JP3717016B2 - ホログラムを用いた反射型液晶表示装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、ホログラムを用いた反射型液晶表示装置に関し、特に、カラーフィルターとしてホログラムを用いた反射型液晶表示装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、反射型液晶表示装置は、表示コントラストを重視してきたため、偏光板を用いてTN、STNモードでの駆動が中心であった。このとき、液晶パネルへの入射光を散乱性反射板により反射させ表示を行っていた。しかし、この方式では、入射光の半分以上が偏光板により吸収されてしまい、反射輝度が低下し表示の明るさが不十分であるという欠点があった。
【0003】
このような反射輝度の低さを補うため、ここ数年、偏光板を用いないパネル構造がいくつか提案され、携帯用情報端末の表示装置として要求される明るさに近づいてきた。このような構造では、液晶層の背後のTFT等の駆動素子の上に絶縁層を介して反射板兼電極を形成する。反射板は入射光を散乱させるために粗面化してあり、どの角度からでも表示が見えるようになっている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このような反射板は、紙のようにどの角度からでもある程度の明るさで見える代わりに、観察者が通常最も頻繁に見る角度においてあまり明るくないという欠点があった。また、カラー表示を行う場合に、液晶パネル表面にカラーフィルターを配置すると、さらに反射輝度が低下して十分な明るさが得られなかった。
【0005】
ところで、反射光をある散乱角度内に制限して輝度を向上させるためには、微粒子を分散した散乱フィルムを液晶パネル表面に貼る方法がある。しかし、この方法は、反射輝度の向上のみが可能であり、カラー化する場合にはカラーフィルターを別途用いる必要があると言う問題があった。
【0006】
本発明はこのような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、カラーフィルターとしてホログラムを用いて、反射型液晶表示装置の反射輝度を向上させて明るいカラー画像が得られるようにすることである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の第1のホログラムを用いた反射型液晶表示装置は、画素毎に区切られた画素電極と共通電極の間に挟持され、画素毎に透過率が制御可能な液晶層を備えた反射型液晶表示装置において、液晶層の観察側と反対側に接して、所定の入射角で観察側から入射する光を制限された反射散乱角内に回折する反射散乱ホログラム層を備えていることを特徴とするものである。
【0008】
この場合、反射散乱ホログラム層が複数の波長域において制限された反射散乱角内に回折する特性を有するものであること、あるいは、連続する波長域において制限された反射散乱角内に回折する特性を有することが望ましい。
【0009】
また、液晶層の観察側に画素電極と整列してRGBのカラーフィルターを配置してカラー化を図ることができる。
【0010】
本発明の第2のホログラムを用いた反射型液晶表示装置は、画素毎に区切られた画素電極と共通電極の間に挟持され、画素毎に透過率が制御可能な液晶層を備えた反射型液晶表示装置において、液晶層の観察側と反対側に接して、隣接する画素間で所定の入射角で観察側から入射する光中の異なる波長成分を制限された反射散乱角内に回折する反射型カラーフィルター兼用の反射散乱ホログラム層を備えていることを特徴とするものである。
【0013】
以上の各反射型液晶表示装置において、液晶層としては例えば相転移型ゲストホスト液晶から構成することができる。
【0014】
本発明においては、制限された反射散乱角内に回折する反射散乱ホログラム層を備える場合には、その反射散乱角が任意に設定できるので、反射型液晶表示装置の用途に最も適した視角特性を得ることができる。また、制限された反射散乱角内に回折する反射型カラーフィルター兼用の反射散乱ホログラム層を備える場合には、それに加えて、カラーフィルタを使用することなく反射型液晶表示装置の反射輝度を向上させて、明るいカラー画像が得られる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照にして本発明のホログラムを用いた反射型液晶表示装置のいくつかの実施形態を説明する。
