JP3869488B2

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Info

Publication number: JP3869488B2
Application number: JP9528996A
Authority: JP
Inventors: 市川信彦; 谷口幸夫
Original assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Current assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Priority date: 1996-04-17
Filing date: 1996-04-17
Publication date: 2007-01-17
Anticipated expiration: 2016-04-17
Also published as: JPH09281917A

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を用いた画像表示装置に関し、特に、高分子分散型液晶表示素子、デジタルマイクロミラーデバイス型表示素子等の空間光変調器とホログラムカラーフィルターを組み合わせた反射型の画像表示装置に関する。
【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６の断面図を参照にして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】
また、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はその場合の断面図であり、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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
一方、液晶表示素子として、高分子分散型液晶（ＰＤＣＬ）表示素子が提案されている。これは、電圧のオン、オフによって白濁状態と透明状態を制御することによって表示を行うもので、ツイストネマチック（ＴＮ）液晶等の従来の液晶表示素子のように偏光板を用いないため、明るい表示が可能なものである（「フラットパネル・ディスプレイ」’９１，ｐｐ．２１４〜２２４参照）。このような液晶は高分子／液晶複合膜からなるもので、高分子中に液晶相がドロップレット状に分離している形態のものと、液晶が連続相となっている形態のものとがある。
【００１７】
また、微小なミラーの変形によって２次元表示が可能な表示素子としてデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）も提案されている。これは、図９（ａ）に斜視図を示すように、各画素に対応する微小なミラーＭが２次元的に配置され、所定アドレスのミラーＭ’を対角線を軸にして傾けることにより、ミラーＭ’に一定方向から入射する光を傾いていないミラーとは異なる方向へ反射させるようにして、２次元パターンを表示するようにしたものである（"IEEE Spectrum Vol.30,No.11,pp.27-31参照）。図９（ｂ）に各ミラーＭの支持駆動構造を示すが、ミラーＭ各々は、１つの対角方向の角でシリコン基板Ｓ上に立てられた一対の支持ポストＰにより捩じりヒンジＴを介して支持されており、ミラーＭの裏側の基板Ｓ上に設けられた一対の電極Ｅの一方に電圧を印加することにより、静電力によりヒンジＴ間の対角線を軸にしてミラーＭの面が回転されるものである。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、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を用いる画像表示装置は、ＴＮ液晶等の通常の液晶表示素子を用いることを前提とし、かつ、バックライトを裏面側から入射させる透過型のものとして構成されていた。しかしながら、高分子分散型液晶表示素子、ＤＭＤ型表示素子等の空間光変調器の表面側から照明光を入射させる反射型のものにホログラムカラーフィルターを組み合わせた画像表示装置は提案されていない。
【００１９】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、本出願人の提案に係るホログラムカラーフィルターを用いて照明光を表面側から入射させ、空間光変調器として高分子分散型液晶表示素子、ＤＭＤ型表示素子も利用可能な明るい反射型のカラー画像表示装置を提供することである。
【００２０】
【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画像表示装置は、照明光源と、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と、その集光面近傍に配置された反射層と、前記ホログラムカラーフィルターと前記反射層の間に配置された透過型空間光変調器とからなり、前記透過型空間光変調器で変調され、前記反射層で反射された反射光が、前記反射層の法線に対して角度をなすように構成されていることを特徴とするものである。
【００２１】
この場合、透過型空間光変調器で変調され、反射層で反射された反射光が、反射層の法線に対して角度をなすように構成されていることが望ましい。
また、透過型空間光変調器として、電圧の印加、解除によって白濁状態と透明状態を制御する高分子分散型液晶表示素子を用いることもできる。また、反射層として、分光された色成分を反射するように干渉縞が分布記録された反射型ホログラムを用いることもできる。
【００２３】
なお、この画像表示装置は、反射光を投影光学系によって拡大投影するようにすることもできる。
【００２４】
