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JP3649360B2 - Hologram color filter system - Google Patents

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JP3649360B2
JP3649360B2 JP15120896A JP15120896A JP3649360B2 JP 3649360 B2 JP3649360 B2 JP 3649360B2 JP 15120896 A JP15120896 A JP 15120896A JP 15120896 A JP15120896 A JP 15120896A JP 3649360 B2 JP3649360 B2 JP 3649360B2
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Description

【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システムに関し、特に、カラー液晶表示装置等に用いる場合に、照明光の各色成分を略同じ割合で回折分光させることにより色純度、色再現性が良好で、また、照明光をフィルター面に対して略垂直に入射することが可能な照明光の利用効率を大幅に向上させたホログラムカラーフィルターシステム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の入射側又は射出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】
なお、図5の変形として、図6に示すように、マイクロレンズアレー8及び液晶表示素子6の配置を図5の通りとし、回折格子の作用をする平行で一様な干渉縞からなるホログラム7をマイクロレンズアレー8から分離してバックライト3中にその進行方向に対して略垂直になるように配置しても、同様に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、その利用効率を大幅に向上させたカラーフィルターを実現することができる。
【0017】
また、図4〜図6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7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、図6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。
【0018】
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・マトリックス4を含む液晶表示素子6は、実際には、例えば図8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・マトリックス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。なお、バックライト側の偏光板12は、基板26のバックライト側に貼り付ける代わりに、図8中に点線で示すように、ホログラムカラーフィルター5から離してバックライト3の光路中に配置する場合もある。
【0019】
上記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。
【0020】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、本出願人の提案に係る上記のホログラムカラーフィルターにおいては、波長分散のために回折効率の波長依存性がないかもしくは少ないホログラムを用いるが、実際には、回折理論自身からまたホログラムに厚さがあるため、波長に応じてその回折効率が異なってしまう。図9に波長に対する回折効率特性の1例を示すが、波長を横軸にとったとき、回折効率を表す曲線は山形の形状をしている。なお、図9は、厚さ6μmで平均屈折率n=1.52のフォトポリマーに、波長514nmの単色を用いて屈折率変調Δn=0.035で単一ホログラムからなる微小ホログラム5′(図4)を記録した場合の波長に依存した回折効率を示している。
【0021】
そして、特に、R、G、Bの3色によるカラー液晶表示のためのホログラムカラーフィルターにおいては、山形の形状をなす回折効率のピークを、図9のように、真ん中の波長Gの領域に位置させてバランスをとるようにするのが望ましく、Rの波長領域及びBの波長領域の回折効率は、Gの波長領域に比較して低下してしまう。そのため、R、G、Bの3色における強度の不揃いが生じ、カラー表示を行う際にカラーバランス不良として現れてしまう。
【0022】
また、上記のホログラムカラーフィルターにおいては、その面に対して40°前後の大きな入射角θでバックライト3を入射させる必要があり、光源を液晶表示素子6に対して相当程度軸外れした状態で配置しなければならず、特に直視型の液晶表示装置に上記のホログラムカラーフィルターを用いる場合に、全体の寸法が大きくなってしまう問題がある。
【0023】
本発明はこのような従来のホログラムカラーフィルターの問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、照明光の各色成分を略同じ割合で回折分光させることにより色純度、色再現性が良好で、また、照明光をフィルター面に対して略垂直に入射することが可能な照明光の利用効率を大幅に向上させたホログラムカラーフィルターシステムを提供することである。
【0024】
【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システムは、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白色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、その要素集光性レンズ各々が前記ホログラム又は回折格子と協働して、ホログラム又は回折格子の記録面に所定の角度で入射する白色光を要素集光性レンズのアレーの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において、
前記ホログラムカラーフィルターにより分光される赤成分と青成分の緑成分に対する分離角を縮小させるような分光配置の波長分光手段としての透過型回折格子が前記ホログラムカラーフィルターに入射する白色光の光路中に略垂直に配置されており、かつ、前記ホログラムカラーフィルターが前記透過型回折格子に対して角度をなすように配置されていることを特徴とするものである。
【0026】
この場合、白色光が透過型回折格子で分光された赤成分、緑成分、青成分のホログラムカラーフィルターへの入射角を、ホログラムカラーフィルターにおけるそれらの成分の回折効率が略ピークとなる入射角に一致するようにすることが望ましい。
【0029】
また、本発明は、ホログラムカラーフィルターが液晶表示装置の照明光入射側に配置されている場合、及び、その液晶表示装置がその表示像をスクリーンに投影する投影表示用のものである場合も含むものである。
【0030】
本発明においては、ホログラムカラーフィルターにより分光される赤成分と青成分の緑成分に対する分離角を縮小させるような分光配置の波長分光手段をホログラムカラーフィルターに入射する白色光の光路中に配置するので、RGB各色のホログラムカラーフィルターによる回折効率を略同じ値にして、表示の色純度、色再現性を良好にできると共に、照明光の利用効率を大幅に向上させることができる。また、ホログラムカラーフィルターに対する白色光の入射角が波長分光手段を挿入したことにより小さくなり、特に直視型の液晶表示装置として構成する場合に全体の寸法を小さくすることができる。
【0031】
【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システムの原理とその実施例について説明する。
図3に、図4に示したようなホログラムカラーフィルター5の1個の微小ホログラム5′の特定波長のバックライト入射角とその波長の回折効率の関係を示す。この微小ホログラム5′は、分光方向寸法270μm、それに直交する方向寸法80μm、厚さ6μm、バックライト入射角35°(空気中)、法線方向に回折する波長545nm、焦点距離1.14mm(屈折率1.5の媒質中)として設計したものである。
【0032】
図3から明らかなように、特定の入射角、例えば35°において、620nmのRの波長と、545nmのGの波長と、470nmのBの波長とでは回折効率に大きな差があると同時に、RとBの波長においては回折効率がピーク値にはないことが分かる。また、620nmのR波長の回折効率のピークは入射角38°近傍に、470nmのB波長の回折効率のピークは入射角32°近傍にあることも分かる。
【0033】
