JPH09236796A - ホログラムカラーフィルターを用いた液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光源としてキセノンランプを用いることによ
り、色純度の低下を招かず、色再現性の良好なホログラ
ムカラーフィルターを用いた液晶表示装置。 【解決手段】 液晶表示素子と、その照明光３入射側に
設けられ、要素ホログラム５′のアレーからなり、要素
ホログラム５′が、入射角θで入射する白色光３をホロ
グラム記録面に略沿う方向ｙに波長分散させて分光する
ホログラムカラーフィルターとを備えた液晶表示装置に
おいて、照明光３の光源がキセノンランプ１５’からな
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、ホログラムカラー
フィルターを用いた液晶表示装置に関し、特に、照明光
の利用効率を大幅に向上させ、色純度、色再現性の良好
なホログラムカラーフィルターを用いた液晶表示装置に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、顔料、染料等による吸収カラ
ーフィルターを用いたカラー液晶表示装置においては、
表示のために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白色光を
そのまま照射しただけでは、その利用効率は非常に低
い。その原因として、主に下記に示す理由があげられ
る。

【０００３】各色のセル以外のブラック・マトリック
スが占める面積が広く、そこに当たった光は無駄にな
る。 各画素へ入射する白色光の中、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、
Ｂ（青）のカラーフィルターを透過する色成分が制限さ
れてしまうので、その他の補色成分は無駄となってしま
う。 カラーフィルターでの吸収による損失が伴う。

【０００４】このような問題を解決すべく、例えばマイ
クロレンズアレーをカラーフィルターの前面に設置し、
白色光のバックライトをそれぞれカラーフィルターセル
Ｒ、Ｇ、Ｂへ集光させるようにすることにより、バック
ライトの利用効率を上げる方法が従来より知られてい
る。

【０００５】しかしながら、この方法でも、白色光３を
各カラーフィルターセルＲ、Ｇ、Ｂへ分光して照射する
ことはできないために、上記に示す問題の解決はでき
ない。

【０００６】さらに、このようなカラーフィルターを用
いずに、ダイクロイックミラー３枚とマイクロレンズア
レーを用いて、光の利用効率を向上させた液晶プロジェ
クターが特開平４−６０５３８号において提案されてい
る。この場合、上記のような顔料、染料等による吸収カ
ラーフィルターが不要になり、上記の〜の問題が解
決され、カラー映像の輝度は向上するが、３枚のダイク
ロイックミラーを必要とするため、光学系・装置が大き
くなり嵩張ってしまう。また、コストも高いものになっ
てしまう問題がある。

【０００７】このような状況に鑑み、本出願人は、特願
平５−１２１７０号等において、液晶表示用バックライ
ト等の利用効率を大幅に向上させるために、ホログラム
を利用したカラーフィルター及びそれを用いた液晶表示
装置を提案した。

【０００８】さらに、このようなホログラムカラーフィ
ルターを用いた液晶表示装置を投影型に変更して、スク
リーン上で明るいカラー映像を表示する液晶投影表示装
置も、特願平５−２４２２９２号等において提案した。

【０００９】以下、簡単にこのようなホログラムカラー
フィルターを用いた液晶表示装置及び液晶投影表示装置
について説明する。まず、図４の断面図を参照にして第
１のタイプのホログラムカラーフィルターを用いた液晶
表示装置について説明する。同図において、規則的に液
晶セル６′（画素）に区切られた液晶表示素子６のバッ
クライト３入射側にカラーフィルターを構成するホログ
ラムアレー５が離間して配置される。液晶表示素子６背
面には、各液晶セル６′の間に設けられたブラック・マ
トリックス４が配置される。以上の他、図示しない偏光
板がホログラムアレー５の入射側と液晶表示素子６の射
出側に配置される。なお、ブラック・マトリックス４の
間には、従来のカラー液晶表示装置と同様に、Ｒ、Ｇ、
Ｂの分色画素に対応した色の光を通過する吸収型のカラ
ーフィルターを付加的に配置するようにしてもよい。