本発明においては、ホログラムカラーフィルターと透過型空間光変調器と反射層とから画像表示装置を構成し、そのホログラムカラーフィルター側から照明するようにしたので、明るい反射型のカラー画像表示装置を実現することができる。透過型空間光変調器としは通常の液晶表示素子以外に高分子分散型液晶表示素子、ＤＭＤ型表示素子等が利用でき、これらを用いるとより明るいカラー画像表示が可能になる。
【００２５】
【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画像表示装置の実施例について説明する。
図１に、図６に示したようなホログラムカラーフィルターを用いる反射型の画像表示装置の１実施例の模式的断面図を示す。この実施例では、空間光変調器として高分子分散型液晶（ＰＤＬＣ）表示素子３１を用いている。同図において、規則的に画素３１′に区切られたＰＤＬＣ表示素子３１の表側（観察側）にホログラムカラーフィルター５が離間して配置される。ＰＤＬＣ表示素子３１背面にはアルミニウム膜のような反射層３２が配置されている。ＰＤＬＣ表示素子３１の画素３１間には不図示のブラック・マトリックス（図６参照）が配置されている。なお、ホログラムカラーフィルター５と反射層３２の間の距離は、微小ホログラム５′の集光距離（焦点距離）に略等しく選ばれる。
【００２６】
この場合も、ホログラムカラーフィルター５は、ＰＤＬＣ表示素子３１のＲ、Ｇ、Ｂの分色画素の繰り返し周期、すなわち、ＰＤＬＣ表示素子３１の紙面内の方向に隣接する３つの画素３１′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ＰＤＬＣ表示素子３１の紙面内の方向に隣接する３つの画素３１′各組に対応して各々１個ずつ配置されており、各微小ホログラム５′は、ホログラムカラーフィルター５の法線に対して角度θをなして入射する照明光３３の中の緑色の成分の光３４Ｇ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の中心の画素Ｇ近傍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。
【００２７】
このような配置であるので、ホログラムカラーフィルター５の表面側から入射角θで白色照明光３３を入射させると、ホログラムカラーフィルター５により波長分散され、各波長に対する集光位置はホログラムカラーフィルター５面に平行な方向に分散される。その中の、赤の波長成分３４Ｒは赤を表示する画素Ｒの位置の反射層３２の表面近傍に、緑の成分３４Ｇは緑を表示する画素Ｇの位置の反射層３２の表面近傍に、青の成分３４Ｂは青を表示する画素Ｂの反射層３２の表面近傍にそれぞれ回折集光するように、ホログラムカラーフィルター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・マトリックスでほとんど減衰されずに各画素３１′を通過し、反射層３２で反射されて、対応する画素Ｒ、Ｇ、Ｂを裏面側からもう一度透過し、さらにホログラムカラーフィルター５に入射して今度はホログラムカラーフィルター５でほとんど回折されずに透過光３５Ｒ、３５Ｇ、３５Ｂとなり、観察者の眼に入射する。したがって、各色の成分３４Ｒ、３４Ｇ、３４Ｂはそれぞれ赤、緑、青を表示する画素Ｒ、Ｇ、Ｂに入射してそれらの画素の表示状態に応じた強度変調を受けて観察者の眼に達するので、画素Ｒ、Ｇ、Ｂの変調状態の組み合わせによってカラー画像表示が可能になる。
【００２８】
ここで、ＰＤＬＣ表示素子３１は、前記したように、電圧のオン、オフによって白濁状態と透明状態を制御することによって表示を行うもので、偏光板が必要でないため、ＴＮ液晶表示素子等の通常の液晶表示素子より明るい表示が可能である。その上、カラー画像表示のために照明光３３の利用効率が高いホログラムカラーフィルター５を用いるので、より明るいカラー画像表示が可能になる。
【００２９】
また、図１に示したような構成のホログラムカラーフィルター５を用いた画像表示装置を投影画像表示装置として用いることができる。図２はその場合の断面図であり、図１の画像表示装置３０の表面側（ホログラムカラーフィルター５側）に所定の入射角θで、図７の場合と同様な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からの白色平行照明光３３を入射させると、ホログラムカラーフィルター５で分光されＰＤＬＣ表示素子３１で変調された表示光３５は投影レンズ１８の開口内に入射して投影されるため、スクリーン１９上に画像表示装置３０に表示されたカラー画像が拡大結像され、明るいカラー投影像を得ることができる。このとき、表示光３５の射出角が大きい場合は、レンズ、スクリーンは偏心配置してもよい。
【００３０】
図１の場合は、ＰＤＬＣ表示素子３１の背面には単なる反射層３２を配置したので、観察者に達する各色成分３５Ｒ、３５Ｇ、３５Ｂの方向は、図１から明らかなように相互に異なってしまう。そのため、画像表示装置３０に表示された画像を直視する場合には、見る方向により擬似的な色が着く可能性がある。また、これを図２にように投影画像表示装置とする場合には、全ての色成分３５Ｒ、３５Ｇ、３５Ｂを投影レンズ１８に入射するようにするために、投影レンズ１８として口径の大きなものを用いなければならない。
【００３１】
そこで、図３の実施例においては、反射層３２の代わりに反射型ホログラム３６を用いている。その反射型ホログラム３６としては体積位相型ホログラム（リップマンホログラム）を用い、ホログラムカラーフィルター５で分光された赤色回折成分３４Ｒ、緑色回折成分３４Ｇ、青色回折成分３４Ｂがそれぞれが集光する位置近傍の反射型ホログラム３６中の干渉縞３６Ｒ、３６Ｇ、３６Ｂが、それぞれ赤色波長の光、緑色波長の光、青色波長の光のみを反射するように干渉縞３６Ｒ、３６Ｇ、３６Ｂが選択的に三重記録され、かつ、それらの干渉縞３６Ｒ、３６Ｇ、３６Ｂの傾きが、それぞれ上記の赤色回折成分３４Ｒ、緑色回折成分３４Ｇ、青色回折成分３４Ｂを略同一の方向に向かう反射光３５Ｒ、３５Ｇ、３５Ｂとして反射回折するような傾きに構成されている。
【００３２】
