JP4875054B2 - 光源装置、及びその光源装置を用いた液晶ディスプレイ装置 - Google Patents

Description

本発明は、光源装置であって、特にレーザ光を光源として用いた光源装置に関する。

従来、液晶パネルを用いたディスプレイ装置はバックライト照明を必要とし、バックライトの光源として、蛍光管や発光ダイオード（ＬＥＤ）が用いられている。また、バックライトの光源としてレーザ光を用い、レーザ光を蛍光管に波長変換することでカラー表示する方式が、特許文献１と特許文献２に示されている。
特開２００４−５１０１６号公報 特開２００３−３０２９１８号公報

液晶パネルディスプレイ装置において、光-電気変換効率の限界により消費電力の増大が問題となっている。特に大型のディスプレイにおいては、低コスト化、低消費電力化を解決する必要がある。蛍光管およびＬＥＤは、発光点サイズが大きく、光の利用効率が数％程度と非常に小さいため、消費電力が大きくなる。また、蛍光管では光の波長が限られているため、色再現性が十分とれず、高色彩なフルカラー表現が難しいという問題がある。特許文献１、２に示されるようにレーザ光を蛍光変換して用いる場合には、変換効率を高く取れないため消費電力が増大するという問題がある。

蛍光管やＬＥＤを光源とする液晶パネルディスプレイ装置で光の利用効率が低いという上記問題の要因の一つとして、偏光の利用が挙げられる。まず、蛍光管やＬＥＤは単一偏光化が難しい。これに対して液晶パネルで光をスイッチングする際には、単一偏光を利用しないとコントラストが大幅に低下する。このため、液晶パネルに入力する光は、単一偏光成分のみ選択されて利用されており、結果として光の利用効率が大幅に低下している。

一方、レーザ光源は単一偏光出力が可能である。ただし、従来、レーザ光の単一偏光を維持してバックライト光源に利用する構成は提案されていない。現状では、レーザを光源として用いているものの、偏光方向はランダムでありＬＥＤやランプ光源と同様に偏光が揃っていない光源として利用するような技術のみ開示されている。そこでは、液晶パネルのように偏光を利用してスイッチングを行う場合、そもそも偏光の異なる成分の光を利用せず、そのため利用効率が低いという問題や、偏光の異なる成分の光を利用するための偏光変換デバイスを用いるとしても光学系が非常に複雑になるという問題が生じている。

本発明は、上記の問題を解決し、レーザ光の光量均一化と偏光の均一化を可能にする光学系を構築し、利用効率の高いレーザ光源を用いた光源装置を実現することを目的とする。また、光源装置の低消費電力化と小型化が可能になることで、携帯機器に適用されるディスプレイへの応用も可能となる。

本発明は、上記の目的を達成するために為されたものである。本発明に係る光源装置は、
単一偏光のレーザ光源と、導波板と、前記導波板の端部に設けた反射部と、前記導波板に設けたレンズ部と、を備え、前記レーザ光源からのレーザ光は、前記導波板を伝搬した後、前記反射部とレンズ部によって、コリメートされ、前記レーザ光の偏光が前記導波板の表面とほぼ平行であることを特徴とする液晶パネルの光源装置である。

本発明によれば、レーザ光を導波板内で均一な光量にすることと同時にレーザ光の偏光方向を揃えることが可能となり、高効率で２次元の面状から発光する光源装置を実現できる。これを液晶パネルなどの２次元スイッチと組み合わせると、効率のよい液晶パネルディスプレイ装置を実現できる。

本発明の光源装置では、レーザを用いるので高い効率で電気を光に変換できる。さらに、本発明の光源装置は、色純度の高い光を利用できるので、光の利用効率が高く低消費電力で大画面も表示できる。さらに、レーザを用いることで高い色再現性が実現できるため高色彩のカラー表示が可能となる。

また、レーザ光源を利用する場合、その高い可干渉性により生じるスペックルノイズにより画質が劣化する問題も生じるのであるが、本発明は、この問題も解決する。

本発明に係る光源装置は、単一偏光のレーザ光源と、導波板を備え、レーザ光源から出射される発散光を導波板の端部に設けた反射部で反射し、レンズ部でコリメートすることで、導波板を伝搬するレーザ光の光量を均一化することとレーザ光の偏光をそろえることを可能にする。このような光源装置をバックライトとして、偏光を利用する液晶パネルを組み合わせることで、効率のよい２次元表示装置を実現できる。以下、図面を参照して本発明に係る実施の形態を詳細に説明する。

《実施の形態１》
図１は、本発明の実施の形態１であるバックライト装置の一つの平面図である。図１に示されるバックライト装置は、単一偏光のレーザ光を出射するレーザ光源７と、上方端部に反射部２を設けた導波板６と、レーザ光源７から出射されるレーザ光を発散して導波板６に入射させる（レンズ）光学系３２とを備える。実施の形態１に係るバックライト装置は、レーザ光１を導波板６で光量均一化させ、このことにより液晶などの偏光スイッチのためのバックライトとして利用できる。通常、液晶パネルのバックライトが光量を均一化する際には、光を多重反射させる。しかしながら、多重反射させる構成では、光源に単一偏光のレーザ光源を用いても、結局拡散板内部で偏光方向がランダムな方向になるため、液晶パネルのような偏光を利用したスイッチで利用するには、偏光板により特定の偏光成分のみ抽出するような構成が必要となる。このような構成では、光の利用効率が極端に低下するため、消費電力が増大し、また、偏光板を必要とするため光学系が複雑になり、部品点数増大によるコストアップに繋がる。そこで、本発明の実施の形態１では、単一偏光であるレーザ光源の特性を利用して、効率のよいバックライト装置を実現する。

