JP4389283B2 - 表示装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表示装置に関し、特に、反射型液晶表示装置の照明機構を改良することにより、コンパクト化と照明光の有効利用を図った表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の反射型液晶表示装置における照明機構の代表例を以下に示す。
１つめの方法は、図１に示すように、液晶パネル１の背面（観察者の反対側）に配置される反射板２をハーフミラー状（透過も反射もする）にし、反射板２の背面に照明光源３を配置し、照明光源３からの照明光の一部４が反射板２を通過して液晶パネルを照明する方法である。
当然、周辺光の反射による表示画像の視覚も可能であり、このタイプは厳密には、反射型（および透過型）の液晶表示装置ということになる。
【０００３】
しかし、この方法では、ハーフミラー状の反射板２の反射率が低いと周辺光に対する反射光５が弱くなるので外部光で反射型液晶を見た場合に暗くなり、逆に反射板２の反射率が高いと内部の照明光源３に対する透過光４が弱くなるため、周辺光・照明光のどちらか単独による表示では、共に明るい表示画像を視覚することはできない。
【０００４】
また、この方法は、近年普及している液晶パネルの駆動電極が反射板を兼ねるタイプの反射型液晶表示装置には適用できない。
【０００５】
２つめの方法は、図２に示すように、液晶パネル６の前面（観察者側）に照明光源７を配置して、照明光源７からの照明光により液晶パネルを照明する方法である。
【０００６】
この方法を採用する場合、照明光源７の配置位置が装置の前面（観察者側）にありすぎると、装置の厚さ（同図の左右方向の距離）が増大し、表示装置のコンパクト化の妨げとなる。
従って、同図に示すように、液晶パネル面を平行に近い角度で照明するような位置に照明光源７を配置する必要がある。
【０００７】
また、同図に示すように、反射型液晶表示装置では照明光の正反射方向の近傍に表示光が出射するが、この方法では、標準的な観察条件である表示装置の正面からの観察に対する表示光の輝度が不十分であり、照明光の利用効率が悪くなるという欠点がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、従来技術にはそれぞれ問題がある。
本発明は、これらの問題を解決するものであり、照明機構を有する反射型液晶表示装置において、コンパクト化と照明光の有効利用を図り、周辺光・照明光のどちらの利用による表示でも、表示光の輝度が十分な表示装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明に係る表示装置は、図３に例示する構成であり、
体積透過型ホログラム，ディスプレイ装置，照明光源とを少なくとも具備し、
前記ホログラムがディスプレイ装置の前面（観察者側）に設置され、
照明光源により前面（観察者側）から前記ホログラムを照明し、ホログラムによる透過回折光がディスプレイ装置に入射し、ディスプレイ装置からの反射光を表示画像として視覚する構成であり、
照明光源による前記ホログラムの照明光の入射角度が、ホログラム面の放線方向に対して、６０°〜８０°または−６０°〜−８０°の範囲内であり、
前記ホログラムからの透過回折光の出射角度が、ホログラム面の放線方向に対して、５°〜３０°または−５°〜−３０°の範囲内であり、
前記ホログラムからの透過回折光の回折効率のピーク波長が、照明光源の発光のピーク波長とほぼ等しいと共に、
前記ホログラムからの透過回折光の回折効率の半値幅が１０ｎｍ〜３０ｎｍの範囲内であることを特徴とする。
【００１０】
請求項２の発明に係る表示装置は、
体積透過型ホログラム，前記ホログラムと密着した導光板，ディスプレイ装置，照明光源とを少なくとも具備し、
ディスプレイ装置の前面（観察者側）に前記ホログラムが設置され、前記ホログラムの前面（観察者側）に導光板が設置され、
照明光源により、導光板を経由して前記ホログラムを照明し、ホログラムによる透過回折光がディスプレイ装置に入射し、ディスプレイ装置からの反射光を表示画像として視覚する構成であり、
照明光源による前記ホログラムの照明光の入射角度が、ホログラム面の放線方向に対して、６０°〜８０°または−６０°〜−８０°の範囲内であり、
前記ホログラムからの透過回折光の出射角度が、ホログラム面の放線方向に対して、５°〜３０°または−５°〜−３０°の範囲内であり、
前記ホログラムからの透過回折光の回折効率のピーク波長が、照明光源の発光のピーク波長とほぼ等しいと共に、
