(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光透過性基材と、記録媒体を有する平面ホログラム層とを有し、前記記録媒体が、前記光透過性基材を通って該平面ホログラム層に衝突した拡散された入射波面と、該入射波面が衝突した側とは反対側から該平面ホログラム層に衝突した、前記入射波面と実質的にコヒーレントな拡散された逆伝播波面とを組み合わせることにより形成された構造的干渉縞を空間的に記録している体積相型反射ホログラフィーディフューザー。
【請求項２】
前記入射波面を反射することによって前記入射波面と実質的にコヒーレントな逆伝播波面を生じるリフレクターを前記平面ホログラム層の入射波面が衝突する側とは反対側に備えた請求項１に記載の体積相型反射ホログフフィーディフューザー。
【請求項３】
前記リフレクターが、微細構造的に均一でない反射表面を有する、請求項２に記載の体積相型反射ホログラフィーディフューザー。
【請求項４】
前記記録媒体が光活性化可能組成物を含む、請求項１に記載の体積相型反射ホログラフィーディフューザー。
【請求項５】
前記光活性化可能組成物が、染料増感剤、分枝ポリエチレンイミン、およびフリーラジカル重合性エチレン性不飽和モノマーを含む、請求項４に記載の体積相型反射ホログラフィーディフューザー。
【請求項６】
ホログラフィーディフューザーを製造する方法であって、以下の工程を包含する、方法：(a)光透過性基材上に堆積した光活性化可能組成物を含む記録媒体を提供する工程であって、該光活性化可能組成物が、コヒーレント照射に対して活性化可能であり、その結果、該記録可能媒体が干渉縞を記録し得る、工程；(b)コヒーレント照射の波面に該記録媒体を曝露してホログラムを生成する工程であって、該コヒーレント照射波面が、拡散された入射波面と、該入射波面と実質的にコヒーレントな拡散された逆伝播波面とを含み、該拡散された入射コヒーレント波面が、第１面から該記録媒体に衝突し、該拡散された逆伝播コヒーレント波面が、該第１面と反対の第２面から該記録媒体に衝突し、拡散されたコヒーレント照射の該波面を該記録媒体に合わせて潜在干渉縞を生成する、工程；および(c)該曝露された記録媒体を処理して潜在干渉縞を現像する工程。
【請求項７】
前記拡散された逆伝播コヒーレント波面が、前記第２面付近に配置されるリフレクターによって前記拡散された入射コヒーレント波面を反射することにより生じる反射波面である、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記リフレクターが、微細構造的に不均一な反射表面を有する、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記記録媒体の曝露を、前記拡散された入射コヒーレント波面を用いて、前記記録素子を連続的に走査することにより行う、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記連続的な走査が、第１軸に沿って前記コヒーレント波面の光線を振動させて前記記録媒体の領域を曝露し、そして該第１軸に垂直な第２軸に沿って該振動光線を連続的に移動させることにより達成される、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
検流振動ミラーを使用して前記振動光線を生成する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
コヒーレント波面を、波面改変光学素子、次いでソースディフューザーを通して透過して、前記拡散された入射コヒーレント波面を生成し、該拡散された入射コヒーレント波面が非平面波面であり、そして多数の入射角度で同時に前記ホログラフィー記録媒体に衝突する、工程をさらに包含する、請求項７に記載の方法。
【請求項１３】
前記光活性化可能な組成物が光重合性組成物である、請求項６に記載の方法。
【請求項１４】
前記光重合性組成物が、染料増感剤、分枝ポリエチレンイミン、およびフリーラジカル重合性エチレン性不飽和モノマーを含む、請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
発明の分野
一般に本発明は、例えば、液晶表示装置において光を拡散するのに有用なホログラフィーディフューザーに関する。より詳細には、本発明はホログラフ的に記録された干渉縞を有する体積相型(volume-phase)反射ホログラフィーディフューザーに関する。この干渉縞は、拡散された入射コヒーレント波面と拡散された逆伝播(counterpropagating)コヒーレント波面との組み合わせにより生じるものである。
背景
ディフューザーは光を散乱させるのに使用され、その結果、得られた拡散光縞内の対象物は実質的に増加した多数の角度方向から伝播した光により均一に照射される。
従来のディフューザーは、ガラス片またはプラスチックシートから代表的に製造され、光散乱表面を有するように処理され、そして／または分散された光散乱粒子で含浸される。代表的なディフューザーは、つや消し光バルブの光透過シェル、あるいはすりガラス板、または光源から生じた光の拡散性反射のために光源に面する他の粗い表面であり得る。従来のディフューザーは、例えば、観察者に利用できる画像光の質（角度分布）および量（明るさ）を明確にするために、表示装置産業において使用されている。
ディフューザー（特に、LCDユニットに使用されるもの）の設計において考慮される重要なパラメータは、２次元において透過されたまたは反射された光の像の均一性、可視光波長領域における波長の関数としての透過効率または反射効率、およびディフューザーが操作可能である視界の隅角(solid angle)である。従来のディフューザーは、一般的に他のパラメータをある程度犠牲にすることなく、これらのパラメータの任意の１つにおいて所望の結果を達成し得るようにそれらの能力が限定される。ホログラフィーディフューザー（優れた前方散乱特性を有する）は、このような限定がなく、そしてより軽く、よりコンパクトであり、そして一般的に比較的より容易に形成され、かつ複製され得る。ホログラフィーディフューザーは、高い均一性、高効率（最小後方散乱を有する）、および入射角度にほとんど依存しない制御可能な視界の隅角を提供し得る。
