JP4729792B2 - 画像表示素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、反射型空間光変調素子、または、透過型空間光変調素子を有し、フィールドシーケンシャルカラー方式を用いてカラー画像の表示を行う画像表示素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、種々の画像表示素子及び画像表示装置が提案されている。この画像表示素子及び画像表示装置としては、ホログラムカラースイッチなどを用いて、白色の照明光の色成分を時分割的に切換えてカラー表示を行うフィールドシーケンシャルカラー方式を採用したものがある。
【０００３】
〔１〕従来のホログラムカラースイッチの原理
従来、ホログラムカラースイッチとして、例えば、ホログラフィック高分子分散液晶パネル（以下、「Ｈ−ＰＤＬＣ」という）を用いた反射型のものが提案されている。なお、参考論文としては、“Alignment-controlled holographic polymer dispersed liquid cristal(Ｈ−ＰＤＬＣ)for reflective display devices"（part of the IS&T/SPIE Conference on Liquid Crystal Materials, devices, and Applications VI(january 1998) ）がある。
【０００４】
このホログラフィック高分子分散液晶パネルは、図１４に示すように、セルギャップが５μm乃至２０μｍ程度でそれぞれに透明電極１０１，１０１が形成された一対の硝子基板１０２，１０２を有し、これら硝子基板１０２，１０２間に液晶部１０３を封入して構成されている。液晶部１０３の液晶分子１０４ａ，１０４ｂは、硝子基板１０２，１０２に平行に配向されている。また、この液晶部１０３においては、周期的に高分子層１０５及び液晶層１０６が積層された構造が形成されている。
【０００５】
高分子層１０５及び液晶層１０６の積層構造は、液晶部１０３中に２方向からの光束を入射させ、これら光束による干渉縞を形成し、この干渉縞に応じた露光を行うことによって形成する。すなわち、液晶部１０３においては、干渉縞の明部において、光重合などの反応が生ずることにより、高分子層１０５が形成され、残部が液晶層１０６となる。反射型のホログラムにおいては、干渉縞のピッチは、露光波長の約半分となる。したがって、屈折率が１．５程度の媒質中では、干渉縞のピッチは、０．１５μｍ乃至０．２５μｍ程度となる。
【０００６】
そして、このホログラフィック高分子分散液晶パネルにおいては、透明電極１０１，１０１間に電圧を印加するための電源１０７が、スイッチ１０８を介して接続されている。図１４に示すように、スイッチ１０８が開放され透明電極１０１，１０１間に電圧が印可されない状態では、液晶分子１０４ａ，１０４ｂには電界がかからず、全ての液晶分子１０４ａ，１０４ｂは、硝子基板１０２，１０２に平行に配向している。このとき、高分子層１０５の屈折率と液晶層１０６の屈折率とが略々等しくなっていれば、入射光１０９に対して回折は生じず、ほとんどの入射光１０９は、そのままホログラフィック高分子分散液晶パネルを透過する。
【０００７】
そして、図１５に示すように、スイッチ１０８が閉成され、透明電極１０１，１０１に電圧が印可された状態では、液晶分子１０４ａ，１０４ｂに電界がかかり、液晶層１０６に存在する液晶分子１０４ａは、硝子基板１０２に対して垂直に配向する。しかし、高分子層１０５に存在する液晶分子１０４ｂは、高分子との相互作用により配向方向を変えず、硝子基板１０２に平行な状態を保つ。したがって、高分子層１０５と液晶層１０６との間で屈折率の違いが生じ、入射光１０９のうちのブラッグ（Bragg）条件を満たす波長の近傍の波長帯域の成分は、選択的に回折され反射される。
【０００８】
以上の原理により、それぞれ赤、緑、青の色光を反射するように異なるピッチの積層構造を有するホログラム部を少なくとも３層積層させ、それらをスイッチング制御することにより、白色入射光から、赤、緑、青の色光成分を選択的に反射させるカラースイッチ動作が可能となる。
【０００９】
〔２〕従来のフィールドシーケンシャルカラー方式投射型の画像表示装置の構成
そして、従来のホログラムカラースイッチを用いたフィールドシーケンシャル方式投射型のカラー画像表示装置は、図１６に示すように、ホログラムカラースイッチとして、図１４及び図１５により上述したような「Ｈ−ＰＤＬＣ」パネルを用いて構成される。
【００１０】
この画像表示装置においては、ランプ光源１１１より射出された照明光は、光束断面形状の補正、光束断面光強度の均一化、発散角制御などの機能を有する照明光学系１１２に入射する。この照明光学系１１２は、第１フライアイレンズ１１３、第２フライアイレンズ１１４、無偏光状態の光束を、Ｐ偏光、または、Ｓ偏光のいずれか一方の偏光に５０％以上の効率で揃える機能を有するＰ−Ｓ偏光変換器１１５を有して構成されている。
【００１１】
照明光学系１１２から射出された照明光は、「Ｈ−ＰＤＬＣ」カラースイッチ１１６に所定の入射角を有して入射する。照明光学系１１２を通過した光束は、この例においては、主に図１６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、「Ｈ−ＰＤＬＣ」カラースイッチ１１６の反射面に対してＰ偏光となっている。
【００１２】
この「Ｈ−ＰＤＬＣ」カラースイッチ１１６において、前述したように、Ｒ（赤色），Ｇ（緑色），Ｂ（青色）の各色に対応したホログラム層に順次電界が印可されることにより、入射した白色照明光より各色成分が順次選択的に回折され反射される。
【００１３】
「Ｈ−ＰＤＬＣ」カラースイッチ１０において反射された各色光は、結像光学系１１７により集光され、１／２波長板１１８を透して、偏光性ビームスプリッタ１１９（以下、ＰＢＳという）に入射する。１／２波長板１１８は、ＰＢＳ１１９の誘電体反射膜１２０の膜特性に入射偏光方向を合わせるため、図１６の紙面に平行なＰ偏光光をＳ偏光光に変換する。ＰＢＳ１１９に入射したＳ偏光光は、誘電体反射膜１２０にて反射され、反射型空間光変調素子１２１に入射する。この反射型空間光変調素子１２１は、結像光学系１１７を介して、第２フライアイレンズ１１４と共役な関係となされている。
【００１４】
反射型空間光変調素子１２１に入射した直線偏光光は、この反射型空間光変調素子１２１の画素単位で偏光状態を変調されて反射され、再び、ＰＢＳ１１９の誘電体反射膜１２０に入射する。ここで、誘電体反射膜１２０に対するＰ偏光成分のみが透過することにより検波がなされ、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射出光束は、投影光学系１２２により、スクリーン１２３上に投影され、反射型空間光変調素子１２１の拡大像が結像される。
【００１５】
ここで、「Ｈ−ＰＤＬＣ」カラースイッチ１１６と反射型空間光変調素子１２１とは、同期して駆動される。すなわち、反射型空間光変調素子１２１が、「Ｈ−ＰＤＬＣ」カラースイッチ１１６が反射する色光成分に対応するモノクロ画像を順次表示することにより、観察者は、各色成分の画像を積分して観察することになり、カラー画像を認識することができる。「Ｈ−ＰＤＬＣ」カラースイッチ１１６における色切り替えの周波数は、少なくとも、１フレーム、すなわち、１／６０秒内に、Ｒ（赤色），Ｇ（緑色），Ｂ（青色）が各１回選択される周波数、すなわち、１８０Ｈｚ以上が望ましい。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が、解決しようとする課題は、以下のものである。
【００１７】
〔１〕従来のホログラムカラースイッチが反射型であることによる問題点
（1）回折効率が十分に確保できる波長帯域が狭いこと
従来のホログラムカラースイッチにおいては、光源として、自然光、あるいは、ハロゲンランプ、キセノンランプ、メタルハライドランプ、超高圧水銀ランプなどを使用した画像表示装置に用いる場合、光利用効率が非常に低くなってしまうという問題がある。なお、これは、色純度とは相反する性能である。
【００１８】
屈折率変調型の体積ホログラムの場合、Ｑファクターの値により多少の変動はあるが、屈折率変調度０．０５、ホログラムの平均屈折率１．５２、厚さ１５μｍのホログラムで、その回折効率の半値全幅（Full Width Half Maximum（以下、ＦＷＨＭという。））すなわち、回折効率がピークから１／２になる波長幅は、１５ｎｍ程度と小さい。
【００１９】
例えば、図１７に示すように、屈折率変調度０．０５、厚さ１５μｍ、読出し光の入射角３０°、再生光射出角０°、製造波長５３２ｎｍの反射型ホログラムの回折効率の再生波長依存性においては、図１８に示すように、回折効率のＦＷＨＭは、約１５ｎｍとなっている。
【００２０】
このため、放射波長帯域がブロードなランプ光源からの放射光を有効に照明光として使用するためには、波長帯域の異なるホログラムを積層させて使用する必要がある。例えば、青色光用としては、４２０ｎｍ乃至４３５ｎｍ、４３５ｎｍ乃至４５０ｎｍ、４５０ｎｍ乃至４６５ｎｍをそれぞれ回折効率のＦＷＨＭとして有する３枚程度のホログラムを積層して使用する必要がある。このような構成を採ることは、ホログラムの表面反射による光利用効率の劣化、製造の煩雑化やコスト増加を招来することとなる。
【００２１】
（2）ＰＢＳ（偏光性ビームスプリッタ）の機能を兼ねることができないこと
反射型空間光変調素子を用いた従来の投射型の画像表示装置においては、図１６に示すように、反射型空間光変調素子を照明するために、偏光性ビームスプリッタ（以下ＰＢＳという。）を用いる必要がある。
【００２２】
ところが、このＰＢＳには、以下のような問題点がある。
【００２３】
(I)ＰＢＳは、少なくとも反射型空間光変調素子の一辺よりも長い辺を有する立方体形状を有するため、反射型空間光変調素子と投射光学系との距離、すなわち、投射光学系のバックフォーカスが長くなる。投射光学系のバックフォーカスが長いことは、装置構成の大型化を招き、また、投射光学系をＦナンバの小さい明るい光学系とすることを困難とする。投射光学系がＦナンバの大きい暗い光学系であることは、光利用効率の低下を招くこととなる。
【００２４】
(II)ＰＢＳは、通常、硝子製であるため、装置の重量増加が招来される。
【００２５】
(III)ＰＢＳは、複屈折及び熱歪みを抑えるために、良質の硝材により作製しなければならず、また、Ｐ偏光とＳ偏光との分離のために誘電体多層膜を用いているため、作製が困難であり、高価である。
【００２６】
(IV)ＰＢＳは、偏光分離特性の入射光波長依存性及び入射角度依存性が大きいため、高コントラスト、高均一性、高色再現性を有する画像表示装置を実現することが困難である。
【００２７】
なお、本件出願人は、先に、偏光選択性ホログラム光学素子をＰＢＳの代替として用いて構成した画像表示装置を提案している。この画像表示装置において用いる偏光選択性ホログラム光学素子は、透過型ホログラムであり、反射型ホログラムは使用することができない。すなわち、従来の反射型のホログラムカラースイッチでは、カラースイッチ機能と反射型画像表示素子を照明するための偏光分離機能とを兼ね備えることはできず、表示画像の高コントラスト化、装置構成の小型化、軽量化、低コスト化を実現することはできなかった。
【００２８】
〔２〕透過型ホログラムをカラースイッチとして用いた場合の問題点
通常、透過型ホログラムの回折波長帯域は、反射型ホログラムに比較して広く、例えば、ＦＷＨＭで１５０ｎｍ程度に達する。このように回折波長帯域が広いことは、表示画像の色再現性を高くできないことを意味している。
【００２９】
例えば、図１９に示すように、屈折率変調度０．０５、ホログラムの平均屈折率１．５２、厚さ５．５μｍ、読出し光の入射角５５°、再生光の射出角１８０°、製造波長５３２ｎｍの透過型ホログラムの回折効率の再生波長依存性においては、図２０に示すように、回折効率のＦＷＨＭは、約１７０ｎｍに及んでいる。
【００３０】
透過型ホログラムにおいて回折効率のＦＷＨＭを小さくするためには、ベンド角、すなわち、入射角と回折角との差を大きくすればよい。ところが、例えば、回折効率の半値全幅を８０ｎｍ以下に減少させようとすると、図２１及び図２２に示すように、読出し光入射角を８８°程度にする必要がある。しかしながら、ホログラム素子に対して８８°もの入射角を有する照明光は、該ホログラム素子における表面反射のため、該ホログラム素子の素子内に対してほとんど入射しないこととなる。
【００３１】
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り、偏光選択性ホログラム光学素子を用いた画像表示素子であって、偏光選択性ホログラム光学素子における回折波長帯域が充分に狭いことによって良好な色再現性を実現しながらも、光利用効率が高く、さらに、該偏光選択性ホログラム光学素子が偏光性ビームスプリッタの機能も兼ねることにより、構成が小型化、軽量化された画像表示素子を提供しようとするものである。
【００３２】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するため、本発明に係る画像表示素子は、回折効率の波長依存性が互いに異なる複数の回折効率可変ホログラム層を有しこれら回折効率可変ホログラム層が一対の基板とこれら一対の基板間において該基板の主面部に沿う方向に順次積層された屈折率異方性が互いに異なる状態をとりうる第１の領域と第２の領域とを有するものであって一方の基板を介して照明光が入射される透過型の偏光選択性ホログラム光学素子と、この偏光選択性ホログラム光学素子の各回折効率可変ホログラム層の第１の領域及び／又は第２の領域に電界を印可することにより該第１の領域及び第２の領域のうち少なくとも一方の屈折率異方性を変化させる該電界印可手段と、この電界印加手段を制御し偏光選択性ホログラム光学素子における回折波長帯域の切り替えを行う偏光選択性ホログラム光学素子駆動手段と、偏光選択性ホログラム光学素子により順次選択的に回折される照明光が入射されこの照明光に含まれる各色光の偏光状態を該色光の選択に同期して変調する反射型空間光変調素子と、入力される画像信号を処理しこの処理結果に基づいて反射型空間光変調素子を駆動してこの反射型空間光変調素子に入射される各色光に対応したモノクロ画像表示を行わせる反射型空間光変調素子駆動手段とを備えている。
【００３３】
