JP4293327B2 - ホログラムカラーフィルター及びそれを用いた画像表示装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ホログラムカラーフィルター及びそれを用いた画像表示装置に関し、特に、反射型の画像表示装置に適したホログラムカラーフィルターとそのホログラムカラーフィルターと高分子分散型液晶表示素子、デジタルマイクロミラーデバイス型表示素子等の空間光変調器とを組み合わせた反射型の画像表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
本出願人は、特願平５−１２１７０号等において、液晶表示用バックライト等の利用効率を大幅に向上させるために、ホログラムを利用したカラーフィルター及びそれを用いた液晶表示装置を提案した。
【０００３】
このホログラムカラーフィルターは、偏心したフレネルゾーンプレート状の微小ホログラムアレーからなるものである。
【０００４】
以下、簡単にこのような偏心したフレネルゾーンプレート状の微小ホログラムアレーからなるホログラムカラーフィルターを用いた液晶表示装置について、図８の断面図を参照にして説明する。同図において、規則的に液晶セル６′（分色画素）に区切られた液晶表示素子６のバックライト３入射側にこのホログラムカラーフィルターを構成するホログラムアレー５が離間して配置される。液晶表示素子６背面には、各液晶セル６′の間に設けられたブラック・マトリックス４が配置される。以上の他、図示しない偏光板が液晶表示素子６の両側に配置される。なお、ブラック・マトリックス４の間には、従来のカラー液晶表示装置と同様に、Ｒ、Ｇ、Ｂの分色画素に対応した色の光を通過する吸収型のカラーフィルターを付加的に配置するようにしてもよい。
【０００５】
ホログラムアレー５は、Ｒ、Ｇ、Ｂの分色画素の繰り返し周期、すなわち、液晶表示素子６の紙面内の方向に隣接する３つの液晶セル６′の組各々に対応して、その繰り返しピッチと同じピッチでアレー状に配置された微小ホログラム５′からなり、微小ホログラム５′は液晶表示素子６の紙面内の方向に隣接する３つの液晶セル６′各組に整列して各々１個ずつ配置されており、各微小ホログラム５′は、ホログラムアレー５の法線に対して角度θをなして入射するバックライト３の中の緑色の成分の光を、その微小ホログラム５′に対応する３つの分色画素Ｒ、Ｇ、Ｂの中心の液晶セルＧ上に集光するように、図６にその干渉縞を模式的に示すようなフレネルゾーンプレート状に形成されているものである。図６において、微小ホログラム５′としては例えば点線で囲んだ領域が用いられる。そして、微小ホログラム５′は、回折効率の波長依存性がないかもしくは少ない、レリーフ型、位相型、振幅型等の透過型ホログラムからなる。ここで、回折効率の波長依存性がないかもしくは少ないとは、リップマンホログラムのように、特定の波長だけを回折し、他の波長はほとんど回折しないタイプのものではなく、１つの回折格子で何れの波長も回折するものを意味し、この回折効率の波長依存性が少ない回折格子は、略可視光全域で波長に応じて異なる回折角で回折する。
【０００６】
このような構成であるので、ホログラムアレー５の液晶表示素子６と反対側の面からその法線に対して角度θをなして入射する白色のバックライト３を入射させると、波長に依存して微小ホログラム５′による回折角は異なり、各波長に対する集光位置はホログラムアレー５面に略平行な方向に分散される。その中の、赤の波長成分は赤を表示する液晶セルＲの位置に、緑の成分は緑を表示する液晶セルＧの位置に、青の成分は青を表示する液晶セルＢの位置にそれぞれ回折集光するように、ホログラムアレー５を構成配置することにより、それぞれの色成分はブラック・マトリックス４でほとんど減衰されずに各液晶セル６′を通過し、対応する位置の液晶セル６′の状態に応じた色表示を行うことができる。
【０００７】
このように、ホログラムアレー５をカラーフィルターとして用いることにより、従来のカラーフィルター用バックライトの各波長成分を無駄なく吸収なく各液晶セル６′へ入射させることができるため、その利用効率を大幅に向上させることができる。
【０００８】
本出願人は、また、特願平８−９５２８９号において、上記のようなホログラムカラーフィルターを用いた反射型の画像表示装置を提案した。図９の断面図を参照にしてその反射型の画像表示装置について説明する。
【０００９】
この例では、空間光変調器として高分子分散型液晶（ＰＤＬＣ）表示素子３１を用いている。同図において、規則的に分色画素３１′に区切られたＰＤＬＣ表示素子３１の表側（観察側）にホログラムカラーフィルター５が離間して配置される。ＰＤＬＣ表示素子３１背面にはアルミニウム膜のような反射層３２が配置されている。ＰＤＬＣ表示素子３１の分色画素３１′間には不図示のブラック・マトリックス（図８参照）が配置されている。なお、ホログラムカラーフィルター５と反射層３２の間の距離は、微小ホログラム５′の集光距離（焦点距離）に略等しく選ばれる。
【００１０】
この場合も、ホログラムカラーフィルター５は、ＰＤＬＣ表示素子３１のＲ、Ｇ、Ｂの分色画素の繰り返し周期、すなわち、ＰＤＬＣ表示素子３１の紙面内の方向に隣接する３つの分色画素３１′の組各々に対応して、その繰り返しピッチと同じピッチでアレー状に配置された微小ホログラム５′からなり、微小ホログラム５′はＰＤＬＣ表示素子３１の紙面内の方向に隣接する３つの分色画素３１′各組に対応して各々１個ずつ配置されており、各微小ホログラム５′は、ホログラムカラーフィルター５の法線に対して角度θをなして入射する照明光３３の中の緑色の成分の光３４Ｇを、その微小ホログラム５′に対応する３つの分色画素Ｒ、Ｇ、Ｂの中心の分色画素Ｇ近傍に集光するようにフレネルゾーンプレート状に形成されているものである。
【００１１】
このような配置であるので、ホログラムカラーフィルター５の表面側から入射角θで白色照明光３３を入射させると、ホログラムカラーフィルター５により波長分散され、各波長に対する集光位置はホログラムカラーフィルター５面に平行な方向に分散される。その中の、赤の波長成分３４Ｒは赤を表示する分色画素Ｒの位置の反射層３２の表面近傍に、緑の成分３４Ｇは緑を表示する分色画素Ｇの位置の反射層３２の表面近傍に、青の成分３４Ｂは青を表示する分色画素Ｂの反射層３２の表面近傍にそれぞれ回折集光するように、ホログラムカラーフィルター５を構成配置することにより、それぞれの色成分はブラック・マトリックスでほとんど減衰されずに各分色画素３１′を通過し、反射層３２で反射されて、対応する分色画素Ｒ、Ｇ、Ｂを裏面側からもう一度透過し、さらにホログラムカラーフィルター５に入射して今度はホログラムカラーフィルター５でほとんど回折されずに透過光３５Ｒ、３５Ｇ、３５Ｂとなり、観察者の眼に入射する。したがって、各色の成分３４Ｒ、３４Ｇ、３４Ｂはそれぞれ赤、緑、青を表示する画素Ｒ、Ｇ、Ｂに入射してそれらの分色画素の表示状態に応じた強度変調を受けて観察者の眼に達するので、分色画素Ｒ、Ｇ、Ｂの変調状態の組み合わせによってカラー画像表示が可能になる。
