JP2010045010A - 光色分割システム - Google Patents

Abstract

【課題】カラーフィルタ（ＣＦ）の代わりに、例えば、光学効率を維持しつつ３原色光を生成できる光素子モジュールを用いる光分割構造を提供する。
【解決手段】光色分割システムは、一の側面から入射光を受取り、入射光を複数の色光に分割する。システムは、内部で入射光があちこちに全反射することを可能にする導光板を備える。導光板の表面は、全内部反射を崩し、光が出射することを可能にする複数のマイクロ構造を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、画像表示及び撮像のための所望の色を有する光源を供給することができる光色分割の技術に係る。

画像の色は、一般に、複数の原色光と原色光のグレイスケールにおける変化によって形成される。最も一般的に使用される原色光は、例えば、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、及び青（Ｂ）である。

フラットディスプレイでは、バックライト光源をしばしば液晶空間光変調器及びカラーフィルタ（ＣＦ）とともに使用してトゥルーカラーの画像を表示する。デジタルカメラに使用する画像センサもＣＦを必要とし、そして、色差を計算して対象物のもとの色を表示する。カラービデオカメラ及びリアプロジェクションテレビジョンといった大型システムでは、３ピース又は２ピースのプリズムセット又はＣＦを、コリメート光源とともに用いて、トゥルーカラーの画像を表示する。システムがＣＦを用いる場合、ＣＦ上の各色画素は、３原色、即ち、赤、緑、及び青（ＲＧＢ）のうちの１つの原色しか通すことができず、入射白色光のエネルギーの約３分の２は吸収され、それにより、システムの光効率は下がり、電池のサービス寿命は短くなってしまう。更に、ＣＦの製造工程は複雑であり、各原色に対して少なくとも１回のリソグラフィ工程が半導体上で行われなくてはならず、その結果、コストが高くなる。

したがって、従来技術では、関連技術における製造業者又は設計者は、ＲＧＢの３原色を、光分割によって分離することでＣＦの使用を回避した解決策を提案している。

米国特許第５，６１５，０２４号は、主に、ブレーズド回折格子を使って３原色を分離する、ＣＦに置き換わる光構造を開示している。パネルに適用される場合、各原色は、１画素（主に、透過及び回折された１次の光）に対応する。１次の透過及び回折光が用いられ、入射光と出射光との間に大きな角度が形成されるので、入射光は、出射光が液晶層に垂直に入るようブレーズド回折格子に大きい角度で入らなければならない。垂直の入射光がブレーズド回折格子に入ると、出射光は、液晶層に大きい角度でしか入ることができず、適用性が制限されてしまう。

上述した光素子に基づいた従来技術に加えて、多くの他の設計も提案されている。しかし、従来技術におけるＣＦの光構造は、それぞれ独自の利点と不利点とを有する。光素子に基づいた光分割技術は、最良の性能を実現することを目的として依然として研究及び開発されている。

したがって、本発明は、カラーフィルタ（ＣＦ）の代わりに、例えば、光学効率を維持しつつ３原色光を生成できる光素子モジュールを用いる光分割構造を提供することを目的とする。３原色光は、パネルの画素に対応し、略垂直方向で液晶層に入射する。

光色分割システムを提供する。かかるシステムは、一の側面から入射光を受取り、入射光を複数の色光に分割する。システムは、底板、第１の導光板、第２の導光板、及び第３の導光板を備える。第１の導光板は、第１の面と第２の面を有する。第２の面は、複数のマイクロ構造を有する。第１の面は、底板上に配置される。入射光は、第１の面と第２の面との間を往復して反射する。入射光の一部は、複数のマイクロ構造を通り抜けて透過光が生成される。第２の導光板は、入射面と回折格子構造面とを有し、第１の導光板上に配置される。入射面は、透過光を受け取り、回折格子構造面は、透過光を、複数の色光に分割する。第３の導光板は、第２の導光板上に配置される。第３の導光板の光出射面は、複数の色光を予め決められた方向に屈折させる複数の突出屈折構造を有する。

添付図面は、本発明の更なる理解を与えるべく含まれ、かつ、本明細書に組み込まれて本明細書の一部を構成するものとする。図面は、本発明の実施形態を示し、詳細な説明と合わせて、本発明の原理を説明するものとする。

