JP4518988B2

JP4518988B2 - 液晶表示装置

Info

Publication number: JP4518988B2
Application number: JP2005088420A
Authority: JP
Inventors: 哲夫佐伯; 幸夫倉田
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2005-03-25
Filing date: 2005-03-25
Publication date: 2010-08-04
Anticipated expiration: 2025-03-25
Also published as: JP2006267844A

Description

本発明は、液晶表示装置に関し、特に、ホログラムを備えた液晶表示装置に関する。

カラーフィルタを用いたカラー液晶表示装置では、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バックライトからの白色光をそのまま照射しただけでは、光の利用効率は非常に低い。なぜならば、各色のセル以外の部分であるブラック・マトリックスが占める面積が広く、ブラック・マトリックスに照射された光は無駄になり、また、各画素へ入射される白色光が含む各色成分のうち、カラーフィルタを透過する色成分がＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）に制限されてしまうので、その他の補色成分は無駄になってしまうからである。

このような問題点を解決するために、たとえば、特許文献１には以下のような液晶表示装置が開示されている。すなわち、波長に応じて異なる回折角で入射光を回折する単層のホログラムをバックライトの入射側に配置して、ホログラムによって回折分光された赤成分、緑成分および青成分の光、すなわち、赤、緑および青の波長を有する光を対応する色のカラーフィルターセルに入射させる。このような構成により、カラーフィルタ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、光の利用効率を向上させることができる。
特許第３４０００００号公報

しかしながら、特許文献１記載の液晶表示装置では、赤、緑および青以外の波長を有する光もホログラムを通過して液晶表示素子に入射されてしまう。したがって、ノイズ成分となる赤、緑および青以外の波長を有する光を除去するためにカラーフィルタを配置しなければならず、構成が複雑化するという問題点があった。

それゆえに、本発明の目的は、構成の簡易化を図ることが可能な液晶表示装置を提供することである。

上記課題を解決するために、この発明のある局面に係わる液晶表示装置は、ｎ種類（ｎは２以上の自然数）の色成分の光を発生する光源と、入射された各色成分の光がそれぞれ伝搬するｎ個のスラブ導波路を積み重ねて含むホログラムと、ｎ個の画素を１組として組を１個以上含む液晶表示素子とを備え、組における各画素は各色成分に１対１で対応し、各スラブ導波路には、伝搬する光を散乱して各色成分の光をそれぞれ回折し、かつ、回折された各色成分の光を、各色成分がそれぞれ対応する画素において集光させるホログラムパターンが形成される。

好ましくは、スラブ導波路には、スラブ導波路の軸方向にホログラムパターンが周期的に形成され、ホログラムパターンの１周期分であるホログラムセグメントの長さは、各スラブ導波路においてすべて同じである。

より好ましくは、ホログラムセグメントの長さは、各色成分に対応する画素の１組の長さと同じである。

より好ましくは、隣り合うホログラムセグメント同士は一部が重なった状態でスラブ導波路に形成される。

好ましくは、ホログラムパターンは、さらに、回折される各色成分の光の主光線が各色成分と対応する画素にそれぞれ垂直に入射されるように形成される。

より好ましくは、複数個の色成分は、赤成分、緑成分および青成分である。

本発明によれば、構成の簡易化を図ることが可能な液晶表示装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る液晶表示装置の構成を示す図である。

同図を参照して、液晶表示装置は、光源５０と、ホログラム５１と、液晶表示素子８とを備える。

光源５０は、赤の波長を有する光１、緑の波長を有する光２および青の波長を有する光光３を発生する。

ホログラム５１は、コア層４〜コア層６と、クラッド層７ａ〜クラッド層７ｄとを含む。ホログラム５１は、スラブ導波路を積み重ねて多層構造としたものである。ここで、スラブ導波路とは、屈折率の高いコア層を屈折率の低いクラッド層で挟み、入射された光をコア層内で伝搬させるものである。

