JP4017127B2 - ホログラムカラーフィルターシステム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ホログラムカラーフィルターシステムに係わり、特に、０次透過光を少なくして、コントラストの良好なカラー液晶液晶表示装置用のホログラムカラーフィルターシステムに関するものである。
【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。その構成には２つのタイプがあり、第１のタイプは、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。第２のタイプは、平行で一様な干渉縞からなるホログラム又は回折格子とそれに重畳したマイクロレンズアレーとからなるものである。以下、簡単にこれらのホログラムカラーフィルターについて説明する。
【０００３】
図１７の断面図を参照にして第１のタイプ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面に略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】
図１８の断面図を参照にして第２のタイプ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、第２のタイプのホログラムカラーフィルター１０は、ホログラム７と集光性マイクロレンズアレー８とからなり、マイクロレンズアレー８を構成するマイクロレンズ８′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７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ーを付加的に配置するようにしてもよい。
【０００８】
このような構成であるので、ホログラム７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７の射出側に分散される。ホログラム７の入射側又は出射側に配置されたマイクロレンズ８′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、カラーフィルター１０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。
【０００９】
このような配置において、ホログラム７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７をマイクロレンズアレー８の各マイクロレンズ８′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８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。
【００１０】
なお、図１８の変形として、図１９に示すように、マイクロレンズアレー８及び液晶表示素子６の配置を図１８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７をマイクロレンズアレー８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ーを実現することができる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、バックライト３として自然偏光あるいは楕円偏光を用いた場合に、本出願人の提案に係る上記のホログラムカラーフィルター５、１０で回折されずに透過してしまう成分（０次回折光）が相当存在し、これが迷光となり、カラー液晶表示装置のコントラスト低下の原因の１つになっている。
【００１２】
本発明はこのような従来のホログラムカラーフィルターの問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、ホログラムカラーフィルターの０次透過光を少なくしてそれを用いた表示装置のコントラストの低下を防止したホログラムカラーフィルターシステムを提供することである。
【００１３】
【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システムは、要素集光性ホログラムのアレーからなり、その各要素集光性ホログラムが、ホログラム記録面の法線に対して所定の角度をなして入射する白色光をホログラム記録面に略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、あるいは、平行で一様な干渉縞からなるホログラム又は回折格子とその入射側あるいは射出側に配置された要素集光性レンズのアレーとからなり、その要素集光性レンズ各々が前記ホログラム又は回折格子と協働して、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要素集光性レンズのアレーの面に略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において、前記ホログラムカラーフィルターに入射する白色光をＳ偏光のみに制限する偏光方向制限手段を設けたことを特徴とするものである。
【００１４】
この場合、ホログラムカラーフィルターによって回折された光の直線偏光方向を任意の方向に変換する直線偏光方向変換手段を設けるようにすることもできる。
【００１５】
本発明のもう１つのホログラムカラーフィルターシステムは、要素集光性ホログラムのアレーからなり、その各要素集光性ホログラムが、ホログラム記録面の法線に対して所定の角度をなして入射する白色光をホログラム記録面に略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、あるいは、平行で一様な干渉縞からなるホログラム又は回折格子とその入射側あるいは射出側に配置された要素集光性レンズのアレーとからなり、その要素集光性レンズ各々が前記ホログラム又は回折格子と協働して、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要素集光性レンズのアレーの面に略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において、前記ホログラムカラーフィルターで回折されないで通過する０次透過光を略遮断する０次透過光遮断手段を設けたことを特徴とするものである。
【００１６】
さらに、第３番目の本発明は、要素集光性ホログラムのアレーからなり、その各要素集光性ホログラムが、ホログラム記録面の法線に対して所定の角度をなして入射する白色光をホログラム記録面に略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、あるいは、平行で一様な干渉縞からなるホログラム又は回折格子とその入射側あるいは射出側に配置された要素集光性レンズのアレーとからなり、その要素集光性レンズ各々が前記ホログラム又は回折格子と協働して、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要素集光性レンズのアレーの面に略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において、前記ホログラムカラーフィルターに入射する白色光をＳ偏光のみに制限する偏光方向制限手段と、前記ホログラムカラーフィルターで回折されないで通過する０次透過光を略遮断する０次透過光遮断手段とを設けたことを特徴とするものである。
