CN101578476B - 面状照明装置及图像显示装置 - Google Patents

Abstract

激光光源(1)射出射束，准直透镜(2)将从激光光源(1)射出的射束转换为第一实质上平行的光，柱透镜(3)将通过准直透镜(2)被转换为第一实质上平行的光的射束在第一方向扩散成直线状，菲涅耳透镜(4)将通过柱透镜(3)在第一方向被扩散的射束转换为第二实质上平行的光，自由曲面镜(5)具有由自由曲面形成的反射面，将通过菲涅耳透镜(4)被转换为第二实质上平行的光的射束在与第一方向正交的第二方向扩散成面状。根据这种结构，能够使装置薄型化，并且能够实现较高的光利用效率。

Description

面状照明装置及图像显示装置

技术领域

本发明涉及一种利用激光作为光源的面状照明装置及将该面状照明装置用作背光的图像显示装置。

背景技术

图像显示装置大致可以分为像CRT(Cathode Ray Tube)或PDP(Plasma DisplayPanel)这样的自发光型显示器、以及像使用液晶面板的LCD(Liquid Crystal Display)这样的改变光的透射率来显示图像的非自发光型显示器。非自发光型显示器一般在背面具有作为背光的面状照明装置，使从面状照明装置发出的照明光的透射量在各像素发生改变，来显示图像。因此，在非自发光型显示器中，面状照明装置给图像显示装置的功耗、画质及尺寸等带来很大影响。

近年来，开发了将LED(发光二极管)用于背光的LCD。通过使用LED，与以往的冷阴极管方式相比，可以实现电-光转换效率更高、而且色彩纯度更高的LCD。另外，还认为，通过将激光光源用于背光，可以获得与LED相比电-光转换效率更高、且色彩纯度更高的图像显示装置。这是因为激光与LED相比电-光转换效率更高、且谱宽更小，所以色彩再现性更为优异。

在LCD中，液晶面板控制从面状照明装置发出的照明光的偏振状态，并改变各像素的透射光的量。因此，一般地，LCD中照明光所具有的偏振，通过偏振滤光器(Polarizationfilter)等在一个方向取得基本一致，在一个方向上偏振的光、即直线偏振的光射入液晶面板。

与此相对，激光一般是直线偏振的光。因此，通过使用激光作为LCD的照明光，可以去掉LCD的偏振滤光器，从而提高LCD的光利用效率。而且，由于激光的时间响应与冷阴极管相比非常快，所以能够高速调制。因此，去掉以往用于液晶面板的各像素的色彩分割而使用的彩色滤光器，也可以实现时间分割各色的画面进行点亮的彩色场序(colorfield sequential)方式。在采用彩色场序方式时，由于没有LCD的彩色滤光器的光损失，因此能够进一步提高LCD的光利用效率。

使用了激光光源的面状照明装置大致可以分为两种，一种是从导光板的侧面入射激光得到面状的照明光的导光板方式，一种是通过使用镜(mirror)或透镜(lens)将激光直接转换为面状的照明光的直接投射方式。一般地，在导光板方式中，从导光板的侧面入射激光，光在导光板内被扩散，光以面状从导光板射出。使用了导光板的面状照明装置，由例如日本专利公开公报特开2002-184225号提出。

而在直接投射方式中，如投影机那样，光以面状投射。在直接投射方式中，由于光基本上从空气中通过，所以与光通过导光板的内部的导光板方式相比，光的透射损失小，可以实现较高的光利用效率。使用了直接投射方式的光学系统的图像显示装置，例如有背投式图像显示装置。

近年来，图像显示装置的薄型化取得进展，LCD也不例外。在使LCD薄型化时，必需使作为背光的面状照明装置薄型化。另外，为了同时实现LCD的低功耗化，也希望作为背光的面状照明装置具有较高的光利用效率。

在直接投射方式的面状照明装置中，由于光通过的光路的大部分是空气，所以光在光路中损失较小，具有较高的光利用效率。另外，一般来说，直接投射方式无需使用像具有使光扩散的功能的导光板那样的、散乱偏振的光学元件，因此易于得到原封不动保持直线偏振的光的面状照明光。

作为直接投射方式的图像显示装置的例子，举出将图像直接投射于屏幕的背投式图像显示装置的普通的光学系统。图26是表示普通的背投式图像显示装置的概要结构的剖视图。从光学引擎部100射出的光，由图像显示元件101调制，由投射光学系统102扩大，由背面镜103反射后，投影于屏幕104。然而，在以往的背投式图像显示装置中，存在由于通过了投射光学系统102的光被扩大为长方形，因此导致装置整体的尺寸较大的课题。

发明内容

本发明为了解决上述课题，其目的在于提供一种既能够薄型化又能够实现较高的光利用效率的面状照明装置及图像显示装置。

本发明的一个技术方案的面状照明装置，包括：激光光源；将从上述激光光源射出的射束转换为第一实质上平行的光的第一转换部；将通过上述第一转换部被转换为第一实质上平行的光的射束在第一方向扩散成直线状的一维光扩散元件；将通过上述一维光扩散元件在上述第一方向被扩散的射束转换为第二实质上平行的光的第二转换部；以及具有由自由曲面形成的反射面，将通过上述第二转换部被转换为上述第二实质上平行的光的射束在与上述第一方向正交的第二方向扩散成面状的自由曲面镜。

根据这种结构，通过第一转换部，从激光光源射出的射束被转换为第一实质上平行的光，通过一维光扩散元件，被转换为第一实质上平行的光的射束在第一方向被扩散成直线状，通过第二转换部，在第一方向扩散的射束被转换为第二实质上平行的光。并且，通过具有由自由曲面形成的反射面的自由曲面镜，被转换为第二实质上平行的光的射束在与第一方向正交的第二方向被扩散成面状。

根据本发明，在第一方向被扩散成直线状的射束的第二方向的长度一定，即使使直线状的射束沿第一方向延长，第二方向的长度也不会改变，所以能够使装置薄型化。另外，通过经自由曲面镜反射，射束被扩散成面状，由于射束不通过光学元件内，所以透射损失小，可以实现较高的光利用效率。

通过以下的详细说明和附图，本发明的目的、特征和优点更加明确。

附图说明

图1是表示本发明实施例1的面状照明装置的概要结构的正视图。

图2是表示本发明实施例1的面状照明装置的概要结构的侧视图。

图3是用于说明用柱透镜扩散射束的情况的图。

图4是将面状照明装置的自由曲面镜和光出射部的附近进行了扩大的侧视剖视图。

图5是表示厚度方向(第二方向)的强度分布的一个例子的图。

图6是用于说明自由曲面镜和光出射部的设计例的图。

图7是示意性地表示分割为多个微小单元的自由曲面镜与分割为多个单元的光出射面的图。

图8是表示计算例的条件下，从对微小单元的计算求出的自由曲面镜的反射面的剖面形状的曲线的图。

图9是表示本发明实施例2的面状照明装置的概要结构的立体图。

图10是表示本发明实施例2的面状照明装置的概要结构的正视图。

图11是表示本发明实施例2的面状照明装置的概要结构的侧视图。

图12是用于说明本发明实施例2的面状照明装置的自由曲面镜与棱镜板的位置关系的图。

图13是用于说明折射型棱镜板的原理的图。

图14是用于说明反射型棱镜板的原理的图。

图15是表示将自由曲面镜配置在离棱镜板更远的外侧时、两者的位置关系的图。

图16是表示本发明实施例3的面状照明装置的概要结构的剖视图。

图17是表示本发明实施例4的面状照明装置的结构的侧视图。

图18是表示本发明实施例4的变形例的面状照明装置的概要结构的侧视图。

图19是表示使准直透镜振动的致动器的概要结构的图。

图20是表示使柱透镜振动的致动器的概要结构的图。

图21是表示使自由曲面镜振动的致动器的概要结构的图。

图22是表示将激光光源配置在面状照明装置的正面下部时的状态的图。

图23是表示本发明实施例5的面状照明装置的结构的正视图。

图24是表示本发明实施例5的变形例的面状照明装置的结构的正视图。

图25是表示本发明实施例6的图像显示装置的概要结构的图。

图26是表示普通的背投式图像显示装置的概要结构的侧视图。

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的实施方式进行说明。此外，以下实施方式是将本发明具体化的一个例子，并不限定本发明的技术范围。