そこで、回折効率の点から、図2に示すように、バックライト3の微小ホログラム5′(又は、ホログラム7とマイクロレンズ8′の組み合せ体。以下、微小ホログラム5′で代表させる。)に対する入射角を、B成分3BについてはG成分3Gより小さく、R成分3RについてはG成分3Gより大きくすれば、それぞれの成分3B、3G、3Rが回折効率がピークとなる入射角で微小ホログラム5′に入射し、RGB各色の光を略同じ割合で回折分光させるようにすることができる。なお、図2においては、B成分3BをG成分3Gに対して小さくする角度、R成分3RをG成分3Gに対して大きくする角度を何れもΔとしてある。上記図3の3つの波長の場合、Δは約3°である。
【0034】
ただ、このようにすると問題となるのは、図2に示すように、微小ホログラム5′で分光されたB成分27、G成分28、R成分29(図では主光線のみを示す。)の分離角が、バックライト各色成分3B、3G、3Rを同じ入射角θで入射させた場合の分離角θ1 より小さくなることである。上記3つの波長の場合、RとG、BとGの分離角が小さくなる角度δは約1.9°である(同じ入射角35°の場合の分離角θ1 は約4.5°である。)。すなわち、RGB各色の回折効率を略同じになるようにバックライト3の各色の成分の入射角を異ならせる方向は、ホログラムカラーフィルター5、10による各色の成分の分離角を縮小する方向となってしまうことである。そのため、B成分27とR成分29は対応する色の画素R、Bに丁度は入射せず、中心の画素Gの方へ寄る形となり、目的とする対応する画素R、Bのブラック・マトリックス4の開口内に入射することにはならず、表示色のクロストークが起きてしまう。
【0035】
そこで、この問題を防ぐには、図2から明らかなように、上記の分離角の不足分δを補うように、微小ホログラム5′(ホログラムアレー5から集光点までの距離)あるいはマイクロレンズ8′の焦点距離を元のf0 からそれより長いf1 に延長して、その位置に表示素子の画素6′を配置するようにすればよいことが分かる。上記3つの波長の場合はf0 =1.14mmからf1 =2.7mmとなる。
【0036】
さて、本発明においては、バックライト3の入射角を上記のように色成分毎に異ならせるために、回折格子あるいはホログラム回折格子を用いる。すなわち、波長毎に回折角が異なる回折格子あるいはホログラム回折格子をバックライト3中に配置して、図2に示したように、その回折格子あるいはホログラム回折格子により回折されたB成分3BをG成分3Gに対して所定の角度Δだけ小さくなるようにし、また、回折されたR成分3RをG成分3Gに対して所定の角度Δだけ大きくなるようにし、ホログラムカラーフィルター5、10に対する入射角を、B成分3Bがθ−Δ、G成分3Gがθ、R成分3Rがθ−Δとなるようにするものである。
【0037】
図1に、図4のホログラムカラーフィルター5のバックライト3入射光路中にそのような波長分散型の透過型回折格子(ホログラム回折格子)30を配置してなる本発明の1つの実施例のホログラムカラーフィルターシステムを用いた液晶表示装置の断面図を示す。なお、図5、図6のホログラムカラーフィルター10を用いた液晶表示装置の場合も同様である。
【0038】
図1において、ホログラムアレー5と液晶表示素子6の構成と配置関係は図4と同様である。すなわち、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。ホログラムアレー5とブラック・マトリックス4の間の間隔は微小ホログラム5′の焦点距離に略一致するように選ばれる。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。
【0039】
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′からなる。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。
【0040】
そして、本発明に基づき、バックライト3光路中に波長分散型の透過型回折格子(ホログラム回折格子)30を配置する。この回折格子30は、垂直入射のバックライト3中のG成分の波長545nmの光を法線から21°の回折角で回折する特性のものであり、このような特性の回折格子30はバックライト3中のR成分の波長620nmの光を回折角24°(波長545nmの光に対して分離角+3°)で、B成分の波長470nmの光を回折角18°(波長545nmの光に対して分離角−3°)で回折する特性を有している。そして、ホログラムアレー5を図3の回折特性のもので構成し、白色バックライ3中の回折格子30で分光されたG成分の波長545nmの光3Gが入射角35°でホログラムアレー5に入射するように回折格子30を相対配置する。そのため、白色バックライ3中の回折格子30で分光されたR成分の波長620nmの光3Rは、ホログラムアレー5に入射角38°で、同じくB成分の波長470nmの光3Bは、ホログラムアレー5に入射角32°で入射するようになり、それぞれの波長の回折効率がピークにある入射角(図3参照)でホログラムアレー5に入射することになる。このため、RGB各色のホログラムカラーフィルター5による回折効率をピークの略同じ値にすることができる。
【0041】
そして、各色成分は微小ホログラム5′によって異なる方向へ回折分光され、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の構成及び液晶表示素子6との相対位置を決めることにより、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。
【0042】
このように、ホログラムカラーフィルター5、10に入射させるバックライト3光路中に回折格子30を、ホログラムカラーフィルター5、10により分光される赤成分と青成分の緑成分に対する分離角を縮小させるように分光入射させる相対配置にすると、RGB各色のホログラムカラーフィルター5による回折効率をピークの略同じ値にして、表示の色純度、色再現性を良好にできると共に、照明光の利用効率を大幅に向上させることができる。
【0043】
また、図1の配置と図4の配置を比較して明らかなように、ホログラムカラーフィルター5及び液晶表示素子6に対するバックライト3入射角が回折格子30を挿入したことによりずっと小さくなり(実施例の場合、35°から14°に減少)、バックライト3の液晶表示装置に対する軸外れ度合いが大幅に改善され、特に直視型の液晶表示装置として構成する場合に全体の寸法を小さくすることができる。
【0044】
ところで、図1の実施例では、回折格子30により分光された各色成分3R、3G、3Bがホログラムカラーフィルター5におけるそれらの波長成分の回折効率がピークとなる角度で入射させるようにしたが、必ずしも各色成分3R、3G、3Bをそのピークとなる角度に一致させる必要はない。図1において、回折格子30として、垂直入射のバックライト3中のG成分の波長545nmの光を法線から35°の回折角で回折する特性のものとした場合、回折格子30とホログラムカラーフィルター5を平行に離間してあるいは一体に配置して、バックライト3入射角を0°にすることができる。その場合は、バックライト3は液晶表示装置に対して完全に垂直に入射させるインライン配置になり、液晶表示装置の全体の寸法を大幅に小さくでき、特に直視型の液晶表示装置に適した配置となる。ただし、この場合は、回折格子30により回折されたB成分3BのG成分3Gに対する相対角度、回折されたR成分3RのG成分3Gに対する相対角度がそれぞれ約−5°、+5°となり、望ましい角度−3°、+3°より絶対値で若干大きくなるため、回折格子30により分光された各色成分3R、3G、3Bはホログラムカラーフィルター5におけるそれらの波長成分の回折効率がピークとなる角度で入射しない配置のため、図1の実施例と比較して、回折効率が色成分間で若干異なる分表示の色純度、色再現性が悪くなるが、回折格子30を配置しない従来の場合よりは良くなる。
【0045】
以上の実施例では、回折格子30としては、バックライト3を垂直入射させ所定の分離角を得る透過型回折格子としたが、その入射角は90°以外のものとする透過型回折格子であってももちろんよい。また、透過型回折格子の代わりに反射型回折格子を用いるようにしてもよい。さらには、分光プリズムを用いてもよい。
【0046】
以上、本発明のホログラムカラーフィルターシステム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。また、本発明のホログラムカラーフィルターシステムは直視型、投影型何れの液晶表示装置にも適用できる。
【0047】
