(57)【要約】  【課題】  カラーフィルタを用いずに分光素子を利用したカラー表示装置にあって、広範な色再現性、広視野角、明瞭でぼけみの抑制されたカラー表示を実現する。  【解決手段】  １つの画素を赤(Ｒ)、緑(Ｇ)、青(Ｂ)の３つのサブ画素にて表現するカラー表示装置であって、光源１１と、この光源１１から照射された光を複数の波長領域の光に分離する回折格子１５と、この回折格子１５により分離された光を受光し、各サブ画素に対応させて光を集光する円筒状レンズアレイ１６と、各サブ画素ごとに、集光された光の角度を補正する構造部を含む液晶セル２０を備え、この液晶セル２０の構造部は、円筒状レンズアレイ１６から光が入射される側を高屈折率層、光を出射する出射側を低屈折率層にすると共に、高屈折率層と低屈折率層とによってフレネル型のマイクロプリズム構造を形成する。  【選択図】  図１
2005062692.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
前記光源から照射された光を複数の波長領域の光に分離する波長分離手段と、
前記波長分離手段により分離された光を受光し、所定のサブ画素に対応させて所定の波長領域の光を集光する集光手段と、
前記サブ画素の各々に対して前記集光手段により集光された各サブ画素の光を、正面方向を中心として略対称かつ略同等な出射角分布を持たせて出射する角度補正手段と
を含むカラー表示装置。
【請求項２】
前記角度補正手段は、光の入射側を高屈折率層、出射側を低屈折率層にすると共に、各サブ画素ごとに形状を異ならせた光学構造で構成されることを特徴とする請求項１記載のカラー表示装置。
【請求項３】
前記角度補正手段は、各サブ画素ごとに前記高屈折率層および前記低屈折率層の界面の角度が異なるプリズム構造またはフレネル型マイクロプリズム構造を有することを特徴とする請求項２記載のカラー表示装置。
【請求項４】
前記サブ画素の各々に分離される光以外の波長成分に合わせて形状が決定され、当該波長成分の光を遮光する遮光手段を更に含む請求項１記載のカラー表示装置。
【請求項５】
光源と、
前記光源から照射された光を複数の波長領域の光に分離する波長分離手段と、
前記波長分離手段により分離された光を受光し、所定のサブ画素に対応させて所定の波長領域の光を集光する集光手段と、
前記サブ画素の各々に対して前記集光手段により集光された各サブ画素の光を、所定の方向に向けて略平行光化する角度補正手段と
を含むカラー表示装置。
【請求項６】
前記角度補正手段は、光の入射側を高屈折率層、出射側を低屈折率層にすると共に、各サブ画素ごとにチルト角が異なるマイクロレンズ構造を当該高屈折率層および当該低屈折率層によって形成することを特徴とする請求項５記載のカラー表示装置。
【請求項７】
１つの画素を赤(Ｒ)、緑(Ｇ)、青(Ｂ)の３つのサブ画素にて表現するカラー表示装置であって、
光源と、
前記光源から照射された光を複数の波長領域の光に分離する分光素子と、
前記分光素子により分離された光を受光し、赤(Ｒ)、緑(Ｇ)、青(Ｂ)の各サブ画素に対応させて光を集光する集光素子と、
赤(Ｒ)、緑(Ｇ)、青(Ｂ)に対応する前記サブ画素ごとに、前記集光素子により集光された光の角度を補正する構造部とを含み、
前記構造部は、前記集光素子から光が入射される側を高屈折率層、光を出射する出射側を低屈折率層にすると共に、当該高屈折率層と当該低屈折率層とによってフレネル型のマイクロプリズム構造を形成することを特徴とするカラー表示装置。
【請求項８】
前記構造部における前記フレネル型のマイクロプリズム構造は、前記サブ画素ごとに形状が異なることを特徴とする請求項７記載のカラー表示装置。
【請求項９】
前記構造部における前記フレネル型のマイクロプリズム構造は、赤(Ｒ)および青(Ｂ)のサブ画素については約４５度、緑(Ｇ)のサブ画素については約１４度の底角を有する斜面を形成することを特徴とする請求項７記載のカラー表示装置。
【請求項１０】
前記構造部における前記フレネル型のマイクロプリズム構造は、当該マイクロプリズム構造の対斜面の底角が７０度以上９０度未満であることを特徴とする請求項７記載のカラー表示装置。
【請求項１１】
１つの画素を赤(Ｒ)、緑(Ｇ)、青(Ｂ)の３つのサブ画素にて表現するカラー表示装置であって、
光源と、
前記光源から照射された光を複数の波長領域の光に分離する分光素子と、
前記分光素子により分離された光を受光し、赤(Ｒ)、緑(Ｇ)、青(Ｂ)の各サブ画素に対応させて光を集光する集光素子と、
赤(Ｒ)、緑(Ｇ)、青(Ｂ)に対応する前記サブ画素ごとに、前記集光素子により集光された各サブ画素の光の角度を補正する構造部とを含み、
前記構造部は、前記集光素子から光が入射される側を高屈折率層、光を出射する出射側を低屈折率層とし、これらによって所定の界面を形成すると共に、当該界面は、赤(Ｒ)および青(Ｂ)に対応するサブ画素については左右略対称で各々約４５度、緑(Ｇ)に対応するサブ画素については約１４度、傾いていることを特徴とするカラー表示装置。
【請求項１２】
前記構造部における前記界面は、各サブ画素ごとに形状の異なるフレネル型のマイクロプリズム構造を有し、当該マイクロプリズム構造を各々形成する少なくとも１つの斜面について、赤(Ｒ)および青(Ｂ)のサブ画素については約４５度、緑(Ｇ)のサブ画素については約１４度の底角を有することを特徴とする請求項１１記載のカラー表示装置。
【請求項１３】
１つの画素を赤(Ｒ)、緑(Ｇ)、青(Ｂ)の３つのサブ画素にて表現するカラー表示装置であって、
光源と、
前記光源から照射された光を複数の波長領域の光に分離する分光素子と、
前記分光素子により分離された光を受光し、赤(Ｒ)、緑(Ｇ)、青(Ｂ)の各サブ画素に対応させて光を集光する集光素子と、
赤(Ｒ)、緑(Ｇ)、青(Ｂ)に対応する前記サブ画素ごとに、前記集光素子により集光された各サブ画素の光の角度を補正する構造部とを含み、
前記構造部は、前記集光素子から光が入射される側を高屈折率層、光を出射する出射側を低屈折率層とし、これらによって所定の界面を形成すると共に、当該界面は、前記サブ画素ごとにレンズ構造を形成することを特徴とするカラー表示装置。
【請求項１４】
前記構造部の前記界面によって形成される前記レンズ構造は、前記サブ画素ごとに傾き角が設定されることを特徴とする請求項１３記載のカラー表示装置。
【請求項１５】
前記構造部の前記界面は、前記サブ画素ごとに異なる形状からなるフレネル型マイクロレンズ構造を含むことを特徴とする請求項１３記載のカラー表示装置。
【請求項１６】
波長に依存して異なる角度で入射された光の出射角度を補正する光学素子であって、
第１のポリマーによって形成され、光の入射側に設けられる高屈折率層と、
前記第１のポリマーに比べて屈折率の低い第２のポリマーによって形成され、光の出射側に前記高屈折率層に接触して設けられる低屈折率層とを備え、
