JP3722299B2 - ホログラムカラーフィルターの評価方式 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ホログラムカラーフィルターの評価方式に関し、特に、ホログラムカラーフィルターの分光特性をシミュレーションし、その結果を用いて最適なホログラムカラーフィルターを得る方式に関する。
【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。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。
【０００３】
図１０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】
このようなホログラムカラーフィルター５は、計算機ホログラムレンズアレーを作製し、それを複製することによって製作している。すなわち、微小ホログラム５′のホログラム干渉縞を計算機によって計算し、例えばクロムを成膜したガラス基板上に塗布した電子線レジストへ電子ビームによってその干渉縞を描画し、現像して、レリーフ型の計算機ホログラム（ＣＧＨ：Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｅｄ Ｈｏｌｏｇｒａｍ）アレーのクロムパターンをまず作製する。次に、このクロムパターンをマスクとしてガラス基板をイオンエッチングしてＣＧＨアレー原版を作製する。次いで、このようにして作製したＣＧＨアレーのレリーフ面上にホログラム感材を密着させるか若干ギャップをおいて重ね合わせ、ＣＧＨアレー側から図１０のバックライト３に相当する角度θでレーザ光を入射させ、ＣＧＨアレーの各ＣＧＨによって生じる収束回折光と直進透過光とをホログラム感材中で干渉させて、ＣＧＨアレーを複製する。この複製されたホログラムが図１０のホログラムアレー５として用いられる。さらに、この複製されたホログラムを原版として再度複製したものをホログラムアレー５として用いてもよい。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このようなホログラムカラーフィルター５で分光され、ブラック・マトリックス４を透過した各色の輝度（明るさ）と色再現性に関して、従来は、実際に作製したＣＧＨにバックライト３に相当する光を入射させ、実際にブラック・マトリックス４を透過した光を測定して各色の輝度（明るさ）と色再現性を見る外はなかった。
【０００９】
しかしながら、この方法は、実際にＣＧＨを作って評価するという試行錯誤が必要であり、非常に時間とコストがかかるものあり、ホログラムカラーフィルター開発と商品化を阻害する要因となっていた。
【００１０】
本発明は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、計算上得られたホログラムカラーフィルターの分光特性を計算によりシミュレーションして、その結果を用いて最適なホログラムカラーフィルターを得る方式を提供することである。
【００１１】
【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ホログラムカラーフィルターの評価方式は、集光性の要素ホログラムを周期的に配置したアレーからなり、各要素ホログラムが記録面の法線に対して角度をなして入射する白色光を記録面に沿う方向に波長分散させて分光するホログラムカラーフィルターの評価方式において、ホログラムのパラメータが与えられた要素ホログラムの各微小領域に、微小波長間隔毎で所定の入射角の中心光線の周りで照明光の平行度内での微小角度毎に入射させる光線を計算上生成する手段と、その計算上生成された各光線毎に回折光の方向と回折効率を算出する手段と、全ての回折光を回折効率の重み付けをして総和を取ることにより通過波長特性を算出する手段と、算出された通過波長特性に基づいて、色度、輝度の少なくとも一方を算出する手段とを備えていることを特徴とするものである。
【００１２】
この場合、ホログラムカラーフィルターは分光された光を各色毎に分ける開口部材を備え、前記の通過波長特性を算出する手段は、前記開口部材の各開口毎に通過波長特性を算出するように構成され、前記の色度、輝度の少なくとも一方を算出する手段は、前記開口部材の各開口の色度、輝度の少なくとも一方を算出するように構成されていることが望ましい。
【００１３】
また、前記の通過波長特性を算出する手段は、照明光の波長分布と、前記要素ホログラムの材料吸収率と、前記要素ホログラムの表面反射率の少なくも１つを考慮して総和を取るように構成されていることが望ましい。
【００１４】
【作用】
