(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
透過型の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において、
前記要素集光性ホログラムは、２枚のホログラムが重畳あるいは多重記録されてなるものであり、前記の所定の角度をなして入射する白色光に対して、各ホログラムによる波長分散の空間的な波長分布は相互に略一致しており、かつ、回折効率のピーク波長が相互に異なっていることを特徴とするホログラムカラーフィルター。
【請求項２】
前記の重畳あるいは多重記録されたホログラムそれぞれの回折効率のピーク波長での集光距離が相互に略同じであることを特徴とする請求項１記載のホログラムカラーフィルター。
【請求項３】
平行で一様な干渉縞からなる透過型のホログラム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と要素集光性レンズの複合体各々が、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において、
前記の平行で一様な干渉縞からなるホログラムは、２枚のホログラムが重畳あるいは多重記録されてなるものであり、前記の所定の角度をなして入射する白色光に対して、各ホログラムによる波長分散の空間的な波長分布は相互に略一致しており、かつ、回折効率のピーク波長が相互に異なっていることを特徴とするホログラムカラーフィルター。
【請求項４】
前記の重畳あるいは多重記録されたホログラムによる波長分散の空間的な波長分布が中心波長の主光線間の角度で１°以上ずれ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。
【請求項５】
画素間にブラック・マトリックスを配置したカラー液晶表示装置に用いることを特徴とする請求項１から４の何れか１項記載のホログラムカラーフィルター。
【請求項６】
透過型の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であって、前記要素集光性ホログラムは、２枚のホログラムが重畳あるいは多重記録されてなるものであり、前記の所定の角度をなして入射する白色光に対して、各ホログラムによる波長分散の空間的な波長分布は相互に略一致しており、かつ、回折効率のピーク波長が相互に異なっているホログラムカラーフィルターの作製方法において、
前記ピーク波長の１つと同じ波長の光を用いて、再生時の白色光と同じ入射角で入射する参照光と、その波長の光が再生時に集光する点に向かって集光して行く物体光とを同時にホログラム感光材料に入射させて第１のホログラムを記録し、時間的に同時あるいは順次、前記ピーク波長の別の１つと同じ波長の光を用いて、同様に第２のホログラムを記録することを特徴とするホログラムカラーフィルターの作製方法。
【請求項７】
前記の各ピーク波長における物体光を、同一計算機ホログラムに再生時の白色光と同じ入射角で入射させた再生照明光の前記計算機ホログラムによる回折光として発生させ、前記の各ピーク波長における参照光を前記再生照明光の前記計算機ホログラムの直進透過光として発生させることを特徴とする請求項６記載のホログラムカラーフィルターの作製方法。
【請求項８】
作製された２枚のホログラムが重畳あるいは多重記録されてなるアレーを計算機ホログラムの代わりに用い、同様にして物体光と参照光を発生させることにより、同様の記録を２回行うことを特徴とする請求項７記載のホログラムカラーフィルターの作製方法。
【請求項９】
透過型の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であって、前記要素集光性ホログラムは、２枚のホログラムが重畳あるいは多重記録されてなるものであり、前記の所定の角度をなして入射する白色光に対して、各ホログラムによる波長分散の空間的な波長分布は相互に略一致しており、かつ、回折効率のピーク波長が相互に異なっているホログラムカラーフィルターの作製方法において、
所定波長の光を用いて、再生時の白色光の入射角と異なる第１の角度で入射する参照光と、その波長の光が再生時に集光する点に向かって集光して行く物体光とを同時にホログラム感光材料に入射させて第１のホログラムを記録し、時間的に同時あるいは順次、前記の所定波長の光を用いて、再生時の白色光の入射角と異なり、前記第１の角度と異なる第２の角度で入射する参照光と、その波長の光が再生時に集光する点に向かって集光して行く物体光とを同時にホログラム感光材料に入射させて第２のホログラムを記録することを特徴とするホログラムカラーフィルターの作製方法。
【請求項１０】
