JP6000303B2 - 表示モジュール - Google Patents

Description

本発明は、表示モジュールと導光装置に関するものである。

表示装置の表示領域において、照明ビームを画像ビームへと変換するために、様々な種類の空間光変調器、例えば、透過型液晶表示パネル、ＬＣＯＳ（liquid-crystal-on-silicon）パネル、またはＤＭＤ（digital micro-mirror device）、が適用されている。透過型液晶表示パネルの光効率はＬＣＯＳパネルよりも低く、ＤＭＤのコストはＬＣＯＳパネルよりも高い。

一般的に、ＬＣＯＳパネルを用いる投影機において、Ｓ偏光ビームは偏光ビームスプリッター（polarizing beam splitter, ＰＢＳ）によりＬＣＯＳパネルに反射される。そして、ＬＣＯＳパネルはＳ偏光ビームを他の偏光状態の偏光ビームへと変調し、その偏光ビームをＰＢＳへと反射する。ＰＢＳは偏光ビームを画像ビームへと分解し、画像ビームはその後、画像形成レンズへと転送される。最後に、画像形成レンズは、スクリーンに画像を形成するため画像ビームをスクリーンに投影するか、または空気や他の仮想画像面に虚像を形成する。

ＬＣＯＳパネルを用いる投影機において、ＰＢＳのビーム分割面はＬＣＯＳパネルに対し約４５度傾斜しており、このためＰＢＳはＬＣＯＳパネルと画像形成レンズとの間の大きな空間を占有する。その結果、画像形成レンズとＬＣＯＳパネルとの間の距離が長くなり、投影機は厚く大きくなる。

ＰＢＳを用いた従来の投影機の厚みは大きい。加えて、ＰＢＳの厚みも大きい。

本発明の１つの実施形態は、光源と、導光板と、光学構造体と、反射型表示ユニットと、反射型偏光子とを含む、表示モジュールを提供する。光源は照明ビームを提供するために設けられる。導光板は第１の面と、第１の面に相対する第２の面と、第１の面と第２の面とをつなぐ入射面とを有する。照明ビームは入射面を通過し導光板へと入る。光学構造体は導光板に接続され、照明ビームの伝播方向を変えるために設けられる。反射型表示ユニットは、変調ビームを形成するため、照明ビームの偏光状態を変調することができる。第２の面は、反射型表示ユニットと第１の面との間に配置される。第１の面は、第２の面と反射型偏光子との間に配置され、反射型偏光子は変調ビームを画像ビームへとフィルタリングする。

本発明の１つの実施形態は、導光板と光学構造体とを含む導光装置を提供する。導光板は第１の面と、第１の面に相対する第２の面と、第１の面と第２の面とをつなぐ入射面とを有する。光線は入射面を通過して導光板へと入る。光学構造体は導光板内部にあり、光線の伝播方向を変えるために設けられる。

上記に基づき、本発明の実施形態による表示モジュールにおいて、導光板と、光学構造体と、反射型偏光子は、照明ビームを反射型表示ユニットへと導くために設けられる。導光板の厚みは小さいことから、この表示モジュールの厚みと体積は小さくなる。さらに、本発明の実施形態の導光装置において、光線の伝播方向を変えるために光学構造体が設けられることから、この導光装置は光線を均一に分配することができる。

本発明のさらなる理解のため、添付図面を含んでおり、これらは本明細書に併合され本明細書の一部を成すものである。これら図面は本発明の実施形態を示しており、本明細書に記述と共に、本発明の原理を説明するものである。

本発明の１つの実施形態による表示モジュールの概略的断面図である。 本発明の別の実施形態による表示モジュールの概略的断面図である。 本発明の別の実施形態による表示モジュールの概略的断面図である。

添付図面を例として、本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。図面および説明において、同一または類似の部材に言及するため、同一の符号が用いられる。