そして、この画像表示素子においては、偏光選択性ホログラム光学素子は、照明光が、該照明光が入射される基板表面の法線に対して３０°以上９０°未満の入射角にて入射され、回折効率を電界印可手段により制御されつつ、入射された照明光のＰ偏光成分、または、Ｓ偏光成分を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おいて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回折させた偏光成分と直交する偏光成分に対する回折効率が１０％以下であることによりこの偏光成分の７０％以上をそのまま透過させることを特徴とするものである。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る画像表示素子及び画像表示装置の具体的な実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００３７】
〔１〕反射型空間光変調素子を用いた投射型の画像表示装置
本発明に係る画像表示装置は、本発明に係る画像表示素子を含んで構成されるものであって、反射型空間光変調素子と、透過型の偏光選択性ホログラムカラースイッチとを有して、投射型の画像表示装置として構成される。
【００３８】
（１）偏光選択性ホログラムカラースイッチの実施の形態
まず、この実施の形態において使用される透過型の偏光選択性ホログラムカラースイッチの構造及び製造プロセスを、図１を参照しなががら説明する。
【００３９】
この透過型の偏光選択性ホログラムカラースイッチには、高分子分散液晶（以下、ＰＤＬＣという。）を材料とした液晶パネルに、レーザ光線による干渉縞を露光することによりホログラムを形成したホログラフィックＰＤＬＣパネル（以下、Ｈ−ＰＤＬＣパネルという。）を用いている。
【００４０】
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ＰＤＬＣ１を、それぞれに透明電極２が形成された一対の硝子基板３，３間に挟み込む。このとき、ネマチック液晶の重量割合は、全体の３０％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、２μｍ乃至１５μｍ程度の範囲で、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。
【００４１】
次に、このＰＤＬＣパネルに干渉縞を記録するため、図示しないレーザ光源からの物体光４及び参照光５をＰＤＬＣパネルに照射し、これらの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では、ネマテック液晶の濃度が高くなり、こうして、高分子領域６と液晶領域７の２つの領域が形成される。
【００４２】
ところで、前述のようにして製造されたＰＤＬＣパネルの高分子領域６は、屈折率に関し等方的で、その値は、たとえば１．５となされている。一方、ＰＤＬＣパネルの液晶領域７では、ネマテック液晶分子８がその光軸を高分子領域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、この液晶領域７では、屈折率が、入射偏光方位依存性を有しており、この場合常光線となるのは、ＰＤＬＣパネルの光線入射面９に入射する再生光５について考えた場合、Ｓ偏光成分である。
【００４３】
そして、この液晶領域７の常光線屈折率ｎloを高分子領域６の屈折率ｎpに略々等しい状態、例えば、屈折率差が０．０１未満である状態とすれば、入射Ｓ偏光成分に対する屈折率の変調は極小さく、回折現象はほとんど生じない。
【００４４】
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程度であるため、入射方向が等しい再生光５の場合でも、そのＰ偏光成分は、高分子領域６と液晶領域７との間に屈折率差を生じ、位相変調型ホログラムとして機能し、回折効果を示す。これが、ＰＤＬＣパネルを用いた偏光選択性ホログラム光学素子（Ｈ−ＰＤＬＣパネル）の透明電極２，２間に電圧を印可しない場合の動作原理である。
【００４５】
次に、図２に示すように、このＨ−ＰＤＬＣパネルの透明電極２，２間に電圧を印加した場合の動作について説明する。透明電極２，２間には、スイッチ１０を介して、電源１１が接続されている。スイッチ１０を閉成することにより、透明電極２，２間には、電源１１による電圧が印加される。このようにして透明電極２，２に適当な電圧を印可し、Ｈ−ＰＤＬＣパネルの内部の材料に電界が加わると、誘電率異方性を有する液晶分子８は、その電圧に応じた角度だけ、光軸を電界方向に揃えるように方向を変えられる。そして、入射照明光５に対して液晶分子８の光軸方向をおおよそ揃えることにより、入射照明光５の偏光方向に関わらず、回折を起こさないように制御することが可能となる。
【００４６】
上述のような原理により、入射照明光５のうちの一方向の偏光成分を回折する状態及び入射照明光５の全方向の偏光成分を回折しない状態の２つの状態に切り替える動作が可能となる。このＨ−ＰＤＬＣパネルを、図３に示すように、赤色光回折用Ｈ−ＰＤＬＣ１２Ｒ、緑色光回折用Ｈ−ＰＤＬＣ１２Ｇ、青色光回折用Ｈ−ＰＤＬＣ１２Ｂとして構成し、積層させることにより、ホログラムカラースイッチを構成することができる。
【００４７】
（２）偏光選択性ホログラムカラースイッチの他の実施の形態
本発明に係る画像表示素子におけるＨ−ＰＤＬＣパネルは、上述したような構成のものに限定されず、以下に示す構成のものとしてもよい。すなわち、図４に示すように、まず、プレポリマ（光重合を起こす前の高分子）、ネマチック液晶、開始剤、色素などが混合されたＰＤＬＣ１を、それぞれに透明電極２が形成された一対の硝子基板３，３間に挟み込む。このとき、ネマチック液晶の重量割合は、全体の３０％程度とする。また、このＰＤＬＣの層厚（セルギャップ）は、２μｍ乃至１５μｍ程度の範囲で、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。
【００４８】
次に、このＰＤＬＣパネルに干渉縞を記録するため、図示しないレーザ光源からの物体光４及び参照光５をＰＤＬＣパネルに照射し、これらの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では、ネマテック液晶の濃度が高くなり、こうして、高分子領域６と液晶領域７の２つの領域が形成される。
【００４９】
ところで、前述のようにして製造されたＰＤＬＣパネルの高分子領域６は、屈折率に関し等方的で、その値は、たとえば１．５となされている。一方、ＰＤＬＣパネルの液晶領域７では、ネマテック液晶分子８がその光軸を高分子領域６との境界面及び硝子基板３に対して略平行として並んでいる。そのため、この液晶領域７では、屈折率が、入射偏光方位依存性を有しており、この場合常光線となるのは、ＰＤＬＣパネルの光線入射面９に入射する再生光５について考えた場合、Ｐ偏光成分である。
【００５０】
そして、この液晶領域７の常光線屈折率ｎloを高分子領域６の屈折率ｎpに略々等しい状態、例えば、屈折率差が０．０１未満である状態とすれば、入射Ｐ偏光成分に対する屈折率の変調は極小さく、回折現象をほとんど生じない。
【００５１】
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程度はあるため、入射方向が等しい再生光５の場合でも、そのＳ偏光成分は、高分子領域６と液晶領域７との間に屈折率差を生じ、位相変調型ホログラムとして機能し、回折効果を示す。これが、ＰＤＬＣパネルを用いた偏光選択性ホログラム光学素子（Ｈ−ＰＤＬＣパネル）の透明電極２，２間に電圧を印可しない場合の動作原理である。
【００５２】
次に、図５に示すように、このＨ−ＰＤＬＣパネルの透明電極２，２間に電圧を印加した場合の動作について説明する。透明電極２，２間には、スイッチ１０を介して、電源１１が接続されている。スイッチ１０を閉成することにより、透明電極２，２間には、電源１１による電圧が印加される。このようにして透明電極２，２に適当な電圧を印可し、Ｈ−ＰＤＬＣパネルの内部の材料に電界が加わると、誘電率異方性を有する液晶分子８は、その電圧に応じた角度だけ、光軸を電界方向に揃えるように方向を変えられる。そして、入射照明光５に対して液晶分子８の光軸方向をおおよそ揃えることにより、入射照明光５の偏光方向に関わらず、回折を起こさないように制御することが可能となる。
【００５３】
上述のような原理により、入射照明光５のうちの一方向の偏光成分を回折する状態及び入射照明光５の全方向の偏光成分を回折しない状態の２つの状態に切り替える動作が可能となる。このＨ−ＰＤＬＣパネルを、赤色光回折用Ｈ−ＰＤＬＣ、緑色光回折用Ｈ−ＰＤＬＣ、青色光回折用Ｈ−ＰＤＬＣとして構成し、積層させることにより、ホログラムカラースイッチを構成することができる。
【００５４】
（３）入射側カップリングプリズムについて
ところで、前述したように、透過型ホログラムの回折波長帯域を１００ｎｍ以下としてカラースイッチを構成するためには、ベンド角を、例えば、８０°以上というように、大きくする必要がある。すなわち、このホログラムカラースイッチには、照明光が、該照明光が入射される硝子基板表面の法線に対して３０°以上９０°未満の入射角にて入射される。
【００５５】
ところが、このようにベンド角を大きくした場合、ホログラムの表面反射による透過率の劣化や、斜め入射、あるいは、斜め出射に伴う光束径投影面積の減少による光利用効率の劣化が問題となる。
【００５６】
この問題は、入射側カップリングプリズムを、ホログラムに光学的に密着接合させて配設することにより解決することができる。すなわち、図６に示すように、入射側カップリングプリズム１３は、積層され光学的に接合された赤色光回折用Ｈ−ＰＤＬＣパネル１２Ｒ、緑色光回折用Ｈ−ＰＤＬＣパネル１２Ｇ、青色光回折用Ｈ−ＰＤＬＣパネル１２Ｂの照明光５が入射される最上層の硝子基板３に光学的に密着されて接合されている。
【００５７】
この入射側カップリングプリズム１３は、照明光５が略垂直に入射される入射光学面１４を有している。この入射光学面１４より入射した照明光５は、屈折することなく、そのまま赤色光回折用Ｈ−ＰＤＬＣパネル１２Ｒに入射する。この入射側カップリングプリズム１３の入射光学面１４の傾き角θを５５°とすると、赤色光回折用Ｈ−ＰＤＬＣパネル１２Ｒのホログラム層にも、照明光５は、略々同様の入射角で入射することとなる。これは、仮に入射側カップリングプリズム１３が無い場合には、実現することのできない大きな入射角である。この実施の形態におけるホログラムカラースイッチの出射角は約０°となっているため、ホログラム媒体中での実効的なベンド角は、５５°となる。
【００５８】
この程度のベンド角が確保されると、屈折率変調度０．０５、ホログラムの平均屈折率１．５２、厚さ５．５μｍ、製造波長５３２ｎｍの透過型ホログラムの回折効率のＦＷＨＭは、図２１及び図２２に示すように、７０ｎｍ以下とすることができる。
【００５９】
したがって、各色光回折用Ｈ−ＰＤＬＣパネル１２Ｒ，１２Ｇ，１２Ｂに対して、ホログラムカラースイッチ駆動回路１５により、順次的に電圧を印可することにより、入射照明光５に含まれる、赤色光成分、緑色光成分、青色光成分を時分割的に回折させることができる。この実施の形態にて使用されているＨ−ＰＤＬＣの構造は、図１に示したようなものであるから、入射照明光５のうちのＰ偏光成分のみが回折される。
【００６０】
（４）反射型空間光変調素子を用いた画像表示装置の実施の形態
そして、このような偏光選択性ホログラムカラースイッチと、反射型空間光変調素子とを用いることにより、図７に示すように、投射型の画像表示装置を構成することができる。この画像表示装置においては、照明光源１６ａより放射された照明光は、光束断面形状の補正、光束断面光強度の均一化、発散角制御などの機能を有する照明光学系１６ｂに入射する。この照明光学系１６ｂは、図示しない偏光変換手段を含んでおり、この実施の形態の場合においては、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２への入射光がＰ偏光光となるように、Ｓ偏光成分の照明光の一部をその偏光方位を９０°回転させることによりＰ偏光光に変換して光利用効率を向上させる。
【００６１】
照明光学系１６ｂを通過した照明光は、次に、青色光を反射する青色光用ダイクロイックミラー１７Ｇを透過し、緑色光を反射する緑色光用ダイクロイックミラー１７Ｇを透過し、赤色光を反射する赤色光用ダイクロイックミラー１７Ｒに達する。これら各ダイクロイックミラー１７Ｂ，１７Ｇ，１７Ｒは、照明光源１６ａからの照明光の波長帯域のうちの一部分を反射することにより、照明光のバンドパス機能を果たす。これら各ダイクロイックミラー１７Ｂ，１７Ｇ，１７Ｒにおいて反射された青色光、緑色光、赤色光は、それぞれ入射側カップリングプリズム１３を介して、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２に入射する。なお、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２における回折効率の波長依存性を考慮して、赤色光用ダイクロイックミラー１７Ｒを最も後段に配置し、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２への入射角度を大きくしている。
【００６２】
入射側カップリングプリズム１３の照明光が入射される入射光学面１４には、コントラストを向上させるためにＰ偏光光を選択的に透過させる偏光板１８が設けられている。すなわち、各ダイクロイックミラー１７Ｂ，１７Ｇ，１７Ｒにおいて反射された青色光、緑色光、赤色光は、それぞれ偏光板１８を経て入射光学面１４より入射側カップリングプリズム１３に入射し、さらに、この入射側カップリングプリズム１３に光学的に接合された偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２に入射する。この偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２においては、前述したように、時分割的に所定の色の光のＰ偏光成分のみが回折され、この偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２より略々垂直に出射され、反射型空間光変調素子１９に入射する。
【００６３】
一方、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２において回折されない色の光及び回折される色の光のＳ偏光成分は、この偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２において回折されずに、入射角度を保ったまま直進する。この実施の形態の場合、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２に対する照明光の入射角は約５５°となっているため、この光線は、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２の出射側の硝子基板３と空気との界面（内面）において全反射され、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２から射出することはなく、反射型空間光変調素子１９に到達することもない。この光線は、入射側カップリングプリズム１３の入射面の反対側に設けられた光吸収面２０において減衰（吸収）される。