【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システムによると、ホログラムカラーフィルターにより分光される赤成分と青成分の緑成分に対する分離角を縮小させるような分光配置の波長分光手段をホログラムカラーフィルターに入射する白色光の光路中に配置するので、RGB各色のホログラムカラーフィルターによる回折効率を略同じ値にして、表示の色純度、色再現性を良好にできると共に、照明光の利用効率を大幅に向上させることができる。また、ホログラムカラーフィルターに対する白色光の入射角が波長分光手段を挿入したことにより小さくなり、特に直視型の液晶表示装置として構成する場合に全体の寸法を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のホログラムカラーフィルターシステムを用いた1つの実施例の液晶表示装置の断面図である。
【図2】本発明のホログラムカラーフィルターシステムの原理を説明するための図である。
【図3】ホログラムカラーフィルターを構成する微小ホログラムの特定波長のバックライト入射角とその波長の回折効率の関係を示す図である。
【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5の変形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7】図6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8】液晶表示素子の断面図である。
【図9】ホログラムカラーフィルターの回折効率特性の1例を示す図である。
【符号の説明】
3…バックライト
3B…バックライトの分光されたB成分
3G…バックライトの分光されたG成分
3R…バックライトの分光されたR成分
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)
5′…微小ホログラム
6…液晶表示素子
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
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、13…偏光板
14…照明装置
15…メタルハライドランプ
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
27…分光されたB成分
28…分光されたG成分
29…分光されたR成分
30…波長分散型の透過型回折格子(ホログラム回折格子)
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a hologram color filter system, and in particular, when used in a color liquid crystal display device or the like, color purity and color reproducibility are good by diffracting and diffracting each color component of illumination light at substantially the same ratio. The present invention relates to a hologram color filter system that greatly improves the use efficiency of illumination light that allows light to be incident substantially perpendicularly to a filter surface.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a backlight is indispensable for display in a color liquid crystal display device using an absorption color filter such as a pigment or a dye. However, just using white light as it is from behind the color liquid crystal display device, its utilization efficiency is very low. The main reasons are as follows.
[0003]
(1) The area occupied by the black matrix other than the cells of each color is large, and the light hitting it is wasted.
(2) Among white light incident on each pixel, the color components that pass through the color filters of R (red), G (green), and B (blue) are limited, so other complementary color components are wasted. End up.
(3) There is a loss due to absorption by the color filter.
[0004]
In order to solve such problems, for example, a microlens array is installed in front of the color filter, and the backlight of the white light is condensed on the color filter cells R, G, and B, respectively. Methods for increasing the utilization efficiency have been conventionally known.
[0005]
However, even with this method, since the white light 3 cannot be applied to each color filter cell R, G, B by being split, it is impossible to solve the problem (2).
[0006]
Furthermore, Japanese Patent Laid-Open No. 4-60538 proposes a liquid crystal projector that improves the light utilization efficiency by using three dichroic mirrors and a microlens array without using such a color filter. In this case, the absorption color filter using the above-mentioned pigments, dyes and the like is not necessary, and the above problems (1) to (3) are solved and the brightness of the color image is improved, but three dichroic mirrors are used. Since this is necessary, the optical system / device becomes large and bulky. In addition, there is a problem that the cost becomes high.
[0007]
In view of such circumstances, the present applicant used a color filter using a hologram and the same in Japanese Patent Application No. 5-12170 in order to greatly improve the utilization efficiency of a backlight for liquid crystal display and the like. A liquid crystal display device was proposed.
[0008]
Further, a liquid crystal projection display device that displays a bright color image on a screen by changing the liquid crystal display device using such a hologram color filter to a projection type has been proposed in Japanese Patent Application No. 5-242292.
