JPH09134607A - 照明装置 - Google Patents

照明装置

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JPH09134607A
JPH09134607A JP8276694A JP27669496A JPH09134607A JP H09134607 A JPH09134607 A JP H09134607A JP 8276694 A JP8276694 A JP 8276694A JP 27669496 A JP27669496 A JP 27669496A JP H09134607 A JPH09134607 A JP H09134607A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】直線偏光を効率よく出力する小型の照明装置を
提供する。 【解決手段】照明装置は、ライトパイプであるライトガ
イドを備え、その一方の面に設けられた、異方性層であ
る偏光分離層によって一方の偏光成分のほぼ全てが直交
する偏光成分から分離される。異方性層は、ライトパイ
プと反射部材との間に設けられる。この層は、ライトパ
イプの屈折率以上の第１の屈折率およびライトパイプの
屈折率未満の第２の屈折率を有する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、照明装置に関し、
特に、液晶表示素子などに使用するのに適した照明装置
に関する。
【０００２】
【従来の技術】液晶表示素子(以下、ＬＣＤ)には、偏光
照明システム装置が必要である。したがって、従来の蛍
光管およびライトパイプ構成を、ＬＣＤを照射するため
に使用する場合、偏光板が必要となる。偏光板は、入射
光の偏光成分の一方を吸収し、それに直交する方向の成
分を透過する。このような偏光板は入射光の少なくとも
50％を吸収するため、このような偏光板を用いた照明装
置システムは効率が良くない。
【０００３】このようなシステムの効率を向上させるた
めに、一方の偏光成分をそれに直交する偏光成分に一致
させる偏光部材が考えられている。EP 0428213およびEP
0467447に開示されるこのような構成は、複屈折材料層
を含む偏光感知ビームスプリッタを備えている。これら
の構成は、比較的かさ高いので、投影型ディスプレイシ
ステム内の使用にしか適さない。
【０００４】US 4798448に記載される構成においては、
平面偏光された光の２つの直交成分を分離するように複
屈折媒体が構成されている。パターン形成された半波長
板の構成によれば、一方の成分のほぼ全てが、入射光の
偏光を変化させない半波長板上の領域に入射し、他方の
成分は偏光の軸を90°回転させる領域に入射して、第１
の成分の偏光に一致する。この構成から出射される光
は、ほぼ均一な偏光となるが、この構成は比較的かさ高
いという欠点を有する。
【０００５】均一な偏光を得るための他の構成が、Japa
nese Journal of Applied Physics29, 1974, 1990、US
5295009およびEP 0634674に記載されている。これらの
構成には、コレステリック液晶ポリマーが用いられ、右
手円偏光および左手円偏光の内の一方を透過し、他方を
反射する。反射した円偏光は、入射光の偏光を変化させ
る鏡に入射し、これにより、コレステリック液晶ポリマ
ー材料を透過できるようになる。
【０００６】EP 0 573 905に開示される後方反射偏光板
は、ＯＨＰに使用される。この偏光板は、投影光源と液
晶空間光変調素子との間に配置され、一方の直線偏光を
透過し、その直交偏光を反射する。反射光の再循環につ
いての記載も見られるが、詳細な説明はなされていな
い。
【０００７】EP 0 492 636はプロジェクタ用偏光光源を
開示している。偏光面は、偏光ビームスプリッタ内に配
され、光源からの光を２つの直交偏光成分に分離する。
第１の成分は反射してスプリッタを出る。第２の成分
は、反射して光源へと戻る。第２の成分は４分の１波長
板を通過し、ランプ後方の反射部材で反射し、４分の１
波長板を再度通過する。これにより、第２の成分の偏光