【００１７】
これらの場合、０次透過光遮断手段としては、ルーバー、０次透過光入射側とは反対側の表面に反射層又は反射散乱層を配置したルーバー、液晶層、多層干渉膜、反射型体積ホログラム、透明板、透明ウエッジ板あるいは全反射プリズム体を用いることができる。
【００１８】
なお、これら第２、第３発明においても、ホログラムカラーフィルターによって回折された光の直線偏光方向を任意の方向に変換する直線偏光方向変換手段を設けるようにすることができる。
【００１９】
本発明においては、ホログラムカラーフィルターに入射する白色光をＳ偏光のみに制限する偏光方向制限手段、又は、ホログラムカラーフィルターで回折されないで通過する０次透過光を略遮断する０次透過光遮断手段の少なくとも一方を設けるので、波長分散した回折光をほとんど遮断することなく、迷光の原因となる０次透過光を略完全に遮断することができ、このホログラムカラーフィルターを用いる液晶表示装置のコントラストの低下を防止することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のホログラムカラーフィルターシステムの実施例について説明する。
図１を参照にして本発明によるホログラムカラーフィルターシステムの第１の実施例について説明する。この図におけるホログラムカラーフィルターは、図１７の微小ホログラムアレーからなるホログラムカラーフィルターであるが、図１８、図１８の平行で一様な干渉縞からなるホログラム又は回折格子とそれに重畳あるいは分離したマイクロレンズアレーからなるホログラムカラーフィルターにも同様に適用できることは以下の説明から明らかになろう。なお、他の実施例においても同様である。
【００２１】
図１において、光源１１から放射された白色光は光学系（放物面鏡）１２により平行なバックライト３に変換されてホログラムカラーフィルター５に入射角θで入射する。この配置は、図１７、図１８の従来の配置と同様である。この実施例において、光源１１からホログラムカラーフィルター５に到る光路中にＳ偏光成分のみを選択する偏光板１３が配置されており、バックライト３としてＳ偏光のみをホログラムカラーフィルター５に入射させるようになっている。このように、ホログラムカラーフィルター５に入射させるバックライト３をＳ偏光とすることにより、ホログラムカラーフィルター５で回折されずに透過する０次光１４（破線）を大幅に少なくして、液晶表示装置のコントラストの低下を防止する。以下に、この点についてさらに詳しく説明する。
【００２２】
ホログラムによる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 ・・・（１）
と表される。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 ｝ ・・・（２）
Ｐ偏光についての値νP は、
νP ＝νS cos｛２（φ−θ）｝ ・・・（３）
となる（例えば、“ＳＰＩＥ”vol.1507,pp.426-434(1991) 参照）。ここで、記号は図３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、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。
【００２３】
このコーゲルニクの式と界面におけるフレネル反射の式とを用いて、０次回折光１４の大きさを計算すると、入射光を１００％、ホログラムカラーフィルター５の平均屈折率ｎを１．５、その屈折率変調Δｎを０．０３５、ホログラムカラーフィルター５の厚さδを６μｍ、ホログラムカラーフィルター５の入射側に積層されたカバーフィルムの屈折率を１．６、バックライト３の入射角θ（コーゲルニクの式のθとは異なる。）を４０°、バックライト３の波長λを５１４ｎｍとした場合、Ｓ偏光が０次光１４として透過する割合は０．４％、Ｐ偏光が０次光１４として透過する割合は４．３％となり、この例示より、バックライト３としてＳ偏光のみを用いると、Ｐ偏光あるいはＳ偏光とＰ偏光が混合した自然偏光あるいは楕円偏光を用いる場合に比較して、０次光１４の割合が大幅に低下し、０次光１４が迷光になって液晶表示装置のコントラストを低下させることを相当程度防止できることが分かる。
【００２４】
なお、この場合、ホログラムカラーフィルター５で波長分散された回折光１５もＳ偏光となっているが、ホログラムカラーフィルター５を入射側に配置すべき液晶表示素子６（図１７、図１８）の必要な偏光方向が図１の紙面に垂直なＳ偏光以外の方向である場合には、図２に示すように、ホログラムカラーフィルター５の射出側に２分の１波長板１６を配置し、その光学軸の方向を適当に選択することにより、所望の偏光方向の直線偏光に変換することができる。
【００２５】
ところで、ホログラムカラーフィルター５で回折されずに透過した０次光１４は迷光となってコントラスト低下の原因となる。この０次透過光１４を微小ホログラム５′の集光点の前側で取り除くために、第２実施例においては、図４に示すように、ルーバー１９をホログラムカラーフィルター５の射出側に配置する。ルーバー１９は透明板１７内に黒色の平面状の薄い吸収層１８を一定間隔で平行に配置してなるものであり、一定入射角度以上及び一定入射角度以下の光が吸収層１８に当たって吸収され透過できなくなるもので、透明板１７の厚さと吸収層１８間の間隔と透明板１７の平面に対する吸収層１８がなす角度とに応じて所定範囲の入射角度、例えば２４°±６°の間の光のみを通す。したがって、バックライト３の入射角θを例えば４０°に設定したホログラムカラーフィルター５の場合には、このルーバー１９によって、波長分散した回折光１５を何ら遮断することなく、迷光の原因となる０次透過光１４を完全に遮断することができる。
【００２６】
しかしながら、上記のようなルーバー１９において、実際には、その入射側の面全体に占める吸収層１８の断面の面積の割合が比較的大きく、かつ、ホログラムカラーフィルター５で波長分散された回折光１５の一部も吸収層１８の側面に当たって吸収されるため、０次透過光１４を遮断できる代わりに、ルーバー１９を通過できる回折光１５の割合も低くなってしまう。
【００２７】
そこで、０次透過光１４を遮断しつつ可能な限り多くの回折光１５がルーバー１９を通過できるように、吸収層１８の０次透過光１４入射側とは反対側の表面に反射特性あるいは反射散乱特性を持たせるようにすると、吸収層１８の側面で吸収される回折光１５の割合を低めることができる。すなわち、図５に示すように、ルーバー１９中の吸収層１８の０次透過光１４入射側とは反対側の表面（図の場合は左側の表面）と透明板１７の間に、アルミ等の反射層あるいは白色反射散乱性の反射散乱層１８’を配置すると、迷光の原因となる０次透過光１４は吸収層１８の吸収性表面に入射して完全に遮断できると共に、回折光１５の中の吸収層１８の両面に当たる成分の中、０次透過光１４入射側とは反対側の表面に当たる略半分は反射層あるいは反射散乱層１８’で反射あるいは反射散乱を受け、ルーバー１９を通過することになる。したがって、図４の場合に比較してルーバー１９を通過できる回折光１５の割合が高くなり、明るい表示が可能になる。
