JP2001311813A - ホログラムカラーフィルターを用いた画像表示装置 - Google Patents
ホログラムカラーフィルターを用いた画像表示装置Info
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Abstract
ホログラムカラーフィルターを用いた画像表示装置であ
って色再現性と光利用効率を向上させたもの。 【解決手段】 ホログラムカラーフィルター1として、
異なる波長帯域の光束を異なる入射角であって、ホログ
ラムカラーフィルター1の干渉縞のブラッグの回折条件
を何れも満足するような入射角で入射させた場合に、異
なる別々の回折角で回折するホログラムカラーフィルタ
ーを用い、照明光3として、複数の波長帯域の光束3
R、3G、3Bに分離されており、各波長帯域の光束
は、それぞれブラッグの回折条件を満足するような異な
る入射角でホログラムカラーフィルター1に入射するよ
うに構成されているので、照明光の光利用効率が高く色
再現性の良いカラー画像表示が可能である。
Description
フィルターを用いた画像表示装置に関し、特に、空間変
調素子とホログラムカラーフィルターからなる画像表示
装置であって、色再現性と光利用効率が向上したカラー
画像表示装置に関するものである。
等において、液晶表示素子とホログラムカラーフィルタ
ーからなる画像表示装置に関して多くの出願をしてい
る。これらの発明では、ホログラムカラーフィルターの
ホログラムとしては、波長選択性・角度選択性が少なく
なるように設定したものを用いている。
6488において、上記のようなホログラムカラーフィ
ルターを反射型液晶表示装置に適用する場合に、反射型
液晶表示素子により反射されたホログラムカラーフィル
ターからの回折光の大部分を隣接する要素ホログラムに
入射するようにしたものを提案している。
いて、一層の体積型ホログラムの角度選択性・波長選択
性を利用してR(赤色)、G(緑色)、B(青色)毎に
異なる入射角で入射する照明光を選択的にかつ異なる回
折角で回折させてそれぞれの原色画素に入射させるよう
にしたホログラムカラーフィルターと導光板を組み合わ
せてなる透過型液晶表示装置が提案されている。
各層の波長選択性を利用してカラー表示を行うことは、
特表平2−500937号において提案されている。
カラーフィルターを反射型液晶表示装置に用いる場合、
ホログラムの偏光分離機能を用いて再回折の問題を避け
ることは、特開平9−288268号(米国特許第5,
608,552号)において提案されている。
6−308332号等において提案したホログラムカラ
ーフィルターは、照明光束の平行度が悪いと、各波長成
分毎の焦点がボケて隣接画素に入り、色再現性が落ちる
という問題がある。
においては、反射型液晶表示装置で高効率を実現するも
のであるが、色再現性の問題は上記のものと同様である
(同様のホログラムカラーフィルターを用いてい
る。)。
は、導光板の中を導光する本来平行度の悪い光束中の
「特定の波長で特定の入射角を持つ光を特定の角度に回
折」させるものであり、ランダムな方向に進む光束から
ブラッグ条件に合う光のみを用いるため、光利用効率が
悪い問題がある。
は、3層の構成のホログラムを必要とするため、その作
製に材料・工程が多くなり、かつ、高精度な位置合わせ
を必要とする問題がある。
みてさなれたものであり、その目的は、角度選択性・波
長選択性のある一層のホログラムからなるホログラムカ
ラーフィルターを用いた画像表示装置であって、色再現
性と光利用効率を向上させたものを提供することであ
る。
明のホログラムカラーフィルターを用いた画像表示装置
は、斜めに入射する照明光を集光するホログラムカラー
フィルターと、前記ホログラムカラーフィルターで集光
された集光面に配置された空間変調素子とからなる画像
表示装置において、前記ホログラムカラーフィルターと
して、異なる波長帯域の光束を異なる入射角であって、
前記ホログラムカラーフィルターの干渉縞のブラッグの
回折条件を何れも満足するような入射角で入射させた場
合に、異なる別々の回折角で回折するホログラムカラー
フィルターを用い、前記照明光として、複数の波長帯域