(实施例1)

首先，说明本发明实施例1的面状照明装置的概要结构。

图1及图2是表示本发明实施例1的面状照明装置的概要结构的图，图1是表示本发明实施例1的面状照明装置的概要结构的正视图，图2是表示本发明实施例1的面状照明装置的概要结构的侧视图。

本实施例1的面状照明装置10将激光扩散成面状来进行照射。面状照明装置10包括激光光源1、准直透镜(collimation lens)2、柱透镜(lenticular lens)3、菲涅耳透镜(Fresnellens)4、自由曲面镜5以及光出射部6。

激光光源1产生激光。准直透镜2将从激光光源1射出的射束转换为第一实质上平行的光。柱透镜3将通过准直透镜2被转换为第一实质上平行的光的射束在第一方向D1扩散成直线状。菲涅耳透镜4将通过柱透镜3而在第一方向D1被扩散的射束(作为线射束)转换为第二实质上平行的光。自由曲面镜5具有由自由曲面形成的反射面，将通过菲涅耳透镜4而被转换为第二实质上平行的光的射束在与第一方向D1正交的第二方向D2扩散成面状进行反射。光出射部6将被扩散成面状的射束射出到外部。此外，也可以使用利用光的衍射使光基本上一致朝向同一方向的衍射元件，来代替菲涅耳透镜4。

另外，在本实施例1中，准直透镜2相当于第一转换部的一个例子，柱透镜3相当于一维光扩散元件的一个例子，菲涅耳透镜4相当于第二转换部的一个例子。

从激光光源1射出的激光通过准直透镜2被转换为第一实质上平行的光。准直透镜2可以配置在任何地方，但要使面状照明装置10的厚度较薄，可以配置在激光光源1的出射端附近。这是因为，由于准直透镜2离激光光源1越近，射入准直透镜2的束径越小，所以从准直透镜2出来的准直光的束径也能够较小。

第一实质上平行的光透过柱透镜3，被转换为在第一方向D1有扩散的线射束(linebeam)。第一方向D1是与射出激光光源的射束光轴垂直、且与面状照明光的出射面平行的方向。此外，线射束在第二方向D2的扩散保持基本平行。

线射束通过菲涅耳透镜4被转换为第二实质上平行的光，射入自由曲面镜5。第二实质上平行的光，无论在自由曲面镜5的反射面的哪个位置都以相同角度射入。通过使第二实质上平行的光无论在自由曲面镜5的反射面的哪个位置都以相同角度射入，而使自由曲面镜5的反射面的设计变得容易。自由曲面镜5的形状根据所希望的面状照明光的强度分布而各异。例如，需要均匀的面状照明光时，自由曲面镜5的反射面为这样的自由曲面，即，在第一方向D1上具有使第二实质上平行的光的强度分布均匀的曲率，在第二方向D2上具有使线射束的在第二方向D2的强度分布均匀并扩大的曲率。

此外，较为理想的是，在抑制自由曲面镜5的加工成本、且得到均匀的面状照明光时，第二实质上平行的光在第一方向D1的强度分布基本上一样，自由曲面镜5在第一方向D1上的剖面形状一样。如果第二实质上平行的光在第一方向D1的强度分布一样，得到均匀的面状照明光时，自由曲面镜5可以在第一方向D1上呈一样的剖面形状，从而能够抑制自由曲面镜5的加工成本。

这样，由于自由曲面镜5在第一方向上的剖面形状一样，所以能够提高自由曲面镜5的加工的容易性，抑制面状照明装置10的加工成本。

另外，由于第二实质上平行的光在第一方向D1的扩散基本上平行，所以向自由曲面镜5入射的线射束的长度与自由曲面镜5的位置无关而保持一定，从而能够扩大配置自由曲面镜5的位置的自由度。

另外，在使菲涅耳透镜4小型化时，菲涅耳透镜4被配置在柱透镜3与自由曲面镜5之间较为理想。由于射入菲涅耳透镜4的线射束与第二方向基本上平行，所以在柱透镜3与自由曲面镜5之间配置菲涅耳4，能够减小菲涅耳透镜4的入射面的厚度。通过减小菲涅耳透镜4，能够减小面状照明装置10的厚度。

而且，菲涅耳透镜4被配置在将扩散成面状的射束射出到外部的长方形状的光出射部6的端部，更具体地来说，被配置在光出射部6的上端部的附近。此时，由于菲涅耳透镜4被配置在将扩散成面状的射束射出到外部的长方形状的光出射部6的端部，所以能够防止菲涅耳透镜4成为自由曲面镜5反射的射束的阴影，从而使装置薄型化。

另外，在实施例1的面状照明装置10中，想要降低面状照明光的第一方向D1的强度不均时，使用柱透镜3作为一维光扩散元件较为理想。

图3是用于说明用柱透镜扩散射束的情况的示意图。从激光光源1射出的激光11通过准直透镜2被转换为第一实质上平行的光12。第一实质上平行的光12射入柱透镜3，被分割为多束射束，转换为各射束被重叠的线射束13。

柱透镜3是用柱面透镜阵列(cylindrical lens array)而构成的光学元件。图3中，柱透镜3用具有六个柱面透镜的透镜阵列来表示，内侧的四个柱面透镜将第一实质上平行的光12扩散为线射束13。构成柱透镜3的各柱面透镜分别将射入各自柱面透镜的第一实质上平行的光12扩散并射出。因此，第一实质上平行的光12成为以射入的柱面透镜的数目重叠的线射束13。

被重叠的线射束13的第一方向D1的强度分布与第一实质上平行的光12的第一方向D1的强度分布无关而基本上保持一定。这是因为由于线射束13是重叠第一实质上平行的光12而得到的，线射束13的第一方向D1的强度分布是对射入柱透镜3的各柱面透镜的各射束的强度分布进行平均后而得到的强度分布。

如此，柱透镜3将第一实质上平行的光分割为多束，将分割的多束第一实质上平行的光的每束光扩散成直线状，并重叠扩散的多束第一实质上平行的光的每束光。

由此，即使第一实质上平行的光12的强度分布因温度变化或老化而产生变化，也能够使射入自由曲面镜5的线射束13的第一方向D1的强度分布一定。射入自由曲面镜5的线射束13在第一方向D1的强度分布影响面状照明装置10的第一方向D1的强度分布。因此，通过使用柱透镜3作为一维光扩散元件，使面状照明光的第一方向D1的强度分布不易变化，从而可实现可靠性高的面状照明装置10。

