JPH08240717A - カラーフィルタ及びカラー表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 光利用率の高いカラーフィルタ及びこのカラ
ーフィルタを用いたカラー表示装置を提供する。 【構成】 カラーフィルタを用いた空間光変調素子１０
は、素子１０に垂直に入射された入射光Ｆ１を偏向回折
する偏向用ホログラム１６（第１のホログラム）と、入
射光を３原色に回折分光して、各原色光を対応する各色
画素１２Ｒ，１２Ｇ，１２Ｂ夫々に略垂直に集光する赤
色用ホログラム１４Ｒ、緑色用ホログラム１４Ｇ、青色
用ホログラム１４Ｂからなるう色分解用ホログラム１４
（第２のホログラム）とを備えてなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、撮像装置等の画像入力
装置、画像処理装置、表示装置等の画像出力装置等に用
いられるカラーフィルタ及びカラー表示装置に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来のカラーフィルタの一例についてそ
の概略構成を図３に模式的に示す。光源（例えば、メタ
ルハライドランプ）から放射された白色光（入射光）Ｆ
１を、回折効率の波長依存性がなく、集光性のあるホロ
グラム３１により３原色光（緑色光、赤色光、青色光）
に回折分光して各原色光に対応する各色画素３２（３２
Ｒ，３２Ｇ，３２Ｂ）に夫々集光され、変調が行われて
各色画素３２を透過してカラー画像が表示される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな構成のカラーフィルタでは、ホログラム３１により
回折分光された各原色光は対応する各色画素３２に対し
て夫々異なった角度で斜めに入射されてしまい光利用率
は低かった。特に、各色画素により変調された各原色光
を各色画素で反射させて入射光の入射側から光を取り出
す反射型カラー表示装置において、上述したようなホロ
グラムを用いて構成した場合、ホログラムにより回折分
光された各原色光は対応する各色画素に対して夫々異な
った角度で斜めに入射されるので、反射光は広範囲に広
がって射出されてしまう。従って、反射光を偏光ビーム
スプリッタ及び投影レンズを用いてカラー画像を表示す
るような場合、偏光ビームスプリッタの角度依存性のた
めに、コントラスト比が低下するといった問題や、射出
された反射光を投影する投影レンズは大口径のものが必
要であるといった問題等があり、高輝度、高解像度の表
示装置を実現することが困難であった。

【０００４】本発明は、斯かる問題に鑑みなされたもの
であり、光利用率の高いカラーフィルタ及びこのカラー
フィルタを用いたカラー表示装置を提供することを目的
とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決する手段として、入射光を波長の異なる複数の光に分
光して、前記波長の異なる複数の光を夫々対応する複数
の色画素に選択的に集光し、変調を行うカラーフィルタ
において、入射光を偏向回折する第１のホログラムと、
前記第１のホログラム層により偏向回折された光を前記
波長の異なる複数の光に回折分光して、前記波長の異な
る複数の光を夫々対応する前記複数の色画素に選択的に
集光する第２のホログラムとを有することを特徴とする
カラーフィルタを提供する。

【０００６】また、読出し光を発生する光源と、前記光
源から放射された光を夫々所定の帯域幅を有する３つの
原色光に分光して、この３つの原色光を同方向に射出す
る分光手段と、前記３つの原色光を偏光分離して空間光
変調素子に入射させる偏光分離手段と、前記空間光変調
素子により変調された前記読出し光をスクリーンに投射
する手段とを具備し、前記空間光変調素子は、読出し光
を偏向回折する第１のホログラムと、第１の原色光を変
調する第１の色画素と第２の原色光を変調する第２の色
画素と第３の原色光を変調する第３の色画素とからなる
複数の単位画素と、各原色光を対応する各色画素に選択
的に集光する第２のホログラムとを少なくも有すること
を特徴とするカラー表示装置を提供する。

