(57)【要約】　　　（修正有）【課題】液晶パネルの観察者側に、表示光の射出方向を制御するためのホログラム層を配置してなり、周辺光および／またはバックライトを利用して表示を適切に視覚できるようにするタイプの表示装置の改良にあたり、ホログラム層の着色，割れ，明るさのムラ（回折効率の斑）を低減する。【解決手段】液晶パネルの観察者側の透明基板３ｂと偏光板２ｂとの間に、入射光を直進方向とは異なる所定方向，所定範囲に曲げて透過回折する機能を有する透過型ホログラム６が配置されていることを特徴とする。前記ホログラムとして、５〜２５μｍ厚みの感光材料に、４８８ｎｍ以下の短波長の光で記録された体積位相透過型ホログラムが好ましい。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれ電極を有する一対の透明基板間に液晶層が挟持され、偏光板がそれぞれ前記透明基板の外側に配置された構成の液晶表示素子において、
観察者側の透明基板と偏光板との間に、入射光を直進方向とは異なる所定方向，所定範囲に曲げて透過回折する機能を有する透過型ホログラムが配置されていることを特徴とする液晶表示素子。
【請求項２】
透過型ホログラムは体積位相透過型ホログラムであることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示素子。
【請求項３】
前記透過型ホログラムが、５〜２５μｍ厚みの感光材料に記録されていることを特徴とするとする請求項１または２に記載の液晶表示素子。
【請求項４】
前記体積位相透過型ホログラムが、４８８ｎｍ以下の短波長の光で記録された体積位相透過型ホログラムであることを特徴とする、請求項２または３記載の液晶表示素子。
【請求項５】
前記透過型ホログラムが、同一感光材料に多重記録されるか、重ね合わせることにより一体化した構成のホログラムであることを特徴とする、請求項１〜４の何れかに記載の液晶表示素子。
【請求項６】
請求項１〜請求項５の何れかに記載の液晶表示素子の背面（観察者と反対側）に反射層または半透過性反射層を配置した構成であることを特徴とする液晶表示装置。
【請求項７】
前記反射層または半透過性反射層が、入射光を正反射させる正反射体、または入射光を拡散反射させる拡散性反射体であることを特徴とする請求項６に記載の反射型液晶表示装置。
【請求項８】
前記反射層または半透過性反射層が、液晶を駆動させるための電極も兼ねることを特徴とする請求項６または７に記載の反射型液晶表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、装置に内蔵された照明光源（バックライトやエッジライト）を必要とせず、周辺光（室内灯や太陽光など）を照明光として用いる反射型液晶表示装置、または、照明光源と周辺光の両方を照明光として利用する反射／透過型液晶表示素子およびこの液晶表示素子を用いた液晶表示装置に関する。
【０００２】
本発明において、以下「散乱」という用語と「拡散」という用語を光に関して使用する場合、これらは同義である。
また、「フィルム」という用語と「シート」という用語も、本発明では同義語として使用される。
また、「指向性」とはホログラムから光が出射する際に光の方向や範囲を制御できることをさすものである。
【０００３】
【従来の技術】
反射型液晶表示装置は、液晶パネルの背面（観察者と反対側）に、周辺光を反射して表示光として射出するための反射層を有する構成にすることで、バックライトやエッジライトなどの内蔵光源を要するタイプの透過型液晶表示装置に比べて、表示画像の視認性（明るさ）を向上したり、消費電力を軽減できることで広く採用されている。
【０００４】
また、液晶表示装置の観察側にホログラムを配置する構成としては、例えば、特開平９−１５２６０２号公報に示されている。
しかし、前記公報による発明は、バックライトを要する透過型液晶表示装置に関するものであり、直下型バックライトによる透過光を所定範囲・方向に回折する旨は記載されているが、光の正反射方向に対する軸外しに関しては記載されていない。
また、前記公報による発明は、ホログラムを液晶表示素子の外側（観察側）に配置するものであり、ホログラムと液晶表示部に距離があるため（偏光板の厚み分）、ホログラムの回折光の影響で表示がぼけたり、二重像になるなど見にくくなる問題を有する。
【０００５】
バックライトを必要としない反射型液晶表示装置への適用を図った提案として、特開平１１−８４３７２号公報がある。
