(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
画素毎に区切られた画素電極と共通電極の間に挟持され、画素毎に透過率が制御可能な液晶層を備えた液晶表示装置において、観察側と反対側の基板の液晶層側あるいはその反対側に、画素電極に整列して、反射型体積ホログラムからなり、反射回折する波長が異なる反射フィルター要素がアレー状に周期的に配置されてなる反射型ホログラムカラーフィルターが配置されており、さらに、その反射型ホログラムカラーフィルターの観察側と反対側に、背面側から入射する照明光中の波長が異なる色成分を分光して隣接する画素電極に入射させる透過型ホログラムカラーフィルターが配置されて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反射型兼透過型液晶表示装置。
【請求項２】
前記透過型ホログラムカラーフィルターの観察側と反対側に導光板が貼り付けられ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反射型兼透過型液晶表示装置。
【請求項３】
前記の観察側と反対側の基板の液晶層側に前記反射型ホログラムカラーフィルターが配置されており、透過型液晶表示装置として動作させるときに、反射型液晶表示装置として動作させるときに対して、色分解像の表示画素位置を１画素あるいは２画素分ずらして表示することを特徴とする請求項１又は２記載のホログラムカラーフィルターを用いた反射型兼透過型液晶表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ホログラムカラーフィルターを用いた反射型兼透過型液晶表示装置に関し、周囲が明るい場所でも暗い場所でも明るい表示が可能な反射型兼透過型液晶表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
本出願人は、反射型ホログラムを用いた例えばＲ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）３色の画素からなる反射型ホログラムカラーフィルターとその反射型ホログラムカラーフィルターを用いたカラー液晶表示装置を特開平１０−４０７２６号（特願平８−１９７５７４号）等において提案している。以下に、その例を特開平１１−１０９３３８号の開示の基づいて説明する。
【０００３】
図４は反射型ホログラムカラーフィルターを用いた反射型液晶表示装置１０の構成を示す断面図であり、観察側の透明ガラス基板２と反対側の透明ガラス基板３との間に、ツイストネマチック等の液晶層１が挟持されており、観察側の透明ガラス基板２の内表面には、図示しないブラック・マトリックスとＩＴＯ等からなる一様な透明対向電極４が設けられ、観察側と反対側の透明ガラス基板３の内表面にはＲ、Ｇ、Ｂのカラー画素毎に独立に透明画素電極５とＴＦＴ６が設けられている。また、電極４、５の液晶層１側には不図示の配向層も設けて構成されている。そして、透明ガラス基板２、３の外表面にはそれぞれ偏光板７、８が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。そして、観察側と反対側の偏光板８の背面側外には、赤色領域の波長λR のみを反射回折する赤色反射回折ホログラム要素９Ｒ、緑色領域の波長λG のみを反射回折する緑色反射回折ホログラム要素９Ｇ、青色領域の波長λB のみを反射回折する青色反射回折ホログラム要素９Ｂが画素電極５に整列してアレー状に配置されている反射型ホログラムカラーフィルター９が配置されている。
【０００４】
