(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
低屈折率部分と高屈折率部分の縞パターンからなる単位ホログラムを周期的に配置したホログラムカラーフィルタであって、
各単位ホログラム同士の境界近傍には補正領域が形成され、
隣接する一対の単位ホログラムの縞パターンは、補正領域内において双方の縞パターンに接する状態であるとともに、前記双方の縞パターンの終端同士をなだらかに結ぶ補正曲線により連結されるホログラムカラーフィルタ。
【請求項２】
低屈折率部分と高屈折率部分の縞パターンからなる単位ホログラムを周期的に配置したホログラムカラーフィルタであって、
隣接する単位ホログラムの縞パターンが単位ホログラムの境界を境に低屈折率部分と高屈折率部分が反転したホログラムカラーフィルタ。
【請求項３】
低屈折率部分と高屈折率部分の縞パターンからなる単位ホログラムを周期的に配置したホログラムカラーフィルタであって、
各単位ホログラム同士の境界近傍には補正領域が形成され、
補正領域には隣接する他方の単位ホログラムの縞パターンの終端が該縞パターンの延長曲線となるように延長される補正曲線が書き加えられるホログラムカラーフィルタ。
【請求項４】
低屈折率部分と高屈折率部分の縞パターンからなる単位ホログラムを周期的に配置したホログラムカラーフィルタであって、
各単位ホログラム同士の境界近傍には補正領域が形成され、
単位ホログラムの補正領域内で縞パターンの低屈折率部分と高屈折率部分の比が境界に向けて漸次０または１になるホログラムカラーフィルタ。
【請求項５】
低屈折率部分と高屈折率部分の縞パターンからなる単位ホログラムを周期的に配置したホログラムカラーフィルタであって、
隣接する単位ホログラム間の境界線は折れ線状の連続直線により形成され、該形成された境界線は単位ホログラムの回折集光方向に対して斜めに傾く直線成分を含むホログラムカラーフィルタ。
【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に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般にカラー液晶表示装置におけるカラー表示は、カラーフィルタを液晶層内に平面的に配置し、透過する光を画素毎に制御することにより実現される。カラーフィルタは白色光のそれぞれ赤、緑、青の部分の光のみを通過するように構成されるために、最も明るい表示の場合でも理論的には入射光の３３％しか使用されていないこととなり、光使用効率が極めて悪いという問題がある。そこで、光使用効率を良くする方法として、カラーフィルタの代わりにホログラムを用いる方法が提案されている。
【０００３】
図８にホログラムを使用したカラー表示方法の原理を示す。図中５は従来のカラーフィルタの代用として使用されるホログラムカラーフィルタであり、液晶パネル６と白色光源との間に配置される。液晶パネル６には赤画素７１、緑画素７２、青画素７３に対応したブラックマトリクスが配置され、入射光Ｌｉはホログラムカラーフィルタ５により回折されて赤の波長成分を液晶パネル６の赤画素７１に、緑の波長成分を緑画素７２に、青の波長成分を青画素７３に回折集光する。この結果、ホログラムへの入射光Ｌｉは色成分のほとんどが液晶パネル６の各画素に入射するために明るい色表示が可能になる。
【０００４】
上記ホログラムカラーフィルタ１は、単位ホログラム１をアレイ状に多面付け配置したもので、例えば、単位ホログラム１の原板を基に、ｘ、ｙ方向に精度よく搬送できる装置を用いて多面付け露光して作製することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述したホログラムカラーフィルタ５には以下の欠点がある。すなわち、単位ホログラム１を多面付けした場合、隣接する単位ホログラム１の間に境界１０が生じる。単位ホログラム１は入射光Ｌｉを赤画素７１、緑画素７２、青画素７３に入射する各波長成分に回折するものであるから、少なくとも画素（赤画素７１、緑画素７２、青画素７３の集合）数以上の境界１０が発生することとなる。この境界１０に入射した光は、図８に示すように、回折集光する方向以外の方向に回折、または散乱し、液晶パネル６の赤画素７１、緑画素７２、青画素７３のそれぞれに余分な光が入射し、目標の色再現の妨げとなる。
