JP3500963B2

JP3500963B2 - マスタホログラム

Info

Publication number: JP3500963B2
Application number: JP15755198A
Authority: JP
Inventors: 哲広山崎
Original assignee: Victor Company of Japan Ltd
Current assignee: Victor Company of Japan Ltd
Priority date: 1998-01-22
Filing date: 1998-06-05
Publication date: 2004-02-23
Anticipated expiration: 2018-06-05
Also published as: JPH11271535A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、投射型ディスプ
レイの表示素子に好適なホログラム量産用マスタホログ
ラムの改良に関するものである。

【０００２】

【従来技術】投射型ディスプレイには、マイクロレンズ
アレイをカラーフィルタとして使用するものがあるが、
このようなタイプの表示素子では光利用率が低く、その
向上が要望されている。特開平９−１８９８０９号公報
に記載されたカラーフィルタによれば、フィルタを構成
する体積ホログラムが良好な分光特性や理想的な集光特
性を具備しており、通常のカラーフィルタよりも光利用
率の高い投射型のディスプレイシステムを実現すること
ができる。なお、マスタホログラムには、金属膜などの
スリットにより光の透過率の変調でホログラム機能を持
つ振幅変調ホログラム（表面ホログラム），ガラスに段
差をつけ、透過光の位相差を変調してホログラム機能を
持つ位相変調ホログラム（表面ホログラム），表面ホロ
グラムにより形成された体積ホログラムがある。この体
積ホログラムは、マスタを大量に複製できるメリットが
ある。

【０００３】ところで、体積ホログラムフィルタの作製
法には、２ビーム干渉法と１ビーム干渉法がある。ま
ず、２ビーム干渉法は、同一レーザ光を２ビームに分岐
し、光露光によって屈折率の変化を生じる感光体（例え
ば、デュポン社製「ＯｍｎｉＤｅｘ」のようなポリマ）
上に角度を変えて入射させる。すると２ビームの干渉パ
ターンが生じるので、これによる屈折率の変化によって
ホログラムパターンが得られる。しかしながら、この方
法は、一度の干渉によって一つのホログラムレンズを形
成するに留まる。このため、ホログラムレンズアレイを
作製するには、物体光としてレンズ集光光を何度も場所
を変えて感光剤に入射させる必要がある。従って、角度
や位置のアライメント精度やかぶり光対策について配慮
する必要がある。また、レンズピッチの小さな無収差マ
イクロレンズを作製するのは困難であり、現実的ではな
い。

【０００４】一方、１ビーム干渉法では、まず計算機に
よって計算された回折パターンを電子線描画装置により
表面ホログラム（マスタホログラム）として基板上に形
成する。そして、その表面ホログラムに特定角度から光
を入射し、回折パターンによって０次光と１次光を得
る。そして更に、これら０次光と１次光の干渉によっ
て、感光体に体積ホログラムを記録する。従って、０次
光と１次光の角度や位置のアライメントが不要であると
ともに、マイクロレンズアレイパターンをマスタホログ
ラム面内に必要な分だけ形成しておけば、１回の干渉で
レンズアレイパターンを感光体に転写できる。従って、
精度や量産性のいずれにおいても、体積ホログラムフィ
ルタの作製に有効な手段である。ただし、実際には、マ
スタホログラムに対してサブミクロンオーダーの加工を
大面積で行う必要があり、高度な微細加工技術が必要で
ある。

【０００５】この加工手法としては、まず、電子線レジ
スト上にマイクロレンズパターンを電子線描画する。そ
して、このレジストパターンをマスクとして基板ガラス
材をエッチングすることによって、ガラス基板上に凹凸
を形成する。これら凹凸によって透過する光の位相を変
調することによって、１次回折光が発生する。このマス
タホログラムは表面ホログラムの一種で位相変調型ホロ
グラムと呼ばれる。ガラス基板上には凹凸しか存在しな
いため、入射した光のほぼすべてが０次光か１次光とな
る。また、凹凸の段差を制御することで、０次光と１次
光の比をある程度制御できる。

