JP4600953B2 - 反射型ホログラムカラーフィルター及びそれを用いた反射型液晶表示装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、反射型ホログラムカラーフィルター及びそれを用いた反射型液晶表示装置に関し、特に、広い視域がとれる明るい反射型ホログラムカラーフィルターとそれを用いた反射型液晶表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
本出願人は、反射型ホログラムを用いた例えばＲ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）３色の画素からなる反射型ホログラムカラーフィルターとその反射型ホログラムカラーフィルターを用いたカラー液晶表示装置を特開平１０−４０７２６号（特願平８−１９７５７４号）等において提案している。以下に、その例を特開平１１−１０９３３８号の開示の基づいて説明する。
【０００３】
図９は反射型ホログラムカラーフィルターを用いた反射型液晶表示装置１０の構成を示す断面図であり、観察側の透明ガラス基板２と反対側の透明ガラス基板３との間に、ツイストネマチック等の液晶層１が挟持されており、観察側の透明ガラス基板２の内表面には、図示しないブラック・マトリックスとＩＴＯ等からなる一様な透明対向電極４が設けられ、観察側と反対側の透明ガラス基板３の内表面にはＲ、Ｇ、Ｂのカラー画素毎に独立に透明画素電極５とＴＦＴ６が設けられている。また、電極４、５の液晶層１側には不図示の配向層も設けて構成されている。そして、透明ガラス基板２、３の外表面にはそれぞれ偏光板７、８が貼り付けられており、例えばそれらの透過軸は相互に直交するように配置されている。そして、観察側と反対側の偏光板８の背面側外には、後記する反射型ホログラムカラーフィルター９が配置されている。
【０００４】
このような反射型液晶表示装置１０において、その前面（観察側）から所定角度で照明光１１が入射すると、照明光１１はＲ、Ｇ、Ｂ各画素の電圧印加状態に応じた強度変調を受けて反射型ホログラムカラーフィルター９側へ透過する。各画素Ｒ、Ｇ、Ｂを強度変調を受けて透過した光は、赤を表示する画素Ｒについては、反射型ホログラムカラーフィルター９の赤色反射フィルター要素９Ｒに入射し、その中の赤色波長成分λR のみが選択的に所定方向へ反射回折され、再度赤を表示する画素Ｒを同じ変調を受けて背面側から前面側へ透過し、赤色画素表示光１２Ｒとなる。フィルター要素９Ｒで回折されなかった波長成分λG 、λB は通過し、反射型ホログラムカラーフィルター９の背面に配置された不図示の吸収層により吸収される。同様に、緑を表示する画素Ｇについては、その画素Ｇで強度変調を受けて透過した光は、緑色反射フィルター要素９Ｇに入射し、その中の緑色波長成分λG のみが選択的に所定方向へ反射回折され、再度緑を表示する画素Ｇを同じ変調を受けて背面側から前面側へ透過し、赤色画素表示光１２Ｒと略同じ方向に進む緑色画素表示光１２Ｇとなる。また、青色表示する画素Ｂについては、その画素Ｂで強度変調を受けて透過した光は、青色反射フィルター要素９Ｂに入射し、その中の青色波長成分λB のみが選択的に所定方向へ反射回折され、再度青を表示する画素Ｂを同じ変調を受けて背面側から表面側へ透過し、赤色画素表示光１２Ｒ及び緑色画素表示光１２Ｇと略同じ方向に進む青色画素表示光１２Ｂとなる。
【０００５】
したがって、カラー表示単位中の画素Ｒ、Ｇ、Ｂの変調状態の組み合わせによって３つ色の表示光１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂの加法混色により任意の色が任意の輝度で表示可能になり、２次元的に配置されたカラー表示単位の表示状態の組み合わせで表示光１２（１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂ）の方向から観察可能なカラー画像が表示できる。
【０００６】
ここで、反射型ホログラムカラーフィルター９に用いられる体積型の反射ホログラムについて説明する。図１０は体積型反射ホログラムの撮影方法とその作用を説明するための図であり、同図（ａ）において、フォトポリマー等の厚みのあるホログラム感光材料２０の両側からそれぞれ入射角θ1 、θ2 で波長λR （添字Ｒは赤色領域の波長を表す。以下、同様に、添字Ｇは緑色領域の波長、添字Ｂは青色領域の波長を表す。）の可干渉な物体光２１と参照光２２を入射させると、感光材料２０中には両者が干渉して干渉縞が記録される。このようにして記録されたホログラム２０’は、同図（ｂ）に示すように、記録の時の物体光２１と同じ入射角θ1 の照明光あるいは環境光２３中の波長λR 及びその近傍の波長の光のみを、記録の時の参照光２２と略同じ方向に進む射出角θ2 の光２４として選択的に反射回折し、照明光あるいは環境光２３中の他の波長λG 、λB の光２５、及び、入射角がθ1 以外の光は通過してしまう。他の波長λG 、λB を用いて同様に記録したホログラムも同様である。
【０００７】
このように、体積型反射ホログラムは波長選択性及び角度選択性に優れたものであり、感光材料の厚さ、記録条件、後処理条件等を選択することにより、回折波長域の半値幅、回折方向の範囲等をある程度制御可能である。
【０００８】
さて、以上のような回折波長がそれぞれ赤色領域、緑色領域、青色領域にある３つの微小なホログラムをアレー状に周期的に配置してなる反射型ホログラムカラーフィルター９を作製すると、図１１に示すように、所定方向から入射する照明光あるいは環境光１１は反射型ホログラムカラーフィルター９により所定方向に反射回折光１２として反射回折されるが、反射型ホログラムカラーフィルター９中の赤色反射回折ホログラム要素９Ｒはその方向に赤色領域の波長λR のみを回折する。同様に、反射型ホログラムカラーフィルター９中の緑色反射回折ホログラム要素９Ｇはその方向に緑色領域の波長λG のみを、青色反射回折ホログラム要素９Ｂはその方向に青色領域の波長λB のみを回折する。すなわち、反射型ホログラムカラーフィルター９は、Ｒ、Ｇ、Ｂ三原色の反射フィルター要素９Ｒ、９Ｇ、９Ｂからなる反射型ホログラムカラーフィルターとしての作用を有することになる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような反射型ホログラムカラーフィルターは、各ホログラム要素が体積型反射ホログラムからなるため、回折効率の角度依存性が高く、実際上表示光が見える角度範囲（視域）が狭いと言う問題がある。
【００１０】
そこで、視域を広げるために、反射型ホログラムカラーフィルターの各ホログラム要素を反射散乱型にする提案もあるが（特開平１０−１１１５０１号）、体積型反射ホログラムを散乱型にすると、記録されている干渉縞が単一の体積型の干渉縞でなくなるため、回折効率が低下してしまう問題がある。
【００１１】
本発明は従来技術のこのような問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、広い視域がとれかつ明るい反射型ホログラムカラーフィルターとそれを用いた反射型液晶表示装置を提供することがである。
【００１２】
【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反射型ホログラムカラーフィルターは、反射型体積ホログラムからなり、反射回折する波長が異なる反射フィルター要素がアレー状に周期的に配置されてなる反射型ホログラムカラーフィルターにおいて、前記反射フィルター要素各々は、干渉縞がホログラム面に平行に記録されてなり、所定の方向から入射する光を正反射方向に集光あるいは発散することなく回折する反射型体積ホログラムからなり、かつ、その入射側に前記反射フィルター要素各々で正反射方向に回折された光を正面方向の一定角度範囲に散乱する指向性を持つホログラム透過散乱層が配置されていることを特徴とするものである。
【００１４】
この場合、透過散乱層は反射型ホログラムカラーフィルターに密着して配置されていても、あるいは、透過散乱層と反射型ホログラムカラーフィルターの間に他の層が介在していてもよい。
【００１５】
本発明の反射型液晶表示装置は、画素毎に区切られた画素電極と共通電極の間に挟持され、画素毎に透過率が制御可能な液晶層を備えた反射型液晶表示装置において、観察側と反対側の基板の液晶層側あるいはその反対側に上記の何れかの反射型ホログラムカラーフィルターを備えているもの、あるいは、さらに、反射型液晶表示装置の観察側に照明用の導光板を備えているものである。
