(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面状の干渉縞からなりそのピッチが面内で等しく、厚さが面内で一定のシート形状を有する体積型回折格子からなり、前記体積型回折格子は、所定の入射角の光に対してそれぞれ青波長域及び赤波長域に回折効率のピークを有すると共に、両ピーク間の緑波長域に回折効率の底を有し、両ピークの波長でのシート法線からの回折角並びに両ピーク間の回折効率の底の波長の透過光のシート法線からの角度が相互に異なり、前記両ピーク近傍で回折された青波長域の光及び赤波長域の光と、前記両ピーク間の底近傍の透過光の緑波長域の光とを分光された色成分として用いることを特徴とするカラーフィルター。
【請求項２】
前記体積型回折格子の入射側又は回折側に集光性レンズアレーを備え、前記集光性レンズアレーの各要素レンズにより屈折され前記体積型回折格子で回折された成分及び回折されないで透過した成分を前記集光性レンズアレーの面に沿う方向にそれぞれ異なる位置に集光するか、あるいは、前記体積型回折格子で回折された成分及び回折されないで透過した成分を前記集光性レンズアレーの各要素レンズにより前記集光性レンズアレーの面に沿う方向にそれぞれ異なる位置に集光することを特徴とする請求項１記載のカラーフィルター。
【請求項３】
カラー液晶表示装置用のカラーフィルターとして用いられていることを特徴とする請求項１又は２記載のカラーフィルター。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、体積型回折格子を用いたカラーフィルターに係わり、特に、可視域中に回折効率のピークを複数持つ体積型回折格子を用いた液晶表示装置等用のカラーフィルター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５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６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】
なお、図６の変形として、図７に示すように、マイクロレンズアレー８及び液晶表示素子６の配置を図６の通りとし、回折格子の作用をする平行で一様な干渉縞からなるホログラム７をマイクロレンズアレー８から分離してバックライト３中にその進行方向に対して略垂直になるように配置しても、同様に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、その利用効率を大幅に向上させたカラーフィルターを実現することができる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
さて、以上の本出願人の提案に係るホログラムカラーフィルターは、本質的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あるいは回折格子を用いるものであったが、回折効率の波長依存性がある体積型ホログラムあるいは体積型回折格子１枚を用いて同様のものを実現することはできなかった。
【００１２】
本発明は従来技術のこのような実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、新規な原理に基づいて可視域中に回折効率のピークを複数持つ体積型回折格子を用いた液晶表示装置等に用いる明るいカラーフィルターを提供することである。
【００１５】
【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体積型回折格子を用いたカラーフィルターは、平面状の干渉縞からなりそのピッチが面内で等しく、厚さが面内で一定のシート形状を有する体積型回折格子からなり、前記体積型回折格子は、所定の入射角の光に対してそれぞれ青波長域及び赤波長域に回折効率のピークを有すると共に、両ピーク間の緑波長域に回折効率の底を有し、両ピークの波長でのシート法線からの回折角並びに両ピーク間の回折効率の底の波長の透過光のシート法線からの角度が相互に異なり、前記両ピーク近傍で回折された青波長域の光及び赤波長域の光と、前記両ピーク間の底近傍の透過光の緑波長域の光とを分光された色成分として用いることを特徴とするものである。
【００１６】
この場合、体積型回折格子の入射側又は回折側に集光性レンズアレーを備え、集光性レンズアレーの各要素レンズにより屈折され体積型回折格子で回折された成分及び回折されないで透過した成分を集光性レンズアレーの面に沿う方向にそれぞれ異なる位置に集光するか、あるいは、体積型回折格子で回折された成分及び回折されないで透過した成分を集光性レンズアレーの各要素レンズにより集光性レンズアレーの面に沿う方向にそれぞれ異なる位置に集光するようにすることが望ましい。
