JP2001083458A

JP2001083458A - 画像表示装置及びその製造方法

Info

Publication number: JP2001083458A
Application number: JP25439099A
Authority: JP
Inventors: Akifumi Ogiwara; 昭文荻原; Yasunori Kuratomi; 靖規藏富
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1999-09-08
Filing date: 1999-09-08
Publication date: 2001-03-30

Abstract

(57)【要約】【課題】偏光変調素子に偏光選択性を有する回折光学
素子を適用することで明るく視認性のよい表示装置を構
成する。【解決手段】Ｐ及びＳ偏光成分を含む外部光１０１が
斜め上方から回折光学素子１０２に入射する。回折光学
素子１０２は屈折率異方性を有するためＳ偏光成分は透
過し、Ｐ偏光成分のみを表面に対し概ね垂直方向に回折
する。これらの光波は偏光変調素子１０４の各画素を通
過し反射板１０５で反射され、再び偏光変調素子を通過
する。ここでＯＮ画素を通過した光波は偏波面が変化せ
ずＰ偏光として紙面左方向から回折光学素子１０２に入
射し、紙面斜め上方に回折される。一方、ＯＦＦ画素を
通過した光波は偏波面が回転され、Ｓ偏光として回折光
学素子１０２に入射するため回折作用を受けず直進して
観察者１０６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、画像表示用のモニ
ター、携帯情報端末用の表示装置、車載用または個人ユ
ース用のヘッドアップディスプレイ、及び道路交通標識
または情報表示等に使用される画像表示装置に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】液晶素子を用いた画像表示装置は、薄
く、軽量であるためノートパソコンのモニターや携帯情
報端末用のモニターとして幅広く用いられている。特に
外部光を利用した反射型の表示装置は低消費電力化が可
能であるため、今後の普及が期待されている。

【０００３】一般に用いられている液晶素子の画像表示
は光の偏光方向を変調することで行われる。今、反射型
の液晶表示装置について ”ＤｅｓｉｇｎｏｆＨｏ
ｌｏｇｒａｍｆｏｒＢｒｉｇｈｔｎｅｓｓＥｎｈ
ａｎｃｅｍｅｎｔｉｎＣｏｌｏｒＬＣＤｓ”、
Ｇ．Ｔ．Ｖａｌｌｉａｔｈ、ＳＩＤ９８ＤＩＧＥＳＴ
４４．５ＬＰ１１３９、の文献を基に説明する。

【０００４】図１２は反射型ディスプレイの内部構造を
示したものである。外部からの入射光は全面のホログラ
ム１２０６に入射し、ホログラム内部の格子構造により
回折作用を受け進行方向が曲げられて偏光子１２０５へ
と入射する。偏光子１２０５により特定の偏光成分（Ｐ
波またはＳ波）のみが通過される。ＲＧＢカラーフィル
タ１２０４を通過した後、液晶層１２０３に入射し、内
部反射ミラー１２０２で反射され再び液晶層１２０３を
通過する。この液晶層１２０３には画素構造が形成され
ており、各画素毎に電界が印加される。

【０００５】例えばツイストネマティックからなる液晶
層では以下のような偏光変調が行われる。つまり、電界
が印加された画素では偏光方向が変化せず出射し、電界
が印加していない画素では偏光方向が概ね９０°変化し
て出射する。このため、内部反射ミラー１２０２により
反射され、液晶層１２０３を２度通過して偏光変調され
た後、偏光子１２０５に入射する。この時、液晶層１２
０３の各画素毎に偏光方向が変調されているため、電界
が印加された画素では初期と偏光方向が等しく偏光子１
２０５をそのまま通り抜ける。

【０００６】一方、電界が印加されていない画素では初
期に対し、偏光方向が９０°変化しているため偏光子１
２０５でブロックされ、光波は吸収されることになる。
このように偏光子１２０５を出射後、液晶層１２０３の
各画素に対応した画像が得られることになる。この後、
ホログラム１２０６で回折されて進行方向を変化して１
点鎖線の矢印の方向に出射して観察者１０６によって認
識されることになる。

【０００７】図１２の反射型液晶に対し、表面にホログ
ラムを用いることで、入射光の表面反射（これをグレア
と呼ぶ）の方向と画像の表示方向を分離することが可能
になる。このため、表面反射成分によるコントラストの
低下等の影響を受けず、画像の視認特性を向上させるこ
とができる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】近年、カーナビゲーシ
ョン用のモニターや個人でビデオや画像情報の視聴の目
的のための持ち運び可能なディスプレイの用途が増加し
ている。これらは、ヘッドアップディスプレイや、モバ
イルツールと呼ばれる携帯電話を始めとする携帯情報端
末用の低消費電力タイプのディスプレイとして位置づけ
られている。このようなディスプレイに対して要求され
る共通の条件としては小型、軽量、薄型、低消費電力が
上げられる。また、ヘッドアップディスプレイにおいて
は、表示画面と外界との切り換えを行う必要性もあり、
画面が透明、つまり、シースルー画面であることが望ま
しい。

【０００９】現在、以上のような要求に適しているディ
スプレイとしては液晶素子を用いたものが考えられる。
液晶ディスプレイは従来のＣＲＴのようなディスプレイ
に比べ、奥行き面積が少なく薄型化を実現することがで
きる。また、画素サイズの小型化、大容量化やＴＦＴ素
子の導入等により高精細化も進み、画質的にもますます
向上してきている。

【００１０】しかしながら、通常、液晶素子を用いたデ
ィスプレイの画像表示原理は液晶素子に印加する電界の
大きさにより入射する光の偏光方向を変調する。そし
て、液晶素子の前後にクロスニコルに配置した偏光子を
組み合わせることで、入射光の偏光状態による偏光子の
透過度の差を利用して明暗等の画像情報を表示するもの
である。

【００１１】このような方式では、偏光子は吸収タイプ
であるため光の透過度は低い。更に、偏光子をクロスニ
コルに組み合わせて構成しているため、この偏光子の組
み合わせのみの状態では光の透過度はほとんどなく黒の
状態である。従って、画像表示と併せて、前記液晶ハ゜ネル
を通して外界の情報を得ることは困難であり、シースル
ータイプのヘッドアップディスプレイとしての利用はで
きないという問題がある。

【００１２】また、偏光子は光の吸収により特定の偏波
成分のみを透過させる構成であるため、偏光子により吸
収された光は内部で熱に変換される。入射する光量が増
加すると、偏光子内部での発熱の影響が無視できなくな
り、偏光子の光変調作用の機能の低下や素子の劣化とい
った問題が生じてくる。

【００１３】液晶ディスプレイはＣＲＴのような自発光
タイプのデバイスではないため、画像表示用に専用の光
源を必要とする。液晶ディスプレイの消費電力の内、こ
の光源用に使用される電力の割合が全体の半分程度を占
め低消費電力化に対する壁となっている。このため、専
用の照明用の光源を用いることなく画像を表示する方式
が検討されている。このための方式として、自然光や室
内の照明光のような外部光を光源として利用して液晶素
子と反射板を組み合わせた反射型の画像表示装置があ
る。この構成によれば専用の光源を必要としないため、
低消費電力化が可能となる。

【００１４】一般に外部光を利用した反射型画像表示装
置では、外部光によるガラス基板での表面反射光が表示
画像と重畳してしまい、表示画像のコントラストが低下
し画像が見にくくなる。このため、表示面にホログラム
を配置して、表面反射と表示画像方向を分離して視認性
を向上する試みが行われている。

【００１５】しかしながら、ホログラムは回折作用によ
り光波の方向を曲げるため、光波の波長により回折角度
が変化する。このため、回折作用により表示方向が変化
した画像は波長毎に色ズレが生じるという問題がおこ
る。

