CN100410700C - 全息滤色片及其制造方法以及包含该滤色片的彩色液晶显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全息滤色片，该滤色片具有这样的滤色片功能，即利用全息图将入射光波进行衍射分离，并将如此分离的具有不同波长的光波以特定空间周期投射到所需位置处。所述全息滤色片包括透光基板(21)和在所述基板上形成的透光类金刚石碳(DLC)膜(22)。在类金刚石碳膜中，较低衍射率带形区域(n₁，22a)和较高衍射率带形区域(n₂，22b)交替放置。

Description

全息滤色片及其制造方法以及包含该滤色片的彩色液晶显示装置

技术领域

本发明涉及全息滤色片，以及包含该滤色片的彩色液晶显示装置，尤其涉及具有分光功能和微透镜功能中至少之一的全息滤色片，以及包含该滤色片的彩色液晶显示装置的改进。

背景技术

近年来，已有多种彩色液晶显示装置投入实际使用。彩色液晶投影装置即为这些彩色液晶显示装置的一种。所述彩色液晶投影装置包括多种类型，每一种类型的装置均采用三个液晶板。更具体地，这三个液晶板分别显示红色(R)光学图像、绿色(G)光学图像及蓝色(B)光学图像。呈现不同颜色的三幅光学图像组合后由光学系统投射至屏幕上即形成全彩色图像。

这种三屏板型彩色液晶投影装置不仅需要三个价格昂贵的液晶板，而且需要大量将三色光波进行分离或合成的光学元件。即，三屏板型彩色液晶投影装置不仅成本较高，而且难以实现小型化。

另一方面，单屏板型彩色液晶投影装置可降低成本，并易于实现小型化。这种单屏板彩色液晶投影装置的示例可参见日本Victor有限公司所生产的背投影电视机(HV-D50LA1)。

图9所示为日本Victor有限公司所生产的HV-D50LA1中采用的单屏板型彩色液晶投影装置的基本光学原理的断面示意图。所述彩色液晶投影装置具有全息滤色片，该全息滤色片示出为在玻璃基板1顶面上所形成的全息薄膜2。在玻璃基板1背面上设置有液晶层3。在液晶层3的背面设置有反射型电极层4。所述反射型电极层4具有反射型像素电极，每一像素电极用于反射R、G或B光波。所述反射型R、G及B电极组合形成单个像素。在图9中，多个R电极沿垂直于图幅的方向排列。同样，多个G电极与多个B电极均沿垂直于图幅的方向排列。而且，在玻璃基板1与液晶层3之间设置透明电极(图中未示出)，以作为R、G、B电极的反电极。

在图9所示的彩色液晶投影装置中，由光源(未示出)发射的白色光波W以特定入射角入射至全息薄膜2。全息薄膜2利用其衍射作用，根据波长将白色光波W分为红色(R)光波、绿色(G)光波以及蓝色(B)光波(将光波分离为各自的光谱分量)。全息薄膜2还具有微透镜阵列的功能，以将三种光波分别会聚在对应的R、G、B电极上。此时，由于全息薄膜2的衍射条件不同，因而使得由R、G、B电极分别反射的红色(R)、绿色(G)与蓝色(B)光波之间彼此偏移。经偏移的三种光波穿过全息薄膜2后，由投影透镜(图中未示出)投射至屏幕上。

图10所示为具有分光功能与微透镜阵列功能的全息图(衍射光栅)的一个示例的平面示意图。所述衍射光栅具有在玻璃基板11上形成的栅格图，所述栅格图具有多个相互平行的带形区域12。带形区域12可由例如金属铬(Cr)薄膜材料制成。当然，Cr薄膜12不可透过光波，而光波仅可由多条带形Cr薄膜12之间的间隙透过。

即，多条平行带形Cr薄膜12区域可起到衍射光栅的作用，光波沿与带形Cr薄膜12纵向垂直的方向发生衍射。此时，众所周知，由于衍射角与光波波长具有相关性，所以R、G、B三色光波以不同的衍射角度进行衍射。如此，白色光波W可实现分色。

而且，图10所示的衍射光栅具有这样独特的特征，即带形Cr薄膜12的宽度与间距呈周期性变化。所述排列方式可使衍射光栅具备微透镜阵列的功能。更具体地，当光波相同时，众所周知，当衍射光栅之间的间距减小时，衍射角度增大。因此，可通过逐渐改变衍射光栅的间距获得透镜功能。

此外，在如图10所示的衍射光栅中，如上所述，光波仅沿与带形Cr薄膜12纵向垂直的方向进行衍射。因此，仅可在所述方向上获得透镜功能。因此，衍射光栅可起到具有线性焦点的柱状透镜的作用。但是，若需要，通过采用类似公知的菲涅耳波带片的衍射光栅，必然也可实现具有点焦点的圆形或正方形透镜的功能。

如图10所示的衍射光栅的作用与多个相互平行的柱状微透镜相似。箭头13所指区域起到单柱状微透镜的作用。在柱状微透镜区域13中，当由右侧向左侧移动时，带形Cr薄膜12的宽度与间距均减小。即，在图10所示的衍射光栅中，对于每一柱状微透镜区域13而言，带形Cr薄膜12的宽度与间距均呈周期性变化。

当将如图10所示的衍射光栅未加改造而直接代替图9所示的彩色液晶投影装置中的全息薄膜2时，由于带形Cr薄膜12不会透过光波，所以会降低由光源处所发出的白色光波W的利用效率。而且，在图10所示衍射光栅中，带形Cr薄膜区域12的间距非常小。例如，在区域13的中心位置处，其间距最大约为0.5μm。因此，必须通过电子束绘制方式形成图10所示的衍射光栅，这不适于大批量工业生产。