ベクトルは90°回転し、反射して、第１の成分と共にス
プリッタを出る。
【０００８】US 4 212 048に開示される反射型二色性液
晶ディスプレイ用のフロントライトは、端部付近に光源
を備えたライトガイドを有する。ライトガイド内に組み
込まれた偏光板は、光源からの光の直線偏光成分を透過
する。この成分は、ライトガイドに沿って導かれ、ライ
トガイドを出てディスプレイを前から照射する。
【０００９】WO94/11776、WO95/17692およびWO95/17699
は、光学キャビティと液晶ディスプレイとの間に配され
た多層反射偏光板を開示する。この偏光板は、複屈折材
料および異方性材料を交互に配した多層構造を有する。
この多層構造は層の数が多く、時には何百層にもなるた
め、製造が困難である。動作は、多層構造の各界面にあ
る繰返し反射部材によって２つの互いに直交する偏光を
分離することによって行われる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
従来の照明装置においては、直線偏光を出力する効率が
低かったり、製造が困難であったり、小型化が困難であ
るなどの問題があった。その結果、液晶表示装置に好適
に用いられる照明装置が得られなかった。
【００１１】本願発明は、上記課題を解決するためにな
されたものであり、その目的とするところは、効率良く
直線偏光を出力する小型の照明装置を提供することにあ
る。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明の照明装置は、第
１の面および第２の面を有するライトガイドと、該ライ
トガイドを通過し、該第１の面を出た光を、該第１の
面、該ライトガイドおよび第２の面を通して反射する反
射部材と、該第１の面と接触するように、該ライトガイ
ドと該反射部材との間に配され、第１の偏光状態のほぼ
全てを、該第１の偏光状態に直交する第２の偏光状態か
ら分離する第１の異方性層とを備えた照明装置であっ
て、該第１の異方性層は、実質的に該ライトガイドの屈
折率以上の第１の屈折率、および該ライトガイドの屈折
率よりも小さな第２の屈折率を有し、そのことによって
上記目的が達成される。
【００１３】前記ライトガイドは異方性を有することが
好ましい。
【００１４】前記第２の面に隣接して配され、入射光の
偏光を変換する、異方性材料から成る第２の層をさらに
備えてもよい。
【００１５】前記第２の層に隣接して配され、該第２の
層を透過した光を元の偏光に戻す、異方性材料から成る
第３の層をさらに備えてもよい。
【００１６】前記第１、前記第２および前記第３の層の
少なくとも１つが一軸配向ポリマー層を含んでもよい。
【００１７】前記少なくとも１つのポリマー層は液晶層
を含んでもよい。
【００１８】前記少なくとも１つのポリマー層は硬化し
た液晶モノマー組成物から成ってもよい。
【００１９】前記少なくとも１つのポリマー層は架橋し
た液晶ポリマーから成ってもよい。
【００２０】前記少なくとも１つのポリマー層は紫外線
照射によって硬化または架橋されたものであってもよ
い。
【００２１】前記第２の層は４分の１波長板を含んでも
よい。
【００２２】前記第１の層は、パターニングによって、
第３の偏光状態の光のほぼ全てを透過する少なくとも１
つの第１の領域および該第３の偏光状態に直交する第４
の偏光状態の光のほぼ全てを透過する少なくとも１つの
第２の領域を有することが好ましい。
【００２３】前記第４の偏光状態の光を前記第３の偏光
状態の光に変換する偏光調整手段をさらに備えてもよ
い。
【００２４】前記偏光調整手段は、偏光を変化させずに
光を透過する少なくとも１つの第１の領域および入射光
の偏光を直交する偏光に変換する少なくとも１つの第２
の領域を含んでもよい。
【００２５】前記反射部材および前記第１の層は前記ラ
イトガイドに積層されてもよい。
【００２６】前記ライトガイドに光が入る際の最大グレ
ージング角を制限する手段をさらに備えてることが好ま
しい。
【００２７】前記制限手段は、くさび形のインプットを
備えてもよい。
【００２８】以下に、本発明の作用を説明する。
