透过型层叠全息光学元件及采用了该光学元件的图像显示装置

摘要

本发明是一种构成图像显示装置的透过型层叠全息光学元件，层叠有衍射接受入射角互相各异的多个透过型全息光学元件(13)(14)(15)。关于各透过型全息光学元件，由于针对可视区任意波长的各衍射接受入射角的中心入射角的出射角互相各异，而入射光的大衍射接受角变大，光利用效率提高，从光利用效率方面出发，可对空间光调制元件与色像素之间的距离进行最佳设定。

说明书

技术领域

本发明涉及大视角透过型层叠全息光学元件，还涉及采用了该透过型层叠全息光学元件的图像显示元件及图像显示装置。

本申请以在日本国于2001年10月31日提出申请的日本专利申请号2001-335404为基础来主张优先权，该申请通过参照被本申请所援用。

背景技术

以往，作为采用了反射型空间光调制元件，比如反射型TN液晶面板的投射型图像显示装置，提出了一种按图1所示来构成的装置。在这种图像显示装置中，从灯光源107出射的光束入射到具有光束断面形状校正、强度均等化、扩散角控制等功能的照明光学系统108。该照明光学系统108具有未图示的P-S偏振光转换器。该P-S偏振光转换器具有以50％以上的效率，将非偏振光状态的光束规整为P偏振光、S偏振光任意一方的偏振光的功能。

这里所示的图像显示装置中，从照明光学系统108中通过的光束，成为其电向量主要在与图1的纸面垂直的方向振动的偏振光状态。该偏振光状态，是下一次入射的红色光反射二色镜109的针对反射面的S偏振光的偏振光方向。即，经过了照明光学系统108的光束，由红色光反射二色镜109，只使红色光成分沿传播方向偏转90°。红色光成分的光束由反射镜110来反射，入射到红色光用偏振光束分裂器(以下称红色用PBS。)111。在该红色用PBS111的电介体膜111a，只有S偏转成分被反射，并作为入射偏振光112，入射到红色光用反射型TN液晶面板113。

在红色光用反射型TN液晶面板113，入射光束根据显示图像，其偏振光状态被调制来反射。由该红色光用反射型TN液晶面板113反射的光束，再次入射到红色用PBS111的电介体膜111a。在该电介体膜111a进行检波，从而只透过P偏振光，由此偏振光调制被转换为亮度调制。被如此转换为亮度调制的出射光束入射到正交二色棱镜114。

另一方面，透过了红色光反射二色镜109的光束，接下来入射到绿色光反射二色镜115。这里，只有绿色光成分被反射，其余的蓝色光成分透过。被分离了的绿色光及蓝色光，分别与上述红色光同样，只有S偏振光被绿色用PBS116及蓝色用PBS118来反射，并分别入射到绿色光用反射型TN液晶面板117及蓝色光用反射型TN液晶面板119。

由绿色光用反射型TN液晶面板117及蓝色光用反射型TN液晶面板119来调制偏振光状态并反射的光束，再次入射到绿色用PBS116及蓝色用PBS118的电介体膜116a、118a，在此被检波，从而只使P偏振光透过，偏振光调制被转换为亮度调制。被转换为亮度调制的绿色及蓝色出射光束，分别入射到正交二色棱镜114。

入射到正交二色棱镜114的红色光、绿色光及蓝色光，在该正交二色棱镜114中被合成，并入射到投影光学系统120。该投影光学系统120使所入射的光束在投影屏121上成像。在该投影屏121上，图像显示规定的图像。

作为反射型空间光调制元件用的照明装置，有一种在比如特开平10-48423号公报中记载的装置。该公报中记载的照明装置，是一种层叠2个透过型全息光学元件，并利用了全息图的波长分散的全息滤色器。

该全息滤色器如图2所示，是一种对规定入射角θ的照明光101，其衍射效率的波长依存性互相各异的2个全息图102、103被层叠的结构。该全息滤色器中，可提供其衍射效率的波长依存性较小，R(红色)、G(绿色)、B(蓝色)3色的彩色平衡已被校正的鲜亮颜色滤色器。

该全息滤色器中2个全息图102、103的衍射效率的波长依存性如图3所示，被设定为基于波长分散的空间波长分布不一致。因此，由入射侧的全息图102而衍射的红色光，不由出射侧的全息图103来衍射，而对红色像素104进行照明，未由入射侧的全息图102而衍射的蓝色光、绿色光，由出射侧全息图103来衍射、分光，并被集光到分别对应的色像素105、106。

此外，作为反射型空间光调制元件用的照明装置，在比如特开平9-189809号公报中提出了一种图4所示的，采用了被层叠了的全息滤色器124r、124g、124b的装置。

在该照明装置中，由未图示的照明光源放射的读出光，经过耦合棱镜126、玻璃基片125，入射到全息滤色器124r、124g、124b。这些全息滤色器124r、124g、124b分别是红色用、绿色用、蓝色用的体积全息图透镜。这些全息滤色器124r、124g、124b，预先由激光曝光而烧结出干涉条纹，具有其面积大致对应于1个像素(由R、G、B各色像素，合计3个像素来组成的组)大小的各色光用微小透镜被层叠的功能。