[0009]
Hereinafter, a liquid crystal display device and a liquid crystal projection display device using such a hologram color filter will be briefly described.
First, a liquid crystal display device using a first type hologram color filter will be described with reference to a cross-sectional view of FIG. In the figure, a hologram array 5 constituting a color filter is arranged on the backlight 3 incident side of a liquid crystal display element 6 regularly divided into liquid crystal cells 6 '(pixels). On the back surface of the liquid crystal display element 6, a black matrix 4 provided between the liquid crystal cells 6 'is disposed. In addition to the above, polarizing plates (not shown) are disposed on the incident side of the hologram array 5 and the emission side of the liquid crystal display element 6. In addition, an absorption color filter that passes light of colors corresponding to R, G, and B color separation pixels is additionally arranged between the black matrix 4 as in the conventional color liquid crystal display device. You may do it.
[0010]
The hologram array 5 corresponds to the repetition period of the color separation pixels of R, G, and B, that is, the repetition pitch corresponding to each set of three liquid crystal cells 6 'adjacent in the direction in the plane of the liquid crystal display element 6. The micro holograms 5 'are arranged in an array at the same pitch. The micro holograms 5' are arranged in groups of three liquid crystal cells 6 'adjacent to each other in the direction of the surface of the liquid crystal display element 6 and arranged one by one. Each of the micro-holograms 5 ′ has three components corresponding to the micro-hologram 5 ′ with the green component light in the backlight 3 incident at an angle θ with respect to the normal line of the hologram array 5. It is formed in a Fresnel zone plate shape so as to condense on the liquid crystal cell G at the center of the color separation pixels R, G, B. The micro-hologram 5 'is formed of a transmission type hologram such as a relief type, a phase type, and an amplitude type, which has little or no wavelength dependency of diffraction efficiency. Here, the fact that the diffraction efficiency has no or little wavelength dependency means that it is not a type that diffracts only a specific wavelength and hardly diffracts other wavelengths like a Lippmann hologram. The diffraction grating whose diffraction efficiency has little wavelength dependency diffracts at different diffraction angles depending on the wavelength.
[0011]
Because of such a configuration, when the white backlight 3 incident at an angle θ with respect to the normal line is incident from the surface of the hologram array 5 opposite to the liquid crystal display element 6, it depends on the wavelength. The diffraction angles by the micro-hologram 5 ′ are different, and the condensing position for each wavelength is dispersed in a direction parallel to the surface of the hologram array 5. Among them, the red wavelength component is at the position of the liquid crystal cell R that displays red, the green component is at the position of the liquid crystal cell G that displays green, and the blue component is at the position of the liquid crystal cell B that displays blue. By arranging the hologram array 5 so as to be diffracted and condensed, each color component passes through each liquid crystal cell 6 'with almost no attenuation in the black matrix 4, and the liquid crystal cell 6' at the corresponding position is passed through. Color display according to the state can be performed. The incident angle θ of the backlight 3 on the hologram array 5 is determined by various conditions such as the hologram recording conditions, the thickness of the hologram array 5, and the distance between the hologram array 5 and the liquid crystal display element 6.
[0012]
As described above, by using the hologram array 5 as a color filter, each wavelength component of the conventional color filter backlight can be incident on each liquid crystal cell 6 'without absorption without any waste. Can be improved.
[0013]
Next, a liquid crystal display device using a second type hologram color filter will be described with reference to a sectional view of FIG. In the figure, the second type hologram color filter 10 comprises a hologram 7 and a condensing microlens array 8, and the microlens 8 ′ constituting the microlens array 8 has R, G, and B color separations. Corresponding to each set of three liquid crystal cells 6 'adjacent in the direction of pixel repetition, that is, in the direction of the liquid crystal display element 6, the liquid crystal display element 6 is arranged in an array at the same pitch. The hologram 7 is composed of parallel and uniform interference fringes acting as a diffraction grating, and is composed of a transmission type hologram such as a relief type, a phase type, and an amplitude type, which has little or no wavelength dependency of diffraction efficiency. On the back surface of the liquid crystal display element 6, a black matrix 4 provided between the liquid crystal cells 6 'is disposed. In addition to the above, polarizing plates (not shown) are disposed on both sides of the liquid crystal display element 6. In addition, an absorption color filter that passes light of colors corresponding to R, G, and B color separation pixels is additionally arranged between the black matrix 4 as in the conventional color liquid crystal display device. You may do it.
[0014]
Due to such a configuration, when the backlight 3 is incident on the hologram 7 from the surface opposite to the liquid crystal display element 6 at an angle θ with respect to the normal line, it is diffracted at different angles depending on the wavelength. , Dispersed on the exit side of the hologram 7. The dispersed light is separated and condensed on the focal plane by the microlens 8 ′ disposed on the incident side or the exit side of the hologram 7. Among them, the red wavelength component is at the position of the liquid crystal cell R that displays red, the green component is at the position of the liquid crystal cell G that displays green, and the blue component is at the position of the liquid crystal cell B that displays blue. By arranging the color filter 10 so as to be diffracted and condensed, each color component passes through each liquid crystal cell 6 'with almost no attenuation in the black matrix 4, and the liquid crystal cell 6' at the corresponding position passes through. Color display according to the state can be performed.
[0015]
In such an arrangement, the hologram 7 can be a transmission hologram that is not condensing but has a uniform interference fringe and has little wavelength dependency of diffraction efficiency. It is not necessary to align with the lens 8 ', and the pitch of the microlens array 8 is three times that of the conventional case where one microlens is arranged corresponding to each liquid crystal cell 6', making it easy to make. And it is easy to align.
[0016]
As a modification of FIG. 5, as shown in FIG. 6, the arrangement of the microlens array 8 and the liquid crystal display element 6 is as shown in FIG. 5, and the hologram 7 is formed of parallel and uniform interference fringes that act as a diffraction grating. Is separated from the microlens array 8 and arranged in the backlight 3 so as to be substantially perpendicular to the traveling direction thereof, similarly, each wavelength component of the backlight is absorbed without waste without being absorbed into each liquid crystal cell 6 '. It is possible to realize a color filter that can be made incident and whose utilization efficiency is greatly improved.
