JPH09197389A

JPH09197389A - カラー画像表示装置

Info

Publication number: JPH09197389A
Application number: JP8006726A
Authority: JP
Inventors: Takashi Masuda; 岳志増田; Hiroshi Nakanishi; 浩中西
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1996-01-18
Filing date: 1996-01-18
Publication date: 1997-07-31

Abstract

(57)【要約】【課題】カラー画像表示装置において、画素のピッチ
を小さくするほど、画素中のブラックマトリクスが占め
る割合が大きくなり、開口率が小さくなって、輝度が低
下するという問題が生じる。また、ブラックマトリクス
による遮光部分が縞模様として観察され、画像品質は著
しく低下するという問題が生じる。また、画素ごとに色
が分離して見えることにより画質が低下するという問題
がある。【解決手段】カラー画像表示装置は、光源１、液晶表
示素子２、光線の合成、回折を行うホログラム素子３、
フィールドレンズ４、接眼レンズ５からなる光学手段に
よって構成される。液晶表示素子からの出射光は、連続
する３原色の画素を１組として、ホログラム素子３の対
応する領域に入射し、合成され、それぞれ同一の方向に
回折される。ホログラム素子３は、３原色の光に対応す
るホログラム素子を３枚重ね合せた透過型ホログラム素
子である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、液晶表示素子を用
いたカラー画像表示装置に関し、特に、ビデオカメラに
用いられるビューファインダや、バーチャルリアリティ
ーシステムに用いられるスコープなどの表示手段として
適用されるビューファインダ型カラー画像表示装置、ま
たは、液晶プロジェクタなどの表示手段として適用され
る投影型カラー画像表示装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】カラー画像表示装置に用いられる液晶表
示素子の画素は、マトリクス状に規則的に配列されてい
る。液晶表示素子の各画素では、液晶表示素子とは別に
設置された光源から各画素への入射光が、液晶表示素子
のカラーフィルタによって、赤（Ｒ）、青（Ｂ）、緑
（Ｇ）の３原色のいずれかに選択され、画素電極に印加
される駆動電圧に従った液晶の光学特性の変化によって
強度が変調されて、カラー画像を表示することができ
る。以下の説明では、３原色の赤はＲ、青はＢ、緑はＧ
と略称する。

【０００３】各画素電極に独立した駆動電圧を印加する
方法としては、単純マトリクス方式とアクティブマトリ
クス方式とがある。特に、アクティブマトリクス方式
は、ＭＩＭ（金属−絶縁体−金属）素子やＴＦＴ（薄膜
トランジスタ）素子などのスイッチング素子と、画素電
極に駆動電圧を供給するための配線電極とを設ける必要
があり、これらが画素の一部を占めてしまうことによっ
て、有効な画素開口部が小さくなる、すなわち、開口率
が低下する。

【０００４】さらに、上記スイッチング素子や配線電極
が形成された領域の液晶には、正規の駆動電圧が印加さ
れないので、表示動作が実行されない。したがって、上
記のスイッチング素子や配線電極が形成された領域に、
ブラックマトリクスと呼ばれる遮光手段を設けて、入射
光を遮断している。

【０００５】ビデオカメラのビューファインダや、バー
チャルリアリティーシステムのスコープなどに用いられ
るビューファインダ型カラー画像表示装置や、液晶プロ
ジェクタなどに用いられる投影型カラー画像表示装置に
おいて、上記のアクティブマトリクス駆動を行う場合、
画素電極、スイッチング素子、および配線電極を小さい
面積に高密度で設ける必要がある。

【０００６】しかし、上記スイッチング素子や配線電極
は、その電気的特性や製造技術などの制約から、ある程
度以下の大きさに形成することは困難である。したがっ
て、画素のピッチを小さくするほど、画素中のブラック
マトリクスが占める割合が大きくなり、開口率が小さく
なって、輝度が低下すると同時に、上記ブラックマトリ
クスによる遮光部分が縞模様として観察され、画像品質
は著しく低下するという問題が生じる。

【０００７】また、上記のように液晶表示素子はＲ、
Ｇ、Ｂに対応する画素を１つのグループとして構成され
ているが、個々の画素が区別できない程の距離をおいて
見る場合は、３原色の画素は融合して見える。

