JPH11271516A - Diffraction type color filter and liquid crystal display device using the same - Google Patents

Diffraction type color filter and liquid crystal display device using the same

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JPH11271516A
JPH11271516A JP7902998A JP7902998A JPH11271516A JP H11271516 A JPH11271516 A JP H11271516A JP 7902998 A JP7902998 A JP 7902998A JP 7902998 A JP7902998 A JP 7902998A JP H11271516 A JPH11271516 A JP H11271516A
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JP
Japan
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diffraction
color filter
diffraction grating
light
liquid crystal
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Application number
JP7902998A
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Japanese (ja)
Inventor
Yuichiro Otoshi
祐一郎 大利
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Minolta Co Ltd
Original Assignee
Minolta Co Ltd
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Publication date
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  • Diffracting Gratings Or Hologram Optical Elements (AREA)
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide the diffraction type color filter which is easily manufactured and nearly free of limitations of material characteristics and has high diffraction efficiency and small wavelength dependency and angle dependency of the diffraction efficiency. SOLUTION: The diffraction type color filter 1 is composed of a diffraction grating and spectrally diffuses white light, made incident at a specific angle to the normal of the diffracting surface of the diffraction grating, by wavelength dispersion. In this case, the diffraction grating 1 is a linear surface relief type and the diffraction vector of the diffraction grating is parallel to the color filter surface and satisfies conditional expressions λ0 /n<Λ<2λ0 /n and 0.50 μm<λ0 <0.60 μm, where Λ is the cycles of the diffraction grating, λ0 is design wavelength, and (n) is the refractive index of a substrate provided with the diffracting surface.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、回折格子を用いた
カラーフィルターに関するもので、特に、照明光の利用
効率向上を図った回折型カラーフィルターに関するもの
である。また、該回折型カラーフィルターを用いた液晶
表示装置に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a color filter using a diffraction grating, and more particularly, to a diffraction type color filter which improves the utilization efficiency of illumination light. Further, the present invention relates to a liquid crystal display device using the diffraction type color filter.

【0002】[0002]

【従来の技術】液晶表示素子を用いた表示装置において
は、R(赤)、G(緑)、B(青)それぞれに対応した
3枚の表示素子を用いた構成(3板式)のものと、1枚
の表示素子を用いた構成のもの(単板式)とがある。単
板式の方が、装置が小型化できまたコストの面で非常に
有利である。従来より、一般的に知られている単板式の
ものは、表示素子にR、G、Bのパターンを有する吸収
型フィルターを設けることによりカラー化を達成してい
る。つまり、例えばRの画素では、フィルターによりR
以外の色の光が吸収される。
2. Description of the Related Art A display device using a liquid crystal display element has a configuration (three-panel type) using three display elements corresponding to R (red), G (green), and B (blue), respectively. And a configuration using a single display element (single-plate type). The single-plate type is very advantageous in terms of the size of the apparatus and the cost. 2. Description of the Related Art Conventionally, a generally known single-plate type achieves colorization by providing an absorption filter having R, G, and B patterns on a display element. That is, for example, in a pixel of R, R
Light of other colors is absorbed.

【0003】しかしながら、吸収型フィルターを用いる
と、略2/3の光を無駄にしてしまうことになり、照明
効率が非常に悪いという欠点がある。これを解決する方
法として、カラーフィルターにホログラムを用いた方法
が開示されている。この方法によると、照明光の利用効
率を上げることができる。
However, when an absorption filter is used, approximately / of the light is wasted, and there is a disadvantage that the illumination efficiency is very poor. As a method for solving this, a method using a hologram as a color filter is disclosed. According to this method, the utilization efficiency of the illumination light can be increased.

【0004】ホログラムを用いたカラーフィルターにお
いては、一般的に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。しかしながら、波長依存性が少な
いとはいっても、R、G、Bの広い波長域においては、
Gの波長を中心波長として製造したホログラムでの、B
及びRでの回折効率が小さくなることは避けられない。
これはホログラムが厚みをもつからである。従って、白
色光の照明を行った場合、色による回折効率の違いか
ら、カラーバランスが悪化するという問題がある。この
ことを以下に簡単に説明する。
In a color filter using a hologram, a transmission hologram having a small wavelength dependence of diffraction efficiency is generally used. However, even though the wavelength dependence is small, in a wide wavelength range of R, G, and B,
In the hologram manufactured with the wavelength of G as the center wavelength, B
It is inevitable that the diffraction efficiency at R and R becomes small.
This is because the hologram has a thickness. Therefore, when white light is illuminated, there is a problem that the color balance is deteriorated due to the difference in diffraction efficiency depending on the color. This will be briefly described below.

【0005】ホログラムの回折効率の計算においては、
通常H.Kogelnik,“Coupled Wave Theory for Thick Hol
ogram Gratings”,Bell.Syst.Tech.J.,48,2909(1969)に
よる近似式が用いられる。これによると、ブラッグ条件
がほぼ満足されている場合において、設計波長での1次
光の回折効率はsin2(ν)で近似できる。従って、ν=π
/2のとき、1次光の回折効率は理論上からは100%
となる。ここで、νはホログラムの種々のパラメータに
依存する。簡単のため、ホログラム内部の格子ベクトル
がホログラム面に平行であるとすると、νは以下の式で
与えられる。
In calculating the diffraction efficiency of a hologram,
Usually H. Kogelnik, “Coupled Wave Theory for Thick Hol
ogram Gratings ”, Bell. Syst. Tech. J., 48, 2909 (1969). According to this, when the Bragg condition is almost satisfied, diffraction of the first-order light at the design wavelength is performed. The efficiency can be approximated by sin 2 (ν), so that ν = π
/ 2, the diffraction efficiency of the primary light is 100% theoretically
Becomes Here, ν depends on various parameters of the hologram. For simplicity, assuming that the lattice vector inside the hologram is parallel to the hologram plane, ν is given by the following equation.

