JPH1048422A - ホログラムカラーフィルターとそれを用いた液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】カラー液晶表示装置に適用した場合に、明るい
画像を観察できるようなホログラムカラーフィルターの
提供。 【解決手段】以下の要件を満たすホログラムカラーフィ
ルター。ホログラムが、領域分割されていない全面に
わたる干渉縞から構成されている。ホログラムから特
定距離Ｌ１だけ離れた液晶パネルに対して、液晶セルの
配列に応じたパターンで実像を再生結像する。液晶パ
ネルを通過した出射光が、前記ホログラムから特定距離
Ｌ２だけ離れた特定面積の領域内に集光する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ホログラムを用い
たカラーフィルターおよびそれを利用したカラー液晶表
示装置に関する。特に、従来より明るく高コントラスト
で均一な色再現の表示を可能とし、かつ消費電力が少な
く低価格なカラー液晶表示装置や液晶プロジェクターな
どに関する。

【０００２】

【従来の技術】カラーフィルターを利用したカラー液晶
表示装置において問題とされるのは、光（バックライ
ト）の利用効率の低さであり、従って明るい光源を必要
とするため、光源であるランプなどに大きな消費電力を
必要とすることになる。

【０００３】光の利用効率の低下の要因としては、カラ
ーフィルター（および、液晶パネル）のブラックマトリ
クスに当たった光が無駄になり出射光量が減少すること
や、顔料分散型カラーフィルターなどでは、各画素へ入
射する白色光のうち所望の色の光以外をカラーフィルタ
ーで吸収してしまうことなどが挙げられる。

【０００４】上記の問題点を解決するため、従来よりホ
ログラムを分光素子として用い、その色分散機能により
入射白色光を分光する液晶表示装置用カラーフィルター
が、特開平５−２４９３１８号公報や特開平６−３０８
３３２号公報において提案されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記提案に係るカラー
液晶表示装置では、ホログラムカラーフィルターで分光
して赤・緑・青に色分散した光が、液晶パネルを通過し
た後、色分散に対応する方向に拡がってしまうことにな
り、液晶パネルから特定距離だけ離れた観察者に達する
光量は低くなってしまい、バックライトの利用効率は上
がるものの、明るい画像を観察できるようになるとは言
い難い。（図７参照）特に、ホログラムカラーフィルタ
ーからの回折光が、液晶セルに対して集光性を有する場
合には、液晶セルを通過した光は集光した後、拡がって
出射することになり、上記課題は一層顕著となる。

【０００６】さらに、上記提案に係るホログラムカラー
フィルターでは、色分散がホログラムに記録された干渉
縞の空間周波数に依存するため、以下の２点について、
空間周波数に依って決まる制限を受けることになり、液
晶表示装置の設計上の自由度を失うという問題点があ
る。 ホログラムカラーフィルターと液晶パネルとが離間さ
れて配置される距離。 液晶パネルを通して視覚される色の色純度。

【０００７】また、色分散により回折光の出射する方向
は、波長によって異なるため、見る角度によって色が違
って見えたり、プロジェクターの形態で利用する場合に
は、大きなＦナンバーを持つ投影レンズを必要とするな
ど、性能やコストの面で問題がある。

【０００８】本発明は、カラー液晶表示装置から特定距
離だけ離れた観察者に対して明るい画像を観察させるこ
とができ、プロジェクターとして用いた場合には、スク
リーン上に明るい画像を投影させることができるような
ホログラムカラーフィルターを提供することを主たる目
的とする。

【０００９】また、ホログラムカラーフィルターに記録
された干渉縞の空間周波数に依存する色分散に伴う液晶
表示装置の設計上の自由度が失われる問題を解消するこ
とも目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明では、以下の要件
を満たすホログラムカラーフィルターを採用する。 （１）ホログラムが、領域分割されていない全面にわた
る干渉縞から構成されている。 （２）ホログラムから特定距離Ｌ１だけ離れた液晶パネ
ルに対して、液晶セルの配列に応じたパターン（言い換
えれば、ブラックマトリクス＝液晶セル間に配置される
遮光パターンの開口部分に相当するパターン）で実像を
再生結像する。 （３）液晶パネルを通過した出射光が、前記ホログラム
から特定距離Ｌ２だけ離れた特定面積の領域内に集光す
る。

【００１１】＜作用＞従来技術に係るホログラムカラー
フィルターと同様に、カラーフィルター（および、液晶
パネル）のブラックマトリクスに当たった光が無駄にな
ることが回避され、既存（染料，顔料）のカラーフィル
ターを通過する際のバックライトの吸収損失も回避され
る。ということに加えて、液晶パネルを通過したホログ
ラムカラーフィルターからの全ての透過回折光が、特定
距離Ｌ２だけ離れた位置で、特定面積の領域内にのみ集
光するため、前記領域内での輝度が向上する。（請求項
１）