【００１７】
なお、これらのカラーフィルターはカラー液晶表示装置用のカラーフィルターとして用いることが望ましい。
【００１８】
本発明においては、体積型回折格子として、シート形状を有し、所定の入射角の光に対して可視域中に少なくとも２つの回折効率のピークを有すると共に、それらピーク間に回折効率の底を有するように干渉縞のピッチと厚さが設定されている全く新規な作用を持つものを提供することができる。この体積型回折格子は、例えば液晶表示装置用のバックライト利用効率が高く明るいカラーフィルターとして利用可能である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の体積型回折格子の原理とそれを用いたカラーフィルターの実施例について説明する。
本発明においては、体積位相型のホログラムであって干渉縞が平面状であり、そのピッチが一定のもので外形がシート（膜）状のものを体積型回折格子と呼ぶ。体積型回折格子の入射角と回折角の関係及び回折効率は次のように書ける（例えば、西原他共著「光集積回路」第８６〜９０頁、"The Bell System Technical
Journal”48(9)1969,pp.2909-2947）。
【００２０】
0003859261.tif 000002
ただし、Λは干渉縞（格子面）のピッチ、φは干渉縞の法線の膜の法線に対する角度（スラント角）、λは波長、λ1 は特定の波長、λ2 はλ1 とは異なる別の波長、θi は波長λ、λ1 、λ2 の光の膜の法線に対する媒質内での入射角、θd は波長λの光の膜の法線に対する媒質内での回折角、θd1は波長λ1 の光の膜の法線に対する媒質内での回折角、θd2は波長λ2 の光の膜の法線に対する媒質内での回折角、Δｎはホログラム記録膜の媒質の屈折率変調、Ｔはその膜の厚さ、βi ＝βd ＝２πｎ／λ、ｎは媒質の屈折率である。
【００２１】
体積型回折格子を構成する体積位相型ホログラムの回折効率は上記（３）式により与えられるが、その干渉縞のピッチΛと厚さＴを制御することによって、ある入射角θi に対して様々な回折効率の波長依存性を持ったものが得られる。一般に、透過型の体積型回折格子（体積位相型ホログラム）はブラグ回折角でその波長の回折効率が最大となる適切な膜厚が存在する。その膜厚をより厚くして行くと、その回折効率のピークが長波長側にずれ、２つめのピークが短波長側に現れ、これを続けるとピーク間の周期が短くなり、可視域中に２つの回折効率のピークが存在することになる。
【００２２】
図２は、屈折率ｎ＝１．５２で膜厚Ｔ＝３６μｍのフォトポリマーに、波長５１４．５ｎｍの２つの光束を入射角６°と１７．７°で入射させ、干渉縞のピッチΛ＝２５８８μｍ、スラント角φ＝８６．３°、Ｑ値（＝２πλＴ／ｎΛ2 ）＝８．８８７〜１５．５５（４００ｎｍ〜７００ｎｍ）の体積位相型ホログラムを記録してなる本発明の１実施例の体積型回折格子の回折効率特性を示す。図２から明らかなように、可視域に４６０ｎｍ近傍の青色領域と６３０ｎｍ近傍の赤色領域中に回折効率が略１００％の２つのピークを有し、５３０ｎｍの緑色領域中に回折効率が略０％の底を有するものとなっている。
【００２３】
そして、このピーク波長近傍の波長４７０ｎｍ、６２０ｎｍの垂直入射（θi ＝０°）での回折角は、上記（１）、（２）式により得られ、それぞれ１０．４°、１３．８°となる。また、底近傍の波長５４５ｎｍでは垂直入射ではほとんど回折されずに透過する。
【００２４】
上記実施例から、図１のような特性の本発明の体積型回折格子が得られる。すなわち、本発明による体積型回折格子１に所定の入射角で入射した白色光２の中、緑波長域の光１３Ｇは大部分そのまま回折されずに直通し、青波長域の光１３Ｂ及び赤波長域の光１３Ｒは緑波長域の光１３Ｇに対して同じ側で異なる回折角で大部分回折される。
【００２５】
以上の具体的な数値の実施例は１実施例であり、入射光１の入射角は０°以外に種々設定でき、また、ピーク波長及びそれらの波長近傍の波長の回折角も種々設定できる。
【００２６】
このように、本発明による体積型回折格子は、所定の入射角の光に対して、可視域中に２つの回折効率のピークを有するのが基本であり、さらに望ましくは、その２つのピーク波長で回折角が相互に異なるものである。そして、さらに望ましくは、一方のピーク波長は青波長域に位置し、他方のピーク波長は赤波長域に位置し、２つのピーク波長間の底の波長は緑波長域に位置することである。