したがって、この実施例の場合は、観察者に達する表示光中の各色成分３５Ｒ、３５Ｇ、３５Ｂの方向は略同じであり、画像表示装置３０に表示された画像を直視する際見る方向により擬似的な色が着く可能性は低下すると共に、これを図２のように投影画像表示装置とする場合には、各色成分３５Ｒ、３５Ｇ、３５Ｂの方向が略同じであるので、投影レンズ１８としては口径の小さなものでもよくなる。
【００３３】
図４の実施例は、ホログラムカラーフィルター５の背面側に配置する空間光変調器として図９を用いて説明したデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）３７を用いた例であり、ホログラムカラーフィルター５で分光された赤色回折成分３４Ｒ、緑色回折成分３４Ｇ、青色回折成分３４Ｂがそれぞれが集光する位置近傍にＤＭＤ３７の微小ミラー３８が位置するように、ＤＭＤ３７を配置する。このような配置をとると、図４の場合は、画素ＲとＢの位置が変調を受けているので、反射光３５Ｒ、３５Ｂは所定の方向に反射し、これに対し画素Ｇは変調されていないので、反射光３５Ｇは反射光３５Ｒ、３５Ｂと異なる方向に反射する。したがって、例えば反射光３５Ｒ、３５Ｂの方向から観察することによって、カラー画像が観察でき、明るいカラー画像表示が可能になる。
【００３４】
この実施例も投影画像表示装置として用いることができる。図５にその場合の断面図を示す。照明装置１４からの白色平行照明光３３を画像表示装置３０へ入射させるまでの構成は図２の場合と同様である。図５のＤＭＤ３７を用いる構成では、投影画像を形成する表示光３５の射出角が大きいので、投影レンズ１８とスクリーン１９は画像表示装置３０に対して偏心配置する場合もある。そして、このＤＭＤ３７を用いる場合、画素を構成する微小ミラー３８が変調を受けない場合でも表示光３５と異なる方向へ出る反射光４０（図４の場合は反射光３５Ｇ）が存在するので、これを除去するために、投影レンズ１８の後側焦点近傍にスリット３９を配置してあり、不要反射光４０が投影レンズ１８へ入射しても、表示光３５と方向が異なるので、スリット３９の開口を通過してスクリーン１９に達することができない。したがって、微小ミラー３８で変調を受けて反射方向が変化させられた表示光３５のみがスクリーン１９に達して明るいカラー表示画像を形成する。なお、反対に、表示光３５をスリット３９でブロックし、反射光４０のみを通過させるようにして画像表示することもできる。
【００３５】
以上、本発明のホログラムカラーフィルターを用いた画像表示装置をいくつかの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。例えば、ＰＤＬＣ表示素子の代わりにＴＮ型あるいはスーパーツイストネマチック（ＳＴＮ）型の通常の液晶表示素子等を用いることもできる。
【００３６】
【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画像表示装置によると、ホログラムカラーフィルターと透過型空間光変調器と反射層とから画像表示装置を構成し、そのホログラムカラーフィルター側から照明するようにしたので、明るい反射型のカラー画像表示装置を実現することができる。透過型空間光変調器としは通常の液晶表示素子以外に高分子分散型液晶表示素子、ＤＭＤ型表示素子等が利用でき、これらを用いるとより明るいカラー画像表示が可能になる。
【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を用いる反射型の画像表示装置の１実施例の模式的断面図である。
【図２】図１に示した画像表示装置を用いた投影画像表示装置の断面図である。
【図３】別の実施例の画像表示装置の図１と同様な模式的断面図である。
【図４】さらに別の実施例の画像表示装置の図１と同様な模式的断面図である。
【図５】図４に示した画像表示装置を用いた投影画像表示装置の断面図である。
【図６】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】デジタルマイクロミラーデバイスの構成と作用を説明するための図である。
【符号の説明】
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
１４…照明装置
１５…メタルハライドランプ
１６…放物面鏡
１８…投影レンズ
１９…スクリーン
３０…画像表示装置
３１…高分子分散型液晶（ＰＤＬＣ）表示素子
３１′…画素
３２…反射層
３３…照明光
３４Ｒ、３４Ｇ、３４Ｂ…回折分光成分
３５…表示光
３５Ｒ、３５Ｇ、３５Ｂ…透過光（反射光）
３６…反射型ホログラム
３６Ｒ、３６Ｇ、３６Ｂ…干渉縞
３７…デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）
３８…微小ミラー
３９…スリット
４０…不要反射光
Ｒ、Ｇ、Ｂ…分色画素[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an image display device using a hologram color filter, and in particular, a reflective image display in which a spatial light modulator such as a polymer-dispersed liquid crystal display element or a digital micromirror device type display element is combined with a hologram color filter. Relates to the device.
