(57)【要約】【課題】表示光の輝度が最も高くなる方向が正反射方向とは異なるため、表示装置の外面での照り返しによる「写り込み」の問題が解消されると共に、観察方向に応じて表示光の色変化を伴わないように視覚できる光学特性を有する表示光路制御のための光学素子（およびそれを用いた表示装置）を提供する。【解決手段】本発明による光学素子は、角度選択性を有する体積位相透過型回折格子からなり、その主面に対して非垂直な特定範囲の角度での入射光について、光軸の中心を外して透過回折する光学特性を有すると共に、記録条件の異なる複数種類の回折格子が領域分割されて記録された構成であることを特徴とする。【選択図】図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
角度選択性を有する体積位相透過型回折格子からなる軸外し光学素子であり、前記光学素子は、その主面に対して非垂直な特定範囲の角度での入射光について、光軸の中心を外して透過回折する光学特性を有すると共に、
記録条件の異なる複数種類の回折格子が領域分割されて記録された構成であることを特徴とする軸外し光学素子。
【請求項２】
前記光学素子は、光学素子の一端と他端では、透過回折光の光軸の中心角度が５°以上異なる特性を有することを特徴とする請求項１記載の軸外し光学素子。
【請求項３】
前記光学素子は、３００〜１０００ｍｍ離れた位置が焦点となるような集光機能を奏する光学特性を有することを特徴とする請求項１記載の軸外し光学素子。
【請求項４】
前記光学素子は、その主面に対して２５〜４５°の範囲の角度での入射光について、−５〜−１５°の範囲の角度での透過回折光を射出する光学特性を有することを特徴とする請求項１記載の軸外し光学素子。
【請求項５】
前記光学素子は、３〜２０μｍの厚さの透光性材料に回折格子が記録された構成であることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の軸外し光学素子。
【請求項６】
領域分割の形態として、略マトリクス状に配列されたドット状部分と非ドット状部分であることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の軸外し光学素子。
【請求項７】
領域分割の形態として、略マトリクス状に配列されたドット状部分を複数種類有することを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の軸外し光学素子。
【請求項８】
画像表示素子の表示面側（観察者側）に、請求項１〜７の何れかに記載の軸外し光学素子を配置してなる構成であり、
前記光学素子は、装置に入射する周辺光を、画像表示素子の背面側（観察者と反対側）に配置された光反射層で反射した後、表示光として射出する際に、正反射方向とは異なる方向を光軸の中心として透過回折するような軸外し特性であるように設計されたことを特徴とする表示装置。
【請求項９】
画像表示素子の表示面側（観察者側）に、請求項１〜７の何れかに記載の軸外し光学素子を配置してなる構成であり、
前記光学素子は、周辺光が画像表示素子に入射する際に、直進方向とは異なる方向を光軸の中心として透過回折するような軸外し特性であるように設計されたことを特徴とする表示装置。
【請求項１０】
画像表示素子の背面側（観察者と反対側）に、表面に光反射層を形成した請求項１〜７の何れかに記載の軸外し光学素子を配置してなる構成であり、
前記光学素子は、画像表示素子を通過した周辺光を、前記光学素子の背面側（観察者と反対側）に配置された光反射層で反射した後、表示光として射出する際に、正反射方向とは異なる方向を光軸の中心として透過回折するような軸外し特性であるように設計されたことを特徴とする表示装置。
【請求項１１】
画像表示素子の背面側（観察者と反対側）に、表面に光反射層を形成した請求項１〜７の何れかに記載の軸外し光学素子を配置してなる構成であり、
前記光学素子は、画像表示素子を通過した周辺光が前記光学素子に入射する際に、光反射層に至る前に、直進方向とは異なる方向を光軸の中心として透過回折するような軸外し特性であるように設計されたことを特徴とする表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、入射光の入射角度とは光軸の中心が異なる方向へ強く射出するような「軸外し」の透過回折特性、およびそれを適用して表示画像の視認性（明るさやコントラストなど）を向上した表示装置に関する。
【０００２】
本発明において、「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、「角度選択性」とは、特定範囲の角度での入射光についてのみ回折を生じる光学特性であり、「指向性」とは、射出する回折光の方向と範囲を制御できるという意味で用いられる。
以後、画像表示素子としては液晶パネル，表示装置としては液晶表示装置の場合について、主として説明する。
