(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表示情報を記録した信号光を発する表示器と，透過型ホログラムを形成し所定の角度範囲αから入射した信号光を観者の方向に回折，透過させる指向性を有するホログラムスクリーンと，上記表示器から発せられた信号光を上記ホログラムスクリーンに投射する投光手段とを有する表示装置であって，
上記観者とは反対側である上記ホログラムスクリーンの裏面側には，透光性の反射防止部材が配置されており，
上記反射防止部材は，上記所定の角度範囲αと反対の方向からホログラムスクリーンに入射して回折，透過した第１のノイズ光，または，上記反射防止部材において正反射した光が上記所定の角度範囲αと同一の方向となる第２のノイズ光の入射角度に対して低い反射率を有していることを特徴とする表示装置。
【請求項２】
表示情報を記録した信号光を発する表示器と，反射型ホログラムを形成し所定の角度範囲βから入射した信号光を観者の方向に回折，反射させる指向性を有するホログラムスクリーンと，上記表示器から発せられた信号光を上記ホログラムスクリーンに投射する投光手段とを有する表示装置であって，
上記観者とは反対側である上記ホログラムスクリーンの裏面側には，透光性の反射防止部材が配置されており，
上記反射防止部材は，上記反射防止部材において正反射した光が上記所定の角度範囲βと反対の方向となる第３のノイズ光，または，上記第３のノイズ光がホログラムで回折，反射した第４のノイズ光の入射角度に対して低い反射率を有していることを特徴とする表示装置。
【請求項３】
表示情報を記録した信号光を発する表示器と，所定の方向に直線偏光した光に対して高い回折効率を有すると共に所定の角度範囲から入射した信号光を観者の方向に回折させる指向性を有する透過型又は反射型のホログラムスクリーンと，上記表示器から発せられた信号光を上記ホログラムスクリーンに投射する投光手段とを有する表示装置であって，
上記ホログラムスクリーンの少なくとも上記観者側である前面側には，偏光光学素子が貼り合わされており，この偏光光学素子は，上記ホログラムスクリーンが高い回折効率を有する上記所定の直線偏光光を選択的に透過させることを特徴とする表示装置。
【請求項４】
請求項１または請求項２記載の表示装置において，更に，前記ホログラムスクリーンは，所定の方向に直線偏光した光に対して高い回折効率を有しており，上記ホログラムスクリーンの上記観者側である前面側には請求項３記載の偏光光学素子を配置してあることを特徴とする表示装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか１項において，前記ホログラムスクリーンに入射及び出射する正規の信号光の光路を妨げることがないように，上記ホログラムスクリーンの周りを光吸収部材で覆ってあることを特徴とする表示装置。
【請求項６】
請求項１，請求項３〜請求項５のいずれか１項において，前記ホログラムスクリーンは透過型であり，前記投光手段は，信号光を上記ホログラムスクリーンの斜め上方または斜め下方から投射するための反射光学素子を設けてあり，表示装置の各構成要素を上記ホログラムスクリーンの縦横寸法とほぼ同一の大きさのケースに収容してあることを特徴とする表示装置。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか１項において，前記表示器は，液晶デバイスと，この液晶デバイスに所定の方向から光を照射する光源とを有していることを特徴とする表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
本発明は，ホログラムスクリーンを用いた表示装置に関するものであり，特に観者の目に入るノイズ光を抑制し，表示像のコントラストを高めることの出来る表示装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
スクリーン上に像を結像させる表示装置として，液晶を用いたプロジェクタ投射型の表示装置が知られている。このタイプの表示装置は，透過型または反射型の液晶に所定の方向から光を照射し，液晶に形成された像を記録した信号光を放射させる。そして，この信号光の表示像を結像レンズ等を介してスクリーン上に結像させ，スクリーンから発せられる表示像の透過散乱光または反射散乱光を観者に視認させるものである。
