JP5741445B2

JP5741445B2 - 照明装置およびそれを用いた投射型表示装置

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Publication number: JP5741445B2
Application number: JP2011545167A
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Inventors: 齋藤　悟郎; 悟郎齋藤; 雅雄今井
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Filing date: 2010-11-26
Publication date: 2015-07-01
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Description

本発明は、液晶プロジェクタに代表される投射型表示装置の照明装置に関する。

液晶プロジェクタでは、通常、偏光光を液晶パネルに照射する必要がある。このため、例えば、液晶パネルを照明するための光源としてＬＥＤ（Light Emitting Diode）を用いた場合は、ＬＥＤからの光（非偏光光）を偏光変換して、光利用効率を高めることが望ましい。具体的には、ＬＥＤからの非偏光光の直交する直線偏光成分のうち、どちらか一方を他の偏光成分と同じになるように偏光変換する。この偏光変換の効率が低いと、光利用効率が低下する。

特許文献１には、偏光光を出射する照明装置が記載されている。この照明装置は、導光板を備える。導光板は、反射手段と、この反射手段と対向するように配置された偏光分離手段と、これら反射手段と偏光分離手段の間に設けられた、透過する光の偏光方向を変換する偏光変換手段とを有する。

光源からの光が導光板の端面に入射する。入射した光は、導光板内を伝播する。偏光分離手段は、Ｐ偏光の光を透過し、Ｓ偏光の光を反射する。偏光分離手段を透過したＰ偏光の光が、照明装置の出射光である。

偏光分離手段で反射されたＳ偏光の光は、偏光変換手段を透過し、反射手段によって反射され、この反射光は、偏光変換手段を再び透過する。Ｓ偏光の光は、偏光分離手段から反射手段に向かう過程と、反射手段から偏光分離手段に向かう過程で、偏光変換手段を２回通過することで、Ｐ偏光の光に変換される。偏光変換手段からのＰ偏光の光は、偏光分離手段を透過する。

特許文献２には、偏光光を出射する別の照明装置が記載されている。この照明装置は、偏光光を出射する導波器を有する。導波器は、出口面と対向する位置に体積ホログラムを有する。体積ホログラムは、入射した光のうちＳ偏光の光を選択的に出口面の方向に回折する。体積ホログラムで選択的に回折されたＳ偏光の光は、出口面から一定の方向に出射される。

特許文献３には、偏光光を出射するさらに別の照明装置が記載されている。この照明装置は、透明電極を備える偏光散乱制御層を第１および第２の導光体で挟んだ導光部分を備え、この導光部分の対向する端面に光源が配置されている。第１の導光体の出射面側には、第１の１／４波長板が設けられており、この第１の１／４波長板と対向する位置に、第２の１／４波長板が配置されている。第２の導光体と対向する位置には、反射板が配置されている。

偏光散乱制御層において、透明電極間への電圧印加を部分的に行うことで、透明領域と散乱領域を形成する。光源が設けられた端面側の領域が透明領域とされ、中央部の領域が散乱領域とされる。

光源から端面に入射した光（無偏光）は、透明領域を透過する。透明領域を透過した光は、第１の導光体と第１の１／４波長板の界面と、第２の導光体と空気の界面との間で、反射を繰り返し、その後、散乱領域に入射する。

散乱領域では、入射した光のうちＳ偏光成分の光は散乱され、その散乱光が、第１の導光体、第１および第２の１／４波長板を透過する。この透過光が、照明装置の出射光である。

一方、Ｐ偏光成分の光は、散乱領域を透過する。散乱領域を透過したＰ偏光成分の光の一部は、第１の導光体を通過して第１の１／４波長板に入射する。第１の１／４波長板に入射した光は、第１の１／４波長板と空気の界面で反射され、この反射光は、第１の１／４波長板を再び通過する。第１の１／４を通過した光はＳ偏光成分の光となって、第１の導光体を透過する。第１の導光体を透過したＳ偏光成分の光は、散乱領域で散乱される。

特開２００３−２０７６４６号公報特表２００５−５０４４１３号公報特開２００２−４９０３７号公報

液晶プロジェクタ等に用いられる投射光学系においては、光源の面積と発散角とで決まるエテンデューという制約がある。光源からの光を投射光として利用するためには、光源の面積と発散角との積の値を、表示素子の面積と投射レンズのＦナンバーで決まる取り込み角（立体角）との積の値以下にする必要がある。このようなエテンデューの制約のため、投射光学系においては、照明光の角度広がり（出射角）を小さくする必要がある。

特許文献１に記載のものにおいては、出射光の出射角（出射面から出射される光線の、出射面に垂直な直線に対する角度の範囲、すなわち角度分布）が大きいため、エテンデューの制約により、照明光として利用されない光が増大することとなり、その結果、光利用効率が低下する。

特許文献２に記載のものにおいては、体積ホログラムの角度選択性によって出射光の出射角（角度分布）を小さくすることができるため、エテンデューの制約を回避することは可能であるものの、体積ホログラムにおける回折効率の入射角依存性が高いため、それにより光の利用効率が低下する。

特許文献３に記載のものにおいては、散乱領域にて散乱したＳ偏光成分の光がそのまま出射されるため、出射光の出射角（角度分布）が大きい。このため、特許文献１に記載のものと同様、エテンデューの制約により、光利用効率が低下する。

本発明の目的は、上述したエテンデューの制約や入射角依存性の問題を解決し、出射角（角度分布）を小さくすることができる、光利用効率の高い照明装置およびそれを用いた投射型表示装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の照明装置は、
少なくとも１つの光源と、
前記光源から出射された光が端面に供給される第１の導光板と、
前記第１の導光板上に設けられた１／４波長板と、
前記第１の導光板の、前記１／４波長板側とは反対の側の面に設けられたホログラフィック層と、
前記ホログラフィック層の、前記第１の導光板側とは反対の側の面に設けられ、前記ホログラフィック層から入射した光を前記ホログラフィック層へ戻す第２の導光板と、を有し、
前記ホログラフィック層は、液晶分子が一方向に配向された第１の液晶層と所定の偏光を有する光に対する屈折率が前記第１の液晶層と異なる第１の高分子層とが交互に積層された第１の周期構造を有し、
前記第１の高分子層と前記第１の液晶層の第１の界面は前記１／４波長板の面に対して傾斜し、該第１の界面は湾曲しており、該湾曲した部分の凹面側が、前記第１の導光板側に位置する。

本発明の投射型表示装置は、
上記の照明装置であって、前記光源として、出射される光の色が異なる複数の光源が設けられており、前記第１の周期構造が、前記複数の光源の色毎に設けられている照明装置と、
前記照明装置から出射された光が照射される表示素子と、
前記表示素子によって形成された画像を投射する投射光学系と、を有する。

本発明の別の投射型表示装置は、上記の照明装置より構成される、赤色、緑色、青色の各色の照明装置と、
前記赤色の照明装置から出射された赤色の光が照射される第１の表示素子と、
前記緑色の照明装置から出射された緑色の光が照射される第２の表示素子と、
前記青色の照明装置から出射された青色の光が照射される第３の表示素子と、
前記第１乃至第３の表示素子で表示される各色の画像を投射する投射光学系と、を有する。

