(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
カラー液晶表示装置に表示した画像を投影光学系によりスクリーン上に拡大投影して表示する液晶投影表示装置において、前記カラー液晶表示装置のカラーフィルターとして入射光を回折分光して前記カラー液晶表示装置の液晶セルの配置に対応した所定の空間的な周期で異なる波長域の光を射出する単一ホログラムを用い、前記ホログラムが分光機能と集光機能を有するものであり、かつ、前記カラー液晶表示装置の液晶セルの配置が赤、緑、青を表示する液晶セルの周期的な配置であり、前記ホログラムは、隣接する赤、緑、青を表示する液晶セル３個の組に対応して１個の微小ホログラムがアレー状に配置されてなるもの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投影表示装置。
【請求項２】
前記カラー表示装置は、前記ホログラムからなるカラーフィルターに対応して、前記周期で前記異なる波長域にほぼ対応する波長域の光を透過する透過特性の別のカラーフィルター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投影表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ホログラムカラーフィルターを用いた液晶投影表示装置に関し、特に、照明光の利用効率を大幅に向上させた液晶投影表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、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挙げられる。
【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、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】
【発明が解決しようとする課題】
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】
このような状況に鑑み、本発明者は、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を用いた液晶表示装置を提案した。
【０００７】
ところで、本発明者の提案に係る上記の液晶表示装置は、液晶表示素子でバックライトを変調して直接表示するものであった。
【０００８】
本発明はこのような状況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表示が観察できるようにすることである。
【０００９】
【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投影表示装置は、カラー液晶表示装置に表示した画像を投影光学系によりスクリーン上に拡大投影して表示する液晶投影表示装置において、前記カラー液晶表示装置のカラーフィルターとして入射光を回折分光して前記カラー液晶表示装置の液晶セルの配置に対応した所定の空間的な周期で異なる波長域の光を射出する単一ホログラムを用い、前記ホログラムが分光機能と集光機能を有するものであり、かつ、前記カラー液晶表示装置の液晶セルの配置が赤、緑、青を表示する液晶セルの周期的な配置であり、前記ホログラムは、隣接する赤、緑、青を表示する液晶セル３個の組に対応して１個の微小ホログラムがアレー状に配置されてなるものであることを特徴とするものである。
【００１０】
この場合、カラー表示装置は、このホログラムからなるカラーフィルターに対応して、それと同じ周期でそれらの異なる波長域にほぼ対応する波長域の光を透過する透過特性の別のカラーフィルターを備えていてもよい。
【００１１】
【作用】
本発明においては、カラー液晶表示装置のカラーフィルターとして入射光を回折分光してカラー液晶表示装置の液晶セルの配置に対応した所定の空間的な周期で異なる波長域の光を射出する単一ホログラムを用いているので、投影装置の照明光を無駄なく効率的に利用でき、明るい液晶表示像を投影表示できる。
【００１２】
【実施例】
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投影表示装置を実施例に基づいて説明する。
まず、図１の断面図を参照にして本発明において用いる第１の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′に区切られた液晶表示素子６のバックライト３入射側に第１の形態の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′と整列した図６と同様なＲ、Ｇ、Ｂの着色セル１′及びその間に設けられたブラック・マトリックス４からなるカラーフィルター１が配置されるか、又は、着色セル１′を省き、ブラック・マトリックス４のみが配置される。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。
【００１３】
ホログラムアレー５は、液晶表示素子６の１画素を構成する隣接する３つの液晶セル６′の組各々に対応して、その画素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の各画素に整列して各々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′に対応する画素の中心の着色セル１′又は液晶セル６′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。
【００１４】
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、赤の波長成分はカラーフィルターセルＲ又は赤を表示する液晶セル６′の位置に、緑の成分はカラーフィルターセルＧ又は緑を表示する液晶セル６′の位置に、青の成分はカラーフィルターセルＢ又は青を表示する液晶セル６′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各カラーフィルターセルＲ、Ｇ、Ｂ及びブラック・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。
【００１５】
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各色セル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。
【００１６】
次に、図２の同様の断面図を参照にして本発明において用いる第２の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′に区切られた液晶表示素子６のバックライト３入射側に第２の形態のカラーフィルター１０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′と整列した図６と同様なＲ、Ｇ、Ｂの着色セル１′及びその間に設けられたブラック・マトリックス４からなるカラーフィルター１が配置されるか、又は、着色セル１′を省き、ブラック・マトリックス４のみが配置される。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。