【００１２】直視型の液晶表示装置としては、透過回折
光が集光する特定面積の領域を観察者の視域とすること
で、視域内では明るく高コントラストで且つ均一の色再
現を可能とすることができる。（請求項６）

【００１３】プロジェクターとしては、前記領域を投影
レンズの入射瞳とすることで、大きなＦナンバーを持た
ない廉価な投影レンズでも、明るく高コントラストな画
像をスクリーン上に投影できる。（請求項７）

【００１４】体積位相型ホログラムを用いることによ
り、回折波長の選択性（白色光の照射により、特定波長
の光のみを回折する）を有するため、色分散がなく所望
（赤・緑・青）波長の光のみを液晶パネルに出射させる
ことができる。（請求項４）

【００１５】ホログラムから再生結像される赤・緑・青
の実像の並ぶ方向と、ホログラムの持つ色分散方向とを
垂直とすることで、色分散による影響が低減され、ホロ
グラムカラーフィルターと液晶パネルとの距離Ｌ１をあ
る程度自由に決められる。従って、液晶表示装置の設計
上の自由度が増し、再生したい色の純度を制御すること
も可能となる。（請求項５）

【００１６】

【発明の実施の形態】図１は本発明のホログラムカラー
フィルターに白色再生光を入射させた場合の再生像（回
折光）の光路を概略的に示す説明図である。ホログラム
カラーフィルター１に白色照明光（バックライト）２が
特定角度θで入射すると、ホログラム１で透過回折さ
れ、ホログラムカラーフィルター１から特定距離Ｌ１だ
け僅かに離れた位置に、赤・緑・青の各色に応じた液晶
セルの配列パターン（液晶パネルのブラックマトリクス
の開口部分に相当）の実像４を結像し、且つホログラム
カラーフィルター１から特定距離Ｌ２だけ離れた位置の
特定面積の領域５に回折光３が集光する。

【００１７】この時、特定距離Ｌ１の位置に結像する赤
・緑・青（それぞれ、６，７，８）の液晶セルの配列パ
ターンからなる実像４の一例を図２に示す。同図に示す
ように、赤・緑・青の実像の並ぶ方向９と、ホログラム
の色分散の方向10とが垂直であることにより、色分散に
よる結像位置の違いを考慮する必要がないため、Ｌ１の
距離を自由に決めることが出来、カラー液晶表示装置の
設計の自由度が向上される。

【００１８】なお、同図は液晶セルパターンが赤・緑・
青の順序でストライプ状に配列している場合についてで
あるが、本発明はセルパターンがデルタ配列或いはそれ
以外の配列の場合でも、適宜に変更が可能である。

【００１９】図３は、本発明のホログラムカラーフィル
ターを用いたカラー液晶表示装置の一例を概略的に示す
断面説明図である。ホログラムカラーフィルター１は液
晶パネル11の光源側に配置されており、両者の間の距離
は液晶セルの配列パターン（液晶パネルのブラックマト
リクスの開口部分に相当）の実像４が結像する距離Ｌ１
となっている。白色照明光（バックライト）２がホログ
ラムカラーフィルター１に入射すると、図１と同様に回
折現象が起こり、ちょうど液晶パネル11の位置に上記実
像４を結像する。

【００２０】このようにして、回折光３は全て液晶パネ
ル11のブラックマトリクスに遮蔽されることなく液晶パ
ネル11を通過し、且つホログラムカラーフィルター１の
同一位置から回折した色（波長）の異なる光は、それぞ
れ対応する色の液晶セルを通過する。

【００２１】液晶パネル11を通過した光はその後、ホロ
グラムカラーフィルター１からＬ２の距離だけ離れた位
置の観察者13の視域に相当する特定面積の領域12内にの
み集光する。従って、液晶パネル11から出射される表示
光３を不必要な方向に散乱させることなく視域内に集光
でき、明るく高コントラストな表示を観察することが可
能となる。

【００２２】図４は、本発明のホログラムカラーフィル
ターを用いたカラー液晶表示装置のうち液晶プロジェク
ターに適用した一例を概略的に示す断面説明図である。
ホログラムカラーフィルター1 は液晶パネル11の光源側
に配置されており、両者の間の距離は液晶セルの配列パ
ターン（液晶パネルのブラックマトリクスの開口部分に
相当）の実像４が結像する距離Ｌ１となっている。白色
照明光（バックライト）２がホログラムカラーフィルタ
ー１に入射すると、図１と同様に回折現象が起こり、ち
ょうど液晶パネル11の位置に上記実像４を結像する。

