JP2008116888A - ミラーに挟まれた複合光学素子 - Google Patents

Abstract

【課題】狭い空間の中で本発明の機能膜を備えた透明な単一の基材の中で、自然光は往復しながら単一な偏頗面となって出射させることが出来る。
【解決手段】所定の光学特性を備える光を選択的に透過し、それ以外の光を反射する機能膜を備えた透明光学部材をはさむように平行に配置された第１の反射膜と第２の反射膜を持つことを特徴としたプリズム複合体の内側に照明光源としてＬＥＤを配置し、ＬＥＤから発光された光を透明な光学基材の中を往復させ、第１の機能膜によって反射させ、第２の機能膜で変換させ、必要な光学特性を持つ光に効率よく出射させる。
【選択図】図１

Description

本発明はＬＥＤの自然光を単一な光学特性を備える光に変換するための機能を備えた複合光学素子に関するものである。

投射型表示装置の光源にはレーザー光を除いてはハロゲンランプ、水銀ランプ、ＬＥＤなどＰ波Ｓ波を持った自然光を発光するものを使用してきたが、画像制御に使われるデバイスにはデジタルミラーデバイス以外は透過型液晶パネル（ＬＣＤ）や反射型液晶パネル（ＬＣｏＳ）など、液晶によって画像表示されるものが多い。そのため液晶プロジェクターは、輝度効率を上げるためにＰＳコンバーターと位相差板によって構成されるＰＢＳフィルターを光源と液晶パネルの間に装置して、単一な偏頗面の投射用光源を作りだす必要があった。一方小型の表示装置のバックライトは、単に直線偏光板を装置する事で必要としない偏頗面の光をフィリタリングする事で画像コントラストを得てきていたが、不必要な偏頗面の光を除去するために、十分な輝度を得る事が出来なかったため、ＬＣＤプロジェクターのように光源にＬＥＤを使った小型プロジェクターは直視者を満足させるような輝度を実現する事が出来なかった。
参考［特開２００６０６０８Ｍ００１８８］
近年プロジェクターは更に小型化が要求されるため、電力消費の少ないＬＥＤ光源のプロジェクターが要求されるようになってきた。このＬＥＤ光源のＰ，Ｓ波とも無駄にすることなく単一な偏頗面に変換し、なおかつ小さな空間の中でそれを実現するための複合ＰＳコンバーターの出現が望まれた。

しかしながら今までの偏頗面変換装置は例えば液晶プロジェクターに使用されるＰＳコンバーターは光路としてＰ波とＳ波を分離しさらに一方の光を位相差板で変換するため、１本の入射光路が２本に分離されてしまうため狭い空間での変光変換装置としては適さなかった、また直線偏光板においては自然光の約半分の光をフィルター機能によって除去する事によって単一偏頗面の光にするために、光量は半分以下に落ちてしまうためＬＥＤのように輝度の低い光源ではプロジェクターのフィルターとしては不適であった。

以上のことを解決するために本発明に関わる光学素子は機能膜を備える透明な光学素子とそれをはさむように平行に配置された第１のミラーと第２のミラーによって構成され、第１のミラーに隣接する位置に機能フィルムを備え、さらに光源発光部を該機能フィルムと機能膜を備える光学素子との間に装置した事を特徴とした複合光学素子（図１）を提供する。

またこの発明装置は機能膜を備える透明な光学素子とそれをはさむように平行に配置された回折を発生させる機能反射膜と第二のミラーによって構成され、さらに回折を発生させる機能反射膜と、機能膜を備える透明な光学素子との間に光源発光部を装置した事を特徴とした複合光学素子を提供する。

このように液晶デバイスによる画像制御のプロジェクターにおいて光源の位相変換をする時のスペースの制限や光量の制約などの問題を解消可能な構成として機能膜を備えた透明な光学素子と相対向するミラーと、さらに位相差フィルムを備えた複合構造とし、光源部を相対するミラーの内側に配置する事によって、狭い空間でも単一な光学特性を備える光に変換し、光路を同一にとることが出来る。光量の損失を少なく変換することが出来る。

