JP3608757B2 - ホログラムカラーフィルターを用いた液晶表示装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ホログラムカラーフィルターを用いた液晶表示装置に関し、特に、照明光の利用効率を大幅に向上させ、色純度、色再現性の良好なホログラムカラーフィルターを用いた液晶表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、顔料、染料等による吸収カラーフィルターを用いたカラー液晶表示装置においては、表示のためにバックライトは必要不可欠なものである。しかしながら、カラー液晶表示装置の背後から白色光をそのまま照射しただけでは、その利用効率は非常に低い。その原因として、主に下記に示す理由があげられる。
【０００３】
▲１▼各色のセル以外のブラック・マトリックスが占める面積が広く、そこに当たった光は無駄になる。
▲２▼各画素へ入射する白色光の中、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）のカラーフィルターを透過する色成分が制限されてしまうので、その他の補色成分は無駄となってしまう。
▲３▼カラーフィルターでの吸収による損失が伴う。
【０００４】
このような問題を解決すべく、例えばマイクロレンズアレーをカラーフィルターの前面に設置し、白色光のバックライト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、バックライトの利用効率を上げる方法が従来より知られている。
【０００５】
しかしながら、この方法でも、白色光３を各カラーフィルターセルＲ、Ｇ、Ｂへ分光して照射することはできないために、上記▲２▼に示す問題の解決はできない。
【０００６】
さらに、このようなカラーフィルターを用いずに、ダイクロイックミラー３枚とマイクロレンズアレーを用いて、光の利用効率を向上させた液晶プロジェクターが特開平４−６０５３８号において提案されている。この場合、上記のような顔料、染料等による吸収カラーフィルターが不要になり、上記の▲１▼〜▲３▼の問題が解決され、カラー映像の輝度は向上するが、３枚のダイクロイックミラーを必要とするため、光学系・装置が大きくなり嵩張ってしまう。また、コストも高いものになってしまう問題がある。
【０００７】
このような状況に鑑み、本出願人は、特願平５−１２１７０号等において、液晶表示用バックライト等の利用効率を大幅に向上させるために、ホログラムを利用したカラーフィルター及びそれを用いた液晶表示装置を提案した。
【０００８】
さらに、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を投影型に変更して、スクリーン上で明るいカラー映像を表示する液晶投影表示装置も、特願平５−２４２２９２号等において提案した。
【０００９】
以下、簡単に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及び液晶投影表示装置について説明する。
まず、図３の断面図を参照にして第１のタイプ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ついて説明する。同図において、規則的に液晶セル６′（画素）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′の間に設けられたブラック・マトリックス４が配置される。以上の他、図示しない偏光板がホログラムアレー５の入射側と液晶表示素子６の射出側に配置される。なお、ブラック・マトリックス４の間には、従来のカラー液晶表示装置と同様に、Ｒ、Ｇ、Ｂの分色画素に対応した色の光を通過する吸収型のカラーフィルターを付加的に配置するようにしてもよい。
【００１０】
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の中心の液晶セルＧ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、他の波長はほとんど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少ない回折格子は、波長に応じて異なる回折角で回折する。
【００１１】
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、赤の波長成分は赤を表示する液晶セルＲの位置に、緑の成分は緑を表示する液晶セルＧの位置に、青の成分は青を表示する液晶セルＢ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。
【００１２】
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吸収なく各液晶セル６′へ入射させることができるため、その利用効率を大幅に向上させることができる。
【００１３】
次に、図４の断面図を参照にして第２のタイプ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ついて説明する。同図において、第２のタイプのホログラムカラーフィルター１０は、ホログラム７と集光性マイクロレンズアレー８とからなり、マイクロレンズアレー８を構成するマイクロレンズ８′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７は、回折格子の作用をする平行で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。液晶表示素子６背面には、各液晶セル６′の間に設けられたブラック・マトリックス４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。なお、ブラック・マトリックス４の間には、従来のカラー液晶表示装置と同様に、Ｒ、Ｇ、Ｂの分色画素に対応した色の光を通過する吸収型のカラーフィルターを付加的に配置するようにしてもよい。
