JPH09251148A - ディスプレイ装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 表示部が透明で、カラー表示可能で、かつ高
輝度の直視型散乱表示ディスプレイ装置を実現するこ
と。 【解決手段】 冷陰極蛍光管４を発した光は直接、ある
いは反射ミラー５によって反射され透明基板２に入射す
る。図中破線で示した角度θ１で透明基板２内を伝搬す
る波長λ１の光線Ｂ１は、領域Ｌにおいて透明基板の表
面と、透明基板２とこれよりも低い屈折率をもつ透明層
３の界面において全反射し、ホログラムＨ０が透明基板
２と直接に密着している領域Ｕまで伝搬を続け、ここで
ホログラムＨ０によって回折され照明光Ｉ１となる。照
明光Ｉ１は分散型液晶表示装置１の散乱画素Ｐ１に入射
し、散乱表示光Ｓ１となり、観察者６の目に到達する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はカラー画像を表示す
るためのディスプレイ装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、液晶をポリマーに分散させ、その
光散乱を利用した分散型液晶表示装置の開発が活発化し
ている。この分散型液晶表示装置は偏光板を用いないた
め従来のＴＮ型液晶表示装置に比べて明るい画像が得ら
れる可能性があり、注目されている。例えば、特開平３
−１８６８１６号公報に記載された液晶表示素子は、主
として、バックライトを用いずに、次に後方の画面外の
位置に照明光源を置きその照明によって高コントラスト
のカラー表示を得ることを目的として構成されたもので
ある。

【０００３】以下図面を参照しながら前記公開公報に記
載された従来の分散型液晶表示装置の構成を説明する。
図４１は前記公開公報に記載された従来の分散型液晶表
示装置の構成を示すものである。図４１において、４１
は高分子分散液晶層、４２、４３は透明基板、４４、４
５は透明電極、４６は照明光源、４７は光吸収板、４８
はカラーフィルタである。

【０００４】以上のように構成された表示装置の動作に
ついて説明する。まず、一般に高分子分散液晶層は、そ
れをはさんで向かい合う一組の電極間に電圧を印加する
事によって、ポリマー母材に分散された液晶が、無秩序
に配列した状態（散乱状態）から、整然と配列した状態
（透明状態）に移行する。あるいはその逆のプロセスも
可能である。高分子分散液晶層４１は、透明基板４２と
４３の間に画素を構成するパターンとして構成された一
組の透明電極４４、４５の間に置かれ、この電極間に印
加される電圧によってその状態を変える。

【０００５】ここで示した表示装置は主として自然光、
あるいは室内光などの外部光を用いて画像表示を行うも
のである。外部光が透明基板４３とカラーフィルタ４８
を通して入射すると、透明状態にある画素では高分子液
晶分散層４１を通過し、光吸収板４７で吸収されるため
観察者からは黒く見える。一方外部光が散乱状態となっ
た画素（図中斜線部）に入射すると、その光の一部分が
後方に散乱され、再びカラーフィルタ４８を通して広い
角度で出射するため、色のついた画像として観察者の目
に入る。

【０００６】また、この表示装置は観察者の目には直接
入らない後方の位置に置かれた照明光源４６によってさ
らに明るい表示を得ようとするものである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記のよ
うな構成では、以下の理由により輝度の低い画像しか得
られない。図４２に示すように、一般に散乱状態にある
高分子分散液晶層４１に入射する入射光４９は散乱光５
０、５１を形成する。この散乱光のうち前方に向かうも
のを前方散乱光と呼び、後方に向かうものを後方散乱光
というが、高分子分散液晶層の性質上、後方散乱が前方
散乱を上回ることはない。従って、上記の従来例では散
乱状態となった画素に入射した光は少なくとも半分以上
光吸収板４７で吸収されてしまうことになり、常に輝度
の低い画像しか得られず、直視型のディスプレイとして
の構成が困難であった。

【０００８】また、観察者の目には直接入らない後方の
位置に置かれた照明光源による表示は、次に述べるよう
な理由で輝度の低い画像しか得られない。つまり、前記
照明光源から透明基板４２を通じて高分子分散液晶層４
１の散乱状態にある画素に入射した光は、その多くが前
方散乱光となるが、そのうちカラーフィルタを通して観
察者の目にいたるものは非常に少ない。その理由は、図
４１のような構成では光源から画面中央に向かう光線が
なす角度は７０°〜８０°というたいへん大きなものに
なってしまい、このような角度で入射する光が高分子分
散液晶層４１によって散乱され、正面から見ている観察
者の方に向かう成分は、理想的な完全拡散状態を想定し
ても高々３５％である。光源の位置をより後方に移して
入射角度を下げればこの効率は向上するが、このとき表
示装置の奥行き方向の寸法が著しく大きくなるため現実
的ではない。

【０００９】さらに従来例では、光吸収板４７とカラー
フィルタ４８が高分子分散液晶層４１をはさんだ構成を
とっているため、この表示装置が保有する他にはない特
徴、即ち電圧印加（または除去）により透明になるとい
う特徴、が十分に活かされていなかった。

【００１０】本発明は上記問題点に鑑み、画像表示部が
透明で、カラー表示可能で、かつ直視型として用いるこ
とのできる高輝度のディスプレイ装置を提供することを
目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに本発明のディスプレイ装置は、分散型液晶表示装置
と光源と透明基板とこの透明基板の表面上の一部の領域
においてあるいは全領域にわたって前記透明基板よりも
低い屈折率を有する透明層を介し密着して配されたホロ
グラムとから構成されている。また透明層の屈折率をｎ
T、透明基板の屈折率をｎSとしたときに、伝搬角度θで
前記透明基板内を伝搬する光のうち少なくとも一つの波
長の光に対し、ｎT≦ｎSsinθを満足するように抗され
ている。

【００１２】または、分散型液晶表示装置と光源と透明
基板とこの透明基板の表面に密着して配された前記透明
基板よりも低い平均屈折率を有するホログラムとから構
成されている。

【００１３】または、ホログラムが多重ホログラムとし
て構成されている。または、ホログラムが反射型のホロ
グラムで、透明基板の下方端面から入射した光源の光が
前記ホログラムによって前記透明基板の表面から下方に
傾いた方向に出射されるよう構成されている。

【００１４】または、ホログラムが透過型のホログラム
で、透明基板の下方端面から入射した光源の光が前記ホ
ログラムによって前記透明基板の表面から上方に傾いた
方向に出射されるよう構成されている。

【００１５】または、ホログラムの微細周期構造の間隔
とその傾き角度を領域によって変化するように構成され
ている。

【００１６】あるいは、ホログラムの微細周期構造の間
隔をΛ、その傾き角度をφ、ホログラムの平均屈折率を
ｎH、透明基板の屈折率をｎS、円周率をπとしたとき
に、光源の波長の少なくとも一つの波長λが次式 φ＋cosー1（λ／２ｎHΛ）＋sin-1（１／ｎS）＞π／２ を満たすように構成されている。

【００１７】あるいは、ホログラムの微細周期構造の間
隔をΛ、その傾き角度をφ、ホログラムの平均屈折率を
ｎHとしたときに、光源の波長の少なくとも一つの波長
λがλ／２ｎHΛ＞１を満たすように構成されている。

【００１８】または、ホログラムの屈折率変調度を領域
によって変化するように構成されている。

【００１９】そして本発明のディスプレイ装置は、蛍光
管を光源として透明基板の端面近傍に配するように構成
されている。または蛍光管を光源として透明基板の端面
近傍に配し、前記蛍光管と前記透明基板の端面を巻き込
むように反射板を配置するように構成されている。ある
いは、光源からの光を導く光ファイバアレイを透明基板
の端面近傍に配するように構成されている。あるいは、
有機発光素子を光源として透明基板の端面近傍に配する
ように構成されている。または白色光光源を用いて構成
されている。

【００２０】そして本発明のディスプレイ装置は、一方
向に光強度が増加するレーザビームと前記方向に光強度
が減少するレーザビームとによってホログラムを露光す
ることで作製される。または一方向に可干渉性が低下す
るような２つのレーザビームによってホログラムを露光
することで作製される。あるいは、ホログラム媒体内で
光強度の和が一定となるような２つのレーザビームによ
ってホログラムを露光することで作製されるものであ
る。

【００２１】

【発明の実施の形態】

（第１の実施の形態）以下本発明の第１の実施の形態で
あるディスプレイ装置について、図面を参照しながら説
明する。

【００２２】図１は本実施の形態によるディスプレイ装
置の構成図であり、分散型液晶表示装置１、透明基板
２、透明層３、反射型のホログラムＨ０、冷陰極蛍光管
４、反射ミラー５を組み合わせた構成となっている。図
中、６は観察者、λ１、λ２はλ１＜λ２なる関係を有
する２つの波長、Ｉ１、Ｉ２はそれぞれ波長λ１、λ２
の回折照明光、Ｐ１、Ｐ２は散乱状態にある画素、Ｓ
１、Ｓ２はそれぞれ画素Ｐ１、Ｐ２からの散乱光を表し
ている。

【００２３】尚、前記表示装置１は図４１に従来例とし
て説明した従来の表示装置から照明光源４６、光吸収板
４７、及びカラーフィルタ４８を取り除いた以外は基本
的に構成は変わらないものであり、図ではこの表示装置
を簡略化して描いた。

【００２４】分散型液晶表示装置１は液晶層の前方散乱
を用いて画像を表示するものである。即ち、ホログラム
Ｈ０からの回折照明光（例えばＩ１）が散乱状態にある
画素（例えばＰ１）を後ろ側から照明し、この画素によ
って観察者側に散乱される前方散乱光（例えばＳ１）が
表示画像を構成する。その画素構成はドットマトリック
スでもよいし、パターン、あるいはパターンの組み合わ
せでもよい。

【００２５】ホログラムＨ０は透明基板２の端面から入
射した光のみを基板外部に出射するように構成された、
いわゆる体積位相型の反射型エッジリットホログラムで
ある。このホログラムに透明基板２の表面から入射する
光が回折されることで回折照明光を形成することがない
ため、外見上は透明である。従って、分散型液晶表示装
置１を透明状態に設定すればこのディスプレイ装置の画
像表示部全体が透明となり、その背景をあたかもガラス
越しにみる景色のごとく見ることができる。

【００２６】またホログラムＨ０は、回折照明光Ｉ１及
びＩ２を下方に傾いた方向に出射させるよう構成されて
いるため、分散型液晶表示装置１の透明な領域を通過し
てきた不要な照明光が直接観察者の目に入ることがな
い。つまり観察者６に見えるのは散乱光Ｓ１とＳ２のみ
である。従って観察者には散乱状態にある画素Ｐ１及び
Ｐ２だけが輝いて見えるため、背景に重畳したコントラ
ストの高い画像が表示されることとなる。

【００２７】本実施の形態の特徴は透明基板２よりも低
い屈折率を有する透明層３を一部の領域に設けたことで
あり、これにより図１に示すように２つの異なる色の表
示が可能なディスプレイ装置が得られている。即ち、デ
ィスプレイ装置の上方の領域Ｕでは波長λ１、下方の領
域Ｌでは波長λ２の表示が得られている。

