JPH11248914A - 波長選択素子およびそれを用いたカラーフィルター - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】入射光の利用効率が高く、クロストーク（隣接
する画素に、本来とは異なる画素に対応する光が入射す
る現象）のない表示画像を実現する。 【解決手段】白色入射光を、赤・緑・青の各色に対応す
る波長分布の光となるように、各色の方向を変えて分光
出射する波長選択素子において、各色に対応する波長分
布の出射光の持つ振幅分布が、出射面における少なくと
も１方向について、中心部から周辺部へ向かって小さく
なるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、白色光源からの光
を３原色成分に分光する波長選択素子およびそれから構
成されるカラーフィルターとディスプレイに関する。

【０００２】

【従来の技術】上記の波長選択素子としてカラーフィル
ターが周知であり、空間的に並べられたＲ・Ｇ・Ｂの各
色に対応する波長選択機能を持つ色セル（フィルター）
の集合により実現されている。既存のカラーフィルター
では、各色セルにおける波長の選択的な透過であるた
め、各色の波長に対応する光量は、最大限の効率化を実
現しても、入射光量に対して１／３である。

【０００３】一方、ホログラムの持つ光学特性（すなわ
ち、波長選択性のないホログラムでは、入射光を波長分
散させて回折する）を利用し、各波長毎の集光位置の違
いに基づき、回折光を波長成分毎に空間的に選択的に出
射させることにより、カラーフィルターとして機能させ
る提案も公知である。

【０００４】上記提案は、特開平６−３０８３３２号公
報などに例示される。以下、ホログラムによるカラーフ
ィルターをＨＣＦと称することとする。

【０００５】ホログラムの干渉縞（≒回折格子）は矩形
領域内に形成されており、従って、ＨＣＦ直後の１次回
折光の分布は矩形関数で表される。この１次回折光が収
束する波面を持つ場合、その収束位置での光の振幅分布
はsinc関数で表される。このことは、光の振幅分布のフ
ーリエ変換と、その振幅分布を持つ光のレンズによる集
光面（レンズの後側焦点面）での振幅分布が等価である
ことより明らかである。

【０００６】光の強度分布は振幅分布の２乗で表される
が、sinc関数は非常に広がりを持った関数である。従っ
て、集光位置での光の主成分は集光位置付近に集まるも
のの、ある程度の光がその外側に広く分布することにな
る。矩形関数による振幅分布を図６(a) に、集光位置で
の回折光の強度分布を図６(b) に示す。

【０００７】このような光を画素として肉眼で観察する
場合、外側（周辺部）に分布する光はノイズ成分となる
が、人間の明るさに対する感覚は対数的であるため、ノ
イズによる悪影響を強く感じることになる。

【０００８】ＨＣＦにおいては、このことは、液晶パネ
ルの特定の色の液晶セルの集光位置に対する異なる色の
光の漏れとなり、互いにこれらの光が各波長に関して混
じるため、結果としてＲ・Ｇ・Ｂの各色の彩度が低くな
り、また、隣接する画素への漏れも生じるため、表示画
像がボケを伴うことに帰結する。これらの不都合を、ク
ロストークと呼ぶこととする。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、入射光の利
用効率が高く、クロストークのない表示画像を実現する
ディスプレイとカラーフィルターを構成するような波長
選択素子を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の波長選択素子
は、白色入射光を、赤・緑・青の各色に対応する波長分
布の光となるように、各色の方向を変えて分光出射する
波長選択素子において、各色に対応する波長分布の出射
光の持つ振幅分布が、出射面における少なくとも１方向
について、中心部から周辺部へ向かって小さくなってい
ることを特徴とする。

【００１１】また、各色に対応する波長分布の出射光毎
に特定の焦点位置に集光させる手段を、更に備えること
も有効である。

【００１２】更に、各色に対応する波長分布の出射光の
うち、一層限定された特定波長の光のみを通過させるよ
うな位置に開口の設けられた遮光手段を、更に備えるこ
とも有効である。