【０００７】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例につい
て説明する。まず、本発明に係るカラーフィルタの一実
施例として、このカラーフィルタを用いた空間光変調素
子の一例について説明する。図１は本発明の第１実施例
の空間光変調素子の構成の一例を模式的に示す図であ
る。同図に示すように、空間光変調素子１０は、ガラス
基板１１上に、画素電極１２ａと透明電極（ＩＴＯ）１
２ｃとの間に液晶層１２ｂが設けられており、透明電極
１２ｃと各画素電極１２ａとの間に印加される信号電圧
によって液晶層１２ｂが駆動される。また、画素電極１
２ａは、赤色画素電極１２ａＲ、緑色画素電極１２ａ
Ｇ、青色画素電極１２ａＢの夫々独立した色画素電極か
らなり、夫々色画素１２（赤色画素１２Ｒ、緑色画素１
２Ｇ、青色画素１２Ｂ）を構成する。これらは、三つの
色画素１２Ｒ，１２Ｇ，１２Ｂで単位画素を形成してお
り、例えば、行方向（左右方向）に繰り返し配置さると
ともに列方向（上下方向）には同位相で繰り返し配置さ
れ、偶数行の画素と奇数行の画素が単位画素の繰り返し
周期で０．５画素分だけ位相がずれて配置されたデルタ
配列、またストライプ配列等がある。なお、空間光変調
素子１０は、画素電極１２ａにより反射させる反射型で
あるが、液晶層１２ｂと画素電極１２ａとの間に誘電体
ミラー層を設けて反射させてもよい。

【０００８】透明電極１２ｃの上部にはガラス１３を介
して、入射光を３原色に回折分光して夫々対応する色画
素１２に略垂直に集光する（光束の主光線が色画素１２
に略垂直に入射し、かつレンズ作用により光束は色画素
１２に集光する）色分解用ホログラム１４（第１のホロ
グラム）が形成されている。色分解用ホログラム１４
は、赤色領域を回折し赤色画素に略垂直に集光する赤色
用ホログラムと、緑色領域を回折し緑色画素に略垂直に
集光する緑色用ホログラムと、青色領域を回折し青色画
素に略垂直に集光する青色用ホログラムとが多重に記録
されているか重畳（積層）されており、ここでは赤色用
ホログラム１４Ｒ、緑色用ホログラム１４Ｇ、青色用ホ
ログラム１４Ｂが積層されている。色分解用ホログラム
１４上部には、ガラス１５を介して、入射光の方向を変
える（偏向回折する）偏向用ホログラム１６（第２のホ
ログラム）が形成されている。また、偏向用ホログラム
１６上部には、ガラス１７が形成されている。

【０００９】次に、この動作原理を説明する。同図にお
いてその上部から入射光Ｆ１が空間光変調素子１０の法
線方向から入射される。まず、偏向用ホログラム１６
に、入射されると入射光の波長に応じてその回折角度が
異なって回折される。例えば、赤色光の主光線が角度θ
で回折されたとすると赤色用ホログラム１４Ｒにより反
対方向へ角度θで回折され、赤色画素１２Ｒに垂直に集
光される。同様に緑色光は偏向用ホログラム１６により
赤色光と異なる角度で回折されて、緑色用ホログラム１
４Ｇにより回折され、緑色画素１２Ｇに垂直に集光され
る。同様に青色光は偏向用ホログラム１６により赤色
光、緑色光と異なる角度で回折されて、青色用ホログラ
ム１４Ｂにより回折され、青色画素１２Ｂに垂直に集光
される。つまり、色分解用ホログラム１４は、偏向用ホ
ログラム１６による３原色光夫々の回折を打ち消し、夫
々の画素に垂直に集光させる。そして、３原色光は夫々
の色画素電極１２ａＲ，１２ａＧ，１２ａＢ表面により
反射されて、これらの反射光Ｆ２の光束は入射時と同じ
経路で射出される。

【００１０】偏向用ホログラム１６は、回折効率の波長
依存性がないか又は少ないホログラムを用いるか、又
は、回折効率の波長依存性があり、赤色光のみを回折す
る赤色用ホログラムと、緑色光のみを回折する緑色用ホ
ログラムと、青色光のみを回折する青色用ホログラムと
を多重に記録するか重畳（積層）したホログラム（つま
り色分解機能も有するホログラム）を用いてもよい。ま
た、回折効率及び回折角の波長依存性がないか又は少な
いホログラムを用いてもよい。そして、波長依存性がな
いか又は少ないホログラムを用いた場合、波長によって
回折角度は異なるので、３原色光夫々に対応する画素に
垂直に集光して入射するために、後段の色分解用ホログ
ラム１４における回折角度は、３原色光によって異なる
角度に設定される。また、波長依存性のあるホログラム
を用いた場合には、偏向用ホログラム１６により３原色
光共に同じ角度で回折させることができ、色分解用ホロ
グラム１４による回折角度も３原色光同じに設定され
る。また、回折効率及び回折角の波長依存性がないか又
は少ないホログラムを用いた場合、入射光は波長に依ら
ず同じ回折効率、同じ角度で回折させることができる。