【００１６】
本発明においては、反射型ホログラムカラーフィルターの反射フィルター要素が所定の方向から入射する光を反射方向に集光あるいは発散することなく回折する反射型体積ホログラムからなり、かつ、その入射側に透過散乱層が配置されてなるので、広い視域でかつ明るい反射型ホログラムカラーフィルターが得られ、その反射型ホログラムカラーフィルターを用いることにより反射型液晶表示装置も広い視域で明るい表示が可能なものとなる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に基づく反射型ホログラムカラーフィルターとそれを用いた反射型液晶表示装置を実施例に基づいて説明する。
【００１８】
本発明に基づいて反射型ホログラムカラーフィルターの視域を広げるための第１の方策は、反射型ホログラムカラーフィルターの各ホログラム要素を集光性あるいは発散性に構成することである。第２の方策は、従来のように、集光性あるいは発散性のないホログラム要素からなる反射型ホログラムカラーフィルターの入射側に透過散乱板を配置することである。以下、これらを順に説明する。
【００１９】
図１に、本発明に基づく反射型ホログラムカラーフィルターの１実施例の断面図を示す。この反射型ホログラムカラーフィルター１９は、アレー状に周期的に配置されているＲ、Ｇ、Ｂ三原色の反射フィルター要素１９Ｒ、１９Ｇ、１９Ｂからなるものであり、これらフィルター要素は体積型反射ホログラムからなっている。この中、赤色反射フィルター要素１９Ｒは、入射角θ1 で入射する照明光あるいは環境光１１中の赤色波長成分λR 及びその近傍の波長の光のみを回折するものであり、同様に緑色反射フィルター要素１９Ｇは、緑色波長成分λG 及びその近傍の波長の光のみを回折するものであり、青色反射フィルター要素１９Ｂは、青色波長成分λB 及びその近傍の波長の光のみを回折するものである。ただし、それらのフィルター要素からの反射回折光１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂは、図１に示すように、略同じ距離の焦点位置に集光するものである。すなわち、各反射フィルター要素１９Ｒ、１９Ｇ、１９Ｂはそれぞれ赤色波長λR 、緑色波長λG 、青色波長λB を選択的に回折すると共に集光性の回折特性を持つ体積型反射ホログラムからなるものである。そのため、所定の入射角θ1 で照明光あるいは環境光１１が入射すると、各フィルター要素１９Ｒ、１９Ｇ、１９Ｂで回折された対応する色の波長成分の回折光１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂは一旦集光し、その後、各フィルター要素１９Ｒ、１９Ｇ、１９Ｂの径と焦点距離で決まる立体角α内に均一に発散してゆくので、遠方の観察者の眼Ｅがこの角度範囲内にあるかぎり、全てのフィルター要素１９Ｒ、１９Ｇ、１９Ｂからの３つ色全ての表示光１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂを観察することができることになり、広い視域がとれる反射型ホログラムカラーフィルターとなる。しかも、各ホログラム要素１９Ｒ、１９Ｇ、１９Ｂには単一の体積型の干渉縞しか記録されていないので高い回折効率となり、明るい反射型ホログラムカラーフィルターとなる。
【００２０】
ところで、図１の場合は、各フィルター要素１９Ｒ、１９Ｇ、１９Ｂで回折された回折光１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂは、一旦集光した後発散するものであったが、各反射フィルター要素を発散性の回折特性を持つ体積型反射ホログラムからなるものとしても同様の特性のものを得ることができる。その場合の反射型ホログラムカラーフィルターの断面図を図２に示す。この反射型ホログラムカラーフィルター２９は、アレー状に周期的に配置されているＲ、Ｇ、Ｂ三原色の反射フィルター要素２９Ｒ、２９Ｇ、２９Ｂからなるものであり、これらフィルター要素は体積型反射ホログラムからなっている。この中、赤色反射フィルター要素２９Ｒは、入射角θ1 で入射する照明光あるいは環境光１１中の赤色波長成分λR 及びその近傍の波長の光のみを回折するものであり、同様に緑色反射フィルター要素２９Ｇは、緑色波長成分λG 及びその近傍の波長の光のみを回折するものであり、青色反射フィルター要素２９Ｂは、青色波長成分λB 及びその近傍の波長の光のみを回折するものである。そして、これらのフィルター要素からの反射回折光１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂは、図２に示すように、略同じ距離の焦点位置から発散する発散性の回折特性を持つ体積型反射ホログラムからなるものである。そのため、所定の入射角θ1 で照明光あるいは環境光１１が入射すると、各フィルター要素２９Ｒ、２９Ｇ、２９Ｂで回折された対応する色の波長成分の回折光１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂは、それらの径と焦点距離で決まる立体角α内に均一に発散してゆくので、遠方の観察者の眼Ｅがこの角度範囲内にあるかぎり、全てのフィルター要素２９Ｒ、２９Ｇ、２９Ｂからの３つ色全ての表示光１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂを観察することができることになり、広い視域がとれる反射型ホログラムカラーフィルターとなる。しかも、同様に、各ホログラム要素２９Ｒ、２９Ｇ、２９Ｂには単一の体積型の干渉縞しか記録されていないので高い回折効率となり、明るい反射型ホログラムカラーフィルターとなる。
【００２１】
図１、図２のような、集光性あるいは発散性で異なる波長の光を選択的に反射回折する反射フィルター要素がアレー状に周期的に配置されている反射型ホログラムカラーフィルター１９、２９を作製するには、例えば図３（ａ）、（ｂ）に示すような配置で撮影すればよい。図３（ａ）において、フォトポリマー等の厚みのあるホログラム感光材料２０の表面側から、まず入射角θ1 で波長λR の平行光３１を入射させると共に、その裏面側からその平行光３１と可干渉な平行光３２を集光レンズ３３を介して集光光３２’として入射させ、平行光３１と集光光３２’とを感光材料２０中で干渉させて記録する。ただし、この記録の際、集光レンズ３３は、作製する反射型ホログラムカラーフィルター１９の赤色反射フィルター要素１９Ｒの位置に対応するようにアレー状に配置しておき、それ以外には平行光３２が入射しないように、集光レンズ３３間に遮光マスク３４を配置しておく。また、表面側から入射する平行光３１も、作製する反射型ホログラムカラーフィルター１９の赤色反射フィルター要素１９Ｒの領域以外には入射しないように、感光材料２０の表面側に遮光マスク３４’を配置しておく。
【００２２】
このようにして赤色反射フィルター要素１９Ｒを記録し、次に、集光レンズ３３、遮光マスク３４、３４’を１つのフィルター要素分移動して、今度は平行光３１と平行光３２の波長をλG に変更して同様にして緑色反射フィルター要素１９Ｇを記録し、さらに、同様にして、平行光３１と平行光３２の波長をλB に変更して青色反射フィルター要素１９Ｂを記録することにより、図１の集光性で異なる波長の光を選択的に反射回折する反射フィルター要素１９Ｒ、１９Ｇ、１９Ｂがアレー状に周期的に配置されてなる反射型ホログラムカラーフィルター１９が得られる。
【００２３】
図３（ｂ）は、図２の発散性で異なる波長の光を選択的に反射回折する反射フィルター要素２９Ｒ、２９Ｇ、２９Ｂがアレー状に周期的に配置されてなる反射型ホログラムカラーフィルター２９を撮影するための配置を示す図であり、図３（ａ）との違いは、ホログラム感光材料２０の裏面側から入射させた平行光３２を集光レンズ３３を介して一旦集光させた後に発散光３２”として入射させる点だけであり、その他は図３（ａ）の場合と同様であり、同様にして図２の発散性で異なる波長の光を選択的に反射回折する反射フィルター要素２９Ｒ、２９Ｇ、２９Ｂがアレー状に周期的に配置されてなる反射型ホログラムカラーフィルター２９が得られる。
【００２４】
次に、本発明に基づく別のタイプの反射型ホログラムカラーフィルターについて説明する。このタイプの反射型ホログラムカラーフィルターは、前記したように、図１１のような集光性も発散性もないホログラム要素９Ｒ、９Ｇ、９Ｂからなる反射型ホログラムカラーフィルター９の入射側に透過散乱板を配置するものである。