【００１３】上記の機能を持つ波長選択素子として、回
折格子により実現することが有効である。

【００１４】上記の何れかに記載の波長選択素子をアレ
イとし、それらをマトリクス状またはストライプ状に集
合配置することによりカラーフィルターが作製される。

【００１５】また、上記カラーフィルターを液晶パネル
の背面に配置して液晶ディスプレイが構成される。

【００１６】＜作用＞波長選択素子から出射する各色に
対応する波長分布の出射光の持つ振幅分布が、出射面に
おける少なくとも１方向について、中心部から周辺部へ
向かって小さくなるように振幅変調が施されるため、ク
ロストークが回避され、ディスプレイとしては、色の混
濁（彩度の低下）やノイズの発生を防ぐことができる。

【００１７】また、波長選択素子を回折格子により構成
することにより、分光機能のみならず、振幅変調機能や
集光機能（各色に対応する波長分布の出射光毎に特定の
焦点位置に集光させる）を波長選択素子に全て持たせる
ことができ、ディスプレイの小型化・軽量化・光学系の
調整の省略・低コスト化などに有効である。

【００１８】回折格子により振幅変調を施す場合には、
回折格子の周期に対する格子幅の比や、回折格子の位相
変調量の変化など、多くの方法から選択できる。尚、回
折格子（位相型あるいは振幅型）においては、局所的な
回折格子の周期に対する格子幅の比は１／２のときが最
も回折効率が高く（すなわち１次回折光の振幅が大き
く）、この値から増減することにより１次回折光の振幅
は小さくなる。

【００１９】薄い位相型回折格子では、局所的な位相変
調量（光が格子部とそうでない部分を通過する際にでき
る位相の差）がπのときが、１次回折光について最大の
回折効率となり、これから離れるにつれて回折効率が小
さくなる。厚い位相型回折格子の場合は、格子の断面形
状や材質や入射光の偏光状態などにより、回折効率が変
化する。

【００２０】また、振幅変調素子を透過した光は、中心
からなだらかに減少させても良いが、中心付近では一定
（最大値）であり、中心からある程度離れた位置から周
辺部へ向かって減少させるようにした方が、入射光に対
する利用効率が上がる。

【００２１】

【発明の実施の形態】波長選択素子から出射する各色に
対応する波長分布の出射光の持つ振幅分布が、出射面に
おける少なくとも１方向について、中心部から周辺部へ
向かって小さくなるように振幅変調を施す上で、以下に
挙げる数学的な表現（関数）が有効である。

【００２２】

【数１】

【００２３】

【数２】

【００２４】

【数３】

【００２５】上式において、波長選択素子の外形が矩形
の場合、ｘは矩形の任意の辺に垂直な軸をとり、素子中
心を０とした座標である。尚、Ｔは素子の大きさ（矩形
形状の場合は１辺の長さ）であり、−Ｔ／２≦ｘ≦Ｔ／
２の範囲の値をとる。

【００２６】一般化Hamming 関数においては、αにより
関数の形を最適化できるが、α＝０．５や０．５４が一
般的である。

【００２７】中心部の振幅分布を一定にし、中心から離
れた位置から周辺部へ向かって減少するようにした場合
は、台形関数に相当する。ただし、本発明においては、
台形関数として斜辺部は直線とは限らないものとする。
（すなわち、中心付近で一定値をとり、その両側でなだ
らかに減少するような関数を台形関数と呼ぶ）

【００２８】振幅分布が台形関数で表されるようにする
と、出射光の周辺部の強度の減少を伴ったまま、中心部
の強度を上げることができ、入射光の利用効率を上げる
ことになる。ただし、台形の斜辺部を小さくし過ぎる
と、出射光の周辺部の強度が上がり、その効果が小さく
なる。例えば、素子の大きさが５０μｍのとき、台形の
斜辺部が１０μｍ程度（上辺が３０μｍ程度の台形）な
ら十分な効果がある。

