(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくもバックライト側透明基板と表示側透明基板と両基板間に挟まれた液晶層とを備えた液晶表示素子と、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と、前記ホログラムカラーフィルターに前記の所定の角度で照明光を入射させる照明光源とからなる液晶表示装置であって、前記の液晶表示素子のバックライト側透明基板の厚さが、前記の要素集光性ホログラム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要素集光性レンズの複合体の焦点距離より厚い液晶表示装置において、
前記の液晶表示素子のバックライト側透明基板の内部に前記ホログラムカラーフィルターにより波長分散された回折光の赤成分、緑成分、青成分それぞれの波長域のみを開口を通して別々に通過させるブラック・マトリックスを備えてい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表示装置。
【請求項２】
少なくもバックライト側透明基板と表示側透明基板と両基板間に挟まれた液晶層とを備えた液晶表示素子と、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と、前記ホログラムカラーフィルターに前記の所定の角度で照明光を入射させる照明光源とからなる液晶表示装置であって、前記の液晶表示素子のバックライト側透明基板の厚さが、前記の要素集光性ホログラム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要素集光性レンズの複合体の焦点距離より厚い液晶表示装置において、
前記照明光源からの照明光中の少なくとも赤成分と緑成分の間、緑成分と青成分の間の波長域をカットするフィルター手段を備えてい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表示装置。
【請求項３】
前記フィルター手段は、赤成分より長い波長域、青成分より短い波長域をカットする特性も備えていることを特徴とする請求項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。
【請求項４】
少なくもバックライト側透明基板と表示側透明基板と両基板間に挟まれた液晶層とを備えた液晶表示素子と、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と、前記ホログラムカラーフィルターに前記の所定の角度で照明光を入射させる照明光源とからなる液晶表示装置であって、前記の液晶表示素子のバックライト側透明基板の厚さが、前記の要素集光性ホログラム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要素集光性レンズの複合体の焦点距離より厚い液晶表示装置において、
前記の液晶表示素子のバックライト側透明基板は、透明板と板状の等倍正立像を結像する１対１結像光学系との積層体からな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表示装置。
【請求項５】
前記１対１結像光学系は、屈折率分布レンズアレーからなることを特徴とする請求項４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。
【請求項６】
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に用いられる液晶表示素子であり、観察側から順に、少なくとも、表示側透明基板、透明画素電極、液晶層、透明対向電極、透明ガラス、ブラック・マトリックス、透明ガラスの順に積層されていることを特徴とする液晶表示素子。
【請求項７】
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に用いられる液晶表示素子であり、観察側から順に、少なくとも、表示側透明基板、透明画素電極、液晶層、透明対向電極、透明ガラス、ブラック・マトリックス、透明ガラス、ホログラムカラーフィルター、透明ガラスの順に積層されていることを特徴とする液晶表示素子。
【請求項８】
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に用いられる液晶表示素子であり、観察側から順に、少なくとも、表示側透明基板、透明画素電極、液晶層、透明対向電極、透明ガラス、ブラック・マトリックス、透明ガラス、接着層、バリアー層、ホログラムカラーフィルター、透明ガラスの順に積層されていることを特徴とする液晶表示素子。
【請求項９】
請求項２又は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に用いられる液晶表示素子であり、観察側から順に、少なくとも、表示側透明基板、透明画素電極、液晶層、透明対向電極、透明ガラス、ホログラムカラーフィルター、透明ガラスの順に積層され、ブラック・マトリックスを備えていないことを特徴とする液晶表示素子。
【請求項１０】