図１に示されるバックライト装置において、レーザ光源７から適切なレンズ光学系３２を介して導波板６に入射したレーザ光１は、発散光３となって導波板６を伝搬する。発散光３においては、レーザ光の偏光方向は導波光の進行方向に垂直になるため、導波板６の内部で扇状に分布している。発散光３は、導波板６の端面に設けられた反射部２で反射される。反射部２は、凹面形状をなす反射部材が導波板６の上方凸状端部に接着されて形成される。反射部２は導波板６内部を進んでくる発散光３に対してレンズ効果を持っており、反射光をコリメート光４に変換する。反射されたコリメート光４は、導波板６をコリメート状態で進むため偏光方向５は互いに平行となる。このことによって、光量が均一化された単一偏光の２次元導波光を実現できる。この２次元のバックライト装置と液晶パネル及び拡散板とを組み合わせた装置は、表示装置、２次元ディスプレイ、若しくは２次元照明装置などに利用できる。該装置は、偏光のそろった単一偏光の２次元光を利用できるため、光の利用効率が大幅に増大する。

導波板６を伝搬する光としては、導波板６の表面と平行な単一偏光のものが用いられる。偏光方向を表面と平行にすることで、偏光を利用した液晶パネルでのスイッチングが容易になる。

導波板６が複屈折率を有するように、導波板６は複数枚の薄膜で形成されるのが好ましい。複屈折率導波板を用いると導波板６の内部で偏光が回転するのを防止できるため、単一偏光が維持でき、不要光への変換が押さえられて、光の損失を低減できる。

なお、レーザ光源７としては、半導体レーザのものを用いるのが好ましい。特に、赤色レーザ及び青色レーザとしては、高出力半導体レーザが利用しやすいため有効である。半導体レーザを本発明で用いる場合、数Ｗの高出力特性が必要となるから、半導体レーザの構造としてワイドストライプのレーザ、又は、ワイドストライプのレーザを複数並列に備えたマルチストライプのレーザのものを含むのが好ましい。

（ワイドストライプの並び）
ワイドストライプのレーザを光源として用いる場合、ストライプの並び方向と導波板６の表面とが平行になるように設置することで、導波板６への入射効率を上げることが可能となる。このため、半導体レーザのストライプの並びを、導波板６表面と平行に設置するのが好ましい。ところが、このように設置した場合、半導体レーザの偏光方向が導波板６の表面に対して垂直になる。このことを回避するためには、半導体レーザの出射面にλ/２板を設置して、偏光方向を回転させればよい。また、マルチストライプのレーザの場合、発光部の幅が数ｍｍと広くなる。これに対してヒートシンクを設置するとしても、ヒートシンクを導波板６と平行に設ければ装置全体の薄型化が可能である。また、ヒートシンクの冷却手段としてヒートパイプを用いる場合には、冷却液を循環させる構造となるが、マルチストライプのレーザの背面冷却構造を薄型化できるので装置全体の薄型化に有効である。

一方、ワイドストライプのレーザの表面を導波板の表面に対して垂直に設置する構成にも利点がある。図２は、本発明の実施の形態１に係るバックライト装置の部分斜視図であり、ワイドストライプのレーザの表面を導波板６の表面に対して垂直にしている。ワイドストライプのレーザの拡がり角は、半導体レーザの厚み方向が３０°程度と大きく、幅方向が数°程度と小さい。導波板６に入射された光が内部で拡がることで導波板面内の光量均一化が図られるが、拡がり角が小さければ拡大レンズ系などが必要となる。従って、半導体レーザの拡がり角が大きい厚さ方向を導波板６表面と平行に設置する（即ち、レーザの表面を導波板６の表面に対して垂直に設置する）ことで、拡大レンズ系を用いずにレーザ光を導波板６面内に十分に拡げることが可能となる。さらに、レーザの表面を導波板の表面に対して垂直に設置する構成は、λ/２板を用いないでレーザの偏光方向を導波板に平行に設定できるという利点を有する。但し、ワイドストライプのレーザのストライプ幅は、１００−２００μｍ程度であるため、レーザの表面を導波板６の表面に対して垂直に設置する構成の場合、マルチストライプ構造にすると導波板６との結合効率が低下することがある。その場合、ワイドストライプレーザを複数用いるか、スタック状にすることで、半導体レーザと導波板との結合効率を上げることが可能となる。

複数のワイドストライプ構造をスタック状で使用するには、図２に示すようにヒートシンク４０１により、活性層４０４を備えるレーザ光源（青色レーザ４０２，赤色レーザ４０３）を挟むサンドイッチ構造が好ましい。ヒートシンク４０１で挟むことで、レーザの冷却効率が向上し、装置全体の高出力化や長寿命化が可能となる。さらに、ヒートシンク４０１内部にヒートパイプを通して冷却効率を上げることにより、光源の信頼性を大幅に向上させることができる。半導体レーザの発光点の間隔を数ｍｍ以上としても導波板６全体にレーザ光を拡げることができるので、レーザ光源の間にヒートシンク４０１を設ければ、ヒートシンク４０１の冷却効率を十分に上げてレーザに対する熱分離を適切に行うことができる。

後述のように、半導体レーザとして赤色若しくは青色のＬＤ（レーザ・ダイオード）を用いる場合、複数のレーザ光源を用いることになる。この場合、色の異なるレーザ光源を交互に配置することで、導波板内の色の均一性を向上させることができる。また、赤色ＬＤに対して青色ＬＤの方が発行強度が大きいので、赤色ＬＤを多く使用することが好ましい。例えば、赤色ＬＤと青色ＬＤを２対１の個数比で交互に配置すれば、導波板内の色の均一性が図れる。

（マイクロレンズアレイの利用）
図３は、本発明の実施の形態１に係るバックライト装置の別例の平面図である。図３に示すバックライト装置では、マイクロレンズアレイ２１によって、導波光をコリメートする。グレーティング構造やグレーティングレンズ構造を用いると、レンズ部分を小さくできるため、バックライト装置全体の構造を小さくできる。