为解决该问题，在图9所示的彩色液晶投影装置中，光通过主衍射光栅照射至玻璃基板上的感光聚合物薄膜。然后，对受光照射的感光聚合物薄膜进行热处理，以制成全息薄膜2。此时，当所在区域的光强度增大时，该区域的折射率“n”也同样增加。即，由感光聚合物制成的全息薄膜2具有调制折射率“n”，并起到折射率调制型衍射光栅的作用。

图11所示为专利文献1(日本专利申请特开平10-96807)中所公开的彩色液晶显示装置的断面示意图。所示彩色液晶显示装置具有公知的透光型液晶板40。所述液晶板40具有液晶显示层41以及黑色矩阵(black matrix)42。所述液晶显示层41具有多个像素，每一像素由红色显示区域R、绿色显示区域G以及蓝色显示区域B组合而成。各彩色显示区域之间的边界由黑色矩阵42覆盖。

全息滤色片50置于液晶板40的背面侧。所述全息滤色片50具有全息板51及多个微透镜52阵列。各微透镜52以与液晶板40的各像素的周期相对应的周期阵列状排列。另外，全息板51由具有平行且均匀的槽的石英玻璃板制成，该石英玻璃板具有衍射光栅的作用。

在图11所示的液晶显示装置中，当将背光(后照光)60入射到全息滤色片50中时，根据波长不同，所述背光60以不同角度发生衍射，从而实现波长分离。然后，在全息板51的出射侧呈现出红色光波61、绿色光波62及蓝色光波63。与全息板51相邻放置的微透镜52根据波长将光波分离，以使这些经波长分离的光波会聚于各焦平面之上。更具体地，滤色片50这样设置：即，可使红色光波61衍射并会聚于像素中的红色显示区域R，同时绿色光波62衍射并会聚于绿色显示区域G，蓝色光波63衍射并会聚于蓝色显示区域B。这种排列方式可使各光波均具有特定的颜色分量，以在黑色矩阵42处几乎不会衰弱的情况下透过液晶元件。如此即可实现各液晶元件的彩色显示。

在这种液晶显示装置中，全息板51采用透光型全息板，这是由于这种全息板没有聚光性，并且衍射效率具有较小的波长相关性的缘故。因此，不必使全息板51与微透镜52排列周期相一致。而且，不像与每一彩色显示区域相对应而设置单个微透镜的情况，与每一像素相对应而设置单个微透镜52可使排列周期增加三倍。因此，微透镜阵列易于制造并且易于排列。

图12所示为在非专利文献1(ITE Technical Report Vol.20，1996，pp.69-72)所公开的全息滤色片的断面示意图。该全息滤色片具有两层全息薄膜71和72，以改善红色、绿色与蓝色光波之间的光强平衡。

通常，在全息薄膜中，存在某种光波波长最易于由该全息薄膜进行衍射。更具体地，全息薄膜对于特定波长的光波具有最高的衍射效率。当与特定波长的波长差增加时，衍射效率趋于下降。特别是，在折射率调制型全息薄膜中的折射率差(变化量)Δn小的情况下，衍射效率的波长相关性将趋于显著。例如，在感光聚合物全息薄膜中，当折射率差Δn最小值小于0.04时，则难于获得衍射效率的波长相关性小的全息薄膜。

因此，在利用全息薄膜将白色光波根据波长分成红色光波、绿色光波及蓝色光波的情况下，全息薄膜设计为对绿色光波可获得最高衍射效率，绿色光波的波长位于红色、绿色及蓝色光波范围内的中间波长范围内。与绿色光波相比，依上述原理而设计的全息薄膜对于红色与蓝色光波具有较低的衍射效率。因此，由全息薄膜进行波长分离后，红色和蓝色光波与绿色光波相比具有较低的光强。因此，即使当将分光后的红色、绿色与蓝色光波重新合成以获得白色光波时，重新合成后形成的光波为略呈绿色的白色光波。

此外，用作彩色液晶显示装置的背光的卤化物灯及超高压水银灯在绿色光波的波长范围内包含强的发射谱线。因此，当卤化物灯及超高压水银灯所发射的光波经由被设计为对绿色光波具有最高衍射效率的全息薄膜实现波长分离时，在经波长分离的红色、绿色与蓝色光波中，绿色光波的光强趋于最显著。

图12所示的全息滤色片具有两层全息薄膜71与72，以减小前述对波长具有相关性的衍射效率的不均一性，从而改善彩色液晶显示装置中的色平衡(color balance)。第一全息薄膜71对特定波长为λ的光波具有衍射效率为η₁，第二全息薄膜72对同一特定波长λ的光波具有衍射效率为η₂。这里，当所有入射光波均被衍射时，衍射效率设定为1，而当所有光透射而未被衍射时，衍射效率则为0。

当具有特定波长为λ而光强为1的入射光波入射到第一全息薄膜71中时，透射光波与衍射光波的光强之比为(1-η₁)∶η₁。当通过第一全息薄膜71之后的透射光波再通过第二全息薄膜72时，透射光波(与原始入射光波方向平行)与衍射光波(与经第一全息薄膜71衍射方向平行)的光强之比为(1-η₁)(1-η₂)∶η₂(1-η₁)。当通过第一全息薄膜71之后的衍射光波再通过第二全息薄膜72时，衍射光波(与原始入射光波方向平行)与透射光波(与经第一全息薄膜71衍射方向平行)的光强之比为η₁η₂∶η₁(1-η₂)。因此，通过两层全息薄膜71与72后沿衍射方向的光波的光强为η₂(1-η₁)+η₁(1-η₂)＝η₁+η₂-2η₁η₂。