請求項２又は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に用いられる液晶表示素子であり、観察側から順に、少なくとも、表示側透明基板、透明画素電極、液晶層、透明対向電極、透明ガラス、接着層、バリアー層、ホログラムカラーフィルター、透明ガラスの順に積層され、ブラック・マトリックスを備えていないことを特徴とする液晶表示素子。
【請求項１１】
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に用いられる液晶表示素子用のバックライト側透明基板であり、透明ガラス、ブラック・マトリックス、透明ガラスの順に積層されてなることを特徴とする液晶表示素子用バックライト側透明基板。
【請求項１２】
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に用いられる液晶表示素子用のバックライト側透明基板であり、透明ガラス、ブラック・マトリックス、透明ガラス、ホログラムカラーフィルター、透明ガラスの順に積層されてなることを特徴とする液晶表示素子用バックライト側透明基板。
【請求項１３】
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に用いられる液晶表示素子用のバックライト側透明基板であり、透明ガラス、ブラック・マトリックス、透明ガラス、接着層、バリアー層、ホログラムカラーフィルター、透明ガラスの順に積層されてなることを特徴とする液晶表示素子用バックライト側透明基板。
【請求項１４】
請求項５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に用いられる液晶表示素子用のバックライト側透明基板であり、ブラック・マトリックス、透明ガラス、屈折率分布レンズアレーの順に積層されてなることを特徴とする液晶表示素子用バックライト側透明基板。
【請求項１５】
請求項５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に用いられる液晶表示素子用のバックライト側透明基板であり、ブラック・マトリックス、屈折率分布レンズアレー、透明ガラスの順に積層されてなることを特徴とする液晶表示素子用バックライト側透明基板。
【請求項１６】
請求項５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に用いられる液晶表示素子用のバックライト側透明基板であり、ブラック・マトリックス、透明ガラス、屈折率分布レンズアレー、透明ガラスの順に積層されてなることを特徴とする液晶表示素子用バックライト側透明基板。
【請求項１７】
請求項５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に用いられる液晶表示素子用のバックライト側透明基板であり、ブラック・マトリックス、透明ガラス、屈折率分布レンズアレー、ホログラムカラーフィルターの順に積層されてなることを特徴とする液晶表示素子用バックライト側透明基板。
【請求項１８】
請求項５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に用いられる液晶表示素子用のバックライト側透明基板であり、ブラック・マトリックス、屈折率分布レンズアレー、透明ガラス、ホログラムカラーフィルターの順に積層されてなることを特徴とする液晶表示素子用バックライト側透明基板。
【請求項１９】
請求項５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に用いられる液晶表示素子用のバックライト側透明基板であり、ブラック・マトリックス、透明ガラス、屈折率分布レンズアレー、透明ガラス、ホログラムカラーフィルターの順に積層されてなることを特徴とする液晶表示素子用バックライト側透明基板。
【請求項２０】
請求項５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に用いられる液晶表示素子用のバックライト側透明基板であり、ブラック・マトリックス、透明ガラス、屈折率分布レンズアレー、接着層、バリアー層、ホログラムカラーフィルターの順に積層されてなることを特徴とする液晶表示素子用バックライト側透明基板。
【請求項２１】
請求項５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に用いられる液晶表示素子用のバックライト側透明基板であり、ブラック・マトリックス、屈折率分布レンズアレー、透明ガラス、接着層、バリアー層、ホログラムカラーフィルターの順に積層されてなることを特徴とする液晶表示素子用バックライト側透明基板。
【請求項２２】
請求項５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に用いられる液晶表示素子用のバックライト側透明基板であり、ブラック・マトリックス、透明ガラス、屈折率分布レンズアレー、透明ガラス、接着層、バリアー層、ホログラムカラーフィルターの順に積層されてなることを特徴とする液晶表示素子用バックライト側透明基板。