前記公報による発明は、
液晶パネルを介して反射面とは反対側の観察者側に透過型ホログラムが配置された構成であることを特徴とする反射型液晶表示装置であり、
ホログラムとして体積位相透過型ホログラムを採用し、前記ホログラムが有する角度選択性により、入射する照明光は回折せずに透過し、出射する表示光を透過回折することを特徴とする反射型液晶表示装置について開示されている。
【０００６】
一般に反射型液晶表示装置では、周辺光が正反射する方向に、最も輝度の高い表示光が出射することになるが、同時に正反射方向は、表示面の最外に配置される透明部材（一般に、ガラス）の表面での照り返し（ギラツキ）の影響が最も強い方向でもあり、逆に表示光が見えにくくなることがある。
特開平１１−８４３７２号公報に係る発明は、周辺光を利用して表示光を視覚する反射型液晶表示装置の液晶ガラス基板の表示側にホログラムを配置する際に、照り返し（ギラツキ）の影響が低減され、表示光を視覚できる範囲を適切に設定したホログラムとそれを用いた反射型液晶表示装置を提案している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
液晶表示素子用ホログラムとして、体積位相透過型ホログラムを使用する場合は、１ステップ露光あるいは２ステップ露光により作製されるが、同時にホログラム感材と空気または部材との境界での反射で、ノイズ成分としてリップマン型ホログラム（体積位相反射型ホログラム）が記録される。
前記のリップマン型ホログラム記録されていると、リップマン型ホログラムによる像が液晶表示を妨害したり、また、リップマン型ホログラムは回折波長選択性があり、特定波長（色）の回折光を発する特性があるため、表示光が着色することが問題となっている。
【０００８】
また、上記ホログラムの製造にあたって、ホログラム自身が着色したり、ホログラム層に割れが発生したり、回折効率に斑が発生することが問題となっているが、上記の従来技術による提案では、着色，割れ，斑の問題については対策が講じられていない。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決することを目的とする請求項１に記載の本発明は、
それぞれ電極を有する一対の透明基板間に液晶層が挟持され、偏光板がそれぞれ前記透明基板の外側に配置された構成の液晶表示素子において、
観察者側の透明基板と偏光板との間に、入射光を直進方向とは異なる所定方向，所定範囲に曲げて透過回折する機能を有する透過型ホログラムが配置されていることを特徴とする液晶表示素子である。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、
透過型ホログラムは体積位相透過型ホログラムであることを特徴とする請求項１に記載の液晶表示素子である。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、
前記透過型ホログラムが、５〜２５μｍ厚みの感光材料に記録されていることを特徴とするとする請求項１または２に記載の液晶表示素子である。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、
前記体積位相透過型ホログラムが、４８８ｎｍ以下の短波長の光で記録された体積位相透過型ホログラムであることを特徴とする、請求項２または３記載の液晶表示素子である。
【００１３】
請求項５に記載の発明は、
前記透過型ホログラムが、同一感光材料に多重記録されるか、重ね合わせることにより一体化した構成のホログラムであることを特徴とする、請求項１〜４の何れかに記載の液晶表示素子である。
【００１４】
上記の液晶表示素子（液晶パネル）を用いてなる請求項６に記載の本発明による液晶表示装置は、
請求項１〜請求項５の何れかに記載の液晶表示素子の背面（観察者と反対側）に反射層または半透過性反射層を配置した構成であることを特徴とする。
【００１５】
この際、照明光源と周辺光の両方を照明光として利用する反射／透過型液晶表示装置に応用するにあたって、液晶表示素子の背面側より照明するバックライトを利用する表示装置においては、半透過性反射層が配置される。
液晶表示素子の観察者側より照明するフロントライトを利用する表示装置においては、透過性を持たない反射層が配置される。
【００１６】
請求項７に記載の発明は、
前記反射層または半透過性反射層が、入射光を正反射させる正反射体、または入射光を拡散反射させる拡散性反射体であることを特徴とする請求項６に記載の反射型液晶表示装置である。