前記ホログラムからの透過回折光の回折効率の半値幅が１０ｎｍ〜３０ｎｍの範囲内であることを特徴とする。
【００１１】
請求項３の発明に係る表示装置は、
照明光源として、Ｒ，Ｇ，Ｂの各領域にピーク波長を持つ白色の照明光源が用いられ、
ホログラムとして、前記照明光源のＲ，Ｇ，Ｂのピーク波長に対応した波長に透過回折光の回折効率のピークを持つ３種類の体積透過型ホログラムが用いられることを特徴とする請求項１または２記載の表示装置である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明は、表示装置における表示画像を規定する液晶パネルなどのディスプレイ装置を、体積透過型ホログラムからの回折光により照明する構成である。
【００１３】
体積透過型ホログラムは、入射角度選択性（特定角度からの入射光のみに対して回折光を出射する特性）を持っており、照明光の入射角度がホログラムの回折条件に合致している場合に、予め設計された方向に強く回折光を出射する。前記条件は、ホログラムの撮影条件に依存する。
【００１４】
図３に示すように、照明光源１０からの照明光１１を、ホログラム９面に平行に近い角度１２で入射させ、ディスプレイ装置の正面方向に近い角度１３で再生する回折光１４によりディスプレイ装置１５を照明すれば、コンパクトな大きさでディスプレイ装置を正面に近い角度で照明できる。
【００１５】
ホログラム９はディスプレイ装置１５の前面（観察者側）に配置されるので、表示光となるディスプレイ装置１５からの反射光１６は、ホログラム９を通して観察されることになる。
反射光１６がホログラム９を通過する際に回折されると、１００％未満の回折効率で照明光１１が２度回折され、表示光が暗くなるが、体積透過型ホログラムは、上記した入射角度選択性という特性を持っているため、表示光がホログラムを通過して出射する際には、回折されずに素通りする。
【００１６】
上記したように、入射角度選択性は、ホログラムの撮影条件に依存する。
すなわち、物体光と参照光とを干渉させて撮影記録されたホログラムは、撮影時の参照光に相当する方向（共役な方向）から照明光が入射すると、撮影時の物体光に相当する方向に回折光が出射される。（その逆も同様である）
【００１７】
従って、図３のホログラムの入射角度選択性（入射角度−回折効率のグラフ）は、図４に示される。
同図に示すように、ホログラムに照明光が入射する角度１２と、回折光が出射する角度１３のそれぞれの近傍から入射した光を強く回折して、それ以外の角度からの光は殆ど回折しない（素通しする）特性があるので、ホログラムの入射角度選択性を制御することで、表示装置の観察条件に応じた方向に明るい表示光を出射させることができる。
【００１８】
上記制御についての検討の結果、角度１２は、ホログラム面に平行に近ければ表示装置のコンパクト化の上で有効であり、６０°〜８０°または−６０°〜−８０°の範囲内が好適である。（正負は、図３で照明光源１０が上にあるか下にあるかの違い）
角度１３は、真正面（０°）を僅かに外れた方が良く、５°〜３０°または−５°〜−３０°の範囲内が好適であることが確認された。
つまり、真正面（０°）方向からディスプレイ装置１５を照明する光は、ディスプレイ装置１５で反射して、真正面（０°）方向に強く反射されるため、ホログラムを通過する際に、再び回折されることになり、２度の回折で光強度が低下したり、表示光がぼけたりする原因になるためである。
【００１９】
また、体積透過型ホログラムは、回折波長選択性（特定波長・色の回折光のみを再生する特性）の強い体積反射型ホログラム（所謂、リップマンホログラム）に比べて、その回折光の波長幅は広いものの、可視波長全域に渡って回折効率が一様なわけではなく、特定波長域で回折効率のピークを持つ。（図５参照）
【００２０】
本発明では、照明光源として特定波長域で発光にピークを持つものを採用する必要があり、前記光源として代表的な冷陰極管を採用した場合、図６に示すような特定の波長１７で光強度がピークを示す発光特性を持っており、図５のような回折波長選択性を持つホログラムの回折波長のピーク１８を、波長１７に合わせることにより、照明光を効率良く利用できることになる。
【００２１】
仮に、図３の表示装置で照明光源１０がなく、図７に示すように、表示装置を周辺光で観察する場合には、周辺光の光路は同図のようであり、ホログラムによって入射光の一部は回折されることになるが、一般に、周辺光は特定波長域のみの光ではなく、可視波長全域に渡って光強度がフラットな光量分布を持っているので、図８のグラフに示すように、ホログラムの回折波長帯以外の光は、ディスプレイ装置からの反射に寄与することになり、周辺光の利用効率はそれほど低下しない。