【００２８】
０次透過光１４を微小ホログラム５′の集光点の前側で取り除く別の手段を設けた第３実施例としては、図６に示すように、透明ガラス板２７、２８で挟んだ視角範囲の比較的狭い液晶層３０あるいはその両側に偏光板３１、３２を配置した視角範囲の比較的狭い液晶層３０をホログラムカラーフィルター５の射出側に配置する。液晶３０はその相状態あるいはモードに応じて光が透過できる範囲が決まり、入射光が透過できる角度範囲である層の法線を中心とする視角範囲φが狭いものは容易に入手可能である。なお、その相状態あるいはモードに応じて偏光板３１、３２を配置する必要がある。したがって、入射角θのバックライト３の０次透過光１４を通さない視角範囲φ（φ＜θ／２）の液晶層３０をホログラムカラーフィルター５の射出側に配置すると、この液晶層３０によって、波長分散した回折光１５を何ら遮断することなく、迷光の原因となる０次透過光１４を遮断することができる。
【００２９】
０次透過光１４を微小ホログラム５′の集光点の前側で取り除く別の手段を設けた第４実施例としては、図７に示すように、透明基板２０の表面に設けた多層干渉膜２１をホログラムカラーフィルター５の射出側に配置する。多層干渉膜２１は、反射防止膜、バンドパスフィルター、反射膜等として周知のものであり、波長の２分の１あるいは４分の１の厚さの高屈折率、低屈折率の薄膜を交互に積層してなるもので、市販のものとして、例えば、４００ｎｍ〜５９０ｎｍの波長範囲で入射角４０°のものを９９％反射光２２として反射し、入射角０°のものを４００ｎｍ〜８００ｎｍの波長範囲で８０％以上透過するものがあり、波長分散した回折光１５をほとんど遮断することなく、迷光の原因となる０次透過光１４を略完全に遮断することができる。
【００３０】
０次透過光１４を微小ホログラム５′の集光点の前側で取り除く別の手段を設けた第５実施例としては、図８に示すように、反射型体積ホログラム４０をホログラムカラーフィルター５の射出側に配置する。この反射型体積ホログラム４０は、ホログラムカラーフィルター５で回折されずに透過した０次光１４の波長に応じた反射特性を有し、回折光１５は反射せずに透過する特性を有するものである。以下、この反射型体積ホログラム４０について説明する。
【００３１】
通常、ホログラムカラーフィルター５は図９に模式的に示すような回折特性を有する。すなわち、可視域において緑色の波長領域で最も回折効率が高く、赤色及び青色の波長領域で回折効率がそれより低下している。このような回折特性のホログラムカラーフィルター５に白色のバックライト３を入射させると、０次透過光１４の強度分布は図１０に模式的に示すようになる。すなわち、緑色領域の相対強度が最も小さく、赤色及び青色の波長領域での相対強度が比較的大きくなる。そこで、このような０次透過光１４を透過させないで反射除去するために、入射角θで入射してくる０次透過光１４を図１１に点線で示したような回折特性の体積ホログラムをホログラム記録材料に二重に記録すると、図１１に実線で示すような回折特性を有する反射型体積ホログラム４０が得られる。このような回折特性の反射型体積ホログラム４０を図８に示すようにホログラムカラーフィルター５の射出側に配置すると、図１１の実線の回折効率に従う回折を受け、図１２に示すような強度分布の光が反射型体積ホログラム４０を透過することになるが、図１０と図１２を比較すれば明らかなように、迷光の原因となる０次透過光１４は実質的に遮断することができる。しかも、反射型体積ホログラム４０は角度依存性が強いので、回折光１５は何ら影響を受けずに反射型体積ホログラム４０を透過する。このようにして、波長分散した回折光１５をほとんど遮断することなく、迷光の原因となる０次透過光１４を略完全に遮断することができる。
【００３２】
０次透過光１４を微小ホログラム５′の集光点の前側で取り除くさらに別の手段を設けた第６実施例としては、図１３に示すように、ガラス板のような透明板２３をホログラムカラーフィルター５の射出側に略平行に配置する。これは、入射角が大きくなるに従って透明板２３の表面及び裏面でのフレネル反射が大きくなることを利用するものである。すなわち、屈折率が小さい媒質から屈折率が大きい媒質（図１５の場合は、屈折率差１．５）へ入射角θ1 で光が入射する場合、その界面で図１５に示すような反射率Ｒで入射光が反射される。図中、Ｒs はＳ偏光の反射率、Ｒp はＰ偏光の反射率である。この図１５から明らかなように、一般的に、透明板２３への入射角が大きくなるに従って透明板２３の表面での反射率が大きくなる（Ｐ偏光については、例外の角度もある。）。透明板２３の裏面での反射率も同様である。したがって、ホログラムカラーフィルター５の射出側に、図１３のように、透明板２３を配置して回折光１５より大きな入射角で入射する０次透過光１４をより大きな割合で反射光２２として反射させることにより、迷光の原因となる０次透過光１４を大部分遮断することができる。なお、このような透明板２３を利用する場合は、バックライト３として、図１の実施例のように、Ｓ偏光のみを利用する方がより効率的に０次透過光１４を遮断することができる。その理由は、図１５のＳ偏光の反射率の曲線Ｒs とＰ偏光の反射率の曲線Ｒp を比べれば明らかである。具体例として、バックライト３の入射角θを７０°、透明板２３の屈折率を１．５、回折光１５の法線に対する最大角度を６°とする場合、透明板２３の表面での反射率は、バックライト３をＳ偏光とすると、０次透過光１４の反射率３０％、回折光１５の反射率４．１％以下、バックライト３をＰ偏光とすると、０次透過光１４の反射率４．２％、回折光１５の反射率３．９％以下となる。
【００３３】
第６実施例の変形例として、図１３に破線で示すように、透明板２３表面に対する０次透過光１４の入射角がバックライト３の入射角θよりβだけ大きくなるように、透明板２３を傾けて配置するか、あるいは、透明板２３の代わりに、図１４に示すように、０次透過光１４の入射角がバックライト３の入射角θよりβだけ大きくなるように入射側表面が傾いた透明ウエッジ板２４を用いてもよい。この場合、透明板２３あるいは透明ウエッジ板２４の表面での反射率は、バックライト３をＳ偏光とすると、０次透過光１４の反射率３９．９％、回折光１５の反射率４．２％以下、バックライト３をＰ偏光とすると、０次透過光１４の反射率１０．７％、回折光１５の反射率３．８％以下となる。なお、透明ウエッジ板２４を用いる場合、図の右端の厚さが厚くなりすぎる場合は、フレネルレンズのように表面側の断面が鋸歯状となるフレネルレンズと同様の考え方に基づく変形透明ウエッジ板を用いればよい。
なお、以上の第６実施例においては、間隔を置いて複数の透明板２３あるいは透明ウエッジ板２４を配置することにより、迷光の原因となる０次透過光１４を相対的により高い割合で遮断することができる。
【００３４】
