JPH06331980A - カラー表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明の目的は、低消費電力で明るいカラー表
示装置を提供する事にある。 【構成】本発明は、色分解光学系を光空間変調素子より
光源側に配置し、カラーフィルタにより透過成分以外の
波長成分が吸収される前に光の３原色成分Ｒ，Ｇ，Ｂ毎
に分解し、それぞれの光波長成分をそれぞれの画素に入
射させ使用する。 【効果】表示に必要な色波長成分の光を従来の方法の様
にカラーフィルタによる吸収によってでは無く、色分解
によって得て、それぞれの被分解光それぞれを使用する
事により光利用効率が上がり高輝度が実現出来うる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、主に、背面光源と透過
形カラー表示パネルからなるカラー表示装置に於いて、
光の利用効率を高めて、輝度向上、又は低消費電力化し
た表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のカラー表示装置として、特公平１
−５８５１６号公報に記載の様に背面光源からの白色光
を画素毎に形成されたＲ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）の
モザイク状カラーフィルタを通してＲ，Ｇ，Ｂ、の３原
色光を作り、各々を光空間変調素子で輝度変調する事に
よりカラー画像表示を行うカラー表示装置が知られてい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の方法では背
面光源からの白色光を３原色カラーフィルタＲ，Ｇ，Ｂ
に入射させていた。このため光源からの白色光が、Ｒの
画素に入射した光はＧ，Ｂの光が、Ｇの画素に入射した
光はＲ，Ｂの光が、Ｂの画素に入射した光はＲ，Ｇの光
がそれぞれのカラーフィルタで、吸収されて有効に使わ
れていなかった。このため光の利用効率が低く、高輝度
化や低消費電力化の妨げになっていた。

【０００４】また、カラーフィルタの色素が時間の経過
によって変化し、色調が変わったり、薄くなったりする
退色が発生し、カラー表示装置の寿命が短くなるという
問題があった。本発明の目的は背面光源からの白色光を
有効に用い、なおかつ、退色しにくい長寿命なカラー表
示装置を提供することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、色分解光学系
を光空間変調素子より光源側に配置し、カラーフィルタ
により透過成分以外の波長成分が吸収される前に光の３
原色成分Ｒ，Ｇ，Ｂ毎に分解し、それぞれの光波長成分
をそれぞれの画素に入射させ使用する事を特徴とする。

【０００６】

【作用】背面光源からの白色光は、色分解光学系により
３原色Ｒ，Ｇ，Ｂの光に分解して、光空間変調素子のそ
れぞれの対応する開口位置に入射するためカラーフィル
タによる光損失を低減する事が出来る。これにより光利
用率を向上させる事が出来る。

【０００７】また、色の決定は基本的に色分解光学系に
より行うため、カラーフィルタにかかる不必要な光照射
が少なくなる。これによってカラーフィルタの画素色素
の退色が遅くなり、カラーフィルタの寿命が延びる。さ
らに、色分解光学系を理想的な色波長成分毎に色分解出
来る様に設定するとカラーフィルタが不要になり、カラ
ー表示装置の長寿命化に大きく寄与する。

【０００８】

【実施例】図１は本発明によるカラー表示装置の構成例
を示す断面図である。１は光源であり、例えば螢光管で
ある。４１は反射板、３は拡散板、５は例えば特公平３
−２７９０９号公報に記載されているプリズムシート、
６は反射マスク、８はルーバ、３８は色分解光学系、２
７は光空間変調素子である。

【０００９】色分解光学系３８は、例えば色分解光学系
下層部１０、全反射面１１、色分解光学系中層部１２、
赤色の光（Ｒ）のみを透過し他の光を反射するダイクロ
イックフィルタ１３、緑色の光（Ｇ）を透過し青色の光
（Ｂ）を反射するダイクロイックフィルタ１４、遮光部
１６、色分解光学系上層部１７から構成され、白色光を
例えば、Ｒ，Ｇ，Ｂの光に分解する働きを持つ。

