JP2001343514A - ホログラムカラーフィルタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 空間光変調素装置の色再現性の不良に対し、
少なくともアライメント不良の要因の有無を独立に評価
することができるホログラムカラーフィルタを提供す
る。 【解決手段】 空間光変調装置で用いられるホログラム
カラーフィルタにおいて、画像用ホログラムレンズ領域
の外周囲に、ホログラムレンズ中心軸を画像用ホログラ
ムレンズ領域内のレンズ中心軸とずらした評価用ホログ
ラムレンズ領域を備えることにより、アライメント不良
による要因を独立に評価できるようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、単板方式の投射型
表示装置に関し、特に、ホログラムカラーフィルタに関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、本願出願人等はホログラムレ
ンズアレイをカラーフィルタとして用いた単板方式の投
射型カラー液晶表示装置の開発を行ってきた（例えば特
願平１０−１１３８９５）。このカラーフィルタ（以
下、ホログラムカラーフィルタ）は、ホログラムの回折
分光機能を利用して白色光からＲＧＢの各色光を所定方
向に取り出すことができるものである。色素や顔料を用
いた通常のカラーフィルタのように、吸収による光の損
失がほとんどないため、原理的に高い光利用効率を得る
ことができる。よって、明るさの改善が特に求められて
いる投射型カラー液晶表示装置において有効なものであ
る。

【０００３】図６は、本出願人による従来のホログラム
カラーフィルタを備えた単板方式の投射表示装置の要部
を示した模式図である。

【０００４】同図に示すように、単板方式の投射表示装
置は大まかには空間光変調装置１００、台形状のカップ
リングプリズム２００及び投射レンズ３００の三つの部
品からなり、このうち、空間光変調装置１００は、ホロ
グラムカラーフィルタ１１０と反射型の空間光変調素子
１３０から構成されている。

【０００５】ここで、ホログラムカラーフィルタ１１０
は、体積ホログラムレンズを所定ピッチで配列したホロ
グラムレンズ層１１４を透明ガラス基板１１２の片面に
備えたものである。

【０００６】また、反射型の空間光変調素子１３０はい
わゆる液晶パネルであり、シリコン基板１３６上に駆動
回路１３５、ＲＧＢ対応画素電極１３４を備えたＩＣ基
板１３８と、片面に透明電極１３２を備えた薄板ガラス
１３１とを一定ギャップで貼り合わせて形成したセル中
に光変調層である液晶層１３３を有している。なお、図
示を省略しているが、透明電極１３２および画素電極１
３４上には液晶層を所定角度に配向させるための配向層
が通常形成されている。

【０００７】図６に示すように、ＲＧＢ三原色光をカッ
プリングプリズム２００を介してそれぞれ所定の角度で
ホログラムレンズ層１１４に入射させると、三原色光は
ホログラムレンズ層１１４で回折され、入射角と波長に
応じた回折角でホログラムレンズ層１１４を出射し、そ
れぞれ対応色のＲＧＢ画素電極１３４上に集光する。更
にここで反射、集光した光は、ホログラムカラーフィル
タ１１０、カップリングプリズム２００、投射レンズ３
００を通って図示せぬスクリーンに達する。各色光は液
晶層１３３を通過する際、対応色の映像信号に応じた光
変調を受け、スクリーン上にカラー画像を映し出す。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】図６にも示すように、
ホログラムレンズ層１１４にそれぞれ所定の角度で入射
した赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の各色光はホログラ
ムレンズ層１１４によってそれぞれ異なる角度に回折さ
れる。ホログラムレンズ層１１４への各色光の入射角
（θｉｎ）と回折角（θｏｕｔ）との関係は、一般に次
式で表される。

