JP4757980B2 - Computer generated hologram and reflection type liquid crystal display device using the same - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、計算機ホログラム及びそれを用いた反射型液晶表示装置に関し、特に、所望の観察領域で白色に観察可能な計算機ホログラムとそれを反射板として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】
従来、反射型液晶表示装置の背面に配して反射拡散板として利用可能な計算機ホログラムが提案されている。例えば、特開平11−296054号には、斜めの所定の入射角で入射した光を所定の観察域内に回折する位相分布を有した計算機ホログラムが提案されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
この特開平11−296054号にて提案されている計算機ホログラムは、レリーフパターンの上に反射層を設けるタイプ、又は、透過タイプのホログラムであるため、広い波長域に対して回折が生じる。このため、明るさを向上させる等の目的で観察領域を狭く設定すると、波長による回折角の違いにより観察位置毎に観察される色が変化してしまうという問題があった。
【0004】
本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、所望の観察領域で白色に観察可能な計算機ホログラムとそれを反射板として用いた反射型液晶表示装置を提供することである。
【0005】
【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計算機ホログラムは、所定の入射角で入射した所定の基準波長の入射光を特定の角度範囲に拡散する計算機ホログラムにおいて、前記入射角で入射した0次透過光あるいは0次反射光に対して、前記基準波長を含み加法混色した場合に白色に見える波長範囲の最短波長の前記入射角の入射光の最大回折角が、その波長範囲の最長波長の前記入射角の入射光の最小回折角よりも大きくなるように構成されていることを特徴とするものである。
【0006】
この場合に、その計算機ホログラムが、2次元的にアレー状に配置された微小なセルの集合体からなる計算機ホログラムであって、そのセルは反射光若しくは透過光に対して各々独自の位相を与える光路長を有しており、かつ、垂直に入射する光束を所定の観察域内に実質的に回折し、その観察域外には実質的には回折しないような第1の位相分布と、斜めから所定の入射角で入射する光束を垂直に出射するような第2の位相分布とを加算して得られる位相分布を有しているものであってもよい。
【0007】
また、その計算機ホログラムが、2次元的にアレー状に配置された微小なセルの集合体からなる計算機ホログラムであって、そのセルは反射光若しくは透過光に対して各々独自の位相を与える光路長を有しており、その位相の分布が斜めから所定の入射角で入射する光束を所定の観察域内に実質的に回折し、その観察域外には実質的には回折しないような位相分布であり、かつ、垂直に入射する光束を前記の所定の観察域の位置がシフトした別の領域内に実質的に回折し、その別の領域外には実質的には回折しないような位相分布を有しているものであってもよい。
【0008】
また、そのセルは縦横に碁盤の目状に配置されているものであることが現実的である。
【0009】
また、基板の表面に凹凸のレリーフパターンが設けられ、その上に反射層が設けられてなる反射型の計算機ホログラムとしてもよい。
【0010】
また、最短波長が波長450nmであり、最長波長が波長650nmであるように構成されているものとすることができる。
【0011】
また、照明光の入射角をθ、最短波長をλmin 、最長波長をλmax としたときに、基準波長λsta における最小回折角β1sta、最大回折角β2staが、
を満足することが望ましい。
【0012】
また、最短波長をλmin 、最長波長をλmax 、基準波長λsta における最小回折角をβ1sta、最大回折角をβ2staとしたときに、前記入射角θが、
を満足することが望ましい。
【0013】
本発明の表示装置は、以上の計算機ホログラムを反射板として用いていることを特徴とするものである。
【0014】
また、本発明の反射型液晶表示装置は、以上の計算機ホログラムを反射板として背面に配置していることを特徴とするものである。
【0015】
もう1つの本発明の反射型液晶表示装置は、以上の計算機ホログラムを液晶層と背面基板の間に反射板として配置していることを特徴とするものである。
【0016】
本発明においては、所定の入射角で入射した0次透過光あるいは0次反射光に対して、基準波長を含み加法混色した場合に白色に見える波長範囲の最短波長のその入射角の入射光の最大回折角が、その波長範囲の最長波長のその入射角の入射光の最小回折角よりも大きくなるように構成されているので、その最短波長の最大回折角と最長波長の最小回折角の角度範囲で白色に観察可能で、その範囲で視点を移動させても観察される色に変化が起きないものであり、反射型液晶表示装置の反射板等に適したものである。
【0017】
【発明の実施の形態】
本発明による計算機ホログラムは、特開平11−183716号又は特開平11−296054号に基づいて得られた計算機ホログラムを前提とするものである。これらの計算機ホログラムを簡単に説明する。
【0018】
特開平11−183716号に基づく計算機ホログラムは、その特許請求の範囲に記載されているものであり、2次元的にアレー状に配置された微小なセルの集合体からなる計算機ホログラムであって、前記セルは反射光若しくは透過光に対して各々独自の位相を与える光路長を有しており、かつ、垂直に入射する光束を所定の観察域内に実質的に回折し、その観察域外には実質的には回折しないような第1の位相分布と、斜めから所定の入射角で入射する光束を垂直に出射するような第2の位相分布とを加算して得られる位相分布を有していることを特徴とするものである。
【0019】
ここで、第1の位相分布は、ホログラム面に垂直に平行光で照明した場合に所定の観察域へのみ光を回折する計算機ホログラムの位相分布φHOLOであり、図5(a)に例示したような位相分布φHOLOのものである。第2の位相分布は、背後から入射角θで入射した光を正面方向へ回折する位相回折格子の位相分布(図中の破線)をデジタルな階段状の関数に近似した位相分布φGRATであり、図5(b)に例示したような位相分布φGRATのものである。この位相分布φHOLOと位相回折格子の位相分布φGRATとを足し合わせてなる計算機ホログラムの位相分布φが、特開平11−183716号に基づく計算機ホログラムの位相分布であり、図5(c)に例示したような位相分布φとなる。この位相分布φを有する計算機ホログラムは、背後から斜めに入射角θで入射した光を所定の前方の観察域へ回折する計算機ホログラムである。
【0020】
このようにして求めた位相分布から、実際のホログラムの深さ分布を求めるが、これは反射型と透過型で異なる。図5(c)のφ(x,y)を、反射型の場合は次の式(8a)に基づいて、透過型の場合は次の式(8b)に基づいて、計算機ホログラムの深さD(x,y)に変換する。
【0021】
D(x,y)=λφ(x,y)/(4π) ・・・(8a)
D(x,y)=λφ(x,y)/{2π(n1 −n0 )} ・・・(8b)