【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、画素密度が高くなってもホログラムカラーフィルターが使用可能な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４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５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。
【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４及び図５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６は図４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５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４を含む液晶表示素子６は、実際には、例えば図７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。こ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。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年、液晶表示装置において、より高解像のものが要求されており、画素密度のより高いものが要求されている。それに伴ってホログラムカラーフィルター５、１０のピッチもより小さなものが要求されるが、特に、ホログラムカラーフィルター５の場合、ピッチが小さくなると、その原理上、微小ホログラム５′の焦点距離（ホログラム面から集光点までの距離）も短くせざるを得ない。仮に、ピッチが小さくなっても焦点距離を一定に維持するとすると、バックライト３の平行度に対する要求がより厳しくなり現実的ではない。
【００１９】
ところで、図７に示したような液晶表示素子６において、ガラス基板２１、２２の厚さは一定に設定されており、その厚さより薄くすることは受入れられない。それにも係わらず、ホログラムカラーフィルター５のピッチが小さくなり、その要素ホログラム５′の焦点距離が短くなると、ガラス基板２１の厚さより要素ホログラム５′の焦点距離が短くなり、分光された光の集光点の平面がブラック・マトリック４よりバックライト側となってしまい、隣接する画素から別の色を表す波長の成分が混入することになり、カラー液晶表示装置の色再現性が悪くなり、明るさも悪化してしまう。
【００２０】
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、画素密度が高くなるのに伴ってホログラムカラーフィルターの分光集光要素の焦点距離が液晶表示素子のガラス基板の厚さより短くなり、色分離性が悪化するのを防止した液晶表示装置を提供することである。
【００２１】
【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第１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、少なくもバックライト側透明基板と表示側透明基板と両基板間に挟まれた液晶層とを備えた液晶表示素子と、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と、前記ホログラムカラーフィルターに前記の所定の角度で照明光を入射させる照明光源とからなる液晶表示装置であって、前記の液晶表示素子のバックライト側透明基板の厚さが、前記の要素集光性ホログラム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要素集光性レンズの複合体の焦点距離より厚い液晶表示装置において、前記の液晶表示素子のバックライト側透明基板の内部に前記ホログラムカラーフィルターにより波長分散された回折光の赤成分、緑成分、青成分それぞれの波長域のみを開口を通して別々に通過させるブラック・マトリックスを備えていることを特徴とするものである。
【００２３】
本発明の第２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、少なくもバックライト側透明基板と表示側透明基板と両基板間に挟まれた液晶層とを備えた液晶表示素子と、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と、前記ホログラムカラーフィルターに前記の所定の角度で照明光を入射させる照明光源とからなる液晶表示装置であって、前記の液晶表示素子のバックライト側透明基板の厚さが、前記の要素集光性ホログラム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要素集光性レンズの複合体の焦点距離より厚い液晶表示装置において、前記照明光源からの照明光中の少なくとも赤成分と緑成分の間、緑成分と青成分の間の波長域をカットするフィルター手段を備えていることを特徴とするものである。
【００２４】
この場合、フィルター手段は、赤成分より長い波長域、青成分より短い波長域をカットする特性も備えていることが望ましい。
【００２５】