【００２７】
さて、このような特性を有する本発明による体積型回折格子をカラー液晶表示装置等のためのカラーフィルターとして用いることを考える。図３は本発明による体積型回折格子をカラーフィルターとして用いた液晶表示装置の要部断面図であり、全体の構成は、不図示の白色照明光源からの略平行なバックライト３に対して略垂直に配置された本発明による体積型回折格子１と、その射出側に体積型回折格子１と平行に配置された液晶表示素子２１と、液晶表示素子２１のバックライト３入射側の何れかの位置に配置された入射側偏光板２８と、液晶表示素子２１の観察側に配置された観察側偏光板２９と、体積型回折格子１と液晶表示素子２１の間であって入射側偏光板２８の入射側あるは射出側（図の場合は入射側）に体積型回折格子１と平行に配置され、各微小凸レンズ８′が液晶表示素子２１のＲＢＧ３つの分色画素からなる組各々に対応して配置されているマイクロレンズアレー８とからなっている。
【００２８】
液晶表示素子２１は、例えば、２枚のガラス基板２２、２３の間に挟持されたツイストネマチック等の液晶層２７からなり、バックライト側のガラス基板２２の内表面には、ブラック・マトリックス２４と一様な透明対向電極２５が設けられ、表示面側のガラス基板２３の内表面には画素Ｒ、Ｂ、Ｇ毎に独立に透明画素電極２６と不図示のＴＦＴが設けられている。また、電極２５、２６の液晶層２７側には不図示の配向層も設けられて構成されている。また、入射側偏光板２８と観察側偏光板２９とは、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、観察側偏光板２９はガラス基板２３の外表面に貼り付けてもよく、入射側偏光板２８は、体積型回折格子１とマイクロレンズアレー８の間に挟持して一体に貼り合わせてもよく、あるいは、体積型回折格子１のバックライト３入射側に接着あるいは離して配置してもよい。さらに、マイクロレンズアレー８は液晶表示素子２１の一方のガラス基板２２と一体に貼り合わせてもよい。
【００２９】
そして、マイクロレンズアレー８とブラック・マトリックス２４の間の距離は、マイクロレンズアレー８を構成する微小凸レンズ８′の焦点距離（ガラス基板２２の屈折率も考慮して）と略等しく設定されており、したがって、体積型回折格子１で分光された平行光１３Ｇ、１３Ｂ、１３Ｒが微小凸レンズ８′によって集光される位置はブラック・マトリックス２４の開口の位置となる。なお、マイクロレンズアレー８を構成する微小凸レンズ８′は、ＲＢＧの分色画素の繰り返し周期の各周期毎、すなわち、液晶表示素子２１の紙面内の方向に隣接する３つの画素の組各々に対応して配置されている。
【００３０】
なお、ブラック・マトリックス７の開口には、色純度を上げるため、従来のカラー液晶表示装置と同様に、Ｒ、Ｂ、Ｇ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。
【００３１】
以上のような構成であるので、体積型回折格子１の液晶表示素子２１と反対側の面から略垂直に白色バックライト３を入射させると、その中の緑波長域の成分の光１３Ｇは大部分そのまま回折されずに直通し、マイクロレンズアレー８の各微小凸レンズ８′により緑の波長成分１２Ｇは緑を表示する画素Ｇの位置に集光され、青波長域の成分の光１３Ｂ及び赤波長域の成分の光１３Ｒは緑波長域の成分の光１３Ｇに対して同じ側で異なる回折角で回折され、それぞれマイクロレンズアレー８の各微小凸レンズ８′により青を表示する画素Ｂの位置、赤を表示する画素Ｒの位置に集光される。したがって、液晶表示素子２１の画素毎に透明画素電極２６と透明対向電極２５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、ＲＢＧ分色画素の組み合わせにより所望のカラー表示を行うことができる。
【００３２】
このような構成において、分光要素として本発明の体積型回折格子１を用いることができるため、製作が容易でありコストが安い。また、体積型回折格子１の青波長域及び赤波長域での回折効率が高く、緑波長域での透過効率が高いので、バックライト３の利用効率が高い。さらに、体積型回折格子１をマイクロレンズアレー８の各微小凸レンズ８′と位置合わせする必要がなく、マイクロレンズアレー８のピッチが各画素各々に対応して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等の特長がある。
【００３３】
