JPH09218407A - 照明装置、及び該照明装置を備えた液晶装置 - Google Patents

照明装置、及び該照明装置を備えた液晶装置

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JPH09218407A
JPH09218407A JP8312317A JP31231796A JPH09218407A JP H09218407 A JPH09218407 A JP H09218407A JP 8312317 A JP8312317 A JP 8312317A JP 31231796 A JP31231796 A JP 31231796A JP H09218407 A JPH09218407 A JP H09218407A
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anisotropic
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grating
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Abstract

(57)【要約】 【課題】光量分布の不均一化を防止し、輝度の向上を図
る。 【解決手段】冷陰極管26から出射された光L1 は、導
光体21の中を全反射を繰り返しながら伝わっていく。
そして、この光L1 は異方性基板22において偏光変換
されて、その光の一部L2 が回折され、照明光として利
用される。このような作用が繰り返されることにより、
冷陰極管26から出射された光L1 のほとんどが照明光
となり、その結果、光量分布が均一で高輝度の照明装置
が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般的には、均一
な光量分布を実現する照明装置、及び該照明装置を備え
た液晶装置に関する。
【0002】
【従来の技術】液晶装置は、一般に透過型のものと反射
型ものとに大別される。
【0003】このうち透過型の液晶装置1は、図1に示
すように、透過型の液晶パネルP1を備えており、この
液晶パネルP1 の背後にはバックライト装置B1 が配置
されている。そして、バックライト装置B1 は、冷陰極
管等の光源2,2と、光源2からの光を導光する導光体
3と、拡散板(不図示)とを有しており、液晶パネルP
1 を均一な輝度で照明するように構成されている。ま
た、液晶パネルP1 の両面には偏光板5,6が貼付され
ている。
【0004】一方、反射型の液晶装置10は、図2に示
すように、反射型の液晶パネルP2を備えており、この
液晶パネルP2 の観察者側(前方)には、液晶パネルP
2 に対して所定の角度でハーフミラー11が配置されて
いる。また、このハーフミラー11に対向する位置に
は、液晶パネルP2 に対して立設した状態の照明装置B
2 が配置されている。
【0005】ここで、液晶パネルP2 は、画素駆動用の
TFT(薄膜トランジスタ)や配線層が形成された基板
12を有しており、この基板12の表面には画素電極1
3が2次元的に配列・形成されている。これらの画素電
極13は、アルミニウム(Al)にて形成されており、
その表面は鏡面仕上げされて画素反射面を兼ねると共に
多数の画素を形成している。また、基板12に沿うよう
にツイストネマチック液晶層(TN液晶層)15が配置
されており、さらにそのツイストネマチック液晶層15
の上方には、RGBの3色のカラーフィルタ16が画素
電極13に対応して配置されている。そのほか、この液
晶パネルP2 は、位相補償層、配向膜(ポリアミド)、
透明電極(ITO)、ガラス基板等を有している(不図
示)。
【0006】また、照明装置B2 は、光源と、該光源を
覆うように配置されて該光源からの光を前方に反射する
反射傘と、コレクタレンズ系と、によって構成されてお
り(詳細は不図示)、均一な輝度の光を発して面状光源
として機能するように構成されている。
【0007】そして、光源B2 からの光は、図示のよう
に、ハーフミラー11に反射された上で液晶パネルP2
に導かれ、液晶パネルP2 の全面を均一に照明する。そ
の後、該光は、画素電極13によって反射され、ハーフ
ミラー11を透過し、これにより画像が認識される。
【0008】これらの反射型の液晶装置10と透過型の
液晶装置1とはそれぞれに優れているが、反射型のもの
では、画素電極13の裏側にTFT(薄膜トランジス
タ)や配線を配置して開口率を透過型の液晶装置よりも
高くできるため、高輝度で明るい表示が可能となり、そ
れに伴って消費電力を低減できるという特徴を有してい
る。
【0009】また、反射型の液晶装置10によれば、開
口率が高い分だけ画素構造を2次元的に高密度化でき、
多画素で高精細な表示装置を実現できると期待されてい
る。
【0010】さらに、透過型の液晶装置1においては、
バックライト装置B1 からの光が2つの偏光板5,6等
を通過するように構成されているため、これらを透過す
る光量が減少して高輝度の画像の提供が困難であり、高
輝度の画像を提供しようとした場合にはバックライト装
置B1 の消費電力が増加したり、発熱量が増加したりす
るという問題があった。しかし、反射型の液晶装置にお
いては、このような問題もなく、明るい画像を表示でき
るという特徴を有している。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の反射型
の液晶装置においては、ハーフミラー11や照明装置B
2 を上述した位置に配置しなければならず、装置が大型
化していた。そのため、反射型液晶装置で実現され得る
表示装置としては、プロジェクションTV等の大掛かり
で特殊な装置のみに限られており、いわゆるフラットデ
ィスプレイと言われる小型で軽量な液晶装置を実現する
ためには限界があった。
【0012】また、照明装置B2 も、均一な輝度の光を
発する面状光源でなければならず、発熱量も高いもので
あった。したがって、冷却ファン等の熱対策のための装
置が必要となって、装置がますます大型化すると共に、
高価なものとなるという問題があった。
【0013】一方、透過型液晶パネルとしては、TFT
(薄膜トランジスタ)タイプのものが現在主流である
が、その透過率は数%程度と非常に低い。一般に、この
ような表示装置を室内で使用する場合には80〜120
cd/m2 程度の輝度が必要であるため、上述のように
透過率の低いTFTタイプの場合には、数1000cd
/m2 程度の高輝度の照明装置が必要であった。
【0014】そのような高輝度の照明装置としては、
「“New Back−Lighting Devic
e for Liquid Crystal Disp
lays”,S32−2,Asia Display
’95」に偏光を利用したものが開示されている。し
かしながら、この照明装置では、可視域をカバーする広
帯域特性の偏光特性を持った大面積の偏光ビームスプリ
ッタや波長板が必要となり、それらの製造が困難であ
る。また、所望の特性を得るには、レンチキュラーレン
ズ、マイクロレンズアレイ、小型ビームスプリッタアレ
イ等を必要とし、装置が大型化・高価格化するという問
題があった。
【0015】そこで、本発明は、高輝度で光量分布が均
一な照明装置、及び該照明装置を備えた液晶装置を提供
することを目的とするものである。
【0016】また本発明は、消費電力を低減できる照明
装置、及び該照明装置を備えた液晶装置を提供すること
を目的とするものである。
