JP4172603B2 - 反射型液晶表示装置用回折型拡散反射板 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、反射型液晶表示装置用回折型拡散反射板に関し、特に、反射型レリーフホログラムあるいはレリーフ回折格子を用いた拡散反射板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、反射型液晶表示装置は、図９に示すように、マット処理したアルミニウム等の金属板からなる反射拡散板３１を液晶表示素子４０の観察側とは反対側に配置してなるもので、液晶表示素子４０の表示側から入射する照明光３２をその裏面に配置した反射拡散板３１で前方へ拡散反射させ、明所で自発光型のバックライトを使用することなしに表示が可能なものである。ここで、液晶表示素子４０は、例えば、２枚のガラス基板４１、４２の間に挟持されたツイストネマチック等の液晶層４５からなり、一方のガラス基板４２内表面には一様な透明対向電極４４が設けられ、他方のガラス基板４１内表面には画素毎に独立に透明表示電極４３と不図示のブラック・マトリックスが設けられている。なお、カラー表示装置の場合は、他方のガラス基板４１内表面には液晶セルＲ、Ｇ、Ｂ毎に独立に透明表示電極４３とカラーフィルター、ブラック・マトリックスが設けられている。また、電極４３、４４の液晶層４５側には不図示の配向層も設けられており、さらに、観察側ガラス基板４１外表面には偏光板４６が、観察側とは反対側のガラス基板４２外表面には偏光板４７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。このような液晶表示素子４０の透明表示電極と透明対向電極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、数字、文字、記号、絵柄等が選択的に表示が可能なものである。
【０００３】
このような反射型液晶表示装置は、バックライトを必要としないため消費電力が小さくてよい利点はあるものの、外光により表示させるため、表示が見難い。また、照明光下においても、反射強度が最も強い正反射方向においては、液晶表示装置での表面反射によりコントラストが著しく低下してしまう問題がある。
【０００４】
このような問題を解決するために、ＷＯ９６／３７８０５等においては、透過型体積ホログラムと反射層を組み合わせた反射板を用いるものが提案されている。この反射板は、白色表示が可能であり、また、体積型ホログラム感光材料を用いて撮影する場合、回折効率はある波長において１００％を達成できるから、特定波長域では高回折効率であると言える。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような体積型ホログラムを用いる方法では、高価な体積型ホログラム感光材料を用いなければならず、また、ホログラムが体積型であるため、ブラッグの条件から外れる波長域では必ず回折効率が低減してしまい、白色光全体としては光を十分に活用できない。また、このことにより、回折光の色度は照明光の色度から変化してしまうことが問題である。
【０００６】
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、レリーフホログラム、レリーフ回折格子を用いて白色表示が可能で安価で明るい反射型液晶表示装置用回折型拡散反射板を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の反射型液晶表示装置用回折型拡散反射板は、液晶表示素子の観察側とは反対側に配置される拡散反射板であって、干渉縞に対応する凹凸レリーフパターンとその上に形成された反射膜とからなるレリーフホログラムからなり、その干渉縞は、面積のある拡散物体からの拡散光と外光に対応する参照光との干渉縞であり、白色光を所定方向から入射させたとき、回折される光は波長分散され、少なくとも観察域の一部において波長分散された光のスペクトルが重なり合って略白色に見えるものであり、前記凹凸レリーフパターンを設けた透明層に回折光を散乱させる処理が施されていることを特徴とするものである。
【０００８】
本発明のもう１つの反射型液晶表示装置用回折型拡散反射板は、液晶表示素子の観察側とは反対側に配置される拡散反射板であって、回折格子に対応する凹凸レリーフパターンとその上に形成された反射膜とからなるレリーフ回折格子からなり、前記凹凸レリーフパターン面は、異なる格子間隔を有する３以上の回折格子から切り出した微小回折格子を混合して並べてなる複合回折格子レリーフパターンからなり、白色光を所定方向から入射させたとき、回折される光は波長分散され、少なくとも観察域の一部において波長分散された光のスペクトルが重なり合って略白色に見えるものであり、前記凹凸レリーフパターンを設けた透明層に回折光を散乱させる処理が施されていることを特徴とするするものである。
【０００９】
なお、この場合、異なる格子間隔を有する回折格子の数は３以上であることが望ましい。
【００１０】
上記の何れかの場合に、反射膜が凹凸レリーフパターンを設けた透明層の光入射側と反対の裏面に設けられていることが望ましい。
【００１１】
また、凹凸レリーフパターンを設けた透明層に回折光を散乱させる処理が施されていることが望ましい。その処理としては、微細な凹凸からなるスリ面を設けること、あるいは、透明樹脂中に屈折率の異なる微細な粉末を分散させること等がある。
【００１２】
また、本発明の反射型液晶表示装置用回折型拡散反射板は、所定方向から観察した場合に所定形状の部分領域が他と違った色に見えるようにすることもでき、さらには、液晶表示素子の画素に対応した領域がＲ、Ｇ、Ｂの３色に着色しているものとすることもできる。
【００１３】
また、一部の領域に立体物等の表示パターンをホログラム記録しておくこともできる。
【００１４】
また、反射膜を半透過性のものとし、液晶表示素子と反対側にバックライト光源の配置を可能にすることも可能である。