【0006】 ν=πn1d/λcosθ ・・・・(10) ここで、λは設計波長、n1はホログラム層の屈折率変
調量、dはホログラムの厚み、θはホログラム内部での
回折角度である。
Ν = πn 1 d / λ cos θ (10) where λ is a design wavelength, n 1 is a refractive index modulation amount of the hologram layer, d is a thickness of the hologram, and θ is a diffraction angle inside the hologram. It is.

【0007】ホログラムを用いたカラーフィルターの場
合においては、n1すなわち屈折率の変調量は、0.02〜
0.04程度である。従って、dをある程度大きくしない
と、十分な回折効率を得られないことがわかる。上記si
n2(ν)は、設計波長λの光が設計角度でホログラムに入
射した場合の回折効率の計算式であるが、波長または入
射角度が変化した場合においては、回折効率ηは次の式
で計算される。
In the case of a color filter using a hologram, n 1, that is, the amount of modulation of the refractive index is 0.02 to 0.02.
It is about 0.04. Therefore, it is understood that sufficient diffraction efficiency cannot be obtained unless d is increased to some extent. Si above
n 2 (ν) is a formula for calculating the diffraction efficiency when the light of the design wavelength λ is incident on the hologram at the design angle, and when the wavelength or the incident angle changes, the diffraction efficiency η is given by the following formula: Is calculated.

【0008】 η=sin2{(ν2+ξ21/2/(1+ξ2/ν2)} ・・・・(11) ここで、ξは波長または角度の設計値からのずれに比例
するパラメータであり、ホログラムの厚みdにも比例す
る。従って、ホログラムの厚みが大きいほど、回折効率
は波長または角度の変化に対して大きく低下する。
Η = sin 2 {(ν 2 + ξ 2 ) 1/2 / (1 + ξ 2 / ν 2 )} (11) where ξ is proportional to the deviation of the wavelength or angle from the design value. It is a parameter and is also proportional to the thickness d of the hologram. Therefore, as the thickness of the hologram increases, the diffraction efficiency decreases significantly with respect to a change in wavelength or angle.

【0009】回折格子によってR、G、Bの色をそれぞ
れ所望の角度成分に分離する必要のあるホログラムカラ
ーフィルターにおいては、回折の周期は波長の数倍以下
である必要がある。ホログラムの厚みdは、一般的に回
折効率を考慮して、波長の10〜20倍程度に設計され
ているものが多いが、このような厚さを有するホログラ
ムにおいては、式(11)を参照してもわかるように、
ξの寄与が大きくなるため、波長または角度の変化に対
して依存性がほとんどない回折効率が得られるものを構
成することは理論上困難となる。
In a hologram color filter that needs to separate the R, G, and B colors into desired angle components by a diffraction grating, the diffraction cycle needs to be several times or less the wavelength. In many cases, the thickness d of the hologram is generally designed to be about 10 to 20 times the wavelength in consideration of the diffraction efficiency. For a hologram having such a thickness, see Expression (11). As you can see,
Since the contribution of ξ increases, it is theoretically difficult to construct a device that can obtain a diffraction efficiency that has almost no dependence on changes in wavelength or angle.

【0010】回折効率の波長依存性を小さくするため
に、特願平7−170922号公報及び特願平7−29
0820号公報などでは、2枚のホログラムが重畳ある
いは多重記録されてなるホログラムフィルターが開示さ
れている。該ホログラムフィルターにおいて、2枚のホ
ログラムは、波長分散の空間的な波長分布は相互に略一
致するが回折効率のピーク波長は相互に異なるものとし
ている。
In order to reduce the wavelength dependence of the diffraction efficiency, Japanese Patent Application Nos. 7-170922 and 7-29 disclose the invention.
No. 0820 discloses a hologram filter in which two holograms are superimposed or multiplex-recorded. In the hologram filter, the two holograms are such that the spatial wavelength distributions of chromatic dispersion substantially match each other, but the peak wavelengths of diffraction efficiency are different from each other.

【0011】また、特願平7−260007号公報で
は、3波長それぞれに対して最適化した厚いホログラム
を3つ用いたホログラムフィルターが開示されている。
該ホログラムフィルターにおいては、それぞれのホログ
ラムでそれぞれの波長がフィルタリングされるように構
成されているので、回折効率の波長依存性が小さくな
る。
Japanese Patent Application No. Hei 7-260007 discloses a hologram filter using three thick holograms optimized for each of three wavelengths.
Since the hologram filter is configured such that each wavelength is filtered by each hologram, the wavelength dependence of diffraction efficiency is reduced.

【0012】[0012]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術の回折効率の波長依存性を小さくしたホログラム
フィルターにおいては、2枚のホログラムを重畳あるい
は多重記録する必要があるため、製造方法が複雑にな
る。あるいは、3つのホログラムを用いる必要があるた
めに、コストが高くなる。さらに、ホログラムフィルタ
ーの厚さが厚くなるので、入射角度に対する回折効率の
変化がさらに大きくなるという問題点がある。
However, in the hologram filter in which the wavelength dependence of the diffraction efficiency is reduced in the prior art, it is necessary to superimpose or multiplex two holograms, which complicates the manufacturing method. . Alternatively, the cost increases because three holograms need to be used. Furthermore, since the thickness of the hologram filter is increased, there is a problem that the change in the diffraction efficiency with respect to the incident angle is further increased.