【００１１】ところで、回折効率の波長依存性とは、回
折効率が入射される波長によって異なることを意味し、
回折角の波長依存性とは、回折角が入射される波長によ
って異なることを意味する。回折効率の波長依存性がな
いか又は少ないホログラム（平面型ホログラムとも呼ば
れる）では、波長によって回折角度は異なるが回折効率
はほぼ同じであり、例えばリップマンホログラムなどが
ある。回折効率の波長依存性があるホログラム（体積型
ホログラムとも呼ばれる）では、波長によって回折効率
が異なり、特定の波長（実際には、ある幅を持った波長
帯域）の光のみを回折し、他の波長の光は透過するもの
で、例えばレリーフ型、移相型、振幅型などがある。

【００１２】また、一様な干渉縞からなるホログラムで
は集光性がなく、集光性を持たせるには、例えばフレネ
ルゾーン状に形成したり、間隔の異なる干渉縞を同心円
状又はハニカム状に形成する。なお、ここでは偏向用ホ
ログラム１６は集光性がなく、色分解用ホログラム１４
は集光性のあるものを用いているが、偏向用ホログラム
１６が集光性があるものを用いてもよく、その場合、各
画素１２に集光するようにすれば色分解用ホログラム１
４は集光性がないものを用いることができる。

【００１３】また、偏向用ホログラム１６と色分解用ホ
ログラム１４との距離を短くして、例えば、色分解用ホ
ログラム１４の上に偏向用ホログラム１６を積層するよ
うな構成としてもよい。

【００１４】以上説明したように、この実施例の構成に
よれば、偏向用ホログラム１６により入射光の方向を傾
けて色分解用ホログラム１４に入射させるように構成し
たので、回折効率が高く光利用率が高い。更に、色分解
用ホログラム１４により画素１２に略垂直に集光させて
反射されるので、反射光が広がることなく、反射光光束
は入射光光束と同じ経路で反対方向に射出される。従っ
て、特に偏光ビームスプリッタ、投影レンズ等を用いて
構成する表示装置において、明るい投影像（高輝度）、
高解像度を実現するのに用いて最適で、装置の小型化も
実現できる。

【００１５】また、ホログラムは２光束干渉撮影により
製造され、ホログラム感材に対してほぼ垂直に集光光束
（物体光）を、また、感材の法線に対して所定の角度で
平行光束（参照光）とを照射して、感材の中で両者を干
渉させて撮影し現像して製造され、このように製造した
ホログラムへの入射光は、参照光と同じ角度で入射させ
た時、回折されて物体光の射出角度と同じ角度で射出さ
れ、物体光と同じ角度で入射させた時、回折されて参照
光の射出角度と同じ角度で射出される。ところで、ホロ
グラムの回折効率を高め、波長依存性を強くするホログ
ラムを製造するためには、物体光と参照光との角度を４
５度程度と大きくする必要があり、ホログラムにより画
素に垂直に集光させるような場合、入射光はそのホログ
ラムに対して大きい角度で入射する必要があり、表示装
置に用いれば投影レンズのイメージサークルが非常に大
きくなり、高輝度、高解像度の表示装置を実現するのに
問題があったが、この実施例によれば、偏向用ホログラ
ム１６により色分解用ホログラム１４へ入射する角度を
大きくとれるので、素子１０への入射角度は小さくで
き、表示装置においては、投影レンズのイメージサーク
ルが大きくなることがなく、高輝度、高解像度でコンパ
クトな表示装置を実現できる。

【００１６】なお、本発明のカラーフィルタは、この実
施例に限ることなく、透過型、反射型の液晶表示装置
（ＬＣＤ）や、ＣＣＤ等の撮像装置等の色分解、合成に
も用いることができる。撮像装置では例えば、所定の位
置に配置された光検出素子の光入射側にこのカラーフィ
ルタを配置してカラー画像を撮像することができる。そ
して、本発明のカラーフィルタをこれらの装置に用いれ
ば、光利用率を向上してバックライト等を小型、低出力
とすることができ、高輝度、高解像度の表示や撮像、装
置の小型化を実現できる。更には光束の中心軸がシステ
ムを構成する素子やレンズ等に略垂直に入射するような
直交光学系システムを容易に構築することができる。

