JP4811825B2

JP4811825B2 - 複合光分割デバイス

Info

Publication number: JP4811825B2
Application number: JP2008262019A
Authority: JP
Inventors: 企桓李; 友南鮑; 暉雄林
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2008-06-24
Filing date: 2008-10-08
Publication date: 2011-11-09
Anticipated expiration: 2028-10-08
Also published as: JP2010008995A; US20090316274A1; TWI354809B; TW201000949A; US7907343B2

Description

本発明は、一般に、画像表示装置に使用して、光を異なる波長を有する複数の光ビームに分割する複合光分割デバイスに係る。

光分割デバイスは、白色光を赤色（Ｒ）光ビーム、緑色（Ｇ）光ビーム、及び青色（Ｂ）光ビーム、又は、他の色の光ビームに分割することを主な目的とする。光分割メカニズムの設計と光分割デバイスの構造は、かかる光分割デバイスが用いられる装置により異なる。従来技術では、赤色光、緑色光、及び青色光は、各色のカラーフィルタ（ＣＦ）により得ることができる。

フラットディスプレイでは、しばしば、バックライト光源を空間光変調器及びカラーフィルタとともに用いてフルカラー画像を表示する。カラーフィルタは、デジタルカメラの画像センサにおいても色差計算と組み合わせて用いられ、それにより、元の対象の色を再現する。カラービデオカメラ又はバックプロジェクションＴＶのような大型システムでは、３プレート又は２プレートのプリズムセット、若しくはカラーフィルタをコリメート光源と組み合わせて用いてフルカラー画像を表示する。カラーフィルタがこのようなシステムに用いられる場合、各シェーディング画素（shading pixel）はＲＧＢ３原色のうちの単一の原色しか提示することができないので、入射白色光のエネルギーの約３分の２は吸収されてしまい、光の利用効率が低下し、電池の寿命も短くなる。更に、カラーフィルタの製造は複雑で、各原色につき２以上の半導体フォトリソグラフィ工程が必要となるので、コストが高くなる。

当該業界において、高光効率を維持しつつ表示パネルの画素に対応し且つ液晶層に直角で入射する３原色光ビームを生成する、例えばカラーフィルタに取って代わる光素子の研究が続けられている。

したがって、本発明は、カラーフィルタを用いることなく、入射光を波長差に基づいて複数の原色光ビームに分割できる複合光分割デバイスを提供することを目的とする。かかる複合光分割デバイスは、例えば、画像表示装置に用いることができる。

本発明は、光ビームを受取る複合光分割デバイスを提供する。光ビームは、異なる波長の複数の光ビームの混合体である。複合光分割デバイスは、第１の光学フィルム及び第２の光学フィルムを含む。第１の光学フィルムは、同じ形状を有する複数のマイクロ構造レンズを含む。各マイクロ構造レンズは、光ビームを受取り、集光且つ偏向された光を生成する。第２の光学フィルムは、偏向光を受取り、かかる偏向光を異なる波長の光ビームに分割する複数の周期ポリゴン構造を含む。異なる波長の複数の光ビームのそれぞれは、光ビームのそれぞれの波長に応じて平面上のそれぞれの所定領域に方向付けられる。

本発明は更に、入射光ビームを受取る複合光分割デバイスを提供する。入射光ビームは、異なる波長の複数の光ビームの混合体である。複合光分割デバイスは、光入射面及び光出射面を有する光学フィルムを含む。光入射面には、同じ形状を有する複数のマイクロ構造レンズが設けられ、各マイクロ構造レンズは、入射光ビームを集光且つ偏向する。光出射面には、光入射面を透過した入射光ビームを受取り、かかる入射光ビームを異なる波長の複数の光ビームに分割する複数の周期ポリゴン構造が設けられる。

本発明の上述した及び他の特徴並びに利点をよりよく理解するために、添付図面とともに実施形態を以下に詳述する。

画像表示装置システムに用いられる、本発明の一実施形態による複合光分割デバイスを示す断面図である。画像表示装置システムに用いられる、本発明の一実施形態による複合光分割デバイスを示す断面図である。画像表示装置システムに用いられる、本発明の一実施形態による複合光分割デバイスを示す断面図である。

本発明の一実施形態による図１の光分割メカニズムを示す概略図である。

本発明の一実施形態による簡単なシミュレーション結果を示す概略図である。

画像表示装置システムに用いられる、本発明の別の実施形態による複合光分割デバイスを示す断面図である。画像表示装置システムに用いられる、本発明の別の実施形態による複合光分割デバイスを示す断面図である。画像表示装置システムに用いられる、本発明の別の実施形態による複合光分割デバイスを示す断面図である。

画像表示装置システムに用いられる、本発明の別の実施形態による複合光分割デバイスを示す断面図である。

画像表示装置システムに用いられる、本発明の更に別の実施形態による複合光分割デバイスを示す断面図である。画像表示装置システムに用いられる、本発明の更に別の実施形態による複合光分割デバイスを示す断面図である。画像表示装置システムに用いられる、本発明の更に別の実施形態による複合光分割デバイスを示す断面図である。画像表示装置システムに用いられる、本発明の更に別の実施形態による複合光分割デバイスを示す断面図である。