の光束に分離されており、各波長帯域の光束は、それぞ
れ前記ブラッグの回折条件を満足するような異なる入射
角で前記ホログラムカラーフィルターに入射するように
構成されていることを特徴とするものである。
ルターを用いた画像表示装置は、斜めに入射する照明光
を集光するホログラムカラーフィルターと、前記ホログ
ラムカラーフィルターで集光された集光面に配置された
空間変調素子とからなる画像表示装置において、前記ホ
ログラムカラーフィルターとして、異なる波長帯域の光
束を異なる入射角であって、前記ホログラムカラーフィ
ルターの干渉縞のブラッグの回折条件を何れも満足する
ような入射角で入射させた場合に、異なる別々の回折角
で回折するホログラムカラーフィルターを用い、前記照
明光として、波長に応じて異なる角度に分光されてお
り、各波長の光は、それぞれ前記ブラッグの回折条件を
満足するような異なる入射角で前記ホログラムカラーフ
ィルターに入射するように構成されていることを特徴と
するものである。
間変調素子からなっていても、反射型空間変調素子から
なっていてもよく、後者の場合、ホログラムカラーフィ
ルターによる回折光の光軸が、前記ホログラムカラーフ
ィルターの法線に対して角度をなして斜めになるように
構成されていることが望ましい。
からなる場合に、ホログラムカラーフィルターはS偏光
の回折効率とP偏光の回折効率が異なるものであっても
よい。
ラムにより分光されたものであるか、分光プリズムによ
り分光されたものであか、ダイクロイックミラー若しく
はダイクロイックプリズムにより分離されたものである
ことが望ましい。
ルターとして、異なる波長帯域の光束を異なる入射角で
あって、ホログラムカラーフィルターの干渉縞のブラッ
グの回折条件を何れも満足するような入射角で入射させ
た場合に、異なる別々の回折角で回折するホログラムカ
ラーフィルターを用い、照明光として、複数の波長帯域
の光束に分離されており、各波長帯域の光束は、それぞ
れブラッグの回折条件を満足するような異なる入射角で
ホログラムカラーフィルターに入射するか、波長に応じ
て異なる角度に分光されており、各波長の光は、それぞ
れブラッグの回折条件を満足するような異なる入射角で
ホログラムカラーフィルターに入射するように構成され
ているので、照明光の光利用効率が高く色再現性の良い
カラー画像表示が可能になる。
フィルターを用いた画像表示装置の原理を説明すると、
本発明において用いられるホログラムカラーフィルター
は、特開平10−253955号において提案されたも
のと同様に、一層の波長選択性と角度選択性を持たせた
体積型ホログラムからなり、ブラッグ条件を満足する特
定の角度で特定の波長域の光のみを特定の角度へ回折す
るものからなり、照明光の平行度に起因するボケは少な
くなる。しかし、これだけでは設計波長での回折効率は
高く、他の波長では回折効率は低い問題がある。そこ
で、照明光もRGBに角度を分離若しくは分光しておく
ことにより、3色共ブラッグ条件を満たすようにしてい
る。これにより、3色共高い光利用効率が得られ、色再
現性も良いものとなる。
場合は、特願2000−116488と同様に、反射型
液晶表示素子により反射されたホログラムカラーフィル
ターからの回折光の大部分を隣接する要素ホログラムに
入射するようにしたり、特開平9−288268号(米
国特許第5,608,552号)と同様に、ホログラム
の偏光分離機能を用いて再回折の問題を避けるようにす
ることが望ましい。
ーを用いた画像表示装置の実施例について説明する。
ィルターを用いた透過型画像表示装置を説明するため図
である。ホログラムカラーフィルター1としては、要素
ホログラム1’のアレーからなるものを用いるが、その
中の干渉縞2が一様な傾きで一様な間隔からなり集光性
のないものの場合は、要素ホログラム1’間の境界は存
在しないが、要素ホログラム1’が集光性ホログラムで
構成される場合は、ホログラムカラーフィルター1は要
素ホログラム1’のアレーからなる。ここで、ホログラ
ムカラーフィルター1を構成するホログラム1’は単層
の体積型ホログラムからなり、回折角度の選択性、回折