従来のホログラフィーディフューザーは、コヒーレントの構造的干渉縞および拡散光源を用いた画像形成により形成される。ホログラフィーディフューザーの効率を最大にする従来の試みは、対物光強度と参照光強度との特定かつ適切な比（以下「光線強度比」）の同定を、ほとんど常に目標としている。このようなストラテジーにおける初期の基準は、発展の可能性のある、幾度となく引用された文献において見出される：V.I. Lokshinら、Investigation of Amplitude and Phase Holograms of Diffuse Objects、OPT.SPECTROSC.、第36巻、第５号、590〜593頁（1974年5月）。
報告されたように、Lokshinらは実験的調査を行い、２次元振幅および拡散性対物光の位相ホログラムの回折効率およびシグナル／ノイズ比を測定した。調査の間、透過性のホログラフィーディフューザーは、拡散された対物光および拡散されない参照光を含む曝露ジオメトリーを利用して製造された。Lokshinらは、ホログラフィーディフューザーの回折効率が主として光線強度比の関数であると、この調査から結論づけた。
本開示により、−ホログラフィー回折効率と光線強度比との間の可能な相関を疑うことなく−拡散された対物光と拡散されない参照光との不適切な組み合わせの(mismatched)光線プロフィールを合わせることにより生成されたホログラフィー干渉縞（反射変化または透過変化のどちらであっても）が、フリンジの鮮明度を低め、それにより回折効率を低下させることが提起される。この低下は、光線強度比を操作することで可能となる増加と無関係に起こると考えられる。
ゆえに、Lokshinらの主要な教示から離れて、本発明は、「不適切な組み合わせによる光線プロフィール」よりむしろ「適切な組み合わせによる(matched)光線プロフィール」をもたらすホログラフィー曝露ジオメトリーにより製造される、高効率のホログラフィーディフューザーを意図する。このような高効率のホログラフィーディフューザーを製造するために、実質的に等価な光線プロフィールのコヒーレント入射波面および逆伝播波面を使用して、曝露を引き起こす（すなわち、両方の波面が拡散される）。
要旨
一般に、実質的に等価な光線プロフィールのコヒーレント入射および逆伝播波面の曝露から得られる、一連の明確な屈折率の調整により特徴付けられる、高効率のホログラフィーディフューザーが提供される。
特に、高効率のホログラフィーディフューザーは、光透過性基材；およびホログラフィー的に記録された干渉縞を有する平面ホログラム層を有する。この記録された干渉縞は、光を照射する場合、反射によって拡散光の縞を生じる。この干渉縞は、入射波面と、この入射波面に対して実質的にコヒーレントな逆伝播波面との組み合わせにより生じるものである。入射コヒーレント波面は、第１面から平面のホログラム層面に衝突する。逆伝播コヒーレント波面は、第１面と反対の第２面から平面のホログラム層に衝突する。入射コヒーレント波面は、拡散したコヒーレント波面である。逆伝播コヒーレント波面はまた、拡散したコヒーレント波面である。
本発明の方法の局面に関して、ホログラフィーディフューザーは、ホログラフィー記録媒体上に入射する前にコヒーレント波面を拡散し、拡散された波面をホログラフィー記録媒体を通して透過し、次いで拡散され、透過された波面を高反射光学素子でホログラフィー記録媒体を通して反射し返すことにより形成され得る。
上記の観点から、本発明の主要な目的は、高効率の反射ホログラフィーディフューザーおよびその製造方法を提供することである。
本発明の別の目的は、明確なフリンジの鮮明度を生じる、実質的に「適切な組み合わせの」曝露光線プロフィールをもたらす方法論により製造される高効率の反射ホログラフィーディフューザーを提供することである。
【図面の簡単な説明】
本発明は、添付の図面を参照してさらに例示される；ここで
図１は、本発明に従う反射ホログラフィーディフューザーを製造するために使用される一般的な曝露ジオメトリーの適切な部分の模式図である；
図２は、反射ホログラフィーディフューザーについて、波長(nm)に対してプロットされた吸光度単位における光学密度を示すグラフであり、これは、記録出力100mWのKrイオン(647nm)およびArイオン(514nm)レーザーからの光を用いて垂直入射で連続的に画像形成され、ここで、ガラスディフューザーは、本発明に従ってDMP-128ホログラフィー媒体の前に置かれ（曝露様）(Si)、そしてこのガラスディフューザーは、DMP-128ホログラフィー記録媒体の後に配置される(Spa'およびSpa")；
図３は、ZAP処理された反射ホログラフィーディフューザーの拡散反射率Rdのスペクトル応答を示すグラフであり、これは、25μガラスディフューザー（すなわち、25μ光散乱粒子の表面分散物を有するガラスディフューザー）を通して38°で画像形成され、入射角度θi(45°、30°、20°および12°)でタングステン点光源からの光で再構成され、そして垂直入射で検出される；
図４は、反射ホログラフィーディフューザーのRdスペクトル応答を示すグラフであり、これは、25μガラスディフューザーを通して38°で画像形成され、90:10のメタノール／酢酸溶液、続いてZAP溶液で処理され、入射角度θi(45°、30°、20°および12°)でタングステン点光源からの光で再構成され、そして垂直入射で検出される；
図５は、ZAP処理された反射ホログラフィーディフューザーのRdスペクトル応答を示すグラフであり、これは、25μガラスディフューザーを通して38°および０°で連続して画像形成され、入射角度θi(45°、30°および20°)でタングステン点光源からの光で再構成され、そして垂直入射で検出される；
図６は、ZAP処理された反射ホログラフィーディフューザーのRdスペクトル応答を示すグラフであり、これは、５μポリマーディフューザーを通して０°で画像形成され、入射角度θi(45°、30°、20°および12°)でタングステン点光源からの光で再構成され、そして垂直入射で検出される；
図７は、90:10/ZAP処理された反射ホログラフィーディフューザーのRdスペクトル応答を示すグラフであり、これは、５μポリマーディフューザーを通して０°で画像形成され、入射角度θi(45°、30°、20°および12°)でタングステン点光源からの光で再構成され、そして垂直入射で検出される；
図８は、白色タイルのRdスペクトル応答を示すグラフであり、これは、入射角度θi(45°、30°、20°および12°)でタングステン点光源により照射され、そして垂直角度で検出される；
図９は、ZAP処理されたホログラフィー反射ディフューザーの規格化されたRdスペクトル応答を示すグラフであり、これは、25μガラスディフューザーを通して38°で画像形成され、入射角度θi(45°、30°、20°および12°)でタングステン点光源で再構成され、そして垂直入射で検出される；