[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 thewhite 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 hologram color filter will be described with reference to a sectional view of FIG. In the figure, ahologram array 5 constituting a color filter is arranged on thebacklight 3 incident side of a liquidcrystal display element 6 regularly divided into liquid crystal cells 6 '(pixels). On the back surface of the liquidcrystal display element 6, ablack 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 thehologram array 5 and the emission side of the liquidcrystal 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 theblack matrix 4 as in the conventional color liquid crystal display device. You may do it.
[0010]
Thehologram 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 liquidcrystal 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 liquidcrystal 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 thebacklight 3 incident at an angle θ with respect to the normal line of thehologram 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 thewhite backlight 3 incident at an angle θ with respect to the normal line is incident from the surface of thehologram array 5 opposite to the liquidcrystal 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 thehologram 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 thehologram array 5 so as to be diffracted and condensed, each color component passes through each liquid crystal cell 6 'with almost no attenuation in theblack 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 thebacklight 3 on thehologram array 5 is determined by various conditions such as the hologram recording conditions, the thickness of thehologram array 5, and the distance between thehologram array 5 and the liquidcrystal display element 6.
[0012]
As described above, by using thehologram 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]
Further, the liquid crystal display device using the hologram color filter having the configuration as shown in FIG. 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. Can be used as FIG. 7 is a cross-sectional view in that case. The first polarizingplate 12 is disposed close to or integrally with the incident side of thehologram array 5, and the second polarizingplate 13 is disposed close to or integrally with the exit side of the liquidcrystal display element 6. Has been. The color liquid crystal display device 11 is illuminated by the whiteparallel backlight 3 from theillumination device 14 composed of a combination of, for example, ametal halide lamp 15 and aparabolic 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 theprojection lens 18 and magnified on thescreen 19 to obtain a bright projected image.