前記高屈折率層および前記低屈折率層は、赤(Ｒ)、緑(Ｇ)、青(Ｂ)の各色対応のサブ画素ごとに異なる形状を有することを特徴とする光学素子。
【請求項１７】
前記高屈折率層および前記低屈折率層は、プリズム構造を形成し、前記サブ画素ごとにプリズムの角度が異なることを特徴とする請求項１６記載の光学素子。
【請求項１８】
前記高屈折率層および前記低屈折率層は、前記サブ画素ごとにレンズ構造を形成することを特徴とする請求項１６記載の光学素子。
【請求項１９】
基板上に光学素子を形成してなるカラー表示装置の製造方法であって、
各色対応のサブ画素に応じて所定の形状が形成されている型に対して低屈折率光硬化樹脂を塗布する工程と、
前記型と前記基板とを貼り合わせ、塗布された前記低屈折率光硬化樹脂に光を照射させて硬化させる工程と、
前記型を剥離した後、硬化された前記低屈折率光硬化樹脂の上に平坦化用型を用いて高屈折率光硬化樹脂を塗布する工程と、
塗布された前記高屈折率光硬化樹脂に光を照射させて硬化させる工程と、
前記平坦化用型を前記基板から剥離する工程と
を含むカラー表示装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カラー表示装置等に係り、より詳しくは、カラーフィルタを用いずにカラー表示が可能なカラー表示装置等に関する。
【背景技術】
【０００２】
カラー表示装置の中で、近年、広く用いられているカラー液晶表示装置は、例えば数十万〜数百万個の画素を有しており、各画素は、Ｒ(赤)、Ｇ(緑)、Ｂ(青)のサブ画素から構成されている。このサブ画素ごとにＲ、Ｇ、Ｂを表示するために、Ｒ、Ｇ、Ｂのカラーフィルタが用いられる場合が多く、このカラーフィルタが用いられたサブ画素の表示を組み合わせて、フルカラー画像が得られる。かかるカラーフィルタを用いた場合には、このカラーフィルタで光の２/３は吸収されてしまい、理論上は１/３程度の光しか利用できない。そこで、カラーフィルタを用いずにカラー表示をするカラーフィルタレス表示装置が検討されている。
【０００３】
図１３は、カラーフィルタレス液晶表示装置の一例として、分光素子を用いた従来のカラーフィルタレス直視型液晶表示装置の構成を示した図である(例えば、特許文献１参照。)。図１３に示す装置は、例えば白色蛍光灯を用いた光源４０１、入射光学系４０２、反射シート４０３、くさび状導光板４０４、回折格子４０５、複数のシリンドリカルレンズなどを備えた光学素子である円筒状レンズシート４０６を備えている。また、液晶セル４０８を挟み込む偏光フィルム４０７、液晶セル４０８を構成するガラス４０９とガラス４０９に挟まれる液晶層４１０、および光拡散フィルムや透過型回折格子フィルム等からなる拡散・視野角補正フィルム４１１を有している。
【０００４】
このカラーフィルタレス直視型液晶表示装置では、光源４０１から出射される白色光が、くさび状導光板４０４によりガイドされ、所望の出射角近傍に面状の光が出射される。くさび状導光板４０４から出射した白色光は、回折格子４０５(または光学ホログラムなど)の光学素子(分光素子)により分光される。この分光によって、Ｒ、Ｇ、Ｂの３色の回折光が、正面方向に回折された緑色(Ｇ)光を中心として青色(Ｂ)光、赤色(Ｒ)光がほぼ左右対称に並ぶ角度で出射される。この各色の回折光は、円筒状レンズシート４０６に入射する。ここで、表示画素の１画素は、Ｒ、Ｇ、Ｂの３サブ画素からなっている。円筒状レンズシート４０６に入射した光は、液晶セル４０８に対して、Ｒの光がＲのサブ画素に、Ｇの光がＧのサブ画素に、Ｂの光がＢのサブ画素に入射し、各サブ画素ごとに光の透過または遮断が制御される。液晶セル４０８の表面においては、波長に依存した回折角のために、液晶セルの出射光は、波長に応じてその出射角度が異なる。そこで、その視野角を広げるため、拡散・視野角補正フィルム４１１による光拡散・視野角補正が行われる。尚、カラーフィルタレス液晶プロジェクション装置などの他のカラー表示装置においても、白色光源からダイクロイックミラーや回折格子等により分光されレンズ素子により集光された状態で液晶セルに入射する各色光は、同様に、Ｒ、Ｇ、Ｂ各色にて、入射角度が異なっている。
【０００５】
しかしながら、図１３に示したような従来のカラーフィルタレス直視型液晶表示装置では、視野角補正機能部材の効果について課題が残る。通常の拡散・視野角補正フィルム４１１だけでは、波長に依存した液晶セル出射角が、この拡散・視野角補正フィルム４１１を透過後も保持されており、色再現性、および色バランスを均一にして視野角を広く確保するためには、更に改善を加えることが望まれる。そこで、別途、視野角補正機能部材として、透過型回折格子フィルムを用いることも考えられる。しかし、波長によって異なる回折効率を制御し、あらゆる波長の入射光強度を高精度に且つ同等な視野角分布に補正するフィルム設計は、困難を伴う。また、正面方向に対する輝度ピーク値の著しい低下を避けることができない。例えば、補正フィルム入射光に比べて、同出射光の正面での相対輝度値が３０〜４０％に低下してしまう。更に、異なる屈折率材料の組み合わせにより高い回折効率と平滑な表面を併せ持つフィルムの形状作製自体が困難である。例えば、屈折率１.４２と１.５７の材料を用いた三角断面形状の回折格子では、計算上、２層間の内部傾斜角が７０〜８０度等の製作不可能な形状が必要となってしまう。
【０００６】
図１４(ａ),(ｂ)は、カラーフィルタレス直視型液晶表示装置における出射光分布を示した図である。図１４(ａ)は視野角補正用回折格子がない場合の出射光分布であり、図１４(ｂ)は視野角補正機能部材として透過型回折格子フィルムを併用した場合の出射光分布を示している。共に、横軸に出力角度(Output Angle)、縦軸に透過率(Transmissivity)を取っており、Ｒ、Ｇ、Ｂの各出射光の分布が示されている。図１４(ａ)に示す視野角補正用回折格子がない場合に比べ、図１４(ｂ)に示す視野角補正用回折格子がある場合には、Ｒ、Ｇ、Ｂの各出射光の中心がパネル正面に近付いている。しかしながら、各出射光におけるずれが解消されておらず、視野角補正機能としては必ずしも充分ではない。
【０００７】
尚、視野角補正機能部材として透過型回折格子フィルムを併用した場合の正面方向における色再現性(色度図においてカラー表示装置により表示可能な領域面積)は、例えば、ＮＴＳＣ比で３８％程度となり、既存の１３.３型カラーフィルタつき直視型液晶表示装置(同４２％)以下の測定結果に留まることが測定された。また、色度が均一とみなせる視野角の条件を、色度座標ｘ, ｙともに正面方向出射成分との誤差０.０２以内に収まる範囲と仮に定義すると、これを満たす出射角範囲は、例えば−５度から＋７度までの狭い範囲に留まってしまうことが確認された。これらの欠点により、透過型回折格子フィルムでは、輝度・色度において十分な視野角補正機能を果たすことは難しい。そこで、視野角性能をより向上させるための新たな視野角補正方法が要求されている。また輝度については、発明者等の観測により、例えば透過型回折格子フィルム追加前の正面輝度値が２１７ｃｄ/ｍ２、追加後が８５ｃｄ/ｍ２程度と、色再現性の不十分な状態において４０％以下に減衰していることが把握されており、輝度向上についての改善も必要である。