本発明の第３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、少なくもバックライト側透明基板と表示側透明基板と両基板間に挟まれた液晶層とを備えた液晶表示素子と、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と、前記ホログラムカラーフィルターに前記の所定の角度で照明光を入射させる照明光源とからなる液晶表示装置であって、前記の液晶表示素子のバックライト側透明基板の厚さが、前記の要素集光性ホログラム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要素集光性レンズの複合体の焦点距離より厚い液晶表示装置において、前記の液晶表示素子のバックライト側透明基板は、透明板と板状の等倍正立像を結像する１対１結像光学系との積層体からなることを特徴とするものである。
【００２６】
この場合、１対１結像光学系としては、屈折率分布レンズアレーからなることが望ましい。
【００２７】
なお、本発明には、これらの液晶表示装置に用いられる液晶表示素子及びその液晶表示素子用のバックライト側透明基板の層構成も含まれる。
【００２８】
本発明においては、液晶表示素子のバックライト側透明基板の内部にホログラムカラーフィルターにより波長分散された回折光の赤成分、緑成分、青成分それぞれの波長域のみを開口を通して別々に通過させるブラック・マトリックスを備えるか、照明光源からの照明光中の少なくとも赤成分と緑成分の間、緑成分と青成分の間の波長域をカットするフィルター手段を備えるか、又は、液晶表示素子のバックライト側透明基板を透明板と板状の等倍正立像を結像する１対１結像光学系との積層体から構成するので、画素密度が高くなってホログラムカラーフィルターの分光集光要素の焦点距離が液晶表示素子のバックライト側ガラス基板の厚さより短くなっても、色分離性が悪化するのが防止でき、色再現性良く明るいカラー表示が可能になる。
【００２９】
【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。
本発明において、ホログラムカラーフィルターの分光集光要素の焦点距離が液晶表示素子のガラス基板の厚さより短くなり、色分離性が悪化するのを防止するのに、３つの原理を用いる。その第１のものは、液晶表示素子のバックライト側ガラス基板の内部にブラック・マトリックスを設けて、その位置にホログラムカラーフィルターで分光された光を集光させるようにするものである。
【００３０】
図１にこのような液晶表示素子６を用いた液晶表示装置の断面図を示す。なお、この図は、液晶投影表示装置として構成した場合の図であるが、フィールドレンズ１７、投影レンズ１８、スクリーン１９を省いて直視型の液晶表示装置として用いることができる。また、この図では、図４の第１のタイプのホログラムカラーフィルター５を用いているが、この代わりに図５の第２のタイプのホログラムカラーフィルター１０を用いても同様である。以下の他の例においても同様である。
【００３１】
この原理による液晶表示装置の液晶表示素子６においては、ブラック・マトリックス４を、図７の従来のように、バックライト側ガラス基板２１の液晶層２５側表面に設けるのではなく、その内部に設けている。すなわち、比較的薄い２枚の透明ガラス２１１と２１２の間にブラック・マトリックス４を設けて一体に接着してバックライト側ガラス基板２１として構成し、その透明ガラス２１２側の表面に一様な透明対向電極２３を設け、その上に不図示の配向層を設ける。他方の表示面側ガラス基板２２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とを設け、その上に不図示の配向層を同様に設ける。両ガラス基板２１、２２を電極２３、２４が対向するように配置してそれらの間にツイストネマチック等の液晶層２５を挟持することにより、液晶表示素子６が構成される。そのバックライト側に、基板２６上に設けられたホログラムカラーフィルター５をホログラムカラーフィルター５側で接着し、そのパネルの両側にバックライト側偏光板１２と観察側偏光板１３を例えばそれらの透過軸が相互に直交するように貼り付けて液晶表示装置が構成される。
【００３２】
このような構成において、透明ガラス２１１の厚さは、ホログラムカラーフィルター５で分光された光の集光位置がブラック・マトリックス４の位置になるように選ばれる。言葉を代えるなら、バックライト側ガラス基板のバックライト側表面から内部のブラック・マトリックスまでの距離は、ホログラムカラーフィルター５の要素ホログラム５′の焦点距離以下に選択される。
【００３３】
このように構成すると、ホログラムカラーフィルター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の各波長に対する集光位置はホログラムアレー５面に平行なブラック・マトリックス４の面に略一致し、Ｒ、Ｇ、Ｂの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液晶層２５を通過し、対応する位置の画素状態に応じて色再現性が良く明るい色表示が行われる。
【００３４】
このような液晶表示装置を、図６のように、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によって照明するようにし、かつその表示側近傍にフィールドレンズ１７を配置し、投影レンズ１８によりスクリーン１９上に表示像を拡大投影する場合は、その物体面をブラック・マトリックス４の面近傍になるように焦点を合わせると明るく解像度のよいカラー像を投影することができる。