【０００６】
また、境界１０以外に入射した光は所望の方向に回折集光し液晶パネル６を透過するが、ホログラムの回折による分散角があるため、広がって出射する。このままでは表示エリアの端部分の光を取り込むことができず、目標の色表現ができない上に、暗くなるために、液晶パネル６の背面にはフィールドレンズ８が配置され、広がって出射した光を光軸方向に折り曲げて、投射レンズに入射する。一方、単位ホログラム１の境界１０はホログラム縞が不連続になる点の集合であるため、入射した光は上述したように回折集光の方向でない方向に回折、散乱する。フィールドレンズ８はホログラムから広がって出射した光と、境界１０によって散乱、回折した光を全て取り込み、投射レンズに入射するために、目標の色表現を妨げることとなる。
【０００７】
本発明は以上の欠点を解消すべくなされたもので、隣接する単位ホログラム１の境界１０によって生じるノイズ光による色再現性の低下を防止することのできるホログラムカラーフィルタの提供を目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば上記目的は、図１（ａ）に示すように、
低屈折率部分と高屈折率部分の縞パターン３からなる単位ホログラム１を周期的に配置したホログラムカラーフィルタであって、
各単位ホログラム１同士の境界近傍には補正領域２が形成され、
隣接する一対の単位ホログラム１の縞パターン３は、補正領域２内において双方の縞パターン３に接する状態であるとともに、前記双方の縞パターン３の終端同士をなだらかに結ぶ補正曲線４０により連結されるホログラムカラーフィルタ５により達成される。
【０００９】
ホログラムカラーフィルタ５は複数の単位ホログラム１を周期的に配置して構成され、各単位ホログラム１には所定の波長の光を所定の回折角度で回折する回折格子が形成される。単位ホログラム１、１間の境界１０では、ホログラムの縞パターン３が不連続になる。境界１０部における不連続状態は主として図１（ｂ）に示すように、空間周波数は同じであるが、湾曲する方向が変化するものと、図５（ｂ）に示すように、空間周波数も湾曲する方向も異なるものに区分される。この縞パターン３の不連続部分に入射した光は、振幅、あるいは位相が変化し、振幅が変化すると、光の強度は振幅の２乗に比例するので光の強度が変化する。位相が変化すると、光の位置がずれることなり、このように生じた光がノイズ光となって目標の色再現が妨げられる。
【００１０】
上記請求項１に係る発明によれば、単位ホログラム１、１間の縞パターン３の不連続部は補正領域２内に描かれた補正曲線４０によりなだらかに結ばれて連続しており、境界１０での光の強度の変化、あるいは光の位置ずれが生じないために、ノイズ光の発生が減少する。
【００１１】
図４（ａ）に例示する請求項２に係る発明は、隣接する単位ホログラム１の縞パターン３が境界１０を境に白黒反転、すなわち低屈折率部分と高屈折率部分が反転するもので、反転境界１０に入射した光の位相は完全に逆位相となって強度が０になる。この結果、該境界１０からノイズ光が発生することがなくなる。
【００１２】
図５（ａ）に例示する請求項３に係る発明は、単位ホログラム１同士の境界近傍に形成された補正領域２内に、隣接する他方の単位ホログラム１の縞パターン３の終端が該縞パターン３の延長曲線となるように延長される補正曲線４１が書き加えられ、縞パターン３の重合領域を形成したものである。縞パターン３の重合領域においては縞パターン３のコントラストが低下するために、回折効率が低下し、ノイズ光の発生が抑えられる。
【００１３】
図６（ａ）に例示される請求項４に係る発明は、単位ホログラム１同士の境界近傍の補正領域２内において、縞パターン３は隣接する他の単位ホログラム１との境界１０に向けてデューティが漸次０または１に変化する。縞パターン３のデューティを縞パターン３が実質的に存在しないデューティ０または１になだからに変化させることにより、境界１０における回折効率は低下し、ノイズ光の発生が抑えられる。