【0013】また、ホログラムの特性は材料の特性に依
存し、材料特性に制限される。さらに、高輝度の光源を
用いる必要がある投影型表示装置等においては、経時変
化による性能劣化などの課題がある。
The characteristics of the hologram depend on the characteristics of the material and are limited by the characteristics of the material. Furthermore, in a projection display device or the like that requires the use of a high-luminance light source, there is a problem such as performance degradation due to aging.

【0014】本発明は、製造方法が簡単で、材料特性に
よる制限がほとんどなく、高い回折効率を持ち、かつ回
折効率の波長依存性、角度依存性が少ない回折型カラー
フィルターを提供することを目的とする。
An object of the present invention is to provide a diffraction type color filter which has a simple manufacturing method, is hardly limited by material characteristics, has high diffraction efficiency, and has little wavelength dependence and angle dependence of the diffraction efficiency. And

【0015】[0015]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項1に記載の発明は、回折格子からなり、該回
折格子の回折面の法線に対して所定の角度で入射する白
色光を波長分散させて分光する回折型カラーフィルター
において、前記回折格子は1次元の表面レリーフ型回折
格子であり、前記回折格子の回折格子ベクトルはカラー
フィルター面に平行であり、前記回折格子の周期Λ、設
計波長をλ0、回折面を設ける基板の屈折率をnとした
とき、Λ、λ0が、λ0/n<Λ<2λ0/n、0.50
μm<λ0<0.60μmの条件式を満足する構成とす
る。
In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 comprises a diffraction grating, and a white light incident at a predetermined angle with respect to a normal to a diffraction surface of the diffraction grating. In a diffraction type color filter that disperses light by wavelength dispersion, the diffraction grating is a one-dimensional surface relief type diffraction grating, the diffraction grating vector of the diffraction grating is parallel to the color filter surface, and the period of the diffraction grating is Λ, when the design wavelength is λ 0 and the refractive index of the substrate on which the diffraction surface is provided is n, Λ, λ 0 is λ 0 / n <Λ <2λ 0 / n, 0.50
The configuration satisfies the condition of μm <λ 0 <0.60 μm.

【0016】上記構成の回折型カラーフィルターは、波
長オーダーの周期を持つ微細な構造の回折格子からな
る。尚、照明光の利用効率向上を図るために開示されて
いる従来の回折格子は、フォトポリマーや重クロム酸ゼ
ラチンなどを用いた体積型ホログラム回折格子が多く、
ホログラムとしてレリーフ型回折格子も提案されている
が、上記構成のように、表面型レリーフ回折格子を用い
た構成についての具体的な記載はない。このような表面
レリーフ型回折格子を用いた場合の最適な構成は、従来
の回折格子と異なる。
The diffraction type color filter having the above-mentioned structure is composed of a diffraction grating having a fine structure having a period on the order of wavelength. Conventional diffraction gratings disclosed for improving the utilization efficiency of illumination light are often volume hologram diffraction gratings using a photopolymer or gelatin dichromate.
Although relief-type diffraction gratings have also been proposed as holograms, there is no specific description of a configuration using a surface-type relief diffraction grating as in the above configuration. The optimum configuration when such a surface relief type diffraction grating is used is different from a conventional diffraction grating.

【0017】請求項2に記載の発明は、請求項1に記載
の回折型カラーフィルターにおいて、前記回折格子は2
値のバイナリー格子であり、格子の高さhは0.5<h
/Λ<2.5を満足する構成とする。
According to a second aspect of the present invention, there is provided the diffraction type color filter according to the first aspect, wherein the diffraction grating comprises
Is a binary grid of values, where the grid height h is 0.5 <h
/Λ<2.5.

【0018】上記構成の回折型カラーフィルターは、格
子の高さが波長程度と非常に薄い回折格子からなる。
The diffraction type color filter having the above-mentioned structure is composed of a diffraction grating whose grating height is as thin as about a wavelength.

【0019】請求項3に記載の発明は、請求項1または
2に記載の回折型カラーフィルターにおいて、前記回折
格子は、略平行の白色光が回折面の法線に対して略30
度の傾きを有して入射するように配置されている構成と
する。
According to a third aspect of the present invention, in the diffractive color filter according to the first or second aspect, the diffraction grating is configured so that substantially parallel white light is emitted by approximately 30 degrees with respect to a normal to a diffraction surface.
The configuration is such that the light is incident with a degree of inclination.

【0020】上記構成の回折型カラーフィルターは、白
色光の入射角が略30度であり、Gの光の出射角度を略
同じ角度とするように構成できる。このような構成にお
いては、不要な高次回折光がほとんど発生しない。
The diffractive color filter having the above configuration can be configured so that the incident angle of white light is approximately 30 degrees and the emission angles of G light are approximately the same. In such a configuration, unnecessary high-order diffracted light hardly occurs.

【0021】請求項4に記載の発明は、請求光1乃至3
いずれかに記載の回折型カラーフィルターにおいて、前
記回折格子の断面形状は略矩形波状である構成とする。
According to the fourth aspect of the present invention, there are provided the first to third aspects of the present invention.
In any one of the diffractive color filters described above, a cross-sectional shape of the diffraction grating is substantially rectangular.