例えば、図１において、光源から発せられた自然光（Ｐ波＋Ｓ波）を、第１の光、Ｓ波（１７）は該透明な光学部材が備えている機能膜（７）によって反射した場合、他の第２の光（１８）、Ｐ波は機能膜（７）を透過して第２のミラーに到達する、第２のミラーを反射した第２の光（１８）、Ｐ波はそのまま光源発光部の背後にある位相差板によって円回転し、第１のミラー（２）に反射して再び位相差板（３）を通過してＳ波となり、該透明部材が備えている機能膜（７）に反射し、最初に反射した第１の光、Ｓ波（１７）と同偏頗面を持ち同一の光路をとることが出来る。
第２の光（１８）、Ｐ波をこの機能膜を備えた透明な光学部材（９）の中を１往復させ、λ／４位相差板（３）を１往復させる事でＰ波をＳ波に変換することが出来る。
その事によって第１の光（１７）と第２の光（１８）は光路を同じくし、なおかつ偏頗面も同一にすることが出来る。これによって輝度を損失することなく効率よく液晶表示パネルへ単一の偏頗面の光を導く事が出来る。

図２は小型ＬＣｏＳ（反射型液晶パネル）プロジェクターへ応用例である。
光源ＬＥＤ基板の表面に反射膜とその上にλ／４の位相差フィルムを搭載してある。
例えばこのＬＣｏＳプロジェクターの画像制御装置のＬＣｏＳパネルがＳ波を制御できるとした場合、図２のＰＳコンバーターキューブの機能膜はＳ波を反射、Ｐ波を透過するＰＢＳ膜とする。

第１の機能膜を備えた透明基材の上部に配置されているＬＥＤ光源の光が光３原色であるＲ，Ｇ，Ｂの色を時系列点滅によって発光された自然光第１の光Ｓ波と第２の光Ｐ波は透明な光学基材に備わっているＰＢＳ膜によって分離され、第１の光Ｓ波は反射して光路を直角に曲がり、ＬＣｏＳの上に装置されている第２の機能膜を備えた透明な光学基材へ入って更に第２の透明基材に備わっている機能膜によってＬＣｏＳへと至る。

一方第１の透明な光学基材に備わっているＰＢＳ膜を透過した第１の光Ｐ波は第１の機能膜を備えた透明な光学基材に装置された第２のミラーによって反射してＬＥＤの位置へ偏頗面を変えずＰ波のまま戻ってくる。

そして例えばλ／４の位相差板を通過して偏頗面が円回転して第１のミラーに反射して再びλ／４位相差板を通過する事でＳ波に偏頗面をねじる事によって第１の透明基材に備わっている機能膜（ＰＢＳ膜）に反射して第１の光と偏頗面を同じくして光路も同様、第２の透明基材の中を経てＬＣｏＳへ至る。

ＬＣｏＳによって画像制御され、位相変換された第１、第２のＰ波の光は上部にある直線偏光板フィルターでノイズを除去されてハイコントラスト画像が投射レンズを通して直視者に表現する事が出来る。

またこの本発明複合光学素子は更に光のロスを防ぐために光路以外の面にミラーを備える事によって光の損失を防ぐ事が出来る。

図２のように偏光変換され、単一な偏頗面の光源光を均一な輝度にするために第１の透明基材を出た光（１７，１８）はロットレンズや中空ライトトンネルを通過させ第２の透明な光学基材へ導く事もよい。

本発明の２枚の対向する反射面の第１のミラーと位相差板の代替として微細プリズムを転写したＢＥＦミラーを備える事で反射した偏頗面を９０度ねじる事も出来る。

非常に効率よく自然光ＰＳ波を単一な偏頗面に統一する事が出来る本発明は、液晶を使ったあらゆる製品のバックライトとして利用する事が出来る。
現在の液晶表示板のバックライトは直線状の光源を導光板によって面状に広げ直線偏光板で単一偏頗面の光を液晶へ照射させているが、本発明の両面対向ミラーを備えたビームスプリッタとＬＥＤであれば本発明品の長尺形状の光学複合体を液晶の両サイドに装置する事で必要な単一偏頗面の光を液晶表示板に供給する事が出来る。（図３）
このことで従来捨てていた本液晶が必要としない偏頗面の光を変換することによって光源に使うことが出来るため光効率が２倍近く上昇する。このことで低消費電力で高輝度な液晶テレビを提供できるようになる。