这些全息滤色器124r、124g、124b，使读出光R_L的光谱的红色光成分、绿色光成分及蓝色光成分，从反射型液晶面板的玻璃罩123、通用电极134、定向膜133、液晶层132、定向膜131及电介体反射镜膜130中透过，并使其在像素电极层129上的分别对应的色像素电极129r、129g、129b上集光。

该全息图透镜对入射光的偏振光特性具有依存性。即，至全息图透镜的入射光中，S偏振光成分产生主要衍射，P偏振光成分的衍射效率低于它。

根据耦合波理论(Coupled-wave theory)的严密解释，(参考论文：M.G.Moharam and T.K.Gayload：Rigorous Coupled-waveanalysis of planar grating diffraction，J.Opt.Soc.Am.71，811-818(1977)，M.G.Moharam and T.K.Gayload：RigorousCoupled-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图的场合下，如果由全息图的厚度t与全息图内干涉条纹的节距Λ来决定的值(t/Λ)为1至5，则TE(S偏振光)及TM(P偏振光)的衍射效率中将产生差异，S偏振光的衍射效率与P偏振光的衍射效率相比，最多会高出45％。

根据这一现象，在该照明装置中，对全息滤色器124r、124g、124b斜向入射的读出光R_L中的S偏振光成分的光被主要衍射。这样，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°调制后来反射的光(P偏振光成分)R_L的衍射效果较低，因而很多光并未由全息滤色器124r、124g、124b而受到衍射作用，便从该全息滤色器124r、124g、124b垂直出射。

作为透过型体积全息图的衍射效率入射偏振光特性的典型示例，在折射率调制度为0.04，厚度为3μm，全息图介质中的入射角为60°，出射角为0°，制造波长及再生波长均为532nm的场合下，如图5所示，S偏振光S_p的衍射效率为70％，而P偏振光P_p的衍射效率成为25％，显现出基于入射偏振光的衍射效率的依存性。

如图6所示，为增加透过型液晶图像显示元件的表观开口率，以提高透过率，提出了一种采用了折射型微型透镜阵列137的透过型液晶图像显示元件。

在该透过型液晶图像显示元件中，入射到入射侧偏振光片135，并由该入射侧偏振光片135而成为直线偏振光的照明光，从入射侧玻璃基片136来入射，由微型透镜阵列137而透过液晶层138，被集光到TFT的像素开口部139上。该入射光在该像素开口部139，其偏振光状态被调制，并由出射侧玻璃基片140来出射。该照明光接下来透过出射侧偏振光片141，在该出射侧偏振光片141，偏振光状态调制被转换为亮度调制。

在上述的透过型全息图中，由于入射光的衍射接受角狭窄，而且衍射接受角及出射角未充分分离，因而光利用效率低下。

在将上述透过型全息图作为滤色器来使用的图像显示元件中，由于利用全息图的波长分散来进行色分离，因而各色光的分离角设定没有自由性，不能从制造难易性及光利用效率方面考虑，来将滤色器与空间光调制元件的色像素之间的距离设定到最佳。

在采用了该图像显示元件的图像显示装置中，由于在以同一像素节距的空间光调制元件来作为前提的场合下，不能增大各色光的分离角，因而不能将滤色器与空间光调制元件的色像素之间的距离设定为比如50μm以下的近距离。即，在该图像显示装置中，不能提高基于针对滤色器的照明光大视角化、宽波带化的光利用效率，不能获得鲜亮的图像。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种能消除传统图像显示装置所存在的问题点的新型透过型层叠全息光学元件及采用了该光学元件的图像显示装置。

本发明的另一目的在于，提供一种能增大入射光的大衍射接受角，提高光利用效率，从制造难易性及光利用效率方面出发，将与空间光调制元件的色像素之间的距离设定到最佳的透过型层叠全息光学元件。

本发明的又一目的在于，提供一种可通过采用能达到上述目的的透过型层叠全息光学元件，来显示鲜亮的图像的图像显示元件及图像显示装置。

为达到上述目的而提出的本发明所涉及的透过型层叠全息光学元件，是一种层叠衍射接受入射角互相各异的多个透过型全息光学元件来构成的透过型层叠全息光学元件，各透过型全息光学元件中，与可视区任意波长的各衍射接受入射角的中心入射角相对的出射角互相各异。

本发明涉及的图像显示元件具有：透过型层叠全息光学元件；空间光调制元件，其调制来自该透过型层叠全息光学元件的出射光，透过型层叠全息光学元件是通过对衍射接受入射角互相各异、而且与可视区任意波长的各衍射接受入射角的中心入射角相对的出射角也互相各异的多个透过型全息光学元件进行层叠来构成的。

本发明涉及的图像显示装置具有：发出照明光的照明光源；使入射光衍射的透过型层叠全息光学元件；照明光学系统，其将照明光作为入射光并导入到透过型层叠全息光学元件；空间光调制元件，其使从透过型层叠全息光学元件出射的照明光得到调制；放大光学系统，其使被该空间光调制元件调制了的照明光放大并成像，透过型层叠全息光学元件中，衍射接受入射角互相各异、而且与可视区任意波长的各衍射接受入射角的中心入射角相对的出射角也互相各异的多个透过型全息光学元件被层叠。