ここで、λは使用中心波長、n1 ,n0 は透過型ホログラムを構成する2つの材質の屈折率である。
【0022】
反射型の場合、図6(a)に断面図を示すように、基板10の表面に上記式(8a)で求めたD(x,y)の深さのレリーフパターン11を形成し、そのレリーフパターン11上にアルミニウム等の反射層12を設けることによって特開平11−183716号に基づく計算機ホログラム1が得られる。透過型の場合、図6(b)に断面図を示すように、上記式(8b)で求めたD(x,y)の深さのレリーフパターン11を形成することによって特開平11−183716号に基づく計算機ホログラム1が得られる。図7にこの計算機ホログラム1の平面図を示す。この計算機ホログラム1は縦横N×M(図7の場合は16×16)の碁盤の目状に配置された縦横寸法がΔの微小なセル13の集合体からなり、各セル13がそれぞれ式(8a)もしくは(8b)で与えられる深さD(x,y)を有している。
【0023】
また、特開平11−296054号に基づく計算機ホログラムは、2次元的にアレー状に配置された微小なセルの集合体からなる計算機ホログラムであって、前記セルは反射光若しくは透過光に対して各々独自の位相を与える光路長を有しており、該位相の分布が斜めから所定の入射角で入射する光束を所定の観察域内に実質的に回折し、その観察域外には実質的には回折しないような位相分布であり、かつ、垂直に入射する光束を前記の所定の観察域の位置がシフトした別の領域内に実質的に回折し、その別の領域外には実質的には回折しないような位相分布を有していることを特徴とするものである。
【0024】
すなわち、まず、背後からホログラム面に垂直に平行光で照明した場合に、再生像面で振幅ImgAmpを略一定にする領域を、u0 ≦u≦u1 ,v0 ≦v≦v1 でなく、それからシフトしたu0 ’≦u≦u1 ’,v0 ’≦v≦v1 ’の範囲に指定し、その領域外で略0になるような計算機ホログラムを設計する((u,v)は再生像面での座標)。すなわち、図8(a)に示すように、垂直に平行な照明光3’が入射の場合に再生像面2のu0 ’≦u≦u1 ’,v0 ’≦v≦v1 ’の範囲にのみ光を回折する計算機ホログラム1を設計する。計算機ホログラム1の位相HoloPha の分布を回折格子であるとすると、計算機ホログラム1による回折は、回折格子の基本式、
sinθd −sinθi =mλ/d ・・・(7)
で表される。ここで、mは回折次数、dは回折格子のピッチ、λは波長、θi は入射角、θd は回折角である。設計条件から、θi =0、α0 ’≦θd ≦α1 ’である。ただし、α0 ’は入射位置から再生像面2のu0 ’の位置へ回折する角度、α1 ’はu1 ’の位置へ回折する角度である。
【0025】
このような計算機ホログラム1に入射角θで斜めに平行な照明光3が入射する場合を図8(b)に示す。回折の式(7)から、この場合は、θi =θとなり、図の場合を正とすると、回折角θd の範囲α0 ≦θd ≦α1 は符号を含めて考えるとα0 ’≦θd ≦α1 ’より大きい方へシフトすることになり、図8(b)に示すように、再生像面2での回折範囲u0 ≦u≦u1 (u0 は入射位置から回折角α0 で回折光が再生像面2へ入射する位置、u1 は回折角α1 で入射する位置)を計算機ホログラム1の略正面方向にすることが可能である。v方向についても同様である。
【0026】
以上のように、特開平11−296054号に基づく計算機ホログラムは、背後からホログラム面に垂直に平行光を入射させた場合に前方の所定の観察域(u0 ≦u≦u1 ,v0 ≦v≦v1 )から位置がシフトした前方の別の領域(u0 ’≦u≦u1 ’,v0 ’≦v≦v1 ’)へ回折する計算機ホログラムであって、その背後からホログラム面に斜めに平行光を入射させた場合に前方の所定の観察域(u0 ≦u≦u1 ,v0 ≦v≦v1 )へ回折する計算機ホログラムである。
【0027】
この場合も、求めた位相分布(x,y)から、反射型の場合は式(8a)に基づいて、透過型の場合は式(8b)に基づいて、図6のように、計算機ホログラムの深さD(x,y)に変換することにより、図7の平面図のような計算機ホログラム1が得られる。
【0028】
このように、本発明の前提の特開平11−183716号又は特開平11−296054号に基づく計算機ホログラムは、斜めから所定の入射角θで入射する基準波長λsta の照明光を所定の観察域内に実質的に回折し、その観察域外には実質的には回折しないような位相分布を持つ計算機ホログラムである。以後、説明の簡単のため、照明光の入射方向を上下方向とし、左右方向では照明光は垂直に入射し、計算機ホログラムからは左右方向では左右略対称の範囲に回折するものとする。また、本発明の前提の計算機ホログラムは透過型でも反射型でもよいが、分かりやすくするために以下の検討では透過型とする。
【0029】
まず、このような計算機ホログラムの観察領域が狭い場合と広い場合について、照明光の波長が変化した場合に再生光がどのように観察されるか説明する。
【0030】
図1に、観察領域が狭く設定されている計算機ホログラム1の場合の、波長による観察領域の変化の様子を概念的に示す。照明光3の基準波長λsta を最短波長λmin と最長波長λmax の間にあるものとし、その基準波長λsta について計算機ホログラム1が設計されている。図1(b)のように、基準波長λsta にて、ある斜めの入射角θ(角度は、ホログラム1の法線からの角度で、左周りの角度を正とする。)で入射した照明光3が正面付近の角度範囲β1sta〜β2sta(添字1は最小回折角、添字2は最大回折角とする。なお、最小回折角は、0次透過光に対して最小の角度をなす回折光の回折角、最大回折角は、0次透過光に対して最大の角度をなす回折光の回折角)内に回折光4sta として広がるように設定されている場合、同じ斜めの入射角θで最短波長λmin の照明光3を入射すると、計算機ホログラム1は位相回折格子の集合と考えられるので、図1(a)に示すように、回折光4min が入射する観察領域(角度範囲β1min〜β2min)は基準波長λsta の場合よりも下側(0次透過光側)にずれる。同じ斜めの入射角θで最長波長λmax の照明光3を入射すると、図1(c)に示すように、回折光4max が入射する観察領域(角度範囲β1max〜β2max)は基準波長λsta の場合よりも上側(0次透過光側とは反対側)にずれる。なお、上記のように回折光の分布をするのは、ホログラム1の法線と照明光3が含まれる平面内であり、ホログラム1の法線を含みその平面に直交する面内では照明光3の両側に回折光が分布する場合を考えている。
【0031】
さて、このとき、図2に示すように、各回折光4min 、4sta 、4max 全てが重なる部分がないため、全ての波長を同時に観察可能で波長範囲λmin 〜λsta 〜λmax が可視光域の場合には白色に観察できる領域は存在せず、観察位置(角度)によって観察される色が変わってしまう。
【0032】
図3に、観察領域が広く設定されている計算機ホログラム1の場合の、波長による観察領域の変化の様子を概念的に示す。この場合も図1の観察領域が狭い場合と同様、最短波長λmin や最長波長λmax を入射した場合(図3(a)、(c))、観察領域(角度範囲β1min〜β2min、β1max〜β2max)は基準波長λsta の場合と比べ、それぞれ下側、上側にずれる。しかし、観察領域が広いので、図4に示すように、回折光4min 、4sta 、4max が全てが重なる正面付近5(角度範囲β1max〜β2min)で観察した場合、全ての波長を同時に観察することが可能である。全ての波長を同時に観察可能な領域5内を観察者が移動する限り、観察される色の変化はほとんど感じられない。