さらに、マイクロレンズアレイ２１を液晶により構成すれば、マイクロレンズアレイ２１の焦点を時間的に変化させることができる。焦点が変化することで、導波板６を導波する光の伝搬状態が時間的に変化するため、スペックルノイズの低減が可能となる。導波する光はマイクロレンズアレイ２１を往復することでビーム行路の変化が２倍になるため、マイクロレンズアレイ２１を駆動する電力を低く抑えることもできる。さらに、マイクロレンズアレイ２１又は反射部２を微小振動させる構成も有効である。マイクロレンズアレイ２１又は反射部２を微小振動させることで、ビーム行路が変わりレーザの散乱パターンが変化するためスペックルノイズを低減することが可能である。微小振動では偏光の変化が小さいため、本発明の効果である偏光を揃えて利用効率を高めることへの影響は小さく、高効率化が可能である。

（反射部に対向する端部へのミラーの設置）
図４は、本発明の実施の形態１に係るバックライト装置の更なる別例の平面図である。図４に示すように、レーザの入射部がある導波板６端部にミラー３１を設置する。このようにすることで、反射部２で反射されたコリメート光４をミラー３１で更に反射することができ、結果として導波板６内での光量の均一化が強化される。また、バックライト装置の２次元面状照明の利用効率が上がるので、効率の高いバックライト装置になる。レーザ光源７の発光面積は非常に小さく、ミラー３１の開口部での損失は小さくて済む。複数のレーザ光源を用いる場合は、ミラー３１に微小穴を複数空けて、複数の微小穴からレーザ光を入射する構成とする。このようにしてもミラーの面積を複数の微小穴よりずっと大きくすることができ、微小穴からのレーザ光の損失はごく僅かである。

（光量分布の更なる均一化）
さらに、図５は、本発明の実施の形態１に係るバックライト装置の拡散板における拡散パターン３０１の構成例である。図５に示すように、導波板のレーザ光の拡散強度分布が中心部に対して周辺部の方で強くなるように、拡散パターンを設計する。即ち、導波板において光量分布均一化とコリメート化を行う場合、導波板の裏面に備えられる拡散板によって前面に拡散される光量分布を均一化するために、拡散板の拡散パターン分布を導波板内の光量分布の逆関数となるように設定する。このようにすることにより導波板から拡散するレーザ光の光量均一性が強化される。

また、レーザ光、特に、（後述するように）緑色レーザ光を拡げるレンズ光学系３２として、マイクロレンズアレイを用いれば、導波板６内でのレーザ光の強度分布の均一化を図れる。そもそもレンズ光学系３２に単レンズを用いると、導波板６の中央近傍の強度分布が周辺部より強くなってしまう。これに対してレンズ光学系３２にマイクロレンズアレイを用いることで、強度分布の強弱の発生を緩和して強度分布の均一化を図ることができる。

（レーザ光の様々な入射）
また、図６は、本発明の実施の形態１に係るバックライト装置の更なる別例の平面図である。図６に示されるバックライト装置は、レーザ光１が導波板６下方端部の角部から入射される構成となっている。レーザ光１が導波板下方端部の角部から入射するのであっても、更に、複数のレーザ光が導波板下方端部の様々な位置から入射するのであっても、反射部２の設計によりコリメート状態を実現できるので、均一な単一偏光のバックライト光を実現できる。

（フレネルレンズの利用）
図７は、本発明の実施の形態１に係るバックライト装置の更なる別例の平面図である。図７に示されるように、反射部５１をフレネルレンズの形状にすることで、反射部５１の面積（及び体積）を最小にしてコリメート光４を実現できる。反射型のフレネルレンズを用いることで、装置全体の小型化が図れるのであり、コヒーレンスの高いレーザ光を用いることで、そのフレネルレンズの設計も容易になる。

また、フレネルレンズを適宜設計すれば、反射光４の方向を部分的に制御することが可能となる。例えば、中心部分の反射光４の反射方向を両側面部分に分散させるようにすることで、分布強度が強い中心部の光を側部に分散させて全体の強度分布の均一化が図れる。

さらに、ＲＧＢレーザ等の波長の違いに着目して、屈折分散による反射の分布の制御を行うことができる。つまり、ＲＰＧレーザの発光点の位置の自由度を高めるには、色によって反射分布を異ならせる必要がある。特に、（後述するように）緑色レーザ光が波長変換を用いるレーザ光であるならば、変換効率を上げるために光源の輝度が高く設定され、且つ出射スポットの数も少なく設定される。これに対して、（やはり後述するように）赤色レーザ及び青色レーザとして半導体レーザを用いるならば、出射スポットの数を多く設定され、且つ光源の輝度も低く設定される。このように、波長によって出射スポットの数や光源の輝度が異なることが想定される。そのような場合に反射によって導波板内に均一にＲＢＧ光を分布させるには、フレネルレンズのようなグレーティングレンズを用いて、色毎に屈折分散による反射の分布の違いを設計することが必要になる。

（反射部の反射部材の分割）
さらに、図８は、本発明の実施の形態１に係るバックライト装置の更なる別例の平面図である。図８に示されるように、反射部２の凹面状の反射部材を複数に分割しこれに対応して導波板６上方端部の形状を変更する（縮小する）。このようにすることで、導波板６上部の面積が小さくなり、バックライト装置全体の小型化が図れる。分割された反射部材をさらに小さく分割して１０ｍｍ以下の多数のマイクロ凹面ミラーとし、それらにより反射部２を構成すれば、図１等に示される導波板６上部の膨らみ部分が不要になって装置全体が小型化され得る。それと共に、勿論光量の均一化は可能である。つまり、マイクロ凹面ミラーの各反射光を合波した光量分布が均一な分布になるようにマイクロ凹面ミラーの反射分布を設計すれば、バックライトの形成する光量の分布の均一化を図れる。