图13示出了这样的示例：即，对图12所示的具有两层全息薄膜的全息滤色片进行计算机模拟所得到结果的示例。在图13中，水平轴线代表光波的波长(单位为nm)，竖直轴线代表全息薄膜的衍射效率。

曲线“a”所示为由单一全息薄膜制成的全息滤色片的衍射效率的示例。单一全息薄膜“a”设计为对绿色光波可获得最高衍射效率，该绿色光波具有位于红色与蓝色光波中间的波长。因此，当白色光波通过全息薄膜“a”进行波长分离之后，红色和蓝色光波与绿色光波相比具有较低的光强。

另一方面，全息薄膜“b”设计为对红色光波可获得最高衍射效率，而全息薄膜“c”设计为对蓝色光波可获得最高衍射效率。于是，具有“b”与“c”两层全息薄膜的全息滤色片具有组合的衍射效率，这如图中曲线“d”所示。即，相对于绿色光波，全息滤色片“d”对红色与蓝色光波具有较高的衍射效率。由于全息滤色片“d”的衍射效率具有两个峰值，因而有时将其称为双峰值全息滤色片。

图14所示为专利文献2(日本专利申请特开2000-235179)中

所公开的彩色液晶投影装置的断面示意图。所示彩色液晶显示投影装置包括白色光源81、三个分色镜82、玻璃基板83、由感光聚合物制成的全息透镜层84、薄板玻璃层83、透明电极86、液晶层87、像素电极88、有源阵列驱动电路89以及投影透镜90。

在图14所示的彩色液晶投影装置中，白色光源81所发出的白色光波由三个分色镜82波长分离成三原色光波(R、G和B)。经波长分离的R、G与B光波以彼此不同的入射角被投影至全息透镜层84，从而以最高衍射效率对这些光波进行会聚。

专利文献1：日本公开专利申请特开平10-96807。

专利文献2：日本公开专利申请特开2000-235179。

非专利文献1：ITE Technical Report Vol.20，1996，pp.69-72。

发明内容

本发明要解决的问题

在上述由感光聚合物制成的全息薄膜中，可因光照射而增加的折射率差Δn限定为约0.04。众所周知，在折射率调制型衍射光栅中，当折射率差Δn增加时，衍射效率(光的利用效率)可得以增加。而且，当折射率差Δn增加时，可减小衍射效率的波长相关性。如上所述，因为难以提高由感光聚合物制成的全息薄膜的衍射效率，所以不能说折射率差Δn约为0.04是足够的。

另外，近年来，已要求增加彩色液晶投影装置的亮度。因此，投影装置中所采用的光学元件也需要耐受至少80至100度左右的温度。但是，不能说感光聚合物已足以耐受高温。当感光聚合物受室温与100℃之间的一定温度反复作用时，由感光聚合物制成的全息薄膜本身将劣化，或者可能会从玻璃基板上分离。

而且，如本发明文献1所公开的，具有多个微槽的石英玻璃全息板的各板均必须通过电子光刻和蚀刻进行制造，这不适于进行大批量生产。

考虑到现有技术中的上述情况，本发明目的在于改善全息滤色片中光的利用效率以及耐热性，所述全息滤色片具有分色功能与微透镜功能中至少之一。本发明另一目的在于提供具有高亮度及改善色平衡的液晶显示装置。

解决问题的技术方案

根据本发明的一个方面，一种具有下述滤色片功能的全息滤色片：即，利用全息图将入射光波进行衍射分离，并将如此分离的具有不同波长的光波以特定空间周期投射到所需位置处。所述全息滤色片包括透光基板以及形成在所述基板上的透光类金刚石碳(DLC)膜。在所述类金刚石碳膜中，相对较高折射率带形区域与相对较低折射率带形区域交替放置。

在包含类金刚石碳膜的全息滤色片中，在从蓝色光区域内的470nm波长至红色光区域内的630nm波长的波长范围内，与所述入射光波相关的衍射效率的变化量最大可以为40％。另外，在从蓝色光区域内的470nm波长至红色光区域内的630nm波长的波长范围内，相对于s偏振光波与p偏振光波，所述全息滤色片能够产生相互之间至少30％的衍射效率差。

此外，类金刚石碳膜可与微透镜阵列组合。这种情况下，在类金刚石碳膜中，较高折射率带形区域的宽度和间距可以预先设定为恒定的，微透镜阵列可以包括以与特定空间周期相对应的周期排列的多个微透镜。

此外，在类金刚石碳膜中，较高折射率带形区域的宽度和间距可以与特定空间周期相对应而周期性地变化。所述排列方式使得全息滤色片可兼有分光功能与微透镜阵列功能。

而且，全息滤色片可包括多个类金刚石碳膜。理想的是，各类金刚石碳膜对波长相互不同的光波具有衍射效率峰值。在这种情况下，理想的是，全息滤色片包括第一类金刚石碳膜和第二类金刚石碳膜，第一类金刚石碳膜对红色光波具有衍射效率峰值，而第二类金刚石碳膜对蓝色光波具有衍射效率峰值。

理想的是，在类金刚石碳膜中，在从较低折射率带形区域至较高折射率带形区域的边界区域中，折射率呈多级变化。而且，更理想的是，在类金刚石碳膜中，在从较低折射率带形区域至较高折射率带形区域的边界区域中，折射率呈连续变化。

在制造如上所述的全息滤色片的方法中，理想的是，类金刚石碳膜可由等离子CVD形成。而且，在类金刚石碳膜中的较高折射率带形区域可利用以下方法中任一方法对类金刚石碳膜进行处理：紫外光照射、X射线照射、同步辐射光照射、离子束照射及电子束照射。在类金刚石碳膜中的较高折射率带形区域是通过暴露于具有周期性强度分布的紫外线而形成的，所述紫外线是由穿过相栅掩膜的两种衍射光波相互干涉而获得的。