【0033】
このように想定した全ての波長が観察可能な領域5が存在するための条件は、図4から明らかなように、想定した波長範囲の最短波長λmin の最大回折角β2minが最長波長λmax の最小回折角β1maxよりも大きいことである。0次透過光に対して回折光4min 、4sta 、4max が図1〜図4のとは反対に分布する場合は、この関係は逆転するので、0次透過光を基準にすると、0次透過光に対してなす最短波長λmin の最大回折角β2minが最長波長λmax の最小回折角β1maxよりも大きいことと言うことが言える。
【0034】
全ての波長が重なって白色に観察可能なためには、λmin =450nm、λmax =650nmとすれば十分である。したがって、少なくとも最短波長λmin =450nmの最大回折角β2minが最長波長λmax =650nmの最小回折角β1maxよりも大きい計算機ホログラム1においては、領域5内で観察する限り、色の変化がなく白色に観察可能である。
【0035】
以上から、ある観察領域で、所望の全ての波長を観察したい場合、以下の手順で基準波長λsta の観察領域β1sta〜β2staを決定ればよいことが分かる。
(ア)再生用の照明光3の入射角θを決める。
(イ)白色に見える所望の観察角度範囲5を決める。すなわち、最小回折角γ1 (=β1max)〜最大回折角γ2 (=β2min)を決める。
【0036】
ここで、最小回折角γ1 、最大回折角γ2 は、0次透過光に対してなす最小、最大の角度をなす回折角であり、図1〜図4の分布の場合は、θ<γ1 ≦γ2 の関係にあり、図1〜図4のとは反対に回折光が分布する場合は、θ>γ1 ≧γ2 の関係にある。
(ウ)所望の観察波長を決める(最短波長λmin 〜最長波長λmax )。
(エ)基準波長λsta をλmin ≦λsta ≦λmax の範囲で決める。
(オ)回折の式(7)に基づいて、以下の式(1)を用いて、最小回折角γ1 、最長波長λmax から、基準波長λsta における最小回折角β1staを求める。
【0037】
(sinγ1 −sinθ)/λmax =(sinβ1sta−sinθ)/λsta sinβ1sta=sinθ+(sinγ1 −sinθ)×λsta /λmax
・・・(1)
(カ)同様に、回折の式(7)に基づいて、以下の式(2)を用いて、最大回折角γ2 、最短波長λmin から、基準波長λsta における最大回折角β2staを求める。
【0038】
(sinγ2 −sinθ)/λmin =(sinβ2sta−sinθ)/λsta sinβ2sta=sinθ+(sinγ2 −sinθ)×λsta /λmin
・・・(2)
そして、照明光の入射角θ、基準波長λsta において、最小回折角β1staと最大回折角β2staとなるように、計算機ホログラム1を特開平11−183716号又は特開平11−296054号に基づいて作製することにより、再生用の照明光3の入射角θに対して、観察角度γ1 〜γ2 の範囲で波長λmin 〜λmax が観測可能で白色に見える拡散ホログラムが得られる。
【0039】
以上は、照明光の所望の入射角θ、回折範囲γ1 〜γ2 、波長範囲λmin 〜λmax を与えたときの、計算に用いる回折角度範囲β1sta〜β2staの求め方である。
【0040】
一方、基準波長λsta 、照明光の入射角θに対して、最小回折角β1sta、最大回折角β2staが与えられたときに、波長範囲λmin 〜λmax の光を同時に観察可能で白色に見える領域が存在するための条件は、最長波長λmax の最小回折角β1max=γ1 と、最短波長λmin の最大回折角β2min=γ2 とを用いて、以下のように与えられる。
(1)回折光が0次透過光に対して正の側に存在する場合(図1〜図4)、
(2)回折光が0次透過光に対して負の側に存在する場合(図1〜図4のとは反対)、
したがって、式(3)は回折光が正の側、負の側何れのときも成り立つ式である。
【0041】
この式(3)は、照明光の入射角θ、所望の観察波長範囲λmin 〜λmax を設定したときに、ある基準波長λsta における回折角度範囲β1sta〜β2staをこの式(3)を満足するように設定すれば、所望の観察波長範囲λmin 〜λmax 全てを同時に観察可能な範囲γ1 〜γ2 が存在することを意味している。
【0042】
また、式(3)を変形すると、
となる。この式(4)は、所望の観察波長範囲λmin 〜λmax 、ある基準波長λsta における回折角度範囲β1sta〜β2staを与えたときに、この式(4)を満足するような照明光の入射角θを設定した場合にのみ、所望の観察波長範囲λmin 〜λmax 全てを同時に観察可能な範囲γ1 〜γ2 が存在することを意味している。
【0043】
なお、以上では、ホログラム1の法線と照明光3が含まれる平面内についてのみ考えたが、ホログラム1の法線を含みその平面に直交する面内では照明光3の両側に回折光が分布することを前提にしているので、この面内の方向においては、最短波長λmin での分布範囲が白色に観察できる領域であり、その範囲は基準波長λsta での観察領域を上記と同様に変換することにより求められる。
【0044】
このような計算機ホログラム1を例えば図9に示した反射型液晶表示装置の反射拡散板31として用いることにより、液晶表示素子40の表示側から入射する照明光32をその前方の所定の観察域へのみ拡散反射させ、明所で自発光型のバックライトを使用することなしに明るく白い表示が可能なものとなる。図9において、液晶表示素子40は、例えば、2枚のガラス基板41、42の間に挟持されたツイストネマチック等の液晶層45からなり、一方のガラス基板42内表面には一様な透明対向電極44が設けられ、他方のガラス基板41内表面には画素毎に独立に透明表示電極43と不図示のブラック・マトリックスが設けられている。なお、カラー表示装置の場合は、他方のガラス基板41内表面には液晶セルR、G、B毎に独立に透明表示電極43とカラーフィルター、ブラック・マトリックスが設けられている。また、電極43、44の液晶層45側には不図示の配向層も設けられており、さらに、観察側ガラス基板41外表面には偏光板46が、観察側とは反対側のガラス基板42外表面には偏光板47がそれぞれ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。このような液晶表示素子40の透明表示電極と透明対向電極間に印加する電圧を制御してその透過状態を変化させることにより、数字、文字、記号、絵柄等が選択的に表示が可能なものである。そして、反射拡散板31は図6(a)に示したような構成の本発明に基づく計算機ホログラム1からなり、その反射拡散板31を液晶表示素子40の観察側とは反対側に配置し、液晶表示素子40の表示側から入射する所望の観察波長範囲λmin 〜λmax を含む照明光32をその裏面に配置したこの反射拡散板31で前方へ拡散反射させ、明所で自発光型のバックライトを使用することなしに白い表示が可能なものとなる。
【0045】
また、上記の本発明に基づく計算機ホログラム1は、図10に示したように、反射型液晶表示装置の液晶層45と背面基板42’の間に反射板として配置してもよい。この場合は、計算機ホログラム1の反射層12が光反射性電極44’を兼ねることになる。
【0046】