【００１０】光空間変調素子２７は例えば、下部偏光板
２１、液晶パネル下層基板２２、ブラックマトリクス２
３、液晶層２４、カラーフィルタ２５、液晶パネル上層
基板３７、上部偏光板２６から成る液晶パネルである。

【００１１】３９はカラー表示単位であり、加法混色の
原理により任意の色を表示する３原色Ｒ，Ｇ，Ｂの画素
の組である。

【００１２】反射マスク６はＲの画素の光空間変調素子
開口部分のみを開口としている。反射マスク６で反射し
た光は、反射マスク６下部に設置されている拡散板３等
と反射マスク６との間で多重反射を繰り返して開口部７
に入射し有効な光として利用される事になる。よって、
光が低損失で多重反射する様に反射マスク６は出来るだ
け反射率が高い材料を用いると良い。従来ブラックマト
リクスとして例えばＣｒが用いられており反射率は例え
ば２６％程度であった。本実施例では少なくとも３０％
以上の反射率、例えば反射率が５０％以上が期待出来る
アルミニウム，金，銀等の金属材料で形成するとよい。
反射マスク開口部７は、その 光空間変調素子の開口部
面積分だけあればよく、１画素分設ける必要はない。例
えば、光空間変調素子の１画素の開口率が４０％とする
とＲ，Ｇ，Ｂ３画素で構成されるカラー表示単位３９に
対する開口率はその１／３の１３％となる。従って、１
画素の開口部の７．５倍の面積部分に入射した光を下部
に反射させ輝度向上に寄与させる事が出来る。これによ
って、非開口部に入射する光源からの光は、反射マスク
６で反射され下部反射部材，拡散板等により再反射、拡
散され開口部に入射する光量を増やす事が出来る。

【００１３】プリズムシート５は、例えば図２で示すよ
うに４角錐状プリズムアレイとなっており、一つのプリ
ズムの頂点は、反射マスクの開口部７の中心に位置し４
角錐は開口部７に対して１つあればよい。光源からの光
は、上下左右等様々な方向に拡散しているが、プリズム
シート５は、この拡散している光源からの光を光軸に平
行に近づける作用がある。全方位に放射する光を平行光
束に近づけるためプリズム錐体を円錐状に形成してもよ
い。

【００１４】ルーバ８は、反射マスク開口部７と略同等
の穴が開けられており、拡散光成分を出来るだけ取り除
き平行光束成分を取り出すために用いる。拡散光成分が
色分解光学系３８に斜め入射すると正確に必要な色成分
毎に分離されなくなり、各分離光の色純度が落ちる事が
考えられるためである。ルーバ８の厚さは色純度が実用
上問題が無いレベルに拡散光をカット出来る程度に厚く
する必要があるが、色純度を多少犠牲にすればルーバ８
を用いる必要はない。例えばＲ，Ｇ，Ｂの光の中心波長
がそれぞれ６１０ｎｍ，５４０ｎｍ，４５０ｎｍとする
とＲ，Ｇ，Ｂそれぞれが交じらないためには中心波長か
ら３０ｎｍの範囲外の光をカットすれば良い事になる。
ここでＧ光をとって説明する。中心波長から３０ｎｍ迄
の範囲の波長の光を許容する事とするとＧ光は５１０ｎ
ｍ〜５７０ｎｍの光波長成分まで許容される。色分解光
学系斜平面部の角度を４５°とすると、ダイクロイック
フィルタの１つの層は中心波長の５４０ｎｍに対してλ
／４になる様に設定されているから、ダイクロイックフ
ィルタの厚さは１３５ｎｍである。波長域の両端の光で
ある５１０ｎｍ，５７０ｎｍの光に対してλ／４になる
角度はそれぞれ４８．５°，４２°であり３°以内の光
を通過させそれ以外の光を遮断すれば色純度の低下を防
ぐ事が出来る。