透過型の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であって、前記要素集光性ホログラムは、２枚のホログラムが重畳あるいは多重記録されてなるものであり、前記の所定の角度をなして入射する白色光に対して、各ホログラムによる波長分散の空間的な波長分布は相互に略一致しており、かつ、回折効率のピーク波長が相互に異なっているホログラムカラーフィルターの作製方法において、
第１の波長の光を用いて、再生時の白色光の入射角と異なる第１の角度で入射する参照光と、その波長の光が再生時に集光する点に向かって集光して行く物体光とを同時にホログラム感光材料に入射させて第１のホログラムを記録し、時間的に同時あるいは順次、前記第１の波長と異なる第２の波長の光を用いて、再生時の白色光の入射角と異なり、前記第１の角度と異なる第２の角度で入射する参照光と、その波長の光が再生時に集光する点に向かって集光して行く物体光とを同時にホログラム感光材料に入射させて第２のホログラムを記録することを特徴とするホログラムカラーフィルターの作製方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ホログラムカラーフィルター及びその作製方法に係わり、特に、回折効率の波長依存性をより少なくして、Ｒ、Ｇ、Ｂ３色のカラーバランスを補正した液晶表示装置用のホログラムカラーフィルター及びその作製方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
カラー液晶表示装置用のカラーフィルターとして、従来の波長吸収型のものと比較して、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へ入射でき、バックライトの利用効率を大幅に向上させるものとして、本出願人は、特願平５−１２１７０号等において、ホログラムカラーフィルターを提案した。その構成には２つのタイプがあり、第１のタイプは、偏心したフレネルゾーンプレート状の微小ホログラムアレーからなるものである。第２のタイプは、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れに重畳したマイクロレンズアレーとからなるものである。以下、簡単にこれらのホログラムカラーフィルターについて説明する。
【０００３】
図１１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入射側にこのホログラム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。
【０００４】
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。
【０００５】
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面に略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。
【０００６】
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。
【０００７】
図１２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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
【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。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。
【００１１】
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、回折効率の波長依存性をより少なくして、Ｒ、Ｇ、Ｂ３色のカラーバランスを補正したホログラムカラーフィルター及びその作製方法を提供することである。
【００１２】
【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は、透過型の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において、前記要素集光性ホログラムは、２枚のホログラムが重畳あるいは多重記録されてなるものであり、前記の所定の角度をなして入射する白色光に対して、各ホログラムによる波長分散の空間的な波長分布は相互に略一致しており、かつ、回折効率のピーク波長が相互に異なっていることを特徴とするものである。
【００１３】
この場合、重畳あるいは多重記録されたホログラムそれぞれの回折効率のピーク波長での集光距離が相互に略同じであることが望ましい。