図１は本発明の１つの実施形態による表示モジュールの概略的断面図である。図１について、本実施形態の表示モジュール１００は、光源１１０と、導光板１２０と、光学構造体１３０と、反射型表示ユニット１４０と、反射型偏光子１５０とを含む。光源１１０は照明ビームＰ、つまり光線、を提供するために設けられる。本実施形態において、光源１１０は少なくとも１つの発光素子１１２（図１では例示的に１つの発光素子が示される）と偏光子１１４を含む。発光素子１１２は非偏光ビームＵを放射するために設けられる。偏光子１１４は非偏光ビームＵの経路上に配置され、非偏光ビームＵを偏光ビームへとフィルタリングするために設けられ、ここで、照明ビームＰは偏光ビームである。詳細には、偏光子１１４は、非偏光ビームＵの第１の偏光方向を有する一部を透過させ、非偏光ビームＵの第２の偏光方向を有する一部を発光素子１１２へと反射させる、反射型偏光子である。偏光子１１４は、反射型偏光性フィルム（dual brightness enhancement film, ＤＢＥＦ）またはその他の反射型偏光子であってもよい。しかし、その他の実施形態において、偏光子１１４は、非偏光ビームＵの第１の偏光方向を有する一部を透過させ、非偏光ビームＵの第２の偏光方向を有する一部を吸収する、吸収型偏光子であってもよい。本実施形態において、第１の偏光方向は、第２の偏光方向に対し垂直である。その他の実施形態において、光源１１０は偏光子１１４を含まず、光源１１０は非偏光ビームを提供でき、つまり、照明ビームＰが非偏光ビームであることができる。しかし、その他の実施形態において、光源１１０は、例えばレーザー光源といった、偏光型光源であることができ、このとき照明ビームＰは偏光ビームであり、光源１１０は偏光子１１４を含まない。

本実施形態において、発光素子１１２はＬＥＤ（light-emitting diode）であり、例えば白色ＬＥＤである。白色ＬＥＤは、青色光を放射するために設けられた青色ＬＥＤと、青色ＬＥＤを覆う封止材を有することができる。青色光が封止材の蛍光体を励起するとき、蛍光体は青色光を黄色光へと変換することができる。変換されていない青色光と黄色光とが混合し白色光、つまり非偏光ビームＵ、を形成する。しかし、その他の実施形態において、光源１１０は、例えば原色といった、複数の色の光をそれぞれ放射する複数の発光素子を含むことができる。例えば、光源１１０は、赤色光、緑色光、青色光をそれぞれ放射するために設けられる赤色ＬＥＤと、緑色ＬＥＤと、青色ＬＥＤを含むことができる。第２の偏光方向を有し、偏光子１１４によって反射される非偏光ビームの一部（例えば青色部分）は、ＬＥＤの封止材の蛍光体（例えば黄色蛍光体）を励起することにより光の再利用を達成し、光源１１０の光効率を向上させる。また別の実施形態において、光源１１０は、照明ビームＰを形成するために複数の色のレーザー光をそれぞれ放射する、例えばレーザーダイオードといった、レーザー照射機を含むことができる。

導光板１２０は、第１の面１２２と、第１の面１２２に相対する第２の面１２４と、第１の面１２２と第２の面１２４とをつなぐ入射面１２６とを有する。照明ビームＰは入射面１２６を通過して導光板１２０へと入る。

本実施形態において、第１の面１２２は、導光板１２０内部の第１の媒質（即ち導光板１２０の材料）と、導光板１２０外部の第２の媒質（例えば空気）との界面であり、第１の媒体の屈折率は第２の媒体の屈折率よりも大きい。さらに、本実施形態において、第２の面１２４は、第１の媒質（即ち導光板１２０の材料）と、導光板１２０外部の第３の媒質（例えば空気）との界面であり、第１の媒体の屈折率は第３の媒体の屈折率よりも大きい。その結果、入射面１２６からの照明ビームＰは、第１の面１２２と第２の面１２４とにより繰り返し全反射され、照明ビームＰは、入射面１２６に相対し第１の面１２２と第２の面１２４とをつなぐ第３の面１２８へと伝播されることができる。

