JPH0996714A - ホログラムカラーフィルターを用いた液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 照明光のくり返し反射による偏光面の乱れを
抑制し、液晶表示装置のコントラストを向上させる。 【解決手段】 液晶表示素子の照明光入射側にブラック
マトリックスを設け、ホログラムカラーフィルターで分
光した照明光をブラックマトリックスの開口を通して液
晶表示素子に入射させるようにした液晶表示装置におい
て、ブラックマトリックスとして低反射ブラックマトリ
ックスを用いたことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ホログラムカラーフィ
ルターを用いた液晶表示装置に関し、特に、照明光の利
用効率を大幅に向上させ、表示のコントラストの低下を
防止して、見やすい画像表示が可能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。この対策として本出願人は、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。

【０００３】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。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】図７（ａ）（断面図）
は、既に提案した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構成を示す図で、ガラス基板を通し
て入射するバックライト光（入射光）は、ホログラム層
で分光され、ブラックマトリックス（ＢＭ）を通してＬ
Ｃパネルを照明する。この場合、視野角を大きくするた
めに、通常、図７（ｂ）（平面図）に示すように、紙面
内において４５°の偏光面を持つ直線偏光をバックライ
ト光として使用している。４５°の偏光面を持つ直線偏
光は、図８（ａ）に示すように、Ｓ偏光成分とＰ偏光成
分の比が１：１である。ところで、図９に示すように、
基板を通して入射したバックライト光は、ホログラム層
で回折し、ブラックマトリッスクの開口を通過した光
はＳ偏光成分とＰ偏光成分の比１：１が保たれ、４５°
偏光面は維持されている。一方、ホログラム層を透過し
た０次光の一部はブラックマトリックスで反射し、ホロ
グラム層を透過して基板表面で透過または反射する。と
ころが、Ｓ偏光はＰ偏光に比して反射率が大きいため、
基板を透過した光はＰ偏光成分が多く、基板表面で反射
してホログラム層に再度入射する光はＳ偏光成分が多い
光となる。このＳ偏光成分が多い光はホログラム層で回
折し、その光が液晶表示装置に入射する。これにより
直線偏光の偏光面はＳ偏光成分とＰ偏光成分の合成方向
となるため、Ｓ偏光成分が多い光は、図８（ｂ）に示
すように、４５°偏光面が乱される。このように、くり
返し反射により、偏光方向が歪められてコントラストを
低下させてしまうことになる。また、液晶表示の高いコ
ントラストを達成するための偏光板は、所定の偏光方向
以外の偏光方向をもつ光を吸収することにより、所定の
偏光方向の直線偏光のみ通すようにしているため、発熱
し、そのため液晶表示素子、ホログラム層等の他の素子
の材料を劣化させ、寸法変化などの悪影響が発生する。

【０００５】本発明は上記課題を解決するためのもの
で、照明光のくり返し反射による偏光面の乱れを抑制
し、さらに偏光板の発熱を極力抑え、液晶表示装置のコ
ントラストを向上させることを目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、液晶表示素子
の照明光入射側にブラックマトリックスを設け、ホログ
ラムカラーフィルターで分光した照明光をブラックマト
リックスの開口を通して液晶表示素子に入射させるよう
にした液晶表示装置において、ブラックマトリックスと
して低反射ブラックマトリックス、例えば、２層クロム
型ブラックマトリックス、或いは黒色樹脂ブラックマト
リックスを使用したことを特徴としている。本発明によ
れば、くり返し反射による偏光面の乱れが極力抑制さ
れ、その結果、コントラストの低下を防止することがで
きる。さらに、液晶表示素子の照明光入射側の偏光板を
２枚にし、一方をホログラム層よりも光源側に、他方を
ホログラム層と液晶表示素子との間に配置し、光源側の
１枚目の偏光板で偏光をそろえ、ホログラム層通過後に
若干偏光状態が乱された光を、ホログラム層と液晶表示
素子との間に配置した２枚目の偏光板で偏光を矯正する
ことにより、偏光板の発熱を抑え、他の素子へ悪影響を
与えることを防止できる。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、本発明のホログラムカラー
フィルターを用いた液晶表示装置を実施例に基づいて説
明する。まず、図４の断面図を参照して本発明において
対象とする第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の
役割を果たすホログラムアレー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。

