JPH0950024A - 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】 ホログラムカラーフィルターで導入される位
相差を補償して、コントラストの低下を防止し、照明光
の利用効率を大幅に向上させた液晶表示装置。 【解決手段】 液晶表示素子６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５と、ホログラムカラーフ
ィルター５に入射する白色光を直線偏光にする第１偏光
板１２と、液晶表示素子６から出射された光の所定方向
の直線偏光成分を取り出す第２偏光板１３とからなる液
晶表示装置において、第１偏光板１２と第２偏光板１３
の間の何れかの位置に、ホログラムカラーフィルター５
によって導入された位相差を略補償するための位相板２
０が配置されている。

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、表示のコントラストの低
下を防止して、見やすい画像表示が可能なホログラムカ
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、図６に示す
ように、例えばマイクロレンズアレー２をカラーフィル
ター１の前面に設置し、白色光のバックライト３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３の利用効率を上げる
方法が従来より知られている。なお、図６において、符
号４はカラーフィルターセルＲ、Ｇ、Ｂ間に設けられた
ブラック・マトリックスを示す。

【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】

【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には、直線偏光したバッ
クライトを法線に対する入射角４０°前後で入射させる
が、ホログラムカラーフィルターで回折され波長分散さ
れた光には、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分の間に位相差が生
じることが見出された。このため、ホログラムカラーフ
ィルターにより分光された光は直線偏光でなくなり、液
晶表示装置にこのホログラムカラーフィルターを適用し
た場合、この位相差のため、液晶表示装置の出射側の偏
光板により黒表示のときに完全に光が遮断されず、表示
のコントラスト低下の原因になっており、画像が見難く
なっていた。

【００１０】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、ホログラムカラ
ーフィルターで導入される位相差を補償して、表示のコ
ントラストの低下を防止し、かつ、照明光の利用効率を
大幅に向上させた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。

【００１１】

【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、前記ホログラムカラーフィルターに入射する
白色光を直線偏光にする第１の偏光手段と、前記液晶表
示素子から出射された光の所定方向の直線偏光成分を取
り出す第２の偏光手段とからなる液晶表示装置におい
て、前記の第１の偏光手段と第２の偏光手段の間の何れ
かの位置に、前記ホログラムカラーフィルターによって
導入された位相差を略補償するための単数枚あるいは複
数枚の位相板を配置したことを特徴とするものである。

【００１２】この場合、位相板の遅軸がＰ偏光方向に、
速軸がＳ偏光方向に配置されることが望ましい。また、
位相板の位相差が１〜２０°の範囲、より好ましくは、
３〜１０°の範囲のものであることが望ましい。

【００１３】本発明においては、液晶表示装置の第１の
偏光板と第２の偏光板の間の何れかの位置に、ホログラ
ムカラーフィルターによって導入された位相差を略補償
するための単数枚あるいは複数枚の位相板を配置したの
で、表示のコントラストの低下を防止し、かつ、照明光
の利用効率を大幅に向上させることができる。

【００１４】

【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。まず、図３の断面図を参照にして本発明におい
て対象とする第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。

【００１５】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。

【００１６】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。

【００１７】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。

【００１８】次に、図４の断面図を参照にして本発明に
おいて対象とする第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１
０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。

【００１９】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の入射側又は出射側に配置さ
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。

【００２０】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
図６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。

【００２１】また、図３及び図４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５は図３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４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。