[0014]
In the liquid crystal display device using the hologram color filter as described above, the liquidcrystal display element 6 including theblack matrix 4 is actually, for example, as shown in a cross section in FIG. It consists of aliquid crystal layer 25 such as twisted nematic sandwiched between twoglass substrates 21, 22, and ablack matrix 4 and a uniformtransparent counter electrode 23 are formed on the inner surface of theglass 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 theliquid crystal layer 25 side of theelectrodes 23 and 24. Then, thehologram color filter 5 or 10 provided on the liquidcrystal display element 6 side surface of the substrate 26 is disposed close to or bonded to theglass substrate 21 on the backlight side, and thepolarizing plate 12 is disposed on the backlight side of the substrate 26. Polarizingplates 13 are attached to the outer surface of the observation-side glass substrate 22 of the liquidcrystal display element 6, respectively. For example, their transmission axes are arranged to be orthogonal to each other. Thepolarizing plate 12 on the backlight side is disposed in the optical path of thebacklight 3 apart from thehologram 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.
[0015]
By controlling the voltage applied between the transparent pixel electrode 24 and thetransparent counter electrode 23 for each pixel of the liquidcrystal display element 6 as described above to change its transmission state, color display is possible.
[0016]
On the other hand, a polymer dispersed liquid crystal (PDCL) display element has been proposed as a liquid crystal display element. This is to display by controlling the white turbid state and the transparent state by turning on and off the voltage, and since a polarizing plate is not used unlike conventional liquid crystal display elements such as twisted nematic (TN) liquid crystal, a bright display is achieved. (See “Flat Panel Display” '91, pp. 214-224). Such a liquid crystal is composed of a polymer / liquid crystal composite film, and there are a liquid crystal phase separated into droplets in the polymer and a liquid crystal continuous phase. .
[0017]
Also, a digital micromirror device (DMD) has been proposed as a display element capable of two-dimensional display by deforming a minute mirror. As shown in the perspective view of FIG. 9A, a minute mirror M corresponding to each pixel is two-dimensionally arranged, and a mirror M ′ at a predetermined address is tilted about a diagonal line as a mirror. A two-dimensional pattern is displayed by reflecting light incident on M ′ from a certain direction in a different direction from the non-tilt mirror (“IEEE Spectrum Vol.30, No.11, pp”). 9 (b) shows the support driving structure of each mirror M. Each of the mirrors M is a pair of support posts P standing on the silicon substrate S at one diagonal corner. By applying a voltage to one of the pair of electrodes E provided on the substrate S on the back side of the mirror M, the diagonal line between the hinges T is axially rotated by an electrostatic force. Thus, the surface of the mirror M is rotated.
[0018]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, the image display device using the above-described hologram color filter according to the proposal of the present applicant is based on the assumption that a normal liquid crystal display element such as a TN liquid crystal is used, and the backlight is incident from the back side. It was configured as a transmission type. However, no image display device has been proposed in which a hologram type color filter is combined with a reflective type in which illumination light is incident from the surface side of a spatial light modulator such as a polymer dispersion type liquid crystal display element or DMD type display element.
[0019]
The present invention has been made in view of such a situation, and an object of the present invention is to make illumination light incident from the surface side using a hologram color filter according to the applicant's proposal and to disperse a polymer as a spatial light modulator. It is an object to provide a bright reflective color image display device that can use a liquid crystal display device and a DMD display device.
[0020]
[Means for Solving the Problems]
An image display device using the hologram color filter of the present invention that achieves the above object comprises an illumination light source and an array of element condensing holograms, each of the element condensing holograms being normal to the hologram recording surface. A hologram color filter for dispersing the wavelength of white light incident at a predetermined angle in a direction substantially along the hologram recording surface, a reflection layer disposed in the vicinity of the light collection surface, the hologram color filter, A transmissive spatial light modulator disposed between the reflective layers, and the reflected light modulated by the transmissive spatial light modulator and reflected by the reflective layer is at an angle with respect to the normal of the reflective layer It is characterized by comprising.
[0021]
In this case, it is desirable that the reflected light modulated by the transmissive spatial light modulator and reflected by the reflective layer is configured to form an angle with respect to the normal line of the reflective layer.