本发明涉及的其它图像显示装置具有：发出照明光的照明光源；透过型偏振光选择性全息光学元件，其具有折射率的入射偏振光方位依存性互相各异的2个区域被依次配置的结构，通过对衍射接受入射角互相各异的多个透过型全息光学元件进行层叠来构成并使入射光衍射；照明光学系统，其引导照明光，使其以相对该透过型偏振光选择性全息光学元件的照明光受光面的法线30°以上90°以下的入射角，来对透过型偏振光选择性全息光学元件入射；反射型空间光调制元件，其调制被透过型偏振光选择性全息光学元件衍射的照明光的偏振光状态；放大光学系统，其放大由该反射型空间光调制元件调制了的显示图像。构成透过型偏振光选择性全息光学元件的各透过型全息光学元件中，与可视区任意波长的各衍射接受入射角的中心入射角相对的出射角互相各异，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间光调制元件衍射，而且被反射型空间光调制元件进行了相位调制并再入射的照明光中，针对与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为10％以下，由此来使该偏振光成分的70％以上透过。

根据在下文中参照附图来说明的实施方式的说明，可进一步了解本发明的其它目的及由本发明而获得的具体长处。

附图说明

图1是表示传统的图像显示装置一例的平面图。

图2是表示传统的图像显示元件的另一例的纵向断面图。

图3是表示传统图像显示元件中所用的全息光学元件衍射效率的波长依存性的曲线图。

图4是表示传统的图像显示元件的另一例的纵向断面图。

图5是表示传统图像显示元件中所用的透过型体积全息图衍射效率的波长依存性的曲线图。

图6是表示采用了微型透镜阵列的传统图像显示元件的纵向断面图。

图7是表示构成本发明涉及的透过型层叠全息光学元件的透过型偏振光选择性全息光学元件结构的纵向断面图。

图8是表示本发明涉及的透过型层叠全息光学元件的实施方式1的纵向断面图。

图9是表示构成透过型层叠全息光学元件的各透过型偏振光选择性全息图衍射效率的入射角依存性的曲线图。

图10是表示构成透过型层叠全息光学元件的各透过型偏振光选择性全息图衍射效率的出射角依存性的曲线图。

图11是表示本发明涉及的图像显示元件实施方式1的结构的纵向断面图。

图12是表示图像显示元件中，在透过型偏振光选择性全息图中附加了集光功能的结构的纵向断面图。

图13是表示本发明涉及的图像显示元件实施方式2的结构的纵向断面图。

图14是表示本发明涉及的图像显示元件实施方式3的结构的纵向断面图。

图15是表示本发明涉及的图像显示元件实施方式4的结构的纵向断面图。

图16是表示本发明涉及的图像显示元件实施方式5的结构的纵向断面图。

图17是表示本发明涉及的图像显示装置实施方式1的结构的平面图。

图18是表示本发明涉及的图像显示装置实施方式2的结构的平面图。

图19是表示图像显示装置中蓝、绿色用反射型液晶元件的像素构成的正面图。

图20是表示图像显示装置中红色用反射型液晶元件的像素构成的正面图。

图21是表示本发明涉及的图像显示装置实施方式3的结构的平面图。

具体实施方式

以下参照附图，对本发明的实施方式作详细说明。

[1]偏振光选择性全息光学元件

首先参照图7，对本发明中所用的透过型偏振光选择性全息光学元件(以下称全息PDLC。)1的结构及其制造过程作以说明。

在制造本发明所用的全息PDLC中，首先，将混合了引起光聚合之前的高分子(以下称预聚物。)、向列液晶、引发剂、色素等的PDLC裹夹到玻璃基片2、3之间。此时，向列液晶的重量比例设为整体的40％左右。对PDLC的层厚(以下称单元间隙。)，在3μm至15μm的范围内，根据偏振光选择性全息光学元件的规格，来选择最佳值。

接下来，为将干涉条纹记录到全息PDLC面板1，将来自未图示的激光光源的物体光4及参照光5，照射到全息PDLC面板1，以产生基于干涉的光的强弱(A)。此时，在干涉条纹明亮之处，即光子能量较大的部位，PDLC中的预聚物由该能量而发生光聚合，实现聚合物化。这样，预聚物被从外围部依次供应，其结果是，划分出聚合物化了的预聚物稠密区和稀疏区。预聚物稀疏区中，向列液晶的浓度增高。这样，便形成高分子高密度区6和液晶高密度区7这2个区域。在本实施方式场合下，由于物体光4及参照光5被从同侧向全息PDLC面板1照射，因而所制造的全息PDLC面板1便成为透过型。

如此制造出的全息PDLC面板1的高分子高密度区6，在折射率方面是各向同性的，其值为比如1.5。另一方面，在液晶高密度区7中，向列液晶分子排列为：使长轴方向相对与高分子高密度区6的边界面大致垂直。因此，在该液晶高密度区7中，折射率具有入射偏振光方位依存性。这样，在考虑了入射到全息PDLC面板1的光入射面8的再生光9的场合下，S偏振光成分便成为普通光线。

如果使该液晶高密度区7的普通光线折射率n1o与高分子高密度区6的折射率np大致相等，比如折射率差为0.01以下，则针对入射S偏振光成分的折射率调制便极小，几乎不发生衍射现象。向列液晶的普通光线折射率n1o与异常光线折射率n1e之差Δn，一般为0.1至0.2。因此，对于入射方向相等的再生光9，对其P偏振光成分，在高分子高密度区6与液晶高密度区7之间存在折射率差，该全息PDLC面板1作为相位调制型全息图来起作用，并使衍射效果得以产生。