【００１５】
なお、レリーフ回折格子は、１枚の原版からエンボス複製してなる複数の複製版を多面付けして１枚の版に連結してなるマザー版からエンボス複製されたものとするのが現実的である。
【００１６】
本発明においては、拡散反射板をレリーフホログラムあるいはレリーフ回折格子から構成し、白色光を所定方向から入射させたとき、少なくとも観察域の一部において略白色に見えるので、白色波長全域を考えると、体積型ホログラムを用いる場合と比べても遜色のない効率が得られる。また、照明光の色度を略維持した回折光が得られ、照明光の色度の変化がほとんどない。さらに、エンボス複製により作製できるので、非常に安価に作製することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の反射型液晶表示装置用回折型拡散反射板の原理と実施例について説明する。
図１は、本発明によるホログラム拡散反射板に用いるレリーフホログラムを撮影するための配置（図（ａ））と、そのようにして撮影されたレリーフホログラムを反射型にした場合の作用（図（ｂ））を説明するための図である。図１（ａ）に示すように、本発明の基本タイプのホログラム拡散反射板に用いるレリーフホログラムを撮影するには、フォトレジスト等のレリーフホログラム感材１を用意し、その前方に距離をおいてスリガラス等の拡散板２を配置する。照明光３を拡散板２の背面に照明し、拡散板２で前方へ拡散された光を物体光４としてホログラム感材１の表面から入射させると共に、照明光３と可干渉な参照光５をホログラム感材１の表面に斜め方向から入射させて、その物体光４と参照光５をホログラム感材１中で干渉させ、レリーフホログラム感材１を処理してその表面に干渉縞に対応する凹凸レリーフパターンを形成し、その凹凸レリーフパターンを透明樹脂１１（図１（ｂ））にエンボス複製し、エンボス複製された凹凸レリーフパターン上にアルミニウム等の反射金属からなる反射膜１２あるいは反射多層薄膜１２を形成すると、図１（ｂ）に示すような反射型のレリーフホログラム１０が得られる。このホログラム１０は、例えば拡散板２左端位置Ａからの拡散光を４ａ、その中心位置Ｂからの拡散光を４ｂ、その右端位置Ｃからの拡散光を４ｃとすると、それぞれの光と参照光５が干渉してなる多数のホログラムが多重記録されたものとも言える。
【００１８】
このような反射型レリーフホログラム１０に撮影のときの参照光５と同じ角度で同じ波長の再生照明光１５が入射すると、ホログラム１０で回折される光は記録のときの拡散板２の位置２’に入射するが、拡散板２の左端位置Ａに対応する位置Ａ’には、ホログラム１０の全面から記録のときの拡散光４ａと反対方向に進む光１４ａが入射し、同様に、拡散板２の中心位置Ｂに対応する位置Ｂ’には光１４ｂが、右端位置Ｃに対応する位置Ｃ’には光１４ｃが入射する。
【００１９】
記録のときの参照光５を例えば緑色領域の波長の光とし、再生照明光１５を白色光とすると、ホログラム１０によって回折される光は波長分散を起こし、上記の回折光１４ａ、１４ｂ、１４ｃはそれぞれ点Ａ’、Ｂ’、Ｃ’を中心にして分散し、記録のときの拡散板２の位置２’に沿ってそれぞれスペクトルａ、ｂ、ｃを形成する。各スペクトルａ、ｂ、ｃを表す両矢符の右はＲ（赤色）、中心はＧ（緑色）、左はＢ（青色）に対応する。図１（ｂ）から明らかなように、スペクトルａ、ｂ、ｃは相互にずれるが、範囲Ｌでは全てのスペクトルがずれて重なり合っている。これは、拡散板２上での３つの点Ａ、Ｂ、Ｃについてだけでなく、より多くの点あるいは全ての点について考えても同じである。つまり、範囲Ｌにおいては、全ての波長成分の光が入射することになるので、この範囲Ｌに眼Ｅを位置させてホログラム１０を見ると、ホログラム１０全面は白色に見える。すなわち、反射型レリーフホログラム１０は白色の指向性拡散反射板となる。これが本発明の基本原理である。
【００２０】
このような反射型レリーフホログラム１０は、ピークの回折効率は体積型ホログラムに比較して低いが（約３０〜４０％）、回折効率の波長による変化はほとんど見られない。そのため、白色波長全域を考えると、体積型ホログラムと比べても遜色のない効率が得られる。また、そのため、照明光の色度を略維持した回折光が得られ、照明光の色度の変化がほとんどないと言える。
【００２１】
このような特性の反射型レリーフホログラム１０は、例えば図２に断面を示したような液晶表示素子４０の観察側とは反対側に配置することにより、明るく、白色表示、カラー表示が可能な反射型液晶表示装置を実現することができる。ここで、液晶表示素子４０は、例えば図９について説明したような構成とする。本発明による反射型レリーフホログラム１０を液晶表示素子４０とこのように組み合わせることにより、液晶表示素子４０の表示側から入射する白色照明光３２を、液晶表示装置の観察域に合致する角度範囲であって上記の範囲Ｌに相当する角度範囲θに白色の拡散光３３を拡散反射させ、明所で自発光型のバックライトを使用することなしに明るい表示が可能になる。
【００２２】
さて、図１（ａ）のような配置でフォトレジスト等のレリーフホログラム感材１上に露光した干渉縞から図１（ｂ）のような反射型のレリーフホログラム１０を作製するための１つの手法を図３を参照にして説明する。もちろん、図３の方法は１つの例であり、公知の他の種々の方法を採用することができる。
【００２３】
