と低屈折率層42とで形成される斜面にて屈折し、正しい角度補正がなされた出射光となる。しかし、入射光の一部は、本来の角度補正目的のために形成した斜面ではなく、対斜面に最初に衝突してケラレを生じ、角度補正目的外の方向に反射・拡散を生じてしまう。この割合は、対斜面の底角が小さく傾斜が緩やかになるほど増大する。図4では、例3の入射光が対斜面にて反射・拡散され、ケラレAとなる状態が示されている。一方、フレネル型マイクロプリズム構造において個々のプリズムのうち対斜面の底角を例えば90度以上とした場合には、角度補正目的に沿う側の斜面を屈折透過した光成分の一部が、その後、隣り合う対斜面に当たってケラレを生じやすく、角度補正目的以外の方向に反射・拡散を生じ易くなる。図4には、斜面を屈折透過した光成分の一部である例2の入射光が、対斜面によって反射・拡散され、ケラレBが生じる様子が示されている。このケラレBの発生する割合は、図3の拡大図に示したような対斜面の底角が大きくなり、急峻になるほど増大する。また製造の観点からも対斜面の底角が急峻になるほど、金型および複製の製作難度が高まる。
ここで、液晶セル内蔵マイクロプリズムを取り入れたカラーフィルタレス直視型液晶表示装置により白色表示を行い、各サブ画素からの出射光を顕微鏡観察したところ、赤・緑・青色の各サブ画素に応じた出色が正面方向において高い位置決め精度で実現されていることが確認できた。試作品における正面輝度は設計値204cd/m2に対し、実測値が200cd/m2(マイクロプリズムなしでは162cd/m2)であり、同様なバックライトを用いた視野角補正用回折格子フィルム使用時の輝度に対し2倍以上の輝度値である。マイクロプリズムにより、白色光源が含むあらゆる波長の光を正面方向近傍に角度補正したため、プリズム不使用時に比べ正面輝度の向上が確認されている。
本実施の形態が適用される液晶表示装置では、光源11として、白色光源である例えば三極蛍光管を用いられている。この三極蛍光管は、赤(R)・緑(G)・青(B)の波長スペクトル成分以外に、例えばオレンジ、シアンの波長において小ピークを含むスペクトル成分が存在している。これらのスペクトル成分は、液晶表示装置の色再現性を本質的に悪化させることが従来から問題となっていた。そこで、本実施の形態では、液晶セル20の画素および液晶セル20内のブラックマトリックス25の再設計により、これら色再現性の障害となるオレンジあるいはシアンの波長成分を遮光するように構成した。また、これに合わせてサブ画素毎に形状の異なるマイクロプリズム構造を精度良く形成することにより、カラーフィルタレス液晶表示装置における色再現性を向上させている。
次に、実施の形態2として、マイクロレンズ構造を用いた例について説明する。尚、マイクロプリズム構造について説明した実施の形態1と同様の機能については同様の符号を用い、ここでは、その詳細な説明は省略する。
従来のカラーフィルタレス液晶プロジェクション装置においては、色ごとに異なる視野角依存性および集光機能素子による角度拡がりに起因して、液晶セル20から投影用光学素子に至る過程で拡散効果が生じ、混色・ぼけみによる色再現性・解像度の低下が問題となる。これを解決し、色再現性に優れ、また明瞭でぼけみのない表示画像を得るためには、全ての波長の液晶セル出射光を正面方向を中心とした略平行光に角度補正して、プロジェクションレンズなどの投影用光学素子に入射させる方法が最も有効である。このため、液晶セル20内に2種類のポリマーを用い、各サブ画素ごとに入射成分の波長により異なる入射角に応じて、傾き角(チルト角)が各々設定されるマイクロレンズ構造を形成する。これにより、すべてのサブ画素から正面方向を中心とした略平行光を得ることができる。ここで述べる略平行光とは、正面方向に対して±10度以下、望ましくは±5度以下の範囲に揃って出射される光束を指している。
R2'=(1/3)・R1
を用いて、
R2 = R2'・(nH−nL)/(nH−1)
の関係から算出される。ここでnHおよびnLは、液晶セル20内のマイクロレンズ構造部50,60を形成する高屈折率層51,61の絶対屈折率、および低屈折率層52,62の絶対屈折率のことである。尚、図8および図9において液晶セル20内の各サブ画素に形成されるマイクロレンズにチルト角を与えることは、赤のサブ画素および青のサブ画素の両マイクロレンズを緑のサブ画素側に向けて平行移動することと同義である。所望のチルト角を与えるためのマイクロレンズ平行移動量は、サブ画素の周期とマイクロレンズの曲率半径とをパラメータとして容易に算出される。