【００２８】後ほど図１を用いて２色表示の原理を詳細
に説明するが、その前に図２と図３を用いて、ホログラ
ムＨ０と透明基板２内を伝搬する光との関係をミクロに
説明する。

【００２９】図２はホログラムＨ０の一部を取り出し、
その周期構造と光の関係を図示したものである。ここ
で、Ｎはホログラム媒体の法線ベクトルで、これが密着
されている透明基板表面の法線ベクトルでもある。Λ０
は微細周期構造（グレーティング）の周期間隔、Ｋ０は
グレーティングベクトル、φ０は微細周期構造の傾き
角、ｎHはホログラム媒体の屈折率である。

【００３０】図中に示したように、このホログラムＨ０
はグレーティングベクトルＫ０とρ１なる角度で入射す
る波長λ１の光を反射し、同様にρ２なる角度で入射す
る波長λ２の光を反射する。この関係は次の式（１）
（２）で表され、これをブラグ条件という（πは円周
率）。

【００３１】 Ｋ０＝４πｎHcosρ１／λ１＝４πｎHcosρ２／λ２ ・・・ （１） Λ０＝２π／Ｋ０ ・・・ （２） 尚、Kogelnikの理論（"Coupled wave theory of thick
hologram gratings, Bell Sys.Tech. J. 48, 2909 (196
9)）によると、ホログラムの回折効率はブラグ条件を満
足する角度およびその極近傍において最大となり、その
角度を中心とするある角度範囲において有限の値を持つ
ことがわかる。従ってここで用いた「ρ１なる角度で入
射する波長１の光」、あるいは「ρ２なる角度で入射す
る波長λ２の光」、という表現は、それぞれの角度を中
心にして、ある角度幅を含む光線を意味するものであ
る。

【００３２】さて一方、図３に示すように、冷陰極蛍光
管４を発した光は直接、あるいは反射ミラー５によって
反射されて透明基板２に入射する。図３はこうして入射
した光が、ある範囲内（θ＜θｃ）に制限はされるもの
の、その範囲内では全く連続的に任意の角度で透明基板
内を伝搬していく様子を表している。また、その波長に
関しても全ての入射可能なスペクトラムを含んでいる。
尚、図３では端面中央の一点から入射する光のみを描い
たが、端面上のどの位置においても同様の角度制限を受
けた光のみが入射している。

【００３３】この角度θｃは全反射角と呼ばれ、透明基
板の屈折率をｎSとしたときに次の式で表される。

【００３４】ｎSsinθc＝１ ・・・ （３） 上記のような伝搬光には、ホログラムＨ０に入射したと
きに波長λ１及びλ２に対するブラグ条件を満たす光線
が必ず含まれており、両方の波長が同時に回折される。
図４に示したように、この回折光はわずかに出射角度が
異なるため、離れたところでは２つの色を空間的に分離
することが可能であるが、本実施の形態のように照明装
置と分散型液晶表示装置を近接して配した構成のディス
プレイ装置においては、照明光としてその散乱画素に到
達した時点で２つの波長は空間的に十分には分離されて
おらず、結果として２つの色が混ざり合った照明光とな
って散乱画素を照明してしまう。

【００３５】この２つの色を分離するために本実施の形
態で用いた手段は、図５に示すようにホログラムＨ０と
透明基板２との間の一部の領域に透明層３を設けたこと
である。この透明層３の屈折率ｎTは透明基板２の屈折
率ｎSに比べて低く（ｎT＜ｎS）、両者の界面において
光の入射角度がある角度θを越えると全反射を起こす。
この全反射条件は次の式で表される。

【００３６】ｎT≦ｎSsinθ ・・・ （４） 即ち、式（４）を満たす大きな角度で入射する光はこの
界面で全反射してしまい、ホログラムには到達しない。
従って、式（４）を満足する光線がたとえホログラムＨ
０に対してブラグ条件を満たす光線であったとしても、
ホログラムに到達し得ないがゆえに回折照明光が発生す
ることはない。

【００３７】一方、図６に示すように、式（４）を満た
さない小さな角度で入射する光線はこの界面を透過する
ため、この光線がホログラムＨ０に対してブラグ条件を
満たす光線であるならば回折照明光となって回折され
る。

【００３８】以上述べたように、入射角度による光線の
分離（全反射もしくは透過）が透明層３の働きである。
本実施の形態のように反射型ホログラムを用いた構成で
は、より短い波長の光が上記の全反射条件を満たし易く
なる。一方、透過型ホログラムを用いた構成では、より
長い波長の光が上記の全反射条件を満たし易くなる。

【００３９】さて、図１に戻って、上記の構成による２
色表示の原理を適用した本実施の形態のディスプレイ装
置について説明する。

【００４０】冷陰極蛍光管４を発した光は直接、あるい
は反射ミラー５によって反射され透明基板２に入射す
る。入射後、一部の光線は透明基板表面とホログラム表
面において全反射を繰り返しながら伝搬する。途中、ホ
ログラムＨ０による回折効果を全く受けずに透明基板２
のもう一つの端面にまで達する光線もある。

【００４１】図中破線で示した光線Ｂ１は角度θ１で透
明基板２内を伝搬する波長λ１の光であり、式（４）を
満足するものである。また、図中実線で示した光線Ｂ２
は角度θ２で透明基板２内を伝搬する波長λ２の光であ
り、式（４）を満足しないものである。いずれも上述の
ブラグ条件式（１）を満たす光線であり、ホログラムＨ
０によって回折作用を受けるものである。尚、ρとθの
関係は次の式で表される。

【００４２】θ１＝ρ１＋φ０ ・・・ （５） θ２＝ρ２＋φ０ ・・・ （６） 図７（ａ）に示すように光線Ｂ１は、上述した原理に基
づき、領域Ｌにおいて透明基板の表面と、透明基板２と
透明層３の界面において全反射し、ホログラムＨ０が透
明基板２と直接に密着している領域Ｕまで伝搬を続け
る。ここでホログラムＨ０によって回折され、」角度ω
１で大気中に出射される照明光Ｉ１となる。照明光Ｉ１
は分散型液晶表示装置１の散乱画素Ｐ１に入射し、散乱
表示光Ｓ１となり、観察者６の目に到達する。

【００４３】一方、図７（ｂ）に示すように光線Ｂ２は
領域Ｌにおいて、透明基板２と透明層３の界面で全反射
条件を満足せずこれを透過しホログラムＨ０によって回
折され角度ω２で大気中に出射される照明光Ｉ２とな
る。照明光Ｉ２は分散型液晶表示装置１の散乱画素Ｐ２
に入射し、散乱表示光Ｓ２となり、観察者６の目に到達
する。光線Ｂ２はこの領域Ｌにおいてほとんど照明光２
に変換されるため、領域Ｕに達する光量は極小量であ
り、従って、領域Ｕにおいて波長λ２の照明光はほとん
ど発生しない。

【００４４】以上のようなメカニズムにより観察者６に
は画素Ｐ１とＰ２が異なった色の散乱画素として認識で
きることになる。

【００４５】最後に本実施の形態で用いた具体的なパラ
メータの値を記述するが、本発明はこれらの具体的パラ
メータの値に限定されるものではない。

【００４６】 冷陰極蛍光管 青、緑混色 管径３ｍｍ 反射ミラー アルミ蒸着フィルム 透明基板 ＢＫ７ ｎS＝１．５２ 厚み ４ｍｍ 透明層 ＳｉＯ２ ｎT＝１．４６ 厚み １μｍ 波長 λ１ ＝ ４８５ ｎｍ λ２ ＝ ５４５ ｎｍ ホログラム 光重合型フォトポリマ ｎH＝１．５ 厚み１０μｍ 傾き角 φ０ ＝ ４５° 間隔 Λ０ ＝ ０．１９μｍ 入射角（λ１） θ１ ＝ ７９° 出射角（λ１） ω１ ＝ １７°（大気中） 入射角（λ２） θ２ ＝ ６５° 出射角（λ２） ω２＝ ４０°（大気中） 全反射角 ７４°（ＢＫ７／ＳｉＯ２界面） 尚、ここで定義される出射角ω１及びω２は、分散型液
晶表示装置１への照明光としての概念を明確にするため
に大気中での値を記述した。本実施の形態の出射角度の
値はそれぞれ下向きに１７°、４０°と従来例に比べて
明らかに小さく、分散型液晶表示装置１の散乱画素によ
り観察者に向かって発せられる散乱光の強度を格段に向
上することができる。

【００４７】図８は本実施の形態で使用した透明基板
（ＢＫ７）と透明層（ＳｉＯ２）との界面における光の
透過率と入射角度との関係を表すグラフである。これよ
りＳ偏光、Ｐ偏光ともに入射角度７４°近傍で全反射を
起こし、透過率が０となる様子がよくわかる。

【００４８】尚、ここでは上記の材料で構成したが、も
ちろん他の材料の組み合わせも可能である。

【００４９】図９は本実施の形態によるホログラムＨ０
の回折効率と入射角度との関係を表すグラフであり、２
つの波長４８５ｎｍ（λ１）と５４５ｎｍ（λ２）に対
する特性が示されている。簡便のためここではＳ偏光の
特性のみをプロットした。この図よりブラグ条件を満足
する波長４８５ｎｍの光は中心入射角度７９°でホログ
ラムに入射しなければならないことがわかる。最も浅い
角度で回折を起こす光の角度でさえ図８に示した透明基
板と透明層の界面での全反射角７４°よりも大きい。従
って、回折条件を満たす波長４８５ｎｍの光はここで全
て全反射してしまうため、この透明層のある領域では波
長４８５ｎｍの回折照明光は生じ得ないことがわかる。

【００５０】本実施の形態において透明層を構成したＳ
ｉＯ２はスパッタリングによって形成された厚み約１μ
ｍの薄膜である。透明層の膜厚が薄い場合には全反射条
件を満足する角度で入射する光線も透明層を越えてホロ
グラム側に漏れ出すことがあり得るが、ここで形成した
厚み１μｍの薄膜ではその漏れ光がほとんどなく、あた
かもバルクのＳｉＯ２が存在する場合と同様に全反射条
件を満たすものであった。

【００５１】図１０は本実施の形態のホログラムＨ０を
作製するための露光光学系を示すものである。図中、１
０はアルゴンレーザ、用いた波長は５１４．５ｎｍ、偏
光方向は紙面垂直方向である。１１、１５、１６はそれ
ぞれ反射ミラー、１２はビームスプリッタ、１３は参照
光、１４は物体光、１７は第１のガラスブロック、１８
は第２のガラスブロック、１９はホログラム基板であ
る。

【００５２】アルゴンレーザ１０を発した光は、反射ミ
ラー１１で光路偏向され、図には示していないビーム拡
大光学系を通してホログラムの大きさに拡大され、ビー
ムスプリッタ１２によって参照光１３と物体光１４とに
分割される。参照光１３は反射ミラー１５によって光路
偏向され、所定の設定角で露光部にいたる。参照光１４
は反射ミラー１６によって光路偏向され、所定の設定角
で露光部にいたる。露光部には第１のガラスブロック１
７と第２のガラスブロック１８とに挟まれたホログラム
基板１９が置かれており、これら全体が所定の設定角度
で設置されている。