図３（ａ）に示すように、ガラス基板２０表面にポジ型フォトレジスト２１を塗布してレリーフホログラム感材とし、図１（ａ）の配置でホログラム露光する。その後、干渉縞露光済みのフォトレジスト２１を現像液で処理し、図３（ｂ）に示すように、フォトレジスト２１の表面に干渉縞に対応する凹凸レリーフパターン２３を形成する。次いで、図３（ｃ）に示すように、このフォトレジスト２１の凹凸レリーフパターン２３上に紫外線硬化型樹脂、電子線硬化型樹脂あるいは熱硬化型樹脂２４を滴下して紫外線、電子線あるいは熱線２５を照射して樹脂２４を硬化させる。その後、ガラス基板２０とフォトレジスト２１からなる原版を剥離して、図３（ｄ）に示すような凹凸レリーフパターン２３と相補的な凹凸レリーフパターン２３’を有するマザー版２６を得る。そして、図３（ｅ）に示すように、このマザー版２６の凹凸レリーフパターン２３’上に紫外線硬化型樹脂、電子線硬化型樹脂あるいは熱硬化型樹脂２７を滴下して紫外線、電子線あるいは熱線２８を照射して樹脂２７を硬化させ、その後、マザー版２６を剥離することにより、図３（ｆ）に示すように、ホログラムの干渉縞に対応し、凹凸レリーフパターン２３と同じ凹凸レリーフパターン２３”がエンボス複製された透明樹脂（透過型のレリーフホログラム）１１が得られる。この透過型レリーフホログラム１１の凹凸レリーフパターン２３”上に前記のようなアルミニウム等の反射金属からなる反射膜１２あるいは反射多層薄膜１２を形成することにより、図３（ｇ）にすような反射型レリーフホログラム１０が得られる。マザー版２６は何度でもエンボス複製に用いることができるので、図２に示したような本発明の反射型液晶表示装置用ホログラム拡散反射板１０は非常に安価に作製することができる。
【００２４】
次に、反射型レリーフ回折格子により反射型レリーフホログラム１０と略同様の白色の拡散反射板を構成することを考える。まず、図４に示すように、反射型レリーフホログラム１０と同様に、透明樹脂１１表面に設けた回折格子を表す凹凸レリーフパターン上に反射膜１２を設けて作製した複数種の反射型レリーフ回折格子Ｘ、Ｙ、Ｚを考える。ここでは簡単のため、３種類の反射型レリーフ回折格子Ｘ、Ｙ、Ｚとする。反射型レリーフ回折格子Ｘ、Ｙ、Ｚは、異なった格子定数（格子間隔）を有するものとし、回折格子Ｘは、所定の入射角γで例えば緑色領域の１つの波長の光１６が入射すると、反対方向に回折角αで回折光１７ｘが回折するものとする。同様に、回折格子Ｙは同じ入射角で同じ波長の光１６が入射すると回折角がゼロで回折光１７ｙが回折し、回折格子Ｚは同じ入射角で同じ波長の光１６が入射すると回折角−αで回折光１７ｚが回折するものとする。
【００２５】
このような３つの反射型レリーフ回折格子Ｘ、Ｙ、Ｚを、目視では見えない縦横の微小な寸法であって、その寸法の２次元繰り返しパターンを液晶表示装置の画素の繰り返しパターンと重畳したときにモアレ模様が発生しないような縦横の寸法に切り出し、例えば図５に示すようにこの３つの反射型レリーフ回折格子Ｘ、Ｙ、Ｚを均一に混合して並べる。このようにして３つの反射型レリーフ回折格子Ｘ、Ｙ、Ｚを並列して構成した複合反射型レリーフ回折格子を符号５０で表す。
【００２６】
このような複合反射型レリーフ回折格子５０に、図６に示すように、上記の入射角γで今度は白色の照明光１６’を照射すると、レリーフ回折格子５０の何れの小面積領域にも３つの回折格子Ｘ、Ｙ、Ｚが存在するので、複合反射型レリーフ回折格子５０からは、回折角αの回折光１７ｘを中心にして波長分散を起こしたスペクトルｘ（回折格子Ｘによる波長分散スペクトル）、回折角ゼロの回折光１７ｙを中心にして波長分散を起こしたスペクトルｙ（回折格子Ｙによる波長分散スペクトル）、回折角−αの回折光１７ｚを中心にして波長分散を起こしたスペクトルｚ（回折格子Ｚによる波長分散スペクトル）を形成する。各スペクトルｘ、ｙ、ｚを表す両矢符の左はＲ（赤色）、中心はＧ（緑色）、右はＢ（青色）に対応する。図６から明らかなように、スペクトルｘ、ｙ、ｚは相互にずれるが、範囲Ｌ’では全てのスペクトルがずれて重なり合っている。これは、複合反射型レリーフ回折格子５０上で全ての点について考えても同じである。つまり、角度範囲Ｌ’においては、Ｒ、Ｇ、Ｂ波長域の３つの波長成分の光が入射することになるので、この角度範囲Ｌ’内に眼Ｅを向くようにして複合反射型レリーフ回折格子５０を見ると、回折格子５０全面は白色に見える。したがって、複合反射型レリーフ回折格子５０も白色の拡散反射板として用いることができる。
【００２７】
このような複合反射型レリーフ回折格子５０も、図３に示すように、例えば電子線レジスト２１を感材として用い、例えば電子線描画装置により、図５のような複合回折格子パターンを露光し、後は図３に示したような工程を経て非常に安価に作製することができる。なお、その際、例えば電子線描画装置により描画できる１枚の回折格子は小さい面積のものであるので、図３（ｆ）の工程で得られた複数の複製版を多面付けして１枚の版に連結し、これをマザー版２６として用いて図３（ｄ）〜（ｇ）の工程を経ることにより、大面積の複合反射型レリーフ回折格子５０を得ることができる。
【００２８】
ところで、以上のような反射型レリーフホログラム１０及び複合反射型レリーフ回折格子５０は、図１（ｂ）、図６から明らかなように、観察位置あるいは観察方向が範囲Ｌ、Ｌ’から外れると、ホログラム１０あるい回折格子５０は最早白色には見えず色がついて見える。このような着色を防止するために、ホログラム１０及び回折格子５０自体にスリガラスのような散乱性を持たせると、白色に見える範囲が拡大すると共に見える白色の色合いもより白くなる。そのためには、例えば、図７に示すように、ホログラム１０、回折格子５０を構成する裏面に凹凸レリーフパターンを有する透明樹脂１１の表面側を微細な凹凸からなるスリ面１８にするか（図７（ａ））、その透明樹脂１１中に屈折率の異なる微細な粉末１９を分散させて（図７（ｂ））回折光を散乱させるようにすればよい。
【００２９】
ところで、カラーあるいはモノクロの反射型液晶表示装置において、その表示画面の所定の一部の領域に着色を施したい場合がある。例えばある特定のデータ表示領域を他の部分と異なる背景色にする場合である。以上のような反射型レリーフホログラム１０及び複合反射型レリーフ回折格子５０を反射型液晶表示装置の拡散反射板として用いる場合には、このような部分的な着色、あるいは、領域毎に異なる着色を施すには、回折格子５０あるいはホログラム１０の対応する領域に着色を施すようにすればよい。すなわち、図８に平面図を示すように、回折格子５０あるいはホログラム１０の所定形状の領域５１を他と違った色に見えるようにすればよい。そのためには、複合反射型レリーフ回折格子５０の場合は、領域５１に配置される微小な回折格子Ｘ、Ｙ、Ｚ（図５）の混合面積割合を変化させればよいし、反射型レリーフホログラム１０の場合は、領域５１に記録するホログラムの記録波長を他の部分と変えるとか、あるいは、ホログラム感材１に対する拡散板２と参照光５の相対位置を他の部分を撮影する場合と変えるとかすればよい。