また、マイクロ凹面ミラーを用いれば、レーザ光ビームを走査した場合に僅かな振れ角で反射する光の位相が大きく変化するため、スペックルノイズ低減効果が大きくなるという効果も得られる。

（コリメート光を多重反射させる例）
さらに、図９は、本発明の実施の形態１に係るバックライト装置の更なる別例の平面図である。図９に示される導波板６では、反射部２のコリメートした光を、導波板６の上下の端部で多重反射させる。このようにすることにより、導波板６内の光量の均一化が図れる。反射の角度を端面に対して垂直に近づけることで、コリメート光の偏光をほぼ平行に保つことができ、光の利用効率を向上できる。

以上、様々な例により本発明の実施の形態１を説明してきたが、本発明の構成は携帯機器などへの応用に適している。つまり、消費電力を大幅に低減できるためバッテリの消費電力を抑制でき、従って所定の充電量によりバッテリの長時間での利用が可能になる。上述したように、レーザ光として、赤、青、緑の可視光レーザを用いればカラー表示が可能となる。レーザ光を順次に点灯することでフルカラー表示も可能となる。

《実施の形態２》
（２層構造の導波板）
図１０は、本発明の実施の形態２に係るバックライト装置の一つの例の平面図（ａ）と側断面図（ｂ）である。側断面図（ｂ）は、平面図（ａ）の中心縦軸（図示せず）を通過する縦断面によるものである。なお、本発明の実施の形態２に係るバックライト装置は、図１に示す実施の形態１に係るバックライト装置と略同様のものである。従って、同一部位には同一符号を付して説明を省略する。

図１０に示されるバックライト装置では、導波板が２層構造（第１の導波板６１、第２の導波板６２）になっている。レーザ光１は、第１の導波板６１に入射され発散光となって伝搬し、反射部２を構成する直角プリズム６３で第２の導波板６２に導かれる。第２の導波板６２ではレーザ光はコリメート光４となり、且つ偏光５が平行となる。実施の形態２に係るバックライト装置でも、導波板（特に、第２の導波板６２）内の光量均一化とレーザ光のコリメート化が実現される。

上述のように、２層構造において第２の導波板６２はコリメート光のみ伝搬する。このため、この２次元のバックライト装置と液晶パネル及び拡散板とを組み合わせた装置によって２次元画像を表示する場合、液晶パネルに入射する光の偏光を分離するための偏光板が必要なくなる。このように、光の利用効率に優れた低消費電力のバックライト装置が実現できる。なお、図１０に示される２層構造の導波板は、前述した図３乃至図７に示される様々な構成と組み合わせることもできる。

（λ／４板の利用）
図１１は、本発明の実施の形態２に係るバックライト装置の別例の平面図である。図１１に示されるバックライト装置は偏光及び反射の特性を利用する。つまり、図１１に示されるバックライト装置では、反射部２の内側にλ／４板７１が薄く堆積されている。

導波板６に入射したレーザ光１は、発散光３となって反射部２で反射される。ところで、レーザ光１は予め導波板６の表面に対して垂直な偏光を有するように設定されている。ここで、反射部２の内側にはλ／４板７１が設けられているので、反射するレーザ光１は、λ／４板７１を２回通過して偏光を９０°回転され、結果として偏光は導波板６表面となるように変換される。反射部６で反射し、コリメートされたレーザ光は、コリメート光４となり偏光が導波板表面と平行な光量均一光となる。このように、入射光と反射光とで偏光が異なることにより、偏光分離を用いて反射光のみを外部に取り出すことが可能となる。つまり、１層構造の導波板であっても偏光の揃った２次元の面状バックライト光源を実現できることになる。また、図１１に示される導波板は、前述した図３乃至図７に示される様々な構成と組み合わせることもできる。

（バックライト装置の他の例）
本発明の実施の形態１、又は実施の形態２に係るバックライト装置において、レーザ光源としてＲＧＢ３色のレーザ光源以外に更に他の色のレーザ光源を追加する構成も、色再現性がより向上するため望ましい。更なる色のレーザ光源を追加することで、表現できる色度範囲を大幅に拡大することが可能となる。

さらに、レーザ光はコヒーレンスが高いためグレーティング等も利用できる。反射部２の表面に反射型のグレーティング構造を形成し、光の回折パターンによりレーザ光が液晶パネル上で均一に照射されるような構成を採用すれば、簡素な光学系で液晶パネルでの光量の均一化が図れる。ＲＧＢ光源としては、半導体レーザ、固体レーザ、及びファイバーレーザ等が利用できるが、いずれのレーザも電気−光変換効率は２０％〜４０％と非常に高い。さらに、コヒーレンスが高く、カラー表示に必要となる光のスペクトルのみを発振することができるため、ＲＧＢ（赤緑青）表示のために無駄なく光を利用できる。

本発明の実施の形態１若しくは２に係るバックライト装置では、レーザを用いることで導波板の薄板化が可能となる。従来の蛍光管やＬＥＤを用いたバックライト装置では、導波板の厚みが少なくとも数ｍｍ必要である。けだし、蛍光管やＬＥＤの発光面はｍｍ^２オーダであり相当に大きく、導波板が十分厚くなければ導波板との結合効率が大幅に低下するからである。これに対して、レーザの発光面は数μｍ×数１００μｍであり非常に小さい。バックライト装置の軽量化、小型化、及び低コスト化に有利である。レーザ活性層の厚み方向を導波板の厚み方向に揃えると、レーザの発光面の厚み方向のサイズは数μｍとなり、導波板は１０μｍ以上の厚みがあれば９０％以上の高効率でレーザ光との結合が可能となる。