本発明の第１の実施形態である照明装置の構成を示す模式図である。図１に示す照明装置のＨＰＤＬＣ層の周期構造の一部を示す斜視図である。図１に示す照明装置のＨＰＤＬＣ層の周期構造の作用を説明するための模式図である。図１に示す照明装置のＨＰＤＬＣ層の周期構造の別の作用を説明するための模式図である。図１に示す照明装置のＨＰＤＬＣ層の周期構造の別の作用を説明するための模式図である。図１に示す照明装置における光源から供給された光が出射されるまでの経路を示す模式図である。図１に示す照明装置における光源から供給された光が伝播する様子を示す模式図である。図１に示す照明装置のＨＰＤＬＣ層の周期構造の凹面におけるブラッグ反射条件を説明するための模式図である。図１に示す照明装置における１／４波長板から出射される光の出射角とＨＰＤＬＣ層で反射される光の反射角との関係を説明するための模式図である。図１に示す照明装置のＨＰＤＬＣ層の周期構造における凹面の接線と、ＨＰＤＬＣ層と各導光板の境界面とのなす角度の条件を説明するための模式図である。図１に示す照明装置のＨＰＤＬＣ層の周期構造における層間隔を説明するための模式図である。図１に示す照明装置のＨＰＤＬＣ層の凹面の入射光に対する条件を説明するための模式図である。図１に示す照明装置のＨＰＤＬＣ層の凸面の入射光に対する条件を説明するための模式図である。ＨＰＤＬＣ層の作製方法を説明するための模式図である。本発明の第２の実施形態である照明装置のＨＰＤＬＣ層の構成を示す模式図である。図１１に示すＨＰＤＬＣ層の周期構造の出射条件を説明するための模式図である。本発明の第３の実施形態である照明装置の構成を示す模式図である。図１３に示す照明装置のＨＰＤＬＣ層の作用を説明するための模式図である。図１３に示す照明装置のＨＰＤＬＣ層の作製方法を説明するための模式図である。本発明の第１の実施形態である照明装置の変形例を示す模式図である。本発明の第３の実施形態である照明装置の変形例を示す側面図である。本発明の第３の実施形態である照明装置の変形例を示す平面図である。本発明の照明装置を備える投射型表示装置の構成を示す模式図である。図１に示す照明装置の変形例における光源から供給された光が出射されるまでの経路を示す模式図である。

１０光源
１１、１３導光板
１２ＨＰＤＬＣ層
１４１／４波長板

以下、本発明における一実施形態を、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態である照明装置の構成を示す模式図である。

図１に示すように、照明装置は、光源１０、導光板１１、１３、ホログラフィック層であるＨＰＤＬＣ（ホログラフィック高分子分散液晶）層１２および１／４波長板１４を有する。光源１０は、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザー（ＬＤ）のような半導体光源、あるいは固体光源と呼ばれる光源である。

導光板１１は、ＨＰＤＬＣ層１２の一方の面側に設けられ、導光板１３は、ＨＰＤＬＣ層１２の他方の面側に設けられている。すなわち、ＨＰＤＬＣ層１２は、導光板１１、１３によって挟まれている。

光源１０からの光は、導光板１１の端面に供給される。導光板１１では、その端面から入射した光は、導光板１１内を伝播してＨＰＤＬＣ層１２の一方の面に入射する。また、ＨＰＤＬＣ層１２の一方の面から導光板１１内に入射した光は、導光板１１内を伝播して、導光板１１のＨＰＤＬＣ層１２と接する側とは反対の側の面から出射される。

導光板１３のＨＰＤＬＣ層１２と接する面を除く面には、反射面が形成されている。図１には、便宜上、反射面１３ａ〜１３ｃしか示されていないが、この他、図面に向かって手前側の面および奥側の面に反射面を設けてもよい。導光板１３では、ＨＰＤＬＣ層１２の他方の面から入射した光が各反射面で反射されて再びＨＰＤＬＣ層１２の他方の面に入射する。

導光板１１のＨＰＤＬＣ層１２の側面全体（図面に向かって手前側の面、奥側の面、左右の面）に反射面を設けてもよい。

また、導光板１１、１３およびＨＰＤＬＣ層１２の積層構造において、１／４波長板１４が形成された面および光源１０が設けられた面を除く残りの面全体に反射面を形成してもよく、この反射面に代えて、反射シートで残りの面全体を覆ってもよい。反射面は、Ａｌ、Ａｇ等を蒸着することで形成してもよい。

反射面１３ａ、１３ｂは、導光板１３の端面に対して所定の角度で設けられている。具体的には、反射面１３ａ、１３ｂは、ＨＰＤＬＣ層１２の他方の面に向くように、導光板１３の端面に対して傾斜して設けられている。

図２Ａは、ＨＰＤＬＣ層１２の周期構造の一部を示す斜視図である。図２Ａに示すように、ＨＰＤＬＣ層１２は、液晶分子が一方向に配向された液晶層２１と所定の偏光（Ｐ偏光またはＳ偏光）を有する光に対する屈折率が液晶層２１と異なる高分子層２０とが交互に積層された周期構造を有する。この周期構造の周期は、光源１０から出射される光の波長に対応する。周期構造において、高分子層２０と液晶層２１の界面は複数の湾曲部からなり、各湾曲部の凹面が導光板１１の方向に向いている。具体的には、周期構造における各湾曲部の凹面は、光源１０が設けられた端面側の方向に向いている。

ＨＰＤＬＣ層１２の各湾曲部の凹面において、導光板１１から入射した光のうち、第１の偏光（例えばＰ偏光）の光については、入射角がブラッグ条件を満たす光が導光板１１の方向へ反射（回折）され、ブラッグ条件を満たさない光はＨＰＤＬＣ層１２を透過する。導光板１１から入射した光のうち、偏光状態が第１の偏光と異なる第２の偏光（例えばＳ偏光）の光は、ＨＰＤＬＣ層１２を透過する。

１／４波長板１４は、導光板１１のＨＰＤＬＣ層１２と接する面とは反対の側の面に設けられている。導光板１１から１／４波長板１４に入射する光のうち、入射角が全反射条件を満たす光は、導光板１１の方向へ反射され、それ以外の光は、１／４波長板１４を通過する。この１／４波長板１４を通過した光が、本実施形態の照明装置の出射光（円偏光）である。

なお、出射光として直線偏光の光を得る場合は、１／４波長板１４から出射した光の光路に、別の１／４波長板を設ける。

次に、本実施形態の照明装置の動作を具体的に説明する。

図２Ｂ〜図２Ｄは、ＨＰＤＬＣ層１２の周期構造の作用を説明するための模式図である。図２Ｂ〜図２Ｄにおいて、ＨＰＤＬＣ層１２の一方の面、すなわち導光板１１と接する面が図面に向かって上側に位置し、ＨＰＤＬＣ層１２の他方の面、すなわち導光板１３と接する面が図面に向かって下側に位置する。

図２Ｂに示すように、ＨＰＤＬＣ層１２の一方の面から入射した光（図面に向かって右上から左下に向かって伝播する光）のうち、高分子層２０と液晶層２１の境界面の凹面における入射角がブラッグ条件を満たす第１の偏光の光が、図面に向かって上方向に反射される。この凹面によれば、ＨＰＤＬＣ層１２の一方の面に対する入射角が異なる複数の第１の偏光の光を、一定の方向（ＨＰＤＬＣ層１２の一方の面に垂直な直線に沿った方向）にほぼ揃えて反射することができる。これは、ＨＰＤＬＣ層１２における回折効率の入射角依存性が小さく、ＨＰＤＬＣ層１２の一方の面から出射される第１の偏光の光の出射角（角度分布）が小さいことを意味する。なお、凹面を用いない構造（平面）の場合は、そのような回折効率の入射角依存性や出射角（角度分布）を実現することは困難である。

第２の偏光の光は、入射角に関係なく、ＨＰＤＬＣ層１２をそのまま透過する。すなわち、図２Ｃに示すように、入射角がブラッグ条件を満たす光について、ＨＰＤＬＣ層１２は、第１の偏光と第２の偏光を分離する偏光分離手段として作用する。

図２Ｄに示すように、ＨＰＤＬＣ層１２の他方の面から入射した光のうち、高分子層２０と液晶層２１の境界面の凸面における入射角がブラッグ条件を満たす第１の偏光の光が、図面に向かって下方向に反射される。この凸面における反射によれば、ＨＰＤＬＣ層１２の他方の面に対する入射角が同じ複数の第１の偏光の光が凸面の異なる位置に入射した場合、それら第１の偏光の光はそれぞれ異なる方向に反射される。このように、ＨＰＤＬＣ層１２の他方の面から入射した第１の偏光の光を凸面で、凸面に応じた一定角度範囲内に拡散することができる。

ＨＰＤＬＣ層１２の他方の面から入射した第１の偏光の光のうち、凸面における入射角がブラッグ条件を満たさない光は、ＨＰＤＬＣ層１２をそのまま透過する。第２の偏光の光は、入射角に関係なく、ＨＰＤＬＣ層１２をそのまま透過する。

図３Ａに、光源１０から導光板１１内に供給された光が１／４波長板１４の出射面から出射されるまでの経路を模式的に示す。図３Ａ中、実線の直線で示された矢印はＰ偏光を示し、破線の直線で示された矢印はＳ偏光を示す。白抜きの矢印は、Ｐ偏光およびＳ偏光を含む無偏光の光を示す。