【００１２】
ここで、ＰＤＬＣ表示素子３１は、電圧のオン、オフによって白濁状態と透明状態を制御することによって表示を行うもので、偏光板が必要でないため、ＴＮ液晶表示素子等の通常の液晶表示素子より明るい表示が可能である。その上、カラー画像表示のために照明光３３の利用効率が高いホログラムカラーフィルター５を用いるので、より明るいカラー画像表示が可能になる。
【００１３】
また、空間光変調器として、ＰＤＬＣ表示素子の代わりにデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）を用いいることも提案している。図１０は、ホログラムカラーフィルター５の背面側に配置する空間光変調器としてデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）３７を用いた例を示す断面図であり、ホログラムカラーフィルター５で分光された赤色回折成分３４Ｒ、緑色回折成分３４Ｇ、青色回折成分３４Ｂがそれぞれが集光する位置近傍にＤＭＤ３７の微小ミラー３８が位置するように、ＤＭＤ３７を配置する。このような配置をとると、分色画素ＲとＢの位置が変調を受けているので、反射光３５Ｒ、３５Ｂは所定の方向に反射し、これに対し分色画素Ｇは変調されていないので、反射光３５Ｇは反射光３５Ｒ、３５Ｂと異なる方向に反射する。したがって、例えば反射光３５Ｒ、３５Ｂの方向から観察することによって、カラー画像が観察でき、明るいカラー画像表示が可能になる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
図９、図１０に示したような偏心したフレネルゾーンプレート状の微小ホログラムアレーからなるホログラムカラーフィルターを用いた反射型の画像表示装置の場合、反射層３２あるいは微小ミラー３８からの反射光がホログラムアレー５に再入射する。このとき、ホログラムアレー５により大部分の光が再回折され、入射方向に戻ってしまう。回折された光束を表示に用いることも可能であるが、出射角が斜めになるので、画像が歪んでしまうという問題がある。
【００１５】
また、図９、図１０の例のように、ホログラムアレー５で分散された回折光が入射面内である程度斜めになるように設計すれば、ホログラムアレー５に再入射した光は設計入射角度（ブラッグ角）からずれるので、回折されない。しかし、この場合、照明光３３の光源自体の発散角に、分散角、さらに、上記の斜めにした分の角度が加えられ、表示光３５Ｒ、３５Ｇ、３５Ｂは大きく傾いた方向に出ることになり、画像が歪んでしまう。また、投影表示する場合は、極めて大型の投影レンズを用いる必要がある。
【００１６】
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、表示光がホログラムアレーにより再回折されず、かつ、略正面から歪みなく画像が観察でき、投影表示する場合に大きな口径の投影レンズを必要としない反射型画像表示装置及びそれに用いるホログラムカラーフィルターを提供することである。
【００１７】
【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ホログラムカラーフィルターは、斜め入射の照明光の入射面方向で集光機能と分光機能を有し、その入射面に垂直な方向では偏向機能を有する同じ特性の微小ホログラムが２次元的にアレー状に配置されてなることを特徴とするものである。
【００１８】
この場合、その微小ホログラムは、入射面に垂直な方向では偏向機能に加えて集光機能を有することが望ましい。
【００１９】
また、その微小ホログラムは、集光性ホログラムの偏心領域から切り出してなるものとすることができる。
【００２０】
また、微小ホログラムの配列周期が、入射面に垂直な方向の隣接微小ホログラム同志が入射面に平行な方向にずれているものとすることができる。
【００２１】
また、その微小ホログラムは、入射面に対して傾いた方向にのみ収束性を有するホログラムからなるようにすることもできる。
【００２２】
上記目的を達成する本発明のホログラムカラーフィルターを用いた画像表示装置は、照明光源と、その照明光源から斜め入射の照明光の入射面方向で集光機能と分光機能を有し、その入射面に垂直な方向では偏向機能を有する同じ特性の微小ホログラムを２次元的にアレー状に配置してなるホログラムカラーフィルターと、その集光面近傍に配置された反射層と、前記ホログラムカラーフィルターと前記反射層の間に配置された透過型空間光変調器とからなることを特徴とするものである。
【００２３】
この場合に、入射面に垂直な方向において、透過型空間光変調器の画素の配列周期がホログラムカラーフィルターの微小ホログラムの配列周期に対して少なくとも半画素分ずれて配列されていることが望ましい。
【００２４】
また、その透過型空間光変調器として、電圧の印加、解除によって白濁状態と透明状態を制御する高分子分散型液晶表示素子を用いることができる。
【００２５】
本発明のもう１つのホログラムカラーフィルターを用いた画像表示装置は、照明光源と、その照明光源から斜め入射の照明光の入射面方向で集光機能と分光機能を有し、その入射面に垂直な方向では偏向機能を有する同じ特性の微小ホログラムを２次元的にアレー状に配置してなるホログラムカラーフィルターと、その集光面近傍に配置された外部からの信号により各々独立に傾き角が制御可能な微小ミラーの２次元配列体からなるデジタルマイクロミラーデバイス型表示素子とからなることを特徴とするものである。
【００２６】
これらの画像表示装置は、反射光を投影光学系によって拡大投影するようにしてもよい。
【００２７】
本発明においては、ホログラムカラーフィルターが、斜め入射の照明光の入射面方向で集光機能と分光機能を有し、その入射面に垂直な方向では偏向機能を有する同じ特性の微小ホログラムが２次元的にアレー状に配置されてなるので、そのホログラムカラーフィルターの集光面近傍に配置された反射層によって反射された波長分散により分光された光は、そのホログラムカラーフィルターで再回折せず、略正面方向に進むことになり、これを空間光変調器と組み合わせて反射型画像表示装置を構成すると、略正面から歪みなく画像が観察でき、投影表示する場合に大きな口径の投影レンズを用いなくとも光利用効率の低下を起こさず、明るい像を投影することができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下に、まず、本発明のホログラムカラーフィルター及びそれを用いた画像表示装置の原理を説明する。
【００２９】