【００５３】図１１はホログラム基板のセッティング状
況をもう少し詳しく説明したものである。図示したよう
に第１のガラスブロック１７とホログラムＨ０は屈折率
整合液２０を介して密着されている。ホログラムＨ０は
屈折率整合液２０また透明基板２と第２のガラスブロッ
ク１８は屈折率整合液２１を介して密着されている。参
照光１３は第１のガラスブロック１７の端面から入射
し、ホログラムＨ０に到達する。一方の物体光１４は第
２のガラスブロック１８の端面から入射し、透明基板２
を通ってホログラムＨ０に到達する。あるいは透明基板
２と透明層３を通ってホログラムＨ０に到達する。ここ
で干渉縞を形成し、そのパターンがホログラムとして焼
き付けられる。このセッティングにおいては図１１の上
方が画面上方に対応している。

【００５４】尚、ここでは参照光１３を第１のガラスブ
ロック１７を通じてホログラム側から入射させたが、第
２のガラスブロック１８の端面を通じて透明基板２側か
ら入射させてもよい。このとき物体光は第１のガラスブ
ロック１７の表面を通じてホログラムＨ０側から入射さ
せることになる。

【００５５】本実施の形態ではホログラム材料として平
均屈折率１．５の光重合型フォトポリマを使用した。露
光後、紫外線ランプにて均一な照射を行い全面を光重合
させた。ホログラム材料はこれに限らず、銀塩、重クロ
ム酸ゼラチン等を用いてもよい。

【００５６】また必要に応じて各ガラスブロックに光吸
収体を密着させ、不要な光を吸収してもよい。また、各
ガラスブロックの形状はここで示したような方形に限ら
ず、例えば３角プリズムなども使用可能である。

【００５７】以上第１の実施の形態として述べてきたよ
うに、本発明によれば２色の散乱表示が可能で、かつ透
明なディスプレイ装置が実現できる。

【００５８】尚、上でも少し述べたが、透過型ホログラ
ムを用いた構成では、より長い波長の光が透明基板２と
透明層３の界面における全反射条件を満たし易くなる。
従って、表示色の波長の大小関係は逆転し、画面上方で
波長のより長いλ２の色表示が得られ、そして画面下方
で波長のより短いλ１の色表示が得られる。

【００５９】本実施の形態のディスプレイ装置は以下の
ようなバリエーションを得ることが可能である。

【００６０】図１２は本実施の形態のディスプレイ装置
画面の正面図であり、画面内で構成し得る表示色の配置
を示したものである。尚、ここでは光源は画面下方に配
置されているものとする。

【００６１】図１２（ａ）は、これまで述べてきたよう
な、画面下方でλ２、画面上方でλ１を表示色とする配
置である。それぞれの表示領域の大きさは任意に設定可
能である。図１２（ｂ）は、画面左側でλ２、画面右側
でλ１を表示色とする配置である。表示領域の左右は入
れ換えることが可能であり、またその大きさは任意に設
定可能である。図１２（ｃ）は、画面左側及び下方でλ
２、画面右上方でλ１を表示色とする配置である。表示
領域の左右は入れ換えることが可能であり、またその大
きさは任意に設定可能である。さらに、本発明の他の構
成をこれに付加することで、より良好な結果を得ること
ができる。

【００６２】例えば、図１２（ｂ）または（ｃ）のよう
に、画面の上下方向に長い領域にわたって同一色の表示
を行う場合には、次に述べるような構成を取ることがよ
り好ましい。

【００６３】（Ｃ１）ホログラムの屈折率変調度に分布
をもたせる構成 （Ｃ２）ホログラムの微細周期構造の傾き角（及び周期
間隔）に分布をもたせる構成 （Ｃ３）（Ｃ１）と（Ｃ２）を組み合わせた構成 勿論この構成は図１２（ａ）における各色の表示領域の
いずれかが上下方向に長い領域に設定される場合にも有
効である。

【００６４】簡便のため一つの表示領域を例にとってま
ず構成（Ｃ１）について説明する。図１３はホログラム
Ｈ０の一部を拡大したものであるが、ここではその屈折
率変調度を上下方向に分布するように構成してある。即
ち、光源により近い画面下方では屈折率変調度を小さく
設定し、光源から離れた画面上方では屈折率変調度を大
きく設定してある。このような構成を取ることで、画面
の上下方向において照明光の強度が均一化できる。従っ
て、本実施の形態のディスプレイ装置の輝度を均一化で
きる。その理由を図１４を用いて述べる。

【００６５】図１４は透明基板の中を光が伝搬する様子
を模式的に示したものである。この伝搬光がホログラム
によって回折照明光となるわけであるが、もし領域Ａで
最初にホログラムに到達した伝搬光をホログラムが高い
回折効率で照明光に変換したとすると、そこで伝搬光の
大部分が消費されてしまうことになる。極端な場合、領
域Ａで１００％の回折効率で照明光に変換したとする
と、そこで伝搬光が全て消費されてしまうことになる。
つまり、さらに伝搬を続けて領域Ｂでホログラムに到達
する光はなくなってしまう。従って照明光の分布は最下
方でたいへん明るく、それよりも上方では全く照明光が
ない状況となる。この問題の根元は、領域Ａでの回折効
率を極端に高く設定したことにある。一般に回折効率は
屈折率変調度の大小で決まるため、上で述べたような構
成を取ることで、光源により近い画面下方では回折効率
が小さくなり、光源から離れた画面上方では回折効率が
大きくなり、従って画面下方での伝搬光の消費を少なく
押さえ、残った伝搬光を画面上方に分配できるため、本
実施の形態のディスプレイ装置の輝度を均一化できる。

【００６６】尚、厳密に言えば、透過ホログラムの場
合、構成（Ｃ１）に従って分布した屈折率変調度が大き
くなりすぎると回折効率が減少する場合があるが、これ
は構成（Ｃ１）によって本発明が意図するところではな
い。また、反射ホログラムの場合、構成（Ｃ１）に従っ
て分布した屈折率変調度が大きくなると回折効率が１０
０％に漸近していく。その後は回折効率と言うよりも角
度依存性、あるいは波長依存性の幅が拡大することでホ
ログラムの明るさが増していく。従って、「回折効率」
ではなく「屈折率変調度」で記述したことに意義があ
る。

【００６７】次に、上記のような屈折率変調度の分布を
得るための方法を図１５を用いて説明する。図１５は図
１０で示した露光光学系における参照光と物体光の画面
上下方向の光強度分布を示したものである。

【００６８】図１５（ａ）は参照光と物体光ともに画面
下方で光強度が低く、画面上方で光強度が高く、かつ両
者の強度比が概略１：１となるように設定した例で、最
も一般的に知られている手法である。こうすることで画
面下方では露光量が少なく、画面上方では露光量が多く
なるため、上記の屈折率分布を得ることができる。

【００６９】図１５（ｂ）は画面上方で参照光と物体光
の光強度がほぼ等しく、画面下方では参照光強度をより
高く、一方物体光強度をより低く設定した例である。こ
のように設定することで、画面下方では干渉縞の変調度
が小さく、画面上方では干渉縞の変調度が大きくなり、
上記の屈折率分布を得ることができる。

【００７０】図１５（ｂ）のような光強度設定でホログ
ラム作製を行うことによるもう一つの特徴ある効果は、
ホログラムの白濁を少なく押さえることができるという
点である。

【００７１】一部のホログラム材料ではホログラム作製
時の露光量が少ない場合に、あたかも霞がかかったかの
ような白濁を生じることがある。本発明のような透明な
ディスプレイ装置において、この白濁はその品質を著し
く損なうことになる。

【００７２】これを避けるためにはホログラム全体での
露光量をある一定量以上に保つことが必要になるが、図
１５（ａ）のような光強度分布の設定では、必ず画面下
方で露光量が少なくなり、白濁が生じ易い。露光時間を
長くして画面下方での露光量を白濁がなくなる程度に増
加させると今度は画面下方での回折効率が高くなってし
まい、上に述べたような理由で、画面上下方向での輝度
の均一化が実現できなくなる。

【００７３】従って、白濁の除去と最適な屈折率変調分
布を同時に実現するためには図１５（ｂ）に示したよう
な光強度分布の設定が適していることがわかる。特に、
参照光と物体光の光強度の和が一定となるように設定す
ることで、画面全体にわたって良好な結果を得ることが
できる。

【００７４】尚、以上はディスプレイ装置の輝度の均一
化に関して記述してきたが、図１５（ｃ）に示すような
光強度分布を設定することにより、画面中央近傍で特に
輝度を高めることが可能になる。ここでの光強度分布の
設定の特徴は、参照光と物体光の光強度分布が反転して
いる点にある。このように設定することで、画面中央近
傍での干渉縞の変調度が最大となり、画面上方あるいは
下方に向かうにつれて変調度が下がっていく。従って、
画面中央近傍での屈折率変調度が最も高いホログラムが
作製でき、ここでの画面輝度が高くなる。

【００７５】またこれまでは光強度について議論してき
たが、レーザ光の可干渉性の分布によって屈折率変調の
分布を実現することもできる。

【００７６】図１６に示すように、ある設定角度で交差
する参照光と物体光の等位相面は互いに傾斜している。
例えば、ある１点Ａにおいて参照光と物体光それぞれの
伝搬距離が全く等しいとする。このとき参照光の等位相
面上にあるＢ点においては物体光が遅れている、またＣ
点においては物体光が進んでいる。従って、Ｂ点あるい
はＣ点では２つのビームの進みと遅れによる光路長差が
あり、干渉縞の変調度はＡ点に比べ低下している。もし
この光路長差が、レーザの可干渉距離と同等のオーダで
あるとするならば、Ｂ点とＣ点での干渉縞の変調度は著
しく低下することになる。実際に本実施の形態で使用し
たアルゴンレーザでは、エタロンを用いない場合には可
干渉距離は数十ｍｍまで低下するため、上下幅約６０ｍ
ｍのホログラム面内で、干渉縞の変調度が屈折率変調の
分布を形成するのに適切なレベルまで低下する領域があ
ることがわかった。このような条件で露光を行った結
果、画面の輝度を均一化する上で良好な屈折率変調の分
布が得られた。同時に、光強度を全面で均一に設定でき
るため、露光量が一定となり、全面で白濁の発生を抑制
することができた。

【００７７】次に、もう一つの構成（Ｃ２）について説
明する。図１７はホログラムＨ０の一部を拡大したもの
であるが、ここではその微細周期構造の傾き角が画面の
上下方向に分布するように構成してある。即ち、光源に
より近い画面下方では傾き角を小さく設定し、光源から
離れた画面上方では傾き角を大きく設定してある。この
ような構成を取ることで、画面の上下方向において照明
光の強度が均一化できる。従って、本実施の形態のディ
スプレイ装置の輝度を均一化できる。その理由を図１８
を用いて述べる。