【００３５】
このような液晶表示装置の具体的な構成例を２つ示す。第１例は、バックライト側ガラス基板２１の厚さを１．１ｍｍ、Ｒ、Ｇ、Ｂ各画素のピッチを４５μｍ（要素ホログラム５′のピッチは３倍になる。）とすると、要素ホログラム５′の最適な焦点距離は０．５ｍｍになる。そこで、厚さ０．５ｍｍの２枚の石英ガラス２１１と２１２の一方の表面に通常の方法でクロムからなるブラック・マトリックス４を形成し、その上に他方の石英ガラスを重ね、周辺を接着して、合計厚さ約１．１ｍｍのバックライト側ガラス基板２１とし、その後、通常の方法でバックライト側ガラス基板２１、表示面側ガラス基板２２それぞれに透明対向電極２３、透明画素電極２４とＴＦＴを設け、その上に配向層を設けて、両ガラス基板２１、２２の間にツイストネマチック液晶層２５を挟持して液晶表示素子６とした。次に、０．５ｍｍの石英ガラス基板２６上のフォトポリマー層に焦点距離０．５ｍｍのホログラムカラーフィルター５を複製し、ホログラムカラーフィルター５側でバックライト側ガラス基板２１に貼り合わせた。そして、図１の配置で、±４°の平行度のメタルハライドランプからのバックライト３を用いて投影評価をしたところ、次の表に示すように、顔料分散カラーフィルターを用いた場合と同等の色で約４倍の明るさになった。
0003568064.tif 000002
【００３６】
もう１つの具体例は、バックライト側ガラス基板２１の厚さを１．１ｍｍ、Ｒ、Ｇ、Ｂ各画素のピッチを４０μｍ（要素ホログラム５′のピッチは３倍になる。）とすると、要素ホログラム５′の最適な焦点距離は０．５ｍｍになる。そこで、厚さ０．５ｍｍの２枚の無アルカリガラス（コーニング社  ７０５９）２１１と２１２の一方の表面に通常の方法でクロムからなるブラック・マトリックス４を形成し、その上に他方の無アルカリガラスを重ね、周辺を接着してバックライト側ガラス基板２１とし、次に、０．５ｍｍの無アルカリガラス（コーニング社  ７０５９）基板２６上のフォトポリマー層に焦点距離０．５ｍｍのホログラムカラーフィルター５を複製したものの表面にバリアー層（フォトポリマー層に接着剤の溶剤、モノマー、可塑剤等が拡散するのを防ぐ層）を設けたものを、ホログラムカラーフィルター５側でバックライト側ガラス基板２１に接着し、合計厚さ約１．６ｍｍの一方の複合基板とし、その後、通常の方法でこの複合基板と表示面側ガラス基板２２それぞれに透明対向電極２３、透明画素電極２４とＴＦＴを設け、その上に配向層を設けて、両基板の間にツイストネマチック液晶層２５を挟持して液晶表示素子６とした。そして、図１の配置で、±４°の平行度のメタルハライドランプからのバックライト３を用いて投影評価をしたところ、次の表に示すように、顔料分散カラーフィルターを用いた場合と同等の色で約３倍以上の明るさになった。
0003568064.tif 000003
なお、この場合、何れかの透明ガラス２１１、２１２の表面にブラック・マトリックス４を形成し、また、一方の透明ガラス２１１の表面に基板２６上にホログラムカラーフィルター５とバリアー層を設けたものを接着し、その後に両透明ガラス２１１、２１２を重ねて接着するようにしてもよい。
【００３７】
次に、ホログラムカラーフィルター５の要素ホログラム５′の焦点距離が液晶表示素子６のバックライト側ガラス基板２１の厚さより短くなり、色分離性が悪化するのを防止するための本発明による第２のものの原理は、ブラック・マトリックス４でカットすべき波長帯域の成分をホログラムカラーフィルター５に入射させる前あるいは後にバックライトから除くようにして、ブラック・マトリックス４を不要にして省くものである。
【００３８】
すなわち、ブラック・マトリックス４によりＲ、Ｇ、Ｂの画素へ選択的に透過させている波長域は、概ね、Ｒ：６００〜７００ｎｍ，Ｇ：５３０〜５８０ｎｍ，Ｂ：４３０〜４９０ｎｍの波長範囲であり、また、ブラック・マトリックス４によりカットしている波長域は、概ね、４９０〜５３０ｎｍ，５８０〜６００ｎｍの波長域である。そこで、バックライト３からこの波長域４９０〜５３０ｎｍ，５８０〜６００ｎｍの成分を除いておくと、ブラック・マトリックス４によりＲ、Ｇ、Ｂの各色成分を分離する作用は不要になり、省くことができる。この場合は、図２に示すように、一様な透明対向電極２３を設け、その上に不図示の配向層を設けた、ホログラムカラーフィルター５の要素ホログラム５′の焦点距離以上の厚さのバックライト側ガラス基板２１と、Ｒ、Ｇ、Ｂ毎に独立に透明画素電極２４と不図示のＴＦＴとを設けその上に不図示の配向層を設けた表示面側ガラス基板２２とを、電極２３、２４が対向するように配置して、それらの間にツイストネマチック等の液晶層２５を挟持することにより、液晶表示素子６が構成される。そのバックライト側に、基板２６上に設けられたホログラムカラーフィルター５をホログラムカラーフィルター５側で接着し、そのパネルの両側にバックライト側偏光板１２と観察側偏光板１３を例えばそれらの透過軸が相互に直交するように貼り付けて液晶表示装置が構成される。そして、ホログラムカラーフィルター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をなして入射させるバックライト３中の概ね４９０〜５３０ｎｍ，５８０〜６００ｎｍの波長域、及び、短波長側の不要波長域である波長４３０ｎｍ以下の紫外線、長波長側の不要波長域である７００ｎｍ以上の赤外線をカットする特性を有する１枚又は複数枚からなるカットフィルター３０をバックライト３光路中に配置する。この配置位置は、図２の位置に限定されず、バックライト光源から観察者に到る光路中の何れの位置でもよい。