【００１６】また、さらに反射型方式では照明光として
用いる外部光の状態により画像の表示状態が変化するこ
とになる。例えば、夜間室内の照明光が暗い場合や照明
光が使用できないような場所での画像情報の視聴は困難
となる。このため、内部の光源としてのバックライトと
外部光とを使用する場所や環境条件等にあわせて切り換
えを行い、低消費電力化と画像情報の視聴の利便性とを
兼ね備えたような構成が望ましい。

【００１７】しかしながら、外部光を利用するためには
液晶素子の全面に１枚の偏光子を置いた反射型の構成を
とるのが適しており、内部の光源を利用するためには液
晶素子の前後にクロスニコルに偏光子を配置した透過型
の構成にするのが適している。この両方式を同時に満足
させるためには、偏光子を２枚用いた構成をとることが
考えられるが、吸収型の偏光子を用いた場合は透過度が
低く、外部光による反射型での画像表示においては画面
の輝度が著しく低下し画質が劣化する。従って、内部光
源と外部光との併用での使用は困難であるという課題が
ある。

【００１８】本発明は、前記従来技術の課題を解決し、
偏光選択性に優れ回折効率の高い回折光学素子を偏光変
調素子と組み合わせて偏光変調と表示方向制御の両特性
を同時に有する画像表示装置を構成することと、その回
折光学素子を用いた画像表示装置の製造方法を確立する
ことを目的とする。さらにシースルー型の表示が可能で
あり、また内部光源であるバックライトと外部光との併
用ができる低消費電力型の画像表示装置を提供すること
も併せて目的とする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明に係る画像表示装置は、偏光変調素子と入射
光の偏光方向によって透過または回折する機能を有する
回折光学素子と反射板とを少なくとも含んで構成され、
入射光は前記回折光学素子と偏光変調素子を通過し反射
板に到達して反射され、再び偏光変調素子と回折光学素
子を通過して出射する時、前記回折光学素子からの透過
光が表示に利用されることを特徴とする。

【００２０】また本発明に係る画像表示装置は、光源と
偏光変調素子と入射光の偏光方向によって透過または回
折する機能を有する回折光学素子とを少なくとも含んで
構成され、前記光源からの光波が偏光変調素子と回折光
学素子を通過して出射する時、前記回折光学素子からの
透過光が表示に利用されることを特徴とする。

【００２１】また本発明に係る画像表示装置は、光源と
偏光変調素子と入射光の偏光方向によって透過または回
折する機能を有する回折光学素子と反射板とを少なくと
も含んで構成され、光源または外部光からの光波が偏光
変調素子と回折光学素子を通過して出射する時、前記回
折光学素子からの透過光が表示に利用されることを特徴
とする。

【００２２】また上記構成において、前記画像表示装置
は偏光特性を制御するため位相差フィルムを含むことが
望ましい。

【００２３】また上記構成において、前記位相差フィル
ムはλ／４板、偏光子、散乱板、光波の偏光方向を概ね
一方向に揃える機能を有する偏光変換フィルムを含むこ
とが望ましい。

【００２４】また本発明に係る画像表示装置は、前記偏
光変調素子の片側に赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）から
なるカラーフィルタを組み合わせて構成したことを特徴
とする。

【００２５】また本発明に係る画像表示装置の製造方法
は透明絶縁性基板で挟まれた領域に液晶と高分子を含む
光学媒体が封入された構造を有する回折光学素子におい
て、前記光学媒体上にレーザ光の２光束干渉により形成
された周期的な強度分布に対応する明部と暗部からなる
干渉縞を光照射することで、干渉縞の明部に属する領域
の高分子が初期に硬化し始め、偏波成分に依存しない周
期構造を形成する工程と前記硬化した高分子層から分離
された液晶分子が一様に配向する工程を含む画像表示装
置に用いられる回折光学素子の製造方法において、光照
射側と反対側の絶縁性基板は前記レーザ光を概ね吸収す
る基板上に設置されていることを特徴とする。

【００２６】また本発明に係る画像表示装置の製造方法
は透明絶縁性基板で挟まれた領域に液晶と高分子を含む
光学媒体が封入された構造を有する回折光学素子におい
て、前記光学媒体上にレーザ光の２光束干渉により形成
された周期的な強度分布に対応する明部と暗部からなる
干渉縞を光照射することで、干渉縞の明部に属する領域
の高分子が初期に硬化し始め、偏波成分に依存しない周
期構造を形成する工程と前記硬化した高分子層から分離
された液晶分子が一様に配向する工程を含む画像表示装
置に用いられる回折光学素子の製造方法において、光照
射側の透明絶縁性基板上に所定の入射角度範囲内より入
射する光束を散乱せしめ、かつ前記所定の入射角度範囲
外より入射する光束を概ね透過せしめる散乱異方性を有
するフィルムを配置し、反対側の透明絶縁性基板は前記
レーザ光を概ね吸収する基板上に設置されていることを
特徴とする。

【００２７】また上記構成において、前記透明絶縁性基
板は概ね数十〜数百μｍの厚さを有することが望まし
い。

【００２８】また上記構成において、前記光学媒体上に
照射されるレーザ光は収束光または発散光を含んでいる
ことが望ましい。

【００２９】また上記構成において、前記回折光学素子
は屈折率異方性を有する光学媒体を用いて周期構造が形
成されており、入射光の１方向の偏波成分（Ｐ波もしく
はＳ波）に対し前記周期構造に対応した屈折率分布を生
じ、この屈折率差により光の回折を生じ且つ前記入射光
に対し概ね直交する成分（Ｓ波もしくはＰ波）に対して
は優先的に直進する機能を有していることが望ましい。

【００３０】また上記構成において、前記回折光学素子
の周期構造が屈折率異方性を有する液晶の光軸の傾斜に
より形成されていることが望ましい。

【００３１】また上記構成において、前記回折光学素子
が一様に配列された液晶を含んで構成され、且つ光重合
性モノマーまたは光架橋可能液晶ポリマーが添加され、
紫外領域の光照射に対し、液晶の分子軸の方向が固定化
されることが望ましい。

【００３２】また上記構成において、前記光学媒体は光
重合開始剤及びレーザ光の波長を吸収するための色素を
含むことが望ましい。

【００３３】また上記構成において、前記回折光学素子
は異なった複数の周期構造が重畳して形成された構造を
含むことが望ましい。

【００３４】また上記構成において、前記回折光学素子
は複数の異なった周期構造の回折光学素子の積層構造を
含むことが望ましい。

【００３５】また本発明に係る携帯情報端末装置は、本
発明による画像表示装置により構成したことを特徴とす
る。

【００３６】また本発明に係るシースルーディスプレイ
は、本発明による画像表示装置により構成したことを特
徴とする。

【００３７】また本発明に係る画像表示装置は、本発明
による製造方法により作製された回折光学素子を用いて
構成されたことを特徴とする。

【００３８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照しながら説明する。

【００３９】（実施の形態１）図１に本発明の実施の形
態１で構成した回折光学素子を用いた画像表示装置の概
略を示す。外部光１０１は、Ｐ偏光及びＳ偏光成分を含
んだ光波からなる。ここで、紙面に平行な方向に偏光方
向を有する成分を図中の矢印で示すようにＳ偏光として
定義し、紙面に垂直な方向に偏光方向を有するものを図
中黒丸で示すＰ偏光として定義する。

【００４０】いまＰ及びＳ偏光成分を含む外部光１０１
が斜め上方から回折光学素子１０２に入射する。回折光
学素子１０２は屈折率異方性を有するためＳ偏光成分は
透過し、Ｐ偏光成分のみを表面に対し概ね垂直方向に回
折する。回折されたＰ偏光成分は位相差フィルム１０３
を通過し偏光変調素子１０４の各画素を通過し、反射板
１０５で反射され、再び偏光変調素子を通過する。偏光
変調素子を２回通過して各画素毎に偏波面が異なるよう
に変調された光波は位相差フィルムを通過して最終的に
偏波面が最適化される。