【００２９】本発明による照明装置の偏光分離層の目的
は、一方の偏光状態の大部分をそれに直交する偏光状態
から分離することである。しかし、偏光分離層が全面的
に効果的であることはあまりない。実際には、一方の偏
光状態の大部分はこの層を透過するが、少量は反射す
る。また、前記一方の偏光状態に直交する他方の直交偏
光状態についても同様に、大部分は反射するが、少量は
透過する。
【００３０】偏光分離層を設けることによって、反射部
材へ入射する光の偏光、さらには、照明装置から出射さ
れる偏光が制御できる。
【００３１】パターン形成された異方性層を使用するこ
とにより、第２の偏光成分を照明装置から出射すること
が可能になる。偏光回転部材、即ちリターダを用いて、
第２の成分の偏光を変換して第１の成分と一致させるよ
うに構成することができる。このような構成によれば、
ほぼ全ての光を使用してＬＣＤを照明することができ
る。
【００３２】偏光成分を分離するために異方性材料を用
いれば、照明装置を、公知の最新の構成よりも小型化で
きる。
【００３３】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を添付の
図面を参照しながら説明する。
【００３４】図１に示す照明装置が備える光源10は蛍光
管であり、ライトパイプ12に接続される。反射部材14は
光源10の後方に配置され、光源10から出射される光のほ
ぼ全てを、ライトパイプ12に向かって反射する。
【００３５】ライトパイプ12は第１の面12aを含み、そ
の上に異方性層16が設けられる。異方性層16を透過した
光は、異方性層16に隣接して配置される反射部材18で反
射し、再び異方性層16およびライトパイプ12を通過す
る。
【００３６】ライトパイプ12の第２の面12bには第１の
リターダ20が設けられ、これに隣接して、第２のリター
ダ22および偏光弱保存拡散部材24が設けられる。偏光弱
保存拡散部材24を透過した光は、ＬＣＤ26に入射する。
第１および第２のリターダ20および22は異方性材料層を
含む。第１のリターダ20の効果を第２のリターダ22がほ
ぼ補償するため、両方の層を透過した光の複合効果は無
視できる程度であり、好ましい。
【００３７】異方性層16は、図１の平面に向かって延び
る光学軸を有し、ライトパイプ12の屈折率以上の異常光
屈折率を有する材料で作られる。層16の異方性材料の常
光屈折率は、ライトパイプ12の屈折率よりも小さい。
【００３８】使用時においては、光源10からの非偏光の
光が、ライトパイプ12と異方性層16との界面に入射す
る。図１に点で示す紙面に垂直な偏光を有する非偏光の
成分のほぼ全ては、ライトパイプ12と異方性層16との界
面を通過し、反射部材18で反射する。好ましくは、反射
部材18は、入射光の偏光は保存し、反射光の角度は変化
させる。この構成によれば、ライトパイプ12を通って戻
ってきた光は、第１のリターダ20、第２のリターダ22、
偏光弱保存拡散部材24およびＬＣＤ26を透過する。光の
角度を変化させるために、拡散反射面、ファセット面、
プリズム正反射面等を反射部材18に設ける。
【００３９】ライトパイプ12の屈折率は異方性層16の異
常光屈折率に等しいため、ライトパイプ12と異方性層16
との境界では、図１に点で示す成分の光はほとんど反射
しない。したがって、この成分の光のほとんどは、反射
部材18で反射し、ＬＣＤ26に向かって透過する。
【００４０】ライトパイプ12の屈折率が異方性層16の常
光屈折率よりも小さいために、図１に両方向矢印で示す
第２の直交成分の光は、ライトパイプ12と異方性層16と
の境界で内面全反射する。したがって、この成分の光は
反射部材18に入射せず、ＬＣＤ26に向かって反射しな
い。
【００４１】ライトパイプ12の屈折率ｎ1が1.58であ
り、異方性層16の常光屈折率ｎ0が1.48およびその異常
光屈折率ｎeが1.58である場合、図１の平面内の偏光成
分(図１に両方向矢印で示す)にスネルの法則を適用する
と、以下ようになる。
【００４２】ｎ1sinθ1＝ｎ0sinθ0 n1がｎ0よりも大きいため、θ1が臨界角度θcよりも大
