JP2010025968A - 画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フォトニックバンドギャップを応用したカラーフィルタを用いた画像表示装置に於いて、好適な構成を提供する。
【解決手段】画像表示部に対し平面照明光を照射する面光源部と、各画素領域毎に赤色帯、青色帯、緑色帯のいずれかの波長帯の光を実質的に透過し、かつ、他の波長帯の光を実質的に反射する第１のカラーフィルタと、各画素領域毎に赤色帯、青色帯、緑色帯のいずれかの波長帯の光の透過率が他の波長帯の光に比べて高く、かつ、他の波長帯の光を実質的に吸収する第２のカラーフィルタと、を有する画像表示装置であって、第１および第２のカラーフィルタとでは第１のカラーフィルタの方が第２のカラーフィルタよりも面光源部に近い位置に配置され、第１のカラーフィルタにおいて各画素領域を透過した光が第２のカラーフィルタにおいてそれぞれの波長帯の光を透過する画素領域を通るように配置されている構成を採る。
【選択図】図１

Description

本発明は、画像表示装置に関し、より詳しくは輝度の改善あるいは消費電力を削減する透過型の液晶表示装置に関する。

液晶表示装置は薄型である上に低消費電力であるので、他分野で活用されている。昨今では画面の大型化に伴い、より高効率の表示方法の開発が望まれている。

一般に透過型液晶表示装置は、光源から発散された光が略均一の強度分布を持つ平面照明へと変換され、その照明光が、偏光板と高透過率のＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）透明電極板によって挟まれた液晶とを透過する構成になっており、ＩＴＯ電極に電圧を加えることにより内部の液晶分子の配向方向を変えて透過光の偏光方向を切り替えることにより、光の透過を調整して画像情報を表示する。カラー方式の液晶表示装置では、各画素毎にカラーフィルタが備えられており、透過光の波長帯を制限することで画素毎に所定の色を表示する。

一般に、液晶表示装置では一対の偏光板を用いており、入射した照明光のうちの約半分が偏光板により吸収される。また、カラーフィルタも吸収型のものを用いた場合には透過波長以外は吸収されるため、光利用効率は高くない。

そのため、偏光板として、所定の偏光は透過し他の偏光を反射するような偏光反射板を配置し偏光板による吸収を低減する方法が提案されている。カラーフィルタにおいても同様に、所定の波長のみを透過しそれ以外の波長を反射するカラーフィルタ層として、例えば、コレステリック液晶を用いたカラーフィルタなどが提案されている（例えば特許文献１乃至９）。
国際公開第２００５／０６９３７６号パンフレット 特開２００８−７０４３７号公報 特開２００６−４７６６３号公報 特開２００６−１３９０５０号公報 特開２００４−４８１０号公報 特開２００４−５４２９６号公報 特開２００１−２０９０４６号公報 特開２０００−８９０１８号公報 特開２００２−２３１５９号公報

液晶表示装置では、大画面化に伴い光の利用効率の向上が望まれている。光利用効率を向上させるには、光源からの光が観察面までに到達するまでの過程における光の吸収によるロスを低減させればよい。

カラーフィルタとして、不要光を吸収するのではなく反射する特性を有する方法はこのために有効な方法の一つであるが、開示された方法では観察面側からの入射光がカラーフィルタで反射されてしまうため、その影響による画質劣化の恐れがあった。

また、反射型液晶表示装置などでは、カラーフィルタ層を観察面側に設け、反射型コレステリック液晶による選択反射フィルタ層を導光板側に設けて輝度の向上を図る手法が提案されている。この手法では、カラーフィルタ層の透過率が高い波長に対する選択反射フィルタ層の反射率が高く設計されているのが特徴であり、外光を効率よく反射するには適しているが、面光源からの照明光を用いて画像を表示するという目的に用いた場合、面光源からの光が選択反射層によって再度面光源側に戻される反射率も高くなるためロスが発生し、照明光を有効に使えない。また、観察面側からの不要な入射光（太陽光、室内光など）がカラーフィルタを透過した後に選択反射層によって反射され、再び観察面へと戻される課題は依然として解決されていない。