【０００８】
ここで、従来の視野角補正機能部材として、液晶セルの出射側ガラス基板のブラックマトリックス側表面に、Ｒ、Ｇ、Ｂの各サブ画素の開口部に対応したサイズで、レンズ状あるいはプリズム状に凹部を加工形成し、その凹部にガラス基板より屈折率の高いポリマーを注入することで表面を平坦化した構造が提案されている(例えば、特許文献２参照。)。また、本発明者等は、カラーフィルタレス直視型液晶表示装置に対し、単純プリズム構造もしくはフレネル型マイクロプリズム構造を導入した技術について提案している(特許文献３参照。)。
【０００９】
【特許文献１】特開２０００−２４１８１２号公報(第３−４頁、図１)
【特許文献２】特開平９−３１１３２９号公報(第６頁、図１)
【特許文献３】米国特許出願公開第２００２−００７５４２７号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述した特許文献２に記載の技術では、屈折による正面方向への視野角補正効果はある程度、期待できる。しかしながら、レンズ/プリズム構造の周期が１画素、即ち３サブ画素分に対応した設計であるため、バックライトと液晶セル間の集光機能素子が原因で生じる出射光の角度拡がり現象自体を抑制して平行光化する意味での拡散抑止効果は期待できない。特に、特許文献２の図１に記載された内容では、レンズ部(図１では符号３０)の端に入射するＲおよびＢの光があたかも平行光になるかのごとく記載されているが、実際には、図示されるようなレンズ部の端部では、入射した光は拡散する方向に出射されてしまうことから、十分な角度補正を行うことができない。
【００１１】
また、特許文献３にて提案した技術では、実用上において更に解決すべき課題が残されている。例えば、特許文献３にて提案した技術では、低屈折層から高屈折層へ光が進行しており、角度補正をするためには、特許文献３に記載のプリズム構造を改良することが必要となる。特に、入射光に対する「ケラレ」を生じにくくするためには、更なる検討が必要である。
【００１２】
本発明は、以上のような技術的課題を解決するためになされたものであって、その目的とするところは、入射光の入射角に応じて、各サブ画素ごとに所望の方向への角度補正を行い、例えば、広範な色再現性、広視野角、明瞭でぼけみのない表示画像を実現することにある。
また他の目的は、角度補正によって、各サブ画素ごとの出射光を略平行光化することにある。
更に他の目的は、光源が含む波長スペクトル構造に応じた設計を行い、色再現性を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
かかる目的のもと、本発明が適用されるカラー表示装置では、まず、例えば白色光源から照射された光を、例えば回折格子等の波長分離手段によって複数の波長領域の光に分離している。そして、この波長分離手段により分離された光を受光し、例えばレンズ等で形成される集光手段によって、所定のサブ画素(１つの画素を構成する例えば赤(Ｒ)、緑(Ｇ)、青(Ｂ)のサブ画素)に対応させて所定の波長領域の光を集光する。集光された光は、波長に依存した回折角のために、各サブ画素からの出射光の角度分布が、例えば赤(Ｒ)、緑(Ｇ)、青(Ｂ)の各色でお互いに一致しない。そこで、このサブ画素の各々に対して集光手段により集光された各サブ画素の光を、角度補正手段により、正面方向を中心として略対称かつ略同等な出射角分布を持たせて出射するように構成した。
【００１４】
ここで、この角度補正手段は、光の入射側を高屈折率層、出射側を低屈折率層にすると共に、各サブ画素ごとに形状を異ならせた光学構造で構成されることを特徴とすることができる。より具体的には、この角度補正手段は、各サブ画素ごとに高屈折率層および低屈折率層の界面の角度が異なるプリズム構造またはフレネル型マイクロプリズム構造を有することを特徴としている。更に、このサブ画素の各々に分離される光以外の波長成分に合わせて形状が決定され、波長成分の光を遮光する遮光手段を含むように構成すれば、色再現性の障害となる、例えばオレンジの波長成分やシアンの波長成分等を十分に遮光できる点から好ましい。
【００１５】
一方、本発明が適用されるカラー表示装置では、光源と、この光源から照射された光を複数の波長領域の光に分離する波長分離手段と、この波長分離手段により分離された光を受光し、所定のサブ画素に対応させて所定の波長領域の光を集光する集光手段と、このサブ画素の各々に対して集光手段により集光された各サブ画素の光を、所定の方向に向けて略平行光化する角度補正手段とを含む。より具体的には、この角度補正手段は、光の入射側を高屈折率層、出射側を低屈折率層にすると共に、各サブ画素ごとにチルト角が異なるマイクロレンズ構造を高屈折率層および低屈折率層によって形成することを特徴とすることができる。
【００１６】
また、他の観点から把えると、本発明は、１つの画素を赤(Ｒ)、緑(Ｇ)、青(Ｂ)の３つのサブ画素にて表現するカラー表示装置であって、光源と、この光源から照射された光を複数の波長領域の光に分離する分光素子と、この分光素子により分離された光を受光し、赤(Ｒ)、緑(Ｇ)、青(Ｂ)の各サブ画素に対応させて光を集光する集光素子と、赤(Ｒ)、緑(Ｇ)、青(Ｂ)に対応するサブ画素ごとに、集光素子により集光された光の角度を補正する構造部とを含み、この構造部は、集光素子から光が入射される側を高屈折率層、光を出射する出射側を低屈折率層にすると共に、高屈折率層と低屈折率層とによってフレネル型のマイクロプリズム構造を形成することを特徴としている。
【００１７】
ここで、この構造部におけるフレネル型のマイクロプリズム構造は、サブ画素ごとに形状が異なることを特徴とすることができる。より具体的には、このフレネル型のマイクロプリズム構造は、赤(Ｒ)および青(Ｂ)のサブ画素については約４５度、緑(Ｇ)のサブ画素については約１４度の底角を有する斜面を形成することを特徴とすれば、視野角特性および正面方向での色再現性を広範囲に亘らせることができる点で好ましい。また、この構造部におけるフレネル型のマイクロプリズム構造は、マイクロプリズム構造の対斜面の底角が７０度以上９０度未満であることを特徴とすれば、斜面に隣り合うこの対斜面に当たって生じる「ケラレ」をより抑制することができる点からも優れている。
【００１８】
