JP2010101989A - ディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】バックライト用光源にＬＥＤ等の固体光源を用いた、液晶パネル等の透過型変調素子によるディスプレイ装置において、光源からの光を効率よく用いることで消費電力を最小限に抑えることが可能となるディスプレイ装置を提供することを目的とする。
【解決手段】ＬＥＤ光源１００、１０１、１０２から出射された光は、光源側導光板１０３内を全反射を繰り返して進み、フレネルレンズ１０５に入射したのち、平行光となって画像表示部側導光板１０６に入射し、出射開口面１０６ａと背面１０６ｂの間で全反射が繰り返される内に、導光板１０６内のくさび状の凹部１０６ｃの４５度の傾斜を持つ斜面１０６ｄで全反射せしめられ、出射開口面１０６ａから出射される。
【選択図】図１

Description

本発明はバックライト装置を備えた透過型変調素子によるディスプレイ装置、特にバックライト用光源にＬＥＤ等の固体光源を用いたディスプレイ装置に関する。

従来、バックライト装置を備えた液晶パネル等の透過型変調素子によるディスプレイ装置は、バックライト用光源に白色光を発する冷陰極管（ＦＬＣ）を用いていた。

透過型変調素子である液晶パネルは、色信号毎に異なる波長帯の光を透過し、他の波長帯の光は吸収するカラーフィルターを備えている。液晶パネルは多数の画素開口が２次元的に配列されており、各開口を透過する光を変調することで画像表示を行っている。

近年、バックライト用光源として、小型のものは白色のＬＥＤ（light emitting diode）、大型のものはＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の各色光を発するＬＥＤを用いたものが商品化されている。

前者は小型化が可能なためモバイル機器搭載用として用いられ、後者は従来の冷陰極管のものよりも色再現性が優れた点を訴求点として、モニター用途やテレビ、プロジェクタ用途に用いられている。

従来の透過型変調素子では、前述の様に透過すべき波長帯の光のみを透過するが、他の光を吸収し最終的には熱になる。即ち、光源に投入される電力のおよそ２／３はロスされていることとなる。特にバックライト光源に冷陰極管に比べて発光効率の劣るＬＥＤを使用する場合にはその改善が求められている。

この課題を鑑み、特許文献１に示す画像表示装置が提案されている。この例では、白色光を発する光源からの光を導光板で導いた後、回折格子で色毎に分離した光を、２枚のマイクロレンズアレイを通して、多数の画素開口が２次元的に配列された画素表示素子のＲ、Ｇ、Ｂ毎の各色に相当する開口に光を導くとしている。

また、ここにある２枚のマイクロレンズによる導光原理は特許文献２で提案されているものである。
特開平１１−２５８６０４号公報 特開昭５８−１３４６２７号公報

上記特許文献１に示される構成では、光路を通る光もあると思われるが、先に述べた白色光をカラーフィルターで色選択するものに比べて必ずしも発光効率が改善されるとは言えない。

その理由は、光源の発光スペクトルが連続成分を持つ場合、回折格子で分離すると虹色に色分離されるが、その位置は画像表示素子のＲ、Ｇ、Ｂの開口（同間隔）位置とは必ずしも一致せず、また、導光板から回折格子に入射する光は拡散光、あるいはそれに近い光であるから、マイクロレンズで画素開口上に集光しきれず漏れ光となり、隣の画素に入射し混色し、目的の色分離は得られないためである。

本発明は、上記課題を解決するもので、バックライト用光源にＬＥＤ等の固体光源を用いた、液晶パネル等の透過型変調素子によるディスプレイ装置において、光源からの光を効率よく用いることで消費電力を最小限に抑えることが可能となるディスプレイ装置を提供することを目的とする。

本発明にかかるディスプレイ装置は、色毎に独立して透過する光量を制御可能な開口が多数２次元に配列された画像表示素子と、凸レンズの作用を持つマイクロレンズを表裏１対として多数２次元的に配置して成る色分離光学系と、異なる色光毎に主光線を異なる角度で前記色分離光学系へ導光入射せしめる照明光学系と、異なる色光を発する各色用光源で構成される光源部とからなり、前記照明光学系は前記色分離光学系の入射側背面に配置された第１の導光部と、前記光源部に近接する側の第２の導光部とからなり、前記第１の導光部と前記第２の導光部間には、前記第２の導光部からの光の進行方向に対し直交する方向において前記第１の導光部の断面を見た際の長手方向について前記主光線を平行化するテレセントリック光学系が配置されてなることを特徴として構成される。

また、前記光源部からの出射光光路上において、前記第２の導光部に入射する際に、各色光毎にレンズ作用を有する光学素子が設けられていることを特徴としても構成出来る。この光学素子は光線高の高い光線について収差を利用して光線密度を上げるFθレンズの機能を有している、あるいは前記各色用光源出射面と前記第２の導光部間には、前記各色用光源からの配光特性を改善する光拡散素子が配置されていることを特徴として構成される。

前記各色用光源のうち、システム光軸上にない光源は、出射光がシステム光軸側に寄るように傾けて配置されるように構成される。

前記各色用光源は、複数の発光部が近接して配置されていることが望ましく、また、同一発光色の光源が複数近接して配置、構成されて成るようにしてもよい。

前記画像表示素子の各開口には、変調する色光のみを選択透過できるフィルターが備えられていることが望ましい。

また、前記第１の導光部と前記第２の導光部間に配置された前記テレセントリック光学系は、フレネルレンズであることが望ましく、前記第１の導光部と前記第２の導光部間に配置されたテレセントリック光学系は、光の進行方向に対し直交する方向において、前記光源までの距離と同等の長さの焦点距離を有する光学素子であることを特徴として構成できる。