【0022】請求項5に記載の発明は、入射する光束に
対して光変調処理を施す液晶表示素子と、前記液晶表示
素子に与える照明光を発光する白色光源と、前記照明光
を互いに異なる波長域を有する光束に分割する光束分割
手段と、前記液晶表示素子により光変調処理を施された
光束を投影する投影光学系とを有する液晶表示装置にお
いて、前記光束分割手段は請求項1乃至4いずれかに記
載の回折型カラーフィルターからなり、さらに前記回折
型カラーフィルターと前記液晶表示素子の間にマイクロ
レンズアレイが配置されている構成とする。
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a liquid crystal display device for performing a light modulation process on an incident light beam, a white light source for emitting illumination light to be applied to the liquid crystal display device, and a light source having different wavelengths. 5. A liquid crystal display device comprising: a light beam splitting unit for splitting a light beam having a region; and a projection optical system for projecting a light beam subjected to light modulation processing by the liquid crystal display element, wherein the light beam splitting unit is any one of claims 1 to 4. And a microlens array is arranged between the diffractive color filter and the liquid crystal display element.

【0023】上記構成においては、例えばマイクロレン
ズアレイを、Gの回折光が垂直に入射するように配置す
る。このように配置すると、マイクロレンズアレイによ
り各色の光を液晶表示素子の対応する画素上に集光する
ことができる。
In the above configuration, for example, the microlens array is arranged so that the diffracted light of G is incident vertically. With this arrangement, light of each color can be focused on the corresponding pixel of the liquid crystal display element by the microlens array.

【0024】[0024]

【発明の実施の形態】以下、本発明の回折型カラーフィ
ルター及びそれを用いた表示装置について、実施の形態
に基づいて説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A diffraction type color filter according to the present invention and a display device using the same will be described below based on embodiments.

【0025】〈第1の実施形態〉図1は、本実施形態の
1次元の表面レリーフ型回折格子からなる回折型カラー
フィルター1の断面図である。カラーフィルター1は、
その断面形状が、矩形波状である。h、Λはそれぞれ格
子の高さ、周期である。λ0を設計波長、nを回折面を
設ける基板3の屈折率とすると、h、Λ、λ0は、以下
の条件式を満足するものとする。 λ0/n<Λ<2λ0/n ・・・・(1) 0.50μm<λ0<0.60μm ・・・・(2) 0.5<h/Λ<2.5 ・・・・(3)
<First Embodiment> FIG. 1 is a cross-sectional view of a diffraction type color filter 1 comprising a one-dimensional surface relief type diffraction grating of this embodiment. Color filter 1
Its cross-sectional shape is a rectangular wave shape. h and Λ are the height and period of the grating, respectively. Assuming that λ 0 is the design wavelength and n is the refractive index of the substrate 3 on which the diffraction surface is provided, h, Λ, and λ 0 satisfy the following conditional expressions. λ 0 / n <Λ <2λ 0 / n (1) 0.50 μm <λ 0 <0.60 μm (2) 0.5 <h / Λ <2.5... (3)

【0026】条件式(1)は格子周期の大きさを規制す
るもので、上限を超えると、設計波長λ0においても、
0次および1次以外の高次光が発生し、回折効率が低下
する。一方、下限を超えると、0次光のみになり回折光
がなくなってしまう。
Conditional expression (1) regulates the size of the grating period. When the value exceeds the upper limit, even at the design wavelength λ 0 ,
Higher-order light other than the 0th and 1st order is generated, and the diffraction efficiency is reduced. On the other hand, when the value exceeds the lower limit, only the zero-order light is generated and the diffracted light disappears.

【0027】条件式(2)は設計波長を規制するもの
で、下限を超えると、Rでの回折効率の低下が大きくな
る。また、上限を超えると、Bでの回折効率の低下が大
きくなる。
Conditional expression (2) regulates the design wavelength. If the lower limit of the condition is exceeded, the reduction in the diffraction efficiency at R becomes large. In addition, when the value exceeds the upper limit, the reduction in diffraction efficiency in B becomes large.

【0028】条件式(3)は、格子の高さを規制するも
ので、上限を超えると、回折効率の入射角度や波長によ
る依存性が大きくなる。また、下限を超えると、回折効
率が非常に小さくなってしまう。
Conditional expression (3) regulates the height of the grating. If the value exceeds the upper limit, the dependence of the diffraction efficiency on the incident angle and the wavelength becomes large. If the lower limit is exceeded, the diffraction efficiency will be very low.

【0029】本実施形態のカラーフィルター1の回折格
子面を構成する2つの媒質2、3のうち媒質2は空気で
ある。空気であることにより、薄い回折格子でも高い屈
折率変調量を確保でき、ひいては高い回折効率を得るこ
とができる。もう一方の媒質3である基板の屈折率をn
とすると、nは以下の条件式を満たすことが望ましい。 n≦1.8 ・・・・(4) 上限を超えると、格子周期が小さくなり製造が困難とな
る。
The medium 2 of the two media 2 and 3 constituting the diffraction grating surface of the color filter 1 of the present embodiment is air. By using air, a high refractive index modulation amount can be secured even with a thin diffraction grating, and a high diffraction efficiency can be obtained. The refractive index of the substrate, which is the other medium 3, is n
Then, it is desirable that n satisfies the following conditional expression. n ≦ 1.8 (4) If the upper limit is exceeded, the grating period becomes small, and the production becomes difficult.