一方、本発明が適用されるカラー表示装置は、赤(Ｒ)、緑(Ｇ)、青(Ｂ)に対応するサブ画素ごとに、集光素子により集光された各サブ画素の光の角度を補正する構造部にて、集光素子から光が入射される側を高屈折率層、光を出射する出射側を低屈折率層とし、これらによって所定の界面を形成すると共に、この界面は、赤(Ｒ)および青(Ｂ)に対応するサブ画素については左右略対称で各々約４５度、緑(Ｇ)に対応するサブ画素については約１４度、傾いていることを特徴としている。
【００１９】
更に他の観点から把えると、本発明が適用されるカラー画像表示装置は、赤(Ｒ)、緑(Ｇ)、青(Ｂ)に対応するサブ画素ごとに、集光素子により集光された各サブ画素の光の角度を補正する構造部にて、集光素子から光が入射される側を高屈折率層、光を出射する出射側を低屈折率層とし、これらによって所定の界面を形成すると共に、この界面は、サブ画素ごとにレンズ構造を形成している。ここで、このレンズ構造は、サブ画素ごとに傾き角が設定されることを特徴とすれば、各サブ画素において正面方向を中心とした略平行光を得ることができる点で好ましい。また、この構造部の界面は、サブ画素ごとに異なる形状からなるフレネル型マイクロレンズ構造を含むことを特徴とすれば、構造部の厚さを薄くすることが可能となる。
【００２０】
また、本発明は、波長に依存して異なる角度で入射された光の出射角度を補正する光学素子であって、第１のポリマーによって形成され、光の入射側に設けられる高屈折率層と、この第１のポリマーに比べて屈折率の低い第２のポリマーによって形成され、光の出射側に高屈折率層に接触して設けられる低屈折率層とを備え、高屈折率層および低屈折率層は、赤(Ｒ)、緑(Ｇ)、青(Ｂ)の各色対応のサブ画素ごとに異なる形状を有することを特徴としている。ここで、この高屈折率層および低屈折率層は、プリズム構造を形成し、サブ画素ごとにプリズムの角度が異なることを特徴とすることができる。また、この高屈折率層および低屈折率層は、サブ画素ごとにレンズ構造を形成することを特徴とすることができる。
【００２１】
更に本発明は、基板上に光学素子を形成してなるカラー表示装置の製造方法として把握することができる。この製造方法は、各色対応のサブ画素に応じて所定の形状が形成されている型に対して低屈折率光硬化樹脂を塗布する工程と、この型と基板とを貼り合わせ、塗布された低屈折率光硬化樹脂に光を照射させて硬化させる工程と、この型を剥離した後、硬化された低屈折率光硬化樹脂の上に平坦化用型を用いて高屈折率光硬化樹脂を塗布する工程と、塗布された高屈折率光硬化樹脂に光を照射させて硬化させる工程と、この平坦化用型を基板から剥離する工程とを含む。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、例えば、カラーフィルタを用いずに分光素子を利用したカラー表示装置にあって、広範な色再現性、広視野角、明瞭でぼけみの抑制されたカラー表示を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
(実施の形態１)
図１は、本実施の形態が適用されるカラーフィルタレス液晶表示装置(カラーフィルタレス直視型液晶表示装置)の構成を示した図である。このカラーフィルタレス液晶表示装置は、例えば直線状の白色蛍光灯を用いた光源１１、光源１１からの光を導く入射光学系１２、例えばくさび形状を有する導光板１３、反射シート１４、入射白色光を赤(Ｒ)、緑(Ｇ)、青(Ｂ)の光に分離する分光素子としての回折格子１５を備えている。また、液晶セル２０、複数のシリンドリカルレンズなどを備えた光学素子(集光素子)である円筒状レンズアレイ１６、偏光フィルム１７、および拡散フィルム１８を備えている。液晶セル２０は、後述するように、２枚のガラス基板の間に液晶層が挿入されている。また、液晶セル２０は、２枚のガラス基板の間に、本実施の形態における特徴的な構成としてプリズム構造部(後述)を備えている。尚、本実施の形態では、拡散フィルム１８の部分に従来設けられていた視野角補正のためのフィルムは必要としていない。
【００２４】
光源１１から照射された光は、入射光学系１２を介して導光板１３に入射する。導光板１３に入射した光は、導光板１３の下面(反射シート１４側の面)と上面(液晶セル２０側の面)とで反射を繰り返しながら徐々に角度が急峻になる。上面において光の方向が臨界角を超えると、この上面から光が出射される。出射された光は、波長分離手段の一つとして機能する回折格子１５や、例えば、光学ホログラム等の光学素子(分光素子)においてＲ、Ｇ、Ｂの光に分離される。分離された光は、偏光フィルム１７によって偏光され、円筒状レンズアレイ１６に入射する。円筒状レンズアレイ１６は、複数のシリンドリカルレンズが設けられ、例えば１画素に１つのシリンドリカルレンズが対応している。１画素は、Ｒ、Ｇ、Ｂの３つのサブ画素から構成されている。分離され偏光された光は、液晶セル２０によって各サブ画素ごとに光の透過または遮断が制御される。液晶セル２０を透過した各サブ画素ごとの光は、偏光フィルム１７を経て拡散フィルム１８によって拡散される。
【００２５】
図１に示すようなカラーフィルタレス液晶表示装置では、波長に依存して異なる出射角を有するバックライトシステムからの出射光が、レンズ素子である円筒状レンズアレイ１６により角度に応じた位置変換を伴って、液晶セル２０における各画素中の特定のサブ画素に集光された状態で入射する。このとき、直視型のカラーフィルタレス液晶表示装置において、液晶セル２０の出射光分布の視野角特性を十分に向上させるには、図１４(ｂ)に示すような従来の視野角補正フィルムで問題となっていた、出射光分布の輝度・色度における非対称性と、視野角補正機能自体の不足を解消する必要がある。この液晶セル２０の入射成分に対し、正面方向を中心として対称かつ同等な液晶セル出射角分布を持たせるため、本実施の形態では、入射光全てに所望の角度補正が行えるよう、Ｒ、Ｇ、Ｂ各色対応のサブ画素ごとに形状を変えた液晶セル内蔵単純マイクロプリズム構造(後述する図２等)、あるいはリニアフレネル型マイクロプリズム構造(後述する図３等)の光学素子を導入し、最適化設計を行っている。
【００２６】
ここで、同様な形状の視野角補正機能部材を独立のプリズムアレイシートで実現し、液晶セル２０に貼り合わせる方法も考えられるが、かかる場合には、液晶セル２０内で結像させる光学設計上、視野角補正後の出射光に視差が生じる。また、このような光学フィルムをガラス基板２２に貼る際には、機械的ストレスにより、液晶セル２０に対する位置合わせ精度が許容範囲を大きく逸脱し、例えば２００ｍｍあたり±７０μｍ以上の低い位置合わせ精度に留まることが判明した。そこで、本実施の形態では、液晶セル内蔵型のマイクロプリズム構造を採用している。
尚、図１に示すようなカラーフィルタレス液晶表示装置における液晶セル２０の構成は、投影画像をスクリーンに投射する液晶プロジェクション表示装置に対しても適用することができる。