【００１４】
このような構成であるので、ホログラム７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７の射出側に分散される。ホログラム７の入射側又は射出側に配置されたマイクロレンズ８′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、赤の波長成分は赤を表示する液晶セルＲの位置に、緑の成分は緑を表示する液晶セルＧの位置に、青の成分は青を表示する液晶セルＢ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１０を構成配置することにより、それぞれの色成分はブラック・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。
【００１５】
このような配置において、ホログラム７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７をマイクロレンズアレー８の各マイクロレンズ８′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８のピッチが各液晶セル６′各々に対応して１個のマイクロレンズを配置する従来の場合の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。
【００１６】
また、図３及び図４に示したような構成のホログラムカラーフィルターを用いた液晶表示装置をそのまま用いて直視型の液晶表示装置として、あるいは、投影表示用の空間光変調素子として利用して液晶投影表示装置として用いることができる。図５は図３の液晶表示装置を液晶投影表示装置として構成する場合の断面図であり（図４の場合も同様）、ホログラムアレー５の入射側に近接あるいは一体に第１の偏光板１２が、液晶表示素子６の射出側に近接あるいは一体に第２の偏光板１３が配置されている。そして、このカラー液晶表示装置１１は、例えばメタルハライドランプ１５と放物面鏡１６の組み合わせからなる照明装置１４からの白色の平行なバックライト３によって照明され、カラー液晶表示装置１１で変調された表示像は、液晶表示装置１１の近傍に配置されたフィールドレンズ１７を経て、投影レンズ１８により拡大されてスクリーン１９上に拡大結像され、明るい投影像を得ることができる。
【００１７】
上記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においては、ブラック・マトリックス４を含む液晶表示素子６は、実際には、例えば図６に断面を示すように、液晶表示素子６は、例えば、２枚のガラス基板２１、２２の間に挟持されたツイストネマチック等の液晶層２５からなり、バックライト側のガラス基板２１の内表面には、ブラック・マトリックス４と一様な透明対向電極２３が設けられ、表示面側のガラス基板２２の内表面には液晶セルＲ、Ｇ、Ｂ毎に独立に透明画素電極２４と不図示のＴＦＴが設けられている。また、電極２３、２４の液晶層２５側には不図示の配向層も設けられて構成されている。そして、バックライト側のガラス基板２１に近接あるいは接着されて基板２６の液晶表示素子６側表面に設けられたホログラムカラーフィルター５あるいは１０が配置され、基板２６のバックライト側に偏光板１２が、液晶表示素子６の観察側ガラス基板２２外表面に偏光板１３がそれぞれ貼り付けられており、例えばそれらの透過軸は相互に直交するように配置されている。なお、バックライト側の偏光板１２は、基板２６のバックライト側に貼り付ける代わりに、図６中に点線で示すように、ホログラムカラーフィルター５から離してバックライト３の光路中に配置する場合もある。
【００１８】
上記のような液晶表示素子６の画素毎に透明画素電極２４と透明対向電極２３間に印加する電圧を制御してその透過状態を変化させることにより、カラー表示が可能となっている。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のようなホログラムカラーフィルターは波長分散によりＲ、Ｇ、Ｂの色を発色させているが、その色純度を良好にするためには、バックライトとして平行光束が必要である。しかしながら、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、特に、投影型の場合に、バックライト光源として光量の強いメタルハライドランプ等の放電灯が用いられるが、これは点光源ではなく線光源となっているため、これを放物面鏡、集光レンズ等の光学系を用いても、平行度の低いバックライトにしかならず、色純度を低下させる原因になっていた。
【００２０】
本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、メタルハライドランプ等の点光源以外の光源を用いても、色純度の低下を招かず、色再現性の良好なホログラムカラーフィルターを用いた液晶表示装置を提供することである。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明のホログラムカラーフィルターを用いた液晶表示装置は、少なくも液晶表示素子と、その照明光入射側に設けられ、要素集光性ホログラムのアレーからなり、その各要素集光性ホログラムが、ホログラム記録面の法線に対して所定の角度をなして入射する白色光をホログラム記録面に略沿う方向に波長分散させて分光するホログラムカラーフィルター、あるいは、平行で一様な干渉縞からなるホログラム又は回折格子とその入射側あるいは射出側に配置された要素集光性レンズのアレーとからなり、その平行で一様な干渉縞からなるホログラム又は回折格子と要素集光性レンズの複合体各々が、ホログラム又は回折格子の記録面の法線に対して所定の角度をなして入射する白色光をホログラム又は回折格子の記録面に略沿う方向に波長分散させて分光するホログラムカラーフィルターとを備えた液晶表示装置において、前記照明光の光路中に、光軸に対する光線の角度をより小さく変換するための光束拡大型のアフォーカルレンズからなる光学系を備えていることを特徴とするものである。