【００１４】
本発明のもう１つのホログラムカラーフィルターは、平行で一様な干渉縞からなる透過型のホログラム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と要素集光性レンズの複合体各々が、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において、前記の平行で一様な干渉縞からなるホログラムは、２枚のホログラムが重畳あるいは多重記録されてなるものであり、前記の所定の角度をなして入射する白色光に対して、各ホログラムによる波長分散の空間的な波長分布は相互に略一致しており、かつ、回折効率のピーク波長が相互に異なっていることを特徴とするものである。
【００１５】
これらホログラムカラーフィルターの重畳あるいは多重記録されたホログラムによる波長分散の空間的な波長分布が中心波長の主光線間の角度で１°以上ずれていることが望ましい。
【００１６】
また、これらのホログラムカラーフィルターは、画素間にブラック・マトリックスを配置したカラー液晶表示装置に用いることが好適である。
【００１７】
このようなホログラムカラーフィルターの作製方法としては、ピーク波長の１つと同じ波長の光を用いて、再生時の白色光と同じ入射角で入射する参照光と、その波長の光が再生時に集光する点に向かって集光して行く物体光、あるいは、その波長の光が再生時に回折される方向に向かって行く物体光とを同時にホログラム感光材料に入射させて第１のホログラムを記録し、時間的に同時あるいは順次、ピーク波長の別の１つと同じ波長の光を用いて、同様に第２のホログラムを記録することを特徴とする方法である。
【００１８】
この場合、各ピーク波長における物体光を、同一計算機ホログラムに再生時の白色光と同じ入射角で入射させた再生照明光の計算機ホログラムによる回折光として発生させ、各ピーク波長における参照光を再生照明光の計算機ホログラムの直進透過光として発生させることができる。なお、その場合、作製された２枚のホログラムが重畳あるいは多重記録されてなるアレーを計算機ホログラムの代わりに用い、同様にして物体光と参照光を発生させることにより、同様の記録を複数回行うようにすることもできる。
【００１９】
このようなホログラムカラーフィルターの別の作製方法としては、所定波長の光を用いて、再生時の白色光の入射角と異なる第１の角度で入射する参照光と、その波長の光が再生時に集光する点に向かって集光して行く物体光とを同時にホログラム感光材料に入射させて第１のホログラムを記録し、時間的に同時あるいは順次、前記の所定波長の光を用いて、再生時の白色光の入射角と異なり、前記第１の角度と異なる第２の角度で入射する参照光と、その波長の光が再生時に集光する点に向かって集光して行く物体光とを同時にホログラム感光材料に入射させて第２のホログラムを記録することを特徴とする方法である。
【００２０】
このようなホログラムカラーフィルターのさらに別の作製方法としては、第１の波長の光を用いて、再生時の白色光の入射角と異なる第１の角度で入射する参照光と、その波長の光が再生時に集光する点に向かって集光して行く物体光とを同時にホログラム感光材料に入射させて第１のホログラムを記録し、時間的に同時あるいは順次、前記第１の波長と異なる第２の波長の光を用いて、再生時の白色光の入射角と異なり、前記第１の角度と異なる第２の角度で入射する参照光と、その波長の光が再生時に集光する点に向かって集光して行く物体光とを同時にホログラム感光材料に入射させて第２のホログラムを記録することを特徴とする方法である。
【００２１】
本発明においては、ホログラムカラーフィルターを構成する透過型の要素集光性ホログラム、あるいは、平行で一様な干渉縞からなる透過型のホログラムを、２枚のホログラムが重畳あるいは多重記録されてなるもので構成し、所定の角度をなして入射する白色光に対して、各ホログラムによる波長分散の空間的な波長分布は相互に略一致しており、かつ、回折効率のピーク波長が相互に異なっているようにしているので、２枚のホログラムの合成の回折効率分布は、単一のもので構成する場合よりも、例えば広くなだらかにできるので、カラーバランスを良好にとることができる。また、ブラック・マトリックスの開口部パターンの形状、光源の分光スペクトル分布等によって崩れたカラーバランスを任意に制御することもでき、簡単な構成でカラーバランスを補正して最適な色再現を行うことができる。
【００２２】
【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の原理とその作製方法の実施例について説明する。