【０００３】
また，液晶プロジェクタに代えてＣＲＴプロジェクタ等を用い，Ｒ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（赤）の３色のビームを放射してスクリーン上に表示像を結像させるものもある。
上記のように通常のスクリーンを用いた表示装置は，明るい環境下においては，周囲からスクリーン上に入射する光により表示像のコントラストが低下するという問題がある。従って，上記表示装置は，環境からの照度が低い限定された場所でしか使用できない。
【０００４】
このような問題に対処するために，ホログラム素子をスクリーンに利用し，ホログラムの回折により，特定の方向から入射した特定の光に対してのみ散乱体としてのスクリーンの特性を発揮させる方法が提案されている。即ち，散乱体を記録したホログラム素子をスクリーンとして利用し，特定の方向から入射した照射光（信号光）に対してのみ光を散乱し，その他の方向から入射する光は透過または正反射させる。
【０００５】
その結果，周囲の光の殆どはスクリーン上で散乱せず，従ってスクリーンの背景の輝度が高まるということがなくなり，表示像のコントラストが向上する（特開平５−３３３４３５号公報参照）。
また，ホログラムスクリーンを用いる上記構成に加えて，更に，外光を吸収する外光吸収手段（黒色塗料など）をホログラムスクリーンの内側に設け，これによって外光を吸収するという方法が提案されている（特開平５−８８０２０号公報参照）。
【０００６】
【解決しようとする課題】
ホログラムスクリーンを用いた表示装置には上記のように表示像の背景に対するコントラストを向上させるという利点がある。しかしながら，ホログラムスクリーンと外気との間またはホログラムスクリーンの構成部材間において，屈折率の異なる境界面における反射が発生し，この反射光の一部が観者の方向に進行し，これによって表示像のコントラストを低下させ像を見にくくするという問題が依然として残されている。
とくに，太陽光や照明灯などの強い外光の存在する環境下では，上記反射光ノイズによるコントラストの低下は顕著になる。
【０００７】
図５に示すように，反射型ホログラムを用いたホログラムスクリーン９１の場合には，プロジェクタ９３から放射される信号光３１は，ホログラム９１０で回折，反射されて正規の回折光３１１として観者８１の目に入射する。しかしながら，特定の方向から入射したノイズ外光３９０は，ホログラム９１０を挟持する基板９１１，９１２及びホログラム９１０を透過した後，基板９１２と外気との界面９１３で反射し，この第一反射光３９１のホログラム９１０への入射角度が信号光３１の入射角度と反対方向（１８０度差）に一致すると，この第１反射光３９１のノイズ回折光３９２は，信号光３１の正規の回折光３１１と反対方向に向かって進むことになる。
【０００８】
そして，このノイズ回折光３９２が，再び界面９１３で反射され，観者８１に視認される有害ノイズ光３９３となる。なお，この場合，ノイズ光３９３は，回折による反射を含めて合計３回の反射を経て観者８１の目に達するが，太陽光などの外光は極めて強い光であるから，３回の反射後といえども依然として強い強度を有しており，表示像のコントラストを大幅に低下させる。
【０００９】
一方，図６に示すように，透過型ホログラムを用いたホログラムスクリーン９２の場合には，プロジェクタ（図示省略）から放射される信号光３１は，ホログラム９２０で回折して透過し正規の回折光３１１として観者８１の目に入射する。しかしながら，特定の方向から入射した外光３９４の一部は，ホログラム９２０を挟持する基板９１１を透過し，そのホログラム９２０への入射角度が信号光３１の入射角度と反対方向（１８０度差）に一致すると，この外光３９４の回折ノイズ光３９５は，信号光３１の正規の回折光３１１と反対方向に向かって進むことになる。そして，この回折ノイズ光３９５が，再び界面９１３で反射され，観者８１に視認される有害ノイズ光３９６となり，同様に表示像のコントラストを低下させる。
【００１０】
