JP2003139958A - 透過型積層ホログラム光学素子、画像表示素子及び画像表示装置 - Google Patents

透過型積層ホログラム光学素子、画像表示素子及び画像表示装置

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JP2003139958A
JP2003139958A JP2001335404A JP2001335404A JP2003139958A JP 2003139958 A JP2003139958 A JP 2003139958A JP 2001335404 A JP2001335404 A JP 2001335404A JP 2001335404 A JP2001335404 A JP 2001335404A JP 2003139958 A JP2003139958 A JP 2003139958A
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hologram optical
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洋 武川
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 入射光の広回折受容角を広くし、光利用効率
を高くし、空間光変調素子の色画素との間の距離を製造
難易度や光利用効率の面から最適に設定することを可能
とする。 【解決手段】 回折受容入射角が互いに異なる複数の透
過型ホログラム光学素子１３，１４，１５を積層して構
成する。各透過型ホログラム光学素子１３，１４，１５
は、可視領域の任意の波長におけるそれぞれの回折受容
入射角の中心入射角に対する出射角が互いに異なる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、広画角の透過型積
層ホログラム光学素子に関し、さらに、この透過型積層
ホログラム光学素子を用いた画像表示素子及び画像表示
装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、図１６に示すように、反射型空間
光変調素子（例えば、反射型ＴＮ液晶パネル）を用いた
投射型の画像表示装置が提案されている。この画像表示
装置においては、ランプ光源１０７より出射した光束
は、光束断面形状の補正、強度の均一化、発散角制御な
どの機能を有する照明光学系１０８に入射する。この照
明光学系１０８は、図示しないＰ−Ｓ偏光変換器を有し
ている。このＰ−Ｓ偏光変換器は、無偏光状態の光束
を、Ｐ偏光、Ｓ偏光どちらか一方の偏光に５０％以上の
効率で揃える機能を有している。
【０００３】ここに示している画像表示装置において
は、照明光学系１０８を通過した光束は、主に図１６の
紙面に垂直な方向に電気ベクトルが振動する偏光状態と
なっている。この偏光状態は、次に入射する赤色光反射
のダイクロイックミラー１０９の反射面に対するＳ偏光
である偏光方向である。すなわち、照明光学系１０８を
経た光束は、赤色光反射のダイクロイックミラー１０９
により、赤色光成分のみを進行方向を９０°偏向され
る。この赤色光成分の光束は、ミラー１１０で反射さ
れ、赤色光用偏光ビームスプリッタ（以下、赤色用ＰＢ
Ｓという。）１１１に入射する。この赤色用ＰＢＳ１１
１の誘電体膜１１１ａにおいて、Ｓ偏向成分のみが反射
され、入射偏光１１２として、赤色光用反射型ＴＮ液晶
パネル１１３に入射する。
【０００４】赤色光用反射型ＴＮ液晶パネル１１３にお
いては、入射光束は、表示画像に応じて偏光状態を変調
されて、反射される。この赤色光用反射型ＴＮ液晶パネ
ル１１３で反射された光束は、再び、赤色用ＰＢＳ１１
１の誘電体膜１１１ａに入射する。この誘電体膜１１１
ａにおいて、Ｐ偏光のみが透過するよう検波されること
で、偏光変調が輝度変調に変換される。このようにして
輝度変調に変換された出射光束は、クロスダイクロイッ
クプリズム１１４に入射する。
【０００５】一方、赤色光反射のダイクロイックミラー
１０９を透過した光束は、次に緑色光反射のダイクロイ
ックミラー１１５に入射する。ここで、緑色光成分のみ
が反射され、残りの青色光成分は透過する。分離された
緑色光及び青色光は、それぞれ、前述の赤色光と同様
に、緑色用ＰＢＳ１１６及び青色用ＰＢＳ１１８により
Ｓ偏光のみが反射され、緑色光用反射型ＴＮ液晶パネル
１１７及び青色光用反射型ＴＮ液晶パネル１１９にそれ
ぞれ入射する。
【０００６】緑色光用反射型ＴＮ液晶パネル１１８及び
青色光用反射型ＴＮ液晶パネル１１９にて偏光状態を変
調されて反射された光束は、再び緑色用ＰＢＳ１１６及
び青色用ＰＢＳ１１８の誘電体膜１１６ａ，１１８ａに
入射し、ここでＰ偏光のみが透過するよう検波されて、
偏光変調が輝度変調に変換される。輝度変調に変換され
た緑色及び青色の出射光束は、それぞれクロスダイクロ
イックプリズム１１４に入射する。
【０００７】クロスダイクロイックプリズム１１４に入
射された赤色光、緑色光及び青色光は、このクロスダイ
クロイックプリズム１１４において合成されて、投射光
学系１２０に入射される。この投射光学系１２０は、入
射された光束をスクリーン１２１上に結像させる。この
スクリーン１２１上には、画像が所定の画像が表示され
る。
【０００８】また、反射型空間光変調素子用の照明装置
としては、例えば、特開平１０−４８４２３号公報に記
載されているように、２枚の透過型ホログラム光学素子
を積層して、ホログラムの波長分散を利用したホログラ
ムカラーフィルタが提案されている。
【０００９】このホログラムカラーフィルタは、図１７
に示すように、所定の入射角θの照明光１０１に対して
互いに回折効率の波長依存性が異なる２枚のホログラム
１０２，１０３が積層されて構成されている。このホロ
グラムカラーフィルタにおいては、回折効率の波長依存
性が少なく、Ｒ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）３色
のカラーバランスが補正された明るいカラーフィルタを
提供することができる。
【００１０】このホログラムカラーフィルタにおける２
つのホログラム１０２，１０３の回折効率の波長依存性
は、図１８に示すように、波長分散による空間的な波長
分布が一致しないように設定されている。そのため、入
射側のホログラム１０２で回折された赤色光は出射側の
ホログラム１０３で回折されることなく赤色画素１０４
を照明し、入射側のホログラム１０２にて回折されない
青色光、緑色光は出射側ホログラム１０３にて回折、分
光され、それぞれ対応する色画素１０５，１０６に集光
される。
【００１１】さらに、反射型空間光変調素子用の照明装
置としては、図１９に示すように、積層されたホログラ
ムカラーフィルタ１２４ｒ、１２４ｇ、１２４ｂを用い
たものが、例えば、特開平９−１８９８０９号公報に記
載されているように、提案されている。
【００１２】この照明装置においては、図示しない照明
光源より放射された読み出し光は、カップリングプリズ
ム１２６、ガラス基板１２５を経て、ホログラムカラー
フィルタ１２４ｒ、１２４ｇ、１２４ｂに入射する。こ
れらホログラムカラーフィルタ１２４ｒ、１２４ｇ、１
２４ｂは、それぞれ赤色用、緑色用、青色用の体積ホロ
グラムレンズである。これらホログラムカラーフィルタ
１２４ｒ、１２４ｇ、１２４ｂは、予め、レーザ露光に
より、干渉縞が焼き付けられ、略々１画素（Ｒ、Ｇ、Ｂ
の各色画素、計３画素からなる組）の大きさに対応した
面積を有する各色光用微小レンズが積層された機能を有
するものとなっている。
【００１３】これらホログラムカラーフィルタ１２４
ｒ、１２４ｇ、１２４ｂは、読み出し光のスペクトルの
赤色光成分、緑色光成分及び青色光成分を、反射型液晶
パネルのカバーガラス１２３、共通電極１３４、配向膜
１３３、液晶層１３２、配向膜１３１及び誘電体ミラー
膜１３０を透過させて、画素電極層１２９上のそれぞれ
対応する色画素電極１２９ｒ、１２９ｇ、１２９ｂ上に
集光させる。
【００１４】このホログラムレンズは、入射光の偏光特
性について依存性を有している。すなわち、ホログラム
レンズヘの入射光のうち、Ｓ偏光成分が主に回折し、Ｐ
偏光成分の回折効率は、これよりも低くなっている。
【００１５】これは、カップルド−ウェイブ理論（Coup
led-wave theory）の厳密解（参考論文：M.G.Moharam a
nd T.K.Gayload:Rigourous Coupled-wave analysis of
planar grationg diffraction,J.Opt.Soc.Am.71,811-81
8(1977)、M.G.Moharam and T.K.Gayload:Rigourous coup
led-wave analysis of grationg diffraction E-mode p