这便是采用了全息PDLC的透过型偏振光选择性全息光学元件的动作原理。

[2]本发明涉及的透过型层叠全息光学元件

发明涉及的透过型层叠全息光学元件如图8所示，具有以下结构：由玻璃基片11、12来裹夹两侧，在这些玻璃基片11、12之间，第1至第3透过型偏振光选择性全息图13、14、15通过屏障层16、17，被相间层叠成3层。

图9表示将各透过型偏振光选择性全息图13、14、15的再生波长(λplay)假设为532nm场合下，衍射效率的入射角度依存性。这里，所有的透过型偏振光选择性全息图13、14、15的通用规格是：全息图层的厚度(t)为5μm，折射率调制度(Δn)为0.05，曝光波长(λrec)为532nm。

曝光时的物体光、参照光的入射角度，随各透过型偏振光选择性全息图13、14、15而分别各异。具体地说，对入射侧的第1偏振光选择性全息图13，参照光入射角＝38°，物体光入射角＝-11°，对中间的第2偏振光选择性全息图14，参照光入射角＝47°，物体光入射角＝0°，对出射侧的第3偏振光选择性全息图15，参照光入射角＝58°，物体光入射角＝13°。

因此，各偏振光选择性全息图13、14、15中，满足布喇格(Bragg)条件的衍射接受角的中心值大约各相差10°，而且来自这3个全息图的出射光的出射角中心值也各相差12°左右。

因此，图8所示的透过型层叠全息光学元件10的衍射接受角较大，如图10所示，此时来自各偏振光选择性全息图13、14、15的各衍射光A、B、C衍射效率的出射角依存性，小于衍射接受角范围。即，如同对图9及图10进行比较后可看出的那样，各偏振光选择性全息图13、14、15的出射角范围小于衍射接受角范围。

这是因为相对本发明涉及的透过型层叠全息光学元件10的入射角小于出射角，这样，便可实现一种具有其衍射接受角较大，但衍射后的出射角较小的特长的透过型层叠全息光学元件。因此，可与入射视角相比不过度增大出射光的视角，来抑制基于第1及第2偏振光选择性全息图13、14出射光的第2及第3偏振光选择性全息图14、15的再衍射。

[3]本发明涉及的图像显示元件

接下来参照图11，对采用了上述全息PDLC(偏振光选择性全息光学元件)的本发明涉及的反射型显示元件作以说明。

该图像显示元件如图11所示，构成为：使上述全息PDLC10，通过厚度约为50μm的玻璃基片19，相对反射型垂直取向液晶元件18，在光学上密切相接。该实施方式中的全息PDLC10，相当于图8所示的透过型层叠全息光学元件。

该图像显示元件中，由包含P偏振光成分与S偏振光成分双方的3个入射光22、23、24来组成的入射光21，以入射角θ1±α、θ2±β、θ3±γ，由全息PDLC10的玻璃基片11来入射。这里，α、β、γ表示3个入射光22、23、24的发散角。

入射光首先入射到第1透过型偏振光选择性全息图13。在这里，只有第1透过型偏振光选择性全息图13的衍射接受角内入射角θ3±γ的P偏振光被衍射，成为衍射光25。该衍射光25，按相对反射型垂直取向液晶元件18的反射面20的入射角θ3′±γ′的方向来传播。

此时如上所述，γ＞γ′被满足。该衍射光25，由于与第2透过型偏振光选择性全息图14及第3透过型偏振光选择性全息图15的衍射接受角不同，因而在途中不被再次衍射，而是经过反射型垂直取向液晶元件18的液晶层33，来到达反射面20。

该衍射光25在液晶层33上往返的期间，相位状态被控制，在进行白显示时，偏振光方向被旋转90°，在进行黑显示时，入射时的偏振光状态被保存。这样被液晶层33及反射面20调制并反射的调制光，再次入射到各透过型偏振光选择性全息图13、14、15。

当调制光再次入射到各透过型偏振光选择性全息图13、14、15时，是P偏振光，而且进入各透过型偏振光选择性全息图13、14、15的衍射接受角范围的成分被再次衍射，返回到入射光22、23、24的反方向。这样，调制光的P偏振光中未被衍射的剩余成分及S偏振光成分，在透过型偏振光选择性全息图13、14、15中不被衍射，而从全息PDLC10作为出射光29来出射。

对于入射光23、24，与上述同样，出射角偏差α′、β′小于入射角偏差α、β。

即，第2透过型偏振光选择性全息图14中，只有入射光中第2透过型偏振光选择性全息图14的衍射接受角内的入射角θ2±β的P偏振光被衍射，成为衍射光26。该衍射光26，按相对反射型垂直取向液晶元件18的反射面20的入射角θ2′±β′的方向来传播。这里，满足β＞β′。该衍射光26，由于与第3透过型偏振光选择性全息图15的衍射接受角不同，因而在途中不被再次衍射，而是经过反射型垂直取向液晶元件18的液晶层33，来到达反射面20。其衍射光26被液晶层33及反射面20调制并反射了的调制光，再次入射到各透过型偏振光选择性全息图13、14、15。