【０００８】しかし、ビューファインダ型カラー画像表
示装置や単板式の投影型画像表示装置のように、液晶表
示素子を見る場合には、３原色の画素は分離して見え
る。

【０００９】上記の問題点の一つである、ブラックマト
リクスによる縞模様により画像品質が低下するという問
題点については、液晶表示素子の出射側にマイクロレン
ズを設けて、各画素開口部からの出射光を画素の大きさ
に拡大するという方法が考えられる。

【００１０】例えば、特開昭６４−３５４１５号公報で
は、平行光束を拡大変換するために、メニスカスマイク
ロレンズなどによるテレセントリック光学系をプロジェ
クタなどに利用される液晶表示素子の出射側に設け、液
晶表示素子の画素開口部から出射する平行光束を画素の
大きさに拡大する技術が開示されている。

【００１１】また、特開平６−２０８１１２号公報で
は、ビューファインダ型画像表示装置において、液晶表
示素子の出射側にメニスカスマイクロレンズとフィール
ドレンズ、および接眼レンズを設置し、画素開口部の一
部を拡大表示することによってブラックマトリクスによ
る縞模様やモアレ縞を排除するという技術が開示されて
いる。

【００１２】また、画素ごとに色が分離して見えること
により画質が低下するという問題点については、各画素
の光線を混合して、拡大しても画素が分離して見えない
ようにする方法が検討されてきた。

【００１３】例えば、特開平６−３４７７４５号公報で
は、拡散板を液晶表示素子の出射側に設置し、液晶表示
素子の画素を透過した光束を、拡散板によって散乱さ
せ、色の混合を行う技術が開示されている。

【００１４】また、特開平７−４９４９０号公報では、
回折格子を光学的ローパスフィルタとして用い、液晶表
示素子の画素からの光束を回折させることで、多重像を
形成し、均一で滑らかな画像を形成する直視型のカラー
画像表示装置の技術が開示されている。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、特開昭６４−
３５４１５号公報および特開平６−２０８１１２号公報
では、遮光部分を無くし、画素間を隙間なく見せること
ができるが、画素ごとの色の分離という課題が残ってい
る。

【００１６】また、特開平６−３４７７４５号公報に開
示されている方法では、色が混合されるエリアの大きさ
は液晶表示素子と拡散板の距離に大きく依存する。よっ
て、液晶表示素子に使用されているガラス基板の厚さの
ために、色が混合されるエリアがＲ、Ｇ、Ｂに対応する
画素のエリアより大きくなってしまい、解像度が低下す
る場合がある。さらに、本方式では拡散板での散乱、吸
収によって明るさが低下するという問題が発生する。

【００１７】特開平７−４９４９０号公報では、回折に
よって画素が拡大されるため、遮光部分は観察されず、
色混合も行われるが、特開平６−３４７７４５号公報の
場合と同様に解像度の低下が問題となる。

【００１８】本発明の目的は、ブラックマトリクスに起
因して観察される縞模様と、画像品位の低下、輝度の低
下を招くことのない色混合とを同時に行える光学手段を
有するカラー画像表示装置を提供することである。

【００１９】

【問題点を解決するための手段】本発明は、光源と、前
記光源からの白色光が含む赤、緑、青の光束のそれぞれ
に対応し、前記各光束の透過率を制御する複数の画素を
有する液晶表示素子と、前記赤、緑、青の光束のそれぞ
れに対応し、かつ隣接する３つの画素単位で前記画素を
透過した赤、緑、青の光束を同一方向に回折させるホロ
グラム素子と、前記液晶表示素子に表示された画像を結
像する光学手段とを有することを特徴とする。

【００２０】また、本発明は、前記ホログラム素子が、
赤、緑、青の光束に対して各々異なる回折角を有するホ
ログラム素子を積層して構成されていることを特徴とす
る。

【００２１】また、本発明は、前記ホログラム素子が、
赤、緑、青の光束に対して各々異なる回折角を有する多
重ホログラム素子から構成されていることを特徴とす
る。

【００２２】また、本発明は、前記光学手段が、前記ホ
ログラム素子で回折された光束を受け、前記液晶表示素
子に表示された画像を観察する接眼レンズであることを
特徴とする。