次に、具体的な1つの実施例を説明する。図4のような特性の計算機ホログラム1としては縦横32×32の碁盤の目状のセルに分割し、角度表示の再生像面も同様に縦横32×32の碁盤の目状のセルに分割した場合のホログラム面の位相分布HoloPha を図11に示す。この計算機ホログラム1は、各セルの位相を−π〜+πの間を16段階に量子化したものであり、特開平11−296054号に基づいて、設計波長500nmの平行光を垂直に照明するものとしている。その垂直入射のときの再生像面での振幅分布ImgAmpを図12に示す。所望の6×5の範囲に回折光が分布している。
【0047】
この計算機ホログラム1に、入射角θ=−35°に変更して照明したときの、基準波長λsta =500nmの場合の再生像面での振幅分布ImgAmpを図13に示す。図12の0°入射のときよりも下側に回折光が分布している。
【0048】
この計算機ホログラム1に入射角θ=−35°で、最短波長λmin =400nmの場合の再生像面での振幅分布ImgAmpを図14に示す。図13の基準波長λsta =500nmのときよりも下側(0次透過光側)に回折光が分布している。
【0049】
また、入射角θ=−35°で、最長波長λmax =700nmの場合の再生像面での振幅分布ImgAmpを図15に示す。図13の基準波長λsta =500nmのときよりも上側(0次透過光とは反対側)に回折光が分布している。
【0050】
これら図13〜図15の回折光の分布範囲である視域を模式的に重ね合わせた図が図16である。縦方向の回折角をβy 、横方向の回折角をβx で表してある。この図から明らかなように、波長範囲400nm〜700nmにおいて縦方向で全ての波長の光が見える視域は、波長範囲の最短波長の最大回折角と最長波長の最小回折角の間となる。また、横方向においては、最短波長の回折角範囲となる。
【0051】
なお、以上の実施例は、本発明の計算機ホログラム1が具体的に演算可能であることを示すための例にすぎず、実際の計算機ホログラム1を構成するには、セルの数をケタ違いに増加させて演算する。
【0052】
以上、本発明による計算機ホログラムを原理と実施例に基づいて説明してきたが、これらに限定されず種々の変形が可能である。また、本発明の計算機ホログラムは、反射型液晶表示装置用の反射板以外にも、例えば表示用の反射板等に用いることが可能である。また、本発明の計算機ホログラムは反射板だけでなく、反射層12を設けないで透過型として透過板として構成してもよい。
【0053】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の計算機ホログラムによると、所定の入射角で入射した0次透過光あるいは0次反射光に対して、基準波長を含み加法混色した場合に白色に見える波長範囲の最短波長のその入射角の入射光の最大回折角が、その波長範囲の最長波長のその入射角の入射光の最小回折角よりも大きくなるように構成されているので、その最短波長の最大回折角と最長波長の最小回折角の角度範囲で白色に観察可能で、その範囲で視点を移動させても観察される色に変化が起きないものであり、反射型液晶表示装置の反射板等に適したものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】観察領域が狭く設定されている計算機ホログラムの場合の波長による観察領域の変化の様子を概念的に示す図である。
【図2】図1の場合に白色に観察できる領域が存在しないことを概念的に示す図である。
【図3】観察領域が広く設定されている計算機ホログラムの場合の波長による観察領域の変化の様子を概念的に示す図である。
【図4】図3の本発明に基づく計算機ホログラムには白色に観察できる領域が存在することを概念的に示す図である。
【図5】本発明の前提となる第1の計算機ホログラムの構成を説明するための図である。
【図6】本発明の計算機ホログラムの構成を示す断面図である。
【図7】本発明による計算機ホログラムの平面図である。
【図8】本発明の前提となる第2の計算機ホログラムの垂直照明と斜め照明の場合の回折範囲を対比して示す図である。
【図9】本発明による反射型液晶表示装置の構成を示す断面図である。
【図10】本発明による計算機ホログラム反射板を適用した別の反射型液晶表示装置の構成を示す断面図である。
【図11】本発明の1実施例の計算機ホログラムのホログラム面の位相分布を示す図である。
【図12】図11の実施例の計算機ホログラムの設計波長での垂直照明のときの再生像面での振幅分布を示す図である。
【図13】図11の実施例の計算機ホログラムの基準波長での斜め照明のときの再生像面での振幅分布を示す図である。
【図14】図11の実施例の計算機ホログラムの最短波長での斜め照明のときの再生像面での振幅分布を示す図である。
【図15】図11の実施例の計算機ホログラムの最長波長での斜め照明のときの再生像面での振幅分布を示す図である。
【図16】図13〜図15の回折光の分布範囲である視域を模式的に重ね合わせた図である。
【符号の説明】
1…計算機ホログラム
2…再生像面
3…照明光
3’…照明光
4sta …基準波長の回折光
4min …最短波長の回折光
4max …最長波長の回折光
5…全ての波長を同時に観察可能な領域
10…基板
11…レリーフパターン
12…反射層
13…セル
31…反射拡散板
32…照明光
40…液晶表示素子
41、42…ガラス基板
43…透明表示電極
44…透明対向電極
45…液晶層
46、47…偏光板
42’…背面基板
44’…反射性電極[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a computer generated hologram and a reflection type liquid crystal display using the same, and more particularly to a computer generated hologram that can be observed in white in a desired observation region and a reflection type liquid crystal display using the same.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, there has been proposed a computer generated hologram that can be used as a reflection diffusion plate by being disposed on the back surface of a reflective liquid crystal display device. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-296054 proposes a computer generated hologram having a phase distribution that diffracts light incident at a predetermined oblique incident angle into a predetermined observation area.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