【００２３】
この場合、照明光の光源としては、例えば、メタルハライドランプ、キセノンランプ、水銀ランプが考えられる。
【００２４】
本発明においては、照明光の光路中に、光軸に対する光線の角度をより小さく変換するための光束拡大型のアフォーカルレンズからなる光学系を備えているので、ホログラムカラーフィルターに入射する照明光の平行度が向上し、ホログラムカラーフィルターで回折された光の各色の波長成分が対応する色を表示する液晶セル以外の液晶セルに入射することがなくなるため、表示の色純度、色再現性が良好になり、かつ、照明光の利用効率を大幅に向上させることができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のホログラムカラーフィルターを用いた液晶表示装置を実施例に基づいて説明する。
本発明は、図３〜図６等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、バックライト３用の光源として点光源以外の面光源、線光源等となっているメタルハライドランプ等を用いることを前提にし、その光源から放射される光束の平行度を向上させるために、入射端に比較して射出端が拡大した円錐状又は角錐状の光ファイバーを用いるか、あるいは、光束拡大型のアフォーカルレンズを用いるものである。
【００２６】
これら光学系は何れも、光軸に対して角度Δ１ で入射する光線をそれより小さい角度Δ２ （Δ１ ＞Δ２ ）に変換して射出させる光学系であり、本発明により、点光源以外の光源から放射される平行度のあまり良くない光束をこれらの光軸に対する光線の角度をより小さく変換する光学系を通過させることで平行度を向上させ、それをホログラムカラーフィルターに入射するバックライト３として用い、ホログラムカラーフィルター５、１０で回折された光の各色の波長成分が対応する色を表示する液晶セル以外の液晶セルに入射することがなくなるようにし、表示の色純度、色再現性を良好にするものである。
【００２７】
まず、図２を参照にして、本発明に基づくバックライト３用の照明装置の構成例を説明する。
【００２８】
図２（ａ）は入射端の径ａ１ に比較して射出端の径ａ２ が大きい円錐状の光ファイバーあるいは円錐状の光ファイバー束３５を用いて、メタルハライドランプ等の線光源３１からの光束の平行度を上げる場合の構成を示す断面図である。すなわち、バックライト３用の照明装置１４は、この例の場合、光軸に平行に発光部が設置されたメタルハライドランプ３１が回転楕円鏡３２の一方の焦点近傍に配置され、回転楕円鏡３２の他方の焦点には、絞り３３が設けられており、絞り３３の中心に物体側焦点を一致させて正レンズ３４が光軸上に配置されている。したがって、メタルハライドランプ３１の線状発光部から放射された光は回転楕円鏡３２で反射され、絞り３３の開口近傍に収束する。また、メタルハライドランプ３１の発光部から直接絞り３３の開口に達する成分もある。
【００２９】
絞り３３の開口を通過した光束は正レンズ３４により光軸に略平行な光束として射出するが、メタルハライドランプ３１が線状発光部を有していること、及び、その発光部から直接絞り３３の開口に入射する成分があることから、光軸に対してあるいは中心の平行成分に対して角度±Δ１ の範囲に光線が分布している。すなわち、正レンズ３４から射出される光束の平行度は±Δ１ である。
【００３０】
そこで、この実施例においては、正レンズ３４から射出される光束中に、入射端の径ａ１ に比較して射出端の径ａ２ が大きい円錐状又は角錐状光ファイバー、あるいは、１本１本の光ファイバーがこのような端部の径の関係にある円錐状又は角錐状光ファイバーを束にした円錐状又は角錐状光ファイバー束３５を配置する。このような入射端と射出端の径の関係にある円錐状又は角錐状光ファイバーあるいは円錐状又は角錐状光ファイバー束３５は、入射光の光軸に対する角度をθ、射出光の光軸に対する角度をθ’とすると、
ａ１ ｓｉｎθ＝ａ２ ｓｉｎθ’
の関係となるので（例えば、長尾和美著「光学技術シリーズ２ 光学フィアイバー」（昭和４９年４月１０日、共立出版（株）発行）第１８〜２１頁）、ａ１ ＜ａ２ であるから、θ＞θ’となる。したがって、円錐状又は角錐状光ファイバーあるいは円錐状又は角錐状光ファイバー束３５に入射する光束の平行度を±Δ１ 、それから射出する光束の平行度を±Δ２ とすると、Δ１ ＞Δ２ となり、射出光の平行度が向上し、より平行光束に近くなっている。なお、同様の関係にある円錐状又は角錐状の内面反射型の反射鏡あるいはそのような円錐状又は角錐状の反射鏡の集合体も、同様に光軸に対する光線の角度をより小さく変換する作用を備えている。
【００３１】
次に、図２（ｂ）は入射側のレンズ３７の焦点距離ｆ1 が射出側のレンズ３８の焦点距離ｆ2 に比較して小さい光束拡大型のアフォーカルレンズ３６を用いて、同様に光束の平行度を上げる場合の構成を示す断面図である。メタルハライドランプ３１、回転楕円鏡３２、絞り３３及び正レンズ３４までの構成は図２（ａ）と同様であり、この例では、正レンズ３４から射出される平行度±Δ1 の光束中に、焦点距離ｆ1 の入射側のレンズ３７と、その像側焦点と物体側焦点が一致している焦点距離ｆ2 の射出側のレンズ３８とからなり、ｆ1 ＜ｆ2 の関係にある光束拡大型のアフォーカルレンズ３６を配置する。このような焦点距離の関係にあるアフォーカルレンズ３６は、入射光の光軸に対する角度をθ、射出光の光軸に対する角度をθ’とすると、幾何光学の関係から、
ｆ1 ｔａｎθ＝ｆ2 ｔａｎθ’