図１０は、ZAP処理されたホログラフィー反射ディフューザーの規格化されたRdスペクトル応答を示すグラフであり、これは、25μガラスディフューザーを通して38°で連続して画像形成され、入射角度θi(45°、30°、20°および12°)でタングステン点光源で再構成され、そして垂直入射で検出される；
図１１は、90:10/ZAP処理されたホログラフィー反射ディフューザーの規格化されたRdスペクトル応答を示すグラフであり、これは、25μガラスディフューザーを通して38°および０°で連続して画像形成され、入射角度θi(45°、30°および20°)でタングステン点光源で再構成され、そして垂直入射で検出される；
図１２は、ZAP処理されたホログラフィー反射ディフューザーの規格化されたRdスペクトル応答を示すグラフであり、これは、５μポリマーディフューザーを通して０°で画像形成され、入射角度θi(45°、30°、20°および12°)でタングステン点光源で再構成され、そして垂直入射で検出される；
図１３は、90:10/ZAP処理されたホログラフィー反射ディフューザーの規格化されたRdスペクトル応答を示すグラフであり、これは、５μポリマーディフューザーを通して０°で画像形成され、入射角度θi(45°、30°、20°および12°)でタングステン点光源で再構成され、そして垂直入射で検出される；
図１４は、反射ホログラフィーディフューザーについて波長(nm)に対してプロットされた吸光度単位の光学密度を示すグラフであり、これは、0.15cm／秒の走査速度、記録出力300mWで、垂直入射にて画像形成され、ここで、３μガラスディフューザーが、ジクロメート化ゼラチンベースのホログラフィー記録媒体の前に置かれる（曝露様）。このデータは、従来通り調製された正(specular)ホログラフィーミラー（破線）についてのデータと比較される；
図１５は、DMP-128ベースのホログラフィー反射ディフューザーについて可視波長の関数としての光学密度を示し、これは、50mWでKrレーザー(647nm)を用いて垂直入射で画像形成され、そしてZAP溶液で処理される；
図１６は、DMP-128ベースのホログラフィー反射ディフューザーの可視波長の関数としての光学密度を示し、これは、記録出力50mWでKrイオンレーザー(647nm)を用いて垂直入射で画像形成され、そして90:10/ZAP溶液で処理される；
図１７は、DMP-128ベースのホログラフィー反射ディフューザーについて可視波長の関数としての光学密度を示し、これは、記録出力150mWでKrイオンレーザー(647nm)を用いて38°の入射角度で画像形成され、そして90:10/ZAP溶液（破線）で処理されるか、またはZAP溶液のみ（実線）で処理される；
図１８は、DMP-128ベースのホログラフィー反射ディフューザーについて可視波長の関数としての光学密度を示し、これは、まず記録出力50mWでKrイオンレーザー(647nm)を用いて38°の入射角度で、次いで記録出力150mWでKrイオンレーザー(647nm)を用いて０°の入射角度で画像形成され、そしてZAP溶液で処理される；
図１９は、DMP-128ベースのホログラフィー反射ディフューザーについて可視波長の関数としての光学密度を示し、これは、５μポリマー性ディフューザーフィルムを通して、記録出力150mWでKrイオンレーザー(647nm)を用いて垂直入射で画像形成され、そして90:10/ZAP溶液（破線）で処理されるか、またはZAP溶液のみ（実線）で処理されるかのいずれかである；そして
図２０は、本明細書中に記載される本発明の方法論を実施する際に使用され得る装置を模式的に表す。
発明の主題の詳細な説明
本発明によって、高効率の体積相型反射ホログラフィーディフューザー１０が提供される。以下でさらに議論されるように、反射ホログラフィーディフューザー１０は、例えば、バックライトのない(non-backlit)液晶表示素子（例えば、A.G. Chenらの国際特許出願PCT/US94/11818(WO 95/12826として1995年5月11日に国際公開された)を参照のこと）、またはエッジライト(edge-lit)液晶表示素子（例えば、J.M. Tedesco、米国特許第5,418,631号(1995年5月23日発行)を参照のこと）、ならびに他の電気光学装置（電気クロマト装置、電気泳動装置、電解装置などを含む）または光の透過により視覚化される画像を提供し得る他の表示装置（例えば、1995年5月24日にM.M. Wenyonにより出願された米国特許出願第08/448,747号を参照）に使用され得る。
一般に、図１に示される高効率の反射ホログラフィーディフューザー１０は、光透過性基材１２および平面ホログラム層１４を備える。平面ホログラム層は、ホログラフィー的に記録された干渉縞を有する。干渉縞は、光を照射する際に反射において拡散光の縞を生じる。
本発明に従って、干渉縞は、入射波面と、この入射波面に対し実質的にコヒーレントな逆伝播波面との組み合わせにより生じる。この入射コヒーレント波面は、第１面から平面ホログラム層１４に衝突する。逆伝播コヒーレント波面は、第１面と反対の面から平面ホログラム層１４に衝突する。そして最も重要なことは、入射コヒーレント波面と逆伝播コヒーレント波面の両方が、実質的にコヒーレント拡散波面であることである。上記で述べたように、合わせた波面の適切な組み合わせの光線プロフィールは、明確な干渉フリンジを生じ、これは本発明のディフューザーが高効率であることに貢献する。本発明に従う反射ホログラフィーディフューザーの効率と従来の設計のものとの比較を、図２に示す。
図２において、上のスペクトルSI（連続線）は本発明に従うホログラフィーディフューザーに対応し、一方で下のスペクトルSPA'およびSPA"（破線）は従来の様式で調製されるホログラフィーディフューザーに対応する。従来のホログラフィーディフューザーおよび本発明のホログラフィーディフューザーの両方を、同一のフォトポリマー処方物(Polaroid DMP-128フィルム)を用いて調製し、同一の範囲でコートし、そして同一レベルの入射照射に曝した。しかし、本発明のディフューザーは、２つの拡散された波面の組み合わせとなる様式で曝したが、従来のディフューザーは、各場合において拡散された波面と拡散されない波面との組み合わせとなる様式で曝した。
