(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
体積位相反射型ホログラムからなる反射型カラーフィルターと、
染料・顔料などの色素を主材料とする透過型カラーフィルターとを、
それぞれのカラーフィルターの色パターンを、セル色同士が一致するように組み合わせてなり、かつ前記反射型カラーフィルターと前記透過型カラーフィルターとが６０μｍ以下の距離で配置されてなることを特徴とするカラーフィルター。
【請求項２】
反射型カラーフィルターを構成する体積位相反射型ホログラムの各色セルからの反射回折光のピーク波長の半値幅が、５ｎｍ〜１５０ｎｍの範囲であることを特徴とする請求項１記載のカラーフィルター。
【請求項３】
体積位相反射型ホログラムを構成するバインダー内に色素を分散させることを特徴とする請求項１〜２の何れかに記載のカラーフィルター。
【請求項４】
表示パターンを規定する液晶パネルの背面（観察者の反対側）または前面（観察者側）に、請求項１〜３の何れかに記載のカラーフィルターを配置し、
液晶パネルのさらに背面側に、バックライトやエッジライトなどの照明光源を備える構成であることを特徴とする液晶表示装置。
【請求項５】
液晶パネルに面する側のカラーフィルター表面に、液晶パネルを駆動する透明電極を形成したことを特徴とする請求項４に記載の液晶表示装置。
【請求項６】
液晶パネルに面する側のカラーフィルター表面に、コンタクトホールを形成したことを特徴とする請求項４または５に記載の液晶表示装置。
【請求項７】
バックライトやエッジライトなどの照明光源が、液晶パネルの直前に、光散乱手段または光路調整手段を備えることを特徴とする請求項４〜６の何れかに記載の液晶表示装置。
【請求項８】
バックライトやエッジライトなどの照明光のピーク波長と、体積位相反射型ホログラムによる反射回折光のピーク波長が１０ｎｍ以上離れていることを特徴とする請求項４〜７の何れかに記載の液晶表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶表示装置などに適用されるカラーフィルターであり、ホログラムを利用したカラーフィルターに関する。
特に、反射型液晶表示装置（バックライトやエッジライトなどの特殊な光源を必要とせず、太陽光や照明光などの周辺光を反射させて表示光とするタイプ）および透過型液晶表示装置（バックライトやエッジライトなどの特殊な光源からの透過光を表示光とするタイプ）の双方に適用されるように、反射光でも透過光でもフルカラーの表示画像を観察でき、光の利用効率も高いカラーフィルターに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、液晶表示装置（反射型および透過型）に適用されるカラーフィルターとしては、透過性のカラーフィルターを用いたものが周知である。
その一般的な構成は、顔料や染料などの色素を分散させた樹脂を、基板上で所定の色パターン（Ｒ・Ｇ・Ｂのモザイク配列やデルタ配列など）を形成するようにパターニングしたものであり、入射する白色光を、色パターンに応じた透過光とする機能を果たすことになる。色パターンを構成するそれぞれの色セルでは、セルの色に応じた波長域の光を透過し、それ以外の波長域の光を透過させないことで、選択的に透過光の波長が制御される。
【０００３】
透過型液晶表示装置に適用するには、光源より前面（観察者）側にカラーフィルターを配置する。この場合、配置箇所は液晶パネルの前面側でも背面（観察者と反対側）側でも良い。
【０００４】
反射型液晶表示装置に適用するには、透過型の場合と同様の箇所にカラーフィルターを配置するが、この場合、カラーフィルターよりも背面側に、表示装置に入射する周辺光を反射させる部材が必要である。
周辺光の反射部材として、カラーフィルターの背面に光反射面（光反射層）を形成しても良いし、液晶パネルの液晶セルの駆動電極を光反射面（光反射層）を兼ねるタイプ（以後、このような電極を反射電極と称する）としても良い。
【０００５】
以上は、透過型のカラーフィルターとそれを適用した液晶表示装置に係る説明であるが、反射型のカラーフィルターも存在する。
【０００６】
さらに、染料や顔料を用いた既存のカラーフィルターに代えて、ホログラムや回折格子の分光回折特性を利用したカラーフィルターとそれを用いたフルカラー液晶画像表示装置に係る提案も公知であり、以下のものが例示される。
【０００７】
（１）特開平５−２４９３１８号公報
ホログラム素子により液晶照射光を３原色画像表示用画素（液晶セル）の配置に応じた方向に回折することで３原色光に分光する。各３原色画像表示用画素が対応する３原色光により照射されることでカラー画像を表示する。