一方で、カラーフィルタとして、フォトニックバンドギャップを用いる方法が最近提案されている。それらは光の波長よりも短い周期で所定の周期構造の誘電体物質あるいは金属を配置することによりフォトニックバンドギャップを生成した中に、一部だけ周期構造と異なる周期欠陥部を設けることで、所定の波長のみを透過しそれ以外は反射するカラーフィルタを生成できる。このフォトニック結晶を用いたカラーフィルタは無機材料で構成されているため太陽光などの紫外線を含んだ光を長時間照射されても退色が発生しないことや、パネルの組み立て時に鉛フリー半田などで必要な高温処理が必要な製造プロセスを用いる事が出来るなどの従来のカラーフィルタにはない新たな特徴を有する。この構成によるカラーフィルタを液晶表示装置のカラーフィルタの代用として用いることは既に提案されているが、光利用効率の改善及び観察面側からの入射光に対する迷光対策という点に於いては何ら好適な構成が開示されていなかった。

本発明は上記の点に鑑み、誘電体多層膜によって形成されたフォトニックバンドギャップを用いたカラーフィルタ（以下、“フォトニックカラーフィルタ”と記す）を液晶表示素子に適用した際に、光利用効率の高い透過型液晶表示装置を得るための好適な構成を開示するものである。

上記の目的を達成するため、本発明の画像表示装置は、
上部電極層と下部電極層と液晶層とを有する画像表示部と、
前記画像表示部に対し、一つあるいは複数の光源からの射出光束を平面照明へ変換して照射する面光源部と、
複数の画素領域に分かれてあって各画素領域毎に、赤色帯、青色帯、緑色帯のいずれかの波長帯の光を実質的に透過し、かつ、他の波長帯の光を実質的に反射する第１のカラーフィルタと、
複数の画素領域に分かれてあって各画素領域毎に、赤色帯、青色帯、緑色帯のいずれかの波長帯の光の透過率が他の波長帯の光に比べて高く、かつ、他の波長帯の光を実質的に吸収する第２のカラーフィルタと、を有する画像表示装置であって、
前記第１のカラーフィルタと前記第２のカラーフィルタとでは前記第１のカラーフィルタの方が前記第２のカラーフィルタよりも前記面光源部に近い位置に配置され、前記第１のカラーフィルタにおいて各画素領域を透過した赤色帯、青色帯、緑色帯のそれぞれ波長帯の光が前記第２のカラーフィルタにおいてそれぞれの波長帯の光を透過する画素領域を通るように配置されている構成を採る。

本発明の液晶表示装置によれば、誘電体多層膜によって形成されたフォトニックバンドギャップを用いたカラーフィルタ（以下、“フォトニックカラーフィルタ”と記す）を液晶表示素子に適用した際に、光利用効率の高い透過型液晶表示装置を得るための好適な構成を得ることができる。

以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１に係る画像表示装置１００の断面の模式図である。

画像表示装置１００は、面光源部１１０、フォトニックバンドギャップを用いたフォトニックカラーフィルタ１０３、顔料を用いた顔料カラーフィルタ１０４、下部偏光板１０５ａ、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）を用いた下部透明電極層１０７ａ、液晶層１０６、上部透明電極層１０７ｂ、上部偏光板１０５ｂ、からなる。

面光源部１１０は、ＬＥＤ光源１０１と、導光板１０２とからなる。ＬＥＤ光源１０１から射出された光束は導光板１０２に入射し、導光板１０２内部で反射を繰り返す。

導光板１０２は、下部面１０８が反射手段を形成しており、光が反射するようにコーティングが施されている。それと共に、微小な突起パターンが略周期的に形成されており、その突起によって光が散乱する。散乱光の内、上部面１０９の全反射条件から外れる光束は上部面を透過しフォトニックカラーフィルタ１０３へと入射する。