また、前記第１の導光部および第２の導光部は、それぞれ矩形の平板形状を有し、前記第２の導光部の１端面側に前記光源部が配置され、前記光源部側端面と対向する端面側にテレセントリック光学系を挟んで前記第１の導光部が前記第２の導光部と平面的に並べて配置されてなる。

また、前記第１の導光部および第２の導光部は、それぞれ矩形の平板形状を有し、前記第２の導光部の１端面側に前記光源部が配置され、前記第１の導光部が前記第２の導光部と空気間隔を隔て平行に重ねて配置されてもよい。

第１の導光部および第２の導光部は、それぞれ所定の厚さを有し、前記第２の導光部の厚さは、前記第１の導光部の厚さよりも厚く設定されたことを特徴としても構成される。

また、前記第１の導光部または前記第２の導光部の端部に、光路を折り返す斜面を有する三角断面形状のプリズムが配置されていることを特徴としても構成される。

また、前記第１の導光部は光の入射側端部に光路を折り返す斜面を有していることを特徴として構成される。

また、前記テレセントリック光学系出射部に前記プリズムが近接配置されていることを特徴とする。

さらに、重ねて配置された前記第１の導光部と第２の導光部間には遮光材料が配置されていることを特徴として構成してもよい。

また、前記第１の導光部は端面から入射した光のうち、前記画像表示素子の色光に対応する開口のうち同一の色光を扱う開口の配列方向に相当する方向では反射し、進行方向を略９０度変更されるよう構成され、かつ、画像表示素子の色光に対応する開口のうち同一の色光を扱う開口の配列方向に直交する方向では、光の進行に作用を与えない構成を有している。

また、前記各色用光源は、類似の配光特性を有していることが望ましい。

また、前記各色用光源からの出射角を制御するためのスリットが、前記第２の導光部の光源側端面からシステム光軸と平行に設けられていることを特徴として構成されている。

また、前記各色用光源は、発光ダイオード（ＬＥＤ）であることを特徴として構成出来る。さらには、その表面にフォトニック結晶層を備えてなることで構成することが望ましい。

また、前記第１の導光部と前記画像表示素子間には、λ／４板、反射型偏光板が備えられており、前記反射型偏光板が透過する光の偏光方向が、前記画像表示素子が変調に用いる光の偏光方向と一致することを特徴として構成される、あるいは、前記テレセントリック光学系と前記第１の導光部の間にＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）が配置されており、前記テレセントリック光学系から出射された光は前記ＰＢＳに入射、そのうちＰ偏光成分は前記ＰＢＳの第１の反射面を透過し前記第１の導光部に入射、Ｓ偏光成分は前記第１の反射面で反射され、前記第１の反射面と平行に設けられた第２の反射面で反射され、前記第１の導光部との間に設けられたλ／２板に入射して偏光方向を９０°変換された後、前記第１の導光部に入射するよう構成されてなる。

または、前記プリズムと前記第１の導光部の間にＰＢＳが配置されており、前記プリズムから出射された光は前記ＰＢＳに入射、そのうちＳ偏光成分は前記ＰＢＳの第１の反射面で反射されて前記第１の導光部端面に入射、Ｐ偏光成分は前記第１の反射面を透過し、前記第１の反射面と平行に設けられた第２の反射面で反射され、前記第１の導光部との間に設けられたλ／２板に入射して偏光方向を９０°変換された後、前記第１の導光部に入射するよう構成されている。

または、前記各色用光源と前記第２の導光部の間にＰＢＳが色毎に配置されており、前記ＰＢＳに対しＰ偏光成分は透過し前記第２の導光部に入射、前記ＰＢＳに対しＳ偏光成分は反射されたのち、前記ＰＢＳ反射面と平行に設けられた反射面で反射され、前記第２の導光部に入射する。

しかも、前記ＰＢＳと前記第２の導光部の間にはλ／２板が設けられており、前記λ／２板を透過する光は偏光方向を９０°変換されるよう構成されていることを特徴とする。

さらには、前記ＰＢＳの入射面および反射面と直交する面においても平滑な面が形成されており、全反射可能である構成とする。

また、前記各色用光源は、レーザー光源と光拡散手段とからなることを特徴として構成でき、この光拡散手段はＤＯＥ素子であることで構成できる。

本発明によれば、バックライト用光源にＬＥＤ等の固体光源を用いた、液晶パネル等の透過型変調素子によるディスプレイ装置において、光源からの光を効率よく用いることで消費電力を最小限に抑えることが可能となる。これによって、白色光源からの光に対しカラーフィルターで色表示する従来装置に対し、理想的には約３倍の光利用効率が実現できる。

それと同時に、液晶パネル等の透過型変調素子によるディスプレイ装置に求められる「薄型」の本質的効果を合わせて実現することができる。

以下、本発明にかかるディスプレイ装置の実施の形態について、図１〜図１５を用いて説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明の第１の実施の形態によるディスプレイ装置の全体構成図で、図１（ａ）は断面図、図１（ｂ）は平面図である。図２は画像表示部側導光板の詳細図で、図２（ａ）は断面図、図２（ｂ）は斜視図である。図３は液晶表示部周辺の構成断面図である。

図において、ディスプレイ装置には、光源として、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）光を発するＬＥＤ光源１００、１０１、１０２が配置されている。

ＬＥＤ光源１００、１０１、１０２の発光側前面にわずかな間隙を持って、板状で矩形の光源側導光板１０３の１端面が近接して配置されている。

光源側導光板１０３の光源側端面と対向する端面側には画像表示部側導光板１０６が端面同士を向かい合わせるように平面的に並べて配置されるとともに、光源側導光板１０３と画像表示部側導光板１０６の間にはフレネルレンズ１０５が配置されている。