[0017]
Further, the liquid crystal display device using the hologram color filter having the configuration shown in FIGS. 4 to 6 is used as it is as a direct-view type liquid crystal display device or as a spatial light modulation element for projection display. It can be used as a projection display device. FIG. 7 is a cross-sectional view when the liquid crystal display device of FIG. 4 is configured as a liquid crystal projection display device (the same applies to FIGS. 5 and 6), and the first polarized light is close to or integrated with the incident side of the hologram array 5. A second polarizing plate 13 is disposed close to or integrally with the plate 12 on the exit side of the liquid crystal display element 6. The color liquid crystal display device 11 is illuminated by the white parallel backlight 3 from the illumination device 14 composed of a combination of, for example, a metal halide lamp 15 and a parabolic mirror 16, and is modulated by the color liquid crystal display device 11. The image passes through a field lens 17 disposed in the vicinity of the liquid crystal display device 11 and is magnified by the projection lens 18 and magnified on the screen 19 to obtain a bright projected image.
[0018]
In the liquid crystal display device using the hologram color filter as described above, the liquid crystal display element 6 including the black matrix 4 is actually, for example, as shown in a cross section in FIG. It consists of a liquid crystal layer 25 such as twisted nematic sandwiched between two glass substrates 21, 22, and a black matrix 4 and a uniform transparent counter electrode 23 are formed on the inner surface of the glass substrate 21 on the backlight side. A transparent pixel electrode 24 and a TFT (not shown) are provided independently for each of the liquid crystal cells R, G, and B on the inner surface of the glass substrate 22 on the display surface side. Further, an alignment layer (not shown) is also provided on the liquid crystal layer 25 side of the electrodes 23 and 24. Then, the hologram color filter 5 or 10 provided on the liquid crystal display element 6 side surface of the substrate 26 is disposed close to or bonded to the glass substrate 21 on the backlight side, and the polarizing plate 12 is disposed on the backlight side of the substrate 26. Polarizing plates 13 are attached to the outer surface of the observation-side glass substrate 22 of the liquid crystal display element 6, respectively. For example, their transmission axes are arranged to be orthogonal to each other. The polarizing plate 12 on the backlight side is disposed in the optical path of the backlight 3 apart from the hologram color filter 5 as shown by a dotted line in FIG. 8 instead of being attached to the backlight side of the substrate 26. There is also.
[0019]
By controlling the voltage applied between the transparent pixel electrode 24 and the transparent counter electrode 23 for each pixel of the liquid crystal display element 6 as described above to change its transmission state, color display is possible.
[0020]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the above hologram color filter proposed by the present applicant, a hologram having little or no wavelength dependency of diffraction efficiency is used due to wavelength dispersion. Therefore, the diffraction efficiency differs depending on the wavelength. FIG. 9 shows an example of the diffraction efficiency characteristics with respect to the wavelength. When the wavelength is plotted on the horizontal axis, the curve representing the diffraction efficiency has a mountain shape. 9 shows a micro-hologram 5 ′ (FIG. 9) composed of a single hologram with a refractive index modulation Δn = 0.035 using a single color having a wavelength of 514 nm for a photopolymer having a thickness of 6 μm and an average refractive index n = 1.52. The diffraction efficiency depending on the wavelength when 4) is recorded is shown.
[0021]
In particular, in a hologram color filter for color liquid crystal display with three colors R, G, and B, the peak of diffraction efficiency having a mountain shape is located in the middle wavelength G region as shown in FIG. It is desirable to achieve balance, and the diffraction efficiencies in the R wavelength region and the B wavelength region are lower than in the G wavelength region. For this reason, unevenness in the intensity of the three colors R, G, and B occurs, and appears as a color balance defect when performing color display.
[0022]
In the hologram color filter described above, it is necessary to make the backlight 3 incident on the surface with a large incident angle θ of about 40 °, and the light source is considerably off-axis with respect to the liquid crystal display element 6. In particular, when the hologram color filter described above is used in a direct-view type liquid crystal display device, there is a problem that the overall size becomes large.
[0023]
The present invention has been made in view of the problems of such a conventional hologram color filter, and the purpose thereof is to achieve good color purity and color reproducibility by diffracting each color component of illumination light at substantially the same ratio. Another object of the present invention is to provide a hologram color filter system capable of significantly improving the use efficiency of illumination light that allows illumination light to be incident substantially perpendicular to the filter surface.
[0024]
[Means for Solving the Problems]
The hologram color filter system of the present invention that achieves the above object comprises an array of element condensing holograms, and each element condensing hologram is incident at a predetermined angle with respect to the normal of the hologram recording surface. Hologram color filter that spectrally disperses white light with wavelength dispersion in a direction substantially along the hologram recording surface, or a hologram or diffraction grating composed of parallel uniform interference fringes and element condensing arranged on the incident side or the exit side thereof Each of the element condensing lenses cooperates with the hologram or diffraction grating so that the white light incident on the recording surface of the hologram or diffraction grating at a predetermined angle is incident on the element condensing lens. In a hologram color filter that performs spectral dispersion by wavelength dispersion in a direction substantially along the surface of the array,
A transmissive diffraction grating as a wavelength spectroscopic means for reducing the separation angle between the red component and the blue component separated by the hologram color filter is arranged in the optical path of white light incident on the hologram color filter. The hologram color filter is arranged substantially perpendicularly and is arranged so as to form an angle with respect to the transmission type diffraction grating.
[0026]
In this case, the incident angles of the red, green, and blue components of the white light separated by the transmissive diffraction grating to the hologram color filter are changed to the incident angles at which the diffraction efficiency of these components in the hologram color filter becomes substantially peak. It is desirable to match.