【００１５】下層部１０は下面は水平面とする。上面の
Ｒ画素部分は水平面とし、光透過部分とする。Ｇ，Ｂ画
素部分はＲ画素部分の水平面から立ち上がる４５°斜平
面とし、全反射面１１を形成する。上層部１７はＲ，
Ｇ，Ｂ全画素分を４５°の斜平面とし、全体としては鋸
歯状になる様に形成し、それぞれの色成分を分離する様
に少なくとも光空間変調素子２７の画素開口部分以上の
領域にダイクロイックフィルタ１３，１４を形成してお
く。

【００１６】ダイクロイックフィルタ（Ｒ透過）１３
は、Ｒ光１８を透過し、残るＧ＋Ｂ光２９を反射させ
る。Ｇ＋Ｂ光２９は全反射面１１で反射された後ダイク
ロイックフィルタ（Ｇ透過）１４をＧ光１９が透過し、
反射されたＢ光２０が更に全反射面１１で反射されそれ
ぞれ光空間変調素子２７に入射する。

【００１７】色分解光学系に斜めの光が入射すると隣の
画素に入射する光線４０が例えばＧ光１９であるがＢ画
素に入射する事で色純度を低下させる事が考えられる。
これを防止するため、ダイクロイックフィルタ面の境界
部の液晶素子の非開口部分に光吸収物質を用い遮光部１
６を形成してもよい。また、色分解光学系上層部下面斜
平面部のＢ画素相当部にはダイクロイックフィルタは無
いので、Ｂ光以外を吸収するフィルタであるＢフィルタ
を設てもよい。

【００１８】色分解光学系上下層の間隔ｈは斜平面部角
度をθ、画素ピッチをＰとすると、ｈ＝Ｐ／ｓｉｎ２θ
の関係にある。図１のように色分解光学系斜平面部を４
５°とすると、垂直方向の高さにして液晶１画素分あれ
ば良い。上下層の間隔を保つため中層部１２は、透明な
紫外線硬化樹脂や光硬化性樹脂等で埋めても良い。３層
を光空間変調素子の微細構造に位置合わせしなけらばな
らず、また温度変化による熱膨張係数の差異による位置
ずれも問題となるので、３層全層を同一物質で形成する
となお良い。

【００１９】なお、図１では色分解光学系下層部上面の
Ｒ画素部分の水平面と、該水平面から立ち上がるＧ，Ｂ
画素部分の斜平面に対して光空間変調素子２７のカラー
表示単位１つが対応している。これを水平面と斜平面の
組みを複数のカラー表示単位に対応させる様にしても良
い。例えばカラー表示単位２個に対応させるとすると色
分解光学系下層部上面はＲ画素部分は水平面にし、該水
平面から立ち上がる斜平面はＧ，Ｂと次のＲ，Ｇ，Ｂ部
分まで延長し、Ｇ，Ｂ部分を反射面にする。色分解光学
系上層部下面にはそれぞれのＲ，Ｇ部にダイクロイック
フィルタ１３，１４と遮光部１６を配置した構成にす
る。この様にすれば色分解光学系斜平面部角度が４５度
の時でカラー表示単位のピッチ分厚みが増すが色分解光
学系の加工を容易にする事が出来る。

【００２０】この様に図１の実施例によればカラーフィ
ルタによる光の吸収が無く光源から発光された光のより
多くの波長成分を無駄無く使用するため低消費電力でな
おかつ長寿命なカラー表示装置を得る事が出来る。

【００２１】以上、１カラー表示単位内の画素をそれぞ
れＲ，Ｇ，Ｂの３色とし、Ｒ部分に入射した螢光管１か
らの白色拡散光を色分解光学系３８によってＧ，Ｂに供
給するものとしたが、別にＧ部分に入射した光をＲとＢ
に供給する構造にしても、Ｂ部分に入射した光をＲとＧ
に供給する構造にしても何等問題が無く、Ｒ，Ｇ，Ｂの
並び方をどの順番にしても何等問題が無い。またＲ，
Ｇ，Ｂ以外の組合わせでも良く、また３色でなくても良
い。