【００７８】図１８は透明基板の中を光が伝搬する様子
を模式的に示したものである。この伝搬光がホログラム
によって回折照明光となるわけであるが、Ａ点で最初に
ホログラムに到達した伝搬光３０をホログラムが高い回
折効率で照明光に変換し、そこで伝搬光３０の大部分が
消費されてしまったとする。ところがＢ点で伝搬角度の
異なる伝搬光３１に対して高い回折効率をもつようなホ
ログラムがあるならば、Ａ点における伝搬光３０の損失
は問題とならない。このように、画面上下方向での異な
る位置において、回折が起きる最適な条件に変化を持た
せておくことで、本実施の形態のディスプレイ装置の輝
度を均一化できると同時に大幅に向上させることができ
る。

【００７９】このような構成のホログラムの作製は、図
１９に示すように、参照光の光路にシリンドリカルレン
ズを挿入することで実現できる。これにより、微細周期
構造の傾き角と同時に周期間隔が画面上下方向に分布を
持つようなホログラムが作製できる。

【００８０】尚、図１９では凸シリンドリカルレンズを
用いたが、これを凹シリンドリカルレンズに置き換える
ことで、傾き角が画面下方で小さく、画面上方で大きい
ホログラムが作製できる。このようなホログラムもまた
位置によって伝搬光が回折を起こす最適な条件が異なる
ため、本実施の形態のディスプレイ装置の輝度を均一化
すると同時に向上させることができる。

【００８１】また、構成（Ｃ３）のように屈折率変調の
分布と、傾き角の分布を組み合わせることでより輝度が
高く、かつ輝度の均一度が高いディスプレイ装置を得る
ことができる。あるいは、画面の位置によって任意の輝
度分布を持つディスプレイ装置を実現することができ
る。

【００８２】さらに、ホログラムを多重ホログラムとす
ることでいくつかの特徴ある効果を得ることができる。

【００８３】図２０はホログラム多重化の様子を説明す
るための分解図である。ここでは同一のホログラム領域
にこれまで述べてきたホログラムＨ０と、これに重ねて
第２のホログラムＨｍが多重構成されている。このホロ
グラムＨｍはホログラムＨ０の回折条件に合わない伝搬
光を偏向し、前記回折条件に合う伝搬光に変換するよう
構成されている。

【００８４】ホログラムＨ０の回折条件に合わない伝搬
光は、回折作用を受けることなく伝搬を続け透明基板２
の反対側の端面に達して、そこで基板の外に出ていくた
め、照明光として全く寄与しない無駄な光である。

【００８５】また以前に、一部の領域、特に画面下方で
ホログラムの屈折率変調度を低く押さえることで輝度の
均一化を図ることができるということを述べてきたが、
これではホログラム媒体の持っている性能を無駄に捨て
てしまっていることになる。

【００８６】従って、ホログラム媒体の利用されずに捨
てられている屈折率変調能を利用してホログラムＨｍを
多重化して構成すれば、伝搬光を有効に利用でき、輝度
の高いディスプレイ装置を得ることができる。

【００８７】また、ホログラム媒体の利用されずに捨て
られている屈折率変調能を利用して固定パターンを焼き
付けることも可能である。

【００８８】図２１は、以上述べたような構成を有する
ディスプレイ装置の例で、自動車に搭載して使用される
ナビゲーション情報の表示装置である。

【００８９】ここでは、ナビゲーション情報としての右
左折矢印パターン、およびスピード情報が散乱表示情報
として表示される。これらは広い観察角度から認識で
き、その表示色が変わることはない。また、固定パター
ンとして交差点の状況を表すパターンを表示した。ここ
で固定パターンは分散型液晶表示装置の透明な領域を通
して直接観察者の目に届くようにするため出射方向は画
面に対してほぼ垂直な方向に設定した。この固定パター
ンのホログラムはレインボータイプにすることもでき、
この場合、見る位置によって色が７色に変わる。このデ
ィスプレイ装置を運転席のダッシュボード上に配置した
ときに、上記の情報を見ながら、このディスプレイ装置
を通して前方の路面状況を見ることが可能であることを
確認した。

【００９０】尚、本実施の形態において、光源として冷
陰極蛍光管と反射ミラーを用いたがこれに限定されるも
のではない。反射ミラーを用いない構成も可能である。

【００９１】また、光源として、有機発光素子を用いて
もよい。また、離れたところにある光源の光を光ファイ
バによって透明基板の端面から入射させてもよい。いず
れも光源からの光を平行化するような手段を用いること
なく非平行光のまま透明基板の端面に入射させればよ
い。この端面に近接してそれぞれの光源、あるいは光フ
ァイバの光出射部を配置させることがより好ましい。平
行化した光線、例えばレーザ光などが使用可能であるこ
とは言うまでもない。

【００９２】（第２の実施の形態）以下本発明の第２の
実施の形態であるディスプレイ装置について、図面を参
照しながら説明する。

【００９３】図２２は本実施の形態によるディスプレイ
装置の構成図であり、分散型液晶表示装置１、透明基板
２、透明層３、反射型のホログラムＨ１、反射型のホロ
グラムＨ２、冷陰極蛍光管４、反射ミラー５を組み合わ
せた構成となっている。

【００９４】尚、第１の実施の形態と同様、前記表示装
置１は図４１に従来例として説明した従来の表示装置か
ら照明光源４６、光吸収板４７、及びカラーフィルタ４
８を取り除いた以外は基本的に構成は変わらないもので
あり、図ではこの表示装置を簡略化して描いた。

【００９５】分散型液晶表示装置１は液晶層の前方散乱
を用いて画像を表示するものである。即ち、ホログラム
Ｈ１が配された領域Ｕを例にとれば、ホログラムＨ１か
らの回折照明光Ｉ３が散乱状態にある画素Ｐ３を後ろ側
から照明し、この画素によって観察者側に散乱される前
方散乱光Ｓ３が表示画像を構成する。その画素構成はド
ットマトリックスでもよいし、パターン、あるいはパタ
ーンの組み合わせでもよい。

【００９６】ホログラムＨ１及びＨ２は透明基板２の端
面から入射した光のみを基板外部に出射するように構成
された、いわゆる体積位相型の反射型エッジリットホロ
グラムである。このホログラムに透明基板２の表面から
入射する光が回折されて回折照明光を形成することがな
いため、外見上は透明である。従って、分散型液晶表示
装置１を透明状態に設定すればこのディスプレイ装置の
画像表示部全体が透明となり、その背景をあたかもガラ
ス越しにみる景色のごとく見ることができる。

【００９７】またホログラムＨ１及びＨ２は、回折照明
光Ｉ３及びＩ４を下方に傾いた方向に出射させるよう構
成されているため、分散型液晶表示装置１の透明な領域
を通過してきた不要な照明光が直接観察者の目に入るこ
とがない。つまり観察者６に見えるのは散乱光Ｓ３とＳ
４のみである。従って観察者には散乱状態にある画素Ｐ
３及びＰ４だけが輝いて見えるため、背景に重畳したコ
ントラストの高い画像が表示されることとなる。

【００９８】本実施の形態の特徴は透明基板２よりも低
い屈折率を有する透明層３を一部の領域に設けたこと
と、透明層３のある領域とない領域とでホログラムの構
成を変えたことである。これにより図２２に示すように
２つの異なる色の表示が可能で照明光の出射角度を等し
くすることも可能なディスプレイ装置が得られる。さら
に表示色の順序を任意に設定できるディスプレイ装置が
得られる。即ち、図２２ではディスプレイ装置の上方の
領域Ｕでは波長λ１、下方の領域Ｌでは波長λ２の表示
をするように描かれているが、上方の領域Ｕで波長λ
２、下方の領域Ｌで波長λ１の表示を行うことも可能と
なる。

【００９９】後ほど図２２を用いて２色表示の原理を詳
細に説明するが、その前に図２３と図２４を用いて、ホ
ログラムＨ１と透明基板２内を伝搬する光との関係をミ
クロに説明する。尚、ホログラムＨ２としては第１の実
施の形態で説明したホログラムＨ０をそのまま適用でき
るため説明を省略するが、ホログラムＨ２の構成がこれ
に限定されるものではない。

【０１００】図２３はホログラムＨ１の一部を取り出
し、その周期構造と光の関係を図示したものである。こ
こで、Ｎはホログラムの法線ベクトルで、透明基板の表
面の法線ベクトルでもある。Λ１はグレーティングピッ
チ、Ｋ１はグレーティングベクトル、φ１はグレーティ
ングの傾き角である。図中に示したように、このホログ
ラムＨ１はグレーティングベクトルＫ１とρ３なる角度
で入射する波長λ１の光を反射し、同様にρ４なる角度
で入射する波長λ２の光を反射する。この関係、即ちブ
ラグ条件は次式で表される。

【０１０１】 Ｋ１＝４πｎHcosρ３／λ１＝４πｎHcosρ４／λ２ ・・・ （７） Λ１＝２π／Ｋ１ ・・・ （８） 尚、第１の実施の形態の項でも述べたのと同様の理由で
「ρ３なる角度で入射する波長λ１の光」、あるいは
「ρ４なる角度で入射する波長λ２の光」、という表現
は、それぞれの角度を中心にして、ある角度幅を含む光
線を意味するものである。

【０１０２】さて一方、図２４に示すように、冷陰極蛍
光管４を発した光は直接、あるいは反射ミラー５によっ
て反射されて透明基板２に入射する。図２４はこうして
入射した光が、ある範囲内（θ＜θｃ、θｃは式３で示
される全反射角）に制限はされるものの、その範囲内で
は全く連続的に任意の角度で透明基板内を伝搬していく
様子を表している。また、その波長に関しても全ての入
射可能なスペクトラムを含んでいる。尚、図２４は端面
中央の一点から入射する光のみを描いたが、端面上のど
の位置においても同様の角度制限を受けた光のみが入射
している。

【０１０３】従って、もしこのような伝搬光の中に、ホ
ログラムＨ１に入射したときに波長λ１及びλ２に対す
るブラグ条件を満たす光線が含まれているならば、両方
の波長が同時に回折される。この回折光はわずかに出射
角度が異なるため、離れたところでは２つの色が空間的
に分離されるが、本実施の形態のように照明装置と分散
型液晶表示装置を近接して配した構成のディスプレイ装
置においては、照明光としてその散乱画素に到達した時
点で２つの波長は空間的に十分には分離されておらず、
結果として２つの色が混ざり合った照明光となって散乱
画素を照明してしまう。

【０１０４】さて、２つの色を分離するために本実施の
形態で用いた手段は、透明基板２よりも低い屈折率を有
する透明層３をホログラムＨ２と透明基板２との間に設
けたことと、波長λ２に対してホログラムＨ１の微細周
期構造の周期間隔と傾き角を次式のごとく構成したこと
である。

【０１０５】 φ１＋cosー1（λ２／２ｎHΛ１）＋sin-1（１／ｎS）＞π／２ ・・・（９） この式（９）はホログラムＨ１のブラグ条件を満足する
べき波長λ２の伝搬角度が全反射角θｃよりも大きくな
るための条件を示している。但し、ここでの波長λ２の
伝搬角度は透明基板の端面の法線方向から測った角度で
ある。