【００４１】ここでＯＮ画素を通過した光波は偏波面が
変化せずＰ偏光として紙面左方向から回折光学素子１０
２に入射し、紙面上方に回折される。一方、ＯＦＦ画素
を通過した光波は偏波面が回転されＳ偏光として回折光
学素子１０２に入射するため回折作用を受けず直進して
観察者１０６に到達する。

【００４２】このように観察者１０６は偏光変調素子１
０４の各画素に対応した明暗のパターンからなる画像を
認識することができる。さらに観察者が観察する画像は
回折光学素子１０２による回折作用の影響を受けていな
い透過光である。このため、回折光学素子の特性である
回折角の入射波長依存性の影響を受けない。従って、白
色光に対して回折光学素子１０２を通過後も波長毎に回
折方向が変化する結果生ずる色ズレ等の影響のない明瞭
な画像を認識することが可能となる。

【００４３】次に本発明の回折光学素子について製造方
法を含めて詳しく説明する。本発明の回折光学素子の製
造方法について図５を用いて説明する。まず、干渉縞を
露光するための光源としては、例えば、Ａｒレーザから
の５１５ｎｍ前後の波長の出射光が利用できる。これを
ビームエキスパンダ等によって直径３０ｍｍ〜１００ｍ
ｍ程度のビームに広げた後、ビームスプリッタ等により
２方向に分割し、ミラー等を組み合わせて構成すること
で回折光学素子上に照射する干渉縞を形成する。

【００４４】次に回折光学素子の作製プロセスについて
説明する。透明絶縁性基板をダストを除去するために洗
浄した後、この透明絶縁性基板上に液晶と高分子を混合
した光学媒体をスパチュラ等で滴下し、この上にもう１
枚の透明絶縁性基板を上方から張り合わせ２枚の透明絶
縁性基板の間隙に光学媒体が封入されたセルを作製し
た。

【００４５】光学媒体としてはネマティック液晶、高分
子材料としてはモノマーやオリゴマーの混合物である。
具体的には、Phenylglycidil ether acrylate hexameth
ylene diisocyanate urethane prepolymer,2-Hydroxyet
hyl Methacrylate,Dimethylol tricyclodecane diacryl
ate等が利用できる。今回使用した液晶は正の誘電異方
性を有するものであるが、負の誘電異方性を有するもの
を使用することも可能である。光重合開始剤としてN-Ph
enylglycine、また515nm付近のレーザ波長の光を吸収す
るための色素としてDibromofluoresceine等を添加して
もよい。また、セルのギャップの均一性を保つため数μ
ｍ径程度のビーズを添加してもよい。

【００４６】以上のようにして作製した液晶サンプルを
ペルチェ素子からなる温度制御装置により基板温度をあ
る一定温度に保持して、先に述べたＡｒレーザを用いて
干渉縞の露光を行った。基板温度としては、例えば５０
℃〜７０℃程度の温度範囲が利用できる。

【００４７】まず光学系の作製位置に回折光学素子１０
２をセッティングした。また、シャッタにより露光時間
を調節した。ミラーを調整することで、サンプル位置に
は、１μｍピッチ程度の干渉縞が形成されるように調整
した。

【００４８】ここでサンプル位置に形成される干渉縞の
ピッチとミラーによるレーザ２光束の交角及びレーザの
波長との関係は以下の式１で表すことができる。

【００４９】ピッチ：Ｐ＝λ／２ｓｉｎθ （式１）なお、式１において、λはレーザ波長、θは交角であ
る。

【００５０】サンプル上に形成される干渉縞のピッチは
２光束の交角が大きいほど、またレーザ波長が短いほど
小さくなる。この時のＡｒレーザの照射強度は５０ｍＷ
〜１００ｍＷ程度であった。

【００５１】次に液晶サンプルに対してレーザにより干
渉縞を形成するプロセスについて詳しく説明する。

【００５２】まず、シャッタを閉じて光照射が無い状態
で、温度制御装置に固定された液晶サンプルをセッティ
ングする。そして、シャッタを所定の時間、ここでは５
分間程度開放した後閉じる。図５（ａ）に示すように、
この過程により初期段階として液晶サンプルにはレーザ
の２光束の干渉により形成されている干渉縞の強度の高
い明部に属する領域において高分子材料の硬化が開始す
る。この過程で周期的な高分子の柱が形成されることに
なる。また、同時に液晶材料はレーザ露光により硬化反
応が生じないので硬化された高分子の領域から押し出さ
れ、レーザの強度の弱い暗部の領域に集まるようにな
る。つまり高分子と液晶の周期的な密度分布が生じる相
分離の現象が起こる。これが第１の工程である。

【００５３】次に図５（ｂ）で示すように、第２の工程
としては暗部に集まった液晶分子が最初に硬化した高分
子の柱に対して巨視的に一様に配向する過程である。従
って液晶分子が並んだ層と高分子密度の多い層が交互に
周期的に形成される。

【００５４】つまり、第１の工程は図５で示すように高
分子が硬化し柱が形成され液晶と高分子の密度分布が生
じる過程である。この過程では、高分子と液晶との密度
分布が形成されるため、液晶の密度が多い部分では平均
的に高分子層に比べ平均値が高くなり周期的な屈折率分
布が生じ回折の現象が生じることになる。この段階では
液晶の配向は形成されていないため、入射する偏波方向
に対する依存性は生じないと考えられる。

【００５５】次に第２の工程では、硬化した高分子の柱
に対して液晶の密度が高い領域で液晶が並ぶ現象を生じ
る。これは素子内において、高分子の柱が微少領域で周
期的に形成され、また液晶は未硬化のまま存在するた
め、素子全体において高分子層と液晶層との間で応力分
布がある程度急峻な時間内に生じる。このような物理的
な要因により、液晶の配向状態が規定されるためではな
いかと考えられる。この工程により素子内に屈折率異方
性が形成され、後に述べるように入射する光の偏波成分
により回折作用が異なることになる。図５（ｂ）のよう
に液晶分子が並んだ場合は、入射するＰ波に対して強い
回折特性を有することになる。

【００５６】上記の２つの過程は露光時のレーザ光強度
を変化させたり、添加する光重合開始剤や色素の量を変
化させても変わらずに生じた。

【００５７】このようにして形成された回折光学素子の
構造モデルを図６に示す。高分子の屈折率は一般に１．
５程度であり、通常よく用いられるネマティック液晶の
常光屈折率Ｎｏと概ね等しい。このため、入射光の常光
線に対しては液晶の屈折率はＮｏであり高分子部分の屈
折率もＮｏ程度となる。

【００５８】このため、このとき回折光学素子は等方媒
体と見なされるため入射した光はそのまま通過する。図
６のＳ偏光が入射した場合に相当する。

【００５９】一方、異常光線に対しては液晶の屈折率は
液晶分子が高分子層に対して垂直の方向に並んでいるた
め屈折率がＮｅとなり、高分子層は屈折率異方性を有し
ないのでＮｏのままである。したがって、液晶層と高分
子層で屈折率が異なる周期構造を生じることになる。こ
れは、図６で説明したＰ偏光が入射した場合と同様であ
るため、異常光線としてのＰ偏光は、この屈折率分布に
対応して図に示すように特定方向に回折される。このモ
デル図では周期ピッチが１μｍ、厚さが１０μｍ場合を
一例として説明している。

【００６０】このように厚さ方向に周期構造を有するよ
うに構成することで、ブラッグの回折条件が適用される
ことになる。これは、ある波長を有する光が周期構造を
形成する各層に入射した場合、各層で散乱された光はそ
の波長と入射角度及び層間のヒ゜ッチに対応する特定方向に
散乱成分が強め合う現象を生じる。これが、ブラッグの
回折条件と呼ばれるものであり、このような条件は従来
の２次元的な回折光学素子に対し、３次元的な構成とな
り、ブレーズ化（１つの方向に光を収束する）の作用を
有することになる。