本発明においては、ホログラムのパラメータが与えられた要素ホログラムの各微小領域に、微小波長間隔毎で所定の入射角の中心光線の周りで照明光の平行度内での微小角度毎に入射させる光線を計算上生成する手段と、その計算上生成された各光線毎に回折光の方向と回折効率を算出する手段と、全ての回折光を回折効率の重み付けをして総和を取ることにより通過波長特性を算出する手段と、算出された通過波長特性に基づいて、色度、輝度の少なくとも一方を算出する手段とを備えているので、実際にＣＧＨを作って照明光を入射させて評価する時間とコストが非常にかかる試行錯誤が必要でなくなり、計算上得られたホログラムカラーフィルターの分光特性を計算によりシミュレーションして、その結果を用いて最適なホログラムカラーフィルターを得ることができる。
【００１５】
【実施例】
以下、本発明のホログラムカラーフィルターの評価方式の原理を図面を参照にして説明する。
図１（ａ）は、ホログラムカラーフィルター５を構成する１個の微小ホログラム５′とそれに対応する３つの分色画素Ｒ、Ｇ、Ｂの前面に設けられたブラック・マトリックス４との組み合わせを示しており、間隔ｄ（通常は、微小ホログラム５′の焦点距離）をおいて相互に整列して配置されている。微小ホログラム５′とブラック・マトリックス４の間にガラス板７（屈折率ｎG ）が配置されている。そして、光源１０から出たバックライト３がホログラムカラーフィルター５に入射し、そこで回折されてブラック・マトリックス４に入射し、ブラック・マトリックス４の開口を通過した光線だけがカラー液晶表示に寄与する。
【００１６】
本発明においては、微小ホログラム５′を微小な領域Ａ1 〜ＡM に分割（例えば、縦横各々２０等分）し、そのおのおのの領域Ａm （ｍ＝１〜Ｍ）に、入射角θの中心光線の周りでバックライトの平行度を表す図のｒ方向（半径方向）に微小角度おき（例えば、平行度が±５°の場合、０°から１°おきに５°まで）で、かつ、図のψ方向（円周周方向）に一定角度おき（例えば、０〜３５９°の範囲で２２．５°おき）にそれぞれ１本の光線、全体でＮ（ｎ＝１〜Ｎ）本の光線（以上の例では、１（中心光線）＋５×１６＝８１本）を、光源１０からの波長λを微小波長間隔（例えば、４００ｎｍ〜７００ｎｍの間を１０ｎｍおきに）で変化させて、順に全ての領域Ａm （ｍ＝１〜Ｍ）に入射させ（以上の例では、全体で８１×２０×２０×３１＝Ｎ×Ｍ×３１＝１，００４，４００本（回））、その各々について、微小ホログラム５′の各領域Ａm が有している干渉縞により、後記の回折の式に従って回折させて回折光線の方向を算出し、また、ホログラムの回折効率を表す後記のコーゲルニクの式、及び、スネルの屈折式に従ってその回折光線の回折効率η（ｎ，ｍ）を算出する。そして、各回折光線がブラック・マトリックス４を通過する場合を１、そこで遮断される場合を０として、それを表す関数Ｐ（１／０）として、最終的に波長に依存した通過特性を表す以下の式（１）を算出する。
【００１７】
式（１）において、Ｌ（λ）は図１（ｂ）に波長特性を例示したように、光源１０の波長分布を表す量であり、ｃｏｓθはバックライト３が入射角θでホログラムカラーフィルター５に斜めに入射することを補正する量であり、（材料吸収率）、（１−表面反射率）は、それぞれホログラムカラーフィルター５の材料吸収、表面反射により通過強度が低下することを補正する量である。
【００１８】
以上のような演算を行うことにより、ブラック・マトリックス４の３つの分色画素Ｒ、Ｇ、Ｂに対応する開口を通過する分光光の波長特性は、式（１）を波長λに対してプロットすることにより、図２に模式的に示したようなグラフが得られる。
【００１９】
ところで、微小ホログラム５′の各領域Ａm の干渉縞は、図３に示すように、その撮影条件で表現される。ホログラム記録感材１１の表面法線ベクトルを〈ｎ〉、物体光の進行方向を表す単位ベクトルを〈ｒO 〉、参照光の進行方向を表す単位ベクトルを〈ｒR 〉、参照光、物体光の波長をλO とすると、微小ホログラム５′の各領域Ａm の干渉縞は、〈ｎ〉，〈ｒO 〉，〈ｒR 〉，λO の組で表される。そして、このようにして記録されたホログラム記録感材１１を現像して得られたホログラム１１′を、図４に示すように、進行方向を表す単位ベクトルが〈ｒC 〉、波長がλC の再生照明光で照明して再生するときの回折光の進行方向を表す単位ベクトルを〈ｒI 〉とすると、回折の式は、
〈ｎ〉×（〈ｒC 〉−〈ｒI 〉）＝ｍλO ／λC ・〈ｎ〉×（〈ｒO 〉−〈ｒR 〉）・・・（２）
となり、バックライト３はこの式（２）に従って回折される。ここで、ｍは回折次数を表す。
【００２０】
さらに、このように回折の式に従って回折された回折光線の回折効率ηは、コーゲルニクの式（H.Kogelnik"Coupled Wave Theory for Thick Hologram Gratings"Bell Syst. Tech.,J.48,2909(1969) ）より、
η＝ sin2 ν ・・・（３）
となる。ただし、νについては、Ｓ偏光についての値νS は、
νS ＝πΔｎδ／｛λ（ cosθ cosθS ）1/2 ｝ ・・・（４）
Ｐ偏光についての値νP は、
νP ＝νS cos｛２（φ−θ）｝ ・・・（５）