根据本发明的另一方面，彩色液晶显示装置包括如上所述的全息滤色片以及与全息滤色片组合的液晶板。在全息滤色片中，滤色片功能中的空间周期与液晶板中所包含的多个像素的周期相对应。更具体地，各像素均包括红色显示区域、绿色显示区域以及蓝色显示区域。全息滤色片将入射光波分成红色光波、绿色光波和蓝色光波，并将这些光波分别投射至红色区域、绿色区域以及蓝色区域。彩色液晶显示装置的光源类型可包括卤化物灯、超高压水银灯、冷阴极射线管、氙气灯、发光二极管(LED)、半导体激光器(LD)、氩离子激光器、氦氖激光器、钇铝石榴石(YAG)激光器等等。

根据本发明的又一方面，一种彩色液晶显示装置包括：

(a)多个半导体发光器件，用以分别发射蓝色光波、绿色光波以及红色光波；

(b)全息滤色片，其包括具有微透镜阵列功能的类金刚石碳膜；

以及

(c)液晶板，其包括以特定空间周期排列的多个像素。

在类金刚石碳膜中，相对较高折射率带形区域和相对较低折射率带形区域交替形成，较高折射率带形区域的宽度和间隔与像素的空间周期相对应而周期性地变化。

在制造所述彩色液晶显示装置的方法中，理想的是，类金刚石碳膜中的较高折射率带形区域可以是通过暴露于具有周期性强度分布的紫外线而形成的，所述紫外线可由穿过相栅掩膜的两种衍射光波相互干涉而获得的。

发明的效果

本发明采用具有高折射率变化量及良好耐热性的类金刚石碳膜，以制成具有分光功能和微透镜功能中至少之一的全息滤色片。因此，所制成的全息滤色片不仅可以提高光的利用效率，而且可以显著改善耐热性。采用改进的全息滤色片可以提供具有高亮度和改善色平衡的彩色液晶显示装置。

附图说明

图1为示出本发明实施例中的DLC全息薄膜的制造方法的断面示意图。

图2为示出本发明另一实施例中的DLC全息薄膜的制造方法的断面示意图。

图3为示出本发明又一实施例中的DLC全息薄膜的制造方法的断面示意图。

图4为示出本发明再一实施例中的DLC全息薄膜的制造方法的断面示意图。

图5为示出本发明的全息滤色片中由于布拉格反射而形成衍射的一个示例的断面示意图，其中较高折射率区域(高折射率区域)和较低折射率区域(低折射率区域)之间的边界相对于DLC膜厚度方向为倾斜的。

图6为示出在折射率变化量Δn为0.04的折射率调制型衍射光栅中，衍射效率的波长相关性和偏振相关性的曲线图。

图7为示出在折射率变化量Δn为0.5的折射率调制型衍射光栅中，衍射效率的波长相关性和偏振相关性的曲线图。

图8为示出根据本发明的彩色液晶投影装置的一个示例的断面示意图。

图9为示出根据现有技术的单屏板型彩色液晶投影装置所采用的基本光学原理的断面示意图。

图10为示出同时具有波长分离功能与微透镜功能的衍射光栅的一个示例的平面示意图。

图11为示出根据现有技术的彩色液晶显示装置的断面示意图。

图12为示出根据现有技术的全息滤色片的断面示意图。

图13为示出图12所示的全息滤色片中衍射效率的波长相关性的曲线图。

图14为示出根据现有技术的彩色液晶投影装置的断面示意图。

参考标号说明

1：玻璃基板；2：全息薄膜；3：液晶层；4：反射型电极层；11：玻璃基板；12：Cr薄膜衍射光栅；13：单个微透镜区域；21：石英玻璃基板；22：DLC膜；22a：较低折射率区域；22b：较高折射率区域；22c：边界区域；23a，23b：石英玻璃基板；24a，24b：金掩膜；24c：衍射光栅；25a，25b：紫外光束；25c：KrF激光束；26：隔离物；34：金掩膜；35：氦离子束；40：液晶板；41：液晶显示层；42：黑色矩阵；50：全息滤色片；51：全息板；52：微透镜；60：背光；61：红色光波；62：绿色光波；63：蓝色光波；71：第一全息薄膜；72：第二全息薄膜；“a”：对绿色光波具有最高衍射效率的全息薄膜；“b”：对红色光波具有最高衍射效率的全息薄膜；“c”：对蓝色光波具有最高衍射效率的全息薄膜；“d”：对红色光波和蓝色光波具有最高衍射效率的全息滤色片；81：白色光源；82：分色镜；83：玻璃基板；84，84a：全息透镜层；85：薄板玻璃层；86：透明电极；87：液晶层；88：像素电极；89：有源阵列驱动电路；90：投影透镜；91B：蓝色发光器件；91G：绿色发光器件；以及91R：红色发光器件。

具体实施方式

首先，为实施本发明，本发明人确认通过向透光DLC膜照射能量射束可提高折射率。这种DLC膜可通过等离子化学气相沉积(CVD)在玻璃基板、聚合物基板以及其它各种透光基板上形成。由等离子CVD获得的透光DLC膜通常具有的折射率大约为1.55。