このような反射型液晶表示装置１０において、その前面（観察側）から所定角度で照明光１１が入射すると、照明光１１はＲ、Ｇ、Ｂ各画素の電圧印加状態に応じた強度変調を受けて反射型ホログラムカラーフィルター９側へ透過する。各画素Ｒ、Ｇ、Ｂを強度変調を受けて透過した光は、赤を表示する画素Ｒについては、反射型ホログラムカラーフィルター９の赤色反射フィルター要素９Ｒに入射し、その中の赤色波長成分λR のみが選択的に所定方向へ反射回折され、再度赤を表示する画素Ｒを同じ変調を受けて背面側から前面側へ透過し、赤色画素表示光１２Ｒとなる。フィルター要素９Ｒで回折されなかった波長成分λG 、λB は通過し、反射型ホログラムカラーフィルター９の背面に配置された不図示の吸収層により吸収される。同様に、緑を表示する画素Ｇについては、その画素Ｇで強度変調を受けて透過した光は、緑色反射フィルター要素９Ｇに入射し、その中の緑色波長成分λG のみが選択的に所定方向へ反射回折され、再度緑を表示する画素Ｇを同じ変調を受けて背面側から前面側へ透過し、赤色画素表示光１２Ｒと略同じ方向に進む緑色画素表示光１２Ｇとなる。また、青色表示する画素Ｂについては、その画素Ｂで強度変調を受けて透過した光は、青色反射フィルター要素９Ｂに入射し、その中の青色波長成分λB のみが選択的に所定方向へ反射回折され、再度青を表示する画素Ｂを同じ変調を受けて背面側から表面側へ透過し、赤色画素表示光１２Ｒ及び緑色画素表示光１２Ｇと略同じ方向に進む青色画素表示光１２Ｂとなる。
【０００５】
したがって、カラー表示単位中の画素Ｒ、Ｇ、Ｂの変調状態の組み合わせによって３つ色の表示光１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂの加法混色により任意の色が任意の輝度で表示可能になり、２次元的に配置されたカラー表示単位の表示状態の組み合わせで表示光１２（１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂ）の方向から観察可能なカラー画像が表示できる。
【０００６】
なお、上記の構成において、偏光板８を省き、反射型ホログラムカラーフィルター９を透明ガラス基板３と透明画素電極５の間に配置することもできる。
【０００７】
一方、本出願人は、特開平６−２２２３６１号等において、透過型ホログラムカラーフィルターも提案している。この透過型ホログラムカラーフィルターは、斜め方向から入射する白色光を波長分散により赤色、緑色、青色の光に角度分光させる透過型で回折の波長選択性、角度選択性の少ない集光性ホログラム要素のアレーからなるもの、あるいは、均一な干渉縞からなるホログラムとマイクロレンズアレーの組み合わせからなるものである。
【０００８】
さらには、透過型ホログラムカラーフィルターとして、体積型ホログラム１層からなり、回折角の波長選択性が高い特性を用いて拡散白色光中の異なる入射角の異なる色成分を別々の角度に回折して色分光を行うもの（例えば、特開平１０−２５３９５５号、特許第３，０１１，２２８号）、回折の波長選択性、角度選択性を持つ体積型ホログラムを３層に配置してなるもの（特開平９−１８９８０９号）等がある。何れも、透過型液晶表示素子の隣接する別々の画素に背面側から照明光中の赤色、緑色、青色の光を分光して入射させるようにしたものである。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような反射型ホログラムカラーフィルターは反射型液晶表示装置に、透過型ホログラムカラーフィルターは透過型液晶表示装置に用いられていたが、両者を同時に用いて、周囲が明るい場所では反射型液晶表示装置として、周囲が暗い暗い場所では透過型液晶表示装置として用いるものは従来知られていなかった。
【００１０】
本発明は従来技術のこのような問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、反射型ホログラムカラーフィルターと透過型ホログラムカラーフィルターの両方を用いて周囲が明るい場所でも暗い場所でも明るい表示が可能な反射型兼透過型液晶表示装置を提供することである。
【００１１】
【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反射型兼透過型液晶表示装置は、画素毎に区切られた画素電極と共通電極の間に挟持され、画素毎に透過率が制御可能な液晶層を備えた液晶表示装置において、観察側と反対側の基板の液晶層側あるいはその反対側に、画素電極に整列して、反射型体積ホログラムからなり、反射回折する波長が異なる反射フィルター要素がアレー状に周期的に配置されてなる反射型ホログラムカラーフィルターが配置されており、さらに、その反射型ホログラムカラーフィルターの観察側と反対側に、背面側から入射する照明光中の波長が異なる色成分を分光して隣接する画素電極に入射させる透過型ホログラムカラーフィルターが配置されてなることを特徴とするものである。