The computer generated hologram proposed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-296054 is a type in which a reflective layer is provided on a relief pattern or a transmission type hologram, and therefore diffraction occurs over a wide wavelength range. For this reason, when the observation area is set narrow for the purpose of improving brightness, there is a problem that the color observed at each observation position changes due to the difference in diffraction angle depending on the wavelength.
[0004]
The present invention has been made in view of such problems in the prior art, and an object of the present invention is to provide a computer generated hologram that can be observed in white in a desired observation region and a reflective liquid crystal display device using the same as a reflector. Is to provide.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The computer generated hologram of the present invention that achieves the above object is a computer generated hologram that diffuses incident light of a predetermined reference wavelength that is incident at a predetermined incident angle into a specific angle range. For the next reflected light, the maximum diffraction angle of the incident light of the shortest wavelength in the wavelength range that appears white when additively mixed including the reference wavelength is the incident angle of the longest wavelength in the wavelength range. It is configured to be larger than the minimum diffraction angle of light.
[0006]
In this case, the computer generated hologram is a computer generated hologram composed of a collection of minute cells arranged two-dimensionally in an array, and each cell gives a unique phase to reflected light or transmitted light. A first phase distribution that has an optical path length and that substantially diffracts a vertically incident light beam within a predetermined observation area and does not substantially diffract outside the observation area; It may have a phase distribution obtained by adding a second phase distribution that vertically emits a light beam incident at an incident angle of.
[0007]
Further, the computer generated hologram is a computer generated hologram composed of a collection of minute cells arranged two-dimensionally in an array, and each cell has an optical path length that gives a unique phase to reflected light or transmitted light. The phase distribution is such that the light beam incident at a predetermined incident angle from an oblique angle is substantially diffracted within a predetermined observation area and is not substantially diffracted outside the observation area. In addition, the perpendicularly incident light beam has a phase distribution that substantially diffracts into another region where the position of the predetermined observation region is shifted and does not substantially diffract outside the other region. It may be what you are doing.
[0008]
Further, it is realistic that the cells are arranged in a grid pattern vertically and horizontally.
[0009]
Further, it may be a reflection type computer generated hologram in which an uneven relief pattern is provided on the surface of the substrate and a reflection layer is provided thereon.
[0010]
The shortest wavelength may be 450 nm and the longest wavelength may be 650 nm.