図４に示すように、フレネルゾーンプレート状の集光性ホログラムＺＰＨをＹ−Ｚ平面に配置し、かつ、その中心軸がＺ軸に一致するように配置する。このフレネルゾーンプレート状の集光性ホログラムＺＰＨは、従来と同様に、回折効率の波長依存性がないかもしくは少ない、レリーフ型、位相型、振幅型等の透過型ホログラムからなる。ここで、回折効率の波長依存性がないかもしくは少ないとは、リップマンホログラムのように、特定の波長だけを回折し、他の波長はほとんど回折しないタイプのものではなく、１つの回折格子で何れの波長も回折するものを意味し、この回折効率の波長依存性が少ない回折格子は、波長に応じて異なる回折角で回折する。そして、その集光性ホログラムＺＰＨの緑色光に対する焦点距離をｆとする。
【００３０】
集光性ホログラムＺＰＨに平行に距離ｆだけ離れて裏面側（−Ｚ側）に平面鏡Ｍを配置する。この集光性ホログラムＺＰＨのＺ軸に対する角度θでＸ−Ｚ平面に平行な白色照明光Ｌを入射したときの集光位置に対応する位置近傍であって、−Ｙ軸方向にＸ軸から１画素分の幅を有し、Ｘ軸方向に１画素分の長さを有する集光性ホログラムＺＰＨの微小ホログラム領域５１を考える。
【００３１】
微小ホログラム領域５１に入射した白色照明光Ｌは、図５（ａ）に示すように、Ｘ−Ｚ平面に平行な面内では、従来のホログラムカラーフィルターと同様に、回折により、赤色回折成分Ｒ、緑色回折成分Ｇ、青色回折成分Ｂの光に分光され、それぞれ平面鏡Ｍ近傍に集光する。これに対して、図５（ｂ）に示すように、Ｙ−Ｚ平面に平行な面内ではこのような分光は起きず、その微小ホログラム領域５１の１辺の真下であるＸ軸の真下に集光する。
【００３２】
平面鏡Ｍで反射された赤色回折成分Ｒ、緑色回折成分Ｇ、青色回折成分Ｂの光は、Ｘ軸に対して対称の位置にある領域５１’に入射し、集光性ホログラムＺＰＨのこの領域５１’の回折作用により、入射照明光Ｌと反対に方向に再回折されて入射方向に戻ってしまう。その様子を図５（ｂ）に光束Ｌ’として示してある。
【００３３】
しかしながら、この領域５１’に微小ホログラム領域５１のホログラムと同じ回折特性の微小ホログラムを配置してあると、その領域５１’のホログラムは最早ブラッグの回折条件を満たないので、平面鏡Ｍで反射された赤色回折成分Ｒ、緑色回折成分Ｇ、青色回折成分Ｂの光は、この対称の領域５１’で再回折されず直通する。その様子を、図４、図５（ｂ）に光束Ｌ”として示してある。
【００３４】
したがって、照明光Ｌの入射面をＸ−Ｚ面とするとき、Ｘ−Ｚ面内で集光機能と分光機能を有し、その入射面に垂直なＹ−Ｚ面内では偏向機能を有する（集光機能を持つ必要性は必ずしもない。）同じ特性の微小ホログラム５１を２次元的にアレー状に配置してホログラムカラーフィルターを構成することにより、そのホログラムカラーフィルターの集光面近傍に配置された反射層によって反射された波長分散により分光された光は、そのホログラムカラーフィルターで再回折せず、略正面方向に進むことになり、これを空間光変調器と組み合わせて反射型画像表示装置を構成すると、略正面から歪みなく画像が観察でき、投影表示する場合に大きな口径の投影レンズを必要としないものが構成できる。
【００３５】
なお、このような特性の微小ホログラム５１としては、例えば図６の実線で囲んだ領域が用いられる。
【００３６】
次に、このような本発明のホログラムカラーフィルター５０を用いた反射型の画像表示装置を、図１の説明図を参照にして説明する。図１（ａ）は略平行な白色照明光３３の入射面への射影図、図１（ｂ）はその入射面に垂直な射影図である。この例では、空間光変調器として高分子分散型液晶（ＰＤＬＣ）表示素子３１を用いている。同図において、Ｒ、Ｇ、Ｂの分色画素１組からなる画素６０が規則的に配列されてなるＰＤＬＣ表示素子３１の表側（観察側）に本発明のホログラムカラーフィルター５０が離間して配置される。ＰＤＬＣ表示素子３１背面にはアルミニウム膜のような反射層３２が配置されている。なお、ホログラムカラーフィルター５０と反射層３２の間の距離は、微小ホログラム５１の集光距離（焦点距離）に略等しく選ばれる。
【００３７】
ホログラムカラーフィルター５０においては、白色照明光３３の入射面の方向においては（図１（ａ））、Ｒ、Ｇ、Ｂの分色画素１組からなる画素６０の配列ピッチと同じピッチでの微小ホログラム５１がアレー状に配置されており、また、その入射面に垂直な方向においては（図１（ｂ））、画素６０の配列ピッチと同じピッチでの微小ホログラム５１がアレー状に配置されている。
【００３８】
そして、白色照明光３３の入射面の方向においては（図１（ａ））、微小ホログラム５１は、ホログラムカラーフィルター５０の法線に対して角度θをなして入射する白色照明光３３の中の緑色の成分の光３４Ｇを、対応する画素６０中の分色画素Ｇの中心近傍に集光するように形成されている。
【００３９】
また、入射面に垂直な方向においては（図１（ｂ））、微小ホログラム５１で入射面に垂直な方向に偏向された光が画素６０の中心近傍に集光して入射するように微小ホログラム５１の配列ピッチに対して半ピッチ以上ずれるように画素６０が配置される（図４、図５のような微小ホログラム５１の切り出しの場合は、半ピッチとなるが、その切り出しをＸ軸からずらして行う場合は半ピッチより大きくなる。）。
【００４０】
このような配置であるので、ホログラムカラーフィルター５０の表面側から入射面に沿って入射角θで白色照明光３３を入射させると、ホログラムカラーフィルター５０により入射面方向に波長分散され、各波長に対する集光位置は微小ホログラム５１の中央でなく入射面に沿う一辺あるいはその外側の線の方向に分散される。その中の、赤の波長成分３４Ｒは赤を表示する画素Ｒの位置の反射層３２の表面近傍に、緑の成分３４Ｇは緑を表示する画素Ｇの位置の反射層３２の表面近傍に、青の成分３４Ｂは青を表示する画素Ｂの反射層３２の表面近傍にそれぞれ回折集光するように、微小ホログラム５１を構成配置することにより、それぞれの色成分はブラック・マトリックスでほとんど減衰されずに各分色画素Ｒ、Ｇ、Ｂを通過し、反射層３２で反射されて、対応する分色画素Ｒ、Ｇ、Ｂを裏面側からもう一度透過し、今度は同じ微小ホログラム５１でなく近傍の微小ホログラム５１に入射して今度はホログラムカラーフィルター５０で回折されずに透過光３５Ｒ、３５Ｇ、３５Ｂとなり、観察者の眼に入射する。したがって、各色の成分３４Ｒ、３４Ｇ、３４Ｂはそれぞれ赤、緑、青を表示する分色画素Ｒ、Ｇ、Ｂに入射してそれらの分色画素の表示状態に応じた強度変調を受けて観察者の眼に達するので、分色画素Ｒ、Ｇ、Ｂの変調状態の組み合わせによってカラー画像表示が可能になる。また、カラー画像表示のために照明光３３の利用効率が高いホログラムカラーフィルター５を用いるので、より明るいカラー画像表示が可能になる。
【００４１】