光源１０から導光板１１内に入射した光は、導光板１１内を伝播し、その後、ＨＰＤＬＣ層１２に入射する。光源１０から導光板１１を介してＨＰＤＬＣ層１２に入射した光のうち、周期構造の境界面の凹面における入射角がブラッグ条件を満たす光（図３Ａに示す白抜き矢印）は、Ｐ偏光およびＳ偏光に分離される。分離されたＰ偏光の光は、凹面によって導光板１１の方向へ反射される。分離されたＳ偏光の光は、ＨＰＤＬＣ層１２を透過して導光板１３に入射する。

凹面で反射されたＰ偏光の光は、導光板１１を介して１／４波長板１４に入射する。１／４波長板１４に入射したＰ偏光の光のうち、全反射条件を満たさない光は、１／４波長板１４を通過し、全反射条件を満たす光は、１／４波長板１４の出射面（導光板１１に接する面とは反対側の面）で、導光板１１の方向に反射される。図３Ａに示す例では、凹面で反射されたＰ偏光の１／４波長板１４の出射面に対する入射角度は全反射条件を満たさない。したがって、凹面で反射されたＰ偏光は、１／４波長板１４の出射面から出射される。

ＨＰＤＬＣ層１２を透過して導光板１３に入射したＳ偏光の光は、反射面１３ｃによってＨＰＤＬＣ層１２の方向に反射される。反射面１３ｃで反射されたＳ偏光の光は、ＨＰＤＬＣ層１２をそのまま透過する。ＨＰＤＬＣ層１２を透過したＳ偏光の光は、導光板１１を介して１／４波長板１４に入射する。図３Ａに示す例では、反射面１３ｃで反射されたＳ偏光の光の１／４波長板１４の出射面に対する入射角度は全反射条件を満たす。したがって、反射面１３ｃからのＳ偏光の反射光は、１／４波長板１４の出射面で導光板１１の方向に反射される。

反射面１３ｃからの反射光のうち、１／４波長板１４の出射面で反射されて導光板１１に入射する光は、１／４波長板１４を２度通過するので、偏光方向がもう一方の偏光方向に変換される。図３Ａに示した例では、反射面１３ｃからのＳ偏光の反射光のうち、１／４波長板１４を２回透過した光が、Ｐ偏光の光として導光板１１を介してＨＰＤＬＣ層１２に入射する。

導光板１１からＨＰＤＬＣ層１２に入射したＰ偏光の光のうち、凹面における入射角がブラッグ条件を満たす光は、導光板１１の方向に反射され、凹面における入射角がブラッグ条件を満たさない光は、ＨＰＤＬＣ層１２をそのまま透過する。図３Ａに示した例では、ＨＰＤＬＣ層１２に入射したＰ偏光の光の凹面における入射角はブラッグ条件を満たす。したがって、ＨＰＤＬＣ層１２に入射したＰ偏光の光は、凹面によって導光板１１の方向に反射される。

凹面で反射されたＰ偏光の光は、導光板１１を介して１／４波長板１４に入射する。図３Ａに示した例では、凹面で反射されたＰ偏光の１／４波長板１４の出射面に対する入射角度は全反射条件を満たさない。したがって、凹面で反射されたＰ偏光は、１／４波長板１４の出射面から出射される。

反射面１３ａまたは反射面１３ｃによって光源１０側の方向に反射されたＰ偏光の光（図３Ａにおいて、図面に向かって左下から右上に向かうＰ偏光の光）は、ＨＰＤＬＣ層１２に入射する。図３Ａに示した例では、ＨＰＤＬＣ層１２に入射したＰ偏光の光の凸面への入射角はブラッグ条件を満たす。このため、ＨＰＤＬＣ層１２に入射したＰ偏光の光は凸面によって導光板１３の方向に反射される。導光板１３に入射した凸面からの反射光（Ｐ偏光）は、反射面１３ｃによって反射されてＨＰＤＬＣ層１２に再び入射する。図３Ａに示した例では、ＨＰＤＬＣ層１２に再び入射した反射面１３ｃからの反射光（Ｐ偏光）の凸面への入射角はブラッグ条件を満たさない。このため、ＨＰＤＬＣ層１２に再び入射したＰ偏光の光は、ＨＰＤＬＣ層１２を通過し、さらに導光板１１を通過して１／４波長板１１に入射する。図３Ａに示した例では、この導光板１１を通過したＰ偏光の光の１／４波長板１１への入射角は全反射条件を満たさない。導光板１１を通過したＰ偏光の光は１／４波長板１１をそのまま通過し、照明装置の出射光として、１／４波長板１１の出射面から出射される。

本実施形態の照明装置では、図２Ｂ〜図２Ｄに示したようなＨＰＤＬＣ層１２の作用によって、光利用効率の向上を図るとともに、出射角（角度分布）を小さくすることができる。

また、本実施形態の照明装置では、図２Ｂ〜図２Ｄに示した作用の他、ＨＰＤＬＣ層１２の周期構造の境界面の凹面側および凸面側で反射された光の一部を伝播させて再利用（光を循環させて利用すること）することで、光利用効率をさらに向上させることが可能である。

図３Ｂに、光源１０から導光板１１内に供給された光が１／４波長板１４および導光板１３の間を伝播する様子を模式的に示す。図３Ｂ中、実線の直線で示された矢印はＰ偏光を示し、破線の直線で示された矢印はＳ偏光を示す。白抜きの矢印は、Ｐ偏光およびＳ偏光を含む無偏光の光を示す。

ＨＰＤＬＣ層１２の一方の面に対する入射角度と凹面における入射位置との関係によっては、ブラッグ条件を満たす場合の、凹面で反射された第１の偏光の光が、全反射条件を満たす入射角で１／４波長板１４に入射する。この場合は、第１の偏光の光は１／４波長板１４の出射面によって導光板１１の方向に反射される。本実施形態の照明装置では、図３Ｂに示すように、ＨＰＤＬＣ層１２において、光源１０側から光源１０とは反対側へ伝播する光だけでなく、その反対方向に伝播する光も、凹面側および凸面側で反射させて、１／４波長板１４および導光板１３の間を伝播させることができる。この伝播過程において、凸面、凹面および反射面１３ａ、１３ｂにおける反射を経ることで、ＨＰＤＬＣ層１２への入射角度が変化し、さらに、ＨＰＤＬＣ層１２による偏光分離および１／４波長板１４を利用した偏光変換を経ることで、１／４波長板１４の出射面から第１の偏光の光を出射させることが可能となる。

次に、本実施形態の照明装置における、１／４波長板１４の出射面から出射される偏光光の出射角を、エテンデューの制約を満たす範囲に設定するための条件について説明する。

図４は、ＨＰＤＬＣ層１２の周期構造の凹面におけるブラッグ反射条件を説明するための模式図である。ＨＰＤＬＣ層１２と導光板１３の境界面と、凸面の接線とのなす角度はθ_rである。ＨＰＤＬＣ層１２の屈折率をｎ、周期構造のピッチをｄ₁、反射波長をλ、入射角をθ_aとする場合、凹面におけるブラッグ反射条件は、以下の式１で与えられる。

ここで、Ｎは正の整数である。

周期構造のピッチｄ₁は、以下の式２で与えられる。

例えば、図４に示す周期構造において、ＨＰＤＬＣ層１２の一方の面（導光板１１側の面）に入射する光の、その一方の面に対する入射角の補角がα₁であり、凹面への入射角がθ₁である場合、その入射光の凹面におけるブラッグ反射条件は、上記式１において、Ｎを１とし、入射角θ_aをθ₁とすることで求めることができる。また、ＨＰＤＬＣ層１２の一方の面（導光板１１側の面）に対する入射角の補角がα₂（＜α₁）であり、凹面への入射角がθ₂（＞θ₁）である入射光の、凹面におけるブラッグ反射条件は、上記式１において、Ｎを２とし、入射角θ_aをθ₂とすることで求めることができる。

図５は、１／４波長板１４から出射される光の出射角とＨＰＤＬＣ層１２で反射される光の反射角との関係を説明するための模式図である。φ₀は、１／４波長板１４から出射される光の、その出射面に対して引いた垂線に対する角度である。φ₁は、ＨＰＤＬＣ層１２からの反射光の、ＨＰＤＬＣ層１２と導光板１１の境界面に対して引いた垂線に対する角度である。

