JP3608747B2

JP3608747B2 - 多面付けホログラム及びその作成方法

Info

Publication number: JP3608747B2
Application number: JP9689095A
Authority: JP
Inventors: 豪堀田
Original assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Current assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Priority date: 1995-04-21
Filing date: 1995-04-21
Publication date: 2005-01-12
Anticipated expiration: 2020-01-12
Also published as: JPH08292709A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、多面付けホログラム及びその作成方法に関し、特に、多面付けで比較的大面積のホログラムを作成する場合に継ぎ目を目立たなくしたホログラム及びその作成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
比較的大型で大面積のホログラムとしては、例えば、液晶表示装置用ホログラムカラーフィルター、ヘッドアップディスプレイ用のホログラムコンバイナー等が知られている。
【０００３】
この中、液晶表示装置用ホログラムカラーフィルターは、本出願人が特願平５−１２１７０号等で提案したものであり、その構成は、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。以下、簡単にこのホログラムカラーフィルターについて説明する。
【０００４】
図４の断面図を参照にしてこ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配置するようにしてもよい。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
このような、ホログラムアレーからなるカラーフィルターの製造は、例えばマクロレンズアレーから出た多点発散光と平行光の二光束干渉によったり（特願平５−２２５６１３号）、計算機ホログラムからなる微小ホログラムレンズアレーから出た多点集束光とゼロ次透過光との二光束干渉による複製方法によったり（特願平５−１４５７２号）している。
【０００９】
また、ヘッドアップディスプレイ等に用いられるホログラムコンバイナーは１つの光学素子であり、その機能は半透過反射性結像素子と言うことができる。図５（ａ）はその撮影方法を説明するための図であり、レーザー１０から発振された光をハーフミラー１１で２分し、それぞれのレーザー光をレンズ１２、１３で１点から出る発散光に変え、フォトポリマー等の体積型ホログラム記録材料１４の両側からこれら２つの発散光を入射させて記録材料１４内で干渉させて体積位相型ホログラムとして記録したものがホログラムコンバイナーである。
【００１０】
このようなホログラムコンバイナー１６は、同図（ｂ）に示すように、撮影の際の一方の発散点近傍に配置した表示体１５から出た光を反射方向に回折し、その回折をあたかも撮影の際の他方の発散点近傍に配置された表示体１５の像１５′から出たように行うもので、その結像倍率及び像位置は、撮影の際の発散点と記録材料の相対距離Ｌ、Ｌ′によって決まり、しかも、記録の際の波長又はそれと特定の関係がある波長の光しか回折せず、他の波長の光は透過するので、像を重畳又は合成できるものである。
【００１１】
このように、比較的大面積のホログラムは二光束干渉法により露光されることが多いが、露光時に使用するレンズや放物面鏡の収差により、精巧なレンズ作用を持つ大面積のホログラムを作成することは困難である。しかし、露光に使用するレンズの直径が小さい場合、低収差のレンズが容易に入手できるため、精巧な部分ホログラムが作成できる。これらを多面付けした場合、精巧な大面積ホログラムとなる。
【００１２】
他方、直接描画法により所望の特性の干渉縞を描画して精巧な計算機ホログラムを作成することもできるが、直接描画装置による描画面積には限界があり、大面積なホログラムを作成することはできない。具体的に、描画する干渉縞のピッチが０．７μｍ〜１．０μｍ程度の場合、描画面積は１０ｍｍ角程度のものが限界であり、また、描画する干渉縞のピッチが１．０μｍ以上の場合でも、描画面積は５０ｍｍ角程度のものが限界である。
【００１３】
このように、特に、計算機ホログラムにより比較的大面積のホログラムを作成しようとする場合、１回の描画で作成できる面積には限界があるため、多面付けの手法が採用されている。
【００１４】
この手法を説明すると、図６に示すように、一辺が１０ｍｍ〜５０ｍｍ程度の矩形の部分ホログラム１_１、１_２、１_３、１_４、・・・・・、１_ｎを２次元方向へ整列して順に並べることにより目的とする大面積のホログラム２が形成される。
