(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
画素がアレー状に配置された空間変調素子と、その空間変調素子に並列して配置された導光板と、その導光板の前記空間変調素子に対向する面上に設けられて、前記導光板を伝送する特定の波長で特定の入射角を持つ光を特定の角度方向に集光して回折させる干渉縞であって、赤色光を前記空間変調素子の赤色画素上に集光して回折させ、緑色光を前記空間変調素子の緑色画素上に集光して回折させ、青色光を前記空間変調素子の青色画素上に集光して回折させる干渉縞からなる微小体積ホログラムのアレーとから構成された表示装置において、
前記導光板の一端面に入射角に対応する射出角の中心光線を中心として所定の角度範囲内に射出光を散乱させる指向性散乱板が設けられ、前記指向性散乱板の入射側に共通の白色光源からの光束を色毎に異なる角度に分光する分光素子が配置され、前記共通の白色光源からの光束を前記分光素子を介して前記指向性散乱板に入射させ、前記指向性散乱板を通して前記導光板に色毎に中心光線の角度の異なる指向性散乱光を入射させて、前記導光板の中を導光される光が、色毎に中心光線の角度の異なる指向性散乱光であるようにしたことを特徴とする表示装置。
【請求項２】
画素がアレー状に配置された空間変調素子と、その空間変調素子に並列して配置された導光板と、その導光板の前記空間変調素子に対向する面上に設けられて、前記導光板を伝送する特定の波長で特定の入射角を持つ光を特定の角度で回折させる一様で平行な平面状の干渉縞からなる体積ホログラムと、その体積ホログラムと前記空間変調素子の間に平行に配置され、前記体積ホログラムから回折された赤色光を前記空間変調素子の赤色画素上に集光し、前記体積ホログラムから回折された緑色光を前記空間変調素子の緑色画素上に集光し、前記体積ホログラムから回折された青色光を前記空間変調素子の青色画素上に集光する集光素子アレーとから構成された表示装置において、
前記導光板の一端面に入射角に対応する射出角の中心光線を中心として所定の角度範囲内に射出光を散乱させる指向性散乱板が設けられ、前記指向性散乱板の入射側に共通の白色光源からの光束を色毎に異なる角度に分光する分光素子が配置され、前記共通の白色光源からの光束を前記分光素子を介して前記指向性散乱板に入射させ、前記指向性散乱板を通して前記導光板に色毎に中心光線の角度の異なる指向性散乱光を入射させて、前記導光板の中を導光される光が、色毎に中心光線の角度の異なる指向性散乱光であるようにしたことを特徴とする表示装置。
【請求項３】
波長が長い色程、前記指向性散乱光の中心光線の前記体積ホログラムに対する入射角が大きいことを特徴とする請求項１又は２記載の表示装置。
【請求項４】
前記共通の白色光源からの光束が集光手段により集光若しくは平行光化されることを特徴とする請求項１又は２記載の表示装置。
【請求項５】
前記導光板が前記一端面から対向する端面に向かって厚みが小さくなるか大きくなる楔状の導光板からなることを特徴とする請求項１から４の何れか１項記載の表示装置。
【請求項６】
前記導光板の前面と後面のなす角度をδとし、前記体積ホログラムの回折の角度選択幅がΔθとするとき、Δθ≒２δを満たすことを特徴とする請求項５記載の表示装置。
【請求項７】
前記指向性散乱光の散乱角度範囲が前記体積ホログラムの回折の角度選択幅に対して十分に大きく設定されていることを特徴とする請求項１から６の何れか１項記載の表示装置。
【請求項８】
前記導光板の前面と後面のなす角度をδとし、前記指向性散乱光の中心光線の前記導光板内での繰り返し反射回数をｎ、前記指向性散乱光の散乱角度幅をΔφとするとき、Δφ≒２δ×ｎの関係を満足することを特徴とする請求項５から７の何れか１項記載の表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表示装置に関し、特に、色分離機能を有するホログラムカラーフィルターと空間変調素子とを用いた明るい表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ホログラムカラーフィルターと導光板とを組み合わせてフラット型若しくは直視型のディスプレイに用いることは多く提案されているが、例えば特開平１０−２５３９５５号、特開２０００−２４１８１２の提案がある。