【００２５】
図４は、反射型ホログラムカラーフィルター９の入射側にすりガラスあるいは乳白色板のような透過散乱板１５を配置して、広い視域がとれる複合反射型ホログラムカラーフィルター３９Ａとする場合の作用を示す図であり、所定の斜めの入射角で照明光あるいは環境光１１が入射すると、まず、透過散乱板１５である程度の散乱角内に散乱し、次いで、その散乱光は反射型ホログラムカラーフィルター９の各反射フィルター要素２９Ｒ、２９Ｇ、２９Ｂの平行な干渉縞で波長選択を受けると同時にその干渉縞に対して略正反射される方向に回折され、その回折光は透過散乱板１５で再度散乱される。したがって、この複合反射型ホログラムカラーフィルター３９Ａの場合は、図１１の反射型ホログラムカラーフィルター９単体に比べて、各波長の回折光は散乱される分、視域が広くなる。ただし、すりガラスや乳白色板は等方方向に散乱し、また、吸収もあるため、光の損失が多くなり、ある程度明るさが犠牲になる。
【００２６】
そこで、次の図５（ａ）、（ｂ）、図６（ａ）、（ｂ）の実施例においては、反射型ホログラムカラーフィルター９の入射側に配置する透過散乱板として指向性を持つホログラム透過散乱板を配置し、散乱方向を制限することにより、より明るい複合反射型ホログラムカラーフィルターとなる。以下、順に説明する。
【００２７】
図５（ａ）、（ｂ）は反射型ホログラムカラーフィルター９ａを構成するホログラム要素９Ｒ、９Ｇ、９Ｂの干渉縞がホログラム面に平行に記録されている場合であり、このような場合、照明光あるいは環境光１１が直接入射すると、回折光は正反射方向に回折される。その場合に、図５（ａ）においては、所定の入射角で入射する照明光あるいは環境光１１はホログラム透過散乱板２５ａで回折されずに透過し、その透過光は反射型ホログラムカラーフィルター９の各反射フィルター要素２９Ｒ、２９Ｇ、２９Ｂで波長選択を受けると同時に正反射方向へ回折され、その回折光はホログラム透過散乱板２５ａで正面方向のある角度範囲内へ散乱するように回折される。したがって、このような複合反射型ホログラムカラーフィルター３９Ｂによると、正面方向の散乱光の角度範囲内で明るく広い視域を有する複合反射型ホログラムカラーフィルターとなる。
【００２８】
また、図５（ｂ）においては、所定の入射角で入射する照明光あるいは環境光１１はまずホログラム透過散乱板２５ｂである角度範囲内へ散乱するように回折され、その回折光は反射型ホログラムカラーフィルター９の各反射フィルター要素２９Ｒ、２９Ｇ、２９Ｂで波長選択を受けると同時に正反射方向へ回折され、その回折光はホログラム透過散乱板２５ｂで正面方向へ散乱するように再度回折される。したがって、このような複合反射型ホログラムカラーフィルター３９Ｃによると、正面方向の散乱光の角度範囲内で明るく広い視域を有する複合反射型ホログラムカラーフィルターとなる。
【００２９】
次に、図６（ａ）、（ｂ）は反射型ホログラムカラーフィルター９ｂを構成するホログラム要素９Ｒ、９Ｇ、９Ｂの干渉縞がホログラム面に対して傾いて記録されており、照明光あるいは環境光１１が直接入射すると、回折光は正面方向に回折される場合である。この場合に、図６（ａ）においては、所定の入射角で入射する照明光あるいは環境光１１はホログラム透過散乱板２５ｃで回折されずに透過し、その透過光は反射型ホログラムカラーフィルター９の各反射フィルター要素２９Ｒ、２９Ｇ、２９Ｂで波長選択を受けると同時に正面方向へ回折され、その回折光はホログラム透過散乱板２５ｃで正面方向のある角度範囲内へ散乱するように回折される。したがって、このような複合反射型ホログラムカラーフィルター３９Ｄによると、正面方向の散乱光の角度範囲内で明るく広い視域を有する複合反射型ホログラムカラーフィルターとなる。
【００３０】
また、図６（ｂ）においては、所定の入射角で入射する照明光あるいは環境光１１はまずホログラム透過散乱板２５ｄである角度範囲内へ散乱するように回折され、その回折光は反射型ホログラムカラーフィルター９の各反射フィルター要素２９Ｒ、２９Ｇ、２９Ｂで波長選択を受けると同時に正面方向を中心にある角度範囲内に回折され、その回折光はホログラム透過散乱板２５ｄで正面方向へ散乱するように再度回折される。したがって、このような複合反射型ホログラムカラーフィルター３９Ｅによると、正面方向の散乱光の角度範囲内で明るく広い視域を有する複合反射型ホログラムカラーフィルターとなる。
【００３１】
このように、反射型ホログラムカラーフィルター９の入射側に配置されるホログラム透過散乱板２５ａ〜２５ｄは若干の回折特性の差はあるが、集光性も発散性もないホログラム要素９Ｒ、９Ｇ、９Ｂからなる反射型ホログラムカラーフィルター９ａ、９ｂの入射側に配置することにより、所定の制限された角度範囲内にそれぞれの波長成分を損失なく明るく回折することができる広い視域を有する複合反射型ホログラムカラーフィルターを構成することができる。
【００３２】
なお、以上のような回折特性を持つホログラム透過散乱板２５ａ〜２５ｄは、例えば図７に示したような配置で撮影することにより作製できる。図７（ａ）の場合は、図５（ａ）、（ｂ）に示した特性のホログラム透過散乱板２５ａ、２５ｂを作製するための配置であり、フォトポリマー等のホログラム感光材料４０に面して間隔をおいてガラスあるいは乳白色板のような透過散乱板１５を略平行に配置し、透過散乱板１５の裏面側から所定波長の照明光４１で照明し、透過散乱板１５の透過側に散乱光４２を発生させ、その散乱光４２を物体光としてホログラム感光材料４０の１面に入射させる。同時に、照明光あるいは環境光１１の入射角と同じ入射角で可干渉な参照光４３を同じ側からホログラム感光材料４０に入射させてその物体光４２と参照光４３を干渉させて記録する。この場合、ホログラム感光材料４０中に記録されたホログラムの再生照明光の入射角の角度依存性が高い場合に、図５（ａ）のホログラム透過散乱板２５ａとなり、相対的にその角度依存性が低い場合に、図５（ｂ）のホログラム透過散乱板２５ｂとなる。
【００３３】
図７（ｂ）の場合は、図６（ａ）、（ｂ）に示した特性のホログラム透過散乱板２５ｃ、２５ｄを作製するための配置であり、フォトポリマー等のホログラム感光材料４０に面して間隔をおいてガラスあるいは乳白色板のような透過散乱板１５を略平行に配置し、透過散乱板１５の裏面に略垂直に所定波長の照明光４１を入射させ、透過散乱板１５で散乱された散乱光４４と透過散乱板１５で散乱を受けずに透過した透過光４５とを同時にホログラム感光材料４０に入射させ、その散乱光４４と透過光４５と干渉させて記録する。この場合、ホログラム感光材料４０中に記録されたホログラムの再生照明光の入射角の角度依存性が高い場合に、図６（ａ）のホログラム透過散乱板２５ｃとなり、相対的にその角度依存性が低い場合に、図６（ｂ）のホログラム透過散乱板２５ｄとなる。
【００３４】
さて、本発明は、以上のような、集光性あるいは発散性で異なる波長の光を選択的に反射回折する反射フィルター要素がアレー状に周期的に配置されてなる反射型ホログラムカラーフィルター１９、２９、及び、集光性も発散性もなく異なる波長の光を選択的に反射回折する反射フィルター要素がアレー状に周期的に配置されてなる反射型ホログラムカラーフィルター９とその入射側に透過散乱板が配置されて構成された複合反射型ホログラムカラーフィルター３９Ａ〜３９Ｅを組み込んだ反射型液晶表示装置を含むものである。その１例を図８に示す。
【００３５】
図８はこの実施例の反射型液晶表示装置５０の構成を示す断面図であり、観察側の透明ガラス基板２の内表面には、図示しないブラック・マトリックスとＩＴＯ等からなる一様な透明対向電極４が設けられ、観察側と反対側の透明ガラス基板３の内表面には、例えば図１に示した本発明の反射型ホログラムカラーフィルター１９が設けられ、その表面に偏光板８が積層され、さらにその上にＲ、Ｇ、Ｂのカラー画素毎に独立に透明画素電極５とＴＦＴ６が設けられている。このような観察側の透明ガラス基板２と反対側の透明ガラス基板３の間に、ツイストネマチック等の液晶層１が挟持されている。また、電極４、５の液晶層１側には不図示の配向層も設けて構成されている。そして、観察側の透明ガラス基板２の外表面には偏光板７が貼り付けられており、偏光板７と偏光板８は例えばそれらの透過軸は相互に直交するように配置されている。なお、観察側と反対側の透明ガラス基板３側に設ける偏光板８は省いてもよい場合がある。また、観察側と反対側の透明ガラス基板３の外表面には吸収層１３が貼り付けられている。
【００３６】
