(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液晶表示素子の背後に、線状の光源と、その光源からの光を分光するホログラム板と、反射することによってホログラム板に光源からの光を入射する反射体とを有するカラー液晶表示装置において、ホログラム板は３枚のホログラムフィルムより構成されてなり、各ホログラムフィルムはそれぞれ１種類の露光マスクを用いて形成されたものであり、反射体はホログラム板に垂直に光を入射するものであり、ホログラム板は３色の波長域のうち特定の１つの波長域の光を透過しかつ他の２つの波長域の光を反射する回折格子面がホログラム表面に平行な複数のホログラムから構成されており、その複数のホログラムは透過する光の波長域が異なる３種類のホログラム群に分かれ、おのおののホログラム群が液晶表示素子の画素に対応するようにされ、液晶表示素子とホログラム板との間に、そのホログラム板から出射した色光を液晶表示素子の画素に集光するためのマイクロレンズとを設けたことを特徴とするカラー液晶表示装置。
【請求項２】
液晶表示素子がＲＧＢの３色の色光をおのおの制御するための３個の画素で１表示画素を形成し、ホログラム板として液晶表示素子の各画素に対応してその背後の部分におのおの対応する３色の色光を透過するような個々のホログラムを配置した請求項１記載のカラー液晶表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ホログラムを用いたカラー画像を表示するための液晶表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年パソコンなどの表示装置として、カラー液晶表示装置が多く用いられ始めている。このカラー液晶表示装置は、３個の画素で１表示画素を構成しているので、隣接電極間のスペースやＴＦＴなどの配置のために、白黒の液晶表示装置に比して有効な表示画素の面積が小さくなる傾向がある。さらに、カラーフィルタで色を出しているため、白黒の液晶表示装置に比して、もともと光の透過率がかなり低くなる。
【０００３】
このため、光源を明るくする必要があり、消費電力が増大するという問題点があった。この問題点を解決するために、カラーフィルタの代わりにホログラムを用いることが提案されている。これは、例えば、特開平０５−２４９３１８号などに示されているように、液晶表示素子の背後にマイクロレンズとＲＧＢを分光するホログラム群を並べたホログラム板とを設けることが提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このホログラム板３５は、図４に示すように背後からの入射光をＲＧＢの色光に分けておのおの異なる出射角で出射させるものであり、液晶表示素子３６のＲＧＢのおのおの画素の部分にはマイクロレンズ３７を通ることにより集光される構成にされている。このホログラム板３５は、全体が均一のホログラムであり、平行光線で入射される白色光はホログラムを通過することにより、ホログラムのどの部分を通過してもＲＧＢの色光ごとに同じ出射角で出射される。なお、３１Ａ、３１Ｂは液晶表示素子３６の基板、３２Ａ、３２Ｂはその電極を示している。
【０００５】
例えば、緑の光はまっすぐに、赤の光は左に曲がり、青の光は右に曲がるとした場合には、図に示すように赤の光３８Ｒ、３９Ｒは左に曲がり、緑の光３８Ｇ、３９Ｇはまっすぐに、青の光３８Ｂ、３９Ｂは右に曲がって、マイクロレンズによりおのおのの色光はその色光に対応した画素に集光される。
【０００６】
このような構成を取った場合には、マイクロレンズの設計が難しく、色光が充分に分離されなく、色が濁るという問題点があった。また、入射光を平行光線で入れても、各色光がいろいろな角度の光になるという問題点も有していた。
【０００７】
また、図５に示すように、ホログラム板４５としてＲＧＢの屈折角がおのおの異なる３種類のホログラムを配置したものを、液晶表示素子４６の背後に配置することも提案されている。なお、４１Ａ、４１Ｂは液晶表示素子４６の基板、４２Ａ、４２Ｂはその電極を示している。これは、特定の色を垂直方向に出射し、他の色をそれから右および左に傾けて出射する３種類のホログラムを用いるものである。
【０００８】