となる（例えば、“ＳＰＩＥ”vol.1507,pp.426-434(1991) 参照）。ここで、記号は図５に示すように、δはホログラムの干渉縞が記録されている有効厚、λは入射光の波長（図４の再生照明光の波長λC に等しい。）、Δｎはホログラム媒質の平均屈折率ｎに対する干渉縞の屈折率変調、φは干渉縞の法線Ｋのホログラムの法線（図４の〈ｎ〉）に対する角、θはホログラムの法線に対して干渉縞への入射光のなすホログラム内部での角（図１（ａ）のバックライト３の入射角θとは異なる。）、θS は干渉縞によりブラッグ回折された１次光のホログラム内部でのホログラムの法線に対する角である。
【００２１】
また、ホログラムの干渉縞の格子ベクトルの方向φとθ、θS の間には、一般的に、
φ＝（θ＋θS ）／２±π／２（複合は、場合に応じて一方のみ）
２φ＝θ＋θS ±π ・・・（６）
も成り立つ。
【００２２】
また、ホログラムの入射側に屈折率ｎ1 の媒質Ｉ、射出側に屈折率ｎ2 の媒質ＩＩが密着して充填されている場合、θ1 をホログラム内部でホログラムの法線に対して角θをなす入射光が媒質Ｉからホログラム媒質へ入射するときのホログラムの法線に対する角、θ2 を干渉縞によりブラッグ回折された１次光の媒質ＩＩへ出たときのホログラムの法線に対する角とすると、スネルの屈折式より、
ｎ1sinθ1 ＝ｎ sinθ ・・・（７）
ｎ sinθS ＝ｎ2 sinθ2 ・・・（８）
の関係が成り立っている。
【００２３】
ここで、上記入射角θ1 、射出角θ2 は、それぞれ図４における再生照明光ののベクトル〈ｒC 〉の方向、回折光のベクトル〈ｒI 〉の方向と一致する。また、干渉縞の法線Ｋは、図３の物体光のベクトル〈ｒO 〉及び参照光のベクトル〈ｒR 〉がスネルの屈折式（７）、（８）に従ってホログラム媒質内で屈折して生成される２つのベクトルの２等分線に垂直でこの２つのベクトルを含む平面内に含まれる方向である。
【００２４】
さて、次に、図２に示したよう波長分布のブラック・マトリックス４の３つの開口Ｒ、Ｇ、Ｂを通過した光の色を色度図上に表示する。そのために、まず、良く知れた３刺激値Ｘ，Ｙ，Ｚを次のように計算する。
【００２５】
Ｘ＝ｋ∫Ｅ（λ）ｘ’（λ）ｄλ ・・・（９）
Ｙ＝ｋ∫Ｅ（λ）ｙ’（λ）ｄλ ・・・（10）
Ｚ＝ｋ∫Ｅ（λ）ｚ’（λ）ｄλ ・・・（11）
ここで、ｘ’（λ），ｙ’（λ），ｚ’（λ）はスペクトル３刺激値である。次いで、Ｘ，Ｙ，Ｚから色度座標ｘ，ｙを次の関係から求める。
【００２６】
ｘ＝Ｘ／（Ｘ＋Ｙ＋Ｚ），ｙ＝Ｙ／（Ｘ＋Ｙ＋Ｚ） ・・・（12）
こうして得られた各開口Ｒ、Ｇ、Ｂを通過した光の色度座標ｘ，ｙを図６に示すような色度図にプロトすることにより、図１の微小ホログラム５′をアレー状に並べたホログラムカラーフィルター５の色特性を評価することができる。
【００２７】
また、各開口Ｒ、Ｇ、Ｂを通過した光のＥ（λ）（図２）に図７に示すような比視感度特性（この図は、明所視）を掛けることにより、図８のような実際に感じられる波長特性が得られる。そして、図８のＲ、Ｇ、Ｂ毎の値を積分することにより、それぞれの色の輝度を求めることができる。
【００２８】
このようにして、ホログラムカラーフィルター５の色特性、明るさ（輝度）を評価することができる。
【００２９】
なお、従来の吸収型のカラーフィルターとの特性を比較するためには、吸収型のカラーフィルターのＥ（λ）（式（１））をシミュレーションあるいは実測により求め、上記と同様にして色度座標ｘ，ｙ及びＲ、Ｇ、Ｂそれぞれの色の輝度を求め、ホログラムカラーフィルター５の色特性及び輝度と対比すればよい。輝度については、Ｒ、Ｇ、Ｂ毎に数値で出るので、両者の比を求めることができる。
【００３０】
以上の本発明のホログラムカラーフィルターの評価方式をフローチャートに描くと、図９のようになる。すなわち、ステップ１において、これから評価しよとするホログラムのパラメータを入力する。具体的には、ホログラム５′の縦横寸法、図３のその撮影時の物体光の進行方向を表す単位ベクトル〈ｒO 〉、参照光の進行方向を表す単位ベクトル〈ｒR 〉、参照光、物体光の波長λO 、ホログラム５′の干渉縞が記録されている有効厚δ、ホログラム媒質の平均屈折率ｎ、その屈折率変調Δｎ、ホログラム５′とブラック・マトリックス４の間隔ｄ、ガラス板７の屈折率ｎG 、ホログラム５′の材料吸収率、ホログラム５′の表面反射率、ブラック・マトリックス４の形状を表すパラメータ等である。次いで、ステップ２において、バックライト３に関するパラメータを入力する。具体的には、その中心光線の入射角θ、バックライト３の平行度、光源１０の波長分布Ｌ（λ）である。なお、ステップ１と２は逆の順序あるいは同時に行ってもよい。
【００３１】
次に、ステップ３において、図１との関連で説明したように、光源１０からの光について微小波長間隔毎に、また、入射角θの中心光線の周りでバックライト３の平行度内での微小角度毎に、そして、ホログラム５′を分割した各領域Ａm に入射させる光線を生成する。そして、ステップ４において、このようにして生成した各光線毎に、前記の回折の式（２）に従ってその光線の回折方向を算出する。また、ステップ５において、前記の式（３）〜（６）のコーゲルニクの式と式（７）〜（８）のスネルの屈折式に従ってその回折光線の回折効率η（ｎ，ｍ）を算出する。さらに、ステップ６において、そのような光線がブラック・マトリックス４を通過するか否かＰ（１／０）を算出する。
