專利名稱：透過型層疊全息光學(xué)元件及采用了該光學(xué)元件的圖像顯示裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及大視角透過型層疊全息光學(xué)元件，還涉及采用了該透過型層疊全息光學(xué)元件的圖像顯示元件及圖像顯示裝置。
本申請(qǐng)以在日本國(guó)于2001年10月31日提出申請(qǐng)的日本專利申請(qǐng)?zhí)?001-335404為基礎(chǔ)來(lái)主張優(yōu)先權(quán)，該申請(qǐng)通過參照被本申請(qǐng)所援用。
背景技術(shù)：
以往，作為采用了反射型空間光調(diào)制元件，比如反射型TN液晶面板的投射型圖像顯示裝置，提出了一種按圖1所示來(lái)構(gòu)成的裝置。在這種圖像顯示裝置中，從燈光源107出射的光束入射到具有光束斷面形狀校正、強(qiáng)度均等化、擴(kuò)散角控制等功能的照明光學(xué)系統(tǒng)108。該照明光學(xué)系統(tǒng)108具有未圖示的P-S偏振光轉(zhuǎn)換器。該P(yáng)-S偏振光轉(zhuǎn)換器具有以50％以上的效率，將非偏振光狀態(tài)的光束規(guī)整為P偏振光、S偏振光任意一方的偏振光的功能。
這里所示的圖像顯示裝置中，從照明光學(xué)系統(tǒng)108中通過的光束，成為其電向量主要在與圖1的紙面垂直的方向振動(dòng)的偏振光狀態(tài)。該偏振光狀態(tài)，是下一次入射的紅色光反射二色鏡109的針對(duì)反射面的S偏振光的偏振光方向。即，經(jīng)過了照明光學(xué)系統(tǒng)108的光束，由紅色光反射二色鏡109，只使紅色光成分沿傳播方向偏轉(zhuǎn)90°。紅色光成分的光束由反射鏡110來(lái)反射，入射到紅色光用偏振光束分裂器(以下稱紅色用PBS。)111。在該紅色用PBS111的電介體膜111a，只有S偏轉(zhuǎn)成分被反射，并作為入射偏振光112，入射到紅色光用反射型TN液晶面板113。
在紅色光用反射型TN液晶面板113，入射光束根據(jù)顯示圖像，其偏振光狀態(tài)被調(diào)制來(lái)反射。由該紅色光用反射型TN液晶面板113反射的光束，再次入射到紅色用PBS111的電介體膜111a。在該電介體膜111a進(jìn)行檢波，從而只透過P偏振光，由此偏振光調(diào)制被轉(zhuǎn)換為亮度調(diào)制。被如此轉(zhuǎn)換為亮度調(diào)制的出射光束入射到正交二色棱鏡114。
另一方面，透過了紅色光反射二色鏡109的光束，接下來(lái)入射到綠色光反射二色鏡115。這里，只有綠色光成分被反射，其余的藍(lán)色光成分透過。被分離了的綠色光及藍(lán)色光，分別與上述紅色光同樣，只有S偏振光被綠色用PBS116及藍(lán)色用PBS118來(lái)反射，并分別入射到綠色光用反射型TN液晶面板117及藍(lán)色光用反射型TN液晶面板119。
由綠色光用反射型TN液晶面板117及藍(lán)色光用反射型TN液晶面板119來(lái)調(diào)制偏振光狀態(tài)并反射的光束，再次入射到綠色用PBS116及藍(lán)色用PBS118的電介體膜116a、118a，在此被檢波，從而只使P偏振光透過，偏振光調(diào)制被轉(zhuǎn)換為亮度調(diào)制。被轉(zhuǎn)換為亮度調(diào)制的綠色及藍(lán)色出射光束，分別入射到正交二色棱鏡114。
入射到正交二色棱鏡114的紅色光、綠色光及藍(lán)色光，在該正交二色棱鏡114中被合成，并入射到投影光學(xué)系統(tǒng)120。該投影光學(xué)系統(tǒng)120使所入射的光束在投影屏121上成像。在該投影屏121上，圖像顯示規(guī)定的圖像。
作為反射型空間光調(diào)制元件用的照明裝置，有一種在比如特開平10-48423號(hào)公報(bào)中記載的裝置。該公報(bào)中記載的照明裝置，是一種層疊2個(gè)透過型全息光學(xué)元件，并利用了全息圖的波長(zhǎng)分散的全息濾色器。
該全息濾色器如圖2所示，是一種對(duì)規(guī)定入射角θ的照明光101，其衍射效率的波長(zhǎng)依存性互相各異的2個(gè)全息圖102、103被層疊的結(jié)構(gòu)。該全息濾色器中，可提供其衍射效率的波長(zhǎng)依存性較小，R(紅色)、G(綠色)、B(藍(lán)色)3色的彩色平衡已被校正的鮮亮顏色濾色器。
該全息濾色器中2個(gè)全息圖102、103的衍射效率的波長(zhǎng)依存性如圖3所示，被設(shè)定為基于波長(zhǎng)分散的空間波長(zhǎng)分布不一致。因此，由入射側(cè)的全息圖102而衍射的紅色光，不由出射側(cè)的全息圖103來(lái)衍射，而對(duì)紅色像素104進(jìn)行照明，未由入射側(cè)的全息圖102而衍射的藍(lán)色光、綠色光，由出射側(cè)全息圖103來(lái)衍射、分光，并被集光到分別對(duì)應(yīng)的色像素105、106。
此外，作為反射型空間光調(diào)制元件用的照明裝置，在比如特開平9-189809號(hào)公報(bào)中提出了一種圖4所示的，采用了被層疊了的全息濾色器124r、124g、124b的裝置。
在該照明裝置中，由未圖示的照明光源放射的讀出光，經(jīng)過耦合棱鏡126、玻璃基片125，入射到全息濾色器124r、124g、124b。這些全息濾色器124r、124g、124b分別是紅色用、綠色用、藍(lán)色用的體積全息圖透鏡。這些全息濾色器124r、124g、124b，預(yù)先由激光曝光而燒結(jié)出干涉條紋，具有其面積大致對(duì)應(yīng)于1個(gè)像素(由R、G、B各色像素，合計(jì)3個(gè)像素來(lái)組成的組)大小的各色光用微小透鏡被層疊的功能。
這些全息濾色器124r、124g、124b，使讀出光RL的光譜的紅色光成分、綠色光成分及藍(lán)色光成分，從反射型液晶面板的玻璃罩123、通用電極134、定向膜133、液晶層132、定向膜131及電介體反射鏡膜130中透過，并使其在像素電極層129上的分別對(duì)應(yīng)的色像素電極129r、129g、129b上集光。
該全息圖透鏡對(duì)入射光的偏振光特性具有依存性。即，至全息圖透鏡的入射光中，S偏振光成分產(chǎn)生主要衍射，P偏振光成分的衍射效率低于它。
根據(jù)耦合波理論(Coupled-wave theory)的嚴(yán)密解釋，(參考論文M.G.Moharam and T.K.GayloadRigorous Coupled-waveanalysis of planar grating diffraction，J.Opt.Soc.Am.71，811-818(1977)，M.G.Moharam and T.K.GayloadRigorousCoupled-wave analysis of grating diffraction E-modepolarization and lossws，J.Opt.Soc.Am.73，451-455(1983))，在比如反射型厚全息圖的場(chǎng)合下，如果由全息圖的厚度t與全息圖內(nèi)干涉條紋的節(jié)距Λ來(lái)決定的值(t/Λ)為1至5，則TE(S偏振光)及TM(P偏振光)的衍射效率中將產(chǎn)生差異，S偏振光的衍射效率與P偏振光的衍射效率相比，最多會(huì)高出45％。
根據(jù)這一現(xiàn)象，在該照明裝置中，對(duì)全息濾色器124r、124g、124b斜向入射的讀出光RL中的S偏振光成分的光被主要衍射。這樣，由于大致垂直入射到液晶面板122的照明光中，其偏振光方向被90°調(diào)制后來(lái)反射的光(P偏振光成分)RL的衍射效果較低，因而很多光并未由全息濾色器124r、124g、124b而受到衍射作用，便從該全息濾色器124r、124g、124b垂直出射。
作為透過型體積全息圖的衍射效率入射偏振光特性的典型示例，在折射率調(diào)制度為0.04，厚度為3μm，全息圖介質(zhì)中的入射角為60°，出射角為0°，制造波長(zhǎng)及再生波長(zhǎng)均為532nm的場(chǎng)合下，如圖5所示，S偏振光Sp的衍射效率為70％，而P偏振光Pp的衍射效率成為25％，顯現(xiàn)出基于入射偏振光的衍射效率的依存性。