[0011]
Also, the incident angle of illumination light is θ, and the shortest wavelength is λmin, The longest wavelength λmaxThe reference wavelength λstaMinimum diffraction angle β1sta, Maximum diffraction angle β2staBut,
It is desirable to satisfy
[0012]
The shortest wavelength is λmin, The longest wavelength λmaxReference wavelength λstaΒ is the minimum diffraction angle1sta, The maximum diffraction angle is β2staWhen the incident angle θ is
It is desirable to satisfy
[0013]
The display device of the present invention is characterized by using the above computer generated hologram as a reflection plate.
[0014]
The reflection type liquid crystal display device of the present invention is characterized in that the above-mentioned computer generated hologram is arranged on the back surface as a reflection plate.
[0015]
Another reflection type liquid crystal display device of the present invention is characterized in that the above-mentioned computer generated hologram is arranged as a reflection plate between a liquid crystal layer and a back substrate.
[0016]
In the present invention, the 0th-order transmitted light or the 0th-order reflected light incident at a predetermined incident angle includes the reference wavelength, and when additive color mixing is performed, the incident light of the incident angle at the shortest wavelength in the wavelength range that appears white appears. Since the maximum diffraction angle is configured to be larger than the minimum diffraction angle of the incident light at the incident angle of the longest wavelength in the wavelength range, the maximum diffraction angle of the shortest wavelength and the minimum diffraction angle of the longest wavelength It can be observed in white in the range, and the observed color does not change even if the viewpoint is moved in the range, and is suitable for a reflector of a reflective liquid crystal display device.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The computer generated hologram according to the present invention is premised on a computer generated hologram obtained based on Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-183716 or Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-296054. These computer generated holograms will be briefly described.
[0018]
A computer generated hologram based on Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-183716 is a computer generated hologram which is described in the scope of claims and is composed of a collection of minute cells arranged two-dimensionally in an array, Each of the cells has an optical path length that gives a unique phase to reflected light or transmitted light, and substantially diffracts a vertically incident light beam within a predetermined observation area, and substantially outside the observation area. In particular, it has a phase distribution obtained by adding a first phase distribution that is not diffracted and a second phase distribution that emits a light beam incident obliquely at a predetermined incident angle vertically. It is characterized by this.
[0019]
Here, the first phase distribution is a phase distribution φ of a computer generated hologram that diffracts light only to a predetermined observation area when illuminated with parallel light perpendicular to the hologram surface.HOLOAnd the phase distribution φ as illustrated in FIG.HOLObelongs to. The second phase distribution is a phase distribution φ obtained by approximating the phase distribution (broken line in the figure) of the phase diffraction grating that diffracts light incident at an incident angle θ from the back to the front direction to a digital step-like function.GRATAnd the phase distribution φ as illustrated in FIG.GRATbelongs to. This phase distribution φHOLOAnd phase distribution of phase grating φGRATIs the phase distribution φ of the computer generated hologram based on Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-183716, and the phase distribution φ illustrated in FIG. 5C is obtained. The computer generated hologram having the phase distribution φ is a computer generated hologram that diffracts light incident at an incident angle θ obliquely from behind into a predetermined front observation area.
[0020]
The actual hologram depth distribution is obtained from the phase distribution thus obtained, which is different between the reflection type and the transmission type. In FIG. 5C, φ (x, y) is calculated based on the following equation (8a) in the case of the reflection type, and based on the following equation (8b) in the case of the transmission type. Convert to (x, y).
[0021]
D (x, y) = λφ (x, y) / (4π) (8a)
D (x, y) = λφ (x, y) / {2π (n1-N0)} (8b)
Where λ is the center wavelength used, n1, N0Is the refractive index of the two materials constituting the transmission hologram.
[0022]
In the case of the reflection type, as shown in the sectional view of FIG. 6A, a
[0023]
Further, a computer generated hologram based on Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-296054 is a computer generated hologram composed of a collection of minute cells arranged two-dimensionally in the form of an array. It has an optical path length that gives a unique phase, and the phase distribution diffracts a light beam incident from a slant at a predetermined incident angle into a predetermined observation area, and substantially diffracts outside the observation area. Phase distribution that does not occur, and the vertically incident light beam is substantially diffracted into another area where the position of the predetermined observation area is shifted, and is substantially diffracted outside the other area. It has a phase distribution that does not occur.
[0024]
That is, first, a region in which the amplitude ImgAmp is made substantially constant on the reproduced image plane when illuminated with parallel light from the back perpendicularly to the hologram plane,0≦ u ≦ u1, V0≦ v ≦ v1But then shifted u0′ ≦ u ≦ u1', V0′ ≦ v ≦ v1A computer hologram is designed so as to be in the range 'and to be substantially 0 outside that region ((u, v) are coordinates on the reproduction image plane). That is, as shown in FIG. 8 (a), when the illumination light 3 'parallel to the vertical is incident, u on the reproduced
sinθd-Sinθi= Mλ / d (7)
It is represented by Where m is the diffraction order, d is the pitch of the diffraction grating, λ is the wavelength, θiIs the incident angle, θdIs the diffraction angle. From design conditions, θi= 0, α0′ ≦ θd≦ α1'. Where α0'Represents the u of the reproduced
[0025]
FIG. 8B shows a case where the
[0026]
As described above, the computer generated hologram based on Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-296054 has a predetermined observation area (u in the front) when parallel light is incident perpendicularly to the hologram surface from behind.0≦ u ≦ u1, V0≦ v ≦ v1) To another area in the front (u0′ ≦ u ≦ u1', V0′ ≦ v ≦ v1′) Is a computer generated hologram that diffracts to a predetermined observation area (u) ahead when parallel light is obliquely incident on the hologram surface from behind.0≦ u ≦ u1, V0≦ v ≦ v1It is a computer generated hologram that diffracts to).