【００３２】
次いで、ステップ７において、ステップ３で生成した光線全てについて、ステップ４〜６の算出を行ったか否かを判断し、算出漏れがある場合にはこれを完了するまで行い、次いで、ステップ８で前記のホログラムカラーフィルターの通過波長特性を表す式（１）に従ってＲ、Ｇ、Ｂの各開口毎のＥ（λ）の算出を行う。その後、ステップ９で、前記の式（９）〜（１２）に基づいて色度座標ｘ，ｙを求め、また、ステップ１０で、Ｅ（λ）に比視感度特性を掛け、各色毎に積分して各色の輝度を算出する。
【００３３】
次に、本評価方式を用いて最適化したホログラムカラーフィルターの１例を示す。ホログラム及びブラック・マトリックスの外形は１００×１８０μｍであり、ホログラム、ブラック・マトリックス間の距離は１．１ｍｍで、その間に屈折率１．５４のガラズ板が介している。ブラック・マトリックスの３つの各開口の寸法は５５×３５μｍで、開口のピッチは６０μｍである。ホログラム記録時の波長は５１４ｎｍで、焦点距離１．１ｍｍ、ホログラム中心に入射角４０°で入射したときその法線方向に回折する波長は５４５ｎｍである。ホログラム媒質の平均屈折率は１．５２、その屈折率変調は０．０３５、ホログラムの干渉縞が記録されている有効厚は６．０μｍである。ホログラムの材料吸収率は０．０２７４６、表面反射率は入射角４０°でのフレネル反射係数から算出した。また、照明光源としてシャープ（株）製プロジェクターＸＶ−Ｐ１（平行度±５°）の光源を入射角４０°で用いた。
【００３４】
その結果、Ｒ、Ｇ、Ｂの開口の通過特性は次のようになった。
【００３５】
次に、このホログラムカラーフィルターの色度は、Ｒ：ｘ＝０．５４８，ｙ＝０．４５１，Ｇ：ｘ＝０．３５２，ｙ＝０．６０５，Ｂ：ｘ＝０．１４６，ｙ＝０．０７５であり、従来の吸収型カラーフィルタに比較した輝度比は、Ｒ：２．８，Ｇ：２．３，Ｂ：２．１であった。
【００３６】
以上、本発明のホログラムカラーフィルターの評価方式の原理と実施例を説明してきたが、本発明はこれらに限定されず種々の変形が可能である。
【００３７】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明のホログラムカラーフィルターの評価方式によると、ホログラムのパラメータが与えられた要素ホログラムの各微小領域に、微小波長間隔毎で所定の入射角の中心光線の周りで照明光の平行度内での微小角度毎に入射させる光線を計算上生成する手段と、その計算上生成された各光線毎に回折光の方向と回折効率を算出する手段と、全ての回折光を回折効率の重み付けをして総和を取ることにより通過波長特性を算出する手段と、算出された通過波長特性に基づいて、色度、輝度の少なくとも一方を算出する手段とを備えているので、実際にＣＧＨを作って照明光を入射させて評価する時間とコストが非常にかかる試行錯誤が必要でなくなり、計算上得られたホログラムカラーフィルターの分光特性を計算によりシミュレーションして、その結果を用いて最適なホログラムカラーフィルターを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に基づくホログラムカラーフィルターの評価方式の原理を説明するための図である。
【図２】ホログラムカラーフィルターの通過特性を模式的に示す図である。
【図３】ホログラムの干渉縞を表現する撮影時のベクトルを示す図である。
【図４】ホログラムの再生時のベクトルを示す図である。
【図５】コーゲルニクの式を説明するための図である。
【図６】色度座標をプロットした色度図である。
【図７】比視感度特性を示す図である。
【図８】比視感度特性を掛けて得られた視感度特性を示す図である。
【図９】本発明のホログラムカラーフィルターの評価方式の手順の１例を示すフローチャートである。
【図１０】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。
【符号の説明】
３…バックライト
４…ブラック・マトリックス
５…ホログラムアレー（ホログラムカラーフィルター）
５′…微小ホログラム
６…液晶表示素子
６′…液晶セル
７…ガラス板
１０…光源
Ａ1 〜Ａm 〜ＡM …微小ホログラムの分割領域
【産業上の利用分野】
本発明は、ホログラムカラーフィルターの評価方式に関し、特に、ホログラムカラーフィルターの分光特性をシミュレーションし、その結果を用いて最適なホログラムカラーフィルターを得る方式に関する。
【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。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。
【０００３】