【００２７】
図２は、本実施の形態の液晶セル２０に内蔵される単純マイクロプリズム構造を説明するための図である。図２に示す液晶セル２０は、ボトム側のガラス基板２１とトップ側のガラス基板２２との間に、液晶層２３およびプリズム構造部３０が含まれている。液晶層２３にはＴＦＴ２４が形成され、また、トップ側のガラス基板２２側には、Ｒ、Ｇ、Ｂの各サブ画素の間を仕切るブラックマトリックス(ＢＭ)２５が設けられている。プリズム構造部３０は、光の入射側(下側)に、例えば屈折率が１.５５の高屈折率層３１、光の出射側(上側)に、例えば屈折率が１.４０８の低屈折率層３２が設けられている。この高屈折率層３１は、第１のポリマーとして例えば光硬化性のアクリル樹脂が用いられ、低屈折率層３２としては、第２のポリマーとして例えばフッ素化された光硬化性のアクリル樹脂を用いることができる。
【００２８】
発明者等は、かかる単純マイクロプリズム構造を設計するにあたり、液晶セル２０への入射時のＲ、Ｇ、Ｂ各色光が持つ各々異なった視野角依存性を、セル内蔵のプリズム構造部３０において修正し、視野角特性と正面方向での色再現性を最大化するプリズム構造部３０の形状、主に最適なプリズム傾斜角および底角の決定を行った。その設計に際し、分光素子(回折格子１５)から出射される各波長成分ごとのバックライト出射強度の視野角分布実測値を利用している。そして、円筒状レンズアレイ１６からプリズム構造部３０を内蔵する液晶セル２０に至るまでの光強度を、波長・角度・画素に対する相対位置座標の３値をパラメータとして光線追跡する計算方法により、実測値に定量的に一致する高精度な設計計算を行った。この設計計算によって、赤(Ｒ)および青(Ｂ)のサブ画素に対する、高屈折率層３１と低屈折率層３２との界面の傾き角は約４５度、緑(Ｇ)のサブ画素に対する、高屈折率層３１と低屈折率層３２との界面の傾き角は約１４度となるときに、視野角特性および正面方向での色再現性が最も広範囲に亘るという結果が得られた。図２に示す液晶セル２０では、１つのサブ画素の幅８８μｍに対して、ＲおよびＢの入射光が屈折透過する高屈折率層３１と低屈折率層３２との界面の傾き角を４５度とするために、プリズム構造部３０の厚さが約９０〜１００μｍ、必要となっている。尚、ガラス基板２１,２２の厚さは、約７００μｍ程度である。
【００２９】
図３は、図２に変わる構造として、本実施の形態の液晶セル２０に内蔵されるリニアフレネル型マイクロプリズム構造を説明するための図である。図３に示すプリズム構造部４０は、高屈折率層４１と低屈折率層４２とで形成されるマイクロプリズム構造が、表面に小さなでこぼこ形状を有する微細フレネルで形成されている点で、図２に示す構造とは異なる。図３に示すプリズム構造部４０では、この微細フレネル型を採用することで、その厚さを約１０μｍ程度にまで薄くすることができる。また、プリズム構造部４０を薄型平坦層とすることができ、セルギャップのむらを少なくし、均一性を保つことも可能となる。図３に示す例では、プリズム構造部４０におけるフレネルプリズムの周期を８.８μｍ、屈折率が１.５５(高屈折率層４１)および１.４０８(低屈折率層４２)の２種類のポリマーを組み合わせ、三角断面形状の周期構造を持つフレネルプリズムを形成している。このフレネルプリズムにおける個々の三角形の形状は、図３に示す拡大図に示すように、Ｒのサブ画素部分で、斜面の底角が４５度、対斜面の底角が８０度となっている。Ｂのサブ画素部分も、Ｒとは左右対称の三角形の形状を有し、同様の底角で形成されている。一方、Ｇのサブ画素部分は、斜面の底角が１４度、対斜面の底角が８０度で形成されている。このように形成することで、視野角特性を高め、正面方向での色再現性を広範囲にわたらせることができる。
【００３０】
ここで、本実施の形態では、各色の入射光は、高屈折率層３１,４１から低屈折率層３２,４２へと進行している。一方、従来技術で説明した特許文献３では、この関係が逆であり、低屈折率の層から高屈折率の層に入射光が進行している。図３の拡大図に示すフレネルプリズムの斜面は、入射光の屈折透過により角度補正を行うことを目的としているが、従来技術のように低屈折率の層から高屈折率の層に入射光を進行させると、この斜面にて入射光が広がり、角度補正をすることができなくなる。また、フレネルプリズムの斜面の向きを修正した場合でも、この斜面と対になったもう一方の対斜面が各画素の中心側に位置して入射光をより多く受けることとなり、入射光においてケラレが生じやすく、角度補正目的外の方向に反射・拡散される成分が増大する結果をもたらす。対斜面で入射光にケラレが生じる結果、角度補正の障害となる小ピークが出射分布において出現し、色再現性を悪化させる。このため、本実施の形態のように、高屈折率層３１,４１から低屈折率層３２,４２に入射光が進行する構造を採ることが有効である。
【００３１】
次に、斜面と対斜面の２底角について説明する。
図４は、斜面および対斜面の２底角と入射光(出射光)との関係について、その最適化を説明するための図である。フレネル型マイクロプリズム構造への入射光の中で、図４に示す例１の入射光は、高屈折率層４１と低屈折率層４２とで形成される斜面にて屈折し、正しい角度補正がなされた出射光となる。しかし、入射光の一部は、本来の角度補正目的のために形成した斜面ではなく、対斜面に最初に衝突してケラレを生じ、角度補正目的外の方向に反射・拡散を生じてしまう。この割合は、対斜面の底角が小さく傾斜が緩やかになるほど増大する。図４では、例３の入射光が対斜面にて反射・拡散され、ケラレＡとなる状態が示されている。一方、フレネル型マイクロプリズム構造において個々のプリズムのうち対斜面の底角を例えば９０度以上とした場合には、角度補正目的に沿う側の斜面を屈折透過した光成分の一部が、その後、隣り合う対斜面に当たってケラレを生じやすく、角度補正目的以外の方向に反射・拡散を生じ易くなる。図４には、斜面を屈折透過した光成分の一部である例２の入射光が、対斜面によって反射・拡散され、ケラレＢが生じる様子が示されている。このケラレＢの発生する割合は、図３の拡大図に示したような対斜面の底角が大きくなり、急峻になるほど増大する。また製造の観点からも対斜面の底角が急峻になるほど、金型および複製の製作難度が高まる。
【００３２】
図５は、ケラレＡおよびケラレＢの２種類のケラレの発生率と、対斜面の底角との関係を示した図である。横軸に、フレネルプリズムの対斜面底角(deg)が取られ、縦軸に、ケラレのない透過光比率が示されている。ケラレＡは、対斜面の底角(傾き角)が大きい程少なくなり、一方、ケラレＢは、対斜面の底角が小さい程少なくなる。この２種類のケラレが発生する発生率の交点は、本実施の形態における条件では対斜面の底角７０度以上９０度未満の間であり、より好ましくは、７５度〜８０度の間にある。本実施の形態におけるプリズム構造部４０では、出射光分布をより大きな角度で反射・拡散し非対称化するケラレＡの発生率を抑える目的から、対斜面の底角を大き目に設定し、最適値が８０度(〜９０度未満)となるように設計されている。