の関係となるので、同様にθ＞θ’となる。したがって、光束拡大型のアフォーカルレンズ３６に入射する光束の平行度を±Δ1 、それから射出する光束の平行度を±Δ2 とすると、Δ1 ＞Δ2 となり、射出光の平行度が向上し、より平行光束に近くなっている。なお、光束拡大型のアフォーカルレンズとしては、負レンズと正レンズの組み合わせからなるものであっても、また、反射光学系からなる望遠系であってもよい。
【００３２】
さて、図１は、１つの実施例として、照明装置１４中に図２（ａ）の円錐状又は角錐状光ファイバーあるいは円錐状又は角錐状光ファイバー束３５をバックライトの光軸に対する光線の角度をより小さく変換する光学系として用いた場合のホログラムカラーフィルターを用いた液晶投影表示装置の断面図であり、ホログラムカラーフィルターとして図３のホログラムアレー５を用いている。
【００３３】
この実施例は、照明装置１４以外は図５の場合と同様であり、ホログラムアレー５の入射側に近接あるいは一体に第１の偏光板１２が、液晶表示素子６の射出側に近接あるいは一体に第２の偏光板１３が配置されている。そして、このカラー液晶表示装置１１は、図２（ａ）の照明装置１４からの平行度が向上した白色のバックライト３によって照明され、カラー液晶表示装置１１で変調された表示像は、液晶表示装置１１の近傍に配置されたフィールドレンズ１７を経て、投影レンズ１８により拡大されてスクリーン１９上に拡大結像され、明るい投影像を得ることができる。
【００３４】
そして、照明装置１４中の円錐状又は角錐状光ファイバーあるいは円錐状又は角錐状光ファイバー束３５により、ホログラムカラーフィルター５に入射するバックライト３の平行度が良くなっているので、ホログラムカラーフィルター５で回折された光の各色の波長成分が対応する色を表示する液晶セル以外の液晶セルに入射することがなくなり、表示の色純度、色再現性が良好になると共に、照明光の利用効率を大幅に向上させることができる。
【００３５】
この場合、バックライト３の光軸に対する光線の角度をより小さく変換する光学系として、円錐状又は角錐状光ファイバーあるいは円錐状又は角錐状光ファイバー束３５の代わりに、図２（ｂ）の光束拡大型のアフォーカルレンズ３６を用いてもよい。また、これらの光学系３５、３６を用いた照明装置１４からの平行度の良いバックライト３を図４の液晶表示装置を用いた液晶投影表示装置、あるいは、図３、図４の直視型の液晶表示装置にも使用できることは明らかであろう。
【００３６】
以上、本発明のホログラムカラーフィルターを用いた液晶表示装置を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。例えば、光源３１として、メタルハライドランプ以外にキセノンランプ、水銀ランプ等を用いることができる。なお、ホログラムカラーフィルター５のホログラムとしては、単層あるいは１枚のホログラムからなるものに限らず、特願平７−２９０８１９号、同７−２９０８２０号記載のもののように、波長分散の空間的な波長分布は相互に略一致しており、かつ、回折効率のピーク波長が相互に異なっている２枚以上あるいは２層以上の重畳あるいは多重記録されてなるホログラムからなるものであってもよい。
【００３７】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明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よると、照明光の光路中に、光軸に対する光線の角度をより小さく変換するための光束拡大型のアフォーカルレンズからなる光学系を備えているので、ホログラムカラーフィルターに入射する照明光の平行度が向上し、ホログラムカラーフィルターで回折された光の各色の波長成分が対応する色を表示する液晶セル以外の液晶セルに入射することがなくなるため、表示の色純度、色再現性が良好になり、かつ、照明光の利用効率を大幅に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に基づくホログラムカラーフィルターを用いた液晶表示装置の１実施例の断面図である。
【図２】光軸に対する光線の角度をより小さく変換する光学系の例を説明するための図である。
【図３】第１のタイプのホログラムカラーフィルターを用いた液晶表示装置の概略断面図である。
【図４】第２のタイプのホログラムカラーフィルターを用いた液晶表示装置の概略断面図である。
【図５】図３の液晶表示装置を用いた液晶投影表示装置の断面図である。
【図６】液晶表示素子の断面図である。
【符号の説明】
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（ホログラムカラーフィルター）
５′…微小ホログラム
６…液晶表示素子
６′…液晶セル
７…ホログラム
８…集光性マイクロレンズアレー
８′…マイクロレンズ
１０…ホログラムカラーフィルター
１１…カラー液晶表示装置
１２、１３…偏光板
１４…照明装置
１５…メタルハライドランプ（線光源）
１６…放物面鏡
１７…フィールドレンズ
１８…投影レンズ
１９…スクリーン
２１…バックライト側ガラス基板
２２…表示面側ガラス基板
２３…透明対向電極
２４…透明画素電極
２５…液晶層
２６…基板
３１…光源
３２…回転楕円鏡
３３…絞り
３４…正レンズ
３５…円錐状又は角錐状光ファイバー又は円錐状又は角錐状光ファイバー束
３６…光束拡大型のアフォーカルレンズ
３７…入射側レンズ
３８…射出側レンズ
【発明の属する技術分野】
本発明は、ホログラムカラーフィルターを用いた液晶表示装置に関し、特に、照明光の利用効率を大幅に向上させ、色純度、色再現性の良好なホログラムカラーフィルターを用いた液晶表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、顔料、染料等による吸収カラーフィルターを用いたカラー液晶表示装置においては、表示のためにバックライトは必要不可欠なものである。しかしながら、カラー液晶表示装置の背後から白色光をそのまま照射しただけでは、その利用効率は非常に低い。その原因として、主に下記に示す理由があげられる。