【０００９】 θｏｕｔ＝ａｓｉｎ（ｍλ／ｎｄ−ｓｉｎ（θｉｎ）） ｍ：回折次数 λ：色光波長 ｎ：媒質屈折率 ｄ：回折格子ピッチ 従って、例えば、ホログラムカラーフィルタ１１０が、
図７に示すような、透明ガラス基板１１２上に、ストラ
イプ状の単位体積ホログラムレンズ（L１、Ｌ２・・
・）を所定ピッチで面状に配列したホログラムレンズ層
を画像領域として有する場合、各単位ホログラムレンズ
のレンズ中心軸とＲＧＢ画素電極の中心であるＧ画素の
中心との位置合わせ（アライメント）を正確に行い、Ｒ
ＧＢ三色の回折光がそれぞれ対応する色光の画素電極中
心に集光するようにレンズから画素電極までの距離を定
め必要がある。

【００１０】アライメントに際しては、例えば、図７に
示すように、画像領域に対応するホログラムレンズ領域
（画像用ホログラムレンズ領域）１１４の外側に、位置
合わせ用のパターン１１５を金属薄膜やホログラムレン
ズ材料そのもので形成しておき、画素電極１３４が形成
されるシリコン基板１３６上にもこれと対応する位置に
同様なパターンを金属薄膜等で形成し、ホログラムカラ
ーフィルタ１１０と空間光変調素子１３０とを接着する
際に、上下のパターンを位置合わせすることでホログラ
ムカラーフィルタと画素電極のアライメントを行ってい
る。しかし、この方法を用いてもアライメント誤差は生
じる場合がある。

【００１１】アライメント誤差が生じると、ＲＧＢ画素
電極とホログラムレンズの回折光の集光点との位置関係
がずれるので、画素電極上で色混濁が発生し、良好な色
再現性を得ることはできない。よって、投射表示装置と
して製品化した場合の画面の色再現性が不良な場合は、
その要因としてアライメント誤差が疑われる。

【００１２】しかし、画面の色再現性は、アライメント
誤差のみで決まるものではない。例えば、作製したホロ
グラムカラーフィルタの各ホログラムレンズのフォーカ
ス距離等を含むレンズ特性が設計値からずれていれば、
画素電極中心とホログラムレンズ中心位置が正確にアラ
イメントされていても、集光点の広がりやＲＧＢ各色光
の集光間隔が変化するためやはり色混濁が生じ、色再現
性は劣化する。

【００１３】このように、投射表示装置の色再現性の劣
化には、複数の原因が考えられるので、色再現性の問題
を解決するためには、劣化要因を特定することが必要で
ある。しかし、すでに製品化した投射表示装置では、カ
ップリングプリズムをホログラムカラーフィルタ上にア
センブリしているため、画素電極等を顕微鏡で観察する
ことが事実上不可能であり、劣化要因の特定は容易では
ない。不良の要因が確定できなければ、その具体的な対
策を高じることは困難である。

【００１４】そこで、本発明は、空間光変調装置の色再
現性の不良に対し、少なくともアライメント誤差による
要因の有無を独立に評価することができるホログラムカ
ラーフィルタを提供することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明のホログラムカラ
ーフィルタの特徴は、三原色光を各色光ごとに集光する
複数のホログラムレンズを面状に配列した画像用ホログ
ラムレンズ領域と、前記画像用ホログラムレンズ領域の
外周囲にあり、前記ホログラムレンズと同じ光学特性を
有する別のホログラムレンズをレンズの中心軸が前記画
像用ホログラムレンズ領域内の各レンズの中心軸とずれ
るように配した、一または複数の評価用ホログラムレン
ズ領域とを有することである。

【００１６】上記特徴によれば、評価用ホログラムレン
ズ領域内のレンズ中心軸の位置が、画像用ホログラムレ
ンズ領域内のレンズ中心軸の位置とずれているので、空
間光変調素子と組み合わせた場合の対応画素電極とのア
ライメント位置が各領域で異なっている。