【００３０】
さらに、この延長として、反射型レリーフホログラム１０及び複合反射型レリーフ回折格子５０の異なる３つの領域にＲ、Ｇ、Ｂの着色が可能である。したがって、反射型レリーフホログラム１０、複合反射型レリーフ回折格子５０と組み合わせる液晶表示素子４０（図２）の各画素の寸法に一致し、かつ、Ｒ、Ｇ、Ｂの画素配列に一致するように領域分けし、それらの各領域に対応するＲ、Ｇ、Ｂの着色をすることにより、反射型カラーフィルターを兼ねる拡散反射板とすることもできる。
【００３１】
さらに、図８に示すように、反射型レリーフホログラム１０及び複合反射型レリーフ回折格子５０の一部の領域に立体物等の表示パターン５２をホログラム記録しておくことも可能である。
【００３２】
なお、反射型レリーフホログラム１０及び複合反射型レリーフ回折格子５０の反射膜１２として半透過性のものを用い、液晶表示素子４０と反対側にバックライト光源を配置し、暗所ではこのバックライト光源を点灯することにより、明るい表示が可能な透過型と反射型の表示が可能な液晶表示装置とすることもできる。
【００３３】
以上に、本発明の反射型液晶表示装置用回折型拡散反射板のいくつかの実施例について説明してきたが、本発明はこれらの実施例に限定されず種々の変形が可能である。
【００３４】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の反射型液晶表示装置用回折型拡散反射板によると、拡散反射板をレリーフホログラムあるいはレリーフ回折格子から構成し、白色光を所定方向から入射させたとき、少なくとも観察域の一部において略白色に見えるので、白色波長全域を考えると、体積型ホログラムを用いる場合と比べても遜色のない効率が得られる。また、照明光の色度を略維持した回折光が得られ、照明光の色度の変化がほとんどない。さらに、エンボス複製により作製できるので、非常に安価に作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のホログラム拡散反射板に用いるレリーフホログラムを撮影するための配置と、そのようにして撮影されたレリーフホログラムを反射型にした場合の作用を説明するための図である。
【図２】本発明のホログラム拡散反射板を用いた反射型液晶表示装置の１例の断面図である。
【図３】反射型レリーフホログラムを作製するため１つの方法を示す工程図である。
【図４】本発明による複合反射型レリーフ回折格子を構成する回折格子を説明するための図である。
【図５】本発明による複合反射型レリーフ回折格子の構成を説明する平面図である。
【図６】本発明による複合反射型レリーフ回折格子の作用を説明するための図である。
【図７】本発明による反射型レリーフホログラム及び複合反射型レリーフ回折格子に散乱性を持たせる構成を示す断面図である。
【図８】本発明による反射型レリーフホログラム及び複合反射型レリーフ回折格子の変形例を示す平面図である。
【図９】従来の反射拡散板を用いた液晶表示装置の断面図である。
【符号の説明】
１…レリーフホログラム感材
２…拡散板
２’…拡散板の位置
３…照明光
４…物体光
４ａ、４ｂ、４ｃ…拡散光
５…参照光
１０…反射型レリーフホログラム
１１…透明樹脂（透過型レリーフホログラム）
１２…反射膜（多層薄膜）
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ…回折光
１５…再生照明光
１６…特定波長の光
１６’…白色照明光
１７ｘ、１７ｙ、１７ｚ…回折光
１８…スリ面
１９…微細な粉末
２０…ガラス基板
２１…フォトレジスト
２３…凹凸レリーフパターン
２３’…凹凸レリーフパターン
２３”…凹凸レリーフパターン
２４…紫外線硬化型樹脂、電子線硬化型樹脂、熱硬化型樹脂
２５…紫外線、電子線、熱線
２６…マザー版
２７…紫外線硬化型樹脂、電子線硬化型樹脂、熱硬化型樹脂
２８…紫外線、電子線、熱線
３２…白色照明光
３３…拡散光
４０…液晶表示素子
５０…複合反射型レリーフ回折格子
５１…所定形状の領域
５２…表示パターン
Ｘ、Ｙ、Ｚ…反射型レリーフ回折格子
Ｅ…観察者の眼
【発明の属する技術分野】
本発明は、反射型液晶表示装置用回折型拡散反射板に関し、特に、反射型レリーフホログラムあるいはレリーフ回折格子を用いた拡散反射板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、反射型液晶表示装置は、図９に示すように、マット処理したアルミニウム等の金属板からなる反射拡散板３１を液晶表示素子４０の観察側とは反対側に配置してなるもので、液晶表示素子４０の表示側から入射する照明光３２をその裏面に配置した反射拡散板３１で前方へ拡散反射させ、明所で自発光型のバックライトを使用することなしに表示が可能なものである。ここで、液晶表示素子４０は、例えば、２枚のガラス基板４１、４２の間に挟持されたツイストネマチック等の液晶層４５からなり、一方のガラス基板４２内表面には一様な透明対向電極４４が設けられ、他方のガラス基板４１内表面には画素毎に独立に透明表示電極４３と不図示のブラック・マトリックスが設けられている。なお、カラー表示装置の場合は、他方のガラス基板４１内表面には液晶セルＲ、Ｇ、Ｂ毎に独立に透明表示電極４３とカラーフィルター、ブラック・マトリックスが設けられている。また、電極４３、４４の液晶層４５側には不図示の配向層も設けられており、さらに、観察側ガラス基板４１外表面には偏光板４６が、観察側とは反対側のガラス基板４２外表面には偏光板４７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。このような液晶表示素子４０の透明表示電極と透明対向電極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、数字、文字、記号、絵柄等が選択的に表示が可能なものである。