【０００３】
▲１▼各色のセル以外のブラック・マトリックスが占める面積が広く、そこに当たった光は無駄になる。
▲２▼各画素へ入射する白色光の中、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）のカラーフィルターを透過する色成分が制限されてしまうので、その他の補色成分は無駄となってしまう。
▲３▼カラーフィルターでの吸収による損失が伴う。
【０００４】
このような問題を解決すべく、例えばマイクロレンズアレーをカラーフィルターの前面に設置し、白色光のバックライト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、バックライトの利用効率を上げる方法が従来より知られている。
【０００５】
しかしながら、この方法でも、白色光３を各カラーフィルターセルＲ、Ｇ、Ｂへ分光して照射することはできないために、上記▲２▼に示す問題の解決はできない。
【０００６】
さらに、このようなカラーフィルターを用いずに、ダイクロイックミラー３枚とマイクロレンズアレーを用いて、光の利用効率を向上させた液晶プロジェクターが特開平４−６０５３８号において提案されている。この場合、上記のような顔料、染料等による吸収カラーフィルターが不要になり、上記の▲１▼〜▲３▼の問題が解決され、カラー映像の輝度は向上するが、３枚のダイクロイックミラーを必要とするため、光学系・装置が大きくなり嵩張ってしまう。また、コストも高いものになってしまう問題がある。
【０００７】
このような状況に鑑み、本出願人は、特願平５−１２１７０号等において、液晶表示用バックライト等の利用効率を大幅に向上させるために、ホログラムを利用したカラーフィルター及びそれを用いた液晶表示装置を提案した。
【０００８】
さらに、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を投影型に変更して、スクリーン上で明るいカラー映像を表示する液晶投影表示装置も、特願平５−２４２２９２号等において提案した。
【０００９】
以下、簡単に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及び液晶投影表示装置について説明する。
まず、図３の断面図を参照にして第１のタイプ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ついて説明する。同図において、規則的に液晶セル６′（画素）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′の間に設けられたブラック・マトリックス４が配置される。以上の他、図示しない偏光板がホログラムアレー５の入射側と液晶表示素子６の射出側に配置される。なお、ブラック・マトリックス４の間には、従来のカラー液晶表示装置と同様に、Ｒ、Ｇ、Ｂの分色画素に対応した色の光を通過する吸収型のカラーフィルターを付加的に配置するようにしてもよい。
【００１０】
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の中心の液晶セルＧ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、他の波長はほとんど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少ない回折格子は、波長に応じて異なる回折角で回折する。
【００１１】
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、赤の波長成分は赤を表示する液晶セルＲの位置に、緑の成分は緑を表示する液晶セルＧの位置に、青の成分は青を表示する液晶セルＢ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。
【００１２】
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吸収なく各液晶セル６′へ入射させることができるため、その利用効率を大幅に向上させることができる。
【００１３】
次に、図４の断面図を参照にして第２のタイプ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ついて説明する。同図において、第２のタイプのホログラムカラーフィルター１０は、ホログラム７と集光性マイクロレンズアレー８とからなり、マイクロレンズアレー８を構成するマイクロレンズ８′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７は、回折格子の作用をする平行で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。液晶表示素子６背面には、各液晶セル６′の間に設けられたブラック・マトリックス４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。なお、ブラック・マトリックス４の間には、従来のカラー液晶表示装置と同様に、Ｒ、Ｇ、Ｂの分色画素に対応した色の光を通過する吸収型のカラーフィルターを付加的に配置するようにしてもよい。
【００１４】
このような構成であるので、ホログラム７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７の射出側に分散される。ホログラム７の入射側又は射出側に配置されたマイクロレンズ８′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、赤の波長成分は赤を表示する液晶セルＲの位置に、緑の成分は緑を表示する液晶セルＧの位置に、青の成分は青を表示する液晶セルＢ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１０を構成配置することにより、それぞれの色成分はブラック・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。