図1は、本発明の反射型液晶表示装置の基本形態の断面図であり、観察側から、ガラス基板1、対向共通透明電極を構成するITO(酸化インジウム錫)膜2、偏光板を用いなくとも光変調動作の可能な相転移型ゲストホスト液晶等の液晶層3、本発明による視角が制限された反射散乱ホログラム4、反射板兼画素電極5、アクリル等の絶縁層6、TFT7、ガラス基板8からなり、各画素電極5は絶縁層6を介して各TFT7に接続されており、TFT7の状態により画素電極5とITO膜2の間に画素毎に選択的に電圧印加制御が可能になっている。
【0016】
本発明による視角が制限された反射散乱ホログラム4は、例えば図2に示すような配置で撮影される。すなわち、フォトポリマー等の体積ホログラム感材10の背後に所定の距離離間して散乱板11を配置し、ホログラム感材10の前面から所定の入射角θ(20°程度)で参照光12を入射させ、一方同じ波長の照明光13で散乱板11を照明し、その散乱板11からの散乱光14をホログラム感材10の背面から同時に入射させ、参照光12と散乱光14をホログラム感材10中で干渉させて反射散乱ホログラム4を撮影する。
【0017】
このような反射散乱ホログラム4は、図3に示すように、入射角θで入射する外光15を、あたかも撮影の際の散乱板11の位置から散乱光が出るように回折光16が角度α内に制限されて反射回折する。この角度αは、図2の撮影の際の散乱板11のホログラム感材10からの距離と寸法に依存するので、これらのパラメータを調整することにより、角度αは所望の範囲に設定できる。
【0018】
したがって、このように反射回折角がα内に制限されている反射散乱ホログラム4を、図1に示すように、液晶層3の背面に配置すると、反射型液晶表示装置の観察側から入射する外光中の入射角θで入射する成分15は、ガラス基板1、ITO膜2を経て、TFT7のスイッチングにより画素電極5とITO膜2の間に電圧印加がされて透過状態にある画素の液晶層3を透過し、反射散乱ホログラム4により角度(視角)α内に反射散乱され、再度液晶層3、ITO膜2、ガラス基板1を通って、視角α内にある観察者の目に達する。
【0019】
そのため、図1のような構成により、各画素のTFT7による変調状態の組み合せにより任意の画像が反射表示できる。しかも、外光を全角度に散乱させるのではなく、観察者が最も頻繁に画面を見る角度αの範囲内に制限して散乱させるので、表示輝度を向上させた明るい画像表示が可能になる。
【0020】
なお、図2のような配置で撮影した反射散乱ホログラム4は単色の散乱しかせず、表示は色の着いたモノクロ表示となる。これを白色の散乱をするようにするには、図2の配置での撮影をR(赤色)、G(緑色)、B(青色)各波長域内にある3つの波長で3回多重に行えばよい。また、それら各波長で記録した同様のホログラムを3枚重ねて用いてもよい。さらには、フォトポリマー等の体積ホログラム感材10中にモノマー、可塑剤等を拡散させて回折波長を調節するカラーチューニングフィルムの密着・加熱(特開平3−46687号)による回折波長の半値幅の増加によってもよい。
【0021】
次に、図1のような配置を用いて反射型カラー液晶表示装置を構成する例について、図4の断面図を用いて説明する。図4の構成は、観察側のガラス基板1とITO膜2の間に、カラーフィルター20を追加した点以外は、図1の構成と同じであり、カラーフィルター20のR、G、Bフィルターそれぞれを画素電極5と整列させてあり、隣接するR、G、Bフィルター(画素)3つで1つのカラー表示単位21を構成している。
【0022】
この場合は、反射散乱ホログラム4は、上記のように、白色の散乱をするように構成されたものであり、外光中の入射角θで入射する成分15は、ガラス基板1、カラーフィルター20、ITO膜2を経て、TFT7のスイッチングにより画素電極5とITO膜2の間に電圧印加がされて透過状態にある画素の液晶層3を透過し、反射散乱ホログラム4により角度(視角)α内に反射散乱され、再度液晶層3、ITO膜2、カラーフィルター20、ガラス基板1を通って、その画素のカラーフィルター20の色の光が視角α内にある観察者の目に達する。