如圖6所示，為增加透過型液晶圖像顯示元件的表觀開口率，以提高透過率，提出了一種采用了折射型微型透鏡陣列137的透過型液晶圖像顯示元件。
在該透過型液晶圖像顯示元件中，入射到入射側(cè)偏振光片135，并由該入射側(cè)偏振光片135而成為直線偏振光的照明光，從入射側(cè)玻璃基片136來(lái)入射，由微型透鏡陣列137而透過液晶層138，被集光到TFT的像素開口部139上。該入射光在該像素開口部139，其偏振光狀態(tài)被調(diào)制，并由出射側(cè)玻璃基片140來(lái)出射。該照明光接下來(lái)透過出射側(cè)偏振光片141，在該出射側(cè)偏振光片141，偏振光狀態(tài)調(diào)制被轉(zhuǎn)換為亮度調(diào)制。
在上述的透過型全息圖中，由于入射光的衍射接受角狹窄，而且衍射接受角及出射角未充分分離，因而光利用效率低下。
在將上述透過型全息圖作為濾色器來(lái)使用的圖像顯示元件中，由于利用全息圖的波長(zhǎng)分散來(lái)進(jìn)行色分離，因而各色光的分離角設(shè)定沒有自由性，不能從制造難易性及光利用效率方面考慮，來(lái)將濾色器與空間光調(diào)制元件的色像素之間的距離設(shè)定到最佳。
在采用了該圖像顯示元件的圖像顯示裝置中，由于在以同一像素節(jié)距的空間光調(diào)制元件來(lái)作為前提的場(chǎng)合下，不能增大各色光的分離角，因而不能將濾色器與空間光調(diào)制元件的色像素之間的距離設(shè)定為比如50μm以下的近距離。即，在該圖像顯示裝置中，不能提高基于針對(duì)濾色器的照明光大視角化、寬波帶化的光利用效率，不能獲得鮮亮的圖像。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種能消除傳統(tǒng)圖像顯示裝置所存在的問題點(diǎn)的新型透過型層疊全息光學(xué)元件及采用了該光學(xué)元件的圖像顯示裝置。
本發(fā)明的另一目的在于，提供一種能增大入射光的大衍射接受角，提高光利用效率，從制造難易性及光利用效率方面出發(fā)，將與空間光調(diào)制元件的色像素之間的距離設(shè)定到最佳的透過型層疊全息光學(xué)元件。
本發(fā)明的又一目的在于，提供一種可通過采用能達(dá)到上述目的的透過型層疊全息光學(xué)元件，來(lái)顯示鮮亮的圖像的圖像顯示元件及圖像顯示裝置。
為達(dá)到上述目的而提出的本發(fā)明所涉及的透過型層疊全息光學(xué)元件，是一種層疊衍射接受入射角互相各異的多個(gè)透過型全息光學(xué)元件來(lái)構(gòu)成的透過型層疊全息光學(xué)元件，各透過型全息光學(xué)元件中，與可視區(qū)任意波長(zhǎng)的各衍射接受入射角的中心入射角相對(duì)的出射角互相各異。
本發(fā)明涉及的圖像顯示元件具有透過型層疊全息光學(xué)元件；空間光調(diào)制元件，其調(diào)制來(lái)自該透過型層疊全息光學(xué)元件的出射光，透過型層疊全息光學(xué)元件是通過對(duì)衍射接受入射角互相各異、而且與可視區(qū)任意波長(zhǎng)的各衍射接受入射角的中心入射角相對(duì)的出射角也互相各異的多個(gè)透過型全息光學(xué)元件進(jìn)行層疊來(lái)構(gòu)成的。
本發(fā)明涉及的圖像顯示裝置具有發(fā)出照明光的照明光源；使入射光衍射的透過型層疊全息光學(xué)元件；照明光學(xué)系統(tǒng)，其將照明光作為入射光并導(dǎo)入到透過型層疊全息光學(xué)元件；空間光調(diào)制元件，其使從透過型層疊全息光學(xué)元件出射的照明光得到調(diào)制；放大光學(xué)系統(tǒng)，其使被該空間光調(diào)制元件調(diào)制了的照明光放大并成像，透過型層疊全息光學(xué)元件中，衍射接受入射角互相各異、而且與可視區(qū)任意波長(zhǎng)的各衍射接受入射角的中心入射角相對(duì)的出射角也互相各異的多個(gè)透過型全息光學(xué)元件被層疊。
本發(fā)明涉及的其它圖像顯示裝置具有發(fā)出照明光的照明光源；透過型偏振光選擇性全息光學(xué)元件，其具有折射率的入射偏振光方位依存性互相各異的2個(gè)區(qū)域被依次配置的結(jié)構(gòu)，通過對(duì)衍射接受入射角互相各異的多個(gè)透過型全息光學(xué)元件進(jìn)行層疊來(lái)構(gòu)成并使入射光衍射；照明光學(xué)系統(tǒng)，其引導(dǎo)照明光，使其以相對(duì)該透過型偏振光選擇性全息光學(xué)元件的照明光受光面的法線30°以上90°以下的入射角，來(lái)對(duì)透過型偏振光選擇性全息光學(xué)元件入射；反射型空間光調(diào)制元件，其調(diào)制被透過型偏振光選擇性全息光學(xué)元件衍射的照明光的偏振光狀態(tài)；放大光學(xué)系統(tǒng)，其放大由該反射型空間光調(diào)制元件調(diào)制了的顯示圖像。構(gòu)成透過型偏振光選擇性全息光學(xué)元件的各透過型全息光學(xué)元件中，與可視區(qū)任意波長(zhǎng)的各衍射接受入射角的中心入射角相對(duì)的出射角互相各異，使受光的照明光的P偏振光成分或S偏振光成分主要向反射型空間光調(diào)制元件衍射，而且被反射型空間光調(diào)制元件進(jìn)行了相位調(diào)制并再入射的照明光中，針對(duì)與在第一次入射中主要被衍射的偏振光成分正交的偏振光成分的衍射效率為10％以下，由此來(lái)使該偏振光成分的70％以上透過。
根據(jù)在下文中參照附圖來(lái)說明的實(shí)施方式的說明，可進(jìn)一步了解本發(fā)明的其它目的及由本發(fā)明而獲得的具體長(zhǎng)處。


圖1是表示傳統(tǒng)的圖像顯示裝置一例的平面圖。
圖2是表示傳統(tǒng)的圖像顯示元件的另一例的縱向斷面圖。
圖3是表示傳統(tǒng)圖像顯示元件中所用的全息光學(xué)元件衍射效率的波長(zhǎng)依存性的曲線圖。
圖4是表示傳統(tǒng)的圖像顯示元件的另一例的縱向斷面圖。
圖5是表示傳統(tǒng)圖像顯示元件中所用的透過型體積全息圖衍射效率的波長(zhǎng)依存性的曲線圖。
圖6是表示采用了微型透鏡陣列的傳統(tǒng)圖像顯示元件的縱向斷面圖。
圖7是表示構(gòu)成本發(fā)明涉及的透過型層疊全息光學(xué)元件的透過型偏振光選擇性全息光學(xué)元件結(jié)構(gòu)的縱向斷面圖。
圖8是表示本發(fā)明涉及的透過型層疊全息光學(xué)元件的實(shí)施方式1的縱向斷面圖。
圖9是表示構(gòu)成透過型層疊全息光學(xué)元件的各透過型偏振光選擇性全息圖衍射效率的入射角依存性的曲線圖。
圖10是表示構(gòu)成透過型層疊全息光學(xué)元件的各透過型偏振光選擇性全息圖衍射效率的出射角依存性的曲線圖。
圖11是表示本發(fā)明涉及的圖像顯示元件實(shí)施方式1的結(jié)構(gòu)的縱向斷面圖。
圖12是表示圖像顯示元件中，在透過型偏振光選擇性全息圖中附加了集光功能的結(jié)構(gòu)的縱向斷面圖。
圖13是表示本發(fā)明涉及的圖像顯示元件實(shí)施方式2的結(jié)構(gòu)的縱向斷面圖。
圖14是表示本發(fā)明涉及的圖像顯示元件實(shí)施方式3的結(jié)構(gòu)的縱向斷面圖。
圖15是表示本發(fā)明涉及的圖像顯示元件實(shí)施方式4的結(jié)構(gòu)的縱向斷面圖。
圖16是表示本發(fā)明涉及的圖像顯示元件實(shí)施方式5的結(jié)構(gòu)的縱向斷面圖。
圖17是表示本發(fā)明涉及的圖像顯示裝置實(shí)施方式1的結(jié)構(gòu)的平面圖。
圖18是表示本發(fā)明涉及的圖像顯示裝置實(shí)施方式2的結(jié)構(gòu)的平面圖。
圖19是表示圖像顯示裝置中藍(lán)、綠色用反射型液晶元件的像素構(gòu)成的正面圖。
圖20是表示圖像顯示裝置中紅色用反射型液晶元件的像素構(gòu)成的正面圖。
圖21是表示本發(fā)明涉及的圖像顯示裝置實(shí)施方式3的結(jié)構(gòu)的平面圖。
具體實(shí)施例方式
以下參照附圖，對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式作詳細(xì)說明。