【0030】本実施形態のカラーフィルター1は、fill
ing factor(回折格子部分の屈折率の高い部分と低い部
分の幅の比)を0.5、設計波長を0.55μm(条件
式(2)を満たす)、格子の周期を0.55μmとし
た。
The color filter 1 of the present embodiment has a fill
The ing factor (the ratio of the width of the high refractive index portion to the low refractive index portion of the diffraction grating portion) was 0.5, the design wavelength was 0.55 μm (satisfies the conditional expression (2)), and the grating period was 0.55 μm. .

【0031】回折型カラーフィルター1の作用を図2に
示す。本実施形態の回折型カラーフィルター1は、回折
面の法線に対して30゜の入射角度で入射する白色光を
波長分散させるように構成されている。よって、回折型
カラーフィルター1は、光源からの略平行の白色光が略
30゜の入射角度で入射するように配置する。入射した
白色光は、回折型カラーフィルター1により、回折作用
を受けて、Gの光はカラーフィルター1に対して略30
゜の角度で出射され、RおよびBについては、Gに対し
て略±10゜の角度で出射される。
FIG. 2 shows the operation of the diffraction type color filter 1. The diffraction type color filter 1 of the present embodiment is configured to disperse the wavelength of white light incident at an incident angle of 30 ° with respect to the normal to the diffraction surface. Therefore, the diffraction type color filter 1 is arranged such that substantially parallel white light from the light source is incident at an incident angle of about 30 °. The incident white light is diffracted by the diffraction type color filter 1, and the G light is applied to the color filter 1 by about 30 times.
The light is emitted at an angle of ゜, and R and B are emitted at an angle of approximately ± 10 ° with respect to G.

【0032】図3に、回折方向のGの光のベクトルダイ
アグラムを示す。図中ρは入射光の伝搬ベクトル、σは
回折光ベクトル、Kは回折ベクトルを表す。尚、|ρ
|、|σ|はそれぞれ2π/λとなり、|K|は2π/
Λであるので、本実施形態のカラーフィルター1におい
ては、λ=Λであるので|ρ|=|K|となり、ρ、
σ、Kを3辺とする三角形は正三角形となる。
FIG. 3 shows a vector diagram of G light in the diffraction direction. In the figure, ρ represents a propagation vector of incident light, σ represents a diffracted light vector, and K represents a diffraction vector. Note that | ρ
| And | σ | are 2π / λ, respectively, and | K |
、, and in the color filter 1 of the present embodiment, λ = Λ, so that | ρ | = | K |
A triangle having three sides of σ and K is an equilateral triangle.

【0033】このようなベクトルダイアグラムとなる場
合、G、Rの光の回折光は、0次と1次のみとなり、−
1次や2次といった高次回折光がほとんど発生しない。
Rの光については、1次の回折効率が100%に満たな
いわずかに低下した分が0次光として発生するが、それ
以外の高次光はほとんど発生しない。
In the case of such a vector diagram, the diffracted lights of the G and R lights are only the 0th order and the 1st order.
High-order diffracted light such as first-order or second-order light hardly occurs.
For the R light, a slightly reduced first-order diffraction efficiency of less than 100% is generated as the 0-order light, but other high-order light is hardly generated.

【0034】また、Bの光については、1次の回折効率
が100%に満たないわずかに低下した分が2次光、0
次光として発生するが、それ以外の高次光はほとんど発
生しない。したがって、R、G、B各波長の光におい
て、高い回折効率を得ることができる。
As for the B light, the slightly reduced primary diffraction efficiency of less than 100% corresponds to the secondary light and 0%.
Although it is generated as a secondary light, other high-order light is hardly generated. Therefore, high diffraction efficiency can be obtained for light of each wavelength of R, G, and B.

【0035】回折型カラーフィルター1と同様の構成の
回折格子の、400nm〜700nmの波長範囲におけるS
偏光に対する回折効率を計算によって求めた。尚、計算
には、近似式ではなく、ベクトル解析理論に基づく厳密
な手法RCWA(Rigorous Coupled Wave Analysis)を
用いた。
The diffraction grating having the same structure as that of the diffraction type color filter 1 has an S in a wavelength range of 400 nm to 700 nm.
The diffraction efficiency for polarized light was calculated. Note that a rigorous method based on vector analysis theory, RCWA (Rigorous Coupled Wave Analysis), was used for the calculation instead of the approximate expression.

【0036】回折効率は、回折格子の基板屈折率が1.
52、格子の高さが0.88μmであるときに最適であ
ったので、本実施形態のカラーフィルター1の各値もこ
の最適値を採用して構成されている。つまり、n=1.
5、h=0.88μmである。尚、基板屈折率nが1.
52であるので、本実施形態のΛは条件式(1)を満た
し、格子の高さhも条件式(3)を満たす。
The diffraction efficiency is such that the refractive index of the substrate of the diffraction grating is 1.
52, since the optimal value was obtained when the height of the grating was 0.88 μm, each value of the color filter 1 of the present embodiment is also configured by adopting this optimal value. That is, n = 1.
5, h = 0.88 μm. Note that the substrate refractive index n is 1.
Since it is 52, Λ in this embodiment satisfies conditional expression (1), and the height h of the grid also satisfies conditional expression (3).