【０００６】他のマスタホログラムの作製方法として、
振幅変調型ホログラムを用いた方法がある。これによれ
ば、まず、電子線描画によってマイクロレンズアレイパ
ターンが電子線レジスト上に形成される。次に、これを
マスク材として、金属層をエッチングすることで光遮光
部と光透過部を形成し、周期的なスリットパターンが形
成される。これによって、回折光が生ずる。

【０００７】このようにして得たマスタホログラムを用
いてフォトポリマにホログラムを転写し、体積ホログラ
ムが量産される。図６にはその様子が示されている。マ
スタホログラム１０は、石英もしくはガラスによる基板
１２と金属膜１４によって形成されており、金属膜１４
に振幅変調ホログラム素子（グレーティング）１６が形
成されている。マスタホログラム１０のホログラム転写
用レーザ光（例えばＡｒレーザ光）の入射側にはプリズ
ム１８が設けられており、レーザ光透過側にはガラス基
板２０上に形成されたフォトポリマ２２が設けられてい
る。フォトポリマ２２の屈折率は、感光前の状態で１．
４７程度，感光した状態で１．５２程度である。フォト
ポリマ２２の表面にはＰＶＡなどによる保護膜２４が形
成されている。なお、マスタホログラム１０の基板１２
とプリズム１８との間，金属膜１４と保護膜２４との間
には、両者の屈折率差を低減するため、屈折率調整用液
体としてマッチングオイル２６が充填されている。

【０００８】矢印ＦＡで示すレーザ光は、プリズム１８
を介してマスタホログラム１０に入射する。このレーザ
光は、ホログラム素子１６のスリットによって、矢印Ｆ
Ｂで示す透過０次光と、矢印ＦＣで示す１次回折光に分
離される。これらの光は、保護膜２４を介してフォトポ
リマ２２に入射し、ここで干渉する。これによって、フ
ォトポリマ２２に体積ホログラムパターンが形成され
る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、以上の
ような従来技術では、図７に矢印ＦＤ〜ＦＦで示すよう
に、ホログラム素子１６を透過して０次光，１次光に分
離した光が、各層の界面２２Ａ，２４Ａ，２６Ａで反射
する。これら界面における反射光は、マスタホログラム
１０の金属層１４で更に反射し、不要光となって再びフ
ォトポリマ２２に入射する。

【００１０】また、マスタホログラム１０とフォトポリ
マ２２の間にはマッチングオイル２６が充填されている
が、このオイル層の厚みが部位によって微妙に異なる
と、金属膜１４を透過した本来のレーザ光と、金属層１
４で反射された不要光との間で干渉が生じ、フォトポリ
マ２２に記録された体積ホログラムの特性に面内ムラが
発生してしまう。このムラは、例えばディスプレイ用の
カラーフィルタに前記体積ホログラムを使用した場合に
色シェーディングを発生させ、表示品質低下の大きな原
因となる。

【００１１】更に、上述した位相変調型ホログラムの製
造方法では、例えば特開平９−１８９８０９号公報に記
載されているような体積ホログラムを得るためのマスタ
ホログラムを作製することは困難である。例えば、ラン
プ光の入射角を６０度とし、青色帯域の中心波長を４６
０ｎｍ、ガラス基板の屈折率を１．５２とすると、開口
数ＮＡ＝０．２のマイクロレンズアレイを作製する場
合、必要なパターンピッチは０．３０〜０．４１μｍと
なる。従って、マイクロレンズアレイ一ラインの幅は、
その半分の０．１５〜０．２μｍとなる。このピッチに
対して０次光と１次光の比が１：１となるマスタ基板の
凹凸の深さは、ガラス基板を用いた場合０．３５μｍ程
度と計算されており、前記ライン幅の２倍以上の深さの
加工が必要となる。このような０．５μｍピッチの凹凸
パターンをデューティ及び深さとも厳密に制御すること
は非常に困難となる。