【０００３】
【従来の技術】
液晶表示装置では、観察の際の視野角を確保する（すなわち、表示装置の前面には、明るく表示画像を見せる）ことや、表示画面の全面に渡って均一な明るさで表示画像を見えるようにする目的で、装置の前面に光散乱フィルムを配置することが行なわれている。
従来の光散乱フィルムとしては、表面をマット状に加工した樹脂フィルムや、内部に拡散材を包含した樹脂フィルムなどが用いられている。
【０００４】
しかし、上記のフィルムの場合、入射光の入射角度に依存した散乱性の変化といった機能（散乱異方性と称する）を持たせることは原理上困難であり、現実にそのような機能は持ちあわせていないため、表示装置に使用した際に不要な散乱光が生じ、表示の明るさやコントラストの低下、あるいは表示画像の通称「ぼけ」と呼ばれる現象を招くという問題がある。
【０００５】
表面をマット状に加工した光散乱フィルムの場合、フィルム表面をサンドブラスター処理などで物理的に加工してマット面を形成したり、あるいは、酸性またはアルカリ性の溶液による溶解処理により化学的にマット面を形成する。
マット面（凹凸の形状など）の制御により、散乱光の出射範囲／方向（散乱指向性と称する）を制御することは可能であるが、散乱異方性までも制御することは、原理的に困難である。
【０００６】
また、内部に拡散剤（微粒子）を包含した光散乱フィルムにおいても、散乱異方性を制御するために、拡散剤の屈折率，大きさ，形状などを制御する試みも為されているが、技術的に難易度が高く、実用上十分であるとは言えないのが現状である。
【０００７】
特に、前述のフィルムでは、散乱異方性や軸外しの光散乱特性がなく、光散乱の指向性が小さく、表示装置に適用しても、表示装置の最表面からの照り返しによる方向（正反射方向）や、表示画像の観察に不適切な方向に、不要な散乱光を生じ、表示の明るさやコントラストの低下、あるいは表示画像のぼけを招くという問題点がある。
【０００８】
反射型液晶表示装置（液晶パネルの背面から、装置の内蔵光源による照明光を照射して、表示光を得るタイプではなく、太陽光や室内照明光などの観察者側からの入射光による反射光を表示光とするタイプ）の従来構成の一例について概略を、図１に示す。
同図に示すタイプは、光反射層として、液晶パネルの駆動電極のうち、背面側の電極が光反射層も兼ねる（反射電極と称する）タイプの表示装置であり、観察者側から、偏光板１，カラーフィルター２（フルカラー表示を行なう装置の場合），液晶パネル３，反射電極５（液晶パネル３内に含まれる）を備える構成である。
一般に、観察の際の視野角を確保する目的で、反射電極の表面に微細な凹凸を形成するなどして、拡散反射を行なうような処理が施される。
【０００９】
同図に示す装置では、図示しない外部の照明光源からの照明光４は、偏光板１，カラーフィルター２，液晶パネル３を通って、液晶パネル内にある反射電極５に入射する。この光は、反射電極５の表面が凸凹になっているため、正反射方向を中心に拡がりをもつ拡散光６となって反射されて、液晶パネル３，カラーフィルター２，偏光板１を、それぞれ再度通過した後、表示光として射出される。
このため、正反射方向を中心とする方向（同図では、右下の方向）から、液晶パネルによって規定された表示パターンからなる表示光（以下、像と称することもある）を明るく観察することができる。
【００１０】
図１による反射型液晶表示装置での拡散光（表示光）６の強度は、図２に示すように、入射光の正反射方向で最も強くなるような強度分布を示す。
このため、正反射方向にあたる観察方向で最も明るい表示光が得られることになるが、正反射方向では、装置表面（一般に、カバーガラスなどが配置される）で正反射された反射光７も表示光６と重なって視覚することになり、照明光源の写り込みが生じ、表示光６が観察しづらいという問題があった。
【００１１】
また、図２によると、明るい像が観察できる範囲８ａの中央部が正反射方向となり、照明光が写り込む範囲８ｂと重なるため、連続して明るい表示光が観察できる範囲８ｃの範囲は狭くなり、少し観察方向を変えただけで表示光が暗くなったり、写り込みが生じたりして観察しづらいという問題があった。
【００１２】
このように、従来の反射型液晶装置では、表示光を明るく視覚できる方向が、照明光源の写り込みが最も強く視覚される方向と重なるため、その方向では像が観察しづらく、また連続して明るい像が観察できる範囲が狭くなるという問題点があった。
このような問題点を解決するために、表示光が最も高い輝度で視覚可能な方向が、正反射方向とはずれるようにするため、軸外しの光学特性を有する光学素子を、表示光路の制御のために用いる提案がなされてきた。
【００１３】
軸外しの光学特性を有する光学素子の代表例として、ホログラムや回折格子が挙げられる。