フォトニックカラーフィルタ１０３は、屈折率の異なる二種類の物質を光の波長程度の周期で積層することによって、光の存在が許されないフォトニックバンドギャップを形成している。更に、その周期的に構成された厚みの一部を異なる厚みとすることにより、特定の波長帯の光のみを実質的に透過し、それ以外の波長は実質的に反射する特性を有する。ここで、「実質的に透過する」、および「実質的に反射する」、とは透過率および反射率がそれぞれ８０％以上のことを言うものとする。フォトニックカラーフィルタ１０３は、赤色を透過し青及び緑を反射するＲフィルタ部と、青色を透過し赤及び緑を反射するＢフィルタ部と、緑色を透過し青及び赤を反射するＧフィルタ部とが規則的に配置されている。

光源１０１からの射出光は、フォトニックカラーフィルタ１０３においてその波長帯に対して透過率が高いフィルタ部に入射した光はフォトニックカラーフィルタ１０３を透過する。しかし、その波長帯とは異なる波長帯に対して透過率が高いフィルタ部に入射した光はその大部分が反射されて、再び導光板１０２へと戻される。そして導光板１０２の内部で反射した後に再度フォトニックカラーフィルタ１０３へと入射する。これらの事を繰り返すうちに、フォトニックカラーフィルタ１０３のそれぞれの波長帯に対して透過率が高いフィルタ部へと入射する。よって、光源から射出された光は低損失でフォトニックカラーフィルタ１０３の赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）それぞれのフィルタ部へと波長分割される。

図２にフォトニックカラーフィルタ１０３の概略構成を示す。図２（ａ）がＢフィルタ部、図２（ｂ）がＲフィルタ部、図２（ｃ）がＧフィルタ部の構成をそれぞれ示している。透明基板５０１に、高屈折率薄膜５０２と低屈折率薄膜５０３とを膜厚を調整しながら交互に積層する。ここで、高屈折率薄膜５０２の材料としては酸化チタン（ＴｉＯ₂）が、低屈折率薄膜５０３の材料としては二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）が挙げられる。周期的に重ねた多層膜構造の中に、周期の異なる層（欠陥層）５０４を設ける。この欠陥層５０４の厚みを調節することにより、透過する波長を変えることが出来る。

ＲＧＢそれぞれのフィルタ部の分光透過率特性を図３に示す。図中、実線、破線、点線はそれぞれ、緑色（Ｇ）、赤色（Ｒ）、青色（Ｂ）帯を透過し他の波長を反射する特性のフィルタである。各フィルタ部に於いて透過率のピークにおける透過率は９５％を超える高透過率である。その他の波長域における透過率は必ずしも０になっておらず、所望の波長以外の光も僅かながら透過してしまう。具体的には、緑波長帯のフィルタであるＧフィルタ部では、４００ｎｍ帯の青色領域及び６００ｎｍ帯の赤色領域の双方で１０％強の透過率を有している。これは、フォトニックカラーフィルタ１０３のＧフィルタ部に入射した赤色及び青色光はその９０％程度が反射されることを示している。

なお、フォトニックカラーフィルタ１０３は、第１カラーフィルタの一例である。所定の波長帯の光を透過し他の波長帯の光に対しては実質的に反射することによって光を再び利用することを可能にできれば他のものであってもよい。ただし、フォトニックカラーフィルタ１０３を用いることで所定の波長帯に対する９５％以上といった高透過率と、他の波長帯に対する９０％程度の高反射率とを同時に実現することが可能となる。よって、より好適な構成を得ることが可能となる。

フォトニックカラーフィルタ１０３から射出された光束は、顔料カラーフィルタ１０４へと入射する。顔料カラーフィルタ１０４は緑色（Ｇ）、赤色（Ｒ）、青色（Ｂ）帯のいずれかの光の透過率が他の波長帯の光に比べて高く、他の波長帯の光は実質的に吸収するフィルタである。ここで、「実質的に吸収する」とは、吸収率が８０％以上のことを言うものとする。顔料カラーフィルタ１０４は、透過率が高い波長域がフォトニックカラーフィルタ１０３の透過率の高い波長域と同じになるように配置されている。このように構成することで、光の利用効率向上を望むことが出来る。

