JP2012114008A - バックライト装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザー光などのコヒーレント光を光源に用いたバックライト装置において、スペックルノイズを効果的に不可視化する。
【解決手段】本発明に係るバックライト装置は、端部が偏向部にて偏向可能に支持されるとともに、コヒーレント光源からの入射光を光拡散素子側に射出する光ファイバーと、支持する光ファイバーの端部を偏向させて、光ファイバーからの射出光を走査する偏向部と、各点に入射する光ファイバーからの射出光が、略同一の照明領域を照明するように、光ファイバーからの射出光を拡散させる光拡散素子を備えることを特徴としている。
【選択図】図１

Description

本発明は、液晶表示装置など各種表示装置において照明として用いられるバックライト装置に関するものであって、特に、レーザー光のようなコヒーレント光を用いるバックライト装置に関するものである。

液晶表示装置などに用いられるバックライト装置として、面内に複数の光源を配置する直下型バックライト方式が知られている。現在、このようなバックライト装置の光源として、ＬＥＤが主流となっている。

光源にＬＥＤを用いた方式では、ＬＥＤが均一拡散照明であるため、ＬＥＤの配光特性をコントロールする必要があるが、バックライト面に対して平行に近くなる角度の光は効果的に取り出すことが難しい。次世代光源として期待されているレーザー光は直進性に優れるため、ＬＥＤに比べて光入射効率を上げることができると考えられる。しかしながら、レーザー光を光源として用いた場合、コヒーレンスの高さに起因するスペックルノイズが発生し、映像を見難くしてしまう欠点がある。

スペックルノイズは、コヒーレントなレーザー光を光源とした場合、照射対象表面の微少凹凸からの散乱光が干渉することで生ずる斑点状の画像ノイズである。このスペックルノイズを低減するため、レーザー光が通過する拡散板を振動させる、レーザースペクトルの波長スペクトルを拡大する、レーザー光の照射対象となるスクリーン自体を振動させるなど、各種試みが行われている。このようなスペックルノイズ低減の試みとして、特許文献１には、コヒーレント光が通過する拡散素子を回転運動させることで、スペックルノイズの低減を図る無スペックル・ディスプレイ装置が開示されている。

特開平６−２０８０８９号公報 特開平６−３０１３２２号公報

しかしながら、特許文献１に開示されるスペックルノイズ低減方法では、拡散素子到達前に生じていたスペックルノイズ（干渉パターン）は平均化できるが、拡散中心からスクリーンへの入射光線角度はスクリーン上のいずれの点においても不変であるためスクリーン各点の光散乱特性も一定となり、結果としてスクリーン上で発生するスペックルノイズの除去効果は殆ど得られないという問題があった。

本発明は、バックライト装置におけるスペックルノイズ発生の問題を鑑み、スペックルノイズの新たな低減方式を提案するものである。具体的には、照射対象となるスクリーン面内で光の入射角度を時間的に変化させ、スペックルノイズを低減させる方式をとるものである。

そのため、本発明に係るバックライト装置は、複数の単位バックライトを備えたバックライト装置であって、前記単位バックライトは、光ファイバー、偏向部、光拡散素子を備え、前記光ファイバーは、その端部が前記偏向部にて偏向可能に支持されるとともに、コ
ヒーレント光源からの入射光を光拡散素子側に射出し、前記偏向部は、支持する前記光ファイバーの端部を偏向させて、前記光ファイバーからの射出光を走査し、前記光拡散素子は、その各点に入射する前記光ファイバーからの射出光が、略同一の照明領域を照明するように、前記光ファイバーからの射出光を拡散させることを特徴とするものである。

さらに、本発明に係るバックライト装置において、前記光拡散素子は、ホログラムであって、その各点に入射する前記光ファイバーからの射出光が、同一の拡散板像を形成することで略同一の照明領域を照明することを特徴とするものである。

さらに、本発明に係るバックライト装置において、前記ホログラムは、照明領域と同じ場所に位置する拡散板からの光を物体光に用い、前記光ファイバーにて走査される射出光と共役な光を参照光に用いて記録されることを特徴とするものである。