【００１４】
図７に例示される請求項５に係る発明は、隣接する単位ホログラム１間の境界線、すなわち単位ホログラム１の外周は折れ線状の連続直線により形成されるものである。単位ホログラム１の回折集光方向に対する境界１０線の走行方向の傾きと、ノイズ光の回折、あるいは散乱方向との間には経験上一定の関係が観察される。例えば、図７において鎖線で示す六角形の単位ホログラム１を周期的に配置して形成したホログラムカラーフィルタ５をフィールドレンズ８越しに観察した場合、斜線境界１０’からのノイズ光は観察されない。単位ホログラム１の回折集光方向に対して単位ホログラム１の境界１０’が斜めに傾いているために、境界１０’に入射した光はフィールドレンズ８で取り込むことができない方向に回折、あるいは散乱したためである。したがって境界１０’を傾きの異なる２以上の直線により形成してランダム直線とすることにより、フィールドレンズ８へのノイズ光の入射が少なくなり、色再現性が改善される。また、上述したと同様の趣旨により、境界１０を少なくとも１以上の変曲点を有する連続曲線により形成することもできる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図２に本発明に係るホログラムカラーフィルタ５を使用した液晶表示装置を示す。液晶表示装置は液晶パネル６の背面にホログラムカラーフィルタ５を配置し、さらにその背面に白色光源となるバックライトを配置して形成される。液晶パネル６は、ブラックマトリクスにより仕切られた複数の駆動画素をガラス板６０により挟みつけ、さらに表裏に偏光板６１を固定して形成される。駆動画素は赤画素７１、緑画素７２、青画素７３の順に規則的に配置される。
【００１６】
ホログラムカラーフィルタ５は、例えば、図３に示すように正六角形状の単位ホログラム１を周期的に配置して形成される。単位ホログラム１は低屈折率部分と高屈折率部分の縞パターン３を有し、各単位ホログラム１の縞パターン３は液晶パネル６の画素配列のピッチ、ホログラムによる回折集光する方向および位置などのパラメータによって縞の位相分布が計算される。周期的に縞パターン３が繰り返されるホログラムカラーフィルタ５は、単位ホログラム１の原板を、縦方向、および横方向に繰り返しピッチ分だけ移動させて単位ホログラム１の複製を繰り返して作成される。図３（ａ）に示す実施の形態において、例えばハッチングを施して示される単位ホログラム１に入射した白色光は波長に準じた回折角度で回折し、波長に対応する光の画素（図中逆ハッチングを施して示す）に入射する。
【００１７】
図１に単位ホログラム１同士の境界１０の拡大図を示す。この拡大図は六角形の単位ホログラム１同士の上下の境界１０を示すもので、本来、当該部位においては図１（ｂ）に示すように、空間周波数は同じだが湾曲する方向が変化する不連続部が構成される。本発明において図１（ａ）に示すように、当該不連続状態の解消ために、境界１０近傍には補正領域２が設定される。補正領域２は入射光Ｌｉを正しく対応する画素に回折する領域（有効領域１１）を可及的に広く取って入射光Ｌｉの利用効率を高くするために、境界１０近傍の狭い領域に設けられる。補正領域２において、上下の縞パターン３の終端同士はなだらかな曲線（補正曲線４０）で結ばれる。補正曲線４０と補正前の縞パターン３との連結部に新たな不連続部が発生しないように、補正曲線４０は補正前の縞パターン３に接する状態で配置される。したがってこの実施の形態において、補正領域２では急激な縞パターン３の変化が生じないために、縞パターン３の不連続に起因するノイズ光の発生を抑制することができる。
【００１８】
空間周波数は同じだが湾曲する方向が変化する不連続部に有効な他の変形例を図４に示す。なお、以下の説明において上述した構成要素と実質的に同一の要素は図中に同一符号を付して説明を省略する。また、図４ないし図６において（ａ）が本発明に係る境界を、（ｂ）が補正前の境界を示す。この変形例において、上下に配置された縞パターン３は相互に完全に反転して形成される。反転された縞パターン３を有する単位ホログラム１は全く同一の回折特性を示し、境界１０以外の領域では入射光Ｌｉを正しく対応する画素に分光回折する。一方、境界１０への入射光Ｌｉは、光の位相が逆位相となるために、強度が０となってノイズ光の発生が抑制される。