【０１０６】図２４に示したように、透明基板内でこの
角度を越えて端面中央に到達する光は、即ち図中斜線部
を通ってくる光は、端面から外にでることはなく、全て
反射して再び透明基板内に戻っていく。一方、外部から
端面を通じて入射する光は外部入射角度が大きくなるに
つれて基板内の屈折角度が大きくなり次第にθｃに近づ
いて行く。外部入射角度が９０度となったときに屈折角
度はようやくθｃに達するがこれを越えることはない。
従って、図中に示した斜線部に入り込むことができる光
は存在しない。この斜線部のことを禁止帯という。

【０１０７】つまり、式（９）は、図２５に示すように
波長λ２の光線をこの禁止帯に追いやるための条件であ
る。これによってホログラムＨ１で回折されるべき波長
λ２の光線は、ホログラムどころか透明基板にさえ入射
できなくなるのである。ゆえにホログラムＨ１から回折
されるのは波長λ１の光線だけになり、この領域での単
色化が実現できることになる。

【０１０８】以上述べてきたように、反射型ホログラム
の場合、より長波長側の光が禁止帯に追いやられる。一
方透過型ホログラムの場合は逆で、より短波長側の光が
禁止帯に追いやられる。

【０１０９】また、次式は反射型ホログラムに限って成
立することであるが、上と同様に、より長波長側の光を
回折させないための条件である。

【０１１０】λ／２ｎHΛ＞１ ・・・ （１０） ここでΛはホログラムの微細周期構造の周期間隔、ｎH
はホログラムの平均屈折率である。この条件を満たす反
射型ホログラムは決して波長λの光を回折することはな
い。つまり、式（１０）を満たすΛは波長λの光の干渉
によって形成される干渉縞の最小周期間隔よりも小さい
ため、この光はあたかも何もないかのようにこの反射ホ
ログラムを透過してしまうのである。

【０１１１】式（９）による制限条件と式（１０）によ
る制限条件とは、一般に一致しないが、後で記述する本
実施の形態の具体的なパラメータに関して言えば、式
（９）の制限条件が式（１０）の制限条件を包含してい
るため、ここでは式（９）だけを考慮した説明を行っ
た。

【０１１２】さて、図２２に戻って、上記の構成による
２色表示の原理を適用した本実施の形態のディスプレイ
装置について説明する。尚、この実施の形態では伝搬角
度θ２で入射する波長λ１の伝搬光が出射角ω２で回折
されるようにホログラムＨ１を構成した。この入射角度
及び出射角度は波長λ２の光がホログラムＨ２で回折さ
れる角度条件に一致している。これは、このような制約
を受けることを意味するのではなく、上記構成の２色表
示の原理によって自由度が増し、このような構成を取る
ことも可能になったことを意味するものである。

【０１１３】冷陰極蛍光管４を発した光は直接、あるい
は反射ミラー５によって反射され透明基板２に入射す
る。入射後、一部の光線は透明基板表面とホログラム表
面において全反射を繰り返しながら伝搬する。途中、ホ
ログラムＨ２やＨ１による回折効果を全く受けずに透明
基板２のもう一つの端面にまで達する光線もある。

【０１１４】図中実線で示した光線Ｂ３は角度θ２で透
明基板２内を伝搬する波長λ１と波長λ２の光である。
いずれもブラグ条件を満たす光線であり、それぞれホロ
グラムＨ１とホログラムＨ２によって回折作用を受ける
ものである。尚、θ２とρとの関係は次の式で表され
る。

【０１１５】 θ２＝ρ３＋φ１＝ρ４＋φ２ ・・・ （１１） 光線Ｂ３は、第１の実施の形態で述べた原理と同様に、
透明基板の表面と、透明基板２と透明層３の界面におい
て全反射し、ホログラムＨ１が透明基板２と直接に密着
している領域まで伝搬を続ける。ここでホログラムＨ１
によって回折され照明光Ｉ３となる。照明光Ｉ３は分散
型液晶表示装置１の散乱状態にある画素Ｐ３に入射し、
散乱表示光Ｓ３となり、観察者６の目に到達する。

【０１１６】そして、本来ならば、ホログラムＨ１のブ
ラグ条件を満足すべき波長λ２の光は、図２６の領域Ｕ
の拡大図で示されるように禁止帯に追いやられているた
め透明基板２に入射できない。従って、ホログラムＨ１
で波長λ２の光が回折を起こすことはなく、照明光はλ
１単色となる。

【０１１７】一方の光線Ｂ４は、第１の実施の形態で述
べたのと同様に（図７（ｂ）参照）透明基板２と透明層
３の界面において全反射条件を満足せずこれを透過しホ
ログラムＨ２によって回折され照明光Ｉ４となる。照明
光Ｉ４は分散型液晶表示装置１の散乱状態にある画素Ｐ
４に入射し、散乱表示光Ｓ４となり、観察者６の目に到
達する。

【０１１８】以上のようなメカニズムにより観察者６に
は画素Ｐ３とＰ４が異なった色の散乱画素として認識で
きることになる。

【０１１９】尚、ここでは透明層３をホログラムＨ２の
領域のみに限定して配置したが、ホログラムＨ１の領域
に透明層３があっても全く同様の効果が得られることを
ここに付記しておく。

【０１２０】最後に本実施の形態で用いた具体的なパラ
メータの値を記述するが、本発明はこれらの具体的パラ
メータの値に限定されるものではない。

【０１２１】 冷陰極蛍光管 青、緑混色 管径３ｍｍ 反射ミラー アルミ蒸着フィルム 透明基板 ＢＫ７ ｎS＝１．５２ 厚み ４ｍｍ 透明層 ＳｉＯ２ ｎT＝１．４６ 厚み １μｍ ホログラムＨ１ 光重合型フォトポリマ ｎH＝１．５ 厚み１０μｍ λ１ ＝ ４８５ｎｍ φ１ ＝ ４５° Λ１ ＝ ０．１７μｍ θ２ ＝ ６５° ω２ ＝ ４０°（大気中） ホログラムＨ２ 光重合型フォトポリマ ｎH＝１．５ 厚み１０μｍ λ２ ＝ ５４５ ｎｍ φ２ ＝ ４５° Λ２ ＝ ０．１９μｍ θ２ ＝ ６５° ω２ ＝ ４０°（大気中） 全反射角 ７４°（ＢＫ７／ＳｉＯ２界面） 尚、ここで定義される出射角ω２は、分散型液晶表示装
置１への照明光としての概念を明確にするために大気中
での値を記述した。この出射角度をより小さく設定し、
散乱表示の輝度をさらに高めることはもちろん可能であ
る。

【０１２２】図２７は本実施の形態によるホログラムＨ
１の回折効率と入射角度との関係を表すグラフであり、
２つの波長４８５ｎｍ（λ１）と５４５ｎｍ（λ２）に
対する特性が示されている。簡便のためここではＳ偏光
の特性のみをプロットした。Ｐ偏光に対する特性はその
主ピークにおいてＳ偏光の特性を越えることはないた
め、以下の説明に矛盾を生じることはない。また、ここ
での屈折率変調度は０．０３とした。

【０１２３】図２７において波長５４５ｎｍに対応する
曲線の中心は４８．８°より左側の禁止帯に追いやられ
ているため、曲線の裾野のわずかな信号のみが見えてい
る。これはディスプレイ装置の色表示にはほとんど寄与
しないため、ここでは波長４８５ｎｍの青色単色の表示
が実現できる。

【０１２４】本実施の形態の特徴ある効果は、画面の上
下で表示色を任意に設定できる点である。すなわち、画
面上方に透明層とホログラムＨ２、画面下方にホログラ
ムＨ１を配することで、画面上方でλ２の色表示、画面
下方でλ１の色表示が可能となる。これは本発明の構成
によってホログラムＨ１とホログラムＨ２がそれぞれ独
立に色の選択を行うことを可能としたことによる著しい
効果である。

【０１２５】従って、本実施の形態のディスプレイ装置
は以下のようなバリエーションを得ることが可能であ
る。

【０１２６】図２８は本実施の形態のディスプレイ装置
画面の正面図であり、画面内で構成し得る表示色の配置
を示したものである。尚、ここでは光源は画面下方に配
置されているものとする。

【０１２７】図２８（ａ）は、これまで述べてきたよう
な、画面下方でλ２、画面上方でλ１を表示色とする配
置である。それぞれの表示領域の大きさは任意に設定可
能である。図２８（ｂ）は、画面左側でλ２、画面右側
でλ１を表示色とする配置である。表示領域の左右は入
れ換えることが可能であり、またその大きさは任意に設
定可能である。図２８（ｃ）は、画面左側及び下方でλ
２、画面右上方でλ１を表示色とする配置である。表示
領域の左右は入れ換えることが可能であり、またその大
きさは任意に設定可能である。図２８（ｄ）は、これま
で述べてきたものとは色の順序が逆転しており、画面下
方でλ１、画面上方でλ２を表示色とする配置である。
それぞれの表示領域の大きさは任意に設定可能である。
図２８（ｅ）は、画面左側及び上方でλ２、画面右下方
でλ１を表示色とする配置である。表示領域の左右は入
れ換えることが可能であり、またその大きさは任意に設
定可能である。図２８（ｆ）は、画面下方でλ２、画面
中央でλ１、そして画面上方で再びλ２を表示色とする
配置である。さらに複数回２つの色を順番に表示するこ
とも可能である。また、波長の順序は入れ替え可能であ
り、領域の大きさは任意に設定可能である。

【０１２８】尚、上でも述べたように、透過型ホログラ
ムを用いた構成では、より長い波長の光が透明基板２と
透明層３の界面において全反射条件を満たし易くなる。
さらに、より短い波長の光が禁止帯に追いやられる。従
って、表示色の波長の大小関係は逆転する。

【０１２９】また、本実施の形態のディスプレイ装置に
用いられるホログラムは図１０、あるいは図１９に示し
た露光系で、参照光、物体光の設定角度をホログラムＨ
１とＨ２それぞれにわずかに変え、及び参照光、物体光
それぞれの領域にマスクを配置し、順番に露光すること
で得ることができる。

【０１３０】以上第２の実施の形態として述べてきたよ
うに、本発明によれば２色の散乱表示が可能で、かつ透
明なディスプレイ装置が実現できる。尚、本実施の形態
に本発明の他の構成を付加することでさらに良好な結果
を得ることが可能であることは第１の実施の形態と同様
であるが、その内容については第１の実施の形態の項で
詳細に記述したのでここでは省略する。

【０１３１】さて、以上述べてきた２つの実施の形態で
示された本発明の特徴ある構成及び効果を反射ホログラ
ムの場合に限って整理すると次のようになる。

【０１３２】（１）低屈折率透明層の存在によって、短
波長側の光をホログラムに入射させない。

【０１３３】（２）禁止帯に追いやることで、長波長側
の光をホログラムに入射させない。これらの構成によっ
て回折光の単色化を実現するものである。

【０１３４】尚、透過ホログラムの場合、波長の長短の
関係が逆転することは上述のとおりである。

【０１３５】さて、これらの特徴を活かすことによっ
て、３つの異なる波長が存在した場合にもそれぞれの波
長を分離して照明光を得ることができるようになる。こ
れを実現した例を第３の実施の形態として以下詳細に説
明する。