図12は、マイクロプリズム/マイクロレンズの製造方法の工程を示した図である。まず設計値に基づき、金型材料表面へのレンズ形状等の切削加工により、金型が作製される(ステップ101)。型材料としては、CuやAl、Niなどの金属でもよいし、シリコンエラストマー等でも良い。この作製された金型が洗浄された(ステップ102)後、低屈折率光硬化樹脂、例えばフッ素系樹脂が塗布される(ステップ103)。一方で、ガラス基板22が洗浄された(ステップ121)後、樹脂との密着性を向上させるための表面処理がガラス基板22の表面に施される(ステップ122)。ステップ104では、ステップ103にて樹脂の塗布された金型と、ステップ122にて表面処理が施されたガラス基板22とを貼り合わせ(ステップ104)、紫外光を照射して低屈折率樹脂を硬化させる(ステップ105)。次に金型から樹脂の密着したガラス基板22を引き剥がすことで(ステップ106)、マイクロプリズム/マイクロレンズ作製が完了する。更に本実施の形態においては、低屈折率樹脂によりマイクロプリズム/マイクロレンズ構造が形成されたガラス基板22上に高屈折率光硬化樹脂、例えばアクリル系樹脂を塗布する(ステップ107)。そして、別途用意され、ステップ111によって洗浄された平坦化用型をこれに貼り合わせ、再び紫外光を照射して樹脂を硬化させる(ステップ108)。平坦化用型は金属には限らない。最後に平坦化用型を、2種類の樹脂による平坦化マイクロプリズム/マイクロレンズ構造の形成されたガラス基板22から剥離することで(ステップ109)、マイクロプリズム/マイクロレンズの製造が終了する(ステップ110)。その後、液晶セル20の生成プロセスが実行される。
更に、本実施の形態では、液晶セル20内にプリズム/マイクロレンズ構造を導入することで、視差の無い液晶表示装置を提供している。
また更に、金型から液晶セル用ガラス基板にプリズム/レンズ形状を転写する際、加熱プロセスでなく光照射プロセスを用いることによって、熱膨張による設計値からの誤差が生じないマイクロプリズム/マイクロレンズ構造を提供することもできる。
Claims (19)
- 光源と、
前記光源から照射された光を複数の波長領域の光に分離する波長分離手段と、
前記波長分離手段により分離された光を受光し、所定のサブ画素に対応させて所定の波長領域の光を集光する集光手段と、
前記サブ画素の各々に対して前記集光手段により集光された各サブ画素の光を、正面方向を中心として略対称かつ略同等な出射角分布を持たせて出射する角度補正手段と
を含むカラー表示装置。 - 前記角度補正手段は、光の入射側を高屈折率層、出射側を低屈折率層にすると共に、各サブ画素ごとに形状を異ならせた光学構造で構成されることを特徴とする請求項1記載のカラー表示装置。
- 前記角度補正手段は、各サブ画素ごとに前記高屈折率層および前記低屈折率層の界面の角度が異なるプリズム構造またはフレネル型マイクロプリズム構造を有することを特徴とする請求項2記載のカラー表示装置。
- 前記サブ画素の各々に分離される光以外の波長成分に合わせて形状が決定され、当該波長成分の光を遮光する遮光手段を更に含む請求項1記載のカラー表示装置。
- 光源と、
前記光源から照射された光を複数の波長領域の光に分離する波長分離手段と、
前記波長分離手段により分離された光を受光し、所定のサブ画素に対応させて所定の波長領域の光を集光する集光手段と、
前記サブ画素の各々に対して前記集光手段により集光された各サブ画素の光を、所定の方向に向けて略平行光化する角度補正手段と
を含むカラー表示装置。 - 前記角度補正手段は、光の入射側を高屈折率層、出射側を低屈折率層にすると共に、各サブ画素ごとにチルト角が異なるマイクロレンズ構造を当該高屈折率層および当該低屈折率層によって形成することを特徴とする請求項5記載のカラー表示装置。
- 1つの画素を赤(R)、緑(G)、青(B)の3つのサブ画素にて表現するカラー表示装置であって、
光源と、
前記光源から照射された光を複数の波長領域の光に分離する分光素子と、
前記分光素子により分離された光を受光し、赤(R)、緑(G)、青(B)の各サブ画素に対応させて光を集光する集光素子と、
赤(R)、緑(G)、青(B)に対応する前記サブ画素ごとに、前記集光素子により集光された光の角度を補正する構造部とを含み、