【００１７】図２は、本発明の第２の実施例のカラー表
示装置の概略構成を模式的に示す図である。なお、この
実施例は、請求項６に係るカラーフィルタを用いて構成
されている。光源２１から放射された読出し光（白色
光）Ｆ１は、レンズ２２、コールドミラー２３、レンズ
２４によって熱線が除去された略平行光束となってダイ
クロイックミラー２５に導かれる。ここで、ダイクロイ
ックミラー２５Ｂは青色光を反射し、緑色光、赤色光を
透過する。ダイクロイックミラー２５Ｂを透過した緑色
光、赤色光はダイクロイックミラー２５Ｒで更に分離さ
れる。即ち、ダイクロイックミラー２５Ｒは赤色光を反
射し、緑色光を透過する。そして、ダイクロイックミラ
ー２５Ｒを透過した緑色光はダイクロイックミラー２５
Ｇで反射される。各ダイクロイックミラー２５Ｂ，２５
Ｒ，２５Ｇの反射面は互いに平行に設けられており、各
原色光は同じ角度で（同方向に）反射され、偏光ビーム
スプリッタ２６の偏光分離面２６ａに入射される。即
ち、ダイクロイックミラー２５により反射された反射光
は、一旦３原色光に分光されて帯域制限された所望の分
光特性にされている。なお、各ダイクロイックミラー２
５Ｂ，２５Ｒ，２５Ｇを、入射光光束の幅に対して非常
に短い距離の間隔で設けて、各原色光の光束（光軸）を
略一致させてもよい。

【００１８】偏光ビームスプリッタ２６は各原色光の一
直線偏光成分（Ｐ偏光成分）を透過して、空間光変調素
子１０に入射させる（空間光変調素子１０には垂直に入
射させるのが好ましい）。空間光変調素子１０では、上
述したように、偏向用ホログラム１６及び色分解用ホロ
グラム１４により回折分光され、３原色光は夫々対応す
る色画素１２に略垂直に集光され反射される。この反射
光Ｆ２の光束は入射時と同経路で反対方向へ射出され、
再び偏光ビームスプリッタ２６に入射する。この時の偏
光ビームスプリッタ２６の偏光分離面２６ａへの入射角
は、ダイクロイックミラー２５から偏光分離面２６ａへ
の入射角と等しくなる。そして、偏光ビームスプリッタ
２６は、空間光変調素子１０によって変調をうけた各原
色光の他の直線偏光成分（Ｓ偏光成分）を反射して投影
レンズ２７に導く。投影レンズ２７は図示しないスクリ
ーンにカラー画像を結像して表示する。

【００１９】以上説明したように、本発明の第２の実施
例のカラー表示装置によれば、ダイクロイックミラー２
５により、白色光（読出し光）Ｆ１をあらかじめ３原色
光に分光して帯域制限して所望の分光特性にしたので、
空間光変調素子１０の色分解用ホログラム１４の回折分
光時における回折しない光（赤色光と緑色光との間、緑
色光と青色光との間の波長域の光）の影響等を非常に小
さくすることができ、光利用率が高く、色混濁を小さく
しピュアな色再現（高輝度、高解像度）が可能である。
また、空間光変調素子１０の反射光Ｆ２は上述したよう
に広がらないので、投影レンズ２７のレンズ口径を小さ
くすることができる。従って高輝度、高解像度、装置の
小型化を実現することができる。また、偏光ビームスプ
リッタ２６は入射角依存性が大きく、特定の入射角に対
しては極めて高い偏光効率を示すが、入射角を広くする
と、コントラスト比が下がるが、この実施例では、空間
光変調素子１０に入射する入射光光束の入射角度と射出
角度が同じで経路も同じなので、素子１０から偏光ビー
ムスプリッタ２６の偏光分離面２６ａへの入射角と、ダ
イクロイックミラー２５から偏光分離面２６ａへの入射
角と同じで経路も同じであり、コントラスト比を高くで
きる。

【００２０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のカラーフ
ィルタによれば、第１のホログラムにより入射光を偏向
させて第２のホログラムに入射させるように構成したの
で、第２のホログラムへ入射する角度を大きくとれ、回
折効率を高めて光利用率を向上させることができる。従
って、このカラーフィルタを透過型、反射型の液晶表示
装置や撮像装置等の色分解、合成に用いることにより、
光利用率が向上してバックライト等を小型、低出力とす
ることができ、高輝度、高解像度の表示や撮像、装置の
小型化を実現できる。更には容易に直交光学系システム
を構築することができる。