olarization and lossws,J.Opt.Soc.Am.73,451-455(198
3)）により、例えば、反射型の厚いホログラムの場合で
あって、ホログラムの厚さｔとホログラム内の干渉縞の
ピッチΛとにより決まる値（ｔ／Λ）が１乃至５の場合
には、ＴＥ（Ｓ偏光）及びＴＭ（Ｐ偏光）の回折効率に
は差異が生じ、Ｓ偏光の回折効率はＰ偏光の回折効率に
比べて最大４５％程度大きくなることが示されている。
【００１６】この現象により、この照明装置において
は、ホログラムカラーフィルタ１２４ｒ、１２４ｇ、１
２４ｂに対して斜めに入射した読み出し光のうちのＳ偏
光成分の光が主に回折される。そして、液晶パネル１２
２に略々垂直に入射させた照明光のうち、偏光方向が９
０°変調されて反射された光（Ｐ偏光成分）は、回折効
果が低いため、多くの光がホログラムカラーフィルタ１
２４ｒ、１２４ｇ、１２４ｂにより回折作用を受けず
に、このホログラムカラーフィルタ１２４ｒ、１２４
ｇ、１２４ｂから垂直に出射する。
【００１７】透過型体積ホログラムの回折効率の入射偏
光特性の典型的な例として、屈折率変調度０．０４、厚
さ３μｍ、ホログラム媒質中での入射角６０°、出射角
０°、製造波長及び再生波長とも５３２ｎｍの場合にお
いては、図２０に示すように、Ｓ偏光回折効率が７０％
であるのに対し、Ｓ偏光回折効率は２５％となってお
り、入射偏光による回折効率の依存性が現れている。
【００１８】また、図２１に示すように、透過型液晶画
像表示素子の見かけの開ロ率を増加させて透過率を向上
させるため、屈折型のマイクロレンズアレイ１３７を用
いた透過型液晶画像表示素子が提案されている。
【００１９】この透過型液晶画像表示素子においては、
入射側偏光板１３５に入射しこの入射側偏光板１３５に
より直線偏光となされた照明光は、入射側基板ガラス１
３６から入射し、マイクロレンズアレイ１３７により、
液晶層１３８を透過してＴＦＴの画素開ロ部１３９上に
集光される。この入射光は、この画素開ロ部１３９にお
いて偏光状態を変調され、出射側基板ガラス１４０より
出射される。そして、この照明光は、次に出射側偏光板
１４１を透過し、この出射側偏光板１４１において、偏
光状態の変調を輝度変調に変換される。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上述のよう
な透過型ホログラムにおいては、入射光の回折受容角が
狭く、また、回折受容角及び出射角が十分に分離されて
いないので、光利用効率が低い。
【００２１】また、上述の透過型ホログラムをカラーフ
ィルタとして使用した画像表示素子においては、ホログ
ラムの波長分散を利用して色分離をしているので、各色
光の分離角設定に自由度がなく、カラーフィルタと空間
光変調素子の色画素との間の距離を製造難易度や光利用
効率の面から最適に設定することができない。
【００２２】そして、この画像表示素子を用いた画像表
示装置においては、同一画素ピッチの空間光変調素子を
前提とする場合、各色光の分離角を大きくできないの
で、カラーフィルタと空間光変調素子の色画素との間の
距離を、例えば５０μｍ以下というような近距離に設定
することができない。すなわち、この画像表示装置にお
いては、カラーフィルタヘの照明光の広画角化、広帯域
化による光利用効率の向上を図ることができず、明るい
画像を得ることができない。
【００２３】そこで、本発明は、上述の実情に鑑みて提
案されるものであって、入射光の広回折受容角を広くし
て、光利用効率を高くし、空間光変調素子の色画素との
間の距離を製造難易度や光利用効率の面から最適に設定
することができる透過型積層ホログラム光学素子を提供
し、この透過型積層ホログラム光学素子を用いて明るい
画像を表示することができる画像表示素子及び画像表示
装置を提供しようとするものである。
【００２４】
【課題を解決するための手段】上述の課題を解決するた
め、本発明に係る透過型積層ホログラム光学素子は、回
折受容入射角が互いに異なる複数の透過型ホログラム光
学素子を積層して構成した透過型積層ホログラム光学素
子であって、各透過型ホログラム光学素子は、可視領域
の任意の波長におけるそれぞれの回折受容入射角の中心
入射角に対する出射角が互いに異なることを特徴とす
る。
【００２５】また、本発明に係る画像表示素子は、透過
型積層ホログラム光学素子と、この透過型積層ホログラ
ム光学素子からの出射光を変調する空間光変調素子とを
備え、透過型積層ホログラム光学素子は、回折受容入射
角が互いに異なるとともに可視領域の任意の波長におけ
るそれぞれの回折受容入射角の中心入射角に対する出射
角が互いに異なる複数の透過型ホログラム光学素子が積
層されて構成されていることを特徴とする。
【００２６】そして、本発明に係る画像表示装置は、照
明光を発する照明光源と、入射光を回折させる透過型積
層ホログラム光学素子と、照明光を透過型積層ホログラ
ム光学素子に入射光として導く照明光学系と、透過型積
層ホログラム光学素子から出射された照明光を変調させ
る空間光変調素子と、この空間光変調素子により変調さ
れた照明光を拡大して結像させる拡大光学系とを備え、
透過型積層ホログラム光学素子は、回折受容入射角が互
いに異なるとともに可視領域の任意の波長におけるそれ
ぞれの回折受容入射角の中心入射角に対する出射角が互
いに異なる複数の透過型ホログラム光学素子が積層され
て構成されていることを特徴とする。
【００２７】さらに、本発明に係る画像表示装置は、照
明光を発する照明光源と、屈折率の入射偏光方位依存性
が互いに異なる２つの領域が順次配列された構造を有し
回折受容入射角が互いに異なる複数の透過型ホログラム
光学素子が積層されて構成され入射光を回折させる透過
型偏光選択性ホログラム光学素子と、照明光を導いて透
過型偏光選択性ホログラム光学素子に対しこの透過型偏
光選択性ホログラム光学素子の照明光受光面の法線に対
して３０°以上９０°未満の入射角にて入射させる照明
光学系と、透過型偏光選択性ホログラム光学素子により
回折された照明光の偏光状態を変調する反射型空間光変
調素子と、この反射型空間光変調素子により変調された
表示像を拡大する拡大光学系とを備え、透過型偏光選択
性ホログラム光学素子を構成する各透過型ホログラム光
学素子は、可視領域の任意の波長におけるそれぞれの回
折受容入射角の中心入射角に対する出射角が互いに異な
り、受光する照明光のＰ偏光成分、または、Ｓ偏光成分
を主に反射型空間光変調素子に向けて回折させるととも
に、該反射型空間光変調素子により位相変調されて再入
射する照明光のうち、一回目の入射において主に回折さ
せられる偏光成分と直交する偏光成分に対する回折効率
が１０％以下となっていることにより該成分の７０％以
上を透過させることを特徴とする。
【００２８】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照しながら説明する。
【００２９】〔１〕偏光選択性ホログラム光学素子 まず、この実施の形態において使用される透過型偏光選
択性ホログラム光学素子（以下、「ホログラフィックＰ
ＤＬＣ」という。）１の構造と製造プロセスについて、
図１を参照して説明する。
【００３０】まず、光重合を起こす前の高分子（以下、
プレポリマという。）、ネマチック液晶、開始剤、色素
などが混合されたＰＤＬＣをガラス基板２，３間に挾み
込む。このとき、ネマチック液晶の重量割合は、全体の
４０％程度とする。また、このＰＤＬＣの層厚（以下、
セルギャップという。）は、３μｍ乃至１５μｍの範囲
で、偏光選択性ホログラム光学素子の仕様にあわせて最
適値を選ぶ。
【００３１】次に、ホログラフィックＰＤＬＣ１に干渉
縞を記録するために、図示しないレーザ光源からの物体
光４及び参照光５を、ホログラフィックＰＤＬＣ１に照
射し、干渉による光の強弱（Ａ）を発生させる。このと
き、干渉縞の明るいところ、すなわち、光子のエネルギ
ーが大きい場所では、そのエネルギーにより、ＰＤＬＣ
中のプレポリマが光重合を起こしてポリマ化する。この
ため、プレポリマが周辺部から次々に供給され、結果的
にポリマ化したプレポリマが密な領域と、疎の領域とに
分かれる。プレポリマが疎の領域は、ネマチック液晶の
濃度が高くなる。こうして、高分子高密度領域６と液晶
高密度領域７との２つの領域が形成される。この実施の
形態の場合、物体光４と参照光５とがホログラフィック
ＰＤＬＣ１に対して同じ側から照射されているため、製
造されるホログラフィックＰＤＬＣ１は、透過型とな
る。
【００３２】このようにして製造されたホログラフィッ
クＰＤＬＣ１の高分子高密度領域６は、屈折率に関して
等方的で、その値は、例えば、１．５となされている。
一方、液晶高密度領域７においては、ネマチック液晶分
子が、長軸方向を高分子高密度領域６との境界面に対し
て略々垂直として並んでいる。そのため、この液晶高密
度領域７では、屈折率が入射偏光方位依存性を有してい
る。この場合、常光線となるのは、ホログラフィックＰ