本発明の一実施形態による回折メカニズムを示す概略図である。本発明の一実施形態による回折メカニズムを示す概略図である。

本発明の別の実施形態による複合光分割デバイスのマイクロレンズ構造を示す断面図である。本発明の別の実施形態による複合光分割デバイスのマイクロレンズ構造を示す断面図である。本発明の別の実施形態による複合光分割デバイスのマイクロレンズ構造を示す断面図である。本発明の別の実施形態による複合光分割デバイスのマイクロレンズ構造を示す断面図である。本発明の別の実施形態による複合光分割デバイスのマイクロレンズ構造を示す断面図である。本発明の別の実施形態による複合光分割デバイスのマイクロレンズ構造を示す断面図である。本発明の別の実施形態による複合光分割デバイスのマイクロレンズ構造を示す断面図である。本発明の別の実施形態による複合光分割デバイスのマイクロレンズ構造を示す断面図である。本発明の別の実施形態による複合光分割デバイスのマイクロレンズ構造を示す断面図である。本発明の別の実施形態による複合光分割デバイスのマイクロレンズ構造を示す断面図である。本発明の別の実施形態による複合光分割デバイスのマイクロレンズ構造を示す断面図である。本発明の別の実施形態による複合光分割デバイスのマイクロレンズ構造を示す断面図である。本発明の別の実施形態による複合光分割デバイスのマイクロレンズ構造を示す断面図である。本発明の別の実施形態による複合光分割デバイスのマイクロレンズ構造を示す断面図である。

バイナリ光学原理によるマイクロレンズ構造の厚さ低減を説明する概略図である。バイナリ光学原理によるマイクロレンズ構造の厚さ低減を説明する概略図である。バイナリ光学原理によるマイクロレンズ構造の厚さ低減を説明する概略図である。

画像表示装置システムに用いられる、本発明の更に別の実施形態による複合光分割デバイスを示す断面図である。画像表示装置システムに用いられる、本発明の更に別の実施形態による複合光分割デバイスを示す断面図である。画像表示装置システムに用いられる、本発明の更に別の実施形態による複合光分割デバイスを示す断面図である。

本発明の一実施形態による画像表示装置システムを示す概略図である。

本発明の複合光分割デバイスの光分割メカニズムは、例えば、それぞれ周期的なポリゴン構造を有する第１の光学フィルムと第２の光学フィルムとの組み合わせである。第１の光学フィルムの周期的なポリゴン構造は、所定の角度の入射光を集光し、かかる入射光を偏向させる。第２の光学フィルムの周期的なポリゴン構造は、偏向光を異なる波長の光ビームに分割する。これらの光ビームは各々の波長に応じて分離され、第２の光学フィルムから、例えば、入射方向に実質的に平行な方向で出射する。本発明は、ディスプレイパネル、画像センサ、又はカラービデオカメラにおけるカラーフィルタ（ＣＦ）を２つのポリゴン構造膜を含む光学フィルムに置き換えて様々な用途に用いることができる。かかる光学フィルムは、少なくとも、光の利用効率を増加し、システムの複雑さを低減することができる。

第１の膜の周期的なポリゴン構造は、複数のマイクロ構造レンズを形成する。各マイクロ構造レンズを通過する光ビームは適切に偏向及び集光される。適切に偏向及び集光された光ビームは、次に、異なる波長の成分光ビームに分割され、これらの成分光ビームは、回折作用下で第２の膜の対応する周期的なポリゴン構造によって所定の方向又は所定の位置に方向付けられる。周期的なポリゴン構造は、例えば、一般的な周期的ポリゴン光構造、或いは、回折格子でありうる。本発明の一実施形態では、回折格子構造は、例えば、良好なビーム分割性能及び高回折効率を有するブレーズド回折格子でありうる。回折格子面が屈折面として用いられる場合、回折格子の傾斜面に対する入射光の角度を調整して、回折光の方向が屈折光の方向と同じとなるようにすることができる。このとき、回折方向（又は、回折格子の面の屈折方向）における最大回折効率が得られる。

本発明は更に、周期的なポリゴン非球面レンズとブレーズド回折格子の組み合わせを用いて、入射光の方向を変更することなく高効率のスペクトル分割を実現することができる。本発明は、例えば、従来のカラーフィルタに取って代わって用いることで光効率を増加することができる。カラーフィルタを用いる従来のシステムと比較して、本発明は、ディスプレイパネル又は光−機械システムに用いた場合に、入射光の偏光特性を利用することで光の利用効率を改善しうる。

以下において、当業者が、本発明をよりよく理解できるよう本発明の実施形態を説明する。しかし、本発明は本願に記載される実施形態に限定されないことを意図するものである。更に、本願に記載する様々な実施形態は互いに組合わせて実施してもよい。