【００２３】また、本発明は、前記光学手段が、前記ホ
ログラム素子で回折された光束を受け、前記液晶表示素
子に表示された画像を投影する投影レンズであることを
特徴とする。

【００２４】以下、本発明の作用について説明する。

【００２５】本発明によれば、ホログラム素子は液晶表
示素子の隣接する３原色の画素１組ずつに対応して形成
されたホログラム素子であり、液晶表示素子の出射側に
設置される。液晶表示素子からの出射光は隣接する３原
色の画素を１組としてホログラム素子の対応する領域に
入射し、合成され、それぞれ同一の方向に回折される。
これによって、ブラックマトリクスによる縞模様の発生
を回避し、画素の境界を滑らかにできる。また、３原色
に対応する画素１組の範囲内で色混合が実現できるの
で、解像度が低下しない。さらに、ホログラム素子の回
折効率が非常に高いので、輝度の低下を避けることがで
きる。

【００２６】上記ホログラム素子は、Ｒ、Ｇ、Ｂの光束
に対して各々異なる回折角を有するホログラム素子を複
数枚積層した積層ホログラム素子、もしくは、複数の光
線の波長域に対して各々異なる回折角を有する多重ホロ
グラム素子のいずれかでも良い。

【００２７】上記ホログラム素子は、原盤を作製した後
に、複製を作ることによって安価に量産できるので、コ
ストダウンを図ることができる。また、多重ホログラム
素子を用いれば、ホログラム素子が１枚で済むので、さ
らにコストダウンを図ることができる。

【００２８】上記ホログラム素子によって、滑らかに色
混合され、１方向に回折された光束は、フィールドレン
ズによって接眼レンズ、あるいは投影レンズに集光さ
れ、画像を観察することができる。

【００２９】また、上記ホログラム素子の各領域に、対
応する１組の３原色の画素とは異なる組からの光線が入
射した場合、ホログラム素子によって異なる方向に回折
される。このような迷光は画質を低下させる原因となる
ので、接眼レンズ、あるいは投影レンズの受光角を最適
に設計することによって取り除くことができる。

【００３０】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態について説明
する前に、本発明の前提となるホログラム素子について
説明する。

【００３１】図５に示すように、ホログラム素子は、ホ
ログラム記録用の基板３５上にできるレーザー光３１お
よび３２の２光束によってできる干渉縞３３を屈折率の
差（△ｎ）として記録することによって、作製すること
ができる。

【００３２】ここで用いる２光束の角度設定は、『レー
ザーと画像』（龍岡静夫著共立出版、７７〜８１ペー
ジ）に説明してあるように、使用する波長域の光がブラ
ッグの回折条件を満たすような干渉縞が発生する条件
に、設定すればよい。

【００３３】次に、本発明に適用する透過型ホログラム
素子の回折について説明する。ホログラム素子の回折効
率ηは、Ｋｏｇｅｌｎｉｋのカップル波理論より導くこ
とができ、透過型ホログラム素子の回折効率ηは、数式
１で表される。

【００３４】（数式１） η＝ｓｉｎ² （△ｎｄπ／λｃｏｓθ）ただし、ｄはホログラム素子の厚さ、λは回折光の波
長、θは２光束がなす角度である。

【００３５】Ｋｏｇｅｌｎｉｋのカップル波理論による
ホログラム素子の回折効率ηを、図６に示す。図６か
ら、透過型ホログラム素子では、ホログラム素子の厚さ
ｄが設計値からずれると、回折効率ηが低下することが
わかる。

【００３６】図７に示すように、ホログラム素子３６へ
の入射光線（設計光線）３７と、入射角が設計光線から
ずれた入射光線３８とを比較すると、ホログラム素子３
６中を通過する距離が変化し、設計された距離との差
（△Ｌ＝Ｂ−Ａ）が大きくなって、回折効率ηが低下す
る。

【００３７】このことから、最も注意すべき迷光はホロ
グラム素子で回折されずに透過した光線、すなわち０次
光であることがわかる。よって、接眼レンズ、あるいは
投影レンズの受光角は０次光による迷光を受光しないよ
うに設計を行う必要がある。