【００１２】
この場合、透過型ホログラムカラーフィルターとしては、回折の波長選択性、角度選択性の少ない集光性ホログラム要素のアレーからなるもの、回折角の波長選択性が高い体積ホログラムの集光性ホログラム要素のアレーからなるもの、あるいは、その他の透過型ホログラムカラーフィルターを用いることができる。回折角の波長選択性が高い体積ホログラムの集光性ホログラム要素のアレーからなるものを用いる場合には、その観察側と反対側に導光板を貼り付けて用いることになる。
【００１３】
また、観察側と反対側の基板の液晶層側に反射型ホログラムカラーフィルターが配置されており、透過型液晶表示装置として動作させるときに、反射型液晶表示装置として動作させるときに対して、色分解像の表示画素位置を１画素あるいは２画素分ずらして表示することが望ましい。
【００１４】
本発明においては、観察側と反対側の基板の液晶層側あるいはその反対側に、画素電極に整列して、反射型体積ホログラムからなり、反射回折する波長が異なる反射フィルター要素がアレー状に周期的に配置されてなる反射型ホログラムカラーフィルターが配置されており、さらに、その反射型ホログラムカラーフィルターの観察側と反対側に、背面側から入射する照明光中の波長が異なる色成分を分光して隣接する画素電極に入射させる透過型ホログラムカラーフィルターが配置されているので、周囲が明るい場所では外光を反射型ホログラムカラーフィルターで分光して各カラー画素を照明するようにし、周囲が暗い場所では透過型ホログラムカラーフィルターで照明光を分光して各カラー画素を照明するようにすることができ、如何なる環境でも明るいカラー表示が可能となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に基づくホログラムカラーフィルターを用いた反射型兼透過型液晶表示装置を実施例に基づいて説明する。
【００１６】
図１にその１実施例の反射型兼透過型液晶表示装置３０の構成を示す断面図であり、図４と同じ構成要素は同じ符号で示す。液晶表示素子としては、例えば、観察側の透明ガラス基板２と反対側の透明ガラス基板３との間に、ツイストネマチック等の液晶層１が挟持されており、観察側の透明ガラス基板２の内表面には、図示しないブラック・マトリックスとＩＴＯ等からなる一様な透明対向電極４が設けられ、観察側と反対側の透明ガラス基板３の内表面にはカラー画素毎に独立に透明画素電極５とＴＦＴ６が設けられている。また、電極４、５の液晶層１側には不図示の配向層も設けて構成されている。そして、透明ガラス基板２、３の外表面にはそれぞれ偏光板７、８が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。そして、観察側と反対側の偏光板８の背面側外には、赤色領域の波長λR のみを反射回折する赤色反射回折ホログラム要素９Ｒ、緑色領域の波長λG のみを反射回折する緑色反射回折ホログラム要素９Ｇ、青色領域の波長λB のみを反射回折する青色反射回折ホログラム要素９Ｂが画素電極５に整列してアレー状に配置されている反射型ホログラムカラーフィルター９が配置されている。以上の構成は、図４の従来の構成と同じである。
【００１７】
本発明に基づいて、反射型ホログラムカラーフィルター９の背面には、偏心配置で透過型で回折の波長選択性、角度選択性の少ない集光性ホログラム要素２１のアレーからなる透過型ホログラムカラーフィルター２０が配置されており、透過型ホログラムカラーフィルター２０の集光性ホログラム要素２１は、反射型ホログラムカラーフィルター９の隣接する３つのホログラム要素９Ｒ、９Ｇ、９Ｂ、すなわち、３つのカラー画素に１つの割合で配置されている。
【００１８】