０次透過光１４を微小ホログラム５′の集光点の前側で取り除くもう１つの手段を設けた第７実施例としては、図１６に示すように、頂角がγの全反射プリズム体２５を入射側の面がホログラムカラーフィルター５の射出面と略平行になり、かつ、全反射プリズム体２５の射出側の面が０次透過光１４に対してより大きな入射角になるように配置するものである。全反射プリズム体２５をこのように配置すると、０次透過光１４は入射側の面で屈折してその中に入り射出側の面に当たるが、このときの入射角は入射側の面での屈折角よりγだけ大きくなるので、この入射角が臨界角以上になるように設定されていれば、０次透過光１４は全反射光２６として全反射され、迷光の原因となる０次透過光１４は完全に遮断される。一方、回折光１５は、全反射プリズム体２５の入射側の面でほとんど屈折されずに進み、その射出側の面で若干屈折されるが（図では直進するように描かれている。）、全反射プリズム体２５の反対側に分光されて射出することができる。なお、全反射プリズム体２５は、図の左端の厚さが厚くなりすぎる場合は、図中点線で示したように、フレネルレンズのように裏面側の断面が鋸歯状となるフレネルレンズと同様の考え方に基づく変形全反射プリズム体を用いればよい。数値例として、バックライト３の入射角θを４０°、全反射プリズム体２５の屈折率を１．５、回折光１５の法線に対する最大角度を６°とする場合、全反射プリズム体２５の頂角γを１６．４°とすれば、０次透過光１４は全反射プリズム体２５の射出側の面に臨界角で入射して完全に遮断される。このときの回折光１５は、全反射プリズム体２５の射出側の面で、Ｓ偏光の場合は６．０％以下、Ｐ偏光の場合は３．４％以下しか反射されない。
【００３５】
なお、ホログラムカラーフィルター５へ入射させるバックライト３をＳ偏光のみに選択する図１に示したような偏光板１３等の偏光面選択手段と、ホログラムカラーフィルター５を通過した０次透過光１４を遮断する手段である図４、図５に示したようなルーバー１９、図６に示したような液晶層３０、図７に示したような多層干渉膜２１、図８に示したような反射型体積ホログラム４０、図１３、図１４に示したような透明板２３又は透明ウエッジ板２４、あるいは、図１６に示すような全反射プリズム体２５とを組み合わせて用いると、０次光１４によるコントラスト低下を防止する効果はさらに大きくなる。さらに、その場合も、液晶表示素子６へ入射させる波長分散された回折光１５を所定の偏光方向の直線偏光に変換する図２に示したような２分の１波長板１６をルーバー１９等の入射側又は射出側に配置してもよい。
【００３６】
以上、本発明のホログラムカラーフィルターシステムをいくつかの実施例に基づいて説明してきたが、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。また、本発明のホログラムカラーフィルターシステムを用いた液晶表示装置をそのまま直視型の液晶表示装置として、あるいは、投影表示装置用の空間変調素子として利用して液晶投影表示装置として利用することもできる。
【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システムによると、ホログラムカラーフィルターに入射する白色光をＳ偏光のみに制限する偏光方向制限手段、又は、ホログラムカラーフィルターで回折されないで通過する０次透過光を略遮断する０次透過光遮断手段の少なくとも一方を設けるので、波長分散した回折光をほとんど遮断することなく、迷光の原因となる０次透過光を略完全に遮断することができ、このホログラムカラーフィルターを用いる液晶表示装置のコントラストの低下を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例のホログラムカラーフィルターシステムの構成と作用を説明するための図である。
【図２】第１実施例の付加的構成とその作用を説明するための図である。
【図３】コーゲルニクの式における記号を説明するための図である。
【図４】第２実施例のホログラムカラーフィルターシステムの構成と作用を説明するための図である。
【図５】第２実施例の変形例のホログラムカラーフィルターシステムの構成と作用を説明するための図である。
【図６】第３実施例のホログラムカラーフィルターシステムの構成と作用を説明するための図である。
【図７】第４実施例のホログラムカラーフィルターシステムの構成と作用を説明するための図である。
【図８】第５実施例のホログラムカラーフィルターシステムの構成と作用を説明するための図である。
【図９】ホログラムカラーフィルターの回折特性を模式的に示す図である。
【図１０】ホログラムカラーフィルターの０次透過光の強度分布を模式的に示す図である。
【図１１】第５実施例で用いる反射型体積ホログラムの回折特性を模式的に示す図である。
【図１２】反射型体積ホログラムを透過する０次光の強度分布を模式的に示す図である。
【図１３】第６実施例のホログラムカラーフィルターシステムの構成と作用を説明するための図である。
【図１４】第６実施例の変形例のホログラムカラーフィルターシステムの構成と作用を説明するための図である。
【図１５】フレネル反射に基づく入射角に依存した反射率変化を示す図である。
【図１６】第７実施例のホログラムカラーフィルターシステムの構成と作用を説明するための図である。
【図１７】従来の第１のタイプの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１８】従来の第２のタイプの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１９】図１８の変形例を示す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
５…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
１１…光源
１２…光学系（放物面鏡）
１３…偏光板
１４…０次（透過）光
１５…回折光
１６…２分の１波長板
１７…透明板
１８…吸収層
１８’…反射層又は反射散乱層
１９…ルーバー
２０…透明基板
２１…多層干渉膜
２２…反射光
２３…透明板
２４…透明ウエッジ板
２５…全反射プリズム体
２６…全反射光
２７、２８…透明ガラス板
３０…液晶層
３１、３２…偏光板
４０…反射型体積ホログラム
【発明の属する技術分野】
本発明は、ホログラムカラーフィルターシステムに係わり、特に、０次透過光を少なくして、コントラストの良好なカラー液晶液晶表示装置用のホログラムカラーフィルターシステムに関するものである。
【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。その構成には２つのタイプがあり、第１のタイプは、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。第２のタイプは、平行で一様な干渉縞からなるホログラム又は回折格子とそれに重畳したマイクロレンズアレーとからなるものである。以下、簡単にこれらのホログラムカラーフィルターについて説明する。
【０００３】
図１７の断面図を参照にして第１のタイプ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面に略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】
図１８の断面図を参照にして第２のタイプ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、第２のタイプのホログラムカラーフィルター１０は、ホログラム７と集光性マイクロレンズアレー８とからなり、マイクロレンズアレー８を構成するマイクロレンズ８′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７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ーを付加的に配置するようにしてもよい。