另外，通过使用柱透镜3，能够使射入柱透镜3的射束的偏振方向与通过柱透镜3而被扩散的直线状的射束的偏振方向一致。

此外，较为理想的是，柱透镜3的透镜间距显著小于束径。若透镜间距为束径的五分之一以下，则线射束13的强度分布基本不会受到第一实质上平行的光12的强度分布变化的影响，从而能够实现将第一方向D1的强度不均控制在20％以下的面状照明光。

另外，在第一实质上平行的光12通过柱透镜3被转换为线射束13时，根据第一实质上平行的光12透过的柱面透镜的数目，确定被分割并重叠的射束的数目。通过将第一实质上平行的光12透过的柱面透镜的数目设为五个以上，能够得到几乎不依赖于第一实质上平行的光12的强度分布的线射束13。

此外，较为理想的是，在第一实质上平行的光12透过柱透镜3时，使第一实质上平行的光12的偏振方向与线射束13的偏振方向一致的情况下，柱透镜3由玻璃或双折射量较少的树脂制成。若双折射量少，则在透过柱透镜3的前后，射束的偏振成分的散乱减少。例如，较为理想的是，若将线射束13的偏振比设为100∶1，双折射量为0.01以下。

下面，对实施例1的面状照明装置10中的自由曲面镜5的光反射面的剖面形状的具体设计方法进行描述。图4是将面状照明装置的自由曲面镜和光出射部的附近进行了扩大的侧视剖面图。在图4中，对线射束13的剖面、自由曲面镜5的剖面、光出射部6的剖面进行了图示。

线射束13射入的自由曲面镜5的光反射面14是自由曲面镜5的左下的部分。光反射面14被分割为微小单元15。在图4中，示意性地将光反射面14分割为三个微小单元15，将光出射部6分割为三个单元16。微小单元15将射入微小单元15的光投影成单元16的长度。此时，例如，线射束13在第二方向D2的强度分布具有礼帽形状的分布。

图5是表示在厚度方向(第二方向)的强度分布的一个例子的图。图5中，纵轴表示光强度，横轴表示厚度方向。当线射束13在第二方向D2具有礼帽形状的强度分布时，如果以面状照明装置10的所希望的长度被投射的投影后的单元16成为彼此相同的长度，则能够得到均匀的强度分布的面状照明光。通过用自由曲面镜5的光反射面14实现该投影的函数，得到均匀的强度分布的面状照明光。

这里，对自由曲面镜5的具体设计例进行说明。作为一个例子，自由曲面镜5和光出射部6按照下述条件设计。图6是用于说明自由曲面镜和光出射部的设计例的图。此外，在下述的条件中，x方向表示从激光光源1射出的激光的行进方向，y方向表示与光出射部6的光出射面垂直的方向、即第二方向。

(条件)

线射束13在第二方向D2(y方向)的强度分布：礼帽(top hat)

线射束13的y方向的厚度：10mm

自由曲面镜5的y方向的长度：10mm

光出射部6的光出射面的x方向的长度：400mm

自由曲面镜5的x方向的位置(从光出射部6靠自由曲面镜5一侧的端部至自由曲面镜5的x方向的长度)：30mm

自由曲面镜5的y方向的位置(从光出射部6的光出射面至自由曲面镜5的y方向的长度)：30mm

在上述的条件中，将自由曲面镜5在y方向上分割为n＝400的微小单元15，光出射部6的光出射面在x方向上分割为n＝400的单元16。此时，自由曲面镜5的其中之一的微小单元15的y方向的长度为0.025mm(10mm/400)，光出射面的其中之一的单元16的x方向的长度为1mm(400mm/400)。自由曲面镜5被设计成自由曲面镜5的各微小单元15和光出射面的元素16一一对应。

图7是示意性地表示分割为多个微小单元的自由曲面镜和分割为多个单元的光出射面的图。图7中，为了使自由曲面镜5的微小单元15和光出射面的单元16一一对应，需要使每个微小单元15的倾斜彼此不同。

线射束13与x方向平行地射入自由曲面镜5。根据自由曲面镜5的各微小单元15和与各微小单元15对应的光出射面的各单元16的位置关系，确定射束相对单元16的入射角度θ1、θ2、……。此外，入射角度θ1、θ2、……是由经自由曲面镜5的各微小单元15反射的射束的光轴与光出射部6的光出射面所形成的角度。用入射角度θ1、θ2、……，能够几何学地计算各微小单元15的倾斜。一旦求出各微小单元15的倾斜，则能确定包含了这些微小单元15的自由曲面镜5的形状。图8是表示在上述条件下，从微小单元的计算而求出的自由曲面镜的反射面的剖面形状的曲线的图。图8中，纵轴表示y方向的长度，横轴表示x方向的长度。

另外，在本实施例1的面状照明装置10中，使用柱透镜3作为一维光扩散元件。然而，在射束剖面(beam profile)不随时间变化的激光从激光光源1射出的情况下，只要一维光扩散元件具有将第一实质上平行的光扩散成直线状的功能，则可以是非球面透镜、自由曲面镜以及衍射光学元件的其中之一。

此时，特别理想的是，激光光源1为单模(single mode)的半导体激光光源。单模的半导体激光光源，由于其射束剖面一定且为高斯分布，所以一维光扩散元件的设计变得容易。另外，通过使用单模的半导体激光光源，面状照明光的强度分布不易受到激光光源的温度变化和输出变化的影响，从而能够实现可靠性高的面状照明装置。

此外，在激光的射束剖面随温度或时间而发生变化时，也可以将从激光光源1射出的射束射入光纤，通过准直透镜将从光纤射出的射束转换为第一实质上平行的光，射入一维光扩散元件。从光纤射出的射束基本上一定，与入射射束的射束剖面无关。因此，能够使线射束的强度分布一定，而与射入光纤的射束的射束剖面无关。因此，能够实现面状照明光的强度分布不发生变化的、可靠性高的面状照明装置。特别是，高输出的半导体激光器，由于射束剖面随输出或温度而产生变化，所以在将高输出的半导体激光器作为光源来使用时，该结构是有用的。

此外，较为理想的是，在使射入光纤的射束的偏振方向与从光纤射出的射束的偏振方向相同时，光纤为偏振保持光纤(polarization maintaining fiber)。偏振保持光纤，入射光与出射光的偏振方向不变。

另外，较为理想的是，在使面状照明光的强度分布均匀时，激光光源1至少在第二方向D2上为单模。此时，无需配合激光光源1的个体来设计自由曲面镜5的剖面形状，自由曲面镜5的剖面形状的设计变得容易。

如此，通过准直透镜2，从激光光源1射出的射束被转换为第一实质上平行的光，通过柱透镜3，被转换为第一实质上平行的光的射束在第一方向被扩散成直线状，通过菲涅耳透镜4，在第一方向被扩散的射束被转换为第二实质上平行的光。然后，通过具有由自由曲面形成的反射面的自由曲面镜5，被转换为第二实质上平行的光的射束在与第一方向正交的第二方向被扩散成面状。

因此，在第一方向被扩散成直线状的射束的第二方向的长度为一定，即使将直线状的射束沿第一方向延长，第二方向的长度也不会变化，所以能够使装置薄型化。另外，通过经自由曲面镜5反射，射束被扩散成面状，由于射束不通过光学元件内，所以透射损失小，可实现较高的光利用效率。