そして、このような構成の反射型兼透過型液晶表示装置３０の背後には、透過型ホログラムカラーフィルター２０に所定の入射角で平行照明光２２を照射するバックライト光源として、この実施例の場合は、例えば特開２０００−２４１８１２に開示された導光体２３が略平行に配置されている。
【００１９】
この導光体２３は、断面が図示のようにくさび状をしており、その広い方の端面に面して配置した白色光源２５からの照明光がこの導光体２３に入射し、導光体２３の裏面に配置された反射層２４と前面との間で反射を繰り返しながら前面に対する入射角が徐々に小さくなる。その前面に対する入射角が臨界角以下になると、導光体２３の前面から照明光が屈折して外に出るようになるが、その射出光は略平行光であるので、透過型ホログラムカラーフィルター２０に対する平行照明光２２として利用できるようになる。
【００２０】
以上のような反射型兼透過型液晶表示装置３０において、その前面（観察側）から所定角度で照明光１１が入射すると、照明光１１は各カラー画素の電圧印加状態に応じた強度変調を受けて反射型ホログラムカラーフィルター９側へ透過する。各画素で強度変調を受けて透過した光は、赤を表示する画素Ｒについては、反射型ホログラムカラーフィルター９の赤色反射フィルター要素９Ｒに入射し、その中の赤色波長成分λR のみが選択的に所定方向へ反射回折され、再度赤を表示する画素Ｒを同じ変調を受けて背面側から前面側へ透過し、赤色画素表示光１２Ｒとなる。同様に、緑を表示する画素Ｇについては、その画素Ｇで強度変調を受けて透過した光は、緑色反射フィルター要素９Ｇに入射し、その中の緑色波長成分λG のみが選択的に所定方向へ反射回折され、再度緑を表示する画素Ｇを同じ変調を受けて背面側から前面側へ透過し、赤色画素表示光１２Ｒと略同じ方向に進む緑色画素表示光１２Ｇとなる。また、青色表示する画素Ｂについては、その画素Ｂで強度変調を受けて透過した光は、青色反射フィルター要素９Ｂに入射し、その中の青色波長成分λB のみが選択的に所定方向へ反射回折され、再度青を表示する画素Ｂを同じ変調を受けて背面側から表面側へ透過し、赤色画素表示光１２Ｒ及び緑色画素表示光１２Ｇと略同じ方向に進む青色画素表示光１２Ｂとなる。
【００２１】
したがって、反射型液晶表示装置として、カラー表示単位中の画素Ｒ、Ｇ、Ｂの変調状態の組み合わせによって３つ色の表示光１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂの加法混色により任意の色が任意の輝度で表示可能になり、２次元的に配置されたカラー表示単位の表示状態の組み合わせで表示光１２（１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂ）の方向から観察可能なカラー画像が表示できる。
【００２２】
これに対して、前面（観察側）側から入射する照明光１１がないか少ない場合は、白色光源２５を点灯し、導光体２３から透過型ホログラムカラーフィルター２０に所定の入射角で平行照明光２２を入射させる。透過型ホログラムカラーフィルター２０に平行照明光２２が入射すると、その各集光性ホログラム要素２１により異なる回折角で透過集光する赤色成分、緑色成分、青色成分に分光され、各色成分はそれぞれ赤を表示する画素Ｒ、緑を表示する画素Ｇ、青を表示する画素Ｂに位置に集光して入射するため、各画素で強度変調を受けて透過したそれぞれ赤色画素表示光２６Ｒ、緑色画素表示光２６Ｇ、青色画素表示光２６Ｂとなる。なお、この際、それぞれの収束光は、反射型ホログラムカラーフィルター９のフィルター要素９Ｒ、９Ｇ、９Ｂに裏面側から入射して対応する色成分を反射してしまうが、各色の収束光の全部が対応する色の反射型フィルター要素に入射するのではなく一部しか入射しないので、残りの部分は反射型フィルター要素を透過して各画素に入射できる。そのため、この点は問題にはならない。
【００２３】
したがって、透過型液晶表示装置として、カラー表示単位中の画素Ｒ、Ｇ、Ｂの変調状態の組み合わせによって３つ色の表示光２６Ｒ、２６Ｇ、２６Ｂの加法混色により任意の色が任意の輝度で表示可能になり、２次元的に配置されたカラー表示単位の表示状態の組み合わせで表示光２６（２６Ｒ、２６Ｇ、２６Ｂ）の方向から観察可能なカラー画像が表示できる。
【００２４】