【００１０】ホログラムアレー５は、Ｒ、Ｇ、Ｂの分色
画素の繰り返し周期、すなわち、液晶表示素子６の紙面
内の方向に隣接する３つの液晶セル６′の組各々に対応
して、その繰り返しピッチと同じピッチでアレー状に配
置された微小ホログラム５′からなり、微小ホログラム
５′は液晶表示素子６の紙面内の方向に隣接する３つの
液晶セル６′各組に整列して各々１個ずつ配置されてお
り、各微小ホログラム５′は、ホログラムアレー５の法
線に対して角度θをなして入射するバックライト３の中
の緑色の成分の光を、その微小ホログラム５′に対応す
る３つの分色画素Ｒ、Ｇ、Ｂの中心の液晶セルＧ上に集
光するようにフレネルゾーンプレート状に形成されてい
るものである。そして、微小ホログラム５′は、回折効
率の波長依存性がないかもしくは少ない、レリーフ型、
位相型、振幅型等の透過型ホログラムからなる。ここ
で、回折効率の波長依存性がないかもしくは少ないと
は、リップマンホログラムのように、特定の波長だけを
回折し、他の波長はほとんど回折しないタイプのもので
はなく、１つの回折格子で何れの波長も回折するものを
意味し、この回折効率の波長依存性が少ない回折格子
は、波長に応じて異なる回折角で回折する。

【００１１】このような構成であるので、ホログラムア
レー５の液晶表示素子６と反対側の面からその法線に対
して角度θをなして入射する白色のバックライト３を入
射させると、波長に依存して微小ホログラム５′による
回折角は異なり、各波長に対する集光位置はホログラム
アレー５面に平行な方向に分散される。その中の、赤の
波長成分は赤を表示する液晶セルＲの位置に、緑の成分
は緑を表示する液晶セルＧの位置に、青の成分は青を表
示する液晶セルＢの位置にそれぞれ回折集光するよう
に、ホログラムアレー５を構成配置することにより、そ
れぞれの色成分はブラック・マトリックス４でほとんど
減衰されずに各液晶セル６′を通過し、対応する位置の
液晶セル６′の状態に応じた色表示を行うことができ
る。なお、ホログラムアレー５へのバックライト３の入
射角度θは、ホログラム記録条件、ホログラムアレー５
の厚み、ホログラムアレー５と液晶表示素子６との距離
等の種々の条件により定まるものである。

【００１２】このように、ホログラムアレー５をカラー
フィルターとして用いることにより、従来のカラーフィ
ルター用バックライトの各波長成分を無駄なく吸収なく
各液晶セル６′へ入射させることができるため、その利
用効率を大幅に向上させることができる。

【００１３】次に、図５の断面図を参照にして第２のタ
イプのホログラムカラーフィルターを用いた液晶表示装
置について説明する。同図において、第２のタイプのホ
ログラムカラーフィルター１０は、ホログラム７と集光
性マイクロレンズアレー８とからなり、マイクロレンズ
アレー８を構成するマイクロレンズ８′は、Ｒ、Ｇ、Ｂ
の分色画素の繰り返し周期、すなわち、液晶表示素子６
の紙面内の方向に隣接する３つの液晶セル６′の組各々
に対応して、その繰り返しピッチと同じピッチでアレー
状に配置されている。また、ホログラム７は、回折格子
の作用をする平行で一様な干渉縞からなり、回折効率の
波長依存性がないかもしくは少ない、レリーフ型、位相
型、振幅型等の透過型ホログラムからなる。液晶表示素
子６背面には、各液晶セル６′の間に設けられたブラッ
ク・マトリックス４が配置される。以上の他、図示しな
い偏光板が液晶表示素子６の両側に配置される。なお、
ブラック・マトリックス４の間には、従来のカラー液晶
表示装置と同様に、Ｒ、Ｇ、Ｂの分色画素に対応した色
の光を通過する吸収型のカラーフィルターを付加的に配
置するようにしてもよい。

【００１４】このような構成であるので、ホログラム７
の液晶表示素子６と反対側の面からその法線に対して角
度θをなしてバックライト３を入射させると、波長に依
存して異なる角度で回折され、ホログラム７の射出側に
分散される。ホログラム７の入射側又は射出側に配置さ
れたマイクロレンズ８′により、この分散された光は、
その焦点面に波長毎に分離されて集光する。その中の、
赤の波長成分は赤を表示する液晶セルＲの位置に、緑の
成分は緑を表示する液晶セルＧの位置に、青の成分は青
を表示する液晶セルＢの位置にそれぞれ回折集光するよ
うに、カラーフィルター１０を構成配置することによ
り、それぞれの色成分はブラック・マトリックス４でほ
とんど減衰されずに各液晶セル６′を通過し、対応する
位置の液晶セル６′の状態に応じた色表示を行うことが
できる。