【００１７】よって、上記ホログラムカラーフィルタを
用いて製品化した空間光変調装置において、色再現が劣
化している場合に、ホログラムカラーフィルタへの入射
光照射領域を広げ、上述する評価用ホログラムレンズ領
域まで光を入射させると、アライメント誤差が色再現の
劣化の主な要因であるときは、画像用ホログラムレンズ
領域中のホログラムレンズと対応画素電極とのアライメ
ントが不良の状態でも、アライメントの位置が異なる評
価用ホログラムレンズ領域中のホログラムレンズと対応
画素電極間では、より良好なアライメントが得られう
る。一方、色再現の劣化の要因がアライメント誤差によ
るものでない場合は、評価用ホログラムレンズ領域にお
いても色再現特性の顕著な変化は見られない。このよう
に、上記特徴を有するホログラムカラーフィルタを用い
れば、製品化した空間光変調装置において、入射光照射
領域を広げるだけで、アライメント誤差による色再現不
良の要因の解析を容易に行うことができる。

【００１８】なお、上述する本発明のホログラムカラー
フィルタにおいて、評価用ホログラムレンズ領域内のホ
ログラムレンズは、レンズ中心軸が前記画像用ホログラ
ムレンズ領域内の各レンズの中心軸と１／３画素電極幅
以下の範囲でずれるように配置されていてもよい。ま
た、複数の評価用ホログラムレンズ領域を有する場合
は、各評価用ホログラムレンズ領域間でも相互に、レン
ズ中心軸をずらして配置してもよい。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら、本発
明の実施の形態について説明する。本実施の形態の主な
特徴は、空間光変調装置に使用するホログラムカラーフ
ィルタにおいて、画像用ホログラムレンズ領域の外周囲
に、レンズ中心軸をずらした評価用のホログラムレンズ
領域を備え、この評価用ホログラムレンズ領域を色再現
性の劣化要因の解析に用いることを特徴とする。

【００２０】（ホログラムカラーフィルタの構成）図１
は、実施の形態に係るホログラムカラーフィルタの構成
を示す平面図である。ホログラムカラーフィルタの中央
領域には、従来と同様に画像用ホログラムレンズ領域２
０Ａを形成する。例えば、同図に示すように、画像用ホ
ログラムレンズ領域２０Ａには、所定幅Ｐ１のストライ
プ状の単位体積ホログラムレンズＬ１、Ｌ２・・・が面
状に配列形成される。この画像用ホログラムレンズ領域
２０Ａは、空間光変調装置を組み立てた際に、実際の画
像として映し出される色光が透過する領域である。

【００２１】この画像用ホログラムレンズ領域２０の外
側、図中左右下方に、評価用ホログラムレンズ領域３０
Ａ、３０Ｂを形成している。この評価用ホログラムレン
ズ領域３０Ａ、３０Ｂには、画像用ホログラムレンズ領
域内の単位ホログラムレンズと同様なレンズ特性を有
し、同じレンズピッチＰ１を持つホログラムレンズが形
成されている。但し、各レンズは、レンズ中心Ｌｃ２
が、画像用ホログラムレンズ領域内に形成されたホログ
ラムレンズのレンズ中心Ｌｃ１に対して右側もしくは左
側にそれぞれ幅ｄＬずらして配置されている。

【００２２】例えば、単位ホログラムレンズのピッチＰ
１が約３０μｍの場合、通常これに対応するＲＧＢ一組
の画素電極幅も同様に３０μｍであり、ＲＧＢ各色光ご
との画素電極幅（Ｐ_Ｅ）は約１０μｍとなるが、画像用
ホログラムレンズ領域の各レンズ中心Ｌｃ１と評価用ホ
ログラムレンズ領域３０Ａのレンズ中心Ｌｃ２とのずれ
幅ｄＬを、±１／２画素電極幅未満、好ましくは約±１
／３画素電極幅以下、例えば±３．３μｍ程度となるよ
うに、各ホログラムレンズを配置する。