【０００８】
このような構成であるので、ホログラム７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７の射出側に分散される。ホログラム７の入射側又は出射側に配置されたマイクロレンズ８′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、カラーフィルター１０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。
【０００９】
このような配置において、ホログラム７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７をマイクロレンズアレー８の各マイクロレンズ８′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８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。
【００１０】
なお、図１８の変形として、図１９に示すように、マイクロレンズアレー８及び液晶表示素子６の配置を図１８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７をマイクロレンズアレー８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ーを実現することができる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、バックライト３として自然偏光あるいは楕円偏光を用いた場合に、本出願人の提案に係る上記のホログラムカラーフィルター５、１０で回折されずに透過してしまう成分（０次回折光）が相当存在し、これが迷光となり、カラー液晶表示装置のコントラスト低下の原因の１つになっている。
【００１２】
本発明はこのような従来のホログラムカラーフィルターの問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、ホログラムカラーフィルターの０次透過光を少なくしてそれを用いた表示装置のコントラストの低下を防止したホログラムカラーフィルターシステムを提供することである。
【００１３】
【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システムは、要素集光性ホログラムのアレーからなり、その各要素集光性ホログラムが、ホログラム記録面の法線に対して所定の角度をなして入射する白色光をホログラム記録面に略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、あるいは、平行で一様な干渉縞からなるホログラム又は回折格子とその入射側あるいは射出側に配置された要素集光性レンズのアレーとからなり、その要素集光性レンズ各々が前記ホログラム又は回折格子と協働して、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要素集光性レンズのアレーの面に略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において、前記ホログラムカラーフィルターに入射する白色光をＳ偏光のみに制限する偏光方向制限手段を設けたことを特徴とするものである。
【００１４】
この場合、ホログラムカラーフィルターによって回折された光の直線偏光方向を任意の方向に変換する直線偏光方向変換手段を設けるようにすることもできる。
【００１５】
本発明のもう１つのホログラムカラーフィルターシステムは、要素集光性ホログラムのアレーからなり、その各要素集光性ホログラムが、ホログラム記録面の法線に対して所定の角度をなして入射する白色光をホログラム記録面に略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、あるいは、平行で一様な干渉縞からなるホログラム又は回折格子とその入射側あるいは射出側に配置された要素集光性レンズのアレーとからなり、その要素集光性レンズ各々が前記ホログラム又は回折格子と協働して、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要素集光性レンズのアレーの面に略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において、前記ホログラムカラーフィルターで回折されないで通過する０次透過光を略遮断する０次透過光遮断手段を設けたことを特徴とするものである。
【００１６】
さらに、第３番目の本発明は、要素集光性ホログラムのアレーからなり、その各要素集光性ホログラムが、ホログラム記録面の法線に対して所定の角度をなして入射する白色光をホログラム記録面に略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、あるいは、平行で一様な干渉縞からなるホログラム又は回折格子とその入射側あるいは射出側に配置された要素集光性レンズのアレーとからなり、その要素集光性レンズ各々が前記ホログラム又は回折格子と協働して、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要素集光性レンズのアレーの面に略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において、前記ホログラムカラーフィルターに入射する白色光をＳ偏光のみに制限する偏光方向制限手段と、前記ホログラムカラーフィルターで回折されないで通過する０次透過光を略遮断する０次透過光遮断手段とを設けたことを特徴とするものである。
【００１７】
これらの場合、０次透過光遮断手段としては、ルーバー、０次透過光入射側とは反対側の表面に反射層又は反射散乱層を配置したルーバー、液晶層、多層干渉膜、反射型体積ホログラム、透明板、透明ウエッジ板あるいは全反射プリズム体を用いることができる。
【００１８】
なお、これら第２、第３発明においても、ホログラムカラーフィルターによって回折された光の直線偏光方向を任意の方向に変換する直線偏光方向変換手段を設けるようにすることができる。
【００１９】
本発明においては、ホログラムカラーフィルターに入射する白色光をＳ偏光のみに制限する偏光方向制限手段、又は、ホログラムカラーフィルターで回折されないで通過する０次透過光を略遮断する０次透過光遮断手段の少なくとも一方を設けるので、波長分散した回折光をほとんど遮断することなく、迷光の原因となる０次透過光を略完全に遮断することができ、このホログラムカラーフィルターを用いる液晶表示装置のコントラストの低下を防止することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のホログラムカラーフィルターシステムの実施例について説明する。