そして、画像表示部側導光板１０６に平面的に重なるように、画像表示部１１１が配置されている。

また、１０７はシステム光軸、１０８は有効表示領域である。

なお、システム光軸とは、光学システムを構成する光源やレンズ等の光学部品を通る主光線が形成する軸のことを指す。また、有効表示領域１０８は画像表示面に相当する領域を示す。

光源側導光板１０３と画像表示部側導光板１０６の材料は、樹脂あるいはガラスといった高屈折率材料から形成されている。

以上のように構成された本実施の形態のディスプレイ装置について、以下、その動作を説明する。

ＬＥＤ光源１００、１０１、１０２から出射された光のうち、光源側導光板１０３の、光の進行方向に対し直交する方向の断面の短辺方向の光は、導光板内を全反射を繰り返して進み、光源側導光板１０３の上記断面の長辺方向の光は導光板内で反射されることなく進行し、光源側導光板１０３の端面１０３ａに設けられたフレネルレンズ１０５に入射する。

このフレネルレンズ１０５は、ＬＥＤ光源１００、１０１、１０２のうち、中央に配置されるＬＥＤ光源１０１の発光面までの距離に相当する焦点距離を有している。よって、ＬＥＤ光源１０１から出射された光は、図１（ｂ）に示すように、フレネルレンズ１０５に入射したのち、平行光となって画像表示部側導光板１０６に入射する。

また、ＬＥＤ光源１００から出射された光は、フレネルレンズ１０５の光軸から偏芯した位置に配置されていることになるので、フレネルレンズ１０５から出射される際は、ＬＥＤ光源１０１からの光同様平行光にはなるが、ＬＥＤ光源１０１から出射された光とは異なった角度の入射角を持つ関係となる。

ＬＥＤ光源１０２についても、ＬＥＤ光源１０１を通るシステム光軸１０７に対し偏芯した位置にあることから、ＬＥＤ光源１００に対する作用と同様のことが言える。

なお、ここでシステム光軸とは、光学システムを構成する光源やレンズ等の光学部品を通る主光線が形成する軸のことを指す。

すなわち、フレネルレンズ１０５は、ＬＥＤ光源１００、１０１、１０２からの出射光に対しテレセントリック光学系となっている。

ただし、上記フレネルレンズ１０５の作用は、ＬＥＤ光源１００、１０１、１０２から出射された光のうち、光源側導光板１０３の断面長辺方向の光に対する作用であり、光源側導光板１０３の断面短辺方向の光は、導光板内を全反射を繰り返して進んでフレネルレンズ１０５に至るが、フレネルレンズ１０５の作用を受けることなく、画像表示部側導光板１０６に入射する。

これらの光は、光源側導光板１０３内を全反射を繰り返して進み、フレネルレンズ１０５出射後は大きな角度で発散するので、フレネルレンズ１０５と画像表示部側導光板１０６は最小限の空気間隔を持って配置される。

また、同様の理由から、画像表示部側導光板１０６の板厚を光源側導光板１０３の板厚よりも厚く設定することが望ましい。

即ち、フレネルレンズ１０５は、通常レンズでいうと、導光板出射端面１０３ａの長手方向に曲率（Ｒ）を持ち、導光板出射端面１０３ａの短辺方向にパワーを持たないバイコニックレンズ（あるいはシリンドリカルレンズとも言う）である。

ここでフレネルレンズとしたのは、先に述べた様に、画像表示部側導光板１０６との空気間隔を最小限にして、かつ、上記導光板出射端面１０３ａの長辺方向のテレセントリック性を維持することから採用されている。

画像表示部側導光板１０６は、図２に示すように、画像表示素子の同じ色信号で駆動される画素の配列方向において、開口面積が画像表示部１１１の有効面積を包括する出射開口面１０６ａと、出射開口面１０６ａと対向する背面１０６ｂとを有し、背面１０６ｂにはくさび状の凹部１０６ｃが設けられている。

画像表示部側導光板１０６に入射した光は、出射開口面１０６ａと背面１０６ｂの間で全反射が繰り返される内に、くさび状の凹部１０６ｃの４５度の傾斜を持つ斜面１０６ｄで全反射せしめられ、出射開口面１０６ａから出射される。

このくさび状の凹部１０６ｃは、図２に示すように、導光板断面の長手方向にパワーを持たない形状となっていて、背面１０６ｂ上に離散的に設けられている。

本発明において、画像表示部側導光板１０６に求められる機能は、図１（ａ）の画像表示部１１１の方向には９０度光路を変更しながらも、図１（ｂ）に示す平面方向、即ち画像表示部の色分離方向については影響を与えない（各色光の入射角の違いを維持できる）ことが求められる。

よって、入射光の強度分布によっては、４５度の傾斜を持つ斜面１０６ｄの角度を場所によって最適化する、凹部１０６ｃの配置を部分的に密にする、あるいは疎にするということも必要になると考えられる。

画像表示部１１１は、図３に示すように、画像表示部側導光板１０６の出射開口面１０６ａからの光の入射側から、マイクロレンズアレイ１１２、入射側偏光板１１３、液晶パネルユニット１１４、出射側偏光板１１５、拡散層１１６の順に重ねられるように構成されている。

マイクロレンズアレイ１１２は、入射側、出射側に対になって、凸レンズの作用を持つ多数のマイクロレンズが備えられている。マイクロレンズは、液晶パネルユニット１１４の表示画素のうち、Ｒ、Ｇ、Ｂの組に対応する数だけ２次元的に配列されている。

このうち、出射側マイクロレンズ１１２ｂは、入射側マイクロレンズ１１２ａの主点位置に焦点位置を持つように設定されており、入射側マイクロレンズ１１２ａは、出射側マイクロレンズ１１２ｂと合成した系において、焦点位置が液晶パネルユニット１１４の画素開口部に相当するように設計されている。