【００１５】このような配置において、ホログラム７と
して、集光性でなく一様な干渉縞からなる回折効率の波
長依存性が少ない透過型ホログラムを用いることができ
るため、ホログラム７をマイクロレンズアレー８の各マ
イクロレンズ８′と位置合わせする必要がない点、及
び、マイクロレンズアレー８のピッチが各液晶セル６′
各々に対応して１個のマイクロレンズを配置する従来の
場合の３倍になり、作りやすくかつ整列しやすい点に特
長がある。

【００１６】また、図４及び図５に示したような構成の
ホログラムカラーフィルターを用いた液晶表示装置をそ
のまま用いて直視型の液晶表示装置として、あるいは、
投影表示用の空間光変調素子として利用して液晶投影表
示装置として用いることができる。図６は図４の液晶表
示装置を液晶投影表示装置として構成する場合の断面図
であり（図５の場合も同様）、ホログラムアレー５の入
射側に近接あるいは一体に第１の偏光板１２が、液晶表
示素子６の射出側に近接あるいは一体に第２の偏光板１
３が配置されている。そして、このカラー液晶表示装置
１１は、例えばメタルハライドランプ１５と放物面鏡１
６の組み合わせからなる照明装置１４からの白色の平行
なバックライト３によって照明され、カラー液晶表示装
置１１で変調された表示像は、液晶表示装置１１の近傍
に配置されたフィールドレンズ１７を経て、投影レンズ
１８により拡大されてスクリーン１９上に拡大結像さ
れ、明るい投影像を得ることができる。

【００１７】上記のようなホログラムカラーフィルター
を用いた液晶表示装置においては、ブラック・マトリッ
クス４を含む液晶表示素子６は、実際には、例えば図７
に断面を示すように、液晶表示素子６は、例えば、２枚
のガラス基板２１、２２の間に挟持されたツイストネマ
チック等の液晶層２５からなり、バックライト側のガラ
ス基板２１の内表面には、ブラック・マトリックス４と
一様な透明対向電極２３が設けられ、表示面側のガラス
基板２２の内表面には液晶セルＲ、Ｇ、Ｂ毎に独立に透
明画素電極２４と不図示のＴＦＴが設けられている。ま
た、電極２３、２４の液晶層２５側には不図示の配向層
も設けられて構成されている。そして、バックライト側
のガラス基板２１に近接あるいは接着されて基板２６の
液晶表示素子６側表面に設けられたホログラムカラーフ
ィルター５あるいは１０が配置され、基板２６のバック
ライト側に偏光板１２が、液晶表示素子６の観察側ガラ
ス基板２２外表面に偏光板１３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。なお、バックライト側の偏光板１２
は、基板２６のバックライト側に貼り付ける代わりに、
図７中に点線で示すように、ホログラムカラーフィルタ
ー５から離してバックライト３の光路中に配置する場合
もある。

【００１８】上記のような液晶表示素子６の画素毎に透
明画素電極２４と透明対向電極２３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、カラー
表示が可能となっている。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のよう
なホログラムカラーフィルターは波長分散によりＲ、
Ｇ、Ｂの色を発色させているが、その色純度を良好にす
るためには、バックライトとして平行光束が必要であ
る。しかしながら、上記のホログラムカラーフィルター
を用いた液晶表示装置、特に、投影型の場合に、バック
ライト光源として光量の強いメタルハライドランプが用
いられるが、これはアーク長が５ｍｍ以上と長く、実質
的に点光源ではなく線光源となっており、これを放物面
鏡、集光レンズ等の光学系を用いても、平行度が±５°
以上の平行度の低いバックライトにしかならず、色純度
及び光量を低下させる原因になっていた。

【００２０】また、メタルハライドランプの発光スペク
トルの１例を図３に示すが、使用するメタル、ハロゲン
の種類によりある程度この発光スペクトルを変化させる
ことはできるが、色のかたよりが大きく色再現性が余り
良くなかった。

【００２１】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、光源としてキセ
ノンランプを用いることにより、色純度の低下を招か
ず、色再現性の良好なホログラムカラーフィルターを用
いた液晶表示装置を提供することである。