偏振光選擇性全息光學(xué)元件首先參照?qǐng)D7，對(duì)本發(fā)明中所用的透過型偏振光選擇性全息光學(xué)元件(以下稱全息PDLC。)1的結(jié)構(gòu)及其制造過程作以說明。
在制造本發(fā)明所用的全息PDLC中，首先，將混合了引起光聚合之前的高分子(以下稱預(yù)聚物。)、向列液晶、引發(fā)劑、色素等的PDLC裹夾到玻璃基片2、3之間。此時(shí)，向列液晶的重量比例設(shè)為整體的40％左右。對(duì)PDLC的層厚(以下稱單元間隙。)，在3μm至15μm的范圍內(nèi)，根據(jù)偏振光選擇性全息光學(xué)元件的規(guī)格，來(lái)選擇最佳值。
接下來(lái)，為將干涉條紋記錄到全息PDLC面板1，將來(lái)自未圖示的激光光源的物體光4及參照光5，照射到全息PDLC面板1，以產(chǎn)生基于干涉的光的強(qiáng)弱(A)。此時(shí)，在干涉條紋明亮之處，即光子能量較大的部位，PDLC中的預(yù)聚物由該能量而發(fā)生光聚合，實(shí)現(xiàn)聚合物化。這樣，預(yù)聚物被從外圍部依次供應(yīng)，其結(jié)果是，劃分出聚合物化了的預(yù)聚物稠密區(qū)和稀疏區(qū)。預(yù)聚物稀疏區(qū)中，向列液晶的濃度增高。這樣，便形成高分子高密度區(qū)6和液晶高密度區(qū)7這2個(gè)區(qū)域。在本實(shí)施方式場(chǎng)合下，由于物體光4及參照光5被從同側(cè)向全息PDLC面板1照射，因而所制造的全息PDLC面板1便成為透過型。
如此制造出的全息PDLC面板1的高分子高密度區(qū)6，在折射率方面是各向同性的，其值為比如1.5。另一方面，在液晶高密度區(qū)7中，向列液晶分子排列為使長(zhǎng)軸方向相對(duì)與高分子高密度區(qū)6的邊界面大致垂直。因此，在該液晶高密度區(qū)7中，折射率具有入射偏振光方位依存性。這樣，在考慮了入射到全息PDLC面板1的光入射面8的再生光9的場(chǎng)合下，S偏振光成分便成為普通光線。
如果使該液晶高密度區(qū)7的普通光線折射率n1o與高分子高密度區(qū)6的折射率np大致相等，比如折射率差為0.01以下，則針對(duì)入射S偏振光成分的折射率調(diào)制便極小，幾乎不發(fā)生衍射現(xiàn)象。向列液晶的普通光線折射率n1o與異常光線折射率n1e之差Δn，一般為0.1至0.2。因此，對(duì)于入射方向相等的再生光9，對(duì)其P偏振光成分，在高分子高密度區(qū)6與液晶高密度區(qū)7之間存在折射率差，該全息PDLC面板1作為相位調(diào)制型全息圖來(lái)起作用，并使衍射效果得以產(chǎn)生。
這便是采用了全息PDLC的透過型偏振光選擇性全息光學(xué)元件的動(dòng)作原理。
本發(fā)明涉及的透過型層疊全息光學(xué)元件發(fā)明涉及的透過型層疊全息光學(xué)元件如圖8所示，具有以下結(jié)構(gòu)由玻璃基片11、12來(lái)裹夾兩側(cè)，在這些玻璃基片11、12之間，第1至第3透過型偏振光選擇性全息圖13、14、15通過屏障層16、17，被相間層疊成3層。
圖9表示將各透過型偏振光選擇性全息圖13、14、15的再生波長(zhǎng)(λplay)假設(shè)為532nm場(chǎng)合下，衍射效率的入射角度依存性。這里，所有的透過型偏振光選擇性全息圖13、14、15的通用規(guī)格是全息圖層的厚度(t)為5μm，折射率調(diào)制度(Δn)為0.05，曝光波長(zhǎng)(λrec)為532nm。
曝光時(shí)的物體光、參照光的入射角度，隨各透過型偏振光選擇性全息圖13、14、15而分別各異。具體地說，對(duì)入射側(cè)的第1偏振光選擇性全息圖13，參照光入射角＝38°，物體光入射角＝-11°，對(duì)中間的第2偏振光選擇性全息圖14，參照光入射角＝47°，物體光入射角＝0°，對(duì)出射側(cè)的第3偏振光選擇性全息圖15，參照光入射角＝58°，物體光入射角＝13°。
因此，各偏振光選擇性全息圖13、14、15中，滿足布喇格(Bragg)條件的衍射接受角的中心值大約各相差10°，而且來(lái)自這3個(gè)全息圖的出射光的出射角中心值也各相差12°左右。
因此，圖8所示的透過型層疊全息光學(xué)元件10的衍射接受角較大，如圖10所示，此時(shí)來(lái)自各偏振光選擇性全息圖13、14、15的各衍射光A、B、C衍射效率的出射角依存性，小于衍射接受角范圍。即，如同對(duì)圖9及圖10進(jìn)行比較后可看出的那樣，各偏振光選擇性全息圖13、14、15的出射角范圍小于衍射接受角范圍。
這是因?yàn)橄鄬?duì)本發(fā)明涉及的透過型層疊全息光學(xué)元件10的入射角小于出射角，這樣，便可實(shí)現(xiàn)一種具有其衍射接受角較大，但衍射后的出射角較小的特長(zhǎng)的透過型層疊全息光學(xué)元件。因此，可與入射視角相比不過度增大出射光的視角，來(lái)抑制基于第1及第2偏振光選擇性全息圖13、14出射光的第2及第3偏振光選擇性全息圖14、15的再衍射。
本發(fā)明涉及的圖像顯示元件接下來(lái)參照?qǐng)D11，對(duì)采用了上述全息PDLC(偏振光選擇性全息光學(xué)元件)的本發(fā)明涉及的反射型顯示元件作以說明。
該圖像顯示元件如圖11所示，構(gòu)成為使上述全息PDLC10，通過厚度約為50μm的玻璃基片19，相對(duì)反射型垂直取向液晶元件18，在光學(xué)上密切相接。該實(shí)施方式中的全息PDLC10，相當(dāng)于圖8所示的透過型層疊全息光學(xué)元件。
該圖像顯示元件中，由包含P偏振光成分與S偏振光成分雙方的3個(gè)入射光22、23、24來(lái)組成的入射光21，以入射角θ1±α、θ2±β、θ3±γ，由全息PDLC10的玻璃基片11來(lái)入射。這里，α、β、γ表示3個(gè)入射光22、23、24的發(fā)散角。
入射光首先入射到第1透過型偏振光選擇性全息圖13。在這里，只有第1透過型偏振光選擇性全息圖13的衍射接受角內(nèi)入射角θ3±γ的P偏振光被衍射，成為衍射光25。該衍射光25，按相對(duì)反射型垂直取向液晶元件18的反射面20的入射角θ3′±γ′的方向來(lái)傳播。
此時(shí)如上所述，γ＞γ′被滿足。該衍射光25，由于與第2透過型偏振光選擇性全息圖14及第3透過型偏振光選擇性全息圖15的衍射接受角不同，因而在途中不被再次衍射，而是經(jīng)過反射型垂直取向液晶元件18的液晶層33，來(lái)到達(dá)反射面20。
該衍射光25在液晶層33上往返的期間，相位狀態(tài)被控制，在進(jìn)行白顯示時(shí)，偏振光方向被旋轉(zhuǎn)90°，在進(jìn)行黑顯示時(shí)，入射時(shí)的偏振光狀態(tài)被保存。這樣被液晶層33及反射面20調(diào)制并反射的調(diào)制光，再次入射到各透過型偏振光選擇性全息圖13、14、15。
當(dāng)調(diào)制光再次入射到各透過型偏振光選擇性全息圖13、14、15時(shí)，是P偏振光，而且進(jìn)入各透過型偏振光選擇性全息圖13、14、15的衍射接受角范圍的成分被再次衍射，返回到入射光22、23、24的反方向。這樣，調(diào)制光的P偏振光中未被衍射的剩余成分及S偏振光成分，在透過型偏振光選擇性全息圖13、14、15中不被衍射，而從全息PDLC10作為出射光29來(lái)出射。
對(duì)于入射光23、24，與上述同樣，出射角偏差α′、β′小于入射角偏差α、β。
即，第2透過型偏振光選擇性全息圖14中，只有入射光中第2透過型偏振光選擇性全息圖14的衍射接受角內(nèi)的入射角θ2±β的P偏振光被衍射，成為衍射光26。該衍射光26，按相對(duì)反射型垂直取向液晶元件18的反射面20的入射角θ2′±β′的方向來(lái)傳播。這里，滿足β＞β′。該衍射光26，由于與第3透過型偏振光選擇性全息圖15的衍射接受角不同，因而在途中不被再次衍射，而是經(jīng)過反射型垂直取向液晶元件18的液晶層33，來(lái)到達(dá)反射面20。其衍射光26被液晶層33及反射面20調(diào)制并反射了的調(diào)制光，再次入射到各透過型偏振光選擇性全息圖13、14、15。