図１を参照にして本発明によるホログラムカラーフィルターの原理を説明すると、この図で考えているホログラムカラーフィルターは、図１１の微小ホログラムアレーからなるホログラムカラーフィルターに対応するもので、図１２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それに重畳したマイクロレンズアレーからなるホログラムカラーフィルターにも本発明は同様に適用できることは以下の説明から明らかになろう。
【００２３】
図１（ａ）において、本発明のホログラムカラーフィルターにおいて、ホログラムアレー５を構成する微小ホログラム５′は、図１１の場合のように単一の集光性ホログラムからなるのではなく、２枚の集光性ホログラム５１、５２を重畳あるいは１つの感光材料中に多重記録してなるもので、図１（ａ）の場合及び以下の説明は、図示の分かりやすさと説明のしやすさから、２枚の集光性ホログラム５１、５２を重畳して描いた場合であるが、２枚の集光性ホログラム５１、５２を１つの感光材料中に多重記録した場合でも、以下の説明は同様である。
【００２４】
図１１の場合と同様に、微小ホログラム５′が単一の集光性ホログラムからなっている場合に、微小ホログラム５′に入射角θで入射する白色のバックライト３は、図１（ｂ）に示すような空間的な波長分布で、微小ホログラム５′に略平行な方向に分散集光される。そして、その波長に依存した回折効率分布は、図１（ｂ）に破線で示すように山形の形状をなし、回折効率のピーク波長は、例えば５４５ｎｍである。このように、回折効率分布は、回折理論自身からまたホログラムに厚さがあるため、実際には、図１（ｂ）に示すように、波長に応じてその回折効率が異なってしまい、Ｇ色領域に回折効率のピーク波長が位置するようにすると、Ｒ色領域及びＢ色領域の回折効率がＧ色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。
【００２５】
これに対して、本発明のホログラムカラーフィルターにおいては、微小ホログラム５′に同じ入射角θで入射する白色のバックライト３に対し、一方の集光性ホログラム５１の回折効率のピーク波長は例えば４９０ｎｍになるように設定されており、他方の集光性ホログラム５２の回折効率のピーク波長は例えば６００ｎｍになるように設定されている（図１（ｂ）の実線の２つの山形）。しかも、それらピーク波長の集光位置は、微小ホログラム５′が単一の集光性ホログラムからなっている場合の対応する波長の光が集光する位置に、少なくとも微小ホログラム５′の面に沿う方向において、略一致するように設定されている。なお、実際には、微小ホログラム５′が単一の集光性ホログラムからなっている場合には、微小ホログラム５′からの集光距離（焦点距離）は波長に応じて若干異なるが（波長が長いと焦点距離は短く、波長が短いと焦点距離は長くなる。）、ホログラム５１、５２それぞれの回折効率のピーク波長でのそれぞれの焦点距離は相互に略同じになるように設定することが望ましい。
【００２６】
以上のように、重畳あるいは多重記録されている各ホログラム５１、５２による波長分散の空間的な波長分布は相互に略一致しており、回折効率のピーク波長が相互に異なっている。このような２枚のホログラム５１、５２が重畳あるいは多重記録されてなる微小ホログラム５′に同じ入射角θで白色のバックライト３を入射させると、回折分散光の空間的な波長分布と回折効率分布は、図１（ｂ）に一点鎖線で示すようになり、その分布の頂上部の広さは、図１（ｂ）に破線で示す分布の頂上部の広さより広くなる。したがって、Ｒ色領域及びＢ色領域の回折効率はＧ色領域に比較して余り低下せず、Ｒ、Ｇ、Ｂの３色における強度が略同じになり、カラー表示を行う際にカラーバランスが補正されることになる。なお、重畳あるいは多重記録するホログラムの枚数（回折効率のピーク波長の数と一致する枚数）としては、２枚に限らず、３枚以上であってもよく、その場合も、各ホログラムによる波長分散の空間的な波長分布を相互に略一致するようにし、かつ、回折効率のピーク波長が相互に異なるようにして、全体としての回折効率の波長依存性をより少なくすることができる。
【００２７】
このような複数のホログラム５１、５２が重畳あるいは多重記録されてなる微小ホログラム５′を作製するには、３つの方法がある。簡単のために多重記録の場合を例にあげて説明すると、分かりやすい方の方法としては、ホログラム感光材料の膨張収縮がないものとして、図２（ａ）に示すように、再生時の微小ホログラム５′の位置に配置したホログラム感光材料２０に、まず、一方のピーク波長（上記の例では、例えば４９０ｎｍ）と同じ波長で再生時のバックライト３と同じ入射角θで入射する参照光Ｒ1 と、その波長の光が再生時に集光する点Ｃ1 に向かって集光して行く物体光Ｏ1 とを同時に入射させて第１のホログラム５１を記録し、次いで、図２（ｂ）に示すように、他方のピーク波長（上記の例では、例えば６００ｎｍ）と同じ波長で再生時のバックライト３と同じ入射角θで入射する参照光Ｒ2 と、その波長の光が再生時に集光する点Ｃ2 に向かって集光して行く物体光Ｏ2 とを同時に入射させて第２のホログラム５２を記録すればよい。３枚以上のホログラムを記録する場合も同様である。