【０１３６】（第３の実施の形態）以下本発明の第３の
実施の形態であるディスプレイ装置について、図面を参
照しながら説明する。図２９は、本実施の形態によるデ
ィスプレイ装置の構成図であって、分散型液晶表示装置
１、透明基板２、透明層３、反射型のホログラムＨ１
０、Ｈ２０，Ｈ３０、冷陰極蛍光管４、反射ミラー５を
組み合わせた構成となっている。

【０１３７】尚、第１及び第２の実施の形態と同様、前
記分散型液晶表示装置１は図４１に従来例として説明し
た従来の表示装置から照明光源４６、光吸収板４７、及
びカラーフィルタ４８を取り除いた以外は基本的に構成
は変わらないものであり、図ではこの表示装置を簡略化
して描いた。

【０１３８】ホログラムＨ１０、Ｈ２０，およびＨ３０
は透明基板２の端面から入射した光のみを基板外部に出
射するように構成された、いわゆる体積位相型のエッジ
リットホログラムであり、透明基板２の表面から入射す
る光が回折されることで回折照明光を形成することがな
いため、外見上は透明である。従って、分散型液晶表示
装置１を透明状態に設定すればこのディスプレイ装置の
画像表示部全体が透明となり、その背景をあたかもガラ
ス越しにみる景色のごとく見ることができる。またホロ
グラムＨ１０、Ｈ２０，およびＨ３０は、それぞれ異な
る波長の回折照明光Ｉ１０、Ｉ２０及びＩ３０を下方に
傾いた同じ方向に出射させるよう構成されているため、
分散型液晶表示装置１の透明な領域を通過してきた不要
な照明光が直接観察者の目に入ることがない。従って観
察者には散乱状態にある画素Ｐ１０、Ｐ２０及びＰ３０
だけが輝いて見えるため、背景に重畳したコントラスト
の高い画像が表示されることとなる。

【０１３９】本実施の形態の特徴は透明基板２よりも低
い屈折率を有する透明層３を全領域に設けたことと、３
つの領域それぞれでホログラムの構成を本発明の主旨に
基づいて変えたことである。これにより３つの異なる色
の表示が可能で図２９に示すように各照明光の出射角度
を等しくすることも可能なディスプレイ装置が得られて
いる。これは、このような制約を受けることを意味する
のではなく、上記構成の３色表示の原理によって自由度
が増し、このような構成を取ることも可能になったこと
を意味している。

【０１４０】さらに、表示色の順序を任意に設定できる
ディスプレイ装置となっている。即ち、図２９ではディ
スプレイ装置の上方で波長λ３、中央で波長λ２、そし
て下方では波長λ１の表示をするように描かれている
が、上からλ２、λ３、λ１、あるいはλ１、λ３、λ
２等の順序で表示を行うことも可能となる。

【０１４１】後ほど図２９、及びその分解図である図３
１から３３を用いて２色表示の原理を詳細に説明する
が、その前に図３０を用いて、ホログラムＨ３０と透明
基板２内を伝搬する光との関係をミクロに説明する。
尚、ホログラムＨ１０とＨ２０としては第２の実施の形
態で説明したホログラムＨ１とＨ２をそのまま適用でき
るため、後でその概略を記述するだけにとどめておく
が、ホログラムＨ１０とＨ２０の構成がこれに限定され
るものではない。

【０１４２】図３０はホログラムＨ３０の一部を取り出
し、その周期構造と光の関係を図示したものである。こ
こで、Ｎはホログラムの法線ベクトルで、透明基板の表
面の法線ベクトルでもある。Λ３はグレーティングピッ
チ、Ｋ３はグレーティングベクトル、φ３はグレーティ
ングの傾き角である。図中に示したように、このホログ
ラムＨ３０はグレーティングベクトルＫ３とρ５なる角
度で入射する波長λ１の光を反射し、同様にρ６なる角
度で入射する波長λ２の光、およびρ７なる角度で入射
する波長λ３の光を反射する。この関係、即ちブラグ条
件は次式で表される。尚、ここでの波長λ１、λ２、及
びλ３はこの順番に波長が長くなるものとした。

【０１４３】 Ｋ３＝４πｎHcosρ５／λ１ ＝４πｎHcosρ６／λ２ ＝４πｎHcosρ７／λ３ ・・・ （１２） Λ３＝２π／Ｋ３ ・・・ （１３） 尚、第１の実施の形態の項でも述べたのと同様の理由で
「ρ５なる角度で入射する波長λ１の光」、「ρ６なる
角度で入射する波長λ２の光」、あるいは「ρ７なる角
度で入射する波長λ３の光」、という表現は、それぞれ
の角度を中心にして、ある角度幅を含む光線を意味する
ものである。

【０１４４】他の実施の形態の項で説明したように、ホ
ログラムＨ３０に入射したときに波長λ１、λ２及びλ
３に対するブラグ条件を満たす光線が伝搬光の中に含ま
れているならば、３つの波長が同時に回折される。この
回折光はわずかに出射角度が異なるため、離れたところ
では３つの色が空間的に分離されるが、本実施の形態の
ように照明装置と分散型液晶表示装置を近接して配した
構成のディスプレイ装置においては、照明光としてその
散乱画素に到達した時点で３つの波長は空間的に十分に
は分離されておらず、結果として３つの色が混ざり合っ
た照明光となって散乱画素を照明してしまう。

【０１４５】さて、３つの色を分離するために本実施の
形態では、３つの領域に配されたホログラムＨ１０、Ｈ
２０およびＨ３０のそれぞれについて次のような構成を
とっている。

【０１４６】（ホログラムＨ１０）透明基板２よりも低
い屈折率を有する透明層３をホログラムＨ１０と透明基
板２との間に設け、次の条件式を満足したこと、 ｎT≧ｎSsinθ11 ・・・ （１４） 及び、波長λ２に対するホログラムＨ１０の微細周期構
造の周期間隔Λ１０と傾き角φ１０を次式のごとく構成
したことである。

【０１４７】 φ１０＋cosー1（λ２／２ｎHΛ１０）＋sin-1(１／ｎS)＞π／２ ・・（15） 尚、波長λ３に関する条件は式（１５）に包含されてい
る。

【０１４８】これらの条件式が意味するところを図３１
を用いて説明する。式（１４）はホログラムＨ１０のブ
ラグ条件を満足する波長λ１の光線（図中λ１(θ11)）
が透明基板２と透明層３の界面で全反射を起こさないた
めの条件である。

【０１４９】式（１５）はホログラムＨ１０のブラグ条
件を満足する波長λ２の光線（図中λ２(θ12)）を禁止
帯に追いやるための条件である。このとき波長λ２より
も波長の長いλ３の光（図中λ３(θ13)）は同時に禁止
帯に追いやられることになる。こうしたメカニズムによ
り、ホログラムＨ１０からは波長λ１の光のみが照明光
とＩ１０して得られることになる。

【０１５０】（ホログラムＨ２０）透明基板２よりも低
い屈折率を有する透明層３をホログラムＨ２０と透明基
板２との間に設け、次の条件式を満足したこと、 ｎT≧ｎSsinθ22 ・・・ （１６） ｎT≦ｎSsinθ21 ・・・ （１７） 及び、波長λ３に対するホログラムＨ２０の微細周期構
造の周期間隔Λ２０と傾き角φ２０を次式のごとく構成
したことである。

【０１５１】 φ２０＋cosー1（λ３／２ｎHΛ２０）＋sin-1（１／ｎS）＞π／２ ・・(18) ここで、θ2j はホログラムＨ２０のブラグ条件を満足
する波長λj の光の伝搬角である。

【０１５２】これらの条件式が意味するところを図３２
を用いて説明する。式（１６）はホログラムＨ２０のブ
ラグ条件を満足する波長λ２の光線（図中λ２(θ22)）
が透明基板２と透明層３の界面で全反射を起こさないた
めの条件である。

【０１５３】式（１７）はホログラムＨ２０のブラグ条
件を満足する波長λ１の光線（図中λ１(θ21)）が透明
基板２と透明層３の界面で全反射を起こすための条件で
ある。

【０１５４】式（１８）はホログラムＨ２０のブラグ条
件を満足する波長λ３の光線（図中λ３(θ23)）を禁止
帯に追いやるための条件である。

【０１５５】こうしたメカニズムにより、ホログラムＨ
２０からは波長λ２の光のみが照明光Ｉ２０として得ら
れることになる。

【０１５６】（ホログラムＨ３０）透明基板２よりも低
い屈折率を有する透明層３をホログラムＨ３０と透明基
板２との間に設け、次の条件式を満足したこと。

【０１５７】ｎT≧ｎSsinθ13 ・・・ （１９） ｎT≦ｎSsinθ12 ・・・ （２０） ここで、θ1j はホログラムＨ３０のブラグ条件を満足
する波長λj の光の伝搬角である。尚、波長λ１に関す
る条件は式（２０）に包含されている。

【０１５８】これらの条件式が意味するところを図３３
を用いて説明する。式（１９）はホログラムＨ３０のブ
ラグ条件を満足する波長λ３の光線（図中λ３(θ33)）
が透明基板２と透明層３の界面で全反射を起こさないた
めの条件である。

【０１５９】式（２０）はホログラムＨ３０のブラグ条
件を満足する波長λ２の光線（図中λ２(θ32)）が透明
基板２と透明層３の界面で全反射を起こすための条件で
ある。

【０１６０】このとき波長λ２よりも波長の短い波長λ
１の光（図中λ１(θ31)）は同時に全反射条件を満足す
る。

【０１６１】こうしたメカニズムにより、ホログラムＨ
３０からは波長λ３の光のみが照明光Ｉ３０として得ら
れることになる。

【０１６２】尚、上記条件式において透明層３の屈折率
をｎT に統一して表したが、これは同一の透明層を設け
る構成が可能であることを示したもので、もちろんそれ
ぞれの領域で異なる屈折率をもつ透明層を設けてもよ
い。例えばホログラムＨ１０の領域に限っては透明層を
設けない構成すら可能である。

【０１６３】ここで図２９に戻り、上記のような構成を
もつ本実施の形態のディスプレイ装置について説明を続
ける。

【０１６４】上で述べたようなメカニズムにより得られ
た単色の照明光Ｉ１０、Ｉ２０、及びＩ３０はそれぞれ
分散型液晶表示装置１の散乱状態にある画素Ｐ１０、Ｐ
２０、及びＰ３０に入射し、それぞれ散乱表示光Ｓ１
０、Ｓ２０、及びＳ３０となり、観察者６の目に到達す
る従って、観察者６には画素Ｐ１０、Ｐ２０及びＰ３０
がそれぞれ異なった色の散乱画素として認識できること
になる。

【０１６５】最後に本実施の形態で用いた具体的なパラ
メータの値を記述するが、本発明はこれらの具体的パラ
メータの値に限定されるものではない。尚、ここでホロ
グラムへの入射角度をθin、回折による出射角度をθou
tで表した。