しかも、表示光３５Ｒ、３５Ｇ、３５Ｂは、入射面の方向においては略正面方向に出射し、入射面に垂直な方向においても（図１（ｂ））、微小ホログラム５１の焦点距離をｆ、画素６０のピッチをＰとすると、β＝ｔａｎ-1（Ｐ／（２ｆ））≒Ｐ／（２ｆ）程度の出射角となり、略正面方向に進むことになる。したがって、表示像を略正面方向から観察することができ、歪みなく画像が観察できる。また、この反射型画像表示装置の表示像を投影表示する場合に、表示光３５Ｒ、３５Ｇ、３５Ｂが画像表示面から略垂直に出るので、大きな口径の投影レンズを用いなくとも光利用効率の低下を起こさず、明るい像を投影することができる。
【００４２】
さらに、図２に示すように、微少ホログラム５１とＰＤＬＣ表示素子３１の画素６０の配列周期を、入射面に垂直な方向の隣接画素間でずらすようにすることにより（いわゆる「デルタ配置」として一般の液晶表示素子で用いられている。）、反射層３２で反射されて隣接する微少ホログラム５１に入射する光線３５（３５Ｒ、３５Ｇ、３５Ｂ）はさらにブラッグの回折条件から離れるため、再回折される割合はさらに減少する。この結果、光の利用効率をより高めることが可能となる。なお、図２において、（ａ）は本発明のホログラムカラーフィルター５０を用いた反射型の画像表示装置の斜視図、（ｂ）はそのＸ方向から見た図、（ｃ）はそのＹ方向から見た図である。
【００４３】
なお、図６の実線で囲んだ領域を切り出してなる微少ホログラム５１は、図７（ａ）に模式的に示すように、Ｘ方向、Ｙ方向共に集光機能を有するものである。図７（ｂ）にその干渉縞を直線近似してなるホログラムを示すように、斜めに傾いた一方向にのみ集光機能を有するホログラムを微少ホログラム５１として用いるようにしてもよい。この場合は、干渉縞が互いに平行な直線で構成することができるので、計算機合成ホログラムにより作成する場合は、計算・作製が容易になると言う利点がある。
【００４４】
また、本発明においても、上記のＰＤＬＣ表示素子３１の代わりにデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）を用いいることもできる。従来の図１０と図１を参照にすれば、その場合の構成は明らかであるので、図示は省く。
【００４５】
これら実施例の反射型画像表示装置は投影画像表示装置として用いることができる。図３にＰＤＬＣ表示素子３１を用いた反射型画像表示装置を投影する場合の断面図を示す。例えばメタルハライドランプ１５と放物面鏡１６の組み合わせからなる照明装置１４からの白色の平行な照明光３３によって、図１の画像表示装置の斜め前方から照明され、画像表示装置で変調された表示光３５は、投影レンズ１８に入射し、その投影レンズ１８により表示像は拡大されてスクリーン１９上に結像され、明るい投影像を得ることができる。
【００４６】
以上、本発明のホログラムカラーフィルターとそれを用いた画像表示装置を原理の説明と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。例えば、ＰＤＬＣ表示素子の代わりにＴＮ型あるいはスーパーツイストネマチック（ＳＴＮ）型の通常の液晶表示素子等を用いることもできる。
【００４７】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明のホログラムカラーフィルター及びそれを用いた画像表示装置によると、ホログラムカラーフィルターが、斜め入射の照明光の入射面方向で集光機能と分光機能を有し、その入射面に垂直な方向では偏向機能を有する同じ特性の微小ホログラムが２次元的にアレー状に配置されてなるので、そのホログラムカラーフィルターの集光面近傍に配置された反射層によって反射された波長分散により分光された光は、そのホログラムカラーフィルターで再回折せず、略正面方向に進むことになり、これを空間光変調器と組み合わせて反射型画像表示装置を構成すると、略正面から歪みなく画像が観察でき、投影表示する場合に大きな口径の投影レンズを用いなくとも光利用効率の低下を起こさず、明るい像を投影することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のホログラムカラーフィルターを用いた１実施例の反射型画像表示装置の説明図である。
【図２】本発明のホログラムカラーフィルターを用いた反射型画像表示装置の変形例を説明するための図である。
【図３】図１の反射型画像表示装置を投影画像表示装置として用いる場合の断面図である。
【図４】本発明のホログラムカラーフィルター原理を説明するための図である。
【図５】図４のＸ−Ｚ面、Ｙ−Ｚ面への射影図である。
【図６】集光性ホログラムの干渉縞を模式的に示す図である。
【図７】微少ホログラムの変形例の干渉縞を模式的に示す図である。
【図８】従来のホログラムカラーフィルターを用いた液晶表示装置の断面図である。
【図９】従来のホログラムカラーフィルターを用いた反射型画像表示装置の断面図である。
【図１０】従来のデジタルマイクロミラーデバイスとホログラムカラーフィルターを用いた反射型画像表示装置の断面図である。
【符号の説明】
ＺＰＨ…集光性ホログラム
Ｍ…平面鏡
Ｌ…白色照明光
Ｒ…赤色回折成分（Ｒ分色画素）
Ｇ…緑色回折成分（Ｇ分色画素）
Ｂ…青色回折成分（Ｂ分色画素）
Ｌ’…再回折されて戻る光束
Ｌ”…再回折されず直通する光束
１４…照明装置
１５…メタルハライドランプ
１６…放物面鏡
１８…投影レンズ
１９…スクリーン
３１…高分子分散型液晶（ＰＤＬＣ）表示素子
３２…反射層
３３…白色照明光
３４…回折光
３４Ｒ、３４Ｇ、３４Ｂ…回折分光成分
３５…表示光
３５Ｒ、３５Ｇ、３５Ｂ…表示光（透過光）
５０…ホログラムカラーフィルター（本発明）
５１…微小ホログラム（領域）
５１’…対称領域
６０…画素
【発明の属する技術分野】
本発明は、ホログラムカラーフィルター及びそれを用いた画像表示装置に関し、特に、反射型の画像表示装置に適したホログラムカラーフィルターとそのホログラムカラーフィルターと高分子分散型液晶表示素子、デジタルマイクロミラーデバイス型表示素子等の空間光変調器とを組み合わせた反射型の画像表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
本出願人は、特願平５−１２１７０号等において、液晶表示用バックライト等の利用効率を大幅に向上させるために、ホログラムを利用したカラーフィルター及びそれを用いた液晶表示装置を提案した。
【０００３】
このホログラムカラーフィルターは、偏心したフレネルゾーンプレート状の微小ホログラムアレーからなるものである。
【０００４】
以下、簡単にこのような偏心したフレネルゾーンプレート状の微小ホログラムアレーからなるホログラムカラーフィルターを用いた液晶表示装置について、図８の断面図を参照にして説明する。同図において、規則的に液晶セル６′（分色画素）に区切られた液晶表示素子６のバックライト３入射側にこのホログラムカラーフィルターを構成するホログラムアレー５が離間して配置される。液晶表示素子６背面には、各液晶セル６′の間に設けられたブラック・マトリックス４が配置される。以上の他、図示しない偏光板が液晶表示素子６の両側に配置される。なお、ブラック・マトリックス４の間には、従来のカラー液晶表示装置と同様に、Ｒ、Ｇ、Ｂの分色画素に対応した色の光を通過する吸収型のカラーフィルターを付加的に配置するようにしてもよい。