図２に別の実施例の反射型兼透過型液晶表示装置３０’の構成を示す断面図であり、この実施例においては、図１の実施例に対して、反射型ホログラムカラーフィルター９の配置位置が異なる。すなわち、反射型ホログラムカラーフィルター９を透明ガラス基板３と透明画素電極５の間に配置した点で異なる。また、透過型ホログラムカラーフィルター２０の各集光性ホログラム要素２１により分光された赤色成分、緑色成分、青色成分の入射する画素位置が、図１の場合は、反射型液晶表示装置として動作させる場合の対応する色を表示する画素Ｒ、Ｇ、Ｂの位置に入射するようにしているが、この構成では、そのようにすると、反射型ホログラムカラーフィルター９のフィルター要素９Ｒ、９Ｇ、９Ｂに裏面側から入射して対応する色成分が反射してしまうので、図２の構成では、透過型ホログラムカラーフィルター２０の各集光性ホログラム要素２１により分光された赤色成分、緑色成分、青色成分の入射する画素位置が、反射型液晶表示装置として動作させる場合の対応しない色を表示する画素（図２の場合は、Ｂ、Ｒ、Ｇ）の位置に対応するように、透過型ホログラムカラーフィルター２０の配置位置を選んである。したがって、図２の実施例では、反射型液晶表示装置として動作させるときと、透過型液晶表示装置として動作させるときとでは、色分解像の表示画素位置を１画素あるいは２画素分ずらして表示する必要がある。
【００２５】
この実施例の場合の、反射型液晶表示装置として動作させる場合は図１と同様である。また、透過型液晶表示装置として動作させる場合は、白色光源２５を点灯し、導光体２３から透過型ホログラムカラーフィルター２０に所定の入射角で平行照明光２２を入射させ、各集光性ホログラム要素２１により分光された赤色成分、緑色成分、青色成分は、それぞれ別の色の反射型フィルター要素９Ｂ、９Ｒ、９Ｇに裏面側から入射して透過し、各色成分はそれぞれ赤を表示する画素Ｒ（反射型の場合は、青を表示する画素Ｂ）、緑を表示する画素Ｇ（反射型の場合は、赤を表示する画素Ｒ）、青を表示する画素Ｂ（反射型の場合は、緑を表示する画素Ｇ）の位置に集光して入射するため、各画素で強度変調を受けて透過したそれぞれ赤色画素表示光２６Ｒ、緑色画素表示光２６Ｇ、青色画素表示光２６Ｂとなる。したがって、カラー表示単位中の画素Ｒ、Ｇ、Ｂの変調状態の組み合わせによって３つ色の表示光２６Ｒ、２６Ｇ、２６Ｂの加法混色により任意の色が任意の輝度で表示可能になり、２次元的に配置されたカラー表示単位の表示状態の組み合わせで表示光２６（２６Ｒ、２６Ｇ、２６Ｂ）の方向から観察可能なカラー画像が表示できる。
【００２６】
以上の、図１、図２の実施例においては、透過型ホログラムカラーフィルター２０として、特開平１０−４０７２６号等において提案されている回折の波長選択性、角度選択性の少ない集光性ホログラム要素２１のアレーからなるものとしたが、他の原理に基づく透過型ホログラムカラーフィルターを用いてもよい。例えば、均一な干渉縞からなるホログラムとその入射側あるいは射出側に配置したマイクロレンズアレーとの組み合わせからなるもの等を用いてもよい。
【００２７】
図３に、図１の配置において、特開平１０−２５３９５５号に基づく、体積型ホログラム１層からなり、回折角の波長選択性が高い特性を用いて拡散白色光中の異なる入射角の異なる色成分を別々の角度に回折して色分光を行う透過型ホログラムカラーフィルター２７を用いた場合の実施例の構成を示す。この実施例においては、透過型ホログラムカラーフィルター２７は、偏心配置の体積ホログラムからなる集光性ホログラム要素２８のアレーからなるもので、その裏面側に導光板２９が貼り付けられてなる。透過型ホログラムカラーフィルター２７の集光性ホログラム要素２８は、反射型ホログラムカラーフィルター９の隣接する３つのホログラム要素９Ｒ、９Ｇ、９Ｂ、すなわち、３つのカラー画素に１つの割合で配置されている。そして、表面側に透過型ホログラムカラーフィルター２７が貼り付けられた導光板２９は、その一端に配置した白色光源２５からの拡散光を導入して、透過型ホログラムカラーフィルター２７と反対側の面との間で全反射を繰り返しながら内部を他端まで導光するものである。