Further, as the transmissive spatial light modulator, a polymer dispersion type liquid crystal display element that controls a white turbid state and a transparent state by applying and releasing a voltage can be used. In addition, a reflection hologram in which interference fringes are distributed and recorded so as to reflect the dispersed color components can also be used as the reflection layer.
[0023]
Note that this image display apparatus can also project the reflected light in an enlarged manner by the projection optical system.
[0024]
In the present invention, an image display device is composed of a hologram color filter, a transmissive spatial light modulator, and a reflective layer, and illumination is performed from the hologram color filter side, thereby realizing a bright reflective color image display device. can do. As the transmissive spatial light modulator, in addition to a normal liquid crystal display element, a polymer dispersion type liquid crystal display element, a DMD type display element, or the like can be used, and by using these, a brighter color image display becomes possible.
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Examples of image display devices using the hologram color filter of the present invention will be described below.
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of one embodiment of a reflection type image display apparatus using a hologram color filter as shown in FIG. In this embodiment, a polymer dispersed liquid crystal (PDLC)display element 31 is used as a spatial light modulator. In the figure, thehologram color filter 5 is spaced apart from the front side (observation side) of thePDLC display element 31 that is regularly divided intopixels 31 ′. Areflective layer 32 such as an aluminum film is disposed on the back surface of thePDLC display element 31. A black matrix (not shown) (see FIG. 6) is arranged between thepixels 31 of thePDLC display element 31. The distance between thehologram color filter 5 and thereflective layer 32 is selected to be approximately equal to the condensing distance (focal length) of theminute hologram 5 ′.
[0026]
Also in this case, thehologram color filter 5 has a repetition period of the R, G, and B color separation pixels of thePDLC display element 31, that is, each set of three pixels 31 'adjacent in the direction of thePDLC display element 31 in the drawing. Corresponding to the repetitive pitch, the micro holograms 5 'are arranged in the form of an array, and the micro holograms 5' are arranged in groups of three pixels 31 'adjacent to each other in the direction of the paper surface of thePDLC display element 31. Correspondingly, one micro-hologram 5 ′ is arranged, and each micro-hologram 5 ′ receives the green component light 34G in theillumination light 33 incident at an angle θ with respect to the normal line of thehologram color filter 5, It is formed in a Fresnel zone plate shape so as to be condensed in the vicinity of the pixel G at the center of the three color separation pixels R, G, B corresponding to the minute hologram 5 '. 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.
[0027]
With this arrangement, when thewhite illumination light 33 is incident at an incident angle θ from the surface side of thehologram color filter 5, the wavelength is dispersed by thehologram color filter 5, and the condensing position for each wavelength is the surface of thehologram color filter 5. It is distributed in the direction parallel to. Among them, thered wavelength component 34R is near the surface of thereflective layer 32 at the position of the pixel R that displays red, and the green component 34G is near the surface of thereflective layer 32 at the position of the pixel G that displays green. By arranging thehologram color filter 5 so that thecomponents 34B are diffracted and condensed near the surface of thereflection layer 32 of the pixel B that displays blue, the respective color components are hardly attenuated by the black matrix. Are passed through eachpixel 31 ′, reflected by thereflective layer 32, and again transmitted through the corresponding pixels R, G, and B from the back side, and further incident on thehologram color filter 5. Without being diffracted, it becomes transmitted light 35R, 35G, and 35B, and enters the observer's eyes. Accordingly, thecomponents 34R, 34G, and 34B of the respective colors enter the pixels R, G, and B that display red, green, and blue, respectively, undergo intensity modulation according to the display state of those pixels, and reach the observer's eyes. Therefore, a color image can be displayed by combining the modulation states of the pixels R, G, and B.
[0028]
Here, as described above, thePDLC display element 31 performs display by controlling the white turbid state and the transparent state by turning on and off the voltage, and since a polarizing plate is not necessary, a normal TN liquid crystal display element or the like is used. Brighter display than that of the liquid crystal display element is possible. In addition, since thehologram color filter 5 with high utilization efficiency of theillumination light 33 is used for color image display, brighter color image display is possible.