該調(diào)制光中，是P偏振光，而且進(jìn)入各透過型偏振光選擇性全息圖13、14、15的衍射接受角范圍的成分被再次衍射，返回到入射光22、23、24的反方向。調(diào)制光的P偏振光中未被衍射的剩余成分及S偏振光成分，在透過型偏振光選擇性全息圖13、14、15中不被衍射，而從全息PDLC10作為出射光30來(lái)出射。
第3透過型偏振光選擇性全息圖15中，只有入射光中第3透過型偏振光選擇性全息圖15的衍射接受角內(nèi)的入射角θ1±α的P偏振光被衍射，成為衍射光27。該衍射光27，按相對(duì)反射型垂直取向液晶元件18的反射面2 的入射角θ1′±α′的方向來(lái)傳播。這里，滿足α＞α′。該衍射光27，經(jīng)過反射型垂直取向液晶元件18的液晶層33，到達(dá)反射面20。其衍射光27被液晶層33及反射面20調(diào)制并反射了的調(diào)制光，再次入射到各透過型偏振光選擇性全息圖13、14、15。
該調(diào)制光中，是P偏振光，而且進(jìn)入各透過型偏振光選擇性全息圖13、14、15的衍射接受角范圍的成分被再次衍射，并返回到入射光22、23、24的反方向。調(diào)制光的P偏振光中未被衍射的剩余成分及S偏振光成分，在透過型偏振光選擇性全息圖13、14、15中不被衍射，而從全息PDLC10作為出射光31來(lái)出射。
此外，這里所示的全息PDLC10具有集光功能，如圖12所示，使入射光21向反射型垂直取向液晶元件18的反射面20來(lái)集光。即，該場(chǎng)合下全息PDLC10的各透過型偏振光選擇性全息圖13、14、15的干涉條紋節(jié)距在圖12所示的箭頭A方向，隨著從中心O向外圍延伸而變細(xì)。
在實(shí)際的圖像顯示中，由于按各像素來(lái)控制反射型垂直取向液晶元件18的液晶層33，并調(diào)制反射光的偏振光狀態(tài)，因而可利用主要具有S偏振光成分的反射光32來(lái)進(jìn)行圖像顯示。
這里，對(duì)「厚全息圖」作以說明。這里的所謂「厚全息圖」系指下式所示的Q值為10以上的全息圖。
Q＝2πλt/(nΛΛ)這里，λ是再生波長(zhǎng)，t是全息圖層的厚度，n是全息圖層的平均折射率，Λ是干涉條紋的節(jié)距。
此外下式所示的關(guān)系成立。
Λ＝λc/λ|2sin{(θs-θr)/2}|這里，λc是制造波長(zhǎng)，θs是物體光的入射角，θr是參照光的入射角。
如果假設(shè)λc為0.532μm，θs為40°，θr為0°，λ為0.532μm，t為6μm，n為1.5，則干涉條紋的節(jié)距Λ便為0.68μm，Q為28.9，因而符合上述「厚全息圖」的定義。
「厚全息圖」具有以下特征即，衍射效率雖高，但如果再生光的條件偏離制造時(shí)物體光及參照光的使用波長(zhǎng)及入射角等條件，則衍射效率會(huì)較急劇地下降。即，如果在某再生波長(zhǎng)中，再生光的入射角極大地偏離提供衍射效率峰值的入射角，則也可不出現(xiàn)衍射效果。為此如上所述，即使反射光32是比如P偏振光成分，也難以在各透過型偏振光選擇性全息圖13、14、15中被衍射。
本發(fā)明涉及的偏振光選擇性全息光學(xué)元件中，為了以高衍射效率為目的，來(lái)減小干涉條紋的節(jié)距Λ，將彎曲角，即|(θs-θr)|設(shè)定到30°以上。
接下來(lái)參照?qǐng)D7，對(duì)采用了上述全息PDLC(偏振光選擇性全息光學(xué)元件)的本發(fā)明涉及的反射型圖像顯示元件的實(shí)施方式2作以說明。該實(shí)施方式中的透過型層疊全息光學(xué)元件36如圖13所示，是一種具有設(shè)置于玻璃基片81與82之間的藍(lán)色光用全息圖層34、設(shè)置于玻璃基片82與83之間的綠色光用全息圖層35的2層層疊結(jié)構(gòu)，與藍(lán)、綠色光用反射型液晶元件37構(gòu)成為一體。
該圖像顯示元件，使藍(lán)色光(A)與綠色光(B)被以互相各異的入射角來(lái)入射。藍(lán)色光用全息圖層34及綠色光用全息圖層35中，其衍射接受角互相各異。
在藍(lán)色光用全息圖層34中被衍射的藍(lán)色光，由只對(duì)該藍(lán)色光用全息圖層34的一個(gè)方向具有集光力的透鏡(圓柱透鏡)功能，而被集光到藍(lán)、綠色光用反射型液晶元件37的藍(lán)色光用像素電極38上。
在綠色光用全息圖層35中被衍射的綠色光，由只對(duì)該綠色光用全息圖層35的一個(gè)方向具有集光力的透鏡(圓柱透鏡)功能，而被集光到藍(lán)、綠色光用反射型液晶元件37的綠色光用像素電極39上。藍(lán)、綠色光用反射型液晶元件37構(gòu)成為在與玻璃基片83、84之間設(shè)置液晶層85，在玻璃基片84側(cè)設(shè)置色像素電極38、39。
作為各色用全息圖層34、35的全息圖透鏡的中心，與所對(duì)應(yīng)的色像素電極38、39的中心大致一致。由于來(lái)自各色用全息圖層34、35的出射角互相不等，因而如圖13所示，2個(gè)色光被集光，從而交叉。
被色分離并被集光到各色像素電極38、39的照明光(A)、(B)，在「白」顯示時(shí)，入射偏振光方向被旋轉(zhuǎn)90°，成為S偏振光來(lái)反射。由于該反射光偏離藍(lán)色光用全息圖層34及綠色光用全息圖層35的衍射接受角度，因而即使是P偏振光，其衍射效率也低下，在這些各色光用全息圖層34、35中不被衍射，以相對(duì)藍(lán)、綠色光用反射型液晶元件37的垂直方向互為反向的角度來(lái)出射。
接下來(lái)參照?qǐng)D14，對(duì)本發(fā)明涉及的圖像顯示元件的實(shí)施方式3作以說明。
該圖像顯示元件中，如圖14所示，分別對(duì)藍(lán)色光用全息圖層34及綠色光用全息圖層35，追加其入射角接受范圍各異，而且與此對(duì)應(yīng)的出射角也各異的第2藍(lán)色光衍射全息圖層40及第2綠色光衍射全息圖層41，由此如照射光(A)至(A)′及(B)至(B)′所示，可擴(kuò)大入射角的接受范圍，并使光利用效率得以提高。
接下來(lái)，圖15表示本發(fā)明涉及的圖像顯示元件的實(shí)施方式4。圖15所示的圖像顯示元件構(gòu)成為如圖15所示，由全息PDLC(偏振光選擇性全息光學(xué)元件)，來(lái)將白色照明光分離成紅色光、綠色光及藍(lán)色光這3種顏色，并進(jìn)行集光。該全息PDLC與上述2色分離的全息PDLC同樣，分別在其衍射接受角與與其對(duì)應(yīng)的出射角互相各異的綠色光衍射用、藍(lán)色光衍射用及紅色光衍射用這3層全息圖層34、35、42之間，通過屏障層16、17來(lái)被層疊。該圖像顯示元件構(gòu)成為該全息PDLC通過厚度約為50μm的玻璃基片19，相對(duì)反射型垂直取向液晶元件18在光學(xué)上密切相接。
在該圖像顯示元件中，使來(lái)自位于入射面F側(cè)的綠色光、藍(lán)色光衍射用全息圖層34、35的出射光集光，以使3種色光互相交叉，從而盡量不被位于出射面H側(cè)的藍(lán)色光、紅色光衍射用全息圖層35、42再衍射。綠色光、藍(lán)色光及紅色光，分別被集光到反射型垂直取向液晶元件18的對(duì)應(yīng)色像素上來(lái)反射。
參照?qǐng)D1，對(duì)取代透過型液晶圖像顯示元件中所用的通常的微型透鏡陣列，使照明光入射視角得到了改善的本發(fā)明涉及的圖像顯示元件這里為便于說明，根據(jù)其入射角度，將R、G、B任意一種色光的照明光分為照明光(A)及照明光(B)來(lái)考慮。照明光(A)及照明光(B)，是具有分別以30°以上的入射角θA、θB為中心的±ΔθA、±ΔθB的角度范圍的照明光，有著θA+ΔθA＝θB-ΔθB的關(guān)系。
由入射側(cè)玻璃基片43而入射的照明光，首先入射到第1全息圖透鏡陣列44。此時(shí)，第1全息圖透鏡陣列44，有一個(gè)主要與照明光(A)的入射角度對(duì)應(yīng)的衍射接受角，主要使照明光(A)衍射。該衍射光按第1全息圖透鏡陣列44上的一邊具有像素節(jié)距大小的尺寸的各照明光，來(lái)透過屏障層45、第2全息圖透鏡陣列46、帶有對(duì)置電極的玻璃基片47及液晶層48，并被集光到TFT開口部50的面積范圍內(nèi)。
