JP3608756B2

JP3608756B2 - 液晶表示装置

Info

Publication number: JP3608756B2
Application number: JP01059196A
Authority: JP
Inventors: 植田健治
Original assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Current assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Priority date: 1996-01-25
Filing date: 1996-01-25
Publication date: 2005-01-12
Anticipated expiration: 2016-01-25
Also published as: JPH09203897A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶表示装置に関し、特に、ホログラム偏光板とホログラムカラーフィルターを用いることにより輝度が向上し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】
▲１▼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。
▲２▼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。
▲３▼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▲２▼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▲１▼〜▲３▼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３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４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、例えば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６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６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】
図６のような構成の液晶表示装置において、バックライト３は、偏光板１２、ホログラムカラーフィルター５（１０）、ブラック・マトリックス４、液晶層２５、偏光板１３を順に透過して最終的に観察側あるいは投影側に射出される訳であるが、これら各素子により光量損失（ロス）が発生する。上記のようなホログラムカラーフィルター５又は１０の利用によって、ホログラムカラーフィルター５又は１０でのロス、及び、ブラック・マトリックス４の開口によるロスは改善できた。
【００２０】
しかしながら、このような液晶表示装置においては、偏光板１２、１３を用いなければならない。通常、偏光板としては、ヨウ素あるいは色素を添加したＰＶＡ（ポリビニルアルコール）フィルムを延伸したものを使用しているため、本来的にヨウ素あるいは色素による吸収が存在し、透過率が低下してしまう（現状では、２枚の偏光板で、入射光１００に対して透過する部分は３５程度である）。すなわち、本出願人の提案によるホログラムカラーフィルターを用いた方式においても、このような偏光板の使用により、光の利用効率が低下していた。
【００２１】
また、バックライト側偏光板１２を図６に実線で示すように、バックライト３が垂直でなく斜めに入射する配置の場合には、偏光特性の悪化によりコントラストが低下するという問題もあった。
【００２２】
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、偏光板として吸収がなく回折効率の高いホログラム偏光板を用いることにより吸収による光量損失をなくし、より明るく輝度が高くコントラストの良好な特に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。
【００２３】
【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液晶表示装置は、バックライト光源と、カラーフィルターとブラック・マトリックスを備えている液晶表示素子と、該液晶表示素子の入射側および射出側に設けられた２枚の偏光板からなる液晶表示装置において、少なくとも１枚の偏光板が、ホログラム媒体中で入射光と回折光のなす角度が９０°に設定されている体積位相型ホログラム偏光板からなることを特徴とするものである。
【００２４】
この場合、そのカラーフィルターが、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照明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照明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からなることが望ましい。
【００２６】
なお、液晶表示素子の入射側偏光板がホログラム偏光板で構成される場合、そのバックライト光源側に透明プリズム体を配置することが望ましい。
【００２７】
本発明においては、バックライト光源と、バックライト光源と、カラーフィルターとブラック・マトリックスを備えている液晶表示素子と、該液晶表示素子の入射側および射出側に設けられた２枚の偏光板からなる液晶表示装置において、少なくとも１枚の偏光板が、ホログラム媒体中で入射光と回折光のなす角度が９０°に設定されている体積位相型ホログラム偏光板で構成したので、偏光板での吸収、回折による光量損失が極めて少なく、より明るく輝度が高くコントラストの良好な液晶表示装置を実現することができる。本発明は、特にホログラムカラーフィルターを用いた液晶表示装置に適したものである。
【００２８】
【発明の実施の形態】
まず、本発明の基本原理を説明すると、入射光と回折光のなす角度が９０°に設定された体積位相型ホログラムは、入射光がランダム偏光（Ｓ偏光とＰ偏光が混じっている偏光）の場合でも、回折光はＳ偏光成分のみになる。このことは、”ＴｈｅＢｅｌｌＳｙｓｔｅｍＴｅｃｈｎｉｃａｌＪｏｕｒｎａｌ”４８（９）１９６９，ｐｐ．２９０９−２９４７、特に、ｐ．２９４３−２９４５のＡＰＰＥＮＤＩＸに示されている。したがって、図３〜図６のバックライト３に対して、このような角度関係に設定した干渉縞を有する体積位相型ホログラムは、ホログラムカラーフィルターを用いた液晶表示装置の入射側の偏光板として使用可能である。以下、このような体積位相型ホログラムを用いた偏光板をホログラム偏光板と呼ぶ。
【００２９】
このようなホログラム偏光板の透過効率は、
（透過強度）＝（Ｓ偏光の回折効率）×（入射光強度）×０．５
となる。体積位相型ホログラムのＳ偏光の回折効率は略１のものを作製し得るので、原理的にロスのない偏光板を作製することができる。
【００３０】
液晶表示素子の射出側の偏光板についても、同様の考え方でホログラム偏光板とすることができる。
【００３１】
