JP3907015B2

JP3907015B2 - ホログラムカラーフィルタ及びその作製方法

Info

Publication number: JP3907015B2
Application number: JP17804796A
Authority: JP
Inventors: 陽一森; 谷口幸夫
Original assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Current assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Priority date: 1996-07-08
Filing date: 1996-07-08
Publication date: 2007-04-18
Anticipated expiration: 2016-07-08
Also published as: JPH1020120A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は投射型液晶用カラーフィルタ、直視型液晶用カラーフィルタ等に適用可能なホログラムカラーフィルタ及びその作製方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ホログラムアレーの１つとして、本出願人は、特願平５−１２１７０号等において、液晶表示装置用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６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。
【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、ホログラムアレーからなるカラーフィルターの製造は、例えば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収束光とゼロ次透過光との二光束干渉による複製方法（特願平５−１４５７２号）によっている。その複製方法を図７の断面図を参照にして簡単に説明すると、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、例えば電子線レジストを塗布したガラス基板上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：ＣｏｍｐｕｔｅｒＧｅｎｅｒａｔｅｄＨｏｌｏｇｒａｍ）５″のアレー７を作製する。次いで、図７に示すように、このようにして作製したＣＧＨアレー７のレリーフ面上に、ガラス基材１２上にフォトポリマー等の感光層１３を設けその上にカバーフィルム１４を積層してなるホログラム感材８を、カバーフィルム１４側で若干ギャップをおいて重ね合わせ、ＣＧＨアレー７側から図６のバックライト３に相当する角度θでレーザ光９を入射させ、ＣＧＨアレー７の各ＣＧＨ５″によって生じる収束回折光１０と直進透過光１１とを感光層１３中で干渉させて、ＣＧＨアレー７を複製する。この複製されたホログラムが図６のホログラムアレー５として用いられる。また、この複製ホログラムを原版としてさらに複製することによってホログラムアレー５を作製することもできる。
【０００８】
次に、図８の断面図を参照して第２のタイプのホログラムカラーフィルタを用いた液晶表示装置について説明する。同図において、第２のタイプのホログラムカラーフィルタ２０は、ホログラム１５と集光性マイクロレンズアレー１６とからなり、マイクロレンズアレー１６を構成するマイクロレンズ１６′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ている。また、ホログラム１５は、回折格子の作用をする平行で一様な干渉縞からなり、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。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を付加的に配置するようにしてもよい。
【０００９】
このような構成であるので、ホログラム１５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をなしてバックライト３を入射させると、波長に依存して異なる角度で回折され、ホログラム１５の射出側に分散される。ホログラム１５の入射側又は射出側に配置されたマイクロレンズ１６′により、この分散された光は、その焦点面に波長毎に分離されて集光する。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、カラーフィルタ２０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。
【００１０】
このような配置において、ホログラム１５として、集光性でなく一様な干渉縞からなる回折効率の波長依存性が少ない透過型ホログラムを用いることができるため、ホログラム１５をマイクロレンズアレー１６の各マイクロレンズ１６′と位置合わせする必要がない点、及び、マイクロレンズアレー１６のピッチが各液晶セル６′各々に対応して１個のマイクロレンズを配置する従来の場合の３倍になり、作りやすくかつ整列しやすい点に特長がある。
【００１１】
なお、図８の変形として、図９に示すように、マイクロレンズアレー１６及び液晶表示素子６の配置を図８の通りとし、回折格子の作用をする平行で一様な干渉縞からなるホログラム１５をマイクロレンズアレー１６から分離してバックライト３中にその進行方向に対して略垂直になるように配置しても、同様に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、その利用効率を大幅に向上させたカラーフィルタを実現することができる。
【００１２】