図５に示すように、１／４波長板１４から出射される光の出射角の範囲（出射角度分布）を±φ₀とする場合、ＨＰＤＬＣ層１２から導光板１１に入射する反射光の反射角の範囲は±φ₁としなければならない。φ₁は、以下の式３で与えられる。

ここで、ｎは導光板１１の屈折率である。

上記式３によれば、例えば、φ₀＝１５°、ｎ＝１．５である場合、φ₁＝９．９°である。

図６は、ＨＰＤＬＣ層１２の周期構造における凹面の接線と、ＨＰＤＬＣ層１２と導光板１１、１３の境界面とのなす角度の条件を説明するための模式図である。導光板１１、１３およびＨＰＤＬＣ層１２の屈折率はともにｎである。

図６において、α₁は、導光板１１からＨＰＤＬＣ層１２へ入射する光の、導光板１１とＨＰＤＬＣ層１２の境界面とのなす角度（補角）を示す。β₁は、ＨＰＤＬＣ層１２の凹面における、接線との交点において反射された光の、導光板１１とＨＰＤＬＣ層１２の境界面とのなす角度を示す。θ₁は、導光板１１からＨＰＤＬＣ層１２に入射する光の凹面に対する入射角を示す。

また、α₂は、導光板１３からＨＰＤＬＣ層１２へ入射する光の、導光板１１とＨＰＤＬＣ層１２の境界面とのなす角度（補角）を示す。β₂は、ＨＰＤＬＣ層１２の凸面における、接線との交点において反射された光の、導光板１３とＨＰＤＬＣ層１２の境界面とのなす角度を示す。θ₂は、導光板１３からＨＰＤＬＣ層１２に入射する光の凹面に対する入射角を示す。

反射の法則から、導光板１１からＨＰＤＬＣ層１２に入射角α₁で入射する光については、以下のような関係式が成り立つ。

同様に、導光板１３からＨＰＤＬＣ層１２に入射角α₂で入射する光については、以下のような関係式が成り立つ。

ここで、反射波長をλ、ＨＰＤＬＣ層１２の周期構造における層間隔をｄ₁とする。図７に示すように、入射角θ₁の入射光と入射角θ₂の入射光との間において、λおよびｄ₁は同じであるので、ブラッグ反射の条件から、

の関係が成立する。

したがって、

の関係が成立する。

これらの式から、

が得られる。

角度α₁、α₂、β₂を有する光は、導光板内を伝播する光であるので、

の関係を得る。

また、ＨＰＤＬＣ層１２からの出射角度を−φ₁から＋φ₁とするためには、

の関係を満たす必要がある。

以上から分かるように、出射角度を−φ₁から＋φ₁とするためには、ＨＰＤＬＣ層１２の接線の角度θ_rは、

で与えられる。このとき、以下の関係式を満たす必要がある。

また、式１１、式１２、式１６から、ＨＰＤＬＣ層１２の周期構造の層間隔ｄ₁は、

で与えられる。

本実施形態の照明装置では、出射角（角度分布）を一定の角度の範囲に制限し（出射条件）、かつ、伝播する光を拡散させる（角度変換条件）ように、ＨＰＤＬＣ層１２と導光板１３の境界面に対する接線の角度θ_rおよびＨＰＤＬＣ層１２の層間隔ｄが設定される。

以下、基準となる角度α₁、β₁を有する光について、角度θ₁および間隔ｄを決定し、その決定した角度θ₁に基づいて、上述した出射条件および角度変換条件を満たす角度θ_rを得る場合の具体例を挙げる。

（ＨＰＤＬＣ層の第１の実施例）
図８は、ＨＰＤＬＣ層１２の凹面の入射光に対する条件を説明するための図である。図９は、ＨＰＤＬＣ層１２の凸面の入射光に対する条件を説明するための図である。

ｎ＝１．５（α₁＝４８．１°）、φ₀＝±１５°（φ₁＝±９．９°）、λ＝５３０ｎｍである場合において、凹面の導光板１３側に端部で、α₁＝４５°の光を反射し、その反射光が、φ₁＝９．９°の出射角で、ＨＰＤＬＣ層１２と導光板１１の境界面から出射される。この場合、
θ_r＝１７．６°
β₁−９０＝９．９°
α₂＝８．８°
β₂＝１３６．１°となる。層間隔ｄは、３９８．２ｍｍである。

凹面の導光板１１側の端部では、α₁＝４０．８°の光を反射し、その反射光が、φ₁＝５．７°の出射角で、ＨＰＤＬＣ層１２と導光板１１の境界面から出射される。この場合、
θ_r＝２１．８°
β₁−９０＝５．７°
α₂＝４．６°
β₂＝１３１．９°
となる。

上記から、１７．６°≦θ_r≦２１．８°、ｄ＝３９８．２ｍｍを満たすような凹面を有するＨＰＤＬＣ層１２を形成することで、出射角φ₀を−１５°〜＋１５°の範囲内とすることが可能である。

（ＨＰＤＬＣ層の第２の実施例）
ｎ＝１．５５（α₁＜４９．８°）、φ₀＝±１５°（φ₁＝±９．６°）、λ＝５３０ｎｍである場合において、凹面の導光板１３側に端部で、α₁＝４５°の光を反射し、その反射光が、φ₁＝９．６°の出射角で、ＨＰＤＬＣ層１２と導光板１１の境界面から出射される。この場合、
θ_r＝１７．７°
β₁−９０＝９．６°
α₂＝８．７°
β₂＝１３５．９°
となる。層間隔ｄは、３８４．８ｍｍである。

凹面の導光板１１側の端部では、α₁＝３９．３°の光を反射し、その反射光が、φ₁＝３．９°の出射角で、ＨＰＤＬＣ層１２と導光板１１の境界面から出射される。この場合、
θ_r＝２３．４°
β₁−９０＝３．９°
α₂＝３．０°
β₂＝１３０．２°
となる。

上記から、１７．７°≦θ_r≦２３．４°、ｄ＝３８４．８ｍｍを満たすような凹面を有するＨＰＤＬＣ層１２を形成することで、出射角φ₀を−１５°〜＋１５°の範囲内とすることが可能である。

（ＨＰＤＬＣ層の第３の実施例）
ｎ＝１．５５（α₁＜４９．８°）、φ₀＝±１５°（φ₁＝±９．６°）、λ＝５３０ｎｍである場合において、凹面の導光板１３側に端部で、α₁＝４９°の光を反射し、その反射光が、φ₁＝９．６°の出射角で、ＨＰＤＬＣ層１２と導光板１１の境界面から出射される。この場合、
θ_r＝１５．７°
β₁−９０＝９．６°
α₂＝１１．２°
β₂＝１３７．４°
となる。層間隔ｄは、３７８．２ｍｍである。

凹面の導光板１１側の端部では、α₁＝４１．８°の光を反射し、その反射光が、φ₁＝２．４°の出射角で、ＨＰＤＬＣ層１２と導光板１１の境界面から出射される。この場合、
θ_r＝２２．９°
β₁−９０＝２．４°
α₂＝４．０°
β₂＝１３０．２°
となる。

上記から、１５．７°≦θ_r≦２２．９°、ｄ＝３７８．２ｍｍを満たすような凹面を有するＨＰＤＬＣ層１２を形成することで、出射角φ₀を−１５°〜＋１５°の範囲内とすることが可能である。

（ＨＰＤＬＣ層の第４の実施例）
ｎ＝１．５５（α₁＜４９．８°）、φ₀＝±１５°（φ₁＝±９．６°）、λ＝５３０ｎｍである場合において、凹面の中央部では、α₁＝４９．０°の光を反射し、その反射光が、φ₁＝０°（出射面に対して垂直方向に出射されることを意味する）の出射角で、ＨＰＤＬＣ層１２と導光板１１の境界面から出射される。この場合、
θ_r＝２０．５°
β₁−９０＝０°
α₂＝７．４°
β₂＝１３１．６°
となる。層間隔ｄは、３６５．１ｍｍである。

