JP2003532918A - 反射式多色液晶ディスプレイを有する装置に対する照明ユニット - Google Patents

反射式多色液晶ディスプレイを有する装置に対する照明ユニット

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JP2003532918A JP2001582765A JP2001582765A JP2003532918A JP 2003532918 A JP2003532918 A JP 2003532918A JP 2001582765 A JP2001582765 A JP 2001582765A JP 2001582765 A JP2001582765 A JP 2001582765A JP 2003532918 A JP2003532918 A JP 2003532918A
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    • G02B6/0056—Means for improving the coupling-out of light from the light guide for producing polarisation effects, e.g. by a surface with polarizing properties or by an additional polarizing elements

Abstract

(57)【要約】 反射式液晶ディスプレイ（１）には前面照明ユニットが設けられている。この前面照明ユニットは平型導波路（２）を有し、その少なくとも一方の面に回折格子（７）が設けられている。回折格子（７）の周期は光の波長の次数となっている。光源（４）は１色以上の光を発生し、これらの色の光が順次に平型導波路（２）内に結合される。回折格子（７）は別々の領域（10、11、12）に分割されている。これらの別々の領域（10、11、12）の各々は、光源（４）により発生される光の１つの特定の波長に同調される。これら別々の領域（10、11、12）の各々は多数の小領域に細分されており、平型導波路の表面が多数の小領域（10-1、11-1、12-1、…、10-11、…、12-41 ）に細分されている。各小領域（10-1、11-1、12-1、…、10-11、…、12-41 ）は、光の他の波長に同調される小領域（10-1、11-1、12-1、…、10-11、…、12-41 ）により画成されている。平型導波路（２）の上方には、一方向に偏光された光を反射式液晶ディスプレイ（１）に戻るように反射させるとともにこの一方向に対し直交する方向で画像的に偏光された光を透過させる偏光子（６）が存在している。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本発明は、反射式液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）を有する装置に対する照明ユニ
ットであって、ＬＣＤに対向している下面とＬＣＤの側とは反対側の上面とを有
し、ＬＣＤの上方に設けられた平型導波路と、光を平型導波路内に結合させる光
源とを具えている当該照明ユニットに関するものである。
【０００２】 このような照明ユニットは、欧州特許出願EP-A-0778484の明細書に記載されて
おり、既知である。この欧州特許出願明細書に記載された平型導波路は、互いに
上下に位置する２部分を有する。一方の部分は光に対し異方性であり、従って、
複屈折を呈し、他方の部分は等方性である。これらの２部分間の界面は格子状を
しており、一次元格子より成っている。色選択は、平型導波路と反射式液晶ディ
スプレイの反射性部分との間のカラーフィルタにより行われる。平型導波路の等
方性部分の屈折率は好ましくは平型導波路の異方性部分の２つの屈折率のうちの
一方に等しくする必要がある。
【０００３】 この既知の装置には、製造が困難であり、互いに位置決めする必要のある素子
が多数あるという欠点がある。
【０００４】 本発明の目的は、反射式液晶ディスプレイを有する装置に対する照明ユニット