【００３８】以下、本発明の実施形態について説明す
る。

【００３９】（実施形態１）本発明の実施形態１である
ビューファインダ型カラー画像表示装置の概略的な構成
図を図１に示す。実施形態１のカラー画像表示装置は、
光源１、液晶表示素子２、光線の合成、回折を行うホロ
グラム素子３、フィールドレンズ４および接眼レンズ５
からなる光学手段によって構成されている。

【００４０】光源１としては、白色光源で、拡散光源で
もあるバックライトを用い、そのバックライトは冷陰極
管で構成されている。

【００４１】実施形態１で用いられる液晶表示素子２と
ホログラム素子３の近傍付近の断面を模式的に示す断面
図を図２に示す。液晶表示素子２は透過性を有する基板
７および９と、ブラックマトリクス８ａと画素開口部８
ｂから成る画素部分８で構成されている。画素開口部８
ｂはそれぞれＲ、Ｇ、Ｂの画素に対応している。

【００４２】ただし、図２では、液晶表示素子２の構成
要素である偏光板、配向膜などは簡略化のために、省略
している。

【００４３】実施形態１で用いた液晶表示素子２は、対
角線長さが３．６インチ（７３．４ｍｍ×５３．４ｍ
ｍ）、画素ピッチが１１４μｍ×１１４μｍ、画素開口
部が５７μｍ×５７μｍ、基板７、９の厚さは１．１ｍ
ｍである。

【００４４】光源１であるバックライトから照射された
拡散光は液晶表示素子２に入射し、各画素ごとにＲ、
Ｇ、Ｂのいずれかに選択され、強度が変調される。ホロ
グラム素子３は液晶表示素子２の連続した３原色の画素
１組ずつに対応して形成され、３画素に対応する領域に
入射する３原色の光線をそれぞれ同一の方向に回折す
る。

【００４５】実施形態１に設けるホログラム素子３は、
Ｒ、Ｇ、Ｂのそれぞれの光に対応するホログラム素子を
３枚重ね合わせた透過型ホログラム素子である。上記の
説明のように、Ｒのホログラム素子は波長約６００ｎｍ
以上の入射光、Ｂのホログラム素子は波長約５００ｎｍ
以下の入射光、Ｇのホログラム素子は波長５００〜５７
０ｎｍの入射光をそれぞれ回折し、ホログラム素子３の
垂線方向に出射するように設計した。

【００４６】ホログラム素子の作製方法として、例え
ば、特開平６−２３０３７７号公報では図３に示すよう
な方法が開示されている。ホログラム素子に必要な干渉
縞を計算機によって計算する。例えば、電子線レジスト
上に電子ビームで描画し、現像して計算機ホログラム１
０を作成する。計算機ホログラム１０とホログラム記録
用感光材料１１を貼り合わせ、計算機ホログラム１０側
からホログラム記録用レーザー光１２を照射し、計算機
ホログラム１０によって生じる集光回折光１３と直進透
過光（０次光）１４とをホログラム記録用感光材料１１
中で干渉させる。

【００４７】ホログラム記録用感光材料１１としては、
例えばデュポン（株）製オムニデックス６００を用い、
ホログラム記録用レーザー１２としてはアルゴンイオン
レーザー（波長４８８ｍ）を使用した。

【００４８】上記ホログラム素子の材料は、モノマ、開
始剤、増感色素を含む高分子記録フィルムであり、以下
に示す３つの工程およびその工程の条件により、Ｒ、
Ｇ、Ｂのそれぞれに対応する干渉縞をホログラム素子に
記録することができる。

【００４９】（ａ）レーザー光による露光：２０ｍＪ／ｃｍ^２（ｂ）紫外線照射：１００ｍＪ／ｃｍ^２（ｃ）加熱：１２０℃、２時間まず、（ａ）のレーザー光による露光の工程について説
明する。初期状態では、モノマは記録フィルム内に均一
に分布しているが、レーザー光によって露光を行うと、
露光部でモノマが重合してポリマへ変化していき、それ
につれて周囲からモノマが移動する。よって、露光部で
はモノマの密度が高くなり、その他の部分では低くな
る。この時、ポリマとモノマの屈折率が異なれば、干渉
縞に対応した屈折率分布が発生する。