在通過屏障層45來(lái)配置的第2全息圖透鏡陣列46中，基于同樣的理由，照明光(B)被主要衍射。這里同樣，按第2全息圖透鏡陣列46上的一邊具有像素節(jié)距大小的尺寸的各照明光，來(lái)透過帶有對(duì)置電極的玻璃基片47及液晶層48，并被集光到TFT開口部50的面積范圍內(nèi)。
即，對(duì)1個(gè)TFT開口部50，由第1全息圖透鏡陣列44及第2全息圖透鏡陣列46這2個(gè)微型透鏡，照明光被集光。這樣，由于該第1及第2全息圖透鏡陣列44、46分別作為獨(dú)立的微型透鏡陣列來(lái)起作用，因而與通常的折射型系統(tǒng)微型透鏡陣列相比，可確保較大的接受角。
這里所采用的第1全息圖透鏡陣列44及第2全息圖透鏡陣列46，均不包含具有折射率各向異性的材料，因此不具有大的偏振光選擇性。
本發(fā)明涉及的圖像顯示裝置參照?qǐng)D17，對(duì)作為本發(fā)明涉及的圖像顯示裝置，在圖像顯示元件中采用3個(gè)反射型液晶元件，而且作為色分離合成單元，采用了2個(gè)二色鏡的3片式投射型圖像顯示裝置的構(gòu)成及動(dòng)作原理作以說明。
該圖像顯示裝置中，從UHP燈光源51出射的光束，入射到具有光束斷面形狀校正、光強(qiáng)度分布均等化、擴(kuò)散角控制等功能的照明光學(xué)系統(tǒng)52。該照明光學(xué)系統(tǒng)52包含P-S偏振光轉(zhuǎn)換器。該P(yáng)-S轉(zhuǎn)換器是具有以50％以上的效率，將非偏振光狀態(tài)的入射光束，規(guī)整為P偏振光或S偏振光任意一方偏振光的功能的偏振光轉(zhuǎn)換單元。在該實(shí)施方式場(chǎng)合下，透過了照明光學(xué)系統(tǒng)52的光束被轉(zhuǎn)換，從而達(dá)到電向量主要在與圖17的紙面平行的方向振動(dòng)的偏振光狀態(tài)，即成為下次入射的針對(duì)反射鏡53的P偏振光。
照明光由反射鏡53來(lái)反射，入射到紅色反射二色鏡54。在該二色鏡54中，主要只有紅色光，被向紅色光用空間光調(diào)制元件55反射。該紅色光用空間光調(diào)制元件55中，紅色光以大約50°±15°的入射角來(lái)入射。
另一方面，透過了紅色反射二色鏡54的藍(lán)、綠色光，接下來(lái)入射到藍(lán)色光反射用二色鏡56。在該藍(lán)色光反射用二色鏡56中，只有藍(lán)色光，被向藍(lán)色光用空間光調(diào)制元件57反射。該藍(lán)色光用空間光調(diào)制元件57中，藍(lán)色光以大約50°±15°的入射角來(lái)入射。
透過了藍(lán)色光反射用二色鏡56的綠色光，對(duì)綠色光用空間光調(diào)制元件58，以大約50°±15°的入射角來(lái)入射。
這里，在從藍(lán)色光反射用二色鏡56至綠色光用空間光調(diào)制元件58的光路上，可插拔地配置有反射大于570nm左右波長(zhǎng)的長(zhǎng)波長(zhǎng)側(cè)光譜的桔色阻斷濾色器59。在希望使顯示圖像的顏色再現(xiàn)性提高的場(chǎng)合下，將桔色阻斷濾色器59插到光路上。在與顏色再現(xiàn)性相比，更希望使亮度優(yōu)先的場(chǎng)合下，將桔色阻斷濾色器59向光路外拔出，由此使來(lái)自UHP燈光源51的照明光中所包含的580nm附近的桔色光被照射到綠色光用空間光調(diào)制元件58，以用于顯示圖像的成像。
綠色光用空間光調(diào)制元件58、藍(lán)色光用空間光調(diào)制元件57、紅色光用空間光調(diào)制元件55構(gòu)成為如上述圖像顯示裝置的實(shí)施方式1所示，偏振光選擇性層疊型全息光學(xué)元件58a、57a、55a與反射型空間光調(diào)制元件58b、57b、55b分別被組合。因此，具有分別入射到這些綠色光用空間光調(diào)制元件58、藍(lán)色光用空間光調(diào)制元件57、紅色光用空間光調(diào)制元件58的主要P偏振光成分的綠色光、藍(lán)色光、紅色光中，只有P偏振光成分被衍射，并以大約±10°的入射角，來(lái)入射到各反射型空間光調(diào)制元件58b、57b、55b。在按各反射型空間光調(diào)制元件58b、57b、55b的每個(gè)像素來(lái)調(diào)制了偏振光狀態(tài)后，這些綠色光、藍(lán)色光、紅色光以±15°的出射角，被再次從偏振光選擇性層疊型全息光學(xué)元件58a、57a、55a向空氣中出射。
反射型空間光調(diào)制元件58b、57b、55b各液晶層的厚度，按所分別調(diào)制的色光的不同，來(lái)被設(shè)到最佳。
紅色光用空間光調(diào)制元件55及綠色光用空間光調(diào)制元件58，相對(duì)紅色反射二色鏡54，被配置到共軛位置。藍(lán)色光用空間光調(diào)制元件57及綠色光用空間光調(diào)制元件58，相對(duì)藍(lán)色反射二色鏡56，被配置到共軛位置。
這樣，被綠色光用空間光調(diào)制元件58、藍(lán)色光用空間光調(diào)制元件57、紅色光用空間光調(diào)制元件55調(diào)制了的各色光的照明光，由藍(lán)色光反射二色鏡56、紅色光反射二色鏡54而再次被色合成。該照明光經(jīng)過比如偏振光片之類的透過S偏振光的偏振光選擇單元60，被入射到投射光學(xué)系統(tǒng)61。投射光學(xué)系統(tǒng)61使所入射的照明光在未圖示的投影屏上成像。在投影屏上顯示出圖像。
此外在藍(lán)色光反射二色鏡56及紅色光反射二色鏡54的制作中，可以使進(jìn)行色分離的部分的薄膜特性與進(jìn)行色合成的部分的薄膜特性相異。
接下來(lái)，圖18表示本發(fā)明涉及的圖像顯示裝置的實(shí)施方式2。以下對(duì)這種2片式投射型圖像顯示裝置的結(jié)構(gòu)與動(dòng)作原理作以說明，其中，該圖像顯示裝置如圖18所示，作為圖像顯示元件采用了反射型液晶元件62、63，作為色合成單元采用了二色鏡64，作為針對(duì)2個(gè)反射型液晶元件62、63的色分離單元采用了二色鏡65、66、67，作為針對(duì)一方反射型液晶元件62的色分離集光單元采用了偏振光選擇性層疊全息光學(xué)元件62a。
從UHP燈光源51出射的照明光束，入射到具有光束斷面形狀校正、光強(qiáng)度分布均等化、擴(kuò)散角控制等功能的照明光學(xué)系統(tǒng)52。該照明光學(xué)系統(tǒng)52中包含P-S偏振光轉(zhuǎn)換器68。該P(yáng)-S偏振光轉(zhuǎn)換器68，是具有以50％以上的效率，將非偏振光狀態(tài)的光束，規(guī)整為P偏振光或S偏振光任意一方偏振光的功能的偏振光轉(zhuǎn)換單元。在該實(shí)施方式場(chǎng)合下，通過了照明光學(xué)系統(tǒng)52的照明光束被轉(zhuǎn)換，從而達(dá)到電向量主要在與圖128的紙面平行的方向振動(dòng)的偏振光狀態(tài)，即成為下次入射的針對(duì)綠色反射二色鏡65的P偏振光。
照明光中，綠色光成分及藍(lán)色光成分在綠色反射二色鏡65及藍(lán)色反射二色鏡66中被反射，分別以不同的角度，入射到藍(lán)色用反射型顯示元件62。藍(lán)色光的入射角大約為45°。綠色光的入射角大約為55°。
透過了綠色反射二色鏡65及藍(lán)色反射二色鏡66的照明光，經(jīng)過聚光鏡69，由紅色反射二色鏡67來(lái)反射，并以大約45°的入射角入射到紅色用反射型顯示元件63。
本實(shí)施方式中所用的綠、藍(lán)色用反射型顯示元件62，與圖像顯示元件實(shí)施方式3中所記述的元件相同，具有以下結(jié)構(gòu)即，具有使藍(lán)色光及綠色光集光到分別對(duì)應(yīng)的色像素的多個(gè)全息圖層的偏振光選擇性層疊全息光學(xué)元件62a，與具有藍(lán)色用、綠色用這2種色像素的反射型液晶元件62b在光學(xué)上密切相接。
紅色用反射型顯示元件63，相當(dāng)于由反射型液晶元件來(lái)取代了圖像顯示元件的上述透過型液晶元件的顯示元件，其構(gòu)造是，具有集光于對(duì)應(yīng)紅色光的色像素的多個(gè)全息圖層的偏振光選擇性層疊全息光學(xué)元件63a與具有紅色用色像素的反射型液晶元件63b在光學(xué)上密切相接。