该调制光中，是P偏振光，而且进入各透过型偏振光选择性全息图13、14、15的衍射接受角范围的成分被再次衍射，返回到入射光22、23、24的反方向。调制光的P偏振光中未被衍射的剩余成分及S偏振光成分，在透过型偏振光选择性全息图13、14、15中不被衍射，而从全息PDLC10作为出射光30来出射。

第3透过型偏振光选择性全息图15中，只有入射光中第3透过型偏振光选择性全息图15的衍射接受角内的入射角θ1±α的P偏振光被衍射，成为衍射光27。该衍射光27，按相对反射型垂直取向液晶元件18的反射面2 的入射角θ1′±α′的方向来传播。这里，满足α＞α′。该衍射光27，经过反射型垂直取向液晶元件18的液晶层33，到达反射面20。其衍射光27被液晶层33及反射面20调制并反射了的调制光，再次入射到各透过型偏振光选择性全息图13、14、15。

该调制光中，是P偏振光，而且进入各透过型偏振光选择性全息图13、14、15的衍射接受角范围的成分被再次衍射，并返回到入射光22、23、24的反方向。调制光的P偏振光中未被衍射的剩余成分及S偏振光成分，在透过型偏振光选择性全息图13、14、15中不被衍射，而从全息PDLC10作为出射光31来出射。

此外，这里所示的全息PDLC10具有集光功能，如图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来集光。即，该场合下全息PDLC10的各透过型偏振光选择性全息图13、14、15的干涉条纹节距在图12所示的箭头A方向，随着从中心O向外围延伸而变细。

在实际的图像显示中，由于按各像素来控制反射型垂直取向液晶元件18的液晶层33，并调制反射光的偏振光状态，因而可利用主要具有S偏振光成分的反射光32来进行图像显示。

这里，对「厚全息图」作以说明。这里的所谓「厚全息图」系指下式所示的Q值为10以上的全息图。

Q＝2πλt/(nΛΛ)

这里，λ是再生波长，t是全息图层的厚度，n是全息图层的平均折射率，Λ是干涉条纹的节距。

此外下式所示的关系成立。

Λ＝λc/λ|2sin{(θs-θr)/2}|

这里，λc是制造波长，θs是物体光的入射角，θr是参照光的入射角。

如果假设λc为0.532μm，θs为40°，θr为0°，λ为0.532μm，t为6μm，n为1.5，则干涉条纹的节距Λ便为0.68μm，Q为28.9，因而符合上述「厚全息图」的定义。

「厚全息图」具有以下特征：即，衍射效率虽高，但如果再生光的条件偏离制造时物体光及参照光的使用波长及入射角等条件，则衍射效率会较急剧地下降。即，如果在某再生波长中，再生光的入射角极大地偏离提供衍射效率峰值的入射角，则也可不出现衍射效果。为此如上所述，即使反射光32是比如P偏振光成分，也难以在各透过型偏振光选择性全息图13、14、15中被衍射。

本发明涉及的偏振光选择性全息光学元件中，为了以高衍射效率为目的，来减小干涉条纹的节距Λ，将弯曲角，即|(θs-θr)|设定到30°以上。

接下来参照图7，对采用了上述全息PDLC(偏振光选择性全息光学元件)的本发明涉及的反射型图像显示元件的实施方式2作以说明。该实施方式中的透过型层叠全息光学元件36如图13所示，是一种具有设置于玻璃基片81与82之间的蓝色光用全息图层34、设置于玻璃基片82与83之间的绿色光用全息图层35的2层层叠结构，与蓝、绿色光用反射型液晶元件37构成为一体。

该图像显示元件，使蓝色光(A)与绿色光(B)被以互相各异的入射角来入射。蓝色光用全息图层34及绿色光用全息图层35中，其衍射接受角互相各异。

在蓝色光用全息图层34中被衍射的蓝色光，由只对该蓝色光用全息图层34的一个方向具有集光力的透镜(圆柱透镜)功能，而被集光到蓝、绿色光用反射型液晶元件37的蓝色光用像素电极38上。

在绿色光用全息图层35中被衍射的绿色光，由只对该绿色光用全息图层35的一个方向具有集光力的透镜(圆柱透镜)功能，而被集光到蓝、绿色光用反射型液晶元件37的绿色光用像素电极39上。蓝、绿色光用反射型液晶元件37构成为：在与玻璃基片83、84之间设置液晶层85，在玻璃基片84侧设置色像素电极38、39。

作为各色用全息图层34、35的全息图透镜的中心，与所对应的色像素电极38、39的中心大致一致。由于来自各色用全息图层34、35的出射角互相不等，因而如图13所示，2个色光被集光，从而交叉。

被色分离并被集光到各色像素电极38、39的照明光(A)、(B)，在「白」显示时，入射偏振光方向被旋转90°，成为S偏振光来反射。由于该反射光偏离蓝色光用全息图层34及绿色光用全息图层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，在这些各色光用全息图层34、35中不被衍射，以相对蓝、绿色光用反射型液晶元件37的垂直方向互为反向的角度来出射。

接下来参照图14，对本发明涉及的图像显示元件的实施方式3作以说明。

该图像显示元件中，如图14所示，分别对蓝色光用全息图层34及绿色光用全息图层35，追加其入射角接受范围各异，而且与此对应的出射角也各异的第2蓝色光衍射全息图层40及第2绿色光衍射全息图层41，由此如照射光(A)至(A)′及(B)至(B)′所示，可扩大入射角的接受范围，并使光利用效率得以提高。