【０００３】
特開平１０−２５３９５５号のものは、一層の体積型ホログラムの波長選択性・角度選択性を利用して、導光板中を繰り返し反射で導かれる白色散乱光中のＲ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）毎に異なる入射角で入射する波長成分を選択的にかつ異なる回折角で回折させてそれぞれの原色画素に入射させるようにしたホログラムカラーフィルターを用いた液晶表示装置である。
【０００４】
また、特開２０００−２４１８１２のものは、楔状導光板から出た光をＲ、Ｇ、Ｂ毎に異なる回折角で回折する回折格子と、回折格子で異なる角度に分けられたＲ、Ｇ、Ｂの光をそれぞれの原色画素に集光させる集光素子とからなる液晶表示装置である。
【０００５】
また、ホログラムカラーフィルターの波長選択性・角度選択性を利用して、波長毎に異なった角度から照明光を入射させることにより、照明の効率を上げる方法は、本出願人による特願２０００−１２９０３６や、“ＩＤＷ”，’００，ｐ．１０７７〜１０８０において提案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
特開平１０−２５３９５５号のように、ホログラムカラーフィルターの照明光として導光板中を繰り返し反射で導かれる白色散乱光を用いようとすると、ホログラムの波長選択性・角度選択性のため、ホログラムカラーフィルターにより回折されて利用される割合は高くなく、照明光の利用効率は余り高くならないという問題があった。
【０００７】
本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、色分離機能を有するホログラムカラーフィルターと空間変調素子とを用いた表示装置において、照明光の利用効率を高くして明るい表示が可能なものを提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の表示装置は、画素がアレー状に配置された空間変調素子と、その空間変調素子に並列して配置された導光板と、その導光板の前記空間変調素子に対向する面上に設けられて、前記導光板を伝送する特定の波長で特定の入射角を持つ光を特定の角度方向に集光して回折させる干渉縞であって、赤色光を前記空間変調素子の赤色画素上に集光して回折させ、緑色光を前記空間変調素子の緑色画素上に集光して回折させ、青色光を前記空間変調素子の青色画素上に集光して回折させる干渉縞からなる微小体積ホログラムのアレーとから構成された表示装置において、
前記導光板の中を導光される光が、色毎に中心光線の角度の異なる指向性散乱光であることを特徴とするものである。
【０００９】
本発明のもう１つの表示装置は、画素がアレー状に配置された空間変調素子と、その空間変調素子に並列して配置された導光板と、その導光板の前記空間変調素子に対向する面上に設けられて、前記導光板を伝送する特定の波長で特定の入射角を持つ光を特定の角度で回折させる一様で平行な平面状の干渉縞からなる体積ホログラムと、その体積ホログラムと前記空間変調素子の間に平行に配置され、前記体積ホログラムから回折された赤色光を前記空間変調素子の赤色画素上に集光し、前記体積ホログラムから回折された緑色光を前記空間変調素子の緑色画素上に集光し、前記体積ホログラムから回折された青色光を前記空間変調素子の青色画素上に集光する集光素子アレーとから構成された表示装置において、
前記導光板の中を導光される光が、色毎に中心光線の角度の異なる指向性散乱光であることを特徴とするものである。
【００１０】
これらにおいて、波長が長い色程、指向性散乱光の中心光線の体積ホログラムに対する入射角が大きいように設定することが望ましい。
【００１１】
また、導光板の一端面に指向性散乱板が設けられ、その指向性散乱板を通して異なる方向から異なる色の光束を入射するように構成することができる。