このような反射型液晶表示装置１０において、その前面（観察側）から所定角度で照明光１１が入射すると、照明光１１はＲ、Ｇ、Ｂ各画素の電圧印加状態に応じた強度変調を受けて反射型ホログラムカラーフィルター１９側へ透過する。各画素Ｒ、Ｇ、Ｂを強度変調を受けて透過した光は、赤を表示する画素Ｒについては、反射型ホログラムカラーフィルター１９の赤色反射フィルター要素１９Ｒに入射し、その中の赤色波長成分λR のみが選択的に所定角度範囲α内に発散するように反射回折され、再度赤を表示する画素Ｒを同じ変調を受けて背面側から前面側へ透過し、赤色画素表示光１２Ｒとなる。フィルター要素１９Ｒで回折されなかった波長成分λG 、λB は通過し、透明ガラス基板３の背面に配置された吸収層１３により吸収される。同様に、緑を表示する画素Ｇについては、その画素Ｇで強度変調を受けて透過した光は、緑色反射フィルター要素１９Ｇに入射し、その中の緑色波長成分λG のみが選択的に所定角度範囲α内に発散するように反射回折され、再度緑を表示する画素Ｇを同じ変調を受けて背面側から前面側へ透過し、赤色画素表示光１２Ｒと略同じ角度範囲に進む緑色画素表示光１２Ｇとなる。また、青色表示する画素Ｂについては、その画素Ｂで強度変調を受けて透過した光は、青色反射フィルター要素９Ｂに入射し、その中の青色波長成分λB のみが選択的に所定角度範囲α内に発散するように反射回折され、再度青を表示する画素Ｂを同じ変調を受けて背面側から表面側へ透過し、赤色画素表示光１２Ｒ及び緑色画素表示光１２Ｇと略同じ角度範囲に進む青色画素表示光１２Ｂとなる。
【００３７】
したがって、カラー表示単位中の画素Ｒ、Ｇ、Ｂの変調状態の組み合わせによって３つ色の表示光１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂの加法混色により任意の色が任意の輝度で表示可能になり、２次元的に配置されたカラー表示単位の表示状態の組み合わせで表示光１２（１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂ）の角度範囲α内の任意の方向から観察可能な明るいカラー画像表示ができるようになる。
【００３８】
以上の説明においては、反射型液晶表示装置５０に組み込む反射型ホログラムカラーフィルターとしては、図１に示したものとしたが、その代わりに図２に示した反射型ホログラムカラーフィルター２９、あるいは、図４、図５（ａ）、（ｂ）、図６（ａ）、（ｂ）に示した複合反射型ホログラムカラーフィルター３９Ａ〜３９Ｅを組み込んでも同様の反射型液晶表示装置が得られる。
【００３９】
なお、図８の実施例においては、これら本発明による反射型ホログラムカラーフィルター１９、２９、複合反射型ホログラムカラーフィルター３９Ａ〜３９Ｅを、観察側と反対側の透明ガラス基板３の内表面に配置しているが、図９の場合と同様に透明ガラス基板３の外表面上に配置してもよい。ただし、これら反射型ホログラムカラーフィルター１９、２９、３９Ａ〜３９Ｅが液晶層１から離れると、視差が目立つようになり、表示像が見難くなると共に分解能も低下するので、図８のように、内表面側に配置することが望ましい。
【００４０】
また、図８の反射型液晶表示装置５０の観察側に、特開平１１−１０９３３８号に開示されているような導光板５１あるいは特願２０００−３１９２６０で本出願人が提案しているような導光板５１を配置して人工的な照明光１１で反射型液晶表示装置５０を照明するようにしてもよい。
【００４１】
さらに、図４〜図６のような配置において、透過散乱板１５、２５ａ〜２５ｄは反射型ホログラムカラーフィルター９、９ａ、９ｂに密着している必要は必ずしもなく、相互に離間していてもよく、また、その間に他の層、光学素子が配置されていてもよい。
【００４２】
なお、前記したように、ホログラム透過散乱板２５ａ〜２５ｄは透過型ホログラムから構成されるが、透過型ホログラムは回折の波長依存性が余り高くないので、図７のような配置で撮影する際、ＲＧＢの３波長で記録する必要はなく、その中の１波長あるいは２波長で記録すれば十分である。
【００４３】
以上、本発明の反射型ホログラムカラーフィルター及びそれを用いた反射型液晶表示装置を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。
【００４４】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の反射型ホログラムカラーフィルター及びそれを用いた反射型液晶表示装置によると、反射型ホログラムカラーフィルターの反射フィルター要素が所定の方向から入射する光を反射方向に集光あるいは発散することなく回折する反射型体積ホログラムからなり、かつ、その入射側に透過散乱層が配置されてなるので、広い視域でかつ明るい反射型ホログラムカラーフィルターが得られ、その反射型ホログラムカラーフィルターを用いることにより反射型液晶表示装置も広い視域で明るい表示が可能なものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に基づく反射型ホログラムカラーフィルターの１実施例の断面図である。
【図２】本発明に基づく反射型ホログラムカラーフィルターの別の実施例の断面図である。
【図３】図１、図２の反射型ホログラムカラーフィルターを作製するための配置を示す図である。
【図４】本発明に基づく反射型ホログラムカラーフィルターのさらに別の実施例の断面図である。
【図５】本発明に基づいてホログラム透過散乱板を用いた反射型ホログラムカラーフィルターの実施例の構成と作用を示す図である。
【図６】本発明に基づいてホログラム透過散乱板を用いた反射型ホログラムカラーフィルターの別の実施例の構成と作用を示す図である。
【図７】図５と図６で用いているホログラム透過散乱板を作製するための配置を示す図である。
【図８】本発明に基づく反射型反射型液晶表示装置の１実施例の構成を示す断面図である。
【図９】従来の反射型ホログラムカラーフィルターを用いた反射型液晶表示装置の構成を示す断面図である。
【図１０】従来の体積型反射ホログラムの撮影方法とその作用を説明するための図である。
【図１１】従来の反射型ホログラムカラーフィルターの作用を説明するための図である。
【符号の説明】
１…液晶層
２、３…透明ガラス基板
４…透明対向電極
５…透明画素電極
６…ＴＦＴ
７、８…偏光板
９…反射型ホログラムカラーフィルター
９ａ…反射型ホログラムカラーフィルター
９ｂ…反射型ホログラムカラーフィルター
９Ｒ、９Ｇ、９Ｂ…ホログラム要素
１０…反射型液晶表示装置
１１…照明光（環境光）
１２…表示光
１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂ…反射回折光（表示光）
１３…吸収層
１５…透過散乱板
１９…反射型ホログラムカラーフィルター
１９Ｒ、１９Ｇ、１９Ｂ…反射フィルター要素（ホログラム要素）
２０…ホログラム感光材料
２０’…ホログラム
２１…物体光
２２…参照光
２３…照明光（環境光）
２４…反射回折光
２５…非回折光
２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄ…ホログラム透過散乱板
２９…反射型ホログラムカラーフィルター
２９Ｒ、２９Ｇ、２９Ｂ…反射フィルター要素（ホログラム要素）
３１…平行光
３２…平行光
３２’…集光光
３２”…発散光
３３…集光レンズ
３４、３４’…遮光マスク
３９Ａ、３９Ｂ、３９Ｃ、３９Ｄ、３９Ｅ…複合反射型ホログラムカラーフィルター
４０…ホログラム感光材料
４１…照明光
４２…散乱光（物体光）
４３…参照光
４４…散乱光
４５…透過光
５０…反射型液晶表示装置
５１…導光板
【発明の属する技術分野】
本発明は、反射型ホログラムカラーフィルター及びそれを用いた反射型液晶表示装置に関し、特に、広い視域がとれる明るい反射型ホログラムカラーフィルターとそれを用いた反射型液晶表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
本出願人は、反射型ホログラムを用いた例えばＲ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）３色の画素からなる反射型ホログラムカラーフィルターとその反射型ホログラムカラーフィルターを用いたカラー液晶表示装置を特開平１０−４０７２６号（特願平８−１９７５７４号）等において提案している。以下に、その例を特開平１１−１０９３３８号の開示の基づいて説明する。