本発明による、液晶表示システムに適用される光色分割システムを示す略断面図である。

本発明の一実施形態による、液晶表示システムに適用される光色分割システムを示す略断面図である。

本発明の一実施形態による導光板２０２のマイクロ構造２０２ａの動作機構を示す概略図である。

本発明の一実施形態による図２に示す突出屈折構造２０８ａの動作機構を示す概略図である。

本発明の一実施形態による、液晶表示システムに適用される光色分割システムを示す略断面図である。

本発明の一実施形態による平面型の光色分割システムを示す概略的な立体断面斜視図である。

本発明の一実施形態による導光板のマイクロ構造の複数の変形を示す概略図である。

本発明の実施形態の詳細に参照する。実施形態の例は、添付図面に示す。可能な場合には、図及び明細書中、同じ参照番号を用いて、同じ又は類似する部分を示すものとする。

本発明では、光機構は、一般に、例えば、周期的なポリゴン光構造を用いて回折格子を形成する。この回折格子は、例えば、光分割効果と回折効率を有するブレーズド回折格子である。回折格子への入射光と回折格子の傾斜面との間の相対角度を調整して、回折格子の１つの面が屈折面として用いられる場合に、回折光の方向が屈折方向と同一であるようにする。このとき、回折方向（又は、回折格子の面の屈折方向）における光回折効率は最適となる。

一般に、光帯域に対して良好な光分割効果を達成するためには、光ビームは、高度にコリメートされて回折格子に入射される。本発明の光分割構造は、例えば、高度にコリメートされたバックライト光源を生成することのできる回折格子構造を有する。本発明の色分割システムは、例えば、特定の屈折率及びマイクロ構造を有する３つの光層と、周期的なポリゴン構造を有する３つの光膜とを一体化する。更に、本発明は、本発明がパネル又は光−機械システムに用いられる場合に光の適用効率が更に向上されるよう、偏光された入射光にも適用することができる。

以下に与える幾つかの実施形態は、本発明を説明することを目的としている。しかし、本発明は、これらの実施形態に限定されず、また、これらの実施形態を互いに適切に組み合わせることもできる。更に、以下の本発明の説明では、ＲＧＢの原色光を例として用いる。波長については、本発明の原色光は、ＲＧＢ波帯域に限定されない。

図１は、本発明による、液晶ディスプレイシステムに適用される光色分割システムを示す略断面図である。図１を参照するに、本発明では、光素子の回折格子を用いて原色光を分割し、また、液晶表示システムに更に適用することができる。収束マイクロレンズ１００は、白色光１０８を受取り且つ収束する。収束マイクロレンズ１００上のマイクロレンズは、例えば、１つの画素の位置に対応する所定位置に対応して配置される。収束された白色光１０８は、２層回折格子構造部材１０２によりＲＧＢの３原色光に分割される。回折格子構造部材１０２は、例えば、２層の回折格子構造１０２ａ及び１０２ｂを有する。回折格子の光回折に基づいて、収束された白色光１０８は、ＲＧＢの異なる波長に応じて、回折格子構造１０２ａによってＲＧＢの３原色光に分割される。分割されたＲＧＢの３原色光は、それぞれの進行方向において偏向される。分割されたＲＧＢの３原色光は、次に、反対側にある回折格子構造１０２ｂによって回折格子構造部材１０２に略垂直な出射方向に変換して戻される。次に、回折格子構造部材１０２から出る光は、液晶表示パネル１０４上の副画素１０６に入る。３つの副画素１０６が、Ｒ、Ｇ、及びＢに対応するグレイスケールを表示して１画素を形成する。

図１の構造において、素子全体の厚さを考えるに、例えば、長い経路が必要となる。更
に、図１における基本の構造設計に基づいた幾つかの他の実施形態も本発明において提供する。図２は、本発明の一実施形態による、液晶表示システムに適用される光色分割システムを示す略断面図である。図２を参照するに、光色分割システムの基本構造は、例えば、底板２００、導光板２０２、導光板２０４／２０６、及び導光板２０８を含む。底板２００は、例えば、屈折係数ｎ０を有する導光材料又は反射シートであり、また、反射効果を有し、このことは以下に説明する。導光板２０２は、２つの面を有する。２つの面のうちの一方は、複数のマイクロ構造２０２ａを有し、他方は、底板２００上に配置される。マイクロ構造２０２ａは局所形状を有し、この局所形状は、この領域に入射する光の入射角を変更し、それにより、全内部反射を崩し、この領域に光が透過することを可能にする。例えば、マイクロ構造２０２ａの断面形状は、突出した三角形であり、入射角はこの突出三角形の傾斜面によって変更され、それにより、この領域において、光が屈折して透過することを可能にする。しかし、マイクロ構造２０２ａの形状は、突出構造に限定されない。つまり、マイクロ構造２０２ａは、例えば、陥凹された構造であってもよい。マイクロ構造２０２ａのそれぞれは、全内部反射を屈折に変更して光が透過することを可能にする、少なくとも１つの光出射面を有する。マイクロ構造２０２ａの機能は、以下に説明する。