それらは、物体光と参照光の干渉によって撮影記録される場合が多く、両者の交叉角度を制御することにより、再生される光（物体光に相当する）の角度を、照明光（参照光に相当する）の直進方向（または、正反射方向）とはずれるように設計することが容易であり、軸外しの光学特性が実現される。
【００１４】
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、
バックライトを要する透過型液晶表示装置に関して、直下型バックライトによる透過光を、所定範囲・方向に回折するためのホログラムを、液晶パネルの前面側に配置するものがある。（例えば、特許文献１参照）
特許文献１には、バックライトではない周辺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、特許文献１には、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。
【００１５】
バックライトを必要としない反射型液晶表示装置へのホログラムの適用を図った提案として、
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、射出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の構成が開示されている。（例えば、特許文献２参照）
特許文献２では、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における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（写り込み）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。
【００１６】
【特許文献１】特開平９−１５２６０２号公報
【特許文献２】特開平１１−８４３７２号公報
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
軸外し回折特性を有するホログラムを、表示光路の制御（輝度が最も高くなる方向を、正反射方向とはずらす）に用いることで、上記のような「写り込み」の問題は解消されるが、新たな解決課題が生じる。
すなわち、ホログラムの使用に基づく「表示光の着色」である。
【００１８】
体積位相透過型ホログラムは、回折波長選択性（特定波長＝色の回折光を生じる特性）を有する体積位相反射型ホログラム（所謂、リップマン型ホログラム）と比較して、回折波長幅が可視波長域に渡って広いため、特定色の回折光を生じないことは、本技術分野における公知事項である。
回折波長幅が可視波長域に渡って広いとは言っても、ホログラム自身が本来的に有する波長分散特性（照明角度／ホログラムの配置／観察方向の相対関係に応じて、回折光の波長分布が変化する特性）に基づき、観察条件によって回折光が視覚される色相は変化する。
【００１９】
そのため、液晶表示装置で本来表示しようとする映像光に、観察方向に応じた色変化を生じせしめることになり、特に、フルカラー表示を行なう場合に及ぼす影響が大きい。
本発明は、軸外し光学特性を有する光学素子を表示光路の制御のために用いる表示装置において、観察方向に応じて表示光の色変化を伴わないように視覚できるようにすることを主な目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明による軸外し光学素子は、
角度選択性を有する体積位相透過型回折格子からなり、
その主面に対して非垂直な特定範囲の角度での入射光について、光軸の中心を外して透過回折する光学特性を有すると共に、
記録条件の異なる複数種類の回折格子が領域分割されて記録された構成であることを特徴とする。
【００２１】
軸外し光学特性の典型としては、その主面に対して２５〜４５°の範囲の角度での入射光について、−５〜−１５°の範囲の角度での透過回折光を射出する特性が、表示装置に適用する場合に好適である。（−２５〜−４５°の範囲の角度での入射光について、５〜１５°の範囲の角度での透過回折光を射出する特性とも言える）
光学分野においては、主面に対して垂直な角度を０°として、時計回り方向をプラス方向に計測する。
図１では、照明光４はマイナス角度での入射であり、拡散光６はプラス角度での射出となる。同図で、左右を反転した場合には、プラス角度での入射光がマイナス角度で射出する。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の軸外し光学素子について、図面を用いて詳細に説明する。
図３は、本発明による軸外し光学素子の一実施形態について、概略を示す説明図である。
同図による光学素子９では、領域分割の形態として、略マトリクス状に配列されたドット状部分の体積位相透過型回折格子１０と、その周囲の非ドット状部分の体積位相透過型回折格子１１とによって構成されている。
体積位相透過型回折格子１０と１１とでは、以下に説明するように記録条件が異なっている。