可采用离子束、同步辐射(SR)光波、电子束等作为提高DLC膜的折射率的能量射束。例如，当在800keV的加速电压下以5×10¹⁷/cm²剂量注入氦离子时，折射率变化量Δn可增加至大约0.65。利用H、Li、B、C或类似物离子注入也可同样对折射率加以调制。另外，通过照射光谱在0.1至130nm的光谱范围内的SR光波也可将折射率变化量Δn增加至最大为0.65。此外，在紫外线照射下，当在每一脉冲的照射密度为160μW/mm²的条件下、以100Hz的周期脉冲照射例如波长为248nm的KrF受激准分子激光束时，折射率变化量Δn可增加到大约0.22。当采用ArF(193nm)、XeCl(308nm)、XeF(351nm)等的受激准分子激光束或Ar激光束(488nm)进行照射时，折射率也可同样得以调制。本发明人已发现：与传统的用光束对感光聚合物薄膜进行照射而获得的折射率变化量(Δn最大值约为0.04)相比，用能量射束对DLC膜进行照射而获得的这些折射率变化量呈数量级的增长。

图1为示出本发明实施例中采用DLC膜制造全息薄膜的方法的断面示意图。这种DLC全息薄膜可理想地用于替代以下任一种全息薄膜：(a)图9所示的彩色液晶投影装置采用的感光聚合物全息薄膜2；(b)图11所示的彩色液晶投影装置采用的石英玻璃全息板51；(c)图12所示的感光聚合物全息薄膜71与72；以及(d)图14所示的彩色液晶投影装置的感光聚合物全息薄膜84。

在图1所示的DLC全息薄膜的制造方法中，例如在二氧化硅(SiO₂)玻璃基板21上通过等离子CVD形成全息薄膜22。然后，将在另一石英玻璃基板23a上形成的掩膜24a置于DLC全息薄膜22上。掩膜24a可由多种材料形成。然而，最好是采用金(Au)膜，这是因为如下缘故：即，金易于以高精度进行加工，在阻挡能量射束方面性能优越，而且不会因氧化和腐蚀而带来问题。金掩膜24a可按照例如以下步骤制造。

首先，通过公知的溅射法或电子束(EB)气体沉积法在玻璃基板上沉积厚度约为0.5μm的金膜，接着在金膜上涂敷抗蚀层。接着通过步进式曝光法将抗蚀层形成为图案。接着借助于该抗蚀图进行干法蚀刻以将金膜形成为图案。然后将抗蚀图去除即可获得金掩膜图。

在替代上述方法的另一方法中，首先，通过溅射法或者EB气沉积法在玻璃基板上沉积厚度最大约为50nm的镍导电层。接着在镍导电层上形成抗蚀图。接着借助于该抗蚀图进行电镀以在镍导电层上沉积厚度约为0.5μm的金膜。通过去除抗蚀图，可形成金掩膜。

通过上述任一方法形成的金掩膜具有与用于全息作用的衍射光栅图对应的图案。如图1所示，为使图案简单明了，带形金掩膜24a的宽度和间隔显示为恒定的。

如图1所示，在金掩膜24a置于DLC膜22上的情况下，从上方朝向DLC膜22照射紫外光束25a。于是，在DLC膜22中，由金掩膜24a覆盖且未受紫外光束25a照射的区域的折射率无变化。即，该区域的折射率保持为在通过等离子CVD进行沉积时的折射率n₁。另一方面，在DLC膜22中，未由金掩膜24a覆盖且受紫外光束25a照射的区域的折射率发生变化。因此，折射率增加至n₂。经紫外光束照射后，将石英玻璃基板23a以及金掩膜24a由DLC全息薄膜22上去除。如此得到的DLC全息薄膜22具有两种折射率n₁与n₂。这样，该DLC全息薄膜22可起到具有两级折射率调制型衍射光栅的作用。

此处，将图1所示的DLC全息薄膜22与如图10所示的衍射光栅相互比较。在图10所示的衍射光栅中，Cr薄膜12所阻挡的光波不可用作衍射光，这样降低了光的利用效率。另一方面，在图1所示的DLC全息薄膜22中，通过具有低折射率n₁的区域的光波与通过具有高折射率n₂的区域的光波均可用作衍射光，如此便可提高光的利用效率。

另一方面，图9、图12和图14所示的感光聚合物全息薄膜2、71、72及84与图1所示DLC全息薄膜22相似，均可用作同时具有较低折射率区域和较高折射率区域的折射率调制型衍射光栅。因此，在感光聚合物全息薄膜中，通过较低折射率区域的光波和通过较高折射率区域的光波均可用作衍射光。但是，如上所述，用光照射感光聚合物薄膜所获得的折射率变化量Δn最大为0.04左右。与之相比，用紫外光束照射DLC膜所获得的折射率变化量Δn约为0.2。因此，与感光聚合物全息薄膜相比，图1所示的DLC全息薄膜22可获得更高的衍射效率，从而可提高光的利用效率。而且，DLC全息薄膜能够增加折射率变化量Δn，如此便可减小衍射效率的波长相关性。

图2为示出本发明另一实施例中利用DLC膜制造全息薄膜的方法的断面示意图。在图2中，首先通过与图1所示相类似的方法，使DLC全息薄膜22具有两级折射率(即n₁与n₂)调制。此后，将另一石英玻璃基板23b上的第二金掩膜24b置于DLC全息薄膜22上。然后，在此状态下，采用紫外光束25b进行第二次照射。

此时，第二金掩膜24b具有开口，该开口起到这样的作用：即，在通过图1所示的方法形成的DLC全息薄膜中，仅在具有高折射率n₂的区域内的选定区域进行紫外光束照射。因此，经紫外光束25b照射后，在具有较高折射率n₂的选定区域内，折射率增加至较高数值n₃。于是，图2所示的DLC全息薄膜22可起到具有三级折射率(即n₁、n₂与n₃)调制的衍射光栅的作用。