【００６１】従って、従来の回折光学素子に対し、回折
効率を飛躍的に向上することができ理論的には１００％
の効率が可能である。

【００６２】このような理論的な回折効率の計算結果は
Ｈ．Ｋｏｇｅｌｎｉｋ、（ＢｅｌｌＳｙｓｔ．Ｔｅｃ
ｈ．Ｊ．，４８，１９６９，Ｐ．２９０９−２９４
７）の解析に開示されている。

【００６３】干渉縞を露光した液晶サンプルに対し、水
銀ランプの概ね均一な光を５分程度照射しサンプル全体
において未硬化部分が安定に硬化されるようにしてサン
プルは完成した。

【００６４】ここで作製した素子の回折効率を５４４ｎ
ｍ波長（緑）Ｈｅ−Ｎｅレーザを用い入射する偏光方向
を変化させて測定した。Ｓ偏光光を入射した場合、透過
率は９５％程度であり、回折効率は０．１％以下であ
り、その他の光は基板の表面反射による損失等であっ
た。従って入射した光に対し非常に高い透過特性を示し
た。

【００６５】また、Ｐ偏光光を入射した場合は、回折効
率が９０％以上を示し、透過成分は１％以下と非常に高
い回折特性を示した。このように、ここで作製した回折
光学素子は高い偏光分離特性及び回折効率を有している
ことが判明した。

【００６６】次に、実際に作製した回折光学素子を図１
に示す回折光学素子１０２の位置に配置し、画像表示装
置を構成した。

【００６７】外部光１０１が回折光学素子１０２に入射
すると以下のような作用を生ずる。上述したように回折
光学素子１０２は屈折率異方性を有する光学媒体を用い
て形成されており、厚さが１０μｍ程度と厚いため、屈
折率分布が厚さ方向にも周期的に分布している。このた
め、偏光方向により回折作用が異なり、また回折作用と
しては１方向に高い回折効率を示す特性を有する。

【００６８】Ｐ偏光は回折光学素子１０２に対して異常
光成分として働くため、前記素子内に形成された周期構
造の屈折率分布により変調され、図１で示すように回折
光学素子の表面に対して垂直方向に曲げられ、位相差フ
ィルム１０３に入射する。

【００６９】一方、Ｓ偏光は回折光学素子１０２に対し
て常光成分として作用するため、回折格子１０２に対し
て周期構造からなる屈折率分布の影響を受けず、等方的
な均一な屈折率の媒体を通過する時と同様の特性を示
す。このため、Ｓ偏光は回折光学素子１０２をそのまま
通過することになる。従って、回折光学素子１０２を通
過した後、偏光方向が揃ったＰ偏光のみが位相差フィル
ム１０３を通過し、偏光変調素子１０４に入射する。

【００７０】ここでは、偏光変調素子１０４として、入
射面と出射面とで液晶分子の方向がねじれて構成されて
いるツイストネマティック液晶を用いた。この素子には
パターニングされた透明電極が形成されており各画素毎
に電界の印加が可能である。液晶を完全にスイッチング
できるだけの電界が印加されている画素（ＯＮ）は、液
晶分子のねじれが解け、入射面に対して液晶分子が等方
的に立った状態（ホメオトロピック）になっている。こ
のため、この画素に入射したＰ偏光は変調を受けること
なくその偏光状態を維持したまま液晶素子を通過して反
射板１０５で反射され、再び偏光変調素子を通過しＰ偏
光のまま出射する。

【００７１】ここで反射板１０５は金属から構成された
ものや誘電体多層膜から構成されたもの等が利用でき
る。今回はＡｌを蒸着により形成したしたものを用い
た。また反射板の表面に微少な凹凸やブレーズ化された
ノコギリ形状を形成して視野角特性を制御することも可
能である。

【００７２】次に電界が印加されていない画素（ＯＦ
Ｆ）では液晶分子は入射面から出射面までの厚さ方向に
おいて液晶分子の角度がねじれた状態となっている。こ
のため、この画素に入射したＰ偏光は反射板１０５で反
射され、２度偏光変調素子１０４を通過する間に液晶の
ねじれに起因するツイストネマティック効果によりその
偏波面が概ね９０°回転する。従って、ＯＦＦ画素を通
過した後、先の光はＳ波となって出射することになる。

【００７３】位相差フィルム１０３は偏光変調素子１０
４によって変調された偏波面を最適化制御するために用
いられる。位相差フィルム１０３としては例えば偏波面
の向きを往復通過により９０°変化させるためのλ／４
板が利用できる。また、回折光学素子１０２で偏光方向
が揃えられるが、さらに偏波面を整えてコントラスト特
性を向上させるため偏光子の利用も可能である。この
時、回折光学素子１０２で偏波面の変調も行われるた
め、偏光子として偏光度の低いものを使用することも可
能である。つまり、偏光度の低いものを利用すれば単独
で偏光度の高い偏光子を利用することに比べ透過特性が
大きくなり、光の利用効率を向上することができる。ま
た、位相差フィルム１０３として散乱板を用いればホロ
グラム出射後の視野角特性を広げることも可能である。

【００７４】このように位相差フィルム１０３として各
種のフィルムを選択または組み合わせることで表示画像
特性を所望の状態にすることが可能となる。

【００７５】以上のように偏光変調素子素子を通過し
た後、通過位置に対応した画素の電界の有無により光の
偏光方向が異なることになる。これらの光が回折光学素
子１０２に入射するとＯＮ画素を通過したＰ偏光は、回
折光学素子１０２により図１の紙面上方に進行方向が曲
げられて回折される。また、ＯＦＦ画素を通過したＳ偏
光は回折光学素子１０２により変調を受けないためその
まま直進する。

【００７６】従って液晶素子の各画素を通過した光は、
画素に印加される電界に応じて偏光方向が変調され、こ
の結果として回折光学素子１０２を通過する光の進行方
向が異なることになる。観察者１０６にとって、ＯＮ画
素を通過したＰ偏光は進行方向が回折作用により曲げら
れるため、視野域の外側に出射され観察者１０６には認
識されない。一方、ＯＦＦ画素を通過したＳ偏光は、回
折光学素子１０２をそのまま直進するため、観察者１０
６の視野領域内に入り、明パターンとして認識される。
従って、回折光学素子１０２を出射した後、偏光変調素
子１０４の各画素に対応した画像が観察者１０６にとっ
て認識されることになる。また、各画素に印加する電界
量を制御することで液晶を通過する光の偏光方向を先の
Ｐ偏光とＳ偏光の中間状態、つまり楕円偏光のように設
定することができる。このとき、回折光学素子１０２に
入射した光は各画素に印加する電圧に応じて直進する成
分と回折される成分とに分割されるため、中間調の表示
も可能となる。

【００７７】今、偏光変調素子１０４としてツイストネ
マティックタイプのものを例として説明を行ったが入射
光に対してその偏光方向を変調する作用を有するもので
あれば、いずれのタイプのものでもよい。９０°以上の
ねじれの角度を有するスーパーツイストネマティック
（ＳＴＮ）液晶も同様に利用可能である。また、液晶分
子がその厚さ方向に対して一様にホモジニアス配列して
おり、電界の印加に対してホメオトロピック配列を行う
（または、ホメオトロピック配列からホモジニアス配列
へと変化するものも同様）のようなＶＡ（Ｖｅｒｔｉｃ
ａｌＡｌｉｇｎｅ）モードの液晶を使用しても同様の
効果を得ることができる。