【０００８】
（２）特開平６−３０８３３２号公報
入射光（白色光）をホログラムにより回折分光して所定の空間的な周期で異なる波長の光を所望の位置に出射するようにして、（既存の）カラーフィルターを用いずに、液晶表示用バックライトなどの利用効率を大幅に向上させる。
【０００９】
上記（１）（２）の提案では、既存のカラーフィルターに比較して、液晶照射光（白色バックライト）の吸収が少なく、光の利用効率が向上し、明るく小消費電力のフルカラー液晶画像表示装置が提供される。
【００１０】
しかしながら、何れのタイプのカラーフィルターも、透過型あるいは反射型のどちらかの用途でしか用いることが出来ない。
【００１１】
近年、携帯電話や携帯端末など、いわゆるモバイル製品が普及し、電池による駆動の液晶表示装置の市場が広まってきている。
これらの製品では、限りある電池の電力を有効に使うために、消費電力の少ない反射型液晶表示装置のニーズが高まってきているが、単なる反射型の表示装置では、夜間の使用が出来ない欠点がある。
【００１２】
反射型液晶表示装置の夜間の使用も実現するために、上述した透過型カラーフィルターを用いる方式では、背面の反射面を半透過性として、夜間は特殊光源を作動させて表示光を得るタイプの表示装置も用いられている。
しかしながら、半透明な反射面を採用すると、「特殊光源からの光の透過効率を上げれば、周辺光の反射効率が下がる」といった相反関係が生じてしまい、透過型／反射型の双方の表示装置として明るい表示画像を得ることが出来ない。
【００１３】
また、他のタイプの表示装置として、装置前面（観察者側）に屈折光学素子を配置し、周辺光が利用できない夜間などには、その表面（観察者側）に配置した特殊光源から照明光を照射するフロントライト方式の表示装置もあるが、
この方式では、装置前面に配置した屈折光学素子での散乱により、コントラストが低下することになっていた。
【００１４】
また、特開平８−３３４７５２号公報に示されるように、体積位相ホログラムの波長選択性を用いて、白色バックライトの照明光を表示に有効利用しようという提案がある。
【００１５】
上記提案は、マトリクス状に配置された液晶セル（および、個々の液晶セルに対応して三原色に別れた着色セルを有するカラーフィルター）に対して、白色バックライトからの照明光を、セル状のホログラムにより分光して対応する色セルに入射させるカラー液晶表示装置に係るものであり、
セル状のホログラムは、波長選択性（特定波長成分の光のみを反射回折／あるいは透過回折させる特性）を持つため、最初の回折でその液晶セルに入射されなかった波長成分の光は、対応する色の液晶セルに至るまで、バックライトユニット内で反射を繰り返すことになり、結果として、殆どの波長成分の白色バックライトがカラー表示に寄与することになる。
【００１６】
上記提案は、白色バックライトの照明光を表示に有効利用する透過型液晶表示装置としてのみの改善であると共に、カラーフィルターも既存の透過型のものでしかない。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、透過型および反射型の双方の液晶表示装置に対して適用が可能な、透過型および反射型の双方の機能を持つカラーフィルターを提供することを主な目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、反射型カラーフィルターとして、体積位相反射型（所謂、リップマン型）ホログラムからなるカラーフィルターと、
透過型カラーフィルターとして、色素を用いた既存のカラーフィルター、とを一体積層してなるカラーフィルターを採用する。
【００１９】
すなわち、請求項１の発明は、
【請求項１】
体積位相反射型ホログラムからなる反射型カラーフィルターと、
染料・顔料などの色素を主材料とする透過型カラーフィルターとを、
それぞれのカラーフィルターの色パターンを、セル色同士が一致するように組み合わせてなり、かつ前記反射型カラーフィルターと前記透過型カラーフィルターとが６０μｍ以下の距離で配置されてなることを特徴とするカラーフィルターである。
【００２０】
請求項２の発明は、
反射型カラーフィルターを構成する体積位相反射型ホログラムの各色セルからの反射回折光のピーク波長の半値幅が、５ｎｍ〜１５０ｎｍの範囲であることを特徴とする請求項１記載のカラーフィルターである。
【００２１】
請求項３の発明は、
体積位相反射型ホログラムを構成するバインダー内に色素を分散させることを特徴とする請求項１〜２の何れかに記載のカラーフィルターである。
【００２２】
請求項４の発明は、