【0037】図4に、本実施形態の回折型カラーフィル
ター1におけるRCWAにより求めた回折効率η1の波
長(λ)依存性の計算値を示す。比較のために、従来の
単層ホログラムを用いたカラーフィルタにおける回折効
率η1の波長(λ)依存性の計算値を図5に示す。図5
には、屈折率n=1.52、厚みd=6μm、波長λ=
0.55μmで最適化したときの、Kogelnikの式による
計算値を示す。図4、図5からわるように、本実施形態
のカラーフィルター1は、従来のものより回折効率の波
長依存性が少なく、かつ回折効率が高い。
FIG. 4 shows the calculated value of the wavelength (λ) dependence of the diffraction efficiency η 1 obtained by RCWA in the diffraction type color filter 1 of this embodiment. For comparison, FIG. 5 shows a calculated value of the wavelength (λ) dependence of the diffraction efficiency η 1 in the color filter using the conventional single-layer hologram. FIG.
Has a refractive index n = 1.52, a thickness d = 6 μm, and a wavelength λ =
The values calculated by the Kogelnik equation when optimizing at 0.55 μm are shown. 4 and 5, the color filter 1 of the present embodiment has less wavelength dependence of diffraction efficiency and higher diffraction efficiency than the conventional color filter.

【0038】図6に、本実施形態のカラーフィルター1
における回折効率η1の入射角度(θ)による依存性の
計算値を示す。比較のために、図5におけるものと同様
の従来の単層ホログラムを用いたカラーフィルターにお
ける回折効率η1の入射角度(θ)による依存性の計算
値を図7に示す。
FIG. 6 shows a color filter 1 of this embodiment.
7 shows the calculated value of the dependence of the diffraction efficiency η 1 on the incident angle (θ) at. For comparison, FIG. 7 shows a calculated value of the dependence of the diffraction efficiency η 1 on the incident angle (θ) in a color filter using a conventional single-layer hologram similar to that in FIG.

【0039】図7より明かなように、従来のものは、±
5゜の入射角度の変化でも、回折効率が大きく低下す
る。したがって、入射する白色光は平行度の高いものが
求められる。しかし、光源は有限の大きさを持ってお
り、完全に平行にするのは難しい。一方、図6からわか
るように、本実施形態のカラーフィルター1は、従来ほ
ど回折効率の入射角度による依存性が高くないので、光
源の大きさはほとんど問題とならない。
As is clear from FIG.
Even with a change of the incident angle of 5 °, the diffraction efficiency is greatly reduced. Therefore, the incident white light is required to have high parallelism. However, the light source has a finite size and it is difficult to make it completely parallel. On the other hand, as can be seen from FIG. 6, in the color filter 1 of the present embodiment, the dependence of the diffraction efficiency on the incident angle is not as high as in the conventional color filter, so that the size of the light source hardly matters.

【0040】本実施形態の回折型カラーフィルター1
は、1次元の表面レリーフ型回折格子であって、格子ベ
クトルはカラーフィルター面に平行なものであるが、入
射光と回折光のなす角度が略60゜となるような構成で
あれば、上記構成に限定されない。しかし、そのような
構成は、製造が困難なので、本実施形態の構成が有利で
ある。
The diffraction type color filter 1 of the present embodiment
Is a one-dimensional surface relief type diffraction grating, and the grating vector is parallel to the color filter surface. However, if the angle between incident light and diffracted light is approximately 60 °, The configuration is not limited. However, since such a configuration is difficult to manufacture, the configuration of the present embodiment is advantageous.

【0041】回折型カラーフィルター1の基板材料は、
使用波長領域において、十分な透過域を有する部材であ
れば、ガラス、プラスチック、光学結晶など特に限定す
るものではない。
The substrate material of the diffraction type color filter 1 is as follows.
There is no particular limitation on glass, plastic, optical crystals, and the like as long as the member has a sufficient transmission range in the wavelength region to be used.

【0042】回折型カラーフィルター1は、最先端の半
導体製造装置によるリソグラフィー技術(EUV、電子
ビーム、X線など)を用いて形成することができる。ま
た、表面レリーフ型であるために、ホログラムとは異な
り、マスターから金型を製作することにより、プラスチ
ックやガラスなどによる成形が可能である。
The diffraction type color filter 1 can be formed by using a lithography technique (EUV, electron beam, X-ray, etc.) using a state-of-the-art semiconductor manufacturing apparatus. Also, unlike a hologram, it is possible to mold with plastic, glass, or the like by manufacturing a mold from a master, unlike a hologram.

【0043】〈第2の実施形態〉図8に、本発明の実施
形態の液晶表示装置4の概略構成図を示す。尚、液晶表
示装置4に用いられている回折型カラーフィルター1
は、第1の実施形態のものと同様の構成であるので説明
を省略する。
<Second Embodiment> FIG. 8 is a schematic structural view of a liquid crystal display device 4 according to an embodiment of the present invention. The diffraction type color filter 1 used in the liquid crystal display device 4
Has the same configuration as that of the first embodiment, and a description thereof will be omitted.

【0044】光源5で発光された白色光は、一部は光源
5から直接、残りはリフレクター6で反射されて略平行
光とされた後、回折型カラーフィルター1に与えられ
る。尚、回折型カラーフィルター1は、光源5、及びリ
フレクター6からの略平行光が回折格子の法線に対して
略30゜の入射角度で入射するように配置されている。
A part of the white light emitted from the light source 5 is directly reflected from the light source 5, and the rest is reflected by the reflector 6 to be converted into substantially parallel light, and then applied to the diffraction type color filter 1. The diffractive color filter 1 is arranged such that substantially parallel light from the light source 5 and the reflector 6 is incident at an incident angle of about 30 ° with respect to the normal line of the diffraction grating.