【００３９】
このように構成すると、ホログラムカラーフィルター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の各波長に対する集光位置は、バックライト側ガラス基板２１中のホログラムアレー５面に平行な面上となるが、そのＲ、Ｇ、Ｂのそれぞれの色成分は相互に分離されて液晶層２５の対応する画素域に達し、その位置の画素状態に応じて色再現性が良く明るい色表示が行われる。
【００４０】
このような液晶表示装置を、図６のように、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によって照明するようにし、かつその表示側近傍にフィールドレンズ１７を配置し、投影レンズ１８によりスクリーン１９上に表示像を拡大投影する場合は、その物体面をホログラムカラーフィルター５の集光面近傍になるように焦点を合わせると明るく解像度のよいカラー像を投影することができる。
【００４１】
この液晶表示装置の具体的な構成例を２つ示す。第１例は、バックライト側ガラス基板２１の厚さを１．１ｍｍ、Ｒ、Ｇ、Ｂ各画素のピッチを４５μｍ（要素ホログラム５′のピッチは３倍になる。）とすると、要素ホログラム５′の最適な焦点距離は０．５ｍｍになる。そこで、厚さ１．１ｍｍの結晶化ガラス（日本電気硝子（株）ネオセラムＮ−０）をバックライト側ガラス基板２１とし、通常の方法でバックライト側ガラス基板２１、表示面側ガラス基板２２それぞれに透明対向電極２３、透明画素電極２４とＴＦＴを設け、その上に配向層を設けて、両ガラス基板２１、２２の間にツイストネマチック液晶層２５を挟持して液晶表示素子６とした。次に、０．５ｍｍの石英ガラス基板２６上のフォトポリマー層に焦点距離０．５ｍｍのホログラムカラーフィルター５を複製し、ホログラムカラーフィルター５側でバックライト側ガラス基板２１に貼り合わせた。そして、４９０〜５３０ｎｍ，５８０〜６００ｎｍ、４３０ｎｍ以下、７００ｎｍ以上の波長をカットする４枚のフィルターを組み合わせて構成したカットフィルター３０を±４°の平行度のメタルハライドランプからのバックライト３中に配置して投影評価をしたところ、次の表に示すように、顔料分散カラーフィルターを用いた場合と同等の色で約４倍の明るさになった。この場合、図１に関する第１例の場合より色が良好であった。
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【００４２】
もう１つの具体例は、バックライト側ガラス基板２１の厚さを１．１ｍｍ、Ｒ、Ｇ、Ｂ各画素のピッチを４０μｍ（要素ホログラム５′のピッチは３倍になる。）とすると、要素ホログラム５′の最適な焦点距離は０．５ｍｍになる。そこで、厚さ１．１ｍｍの厚さの無アルカリガラス（コーニング社  ７０５９）をバックライト側ガラス基板２１とし、０．５ｍｍの無アルカリガラス（コーニング社  ７０５９）基板２６上のフォトポリマー層に焦点距離０．５ｍｍのホログラムカラーフィルター５を複製したものの表面にバリアー層（フォトポリマー層に接着剤の溶剤、モノマー、可塑剤等が拡散するのを防ぐ層）を設けたものを、ホログラムカラーフィルター５側でバックライト側ガラス基板２１に接着し、合計厚さ約１．６ｍｍの一方の複合基板とし、その後、通常の方法でこの複合基板と表示面側ガラス基板２２それぞれに透明対向電極２３、透明画素電極２４とＴＦＴを設け、その上に配向層を設けて、両基板の間にツイストネマチック液晶層２５を挟持して液晶表示素子６とした。そして、４９０〜５３０ｎｍ，５８０〜６００ｎｍ、４３０ｎｍ以下、７００ｎｍ以上の波長をカットする４枚のフィルターを組み合わせて構成したカットフィルター３０を±４°の平行度のメタルハライドランプからのバックライト３中に配置して投影評価をしたところ、次の表に示すように、顔料分散カラーフィルターを用いた場合と同等の色で約３倍以上の明るさになった。
0003568064.tif 000005
【００４３】
次に、ホログラムカラーフィルター５の要素ホログラム５′の焦点距離が液晶表示素子６のバックライト側ガラス基板２１の厚さより短くなり、色分離性が悪化するのを防止するための本発明による第３のものの原理は、バックライト側ガラス基板２１中に等倍正立像を結像する屈折率分布レンズ（ＧＲＩＮレンズ）アレーのような１対１結像光学系を組み込んで、ホログラムカラーフィルター５の焦点距離がバックライト側ガラス基板２１の厚さより薄い分を補償するようにするものである。
【００４４】
この場合は、図３に示すように、バックライト側ガラス基板２１の構成を除いては、図７の従来例と同様である。すなわち、液晶表示素子６は、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。
【００４５】