表示パターンを規定する液晶パネルの背面（観察者の反対側）または前面（観察者側）に、請求項１〜３の何れかに記載のカラーフィルターを配置し、
液晶パネルのさらに背面側に、バックライトやエッジライトなどの照明光源を備える構成であることを特徴とする液晶表示装置である。
【００２３】
請求項５の発明は、
液晶パネルに面する側のカラーフィルター表面に、液晶パネルを駆動する透明電極を形成したことを特徴とする請求項４に記載の液晶表示装置である。
【００２４】
請求項６の発明は、
液晶パネルに面する側のカラーフィルター表面に、コンタクトホールを形成したことを特徴とする請求項４または５に記載の液晶表示装置である。
【００２５】
請求項７の発明は、
バックライトやエッジライトなどの照明光源が、液晶パネルの直前に、光散乱手段または光路調整手段を備えることを特徴とする請求項４〜６の何れかに記載の液晶表示装置である。
【００２６】
請求項８の発明は、
バックライトやエッジライトなどの照明光のピーク波長と、体積位相反射型ホログラムによる反射回折光のピーク波長が１０ｎｍ以上離れていることを特徴とする請求項４〜７の何れかに記載の液晶表示装置である。
【００２７】
【００２８】
【００２９】
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明を詳細に説明する。
＜実施形態１＞
図１に示すように、波長を選択的に反射する体積位相反射型ホログラム層２４と、樹脂内に色素を分散して色素に応じた波長光を吸収することによって透過光を着色する透過型カラーフィルター層１４、とを一体的に積層することにより、カラーフィルター（反射型／透過型）を構成する。
【００３１】
体積位相反射型ホログラム（所謂、リップマン型ホログラム）は、波長選択性と角度選択性を併せ持つ。
波長選択性は、ホログラムが特定波長域の光を回折する特性であり、リップマン型ホログラムの場合、ホログラムが反射回折しない波長域の光は、ホログラムで吸収されるか、或いはそのまま透過する。
角度選択性は、ホログラムが特定角度（範囲）で入射する光について回折する特性であり、リップマン型ホログラムの場合、前記以外の角度（範囲）で入射する光については、反射回折は行なわれずそのまま透過する。
【００３２】
上記カラーフィルターに、特定範囲の角度で反射照明６６を照射すると、照明光６６は、体積位相反射型ホログラム２４によって、特定波長域の光が反射回折され、反射回折光６４は特定波長域に着色されたものとなる。
【００３３】
上記カラーフィルターを、透過型カラーフィルター層１４側から透過照明５６で照明すると、照明光５６は、透過型カラーフィルター層１４によって、特定の波長域の光のみが透過することによって、透過光が着色される。
【００３４】
上述のように、体積位相反射型ホログラムは角度選択性を有するため、透過型カラーフィルター層１４を透過した光の殆どは、体積位相反射型ホログラム２４で回折を受けずに透過し、透過光５４も、透過型カラーフィルター層１４で着色された色が維持される。
【００３５】
このように、本実施形態によるカラーフィルターは、反射型／透過型の双方のタイプとして使用できる。
【００３６】
＜実施形態２＞
実施形態１では、観察者側（図１の上側）に体積位相反射型ホログラム層２４を、バックライトなどの入射側（図１の下側）に透過型カラーフィルター層１４を配置したが、図２に示すように、観察者側に透過型カラーフィルター層１４を、バックライトなどの入射側に体積位相反射型ホログラム層２４を配置しても、同様の効果を奏することができる。
【００３７】
＜実施形態３＞
また、図３に示すように、体積位相反射型ホログラムを構成するバインダー内に色素を分散させて、着色させた体積位相反射型ホログラム２５とすることによっても、２５は、反射型カラーフィルターおよび透過型カラーフィルターの双方の機能を発揮することになる。
【００３８】
＜実施形態４＞
本発明の反射型／透過型カラーフィルターを、液晶表示装置に適用する場合について説明する。
図４に示すように、透明基板７１と透明電極７２からなる構成の２枚の基材によって、液晶層７３を挟んだ構成の液晶パネルを例にとる。
このとき、バックライトなどの入射側（図４の下側）の透明電極７２よりも、バックライトなどの入射側に、本発明によるカラーフィルターを配置する。
【００３９】
同図で、２１は赤成分の光を反射回折する体積位相反射型ホログラムであり、１１は赤成分の光を透過する透過型カラーフィルターのセルである。
２２は緑成分の光を反射回折する体積位相反射型ホログラムであり、１２は緑成分の光を透過する透過型カラーフィルターのセルである。
２３は青成分の光を反射回折する体積位相反射型ホログラムであり、１３は青成分の光を透過する透過型カラーフィルターのセルである。