【００２２】
ホログラムの波長選択性（回折波長と回折効率の関係）を示す指標として、半値幅（回折効率がピークとなる波長における回折効率が１／２となる波長間のバンド幅）がある。
冷陰極管では、光強度がピークを示すバンド（波長）幅が１０ｎｍ弱であり、ホログラムの半値幅は１０ｎｍ以上が望ましく、また、周辺光を７０％程度以上利用しようと考えると、半値幅は３０ｎｍ以下にするのが望ましい。
【００２３】
＜実施形態１＞
図９は、図３の表示装置に搭載されるホログラムを撮影記録する光学系の一例の概要を示す説明図である。
レーザー光源１９から発した光は、ビームスプリッター２０で２本に分けられ、それぞれミラーを経由して、レンズで広げられて乾板２１に入射する。
【００２４】
入射する２本のレーザー光の角度（乾板の法線方向に対する平均的な入射角度）２２，２３は、冷陰極管のピーク波長と同じ波長のレーザー光源が実在しない場合、入射角度を変えることで波長について補正が施される。
【００２５】
例えば、５４５ｎｍのピーク波長の冷陰極管を照明光に用いることを想定した場合、７５°から照明した時に−１５°に回折されるホログラムを作製するには、ＹＡＧレーザーの５３２ｎｍの波長の光で撮影記録する場合には、７２．５°と−１４°から光を入射させる。
【００２６】
この時に作製されるホログラムの入射角度選択性と波長選択性は、ホログラムの記録材料の厚みによって決まり、例えば、記録材料（乳剤）の厚みが２０μｍの時には±２°程度の入射角度選択性と、１７ｎｍ程度の半値幅の波長選択性が得られる。
【００２７】
このようにして作製したホログラムを搭載した請求項１記載の表示装置の一例について概要を図１０に示す。
同図で、照明光源である冷陰極管２４から発した光２５は、ホログラム面にほぼ平行な（大きい）角度でホログラム２６を照明し、ホログラム２６からの回折光２７がディスプレイ装置２８を照明する。
【００２８】
上述したように、装置をコンパクトにするには、ホログラムの照明角度が大きい方が適しており、６０°以上の角度が望ましい。
ただし、角度が大きくなりすぎる（臨界角度を超える）と、急激に表面反射が大きくなり光量損失が大きくなるので、８０°程度までに抑えるのが良い。
【００２９】
上記の想定に基づく表示装置では、ホログラムを照明する角度は７５°、ディスプレイ装置を照明する角度は−１５°になる。
言うまでもなく、それぞれの角度は図９に示す撮影条件に依存しており、ホログラムの照明光２５の角度（７５°）はレーザー光入射角２２と対応し、回折光２７の角度（−１５°）はレーザー光入射角２３と対応する。
【００３０】
緑単色の冷陰極管の光量分布は図６に示すようになっており、前記冷陰極管を照明光に用い、上記ホログラムを照明する場合には、ホログラムの照明光の７０％程度の光が利用できることになる。
【００３１】
このらの照明光源やホログラムを具備する表示装置（図１０参照）では、ディスプレイ装置２８で反射された光２９は、ホログラムを通過して観察者の目３０に届くが、この際にホログラムの角度選択性が±２°程度であると、この光２９はホログラムを通過する際に再び回折されずに素通りする。
【００３２】
一方、周辺光を利用して表示装置を観察する場合、光量分布が可視波長全域に渡ってほぼフラットであるとすると、上記ホログラムでは、８２％程度の周辺光が利用できる。
このため、周辺光，照明光源からの光の双方によって、明るい表示画像を視覚することができる。
【００３３】
以上の説明では、７５°と−１５°の入射角度，５４５ｎｍの波長に回折効率のピークを持つ２０μｍ厚のホログラムについて説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。
【００３４】
＜実施形態２＞
次に、本発明の請求項２に係る導光板を有する表示装置について説明する。
図１１は、この表示装置に搭載されるホログラムを撮影記録する光学系の一例の概要を示す説明図である。
【００３５】
この系では、乾板の前面に硝子ブロック３１を置いて異なった面から光を入射させてホログラムを撮影記録する。それ以外は、実施形態１と同様である。
【００３６】
図１２は、本実施形態に係る表示装置の一例について概要を示す説明図である。
この場合、導光板３２の側面から照明光３３を入射させ、導光板を通ってきた光３４がホログラム３５を照明する形になるが、それ以外は実施形態１と同様である。
【００３７】
本実施形態に係る表示装置では、ホログラムが導光板を通ってきた光で照明されるため、表面反射の影響が少なく、より大きな角度でホログラムを照明できるため、表示装置が一層コンパクトにできるという利点がある。
