JPH11271516A - 回折型カラーフィルター及びそれを用いた液晶表示装置 - Google Patents
回折型カラーフィルター及びそれを用いた液晶表示装置Info
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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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Abstract
(57)【要約】
【課題】 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。 【解決手段】 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．
６０μmの条件式を満足する構成とする。
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。 【解決手段】 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．
６０μmの条件式を満足する構成とする。
Description
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【０００８】 η＝sin2｛（ν2＋ξ2）1/2／（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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
子の高さが波長程度と非常に薄い回折格子からなる。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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）
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）
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【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。
断面図。
【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。
作用を示す図。
【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。
示す図。
【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。
回折効率の波長依存性の計算値を示す図。
【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。
ターの回折効率の波長依存性の計算値を示す図。
【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。
回折効率の角度依存性の計算値を示す図。
【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。
ターの回折効率の角度依存性の計算値を示す図。
【図８】 第２の実施形態の液晶表示装置の概略構成
図。
図。
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
Claims (5)
- 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7902998A JPH11271516A (ja) | 1998-03-26 | 1998-03-26 | 回折型カラーフィルター及びそれを用いた液晶表示装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7902998A JPH11271516A (ja) | 1998-03-26 | 1998-03-26 | 回折型カラーフィルター及びそれを用いた液晶表示装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11271516A true JPH11271516A (ja) | 1999-10-08 |
Family
ID=13678514
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7902998A Pending JPH11271516A (ja) | 1998-03-26 | 1998-03-26 | 回折型カラーフィルター及びそれを用いた液晶表示装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH11271516A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPWO2004081620A1 (ja) * | 2003-03-13 | 2006-06-15 | 旭硝子株式会社 | 回折素子および光学装置 |
| JP2007041555A (ja) * | 2005-06-27 | 2007-02-15 | Tohoku Univ | カラーフィルタ装置及びその製造方法 |
| JP2009192676A (ja) * | 2008-02-13 | 2009-08-27 | Bridgestone Corp | カラーフィルタの製造方法及びカラーフィルタ |
| CN113138490A (zh) * | 2021-04-23 | 2021-07-20 | 武汉华星光电技术有限公司 | 反射式显示面板 |
-
1998
- 1998-03-26 JP JP7902998A patent/JPH11271516A/ja active Pending
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPWO2004081620A1 (ja) * | 2003-03-13 | 2006-06-15 | 旭硝子株式会社 | 回折素子および光学装置 |
| JP2010262320A (ja) * | 2003-03-13 | 2010-11-18 | Asahi Glass Co Ltd | 回折素子及び光学装置 |
| JP2007041555A (ja) * | 2005-06-27 | 2007-02-15 | Tohoku Univ | カラーフィルタ装置及びその製造方法 |
| JP2009192676A (ja) * | 2008-02-13 | 2009-08-27 | Bridgestone Corp | カラーフィルタの製造方法及びカラーフィルタ |
| CN113138490A (zh) * | 2021-04-23 | 2021-07-20 | 武汉华星光电技术有限公司 | 反射式显示面板 |
| WO2022222189A1 (zh) * | 2021-04-23 | 2022-10-27 | 武汉华星光电技术有限公司 | 反射式显示面板 |
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