【００２９】回折格子からなる波長選択素子に対して、
上記の振幅分布関数による振幅変調を施した場合の、前
記素子の直後での１次回折光の振幅分布波形と回折光の
強度分布を図７に示す。Hamming 関数による振幅分布が
図７(a) 、三角波関数による振幅分布を図７(b) 、台形
関数による振幅分布を図７(c)(d)であり、回折光の強度
分布は図７(e)のようになる。尚、ここでは振幅分布関
数として、代表的ないくつかの関数を挙げたが、これら
に限るものではない。

【００３０】以上のような関数のフーリエ変換は、矩形
関数（図６参照）のフーリエ変換に比べて、その振幅の
値が周辺部で著しく小さくなることは知られている。

【００３１】フーリエ変換は、光学系においては平行光
照明による開口に関してのフラウンホーファー領域（レ
ンズの後ろ側焦点位置、あるいは十分遠方）における回
折光の振幅分布と等価である。

【００３２】すなわち、これらの関数を振幅分布とする
光が収束する波面を持つ場合、レンズの場合と同様に収
束する光の収束位置における振幅分布において、周辺部
の成分の強度が著しく小さいことになる。（収束する波
面を持たない場合でも、十分遠方では全く同様の議論が
成り立つ） 素子として、回折格子を用いる場合には、この議論は１
次回折光に関して成立する。

【００３３】＜実施形態１＞図１は、分光（波長選択）
と振幅変調とを回折格子で実現する場合に係る実施形態
を示す説明図である。図１(a) はディスプレイの構成例
であり、図１(b) は波長選択素子の一例を示す説明図で
ある。

【００３４】図１(a) の左側から白色の入射光が波長選
択素子（回折格子）に入射し、前記素子により分光さ
れ、かつ適当な振幅分布を持つ１次回折光が発生し、集
光手段であるレンズを通過することにより、焦点距離で
書く波長毎に集光する。

【００３５】Ｒ・Ｇ・Ｂの各色に対応する波長の光に対
して、集光点はある程度の拡がりを持つが、このうち適
当な領域の光を通過するような開口を配置する。前記開
口として、カラー表示用の液晶パネルの対応する色の液
晶セルであっても良い。

【００３６】Ｒ・Ｇ・Ｂの開口を通過した光は、それぞ
れＲ・Ｇ・Ｂの各色に対応する波長から構成される発散
光の集まりである。ここで、前述のように回折格子及び
レンズ通過直後の光が適当な振幅分布を持っていれば、
開口位置における各波長の光の分布が拡がらずに済み、
各色の混ざりが最小にできる。

【００３７】図１(b) の回折格子は、バイナリー回折格
子に振幅変調フィルターが貼り合わされたものとして捉
えても良いが、白の部分を回折効率が最大となる位相変
調量、黒の部分が回折効率が最小となる位相変調量を表
す位相型回折格子として捉えても良い。もちろん、この
図のような回折格子に限らず、回折格子の周期に対する
格子幅の比を変調した振幅型あるいは位相型回折格子で
あっても良い。

【００３８】＜実施形態２＞図２は、分光（波長選択）
と振幅変調とを回折格子で実現する場合に係る実施形態
を示す説明図である。図２(a) はディスプレイの構成例
であり、図２(b) は波長選択素子の一例を示す説明図で
ある。

【００３９】実施形態１では、出射光の出射面（＝素子
平面）の２方向（ｘ方向とｙ方向の双方）で、出射光の
持つ振幅分布が中心部から周辺部へ向かって小さくなる
場合に係る説明であったが、ディスプレイとして、前記
素子をアレイ状とはしないで使用するなど、異なる色に
対応する開口の並ぶ方向以外への光の漏れが問題になら
ない場合には図２のようにしてもよい。