さらに、本発明に係るバックライト装置において、前記光拡散素子は、レンズアレイであることを特徴とするものである。

さらに、本発明に係るバックライト装置において、隣接する前記単位バックライトにて形成される照明領域は、互いに隣接もしくは重なっていることを特徴とするものである。

さらに、本発明に係るバックライト装置において、前記光拡散素子は、前記単位バックライト間において共通の部材で構成されることを特徴とするものである。

さらに、本発明に係るバックライト装置において、前記偏向部は、複数の前記単位バックライト間で連動して偏向することを特徴とするものである。

以上、本発明のバックライト装置によれば、簡易な構成にて、スペックルノイズを効果的に不可視化することが可能となる。また、光源に直進性の高いレーザー光を用いたことにより、光利用効率を高めることができる。さらに、レーザー光は単一波長発振であるため、複数色のレーザー光を用いた場合において色再現領域の拡大を図ることも可能となる。

本発明の実施形態に係るバックライト装置の構成を示す図。 本発明の実施形態に係る射出光形成の様子を示す図。 本発明の実施形態に係る偏向部の構成を示す図。 本発明の実施形態に係る射出光走査の様子を示す図。 本発明の実施形態に係る照明領域形成の様子を示す図。 隣接する照明領域の位置関係を説明するための図。 本発明の実施形態に係るホログラムを記録する際の構成を示す図。 本発明の他の実施形態に係るバックライト装置の構成を示す図。 本発明の他の実施形態に係る照明領域形成の様子を示す図。

図１は、本発明の実施形態に係るバックライト装置の構成を示す図であり、図２は、本発明の実施形態に係る射出光形成の様子を示す図である。図１に示されるように本実施形態に係るバックライト装置は、主要な構成として、光拡散素子としてのホログラム１、ホログラム１の裏面に複数配置された偏向部２ａ〜２ｄを備えて構成されている。なお、便宜上、偏向部２ａ〜２ｄの軸方向をＸ軸、複数の偏向部２ａ〜２ｄが配置される方向（図１の紙面奥行き方向）をＹ軸、バックライト装置としての前面をＺ軸とにとる。

ホログラム１は、Ｘ−Ｙ平面に平行であって、偏向部２ａ〜２ｄの前面に配置される。本実施形態では、１枚のホログラム上に複数の記録領域が形成されている。この記録領域は、単位バックライト毎に設けられる。光拡散素子としてホログラム１を用いたが、同様の特性を有する光学素子であれば、レンズアレイ、もしくは、通常の拡散板などを用いることとしてもよい。なお、使用するホログラム１としては体積型ホログラムを用いることが好ましい。体積型ホログラムは、内部に形成された干渉縞で回折光を生じさせるため、表面に凹凸を設ける必要が無く、ホログラムにて二次的に発生するスペックルノイズを抑えることができる。さらに、体積型ホログラムは、回折効率を高く設定することができ、０次透過光を効果的に抑制することができるため、意図する拡散板像を的確に再生することも可能となる。

図２は、図１にてホログラム１の背面に設置された偏向部２ａの一部を詳細に示した図であって、ホログラム１に対する射出光形成の様子が示されている。偏向部２は、回動軸２１と、回動軸２１上部に所定間隔を置いて形成された光ファイバー支持部２２を備えて構成されている。この光ファイバー支持部２２には、端部中心位置に光ファイバー端部３１を固定するための孔が形成されており、この孔にて光ファイバー端部３１の位置決めが行われる。光ファイバー３の他端にはレーザー光源（コヒーレント光源）が接続され、各光ファイバー端部３１からホログラム１側に対して射出光を出力する。光ファイバー端部３１、光ファイバー端部３１を偏向させる偏向部２、拡散板像が記録されたホログラム１で単位バックライトが構成される。各光ファイバー端部３１への導光の手法、並びに、光ファイバー支持部２２への光ファイバー端部３１の固定手法は、このような実施形態に限ることなく適宜手法を採用することが可能である。

回動軸２１は、図に矢印で示すように軸中心に所定の回動範囲を回動する。光ファイバー支持部２２にて支持された光ファイバー端部３１は円弧を描くように偏向し、光ファイバー端部３１から照射される射出光は、所定周期でホログラム１の裏面を走査する。回動軸２１の回動は、モーターやカムなどで構成された回動機構にて回動される。このように複数の光ファイバー支持部２２を１つの回動軸２１にて回動させることで、構成の共通化を図り、装置の小型・簡素化を図ることが可能となる。回動機構は、Ｙ軸方向に配列された複数の偏向部２ａ〜２ｄについて共通化を図ることとしてもよい。