凹面の導光板１３側に端部では、α₁＝４９．８°の光を反射し、その反射光が、φ₁＝０．８°の出射角で、ＨＰＤＬＣ層１２と導光板１１の境界面から出射される。この場合、
θ_r＝１９．７°
β₁−９０＝０．８°
α₂＝８．２°
β₂＝１３２．４°
となる。

凹面の導光板１１側の端部では、α₁＝４７．７°の光を反射し、その反射光が、φ₁＝−１．３°の出射角で、ＨＰＤＬＣ層１２と導光板１１の境界面から出射される。この場合、
θ_r＝２１．８°
β₁−９０＝−１．３°
α₂＝６．１°
β₂＝１３０．３°
となる。

上記から、１９．７°≦θ_r≦２１．８°、ｄ＝３７８．２ｍｍを満たすような凹面を有するＨＰＤＬＣ層１２を形成することで、出射角φ₀を−１５°〜＋１５°の範囲内とすることが可能である。

次に、図１に示したＨＰＤＬＣ層１２の作製方法を説明する。

図１０は、ＨＰＤＬＣ層１２の作製方法を説明するための模式図である。基板１０１、１０２の間にＨＰＤＬＣ前駆体１００を挟み、基板１０１側からレーザ光１０４を照射するとともに、基板１０２側からマイクロレンズ１０３を介してレーザ光１０５を照射する。レーザ光１０４、１０５は、Ｐ偏光またはＳ偏光の光である。

ＨＰＤＬＣ前駆体１００は、高分子層前駆体、液晶および開始剤を含む。液晶は、例えばネマティック液晶である。開始剤は、増感色素を含んでいてもよい。

高分子層前駆体は、光硬化モノマー（または光硬化モノマーおよびオリゴマー）、光硬化液晶性モノマーおよび光硬化高分子液晶前駆体のいずれかの材料、または、それらの組み合わせによって構成される。光硬化液晶性モノマーは、光硬化前は液晶性を有するが、光硬化後は液晶性を持たない。光硬化高分子液晶前駆体は、光硬化後、高分子液晶となる。

開始剤を除いた場合の、高分子層前駆体の重量比は８０〜４０％であり、液晶の重量比は２０〜６０％である。

レーザ光１０４が参照光であり、このレーザ光１０４とマイクロレンズ１０３を介して入射するレーザ光１０５とを干渉させ、その状態（干渉縞）をＨＰＤＬＣ前駆体１００に記録する。レーザ光１０４、１０５の波長、レーザ光１０４、１０５のＨＰＤＬＣ前駆体１００への入射角度、マイクロレンズの凸面の形状（曲率等）等を適宜に設定し、液晶層中の液晶分子を一方向に配向することで、図１に示したＨＰＤＬＣ層１２を得る。

液晶分子が一方向に配向したＨＰＤＬＣ層１２は、液晶素子の作製と同様の種々の方法で作成することができる。作成手順の一例を以下に簡単に説明する。

まず、導光板１１、１３のＨＰＤＬＣ層１２が接する面に、配向膜（例えば、ポリイミド）を塗布し、ラビング処理等の配向処理を行う。

次に、ＨＰＤＬＣ前駆体を配向処理を行った面で挟み込み、導光板１１、１３間でＨＰＤＬＣ前駆体（液晶成分）を配向させる。

最後に、ＨＰＤＬＣ前駆体（液晶成分）を配向させた後、干渉露光によりＨＰＤＬＣ層１２を形成する。

本実施形態の照明装置において、導光板１１の、光源１０が形成された端面と対向する端面に反射面を形成した場合、導光板１１を側面から見た場合に、導光板１１の形状をくさび形状としてもよい。くさび形状は、光源１０が形成された端面から反射面が形成された端面に向かって導光板１１の厚さが徐々に薄くなるような形状である。

反射面１３ａ、１３ｂは、反射面１３ｃに垂直な面に対して交差するように形成されているが、これに限定されない。反射面１３ａ、１３ｂは、反射面１３ｃに垂直な面であってもよい。

反射面１３ｃは、断面形状が三角状の凸部を少なくとも一つ有していてもよい。この凸部によって角度変換を行うことができる。

（第２の実施形態）
図１１は、本発明の第２の実施形態である照明装置のＨＰＤＬＣ層の構成を示す模式図である。

本実施形態の照明装置は、ＨＰＤＬＣ層が異なる以外は、第１の実施形態の照明装置と同じ構成である。以下では、ＨＰＤＬＣ層の構成を主に説明し、他の部分についての説明は省略する。

図１１に示すように、ＨＰＤＬＣ層１２０は、周期構造１２１、１２２を多重化した構造である。周期構造１２１は、第１の実施形態の照明装置におけるＨＰＤＬＣ層１２の周期構造と同じである。

周期構造１２２は、高分子層と液晶層が交互に積層されたものである。周期構造１２１と同様、周期構造１２２においても、高分子層と液晶層の境界面は複数の湾曲部からなり、各湾曲部の凹面が導光板１１の方向（図１に示す光源１０の方向）に向いている。周期構造１２１、１２２は、互いの高分子層と液晶層が交差するように形成されている。

周期構造１２１は、第１の実施形態で説明した出射条件および角度変換条件を満たす。

一方、周期構造１２２は、出射条件のみを満たす。具体的には、周期構造１２２は、

の出射条件を満たす。また、周期構造１２２の層間隔ｄ₂は、

の条件を満たす。

本実施形態の照明装置では、周期構造１２１によって、出射角が制限されるとともに、伝播する光が拡散される。周期構造１２１は、出射条件と角度変換条件をともに満たす必要があるため、出射角φ₀が−１５°〜＋１５°の範囲となるように設定しても、その角度範囲の全体にわたって出射光を得ることは困難である。

これに対して、周期構造１２２は、角度変換条件を考慮する必要がなく、出射条件のみを考慮すればよい。よって、出射角φ₀が−１５°〜＋１５°の範囲となるように設定した場合、その角度範囲の全体にわたって出射光を得ることができる。

このように、本実施形態によれば、周期構造１２２を設けたことで、第１の実施形態のものと比較して、出射角φ₀が−１５°〜＋１５°の範囲となるように設定した場合に、その角度範囲全体にわたって出射光を得ることができるので、さらに光利用効率を向上することができる。

以下、周期構造１２２の具体例を挙げる。

ｎ＝１．５５（α₁＜４９．８°）、φ₀＝±１５°（φ₁＝±９．６°）、λ＝５３０ｎｍである場合において、α₁＝４５°の光を反射し、その反射光が、φ₁＝９．６°の出射角で、ＨＰＤＬＣ層１２０と導光板１１の境界面から出射する場合、周期構造１２１は、３９．３°＜α₁＜４５°の条件を満たすように構成する。

一方、周期構造１２２は、α₁≦３９．３°を満たす光をφ₀＝±１５°（φ₁＝±９．６°）で、ＨＰＤＬＣ層１２０と導光板１１の境界面から出射するように構成する。

図１２は、周期構造１２２の出射条件を説明するための模式図である。凹面の中央部では、α₁＝２９．７°の光を反射し、その反射光が、φ₁＝０°の出射角（出射面に垂直な方向に出射されることを示す）で、ＨＰＤＬＣ層１２０と導光板１１の境界面から出射される。この場合、
θ_r＝３０．２°
β₁−９０＝０°
となる。層間隔ｄは、１９７．７ｍｍである。

凹面の導光板１３側の端部では、α₁＝３９．３°の光を反射し、その反射光が、φ₁＝９．６°の出射角で、ＨＰＤＬＣ層１２０と導光板１１の境界面から出射される。この場合、
θ_r＝２０．６°
β₁−９０＝９．６°
となる。

凹面の導光板１１側の端部では、α₁＝２０．１°の光を反射し、その反射光が、φ₁＝−９．６°の出射角で、ＨＰＤＬＣ層１２０と導光板１１の境界面から出射される。この場合、
θ_r＝３９．８°
β₁−９０＝−９．６°
となる。

上記のから、２０．６°≦θ_r≦３９．８°、ｄ＝１９７．７ｍｍを満たすように周期構造１２２を形成することで、出射角φ₀を−１５°〜＋１５°の範囲内とすることが可能である。