この顔料カラーフィルタ１０４の分光透過率特性を図４に例示する。図中、実線、破線、点線はそれぞれ、緑色（Ｇ）、赤色（Ｒ）、青色（Ｂ）帯を透過し他の波長を吸収する部分のフィルタの特性である。いずれのフィルタも透過波長域以外の透過率はほぼ０となっている。このようなカラーフィルタは有機顔料を分散させたカラーレジストを塗布（スピン、スリット＆スピン、スリット等）し、フォトリソ法で成形する等して作成される。

図３の分光透過率特性を有するような、フォトニックカラーフィルタ１０３を透過した光は、それぞれの波長域用のフィルタ部を透過した光に本来は不要な他の波長域の光成分を含む。その不要な波長成分を顔料カラーフィルタ１０４で吸収することで色純度が向上する。

その後、下部偏光板１０５ａにより所定の偏光方向のみ透過し、下部透明電極層１０７ａを透過し、液晶層１０６へと入射する。液晶層１０６は上部透明電極層１０７ｂ及び下部透明電極層１０７ａに印加した電圧によって液晶分子の配向方向を変えることが出来、透過光の偏光方向を回転させることが出来る。これにより、次の上部偏光板１０５ｂを透過させるか透過させないかを切り替えて画像パターンを生成できる。

本画像表示装置に、観察面側からの光が入射した場合には、上部偏光板１０５ｂ及び上部透明電極層１０７ｂ、液晶層１０６、下部透明電極層１０７ａ、下部偏光板１０５ａを透過した光が、顔料カラーフィルタ１０４へと入射する。入射光束の内、顔料カラーフィルタ１０４の該当箇所における透過率が高くない波長帯の光は吸収される。一方、透過率が高い波長域の光は顔料カラーフィルタ１０４を透過し続けてフォトニックカラーフィルタ１０３へと入射する。ここで、顔料カラーフィルタ１０４を透過する波長に対してはフォトニックカラーフィルタ１０３の透過率は高いため、その殆どの光がフォトニックカラーフィルタ１０３を透過して導光板１０２へと到達し、照明光として用いられる。即ち、フォトニックカラーフィルタ１０３で観察面からの光が反射されることが殆ど無いため、反射光が再び観察面に戻ることによる画質劣化を低減できる。

フォトニックカラーフィルタ１０３は、例えば図３に示すように、透過波長帯以外の波長域での反射率が１００％ではない。よって、迷光やエネルギーのロスを低減するためには透過波長帯域よりも光源から射出される光のスペクトル幅が狭い方がよく、ＬＥＤ光源やレーザー光源などを光源に用いることでこれを実現できる。また、透過率のピークと発光波長のピークが一致していれば光の利用効率向上を望むことが出来る。

本実施の形態に係る発明の効果を整理すると、フォトニックカラーフィルタ１０３はその画素が表示する波長帯の光のみを透過しそれ以外の波長帯の光は実質的に反射し、反射された光は再び導光板１０２へと戻される。そのため、カラーフィルタ１０４による吸収損失を低減でき、また、フォトニックカラーフィルタ１０３と対となる吸収型カラーフィルタ１０４によりフォトニックカラーフィルタ１０３で透過してしまう不要光及び、観察面側から入射した不要光による画質劣化が生じにくい画像表示装置を得ることが出来る。

なお、本実施の形態においては、所定の波長を透過しそれ以外の波長を実質的に吸収するカラーフィルタとして顔料型のカラーフィルタを用いて説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、同様の透過率特性を有するカラーフィルタであれば本発明と同様の効果を期待できることは言うまでもない。

また、顔料カラーフィルタ１０４と液晶層１０６及び偏光板１０５の配置は、必ずしも本実施の形態の順である必要はない。例えば顔料カラーフィルタ１０４が液晶層１０６よりも観察者側にあってもよい。要するに、フォトニックカラーフィルタが顔料型カラーフィルタよりも導光板側に配置されていれば本発明で開示する効果が得られる。