【００７８】更に、電界の極性により液晶分子の配列の
方向が異なる強誘電性液晶や反強誘電液晶等の利用も可
能である。

【００７９】偏光変調素子１０４に利用される液晶素子
としては、通常、液晶ディスプレイとして用いられてい
る液晶パネルと同様のものである。従って、液晶素子に
使用されている前後の偏光板と回折光学素子１０２の置
き換えによって画像表示装置を構成でき、他の照明系や
駆動系等はそのままの状態で適用することができるため
非常に汎用性に優れている。

【００８０】具体的に偏光変調素子１０４として３イン
チ程度のＶＧＡ（６４０×４８０）の分解能を有する液
晶パネルを使用した。これに画像信号を入力し、観察者
１０６の位置付近において室内照明光の下で観察したと
ころ、色の滲みもなく入力した画像を正しく認識するこ
とができた。コントラストとしては１０：１程度であっ
た。さらに位相差フィルム１０３として偏光度の低い偏
光子を配置した場合はコントラストは３０：１程度まで
向上した。この時輝度としては１割〜２割程度減少し
た。

【００８１】また、図１における回折光学素子１０２を
通過してＰ偏光が回折して出射した紙面上方に観察位置
を移動したところ、先の画像に対し明暗が反転した画像
が認識され、この位置では色ズレが観察された。

【００８２】以上のように屈折率異方性を有する光学媒
体から構成された屈折率分布型の回折光学素子１０２と
偏光変調素子１０４とを組み合わせて構成し、回折光学
素子１０２からの透過光を画像表示に用いることで色ズ
レのない視認性のよい画像表示装置を作製できることが
判明した。

【００８３】さらに、内部のバックライトを必要としな
いため、低消費電力化及び小型化にとって有望であるこ
とも判明した。

【００８４】（実施の形態２）実施の形態１と同様の方
法において作製した回折光学素子１０２を用いて図２に
示すような透過型の画像表示装置を構成した。

【００８５】光源２０２としては、蛍光ランプ、キセノ
ンランプ、メタルハライドランプ、水銀ランプ、ＬＥ
Ｄ、ＦＥＤ、レーザ光、無機または有機ＥＬ素子等が利
用できる。

【００８６】本実施形態では、光源２０２として蛍光ラ
ンプを用い、配置を回折光学素子１０２の下側付近から
透明なアクリルの導光板２０３を介して光を照射するサ
イドライトの構成とした。

【００８７】また、偏光変換フィルム２０１を回折光学
素子１０２と導光板の間に配置した。偏光変換フィルム
２０１は特定の偏波成分のみを透過し、他の偏波成分は
反射する特性を有するもので例えばＮＩＰＯＣＳ（日東
電工社製）がある。図２ではＳ偏光光を透過しＰ偏光光
を反射する特性を有したものを配置している。この場合
反射したＳ偏光光は導光板２０３に戻りここで再び反射
される。この時偏光状態が直線偏光状態から楕円偏光状
態に若干変化する。従ってこの光波が偏光変換フィルム
２０１に入るときに楕円偏光の中のＳ偏光成分が新たに
透過する。

【００８８】このように偏光変換フィルム２０１と導光
板２０３との間で多重反射を繰り返すことで偏光方向が
一方向に整えられて偏光変換フィルム２０１を通過す
る。従って光源２０２からの光波の偏光変換を行って偏
光変調素子１０４で利用することができ光利用効率を向
上することが可能となる。

【００８９】偏光変調素子１０４は実施の形態１と同様
の液晶パネルを用いた。また、他の構成についても実施
の形態１と概ね同様のものを使用した。偏光変換フィル
ム２０１で概ねＳ偏光となった光波は続いて配置された
回折光学素子１０２に入射する。ここで再びＳ偏光は透
過し偏光変調素子１０４の各画素へと入射する。

【００９０】偏光変調素子１０４を通過する光は画素の
印加信号に対応して偏光方向が変調され、位相差フィル
ム１０３で偏光方向が最適化され、もう１つの回折光学
素子１０２に入射する。

【００９１】ここで、Ｐ偏光は紙面上方に回折され観察
者１０６の視域外へと出射される。Ｓ偏光はは回折光学
素子１０２をそのまま通過し、観察者１０６によって認
識されることになる。

【００９２】観察者１０６の位置から回折光学素子１０
２方向を観察した場合、印加された入力信号に対応する
画像が色の滲みもなく正しく認識された。また、観察者
１０６付近の位置から回折光学素子１０２を通して外界
の風景を観察することも可能であった。

【００９３】以上のように、ここで構成した画像表示装
置は、画像表示と外界の風景とを同時または切り換えて
認識することが可能であり、シースルータイプのディス
プレイとして利用可能であることが判明した。

【００９４】（実施の形態３）図３に実施の形態１と同
様にして作製した回折光学素子１０２を用いて構成した
外部光及び内部光源の併用タイプの画像表示装置を示
す。偏光変調素子１０４は実施の形態１と同様の液晶パ
ネルを用いた。また、他の反射板１０５または位相差フ
ィルム１０３も実施の形態１と概ね同様のものを使用し
た。光源２０２としては白色ＬＥＤにライトガイド（図
３中には不指示）を配置した小型の光源を用いた。

【００９５】外部光１０１による画像表示作用は実施の
形態１と同様である。

【００９６】次に光源２０２を用いた場合について説明
する。導光板２０３は１ｍｍ程度の厚さで表面の断面が
ノコギリ形状をしたプリズムシートからなる。いま光源
２０３の白色ＬＥＤからの出射光はライトガイドを介し
て導光板２０３に入射する。そして導光板２０３の表面
のノコギリ状の凹凸で反射された光波が回折光学素子１
０２に入射する。また導光板２０３からの漏れ光は観察
者１０６の方向に入ってこず、導光板２０３に概ね平行
に出射するように形状が加工されている。ここで導光板
２０３からの反射光の内、回折光学素子１０２内部の周
期構造によって規定された方向からのＰ偏光光のみが優
先的に回折され、回折光学素子１０２の表面に対し垂直
方向に曲げられて偏光変調素子１０４へと入射する。こ
の後の作用は実施の形態１で説明したのと同様である。
つまり、偏光変調素子１０４の各画素毎で変調が行わ
れ、位相差フィルム１０３を通過して回折光学素子１０
２を透過したＳ偏光のみが出射するため、観察者１０６
は画像を認識することができる。

【００９７】実際、ここで構成した画像表示装置を観察
者１０６から観察した結果、暗い部屋では光源２０２を
用い、明瞭に画像を認識することができ、明るい照明光
の元では光源２０２を点灯することなく画像の認識を行
うことができた。このことから、ここで構成した画像表
示装置を用いて暗い場所や明るい照明光の元など環境に
応じて光源を選択することが可能であることが判明し
た。従って消費電力の効率化と多種の環境下での画像の
視認性を向上させることが可能となった。

【００９８】更に画像表示装置が置かれる環境での照明
光の明るさを検出し、自動的に光源を選択または光源の
強度を設定するような使い方も可能であり、表示能力を
一層向上させることが可能であり幅広い用途が期待でき
る。

【００９９】（実施の形態４）図４に実施の形態１で作
製した回折光学素子１０２とカラーフィルタ４０１を組
み合わせて構成した画像表示装置を示す。外部光１０１
による回折光学素子１０２での偏光分離及び回折作用に
ついては実施の形態１と同様である。偏光変調素子１０
４としては、Ｒ、Ｇ、Ｂに対応する各画素を有している
液晶パネルを使用した。

【０１００】カラーフィルタ４０１はＲ、Ｇ、Ｂの選択
されたそれぞれの波長の光を透過し、他の光を吸収す
る。また各画素は、後に続く液晶素子の各画素と対応す
るように形成されている。カラーフィルタ４０１を通過
した、Ｒ、Ｇ、Ｂの各波長に対応する光は偏光変調素子
１０４の各画素に入射する。そして、各画素のＯＮ、Ｏ
ＦＦに対応して偏光方向が変調される。