【００２３】例えば、図中左側に配置した評価用ホログ
ラムレンズ領域３０Ａでは、右側にレンズ中心軸を約１
／３画素電極幅ずらし、図中右側に配置した評価用ホロ
グラムレンズ領域３０Ｂでは、左側にレンズ中心軸を約
１／３画素電極幅ずらしている。

【００２４】画素電極幅が１０μｍの場合、画像用ホロ
グラムレンズ領域２０Ａ内でのアライメント誤差は、１
／２画素電極幅を超えることは少ない。よって、アライ
メント誤差の有無を確認するために評価用ホログラムレ
ンズ領域に形成するレンズ中心軸のずれ幅は、±１／２
画素電極幅未満、あるいはせいぜい±１／３画素電極幅
程度以内で十分と考えられる。

【００２５】なお、評価用ホログラムレンズ領域に形成
するホログラムレンズの数及びレンズの長さは特に限定
はない。この領域の色再現性を評価するのに十分な面積
を備えていればよい。

【００２６】図２（ａ）、図２（ｂ）は、その他の実施
の形態に係るホログラムカラーフィルタの構成例を示す
平面図である。評価用ホログラムレンズ領域は、画像用
ホログラムレンズ領域２０Ａの外側に形成され、動作中
は遮光される部分であるため、数に限定はなく、さらに
多くの領域を形成してもよい。

【００２７】例えば、図２（ａ）に示すように、画像用
ホログラムレンズ領域の図中上下に評価用ホログラムレ
ンズ領域３２Ａ〜３２Ｄを形成し、それぞれに１／３画
素電極幅、あるいは１／４画素電極幅ずつレンズ中心軸
をずらしたホログラムレンズパターンを用意してもよ
い。あるいは、図２（ｂ）に示すように、より多くの評
価用ホログラムレンズ領域３４Ａ〜３４Ｈを画像領域の
周囲に配し、それぞれ１／３、１／４あるいはそれ以下
の画素電極幅ずつレンズ中心軸をずらしてもよい。ま
た、すべてのテストパターンのレンズ中心軸の位置を互
いにずらす必要は必ずしもなく、規則的に少しずつ中心
軸の位置をずらしたパターンを繰り返し配置しても良
い。なお、評価用ホログラムレンズ領域は、画像用ホロ
グラムレンズ領域の図中上下のみならず、左右に備えて
もよい。

【００２８】上述した実施の形態に係るホログラムカラ
ーフィルタは、従来と同様な工程を用いて、液晶パネル
からなる空間光変調素子と組み合わせ、空間光変調装置
とする。基本的な空間光変調装置の構成は、図６に示し
た従来の装置とほぼ同じである。ただし、ホログラムカ
ラーフィルタの評価用ホログラムレンズ領域は、通常の
動作時は遮光等を施し、入射光が照射されないようにし
ておく。また、評価用ホログラムレンズ領域に対応する
液晶層および画素電極も予め設けておく。

【００２９】製品化した空間光変調装置の色再現性に問
題がある場合等、解析の必要が生じた場合は、上述の遮
光を取り払い、入射光照射領域を広げ、画像用ホログラ
ムレンズ領域２０Ａのみならず、評価用ホログラムレン
ズ領域３０Ａ上にも入射光を照射する。

【００３０】図３は、色再現性の問題がホログラムレン
ズと画素電極とのアライメントのずれのみにある場合の
ホログラムレンズの回折光の集光点と画素電極との関係
を示した図である。