（実施の形態２）
図５は本発明の実施の形態２に係る画像表示装置の断面の模式図を示している。本実施の形態においては、実施の形態１と比較して、導光板を用いずに、光源からの照明光を拡散反射板で反射させて液晶素子へと導いている点で異なる。

画像表示装置６００は、面光源部６１０、フォトニックバンドギャップを用いたフォトニックカラーフィルタ６０３、顔料を用いた顔料カラーフィルタ６０４、下部偏光板６０５ａ、ＩＴＯを用いた下部透明電極層６０７ａ、液晶層６０６、上部透明電極層６０７ｂ、上部偏光板６０５ｂ、からなる。

面光源部６１０は、光源６０１と拡散反射板６０２を備えている。拡散反射板６０２の反射面６０８には、テフロン（登録商標）の粉末を押し固めてベーキングしたゼニス（スフィアオプティクス社商品）や、硫酸バリウムなどの拡散反射剤が塗られており、可視光域で９８〜９９％程度の反射率と良好な拡散性を有している。

光源６０１から射出された光束は拡散反射板６０２の反射面６０８に照射され、この面で拡散反射され、フォトニックカラーフィルタ６０３へと入射する。このフィルタは上述の実施の形態１で説明したのと同様の特性であって、Ｒ、Ｇ、Ｂそれぞれの特性のフィルタは所定の波長を透過しそれ以外は実質的に反射する。

フォトニックカラーフィルタ６０３で反射された光は再び反射面６０８で拡散反射する。即ち、照明光を拡散反射板６０２とフォトニックカラーフィルタ６０３との間で反射させることにより、略均一の光強度分布を有する照明光を得ることが出来る。以降は先の実施の形態１と同様の振る舞いにより画像を表示する。

（実施の形態３）
図６は本発明の実施の形態３に係る画像表示装置の断面の模式図を示している。本実施の形態においては、実施の形態２と比較して、光源を表示面のエッジ部ではなく直下に配置している直下型の画像表示装置である点で異なる。

画像表示装置７００は、面光源部７１０、フォトニックバンドギャップを用いたフォトニックカラーフィルタ７０３、顔料を用いた顔料カラーフィルタ７０４、下部偏光板７０５ａ、ＩＴＯを用いた下部透明電極層７０７ａ、液晶層７０６、上部透明電極層７０７ｂ、上部偏光板７０５ｂ、からなる。

面光源部７１０は、ＬＥＤ光源７０１と拡散反射板７０２を備えている。拡散反射板７０２の反射面７０８には、図５の反射面６０８と同様の処理が施されている。

光源７０１は、広配光化のレンズ等により、広配光に広げられて射出される。射出された光束は拡散反射板７０２で拡散されて、フォトニックカラーフィルタ７０３へと入射する。このフィルタは上述の実施の形態１で説明したのと同様の特性であって、Ｒ、Ｇ、Ｂそれぞれの特性のフィルタは所定の波長を透過しそれ以外は実質的に反射する。

フォトニックカラーフィルタ７０３で反射された光は拡散反射板７０２に戻り、反射面７０８で拡散反射する。即ち、照明光を拡散反射板７０２とフォトニックカラーフィルタ７０３との間で反射させることにより、略均一の光強度分布を有する照明光を得ることが出来る。以降は先の実施の形態１および２と同様の振る舞いにより画像を表示する。

なお、上述した実施の形態において、光源としてＬＥＤ光源を用いたが、赤色、青色、緑色の各色のＬＥＤを用いてもよいし、白色ＬＥＤを用いてもよい。

以上説明したように、本発明は誘電体多層膜によるフォトニックカラーフィルタを用いた好適な透過型液晶表示装置を提供することが出来る。それは、光源光の利用効率が優れ、また観察面側からの迷光をフォトにカラーフィルタで反射する事による画像劣化の影響も受け難いという格別の効果があるため、産業上の利用可能性は高い。