【００１２】一方、上述した振幅変調型ホログラムの場
合、０次，１次，２次の各回折光の量とグレーティング
デューティ比（スペース／グレーティング）との関係
は、例えば図８に示すようになる。このような振幅変調
型ホログラムを用いて体積ホログラムを干渉露光で作製
する場合、０次光，１次光，及び２次光により、それぞ
れ０次光と１次光の干渉縞，０次光と２次光の干渉縞，
更に１次光と２次光の干渉縞が形成されることになる。
他方、感光フィルム（ホログラム感光剤）の屈折率差△
ｎの最大値は材料によって決定される。このため、０次
光と１次光の干渉縞の屈折率差△ｎが低下し、１次光の
回折効率が設計値よりも低くなってしまう。

【００１３】更に、マスタ側に２次光があると、作製し
た体積ホログラムカラーフィルタに２次光のパターンが
記録される。その結果、前記回折効率低下の他、コント
ラストの低下やゴーストの発生など、画質への影響も考
えられる。

【００１４】この発明は、以上の点に着目したもので、
不要光の影響を低減するとともに、１次光の回折効率の
向上によって投射輝度の損失を低減し、更には、２次光
による画質への影響を低減することができるマスタホロ
グラムを提供することを、その目的とするものである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明は、透明基板上に金属膜からなるグレーティ
ングパターンが形成され、前記透明基板側から所定角度
で露光光を入射させた際に、前記金属膜側に対向配置さ
れ、ガラス基板に形成されたフォトポリマに、前記グレ
ーティングパターンで回折させた回折光により、ホログ
ラムパターンを形成するマスタホログラムにおいて、前
記グレーティングパターン上に前記露光光を所定割合で
透過させ、前記フォトポリマからの反射光を吸収させる
光吸収膜が形成されていることを特徴とする。他の発明
は、透明基板上に金属膜からなるグレーティングパター
ンが形成され、前記透明基板側から所定角度で露光光を
入射させた際に、前記金属膜側に対向配置され、ガラス
基板に形成されたフォトポリマに、前記グレーティング
パターンで回折させた回折光により、ホログラムパター
ンを形成するマスタホログラムにおいて、前記グレーテ
ィングパターンは、前記露光光を所定割合で透過させ、
前記フォトポリマからの反射光を吸収させる光吸収膜か
らなることを特徴とする。主要な形態の一つは、前記グ
レーティングパターンのデューティ比は、４０〜６０％
であることを特徴とする。

【００１６】

【発明の実施の形態】まず、本発明の実施形態１につい
て、図１を参照しながら説明する。マスタホログラム５
９を透過したレーザ光は、同図に矢印ＦＤ〜ＦＦで示す
ように、各層の界面２２Ａ，２４Ａ，２６Ａで一部が反
射する。これらの反射光は、再びマスタホログラム５９
に入射する。しかし、本形態では、金属膜５２上に吸収
膜５６が存在する。このため、それら反射光の金属膜５
２による反射が良好に低減される。このため、フォトポ
リマ２２には、ムラのない良好な体積ホログラムのレン
ズアレイパターンが形成される。これを、液晶などを用
いた投射型ディスプレイの表示素子のカラーフィルタと
して使用することで、色シェーディングを低減して、表
示品質の向上を図ることが可能となる。

【００１７】図２には、実施形態２が示されている。同
様に、マスタホログラム６０を透過したレーザ光は、同
図に矢印ＦＤ〜ＦＦで示すように、各層の界面２２Ａ，
２４Ａ，２６Ａで一部が反射する。これらの反射光は、
再びマスタホログラム６０に入射する。しかし、本形態
では、吸収膜５６が全体に存在するため、それら反射光
の金属膜５２による反射が良好に低減される。このた
め、フォトポリマ２２には、ムラのない良好な体積ホロ
グラムのレンズアレイパターンが形成される。