【0045】回折型カラーフィルター1によって回折さ
れたGの光は、回折格子の法線に対して−30゜の方向
に曲げられ、RおよびBの光はGの光に対して所定の角
度分光される。分光されたR、G、Bの光は、カラーフ
ィルター1の回折ベクトルに対して略30度、Gの回折
光に対して略垂直に配置されている液晶表示手段10に
入射する。
The G light diffracted by the diffraction type color filter 1 is bent in the direction of -30 ° with respect to the normal to the diffraction grating, and the R and B lights are separated by a predetermined angle with respect to the G light. Is done. The separated R, G, and B lights are incident on the liquid crystal display unit 10 which is disposed at approximately 30 degrees with respect to the diffraction vector of the color filter 1 and substantially perpendicularly with respect to the G diffracted light.

【0046】液晶表示手段10は、光源5側にマイクロ
レンズアレイ7を有し、分光されたR、G、Bの光はそ
れぞれマイクロレンズアレイ7のマイクロレンズによ
り、液晶表示素子8の対応する画素8aに集光される。
各画素8aで光変調処理を施された光は、投影光学系9
により投影面に投影される。本実施形態の液晶表示装置
4のような回折型カラーフィルター1を用いることによ
り、吸収型カラーフィルターを用いた場合と比較して、
大幅に光の利用効率を向上できる。
The liquid crystal display means 10 has a microlens array 7 on the side of the light source 5, and the separated R, G, and B lights are respectively transmitted to the corresponding pixels of the liquid crystal display element 8 by the microlenses of the microlens array 7. 8a.
The light that has been subjected to the light modulation processing in each pixel 8 a is transmitted to the projection optical system 9.
Is projected on the projection surface. By using the diffraction type color filter 1 like the liquid crystal display device 4 of the present embodiment, compared with the case of using the absorption type color filter,
Light utilization efficiency can be greatly improved.

【0047】尚、光源5からの白色光は、カラーフィル
ター1に入射する前に、偏光変換光学系などによって偏
光の向きを揃えるような構成とすることが望ましい。こ
のようにすると、一方の偏光の光を無駄にすることがな
くなり望ましい。偏光の向きを揃える構成とする場合
は、偏光方向はS偏光であることが望ましい。回折格子
は、偏光の向きで回折効率に変化が生じるが、本実施形
態のような薄い回折格子においては、S偏光に対する方
が高い回折効率が得られる。更に、カラーフィルター1
は、反射防止膜が形成されている構成である方が望まし
い。
It is desirable that the white light from the light source 5 be arranged such that the polarization directions thereof are aligned by a polarization conversion optical system or the like before entering the color filter 1. This is desirable because light of one polarized light is not wasted. In the case of a configuration in which the polarization directions are aligned, it is desirable that the polarization direction be S-polarization. The diffraction efficiency of the diffraction grating changes depending on the direction of the polarized light. However, in the case of a thin diffraction grating as in the present embodiment, a higher diffraction efficiency is obtained for S-polarized light. Furthermore, color filter 1
Is desirably a configuration in which an antireflection film is formed.

【0048】また、液晶表示手段10の各画素8の前面
に、対応する吸収型カラーフィルターを設けるようにし
てもよい。このようにすると、例えば隣の画素8に入射
する不必要な色の光が入るのを防ぐことができる。
A corresponding absorption type color filter may be provided on the front surface of each pixel 8 of the liquid crystal display means 10. In this way, for example, it is possible to prevent light of an unnecessary color from entering the adjacent pixel 8.

【0049】[0049]

【発明の効果】本発明によれば、波長オーダーの周期を
持つ微細な回折格子で、かつブラッグ条件を略満足しな
がら、格子の高さが波長程度と非常に薄い回折格子を用
いた回折型カラーフィルターを構成できる。よって、高
い回折効率を有し、回折効率の波長依存性、角度依存性
が小さい回折格子からなる回折型カラーフィルターの実
現が可能である。
According to the present invention, a diffraction grating using a diffraction grating which is a minute diffraction grating having a period on the order of a wavelength and which has a grating height as thin as about a wavelength, while substantially satisfying the Bragg condition. A color filter can be configured. Therefore, it is possible to realize a diffraction type color filter including a diffraction grating having high diffraction efficiency and small wavelength dependence and small angle dependence of the diffraction efficiency.

【0050】また、表面レリーフ型の簡単な構造で、か
つ回折格子をブレーズ化せずに構成できるので、簡単に
作成できる。さらに、表面レリーフ型であるために、マ
スターから金型を製作して、プラスチックやガラスによ
る成形が可能であるために、大量生産に適している。し
たがって、製造コストの低下を図れる。
Further, since the diffraction grating can be formed with a simple structure of a surface relief type without forming a diffraction grating, it can be easily formed. Furthermore, since it is a surface relief mold, it is suitable for mass production because a mold can be manufactured from a master and molded with plastic or glass. Therefore, the manufacturing cost can be reduced.

【0051】また、この回折型カラーフィルターとマイ
クロレンズアレイと液晶表示素子を適切に配置すること
により、カラーバランスの優れた明るい表示装置が可能
となる。
By appropriately arranging the diffractive color filter, the microlens array, and the liquid crystal display element, a bright display device with excellent color balance can be realized.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 第1の実施形態の回折型カラーフィルターの
断面図。
FIG. 1 is a sectional view of a diffraction type color filter according to a first embodiment.