波長の選択性を持つものである。
G領域の波長λG の入射光3Gは、干渉縞2でブラッグ
条件を満足して例えばホログラムカラーフィルター1の
正面方向へ回折光4Gとして回折されるように干渉縞2
が構成されており、それ以外の波長の光は波長選択性に
より回折されないで透過する。また、この入射角θG以
外の角度で入射するG領域の波長λG の光は、角度選択
性により、図1に示すようには回折されないで透過す
る。
θR (θR >θG )で入射したR領域の波長λR の入射
光3Rは、干渉縞2でブラッグ条件を満足してG領域の
波長λG の回折光4Gより右側に回折光4Rとして回折
される。また、入射角θB (θB <θG )で入射したB
領域の波長λB の入射光3Bは、干渉縞2でブラッグ条
件を満足してG領域の波長λG の回折光4Gより左側に
回折光4Rとして回折される。
1に、G領域の波長λG の成分3Gは入射角θG とな
り、R領域の波長λR の成分3Rは入射角θR となり、
B領域の波長λB の成分3Bは入射角θB となるよう
に、RGB色毎に角度分離された照明光3を入射させる
ようにすれば、回折光4もRGB色毎に角度分離された
光4R、4G、4Bとなる。
一様な集光性のないものからなる場合には、各要素ホロ
グラム1’に集光レンズ(凸レンズ)が対応するように
ホログラムカラーフィルター1の回折側直後にマイクロ
レンズアレー5を配置して構成し、要素ホログラム1’
が1次元あるいは2次元集光性の場合には、このマイク
ロレンズアレー5を配置しないで構成すると、マイクロ
レンズアレー5の後側焦点面あるいは集光性要素ホログ
ラム1’の集光面上に角度分離されたRGB色の回折光
4R、4G、4Bはそれぞれ色分離されて集光する。
グラムカラーフィルター1の分光原理であり、異なる複
数の波長帯域λR 、λG 、λB の光束3R、3G、3B
を各々異なる入射角θR 、θG 、θB であってそれぞれ
ブラッグの回折条件を満足するような入射角で入射させ
た場合に、異なる別々の回折角で回折する特性のものと
言うことができる。
の回折光4射出側の焦光面上に、要素ホログラム1’各
々に対応して隣接する3つの原色画素R、G、Bが周期
的に配置されてなる透過型液晶表示素子等の透過型空間
光変調器6を配置し、かつ、回折光4中のR成分4Rの
集光位置にR画素が、G成分4Gの集光位置にG画素
が、B成分4Bの集光位置にB画素が位置するように配
置して、ホログラムカラーフィルター1の照明光3とし
て、R、G、Bの成分光3R、3G、3Bが各々異なる
入射角θR 、θG 、θB であってそれぞれブラッグの回
折条件を満足するような入射角の照明光3を入射させる
と、RGBの回折光4R、4G、4Bはそれぞれ対応す
る透過型空間光変調器6の赤、緑、青を表示する画素
R、G、Bに入射してそれらの画素の表示状態に応じた
強度変調を受けて透過側の観察者の眼Eに達するので、
画素R、G、Bの変調状態の組み合わせによって、照明
光の光利用効率が高く色再現性の良いカラー画像表示が
可能になる。
たが、これを反射型画像表示装置に変更することができ
る。図2に、このホログラムカラーフィルターを用いた
反射型画像表示装置の構成を示す。
透過型液晶表示素子等の透過型空間光変調器6とその背
面に配置されたアルミニウム膜のような反射層7とから
なり、透過型空間光変調器6は図1の場合と同様であ
り、その透過型空間光変調器6の表側(観察側)に図1
と同様のホログラムカラーフィルター1あるいはそれに
加えてマイクロレンズアレー5が離間して配置される。
なお、ホログラムカラーフィルター1と反射層7の間の
距離は、ホログラムカラーフィルター1を構成する集光
性要素ホログラム1’又はマイクロレンズアレー5の集
光レンズの集光距離(焦点距離)に略等しく選ばれる。
と異なり、ホログラムカラーフィルター1で角度分離さ
れたRGB色の回折光4R、4G、4Bは、反射型空間
光変調器8に角度をなして斜めに入射するようにホログ
ラムカラーフィルター1を構成する。回折光4が反射層
7で反射された反射光9の何れかの成分9R、9G、9
Bが回折角に近い入射角でホログラムカラーフィルター
1に戻ると、ホログラムカラーフィルター1で再回折し