【００３３】
このように、本実施の形態では、図３に示すように、液晶セル２０内に極めて薄型化されたリニアフレネル型マイクロプリズム形状の２層平坦構造を容易に形成することができるため、セルギャップの均一性を妨げず、従来の液晶セル２０の製造プロセスに追加プロセスとして無理なく組み込むことが可能である。またサブ画素内の個々のプリズム形状を変動構造にすることも可能なため、最適な光学設計条件に合わせた局所的な微調整も可能となる。
ここで、液晶セル内蔵マイクロプリズムを取り入れたカラーフィルタレス直視型液晶表示装置により白色表示を行い、各サブ画素からの出射光を顕微鏡観察したところ、赤・緑・青色の各サブ画素に応じた出色が正面方向において高い位置決め精度で実現されていることが確認できた。試作品における正面輝度は設計値２０４ｃｄ/ｍ２に対し、実測値が２００ｃｄ/ｍ２(マイクロプリズムなしでは１６２ｃｄ/ｍ２)であり、同様なバックライトを用いた視野角補正用回折格子フィルム使用時の輝度に対し２倍以上の輝度値である。マイクロプリズムにより、白色光源が含むあらゆる波長の光を正面方向近傍に角度補正したため、プリズム不使用時に比べ正面輝度の向上が確認されている。
【００３４】
図６(ａ),(ｂ)は、液晶セル内にマイクロプリズムを形成する前後におけるＲ、Ｇ、Ｂの各色光スペクトル強度の視野角分布(白色表示時)の違いを実測した結果を示した図である。図６(ａ)はマイクロプリズムの形成前の実測値、図６(ｂ)はマイクロプリズム形成後の実測値を示している。横軸に出力角度(Output Angle)、縦軸に透過率(Transmissivity)を取っており、Ｒ、Ｇ、Ｂの各出射光の分布が示されている。図６(ｂ)に示すマイクロプリズム追加後の結果において、各色光強度分布の中心が正面方向近傍に補正され、重なり合っている様子が確認できる。正面方向における色再現性はＮＴＳＣ比で４８％(設計時５７％)であり、１３.３型の従来型カラーフィルタつき直視型液晶表示装置(同４２％)を上回る測定結果となっている。本実施の形態では、光拡散部材を併用しておらず、マイクロプリズムによる角度補正効果のみなので、色度の均一な視野角の範囲は−９度から＋１２度と比較的狭い値である。しかしながら、適度な拡散能を持つ拡散フィルムを併用することにより、正面輝度を約６０％にするといった条件下では、視野角を約−２０度から＋２０度までの広範囲に拡張できる。このように、本実施の形態における液晶セル２０を採用することにより、既存の光学フィルムを視野角補正の目的で用いた場合に対し、色再現範囲および色バランスを均一に保つ視野角が向上されることが実証された。
【００３５】
次に、本実施の形態が適用されるブラックマトリックス(ＢＭ)２５について説明する。
本実施の形態が適用される液晶表示装置では、光源１１として、白色光源である例えば三極蛍光管を用いられている。この三極蛍光管は、赤(Ｒ)・緑(Ｇ)・青(Ｂ)の波長スペクトル成分以外に、例えばオレンジ、シアンの波長において小ピークを含むスペクトル成分が存在している。これらのスペクトル成分は、液晶表示装置の色再現性を本質的に悪化させることが従来から問題となっていた。そこで、本実施の形態では、液晶セル２０の画素および液晶セル２０内のブラックマトリックス２５の再設計により、これら色再現性の障害となるオレンジあるいはシアンの波長成分を遮光するように構成した。また、これに合わせてサブ画素毎に形状の異なるマイクロプリズム構造を精度良く形成することにより、カラーフィルタレス液晶表示装置における色再現性を向上させている。
【００３６】
図７(ａ),(ｂ)は、ブラックマトリックス２５の位置と光源スペクトルとの関係を示した図である。図７(ａ)は、従来における、等間隔なブラックマトリックスを採用した場合の関係を示しており、図７(ｂ)は、本実施の形態において採用されたブラックマトリックス２５の位置と光源スペクトルとの関係を示している。各々横軸は、画素位置(μｍ)を示し、縦軸は、液晶セル２０内の入射光スペクトルを示している。図７(ａ)に示すように、カラーフィルタレス液晶表示装置に対して等間隔な液晶セル画素およびブラックマトリックスを適用した場合は、色再現性の障害となる例えばオレンジの波長成分が十分には遮光できず、またシアンの波長成分についても遮光は完全ではない。しかしながら、図７(ｂ)では、液晶セル２０の各サブ画素の幅およびブラックマトリックス２５の幅を変え、これらに対して最適化設計を施すことで、オレンジの波長成分およびシアンの波長成分を十分に遮光している。即ち、オレンジ波長成分を十分に遮光するため、各画素において緑(Ｇ)および赤(Ｒ)のサブ画素間にあるブラックマトリックス２５の幅を、緑(Ｇ)のサブ画素側において例えば５μｍ分削減し、一方、赤(Ｒ)のサブ画素側においては例えば２０μｍ分増加させる。また、シアン波長成分を十分に遮光するため、各画素において青(Ｂ)のサブ画素および緑(Ｇ)のサブ画素間にあるブラックマトリックス２５の幅を、緑(Ｇ)のサブ画素側において例えば１０μｍ分増加させる。このようにして、液晶セル２０の画素幅およびブラックマトリックス２５の画素幅を調整することで、色再現性は、図７(ａ)に示す適用前に比べて、約１.１５〜１.２倍にすることが可能となった。
【００３７】
(実施の形態２)
次に、実施の形態２として、マイクロレンズ構造を用いた例について説明する。尚、マイクロプリズム構造について説明した実施の形態１と同様の機能については同様の符号を用い、ここでは、その詳細な説明は省略する。
従来のカラーフィルタレス液晶プロジェクション装置においては、色ごとに異なる視野角依存性および集光機能素子による角度拡がりに起因して、液晶セル２０から投影用光学素子に至る過程で拡散効果が生じ、混色・ぼけみによる色再現性・解像度の低下が問題となる。これを解決し、色再現性に優れ、また明瞭でぼけみのない表示画像を得るためには、全ての波長の液晶セル出射光を正面方向を中心とした略平行光に角度補正して、プロジェクションレンズなどの投影用光学素子に入射させる方法が最も有効である。このため、液晶セル２０内に２種類のポリマーを用い、各サブ画素ごとに入射成分の波長により異なる入射角に応じて、傾き角(チルト角)が各々設定されるマイクロレンズ構造を形成する。これにより、すべてのサブ画素から正面方向を中心とした略平行光を得ることができる。ここで述べる略平行光とは、正面方向に対して±１０度以下、望ましくは±５度以下の範囲に揃って出射される光束を指している。
【００３８】