【００１５】
このような配置において、ホログラム７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７をマイクロレンズアレー８の各マイクロレンズ８′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８のピッチが各液晶セル６′各々に対応して１個のマイクロレンズを配置する従来の場合の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。
【００１６】
また、図３及び図４に示したような構成のホログラムカラーフィルターを用いた液晶表示装置をそのまま用いて直視型の液晶表示装置として、あるいは、投影表示用の空間光変調素子として利用して液晶投影表示装置として用いることができる。図５は図３の液晶表示装置を液晶投影表示装置として構成する場合の断面図であり（図４の場合も同様）、ホログラムアレー５の入射側に近接あるいは一体に第１の偏光板１２が、液晶表示素子６の射出側に近接あるいは一体に第２の偏光板１３が配置されている。そして、このカラー液晶表示装置１１は、例えばメタルハライドランプ１５と放物面鏡１６の組み合わせからなる照明装置１４からの白色の平行なバックライト３によって照明され、カラー液晶表示装置１１で変調された表示像は、液晶表示装置１１の近傍に配置されたフィールドレンズ１７を経て、投影レンズ１８により拡大されてスクリーン１９上に拡大結像され、明るい投影像を得ることができる。
【００１７】
上記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においては、ブラック・マトリックス４を含む液晶表示素子６は、実際には、例えば図６に断面を示すように、液晶表示素子６は、例えば、２枚のガラス基板２１、２２の間に挟持されたツイストネマチック等の液晶層２５からなり、バックライト側のガラス基板２１の内表面には、ブラック・マトリックス４と一様な透明対向電極２３が設けられ、表示面側のガラス基板２２の内表面には液晶セルＲ、Ｇ、Ｂ毎に独立に透明画素電極２４と不図示のＴＦＴが設けられている。また、電極２３、２４の液晶層２５側には不図示の配向層も設けられて構成されている。そして、バックライト側のガラス基板２１に近接あるいは接着されて基板２６の液晶表示素子６側表面に設けられたホログラムカラーフィルター５あるいは１０が配置され、基板２６のバックライト側に偏光板１２が、液晶表示素子６の観察側ガラス基板２２外表面に偏光板１３がそれぞれ貼り付けられており、例えばそれらの透過軸は相互に直交するように配置されている。なお、バックライト側の偏光板１２は、基板２６のバックライト側に貼り付ける代わりに、図６中に点線で示すように、ホログラムカラーフィルター５から離してバックライト３の光路中に配置する場合もある。
【００１８】
上記のような液晶表示素子６の画素毎に透明画素電極２４と透明対向電極２３間に印加する電圧を制御してその透過状態を変化させることにより、カラー表示が可能となっている。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のようなホログラムカラーフィルターは波長分散によりＲ、Ｇ、Ｂの色を発色させているが、その色純度を良好にするためには、バックライトとして平行光束が必要である。しかしながら、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、特に、投影型の場合に、バックライト光源として光量の強いメタルハライドランプ等の放電灯が用いられるが、これは点光源ではなく線光源となっているため、これを放物面鏡、集光レンズ等の光学系を用いても、平行度の低いバックライトにしかならず、色純度を低下させる原因になっていた。
【００２０】
本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、メタルハライドランプ等の点光源以外の光源を用いても、色純度の低下を招かず、色再現性の良好なホログラムカラーフィルターを用いた液晶表示装置を提供することである。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明のホログラムカラーフィルターを用いた液晶表示装置は、少なくも液晶表示素子と、その照明光入射側に設けられ、要素集光性ホログラムのアレーからなり、その各要素集光性ホログラムが、ホログラム記録面の法線に対して所定の角度をなして入射する白色光をホログラム記録面に略沿う方向に波長分散させて分光するホログラムカラーフィルター、あるいは、平行で一様な干渉縞からなるホログラム又は回折格子とその入射側あるいは射出側に配置された要素集光性レンズのアレーとからなり、その平行で一様な干渉縞からなるホログラム又は回折格子と要素集光性レンズの複合体各々が、ホログラム又は回折格子の記録面の法線に対して所定の角度をなして入射する白色光をホログラム又は回折格子の記録面に略沿う方向に波長分散させて分光するホログラムカラーフィルターとを備えた液晶表示装置において、前記照明光の光路中に、光軸に対する光線の角度をより小さく変換するための光束拡大型のアフォーカルレンズからなる光学系を備えていることを特徴とするものである。
【００２３】
この場合、照明光の光源としては、例えば、メタルハライドランプ、キセノンランプ、水銀ランプが考えられる。
【００２４】