図３は、本発明の実施形態に係る偏向部の構成を示す図であって、偏向部２上に配置された光ファイバー支持部２２の１つをＸ軸方向から眺めた図となっている。図に示されるように偏向部２は、回動軸２１の回動中心Ｏを中心として、図示するような回動範囲にて回動を行う。偏向部２の回動により光ファイバー支持部２２に支持された光ファイバー端部３１は、円弧を描いて向きを変え、射出される射出光をホログラム１の裏面にて走査させる。なお、偏向部２の周期は、使用する画像表示装置のフレームレート程度（例えば、３０ｆｐｓ）の周期で十分である。

図４は、本発明の実施形態に係る射出光走査の様子を示す図であって、ホログラム１の裏面走査時における走査端部付近での様子が示されている。図に示されるように、光ファイバー端部３１からの射出光は、ホログラム１の裏面を走査する。射出光を再生照明光として受け取ったホログラム１で、拡散板像を回折光として再生する。本実施形態では、透過型ホログラムを採用するため、拡散板像は、光ファイバー端部３１とは反対側に形成される。ホログラム記録時には、どの角度の再生照明光に対しても同一の拡散板像を再生するように記録されている。そのため、偏向部２がどの向きにあってもホログラム１からは同じ拡散板像が再生される。なお、このようなホログラム１の記録（作成）方法については後ほど説明を行う。

一方、この拡散板像の一点に注目してみると、ホログラム１からの射出光は時間的に入射角度が変化して形成されることが分かる。例えばこの拡散板像の位置にスクリーンを配置すれば、スクリーンへの光の入射角が時間的に異なるため、スペックルノイズが平均化され、非コヒーレント光源を用いた場合と同等の画質を得ることができる。

なお、本実施形態では、光拡散素子としてホログラム１（透過型ホログラム）を使用することとしたが、ホログラム１を使用することで再生像として常に同一の拡散板像を形成し、設計者が意図する照明領域を安定して形成することが可能となる。また、ホログラム１を採用したことで、ホログラム１に入射するビーム断面の形状、並びに、ビームの入射角度の自由度を高めることが可能となっている。光拡散素子としては、このようなホログラム１以外に、微細なレンズがアレイ上に配列されて構成されたレンズアレイ、あるいは、通常の拡散板などを用いることができる。

本発明では、何れの光拡散素子であっても、光ファイバー端部３１からの射出光が照射された場合に、略同一の照明領域を照明するものであれば事足りる。なお、照明領域に関して、ホログラムを使用する場合には完全に同一、あるいは、略同一の照明領域を形成することが可能であるが、レンズアレイや拡散板を使用する場合には、完全に同一の照明領域を形成することは困難であるため、光拡散素子の各点が、被照明領域全体を照射する程度であることをもって略同一であるとしている。

照明領域（拡散板像）の位置には、画像情報に基づいて画像を形成する液晶パネルなどが配置される。このように、スペックルノイズを十分に低下させることのできるバックライト装置を用いることで、画像形成装置の高画質を図ることが可能となる。

図５は、本発明の実施形態に係る照明領域形成の様子を示す図であって、１つの光ファイバー端部３１、すなわち、単位バックライトが形成する照明領域をＺ軸方向から眺めた図となっている。ホログラム１の形成領域は、偏向部２による光ファイバー端部３１からの射出光の走査範囲を包含するように配置される。光ファイバー端部３１からの射出光がどの位置にあっても、図４にて説明した拡散板像を再生することができる。これはＹ軸方向のみならず、Ｘ軸、すなわち、照射光の幅方向についても同様である。

ホログラム１に照射された射出光は、Ｘ−Ｙ平面において、照明領域（拡散板像）を形成する。図６は、隣接する照明領域の位置関係を説明するための図である。本実施形態では、隣接する照明領域の一部が互いに重なるように構成されている。図では注目する照明領域が中心に記載されており、注目する照明領域の周囲には隣接する照明領域との重複領域が斜線にて示されている。本実施形態では、このように隣接する照明領域を互いに重ねることで、バックライト装置の全面において漏れのない照明領域を形成することが可能となっている。なお、互いに重ねずとも照明領域を略隣接させることとするものであってもよい。また、本実施形態では、各偏向部２ａ〜２ｃの間で隣接する照明領域が上下に位置するようにしたが、隣接する照明領域が互いにずれて配置させるものであってもよい。