【００１７】
請求項８に記載の発明は、
前記反射層または半透過性反射層が、液晶を駆動させるための電極も兼ねることを特徴とする請求項６または７に記載の反射型液晶表示装置である。
【００１８】
反射型液晶表示装置への応用では、角度選択性を有するホログラムを液晶表示の観察側に配置することで、周辺光が表示装置に入射し、表示装置に反射してホログラムに入った光を指定の方向に曲げて散乱（軸外し）できるため、周辺光が有効利用され、表示を明るくできる。また、照明光源が必要なく、消費電力にもなる。
【００１９】
また、液晶表示装置において、観察側の透明基板と偏光板との間にホログラムを配置することで、ホログラムの回折光の影響で表示が、ぼけたり、二重像になることを防ぐことができる。
【００２０】
また、回折効率が高く、曲げて拡散する波長幅が広い体積位相透過型ホログラムを使用することで、色分散を少なくでき、周辺光を効率良くを観察正面に射出させることができる。
【００２１】
特に本発明では、上述したノイズ成分のリップマン型ホログラムにおける対策を講じている。
例えば、クリプトンレーザー（波長＝４１３．１ｎｍ）によるコヒーレント光で体積位相透過型ホログラムを作製した場合、リップマン型ホログラムは波長選択性が強いため、４１３．１ｎｍに近い波長の像を再生するが、人間の比視感度が低い領域の光であるため、観測しにくいか、又は全く観測されない。
【００２２】
人間の目は、５５５ｎｍの波長の光に対する感度が最も良く、それよりも短波長になるほど、その感度は鈍くなる。このような光に対する目の感度性のことを視感度といい、５５５ｎｍ波長の光に対する値を１としたときの視感度を、比視感度と言い、その比視感度曲線を図１に示した。４１３．１ｎｍ光は比視感度約０．０５であり、非常に低いことが分かる。
一般に、ホログラムの撮影にはアルゴンレーザーの５１４．５ｎｍの光が、出力値が高いことに加え、記録されるホログラムの像が明るくなることから使用されることが多い。
【００２３】
本発明に使用できるコヒーレントな光は、たとえばアルゴンレーザーは、４８８．０ｎｍ，４７６．５ｎｍ，４７２．７ｎｍ，４６５．８ｎｍ，４５７．９ｎｍの波長の光であり、クリプトンレーザーは、４８２．５ｎｍ，４７６．２ｎｍ，４１３．１ｎｍ，４０６．７ｎｍ，３５６．４ｎｍ，３５０．７ｎｍの波長の光であり、ヘリウム−カドミウムレザーは、４４１．６ｎｍ，３２５ｎｍの波長の光である。その他の光においても、４８８ｎｍ以下の波長のコヒーレント光であれば、リップマン型ホログラムを隠す効果はある。
【００２４】
また、複数のホログラムを重ね合わせることで、入射角度を広げる効果、拡散性の効果向上、色補正において相乗的な効果がある。
よって、入射光（周辺光）の方向に制約を受けることが少なくなったり、または、観察者が視点を移動しても液晶表示を十分に視覚できるなど、明るい表示光を視覚できる観察条件が増えることになる。
異なる複数種類のホログラムを得る手法としては、以下に例示される。
【００２５】
（１）同一の再生照明光に対して、異なる複数種類の曲げて拡散光を発する。
（２）異なる再生照明光に対して、同一の方向や位置に曲げて拡散光を発する。
（３）異なる再生照明光に対して、異なる複数種類の曲げて拡散光を発する。
【００２６】
一方、液晶表示素子用ホログラムの製造にあたって、ホログラムが着色化したり、ホログラム層に割れが発生したり、回折効率に斑が発生するという問題も、本発明によって解決した。
ホログラムの製造方法を試作検討した結果、ホログラム層の厚さを制御することで課題が解消されることを見出した。
図２に「感材の厚みと回折効率との関係」を示したが、ホログラム感材の厚さが５μｍ以下である場合は、ホログラム一面の回折効率にばらつきが大きく、回折効率も低い結果であったので、本発明では、厚さ５μｍ以上のホログラム感材を採用した。
【００２７】
また、ホログラム層厚が薄い場合には、少しの衝撃で割れが発生し、厚みは５μｍ以上必要と判断した。
しかし、感材の厚みが厚くなるにつれて、ホログラムフィルムが黄色味を帯びることも確認され、この結果を図３に示す。
黄色味の指標としてＬ＊ａ＊ｂ＊のｂ＊値を用いた。
ｂ＊値が５を超えると液晶表示装置に配置した場合、表示される色彩に黄色味を感じるため、感材の厚さとしては２５μｍ以下を適切とした。
【００２８】
また、ホログラム層に形成する反射層または半透過反射層は、入射光を正反射させる正反射体または拡散反射させる拡散性の反射体、あるいは液晶を駆動させるための電極も兼ねる反射体であっても良い。
