(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
集光性の要素ホログラムを周期的に配置したアレーからなり、各要素ホログラムに所定の入射角で入射する白色光を記録面に沿う方向に波長分散させて分光集光するホログラムカラーフィルターにおいて、
各要素ホログラムに入射する白色光の入射角が各要素ホログラムの位置に応じて異なるように、各要素ホログラムの干渉縞パターンがその位置に応じて異なっており、かつ、干渉縞パターンが要素ホログラムを周期的に配置した特定の方向のみならずそれと直交する方向にも非対称な要素ホログラムを含んでおり、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られ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】
前記ホログラムカラーフィルターが、計算機ホログラムを原版として１回あるいは複数回の複製により作製されたもの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】
前記ホログラムカラーフィルターに入射する白色光が、収斂光、発散光、あるいは、光束断面内の場所によって収斂光と発散光の混在した光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。
【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に関し、特に、照明光として平行光以外の収斂光、発散光を利用可能にし、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、図５に示すように、例えばマイクロレンズアレー２をカラーフィルター１の前面に設置し、白色光のバックライト３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３の利用効率を上げる方法が従来より知られている。なお、図５において、符号４はカラーフィルターセルＲ、Ｇ、Ｂ間に設けられたブラック・マトリックスを示す。
【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】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のホログラムカラーフィルターは集光性の微小要素ホログラムアレーからなるものであり、各要素ホログラムは同じ干渉縞パターンからなる計算機ホログラムあるいはその複製ホログラムからなるものであり、何れの要素ホログラムに入射させるバックライトの入射角は全て同じものとして、バックライトとして平行光束を用いるものとしていた。
【００１０】
しかしながら、照明光源装置の放物面鏡、正レンズ等の集光光学系の口径に比較して液晶表示装置の径が小さい場合が多かったり、液晶表示装置から出た光を投影するための投影レンズの径を小さくするために、バックライトは収斂光となっている。このような収斂光をバックライトとして用いると、ホログラムカラーフィルターの全ての要素ホログラムが同じ干渉縞パターンからなるものである場合、周辺の要素ホログラムには設計通りの入射角でバックライトが入射せず、そのため、その要素ホログラムで波長分散された色成分は対応する分色画素のみでなく隣接する別の色の分色画素にも入射して混色が起こり、色純度を低下させる原因になる。
【００１１】
本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、収斂光束、発散光束等の平行光束以外のバックライトを用いて照明する場合に、色純度の低下を招かず、色再現性の良好なホログラムカラーフィルター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、集光性の要素ホログラムを周期的に配置したアレーからなり、各要素ホログラムに所定の入射角で入射する白色光を記録面に沿う方向に波長分散させて分光集光するホログラムカラーフィルターにおいて、各要素ホログラムに入射する白色光の入射角が各要素ホログラムの位置に応じて異なるように、各要素ホログラムの干渉縞パターンがその位置に応じて異なっており、かつ、干渉縞パターンが要素ホログラムを周期的に配置した特定の方向のみならずそれと直交する方向にも非対称な要素ホログラムを含んでおり、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られることを特徴とするものである。
【００１３】
この場合、ホログラムカラーフィルターは、計算機ホログラムを原版として１回あるいは複数回の複製により作製されたものとすることができる。また、ホログラムカラーフィルターに入射する白色光としては、収斂光、発散光、あるいは、光束断面内の場所によって収斂光と発散光の混在した光等がある。
【００１４】
【作用】
本発明においては、各要素ホログラムに入射する白色光の入射角が各要素ホログラムの位置に応じて異なるように、各要素ホログラムの干渉縞パターンがその位置に応じて異なっているので、照明光として平行光以外の収斂光、発散光等を用いても、各要素ホログラムで波長分散された色成分は対応する分色画素のみに入射することになり、混色により表示の色純度が低下することは発生せず、照明光の利用効率を大幅に向上させることができる。
【００１５】
【実施例】
以下、本発明のホログラムカラーフィルターを実施例に基づいて説明する。
【００１６】
まず、図３の断面図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を用いる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追加的に配置するようにしてもよい。
【００１７】
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（この角度は、微小ホログラム５′毎に異なる。）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。
【００１８】
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微小ホログラム５′毎に異なる角度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。
【００１９】
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。
【００２０】
また、図３に示したような構成の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４は液晶投影表示装置として構成する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からの白色の収斂光あるいは発散光からなるバックライト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。
【００２１】