光学構造体１３０は導光板１２０に接続され、照明ビームＰの伝播方向を変えるために設けられる。本実施形態において、光学構造体１３０は導光板１２０内部に配置されたパターン化光散乱構造体（patterned scattering structure）である。光学構造体１３０は、導光板１２０に配列された複数の副構造体１３２を含むことができる。光学構造体１３０の屈折率は導光板１２０の屈折率とは異なる、もしくは、光学構造体１３０は何らかの光散乱材料により作られることができる。その結果、入射面１２６からの照明ビームＰが光学構造体１３０に入射するとき、光学構造体１３０は、例えば照明ビームＰを散乱させるといったように、照明ビームＰの伝播方向を変える。照明ビームＰの伝播方向が変えられることから、照明ビームＰの一部は、臨界角よりも小さい角度で第１の面１２２と第２の面１２４へと入射する。その結果、光学構造体１３０により散乱させられた照明ビームＰは、第１の面１２２と第２の面１２４とを透過する。言葉を変えると、上述の照明ビームＰの全反射は光学構造体１３０により乱される。ある実施形態において、光学構造体１３０の屈折率が導光板１２０の屈折率と異なるとき、光学構造体１３０と導光板１２０との間の界面の一部は全反射（total internal reflection, ＴＩＲ）表面を形成する。即ち、入射面１２６からの照明ビームＰがＴＩＲ表面に入射するとき、入射角が臨界角よりも大きいことから、照明ビームＰはＴＩＲ表面により反射型表示ユニット１４０へと全反射される。

第１の面１２２は、第２の面１２４と反射型偏光子１５０との間に配置される。本実施形態において、反射型偏光子１５０は第１の偏光方向の光（例えばＳ偏光された光）を反射し、第２の偏光方向の光（Ｐ偏光された光）を透過させる。入射面１２６からの照明ビームＰは第１の偏光方向を有していることから、光学構造体１３０により散乱され第１の面１２２を透過した照明ビームＰは、反射型偏光子１５０により第１の面１２２へと反射され、その後、導光板１２０に伝播される。

第２の面１２４は、反射型表示ユニット１４０と第１の面１２２との間に配置される。反射型偏光子１５０により反射された照明ビームＰは、反射型表示ユニット１４０へ到達するため、第１の面１２２と第２の面１２４とを順に透過する。加えて、光学構造体１３０により散乱させられた照明ビームＰの一部は、第２の面１２４へ伝播され、反射型表示ユニット１４０へ到達するため第２の面１２４を透過する。光学構造体１３０の副構造体１３２により散乱された照明ビームＰのその他の部分は、第１の面１２２（または第２の面１２４）へと伝播され、そして第１の面１２２（または第２の面１２４）により全反射され、その後、他の光学構造体１３０の副構造体１３２により散乱される。副構造体１３２により二回以上散乱された照明ビームＰのいくらかは、第２の面１２４を透過し、反射型表示ユニット１４０へ到達し、副構造体１３２により二回以上散乱された照明ビームＰのその他は、第１の面１２２または第２の面１２４により全反射され、そして、他の副構造体１３２により散乱される。

本実施形態において、反射型偏光子１５０は第１の面１２２上に配置されているとはいえ、反射型偏光子１５０と第１の面１２２との間には空隙が存在し得る。その結果、第１の面１２２は空気と導光板１２０の材料との界面となり得る。

本実施形態において、表示モジュール１００は、第３の面１２８上に配置された反射器１６０をさらに含む。反射器１６０は、第２の面１２４を透過しない照明ビームＰの一部を反射することから、この照明ビームＰの一部はまだ導光板１２０内を伝播され得る。その結果、光学構造体１３０により散乱された照明ビームＰの、第２の面１２４を透過し、反射型表示ユニット１４０に到達する確率は増加する。従って、表示モジュール１００の光効率と均一性は向上する。

反射型表示ユニット１４０は、変調ビームＭを形成するため、照明ビームＰの偏光状態を変調することができる。反射型表示ユニット１４０は、マイクロディスプレイであってもよい。本実施形態において、反射型表示ユニット１４０は、照明ビームＰを変調し反射するために設けられたＬＣＯＳ（liquid-crystal-on-silicon）パネルである。例えば、照明ビームＰの少なくとも一部はＳ偏光ビームからＰ偏光ビームへと変調されることができ、円偏光または楕円偏光状態のビーム、または照明ビームＰは変調されず、Ｓ偏光ビームのままとされる。言葉を変えると、変調ビームＭは、Ｓ偏光ビーム、Ｐ偏光ビーム、円偏光ビーム、楕円偏光ビーム、またはこれらの組合せを含むことができる。その他の実施形態において、反射型表示ユニット１４０は、例えばデジタル・マイクロミラー・デバイス（digital micro-mirror device, ＤＭＤ）といった、微小電気機械システム（micro-electromechanical system, ＭＥＭＳ）ディスプレイであり得る。