【図2】 第1の実施形態の回折型カラーフィルターの
作用を示す図。
FIG. 2 is a view showing the operation of the diffraction type color filter of the first embodiment.

【図3】 回折方向のGの光のベクトルダイアグラムを
示す図。
FIG. 3 is a diagram showing a vector diagram of G light in a diffraction direction.

【図4】 第1の実施形態の回折型カラーフィルターの
回折効率の波長依存性の計算値を示す図。
FIG. 4 is a diagram showing a calculated value of the wavelength dependence of the diffraction efficiency of the diffraction type color filter of the first embodiment.

【図5】 従来の単層ホログラムを用いたカラーフィル
ターの回折効率の波長依存性の計算値を示す図。
FIG. 5 is a diagram showing a calculated value of wavelength dependence of diffraction efficiency of a color filter using a conventional single-layer hologram.

【図6】 第1の実施形態の回折型カラーフィルターの
回折効率の角度依存性の計算値を示す図。
FIG. 6 is a diagram showing a calculated value of the angle dependence of the diffraction efficiency of the diffraction type color filter of the first embodiment.

【図7】 従来の単層ホログラムを用いたカラーフィル
ターの回折効率の角度依存性の計算値を示す図。
FIG. 7 is a diagram showing a calculated value of the angle dependence of the diffraction efficiency of a color filter using a conventional single-layer hologram.

【図8】 第2の実施形態の液晶表示装置の概略構成
図。
FIG. 8 is a schematic configuration diagram of a liquid crystal display device according to a second embodiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 回折型カラーフィルター 3 基板 4 液晶表示装置 5 光源 6 リフレクター 7 マイクロレンズアレイ 8 液晶表示素子 9 投影光学系 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Diffraction type color filter 3 Substrate 4 Liquid crystal display device 5 Light source 6 Reflector 7 Micro lens array 8 Liquid crystal display element 9 Projection optical system

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 回折格子からなり、該回折格子の回折面
の法線に対して所定の角度で入射する白色光を波長分散
させて分光する回折型カラーフィルターにおいて、 前記回折格子は1次元の表面レリーフ型回折格子であ
り、 前記回折格子の回折格子ベクトルはカラーフィルター面
に平行であり、 前記回折格子の周期Λ、設計波長をλ0、回折面を設け
る基板の屈折率をnとしたとき、Λ、λ0が、 λ0/n<Λ<2λ0/n、 0.50μm<λ0<0.6
0μm の条件式を満足することを特徴とする回折型カラーフィ
ルター。
1. A diffractive color filter comprising a diffraction grating, which disperses and separates the wavelength of white light incident at a predetermined angle with respect to the normal to the diffraction surface of the diffraction grating, wherein the diffraction grating is one-dimensional. A surface relief type diffraction grating, wherein a diffraction grating vector of the diffraction grating is parallel to a color filter surface, and a period の of the diffraction grating, a design wavelength is λ 0 , and a refractive index of a substrate on which a diffraction surface is provided is n. , Λ, λ 0 , λ 0 / n <Λ <2λ 0 / n, 0.50 μm <λ 0 <0.6
A diffraction type color filter satisfying a conditional expression of 0 μm.
【請求項2】 前記回折格子は2値のバイナリー格子で
あり、格子の高さhが、 0.5<h/Λ<2.5 の条件式を満足することを特徴とする請求項1に記載の
回折型カラーフィルター。
2. The diffraction grating according to claim 1, wherein the diffraction grating is a binary binary grating, and a height h of the grating satisfies a conditional expression of 0.5 <h / Λ <2.5. The diffraction type color filter according to the above.
【請求項3】 前記回折格子は、略平行の白色光が回折
面の法線に対して略30度の傾きを有して入射するよう
に配置されていることを特徴とする請求項1または2に
記載の回折型カラーフィルター。
3. The diffraction grating according to claim 1, wherein the diffraction grating is arranged such that substantially parallel white light is incident with an inclination of about 30 degrees with respect to a normal line of the diffraction surface. 3. The diffraction type color filter according to 2.
【請求項4】 前記回折格子の断面形状は略矩形波状で
あることを特徴とする請求項1乃至3いずれかに記載の
回折型カラーフィルター。
4. The diffraction type color filter according to claim 1, wherein a cross-sectional shape of the diffraction grating is substantially rectangular.
【請求項5】 入射する光束に対して光変調処理を施す
液晶表示素子と、前記液晶表示素子に与える照明光を発
光する白色光源と、前記照明光を互いに異なる波長域を
有する光束に分割する光束分割手段と、前記液晶表示素
子により光変調処理を施された光束を投影する投影光学
系とを有する液晶表示装置において、 前記光束分割手段は請求項1乃至4いずれかに記載の回
折型カラーフィルターからなり、さらに前記回折型カラ
ーフィルターと前記液晶表示素子の間にマイクロレンズ
アレイが配置されていることを特徴とする液晶表示装
置。
5. A liquid crystal display device that performs light modulation processing on an incident light beam, a white light source that emits illumination light to be applied to the liquid crystal display device, and divides the illumination light into light beams having different wavelength ranges. 5. A liquid crystal display device comprising a light beam splitting means and a projection optical system for projecting a light beam subjected to light modulation processing by the liquid crystal display element, wherein the light beam splitting means is a diffractive color according to any one of claims 1 to 4. A liquid crystal display device comprising: a filter; and a microlens array disposed between the diffraction type color filter and the liquid crystal display element.
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