図２から明らかなように、拡散反射率のバックグラウンドレベル（波長の関数としての明るさの程度）は、本発明のホログラフィーディフューザーの方がより高い。図２の結果は別として、バックグラウンド上の分離したいくつかのピーク（特定の入射角度にて、より大きな照射レベルの結果として生じる）が、同様の大きさであったことがさらに観察された。このようなピークは、関係する波長領域における増加した明るさに対応する。
反射ホログラフィーディフューザー１０の設計において、光透過性基材１２は、任意の種々のシート材料を含み得るが、可撓性のポリマーシート材料が好ましい。好ましい材料の中には、ポリスチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ（塩化ビニル）、ポリカーボネート、ポリ（塩化ビニリデン）、セルロースアセテート、セルロースアセテートブチレート、ならびにコポリマー材料（例えば、スチレン、ブタジエン、およびアクリロニトリルのコポリマー（ポリ（スチレン-コ-アクリロニトリル)(poly(styrene-co-acrylonitrile)を含む)）がある。耐久性、寸法安定性、および操作特性の観点から、特に好ましいウェブ材料は、ポリエチレンテレフタレートである。好ましい実施態様において、光透過性基材１２は、約７ミル(0.178mm)の厚みを有する。
本発明の平面ホログラム層１４に有用な記録媒体は、種々の材料から製造され得る。より重要なものの中には、ハロゲン化銀エマルジョン、硬化したジクロメート化ゼラチン、強誘電結晶、フォトポリマー（例えば、Polaroid DMP-128、ビニルカルバゾールポリマーなど）、ホトクロミック、および光二色性物質(photodichroics)がある。これら材料の特徴は、L.SolymarおよびD.J. CookによるVolume Holography and Volume Gratings、第10章、Academic Press、New York、1981、254〜304頁に示される。使用に好ましいと考えられる組成物としては、DMP-128(Polaroid Corporationからの特許登録フォトポリマー)、ジクロメート化ゼラチン（ジクロメート化ゼラチンを利用する本発明の実施態様に関連した経験的なデータである、図１４を参照）、ハロゲン化銀ベース組成物、ならびにF.L. FieldingおよびR.T. Ingwall、米国特許第4,588,664号（1986年5月13日発行）およびJ.J. Cael、米国特許第4,696,876号(1987年9月29日発行)に記載される他の組成物が挙げられる。これら所望の組成物の中では、Polaroid DMP-128（染料増感剤、分枝ポリエチレンイミンおよびフリーラジカル重合性エチレン性不飽和モノマーを含む）が好ましい。組成物の特に詳細な記述は、前述の米国特許第4,588,664号において見出され得る。また、W.C. HayおよびB.D.Guenther、「Characterization of Polaroid' s DMP-128 Holographic Recording Medium」、Proceedings of the SPIE、883、102〜105頁(1988)もまた参照のこと。
本発明の別の実施態様において、高効率の反射ホログラフィーディフューザー１０は、明確な干渉フリンジ平面を備える配置を有する。この平面は、平面ホログラム層１４の表面からの顕著な角度偏向を示す。これらいわゆる「傾斜フリンジ面」ディフューザーは、一般的に再構成光線の入射角度の正角(specular angle)とは異なる操作視角を有する拡散特性を必要とする用途に有用である。これらディフューザーは、上記に記載されるように製造される。しかし、ディフューザーホログラフィー干渉縞の生成に使用される拡散された逆伝播波面は、非正反射率(non-specular reflectivity)を有するリフレクター３０で拡散された入射波面を平面ホログラム層１４を通して反射し返すことにより生成される。このようなリフレクターは、ホログラフィーリフレクター（単数または複数）または平面でない微細構造(topography)を有するリフレクターであり得る。後者に関して、リフレクター３０のいくつかの微細表面は、レンズ状表面、波状表面、および「鋸状」、くさび様、またはＶ型溝を有する溝状表面を含むが、これらに限定されないことが意図される。いわゆるブレーズ反射格子の「鋸状」溝状微細構造は、特に有用かつ望ましい。
特に金属表面に規定されたブレーズ反射格子の使用に関して、規定された格子の表面に垂直な入射光は、式d・sinθ=mλによって記載される様式で反射されることに留意する。ここで、ｄは格子の長さであり、θは表面から垂直に測定された回折角度であり、λは波長であり、そしてｍは観察された回折の数を表す。入射波面と角度をつけて(anglularly)反射された逆伝播波面との間の相互作用は、傾斜角度φ=1/2θである干渉フリンジ平面を生じる。得られた反射ホログラフィーディフューザーは、逆伝播波面の結合で再構成され、入射波面の結合を生じ得る。
一般に、この実施態様にかかわらず、高効率のホログラフィーディフューザー１０は、好ましくは、ホログラフィー記録媒体上に入射される前にコヒーレント波面を拡散し、ホログラフィー記録媒体を通って拡散された波面を透過し、次いで透過され、拡散された波面をホログラフィー記録媒体（例えば、高反射光学素子）を通して反射し返すことにより形成される。
より詳細には、ホログラフィーディフューザー１０を製造する方法は、ホログラフィー記録媒体の供給から始まる。適切な記録媒体は、代表的に光透過性基材１２上に堆積した光活性化可能組成物を含む。光透過性基材１２は、上記で述べた通りである。光活性化可能組成物は、化学コヒーレント照射により活性化し（およびこの照射に応答し）得るものであり、その結果この媒体はホログラムを記録し得る。
適切なホログラフィー記録媒体が供給されると、次いで媒体はコヒーレント照射の波面に曝されてホログラムを生じる。本発明に従って、コヒーレント照射の波面は、拡散された入射波面と、この入射波面と実質的にコヒーレントな拡散された逆伝播波面とを含む。そして、反射ホログラムの製造に従って、拡散された入射コヒーレント波面は、第１面から記録媒体に衝突し、一方、拡散された逆伝播コヒーレント波面は、第１面と反対の面から媒体に衝突する。曝露の間、拡散されたコヒーレント照射の波面を記録媒体に合わせ、光活性化可能組成物（空間的に、得られた構造的干渉縞に従って）を活性化し、それにより潜在干渉縞（潜在相格子）をそこに生じる。