てしまい表示に寄与しなくなる。したがって、図示のよ
うに回折光4が反射型空間光変調器8に角度をなして斜
めに入射するようにすることにより、反射層7で反射さ
れた反射光9の大部分は隣接する要素ホログラム1’に
入射するようになり、表示の明るさが確保できる。な
お、その詳細は、特願2000−116488参照。
ラーフィルター1の照明光3として、R、G、Bの成分
光3R、3G、3Bが各々異なる入射角θR 、θG 、θ
B であってそれぞれブラッグの回折条件を満足するよう
な入射角の照明光3を入射させると、RGBの回折光4
R、4G、4Bはそれぞれ対応する透過型空間光変調器
6の赤、緑、青を表示する画素R、G、Bに入射して透
過し、背面側の反射層32で反射されて、対応する画素
R、G、Bを裏面側からもう一度透過し、各々反射光9
R、9G、9Bとなり、これらの光9R、9G、9Bは
さらにホログラムカラーフィルター1に入射して、今度
はホログラムカラーフィルター1でほとんど回折されず
に透過光10R、10G、10Bとなり、観察者の眼E
に入射する。したがって、各色の回折成分4R、4G、
4Bはそれぞれ赤、緑、青を表示する画素R、G、Bに
入射してそれらの画素の表示状態に応じた強度変調を受
けて観察者の眼Eに達するので、画素R、G、Bの変調
状態の組み合わせによって、照明光の光利用効率が高く
色再現性の良いカラー画像表示が可能になる。
ィルターを用いた反射型画像表示装置の別の構成を示
す。この場合も、反射型空間光変調器8は、透過型液晶
表示素子等の透過型空間光変調器6とその背面に配置さ
れたアルミニウム膜のような反射層7とからなるが、こ
の構成においては、透過型空間光変調器6は、各色の回
折成分4R、4G、4Bが画素R、G、Bに入射してそ
れらの画素の表示状態に応じて偏光面回転の変調を受け
るようなものからなり、反射層7で反射されて画素6’
を往復通過するときに最大変調あるいは最小変調の場合
に、偏光面が90°回転するようにする。このような透
過型空間光変調器6としては、例えばTN液晶表示素子
があるが、その他に振幅変調型の透過型空間光変調器と
その入射側に配置された4分の1波長板とからなるもの
等がある。
側)に図1と同様のホログラムカラーフィルター1ある
いはそれに加えてマイクロレンズアレー5が離間して配
置される。なお、ホログラムカラーフィルター1と反射
層7の間の距離は、ホログラムカラーフィルター1を構
成する集光性要素ホログラム1’又はマイクロレンズア
レー5の集光レンズの集光距離(焦点距離)に略等しく
選ばれる。
カラーフィルター1として、図1の場合と同様に、回折
光4Gがホログラムカラーフィルター1の正面方向へ回
折されるように干渉縞2が構成されているが、そのホロ
グラムとして、特開平9−288268号(米国特許第
5,608,552号)の場合と同様に、入射光のS偏
光成分のみを回折し、P偏光をほとんど回折しないで透
過する特性のものを用いて、回折光4が反射層7で反射
されその反射光9が略正面方向に向かってホログラムカ
ラーフィルター1に戻っても、ホログラムカラーフィル
ター1で再回折されないようにしている。
ラーフィルター1の照明光3として、R、G、Bの成分
光3R、3G、3Bが各々異なる入射角θR 、θG 、θ
B であってそれぞれブラッグの回折条件を満足するよう
な入射角であり、かつ、各々S偏光の照明光3を入射さ
せると、S偏光のRGBの回折光4R、4G、4Bはそ
れぞれ対応する透過型空間光変調器6の赤、緑、青を表
示する画素R、G、Bに入射して透過し、背面側の反射
層32で反射されて、対応する画素R、G、Bを裏面側
からもう一度透過し、各画素6’の状態に応じてS偏光
の状態から偏光面が回転変調を受けて反射光9となり、
ホログラムカラーフィルター2に裏面側から略垂直に入
射してその反射光9のP偏光成分はS偏光成分よりはホ
ログラムカラーフィルター2の再回折が少なく、より多
くの光が透過して透過光10となり、観察者の眼Eに入
射する。したがって、各色の回折成分4R、4G、4B
はそれぞれ赤、緑、青を表示する画素R、G、Bに入射
してそれらの画素の表示状態に応じた強度変調を受けて