【００１８】次に、図３を参照して本形態にかかる振幅
変調型の体積マスタホログラムの作製手順を説明する。
まず、図３(A)に示すように、透明基板５０上に金属膜
５２を形成する。透明基板５０の材質としては、平坦性
が確保できる材質であれば何でもよく、石英やガラスが
適している。金属膜５２としては、ホログラムパターン
の露光波長に対して遮光性が十分で、かつ透明基板５０
に密着性が高く、かつ加工性がよいことである。ところ
が、金属膜５２が厚くなると、エッチング時に横方向の
広がりの制御が困難になるため、所望のデューティの加
工形状を得るのが困難になる。従って、金属膜５２の厚
みは、薄い方がよい。フォトマスクとして一般的に使用
されるクロム膜やクロムと酸化クロムによる積層膜が、
密着力や加工性が良好であり適している。また、金属膜
５２の厚みは、遮光性と加工性の相反関係を考慮して決
定する必要がある。

【００１９】次に、同図(B)に示すように、金属膜５２
上に電子線レジスト膜５４を形成する。一方、所望のレ
ンズ効果を発生するのに必要なパターンを関数計算し、
同図(B)に矢印で示すように、そのパターンを電子線描
画法で電子線レジスト膜５４に転写する。次に、同図
(C)に示すように、電子線レジスト膜５４を現像する。
次に、同図(D)に示すように、この電子線レジスト膜５
４のパターンをマスクとして金属膜５２をエッチングす
る。エッチングは、ウェットエッチング，ドライエッチ
ングのどちらの手法でも可能である。この後、同図(E)
に示すように、電子線レジスト膜５４を除去する。これ
により、金属膜５２がスリット構造となって所望のグレ
ーティングパターンが形成され、体積ホログラムによる
ホログラムレンズアレイが作製される。

【００２０】実験によると、クロム８００Å／酸化クロ
ム２００Åの合計１０００Åの膜厚の積層膜５２を用い
たところ、５１４．５nmのアルゴンレーザによる体積ホ
ログラムの作製が可能であった。ところで、これをその
ままマスタホログラムとして使用した場合、ホログラム
材側の各層の屈折率差による反射が大きいと、上述した
ように各層の界面２２Ａ，２４Ａ，２６Ａでレーザ光が
反射し、更には、図７に矢印ＦＧで示すように、金属膜
５２による反射光が生ずる。この反射光が強いと、上述
した理由によってホログラム特性にムラが生じ、作成し
たカラーフィルタに色シェーディングが発生してしまう
恐れがある。

【００２１】そこで、本形態では、図３(F)に示すよう
に、透明基板５０の金属膜５２の形成面上に、吸収膜５
６が形成される。なお、図１に示した実施形態の場合に
は、図３(A)に示す金属膜５２の形成後に吸収膜５６を
形成する。そして、この吸収膜５６を、図３(B)〜(E)の
工程で金属膜５２と同時にエッチングすることで、金属
膜５２上にのみ吸収膜５６を形成することができる。

【００２２】

【実施例１】実施例１では、使用する露光光波長に対応
した吸収膜５６が形成される。例えば、有機ポリ尿素薄
膜やポリイミド酸化膜などを、比較的薄い１０００Å程
度の膜厚に蒸着によって形成し、透明基板５０の主面上
で重合させて吸収膜５６が形成される。スピンコート法
によって透明基板５０上にポリイミド膜を形成後、加熱
により酸化処理して吸収膜を形成するようにしてもよ
い。

【００２３】図４には、マスタホログラムパターンに対
するレーザ光の入射角度αと反射率の関係が示されてい
る。測定にはＨｅ−Ｎｅの５４３ｎｍのレーザ光を使用
し、屈折率１．５２のマッチングオイル中で測定した。
グラフＧＡは金属膜５２による反射率を示し、グラフＧ
Ｂはポリイミドによる吸収膜形成時の反射率が示されて
いる。金属膜５２のみの場合は、グラフＧＡに示す反射
率でレーザ光が反射される。しかし、吸収膜を形成する
ことで反射レーザ光が吸収され、グラフＧＢのように反
射率が低減する。このように、吸収膜を使用した場合、
反射光を低減し、更にはホログラムのパターンムラを低
減することが可能である。