【０００３】
このような反射型液晶表示装置は、バックライトを必要としないため消費電力が小さくてよい利点はあるものの、外光により表示させるため、表示が見難い。また、照明光下においても、反射強度が最も強い正反射方向においては、液晶表示装置での表面反射によりコントラストが著しく低下してしまう問題がある。
【０００４】
このような問題を解決するために、ＷＯ９６／３７８０５等においては、透過型体積ホログラムと反射層を組み合わせた反射板を用いるものが提案されている。この反射板は、白色表示が可能であり、また、体積型ホログラム感光材料を用いて撮影する場合、回折効率はある波長において１００％を達成できるから、特定波長域では高回折効率であると言える。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような体積型ホログラムを用いる方法では、高価な体積型ホログラム感光材料を用いなければならず、また、ホログラムが体積型であるため、ブラッグの条件から外れる波長域では必ず回折効率が低減してしまい、白色光全体としては光を十分に活用できない。また、このことにより、回折光の色度は照明光の色度から変化してしまうことが問題である。
【０００６】
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、レリーフホログラム、レリーフ回折格子を用いて白色表示が可能で安価で明るい反射型液晶表示装置用回折型拡散反射板を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の反射型液晶表示装置用回折型拡散反射板は、液晶表示素子の観察側とは反対側に配置される拡散反射板であって、干渉縞に対応する凹凸レリーフパターンとその上に形成された反射膜とからなるレリーフホログラムからなり、その干渉縞は、面積のある拡散物体からの拡散光と外光に対応する参照光との干渉縞であり、白色光を所定方向から入射させたとき、回折される光は波長分散され、少なくとも観察域の一部において波長分散された光のスペクトルが重なり合って略白色に見えるものであり、前記凹凸レリーフパターンを設けた透明層に回折光を散乱させる処理が施されていることを特徴とするものである。
【０００８】
本発明のもう１つの反射型液晶表示装置用回折型拡散反射板は、液晶表示素子の観察側とは反対側に配置される拡散反射板であって、回折格子に対応する凹凸レリーフパターンとその上に形成された反射膜とからなるレリーフ回折格子からなり、前記凹凸レリーフパターン面は、異なる格子間隔を有する３以上の回折格子から切り出した微小回折格子を混合して並べてなる複合回折格子レリーフパターンからなり、白色光を所定方向から入射させたとき、回折される光は波長分散され、少なくとも観察域の一部において波長分散された光のスペクトルが重なり合って略白色に見えるものであり、前記凹凸レリーフパターンを設けた透明層に回折光を散乱させる処理が施されていることを特徴とするするものである。
【０００９】
なお、この場合、異なる格子間隔を有する回折格子の数は３以上であることが望ましい。
【００１０】
上記の何れかの場合に、反射膜が凹凸レリーフパターンを設けた透明層の光入射側と反対の裏面に設けられていることが望ましい。
【００１１】
また、凹凸レリーフパターンを設けた透明層に回折光を散乱させる処理が施されていることが望ましい。その処理としては、微細な凹凸からなるスリ面を設けること、あるいは、透明樹脂中に屈折率の異なる微細な粉末を分散させること等がある。
【００１２】
また、本発明の反射型液晶表示装置用回折型拡散反射板は、所定方向から観察した場合に所定形状の部分領域が他と違った色に見えるようにすることもでき、さらには、液晶表示素子の画素に対応した領域がＲ、Ｇ、Ｂの３色に着色しているものとすることもできる。
【００１３】
また、一部の領域に立体物等の表示パターンをホログラム記録しておくこともできる。
【００１４】
また、反射膜を半透過性のものとし、液晶表示素子と反対側にバックライト光源の配置を可能にすることも可能である。
【００１５】
なお、レリーフ回折格子は、１枚の原版からエンボス複製してなる複数の複製版を多面付けして１枚の版に連結してなるマザー版からエンボス複製されたものとするのが現実的である。
【００１６】
本発明においては、拡散反射板をレリーフホログラムあるいはレリーフ回折格子から構成し、白色光を所定方向から入射させたとき、少なくとも観察域の一部において略白色に見えるので、白色波長全域を考えると、体積型ホログラムを用いる場合と比べても遜色のない効率が得られる。また、照明光の色度を略維持した回折光が得られ、照明光の色度の変化がほとんどない。さらに、エンボス複製により作製できるので、非常に安価に作製することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の反射型液晶表示装置用回折型拡散反射板の原理と実施例について説明する。
図１は、本発明によるホログラム拡散反射板に用いるレリーフホログラムを撮影するための配置（図（ａ））と、そのようにして撮影されたレリーフホログラムを反射型にした場合の作用（図（ｂ））を説明するための図である。図１（ａ）に示すように、本発明の基本タイプのホログラム拡散反射板に用いるレリーフホログラムを撮影するには、フォトレジスト等のレリーフホログラム感材１を用意し、その前方に距離をおいてスリガラス等の拡散板２を配置する。照明光３を拡散板２の背面に照明し、拡散板２で前方へ拡散された光を物体光４としてホログラム感材１の表面から入射させると共に、照明光３と可干渉な参照光５をホログラム感材１の表面に斜め方向から入射させて、その物体光４と参照光５をホログラム感材１中で干渉させ、レリーフホログラム感材１を処理してその表面に干渉縞に対応する凹凸レリーフパターンを形成し、その凹凸レリーフパターンを透明樹脂１１（図１（ｂ））にエンボス複製し、エンボス複製された凹凸レリーフパターン上にアルミニウム等の反射金属からなる反射膜１２あるいは反射多層薄膜１２を形成すると、図１（ｂ）に示すような反射型のレリーフホログラム１０が得られる。このホログラム１０は、例えば拡散板２左端位置Ａからの拡散光を４ａ、その中心位置Ｂからの拡散光を４ｂ、その右端位置Ｃからの拡散光を４ｃとすると、それぞれの光と参照光５が干渉してなる多数のホログラムが多重記録されたものとも言える。