【０１０１】この結果、ＯＮ画素を通過したＰ偏光光は
回折光学素子１０２で紙面上方に回折され、観察者１０
６の視野域外となり、光強度として認識されない暗パタ
ーンとなる。Ｒ、Ｇ、Ｂそれぞれの光に対して回折角は
若干異なるが、図４に示したように回折角が小さいＢ光
も観察者の視野域外となるように回折角が設定されてい
るため波長による影響は受けない。

【０１０２】一方、ＯＦＦ画素を通過したＳ偏光光は回
折光学素子１０２をそのまま透過し観察者１０６に到達
する。

【０１０３】図４では簡単化のためＲ、Ｇ、Ｂに対応す
る各画素がすべてＯＮとＯＦＦの場合を示してあるが、
それぞれの波長の光が入射する各画素に対し、印加する
電界を独立に制御し回折光学素子１０２を通過させる。
このことで観察者１０６にはＲ、Ｇ、Ｂのそれぞれの波
長の光の内、選択された光が到達することになる。この
ため、それぞれの組み合わせとしてのカラー画像の表示
が可能になる。

【０１０４】ここで、観察者１０６に認識される表示画
像は回折光学素子１０２からの透過光成分である。した
がって、Ｒ、Ｇ、Ｂ各波長に対しても回折光学素子１０
２による波長分散の影響は受けない。結果としてここで
のカラーフィルタ４０１を用いたカラー表示の場合にお
いても、画像に対して色ズレ等の問題は生じない。

【０１０５】実際、ここで構成した画像表示装置にＲ、
Ｇ、Ｂのカラー画像信号を入力し、回折光学素子１０２
から３０ｃｍ程度離れて観察したところ、混色や色の滲
み等はなく明瞭なカラー画像を観察することが可能であ
った。

【０１０６】また、ここでのカラーフィルタの組み合わ
せは図４の構成においてのみ限定されるものではなく、
実施の形態２及び３における透過タイプ、透過と反射の
兼用タイプ、これらの変更された構成においても適用で
きることは言うまでもない。

【０１０７】（実施の形態５）図７に透明絶縁性基板５
０１として１００μｍ程度のプラスチックフィルムを用
いた場合の回折光学素子の形成方法を示す。

【０１０８】プラスチック基板としては例えばアモレッ
クスフィルム（藤森工業製）等が利用できる。プラスチ
ック基板を用いることで素子の低コスト化とフィルム単
体として後付で液晶パネルの表面に張り付けて使用する
ことができるため利便性が向上する。

【０１０９】プラスチック基板を用いた場合、１００μ
ｍ程度と薄く容易に変形してしまうため、剛性を有する
別の基板上に設置して用いることが必要となる。図７で
は色ガラス基板７０１上に透明絶縁性基板５０１として
のプラスチックフィルムを設置する場合について示して
ある。図７には指示していないが、光強度の入射側には
反射防止膜付のガラス基板を用いて色ガラス７０１とで
プラスチック基板間をサンドイッチした構成とする。

【０１１０】光入射と反対側に用いた色ガラス７０１は
実施の形態１で述べたような格子の形成のために用いる
５１４．５ｎｍ波長の光を概ね全て吸収する特性を有す
るオレンジ色のものを使用した。また表面には反射防止
膜を形成している。透明絶縁性基板５０１として用いた
プラスチックフィルムと色ガラス７０１またはガラス基
板との付着は基板と概ね屈折率が等しいオプティカルマ
ッチング液や水分吸着等によって行うことができる。

【０１１１】次に図７の構成においてレーザによる格子
形成が精度よく行われる過程について説明する。通常、
サンプルを透過したレーザ光成分はガラス基板の出射面
またはサンプルを保持しているジグ等によって反射さ
れ、再びサンプルに入射される。これらの反射光の干渉
により設計値とは別のピッチを有する格子がサンプル内
に形成されたり、ジグ等からの反射光は散乱するためス
ペックルノイズを付与することになる。したがって、こ
れらの構造に起因する回折または散乱作用が生じ、所望
の格子構造からの回折機能を低下させ効率を落とすこと
になる。

【０１１２】ここで色ガラス７０１を用いることで、プ
ラスチックフィルムを平行に保持してフィルム間の厚さ
を均一にするベース基板としての役割とサンプルを透過
したレーザ光成分を吸収する２つの目的を同時に満足す
ることができる。このためサンプルはプラスチックフィ
ルム間に均一な厚さで保持され、しかもサンプル裏面か
らの反射光等の影響を受けないため効率の高い素子の作
製を行うことができる。

【０１１３】実際透明絶縁性基板５０１として１００μ
ｍのアモレックスフィルムを用い、色ガラス基板７０１
としてオレンジ基板を用いて、レーザ干渉により回折光
学素子１０２を作製した。実施の形態１と同様に５４４
ｎｍ波長のＨｅ−Ｎｅレーザで効率評価を行ったところ
Ｐ偏光入射に対して９０％以上の回折効率を有し、Ｓ偏
光の入射に対しては９５％以上の透過率を示した。

【０１１４】以上のように本発明の回折光学素子の製造
方法を用いることによって非常に薄いプラスチックフィ
ルムを用いて優れた偏光分離特性と高い効率を有する素
子を作製できることが判明した。この方法により回折光
学素子１０２をフィルム化することができるため、適用
範囲が広がり幅広い応用分野が期待される。

【０１１５】（実施の形態６）図８に散乱異方性フィル
ムを用いた構成での回折光学素子１０２の作製方法を示
す。散乱異方性フィルム８０１は所定の入射角度範囲内
から入射する光束に対して散乱特性を示し、所定の入射
角度範囲外からの光束は透過するという特性を有したも
のである。例えば散乱異方性フィルム８０１は、図８に
おいて物体光と参照光２つの方向からの光束を示してい
るが、物体光の方向からの光束に対しては散乱し、参照
光の方向からの光束に対しては透過する特性を示す。こ
のような特性を有する散乱異方性フィルム８０１として
はルミスティ（住友化学工業製）が例えば利用できる。

【０１１６】いま実施の形態５と同様にして透明絶縁性
基板５０１として１００μｍ厚のアモレックスフィルム
を用い、色ガラス基板７０１としてはオレンジのタイプ
を使用して回折光学素子１０２の作製を行った。

【０１１７】今回散乱異方性フィルム８０１の表面には
反射防止の処理を施し、ガラス基板とはオプティカルマ
ッチング液によって付着させた。レーザ露光において物
体光に対しては散乱特性を示すため、参照光と物体光と
の角度に対応する格子にたいして散乱成分が寄与した形
の周期構造が内部に形成されることになる。

【０１１８】このようにして作製した回折光学素子１０
２の効率を５４４ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザを用いて評価
した。参照光に対応する方向からＨｅ−ＮｅレーザのＰ
偏光を入射すると物体光の入射方向に散乱成分を含んだ
回折光が生じた。また、物体光の方向から入射した場合
は、参照光方向に回折光が観察されたが、この場合は散
乱成分は見られなかった。

【０１１９】さらに、参照光や物体光として平行光では
なく発散光や収束光を用いることも可能である。この場
合、回折光学素子に入射する光波に対して回折光は発散
または収束する作用を生じることになる。

【０１２０】以上のように散乱異方性フィルム８０１を
用いることにより、散乱特性を付与した回折光学素子１
０２を容易に作製することが可能であることが判明し
た。また、レーザ露光時の２光束光を発散光または収束
光とすることで回折光学素子から回折する光波の広がり
角に変化を持たせることができる。この機能を有する回
折光学素子を用いれば画像表示装置の視野域を容易に変
えることも可能となる。