適切な曝露時間は、当業者に周知のように日常の試験により容易に決定され、そして曝露する照射強度、ホログラフィー記録媒体、ソースディフューザー(source diffuser)２０、およびリフレクター３０の間の相対距離、ならびに類似の要因に従って変化する。これらおよび他の要因は、所定の記録のための曝露期間および光強度の好ましい組み合わせを得ることを所望する場合、より短いか、またはより長いかのどちらかで曝露期間を変化させる必要性に応じて変化し得る。さらに、曝露は、多数の入射角度で連続的または同時の画像形成のいずれかで達成され得、例えば、全可視波長領域にわたって光を効果的に回折する反射ホログラフィーディフューザーを生じ得る。例えば、Hockleyらの米国特許第5,046,793号(1991年9月10日発行)を参照。さらに、オン軸(on-axis)（すなわち、垂直入射、図１中の曝露1Bを参照）およびオフ軸(off-axis)（すなわち、傾斜入射、図１の曝露1A参照）曝露ジオメトリーの両方が実行され得る；各場合において、体積反射ホログラム(volume reflection hologram)は、光拡散対象物の所望の光学特性をホログラフィー的に記録して製造される。
１つの好ましい曝露操作は、拡散された入射コヒーレント光の一部（例えば、曝露ストリップ(strip)1aおよび／または1b）でホログラフィー記録媒体１０を連続的に走査する（例えば、図１におけるｄ方向に）ことにより達成される。連続的な走査は、コヒーレントレーザー光の光線（すなわち、いわゆる「フライングスポット(flying spot)」）を、第１軸に沿って振動させ、記録媒体の領域（「ストリップ」、「バー(bar)」、「ライン(line)」などを参照）を曝露し、次いで第１軸に対して垂直な第２軸に沿って振動している光線を連続的に移動させることにより達成され得る。振動光線は、検流計の振動ミラーを利用することにより生じ得る。比較的高強度の曝露を達成することに加えて、連続的な走査曝露は、連続的なウェブ上のホログラフィーディフューザーの多量製造のために適切であり、従って望ましい。連続的なウェブ１１０を有し、そして光拡散透過ドラム１２０と隣接する反射ドラム１３０を備える装置１００は、このような課題を達成するために使用され得る。図２０参照。
特に好ましい別の曝露操作は、ソースディフューザー２０を通る透過の前にレンズを通るコヒーレント波面を透過して、その結果入射コヒーレント波面は平面ではなく、そして同時に多数の入射角度でソースディフューザー２０に衝突することによって達成され、その結果拡散された入射コヒーレント波面は変化させた角度プロフィールでホログラフィー記録媒体１０に衝突する。
拡散されたコヒーレント波面の源は、いくつかある。しかし、代表的には、拡散されたコヒーレント波面は、例えば、従来の光透過性ディフューザーまたは従来の透過ホログラムディフューザーを通って、コヒーレント光（すなわち、レーザーから）のビーム、ファン、または２軸に広がった流れを向けることにより生じる。適切な従来の光透過性ディフューザーの例としては、すりガラス、つや消しガラス、あるいは光散乱ドメインの均一な分散を組み込んだ透明なプラスチックまたはガラスシートが挙げられる。後者に関して、光散乱ドメインの濃度およびサイズは、反射ホログラフィーディフューザー１０において特定の光学特性（例えば、拡散反射率の角度依存性）を適合させるかまたは提供するために、変化され得る。
ホログラフィー記録媒体１０の上にあるソースディフューザー２０を光線経路上に配置することにより、ソースディフューザー２０を通って光活性化可能組成物の層１０に向かうコヒーレントレーザー光の透過は、拡散された入射コヒーレント波面を生じる。次いで、光活性化可能組成物の層１０から出た波面は、この層に向かって、そしてこの層を通って反射し返され、それにより干渉縞を生じ得る。適切なリフレクター３０として、ミラーは、代表的に使用され得るか、または−傾いたフリンジ平面を有する反射ホログラフディフューザーの場合−角度をつけたリフレクター（例えば、微細構造的に不均一な反射面を有するもの）が使用される。いずれの場合においても、リフレクター３０が高い反射性であり、上記ソースディフューザー２０と反対側で光活性化可能組成物の層１０のすぐ近位に配置される場合に、良好な結果が得られる。
リフレクター３０および／またはソースディフューザー２０が記録媒体１０のすぐ近くにある場合、空気の境界面は、代表的に記録媒体１０と隣接素子との間に存在する。この境界で意図されない屈折により伝播する波面の意図される角度方向の歪みを妨げるために、境界は、空気の真空排気により除去され得る（それにより光学的接触を提供する）か、または適切な指数適合(index matching)媒体を使用してこの境界を「満たす」（これにより、記録媒体１０および隣接素子が光学的に結合する）ことにより除去し得る。隣接するリフレクターが平面でない微細構造を有する場合、指数適合流体を使用することは好ましい。指数適合流体（例えばキシレン）およびこれらの使用は当業者に周知である。
反射ホログラフィーディフューザー１０を完成するために、曝露された記録媒体は、実質的に、記録された潜在干渉縞を生じるように処理される。特定の実施の方法において、記録媒体は現像されて、例えば画像形成された素子を増感する（例えば、DMP-128の場合に化学処理浴で処理されることにより）か、または照射により光活性的に発生した光重合反応生成物（フリンジ構造を参照）を「固定する」（言い換えれば、より安定にする）。ホログラフィー記録に使用される光重合性組成物の使用および処理に関する特定の詳述は、例えば以下に見出され得る；H.L. FieldingおよびR.T, Ingwallの米国特許第4,588,664号(1986年5月13日発行)；J.J. Caelの米国特許第4,696,876号（1987年9月27日発行)、ならびにR.T. Ingwall、M.A. TrollおよびD.H. Whitneyの米国特許第5,198,912号(1993年3月30日発行)。本発明に使用され得る、種々のタイプの記録媒体を処理する種々の方法が、当業者に知られている。後処理は選択された記録媒体の性質に依存していることが理解される。従って、用語「現像」は、完了するために所望および／または必要な処理であると解釈するか、または特定の画像形成された記録媒体の使用のための調製であると解釈すべきである。Polaroid DMP-128の体積相ホログラム(volume phase hologram)の処方物において、後の非画像形成様または非コヒーレント光の多量の曝露(flood exposure)は、通常、曝露されないモノマーを重合し、そして光重合可能な層においてモノマー勾配の残っている空間的関係を「固定」するために行われる。