きい場合、この成分の光の全てが、ライトパイプ12と異
方性層16との境界で反射する。
【００４３】他方の成分(図１に点で示す)については、
以下のようになる。
【００４４】ｎ1sinθ1＝ｎesinθe ｎ1＝ｎeかつθ1＝θeであるため、この成分の光は最初
の方向からそれることなく、異方性層16へ直接入射す
る。
【００４５】ライトパイプ12は若干の異方性を有するこ
とが多く、これにより、光はライトパイプ12に沿って反
射するにつれて、偏光の変換が起こる。したがって、結
果的に、第２の成分の光のほぼ全てが、第１の偏光成分
の光に変換され、反射部材18で反射してライトパイプ12
を出る。異方性材料から成る第１のリターダ20は、この
効果を高め、その結果、ライトパイプ12および第１のリ
ターダ20は第２の成分の偏光を変化させて第１の成分と
一致させる。第２のリターダ22は、第１のリターダ20と
は逆方向に配向した異方性材料からなる付加的な薄膜で
あり、ライトパイプ12の後に配置され、第１のリターダ
20の効果を打ち消し、ＬＣＤ26に適切な偏光が照射され
ることを確実にする。
【００４６】もしくは、第１のリターダ20が、ＬＣＤ26
に円偏光を照射する構成を有する４分の１波長板である
場合、第２のリターダ22を省略しても、第１のリターダ
20は偏光を変化させる機能を果たす。
【００４７】ライトパイプが、上記の屈折率1.58を有す
るポリカーボネートで作られている場合、異方性層16と
の界面における最大グレージング角は約39°である。図
１に両方向矢印で示す偏光成分の光の全てを、ライトパ
イプ12と異方性層16との界面で確実に反射させるために
は、グレージング角を可能な限り小さくすることが望ま
しい。上記の例の場合、常光屈折率ｎ0は1.48であり、
その結果、内面全反射のための最大グレージング角は約
20°である。このように、ライトパイプ12を透過する光
の最大インプットグレージング角を低減するための構成
（アレンジメント)が望ましいことが理解される。最大
インプット角を低減するのに適した技術の１つは、ライ
トパイプ12のインプットエッジをくさび形30(図３参照)
に形成することである。最大インプットグレージング角
を約20°まで低減するのに充分なくさび角は約５°、イ
ンプット幅は約３mmおよびくさび長は約11mmであること
を見いだした。これに適した技術は、SID Internationa
l Symposium, Digest of Papers, A1.3, 1994に記載さ
れている。
【００４８】異方性層16は、適切な屈折率を有する液晶
ポリマーもしくは液晶モノマーのフィルムを含む。この
材料は、適切に配向され、硬化あるいは固定され、安定
した固体のフィルムとなっている。このフィルムは、例
えば、一軸配向された液晶ポリマー層もしくは架橋され
た液晶ポリマー層を含む。この装置を製造するには、数
ミクロンの膜厚が適当であることが理解される。反射部
材は、硬化した際に異方性層16を形成して反射部材とラ
イトパイプ12とを接着する材料を用いた適切な積層技術
によってライトパイプ12に積層される。この時、反射部
材18およびライトパイプ12の両方に配向層が設けられ、
液晶が適切な方向に配向される。液晶によっては、熱あ
るいは紫外線を用いて液晶層の性質を固定することも可
能である。
【００４９】適切な表面上に既に設けられ、所望の方向
に配向され、固定して安定したフィルムとなっている液
晶ポリマーを用いて、第１および第２のリターダ20およ
び22を形成することも可能である。液晶ポリマーを配向
するのに適した技術には、適切にラビング処理された配
向面を設ける、あるいは、後にラビング処理される配向
層をコーティングした配向面を設ける、等の技術があ
る。第１および第２のリターダ20および22を形成するフ
ィルムの厚さは、所望の光学的リターデイションを得ら
れるように選択される。
【００５０】図２に示す実施形態は、図１に示すものと
類似であるが、第１および第２の領域16aおよび16bを有
する、パターン形成された異方性層16を含む。第１の領
域16aは、両方向矢印で示す偏光成分を反射し、直交偏
光成分を透過する。第２の領域16bの屈折率によって、