反射型偏光子１５０は変調ビームＭを画像ビームＩへとフィルタリングする。本実施形態において、反射型偏光子１５０は、変調ビームＭの、例えばＰ偏光といった、第２の偏光方向である一部を透過させ、変調ビームＭの、例えばＳ偏光といった、第１の偏光方向である一部を反射する。結果として、反射型偏光子１５０を透過した第２の偏光方法の変調ビームＭの一部が画像ビームＩを形成する。

本実施形態において、表示モジュール１００は、スクリーン上に実像を形成するか、空気またはその他の仮想結像面に虚像を形成するため、反射型偏光子１５０からの画像ビームＩの経路上に配置された、画像形成レンズ１７０をさらに含む。もし画像形成レンズ１７０がスクリーン上に実像を形成する場合、表示モジュール１００は実像投影機である。もし画像形成レンズ１７０が空気またはその他の仮想結像面に虚像を形成する場合、表示モジュール１００は、例えばヘッドマウントディスプレイ（head-mounted display, ＨＭＤ）またはヘッドアップディスプレイ（head-up display, ＨＵＤ）といった、虚像表示装置である。変調ビームＭの全ての部分が第２の偏光方向を有する場合、実像または虚像は白色のフレームを形成する。変調ビームＭの全ての部分が第１の偏光方向を有する場合、実像または虚像は黒色のフレームを形成する。もし変調ビームＭの一部が、例えば円偏光状態、楕円偏光状態、Ｐ偏光状態、Ｓ偏光状態といった、様々な偏光状態を有する場合、変調ビームＭの様々な部分は、反射型偏光子１５０異なる位置で透過し、画像フレームが形成される。

本実施形態の表示モジュール１００において、導光板１２０と、光学構造体１３０と、反射型偏光子１５０は、照明ビームＰを反射型表示ユニット１４０へと導くために設けられる。偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）と比較し、導光板は厚みが小さいため、表示モジュールの厚みと体積は小さくなる。即ち、表示モジュール１００は超薄型化することができる。その結果、ＨＭＤ、ＨＵＤ、または投影機の体積を効果的に減少できる。１つの実施形態において、導光板１２０の厚みＴは１０ｍｍよりも小さくすることができる。

本実施形態において、表示モジュール１００は、光源１１０からの照明ビームＰを集めるために設けられ、入射面１２６上に配置された、光カップリング光学ユニット１８０をさらに含む。光カップリング光学ユニット１８０は、例えば凸レンズといったレンズか、または、例えば凸面といった曲面であり得る。本実施形態において、導光板１２０と、光学構造体１３０と、反射器１６０と、光カップリング光学ユニット１８０と、反射型偏光子１５０とは、導光装置を形成する。

本実施形態において、表示モジュール１００は、反射型表示ユニット１４０と第２の面１２４との間の画像ビームＩの経路上に配置された、焦点レンズ１９０をさらに含む。画像形成レンズ１７０と焦点レンズ１９０は、反射型表示ユニット１４０に焦点を合しており、即ち、対象面は反射型表示ユニット１４０上にある。その結果、人間の目は反射型表示ユニット１４０により形成された画像を、光学構造体１３０に影響されることなしに、明瞭に見ることができる。高い画像品質を維持するため、副構造体１３２間の間隙は、副構造体１３２の幅よりも大きく、即ち、副構造体１３２の全領域が、導光板１２０の全領域のうちに占有する割合は小さい。その他の実施形態において、表示モジュール１００の厚みをさらに減少させるため、焦点レンズ１９０は使用されず、画像形成レンズ１７０は反射型表示ユニット１４０に焦点を合わせるようにすることもできる。