【0023】
したがって、カラー表示単位21中の画素R、G、Bの変調状態の組み合せによって3つの色の光の加法混色により任意の色が任意の輝度で表示可能になり、2次元的に配置されたカラー表示単位21の組み合わせで、観察者が最も頻繁に画面を見る角度αの範囲内で、表示輝度を向上させた明るいカラー画像表示が可能になる。
【0024】
次に、図1のような配置において、反射散乱ホログラム4にカラーフィルターの機能を兼用させて、図4のようなカラーフィルター20を用いない例について、図5の断面図を用いて説明する。観察側から、ガラス基板1、対向共通透明電極を構成するITO膜2、相転移型ゲストホスト液晶等の液晶層3、カラーフィルター兼用の視角が制限された反射散乱ホログラム24、反射板兼画素電極5、絶縁層6、TFT7、ガラス基板8からなり、各画素電極5は絶縁層6を介して各TFT7に接続されており、TFT7の状態により画素電極5とITO膜2の間に画素毎に選択的に電圧印加制御が可能になっている。
【0025】
ここで、カラーフィルター兼用の視角が制限された反射散乱ホログラム24は、図6(a)に示すように、例えば、R波長域内にある波長の参照光12Rと照明光13Rを用い、図2と同様な配置で、しかも、ホログラム感材10の露光域をR画素の位置に制限する開口板25Rをホログラム感材10の両側に配置して(図6では、片方の開口板25Rのみを図示してある。以下、同様)、そのR画素の位置にR波長域内にある波長の光のみを反射散乱回折する反射散乱ホログラムを記録する。同様に、図6(b)に示すように、ホログラム感材10の露光域をG画素の位置に制限する開口板25Gをホログラム感材10の両側に配置して、G波長域内にある波長の参照光12Gと照明光13Gを用い、同様な配置でG画素の位置にG波長域内にある波長の光のみを反射散乱回折する反射散乱ホログラムを記録する。同様の記録をB画素の位置にB波長域内にある波長の光のみを反射散乱回折する反射散乱ホログラムを記録する。この3回の記録を行って作製されたホログラムが図5のカラーフィルター兼用の視角が制限された反射散乱ホログラム24である。なお、R、G、B画素がストライプ型配置の場合は、開口板25R、25G、25Bは同じ1枚の開口板を1画素ずつずらして用いればよい。
【0026】
図5に戻って、カラーフィルター兼用の視角が制限された反射散乱ホログラム24のR、G、Bフィルターそれぞれは画素電極5と整列させてあり、隣接するR、G、Bフィルター(画素)3つで1つのカラー表示単位21を構成している。この場合、外光中の入射角θで入射する成分15は、ガラス基板1、ITO膜2を経て、TFT7のスイッチングにより画素電極5とITO膜2の間に電圧印加がされて透過状態にある画素の液晶層3を透過し、反射散乱ホログラム24によりその画素位置の波長の光のみが角度(視角)α内に反射散乱され、再度液晶層3、ITO膜2、ガラス基板1を通って、その画素の反射散乱ホログラム24の反射散乱波長の色の光のみが視角α内にある観察者の目に達する。
【0027】
したがって、カラー表示単位21中の画素R、G、Bの変調状態の組み合せによって3つの色の光の加法混色により任意の色が任意の輝度で表示可能になり、2次元的に配置されたカラー表示単位21の組み合わせで、観察者が最も頻繁に画面を見る角度αの範囲内で、表示輝度を向上させた明るいカラー画像表示が可能になる。この例の場合は、図4の例と比較して、カラーフィルター20を用いない分部品点数が少なくてすみ、また、吸収フィルターであるカラーフィルター20を用いない分明るい表示が可能になる。
【0028】
次に、C(シアン)、M(マゼンタ)、Y(イエロー)の3色からなるホログラムカラーフィルターを液晶層の表面側に配置してなる反射型液晶表示装置の例を図7の断面図を参照にして説明する。この実施例の場合、観察側から、ガラス基板1、ホログラムカラーフィルター28、対向共通透明電極を構成するITO膜2、相転移型ゲストホスト液晶等の液晶層3、反射板兼画素電極5、絶縁層6、TFT7、ガラス基板8からなり、各画素電極5は絶縁層6を介して各TFT7に接続されており、TFT7の状態により画素電極5とITO膜2の間に画素毎に選択的に電圧印加制御が可能になっている。