【００２８】
上記図２の作製方法の変形として、微小ホログラム５′と同様に、図１（ｂ）に示したような空間的な波長分布（ピーク波長が例えば５４５ｎｍ付近にある。）で白色バックライトを分散集光される単一の計算機ホログラム（ＣＧＨ：Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  Ｇｅｎｅｒａｔｅｄ  Ｈｏｌｏｇｒａｍ）２１を作製する。これは、上記のような分散集光機能のホログラム干渉縞を計算機によって計算し、例えば電子線レジストを塗布したガラス基板上へ電子ビームによってその干渉縞を描画し、現像して、レリーフ型のＣＧＨ２１として作製される。そして、図３に示すように、このようにして作製されたＣＧＨ２１のレリーフ面上にホログラム感光材料２０を密着させるか若干ギャップをおいて重ね合わせ、ＣＧＨ２１側から図１のバックライト３に相当する角度θで、回折効率のピーク波長（上記の例では、例えば４９０ｎｍと６００ｎｍ）と同じ複数の波長を含む再生照明光２２を入射させると、この再生照明光２２中の一方の波長（上記の例では、例えば４９０ｎｍ）の光は、ＣＧＨ２１で回折されて点Ｃ1 に向かって集光して行く物体光Ｏ1 となり、この再生照明光２２中の他方の波長（上記の例では、例えば６００ｎｍ）の光は、ＣＧＨ２１で回折されて点Ｃ2 に向かって集光して行く物体光Ｏ2 となる。また、再生照明光２２の一部はＣＧＨ２１を直進透過して直進透過光２３となり、ホログラム感光材料２０中で、物体光Ｏ1 は直進透過光２３の一方の波長の成分と干渉し、物体光Ｏ2 は他方の波長成分と干渉して、それぞれ第１のホログラム５１、第２のホログラム５２を多重記録することになる。回折効率のピーク波長が３つ以上の場合も同様である。また、上記では、再生照明光２２として回折効率のピーク波長と同じ複数の波長を同時に含む光を用いたが、各波長単独で順に照明して各ホログラムを順次同じホログラム感光材料２０に多重記録するか、あるいは別のホログラム感光材料２０に別々に記録して重畳化してもよい。
【００２９】
なお、このような複製により得られたホログラムをそのままホログラムカラーフィルター５として用いてもよいが、この複製ホログラムを原版として用い、この原版を図３のＣＧＨ２１の代わりに配置して同様に複製することによってホログラムカラーフィルター５とすることが望ましい。このように、ＣＧＨ２１から同様な複製を２度以上繰り返してホログラムカラーフィルター５を得る場合は、最後の複製以外の複製の段階では、ホログラム感光材料２０として体積位相型のホログラム感光材料を用いることが、次の複製を効率的に行わせる上で望ましい。
【００３０】
複数のホログラム５１、５２が重畳あるいは多重記録されてなる微小ホログラム５′を作製するもう一つの方法としては、両ピーク波長（上記の例では、４９０ｎｍと６００ｎｍ）間の何れかの１つの波長（例えば、５４５ｎｍ）の光を共通に用いて２つのホログラム５１、５２を多重記録する方法である。この方法は、図４に示すように、再生時のバックライト３の入射角θに対して所定の角度δ1 大きな入射角で、再生時の微小ホログラム５′の位置に配置したホログラム感光材料２０に参照光Ｒ1 （一点鎖線）を入射させ、同時に入射させる物体光としては、その波長（例えば、５４５ｎｍ）の光が再生時に集光する点Ｃに向かって集光して行く物体光Ｏ（破線）を用いてホログラム５１を記録し、次いで、再生時のバックライト３の入射角θに対して所定の角度δ2 小さな入射角でホログラム感光材料２０に参照光Ｒ2 （二点鎖線）を入射させ、同時に入射させる物体光としては、上記と同様にその波長（例えば、５４５ｎｍ）の光が再生時に集光する点Ｃに向かって集光して行く物体光Ｏ（破線）を用いてホログラム５２を記録する方法である。
【００３１】