入射到各反射型顯示元件62、63的主要由P偏振光成分組成的照明光，被按各像素來(lái)調(diào)制偏振光狀態(tài)，并由各反射型顯示元件62、63，以調(diào)制了偏振光狀態(tài)的狀態(tài)來(lái)反射。P偏振光成分，在再次入射到偏振光選擇性層疊全息光學(xué)元件62a、63a時(shí)，被衍射并偏轉(zhuǎn)。S偏振光成分，在再次入射到偏振光選擇性層疊全息光學(xué)元件62a、63a時(shí)，不被衍射，而是透過偏振光選擇性層疊全息光學(xué)元件62a、63a。
由透過了偏振光選擇性層疊全息光學(xué)元件62a、63a的S偏振光成分組成的2個(gè)調(diào)制光，由二色鏡64來(lái)色合成，然后經(jīng)過透過S偏振光的偏振光片60，入射到投射光學(xué)系統(tǒng)61。投射光學(xué)系統(tǒng)61，使所入射的照明光在未圖示的投影屏上成像。在投影屏上顯示出圖像。
藍(lán)、綠色用反射型液晶元件62b如圖19所示，具有綠色用像素G與藍(lán)色用像素B被交互配置的像素結(jié)構(gòu)。紅色用反射型液晶元件63b如圖20所示，只由紅色用像素R來(lái)組成，具有與藍(lán)、綠色用反射型液晶元件62b相等的像素結(jié)構(gòu)。在該紅色用反射型液晶元件63b中，2個(gè)成對(duì)的基本像素被作為1個(gè)像素來(lái)同等驅(qū)動(dòng)。
此外，反射型空間光調(diào)制元件62、63中各液晶層的厚度，按分別調(diào)制的色光的不同，來(lái)達(dá)到最佳。
接下來(lái)，圖21表示本發(fā)明涉及的圖像顯示裝置的實(shí)施方式3。
圖21所示的圖像顯示裝置，是一種單片式投射型圖像顯示裝置，作為針對(duì)反射型液晶元件18的色分離集光單元，采用偏振光選擇性層疊型全息光學(xué)元件。在該裝置中，從UHP燈光源51出射的照明光束，入射到具有光束斷面形狀校正、光強(qiáng)度分布均等化、擴(kuò)散角控制等功能的照明光學(xué)系統(tǒng)52。該照明光學(xué)系統(tǒng)52中包含P-S偏振光轉(zhuǎn)換器68。該P(yáng)-S偏振光轉(zhuǎn)換器68，是具有以50％以上的效率，將非偏振光狀態(tài)的光束，規(guī)整為P偏振光或S偏振光任意一方偏振光的功能的偏振光轉(zhuǎn)換單元。在該實(shí)施方式場(chǎng)合下，透過了照明光學(xué)系統(tǒng)52的光束被轉(zhuǎn)換，從而達(dá)到電向量主要在與圖15的紙面平行的方向振動(dòng)的偏振光狀態(tài)，即針對(duì)下一次入射的二色鏡66、65、67成為P偏振光。
照明光中，藍(lán)色成分、綠色成分及紅色成分分別在藍(lán)色反射二色鏡66、綠色反射二色鏡65、紅色反射二色鏡67中被反射，分別以不同的角度，通過耦合棱鏡70來(lái)入射到反射型顯示元件72。
為使對(duì)反射型顯示元件72的偏振光選擇性層疊型全息光學(xué)元件73的入射角增大到比如55°，該耦合棱鏡70被安裝為與反射型顯示元件72在光學(xué)上密切相接。
本實(shí)施方式中所用的反射型顯示元件72，與圖像顯示元件的實(shí)施方式4中所示的元件基本相同。這里所用的偏振光選擇性層疊型全息光學(xué)元件73，是全息PDLC光學(xué)元件，使P偏振光衍射，但不使S偏振光衍射。R、G、B各色光用的全息圖34、35、36，具有被3層層疊的結(jié)構(gòu)，與反射型液晶元件18構(gòu)成為一體。
各色用全息圖層34、35、36，具有只對(duì)一個(gè)方向有集光力的圓柱透鏡功能，從而使照明光交叉，來(lái)集光到反射型液晶元件18所對(duì)應(yīng)的各色基本像素。
由各色用全息圖層34、35、36，而被色分離并被集光到R、G、B各色像素電極74、75、76的照明光，其偏振光狀態(tài)被調(diào)制來(lái)反射。該反射光中的S偏振光成分，在再次入射到各色光用全息圖層34、35、36時(shí)，不會(huì)被衍射而對(duì)反射型顯示元件72呈一定的出射角來(lái)出射。
該反射光由S偏振光所透過的偏振光片60來(lái)檢波，并入射到投射光學(xué)系統(tǒng)61。投射光學(xué)系統(tǒng)61使所入射的照明光在投影屏71上成像。在投影屏71上顯示出圖像。
此外本發(fā)明并非限定于參照附圖所說明的上述實(shí)施例，在不脫離權(quán)利要求范圍及其宗旨的前提下，可進(jìn)行各種變更、置換或與其同等的行為，對(duì)此業(yè)內(nèi)人士應(yīng)予以理解。
產(chǎn)業(yè)上的可利用性如上所述，本發(fā)明通過層疊衍射接受角互相各異，而且相對(duì)可視區(qū)任意波長(zhǎng)的衍射接受入射角的中心入射角的出射角互相各異的多個(gè)透過型全息光學(xué)元件，來(lái)實(shí)現(xiàn)一種入射光的衍射接受角較大的透過型層疊全息光學(xué)元件。
本發(fā)明涉及的圖像顯示元件中，通過將具有微型透鏡陣列功能的透過型層疊全息光學(xué)元件，與具有色像素的空間光調(diào)制元件進(jìn)行組合，各透過型全息光學(xué)元件，被作為具有全息濾色器的彩色圖像顯示元件來(lái)構(gòu)成。因此，該圖像顯示元件與以下濾色器相比，便成為一種光利用效率較高的圖像顯示元件，即采用了色素的吸收型濾色器、單層結(jié)構(gòu)的全息濾色器、或者雖然具有層疊結(jié)構(gòu)，但相互的衍射接受角與出射角未充分分離的全息濾色器。
即使在各透過型全息光學(xué)元件沒有作為濾色器的功能的場(chǎng)合下，通過該圖像顯示元件與透過型液晶圖像顯示元件一起，作為歷來(lái)使用的微型透鏡陣列的代用品來(lái)使用，仍可以作為增大照明光的采入視角，光利用效率高的圖像顯示元件來(lái)構(gòu)成。
該圖像顯示元件中，通過只使各R(紅色)、G(綠色)及B(藍(lán)色)色光中的1個(gè)色光以該衍射接受角，來(lái)入射到衍射接受角互相各異的多個(gè)透過型全息光學(xué)元件，可進(jìn)行不利用全息圖的波長(zhǎng)分散的色分離。
這樣，各色光的分離角設(shè)定便具有自由性，從制造難易性及光利用效率方面出發(fā)，全息濾色器與空間光調(diào)制元件的色像素之間的距離可設(shè)定到最佳距離。在以同一像素節(jié)距的空間光調(diào)制元件來(lái)作為前提的場(chǎng)合下，尤其是通過增大各色光的分離角，可將全息濾色器與空間光調(diào)制元件的色像素之間的距離設(shè)定到比如50μm以下。這樣，通過針對(duì)全息濾色器的照明光的大視角化及寬波帶化，可以實(shí)現(xiàn)光利用效率得到提高的鮮亮的圖像顯示元件。
通過將透過型層疊全息光學(xué)元件的各全息圖層設(shè)作偏振光選擇性全息光學(xué)元件，可以實(shí)現(xiàn)大接受角的偏振光分離元件。
本發(fā)明涉及的圖像顯示裝置，通過采用上述透過型層疊全息光學(xué)元件及反射型空間光調(diào)制元件，可作為不需要PBS(偏振光束分裂器)的小型輕量、高效率、低成本的圖像顯示裝置來(lái)構(gòu)成。
通過在該圖像顯示裝置中，附加基于微型透鏡陣列的濾色器功能，可以作為一種不需要色合成單元，小型低成本的圖像顯示裝置來(lái)構(gòu)成。
本發(fā)明提供一種能增大入射光的大衍射接受角，提高光利用效率，從制造難易性及光利用效率方面出發(fā)，將與空間光調(diào)制元件的色像素之間的距離設(shè)定到最佳的透過型層疊全息光學(xué)元件，還可提供一種可利用該透過型層疊全息光學(xué)元件，來(lái)顯示鮮亮的圖像的圖像顯示元件及圖像顯示裝置。
權(quán)利要求
1.一種透過型層疊全息光學(xué)元件，是層疊衍射接受入射角互相各異的多個(gè)透過型全息光學(xué)元件來(lái)構(gòu)成的透過型層疊全息光學(xué)元件，其特征在于上述各透過型全息光學(xué)元件，與可視區(qū)任意波長(zhǎng)的各衍射接受入射角的中心入射角相對(duì)的出射角互相各異。
2.權(quán)利要求1中記載的透過型層疊全息光學(xué)元件，其特征在于上述各透過型全息光學(xué)元件，與衍射接受入射角內(nèi)的任意入射角范圍對(duì)應(yīng)的出射角范圍小于入射角范圍。