図１を参照にして本発明によるホログラムカラーフィルターシステムの第１の実施例について説明する。この図におけるホログラムカラーフィルターは、図１７の微小ホログラムアレーからなるホログラムカラーフィルターであるが、図１８、図１８の平行で一様な干渉縞からなるホログラム又は回折格子とそれに重畳あるいは分離したマイクロレンズアレーからなるホログラムカラーフィルターにも同様に適用できることは以下の説明から明らかになろう。なお、他の実施例においても同様である。
【００２１】
図１において、光源１１から放射された白色光は光学系（放物面鏡）１２により平行なバックライト３に変換されてホログラムカラーフィルター５に入射角θで入射する。この配置は、図１７、図１８の従来の配置と同様である。この実施例において、光源１１からホログラムカラーフィルター５に到る光路中にＳ偏光成分のみを選択する偏光板１３が配置されており、バックライト３としてＳ偏光のみをホログラムカラーフィルター５に入射させるようになっている。このように、ホログラムカラーフィルター５に入射させるバックライト３をＳ偏光とすることにより、ホログラムカラーフィルター５で回折されずに透過する０次光１４（破線）を大幅に少なくして、液晶表示装置のコントラストの低下を防止する。以下に、この点についてさらに詳しく説明する。
【００２２】
ホログラムによる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 ・・・（１）
と表される。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 ｝ ・・・（２）
Ｐ偏光についての値νP は、
νP ＝νS cos｛２（φ−θ）｝ ・・・（３）
となる（例えば、“ＳＰＩＥ”vol.1507,pp.426-434(1991) 参照）。ここで、記号は図３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、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。
【００２３】
このコーゲルニクの式と界面におけるフレネル反射の式とを用いて、０次回折光１４の大きさを計算すると、入射光を１００％、ホログラムカラーフィルター５の平均屈折率ｎを１．５、その屈折率変調Δｎを０．０３５、ホログラムカラーフィルター５の厚さδを６μｍ、ホログラムカラーフィルター５の入射側に積層されたカバーフィルムの屈折率を１．６、バックライト３の入射角θ（コーゲルニクの式のθとは異なる。）を４０°、バックライト３の波長λを５１４ｎｍとした場合、Ｓ偏光が０次光１４として透過する割合は０．４％、Ｐ偏光が０次光１４として透過する割合は４．３％となり、この例示より、バックライト３としてＳ偏光のみを用いると、Ｐ偏光あるいはＳ偏光とＰ偏光が混合した自然偏光あるいは楕円偏光を用いる場合に比較して、０次光１４の割合が大幅に低下し、０次光１４が迷光になって液晶表示装置のコントラストを低下させることを相当程度防止できることが分かる。
【００２４】
なお、この場合、ホログラムカラーフィルター５で波長分散された回折光１５もＳ偏光となっているが、ホログラムカラーフィルター５を入射側に配置すべき液晶表示素子６（図１７、図１８）の必要な偏光方向が図１の紙面に垂直なＳ偏光以外の方向である場合には、図２に示すように、ホログラムカラーフィルター５の射出側に２分の１波長板１６を配置し、その光学軸の方向を適当に選択することにより、所望の偏光方向の直線偏光に変換することができる。
【００２５】
ところで、ホログラムカラーフィルター５で回折されずに透過した０次光１４は迷光となってコントラスト低下の原因となる。この０次透過光１４を微小ホログラム５′の集光点の前側で取り除くために、第２実施例においては、図４に示すように、ルーバー１９をホログラムカラーフィルター５の射出側に配置する。ルーバー１９は透明板１７内に黒色の平面状の薄い吸収層１８を一定間隔で平行に配置してなるものであり、一定入射角度以上及び一定入射角度以下の光が吸収層１８に当たって吸収され透過できなくなるもので、透明板１７の厚さと吸収層１８間の間隔と透明板１７の平面に対する吸収層１８がなす角度とに応じて所定範囲の入射角度、例えば２４°±６°の間の光のみを通す。したがって、バックライト３の入射角θを例えば４０°に設定したホログラムカラーフィルター５の場合には、このルーバー１９によって、波長分散した回折光１５を何ら遮断することなく、迷光の原因となる０次透過光１４を完全に遮断することができる。
【００２６】
しかしながら、上記のようなルーバー１９において、実際には、その入射側の面全体に占める吸収層１８の断面の面積の割合が比較的大きく、かつ、ホログラムカラーフィルター５で波長分散された回折光１５の一部も吸収層１８の側面に当たって吸収されるため、０次透過光１４を遮断できる代わりに、ルーバー１９を通過できる回折光１５の割合も低くなってしまう。
【００２７】
そこで、０次透過光１４を遮断しつつ可能な限り多くの回折光１５がルーバー１９を通過できるように、吸収層１８の０次透過光１４入射側とは反対側の表面に反射特性あるいは反射散乱特性を持たせるようにすると、吸収層１８の側面で吸収される回折光１５の割合を低めることができる。すなわち、図５に示すように、ルーバー１９中の吸収層１８の０次透過光１４入射側とは反対側の表面（図の場合は左側の表面）と透明板１７の間に、アルミ等の反射層あるいは白色反射散乱性の反射散乱層１８’を配置すると、迷光の原因となる０次透過光１４は吸収層１８の吸収性表面に入射して完全に遮断できると共に、回折光１５の中の吸収層１８の両面に当たる成分の中、０次透過光１４入射側とは反対側の表面に当たる略半分は反射層あるいは反射散乱層１８’で反射あるいは反射散乱を受け、ルーバー１９を通過することになる。したがって、図４の場合に比較してルーバー１９を通過できる回折光１５の割合が高くなり、明るい表示が可能になる。
【００２８】
０次透過光１４を微小ホログラム５′の集光点の前側で取り除く別の手段を設けた第３実施例としては、図６に示すように、透明ガラス板２７、２８で挟んだ視角範囲の比較的狭い液晶層３０あるいはその両側に偏光板３１、３２を配置した視角範囲の比較的狭い液晶層３０をホログラムカラーフィルター５の射出側に配置する。液晶３０はその相状態あるいはモードに応じて光が透過できる範囲が決まり、入射光が透過できる角度範囲である層の法線を中心とする視角範囲φが狭いものは容易に入手可能である。なお、その相状態あるいはモードに応じて偏光板３１、３２を配置する必要がある。したがって、入射角θのバックライト３の０次透過光１４を通さない視角範囲φ（φ＜θ／２）の液晶層３０をホログラムカラーフィルター５の射出側に配置すると、この液晶層３０によって、波長分散した回折光１５を何ら遮断することなく、迷光の原因となる０次透過光１４を遮断することができる。
【００２９】
０次透過光１４を微小ホログラム５′の集光点の前側で取り除く別の手段を設けた第４実施例としては、図７に示すように、透明基板２０の表面に設けた多層干渉膜２１をホログラムカラーフィルター５の射出側に配置する。多層干渉膜２１は、反射防止膜、バンドパスフィルター、反射膜等として周知のものであり、波長の２分の１あるいは４分の１の厚さの高屈折率、低屈折率の薄膜を交互に積層してなるもので、市販のものとして、例えば、４００ｎｍ〜５９０ｎｍの波長範囲で入射角４０°のものを９９％反射光２２として反射し、入射角０°のものを４００ｎｍ〜８００ｎｍの波長範囲で８０％以上透過するものがあり、波長分散した回折光１５をほとんど遮断することなく、迷光の原因となる０次透過光１４を略完全に遮断することができる。