なお、図３のような配置において、青を表示する画素Ｂには、図２の底の５３０ｎｍの緑色領域の波長からピークの６３０ｎｍ近傍の赤色領域の波長に到る波長領域の画素Ｂに対応する分散位置の波長の光が迷光として入射する恐れがある。これを防止するには、その迷光になる恐れのある波長の成分を含まないバックライト３の光源を用いるか、あるいは、バックライト３光路中等観察者に到る何れかの位置にこの迷光になる恐れのある波長成分をカットするバンド阻止フィルターを挿入することが望ましい。
【００３４】
図３に示したような構成の本発明の体積型回折格子をカラーフィルターとして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。直視型の液晶表示装置として用いるには、液晶表示素子２１の観察側に拡散層を設けることが望ましい。液晶投影表示装置として用いるには、例えば図４に示すような配置にする。図４は図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り、図３のカラー液晶表示装置３０は、例えばメタルハライドランプ３３と放物面鏡３４の組み合わせからなる照明装置３２からの白色の平行なバックライト３によって照明するようにする。そして、カラー液晶表示装置３０で変調された表示像は、液晶表示装置３０の近傍に配置されたフィールドレンズ３５を経て、投影レンズ３６により拡大されてスクリーン３７上に拡大結像され、明るいカラー投影像を得ることができる。なお、図４中には、液晶表示装置３０を通過した各原色成分の光路をＲ、Ｂ、Ｇで示してある。
【００３５】
以上、本発明の体積型回折格子とそれを用いた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。また、体積型回折格子とそれを用いたカラーフィルターの用途も表示装置のカラーフィルターだけに限らず他のものにも適用可能である。さらに、本発明のカラーフィルターを用いる表示装置としては、例えば、液晶表示素子の代わりに他の透過型空間光変調器を用いてもよい。また、体積型回折格子１、マイクロレンズアレー８等の構成要素である光学素子の表面に反射防止膜等を設けることが望ましい。
【００３６】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の体積型回折格子とそれを用いたカラーフィルターによると、体積型回折格子として、シート形状を有し、所定の入射角の光に対して可視域中に少なくとも２つの回折効率のピークを有すると共に、それらピーク間に回折効率の底を有するように干渉縞のピッチと厚さが設定されている全く新規な作用を持つものを提供することができる。この体積型回折格子は、例えば液晶表示装置用のバックライト利用効率が高く明るいカラーフィルターとして利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による１実施例の体積型回折格子の作用を説明するための図である。
【図２】図１の実施例の体積型回折格子の回折効率特性を示す図である。
【図３】本発明による体積型回折格子をカラーフィルターとして用いた液晶表示装置の要部断面図である。
【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したものの断面図である。
【図５】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６】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。
【図７】図６の変形例を示す液晶表示装置の断面図である。
【符号の説明】
１…体積型回折格子
２…白色光
３…バックライト
８…マイクロレンズアレー
８′…微小凸レンズ
１３Ｇ…緑波長域の光
１３Ｂ…青波長域の光
１３Ｒ…赤波長域の光
２１…液晶表示素子
２２、２３…ガラス基板
２４…ブラック・マトリックス
２５…透明対向電極
２６…透明画素電極
２７…液晶層
２８…入射側偏光板
２９…観察側偏光板
３０…カラー液晶表示装置
３２…照明装置
３３…メタルハライドランプ
３４…放物面鏡
３５…フィールドレンズ
３６…投影レンズ
３７…スクリーン
Ｒ、Ｂ、Ｇ…分色画素
【図１】
0003859261.tif 000003
【図２】
0003859261.tif 000004
【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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