另外，由于通过柱透镜3在第一方向被扩散成直线状的射束，大致平行于与第一方向正交的第二方向，所以不依赖于直线状的射束在第一方向的长度，在第二方向的长度为一定。因此，即使在第一方向充分延长直线状的射束，第二方向的长度也可以较短。所以，生成直线状的射束所需要的空间为薄的立方体，从而能够防止面状照明装置10向第二方向的大型化。

另外，由于自由曲面镜5是反射直线状的射束并将其在第二方向加以扩散的反射型的光学元件，所以对自由曲面镜5的除反射面以外的形状、大小没有任何规定。因此，自由曲面镜5，与光通过内部的导光板等相比，能够以小体积实现，从而可以使面状照明装置10小型化。面状照明装置10的小型化从配置面状照明装置10的空间的省空间化等来说有用。而且，由于自由曲面镜5的体积小，所以能够减少制作自由曲面镜5的材料量，可以抑制面状照明装置10的生产成本。

另外，自由曲面镜5与导光板相比，因为光不通过光学元件内，所以透射损失小，可实现较高的光利用效率，从而能够实现电-光转换效率高的低功耗的面状照明装置10。另外，自由曲面镜5仅反射面被用于面状照明装置10，所以与导光板等相比，能够减缓老化。

(实施例2)

下面，对本发明实施例2的面状照明装置进行说明。

图9是表示本发明实施例2的面状照明装置的概要结构的立体图，图10是表示本发明实施例2的面状照明装置的概要结构的正视图，图11是表示本发明实施例2的面状照明装置的概要结构的侧视图。

实施例2的面状照明装置20，在实施例1的面状照明装置10的结构的基础上，还包括将由自由曲面镜5扩散的激光转换为大致平行光的棱镜板(prism sheet)7。棱镜板7是利用光的折射、反射来改变光的角度的面状的光学元件。通过棱镜板7，由自由曲面镜5反射的光被转换为第三实质上平行的光。此外，本实施例2中，棱镜板7相当于面状光学元件的一个例子。

被扩散成面状的激光，从面状照明装置20的光出射部6被垂直射出，从而面状照明装置20能够照明正面。照明正面的面状照明装置20在用作LCD所使用的背光等时有用。

图12是用于说明本发明实施例2的面状照明装置的自由曲面镜5与棱镜板7的位置关系的图。此外，在图12中，对线射束13、自由曲面镜5和棱镜板7以外的结构要素没有进行图示。

线射束13由自由曲面镜5扩散，由自由曲面镜5扩散的激光射入棱镜板7。此时，从自由曲面镜5到棱镜板7的距离最近的光入射位置的激光的入射角度θ1小于距离最远的光入射位置的激光的入射角度θ2。由图12可知，根据棱镜板7的光入射位置，激光射入棱镜板7的入射角度有很大不同。

另外，棱镜板7有折射型棱镜板71和反射型棱镜板72。图13是用于说明折射型棱镜板71的原理的图。折射型棱镜板71通过按照入射角度倾斜棱镜，使射出的激光大致平行。由图13可知，入射角度越大，棱镜的入射面与入射光越趋近平行，难以较大地取得棱镜的光入射面积。

另一方面，图14是用于说明反射型棱镜板72的原理的图。与折射型棱镜板71同样，反射型棱镜板72的棱镜按照入射角度倾斜。与折射型棱镜板71相反，由图14可知，入射角度越小，棱镜的入射面与入射光越趋近平行，难以较大地取得棱镜的光入射面积。

因此，在使面状照明装置20薄型化时，将自由曲面镜5与棱镜板7接近配置较为理想，并且，在提高光利用效率时，棱镜板7通过按照光的入射角度，组合折射型棱镜板71与反射型棱镜板72来构成较为理想。即，如图12所示，在第一方向上邻接配置折射型棱镜板71与反射型棱镜板72，在接近自由曲面镜5的一侧配置折射型棱镜板71，在远离自由曲面镜5的一侧配置反射型棱镜板72。

特别是在50mm以内的距离配置自由曲面镜5与棱镜板7时，如图12所示，若折射型棱镜板71与反射型棱镜板72的分界73处于入射角度25度至35度的范围内，则棱镜板7的光利用效率能够达到80％以上，从而可实现薄型且光利用效率高的面状照明装置。

这样，由于可以配置反射型棱镜板72和折射型棱镜板71，使反射型棱镜板72与折射型棱镜板71的分界73处于从自由曲面镜5向棱镜板7入射的射束的入射角度为25度至35度的范围内，所以能够缩短自由曲面镜5与光出射部6的距离，可以进一步使装置薄型化。

另外，在棱镜板7具有折射型棱镜板71与反射型棱镜板72时，可以在棱镜板7的光出射面一侧插入扩散板，或者也可以使用具有扩散性的棱镜板7。这样，能够降低由棱镜板7的反射型棱镜板72的区域与折射型棱镜板71的区域的分界73形成的光的明线和暗线，从而得到均匀的面状照明光。

另外，由于由自由曲面镜5扩散的射束被转换为第三实质上平行的光，所以能够容易代替以往使用的面状照明装置，实现使用方便的面状照明装置20。另外，可以容易利用面状照明装置20作为液晶显示装置的背光。

此外，棱镜板7可以是反射型棱镜板72，且将自由曲面镜5配置在比棱镜板7更靠外侧。即，充分延长自由曲面镜5与反射型棱镜板72的上端部的、在激光光源1的光轴方向上的距离。

图15是表示将自由曲面镜配置在比棱镜板更靠外侧时的两者的位置关系的图。如图15所示，对自由曲面镜5和反射型棱镜板72进行配置，使自由曲面镜5与反射型棱镜板72的上端部74的距离充分延长。由此，能够扩大射向反射型棱镜板72的入射角度而与光的入射位置无关，仅靠反射型棱镜板72就能够提高棱镜板7的光利用效率。

此外，也可以使用利用衍射改变光的角度的全息板来代替棱镜板7。此时，具有与上述的棱镜板7同样的效果。

(实施例3)

下面，对本发明实施例3的面状照明装置进行说明。

本发明实施例3的面状照明装置，在实施例1的面状照明装置或实施例2的面状照明装置的结构的基础上，还包括让通过自由曲面镜而被扩散成面状的射束反射的背面镜。

图16是表示本发明实施例3的面状照明装置的概要结构的剖视图。另外，较为理想的是，使面状照明光的强度分布均匀时，背面镜为具有扩散射束、重叠射束的功能的柱镜(lenticular mirror)。因此，图16所示的面状照明装置使用柱镜作为背面镜。

实施例3的面状照明装置30包括激光光源1、准直透镜2、柱透镜3、菲涅耳透镜4、自由曲面镜5、光出射部6以及柱镜8。

柱镜8将通过自由曲面镜5而被反射的射束，向将扩散成面状的射束射出到外部的光出射部6反射。另外，柱镜8将入射的射束分割为多束加以反射，并重叠分割的多束射束的每束射束。此外，实施例3中，柱镜8相当于镜的一个例子。

柱镜8由小的反射型柱面透镜阵列构成。柱镜8的各个反射型柱面透镜反射通过自由曲面镜5而扩散成面状的射束。而且，由于反射型柱面透镜将射入各反射型柱面透镜的光在第二方向D2扩散，所以射向柱镜8的面状照明光通过柱镜8在第二方向D2重叠。

通过经柱镜8反射的射束在第二方向D2重叠，可以使由自由曲面镜5反射的面状照明光的强度不均变得均匀。由此，面状照明装置产生的面状照明光的强度不均，不易受到线射束在第二方向D2的光强度不均、自由曲面镜5的表面的伤痕、或灰尘等的影响，从而能够实现可靠性高的面状照明装置。