図７は、本発明の実施形態に係るホログラムを記録（作成）する際の構成（干渉露光）を示す図である。拡散板５１の背面側からレーザー光を照射し、前方に拡散した物体光Ｏｂをホログラム記録材料１１の一方の面から入射させる。その際、拡散板５１の各点からの拡散光は、ホログラム記録材料１１の少なくとも使用領域全面を照明するよう拡散させる。そして、ホログラム記録材料１１の同じ面から、集光光学系５２にて集光した参照光Ｒが照射される。集光光学系５の焦点位置は、再生時の光ファイバー３による照射光発散点と一致するように配置されている。物体光Ｏｂと参照光Ｒを同時に入射させ、ホログラム記録材料１１中で干渉させる。ホログラム記録材料１１は加熱、紫外線照射等の後処理を得て面上の各点において、同じ位置に拡散板像を再生する透過型ホログラムが作成され
る。

作成されたホログラムを、単位バックライト毎に配置することでバックライト装置に実装することとしてもよいが、作成されたホログラムを、図１に示すようなバックライト装置全面をカバーする１枚の記録材料上にアレイ状に配置して、当該記録材料を露光させ、拡散板像を再生する領域が複数形成された１枚のホログラムを作成することが好ましい。複数のホログラムを配置する場合と比べ、各ホログラムの位置決めを行う必要が無い。さらに、このホログラムを複製することで生産性を高めることが可能となる。

図のＡには、参考として、ホログラム再生時における偏向部２の様子を示している。参照光Ｒと共役（方向が同じで向きが反対）となる光（再生照明光）を、偏向部２による光ファイバー端部３１からの射出光の走査にて形成することで、拡散板５１の像（拡散板像）を再生することが可能となる。本実施形態では、物体光Ｏｂと参照光Ｒとを干渉させることで干渉縞の記録（干渉露光）を行うこととしたが、計算機にて計算された干渉縞を直接、記録材料１１に記録する、いわゆる計算機ホログラムを採用するものであってもよい。

表１には、各種条件下におけるスペックルコントラストが示されている。（１）、（２）は、比較のためであって、それぞれ、レーザー平行光のみの場合、単色ＬＥＤを用いた場合の測定結果である。（３）、（４）は、本発明の実施形態に係る測定結果であって、それぞれ、光拡散素子として体積型ホログラム、計算機ホログラムを用いた場合の測定結果である。スペックルコントラストは、以下の数式（１）にて表される。なお、測定には、光源としてＤＰＳＳレーザー（５３２ｎｍ）を用いて映像をスクリーンに投影した。この測定で使用した体積型ホログラムは、拡散角、すなわち、スクリーンの一点に入射する光線群が形成する円錐の頂角は２０°となるように作成されたものである。そして、各ホログラムの記録材料には、５３２ｎｍに感度を持つフォトポリマー材料（先行技術文献としてあげた特許文献２の実施例１に記載の材料）を使用している。
ＳＣ＝σ／Ｉ×１００
＝１／（Ｍｏｄｅｓ）^0.5×１００ ・・・（１）
ＳＣ：スペックルコントラスト
σ ：輝度の標準偏差
Ｉ ：輝度平均値
Ｍｏｄｅｓ：パターンの数（統計的に独立しているスペックルの数）

レーザー平行光の場合が約２０、単色ＬＥＤが４であるのに対し、本発明の光拡散素子（体積型ホログラム、計算機ホログラム）の場合では４未満と極めて良好な結果を得ることができた。単色ＬＥＤの場合よりさらにスペックルコントラストが良好である点については、単色ＬＥＤの照明には光拡散素子を用いていないため、光拡散素子を用いた場合と比較して若干の輝度ムラがあると考えられる。

以上、本発明の実施形態について、光拡散素子として透過型ホログラム１を採用した場合を例にとって説明したが、光拡散素子には、この他、レンズアレイ、あるいは、通常の拡散板を使用することも可能である。また、ホログラムは、透過型のもののみならず、反射型のものなどを採用することも可能である。