【００４０】すなわち、図２(a) の場合には、Ｒ・Ｇ・
Ｂの開口が並ぶ上下方向以外には、異なる色に対応する
開口は並ぶことがなく、それぞれの開口への異なる色の
波長の光の漏れが生じない。

【００４１】本実施形態での波長選択素子は、図２(b)
に示すように、素子平面の１方向（上下方向）にのみ、
出射光の持つ振幅分布が中心部から周辺部へ向かって小
さくなるようであれば良い。

【００４２】＜実施形態３＞図３は、分光（波長選択）
と振幅変調、および集光を回折格子で実現する場合に係
る実施形態を示す説明図である。図３(a) はディスプレ
イの構成例であり、図３(b) は波長選択素子の一例を示
す説明図である。

【００４３】図３(a) の左側から白色の入射光が波長選
択素子（回折格子）に入射し、前記素子により分光され
つつ集光し、かつ適当な振幅分布を持つ１次回折光が発
生する。

【００４４】Ｒ・Ｇ・Ｂの各色に対応する波長の光に対
して、集光点はある程度の拡がりを持つが、このうち適
当な領域の光を通過するような開口を配置する。すなわ
ち、実施形態１と同様に、前記開口として、カラー表示
用の液晶パネルの対応する色の液晶セルなどが採用され
る。

【００４５】＜実施形態４＞実施形態３では、出射光の
出射面（＝素子平面）の上下方向のみで、出射光の持つ
振幅分布が中心部から周辺部へ向かって小さくなる場合
に係る説明であったが、ディスプレイとして、異なる色
に対応する開口が、上下のみならず左右にも並ぶ（アレ
イ状に）場合には、図４のようにした方が効果的であ
る。

【００４６】図４は、分光（波長選択）と振幅変調、お
よび集光を回折格子で実現する場合に係る実施形態を示
す説明図である。図４(a) はディスプレイの構成例であ
り、図４(b) は波長選択素子の一例を示す説明図であ
る。

【００４７】本実施形態での波長選択素子は、図４(b)
に示すように、素子平面の２方向（ｘ方向とｙ方向）
に、出射光の持つ振幅分布が中心部から周辺部へ向かっ
て小さくなる。

【００４８】本発明の波長選択素子から構成されるカラ
ーフィルターを液晶パネルの背面に配置した場合のディ
スプレイを、図５に概念的に示す。尚、何れの実施形態
においても、本発明に係るディスプレイでは、異なる色
に対応する開口の並ぶ方向に各色の光の出射方向も異な
る（すなわち、図１〜図４で、上下に並ぶＲ・Ｇ・Ｂの
開口に対して、波長選択素子からの出射光は、上下に角
度が異なって入射している）ので、光が開口を通過した
後に光の方向を補償する手段（回折格子など）を配置す
ることにより、光の出射方向を等しくするか、あるいは
光が開口を通過した後に散乱板などを通過させることに
より、出射方向の違いをキャンセルしても良い。

【００４９】特に、波長選択素子に回折格子を使用して
いる場合、異なる色に対応する開口の並ぶ方向に格子ベ
クトルを持つ均一な単純回折格子を補償板として使用し
ても充分に補償板として機能する。

【００５０】尚、ここまでは開口を通過した後として説
明したが、開口自身にこれらの出射角度の補償あるいは
散乱の機能を持たせても良い。

【００５１】

【発明の効果】以上説明したように、波長選択素子から
の出射光の持つ振幅分布が、出射面における少なくとも
１方向について、中心部から周辺部へ向かって小さくな
っていることにより、開口面における出射光の周辺部の
強度を小さくすることが可能である。従って、開口（液
晶セルなど）から出射する光は、Ｒ・Ｇ・Ｂの各色の波
長が良く分離し、彩度が高い色が表示される。本発明に
よるカラーフィルター（ディスプレイ）では、各素子毎
の光の漏れが抑えられるため、画素間の光の混じり、す
なわち、ノイズやクロストークのない表示画像が実現さ
れる。