【００２３】
上記光学素子９は、光学複製の技術を用いて、次のようにして作製される。
まず、光学複製の原版となる回折格子を２種類作製する。
１．図４（ａ）のような光学系を用いて、乾板（感光材料）１２に、図示されないレーザー光源からのレーザー光（平行光）１３と、同一レーザー光源から発したレーザー光（発散光）１４を照射して、これらの干渉により、乾板１２に回折格子を記録する。
２．同様の光学系で、図４（ｂ）に示すように、図４（ａ）の場合とは発散光１４の入射角度のみを変えて、別の乾板１５に回折格子を記録する。
【００２４】
次に、図５（ａ）に示すような、網点（ドット）状の部分が略マトリクス配列されてなり、光透過部１６と不透過部１７として記録されたマスク１８と、マスク１８とは光透過部と不透過部とが反転関係にあるマスク１９とを用意する。
【００２５】
次に、図６に示すように、回折格子１２＝図４（ａ）における乾板１２にマスク１８を重ね、マスク１８のパターン面にある程度の厚みをもった感光材料９を密着させて設置する。
この状態で、回折格子１２を撮影した時の平行光と反対方向からレーザー光２０を照射すると、回折格子１２で、透過光２１と回折光２２とに分かれる。
２つの光２１，２２は、それぞれマスク１８を通過した後に感光材料９に到達し、この２つの光の干渉によって、感光材料９上に体積位相透過型の回折格子が記録される。
この際、マスク１８の光透過部１６のみ光が通過しているので、それに対応する感光材料９の部分のみに回折格子１２と同じ特性を持つ回折格子が複製される。
【００２６】
次に、図７に示すように、回折格子１５＝図４（ａ）における乾板１５にマスク１９を重ね、マスク１９のパターン面に、回折格子１２が複製された上記感光材料９を密着させて設置する。
この時、マスク１９の光透過部（マスク１８の不透過部１７に相当する）が、感光材料９上でホログラムが記録されていない部分に対応するように配置する。
この状態でレーザー光を入射すると、先の記録と同様にして、回折格子はマスク１９の光透過部のみに回折格子１５と同じ特性を持つ回折格子が複製される。
以上のようにして、感光材料９には、ドット状／非ドット状に領域分割されて、２種類の回折格子が記録される。
【００２７】
上記で得られた光学素子９を液晶表示装置に用いた一例について、概要を図８に示す。
同図に示す表示装置では、従来の液晶表示装置（図１）に比較して、偏光板１とカラーフィルター２との間に、軸外し光学素子９を挿入した構成となっている。
【００２８】
同図において、図示しない外部の照明光源による斜め上方向から入射した光４は、偏光板１を通過した後、光学素子９内の回折格子１０によって回折されて、光軸を外した回折光２３として、元の照明光の直進方向とは異なる方向に進む。
回折光２３は、カラーフィルター２，液晶パネル３を通過した後、反射電極５で反射されて、回折光２３の正反射方向の近辺に拡がる表示光２４となる。（表示光２４の射出方向は、同図の照明光４の正反射方向とは異なる）
【００２９】
表示光２４は、液晶パネル３，カラーフィルター２を再び通過した後、光学素子９に入射するが、光学素子９を構成する体積位相透過型回折格子が角度選択性を持っているため、再び光学素子９を通過する際には、回折を受けずに通過して、偏光板１を通って外部に射出される。
このため、同図の回折光２３の正反射方向に近い方向から、明るい表示光を観察することができる。この方向は、装置表面で反射された正反射光７が進む照明光４の正反射方向とは異なるので、表示光が最も明るく観察できる位置で、照明光の写り込みを感じることがない。
【００３０】
上述のように、ホログラムや回折格子には波長分散特性があり、白色光で照明した場合には、色毎に違った方向（主として、上下方向）に回折される。
１種類の回折格子のみであると、観察位置が僅かに変化しただけで、像の色が虹の７色に対応して大きく変化して見えるようになってしまう。
本発明による光学素子では、そのような色変化を解消するために、上下方向に違った位置に射出する回折光を混合することで、色変化を小さくする手法を採用している。
【００３１】
上記実施形態の場合、回折格子１１からの回折光は、回折格子１０からの回折光とは上下方向に異なる方向に回折されるので、図９に示すように、回折格子１０からの色分散（赤〜青の範囲で）した回折光と、回折格子１１からの色分散した回折光が少しずれて重なり合う。
２つの光が重なった領域では、異なった色が重なり、互いの色味を打ち消し合うので色の変化が緩和される。
【００３２】
混色させることにより、観察方向に応じて回折光の色相が変化する現象を解消する上で、特に有効であるのは、回折光を無彩色（白色）にすることである。
２色の光を合わせた時に白色に近い色にするには、青と黄色，赤とシアンなどのような補色関係の色同士を重なり合うようにすることが望ましい。
図９においては、回折格子１０からの回折光のうち青に近い部分と、回折格子１１からの回折光のうち赤に近い部分が重なり合っている。