如上所述，在依次利用具有部分修改的图案的掩膜的同时，在DLC膜上反复进行紫外线照射，可以获得具有所需的超过两级折射率调制的DLC全息薄膜。众所周知，超过两级折射率调制型衍射光栅与两级折射率调制型衍射光栅相比，具有更高的衍射效率，这样可进一步改善光的利用效率。

图3为示出本发明又一实施例中采用DLC膜制造全息薄膜的方法的断面示意图。在本制造方法中，在石英玻璃基板(图中未示出)上的DLC膜22上形成金掩膜34。金掩膜34也可由电子束绘制方法形成，以使其形成特定的全息(衍射光栅)图。在图3中，为使图形简单明了，带形金掩膜34的宽度和间隔显示为恒定的。

这里，带形金掩膜34具有的特定特性在于：每一薄膜的顶面形成为半圆柱表面。所述半圆柱表面可通过例如蚀刻或者纳米压印(模具转印)等方法形成。

借助于所述方法形成的金掩膜34，利用例如氦离子束35等对DLC表面22进行照射。此时，由于每一带形金掩膜34的顶面为半圆柱形状，所以在每一带形金掩膜34的侧面附近，一些氦离子束可穿过掩膜入射到DLC膜22之中。于是，在图3所示的DLC膜22中，在较低折射率区域22a与较高折射率区域22b之间的边界附近，折射率是连续变化的。在DLC膜的折射率经离子束照射调制后，在室温条件下将DLC膜浸润于金所用的氰基蚀刻液体中几分钟，以将金掩膜34溶解去除。

如上所述，在超过两级的折射率调制型衍射光栅中，当级数增加时，衍射效率也得以提高。应注意，折射率调制型衍射光栅具有连续变化的折射率，这相当于具有无限大的折射率调制级的衍射光栅。即，图3中所获得的DLC全息薄膜与图2所示的薄膜相比，其衍射效率得到更大程度的改善。这样，可进一步改善光的利用效率。

图4为示出本发明又一实施例中采用DLC膜制造全息薄膜的方法的断面示意图。在所述制造方法中，将玻璃浮雕型(glass relief type)相栅掩膜(衍射光栅)24c借助于具有厚度为100μm的隔离物26与DLC膜22邻接放置。在这种状态下，全息薄膜可通过以下方式形成：例如利用能量密度为16mW/mm²的KrF激光束(波长为248nm)25c照射一小时。此时，在暴露于来自相栅掩膜24c的+1阶衍射光波与-1阶衍射光波之间的干涉光波的区域22b中的折射率增加。另一方面，在未暴露于干涉光波的区域22a中，自薄膜形成后折射率保持不变。

在这种情况下，+1阶衍射光波与-1阶衍射光波之间的干涉光波以浮雕型相栅掩膜24c的凸凹周期的一半周期呈现。因此，可以采用凸凹周期为DLC膜中所需的较高折射率区域22b的周期两倍的浮雕型相栅掩膜24c。而且，越接近较高折射率区域22b的宽度的中心，干涉光波的强度越强。因此，与图3所示的情况类似，在图4所示的DLC膜22中，在较低折射率区域22a与较高折射率区域22b之间的边界附近，折射率也是连续变化的。这样，便可获得较高的衍射效率。若需要，作为浮雕型相栅掩膜24c的替代，也可以使用由铬薄膜、氧化铬薄膜、铝薄膜等形成图案而获得的振幅型相栅掩膜。

在图1至图4所示的DLC全息薄膜的制造方法中，示出了这样的示例：即，较高折射率区域22a与较低折射率区域22b之间的边界区域与薄膜厚度方向平行的情况。但是，若需要，该边界区域也可相对薄膜的厚度方向倾斜。为实现这一点，在图1至图3所示的制造方法中，例如，仅需相对于DLC膜的表面以倾斜方向施加能量射束。在图4所示的制造方法中，仅需相对于DLC膜的表面以倾斜方向施加KrF激光束25c，使其暴露于0阶衍射光波与+1阶衍射光波或-1阶衍射光波之间形成的干涉光波。但是，在这种情况下，0阶衍射光波与+1阶衍射光波或-1阶衍射光波之间形成的干涉光波以与相栅掩膜24c的凸凹周期相同的同期呈现。因此，有必要采用凸凹周期与DLC膜中的较高折射率区域22b所需周期相同的相栅掩膜24c。

图5为示出下述情况的例子的断面示意图：即，理想的是较低折射率区域和较高折射率区域之间的边界区域相对于薄膜的厚度方向倾斜。更具体地，在玻璃基板21上的DLC膜22中，较低折射率区域和较高折射率区域之间的边界区域22c相对于薄膜的厚度方向为倾斜的。在这种情况下，由于光波进入DLC膜22时发生折射而使得入射光波L1变为光波L2。然后，在较低折射率区域和较高折射率区域之间的边界区域22c处，光波L2按特定布拉格反射角θ以较高效率被衍射而变为光波L3。由于边界区域22c相对于DLC膜的厚度方向为倾斜的，所以衍射光波L3可沿垂直于DLC膜表面的方向投射。即，衍射光波L3在垂直于例如液晶板表面的方向上可有效投影。

图6与图7为示出这样的曲线图：即，对折射率调制型全息薄膜中的折射率变化量Δn给衍射效率带来的影响进行计算机模拟结果的一个示例的曲线图。在各曲线图中，水平轴线代表光波波长(单位为μm)，竖直轴线代表衍射效率。由黑色圆圈绘制而成的曲线代表s偏振光波的衍射效率，而由黑色三角形绘制而成的曲线代表p偏振光波的衍射效率。