【００１２】
その場合、異なる色の光源が異なる位置に配置され、各光源から指向性散乱板に異なる色の光束が入射される構成とすることができる。
【００１３】
また、共通の白色光源が配置され、白色光源からの光束を色毎に異なる角度に分光する分光素子を介して指向性散乱板に入射させることもできる。
【００１４】
また、光源からの光束が各光源に対応した集光手段により集光若しくは平行光化されることが望ましい。
【００１５】
また、導光板を一端面から対向する端面に向かって厚みが小さくなるか大きくなる楔状の導光板から構成することが望ましい。
【００１６】
その場合に、導光板の前面と後面のなす角度をδとし、体積ホログラムの回折の角度選択幅がΔθとするとき、Δθ≒２δを満たすことが望ましい。
【００１７】
また、指向性散乱光の散乱角度範囲が体積ホログラムの回折の角度選択幅に対して十分に大きく設定されていることが望ましい。
【００１８】
また、導光板の前面と後面のなす角度をδとし、指向性散乱光の中心光線の導光板内での繰り返し反射回数をｎ、指向性散乱光の散乱角度幅をΔφとするとき、Δφ≒２δ×ｎの関係を満足することが望ましい。
【００１９】
本発明においては、導光板の中を導光される光が、色毎に中心光線の角度の異なる指向性散乱光であるので、色分離機能を有するホログラムカラーフィルターの各色に対するブラッグの回折条件を満足する入射角近傍に各色の照明光を集中させることができ、無駄なく高い光利用効率で空間変調素子の原色画素に対応する色の光を集光させることができ、照明光の利用効率を高くして明るい表示が可能になる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
まず、本発明の表示装置のホログラムカラーフィルターの原理を説明すると、本発明において用いられるホログラムカラーフィルターは、特開平１０−２５３９５５号において提案されたものと同様に、一層の波長選択性と角度選択性を持たせた体積型ホログラムからなり、ブラッグ条件を満足する特定の角度で特定の波長域の光のみを特定の角度へ回折するものである。
【００２１】
図７は、このようなホログラムカラーフィルターを用いた透過型画像表示装置を説明するため図である。ホログラムカラーフィルター１としては、要素ホログラム１’のアレーからなるものを用いるが、その中の干渉縞２が一様な傾きで一様な間隔からなり集光性のないものの場合は、要素ホログラム１’間の境界は存在しないが、要素ホログラム１’が集光性ホログラムで構成される場合は、ホログラムカラーフィルター１は要素ホログラム１’のアレーからなる。ここで、ホログラムカラーフィルター１を構成するホログラム１’は単層の体積型ホログラムからなり、回折角度の選択性、回折波長の選択性を持つものである。
【００２２】
図７に示すように、入射角θG で入射したＧ領域の波長λG の入射光３G は、干渉縞２でブラッグ条件を満足して例えばホログラムカラーフィルター１の正面方向へ回折光４G として回折されるように干渉縞２が構成されており、それ以外の波長の光は波長選択性により回折されないで透過する。また、この入射角θG 以外の角度で入射するＧ領域の波長λG の光は、角度選択性により、図７に示すようには回折されないで透過する。
【００２３】
これに対して、入射角θG と異なる入射角θR （θR ＞θG ）で入射したＲ領域の波長λR の入射光３R は、干渉縞２でブラッグ条件を満足してＧ領域の波長λG の回折光４G より右側に回折光４R として回折される。また、入射角θB （θB ＜θG ）で入射したＢ領域の波長λB の入射光３B は、干渉縞２でブラッグ条件を満足してＧ領域の波長λG の回折光４G より左側に回折光４R として回折される。
【００２４】
したがって、ホログラムカラーフィルター１に、入射角θG で入射するＧ領域の波長λG の成分３G 、入射角θR で入射するＲ領域の波長λR の成分３R 、入射角θB で入射するＢ領域の波長λB の成分３B を含む照明光３を入射させるようにすれば、回折光４はＲＧＢ色毎に角度分離された光４R 、４G 、４B となる。