【００５２】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の波長選択素子が、分光（波長選択）と
振幅変調とを回折格子で実現する場合に係る実施形態を
示す説明図。図１(a) はディスプレイの構成例、図１
(b) は波長選択素子の一例を示す説明図。

【図２】本発明の波長選択素子が、分光（波長選択）と
振幅変調とを回折格子で実現する場合に係る実施形態を
示す説明図。図２(a) はディスプレイの構成例、図２
(b) は波長選択素子の一例を示す説明図。

【図３】本発明の波長選択素子が、分光（波長選択）と
振幅変調、および集光を回折格子で実現する場合に係る
実施形態を示す説明図。図３(a) はディスプレイの構成
例、図３(b) は波長選択素子の一例を示す説明図。

【図４】本発明の波長選択素子が、分光（波長選択）と
振幅変調、および集光を回折格子で実現する場合に係る
実施形態を示す説明図。図４(a) はディスプレイの構成
例、図４(b) は波長選択素子の一例を示す説明図。

【図５】本発明の波長選択素子から構成されるカラーフ
ィルターを液晶パネルの背面に配置した場合のディスプ
レイを概念的に示す説明図。

【図６】矩形関数による振幅分布図６(a) と、回折光の
強度分布図６(b) を示す説明図。

【図７】各種の振幅分布関数と、それらの振幅変調を施
した場合の波長選択素子からの１次回折光の強度分布を
示す説明図。図７(a) はHamming 関数による振幅分布、
図７(b) は三角波関数による振幅分布、図７(c)(d)は台
形関数による振幅分布であり、図７(e) は回折光の強度
分布。

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】白色入射光を、赤・緑・青の各色に対応す
   る波長分布の光となるように、各色の方向を変えて分光
   出射する波長選択素子において、 各色に対応する波長分布の出射光の持つ振幅分布が、出
   射面における少なくとも１方向について、中心部から周
   辺部へ向かって小さくなっていることを特徴とする波長
   選択素子。
2. 【請求項２】各色に対応する波長分布の出射光の持つ振
   幅分布が、出射面における１方向では、中心部から周辺
   部へ向かって小さくなっており、それと直交する方向で
   は、中心部から周辺部へ向かって一定であることを特徴
   とする請求項１記載の波長選択素子。
3. 【請求項３】各色に対応する波長分布の出射光毎に特定
   の焦点位置に集光させる手段を、更に備えることを特徴
   とする請求項１または２に記載の波長選択素子。
4. 【請求項４】各色に対応する波長分布の出射光のうち、
   限定された特定波長の光のみを通過させるような位置に
   開口の設けられた遮光手段を、更に備えることを特徴と
   する請求項１〜３の何れかに記載の波長選択素子。
5. 【請求項５】波長選択素子が回折格子からなることを特
   徴とする請求項１〜４の何れかに記載の波長選択素子。
6. 【請求項６】波長選択素子が回折格子からなり、前記回
   折格子が、各色に対応する波長分布の出射光毎に特定の
   焦点位置に集光させる機能も持つことを特徴とする請求
   項１，２，４の何れかに記載の波長選択素子。
7. 【請求項７】回折格子の格子間隔に対する格子幅の比
   を、中心付近では１／２とし、前記比を周辺部へ向かっ
   て減少もしくは増加させることを特徴とする請求項５ま
   たは６に記載の波長選択素子。
8. 【請求項８】回折格子の位相変調量を、中心付近では回
   折効率が最大となるようにし、位相変調量を周辺部へ向
   かって減少させることを特徴とする請求項５または６に
   記載の波長選択素子。
9. 【請求項９】請求項１〜８の何れかに記載の波長選択素
   子をアレイとし、それらをマトリクス状またはストライ
   プ状に集合配置してなるカラーフィルター。
10. 【請求項１０】請求項９記載のカラーフィルターを液晶
    パネルの背面に配置してなるディスプレイ。