また、導波板を複数枚の薄膜で構成すれば、複屈折率を備える導波板を容易に実現できる。薄膜に夫々の屈折率を持たせるには薄膜に応力を加えることで実現できるが、このようにすれば、夫々の薄膜に強い応力を保持できるため信頼性の高い複屈折率薄膜が実現できるという利点も生じる。

また、表示装置を動作させる状況で必要とされる輝度に合わせて、レーザ光源の強度を変調することで、消費電力を低減することが可能となる。レーザ光の場合、強度変調が容易であり、表示する画面の最大の輝度に合わせて、レーザ光強度を変調することで、レーザ光の発光に必要な電力を大幅に抑制できる。一方、従来技術の蛍光管では、高速の強度変調は困難である。従来技術のＬＥＤでは、複数のＬＥＤの強度を別々に制御することが難しく、また、強度による色の変化も大きいため、出力強度の階調性に乏しい。

なお、本発明の実施の形態１若しくは実施の形態２に係るバックライト装置を利用して、入射するレーザ光１に２次元画像データを載せるような構成も実現できる。即ち、予め２次元のスイッチング装置で画像変換した光を導波板に伝搬して導波板で拡大表示するような構成である。この構成においても、レーザ光を用いることで、導波板との結合が大幅に向上する。更に、偏光を維持することができるため、表示画像のコントラストが大幅に増大する。

これまでに述べたバックライト装置では、導波板を平行平板としているが、導波板は、上部では表面と裏面の間がやや狭く下部では表面と裏面の間がやや広いテーパ構造を有していてもよい。このようなテーパ構造を利用すれば、光量分布が低くなりがちな周辺部での拡散を増やすことができ、結果として全体の拡散の均一化が図られる。

《実施の形態３》
本発明の実施の形態３では、導波板６におけるスペックルノイズの低減に関する構成を説明する。レーザ光はコヒーレンスが高く、光の干渉によるスペックルノイズが発生する。このため、レーザ光によりそのまま画像を構成すると、画像の画質はあまり良くない。これを回避するにはスペックルノイズの低減が重要である。

（偏向器の利用）
図１２は、本発明の実施の形態３に係るバックライト装置の一つの例の平面図である。なお、本発明の実施の形態３に係るバックライト装置も、実施の形態１に係るバックライト装置及び実施の形態２に係るバックライト装置と略同様のものである。従って、同一部位には同一符号を付して説明を省略する。

図１２に示すバックライト装置では、レーザ光源７の入射部近傍に、偏向器８１が設けられている。この偏向器８１によってレーザ光の方向が時間的に変化することで導波している光の位相が時間的に変化し、その結果スペックルノイズが低減される。

偏向器でなくても、位相や偏光を時間的にわずかに変化させる装置を用いればスペックルノイズの低減が可能である。

（回転プリズムの利用）
図１３は、本発明の実施の形態３に係るバックライト装置の別例の平面図である。図１３に示されるバックライト装置では、レーザ光源７の入射部近傍に回転プリズム９１が設けられている。この回転プリズム９１によってレーザ光の方向を時間的に走査することで、レーザ光の光量均一化が図られる。光量均一化されたレーザ光を反射部２でコリメートすることで、光量が均一化されたコリメート光を作成できる。また、レーザ光を走査することで、レーザ光の位相が時間的に僅かに変化するため、スペックルノイズの発生を低減できる。

（複数のレーザ光源の利用）
また、図１４は、本発明の実施の形態３に係るバックライト装置の別例の平面図である。図１４に示されるバックライト装置では、一つの導波板６に対して複数（ｎ個）のレーザ光源（７−（１）、７−（２）、７−（３）、・・・７−（ｎ））が設けられる。このように複数のレーザ光源を用いる構成は、以下の点で有効である。まず、ＲＧＢレーザ光源を複数設置して導波板に入射することで、一つのレーザ光の強度が小さくても高輝度のディスプレイ装置を実現できる。この場合、一つのレーザ光の発光強度は低輝度化するのだから、レーザ光源そのものの寿命が大幅に増大する。また複数のレーザ光源を用いるのだから、例えば一つのレーザ光源が故障しても他のレーザ光源で補完され得るため、より信頼性の高いディスプレイ装置が実現される。レーザ光源としては、マルチアレイの半導体レーザや、マルチアレイの半導体レーザをスタックしたもの、若しくはレーザチップを複数ならべた構造等が使用できる。

更に、このような構成はスペックルノイズの低減に有効である。つまり、複数の発光点よりレーザ光が発生することで複雑な波面が形成されてスペックルノイズの発生が抑えられる。また複数のレーザ光源の出力を適宜切り替えることで、干渉パターンが多重化しスペックルノイズが抑制できる。

（複数の波長の利用）
複数のレーザ光源の波長を僅かに異ならせる構成にすることで、スペックルノイズをより小さくすることができる。スペクトルの差は０．２ｎｍ以上であるのが好ましく、さらに望ましくは１ｎｍ以上離れているのがよい。

また、半導体レーザをレーザ光源として用いる場合、駆動電流に高周波を重畳することでレーザの発振スペクトルが拡がることが知られている。スペクトルを拡大することでコヒーレンスを低減することができるので、スペックルノイズの低減が可能となる。

（波長変換レーザと半導体レーザ）
図１５は、本発明の実施の形態３に係るバックライト装置の更なる別例の平面図である。図１５に示されるバックライト装置は、導波板６下方端部中央に配置される緑色レーザ（光源）７’と、緑色レーザ光１’の導波板入射部近傍に配置される回転プリズム９１と、回転プリズム９１近傍以外の導波板６下方端部にそれぞれ複数個配置される赤色レーザ（光源）１０１及び青色レーザ（光源）１０２と、上方端部に反射部２を設けた導波板６とを備える。