また、図６、図８、図９に示したような構成のホログラムカラーフィルタを用いた液晶表示装置をそのまま用いて直視型の液晶表示装置として、あるいは、投影表示用の空間光変調素子として利用して液晶投影表示装置として用いることができる。図１０は図３６液晶表示装置を液晶投影表示装置として構成する場合の断面図であり（図８、図９の場合も同様）、ホログラムアレー５の入射側に近接あるいは一体に第１の偏光板２２が、液晶表示素子６の射出側に近接あるいは一体に第２の偏光板２３が配置されている。そして、このカラー液晶表示装置２１は、例えばメタルハライドランプ２５と放物面鏡２６の組み合わせからなる照明装置２４からの白色の平行なバックライト３によって照明され、カラー液晶表示装置２１で変調された表示像は、液晶表示装置２１の近傍に配置されたフィールドレンズ２７を経て、投影レンズ２８により拡大されてスクリーン２９上に拡大結像され、明るい投影像を得ることができる。
【００１３】
上記のようなホログラムカラーフィルタを用いた液晶表示装置においては、ブラック・マトリックス４を含む液晶表示素子６は、実際には、例えば図１１に断面を示すように、液晶表示素子６は、例えば、２枚のガラス基板３１、３２の間に挟持されたツイストネマチック等の液晶層３５からなり、バックライト側のガラス基板３１の内表面には、ブラック・マトリックス４と一様な透明対向電極３３が設けられ、表示面側のガラス基板３２の内表面には液晶セルＲ、Ｇ、Ｂ毎に独立に透明画素電極３４と不図示のＴＦＴが設けられている。また、電極３３、３４の液晶層３５側には不図示の配向層も設けられて構成されている。そして、バックライト側のガラス基板３１に近接あるいは接着されて基板３６の液晶表示素子６側表面に設けられたホログラムカラーフィルタ５あるいは２０が配置され、基板３６のバックライト側に偏光板２２が、液晶表示素子６の観察側ガラス基板３２外表面に偏光板２３がそれぞれ貼り付けられており、例えばそれらの透過軸は相互に直交するように配置されている。なお、バックライト側の偏光板２２は、基板３６のバックライト側に貼り付ける代わりに、図１１中に点線で示すように、ホログラムカラーフィルタ５から離してバックライト３の光路中に配置する場合もある。
【００１４】
上記のような液晶表示素子６の画素毎に透明画素電極３４と透明対向電極３３間に印加する電圧を制御してその透過状態を変化させることにより、カラー表示が可能となっている。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
図６で示したような分光機能と集光機能を併せ持つホログラムカラーフィルタは、図７において説明したようにホログラム干渉縞を計算機によって設計し、電子線レジストを塗布したガラス基板上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ＣＧＨを作製する必要がある。そのため原版のコストがかかるとともに、設計が必要となる。また、大面積のＣＧＨができないため直視型ディスプレイ用には使えず、また、回折効率が低いため明るい表示が得られないという問題がある。
【００１６】
また、図８、図９で説明したような回折格子とマイクロレンズアレーを用いて分光機能と集光機能を分けたホログラムカラーフィルタは、マイクロレンズアレーの作製が困難である。例えば、ガラス基板にイオン注入法を用いてマイクロレンズアレーを作製するとコスト高となってしまう。また、マイクロレンズアレーをプラスチックレンズとして射出成形により作製すると、表面をフラットにする必要があるためためレンズパワーが大きくとれないという問題がある。
【００１７】
本発明は上記課題を解決するためのもので、回折効率がよく、明るい表示が可能であるとともに、大面積化が容易であり、低コストで容易に作製することができるホログラムカラーフィルタ及びその作製方法を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、分光機能を有する平行で一様な干渉縞からなるフォトポリマーからなるホログラム又は回折格子層と、集光機能を有するフォトポリマーからなる要素集光性屈折率分布レンズアレー層とからなり、ホログラム又は回折格子の記録面に所定の角度で入射する白色光を屈折率分布レンズアレー層の面に略沿う方向に波長分散させて分光し、屈折率分布レンズアレー層で集光するホログラムカラーフィルタの作製方法であって、
基板上に感光波長域の異なる第１と第２のフォトポリマー層を積層し、第１のフォトポリマー層が感光する波長域の光の２光束干渉により第１のフォトポリマー層に対して平行で一様な干渉縞を記録し、第２のフォトポリマー層が感光する波長域の光により第２のフォトポリマー層に対して複数の開口が配列されたマスクを介して露光して屈折率分布をもたせたことを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明のホログラムカラーフィルタを用いた液晶表示装置を説明する図である。
本発明のホログラムカラーフィルタは、ガラス基板４１上に回折格子の作用をする平行で一様な干渉縞が記録されたホログラム層４２と、屈折率分布層４３からなっている。ホログラム層４２、屈折率分布層４３は、それぞれ図８のホログラム１５、マイクロレンズアレー１６に対応してこれらと同じ機能を有しており、屈折率分布層４３を構成する屈折率分布型レンズ４３′は図８のマイクロレンズ１６′に対応している。また、屈折率分布層４３はホログラム層４２の入射側にあってもよい。
【００２０】
屈折率分布層４３を構成している屈折率分布型レンズ４３′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る。また、ホログラム層４２は、回折格子の作用をする平行で一様な干渉縞からなり、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。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を付加的に配置するようにしてもよい。
【００２１】