本発明においては、照明光の光路中に、光軸に対する光線の角度をより小さく変換するための光束拡大型のアフォーカルレンズからなる光学系を備えているので、ホログラムカラーフィルターに入射する照明光の平行度が向上し、ホログラムカラーフィルターで回折された光の各色の波長成分が対応する色を表示する液晶セル以外の液晶セルに入射することがなくなるため、表示の色純度、色再現性が良好になり、かつ、照明光の利用効率を大幅に向上させることができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のホログラムカラーフィルターを用いた液晶表示装置を実施例に基づいて説明する。
本発明は、図３〜図６等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、バックライト３用の光源として点光源以外の面光源、線光源等となっているメタルハライドランプ等を用いることを前提にし、その光源から放射される光束の平行度を向上させるために、入射端に比較して射出端が拡大した円錐状又は角錐状の光ファイバーを用いるか、あるいは、光束拡大型のアフォーカルレンズを用いるものである。
【００２６】
これら光学系は何れも、光軸に対して角度Δ１ で入射する光線をそれより小さい角度Δ２ （Δ１ ＞Δ２ ）に変換して射出させる光学系であり、本発明により、点光源以外の光源から放射される平行度のあまり良くない光束をこれらの光軸に対する光線の角度をより小さく変換する光学系を通過させることで平行度を向上させ、それをホログラムカラーフィルターに入射するバックライト３として用い、ホログラムカラーフィルター５、１０で回折された光の各色の波長成分が対応する色を表示する液晶セル以外の液晶セルに入射することがなくなるようにし、表示の色純度、色再現性を良好にするものである。
【００２７】
まず、図２を参照にして、本発明に基づくバックライト３用の照明装置の構成例を説明する。
【００２８】
図２（ａ）は入射端の径ａ１ に比較して射出端の径ａ２ が大きい円錐状の光ファイバーあるいは円錐状の光ファイバー束３５を用いて、メタルハライドランプ等の線光源３１からの光束の平行度を上げる場合の構成を示す断面図である。すなわち、バックライト３用の照明装置１４は、この例の場合、光軸に平行に発光部が設置されたメタルハライドランプ３１が回転楕円鏡３２の一方の焦点近傍に配置され、回転楕円鏡３２の他方の焦点には、絞り３３が設けられており、絞り３３の中心に物体側焦点を一致させて正レンズ３４が光軸上に配置されている。したがって、メタルハライドランプ３１の線状発光部から放射された光は回転楕円鏡３２で反射され、絞り３３の開口近傍に収束する。また、メタルハライドランプ３１の発光部から直接絞り３３の開口に達する成分もある。
【００２９】
絞り３３の開口を通過した光束は正レンズ３４により光軸に略平行な光束として射出するが、メタルハライドランプ３１が線状発光部を有していること、及び、その発光部から直接絞り３３の開口に入射する成分があることから、光軸に対してあるいは中心の平行成分に対して角度±Δ１ の範囲に光線が分布している。すなわち、正レンズ３４から射出される光束の平行度は±Δ１ である。
【００３０】
そこで、この実施例においては、正レンズ３４から射出される光束中に、入射端の径ａ１ に比較して射出端の径ａ２ が大きい円錐状又は角錐状光ファイバー、あるいは、１本１本の光ファイバーがこのような端部の径の関係にある円錐状又は角錐状光ファイバーを束にした円錐状又は角錐状光ファイバー束３５を配置する。このような入射端と射出端の径の関係にある円錐状又は角錐状光ファイバーあるいは円錐状又は角錐状光ファイバー束３５は、入射光の光軸に対する角度をθ、射出光の光軸に対する角度をθ’とすると、
ａ１ ｓｉｎθ＝ａ２ ｓｉｎθ’
の関係となるので（例えば、長尾和美著「光学技術シリーズ２ 光学フィアイバー」（昭和４９年４月１０日、共立出版（株）発行）第１８〜２１頁）、ａ１ ＜ａ２ であるから、θ＞θ’となる。したがって、円錐状又は角錐状光ファイバーあるいは円錐状又は角錐状光ファイバー束３５に入射する光束の平行度を±Δ１ 、それから射出する光束の平行度を±Δ２ とすると、Δ１ ＞Δ２ となり、射出光の平行度が向上し、より平行光束に近くなっている。なお、同様の関係にある円錐状又は角錐状の内面反射型の反射鏡あるいはそのような円錐状又は角錐状の反射鏡の集合体も、同様に光軸に対する光線の角度をより小さく変換する作用を備えている。
【００３１】
次に、図２（ｂ）は入射側のレンズ３７の焦点距離ｆ1 が射出側のレンズ３８の焦点距離ｆ2 に比較して小さい光束拡大型のアフォーカルレンズ３６を用いて、同様に光束の平行度を上げる場合の構成を示す断面図である。メタルハライドランプ３１、回転楕円鏡３２、絞り３３及び正レンズ３４までの構成は図２（ａ）と同様であり、この例では、正レンズ３４から射出される平行度±Δ1 の光束中に、焦点距離ｆ1 の入射側のレンズ３７と、その像側焦点と物体側焦点が一致している焦点距離ｆ2 の射出側のレンズ３８とからなり、ｆ1 ＜ｆ2 の関係にある光束拡大型のアフォーカルレンズ３６を配置する。このような焦点距離の関係にあるアフォーカルレンズ３６は、入射光の光軸に対する角度をθ、射出光の光軸に対する角度をθ’とすると、幾何光学の関係から、
ｆ1 ｔａｎθ＝ｆ2 ｔａｎθ’
の関係となるので、同様にθ＞θ’となる。したがって、光束拡大型のアフォーカルレンズ３６に入射する光束の平行度を±Δ1 、それから射出する光束の平行度を±Δ2 とすると、Δ1 ＞Δ2 となり、射出光の平行度が向上し、より平行光束に近くなっている。なお、光束拡大型のアフォーカルレンズとしては、負レンズと正レンズの組み合わせからなるものであっても、また、反射光学系からなる望遠系であってもよい。
【００３２】
さて、図１は、１つの実施例として、照明装置１４中に図２（ａ）の円錐状又は角錐状光ファイバーあるいは円錐状又は角錐状光ファイバー束３５をバックライトの光軸に対する光線の角度をより小さく変換する光学系として用いた場合のホログラムカラーフィルターを用いた液晶投影表示装置の断面図であり、ホログラムカラーフィルターとして図３のホログラムアレー５を用いている。
【００３３】