【０００３】
図９は反射型ホログラムカラーフィルターを用いた反射型液晶表示装置１０の構成を示す断面図であり、観察側の透明ガラス基板２と反対側の透明ガラス基板３との間に、ツイストネマチック等の液晶層１が挟持されており、観察側の透明ガラス基板２の内表面には、図示しないブラック・マトリックスとＩＴＯ等からなる一様な透明対向電極４が設けられ、観察側と反対側の透明ガラス基板３の内表面にはＲ、Ｇ、Ｂのカラー画素毎に独立に透明画素電極５とＴＦＴ６が設けられている。また、電極４、５の液晶層１側には不図示の配向層も設けて構成されている。そして、透明ガラス基板２、３の外表面にはそれぞれ偏光板７、８が貼り付けられており、例えばそれらの透過軸は相互に直交するように配置されている。そして、観察側と反対側の偏光板８の背面側外には、後記する反射型ホログラムカラーフィルター９が配置されている。
【０００４】
このような反射型液晶表示装置１０において、その前面（観察側）から所定角度で照明光１１が入射すると、照明光１１はＲ、Ｇ、Ｂ各画素の電圧印加状態に応じた強度変調を受けて反射型ホログラムカラーフィルター９側へ透過する。各画素Ｒ、Ｇ、Ｂを強度変調を受けて透過した光は、赤を表示する画素Ｒについては、反射型ホログラムカラーフィルター９の赤色反射フィルター要素９Ｒに入射し、その中の赤色波長成分λR のみが選択的に所定方向へ反射回折され、再度赤を表示する画素Ｒを同じ変調を受けて背面側から前面側へ透過し、赤色画素表示光１２Ｒとなる。フィルター要素９Ｒで回折されなかった波長成分λG 、λB は通過し、反射型ホログラムカラーフィルター９の背面に配置された不図示の吸収層により吸収される。同様に、緑を表示する画素Ｇについては、その画素Ｇで強度変調を受けて透過した光は、緑色反射フィルター要素９Ｇに入射し、その中の緑色波長成分λG のみが選択的に所定方向へ反射回折され、再度緑を表示する画素Ｇを同じ変調を受けて背面側から前面側へ透過し、赤色画素表示光１２Ｒと略同じ方向に進む緑色画素表示光１２Ｇとなる。また、青色表示する画素Ｂについては、その画素Ｂで強度変調を受けて透過した光は、青色反射フィルター要素９Ｂに入射し、その中の青色波長成分λB のみが選択的に所定方向へ反射回折され、再度青を表示する画素Ｂを同じ変調を受けて背面側から表面側へ透過し、赤色画素表示光１２Ｒ及び緑色画素表示光１２Ｇと略同じ方向に進む青色画素表示光１２Ｂとなる。
【０００５】
したがって、カラー表示単位中の画素Ｒ、Ｇ、Ｂの変調状態の組み合わせによって３つ色の表示光１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂの加法混色により任意の色が任意の輝度で表示可能になり、２次元的に配置されたカラー表示単位の表示状態の組み合わせで表示光１２（１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂ）の方向から観察可能なカラー画像が表示できる。
【０００６】
ここで、反射型ホログラムカラーフィルター９に用いられる体積型の反射ホログラムについて説明する。図１０は体積型反射ホログラムの撮影方法とその作用を説明するための図であり、同図（ａ）において、フォトポリマー等の厚みのあるホログラム感光材料２０の両側からそれぞれ入射角θ1 、θ2 で波長λR （添字Ｒは赤色領域の波長を表す。以下、同様に、添字Ｇは緑色領域の波長、添字Ｂは青色領域の波長を表す。）の可干渉な物体光２１と参照光２２を入射させると、感光材料２０中には両者が干渉して干渉縞が記録される。このようにして記録されたホログラム２０’は、同図（ｂ）に示すように、記録の時の物体光２１と同じ入射角θ1 の照明光あるいは環境光２３中の波長λR 及びその近傍の波長の光のみを、記録の時の参照光２２と略同じ方向に進む射出角θ2 の光２４として選択的に反射回折し、照明光あるいは環境光２３中の他の波長λG 、λB の光２５、及び、入射角がθ1 以外の光は通過してしまう。他の波長λG 、λB を用いて同様に記録したホログラムも同様である。
【０００７】
このように、体積型反射ホログラムは波長選択性及び角度選択性に優れたものであり、感光材料の厚さ、記録条件、後処理条件等を選択することにより、回折波長域の半値幅、回折方向の範囲等をある程度制御可能である。
【０００８】
さて、以上のような回折波長がそれぞれ赤色領域、緑色領域、青色領域にある３つの微小なホログラムをアレー状に周期的に配置してなる反射型ホログラムカラーフィルター９を作製すると、図１１に示すように、所定方向から入射する照明光あるいは環境光１１は反射型ホログラムカラーフィルター９により所定方向に反射回折光１２として反射回折されるが、反射型ホログラムカラーフィルター９中の赤色反射回折ホログラム要素９Ｒはその方向に赤色領域の波長λR のみを回折する。同様に、反射型ホログラムカラーフィルター９中の緑色反射回折ホログラム要素９Ｇはその方向に緑色領域の波長λG のみを、青色反射回折ホログラム要素９Ｂはその方向に青色領域の波長λB のみを回折する。すなわち、反射型ホログラムカラーフィルター９は、Ｒ、Ｇ、Ｂ三原色の反射フィルター要素９Ｒ、９Ｇ、９Ｂからなる反射型ホログラムカラーフィルターとしての作用を有することになる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような反射型ホログラムカラーフィルターは、各ホログラム要素が体積型反射ホログラムからなるため、回折効率の角度依存性が高く、実際上表示光が見える角度範囲（視域）が狭いと言う問題がある。
【００１０】
そこで、視域を広げるために、反射型ホログラムカラーフィルターの各ホログラム要素を反射散乱型にする提案もあるが（特開平１０−１１１５０１号）、体積型反射ホログラムを散乱型にすると、記録されている干渉縞が単一の体積型の干渉縞でなくなるため、回折効率が低下してしまう問題がある。
【００１１】
本発明は従来技術のこのような問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、広い視域がとれかつ明るい反射型ホログラムカラーフィルターとそれを用いた反射型液晶表示装置を提供することがである。
【００１２】
【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反射型ホログラムカラーフィルターは、反射型体積ホログラムからなり、反射回折する波長が異なる反射フィルター要素がアレー状に周期的に配置されてなる反射型ホログラムカラーフィルターにおいて、前記反射フィルター要素各々は、干渉縞がホログラム面に平行に記録されてなり、所定の方向から入射する光を正反射方向に集光あるいは発散することなく回折する反射型体積ホログラムからなり、かつ、その入射側に前記反射フィルター要素各々で正反射方向に回折された光を正面方向の一定角度範囲に散乱する指向性を持つホログラム透過散乱層が配置されていることを特徴とするものである。
【００１４】
この場合、透過散乱層は反射型ホログラムカラーフィルターに密着して配置されていても、あるいは、透過散乱層と反射型ホログラムカラーフィルターの間に他の層が介在していてもよい。
【００１５】
本発明の反射型液晶表示装置は、画素毎に区切られた画素電極と共通電極の間に挟持され、画素毎に透過率が制御可能な液晶層を備えた反射型液晶表示装置において、観察側と反対側の基板の液晶層側あるいはその反対側に上記の何れかの反射型ホログラムカラーフィルターを備えているもの、あるいは、さらに、反射型液晶表示装置の観察側に照明用の導光板を備えているものである。
【００１６】
本発明においては、反射型ホログラムカラーフィルターの反射フィルター要素が所定の方向から入射する光を反射方向に集光あるいは発散することなく回折する反射型体積ホログラムからなり、かつ、その入射側に透過散乱層が配置されてなるので、広い視域でかつ明るい反射型ホログラムカラーフィルターが得られ、その反射型ホログラムカラーフィルターを用いることにより反射型液晶表示装置も広い視域で明るい表示が可能なものとなる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に基づく反射型ホログラムカラーフィルターとそれを用いた反射型液晶表示装置を実施例に基づいて説明する。
【００１８】
本発明に基づいて反射型ホログラムカラーフィルターの視域を広げるための第１の方策は、反射型ホログラムカラーフィルターの各ホログラム要素を集光性あるいは発散性に構成することである。第２の方策は、従来のように、集光性あるいは発散性のないホログラム要素からなる反射型ホログラムカラーフィルターの入射側に透過散乱板を配置することである。以下、これらを順に説明する。