【００３８】
＜実施形態３＞
請求項３に係る表示装置では、カラー用のディスプレイ装置（液晶パネルが、３原色の色画素に応じて駆動する）に、請求項１，請求項２の表示装置を応用したものであり、ホログラムの撮影光学系は図９，図１１と同様であり、表示装置の構成の概要は図１０，図１２と同様となる。
【００３９】
ただし、ホログラムは冷陰極管のＲ，Ｇ，Ｂに対応させて、例えば４３２ｎｍ，５４５ｎｍ，６１２ｎｍの３つの波長に応じて作製したものを重ね合わせるか、多重記録して作製される。
また、冷陰極管として３波長の白色対応のものを用いている。
この場合、フルカラーでの表示画像を観察できる装置が提供される。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によって、照明機構を有する反射型液晶表示装置において、コンパクト化と照明光の有効利用を図り、周辺光・照明光のどちらの利用による表示でも、表示光の輝度が十分な表示装置が提供される。
【００４１】
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の反射型液晶表示装置における照明機構の一例を示す説明図。
【図２】従来の反射型液晶表示装置における照明機構の一例を示す説明図。
【図３】本発明の表示装置の構成例の概要を示す説明図。
【図４】ホログラムの入射角度選択性を示す説明図。
【図５】ホログラムの回折波長選択性を示す説明図。
【図６】冷陰極管の光強度の一例を示す説明図。
【図７】本発明の表示装置を、周辺光（外部光）で照明Ｒ．状態を示す説明図。
【図８】ホログラムの回折波長選択性により、回折波長帯以外の光は、ホログラムを透過することを示すグラフ。
【図９】ホログラムを撮影記録する光学系の一例の概要を示す説明図。
【図１０】本発明の表示装置の一例について概要を示す説明図。
【図１１】ホログラムを撮影記録する光学系の一例の概要を示す説明図。
【図１２】本発明の表示装置の一例について概要を示す説明図。

Claims (3)

1. 体積透過型ホログラム，ディスプレイ装置，照明光源とを少なくとも具備し、
   前記ホログラムがディスプレイ装置の前面（観察者側）に設置され、
   照明光源により前面（観察者側）から前記ホログラムを照明し、ホログラムによる透過回折光がディスプレイ装置に入射し、ディスプレイ装置からの反射光を表示画像として視覚する構成であり、
   照明光源による前記ホログラムの照明光の入射角度が、ホログラム面の放線方向に対して、６０°〜８０°または−６０°〜−８０°の範囲内であり、
   前記ホログラムからの透過回折光の出射角度が、ホログラム面の放線方向に対して、５°〜３０°または−５°〜−３０°の範囲内であり、
   前記ホログラムからの透過回折光の回折効率のピーク波長が、照明光源の発光のピーク波長とほぼ等しいと共に、
   前記ホログラムからの透過回折光の回折効率の半値幅が１０ｎｍ〜３０ｎｍの範囲内であることを特徴とする表示装置。
2. 体積透過型ホログラム，前記ホログラムと密着した導光板，ディスプレイ装置，照明光源とを少なくとも具備し、
   ディスプレイ装置の前面（観察者側）に前記ホログラムが設置され、前記ホログラムの前面（観察者側）に導光板が設置され、
   照明光源により、導光板を経由して前記ホログラムを照明し、ホログラムによる透過回折光がディスプレイ装置に入射し、ディスプレイ装置からの反射光を表示画像として視覚する構成であり、
   照明光源による前記ホログラムの照明光の入射角度が、ホログラム面の放線方向に対して、６０°〜８０°または−６０°〜−８０°の範囲内であり、
   前記ホログラムからの透過回折光の出射角度が、ホログラム面の放線方向に対して、５°〜３０°または−５°〜−３０°の範囲内であり、
   前記ホログラムからの透過回折光の回折効率のピーク波長が、照明光源の発光のピーク波長とほぼ等しいと共に、
   前記ホログラムからの透過回折光の回折効率の半値幅が１０ｎｍ〜３０ｎｍの範囲内であることを特徴とする表示装置。
3. 照明光源として、Ｒ，Ｇ，Ｂの各領域にピーク波長を持つ白色の照明光源が用いられ、
   ホログラムとして、前記照明光源のＲ，Ｇ，Ｂのピーク波長に対応した波長に透過回折光の回折効率のピークを持つ３種類の体積透過型ホログラムが用いられることを特徴とする請求項１または２記載の表示装置。

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