図８および図９は、このマイクロレンズを液晶セル２０に搭載した例を示した図である。例えば、液晶層およびブラックマトリックス近辺で集光させる光学設計のため、ブラックマトリックス２５とマイクロレンズ構造部５０,６０との位置関係に応じて、図８および図９の構造が決定されている。本実施の形態では、各サブ画素への入射分布に細かく対応して角度補正および略平行光化を行い、輝度・色度の性能向上を行う。この構造は、カラーフィルタレス液晶プロジェクション装置の他、図１に示すカラーフィルタレス直視型液晶表示装置に対しても適用でき、同様の効果を得ることができる。
【００３９】
図８および図９では、サブ画素周期が８８μｍ、屈折率１.５５および１.４０８の２種類のポリマーを組み合わせて、マイクロレンズ構造部５０,６０を形成している。図８では、マイクロレンズ構造部５０に対して、入射側(下側)に高屈折率層５１、出射側(上側)に低屈折率層５２を設け、この高屈折率層５１と低屈折率層５２とによって形成される、各サブ画素のマイクロレンズが、下に凸となる(低屈折率層５２側が膨らむ)ように形成されている。一方、図９では、マイクロレンズ構造部６０に対して、同様に、入射側(下側)に高屈折率層６１、出射側(上側)に低屈折率層６２を設け、この高屈折率層６１と低屈折率層６２とによって形成される、各サブ画素のマイクロレンズが、上に凸となる(高屈折率層６１側が膨らむ)ように形成されている。また、図８および図９には、図１に示した円筒状レンズアレイ１６として、１画素(３つのサブ画素)全体に亘って配置されている集光レンズ１６−１が図示されている。
【００４０】
また、この図８および図９では、全てのサブ画素から正面方向を中心とした略平行光を得るために、所定の傾き角(チルト角)を持った状態にて、このマイクロレンズ構造部５０,６０が形成されている。各サブ画素のマイクロレンズに施されるチルト角として、４５度(赤のサブ画素、青のサブ画素)、および１４度(緑のサブ画素)となるときに、視野角特性および正面方向での色再現性が最も広範囲に亘るという結果が得られた。各サブ画素ごとのマイクロレンズに施されるチルト角を上述のように設定すると、マイクロレンズ構造部５０,６０の厚さは１０μｍを超えた厚いものとなる。例えば約８０〜１００μｍとなる場合がある。
【００４１】
このとき、液晶セル２０内のマイクロレンズの曲率半径Ｒ２は、図８および図９の最下部に示す集光レンズ１６−１のＲ１に対し、低屈折率層５２,６２の屈折率が１の場合に最適な曲率半径
Ｒ２'＝（１/３）・Ｒ１
を用いて、
Ｒ２ ＝ Ｒ２'・（ｎＨ−ｎＬ）/（ｎＨ−１）
の関係から算出される。ここでｎＨおよびｎＬは、液晶セル２０内のマイクロレンズ構造部５０,６０を形成する高屈折率層５１,６１の絶対屈折率、および低屈折率層５２,６２の絶対屈折率のことである。尚、図８および図９において液晶セル２０内の各サブ画素に形成されるマイクロレンズにチルト角を与えることは、赤のサブ画素および青のサブ画素の両マイクロレンズを緑のサブ画素側に向けて平行移動することと同義である。所望のチルト角を与えるためのマイクロレンズ平行移動量は、サブ画素の周期とマイクロレンズの曲率半径とをパラメータとして容易に算出される。
【００４２】
図１０および図１１は、フレネル型マイクロレンズ形状を液晶セル２０に搭載した例を示した図である。前述したマイクロプリズム形状と同様に、薄型化されたフレネル型マイクロレンズ形状を採用することもできる。このフレネル型マイクロレンズ形状の２層平坦構造を採用することで、セルギャップの均一性の維持と、製造プロセスの簡略化が可能となる。このフレネル型マイクロレンズ形状を得るために、液晶セル２０内に２種類のポリマーを用い、各サブ画素ごとに入射成分の波長により異なる入射角に応じて、異なったチルト角相当の形状を持つフレネル型マイクロレンズ形状を形成する。具体的には、チルト角に相当する非対称性のみを与えることから、薄型化が可能となり、この場合にも、全てのサブ画素から正面方向を中心とした略平行光を得ることができる。
【００４３】
ここでは、図８および図９と同様に、サブ画素周期が８８μｍ、屈折率１.５５および１.４０８の２種類のポリマーを組み合わせて、フレネル型マイクロレンズ構造部７０,８０を形成している。図１０では、フレネル型マイクロレンズ構造部７０に対して、入射側(下側)に高屈折率層７１、出射側(上側)に低屈折率層７２を設け、この高屈折率層７１と低屈折率層７２とによって形成される、各サブ画素のフレネル型マイクロレンズが、下に凸となる(低屈折率層７２側が膨らむ)ように形成されている。一方、図１１では、フレネル型マイクロレンズ構造部８０に対して、同様に、入射側(下側)に高屈折率層８１、出射側(上側)に低屈折率層８２を設け、この高屈折率層８１と低屈折率層８２とによって形成される、各サブ画素のフレネル型マイクロレンズが、上に凸となる(高屈折率層８１側が膨らむ)ように形成されている。図に示す液晶層２３およびブラックマトリックス２５の近辺で集光させる光学設計のため、ブラックマトリックス２５とフレネル型マイクロレンズ構造部７０,８０との位置関係に応じて、図１０あるいは図１１の構造を適宜選択することが望ましい。各サブ画素への入射分布に細かく対応して角度補正および略平行光化を行い、輝度・色度の性能向上を図っている。これらの構造は、カラーフィルタレス液晶プロジェクション装置の他、カラーフィルタレス直視型液晶表示装置に対しても適用可能であり、同様の効果を得ることができる。
【００４４】
尚、他の実施形態として、液晶セル２０に回折格子構造を形成することも可能である。即ち、液晶セル２０内に２種類のポリマーを用いて三角断面形状の回折格子構造を形成する。図３を用いて説明した、フレネル型マイクロプリズム構造と同様、各サブ画素ごとに入射成分の波長に応じて異なった周期の回折格子を形成し、全てのサブ画素から正面方向を中心とした回折成分を含む出射分布を得る。更に、液晶セル２０に内蔵されるマイクロプリズムあるいは内蔵される回折格子において、各サブ画素内の位置により周期構造に変動を加えた形状に変えることで、各サブ画素への入射光強度のスペクトル分布に対応して角度補正および拡散機能の微調整を行うことができ、輝度・色度・視野角の性能向上を図ることができる。
【００４５】
次に、液晶セル２０内蔵の、マイクロプリズム/マイクロレンズの製造方法について説明する。