【００２２】図３には更に色分解光学系を簡略化した色
分解光学系の図で、反射マスク開口部それぞれをダイク
ロイックフィルタ面としたカラー表示装置の図である。
１は光源、４１は反射板、３は拡散板、２８は、図４に
示すダイクロイックフィルタアレイ、２７は光空間変調
素子で構成されている。

【００２３】ダイクロイックフィルタアレイ２８は図５
に示す様に、光空間変調素子２７のＲ，Ｇ，Ｂの開口部
に相当する位置にＲ光のみが透過するダイクロイックフ
ィルタ１３２、Ｇ光のみが透過するダイクロイックフィ
ルタ１４２、Ｂ光のみが透過するダイクロイックフィル
タ１５２をそれぞれ形成したものである。更に光利用率
を高めるためにダイクロイックフィルタアレイ２８のブ
ラックマトリクス２３に対応する部分を反射面にしても
よい。Ｒ，Ｇ，Ｂの３枚のダイクロイックフィルタ形成
時に光空間変調素子の非開口部に対応する部分にもダイ
クロイックフィルタを形成すると反射マスクが形成され
るに等しくなり工程が削減され形成コストが低減され
る。

【００２４】拡散板からの拡散白色光４のそれぞれの波
長成分は、Ｒ光のみ透過するダイクロイックフィルタ１
３２ではＲ光のみが、Ｇ光のみ透過するダイクロイック
フィルタ１４２ではＧ光のみが、Ｂ光のみ透過するダイ
クロイックフィルタ１５２ではＢ光のみが透過しその他
の光は反射する。反射された残りの色成分の光は、拡散
板３とダイクロイックフィルタアレイ２８との間で反射
を繰り返し、いずれは目的の開口部に入射する事にな
る。説明上図３左から出た光で説明すると、拡散板から
の白色拡散光４（Ｗ（白色）＝Ｒ＋Ｇ＋Ｂ）はＲ光のみ
透過するダイクロイックフィルタ１３２に入射する。こ
こで光源からの白色拡散光はＲ光１８とＧ＋Ｂ光２９に
分離され、Ｒ光は透過し光空間変調素子のＲ光入射相当
部分に入射する。一方Ｇ＋Ｂ光２９は、Ｒ光のみ透過す
るダイクロイックフィルタ面１３によって反射されダイ
クロイックフィルタ面１３２と拡散板３などの間で多重
反射されいずれかの部分に入射する。ここで、仮に隣の
Ｇ光のみを透過するダイクロイックフィルタ面１４２に
入射することにすると、Ｇ光のみ透過するダイクロイッ
クフィルタ面１４２でＧ光１９のみが透過して、Ｂ光２
０はまた反射され、減衰前にいずれかのＢ光透過部分１
５１に入射すれば光源として利用される事になる。よっ
て、この場合も拡散板からの白色拡散光４の色波長成分
が有効に使用される。なお、この場合も、図１の様に拡
散板３と色分解光学系３８との間にプリズムシート５、
ルーバ８などを用いてもよい。

【００２５】以上、本実施例によっても１カラー表示単
位内の画素をそれぞれＲ，Ｇ，Ｂの３色としたが、Ｒ，
Ｇ，Ｂの並び方をどの順番にしても何等問題が無い。ま
たＲ，Ｇ，Ｂ以外の組合わせでも良く、また３色でなく
ても良い。

【００２６】本発明の更に他の実施例を図５に示す。図
５は色分解をプリズム分光によって行うカラー表示装置
の図である。６は反射マスク、３０はプリズムシート、
３３はマイクロレンズアレイ、２７は光空間変調素子で
ある。

【００２７】平行光束９は反射マスク６を通りプリズム
シート３０の光の波長毎の屈折率の差によって連続的に
色分解され、マイクロレンズアレイ３３によって光空間
変調素子２７の色毎の対応する画素位置に集光して入射
する。