ＤＬＣパネル１の光線入射面８に入射する再生光９を考
えた場合、Ｓ偏光成分である。
【００３３】そして、この液晶高密度領域７の常光線屈
折率ｎloを高分子高密度領域６の屈折率ｎｐに略々等し
く（例えば、屈折率差が０．０１以下）すれば、入射Ｓ
偏光成分に対する屈折率の変調は極めて小さく、回折現
象はほとんど生じない。一般に、ネマチック液晶の常光
線屈折率ｎloと異常光線屈折率ｎleとの差Δｎは、０．
１乃至０．２程度である。そのため、入射方向が等しい
再生光９について、そのＰ偏光成分については、高分子
高密度領域６と液晶高密度領域７との間に屈折率差があ
り、このホログラフィックＰＤＬＣパネル１は、位相変
調型ホログラムとして機能し、回折効果を生じさせる。
【００３４】これが、ホログラフィックＰＤＬＣを用い
た透過型偏光選択性ホログラム光学素子の動作原理であ
る。
【００３５】〔２〕本発明に係る透過型積層ホログラム
光学素子の実施の形態 本発明に係る透過型積層ホログラム光学素子は、図２に
示すように、両側を基板ガラス１１，１２で挟まれ、こ
れら基板ガラス１１，１２間において、第１乃至第３の
透過型偏光選択性ホログラム１３，１４，１５が互いの
間にバリア層１６，１７を介して３層積層された構造を
有している。
【００３６】各透過型偏光選択性ホログラム１３，１
４，１５の再生波長（λplay）を５３２ｎｍとした場合
の回折効率の入射角度依存性を図３に示す。ここで、全
ての透過型偏光選択性ホログラム１３，１４，１５に共
通の仕様は、ホログラム層の厚さ（ｔ）が５μｍ、屈折
率変調度（Δｎ）が０．０５、露光波長（λrec）が５
３２ｎｍである。
【００３７】露光時の物体光、参照光の入射角度は、各
透過型偏光選択性ホログラム１３，１４，１５ごとにそ
れぞれ異なっている。具体的には、入射側の第１の偏光
選択性ホログラム１３については、参照光入射角＝３８
°、物体光入射角＝−１１°、中間の第２の偏光選択性
ホログラム１４については、参照光入射角＝４７°、物
体光入射角＝０°、出射側の第３の偏光選択性ホログラ
ム１５については、参照光入射角＝５８°、物体光入射
角＝１３°となっている。
【００３８】したがって、それぞれの偏光選択性ホログ
ラム１３，１４，１５は、ブラッグ（Bragg）条件を満
たす回折受容角の中心値が約１０°ずつ異なり、かつ、
これら３つのホログラムからの出射光の出射角の中心値
も、１２°前後ずつ異なっている。
【００３９】そのため、この実施の形態による透過型積
層ホログラム光学素子１０は、回折受容角が広く、ま
た、このときの各偏光選択性ホログラム１３，１４，１
５からの回折光の回折効率の出射角依存性は、図４に示
すように、回折受容角範囲に比べて小さくなっている。
すわなち、図３及び図４を比較すると明らかなように、
各偏光選択性ホログラム１３，１４，１５の出射角範囲
は、回折受容角範囲に比べて小さくなっているのであ
る。
【００４０】これは、本発明に係る透過型積層ホログラ
ム光学素子１０に対する入射角が、出射角に比べて小さ
いからであり、これにより、回折受容角は大きいが回折
後の出射角は小さいという特長を有する透過型積層ホロ
グラム光学素子が実現できた。したがって、出射光の画
角を入射画角に比べて過度に大きくすることなく、第１
及び第２の偏光選択性ホログラム１３，１４の出射光の
第２及び第３の偏光選択性ホログラム１４，１５による
再回折を抑えることが可能となっている。
【００４１】〔３〕本発明に係る画像表示素子の実施の
形態 次に、上述のホログラフィックＰＤＬＣ（偏光選択性ホ
ログラム光学素子）を用いた本発明に係る反射型画像表
示素子の実施の形態について、図５を参照して説明す
る。
【００４２】この画像表示素子は、図５に示すように、
上述したホログラフィックＰＤＬＣ１０を、反射型垂直
配向液晶パネル１８に対し、厚さ約５０μｍの基板ガラ
ス１９を介して光学的に密着させて構成されている。こ
の実施の形態におけるホログラフィックＰＤＬＣ１０
は、図２に示した実施の形態において説明したものと基
本的に同一である。
【００４３】この画像表示素子においては、Ｐ偏光成分
とＳ偏光成分の両方を含む３つの入射光線２２，２３，
２４からなる入射光２１が、入射角θ１±α、θ２±
β、θ３±γでホログラフィックＰＤＬＣ１０のガラス
基板１１より入射する。ここで、α、β、γは、３つの
入射光線２２，２３，２４の拡散角を表している。
【００４４】入射光は、まず、第１の透過型偏光選択性
ホログラム１３に入射する。ここで、第１の透過型偏光
選択性ホログラム１３の回折受容角内の入射角θ３±γ
のＰ偏光光のみが回折され、回折光２５となる。この回
折光２５は、反射型垂直配向液晶パネル１８の反射面２
０に対する入射角θ３´±γ´の方向に進む。
【００４５】このとき、前述のように、γ＞γ´が満足
されている。この回折光２５は、第２の透過型偏光選択
性ホログラム１４や第３の透過型偏光選択性ホログラム
１５の回折受容角とは異なるため、途中で再度回折され
ることなく、反射型垂直配向液晶パネル１８の液晶層３
３を経て反射面２０に到達する。
【００４６】この回折光２５は、液晶層３３を往復する
間に、位相状態を制御され、白表示のときには偏光方向
が９０°回転され、黒表示のときには入射時の偏光状態
が保存される。このようにして液晶層３３及び反射面２
０によって変調されて反射された変調光は、各透過型偏
光選択性ホログラム１３，１４，１５に再入射する。
【００４７】変調光が各透過型偏光選択性ホログラム１
３，１４，１５に再入射したとき、Ｐ偏光で、かつ、各
透過型偏光選択性ホログラム１３，１４，１５の回折受
容角範囲に入る成分は再び回折されて、入射光２２，２
３，２４の逆方向に戻る。そして、変調光のＰ偏光光の
うちの回折されない残りの成分と、Ｓ偏光成分とは、透
過型偏光選択性ホログラム１３，１４，１５において回
折されることなく、ホログラフィックＰＤＬＣ１０から
出射光２９として出射する。
【００４８】入射光２３，２４についても、上述と同様
に、出射角のばらつきα´、β´は、入射角ばらつき
α、βよりも小さくなっている。
【００４９】すなわち、第２の透過型偏光選択性ホログ
ラム１４においては、入射光のうち、第２の透過型偏光
選択性ホログラム１４の回折受容角内の入射角θ２±β
のＰ偏光光のみが回折され、回折光２６となる。この回
折光２６は、反射型垂直配向液晶パネル１８の反射面２
０に対する入射角θ２´±β´の方向に進む。ここで、
β＞β´が満足されている。この回折光２６は、第３の
透過型偏光選択性ホログラム１５の回折受容角とは異な
るため、途中で再度回折されることなく、反射型垂直配
向液晶パネル１８の液晶層３３を経て反射面２０に到達
する。この回折光２６が液晶層３３及び反射面２０によ
って変調されて反射された変調光は、各透過型偏光選択
性ホログラム１３，１４，１５に再入射する。
【００５０】そして、この変調光のうち、Ｐ偏光で、か
つ、各透過型偏光選択性ホログラム１３，１４，１５の
回折受容角範囲に入る成分は再び回折されて、入射光２
２，２３，２４の逆方向に戻る。そして、変調光のＰ偏
光光のうちの回折されない残りの成分と、Ｓ偏光成分と
は、透過型偏光選択性ホログラム１３，１４，１５にお
いて回折されることなく、ホログラフィックＰＤＬＣ１
０から出射光３０として出射する。
【００５１】また、第３の透過型偏光選択性ホログラム
１５においては、入射光のうち、第３の透過型偏光選択
性ホログラム１５の回折受容角内の入射角θ１±αのＰ
偏光光のみが回折され、回折光２７となる。この回折光
２７は、反射型垂直配向液晶パネル１８の反射面２０に
対する入射角θ１´±α´の方向に進む。ここで、α＞
α´が満足されている。この回折光２７は、反射型垂直
配向液晶パネル１８の液晶層３３を経て反射面２０に到
達する。この回折光２７が液晶層３３及び反射面２０に
よって変調されて反射された変調光は、各透過型偏光選
択性ホログラム１３，１４，１５に再入射する。
【００５２】そして、この変調光のうち、Ｐ偏光で、か
つ、各透過型偏光選択性ホログラム１３，１４，１５の
回折受容角範囲に入る成分は再び回折されて、入射光２
２，２３，２４の逆方向に戻る。そして、変調光のＰ偏
光光のうちの回折されない残りの成分と、Ｓ偏光成分と
は、透過型偏光選択性ホログラム１３，１４，１５にお
いて回折されることなく、ホログラフィックＰＤＬＣ１
０から出射光３１として出射する。
【００５３】なお、この実施の形態におけるホログラフ
ィックＰＤＬＣ１０は、集光機能を有しており、図６に
示すように、反射型垂直配向液晶パネル１８の反射面２
０に向けて入射光２１を集光させる。すなわち、この場
合のホログラフィックＰＤＬＣ１０の各透過型偏光選択
性ホログラム１３，１４，１５の干渉縞のピッチは、図
６中に示す方向Ａにおいて、中心０より周辺にいくにし
たがって細かくなっている。
【００５４】そして、実際の画像表示においては、画素