【００１８】
このような反射型レリーフホログラム１０に撮影のときの参照光５と同じ角度で同じ波長の再生照明光１５が入射すると、ホログラム１０で回折される光は記録のときの拡散板２の位置２’に入射するが、拡散板２の左端位置Ａに対応する位置Ａ’には、ホログラム１０の全面から記録のときの拡散光４ａと反対方向に進む光１４ａが入射し、同様に、拡散板２の中心位置Ｂに対応する位置Ｂ’には光１４ｂが、右端位置Ｃに対応する位置Ｃ’には光１４ｃが入射する。
【００１９】
記録のときの参照光５を例えば緑色領域の波長の光とし、再生照明光１５を白色光とすると、ホログラム１０によって回折される光は波長分散を起こし、上記の回折光１４ａ、１４ｂ、１４ｃはそれぞれ点Ａ’、Ｂ’、Ｃ’を中心にして分散し、記録のときの拡散板２の位置２’に沿ってそれぞれスペクトルａ、ｂ、ｃを形成する。各スペクトルａ、ｂ、ｃを表す両矢符の右はＲ（赤色）、中心はＧ（緑色）、左はＢ（青色）に対応する。図１（ｂ）から明らかなように、スペクトルａ、ｂ、ｃは相互にずれるが、範囲Ｌでは全てのスペクトルがずれて重なり合っている。これは、拡散板２上での３つの点Ａ、Ｂ、Ｃについてだけでなく、より多くの点あるいは全ての点について考えても同じである。つまり、範囲Ｌにおいては、全ての波長成分の光が入射することになるので、この範囲Ｌに眼Ｅを位置させてホログラム１０を見ると、ホログラム１０全面は白色に見える。すなわち、反射型レリーフホログラム１０は白色の指向性拡散反射板となる。これが本発明の基本原理である。
【００２０】
このような反射型レリーフホログラム１０は、ピークの回折効率は体積型ホログラムに比較して低いが（約３０〜４０％）、回折効率の波長による変化はほとんど見られない。そのため、白色波長全域を考えると、体積型ホログラムと比べても遜色のない効率が得られる。また、そのため、照明光の色度を略維持した回折光が得られ、照明光の色度の変化がほとんどないと言える。
【００２１】
このような特性の反射型レリーフホログラム１０は、例えば図２に断面を示したような液晶表示素子４０の観察側とは反対側に配置することにより、明るく、白色表示、カラー表示が可能な反射型液晶表示装置を実現することができる。ここで、液晶表示素子４０は、例えば図９について説明したような構成とする。本発明による反射型レリーフホログラム１０を液晶表示素子４０とこのように組み合わせることにより、液晶表示素子４０の表示側から入射する白色照明光３２を、液晶表示装置の観察域に合致する角度範囲であって上記の範囲Ｌに相当する角度範囲θに白色の拡散光３３を拡散反射させ、明所で自発光型のバックライトを使用することなしに明るい表示が可能になる。
【００２２】
さて、図１（ａ）のような配置でフォトレジスト等のレリーフホログラム感材１上に露光した干渉縞から図１（ｂ）のような反射型のレリーフホログラム１０を作製するための１つの手法を図３を参照にして説明する。もちろん、図３の方法は１つの例であり、公知の他の種々の方法を採用することができる。
【００２３】
図３（ａ）に示すように、ガラス基板２０表面にポジ型フォトレジスト２１を塗布してレリーフホログラム感材とし、図１（ａ）の配置でホログラム露光する。その後、干渉縞露光済みのフォトレジスト２１を現像液で処理し、図３（ｂ）に示すように、フォトレジスト２１の表面に干渉縞に対応する凹凸レリーフパターン２３を形成する。次いで、図３（ｃ）に示すように、このフォトレジスト２１の凹凸レリーフパターン２３上に紫外線硬化型樹脂、電子線硬化型樹脂あるいは熱硬化型樹脂２４を滴下して紫外線、電子線あるいは熱線２５を照射して樹脂２４を硬化させる。その後、ガラス基板２０とフォトレジスト２１からなる原版を剥離して、図３（ｄ）に示すような凹凸レリーフパターン２３と相補的な凹凸レリーフパターン２３’を有するマザー版２６を得る。そして、図３（ｅ）に示すように、このマザー版２６の凹凸レリーフパターン２３’上に紫外線硬化型樹脂、電子線硬化型樹脂あるいは熱硬化型樹脂２７を滴下して紫外線、電子線あるいは熱線２８を照射して樹脂２７を硬化させ、その後、マザー版２６を剥離することにより、図３（ｆ）に示すように、ホログラムの干渉縞に対応し、凹凸レリーフパターン２３と同じ凹凸レリーフパターン２３”がエンボス複製された透明樹脂（透過型のレリーフホログラム）１１が得られる。この透過型レリーフホログラム１１の凹凸レリーフパターン２３”上に前記のようなアルミニウム等の反射金属からなる反射膜１２あるいは反射多層薄膜１２を形成することにより、図３（ｇ）にすような反射型レリーフホログラム１０が得られる。マザー版２６は何度でもエンボス複製に用いることができるので、図２に示したような本発明の反射型液晶表示装置用ホログラム拡散反射板１０は非常に安価に作製することができる。
【００２４】
次に、反射型レリーフ回折格子により反射型レリーフホログラム１０と略同様の白色の拡散反射板を構成することを考える。まず、図４に示すように、反射型レリーフホログラム１０と同様に、透明樹脂１１表面に設けた回折格子を表す凹凸レリーフパターン上に反射膜１２を設けて作製した複数種の反射型レリーフ回折格子Ｘ、Ｙ、Ｚを考える。ここでは簡単のため、３種類の反射型レリーフ回折格子Ｘ、Ｙ、Ｚとする。反射型レリーフ回折格子Ｘ、Ｙ、Ｚは、異なった格子定数（格子間隔）を有するものとし、回折格子Ｘは、所定の入射角γで例えば緑色領域の１つの波長の光１６が入射すると、反対方向に回折角αで回折光１７ｘが回折するものとする。同様に、回折格子Ｙは同じ入射角で同じ波長の光１６が入射すると回折角がゼロで回折光１７ｙが回折し、回折格子Ｚは同じ入射角で同じ波長の光１６が入射すると回折角−αで回折光１７ｚが回折するものとする。