図１Ａ乃至図１Ｃは、画像表示装置システムに用いられる本発明の実施形態による３ピース構造を有する複合光分割デバイスを示す断面図である。図１Ａを参照するに、複合光分割デバイスは、例えば、第１の光学フィルム及び第２光学フィルムを含む。図示する実施形態では、第１の光学フィルムは、例えば、マイクロレンズ板１００とプリズム板１０２から構成される。プリズム板１０２は、例えば、回折格子であり、また、所望の画素解像度に応じて長い周期を有するよう構成されうる。マイクロレンズ板１００は、複数のマイクロレンズ１００ａを含む。マイクロレンズ１００ａは、例えば、中心対称で曲面を有するマイクロレンズであってよい。より具体的には、マイクロレンズ１００ａは、例えば、円柱又は球面レンズの曲面を有するマイクロレンズであってよい。この曲面を用いて集光する。マイクロレンズ１００ａは、例えば、光の進行方向で背後にある複数の画素と位置が対応するよう配置され、また、１次元又は２次元に配置される円柱又は球面レンズユニットであってよい。図１Ａは、例えば、１つの走査ライン上の複数の画素を示す。プリズム板１０２は、複数のマイクロプリズムユニットを含み、複数のマイクロプリズムユニットのうちのそれぞれと、対応するマイクロレンズは、集合的にマイクロ構造レンズを形成する。マイクロ構造レンズは、光ビーム１０８を受取り、偏向及び集光ビームを生成する。図に示す光路によって、マイクロ構造レンズは特定の角度の光ビームを集光し、進行するに従って光ビームを偏向することができることを示す。プリズムユニットは、ポリゴン構造、例えば、直角プリズムでありうる。しかし、マイクロレンズ板１００及びプリズム板１０２により形成されるマイクロ構造レンズは、本願に記載される構造に限定されるべきではなく、必要に応じて変更してよい。マイクロ構造レンズの幾つかの変形は、以下に説明する所望の機能を実現する。

入射光ビーム１０８は、例えば、複数の原色光の混合体であり、白色光であってよい。原色光は、例えば、赤、緑、及び青（ＲＧＢ）の３原色光といった異なる波長の光に分割することができる。しかし、他の原色光も実際の必要に応じて用いることができる。

マイクロレンズ板１００及びプリズム板１０２を通過する光ビーム１０８は、回折格子板１０４といった第２の光学フィルムに入射する。回折格子板１０４は、集光且つ偏向された光ビーム１０８を受け取り、それを異なる波長の光に分割する複数の周期的なポリゴン構造を含む。例えば、光ビームは、それぞれの波長に応じて赤色（Ｒ）光、緑色（Ｇ）光、及び青色（Ｂ）光に分割され、各Ｒ、Ｇ、及びＢ光は、平面上の所定領域に向けられる。図示する実施形態では、平面とは、例えば、画像表示装置１０６の入射面であり、入射面上の所定領域とは、例えば、画素アレイに含まれる複数の画素の複数の副画素の位置のうちの１つである。

１つの色画素は、例えば、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、及び青色（Ｂ）の副画素といった幾つかの副画素から構成されることは周知である。それぞれのグレイレベルを有するＲ、Ｇ、及びＢ副画素は組み合わされて所望の色画素を生成する。本発明では、カラーフィルタは必要ではない。その代わりに回折格子板１０４を用いて異なる波長を有する複数の光を分割し、分割された異なる波長を有する複数の光は、それぞれのもとの進行方向を依然として維持し、また、それぞれの所定の副画素の位置に入射することができる。

図１Ｂを参照するに、プロセス又は設計要件に応じて、マイクロレンズ板１００のレンズ曲面は、マイクロレンズ板１００の底面に配置される（「底面」は「入射面」と定義する）図１Ａとは異なり、マイクロレンズ板１００の上面（「上面」は「出射面」と定義する）に配置されてもよい。更に、プリズム板１０２の構造面は、底面に限定されず、プロセス又は設計要件に応じてプリズム板の上面に配置されてもよい。回折格子板１０４の構造面は、底面に限定されず、プロセス及び設計要件に応じて上面に配置されてもよい。図１Ｃを参照するに、この実施形態では、マイクロレンズ板１００の位置とプリズム板１０２の位置が交換される。マイクロレンズ板１００のレンズ曲面とプリズム板１０２の構造面はともに、上面又は底面（ここで、「底面」は「光入射面」と定義する）に配置することができる。更に、回折格子板１０４の構造面も底面に限定されず、プロセス又は設計要件に応じて上面に配置されてよい。図１Ａ、図１Ｂ、及び図１Ｃの構造は、高光効率を維持しつつ、表示パネルの画素に対応し且つ液晶層に略垂直に入射する３原色光を生成することができる本発明の実施形態に用いることができる。

図２は、本発明の光分割メカニズムを示す概略図である。図２を参照するに、入射白色光は、マイクロレンズ板１００及びプリズム板１０２を通過した後、回折格子板１０４に入る。回折格子板１０４は、白色光を３原色光、即ち、赤色光、緑色光、及び青色光に分割し、これらの光は、各画素の３副画素に対応して画像表示装置１０６に入射する。図３は、本発明の簡単なシミュレーション結果を示す概略図である。図３を参照するに、平行光ビーム１２０は、湾曲した光入射面を有するレンズ板１２２に入射する。湾曲した光入射面は、図面で見るには大きすぎる曲率半径を有し且つ集光機能を有する。レンズ板１２２は更に、光を偏向させる傾斜光出射面を有する。したがって、光は、図３の上部の拡大図に示すように集光且つ偏向される。光は、次に、回折格子板１２４に入射する。レンズ板１２２の作用によって、光ビームは、回折格子板１２４の光出射方向を調整するために用いることのできる入射角で回折格子板１２４に入射する。したがって、出射する原色光は、光ビーム１２０の方向と略同じ方向で進行できる。