このマイクロレンズアレイ１１２によって、ＬＥＤ光源１００、１０１、１０２からの光は、液晶パネルユニット１１４の画素開口部（図示せず）に集光する。これは画素開口部にＬＥＤ光源の発光体像を形成することを意味する。

即ち、青色光源の発光体像は青の色信号によって制御される画素開口部に、緑色光源の発光体像は緑の色信号によって制御される画素開口部に、赤色光源の発光体像は赤の色信号によって制御される画素開口部に形成されるように設定されている。

ただし、画像表示部側導光板１０６から出射される光は、画像表示素子の異なる色光を表示する画素方向については色毎に制御された光になっているが、同一色を表示する画素方向については分離制御されていないので、画素開口部に形成される光源像はこの方向については制御できず、連続した線状の像となる。

よって、マイクロレンズアレイ１１２を形成する入射側マイクロレンズ１１２ａと、出射側マイクロレンズ１１２ｂを形成する各レンズは、２次元方向でパワーを持つ必要はなく、図４の斜視図に示すように、液晶パネルユニット１１４の同一の色によって制御される画素開口方向にはパワーを持たない、かまぼこ状の形状のマイクロレンチキュラーレンズの集合体で形成することが出来る。

なお、球状レンズで形成することも出来るが、液晶パネルユニット１１４の同一の色によって制御される画素開口方向にはその光学的パワーの必要性はない。

図３に示すように、マイクロレンズアレイ１１２から出射された光は入射側偏光板１１３に入射する。入射側偏光板１１３に入射した光のうち、偏光板の透過軸と同じ偏光方向の光は透過し、吸収軸方向の光は吸収される。

入射側偏光板１１３を透過した光は、画像表示素子である液晶パネルユニット１１４に入射する。

液晶パネルユニット１１４は、現在市場に供給されている一般的な液晶パネルであり、Ｒ、Ｇ、Ｂ、３種の色信号別に独立制御可能な多数の画素が２次元的に配列されて成っている。

入射した光は、液晶層１１９を透過した後、カラーフィルター層１２０、ブラックマトリックス開口部１２１を透過し、出射側偏光板１１５に至る。

出射側偏光板１１５は、入射側偏光板１１３と９０度捻りの方向にその偏光軸を備えている。従って、液晶層１１９で偏光方向を９０度捻られた光は、出射側偏光板１１５を透過する。

この透過光は、保持材料に周辺と屈折率の異なるビーズ材料が練り込まれた拡散層１１６により、観察者に対して広い視野角を提供できる。

この拡散層は、表面を荒らした磨りガラス状のものでも代用できるが、前述の構成とすることで、外光を観察者側に返すことなく、装置内部側に外光を導き偏光板で吸収することから、外光を受けても画質を損なうことがない。

このように構成することで、ＬＥＤ光源からの各波長の光を、各色光に合わせた信号により駆動される画像表示素子の画素に導けることから、従来の白色光からカラー表示をする構成に対し、約３倍の発光の高効率化を望むことが出来る。

なお、ここでは液晶パネルユニット１１４にカラーフィルター層１２０を設けたが、理想的に色分離が出来れば、その必要はないことは言うまでもない。

カラーフィルター層１２０がなければ、コストのみならず透過率も向上することは明らかである。

この構成では、導光板の光進行方向に対して直交する断面で見たときに、長辺方向では導光板内で反射無く画像表示素子にまで到達するので、ＬＥＤ光源１００、１０１、１０２は同じ配光特性を持つことが望ましい。これが大きく崩れると、画像表示素子上のホワイトバランスが大きく変わってしまう可能性がある。

また、同じ理由から、ある色光を発するＬＥＤ光源の発光チップを複数近接させて、あたかも１チップのように扱う構成も取ることが出来る。このようにすることで、チップ１つ１つのバラツキに左右されず、平均的な特性を得ることが期待できる。

また、一般にＬＥＤ光源は非常に広い配光角を持つので、ＬＥＤ光源と光源側導光板１０３間はほとんど間隙を待たせないことが望ましい。あるいは、ＬＥＤ発光チップ上にフォトニック層を形成することで、配光角を正面に重心を持つようにして、光源側導光板１０３への入射効率を向上させることが出来る。

（実施の形態２）
本発明の第２の実施の形態によるディスプレイ装置の全体構成平面図を図５に示す。図において、実施の形態１と同じものは同一の符号を付し、説明を省略する。実施の形態１と異なるところは、実施の形態１では、ＬＥＤ光源１００、１０１、１０２を光源側導光板１０３端面に一直線に配置したが、図５に示すように、システム光軸１０７上の光源１０１は、システム光軸１０７に沿って光源側導光板１０３の入射面に対向して配置するが、ＬＥＤ光源１００、１０２は、出射光が画像表示素子中心部の方向に入射するよう、図の通り傾けて配置するようにした点である。

このようにすることで、画像表示素子上の各色光の照度バランスが取りやすくなり、色ムラの抑制が可能となる。

（実施の形態３）
本発明の第３の実施の形態によるディスプレイ装置の画像表示部の全体構成断面図を図６に示す。図において、実施の形態１と同じものは同一の符号を付し、説明を省略する。

前述の各実施の形態において、画像表示素子である液晶パネルは、扱える光の偏光方向は１方向なので、自然光を発するＬＥＤ光源を用いたこれらの構成では、その要素だけで半分の効率となってしまい損失が大きい。

本実施の形態の図６の構成では、画像表示部側導光板１０６の出射開口面１０６ａ側にλ／４板１２２、反射型偏光板１２３が配置されている。この反射型偏光板１２３の透過軸は画像表示部１１１の入射側偏光板１１３の透過軸と合っていることは言うまでもない。