本実施形態の照明装置において、周期構造１２２は、その凹面が周期構造１２１の凹面の向きとは逆の向きとなるように形成してもよい。

また、周期構造１２１、１２２をそれぞれ複数設けてもよい。

また、周期構造１２２を、出射条件ではなく、角度変換条件のみを満たすように構成してもよい。この場合、周期構造１２２は、

の角度変換条件を満たす。また、周期構造１２２の層間隔ｄ₃は、

の条件を満たす。

上記の構成によれば、周期構造１２２における拡散をより効率的に行うことができるため、第１の実施形態のものと比較して、光利用効率をさらに向上することができる。

（第３の実施形態）
図１３は、本発明の第３の実施形態である照明装置の構成を示す模式図である。

図１３に示すように、照明装置は、光源１０ａ、１０ｂ、導光板１１、１３、ＨＰＤＬＣ層２２０および１／４波長板１４を有する。導光板１１、１３および１／４波長板１４は、第１の実施形態のものと同じである。

光源１０ａ、１０ｂは、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザー（ＬＤ）のような半導体光源、あるいは固体光源と呼ばれる光源である。光源１０ａ、１０ｂから出射される光の波長は略同じである。光源１０ａは、導光板１１の一方の端面に設けられている。光源１０ｂは、導光板１１の他方の端面（光源１０ａが設けられた端面と対向する端面）に設けられている。

ＨＰＤＬＣ層２２０は、導光板１１、１３によって挟まれている。導光板１１では、その端面から入射した光は、導光板内を伝播してＨＰＤＬＣ層２２０の一方の面に入射する。また、ＨＰＤＬＣ層２２０の一方の面から導光板１１に入射した光は、導光板１１を通過して１／４波長板１４に入射する。

導光板１３では、ＨＰＤＬＣ層２２０の他方の面から入射した光が各反射面１３ａ〜１３ｃで反射されて再びＨＰＤＬＣ層２２０の他方の面に入射する。

ＨＰＤＬＣ層２２０は、第１の高分子層と第１の液晶層が交互に積層された周期構造２２１と、第２の高分子層と第２の液晶層が交互に積層された周期構造２２２とを有する。周期構造２２１、２２２の周期は同じであって、光源１０ａ、１０ｂから出射される光の波長に対応する。

周期構造２２１において、第１の高分子層と第１の液晶層の境界面は複数の湾曲部からなり、各湾曲部の凹面が導光板１１の方向に向いている。これと同様に、周期構造２２２においても、第２の高分子層と第２の液晶層の境界面は複数の湾曲部からなり、各湾曲部の凹面が導光板１１の側に向いている。具体的には、周期構造２２１における各湾曲部の凹面は、光源１０ａが設けられた端面側の方向に向いており、周期構造２２２における各湾曲部の凹面は光源１０ｂが設けられた端面側の方向に向いている。

周期構造２２１、２２２は、互いの高分子層および液晶層が交差するように形成されている。具体的には、第１の高分子層および第１の液晶層の境界面を構成する各湾曲部の凸面に接する第１の平面と、第２の高分子層および第２の液晶層の境界面を構成する各湾曲部の凸面に接する第２の平面とが交差する。第１の平面とＨＰＤＬＣ層２２０の一方の面とのなす角度と、第２の平面とＨＰＤＬＣ層２２０の一方の面とのなす角度とは、略同じである。

本実施形態の照明装置において、周期構造２２１、２２２は、第１の実施形態の照明装置におけるＨＰＤＬＣ層１２の周期構造と同様、図２Ｂ〜図２Ｄで説明したような作用を有する。

さらに、図１４に示すように、光源１０ａから導光板１１を介してＨＰＤＬＣ層２２０の一方の面に入射した光のうち、第１の偏光の光１００ａは、主に周期構造２２１によって導光板１１の方向へ反射される。ここで、光１００ａは、周期構造２２１の凹面における入射角がブラッグ条件を満たす。

また、光源１０ｂから導光板１１を介してＨＰＤＬＣ層２２０の一方の面に入射した光のうち、第１の偏光の光１００ｂは、主に周期構造２２２によって導光板１１の方向へ反射される。ここで、光１００ｂは、周期構造２２２の凹面における入射角がブラッグ条件を満たす。

このように、光源１０ａの方向に凹面が向くように周期構造２２１を形成し、光源１０ｂの方向に凹面が向くように周期構造２２２を形成することで、光源１０ａ、１０ｂからの光を効率良く反射して出射させることができる。

また、導光板１３からＨＰＤＬＣ層２２０の他方の面に入射する光のうち、光源１０ａ側から光源１０ｂ側の方向へ伝播する光は、主に周期構造２２２によって拡散され、光源１０ｂ側から光源１０ａ側の方向へ伝播する光は、主に周期構造２２１によって拡散される。このように、互いに逆向きに設けられた凸面で、効率良く拡散することができる。

本実施形態の照明装置において、周期構造２２１の出射条件および角度変換条件は、周期構造２２２と異なっていてもよい。

例えば、ｎ＝１．５５（α₁＜４９．８°）、φ₀＝±１５°（φ₁＝±９．６°）、λ＝５３０ｎｍである場合において、α₁＝４９°の光を反射し、その反射光が、φ₁＝９．６°の出射角で、ＨＰＤＬＣ層２２０と導光板１１の境界面から出射するように、周期構造２２１を構成する。また、周期構造２２２は、α₁＝４９°の光を反射し、その反射光が、φ₁＝０°の出射角で、ＨＰＤＬＣ層２２０と導光板１１の境界面から出射するように構成する。

上記の構成によれば、９．６°＜φ₁＜２．４°、−１．３°＜φ₁＜１．３°、−９．６°＜φ₁＜−２．４°の角度範囲で出射することができる。

本実施形態の照明装置において、周期構造２２１、２２２はいずれも出射条件および角度変換条件を満たすものとしているが、一方の周期構造を、出射条件または角度変換条件のみを満たすように構成してもよい。

次に、第３の実施形態の照明装置のＨＰＤＬＣ層の作製方法を説明する。

図１５は、そのＨＰＤＬＣ層の作製方法を説明するための模式図である。このＨＰＤＬＣ層の作製においても、図１０に示したＨＰＤＬＣ前駆体１００を用いる。レーザ光１０４〜１０７は、Ｐ偏光またはＳ偏光の光である。

まず、基板１０１側からレーザ光１０４を照射するとともに、基板１０２側からマイクロレンズ１０３を介してレーザ光１０５を照射する（第１の記録状態）。この第１の記録状態において、レーザ光１０４が参照光であり、このレーザ光１０４とマイクロレンズ１０３を介して入射するレーザ光１０５とを干渉させ、その状態（干渉縞）をＨＰＤＬＣ前駆体１００に記録する。

レーザ光１０４、１０５の照射を止めた後、基板１０１側からレーザ光１０６を照射するとともに、基板１０２側からマイクロレンズ１０３を介してレーザ光１０７を照射する（第２の記録状態）。この第２の記録状態において、レーザ光１０６が参照光であり、このレーザ光１０６とマイクロレンズ１０３を介して入射するレーザ光１０７とを干渉させ、その状態（干渉縞）をＨＰＤＬＣ前駆体１００に記録する。

レーザ光１０４〜１０７の波長、レーザ光１０４〜１０７のＨＰＤＬＣ前駆体１００への入射角度、マイクロレンズの凸面の形状（曲率等）等を適宜に設定し、第１および第２の記録状態を時分割で切り替えて、液晶層中の液晶分子を一方向に配向する。これにより、図１３に示したＨＰＤＬＣ層２２０を形成することができる。

なお、図１１に示したＨＰＤＬＣ層１２０を形成する場合は、図１３に示した作製手順において、第２の記録状態におけるレーザ光１０６、１０７のＨＰＤＬＣ前駆体１００への入射角度を、ＨＰＤＬＣ層１２０の周期構造１２２に対応するように変更する。

以上説明した各実施形態の照明装置は、本発明の一例であり、その構成は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜に変更することができる。

例えば、第１の実施形態の照明装置において、図１６に示すように、導光板１１の端面にプリズム面１１ａを形成してもよい。プリズム面１１ａは、断面形状が三角形状の複数のプリズム部からなる。