【００１９】
図１に、本発明に基づく反射型ホログラムカラーフィルターの１実施例の断面図を示す。この反射型ホログラムカラーフィルター１９は、アレー状に周期的に配置されているＲ、Ｇ、Ｂ三原色の反射フィルター要素１９Ｒ、１９Ｇ、１９Ｂからなるものであり、これらフィルター要素は体積型反射ホログラムからなっている。この中、赤色反射フィルター要素１９Ｒは、入射角θ1 で入射する照明光あるいは環境光１１中の赤色波長成分λR 及びその近傍の波長の光のみを回折するものであり、同様に緑色反射フィルター要素１９Ｇは、緑色波長成分λG 及びその近傍の波長の光のみを回折するものであり、青色反射フィルター要素１９Ｂは、青色波長成分λB 及びその近傍の波長の光のみを回折するものである。ただし、それらのフィルター要素からの反射回折光１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂは、図１に示すように、略同じ距離の焦点位置に集光するものである。すなわち、各反射フィルター要素１９Ｒ、１９Ｇ、１９Ｂはそれぞれ赤色波長λR 、緑色波長λG 、青色波長λB を選択的に回折すると共に集光性の回折特性を持つ体積型反射ホログラムからなるものである。そのため、所定の入射角θ1 で照明光あるいは環境光１１が入射すると、各フィルター要素１９Ｒ、１９Ｇ、１９Ｂで回折された対応する色の波長成分の回折光１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂは一旦集光し、その後、各フィルター要素１９Ｒ、１９Ｇ、１９Ｂの径と焦点距離で決まる立体角α内に均一に発散してゆくので、遠方の観察者の眼Ｅがこの角度範囲内にあるかぎり、全てのフィルター要素１９Ｒ、１９Ｇ、１９Ｂからの３つ色全ての表示光１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂを観察することができることになり、広い視域がとれる反射型ホログラムカラーフィルターとなる。しかも、各ホログラム要素１９Ｒ、１９Ｇ、１９Ｂには単一の体積型の干渉縞しか記録されていないので高い回折効率となり、明るい反射型ホログラムカラーフィルターとなる。
【００２０】
ところで、図１の場合は、各フィルター要素１９Ｒ、１９Ｇ、１９Ｂで回折された回折光１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂは、一旦集光した後発散するものであったが、各反射フィルター要素を発散性の回折特性を持つ体積型反射ホログラムからなるものとしても同様の特性のものを得ることができる。その場合の反射型ホログラムカラーフィルターの断面図を図２に示す。この反射型ホログラムカラーフィルター２９は、アレー状に周期的に配置されているＲ、Ｇ、Ｂ三原色の反射フィルター要素２９Ｒ、２９Ｇ、２９Ｂからなるものであり、これらフィルター要素は体積型反射ホログラムからなっている。この中、赤色反射フィルター要素２９Ｒは、入射角θ1 で入射する照明光あるいは環境光１１中の赤色波長成分λR 及びその近傍の波長の光のみを回折するものであり、同様に緑色反射フィルター要素２９Ｇは、緑色波長成分λG 及びその近傍の波長の光のみを回折するものであり、青色反射フィルター要素２９Ｂは、青色波長成分λB 及びその近傍の波長の光のみを回折するものである。そして、これらのフィルター要素からの反射回折光１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂは、図２に示すように、略同じ距離の焦点位置から発散する発散性の回折特性を持つ体積型反射ホログラムからなるものである。そのため、所定の入射角θ1 で照明光あるいは環境光１１が入射すると、各フィルター要素２９Ｒ、２９Ｇ、２９Ｂで回折された対応する色の波長成分の回折光１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂは、それらの径と焦点距離で決まる立体角α内に均一に発散してゆくので、遠方の観察者の眼Ｅがこの角度範囲内にあるかぎり、全てのフィルター要素２９Ｒ、２９Ｇ、２９Ｂからの３つ色全ての表示光１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂを観察することができることになり、広い視域がとれる反射型ホログラムカラーフィルターとなる。しかも、同様に、各ホログラム要素２９Ｒ、２９Ｇ、２９Ｂには単一の体積型の干渉縞しか記録されていないので高い回折効率となり、明るい反射型ホログラムカラーフィルターとなる。
【００２１】
図１、図２のような、集光性あるいは発散性で異なる波長の光を選択的に反射回折する反射フィルター要素がアレー状に周期的に配置されている反射型ホログラムカラーフィルター１９、２９を作製するには、例えば図３（ａ）、（ｂ）に示すような配置で撮影すればよい。図３（ａ）において、フォトポリマー等の厚みのあるホログラム感光材料２０の表面側から、まず入射角θ1 で波長λR の平行光３１を入射させると共に、その裏面側からその平行光３１と可干渉な平行光３２を集光レンズ３３を介して集光光３２’として入射させ、平行光３１と集光光３２’とを感光材料２０中で干渉させて記録する。ただし、この記録の際、集光レンズ３３は、作製する反射型ホログラムカラーフィルター１９の赤色反射フィルター要素１９Ｒの位置に対応するようにアレー状に配置しておき、それ以外には平行光３２が入射しないように、集光レンズ３３間に遮光マスク３４を配置しておく。また、表面側から入射する平行光３１も、作製する反射型ホログラムカラーフィルター１９の赤色反射フィルター要素１９Ｒの領域以外には入射しないように、感光材料２０の表面側に遮光マスク３４’を配置しておく。
【００２２】
このようにして赤色反射フィルター要素１９Ｒを記録し、次に、集光レンズ３３、遮光マスク３４、３４’を１つのフィルター要素分移動して、今度は平行光３１と平行光３２の波長をλG に変更して同様にして緑色反射フィルター要素１９Ｇを記録し、さらに、同様にして、平行光３１と平行光３２の波長をλB に変更して青色反射フィルター要素１９Ｂを記録することにより、図１の集光性で異なる波長の光を選択的に反射回折する反射フィルター要素１９Ｒ、１９Ｇ、１９Ｂがアレー状に周期的に配置されてなる反射型ホログラムカラーフィルター１９が得られる。
【００２３】
図３（ｂ）は、図２の発散性で異なる波長の光を選択的に反射回折する反射フィルター要素２９Ｒ、２９Ｇ、２９Ｂがアレー状に周期的に配置されてなる反射型ホログラムカラーフィルター２９を撮影するための配置を示す図であり、図３（ａ）との違いは、ホログラム感光材料２０の裏面側から入射させた平行光３２を集光レンズ３３を介して一旦集光させた後に発散光３２”として入射させる点だけであり、その他は図３（ａ）の場合と同様であり、同様にして図２の発散性で異なる波長の光を選択的に反射回折する反射フィルター要素２９Ｒ、２９Ｇ、２９Ｂがアレー状に周期的に配置されてなる反射型ホログラムカラーフィルター２９が得られる。
【００２４】
次に、本発明に基づく別のタイプの反射型ホログラムカラーフィルターについて説明する。このタイプの反射型ホログラムカラーフィルターは、前記したように、図１１のような集光性も発散性もないホログラム要素９Ｒ、９Ｇ、９Ｂからなる反射型ホログラムカラーフィルター９の入射側に透過散乱板を配置するものである。
【００２５】
図４は、反射型ホログラムカラーフィルター９の入射側にすりガラスあるいは乳白色板のような透過散乱板１５を配置して、広い視域がとれる複合反射型ホログラムカラーフィルター３９Ａとする場合の作用を示す図であり、所定の斜めの入射角で照明光あるいは環境光１１が入射すると、まず、透過散乱板１５である程度の散乱角内に散乱し、次いで、その散乱光は反射型ホログラムカラーフィルター９の各反射フィルター要素２９Ｒ、２９Ｇ、２９Ｂの平行な干渉縞で波長選択を受けると同時にその干渉縞に対して略正反射される方向に回折され、その回折光は透過散乱板１５で再度散乱される。したがって、この複合反射型ホログラムカラーフィルター３９Ａの場合は、図１１の反射型ホログラムカラーフィルター９単体に比べて、各波長の回折光は散乱される分、視域が広くなる。ただし、すりガラスや乳白色板は等方方向に散乱し、また、吸収もあるため、光の損失が多くなり、ある程度明るさが犠牲になる。