【００２５】
ここで、要素ホログラム１’が干渉縞２が一様な集光性のないものからなる場合には、各要素ホログラム１’に集光レンズ（凸レンズ）が対応するようにホログラムカラーフィルター１の回折側直後にマイクロレンズアレー５を配置して構成し、要素ホログラム１’が１次元あるいは２次元集光性の場合には、このマイクロレンズアレー５を配置しないで構成すると、マイクロレンズアレー５の後側焦点面あるいは集光性要素ホログラム１’の集光面上に角度分離されたＲＧＢ色の回折光４R 、４G 、４B はそれぞれ色分離されて集光する。
【００２６】
以上が本発明の画像表示装置に用いるホログラムカラーフィルター１の分光原理であり、異なる複数の波長帯域λR 、λG 、λB の光３R 、３G 、３B であって、それぞれブラッグの回折条件を満足する異なる入射角θR 、θG 、θB で入射する成分を含む照明光３を入射させた場合に、異なる別々の回折角でそれぞれの波長帯域λR 、λG 、λB の光４R 、４G 、４B として回折する特性のものと言うことができる。
【００２７】
このようなホログラムカラーフィルター１の回折光４射出側の焦光面上に、要素ホログラム１’各々に対応して隣接する３つの原色画素Ｒ、Ｇ、Ｂが周期的に配置されてなる透過型液晶表示素子等の透過型空間光変調器６を配置し、かつ、回折光４中のＲ成分４R の集光位置にＲ画素が、Ｇ成分４G の集光位置にＧ画素が、Ｂ成分４B の集光位置にＢ画素が位置するように配置して、ホログラムカラーフィルター１の照明光３として、Ｒ、Ｇ、Ｂの成分光３R 、３G 、３B であって、それぞれブラッグの回折条件を満足する異なる入射角θR 、θG 、θB で入射する成分を含む照明光３を入射させると、ＲＧＢの回折光４R 、４G 、４B はそれぞれ対応する透過型空間光変調器６の赤、緑、青を表示する画素Ｒ、Ｇ、Ｂに入射してそれらの画素の表示状態に応じた強度変調を受けて透過側の観察者の眼Ｅに達するので、画素Ｒ、Ｇ、Ｂの変調状態の組み合わせによって、照明光の光利用効率が高く色再現性の良いカラー画像表示が可能になる。
【００２８】
さて、図１の模式的な断面図を参照にして、上記のようなホログラムカラーフィルター１を用いた本発明の１実施例の表示装置を説明する。透明な導光板１０の前面１０2 に上記のようなホログラムカラーフィルター１が貼り付けられており、導光板１０の一端面１０1 には指向性散乱板１１が貼り付けられている。この指向性散乱板１１は、透明板中に透明ビーズを分散させてなるもの、あるいは、マイクロレンズアレーからなるもの等であり、所定の入射角で入射する光をその入射角に対応する射出角を中心として所定の角度範囲内、例えば入射角±１０°の角度範囲内に均等に散乱させるものである。
【００２９】
そして、導光板１０の一端面１０1 に面してＲ、Ｇ、Ｂの光源１２R 、１２G 、１２B が分離して並列に配置されており、それぞれの光源１２R 、１２G 、１２B からのＲ、Ｇ、Ｂの光１４R 、１４G 、１４B を導光板１０の一端面１０1 上の指向性散乱板１１に集光させるレンズ１３R 、１３G 、１３B が光源１２R 、１２G 、１２B と指向性散乱板１１の間に配置されている。
【００３０】
そして、ホログラムカラーフィルター１の回折光４射出側の焦光面上に、透過型空間光変調器６として用いる透過型液晶表示素子の液晶層が位置するように透過型空間光変調器６を配置し、かつ、回折光４中のＲ成分４R の集光位置にＲ画素が、Ｇ成分４G の集光位置にＧ画素が、Ｂ成分４B の集光位置にＢ画素が位置するように配置する。
【００３１】
このような配置であるので、レンズ１３R 、１３G 、１３B で集光され指向性散乱板１１で散乱されて導光板１０内に入射したＲ、Ｇ、Ｂの光束１５R 、１５G 、１５B は、図２に示すように、一定の立体角のコーン状の角度範囲内に分布している。この各色の光束１５R 、１５G 、１５B の角度分布は、ホログラムカラーフィルター１の各色の光が同時に入射する位置を中心に見ると、図３に示すようなコーン状の角度範囲になる。