【００３１】同図に示すように、解析時には、画像用ホ
ログラムレンズ領域２０Ａと評価用ホログラムレンズ領
域３０Ａの両方に入射光を照射する。画像用ホログラム
レンズ領域２０Ａに対応する領域では、各ホログラムレ
ンズと各画素電極とのアライメントがずれているため、
ＲＧＢ各色光の集光点が各画素電極中心からずれている
が、レンズ中心軸がわずかにずれる評価用ホログラムレ
ンズ領域３０Ａに対応する領域では、そもそもアライメ
ント位置がずれているため、同図に示すように、レンズ
と画素電極１４のアライメントがうまく調整されうる。
特に、評価用ホログラムレンズ領域３０Ａとして、レン
ズ中心軸のずらし方が異なる複数の領域を備えていれ
ば、いずれかの評価用ホログラムレンズ領域で、同図に
示すような良好なアライメントが必ず得られることにな
る。

【００３２】このように、色再現性の問題がホログラム
レンズと画素電極とのアライメントの誤差のみによる場
合は、画像用ホログラムレンズ領域２０Ａと評価用ホロ
グラムレンズ領域３０Ａとで、レンズ中心軸の位置ずれ
による、色再現の変化が観察される。例えば、評価用ホ
ログラムレンズ領域中に画像領域より良好な色再現を生
じている部分があれば、画像用ホログラムレンズ領域と
画素電極とのアライメントのずれが、色再現性の悪化の
要因であることが確認できる。

【００３３】もし、評価用ホログラムレンズ領域中で、
良好な色再現が確認できない場合、あるいはアライメン
ト位置の変化による色再現性の変化が確認できない場合
はフォーカス長等のホログラムレンズ特性等の他の要因
があることが推測できる。

【００３４】（ホログラムカラーフィルタの製造方法）
次に、図４、図５を参照しながら、本実施の形態に係る
ホログラムカラーフィルタの製造方法について説明す
る。

【００３５】ホログラムカラーフィルタの作製に際して
は、従来より使用しているマスタホログラムを用いた干
渉露光法を使用することができる。

【００３６】まず、図４（ａ）に示すように、平坦性の
良好な石英やガラス等の透明基板５２上にスパッタや蒸
着等で膜厚約１０００Åのクロム（Ｃｒ）膜５４を形成
する。なお、クロム以外でも露光光に対し遮光材となり
うるものであったら特に限定されない。また、クロム膜
５４表面には、通常反射防止のため酸化クロム層を形成
する。

【００３７】次に、図４（ｂ）に示すように、クロム膜
５４上に例えば日本ゼオン製のＺＥＰ５２０（商品名）
等の電子線露光用のレジスト５６をコーティングし、電
子ビーム描画装置を用いて露光を行い、この後現像し
て、画像用ホログラムレンズ領域と、評価用ホログラム
レンズ領域とに応じたパターンを形成する（図４
（ｃ））。

【００３８】レジストパターンをエッチングマスクとし
て、クロム膜５４を塩素系ガスもしくはエッチング液を
用いてドライエッチング又はウェットエッチングを行
い、その後不要なレジストを除去する。こうして画像用
ホログラムレンズ領域のパターンおよび評価用ホログラ
ムレンズ領域のパターンを有するマスタホログラム５０
を形成できる（図４（ｄ））。

【００３９】この後は、図５に示すように、マスタホロ
グラムを用いた干渉露光方法により、ホログラムカラー
フィルタを形成する。即ち、台形プリズム６０を介して
マスタホログラム５０に入射される露光光は、レンズパ
ターンに応じた所定回折角で回折される１次回折光とそ
のまま透過直進する０次回折光となる。この０次回折光
と１次回折光の２光束の干渉光が記録材であるホログラ
ム感光材２０を露光する。ホログラム感光材２０として
は、例えばデュポン社製オムニデックス（商品名：Omni
Dex）等を用いることができる。その後、必要な紫外線
照射、熱処理工程を経て現像を行えば、所望のホログラ
ムカラーフィルタを得ることができる。

【００４０】本実施の形態に係る評価用ホログラムレン
ズ領域の形成は、マスタホログラムさえ作製すれば、画
像用ホログラムレンズ領域とともに干渉露光は一括して
行えるので、プロセス上の負担はほとんどない。