接下来，图15表示本发明涉及的图像显示元件的实施方式4。图15所示的图像显示元件构成为：如图15所示，由全息PDLC(偏振光选择性全息光学元件)，来将白色照明光分离成红色光、绿色光及蓝色光这3种颜色，并进行集光。该全息PDLC与上述2色分离的全息PDLC同样，分别在其衍射接受角与与其对应的出射角互相各异的绿色光衍射用、蓝色光衍射用及红色光衍射用这3层全息图层34、35、42之间，通过屏障层16、17来被层叠。该图像显示元件构成为：该全息PDLC通过厚度约为50μm的玻璃基片19，相对反射型垂直取向液晶元件18在光学上密切相接。

在该图像显示元件中，使来自位于入射面F侧的绿色光、蓝色光衍射用全息图层34、35的出射光集光，以使3种色光互相交叉，从而尽量不被位于出射面H侧的蓝色光、红色光衍射用全息图层35、42再衍射。绿色光、蓝色光及红色光，分别被集光到反射型垂直取向液晶元件18的对应色像素上来反射。

参照图1，对取代透过型液晶图像显示元件中所用的通常的微型透镜阵列，使照明光入射视角得到了改善的本发明涉及的图像显示元件

实施方式5作以说明。

这里为便于说明，根据其入射角度，将R、G、B任意一种色光的照明光分为照明光(A)及照明光(B)来考虑。照明光(A)及照明光(B)，是具有分别以30°以上的入射角θA、θB为中心的±ΔθA、±ΔθB的角度范围的照明光，有着θA+ΔθA＝θB-ΔθB的关系。

由入射侧玻璃基片43而入射的照明光，首先入射到第1全息图透镜阵列44。此时，第1全息图透镜阵列44，有一个主要与照明光(A)的入射角度对应的衍射接受角，主要使照明光(A)衍射。该衍射光按第1全息图透镜阵列44上的一边具有像素节距大小的尺寸的各照明光，来透过屏障层45、第2全息图透镜阵列46、带有对置电极的玻璃基片47及液晶层48，并被集光到TFT开口部50的面积范围内。

在通过屏障层45来配置的第2全息图透镜阵列46中，基于同样的理由，照明光(B)被主要衍射。这里同样，按第2全息图透镜阵列46上的一边具有像素节距大小的尺寸的各照明光，来透过带有对置电极的玻璃基片47及液晶层48，并被集光到TFT开口部50的面积范围内。

即，对1个TFT开口部50，由第1全息图透镜阵列44及第2全息图透镜阵列46这2个微型透镜，照明光被集光。这样，由于该第1及第2全息图透镜阵列44、46分别作为独立的微型透镜阵列来起作用，因而与通常的折射型系统微型透镜阵列相比，可确保较大的接受角。

这里所采用的第1全息图透镜阵列44及第2全息图透镜阵列46，均不包含具有折射率各向异性的材料，因此不具有大的偏振光选择性。

[4]本发明涉及的图像显示装置

参照图17，对作为本发明涉及的图像显示装置，在图像显示元件中采用3个反射型液晶元件，而且作为色分离合成单元，采用了2个二色镜的3片式投射型图像显示装置的构成及动作原理作以说明。

该图像显示装置中，从UHP灯光源51出射的光束，入射到具有光束断面形状校正、光强度分布均等化、扩散角控制等功能的照明光学系统52。该照明光学系统52包含P-S偏振光转换器。该P-S转换器是具有以50％以上的效率，将非偏振光状态的入射光束，规整为P偏振光或S偏振光任意一方偏振光的功能的偏振光转换单元。在该实施方式场合下，透过了照明光学系统52的光束被转换，从而达到电向量主要在与图17的纸面平行的方向振动的偏振光状态，即成为下次入射的针对反射镜53的P偏振光。

照明光由反射镜53来反射，入射到红色反射二色镜54。在该二色镜54中，主要只有红色光，被向红色光用空间光调制元件55反射。该红色光用空间光调制元件55中，红色光以大约50°±15°的入射角来入射。

另一方面，透过了红色反射二色镜54的蓝、绿色光，接下来入射到蓝色光反射用二色镜56。在该蓝色光反射用二色镜56中，只有蓝色光，被向蓝色光用空间光调制元件57反射。该蓝色光用空间光调制元件57中，蓝色光以大约50°±15°的入射角来入射。

透过了蓝色光反射用二色镜56的绿色光，对绿色光用空间光调制元件58，以大约50°±15°的入射角来入射。

这里，在从蓝色光反射用二色镜56至绿色光用空间光调制元件58的光路上，可插拔地配置有反射大于570nm左右波长的长波长侧光谱的桔色阻断滤色器59。在希望使显示图像的颜色再现性提高的场合下，将桔色阻断滤色器59插到光路上。在与颜色再现性相比，更希望使亮度优先的场合下，将桔色阻断滤色器59向光路外拔出，由此使来自UHP灯光源51的照明光中所包含的580nm附近的桔色光被照射到绿色光用空间光调制元件58，以用于显示图像的成像。