【００６４】
この実施の形態において、反射型空間光変調素子１９としては、反射型ＴＮ液晶パネルが用いられている。この反射型空間光変調素子１９に入射した照明光のＰ偏光成分は、反射型空間光変調素子１９の各画素のスイッチング状態に応じて、Ｐ偏光状態のまま反射される（黒表示）か、あるいは、Ｓ偏光成分を有する偏光状態に変調されて反射される（白表示）。
【００６５】
反射型空間光変調素子１９においてそのまま反射されたＰ偏光成分は、再び、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２において回折され、入射側カップリングプリズム１３の入射光学面１４より射出し、偏光板１８側に戻る。そして、反射型空間光変調素子１９において変調されて反射されたＳ偏光成分は、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２において回折されることなく透過し、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２の硝子基板３に平行な入射側カップリングプリズム１３の出射光学面２１より射出する。入射側カップリングプリズム１３の出射光学面２１より出射したＳ偏光成分は、この出射光学面２１に接合されたＳ偏光成分のみを選択的に透過させる偏光板２２を経て、投射光学系２３に入射し、この投射光学系２３により、スクリーン２４上に投影される。このようにして、スクリーン２４上には、反射型空間光変調素子１９が表示する光学像が拡大投影される。
【００６６】
また、この画像表示装置においては、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２及び反射型空間光変調素子１９は、入力される映像信号に応じて同期して駆動される。すなわち、入力部２５より入力された映像信号は、入力された映像信号を処理する信号処理回路２６において処理され、システムコントローラ２７に入力される。システムコントローラ２７は、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２及び反射型空間光変調素子１９を制御するための制御信号及び同期信号などを生成し、それぞれを偏光選択性ホログラム光学素子駆動回路１５及び空間光変調素子駆動回路２８に送る。偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２及び反射型空間光変調素子１９は、偏光選択性ホログラム光学素子駆動回路１５及び空間光変調素子駆動回路２８による制御に基づき、映像信号を正しく再生するよう同期して駆動される。偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２及び反射型空間光変調素子１９の駆動のタイミングは、図８に示すように、例えば、１フレーム（１／６０秒）の間に、Ｒ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）各色の順に２回ずつの表示を行うようになっており、サブフレームの周波数は３６０Ｈｚとなっている。
【００６７】
（５）反射型空間光変調素子を用いた画像表示装置の他の実施の形態
また、本発明に係る画像表示装置は、図９に示すように、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２の出射面に楔状のプリズム３６を取付けることにより、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２において回折されない照明光を外方側に逃がす構成としてもよい。
【００６８】
すなわち、この画像表示装置において、照明光源１６ａより放射された照明光は、光束断面形状の補正、光束断面光強度の均一化、発散角制御などの機能を有する照明光学系１６ｂに入射する。この照明光学系１６ｂは、図示しない偏光変換手段を含んでおり、この実施の形態の場合においては、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２への入射光がＰ偏光光となるように、Ｓ偏光成分の照明光の一部をその偏光方位を９０°回転させることによりＰ偏光光に変換して光利用効率を向上させる。
【００６９】
照明光学系１６ｂを通過した照明光は、次に、青色光を反射する青色光用ダイクロイックミラー１７Ｇを透過し、緑色光を反射する緑色光用ダイクロイックミラー１７Ｇを透過し、赤色光を反射する赤色光用ダイクロイックミラー１７Ｒに達する。これら各ダイクロイックミラー１７Ｂ，１７Ｇ，１７Ｒは、照明光源１６ａからの照明光の波長帯域のうちの一部分を反射することにより、照明光のバンドパス機能を果たす。これら各ダイクロイックミラー１７Ｂ，１７Ｇ，１７Ｒにおいて反射された青色光、緑色光、赤色光は、それぞれ入射側カップリングプリズム１３を介して、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２に入射する。なお、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２における回折効率の波長依存性を考慮して、赤色光用ダイクロイックミラー１７Ｒを最も後段に配置し、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２への入射角度を大きくしている。
【００７０】
入射側カップリングプリズム１３の照明光が入射される入射光学面１４には、コントラストを向上させるためにＰ偏光光を選択的に透過させる偏光板１８が設けられている。すなわち、各ダイクロイックミラー１７Ｂ，１７Ｇ，１７Ｒにおいて反射された青色光、緑色光、赤色光は、それぞれ偏光板１８を経て入射光学面１４より入射側カップリングプリズム１３に入射し、さらに、この入射側カップリングプリズム１３に光学的に接合された偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２に入射する。この偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２においては、前述したように、時分割的に所定の色の光のＰ偏光成分のみが回折され、この偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２より略々垂直に出射される。
【００７１】
このＰ偏光成分は、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２に光学的に密着接合された楔状のプリズム３６及びこのプリズム３６の光線出射面３７と平行な光線入射面３９を有する補正用プリズム３８を経て、反射型空間光変調素子１９に入射する。なお、プリズム３６の光線出射面３７と補正用プリズム３８の光線入射面３９との間は、空気層となっている。
【００７２】
一方、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２において回折されない色の光及び回折される色の光のＳ偏光成分は、この偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２において回折されずに、入射角度を保ったまま直進する。この実施の形態の場合、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２に対する照明光の入射角は約４０°となっており、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２に光学的に密着接合された楔状のプリズム３６の光線出射面３７に対する入射角は、約５０°に設定されている。したがって、この光線は、プリズム３６の光線出射面３７と空気との界面にて全反射され、プリズム３６の光線出射面３７から出射することはなく、反射型空間光変調素子１９に到達することはない。
【００７３】
この実施の形態において、反射型空間光変調素子１９としては、反射型ＴＮ液晶パネルが用いられている。この反射型空間光変調素子１９に入射した照明光のＰ偏光成分は、反射型空間光変調素子１９の各画素のスイッチング状態に応じて、Ｐ偏光状態のまま反射される（黒表示）か、あるいは、Ｓ偏光成分を有する偏光状態に変調されて反射される（白表示）。
【００７４】
反射型空間光変調素子１９においてそのまま反射されたＰ偏光成分は、再び、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２において回折され、入射側カップリングプリズム１３の入射光学面１４より射出し、偏光板１８側に戻る。そして、反射型空間光変調素子１９において変調されて反射されたＳ偏光成分は、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２において回折されることなく透過し、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２の硝子基板３に平行な入射側カップリングプリズム１３の出射光学面２１より射出する。入射側カップリングプリズム１３の出射光学面２１より出射したＳ偏光成分は、この出射光学面２１に接合されたＳ偏光成分のみを選択的に透過させる偏光板２２を経て、投射光学系２３に入射し、この投射光学系２３により、スクリーン２４上に投影される。このようにして、スクリーン２４上には、反射型空間光変調素子１９が表示する光学像が拡大投影される。
【００７５】
また、この画像表示装置においては、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２及び反射型空間光変調素子１９は、入力される映像信号に応じて同期して駆動される。すなわち、入力部２５より入力された映像信号は、入力された映像信号を処理する信号処理回路２６において処理され、システムコントローラ２７に入力される。システムコントローラ２７は、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２及び反射型空間光変調素子１９を制御するための制御信号及び同期信号などを生成し、それぞれを偏光選択性ホログラム光学素子駆動回路１５及び空間光変調素子駆動回路２８に送る。偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２及び反射型空間光変調素子１９は、偏光選択性ホログラム光学素子駆動回路１５及び空間光変調素子駆動回路２８による制御に基づき、映像信号を正しく再生するよう同期して駆動される。偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２及び反射型空間光変調素子１９の駆動のタイミングは、図８に示すように、例えば、１フレーム（１／６０秒）の間に、Ｒ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）各色の順に２回ずつの表示を行うようになっており、サブフレームの周波数は３６０Ｈｚとなっている。
【００７６】
〔２〕透過型空間光変調素子を用いた投射型の画像表示装置
（１）透過型空間光変調素子を用いた画像表示装置の実施の形態
本発明に係る画像表示装置は、図１０に示すように、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２と、透過型空間光変調素子３５とを用いて、投射型の画像表示装置として構成することもできる。
【００７７】
この実施の形態においては、透過型空間光変調素子３５として高温ポリシリコン液晶パネルを、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２としては、前述した画像表示装置と同様に、ホログラフイックＰＤＬＣパネルを用いている。透過型偏光選択性ホログラムカラースイッチの動作原理は、前述のものと同様である。
【００７８】
この画像表示装置においては、照明光源１６ａより放射された照明光は、光束断面形状の補正、光束断面光強度の均一化、発散角制御などの機能を有する照明光学系１６ｂに入射する。この照明光学系１６ｂは、図示しない偏光変換手段を含んでいる。この偏光変換手段は、この実施の形態においては、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２への入射光がＰ偏光光となるように、Ｓ偏光成分の照明光の一部の偏光方位を９０°回転させることによりＰ偏光光に変換し、光利用効率を向上させている。
【００７９】
照明光学系１６ｂを通過した照明光は、バンドパスフィルター２９に入射し、波長帯域のうちの一部の帯域のみが透過される。すなわち、このバンドパスフィルター２９は、照明光に対してバンドパス機能を果たす。
【００８０】
次に、この照明光は、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２に略々垂直に入射する。この偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２において、前述のように、所定の色成分のＰ偏光成分のみが回折され、この偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２の出射面に光学的に接合された出射側カップリングプリズム３０に入射面３１を介して斜めに入射する。出射側カップリングプリズム３０に斜めに入射した回折光は、入射面３１に対して傾斜された光学面３３より、この光学面３３に対して略々垂直に出射される。
【００８１】
一方、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２において回折されない色成分光及び回折される色成分のＳ偏光成分は、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２において回折されず、そのまま直進して、出射側カップリングプリズム３０の入射面３１に略々垂直に該出射側カップリングプリズム３０に入射する。このように偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２において回折されなかった照明光の成分は、出射側カップリングプリズム３０において入射面３１に対向して設けられた光吸収面３２において減衰（吸収）される。
【００８２】