另外，通过柱镜8，使由自由曲面镜5反射的射束向光出射部6反射，所以能够延长自由曲面镜5与光出射部6的光学距离，从而易于得到大面积的面状照明光。而且，通过柱镜8，入射的射束被分割反射，并且被分割的射束的每个射束被重叠，所以与直线状的射束的第二方向D2的强度分布无关，能够得到均匀的强度分布的面状照明光。

(实施例4)

下面，对本发明实施例4的面状照明装置进行说明。

本发明实施例4的面状照明装置，在实施例1至3的其中任意之一的面状照明装置的基础上，还包括折回镜(bending mirror)。

图17是表示本发明实施例4的面状照明装置的结构的侧视图。实施例4的面状照明装置40包括激光光源1、准直透镜2、柱透镜3、菲涅耳透镜4、自由曲面镜5、光出射部6以及折回镜9。折回镜9被配置在柱透镜3至自由曲面镜5的之间，折回通过柱透镜3而被扩散成直线状的射束。

从激光光源1射出的激光通过准直透镜2被转换为第一实质上平行的光，再通过柱透镜3被转换为线射束。线射束通过折回镜9被大约90度反射，再通过菲涅耳透镜4被转换为第二实质上平行的光，射入自由曲面镜5。由自由曲面镜5反射的面状照明光与线射束交叉，从光出射部6射出到面状照明装置40之外。

由图17可知，通过由折回镜9折回线射束，能够易于防止菲涅耳透镜4成为自由曲面镜5的反射光的障碍物。因此，能够防止为了不使来自自由曲面镜5的反射光照射到菲涅耳透镜4而使装置大型化，从而提供小型的面状照明装置。

即，由于通过柱透镜3被扩散成直线状的射束被折回镜9折回，折回的射束射入菲涅耳透镜4，因此能够防止菲涅耳透镜4成为自由曲面镜5反射的射束的阴影，从而可使装置薄型化。

此外，在延长从柱透镜3至自由曲面镜5的距离的情况下，也可以折回线射束而使其往返。图18是表示本发明实施例4的变形例的面状照明装置的概要结构的侧视图。图18所示的面状照明装置41折回线射束而使其往返。

折回镜9被配置在光出射部6的上端部的附近，自由曲面镜5被配置在柱透镜3的附近。菲涅耳透镜4被配置在折回透镜9与自由曲面镜5的之间。通过柱透镜3被扩散的线射束由折回镜9向自由曲面镜5折回，再通过自由曲面镜5被扩散成面状。

由于线射束与第二方向D2基本平行，因此能够以与面状照明装置41的第二方向D2的尺寸同等程度延长光路，易于在第一方向延长线射束。即，即使柱透镜3的发散角较小时，也能够提供射出与第二方向D2的尺寸同等程度、而在第一方向较大的面状照明光的面状照明装置41。

此外，在本发明实施例1至4的面状照明装置中，较为理想的是，在使用射出窄谱宽(spectral width)的激光的激光光源作为激光光源1，且得到质量良好的面状照明光时，面状照明装置包括使激光的相位时间或空间随机化的手段。

例如，从蓝色半导体激光器射出的波长为440nm的激光，其谱宽小，约为0.5nm以下、且为相干光(Coherent Light)。因此，将该激光用于光源时，出现被称作斑点噪声(speckle noise)的粒状的眩光。这是窄谱宽的激光特有的现象，会使照明光的质量降低。通过使激光的相位时间或空间随机化的手段，能够减少斑点噪声，从而得到均匀的面状照明光。

具体而言，作为使激光的相位时间随机化的手段，可以使用使光学元件振动的振动装置。通过振动装置使光学元件振动，从而使激光的干涉图案以人眼的响应时间以上随时间变化，对干涉图样进行平均。

此外，较为理想的是，减少振动装置的功耗时，振动的光学元件为准直透镜2。本实施例1至4中，大致平行光的束径约为3mm。因此，准直透镜2的直径缩小为大约5mm。而且，由于准直透镜2是接近激光光源1的光学元件，所以对准直透镜2施加的振动即使很小，也能够使面状照明光的干涉图案变化很大。所以，用于使准直透镜2振动的能量可以很小，从而能够实现低功耗的面状照明装置。

此外，由于准直透镜2相对于光轴倾斜时，向自由曲面镜5入射的线射束的位置会错位，所以准直透镜2相对于光轴的倾斜被固定较为理想。若准直透镜2相对于光轴的倾斜被固定，则在面状照明光的光强度分布一定的状态下，仅斑点噪声被减少，从而能够得到质量良好的面状照明光。作为固定准直透镜2相对于光轴的倾斜，使准直透镜2振动的振动装置，例如通过4条线(wire)支撑的致动器被加以考虑。

图19是表示使准直透镜振动的致动器的概要结构的图。图19示意的是基于4条线的致动器27的概要结构。致动器座21与轭22被固定在面状照明装置上，可动部23由4条线24支撑。准直透镜2被固定在可动部23，可动部23通过轭22在纵向25和横向26受到如洛伦兹力(Lorentz force)等的力。准直透镜2的光轴方向为图19的Z轴方向。4条线24将致动器座21与可动部23以平行链接结构而连接。因此，可动部23相对于光轴方向不改变倾斜，在纵向25和横向26平行移动。根据这种结构，能够使被固定在可动部23的准直透镜2不改变光轴方向的倾斜而振动。

如此，使准直透镜2振动，能够减少斑点噪声，得到均匀的面状照明光。另外，由于准直透镜2是装置中所使用的光学元件之中最小的元件，所以能够减少振动的能量，从而实现降低功耗的面状照明装置。

此外，在本实施例1至4的面状照明装置中，降低面状照明光的强度不均时，振动的光学元件也可以是一维光扩散元件，且该一维光扩散元件的射束的发散角一定。作为一维光扩散元件，可以举出柱透镜3、或使线射束成形的扩散板等为例。

图20是表示使柱透镜振动的致动器的概要结构的图。此外，使柱透镜3振动的致动器28与图19所示的致动器27的结构相同。

例如，即使柱透镜3振动，第一实质上平行的光射入柱透镜3的区域发生变化时，也由于柱透镜3是小的柱面透镜以阵列状排列的透镜，所以射出的射束的发散角不会变化。而且，较为理想的是，一维光扩散元件相对于光轴的倾斜被固定，向自由曲面镜5入射的线射束的角度一定。对于使一维光扩散元件振动的振动装置，可以考虑与上述的准直透镜2的振动装置具有同样的结构等。

若一维光扩散元件相对于光轴的倾斜被固定，则从激光光源1的出射光到自由曲面镜5的面状照明光的光轴总是一定，从而面状照明光的光强度分布为一定。由于面状照明光的光强度分布一定，仅斑点噪声被减少，因此能够得到光强度分布无变化的质量良好的面状照明光。另外，一维光扩散元件，与准直透镜2相比，可以配置在远离激光光源1的位置，所以振动装置的配置变得容易。

这样，使柱透镜3振动，能够减少斑点噪声，从而得到均匀的面状照明光。另外，在柱透镜3分割并重叠射束时，即使柱透镜3振动，也不易产生面状照明光的强度不均，所以能够实现可靠性高的面状照明装置。