図のようにホログラム４７Ｒでは青色の光４８Ｂは左側に、赤色の光４８Ｒは垂直に、緑色の光４８Ｇは右側に出射する。隣のホログラム４７Ｇでは青色の光４９Ｂは右側に出射して隣の青色の画素に、赤色の光４９Ｒは左側に出射して赤色の光４８Ｒが到達するのと同じ赤色の画素に、緑色の光４９Ｇは垂直に出射して緑色の光４８Ｇが到達するのと同じ緑色の画素に到達する。その隣のホログラム４７Ｂでも同様に色が分かれて出射し、同じ色の光が同じ色の画素に到達する。
【０００９】
しかし、これも傾いて出射する角度は通常５°程度であるので、入射光のわずかな傾きが色の混色を生じ、色が濁るという問題点があった。また、入射光を平行光線で入れても、各色光がいろいろな角度の光になるという問題点も有していた。本発明は、これらの問題点を解決したカラー液晶表示装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前述の問題点を解決すべくなされたものであり、液晶表示素子の背後に、線状の光源と、その光源からの光を分光するホログラム板と、反射することによってホログラム板に光源からの光を入射する反射体とを有するカラー液晶表示装置において、ホログラム板は３枚のホログラムフィルムより構成されてなり、各ホログラムフィルムはそれぞれ１種類の露光マスクを用いて形成されたものであり、反射体はホログラム板に垂直に光を入射するものであり、ホログラム板は３色の波長域のうち特定の１つの波長域の光を透過しかつ他の２つの波長域の光を反射する回折格子面がホログラム表面に平行な複数のホログラムから構成されており、その複数のホログラムは透過する光の波長域が異なる３種類のホログラム群に分かれ、おのおののホログラム群が液晶表示素子の画素に対応するようにされ、液晶表示素子とホログラム板との間に、そのホログラム板から出射した色光を液晶表示素子の画素に集光するためのマイクロレンズとを設けたことを特徴とするカラー液晶表示装置を提供する。
【００１１】
また、液晶表示素子がＲＧＢの３色の色光をおのおの制御するための３個の画素で１表示画素を形成し、ホログラム板として液晶表示素子の各画素に対応してその背後の部分におのおの対応する３色の色光を透過するような個々のホログラムを配置した上記のカラー液晶表示装置を提供する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明のカラー液晶表示装置では、反射することによってホログラム板に光源からの光を垂直に入射する反射体を有し、ホログラム板を用いて分光しており、そのホログラム板が特定の波長域の光を透過しかつ他の波長域の光をホログラム板に垂直に反射する、回折格子面がホログラム表面に平行な複数のホログラムから構成されている。その複数のホログラムは透過する光の波長域が異なる少なくとも２種類のホログラム群に分かれ、おのおののホログラムが液晶表示素子の画素に対応するようにされている。これにより、ホログラムに垂直の方向から光を入射させれば、その出射光はホログラムから垂直方向に出射する。
【００１４】
このため、ホログラム板によるカラーフィルタ特有の効果である明るく鮮鋭な画像を表示できる。さらに、本発明では出射光の特性をほぼ平行光線のまま維持できるが、カラー液晶表示装置の視角を広くし、画素間での色分離を良くするために、液晶表示素子とホログラム板との間にマイクロレンズを配置して集光する。
【００１５】
図１は、本発明のカラー液晶表示装置の代表的な例であり、冷陰極放電管などの光源１、集光ミラー２、集光レンズ３と反射体４とからなるバックライト、その前面に配置されたホログラム板５、マイクロレンズ７、液晶表示素子６とからなる。
【００１６】
このバックライトは、線状の光源から発光された光を楕円鏡などで集光し、集光レンズで平行光線化し、反射体でホログラムにほぼ垂直に入射するような構成とされている。このバックライト構成は、薄型の場合に好適である。また、奥行きが取れる場合には、別の構造でホログラムに光をほぼ垂直に入射するようにしてもよい。
【００１７】
このバックライトの反射体は、例えば図２の１４で示すようなマイクロプリズム形状とされていて、光源からの光１３を反射してほぼ垂直にホログラム板５に入射するようにされている。この反射体は、通常プラスチックやガラスにアルミニウムや銀などの高反射率の金属膜を被着したものが使用される。このようなマイクロプリズム形状を有する反射体は、以下のような製法で製造できる。
【００１８】