绿色光用空间光调制元件58、蓝色光用空间光调制元件57、红色光用空间光调制元件55构成为：如上述图像显示装置的实施方式1所示，偏振光选择性层叠型全息光学元件58a、57a、55a与反射型空间光调制元件58b、57b、55b分别被组合。因此，具有分别入射到这些绿色光用空间光调制元件58、蓝色光用空间光调制元件57、红色光用空间光调制元件58的主要P偏振光成分的绿色光、蓝色光、红色光中，只有P偏振光成分被衍射，并以大约±10°的入射角，来入射到各反射型空间光调制元件58b、57b、55b。在按各反射型空间光调制元件58b、57b、55b的每个像素来调制了偏振光状态后，这些绿色光、蓝色光、红色光以±15°的出射角，被再次从偏振光选择性层叠型全息光学元件58a、57a、55a向空气中出射。

反射型空间光调制元件58b、57b、55b各液晶层的厚度，按所分别调制的色光的不同，来被设到最佳。

红色光用空间光调制元件55及绿色光用空间光调制元件58，相对红色反射二色镜54，被配置到共轭位置。蓝色光用空间光调制元件57及绿色光用空间光调制元件58，相对蓝色反射二色镜56，被配置到共轭位置。

这样，被绿色光用空间光调制元件58、蓝色光用空间光调制元件57、红色光用空间光调制元件55调制了的各色光的照明光，由蓝色光反射二色镜56、红色光反射二色镜54而再次被色合成。该照明光经过比如偏振光片之类的透过S偏振光的偏振光选择单元60，被入射到投射光学系统61。投射光学系统61使所入射的照明光在未图示的投影屏上成像。在投影屏上显示出图像。

此外在蓝色光反射二色镜56及红色光反射二色镜54的制作中，可以使进行色分离的部分的薄膜特性与进行色合成的部分的薄膜特性相异。

接下来，图18表示本发明涉及的图像显示装置的实施方式2。以下对这种2片式投射型图像显示装置的结构与动作原理作以说明，其中，该图像显示装置如图18所示，作为图像显示元件采用了反射型液晶元件62、63，作为色合成单元采用了二色镜64，作为针对2个反射型液晶元件62、63的色分离单元采用了二色镜65、66、67，作为针对一方反射型液晶元件62的色分离集光单元采用了偏振光选择性层叠全息光学元件62a。

从UHP灯光源51出射的照明光束，入射到具有光束断面形状校正、光强度分布均等化、扩散角控制等功能的照明光学系统52。该照明光学系统52中包含P-S偏振光转换器68。该P-S偏振光转换器68，是具有以50％以上的效率，将非偏振光状态的光束，规整为P偏振光或S偏振光任意一方偏振光的功能的偏振光转换单元。在该实施方式场合下，通过了照明光学系统52的照明光束被转换，从而达到电向量主要在与图128的纸面平行的方向振动的偏振光状态，即成为下次入射的针对绿色反射二色镜65的P偏振光。

照明光中，绿色光成分及蓝色光成分在绿色反射二色镜65及蓝色反射二色镜66中被反射，分别以不同的角度，入射到蓝色用反射型显示元件62。蓝色光的入射角大约为45°。绿色光的入射角大约为55°。

透过了绿色反射二色镜65及蓝色反射二色镜66的照明光，经过聚光镜69，由红色反射二色镜67来反射，并以大约45°的入射角入射到红色用反射型显示元件63。

本实施方式中所用的绿、蓝色用反射型显示元件62，与图像显示元件实施方式3中所记述的元件相同，具有以下结构：即，具有使蓝色光及绿色光集光到分别对应的色像素的多个全息图层的偏振光选择性层叠全息光学元件62a，与具有蓝色用、绿色用这2种色像素的反射型液晶元件62b在光学上密切相接。

红色用反射型显示元件63，相当于由反射型液晶元件来取代了图像显示元件的上述透过型液晶元件的显示元件，其构造是，具有集光于对应红色光的色像素的多个全息图层的偏振光选择性层叠全息光学元件63a与具有红色用色像素的反射型液晶元件63b在光学上密切相接。

入射到各反射型显示元件62、63的主要由P偏振光成分组成的照明光，被按各像素来调制偏振光状态，并由各反射型显示元件62、63，以调制了偏振光状态的状态来反射。P偏振光成分，在再次入射到偏振光选择性层叠全息光学元件62a、63a时，被衍射并偏转。S偏振光成分，在再次入射到偏振光选择性层叠全息光学元件62a、63a时，不被衍射，而是透过偏振光选择性层叠全息光学元件62a、63a。

由透过了偏振光选择性层叠全息光学元件62a、63a的S偏振光成分组成的2个调制光，由二色镜64来色合成，然后经过透过S偏振光的偏振光片60，入射到投射光学系统61。投射光学系统61，使所入射的照明光在未图示的投影屏上成像。在投影屏上显示出图像。

蓝、绿色用反射型液晶元件62b如图19所示，具有绿色用像素G与蓝色用像素B被交互配置的像素结构。红色用反射型液晶元件63b如图20所示，只由红色用像素R来组成，具有与蓝、绿色用反射型液晶元件62b相等的像素结构。在该红色用反射型液晶元件63b中，2个成对的基本像素被作为1个像素来同等驱动。