【0017】さらに本発明は、画像欠陥の発生を防止す
る液晶装置を提供することを目的とするものである。
【0018】またさらに本発明は、小型で軽量な反射型
液晶装置を提供することを目的とするものである。
【0019】また、本発明は、表示が明るく、かつ消費
電力を低減できる反射型液晶装置を提供することを目的
とするものである。
【0020】
【課題を解決するための手段】本発明は、上述事情に鑑
みなされたものであって、透光性を有する導光体と、該
導光体の側方に配置されて該導光体に対して光を出射す
る光源と、を備えた照明装置において、前記導光体が、
異方性格子を有する、ことを特徴とする。
【0021】また、本発明は、光を出射する照明装置
と、液晶素子と、を有する液晶装置において、前記照明
装置が、前記液晶素子に沿って配置されると共に、透光
性を有する導光体と、該導光体の側方に配置されて該導
光体に対して光を出射する光源と、を備え、前記導光体
が、異方性格子を有する、ことを特徴とする。
【0022】さらに、本発明は、光を出射する照明装置
と、該照明装置からの光を適宜透過して種々の情報を表
示する為の液晶素子と、からなる液晶装置において、前
記照明装置が、前記液晶素子に沿って配置されると共
に、透光性を有する導光体と、該導光体の側方に配置さ
れて該導光体に対して光を出射する光源と、を備え、前
記導光体が、異方性格子と、前記導光体を挟んで前記液
晶素子とは反対側に配置された反射体と、を有する、こ
とを特徴とする。
【0023】以上構成に基づき、照明装置を駆動する
と、光源からは光が照射され、該照射された光は該光源
の近傍に配置された導光体に進入する。そして、該進入
した光は、異方性部材によって適宜偏光変換された上で
前記異方性格子によって回折されて照明光として利用さ
れる。
【0024】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明の
実施の形態について説明する。なお、図1に示すものと
同一部分は同一符号を付して説明を省略する。
【0025】まず、本発明の好適な実施の形態につい
て、図面を参照して説明する。
【0026】本実施の形態に係る照明装置B3 は、図3
に示すように、反射型の液晶素子P2 の前方(観察者E
側)に、該素子P2 の表面上に配置されている。
【0027】照明装置B3 は、透光性を有する導光体2
1とその側面に設けられた光源26とを有しており、こ
の導光体21は異方性格子25を有している。符号22
は、屈折率異方性を有する異方性部材、符号23は、屈
折率異方性が部材22より充分小さく実質的に屈折率異
方性をもたない非異方性部材である。
【0028】そして、異方性格子25は異方性部材22
と非異方性部材23との境界部分に形成されており、図
4〜6に詳示するようにレリーフ型の異方性格子25と
なっている。すなわち、この異方性格子25は1次元配
列格子であり、該1次元配列格子の配列方向の屈折率分
布は、該1次元配列格子面内で該配列方向と垂直又は平
行な直線偏光に対し周期的分布を有し、該偏光方向に垂
直な直線偏光に対し略均一な分布を有するように構成さ
れている。
【0029】光源26から導光体21へは、図3に示す
ように光L1 が照射され、該照射された光L1 は、全反
射の臨界角(以下、全反射角と云う)θc 以上で全反射
を繰り返し、導光体21の全域に伝わっていく。
【0030】そして、この光L1 は、異方性部材22を
透過する際に偏光変換され、その一部が異方性格子25
にて回折されて液晶素子P2 方向に導かれる。このよう
にして液晶素子P2 に出射された光は、該素子にて反射
され、再び導光体21を透過して観察者の眼Eに到達す
ることとなる。
【0031】本実施の形態によれば、反射型液晶装置に
特有の高輝度で明るい表示が可能となり、それに伴って
消費電力を低減できるという効果が得られる。また、開
口率を高くできるため、画素構造を2次元的に高密度化
でき、多画素の表示装置を実現できる。
【0032】さらに、本実施の形態によれば、光源26
からの光L1 は異方性格子25によって回折されて液晶
素子P2 に導かれるため、従来のようなハーフミラー1
1等を必要としない。また、光源26から照射されて導
光体21に進入した光L1 は、全反射により導光体21
の全域に伝わっていき、異方性格子25によって回折さ
れた光L2 は均一な輝度分布を有する。したがって、照
明装置B3 が、透過型液晶装置に用いられるものと同程
度に小型化・薄型化され、その結果、小型・薄型で軽量
な反射型液晶装置が得られる。またさらに、照明装置B
3 が小型である分発熱量も少なくなり、冷却ファン等の
熱対策が不要で、その分装置が簡素化され軽量化され
る。
【0033】また、本実施の形態においては、異方性部
材22にて偏光変換された光が順次異方性格子25にて
回折されて液晶素子P2 の照明に供せられる。したがっ
て、本実施の形態によれば照明効率に優れた高輝度の液
晶装置を得ることができる。
【0034】本発明に用いられる異方性部材としては、
ニオブ酸リチウム(LiNbO3 )、タンタル酸リチウ
ム(LiTaO3 )、チタン酸バリウム(BaTiO
3 )、酸化亜鉛(ZnO)、ADP(NH42 PO
4 )、KDP(KH2 PO4 )、方解石(CaCO
3 )、水晶(SiO2 )、ポリカーボネイドのような高
分子フィルム、液晶を挟んだフィルム、高分子液晶フィ
ルムなど、一軸性又は2軸性の結晶や高分子材料が用い
られる。
【0035】ここで、異方性部材を結晶によって形成し
た場合には、特性は良好である。一方、異方性部材を高
分子フィルムで形成した場合には、大面積化が容易であ
る点や、安価になる点で有利である。また、液晶で構成
した場合には、配向というプロセスと、配向を固定する
ための配向膜等の構成が必要となるが、特性的には優れ
ている。応用分野、ディスプレイサイズ、光学仕様等に
より最適に近いものを選択可能である。
【0036】一方、屈折率異方性が極めて小さい非異方
性部材としてはフリントガラス(Flint glas
s)や硫化亜鉛(ZnS)等が挙げられる。
【0037】そして、本発明に用いられる異方性格子
は、エッチング等により容易に形成できる。
【0038】常光の回折を利用しているが、もちろんこ
れに限る必要はなく、異常光の回折を利用するようにし
てもよい。具体的には、異方性部材上の格子パターンの
作成において、プロトン交換した領域の上にさらに誘電
体層(SiO,SiO2 ,SiN等)を選択的に形成す
ることにより、回折効率を上げたい異常光に対しての位
相差Δφ=π、回折を無くしたい常光に対しての位相差
Δφ=0になるように補償することが可能である。この
場合は、非異方性層23の屈折率を常光の屈折率にマッ
チングさせ、Δn=0とする。さらに、この場合でも、
所望の偏光方向の照明光を得るために、異方性部材の光
学軸の方向をx軸方向にもy軸方向にも選択設定するこ
とが可能である。
【0039】さらに、屈折率の異方性を利用した格子を
形成できれば、屈折率差の正負、光学軸の方向はどのよ
うに選択しても良い。
【0040】以上では、回折光として透過側の±1次回
折光のみを使って説明してきたが、反射側の回折光、高
次の回折光があってもほぼ同様の作用により本発明の主
旨を損なうものではないため、説明の便宜上省略した。
但し、観察者側に回折する光であって、全反射角θc以
下の入射角で空気との界面に入射する光については、フ
レアやゴーストとなって画質を劣化させる可能性があ
る。また、0次回折光の取り扱いについては言及しなか