【００２８】
透過型ホログラムカラーフィルター２７の集光性ホログラム要素２８が有する体積型の干渉縞のブラッグの回折条件を満たす角度は、波長毎に異なるため、角度分布を持つ導光板２９内部の伝送光中のこのブラッグの回折条件を満たす角度の赤色成分、緑色成分、青色成分は、相互に若干の角度をなしており、導光板２９内部の白色拡散光中のこれらの波長及び角度成分のみが集光性ホログラム要素２８で回折されて透過型ホログラムカラーフィルター２７から相互に異なる角度で収束光として反射型ホログラムカラーフィルター９側に出る。したがって、図１の場合と同様に、赤色成分、緑色成分、青色成分に分光された各色成分はそれぞれ赤を表示する画素Ｒ、緑を表示する画素Ｇ、青を表示する画素Ｂに位置に集光して入射するため、各画素で強度変調を受けて透過したそれぞれ赤色画素表示光２６Ｒ、緑色画素表示光２６Ｇ、青色画素表示光２６Ｂとなり、透過型液晶表示装置として、カラー表示単位中の画素Ｒ、Ｇ、Ｂの変調状態の組み合わせによって３つ色の表示光２６Ｒ、２６Ｇ、２６Ｂの加法混色により任意の色が任意の輝度で表示可能になり、２次元的に配置されたカラー表示単位の表示状態の組み合わせで表示光２６（２６Ｒ、２６Ｇ、２６Ｂ）の方向から観察可能なカラー画像が表示できる。
【００２９】
以上、本発明のホログラムカラーフィルターを用いた反射型兼透過型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。
【００３０】
【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反射型兼透過型液晶表示装置によると、観察側と反対側の基板の液晶層側あるいはその反対側に、画素電極に整列して、反射型体積ホログラムからなり、反射回折する波長が異なる反射フィルター要素がアレー状に周期的に配置されてなる反射型ホログラムカラーフィルターが配置されており、さらに、その反射型ホログラムカラーフィルターの観察側と反対側に、背面側から入射する照明光中の波長が異なる色成分を分光して隣接する画素電極に入射させる透過型ホログラムカラーフィルターが配置されているので、周囲が明るい場所では外光を反射型ホログラムカラーフィルターで分光して各カラー画素を照明するようにし、周囲が暗い場所では透過型ホログラムカラーフィルターで照明光を分光して各カラー画素を照明するようにすることができ、如何なる環境でも明るいカラー表示が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に基づく１実施例の反射型兼透過型液晶表示装置の構成を示す断面図である。
【図２】本発明に基づく他の実施例の反射型兼透過型液晶表示装置の構成を示す断面図である。
【図３】本発明に基づくもう１つの実施例の反射型兼透過型液晶表示装置の構成を示す断面図である。
【図４】従来の反射型ホログラムカラーフィルターを用いた反射型液晶表示装置の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１…液晶層
２、３…透明ガラス基板
４…透明対向電極
５…透明画素電極
６…ＴＦＴ
７、８…偏光板
９…反射型ホログラムカラーフィルター
９Ｒ、９Ｇ、９Ｂ…ホログラム要素
１０…反射型液晶表示装置
１１…照明光（環境光）
１２…表示光
１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂ…反射回折光（表示光）
２０…透過型ホログラムカラーフィルター
２１…集光性ホログラム要素
２２…平行照明光
２３…導光体
２４…反射層
２５…白色光源
２６…表示光
２６Ｒ…赤色画素表示光
２６Ｇ…緑色画素表示光
２６Ｂ…青色画素表示光
３０…反射型兼透過型液晶表示装置
３０’、３０”…反射型兼透過型液晶表示装置
２７…透過型ホログラムカラーフィルター
２８…集光性ホログラム要素
２９…導光板
【図１】
0004600954.tif 000002
【図２】
0004600954.tif 000003
【図３】
0004600954.tif 000004
【図４】
0004600954.tif 000005