プリズム部の一辺と導光板１１の端面（光源１０の発光面に平行な面）とのなす角度θを、例えば７°とする。この場合は、光源１０からの正面出射（発光面に垂直な方向に出射）を導光板１１の端面に対して５°だけ傾斜させて、前述の角度α₂の範囲内に合わる。これにより、ＨＰＤＬＣ層の第２の実施例に最適な構成（１７．７°≦θ_r≦２３．４°、ｄ＝３８４．８ｍｍ）を提供することができる。

図１６に示したプリズム面１１ａを、第２および第３の実施形態の照明装置に適用してもよい。この場合は、プリズム面１１ａは、光源１０ａ、１０ｂが設けられた端面にそれぞれ形成される。

第３の実施形態において、光源からの光を導光板を介して導光板１１の端面に入射させることもできる。図１７Ａおよび図１７Ｂ、第３の実施形態の照明装置の変形例を示すものであって、図１７Ａは側面図、図１７Ｂは平面図である。図１７Ａおよび図１７Ｂにおいて、導光板１１、１３、ＨＰＤＬＣ層１２、１／４波長板１４は第３の実施形態で説明したものと同じである。

図１７Ａおよび図１７Ｂに示すように、光源３０ａ、３０ｂからの光を、プリズム導光板３１ａを介して導光板１１の一方の端面に供給し、光源３０ｃ、３０ｄからの光を、プリズム導光板３１ｂを介して導光板１１の他方の端面に供給する。

光源３０ａは、プリズム導光板３１ａの一方の端面に形成され、光源３０ｂは、プリズム導光板３１ａの他方の端面に形成されている。プリズム導光板３１ａは、両端面から供給された光を導光板１１の端面の方向へ曲げるためのプリズム部を有する。

光源３０ｃは、プリズム導光板３１ｂの一方の端面に形成され、光源３０ｄは、プリズム導光板３１ｂの他方の端面に形成されている。プリズム導光板３１ｂは、両端面から供給された光を導光板１１の端面の方向へ曲げるためのプリズム部を有する。

図１７Ａおよび図１７Ｂに示した構成によれば、１／４波長板１４の出射面の面積を大きくすることなく、４つの光源３０ａ〜３０ｄからの光を導光板１１に供給することができる。よって、エテンデューの制約下で、１／４波長板１４の出射面からの出射光の光量を増加することができる。

図１７Ａおよび図１７Ｂに示した構成は、第１および第２の実施形態にも適用することができる。第１の実施形態においては、導光板１１の一方の端面において、光源３０ａ、３０ｂおよびプリズム導光板３１ａを用いる。

また、第１乃至第３の実施形態の照明装置において、ＨＤＬＰＣ層は、光の三原色である赤色、緑色および青色の各色に対応する周期構造を有していてもよい。この場合は、光源として、赤色、緑色および青色の各色の光源（例えばＬＥＤ）を設ける。ＨＤＬＰＣ層は、層間隔が赤色光源の波長に対応する赤色用の周期構造と、層間隔が緑色光源の波長に対応する緑色用の周期構造と、層間隔が青色光源の波長に対応する青色用の周期構造とを有する。このような構成によれば、１／４波長板１４から、赤色、緑色および青色の所定の偏光（Ｐ偏光またはＳ偏光）の光（白色光に対応する）が出射される。

以上説明した本発明の照明装置は、液晶プロジェクタに代表される投射型表示装置に適用することができる。

図１８は、本発明の照明装置を備える投射型表示装置の構成を示す模式図である。図１８を参照すると、投射型表示装置は、照明装置３００〜３０２、表示素子である液晶素子３０３〜３０５、クロスダイクロイックミラー３０６および投射光学系３０７を有する。

照明装置３００〜３０２はいずれも、前述した各実施形態の照明装置のいずれかによって構成される。照明装置３００の光源として、青色ＬＥＤが用いられる。照明装置３０１の光源として、緑色ＬＥＤが用いられる。照明装置３０２の光源として、赤色ＬＥＤが用いられる。

なお、図１８には示されていないが、照明装置３００の１／４波長板（例えば図１に示した１／４波長板１４）と液晶素子３０３との間には、別の１／４波長板が設けられている。これと同様に、照明装置３０１の１／４波長板と液晶素子３０４との間、および照明装置３０２の１／４波長板と液晶素子３０５との間にも、別の１／４波長板が設けられている。

別の１／４波長板は、各照明装置３００〜３０２内に設けてもよい。この場合は、照明装置３００〜３０２のそれぞれにおいて、１／４波長板の出射面と対向するように別の１／４波長板を設ける。

照明装置３００から出射された青色の光は、液晶素子３０３に照射される。液晶素子３０３は、不図示の液晶駆動回路によって駆動され、外部から供給された映像信号に基づく青色用の画像を形成する。

照明装置３０１から出射された緑色の光は、液晶素子３０４に照射される。液晶素子３０４は、不図示の液晶駆動回路によって駆動され、外部から供給された映像信号に基づく緑色用の画像を形成する。

照明装置３０２から出射された赤色の光は、液晶素子３０５に照射される。液晶素子３０５は、不図示の液晶駆動回路によって駆動され、外部から供給された映像信号に基づく赤色用の画像を形成する。

液晶素子３０３〜３０５によって形成された各色の画像光は、クロスダイクロイックミラー３０６を介して投射光学系３０７に入射する。投射光学系３０７は、液晶素子３０３〜３０５によって形成された各色の画像を不図示のスクリーン（またはスクリーンに代わる部材）上に投射する。

別の投射型表示装置は、本発明の照明装置として、１／４波長板１４から、赤色、緑色および青色の所定の偏光（Ｐ偏光またはＳ偏光）の光（白色光に対応する）が出射される照明装置を備える。この照明装置からの出射光が表示素子（例えば液晶素子）に照射される。表示素子は、外部からの映像信号に基づく赤色、緑色および青色の画像を時分割で表示する。表示素子に形成された各色の画像が投射光学系によって投射される。

上記の別の投射型表示装置においても、別の１／４波長板が照明装置と表示素子（液晶素子）との間に設けられている。別の１／４波長板は、照明装置内に設けてもよい。この場合は、照明装置において、１／４波長板１４の出射面と対向するように別の１／４波長板を設ける。

本発明の照明装置は、上述した投射型表示装置の他、液晶ディスプレイのバックライトとして用いることができる。

以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。本発明の構成および動作については、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、当業者が理解し得る様々な変更を行うことができる。

例えば、各実施形態の照明装置では、ＨＰＤＬＣ層の各湾曲部の凹面は光源側を向くように設けられているが、これに限定されない。各湾曲部の凹面が出射面側を向き、かつ、各湾曲部の凹面に接する平面、または、ＨＰＤＬＣ層の高分子層と液晶層の界面が、１／４波長板の面（ＨＰＤＬＣ層の出射面側の導光板との境界面）に対して傾斜するといった条件を満たすのであれば、各湾曲部の凹面はどのように設けられてもよい。

図１９に、第１の実施形態の照明装置の変形例として、各湾曲部の凹面の向きが第１の実施形態の照明装置と異なる照明装置の構成を示す。この変形例では、ＨＰＤＬＣ層１２の各湾曲部の凹面は、導光板１１の光源１０ａが設けられた端面とは反対側に位置する端面の方向を向いている。図１９において、実線の直線で示された矢印はＰ偏光を示し、破線の直線で示された矢印はＳ偏光を示す。白抜きの矢印は、Ｐ偏光およびＳ偏光を含む無偏光の光を示す。

図１９に示した代表的な光の経路から分かるように、この変形例の構成においても、第１の実施形態の照明装置と同様な作用効果を得ることができる。

また、各実施形態の照明装置や変形例において、光源は、導光板１１の１つの端面、対向する２つの端面、または各端面に設けることができる。

以上説明した本発明によれば、出射光の角度広がり（出射角）を、エテンデューの制約に基づく光利用可能な範囲内に収めることができるので、光利用効率を向上することができる。

また、ホログラフィック層の高分子層と液晶層の境界面を湾曲させたことにより、ホログラムの入射角依存性を抑制することができるので、光利用効率をさらに向上することができる。

さらに、第１および第２の導光板の間を伝播する光を湾曲した部分の凸面で拡散させるとともに、１／４波長板を介した偏光変換を行うことによって、光を循環させて利用することができるので、光利用効率をさらに向上させることができる。

この出願は、２００９年１２月１１日に出願された日本出願特願２００９−２８１７２１を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