図２は本発明の別の実施形態による表示モジュールの概略的断面図である。図２について、本実施形態の表示モジュール１００ａは、図１の表示モジュール１００に類似しており、これらの間の差異は以下である。本実施形態において、光学構造体１３０ａは、第１の面１２２と第２の面１２４との少なくともどちらか１つに配置されたパターン化光散乱構造体である。図２は、第１の面１２２と第２の面１２４との両方に配置された光学構造体１３０ａを例示的に示している。より具体的には、光学構造体１３０ａは、第１の面１２２上に配置された第１のパターン化光散乱構造体１３０１と、第２の面１２４上に配置された第２のパターン化光散乱構造体１３０２とを含む。第１のパターン化光散乱構造体１３０１は、第１の面１２２上に分配された複数の微小構造体１３０１２を含むことができ、第２のパターン化光散乱構造体１３０２は第２の面１２４上に分配された複数の微小構造体１３０２２を含むことができる。微小構造体１３０１２と１３０２２は、照明ビームＰの全反射を乱すため、照明ビームＰを散乱し、これは照明ビームＰが反射型表示ユニット１４０へと伝播されることをもたらす。その他の実施形態において、表示モジュール１００ａは、第１の面１２２上に配置された第１のパターン化光散乱構造体１３０１を含むが、第２の面１２４上に配置された第２のパターン化光散乱構造体１３０２を有さないことができる。逆に、表示モジュール１００ａは、第２の面１２４上に配置された第２のパターン化光散乱構造体１３０２を含むが、第１の面１２２上に配置された第１のパターン化光散乱構造体１３０１を有さないことができる。微小構造体１３０１２と１３０２２は、突起（例えば、図２に示される微小構造体１３０２２）か、凹部（例えば、図２に示される微小構造体１３０１２）か、導光板１２０に配置または埋め込まれた、導光板１２０とは異なる屈折率を有する物質か、導光板１２０に配置または埋め込まれた光散乱物質であり得る。図１の光学構造体１３０と図２の光学構造体１３０ａの平面図は、点状、縞状、長尺状、直線状、曲線状、島状、等である。

図３は本発明の別の実施形態による表示モジュールの概略的断面図である。図３について、本実施形態の表示モジュール１００ｂは、図１の表示モジュール１００に類似しており、これらの間の差異は以下である。本実施形態の表示モジュール１００ｂは、第１の面１２２上と光学構造体１３０の上方に形成されたパターン化コーティング（patterned coating）２１０をさらに含み、パターン化コーティング２１０は光学構造体１３０からの迷光を反射または吸収するために設けられる。本実施形態において、パターン化コーティング２１０は導光板１２０と反射型偏光子１５０との間に位置する。さらに、パターン化コーティング２１０の形状と分配位置は、光学構造体１３０の形状と分配位置に対応する。例えば、パターン化コーティング２１０は、副構造体１３２それぞれの上方に位置する、複数のパターン２１２を含み、各パターン２１２の幅は各副構造体１３２の幅よりも僅かに大きい。本実施形態において、パターン化コーティング２１０の材料は、黒色の樹脂、クロム、またはアルミニウムを含み、黒色の樹脂とクロムは迷光を吸収し、アルミニウムは迷光を反射する。

まとめると、本発明の本実施形態による表示モジュールにおいて、導光板と、光学構造体と、反射型偏光子は、照明ビームを反射型表示ユニットへと導くために設けられる。ＰＢＳと比較し、導光板は厚みが小さいため、表示モジュールの厚みと体積は小さくなる。即ち、表示モジュールは超薄型化することができる。その結果、ＨＭＤ、ＨＵＤ、または投影機の体積を効果的に減少できる。さらに、本実施形態による導光装置において、光学構造体は光線の伝播方向を変えるために設けられることから、導光装置は均一に光線を分配できる。

本発明の技術思想から離れることなく、本発明の構造への多様な改変や変形がされうることは、当業者にとって明白である。上述から、本発明の改変や変形が後述の請求項の範囲およびその同等に含まれるならば、本発明はこれらを包含することを意図する。