この構成では、画像表示部側導光板１０６を出射した光は、λ／４板１２２を経て画像表示部１１１に入射する。反射型偏光板１２３に反射された光は直線偏光であるが、λ／４板１２２を透過して円偏光になり、導光板内で反射され、再度λ／４板１２２に入射するときには、反射により反対回転の円偏光となって戻る。この光はλ／４板１２２を透過することで、反射型偏光板１２３を透過する偏光光となる。

よって、反射型偏光板１２３を経て画像表示部１１１に入射することが可能となる。

よって、ＬＥＤ光源からの自然光を、偏光方向に関わらず有効に用いることが出来る。

（実施の形態４）
本発明の第４の実施の形態によるディスプレイ装置の全体構成断面図を図７に示す。図において、実施の形態１と同じものは同一の符号を付し、説明を省略する。

本実施の形態も、実施の形態３と同様、ＬＥＤ光源からの自然光を、偏光方向に関わらず有効に用いることが出来るようにするものである。

この構成においては、フレネルレンズ１０５と画像表示部側導光板１０６の間に、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１２４、λ／２板１２７が設けられている。

フレネルレンズ１０５を透過した光は、偏光ビームスプリッター１２４に入射する。入射した光は、斜めに設けられた偏光分離膜１２５に入射する。

この偏光分離膜１２５で、Ｐ偏光構成分はここを透過し、画像表示部側導光板１０６に入射することで、画像表示部に至る。

偏光分離膜１２５で、Ｓ偏光構成分は反射されて、偏光分離膜１２５と平行に配置された反射面１２４ａで折り返され、画像表示部側導光板１０６の手前に設けられたλ／２板１２７で、偏光方向を９０度回転される。この後、画像表示部側導光板１０６に入射する。

このようにして、ＬＥＤ光源からの光は、偏光分離膜１２５に対しＰ偏光の光に揃えられる。

この偏光方向が入射側偏光板１１３の透過軸方向と一致していれば、ＬＥＤ光源からの光を有効利用できる。

但し、偏光方向が不一致な場合は、入射側偏光板１１３に入射するまでの光路上にλ／２板を設けて、偏光方向を合致させることが必要なことは言うまでもない。

また、本実施の形態の構成をとった場合、画像表示部側導光板１０６の厚さは、光源側導光板１０３の厚さのおよそ２倍有ることが望ましい。

（実施の形態５）
本発明の第５の実施の形態によるディスプレイ装置の部分構成図を図８に示す。

前述の各実施の形態では光源をＬＥＤ光源としたが、図８に示すように、光源をレーザー光源に拡散手段を加えた形でも応用できる。

ここでは、赤、緑、青の各色用のレーザー１２８、１２９、１３０の光路上、光源側導光板１０３近傍に、それぞれＤＯＥ（回折光学素子）１３１、１３２、１３３を配置しても同様の効果を得ることが出来る。

レーザーを光源とする場合には、出力光は偏光性を有しているので、その振動方向と画像表示部１１１の入射側偏光板１１３の透過軸を合わせることで、入射側偏光板１１３で吸収される光を最小限にして効率向上を図ることが出来ることは言うまでもない。

（実施の形態６）
本発明の第６の実施の形態によるディスプレイ装置の全体構成図を図９に示す。図９（ａ）は断面図、図９（ｂ）は平面図である。

図において、ディスプレイ装置には、光源として、赤、緑、青光を発するＬＥＤ光源１００、１０１、１０２が配置されている。

ＬＥＤ光源１００、１０１、１０２の発光側前面に、わずかな間隙を持って光源側導光板１０３に、各色光の光路上に独立配置された凹レンズ１３４、１３５、１３６がそれぞれ近接して配置されている。

この凹レンズにより、ＬＥＤ光源からの光は短い距離で広い面積を照明することが可能となり、照明部の小型化が可能となる。

また、この凹レンズ１３４、１３５、１３６の際から、凹レンズの幅に合わせて光源側導光板１０３内部に複数のスリット１３７が設けられている。

光源側導光板１０３に入射した光は、このスリット１３７によりＬＥＤ光源からの光の最大広がり角を制御することが出来る。

さらに、スリット１３７の断面を黒色処理すれば迷光処理が可能となる。

また、光源側導光板１０３は画像表示部側導光板１０６に重ねられるように配置されており、光源側導光板１０３の端面に設けられたフレネルレンズ１０５と、画像表示部側導光板１０６の端面との間に、図に示すような、直角三角形の断面の三角柱形状を有する第１の折り返しプリズム１３８と第２の折り返しプリズム１３９が設けられている。

また、重ねて配置した２つの導光板間には迷光を遮断するための遮光板１４２が設けられている。

光源側導光板１０３に入射した光のうち、光源側導光板１０３の断面の短辺方向については導光板内を全反射を繰り返して進み、光源側導光板１０３の断面長辺方向の光は導光板内で反射されることなく進行し、光源側導光板１０３の端面１０３ａに設けられたフレネルレンズ１０５に入射する。

このフレネルレンズ１０５は、ＬＥＤ光源１０１の発光面までの距離に相当する焦点距離を有している。

よって、ＬＥＤ光源１０１の中心から出射された光は、図９（ｂ）に示すように、フレネルレンズ１０５に入射したのち、平行光となって第１の折り返しプリズム１３８に入射する。

第１の折り返しプリズム１３８は、図のように、斜面１３８ａを有しており、入射光を全反射して光路を変更する。入射光の反射面である斜面１３８ａへの入射角が全反射角に満たない光が多い場合には、斜面１３８ａにミラー形成が可能なことは言うまでもない。