ここで、図７Ａを参照して回折メカニズムの説明をする。図７Ａは、本発明に用いる回折メカニズムを説明する概略図である。この実施形態は、複数のマイクロ直角プリズムを有する回折格子に関連して説明する。各マイクロ直角プリズムユニットは、固定の周期を有する。マイクロ直角プリズムの周期は、回折角を決定し、マイクロ直角プリズムの深度は、回折効率の方向分布を決定する。例えば、入射光が第２のポリゴン構造セットに入ると、光は、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、及び青色（Ｂ）の原色光ビームに分割される。ポリゴン構造の周期はｐであり、Ｒ、Ｇ、及びＢ光ビームの波長は、それぞれ、λｒ、λｇ、及びλｂであると仮定する。回折方程式に従い、光は直角で入射するとした場合、ｍ次の回折次数における３原色光ビームの回折角は、次の通り計算できる。

入射光は、第１の周期的なポリゴン構造セットを通過後に集光且つ偏向された光ビームとなるので、入射光ビームは、入射角θｉ２００を有する。上述の方程式に従い、式の変数を調整することにより、第２の周期的なポリゴン構造セットの周期は、各出射原色光ビームは、そのもとの入射路の方向と略平行に偏向可能となるよう制御されることができる。つまり、３原色光ビームは、互いに略平行に配置され、また、液晶層の対応画素上に略直角で入射するようある距離分で離間される。

実際には、周期的なポリゴン構造の形状は、システム要件に基づいて決定できる。例えば、図７Ｂに示す代替の実施形態では、回折格子構造は、Ｒ、Ｇ、Ｂ光ビームが、図７Ｂにおける配置とは逆の順序で配置されるよう変更することができる。ポリゴン構造が、４ミクロンの周期を有し、ＰＭＭＡ材料から形成されたブレーズド回折格子である場合、その屈折率は約１．５である。傾斜入射光の入射角θｉ２００が、−７．８１°であり、その回折格子の−（マイナス）１次回折ビームを用いる場合、回折格子の最大深度は、約１ミクロンである。このシミュレーション結果は、入射光の波長が４３６ｎｍ、５４４ｎｍ、及び６１１ｎｍである場合、−１次の回折効率は、約７５％、８４％、７９％であり、−１次の回折角θ_ｂ、θ_ｇ、θ_ｒは、それぞれ、１．５６°、０°、０．９７°であることを示す。入射角を変更することにより、出射角は、設計に応じて変えることができる。出射角は、０°乃至６０°であることが好適である。

光素子は、上述した機能を実現する幾つかの代替の設計を有しうる。この点について本発明の他の実施形態を以下に更に説明する。図４Ａ乃至図４Ｃは、画像表示装置システムに用いられる本発明の実施形態による２ピース構造を有する複合光分割デバイスを示す断面図である。図４Ａに示す光分割メカニズムは、図１Ａ乃至図１Ｃに示すメカニズムと類似するが、マイクロレンズ板１００及びプリズム板１０２は、単一の光学フィルム１１０として一体化されている。つまり、レンズ曲面が材料の片側に形成され、プリズムの幾何学構造が、同じ材料のもう片側に直接形成され、それにより、所定の性能を維持しつつ光学フィルムの組立構造を単純化する。マイクロレンズ面の曲面１００は集光機能を与え、プリズム面は主に光を偏向する傾斜面として表される。更に、本実施形態では、回折格子１０４の構造面は、底面（即ち、光入射面）に限定されず、その上面（即ち、光出射面）に配置されてもよい。図４Ａのメカニズムに類似する光分割メカニズムを示す図４Ｂを参照するに、マイクロレンズ面１００の位置とプリズム面１０２の位置を交換することができる。図４Ｂのメカニズムに類似する光分割メカニズムを示す図４Ｃを参照するに、本実施形態では、回折格子板１０４の構造面は、上面（即ち、光出射面）に配置される。

図５は、画像表示装置システムに用いられる本発明の別の実施形態による２ピース構造を有する複合光分割デバイスを示す断面図である。図５を参照するに、例えば、第１の光学フィルム１１２とも呼ぶ光学フィルムの別の変形１１２を示す。本実施形態の例示的な第１の光学フィルム１１２も一体化された単一構造である。しかし、レンズ面、例えば、光入射面は、非対称の円柱曲面であり、もう１つの面（即ち、光出射面）は、例えば、非傾斜面である。非対称円柱曲面は、同時に入射光を集光及び偏向する。更に、第２の光学フィルム１１４とも呼ぶ光学フィルム１１４は、基板の表面、例えば、光学フィルム１１２には面していない背面（即ち、光出射面）に形成される回折格子構造を有することができる。つまり、第２の膜１１４の向きは、図４の第２の膜１０４の向きとは反対であるが、第２の光学フィルム１１４は依然として入射光をＲ光、Ｇ光、及びＢ光に分割する回折機能を維持することができる。