【００２９】
このように、液晶表示素子にホログラムを配置することにより、曲げて拡散する光の出射方向や範囲についての指向性と入射角度選択性を持たせることが可能であるため、反射層からの反射光は、ホログラムによる透過回折および反射回折を受け、結果として、入射光の正反射方向とは異なる方向に表示光を出射することになり、表示面の最外に配置される透明部材（一般に、ガラス）の表面での照り返しによる入射光の光源の像を意識せずに済み、視域を特定することができ、また、観察正面方向に明るい液晶表示をすることが可能となる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明を詳細に説明する。
＜実施形態１＞
図４は、本発明の一実施例を示す説明図であり、液晶表示素子において、ガラス基板（観察側）と偏光板（観察側）との間に角度選択性を有する透過型ホログラムが配置されている液晶表示素子を用いた反射型液晶表示装置の構成を概略的に示す説明図である。
【００３１】
また、図４では反射型液晶表示装置が、反射層１と液晶表示素子８と別体としているが、別体ではなくても良く、液晶表示素子８中に液晶を駆動させる電極として内在していてもよい。　前記液晶表示素子は、一般的な構造のものからなり、印加電圧の有無に応じて入射光を変調し、白／黒の切り替え表示をするものからなる。
液晶としては、２枚のガラス基板３ａ，３ｂ内の間に挟まれたツイストネマチック（ＴＮ）などの液晶層４が例示される。
【００３２】
一方のガラス基板３ａ内には、一様な透明対向電極が設けられ、他方のガラス基板３ｂ表面には、液晶セルＲ，Ｇ，Ｂ毎に独立に透明表示電極とカラーフィルター，ブラック・マトリックスが設けられている。
また、電極の液晶層側には配向層も設けられており、ガラス基板３ａ，３ｂの外表面には偏光板２ａ，２ｂが、観察側のガラス基板の外表面にはホログラム６，偏光板２ｂがそれぞれ貼り付けてあり、偏光板２ａ，２ｂは、それぞれの透過軸が相互に直交するように配置される場合が一般的である。
【００３３】
このような液晶表示素子８において、画素毎に透明表示電極と透明表示電極間に印加する電圧を制御して、その透過状態を変化させることにより、カラー表示が可能となる。
【００３４】
図示のように、入射光９が液晶表示素子８の前面側からホログラム６に入射すると光拡散や曲げることをせずにそのまま透過し、反射層１で光が拡散反射され、ホログラム６に再び入射すると入射角度とは異なる方向（図の矢印の方向）を中心に光拡散出射し、観察者５に表示光が到達することになる。
【００３５】
図５および図６は、図４に示した液晶表示素子用ホログラムを作製する光学系の一例を示す構成図である。
【００３６】
図５に示すように、１つのレーザー光源１０から出射されたレーザービームをビームスプリッタ１１により２つに分け、一方をすりガラスなどの拡散板１２を照明した拡散光１３である物体光とし、他方を球面波や平面波である参照光１４として、その２つの光波の干渉縞をまずホログラム用感光材料１５に記録し、現像漂白処理を施し、マスターホログラムを作成する。
【００３７】
次に図６に示すように、マスターホログラム２２にホログラム用感光材料２５を密着させ、レーザー光で照明して、複製を行い、それを現像処理する。
【００３８】
図５および図６の光学系を用いた上記のような、２ステップのホログラム記録方法により、ホログラム６を作成することができ、ガラス基板３ｂの前面に配置して使用される。
【００３９】
なお、図５における前記ホログラム６を作製する際の、拡散板１２とホログラム用感光材料１５との距離や拡散板１２のサイズが前記ホログラム６の光拡散性を決定するため、本発明の反射型液晶表示装置１の最も良好に観察できる視域を考慮して０〜１ｍ程度の範囲で適宜選定している。
また、図６においては、露光光線が感光材料に対して斜めに入射しているが、この入射角が光拡散／直接透過という機能を生じさせる角度の選択性に影響するため、５度から４０度の間で本発明の反射型液晶表示装置の用途に応じて適宜選択される。
【００４０】
また、拡散板２１のサイズと拡散性はホログラム６の光拡散性に影響するため、サイズは一辺の長さが１から５００ｍｍの範囲で、拡散性は擦りガラスの番数で１０番から１００００番の間の適当番数で適宜選択している。
【００４１】