ポリメチルメタアクリレートのようなプラスチックを押し出し成形によってフィルムとする際に、所望のプリズム形状のロールの形状をフィルムに転写して、元のプリズムアレイを製造する。また、基材となるフィルムと所望のプリズム形状のロールとの間に比較的低粘度未重合光重合組成物を挟んだ状態で光照射して、重合後、基材とともにロールから引きはがして製造してもよい。また、熱可塑性プラスチックを用いて加熱プレスして製造してもよいし、鋳込み成型をしてもよい。次いで、蒸着やメッキによってアルミニウムや銀をその表面に被着させる。
【００１９】
ホログラム板５は、液晶表示素子の画素に対応して３種類のホログラム１５Ｒ、１５Ｇ、１５Ｂから構成されている。ホログラム１５Ｒは赤の光のみを透過し、緑と青は反射するものであり、ホログラム１５Ｇが緑の光のみを透過し、赤と青は反射するものであり、ホログラム１５Ｂ青の光のみを透過し、緑と赤は反射するものである。
【００２０】
この透過光がほぼ平行光のみの場合には、マイクロレンズ７は無くても正面からは見ることができるが、視角が狭くなる。視角を広げるためマイクロレンズ７を配置する。このＲＧＢに分光された透過光は、液晶表示素子６の基板１１Ａ、１１Ｂとに設けられた電極１２Ａ、１２Ｂとで定まる画素に入射され、色ごとにオンオフされてカラー画像を形成する。この例の液晶表示素子は、ＲＧＢの３色の色光をおのおの制御するために３個の画素で１表示画素を形成している。もっとも、ＲＧＢ３色でなくて、ＲＧの２色の色光を制御して赤色、黄色、緑色の３色表示とするなどもできる。
【００２１】
このホログラム板は、２層構造を有することが好ましい。すなわち、第１色を透過する部分は第２色を反射するホログラムと第３色を反射するホログラムとを積層した構造とする。同様に、第２色を透過する部分は第１色を反射するホログラムと第３色を反射するホログラムとを積層した構造とし、第３色を透過する部分は第１色を反射するホログラムと第２色を反射するホログラムとを積層した構造とする。
【００２２】
具体的には、このホログラム板５は図３に示すように、赤色を透過するホログラム１５Ｒは緑色を反射するホログラム２１Ｇと青色を反射するホログラム２１Ｂとを積層し、緑色を透過するホログラム１５Ｇは青色を反射するホログラム２２Ｂと赤色を反射するホログラム２２Ｒとを積層し、青色を透過するホログラム１５Ｂは赤色を反射するホログラム２３Ｒと緑色を反射するホログラム２３Ｇとを積層する。
【００２３】
これにより、例えば赤色を透過するホログラム１５Ｒでは、緑色の光２４Ｇは１層目の緑色を反射するホログラム２１Ｇで反射される。青色の光２４Ｂは２層目の青色を反射するホログラム２１Ｂで反射される。この結果、赤色の光２４Ｒのみが２層のホログラムを通過して液晶表示素子に到達する。緑色を透過するホログラム１５Ｇでは同様に緑色の光のみが通過し、青色を透過するホログラム１５Ｂでは同様に青色の光のみが通過する。
【００２４】
このようなホログラムは、赤色の光を透過させたければ、緑色と青色の光を選択反射させるようにホログラム面に対して平行な屈折率分布を設ければよい。このホログラムは一般に補強のためのガラスまたはプラスチックフィルム上に設置されていることが好ましい。
【００２５】
このホログラムは、上述のように回折格子面がホログラム表面に平行、すなわち単純な反射型のものであり、作製法は、リップマン・デニシュークの反射型ホログラム露光方法に従えばよい。つまり、フォトポリマーのようなホログラム感光フィルムを鏡面上に広げて、ホログラムの鏡側の面とは反対側の面から、コリメートされたコヒーレントなレーザ光を、例えばホログラム感光材フィルム表面に垂直に照射する。
【００２６】
これによって、感光材に入射するレーザ光（参照光）と感光材を透過し、鏡で反射した戻光（物体光）が感光材中で干渉しあって、干渉縞が形成されこの縞がホログラム面に平行な回折格子形成する。フルカラー表示の液晶表示装置のためには、ＲＧＢのカラーフィルタが必要になる。このため、ＲＧＢの各色に対応する３組の画素領域に分けた露光が必要となる。おのおのの組に対応した窓ＲＧＢに対応する３組の画素領域に分けて、露光を行う。通常は、おのおのの組に対応した窓の空いた３種類の露光用マスクを使用して露光すればよい。
【００２７】
この場合、おのおのの窓の大きさはホログラムの画素領域の大きさであり、たとえば赤色用フィルタならば、赤色に対応する全ての箇所に窓が設けられる。ホログラムを２層構造とするためには、フォトポリマーフィルムのごときホログラム感光フィルムを２枚重ねて用いる。赤色の光を透過させたいホログラムを作成する場合には、その２枚のフィルムのうち１枚のフィルムの赤色画素領域には緑色を反射する回折格子を、もう１枚のフィルムの対応領域には青色を反射する回折格子を作成すればよい。