此外，反射型空间光调制元件62、63中各液晶层的厚度，按分别调制的色光的不同，来达到最佳。

接下来，图21表示本发明涉及的图像显示装置的实施方式3。

图21所示的图像显示装置，是一种单片式投射型图像显示装置，作为针对反射型液晶元件18的色分离集光单元，采用偏振光选择性层叠型全息光学元件。在该装置中，从UHP灯光源51出射的照明光束，入射到具有光束断面形状校正、光强度分布均等化、扩散角控制等功能的照明光学系统52。该照明光学系统52中包含P-S偏振光转换器68。该P-S偏振光转换器68，是具有以50％以上的效率，将非偏振光状态的光束，规整为P偏振光或S偏振光任意一方偏振光的功能的偏振光转换单元。在该实施方式场合下，透过了照明光学系统52的光束被转换，从而达到电向量主要在与图15的纸面平行的方向振动的偏振光状态，即针对下一次入射的二色镜66、65、67成为P偏振光。

照明光中，蓝色成分、绿色成分及红色成分分别在蓝色反射二色镜66、绿色反射二色镜65、红色反射二色镜67中被反射，分别以不同的角度，通过耦合棱镜70来入射到反射型显示元件72。

为使对反射型显示元件72的偏振光选择性层叠型全息光学元件73的入射角增大到比如55°，该耦合棱镜70被安装为与反射型显示元件72在光学上密切相接。

本实施方式中所用的反射型显示元件72，与图像显示元件的实施方式4中所示的元件基本相同。这里所用的偏振光选择性层叠型全息光学元件73，是全息PDLC光学元件，使P偏振光衍射，但不使S偏振光衍射。R、G、B各色光用的全息图34、35、36，具有被3层层叠的结构，与反射型液晶元件18构成为一体。

各色用全息图层34、35、36，具有只对一个方向有集光力的圆柱透镜功能，从而使照明光交叉，来集光到反射型液晶元件18所对应的各色基本像素。

由各色用全息图层34、35、36，而被色分离并被集光到R、G、B各色像素电极74、75、76的照明光，其偏振光状态被调制来反射。该反射光中的S偏振光成分，在再次入射到各色光用全息图层34、35、36时，不会被衍射而对反射型显示元件72呈一定的出射角来出射。

该反射光由S偏振光所透过的偏振光片60来检波，并入射到投射光学系统61。投射光学系统61使所入射的照明光在投影屏71上成像。在投影屏71上显示出图像。

此外本发明并非限定于参照附图所说明的上述实施例，在不脱离权利要求范围及其宗旨的前提下，可进行各种变更、置换或与其同等的行为，对此业内人士应予以理解。

产业上的可利用性

如上所述，本发明通过层叠衍射接受角互相各异，而且相对可视区任意波长的衍射接受入射角的中心入射角的出射角互相各异的多个透过型全息光学元件，来实现一种入射光的衍射接受角较大的透过型层叠全息光学元件。

本发明涉及的图像显示元件中，通过将具有微型透镜阵列功能的透过型层叠全息光学元件，与具有色像素的空间光调制元件进行组合，各透过型全息光学元件，被作为具有全息滤色器的彩色图像显示元件来构成。因此，该图像显示元件与以下滤色器相比，便成为一种光利用效率较高的图像显示元件，即：采用了色素的吸收型滤色器、单层结构的全息滤色器、或者虽然具有层叠结构，但相互的衍射接受角与出射角未充分分离的全息滤色器。

即使在各透过型全息光学元件没有作为滤色器的功能的场合下，通过该图像显示元件与透过型液晶图像显示元件一起，作为历来使用的微型透镜阵列的代用品来使用，仍可以作为增大照明光的采入视角，光利用效率高的图像显示元件来构成。

该图像显示元件中，通过只使各R(红色)、G(绿色)及B(蓝色)色光中的1个色光以该衍射接受角，来入射到衍射接受角互相各异的多个透过型全息光学元件，可进行不利用全息图的波长分散的色分离。

这样，各色光的分离角设定便具有自由性，从制造难易性及光利用效率方面出发，全息滤色器与空间光调制元件的色像素之间的距离可设定到最佳距离。在以同一像素节距的空间光调制元件来作为前提的场合下，尤其是通过增大各色光的分离角，可将全息滤色器与空间光调制元件的色像素之间的距离设定到比如50μm以下。这样，通过针对全息滤色器的照明光的大视角化及宽波带化，可以实现光利用效率得到提高的鲜亮的图像显示元件。

通过将透过型层叠全息光学元件的各全息图层设作偏振光选择性全息光学元件，可以实现大接受角的偏振光分离元件。

本发明涉及的图像显示装置，通过采用上述透过型层叠全息光学元件及反射型空间光调制元件，可作为不需要PBS(偏振光束分裂器)的小型轻量、高效率、低成本的图像显示装置来构成。

通过在该图像显示装置中，附加基于微型透镜阵列的滤色器功能，可以作为一种不需要色合成单元，小型低成本的图像显示装置来构成。

本发明提供一种能增大入射光的大衍射接受角，提高光利用效率，从制造难易性及光利用效率方面出发，将与空间光调制元件的色像素之间的距离设定到最佳的透过型层叠全息光学元件，还可提供一种可利用该透过型层叠全息光学元件，来显示鲜亮的图像的图像显示元件及图像显示装置。