すなわち、ホログラム５１は、コア層４、クラッド層７ａおよびクラッド層７ｂで構成されるスラブ導波路２１と、コア層５、クラッド層７ｂおよびクラッド層７ｃで構成されるスラブ導波路２２と、コア層６、クラッド層７ｃおよびクラッド層７ｄで構成されるスラブ導波路２３とを含む。ここで、スラブ導波路２１〜スラブ導波路２３は、光１〜光３の有する赤、緑および青の波長に対してそれぞれシングルモードになるように構成されている。

なお、本発明の実施の形態に係る液晶表示装置では、ホログラム５１として、たとえば、特許文献２（特許第３３２３１４６号公報）記載のホログラムを使用する構成であってもよい。

液晶表示素子８は、赤、緑および青の波長を有する光１〜光３に対応する画素を少なくとも１組含む。液晶表示素子８が含む各画素は、スラブ導波路２１〜スラブ導波路２３の軸方向に対してほぼ平行に配置される。

光源５０から放射された光１〜光３は、凸シリンドリカルレンズおよびフレネルレンズ等で構成される図示しない集光部によって集光され、コア層４〜コア層６へ照射される。

スラブ導波路２１〜スラブ導波路２３のコア層およびクラッド層の界面には、コア層内を伝搬する光１〜光３を散乱して回折し、回折した光１〜光３を、光１〜光３に対応する液晶表示素子８の画素において集光させるホログラムパターンが形成される。ここで、スラブ導波路２１〜スラブ導波路２３に形成されるホログラムパターンにおいては、光１〜光３の集光点（焦点）がすべて液晶表示素子８における画素に形成されるように、光１〜光３の焦点距離が各スラブ導波路と液晶表示素子８との距離に応じて異なっている。

なお、スラブ導波路２１〜スラブ導波路２３は、光１〜光３の有する赤、緑および青の波長に対してそれぞれシングルモードになるように構成されている、すなわち、各色の波長を有する光１〜光３がそれぞれ対応するスラブ導波路２１〜スラブ導波路２３を伝搬する構成としたが、これに限定するものではなく、図示しない集光部によって光１〜光３が集光され、それぞれコア層４〜コア層６へ照射される構成であってもよい。

スラブ導波路２１〜スラブ導波路２３には、スラブ導波路の軸方向にホログラムパターンが周期的に形成される。

図２は、液晶表示素子８の１セグメント、すなわち、赤、緑および青の波長を有する光１〜光３に対応する画素の１組を示す図である。

同図を参照して、セグメント９は、赤、緑および青の波長を有する光に対応する３個の画素を含む。セグメント９は、３個の画素で正方形を構成するのが一般的である。

図３は、本発明の実施の形態に係る液晶表示装置における液晶表示素子８の１セグメントに対応するホログラム５１の構成を示す図である。

同図を参照して、スラブ導波路２１〜スラブ導波路２３に周期的に形成されるホログラムパターンの１周期分であるホログラムセグメント１４〜１６は、液晶表示素子８の１セグメントに対応している。

また、ホログラムセグメント１４〜１６は、スラブ導波路の軸方向においてすべて同じ長さである。

ホログラムセグメント１４〜１６のスラブ導波路の軸方向における長さは、セグメント９における画素１〜画素３の全長と同じである。

ホログラムセグメント１４〜１６の各中点が、それぞれ対応する画素１１〜画素１３の中心と位置的に対応している。たとえば、ホログラムセグメント１４については、スラブ導波路２１におけるホログラムセグメント１４のスラブ導波路の軸方向における中点からスラブ導波路２１に対して垂直にセグメント９の方向へ直線を引くと、画素１１の中心と交わる。

スラブ導波路２１におけるコア層４およびクラッド層７ａの界面から回折される光１は、液晶表示素子８のセグメント９の画素１１において集光される。スラブ導波路２２におけるコア層５およびクラッド層７ｂの界面から回折される光２は、液晶表示素子８のセグメント９の画素１２において集光される。スラブ導波路２３におけるコア層６およびクラッド層７ｃの界面から回折される光３は、液晶表示素子８のセグメント９の画素１３において集光される。