本発明の実施の形態１に係る画像表示装置の概略断面図 フォトニックカラーフィルタの概略構成図 フォトニックカラーフィルタの分光透過率特性図 顔料型カラーフィルタの分光透過率特性図 本発明の実施の形態２に係る画像表示装置の概略断面図 本発明の実施の形態３に係る画像表示装置の概略断面図

符号の説明

１０１、６０１、７０１ 光源
１０２ 導光板
１０３、６０３、７０３ フォトニックカラーフィルタ
１０４、６０４、７０４ 顔料カラーフィルタ
１０５ａ、１０５ｂ、６０５ａ、６０５ｂ、７０５ａ、７０５ｂ 偏光板
１０６、６０６、７０６ 液晶層
１０７ａ、１０７ｂ、６０７ａ、６０７ｂ、７０７ａ、７０７ｂ 透明電極層
１０８ 導光板の下部面
１０９ 導光板の上部面
１１０ 面光源部
５０１ 透明基板
５０２ 高屈折率薄膜
５０３ 低屈折率薄膜
５０４ 欠陥層
６０２、７０２ 拡散反射板
６０８、７０８ 反射面

Claims (10)

1. 上部電極層と下部電極層と液晶層とを有する画像表示部と、
   前記画像表示部に対し、一つあるいは複数の光源からの射出光束を平面照明へ変換して照射する面光源部と、
   複数の画素領域に分かれてあって各画素領域毎に、赤色帯、青色帯、緑色帯のいずれかの波長帯の光を実質的に透過し、かつ、他の波長帯の光を実質的に反射する第１のカラーフィルタと、
   複数の画素領域に分かれてあって各画素領域毎に、赤色帯、青色帯、緑色帯のいずれかの波長帯の光の透過率が他の波長帯の光に比べて高く、かつ、他の波長帯の光を実質的に吸収する第２のカラーフィルタと、を有する画像表示装置であって、
   前記第１のカラーフィルタと前記第２のカラーフィルタとでは前記第１のカラーフィルタの方が前記第２のカラーフィルタよりも前記面光源部に近い位置に配置され、前記第１のカラーフィルタにおいて各画素領域を透過した赤色帯、青色帯、緑色帯のそれぞれ波長帯の光が前記第２のカラーフィルタにおいてそれぞれの波長帯の光を透過する画素領域を通るように配置されている、
   画像表示装置。
2. 前記面光源部は、
   前記第１のカラーフィルタにより反射された光を再度第１のカラーフィルタ側へ戻す反射手段を有している、
   請求項１記載の画像表示装置。
3. 前記面光源部は、
   端面から光を導光し、主面から光を面発光させる導光板を有する、
   請求項１記載の画像表示装置。
4. 前記第１のカラーフィルタは、
   誘電物質が周期的に配列された多層膜構造からなる、
   請求項１に記載の画像表示装置。
5. 前記各画素で対となる前記第１のカラーフィルタと前記第２のカラーフィルタとは、
   それぞれの透過率の極大値を示す波長がほぼ同一である、
   請求項１に記載の画像表示装置。
6. 前記第１のカラーフィルタは、
   厚みが周期的に配置された誘電体多層膜中に、前記周期配列とは異なる厚みの欠陥層を構成してなる、
   請求項１に記載の画像表示装置。
7. 前記面光源部は、
   青色波長帯の光を射出する第１の光源と、
   緑色波長帯の光を射出する第２の光源と、
   赤色波長帯の光を射出する第３の光源と、を有する、
   請求項１に記載の画像表示装置。
8. 前記第１乃至第３の光源のいずれかあるいは全てはＬＥＤ光源である、
   請求項７に記載の画像表示装置。
9. 前記第１乃至第３の光源のいずれかあるいは全てはレーザー光源である、
   請求項７に記載の画像表示装置。
10. 前記第１、第２及び第３の光源の射出する光の中心波長は、
    前記第一のカラーフィルタの光透過率の波長特性の極大値と略同一である、
    請求項７に記載の画像表示装置。

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