【００２８】プリズムシート３０は、図５の紙面の法線
方向に長い３角柱形プリズムを紙面の幅方向に並べた構
成になっている。プリズムの材料はＲ，Ｇ，Ｂの光に対
して屈折率が異なる波長分散材料を用い、反射マスク開
口部からのＲ，Ｇ，Ｂそれぞれの光線が光空間変調素子
のＲ，Ｇ，Ｂそれぞれの画素に入射する様に設定すれば
良い。

【００２９】この実施例によると色分解のための微小面
積ダイクロイックフィルタの形成コストが無い色分解光
学系を得る事が出来る。

【００３０】以上、１カラー表示単位内の画素をそれぞ
れＲ，Ｇ，Ｂの３色としたがＲ，Ｇ，Ｂ以外の組合わせ
でも良く、また３色でなくても良い。

【００３１】本発明の更に他の実施例を図６に示す。図
６は、色分解をダイクロイックミラーによって行うカラ
ー表示装置の例である。６は反射マスク、３２はリレー
レンズ、３４はダイクロイックミラー（Ｒのみ反射）、
３５はダイクロイックミラー（Ｇのみ反射）、３６はダ
イクロイックミラー（Ｂのみ反射）、３３はマイクロレ
ンズアレイ、２７は光空間変調素子である。

【００３２】平行光束９は反射マスク６を通りリレーレ
ンズ３２を通った後ダイクロイックミラー積層板３４，
３５，３６によりＲ，Ｇ，Ｂに分解される。その後マイ
クロレンズアレイ３３によって光空間変調素子２７の色
毎の対応する画素位置に集光して入射する。

【００３３】ダイクロイックミラー積層板の各ダイクロ
イックミラーの間隔は平行光束９が各ダイクロイックミ
ラーで反射した後に光空間変調素子の各画素に入射する
様にダイクロイックミラー積層板の角度と共に設定する
必要がある。

【００３４】この実施例によると、図５のプリズムシー
トの形成コストが無くなおかつ、微小ダイクロイックフ
ィルタの無い色分解光学系を用いたカラー表示装置が構
成出来る。

【００３５】以上、１カラー表示単位内の画素をそれぞ
れＲ，Ｇ，Ｂの３色としたが、ダイクロイックミラー積
層板の積層順序を各成分光が目的の画素に入射する様に
設定すればＲ，Ｇ，Ｂの並び方をどの順番にしても何等
問題が無い。またＲ，Ｇ，Ｂ以外の組合わせでも良く、
また３色でなくても良い。

【００３６】

【発明の効果】以上に説明した様に、光源からの白色拡
散光を色分解光学系により任意の数の任意波長成分に分
解して使用するため、カラー表示単位の内１画素分の開
口部以外の光は必要が無い。よってこの部分に入射する
光を開口部に導けばその分輝度がアップする。

【００３７】また、色の決定は基本的に色分解光学系に
より行うため、カラーフィルタにかかる不必要な光照射
が少なくなる。これによってカラーフィルタの画素色素
の退色が遅くなり、カラーフィルタの寿命が延びる。さ
らに、色分解光学系を理想的な色波長成分を構成出来る
ように工夫するとカラーフィルタが不要になり、カラー
フィルタ形成コストがなくなるとともに、表示パネルの
寿命が延び、カラー表示装置自体の寿命延長に大きく寄
与する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す断面図である。