【００２４】なお、吸収膜を用いた場合には、プリズム
１８から入射したレーザ光が吸収膜を透過する際に吸収
されてしまうが、レーザ光強度を高めることで、支障な
くホログラムパターンを作製できる。この吸収膜の透過
率は、吸収膜に垂直に入射する記録波長の光に対して７
０％以下が実用的である。この理由は次のとおりであ
る。吸収膜で再反射する光は、約６０度で吸収膜を２回
通るため、透過率Ｔの４乗で減衰する。従って、Ｔを７
０％以下に設定すると、反射率は２４％以下となり、元
の反射率の約１／４となって、反射防止膜としての吸収
効果が生じる。試作した吸収膜によれば、６０度の角度
で入射したＡｒレーザ光の反射率を０．５％以下に低減
することができ、更には、カラーフィルタの色シェーデ
ィングを実用上問題のないレベルにまで低減することが
できた。

【００２５】

【実施例２】この実施例は、吸収膜によるレーザ光の吸
収を考慮したもので、前記吸収膜５６として、記録レー
ザ光の垂直入射時に記録レーザ波長に対する吸収率が７
０％以下になるように設定されたものが成膜される。こ
のような吸収率の調整は、例えば吸収膜の膜厚によって
行うことができる。図５に示すように、マスタホログラ
ムに角度θで光Ｌが入射したとすると、０次光Ｌ0，１
次光Ｌ1，２次光Ｌ2は図示のようになる。すなわち、０
次光Ｌ0と２次光Ｌ2は、吸収膜５６を斜めに透過するよ
うになる。このため、例えば入射角θが６０度の場合、
０次光Ｌ0と２次光Ｌ2は、吸収膜厚／ＣＯＳ（６０度）
＝２×吸収膜厚の距離を透過することになる。

【００２６】透過振幅を変調する回折格子材であるＣｒ
（クロム）による金属膜５２のデューティ比（光透過振
幅／ピッチ）が５０％に近いほど１次回折効率に対する
２次回折効率比は小さくなる。これは、回折効率の特性
として一般的に知られている。更に、図８のグラフから
もわかる。従って、デューティ比を４０〜６０％とする
ことで、２次回折光の出射量を低減する。

【００２７】しかし、この状態で吸収膜を形成すると、
斜めに出射する０次光と２次光の吸収膜中での光路長
は、垂直に出射する１次光と比較して約２倍になる。従
って、垂直透過率をＴとすると、１次光Ｐ1はＰ1×Ｔと
なり、０次と２次の出射光は、それぞれＰ0×Ｔ×Ｔ，
Ｐ2×Ｔ×Ｔとなり、となり、１次光と比較して垂直透
過率分だけ少なくなる。つまり、２次光も低減できる反
面、１次光も低くなってしまう。

【００２８】そこで、本形態の原理として、Ｃｒ膜厚を
制御して（実際には薄くして）吸収膜形成前に０次光を
多くして、吸収膜形成後に０次光、１次光が１：１にな
るように設計する。

【００２９】図８のデータは、酸化Ｃｒ２００Å／Ｃｒ
８００Åの通常フォトマスクで実用化されている厚膜で
ある。従って、最終的なＣｒ膜厚は、吸収膜の透過設計
値に合わせて最適化する必要があるが、あまり薄いと均
一性に問題が生ずるので、２層合計で３００〜１０００
Åが適正と考えられる。