拡散された波面を適合させるために記録媒体を曝露することは、本発明の実施にとって主要であるが、曝露はいくつかのパラメータに沿って制御され、異なるおよび／または特有の光学特性を有する反射ホログラフィーディフューザーを設計し得る。他のまたは類似の変化はまた、後の現像工程において特定のパラメータを制御すること、またはホログラフィー記録媒体の配置を改変することにより達成され得る。例えば、視界の隅角および反射ホログラムディフューザーの再構成色は、以下により制御され得る：（１）画像形成のために使用される入射角度、（２）曝露後の化学処理のタイプ、および（３）ソースディフューザーとしてのさらなる回折素子の利用。同様に、以下で提供されるいくつかの実施例において示されるように、ピーク効率の波長（すなわち、ホログラフィーディフューザーが最も高い効率を示すときの波長）、ならびにこのピークの波長偏差は、最初の照射角度および曝露後の化学処理のようなパラメータを制御することにより特に設計され得る。図３〜１９（サンプルは647nm出力のKrイオンレーザーで画像形成した）およびこれらの簡単な記載は、いくつかのプロセスパラメータの制御、およびこれにより得られた光学特性における見解を提供することが包含される。参照はまた、以下の実施例に使用され得る。
上述したように、本発明に従うホログラフィー反射ディフューザーは、画像提供表示装置に使用され、通常の室内光の条件下で顕著に増加した明るさを提供し得る。適切な画像提供表示素子は、それらを通る光の透過により視覚化可能な画像を提供し得るものである。この画像装置の例としては、アドレス可能な(addressable)電気光学装置（例えば、液晶素子および電気泳動表示素子）；ならびに静的光透過性素子により提供される画像（例えば、光透過性基材および写真スライド上に提供される二次元画像）が挙げられるが、これらに限定されない。
示されるように、静的光透過性画像を含む実施態様に関して、反射ホログラフィーディフューザーは、例えば、「サイン(sign)」（または「ビルボード(billboard)」）の性質を有する最初の光透過性表示装置上に付与され、ゆえにこのサインを反射的に視覚化可能なサインに変え得る。得られたサインは、周囲の光を利用して形成され、電気的にバックライトサインの効果を与え得る。このような実施態様において、サインは「オフ軸」ディフューザー（これは、真上からの入射光を取り入れ、そしてそれを所定の観察位置に対し水平に反射する）を利用し得る。光操作支持(backing)としての反射ホログラフィーディフューザーの同様の使用は、写真スライドまたは他の画像トランスペアレンシーを用いて達成され得る。
アドレス可能な電気光学装置を含む実施態様に関して、本発明の反射ホログラフィーディフューザーが非バックライトの、反射的に視覚化可能な液晶表示装置の製造に使用され得ることが意図される。このような液晶表示装置は、液晶表示素子および反射ホログラフィーディフューザー１０を含み得る。想定される液晶表示素子は、液晶セル、多数の選択的に作動可能な電極セグメント、ならびにセルの前方および後方の第１および第２偏光板を備える。非バックライトの、反射的に視覚化可能な液晶表示装置の所望の配置は、上述のA.G. Chenらの国際特許出願PCT/US94/11818(国際公開番号WO 95/12826として1995年5月11日公開)に記載される。
画像提供表示装置において使用されるホログラフィー反射ディフューザー１０の設計において、観察者による表示装置の視界性能は、特定の位置における人によって知覚されるように画像の明るさおよび解像度に依存することが理解される。従来のリフレクターを使用する表示装置において、しばしばスクリーンの特定の位置における画像の明るさは、観察者の位置により変化する。スクリーンは、全領域にわたって同じ明るさではなく、そしてスクリーン上の光の分布は、観察者が視界スクリーンの全ての部分を観察し、そして信頼性を伴ってそこから情報を引き出すことを困難にする。従って、ホログラフィー反射ディフューザー１０の設計において、本発明のホログラフィー製造プロセスにより提供される光学設計の順応性から利点を得るために、表示スクリーンからの多数の光が伝播するアウトプットコーン(output cone)（「ゾーン(zone)」または「ピューピル(pupil)」）を規定することが望ましい。光が、このような規定されたアウトプットコーンに向かって散乱を伴わず伝播され得る場合、明るさは制御され、そして高められる（「増加する」）。これは観察されない体積に散乱することによって光が「浪費される」ことがないためである。
所定の角度範囲内で得られた拡散された光のアウトプットコーンを（反射によって）生じ得る反射ホログラフィーディフューザー１０を取り入れた液晶表示装置の実施態様を提供することは、本発明の１つの有用な用途である。一方で、本発明の十分な範囲−高回折効率は別として−は、ホログラフィーディフューザー１０の特定の所定の光学特性に限定されないことが理解される。種々の光拡散機能を有するホログラフィーディフューザーは、特定用途の必要性に依存して考えられる。文献からの証拠として、ホログラフィーディフューザーの種類は、種々多数にある。例えば、S,Wadleら、Holographic Diffusers、OPTICAL ENGINEERING、第33巻、第１号、213頁以下参照(1994年1月)；D.Meyerhofer、Holographic and Interferometric Viewing Screens、APPLIED OPTICS、第12巻、第９号、2180頁以下参照(1973年9月)；J.M.Tedescoら、Holographic Diffusers for LCD Backlights and Projection Screens、SID 93 DIGEST、Ch.5.3、29頁以下参照(1993)を参照。また、米国特許第5,365,354号(Jannsonら)、および同第5,046,793号(Hockleyら)を参照。これらおよび他の類似の参考文献に見出される教示は、本明細書中で開示される教示の観点において、当業者により本発明の実施態様に参考として援用され得る。
ここで、以下の実施例は、例示の目的によってのみ提供され、本発明のプロセスにおいて使用される特に好ましい公知の試薬、条件、および技術の詳細を示す。全ての部、比、および割合は、他に指示のない限り重量で示される。
実施例
反射ホログラフィーディフューザーの調製