図１０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】
このようなホログラムカラーフィルター５は、計算機ホログラムレンズアレーを作製し、それを複製することによって製作している。すなわち、微小ホログラム５′のホログラム干渉縞を計算機によって計算し、例えばクロムを成膜したガラス基板上に塗布した電子線レジストへ電子ビームによってその干渉縞を描画し、現像して、レリーフ型の計算機ホログラム（ＣＧＨ：Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｅｄ Ｈｏｌｏｇｒａｍ）アレーのクロムパターンをまず作製する。次に、このクロムパターンをマスクとしてガラス基板をイオンエッチングしてＣＧＨアレー原版を作製する。次いで、このようにして作製したＣＧＨアレーのレリーフ面上にホログラム感材を密着させるか若干ギャップをおいて重ね合わせ、ＣＧＨアレー側から図１０のバックライト３に相当する角度θでレーザ光を入射させ、ＣＧＨアレーの各ＣＧＨによって生じる収束回折光と直進透過光とをホログラム感材中で干渉させて、ＣＧＨアレーを複製する。この複製されたホログラムが図１０のホログラムアレー５として用いられる。さらに、この複製されたホログラムを原版として再度複製したものをホログラムアレー５として用いてもよい。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このようなホログラムカラーフィルター５で分光され、ブラック・マトリックス４を透過した各色の輝度（明るさ）と色再現性に関して、従来は、実際に作製したＣＧＨにバックライト３に相当する光を入射させ、実際にブラック・マトリックス４を透過した光を測定して各色の輝度（明るさ）と色再現性を見る外はなかった。
【０００９】
しかしながら、この方法は、実際にＣＧＨを作って評価するという試行錯誤が必要であり、非常に時間とコストがかかるものあり、ホログラムカラーフィルター開発と商品化を阻害する要因となっていた。
【００１０】
本発明は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、計算上得られたホログラムカラーフィルターの分光特性を計算によりシミュレーションして、その結果を用いて最適なホログラムカラーフィルターを得る方式を提供することである。
【００１１】
【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ホログラムカラーフィルターの評価方式は、集光性の要素ホログラムを周期的に配置したアレーからなり、各要素ホログラムが記録面の法線に対して角度をなして入射する白色光を記録面に沿う方向に波長分散させて分光するホログラムカラーフィルターの評価方式において、ホログラムのパラメータが与えられた要素ホログラムの各微小領域に、微小波長間隔毎で所定の入射角の中心光線の周りで照明光の平行度内での微小角度毎に入射させる光線を計算上生成する手段と、その計算上生成された各光線毎に回折光の方向と回折効率を算出する手段と、全ての回折光を回折効率の重み付けをして総和を取ることにより通過波長特性を算出する手段と、算出された通過波長特性に基づいて、色度、輝度の少なくとも一方を算出する手段とを備えていることを特徴とするものである。
【００１２】
この場合、ホログラムカラーフィルターは分光された光を各色毎に分ける開口部材を備え、前記の通過波長特性を算出する手段は、前記開口部材の各開口毎に通過波長特性を算出するように構成され、前記の色度、輝度の少なくとも一方を算出する手段は、前記開口部材の各開口の色度、輝度の少なくとも一方を算出するように構成されていることが望ましい。
【００１３】
また、前記の通過波長特性を算出する手段は、照明光の波長分布と、前記要素ホログラムの材料吸収率と、前記要素ホログラムの表面反射率の少なくも１つを考慮して総和を取るように構成されていることが望ましい。
【００１４】
【作用】
本発明においては、ホログラムのパラメータが与えられた要素ホログラムの各微小領域に、微小波長間隔毎で所定の入射角の中心光線の周りで照明光の平行度内での微小角度毎に入射させる光線を計算上生成する手段と、その計算上生成された各光線毎に回折光の方向と回折効率を算出する手段と、全ての回折光を回折効率の重み付けをして総和を取ることにより通過波長特性を算出する手段と、算出された通過波長特性に基づいて、色度、輝度の少なくとも一方を算出する手段とを備えているので、実際にＣＧＨを作って照明光を入射させて評価する時間とコストが非常にかかる試行錯誤が必要でなくなり、計算上得られたホログラムカラーフィルターの分光特性を計算によりシミュレーションして、その結果を用いて最適なホログラムカラーフィルターを得ることができる。
【００１５】
【実施例】
以下、本発明のホログラムカラーフィルターの評価方式の原理を図面を参照にして説明する。