った。これらは、図示して説明することは省略するが、
導光体21,31と観察者の間に、観察する偏光方向に
透過軸を配置した偏光板(偏光検光手段)を配置するこ
とにより解決でき、不要の回折光を遮断できる。
【0041】又、本発明の照明装置は反射型の液晶素子
だけではなく、透過型の液晶素子と組み合わせて用いる
こともできる。この場合には、導光体の裏面即ち液晶素
子と対向する面とは反射側の面に反射体を設けることが
望ましい。更には、この反射体と導光体裏面との間に光
を散乱させる為の散乱層を設けたり、光を偏光変換する
為の位相素子を設けることも好ましいものである。この
ような構成を採用すれば、より均一な光量分布が得ら
れ、更に輝度を高めることもできる。
【0042】一方、反射型液晶素子又は透過型液晶素子
のいずれと組み合わせる場合においても、導光体の光源
の配置されていない少なくとも1つの側面に反射部を設
けることも好ましいものである。更には、反射部と該反
射部が設けられる側面との間に位相素子を設けるとより
好ましい。
【0043】反射体や反射部としては、Al,Ag,P
t,Au等の金属薄膜や厚膜又は反射性フレキシブルシ
ートが挙げられる。
【0044】反射部は、光源が配設される側面と対向す
る反対側の側面に設けてもよく、又、光源が配設される
側面に隣接する側面に設けられてもよい。特に、導光体
として四角形の導光板を用いその一辺にある側面にのみ
光源を配置する場合には残りの3辺即ち残りの3つの側
面に反射部を設けるとよい。
【0045】又、位相素子は必ずしも導光体の側面と反
射部との間に配設される必要はなく、反射部と離間する
位置に配してもよい。
【0046】そして、位相素子は均一な厚さの矩形状の
断面をもつものであっても、楔状の断面をもつものであ
ってもよい。又、位相素子は導光体側面の一部に設けら
れていてもよい。
【0047】さらに、光を反射する反射部を導光体の側
面に配置すると共に、位相素子を、光源から出射された
光の経路に配置すると、光源から出射された光は位相素
子によって偏光変換される。したがって、光源から出射
されて導光体中を透過する光は、偏光変換作用を持つ異
方性部材と、偏光状態を変換する位相素子との両方の作
用を受けて変換され、異方性格子によって効率良く照明
光として利用される。このため、照明光量がさらに増大
され、この照明装置を液晶装置に適用した場合には画像
の輝度をさらに向上できる。
【0048】またさらに、反射部が、導光体を挟んで光
源と対峙するように配置されて、光源から出射されて導
光体中を透過する光を反射するようにした場合には、光
源の個数を低減でき、その分、照明装置の消費電力を低
減できる。
【0049】また、位相素子の断面形状が楔状であり、
位相素子と導光体との境界面を前記反射部に対して傾斜
させた場合には、往路と復路の偏光に対する異方性を積
極的に変化させることができ、偏光変換の効率をさらに
向上させることができる。
【0050】本発明に用いられる液晶素子としては、ネ
マチック液晶やコレステリック液晶を用いたもの、スメ
クチック液晶等を用いたもの等の、偏光を変調できる液
晶素子が好ましく用いられる。前者の代表例はアクティ
ブマトリクス型又は単純マトリクス型のツイストネマチ
ック液晶素子であり、後者の代表は強誘電性又は反強誘
電性の液晶素子である。
【0051】液晶素子を反射型とする場合には、液晶を
挟持する一対の電極の一方をAl,Ag,Pt等の反射
性電極で形成すればよく、反射性電極の表面は鏡面加工
されていることが望ましい。或は反射性電極の表面を光
散乱性の表面に加工してもよい。液晶素子を透過型とす
る場合には、一対の電極の両方を透光性の電極で構成す
ればよい。一方の基板上に一対の電極が形成されるイン
プレーン電界でスイッチングする液晶の場合は電極が透
明である必要はない。
【0052】異方性格子の凹凸のピッチは、組み合わせ
て用いられる液晶素子の画素の配列ピッチよりも小さく
することが好ましい。こうすれば、モアレの発生を抑え
ることができる。
【0053】又、本発明に用いられる液晶素子として
は、一対の基板の内面の少なくとも一方に周知のカラー
フィルタが形成された素子を用いることができる。回折
格子として機能する異方性格子を用いる場合には、光の
分散の問題が生じ易いが、カラーフィルタを用いれば、
異方性格子に入射する液晶画素からの反射光は単色光と
なる為、光の分散の問題は解決される。
【0054】本発明に用いられる光源としては、発光ダ
イオード、蛍光灯、ハロゲンランプ、キセノンランプ等
が挙げられるが、特に蛍光灯の中でも赤、緑、青色に3
つの発光ピークをもつ3波長型冷陰極管が好ましく用い
られる。
【0055】
【実施例】以下、図面を参照して、本発明の実施例につ
いて説明する。 (第1の実施例)まず、本発明の第1の実施例につい
て、図3乃至図5を参照して説明する。
【0056】反射型液晶装置20は、図3に示すよう
に、反射型の液晶パネルP2 を備えており、液晶パネル
2 の前方(観察者E側)には、液晶パネルP2 に沿っ
て照明装置B3 が配置されている。
【0057】照明装置B3 は、液晶パネルP2 に沿って
配設された導光体21を有しており、この導光体21
は、異方性基板22と非異方性層23とが積層されて構
成されている。このうち、この異方性基板22は、複屈
折を示す誘電体であって、1軸性の屈折率楕円体を有す
る一軸結晶であるLiNbO3 によって形成されてい
る。なお、このLiNbO3 は、異常光の屈折率と常光
の屈折率との差が大きいという特徴を有している。
【0058】また、異方性基板22と非異方性層23と
の境界部分には、図4に詳示するように凹凸25が形成
されている。この凹凸25は、光学軸に平行に形成され
ており、レリーフ型の1次元の異方性格子として機能し
て入射光L1 の位相を変化するように構成されている
(以下、この凹凸25を“異方性格子25”とする)。
そして、本実施例においては、この異方性格子25によ
って常光が回折されるようになっている(詳細は後
述)。なお、本実施例においては、この異方性格子25
の格子パターンの形成は、特定の領域をプロトン交換
し、その領域のみをフッ酸により選択的にエッチングす
ることで格子状の溝の形成を行うプロトン交換法を用い
る。
【0059】ところで、本実施例においてはレリーフ型
の回折格子を用いているため、その位相差Δφは、常光
と異常光に対する異方性基板22と非異方性層23の屈
折率の差をそれぞれΔno,Δneとし、異方性格子2
5の溝の深さをtとした場合、次式で表される。
【0060】
【式1】 そして、本実施例においては、回折効率を上げたい常光
に対しての位相差Δφがπ、回折を無くしたい異常光に
対しての位相差Δφが0になるように、溝の深さtを設
定している。
【0061】一方、入射光が回折される角度をα、入射
角をβとし、異方性格子25のピッチをdとし、入射光
の波長をλとした場合、1次の回折光のそれらの関係
は、
【0062】
【式2】sinα−sinβ=λ/d で表される。本実施例においては、異方性格子25のピ
ッチdは、入射光のうち光量分布が最も大きい光束の入
射角に合わせて設計されるが、λ=0.55μm程度以
上で設定される。つまり、入射光の中心波長が0.55
μmであるため、上式より、格子25に対して最大の入
射角度(90°)をもって入射した光、すなわち異方性
格子25に沿って入射した光も異方性格子25によって
回折されることとなり、効率よく液晶パネルP2 を照明
することとなる。なお、このピッチdは、画素構造のも
つ異方性格子の配列方向の基本周波数成分のピッチ、す