ホログラフィー記録媒体を以下のように提供した：ポリエチレンイミンの予め混合した(premix)水溶液を、水中にCorcat P600XL分枝ポリエチレンイミン(約モル重量、40〜60K)、2-プロパノール、およびp-メトキシフェノールを含むように調製した。予め混合した溶液を、ポリ-N-ビニルピロリドン(30％固形分；例えば、GAF Inc.からのPlasdone c-15)の水溶液、2-プロパノールおよび水中のメチレンビスアクリルアミドの溶液、メチレンブルー水溶液、少量のp-メトキシフェノール重合禁止剤を含むアクリル酸、リチウムアクリレート、および水と合わせて、以下の組成物を有するコーティング溶液を得た：
0004068147.tif 000002
コーティング混合物を、ガラス基材上に付与(drawn onto)して約10ミクロンの乾燥厚みを得た。
このように調製した記録媒体を湿らせ、次いでホログラフィー的に画像形成した。画像形成の詳細は、以下の実施例に示される。しかし、一般に、画像形成（すなわち、曝露）を647nmの発光におけるクリプトンイオンレーザー(Coherent Laser,Inc.から)で行った。入射コヒーレント波面の入射角度を、光学台の表面に平行な軸の周りに回転制御±1.0°で回転台に取り付けられたミラーで調整した。アッセンブリを、0.1667〜0.3333cm/秒の間の走査速度で操作する、一方向の走査台(Aerotech,Inc.からのAccudex)に取り付けた。またAerotech,Inc.からのUnidex 1 Motion Controllerにより走査を行った。General Scanning Inc.からのCX-660 Scanner Controlにより制御される振幅およびオフセットを有する走査検流計を使用して、画像形成のための「フライング」レーザースポットを提供し、その結果、得られた棒状領域(bar area)（図１参照）は3.0cm2であった。
画像形成後、特定の曝露されたスライド（以下の実施例で同定される）を、多量の曝露により固定し、次いで5%酢酸ジルコニウム（すなわち、「ZAP」）のアルコール性溶液で約２分間化学処理するか、または90:10メタノール／酢酸溶液で２分間まず化学処理し、次いでZAP溶液で２分間処理した。全てのサンプルを圧搾付与(squeeze applied)したプロパノール／メタノール3:1溶液ですすいだ。
実験結果の測定
以下で報告される結果において、他に記載されない限り、反射率は、LAMBDA 9 UV-VIS分光光度計(Perkin-Elmerから入手可能)上に得られた可視スペクトルを評価することにより定量した。サンプルをサンプル光線の焦点に配置した。中程度の密度のフィルターを、参照光線の強度を調節するのに用いた。他に記載されない限り、拡散反射Rdは、捕集開口部（これは、0.25°の検出隅角を生じる）を通してPhoto Research SpectraScan PR704 Spectraradiometerを用いてスペクトル放射輝度を記録することにより定量した。サンプルの前面をカメラレンズに対して90°に方向づける。入射偏向角度がサンプル平面の軸から約45°〜10°の間であるように配置したタングステン点光源を用いて照射を行った。全ての反射ホログラフィーディフューザーは、照射時の観察された明るさならびに視角および波長に対応し、そしてこれらへの依存性を示すBragg回折ピークを示した。
実施例１
上記の調製に記載される様式にて、ホログラフィー記録媒体を調製し、25μすりガラス表面を通してKrイオンレーザー照射を用いて垂直入射（すなわち、θi=0°）で画像形成し、次いでZAP溶液中で化学処理した。
得られた反射ホログラフィーディフューザーのスペクトル（図１５参照）は、減少する波長の関数としてバックグラウンド散乱からの寄与の上昇および484nmにてλmaxを有するバックグラウンド上のBragg回折ピークを示した。バックグラウンド散乱の寄与による光学密度（OD）は、700、600、500、および400nmにおいて、それぞれ0.35、0.5、0.84、および1.3であると測定した。484nmにおけるピーク効率（λmax）は、1.94のOD、および40nmのΔλ1/2（すなわち、半値での全幅）を有した。
実施例２
反射ホログラフィーディフューザーを実施例１の方法に従って調製した。しかし、画像形成後、暴露された媒体を、まず90:10のメタノール/酢酸溶液、次いでZAP溶液中で化学処理した。
得られたホログラフィーディフューザーのスペクトル（図１６参照）は、実施例１と同様に、減少する波長の関数としてバックグラウンド散乱からの寄与の上昇を示したが、バックグラウンド上の回折ピークは、より短い波長に「ブルーシフト」した。バックグラウンドによるODは、波長が長くなるにつれ高くなることが測定された。すなわち、700、600、500、および400nmにおいて、それぞれ0.56、0.68、0.86、および1.29であった。422nmにおけるピーク効率（λmax）は、2.04のOD、および20nmのΔλ1/2を有した。
実施例３
図１７を参照して、反射ホログラフィーディフューザーを、実施例１（すなわち、実線）および実施例２（すなわち、破線）の方法に従って調製した。しかし、各場合の暴露に関しては、入射角度（θi）を０°〜38°に変化させた。
得られた反射ホログラフィーディフューザーを実施例１の様式で分析し、そして測定した。比較的より大きな入射角度により、バックグラウンド散乱からの寄与が減少し、Bragg回折ピークにおける反射率が約1.1のODまで減少し、そしてΔλ1/2が約２倍に増加した。このような観測は、1/cosΦi（ここで、Φiは入射内角である）の予測される因子による後者のシフトを伴って、θi=38°にてλmaxがより長波長、572nm（ZAPのみ）および476nm(90:10/ZAP)にシフトすることから予測される。
実施例４
反射ホログラフィーディフューザーを実施例１の方法に従って調製した。しかし、ホログラフィー記録媒体を、入射角度38°および０°の連続曝露を利用して画像形成した。
得られた反射ホログラフィーディフューザーを実施例１の様式で分析し、そして測定した。２つの入射角度で連続的に画像形成したことにより、減少する波長の関数としてバックグラウンド散乱からの寄与の増加を示すが、バックグラウンド上の分離した２つの回折ピークを有するスペクトル（図１８参照）が生じた。バックグラウンド散乱は、実施例２で測定したものより比較的低くなった。すなわち、700、600、500、および400nmにおいて、それぞれ0.21、0.37、0.57、および0.92のOD値であった。２つのピークは、508nmおよび556nmのλmaxにおいて、それぞれ1.06および1.05のODを有した。