【００２２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明のホログラムカラーフィルターを用いた液晶表示装置
は、少なくも液晶表示素子と、その照明光入射側に設け
られ、要素集光性ホログラムのアレーからなり、その各
要素集光性ホログラムが、ホログラム記録面の法線に対
して所定の角度をなして入射する白色光をホログラム記
録面に略沿う方向に波長分散させて分光するホログラム
カラーフィルター、あるいは、平行で一様な干渉縞から
なるホログラム又は回折格子とその入射側あるいは射出
側に配置された要素集光性レンズのアレーとからなり、
その平行で一様な干渉縞からなるホログラム又は回折格
子と要素集光性レンズの複合体各々が、ホログラム又は
回折格子の記録面の法線に対して所定の角度をなして入
射する白色光をホログラム又は回折格子の記録面に略沿
う方向に波長分散させて分光するホログラムカラーフィ
ルターとを備えた液晶表示装置において、前記照明光の
光源がキセノンランプであることを特徴とするものであ
る。

【００２３】この場合、液晶表示素子上に表示された画
像を投影する投影光学系を備えているものとすることが
できる。

【００２４】本発明においては、照明光の光源がキセノ
ンランプであるので、発光部が極めて小さく点光源とみ
なすことができ、ホログラムカラーフィルターに入射す
る照明光の平行度が向上し、また、発光波長特性がフラ
ットで太陽光に近いので、ホログラムカラーフィルター
で回折された光の各色の波長成分が対応する色を表示す
る液晶セル以外の液晶セルに入射することがなくなり、
表示の色純度、色再現性が良好になり、かつ、照明光の
利用効率を大幅に向上させて明るいカラー表示をするこ
とができる。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、本発明のホログラムカラー
フィルターを用いた液晶表示装置を実施例に基づいて説
明する。本発明は、図４〜図７等のホログラムカラーフ
ィルターを用いた液晶表示装置において、バックライト
３用の光源としてメタルハライドランプに比べて、発光
部が極めて小さく点光源とみなすことができ、また、発
光波長特性がフラットで太陽光に近く、色再現性が良好
なキセノンランプを用いることにより、バックライト３
の平行度を向上させて、明るく、色純度が良く、色再現
性が良好なカラー表示を可能にするものである。

【００２６】キセノンランプは、アーク長が１ｍｍ以下
の高輝度で理想的な点光源とみることができる（「映像
情報」１９７８年６月号，第６５頁）。しかも、図２に
示すような発光スペクトルを有し、発光波長特性がフラ
ットで太陽光に近い。したがって、このキセノンランプ
をバックライト３用の光源として用いると、回折限界に
近い平行度のバックライト３が得られ、ホログラムカラ
ーフィルター５、１０で分光された色成分の色純度を高
くできる。

【００２７】また、キセノンランプの発光スペクトル
は、図２に示すように、可視領域でフラットで太陽光に
近い。したがって、このような光源を用いると、色再現
性が良好となる。

【００２８】このように、キセノンランプをホログラム
カラーフィルターを用いた液晶表示装置のバックライト
３用の光源として用いると、明るく、色純度が良く、色
再現性が良好なカラー表示が可能となる。

【００２９】図１は、１つの実施例として、図６の液晶
投影表示装置の照明装置１４の光源として、キセノンラ
ンプ１５’を用いた場合のホログラムカラーフィルター
を用いた液晶投影表示装置の断面図であり、ホログラム
カラーフィルターとして図４のホログラムアレー５を用
いている。

【００３０】この実施例は、照明装置１４以外は図６の
場合と同様であり、ホログラムアレー５の入射側に近接
あるいは一体に第１の偏光板１２が、液晶表示素子６の
射出側に近接あるいは一体に第２の偏光板１３が配置さ
れている。そして、このカラー液晶表示装置１１は、照
明装置１４からの平行度が向上した白色のバックライト
３によって照明され、カラー液晶表示装置１１で変調さ
れた表示像は、液晶表示装置１１の近傍に配置されたフ
ィールドレンズ１７を経て、投影レンズ１８により拡大
されてスクリーン１９上に拡大結像され、明るい投影像
を得ることができる。

