(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の入射角範囲を持った拡散光を厚みのある感光材料に投射し、拡散光束内の光相互の干渉縞を前記感光材料内に記録してなる光拡散素子の入射側に、所定入射角の入射光の角度を変換して拡散し、それ以外の入射角の入射光を拡散させずに透過する機能を有する体積型の透過型ホログラムからなる光偏向素子が配置されてなること特徴とする光拡散素子複合体。
【請求項２】
請求項１記載の光拡散素子複合体を画像表示装置の観察側に密着あるいは近接配置したことを特徴とする画像表示システム。
【請求項３】
前記画像表示装置が透過型液晶表示装置であることを特徴とする請求項２記載の画像表示システム。
【請求項４】
前記画像表示装置が反射型液晶表示装置であることを特徴とする請求項２記載の画像表示システム。
【請求項５】
請求項１記載の光拡散素子複合体上に画像を結像させることを特徴とする画像表示システム。
【請求項６】
建物の窓ガラスに請求項１記載の光拡散素子複合体を設け、その一方の側からプロジェクターにより画像をその上に結像させ、その他方の側から観察することを特徴とする画像表示システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光拡散素子複合体及びそれを用いた画像表示システムに関し、特に、プロジェクターの透過型スクリーンや液晶表示装置等の直視型ディスプレイの視野角拡大フィルムに代表される光散乱機能を持った光拡散素子複合体とその光拡散素子複合体を用いた画像表示システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、光散乱機能を持った素子として、以下のものが知られていた。
ａ．表面に微細な凹凸形状を付与した素子
ｂ．透明材料内部に屈折率の異なる微粒子を分散した素子
ｃ．散乱光と参照光を干渉させて記録したホログラム素子。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記ａ及びｂの素子の光散乱の原理は、表面の微細な凹凸形状や微粒子により光線がランダムに曲げられることによる。そのため、散乱量はある程度制御できるものの、特定の角度に散乱光を集中するというように、散乱光を高精度で制御することができず、本来不必要な方向へも散乱してしまうために、光の利用効率が悪いという欠点があった。また、どの方向からの光も散乱してしまうため、透明度が悪かった。特に、「ある方向の光は散乱するが、それ以外からは透明に見せたい」というような用途、例えば建物の窓ガラスに用いるような用途には適していなかった。
【０００４】
また、上記のｃの散乱光を記録したホログラム素子の場合は、散乱角の制御は可能であり、また、ホログラム特有の角度選択性により特定方向の光のみを散乱させることは可能である。ところが、ホログラムには波長選択性と光分散性という特徴があり、これが欠点として働く。波長選択性とは、特定の波長の光しか回折しないという性質であり、このため、カラーの画像を扱う場合、特定の波長の光が強調され、特定の色味がかってしまうという問題があった。また、光分散性は、波長毎に回折される角度が異なる性質であり、このため、見る位置により色が変わってしまうという問題があった。
【０００５】
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、所定の入射角範囲に対しては散乱するがそれ以外の角度では散乱することなく透過し、また、光分散、波長選択性も極めて少ない光拡散素子複合体及びそれを用いた画像表示システムを提供することである。
【０００６】
【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光拡散素子複合体は、所定の入射角範囲を持った拡散光を厚みのある感光材料に投射し、拡散光束内の光相互の干渉縞を前記感光材料内に記録してなる光拡散素子の入射側に、所定入射角の入射光の角度を変換して拡散し、それ以外の入射角の入射光を拡散させずに透過する機能を有する体積型の透過型ホログラムからなる光偏向素子が配置されてなること特徴とするものである。
【００１０】
本発明の光拡散素子複合体を用いた画像表示システムは、以上の光拡散素子複合体を画像表示装置の観察側に密着あるいは近接配置したものである。
【００１１】
その場合、画像表示装置は、透過型液晶表示装置、反射型液晶表示装置等何れでもよい。
【００１２】
また、以上の光拡散素子複合体上に画像を結像させる画像表示システムであってもよい。
【００１３】
さらに、建物の窓ガラスに以上の光拡散素子複合体を設け、その一方の側からプロジェクターにより画像をその上に結像させ、その他方の側から観察する画像表示システムであってもよい。
【００１４】