[0029]
The present invention also includes the case where the hologram color filter is disposed on the illumination light incident side of the liquid crystal display device and the case where the liquid crystal display device is for projection display that projects the display image onto a screen. It is a waste.
[0030]
In the present invention, the wavelength spectroscopic means having a spectral arrangement that reduces the separation angle between the red component and the blue component that are split by the hologram color filter is arranged in the optical path of white light incident on the hologram color filter. The diffraction efficiencies of the holographic color filters for RGB colors can be set to substantially the same value, so that the color purity and color reproducibility of display can be improved, and the utilization efficiency of illumination light can be greatly improved. In addition, the incident angle of white light with respect to the hologram color filter is reduced by inserting the wavelength spectroscopic means, and the overall size can be reduced particularly when it is configured as a direct-view type liquid crystal display device.
[0031]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the principle of the hologram color filter system of the present invention and examples thereof will be described.
FIG. 3 shows the relationship between the backlight incident angle of a specific wavelength of one micro-hologram 5 ′ of the hologram color filter 5 as shown in FIG. 4 and the diffraction efficiency of that wavelength. This micro-hologram 5 'has a spectral direction dimension of 270 μm, a direction dimension orthogonal to it of 80 μm, a thickness of 6 μm, a backlight incident angle of 35 ° (in air), a wavelength 545 nm diffracted in the normal direction, and a focal length of 1.14 mm (refractive) Designed in a medium with a rate of 1.5).
[0032]
As is clear from FIG. 3, at a specific incident angle, for example, 35 °, there is a large difference in diffraction efficiency between the R wavelength of 620 nm, the G wavelength of 545 nm, and the B wavelength of 470 nm, and at the same time, It can be seen that the diffraction efficiency is not at the peak value at the wavelengths of B and B. It can also be seen that the 620 nm R wavelength diffraction efficiency peak is near an incident angle of 38 ° and the 470 nm B wavelength diffraction efficiency peak is near an incident angle of 32 °.
[0033]
Therefore, from the viewpoint of diffraction efficiency, as shown in FIG. 2, the incident light is incident on the micro-hologram 5 ′ of the backlight 3 (or a combination of the hologram 7 and the micro-lens 8 ′; hereinafter, represented by the micro-hologram 5 ′). If the angle is smaller than the G component 3G for the B component 3B and larger than the G component 3G for the R component 3R, each of the components 3B, 3G, and 3R becomes the minute hologram 5 ′ at an incident angle at which the diffraction efficiency peaks. Incident light can be diffracted and split at substantially the same rate for each color of RGB. In FIG. 2, the angle at which the B component 3B is reduced relative to the G component 3G and the angle at which the R component 3R is increased relative to the G component 3G are both Δ. In the case of the three wavelengths shown in FIG. 3, Δ is about 3 °.
[0034]
However, in this case, as shown in FIG. 2, separation of the B component 27, the G component 28, and the R component 29 (only the chief rays are shown in the figure) separated by the micro-hologram 5 'is a problem. The angle is smaller than the separation angle θ 1 when the backlight color components 3B, 3G, and 3R are incident at the same incident angle θ. In the case of the above three wavelengths, the angle δ at which the separation angles of R and G and B and G are reduced is about 1.9 ° (the separation angle θ 1 at the same incident angle of 35 ° is about 4.5 °). is there.). That is, the direction in which the incident angle of each color component of the backlight 3 is made different so that the diffraction efficiency of each RGB color is substantially the same is the direction in which the separation angle of each color component by the hologram color filters 5 and 10 is reduced. It is to end. Therefore, the B component 27 and the R component 29 are not incident on the corresponding color pixels R and B, but are shifted toward the center pixel G, and the black matrix 4 of the corresponding corresponding pixels R and B is obtained. In this case, the incident color does not enter the aperture, and a crosstalk of display color occurs.
[0035]
Therefore, in order to prevent this problem, as is apparent from FIG. 2, the micro-hologram 5 ′ (distance from the hologram array 5 to the condensing point) or the micro-lens 8 so as to compensate for the above-described shortage δ of the separation angle. It is understood that the focal length of ′ may be extended from the original f 0 to f 1 longer than that, and the pixel 6 ′ of the display element is arranged at that position. In the case of the above three wavelengths, f 0 = 1.14 mm to f 1 = 2.7 mm.
[0036]
In the present invention, in order to make the incident angle of the backlight 3 different for each color component as described above, a diffraction grating or a hologram diffraction grating is used. That is, a diffraction grating or a hologram diffraction grating having a diffraction angle different for each wavelength is arranged in the backlight 3, and the B component 3B diffracted by the diffraction grating or the hologram diffraction grating as shown in FIG. The diffracted R component 3R is increased by a predetermined angle Δ with respect to the G component 3G, and the incident angle with respect to the hologram color filters 5 and 10 is reduced with respect to 3G. The B component 3B is θ-Δ, the G component 3G is θ, and the R component 3R is θ-Δ.
[0037]
FIG. 1 shows a hologram according to one embodiment of the present invention in which such a wavelength dispersion type transmission diffraction grating (hologram diffraction grating) 30 is arranged in the light path of the backlight 3 of the hologram color filter 5 shown in FIG. FIG. 3 shows a cross-sectional view of a liquid crystal display device using a color filter system. The same applies to the liquid crystal display device using the hologram color filter 10 of FIGS.