図８、図９は、光拡散素子として反射型ホログラムを用いた実施形態を示す図であって、図８には、図１と同様のバックライト装置の構成を示す図が、図９には、照明領域形成の様子を示す図が示されている。図８に示されるように、透過型ホログラムを用いた場合と比較して、光学拡散素子としてのホログラム１は、偏向部２に対して反対側、すなわち、バックライト装置としての照射方向とは反対側に配置される。偏向部２の詳細については、回動方向、並びに、回動範囲が異なるのみであって、構成の概略は図２で説明したのと略同様である。

図９は、このバックライト装置の構成の一部をＸ軸方向から眺めた図となっている。各偏向部２ａ、２ｂに配置された光ファイバー支持部２２ａにて支持される光ファイバー端部からは、ホログラム１に向かう射出光が出力される。偏向部２ａ、２ｂによる光ファイバー端部にて時間的に偏向させることで、射出光はホログラム１上の所定領域を走査する。例えば、光ファイバー支持部２２ａからの射出光は、ホログラム１の領域１ａを走査し、光ファイバー支持部２２ｂからの射出光は、ホログラム１の領域１ｂを走査する。

各領域１ａ、１ｂには、それぞれ拡散板像としての照明領域ａ、照明領域ｂが記録されており、光ファイバー端部からの射出光を再生照明光としてこれらを再生する。本実施形態では、照明領域ａ、ｂを隣接させることで、全体として漏れのないバックライト照明を行うこととしているが、前実施形態と同様、照明領域を部分的に重複させるものであってもよい。また、各偏向部２ａ、２ｂが回動した場合にも光路を阻害しないような位置関係とすることが好ましい。本実施形態では、照明領域ａ、ｂ対してホログラム１の領域１ａ、１ｂをＹ軸方向に関して小さくすることで、Ｙ軸方向で隣り合う単位バックライトが形成する光路の間に偏向部２ａ、２ｂが収まる空間（図９において２１、２１が収まる三角形の空間）を形成し、偏向部２ａ、２ｂが回動した場合にも光路を阻害しない構成としている。

このように光拡散素子として反射型ホログラムを採用した場合にも、照明領域（拡散板像）は、時間的に角度が変化するホログラム１からの再生光にて形成されることとなるため、コヒーレント光源であることを起因に生じるスペックルノイズを効果的に抑えることが可能となる。

なお、本発明はこれらの実施形態のみに限られるものではなく、それぞれの実施形態の構成を適宜組み合わせて構成した実施形態も本発明の範疇となるものである。

１…ホログラム（光拡散素子）
１１…記録材料
２…偏向部
２１…回動軸
２２…光ファイバー支持部
３…光ファイバー
３１…光ファイバー端部
４…レーザー光源（コヒーレント光源）
５１…拡散板
５２…集光光学系

Claims (7)

1. 複数の単位バックライトが並列して配置されるバックライト装置であって、
   前記単位バックライトは、光ファイバー、偏向部、光拡散素子を備え、
   前記光ファイバーは、その端部が前記偏向部にて偏向可能に支持されるとともに、コヒーレント光源からの入射光を光拡散素子側に射出し、
   前記偏向部は、支持する前記光ファイバーの端部を偏向させて、前記光ファイバーからの射出光を走査し、
   前記光拡散素子は、その各点に入射する前記光ファイバーからの射出光が、略同一の照明領域を照明するように、前記光ファイバーからの射出光を拡散させることを特徴とする
   バックライト装置。
2. 前記光拡散素子は、ホログラムであって、その各点に入射する前記光ファイバーからの射出光が、同一の拡散板像を再生することで略同一の照明領域を照明することを特徴とする
   請求項１に記載のバックライト装置。
3. 前記ホログラムは、照明領域と同じ場所に位置する拡散板からの拡散光を物体光に用い、前記光ファイバーにて走査される射出光と共役な光を参照光に用いて記録されることを特徴とする
   請求項２に記載のバックライト装置。
4. 前記光拡散素子は、レンズアレイであることを特徴とする
   請求項１に記載のバックライト装置。
5. 隣接する前記単位バックライトにて形成される照明領域は、互いに隣接もしくは重なっていることを特徴とする
   請求項１から請求項４の何れか１項に記載のバックライト装置。
6. 前記光拡散素子は、前記単位バックライト間において共通の部材で構成されることを特徴とする
   請求項１から請求項５の何れか１項に記載のバックライト装置。
7. 前記偏向部は、複数の前記単位バックライト間で連動して偏向することを特徴とする
   請求項１から請求項６の何れか１項に記載のバックライト装置。

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