【０００５】
ホログラムアレー５は、Ｒ、Ｇ、Ｂの分色画素の繰り返し周期、すなわち、液晶表示素子６の紙面内の方向に隣接する３つの液晶セル６′の組各々に対応して、その繰り返しピッチと同じピッチでアレー状に配置された微小ホログラム５′からなり、微小ホログラム５′は液晶表示素子６の紙面内の方向に隣接する３つの液晶セル６′各組に整列して各々１個ずつ配置されており、各微小ホログラム５′は、ホログラムアレー５の法線に対して角度θをなして入射するバックライト３の中の緑色の成分の光を、その微小ホログラム５′に対応する３つの分色画素Ｒ、Ｇ、Ｂの中心の液晶セルＧ上に集光するように、図６にその干渉縞を模式的に示すようなフレネルゾーンプレート状に形成されているものである。図６において、微小ホログラム５′としては例えば点線で囲んだ領域が用いられる。そして、微小ホログラム５′は、回折効率の波長依存性がないかもしくは少ない、レリーフ型、位相型、振幅型等の透過型ホログラムからなる。ここで、回折効率の波長依存性がないかもしくは少ないとは、リップマンホログラムのように、特定の波長だけを回折し、他の波長はほとんど回折しないタイプのものではなく、１つの回折格子で何れの波長も回折するものを意味し、この回折効率の波長依存性が少ない回折格子は、略可視光全域で波長に応じて異なる回折角で回折する。
【０００６】
このような構成であるので、ホログラムアレー５の液晶表示素子６と反対側の面からその法線に対して角度θをなして入射する白色のバックライト３を入射させると、波長に依存して微小ホログラム５′による回折角は異なり、各波長に対する集光位置はホログラムアレー５面に略平行な方向に分散される。その中の、赤の波長成分は赤を表示する液晶セルＲの位置に、緑の成分は緑を表示する液晶セルＧの位置に、青の成分は青を表示する液晶セルＢの位置にそれぞれ回折集光するように、ホログラムアレー５を構成配置することにより、それぞれの色成分はブラック・マトリックス４でほとんど減衰されずに各液晶セル６′を通過し、対応する位置の液晶セル６′の状態に応じた色表示を行うことができる。
【０００７】
このように、ホログラムアレー５をカラーフィルターとして用いることにより、従来のカラーフィルター用バックライトの各波長成分を無駄なく吸収なく各液晶セル６′へ入射させることができるため、その利用効率を大幅に向上させることができる。
【０００８】
本出願人は、また、特願平８−９５２８９号において、上記のようなホログラムカラーフィルターを用いた反射型の画像表示装置を提案した。図９の断面図を参照にしてその反射型の画像表示装置について説明する。
【０００９】
この例では、空間光変調器として高分子分散型液晶（ＰＤＬＣ）表示素子３１を用いている。同図において、規則的に分色画素３１′に区切られたＰＤＬＣ表示素子３１の表側（観察側）にホログラムカラーフィルター５が離間して配置される。ＰＤＬＣ表示素子３１背面にはアルミニウム膜のような反射層３２が配置されている。ＰＤＬＣ表示素子３１の分色画素３１′間には不図示のブラック・マトリックス（図８参照）が配置されている。なお、ホログラムカラーフィルター５と反射層３２の間の距離は、微小ホログラム５′の集光距離（焦点距離）に略等しく選ばれる。
【００１０】
この場合も、ホログラムカラーフィルター５は、ＰＤＬＣ表示素子３１のＲ、Ｇ、Ｂの分色画素の繰り返し周期、すなわち、ＰＤＬＣ表示素子３１の紙面内の方向に隣接する３つの分色画素３１′の組各々に対応して、その繰り返しピッチと同じピッチでアレー状に配置された微小ホログラム５′からなり、微小ホログラム５′はＰＤＬＣ表示素子３１の紙面内の方向に隣接する３つの分色画素３１′各組に対応して各々１個ずつ配置されており、各微小ホログラム５′は、ホログラムカラーフィルター５の法線に対して角度θをなして入射する照明光３３の中の緑色の成分の光３４Ｇを、その微小ホログラム５′に対応する３つの分色画素Ｒ、Ｇ、Ｂの中心の分色画素Ｇ近傍に集光するようにフレネルゾーンプレート状に形成されているものである。
【００１１】
このような配置であるので、ホログラムカラーフィルター５の表面側から入射角θで白色照明光３３を入射させると、ホログラムカラーフィルター５により波長分散され、各波長に対する集光位置はホログラムカラーフィルター５面に平行な方向に分散される。その中の、赤の波長成分３４Ｒは赤を表示する分色画素Ｒの位置の反射層３２の表面近傍に、緑の成分３４Ｇは緑を表示する分色画素Ｇの位置の反射層３２の表面近傍に、青の成分３４Ｂは青を表示する分色画素Ｂの反射層３２の表面近傍にそれぞれ回折集光するように、ホログラムカラーフィルター５を構成配置することにより、それぞれの色成分はブラック・マトリックスでほとんど減衰されずに各分色画素３１′を通過し、反射層３２で反射されて、対応する分色画素Ｒ、Ｇ、Ｂを裏面側からもう一度透過し、さらにホログラムカラーフィルター５に入射して今度はホログラムカラーフィルター５でほとんど回折されずに透過光３５Ｒ、３５Ｇ、３５Ｂとなり、観察者の眼に入射する。したがって、各色の成分３４Ｒ、３４Ｇ、３４Ｂはそれぞれ赤、緑、青を表示する画素Ｒ、Ｇ、Ｂに入射してそれらの分色画素の表示状態に応じた強度変調を受けて観察者の眼に達するので、分色画素Ｒ、Ｇ、Ｂの変調状態の組み合わせによってカラー画像表示が可能になる。
【００１２】
ここで、ＰＤＬＣ表示素子３１は、電圧のオン、オフによって白濁状態と透明状態を制御することによって表示を行うもので、偏光板が必要でないため、ＴＮ液晶表示素子等の通常の液晶表示素子より明るい表示が可能である。その上、カラー画像表示のために照明光３３の利用効率が高いホログラムカラーフィルター５を用いるので、より明るいカラー画像表示が可能になる。
【００１３】
また、空間光変調器として、ＰＤＬＣ表示素子の代わりにデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）を用いいることも提案している。図１０は、ホログラムカラーフィルター５の背面側に配置する空間光変調器としてデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）３７を用いた例を示す断面図であり、ホログラムカラーフィルター５で分光された赤色回折成分３４Ｒ、緑色回折成分３４Ｇ、青色回折成分３４Ｂがそれぞれが集光する位置近傍にＤＭＤ３７の微小ミラー３８が位置するように、ＤＭＤ３７を配置する。このような配置をとると、分色画素ＲとＢの位置が変調を受けているので、反射光３５Ｒ、３５Ｂは所定の方向に反射し、これに対し分色画素Ｇは変調されていないので、反射光３５Ｇは反射光３５Ｒ、３５Ｂと異なる方向に反射する。したがって、例えば反射光３５Ｒ、３５Ｂの方向から観察することによって、カラー画像が観察でき、明るいカラー画像表示が可能になる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