であって、透明で、着色しておらず、格子の形態で互いに対接して配置し、屈折
率を等しくする必要がある材料を選択しないですむ簡単な構造の照明ユニットを
提供せんとするにある。
【０００５】 本発明によれば、前記光源は１色の光を放出するか又は複数の色の光を順次に
放出するようになっており、平型導波路の少なくとも一方の面に回折格子が設け
られており、この回折格子は、光源により放出される光の複数の色と少なくとも
同じ個数の領域であって異なる色の光に同調される当該領域を有するようにする
ことにより、上述した目的を達成する。
【０００６】 かかる本発明によれば、１色の光を放出する光源に対して、屈折率が同じで、
透明で、着色していない材料を選択せず、材料の部分を格子の形態で互いに対接
して配置する必要なく、照明ユニットの構造を簡単にすることができる。更に、
複数の色の光を放出する光源に対しては、光の色選択が回折格子により時系列的
に行われる為、その都度光源により規定される１色のみの光が平型導波路を経て
反射式液晶ディスプレイに向けて伝送される。鋭角で入射される光が正しい波長
を有し、画像を形成するのに寄与しうるような正しい角度で入射されるものとす
ると、回折格子がこの光を反射式液晶ディスプレイの方向に回折させる。その後
に反射式液晶ディスプレイにより反射されて平型導波路の方向に向う光は、その
光路上の格子であってこの格子上で反射が行われるような特性を有する当該格子
にはもはや遭遇しない。従って、反射式液晶ディスプレイから到来する光は妨害
なく格子を通過する。
【０００７】 本発明による照明ユニットの好適例では、異なる色の光に同調される領域が小
領域に細分され、これら小領域が平型導波路の適切な面上に分布されているよう
にする。
【０００８】 このようにすると、反射式液晶ディスプレイの照明がこの反射式液晶ディスプ
レイの表面領域に亙って均等に分布される為、反射式液晶ディスプレイの全ての
反射性素子が充分均等に照明される。
【０００９】 本発明による照明ユニットの他の好適例においては、回折格子の小領域の格子
周期が、当該小領域が同調される光の波長の次数であるようにする。
【００１０】 このようにすることにより、光は回折格子により、特に、関連の色の光に同調
される領域により液晶ディスプレイに向う所望方向に正確に反射される為、光の
色の明確な選択が可能となる。この色の光に同調される領域では他の色の光が全
て散乱されるも、この散乱は前記の所望方向以外の方向で行われ、その結果、こ
れらの他の色の光線は、反射式液晶ディスプレイの反射性素子で反射された後に
は、視聴者に見える画像には寄与しなくなる方向を有するようになる。このこと
は、反射式液晶ディスプレイが０．５〜１インチ（１．２７〜２．５４cm）程度
の小さい寸法を有し画像を光学装置で見る必要がある状態では特に重要で有利な
ことである。このような状態では、関連の光学系に到達する光線のみが重要とな
る。
【００１１】 本発明による照明ユニットの更に他の好適例では、光の異なる色に対する小領
域が平型導波路の適切な面上に均等に分布されているようにする。
【００１２】 このようにすることにより、光源により放出される全ての色の光で、反射式液
晶ディスプレイを均一に照明することが可能となる。
【００１３】 本発明による照明ユニットの更に他の好適例では、小領域の全表面積が、光源
により放出される種々の色の光の光度にそれぞれ反比例しているようにする。
【００１４】 このようにすることにより、光源が各色に対し同じ光度の光を放出しない場合
に、画像の光度は最終的に、画像を構成する光の種々の色間で良好なバランスを
呈し、視聴者は全ての色の光が光源により同じ光度で放出されたかのように感じ
るようになる。又、種々の色の光に対する光源の選択性は、光源により放出され
る種々の色の光の光度を互いに正確に等しくする必要がある状態におけるよりも
広がるようになる。
【００１５】 本発明による照明ユニットの更に他の好適例では、光源からの光が偏光される
ようにする。
【００１６】 このようにすることにより、回折格子の有効性が高まる。特に、回折格子の領
域の格子周期が、これら領域が同調される光の波長の次数である状態では、光源