また，外部の物体９５等で反射された他の外光ノイズ３９７が，ホログラム９２０を挟持する基板９１１，９１２及びホログラム９２０を透過した後，基板９１２と外気との界面９１３で反射し，この反射ノイズ光３９８のホログラム９２０への入射角度が信号光３１のホログラム９２０への入射角度と一致すると，この反射ノイズ光３９８の回折ノイズ光３９９は，信号光３１の回折光３１１と同一の方向に向かって進むようになり，観者８１に視認される他の有害ノイズ光となり，同様に表示像のコントラストを低下させる。
【００１１】
本発明は，かかる従来の問題点に鑑みてなされたものであり，外光によって生ずる有害なノイズ光を抑制し表示像のコントラストを高めることの出来る，ホログラムスクリーンを用いた表示装置を提供しようとするものである。
【００１２】
【課題の解決手段】
本願の請求項１の発明にかかる表示装置は，透過型のホログラムスクリーンの裏面側に透光性の反射防止部材を配置しており，この反射防止部材は，信号光の入射する所定の角度範囲αと反対の方向からホログラムスクリーンに入射して回折，透過した第１のノイズ光（図１及び図６，回折ノイズ光３９５参照）の入射角度，または，上記反射防止部材において正反射した光が上記所定の角度範囲αと同一の方向となる第２のノイズ光（図１及び図６，外光ノイズ光３９７参照）の入射角度に対して低い反射率を有している。
【００１３】
そのため，上記第１のノイズ光が反射されて観者に向かう光（図１，図６，有害ノイズ光３９６参照）及び上記第２のノイズ光が反射，回折されて観者に向かう光（図１，図６，有害ノイズ光３９９）の強度は，大幅に低下する。即ち，本発明によれば，外光によって生ずる有害な背景光を大幅に抑制し，表示像のコントラストを高めることができる。
【００１４】
次に，本願の請求項２の発明にかかる表示装置は，反射型ホログラムムスクリーンの裏面側に透光性の反射防止部材を配置しており，上記反射防止部材は，上記反射防止部材において正反射した光が信号光の入射する所定の角度範囲βと反対の方向となる第３のノイズ光（図３，図５，ノイズ外光３９０参照）または第３のノイズ光がホログラムで回折，反射した第４のノイズ光（図３，図５，ノイズ回折光３９２参照）の入射角度に対して低い反射率を有している。
そのため，上記第３のノイズ光及び第４ノイズ光に起因する有害な背景ノイズ光（図３，図５，有害ノイズ光３９３参照）の強度は大幅に低下し，表示像のコントラストを高めることができる。
【００１５】
次に，本願の請求項３の発明にかかる表示装置は，所定の方向に直線偏光した光に対して高い回折効率を有する透過型又は反射型のホログラムスクリーンを用いており，ホログラムスクリーンの少なくとも前面側には偏光光学素子が配置され，この偏光光学素子は，上記ホログラムスクリーンが高い回折効率を有する所定の直線偏光光を選択的に透過させる。上記偏光光学素子は，例えば，偏光板や偏光フィルム等がある。
【００１６】
そのため，ホログラムスクリーンに向かう少なくとも前面側から来る自然光等の外光は，上記偏光光学素子を透過することから他の偏光成分が除去されて，その強度が数分の１に減少する。例えば，全ての偏光成分を含む太陽光などの外光は，上記偏光光学素子を透過することにより，強度が約３分の１に減衰する。一方，ホログラムで回折する直線偏光光は，上記偏光光学素子があることによって減衰しないから，観者が視認する表示像の輝度は変化しない。即ち，本発明によれば，表示像の輝度をそのままにして，外光によって生ずる有害ノイズ光を低減することができるから，表示像のコントラストを高めることができる。
【００１７】
なお，請求項４記載のように，上記請求項３の発明は，請求項１または請求項２記載の表示装置に適用することができ，両発明の効果を相乗的に発揮させることができる。即ち，ホログラムスクリーンのホログラムを直線偏光した光に対して高い回折効率を有するものにした上で，請求項１または請求項２の表示装置のホログラムスクリーンの少なくとも前面に，上記偏光光学素子を配置することにより，ホログラムスクリーンに入射する外光の強度を入口で減衰させることができるから，一段と有害ノイズ光を低減し，表示像のコントラストを高めること可能となる。
【００１８】