【００２５】
このような３つの反射型レリーフ回折格子Ｘ、Ｙ、Ｚを、目視では見えない縦横の微小な寸法であって、その寸法の２次元繰り返しパターンを液晶表示装置の画素の繰り返しパターンと重畳したときにモアレ模様が発生しないような縦横の寸法に切り出し、例えば図５に示すようにこの３つの反射型レリーフ回折格子Ｘ、Ｙ、Ｚを均一に混合して並べる。このようにして３つの反射型レリーフ回折格子Ｘ、Ｙ、Ｚを並列して構成した複合反射型レリーフ回折格子を符号５０で表す。
【００２６】
このような複合反射型レリーフ回折格子５０に、図６に示すように、上記の入射角γで今度は白色の照明光１６’を照射すると、レリーフ回折格子５０の何れの小面積領域にも３つの回折格子Ｘ、Ｙ、Ｚが存在するので、複合反射型レリーフ回折格子５０からは、回折角αの回折光１７ｘを中心にして波長分散を起こしたスペクトルｘ（回折格子Ｘによる波長分散スペクトル）、回折角ゼロの回折光１７ｙを中心にして波長分散を起こしたスペクトルｙ（回折格子Ｙによる波長分散スペクトル）、回折角−αの回折光１７ｚを中心にして波長分散を起こしたスペクトルｚ（回折格子Ｚによる波長分散スペクトル）を形成する。各スペクトルｘ、ｙ、ｚを表す両矢符の左はＲ（赤色）、中心はＧ（緑色）、右はＢ（青色）に対応する。図６から明らかなように、スペクトルｘ、ｙ、ｚは相互にずれるが、範囲Ｌ’では全てのスペクトルがずれて重なり合っている。これは、複合反射型レリーフ回折格子５０上で全ての点について考えても同じである。つまり、角度範囲Ｌ’においては、Ｒ、Ｇ、Ｂ波長域の３つの波長成分の光が入射することになるので、この角度範囲Ｌ’内に眼Ｅを向くようにして複合反射型レリーフ回折格子５０を見ると、回折格子５０全面は白色に見える。したがって、複合反射型レリーフ回折格子５０も白色の拡散反射板として用いることができる。
【００２７】
このような複合反射型レリーフ回折格子５０も、図３に示すように、例えば電子線レジスト２１を感材として用い、例えば電子線描画装置により、図５のような複合回折格子パターンを露光し、後は図３に示したような工程を経て非常に安価に作製することができる。なお、その際、例えば電子線描画装置により描画できる１枚の回折格子は小さい面積のものであるので、図３（ｆ）の工程で得られた複数の複製版を多面付けして１枚の版に連結し、これをマザー版２６として用いて図３（ｄ）〜（ｇ）の工程を経ることにより、大面積の複合反射型レリーフ回折格子５０を得ることができる。
【００２８】
ところで、以上のような反射型レリーフホログラム１０及び複合反射型レリーフ回折格子５０は、図１（ｂ）、図６から明らかなように、観察位置あるいは観察方向が範囲Ｌ、Ｌ’から外れると、ホログラム１０あるい回折格子５０は最早白色には見えず色がついて見える。このような着色を防止するために、ホログラム１０及び回折格子５０自体にスリガラスのような散乱性を持たせると、白色に見える範囲が拡大すると共に見える白色の色合いもより白くなる。そのためには、例えば、図７に示すように、ホログラム１０、回折格子５０を構成する裏面に凹凸レリーフパターンを有する透明樹脂１１の表面側を微細な凹凸からなるスリ面１８にするか（図７（ａ））、その透明樹脂１１中に屈折率の異なる微細な粉末１９を分散させて（図７（ｂ））回折光を散乱させるようにすればよい。
【００２９】
ところで、カラーあるいはモノクロの反射型液晶表示装置において、その表示画面の所定の一部の領域に着色を施したい場合がある。例えばある特定のデータ表示領域を他の部分と異なる背景色にする場合である。以上のような反射型レリーフホログラム１０及び複合反射型レリーフ回折格子５０を反射型液晶表示装置の拡散反射板として用いる場合には、このような部分的な着色、あるいは、領域毎に異なる着色を施すには、回折格子５０あるいはホログラム１０の対応する領域に着色を施すようにすればよい。すなわち、図８に平面図を示すように、回折格子５０あるいはホログラム１０の所定形状の領域５１を他と違った色に見えるようにすればよい。そのためには、複合反射型レリーフ回折格子５０の場合は、領域５１に配置される微小な回折格子Ｘ、Ｙ、Ｚ（図５）の混合面積割合を変化させればよいし、反射型レリーフホログラム１０の場合は、領域５１に記録するホログラムの記録波長を他の部分と変えるとか、あるいは、ホログラム感材１に対する拡散板２と参照光５の相対位置を他の部分を撮影する場合と変えるとかすればよい。
【００３０】
さらに、この延長として、反射型レリーフホログラム１０及び複合反射型レリーフ回折格子５０の異なる３つの領域にＲ、Ｇ、Ｂの着色が可能である。したがって、反射型レリーフホログラム１０、複合反射型レリーフ回折格子５０と組み合わせる液晶表示素子４０（図２）の各画素の寸法に一致し、かつ、Ｒ、Ｇ、Ｂの画素配列に一致するように領域分けし、それらの各領域に対応するＲ、Ｇ、Ｂの着色をすることにより、反射型カラーフィルターを兼ねる拡散反射板とすることもできる。
【００３１】
さらに、図８に示すように、反射型レリーフホログラム１０及び複合反射型レリーフ回折格子５０の一部の領域に立体物等の表示パターン５２をホログラム記録しておくことも可能である。
【００３２】
なお、反射型レリーフホログラム１０及び複合反射型レリーフ回折格子５０の反射膜１２として半透過性のものを用い、液晶表示素子４０と反対側にバックライト光源を配置し、暗所ではこのバックライト光源を点灯することにより、明るい表示が可能な透過型と反射型の表示が可能な液晶表示装置とすることもできる。
【００３３】
以上に、本発明の反射型液晶表示装置用回折型拡散反射板のいくつかの実施例について説明してきたが、本発明はこれらの実施例に限定されず種々の変形が可能である。