ライトパイプ12と異方性層16との境界を、両方向矢印で
示す偏光成分は透過するが、直交偏光成分は反射する。
【００５１】さらに、この照明装置は、パターン形成さ
れた偏光回転部材、即ちリターダ28を備え、これは、入
射光の偏光方向を回転させない領域28aおよび偏光方向
を回転させる領域28bを含む。図２に両方向矢印で示す
第２の偏光成分の光は、パターン形成された偏光回転部
材28の領域28bに入射し、図２に点で示す成分に変換さ
れる。
【００５２】図２に示すように、点で示す偏光成分は、
ライトパイプ12と異方性材料16の領域16aとの境界を透
過し、反射部材18で反射し、偏光回転部材28の領域28a
を通過する。領域28aは入射光の偏光に影響を及ぼさな
いため、点で示す偏光はＬＣＤ26に向かって透過する。
【００５３】図２に両方向矢印で示す偏光成分は異方性
層16の領域16aとライトパイプ12との境界で反射し、そ
の後１回以上反射した後、領域16bに入射して反射部材1
8に透過する。反射部材18で反射したこの成分は、偏光
回転部材28の領域28bを通過する際に偏光が回転し、こ
れにより、図２に点で示す成分に一致してライトパイプ
12を出る。
【００５４】図２に示す照明装置から出射した光のほぼ
全部が、均一な偏光を有する。また、光源10からの光の
ほぼ全部がこの照明装置を透過するので、吸収される光
はほとんど無い。したがって、このような構成はＬＣＤ
26を照射するのに適している。
【００５５】US 5303322に記載される構成によれば、ラ
イトパイプに１つ以上の薄膜が設けられ、これにより、
ライトパイプの角度分布が制御できる。本発明の構成を
このようなライトパイプと共に用いれば、角度分布が制
御された偏光を出力するライトパイプを得ることが可能
である。
【００５６】上記の記載においては、紙面上を伝搬する
光ビームのみが記載されているが、実際の実施形態にお
いては、紙面にある角をなして伝搬する光ビームも存在
する。
【００５７】第１の実施形態に類似の構成によるコンピ
ュータシミュレーションを行った。このシミュレーショ
ンは、一軸異方性層(液晶ポリマーフィルム等)をコーテ
ィングした屈折率1.58のポリカーボネートライトガイド
を備えた構成について行った。ライトガイドが図１に示
す方向に配されているとすると、この一軸異方性層の光
学軸は紙面に垂直の方向である。この異方性層の異常光
屈折率は1.58、常光屈折率は1.48である。
【００５８】シミュレーションにおいては、ライトガイ
ドに入射する光線の角度を制限し、ライトガイド中の光
の最大グレージング角度が、ライトパイプと異方性層と
の界面で20°になるように制限する。図３に示すよう
な、蛍光ランプ10、放物線型反射部材14およびくさび形
コリメータ30の構成を用いることで、このような光の分
布が作り出される。蛍光ランプは、全ての方向にランダ
ムに、ランダムな偏光を出射するように設計される。
【００５９】ライトガイドが図１に示す方向に配されて
いるとすると、このシミュレーションは、紙面に平行な
方向に伝搬する光および紙面に向かうあるいは出ていく
他の方向に伝搬する光の両方の効果をシミュレーション
する。シミュレーションの結果、異方性層を透過する光
はｘ-ｙ面内に偏光され、その偏光は主にｙ方向であっ
た(ｘおよびｙは図１に示す方向、ｙは紙面に向かって
垂直の方向)。ｙおよびｘ方向に偏光された光の強度比
率は約15:1であることが分かった。従来のライトガイド
におけるこの比率は1:1である。
【００６０】
【発明の効果】本発明によれば、効率良く直線偏光を出
力する小型の照明装置が提供される。本発明の照明装置
を用いると、従来、偏光板で吸収され照明に用いられな
かった偏光成分を利用することができるので、光の利用
効率、すなわち電力の利用効率が向上する。さらに、本
発明の照明装置は小型化できるので、液晶表示装置の小
型、軽量、及び低消費電力とういう特徴を損なうことが
ないので、液晶表示素子の照明装置として好適に用いら
れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態による、液晶表示素子