[0029]
Further, an image display device using thehologram color filter 5 having the configuration as shown in FIG. 1 can be used as a projection image display device. FIG. 2 is a cross-sectional view in that case. For example, ametal halide lamp 15 and a parabola similar to those in FIG. 7 at a predetermined incident angle θ on the surface side (hologram color filter 5 side) of theimage display device 30 in FIG. When the white parallel illumination light 33 from the illuminatingdevice 14 composed of the combination of the surface mirrors 16 is incident, thedisplay light 35 that is split by thehologram color filter 5 and modulated by thePDLC display element 31 enters the aperture of theprojection lens 18. Therefore, the color image displayed on theimage display device 30 is enlarged and formed on thescreen 19, and a bright color projection image can be obtained. At this time, when the emission angle of thedisplay light 35 is large, the lens and the screen may be eccentrically arranged.
[0030]
In the case of FIG. 1, since the simplereflective layer 32 is disposed on the back surface of thePDLC display element 31, the directions of thecolor components 35R, 35G, and 35B reaching the viewer are different from each other as is apparent from FIG. . Therefore, when the image displayed on theimage display device 30 is directly viewed, a pseudo color may be obtained depending on the viewing direction. When this is a projection image display device as shown in FIG. 2, in order to make all thecolor components 35R, 35G, and 35B enter theprojection lens 18, aprojection lens 18 having a large aperture is used. Must be used.
[0031]
Therefore, in the embodiment of FIG. 3, areflection hologram 36 is used instead of thereflection layer 32. As thereflection hologram 36, a volume phase hologram (Lippmann hologram) is used, and reflection near the position where thered diffraction component 34R, the green diffraction component 34G, and theblue diffraction component 34B dispersed by thehologram color filter 5 are condensed. Theinterference fringes 36R, 36G, 36B are selectively triple-recorded so that theinterference fringes 36R, 36G, 36B in themold hologram 36 reflect only the red wavelength light, the green wavelength light, and the blue wavelength light, respectively. In addition, the inclinations of theinterference fringes 36R, 36G, and 36B are reflected and diffracted as reflected light 35R, 35G, and 35B directed to thered diffraction component 34R, the green diffraction component 34G, and theblue diffraction component 34B in substantially the same direction, respectively. It is configured with such an inclination.
[0032]
Therefore, in the case of this embodiment, the directions of thecolor components 35R, 35G, and 35B in the display light reaching the observer are substantially the same, and are more pseudo depending on the viewing direction when directly viewing the image displayed on theimage display device 30. When the projection image display apparatus shown in FIG. 2 is used as the projection image display device, the direction of thecolor components 35R, 35G, and 35B is substantially the same. Even small ones will be better.
[0033]
The embodiment of FIG. 4 is an example in which the digital micromirror device (DMD) 37 described with reference to FIG. 9 is used as a spatial light modulator disposed on the back side of thehologram color filter 5. TheDMD 37 is arranged so that themicro mirror 38 of theDMD 37 is positioned near the position where thered diffraction component 34R, the green diffraction component 34G, and theblue diffraction component 34B are condensed. In this arrangement, in the case of FIG. 4, the positions of the pixels R and B are modulated, so that the reflectedlights 35R and 35B are reflected in a predetermined direction, while the pixel G is modulated. Therefore, the reflectedlight 35G is reflected in a different direction from the reflectedlights 35R and 35B. Therefore, for example, by observing from the direction of the reflected light 35R and 35B, a color image can be observed, and a bright color image can be displayed.
[0034]
This embodiment can also be used as a projection image display device. FIG. 5 shows a cross-sectional view in that case. The configuration until the white parallel illumination light 33 from theillumination device 14 is incident on theimage display device 30 is the same as in the case of FIG. In the configuration using theDMD 37 in FIG. 5, theprojection lens 18 and thescreen 19 may be eccentrically arranged with respect to theimage display device 30 because the emission angle of thedisplay light 35 that forms the projection image is large. When thisDMD 37 is used, reflected light 40 (reflected light 35G in the case of FIG. 4) exits in a different direction from thedisplay light 35 even when theminute mirror 38 constituting the pixel is not modulated. In order to remove theslit 39, theslit 39 is disposed in the vicinity of the rear focal point of theprojection lens 18. Even if the unnecessary reflected light 40 is incident on theprojection lens 18, the direction of theslit 39 is different. Cannot pass through to screen 19 Therefore, only thedisplay light 35 whose reflection direction is changed by being modulated by themicromirror 38 reaches thescreen 19 and forms a bright color display image. On the contrary, it is also possible to display an image by blocking thedisplay light 35 by theslit 39 and allowing only the reflected light 40 to pass.