【００３４】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の反射型液晶表示装置用回折型拡散反射板によると、拡散反射板をレリーフホログラムあるいはレリーフ回折格子から構成し、白色光を所定方向から入射させたとき、少なくとも観察域の一部において略白色に見えるので、白色波長全域を考えると、体積型ホログラムを用いる場合と比べても遜色のない効率が得られる。また、照明光の色度を略維持した回折光が得られ、照明光の色度の変化がほとんどない。さらに、エンボス複製により作製できるので、非常に安価に作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のホログラム拡散反射板に用いるレリーフホログラムを撮影するための配置と、そのようにして撮影されたレリーフホログラムを反射型にした場合の作用を説明するための図である。
【図２】本発明のホログラム拡散反射板を用いた反射型液晶表示装置の１例の断面図である。
【図３】反射型レリーフホログラムを作製するため１つの方法を示す工程図である。
【図４】本発明による複合反射型レリーフ回折格子を構成する回折格子を説明するための図である。
【図５】本発明による複合反射型レリーフ回折格子の構成を説明する平面図である。
【図６】本発明による複合反射型レリーフ回折格子の作用を説明するための図である。
【図７】本発明による反射型レリーフホログラム及び複合反射型レリーフ回折格子に散乱性を持たせる構成を示す断面図である。
【図８】本発明による反射型レリーフホログラム及び複合反射型レリーフ回折格子の変形例を示す平面図である。
【図９】従来の反射拡散板を用いた液晶表示装置の断面図である。
【符号の説明】
１…レリーフホログラム感材
２…拡散板
２’…拡散板の位置
３…照明光
４…物体光
４ａ、４ｂ、４ｃ…拡散光
５…参照光
１０…反射型レリーフホログラム
１１…透明樹脂（透過型レリーフホログラム）
１２…反射膜（多層薄膜）
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ…回折光
１５…再生照明光
１６…特定波長の光
１６’…白色照明光
１７ｘ、１７ｙ、１７ｚ…回折光
１８…スリ面
１９…微細な粉末
２０…ガラス基板
２１…フォトレジスト
２３…凹凸レリーフパターン
２３’…凹凸レリーフパターン
２３”…凹凸レリーフパターン
２４…紫外線硬化型樹脂、電子線硬化型樹脂、熱硬化型樹脂
２５…紫外線、電子線、熱線
２６…マザー版
２７…紫外線硬化型樹脂、電子線硬化型樹脂、熱硬化型樹脂
２８…紫外線、電子線、熱線
３２…白色照明光
３３…拡散光
４０…液晶表示素子
５０…複合反射型レリーフ回折格子
５１…所定形状の領域
５２…表示パターン
Ｘ、Ｙ、Ｚ…反射型レリーフ回折格子
Ｅ…観察者の眼
Claims (10)
- 液晶表示素子の観察側とは反対側に配置される拡散反射板であって、干渉縞に対応する凹凸レリーフパターンとその上に形成された反射膜とからなるレリーフホログラムからなり、その干渉縞は、面積のある拡散物体からの拡散光と外光に対応する参照光との干渉縞であり、白色光を所定方向から入射させたとき、回折される光は波長分散され、少なくとも観察域の一部において波長分散された光のスペクトルが重なり合って略白色に見えるものであり、前記凹凸レリーフパターンを設けた透明層に回折光を散乱させる処理が施されていることを特徴とする反射型液晶表示装置用回折型拡散反射板。
- 液晶表示素子の観察側とは反対側に配置される拡散反射板であって、回折格子に対応する凹凸レリーフパターンとその上に形成された反射膜とからなるレリーフ回折格子からなり、前記凹凸レリーフパターン面は、異なる格子間隔を有する３以上の回折格子から切り出した微小回折格子を混合して並べてなる複合回折格子レリーフパターンからなり、白色光を所定方向から入射させたとき、回折される光は波長分散され、少なくとも観察域の一部において波長分散された光のスペクトルが重なり合って略白色に見えるものであり、前記凹凸レリーフパターンを設けた透明層に回折光を散乱させる処理が施されていることを特徴とする反射型液晶表示装置用回折型拡散反射板。
- 前記反射膜が凹凸レリーフパターンを設けた透明層の光入射側と反対の裏面に設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の反射型液晶表示装置用回折型拡散反射板。
- 前記の回折光を散乱させる処理が、微細な凹凸からなるスリ面を設けることであることを特徴とする請求項１から３の何れか１項記載の反射型液晶表示装置用回折型拡散反射板。
- 前記の回折光を散乱させる処理が、透明樹脂中に屈折率の異なる微細な粉末を分散させることであることを特徴とする請求項１から３の何れか１項記載の反射型液晶表示装置用回折型拡散反射板。
- 所定方向から観察した場合に所定形状の部分領域が他と違った色に見えることを特徴とする請求項１から５の何れか１項記載の反射型液晶表示装置用回折型拡散反射板。
- 液晶表示素子の画素に対応した領域がＲ、Ｇ、Ｂの３色に着色していることを特徴とする請求項１から５の何れか１項記載の反射型液晶表示装置用回折型拡散反射板。
- 一部の領域に立体物等の表示パターンがホログラム記録されていることを特徴とする請求項１から７の何れか１項記載の反射型液晶表示装置用回折型拡散反射板。
- 前記反射膜が半透過性を有し、液晶表示素子と反対側にバックライト光源の配置を可能にしたことを特徴とする請求項１から８の何れか１項記載の反射型液晶表示装置用回折型拡散反射板。
- 前記レリーフ回折格子は、１枚の原版からエンボス複製してなる複数の複製版を多面付けして１枚の版に連結してなるマザー版からエンボス複製されたものであることを特徴とする請求項２記載の反射型液晶表示装置用回折型拡散反射板。
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