【００２６】
そこで、次の図５（ａ）、（ｂ）、図６（ａ）、（ｂ）の実施例においては、反射型ホログラムカラーフィルター９の入射側に配置する透過散乱板として指向性を持つホログラム透過散乱板を配置し、散乱方向を制限することにより、より明るい複合反射型ホログラムカラーフィルターとなる。以下、順に説明する。
【００２７】
図５（ａ）、（ｂ）は反射型ホログラムカラーフィルター９ａを構成するホログラム要素９Ｒ、９Ｇ、９Ｂの干渉縞がホログラム面に平行に記録されている場合であり、このような場合、照明光あるいは環境光１１が直接入射すると、回折光は正反射方向に回折される。その場合に、図５（ａ）においては、所定の入射角で入射する照明光あるいは環境光１１はホログラム透過散乱板２５ａで回折されずに透過し、その透過光は反射型ホログラムカラーフィルター９の各反射フィルター要素２９Ｒ、２９Ｇ、２９Ｂで波長選択を受けると同時に正反射方向へ回折され、その回折光はホログラム透過散乱板２５ａで正面方向のある角度範囲内へ散乱するように回折される。したがって、このような複合反射型ホログラムカラーフィルター３９Ｂによると、正面方向の散乱光の角度範囲内で明るく広い視域を有する複合反射型ホログラムカラーフィルターとなる。
【００２８】
また、図５（ｂ）においては、所定の入射角で入射する照明光あるいは環境光１１はまずホログラム透過散乱板２５ｂである角度範囲内へ散乱するように回折され、その回折光は反射型ホログラムカラーフィルター９の各反射フィルター要素２９Ｒ、２９Ｇ、２９Ｂで波長選択を受けると同時に正反射方向へ回折され、その回折光はホログラム透過散乱板２５ｂで正面方向へ散乱するように再度回折される。したがって、このような複合反射型ホログラムカラーフィルター３９Ｃによると、正面方向の散乱光の角度範囲内で明るく広い視域を有する複合反射型ホログラムカラーフィルターとなる。
【００２９】
次に、図６（ａ）、（ｂ）は反射型ホログラムカラーフィルター９ｂを構成するホログラム要素９Ｒ、９Ｇ、９Ｂの干渉縞がホログラム面に対して傾いて記録されており、照明光あるいは環境光１１が直接入射すると、回折光は正面方向に回折される場合である。この場合に、図６（ａ）においては、所定の入射角で入射する照明光あるいは環境光１１はホログラム透過散乱板２５ｃで回折されずに透過し、その透過光は反射型ホログラムカラーフィルター９の各反射フィルター要素２９Ｒ、２９Ｇ、２９Ｂで波長選択を受けると同時に正面方向へ回折され、その回折光はホログラム透過散乱板２５ｃで正面方向のある角度範囲内へ散乱するように回折される。したがって、このような複合反射型ホログラムカラーフィルター３９Ｄによると、正面方向の散乱光の角度範囲内で明るく広い視域を有する複合反射型ホログラムカラーフィルターとなる。
【００３０】
また、図６（ｂ）においては、所定の入射角で入射する照明光あるいは環境光１１はまずホログラム透過散乱板２５ｄである角度範囲内へ散乱するように回折され、その回折光は反射型ホログラムカラーフィルター９の各反射フィルター要素２９Ｒ、２９Ｇ、２９Ｂで波長選択を受けると同時に正面方向を中心にある角度範囲内に回折され、その回折光はホログラム透過散乱板２５ｄで正面方向へ散乱するように再度回折される。したがって、このような複合反射型ホログラムカラーフィルター３９Ｅによると、正面方向の散乱光の角度範囲内で明るく広い視域を有する複合反射型ホログラムカラーフィルターとなる。
【００３１】
このように、反射型ホログラムカラーフィルター９の入射側に配置されるホログラム透過散乱板２５ａ〜２５ｄは若干の回折特性の差はあるが、集光性も発散性もないホログラム要素９Ｒ、９Ｇ、９Ｂからなる反射型ホログラムカラーフィルター９ａ、９ｂの入射側に配置することにより、所定の制限された角度範囲内にそれぞれの波長成分を損失なく明るく回折することができる広い視域を有する複合反射型ホログラムカラーフィルターを構成することができる。
【００３２】
なお、以上のような回折特性を持つホログラム透過散乱板２５ａ〜２５ｄは、例えば図７に示したような配置で撮影することにより作製できる。図７（ａ）の場合は、図５（ａ）、（ｂ）に示した特性のホログラム透過散乱板２５ａ、２５ｂを作製するための配置であり、フォトポリマー等のホログラム感光材料４０に面して間隔をおいてガラスあるいは乳白色板のような透過散乱板１５を略平行に配置し、透過散乱板１５の裏面側から所定波長の照明光４１で照明し、透過散乱板１５の透過側に散乱光４２を発生させ、その散乱光４２を物体光としてホログラム感光材料４０の１面に入射させる。同時に、照明光あるいは環境光１１の入射角と同じ入射角で可干渉な参照光４３を同じ側からホログラム感光材料４０に入射させてその物体光４２と参照光４３を干渉させて記録する。この場合、ホログラム感光材料４０中に記録されたホログラムの再生照明光の入射角の角度依存性が高い場合に、図５（ａ）のホログラム透過散乱板２５ａとなり、相対的にその角度依存性が低い場合に、図５（ｂ）のホログラム透過散乱板２５ｂとなる。
【００３３】
図７（ｂ）の場合は、図６（ａ）、（ｂ）に示した特性のホログラム透過散乱板２５ｃ、２５ｄを作製するための配置であり、フォトポリマー等のホログラム感光材料４０に面して間隔をおいてガラスあるいは乳白色板のような透過散乱板１５を略平行に配置し、透過散乱板１５の裏面に略垂直に所定波長の照明光４１を入射させ、透過散乱板１５で散乱された散乱光４４と透過散乱板１５で散乱を受けずに透過した透過光４５とを同時にホログラム感光材料４０に入射させ、その散乱光４４と透過光４５と干渉させて記録する。この場合、ホログラム感光材料４０中に記録されたホログラムの再生照明光の入射角の角度依存性が高い場合に、図６（ａ）のホログラム透過散乱板２５ｃとなり、相対的にその角度依存性が低い場合に、図６（ｂ）のホログラム透過散乱板２５ｄとなる。
【００３４】
さて、本発明は、以上のような、集光性あるいは発散性で異なる波長の光を選択的に反射回折する反射フィルター要素がアレー状に周期的に配置されてなる反射型ホログラムカラーフィルター１９、２９、及び、集光性も発散性もなく異なる波長の光を選択的に反射回折する反射フィルター要素がアレー状に周期的に配置されてなる反射型ホログラムカラーフィルター９とその入射側に透過散乱板が配置されて構成された複合反射型ホログラムカラーフィルター３９Ａ〜３９Ｅを組み込んだ反射型液晶表示装置を含むものである。その１例を図８に示す。
【００３５】
図８はこの実施例の反射型液晶表示装置５０の構成を示す断面図であり、観察側の透明ガラス基板２の内表面には、図示しないブラック・マトリックスとＩＴＯ等からなる一様な透明対向電極４が設けられ、観察側と反対側の透明ガラス基板３の内表面には、例えば図１に示した本発明の反射型ホログラムカラーフィルター１９が設けられ、その表面に偏光板８が積層され、さらにその上にＲ、Ｇ、Ｂのカラー画素毎に独立に透明画素電極５とＴＦＴ６が設けられている。このような観察側の透明ガラス基板２と反対側の透明ガラス基板３の間に、ツイストネマチック等の液晶層１が挟持されている。また、電極４、５の液晶層１側には不図示の配向層も設けて構成されている。そして、観察側の透明ガラス基板２の外表面には偏光板７が貼り付けられており、偏光板７と偏光板８は例えばそれらの透過軸は相互に直交するように配置されている。なお、観察側と反対側の透明ガラス基板３側に設ける偏光板８は省いてもよい場合がある。また、観察側と反対側の透明ガラス基板３の外表面には吸収層１３が貼り付けられている。
【００３６】
このような反射型液晶表示装置１０において、その前面（観察側）から所定角度で照明光１１が入射すると、照明光１１はＲ、Ｇ、Ｂ各画素の電圧印加状態に応じた強度変調を受けて反射型ホログラムカラーフィルター１９側へ透過する。各画素Ｒ、Ｇ、Ｂを強度変調を受けて透過した光は、赤を表示する画素Ｒについては、反射型ホログラムカラーフィルター１９の赤色反射フィルター要素１９Ｒに入射し、その中の赤色波長成分λR のみが選択的に所定角度範囲α内に発散するように反射回折され、再度赤を表示する画素Ｒを同じ変調を受けて背面側から前面側へ透過し、赤色画素表示光１２Ｒとなる。フィルター要素１９Ｒで回折されなかった波長成分λG 、λB は通過し、透明ガラス基板３の背面に配置された吸収層１３により吸収される。同様に、緑を表示する画素Ｇについては、その画素Ｇで強度変調を受けて透過した光は、緑色反射フィルター要素１９Ｇに入射し、その中の緑色波長成分λG のみが選択的に所定角度範囲α内に発散するように反射回折され、再度緑を表示する画素Ｇを同じ変調を受けて背面側から前面側へ透過し、赤色画素表示光１２Ｒと略同じ角度範囲に進む緑色画素表示光１２Ｇとなる。また、青色表示する画素Ｂについては、その画素Ｂで強度変調を受けて透過した光は、青色反射フィルター要素９Ｂに入射し、その中の青色波長成分λB のみが選択的に所定角度範囲α内に発散するように反射回折され、再度青を表示する画素Ｂを同じ変調を受けて背面側から表面側へ透過し、赤色画素表示光１２Ｒ及び緑色画素表示光１２Ｇと略同じ角度範囲に進む青色画素表示光１２Ｂとなる。