[0027]
Also in this case, from the obtained phase distribution (x, y), based on the equation (8a) in the case of the reflection type and on the basis of the equation (8b) in the case of the transmission type, as shown in FIG. By converting to the depth D (x, y), the computer generated
[0028]
As described above, the computer generated hologram based on Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-183716 or Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-296054 on the premise of the present invention has a reference wavelength λ incident at a predetermined incident angle θ from an oblique direction.staIs a computer generated hologram having a phase distribution that substantially diffracts the illumination light within a predetermined observation area and does not substantially diffract outside the observation area. Hereinafter, for the sake of simplicity, it is assumed that the incident direction of the illumination light is the vertical direction, the illumination light is incident vertically in the left-right direction, and is diffracted from the computer hologram into a substantially symmetrical range in the left-right direction. In addition, the computer hologram as a premise of the present invention may be a transmission type or a reflection type. However, for the sake of easy understanding, the computer hologram is assumed to be a transmission type in the following examination.
[0029]
First, how the reproduced light is observed when the wavelength of the illumination light is changed in the case where the observation area of the computer generated hologram is narrow and wide is described.
[0030]
FIG. 1 conceptually shows how the observation area changes depending on the wavelength in the case of the computer generated
[0031]
At this time, as shown in FIG.min4sta4maxSince there is no overlapping part, all wavelengths can be observed simultaneously and the wavelength range λmin~ Λsta~ ΛmaxIn the visible light region, there is no region that can be observed in white, and the observed color changes depending on the observation position (angle).
[0032]
FIG. 3 conceptually shows how the observation area changes depending on the wavelength in the case of the computer generated
[0033]
The condition for the existence of the
[0034]
In order for all wavelengths to overlap and be observable in white, λmin= 450 nm, λmax= 650 nm is sufficient. Therefore, at least the shortest wavelength λmin= 450 nm maximum diffraction angle β2minIs the longest wavelength λmax= Minimum diffraction angle β of 650 nm1maxIf the
[0035]
From the above, when you want to observe all desired wavelengths in a certain observation area, follow the procedure below to set the reference wavelength λ.staObservation region β1sta~ Β2staIt can be seen that it should be determined.
(A) The incident angle θ of the
(A) A desired
[0036]
Where the minimum diffraction angle γ1Maximum diffraction angle γ2Is the diffraction angle forming the minimum and maximum angles with respect to the 0th-order transmitted light. In the case of the distributions of FIGS.1≦ γ2If the diffracted light is distributed as opposed to those in FIGS. 1 to 4, θ> γ1≧ γ2Are in a relationship.
(C) Determine the desired observation wavelength (shortest wavelength λmin~ Longest wavelength λmax).
(D) Reference wavelength λstaΛmin≦ λsta≦ λmaxDecide in the range.
(E) Based on the diffraction equation (7), the following equation (1) is used to calculate the minimum diffraction angle γ:1, Longest wavelength λmaxFrom the reference wavelength λstaMinimum diffraction angle β1staAsk for.
[0037]
(Sinγ1−sin θ) / λmax= (Sin β1sta−sin θ) / λstasinβ1sta= Sin θ + (sin γ1−sin θ) × λsta/ Λmax
... (1)
(F) Similarly, based on the diffraction equation (7), using the following equation (2), the maximum diffraction angle γ2, Shortest wavelength λminFrom the reference wavelength λstaMaximum diffraction angle β2staAsk for.
[0038]
(Sinγ2−sin θ) / λmin= (Sin β2sta−sin θ) / λstasinβ2sta= Sin θ + (sin γ2−sin θ) × λsta/ Λmin
... (2)
And the incident angle θ of the illumination light, the reference wavelength λstaThe minimum diffraction angle β1staAnd the maximum diffraction angle β2staThus, the computer generated
[0039]
The above is the desired incident angle θ of the illumination light and the diffraction range γ1~ Γ2, Wavelength range λmin~ ΛmaxDiffraction angle range β used for calculation1sta~ Β2staThis is how to find it.
[0040]
On the other hand, the reference wavelength λstaThe minimum diffraction angle β with respect to the incident angle θ of the illumination light1sta, Maximum diffraction angle β2staIs given, the wavelength range λmin~ ΛmaxThe condition for the existence of a white-visible region that allows simultaneous observation of the light ofmaxMinimum diffraction angle β1max= Γ1And the shortest wavelength λminMaximum diffraction angle β2min= Γ2And are given as follows:
(1) When the diffracted light is present on the positive side with respect to the zero-order transmitted light (FIGS. 1 to 4),
(2) When the diffracted light is present on the negative side with respect to the 0th order transmitted light (opposite to FIGS. 1 to 4),
Therefore, Expression (3) is an expression that holds when the diffracted light is on either the positive side or the negative side.
[0041]
This formula (3) is the incident angle θ of the illumination light, the desired observation wavelength range λmin~ ΛmaxA certain reference wavelength λstaDiffraction angle range β1sta~ Β2staIs set to satisfy this equation (3), the desired observation wavelength range λmin~ ΛmaxRange γ can be observed all at once1~ Γ2Is meant to exist.
[0042]
In addition, when equation (3) is transformed,
It becomes. This equation (4) is used to calculate the desired observation wavelength range λ.min~ ΛmaxA certain reference wavelength λstaDiffraction angle range β1sta~ Β2staOnly when the incident angle θ of the illumination light that satisfies the expression (4) is set, the desired observation wavelength range λmin~ ΛmaxRange γ can be observed all at once1~ Γ2Is meant to exist.
[0043]
In the above description, only the plane in which the normal line of the
[0044]
By using such a computer generated
[0045]
Further, as shown in FIG. 10, the computer generated
[0046]
Next, one specific example will be described. The computer generated
[0047]
The reference wavelength λ when the computer generated
[0048]
This computer generated
[0049]
In addition, at an incident angle θ = −35 °, the longest wavelength λmaxFIG. 15 shows the amplitude distribution ImgAmp on the reproduced image plane when = 700 nm. Reference wavelength λ in FIG.sta= Diffracted light is distributed on the upper side (opposite to the 0th-order transmitted light) than when 500 nm.