3.權(quán)利要求1中記載的透過型層疊全息光學(xué)元件，其特征在于上述各透過型全息光學(xué)元件，是具有折射率的入射偏振光方位依存性互相各異的2個(gè)區(qū)域被依次配置的結(jié)構(gòu)的偏振光選擇性全息光學(xué)元件。
4.權(quán)利要求1中記載的透過型層疊全息光學(xué)元件，其特征在于上述各透過型全息光學(xué)元件，是包含高分子分散液晶材料的偏振光選擇性全息光學(xué)元件。
5.權(quán)利要求1中記載的透過型層疊全息光學(xué)元件，其特征在于上述透過型全息光學(xué)元件具有集光功能。
6.權(quán)利要求1中記載的透過型層疊全息光學(xué)元件，其特征在于上述透過型全息光學(xué)元件構(gòu)成微型透鏡陣列。
7.權(quán)利要求1中記載的透過型層疊全息光學(xué)元件，其特征在于上述透過型全息光學(xué)元件的層疊數(shù)為3以上。
8.權(quán)利要求1中記載的透過型層疊全息光學(xué)元件，其特征在于上述各透過型全息光學(xué)元件，與可視區(qū)任意波長(zhǎng)的各衍射接受入射角的中心入射角相對(duì)的出射角互相相差5度以上。
9.一種圖像顯示元件，其特征在于具有透過型層疊全息光學(xué)元件；空間光調(diào)制元件，其調(diào)制來(lái)自上述透過型層疊全息光學(xué)元件的出射光，上述透過型層疊全息光學(xué)元件是通過對(duì)衍射接受入射角互相各異、而且與可視區(qū)任意波長(zhǎng)的各衍射接受入射角的中心入射角相對(duì)的出射角也互相各異的多個(gè)透過型全息光學(xué)元件進(jìn)行層疊來(lái)構(gòu)成的。
10.權(quán)利要求9中記載的圖像顯示元件，其特征在于上述各透過型全息光學(xué)元件，與衍射接受入射角內(nèi)的任意入射角范圍對(duì)應(yīng)的出射角范圍小于入射角范圍。
11.權(quán)利要求9中記載的圖像顯示元件，其特征在于上述各透過型全息光學(xué)元件，是具有折射率的入射偏振光方位依存性互相各異的2個(gè)區(qū)域被依次配置的結(jié)構(gòu)的偏振光選擇性全息光學(xué)元件。
12.權(quán)利要求9中記載的圖像顯示元件，其特征在于上述各透過型全息光學(xué)元件，是包含高分子分散液晶材料的偏振光選擇性全息光學(xué)元件。
13.權(quán)利要求9中記載的圖像顯示元件，其特征在于上述透過型全息光學(xué)元件具有集光功能。
14.權(quán)利要求9中記載的圖像顯示元件，其特征在于上述各透過型全息光學(xué)元件構(gòu)成微型透鏡陣列，將照明光集光到空間光調(diào)制元件所對(duì)應(yīng)的各像素。
15.權(quán)利要求14中記載的圖像顯示元件，其特征在于被上述各透過型全息光學(xué)元件集光到空間光調(diào)制元件所對(duì)應(yīng)的各像素的照明光的主光線中，至少一組以上互相交叉。
16.權(quán)利要求9中記載的圖像顯示元件，其特征在于上述透過型全息光學(xué)元件構(gòu)成微型透鏡陣列，具有使照明光色分離并集光到空間光調(diào)制元件所對(duì)應(yīng)的各色像素的濾色功能。
17.權(quán)利要求16中記載的圖像顯示元件，其特征在于被上述各透過型全息光學(xué)元件集光到空間光調(diào)制元件所對(duì)應(yīng)的各色像素的照明光各色光的主光線中，至少一組以上互相交叉。
18.權(quán)利要求9中記載的圖像顯示元件，其特征在于上述透過型全息光學(xué)元件的層疊數(shù)為3以上。
19.權(quán)利要求9中記載的圖像顯示元件，其特征在于上述各透過型全息光學(xué)元件，與可視區(qū)任意波長(zhǎng)的各衍射接受入射角的中心入射角相對(duì)的出射角互相相差5度以上。
20.權(quán)利要求9中記載的圖像顯示元件，其特征在于上述空間光調(diào)制元件是反射型空間光調(diào)制元件，對(duì)由透過型層疊全息光學(xué)元件的透過型全息光學(xué)元件入射的照明光進(jìn)行調(diào)制，并使其再次入射到該透過型層疊全息光學(xué)元件。
21.權(quán)利要求9中記載的圖像顯示元件，其特征在于上述透過型層疊全息光學(xué)元件的全息圖面與空間光調(diào)制元件的光調(diào)制面成為平行。
22.權(quán)利要求9中記載的圖像顯示元件，其特征在于上述透過型層疊全息光學(xué)元件的全息圖面與空間光調(diào)制元件的光調(diào)制面的間隔為50μm以下。
23.一種圖像顯示裝置，其特征在于具有發(fā)出照明光的照明光源；使入射光衍射的透過型層疊全息光學(xué)元件；照明光學(xué)系統(tǒng)，其將上述照明光作為入射光并導(dǎo)入到上述透過型層疊全息光學(xué)元件；空間光調(diào)制元件，其使從上述透過型層疊全息光學(xué)元件出射的照明光得到調(diào)制；放大光學(xué)系統(tǒng)，其使被上述空間光調(diào)制元件調(diào)制了的照明光放大并成像，上述透過型層疊全息光學(xué)元件是通過對(duì)衍射接受入射角互相各異、而且與可視區(qū)任意波長(zhǎng)的各衍射接受入射角的中心入射角相對(duì)的出射角也互相各異的多個(gè)透過型全息光學(xué)元件進(jìn)行層疊來(lái)構(gòu)成的。
24.權(quán)利要求23中記載的圖像顯示裝置，其特征在于各透過型全息光學(xué)元件，與衍射接受入射角內(nèi)的任意入射角范圍對(duì)應(yīng)的出射角范圍小于入射角范圍。
25.權(quán)利要求23中記載的圖像顯示裝置，其特征在于上述透過型層疊全息光學(xué)元件，由照明光學(xué)系統(tǒng)，以30度以上90度以下的入射角來(lái)入射照明光，被入射的照明光中第1偏振光方位即照明光的衍射效率為50％以上，與該第1偏振光方位正交的第2偏振光方位的照明光的衍射效率為10％以下。
26.權(quán)利要求25中記載的圖像顯示裝置，其特征在于上述第一偏振光方位是P偏振光。
27.權(quán)利要求23中記載的圖像顯示裝置，其特征在于上述各透過型全息光學(xué)元件，是具有折射率的入射偏振光方位依存性互相各異的2個(gè)區(qū)域被依次配置的結(jié)構(gòu)的偏振光選擇性全息光學(xué)元件。
28.權(quán)利要求23中記載的圖像顯示裝置，其特征在于上述各透過型全息光學(xué)元件，是包含高分子分散液晶材料的偏振光選擇性全息光學(xué)元件。
29.權(quán)利要求23中記載的圖像顯示裝置，其特征在于上述透過型全息光學(xué)元件具有集光功能。
30.權(quán)利要求23中記載的圖像顯示裝置，其特征在于上述透過型全息光學(xué)元件構(gòu)成微型透鏡陣列，使照明光集光到空間光調(diào)制元件所對(duì)應(yīng)的各像素。
31.權(quán)利要求30中記載的圖像顯示裝置，其特征在于被上述各透過型全息光學(xué)元件集光到空間光調(diào)制元件所對(duì)應(yīng)的各像素的照明光的主光線中，至少一組以上互相交叉。
32.權(quán)利要求23中記載的圖像顯示裝置，其特征在于上述透過型全息光學(xué)元件構(gòu)成微型透鏡陣列，具有使照明光色分離并集光到空間光調(diào)制元件所對(duì)應(yīng)的各色像素的濾色功能。
33.權(quán)利要求32中記載的圖像顯示裝置，其特征在于被上述各透過型全息光學(xué)元件集光到空間光調(diào)制元件所對(duì)應(yīng)的各色像素的照明光的各色光主光線中，至少一組以上互相交叉。
34.權(quán)利要求32中記載的圖像顯示裝置，其特征在于上述照明光學(xué)系統(tǒng)，使照明光互相各異的色光以各透過型全息光學(xué)元件的衍射接受角來(lái)對(duì)各透過型全息光學(xué)元件入射，由此來(lái)進(jìn)行該照明光的色分離及集光。
35.權(quán)利要求23中記載的圖像顯示裝置，其特征在于上述透過型全息光學(xué)元件的層疊數(shù)為3以上。
36.權(quán)利要求23中記載的圖像顯示裝置，其特征在于上述各透過型全息光學(xué)元件，與可視區(qū)任意波長(zhǎng)的各衍射接受入射角的中心入射角相對(duì)的出射角互相相差5度以上。