この実施例は、照明装置１４以外は図５の場合と同様であり、ホログラムアレー５の入射側に近接あるいは一体に第１の偏光板１２が、液晶表示素子６の射出側に近接あるいは一体に第２の偏光板１３が配置されている。そして、このカラー液晶表示装置１１は、図２（ａ）の照明装置１４からの平行度が向上した白色のバックライト３によって照明され、カラー液晶表示装置１１で変調された表示像は、液晶表示装置１１の近傍に配置されたフィールドレンズ１７を経て、投影レンズ１８により拡大されてスクリーン１９上に拡大結像され、明るい投影像を得ることができる。
【００３４】
そして、照明装置１４中の円錐状又は角錐状光ファイバーあるいは円錐状又は角錐状光ファイバー束３５により、ホログラムカラーフィルター５に入射するバックライト３の平行度が良くなっているので、ホログラムカラーフィルター５で回折された光の各色の波長成分が対応する色を表示する液晶セル以外の液晶セルに入射することがなくなり、表示の色純度、色再現性が良好になると共に、照明光の利用効率を大幅に向上させることができる。
【００３５】
この場合、バックライト３の光軸に対する光線の角度をより小さく変換する光学系として、円錐状又は角錐状光ファイバーあるいは円錐状又は角錐状光ファイバー束３５の代わりに、図２（ｂ）の光束拡大型のアフォーカルレンズ３６を用いてもよい。また、これらの光学系３５、３６を用いた照明装置１４からの平行度の良いバックライト３を図４の液晶表示装置を用いた液晶投影表示装置、あるいは、図３、図４の直視型の液晶表示装置にも使用できることは明らかであろう。
【００３６】
以上、本発明のホログラムカラーフィルターを用いた液晶表示装置を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。例えば、光源３１として、メタルハライドランプ以外にキセノンランプ、水銀ランプ等を用いることができる。なお、ホログラムカラーフィルター５のホログラムとしては、単層あるいは１枚のホログラムからなるものに限らず、特願平７−２９０８１９号、同７−２９０８２０号記載のもののように、波長分散の空間的な波長分布は相互に略一致しており、かつ、回折効率のピーク波長が相互に異なっている２枚以上あるいは２層以上の重畳あるいは多重記録されてなるホログラムからなるものであってもよい。
【００３７】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明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よると、照明光の光路中に、光軸に対する光線の角度をより小さく変換するための光束拡大型のアフォーカルレンズからなる光学系を備えているので、ホログラムカラーフィルターに入射する照明光の平行度が向上し、ホログラムカラーフィルターで回折された光の各色の波長成分が対応する色を表示する液晶セル以外の液晶セルに入射することがなくなるため、表示の色純度、色再現性が良好になり、かつ、照明光の利用効率を大幅に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に基づくホログラムカラーフィルターを用いた液晶表示装置の１実施例の断面図である。
【図２】光軸に対する光線の角度をより小さく変換する光学系の例を説明するための図である。
【図３】第１のタイプのホログラムカラーフィルターを用いた液晶表示装置の概略断面図である。
【図４】第２のタイプのホログラムカラーフィルターを用いた液晶表示装置の概略断面図である。
【図５】図３の液晶表示装置を用いた液晶投影表示装置の断面図である。
【図６】液晶表示素子の断面図である。
【符号の説明】
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（ホログラムカラーフィルター）
５′…微小ホログラム
６…液晶表示素子
６′…液晶セル
７…ホログラム
８…集光性マイクロレンズアレー
８′…マイクロレンズ
１０…ホログラムカラーフィルター
１１…カラー液晶表示装置
１２、１３…偏光板
１４…照明装置
１５…メタルハライドランプ（線光源）
１６…放物面鏡
１７…フィールドレンズ
１８…投影レンズ
１９…スクリーン
２１…バックライト側ガラス基板
２２…表示面側ガラス基板
２３…透明対向電極
２４…透明画素電極
２５…液晶層
２６…基板
３１…光源
３２…回転楕円鏡
３３…絞り
３４…正レンズ
３５…円錐状又は角錐状光ファイバー又は円錐状又は角錐状光ファイバー束
３６…光束拡大型のアフォーカルレンズ
３７…入射側レンズ
３８…射出側レンズ
Claims (2)
- 少なくも液晶表示素子と、その照明光入射側に設けられ、要素集光性ホログラムのアレーからなり、その各要素集光性ホログラムが、ホログラム記録面の法線に対して所定の角度をなして入射する白色光をホログラム記録面に略沿う方向に波長分散させて分光するホログラムカラーフィルター、あるいは、平行で一様な干渉縞からなるホログラム又は回折格子とその入射側あるいは射出側に配置された要素集光性レンズのアレーとからなり、その平行で一様な干渉縞からなるホログラム又は回折格子と要素集光性レンズの複合体各々が、ホログラム又は回折格子の記録面の法線に対して所定の角度をなして入射する白色光をホログラム又は回折格子の記録面に略沿う方向に波長分散させて分光するホログラムカラーフィルターとを備えた液晶表示装置において、
前記照明光の光路中に、光軸に対する光線の角度をより小さく変換するための光束拡大型のアフォーカルレンズからなる光学系を備えていることを特徴とするホログラムカラーフィルターを用いた液晶表示装置。 - 前記照明光の光源が、メタルハライドランプ、キセノンランプ、水銀ランプの何れかであることを特徴とする請求項１記載のホログラムカラーフィルターを用いた液晶表示装置。
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