【０１６６】 冷陰極蛍光管 青、緑、赤混色 管径３ｍｍ 反射ミラー アルミ蒸着フィルム 透明基板 ＢＫ７ ｎS＝１．５２ 厚み ４ｍｍ 透明層 ＳｉＯ２ ｎT＝１．４６ 厚み １μｍ ホログラムＨ１０ 光重合型フォトポリマ ｎH＝１．５ 厚み１０μｍ λ１ ＝ ４８５ｎｍ φ１ ＝ ４５° Λ１ ＝ ０．１７μｍ θin ＝ ６５° θout ＝ ４０° ホログラムＨ２０ 光重合型フォトポリマ ｎH＝１．５ 厚み１０μｍ λ２ ＝ ５４５ ｎｍ φ２ ＝ ４５° Λ２ ＝ ０．１９μｍ θin ＝ ６５° θout ＝ ４０° ホログラムＨ３０ 光重合型フォトポリマ ｎH＝１．５ 厚み１０μｍ λ１ ＝ ６１０ｎｍ φ１ ＝ ４５° Λ１ ＝ ０．２１μｍ θin ＝ ６５° θout ＝ ４０° 全反射角 ７４°（ＢＫ７／ＳｉＯ２界面） 尚、ここで定義される出射角θoutは、分散型液晶表示
装置１への照明光としての概念を明確にするために大気
中での値を記述した。この出射角度をより小さく設定
し、散乱表示の輝度をさらに高めることはもちろん可能
である。

【０１６７】図３４〜図３６は本実施の形態による各ホ
ログラムの回折効率と入射角度との関係を表すグラフで
ある。尚、簡便のためここではＳ偏光に対する特性のみ
をプロットした。Ｐ偏光に対する特性はその主ピークに
おいてＳ偏光の特性を越えることはないため、以下の説
明に矛盾を生じることはない。また、ここでの屈折率変
調度は０．０３とした。

【０１６８】図３４は本実施の形態によるホログラムＨ
１０の回折効率と入射角度との関係を表すグラフであ
り、波長４８５ｎｍ（λ１）に対する特性曲線が示され
ている。波長５４５ｎｍに対応する特性曲線の中心は４
８．８°より左側の禁止帯に追いやられているため、曲
線の裾野のわずかな信号のみが見えている。波長６１０
ｎｍについても禁止帯に追いやられていて見えない。こ
れはディスプレイ装置の色表示にはほとんど寄与しない
ため、ここでは波長４８５ｎｍの青色単色の表示が実現
できる。

【０１６９】図３５は本実施の形態によるホログラムＨ
２０の回折効率と入射角度との関係を表すグラフであ
り、２つの波長４８５ｎｍ（λ１）と５４５ｎｍ（λ
２）に対する特性曲線が示されている。波長５４５ｎｍ
に対する特性曲線は、ほとんど全てが図８に示した透明
層／透明基板界面での全反射角７４°よりも大きい位置
にあり、ホログラム２０の回折作用を受けないことがわ
かる。一方、波長６１０ｎｍに対応する曲線の中心は４
８．８°より左側の禁止帯に追いやられているため、曲
線の裾野のわずかな信号のみが見えている。これはディ
スプレイ装置の色表示にはほとんど寄与しないため、こ
こでは波長５４５ｎｍの緑色単色の表示が実現できる。

【０１７０】図３６は本実施の形態によるホログラムＨ
３０の回折効率と入射角度との関係を表すグラフであ
り、３つの波長４８５ｎｍ（λ１）、５４５ｎｍ（λ
２）、及び６１０ｎｍ（λ３）に対する特性曲線が示さ
れている。波長５４５ｎｍ及び４８５ｎｍに対する特性
曲線は、ほとんど全てが透明層／透明基板界面での全反
射角７４°よりも大きい位置にあり、ホログラム２０の
回折作用を受けないことがわかる。一方、波長６１０ｎ
ｍに対応する曲線の中心は４８．８°より左側の禁止帯
に追いやられているため、曲線の裾野のわずかな信号の
みが見えている。これはディスプレイ装置の色表示には
ほとんど寄与しないため、ここでは波長５４５ｎｍの緑
色単色の表示が実現できる。

【０１７１】本実施の形態の特徴ある効果は、画面の上
下左右を問わず、表示色を任意に配置できる点である。
実施の形態として図２９に示したディスプレイ装置で
は、画面の上方で赤（λ３）、中央で緑（λ２）、そし
て下方では青（λ１）の表示をするように描かれている
が、上から緑、赤、青、あるいは青、赤、緑等の順序で
表示を行うことも可能となる。

【０１７２】また、本実施の形態のディスプレイ装置に
用いられるホログラムは図１０、あるいは図１９に示し
た露光系で、参照光、物体光の設定角度をホログラムＨ
１０、Ｈ２０、Ｈ３０それぞれにわずかに変え、及び参
照光、物体光それぞれの領域にマスクを配置し、順番に
露光することで得ることができる。

【０１７３】以上第３の実施の形態として述べてきたよ
うに、本発明によれば３色の散乱表示が可能で、かつ透
明なディスプレイ装置が実現できる。尚、本実施の形態
に本発明の他の構成を付加することでさらに良好な結果
を得ることが可能であるが、その内容は第１の実施の形
態の項で詳細に記述したのでここでは省略する。

【０１７４】（第４の実施の形態）第３の実施の形態と
して示した３色の配列順序が任意に設定できるディスプ
レイ装置において、さらにそれぞれの領域を細分化し、
３つの波長の表示領域Ｒ，Ｇ，Ｂをを図３７に示すよう
なマトリックス状に配置すれば、分散型液晶表示装置の
カラー化が実現できることになる。尚、色の配置はここ
で示した配置に限定されるものではない。

【０１７５】また、本実施の形態のディスプレイ装置に
用いられるホログラムは図１０、あるいは図１９に示し
た露光系で、参照光、物体光の設定角度をＲ，Ｇ，Ｂに
対応するホログラムごとにわずかに変え、及び参照光、
物体光それぞれの領域にマスクを配置し、順番に露光す
ることで得ることができる。

【０１７６】また、本実施の形態に本発明の他の構成を
付加することで、輝度の向上や均一化などのさらに良好
な結果を得ることが可能であるが、その内容は第１の実
施の形態の項で詳細に記述したのでここでは省略する。

【０１７７】さて、以上記載した４つの実施の形態はい
ずれもホログラムを反射型とし、照明光の出射方向を画
面下方に設定したものであった。これは、このように構
成することで透明基板内を伝搬する伝搬光のＳ偏光のみ
ならずＰ偏光も有効に利用することができ、結果として
ディスプレイ装置の輝度を高める効果があるからであ
る。

【０１７８】図３８は前述したホログラムＨ１０の波長
４８５ｎｍ（λ１）に対する回折効率と入射角度との関
係を表す特性曲線であり、すでに第３の実施の形態を説
明するために用いた図３４を、Ｓ，Ｐ両偏光に対して改
めてプロットし直したものである。

【０１７９】図３９は照明光の出射方向を上向きに設定
したホログラムの回折効率と入射角度との関係を表す特
性曲線である。図３８と同じく波長を４８５ｎｍ、入射
角を６５°とし、回折による出射角だけを上向き４０°
（大気中）に変更したものである。

【０１８０】図３８、図３９ともに屈折率変調度を０．
０３としたときの計算結果である。図３９からわかるよ
うに、上向き出射の場合はＰ偏光の回折効率が著しく低
い。またＳ偏光の角度許容幅が狭い。一方、図３８の下
向き出射ではＰ偏光は約９８％の高い回折効率を示して
おり、また両偏光の角度許容幅も広い。従って、下向き
出射の構成をとることでディスプレイ装置の輝度を著し
く高めることが可能であることがわかる。

【０１８１】また、透過ホログラムではこの関係が逆転
し、上向き出射の場合にＰ偏光の回折効率が高く、下向
き出射の場合にＰ偏光の回折効率が低くなる。従って、
透過ホログラムを用いた構成では、上向き出射を選択す
ることが高輝度化の観点からみて好ましい。

【０１８２】尚、ここで「上向き」、「下向き」という
表現を用いたが、これは実施の形態として示したように
光源がディスプレイ装置の下方に設置され、ホログラム
への入射光が透明基板の下方から上方に向かって伝搬し
ていることを基準にした表現となっている。

【０１８３】また、図４０に示すようにこれまでの透明
基板とホログラム（例えばＨ０）の配置を紙面垂直方向
を軸に１８０°回転させた構成をとることもできる。こ
の場合、図に示すように伝搬光は一旦ホログラムを素通
りし、ホログラム表面で全反射した後に回折され、ホロ
グラム表面から出射される。その出射方向は、本来の配
置において得られていた出射方向に等しい。ここでは反
射型ホログラムの場合を示したが、透過ホログラムの場
合でも同様である。

【０１８４】また、これまで述べてきたように本発明の
ディスプレイ装置では照明光がホログラム面から傾いた
方向に出射することを基本構成とするものである。ここ
から派生する新しい照明装置として、例えば、照明光の
出射方向をホログラム面に対して垂直な方向に設定した
照明装置を構成することも可能である。この場合、従来
のＴＮ型液晶表示装置に代表されるような光シャッタ方
式による表示装置に後方から照明光を与えるための照明
装置として利用できる。あるいは、この照明装置が透明
であることを利用して、反射型の表示装置に前方から照
明光を与えるための照明装置を構成することができる。
いずれの場合も本発明で記載されているところのカラー
化、高輝度化の原理が適用できる。

【０１８５】また、第１の実施の形態で説明したよう
な、変調度を変化させること、傾き角及び周期間隔を変
化させること、あるいは上で述べた、反射ホログラムで
は下向き出射を選択すること、透過ホログラムでは上向
き出射を選択すること、等の付加的な構成は、透明層を
全く介さない本発明のディスプレイ装置についても有効
に利用することができる。例えば、青と緑の混色表示を
行うディスプレイ装置の高輝度化に寄与できる。またこ
のように透明層を全く介さない構成の場合、ホログラム
の屈折率が透明基板よりも小さくなるように両者の組み
合わせを選択構成することで、疑似的な単色表示を行う
ことができる。つまり、このような構成においては、ホ
ログラムへの入射角が大きな光の方がこれに入射する効
率が低くなるためこの光の回折光強度が低下する。即
ち、反射型ホログラムではより短波長側の光の回折光強
度が低下するため、同時にホログラムに入射している、
より長波長側の光による照明が支配的となる。尚、透過
ホログラムの場合に波長の長短の関係が逆転することは
前述の通りである。

【０１８６】

【発明の効果】以上のように本発明では、画像表示部が
透明で、カラー表示可能で、かつ直視型として用いるこ
とのできる高輝度のディスプレイ装置を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態におけるディスプレ
イ装置の構成図

【図２】ホログラムの微細構造を示した模式図

【図３】透明基板内を伝搬する光がある角度に限定され
ることを示す原理図

【図４】ホログラムによって２つの波長が同時に回折さ
れることを示す原理図

【図５】透明基板と透明層の界面での全反射を示す原理
図

【図６】透明基板と透明層の界面を透過する状況を示す
原理図

【図７】（ａ）透明層による波長λ１とλ２の光の分離
を示す原理図 （ｂ）波長λ１の光が透明層のない領域で回折される状
況を示す原理図

【図８】透明基板／透明層界面での透過率の角度依存性
を示す特性図

【図９】ホログラムＨ０による回折効率の角度依存性を
示す特性図

【図１０】ホログラムＨ０を作製するための露光光学系
の平面図

【図１１】ホログラムＨ０作製時のセッティングを示す
原理図

【図１２】（ａ）第１の実施の形態によるディスプレイ
装置で構成し得る表示色の正面配置であって画面下方で
λ２、画面上方でλ１を表示色とする配置図 （ｂ）画面左側でλ２、画面右側でλ１を表示色とする
配置図 （ｃ）画面左側及び下方でλ２、画面右上方でλ１を表
示色とする配置図