在图6中，在包含感光聚合物薄膜的折射率调制型全息薄膜中，各参数设定如下：Δn为0.04；薄膜厚度为6.6μm；占宽比(占空比)(即较高折射率区域的宽度与较低折射率区域的宽度之比值)为0.46；光波入射角为30度；以及所形成的较高折射率区域与较低折射率区域的周期为367nm。另一方面，在如图7中，在包含DLC膜的折射率调制型全息薄膜中，各参数设定如下：Δn为0.5；薄膜厚度为2.1μm；占宽比(即较高折射率区域的宽度与较低折射率区域的宽度之比值)设定为0.5；光波入射角为50度；以及所形成的较高折射率区域与较低折射率区域的周期为326nm。此处，DLC膜的厚度被设定为小于感光聚合物薄膜的三分之一，这是由于下述缘故：即，在Δn较大的情况下，即使薄膜厚度较小，也可获得足够的衍射效率。

如从图6中可以看出，在由感光聚合物制成的全息薄膜中，最大衍射效率难于达到70％。而且，以同样的入射角度，可获得良好的衍射效率的光波范围很窄。另一方面，如图7所示，在由DLC膜制成的全息薄膜中，易于达到70％或更高的衍射效率。此外，在同样入射角的情况下，可获得良好的衍射效率的波长范围非常宽。而且，在由DLC膜制成的全息薄膜中，在例如从蓝色光区域内的470nm波长至红色光区域内的630nm波长的波长范围内，易于将与入射光波相关的衍射效率变化量降低至40％或更小。该数值甚至可降低至30％或更小。这表示在感光聚合物薄膜制成的全息薄膜中，B光波、G光波以及R光波以同样角度入射时，这三种颜色的光波不能以同等效率被衍射。相反，在由DLC膜制成的全息薄膜中，这三种颜色的光波能够以同等效率被衍射。

在图9与图14所示的反射型彩色液晶投影装置中，主要将s偏振光波或者p偏振光波入射到全息薄膜中，并将衍射光波照射至液晶板上。然后，光波由液晶板反射而转换为s偏振光波或p偏振光波。接着，偏振光波通过全息薄膜而投射至屏幕上。因此，理想的是，全息薄膜以较高效率使s偏振光波与p偏振光波中之一进行衍射，并使另一光波透过而不发生衍射。在反射型彩色液晶投影装置采用的全息薄膜中，通常理想的是，相对于s偏振光波与p偏振光波可产生至少30％的衍射效率差。

如从图7中可以看出，在DLC膜制成的全息薄膜中，在例如从蓝色光区域内的470nm波长至红色光区域内的630nm波长的波长范围内，相对于s偏振光波与p偏振光波易于获得至少30％的衍射效率差，该数值也可增加至50％或以上。这表示即使当B光波、G光波以及R光波以同一角度入射至DLC膜制成的全息薄膜时，这三种颜色的光波也能够以互相同等且足够的亮度投射至屏幕上。

图6与图7均为示出对s偏振光波比对p偏振光波具有更高衍射效率的全息薄膜示例。但是，当然也可将全息薄膜设计为对s偏振光波比对p偏振光波具有更高的衍射效率。当反射型彩色液晶投影装置所采用的全息薄膜对p偏振光波比对s偏振光波具有更高衍射效率时，则自然主要以p偏振光波为入射光波。

图8为示出根据本发明的彩色液晶投影装置的一个示例的断面示意图，该断面图与图14中所示相似。图8所示的彩色液晶投影装置与图14所示的投影装置的不同之处在于以下方面：(a)感光聚合物薄膜制成的全息薄膜84为DLC膜制成的全息薄膜84a所替代；(b)白色光源81以及分色镜82为蓝色发光器件91B、绿色发光器件91G及红色发光器件91R所替代。作为发射三原色光波中之一的发光器件，理想的是选用发光二极管(LED)或半导体激光器(LD)。在这种情况下，可根据与各色光波的波长相对应的衍射角将各色光波加以分离。

与利用分色镜将白色光波进行波长分离所形成的三原色相比，半导体发光器件可以发射高纯度的三原色光波。而且，半导体发光器件可以被这样设置：即，使各色光波以可在三原色光波的波长中可获得最高衍射效率的各自入射角入射至全息薄膜84a。因此，图8所示的彩色液晶投影装置可获得高亮度的全彩色投影图像，并且具有较高纯度和优良的色彩渲染效果。

在上述说明中，图8、图9与图14均采用反射型彩色液晶投影装置作为示例。相反，当然也可将根据本发明的DLC全息薄膜包含于透射型彩色液晶投影装置中。例如，图9所示的反射型彩色液晶投影装置与透射型彩色液晶投影装置之间的部分差异如下。首先，应理解，通过用透明电极层替换反射型电极层4，反射型可转换为透射型。在这种情况下，不必从全息薄膜侧对投影光波进行投射。因此，由光源发射的光波可以以任一角度在全息薄膜的正后方进行照射。在这种情况下，在DLC全息膜中与图10所示的衍射光栅图中的一个微透镜13相对应的折射率调制区域内，当从中间部分靠近两端时，仅需减小较高折射率区域的宽度和间隔。而且，根据本发明的DLC全息膜不仅可内置于投影装置中，当然也可优选地内置于图11所示的普通彩色液晶显示装置之中。另外，作为根据本发明可内置于彩色液晶投影装置和彩色液晶显示装置中的光源，理想的是采用以下光源：卤化物灯、超高压水银灯、冷阴极射线管、氙气灯、发光二极管、半导体激光器、氩激光器、氦氖激光器、钇铝石榴石(YAG)激光器等等。

工业实用性

如上所述，本发明可以提供这样的全息滤色片：其可提高光的利用效率，并且耐热性优良。因此，本发明可以提供具有高亮度和改善色平衡的彩色液晶显示装置。

Claims (19)