上述の表示モジュールと導光装置は、例えば微小投影系といった、投影系に用いることができる。

１００、１００ａ、１００ｂ：表示モジュール
１１０：光源
１１２：発光素子
１１４：偏光子
１２０：導光板
１２２：第１の面
１２４：第２の面
１２６：入射面
１２８：第３の面
１３０、１３０ａ：光学構造体
１３０１：第１のパターン化光散乱構造体
１３０１２：微小構造体
１３０２：第２のパターン化光散乱構造体
１３０２２：微小構造体
１３２：副構造体
１４０：反射型表示ユニット
１５０：反射型偏光子
１６０：反射器
１７０：画像形成レンズ
１８０：光カップリング光学ユニット
１９０：焦点レンズ
２１０：パターン化コーティング
２１２：パターン
Ｉ：画像ビーム
Ｍ：変調ビーム
Ｐ：照明ビーム
Ｕ：非偏光ビーム

Claims (12)

1. 照明ビームを提供するために設けられる光源と、
   第１の面と、前記第１の面と相対する第２の面と、前記第１の面と前記第２の面とをつなぐ入射面とを有する導光板と、
   前記導光板に接続され、前記照明ビームの伝播方向を変えるために設けられる光学構造体と、
   変調ビームを形成するため、前記照明ビームの偏光状態を変調することができる反射型表示ユニットと、
   前記変調ビームを画像ビームへとフィルタリングする反射型偏光子と
   を含み、
   前記照明ビームが、前記入射面を透過し前記導光板に入り、
   前記第２の面が、前記反射型表示ユニットと前記第１の面との間に配置され、
   前記第１の面が、前記第２の面と前記反射型偏光子との間に配置されており、
   前記光学構造体が、前記導光板の内部に配置されたパターン化光散乱構造体であり、
   前記第１の面上で前記導光板と前記反射型偏光子との間に形成され、前記光学構造体からの迷光を吸収または反射するために設けられるパターン化コーティングをさらに含み、
   前記第１の面に直交する方向から見て、前記パターン化コーティングの形状と分配位置が前記光学構造体の形状と分配位置に対応する表示モジュール。
2. 実像または虚像を形成するため、前記反射型偏光子からの前記画像ビームの経路上に配置された画像形成レンズをさらに含む請求項１に記載の表示モジュール。
3. 前記反射型表示ユニットがマイクロディスプレイである請求項１または２に記載の表示モジュール。
4. 前記導光板が、前記第１の面と前記第２の面とをつなぐ、前記入射面に相対する第３の面をさらに含み、
   前記第３の面に配置される反射器をさらに含む請求項１から３のいずれか１項に記載の表示モジュール。
5. 前記入射面に配置される光カップリング光学ユニットをさらに含む請求項１から４のいずれか１項に記載の表示モジュール。
6. 前記光源が、
   非偏光ビームを放射するために設けられる少なくとも１つの発光素子と、
   前記非偏光ビームの経路上に配置され、前記非偏光ビームを偏光ビームへとフィルタリングするために設けられる偏光子と
   を含み、
   前記照明ビームは前記偏光ビームである請求項１から５のいずれか１項に記載の表示モジュール。
7. 前記反射型表示ユニットと前記第２の面との間の前記画像ビームの経路上に配置された焦点レンズをさらに含む請求項１から６のいずれか１項に記載の表示モジュール。
8. 前記第１の面が、前記導光板の内部の第１の媒質と、前記導光板の外部の第２の媒質との界面であり、
   前記第１の媒質の屈折率が、前記第２の媒質の屈折率よりも大きい請求項１から７のいずれか１項に記載の表示モジュール。
9. 前記第２の面が、前記導光板の内部の第１の媒質と、前記導光板の外部の第３の媒質との界面であり、
   前記第１の媒質の屈折率が、前記第３の媒質の屈折率よりも大きい請求項１から８のいずれか１項に記載の表示モジュール。
10. 前記光学構造体の屈折率が、前記導光板の屈折率とは異なる請求項１から９のいずれか１項に記載の表示モジュール。
11. 前記パターン化コーティングの材料が、黒色の樹脂、クロム、またはアルミニウムを含む請求項１から１０のいずれか１項に記載の表示モジュール。
12. 前記光源が偏光光源であり、前記照明ビームが偏光ビームである請求項１から１１のいずれか１項に記載の表示モジュール。

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