図１（ａ）は、ホログラムカラーフィルター５を構成する１個の微小ホログラム５′とそれに対応する３つの分色画素Ｒ、Ｇ、Ｂの前面に設けられたブラック・マトリックス４との組み合わせを示しており、間隔ｄ（通常は、微小ホログラム５′の焦点距離）をおいて相互に整列して配置されている。微小ホログラム５′とブラック・マトリックス４の間にガラス板７（屈折率ｎG ）が配置されている。そして、光源１０から出たバックライト３がホログラムカラーフィルター５に入射し、そこで回折されてブラック・マトリックス４に入射し、ブラック・マトリックス４の開口を通過した光線だけがカラー液晶表示に寄与する。
【００１６】
本発明においては、微小ホログラム５′を微小な領域Ａ1 〜ＡM に分割（例えば、縦横各々２０等分）し、そのおのおのの領域Ａm （ｍ＝１〜Ｍ）に、入射角θの中心光線の周りでバックライトの平行度を表す図のｒ方向（半径方向）に微小角度おき（例えば、平行度が±５°の場合、０°から１°おきに５°まで）で、かつ、図のψ方向（円周周方向）に一定角度おき（例えば、０〜３５９°の範囲で２２．５°おき）にそれぞれ１本の光線、全体でＮ（ｎ＝１〜Ｎ）本の光線（以上の例では、１（中心光線）＋５×１６＝８１本）を、光源１０からの波長λを微小波長間隔（例えば、４００ｎｍ〜７００ｎｍの間を１０ｎｍおきに）で変化させて、順に全ての領域Ａm （ｍ＝１〜Ｍ）に入射させ（以上の例では、全体で８１×２０×２０×３１＝Ｎ×Ｍ×３１＝１，００４，４００本（回））、その各々について、微小ホログラム５′の各領域Ａm が有している干渉縞により、後記の回折の式に従って回折させて回折光線の方向を算出し、また、ホログラムの回折効率を表す後記のコーゲルニクの式、及び、スネルの屈折式に従ってその回折光線の回折効率η（ｎ，ｍ）を算出する。そして、各回折光線がブラック・マトリックス４を通過する場合を１、そこで遮断される場合を０として、それを表す関数Ｐ（１／０）として、最終的に波長に依存した通過特性を表す以下の式（１）を算出する。
【００１７】
【００１８】
以上のような演算を行うことにより、ブラック・マトリックス４の３つの分色画素Ｒ、Ｇ、Ｂに対応する開口を通過する分光光の波長特性は、式（１）を波長λに対してプロットすることにより、図２に模式的に示したようなグラフが得られる。
【００１９】
ところで、微小ホログラム５′の各領域Ａm の干渉縞は、図３に示すように、その撮影条件で表現される。ホログラム記録感材１１の表面法線ベクトルを〈ｎ〉、物体光の進行方向を表す単位ベクトルを〈ｒO 〉、参照光の進行方向を表す単位ベクトルを〈ｒR 〉、参照光、物体光の波長をλO とすると、微小ホログラム５′の各領域Ａm の干渉縞は、〈ｎ〉，〈ｒO 〉，〈ｒR 〉，λO の組で表される。そして、このようにして記録されたホログラム記録感材１１を現像して得られたホログラム１１′を、図４に示すように、進行方向を表す単位ベクトルが〈ｒC 〉、波長がλC の再生照明光で照明して再生するときの回折光の進行方向を表す単位ベクトルを〈ｒI 〉とすると、回折の式は、
〈ｎ〉×（〈ｒC 〉−〈ｒI 〉）＝ｍλO ／λC ・〈ｎ〉×（〈ｒO 〉−〈ｒR 〉）・・・（２）
となり、バックライト３はこの式（２）に従って回折される。ここで、ｍは回折次数を表す。
【００２０】
さらに、このように回折の式に従って回折された回折光線の回折効率ηは、コーゲルニクの式（H.Kogelnik"Coupled Wave Theory for Thick Hologram Gratings"Bell Syst. Tech.,J.48,2909(1969) ）より、
η＝ sin2 ν ・・・（３）
となる。ただし、νについては、Ｓ偏光についての値νS は、
νS ＝πΔｎδ／｛λ（ cosθ cosθS ）1/2 ｝ ・・・（４）
Ｐ偏光についての値νP は、
νP ＝νS cos｛２（φ−θ）｝ ・・・（５）
となる（例えば、“ＳＰＩＥ”vol.1507,pp.426-434(1991) 参照）。ここで、記号は図５に示すように、δはホログラムの干渉縞が記録されている有効厚、λは入射光の波長（図４の再生照明光の波長λC に等しい。）、Δｎはホログラム媒質の平均屈折率ｎに対する干渉縞の屈折率変調、φは干渉縞の法線Ｋのホログラムの法線（図４の〈ｎ〉）に対する角、θはホログラムの法線に対して干渉縞への入射光のなすホログラム内部での角（図１（ａ）のバックライト３の入射角θとは異なる。）、θS は干渉縞によりブラッグ回折された１次光のホログラム内部でのホログラムの法線に対する角である。
【００２１】
また、ホログラムの干渉縞の格子ベクトルの方向φとθ、θS の間には、一般的に、
φ＝（θ＋θS ）／２±π／２（複合は、場合に応じて一方のみ）
２φ＝θ＋θS ±π ・・・（６）
も成り立つ。
【００２２】
また、ホログラムの入射側に屈折率ｎ1 の媒質Ｉ、射出側に屈折率ｎ2 の媒質ＩＩが密着して充填されている場合、θ1 をホログラム内部でホログラムの法線に対して角θをなす入射光が媒質Ｉからホログラム媒質へ入射するときのホログラムの法線に対する角、θ2 を干渉縞によりブラッグ回折された１次光の媒質ＩＩへ出たときのホログラムの法線に対する角とすると、スネルの屈折式より、