図６Ａ乃至図６Ｄは、画像表示装置システムに用いられる本発明の実施形態による単一ピース構造を有する複合光分割デバイスを示す断面図である。図６Ａを参照するに、本実施形態では、上述した２つの光学フィルムは更に単一構造に一体化されて単一の光学フィルム１１６を形成する。単一の光学フィルム１１６は、例えば、光学フィルム１１２及び光学フィルム１１４を一体化することにより形成される。回折格子構造は、光学フィルム１１６の片側に直接形成されうる。或いは、光学フィルム１１４の平らな基板を光学フィルム１１２の平面に接着して一体型の光学フィルム１１６を形成することができる。図６Ｂを参照するに、本実施形態では、単一の光学フィルム１１６の上面の回折格子構造を変更することにより、分割されたＲ、Ｇ、Ｂの光の方向を間接的に制御することができる。この回折格子構造を変更することによる分割Ｒ、Ｇ、Ｂ光の方向の間接制御方法は、上述した全ての実施形態に同等に用いることができる。

図６Ｃ及び図６Ｄを参照するに、回折格子構造１００ｍ及び１０２ｍを、光学フィルム１１０の上面に直接形成してもよい。つまり、回折格子構造１００ｍ及び１０２ｍは、構造曲面又はプリズム傾斜面に直接形成してもよい。

図８乃至図１０は、本発明の実施形態による複合光分割デバイスのマイクロレンズ構造を示す断面図を示し、これらの図面を用いて、マイクロレンズユニットとプリズムユニットの様々な組み合わせを示す。図８Ａを参照するに、入射光を偏向するプリズムユニット１３０は、例えば、入射光ビームを受け取るよう光入射端に配置され、対称マイクロレンズユニット１３２は、プリズムユニット１３０の背後に配置されうる。この配置によって、光を集光及び偏向することができる。図８Ｂを参照するに、図８Ａに示す実施形態と比較すると、図８Ｂでは、プリズムユニット１３０の位置とマイクロレンズユニット１３２の位置は交換されている。この配置でも同様に光を偏向及び集光することができる。図８Ａ及び図８Ｂの実施形態の実際の光路はわずかに異なり、これは、異なる実際の設計要件に適合するよう異なる角度の偏向及び集光をもたらす。マイクロレンズ構造の他の変形は、図８Ｃ乃至図８Ｈに示す組み合わせでも、又は、同じ光原理下の他の組み合わせでありうる。更に、図１の回折格子板１０４及び図５の光学フィルム１１４は、光分割ユニットとして用いられる。光分割構造の向き又は基板上の構造面、即ち、上面又は底面上の位置を変更しても所望の光分割結果を得ることができる。図９Ａ乃至図９Ｄに示す変形を選択的に用いて実際の設計要件に適合させることができる。

図１０Ａを参照するに、マイクロレンズユニット１３４は、例えば、非対称曲面１３４ａ及び平面１３４ｂを有する一体型の単一構造である。平面１３４ｂは傾斜していても傾斜していなくともよい。しかし、傾斜していない平面は、後続の光学フィルムとの位置合わせ及び一体化を容易にする。更に、構成要素の厚さを考慮するに、図１０Ａの構造を更に変更して、レンズの厚さを減少することができる。図１０Ｂは、図１０Ａの構造を変更することにより得られるマイクロレンズユニット１３６を示す。マイクロレンズユニット１３６の平面１３６ｂは、例えば、マイクロレンズユニット１３４の平面１３４ｂと同じであってよい。しかし、鋸歯状の構造面１３６ａは、例えば、非球面１３４ａである滑らかな曲面に対応し、バイナリ原理（binary principle）にしたがって形成して厚さを減少することができる。マイクロレンズユニット１３６は、全体的に厚さが減少されても依然として光を偏向及び集光することができ、したがってシステムの重量及びサイズは減少される。本願に用いるバイナリ原理を以下に説明する。光設計では、レンズ面のレリーフは、レンズを通過した後の入射光の光場分布を制御することができる。これは、面のレリーフが入射光の位相をシフトすることによる。

図１１Ａは、連続位相関数に対応するレンズの高さの変化を示す。光回折理論に従えば、連続位相関数の位相値は、中心波長に関して２πの整数倍を減算することにより０乃至２πの間隔に変調することが可能であり、結果を図１１Ｂに示す。構造の表面の最大高さは、式ｄ_ｍａｘ＝λ／（ｎ−１）により与えられる。ただし、ｎは、所与の波長λに対するレンズ材料の屈折率である。製造プロセスを単純化することを目的として、位相分布は、Ｎ個の離散的な高さに量子化することができ、その結果、２π／Ｎの位相分布がもたらされる。この２π／Ｎ位相分布は、マルチプルステップ面分布と同様である。図１１Ｃに示すように、Ｎ個のステップのそれぞれの高さは、ｄ_Ｍ＝ｄ_ｍａｘ／２^Ｍであり、ただし、例えば、Ｎ＝２^Ｍであり、Ｍは自然数である。この構造の１つの特徴は、マイクロレンズユニットは、厚さを減少しつつも出射光の光分布を維持することができるとことである。