此外，在本实施例1至4的面状照明装置中，积极利用光学元件的振动来降低面状照明光的强度不均时，振动的光学元件也可以是自由曲面镜5。

图21是表示使自由曲面镜振动的致动器的概要结构的图。图21所示的致动器29与安装在自由曲面镜5的侧面的转动轴31连接，使转动轴31旋转振动。由此，自由曲面镜5向箭头32的方向旋转振动。

致动器29以线射束的第一方向作为转动轴31，对自由曲面镜5施加微小的旋转振动。由此，扩散成面状的照明光在光出射部6被扫描。这样，面状照明光的干涉图案随时间变化，斑点噪声减少。而且，在本结构中，通过在光出射部6扫描面状照明光，自由曲面镜5的表面的伤痕或灰尘等造成的面状照明光的强度的不均被降低，因此能够得到均匀的面状照明光。

如此，由于使自由曲面镜5振动，所以能够减少斑点噪声，得到均匀的面状照明光。另外，能够抑制面状照明光的强度不均，得到均匀强度的面状照明光。

此外，在基于防止噪声或提高可靠性等的理由，而不使用机械性振动装置时，也可以使用声光元件或电光元件等，扫描第一实质上平行的光。由于第一实质上平行的光的束径小，所以容易扫描。通过扫描第一实质上平行的光，能够得到与使准直透镜2振动、或使自由曲面镜5旋转振动同样的效果。

此外，在面状照明光的偏振也可以散乱时，可以使用液晶，使激光的偏振随时间变化，从而减少斑点噪声。此时，在光路上配置液晶，使偏振时间性随机化。由此，能够使干涉图案随时间变化，减少斑点噪声。

此外，为了减少斑点噪声，当然也可以将上述两种以上的方法组合起来加以使用。

另外，在本发明实施例1至4的面状照明装置中，较为理想的是，面状照明装置具有长方形状的照射面，在竖立使用面状照明装置时，一维光扩散元件在长方形状的照射面的横向上扩散射束，激光光源1被配置在长方形状的照射面的中心的下方。

图22是表示将激光光源配置在面状照明装置的正面下部时的状态的图。如图22所示，激光光源1被配置在光出射部6的中央的下方。此时，从正面观看面状照明装置时，光学元件等可以左右对称地配置，激光光源1可以配置在正面下部。在将面状照明装置设置于墙壁等竖立使用时，或将面状照明装置作为图像显示装置的背光使用时，由于构成面状照明装置的光学元件具有对称性，因此能够实现设计性等优异的面状照明装置。另外，在本实施例1至4的面状照明装置中，由于激光光源1的重量比较大，所以通过在面状照明装置的下部配置激光光源1，能够实现稳定的面状照明装置。

(实施例5)

下面，对本发明实施例5的面状照明装置进行说明。本实施例5的面状照明装置，由于使用激光作为光源，所以能够高速调制。因此，能够实现被称为彩色场序方式、即将各种颜色的图像以比人眼的时间分辨率更高的速度进行显示来制作彩色图像。

图23是表示本发明实施例5的面状照明装置的结构的正视图。实施例5的面状照明装置50包括蓝色激光光源1a、红色激光光源1b、绿色激光光源1c、准直透镜2a、2b、2c、柱透镜3、菲涅耳透镜4、自由曲面镜5、光出射部6以及分色镜(dichroic mirror)51、52。此外，对与实施例1的面状照明装置10相同的结构，标注相同符号，并省略其说明。

蓝色激光光源1a与激光光源1结构相同，射出蓝色激光。红色激光光源1b与激光光源1结构相同，射出红色激光。绿色激光光源1c与激光光源1结构相同，射出绿色激光。

准直透镜2a将由蓝色激光光源1a射出的蓝色激光转换为第一实质上平行的光。准直透镜2b将由红色激光光源1b射出的红色激光转换为第一实质上平行的光。准直透镜2c将由绿色激光光源1c射出的绿色激光转换为第一实质上平行的光。

分色镜51让透过准直透镜2a的蓝色激光透过，反射透过准直透镜2b的红色激光。分色镜52让透过分色镜51的蓝色激光透过，反射经分色镜51反射的红色激光，并反射透过准直透镜2c的绿色激光。

透过分色镜52的蓝色激光和红色激光，以及经分色镜52反射的绿色激光射入柱透镜3。而且，控制部(未图示)控制蓝色激光光源1a、红色激光光源1b和绿色激光光源1c，通过彩色场序方式，分别错开时间射出蓝色激光、红色激光和绿色激光。

这样，由于光的三原色即蓝色、红色和绿色的射束从蓝色激光光源1a、红色激光光源1b和绿色激光光源1c射出，因此能够实现具有高色彩再现范围的面状照明装置。

另外，还可以去掉使用液晶面板的图像显示装置通常所使用的彩色滤光器。通过消除彩色滤光器的光损失，能够提高图像显示装置的光利用效率，实现低功耗的图像显示装置。

图24是表示本发明实施例5的变形例的面状照明装置的结构的正视图。实施例5的变形例的面状照明装置53包括蓝色激光光源1a、红色激光光源1b、绿色激光光源1c、准直透镜2、柱透镜3、菲涅耳透镜4、自由曲面镜5、光出射部6以及光纤54。此外，对与实施例1的面状照明装置10和实施例5的面状照明装置50相同的结构，标注相同符号，并省略其说明。

光纤54将从蓝色激光光源1a、红色激光光源1b和绿色激光光源1c射出的红色射束、绿色射束和蓝色射束合波。通过光纤54而被合波的射束射入准直透镜2。

这样，通过将从蓝色激光光源1a、红色激光光源1b和绿色激光光源1c射出的红色射束、绿色射束和蓝色射束通过光纤54进行合波，面状照明光的强度分布不易受到蓝色激光光源1a、红色激光光源1b和绿色激光光源1c的射束剖面变化的影响，从而能够实现可靠性高的面状照明装置。

(实施例6)

下面，对本发明实施例6的图像显示装置进行说明。实施例6的图像显示装置，是至少将液晶面板和实施例1至5的面状照明装置的其中任何之一用作背光的图像显示装置。

图25是表示本发明实施例6的图像显示装置的概要结构的图。图像显示装置60包括面状照明装置10、液晶面板61以及复眼透镜板(Fly-Eye Lens sheet)62。此外，图25所示的图像显示装置60包括实施例1的面状照明装置10，但本发明并不特别限定于此，也可以包括实施例2至5的面状照明装置。另外，图像显示装置60也可以不包括复眼透镜板62，仅包括面状照明装置10和液晶面板61。

使用液晶面板61的图像显示装置60是控制从背光射出的照明光的偏振，来显示图像的显示器。本实施例6的图像显示装置60使用直线偏振的激光作为光源，且将可以原封不动保持直线偏振的状态生成面状照明光的面状照明装置用作背光。因此，能够提高光利用效率，降低功耗。

另外，较为理想的是，本实施例6的图像显示装置60在液晶面板61的光出射面一侧设有复眼透镜板62。更为理想的是，复眼透镜板62的各个透镜显著小于液晶面板61的各像素。使用通常的液晶面板的图像显示装置，需要某种程度的视野角度，以便即使从斜横方或上方观看时也能收看图像。因此，从液晶面板射出的光需要以发散角射出。所以，通过复眼透镜板62，从液晶面板61射出的光被上下左右扩大，因此能够实现广视野角度的图像显示装置。