ｎ1sinθ1 ＝ｎ sinθ ・・・（７）
ｎ sinθS ＝ｎ2 sinθ2 ・・・（８）
の関係が成り立っている。
【００２３】
ここで、上記入射角θ1 、射出角θ2 は、それぞれ図４における再生照明光ののベクトル〈ｒC 〉の方向、回折光のベクトル〈ｒI 〉の方向と一致する。また、干渉縞の法線Ｋは、図３の物体光のベクトル〈ｒO 〉及び参照光のベクトル〈ｒR 〉がスネルの屈折式（７）、（８）に従ってホログラム媒質内で屈折して生成される２つのベクトルの２等分線に垂直でこの２つのベクトルを含む平面内に含まれる方向である。
【００２４】
さて、次に、図２に示したよう波長分布のブラック・マトリックス４の３つの開口Ｒ、Ｇ、Ｂを通過した光の色を色度図上に表示する。そのために、まず、良く知れた３刺激値Ｘ，Ｙ，Ｚを次のように計算する。
【００２５】
Ｘ＝ｋ∫Ｅ（λ）ｘ’（λ）ｄλ ・・・（９）
Ｙ＝ｋ∫Ｅ（λ）ｙ’（λ）ｄλ ・・・（10）
Ｚ＝ｋ∫Ｅ（λ）ｚ’（λ）ｄλ ・・・（11）
ここで、ｘ’（λ），ｙ’（λ），ｚ’（λ）はスペクトル３刺激値である。次いで、Ｘ，Ｙ，Ｚから色度座標ｘ，ｙを次の関係から求める。
【００２６】
ｘ＝Ｘ／（Ｘ＋Ｙ＋Ｚ），ｙ＝Ｙ／（Ｘ＋Ｙ＋Ｚ） ・・・（12）
こうして得られた各開口Ｒ、Ｇ、Ｂを通過した光の色度座標ｘ，ｙを図６に示すような色度図にプロトすることにより、図１の微小ホログラム５′をアレー状に並べたホログラムカラーフィルター５の色特性を評価することができる。
【００２７】
また、各開口Ｒ、Ｇ、Ｂを通過した光のＥ（λ）（図２）に図７に示すような比視感度特性（この図は、明所視）を掛けることにより、図８のような実際に感じられる波長特性が得られる。そして、図８のＲ、Ｇ、Ｂ毎の値を積分することにより、それぞれの色の輝度を求めることができる。
【００２８】
このようにして、ホログラムカラーフィルター５の色特性、明るさ（輝度）を評価することができる。
【００２９】
なお、従来の吸収型のカラーフィルターとの特性を比較するためには、吸収型のカラーフィルターのＥ（λ）（式（１））をシミュレーションあるいは実測により求め、上記と同様にして色度座標ｘ，ｙ及びＲ、Ｇ、Ｂそれぞれの色の輝度を求め、ホログラムカラーフィルター５の色特性及び輝度と対比すればよい。輝度については、Ｒ、Ｇ、Ｂ毎に数値で出るので、両者の比を求めることができる。
【００３０】
以上の本発明のホログラムカラーフィルターの評価方式をフローチャートに描くと、図９のようになる。すなわち、ステップ１において、これから評価しよとするホログラムのパラメータを入力する。具体的には、ホログラム５′の縦横寸法、図３のその撮影時の物体光の進行方向を表す単位ベクトル〈ｒO 〉、参照光の進行方向を表す単位ベクトル〈ｒR 〉、参照光、物体光の波長λO 、ホログラム５′の干渉縞が記録されている有効厚δ、ホログラム媒質の平均屈折率ｎ、その屈折率変調Δｎ、ホログラム５′とブラック・マトリックス４の間隔ｄ、ガラス板７の屈折率ｎG 、ホログラム５′の材料吸収率、ホログラム５′の表面反射率、ブラック・マトリックス４の形状を表すパラメータ等である。次いで、ステップ２において、バックライト３に関するパラメータを入力する。具体的には、その中心光線の入射角θ、バックライト３の平行度、光源１０の波長分布Ｌ（λ）である。なお、ステップ１と２は逆の順序あるいは同時に行ってもよい。
【００３１】
次に、ステップ３において、図１との関連で説明したように、光源１０からの光について微小波長間隔毎に、また、入射角θの中心光線の周りでバックライト３の平行度内での微小角度毎に、そして、ホログラム５′を分割した各領域Ａm に入射させる光線を生成する。そして、ステップ４において、このようにして生成した各光線毎に、前記の回折の式（２）に従ってその光線の回折方向を算出する。また、ステップ５において、前記の式（３）〜（６）のコーゲルニクの式と式（７）〜（８）のスネルの屈折式に従ってその回折光線の回折効率η（ｎ，ｍ）を算出する。さらに、ステップ６において、そのような光線がブラック・マトリックス４を通過するか否かＰ（１／０）を算出する。
【００３２】
次いで、ステップ７において、ステップ３で生成した光線全てについて、ステップ４〜６の算出を行ったか否かを判断し、算出漏れがある場合にはこれを完了するまで行い、次いで、ステップ８で前記のホログラムカラーフィルターの通過波長特性を表す式（１）に従ってＲ、Ｇ、Ｂの各開口毎のＥ（λ）の算出を行う。その後、ステップ９で、前記の式（９）〜（１２）に基づいて色度座標ｘ，ｙを求め、また、ステップ１０で、Ｅ（λ）に比視感度特性を掛け、各色毎に積分して各色の輝度を算出する。
【００３３】