このように、両ピーク波長間の何れかの１つの波長の光を共通に用いて２つのホログラムを多重記録する場合、参照光Ｒ1 で記録されたホログラム５１に入射角θで白色バックライト３を入射させると、ホログラム５１の最も回折効率が高くなる波長は記録時の波長よりより短波長側にずれ、そのずれた波長の集光位置は図４の点Ｃより左側にずれるようになる。すなわち、このホログラム５１は図２（ａ）で記録したホログラム５１と同様なものになる。他方、参照光Ｒ2 で記録されたホログラム５２に入射角θで白色バックライト３を入射させると、ホログラム５２の最も回折効率が高くなる波長は記録時の波長よりより長波長側にずれ、そのずれた波長の集光位置は図４の点Ｃより右側にずれるようになる。すなわち、このホログラム５２は図２（ｂ）で記録したホログラム５２と同様なものになる。このことは、記録されるホログラム干渉縞として厚さの薄いブラッグ格子を考えれば簡単に説明できる。なお、図２と図４の方法で記録されるホログラム５１、５２の空間的な波長分布が同じになるには、再生時の両ピーク波長の主光線の間のなす角をφとする（図１）場合に、記録時の参照光の入射角のずれの和（δ1 ＋δ2 ）をφに略等しく設定する必要がある。また、記録時の波長が両ピーク波長の中間の波長である場合には、δ1 ＝δ2 ＝φ／２に設定できる。なお、この方法による場合も、異なる３つ以上の回折効率のピーク波長に対して３枚以上のホログラムを同様の原理で記録することができる。
【００３２】
ところで、図４に関する以上の説明で、両ホログラム５１、５２記録時の物体光は同じ光束Ｏ（破線）としたが、ホログラム５１の最も回折効率が高くなる波長はより短波長側にずれ、そのずれた波長の集光位置は図４の点Ｃより左側にずれると共に、ホログラム５１（ホログラム感光材料２０）よりより離れた点に集光することになる。これとは逆に、ホログラム５２の最も回折効率が高くなる波長はより長波長側にずれ、そのずれた波長の集光位置は図４の点Ｃより右側にずれると共に、ホログラム５２（ホログラム感光材料２０）により近い点に集光することになる。したがって、ホログラム５１、５２それぞれの回折効率のピーク波長でのそれぞれの焦点距離を相互に略同じするには、ホログラム５１記録時の物体光Ｏ1 としては、点Ｃよりホログラム感光材料２０により近い点Ｃ1'に集光する光束を、逆に、ホログラム５２記録時の物体光Ｏ2 としては、ホログラム感光材料２０に対し点Ｃよりより離れた点Ｃ2'に集光する光束をそれぞれ用いればよい。
【００３３】
さて、図４の方法で複数のホログラムを記録するには、それぞれのホログラムを記録するのに同じ波長の光を用いるため、同時に多重露光により作製することはできない。その理由は、参照光Ｒ1 とＲ2 と、物体光Ｏ1 とＯ2 と、あるいは、参照光Ｒ1 と物体光Ｏ2 と、参照光Ｒ2 と物体光Ｏ1 とが相互に干渉して不要の干渉縞を発生記録してしまうためである。そのため、複数のホログラムは順に露光して多重記録される。この不要の干渉縞の発生を防止して同時に多重露光するためには、一方の光と他方の光が干渉しないようにすればよい。そのためには、一方のホログラム５１を記録する光をＰ偏光とし、他方のホログラム５２を記録する光をＳ偏光とすれば、両者は干渉しないので、上記のような不要干渉縞は発生しない。この代わりに、一方のホログラム５１を記録する光の光源（レーザー）と他方のホログラム５２を記録する光の光源（レーザー）を別のものとすればよい。光源が異なれば、波長が同じでも可干渉性がないので、上記のような不要干渉縞は発生しない。
【００３４】
さて、複数のホログラム５１、５２が重畳あるいは多重記録されてなる微小ホログラム５′を作製するさらにもう一つの方法としては、図４に類似の配置で、両ピーク波長（上記の例では、４９０ｎｍと６００ｎｍ）間の何れかの異なる２つの波長λ1 、λ2 の光を用いて２つのホログラム５１、５２を多重記録する方法である。この方法は、図４の方法で、まず、波長λ1 の光を用いて回折効率のピークが短波長側にあるホログラム５１（λ1 ）と長波長側にあるホログラム５２（λ1 ）を作製し、これとは別に、異なる波長λ2 の光を用いて同様に回折効率のピークが短波長側にあるホログラム５１（λ2 ）と長波長側にあるホログラム５２（λ2 ）を作製すると考える。これらの４枚のホログラム５１（λ1 ）、ホログラム５２（λ1 ）、ホログラム５１（λ2 ）、ホログラム５２（λ2 ）による波長分散の空間的な波長分布は相互に略一致している。そして、その後、ホログラム５１（λ1 ）とホログラム５２（λ2 ）を組み合わせるか、ホログラム５１（λ2 ）とホログラム５２（λ1 ）を組み合わせるたと考えると、第１の方法（図２、図３）あるいは第２の方法（図４）による場合と同様に、回折効率のピーク波長が相互に異なり、波長分散の空間的な波長分布は相互に略一致している複数のホログラムを重畳あるいは多重記録したものが得られる。具体的には、図５に示すように、再生時のバックライト３の入射角θに対して所定の角度δ1 大きな入射角の波長λ1 の参照光Ｒλ1 （一点鎖線）と、波長λ1 の点Ｃ1'に向かって集光して行く物体光Ｏλ1 を用いてホログラム５１（λ1 ）を記録し、それと同時にあるいはそれに次いで、再生時のバックライト３の入射角θに対して所定の角度δ2 小さな入射角の波長λ2 の参照光Ｒλ2 （一点鎖線）と、波長λ2 の点Ｃ2'に向かって集光して行く物体光Ｏλ2 を用いてホログラム５２（λ2 ）を記録するようにすればよい。なお、この際の角度δ1 、δ2 の大きさ、点Ｃ1'、Ｃ2'の位置は、波長λ1 、λ2 に応じて第２の方法と同様の考え方から決められる。