以上において、バックライト３としては、全ての微小ホログラム５′に対して一定の入射角の平行光と見なせるものと考えていたが、実際には、バックライト３を全体として見ると、収斂光であったり発散光であったり、あるいは、光束断面内の場所によって収斂光と発散光の混在した光である場合が多い。例えば、図４のような液晶投影表示装置の場合、放物面鏡１６の口径に比較して液晶表示装置１１の径が小さく、また、液晶表示装置１１から出た光を投影するための投影レンズ１８の径を小さくするために、バックライト３は収斂光とすると都合が良い。このような収斂光をバックライト３として用いると、ホログラムカラーフィルター５の全ての微小ホログラム５′が同じ干渉縞パターンからなるものであると、周辺部の微小ホログラム５′には設計通りの入射角でバックライトが入射せず、そのため、その微小ホログラム５′で波長分散された色成分は対応する分色画素のみでなく隣接する別の色の分色画素にも入射して混色が起こり、色純度を低下させる原因になる。
【００２２】
そこで、本発明においては、ホログラムカラーフィルター５上での微小ホログラム５′毎に、その位置での入射角θに対応した波長分散性を有する集光性の干渉縞パターンとするものである。この様子を図１に示す。図１（ａ）は微小ホログラム５′をトライアングル型に配置したホログラムカラーフィルター５の正面図であり、このホログラムカラーフィルター５へ図の右方向手前から収斂性のバックライト３が入射する場合の中心部の微小ホログラム５′の干渉縞パターンと右下隅近傍の微小ホログラム５′の干渉縞パターンをそれぞれ図１（ｂ）と図１（ｃ）に模式的に示す。この場合、全ての微小ホログラム５′中心においてバックライト３の入射角θが異なるため、干渉縞パターンもそれに対応して異なる。バックライト３にｙ方向の成分がない中心部を含む左右方向の微小ホログラム５′の干渉縞パターンは、図１（ｂ）のように、上下で対称になる。しかしながら、右端近傍と左端近傍では入射角が異なるため、図１（ｂ）のような干渉パターンの縞間隔が異なることになる。また、バックライト３にｙ方向の成分のある上辺近傍及び下辺近傍では、分光される中心の波長であるＧの波長成分がブラック・マトリックス４の対応する色の開口の中央に集光するようにするため、干渉縞パターンは、図１（ｃ）のように、上下で非対称になり、かつ、右隅近傍と左隅近傍では入射角が異なるため、干渉パターンの縞間隔が異なることになる。なお、上辺近傍及び下辺近傍の微小ホログラム５′による波長分散の方向は、バックライト３にｙ方向の成分があるため、完全にはｙ方向にはならないが、ブラック・マトリックス４の開口の上下方向の寸法に比較してその分散のｙ方向成分を小さくできるので、この点は問題ない。
【００２３】
このように、本発明においては、ホログラムカラーフィルター５上での微小ホログラム５′毎に、その位置でのバックライト３の入射角θに対応した波長分散性を有する集光性の干渉縞パターンとするので、各微小ホログラム５′で波長分散された色成分は対応する分色画素のみに入射することになり、混色により表示の色純度が低下することは起きない。
【００２４】
ところで、全ての微小ホログラム５′の干渉縞パターンを異ならせるには描画の上で時間等がかかるので、ホログラムカラーフィルター５を例えば図２に示すようにいくつかのゾーンＺ11〜ＺNMに分け、１つのゾーンＺnm内の微小ホログラム５′の干渉縞パターンを全て同じに描画し、ゾーン間で異なるようにしても、近似的に良好なホログラムカラーフィルター５を得ることができる。なお、このようなゾーン分けは、バックライト３中の光線方向分布の局所的な均一性を考慮して行うことが望ましい。
【００２５】
上記実施例では、バックライト３として収斂光を前提としていたが、前記したように、これに限らず、発散光、あるいは、光束断面内の場所によって収斂光と発散光の混在した光等の非平行光を含むバックライト３の場合にも、同様の原理で全微小ホログラム５′の干渉縞パターンを異ならせか、ホログラムカラーフィルター５をいくつかのゾーンＺ11〜ＺNMに分け、各ゾーンＺnm内の微小ホログラム５′の干渉縞パターンを全て同じにし、ゾーン間で異なるようにする。
【００２６】
ところで、前記したように、このように微小ホログラム５′の位置によりバックライト３の入射角が異なるものとしてホログラムカラーフィルター５の原版を電子線描画等により計算機ホログラムとして作製するが、実際のホログラムカラーフィルター５はこの計算機ホログラムよりなる原版から複製により作製される。その際、ホログラム感材に密着した原版側から照射する再生照明光は、バックライト３と同じ収斂光等の非平行光である必要はなく、平行光により照明しても、原版と同様の位置によりバックライト３の入射角が異なるホログラムカラーフィル５を複製することができる。ただし、この場合、原版とホログラム感材の間のギャップにより集光距離の若干短いホログラムアレーとなるので、特願平７−１４８６０９号の複製方法に従って、最初の複製品を原版とし、再度それに別のホログラム感材を密着して最初の複製の時とは反対に進む再生照明光を照射して再度複製することにより、計算機ホログラム原版と同じ干渉縞パターン群を有するホログラムカラーフィルター５が複製される。
【００２７】
以上、本発明のホログラムカラーフィルター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。
【００２８】
【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、各要素ホログラムに入射する白色光の入射角が各要素ホログラムの位置に応じて異なるように、各要素ホログラムの干渉縞パターンがその位置に応じて異なっているので、照明光として平行光以外の収斂光、発散光等を用いても、各要素ホログラムで波長分散された色成分は対応する分色画素のみに入射することになり、混色により表示の色純度が低下することは発生せず、照明光の利用効率を大幅に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施例のホログラムカラーフィルターの構成を示す図である。
【図２】本発明の変形例のゾーン分けを説明するための図である。
【図３】本発明によるホログラムカラーフィルターを用いる液晶表示装置の断面図である。
【図４】図３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る。
【図５】従来の液晶表示装置の照明方法を説明するための図である。
【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）
６…液晶表示素子
５′…微小ホログラム
６′…液晶セル
１１…カラー液晶表示装置
１２…第１の偏光板
１３…第２の偏光板
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
Ｚ11、〜、Ｚnm、〜、ＺNM…ゾーン
【図１】
0003722300.tif 000002
【図２】
0003722300.tif 000003
【図３】
0003722300.tif 000004
【図４】
0003722300.tif 000005
【図５】
0003722300.tif 000006