次に、本評価方式を用いて最適化したホログラムカラーフィルターの１例を示す。ホログラム及びブラック・マトリックスの外形は１００×１８０μｍであり、ホログラム、ブラック・マトリックス間の距離は１．１ｍｍで、その間に屈折率１．５４のガラズ板が介している。ブラック・マトリックスの３つの各開口の寸法は５５×３５μｍで、開口のピッチは６０μｍである。ホログラム記録時の波長は５１４ｎｍで、焦点距離１．１ｍｍ、ホログラム中心に入射角４０°で入射したときその法線方向に回折する波長は５４５ｎｍである。ホログラム媒質の平均屈折率は１．５２、その屈折率変調は０．０３５、ホログラムの干渉縞が記録されている有効厚は６．０μｍである。ホログラムの材料吸収率は０．０２７４６、表面反射率は入射角４０°でのフレネル反射係数から算出した。また、照明光源としてシャープ（株）製プロジェクターＸＶ−Ｐ１（平行度±５°）の光源を入射角４０°で用いた。
【００３４】
その結果、Ｒ、Ｇ、Ｂの開口の通過特性は次のようになった。
次に、このホログラムカラーフィルターの色度は、Ｒ：ｘ＝０．５４８，ｙ＝０．４５１，Ｇ：ｘ＝０．３５２，ｙ＝０．６０５，Ｂ：ｘ＝０．１４６，ｙ＝０．０７５であり、従来の吸収型カラーフィルタに比較した輝度比は、Ｒ：２．８，Ｇ：２．３，Ｂ：２．１であった。
【００３６】
以上、本発明のホログラムカラーフィルターの評価方式の原理と実施例を説明してきたが、本発明はこれらに限定されず種々の変形が可能である。
【００３７】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明のホログラムカラーフィルターの評価方式によると、ホログラムのパラメータが与えられた要素ホログラムの各微小領域に、微小波長間隔毎で所定の入射角の中心光線の周りで照明光の平行度内での微小角度毎に入射させる光線を計算上生成する手段と、その計算上生成された各光線毎に回折光の方向と回折効率を算出する手段と、全ての回折光を回折効率の重み付けをして総和を取ることにより通過波長特性を算出する手段と、算出された通過波長特性に基づいて、色度、輝度の少なくとも一方を算出する手段とを備えているので、実際にＣＧＨを作って照明光を入射させて評価する時間とコストが非常にかかる試行錯誤が必要でなくなり、計算上得られたホログラムカラーフィルターの分光特性を計算によりシミュレーションして、その結果を用いて最適なホログラムカラーフィルターを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に基づくホログラムカラーフィルターの評価方式の原理を説明するための図である。
【図２】ホログラムカラーフィルターの通過特性を模式的に示す図である。
【図３】ホログラムの干渉縞を表現する撮影時のベクトルを示す図である。
【図４】ホログラムの再生時のベクトルを示す図である。
【図５】コーゲルニクの式を説明するための図である。
【図６】色度座標をプロットした色度図である。
【図７】比視感度特性を示す図である。
【図８】比視感度特性を掛けて得られた視感度特性を示す図である。
【図９】本発明のホログラムカラーフィルターの評価方式の手順の１例を示すフローチャートである。
【図１０】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。
【符号の説明】
３…バックライト
４…ブラック・マトリックス
５…ホログラムアレー（ホログラムカラーフィルター）
５′…微小ホログラム
６…液晶表示素子
６′…液晶セル
７…ガラス板
１０…光源
Ａ1 〜Ａm 〜ＡM …微小ホログラムの分割領域
Claims (3)
- 集光性の要素ホログラムを周期的に配置したアレーからなり、各要素ホログラムが記録面の法線に対して角度をなして入射する白色光を記録面に沿う方向に波長分散させて分光するホログラムカラーフィルターの評価方式において、ホログラムのパラメータが与えられた要素ホログラムの各微小領域に、微小波長間隔毎で所定の入射角の中心光線の周りで照明光の平行度内での微小角度毎に入射させる光線を計算上生成する手段と、その計算上生成された各光線毎に回折光の方向と回折効率を算出する手段と、全ての回折光を回折効率の重み付けをして総和を取ることにより通過波長特性を算出する手段と、算出された通過波長特性に基づいて、色度、輝度の少なくとも一方を算出する手段とを備えていることを特徴とするホログラムカラーフィルターの評価方式。
- 前記ホログラムカラーフィルターは分光された光を各色毎に分ける開口部材を備え、前記の通過波長特性を算出する手段は、前記開口部材の各開口毎に通過波長特性を算出するように構成され、前記の色度、輝度の少なくとも一方を算出する手段は、前記開口部材の各開口の色度、輝度の少なくとも一方を算出するように構成されていることを特徴とする請求項１記載のホログラムカラーフィルターの評価方式。
- 前記の通過波長特性を算出する手段は、照明光の波長分布と、前記要素ホログラムの材料吸収率と、前記要素ホログラムの表面反射率の少なくも１つを考慮して総和を取るように構成されていることを特徴とする請求項１又は２記載のホログラムカラーフィルターの評価方式。
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