【００３１】そして、照明装置１４は、凸レンズ、放物
面鏡等の光学系１６’の焦点にキセノンランプ１５’の
発光点を配置してあり、その略点光源から放射された図
２のような発光波長特性がフラットで太陽光に近い光束
は光学系１６’で平行度の良いバックライト３に変換さ
れ、ホログラムカラーフィルター５に所定の入射角θで
入射する。したがって、ホログラムカラーフィルター５
で回折された光の各色の波長成分が対応する色を表示す
る液晶セル以外の液晶セルに入射することがなくなり、
表示の色純度、色再現性が良好になると共に、照明光の
利用効率を大幅に向上させることができる。

【００３２】なお、このキセノンランプ１５’を用いた
照明装置１４を図５の液晶表示装置を用いた液晶投影表
示装置、あるいは、図４、図５の直視型の液晶表示装置
にも使用できることは明らかであろう。

【００３３】以上、本発明のホログラムカラーフィルタ
ーを用いた液晶表示装置を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。なお、ホログラムカラーフィルター５、１
０のホログラムとしては、単層あるいは１枚のホログラ
ムからなるものに限らず、特願平７−２９０８１９号、
同７−２９０８２０号記載のもののように、波長分散の
空間的な波長分布は相互に略一致しており、かつ、回折
効率のピーク波長が相互に異なっている２枚以上あるい
は２層以上の重畳あるいは多重記録されてなるホログラ
ムからなるものであってもよい。

【００３４】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
のホログラムカラーフィルターを用いた液晶表示装置に
よると、照明光の光源がキセノンランプであるので、発
光部が極めて小さく点光源とみなすことができ、ホログ
ラムカラーフィルターに入射する照明光の平行度が向上
し、また、発光波長特性がフラットで太陽光に近いの
で、ホログラムカラーフィルターで回折された光の各色
の波長成分が対応する色を表示する液晶セル以外の液晶
セルに入射することがなくなり、表示の色純度、色再現
性が良好になり、かつ、照明光の利用効率を大幅に向上
させて明るいカラー表示をすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に基づくホログラムカラーフィルターを
用いた液晶表示装置の１実施例の断面図である。

【図２】キセノンランプの発光スペクトルを示す図であ
る。

【図３】メタルハライドランプの発光スペクトルの１例
を示す図である。

【図４】第１のタイプのホログラムカラーフィルターを
用いた液晶表示装置の概略断面図である。

【図５】第２のタイプのホログラムカラーフィルターを
用いた液晶表示装置の概略断面図である。

【図６】図３の液晶表示装置を用いた液晶投影表示装置
の断面図である。

【図７】液晶表示素子の断面図である。

【符号の説明】

３…バックライト ４…ブラック・マトリックス ５…ホログラムアレー（ホログラムカラーフィルター） ５′…微小ホログラム ６…液晶表示素子 ６′…液晶セル ７…ホログラム ８…集光性マイクロレンズアレー ８′…マイクロレンズ １０…ホログラムカラーフィルター １１…カラー液晶表示装置 １２、１３…偏光板 １４…照明装置 １５…メタルハライドランプ（線光源） １６…放物面鏡 １７…フィールドレンズ １８…投影レンズ １９…スクリーン ２１…バックライト側ガラス基板 ２２…表示面側ガラス基板 ２３…透明対向電極 ２４…透明画素電極 ２５…液晶層 ２６…基板 １５’…キセノンランプ １６’…凸レンズ、放物面鏡等の光学系

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくも液晶表示素子と、その照明光入
   射側に設けられ、要素集光性ホログラムのアレーからな
   り、その各要素集光性ホログラムが、ホログラム記録面
   の法線に対して所定の角度をなして入射する白色光をホ
   ログラム記録面に略沿う方向に波長分散させて分光する
   ホログラムカラーフィルター、あるいは、平行で一様な
   干渉縞からなるホログラム又は回折格子とその入射側あ
   るいは射出側に配置された要素集光性レンズのアレーと
   からなり、その平行で一様な干渉縞からなるホログラム
   又は回折格子と要素集光性レンズの複合体各々が、ホロ
   グラム又は回折格子の記録面の法線に対して所定の角度
   をなして入射する白色光をホログラム又は回折格子の記
   録面に略沿う方向に波長分散させて分光するホログラム
   カラーフィルターとを備えた液晶表示装置において、 前記照明光の光源がキセノンランプであることを特徴と
   するホログラムカラーフィルターを用いた液晶表示装
   置。
2. 【請求項２】 前記液晶表示素子上に表示された画像を
   投影する投影光学系を備えていることを特徴とする請求
   項１記載のホログラムカラーフィルターを用いた液晶表
   示装置。