【００１７】
第２形態のカラーフィルター１０は、ホログラム７と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、液晶表示素子６の１画素を構成する隣接する３つの液晶セル６′の組各々に対応して、その画素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。
【００１８】
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、赤の波長成分はカラーフィルターセルＲ又は赤を表示する液晶セル６′の位置に、緑の成分はカラーフィルターセルＧ又は緑を表示する液晶セル６′の位置に、青の成分はカラーフィルターセルＢ又は青を表示する液晶セル６′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各カラーフィルターセルＲ、Ｇ、Ｂ及びブラック・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７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７の厚み、ホログラム７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。
【００１９】
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のピッチが図６の従来の場合の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。
【００２０】
さて、本発明においては、図１又は図２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、投影表示用の空間光変調素子として利用する。図３は、本発明に基づき、この空間光変調素子として図１の構成のカラー液晶表示装置１１を用いて液晶投影表示装置を構成する場合の断面図であり、図２の液晶表示装置を用いる場合も同様に構成できる。また、図１、図２何れのものを用いる場合も、ブラック・マトリックス４のみを配置しカラーフィルター１を省いてもよい。カラー液晶表示装置１１は、例えばメタルハライドランプ１３と放物面鏡１４の組み合わせからなる照明装置１２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、投影レンズ１５により拡大されてスクリーン１６上に拡大結像され、明るい投影像を得ることができる。
【００２１】
ここで、１つの具体例として、まず、図４に示すような光学配置を用いて微小ホログラム５′を作製した。図４において、ホログラム感材１９の感光材料としてフォトポリマー（デュポン社  オムニデックス３５２）の膜厚６μｍ、屈折率差Δｎ０．０３のものを用い、光源として波長５１４．５ｎｍ、アルゴン５Ｗレーザー（スペクトラフィジック社製  モデルＳＰ２０２０−０５５）を電流３０Ａ、出力０．１Ｗの５１４．５ｎｍシングルモード状態で用い、集光光束２１として、焦点距離１０６ｍｍの集束レンズ２０であって、その光軸が感材１９に対し垂直な角度をなし、感材１９を通しその背後の厚さ１．１ｍｍの基板ガラス１８の背面上に焦点が位置する集束レンズ２０によって集光される光を用い、平行光束２２として、感材１９の法線に対して６８．０°の角度をなす平行光を用いて、以下の記録条件で撮影及び後処理条件で後処理して作製した。
【００２２】
0003669637.tif 000002
これらの条件下において作製したホログラムの回折効率を分光測定器（島津（株）製  Recording SpectorophotometerＵＶ３６５）によって測定したところ、カラー表示の液晶表示装置の各中心波長である下記の波長において次のような結果が得られた。
【００２３】
青色（４６０ｎｍ）：７９．０％
緑色（５４５ｎｍ）：７０．５％
赤色（６１０ｎｍ）：３８．２％
この微小ホログラム５′を、図５のように、左右上下に３１５μｍ間隔でアレー状（横１８０個、縦１３５個）に配置してホログラムアレー５を形成した。このホログラムアレー５と以下のＴＦＴ型液晶パネルとを組み合わせ、２．８インチ投影用液晶表示装置として作製した。
【００２４】
液晶パネル    ：アクティブマトリックス型液晶パネル（２．８インチ）
画素数        ：５４０ドット×１８０ドット
液晶セルサイズ：１０５μｍ×３１５μｍ
この液晶パネルを図３のような投影光学系中に配置することにより、約７０インチサイズの明るい投影像が得られた。なお、投影レンズ１５は、Ｆナンバー２．８、焦点距離１２８ｍｍのものであり、光源１３としてメタルハライドランプ（岩崎電気（株）、１５０Ｗ）を用いた。また、スクリーン距離は３．２ｍであった。
【００２５】
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投影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。
【００２６】
【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投影表示装置によると、カラー液晶表示装置のカラーフィルターとして入射光を回折分光してカラー液晶表示装置の液晶セルの配置に対応した所定の空間的な周期で異なる波長域の光を射出する単一ホログラムを用いているので、投影装置の照明光を無駄なく効率的に利用でき、明るい液晶表示像を投影表示できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１形態のホログラムカラーフィルターを組み込んだ液晶表示装置の断面図である。
【図２】第２形態のホログラムカラーフィルターを組み込んだ液晶表示装置の断面図である。
【図３】本発明による液晶投影表示装置の構成を示す断面図である。
【図４】微小ホログラムを作製するための光学系を示す図である。
【図５】ホログラムアレーの配置を示す図である。
【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】
１…カラーフィルター（従来型）
１′…着色セル
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
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…マイクロレンズアレー
８′…マイクロレンズ
１０…カラーフィルター（本発明）
１１…カラー液晶表示装置
１２…照明装置
１３…メタルハライドランプ
１４…放物面鏡
１５…投影レンズ
１６…スクリーン
１８…基板ガラス
１９…ホログラム感材
２０…集束レンズ
２１…集光光束
２２…平行光束
【図１】
0003669637.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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