また，請求項５記載のように，請求項１から請求項４の表示装置において，更に，ホログラムスクリーンに入射及び出射する正規の信号光の光路を妨げることがないように，上記ホログラムスクリーンの周りを光吸収部材で覆うことが好ましい。このように構成することによって，反射によってホログラムスクリーンに入射する外光，即ち直接ホログラムスクリーンに入射する外光以外の外光について，更にこれを低減することができるからである。
【００１９】
また，請求項６記載のように，ホログラムスクリーンを透過型とし，かつ投光手段に，信号光を上記ホログラムスクリーンの斜め上方または斜め下方から投射するための反射光学素子を設けると好適である。信号光がホログラムスクリーンの斜め上方または斜め下方から投射されるようにすることにより，ホログラムの０次回折光が観者の目に入らないようにすることができ，かつ上記反射光学素子を配置することにより表示器がホログラムスクリーンの上下からはみ出さないようにすることが出来る（図４参照）。その結果，表示装置の各構成要素を上記ホログラムスクリーンの縦横寸法とほぼ同一の大きさのケースに収容することが出来るようになり，この表示装置を縦横に複数並置または載置することによって，大型の複合表示装置を構成することが可能となる。
【００２０】
なお，表示器には，請求項７記載のように，液晶デバイスと，この液晶デバイスに所定の方向から光を照射する光源とからなるものがある。液晶デバイスは，電気信号を外部から付加することにより，記録された表示像を制御して表示を変更することが出来る。
【００２１】
【発明の実施の形態】
実施形態例１
本例は，図１に示すように，表示情報を記録した信号光３１を発する表示器２８と，透過型ホログラム１１を形成し所定の角度範囲αから入射した信号光３１を観者８１の方向に回折，透過させる指向性を有するホログラムスクリーン１０と，表示器２８から発せられた信号光３１をホログラムスクリーン１０に投射する投光手段（結像レンズ）２９とを有する表示装置１である。
【００２２】
ホログラムスクリーン１０の裏面側には，透光性の反射防止部材２１が配置されており，反射防止部材２１は，上記所定の角度範囲αと反対の方向からホログラムスクリーンに入射して回折，透過した第１のノイズ光３９５の入射角度，または，反射防止部材２１において正反射した光３９８が上記所定の角度範囲αと同一の方向となる第２のノイズ光３９７の入射角度に対して低い反射率を有している。
【００２３】
また，ホログラムスクリーン１０のホログラム１１は，所定の方向に直線偏光した光に対して高い回折効率を有しており，ホログラムスクリーン１０の前面側には，偏光光学素子２２が配置されている。そして，この偏光光学素子２２は，ホログラムスクリーン１０が高い回折効率を有する上記所定の直線偏光光を選択的に透過させる偏光板または偏光フィルムである。
【００２４】
以下，それぞれについて説明を補足する。
表示器２８は，光源２８１と，像を記録した液晶素子２８２と，光源２８１から放射された発散光を平行光に変換するリフレクタ２８３とを有する。
ホログラムスクリーン１０は，図１に示すように，ホログラム１１を透明性の基板１２，１３で挟持したものである。
【００２５】
ホログラム１１は透明な透過型のホログラムであり，０次の回折光が観者８１の目に入らないようにするために，斜め下方の結像レンズ２９から信号光３１をホログラム１１に照射し，照射される信号光３１の角度を回折により曲げて，略水平の方向を中心に回折光３１１を散乱させて観者８１に表示像を視認させる（図４符号３１１参照）。信号光３１と回折光３１１の間の上記曲げ角は，ホログラムスクリーン１０の中心部において約３０〜４０°である。
【００２６】
ホログラム１１は，図２に示す光学系によって干渉縞を形成したものであり，感光材５１は重クロム酸ゼラチンであり，記録される物体は♯１０００程度の表面粗さ（照射光の波長近傍の表面粗さ）を有する擦りガラス４０である。
即ち，レーザー光源４１から放射されたコヒーレントな光３５をミラー４２で光路を曲げたのち，ハーフミラー４３で物体光３６に向かう光路と参照光３７に向かう光路に分割する。そして，一方（紙面左方）を出た光３５１は，ミラー４４１，対物レンズ４４２，軸外し放物面鏡４４３を経て平行光とした後，拡散板としての擦りガラス４０を透過して物体光３６を形成し，ハーフミラー４７を経て感光材５１に入射する。