【００４１】なお、上述する方法で作製したホログラム
カラーフィルタは、ＵＶ硬化型接着材を介して、液晶パ
ネルである空間光変調素子と重ね合わせ、仮接着させ
る。仮接着の状態で、ＩＣ基板とホログラムカラーフィ
ルタにそれぞれ設けられたアライメントマークをカメラ
によりモニタし、所定の位置関係になるよう平行移動と
回転移動によりアライメントを行い、アライメントが終
了したら、ＵＶ光を照射して接着材を硬化しホログラム
カラーフィルタと空間光変調素子を固定すれば、空間光
変調装置が形成できる。

【００４２】上述するように、本実施の形態に係るホロ
グラムカラーフィルタ、およびこれを用いた空間光変調
装置は、従来の製造方法に特段の負担をかけることなく
作製することが可能である。また、評価用ホログラムレ
ンズ領域を使用した色再現性の評価に際しては、光照射
領域のわずかな拡張のみで済むため、不良解析のために
製品の分解等の手間を省くことができる。

【００４３】以上、各実施の形態に沿って本発明につい
て説明したが、本発明の内容はこれらの実施の形態に限
定されるものではない。例えば、画像用ホログラムレン
ズ領域および評価用ホログラムレンズ領域に形成される
ホログラムレンズは、ストライプ型のものばかりでな
く、四辺形型や、多角形型であってもよい。

【００４４】

【発明の効果】上述するように、本発明のホログラムカ
ラーフィルタによれば、画像用ホログラムレンズ領域の
外周囲に、レンズ中心軸をずらした評価用ホログラムレ
ンズ領域を設けたことにより、簡易にしかも実際の使用
に近い条件で、空間光変調装置の色再現性の不良原因の
解析を行うことができる。

【００４５】このホログラムカラーフィルタは、それ自
身のプロセス上の負担も少ない上に、空間光変調装置を
作製する際も、ほぼ従来のプロセスを用いることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係るホログラムカラーフ
ィルタの構成を示す平面図である。

【図２】本発明の別の実施の形態に係るホログラムカラ
ーフィルタの構成を示す平面図である。

【図３】本発明の実施の形態における画像用ホログラム
レンズ領域、評価用ホログラムレンズ領域それぞれでの
ＲＧＢ各色光の集光位置と画素電極位置の関係を示す図
である。

【図４】マスタホログラムの作製方法を示す工程図であ
る。

【図５】干渉露光方法によるホログラムカラーフィルタ
の製造方法を説明するための図である。

【図６】従来の空間光変調装置の構成を示す装置断面図
である。

【図７】従来のホログラムカラーフィルタの構成を示す
平面図である。

【符号の説明】

２０ 画像用ホログラムレンズ領域 ２１ ホログラムレンズ層 ３０〜３４ 評価用ホログラムレンズ領域 ５０ マスタホログラム ５２ 透明ガラス基板 ５４ クロム薄膜 ５６ レジスト

フロントページの続き Ｆターム(参考） 2H048 BA02 BA64 BB01 BB02 BB13 BB41 2H049 CA05 CA09 CA17 CA22 2H091 FA02Y FA14Y FA19Y FB08 FB09 FC02 FD04 FD07 FD12 FD24 GA13 LA12 LA15 5C060 BA03 BA09 BB01 BC01 BD02 GA01 HC02 HC09 HC16 HD05 JA20

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 三原色光を各色光ごとに集光する複数の
   ホログラムレンズを面状に配列した画像用ホログラムレ
   ンズ領域と、 前記画像用ホログラムレンズ領域の外周囲にあり、前記
   ホログラムレンズと同じ光学特性を有する別のホログラ
   ムレンズをレンズの中心軸が前記画像用ホログラムレン
   ズ領域内の各レンズの中心軸とずれるように配した、一
   または複数の評価用ホログラムレンズ領域とを有するこ
   とを特徴とするホログラムカラーフィルタ。