37.權(quán)利要求23中記載的圖像顯示裝置，其特征在于上述空間光調(diào)制元件是反射型空間光調(diào)制元件。
38.權(quán)利要求23中記載的圖像顯示裝置，其特征在于上述透過型層疊全息光學(xué)元件的全息圖面與空間光調(diào)制元件的光調(diào)制面成為平行。
39.權(quán)利要求23中記載的圖像顯示裝置，其特征在于上述透過型層疊全息光學(xué)元件的全息圖面與空間光調(diào)制元件的光調(diào)制面的間隔為50μm以下。
40.權(quán)利要求23中記載的圖像顯示裝置，其特征在于上述透過型層疊全息光學(xué)元件，使照明光的主光線對(duì)空間光調(diào)制元件斜向入射。
41.權(quán)利要求23中記載的圖像顯示裝置，其特征在于上述照明光學(xué)系統(tǒng)具有色分離單元，只使照明光的部分光譜對(duì)透過型層疊全息光學(xué)元件入射。
42.權(quán)利要求23中記載的圖像顯示裝置，其特征在于上述照明光學(xué)系統(tǒng)具有色分離單元，使照明光的光譜中不同的多個(gè)波長(zhǎng)頻帶的光以互相各異的入射角，來(lái)對(duì)至少1個(gè)透過型全息光學(xué)元件入射。
43.權(quán)利要求42中記載的圖像顯示裝置，其特征在于入射到上述透過型全息光學(xué)元件的不同波長(zhǎng)頻帶的光是藍(lán)色光及綠色光。
44.權(quán)利要求42中記載的圖像顯示裝置，其特征在于入射到上述透過型全息光學(xué)元件的不同波長(zhǎng)頻帶的光是藍(lán)色光及紅色光。
45.權(quán)利要求23中記載的圖像顯示裝置，其特征在于上述空間光調(diào)制元件與投射光學(xué)系統(tǒng)之間的光路中，具備偏振光選擇單元。
46.一種圖像顯示裝置，其特征在于具有發(fā)出照明光的照明光源；透過型偏振光選擇性全息光學(xué)元件，其具有折射率的入射偏振光方位依存性互相各異的2個(gè)區(qū)域被依次配置的結(jié)構(gòu)，通過對(duì)衍射接受入射角互相各異的多個(gè)透過型全息光學(xué)元件進(jìn)行層疊來(lái)構(gòu)成并使入射光衍射；照明光學(xué)系統(tǒng)，其引導(dǎo)上述照明光，使其以相對(duì)該透過型偏振光選擇性全息光學(xué)元件的照明光受光面的法線30°以上90°以下的入射角，來(lái)對(duì)上述透過型偏振光選擇性全息光學(xué)元件入射；反射型空間光調(diào)制元件，其調(diào)制被上述透過型偏振光選擇性全息光學(xué)元件衍射的照明光的偏振光狀態(tài)；放大光學(xué)系統(tǒng)，其放大由上述反射型空間光調(diào)制元件調(diào)制了的顯示圖像，構(gòu)成上述透過型偏振光選擇性全息光學(xué)元件的各透過型全息光學(xué)元件，與可視區(qū)任意波長(zhǎng)的各衍射接受入射角的中心入射角相對(duì)的出射角互相各異，使受光的照明光的P偏振光成分或S偏振光成分主要向反射型空間光調(diào)制元件衍射，而且被該反射型空間光調(diào)制元件進(jìn)行了相位調(diào)制并再入射的照明光中，針對(duì)與在第一次入射中主要被衍射的偏振光成分正交的偏振光成分的衍射效率為10％以下，由此來(lái)使該成分的70％以上透過。
47.權(quán)利要求46中記載的圖像顯示裝置，其特征在于上述各透過型全息光學(xué)元件，與衍射接受入射角內(nèi)的任意入射角范圍對(duì)應(yīng)的出射角范圍小于入射角范圍。
48.權(quán)利要求46中記載的圖像顯示裝置，其特征在于上述第1偏振光方位是P偏振光。
49.權(quán)利要求46中記載的圖像顯示裝置，其特征在于上述各透過型全息光學(xué)元件，是包含高分子分散液晶材料的偏振光選擇性全息光學(xué)元件。
50.權(quán)利要求46中記載的圖像顯示裝置，其特征在于上述透過型全息光學(xué)元件具有集光功能。
51.權(quán)利要求46中記載的圖像顯示裝置，其特征在于上述透過型全息光學(xué)元件的層疊數(shù)為3以上。
52.權(quán)利要求46中記載的圖像顯示裝置，其特征在于上述各透過型全息光學(xué)元件，與可視區(qū)任意波長(zhǎng)的各衍射接受入射角的中心入射角相對(duì)的出射角互相相差5度以上。
53.權(quán)利要求46中記載的圖像顯示裝置，其特征在于上述各透過型全息光學(xué)元件構(gòu)成微型透鏡陣列，將照明光集光到空間光調(diào)制元件所對(duì)應(yīng)的各像素。
54.權(quán)利要求53中記載的圖像顯示裝置，其特征在于被上述各透過型全息光學(xué)元件集光到空間光調(diào)制元件所對(duì)應(yīng)的各像素的照明光主光線中，至少一組以上互相交叉。
55.權(quán)利要求46中記載的圖像顯示裝置，其特征在于上述透過型全息光學(xué)元件構(gòu)成微型透鏡陣列，具有使照明光色分離并集光到空間光調(diào)制元件所對(duì)應(yīng)的各色像素的濾色功能。
56.權(quán)利要求55中記載的圖像顯示裝置，其特征在于被上述各透過型全息光學(xué)元件集光到空間光調(diào)制元件所對(duì)應(yīng)的各色像素的照明光的各色光主光線中，至少一組以上互相交叉。
57.權(quán)利要求55中記載的圖像顯示裝置，其特征在于上述照明光學(xué)系統(tǒng)，使照明光互相各異的色光以各透過型全息光學(xué)元件的衍射接受角，來(lái)對(duì)各透過型全息光學(xué)元件入射，由此來(lái)進(jìn)行該照明光的色分離及集光。
58.權(quán)利要求46中記載的圖像顯示裝置，其特征在于上述透過型偏振光選擇性全息光學(xué)元件的全息圖面與空間光調(diào)制元件的光調(diào)制面成為平行。
59.權(quán)利要求46中記載的圖像顯示裝置，其特征在于上述透過型偏振光選擇性全息光學(xué)元件的全息圖面與空間光調(diào)制元件的光調(diào)制面的間隔為50μm以下。
60.權(quán)利要求46中記載的圖像顯示裝置，其特征在于上述透過型偏振光選擇性全息光學(xué)元件，使照明光的主光線對(duì)反射型空間光調(diào)制元件斜向入射。
61.權(quán)利要求46中記載的圖像顯示裝置，其特征在于上述照明光學(xué)系統(tǒng)具有色分離單元，只使照明光的部分光譜對(duì)透過型偏振光選擇性全息光學(xué)元件入射。
62.權(quán)利要求46中記載的圖像顯示裝置，其特征在于上述照明光學(xué)系統(tǒng)具有色分離單元，使照明光的光譜中不同的多個(gè)波長(zhǎng)頻帶的光以互相各異的入射角，來(lái)對(duì)至少1個(gè)透過型全息光學(xué)元件入射。
63.權(quán)利要求62中記載的圖像顯示裝置，其特征在于入射到上述透過型全息光學(xué)元件的不同波長(zhǎng)頻帶的光是藍(lán)色光及綠色光。
64.權(quán)利要求62中記載的圖像顯示裝置，其特征在于入射到上述透過型全息光學(xué)元件的不同波長(zhǎng)頻帶的光是藍(lán)色光及紅色光。
65.權(quán)利要求46中記載的圖像顯示裝置，其特征在于上述空間光調(diào)制元件與投射光學(xué)系統(tǒng)之間的光路中，具備偏振光選擇單元。
全文摘要
本發(fā)明是一種構(gòu)成圖像顯示裝置的透過型層疊全息光學(xué)元件，層疊有衍射接受入射角互相各異的多個(gè)透過型全息光學(xué)元件(13)(14)(15)。關(guān)于各透過型全息光學(xué)元件，由于針對(duì)可視區(qū)任意波長(zhǎng)的各衍射接受入射角的中心入射角的出射角互相各異，而入射光的大衍射接受角變大，光利用效率提高，從光利用效率方面出發(fā)，可對(duì)空間光調(diào)制元件與色像素之間的距離進(jìn)行最佳設(shè)定。
文檔編號(hào)G02F1/13357GK1578918SQ0282176
公開日2005年2月9日 申請(qǐng)日期2002年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月31日
發(fā)明者武川洋 申請(qǐng)人:索尼株式會(huì)社