【００５０】次に、（ｂ）の紫外線照射の工程では、紫
外線を全面に照射して未反応のモノマの重合を完結させ
る。そして、（ｃ）の加熱の工程では、最後に加熱する
ことによって屈折率変調を増強する。

【００５１】なお、上記の各工程の条件は、『フォトポ
リマ技術の新展開』（株式会社東レリサーチセンタ
ー、８８ページ）を参考に設定した。

【００５２】ホログラム素子３として、Ｒ、Ｇ、Ｂにつ
いて上記で説明したように、分光特性を１枚のホログラ
ム素子に持たせた多重ホログラム素子を用いてもよい。
この場合、各色の特性に対応する干渉縞を記録する際、
上記の（ａ）レーザー光による露光の工程において、レ
ーザー光のエネルギ密度は１／３づつ、すなわち７ｍＪ
／ｃｍ² に設定する必要がある。

【００５３】なお、ホログラム記録用光源として、アル
ゴンレーザの他に、Ｈｅ−Ｎｅレーザ、ＹＡＧレーザ、
Ｋｒレーザなどを用いることができる。

【００５４】また、ホログラム素子の材料として、上記
で説明したように光重合型フォトポリマの他に、重クロ
ム酸ゼラチンやハロゲン化銀などの体積ホログラムが作
製可能な材料であれば、いかなる材料でも使用すること
ができる。

【００５５】フィールドレンズ４はホログラム素子３で
１方向に回折された光束を接眼レンズ５に集光するよう
に設計、配置され、接眼レンズ５によって液晶表示素子
に表示された画像の虚像を形成する。この虚像を観察者
６が見る。

【００５６】この際、ホログラム素子３に形成された各
領域に、対応する１組の３原色の画素とは異なる組から
の光線が入射した場合、ホログラム素子３によって異な
る方向に回折され、迷光となって画質の低下を招くの
で、接眼レンズの受光角を最適に設計することによって
迷光を取り除く必要がある。上記で説明したように、透
過型ホログラム素子では入射角が設計値からずれるほ
ど、回折効率が低下するので、最も注意すべき迷光はホ
ログラム素子で回折されずに、透過した光線である。

【００５７】Ｒ、Ｇ、Ｂのうち、一番視認性がよく、１
組の３原色の画素の中で中央に配置されているＧの迷光
について考えると、有害な入射角は８．９゜以上とな
り、これを除外するための接眼レンズの受光角は、８．
９゜以下にする必要がある。実施形態１ではこれをふま
えて接眼レンズ５の受光角を８．５°とした。

【００５８】有害な入射角８．９°は数式２で示され
る。

【００５９】（数式２）８．９゜＝ｔａｎ^- ¹ ［ＬＧ／基板の厚さ］＝ｔａｎ^- ¹ ［（１１４×３／２）／１１００］ただし、ＬＧは図２で示すように画素間の距離、基板の
厚さは１１００μｍである。

【００６０】以上の構成により、ブラックマトリクスに
よる縞模様が見えず、画像品質がよく、輝度の低下が招
かにずに、色混合ができるビューファインダ型カラー画
像表示装置を実現することができる。

【００６１】（実施形態２）本発明の実施形態２である
投影型カラー画像表示装置の概略的な構成を図４に示
す。実施形態２の投影型カラー画像表示装置は光源１
５、球面鏡１６、およびコンデンサーレンズ１７とから
なる照射系と、液晶表示素子１８、光線の合成、回折を
行うホログラム素子１９、フィールドレンズ２０、およ
び投影レンズ２１からなる投影光学手段と、投影スクリ
ーン２２によって構成される。

【００６２】実施形態２では、光源１５として、１５０
Ｗ、アーク長５ｍｍ、アークの径２．２ｍｍのメタルハ
ライドランプをアークが紙面に対して垂直になるよう配
置した。光源１５としては、この他にハロゲンランプや
キセノンランプなどを用いることができる。球面鏡１６
は光源１５の背面に、中心が光源１５の発光部の中心と
一致するように配置され、コンデンサーレンズ１７は光
源１５の前面で、焦点が光源１５の中心と一致するよう
に配置されている。実施形態２ではコンデンサーレンズ
１７として、口径φ８０ｍｍ、焦点距離６０ｍｍのレン
ズを用いた。このような構成によって、コンデンサーレ
ンズ１７を出射した光の平行度は、アーク長方向（図４
の紙面に対して垂直な方向）で約２．２゜、アーク径の
方向では約１゜である。