【００２１】また、本発明のカラー表示装置によれば、
分光手段（ダイクロイックミラー）により、読出し光を
あらかじめ所定の帯域幅を有する３原色光に分光して所
定の分光特性にして、空間光変調素子の第１、第２のホ
ログラムの回折分光時における回折しない波長域の光の
影響等を非常に小さくすることができ、光利用率が高
く、高輝度、高解像度、装置の小型化を実現することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の空間光変調素子の概略
構成を模式的に示す図である。

【図２】本発明の第２の実施例のカラー表示装置の概略
構成を模式的に示す図である。

【図３】従来のカラーフィルタの一例の概略構成を模式
的に示す図である。

【符号の説明】

１０ 空間光変調素子 １１ ガラス基板 １２ 色画素 １３，１５，１７ ガラス １４ 色分解用ホログラム（第２のホログラム） １６ 偏向用ホログラム（第１のホログラム） ２０ カラー表示装置 ２１ 光源 ２２，２４ レンズ ２３ ミラー ２５ ダイクロイックミラー（分光手段） ２６ 偏光ビームスプリッタ（偏光分離手段） ２７ 投影レンズ（投射手段）

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】入射光を波長の異なる複数の光に分光し
   て、前記波長の異なる複数の光を夫々対応する複数の色
   画素に選択的に集光するカラーフィルタにおいて、 入射光を偏向回折する第１のホログラムと、 前記第１のホログラムにより偏向回折された光を前記波
   長の異なる複数の光に回折分光して、前記波長の異なる
   複数の光を夫々対応する前記複数の色画素に選択的に集
   光する第２のホログラムとを有することを特徴とするカ
   ラーフィルタ。
2. 【請求項２】前記第１のホログラムは、回折効率の波長
   依存性がないか又は少ないホログラムからなることを特
   徴とする請求項１に記載のカラーフィルタ。
3. 【請求項３】前記第１のホログラムは、回折効率の波長
   依存性があるホログラムが多重に記録されるか重畳され
   て前記波長の異なる複数の光に回折分光するホログラム
   からなることを特徴とする請求項１に記載のカラーフィ
   ルタ。
4. 【請求項４】前記第２のホログラムは、回折効率の波長
   依存性があるホログラムが多重に記録されるか重畳され
   たホログラムからなることを特徴とする請求項１〜請求
   項３に記載のカラーフィルタ。
5. 【請求項５】前記入射光を夫々所定の帯域幅を有する前
   記波長の異なる複数の光に分光するする分光手段を有
   し、この分光手段により予め帯域制限してから前記第２
   のホログラムにより分光することを特徴とする請求項１
   〜請求項４に記載のカラーフィルタ。
6. 【請求項６】前記分光手段は、特定の波長の光を反射
   し、他の波長の光を透過するダイクロイックミラーを前
   記波長の異なる複数の光夫々に対応して複数配置して構
   成したことを特徴とする請求項５に記載のカラーフィル
   タ。
7. 【請求項７】読出し光を発生する光源と、前記光源から
   放射された光を夫々所定の帯域幅を有する３つの原色光
   に分光して、この３つの原色光を同方向に射出する分光
   手段と、前記３つの原色光を偏光分離して空間光変調素
   子に入射させる偏光分離手段と、前記空間光変調素子に
   より変調された前記読出し光をスクリーンに投射する手
   段とを具備し、 前記空間光変調素子は、 読出し光を偏向回折する第１のホログラムと、 第１の原色光を変調する第１の色画素と第２の原色光を
   変調する第２の色画素と第３の原色光を変調する第３の
   色画素とからなる複数の単位画素と、 各原色光を対応する各色画素に選択的に集光する第２の
   ホログラムとを少なくも有することを特徴とするカラー
   表示装置。
8. 【請求項８】前記分光手段は、前記光源から放射された
   光を、前記第１の原色光を反射し、前記第２の原色光及
   び前記第３の原色光を透過する第１のダイクロイックミ
   ラーと、前記第２の原色光を反射し前記第３の原色光を
   透過する第２のダイクロイックミラーと、前記第３の原
   色光を反射する第３のダイクロイックミラーとを配置し
   てなることを特徴とする請求項５に記載のカラー表示装
   置。