出射側カップリングプリズム３０の光学面３３より射出した照明光は、集光レンズ３４を経て、透過型空間光変調素子３５に入射する。この透過型空間光変調素子３５に入射する照明光は、ほとんどがＰ偏光成分であるため、透過型空間光変調素子３５の照明光入射側に設けられた偏光板を熱劣化させることがなく、装置の信頼性を損なうことがなく、また、冷却手段などが不要であるため、装置構成の簡素化や低コスト化を実現することができる。透過型空間光変調素子３５に入射した照明光は、各画素ごとに輝度変調され、投射光学系２３によりスクリーン２４に投影される。このようにして、透過型空間光変調素子３５上に表示された光学像がスクリーン２４上に拡大投影される。
【００８３】
また、この画像表示装置においては、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２及び透過型空間光変調素子３５は、入力される映像信号に応じて同期して駆動される。すなわち、入力部２５より入力された映像信号は、入力された映像信号を処理する信号処理回路２６において処理され、システムコントローラ２７に入力される。システムコントローラ２７は、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２及び透過型空間光変調素子３５を制御するための制御信号及び同期信号などを生成し、それぞれを偏光選択性ホログラム光学素子駆動回路１５及び空間光変調素子駆動回路２８に送る。偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２及び透過型空間光変調素子３５は、偏光選択性ホログラム光学素子駆動回路１５及び空間光変調素子駆動回路２８による制御に基づき、映像信号を正しく再生するよう同期して駆動される。偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２及び透過型空間光変調素子３５の駆動のタイミングは、図１１に示すように、例えば、１フレーム（１／６０秒）の間に、Ｒ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）各色の順に１回ずつの表示を行うようになっており、サブフレームの周波数は１８０Ｈｚとなっている。
【００８４】
（２）透過型空間光変調素子を用いた画像表示装置の他の実施の形態
また、本発明に係る画像表示装置は、図１２に示すように、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２と、透過型空間光変調素子３５とを用いるとともに、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２に光学的に密着接合させた入射側カップリングプリズム１３を用いて、投射型の画像表示装置として構成することもできる。
【００８５】
この実施の形態においては、透過型空間光変調素子３５として高温ポリシリコン液晶パネルを、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２としては、前述した画像表示装置と同様に、ホログラフイックＰＤＬＣパネルを用いている。透過型偏光選択性ホログラムカラースイッチの動作原理は、前述のものと同様である。
【００８６】
この画像表示装置においては、照明光源１６ａより放射された照明光は、光束断面形状の補正、光束断面光強度の均一化、発散角制御などの機能を有する照明光学系１６ｂに入射する。この照明光学系１６ｂは、図示しない偏光変換手段を含んでいる。この偏光変換手段は、この実施の形態においては、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２への入射光がＰ偏光光となるように、Ｓ偏光成分の照明光の一部の偏光方位を９０°回転させることによりＰ偏光光に変換し、光利用効率を向上させている。
【００８７】
照明光学系１６ｂを通過した照明光は、バンドパスフィルター２９に入射し、波長帯域のうちの一部の帯域のみが透過される。すなわち、このバンドパスフィルター２９は、照明光に対してバンドパス機能を果たす。
【００８８】
次に、この照明光は、入射側カップリングプリズム１３の入射光学面１４より該入射側カップリングプリズム１３に入射し、さらに、この入射側カップリングプリズム１３に光学的に接合された偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２に入射する。この偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２においては、前述したように、時分割的に所定の色の光のＰ偏光成分のみが回折され、この偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２より略々垂直に出射される。
【００８９】
一方、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２において回折されない色成分光及び回折される色成分のＳ偏光成分は、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２において回折されず、そのまま直進して、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２に対して傾斜して出射される。
【００９０】
偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２から略々垂直に出射された照明光は、集光レンズ３４を経て、透過型空間光変調素子３５に入射する。この透過型空間光変調素子３５に入射する照明光は、ほとんどがＰ偏光成分であるため、透過型空間光変調素子３５の照明光入射側に設けられた偏光板を熱劣化させることがなく、装置の信頼性を損なうことがなく、また、冷却手段などが不要であるため、装置構成の簡素化や低コスト化を実現することができる。透過型空間光変調素子３５に入射した照明光は、各画素ごとに輝度変調され、投射光学系２３によりスクリーン２４に投影される。このようにして、透過型空間光変調素子３５上に表示された光学像がスクリーン２４上に拡大投影される。
【００９１】
また、この画像表示装置においては、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２及び透過型空間光変調素子３５は、入力される映像信号に応じて同期して駆動される。すなわち、入力部２５より入力された映像信号は、入力された映像信号を処理する信号処理回路２６において処理され、システムコントローラ２７に入力される。システムコントローラ２７は、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２及び透過型空間光変調素子３５を制御するための制御信号及び同期信号などを生成し、それぞれを偏光選択性ホログラム光学素子駆動回路１５及び空間光変調素子駆動回路２８に送る。偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２及び透過型空間光変調素子３５は、偏光選択性ホログラム光学素子駆動回路１５及び空間光変調素子駆動回路２８による制御に基づき、映像信号を正しく再生するよう同期して駆動される。偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２及び透過型空間光変調素子３５の駆動のタイミングは、図１１に示すように、例えば、１フレーム（１／６０秒）の間に、Ｒ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）各色の順に１回ずつの表示を行うようになっており、サブフレームの周波数は１８０Ｈｚとなっている。
【００９２】
なお、図１３に示すように、照明光整形用プリズム３０を追加して、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２の回折光の代わりに透過光を透過型空間光変調素子３５の照明光として用いてもよい。
【００９３】
【発明の効果】
上述のように、本発明に係る画像表示素子及び画像表示装置においては、透過型の偏光選択性ホログラム光学素子を用いて、反射型ホログラム光学素子を用いる場合に比較して同程度の回折効率の半値全幅を有しながら、ホログラム積層枚数の少ないの偏光選択性ホログラムカラースイッチを実現している。
【００９４】
また、この偏光選択性ホログラムカラースイッチにおいては、回折効果の有無が偏光依存性を有していることにより、空間光変調素子に入射させる照明光の偏光度を向上させ、表示画像のコントラストを改善することができる。
【００９５】
そして、偏光選択性ホログラムカラースイッチにて回折された偏光光を照明光として反射型空間光変調素子に入射させ、この反射型空間光変調素子からの変調光を再び偏光選択性ホログラムカラースイッチに入射させることにより、偏光検波をすることができるので、偏光選択性ホログラムカラースイッチは、カラースイッチの機能のみならず、偏光性ビームスプリッタの機能をも有することとなる。
【００９６】
すなわち、本発明は、偏光選択性ホログラム光学素子を用いた画像表示素子であって、偏光選択性ホログラム光学素子における回折波長帯域が充分に狭いことによって良好な色再現性を実現しながらも、光利用効率が高く、さらに、該偏光選択性ホログラム光学素子が偏光性ビームスプリッタの機能も兼ねることにより、構成が小型化、軽量化された画像表示素子を提供し、また、このような画像表示素子を有して構成された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】本発明に係る画像表示素子を構成するＨ−ＰＤＬＣ（偏光選択性ホログラム光学素子）の電圧非印加状態における構成を示す縦断面図である。
【図２】上記Ｈ−ＰＤＬＣの電圧印加状態における構成を示す縦断面図である。
【図３】上記Ｈ−ＰＤＬＣを積層して構成した偏光選択性カラースイッチの構成を示す縦断面図である。
【図４】上記Ｈ−ＰＤＬＣの電圧非印加状態における構成の他の形態を示す縦断面図である。
【図５】上記図４に示したＨ−ＰＤＬＣの電圧印加状態における構成を示す縦断面図である。
【図６】上記偏光選択性カラースイッチに入射側カップリングプリズムを設け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装置であって反射型空間光変調素子を用いた構成を示す側面図である。
【図８】上記画像表示装置における制御信号を示すタイミングチャートである。
【図９】本発明に係る画像表示装置であって反射型空間光変調素子を用いた構成の他の形態を示す側面図である。
【図１０】本発明に係る画像表示装置であって透過型空間光変調素子を用いた構成を示す側面図である。
【図１１】上記図１０に示した画像表示装置における制御信号を示すタイミングチャートである。
【図１２】本発明に係る画像表示装置であって透過型空間光変調素子を用いた構成の他の形態を示す側面図である。
【図１３】本発明に係る画像表示装置であって透過型空間光変調素子を用いさらに照明光整形用プリズムを用いた構成を示す側面図である。
【図１４】従来の画像表示素子を構成するＨ−ＰＤＬＣ（偏光選択性ホログラム光学素子）の電圧非印加状態における構成を示す縦断面図である。
【図１５】上記従来のＨ−ＰＤＬＣの電圧印加状態における構成を示す縦断面図である。
【図１６】従来の画像表示装置の構成を示す側面図である。
【図１７】Ｈ−ＰＤＬＣ（反射型）への照明光の入射状態（入射角３０°）を示す側面図である。
【図１８】上記図１７に示した状態における回折効率の波長依存性を示すグラフである。
【図１９】Ｈ−ＰＤＬＣ（透過型）への照明光の入射状態（入射角５５°）を示す側面図である。
【図２０】上記図１９に示した状態における回折効率の波長依存性を示すグラフである。
【図２１】Ｈ−ＰＤＬＣ（透過型）への照明光の入射状態（入射角８８°）を示す側面図である。
【図２２】上記図２１に示した状態における回折効率の波長依存性を示すグラフである。
【符号の説明】
１ ＰＤＬＣ、２ 透明電極、３ 硝子基板、４ 物体光、５ 再生光、６ 高分子領域、７ 液晶領域、８ ネマテック液晶分子、１１ 電源、１２ 偏光選択性カラースイッチ、１３ 入射側カップリングプリズム、１５ 偏光選択性カラースイッチ駆動回路、１６ａ 光源、１６ｂ 照明光学系、１９ 反射型空間光変調素子、２３ 投射光学系、２８ 空間光変調素子駆動回路、３０ 出射側カップリングプリズム、３５ 透過型空間光変調素子
【発明の属する技術分野】
本発明は、反射型空間光変調素子、または、透過型空間光変調素子を有し、フィールドシーケンシャルカラー方式を用いてカラー画像の表示を行う画像表示素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、種々の画像表示素子及び画像表示装置が提案されている。この画像表示素子及び画像表示装置としては、ホログラムカラースイッチなどを用いて、白色の照明光の色成分を時分割的に切換えてカラー表示を行うフィールドシーケンシャルカラー方式を採用したものがある。
【０００３】
〔１〕従来のホログラムカラースイッチの原理
従来、ホログラムカラースイッチとして、例えば、ホログラフィック高分子分散液晶パネル（以下、「Ｈ−ＰＤＬＣ」という）を用いた反射型のものが提案されている。なお、参考論文としては、“Alignment-controlled holographic polymer dispersed liquid cristal(Ｈ−ＰＤＬＣ)for reflective display devices"（part of the IS&T/SPIE Conference on Liquid Crystal Materials, devices, and Applications VI(january 1998) ）がある。
【０００４】
このホログラフィック高分子分散液晶パネルは、図１４に示すように、セルギャップが５μm乃至２０μｍ程度でそれぞれに透明電極１０１，１０１が形成された一対の硝子基板１０２，１０２を有し、これら硝子基板１０２，１０２間に液晶部１０３を封入して構成されている。液晶部１０３の液晶分子１０４ａ，１０４ｂは、硝子基板１０２，１０２に平行に配向されている。また、この液晶部１０３においては、周期的に高分子層１０５及び液晶層１０６が積層された構造が形成されている。
【０００５】
高分子層１０５及び液晶層１０６の積層構造は、液晶部１０３中に２方向からの光束を入射させ、これら光束による干渉縞を形成し、この干渉縞に応じた露光を行うことによって形成する。すなわち、液晶部１０３においては、干渉縞の明部において、光重合などの反応が生ずることにより、高分子層１０５が形成され、残部が液晶層１０６となる。反射型のホログラムにおいては、干渉縞のピッチは、露光波長の約半分となる。したがって、屈折率が１．５程度の媒質中では、干渉縞のピッチは、０．１５μｍ乃至０．２５μｍ程度となる。