【００２２】ところで、図３に示すようなホログラムカ
ラーフィルター５のバックライト３に対する偏光異方性
を測定した。すなわち、図２に示すような配置で、ホロ
グラムアレー５を支持するガラス基板９（図（ａ））
と、このガラス基板９裏面にホログラムアレー５を設け
たもの（図（ｂ））に、波長６３３ｎｍで、紙面内の入
射面に対して４５°の偏光面を持つ直線偏光（Ｓ偏光：
Ｐ偏光＝１：１）からなる入射光２１を、ガラス基板９
のみからなる図（ａ）の場合には、入射角０°と４０°
で、また、ガラス基板９にホログラムアレー５を積層し
た図（ｂ）の場合には、ホログラムアレー５のバックラ
イト３の入射角に相当する入射角４０°で、入射させ、
自動エリプソメータ（（株）溝尻光学工業所製）を用い
て、図（ａ）の場合は透過光のＳ偏光とＰ偏光の間の位
相差を、また、図（ｂ）の場合は１次回折光のＳ偏光と
Ｐ偏光の間の位相差をそれぞれ測定した。測定は、５点
で測定し、その平均値を示す。なお、ガラス基板９は日
本電気硝子（株）製ＯＡ−２で厚さ１．１ｍｍで、屈折
率は１．５４であり、ホログラムアレー５は６．０μｍ
の厚さのフォトポリマーからなり、その平均屈折率は
１．５２、屈折率変調は０．０３５、微小ホログラム
５′の焦点距離は無限大であった。測定結果は次の通り
である。

【００２３】 （注）リタデーションは、Ｐ偏光がＳ偏光に対して進んでいるときを＋とした。 コントラストは、直交ニコルにしたときの光量（暗の光量）に対する平行 ニコルにしたときの光量（明の光量）の比で測定した。 （注２）コントラストが２０００から５００へ低下した。

【００２４】上記の測定結果から、斜めに入射するバッ
クライト３を波長に応じて異なる角度で回折して波長分
散させることにより分光するホログラムカラーフィルタ
ー５、１０は、回折光のＳ偏光成分とＰ偏光成分の間に
位相差が生じることが分かる。そのため、このホログラ
ムカラーフィルター５、１０を図３〜図５のような液晶
表示装置に用いると、表示のコントラストの低下をもた
らす。

【００２５】そこで、本発明においては、バックライト
３を直線偏光にする第１の偏光板から液晶表示素子６の
出射側に配置される第２の偏光板の間の何れかの位置
に、ホログラムカラーフィルター５、１０によって導入
された位相差を打ち消すための位相板（波長板）を配置
して、その位相差を補償して、表示のコントラストの低
下を防止するようにする。そのための１つの実施例を図
１に示す。図１は、図５に対応する液晶投影表示装置で
あり、図３の液晶表示装置を液晶投影表示装置として構
成した場合の断面図である。もちろん、図４の液晶表示
装置を液晶投影表示装置とした場合も同様である。カラ
ー液晶表示装置１１は、バックライト３の入射側から、
ガラス基板９、ガラス基板９の裏面に支持されたホログ
ラムアレー５、入射側にブラック・マトリックス４が配
置された液晶表示素子６、本発明に基づく位相板２０、
液晶表示装置１１を構成する出射側の第２の偏光板１３
の順で配置されている。また、この液晶表示装置１１を
照明する白色の平行なバックライト３は、メタルハライ
ドランプ１５と放物面鏡１６の組み合わせからなる照明
装置１４から所定の入射角で照射されるようになってお
り、その光路中に、液晶表示装置１１を構成する入射側
の第１の偏光板１２が配置されている。

【００２６】ここで、液晶表示素子６としては、例えば
ツイストネマチックモードでＴＦＴ方式のものが用いら
れ、第１の偏光板１２と第２の偏光板１３は、ノーマリ
ーホワイトの場合には直交ニコルの状態に、ノーマリー
ブラックの場合には平行ニコルの状態に配置される。ま
た、位相板２０としては、ホログラムカラーフィルター
５で、通常は、Ｐ偏光がＳ偏光に対して進んだ位相差が
生じるので、Ｐ偏光方向、すなわち、図１の紙面内の上
下方向に遅軸が、紙面に直角に速軸が配置されるように
配置され、その位相差はホログラムカラーフィルター５
で導入される位相差に略等しい値のものが選択される。