ごとに反射型垂直配向液晶パネル１８の液晶層３３が制
御され、反射光の偏光状態が変調されるため、主にＳ偏
光成分を有する反射光３２を用いて、画像表示が可能と
なる。
【００５５】ここで、「厚いホログラム」について説明
する。「厚いホログラム」の定義としては、次に示すＱ
値が１０以上であることとすることが多い。
【００５６】Ｑ＝２πλｔ／（ｎΛΛ） ここで、λは、再生波長、ｔは、ホログラム層の厚さ、
ｎは、ホログラム層の平均屈折率、Λは、干渉縞のピッ
チである。
【００５７】また、以下の関係が成立する。
【００５８】 Λ＝λｃ／λ｜２sin｛（θｓ−θｒ）／２｝｜ ここで、λｃは、製造波長、θｓは、物体光の入射角、
θｒは、参照光の入射角である。
【００５９】仮に、λｃを０．５３２μｍ、θｓを４０
°、θｒを０°、λを０．５３２μｍ、ｔを６μｍ、ｎ
を１．５とすると、干渉縞のピッチΛは、０．６８μｍ
となり、Ｑは２８．９となるので、「厚いホログラム」
の定義にあてはまる。
【００６０】「厚いホログラム」は、回折効率が高い
が、製造のときの物体光及び参照光の使用波長や入射角
などの条件から、再生光の条件がはずれると、回折効率
が比較的急激に低下するという特徴をもつ。つまり、あ
る再生波長において、回折効率のピークを与える入射角
から再生光の入射角が大きくはずれると、回折効果が現
れないということにもなる。そのため、前述のように、
反射光３２は、たとえＰ偏光成分であっても、各透過型
偏光選択性ホログラム１３，１４，１５において回折さ
れにくくなる。
【００６１】本発明に係る偏光選択性ホログラム光学素
子は、高い回折効率を目的として、干渉縞のピッチΛを
小さくするため、ベンド角、すなわち、｜（θｓ−θ
ｒ）｜を、３０°以上に設定している。
【００６２】次に、前述のホログラフィックＰＤＬＣ
（偏光選択性ホログラム光学素子）を用いた本発明に係
る反射型の画像表示素子の第２の実施の形態について、
図７を参照して説明する。この実施の形態における透過
型積層ホログラム光学素子３６は、図７に示すように、
青色光用ホログラム層３４、緑色光用ホログラム層３５
の２層の積層構造となっており、青、緑色光用反射型液
晶空間光変調素子３７と一体的に構成されている。
【００６３】そして、この画像表示素子においては、青
色光（Ａ）と緑色光（Ｂ）とを互いに異なる入射角にて
入射させる。青色光用ホログラム層３４及び緑色光用ホ
ログラム層３５は、回折受容角が互いに異なる。
【００６４】青色光用ホログラム層３４において回折さ
れた青色光は、この青色光用ホログラム層３４の一方向
のみに対して集光力を有するレンズ（シリンドリカルレ
ンズ）の機能により、青、緑色光用反射型液晶空間光変
調素子３７の青色光用画素電極３８上に集光される。
【００６５】また、緑色光用ホログラム層３５において
回折された緑色光は、この緑色光用ホログラム層３５の
一方向のみに対して集光力を有するレンズ（シリンドリ
カルレンズ）の機能により、青、緑色光用反射型液晶空
間光変調素子３７の緑色光用画素電極３９上に集光され
る。
【００６６】また、各色用ホログラム層３４，３５のホ
ログラムレンズとしての中心は、対応する色画素電極３
８，３９の中心に略々一致する位置となされている。し
かし、各色用ホログラム層３４，３５からの出射角が互
いに等しくないので、図７に示すように、２つの色光が
交差するようにして集光される。
【００６７】各色画素電極３８，３９に色分離、集光さ
れた照明光（Ａ），（Ｂ）は、「白」表示のときには、
入射偏光方向が９０°回転されてＳ偏光光となって反射
される。この反射光は、青色光用ホログラム層３４及び
緑色光用ホログラム層３５の回折受容角度からずれてい
るため、Ｐ偏光光であっても回折効率は低く、これら各
色光用ホログラム層３４，３５において回折されること
なく、青、緑色光用反射型液晶空間光変調素子３７の鉛
直方向に対して互いに逆方向の角度をもって出射され
る。
【００６８】さらに、本発明に係る画像表示素子の第３
の実施の形態として、図８に示すように、青色光用ホロ
グラム層３４及び緑色光用ホログラム層３５のそれぞれ
について、入射角受容範囲が異なり、かつ、これに対応
する出射角が異なる第２の青色光回折ホログラム層４０
及び第２の緑色光回折ホログラム層４１を追加すること
により、（Ａ）乃至（Ａ）´及び（Ｂ）乃至（Ｂ）´で
示すように、入射角の受容範囲を広げて、光利用効率を
向上させることができる。
【００６９】次に、本発明に係る画像表示素子の第４の
実施の形態として、図９に示すように、ホログラフィッ
クＰＤＬＣ（偏光選択性ホログラム光学素子）によっ
て、白色照明光を赤色光、緑色光及び青色光の３色に分
離、集光するように構成した画像表示素子について説明
する。このホログラフィックＰＤＬＣは、前述の２色分
離のホログラフィックＰＤＬＣと同様に、回折受容角と
それに対応する出射角が互いに異なる緑色光回折用、青
色光回折用及び赤色光回折用の３層のホログラム層３
４，３５，４２が互いの間にバリア層１６，１７を介し
て積層されて構成されている。この画像表示素子は、こ
のホログラフィックＰＤＬＣが、反射型垂直配向液晶パ
ネル１８に対し、厚さ約５０μｍの基板ガラス１９を介
して光学的に密着されて構成されている。
【００７０】この画像表示素子においては、入射面Ｆ側
に位置する緑色光、青色光回折用ホログラム層３４，３
５からの出射光が、出射面Ｂ側に位置する、青色光、赤
色光回折用ホログラム層３５，４２によって、できる限
り再回折されないように、３つの色光を互いに交差する
ように集光させている。そして、緑色光、青色光及び赤
色光は、それぞれ反射型垂直配向液晶パネル１８の対応
する色画素上に集光され、反射される。
【００７１】また、透過型液晶画像表示素子に用いられ
る通常のマイクロレンズアレイの代替として、照明光入
射画角を向上させた本発明に係る画像表示素子の第５の
実施の形態を、図１０を参照して説明する。
【００７２】ここでは、便宜上、Ｒ，Ｇ，Ｂいずれかの
色光の照明光をその入射角度により照明光（Ａ）と照明
光（Ｂ）とに分けて考える。照明光（Ａ）及び照明光
（Ｂ）は、それぞれ３０°以上の入射角θＡ、θＢを中
心に±ΔθＡ，±ΔθＢの角度範囲を有する照明光であ
り、θＡ＋ΔθＡ＝θＢ−ΔθＢという関係になってい
る。
【００７３】入射側基板ガラス４３より入射した照明光
は、まず、第１のホログラムレンズアレイ４４に入射す
る。このとき、第１のホログラムレンズアレイ４４は、
主に照明光（Ａ）の入射角度に対応する回折受容角を有
しており、主に照明光（Ａ）を回折させる。この回折光
は、第１のホログラムレンズアレイ４４上における一辺
が画素ピッチ大のサイズを有する照明光ごとに、バリア
層４５、第２のホログラムレンズアレイ４６、対向電極
付き基板ガラス４７及び液晶層４８を透過して、ＴＦＴ
開口部５０の面積内に集光される。
【００７４】バリア層４５を介して配置された第２のホ
ログラムレンズアレイ４６においては、同様の理由か
ら、主に照明光（Ｂ）が回折される。ここでも、第２の
ホログラムレンズアレイ４６上における一辺が画素ピッ
チ大のサイズを有する照明光ごとに、対向電極付き基板
ガラス４７及び液晶層４８を透過して、ＴＦＴ開口部５
０の面積内に集光される。
【００７５】つまり、１つのＴＦＴ開口部５０に対し
て、第１のホログラムレンズアレイ４４と第２のホログ
ラムレンズアレイ４６との２つマイクロレンズにより、
照明光が集光される。そして、これら第１及び第２のホ
ログラムレンズアレイ４４，４６は、それぞれが独立し
たマイクロレンズアレイとして振舞うため、通常の屈折
型の系マイクロレンズアレイに比べて、大きな受容角を
確保することができる。
【００７６】なお、ここで用いている第１のホログラム
レンズアレイ４４と第２のホログラムレンズアレイ４６
とは、どちらも屈折率の異方性を有する材料を含んでお
らず、したがって、大きな偏光選択性は有していない。
【００７７】〔４〕本発明に係る画像表示装置の実施の
形態 本発明に係る画像表示装置の第１の実施の形態として、
画像表示素子として、３つの反射型液晶空間光変調素子
を用い、色分離合成手段として、２つのダイクロイック
ミラーを用いた３板式投射型画像表示装置の構成と動作
原理を、図１１を参照して説明する。
【００７８】この画像表示装置においては、ＵＨＰラン
プ光源５１より出射された光束は、光束断面形状の補
正、光強度分布の均一化、発散角制御などの機能を有す
る照明光学系５２に入射する。この照明光学系５２に
は、Ｐ−Ｓ偏光変換器が含まれている。このＰ−Ｓ変換
器は、無偏光状態の入射光束を、Ｐ偏光、または、Ｓ偏
光のどちらが一方の偏光に５０％以上の効率で揃える機
能を有する偏光変換手段である。この実施の形態の場
合、照明光学系５２を透過した光束は、主に図１１の紙
面に平行な方向に電気ベクトルが振動する偏光状態、つ
まり、次に入射するミラー５３に対するＰ偏光光となる
ように変換される。