【０００６】
そして、このホログラフィック高分子分散液晶パネルにおいては、透明電極１０１，１０１間に電圧を印加するための電源１０７が、スイッチ１０８を介して接続されている。図１４に示すように、スイッチ１０８が開放され透明電極１０１，１０１間に電圧が印可されない状態では、液晶分子１０４ａ，１０４ｂには電界がかからず、全ての液晶分子１０４ａ，１０４ｂは、硝子基板１０２，１０２に平行に配向している。このとき、高分子層１０５の屈折率と液晶層１０６の屈折率とが略々等しくなっていれば、入射光１０９に対して回折は生じず、ほとんどの入射光１０９は、そのままホログラフィック高分子分散液晶パネルを透過する。
【０００７】
そして、図１５に示すように、スイッチ１０８が閉成され、透明電極１０１，１０１に電圧が印可された状態では、液晶分子１０４ａ，１０４ｂに電界がかかり、液晶層１０６に存在する液晶分子１０４ａは、硝子基板１０２に対して垂直に配向する。しかし、高分子層１０５に存在する液晶分子１０４ｂは、高分子との相互作用により配向方向を変えず、硝子基板１０２に平行な状態を保つ。したがって、高分子層１０５と液晶層１０６との間で屈折率の違いが生じ、入射光１０９のうちのブラッグ（Bragg）条件を満たす波長の近傍の波長帯域の成分は、選択的に回折され反射される。
【０００８】
以上の原理により、それぞれ赤、緑、青の色光を反射するように異なるピッチの積層構造を有するホログラム部を少なくとも３層積層させ、それらをスイッチング制御することにより、白色入射光から、赤、緑、青の色光成分を選択的に反射させるカラースイッチ動作が可能となる。
【０００９】
〔２〕従来のフィールドシーケンシャルカラー方式投射型の画像表示装置の構成
そして、従来のホログラムカラースイッチを用いたフィールドシーケンシャル方式投射型のカラー画像表示装置は、図１６に示すように、ホログラムカラースイッチとして、図１４及び図１５により上述したような「Ｈ−ＰＤＬＣ」パネルを用いて構成される。
【００１０】
この画像表示装置においては、ランプ光源１１１より射出された照明光は、光束断面形状の補正、光束断面光強度の均一化、発散角制御などの機能を有する照明光学系１１２に入射する。この照明光学系１１２は、第１フライアイレンズ１１３、第２フライアイレンズ１１４、無偏光状態の光束を、Ｐ偏光、または、Ｓ偏光のいずれか一方の偏光に５０％以上の効率で揃える機能を有するＰ−Ｓ偏光変換器１１５を有して構成されている。
【００１１】
照明光学系１１２から射出された照明光は、「Ｈ−ＰＤＬＣ」カラースイッチ１１６に所定の入射角を有して入射する。照明光学系１１２を通過した光束は、この例においては、主に図１６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、「Ｈ−ＰＤＬＣ」カラースイッチ１１６の反射面に対してＰ偏光となっている。
【００１２】
この「Ｈ−ＰＤＬＣ」カラースイッチ１１６において、前述したように、Ｒ（赤色），Ｇ（緑色），Ｂ（青色）の各色に対応したホログラム層に順次電界が印可されることにより、入射した白色照明光より各色成分が順次選択的に回折され反射される。
【００１３】
「Ｈ−ＰＤＬＣ」カラースイッチ１０において反射された各色光は、結像光学系１１７により集光され、１／２波長板１１８を透して、偏光性ビームスプリッタ１１９（以下、ＰＢＳという）に入射する。１／２波長板１１８は、ＰＢＳ１１９の誘電体反射膜１２０の膜特性に入射偏光方向を合わせるため、図１６の紙面に平行なＰ偏光光をＳ偏光光に変換する。ＰＢＳ１１９に入射したＳ偏光光は、誘電体反射膜１２０にて反射され、反射型空間光変調素子１２１に入射する。この反射型空間光変調素子１２１は、結像光学系１１７を介して、第２フライアイレンズ１１４と共役な関係となされている。
【００１４】
反射型空間光変調素子１２１に入射した直線偏光光は、この反射型空間光変調素子１２１の画素単位で偏光状態を変調されて反射され、再び、ＰＢＳ１１９の誘電体反射膜１２０に入射する。ここで、誘電体反射膜１２０に対するＰ偏光成分のみが透過することにより検波がなされ、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射出光束は、投影光学系１２２により、スクリーン１２３上に投影され、反射型空間光変調素子１２１の拡大像が結像される。
【００１５】
ここで、「Ｈ−ＰＤＬＣ」カラースイッチ１１６と反射型空間光変調素子１２１とは、同期して駆動される。すなわち、反射型空間光変調素子１２１が、「Ｈ−ＰＤＬＣ」カラースイッチ１１６が反射する色光成分に対応するモノクロ画像を順次表示することにより、観察者は、各色成分の画像を積分して観察することになり、カラー画像を認識することができる。「Ｈ−ＰＤＬＣ」カラースイッチ１１６における色切り替えの周波数は、少なくとも、１フレーム、すなわち、１／６０秒内に、Ｒ（赤色），Ｇ（緑色），Ｂ（青色）が各１回選択される周波数、すなわち、１８０Ｈｚ以上が望ましい。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が、解決しようとする課題は、以下のものである。
【００１７】
〔１〕従来のホログラムカラースイッチが反射型であることによる問題点
（1）回折効率が十分に確保できる波長帯域が狭いこと
従来のホログラムカラースイッチにおいては、光源として、自然光、あるいは、ハロゲンランプ、キセノンランプ、メタルハライドランプ、超高圧水銀ランプなどを使用した画像表示装置に用いる場合、光利用効率が非常に低くなってしまうという問題がある。なお、これは、色純度とは相反する性能である。
【００１８】
屈折率変調型の体積ホログラムの場合、Ｑファクターの値により多少の変動はあるが、屈折率変調度０．０５、ホログラムの平均屈折率１．５２、厚さ１５μｍのホログラムで、その回折効率の半値全幅（Full Width Half Maximum（以下、ＦＷＨＭという。））すなわち、回折効率がピークから１／２になる波長幅は、１５ｎｍ程度と小さい。
【００１９】
例えば、図１７に示すように、屈折率変調度０．０５、厚さ１５μｍ、読出し光の入射角３０°、再生光射出角０°、製造波長５３２ｎｍの反射型ホログラムの回折効率の再生波長依存性においては、図１８に示すように、回折効率のＦＷＨＭは、約１５ｎｍとなっている。
【００２０】
このため、放射波長帯域がブロードなランプ光源からの放射光を有効に照明光として使用するためには、波長帯域の異なるホログラムを積層させて使用する必要がある。例えば、青色光用としては、４２０ｎｍ乃至４３５ｎｍ、４３５ｎｍ乃至４５０ｎｍ、４５０ｎｍ乃至４６５ｎｍをそれぞれ回折効率のＦＷＨＭとして有する３枚程度のホログラムを積層して使用する必要がある。このような構成を採ることは、ホログラムの表面反射による光利用効率の劣化、製造の煩雑化やコスト増加を招来することとなる。
【００２１】
（2）ＰＢＳ（偏光性ビームスプリッタ）の機能を兼ねることができないこと
反射型空間光変調素子を用いた従来の投射型の画像表示装置においては、図１６に示すように、反射型空間光変調素子を照明するために、偏光性ビームスプリッタ（以下ＰＢＳという。）を用いる必要がある。
【００２２】
ところが、このＰＢＳには、以下のような問題点がある。
【００２３】
(I)ＰＢＳは、少なくとも反射型空間光変調素子の一辺よりも長い辺を有する立方体形状を有するため、反射型空間光変調素子と投射光学系との距離、すなわち、投射光学系のバックフォーカスが長くなる。投射光学系のバックフォーカスが長いことは、装置構成の大型化を招き、また、投射光学系をＦナンバの小さい明るい光学系とすることを困難とする。投射光学系がＦナンバの大きい暗い光学系であることは、光利用効率の低下を招くこととなる。
【００２４】
(II)ＰＢＳは、通常、硝子製であるため、装置の重量増加が招来される。
【００２５】
(III)ＰＢＳは、複屈折及び熱歪みを抑えるために、良質の硝材により作製しなければならず、また、Ｐ偏光とＳ偏光との分離のために誘電体多層膜を用いているため、作製が困難であり、高価である。
【００２６】
(IV)ＰＢＳは、偏光分離特性の入射光波長依存性及び入射角度依存性が大きいため、高コントラスト、高均一性、高色再現性を有する画像表示装置を実現することが困難である。
【００２７】
なお、本件出願人は、先に、偏光選択性ホログラム光学素子をＰＢＳの代替として用いて構成した画像表示装置を提案している。この画像表示装置において用いる偏光選択性ホログラム光学素子は、透過型ホログラムであり、反射型ホログラムは使用することができない。すなわち、従来の反射型のホログラムカラースイッチでは、カラースイッチ機能と反射型画像表示素子を照明するための偏光分離機能とを兼ね備えることはできず、表示画像の高コントラスト化、装置構成の小型化、軽量化、低コスト化を実現することはできなかった。
【００２８】
〔２〕透過型ホログラムをカラースイッチとして用いた場合の問題点
通常、透過型ホログラムの回折波長帯域は、反射型ホログラムに比較して広く、例えば、ＦＷＨＭで１５０ｎｍ程度に達する。このように回折波長帯域が広いことは、表示画像の色再現性を高くできないことを意味している。
【００２９】
例えば、図１９に示すように、屈折率変調度０．０５、ホログラムの平均屈折率１．５２、厚さ５．５μｍ、読出し光の入射角５５°、再生光の射出角１８０°、製造波長５３２ｎｍの透過型ホログラムの回折効率の再生波長依存性においては、図２０に示すように、回折効率のＦＷＨＭは、約１７０ｎｍに及んでいる。
【００３０】
透過型ホログラムにおいて回折効率のＦＷＨＭを小さくするためには、ベンド角、すなわち、入射角と回折角との差を大きくすればよい。ところが、例えば、回折効率の半値全幅を８０ｎｍ以下に減少させようとすると、図２１及び図２２に示すように、読出し光入射角を８８°程度にする必要がある。しかしながら、ホログラム素子に対して８８°もの入射角を有する照明光は、該ホログラム素子における表面反射のため、該ホログラム素子の素子内に対してほとんど入射しないこととなる。
【００３１】
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り、偏光選択性ホログラム光学素子を用いた画像表示素子であって、偏光選択性ホログラム光学素子における回折波長帯域が充分に狭いことによって良好な色再現性を実現しながらも、光利用効率が高く、さらに、該偏光選択性ホログラム光学素子が偏光性ビームスプリッタの機能も兼ねることにより、構成が小型化、軽量化された画像表示素子を提供しようとするものである。
【００３２】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するため、本発明に係る画像表示素子は、回折効率の波長依存性が互いに異なる複数の回折効率可変ホログラム層を有しこれら回折効率可変ホログラム層が一対の基板とこれら一対の基板間において該基板の主面部に沿う方向に順次積層された屈折率異方性が互いに異なる状態をとりうる第１の領域と第２の領域とを有するものであって一方の基板を介して照明光が入射される透過型の偏光選択性ホログラム光学素子と、この偏光選択性ホログラム光学素子の各回折効率可変ホログラム層の第１の領域及び／又は第２の領域に電界を印可することにより該第１の領域及び第２の領域のうち少なくとも一方の屈折率異方性を変化させる該電界印可手段と、この電界印加手段を制御し偏光選択性ホログラム光学素子における回折波長帯域の切り替えを行う偏光選択性ホログラム光学素子駆動手段と、偏光選択性ホログラム光学素子により順次選択的に回折される照明光が入射されこの照明光に含まれる各色光の偏光状態を該色光の選択に同期して変調する反射型空間光変調素子と、入力される画像信号を処理しこの処理結果に基づいて反射型空間光変調素子を駆動してこの反射型空間光変調素子に入射される各色光に対応したモノクロ画像表示を行わせる反射型空間光変調素子駆動手段とを備えている。
【００３３】
そして、この画像表示素子においては、偏光選択性ホログラム光学素子は、照明光が、該照明光が入射される基板表面の法線に対して３０°以上９０°未満の入射角にて入射され、回折効率を電界印可手段により制御されつつ、入射された照明光のＰ偏光成分、または、Ｓ偏光成分を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おいて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回折させた偏光成分と直交する偏光成分に対する回折効率が１０％以下であることによりこの偏光成分の７０％以上をそのまま透過させることを特徴とするものである。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る画像表示素子及び画像表示装置の具体的な実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００３７】
〔１〕反射型空間光変調素子を用いた投射型の画像表示装置
本発明に係る画像表示装置は、本発明に係る画像表示素子を含んで構成されるものであって、反射型空間光変調素子と、透過型の偏光選択性ホログラムカラースイッチとを有して、投射型の画像表示装置として構成される。
【００３８】
（１）偏光選択性ホログラムカラースイッチの実施の形態
まず、この実施の形態において使用される透過型の偏光選択性ホログラムカラースイッチの構造及び製造プロセスを、図１を参照しなががら説明する。
【００３９】
この透過型の偏光選択性ホログラムカラースイッチには、高分子分散液晶（以下、ＰＤＬＣという。）を材料とした液晶パネルに、レーザ光線による干渉縞を露光することによりホログラムを形成したホログラフィックＰＤＬＣパネル（以下、Ｈ−ＰＤＬＣパネルという。）を用いている。
【００４０】
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ＰＤＬＣ１を、それぞれに透明電極２が形成された一対の硝子基板３，３間に挟み込む。このとき、ネマチック液晶の重量割合は、全体の３０％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、２μｍ乃至１５μｍ程度の範囲で、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。
【００４１】
次に、このＰＤＬＣパネルに干渉縞を記録するため、図示しないレーザ光源からの物体光４及び参照光５をＰＤＬＣパネルに照射し、これらの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では、ネマテック液晶の濃度が高くなり、こうして、高分子領域６と液晶領域７の２つの領域が形成される。