図１２は、マイクロプリズム/マイクロレンズの製造方法の工程を示した図である。まず設計値に基づき、金型材料表面へのレンズ形状等の切削加工により、金型が作製される(ステップ１０１)。型材料としては、ＣｕやＡｌ、Ｎｉなどの金属でもよいし、シリコンエラストマー等でも良い。この作製された金型が洗浄された(ステップ１０２)後、低屈折率光硬化樹脂、例えばフッ素系樹脂が塗布される(ステップ１０３)。一方で、ガラス基板２２が洗浄された(ステップ１２１)後、樹脂との密着性を向上させるための表面処理がガラス基板２２の表面に施される(ステップ１２２)。ステップ１０４では、ステップ１０３にて樹脂の塗布された金型と、ステップ１２２にて表面処理が施されたガラス基板２２とを貼り合わせ(ステップ１０４)、紫外光を照射して低屈折率樹脂を硬化させる(ステップ１０５)。次に金型から樹脂の密着したガラス基板２２を引き剥がすことで(ステップ１０６)、マイクロプリズム/マイクロレンズ作製が完了する。更に本実施の形態においては、低屈折率樹脂によりマイクロプリズム/マイクロレンズ構造が形成されたガラス基板２２上に高屈折率光硬化樹脂、例えばアクリル系樹脂を塗布する(ステップ１０７)。そして、別途用意され、ステップ１１１によって洗浄された平坦化用型をこれに貼り合わせ、再び紫外光を照射して樹脂を硬化させる(ステップ１０８)。平坦化用型は金属には限らない。最後に平坦化用型を、２種類の樹脂による平坦化マイクロプリズム/マイクロレンズ構造の形成されたガラス基板２２から剥離することで(ステップ１０９)、マイクロプリズム/マイクロレンズの製造が終了する(ステップ１１０)。その後、液晶セル２０の生成プロセスが実行される。
【００４６】
製造されたマイクロプリズム/マイクロレンズは、液晶セル２０内の各サブ画素に対して、高い要求精度を満たした状態にて貼り合わせられる。この位置合わせには、「合いマーク」の使用による位置決め方法が利用される。例えば、紫外線硬化樹脂および金型を用い、１５０μｍ幅の十字マークからなる「合いマーク」を金型上に形成する。そして、この金型に樹脂を塗布し、更に金型と同様の「合いマーク」を有するガラス基板２２とを高解像度カメラを用いて合わせ、紫外線で硬化させる。このようにして、例えば、２００ｍｍあたり±１５μｍ以下の精度にて位置合わせを実現している。
【００４７】
以上、詳述したように、各実施の形態によれば、Ｒ(赤)、Ｇ(緑)、Ｂ(青)の各色に対応するサブ画素に入射する光の入射角および波長がサブ画素毎に異なるカラー液晶表示装置において、各色に対応するサブ画素ごとに最適化されたマイクロプリズム構造等を導入する事で、Ｒ、Ｇ、Ｂ各色光の液晶セル２０の出射角を、正面方向を中心とした同様に対称な出射光分布に角度補正することができる。また、各色に対応するサブ画素ごとに最適化されたマイクロレンズ構造を導入する事で、Ｒ、Ｇ、Ｂ各色光の液晶セル２０の出射角を、例えば正面方向に向けて略平行光化することができる。更に、他の光学機能素子、例えば、光拡散機能等を有するもの等を介することで、広範な色再現性、広視野角、明瞭でぼけみのない表示画像を実現する表示装置を提供することができる。
【００４８】
カラーフィルタレス液晶表示装置は、各色に対応するサブ画素に適した波長成分が選択的に取り込まれるため、高い色再現性(ＮＴＳＣ比)を潜在的に持つ手法であるが、前述したようなマイクロプリズム/マイクロレンズを導入することで、例えば直視型液晶表示装置の場合、実用上重要な正面方向における色再現性の向上が可能であり、また正面方向を中心として対称かつ広範な視野角が可能となる。最適なプリズム設計値の例では、正面方向での色再現性がＮＴＳＣ比５７％、散乱機能なしでも±１０度の範囲に亘り均一な色度が得られる。これに所望の視野角分布に応じた光拡散部材を組み合わせるか、あるいはプリズム自体に適度な光拡散効果を兼ね揃えることで、高輝度かつ一様な色度の出射光分布を広い視野角に対して所有する直視型カラー液晶表示装置を製作することが可能となる。また、液晶プロジェクション装置においては、正面方向に揃った平行光に角度補正することができる。
更に、本実施の形態では、液晶セル２０内にプリズム/マイクロレンズ構造を導入することで、視差の無い液晶表示装置を提供している。
また更に、金型から液晶セル用ガラス基板にプリズム/レンズ形状を転写する際、加熱プロセスでなく光照射プロセスを用いることによって、熱膨張による設計値からの誤差が生じないマイクロプリズム/マイクロレンズ構造を提供することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明の活用例としては、カラーフィルタレス直視型液晶表示装置の他、カラーフィルタレス液晶プロジェクション装置等のカラー表示装置、また、これらの画像表示装置に用いられる光学素子などがある。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本実施の形態が適用されるカラーフィルタレス液晶表示装置(カラーフィルタレス直視型液晶表示装置)の構成を示した図である。
【図２】本実施の形態の液晶セルに内蔵される単純マイクロプリズム構造を説明するための図である。
【図３】図２に変わる構造として、本実施の形態の液晶セルに内蔵されるリニアフレネル型マイクロプリズム構造を説明するための図である。
【図４】斜面および対斜面の２底角と入射光(出射光)との関係について、その最適化を説明するための図である。
【図５】ケラレＡおよびケラレＢの２種類のケラレの発生率と、対斜面の底角との関係を示した図である。
【図６】(ａ),(ｂ)は、液晶セル内にマイクロプリズムを形成する前後におけるＲ、Ｇ、Ｂの各色光スペクトル強度の視野角分布(白色表示時)の違いを実測した結果を示した図である。
【図７】(ａ),(ｂ)は、ブラックマトリックスの位置と光源スペクトルとの関係を示した図である。
【図８】マイクロレンズを液晶セルに搭載した例を示した図である。
【図９】マイクロレンズを液晶セルに搭載した例を示した図である。
【図１０】フレネル型マイクロレンズ形状を液晶セルに搭載した例を示した図である。
【図１１】フレネル型マイクロレンズ形状を液晶セルに搭載した例を示した図である。
【図１２】マイクロプリズム/マイクロレンズの製造方法の工程を示した図である。
【図１３】カラーフィルタレス液晶表示装置の一例として、分光素子を用いた従来のカラーフィルタレス直視型液晶表示装置の構成を示した図である。
【図１４】(ａ),(ｂ)は、カラーフィルタレス直視型液晶表示装置における出射光分布を示した図である。
【符号の説明】
【００５１】
１１…光源、１２…入射光学系、１３…導光板、１４…反射シート、１５…回折格子、１６…円筒状レンズアレイ、１７…偏光フィルム、１８…拡散フィルム、２０…液晶セル、２１,２２…ガラス基板、２３…液晶層、２４…ＴＦＴ、２５…ブラックマトリックス(ＢＭ)、３０,４０…プリズム構造部、３１,４１,５１,６１,７１,８１…高屈折率層、３２,４２,５２,６２,７２,８２…低屈折率層、５０,６０…マイクロレンズ構造部、７０,８０…フレネル型マイクロレンズ構造部
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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