から平型導波路内に結合される光の偏光が重要な役割を奏する。光源から放出さ
れる光を偏光させることにより、光源から放出される光を偏光させない場合にお
けるよりも、最終的な画像のコントラスト比がかなり高くなる。
【００１７】 本発明による照明ユニットの更に他の実施例では、平型導波路の上面に近接し
て偏光子が配置されているようにする。
【００１８】 このようにすることにより、光源により放出される光の偏光方向に一致しない
方向に偏光され、従ってコントラスト減少効果を有する光が遮断される為、画像
のコントラストが向上する。
【００１９】 本発明による照明ユニットの更に他の好適例では、偏光子を反射性偏光子とす
る。
【００２０】 反射性偏光子は、第１の方向に偏光された入射光を反射し、この第１の方向に
対し垂直な第２の方向に偏光された光を透過する材料である。このようにするこ
とにより、反射性偏光子を正しい位置にした場合に、偏光された光が反射される
方向に関して効率をかなり高めることができる。この場合、正しい位置とは、反
射性偏光子が、光源により放出され偏光された光と同じ偏光方向を有する光を反
射し、その他の場合の偏光光を通過させることを意味する。
【００２１】 本発明の上述した観点及びその他の観点は以下の実施例に関する説明から明ら
かとなるであろう。 図１は、反射式の既知の液晶ディスプレイ１と平型導波路２とを断面で、光学
系３を線図的に示す。平型導波路２に接近して光源４と偏光子５とが配置されて
いる。平型導波路２の上方にも偏光子６が配置されている。平型導波路２には、
反射式液晶ディスプレイ１の側とは反対側のこの平型導波路２の側で回折格子７
が設けられている。この回折格子７は、光源４により放出される光の次数である
格子周期を有する。光源４は１色の光又は少なくとも２色の光を放出する。図１
の照明ユニットを、画像を現実の色で表示させるのに用いる場合には、光源４に
より放出される光の色の数は３、すなわち、赤、緑及び青である。２色以上の光
を用いる場合には、回折格子７は複数の異なる領域に分割され、各領域は光源４
により放出される１色の光に同調される格子周期を有し、（多くとも）光源によ
り放出される光の色と同じ個数の領域がある。
【００２２】 図２は、異なる前記領域をいかにして平型導波路２の表面領域上に分布させう
るかを示す。図２は、図１に示す平型導波路２の上面を示す。各種の斜線は、回
折格子７の格子周期が特定の１つの色の光に同調されている領域を表わす。本例
の場合、例えば赤、緑及び青の光に対応する３種類の斜線がある。平型導波路２
内に結合される光の方向を矢印Ａで示す。図２ａでは、各領域が異なる細条状の
小領域10-1、11-1、12-1、10-2、11-2、12-2、…等に細分されている。細条10-n
は、第１の色の光が（図１につき後に説明する）所定の方向に回折されるような
格子周期となっている小領域であり、細条11-nは他の色の光を同じ方向に回折さ
せ、細条12-nは更に他の色の光を同じ方向に回折させる。小領域10-n、11-n及び
12-nの最小寸法は格子周期よりもかなり大きく、反射式液晶ディスプレイ１の隣
接画素間の距離と同程度とするのが好ましい。図２ａでは、小領域10-n、11-n及
び12-nの長手方向が、反射式液晶ディスプレイ１の画素が互いに並置する方向と
一致しているものとしている。
【００２３】 図２ｂは、図２ｂと同じ細条状配列の小領域を示しているも、図２ｂの場合、
細条状領域の長手方向が、反射式液晶ディスプレイ１の画素が並置する方向に対
し角度αを成して延在している。このようにすると、モアレパターンが生じるお
それが簡単に回避される。
【００２４】 図２ｃは、特定の色に対する小領域を平型導波路２の表面領域上に分布させう
る第３の方法を示す。この場合も、同一方向に斜線を付した小領域は、格子周期
が互いに等しいとともに光源４により放出される光の特定の１つの色に同調され
る同一領域と関連するものである。
【００２５】 １色よりも多い色の光を用いる場合には、光源４により放出される光の光度と
回折格子７の効率との双方を各色に対し異ならせることができる。視聴者により