[0038]
In FIG. 1, the configuration and arrangement relationship of the hologram array 5 and the liquid crystal display element 6 are the same as those in FIG. That is, the hologram array 5 constituting the color filter is arranged at a distance from the incident side of the backlight 3 of the liquid crystal display element 6 that is regularly divided into liquid crystal cells 6 ′ (pixels). On the back surface of the liquid crystal display element 6, a black matrix 4 provided between the liquid crystal cells 6 'is disposed. The spacing between the hologram array 5 and the black matrix 4 is selected so as to substantially match the focal length of the micro-hologram 5 '. In addition to the above, polarizing plates (not shown) are disposed on the incident side of the hologram array 5 and the emission side of the liquid crystal display element 6. In addition, an absorption color filter that passes light of colors corresponding to R, G, and B color separation pixels is additionally arranged between the black matrix 4 as in the conventional color liquid crystal display device. You may do it.
[0039]
The hologram array 5 corresponds to the repetition period of the color separation pixels of R, G, and B, that is, the repetition pitch corresponding to each set of three liquid crystal cells 6 'adjacent in the direction in the plane of the liquid crystal display element 6. It consists of minute holograms 5 'arranged in an array at the same pitch. The micro-hologram 5 'is composed of a transmission type hologram such as a relief type, a phase type, and an amplitude type, which has little or no wavelength dependency of diffraction efficiency. Here, the fact that the diffraction efficiency has no or little wavelength dependency means that it is not a type that diffracts only a specific wavelength and hardly diffracts other wavelengths like a Lippmann hologram. The diffraction grating whose diffraction efficiency has little wavelength dependency diffracts at different diffraction angles depending on the wavelength.
[0040]
In accordance with the present invention, a wavelength dispersion type transmission diffraction grating (hologram diffraction grating) 30 is arranged in the three light paths of the backlight. The diffraction grating 30 has a characteristic of diffracting light having a wavelength of 545 nm of the G component in the vertically incident backlight 3 at a diffraction angle of 21 ° from the normal line. 3 light having a wavelength of 620 nm is a diffraction angle of 24 ° (separation angle + 3 ° with respect to light having a wavelength of 545 nm), and light having a wavelength of 470 nm of B component is having a diffraction angle of 18 ° (light having a wavelength of 545 nm). It has a characteristic of diffracting at a separation angle of -3 °. Then, the hologram array 5 is constructed with the diffraction characteristics shown in FIG. 3 so that the light 3G having a wavelength of 545 nm, which is G component spectrally separated by the diffraction grating 30 in the white backlight 3, is incident on the hologram array 5 at an incident angle of 35 °. The diffraction grating 30 is relatively disposed in Therefore, the R component light 620 nm split by the diffraction grating 30 in the white backlight 3 is incident on the hologram array 5 at an incident angle of 38 °, and the B component light 470 nm light is incident on the hologram array 5. Incidents are incident at an angle of 32 °, and are incident on the hologram array 5 at an incident angle (see FIG. 3) where the diffraction efficiency of each wavelength is at its peak. For this reason, the diffraction efficiency by the hologram color filter 5 of each color of RGB can be set to substantially the same peak value.
[0041]
Each color component is diffracted and dispersed in different directions by the micro-hologram 5 ′, and the condensing position for each wavelength is dispersed in a direction parallel to the surface of the hologram array 5. Among them, the red wavelength component is at the position of the liquid crystal cell R that displays red, the green component is at the position of the liquid crystal cell G that displays green, and the blue component is at the position of the liquid crystal cell B that displays blue. By determining the configuration of the hologram array 5 and the relative position with the liquid crystal display element 6 so as to be diffracted and condensed, each color component passes through each liquid crystal cell 6 'without being attenuated by the black matrix 4, Color display according to the state of the liquid crystal cell 6 'at the corresponding position can be performed.
[0042]
In this way, the diffraction grating 30 is arranged in the optical path of the backlight 3 incident on the hologram color filters 5 and 10 so that the separation angle of the red component and the blue component separated by the hologram color filters 5 and 10 is reduced. If the relative arrangement is used for spectral incidence, the diffraction efficiency by the hologram color filter 5 for each color of RGB is set to substantially the same peak value, the display color purity and color reproducibility can be improved, and the illumination light utilization efficiency can be greatly improved. Can be made.
[0043]
Further, as apparent from comparison between the arrangement of FIG. 1 and the arrangement of FIG. 4, the incident angle of the backlight 3 with respect to the hologram color filter 5 and the liquid crystal display element 6 becomes much smaller by inserting the diffraction grating 30 (Example) In this case, the degree of off-axis with respect to the liquid crystal display device of the backlight 3 is greatly improved, and the overall size can be reduced particularly when it is configured as a direct-view type liquid crystal display device. .
[0044]
In the embodiment of FIG. 1, the color components 3R, 3G, and 3B dispersed by the diffraction grating 30 are made incident at an angle at which the diffraction efficiency of those wavelength components in the hologram color filter 5 reaches a peak. It is not necessary to match each color component 3R, 3G, 3B to the angle at which it is a peak. In FIG. 1, when the diffraction grating 30 has a characteristic of diffracting light having a wavelength of 545 nm of the G component in the vertically incident backlight 3 with a diffraction angle of 35 ° from the normal line, the diffraction grating 30 and the hologram color filter 5 can be spaced apart in parallel or integrally, and the incident angle of the backlight 3 can be set to 0 °. In that case, the backlight 3 has an in-line arrangement in which the liquid crystal display device is completely perpendicularly incident on the liquid crystal display device, so that the overall size of the liquid crystal display device can be greatly reduced, and is particularly suitable for a direct-view type liquid crystal display device. Become. However, in this case, the relative angle of the B component 3B diffracted by the diffraction grating 30 with respect to the G component 3G and the relative angle of the diffracted R component 3R with respect to the G component 3G are about −5 ° and + 5 °, respectively, which are desirable angles. Since the absolute value is slightly larger than −3 ° and + 3 °, the color components 3R, 3G, and 3B dispersed by the diffraction grating 30 do not enter at an angle at which the diffraction efficiency of those wavelength components in the hologram color filter 5 reaches a peak. Due to the arrangement, the color purity and color reproducibility of the display are deteriorated because the diffraction efficiency is slightly different between the color components as compared with the embodiment of FIG. 1, but it is better than the conventional case where the diffraction grating 30 is not arranged. .