【００３５】
ところで、以上の説明では、重畳あるいは１つの感光材料中に多重記録する集光性ホログラム５１、５２の波長分散の空間的な波長分布は相互に一致しているのものとしていたが、特に、２枚のホログラムを別々の感光材料中に記録して重畳化する場合、両者の波長分散の空間的な波長分布が同じであると、両者の回折効率のピーク波長が異なっていても、回折効率を表す曲線が重なる波長領域（図１（ｂ）の実線参照）において、バックライト３中の１枚目のホログラム５１で回折された光が全て２枚目のホログラム５２を透過するのではなく、一部分２枚目のホログラム５２で再度回折され、バックライト３が直進する方向へ向いてしまう問題が生じる。この現象は、１枚目のホログラム５１のホログラムで回折された波面は、２枚目のホログラム５２を記録するときの物体波面と同じになり、その１枚目で回折された波面は２枚目で記録時の参照波面方向に回折されるとして簡単に理解できる。この現象を防止するには、２枚のホログラム５１、５２の波長分散の空間的な波長分布が相互に若干ずれたものになるように、それらの記録時の諸パラメータを考慮すればよい。すなわち、図６に模式的に示すように、入射角θで入射する白色のバックライト３が集光性ホログラム５１のみによって分散分光されたスペクトル（空間的な波長分布）を６１、集光性ホログラム５２のみによって分散分光されたスペクトルを６２とするとき、両スペクトル６１、６２の位置が同じになるのではなく相互に若干ずれた特性になるように、ホログラム５１、５２を作製する。具体的なずれ量としては、分光された中心波長（図の場合は、５４５ｎｍ）の主光線間の角度Δで表したとき、Δが１°以上になるように設定すれば十分である。この程度のスペクトル位置のずれなら色再現性には何ら問題がない。別の言い方をすれば、上記ずれ量の上限は、色再現性を損なわない範囲で決められる。
【００３６】
さて、図２〜図５に説明したような作製方法で重畳あるいは多重記録されてなる微小ホログラム５′を作製するには、例えば次に示すような層構成のホログラム感光材料２０を用いることができる。
【００３７】
▲１▼１層多重記録
記録する複数の波長全てに感度を有する１層のホログラム記録感材中に干渉縞を多重記録する場合、複数のホログラム５１、５２は、ピッチの異なる干渉縞として、例えば図７（ａ）に示すような層構成のホログラム感光材料２０を用いて記録する。この場合は、干渉縞を１層中に重畳記録するため、屈折率変調Δｎの分配条件を最適化する必要がある。米国デュポン社からオムニデックスの商標で上市されている、モノマーの移動により記録するタイプのフォトポリマーホログラム記録感材では、多重記録する場合にはモノマーの相対的な移動距離を低減することができ、単色記録時よりもΔｎの和を向上することも可能である。
【００３８】
▲２▼多層分離記録
記録する複数の波長の少なくとも１つの波長に感度を有するホログラム記録感材を透明なスペーサー層を介して積層し、干渉縞を分割形成する場合、例えば図７（ｂ）に示すような層構成のホログラム感光材料２０を用いる。米国デュポン社からオムニデックスの商標で上市されている、モノマーの移動により記録するタイプのフォトポリマーホログラム記録感材では、スペーサー層が存在しないので、ホログラム記録感材間でモノマー移動も起こるため、干渉縞を正確に記録できない場合がある。そこで、図７（ｂ）に示すように、各々の波長のレーザ光に優先的に感度を有するホログラム記録感材をスペーサー層を介在させ積層しておけば、各々の感材に所望の干渉縞を分離記録できるという点で有利である。
【００３９】
次に、図８は本発明によるホログラムカラーフィルター５の１つの具体例を示すもので、従来の単一ホログラムからなる微小ホログラム５′（図１１）の波長に依存した回折効率（図の丸印の曲線。ピークは５２０ｎｍにある。）、本発明に基づいた１つのホログラム５１の回折効率（図の三角印の曲線。ピークは４９０ｎｍにある。）、他のホログラム５２の回折効率（図の四角印の曲線。ピークは６００ｎｍにある。）、及び、両ホログラム５１、５２を多重化したものの合成の回折効率（図のバツ印の曲線）を示してある。なお、従来の単一ホログラムは、厚さ６μｍで平均屈折率ｎ＝１．５２のフォトポリマーに屈折率変調Δｎ＝０．０３５で記録した位相分布型のものであり、ホログラム５１、５２は厚さ１２μｍで平均屈折率ｎ＝１．５２のフォトポリマーに屈折率変調Δｎ＝０．０２０でそれぞれ記録した位相分布型のものである。
【００４０】