【００４０】
図４は、体積位相反射型ホログラムと透過型カラーフィルターとを密着させて一体積層した構成のカラーフィルターを用いた場合に係る説明であるが、
図５に示すように、両者が離間した構成のカラーフィルターである場合、例えば緑色成分で反射回折されるべき特定範囲の角度で入射する周辺光６６は、赤の透過型カラーフィルターのセル１１を透過した後、緑の体積位相反射型ホログラム２２に入射し、さらに緑の透過型カラーフィルターのセル１２を透過することになり、その際の光量の低下は著しい。
【００４１】
そのため、本発明のカラーフィルターでは、体積位相反射型ホログラムと透過型カラーフィルターとは密着して配置されることが望ましい。
この際、両者の「密着」は、完全に接していることを示すものではなく、薄い透明基板を介して接着されたり、間に薄い拡散層を挟んだ状態でも良い。
上記の「薄い」とは、液晶のセルのピッチをｄとすると、ｄ／５以下の距離であり、一般的な液晶パネルでは、液晶のセルのピッチは３００μｍ程度であるので、両者は６０μｍ以下の離間距離で積層されるのが適当である。
【００４２】
図４に示すように、下側の基材では、透明基板７１と透明電極７２は直接密着して積層されておらず、透明電極７２はカラーフィルターの片面に密着積層された構成であり、この場合には、液晶層７３とカラーフィルターの距離を小さくすることができるため、色ずれのない表示像を得ることができる。
【００４３】
ＴＦＴ方式の液晶の場合は、カラーフィルターを構成する体積位相反射型ホログラム層および透過型カラーフィルター層の双方にコンタクトホール（図示せず）を形成し、電極としての効果を高めることが望ましい。
【００４４】
このように、本発明の液晶表示装置では、カラーフィルターを液晶層よりもバックライトなどの入射側に配置することによって、バックライトなどの透過光でも周辺光による反射光でも、カラーの表示画像を、光の利用効率を高く、色ずれなく得ることが出来る。
【００４５】
さらに、特定範囲の角度で入射する周辺光６６のうち、体積位相反射型ホログラムによって反射回折されなかった光はそのまま透過することになるが、バックライト・ユニットが一般的に備えるプリズムシートや散乱板（液晶パネル全面に均一な輝度で照明するため）によって反射されて、他の色のカラーフィルターに入射することによって、着色透過光として再利用されることになり、さらに光の利用効率が向上される。
【００４６】
図４に示すように、反射型カラーフィルターと透過型カラーフィルターとが、それぞれのカラーフィルターの色パターンを、セル色同士が一致するように組み合わせた場合には、バックライトなどからの照明光の一部は、角度選択性が一致すると、体積位相反射型ホログラムによって反射回折されてしまう。
【００４７】
このため、体積位相反射型ホログラムからの反射回折光のピーク波長の半値幅は、１５０ｎｍ以下であることが好ましい。
前記半値幅（回折効率がピークとなる波長に対して、前後で回折効率が１／２となる波長間のなすバンド幅）が１５０ｎｍより広いと、バックライトなどからの照明光（透過型カラーフィルターを通過した後でも）のうち、体積位相反射型ホログラムによって反射回折されうる成分が多くなり、バックライトなどからの照明光の利用効率が低下することになる。
前記半値幅が５０ｎｍ以下であれば、体積位相反射型ホログラムによる上記の反射の影響は殆ど無視できる。
【００４８】
また、前記半値幅が５ｎｍ以下であると、反射回折を生じる波長選択性が厳密となり、反射回折光自体の光量が低下し、反射光の光量が低下してしまう。
従って、体積位相反射型ホログラムからの反射回折光のピーク波長の半値幅は、５〜１５０ｎｍの範囲であることが好ましい。
【００４９】
バックライトなどからの照明の場合、一般に、光源として３波長型の冷陰極管が多く用いられている。前記冷陰極管では、非常にバンド幅の狭い波長の光が、Ｒ・Ｇ・Ｂの色に合わせて光るように設計されている。
【００５０】
前記冷陰極管を用いる場合、体積位相反射型ホログラムからの反射回折光のピーク波長と冷陰極管からの光のピーク波長をずらすことによって、照明光の利用効率を向上させることが出来る。このピーク波長のずれは１０ｎｍ以上であることが望ましい。
【００５１】
＜実施形態５＞
上記の特性を利用して、以下に説明する実施形態とすることも可能である。
反射型カラーフィルターと透過型カラーフィルターとが、それぞれのカラーフィルターの色パターンを、セル色同士が異なるように組み合わせる。
ただし、この場合は、反射型カラーフィルターが観察者側に配置される必要がある。
例えば、図１において、体積位相反射型ホログラム２４からの反射回折光６４の色を赤，透過型カラーフィルター１４による透過光５４の色を緑とする。