【００４２】
ところで、前述のようにして製造されたＰＤＬＣパネルの高分子領域６は、屈折率に関し等方的で、その値は、たとえば１．５となされている。一方、ＰＤＬＣパネルの液晶領域７では、ネマテック液晶分子８がその光軸を高分子領域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、この液晶領域７では、屈折率が、入射偏光方位依存性を有しており、この場合常光線となるのは、ＰＤＬＣパネルの光線入射面９に入射する再生光５について考えた場合、Ｓ偏光成分である。
【００４３】
そして、この液晶領域７の常光線屈折率ｎloを高分子領域６の屈折率ｎpに略々等しい状態、例えば、屈折率差が０．０１未満である状態とすれば、入射Ｓ偏光成分に対する屈折率の変調は極小さく、回折現象はほとんど生じない。
【００４４】
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程度であるため、入射方向が等しい再生光５の場合でも、そのＰ偏光成分は、高分子領域６と液晶領域７との間に屈折率差を生じ、位相変調型ホログラムとして機能し、回折効果を示す。これが、ＰＤＬＣパネルを用いた偏光選択性ホログラム光学素子（Ｈ−ＰＤＬＣパネル）の透明電極２，２間に電圧を印可しない場合の動作原理である。
【００４５】
次に、図２に示すように、このＨ−ＰＤＬＣパネルの透明電極２，２間に電圧を印加した場合の動作について説明する。透明電極２，２間には、スイッチ１０を介して、電源１１が接続されている。スイッチ１０を閉成することにより、透明電極２，２間には、電源１１による電圧が印加される。このようにして透明電極２，２に適当な電圧を印可し、Ｈ−ＰＤＬＣパネルの内部の材料に電界が加わると、誘電率異方性を有する液晶分子８は、その電圧に応じた角度だけ、光軸を電界方向に揃えるように方向を変えられる。そして、入射照明光５に対して液晶分子８の光軸方向をおおよそ揃えることにより、入射照明光５の偏光方向に関わらず、回折を起こさないように制御することが可能となる。
【００４６】
上述のような原理により、入射照明光５のうちの一方向の偏光成分を回折する状態及び入射照明光５の全方向の偏光成分を回折しない状態の２つの状態に切り替える動作が可能となる。このＨ−ＰＤＬＣパネルを、図３に示すように、赤色光回折用Ｈ−ＰＤＬＣ１２Ｒ、緑色光回折用Ｈ−ＰＤＬＣ１２Ｇ、青色光回折用Ｈ−ＰＤＬＣ１２Ｂとして構成し、積層させることにより、ホログラムカラースイッチを構成することができる。
【００４７】
（２）偏光選択性ホログラムカラースイッチの他の実施の形態
本発明に係る画像表示素子におけるＨ−ＰＤＬＣパネルは、上述したような構成のものに限定されず、以下に示す構成のものとしてもよい。すなわち、図４に示すように、まず、プレポリマ（光重合を起こす前の高分子）、ネマチック液晶、開始剤、色素などが混合されたＰＤＬＣ１を、それぞれに透明電極２が形成された一対の硝子基板３，３間に挟み込む。このとき、ネマチック液晶の重量割合は、全体の３０％程度とする。また、このＰＤＬＣの層厚（セルギャップ）は、２μｍ乃至１５μｍ程度の範囲で、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。
【００４８】
次に、このＰＤＬＣパネルに干渉縞を記録するため、図示しないレーザ光源からの物体光４及び参照光５をＰＤＬＣパネルに照射し、これらの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では、ネマテック液晶の濃度が高くなり、こうして、高分子領域６と液晶領域７の２つの領域が形成される。
【００４９】
ところで、前述のようにして製造されたＰＤＬＣパネルの高分子領域６は、屈折率に関し等方的で、その値は、たとえば１．５となされている。一方、ＰＤＬＣパネルの液晶領域７では、ネマテック液晶分子８がその光軸を高分子領域６との境界面及び硝子基板３に対して略平行として並んでいる。そのため、この液晶領域７では、屈折率が、入射偏光方位依存性を有しており、この場合常光線となるのは、ＰＤＬＣパネルの光線入射面９に入射する再生光５について考えた場合、Ｐ偏光成分である。
【００５０】
そして、この液晶領域７の常光線屈折率ｎloを高分子領域６の屈折率ｎpに略々等しい状態、例えば、屈折率差が０．０１未満である状態とすれば、入射Ｐ偏光成分に対する屈折率の変調は極小さく、回折現象をほとんど生じない。
【００５１】
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程度はあるため、入射方向が等しい再生光５の場合でも、そのＳ偏光成分は、高分子領域６と液晶領域７との間に屈折率差を生じ、位相変調型ホログラムとして機能し、回折効果を示す。これが、ＰＤＬＣパネルを用いた偏光選択性ホログラム光学素子（Ｈ−ＰＤＬＣパネル）の透明電極２，２間に電圧を印可しない場合の動作原理である。
【００５２】
次に、図５に示すように、このＨ−ＰＤＬＣパネルの透明電極２，２間に電圧を印加した場合の動作について説明する。透明電極２，２間には、スイッチ１０を介して、電源１１が接続されている。スイッチ１０を閉成することにより、透明電極２，２間には、電源１１による電圧が印加される。このようにして透明電極２，２に適当な電圧を印可し、Ｈ−ＰＤＬＣパネルの内部の材料に電界が加わると、誘電率異方性を有する液晶分子８は、その電圧に応じた角度だけ、光軸を電界方向に揃えるように方向を変えられる。そして、入射照明光５に対して液晶分子８の光軸方向をおおよそ揃えることにより、入射照明光５の偏光方向に関わらず、回折を起こさないように制御することが可能となる。
【００５３】
上述のような原理により、入射照明光５のうちの一方向の偏光成分を回折する状態及び入射照明光５の全方向の偏光成分を回折しない状態の２つの状態に切り替える動作が可能となる。このＨ−ＰＤＬＣパネルを、赤色光回折用Ｈ−ＰＤＬＣ、緑色光回折用Ｈ−ＰＤＬＣ、青色光回折用Ｈ−ＰＤＬＣとして構成し、積層させることにより、ホログラムカラースイッチを構成することができる。
【００５４】
（３）入射側カップリングプリズムについて
ところで、前述したように、透過型ホログラムの回折波長帯域を１００ｎｍ以下としてカラースイッチを構成するためには、ベンド角を、例えば、８０°以上というように、大きくする必要がある。すなわち、このホログラムカラースイッチには、照明光が、該照明光が入射される硝子基板表面の法線に対して３０°以上９０°未満の入射角にて入射される。
【００５５】
ところが、このようにベンド角を大きくした場合、ホログラムの表面反射による透過率の劣化や、斜め入射、あるいは、斜め出射に伴う光束径投影面積の減少による光利用効率の劣化が問題となる。
【００５６】
この問題は、入射側カップリングプリズムを、ホログラムに光学的に密着接合させて配設することにより解決することができる。すなわち、図６に示すように、入射側カップリングプリズム１３は、積層され光学的に接合された赤色光回折用Ｈ−ＰＤＬＣパネル１２Ｒ、緑色光回折用Ｈ−ＰＤＬＣパネル１２Ｇ、青色光回折用Ｈ−ＰＤＬＣパネル１２Ｂの照明光５が入射される最上層の硝子基板３に光学的に密着されて接合されている。
【００５７】
この入射側カップリングプリズム１３は、照明光５が略垂直に入射される入射光学面１４を有している。この入射光学面１４より入射した照明光５は、屈折することなく、そのまま赤色光回折用Ｈ−ＰＤＬＣパネル１２Ｒに入射する。この入射側カップリングプリズム１３の入射光学面１４の傾き角θを５５°とすると、赤色光回折用Ｈ−ＰＤＬＣパネル１２Ｒのホログラム層にも、照明光５は、略々同様の入射角で入射することとなる。これは、仮に入射側カップリングプリズム１３が無い場合には、実現することのできない大きな入射角である。この実施の形態におけるホログラムカラースイッチの出射角は約０°となっているため、ホログラム媒体中での実効的なベンド角は、５５°となる。
【００５８】
この程度のベンド角が確保されると、屈折率変調度０．０５、ホログラムの平均屈折率１．５２、厚さ５．５μｍ、製造波長５３２ｎｍの透過型ホログラムの回折効率のＦＷＨＭは、図２１及び図２２に示すように、７０ｎｍ以下とすることができる。
【００５９】
したがって、各色光回折用Ｈ−ＰＤＬＣパネル１２Ｒ，１２Ｇ，１２Ｂに対して、ホログラムカラースイッチ駆動回路１５により、順次的に電圧を印可することにより、入射照明光５に含まれる、赤色光成分、緑色光成分、青色光成分を時分割的に回折させることができる。この実施の形態にて使用されているＨ−ＰＤＬＣの構造は、図１に示したようなものであるから、入射照明光５のうちのＰ偏光成分のみが回折される。
【００６０】
（４）反射型空間光変調素子を用いた画像表示装置の実施の形態
そして、このような偏光選択性ホログラムカラースイッチと、反射型空間光変調素子とを用いることにより、図７に示すように、投射型の画像表示装置を構成することができる。この画像表示装置においては、照明光源１６ａより放射された照明光は、光束断面形状の補正、光束断面光強度の均一化、発散角制御などの機能を有する照明光学系１６ｂに入射する。この照明光学系１６ｂは、図示しない偏光変換手段を含んでおり、この実施の形態の場合においては、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２への入射光がＰ偏光光となるように、Ｓ偏光成分の照明光の一部をその偏光方位を９０°回転させることによりＰ偏光光に変換して光利用効率を向上させる。
【００６１】
照明光学系１６ｂを通過した照明光は、次に、青色光を反射する青色光用ダイクロイックミラー１７Ｇを透過し、緑色光を反射する緑色光用ダイクロイックミラー１７Ｇを透過し、赤色光を反射する赤色光用ダイクロイックミラー１７Ｒに達する。これら各ダイクロイックミラー１７Ｂ，１７Ｇ，１７Ｒは、照明光源１６ａからの照明光の波長帯域のうちの一部分を反射することにより、照明光のバンドパス機能を果たす。これら各ダイクロイックミラー１７Ｂ，１７Ｇ，１７Ｒにおいて反射された青色光、緑色光、赤色光は、それぞれ入射側カップリングプリズム１３を介して、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２に入射する。なお、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２における回折効率の波長依存性を考慮して、赤色光用ダイクロイックミラー１７Ｒを最も後段に配置し、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２への入射角度を大きくしている。
【００６２】
入射側カップリングプリズム１３の照明光が入射される入射光学面１４には、コントラストを向上させるためにＰ偏光光を選択的に透過させる偏光板１８が設けられている。すなわち、各ダイクロイックミラー１７Ｂ，１７Ｇ，１７Ｒにおいて反射された青色光、緑色光、赤色光は、それぞれ偏光板１８を経て入射光学面１４より入射側カップリングプリズム１３に入射し、さらに、この入射側カップリングプリズム１３に光学的に接合された偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２に入射する。この偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２においては、前述したように、時分割的に所定の色の光のＰ偏光成分のみが回折され、この偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２より略々垂直に出射され、反射型空間光変調素子１９に入射する。
【００６３】
一方、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２において回折されない色の光及び回折される色の光のＳ偏光成分は、この偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２において回折されずに、入射角度を保ったまま直進する。この実施の形態の場合、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２に対する照明光の入射角は約５５°となっているため、この光線は、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２の出射側の硝子基板３と空気との界面（内面）において全反射され、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２から射出することはなく、反射型空間光変調素子１９に到達することもない。この光線は、入射側カップリングプリズム１３の入射面の反対側に設けられた光吸収面２０において減衰（吸収）される。
【００６４】
この実施の形態において、反射型空間光変調素子１９としては、反射型ＴＮ液晶パネルが用いられている。この反射型空間光変調素子１９に入射した照明光のＰ偏光成分は、反射型空間光変調素子１９の各画素のスイッチング状態に応じて、Ｐ偏光状態のまま反射される（黒表示）か、あるいは、Ｓ偏光成分を有する偏光状態に変調されて反射される（白表示）。
【００６５】
反射型空間光変調素子１９においてそのまま反射されたＰ偏光成分は、再び、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２において回折され、入射側カップリングプリズム１３の入射光学面１４より射出し、偏光板１８側に戻る。そして、反射型空間光変調素子１９において変調されて反射されたＳ偏光成分は、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２において回折されることなく透過し、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２の硝子基板３に平行な入射側カップリングプリズム１３の出射光学面２１より射出する。入射側カップリングプリズム１３の出射光学面２１より出射したＳ偏光成分は、この出射光学面２１に接合されたＳ偏光成分のみを選択的に透過させる偏光板２２を経て、投射光学系２３に入射し、この投射光学系２３により、スクリーン２４上に投影される。このようにして、スクリーン２４上には、反射型空間光変調素子１９が表示する光学像が拡大投影される。
【００６６】