図１は液晶表示装置を構成する入射側の偏光板として上記のようなホログラム偏光板を用いた場合の液晶表示装置の断面図であり、入射側ホログラム偏光板１２′とその入射側に設けられたプリズム体３１以外は、図６の従来例と同様である。プリズム体３１は、入射側ホログラム偏光板１２′の媒質と略同じ屈折率の透明ブロックで、入射側ホログラム偏光板１２′内部に所定の角度でバックライト３が入射するようにするためのものであり、この所定の角度が臨界角より小さければプリズム体３１は必ずしも必要なものではない。
【００３２】
この実施例においては、プリズム体３１の斜面に垂直に入射した白色のバックライト３は、入射側ホログラム偏光板１２′に達し、その中のＳ偏光成分のみが入射方向に対して９０°をなす方向に回折されて選択され、このＳ偏光成分を有する光がホログラムカラーフィルター５内部に入射するバックライト３′となる。そして、このＳ偏光の白色バックライト３′は、ホログラムカラーフィルター５で分光され、分光されたＲ、Ｇ、Ｂのそれぞれの色成分はそれぞれ対応するＲ、Ｇ、Ｂ画素のブラック・マトリックス４開口内に集光され、ブラック・マトリックス４でほとんど減衰されずに液晶層２５を通過し、対応する位置の画素状態に応じて偏光面が回転され、射出側の偏光板１３の透過軸方向に応じてノーマリーブラック（偏光板１３の透過軸がＳ偏光方向のとき）又はノーマリーホワイト（偏光板１３の透過軸がＰ偏光方向のとき）で色再現性が良く明るい色表示が行われる。
【００３３】
この実施例において、ホログラムカラーフィルター５の空気からのバックライト入射角θ（図３）が４０°であるとし、ホログラムカラーフィルター５の平均屈折率を１．５とした場合、ホログラムカラーフィルター５の内部では、バックライト３′の入射角は２５．４°とならなければならない。したがって、入射側ホログラム偏光板１２′に入射させるバックライト３のその内部での角度は６４．６°となる。この角度は入射側ホログラム偏光板１２′の媒質の臨界角以上であるので、プリズム体３１は必要である。このような角度（６４．６°）でバックライト３が入射側ホログラム偏光板１２′に入射するようにプリズム体３１の形状を設定する。
【００３４】
図２は、図１の液晶表示装置において液晶表示素子６の射出側の偏光板１３も同様なホログラム偏光板１３′で置き換えた場合の液晶表示装置の断面図であり、プリズム体３１から液晶表示素子６のガラス基板２２までの構成は図１と同様である。この実施例においては、ホログラム偏光板１３′としてホログラム偏光板１２′と同じホログラムを用いており、液晶表示素子６の表面に対して射出側ホログラム偏光板１３′を傾けて配置してある。この傾け角は、射出側ホログラム偏光板１３′中の干渉縞が液晶表示素子６表面の法線に対して４５°となるような角度であり、図１の数値例の場合、射出側ホログラム偏光板１３′の傾け角は２５．４°となる。そして、液晶表示素子６のガラス基板２２とホログラム偏光板１３′の間に射出側ホログラム偏光板１３′の媒質と略同じ屈折率のプリズム体３２を配置し、また、射出側ホログラム偏光板１３′で回折されたＳ偏光成分３４を外へ出し、同時に表示方向の曲がりを補正するために射出側ホログラム偏光板１３′の媒質と略同じ屈折率のプリズム体３３をその射出側に配置してある。ただし、これらプリズム体３２、３３は必ずしも必要なものではない。なお、図２の配置は、入射側ホログラム偏光板１２′と射出側ホログラム偏光板１３′の透過軸が直交するノーマリーホワイトの状態であるが、射出側ホログラム偏光板１３′を液晶表示素子６表面の法線の周りで９０°回転させることによりノーマリーブラックの配置に変更することができる。また、射出側ホログラム偏光板１３′で回折された不要成分３４を吸収させるために、吸収層をプリズム体３３の側面に設けるようにしてもよい。
【００３５】
以上、本発明の液晶表示装置をホログラムカラーフィルターを用いた液晶表示装置を例にあげながら説明してきたが、本発明はホログラムカラーフィルターの代わりに通常の吸収型のカラーフィルターを用いた液晶表示装置、あるいは、何らカラーフィルターを用いない液晶表示装置にも適用できる。また、液晶としては、ツイストネマチック液晶に限らず他の液晶を用いるタイプの液晶表示装置にも適用できる。ホログラム偏光板を用いる偏光板として射出側のみにすることもできる。なお、ホログラムカラーフィルターを用いた液晶表示装置の場合、ホログラムカラーフィルター５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。
【００３６】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の液晶表示装置によると、バックライト光源と、バックライト光源と、カラーフィルターとブラック・マトリックスを備えている液晶表示素子と、該液晶表示素子の入射側および射出側に設けられた２枚の偏光板からなる液晶表示装置において、少なくとも１枚の偏光板が、ホログラム媒体中で入射光と回折光のなす角度が９０°に設定されている体積位相型ホログラム偏光板で構成したので、偏光板での吸収、回折による光量損失が極めて少なく、より明るく輝度が高くコントラストの良好な液晶表示装置を実現することができる。本発明は、特にホログラムカラーフィルターを用いた液晶表示装置に適したものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に基づく液晶表示装置の１実施例の断面図である。
【図２】他の実施例の断面図である。
【図３】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４】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】従来の液晶表示素子の断面図である。
【符号の説明】
３…バックライト
３′…ホログラムカラーフィルター内部に入射したバックライト
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
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
１２′、１３′…ホログラム偏光板
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
３１、３２、３３…プリズム体
３４…回折光（不要成分）

Claims

バックライト光源と、カラーフィルターとブラック・マトリックスを備えている液晶表示素子と、該液晶表示素子の入射側および射出側に設けられた２枚の偏光板からなる液晶表示装置において、少なくとも１枚の偏光板が、ホログラム媒体中で入射光と回折光のなす角度が９０°に設定されている体積位相型ホログラム偏光板からなることを特徴とする液晶表示装置。
前記カラーフィルターが、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照明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照明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からなることを特徴とする請求項１記載の液晶表示装置。
前記液晶表示装置の入射側偏光板が前記ホログラム偏光板で構成され、そのバックライト光源側に透明プリズム体を配置したことを特徴とする請求項１又は２記載の液晶表示装置。