第１の折り返しプリズム１３８を抜けた光は、わずかな間隙を介して第２の折り返しプリズム１３９に入射する。第２の折り返しプリズム１３９も、図のように、斜面１３９ａを有しており、入射光を全反射して光路を変更する。

第２の折り返しプリズム１３９で折り返された光は、間隙を経て画像表示部側導光板１０６に入射する。この後の構成、作用は他の実施の形態と同様であり、説明は省略する。

このようにして、２つの導光板間に折り返し部を設けることにより、装置全体を小型化しながらも、固体光源を用いた高効率画像表示装置を提供できる。

上述の説明において折り返しプリズム１３８、１３９の前後において間隙を設けたが、これが無くとも構成可能なことは言うまでもないが、一部の光が従来の折り返し無しの場合と異なる光路を通る（例えば斜面１３８ａを経ずに第２の折り返しプリズム１３９に入射する光路）場合、折り返さない場合に比較して画像表示素子に入射する入射角が異なると予想されるが、これが許容できるものであることが望ましい。

また、本実施の形態では、ＬＥＤ光源前面に配置する光学素子を凹レンズとしたが、図１０の光源部の別例構成図に示すように、光学素子をＦθレンズ１４３、１４４、１４５とすれば、各光源からの光のうち周辺の光の密度を高くし、周辺光の低下を抑える構成を取ることが出来る。

あるいは、図１１の光源部の別例構成図のように、マイクロプリズムや拡散材を練り込んだ材料等で構成可能な拡散板１４６、１４７、１４８を設けることによっても、周辺光量を補うことが可能である。この時の拡散方向は、特に導光板入射面長手方向とすることが望ましい。

光の折り返し方法については前述の形態のみならず、図１２の折り返し部別例構成図に示すように、画像表示部側導光板１０６の端面に、第１の折り返しプリズム１３８に対向して斜面１０６ｄを設ける、あるいは、第１の折り返しプリズム１３８と第２の折り返しプリズム１３９、さらに画像表示部側導光板１０６とを一体化して、境界での反射ロスを抑えることも可能である。

（実施の形態７）
本発明の第７の実施の形態によるディスプレイ装置の全体構成断面図を図１３に示す。

図１３に示すように、実施の形態６と同様、光源側導光板１０３は画像表示部側導光板１０６に重ねられるように配置されており、光源側導光板１０３の端面に設けられたフレネルレンズ１０５と、画像表示部側導光板１０６の端面との間に第１の折り返しプリズム１３８が設けられているが、実施の形態６と異なるところは、第２の折り返しプリズム１３９の代りに偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１４９とした点である。

図において、第１の折り返しプリズム１３８を抜けた光は、偏光ビームスプリッター１４９に入射する。入射した光は、斜めに設けられた偏光分離膜１５０に入射する。

この偏光分離膜１５０でＳ偏光構成分が反射され、画像表示部側導光板１０６に入射し、画像表示部１１１に至る。偏光分離膜１５０をＰ偏光構成分は透過して、偏光分離膜１５０と平行に配置された反射面１４９ａで折り返され、画像表示部側導光板１０６の手前に設けられたλ／２板１５１で偏光方向を９０度回転される。この後、画像表示部側導光板１０６に入射する。

このようにして、ＬＥＤ光源からの光は、偏光分離膜１５０に対しＳ偏光の光に揃えられる。この偏光方向が入射側偏光板１１３の透過軸方向と一致していれば、ＬＥＤ光源からの光を有効利用できる。

但し、偏光方向が不一致な場合は、入射側偏光板１１３に入射するまでの光路上にλ／２板を設けて、偏光方向を合致させることが必要なことは言うまでもない。

また、本実施の形態では、λ／２板１５１をＰ偏光側に設けたが、Ｓ偏光側（ＰＢＳ反射光路）に設けても同様な効果が得られることは言うまでもない。

このとき、画像表示部側導光板１０６の厚さは、光源側導光板１０３の厚さのおよそ２倍有ることが望ましい。

（実施の形態８）
本発明の第８の実施の形態によるディスプレイ装置の部分構成図を図１４に示す。

他の実施の形態と異なるところは、図１４に示すように、各色光を発する光源毎に出射面に近接して偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１５３、１５７、１６１が設けられている点である。

図において、偏光ビームスプリッター１５３、１５７、１６１に入射した各色光は、斜めに設けられた偏光分離膜１５４、１５８、１６２に入射する。この偏光分離膜１５４、１５８、１６２でＰ偏光構成分はここを透過し、光源側導光板１０３に入射し、画像表示部に至る。

偏光分離膜１５４、１５８、１６２でＳ偏光構成分は反射され、λ／２板１５５、１５９、１６３で偏光方向を９０度変換された後、各偏光分離膜と平行に配置された反射面１５６、１６０、１６４で折り返され、光源側導光板１０３に入射する。

このようにして、ＬＥＤ光源からの光は偏光分離膜に対しＰ偏光の光に揃えられる。この偏光方向が入射側偏光板１１３の透過軸方向と一致していれば、ＬＥＤ光源からの光を有効利用できる。但し、偏光方向が不一致な場合は、入射側偏光板１１３に入射するまでの光路上にλ／２板を設けて、偏光方向を合致させることが必要なことは言うまでもない。

この光源直後に偏光ビームスプリッターを配置する構成は他の実施の形態にも応用可能である。また、この際に前記偏光ビームスプリッター１５３、１５７、１６１と反射面１５６、１６０、１６４を形成するプリズム部の偏光分離膜面、反射面と直交する面（導光板短辺方向）においてもその面は平滑に仕上げられており、全反射可能になっていることで光源からの広がりが有る光も周囲に漏らすことなく伝搬する事が可能となる。