本発明の反射型液晶表示装置の液晶表示素子には、Ｒ，Ｇ，Ｂ画素に対応してカラーフィルタを搭載したカラー表示用パネル、またはモノクロ表示用パネルの何れを使用してもよい。また、ＴＮ方式，ＳＴＮ方式，ゲストホスト方式，ポリマー分散型など、液晶の駆動方式に特に限定されるものではない。
【００４２】
また、液晶表示素子８の背面に配置される反射層１には、正反射性の反射板、または光拡散性の反射板のいずれを使用してもよい。あるいは液晶表示素子８中に内在する液晶を駆動させる電極をそのまま反射体として機能させてもよい。
【００４３】
液晶表示素子用ホログラム６の作製に使用するできる光は、アルゴンレーザーは、４８８．０ｎｍ，４７６．５ｎｍ，４７２．７ｎｍ，４６５．８ｎｍ，４５７．９ｎｍの波長の光であり、クリプトンレーザーは、４８２．５ｎｍ，４７６．２ｎｍ，４１３．１ｎｍ，４０６．７ｎｍ，３５６．４ｎｍ，３５０．７ｎｍの波長の光であり、ヘリウム−カドミウムレザーは、４４１．６ｎｍ，３２５ｎｍの波長の光である。
【００４４】
また、被写体の拡散板１２としては、例えば、すりガラスを用い、ホログラム用感光材料１５としては、例えばアグファゲバルト社製の緑用、青用のホログラム用銀塩感光材料を用いることができる。ホログラム用感光材料２５としては、たとえばデュポン社製フォトポリマーＨＲＦ６００が適用できる。
【００４５】
本発明の一実施例では、１０００番のすりガラスをクリプトンレーザーの４１３．１ｎｍの発振光を用いて、イルフォード社製ＳＰ６７２Ｔホログラム用銀塩感光材料に記録した後、現像にはＣＷＣ２現像液を用い、漂白にはＰＢＱ２漂白液を用いて現像、漂白、水洗、乾燥を行なったものを、クリプトンレーザーの４１３．１ｎｍの発振光でデュポン社製フォトポリマーＨＲＦ６００にコンタクトコピーし、ＴＮ型液晶を用いた反射型液晶表示装置に図１のような構成にて実施した。
【００４６】
また、体積位相型ホログラムの場合は上記の銀塩感光材料や重クロム酸ゼラチン、フォトポリマーなどを使用して作製される。
体積位相型ホログラム以外では、たとえば、表面レリーフホログラムの場合は、図３におけるホログラム用感光材料２５にフォトレジストを使用して作製、あるいはそれを原版（スタンパ）として熱可塑性樹脂シートへのエンボス法などで複製したエンボスホログラムを使用することができる。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように、液晶表示素子の前側（観察者側）にホログラムを配置することにより、曲げて拡散する光の出射方向や範囲についての指向性と入射角度選択性を持たせることが可能であるため、反射層からの反射光は、ホログラムで曲がって拡散し、入射光の正反射方向とは異なる方向に表示光を出射することになる。
【００４８】
また、本発明の構成によれば、ホログラムと液晶表示部との間に、偏光板の厚み分に相当する距離がなく、ホログラムの回折光の影響で表示がぼけたり、二重像になるなどの不都合が解消される。
【００４９】
さらに、表示面の最外に配置される透明部材（一般に、ガラス）の表面での照り返しによる入射光の光源の像を意識せずに済み、視域を特定することができ、また、観察正面方向に明るい液晶表示をすることが可能となる。
【００５０】
【図面の簡単な説明】
【図１】波長に於ける比視感度曲線を示すグラフ。
【図２】感材の厚みと回折効率との関係を示すグラフ。
【図３】感材の厚みと着色との関係を示すグラフ。
【図４】本発明の反射型液晶表示装置を概念的に示す説明図。
【図５】ホログラムを作製する光学系（１ステップ目）の一例を示す説明図。
【図６】ホログラムを作製する光学系（２ステップ目）の一例を示す説明図。
【符号の説明】
１…反射層
２ａ，２ｂ…偏光板
３ａ，３ｂ…ガラス基板
４…液晶層
５…観測者
６…ホログラム
７…出射光
８…液晶表示素子
９…周辺からの入射光
１０…レーザー光源
１１…ビームスプリッタ
１２…拡散板
１３…拡散光
１４…参照光
１５…ホログラム用感光材料
１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，２６ａ，２６ｂ，２６ｃ…反射鏡
１７　ａ，１７ｂ，２７　…空間フィルタ
１８　ａ，１８ｂ，２８　…レンズ
２０…レーザー光源
２１…ビームスプリッタ
２２…マスターホログラム
２５…ホログラム用感光材料
【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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