図１２Ａを参照するに、２つの光学フィルムを有する配置について、マイクロ構造レンズは、例えば、マイクロレンズユニット１４０及び回折格子板１４２を含む。マイクロレンズユニット１４０の構造は、図４の構造に類似する。つまり、マイクロレンズユニット１４０の滑らかな曲面１４０ａは、対称曲面であり、マイクロレンズユニット１４０の平面１４０ｂは、傾斜平面である。回折格子板１４２は、マイクロレンズユニット１４０とは離れて配置される。図１２Ｂを参照するに、マイクロレンズユニット１５０の構造は、例えば、図１０Ａの構造に類似しうる。例えば、滑らかな曲面１５０ａは非対称であり、平面１５０ｂは傾斜していない。なお、平面１５０ｂを傾斜させる又はさせない設計は、回折格子板１５２の動作に応じて調整することができる。マイクロレンズユニット１５０は、滑らかな曲面１５０ａが非対称であることにより、十分な度合いで偏向及び集光することができる。隣接するマイクロレンズユニット１５０の平面１５０ｂは同じであり、これは、回折格子板１５２を平面１５０ｂに直接作製又は接着して単一の構造を形成することを可能にする。図１２Ｃを参照するに、マイクロレンズユニット１６０は、図１０Ｂの構造を有し、平面１６０ｂと滑らかではない曲面１６０ａを含む。上述したように、回折格子板１６２及びマイクロレンズユニット１６０は、単一構造に一体化することができる。

要約するに、上述した本発明の実施形態は、互いに好適な組み合わせで実施されてもよく、また、本発明の実施形態の変形を実際の要件に応じて形成することができる。本発明は、本願に記載する実施形態に限定されるべきではない。

本発明の画像表示装置への適用を以下に説明する。この適用では、例えば、偏光子が追加されうる。図１３は、本発明の別の実施形態による画像表示装置システムを示す断面図である。図１３を参照するに、画像表示装置１７８は、説明の便宜上、液晶表示装置として説明する。本発明は、デジタルカメラ又はカラービデオカメラの電荷結合デバイス（ＣＣＤ）といった他のシステムにも同等に用いうることは理解されよう。そのような他のシステムにて用いられる場合、本発明は、同じ原理に従って動作し、光源は外部の対象物であることを除いて同様の構造を含む。

画像装置１７８が必要とする光源１８０は、バックライトモジュール１７０により生成される。バックライトモジュール１７０は、一般に偏光されていない平面光源を生成する。平面光源は、例えば、Ｐ偏光とＳ偏光が混合されている状態の光である。偏光子１７２を通過した後、光源１８０は、Ｓ偏光光源１８０となる。光源１８０は、次に、光学フィルム１７４を通過する。上述した光学フィルムと同様に、光学フィルム１７４は、内部を通過する光源１８０を集光及び偏向するマイクロ構造レンズを含む。次に、光源１８０は、回折格子板１７６を通過する。適切な入射角を選択することにより、回折格子板１７６を通過する光源１８０は、回折格子板１７６によって、Ｒ、Ｇ、Ｂ光に分割され、それぞれ、略同じ方向で画像表示装置１７８に向けて導かれ且つ入射する。画像表示装置１７８の副画素の位置は、Ｒ、Ｇ、Ｂ光の入射位置に対応し、それにより色画素が形成される。したがって、本実施形態では、色画素を得るためにカラーフィルタを必要としない。

偏光子１７２を通過する前に、もとの入射光は、Ｐ偏光状態の光成分及びＳ偏光状態の光成分を含む。光は、偏光子と反射層との間を往復して進行し、これにより、例えば、Ｓ偏光方向である特定の偏光方向を有する出射光がもたらされる。このような偏光光に関して、周期的なポリコン構造は、特定の偏光方向における分割出射光の効率を更に改善すべく最適化されうる。

本発明のマイクロ構造光素子は、射出成形により製作することができる。射出成形金型の中子鋳型は、フォトリソグラフィ加工又は中子鋳型を機械加工するために単結晶ダイアモンドを使用する超高精度機械加工技術を用いて製作されうる。

重要な素子は、周期的なポリゴン構造である。例えば、表示パネルに用いられる場合、素子の第１の周期的なポリゴン構造セットは、光ビームの直径を減少し、入射光を偏向させる機能を有し、第２のセットは、光を分割する機能を有する。好適には、本願に用いる光源は主に３原色光、より具体的には、Ｒ（６１１ｎｍ）、Ｇ（５４４ｎｍ）、及びＢ（４３６ｎｍ）といった３原色のスペクトルを有するＲＧＢのＬＥＤ又はＲＧＢのＣＣＦＬでありうる。

光は、バックライトモジュール１７０から出た後、画像表示システムに平行光ビームとして入射する。この機能について、１つの画素の位置に対応する各ユニットは、屈折プリズムと集光レンズの組み合わせとして考えられる。製造プロセスを単純化することを目的として、ユニットは非球面レンズとして構成することができる。集光の目的は、入射光から分割された様々な色の光ビームの焦点を液晶層又は画像センサのあたりに配置し、それにより、光信号の処理を容易にし且つその間のクロストークを少なくすることである。例えば、２１９×２１９μｍ^２の画素サイズを有する表示パネルに用いる場合、光は、第１の周期的なポリゴン構造セットにより集光される。