なお、本実施の形態でも光源をＬＥＤ光源としたが、図１５の光源部の別例構成図に示すように、光源をレーザー光源に拡散手段を加えた形でも応用できる。

ここでは、赤、緑、青の各色用のレーザー１２８、１２９、１３０の光路上の光源側導光板近傍に、それぞれＤＯＥ（回折光学素子）１３１、１３２、１３３を配置し、同様の効果を得ることが出来る。

レーザーを光源とする場合には、出力光は偏光性を有しているので、その振動方向と画像表示部１１１の入射側偏光板１１３の透過軸を合わせることで、入射側偏光板１１３で吸収される光を最小限にして効率向上を図ることが出来ることは言うまでもない。

以上のように、本発明のディスプレイ装置は、光源からの光を効率よく用いることで消費電力を最小限に抑えることが可能となり、特に、冷陰極管に比べて発光効率の劣るＬＥＤをバックライト用光源として使用するディスプレイ装置に有用である。

本発明の第１の実施の形態によるディスプレイ装置の全体構成図 同ディスプレイ装置の画像表示部側導光板の詳細図 同ディスプレイ装置の液晶表示部周辺の構成断面図 同ディスプレイ装置のマイクロレンチキュラーレンズの集合体の斜視図 本発明の第２の実施の形態によるディスプレイ装置の全体構成平面図 本発明の第３の実施の形態によるディスプレイ装置の画像表示部の全体構成断面図 本発明の第４の実施の形態によるディスプレイ装置の全体構成断面図 本発明の第５の実施の形態によるディスプレイ装置の部分構成図 本発明の第６の実施の形態によるディスプレイ装置の全体構成図 同ディスプレイ装置の光源部別例構成図 同ディスプレイ装置の光源部別例構成図 同ディスプレイ装置の折り返し部別例構成図 本発明の第７の実施の形態によるディスプレイ装置の全体構成断面図 本発明の第８の実施の形態によるディスプレイ装置の部分構成図 同ディスプレイ装置の光源部別例構成図

符号の説明

１００、１０１、１０２ ＬＥＤ光源
１０３ 光源側導光板
１０３ａ 端面
１０５ フレネルレンズ
１０６ 画像表示部側導光板
１０６ａ 出射開口面
１０６ｂ 背面
１０６ｃ 凹部
１０６ｄ 斜面
１０７ システム光軸
１０８ 有効表示領域
１１１ 画像表示部
１１２ マイクロレンズアレイ
１１２ａ 入射側マイクロレンズ
１１２ｂ 出射側マイクロレンズ
１１３ 入射側偏光板
１１４ 液晶パネルユニット
１１５ 出射側偏光板
１１６ 拡散層
１１９ 液晶層
１２０ カラーフィルター層
１２１ ブラックマトリックス開口部
１２２、１２７、１５１、１５５、１５９、１６３ λ／２板
１２３ 反射型偏光板
１２４、１４９、１５３、１５７、１６１ 偏光ビームスプリッター
１２４ａ、１４９ａ、１５６、１６０、１６４ 反射面
１２５、１５０、１５４、１５８、１６２ 偏光分離膜
１２８、１２９、１３０ レーザー
１３１、１３２、１３３ ＤＯＥ
１３４、１３５、１３６ 凹レンズ
１３７ スリット
１３８ 第１の折り返しプリズム
１３８ａ、１３９ａ 斜面
１３９ 第２の折り返しプリズム
１４２ 遮光材
１４３、１４４、１４５ Ｆθレンズ
１４６、１４７、１４８ 拡散板

Claims (32)