[0035]
As described above, the image display apparatus using the hologram color filter of the present invention has been described based on several embodiments. However, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications can be made. For example, a normal liquid crystal display element of a TN type or a super twist nematic (STN) type can be used instead of the PDLC display element.
[0036]
【The invention's effect】
As is apparent from the above description, according to the image display device using the hologram color filter of the present invention, the image display device is constituted by the hologram color filter, the transmissive spatial light modulator, and the reflective layer, and the hologram color filter Since the illumination is performed from the side, a bright reflective color image display device can be realized. As the transmissive spatial light modulator, in addition to a normal liquid crystal display element, a polymer dispersion type liquid crystal display element, a DMD type display element, or the like can be used, and by using these, a brighter color image display becomes possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of one embodiment of a reflection type image display apparatus using a hologram color filter of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view of a projection image display device using the image display device shown in FIG.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view similar to FIG. 1 of an image display apparatus according to another embodiment.
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view similar to FIG. 1 of an image display apparatus of still another embodiment.
5 is a cross-sectional view of a projection image display apparatus using the image display apparatus shown in FIG.
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of a liquid crystal display device using a hologram color filter.
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 for explaining the configuration and operation of a digital micromirror device.
[Explanation of symbols]
5. Hologram array (hologram color filter)
5 '...micro hologram 14 ...illumination device 15 ...metal halide lamp 16 ...parabolic mirror 18 ...projection lens 19 ...screen 30 ...image display device 31 ... polymer dispersed liquid crystal (PDLC) display element 31' ...pixel 32 ...reflection Layer 33 ...Illumination light 34R, 34G, 34B ... Diffractionspectral component 35 ... Display light 35R, 35G, 35B ... Transmitted light (reflected light)
36:reflection holograms 36R, 36G, 36B ...interference fringes 37 ... digital micromirror device (DMD)
38 ...Minute mirror 39 ... Slit 40 ... Unnecessary reflected light R, G, B ... Color separation pixels

Claims

Translated fromJapanese

照明光源と、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と、その集光面近傍に配置された反射層と、前記ホログラムカラーフィルターと前記反射層の間に配置された透過型空間光変調器とからなり、前記透過型空間光変調器で変調され、前記反射層で反射された反射光が、前記反射層の法線に対して角度をなすように構成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を用いた画像表示装置。A direction consisting of an illumination light source and an array of condensing element holograms, in which each element condensing hologram emits white light incident at a predetermined angle with respect to the normal line of the hologram recording surface. a hologram color filter that splits by wavelength dispersion,Ri Do from its condensing surface vicinity disposed reflective layer, and the hologram color filter and arranged transmissive spatial light modulator between the reflectivelayer, Use of a hologram color filter characterizedin that the reflected light modulated by the transmissive spatial light modulator and reflected by the reflective layer forms an angle with respect to the normal of the reflective layer Image display device.

前記透過型空間光変調器として、電圧の印加、解除によって白濁状態と透明状態を制御する高分子分散型液晶表示素子を用いた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画像表示装置。As the transmission type spatial light modulator, the application of a voltage, using a hologram color filter according to claim1, characterized by using a polymer dispersed liquid crystal display device controls the opaque state and a transparent state by releasing image Display device.

前記反射層として、分光された色成分を反射するように干渉縞が分布記録された反射型ホログラムを用いた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画像表示装置。Examples reflective layer, an image display device using a hologram color filter according to claim 1or 2 characterized by using a reflection-type hologram interference fringes are distributed recorded to reflect the spectral color components.

反射光を投影光学系によって拡大投影するようになっていることを特徴とする請求項１から３の何れか１項記載のホログラムカラーフィルターを用いた画像表示装置。An image display device using a hologram color filter according to any one of claims 1 to3, characterized in that it is adapted to enlarge and project the reflected light by the projection optical system.