実際の機能に関して、本発明の一実施形態では、高効率の光分割デバイスは、入射光を集光及び偏向させる、同じ形状を有する複数のマイクロ構造レンズを有する第１の光学フィルムを含みうる。光分割デバイスは更に、複数の周期的ポリゴン構造を有する第２の光学フィルムを含みうる。周期的ポリゴン構造は、第１の光学フィルムを通過する光を、異なる波長の光ビームに分割する。異なる波長の光ビームは、それぞれの波長に応じて分けられる。分割された光ビームは、例えば、もとの入射方向と同じ方向、又は、もとの入射方向に対して特定の角度にある方向において第２の光学フィルムから出ることができる。本発明の様々な実施形態では、この特定の角度範囲は、０乃至６０°である。

１つの例示的な実施形態では、第１の光学フィルムは、光入射面と光出射面を有する。同じ形状を有する複数のマイクロ構造レンズは、実際の要件に応じて、光入射面又は光出射面に直接製作することができる。

別の例示的な実施形態では、第１の光学フィルムの同じ形状を有する複数のマイクロ構造レンズは、滑らかな曲面であっても、回折マイクロ構造面であってもよく、また、集光及び偏向する機能を有する。マイクロ構造レンズの形状は、その材料の屈折率に応じて異なる。

別の例示的な実施形態では、第２の光学フィルムは、光入射面及び光出射面を有する。周期的なポリゴン構造は、実際の要件に応じて、光入射面又は光出射面に直接作製することができる。

別の例示的な実施形態では、第２の光学フィルムの周期的なポリゴン構造は、ブレーズド回折格子、ポリゴン回折格子、又は、０．１λ乃至１０λの回折格子周期を有するサブ波長回折格子でありうる。

別の例示的な実施形態では、第１の光学フィルムの同じ形状を有する複数のマイクロ構造レンズと、第２の光学フィルムの周期的なポリゴン構造はともに１次元構造である。

別の例示的な実施形態では、第１の光学フィルムの同じ形状を有する複数のマイクロ構造レンズと、第２の光学フィルムの周期的なポリゴン構造はともに２次元構造である。

別の例示的な実施形態では、ＴＦＴ−ＬＣＤ用の光−機械システムに用いられる場合、複合光分割デバイスにより処理される出射光ビームの焦点は、液晶層内に配置されうる。例えば、これは、組立時の複合光分割デバイスと液晶層との位置決め公差を増加する。

別の例示的な実施形態では、複合光分割デバイスは、表示パネル、カラービデオカメラ、又はデジタルカメラといった光−機械システムに用いることができる。

更に、高効率光分割デバイスを単一構造として構成してもよい。この単一構造は、光入射面と光出射面を有する光学フィルムを含む。同じ形状を有する複数のマイクロ構造レンズは、例えば、光入射面に形成されて、入射光を集光及び偏向することができる。複数の周期的ポリゴン構造は、例えば、光出射面に形成されて、第１の光学フィルムを通過する光を異なる波長の光ビームに分割することができる。異なる波長の光ビームは、それらの波長に応じて分けられる。分割された光ビームは、もとの入射方向と同じ方向、又は、もとの入射方向に対して特定の角度にある方向で第２の光学フィルムから出ることができる。本発明の様々な実施形態では、この特定の角度は、例えば、０°乃至６０°である。

本発明の基本概念として、レンズ構造を用いて、画素の位置に対応して光ビームを偏向且つ集光し、回折格子構造を用いて、光を異なる光ビームに分割する。レンズ構造及び回折格子構造は、様々な組み合わせで用いてよく、更に、単一の構造に一体化されうることが考えられる。この結果、本発明ではカラーフィルタを用いる必要が無くなる。

当業者には明らかであるように、本発明の範囲又は趣旨から逸脱することなく、本発明の構造に様々な変更及び修正を行いうる。上述の内容に鑑みて、本発明は、特許請求の範囲及びその等価物の範囲内である限りそれらの本発明の変更及び修正も対象とすることを意図する。

符号の説明

１００マイクロレンズ板
１００ａマイクロレンズ
１００ｍ回折格子構造
１０２プリズム板
１０２ｍ回折格子構造
１０４回折格子板
１０６画像表示装置
１０８光ビーム
１１０単一の光学フィルム
１１２第１の光学フィルム
１１４第２の光学フィルム
１１６単一の光学フィルム
１２０光ビーム
１２２レンズ板
１２４回折格子板
１３０プリズムユニット
１３２対称マイクロレンズユニット
１３４マイクロレンズユニット
１３４ａ非対称曲面
１３４ｂ平面
１３６マイクロレンズユニット
１３６ａ鋸歯状の構造面
１３６ｂ平面
１４０マイクロレンズユニット
１４０ａ滑らかな曲面
１４０ｂ平面
１４２回折格子板
１５０マイクロレンズユニット
１５０ａ滑らかな曲面
１５０ｂ平面
１５２回折格子板
１６０マイクロレンズユニット
１６０ａ滑らかではない曲面
１６０ｂ平面
１６２回折格子板
１７０バックライトモジュール
１７２偏光子
１７４光学フィルム
１７６回折格子板
１７８画像表示装置
１８０光源
２００入射角