【０００８】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。

【０００９】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。

【００１０】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。

【００１１】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。

【００１２】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の入射側又は出射側に配置さ
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。

【００１３】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。

【００１４】また、図４及び図５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６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１
３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１
６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。

【００１５】図１は、図４〜図６に示した装置において
使用する本発明によるブラックマトリックスの例を示す
図である。図１において、ガラス基板４１上にクロム層
４２、酸化クロム（ＣｒＯｘ）層４２が順次積層されて
いる。かかる構成のブラックマトリックスでは、通常の
単層クロムブラックマトリックスの反射率が約５５％
（垂直入射時において、４００〜７００ｎｍの光の平均
値）であるのに比して、反射率が１〜２％であり、その
結果、くり返し反射による偏光面の乱れを極力抑えるこ
とが可能である。

【００１６】図２は本発明で使用する低反射ブラックマ
トリックスの他の例を説明する図である。図２において
は、ガラス基板上に黒色樹脂層４４を形成したものであ
り、図１の場合と同様、反射率が１〜２％であり、くり
返し反射による偏光面の乱れを極力抑えることが可能で
ある。黒色樹脂層４４として、例えば、黒色カーボンを
分散させた樹脂を用いた場合、膜厚を薄くしても透過率
を低くでき、また、波長依存性が少ないという利点が得
られる。ただし、導電性があるため、ＴＦＴアレイ側に
形成する場合は適当ではない。そのような場合には、導
電性のない有機顔料を樹脂に分散させた黒色樹脂を使用
すればよい。ＴＦＴアレイ側に形成することにより、低
反射化と同時に、低電力化のための開口率の向上を図る
ことも可能である。なお、液晶表示装置用のホログラム
カラーフィルターにおいては、コントラストは１０００
以上が望ましい。ところが、界面反射が４％をこえると
コントラストは１０００を切ってしまう。したがって、
本発明において使用するブラックマトリックスとして
は、少なくとも反射率４％以下のものを使用することが
望ましい。

【００１７】図３は本発明のホログラムカラーフィルタ
ーを用いた液晶投影表示装置の例を示す図である。図３
においては、液晶表示素子の入射側の偏光板を２枚にし
たことを特徴としている。すなわち、ホログラム層より
光源側の偏光板（又は偏光素子）１２により白色のバッ
クライトを、例えば４５°の偏光面をもつ直線偏光に
し、所定角度でホログラム層５に入射させて分光する。
この偏光板１２は光の吸収により発熱をともなうので、
光、熱に強い染料系偏光板を用いる。もちろん、偏光板
の代わりに偏光プリズムによってＰ偏光、Ｓ偏光を分離
して使用してもよい。この場合の偏光プリズムとしては
ウォーラストンプリズム等を用いればよい。

【００１８】そして、ホログラム層５で若干偏光状態が
乱された光は、偏光板（又は偏光素子）１４で矯正し、
偏光をそろえる。この場合、偏光板１２と偏光板１４と
は互いに同じ偏光方向である。偏光板１２における光の
吸収はごくわずかであるので、光や熱にやや弱いもの
の、偏光度の高いヨウ素系のものを用いることができ
る。こうして偏光状態が正された光を低反射ブラックマ
トリックス４の開口を通してカラー液晶表示素子６を照
明し、カラー液晶表示素子６で変調された表示像は、第
２の偏光板を通して投影レンズ１８により図示しないス
クリーン上に投影される。

【００１９】このような構成の場合、偏光板１４では入
射光の約８％が吸収されるだけですむため発熱を極力抑
えることができ、また、偏光板の偏光度が高いのは染料
系よりもヨウ素系であり、ヨウ素系の偏光板を液晶表示
素子の両側に配置することができるため、低反射ブラッ
クマトリックスの使用と相まって一層コントラストを上
げ、画質を向上させることができる。