本発明においては、所定の入射角範囲を持った拡散光を厚みのある感光材料に投射し、拡散光束内の光相互の干渉縞を感光材料内に記録してなる光拡散素子を用い、所定の入射角範囲に対しては散乱するがそれ以外の角度では散乱することなく透過し、また、光分散、波長選択性も極めて少ない光拡散素子を用いるため、見る方向により向こう側が透けて見えたり見えなかったりする視線制御フィルム、投影スクリーン等に適用でき、また、画像表示システムに適用する場合には、特定の色味がかってしまったり、見る位置により色が変わってしまうという問題が生じない。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の光拡散素子複合体の原理とその実施例、適用例を図面を参照にして説明する。
図１及び図２を用いて本発明において用いる光拡散素子の作製方法を説明する。
図１において、符号１は、フォトポリマー等の厚み（体積）のある感光材料であって、体積型干渉縞（ブラッグ格子）を記録できる感光材料である。また、符号２は、すりガラス、オパール板等の透過拡散板である。このような透過拡散板２を感光材料１に密着するか（図１（ａ））、感光材料１から所定の距離離間して対向するように配置して（図１（ｂ））、透過拡散板２の感光材料１とは反対側からレーザー光３を入射させると、透過拡散板２の感光材料１側に拡散光（散乱光）４が出る。この拡散光４は感光材料１に入射し、その拡散光束内の光相互が干渉して多数の干渉縞が感光材料１内に記録される。
【００１６】
図３（ａ）はその干渉縞５を模式的に示した断面図であり、図１の配置では、拡散光４の中心光線（主光線）は感光材料１に略垂直に入射するので、干渉縞５は、感光材料１の面に垂直な干渉縞を中心に略±Δの角度範囲内に種々の傾きを持つ多数の干渉縞が多重記録されてなるものである。もちろん、この略±Δの角度範囲は図３（ａ）の断面だけでなく、その断面に角度をなしているあらゆる断面についても同じである。
【００１７】
したがって、図３（ｂ）に示すように、このようにして記録作製された本発明の光拡散素子１０に、その面に垂直な法線を中心とする立体角Ω（この角度範囲は、記録の際の拡散光４の角度範囲と略同じになる。）内に入射した光１１は、この多重干渉縞５によって回折され、光拡散素子１０の面に垂直な法線を中心とする立体角Φ内に分布する拡散光１２となる。一方、立体角Ω外に入射した光１３は多重干渉縞５によって回折されず、直通透過光１４となる。すなわち、本発明の光拡散素子１０は、記録の際の拡散光４の角度範囲によって決まる立体角Ω内に光１１が入射すると、回折されて拡散するが、それ以外の角度から光１３が入射すると、散乱されずに透過するため、透明になる。
【００１８】
また、干渉縞５中の平均した干渉縞の方向は、光拡散素子１０の面に垂直な法線方向と一致するので、この方向を中心とする立体角Ω内に光１１が入射すると、光分散はほとんど発生せず、発生しても極めて少ない。また、同じ理由で波長選択性も極めて小さい。
【００１９】
したがって、本発明の光拡散素子１０は、▲１▼特定角度の入射光は散乱し、それ以外の角度からの光は透過し、透明に見える。▲２▼散乱される画像の色再現性はどこからでも良好で、色が着いて見えない、との特性を同時に持つ光拡散スクリーンとして使用できる。
【００２０】
図２は、透過拡散板２の代わりに、マイクロレンズアレイ６を用いて、本発明の光拡散素子１０を作製する方法を説明するための図であり、この場合は、マイクロレンズアレイ６を感光材料１に密着するか、感光材料１から所定の距離離間して対向するように配置して、マイクロレンズアレイ６の感光材料１とは反対側からレーザー光３を入射させ、マイクロレンズアレイ６の各微小レンズから感光材料１側へ出る発散光束７の群を感光材料１へ入射させ、その発散光束群内の光相互を干渉させて、図１の場合と同様に多数の干渉縞を感光材料１内に記録することにより本発明の光拡散素子１０を作製する。
【００２１】
ところで、以上の光拡散素子１０は、光拡散素子１０の面の法線を中心とする立体角Ω内に入射した光１１を光拡散素子１０の反対面側に拡散光１２として散乱するものであったが、光拡散素子１０の斜め方向から入射する光を反対面側の法線を中心とする立体角Φ内に散乱するものとするためには、光拡散素子１０の入射側に光偏向素子を配置すればよい。その例を図４に示す。図４（ａ）に透過型ホログラム１７からなる光偏向素子を示す。これは光偏向素子の斜め上方向から入射する光１５を透過側の正面方向に向かう光に角度変換するものである。透過型ホログラム１７は、２つの平行光を同じ側から相互に角度をなして入射させることにより作製されるものであり、特に、その記録材料として、光拡散素子１０の場合と同様、厚みがあり体積型干渉縞を記録できる感光材料を用いる場合には、特定の斜め方向から入射する光のみを上記のように角度変換し、他の方向から入射する光は直通するので望ましい。
【００２２】