Claims

異なる波長の複数の光ビームの混合体である光ビームを受取る複合光分割デバイスであって、
それぞれ前記光ビームを受取り、ある集光レベルを有する偏向光を生成する、同じ形状を有する複数のマイクロ構造レンズを含む第１の光学フィルムと、
前記偏向光を受取り、前記偏向光を前記異なる波長の複数の光ビームに分割する複数の周期的ポリゴン構造が同一平面に配列された第２の光学フィルムと、
を備え、
前記異なる波長の複数の光ビームのそれぞれは、それぞれの波長に応じて平面のそれぞれの所定領域に方向付けられ、
前記第２の光学フィルムにより分割された前記異なる波長の複数の光ビームは、前記第１の光学フィルムが受取る前記光ビームの光路に対して略平行である、複合光分割デバイス。
前記第２の光学フィルムが、前記異なる波長の複数の光ビームに分割した後、前記分割された異なる波長の複数の光ビームは、所定の回折作用下で１つの画素の複数の副画素に対応する位置にある前記所定領域に方向付けられる、請求項１に記載の複合光分割デバイス。
前記第２の光学フィルムは、プリズム板である、請求項１または請求項２に記載の複合光分割デバイス。
前記第１の光学フィルムの前記複数のマイクロ構造レンズは、画素アレイの複数の画素にそれぞれ対応して位置付けられる、請求項１から請求項３のいずれか１つに記載の複合光分割デバイス。
前記第１の光学フィルムは、
複数のマイクロレンズを有するマイクロレンズ板と、
複数のマイクロ回折格子ユニットを有する回折格子板と、
を含み、
各マイクロレンズと各マイクロ回折格子ユニットは集合的に前記複数のマイクロ構造レンズを形成する、請求項１から請求項４のいずれか１つに記載の複合光分割デバイス。
各マイクロレンズは、中心対称を有するマイクロレンズであり、
各回折格子ユニットは、屈折光構造である、請求項５に記載の複合光分割デバイス。
前記マイクロレンズ板及び前記回折格子は、単一の光学フィルムに一体化される、請求項５に記載の複合光分割デバイス。
前記マイクロレンズ板及び前記回折格子は、２つの構造的に別個の光学フィルムである、請求項５に記載の複合光分割デバイス。
前記第１の光学フィルムは、複数のマイクロレンズを有するマイクロレンズ板を含み、
各マイクロレンズは、前記光ビームを集光及び偏向させる第１の表面及び第２の表面を有する、請求項１から請求項８のいずれか１つに記載の複合光分割デバイス。
前記第１の光学フィルムの前記複数のマイクロレンズの前記第１の表面及び前記第２の表面は、それぞれ、滑らかな曲面と平面とを有する、請求項９に記載の複合光分割デバイス。
前記第１の光学フィルムの前記複数のマイクロレンズの前記第１の表面及び前記第２の表面の一つは、鋸歯状の構造である、請求項９に記載の複合光分割デバイス。
前記第１の光学フィルム及び前記第２の光学フィルムは、単一の光学フィルムに一体化される、請求項１に記載の複合光分割デバイス。
前記第２の光学フィルムから出射する前記異なる波長を有する複数の光ビームのそれぞれは、ディスプレイの副画素に対する色光源を与える、請求項１に記載の複合光分割デバイス。
異なる波長の複数の光ビームの混合体である入射光ビームを受取る複合光分割デバイスであって、
光入射面及び平面の光出射面を有する光学フィルムを備え、
前記光入射面には、同じ形状を有する複数のマイクロ構造レンズが設けられ、
前記複数のマイクロ構造レンズのそれぞれは、前記入射光ビームを集光及び偏向し、
前記光出射面の前記平面上に、前記光入射面を透過した前記入射光ビームを受取り、前記入射光ビームを前記異なる波長の複数の光ビームに分割する複数の周期ポリゴン構造が設けられ、
前記複数の周期ポリゴン構造により分割された前記異なる波長の複数の光ビームは、前記複数のマイクロ構造レンズが受取る前記光ビームの光路に対して略平行である、複合光分割デバイス。
前記光入射面上の前記複数のマイクロ構造レンズの形状は、曲面、又は、鋸歯状の構造面である、請求項１４に記載の複合光分割デバイス。
前記光出射面上の前記複数の周期ポリゴン構造は、直角プリズム構造である、請求項１４または請求項１５に記載の複合光分割デバイス。
回折メカニズムに従って、前記光出射面上の前記複数の周期ポリゴン構造は、前記複数のマイクロ構造レンズを透過する前記入射光ビームを前記異なる波長の複数の光ビームに分割し、前記分割された複数の光ビームを平面上の複数の所定領域に方向付ける、請求項１４から請求項１６のいずれか１つに記載の複合光分割デバイス。