観察者の眼Eに達するので、画素R、G、Bの変調状態
の組み合わせによって、照明光の光利用効率が高く色再
現性の良いカラー画像表示が可能になる。
器8に角度をなして斜めに入射する配置の場合にも、図
3の場合と同様に、ホログラムカラーフィルター1のホ
ログラムとして、入射光のS偏光成分のみを回折し、P
偏光をほとんど回折しないで透過する特性のものを用い
るようにしてもよい。
グラムカラーフィルター1にブラッグ条件を満足して異
なる入射角で入射するRGBの照明光3R、3G、3B
を生成するための構成については言及しなかったが、そ
のための構成としては、略平行光束をダイクロイックミ
ラーあるいはダイクロイックプリズムを用いてRGB成
分3R、3G、3Bに分離するようにしてもよいし、回
折格子あるいは分光プリズムを用いて略平行光束をRG
B成分3R、3G、3Bに分光するようにしてもよい。
以下、図3のような反射型画像表示装置を例にあげて、
照明光3R、3G、3Bを生成するための構成を含めた
実施例に基づいて説明する。なお、図1、図2の場合に
も、照明光3R、3G、3Bを得る構成は同様に適用で
きる。
ーを用いてRGB成分3R、3G、3Bに分離して照明
光3とする例の構成を示す図であり、例えばメタルハラ
イドランプ12と放物面鏡13の組み合わせからなる照
明装置14により略白色平行照明光15を照射するよう
に構成し、その照明光15中に、その中のR波長成分を
反射し残りの成分を透過する赤色反射ダイクロイックミ
ラー16Rと、G波長成分を反射し残りの成分を透過す
る緑色反射ダイクロイックミラー16Gと、通常のミラ
ー17とを図示のように相互に角度をなすように配置し
てダイクロイックミラー装置18を構成し、このダイク
ロイックミラー装置18により略平行照明光15のRG
B成分3R、3G、3Bを相互に所定の角度をなすよう
に分離して照明光3とし、これを例えば図3の配置のホ
ログラムカラーフィルター1に入射させて、反射型空間
光変調器8の表示像をカラー画像として表示させる。な
お、ダイクロイックミラー16R、16Gの代わりにダ
イクロイックプリズムを用いてもよい。
を投影レンズ21の開口内に入射させてスクリーン22
上に反射型空間光変調器8の表示像を拡大投影するよう
に構成しているが、もちろん、投影レンズ21を省いて
その表示像を直接観察可能に構成してもよい。
ラムを用いてRGB成分3R、3G、3Bに分光して照
明光3とする例の構成を示す図であり、図4の場合と同
様の照明装置14により略白色平行照明光15を照射す
るように構成し、その照明光15中に回折格子又はホロ
グラム19を配置し、この回折格子又はホログラム19
により略平行照明光15のRGB成分3R、3G、3B
を相互に所定の角度をなすように分光して照明光3と
し、これを例えば図3の配置のホログラムカラーフィル
ター1に入射させて、反射型空間光変調器8の表示像を
カラー画像として表示させる。なお、回折格子又はホロ
グラム19の代わりに分光プリズムを用いてもよい。こ
の場合も、この表示光(透過光)10を投影レンズ21
の開口内に入射させてスクリーン22上に反射型空間光
変調器8の表示像を拡大投影するように構成している
が、もちろん、投影レンズ21を省いてその表示像を直
接観察可能に構成してもよい。
ーを用いた画像表示装置をいくつかの実施例に基づいて
説明してきたが、本発明はこれら実施例に限定されず種
々の変形が可能である。なお、透過型空間光変調器とし
ては透過型液晶表示素子に限定されず種々の空間光変調
器を用いることができる。さらに、反射層としてはアル
ミニウム膜のような反射層に限定されずホログラムによ
る反射層等を用いてもよい。
のホログラムカラーフィルターを用いた画像表示装置に
よると、ホログラムカラーフィルターとして、異なる波
長帯域の光束を異なる入射角であって、ホログラムカラ
ーフィルターの干渉縞のブラッグの回折条件を何れも満
足するような入射角で入射させた場合に、異なる別々の
回折角で回折するホログラムカラーフィルターを用い、
照明光として、複数の波長帯域の光束に分離されてお
り、各波長帯域の光束は、それぞれブラッグの回折条件