第１の導光板２０２の屈折係数はｎ１である。入射光２１４は、第１の導光板２０２の２つの面間で往復して反射される。例えば、光全内部反射が発生する。例えば、屈折係数ｎ２を有する導光板２０４は、導光板２０２上に配置される。屈折係数ｎ２を、導光板２０２の屈折係数ｎ１より小さくなるよう選択することにより、全内部反射が発生する。例えば、入射光２１４が、所定の角度で導光板２０２の片側から入射される場合、光はあちこちから反射され、次に、導光板２０２においてもう片側に導かれる。底板２００の垂直方向Ｎを基準方向とすると、６２°の角度で入射する光は、入射点２１４ａにおいて底板２００に入射し、入射点２１４ｂに反射される。実際には、入射光ビームの入射角は、例えば、２°の偏差範囲といった数度の偏差範囲を有しうる。入射光は、入射点２１４ｂから入射点２１４ｃに反射される。上述したように、複数のマイクロ構造２０２ａは、導光板２０２上に分布される。この場合、光２１４は、入射点２１４ｃから入射点２１４ｄに全内部反射され、マイクロ構造２０２ａの傾斜面上に当たる。マイクロ構造２０２ａの傾斜面は入射角を変更して、全内部反射を屈折に変える。したがって、入射光の一部は、マイクロ構造２０２ａ上に入射すると透過されて、それにより、透過光が生成される。

図３は、本発明の一実施形態により導光板２０２のマイクロ構造２０２ａの動作機構を示す概略図である。図３を参照するに、導光板２０２の光出射面に、マイクロ構造２０２ａが設けられる。各マイクロ構造２０２ａの断面形状は、例えば、突出した三角形である。傾斜面の傾斜角度は、導光板２０２の水平方向を基準方向として用い、例えば、２°でそらされている。Ｎ方向は、導光板２０２全体に垂直な方向である。Ｎ方向に対して、例えば、６２°である入射光が、導光板２０２の平らな領域に入射する場合、全内部反射が発生する。しかし、光が導光板２０２の１つのマイクロ構造２０２ａの傾斜面に入射する場合、全内部反射はなくなり、傾斜面が２°分それていることにより反射が発生する。光の大部分は透過し、光の残りの小さい部分は依然として反射されて、同じ機構に従って導光板２０２内を進行し、他の好適なマイクロ構造２０２ａを通り透過する。好適な屈折係数が選択された後、例えば、６２°の入射光の透過部分は、８４．２°の角度において出る。入射光ビームは、ある角度範囲で入射することは許容される。図３は、全内部反射を屈折及び透過に変更する機構を概略的に説明するに過ぎない。

次に、導光板２０４の機能は、導光板２０２の屈折係数ｎ２と屈折係数ｎ１との間の差に基づいてある角度で入射する光を全内部反射することである。次に、回折格子部材２０６が導光板２０４上に配置される。導光板２０４と回折格子部材２０６は、一体型の導光板ともみなすことができる。回折格子部材２０６の屈折係数ｎ３は、ｎ２と等しくても等しくなくともよい。ｎ３がｎ２と等しい場合、光は、直接透過することができる。例えば、導光板２０４及び回折格子部材２０６は同じ材料から形成され、また、更には、一体成形された光素子であってもよい。

この実施形態では、導光板２０８は、入射面と、回折格子構造面２０６ａとを有し、導光板２０４上に配置される。入射面は、マイクロ構造２０２ａの領域から導光板２０２を透過する光を受取り、次に、回折格子構造面が、光を、例えば、回折と波長との関係に基づいて異なる波帯域のＲＧＢ光に分割する。次に、別の導光板２０８が導光板２０６上に配置される。この実施形態では、導光板２０８と導光板２０６とは、コンフォーマル構造として密接に接続される。しかし、実際の設計及び配置では、コンフォーマルな小型構造に限定されない。