【００２８】
具体的には、先ず、鏡にホログラム感光フィルムを１枚接着し、赤色用マスクを感光材側に重ねて、コリメートされた緑色のレーザ光をマスク側から照射する。次に、このレーザ照射されたフィルム上に、別の未露光のフィルムを重ねて接着し、再度、赤色用マスクを先程と同じ側に、先程の窓の領域と重なるように設置して、今度は青色のレーザ光を先程と同様に照射する。
【００２９】
実際の手順としては、１枚目のフィルムに、３枚のマスクを使用して、赤色、緑色、青色フィルタに対応する領域に緑色、青色、赤色用の回折格子を作成する。次いで、２枚目のフィルムの、おのおののフィルタ対応領域に青色、赤色、緑色を回折する格子を１枚目の場合と同様に作成する。なお、反射回折するスペクトルのバンド幅を広げるために、フィルムの厚みは、薄い方がよい。
【００３０】
上記の説明では、２枚のホログラム感光フィルムを用いる例について説明したが、３枚のフィルムを用いることもできる。すなわち、１枚のフィルムに特定の１色用の回折格子を記録する。この場合も３種類の露光マスクが必要であるが、１枚のフィルムに対しては、１種類の露光マスクを使用すればよい。また、３枚の未露光ホログラム感光フィルム（各色に感光する）を予め重ねて鏡に接着しておき、順次３色のレーザ光露光マスクを変えながら露光することもできる。
【００３１】
マイクロレンズは、プラスチック、ガラスなどで形成されればよいが、通常は軽量、割れにくい、形成が容易という利点からプラスチックで形成されればよい。その製造法としては、例えばポリメチルメタアクリレートなどのプラスチックを押し出し成形によってフィルムとする際に、所望のマイクロレンズ形状のロールの形状をフィルムに転写して作成すればよい。
【００３２】
また、別の製造法としては、基材となるフィルムと所望のマイクロレンズ形状のロールとの間に比較的低粘度未重合光重合組成物を挟んだ状態で光照射して、重合後、基材とともにロールから引きはがして製造してもよい。また、熱可塑性プラスチックを用いて加熱プレスして製造してもよいし、鋳込み成型をしてもよい。このマイクロレンズは、ホログラムがストライプ状の場合には、ストライプ状のレンズとしてもよいし、各画素に対応したドット状にすればよい。ホログラムがドット状の場合には、ドット状にすることが好ましい。
【００３３】
本発明に用いる液晶表示素子は、各種知られている液晶表示素子が使用できる。代表的な液晶表示素子としては、ＴＮ型液晶表示素子、ＳＴＮ型液晶表示素子、強誘電性液晶表示素子などがあるが、これらに限定されるものではない。もちろん最近注目されてきている液晶が樹脂マトリクスに分散されている透過散乱型の液晶表示素子にも使用できる。
【００３４】
代表的な液晶表示素子としては、ＴＮ型液晶表示素子またはＳＴＮ型液晶表示素子がある。
これは、プラスチック、ガラスなどの基板上に、必要に応じてＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3などのアンダーコート層を形成し、Ｉｎ2Ｏ3−ＳｎＯ2（ＩＴＯ）、ＳｎＯ2などの電極を設け、パターニングした後、必要に応じてポリイミド、ポリアミド、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3などのオーバコート層を形成し、配向処理し、これにシール材を印刷し、電極面が相対向するように配して周辺をシールし、シール材を硬化して空セルを形成する。
【００３５】
この空セルに、液晶組成物を注入し、注入口を封止剤で封止して液晶セルを構成する。この液晶セルに必要に応じて偏光板、カラー偏光板、紫外線カットフィルターなどを積層する、文字、図形などを印刷する、ノングレア加工するなどして液晶表示素子とする。
【００３６】
なお、これらの他、例えば２層電極を用いた基板、２層の液晶層を形成した２層液晶セル、ＴＦＴ、ＭＩＭなどの能動素子を形成したアクティブマトリクス基板を用いたアクティブマトリクス素子など、種々の構成のものが使用できる。
【００３７】
本発明のカラー液晶表示装置は、例えば「日」の字型のセグメント表示を行う液晶表示素子にも、セグメントを分割してカラー表示することで適用できる。しかし、多数のドットで任意の文字、図形を表示する液晶表示素子に好適である。具体的には、６４０×４８０ドット、８００×６００ドット、１０２４×７６８ドットというような高精細表示に好適である。