【００７９】照明光は、ミラー５３で反射され、赤色反
射のダイクロイックミラー５４に入射する。このダイク
ロイックミラー５４においては、主に赤色光のみが、赤
色光用空間光変調素子５５に向けて反射される。この、
赤色光用空間光変調素子５５においては、赤色光は、入
射角約５０°±１５°にて入射する。
【００８０】一方、赤色反射のダイクロイックミラー５
４を透過した青、緑色光は、次に、青色光反射用のダイ
クロイックミラー５６に入射する。この青色光反射用の
ダイクロイックミラー５６においては、青色光のみが、
青色光用空間光変調素子５７に向けて反射される。この
青色光用空間光変調素子５７には、青色光は、入射角約
５０°±１５°にて入射する。
【００８１】青色光反射用のダイクロイックミラー５６
を透過した緑色光は、緑色光用空間光変調素子５８に対
し、入射角約５０°±１５°にて入射する。
【００８２】ここで、青色光反射用ダイクロイックミラ
ー５６から緑色光用空間光変調素子５８に至る光路上に
は、５７０ｎｍ前後の波長よりも長波長側のスペクトル
を反射するオレンジ色カットフィルタ５９が、挿脱可能
に配置されている。オレンジ色カットフィルタ５９は、
表示画像の色再現性を向上させたい場合には、光路上に
挿入しておく。そして、色再現性よりも明るさを優先し
たい場合には、オレンジ色カットフィルタ５９を光路外
に抜き取ることにより、ＵＨＰランプ５１からの照明光
に含まれる５８０ｎｍ近辺のオレンジ色光を緑色光用空
間光変調素子５８に照射させ、表示画像の結像に寄与さ
せる。
【００８３】緑色光用空間光変調素子５８、青色光用空
間光変調素子５７、赤色光用空間光変調素子５５は、上
述の画像表示素子の第１の実施の形態で示したように、
それぞれ、偏光選択性積層ホログラム光学素子５８ａ，
５７ａ，５５ａと、反射型空間光変調素子５８ｂ，５７
ｂ，５５ｂとが組み合わされて構成されている。したが
って、これら緑色光用空間光変調素子５８、青色光用空
間光変調素子５７、赤色光用空間光変調素子５８にそれ
ぞれ入射する主にＰ偏光成分を有する緑色光、青色光、
赤色光は、Ｐ偏光成分のみが回折され、各反射型空間光
変調素子５８ｂ，５７ｂ，５５ｂに入射角約±１０°に
て入射する。そして、これら緑色光、青色光、赤色光
は、それぞれの反射型空間光変調素子５８ｂ，５７ｂ，
５５ｂの画素ごとに偏光状態を変調された後、出射角±
１５°にて、再び偏光選択性積層型ホログラム光学素子
５８，５７，５５から空気中に出射される。
【００８４】なお、反射型空間光変調素子５８ｂ，５７
ｂ，５５ｂの各液晶層の厚さは、それぞれ変調する色光
の違いに応じて最適化されている。
【００８５】赤色光用空間光変調素子５５と、緑色光用
空間光変調素子５８とは、赤色反射のダイクロイックミ
ラー５４に対して、共役な位置に配設されている。ま
た、青色光用空間光変調素子５７と、緑色光用空間光変
調素子５８とは、青色反射のダイクロイックミラー５６
に対して、共役な位置に配設されている。
【００８６】したがって、緑色光用空間光変調素子５
８、青色光用空間光変調素子５７、赤色光用空間光変調
素子５５により変調された各色光の照明光は、青色光反
射のダイクロイックミラー５６、赤色光反射のダイクロ
イックミラー５４により再び色合成される。そして、こ
の照明光は、例えば、偏光板の如き、Ｓ偏光透過の偏光
選択手段６０を経て、投射光学系６１に入射される。投
射光学系６１は、入射された照明光を図示しないスクリ
ーン上に結像させる。スクリーン上には、画像が表示さ
れる。
【００８７】なお、青色光反射のダイクロイックミラー
５６及び赤色光反射のダイクロイックミラー５４は、色
分離を行う部分の薄膜特性と色合成を行う部分の薄膜特
性を異ならせて作成してもよい。
【００８８】次に、本発明に係る画像表示装置の第２の
実施の形態として、図１２に示すように、画像表示素子
として反射型液晶空間光変調素子６２，６３を用い、色
合成手段としてダイクロイックミラー６４を用い、２つ
の反射型液晶空間光変調素子６２，６３への色分離手段
としてダイクロイックミラー６５，６６，６７を用い、
一方の反射型液晶空間光変調素子６２への色分離集光手
段として偏光選択性積層ホログラム光学素子６２ａを用
いた２板式投射型画像表示装置の構成と動作原理につい
て説明する。
【００８９】ＵＨＰランプ光源５１より出射した照明光
束は、光束断面形状の補正、光強度分布の均一化、発散
角制御などの機能を有する照明光学系５２に入射する。
この照明光学系５２には、Ｐ−Ｓ偏光変換器６８が含ま
れている。このＰ−Ｓ偏光変換器６８は、無偏光状態の
光束を、Ｐ偏光、または、Ｓ偏光のどちらが一方の偏光
に５０％以上の効率で揃える機能を有する偏光変換手段
である。この実施の形態の場合、照明光学系５２を通過
した照明光束は、主に図１２の紙面に平行な方向に電気
ベクトルが振動する偏光状態、つまり、次に入射する緑
色反射のダイクロイックミラー６５に対するＰ偏光光と
なるよう変換される。
【００９０】照明光は、緑色反射のダイクロイックミラ
ー６５及び青色反射のダイクロイックミラー６６におい
て、緑色光成分及び青色光成分を反射され、それぞれ異
なる角度で緑、青色用反射型画像表示素子６２に入射す
る。青色光の入射角は、約４５°である。緑色光の入射
角は、約５５°である。
【００９１】また、緑色反射のダイクロイックミラー６
５及び青色反射のダイクロイックミラー６６を透過した
照明光は、コンデンサレンズ６９を経て、赤色反射のダ
イクロイックミラー６７にて反射され、赤色用反射型画
像表示素子６３に約４５°の入射角で入射する。
【００９２】この実施の形態にて用いられる緑、青色用
反射型画像表示素子６２は、画像表示素子の第３の実施
の形態にて述べたものと同一であり、青色光及び緑色光
をそれぞれに対応する色画素に集光させる複数のホログ
ラム層を有する偏光選択性積層ホログラム光学素子６２
ａと、青色用、緑色用の２つの色画素を有する反射型液
晶空間光変調素子６２ｂが光学的に密着された構造とな
っている。
【００９３】また、赤色用反射型画像表示素子６３は、
画像表示素子の第５の実施の形態の透過型液晶空間光変
調素子を反射型空間光変調素子に代えたものに相当し、
赤色光に対応する色画素に集光する複数のホログラム層
を有する偏光選択性積層ホログラム光学素子６３ａと赤
色用の色画素を有する反射型液晶空間光変調素子６３ｂ
とが光学的に密着された構造となっている。
【００９４】各反射型画像表示素子６２，６３に入射し
た主にＰ偏光成分からなる照明光は、画素ごとに偏光状
態を変調され、各反射型画像表示素子６２，６３より偏
光状態を変調された状態で反射される。そして、Ｐ偏光
成分は、偏光選択性積層ホログラム光学素子６２ａ，６
３ａに再び入射したときに回折されて偏向される。Ｓ偏
光成分は、偏光選択性積層ホログラム光学素子６２ａ，
６３ａに再び入射したときにも回折されることなく、偏
光選択性積層ホログラム光学素子６２ａ，６３ａを透過
する。
【００９５】偏光選択性積層ホログラム光学素子６２
ａ，６３ａを透過したＳ偏光成分からなる２つの変調光
は、ダイクロイックミラー６４にて色合成されたのち、
Ｓ偏光透過の偏光板６０を経て、投射光学系６１に入射
される。投射光学系６１は、入射された照明光を図示し
ないスクリーン上に結像させる。スクリーン上には、画
像が表示される。
【００９６】青、緑色用反射型液晶空間光変調素子６２
ｂは、図１３に示すように、緑色用画素と青色用画素と
が交互に配列された画素構造を有している。また、赤色
用反射型液晶空間光変調素子６３ｂは、図１４に示すよ
うに、赤色用画素のみからなり、青、緑色用反射型液晶
空間光変調素子６２ｂと等しい画素構造を有している。
この赤色用反射型液晶空間光変調素子６３ｂにおいて
は、２つの対になる基本画素は、１画素として等しく駆
動される。
【００９７】なお、反射型空間光変調素子６２，６３に
おける各液晶層の厚さは、それぞれ変調する色光の違い
に応じて最適化されている。
【００９８】次に、本発明に係る画像表示装置の第３の
実施の形態として、図１５に示すように、反射型液晶空
間光変調素子１８への色分離集光手段として偏光選択性
積層型ホログラム光学素子を用いた単板式投射型画像表
示装置の構成と動作原理について説明する。
【００９９】ＵＨＰランプ光源５１より出射した照明光
束は、光束断面形状の補正、光強度分布の均一化、発散
角制御などの機能を有する照明光学系５２に入射する。
この照明光学系５２には、Ｐ−Ｓ偏光変換器６８が含ま
れている。このＰ−Ｓ偏光変換器６８は、無偏光状態の
光束を、Ｐ偏光、または、Ｓ偏光のどちらが一方の偏光
に５０％以上の効率で揃える機能を有する偏光変換手段
である。この実施の形態の場合、照明光学系５２を透過
した光束は、主に図１５の紙面に平行な方向に電気ベク
トルが振動する偏光状態、すなわち、次に入射するダイ
クロイックミラー６６，６５，６７に対してＰ偏光光と
なるよう変換される。
【０１００】照明光は、青色反射のダイクロイックミラ