また、ホログラムセグメント１４〜１６を、回折される光１〜光３の主光線を画素１１〜画素１３に垂直に入射させるように形成することができる。したがって、液晶表示装置の正面輝度を高くすることができる。

また、図１および図３ではスラブ導波路２１〜スラブ導波路２３の厚さが大きい印象を受けるが、実際はコア層を１ミクロン前後とし、また、クラッド層を１０ミクロン前後と非常に薄く形成することが可能であり、光の集光点の列、すなわち点像列を形成する光の開口数が各色で等しくなるため、視野角が変化しても色ずれが生じにくい。

ここで、現在実用化されている移動端末用の液晶表示素子８の画素間隔（ピッチ）は小さいものでも数十ミクロン程度であるためセグメント９のサイズは数百ミクロン角程度となる。ホログラムセグメントは、さらに複数の散乱要因を含み、各散乱要因はコア層内を伝搬する光を散乱して回折し、回折した光を対応する液晶表示素子８における画素において集光させる。散乱要因がスラブ導波路に配置される間隔は、コア層の屈折率をｎ、光の波長をλとすると、λ／ｎとなる。たとえば、λが６０ｎｍ（ナノメートル）、かつ、ｎが１．５である場合には、散乱要因がスラブ導波路に配置される間隔は４４０ｎｍとなる。現状では液晶表示素子８の１セグメントの長さに対して、散乱要因の配置される間隔が十分小さいため、再生像である点像を十分解像できる数の散乱要因をホログラムセグメントに配置することができる。

図４は、本発明の実施の形態に係る液晶表示装置における液晶表示素子８の１セグメントに対応するホログラム５１の構成の変形例を示す図である。

同図を参照して、液晶表示素子８は、図３に示す液晶表示素子８と比べて高画素であり、画素間隔が小さい。

ホログラム５１において、スラブ導波路２１〜スラブ導波路２３における各ホログラムセグメントの一部が、隣り合うホログラムセグメントの一部と重なっている。

このような構成により、液晶表示素子８の画素間隔が小さい場合でも図３に示すホログラム５１と同様の効果を得ることができる。

また、複数の散乱要因で形成されたホログラムパターンの回折効率は、ホログラムセグメントの大きさと相関がある。したがって、ホログラムセグメントをより長くして液晶表示素子８の１画素を透過する光の量を増やすことで、液晶表示装置の明るさを増すことができる。この場合、ホログラム５１は、同図に示すように隣り合うホログラムセグメント同士が一部重なる構成となる。

また、本発明の実施の形態に係る液晶表示装置では、光源５０として色純度の高いレーザを採用することにより、色再現領域を広くすることができる。

ところで、特許文献１記載の液晶表示装置では、ノイズ成分となる赤、緑および青以外の波長を有する光を除去するためにカラーフィルタを配置しなければならず、構成が複雑化するという問題点があった。

しかしながら、本発明の実施の形態に係る液晶表示装置では、スラブ導波路２１〜スラブ導波路２３のコア層およびクラッド層の界面には、コア層内を伝搬する光１〜光３を散乱して回折し、回折した光１〜光３を、光１〜光３に対応する液晶表示素子８における画素において集光させるホログラムパターンが形成される。このような構成により、赤、緑および青以外の波長を有する光が液晶表示素子８に入射されることを防ぐことができるため、ノイズ成分となる赤、緑および青以外の波長を有する光を除去するためのカラーフィルタを配置する必要がない。

したがって、本発明の実施の形態に係る液晶表示装置では、構成の簡易化を図ることができる。

また、このような構成により、各スラブ導波路から各色の波長を有する光を液晶表示素子８へ同じ角度で入射させることができるため、視野角、すなわち液晶表示素子８を見る角度によって色ずれが起こることを防ぎ、色再現性の低下を防ぐことができる。