【００１９】
図５に本発明の第２の実施の形態を示す。以下に説明する実施の形態は、空間周波数、および湾曲方向ともに異なる不連続部分への有効な補正方法を示すものであるが、空間周波数が同じで湾曲方向が異なっていたり、あるいは空間周波数が同じで湾曲方向が同じものへの適用も可能である。この実施の形態において、補正領域２には隣接する他の縞パターン３の延長曲線が補正曲線４１として追加される。ホログラムカラーフィルタ５が単位ホログラム１の多面焼き付けにより製造される場合には、補正曲線４１は各単位ホログラム１に予め設定される。したがってこの実施の形態において、補正領域２における縞パターン３のコントラストが低くなるために、回折効率が低下して透過成分が高くなり、ノイズ光が低減する。
【００２０】
図６に本発明の第３の実施の形態を示す。この実施の形態において、各単位ホログラム１の縞パターン３は補正領域２でデューティ（縞パターン３の白黒比、正確には低屈折率部分と高屈折率部分の比）が０または１になるように漸次変化する。デューティは回折効率に影響を与えることが知られており、デューティが０または１になる境界１０での回折効率は０となる。したがってこの実施の形態において、境界１０においては回折効率は０となるために、境界１０への入射光Ｌｉは回折、散乱することなくそのまま透過光となり異常回折、散乱によるノイズ光が低減する。
【００２１】
図７に本発明の第４の実施の形態を示す。この実施の形態において、各単位ホログラム１の境界１０は不連続な２以上の直線により形成される。多面焼き付けによる製造工程を考慮して、各単位ホログラム１の外周は、好ましくは相互に噛み合う形状とされる。したがってこの実施の形態において、各境界１０線は単位ホログラム１の回折集光方向に対して斜めに傾く直線成分を含むこととなる。この直線成分に入射した光はフィールドレンズ８で取り込むことのできない方向に回折、あるいは散乱するために、色再現性に悪影響を及ぼさない。なお、図７においては連続直線により境界１０を形成したが、曲線により形成することも可能であり、この場合、境界１０の曲線は、少なくとも１以上の変曲点を有する連続曲線で形成される。
【００２２】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、入射光の単位ホログラム間の境界での散乱、異常回折による色再現性の劣化を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を示す図で、（ａ）は補正後の境界を示す要部拡大図、（ｂ）は補正前の境界を示す要部拡大図である。
【図２】カラー液晶表示装置を示す図である。
【図３】ホログラムカラーフィルタを示す図で、（ａ）はホログラムカラーフィルタ越しに液晶パネルを見た平面図、（ｂ）は単位ホログラムの配列状態を示す平面図である。
【図４】図１の変形例を示す図で、（ａ）は補正後の境界を示す要部拡大図、（ｂ）は補正前の境界を示す要部拡大図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態を示す図で、（ａ）は補正後の境界を示す要部拡大図、（ｂ）は補正前の境界を示す要部拡大図である。
【図６】本発明の第３の実施の形態を示す図で、（ａ）は補正後の境界を示す要部拡大図、（ｂ）は補正前の境界を示す要部拡大図である。
【図７】本発明の第４の実施の形態を示す図である。
【図８】従来の問題点を示す図。
【符号の説明】
１        単位ホログラム
２        補正領域
３        縞パターン
４０、４１      補正曲線
５        ホログラムカラーフィルタ
【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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