【０１２１】（実施の形態７）実施の形態１で構成した
画像表示装置の回折光学素子１０２をＲ（０．６５μ
ｍ）、Ｇ（０．５５μｍ）、Ｂ（０．４５μｍ）の各波
長において多重露光を行って回折光学素子を形成した。

【０１２２】回折光学素子の作製プロセスについて以下
に述べる。まず、実施の形態１と同様にしてサンプルを
作製した。これをＡｒレーザからなる光学系にセッティ
ングし、Ｇ（０．５５μｍ）の波長に対応する干渉縞の
明部に対する露光を行った。次に、ミラーの角度を変化
させ、前記の第一の行程を繰り返し、Ｒ（０．６５μ
ｍ）の波長に対応する露光をおこなった。Ｂ（０．４５
μｍ）に対応する干渉縞を同様にして作製し露光を行っ
た。この後、実施の形態１と同様にして均一な光を回折
光学素子に照射する第二の行程を行うことで干渉縞が重
畳された回折光学素子を作製した。

【０１２３】以上のようにして作製した回折光学素子を
図１の１０２の位置に配置して画像表示装置を構成し
た。偏光変調素子１０４にカラーの映像信号を入力し、
観察者１０６の位置から観察したところ、色の滲みや混
色等の問題もなく明瞭な画像を認識することができた。
更に、観察位置を前後に３０ｃｍ程度移動させても画質
の劣化等の影響は生じなかった。

【０１２４】（実施の形態８）実施の形態１で構成した
画像表示装置において回折光学素子１０２をＲ（０．６
５μｍ）、Ｇ（０．５５μｍ）、Ｂ（０．４５μｍ）の
各波長に対応するように実施の形態７と同様にしてミラ
ー角度を変化させて露光を行い、３枚の回折光学素子を
それぞれ作製した。これを積層して１組の回折光学素子
とし、図１における回折光学素子１０２の位置に配置し
た。

【０１２５】実際に、ここで構成した画像表示装置に対
し、偏光変調素子１０４にカラーの映像信号を入力し、
観察者１０６の位置から観察した。この結果、色の滲み
や混色等の問題もなく明瞭な画像を認識することができ
た。更に、観察位置を前後に３０ｃｍ程度移動させても
画質の劣化等の影響は生じなかった。

【０１２６】（実施の形態９）図９に実施の形態５また
は６において作製した回折光学フィルム９０１を後付で
偏光変調ディスプレイ９０１に張り付けた構成例を示
す。回折光学フィルム９０１は厚さが２００μｍ程度と
非常に薄く作製することができる。実施の形態１で述べ
たように液晶パネルの偏光板の換わりに容易に配置する
ことが可能で、この構成により偏光変調と表示方向制御
の両特性を同時に有するディスプレイとして用いること
ができる。

【０１２７】また実施の形態５または６のような製造方
法を用いて回折光に対する散乱特性または広がり角を制
御することによって、画像を認識できる視野域を変化す
ることができる。例えば散乱特性を有する回折光学フィ
ルム９０１を用いて図９に示すような画像表示装置を構
成すれば、散乱特性により視野角を大きくとることがで
き広い範囲から画像の認識が可能な直視型モニターとし
て利用することも可能となる。

【０１２８】（実施の形態１０）実施の形態１で構成し
た反射型の画像表示装置を携帯電話やモバイルツールの
ような携帯情報端末装置１００１の画像表示装置１００
２として用いたセットを作製した。図１０に示すような
携帯情報端末装置１００１においては観察者１０６単独
でパーソナルユースとして使用する場合がほとんどであ
る。このため、表示画像は観察者１０６だけに効率的に
表示されることが好ましい。

【０１２９】従って、回折光学素子としては散乱特性を
有さず特定の回折方向に光束が集光されるものを用い
た。この構成では外部光から回折光学素子により回折さ
れ偏光変調素子に入射する光束は回折特性によって入射
角度が制限される。この結果、反射板で反射されて回折
光学素子を透過して表示画像として出射される光束の表
示範囲は、画面垂直方向のある画角領域に限定される。
従って、観察者１０６がこの領域内に目を向ければ、観
察者の目の中に効率的に光束が入射し、明るい表示画像
を認識することができる。

【０１３０】実際に実施の形態１で構成した画像表示装
置を携帯電話の表示部に配置した。そして信号入力を行
って室内照明光の下で視認性を確認した。すると画面に
対し垂直方向から観察すると、表面反射によるちらつき
やコントラストの低下もなく表示情報を明るく明瞭に観
察することができた。さらに手に持って装置の入力部を
操作しながらの位置で観察者１０６の目の方向に画像が
効率的に表示されており、視認性と操作性において非常
に優れていることが判明した。

【０１３１】以上のように本発明の画像表示装置を携帯
情報端末装置に適用することで観察者に対する画像認識
を容易にし且つ携帯情報端末装置の操作性も併せて向上
することが可能という新規の効果を得ることができた。

【０１３２】（実施の形態１１）図１１に本発明の実施
の形態２で作製した透過型の画像表示装置を用いて構成
した車載用のヘッドアップディスプレイの構成例を示
す。実施の形態２で述べたように本発明の回折光学素子
１０２を用いることで装置表示部と外界風景との観察の
切り換えが可能なシースルディスプレイ１１０１を構成
することができる。

【０１３３】この装置を車載用の表示装置として用いる
と以下のような新しい機能を得ることができる。画像の
表示方向を制御可能なため、観察者１０６の座席に座っ
たときの観察位置に限定して画像情報を効率的に表示し
たり、表面反射光と表示方向を分離することができる。
このため明るい画像を提供することが可能である。

【０１３４】さらに表示部全体が回折光学素子を含めた
透過率の高い素子から構成されているので、回折光学素
子による表示位置から観察位置をずらせば、たやすく外
界の風景や情報を画面を介して認識することが可能であ
る。このため、車載用として用いた場合の安全性に優れ
ている。

【０１３５】以上のように本発明の画像表示装置をシー
スルディスプレイとして車載用のヘッドアップディスプ
レイに用いれば、優れた表示特性及び利便性を兼ね備え
た新たな装置としての効果を発揮することができる。

【０１３６】以上のように本発明では屈折率異方性を有
する光学媒体により回折光学素子を作製し、これを偏光
変調子と組み合わせた画像表示装置及びその製造方法に
ついて説明した。

【０１３７】これらは実施の形態で示した構成例に限定
されるものではなく、これらの組合せまたは変形した構
成に対しても利用可能であることは言うまでもない。

【０１３８】

【発明の効果】以上に示したように、本発明は屈折率異
方性を有する光学媒体を用いて三次元的な層構造を有す
る回折光学素子とこれを偏光変調素子と組み合わせて構
成した画像表示装置及びその製造方法に関するものであ
る。屈折率異方性を有する光学媒体を用いることで特定
の偏波成分に対しは透過し、これと直交する偏波成分に
対しては回折といった偏光方向による選択性を有してい
る。更に、三次元的な層構造から形成されているため特
定の方向に対しての回折効率が極めて高く、理論的には
１００％の回折効率を達成することが可能となる。

【０１３９】このように優れた偏光分離及び回折効率特
性を同時に合わせて有している回折光学素子と偏光変調
素子を組み合わせて画像表示装置を構成した。このた
め、偏光変調と表示方向制御の両特性を同時に有する画
像表示装置を提供することができる。具体的にシースル
ー型のディスプレイや外部光及び内部光源との併用タイ
プのディスプレイ等を実現することができ、高機能化と
共に低消費電力化、コンパクト性を有するものである。

【０１４０】以上のようにディスプレイとして幅広い応
用が可能であり、大きな価値を有するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の回折光学素子を用いた画像表示装置の
一実施例の形態の構成図