【００３２】
図３に示したコーン状の光束１５R 、１５G 、１５B の角度範囲内に、ホログラムカラーフィルター１のブラッグの回折条件を満足する入射角θR 、θG 、θB （図７）が入るように、Ｒ、Ｇ、Ｂの光源１２R 、１２G 、１２B の位置を選んでＲ、Ｇ、Ｂの光１４R 、１４G 、１４B を指向性散乱板１１に入射させると、Ｒ、Ｇ、Ｂの光束１５R 、１５G 、１５B 中に回折可能な成分光３R 、３G 、３B が必ず存在することになるので、ＲＧＢ色毎に角度分離された回折光４R 、４G 、４B を効率良く生じさせ、透過型空間光変調器６の画素Ｒ、Ｇ、Ｂに入射させて、高い照明光の利用効率で明るいカラー画像の表示が可能になる。
【００３３】
ところで、図１の実施例は、導光板１０内でのＲ、Ｇ、Ｂのそれぞれ制限され異なる角度範囲内に散乱された指向性散乱光１５R 、１５G 、１５B を得るのに並列配置されたＲ、Ｇ、Ｂ３つの光源１２R 、１２G 、１２B を用いるものであったが、図４のように、単一の白色光源１２W を用い、かつ、その光源１２W からの白色光１４W をレンズ１３W で集光させ、指向性散乱板１１の入射側に貼り付けた回折格子１６により異なる回折角でＲ、Ｇ、Ｂの光を回折させるようにしても同様のものが得られる。
【００３４】
以上の説明では、指向性散乱板１１を経て入射した指向性散乱光１５R 、１５G 、１５B の導光板１０内での繰り返し反射については考えなかった。導光板１０の前面１０2 と後面１０3 が平行である限り、繰り返し反射を行っても、ホログラムカラーフィルター１に入射する指向性散乱光１５R 、１５G 、１５B の角度範囲は図３のようになり、繰り返し反射数には関係がない。
【００３５】
しかし、その場合は、繰り返し反射を行ってホログラムカラーフィルター１に入射する回数が増える度に、指向性散乱光１５R 、１５G 、１５B 中の回折条件を満足する入射角θR 、θG 、θB 近傍の成分が減っていき、図１、図４のホログラムカラーフィルター１の右から左に移るにつれて回折光４R 、４G 、４B の強度が弱くなっていく。しかも、指向性散乱光１５R 、１５G 、１５B 中の入射角θR 、θG 、θB 近傍以外の成分は回折に利用されないまま無駄になる。
【００３６】
この問題を解決するために、導光板１０の前面１０2 と後面１０3 を平行にするのではなく、図１、図４に示すように、光の進行方向に相互に角度δをなして狭まるか広がるような楔状にする（図の場合は何れも狭まっている。）。導光板１０をこのような楔状にすることによって、図５に示すように、その前面１０2 と後面１０3 で反射をする度に前面１０2 に入射する光線の入射角は、２δだけ小さくなっていく。すなわち、図６に示すように、導光板１０内での繰り返し反射に伴ってホログラムカラーフィルター１に入射する回数が増える度に、コーン状の光束１５R 、１５G 、１５B 相互の角度関係は変わらないが、ホログラムカラーフィルター１に対する入射角は２δだけ小さくなっていく。（導光板１０の前面１０2 と後面１０3 のなす角度δが光の進行方向に広がる場合は、逆に入射角は２δだけ大きくなっていく。）。したがって、上記の角度２δがコーン状の光束１５R 、１５G 、１５B の広がり角（コーンの頂角）より小さくなるように導光板１０の角度δが設定されている限り、図６に示すように、繰り返し反射を繰り返す度にコーン状の光束１５R 、１５G 、１５B に対する回折可能な成分光３R 、３G 、３B の角度関係は変化していく。そのため、導光板１０内で繰り返し反射を行ってホログラムカラーフィルター１に入射する回数が増えても、指向性散乱光１５R 、１５G 、１５B 中の回折条件を満足する入射角θR 、θG 、θB 近傍の成分は相対的に変わり減らない。そのため、図１、図４のホログラムカラーフィルター１の右から左に移っても回折光４R 、４G 、４B の強度は略同じで、コーン状の指向性散乱光１５R 、１５G 、１５B はほとんど有効に回折して画素の照明に用いられる。
【００３７】