そして、バックライト側ガラス基板２１は、図３の場合、バックライト側に配置されたホログラムカラーフィルター５の要素ホログラム５′の焦点距離以下の厚さの透明ガラス２１１と、これの表示面側に一体に設けられた等倍正立像を結像するＧＲＩＮレンズ３１のアレーからなるＧＲＩＮレンズアレー板２１３とからなる。この等倍正立像を結像するＧＲＩＮレンズ３１は、その入射側の面での光線の状態をそのまま射出側の面に移すことができるため、図３の場合は、ＧＲＩＮレンズアレー板２１３の入射側の面にホログラムカラーフィルター５で分光された光の集光位置を一致させると、その射出側の面に集光させるのと同じ作用になるので、ホログラムカラーフィルター５の焦点距離がバックライト側ガラス基板２１全体の厚さより短くても、その足らない分がＧＲＩＮレンズアレー板２１３で補償されたことになる。したがって、ＧＲＩＮレンズアレー板２１３の射出側の面（バックライト側ガラス基板２１の液晶層２５側の面）にブラック・マトリックス４を配置すれば、ホログラムカラーフィルター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の各波長に対する集光位置はブラック・マトリックス４の面になり、Ｒ、Ｇ、Ｂの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液晶層２５を通過し、対応する位置の画素状態に応じて色再現性が良く明るい色表示が行われる。なお、ＧＲＩＮレンズ３１の配列ピッチは、ホログラムカラーフィルター５あるいはブラック・マトリックス４の配列ピッチと無関係でよい。
【００４６】
なお、透明ガラス２１１とＧＲＩＮレンズアレー板２１３の位置関係は反対でもよく、また、透明ガラス２１１を２枚に分割してＧＲＩＮレンズアレー板２１３の両側に配置しても同様の作用をする。
【００４７】
また、この原理の場合も、液晶表示素子６を組み立ててからバックライト側ガラス基板２１上に、基板２６上に設けたホログラムカラーフィルター５を貼り付けてもよく、液晶表示素子６を組み立てる前に透明ガラス２１１とＧＲＩＮレンズアレー板２１３からなるバックライト側ガラス基板２１にその表面にバリアー層を介するか介しないで（バックライト側ガラス基板２１にフォトポリマー層を設けてホログラムカラーフィルター５を複製する場合は必ずしもバリアー層は必要ない。）ホログラムカラーフィルター５を設けておいてもよい。また、ブラック・マトリックス４は、液晶表示素子６を組み立てる前にバックライト側ガラス基板２１表面に設けられる。
【００４８】
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。
【００４９】
【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、液晶表示素子のバックライト側透明基板の内部にホログラムカラーフィルターにより波長分散された回折光の赤成分、緑成分、青成分それぞれの波長域のみを開口を通して別々に通過させるブラック・マトリックスを備えるか、照明光源からの照明光中の少なくとも赤成分と緑成分の間、緑成分と青成分の間の波長域をカットするフィルター手段を備えるか、又は、液晶表示素子のバックライト側透明基板を透明板と板状の等倍正立像を結像する１対１結像光学系との積層体から構成するので、画素密度が高くなってホログラムカラーフィルターの分光集光要素の焦点距離が液晶表示素子のバックライト側ガラス基板の厚さより短くなっても、色分離性が悪化するのが防止でき、色再現性良く明るいカラー表示が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による第１の原理によるホログラムカラーフィルターを用いた液晶表示装置の１実施例の断面図である。
【図２】本発明による第２の原理によるホログラムカラーフィルターを用いた液晶表示装置の１実施例の断面図である。
【図３】本発明による第３の原理によるホログラムカラーフィルターを用いた液晶表示装置の１実施例の断面図である。
【図４】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５】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６】図４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７】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
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
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
２６…基板
３０…カットフィルター
３１…ＧＲＩＮレンズ
２１１、２１２…透明ガラス
２１３…ＧＲＩＮレンズアレー板
【図１】
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【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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【図７】
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