ー６６、緑色反射のダイクロイックミラー６５、赤色反
射のダイクロイックミラー６７において、青色成分、緑
色成分及び赤色成分をそれぞれ反射され、それぞれが異
なる角度でカップリングプリズム７０を介して反射型画
像表示素子７２に入射する。
【０１０１】このカップリングプリズム７０は、反射型
画像表示素子７２の偏光選択性積層型ホログラム光学素
子７３への入射角を、例えば５５°程度と大きくとるた
めに、反射型画像表示素子７２と光学的に密着して取り
付けられている。
【０１０２】この実施の形態にて用いられている反射型
画像表示素子７２は、画像表示素子の第４の実施の形態
で示したものと基本的に同様のものである。すなわち、
ここで用いられている偏光選択性積層型ホログラム光学
素子７３は、ホログラフィックＰＤＬＣ光学素子であ
り、Ｐ偏光を回折させＳ偏光を回折させないものとなっ
ている。また、Ｒ，Ｇ，Ｂ各色光用のホログラム３４，
３５，３６が３層積層された構造となっており、反射型
液晶空間光変調素子１８と一体的に構成されている。
【０１０３】そして、各色用ホログラム層３４，３５，
３６は、反射型液晶空間光変調素子１８の対応する各色
基本画素に照明光が交差して集光するように、一方向の
みに対して集光力を有するシリンドリカルレンズの機能
を有している。
【０１０４】各色用ホログラム層３４，３５，３６によ
って、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色画素電極７４，７５，７６に色
分離され集光された照明光は、偏光状態を変調されて反
射される。この反射光のうちのＳ偏光成分は、各色光用
ホログラム層３４，３５，３６に再度入射したときに、
回折されることなく、反射型画像表示素子７２対して一
定の出射角を有して出射される。
【０１０５】この反射光は、Ｓ偏光光透過の偏光板６０
により検波され、投射光学系６１に入射する。投射光学
系６１は、入射された照明光をスクリーン７１上に結像
させる。スクリーン７１上には、画像が表示される。
【０１０６】
【発明の効果】上述のように、本発明においては、回折
受容角が互いに異なり、かつ、可視領域の任意の波長に
おける回折受容入射角の中心入射角に対する出射角が互
いに異なる複数の透過型ホログラム光学素子を積層する
ことにより、入射光の回折受容角の広い透過型積層ホロ
グラム光学素子を実現している。
【０１０７】また、本発明に係る画像表示素子は、各透
過型ホログラム光学素子がマイクロレンズアレイの機能
を有する透過型積層ホログラム光学素子と、色画素を有
する空間光変調素子とを組み合わせることにより、ホロ
グラムカラーフィルタを有するカラー画像表示素子とし
て構成されている。したがって、この画像表示素子は、
色素を用いた吸収型のカラーフィルタ、単層構造のホロ
グラムカラーフィルタ、あるいは、積層構造を有するが
互いの回折受容角及び出射角が十分に分離されていない
ホログラムカラーフィルタに比較して、光利用効率の高
い画像表示素子となっている。
【０１０８】なお、この画像表示素子においては、各透
過型ホログラム光学素子がカラーフィルタとしての機能
を有しない場合でも、透過型液晶画像表示素子ととも
に、従来より用いられているマイクロレンズアレイの代
替として使用することにより、照明光の採り込み画角を
広げ、光利用効率の高い画像表示素子として構成するこ
とができる。
【０１０９】さらに、この画像表示素子においては、回
折受容角が互いに異なる複数の透過型ホログラム光学素
子に、それぞれＲ（赤色）、Ｇ（緑色）及びＢ（青色）
の色光のうちのただ１つの色光のみをその回折受容角に
て入射させることにより、ホログラムの波長分散を利用
しない色分離が可能となる。
【０１１０】これにより、各色光の分離角設定に自由度
が得られ、ホログラムカラーフィルタと空間光変調素子
の色画素との間の距離が、製造難易度や光利用効率の面
から最適な距離に設定することができる。同一画素ピッ
チの空間光変調素子を前提とした場合、特に各色光の分
離角を大きくとることにより、ホログラムカラーフィル
タと空間光変調素子の色画素との間の距離を、例えば、
５０μｍ以下に設定することが可能となる。そして、ホ
ログラムカラーフィルタヘの照明光の広画角化、広帯域
化により、光利用効率が向上された明るい画像表示素子
が実現できる。
【０１１１】また、透過型積層ホログラム光学素子の各
ホログラム層を偏光選択性ホログラム光学素子とするこ
とにより、広受容角の偏光分離素子が実現できる。
【０１１２】そして、本発明に係る画像表示装置は、上
述の透過型積層ホログラム光学素子と、反射型空間光変
調素子とを用いていることにより、ＰＢＳ（偏光ビーム
スプリッタ）が不要な、小型軽量、高効率、低コストの
画像表示装置として構成されている。
【０１１３】さらに、この画像表示装置においては、マ
イクロレンズアレイによるカラーフィルタ機能を付加す
ることにより、色合成手段が不要であって、コンパクト
で低コストな画像表示装置として構成することができ
る。
【０１１４】すなわち、本発明は、入射光の広回折受容
角を広くして、光利用効率を高くし、空間光変調素子の
色画素との間の距離を製造難易度や光利用効率の面から
最適に設定することができる透過型積層ホログラム光学
素子を提供し、この透過型積層ホログラム光学素子を用
いて明るい画像を表示することができる画像表示素子及
び画像表示装置を提供することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る透過型積層ホログラム光学素子を
構成する透過型偏光選択性ホログラム光学素子の構成を
示す縦断面図である。
【図２】本発明に係る透過型積層ホログラム光学素子の
第１の実施の形態を示す縦断面図である。
【図３】上記透過型積層ホログラム光学素子における各
透過型偏光選択性ホログラムの回折効率の入射角依存性
を示すグラフである。
【図４】上記透過型積層ホログラム光学素子における各
透過型偏光選択性ホログラムの回折効率の出射角依存性
を示すグラフである。
【図５】本発明に係る画像表示素子の第１の実施の形態
の構成を示す縦断面図である。
【図６】上記画像表示素子において、透過型偏光選択性
ホログラムに集光機能を付加した構成を示す縦断面図で
ある。
【図７】本発明に係る画像表示素子の第２の実施の形態
の構成を示す縦断面図である。
【図８】本発明に係る画像表示素子の第３の実施の形態
の構成を示す縦断面図である。
【図９】本発明に係る画像表示素子の第４の実施の形態
の構成を示す縦断面図である。
【図１０】本発明に係る画像表示素子の第５の実施の形
態の構成を示す縦断面図である。
【図１１】本発明に係る画像表示装置の第１の実施の形
態の構成を示す平面図である。
【図１２】本発明に係る画像表示装置の第２の実施の形
態の構成を示す平面図である。
【図１３】上記画像表示装置における青、緑色用反射型
液晶空間光変調素子の画素構成を示す正面図である。
【図１４】上記画像表示装置における赤色用反射型液晶
空間光変調素子の画素構成を示す正面図である。
【図１５】本発明に係る画像表示装置の第３の実施の形
態の構成を示す平面図である。
【図１６】従来の画像表示装置の構成を示す平面図であ
る。
【図１７】従来の画像表示素子の構成を示す縦断面図で
ある。
【図１８】上記従来の画像表示素子におけるホログラム
光学素子の回折効率の波長依存性を示すグラフである。
【図１９】従来の画像表示素子の構成の他の例を示す縦
断面図である。
【図２０】従来の画像表示素子における透過型体積ホロ
グラムの回折効率の波長依存性を示すグラフである。
【図２１】マイクロレンズアレイを有する従来の画像表
示素子の構成を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１３，１４，１５ 第１乃至第３の透過型偏光選択性ホ
ログラム、３４，３５，３６ 各色光用ホログラム層、
５１ ＵＨＰランプ光源、５４，５６，６５，６６，６
７ ダイクロイックミラー、５５，５６，５７，６２，
６３ 空間光変調素子、６１ 投射光学系、７１ スク
リーン
フロントページの続き Ｆターム(参考） 2H049 AA02 AA12 AA26 AA34 AA45 AA60 AA61 AA64 BA05 BA42 BA45 BB03 BB66 BC05 BC22 CA05 CA08 CA09 CA17 CA22 2H091 FA02X FA02Z FA07X FA07Z FA14Z FC10 FC23 HA02 JA01 LA15 LA16 LA17 LA18 2H099 AA12 BA09 CA00 DA00

Claims (65)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 回折受容入射角が互いに異なる複数の透
    過型ホログラム光学素子を積層して構成した透過型積層
    ホログラム光学素子であって、 上記各透過型ホログラム光学素子は、可視領域の任意の