図９、図１０に示したような偏心したフレネルゾーンプレート状の微小ホログラムアレーからなるホログラムカラーフィルターを用いた反射型の画像表示装置の場合、反射層３２あるいは微小ミラー３８からの反射光がホログラムアレー５に再入射する。このとき、ホログラムアレー５により大部分の光が再回折され、入射方向に戻ってしまう。回折された光束を表示に用いることも可能であるが、出射角が斜めになるので、画像が歪んでしまうという問題がある。
【００１５】
また、図９、図１０の例のように、ホログラムアレー５で分散された回折光が入射面内である程度斜めになるように設計すれば、ホログラムアレー５に再入射した光は設計入射角度（ブラッグ角）からずれるので、回折されない。しかし、この場合、照明光３３の光源自体の発散角に、分散角、さらに、上記の斜めにした分の角度が加えられ、表示光３５Ｒ、３５Ｇ、３５Ｂは大きく傾いた方向に出ることになり、画像が歪んでしまう。また、投影表示する場合は、極めて大型の投影レンズを用いる必要がある。
【００１６】
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、表示光がホログラムアレーにより再回折されず、かつ、略正面から歪みなく画像が観察でき、投影表示する場合に大きな口径の投影レンズを必要としない反射型画像表示装置及びそれに用いるホログラムカラーフィルターを提供することである。
【００１７】
【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ホログラムカラーフィルターは、斜め入射の照明光の入射面方向で集光機能と分光機能を有し、その入射面に垂直な方向では偏向機能を有する同じ特性の微小ホログラムが２次元的にアレー状に配置されてなることを特徴とするものである。
【００１８】
この場合、その微小ホログラムは、入射面に垂直な方向では偏向機能に加えて集光機能を有することが望ましい。
【００１９】
また、その微小ホログラムは、集光性ホログラムの偏心領域から切り出してなるものとすることができる。
【００２０】
また、微小ホログラムの配列周期が、入射面に垂直な方向の隣接微小ホログラム同志が入射面に平行な方向にずれているものとすることができる。
【００２１】
また、その微小ホログラムは、入射面に対して傾いた方向にのみ収束性を有するホログラムからなるようにすることもできる。
【００２２】
上記目的を達成する本発明のホログラムカラーフィルターを用いた画像表示装置は、照明光源と、その照明光源から斜め入射の照明光の入射面方向で集光機能と分光機能を有し、その入射面に垂直な方向では偏向機能を有する同じ特性の微小ホログラムを２次元的にアレー状に配置してなるホログラムカラーフィルターと、その集光面近傍に配置された反射層と、前記ホログラムカラーフィルターと前記反射層の間に配置された透過型空間光変調器とからなることを特徴とするものである。
【００２３】
この場合に、入射面に垂直な方向において、透過型空間光変調器の画素の配列周期がホログラムカラーフィルターの微小ホログラムの配列周期に対して少なくとも半画素分ずれて配列されていることが望ましい。
【００２４】
また、その透過型空間光変調器として、電圧の印加、解除によって白濁状態と透明状態を制御する高分子分散型液晶表示素子を用いることができる。
【００２５】
本発明のもう１つのホログラムカラーフィルターを用いた画像表示装置は、照明光源と、その照明光源から斜め入射の照明光の入射面方向で集光機能と分光機能を有し、その入射面に垂直な方向では偏向機能を有する同じ特性の微小ホログラムを２次元的にアレー状に配置してなるホログラムカラーフィルターと、その集光面近傍に配置された外部からの信号により各々独立に傾き角が制御可能な微小ミラーの２次元配列体からなるデジタルマイクロミラーデバイス型表示素子とからなることを特徴とするものである。
【００２６】
これらの画像表示装置は、反射光を投影光学系によって拡大投影するようにしてもよい。
【００２７】
本発明においては、ホログラムカラーフィルターが、斜め入射の照明光の入射面方向で集光機能と分光機能を有し、その入射面に垂直な方向では偏向機能を有する同じ特性の微小ホログラムが２次元的にアレー状に配置されてなるので、そのホログラムカラーフィルターの集光面近傍に配置された反射層によって反射された波長分散により分光された光は、そのホログラムカラーフィルターで再回折せず、略正面方向に進むことになり、これを空間光変調器と組み合わせて反射型画像表示装置を構成すると、略正面から歪みなく画像が観察でき、投影表示する場合に大きな口径の投影レンズを用いなくとも光利用効率の低下を起こさず、明るい像を投影することができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下に、まず、本発明のホログラムカラーフィルター及びそれを用いた画像表示装置の原理を説明する。
【００２９】
図４に示すように、フレネルゾーンプレート状の集光性ホログラムＺＰＨをＹ−Ｚ平面に配置し、かつ、その中心軸がＺ軸に一致するように配置する。このフレネルゾーンプレート状の集光性ホログラムＺＰＨは、従来と同様に、回折効率の波長依存性がないかもしくは少ない、レリーフ型、位相型、振幅型等の透過型ホログラムからなる。ここで、回折効率の波長依存性がないかもしくは少ないとは、リップマンホログラムのように、特定の波長だけを回折し、他の波長はほとんど回折しないタイプのものではなく、１つの回折格子で何れの波長も回折するものを意味し、この回折効率の波長依存性が少ない回折格子は、波長に応じて異なる回折角で回折する。そして、その集光性ホログラムＺＰＨの緑色光に対する焦点距離をｆとする。
【００３０】
集光性ホログラムＺＰＨに平行に距離ｆだけ離れて裏面側（−Ｚ側）に平面鏡Ｍを配置する。この集光性ホログラムＺＰＨのＺ軸に対する角度θでＸ−Ｚ平面に平行な白色照明光Ｌを入射したときの集光位置に対応する位置近傍であって、−Ｙ軸方向にＸ軸から１画素分の幅を有し、Ｘ軸方向に１画素分の長さを有する集光性ホログラムＺＰＨの微小ホログラム領域５１を考える。
【００３１】
微小ホログラム領域５１に入射した白色照明光Ｌは、図５（ａ）に示すように、Ｘ−Ｚ平面に平行な面内では、従来のホログラムカラーフィルターと同様に、回折により、赤色回折成分Ｒ、緑色回折成分Ｇ、青色回折成分Ｂの光に分光され、それぞれ平面鏡Ｍ近傍に集光する。これに対して、図５（ｂ）に示すように、Ｙ−Ｚ平面に平行な面内ではこのような分光は起きず、その微小ホログラム領域５１の１辺の真下であるＸ軸の真下に集光する。