另外，若将复眼透镜板62配置在液晶面板61的出射面一侧，复眼透镜板62不会对射入液晶面板61的光造成任何影响，因此不会使图像显示装置60的光利用效率降低。另外，若复眼透镜板62的各个透镜显著小于液晶面板61的各像素，则能够实现抑制复眼透镜板62引起的画质下降的图像显示装置60。此外，在本实施例6中，复眼透镜板62相当于光扩散部和透镜阵列板的一个例子。

即，由于复眼透镜板62的各个透镜小于液晶面板61的一个像素，所以能够抑制复眼透镜板62引起的图像的模糊，从而实现广视野角度的图像显示装置。

另外，在图像显示装置60包括实施例5的面状照明装置50，图像显示装置60的影象显示方式为彩色场序方式的情况下，能够去掉彩色滤光器，实现光利用效率高且低功耗的图像显示装置60。

此外，实施例1至5的面状照明装置不仅用于图像显示装置，还能够用于植物种植的面状照明装置。植物种植的照明整日使用等使用时间非常长，从成本的观点来看，功耗非常重要。因此，光利用效率高、低功耗的本实施例1至5的面状照明装置有用。

而且，如果像以往那样，使用由树脂制成的导光板，则因光吸收可能会导致导光板劣化，透射率降低。然而，本实施例1至5的面状照明装置是直接投射型的光学系统，光在空气中通过，因此能够降低作为光学元件的导光板的老化的影响。

另外，当然，实施例1至5的面状照明装置和实施例6的图像显示装置在不脱离本发明的主旨的范围内能够采取各种形态。

此外，上述的具体实施例主要包括具有以下结构的发明。

本发明的一个技术方案的面状照明装置，包括：激光光源；将从上述激光光源射出的射束转换为第一实质上平行的光的第一转换部；将通过上述第一转换部被转换为第一实质上平行的光的射束在第一方向扩散成直线状的一维光扩散元件；将通过上述一维光扩散元件在上述第一方向被扩散的射束转换为第二实质上平行的光的第二转换部；以及具有由自由曲面形成的反射面，将通过上述第二转换部被转换为上述第二实质上平行的光的射束在与上述第一方向正交的第二方向扩散成面状的自由曲面镜。

根据这种结构，通过第一转换部，从激光光源射出的射束被转换为第一实质上平行的光，通过一维光扩散元件，被转换为第一实质上平行的光的射束在第一方向被扩散成直线状，通过第二转换部，在第一方向扩散的射束被转换为第二实质上平行的光。然后，通过具有由自由曲面形成的反射面的自由曲面镜，被转换为第二实质上平行的光的射束在与第一方向正交的第二方向被扩散成面状。

因此，在第一方向被扩散成直线状的射束的第二方向的长度一定，即使使直线状的射束沿第一方向延长，第二方向的长度也不会变化，所以能够使装置薄型化。另外，通过经自由曲面镜反射，射束被扩散成面状，由于射束不通过光学元件内，所以透射损失小，能够实现较高的光利用效率。

另外，在上述的面状照明装置中，较为理想的是，上述一维光扩散元件具有使上述第一实质上平行的光的上述第一方向的强度均匀的功能，上述自由曲面镜在上述第一方向上的剖面形状一样。

根据这种结构，出于自由曲面镜在第一方向上的剖面形状一样，所以能够提高自由曲面镜的加工的容易性，抑制面状照明装置的加工成本。

另外，在上述的面状照明装置中，较为理想的是，上述一维光扩散元件将上述第一实质上平行的光分割为多束，将分割的多束第一实质上平行的光的每束光扩散成直线状，并重叠扩散的多束第一实质上平行的光的每束光。

根据这种结构，由于直线状的射束在第一方向的强度分布大致一样，所以能够实现不易受到由激光光源的个体差造成的射束剖面的不同、温度变化导致的射束剖面的变化的影响，可靠性高的面状照明装置。

另外，在上述的面状照明装置中，较为理想的是，上述一维光扩散元件包括柱透镜。

根据这种结构，能够使射入柱透镜的射束的偏振方向与通过柱透镜而被扩散的直线状的射束的偏振方向一致。

另外，在上述的面状照明装置中，较为理想的是还包括面状光学元件，该面状光学元件将由上述自由曲面镜扩散的射束转换为第三实质上平行的光，上述面状光学元件向将扩散成面状的射束射出到外部的光出射部垂直地射出直线偏振的第三实质上平行的光。

根据这种结构，由于由自由曲面镜扩散的射束被转换为第三实质上平行的光，因此可以易于代替以往使用的面状照明装置，实现使用方便的面状照明装置。另外，可以易于利用面状照明装置作为液晶显示装置的背光。

另外，在上述的面状照明装置中，较为理想的是，上述面状光学元件包括反射型棱镜板与折射型棱镜板，在从上述自由曲面镜射入上述面状光学元件的射束的入射角度为25度至35度的范围内，存在上述反射型棱镜板与上述折射型棱镜板的分界。

根据这种结构，由于反射型棱镜板与折射型棱镜板被加以配置，使得在从自由曲面镜射入面状光学元件的射束的入射角度为25度至35度的范围内，存在反射型棱镜板与折射型棱镜板的分界，，所以能够缩短自由曲面镜与光出射部的距离，进一步使装置薄型化。

另外，在上述的面状照明装置中，较为理想的是还包括镜，该镜将通过上述自由曲面镜反射的射束向将扩散成面状的射束射出到外部的光出射部反射。

根据这种结构，由于通过镜，将通过自由曲面镜反射的射束向光出射部反射，所以能够延长自由曲面镜与光出射部的光学距离，易于得到大面积的面状照明光。

另外，在上述的面状照明装置中，较为理想的是，上述镜将入射的射束分割为多束进行反射，并重叠分割的多束射束的每束射束。

根据这种结构，由于通过镜，入射的射束被分割为多束并反射，被分割的多束射束的每束射束被重叠，所以，能够与直线状的射束在第二方向的强度分布无关，而得到均匀的强度分布的面状照明光。

另外，在上述的面状照明装置中，较为理想的是还包括折回镜，该折回镜被配置在上述一维光扩散元件至上述自由曲面镜之间，折回通过上述一维光扩散元件被扩散成直线状的射束。

根据这种结构，由于通过一维光扩散元件而被扩散成直线状的射束被折回，被折回的射束射入第二转换部，所以能够防止第二转换部成为由自由曲面镜反射的射束的阴影，使装置薄型化。

另外，在上述的面状照明装置中，较为理想的是，上述第二转换部被配置在将被扩散成面状的射束射出到外部的长方形状的光出射部的端部。

根据这种结构，由于第二转换部被配置在将扩散成面状的射束射出到外部的长方形状的光出射部的端部，所以能够防止第二转换部成为由自由曲面镜反射的射束的阴影，使装置薄型化。

另外，在上述的面状照明装置中，较为理想的是还包括使上述第一转换部振动的振动装置，上述第一转换部相对于光轴的倾斜被固定。

根据这种结构，由于使第一转换部振动，所以能够减少斑点噪声，可以得到均匀的面状照明光。另外，由于第一转换部是装置中所使用的光学元件之中最小的元件，所以能够减少振动所需的能量，可实现降低功耗的面状照明装置。