【0029】
ここで、ホログラムカラーフィルター28は、画素電極5と整列して配置されているC、M、Yフィルターの繰り返しからなり、隣接するC、M、Yフィルター(画素)3つで1つのカラー表示単位21を構成している。そして、Cフィルターは、入射角θで入射する外光15中のR(赤色)成分を観察者が通常見る角度(視角α)外に反射回折するように構成されており、同様に、Mフィルターは、入射角θで入射する外光15中のG(緑色)成分を視角α外に反射回折するように、Yフィルターは、入射角θで入射する外光15中のB(青色)成分を視角α外に反射回折するように構成されている。
【0030】
したがって、外光中の入射角θで入射する成分15は、ガラス基板1を経てホログラムカラーフィルター28に入射し、Cフィルターの画素においては、R成分が抜けたC成分が、Mフィルターの画素においては、G成分が抜けたM成分が、Yフィルターの画素においては、B成分が抜けたY成分がそれぞれ通過し、ITO膜2を経て、TFT7のスイッチングにより画素電極5とITO膜2の間に電圧印加がされて透過状態にある画素の液晶層3を透過し、反射板兼画素電極5により所定方向に反射され(反射板兼画素電極5の表面が鏡面の場合は正反射、散乱反射面の場合は反射散乱)、再度液晶層3、ITO膜2、ホログラムカラーフィルター28、ガラス基板1を通って、その画素のフィルターの通過成分の色の光のみが観察者の目に達する。
【0031】
この例の場合、反射型ホログラム28の回折角度制限特性を視角制限に利用できないが、カラー表示単位21中の画素C、M、Yの変調状態の組み合せによって3つの色の光の加法混色により任意の色が任意の輝度で明るい表示が可能になる。C、M、Yの加法混色のため色の純度が低下するが、バックライトを用いないで明るい反射型のカラー液晶表示装置を構成することができる。
【0032】
以下、図5の反射型カラー液晶表示装置の具体例を説明する。
TFTが形成されたガラス基板上にアクリルをスピンコートより成膜した後、TFTとのコンタクトホールを形成し、その上にアルミニウムをスパッタリングし、フォトリソグラフィーにより反射電極を形成した。
【0033】
他方、体積ホログラム用フォトポリマーフィルムを両面からメタルマスク(開口板)で挟み、メタルマスクを1画素ずつずらしながら、633nm(He−Neレーザー)、514nm(Arレーザー)、488nm(Arレーザー)の露光を順次行い、リップマンホログラムを作製した。このメタルマスクには、1画素ピッチに相当する幅のストライプ状の孔が形成されたものを使用した。露光は、参照光はフィルム表面に法線方向と20°なすように入射させ、物体光は散乱板からの散乱光がフィルム裏面に略垂直になるように入射させた。以上の操作により、フィルムに直角な方向から20°の角度で入射した光が最も効率よく正面に反射され、しかも、R、G、Bの反射特性を有するホログラムのストライプパターンを作製することができた。
【0034】
このホログラムを上記反射電極面上に整列してラミネートした後、その基板と表示部分にITO膜が全面に成膜された基板とを、通常のセル組工程を経て貼り合わせ、相転移型ゲストホスト液晶を間に注入して、ホログラム反射散乱層を反射電極上に有する反射型液晶パネルを作製した。
【0035】
この反射型液晶パネルの駆動試験を行い、通常の角度方向から表示を観察したところ、従来の偏光板付き反射型パネルとON状態で比較すると、より明るい表示が得られた。
【0036】
以上、本発明のホログラムを用いた反射型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。また、使用する液晶も相転移型ゲストホスト液晶に限らず、偏光板を用いたり偏光板を用いないでよい各種の液晶、例えば、TN、STN、反射型STN、電界誘起複屈折モード、Optically Compensated Bendモード、Heilmeier 型ゲストホストモード、二層型ゲストホストモード、αゲストホストモード、コレステリック・ネマチック相転移モード、高分子分散型モード等の液晶を用いることもできる。