図１５に示されるバックライト装置では、緑色レーザ光と、青色レーザ光及び赤色レーザ光とで、導波板への入射するための仕組みが異なる。

まず、緑色レーザ光１’は、回転プリズム９１を介して導波板６に入射している。緑色レーザビームは導波板６内部で走査され、反射部２で反射されてコリメート化されている。レーザ光１’の偏光は導波板表面と平行であり、コリメート光４の偏光は入射端面とほぼ平行に変換されている。一方、青色レーザ１０２及び赤色レーザ１０１は半導体レーザであり、複数の赤色レーザ光及び青色レーザ光は、導波板６の端面の他部位より入射している。複数の赤色レーザ１０１及び青色レーザ１０２は交互に並べられ色の均一性が確保されるように配置されている。

ＲＧＢレーザを用いてフルカラー表示可能なバックライト装置を構成する場合、緑色レーザ光源は波長変換を用いるレーザ光源である。具体的には、緑色レーザは、固体レーザ、ファイバーレーザなどの基本波光源を、周期分極反転構造を形成したＭｇドープＬｉＮｂＯ_３で波長変換するという構成を用いる波長変換レーザである。波長変換レーザの変換効率は、基本波パワーに依存するため、高効率変換には高出力の基本波レーザが必要であり、そのため出力光は１ビーム又は２ビームという少ない個数になってしまう。けだし、ビーム数を多くするとビームあたりの出力が低くなり変換効率が低下するからである。また波長変換レーザは、高効率変換であるためビーム品質が高く、スペクトル幅が狭いため発生するスペックルノイズが大きい。さらに緑色レーザ光は、人間の視感度が高いため、スペックルノイズを感じやすい。

一方、赤色レーザ光源及び青色レーザ光源は、複数の半導体レーザを用いる。半導体レーザの場合、ワイドストライプのＬＤを用いることで、単体でのスペクトル幅を広げることが可能となる。さらに複数の半導体レーザの波長を数ｎｍ程度ばらつかせることで、スペックルノイズを大幅に抑制することが可能となる。さらに駆動電流に高周波重畳を加えることで、スペクトルを拡大してスペックルノイズをより低減することも可能である。従って、ＲＧＢレーザの中で、スペックルノイズ低減が特に重要となるのは、波長変換レーザである緑色レーザであるといえる。

図１５に示されるバックライト装置では、緑色レーザ光ビームを導波板６内部で走査してスペックルノイズの低減を図っている。上述のように緑色レーザ光はビーム本数が少なく、回転プリズムやポリゴンミラーなどでビームを走査するとしても、装置全体の構成を小型に保持できる。

また赤色レーザ及び青色レーザは、上述のような別途の仕組みによりスペックルノイズを低減できるが、多数のレーザ光源を利用する必要がある。（前述のように）緑色レーザに関しては、スペックルノイズ低減にはビームを走査する構成が有効である。さらにＲＧＢレーザのうち電力効率は緑色レーザが最も低い。このため、バックライト装置の電力効率を向上させるには、緑色レーザの利用効率向上が有効である。つまり、緑色レーザを単一偏光にして、ビーム走査させ且つ反射コリメートで使用し、偏光を導波板６内部で平行にして利用効率向上を図ることで、バックライト装置の効率向上が図れるといえる。

上述のように赤色レーザ及び青色レーザのための半導体レーザに関しては、複数のレーザ光源を用いることでスペックルノイズ低減が可能となる。このため導波板の端面の他部位より複数入射する構成が好ましい。このとき、入射した光が反射部に到達する前に導波板前面より多く出射するのが好ましい。つまり、導波板が、波長によって散乱効率が変わるように（即ち、導波板の散乱につき、赤、青が多く、緑が少ないように）設計されることが好ましい。

（波長変換レーザ、半導体レーザ、及び、２層構造の導波板）
図１６は、本発明の実施の形態３に係るバックライト装置の更なる別例の平面図（ａ）と側断面図（ｂ）である。側断面図（ｂ）は平面図（ａ）の中心縦軸（図示せず）を通過する縦断面によるものである。

図１６に示されるバックライト装置では、導波板が第１の導波板６１と第２の導波板６２の２層構造になっている（図１０参照）。緑色レーザ光１’は、第１の導波板６１の下方端面から入射し、反射部２を構成する直角プリズム６３で反射された後、第２の導波板６２を伝搬しつつ第２の導波板６２の表面より放射されて面状の光源を構成する。一方、赤色レーザ光１０１及び青色レーザ１０２は、第２の導波板６２の下方端面から入射して、第２の導波板６２の表面より放射される。

緑色レーザ光１’は、反射部２により反射され且つコリメート化され、第２の導波板６２では入射端面にほぼ平行な偏光を有するコリメート光で伝搬する。これによってバックライト装置の表面に設置された液晶パネルの透過偏光と偏光を一致でき、緑色レーザ光の利用効率を向上できる。

第２の導波板６２の上下端面近傍には、第１の波長フィルタ２００１及び第２の波長フィルタ２００２を設置する。第１の波長フィルタ２００１は、緑色レーザ光を透過し、赤・青色レーザ光を反射する。第１の導波板６１を通過した緑色レーザ光は反射部２で反射して第１のフィルタ２００１を通過する。一方、青・赤色レーザ光は、第１のフィルタ２００１で反射する。さらに、第２のフィルタ２００２は、緑色レーザ光を反射し、青・赤色レーザ光を反射する。さらに加えて、第２のフィルタ２００２は、所定の（複数）位置に設けられた微小穴から、赤・青色レーザ光を透過する構成になっている。このように、上下端面でレーザ光を反射することにより、レーザ光の利用効率を大幅に増大させることが可能になっている。

緑色レーザ光源である波長変換レーザによるレーザ光は、拡がり角が小さいため、光量均一化のためには相当の伝搬距離を必要とする。このため、ビームの拡がりを１層目の導波板（第１の導波板６１）で実現し、２層目の導波板（第２の導波板６２）をバックライト光源として面状に緑色レーザ光を放射する構成が好ましい。