また、本発明の実施の形態に係る液晶表示装置では、スラブ導波路２１〜スラブ導波路２３には、スラブ導波路の軸方向にホログラムパターンが周期的に形成される。これにより、液晶表示素子８にはスラブ導波路２１で回折された光１が赤色の点像列を形成する、すなわち、赤色の光の点が等間隔で形成される。また、スラブ導波路２２で回折された光２が緑色の点像列を形成し、また、スラブ導波路２３で回折された光３が青色の点像列を形成する。

さらに、本発明の実施の形態に係る液晶表示装置では、ホログラムセグメント１４〜１６は、スラブ導波路の軸方向においてすべて同じ長さである。したがって、本発明の実施の形態に係る液晶表示装置では、液晶表示素子８における画素に対応した間隔で赤色、緑色および青色の光の集光点が周期的に配置されるため、画素に対応する色以外の波長を有する光が入射されることを防ぐことができ、画素に対応する色以外の波長を有する光を除去するためのカラーフィルタを配置する必要がない。また、液晶表示素子８における各色の光の透過率を向上させることができる。

また、本発明の実施の形態に係る液晶表示装置では、ホログラムセグメント１４〜１６のスラブ導波路の軸方向における長さは、セグメント９における画素１〜画素３の全長と同じである。このような構成により、液晶表示素子８における画素に対応した間隔で赤色、緑色および青色の光の集光点を周期的に配置する場合に、各スラブ導波路において隣り合うホログラムセグメント同士を一部重ねることによるホログラム５１の構成の複雑化を防ぐとともに、再生像である点像を十分解像できる数の散乱要因をホログラムセグメントに配置することができる。

また、本発明の実施の形態に係る液晶表示装置では、ホログラムセグメント１４〜１６が、回折される光１〜光３の主光線が画素１１〜画素１３に垂直に入射されるように形成される。したがって、液晶表示装置の正面輝度を高めることができるとともに、視野角によって色ずれが起こることを防ぎ、色再現性の低下を防ぐことができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の実施の形態に係る液晶表示装置の構成を示す図である。液晶表示素子８の１セグメントを示す図である。ホログラム５１の構成を示す図である。ホログラム５１の構成の変形例を示す図である。

符号の説明

１〜３光、４〜６コア層、７ａ〜７ｄクラッド層、８液晶表示素子、９セグメント、１４〜１６ホログラムセグメント、２１〜２３スラブ導波路、５０光源、５１ホログラム。

Claims

ｎ種類（ｎは２以上の自然数）の色成分の光を発生する光源と、
入射された前記各色成分の光がそれぞれ伝搬するｎ個のスラブ導波路を積み重ねて含むホログラムと、
ｎ個の画素を１組として前記組を１個以上含む液晶表示素子とを備え、
前記組における各画素は前記各色成分に１対１で対応し、
前記各スラブ導波路には、前記伝搬する光を散乱して前記各色成分の光をそれぞれ回折し、かつ、前記回折された前記各色成分の光を、前記各色成分がそれぞれ対応する前記画素において集光させるホログラムパターンが形成される液晶表示装置。
前記スラブ導波路には、前記スラブ導波路の軸方向に前記ホログラムパターンが周期的に形成され、
前記ホログラムパターンの１周期分であるホログラムセグメントの長さは、前記各スラブ導波路においてすべて同じである請求項１記載の液晶表示装置。
前記ホログラムセグメントの長さは、前記各色成分に対応する前記画素の１組の長さと同じである請求項２記載の液晶表示装置。
隣り合う前記ホログラムセグメント同士は一部が重なった状態で前記スラブ導波路に形成される請求項２記載の液晶表示装置。
前記ホログラムパターンは、さらに、前記回折される各色成分の光の主光線が前記各色成分と対応する前記画素にそれぞれ垂直に入射されるように形成される請求項１記載の液晶表示装置。
前記複数個の色成分は、赤成分、緑成分および青成分である請求項３記載の液晶表示装置。