を満足するような異なる入射角でホログラムカラーフィ
ルターに入射するか、波長に応じて異なる角度に分光さ
れており、各波長の光は、それぞれブラッグの回折条件
を満足するような異なる入射角でホログラムカラーフィ
ルターに入射するように構成されているので、照明光の
光利用効率が高く色再現性の良いカラー画像表示が可能
になる。
いた透過型画像表示装置を説明するための図である。
いた反射型画像表示装置を説明するための図である。
いたもう1つの反射型画像表示装置を説明するための図
である。
GB成分に分離して照明光とする反射型画像表示装置の
例の構成を示す図である。
RGB成分に分光して照明光とする反射型画像表示装置
の例の構成を示す図である。
Claims (8)
- 【請求項1】 斜めに入射する照明光を集光するホログ
ラムカラーフィルターと、前記ホログラムカラーフィル
ターで集光された集光面に配置された空間変調素子とか
らなる画像表示装置において、 前記ホログラムカラーフィルターとして、異なる波長帯
域の光束を異なる入射角であって、前記ホログラムカラ
ーフィルターの干渉縞のブラッグの回折条件を何れも満
足するような入射角で入射させた場合に、異なる別々の
回折角で回折するホログラムカラーフィルターを用い、 前記照明光として、複数の波長帯域の光束に分離されて
おり、各波長帯域の光束は、それぞれ前記ブラッグの回
折条件を満足するような異なる入射角で前記ホログラム
カラーフィルターに入射するように構成されていること
を特徴とするホログラムカラーフィルターを用いた画像
表示装置。 - 【請求項2】 斜めに入射する照明光を集光するホログ
ラムカラーフィルターと、前記ホログラムカラーフィル
ターで集光された集光面に配置された空間変調素子とか
らなる画像表示装置において、 前記ホログラムカラーフィルターとして、異なる波長帯
域の光束を異なる入射角であって、前記ホログラムカラ
ーフィルターの干渉縞のブラッグの回折条件を何れも満
足するような入射角で入射させた場合に、異なる別々の
回折角で回折するホログラムカラーフィルターを用い、 前記照明光として、波長に応じて異なる角度に分光され
ており、各波長の光は、それぞれ前記ブラッグの回折条
件を満足するような異なる入射角で前記ホログラムカラ
ーフィルターに入射するように構成されていることを特
徴とするホログラムカラーフィルターを用いた画像表示
装置。 - 【請求項3】 前記空間変調素子が透過型空間変調素子
からなることを特徴とすることを特徴とする請求項1又
は2記載のホログラムカラーフィルターを用いた画像表
示装置。 - 【請求項4】 前記空間変調素子が反射型空間変調素子
からなり、前記ホログラムカラーフィルターによる回折
光の光軸が、前記ホログラムカラーフィルターの法線に
対して角度をなして斜めになるように構成されているこ
とを特徴とする請求項1又は2記載のホログラムカラー
フィルターを用いた画像表示装置。 - 【請求項5】 前記空間変調素子が反射型空間変調素子
からなり、前記ホログラムカラーフィルターはS偏光の
回折効率とP偏光の回折効率が異なるものであることを
特徴とする請求項1又は2又は4記載のホログラムカラ
ーフィルターを用いた画像表示装置。 - 【請求項6】 前記照明光は、回折格子若しくはホログ
ラムにより分光されたものであることを特徴とする請求
項2から5の何れか1項記載のホログラムカラーフィル
ターを用いた画像表示装置。 - 【請求項7】 前記照明光は、分光プリズムにより分光
されたものであることを特徴とする請求項2から5の何
れか1項記載のホログラムカラーフィルターを用いた画
像表示装置。 - 【請求項8】 前記照明光は、ダイクロイックミラー若
しくはダイクロイックプリズムにより分離されたもので
あることを特徴とする請求項1、3から5の何れか1項
記載のホログラムカラーフィルターを用いた画像表示装
置。
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JP (1) | JP2001311813A (ja) |
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