前記構造部は、前記集光素子から光が入射される側を高屈折率層、光を出射する出射側を低屈折率層にすると共に、当該高屈折率層と当該低屈折率層とによってフレネル型のマイクロプリズム構造を形成することを特徴とするカラー表示装置。 - 前記構造部における前記フレネル型のマイクロプリズム構造は、前記サブ画素ごとに形状が異なることを特徴とする請求項7記載のカラー表示装置。
- 前記構造部における前記フレネル型のマイクロプリズム構造は、赤(R)および青(B)のサブ画素については約45度、緑(G)のサブ画素については約14度の底角を有する斜面を形成することを特徴とする請求項7記載のカラー表示装置。
- 前記構造部における前記フレネル型のマイクロプリズム構造は、当該マイクロプリズム構造の対斜面の底角が70度以上90度未満であることを特徴とする請求項7記載のカラー表示装置。
- 1つの画素を赤(R)、緑(G)、青(B)の3つのサブ画素にて表現するカラー表示装置であって、
光源と、
前記光源から照射された光を複数の波長領域の光に分離する分光素子と、
前記分光素子により分離された光を受光し、赤(R)、緑(G)、青(B)の各サブ画素に対応させて光を集光する集光素子と、
赤(R)、緑(G)、青(B)に対応する前記サブ画素ごとに、前記集光素子により集光された各サブ画素の光の角度を補正する構造部とを含み、
前記構造部は、前記集光素子から光が入射される側を高屈折率層、光を出射する出射側を低屈折率層とし、これらによって所定の界面を形成すると共に、当該界面は、赤(R)および青(B)に対応するサブ画素については左右略対称で各々約45度、緑(G)に対応するサブ画素については約14度、傾いていることを特徴とするカラー表示装置。 - 前記構造部における前記界面は、各サブ画素ごとに形状の異なるフレネル型のマイクロプリズム構造を有し、当該マイクロプリズム構造を各々形成する少なくとも1つの斜面について、赤(R)および青(B)のサブ画素については約45度、緑(G)のサブ画素については約14度の底角を有することを特徴とする請求項11記載のカラー表示装置。
- 1つの画素を赤(R)、緑(G)、青(B)の3つのサブ画素にて表現するカラー表示装置であって、
光源と、
前記光源から照射された光を複数の波長領域の光に分離する分光素子と、
前記分光素子により分離された光を受光し、赤(R)、緑(G)、青(B)の各サブ画素に対応させて光を集光する集光素子と、
赤(R)、緑(G)、青(B)に対応する前記サブ画素ごとに、前記集光素子により集光された各サブ画素の光の角度を補正する構造部とを含み、
前記構造部は、前記集光素子から光が入射される側を高屈折率層、光を出射する出射側を低屈折率層とし、これらによって所定の界面を形成すると共に、当該界面は、前記サブ画素ごとにレンズ構造を形成することを特徴とするカラー表示装置。 - 前記構造部の前記界面によって形成される前記レンズ構造は、前記サブ画素ごとに傾き角が設定されることを特徴とする請求項13記載のカラー表示装置。
- 前記構造部の前記界面は、前記サブ画素ごとに異なる形状からなるフレネル型マイクロレンズ構造を含むことを特徴とする請求項13記載のカラー表示装置。
- 波長に依存して異なる角度で入射された光の出射角度を補正する光学素子であって、
第1のポリマーによって形成され、光の入射側に設けられる高屈折率層と、
前記第1のポリマーに比べて屈折率の低い第2のポリマーによって形成され、光の出射側に前記高屈折率層に接触して設けられる低屈折率層とを備え、
前記高屈折率層および前記低屈折率層は、赤(R)、緑(G)、青(B)の各色対応のサブ画素ごとに異なる形状を有することを特徴とする光学素子。 - 前記高屈折率層および前記低屈折率層は、プリズム構造を形成し、前記サブ画素ごとにプリズムの角度が異なることを特徴とする請求項16記載の光学素子。
- 前記高屈折率層および前記低屈折率層は、前記サブ画素ごとにレンズ構造を形成することを特徴とする請求項16記載の光学素子。
- 基板上に光学素子を形成してなるカラー表示装置の製造方法であって、
各色対応のサブ画素に応じて所定の形状が形成されている型に対して低屈折率光硬化樹脂を塗布する工程と、
前記型と前記基板とを貼り合わせ、塗布された前記低屈折率光硬化樹脂に光を照射させて硬化させる工程と、
前記型を剥離した後、硬化された前記低屈折率光硬化樹脂の上に平坦化用型を用いて高屈折率光硬化樹脂を塗布する工程と、
塗布された前記高屈折率光硬化樹脂に光を照射させて硬化させる工程と、
前記平坦化用型を前記基板から剥離する工程と
を含むカラー表示装置の製造方法。
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