次に、例えば、画像表示パネル２１２の副画素の表示を支援すべく分割された光をよりよく使うには、導光板２０８の光出射面は更に、複数の突出した屈折構造２０８ａを含み、これらの屈折構造２０８ａは、例えば、導光板２０８に略垂直な方向といった所定の方向に色光を屈折させる。各突出屈折構造２０８ａは、例えば、２つの傾斜面を有するよう設計される。１つの傾斜面は、分割された色光を、入射点２１４ｆにおいて受け取り、それらの光をもう一方の傾斜面に屈折させることを可能にする。この傾斜面の傾斜角は、色光が所定の方向に出るような反射効果を有する。

導光板２０８は、収束部材２１０とともに用いることができる。したがって、屈折係数間の差を適切に選択することによって全内部反射が発生し、それにより、光が所定の方向に出ることを可能にしうる。収束部材２１０は、複数のマイクロレンズ２１０ａを有し、これらは、例えば、画素に対応する位置に配置される。マイクロレンズ２１０ａは、分割された色光を適切に収束し、出射光２１６を生成する。この出射光は、画像表示パネル２１２の画素２１２ａのＲＧＢの副画素にそれぞれ対応し、表示のための原色光源として機能する。

図４は、本発明の一実施形態による図２に示す突出屈折構造２０８ａの動作機構を示す概略図である。図４を参照するに、例えば、入射光が、６６．９５°の入射角で突出屈折構造２０８ａに入り、突出屈折構造の傾斜面に当たる。突出屈折構造２０８ａの屈折係数ｎ＝１．３２は、収束部材２１０´の屈折係数ｎ＝１．５６より小さい。したがって、２０°の傾斜角を有するもう一方の傾斜面において全内部反射が発生する。この場合、光は、略垂直な方向で出て、出射光となる。図４は、機構の概略図に過ぎず、実際の設計条件は、必要に応じて変えてよい。

図５は、本発明の一実施形態による、液晶表示システムに適用される光色分割システムを示す略断面図である。図５を参照するに、図５における構造は、図２における構造及び機構に類似し、底板２５０が反射層として配置される点で相違する。したがって、底板２５０の屈折係数は考慮する必要がない。

図６は、本発明の一実施形態による平面型の光色分割システムを示す概略的な立体断面斜視図である。上述の構造及び機構も、リング構造といった平面型構造に適用することができる。中心におけるローカル光源５００からの光は、片側から導光光素子５０２に入射され、光源５００の波面は、図２の構造と同一である。しかし、導光板５０４上の突出マイクロ構造５０４ａは、平面状の光の放射を実現すべく環状に配置される。入射光は、発散光５０６となるよう導かれ、突出マイクロ構造５０４ａを透過して平面型光源５０８を形成する。

図７は、本発明の一実施形態による導光板のマイクロ構造の複数の変形を示す概略図である。図７を参照するに、図７の（ａ）に示す２つの屈折係数ｎ１及びｎ２を基準として用い、設計は、例えば、６２．９４°の入射角において入射する光に基づく。図７の（ｂ）では、屈折係数ｎ２が適切に調整されて、入射角が６１．９４°に変更される。図７の（ｃ）では、マイクロ構造の傾斜面の傾斜角θ１を調整して、屈折及び透過の条件を変更することができる。図７の（ｄ）では、傾斜角θ１が傾斜角θ２に変更されると、６１．９４°の入射角の適用を実現することもできる。図７の（ｅ）では、マイクロ構造の幅は、Ｗ１であり、これは、透過する光の量を決定する。図７の（ｆ）では、図７の（ｅ）のマイクロ構造の幅をＷ２に変更することにより、より多くの光が出射される。

換言すれば、上述した実施形態の設計条件は、同じ設計原理に基づいて調整されることにより、所望の性能を実現できる。

本発明の導光設計は、片側から入射された光を用い、入射光を平面から出射するよう導き、後続の回折構造とともに入射光を原色光に更に分割することができ、それにより、画像の色の表現が改善される。

当業者には、本発明の範囲又は精神から逸脱することなく本発明の構造に様々な修正及び変更を加えうることは明らかであろう。上述に鑑みて、本発明は、本発明の修正及び変更も、それらが特許請求の範囲及びその等価物の範囲内である限り、発明の対象とすることを意図するものである。