【００２７】
一方，ハーフミラー４３を出た他方の光３５２は，ミラー４６１，４６２を経て対物レンズ４６３で発散光に変換された後，ハーフミラー４７を経て参照光３７として感光材５１に入射する。その結果，感光材５１には，擦りガラス４０を記録した透過型のホログラムが形成される。その結果，ホログラム１１に対して図２の参照光３７の方向から再生光を照射すれば，ホログラム１１を透過した回折光は，擦りガラス５１による拡散光と同様の光となる。
【００２８】
本例のホログラム１１の回折効率は，約３０〜４０％であり，回折光３１１の散乱の半値半角（強度が半値となる散乱光の角度と最大となる散乱光の角度との差）は，約６°であり，ホログラムスクリーン１０のスクリーンゲインは約９である。
表示器２８は，例えば，メタルハライドランプ等の光源２８１と透過型の液晶素子２８２によって構成する。例えば，２０Ｗのメタルハライドランプ（全光束１３００ｌｍ）と，透過率３％の１．３インチのカラー液晶素子２８２とを用いた場合，リフレクタ２８３等の照明系の効率を５０％，結像レンズ２９の効率を８０％とすると，結像レンズ２９から出射される全光束は１３ルーメン（ｌｍ）となる。
【００２９】
その結果，ホログラムスクリーン１０の画面サイズを１０インチ（０．０３ｍ２  ）とすると，上記光束（１３ｌｍ）によるスクリーンへの照度は４３３ｌｘ（ｌｍ／ｍ２  ）となる。そして，ホログラムスクリーン１０のスクリーンゲインが９であるから，表示輝度は１２４０ｃｄ／ｍ２  となる（表示輝度＝照度×スクリーンゲイン÷π・・・▲１▼式）。
【００３０】
この表示輝度は，ＣＲＴディスプレイや直視型の液晶パネルの表示輝度が１００〜２００ｃｄ／ｍ２  であることを考えれば，十分大きな値である。しかしながら，本例の表示装置１では，背景光がホログラムスクリーン１０を透過して来ることから，背景と表示像との間のコントラストの観点からの検討が必要である。
【００３１】
例えば，表示装置１を屋外で使用することを考えると，太陽光が直射した場合のおける照度は１０５  ｌｘであり，上記▲１▼式から算出される表示輝度は２８．６×１０４  ｃｄ／ｍ２  に相当する。従って，図６に示すように仮に反射防止部材２１及び偏光光学素子２２が無い場合には，基板１３と空気との界面１３１（図６，符号９１３）での反射率を４％とすると，太陽光３９が，信号光３１が入射する所定の角度範囲αと反対の方向からホログラムスクリーン１０に入射して，第１のノイズ光３９５となり，これが上記界面１３１で反射したときの表面輝度は，１．１４×１０４  ｃｄ／ｍ２  となる。
【００３２】
この値は，表示像の上記表面輝度の約９倍に達し，表示像は完全にかき消され，所謂ウォッシュアウトされてしまうことになる。
同様に，図６に示すように反射防止部材２１及び偏光光学素子２２が無い場合には，太陽光３９が，基板１３と空気との界面１３１で正反射した光３９８が上記所定の角度範囲αと同一の方向となる第２のノイズ光３９７が上記界面１３１で反射したときの表面輝度は，１．１４×１０４  ｃｄ／ｍ２  となり，表示像は完全にウォッシュアウトされてしまう。
【００３３】
しかしながら，本例では，反射防止部材２１及び偏光光学素子２２が設けられており，以下に述べるように，このようなノイズ光３９５，３９７による表示像のウォッシュアウトを防止することが出来る。
本例の反射防止部材２１は，広帯域の反射抑制を可能とするために干渉膜を多層に形成した，いわゆる多層干渉膜である。そして，信号光３１のホログラムスクリーン１０への入射角度において優れた反射抑制効果を発揮するように，多層干渉膜の膜厚を設定したものである。
【００３４】
この反射防止部材２１により上記ノイズ光３９５，３９７の反射率は，基板１３と空気との界面１３１での反射率の１０分の１以下とすることが容易であり，これによって有害ノイズ光３９６，３９９の表面輝度は，１．１４×１０３  ｃｄ／ｍ２  程度となる（同図における有害ノイズ光３９６，３９９の破線による表示は，強度が弱いことを模式的に示したものである）。この表面輝度は，表示像の表面輝度とほぼ同レベルであるから，表示像は視認可能となる。