補色関係の色同士を重なり合うようにするには、表示装置の標準的な観察条件や表示装置のサイズを考慮した場合、３００〜１０００ｍｍ離れた位置での観察を想定した場合は、互いの回折光の方向が約５°違っている場合が良い。
【００３３】
２色の重ね合わせによる場合のみでなく、より多くの色の重ね合わせを用いることが、観察方向に応じた色変化の一層少ない無彩色の回折光をと得る上で有効である。
上記実施形態は、略マトリクス状に配列されたドット状部分（１０）と、その周囲の非ドット状部分（１１）の、２種類の回折格子による場合であるが、３種類以上とするには、略マトリクス状に配列されたドット状部分を複数種類組み合わせることも可能である。
例えば、撮影記録時に、マスクの開口部が重なり合わないように感光材料上でマスクを移動（交換）しながら、順次、露光条件を変えて、最終的に感光材料の略全面に回折格子を形成することが行なわれる。
【００３４】
ところで、回折格子にはレンズ作用を持たせることができるが、本発明で用いる回折格子に、観察位置に対応した距離で集光するようなレンズ作用を持たせると、周辺部と中央部での明るさを均一にすることができる。
反射型の液晶表示装置は、通常３００ｍｍ〜１０００ｍｍくらいの距離から観察されるので、その程度の焦点位置に集光するようなレンズ作用を持たせると、表示像の明るさが均一になり見えやすくなる。
【００３５】
一方、表示像はなるべく正面近く（表示装置の主面に垂直な角度）で表示光が最も輝度が高くなるように視覚できることが望ましいが、回折格子による軸外し機能が、その主面に垂直に回折光を射出する機能であると、表示装置に適用した場合には、図１０に示すように、軸外し光学素子（回折格子）で透過回折されて０°で反射電極に向かった後、反射電極から反射される光が、再度軸外し光学素子に０°で入射するため、軸外し光学素子（回折格子）の持つ角度選択性に合致するため、再度透過回折を生じてしまい、結果として照明光４の方向に戻ってしまうことになり、表示光は装置の正面方向には殆ど返ってこなくなる。
【００３６】
そのため、回折格子による軸外し回折特性は、正面方向から僅かにずれた方向に光を回折するものが良く、５〜１５°程度正面からずれた方向に回折されるのが適している。
また、回折格子に適度な角度選択性を持たせるためには、そのような格子縞を内部に形成する必要があるため、体積型の場合には、３〜２０μｍ程度の厚みを持つ感光材料を用いることが適している。
【００３７】
尚、本発明による軸外し光学素子は、上記実施形態に示すように、液晶パネルの前面側（観察者側）に配置した光路制御素子としての使用形態のみならず、液晶パネルの背面に、上記実施形態における反射電極に代わる光反射層として用いても有効である。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明による光学素子（およびそれを用いた表示装置）によると、
表示光の輝度が最も高くなる方向が正反射方向とは異なるため、表示装置の外面での照り返しによる「写り込み」の問題が解消されると共に、観察方向に応じて表示光の色変化を伴わないように視覚できることになり、特にフルカラー画像の表示では、本来の表示画像に忠実な色相での視覚が可能となる。
【００３９】
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の反射型液晶表示装置の構成例について概略を示す説明図。
【図２】従来の反射型液晶表示装置での観察方向に応じた表示光の輝度変化を示すグラフ。
【図３】本発明による軸外し光学素子の一実施形態の概略を示す説明図。
【図４】本発明による軸外し光学素子の作製に用いる回折格子原版の作製方法の一例を示す説明図。
【図５】図３に示す光学素子の作製に用いるマスクを示す説明図。
【図６】本発明による軸外し光学素子の作製方法の一例を示す説明図。
【図７】本発明による軸外し光学素子の作製方法の一例を示す説明図。
【図８】本発明による軸外し光学を液晶表示装置に用いた一例について、概要を示す説明図。
【図９】本発明による軸外し光学素子を液晶表示装置に用いた場合の光学特性（色分散）について、概要を示す説明図。
【図１０】軸外し光学特性が好適でない場合の、照明光，回折光，表示光の光路を示す説明図。
【符号の説明】
１…偏光板
２…カラーフィルター
３…液晶パネル
４…照明光
５…反射電極
６…拡散光（表示光）
７…正反射光
９…光学素子
１０，１１…回折格子
１２，１５…乾板（感光材料）
１３…平行光（参照光）
１４…発散光（物体光）
１６…透過部
１７…不透過部
１８，１９…マスク
２４…表示光
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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