【００３８】
【実施例】
「実施例１」
図１から図３までに示すようなカラー液晶表示装置を製造した。
光源１としては直径３ｍｍの冷陰極放電管を用い、図１の紙面に垂直になるように配置して用いた。この冷陰極放電管を第一焦点とするように、集光ミラー２として楕円鏡筒を設置した。さらに、集光レンズ３として、この楕円鏡筒の第二焦点を焦点とする３ｃｍ長の凸レンズ筒を配置した。さらに、反射体４として、アルミニウムの反射面を有するプリズムアレイを配置して、バックライトを構成した。
【００３９】
このプリズムアレイのプリズム面は冷陰極放電管からの白色光を液晶表示素子の面に垂直に入射するように、反射させるようにその角度を調整したものを用いた。
【００４０】
平面の鏡にホログラム感光フィルムを１枚接着し、赤色用マスクを感光材側に重ねて、コリメートされた緑色のレーザ光をマスク側から照射した。次いで緑色用のマスクを重ねて、青色のレーザ光をマスク側から照射し、さらに青色用のマスクを重ねて、赤色のレーザ光をマスク側から照射して、３色分の回折格子面がホログラム表面に平行なホログラムを形成した厚さ５ｍｍの１枚目のフィルム作成した。
【００４１】
次に、このレーザ照射されたフィルム上に、別の未露光のフィルムを重ねて接着し、再度、赤色用マスクを先程と同じ側に、先程の窓の領域と重なるように設置して、今度は青色のレーザ光を先程と同様に照射した。以下、同様に、緑色用のマスクを重ねて、赤色のレーザ光をマスク側から照射し、さらに青色用のマスクを重ねて、緑色のレーザ光をマスク側から照射して、ホログラム板を形成した。
【００４２】
液晶表示素子として、対角長９インチの６４０×４８０ドットの位相差フィルムを積層した２４０°ツイストのＦＳＴＮ型の液晶表示素子を準備した。この液晶表示素子の背後に上記のホログラム板と、ホログラムの各領域から透過してきた異なった特定の波長範囲の光を液晶表示素子の各画素に集光させるためマイクロレンズと、バックライトとを配置した。
【００４３】
このホログラムとしてＳＴＮ用のホログラム板はホログラムをストライプ状に形成したので、マイクロレンズはストライプ状に形成し、ストライプの断面では１画素に１個ずつになるようにした。その焦点距離は液晶表示素子の画素までの距離とした。このカラー液晶表示装置は、明るく鮮明なカラー表示が得られた。
【００４４】
「実施例２」
液晶表示素子として、６４０×４８０ドットのＴＦＴを用いたアクティブマトリクス液晶表示素子を準備した。これにホログラム板として、ドット状（縦方向にも横方向にも異なる色の画素が配置）にホログラムを形成したものを用いた。この液晶表示素子の背後に上記のホログラム板とマイクロレンズとバックライトを配置した。
【００４５】
このマイクロレンズはドット状（長方形）に形成し、１画素に１個ずつになるようにした。その焦点距離は液晶表示素子の画素までの距離とした。このカラー液晶表示装置は、明るく鮮明なカラー表示が得られた。
【００４６】
【発明の効果】
本発明のカラー液晶表示装置は、薄型で特定の波長域を選択的に透過するホログラムを使用するため、明るく鮮鋭な画像を表示できる。さらに、カラーフィルターを液晶表示素子の内部に設置した従来のカラー液晶表示装置とくらべて、液晶表示素子の製造工程が簡素化される。
【００４７】
また、マイクロレンズで集光しているので、視角が広くなり、画素間での色分離を良くすることもできる。
本発明は、本発明の効果を損しない範囲内で、種々の応用ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の代表的な例の正面図である。
【図２】図１の例の要部の拡大説明図である。
【図３】図１の例のホログラム板の好ましい例の要部の拡大説明図である。
【図４】従来例の説明図である。
【図５】他の従来例の説明図である。
【符号の説明】
１：光源
２：集光ミラー
３：集光レンズ
４：反射体
５：ホログラム板
６：液晶表示素子
７：マイクロレンズ
【図１】
0003880640.tif 000002
【図２】
0003880640.tif 000003
【図３】
0003880640.tif 000004
【図４】
0003880640.tif 000005
【図５】
0003880640.tif 000006