このような構成であるので、ホログラム層４２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をなしてバックライト３を入射させると、波長に依存して異なる角度で回折され、ホログラム層４２の射出側に分散される。ホログラム層４２の入射側又は射出側に配置された屈折率分布層４３により、この分散された光は、その焦点面に波長毎に分離されて集光する。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、カラーフィルタ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。
【００２２】
このような配置において、ホログラム層４２として、集光性でなく一様な干渉縞からなる回折効率の波長依存性が少ない透過型ホログラムを用いることができるため、ホログラム層４２を屈折率分布層４３のレンズ４３′と位置合わせする必要がなく、また、屈折率分布層４３を構成する屈折率分布型レンズ４３′の配列ピッチは３つの液晶セル６′の組に対応させればよいので作りやすくかつ整列しやすい。
【００２３】
このホログラムカラーフィルタは、図１０で説明したような投影型の液晶表示装置、あるいは直視型の液晶表示装置等に適用可能である。
【００２４】
次に、図１に示すホログラムカラーフィルタの作製方法について図２〜図５により説明する。
まず、図２に示すように、ガラス基板のような透明な基板４１上にフォトポリマーからなるＡ層４２、Ｂ層４３の２層を積層し、最上層に透明な保護フィルム４４を積層する。Ａ層４２とＢ層４３は感光波長域が異なるフォトポリマーからなり、例えば、Ａ層４２は赤色光のみ、Ｂ層４３は青色光のみに感光するフォトポリマーを使用する。
【００２５】
次いで、図３に示すように、Ａ層４２が感光する赤色光を基板側から、一方の光束４５は基板４１に対して垂直に、他方の光束４６は光束４５に対してθの角度をなすようにしてＡ層４２に照射して干渉させて記録し、体積型の回折格子を作製する。このとき、Ｂ層４３は赤色光には感光しないので干渉縞が記録されることはない。
【００２６】
次いで、図４に示すように、保護フィルム４４側にマスク４７を当て、青色光で露光する。マスク４７の開口のピッチは図１に示した隣接する３つの液晶セル６′の繰り返しピッチと同じである。
【００２７】
この露光により、図５（ａ）に示すように、マスク開口を通った光は回折して保護フィルム４４中で広がり、Ｂ層４３内での光量は図５（ｂ）に示すようなガウシアン分布となり、その結果、Ｂ層内の屈折率は各マスク開口の中央部分で大きく、周辺部分が小さくなるように分布し（図では横線の数で屈折率の大きさを示している）、屈折率分布型レンズ（ＧＲＩＮレンズ）が作製される。
【００２８】
最後に、紫外線露光またはベイキングしてフォトポリマーを定着させて分光機能を持つ層と、集光機能をもつ層とが形成される。
【００２９】
なお、上記説明では、Ａ層４２とＢ層４３の感光波長域を異ならせるようにしたが、同じ感光波長域を有するものも使用可能である。その場合は、予め２層を積層せずに、Ａ層を積層して１回目の露光により干渉縞を記録し、次いでＢ層を積層して２回目の露光によりＧＲＩＮレンズを作製するか、あるいは、あらかじめ別々にＡ層、Ｂ層を露光して回折格子とＧＲＩＮレンズを作製した後、積層するようにすればよい。また、Ａ層とＢ層の位置は逆でもよく、また、Ａ層、Ｂ層を分離して、図９に示したようにＧＲＩＮレンズをバックライト３中にその進行方向に対して略垂直になるように配置してもよい。
【００３０】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、分光機能をもつホログラムと集光機能をもつホログラムの２種類のホログラムを作製して分光機能と集光機能を併せ持たせるようにしたので、回折効率の高い明るいホログラムカラーフィルタが得られる。また、感光層を２層とすることにより、２つの機能を一度に作りこむことができ、工程数も少なくてすみ、低コスト化が図れる。また、マスクを大型にすることで、大面積化も容易に図ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のホログラムカラーフィルタを用いた液晶表示装置を説明する図である。
【図２】本発明のホログラムカラーフィルタの作製方法を説明する図である。
【図３】Ａ層に干渉縞を記録する工程を説明する図である。
【図４】Ｂ層に屈折率分布を付与する工程を説明する図である。
【図５】マスク露光したときの光量分布を示す図である。
【図６】分光機能と集光機能を併せもつ第１のタイプのホログラムカラーフィルタを説明する図である。
【図７】第１のタイプのホログラムカラーフィルタの作製方法を説明する図である。
【図８】分光機能と集光機能を分離した第２のタイプのホログラムカラーフィルタを説明する図である。
【図９】第２のタイプのホログラムカラーフィルタの変形例を説明する図である。
【図１０】ホログラムカラーフィルタを液晶投影表示装置に適用した場合の説明図である。
【図１１】ホログラムカラーフィルタを用いた液晶表示装置を説明する図である。
【符号の説明】
４１…基板、４２…Ａ層（ホログラム層）、４３…Ｂ層（屈折率分布層）、４４…保護フィルム、４５，４６…干渉縞を記録するための２光束、４７…露光用マスク。

Claims

分光機能を有する平行で一様な干渉縞からなるフォトポリマーからなるホログラム又は回折格子層と、集光機能を有するフォトポリマーからなる要素集光性屈折率分布レンズアレー層とからなり、ホログラム又は回折格子の記録面に所定の角度で入射する白色光を屈折率分布レンズアレー層の面に略沿う方向に波長分散させて分光し、屈折率分布レンズアレー層で集光するホログラムカラーフィルタの作製方法であって、
基板上に感光波長域の異なる第１と第２のフォトポリマー層を積層し、第１のフォトポリマー層が感光する波長域の光の２光束干渉により第１のフォトポリマー層に対して平行で一様な干渉縞を記録し、第２のフォトポリマー層が感光する波長域の光により第２のフォトポリマー層に対して複数の開口が配列されたマスクを介して露光して屈折率分布をもたせたことを特徴とするホログラムカラーフィルタの作製方法。