【００１５】
ここで、作成しようとする最終のホログラム２がホログラムカラーフィルターのように繰り返し模様の場合は、部分ホログラム１_１、１_２、１_３、１_４、・・・・・、１_ｎは全て同じものである。ただし、１つの部分ホログラム中には、微小ホログラム５′が複数形成されているのが普通である。また、作成しようとする最終のホログラム２がホログラムコンバイナーのように繰り返し模様でない場合は、部分ホログラム１_１、１_２、１_３、１_４、・・・・・、１_ｎは相互に異なる干渉縞形状のものである。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような多面付けのための原版のｘ，ｙ方向への搬送精度が１μｍ程度の高精度な装置を用いて多面付けしても、矩形形状の原版では、出来上がったホログラム２の継ぎ目が人間の眼に見えてしまう問題がある。特に、図４のような液晶表示装置用ホログラムカラーフィルターにおいては、Ｒ、Ｇ、Ｂの画素配列がストライプ状の場合よりも、デルタ状配列の方が、また、低開口率のパターンより高開口率のパターンの方がより継ぎ目が目立って認識されてしまう。さらに、このようなホログラムカラーフィルターを用いた液晶表示装置の表示を数十倍に拡大投影する場合（特願平５−２４２２９２号等）に継ぎ目が顕著になってしまう。
【００１７】
本発明はこのような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、多面付けで比較的大面積のホログラムを作成するときに、部分ホログラム相互の継ぎ目の形状に工夫を施すことにより目立たなくすることである。
【００１８】
【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多面付けホログラムは、部分ホログラムを多面付けしてなる多面付けホログラムにおいて、少なくとも１つの方向における部分ホログラム相互の境界線を異なる直線の集合あるいは異なる曲線の集合としたことを特徴とするものである。
【００１９】
この場合、部分ホログラムの干渉縞パターンが全て同じ形状のものであっても、また、少なくとも一部の部分ホログラム間で異なる形状のものであってもよい。後者の場合、部分ホログラムの境界線が周期的構造を有しないものであってもよい。
【００２０】
部分ホログラムの干渉縞パターンが全て同じ形状のものである場合に、多面付けホログラムとして回折効率の波長依存性がないかもしくは少ない集光性の微小ホログラムを一定の周期で配置してなるホログラムアレーから構成し、１つの方向における部分ホログラム相互の境界線を構成する異なる直線の集合をこのホログラムアレーをカラーフィルターとして用いる液晶表示装置の画素の境界線と略一致するようにすることが望ましい。また、その場合、さらにこのホログラムアレーの微小ホログラム間の境界線と略一致するようにすることが望ましい。
【００２１】
また、本発明の多面付けホログラムの作成方法は、外形が縦方向、横方向共異なる直線の集合あるいは異なる曲線の集合でなる１枚の計算機ホログラム原版を作成し、その計算機ホログラム原版をホログラム記録材料上に重ね合わせてホログラム複製し、次に、前記計算機ホログラム原版をその縦横方向繰り返しピッチだけ縦横方向へ移動させながら、同様にホログラム複製を繰り返すことを特徴とする方法である。
【００２２】
もう１つの本発明の多面付けホログラムの作成方法は、外形が縦方向、横方向共異なる直線の集合あるいは異なる曲線の集合でなる複数の計算機ホログラム原版を作成し、これらの計算機ホログラム原版を順に隣接するものと過不足なく接するようにホログラム記録材料上に重ね合わせてホログラム複製を行うことを特徴とする方法である。
【００２３】
【作用】
本発明においては、部分ホログラムを多面付けしてなる多面付けホログラムの少なくとも１つの方向における部分ホログラム相互の境界線を異なる直線の集合あるいは異なる曲線の集合としたので、同じ精度の多面付け装置を用いて作成しても、直線の境界線のものに比べて、継ぎ目が目立たず、眼で認識できなくなり、品質のよい大面積のホログラムを得ることができる。
【００２４】
【実施例】
本発明においては、多面付けで比較的大面積のホログラムを作成する場合に、部分ホログラムの境界線を直線でなく、直線の集合あるいは曲線の集合とすることにより、同じ精度の装置を用いて作成しても継ぎ目が認識できなくなるようにすることである。
【００２５】
以下、図１に直線の集合によって部分ホログラムの境界線を形成する多面付けの例を示す。図１（ａ）に示すように、部分ホログラムの原版２０_１として、その外形が、縦方向、横方向共直線の集合でなるものを用意する。目的とする多面付けホログラム２（図１（ｂ））が、ホログラムカラーフィルターのように繰り返し模様の場合は、用意する部分ホログラムの原版２０_１は１個でよい。この原版２０_１の中に微小ホログラム５′が通常複数並列して描画されている。また、多面付けによって作成するホログラム２が、ホログラムコンバイナーのように繰り返し模様でない場合は、相互に異なる干渉縞を含んだ多面付けの数分の部分ホログラム用原版２０_１、２０_２、２０_３、２０_４、・・・・・、２０_ｎを用意する。