1. 一种全息滤色片，其具有这样的滤色片功能，即利用全息图将入射光波进行衍射分离，并将如此分离的具有不同波长的光波以特定空间周期投射到所需位置处，所述全息滤色片包括：

(a)透光基板(21)；以及

(b)透光类金刚石碳(DLC)膜(22)，其形成在所述基板上；

在所述类金刚石碳膜中，相对较高折射率带形区域(n₂，22b)与相对较低折射率带形区域(n₁，22a)交替放置。

2. 如权利要求1所述的全息滤色片，其中，

在从蓝色光区域内的470nm波长至红色光区域内的630nm波长的波长范围内，与所述入射光波相关的衍射效率的变化量最大为40％。

3. 如权利要求1所述的全息滤色片，其中，

在从蓝色光区域内的470nm波长至红色光区域内的630nm波长的波长范围内，对于s偏振光波与p偏振光波，所述全息滤色片能够产生相互之间至少30％的衍射效率差。

4. 如权利要求1所述的全息滤色片，所述全息滤色片还包括与所述类金刚石碳膜组合的微透镜阵列，

在所述类金刚石碳膜中，所述较高折射率带形区域的宽度和间隔预先设定为恒定的；

所述微透镜阵列包括多个微透镜，所述多个微透镜以与所述空间周期对应的周期放置。

5. 如权利要求1所述的全息滤色片，其中，

所述较高折射率带形区域的宽度和间隔与所述空间周期相对应而周期性地变化，从而兼有分光功能与微透镜阵列功能。

6. 如权利要求1所述的全息滤色片，所述全息滤色片还包括至少一个类金刚石碳膜，其中，

各所述类金刚石碳膜对波长相互不同的光波分别具有衍射效率峰值。

7. 如权利要求6所述的全息滤色片，其中，

(a)所述类金刚石碳膜包括第一类金刚石碳膜和第二类金刚石碳膜；以及

(b)所述第一类金刚石碳膜对红色光波具有衍射效率峰值，所述第二类金刚石碳膜对蓝色光波具有衍射效率峰值。

8. 如权利要求1所述的全息滤色片，其中，

在从所述较低折射率带形区域至所述较高折射率带形区域的边界区域中，折射率呈多级变化。

9. 如权利要求1所述的全息滤色片，其中，

在从所述较低折射率带形区域至所述较高折射率带形区域的边界区域中，折射率呈连续变化。

10. 如权利要求1所述的全息滤色片，其中，

所述较低折射率带形区域与所述较高折射率带形区域之间的边界区域相对于所述类金刚石碳膜的厚度方向为倾斜的。

11. 一种制造如权利要求1所述的全息滤色片的方法，其中，

所述类金刚石碳膜是通过等离子CVD而形成的。

12. 如权利要求11所述的制造全息滤色片的方法，其中，

在所述类金刚石碳膜中的较高折射率带形区域是通过选自于下述群组中的任一方法对类金刚石碳膜进行处理而形成的，所述群组包括：紫外光照射、X射线照射、同步辐射光照射、离子束照射及电子束照射。

13. 如权利要求12所述的制造全息滤色片的方法，其中，

在所述类金刚石碳膜(22)中的较高折射率带形区域(22b)是通过暴露于具有周期性强度分布的紫外线而形成的，所述紫外线是由穿过相栅掩膜(24c)的两种衍射光波相互干涉而获得的。

14. 一种彩色液晶显示装置，包括：

(a)如权利要求1所述的全息滤色片；以及

(b)与所述全息滤色片组合的液晶板；其中，

所述空间周期与所述液晶板中所包含的多个像素的周期相对应。

15. 如权利要求14所述的彩色液晶显示装置，其中，

(a)各所述像素包括红色显示区域、绿色显示区域以及蓝色显示区域；以及

(b)所述全息滤色片将入射光波分成红色光波、绿色光波以及蓝色光波，并将这些光波分别投射至所述红色显示区域、绿色显示区域以及蓝色显示区域。

16. 如权利要求14所述的彩色液晶显示装置，所述彩色液晶显示装置还包括分色镜，所述分色镜将来自白色光源的光波分成红色光波、绿色光波以及蓝色光波，并将这些光波作为入射光波给予所述全息滤色片；

各所述像素包括红色显示区域、绿色显示区域以及蓝色显示区域；

所述全息滤色片将所有从所述入射光波中分离出的红色光波、绿色光波以及蓝色光波分别投射至所述红色显示区域、绿色显示区域以及蓝色显示区域。

17. 如权利要求14所述的彩色液晶显示装置，所述彩色液晶显示装置还包括选自于下述群组中的任一种光源作为光源，所述群组包括：卤化物灯、超高压水银灯、冷阴极射线管、氙气灯、发光二极管以及激光器。

18. 一种彩色液晶显示装置，包括：

(a)选自于下述群组中的任一元件，所述群组包括：多个发光二极管与多个激光器(91B、91G与91R)，所述元件用以分别发射蓝色光波、绿色光波以及红色光波；

(b)包括类金刚石碳膜(22)的全息滤色片(84a)；以及

(c)液晶板(85-89)，其包括以特定空间周期排列的多个像素，其中，

在所述类金刚石碳膜(22)中，较高折射率带形区域(n₂，22b)与较低折射率带形区域(n₁，22a)交替形成；

所述较高折射率带形区域的宽度和间距与所述像素的空间周期相对应而周期性地变化。

19. 一种制造如权利要求18所述的彩色液晶显示装置的方法，其中，

所述类金刚石碳膜(22)中的较高折射率带形区域(n₂，22b)是由暴露于具有周期性强度分布的紫外线而形成的，所述紫外线是由穿过相栅掩膜(24c)的两种衍射光波相互干涉而获得的。

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