見られる最終画像のカラーバランスを満足なもの又は所望なものとするために、
同調される領域の全表面積を光源により放出される色の光の光度にそれぞれ反比
例させるとともに種々の色の光に対する回折格子７の効率にそれぞれ反比例する
ようにしうる。
【００２６】 図１に戻って、照明ユニットの動作を説明する。以下の説明では、特定の色の
光、すなわち、特定の波長の光につき説明する。この説明は他の色に対してもあ
てはまるものである。図面及び説明を簡単明瞭にするために、図１における回折
格子７の断面に、３つの異なる小領域１３、１４及び１５を示してある。小領域
１３及び１５は同じ領域と関連している、すなわち、これらは同じ格子周期を有
しているも、小領域１４は異なる領域と関連している、すなわち、小領域１４に
おける格子周期は小領域１３及び１５における格子周期と異なっている。それ自
体既知のように（例えば、欧州特許出願公開EP-A-0778484及び米国特許US-A-550
6929参照）、光源４からの光は偏光子５を介して平型導波路２内に結合される。
平型導波路２内ではその上面及び下面で全反射が行われる。しかし、回折格子が
存在する為に、上面では何かしらの状態が生じる。図１で仮定したように、小領
域１３及び１５における回折格子の格子周期が光源４により放出されたこの瞬時
の光の波長に同調されると、入射光の一部が光線１６により示すように垂直方向
で下方に回折し、反射式液晶ディスプレイ１の方向に向う。しかし、この光の大
部分は格子上で反射光線１７の形態に反射され、この反射光線１７が平型導波路
２の下面上で光線１８として反射される。これら反射光線１７及び１８は全反射
である。このことは、平型導波路２に対する材料、及び光線が光源４から平型導
波路２内に結合される角度を適切に選択して、前記上面及び下面における入射光
と、これら上面及び下面との間のそれぞれの角度が平型導波路２のこの材料と空
気との間の界面における臨界角よりも小さくなるようにすることにより達成され
る。光線１６は、この光線１６からの光の色の光量が画像のこの特定の位置でこ
の瞬時に必要であるかどうかに応じて偏光量を変えて又は変えないで反射式液晶
ディスプレイ１により逆方向に反射される。光線１６の色の光が実際にこの位置
で必要とするものとすると、光線１６は反射式液晶ディスプレイのミラーにより
この位置で反射される。反射（図示せず）は、回折格子が反射光を回折させる格
子周期を有しない方向で行われ、反射光は視聴者又は光学系３に向う方向で平型
導波路２及び回折格子７をほぼ完全に通過する。
【００２７】 回折格子７の格子周期が光源４により放出される光の色に同調されていない場
合には、前記の反射方向を除く特定の方向で反射が行われないか又は図１に光線
１９で示すように反射式液晶ディスプレイ１の表面に対し垂直に向いていない方
向で反射が行われる。光線１９は、小領域１３及び１５が同調されている光源４
により放出されている光の色に小領域１４における格子周期がこの位置で同調さ
れていない結果によるものである。光線１９は反射式液晶ディスプレイ１の画素
にある角度で入射される為、光線２０で示すその可能な反射は、吸収方向又は視
聴者や光学系３により観測されない方向に消滅される。
【００２８】 偏光子５は、使用する光の波長の次数の格子周期を有する回折格子７を用いた
場合に、光の偏光方向が光の回折の役割を奏する為に設けてあるものである。特
に、ｐ偏光波は回折格子７により光線１６及び１９に回折され、ｓ偏光波はそれ
よりも極めて僅かにしか回折されないか全く回折されない。この理由で、偏光子
５は、主としてｐ偏光波が平型導波路２内に結合されるように配置されている。
【００２９】 回折格子７の物理的特性の為に、回折は反射式液晶ディスプレイ１に向う方向
のみならず、この方向とは逆で、図１に光線２１及び２２で示す方向にも行われ
る。同様に、光線１７、１８は平型導波路２を通って伝搬する為、光線２１及び
２２はｐ偏光されている。これらの光線は、図１に示すユニットにより発生され
る画像のコントラストを減少させる。偏光子６は、反射式液晶ディスプレイの画
素から到来するｓ偏光波が妨害されることなくこの偏光子を通過しうるようにす