に用いられる照明装置の概略図。
【図２】本発明の第２の実施形態による照明装置の概略
図。
【図３】図２の照明装置の改変例を示す図。
【符号の説明】
１０ 光源 １２ ライトパイプ １４ 反射部材 １６ 異方性層 １８ 反射部材 ２０ 第１のリターダ ２２ 第２のリターダ ２４ 偏光弱保存拡散部材 ２６ 液晶表示素子 ２８ パターン形成された偏光回転部材 ３０ くさび形コリメータ

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 第１の面および第２の面を有するライト
    ガイドと、 該ライトガイドを通過し、該第１の面を出た光を、該第
    １の面、該ライトガイドおよび第２の面を通して反射す
    る反射部材と、 該第１の面と接触するように、該ライトガイドと該反射
    部材との間に配され、第１の偏光状態のほぼ全てを、該
    第１の偏光状態に直交する第２の偏光状態から分離する
    第１の異方性層とを備えた照明装置であって、 該第１の異方性層は、実質的に該ライトガイドの屈折率
    以上の第１の屈折率、および該ライトガイドの屈折率よ
    りも小さな第２の屈折率を有する、照明装置。
  2. 【請求項２】 前記ライトガイドは異方性を有する、請
    求項１に記載の照明装置。
  3. 【請求項３】 前記第２の面に隣接して配され、入射光
    の偏光を変換する、異方性材料から成る第２の層をさら
    に備えた、請求項１または２に記載の照明装置。
  4. 【請求項４】 前記第２の層に隣接して配され、該第２
    の層を透過した光を元の偏光に戻す、異方性材料から成
    る第３の層をさらに備えた、請求項３に記載の照明装
    置。
  5. 【請求項５】 前記第１、前記第２および前記第３の層
    の少なくとも１つが一軸配向ポリマー層を含む、請求項
    ４に記載の照明装置。
  6. 【請求項６】 前記少なくとも１つのポリマー層は液晶
    層を含む、請求項５に記載の照明装置。
  7. 【請求項７】 前記少なくとも１つのポリマー層は硬化
    した液晶モノマー組成物から成る、請求項５または６に
    記載の照明装置。
  8. 【請求項８】 前記少なくとも１つのポリマー層は架橋
    した液晶ポリマーから成る、請求項５または６に記載の
    照明装置。
  9. 【請求項９】 前記少なくとも１つのポリマー層は紫外
    線照射によって硬化または架橋された、請求項７または
    ８に記載の照明装置。
  10. 【請求項１０】 前記第２の層は４分の１波長板を含
    む、請求項３から９のいずれかに記載の照明装置。
  11. 【請求項１１】 前記第１の層は、パターニングによっ
    て、第３の偏光状態の光のほぼ全てを透過する少なくと
    も１つの第１の領域および該第３の偏光状態に直交する
    第４の偏光状態の光のほぼ全てを透過する少なくとも１
    つの第２の領域を有する、請求項１から１０のいずれか
    に記載の照明装置。
  12. 【請求項１２】 前記第４の偏光状態の光を前記第３の
    偏光状態の光に変換する偏光調整手段をさらに備えた、
    請求項１１に記載の照明装置。
  13. 【請求項１３】 前記偏光調整手段は、偏光を変化させ
    ずに光を透過する少なくとも１つの第１の領域および入
    射光の偏光を直交する偏光に変換する少なくとも１つの
    第２の領域を含む、請求項１２に記載の照明装置。
  14. 【請求項１４】 前記反射部材および前記第１の層は前
    記ライトガイドに積層される、請求項１から１３のいず
    れかに記載の照明装置。
  15. 【請求項１５】 前記ライトガイドに光が入る際の最大
    グレージング角を制限する手段をさらに備えた、請求項
    １から１４のいずれかに記載の照明装置。
  16. 【請求項１６】 前記制限手段はくさび形のインプット
    を備えた、請求項１５に記載の照明装置。
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