【００６３】照射された平行光は液晶表示素子１８に入
射し、各画素ごとに変調され、さらにホログラム素子１
９によって色混合、回折される。液晶表示素子１８とホ
ログラム素子１９との説明は実施形態１と同様であるの
で、説明を省略する。

【００６４】ホログラム素子１９から出射される光束
は、フィールドレンズ２０によって投影レンズ２１に集
光され、さらに投影スクリーン２２上で結像する。ここ
で、投影レンズ２１は、実施形態１における接眼レンズ
の場合と同様の理由でレンズの受光角を設計する必要が
あり、実施形態２では受光角が８．５°の投影レンズを
採用した。

【００６５】以上の構成により、画素の境界が滑らか
で、画像品質がよく、輝度の低下を招かにずに、色混合
ができる画像品質のよい投影型カラー画像表示装置を実
現できる。

【００６６】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、ホログ
ラム素子によって液晶表示素子の各画素からの３原色の
入射光を合成し、１方向に回折することによって、画素
の境界が滑らかで、高画質、高輝度のカラー画像表示装
置を実現できる。

【００６７】ホログラム素子は安価に量産可能であるの
で、廉価なカラー画像表示装置を実現できる。

【００６８】また、接眼レンズ、あるいは投影レンズの
受光角を最適に設計することで迷光による画質の低下を
避けることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態１のビューファインダ型カラー画像表
示装置の概略的な構成を示す図である。

【図２】実施形態１で用いられる液晶表示素子２とホロ
グラム素子３の近傍付近の断面を模式的に示した断面図
である。

【図３】本発明で使用する透過型のホログラム素子の作
製方法を説明する図である。

【図４】実施形態２の投影型カラー画像表示装置の概略
的な構成を示す図である。

【図５】ホログラム素子の作製方法の説明図である。

【図６】Ｋｏｇｅｌｎｉｋのカップル波理論によるホロ
グラム素子の回折効率ηを示す図である。

【図７】入射角がずれることによる見かけの透過型ホロ
グラムの厚さの変化を表す図である。

【符号の説明】

１１５光源２１８液晶表示素子３１９ホログラム素子４２０フィールドレンズ５接眼レンズ６観察者７９基板８画素部分８ａブラックマトリクス８ｂ画素開口部１０計算機ホログラム１１ホログラム記録用感光材料１２ホログラム記録用レーザー光１３集光回折光１４直進透過光１６球面鏡１７コンデンサーレンズ２１投影レンズ２２投影スクリーン

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源と、前記光源からの白色光が含む赤、緑、青の光束のそれぞ
れに対応し、前記各光束の透過率を制御する複数の画素
を有する液晶表示素子と、前記赤、緑、青の光束のそれぞれに対応し、かつ隣接す
る３つの画素単位で前記画素を透過した赤、緑、青の光
束を同一方向に回折させるホログラム素子と、前記液晶表示素子に表示された画像を結像する光学手段
とを有することを特徴とするカラー画像表示装置。
【請求項２】前記ホログラム素子が、赤、緑、青の光
束に対して各々異なる回折角を有するホログラム素子を
積層して構成されていることを特徴とする請求項１に記
載のカラー画像表示装置。
【請求項３】前記ホログラム素子が、赤、緑、青の光
束に対して各々異なる回折角を有する多重ホログラム素
子から構成されていることを特徴とする請求項１に記載
のカラー画像表示装置。
【請求項４】前記光学手段が、前記ホログラム素子で
回折された光束を受け、前記液晶表示素子に表示された
画像を観察する接眼レンズであることを特徴とする請求
項１に記載のカラー画像表示装置。
【請求項５】前記光学手段が、前記ホログラム素子で
回折された光束を受け、前記液晶表示素子に表示された
画像を投影する投影レンズであることを特徴とする請求
項１に記載のカラー画像表示装置。