半導体レーザを複数用いる場合、発光点が複数あるから、光量均一化のための導波距離は短くてよい。従って、入射される第２の導波板６２から放射するような構成により、赤・青色レーザ光の均一化が可能となる。

上記のように、緑色レーザ光と赤・青色レーザ光とを異なる導波板から入射することで、光源を設置する場所の自由度が増し、システムの小型化が可能となる。また、導波板が１層構造である場合（図１５参照）に比べて、緑色レーザ光の均一性が向上する。さらに、導波板が１層構造である場合、導波板の下方端面の中心部に緑色レーザが配置されその周辺部に赤・青色レーザが配置されるため、表示画面に色むらが出る可能性もあるといえるが、導波板が２層に分離する場合、赤・青色レーザの入射部を導波板の下方端面の中央近傍にも設置できるため、色の均一性が大幅に向上する。また、入射部を分離することで緑色レーザ光を走査する構成の構築も容易となりスペックルノイズの更なる低減が可能となる。

導波板としてポリカ、フォトポリマーなどの有機材料を用いることが想定されるが、これら材料による緑色レーザ光の吸収損失は、青色レーザ光に比べて約半分程度と小さい。このため緑色レーザ光は、反射部で反射させて光路を長くとるようにしても、吸収による損失が比較的少ない。これに対して、波長４５０ｎｍ程度の青色レーザ光は、非吸収量が比較的大きいため、反射部で反射させる前に導波板６から放射させるようにすることが、利用効率の高効率化のために重要である。

導波板について説明する。導波板は、レーザ光を伝搬させる役割と、レーザ光を前面に散乱させて面状の放射光源を形成する役割とを有する。レーザ光をよりよく散乱させるのには、主として、
（ア）導波板内部に拡散粒子となるビーズを混ぜる方式、
（イ）導波板の裏面に拡散のための凹凸を設ける方式、又は、
（ウ）上記（ア）（イ）の両方を用いる方式
がある。
従来、拡散粒子の入った導波板（上記（ア）の方式の導波板）の中をレーザ光が進むと、レーザ光が散乱されレーザ光の偏光がランダム状態になると考えられていた。実際に実験を行うと、緑色レーザ光の場合、５０インチ程度の導波板にレーザビームを入射しても８０％程度の光の偏光は維持されることが判明した。即ち、簡単な構成でレーザ光の利用効率を１．６倍に向上できることが実証された。さらに、拡散粒子を含んだ導波板（上記（ア）の方式の導波板）内で緑色レーザ光を僅かに走査することでスペックルノイズが大幅に低減され、目視では殆ど観測され得ないレベルにまでなることが分かった。即ち、図１６に示されるバックライト装置の構成では、まず、スペックルノイズの大幅な低減が可能であり、さらに、従来偏光維持が難しいと考えられていた拡散粒子を導波板に含ませる構成であっても、偏光維持効果によるレーザ光の利用効率の大幅な向上が可能になる。さらに加えて、レーザ光源のビーム品質、レーザ光源のマルチモード化、若しくは導波板の不均一性によって生成されてしまうバックライト照明の輝度むらを大幅に低減できるという効果が得られる。

なお、以上の実施の形態１乃至実施の形態３に関する説明で示したバックライト装置は、液晶パネルによる画像表示システムのバックライト以外にも、他のディスプレイ装置、更には２次元面状照明装置などの光源として利用できる。２次元面状照明装置は、平面状でも曲面状でもよい。

《実施の形態４》
図１７は、本発明の液晶ディスプレイ装置２００の概略のブロック図である。図１７に示される液晶ディスプレイ装置２００は、液晶パネル部２０１と、液晶パネル部２０１を照明するバックライト装置２０２と、液晶パネル部２０１を駆動するＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ；液晶ディスプレイ）制御部２０３とを備える。ここでのバックライト装置２０２は、実施の形態１乃至実施の形態３の説明で示したものである。

液晶パネル部２０１は、バックライト装置２０２の前面（図１７における左方向）に設けられる。更に、液晶パネル部２０１は、ＬＣＤ制御部２０３と各種電気的信号を送受信できるようにＬＣＤ制御部２０３と接続する。ＬＣＤ制御部２０３は、外部から入力される画像信号に従って液晶パネル部２０１の動作を制御する。

本発明の表示装置を利用することにより、光量が均一であり出力効率の高い画像表示を実現できる。更に、本発明の表示装置は、低消費電力、及び高い色再現性という利点を備える。

本発明の光源装置は、単一偏光のレーザ光源を用いて、２次元平面における光量の均一化と偏光の均一化を同時に実現できる２次元の光源である。本発明によって、光の利用効率が大幅に向上し、低消費電力の光源装置が実現でき、その実用効果は大きい。また、小型構成が可能なためモバイル用途への応用も可能であり、低消費電力により高輝度画像形成や長時間のバッテリ駆動が可能となる。

本発明の実施の形態１に係るバックライト装置の一例の平面図である。 本発明の実施の形態１に係るバックライト装置の一例の部分斜視図である。 本発明の実施の形態１に係るバックライト装置の一例の平面図である。 本発明の実施の形態１に係るバックライト装置の一例の平面図である。 本発明の実施の形態１に係るバックライト装置の一例の平面図である。 本発明の実施の形態１に係るバックライト装置の一例の平面図である。 本発明の実施の形態１に係るバックライト装置の一例の平面図である。 本発明の実施の形態１に係るバックライト装置の一例の平面図である。 本発明の実施の形態１に係るバックライト装置の一例の平面図である。 本発明の実施の形態２に係るバックライト装置の一例の平面図（ａ）と側断面図（ｂ）である。 本発明の実施の形態２に係るバックライト装置の一例の平面図である。 本発明の実施の形態２に係るバックライト装置の一例の平面図である。 本発明の実施の形態３に係るバックライト装置の一例の平面図である。 本発明の実施の形態３に係るバックライト装置の一例の平面図である。 本発明の実施の形態３に係るバックライト装置の一例の平面図である。 本発明の実施の形態３に係るバックライト装置の一例の平面図（ａ）と側断面図（ｂ）である。 本発明の実施の形態４に係る液晶ディスプレイ装置のブロック図である。