【００２６】
そして、原版２０_１（〜２０_ｎ）の横方向繰り返しピッチＬ_ｘ、縦方向繰り返しピッチＬ_ｙだけ横方向、縦方向へ原版２０_１（〜２０_ｎ）を移動させながら、目的とする多面付けホログラム２が繰り返し模様の場合には同じ原版２０_１を、繰り返し模様でない場合には原版２０_１〜２０_ｎを順に交換しながら、多面付けして、図１（ｂ）に示すようなホログラム２を得ることができる。
【００２７】
このように、多面付けホログラム２の部分ホログラム２１_１、２１_２、２１_３、２１_４、・・・・・、２１_ｎ間の境界線を直線の集合することにより、同じ精度の多面付け装置を用いて作成しても、継ぎ目が目立たず、眼で認識できなくなる。
【００２８】
同様に、曲線の集合によって部分ホログラムの境界線を形成する多面付けの例を図２に示す。図２（ａ）に示すように、部分ホログラムの原版３０_１として、その外形が、縦方向、横方向共曲線の集合でなるものを用意する。目的とする多面付けホログラム２（図２（ｂ））が、ホログラムカラーフィルターのように繰り返し模様の場合は、用意する部分ホログラムの原版３０_１は１個でよい。この原版３０_１の中に微小ホログラム５′が通常複数並列して描画されている。また、多面付けによって作成するホログラム２が、ホログラムコンバイナーのように繰り返し模様でない場合は、相互に異なる干渉縞を含んだ多面付けの数分の部分ホログラム用原版３０_１、３０_２、３０_３、３０_４、・・・・・、３０_ｎを用意する。
【００２９】
そして、原版３０_１（〜３０_ｎ）の横方向繰り返しピッチＬ_ｘ、縦方向繰り返しピッチＬ_ｙだけ横方向、縦方向へ原版３０_１を移動させながら、目的とする多面付けホログラム２が繰り返し模様の場合には同じ原版３０_１を、繰り返し模様でない場合には原版３０_１〜３０_ｎを順に交換しながら、多面付けして、図２（ｂ）に示すようなホログラム２を得ることができる。
【００３０】
多面付けホログラム２の部分ホログラム３１_１、３１_２、３１_３、３１_４、・・・・・、３１_ｎ間の境界線を曲線の集合することによっても、図１の場合と同様に、同じ精度の多面付け装置を用いて作成しても、継ぎ目が目立たず、眼で認識できなくなる。
【００３１】
ところで、図４で説明したようなホログラムカラーフィルターを用いた液晶表示装置においては、液晶セル６′からなる分色画素Ｒ、Ｇ、Ｂの繰り返し配列は、微小ホログラム５′による色分散方向を図の横方向とすると、例えば図３に示すように、上下の画素間で半ピッチずれて配置される。このような分色画素配列の液晶表示装置のためのホログラムカラーフィルターを、図１（ｂ）のような境界線が直線の集合からなる同じ外形の部分ホログラム２１₁、２１₂、２１₃、２１₄、・・・・・、２１_nの多面付けで構成する場合、図３中に太い線で示したように、その境界線が分色画素Ｒ、Ｇ、Ｂの境界線（実線）と一致し、さらに望ましいは、微小ホログラム５′のアレーの微小ホログラム５′間の境界線（破線）と一致するように構成することが望ましい。このようにすると、継ぎ目がより目立たなくなる。
【００３２】
以上のような多面付けホログラム２を作成するには、図１（ａ）又は図２（ａ）に示したように外形が縦方向、横方向共直線の集合あるいは曲線の集合でなる計算機ホログラム原版２０_１〜２０_ｎ、３０_１〜３０_ｎの干渉縞を計算し（ホログラムカラーフィルターのように繰り返し模様の場合は、ホログラム原版は１枚２０_１、３０_１でよい。）、それをデータ化し、そのデータに基づいて電子線レジストを塗布した例えばガラス基板上に電子線描画し、レジスト現像、開口したレジストをマスクとしてガラス基板をエッチングして、原版２０_１〜２０_ｎ、３０_１〜３０_ｎを完成させる。
【００３３】
これを１枚のホログラム２に多面付けするには、ホログラムカラーフィルターのように繰り返し模様の場合には、１枚の原版２０_１又は３０_１をガラス等の透明基板上にホログラム感光剤を塗布してなるホログラム記録材料上に重ね合わせ、マスク等を介してレーザ照射を原版２０_１又は３０_１の領域だけ行って複製し、次に、原版２０_１又は３０_１の横方向繰り返しピッチＬ_ｘ、縦方向繰り返しピッチＬ_ｙだけ横方向、縦方向へ原版２０_１又は３０_１を移動させながら、同様にレーザ照射を行って複製し、最後にホログラム記録材料を現像することにより、図１（ｂ）又は図２（ｂ）のような多面付けホログラム２が得られる。また、ホログラムコンバイナーのように繰り返し模様でない場合には、最初の原版２０_１又は３０_１をガラス等の透明基板上にホログラム感光剤を塗布してなるホログラム記録材料上に重ね合わせ、レーザ照射を原版２０_１又は３０_１領域だけ行って複製し、次に、原版２０_１〜２０_ｎ又は３０_１〜３０_ｎの横方向繰り返しピッチＬ_ｘ、縦方向繰り返しピッチＬ_ｙだけ横方向、縦方向へずらして次の原版２０_２又は３０_２を重ね合わせて、同様にレーザ照射を行って複製し、これを同様に繰り返し、最後にホログラム記録材料を現像することにより、図１（ｂ）又は図２（ｂ）のような多面付けホログラム２が得られる。