    波長におけるそれぞれの回折受容入射角の中心入射角に
    対する出射角が互いに異なることを特徴とする透過型積
    層ホログラム光学素子。
  2. 【請求項２】 各透過型ホログラム光学素子は、回折受
    容入射角内の任意の入射角範囲に対応する出射角範囲
    が、入射角範囲よりも小であることを特徴とする請求項
    １記載の透過型積層ホログラム光学素子。
  3. 【請求項３】 各透過型ホログラム光学素子は、屈折率
    の入射偏光方位依存性が互いに異なる２つの領域が順次
    配列された構造を有する偏光選択性ホログラム光学素子
    であることを特徴とする請求項１記載の透過型積層ホロ
    グラム光学素子。
  4. 【請求項４】 各透過型ホログラム光学素子は、高分子
    分散液晶材料を含む偏光選択性ホログラム光学素子であ
    ることを特徴とする請求項１記載の透過型積層ホログラ
    ム光学素子。
  5. 【請求項５】 透過型ホログラム光学素子は、集光機能
    を有することを特徴とする請求項１記載の透過型積層ホ
    ログラム光学素子。
  6. 【請求項６】 透過型ホログラム光学素子は、マイクロ
    レンズアレイを構成していることを特徴とする請求項１
    記載の透過型積層ホログラム光学素子。
  7. 【請求項７】 透過型ホログラム光学素子の積層数は、
    ３以上であることを特徴とする請求項１記載の透過型積
    層ホログラム光学素子。
  8. 【請求項８】 各透過型ホログラム光学素子は、可視領
    域の任意の波長におけるそれぞれの回折受容入射角の中
    心入射角に対する出射角が、互いに５度以上異なること
    を特徴とする請求項１記載の透過型積層ホログラム光学
    素子。
  9. 【請求項９】 透過型積層ホログラム光学素子と、 上記透過型積層ホログラム光学素子からの出射光を変調
    する空間光変調素子とを備え、 上記透過型積層ホログラム光学素子は、回折受容入射角
    が互いに異なるとともに可視領域の任意の波長における
    それぞれの回折受容入射角の中心入射角に対する出射角
    が互いに異なる複数の透過型ホログラム光学素子が積層
    されて構成されていることを特徴とする画像表示素子。
  10. 【請求項１０】 各透過型ホログラム光学素子は、回折
    受容入射角内の任意の入射角範囲に対応する出射角範囲
    が、入射角範囲よりも小であることを特徴とする請求項
    ９記載の画像表示素子。
  11. 【請求項１１】 各透過型ホログラム光学素子は、屈折
    率の入射偏光方位依存性が互いに異なる２つの領域が順
    次配列された構造を有する偏光選択性ホログラム光学素
    子であることを特徴とする請求項９記載の画像表示素
    子。
  12. 【請求項１２】 各透過型ホログラム光学素子は、高分
    子分散液晶材料を含む偏光選択性ホログラム光学素子で
    あることを特徴とする請求項９記載の画像表示素子。
  13. 【請求項１３】 透過型ホログラム光学素子は、集光機
    能を有していることを特徴とする請求項９記載の画像表
    示素子。
  14. 【請求項１４】 各透過型ホログラム光学素子は、マイ
    クロレンズアレイを構成しており、空間光変調素子の対
    応する各画素に、照明光を集光することを特徴とする請
    求項９記載の画像表示素子。
  15. 【請求項１５】 各透過型ホログラム光学素子より空間
    光変調素子の対応する各画素に集光される照明光の主光
    線は、少なくとも一組以上が互いに交差することを特徴
    とする請求項１４記載の画像表示素子。
  16. 【請求項１６】 透過型ホログラム光学素子は、マイク
    ロレンズアレイを構成しており、空間光変調素子の対応
    する各色画素に照明光を色分離して集光させるカラーフ
    ィルタ機能を有していることを特徴とする請求項９記載
    の画像表示素子。
  17. 【請求項１７】 各透過型ホログラム光学素子より空間
    光変調素子の対応する各色画素に集光される照明光の各
    色光の主光線は、少なくとも一組以上が互いに交差する
    ことを特徴とする請求項１６記載の画像表示素子。
  18. 【請求項１８】 透過型ホログラム光学素子の積層数
    は、３以上であることを特徴とする請求項９記載の画像
    表示素子。
  19. 【請求項１９】 各透過型ホログラム光学素子は、可視
    領域の任意の波長におけるそれぞれの回折受容入射角の
    中心入射角に対する出射角が、互いに５度以上異なるこ
    とを特徴とする請求項９記載の画像表示素子。
  20. 【請求項２０】 空間光変調素子は、反射型空間光変調
    素子であり、透過型積層ホログラム光学素子の透過型ホ
    ログラム光学素子より入射された照明光を変調して、再
    び該透過型積層ホログラム光学素子に入射させることを
    特徴とする請求項９記載の画像表示素子。
  21. 【請求項２１】 透過型積層ホログラム光学素子のホロ
    グラム面と空間光変調素子の光変調面とは、平行となさ
    れていることを特徴とする請求項９記載の画像表示素
    子。
  22. 【請求項２２】 透過型積層ホログラム光学素子のホロ
    グラム面と空間光変調素子の光変調面との間隔は、５０
    μｍ以下であることを特徴とする請求項９記載の画像表
    示素子。
  23. 【請求項２３】 照明光を発する照明光源と、 入射光を回折させる透過型積層ホログラム光学素子と、 上記照明光を上記透過型積層ホログラム光学素子に入射
    光として導く照明光学系と、 上記透過型積層ホログラム光学素子から出射された照明
    光を変調させる空間光変調素子と、 上記空間光変調素子により変調された照明光を拡大して
    結像させる拡大光学系とを備え、 上記透過型積層ホログラム光学素子は、回折受容入射角
    が互いに異なるとともに可視領域の任意の波長における
    それぞれの回折受容入射角の中心入射角に対する出射角
    が互いに異なる複数の透過型ホログラム光学素子が積層
    されて構成されていることを特徴とする画像表示装置。
  24. 【請求項２４】 各透過型ホログラム光学素子は、回折
    受容入射角内の任意の入射角範囲に対応する出射角範囲
    が、入射角範囲よりも小であることを特徴とする請求項
    ２３記載の画像表示装置。
  25. 【請求項２５】 透過型積層ホログラム光学素子は、照
    明光学系により、３０度以上９０度未満の入射角で照明
    光を入射され、入射された照明光のうち第１の偏光方位
    である照明光の回折効率が５０％以上であり、この第１
    の偏光方位に直交する第２の偏光方位の照明光の回折効
    率が１０％以下であることを特徴とする請求項２３記載
    の画像表示装置。
  26. 【請求項２６】 第１の偏光方位は、Ｐ偏光であること
    を特徴とする請求項２５記載の画像表示装置。
  27. 【請求項２７】 各透過型ホログラム光学素子は、屈折
    率の入射偏光方位依存性が互いに異なる２つの領域が順
    次配列された構造を有する偏光選択性ホログラム光学素
    子であることを特徴とする請求項２３記載の画像表示装
    置。
  28. 【請求項２８】 各透過型ホログラム光学素子は、高分
    子分散液晶材料を含む偏光選択性ホログラム光学素子で
    あることを特徴とする請求項２３記載の画像表示装置。
  29. 【請求項２９】 透過型ホログラム光学素子は、集光機
    能を有していることを特徴とする請求項２３記載の画像
    表示装置。
  30. 【請求項３０】 透過型ホログラム光学素子は、マイク
    ロレンズアレイを構成しており、空間光変調素子の対応
    する各画素に、照明光を集光させることを特徴とする請
    求項２３記載の画像表示装置。
  31. 【請求項３１】 各透過型ホログラム光学素子より空間
    光変調素子の対応する各画素に集光される照明光の主光
    線は、少なくとも一組以上が互いに交差することを特徴
    とする請求項３０記載の画像表示装置。
  32. 【請求項３２】 透過型ホログラム光学素子は、マイク
    ロレンズアレイを構成しており、空間光変調素子の対応
    する各色画素に照明光を色分離して集光させるカラーフ
    ィルタ機能を有していることを特徴とする請求項２３記
    載の画像表示装置。
  33. 【請求項３３】 各透過型ホログラム光学素子より空間
    光変調素子の対応する各色画素に集光される照明光の各
    色光の主光線は、少なくとも一組以上が互いに交差する
    ことを特徴とする請求項３２記載の画像表示装置。