【００３２】
平面鏡Ｍで反射された赤色回折成分Ｒ、緑色回折成分Ｇ、青色回折成分Ｂの光は、Ｘ軸に対して対称の位置にある領域５１’に入射し、集光性ホログラムＺＰＨのこの領域５１’の回折作用により、入射照明光Ｌと反対に方向に再回折されて入射方向に戻ってしまう。その様子を図５（ｂ）に光束Ｌ’として示してある。
【００３３】
しかしながら、この領域５１’に微小ホログラム領域５１のホログラムと同じ回折特性の微小ホログラムを配置してあると、その領域５１’のホログラムは最早ブラッグの回折条件を満たないので、平面鏡Ｍで反射された赤色回折成分Ｒ、緑色回折成分Ｇ、青色回折成分Ｂの光は、この対称の領域５１’で再回折されず直通する。その様子を、図４、図５（ｂ）に光束Ｌ”として示してある。
【００３４】
したがって、照明光Ｌの入射面をＸ−Ｚ面とするとき、Ｘ−Ｚ面内で集光機能と分光機能を有し、その入射面に垂直なＹ−Ｚ面内では偏向機能を有する（集光機能を持つ必要性は必ずしもない。）同じ特性の微小ホログラム５１を２次元的にアレー状に配置してホログラムカラーフィルターを構成することにより、そのホログラムカラーフィルターの集光面近傍に配置された反射層によって反射された波長分散により分光された光は、そのホログラムカラーフィルターで再回折せず、略正面方向に進むことになり、これを空間光変調器と組み合わせて反射型画像表示装置を構成すると、略正面から歪みなく画像が観察でき、投影表示する場合に大きな口径の投影レンズを必要としないものが構成できる。
【００３５】
なお、このような特性の微小ホログラム５１としては、例えば図６の実線で囲んだ領域が用いられる。
【００３６】
次に、このような本発明のホログラムカラーフィルター５０を用いた反射型の画像表示装置を、図１の説明図を参照にして説明する。図１（ａ）は略平行な白色照明光３３の入射面への射影図、図１（ｂ）はその入射面に垂直な射影図である。この例では、空間光変調器として高分子分散型液晶（ＰＤＬＣ）表示素子３１を用いている。同図において、Ｒ、Ｇ、Ｂの分色画素１組からなる画素６０が規則的に配列されてなるＰＤＬＣ表示素子３１の表側（観察側）に本発明のホログラムカラーフィルター５０が離間して配置される。ＰＤＬＣ表示素子３１背面にはアルミニウム膜のような反射層３２が配置されている。なお、ホログラムカラーフィルター５０と反射層３２の間の距離は、微小ホログラム５１の集光距離（焦点距離）に略等しく選ばれる。
【００３７】
ホログラムカラーフィルター５０においては、白色照明光３３の入射面の方向においては（図１（ａ））、Ｒ、Ｇ、Ｂの分色画素１組からなる画素６０の配列ピッチと同じピッチでの微小ホログラム５１がアレー状に配置されており、また、その入射面に垂直な方向においては（図１（ｂ））、画素６０の配列ピッチと同じピッチでの微小ホログラム５１がアレー状に配置されている。
【００３８】
そして、白色照明光３３の入射面の方向においては（図１（ａ））、微小ホログラム５１は、ホログラムカラーフィルター５０の法線に対して角度θをなして入射する白色照明光３３の中の緑色の成分の光３４Ｇを、対応する画素６０中の分色画素Ｇの中心近傍に集光するように形成されている。
【００３９】
また、入射面に垂直な方向においては（図１（ｂ））、微小ホログラム５１で入射面に垂直な方向に偏向された光が画素６０の中心近傍に集光して入射するように微小ホログラム５１の配列ピッチに対して半ピッチ以上ずれるように画素６０が配置される（図４、図５のような微小ホログラム５１の切り出しの場合は、半ピッチとなるが、その切り出しをＸ軸からずらして行う場合は半ピッチより大きくなる。）。
【００４０】
このような配置であるので、ホログラムカラーフィルター５０の表面側から入射面に沿って入射角θで白色照明光３３を入射させると、ホログラムカラーフィルター５０により入射面方向に波長分散され、各波長に対する集光位置は微小ホログラム５１の中央でなく入射面に沿う一辺あるいはその外側の線の方向に分散される。その中の、赤の波長成分３４Ｒは赤を表示する画素Ｒの位置の反射層３２の表面近傍に、緑の成分３４Ｇは緑を表示する画素Ｇの位置の反射層３２の表面近傍に、青の成分３４Ｂは青を表示する画素Ｂの反射層３２の表面近傍にそれぞれ回折集光するように、微小ホログラム５１を構成配置することにより、それぞれの色成分はブラック・マトリックスでほとんど減衰されずに各分色画素Ｒ、Ｇ、Ｂを通過し、反射層３２で反射されて、対応する分色画素Ｒ、Ｇ、Ｂを裏面側からもう一度透過し、今度は同じ微小ホログラム５１でなく近傍の微小ホログラム５１に入射して今度はホログラムカラーフィルター５０で回折されずに透過光３５Ｒ、３５Ｇ、３５Ｂとなり、観察者の眼に入射する。したがって、各色の成分３４Ｒ、３４Ｇ、３４Ｂはそれぞれ赤、緑、青を表示する分色画素Ｒ、Ｇ、Ｂに入射してそれらの分色画素の表示状態に応じた強度変調を受けて観察者の眼に達するので、分色画素Ｒ、Ｇ、Ｂの変調状態の組み合わせによってカラー画像表示が可能になる。また、カラー画像表示のために照明光３３の利用効率が高いホログラムカラーフィルター５を用いるので、より明るいカラー画像表示が可能になる。
【００４１】
しかも、表示光３５Ｒ、３５Ｇ、３５Ｂは、入射面の方向においては略正面方向に出射し、入射面に垂直な方向においても（図１（ｂ））、微小ホログラム５１の焦点距離をｆ、画素６０のピッチをＰとすると、β＝ｔａｎ-1（Ｐ／（２ｆ））≒Ｐ／（２ｆ）程度の出射角となり、略正面方向に進むことになる。したがって、表示像を略正面方向から観察することができ、歪みなく画像が観察できる。また、この反射型画像表示装置の表示像を投影表示する場合に、表示光３５Ｒ、３５Ｇ、３５Ｂが画像表示面から略垂直に出るので、大きな口径の投影レンズを用いなくとも光利用効率の低下を起こさず、明るい像を投影することができる。
【００４２】
さらに、図２に示すように、微少ホログラム５１とＰＤＬＣ表示素子３１の画素６０の配列周期を、入射面に垂直な方向の隣接画素間でずらすようにすることにより（いわゆる「デルタ配置」として一般の液晶表示素子で用いられている。）、反射層３２で反射されて隣接する微少ホログラム５１に入射する光線３５（３５Ｒ、３５Ｇ、３５Ｂ）はさらにブラッグの回折条件から離れるため、再回折される割合はさらに減少する。この結果、光の利用効率をより高めることが可能となる。なお、図２において、（ａ）は本発明のホログラムカラーフィルター５０を用いた反射型の画像表示装置の斜視図、（ｂ）はそのＸ方向から見た図、（ｃ）はそのＹ方向から見た図である。
【００４３】
なお、図６の実線で囲んだ領域を切り出してなる微少ホログラム５１は、図７（ａ）に模式的に示すように、Ｘ方向、Ｙ方向共に集光機能を有するものである。図７（ｂ）にその干渉縞を直線近似してなるホログラムを示すように、斜めに傾いた一方向にのみ集光機能を有するホログラムを微少ホログラム５１として用いるようにしてもよい。この場合は、干渉縞が互いに平行な直線で構成することができるので、計算機合成ホログラムにより作成する場合は、計算・作製が容易になると言う利点がある。