【００３０】この発明には数多くの実施形態があり、以
上の開示に基づいて多様に改変することが可能である。
例えば、次のようなものも含まれる。（１）フォトポリマ２２の屈折率は、感光前の状態で
１．４７程度，感光した状態で１．５２程度である。従
って、マッチングオイル２６の屈折率としては、それら
を含む範囲，例えば１．４６〜１．５５の範囲が好適で
ある。従って、吸収膜は、この範囲の屈折率で良好な効
果が得られるように設計する。（２）前記図３では、レーザ光の入射角度が５０度前後
で良好な結果が得られたが、この場合も、所望の入射角
度で良好な反射防止効果が得られるように設計する。（３）前記形態は、体積ホログラムを作製する場合であ
るが、位相変調型ホログラムなど他のタイプのホログラ
ム作製にも適用可能である。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
次のような効果がある。（１）マスタホログラムに反射防止膜や吸収膜を形成す
ることとしたので、露光時における不要光が低減され、
ホログラムパターンをムラなく均一に形成することがで
き、更にはディスプレイ用フィルタ特性の改善を図るこ
とが可能となる。（２）吸収膜の透過率を記録するレーザの波長に対して
７０％以下とするとともに、グレーティングパターンの
デューティ比を４０〜６０％としたので、１次光の回折
効率が向上し投射輝度の損失を低減することができる。（３）コントラストの低下やゴーストの発生などの２次
光による画質への影響を低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施形態におけるホログラム作製
の様子を示す図である。

【図２】この発明の一実施形態におけるホログラム作製
の様子を示す図である。

【図３】本形態にかかるマスタホログラムの作製手順を
示す図である。

【図４】本形態にかかる吸収膜の特性例を示す図であ
る。

【図５】本形態におけるパターン記録時の０次光，１次
光，及び２次光の光路を示す図である。

【図６】従来技術におけるホログラム作製の様子を示す
図である。

【図７】従来技術のホログラム作製時におけるレーザ光
反射の様子を示す図である。

【図８】振幅変調型ホログラムにおけるグレーティング
デューティ比と回折効率の関係を示す図である。

【符号の説明】

１０，５９，６０…マスタホログラム１２，５０…透明基板１４，５２…金属膜１６…ホログラム素子もしくはグレーティングパターン１８…プリズム２０…ガラス基板２２…フォトポリマ２２Ａ，２４Ａ，２６Ａ…界面２４…保護膜２６…マッチングオイル５４…電子線レジスト膜５６…吸収膜Ｌ0…０次光Ｌ1…１次光Ｌ2…２次光

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平９−106243（ＪＰ，Ａ) 特開平５−281883（ＪＰ，Ａ) 特開平９−62171（ＪＰ，Ａ) 特開平３−228083（ＪＰ，Ａ) 特開平７−281583（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−262678（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G03H 1/20

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】透明基板上に金属膜からなるグレーティン
グパターンが形成され、前記透明基板側から所定角度で
露光光を入射させた際に、前記金属膜側に対向配置さ
れ、ガラス基板に形成されたフォトポリマに、前記グレ
ーティングパターンで回折させた回折光により、ホログ
ラムパターンを形成するマスタホログラムにおいて、前記グレーティングパターン上に前記露光光を所定割合
で透過させ、前記フォトポリマからの反射光を吸収させ
る光吸収膜が形成されていることを特徴とするマスタホ
ログラム。
【請求項２】透明基板上に金属膜からなるグレーティン
グパターンが形成され、前記透明基板側から所定角度で
露光光を入射させた際に、前記金属膜側に対向配置さ
れ、ガラス基板に形成されたフォトポリマに、前記グレ
ーティングパターンで回折させた回折光により、ホログ
ラムパターンを形成するマスタホログラムにおいて、前記グレーティングパターンは、前記露光光を所定割合
で透過させ、前記フォトポリマからの反射光を吸収させ
る光吸収膜からなることを特徴とするマスタホログラ
ム。
【請求項３】前記グレーティングパターンのデューティ
比は、４０〜６０％であることを特徴とする請求項１又
は２記載のマスタホログラム。