実施例５
反射ホログラフィーディフューザーを、実施例１の方法に従って、垂直入射で曝露して調製した。しかし、ガラスディフューザーを、５μ散乱中心の均一分布を含む、10ミル(0.254mm)厚のポリマー性ディフューザーに代えた。
得られた反射ホログラフィーディフューザーを実施例１の様式で分析した。反射ホログラフィーディフューザーの可視スペクトル（図１９の実線参照）は、25μすりガラスのホログラフィー記録よりも無色応答を示し、バックグラウンド散乱からのODが700nm〜400nmの間で、約0.85から約1.3へ増加した。得られた反射ホログラフィーディフューザーのスペクトルは、バックグラウンド散乱のレベルの増加を示した。特に、バックグラウンド散乱は、700、600、500、および400nmにおいて、それぞれ0.84、1.0、1.14、および1.29のOD値、ならびに624nmのλmaxにおいて、1.82のODを有するバックグラウンド上のBragg回折ピークを有した。
実施例６
反射ホログラフィーディフューザーを、実施例５の方法に従って調製した。しかし、画像形成後、曝露された媒体を、まず90:10メタノール/酢酸溶液、次いでZAP溶液中で化学処理した。得られた反射ホログラフィーディフューザーのスペクトル（図１９の破線参照）を分析し、そして700、600、500、および400nmにおいて、それぞれ0.70、0.88、1.06、および1.18のバックグラウンド散乱からのOD、ならびに512nmのλmaxにおいて、2.1のODを有するバックグラウンド上のBragg回折ピークを有することを観察した。
拡散反射率分析
実施例１〜６の方法に従って一般的に調製した反射ホログラフィーディフューザーの拡散反射RDを、入射角度θi:45°、30°、20°、および12°でタングステン点光源を用いる照射、ならびに反射において得られたスペクトル放射輝度の測定により分析した。
得られた各反射ホログラフィーディフューザーに関する拡散反射の量Rdを、前述のPhoto Research SpectraScanで測定した。スペクトル放射輝度を、検出隅角が0.25°に等しくなるような補集開口部を通してカメラレンズに対して90°で測定した。比較のために、白色タイルのRdスペクトル応答を、ソースおよび検出器応答関数における分散、ならびに放射磁束密度の変化の測定として、θi=45°、30°、20°、および12°で測定した。白色タイルに対して得られた測定結果を図８に示す。各入射角度におけるディフューザー素子の訂正したスペクトル放射輝度を、「規格化」の手段として白色タイルの応答に対する比により実質的に計算した。この様式にて、反射ホログラフィーディフューザーの相対的な増加を、均一拡散反射表面と直接比較することにより決定した。規格化されたRdスペクトル応答を示すプロットを、図９〜１３（これは実施例３〜６に対応する）に示す。図９（実施例３における実線により表されるサンプルに対応する）、図１２（実施例５に対応する）、および図１３（実施例１３に対応する）に特に留意する。
図９は、照射角度45°、30°、20°、および12°に対する、白色タイルと比較して、25μガラスディフューザーを通して38°で画像形成され、ZAP処理された反射ホログラフィーディフューザーの拡散反射における増加を示す。ピーク拡散反射率での増加は、照射角度20°および12°において認められ、そしてこの波長は調査された照射角度範囲にわたって一定であった。半値での全幅で定義される大きなスペクトル幅は20°および12°の照射角度で示され、約100nmの値は緑中に中心点がある。最も低い照射角度において、ホログラフィーディフューザーは、インジゴからオレンジにわたる約160nmのスペクトル幅において、比較される白色タイルより少なくとも２倍明るい。
図12は、照射角度45°、30°、20°、および12°において白色タイルと比較した拡散反射応答の増加を示す。照射角度が増加するにつれて、規格化されたRdのλmaxは、Bragg方程式のcosΦi依存性から予測される値よりも少ないが、減少した。λmaxにおける増加は、12°、20°、および30°の入射照射角度において顕著である。ホログラフィーディフューザーの明るさは、これらの入射照射角度において白色タイルより顕著に大きい。減少した明るさは、一般に、素子に対して垂直な平面の検出において、大きな方位角の視角のみを明らかにする。
図１３は、45°、30°、20°、および12°の照射角度における、白色タイルの増加と比較して、90:10/ZAP処理された反射ホログラムディフューザーの増加を示す。λmaxにおける増加は、12°、20°、30°、および45°の4つすべての入射照射角度においてかなり大きい。化学処理により図12に示される結果と比較してブルーシフトした、規格化されたRdのλmaxは、また予測した値より小さいが照射角度が増加するにつれ減少した。さらに、Φi=45°における規格化されたRdは、45°における白色タイルのRdよりλmaxにおいて10倍増加したことを示す。このような視覚ジオメトリーは、表示用途（例えば、LCDフラットパネル表示装置）に望ましい。
実施例７
反射ホログラフィーディフューザーを、実施例１の方法に従って調製した。しかし、必要な対物光を発生するために通常使用される平面ミラーの代わりに、アルミニウムに規定された回折格子（Edmund Scientific Co. No. E43,005）で置き換えた。この格子は、1200溝/mmの格子間隔、および17°27'のブレーズ角度を有すると考えられ、その結果、最適効率は、500nm光であると考えられる。格子、ホログラフィーフィルム、フィルムの基材、およびすりガラスディフューザーをこの順に有するサンドウィッチを、垂直入射にて、ディフューザーを通して647nm光で画像形成した。
量的観点において、生成ディフューザーは、表面から垂直に約40°で照射した場合、垂直入射において非正拡散反射を示した。可視透過スペクトルの分析は、垂直入射で照射される場合、λmax=554nmにおいて最大反射率を示した。角度感性の調査は、主要な波長において小さなシフトのみ起こる、40°未満の角度においてさえ顕著な反射率を示すことを示した。
非限定的な特徴を請求する本発明の実施態様は以下のように定義される。
【図１】
0004068147.tif 000003
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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