また、図９、図１０は別の具体例を示すもので、図１０に比較例として、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１１）を記録した場合の波長に依存した回折効率を示し、図９に本発明に基づいて、同じフォトポリマーに波長４５７ｎｍと６４７ｎｍを用いてホログラム５１とホログラム５２を記録した場合（Δｎの分配は、４５７ｎｍに０．０１５、６４７ｎｍに０．０２）の各ホログラムの回折効率と、両ホログラム５１、５２を多重化したものの合成の回折効率を示してある。
【００４１】
これら具体例から、本発明によるホログラムカラーフィルターによると、回折効率分布が単一ホログラムからなる従来のものに比較してより広くなだらかで、Ｒ、Ｇ、Ｂの３色における強度が略同じにでき、カラー表示を行う際のカラーバランスを補正することができることが分かる。また、ピーク波長の数（ホログラム枚数）、ピーク波長の組み合わせ、それぞれのホログラムの回折効率分布曲線の形を変えることにより、カラーバランスを任意に制御できることも分かる。したがって、ブラック・マトリックスの開口部パターンの形状、光源の分光スペクトル分布等によって崩れたカラーバランスを補正することができる。
【００４２】
以上、本発明のホログラムカラーフィルターの原理と実施例を説明してきたが、本発明はこれら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を用いた液晶表示装置をそのまま直視型の液晶表示装置として、あるいは、投影表示装置用の空間変調素子として利用して液晶投影表示装置として利用することもできる。
【００４３】
【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によると、ホログラムカラーフィルターを構成する透過型の要素集光性ホログラム、あるいは、平行で一様な干渉縞からなる透過型のホログラムを、２枚のホログラムが重畳あるいは多重記録されてなるもので構成し、所定の角度をなして入射する白色光に対して、各ホログラムによる波長分散の空間的な波長分布は相互に略一致しており、かつ、回折効率のピーク波長が相互に異なっているようにしているので、２枚のホログラムの合成の回折効率分布は、単一のもので構成する場合よりも、例えば広くなだらかにできるので、カラーバランスを良好にとることができる。また、ブラック・マトリックスの開口部パターンの形状、光源の分光スペクトル分布等によって崩れたカラーバランスを任意に制御することもでき、簡単な構成でカラーバランスを補正して最適な色再現を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるホログラムカラーフィルターの原理を説明するための図である。
【図２】本発明によるホログラムカラーフィルターの第１の作製方法を説明するための図である。
【図３】図２の作製方法の変形方法を説明するための図である。
【図４】本発明によるホログラムカラーフィルターの第２の作製方法を説明するための図である。
【図５】本発明によるホログラムカラーフィルターの第３の作製方法を説明するための図である。
【図６】重畳した２枚目のホログラムで再度回折されることを防止する配置を説明するための図である。
【図７】本発明の作製方法に用いるホログラム感光材料の層構成を例示する図である。
【図８】本発明の１つの具体例の波長に対する回折効率分布を示す図である。
【図９】本発明の別の具体例の波長に対する回折効率分布を示す図である。
【図１０】図９の比較例である単色波長による記録の回折効率分布を示す図である。
【図１１】従来の第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１２】従来の第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。
【符号の説明】
３…バックライト
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
７…ホログラム
８…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
２０…ホログラム感光材料
２１…計算機ホログラム（ＣＧＨ）
２２…再生照明光
２３…直進透過光
５１、５２…集光性ホログラム
６１、６２…スペクトル
Ｒ1 、Ｒ2 、Ｒλ1 、Ｒλ2 …参照光
Ｏ、Ｏ1 、Ｏ2 、Ｏλ1 、Ｏλ2 …物体光
Ｃ、Ｃ1 、Ｃ2 、Ｃ1'、Ｃ2'…集光点
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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