【００２３】このようにして、回折光３は全て液晶パネ
ル11のブラックマトリクスに遮蔽されることなく液晶パ
ネル11を通過し、且つホログラムカラーフィルター１の
同一位置から回折した色（波長）の異なる光は、それぞ
れ対応する色の液晶セルを通過する。

【００２４】液晶パネル11を通過した光はその後、ホロ
グラムカラーフィルター１からＬ２の距離だけ離れた位
置の投影レンズ15の入射瞳14内に集光する。従って、液
晶パネル11から出射される表示光３は全て投影レンズ15
に入射することになり、明るく高コントラストな投影画
像の表示を可能とすると共に、ホログラムカラーフィル
ター１からの回折光３の集光位置と大きさに合わせて投
影レンズ15のＦナンバーを決められるため、コストが高
く大きなＦナンバーの投影レンズでなくても良いため、
液晶プロジェクターの低価格化が実現される。

【００２５】

【実施例】以下、本発明のホログラムカラーフィルター
の作製手順に係る実施例を説明する。本発明のホログラ
ムカラーフィルターは、通常の２光束ホログラム撮影光
学系により撮影記録することにより作製できる。感光材
料としては、重クロム酸ゼラチンや銀塩感光材料，フォ
トポリマーなどが使用でき、本実施例ではＡＧＦＡ社製
ホログラム用銀塩感光材料８Ｅ５６フィルムを用いた。

【００２６】撮影工程は、図５及び図６に示すような光
学系を用いた２ステップの撮影工程である。レーザー光
源は、波長が514.5 ｎｍのアルゴンイオンレーザー19
を、何れのステップにおいても使用している。また、第
２ステップでは、赤・緑・青のホログラムを１枚の感光
材料26に多重露光により記録した。

【００２７】＜第１ステップ…図５参照＞第１ステップ
として、拡散板16（すりガラス）から発する拡散光を物
体光とするフレネルホログラムを撮影記録する。拡散板
16と感光材料18との間の所定距離の位置に、液晶パネル
の１色分の液晶セル部分が開口したブラックマトリクス
に相当するマスク17を置いた。

【００２８】この時、拡散板16とマスク17との間の距離
は89ｍｍとした。これは、最終的なホログラムカラーフ
ィルター１と特定面積の領域５（カラー液晶表示装置に
於ける観察者の視域や、液晶プロジェクターに於ける投
影レンズの入射瞳位置）との間の距離Ｌ２を90ｍｍと
し、ホログラムカラーフィルター１と再生実像４の間の
距離Ｌ１を１ｍｍと設定したためである。

【００２９】＜第２ステップ…図６参照＞第２ステップ
で、第１ステップで撮影記録したフレネルホログラム18
から再生される再生光29を感光材料2 に撮影記録する。

【００３０】この際、同時に再生される第１ステップの
マスクの実像位置27は、感光材料26からＬ１（１ｍｍ）
の距離だけ離れた位置とした。

【００３１】第２ステップでの撮影は、赤・緑・青のホ
ログラムを多重露光により記録するため、参照光24の入
射角度をそれぞれ所定角度に変更して３回露光した。ま
た、それぞれの露光時に、感光材料26を液晶セル１画素
分のピッチ（42μｍ）移動させて多重露光を行った。

【００３２】こうして作製されたホログラムは、マスク
の開口に応じたセル（アレイ）状に領域分割はされてお
らず、３種類（色）分の干渉縞が重なり合って多重記録
されているような、感光材料26全面にわたる干渉縞から
構成される。

【００３３】また、上記の作製工程において、第１ステ
ップにおける拡散板16の配置箇所および面積（第２ステ
ップにおける拡散板の実像28の再生箇所および面積）
が、ホログラムカラーフィルターとして再生する際の、
特定距離Ｌ２および特定面積の領域に相当することにな
る。

【００３４】そのホログラムをカラーフィルターとして
再生すると、ホログラムからＬ１（１ｍｍ）離れた位置
に、赤・緑・青の各色の液晶セルに相当する実像を結像
することになる。

【００３５】第２ステップの３重露光の際に、感光材料
を移動させた方向は、参照光24の入射角度を変更する方
向（紙面に平行な方向）と垂直な方向（紙面に垂直な方
向）としたため、作製されたホログラムカラーフィルタ
ーの色分散方向（紙面に平行な方向）と赤・緑・青の液
晶セルパターンの並ぶ方向（紙面に垂直な方向）とは垂
直となり、前述したように、色分散による影響が低減さ
れることになる。