また、この画像表示装置においては、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２及び反射型空間光変調素子１９は、入力される映像信号に応じて同期して駆動される。すなわち、入力部２５より入力された映像信号は、入力された映像信号を処理する信号処理回路２６において処理され、システムコントローラ２７に入力される。システムコントローラ２７は、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２及び反射型空間光変調素子１９を制御するための制御信号及び同期信号などを生成し、それぞれを偏光選択性ホログラム光学素子駆動回路１５及び空間光変調素子駆動回路２８に送る。偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２及び反射型空間光変調素子１９は、偏光選択性ホログラム光学素子駆動回路１５及び空間光変調素子駆動回路２８による制御に基づき、映像信号を正しく再生するよう同期して駆動される。偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２及び反射型空間光変調素子１９の駆動のタイミングは、図８に示すように、例えば、１フレーム（１／６０秒）の間に、Ｒ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）各色の順に２回ずつの表示を行うようになっており、サブフレームの周波数は３６０Ｈｚとなっている。
【００６７】
（５）反射型空間光変調素子を用いた画像表示装置の他の実施の形態
また、本発明に係る画像表示装置は、図９に示すように、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２の出射面に楔状のプリズム３６を取付けることにより、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２において回折されない照明光を外方側に逃がす構成としてもよい。
【００６８】
すなわち、この画像表示装置において、照明光源１６ａより放射された照明光は、光束断面形状の補正、光束断面光強度の均一化、発散角制御などの機能を有する照明光学系１６ｂに入射する。この照明光学系１６ｂは、図示しない偏光変換手段を含んでおり、この実施の形態の場合においては、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２への入射光がＰ偏光光となるように、Ｓ偏光成分の照明光の一部をその偏光方位を９０°回転させることによりＰ偏光光に変換して光利用効率を向上させる。
【００６９】
照明光学系１６ｂを通過した照明光は、次に、青色光を反射する青色光用ダイクロイックミラー１７Ｇを透過し、緑色光を反射する緑色光用ダイクロイックミラー１７Ｇを透過し、赤色光を反射する赤色光用ダイクロイックミラー１７Ｒに達する。これら各ダイクロイックミラー１７Ｂ，１７Ｇ，１７Ｒは、照明光源１６ａからの照明光の波長帯域のうちの一部分を反射することにより、照明光のバンドパス機能を果たす。これら各ダイクロイックミラー１７Ｂ，１７Ｇ，１７Ｒにおいて反射された青色光、緑色光、赤色光は、それぞれ入射側カップリングプリズム１３を介して、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２に入射する。なお、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２における回折効率の波長依存性を考慮して、赤色光用ダイクロイックミラー１７Ｒを最も後段に配置し、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２への入射角度を大きくしている。
【００７０】
入射側カップリングプリズム１３の照明光が入射される入射光学面１４には、コントラストを向上させるためにＰ偏光光を選択的に透過させる偏光板１８が設けられている。すなわち、各ダイクロイックミラー１７Ｂ，１７Ｇ，１７Ｒにおいて反射された青色光、緑色光、赤色光は、それぞれ偏光板１８を経て入射光学面１４より入射側カップリングプリズム１３に入射し、さらに、この入射側カップリングプリズム１３に光学的に接合された偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２に入射する。この偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２においては、前述したように、時分割的に所定の色の光のＰ偏光成分のみが回折され、この偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２より略々垂直に出射される。
【００７１】
このＰ偏光成分は、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２に光学的に密着接合された楔状のプリズム３６及びこのプリズム３６の光線出射面３７と平行な光線入射面３９を有する補正用プリズム３８を経て、反射型空間光変調素子１９に入射する。なお、プリズム３６の光線出射面３７と補正用プリズム３８の光線入射面３９との間は、空気層となっている。
【００７２】
一方、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２において回折されない色の光及び回折される色の光のＳ偏光成分は、この偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２において回折されずに、入射角度を保ったまま直進する。この実施の形態の場合、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２に対する照明光の入射角は約４０°となっており、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２に光学的に密着接合された楔状のプリズム３６の光線出射面３７に対する入射角は、約５０°に設定されている。したがって、この光線は、プリズム３６の光線出射面３７と空気との界面にて全反射され、プリズム３６の光線出射面３７から出射することはなく、反射型空間光変調素子１９に到達することはない。
【００７３】
この実施の形態において、反射型空間光変調素子１９としては、反射型ＴＮ液晶パネルが用いられている。この反射型空間光変調素子１９に入射した照明光のＰ偏光成分は、反射型空間光変調素子１９の各画素のスイッチング状態に応じて、Ｐ偏光状態のまま反射される（黒表示）か、あるいは、Ｓ偏光成分を有する偏光状態に変調されて反射される（白表示）。
【００７４】
反射型空間光変調素子１９においてそのまま反射されたＰ偏光成分は、再び、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２において回折され、入射側カップリングプリズム１３の入射光学面１４より射出し、偏光板１８側に戻る。そして、反射型空間光変調素子１９において変調されて反射されたＳ偏光成分は、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２において回折されることなく透過し、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２の硝子基板３に平行な入射側カップリングプリズム１３の出射光学面２１より射出する。入射側カップリングプリズム１３の出射光学面２１より出射したＳ偏光成分は、この出射光学面２１に接合されたＳ偏光成分のみを選択的に透過させる偏光板２２を経て、投射光学系２３に入射し、この投射光学系２３により、スクリーン２４上に投影される。このようにして、スクリーン２４上には、反射型空間光変調素子１９が表示する光学像が拡大投影される。
【００７５】
また、この画像表示装置においては、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２及び反射型空間光変調素子１９は、入力される映像信号に応じて同期して駆動される。すなわち、入力部２５より入力された映像信号は、入力された映像信号を処理する信号処理回路２６において処理され、システムコントローラ２７に入力される。システムコントローラ２７は、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２及び反射型空間光変調素子１９を制御するための制御信号及び同期信号などを生成し、それぞれを偏光選択性ホログラム光学素子駆動回路１５及び空間光変調素子駆動回路２８に送る。偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２及び反射型空間光変調素子１９は、偏光選択性ホログラム光学素子駆動回路１５及び空間光変調素子駆動回路２８による制御に基づき、映像信号を正しく再生するよう同期して駆動される。偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２及び反射型空間光変調素子１９の駆動のタイミングは、図８に示すように、例えば、１フレーム（１／６０秒）の間に、Ｒ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）各色の順に２回ずつの表示を行うようになっており、サブフレームの周波数は３６０Ｈｚとなっている。
【００７６】
〔２〕透過型空間光変調素子を用いた投射型の画像表示装置
（１）透過型空間光変調素子を用いた画像表示装置の実施の形態
本発明に係る画像表示装置は、図１０に示すように、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２と、透過型空間光変調素子３５とを用いて、投射型の画像表示装置として構成することもできる。
【００７７】
この実施の形態においては、透過型空間光変調素子３５として高温ポリシリコン液晶パネルを、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２としては、前述した画像表示装置と同様に、ホログラフイックＰＤＬＣパネルを用いている。透過型偏光選択性ホログラムカラースイッチの動作原理は、前述のものと同様である。
【００７８】
この画像表示装置においては、照明光源１６ａより放射された照明光は、光束断面形状の補正、光束断面光強度の均一化、発散角制御などの機能を有する照明光学系１６ｂに入射する。この照明光学系１６ｂは、図示しない偏光変換手段を含んでいる。この偏光変換手段は、この実施の形態においては、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２への入射光がＰ偏光光となるように、Ｓ偏光成分の照明光の一部の偏光方位を９０°回転させることによりＰ偏光光に変換し、光利用効率を向上させている。
【００７９】
照明光学系１６ｂを通過した照明光は、バンドパスフィルター２９に入射し、波長帯域のうちの一部の帯域のみが透過される。すなわち、このバンドパスフィルター２９は、照明光に対してバンドパス機能を果たす。
【００８０】
次に、この照明光は、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２に略々垂直に入射する。この偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２において、前述のように、所定の色成分のＰ偏光成分のみが回折され、この偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２の出射面に光学的に接合された出射側カップリングプリズム３０に入射面３１を介して斜めに入射する。出射側カップリングプリズム３０に斜めに入射した回折光は、入射面３１に対して傾斜された光学面３３より、この光学面３３に対して略々垂直に出射される。
【００８１】
一方、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２において回折されない色成分光及び回折される色成分のＳ偏光成分は、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２において回折されず、そのまま直進して、出射側カップリングプリズム３０の入射面３１に略々垂直に該出射側カップリングプリズム３０に入射する。このように偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２において回折されなかった照明光の成分は、出射側カップリングプリズム３０において入射面３１に対向して設けられた光吸収面３２において減衰（吸収）される。
【００８２】
出射側カップリングプリズム３０の光学面３３より射出した照明光は、集光レンズ３４を経て、透過型空間光変調素子３５に入射する。この透過型空間光変調素子３５に入射する照明光は、ほとんどがＰ偏光成分であるため、透過型空間光変調素子３５の照明光入射側に設けられた偏光板を熱劣化させることがなく、装置の信頼性を損なうことがなく、また、冷却手段などが不要であるため、装置構成の簡素化や低コスト化を実現することができる。透過型空間光変調素子３５に入射した照明光は、各画素ごとに輝度変調され、投射光学系２３によりスクリーン２４に投影される。このようにして、透過型空間光変調素子３５上に表示された光学像がスクリーン２４上に拡大投影される。
【００８３】
また、この画像表示装置においては、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２及び透過型空間光変調素子３５は、入力される映像信号に応じて同期して駆動される。すなわち、入力部２５より入力された映像信号は、入力された映像信号を処理する信号処理回路２６において処理され、システムコントローラ２７に入力される。システムコントローラ２７は、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２及び透過型空間光変調素子３５を制御するための制御信号及び同期信号などを生成し、それぞれを偏光選択性ホログラム光学素子駆動回路１５及び空間光変調素子駆動回路２８に送る。偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２及び透過型空間光変調素子３５は、偏光選択性ホログラム光学素子駆動回路１５及び空間光変調素子駆動回路２８による制御に基づき、映像信号を正しく再生するよう同期して駆動される。偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２及び透過型空間光変調素子３５の駆動のタイミングは、図１１に示すように、例えば、１フレーム（１／６０秒）の間に、Ｒ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）各色の順に１回ずつの表示を行うようになっており、サブフレームの周波数は１８０Ｈｚとなっている。
【００８４】
（２）透過型空間光変調素子を用いた画像表示装置の他の実施の形態