【００３０】
０次透過光１４を微小ホログラム５′の集光点の前側で取り除く別の手段を設けた第５実施例としては、図８に示すように、反射型体積ホログラム４０をホログラムカラーフィルター５の射出側に配置する。この反射型体積ホログラム４０は、ホログラムカラーフィルター５で回折されずに透過した０次光１４の波長に応じた反射特性を有し、回折光１５は反射せずに透過する特性を有するものである。以下、この反射型体積ホログラム４０について説明する。
【００３１】
通常、ホログラムカラーフィルター５は図９に模式的に示すような回折特性を有する。すなわち、可視域において緑色の波長領域で最も回折効率が高く、赤色及び青色の波長領域で回折効率がそれより低下している。このような回折特性のホログラムカラーフィルター５に白色のバックライト３を入射させると、０次透過光１４の強度分布は図１０に模式的に示すようになる。すなわち、緑色領域の相対強度が最も小さく、赤色及び青色の波長領域での相対強度が比較的大きくなる。そこで、このような０次透過光１４を透過させないで反射除去するために、入射角θで入射してくる０次透過光１４を図１１に点線で示したような回折特性の体積ホログラムをホログラム記録材料に二重に記録すると、図１１に実線で示すような回折特性を有する反射型体積ホログラム４０が得られる。このような回折特性の反射型体積ホログラム４０を図８に示すようにホログラムカラーフィルター５の射出側に配置すると、図１１の実線の回折効率に従う回折を受け、図１２に示すような強度分布の光が反射型体積ホログラム４０を透過することになるが、図１０と図１２を比較すれば明らかなように、迷光の原因となる０次透過光１４は実質的に遮断することができる。しかも、反射型体積ホログラム４０は角度依存性が強いので、回折光１５は何ら影響を受けずに反射型体積ホログラム４０を透過する。このようにして、波長分散した回折光１５をほとんど遮断することなく、迷光の原因となる０次透過光１４を略完全に遮断することができる。
【００３２】
０次透過光１４を微小ホログラム５′の集光点の前側で取り除くさらに別の手段を設けた第６実施例としては、図１３に示すように、ガラス板のような透明板２３をホログラムカラーフィルター５の射出側に略平行に配置する。これは、入射角が大きくなるに従って透明板２３の表面及び裏面でのフレネル反射が大きくなることを利用するものである。すなわち、屈折率が小さい媒質から屈折率が大きい媒質（図１５の場合は、屈折率差１．５）へ入射角θ1 で光が入射する場合、その界面で図１５に示すような反射率Ｒで入射光が反射される。図中、Ｒs はＳ偏光の反射率、Ｒp はＰ偏光の反射率である。この図１５から明らかなように、一般的に、透明板２３への入射角が大きくなるに従って透明板２３の表面での反射率が大きくなる（Ｐ偏光については、例外の角度もある。）。透明板２３の裏面での反射率も同様である。したがって、ホログラムカラーフィルター５の射出側に、図１３のように、透明板２３を配置して回折光１５より大きな入射角で入射する０次透過光１４をより大きな割合で反射光２２として反射させることにより、迷光の原因となる０次透過光１４を大部分遮断することができる。なお、このような透明板２３を利用する場合は、バックライト３として、図１の実施例のように、Ｓ偏光のみを利用する方がより効率的に０次透過光１４を遮断することができる。その理由は、図１５のＳ偏光の反射率の曲線Ｒs とＰ偏光の反射率の曲線Ｒp を比べれば明らかである。具体例として、バックライト３の入射角θを７０°、透明板２３の屈折率を１．５、回折光１５の法線に対する最大角度を６°とする場合、透明板２３の表面での反射率は、バックライト３をＳ偏光とすると、０次透過光１４の反射率３０％、回折光１５の反射率４．１％以下、バックライト３をＰ偏光とすると、０次透過光１４の反射率４．２％、回折光１５の反射率３．９％以下となる。
【００３３】
第６実施例の変形例として、図１３に破線で示すように、透明板２３表面に対する０次透過光１４の入射角がバックライト３の入射角θよりβだけ大きくなるように、透明板２３を傾けて配置するか、あるいは、透明板２３の代わりに、図１４に示すように、０次透過光１４の入射角がバックライト３の入射角θよりβだけ大きくなるように入射側表面が傾いた透明ウエッジ板２４を用いてもよい。この場合、透明板２３あるいは透明ウエッジ板２４の表面での反射率は、バックライト３をＳ偏光とすると、０次透過光１４の反射率３９．９％、回折光１５の反射率４．２％以下、バックライト３をＰ偏光とすると、０次透過光１４の反射率１０．７％、回折光１５の反射率３．８％以下となる。なお、透明ウエッジ板２４を用いる場合、図の右端の厚さが厚くなりすぎる場合は、フレネルレンズのように表面側の断面が鋸歯状となるフレネルレンズと同様の考え方に基づく変形透明ウエッジ板を用いればよい。
なお、以上の第６実施例においては、間隔を置いて複数の透明板２３あるいは透明ウエッジ板２４を配置することにより、迷光の原因となる０次透過光１４を相対的により高い割合で遮断することができる。
【００３４】
０次透過光１４を微小ホログラム５′の集光点の前側で取り除くもう１つの手段を設けた第７実施例としては、図１６に示すように、頂角がγの全反射プリズム体２５を入射側の面がホログラムカラーフィルター５の射出面と略平行になり、かつ、全反射プリズム体２５の射出側の面が０次透過光１４に対してより大きな入射角になるように配置するものである。全反射プリズム体２５をこのように配置すると、０次透過光１４は入射側の面で屈折してその中に入り射出側の面に当たるが、このときの入射角は入射側の面での屈折角よりγだけ大きくなるので、この入射角が臨界角以上になるように設定されていれば、０次透過光１４は全反射光２６として全反射され、迷光の原因となる０次透過光１４は完全に遮断される。一方、回折光１５は、全反射プリズム体２５の入射側の面でほとんど屈折されずに進み、その射出側の面で若干屈折されるが（図では直進するように描かれている。）、全反射プリズム体２５の反対側に分光されて射出することができる。なお、全反射プリズム体２５は、図の左端の厚さが厚くなりすぎる場合は、図中点線で示したように、フレネルレンズのように裏面側の断面が鋸歯状となるフレネルレンズと同様の考え方に基づく変形全反射プリズム体を用いればよい。数値例として、バックライト３の入射角θを４０°、全反射プリズム体２５の屈折率を１．５、回折光１５の法線に対する最大角度を６°とする場合、全反射プリズム体２５の頂角γを１６．４°とすれば、０次透過光１４は全反射プリズム体２５の射出側の面に臨界角で入射して完全に遮断される。このときの回折光１５は、全反射プリズム体２５の射出側の面で、Ｓ偏光の場合は６．０％以下、Ｐ偏光の場合は３．４％以下しか反射されない。
【００３５】