[0045]
In the above-described embodiments, the diffraction grating 30 is a transmission diffraction grating that vertically enters the backlight 3 to obtain a predetermined separation angle, but the transmission angle is other than 90 °. Of course. Further, a reflection type diffraction grating may be used instead of the transmission type diffraction grating. Furthermore, a spectral prism may be used.
[0046]
As described above, the hologram color filter system of the present invention has been described based on the embodiments. However, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications can be made. Further, the hologram color filter system of the present invention can be applied to either a direct view type or a projection type liquid crystal display device.
[0047]
【The invention's effect】
As is apparent from the above description, according to the hologram color filter system of the present invention, the wavelength spectroscopic means having a spectral arrangement that reduces the separation angle of the red component and the blue component that are separated by the hologram color filter from the hologram. Because it is arranged in the optical path of white light incident on the color filter, the diffraction efficiency of each RGB color filter can be set to approximately the same value, the display color purity and color reproducibility can be improved, and the illumination light utilization efficiency Can be greatly improved. In addition, the incident angle of white light with respect to the hologram color filter is reduced by inserting the wavelength spectroscopic means, and the overall size can be reduced particularly when it is configured as a direct-view type liquid crystal display device.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a liquid crystal display device of one embodiment using a hologram color filter system of the present invention.
FIG. 2 is a diagram for explaining the principle of a hologram color filter system of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing a relationship between a backlight incident angle of a specific wavelength of a micro hologram constituting the hologram color filter and diffraction efficiency of the wavelength.
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a liquid crystal display device using a first type hologram color filter.
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of a liquid crystal display device using a second type hologram color filter.
6 is a schematic cross-sectional view of a liquid crystal display device using the hologram color filter modified as shown in FIG.
7 is a cross-sectional view of a liquid crystal projection display device using the liquid crystal display device of FIG.
FIG. 8 is a cross-sectional view of a liquid crystal display element.
FIG. 9 is a diagram illustrating an example of diffraction efficiency characteristics of a hologram color filter.
[Explanation of symbols]
3 ... Backlight 3B ... Backscattered B component 3G ... Backlit dispersed G component 3R ... Backlit dispersed R component 4 ... Black matrix 5 ... Hologram array (hologram color filter)
5 '... micro hologram 6 ... liquid crystal display element 6' ... liquid crystal cell 7 ... hologram 8 ... condensing microlens array 8 '... micro lens 10 ... hologram color filter 11 ... color liquid crystal display devices 12, 13 ... polarizing plate 14 ... Illumination device 15 ... metal halide lamp 16 ... parabolic mirror 17 ... field lens 18 ... projection lens 19 ... screen 21 ... backlight side glass substrate 22 ... display side glass substrate 23 ... transparent counter electrode 24 ... transparent pixel electrode 25 ... liquid crystal Layer 26 ... Substrate 27 ... Split B component 28 ... Split G component 29 ... Split R component 30 ... Wavelength dispersive transmission diffraction grating (hologram diffraction grating)

Claims (4)

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白色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、その要素集光性レンズ各々が前記ホログラム又は回折格子と協働して、ホログラム又は回折格子の記録面に所定の角度で入射する白色光を要素集光性レンズのアレーの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において、
前記ホログラムカラーフィルターにより分光される赤成分と青成分の緑成分に対する分離角を縮小させるような分光配置の波長分光手段としての透過型回折格子が前記ホログラムカラーフィルターに入射する白色光の光路中に略垂直に配置されており、かつ、前記ホログラムカラーフィルターが前記透過型回折格子に対して角度をなすように配置されていることを特徴とするホログラムカラーフィルターシステム。
It consists of an array of element condensing holograms, and each element concentrating hologram disperses the wavelength of white light incident at a predetermined angle with respect to the normal of the hologram recording surface in a direction substantially along the hologram recording surface. Holographic color filter that divides light, or a hologram or diffraction grating consisting of parallel and uniform interference fringes and an array of element condensing lenses arranged on the entrance side or exit side thereof, and the element condensing lens Each cooperates with the hologram or diffraction grating to disperse the white light incident on the recording surface of the hologram or diffraction grating at a predetermined angle by dispersing the wavelength in a direction substantially along the surface of the array of the element condensing lenses. In hologram color filter,
A transmissive diffraction grating as a wavelength spectroscopic means for reducing the separation angle between the red component and the blue component separated by the hologram color filter is arranged in the optical path of white light incident on the hologram color filter. A hologram color filter system, wherein the hologram color filter system is disposed substantially vertically and the hologram color filter is disposed at an angle with respect to the transmission diffraction grating .
前記白色光が前記透過型回折格子で分光された赤成分、緑成分、青成分の前記ホログラムカラーフィルターへの入射角が、前記ホログラムカラーフィルターにおけるそれらの成分の回折効率が略ピークとなる入射角に一致することを特徴とする請求項記載のホログラムカラーフィルターシステム。The incident angles of the red component, the green component, and the blue component, which are obtained by spectrally dividing the white light with the transmission diffraction grating, into the hologram color filter are such that the diffraction efficiency of those components in the hologram color filter is substantially peaked. The hologram color filter system according to claim 1, wherein: 前記ホログラムカラーフィルターが液晶表示装置の照明光入射側に配置されてい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システム。 3. The hologram color filter system according to claim 1, wherein the hologram color filter is disposed on the illumination light incident side of the liquid crystal display device. 前記液晶表示装置がその表示像をスクリーンに投影する投影表示用のものであることを特徴とする請求項記載のホログラムカラーフィルターシステム。4. The hologram color filter system according to claim 3, wherein the liquid crystal display device is for projection display in which a display image is projected onto a screen.
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