【００４４】
また、本発明においても、上記のＰＤＬＣ表示素子３１の代わりにデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）を用いいることもできる。従来の図１０と図１を参照にすれば、その場合の構成は明らかであるので、図示は省く。
【００４５】
これら実施例の反射型画像表示装置は投影画像表示装置として用いることができる。図３にＰＤＬＣ表示素子３１を用いた反射型画像表示装置を投影する場合の断面図を示す。例えばメタルハライドランプ１５と放物面鏡１６の組み合わせからなる照明装置１４からの白色の平行な照明光３３によって、図１の画像表示装置の斜め前方から照明され、画像表示装置で変調された表示光３５は、投影レンズ１８に入射し、その投影レンズ１８により表示像は拡大されてスクリーン１９上に結像され、明るい投影像を得ることができる。
【００４６】
以上、本発明のホログラムカラーフィルターとそれを用いた画像表示装置を原理の説明と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。例えば、ＰＤＬＣ表示素子の代わりにＴＮ型あるいはスーパーツイストネマチック（ＳＴＮ）型の通常の液晶表示素子等を用いることもできる。
【００４７】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明のホログラムカラーフィルター及びそれを用いた画像表示装置によると、ホログラムカラーフィルターが、斜め入射の照明光の入射面方向で集光機能と分光機能を有し、その入射面に垂直な方向では偏向機能を有する同じ特性の微小ホログラムが２次元的にアレー状に配置されてなるので、そのホログラムカラーフィルターの集光面近傍に配置された反射層によって反射された波長分散により分光された光は、そのホログラムカラーフィルターで再回折せず、略正面方向に進むことになり、これを空間光変調器と組み合わせて反射型画像表示装置を構成すると、略正面から歪みなく画像が観察でき、投影表示する場合に大きな口径の投影レンズを用いなくとも光利用効率の低下を起こさず、明るい像を投影することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のホログラムカラーフィルターを用いた１実施例の反射型画像表示装置の説明図である。
【図２】本発明のホログラムカラーフィルターを用いた反射型画像表示装置の変形例を説明するための図である。
【図３】図１の反射型画像表示装置を投影画像表示装置として用いる場合の断面図である。
【図４】本発明のホログラムカラーフィルター原理を説明するための図である。
【図５】図４のＸ−Ｚ面、Ｙ−Ｚ面への射影図である。
【図６】集光性ホログラムの干渉縞を模式的に示す図である。
【図７】微少ホログラムの変形例の干渉縞を模式的に示す図である。
【図８】従来のホログラムカラーフィルターを用いた液晶表示装置の断面図である。
【図９】従来のホログラムカラーフィルターを用いた反射型画像表示装置の断面図である。
【図１０】従来のデジタルマイクロミラーデバイスとホログラムカラーフィルターを用いた反射型画像表示装置の断面図である。
【符号の説明】
ＺＰＨ…集光性ホログラム
Ｍ…平面鏡
Ｌ…白色照明光
Ｒ…赤色回折成分（Ｒ分色画素）
Ｇ…緑色回折成分（Ｇ分色画素）
Ｂ…青色回折成分（Ｂ分色画素）
Ｌ’…再回折されて戻る光束
Ｌ”…再回折されず直通する光束
１４…照明装置
１５…メタルハライドランプ
１６…放物面鏡
１８…投影レンズ
１９…スクリーン
３１…高分子分散型液晶（ＰＤＬＣ）表示素子
３２…反射層
３３…白色照明光
３４…回折光
３４Ｒ、３４Ｇ、３４Ｂ…回折分光成分
３５…表示光
３５Ｒ、３５Ｇ、３５Ｂ…表示光（透過光）
５０…ホログラムカラーフィルター（本発明）
５１…微小ホログラム（領域）
５１’…対称領域
６０…画素
Claims (10)
- 斜め入射の照明光の入射面方向で集光機能と分光機能を有し、その入射面に垂直な方向では偏向機能を有する同じ特性の微小ホログラムが２次元的にアレー状に配置されてなることを特徴とするホログラムカラーフィルター。
- 前記微小ホログラムは、入射面に垂直な方向では偏向機能に加えて集光機能を有することを特徴とする請求項１記載のホログラムカラーフィルター。
- 前記微小ホログラムは、集光性ホログラムの偏心領域から切り出してなるものであることを特徴とする請求項１又は２記載のホログラムカラーフィルター。
- 前記微小ホログラムの配列周期が、入射面に垂直な方向の隣接微小ホログラム同志が入射面に平行な方向にずれていることを特徴とする請求項１から３の何れか１項記載のホログラムカラーフィルター。
- 前記微小ホログラムは、入射面に対して傾いた方向にのみ収束性を有するホログラムからなることを特徴とする請求項１から４の何れか１項記載のホログラムカラーフィルター。
- 照明光源と、その照明光源から斜め入射の照明光の入射面方向で集光機能と分光機能を有し、その入射面に垂直な方向では偏向機能を有する同じ特性の微小ホログラムを２次元的にアレー状に配置してなるホログラムカラーフィルターと、その集光面近傍に配置された反射層と、前記ホログラムカラーフィルターと前記反射層の間に配置された透過型空間光変調器とからなることを特徴とするホログラムカラーフィルターを用いた画像表示装置。
- 前記入射面に垂直な方向において、前記透過型空間光変調器の画素の配列周期が前記ホログラムカラーフィルターの微小ホログラムの配列周期に対して少なくとも半画素分ずれて配列されていることを特徴とする請求項６記載のホログラムカラーフィルターを用いた画像表示装置。
- 前記透過型空間光変調器として、電圧の印加、解除によって白濁状態と透明状態を制御する高分子分散型液晶表示素子を用いたことを特徴とする請求項６又は７記載のホログラムカラーフィルターを用いた画像表示装置。
- 照明光源と、その照明光源から斜め入射の照明光の入射面方向で集光機能と分光機能を有し、その入射面に垂直な方向では偏向機能を有する同じ特性の微小ホログラムを２次元的にアレー状に配置してなるホログラムカラーフィルターと、その集光面近傍に配置された外部からの信号により各々独立に傾き角が制御可能な微小ミラーの２次元配列体からなるデジタルマイクロミラーデバイス型表示素子とからなることを特徴とするホログラムカラーフィルターを用いた画像表示装置。
- 反射光を投影光学系によって拡大投影するようになっていることを特徴とする請求項６から９の何れか１項記載のホログラムカラーフィルターを用いた画像表示装置。
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