符号の説明

１ レーザ光
２ 反射部
３ 発散光
４ コリメート光
５ 偏光方向
６ 導波板
２１ マイクロレンズ
３１ ミラー
５１ 反射部
６１ 第１の導波板
６２ 第２の導波板
７１ λ/４板
８１ 偏向器
９１ 回転プリズム

Claims (20)

1. 単一偏光のレーザ光源と、
   導波板と、
   前記導波板の端部に設けた反射部と
   を備え、
   前記レーザ光源からのレーザ光は、前記導波板を伝搬した後、
   前記反射部によって、コリメートされ、
   コリメートされた前記レーザ光の偏光が前記導波板の表面とほぼ平行であることを特徴とする光源装置。
2. 前記導波板が複屈折率を有することを特徴とする請求項１記載の光源装置。
3. 前記反射部が凹面構造を有し、前記反射部が前記導波板を伝搬したレーザ光をコリメートするレンズ部の機能を兼ね備えていることを特徴とする請求項１記載の光源装置。
4. 前記導波板に設けられ、前記導波板を伝搬したレーザ光を前記反射部と共にコリメートし、且つフレネルレンズ構造を有するレンズ部を、
   更に備えることを特徴とする請求項１記載の光源装置。
5. 前記導波板に設けられ、前記導波板を伝搬したレーザ光を前記反射部と共にコリメートし、且つマイクロレンズであるレンズ部を、
   更に備えることを特徴とする請求項１記載の光源装置。
6. 第２の反射部を備えることを特徴とする請求項１記載の光源装置。
7. 前記導波板が２層構造となっており、前記レーザ光源から出たレーザ光は、１層目の導波板を発散光として導波した後、前記反射部によりコリメート光に変換され、２層目の導波板を伝搬することを特徴とする請求項１記載の光源装置。
8. さらにλ／４板を備え、
   前記レーザ光源から出たレーザ光の偏光方向は、前記導波板の表面に対して垂直であり、
   前記レーザ光は、前記反射板の近傍に設けたλ／４板により、前記導波板の表面に対して平行な偏光に変換されることを特徴とする請求項１記載の光源装置。
9. さらに、前記レーザ光の偏光、偏向、焦点の少なくとも何れかを変調する光学素子を備え、
   前記光学素子により、前記レーザ光の偏光、偏向、位相の少なくとも何れかを時間的に変化することを特徴とする請求項１記載の光源装置。
10. さらに、回転プリズムを備え、前記レーザ光の方向が変調されることを特徴とする請求項１記載の光源装置。
11. 前記レーザ光源のレーザ光が少なくとも赤、緑、青色いずれかの可視光を含むことを特徴とする請求項１記載の光源装置。
12. 前記赤、緑、青色に対応する波長を有するレーザ光のレーザ光源は、少なくともいずれかは複数の発光点を有することを特徴とする請求項１１記載の光源装置。
13. 前記複数の発光点を有する同色のレーザ光源から出るレーザ光の夫々が、異なる波長を有することを特徴とする請求項１２記載の光源装置。
14. 前記複数の発光点を有する同色のレーザ光源から出るレーザ光の波長は、相互に少なくとも１ｎｍ異なるものであることを特徴とする請求項１３記載の光源装置。
15. 前記レーザ光の少なくとも一部が、導波板の側面の少なくとも一部で全反射されることを特徴とする請求項１記載の光源装置。
16. 少なくとも赤色レーザ光源、青色レーザ光源及び緑色レーザ光源を備え、
    前記緑色レーザ光源は、波長変換レーザの光源からなり、
    前記緑色レーザ光源の緑色レーザ光のみ、ビームの方向が走査されることを特徴とする請求項１記載の光源装置。
17. 少なくとも赤色レーザ光源、青色レーザ光源及び緑色レーザ光源を備え、
    前記緑色レーザ光源は、波長変換レーザの光源からなり、
    前記緑色レーザ光源の緑色レーザ光は、前記導波板を伝搬した後、
    前記反射部によってコリメートされ、
    他のレーザ光は、複数の入射部より前記導波板に入射することを特徴とする請求項１記載の光源装置。
18. 少なくとも赤色レーザ光源、青色レーザ光源及び緑色レーザ光源を備え、
    前記緑光レーザ光源は、波長変換レーザの光源からなり、
    前記導波板が２層構造になっており、
    前記緑色レーザ光源の緑色レーザ光は、前記導波板の１層目に入射し、１層目の導波板を導波した後、前記反射部によりコリメート光に変換された後、２層目の導波板を導波し、
    前記赤色レーザ光源の赤色レーザ光及び前記青色レーザ光源の青色レーザ光は、前記２層目の導波板の端面から入射し、
    前記赤色レーザ光源の赤色レーザ光、前記青色レーザ光源の青色レーザ光、及び、前記緑色レーザ光源からの緑色レーザ光は前記２層目の導波板表面から放射されることを特徴とする請求項１記載の光源装置。
19. 前記レーザ光源がワイドストライプの半導体レーザを含み、前記半導体レーザの表面と前記導波板表面がほぼ垂直となるように配置されることを特徴とする請求項１記載の光源装置。
20. 請求項１乃至請求項１９のうちのいずれか一に記載の光源装置、
    液晶パネル、及び、
    前記液晶パネルと電気的信号を送受信するように液晶パネルと接続し、外部から入力される信号に従って液晶パネルの動作を制御する液晶パネル制御部
    を含むことを特徴とする液晶ディスプレイ装置。

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