【図２】プリズムシートの一例を三角法で表した図であ
る。

【図３】本発明の第３の実施例を示す断面図である。

【図４】ダイクロイックフィルタアレイの一例を示す上
面図である。

【図５】本発明の第４の実施例を示す断面図である。

【図６】本発明の第５の実施例を示す断面図である。

【符号の説明】

１…螢光管、２…螢光管から出た白色拡散光、３…拡散
板、４…白色拡散光、５…プリズムシート、６…反射マ
スク、７…反射マスク開口部、８…ルーバ、９…平行光
束、１０，１０１…色分解光学系下層部、１１…全反射
面、１２，１２１…色分解光学系中層部、１３，１３
１，１３２…ダイクロイックフィルタ（Ｒ透過）、１
４，１４１，１４２…ダイクロイックフィルタ（Ｇ透
過）、１５，１５１，１５２…ダイクロイックフィルタ
（Ｂ透過）、１６…遮光部、１７，１７１…色分解光学
系上層部、１８…赤色光（Ｒ）、１９…緑色光（Ｇ）、
２０…青色光（Ｂ）、２１…下部偏光膜、２２…液晶パ
ネル下層基板、２３…ブラックマトリクス部、２４…液
晶層、２５…カラーフィルタ層、２６…上部偏光膜、２
７…光空間変調素子、２８…ダイクロイックフィルタア
レイ、２９…シアン（Ｇ＋Ｂ）光、３０…プリズムシー
ト、３１…ランプ、３２…リレーレンズ、３３…マイク
ロレンズアレイ、３４…ダイクロイックミラー（Ｒ反
射）、３５…ダイクロイックミラー（Ｇ反射）、３６…
ダイクロイックミラー（Ｂ反射）、３７…液晶パネル上
層基板、３８…色分解光学系、３９…カラー表示単位、
４０…遮光部によって吸収される光、４１…反射板。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐藤 剛三 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式 会社日立製作所映像メディア研究所内 (72)発明者 高清水 聡 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式 会社日立製作所映像メディア研究所内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】背面光源と色分解光学系、光空間変調手段
   を備えたカラー表示装置に於いて、該光空間変調手段は
   マトリクス状に形成された複数の画素を有すると共に、
   異なる色を表示する２個以上の画素の組をカラー表示単
   位としたものであって、色分解光学系は、カラー表示単
   位毎に開口部を有し、該開口部に入射した光を少なくと
   も２色以上の成分に分ける色分解手段を備え、それぞれ
   の被分解光を同じカラー表示単位内のそれぞれ異なる画
   素に入射させる導光手段を有する事を特徴とするカラー
   表示装置。
2. 【請求項２】背面光源と色分解光学系、光空間変調手段
   を備えたカラー表示装置に於いて、背面光源と色分解光
   学系の間に拡散放射成分光を出来るだけ光軸に平行な成
   分を増やす様にするプリズムシート等の光学系を用いた
   事を特徴とする請求項１記載のカラー表示装置。
3. 【請求項３】背面光源と色分解光学系、光空間変調手段
   を備えたカラー表示装置に於いて、該光空間変調手段は
   マトリクス状に形成された複数の画素を有しており、該
   光空間変調手段より背面光源側に光反射層を設けたカラ
   ー表示装置であって、光反射層に色分解光学系の開口部
   と略同等の位置で略同等程度の大きさの開口部を設けた
   事を特徴とする請求項１記載のカラー表示装置。
4. 【請求項４】モザイク状あるいはストライプ状にダイク
   ロイックミラーあるいはダイクロイックフィルタを形成
   した第１の透明基板と、モザイク状あるいはストライプ
   状に全反射面を形成した第２の透明基板からなり、第１
   の透明基板と第２の透明基板が所定の間隔で維持されて
   いる事を特徴とする色分解光学系。
5. 【請求項５】透明基板同士の間に固体層を設け、該固体
   層が紫外線硬化樹脂又は、感光硬化樹脂である事を特徴
   とする請求項４記載の色分解光学系。
6. 【請求項６】背面光源と色分解光学系、光空間変調手段
   を備えたカラー表示装置に於いて、該光空間変調手段は
   マトリクス状に形成された複数の画素を有すると共に、
   異なる色を表示する２個以上の画素の組をカラー表示単
   位としたものであって、カラー表示単位の要素画素のそ
   れぞれの開口部に、それぞれ必要色波長成分を透過し残
   りの成分を反射する様にダイクロイックフィルタ、又は
   ダイクロイックミラーを設け、非開口部を光反射面とし
   た事を特徴とするカラー表示装置。