なわち、格子配列方向の画素ピッチより小さいことか
ら、モアレの発生をも避けることができる。
【0063】一方、溝の深さtは、プロトン交換による
異常光に対する屈折率の増加、常光に対する屈折率の減
少を補償する値に設定することができる。
【0064】また、本実施例においては、非異方性層2
3の屈折率は、異方性基板22の異常光の屈折率にマッ
チングさせている。
【0065】一方、この導光体21の側方には、図3に
示すように光源としての冷陰極管26が配置されてお
り、この冷陰極管26を覆うようにして反射傘27が配
置されている。そして、これらの冷陰極管26等から導
光体21に対しては自然放出光が照射されるようになっ
ている。
【0066】次に、本実施例の作用・効果について説明
する。
【0067】いま、液晶装置20を駆動すると、各画素
電極13へは適宜電圧が印加され、各画素がスイッチン
グされて、所定の画像情報が表示される。
【0068】一方、冷陰極管26からは図3に示すよう
に光L1 が照射され、この光L1 は、反射傘27にて反
射集光された上で、或は直接、導光体21の端面から該
導光体21の内部に入射する。そして、入射した光L1
は、全反射角θc 以上で全反射を繰り返し、導光体21
の全域に伝わっていく。なお、冷陰極管26や、反射傘
27からの光L1 は、もともと自然放出光であるから基
本的にランダム偏光であり楕円偏光と考えて良い。
【0069】そして、この光L1 は、非異方性層23を
透過する際には複屈折を受けず、異方性基板22を透過
する際に複屈折を受ける。なお、本実施例においては異
方性格子25の配列方向は光学軸に平行に設定されてい
ることから、常光は、電気ベクトルの振動方向が紙面に
垂直な直線偏光であるs偏光となり、異常光は、電気ベ
クトルの振動方向が紙面内に含まれるp偏光となる。
【0070】そして、光L1 は、全反射を繰り返し、異
方性格子25にθc 以上の角度で入射するが、本実施例
においては非異方性層23の屈折率が異方性基板22の
異常光の屈折率にマッチングされているため、常光であ
るs偏光L2 のみが異方性格子25によって液晶パネル
2 の方向に回折され、p偏光L1 は格子25を透過す
る。なお、異方性格子25を透過したp偏光L1 は、異
方性基板22にて再び複屈折を受けて楕円偏光となり、
s偏光L2 が異方性格子25によって再び回折分離され
る。
【0071】一方、このように異方性格子25によって
回折分離されたs偏光L2 は、直線偏光成分のみの光と
してRGBのカラーフィルタ16を垂直に透過するが
(図4参照)、その際に特定の波長帯が選択される。そ
して、波長帯が選択された偏光成分L2 は画素電極13
にて反射され、各画素の情報に応じて、液晶層15を2
回透過する際に該液晶層15によって変調される。な
お、このようにして反射してきた光L5 は、画素の階調
に応じて基本的にp,s両偏光成分を有しており、本実
施例ではそのp偏光成分の強度が該当画素の色信号、輝
度信号に対応している。そして、この光L5 は、p,s
両偏光成分を有する楕円偏光として異方性格子25に入
射され、図5に示すように、反射された光L5 の内入射
光の偏光と同じ方向の光L6 (s偏光)は異方性格子2
5によって回折され、導光体21の中を全反射を繰り返
す。これに対し、入射光の偏光と直交するp偏光成分L
7 は異方性格子25を透過し、観察者の眼Eに到達し、
該偏光成分の強度の分布として画像が認識される。つま
り、本実施例においては、導光体21が偏光板としても
機能する。なお、この異方性格子25においては、上述
のようにs偏光L6 は全反射されて導光体21中を伝わ
り、異方性格子25により再び回折されて液晶パネルP
2 へ導かれる。
【0072】本実施例によれば、反射型液晶装置に特有
の高輝度で明るい表示が可能となり、それに伴って消費
電力を低減できるという効果が得られる。また、開口率
を高くできるため、画素構造を2次元的に高密度化で
き、多画素の表示装置を実現できる。
【0073】さらに、本実施例によれば、従来のような
ハーフミラー等を必要としない。また、照明装置B3
が、透過型液晶装置に用いられるものと同程度に小型化
・薄型化され、その結果、小型・薄型で軽量な反射型液
晶装置が得られる。またさらに、照明装置B3 が小型で
ある分発熱量も少なくなり、冷却ファン等の熱対策が不
要で、その分装置が簡素化され軽量化される。
【0074】また、本実施例においては、異方性格子2
5にて回折されて液晶パネルP2 の照明に供せられるの
は、冷陰極管26から照射された光L1 の内のs偏光L
2 のみであり、p偏光L1 は異方性格子25を透過す
る。しかし、このp偏光L1 も、異方性格子25を透過
した後に全反射を繰り返し、異方性基板22にて複屈折
を受けて楕円偏光となり、それによって生じたs偏光L
2 は異方性格子25にて回折されて液晶パネルP2 の照
明に供される。つまり、冷陰極管26から照射された光
1 は、最終的には全てs偏光L2 となって液晶パネル
2 の照明に供される。したがって、本実施例によれば
照明効率に優れた高輝度の液晶装置を得ることができ
る。
【0075】また同様に、観察者の眼Eに到達する光
は、画素電極13にて反射され、異方性格子25を透過
してきたp偏光L7 のみであり、液晶パネルP2 から反
射されてきた光L5 の内のs偏光L6 は観察者の眼Eに
は到達しない。しかし、該s偏光L6 は、導光体21中
を全反射する過程にて再び液晶パネルP2 の側に回折さ
れて照明光として再利用され、照明効率の向上がさらに
図られる。
【0076】さらに、本実施例のように回折格子を用い
た場合には一般に光の分散(色分散)の問題が生ずる
が、本実施例においてはカラーフィルタ16を用いてい
るため、回折格子に入射される光L5 は単色光となり、
回折に伴う色分散の問題は生じない。
【0077】またさらに、本実施例によれば、導光体2
1を、屈折率異方性を有する異方性基板22と、屈折率
異方性を有さない非異方性層23と、によって構成し、
かつ、これら異方性基板22と非異方性層23との境界
部分にレリーフ型の異方性格子25を形成しているた
め、全反射した光L1 を円滑に導光できると共に、異方
性格子25を保護できる。 (第2の実施例)ついで、本発明の第2の実施例につい
て、図6を参照して説明する。なお、図5に示すものと
同一部分は同一符号を付し、又、第1実施例と同じ作用
・効果については説明を省略する。
【0078】本実施例に係る液晶装置30は、上述した
実施例と同様に反射型の液晶パネルP2 を備えており
(図6においては不図示)、照明装置B4 は該液晶パネ
ルP2の前方に配置されている。そして、この照明装置
4 は、上述した実施例と同様に導光体31を有してお
り、該導光体31の側方には冷陰極管等が配置されてい
る(図6においては不図示)。
【0079】また、導光体31は、異方性基板32と非
異方性層33とが積層されて構成されており、それらの
境界部分には異方性格子35が形成されている。なお、
図5の例では格子25の配列方向(ARY)が基板22
の光学軸と平行であったのに対し、本実施例において
は、異方性格子35の配列方向が光学軸に対して垂直に
なるように設定されており、そのため、s偏光が異常光
で、p偏光が常光になっている。また、本実施例におい
ては、p偏光であるが常光の回折を利用するので、非異
方性層33の屈折率は異方性基板32の異常光の屈折率
にマッチングさせている。
【0080】次に、本実施例の作用・効果について説明