[0050]
FIG. 16 is a diagram in which the viewing zones that are the diffracted light distribution ranges of FIGS. 13 to 15 are schematically superimposed. The diffraction angle in the vertical direction is βy, The transverse diffraction angle is βxIt is represented by As is clear from this figure, the viewing zone in which light of all wavelengths can be seen in the longitudinal direction in the wavelength range of 400 nm to 700 nm is between the maximum diffraction angle of the shortest wavelength and the minimum diffraction angle of the longest wavelength in the wavelength range. In the lateral direction, the diffraction angle range is the shortest wavelength.
[0051]
Note that the above embodiment is merely an example to show that the computer generated
[0052]
As mentioned above, although the computer generated hologram according to the present invention has been described based on the principle and the embodiment, it is not limited to these and various modifications are possible. Further, the computer generated hologram of the present invention can be used, for example, for a reflection plate for display in addition to the reflection plate for a reflective liquid crystal display device. Further, the computer generated hologram of the present invention may be configured as a transmission plate as a transmission type without providing the
[0053]
【The invention's effect】
As is apparent from the above description, according to the computer generated hologram of the present invention, the wavelength that appears white when additively mixed including the reference wavelength with respect to the 0th order transmitted light or the 0th order reflected light incident at a predetermined incident angle. The maximum diffraction angle of the incident light at the incident angle of the shortest wavelength in the range is configured to be larger than the minimum diffraction angle of the incident light at the incident angle of the longest wavelength of the wavelength range. Reflective plate of reflective liquid crystal display device that can be observed white in the range of the maximum diffraction angle and the minimum diffraction angle of the longest wavelength, and the observed color does not change even if the viewpoint is moved within that range. It is suitable for etc.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram conceptually showing a change in an observation area depending on a wavelength in the case of a computer generated hologram in which the observation area is set narrow.
FIG. 2 is a diagram conceptually showing that there is no region that can be observed in white in the case of FIG. 1;
FIG. 3 is a diagram conceptually showing how the observation area changes depending on the wavelength in the case of a computer generated hologram with a wide observation area.
4 is a diagram conceptually showing that there is a white observable region in the computer generated hologram according to the present invention in FIG. 3;
FIG. 5 is a diagram for explaining a configuration of a first computer generated hologram as a premise of the present invention.
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a configuration of a computer generated hologram according to the present invention.
FIG. 7 is a plan view of a computer generated hologram according to the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing a comparison of diffraction ranges in the case of vertical illumination and oblique illumination of a second computer generated hologram as a premise of the present invention.
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a configuration of a reflective liquid crystal display device according to the present invention.
FIG. 10 is a sectional view showing the configuration of another reflective liquid crystal display device to which the computer generated hologram reflecting plate according to the present invention is applied.
FIG. 11 is a diagram showing a phase distribution of a hologram surface of a computer generated hologram according to an embodiment of the present invention.
12 is a diagram showing an amplitude distribution on a reproduced image plane when vertical illumination is performed at the design wavelength of the computer generated hologram of the embodiment of FIG.
13 is a diagram showing an amplitude distribution on a reproduced image plane when oblique illumination is performed at the reference wavelength of the computer generated hologram of the embodiment of FIG.
14 is a diagram showing an amplitude distribution on a reproduced image plane when the computer generated hologram of the embodiment of FIG. 11 is obliquely illuminated at the shortest wavelength.
15 is a diagram showing the amplitude distribution on the reproduced image plane when the computer generated hologram of the embodiment of FIG. 11 is obliquely illuminated at the longest wavelength.
FIG. 16 is a diagram in which the viewing zone, which is the diffracted light distribution range of FIGS.
[Explanation of symbols]
1 ... Computer hologram
2. Reconstructed image plane
3. Illumination light
3 '... Illumination light
4sta... diffracted light of reference wavelength
4min... Diffraction light with the shortest wavelength
4max... longest wavelength diffracted light
5 ... Area where all wavelengths can be observed simultaneously
10 ... Board
11 ... relief pattern
12 ... Reflective layer
13 ... cell
31 ... Reflective diffuser
32 ... Illumination light
40 ... Liquid crystal display element
41, 42 ... Glass substrate
43 ... Transparent display electrode
44 ... Transparent counter electrode
45 ... Liquid crystal layer
46, 47 ... Polarizing plate
42 '... back substrate
44 '... reflective electrode
Claims (11)
前記入射角で入射した0次透過光あるいは0次反射光に対して、前記基準波長を含み加法混色した場合に白色に見える波長範囲の最短波長の前記入射角の入射光の最大回折角が、その波長範囲の最長波長の前記入射角の入射光の最小回折角よりも大きくなるように構成されていることを特徴とする計算機ホログラム。In a computer generated hologram that diffuses incident light of a predetermined reference wavelength incident at a predetermined incident angle to a specific angle range,
The maximum diffraction angle of the incident light of the shortest wavelength in the wavelength range that appears white when the additive color is mixed including the reference wavelength with respect to the zero-order transmitted light or the zero-order reflected light incident at the incident angle, A computer generated hologram configured to be larger than a minimum diffraction angle of incident light having the longest wavelength in the wavelength range.
を満足することを特徴とする請求項1から6の何れか1項記載の計算機ホログラム。When the incident angle of illumination light is θ, the shortest wavelength is λ min , and the longest wavelength is λ max , the minimum diffraction angle β 1sta and the maximum diffraction angle β 2sta at the reference wavelength λ sta are:
The computer generated hologram according to any one of claims 1 to 6, wherein:
を満足することを特徴とする請求項1から6の何れか1項記載の計算機ホログラム。When the shortest wavelength is λ min , the longest wavelength is λ max , the minimum diffraction angle at the reference wavelength λ sta is β 1sta , and the maximum diffraction angle is β 2sta , the incident angle θ is
The computer generated hologram according to any one of claims 1 to 6, wherein:
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