ブラッグの回折条件を満足する入射角θR 、θG 、θB において、その入射角θR 、θG 、θB を中心にしてホログラムカラーフィルター１で有効に回折される角度選択幅がΔθの場合に、Δθ≒２δに選択されれば、コーン状の指向性散乱光１５R 、１５G 、１５B は、反射を繰り返してホログラムカラーフィルター１に入射する度に角度範囲２δ分だけ順次有効に回折されるので、最も高い利用効率で有効に用いられることになる。
【００３８】
以上の説明から、指向性散乱板１１による指向性散乱光１５R 、１５G 、１５B の導光板１０内での散乱角度範囲は、ホログラムカラーフィルター１で有効に回折される角度選択幅Δθに対して十分に大きく設定されることが望ましいことが分かる。より具体的には、指向性散乱光１５R 、１５G 、１５B の中心光線の繰り返し反射回数をｎ、散乱角度幅をΔφとするとき、Δφ≒２δ×ｎの関係を満足することが望ましい。
【００３９】
以上、本発明の表示装置をいくつかの実施例に基づいて説明してきたが、本発明はこれら実施例に限定されず種々の変形が可能である。また、表示装置を図１、図４のような透過型でなく、ホログラムカラーフィルター１として集光性要素ホログラム１’のアレーからなるものを用いて反射型に構成することもできる。その場合には、反射型液晶表示素子等の反射型空間光変調器で反射された表示光が、例えば偏光面を９０°回転させてホログラムカラーフィルター１及び導光板１０を透過するように構成すればよい。
【００４０】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の表示装置によると、導光板の中を導光される光が、色毎に中心光線の角度の異なる指向性散乱光であるので、色分離機能を有するホログラムカラーフィルターの各色に対するブラッグの回折条件を満足する入射角近傍に各色の照明光を集中させることができ、無駄なく高い光利用効率で空間変調素子の原色画素に対応する色の光を集光させることができ、照明光の利用効率を高くして明るい表示が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施例の表示装置の模式的な断面図である。
【図２】指向性散乱板で散乱されて導光板内に入射したＲ、Ｇ、Ｂのコーン状の角度分布の指向性散乱光を説明するための図である。
【図３】ホログラムカラーフィルターに入射するＲ、Ｇ、Ｂのコーン状の角度分布の指向性散乱光を説明するための図である。
【図４】本発明の別の実施例の表示装置の模式的な断面図である。
【図５】楔状の導光板内を繰り返し反射により導光される際の入射角の変化を説明するための図である。
【図６】ホログラムカラーフィルターに入射する回数が増える度にコーン状の角度分布の指向性散乱光の入射角が変化し、回折条件を満足する光の入射角が変化しないことを説明するための図である。
【図７】本発明で使用するホログラムカラーフィルターを用いた透過型画像表示装置を説明するため図である。
【符号の説明】
Ｅ…観察者の眼
１…ホログラムカラーフィルター
１’…要素ホログラム
２…干渉縞
３…照明光
３G …Ｇ色の入射光（成分）
３R …Ｒ色の入射光（成分）
３B …Ｂ色の入射光（成分）
４…回折光
４G …Ｇ色の回折光
４R …Ｒ色の回折光
４B …Ｂ色の回折光
５…マイクロレンズアレー
６…透過型空間光変調器
１０…導光板
１０1 …導光板の一端面
１０2 …導光板の前面
１０3 …導光板の後面
１１…指向性散乱板
１２G …Ｇの光源
１２R …Ｒの光源
１２B …Ｂの光源
１２W …白色光源
１３R 、１３G 、１３B 、１３W …レンズ
１４G …Ｇの光
１４R …Ｒの光
１４B …Ｂの光
１４W …白色光
１５G …導光板内のＧの光束（指向性散乱光）
１５R …導光板内のＲの光束（指向性散乱光）
１５B …導光板内のＢの光束（指向性散乱光）
１６…回折格子
【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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