する。
【0081】いま、液晶装置30を駆動すると、液晶パ
ネルP2 には所定の画像情報が形成され、冷陰極管26
から導光体31へは光L11が入射し導光体31内で全反
射を繰り返す。
【0082】なお、本実施例においては異方性格子35
の配列方向は光学軸に垂直に設定されていることから、
異常光は、電気ベクトルの振動方向が紙面に垂直な直線
偏光であるs偏光となり、常光は、電気ベクトルの振動
方向が紙面内に含まれるp偏光となる。
【0083】そして、光L11は、全反射を繰り返す過程
で、異方性格子35にθc 以上の角度で入射されるが、
その際に常光であるp偏光L12のみが異方性格子35に
よって液晶パネルP2 の方向に回折され、s偏光L11
格子35を透過する。なお、異方性格子35を透過した
s偏光L11は、異方性基板32にて再び複屈折を受けて
楕円偏光となり、p偏光L12が異方性格子35によって
再び回折分離される。
【0084】一方、このように異方性格子35によって
回折分離されたp偏光L12は、直線偏光成分のみの光と
してRGBのカラーフィルタ16を垂直に透過するが、
その際に特定の波長帯が選択される。そして、波長帯が
選択された偏光成分L12は画素電極13にて反射され、
各画素の情報に応じて、液晶層15を2回透過する際に
該液晶層15によって変調される。なお、このようにし
て反射してきた光L15は、画素の階調に応じて基本的に
p,s両偏光成分を有しており、本実施例ではそのs偏
光成分の強度が該当画素の色信号、輝度信号に対応して
いる。そして、この光L15は、p,s両偏光成分を有す
る楕円偏光として異方性格子35に入射され、図6に示
すように、反射された光L15の内入射光の偏光と同じ方
向の光L16(p偏光)は異方性格子35によって回折さ
れ、導光体31の中を全反射を繰り返す。これに対し、
入射光の偏光と直交するs偏光成分L17は異方性格子3
5を透過し、観察者の眼Eに到達し、該偏光成分の強度
の分布として画像が認識される。つまり、本実施例にお
いては、導光体31が偏光板としても機能する。なお、
この異方性格子35においては、上述のようにp偏光L
16は全反射されて導光体31中を伝わり、異方性格子3
5により再び回折されて液晶パネルP2 へ導かれる。
【0085】一般に格子の回折を考えた場合、s偏光の
回折効率が高く取り易く、その意味では、本実施例のよ
うにわざわざp偏光を回折させる必要はない。しかし、
電子ビューファインダやヘッドマウンテッドディスプレ
イ等の機器に反射型液晶装置を組み込む場合、s偏光の
回折のみしか行なえないと、場合によっては直線偏光を
観察者に導くためのレンズやミラー光学系が必要とな
り、その分装置が複雑化し、高価になる。そのような場
合に、本実施例のようにp偏光を回折するようにすれ
ば、レンズやミラー光学系が不要となって、装置が簡素
化され、安価となる。
【0086】また、本実施例においては、異方性格子3
5にて回折されて液晶パネルP2 の照明に供せられるの
は、冷陰極管26から照射された光L11の内のp偏光L
12のみであり、s偏光L11は異方性格子35を透過す
る。しかし、このs偏光L11も、異方性格子35を透過
した後に全反射を繰り返し、異方性基板32にて複屈折
を受けて楕円偏光となり、それによって生じたp偏光L
12は異方性格子35にて回折されて液晶パネルP2 の照
明に供される。つまり、冷陰極管26から照射された光
11は、最終的には全てp偏光L12となって液晶パネル
2 の照明に供される。したがって、本実施例によれば
照明効率に優れた高輝度の液晶装置を得ることができ
る。
【0087】また同様に、観察者の眼Eに到達する光
は、画素電極13にて反射され、異方性格子35を透過
してきたs偏光L17のみであり、液晶パネルP2 から反
射されてきた光L15の内のp偏光L16は観察者の眼Eに
は到達しない。しかし、該p偏光L16は、導光体31中
を全反射する過程にて再び液晶パネルP2 の側に回折さ
れて照明光として再利用され、照明効率の向上がされに
図られる。 (第3の実施例)ついで、本発明の第3の実施例につい
て、図7及び図8を参照して説明する。
【0088】図7は、透過型液晶装置50の構成を示す
模式図である。この透過型液晶装置50は、透過型の液
晶パネルP3 を備えており、液晶パネルP3 の後方(観
察者側とは反対の側)には、液晶パネルP3 に沿って照
明装置B5 が配置されている。
【0089】照明装置B5 は、上述した実施例と同様、
異方性基板(異方性部材)22と非異方性層(非異方性
部材)23とからなる導光体21を有している。なお、
本実施例においても、異方性基板22をLiNbO3
よって形成しているが、その結晶の光学軸をy軸方向に
取っている。
【0090】また、このような導光体21の底面、つま
り異方性基板22の底面には、反射膜が蒸着されて反射
面(第2反射部)51が形成されている。さらに、導光
体21の側面(冷陰極管26が配置されていない方の側
面)には、位相板(第1位相素子)52及び反射面(第
1反射部)53が、導光体21を挟んで冷陰極管26と
対峙するように配置されている。なお、この透過型液晶
装置50は、図1にて示した従来の液晶装置1に較べて
偏光板6が省略されており、偏光板5のみが液晶パネル
3 の観察者側に配置されている。また、上述した位相
板52は、透過する光に位相差を与えて、これを楕円偏
光に偏光変換するものである。この位相板52は、反射
面53に沿って配置されており、その厚み(y方向の厚
み)は均一となるように設定されている。
【0091】ところで、本実施例においてはレリーフ型
の回折格子を用いているため、その位相差Δφは、常光
と異常光に対する異方性基板22と非異方性層23の屈
折率の差をそれぞれΔno,Δneとし、異方性格子2
5の溝の深さをtとした場合、次式で表される。
【0092】
【式3】 本実施例では、常光の回折を起こし、異常光の回折を抑
えたいので、非異方性層23の屈折率を異方性基板22
の異常光の屈折率にマッチングさせている。したがっ
て、Δne=0となり、回折を無くしたい異常光に対し
ての位相差がΔφ=0となる。一方、本実施例において
は、回折効率を上げたい常光に対しての位相差Δφがπ
となるように、溝の深さtを設定している。
【0093】また、異方性格子25に対する入射光の角
度(入射角度)をβとし、入射光の1次の回折角をαと
し、異方性格子25のピッチをdとし、入射光の波長を
λとした場合、1次の回折光のそれらの関係は、格子方
程式より、
【0094】
【式4】sinα−sinβ=λ/d で表される。
【0095】ここで、異方性格子25のピッチdについ
て説明する。
【0096】本実施例においては、後述するように、異
方性格子25に対して大きな入射角度β(〜90°)で
入射した光を格子面に対して垂直方向に回折させるため
(α〜0°)、異方性格子25のピッチdは、基本的に
は波長程度に微小にする必要があるものと考えられる。
【0097】しかし、実際には、光量分布のピーク近傍
の光束の入射角βに合わせて最適設計してピッチdを設
定する方が、輝度は向上される。例えば、中心波長λ=
0.55μmで、β=90°が入射角の上限であるか
ら、上式4よりピッチdは0.55μm以上となり、十
分作成可能な範囲にある。また、異方性格子25のピッ
チdは、モアレの問題から、液晶パネルP3 の格子配列
方向の画素ピッチに対して十分小さくすることが望まし
いが、ビューファインダ用の小型の液晶パネルや、パー
ソナルコンピュータ用の液晶パネルの場合、画素ピッチ