【図２】本発明の回折光学素子を用いた画像表示装置の
他の実施の形態の構成図

【図３】本発明の回折光学素子を用いた画像表示装置の
他の実施の形態の構成図

【図４】本発明の回折光学素子を用いた画像表示装置の
他の実施の形態の構成図

【図５】回折光学素子の作製方法の一例を示す図

【図６】回折光学素子の作用を説明するための図

【図７】回折光学素子の作製方法の一例を示す図

【図８】回折光学素子の作製方法の一例を示す図

【図９】本発明の回折光学素子を用いた画像表示装置の
他の実施の形態の構成図

【図１０】本発明の画像表示装置を用いたセットの実施
の形態の構成図

【図１１】本発明の画像表示装置を用いたセットの他の
実施の形態の構成図

【図１２】従来例の画像表示装置の構成図

【符号の説明】

１０１外部光１０２回折光学素子１０３位相差フィルム１０４偏光変調素子１０５反射板１０６観察者２０１偏光変換フィルム２０２光源２０３導光板４０１カラーフィルタ５０１透明絶縁性基板７０１色ガラス基板８０１散乱異方性フィルム９０１回折光学フィルム９０２偏光変調ディスプレイ１００１携帯情報端末装置１００２画像表示装置１１０１シースルディスプレイ１２０１ガラス基板１２０２内部反射ミラー１２０３液晶層１２０４ＲＧＢカラーフィルタ１２０５偏光子１２０６ホログラム

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｇ０９Ｆ 9/30 ３４９Ｇ０９Ｆ 9/30 ３４９ＢＦターム(参考） 2H089 HA04 JA04 KA08 QA16 TA12 TA14 TA17 TA18 2H091 FA02Y FA11X FA14Z FA19X FA41X FA41Z FB04 FC23 FD06 JA02 LA16 LA30 MA03 2H099 AA11 BA09 CA17 5C094 AA06 BA43 EB02 ED03 ED20 GB01 HA05 HA08 HA10

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】偏光変調素子と入射光の偏光方向によって
透過または回折する機能を有する回折光学素子と反射板
とを少なくとも含んで構成され、入射光は前記回折光学
素子と偏光変調素子を通過し反射板に到達して反射さ
れ、再び偏光変調素子と回折光学素子を通過して出射す
るとき、前記回折光学素子からの透過光が表示に利用さ
れることを特徴とする画像表示装置。
【請求項２】光源と偏光変調素子と入射光の偏光方向に
よって透過または回折する機能を有する回折光学素子と
を少なくとも含んで構成され、前記光源からの光波が偏
光変調素子と回折光学素子を通過して出射するとき、前
記回折光学素子からの透過光が表示に利用されることを
特徴とする画像表示装置。
【請求項３】光源と偏光変調素子と入射光の偏光方向に
よって透過または回折する機能を有する回折光学素子と
反射板とを少なくとも含んで構成され、光源または外部
光からの光波が偏光変調素子と回折光学素子を通過して
出射するとき、前記回折光学素子からの透過光が表示に
利用されることを特徴とする画像表示装置。
【請求項４】前記画像表示装置は偏光特性を制御するた
め位相差フィルムを含むことを特徴とする請求項１から
３のいずれかに記載の画像表示装置。
【請求項５】前記位相差フィルムはλ／４板、偏光子、
散乱板、光波の偏光方向を概ね一方向に揃える機能を有
する偏光変換フィルムを含むことを特徴とする請求項４
記載の画像表示装置。
【請求項６】前記偏光変調素子の片側に赤（Ｒ）、緑
（Ｇ）、青（Ｂ）からなるカラーフィルタを組み合わせ
て構成したことを特徴とする請求項１から３のいずれか
に記載の画像表示装置。
【請求項７】透明絶縁性基板で挟まれた領域に液晶と高
分子を含む光学媒体が封入された構造を有する回折光学
素子を具備した画像表示装置を製造する方法であって、
前記光学媒体上にレーザ光の２光束干渉により形成され
た周期的な強度分布に対応する明部と暗部からなる干渉
縞を光照射することで、干渉縞の明部に属する領域の高
分子が初期に硬化し始め、偏波成分に依存しない周期構
造を形成する工程と、前記硬化した高分子層から分離さ
れた液晶分子が一様に配向する工程とを用いて前記回折
光学素子を製造するとともに、光照射側と反対側の絶縁
性基板は前記レーザ光を概ね吸収する基板上に設置する
ことを特徴とする画像表示装置の製造方法。
【請求項８】透明絶縁性基板で挟まれた領域に液晶と高
分子を含む光学媒体が封入された構造を有する回折光学
素子を具備した画像表示装置を製造する方法であって、
前記光学媒体上にレーザ光の２光束干渉により形成され
た周期的な強度分布に対応する明部と暗部からなる干渉
縞を光照射することで、干渉縞の明部に属する領域の高
分子が初期に硬化し始め、偏波成分に依存しない周期構
造を形成する工程と、前記硬化した高分子層から分離さ
れた液晶分子が一様に配向する工程とを用いて前記回折
光学素子を製造するとともに、光照射側の透明絶縁性基
板上に所定の入射角度範囲内より入射する光束を散乱せ
しめ、かつ前記所定の入射角度範囲外より入射する光束
を概ね透過せしめる散乱異方性を有するフィルムを配置
し、反対側の透明絶縁性基板は前記レーザ光を概ね吸収
する基板上に設置することを特徴とする画像表示装置の
製造方法。
【請求項９】前記透明絶縁性基板は概ね数十〜数百μｍ
の厚さを有することを特徴とする請求項７または８に記
載の画像表示装置の製造方法。
【請求項１０】前記光学媒体上に照射されるレーザ光は
収束光または発散光を含んでいることを特徴とする請求
項７または８に記載の画像表示装置の製造方法。
【請求項１１】前記回折光学素子は屈折率異方性を有す
る光学媒体を用いて周期構造が形成されており、入射光
の１方向の偏波成分（Ｐ波もしくはＳ波）に対し前記周
期構造に対応した屈折率分布を生じ、この屈折率差によ
り光の回折を生じ且つ前記入射光に対し概ね直交する成
分（Ｓ波もしくはＰ波）に対しては優先的に直進する機
能を有していることを特徴とする請求項７または８に記
載の画像表示装置の製造方法。
【請求項１２】前記回折光学素子の周期構造が屈折率異
方性を有する液晶の光軸の傾斜により形成されているこ
とを特徴とする請求項１１に記載の画像表示装置の製造
方法。
【請求項１３】前記回折光学素子が一様に配列された液
晶を含んで構成され、且つ光重合性モノマーまたは光架
橋可能液晶ポリマーが添加され、紫外領域の光照射に対
し、液晶の分子軸の方向が固定化されることを特徴とす
る請求項７または８に記載の画像表示装置の製造方法。
【請求項１４】前記光学媒体は光重合開始剤及びレーサ゛光
の波長を吸収するための色素を含むことを特徴とする請
求項７または８に記載の画像表示装置の製造方法。
【請求項１５】前記回折光学素子は異なった複数の周期
構造が重畳して形成された構造を含むことを特徴とする
請求項７または８に記載の画像表示装置の製造方法。
【請求項１６】前記回折光学素子は複数の異なった周期
構造の回折光学素子の積層構造を含むことを特徴とする
請求項７または８に記載の画像表示装置の製造方法。
【請求項１７】請求項１，２，３，６のいずれかに記載
の画像表示装置を有することを特徴とする携帯情報端末
装置。
【請求項１８】請求項２記載の画像表示装置を有するこ
とを特徴とするシースルディスプレイ。
【請求項１９】請求項７または８記載の製造方法により
作製された回折光学素子を有することを特徴とする請求
項１、２、３、６のいずれか一項に記載の画像表示装
置。