【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を用いた反射型液晶表示装置によると、制限された反射散乱角内に回折する反射散乱ホログラム層を備える場合には、その反射散乱角が任意に設定できるので、反射型液晶表示装置の用途に最も適した視角特性を得ることができる。また、制限された反射散乱角内に回折する反射型カラーフィルター兼用の反射散乱ホログラム層を備える場合には、それに加えて、カラーフィルタを使用することなく反射型液晶表示装置の反射輝度を向上させて、明るいカラー画像が得られる。さらに、液晶層の観察側に、隣接する画素間で所定の入射角で観察側から入射する光中の異なる波長成分を観察域外に反射回折する反射型ホログラム層を備える場合には、C、M、Yの加法混色により明るい反射型カラー液晶表示装置を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるホログラムを用いた反射型液晶表示装置の第1の実施例の断面図である。
【図2】図1の反射型液晶表示装置に用いる反射散乱ホログラムの撮影のための配置を示す図である。
【図3】図2の配置によって得られた反射散乱ホログラムの作用を説明するための図である。
【図4】図1の反射型液晶表示装置を反射型カラー液晶表示装置に構成した実施例の断面図である。
【図5】本発明によるホログラムを用いた反射型液晶表示装置の第2の実施例の断面図である。
【図6】図2の反射型液晶表示装置に用いる反射散乱ホログラムの撮影のための配置を示す図である。
【図7】本発明によるホログラムを用いた反射型液晶表示装置の第3の実施例の断面図である。
【符号の説明】
1…ガラス基板
2…ITO膜
3…液晶層
4…反射散乱ホログラム
5…反射板兼画素電極
6…絶縁層
7…TFT
8…ガラス基板
10…体積ホログラム感材
11…散乱板
12…参照光
12R…R波長域内にある波長の参照光
12G…G波長域内にある波長の参照光
13…照明光
13R…R波長域内にある波長の照明光
13G…G波長域内にある波長の照明光
14…散乱光
15…外光
16…回折光
20…カラーフィルター
21…カラー表示単位
24…カラーフィルター兼用の視角が制限された反射散乱ホログラム
25R…露光域をR画素の位置に制限する開口板
25G…露光域をG画素の位置に制限する開口板
28…ホログラムカラーフィルター
Claims (7)
- 画素毎に区切られた画素電極と共通電極の間に挟持され、画素毎に透過率が制御可能な液晶層を備えた反射型液晶表示装置において、液晶層の観察側と反対側に接して、所定の入射角で観察側から入射する光を制限された反射散乱角内に回折する反射散乱ホログラム層を備えていることを特徴とするホログラムを用いた反射型液晶表示装置。
- 前記液晶層が相転移型ゲストホスト液晶からなることを特徴とする請求項1記載のホログラムを用いた反射型液晶表示装置。
- 前記反射散乱ホログラム層が複数の波長域において制限された反射散乱角内に回折する特性を有することを特徴とする請求項1又は2記載のホログラムを用いた反射型液晶表示装置。
- 前記反射散乱ホログラム層が連続する波長域において制限された反射散乱角内に回折する特性を有することを特徴とする請求項1又は2記載のホログラムを用いた反射型液晶表示装置。
- 前記液晶層の観察側に画素電極と整列してRGBのカラーフィルターが配置されていることを特徴とする請求項1から4の何れか1項記載のホログラムを用いた反射型液晶表示装置。
- 画素毎に区切られた画素電極と共通電極の間に挟持され、画素毎に透過率が制御可能な液晶層を備えた反射型液晶表示装置において、液晶層の観察側と反対側に接して、隣接する画素間で所定の入射角で観察側から入射する光中の異なる波長成分を制限された反射散乱角内に回折する反射型カラーフィルター兼用の反射散乱ホログラム層を備えていることを特徴とするホログラムを用いた反射型液晶表示装置。
- 前記液晶層が相転移型ゲストホスト液晶からなることを特徴とする請求項6記載のホログラムを用いた反射型液晶表示装置。
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