る。しかし、ｐ偏光光線２１及び２２は偏光子６により吸収される。
【００３０】 偏光子６の特に有利な実施例は反射性偏光子である。この場合、液晶ディスプ
レイ１の画素から到来するｓ偏光波は依然として通過するも、ｐ偏光波は吸収さ
れずに反射される。これにより、図１に示すユニットの効率が高められる。その
理由は、光線２１が反射性偏光子６により反射式液晶ディスプレイ１に戻るよう
に反射され、この反射式液晶ディスプレイにおいて、偏光方向が関連の画素上で
の反射によりｐ偏光からｓ偏光に変更される為である。関連の画素により反射さ
れたｓ偏光部分は反射性偏光子６を通過し、画像の形成に寄与する。これにより
ユニットの効率を高める。
【００３１】 反射性偏光子６の特に有利な実施例は、３Ｍ社により市販されているＤＢＥＦ
（Double Brightness Enhancement Filter）の商品名で既知の箔である。
【００３２】 図１に示す構造では、回折格子７が設けられた平型導波路２の上面と偏光子６
との間に、ある距離ｄが存在する。この距離は、偏光子６と回折格子７とを接触
させた場合には格子の回折特性が失われる為に必要である。回折格子７を平型導
波路２の下面上に形成することにより他の実施例を実現しうる。この場合、偏光
子６を平型導波路２の上面に取付けることができ、この場合、平型導波路２中の
光の全反射が依然としてこの平型導波路２の上面で達成されるような屈折率を平
型導波路２と偏光子６とが有する必要があるように偏光子６の屈折率を考慮する
必要がある。
【００３３】 前述した寸法の回折格子７を平型導波路２の表面上に設けうる場合には、この
平型導波路２を種々の材料から形成しうる。適切な材料は、例えば、型内に射出
成形しうるポリカーボネートである。この場合の型は、必要な個数の領域に分割
された回折格子７の“ひだ”を有し、各領域は図２ａ、２ｂ及び２ｃに例示して
あるように小領域に細分されている。当業者にとって明らかなように、図２ａ、
２ｂ及び２ｃに示す以外の領域分割が、本発明の範囲を超えることなくして可能
である。
【００３４】 反射式液晶ディスプレイは、通常０．５〜１インチ（１．２７〜２．５４cm）
の極めて小型に形成しうるため、本発明による照明ユニットは、極めて小さい画
像を表示する必要がある状況で用いるのが有利である。これは例えば、携帯電話
や、ポケット型テレビジョンや、携帯式再生装置等の場合である。このような寸
法の画像は肉眼では殆ど見ることができず、従って、画像を見るための補助装置
が必要となる。この目的のために、図１にこのような補助装置の光学系３を線図
的に示してある。このような補助装置は、最も簡単な形態では、拡大ガラスであ
る。この補助装置によれば、数デシメートルから数メートル又はそれ以上の範囲
の寸法の画像或いは数デシメートルから数メートル又はそれ以上に変化する距離
の画像であるかのように、小さい画像を視聴者に見せうるようにする。
【００３５】 上述したところでは、ｓ及びｐ偏光を説明したが、これらを互いに置き換える
ことができる。すなわち、本発明の上述した説明はすべて、ｓ偏光をｐ偏光と読
み換えたり、ｐ偏光をｓ偏光と読み換えたりするのにも適用しうる。
【００３６】 特許請求の範囲の従属項に記載したように、本発明はその範囲を逸脱すること
なく種々に変更しうること、当業者にとって明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による照明ユニットを実際のものに正比例させずに描いた側面
図である。
【図２】 回折格子の小領域を平型導波路の表面領域上に分布させうる種々の方
法を示す。
───────────────────────────────────────────────────── 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） Ｇ０２Ｂ 5/18 Ｇ０２Ｂ 5/18 Ｇ０２Ｆ 1/1335 ５１０ Ｇ０２Ｆ 1/1335 ５１０ ５２０ ５２０ // Ｆ２１Ｙ 101:02 Ｆ２１Ｙ 101:02 (72)発明者 ウィレム ヘー オフェイ オランダ国 5656 アーアー アインドー フェン プロフ ホルストラーン ６ Ｆターム(参考） 2H049 AA03 AA07 AA13 AA60 AA64 2H091 FA08X FA14Y FA41Z LA16 【要約の続き】 せる偏光子（６）が存在している。