【００２０】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、低反射率
ブラックマトリックスを用いることにより、くり返し反
射による偏光面の乱れを極力抑えることが可能となり、
コントラストの低下を防止することが可能となる。さら
に、液晶表示素子入射側に偏光板を２枚配置することに
より、液晶表示装置内の偏光板の発熱が抑えられ、他の
素子への悪影響を防止することができ、また、液晶表示
素子の両側に偏光度の高いヨウ素系の偏光板を用いるこ
とができるので、一層、コントラストの向上を図ること
が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明で使用するブラックマトリックスの構
成を説明する図である。

【図２】 本発明で使用するブラックマトリックスの構
成を説明する図である。

【図３】 入射側の偏光板を２枚にした例を説明する図
である。

【図４】 本発明において対象とする第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断面
図である。

【図５】 本発明において対象とする第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断面
図である。

【図６】 図４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７】 液晶表示装置への入射光偏光面を説明するた
めの図である。

【図８】 Ｓ偏光成分とＰ偏光成分の比を説明する図で
ある。

【図９】 繰り返し反射による偏光方向の乱れを説明す
る図である。

【符号の説明】

３…バックライト、４…ブラック・マトリックス、４１
…ガラス基板、４２…Ｃｒ層、４３…ＣｒＯｘ層、４４
…樹脂＋カーボンブラック層、５…ホログラムアレー
（ホログラムカラーフィルター）、６…液晶表示素子。

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ブラックマトリックスを介して照明光が
   入射される液晶表示素子と、 液晶表示素子の照明光入射側に設けられ、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要素集光性レン
   ズの複合体各々が、ホログラム又は回折格子の記録面の
   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
   グラム又は回折格子の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と、 を有する液晶表示装置において、 前記ブラックマトリッスクとして低反射ブラックマトリ
   ックスを用いたことを特徴とするホログラムカラーフィ
   ルターを用いた液晶表示装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の装置において、前記ホロ
   グラムカラーフィルターに入射する白色光を直線偏光に
   する第１の偏光手段と、前記液晶表示素子から出射され
   た光の所定方向の直線偏光成分を取り出す第２の偏光手
   段とを設けたことを特徴とするホログラムカラーフィル
   ターを用いた液晶表示装置。
3. 【請求項３】 請求項１または２記載の装置において、
   低反射ブラックマトリックスの反射率が４％以下である
   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
   液晶表示装置。
4. 【請求項４】 請求項１または２記載の装置において、
   低反射ブラックマトリックスは、クロム層および酸化ク
   ロム層を有する２層クロム型であ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液晶表示装置。
5. 【請求項５】 請求項１または２記載の装置において、
   低反射ブラックマトリックスは、黒色樹脂ブラックマト
   リックスからなることを特徴とするホログラムカラーフ
   ィルターを用いた液晶表示装置。
6. 【請求項６】 請求項１または２記載の装置において、
   前記ホログラムカラーフィルターと液晶表示素子の間
   に、前記第１の偏光手段と偏光方向が同じ第３の偏光手
   段を配置したことを特徴とするホログラムカラーフィル
   ターを用いた液晶表示装置。
7. 【請求項７】 請求項６記載の装置において、第１と第
   ３の偏光手段は、ホログラムカラーフィルターの前後に
   配置されていること特徴とするカラーフィルターを用い
   た液晶表示装置。
8. 【請求項８】 請求項６記載の装置において、第１の偏
   光手段は染料系の偏光板または偏光素子、第３の偏光手
   段はヨウ素系の偏光板または偏光素子からなることを特
   徴とするホログラムカラーフィルターを用いた液晶表示
   装置。
9. 【請求項９】 請求項８記載の装置において、さらに第
   ２の偏光手段をヨウ素系の偏光板または偏光素子とした
   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
   液晶表示装置。
10. 【請求項１０】 請求項１または２記載の装置におい
    て、第１の偏光素子として偏光プリズムを用いたことを
    特徴とするホログラムカラーフィルターを用いた液晶表
    示装置。