【００３５】
また，偏光光学素子２２は，図１に示すように，偏光軸に対して直交ニコルになる光をカットし，偏光していない太陽光３９（楕円矢印で図示）を直線偏光光（直線矢印で図示）に変換する。そのため，偏光光学素子２２を透過しホログラムスクリーン１０に入射する段階で，太陽光３９の強度は約３分の１に減衰する。したがって，上記有害ノイズ光３９６，３９９の表面輝度は，３６７ｃｄ／ｍ２  程度となる。
【００３６】
一方，ホログラム１１で高効率で回折される光は，偏光光学素子２２で減衰されることは無いから，表示像の表面輝度は不変である（上記１２４０ｃｄ／ｍ２  ）。従って，本例によれば，太陽の直射光のような極めて強い外光の存在する環境下においても表示像を明瞭に視認するはことができる優れた表示装置１を得ることが出来る。
【００３７】
実施形態例２
本例は，図３に示すように，実施形態例１において，ホログラムスクリーン１０のホログラム１４を反射型ホログラムとしたもう一つの実施形態例である。
本例の表示装置１は，反射型のホログラム１４を備えたホログラムムスクリーン１０の裏面側に透光性の反射防止部材２１を配置しており，反射防止部材２１は，反射防止部材２１において正反射した光３９１が信号光３１の入射する所定の角度範囲βと反対の方向となる第３のノイズ光３９０の入射角度，または第３のノイズ光３９０がホログラム１４で回折，反射した第４のノイズ光３９２の入射角度に対して低い反射率を有している。
【００３８】
そのため，第３のノイズ光３９０及び第４ノイズ光３９２に起因する有害なノイズ光３９３の強度は大幅に低下し，背景に対する表示像のコントラストを高めることができる。
さらに，第３のノイズ光３９０は，偏光光学素子２２を透過することによって，太陽光３９の強度の３分の１程度に弱められているから，一段と背景に対する表示像のコントラストを高めることができる。
その他については，実施形態例１と同様である。
【００３９】
実施形態例３
本例は，図４に示すように，実施形態例１において，表示装置１をボックス収納型としたものであり，ボックス２７の大きさを上下左右方向においてホログラムスクリーン１０とほぼ同一としてある。そのため，この表示装置１を上下左右に積み上げて，大型の大画面表示装置を構成することが出来る。また，ボックス２７の内面２７１及び隔壁２７２は，光吸収部材（黒色塗料）で覆われており，前方以外からの外光の進入を防止すると共にボックス２７内部での反射光ノイズの発生を抑制することができる。
【００４０】
表示器２８及び結像レンズ２９をボックス２７内に収容し，且つ０次回折光が観者８１の視野に入らないように図１と同様の角度から信号光３１をホログラムスクリーン１０に入射させる。そのために，本例ではミラー２６を結像レンズ２９とホログラムスクリーン１０の間の光路上に配置する。同図において，符号２８４，２８５は，光源２８１等の電源ワイヤーと，液晶素子２８２を制御する信号線である。
その他については，実施形態例１と同様である。
【００４１】
【発明の効果】
上記のように本発明によれば，外光によって生ずる有害なノイズ光を抑制し表示像のコントラストを高めることの出来る，ホログラムスクリーンを用いた表示装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態例１の表示装置のシステム構成図。
【図２】実施形態例１のホログラムの露光工程の光学系を示す図。
【図３】実施形態例２の表示装置のシステム構成図。
【図４】実施形態例３の表示装置のシステム構成図。
【図５】反射型ホログラムを用いた従来の表示装置における信号光とノイズ光の光路を示す図。
【図６】透過型ホログラムを用いた従来の表示装置における信号光とノイズ光の光路を示す図。
【符号の説明】
１０．．．ホログラムスクリーン，
２１．．．反射防止部材，
２２．．．偏光光学素子，
３１．．．信号光，
３９５，３９７．．．ノイズ光，
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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