このような光偏向素子１７を光拡散素子１０の入射側に密着するか距離を置いて配置すると（図４（ｂ））、光拡散素子１０の斜め上方向から入射する光１５を透過側の正面方向に向かう拡散光１２とすることができる。以下、このような光偏向素子１７と光拡散素子１０からなる素子を、本発明においては光拡散素子複合体１０’と呼ぶ。なお、このような構成において、体積型で透過型ホログラム１７を用いる場合には、所定の角度範囲の斜め方向から入射する光１５は回折されて拡散するが、それ以外の角度から入射する光は散乱されずに透過する特性を有する。なお、以下の説明では、光拡散素子１０として光拡散素子複合体１０’も含むものとする。
【００２３】
さて、本発明による光拡散素子１０は、液晶表示装置等の画像表示装置の観察側に密着あるいは近接配置することにより、観察可能な角度範囲を拡大することができる。図５にその様子を示す。この図の例では画像表示装置として透過型カラー液晶表示装置を用いている。透過型カラー液晶表示装置２０は、ツイストネマチック液晶等の液晶層２６が透明ガラス板２１と２２の間に挟まれてなり、観察側の透明ガラス板２１の液晶層２６と接する面には、ストライプ状等に配置されたＲＧＢからなるカラーフィルター２３とその表面側に積層されたＴＦＴを含む透明画素電極２４とが設けられ、バックライト２７側の透明ガラス板２２の液晶層２６と接する面には、共通対向電極２５が設けられており、さらにそれら電極２４、２５表面には図示しない配向膜、ブラックマトリックス等が設けられている。画素電極２４はＲ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）画素毎に独立に制御可能になっている。なお、透明画素電極２４、透明共通対向電極２５の代わりに、一方を透明信号電極、他方を透明走査電極とするマトリックス電極構造にすることもできる。また、液晶表示装置２０の入射側及び射出側には液晶表示素子の動作原理に応じて図示しない偏光板が配置されている。
【００２４】
このような透過型カラー液晶表示装置２０においては、図５（ａ）に示すように、正面側から見て表示画像が観察できる角度範囲は図のθで示された狭い角度範囲に限定され、その角度範囲θの外の位置から観察すると、表示画像は見えない。
【００２５】
しかし、図５（ｂ）に示すように、本発明による光拡散素子１０をこの透過型カラー液晶表示装置２０の観察側に密着あるいは近接配置すると、バックライト２７から透過型カラー液晶表示装置２０の透明画素を経た光は、上記原理により拡散されるため、観察可能な角度範囲はθからα（α＞θ）に拡大され、正面側から表示画像が見える角度範囲が広がる。
【００２６】
次に、画像表示装置として反射型カラー液晶表示装置を用いる場合に、観察可能角度範囲を拡大する例を示す。図６（ａ）において、反射型カラー液晶表示装置３０は、ツイストネマチック液晶等の液晶層３６が透明ガラス板３１とガラス板３２の間に挟まれてなり、観察側の透明ガラス板３１の液晶層３６と接する面には、ストライプ状等に配置されたＲＧＢからなるカラーフィルター３３とその表面側に積層されたＴＦＴを含む透明画素電極３４とが設けられ、観察側と反対側のガラス板３２の液晶層３６と接する面には、共通対向電極を兼ねる金属反射層３５が設けられており、さらにそれら電極３４、３５表面には図示しない配向膜、ブラックマトリックス等が設けられている。画素電極３４はＲ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）画素毎に独立に制御可能になっている。なお、液晶表示装置３０の入射側には液晶表示素子の動作原理に応じて図示しない偏光板が配置されている。
【００２７】
このような反射型カラー液晶表示装置３０の観察側に本発明による光拡散素子１０を密着あるいは近接配置する。ただし、この例の場合は、光拡散素子１０を作製するときの拡散光の中心光線は感光材料に対して斜めに配置され（後記の図８参照）、図６（ａ）のａ方向近傍に入射する光のみを拡散するものである。この場合のａ方向は、光拡散素子１０の法線に対して１０〜６０°の角度範囲内にあることが望ましい。
【００２８】
このような配置であるので、反射型カラー液晶表示装置３０のａ方向とは反対側の斜め前方から入射した外光３８は、光拡散素子１０で散乱されずに透過し、透明画素領域を通り、金属反射層３５で正反射され、再び透明画素領域を通ってａ方向に進み、光拡散素子１０に入射して上記原理により拡散されるため、観察可能な角度範囲がαに拡大される。
【００２９】
図６（ｂ）は図６（ａ）の変形例であり、この反射型カラー液晶表示装置３０’は、共通対向電極を兼ねる金属反射層３５の代わりに、透明共通対向電極３５’と、そのガラス板３２側に配置された断面鋸歯状の反射層３７とを用い、また、光拡散素子１０はその面に垂直な方向近傍から入射する光のみを拡散するものとしている。この構成では、反射型カラー液晶表示装置３０’の斜め前方から入射した外光３８は、光拡散素子１０で散乱されずに透過し、透明画素領域を通り、反射層３７で正面方向へ反射され、再び透明画素領域を通って拡散素子１０に入射し、上記原理により拡散されるため、観察可能な角度範囲がαに拡大される。この場合、外光３８の入射範囲は、光拡散素子１０の法線に対して１０〜６０°の間にあり、また、観察可能な角度範囲αは±３０°程度あることが望ましい。