另外，在上述的面状照明装置中，较为理想的是还包括使上述一维光扩散元件振动的振动装置，上述一维光扩散元件相对于光轴的倾斜被固定。

根据这种结构，由于使一维光扩散元件振动，所以能够减少斑点噪声，可以得到均匀的面状照明光。另外，由于一维光扩散元件分割并重叠射束时，即使一维光扩散元件振动，也不易产生面状照明光的强度不均，所以能够实现可靠性高的面状照明装置。

另外，在上述的面状照明装置中，较为理想的是还包括使上述自由曲面镜振动的振动装置。

根据这种结构，由于使自由曲面镜振动，所以能够减少斑点噪声，可以得到均匀的面状照明光。另外，能够降低面状照明光的强度不均，得到均匀强度的面状照明光。

另外，上述的面状照明装置中，较为理想的是上述激光光源包括单模的半导体激光器。

根据这种结构，通过使用单模的半导体激光器，面状照明光的强度分布不易受到激光光源的温度变化和输出变化的影响，从而能够实现可靠性高的面状照明装置。

另外，在上述的面状照明装置中，较为理想的是上述激光光源射出红色射束、绿色射束和蓝色射束。

根据这种结构，由于作为光的三原色的红色、绿色和蓝色的射束从激光光源射出，所以能够实现具有高色彩再现范围的面状照明装置。

另外，在上述的面状照明装置中，较为理想的是还包括光纤，将从上述激光光源射出的红色射束、绿色射束和蓝色射束合波。

根据这种结构，通过由光纤合波从激光光源射出的红色射束、绿色射束和蓝色射束，面状照明光的强度分布不易受到激光光源的射束剖面变化的影响，从而能够实现可靠性高的面状照明装置。

本发明的另一技术方案的图像显示装置至少包括上述的面状照明装置；以及通过上述面状照明装置而被照明的液晶面板。

根据这种结构，用作背光的面状照明装置，与导光板型的面状照明装置相比，由于光的透射损失少，所以能够实现光利用效率高、低功耗的图像显示装置。另外，由于用作背光的面状照明装置可以射出直线偏振的光，所以能够提高图像显示装置的光利用效率，实现低功耗的图像显示装置。

另外，在上述的图像显示装置中，较为理想的是还包括被配置在上述液晶面板的光出射面一侧的光扩散部。

根据这种结构，由于光扩散部被配置在液晶面板的光出射面一侧，所以能够实现广视野角度的图像显示装置。另外，射入液晶面板的照明光的偏振不会散乱，能够实现较高的光利用效率的图像显示装置。

另外，在上述的图像显示装置中，较为理想的是上述光扩散部包括透镜阵列板，上述透镜阵列板的各个透镜小于上述液晶面板的一个像素。

根据这种结构，由于透镜阵列板的各个透镜小于液晶面板的一个像素，所以能够抑制基于透镜阵列板的图像的模糊，实现广视野角度的图像显示装置。

另外，在上述的图像显示装置中，较为理想的是上述图像显示装置的影象显示方式为彩色场序方式。

根据这种结构，由于图像显示装置的影象显示方式为彩色场序方式，所以能够去掉彩色滤光器，实现光利用效率高、低功耗的图像显示装置。

产业上的利用可能性

本发明的面状照明装置和图像显示装置能够实现薄型化，并且能够实现较高的光利用效率，作为将激光用作为光源的面状照明装置和将该面状照明装置用作背光的图像显示装置是有用的。

Claims (20)

1.一种面状照明装置，其特征在于包括：

激光光源；

第一转换部，将从所述激光光源射出的射束转换为第一实质上平行的光；

一维光扩散元件，将通过所述第一转换部被转换为第一实质上平行的光的射束在第一方向扩散成直线状；

第二转换部，将通过所述一维光扩散元件在所述第一方向被扩散的射束转换为第二实质上平行的光；以及

自由曲面镜，具有由自由曲面形成的反射面，将通过所述第二转换部被转换为所述第二实质上平行的光的射束在与所述第一方向正交的第二方向扩散成面状。

2.根据权利要求1所述的面状照明装置，其特征在于：

所述一维光扩散元件具有使所述第一实质上平行的光在所述第一方向的强度均匀的功能，

所述自由曲面镜在所述第一方向上具有相同的剖面形状。

3.根据权利要求2所述的面状照明装置，其特征在于：所述一维光扩散元件将所述第一实质上平行的光分割为多束，并将分割的多束第一实质上平行的光的每束光扩散成直线状，并重叠被扩散的多束第一实质上平行的光的每束光。

4.根据权利要求3所述的面状照明装置，其特征在于：所述一维光扩散元件包括柱透镜。

5.根据权利要求1至4中的任一项所述的面状照明装置，其特征在于还包括：将由所述自由曲面镜扩散的射束转换为第三实质上平行的光的面状光学元件，其中，

所述面状光学元件，向将被扩散成面状的射束射出到外部的光出射部垂直地射出直线偏振的第三实质上平行的光。

6.根据权利要求5所述的面状照明装置，其特征在于：所述面状光学元件包括反射型棱镜板与折射型棱镜板；其中，

在从所述自由曲面镜射入所述面状光学元件的射束的入射角度为25度至35度的范围内，存在所述反射型棱镜板与所述折射型棱镜板的分界。

7.根据权利要求1至4中的任一项所述的面状照明装置，其特征在于还包括：将由所述自由曲面镜反射的射束向将扩散成面状的射束射出到外部的光出射部反射的镜。

8.根据权利要求7所述的面状照明装置，其特征在于：所述镜将入射的射束分割为多束加以反射，并重叠分割的多束射束的每束射束。

9.根据权利要求1至4中的任一项所述的面状照明装置，其特征在于还包括：被配置在从所述一维光扩散元件到所述自由曲面镜的之间，折回通过所述一维光扩散元件被扩散成直线状的射束的折回镜。

10.根据权利要求1至4中的任一项所述的面状照明装置，其特征在于：所述第二转换部被配置在将被扩散成面状的射束射出到外部的长方形状的光出射部的端部。

11.根据权利要求1至4中的任一项所述的面状照明装置，其特征在于还包括：使所述第一转换部振动的振动装置，其中，

所述第一转换部相对于光轴的倾斜是固定的。

12.根据权利要求1至4中的任一项所述的面状照明装置，其特征在于还包括：使所述一维光扩散元件振动的振动装置，其中，

所述一维光扩散元件相对于光轴的倾斜是固定的。

13.根据权利要求1至4中的任一项所述的面状照明装置，其特征在于还包括：使所述自由曲面镜振动的振动装置。

14.根据权利要求1至4中的任一项所述的面状照明装置，其特征在于：所述激光光源包括单模的半导体激光器。

15.根据权利要求1至4中的任一项所述的面状照明装置，其特征在于：所述激光光源射出红色射束、绿色射束和蓝色射束。

16.根据权利要求15所述的面状照明装置，其特征在于还包括：将从所述激光光源射出的红色射束、绿色射束和蓝色射束合波的光纤。

17.一种图像显示装置，其特征在于至少包括：

如权利要求1至16中的任一项所述的面状照明装置；和

通过所述面状照明装置而被照明的液晶面板。

18.根据权利要求17所述的图像显示装置，其特征在于还包括：被配置在所述液晶面板的光出射面一侧的光扩散部。

19.根据权利要求18所述的图像显示装置，其特征在于：所述光扩散部包括透镜阵列板，其中，

所述透镜阵列板的各个透镜小于所述液晶面板的一个像素。

20.根据权利要求17至19中的任一项所述的图像显示装置，其特征在于：所述图像显示装置的影像显示方式为彩色场序方式。

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