は20〜300μm程度で条件を満たしており、問題は
ない。
【0098】次に、本実施例の作用・効果について説明
する。
【0099】冷陰極管26からは導光体21へは、図8
に示すように光L20が照射される。
【0100】そして、入射した光L20は、導光体21の
内部において全反射を繰り返しながら、導光体21の全
域に伝わっていく。なお、冷陰極管26や、反射傘27
からの光L20は、もともと自然放出光であるから基本的
にランダム偏光であり、かつ異方性基板22を透過する
際に複屈折を受けるため、導光体21中の光束は一般に
p,s両偏光成分を有する楕円偏光と考えて良い。
【0101】ここで、導光体内部での光の挙動について
詳細に説明する。
【0102】例えば図中の光L20、すなわち、非異方性
層23の上界面(非異方性層23と外側の空気との界
面)に対して全反射角θc 以上の角度にて入射される光
20は、該界面にて全反射されて(符号L20′参照)、
異方性格子25に対してθc 以上の入射角度βで入射さ
れる。そして、この光L20′は、楕円偏光であることか
ら、そのs偏光成分のみが図示の符号L22のように回折
されて液晶パネルP3 を照明する。
【0103】また、p偏光成分は、格子構造による位相
差を感じず、異方性格子25をそのまま透過する(符号
21参照)。そして、この光L21は、異方性基板22内
で再び複屈折を受けて楕円偏光となり、反射面51にて
反射される(符号L21′参照)。さらに、この光L21
は、異方性格子25に下側から入射されるが、その際
に、s偏光成分のみが図示の符号L23のように回折され
て液晶パネルP3 を照明する。
【0104】そして、p偏光成分は、異方性格子25を
そのまま透過して非異方性層上界面にて全反射される
(符号L24及びL24′参照)。ここで、p偏光成分は、
非異方性層23中を透過するが、楕円偏光とはならず
(すなわち、s偏光成分は発生せず)、異方性格子25
をそのまま透過することとなる。但し、先に異方性格子
25を通過する際に回折されずにs偏光成分が残存して
いる場合には、該s偏光成分は回折される(符号L25
照)。以下、このような作用を繰り返す。
【0105】また、異方性格子25を通過したp偏光成
分L28は、上述のように非異方性層上界面にて全反射さ
れ(符号L28′参照)、位相板52を透過して反射板5
3にて反射される(符号L29参照)。ここで、位相板5
2に入射される前の光L28′は、そのほとんどがp偏光
成分であるが、この位相板52を2度通過することによ
って楕円偏光となり、反射面53にて反射された光L29
は、異方性基板22にてさらに位相差をつけられる。つ
まり、この位相板52によって、s偏光成分への変換が
効率良く行なわれ、異方性格子25によって回折されて
液晶パネルP3を照射する光量が増加する。
【0106】なお、一般に、位相板52によって与えら
れる位相差は、位相板52に入射される光L28′の入射
角度によって異なるが、本実施例においては位相板52
に入射される光は、そのほとんどがp偏光成分であるこ
とから、導光体21の導光特性により、その入射角度は
(π/2−θc)以下となる。また、一軸性の位相素子
を位相板52として用いる場合は、位相板52面内(z
x平面)で、その遅相軸と早相軸のなす角がほぼ90°
であるからp偏光がその2つの光学軸と45°をなすよ
うに方位角を配置し、斜入射光線の往復でおおよそλ/
2程度の位相差を与える厚みとするのが望ましい。λ=
550nmと考え、250nm程度の位相差を与える
と、位相板52への光線L28′の入射角度分布、異方性
基板22中で受ける位相差を考慮すると照明光の取り出
し効率が最大となる。
【0107】なお、図7では、非異方性層23から位相
板52に入射する光束L28′のみを示しているが、異方
性基板22から位相板52に入射する光束も、当然に存
在する。そして、かかる光束も、位相板52によって同
様に偏光変換される。
【0108】さらに、図7では、z軸正方向への1次回
折光のみを示すが、実際の照明装置ではz軸負方向への
回折光や、高次の回折光も発生する。そして、本実施例
によれば、これらの回折光も、最終的にs偏光としてz
軸正方向へ射出され、照明光として利用される。上記の
説明では導光体21の上面で全反射される光束について
説明したため、本実施例における反射面51の作用が不
明確であるが、冷陰極管26から導光体21に深い角度
で入射してくる光や、異方性格子25での高次回折光や
反射面51側の回折光等の全反射角θc以下で反射され
る光束に対して大きな効果を持つ。導光体21の上面に
全反射角θc以下で入射する光束の偏光反射・透過特性
は入射角度に依存する。反射光成分は異方性格子25に
入射し、その回折光のうちの反射側の回折光のs偏光の
一部が直接照明光となり射出される。残りのs偏光のう
ち非異方性層23内の光束は再び導光体21上面で一部
が反射され、以下同様のことが繰り返され照明光として
再利用される。異方性基板22内に回折されたs偏光と
透過したp偏光は複屈折を受けながら反射面51により
すべて反射され、異方性格子25に逆側から再入射す
る。その回折光のうちの透過側の回折光のs偏光の一部
が直接照明光となり射出し、残りのs偏光、p偏光は再
び同様の作用を繰り返され照明光として再利用されてい
く。
【0109】本実施例によれば、p偏光を、s偏光に変
換した上で照明光として利用するため、高輝度で明るい
表示が可能となる。
【0110】また、本実施例によれば、面積を持ち大き
な放射角を持つ冷陰極管26からのランダム偏光の光束
を、直線偏光でかつ均一な光量分布をもつ面光源に変換
することが可能となり、高効率の薄型軽量の照明装置が
得られる。
【0111】またさらに、本実施例によれば、液晶パネ
ルP3 を照明する照明光は、そのほとんどがs偏光であ
るため、液晶パネルP3 と照明装置B5 との間に偏光板
を配置する必要が無い。したがって、偏光板による光量
ロスもなく、その分、輝度の高い良好な画像を提供でき
る。
【0112】また、上述の照明装置B5 をカラー液晶パ
ネルに用いれば、画素の色がカラーフィルタで波長選択
されるため、回折格子に起因する光の分散(色分散)の
問題は生じない。
【0113】なお、上述実施例においては、位相板52
の厚み(z方向の厚み)を導光体21の厚み(z方向の
厚み)に等しくしている。換言すれば、位相板52が、
異方性基板22とも非異方性層23とも隣接するように
配置させている。これに対して、図9に詳示するよう
に、位相板を導光体21の一部分にのみ設けてもよい。
即ち、位相板(第1位相素子)55を非異方性層23の
厚み分だけ形成するようにしてもよいのである。 (第4の実施例)ついで、本発明の第4の実施例につい
て、図10を参照して説明する。
【0114】本実施例は、反射型の液晶装置に関するも
のである。
【0115】すなわち、本実施例に係る反射型液晶装置
60は、図10に示すように、反射型の液晶パネルP2
を備えており、液晶パネルP2 の前方(観察者側)に
は、液晶パネルP2 に沿って照明装置B6 が配置されて
いる。
【0116】照明装置B6 は、上述した照明装置B5
ほぼ同様の構造であるが、反射型の液晶パネルに用いる
関係上、導光体の両面には反射体は設けられていない。
【0117】また、図7では、液晶パネルP3 の上方に
偏光板5を配置していたが、本実施例においては、偏光
板61を照明装置B6 の上方に配置し、表示画像のコン
トラストを向上させている。
【0118】本実施例においては、導光体21からz軸