【００３６】第１・第２ステップ共に、ホログラムの撮
影記録後、感光材料はＣＷＣ２現像液で現像し、ＰＢＱ
２漂白液で漂白を行い、水洗乾燥してホログラムを得
た。なお、距離Ｌ１，Ｌ２や、用いる感光材料、あるい
は液晶パネル（パターンの形状や大きさ）などにおい
て、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、適
用する液晶表示装置やその観察距離、あるいは液晶プロ
ジェクターやその投影レンズの仕様値に合致させれば、
本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜に変更が可能であ
ることは言うまでもない。

【００３７】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、カラー
液晶表示装置から特定距離だけ離れた観察者に対して明
るい画像を観察させることができ、プロジェクターとし
て用いた場合には、スクリーン上に明るい画像を投影さ
せることができるようなホログラムカラーフィルターが
提供される。また、ホログラムカラーフィルターに記録
された干渉縞の空間周波数に依存する色分散に伴う液晶
表示装置の設計上の自由度が失われる問題も解消され、
液晶プロジェクターに適用した場合には、投影レンズに
Ｆナンバーの制約を受けず、低価格な表示装置の提供も
図ることができる。

【００３８】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のホログラムカラーフィルターに白色再
生光を入射させた場合の再生像（回折光）の光路を概略
的に示す説明図。

【図２】ホログラムカラーフィルターによる再生像の一
例を示す説明図。

【図３】カラー液晶表示装置の一例（直視型）を概略的
に示す断面説明図。

【図４】カラー液晶表示装置の他例（液晶プロジェクタ
ー）を概略的に示す断面説明図。

【図５】ホログラムを撮影記録する光学系の一例を示す
説明図。

【図６】ホログラムを撮影記録する光学系の一例を示す
説明図。

【図７】従来のホログラムカラーフィルターの光学特性
を示す説明図。

【符号の説明】

１…ホログラムカラーフィルター ２…白色照明光（バックライト） ３…回折光（液晶表示光） ４…ホログラムカラーフィルターからの再生実像 ５…特定面積の領域 11…液晶パネル 15…投影レンズ

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】入射白色光をホログラムにより回折分光し
   て、周期的に液晶セルが配列された液晶パネルの前記各
   セルに、表示する色に応じて赤・緑・青の光を出射する
   ホログラムカラーフィルターにおいて、 前記ホログラムが、領域分割されていない全面にわたる
   干渉縞から構成されており、 前記ホログラムから特定距離Ｌ１だけ離れた液晶パネル
   に対して、液晶セルの配列に応じたパターンで実像を再
   生結像し、 液晶パネルを通過した出射光が、前記ホログラムから特
   定距離Ｌ２だけ離れた特定面積の領域内に集光すること
   を特徴とするホログラムカラーフィルター。
2. 【請求項２】赤・緑・青の光が１つの感光材料に多重露
   光されて、前記干渉縞を構成す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。
3. 【請求項３】赤・緑・青の光がそれぞれ別の感光材料に
   露光記録され、それら３枚の感光材料を重ね合わせて、
   前記干渉縞を構成す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。
4. 【請求項４】前記ホログラムが体積位相型ホログラムか
   らなることを特徴とする請求項１〜請求項３の何れかに
   記載のホログラムカラーフィルター。
5. 【請求項５】前記ホログラムから再生結像される赤・緑
   ・青の実像の並ぶ方向が、ホログラムの持つ色分散方向
   と垂直な方向であることを特徴とする請求項１〜請求項
   ４の何れかに記載のホログラムカラーフィルター。
6. 【請求項６】周期的に液晶セルが配列され、液晶セル間
   の領域にブラックマトリクスが形成された液晶パネルの
   白色光入射側に、距離Ｌ１だけ離して請求項１〜請求項
   ５の何れかに記載のホログラムカラーフィルターを配置
   し、 ホログラムカラーフィルターからＬ２だけ離れ、液晶パ
   ネルを通過した前記カラーフィルターからの出射光が集
   光する特定面積の領域を観察者の視域とすることを特徴
   とする液晶表示装置。
7. 【請求項７】周期的に液晶セルが配列され、液晶セル間
   の領域にブラックマトリクスが形成された液晶パネルの
   白色光入射側に、距離Ｌ１だけ離して請求項１〜請求項
   ５の何れかに記載のホログラムカラーフィルターを配置
   し、 ホログラムカラーフィルターからＬ２だけ離れ、液晶パ
   ネルを通過した前記カラーフィルターからの出射光が集
   光する特定面積の領域を投影レンズの入射瞳とすること
   を特徴とする液晶表示装置。