【図１３】ホログラムの屈折率変調度を上下方向に分布
させたことを示す構成図

【図１４】透明基板の中を光が伝搬する様子を示した模
式図

【図１５】（ａ）ホログラム作製時の参照光と物体光の
画面上下方向の光強度分布であって、輝度の均一化を実
現するための光強度の設定例を示す図 （ｂ）輝度の均一化と白濁抑制を実現するための光強度
の設定例を示す図 （ｃ）画面中央近傍で特に輝度を高めるための光強度の
設定例を示す図

【図１６】参照光と物体光の等位相面の関係を示す原理
図

【図１７】微細周期構造の傾き角が画面の上下方向に分
布していることを示す原理図

【図１８】異なる角度で伝搬する光が効率よく回折され
ることを示す原理図

【図１９】微細周期構造の傾き角分布を得るための露光
光学系の平面図

【図２０】ホログラム多重化の様子を説明するための分
解図

【図２１】本発明により実現した車載用のナビゲーショ
ン情報の表示装置を示す図

【図２２】本発明の第２の実施の形態におけるディスプ
レイ装置の構成図

【図２３】ホログラムＨ１の微細構造を示した模式図

【図２４】透明基板内を伝搬する光がある角度に限定さ
れることを示す原理図

【図２５】禁止帯を表す模式図

【図２６】禁止帯による２波長分離の状況を示す原理図

【図２７】ホログラムＨ１の回折効率と入射角度との関
係を表す特性図

【図２８】（ａ）第２の実施の形態によるディスプレイ
装置で構成し得る表示色の正面配置であって、画面下方
でλ２、画面上方でλ１を表示色とする配置図 （ｂ）画面左側でλ２、画面右側でλ１を表示色とする
配置図 （ｃ）画面左側及び下方でλ２、画面右上方でλ１を表
示色とする配置図 （ｄ）画面下方でλ１、画面上方でλ２を表示色とする
配置図 （ｅ）画面左側及び上方でλ２、画面右下方でλ１を表
示色とする配置図 （ｆ）画面下方でλ２、画面中央でλ１、画面上方でλ
２を表示色とする配置図

【図２９】本発明の第３の実施の形態におけるディスプ
レイ装置の構成図

【図３０】ホログラムＨ３０の微細構造を示した模式図

【図３１】ホログラムＨ１０で波長λ１のみが回折され
ることを示す原理図

【図３２】ホログラムＨ２０で波長λ２のみが回折され
ることを示す原理図

【図３３】ホログラムＨ３０で波長λ３のみが回折され
ることを示す原理図

【図３４】ホログラムＨ１０の回折効率と入射角度との
関係を表す特性図

【図３５】ホログラムＨ２０の回折効率と入射角度との
関係を表す特性図

【図３６】ホログラムＨ３０の回折効率と入射角度との
関係を表す特性図

【図３７】第３の実施の形態によるディスプレイ装置で
構成し得るマトリックス状の表示色の配置を示した正面
図

【図３８】下向き出射構成のホログラムの偏光特性図

【図３９】上向き出射構成のホログラムの偏光特性図

【図４０】１８０°回転配置された透明基板とホログラ
ムでの照明光形成の原理図

【図４１】従来の分散型液晶表示装置の構成図

【図４２】高分子分散液晶層による光の散乱を示す原理
図

【符号の説明】

１ 分散型液晶表示装置 ２ 透明基板 ３ 透明層 ４ 冷陰極蛍光管 ５ 反射ミラー １０ レーザ装置 １１，１５，１６ 反射ミラー １２ ビームスプリッタ １３ 参照光 １４ 物体光 １７ 第１のガラスブロック １８ 第２のガラスブロック １９ ホログラム基板 ２０，２１ 屈折率整合液 ３０，３１ 伝搬光 ３２ シリンドリカルレンズ ３３ 伝搬光 ３４ 照明光 ４１ 高分子分散液晶層 ４２，４３ 透明基板 ４４，４５ 透明電極 ４６ 照明光源 ４７ 光吸収板 ４８ カラーフィルタ ４９ 入射光 ５０ 前方散乱光 ５１ 後方散乱光 Ｈ０ 第１の実施の形態におけるホログラム Ｂ１，Ｂ２ 伝搬光 Ｉ１，Ｉ２ 照明光 Ｐ１，Ｐ２ 散乱状態にある画素 Ｓ１，Ｓ２ 散乱表示光 Ｈ１，Ｈ２ 第２の実施の形態におけるホログラム Ｂ３ 伝搬光 Ｉ３，Ｉ４ 照明光 Ｐ３，Ｐ４ 散乱状態にある画素 Ｓ３，Ｓ４ 散乱表示光 Ｈ１０，Ｈ２０，Ｈ３０ 第３の実施の形態におけるホ
ログラム Ｉ１０，Ｉ２０，Ｉ３０ 照明光 Ｐ１０，Ｐ２０，Ｐ３０ 散乱状態にある画素 Ｓ１０，Ｓ２０，Ｓ３０ 散乱表示光 Ｈm 多重化されたホログラム

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 奥田 英一郎 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 岡内 亨 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (21)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】分散型液晶表示装置と光源と透明基板とこ
   の透明基板よりも低い屈折率を有する透明層とホログラ
   ムとから構成され、前記透明基板と前記ホログラムが一
   部の領域においてあるいは全領域にわたって前記透明層
   を介し密着して構成されることを特徴とするディスプレ
   イ装置。
2. 【請求項２】透明層の屈折率をｎＴ、透明基板の屈折率
   をｎＳとしたときに、伝搬角度θで前記透明基板内を伝
   搬する光のうち少なくとも一つの波長の光に対し、ｎＴ
   ≦ｎＳsinθを満足することを特徴とする請求項１記載
   のディスプレイ装置。
3. 【請求項３】分散型液晶表示装置と光源と透明基板とこ
   の透明基板の表面に密着して配された前記透明基板より
   も低い平均屈折率を有するホログラムとから構成される
   ことを特徴とするディスプレイ装置。
4. 【請求項４】ホログラムが多重ホログラムであることを
   特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のディスプレ
   イ装置。
5. 【請求項５】分散型液晶表示装置と光源と透明基板とこ
   の透明基板の表面に密着して配された多重ホログラムと
   から構成されることを特徴とするディスプレイ装置。
6. 【請求項６】ホログラムが反射型のホログラムで、透明
   基板の下方端面から入射した光源の光が前記ホログラム
   によって前記透明基板の表面から下方に傾いた方向に出
   射されることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記
   載のディスプレイ装置。
7. 【請求項７】ホログラムが透過型のホログラムで、透明
   基板の下方端面から入射した光源の光が前記ホログラム
   によって前記透明基板の表面から上方に傾いた方向に出
   射されることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記
   載のディスプレイ装置。
8. 【請求項８】分散型液晶表示装置と光源と透明基板とこ
   の透明基板の表面に密着して配された反射型のホログラ
   ムとから構成され、前記光源を発した光が前記透明基板
   の下方端面から入射して伝搬光となり、この伝搬光が前
   記ホログラムによって前記透明基板の表面から下方に傾
   いた方向に出射され照明光となり、この照明光によって
   前記分散型液晶表示装置を照明することを特徴とするデ
   ィスプレイ装置。
9. 【請求項９】分散型液晶表示装置と光源と透明基板とこ
   の透明基板の表面に密着して配された透過型のホログラ
   ムとから構成され、前記光源を発した光が前記透明基板
   の下方端面から入射して伝搬光となり、この伝搬光が前
   記ホログラムによって前記透明基板の表面から上方に傾
   いた方向に出射され照明光となり、この照明光によって
   前記分散型液晶表示装置を照明することを特徴とするデ
   ィスプレイ装置。
10. 【請求項１０】ホログラムの微細周期構造の間隔とその
    傾き角度を領域によって変化させたことを特徴とする請
    求項１〜９のいずれかに記載のディスプレイ装置。
11. 【請求項１１】ホログラムの微細周期構造の間隔をΛ、
    その傾き角度をφ、ホログラムの平均屈折率をｎH、透
    明基板の屈折率をｎS、円周率をπとしたときに、光源
    の波長の少なくとも一つの波長λが次式 φ＋cosー1（λ／２ｎHΛ）＋sin-1（１／ｎS）＞π／２ を満たすことを特徴とする請求項１０に記載のディスプ
    レイ装置。
12. 【請求項１２】ホログラムの微細周期構造の間隔をΛ、
    その傾き角度をφ、ホログラムの平均屈折率をｎHとし
    たときに、光源の波長の少なくとも一つの波長λが次式 λ／２ｎHΛ＞１ を満たすことを特徴とする請求項１０に記載のディスプ
    レイ装置。
13. 【請求項１３】ホログラムの屈折率変調度を領域によっ
    て変化させたことを特徴とする請求項１〜１２のいずれ
    かに記載のディスプレイ装置。
14. 【請求項１４】蛍光管を光源として透明基板の端面近傍
    に配することを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに
    記載のディスプレイ装置。
15. 【請求項１５】蛍光管を光源として透明基板の端面近傍
    に配し、前記蛍光管と前記透明基板の端面を巻き込むよ
    うに反射板を配置することを特徴とする請求項１〜１３
    のいずれかに記載のディスプレイ装置。
16. 【請求項１６】光源からの光を導く光ファイバアレイを
    透明基板の端面近傍に配することを特徴とする請求項１
    〜１３のいずれかに記載のディスプレイ装置。
17. 【請求項１７】有機発光素子を光源として透明基板の端
    面近傍に配することを特徴とする請求項１〜１３のいず
    れかに記載のディスプレイ装置。
18. 【請求項１８】光源の光が白色光であることを特徴とす
    る請求項１〜１７のいずれかに記載のディスプレイ装
    置。
19. 【請求項１９】請求項１〜１８のいずれかに記載のディ
    スプレイ装置を作製するためのディスプレイ装置の製造
    方法であって、一方向に光強度が増加するレーザビーム
    と前記方向に光強度が減少するレーザビームとによって
    ホログラムを作製することを特徴とするディスプレイ装
    置の製造方法。
20. 【請求項２０】請求項１〜１８のいずれかに記載のディ
    スプレイ装置を作製するためのディスプレイ装置の製造
    方法であって、一方向に可干渉性が低下するような２つ
    のレーザビームによってホログラムを作製することを特
    徴とするディスプレイ装置の製造方法。
21. 【請求項２１】ホログラム媒体内で光強度の和が一定と
    なるような２つのレーザビームによって前記ホログラム
    を作製することを特徴とする請求項１９または２０記載
    のディスプレイ装置の製造方法。