負方向に射出されるs偏光を、照明光として用いる。こ
のs偏光は、反射型液晶パネルP2 にて画素毎に偏光変
調作用を受け、再び導光体21の内部に入射される。そ
して、照明光の偏光と直交するp偏光成分の強度の分布
として、画像が再生される。
【0119】反射型液晶パネルP2 にて反射された偏光
成分のうちのs偏光成分は、異方性格子25によって再
び回折されて導光体21の内部を全反射を繰り返し伝わ
っていくため、導光体21は偏光板(検光子)としても
機能する。観察者の目に達する光は、p偏光成分のみと
なり、このp偏光成分により画像が認識される。
【0120】また、本実施例によれば、導光体21が、
照明用の偏光子としてだけでなく、画像観察のための検
光子として作用することから、反射型液晶パネルP2
ら反射されてきたs偏光成分を照明用のp偏光成分に変
換でき、画像の輝度を向上させることができる。
【0121】但し、観察者側に漏れるs偏光成分は、変
調されない直流光であるが、p偏光に対して目の偏光弁
別能力がないためにコントラストの低下を生じる可能性
がある。また、フレアやゴーストとなって画質を劣化さ
せる可能性がある。これらは、導光体21と観察者との
間に、観察するp偏光方向に透過軸を配置した偏光板6
1を配置することにより解決できる。なお、この偏光板
61の配置によって光量が多少低下はするものの、それ
でも、従来の液晶装置に較べて十分に輝度を向上させる
ことができる。 (第5の実施例)ついで、本発明の第5の実施例につい
て、図11を参照して説明する。
【0122】上述した第3及び第4の実施例において
は、位相板52や反射面53は、導光体21を挟んで冷
陰極管26と対峙するように配置したが、本実施例にお
いては、導光体21を挟んで対峙するように冷陰極管
(光源)26を1つずつ配置すると共に、同じく導光体
21を挟むように、位相板52並びに反射面53をそれ
ぞれ1組ずつ配置している。なお、導光体21における
4側面の長さに長短がある場合には、短辺に冷陰極管2
6を配置し、長辺に位相板52等を配置する。
【0123】本実施例によれば、冷陰極管26から反射
面53等に向けて照射された光は、位相板52によって
s偏光に変換される。したがって、照明光量が増大さ
れ、高輝度な画像を得ることができる。
【0124】また、本実施例によれば、冷陰極管26の
数を増やすことができ、画像がさらに高輝度になる。
【0125】さらに、冷陰極管26を対称な位置に配置
しているため、光量分布の対称性が向上され、画質が向
上される。
【0126】ところで、高輝度化並びに光量分布の対称
性の観点からは、導光体21の4側面の全てに冷陰極管
26を設ける方が良い。換言すれば、導光体21の4側
面の全てに冷陰極管26を設けない場合には、冷陰極管
26を設けなかった側面近傍においては光量分布が低下
する。しかし、本実施例においては、冷陰極管26を設
けなかった側面には反射面53を配置しているため、そ
のような光量分布の低下もなく、画質が向上される。 (第6の実施例)ついで、本発明の第6の実施例につい
て、図12を参照して説明する。
【0127】本実施例においては、位相板(第1位相素
子)70及び反射面(第1反射部)53を導光体21の
側方に配置しているが、位相板70の断面形状を楔状と
し、位相板70と導光体21との境界面が反射面53に
対して傾斜するようにしている。換言すれば、位相板7
0の厚みを、z方向に連続的に増大させている。なお、
このような構成は、導光体21の側部を切削・研磨する
と共に、楔状に加工した位相板70を配置することによ
り実現できる。
【0128】一般に、1軸性、2軸性の位相板等は相反
性を持つため、位相のシフト(すなわち偏光状態の変
換)の効率が必ずしも良好ではない。
【0129】ところで、上記第3〜5実施例の場合は、
位相板52に対して光は斜めに入射されるため、該光の
往路と復路とが異なり、その結果、偏光変換の効率をあ
る程度向上できる。
【0130】本実施例においては、位相板70の厚みが
導光体21の厚さ方向において図示のように異なるた
め、往路と復路の偏光に対する異方性を積極的に変化さ
せることができ、偏光変換の効率をさらに向上させるこ
とができる。 (第7の実施例)ついで、本発明の第7の実施例につい
て、図13及び図14を参照して説明する。
【0131】本実施例においては、導光体90は4つの
部分(以下、“導光部90a,90b,90c,90
d”とする)に分割されており、各導光部90aの間に
は位相板(第1位相素子)91a,91b,91cが介
装されている。また、2つの冷陰極管26が導光体90
を挟んで相対峙するように配置されており、2つの反射
面53が導光体90を挟んで相対峙するように配置され
ている。つまり、本実施例においては、位相板91a
は、導光体90中に反射面53とは離間するように配置
されている。なお、導光体90は、図14に詳示するよ
うに、異方性基板22、異方性格子25及び非異方性層
23によって構成されている。
【0132】なお、上述した第3の実施例においては、
光は、反射面53にて反射されることにより位相板52
を2回通過するが、本実施例においては1回通過するの
みである。したがって、本実施例における位相板91の
厚さは、第3の実施例における位相板52の2倍の厚さ
とする必要がある。
【0133】本実施例によれば、異方性格子25を透過
したp偏光L30は、位相板91を通過するに伴って、ほ
ぼs偏光に近い楕円偏光に変換される。即ち、p偏光を
s偏光に変換した上でこのs偏光を照明光として利用す
るため、高輝度で明るい表示が可能となる。
【0134】また、本実施例によれば、面積を持ち大き
な放射角を持つ冷陰極管26からのランダム偏光の光束
を、直線偏光でかつ均一な光量分布をもつ面光源に変換
することが可能となり、高効率の薄型軽量の照明装置が
得られる。
【0135】またさらに、本実施例によれば、液晶パネ
ルを照明する照明光は、そのほとんどがs偏光であるた
め、液晶パネルと照明装置との間に偏光板を配置する必
要が無い。したがって、偏光板による光量ロスもなく、
その分、輝度の高い良好な画像を提供できる。
【0136】なお、位相板91は、導光体90の内部に
あれば良く、図示の位置に限られるものではない。 (第8の実施例)ついで、本発明の第8の実施例につい
て、図15乃至図17を参照して説明する。
【0137】図15は、透過型液晶装置100の構成を
示す模式図である。この透過型液晶装置100は、透過
型の液晶パネルP3 を備えており、液晶パネルP3 の後
方(観察者側とは反対の側)には、液晶パネルP3 に沿
って照明装置B7 が配置されている。
【0138】上述した第3の実施例においては、導光体
21の側面(冷陰極管26が配置されていない方の側
面)には位相板52や反射面53を形成したが(図7参
照)、その代わりに、本実施例においては、導光体21
の両側面に冷陰極管26をそれぞれ配置している。そし
て、導光体21の底面には反射面(第2反射部)51を
形成している。
【0139】なお、上述以外の構成は、第3の実施例と
同様であり、また冷陰極管26から照射された光の挙動
も、位相板52や反射面53が無いことに伴う差異以外
は同様である。
【0140】本実施例によれば、導光体21の両側面に
冷陰極管26を配置しているため、照明装置の光量分布
が対称となり、液晶パネルの画質が向上される。 (第9の実施例)ついで、本発明の第9の実施例につい
て、図18を参照して説明する。
【0141】本実施例に係る液晶装置110は、上述し
た第8の実施例と同様に、透過型の液晶パネルと組み合