  34. 【請求項３４】 照明光学系は、照明光の互いに異なる
    色光を各透過型ホログラム光学素子に対し各透過型ホロ
    グラム光学素子の回折受容角にて入射させることによ
    り、該照明光の色分離と集光とを行うことを特徴とする
    請求項３２記載の画像表示装置。
  35. 【請求項３５】 透過型ホログラム光学素子の積層数
    は、３以上であることを特徴とする請求項２３記載の画
    像表示装置。
  36. 【請求項３６】 各透過型ホログラム光学素子は、可視
    領域の任意の波長におけるそれぞれの回折受容入射角の
    中心入射角に対する出射角が、互いに５度以上異なるこ
    とを特徴とする請求項２３記載の画像表示装置。
  37. 【請求項３７】 空間光変調素子は、反射型空間光変調
    素子であることを特徴とする請求項２３記載の画像表示
    装置。
  38. 【請求項３８】 透過型積層ホログラム光学素子のホロ
    グラム面と空間光変調素子の光変調面とは、平行となさ
    れていることを特徴とする請求項２３記載の画像表示装
    置。
  39. 【請求項３９】 透過型積層ホログラム光学素子のホロ
    グラム面と空間光変調素子の光変調面との間隔は、５０
    μｍ以下であることを特徴とする請求項２３記載の画像
    表示装置。
  40. 【請求項４０】 透過型積層ホログラム光学素子は、照
    明光の主光線を空間光変調素子に対し斜めに入射させる
    ことを特徴とする請求項２３記載の画像表示装置。
  41. 【請求項４１】 照明光学系は、色分離手段を有してお
    り、透過型積層ホログラム光学素子に対し照明光のスペ
    クトルの一部のみを入射させることを特徴とすることを
    特徴とする請求項２３記載の画像表示装置。
  42. 【請求項４２】 照明光学系は、色分離手段を有してお
    り、少なくとも１つの透過型ホログラム光学素子に対し
    て、照明光のスペクトルのなかの異なる複数の波長帯域
    の光を互いに異なる入射角で入射させることを特徴とす
    ることを特徴とする請求項２３記載の画像表示装置。
  43. 【請求項４３】 透過型ホログラム光学素子に入射され
    る異なる波長帯域の光は、青色光及び緑色光であること
    を特徴とする請求項４２記載の画像表示装置。
  44. 【請求項４４】 透過型ホログラム光学素子に入射され
    る異なる波長帯域の光は、青色光及び赤色光であること
    を特徴とする請求項４２記載の画像表示装置。
  45. 【請求項４５】 空間光変調素子と投射光学系との間の
    光路中に、偏光選択手段を備えていることを特徴とする
    請求項２３記載の画像表示装置。
  46. 【請求項４６】 照明光を発する照明光源と、屈折率の
    入射偏光方位依存性が互いに異なる２つの領域が順次配
    列された構造を有し回折受容入射角が互いに異なる複数
    の透過型ホログラム光学素子が積層されて構成され、入
    射光を回折させる透過型偏光選択性ホログラム光学素子
    と、 上記照明光を導いて、上記透過型偏光選択性ホログラム
    光学素子に対し、この透過型偏光選択性ホログラム光学
    素子の照明光受光面の法線に対して３０°以上９０°未
    満の入射角にて入射させる照明光学系と、 上記透過型偏光選択性ホログラム光学素子により回折さ
    れた照明光の偏光状態を変調する反射型空間光変調素子
    と、 上記反射型空間光変調素子により変調された表示像を拡
    大する拡大光学系とを備え、 上記透過型偏光選択性ホログラム光学素子を構成する各
    透過型ホログラム光学素子は、可視領域の任意の波長に
    おけるそれぞれの回折受容入射角の中心入射角に対する
    出射角が互いに異なり、受光する照明光のＰ偏光成分、
    または、Ｓ偏光成分を主に反射型空間光変調素子に向け
    て回折させるとともに、該反射型空間光変調素子により
    位相変調されて再入射する照明光のうち、一回目の入射
    において主に回折させられる偏光成分と直交する偏光成
    分に対する回折効率が１０％以下となっていることによ
    り該成分の７０％以上を透過させることを特徴とする画
    像表示装置。
  47. 【請求項４７】 各透過型ホログラム光学素子は、回折
    受容入射角内の任意の入射角範囲に対応する出射角範囲
    が、入射角範囲よりも小であることを特徴とする請求項
    ４６記載の画像表示装置。
  48. 【請求項４８】 第１の偏光方位は、Ｐ偏光であること
    を特徴とする請求項４６記載の画像表示装置。
  49. 【請求項４９】 各透過型ホログラム光学素子は、高分
    子分散液晶材料を含む偏光選択性ホログラム光学素子で
    あることを特徴とする請求項４６記載の画像表示装置。
  50. 【請求項５０】 透過型ホログラム光学素子は、集光機
    能を有していることを特徴とする請求項４６記載の画像
    表示装置。
  51. 【請求項５１】 透過型ホログラム光学素子の積層数
    は、３以上であることを特徴とする請求項４６記載の画
    像表示装置。
  52. 【請求項５２】 各透過型ホログラム光学素子は、可視
    領域の任意の波長におけるそれぞれの回折受容入射角の
    中心入射角に対する出射角が、互いに５度以上異なるこ
    とを特徴とする請求項４６記載の画像表示装置。
  53. 【請求項５３】 各透過型ホログラム光学素子は、マイ
    クロレンズアレイを構成しており、空間光変調素子の対
    応する各画素に、照明光を集光することを特徴とする請
    求項４６記載の画像表示装置。
  54. 【請求項５４】 各透過型ホログラム光学素子より空間
    光変調素子の対応する各画素に集光される照明光の主光
    線は、少なくとも一組以上が互いに交差することを特徴
    とする請求項５３記載の画像表示装置。
  55. 【請求項５５】 透過型ホログラム光学素子は、マイク
    ロレンズアレイを構成しており、空間光変調素子の対応
    する各色画素に照明光を色分離して集光させるカラーフ
    ィルタ機能を有していることを特徴とする請求項４６記
    載の画像表示装置。
  56. 【請求項５６】 各透過型ホログラム光学素子より空間
    光変調素子の対応する各色画素に集光される照明光の各
    色光の主光線は、少なくとも一組以上が互いに交差する
    ことを特徴とする請求項５５記載の画像表示装置。
  57. 【請求項５７】 照明光学系は、照明光の互いに異なる
    色光を各透過型ホログラム光学素子に対し各透過型ホロ
    グラム光学素子の回折受容角にて入射させることによ
    り、該照明光の色分離と集光とを行うことを特徴とする
    請求項５５記載の画像表示装置。
  58. 【請求項５８】 透過型偏光選択性ホログラム光学素子
    のホログラム面と空間光変調素子の光変調面とは、平行
    となされていることを特徴とする請求項４６記載の画像
    表示装置。
  59. 【請求項５９】 透過型偏光選択性ホログラム光学素子
    のホログラム面と空間光変調素子の光変調面との間隔
    は、５０μｍ以下であることを特徴とする請求項４６記
    載の画像表示装置。
  60. 【請求項６０】 透過型偏光選択性ホログラム光学素子
    は、照明光の主光線を、反射型空間光変調素子に対して
    斜めに入射せしめることを特徴とする請求項４６記載の
    画像表示装置。
  61. 【請求項６１】 照明光学系は、色分離手段を有してお
    り、透過型偏光選択性ホログラム光学素子に対し照明光
    のスペクトルの一部のみを入射させることを特徴とする
    ことを特徴とする請求項４６記載の画像表示装置。
  62. 【請求項６２】 照明光学系は、色分離手段を有してお
    り、少なくとも１つの透過型ホログラム光学素子に対し
    て、照明光のスペクトルのなかの異なる複数の波長帯域
    の光を互いに異なる入射角で入射させることを特徴とす
    ることを特徴とする請求項４６記載の画像表示装置。
  63. 【請求項６３】 透過型ホログラム光学素子に入射され
    る異なる波長帯域の光は、青色光及び緑色光であること
    を特徴とする請求項６２記載の画像表示装置。
  64. 【請求項６４】 透過型ホログラム光学素子に入射され
    る異なる波長帯域の光は、青色光及び赤色光であること
    を特徴とする請求項６２記載の画像表示装置。
  65. 【請求項６５】 空間光変調素子と投射光学系との間の
    光路中に、偏光選択手段を備えていることを特徴とする
    請求項４６記載の画像表示装置。
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