Claims

少なくとも１つの光源と、
前記光源から出射された光が端面に供給される第１の導光板と、
前記第１の導光板上に設けられた１／４波長板と、
前記第１の導光板の、前記１／４波長板側とは反対の側の面に設けられたホログラフィック層と、
前記ホログラフィック層の、前記第１の導光板側とは反対の側の面に設けられ、前記ホログラフィック層から入射した光を前記ホログラフィック層へ戻す第２の導光板と、を有し、
前記ホログラフィック層は、液晶分子が一方向に配向された第１の液晶層と所定の偏光を有する光に対する屈折率が前記第１の液晶層と異なる第１の高分子層とが交互に積層された第１の周期構造を有し、
前記第１の高分子層と前記第１の液晶層の第１の界面は前記１／４波長板の面に対して傾斜し、該第１の界面は湾曲しており、該湾曲した部分の凹面側が、前記第１の導光板側に位置する、照明装置。
前記ホログラフィック層は、液晶分子が一方向に配向された第２の液晶層と前記所定の偏光を有する光に対する屈折率が前記第２の液晶層と異なる第２の高分子層とが交互に積層された第２の周期構造を、さらに有し、
前記第２の高分子層と前記第２の液晶層の第２の界面は前記第１の周期構造の前記第１の界面と交差し、該第２の界面は湾曲しており、該湾曲した部分の凹面側が、前記第１の導光板側に位置する、請求項１に記載の照明装置。
前記第１および第２の周期構造の湾曲した部分の凹面がともに、前記第１の導光板の所定の端面側の方向に向いている、請求項２に記載の照明装置。
前記第１の導光板、前記第２の導光板および前記ホログラフィック層それぞれの屈折率をともにｎ、前記１／４波長板から出射される光の出射角をφ₀、前記第１の導光板から前記ホログラフィック層に入射する入射光の前記第１および第２の周期構造の凹面における入射角をθ₁、該入射角θ₁の補角をα₁、前記入射光が前記第１および第２の周期構造の凹面によって前記第１の導光板の方向に反射された反射光の、前記ホログラフィック層と前記第１の導光板の境界面に対して引いた垂線に対する角度をφ₁、前記反射光の前記第１の導光板と前記ホログラフィック層の境界面とのなす角度をβ₁、前記ホログラフィック層と前記第２の導光板の境界面と前記第１および第２の周期構造の凹面の前記入射光の入射点における接線とのなす角度をθ_rとするとき、
前記第１および第２の周期構造は、

の出射条件を満たし、
前記第１および第２の周期構造の前記湾曲した部分の凸面の前記入射点に対応する点において反射された光の、前記第２の導光板と前記ホログラフィック層の境界面とのなす角度をβ₂、前記第２の導光板から前記ホログラフィック層に入射する光の、前記凸面の前記入射点に対応する点における入射角をθ₂、該入射角の補角をα₂とするとき、
前記第１の周期構造は、さらに、

の角度変換条件を満たす、請求項２または３に記載の照明装置。
前記反射光の波長をλとするとき、
前記第１の液晶層と前記第１の高分子層の層間隔ｄ₁は、

で与えられ、
前記第２の液晶層と前記第２の高分子層の層間隔ｄ₂は、

で与えられる、請求項４に記載の照明装置。
前記第１の導光板、前記第２の導光板および前記ホログラフィック層それぞれの屈折率をともにｎ、前記１／４波長板から出射される光の出射角をφ₀、前記第１の導光板から前記ホログラフィック層に入射する入射光の前記第１および第２の周期構造の凹面における入射角をθ₁、該入射角θ₁の補角をα₁、前記入射光が前記第１および第２の周期構造の凹面によって前記第１の導光板の方向に反射された反射光の、前記ホログラフィック層と前記第１の導光板の境界面に対して引いた垂線に対する角度をφ₁、前記反射光の前記第１の導光板と前記ホログラフィック層の境界面とのなす角度をβ₁、前記ホログラフィック層と前記第２の導光板の境界面と前記第１および第２の周期構造の凹面の前記入射光の入射点における接線とのなす角度をθ_rとするとき、
前記第１の周期構造は、

の出射条件を満たし、
前記第１および第２の周期構造の前記湾曲した部分の凸面の前記入射点に対応する点において反射された光の、前記第２の導光板と前記ホログラフィック層の境界面とのなす角度をβ₂、前記第２の導光板から前記ホログラフィック層に入射する光の、前記凸面の前記入射点に対応する点における入射角をθ₂、該入射角の補角をα₂とするとき、
前記第１および第２の周期構造は、

の角度変換条件を満たす、請求項２または３に記載の照明装置。
前記反射光の波長をλとするとき、
前記第１の液晶層と前記第１の高分子層の層間隔ｄ₁は、

で与えられ、
前記第２の液晶層と前記第２の高分子層の層間隔ｄ₃は、

で与えられる、請求項６に記載の照明装置。
前記光源は、前記第１の導光板の対向する端面のそれぞれに形成されており、
前記第１の周期構造の湾曲した部分の凹面が、前記対向する端面の一方の側の方向に向いており、
前記第２の周期構造の湾曲した部分の凹面が、前記対向する端面の他方の側の方向に向いている、請求項２に記載の照明装置。
前記第１の導光板、前記第２の導光板および前記ホログラフィック層それぞれの屈折率をともにｎ、前記１／４波長板から出射される光の出射角をφ₀、前記第１の導光板から前記ホログラフィック層に入射する入射光の前記第１および第２の周期構造の凹面における入射角をθ₁、該入射角θ₁の補角をα₁、前記入射光が前記第１および第２の周期構造の凹面によって前記第１の導光板の方向に反射された反射光の、前記ホログラフィック層と前記第１の導光板の境界面に対して引いた垂線に対する角度をφ₁、前記反射光の前記第１の導光板と前記ホログラフィック層の境界面とのなす角度をβ₁、前記ホログラフィック層と前記第２の導光板の境界面と前記第１および第２の周期構造の凹面の前記入射光の入射点における接線とのなす角度をθ_rとするとき、
前記第１および第２の周期構造は、

の出射条件を満たし、
前記第１および第２の周期構造の前記湾曲した部分の凸面の前記入射点に対応する点において反射された光の、前記第２の導光板と前記ホログラフィック層の境界面とのなす角度をβ₂、前記第２の導光板から前記ホログラフィック層に入射する光の、前記凸面の前記入射点に対応する点における入射角をθ₂、該入射角の補角をα₂とするとき、
前記第１および第２の周期構造は、さらに、

の角度変換条件を満たす、請求項２または８に記載の照明装置。
前記反射光の波長をλ、前記第１の液晶層と前記第１の高分子層の層間隔および前記第２の液晶層と前記第２の高分子層の層間隔をともにｄ₁とするとき、

の関係を満たす、請求項９に記載の照明装置。
前記光源として、出射される光の色が異なる複数の光源が設けられており、
前記第１の周期構造は、前記複数の光源の色毎に設けられている、請求項１に記載の照明装置。
前記光源として、出射される光の色が異なる複数の光源が設けられており、
前記第１および第２の周期構造は、前記複数の光源の色毎に設けられている、請求項２から１０のいずれか１項に記載の照明装置。
前記光源は、前記第１の導光板の対向する端面のそれぞれに形成されている、請求項１から７のいずれか１項に記載の照明装置。
前記１／４波長板から出射された光が入射する別の１／４波長板を、さらに有する、請求項１から１０、１３のいずれか１項に記載の照明装置。
前記１／４波長板から出射された光が入射する別の１／４波長板を、さらに有する、請求項１１または１２に記載の照明装置。
請求項１１、１２および１５のいずれか１項に記載の照明装置と、
前記照明装置から出射された光が照射される表示素子と、
前記表示素子によって形成された画像を投射する投射光学系と、を有する、投射型表示装置。
請求項１から１０、１３および１４のいずれか１項に記載の照明装置より構成される、赤色、緑色、青色の各色の照明装置と、
前記赤色の照明装置から出射された赤色の光が照射される第１の表示素子と、
前記緑色の照明装置から出射された緑色の光が照射される第２の表示素子と、
前記青色の照明装置から出射された青色の光が照射される第３の表示素子と、
前記第１乃至第３の表示素子で表示される各色の画像を投射する投射光学系と、を有する、投射型表示装置。