1. 色毎に独立して透過する光量を制御可能な開口が多数２次元に配列された画像表示素子と、凸レンズの作用を持つマイクロレンズを表裏１対として多数２次元的に配置して成る色分離光学系と、異なる色光毎に主光線を異なる角度で前記色分離光学系へ導光入射せしめる照明光学系と、異なる色光を発する各色用光源で構成される光源部とからなり、
   前記照明光学系は前記色分離光学系の入射側背面に配置された第１の導光部と、前記光源部に近接する第２の導光部とからなり、前記第１の導光部と前記第２の導光部間には、前記第２の導光部からの光の進行方向に対し直交する方向において前記第１の導光部の断面を見た際の長手方向について前記主光線を平行化するテレセントリック光学系が配置されてなることを特徴とするディスプレイ装置。
2. 前記光源部からの出射光光路上において、前記第２の導光部に入射する際に、各色光毎にレンズ作用を有する光学素子が設けられていることを特徴とする請求項１記載のディスプレイ装置。
3. 前記光学素子は光線高の高い光線について収差を利用して光線密度を上げるFθレンズの機能を有していることを特徴とする請求項２記載のディスプレイ装置。
4. 前記各色用光源出射面と前記第２の導光部間には、前記各色用光源からの配光特性を改善する光拡散素子が配置されていることを特徴とする請求項１記載のディスプレイ装置。
5. 前記各色用光源のうち、システム光軸上にない光源は、出射光がシステム光軸側に寄るように傾けて配置されていることを特徴とする請求項１記載のディスプレイ装置。
6. 前記各色用光源は、複数の発光部が近接して配置されてなることを特徴とする請求項１記載のディスプレイ装置。
7. 各色光用光源は、同一発光色の光源が複数近接して配置、構成されて成ることを特長とする請求項６記載のディスプレイ装置。
8. 前記画像表示素子の各開口には、変調する色光のみを選択透過できるフィルターが備えられていることを特徴とする請求項１記載のディスプレイ装置。
9. 前記第１の導光部と前記第２の導光部間に配置された前記テレセントリック光学系は、フレネルレンズであることを特徴とする請求項１記載のディスプレイ装置。
10. 前記フレネルレンズは、出射方向に曲率を持ち、出射方向と直交する方向にパワーを持たないバイコニックレンズであることを特徴とする請求項９記載の照明装置。
11. 前記第１の導光部と前記第２の導光部間に配置された前記テレセントリック光学系は、光の進行方向に対し直交する方向において、前記光源までの距離と同等の長さの焦点距離を有する光学素子であることを特徴とする請求項１記載のディスプレイ装置。
12. 前記第１の導光部および第２の導光部は、それぞれ矩形の平板形状を有し、前記第２の導光部の１端面側に前記光源部が配置され、前記光源部側端面と対向する端面側にテレセントリック光学系を挟んで前記第１の導光部が前記第２の導光部と平面的に並べて配置されてなる請求項１記載のディスプレイ装置。
13. 前記第１の導光部および第２の導光部は、それぞれ矩形の平板形状を有し、前記第２の導光部の１端面側に前記光源部が配置され、前記第１の導光部が前記第２の導光部と空気間隔を隔て平行に重ねて配置されてなる請求項１記載のディスプレイ装置。
14. 第１の導光部および第２の導光部は、それぞれ所定の厚さを有し、前記第２の導光部の厚さは、前記第１の導光部の厚さよりも厚く設定されたことを特徴とする請求項１２または１３記載のディスプレイ装置。
15. 前記第１の導光部または前記第２の導光部の端部に、光路を折り返す斜面を有する三角断面形状のプリズムが配置されていることを特徴とする請求項１３記載のディスプレイ装置。
16. 前記第１の導光部は、光の入射側端部に光路を折り返す斜面を有していることを特徴とする請求項１３記載のディスプレイ装置。
17. 前記テレセントリック光学系出射部に前記プリズムが近接配置されていることを特徴とする請求項１５記載のディスプレイ装置。
18. 重ねて配置された前記第１の導光部と第２の導光部間には遮光材料が配置されていることを特徴とする請求項１３記載のディスプレイ装置。
19. 前記第１の導光部は、端面から入射した光のうち、前記画像表示素子の色光に対応する開口のうち同一の色光を扱う開口の配列方向に相当する方向では反射し、進行方向を略９０度変更することを特徴とする請求項１記載のディスプレイ装置。
20. 前記第１の導光部は、端面から入射した光のうち、前記画像表示素子の色光に対応する開口のうち同一の色光を扱う開口の配列方向に直交する方向では、光の進行に作用を与えない構成を有していることを特徴とする請求項１記載のディスプレイ装置。
21. 前記各色用光源は、類似の配光特性を有していることを特徴とする請求項１記載のディスプレイ装置。
22. 前記各色用光源からの出射角を制御するためのスリットが、前記第２の導光部の光源側端面からシステム光軸と平行に設けられていることを特徴とする請求項１記載のディスプレイ装置。
23. 前記各色用光源は、発光ダイオード（ＬＥＤ）であることを特徴とする請求項１記載のディスプレイ装置。
24. 前記各色用光源は、その表面にフォトニック結晶層を備えてなることを特徴とする請求項２３記載のディスプレイ装置。
25. 前記第１の導光部と前記画像表示素子間には、λ／４板、反射型偏光板が備えられており、前記反射型偏光板が透過する光の偏光方向が、前記画像表示素子が変調に用いる光の偏光方向と一致することを特徴とする請求項１記載のディスプレイ装置。
26. 前記テレセントリック光学系と前記第１の導光部の間にＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）が配置されており、前記テレセントリック光学系から出射された光は前記ＰＢＳに入射、そのうちＰ偏光成分は前記ＰＢＳの第１の反射面を透過し前記第１の導光部に入射、Ｓ偏光成分は前記第１の反射面で反射され、前記第１の反射面と平行に設けられた第２の反射面で反射され、前記第１の導光部との間に設けられたλ／２板に入射して偏光方向を９０°変換された後、前記第１の導光部に入射するよう構成されていることを特徴とする請求項１２記載のディスプレイ装置。
27. 前記プリズムと前記第１の導光部の間にＰＢＳが配置されており、前記プリズムから出射された光は前記ＰＢＳに入射、そのうちＳ偏光成分は前記ＰＢＳの第１の反射面で反射されて前記第１の導光部端面に入射、Ｐ偏光成分は前記第１の反射面を透過し、前記第１の反射面と平行に設けられた第２の反射面で反射され、前記第１の導光部との間に設けられたλ／２板に入射して偏光方向を９０°変換された後、前記第１の導光部に入射するよう構成されていることを特徴とする請求項１７記載のディスプレイ装置。
28. 前記各色用光源と前記第２の導光部の間にＰＢＳが色毎に配置されており、前記ＰＢＳに対しＰ偏光成分は透過し前記第２の導光部に入射、前記第２のＰＢＳに対しＳ偏光成分は反射されたのち、前記ＰＢＳ反射面と平行に設けられた反射面で反射され、前記第２の導光部に入射することを特徴とする請求項１記載のディスプレイ装置。
29. 前記ＰＢＳと前記第２の導光部の間にはλ／２板が設けられており、前記λ／２板を透過する光は偏光方向を９０°変換されるよう構成されていることを特徴とする請求項２８記載のディスプレイ装置。
30. 前記ＰＢＳの入射面および反射面と直交する面においても平滑な面が形成されており、全反射可能であることを特徴とする請求項２８記載のディスプレイ装置。
31. 前記各色用光源は、レーザー光源と光拡散手段とからなることを特徴とする請求項１記載のディスプレイ装置。
32. 前記光拡散手段は、ＤＯＥ素子であることを特徴とする請求項３１記載のディスプレイ装置。

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