なお、ホログラムカラーフィルター５へ入射させるバックライト３をＳ偏光のみに選択する図１に示したような偏光板１３等の偏光面選択手段と、ホログラムカラーフィルター５を通過した０次透過光１４を遮断する手段である図４、図５に示したようなルーバー１９、図６に示したような液晶層３０、図７に示したような多層干渉膜２１、図８に示したような反射型体積ホログラム４０、図１３、図１４に示したような透明板２３又は透明ウエッジ板２４、あるいは、図１６に示すような全反射プリズム体２５とを組み合わせて用いると、０次光１４によるコントラスト低下を防止する効果はさらに大きくなる。さらに、その場合も、液晶表示素子６へ入射させる波長分散された回折光１５を所定の偏光方向の直線偏光に変換する図２に示したような２分の１波長板１６をルーバー１９等の入射側又は射出側に配置してもよい。
【００３６】
以上、本発明のホログラムカラーフィルターシステムをいくつかの実施例に基づいて説明してきたが、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。また、本発明のホログラムカラーフィルターシステムを用いた液晶表示装置をそのまま直視型の液晶表示装置として、あるいは、投影表示装置用の空間変調素子として利用して液晶投影表示装置として利用することもできる。
【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システムによると、ホログラムカラーフィルターに入射する白色光をＳ偏光のみに制限する偏光方向制限手段、又は、ホログラムカラーフィルターで回折されないで通過する０次透過光を略遮断する０次透過光遮断手段の少なくとも一方を設けるので、波長分散した回折光をほとんど遮断することなく、迷光の原因となる０次透過光を略完全に遮断することができ、このホログラムカラーフィルターを用いる液晶表示装置のコントラストの低下を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例のホログラムカラーフィルターシステムの構成と作用を説明するための図である。
【図２】第１実施例の付加的構成とその作用を説明するための図である。
【図３】コーゲルニクの式における記号を説明するための図である。
【図４】第２実施例のホログラムカラーフィルターシステムの構成と作用を説明するための図である。
【図５】第２実施例の変形例のホログラムカラーフィルターシステムの構成と作用を説明するための図である。
【図６】第３実施例のホログラムカラーフィルターシステムの構成と作用を説明するための図である。
【図７】第４実施例のホログラムカラーフィルターシステムの構成と作用を説明するための図である。
【図８】第５実施例のホログラムカラーフィルターシステムの構成と作用を説明するための図である。
【図９】ホログラムカラーフィルターの回折特性を模式的に示す図である。
【図１０】ホログラムカラーフィルターの０次透過光の強度分布を模式的に示す図である。
【図１１】第５実施例で用いる反射型体積ホログラムの回折特性を模式的に示す図である。
【図１２】反射型体積ホログラムを透過する０次光の強度分布を模式的に示す図である。
【図１３】第６実施例のホログラムカラーフィルターシステムの構成と作用を説明するための図である。
【図１４】第６実施例の変形例のホログラムカラーフィルターシステムの構成と作用を説明するための図である。
【図１５】フレネル反射に基づく入射角に依存した反射率変化を示す図である。
【図１６】第７実施例のホログラムカラーフィルターシステムの構成と作用を説明するための図である。
【図１７】従来の第１のタイプの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１８】従来の第２のタイプの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１９】図１８の変形例を示す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
５…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
１１…光源
１２…光学系（放物面鏡）
１３…偏光板
１４…０次（透過）光
１５…回折光
１６…２分の１波長板
１７…透明板
１８…吸収層
１８’…反射層又は反射散乱層
１９…ルーバー
２０…透明基板
２１…多層干渉膜
２２…反射光
２３…透明板
２４…透明ウエッジ板
２５…全反射プリズム体
２６…全反射光
２７、２８…透明ガラス板
３０…液晶層
３１、３２…偏光板
４０…反射型体積ホログラム
Claims (9)
- 要素集光性ホログラムのアレーからなり、その各要素集光性ホログラムが、ホログラム記録面の法線に対して所定の角度をなして入射する白色光をホログラム記録面に略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、あるいは、平行で一様な干渉縞からなるホログラム又は回折格子とその入射側あるいは射出側に配置された要素集光性レンズのアレーとからなり、その要素集光性レンズ各々が前記ホログラム又は回折格子と協働して、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要素集光性レンズのアレーの面に略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において、
前記ホログラムカラーフィルターに入射する白色光をＳ偏光のみに制限する偏光方向制限手段と、
前記ホログラムカラーフィルターで回折されないで通過する０次透過光を略遮断する０次透過光遮断手段とを設けたことを特徴とするホログラムカラーフィルターシステム。 - 前記０次透過光遮断手段がルーバーからな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システム。
- 前記ルーバーの前記０次透過光入射側とは反対側の表面に反射層又は反射散乱層を配置したことを特徴とする請求項２記載のホログラムカラーフィルターシステム。
- 前記０次透過光遮断手段が液晶層からな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システム。
- 前記０次透過光遮断手段が多層干渉膜からな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システム。
- 前記０次透過光遮断手段が反射型体積ホログラムからな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システム。
- 前記０次透過光遮断手段が透明板あるいは透明ウエッジ板からな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システム。
- 前記０次透過光遮断手段が全反射プリズム体からな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システム。
- 前記ホログラムカラーフィルターによって回折された光の直線偏光方向を任意の方向に変換する直線偏光方向変換手段を設けた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システム。
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| JPH09171110A (ja) | 1997-06-30 |
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