【００２７】このような配置であるので、照明装置１４
からの白色の平行なバックライト３によってカラー液晶
表示装置１１を照明すると、第１の偏光板１２で所定の
直線偏光になったバックライト３は、ホログラムカラー
フィルター５で分光され、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。その際、ホログラムカラーフ
ィルター５でＰ偏光がＳ偏光に対して進んだ位相差が生
じるが、その位相差は位相板２０で補償され、液晶表示
装置１１を挟む偏光板１２と１３の作用により、ブラッ
ク表示のときは光が略完全に遮断され、ホワイト表示の
ときは殆ど光が遮断されず、高いコントラストの表示が
行われる。

【００２８】ここで、図１のホログラムアレー５及びガ
ラス基板９として図２（ｂ）のものを用い、入射角４０
°でバックライトを入射させた場合、ホログラムアレー
５で導入されるリタデーションが４°程度であるので、
リタデーションが５．６９°（１０ｎｍ）の位相板２０
を用い、上記の配置でコントラストを測定すると、位相
板２０配置前のコントラスト５００が、その配置後に１
４００になり、明らかに表示のコントラストの低下を防
止していた。

【００２９】なお、位相板２０は、液晶表示素子６と第
２の偏光板１３の間の位置だけでなく、ホログラムアレ
ー５と液晶表示素子６の間の位置に配置しても同様の効
果が得られる。さらには、第１の偏光板１２とホログラ
ムアレー５の間の位置に配置してもよい。また、枚数も
１枚に限らず２枚以上を用いて比較的小さなリタデーシ
ョンを得るようにしてもよい（リタデーションの差が小
さい２枚の位相板を遅軸と速軸を揃えて配置することに
より、小さなリタデーションの位相板を得ることができ
る。）。なお、図５の液晶投影表示装置に限らず、図
３、図４の直視型の液晶表示装置の場合にも、第１の偏
光板から第２の偏光板の間の何れかの位置に同様の位相
差を補償する位相板２０を配置することにより、同様
に、表示のコントラストの低下の防止効果が得られる。

【００３０】なお、ホログラムカラーフィルター５、１
０への入射角は、実際上３５〜４５°の範囲にあり、そ
の場合、フォトポリマーからなるホログラムカラーフィ
ルター５、１０によって導入されるＳ偏光とＰ偏光の位
相差は可視域の略中間の基準波長において１〜２０°程
度であるので、位相板２０の位相差も１〜２０°程度、
より望ましくは、３〜１０°程度のものであることが望
ましい。

【００３１】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。

【００３２】

【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、液晶表示装置の第１の偏光板と第２の偏光板の
間の何れかの位置に、ホログラムカラーフィルターによ
って導入された位相差を略補償するための単数枚あるい
は複数枚の位相板を配置したので、表示のコントラスト
の低下を防止し、かつ、照明光の利用効率を大幅に向上
させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による第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投影表示装置の１実施例の断面
図である。

【図２】ホログラムカラーフィルターのバックライトに
対する偏光異方性を測定する配置を示す図である。

【図３】本発明において対象とする第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断面図
である。

【図４】本発明において対象とする第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断面図
である。

【図５】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６】従来の液晶表示装置の照明方法を説明するため
の図である。

【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） ６…液晶表示素子 ５′…微小ホログラム 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 ９…ガラス基板 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…第１の偏光板 １３…第２の偏光板 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 ２０…位相板 ２１…入射光

Claims (4)

【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、前記ホログラムカラーフィルター
   に入射する白色光を直線偏光にする第１の偏光手段と、
   前記液晶表示素子から出射された光の所定方向の直線偏
   光成分を取り出す第２の偏光手段とからなる液晶表示装
   置において、 前記の第１の偏光手段と第２の偏光手段の間の何れかの
   位置に、前記ホログラムカラーフィルターによって導入
   された位相差を略補償するための単数枚あるいは複数枚
   の位相板を配置した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】 前記位相板の遅軸がＰ偏光方向に、速軸
   がＳ偏光方向に配置され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。
3. 【請求項３】 前記位相板の位相差が１〜２０°の範囲
   のものであることを特徴とする請求項１又は２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。
4. 【請求項４】 前記位相板の位相差が３〜１０°の範囲
   のものであることを特徴とする請求項３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。