液晶表示パネルのバックライトとして時系列的にＲ，Ｇ，Ｂの光３原色を点滅する事と液晶表示パネルの描画を同期させることによって、本発明品を液晶の背後にバックライトとして配置する事で、カラーフィルターを必要としない高輝度の液晶表示板が実現する。
［特許開２００４−０５８１５８］

単一偏頗面光を必要とする偏向顕微鏡の光源として本発明品は利用する事が出来る。

本発明を適用した光学系の説明図である。 本発明を適用しライトトンネルを備えた説明図である。 従来液晶プロジェクターに使われているＰＳコンバーター説明図である。 本発明品を長尺にしたものに白色ＬＥＤ光源をつけたバックライト光源の説明図である。

符号の説明

１ ＬＣＤ搭載基板
２ 第１のミラー
３ 第２の機能膜
４ ＲｅｄＬＥＤ
５ ＧｒｒｅｎＬＥＤ
６ ＢｌｕｅＬＥＤ
７ 特定光学特性分離機能膜
８ 第２の反射膜
９ 機能膜を備えた第１の透明な光学基材
１０ 第１の直線偏光板
１１ 集光レンズ
１２ ＬＣｏＳデバイス
１３ 機能膜を備えた第２の光学基材
１４ 第２の直線偏光板
１５ 投射レンズ郡
１６ 機能膜
１７ 第１の光
１８ 第２の光
１９ ＰＢＳフィルター
２０ レンズアレイ
２１ λ／２位相差板
２２ 光源から発光された自然光
２３ Ｓ波に偏光変換された光
２４ 白色ＬＥＤ

Claims (11)

1. 相対向配置された第１の反射膜と第２の反射膜の間に一定の角度をもって配置された少なくとも１面の第１の機能膜とからなり、所定の光学特性を持つ光を選択的に透過し、それ以外の光を反射する第１の機能膜を備えている事を特徴とした複合光学素子。
2. 前記、第１の反射膜に隣接して、第１の機能膜を透過する光を、第１の機能膜に反射する所定の光学特性を備えた光に変換する機能を備えた第２の機能膜を備えている事を特徴とした光学複合素子。
3. 請求項第１項、第２項において、第１の反射膜と第１の機能膜の内側に光源としてＬＥＤ発光部が装置されている事を特徴とする光学素子。
4. 請求項１において相対向する第１の反射膜と第２の反射膜の間にある、少なくとも１面の機能膜は透明な基材の中に備えられた事を特徴とした光学素子。
5. 前記第１、第２の反射膜と、その内側に第１、第２の機能膜を備え、第１反射膜及び第２機能膜の内側にＬＥＤ光源を備える事を特徴とした光学素子。
6. 請求項第１項において第２の機能膜は位相差板であることを特徴とした光学素子。
7. 請求項第１項において第１の機能膜は板状の基板の少なくとも１面に備わっている事を特徴とした光学複合素子
8. 請求項１において相対向する反射膜に直交する面であって、第１の機能膜によって反射される光の光路を妨害しない位置に反射膜で覆い、露光を防いだ事を特徴とした光学素子。
9. 請求項１，２，３，４において第２の機能膜と第１の反射膜の機能を両方持つベフミラーや回折格子ミラーを備えた光学複合素子。
10. 前記請求項３において第１反射膜と第１の機能膜の間へ導光板やファイバーによって発光部が導かれた事を特徴とした複合光学素子。
11. 請求項１，２，３，４においてそれぞれの面は光路と垂直方向に対して長尺に形成されることを特徴とする複合光学素子。

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