【００５２】
このとき、周辺光による反射光のみで観察した場合は赤色で観察でき、バックライトなどによる照明光のみで観察した場合は緑色に観察できる。
周辺光とバックライトの双方が表示に関与した場合には、反射光６４と透過光５４が混ざって観察でき、それぞれの光の強さにしたがって、赤から黄色そして緑に変化する表示色を得ることが出来る。
【００５３】
携帯電話や時計のようにデザイン性の高い液晶表示装置では、環境の明るさに応じて表示色が変化するため、装飾効果の非常に高い表示を得ることが出来る。
上記の例では、反射光が赤，透過光が緑の例で説明したが、この組み合わせに限定する必要はなく、様々な組み合わせによって、反射光と透過光の加法混色によって、無限の色を作り出すことが可能になる。
【００５４】
反射光での観察用の照明光を周辺光ではなく、制御された光を用いることによって、液晶の１つのセルで、混色された色を作り出すことができるため、解像度の高い表示も可能になる。
【００５５】
上記の性質を利用すれば、表示される色によって、透過光と反射光の光量比を測定（または、推定）することも可能である。
透過光と反射光の光量比の効果的な測定にあたっては、体積位相反射型ホログラムの反射回折光の波長分布の半値幅を５０ｎｍ以上とすることが望ましい。
【００５６】
＜実施形態６＞
体積位相反射型ホログラムでは、その光学特性により、反射回折光に散乱性をもたらすことが可能であるが、透過型カラーフィルター単独では、透過光に散乱性をもたらすことは難しい。
【００５７】
そこで、反射表示光は体積位相反射型ホログラムによって散乱させ、透過表示光は他の光学要素で散乱させる必要があり、図６に示すように、体積位相反射型ホログラム層２１，２２，２３よりも、照明光の入射側に散乱要素３１を配置すれば良い。
【００５８】
図６では、透過型カラーフィルター１１，１２，１３よりも照明光の入射側に散乱要素３１を配置したが、体積位相反射型ホログラムと透過型カラーフィルターとの間に散乱要素を配置しても良い。
また、散乱要素３１とカラーフィルターとを一体積層しても良い。
【００５９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によって、透過型および反射型の双方の機能を持つカラーフィルターが提供され、
それを用いた透過型および反射型の双方の機能を持つ液晶表示装置は、周辺光による反射型液晶表示装置としての表示と、周辺光の利用できない夜間の表示では、特殊光源を用いた透過型液晶表示装置としての表示、の双方が実現される。
【００６０】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のカラーフィルターの一例であり、反射型カラーフィルター２４と透過型カラーフィルター１４とが、観察者側に反射型カラーフィルターを配置して積層された構成の説明図。
【図２】本発明のカラーフィルターの他例であり、反射型カラーフィルター２４と透過型カラーフィルター１４とが、観察者側に透過型カラーフィルターを配置して積層された構成の説明図。
【図３】本発明のカラーフィルターの他例であり、反射型カラーフィルターとなる体積位相反射型ホログラムを構成するバインダー内に色素を分散させて、着色させた体積位相反射型ホログラム２５とした構成の説明図。
【図４】本発明のカラーフィルターを、液晶表示装置に適用する一例についての説明図。
【図５】本発明のカラーフィルターを、液晶表示装置に適用する場合の不適当な構成についての説明図。
【図６】本発明のカラーフィルターを、液晶表示装置に適用する他例についての説明図。
【符号の説明】
１１…透過型カラーフィルター（赤セル）
１２…透過型カラーフィルター（緑セル）
１３…透過型カラーフィルター（青セル）
１４…透過型カラーフィルター
２１…反射型カラーフィルター（赤セル）
２２…反射型カラーフィルター（緑セル）
２３…反射型カラーフィルター（青セル）
２４…反射型カラーフィルター
２５…着色させた体積位相反射型ホログラム（カラーフィルター）
３１…散乱要素
５１…透過散乱光（赤）
５２…透過散乱光（緑）
５３…透過散乱光（青）
５４…透過光（着色）
５６…透過照明光（白色）
６１…反射散乱回折光（赤）
６２…反射散乱回折光（緑）
６３…反射散乱回折光（青）
６４…反射回折光（着色）
６６…反射照明光（周辺光）
７３…液晶層
【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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