【００３７】
したがって、カラー表示単位中の画素Ｒ、Ｇ、Ｂの変調状態の組み合わせによって３つ色の表示光１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂの加法混色により任意の色が任意の輝度で表示可能になり、２次元的に配置されたカラー表示単位の表示状態の組み合わせで表示光１２（１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂ）の角度範囲α内の任意の方向から観察可能な明るいカラー画像表示ができるようになる。
【００３８】
以上の説明においては、反射型液晶表示装置５０に組み込む反射型ホログラムカラーフィルターとしては、図１に示したものとしたが、その代わりに図２に示した反射型ホログラムカラーフィルター２９、あるいは、図４、図５（ａ）、（ｂ）、図６（ａ）、（ｂ）に示した複合反射型ホログラムカラーフィルター３９Ａ〜３９Ｅを組み込んでも同様の反射型液晶表示装置が得られる。
【００３９】
なお、図８の実施例においては、これら本発明による反射型ホログラムカラーフィルター１９、２９、複合反射型ホログラムカラーフィルター３９Ａ〜３９Ｅを、観察側と反対側の透明ガラス基板３の内表面に配置しているが、図９の場合と同様に透明ガラス基板３の外表面上に配置してもよい。ただし、これら反射型ホログラムカラーフィルター１９、２９、３９Ａ〜３９Ｅが液晶層１から離れると、視差が目立つようになり、表示像が見難くなると共に分解能も低下するので、図８のように、内表面側に配置することが望ましい。
【００４０】
また、図８の反射型液晶表示装置５０の観察側に、特開平１１−１０９３３８号に開示されているような導光板５１あるいは特願２０００−３１９２６０で本出願人が提案しているような導光板５１を配置して人工的な照明光１１で反射型液晶表示装置５０を照明するようにしてもよい。
【００４１】
さらに、図４〜図６のような配置において、透過散乱板１５、２５ａ〜２５ｄは反射型ホログラムカラーフィルター９、９ａ、９ｂに密着している必要は必ずしもなく、相互に離間していてもよく、また、その間に他の層、光学素子が配置されていてもよい。
【００４２】
なお、前記したように、ホログラム透過散乱板２５ａ〜２５ｄは透過型ホログラムから構成されるが、透過型ホログラムは回折の波長依存性が余り高くないので、図７のような配置で撮影する際、ＲＧＢの３波長で記録する必要はなく、その中の１波長あるいは２波長で記録すれば十分である。
【００４３】
以上、本発明の反射型ホログラムカラーフィルター及びそれを用いた反射型液晶表示装置を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。
【００４４】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の反射型ホログラムカラーフィルター及びそれを用いた反射型液晶表示装置によると、反射型ホログラムカラーフィルターの反射フィルター要素が所定の方向から入射する光を反射方向に集光あるいは発散することなく回折する反射型体積ホログラムからなり、かつ、その入射側に透過散乱層が配置されてなるので、広い視域でかつ明るい反射型ホログラムカラーフィルターが得られ、その反射型ホログラムカラーフィルターを用いることにより反射型液晶表示装置も広い視域で明るい表示が可能なものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に基づく反射型ホログラムカラーフィルターの１実施例の断面図である。
【図２】本発明に基づく反射型ホログラムカラーフィルターの別の実施例の断面図である。
【図３】図１、図２の反射型ホログラムカラーフィルターを作製するための配置を示す図である。
【図４】本発明に基づく反射型ホログラムカラーフィルターのさらに別の実施例の断面図である。
【図５】本発明に基づいてホログラム透過散乱板を用いた反射型ホログラムカラーフィルターの実施例の構成と作用を示す図である。
【図６】本発明に基づいてホログラム透過散乱板を用いた反射型ホログラムカラーフィルターの別の実施例の構成と作用を示す図である。
【図７】図５と図６で用いているホログラム透過散乱板を作製するための配置を示す図である。
【図８】本発明に基づく反射型反射型液晶表示装置の１実施例の構成を示す断面図である。
【図９】従来の反射型ホログラムカラーフィルターを用いた反射型液晶表示装置の構成を示す断面図である。
【図１０】従来の体積型反射ホログラムの撮影方法とその作用を説明するための図である。
【図１１】従来の反射型ホログラムカラーフィルターの作用を説明するための図である。
【符号の説明】
１…液晶層
２、３…透明ガラス基板
４…透明対向電極
５…透明画素電極
６…ＴＦＴ
７、８…偏光板
９…反射型ホログラムカラーフィルター
９ａ…反射型ホログラムカラーフィルター
９ｂ…反射型ホログラムカラーフィルター
９Ｒ、９Ｇ、９Ｂ…ホログラム要素
１０…反射型液晶表示装置
１１…照明光（環境光）
１２…表示光
１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂ…反射回折光（表示光）
１３…吸収層
１５…透過散乱板
１９…反射型ホログラムカラーフィルター
１９Ｒ、１９Ｇ、１９Ｂ…反射フィルター要素（ホログラム要素）
２０…ホログラム感光材料
２０’…ホログラム
２１…物体光
２２…参照光
２３…照明光（環境光）
２４…反射回折光
２５…非回折光
２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄ…ホログラム透過散乱板
２９…反射型ホログラムカラーフィルター
２９Ｒ、２９Ｇ、２９Ｂ…反射フィルター要素（ホログラム要素）
３１…平行光
３２…平行光
３２’…集光光
３２”…発散光
３３…集光レンズ
３４、３４’…遮光マスク
３９Ａ、３９Ｂ、３９Ｃ、３９Ｄ、３９Ｅ…複合反射型ホログラムカラーフィルター
４０…ホログラム感光材料
４１…照明光
４２…散乱光（物体光）
４３…参照光
４４…散乱光
４５…透過光
５０…反射型液晶表示装置
５１…導光板
Claims (5)
- 反射型体積ホログラムからなり、反射回折する波長が異なる反射フィルター要素がアレー状に周期的に配置されてなる反射型ホログラムカラーフィルターにおいて、前記反射フィルター要素各々は、干渉縞がホログラム面に平行に記録されてなり、所定の方向から入射する光を正反射方向に集光あるいは発散することなく回折する反射型体積ホログラムからなり、かつ、その入射側に前記反射フィルター要素各々で正反射方向に回折された光を正面方向の一定角度範囲に散乱する指向性を持つホログラム透過散乱層が配置されていることを特徴とする反射型ホログラムカラーフィルター。
- 前記透過散乱層が前記反射型ホログラムカラーフィルターに密着して配置されていることを特徴とする請求項１記載の反射型ホログラムカラーフィルター。
- 前記透過散乱層と前記反射型ホログラムカラーフィルターの間に他の層が介在していることを特徴とする請求項１又は２記載の反射型ホログラムカラーフィルター。
- 画素毎に区切られた画素電極と共通電極の間に挟持され、画素毎に透過率が制御可能な液晶層を備えた反射型液晶表示装置において、観察側と反対側の基板の液晶層側あるいはその反対側に請求項１から３の何れか１項記載の反射型ホログラムカラーフィルターを備えていることを特徴とする反射型液晶表示装置。
- 画素毎に区切られた画素電極と共通電極の間に挟持され、画素毎に透過率が制御可能な液晶層を備えた反射型液晶表示装置において、観察側と反対側の基板の液晶層側あるいはその反対側に請求項１から３の何れか１項記載の反射型ホログラムカラーフィルターを備えており、かつ、反射型液晶表示装置の観察側に照明用の導光板を備えていることを特徴とする反射型液晶表示装置。
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