符号の説明

１００ 収束マイクロレンズ
１０２ ２層回折格子構造部材
１０２ａ、１０２ｂ 回折格子構造
１０４ ＬＣ表示パネル
１０６ 副画素
１０８ 白色光
２００ 底板
２０２、２０４、２０６、２０８ 導光板
２０２ａ マイクロ構造
２０６ａ 回折格子構造面
２１０ 収束部材
２１０ａ マイクロレンズ
２１４ 入射光
２１４ａ〜ｆ 入射点
２５０ 底板
５００ ローカル光源
５０２ 導光光素子
５０４ 導光板
５０４ａ 突出マイクロ構造
５０６ 発散光
５０８ 平面型光源

Claims (16)

1. 一の側面から入射光を受取り、前記入射光を複数の色光に分割する光色分割システムであって、
   底板と、
   前記底板上に配置される第１の面と、複数のマイクロ構造を含む第２の面とを有する第１の導光板と、
   前記第１の導光板上に配置され、入射面と回折格子構造面とを有する第２の導光板と、
   前記第２の導光板上に配置される第３の導光板と、
   を備え、
   前記入射光は、前記第１の面と前記第２の面との間を往復して反射され、
   前記入射光の一部は、前記複数のマイクロ構造を通り抜けて透過光が生成され、
   前記入射面は、前記透過光を受け取り、
   前記回折格子構造面は、前記透過光を、前記複数の色光に分割し、
   前記第３の導光板の光出射面は、前記複数の色光を予め決められた方向に屈折させる複数の突出屈折構造を有する、システム。
2. 前記第１の導光板、前記第２の導光板、及び前記第３の導光板は、小型の積層構造を構成する、請求項１に記載の光色分割システム。
3. 前記第３の導光板上に配置され、前記複数の色光を予め決められた位置に収束するマイクロレンズ板を更に備える、請求項１に記載の光色分割システム。
4. 前記第１の導光板、前記第２の導光板、前記第３の導光板、及び前記マイクロレンズ板は、小型の積層構造を構成する、請求項３に記載の光色分割システム。
5. 前記第１の導光板の前記第１の面及び前記第２の面は、平行である、請求項１に記載の光色分割システム。
6. 前記底板は、反射層又は光材料層であり、前記第１の導光板とともに全内部反射をもたらす、請求項１に記載の光色分割システム。
7. 前記複数のマイクロ構造を除く前記第１の導光板と前記第２の導光板との界面は、全内部反射面を形成する、請求項１に記載の光色分割システム。
8. 前記第２の導光板は、単一構造又は複合構造の層である、請求項１に記載の光色分割システム。
9. 前記第３の導光板の前記複数の突出屈折構造のそれぞれは、第１の傾斜面、第２の傾斜面、及び屈折係数によって、前記複数の色光が前記第１の傾斜面から出た後に前記第２の傾斜面によって反射されるよう形成される溝構造を含む、請求項１に記載の光色分割システム。
10. 前記底板、前記第１の導光板、前記第２の導光板、及び前記第３の導光板は、ストリップ形状のユニットである、請求項１に記載の光色分割システム。
11. 前記底板、前記第１の導光板、前記第２の導光板、及び前記第３の導光板は、発光面を形成する、請求項１に記載の光色分割システム。
12. 前記底板、前記第１の導光板、前記第２の導光板、及び前記第３の導光板は、平面状のユニットであり、
    前記第１の導光板の前記複数のマイクロ構造は、互いに平行で、ある方向に延在する複数のストリップ形状の構造である、請求項１に記載の光色分割システム。
13. 前記底板、前記第１の導光板、前記第２の導光板、及び前記第３の導光板は、平面状のユニットであり、
    前記第１の導光板の前記複数のマイクロ構造は、同心円状に巻かれる複数のストリップ形状の構造である、請求項１に記載の光色分割システム。
14. 前記第１の導光板、前記第２の導光板、及び前記第３の導光板の屈折係数は、それぞれ、ｎ１、ｎ２、及びｎ３であり、全内部反射の臨界角は、ｎ１、ｎ２、及びｎ３の値により決定される、請求項１に記載の光色分割システム。
15. 前記第１の導光板の前記複数のマイクロ構造のそれぞれは、全内部反射を崩し、前記入射光が、前記第２の導光板に向けて出ることを可能にする傾斜面を含む、請求項１に記載の光色分割システム。
16. 前記第１の導光板と前記第２の導光板との間に第４の導光板を更に備える、請求項１に記載の光色分割システム。

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