【００３４】
以上、本発明の多面付けホログラム及びその作成方法を実施例に基づいて説明してきが、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。例えば、ホログラムコンバイナーのように繰り返し模様でない場合には、原版２０_１〜２０_ｎ又は３０_１〜３０_ｎの縦方向、横方向共直線の集合あるいは曲線の集合でなる外形は、全て同じである必要はない。この場合は、部分ホログラム２１_１、２１_２、２１_３、２１_４、・・・・・、２１_ｎ又は３１_１、３１_２、３１_３、３１_４、・・・・・、３１_ｎ間の境界線は周期的な同じ形状にはならない。また、本発明の適用できるホログラムとしては、ホログラムカラーフィルターやホログラムコンバイナーに限定されず、３次元表示のホログラム、その他のホログラム光学素子全般に適用することができる。特に、電子線直接描画やフォトリソグラフィーで原版ホログラムを作成する場合に有効なものである。
【００３５】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の多面付けホログラム及びその作成方法によると、部分ホログラムを多面付けしてなる多面付けホログラムの少なくとも１つの方向における部分ホログラム相互の境界線を異なる直線の集合あるいは異なる曲線の集合としたので、同じ精度の多面付け装置を用いて作成しても、直線の境界線のものに比べて、継ぎ目が目立たず、眼で認識できなくなり、品質のよい大面積のホログラムを得ることができる。
【００３６】
本発明は、特に、透過型の大面積のホログラムあるいは拡大投影される投影型液晶表示装置用ホログラムカラーフィルター等により有効なものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による１つの実施例の部分ホログラム原版とそれから作成される多面付けホログラムを説明するための図である。
【図２】別の実施例の部分ホログラム原版とそれから作成される多面付けホログラムを説明するための図である。
【図３】ホログラムカラーフィルターを多面付けホログラムで構成する場合の境界線の形を説明するための図である。
【図４】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５】ホログラムコンバイナーの従来の撮影方法とその機能を説明するための図である。
【図６】従来の多面付けホログラムを説明するための図である。
【符号の説明】
２…多面付けホログラム
５′…微小ホログラム
６′…液晶セル
２０_１〜２０_ｎ、３０_１〜３０_ｎ…部分ホログラム原版
２１_１〜２１_ｎ、３１_１〜３１_ｎ…部分ホログラム

Claims

部分ホログラムを多面付けしてなる多面付けホログラムにおいて、少なくとも１つの方向における部分ホログラム相互の境界線を異なる直線の集合あるいは異なる曲線の集合としたことを特徴とする多面付けホログラム。
前記部分ホログラムの干渉縞パターンが全て同じ形状のものであることを特徴とする請求項１記載の多面付けホログラム。
前記多面付けホログラムが回折効率の波長依存性がないかもしくは少ない集光性の微小ホログラムを一定の周期で配置してなるホログラムアレーからなり、１つの方向における部分ホログラム相互の境界線を構成する異なる直線の集合が前記ホログラムアレーをカラーフィルターとして用いる液晶表示装置の画素の境界線と略一致することを特徴とする請求項２記載の多面付けホログラム。
１つの方向における部分ホログラム相互の境界線を構成する直線の集合が、さらに前記ホログラムアレーの微小ホログラム間の境界線と略一致することを特徴とする請求項３記載の多面付けホログラム。
前記部分ホログラムの干渉縞パターンが少なくとも一部の部分ホログラム間で異なる形状のものであることを特徴とする請求項１記載の多面付けホログラム。
前記部分ホログラムの境界線が周期的構造を有しないものであることを特徴とする請求項５記載の多面付けホログラム。
外形が縦方向、横方向共異なる直線の集合あるいは異なる曲線の集合でなる１枚の計算機ホログラム原版を作成し、その計算機ホログラム原版をホログラム記録材料上に重ね合わせてホログラム複製し、次に、前記計算機ホログラム原版をその縦横方向繰り返しピッチだけ縦横方向へ移動させながら、同様にホログラム複製を繰り返すことを特徴とする多面付けホログラムの作成方法。
外形が縦方向、横方向共異なる直線の集合あるいは異なる曲線の集合でなる複数の計算機ホログラム原版を作成し、これらの計算機ホログラム原版を順に隣接するものと過不足なく接するようにホログラム記録材料上に重ね合わせてホログラム複製を行うことを特徴とする多面付けホログラムの作成方法。