また、本発明に係る画像表示装置は、図１２に示すように、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２と、透過型空間光変調素子３５とを用いるとともに、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２に光学的に密着接合させた入射側カップリングプリズム１３を用いて、投射型の画像表示装置として構成することもできる。
【００８５】
この実施の形態においては、透過型空間光変調素子３５として高温ポリシリコン液晶パネルを、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２としては、前述した画像表示装置と同様に、ホログラフイックＰＤＬＣパネルを用いている。透過型偏光選択性ホログラムカラースイッチの動作原理は、前述のものと同様である。
【００８６】
この画像表示装置においては、照明光源１６ａより放射された照明光は、光束断面形状の補正、光束断面光強度の均一化、発散角制御などの機能を有する照明光学系１６ｂに入射する。この照明光学系１６ｂは、図示しない偏光変換手段を含んでいる。この偏光変換手段は、この実施の形態においては、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２への入射光がＰ偏光光となるように、Ｓ偏光成分の照明光の一部の偏光方位を９０°回転させることによりＰ偏光光に変換し、光利用効率を向上させている。
【００８７】
照明光学系１６ｂを通過した照明光は、バンドパスフィルター２９に入射し、波長帯域のうちの一部の帯域のみが透過される。すなわち、このバンドパスフィルター２９は、照明光に対してバンドパス機能を果たす。
【００８８】
次に、この照明光は、入射側カップリングプリズム１３の入射光学面１４より該入射側カップリングプリズム１３に入射し、さらに、この入射側カップリングプリズム１３に光学的に接合された偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２に入射する。この偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２においては、前述したように、時分割的に所定の色の光のＰ偏光成分のみが回折され、この偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２より略々垂直に出射される。
【００８９】
一方、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２において回折されない色成分光及び回折される色成分のＳ偏光成分は、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２において回折されず、そのまま直進して、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２に対して傾斜して出射される。
【００９０】
偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２から略々垂直に出射された照明光は、集光レンズ３４を経て、透過型空間光変調素子３５に入射する。この透過型空間光変調素子３５に入射する照明光は、ほとんどがＰ偏光成分であるため、透過型空間光変調素子３５の照明光入射側に設けられた偏光板を熱劣化させることがなく、装置の信頼性を損なうことがなく、また、冷却手段などが不要であるため、装置構成の簡素化や低コスト化を実現することができる。透過型空間光変調素子３５に入射した照明光は、各画素ごとに輝度変調され、投射光学系２３によりスクリーン２４に投影される。このようにして、透過型空間光変調素子３５上に表示された光学像がスクリーン２４上に拡大投影される。
【００９１】
また、この画像表示装置においては、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２及び透過型空間光変調素子３５は、入力される映像信号に応じて同期して駆動される。すなわち、入力部２５より入力された映像信号は、入力された映像信号を処理する信号処理回路２６において処理され、システムコントローラ２７に入力される。システムコントローラ２７は、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２及び透過型空間光変調素子３５を制御するための制御信号及び同期信号などを生成し、それぞれを偏光選択性ホログラム光学素子駆動回路１５及び空間光変調素子駆動回路２８に送る。偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２及び透過型空間光変調素子３５は、偏光選択性ホログラム光学素子駆動回路１５及び空間光変調素子駆動回路２８による制御に基づき、映像信号を正しく再生するよう同期して駆動される。偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２及び透過型空間光変調素子３５の駆動のタイミングは、図１１に示すように、例えば、１フレーム（１／６０秒）の間に、Ｒ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）各色の順に１回ずつの表示を行うようになっており、サブフレームの周波数は１８０Ｈｚとなっている。
【００９２】
なお、図１３に示すように、照明光整形用プリズム３０を追加して、偏光選択性ホログラムカラースイッチ１２の回折光の代わりに透過光を透過型空間光変調素子３５の照明光として用いてもよい。
【００９３】
【発明の効果】
上述のように、本発明に係る画像表示素子及び画像表示装置においては、透過型の偏光選択性ホログラム光学素子を用いて、反射型ホログラム光学素子を用いる場合に比較して同程度の回折効率の半値全幅を有しながら、ホログラム積層枚数の少ないの偏光選択性ホログラムカラースイッチを実現している。
【００９４】
また、この偏光選択性ホログラムカラースイッチにおいては、回折効果の有無が偏光依存性を有していることにより、空間光変調素子に入射させる照明光の偏光度を向上させ、表示画像のコントラストを改善することができる。
【００９５】
そして、偏光選択性ホログラムカラースイッチにて回折された偏光光を照明光として反射型空間光変調素子に入射させ、この反射型空間光変調素子からの変調光を再び偏光選択性ホログラムカラースイッチに入射させることにより、偏光検波をすることができるので、偏光選択性ホログラムカラースイッチは、カラースイッチの機能のみならず、偏光性ビームスプリッタの機能をも有することとなる。
【００９６】
すなわち、本発明は、偏光選択性ホログラム光学素子を用いた画像表示素子であって、偏光選択性ホログラム光学素子における回折波長帯域が充分に狭いことによって良好な色再現性を実現しながらも、光利用効率が高く、さらに、該偏光選択性ホログラム光学素子が偏光性ビームスプリッタの機能も兼ねることにより、構成が小型化、軽量化された画像表示素子を提供し、また、このような画像表示素子を有して構成された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】本発明に係る画像表示素子を構成するＨ−ＰＤＬＣ（偏光選択性ホログラム光学素子）の電圧非印加状態における構成を示す縦断面図である。
【図２】上記Ｈ−ＰＤＬＣの電圧印加状態における構成を示す縦断面図である。
【図３】上記Ｈ−ＰＤＬＣを積層して構成した偏光選択性カラースイッチの構成を示す縦断面図である。
【図４】上記Ｈ−ＰＤＬＣの電圧非印加状態における構成の他の形態を示す縦断面図である。
【図５】上記図４に示したＨ−ＰＤＬＣの電圧印加状態における構成を示す縦断面図である。
【図６】上記偏光選択性カラースイッチに入射側カップリングプリズムを設け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装置であって反射型空間光変調素子を用いた構成を示す側面図である。
【図８】上記画像表示装置における制御信号を示すタイミングチャートである。
【図９】本発明に係る画像表示装置であって反射型空間光変調素子を用いた構成の他の形態を示す側面図である。
【図１０】本発明に係る画像表示装置であって透過型空間光変調素子を用いた構成を示す側面図である。
【図１１】上記図１０に示した画像表示装置における制御信号を示すタイミングチャートである。
【図１２】本発明に係る画像表示装置であって透過型空間光変調素子を用いた構成の他の形態を示す側面図である。
【図１３】本発明に係る画像表示装置であって透過型空間光変調素子を用いさらに照明光整形用プリズムを用いた構成を示す側面図である。
【図１４】従来の画像表示素子を構成するＨ−ＰＤＬＣ（偏光選択性ホログラム光学素子）の電圧非印加状態における構成を示す縦断面図である。
【図１５】上記従来のＨ−ＰＤＬＣの電圧印加状態における構成を示す縦断面図である。
【図１６】従来の画像表示装置の構成を示す側面図である。
【図１７】Ｈ−ＰＤＬＣ（反射型）への照明光の入射状態（入射角３０°）を示す側面図である。
【図１８】上記図１７に示した状態における回折効率の波長依存性を示すグラフである。
【図１９】Ｈ−ＰＤＬＣ（透過型）への照明光の入射状態（入射角５５°）を示す側面図である。
【図２０】上記図１９に示した状態における回折効率の波長依存性を示すグラフである。
【図２１】Ｈ−ＰＤＬＣ（透過型）への照明光の入射状態（入射角８８°）を示す側面図である。
【図２２】上記図２１に示した状態における回折効率の波長依存性を示すグラフである。
【符号の説明】
１ ＰＤＬＣ、２ 透明電極、３ 硝子基板、４ 物体光、５ 再生光、６ 高分子領域、７ 液晶領域、８ ネマテック液晶分子、１１ 電源、１２ 偏光選択性カラースイッチ、１３ 入射側カップリングプリズム、１５ 偏光選択性カラースイッチ駆動回路、１６ａ 光源、１６ｂ 照明光学系、１９ 反射型空間光変調素子、２３ 投射光学系、２８ 空間光変調素子駆動回路、３０ 出射側カップリングプリズム、３５ 透過型空間光変調素子
Claims (15)
- 回折効率の波長依存性が互いに異なる複数の回折効率可変ホログラム層を有し、これら回折効率可変ホログラム層が、一対の基板とこれら一対の基板間において該基板の主面部に沿う方向に順次積層された屈折率異方性が互いに異なる状態をとりうる第１の領域と第２の領域とを有するものであって、一方の基板を介して照明光が入射される透過型の偏光選択性ホログラム光学素子と、
上記偏光選択性ホログラム光学素子の各回折効率可変ホログラム層の第１の領域及び／又は第２の領域に電界を印可することにより、該第１の領域及び第２の領域のうち少なくとも一方の屈折率異方性を変化させる該電界印可手段と、
上記電界印加手段を制御し、上記偏光選択性ホログラム光学素子における回折波長帯域の切り替えを行う偏光選択性ホログラム光学素子駆動手段と、
上記偏光選択性ホログラム光学素子により順次選択的に回折される照明光が入射され、この照明光に含まれる各色光の偏光状態を該色光の選択に同期して変調する反射型空間光変調素子と、
入力される画像信号を処理し、この処理結果に基づいて上記反射型空間光変調素子を駆動して、この反射型空間光変調素子に入射される各色光に対応したモノクロ画像表示を行わせる反射型空間光変調素子駆動手段と
を備え、
上記偏光選択性ホログラム光学素子は、上記照明光が、該照明光が入射される基板表面の法線に対して３０°以上９０°未満の入射角にて入射され、回折効率を上記電界印可手段により制御されつつ、入射された照明光のＰ偏光成分、または、Ｓ偏光成分を上記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おいて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回折させた偏光成分と直交する偏光成分に対する回折効率が１０％以下であることによりこの偏光成分の７０％以上をそのまま透過させる
ことを特徴とする画像表示素子。 - 第１の領域は屈折率等方性を有し、第２の領域は屈折率異方性を有する
ことを特徴とする請求項１記載の画像表示素子。 - 第１の領域は、主に、光重合性高分子材料、または、熱重合性高分子材料により構成され、第２の領域は、主に、液晶材料により構成されている
ことを特徴とする請求項１記載の画像表示素子。 - 液晶材料は、配向規制手段により配向制御されていることを特徴とする請求項３記載の画像表示素子。
- 第１の領域、第２の領域ともに、屈折率異方性を有することを特徴とする請求項１記載の画像表示素子。
- 第１の領域は、主に光硬化性液晶材料により構成され、第２の領域は、主に非重合性液晶材料により構成されている
ことを特徴とする請求項１記載の画像表示素子。 - 液晶材料は、配向規制手段により配向制御されていることを特徴とする請求項６記載の画像表示素子。
- 配向制御手段は、偏光選択性ホログラム光学素子の基板に設けられた配向膜、偏光選択性ホログラム光学素子に印可される電界、磁界、または、偏光選択性ホログラム光学素子に照射される光線のうちのいずれか、あるいは、これらの組み合わせである
ことを特徴とする請求項７記載の画像表示素子。 - 偏光選択性ホログラム光学素子へ入射する照明光は、Ｐ偏光光である
ことを特徴とする請求項１記載の画像表示素子。 - 偏光選択性ホログラム光学素子へ入射する照明光のうちの一部の波長帯域の光を減衰させるバンドパスフィルタを有し、
上記偏光選択性ホログラム光学素子へは、上記バンドパスフィルタを経た照明光が入射される
ことを特徴とする請求項１記載の画像表示素子。 - 偏光選択性ホログラム光学素子における回折光は、この偏光選択性ホログラム光学素子の照明光が入射される基板表面の法線に対して傾いて出射される
ことを特徴とする請求項１記載の画像表示素子。 - 偏光選択性ホログラム光学素子と反射型空間光変調素子とは、光学的に密着されて一体的に構成されている
ことを特徴とする請求項１記載の画像表示素子。 - 偏光選択性ホログラム光学素子と反射型空間光変調素子との間には、空気層が形成されている
ことを特徴とする請求項１記載の画像表示素子。 - 偏光選択性ホログラム光学素子の照明光入射面に光学的に密着して配設され、少なくとも照明光が略々垂直に入射される第１の光学面と、反射型空間光変調素子からの反射光が略々垂直に出射される第２の光学面とを有する入射側カップリングプリズムを備えている
ことを特徴とする請求項１記載の画像表示素子。 - 入射側は、照明光の偏光選択性ホログラム光学素子における内部反射光が入射する光吸収層が設けられた第３の光学面を有している
ことを特徴とする請求項１４記載の画像表示素子。
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