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 反射式液晶ディスプレイを有する装置に対する照明ユニットであ
    って、反射式液晶ディスプレイに対向している下面と反射式液晶ディスプレイの
    側とは反対側の上面とを有し、反射式液晶ディスプレイの上方に設けられた平型
    導波路と、光を平型導波路内に結合させる光源とを具えている当該照明ユニット
    において、 前記光源は１色の光を放出するか又は複数の色の光を順次に放出するようにな
    っており、平型導波路の少なくとも一方の面に回折格子が設けられており、この
    回折格子は、光源により放出される光の複数の色と少なくとも同じ個数の領域で
    あって異なる色の光に同調される当該領域を有することを特徴とする照明ユニッ
    ト。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載の照明ユニットにおいて、異なる色の光に同調さ
    れる領域が小領域に細分され、これら小領域が平型導波路の適切な面上に分布さ
    れていることを特徴とする照明ユニット。
  3. 【請求項３】 請求項１又は２に記載の照明ユニットにおいて、回折格子の小領
    域の格子周期が、当該小領域が同調される光の波長の次数であることを特徴とす
    る照明ユニット。
  4. 【請求項４】 請求項１〜３のいずれか一項に記載の照明ユニットにおいて、光
    の異なる色に対する小領域が平型導波路の適切な面上に均等に分布されているこ
    とを特徴とする照明ユニット。
  5. 【請求項５】 請求項１〜４のいずれか一項に記載の照明ユニットにおいて、同
    調される領域の全表面積が、光源により放出される種々の色の光の光度にそれぞ
    れ反比例していることを特徴とする照明ユニット。
  6. 【請求項６】 請求項５に記載の照明ユニットにおいて、光源はいかなる色の光
    も同じ光度で放出し、前記表面積は同調される種々の領域の各々に対し同じ大き
    さとしたことを特徴とする照明ユニット。
  7. 【請求項７】 請求項１〜５のいずれか一項に記載の照明ユニットにおいて、同
    調される領域の全表面積が、当該領域が同調される光の種々の色に対する回折格
    子の効率にそれぞれ反比例していることを特徴とする照明ユニット。
  8. 【請求項８】 請求項１〜７のいずれか一項に記載の照明ユニットにおいて、光
    源からの光が偏光されることを特徴とする照明ユニット。
  9. 【請求項９】 請求項８に記載の照明ユニットにおいて、光源と平型導波路との
    間に偏光子が配置されていることを特徴とする照明ユニット。
  10. 【請求項１０】 請求項７又は８に記載の照明ユニットにおいて、平型導波路の
    上面に近接して偏光子が配置されていることを特徴とする照明ユニット。
  11. 【請求項１１】 請求項１０に記載の照明ユニットにおいて、回折格子は平型導
    波路の上面に配置され、偏光子は回折格子から離間していることを特徴とする照
    明ユニット。
  12. 【請求項１２】 請求項１０に記載の照明ユニットにおいて、回折格子は平型導
    波路の下面上に配置され、偏光子は平型導波路の上面上に配置されていることを
    特徴とする照明ユニット。
  13. 【請求項１３】 請求項９〜１２のいずれか一項に記載の照明ユニットにおいて
    、偏光子は反射性偏光子であることを特徴とする照明ユニット。
  14. 【請求項１４】 請求項１３に記載の照明ユニットにおいて、反射性偏光子が箔
    であることを特徴とする照明ユニット。
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