【００３０】
また、本発明の光拡散素子１０は、プロジェクターの透過型スクリーンに用いることができる。図７は、窓ガラス４０に光拡散素子１０を貼り付け、室内に設置したプロジェクター４１からこの光拡散素子１０上に画像を投影し、窓ガラス４０の外側から見えるようにしたディスプレイであり、前記したように、光拡散素子１０は所定の方向以外からは向こう側が透けて見えるので、室内からは窓ガラス４０の外が見えるが、外の者からはプロジェクター４１の投影画像が見え、覗き見防止ができる。
【００３１】
図８に具体的に作製した光拡散素子の例を示す。
図８（ａ）に示すように、レーザー光源４２として波長５１４ｎｍ、出力５Ｗのアルゴンレーザを用い、透過拡散板２として粗さ１０００番、大きさ３０×５０ｃｍのすりガラスを用い、感光材料１として大きさ３０×５０ｃｍのデュポン社製ホログラム用フォトポリマーＨＲＦ６００Ｘを用いて、透過拡散板２に対して感光材料１を３５ｃｍ離して１５°傾けて配置した。レーザー光源４２からのレーザー光３を光学系４３により発散光とし、透過拡散板２全面に照射し、透過した拡散光４を感光材料１に照射し、その後所定の方法でフイックスすることにより光拡散素子１０が作製された。
【００３２】
この光拡散素子１０に対して、図８（ｂ）に示すように、光軸が１５°傾くようにプロジェクター４１を設置し、光拡散素子１０上に画像を投影したところ、明るさ、視域、色再現性共良好な画像が得られた。また、この光拡散素子１０は透明性があり、横から見たときに向こう側を見ることができた。
【００３３】
以上、本発明の光拡散素子をその原理と実施例、適用例に基づいて説明してきたが、本発明はこれら実施例等に限定されず種々の変形、適用が可能である。例えば、見る方向により向こう側が透けて見えたり見えなかったりする覗き見防止等の用途に適した視線制御フィルムにも適用できる。
【００３４】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によると、所定の入射角範囲を持った拡散光を厚みのある感光材料に投射し、拡散光束内の光相互の干渉縞を感光材料内に記録してなる光拡散素子を用い、所定の入射角範囲に対しては散乱するがそれ以外の角度では散乱することなく透過し、また、光分散、波長選択性も極めて少ない光拡散素子を用いるため、見る方向により向こう側が透けて見えたり見えなかったりする視線制御フィルム、投影スクリーン等に適用でき、また、画像表示システムに適用する場合には、特定の色味がかってしまったり、見る位置により色が変わってしまうという問題が生じない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による光拡散素子の１つの作製方法を説明するための図である。
【図２】本発明による光拡散素子の別の作製方法を説明するための図である。
【図３】本発明による光拡散素子の原理と作用を説明するための図である。
【図４】光偏向素子と組み合わせた光拡散素子を説明するための図である。
【図５】透過型カラー液晶表示装置に本発明の光拡散素子を適用した場合の構成と作用を説明するための図である。
【図６】反射型カラー液晶表示装置に本発明の光拡散素子を適用した場合の構成と作用を説明するための図である。
【図７】本発明の光拡散素子を窓ガラスに適用した場合の作用を説明するための図である。
【図８】本発明の光拡散素子の１つの具体例を説明するための図である。
【符号の説明】
１…感光材料
２…透過拡散板
３…レーザー光
４…拡散光
５…干渉縞
６…マイクロレンズアレイ
７…発散光束
１０…光拡散素子
１１…入射光
１２…拡散光
１３…入射光
１４…直通透過光
１５…入射光
１６…マイクロプリズムアレイ（光偏向素子）
１７…透過型ホログラム（光偏向素子）
２０…透過型カラー液晶表示装置
２１、２２…透明ガラス板
２３…カラーフィルター
２４…透明画素電極
２６…液晶層
２５…共通対向電極
２７…バックライト
３０、３０’…反射型カラー液晶表示装置
３１…透明ガラス板
３２…ガラス板
３３…カラーフィルター
３４…透明画素電極
３５…共通対向電極を兼ねる金属反射層
３５’…透明共通対向電極
３６…液晶層
３８…外光
３７…断面鋸歯状の反射層
４０…窓ガラス
４１…プロジェクター
４２…レーザー光源
４３…光学系
【図１】
0004270412.tif 000002
【図２】
0004270412.tif 000003
【図３】
0004270412.tif 000004
【図４】
0004270412.tif 000005
【図５】
0004270412.tif 000006
【図６】
0004270412.tif 000007
【図７】
0004270412.tif 000008
【図８】
0004270412.tif 000009