わされてパネルを照明する照明装置B8 とを備えてい
る。
【0142】そして、照明装置B8 は、異方性基板22
と非異方性層23とからなる導光体21を有しており、
導光体21の両側面には冷陰極管26(不図示)がそれ
ぞれ配置されている。
【0143】そして、導光体21の底面には、散乱層1
11と反射面(第2反射部)51とが形成されている。
この反射面51は、導光体21とは別に製造したシート
を貼付することにより構成している。また、散乱層11
1は、導光体21に貼付する前の反射シートに白色のイ
ンクを印刷することによって形成している。さらに、散
乱層111は多数のドット状の散乱領域によって構成さ
れており、これらの散乱領域は導光体21の底面(xy
平面)に沿って分布している。
【0144】冷陰極管26から出射された光L50は、導
光体26の中を透過するが、この光L50は散乱層111
にて散乱される(一部は散乱層111を透過した後に反
射面51にて反射される)。
【0145】そして、散乱層111にて散乱された光L
51は、散乱による偏光変換作用と異方性基板22による
複屈折作用とによってs偏光成分に変換された上で、様
々な入射角βで異方性格子25に入射し、様々な回折角
αで回折を受ける。そして、その内の一部の光が、導光
体21からz方向に出射されて液晶パネルの照明に供さ
れる。
【0146】本実施例によれば、散乱層111を形成す
るインクの粒子径や濃度、さらに散乱層111の厚みを
調整して散乱層111の散乱能(散乱特性)を大きくす
ることにより、完全散乱を実現し、散乱反射光分布の入
射角依存性の影響を小さくして、均一な光量分布を得る
ことができる。その結果、液晶パネルの輝度が均一とな
って、その画質を向上できる。
【0147】また、散乱層111は、上述のように反射
シートに印刷して形成されるため、耐久性に優れ、かつ
コストの安いものとなる。
【0148】なお、散乱層111は、ドット状に配置さ
れた多数の散乱領域によって構成されるが、各散乱領域
の面積を、冷陰極管26からの距離を考慮して設定する
ことにより、光量分布の均一化を図るようにしても良
い。また、各散乱領域の散乱能(散乱特性)を、冷陰極
管26からの距離を考慮して設定することにより、光量
分布の均一化を図るようにしても良い。
【0149】また、散乱層111や反射面51の形成に
関しては、エッチング法等を用いて導光体21の面に散
乱層111を直接形成すると共に、この散乱層111を
形成した後に、蒸着法によって反射面51を形成するよ
うにしてもよい。 (第10の実施例)ついで、本発明の第10の実施例に
ついて、図19を参照して説明する。
【0150】本実施例に係る液晶装置120は、上述し
た第9の実施例と同様に、透過型の液晶パネルと組み合
わされパネルを照明する照明装置B9 とを備えている。
【0151】そして、照明装置B9 は、異方性基板22
と非異方性層23とからなる導光体21を有しており、
導光体21の両側面には不図示の冷陰極管がそれぞれ配
置されている。
【0152】さらに、導光体21の底面には、波長板シ
ート(第2位相素子)121と反射面(第2反射部)5
1とが形成されている。このうち、波長板シート121
は、xy平面内に分布された複数の偏光移相領域121
a,121b,121c,121dによって構成されて
おり、ポリカーボネイトを伸延することにより形成した
複屈折を利用した波長板である。なお、その位相シフト
の量は、樹脂の配向、並びに伸延度を変化させることで
変えている。
【0153】冷陰極管26から出射されて異方性格子2
5を透過したp偏光成分の光束は、偏光移相領域121
aに入射し、反射面51にて反射される(符号L60
照)。ここで、光束L60は、偏光移相領域121aによ
る偏光変換作用と、異方性基板22による複屈折作用と
によってs偏光成分に変換された上で異方性格子25に
入射する。なお、偏光移相領域121aによって受ける
位相変化は、偏光移相領域121a内の屈折率楕円体の
配向と光線のなす角と往復の光路長に依存する。すなわ
ち、同じ偏光移相領域121aでもアジムスも考慮した
入射角により光束L60のp,s両偏光成分の割り合いは
変化するので、導光体21の上面に全反射角θc以下で
入射する光束に対しp偏光をs偏光に変換する率を所望
の値に設定することができる。
【0154】そして、その内の一部の光(s偏光成分)
が、異方性格子25にて回折され、導光体21からz方
向に出射されて液晶パネルの照明に供される。
【0155】本実施例によれば、xy平面における偏光
移相領域121a,…の分布状態を調整することによ
り、照明光量の光量分布を均一にできる。その結果、液
晶パネルの輝度が均一となって、その画質を向上でき
る。
【0156】また、本実施例によれば、上述のように散
乱層111を用いるよりも輝度をさらに高くできる。 (第11の実施例)ついで、本発明の第11の実施例に
ついて、図20を参照して説明する。
【0157】本実施例に係る液晶装置130は、上述し
た第8の実施例と同様に透過型液晶パネルと組み合わさ
れ液晶パネルの後方には照明装置B10を置している。そ
して、この照明装置B10は、上述した第2の実施例と同
様に導光体31を有しており、該導光体31の側方には
冷陰極管等が配置されている(図20においては不図
示)。
【0158】また、導光体31は、異方性基板(異方性
部材)32と非異方性層(非異方性部材)33とが積層
されて構成されており、それらの境界部分には異方性格
子35が形成されている。なお、本実施例においては、
異方性格子35の配列方向が光学軸に対して垂直になる
ように設定されており、そのため、s偏光が異常光で、
p偏光が常光になっている。また、本実施例において
は、p偏光であるが常光の回折を利用するので、非異方
性層33の屈折率は異方性基板32の異常光の屈折率に
マッチングさせている。
【0159】いま、液晶装置130を駆動すると、液晶
パネルP3 には所定の画像情報が形成され、冷陰極管2
6から導光体31へは光L70が進入し全反射を繰り返
す。
【0160】なお、本実施例においては異方性格子35
の配列方向は光学軸に垂直に設定されていることから、
異常光は、電気ベクトルの振動方向が紙面に垂直な直線
偏光であるs偏光となり、常光は、電気ベクトルの振動
方向が紙面内に含まれるp偏光となる。
【0161】そして、光L70は、全反射を繰り返す過程
で、異方性格子35にθc 以上の角度で入射されるが、
その際に常光であるp偏光L71のみが異方性格子35に
よって液晶パネルの方向(図示上方向)に回折され、s
偏光L72は格子35を透過する。なお、異方性格子35
を透過したs偏光L72は、異方性基板32にて再び複屈
折を受けて楕円偏光となり、p偏光L73が異方性格子3
5によって再び回折分離される。また、異方性格子35
を透過したs偏光L74は、非異方性層33においては偏
光変換は受けず、上面にて全反射された後に異方性格子
35を透過する。このとき、残留p偏光成分(先に異方
性格子35を透過した際に回折されず残留していた成
分)があれば、この異方性格子35を透過する際に回折
される。以下、同様の作用を繰り返す。
【0162】一般に格子の回折を考えた場合、s偏光の
回折効率が高く取り易く、その意味では、本実施例のよ
うにわざわざp偏光を回折させる必要はない。しかし、
電子ビューファインダやヘッドマウンテッドディスプレ
イ等の機器に液晶装置を組み込む場合、s偏光の回折の
みしか行なえないと、場合によっては直線偏光を観察者
に導くためのレンズやミラー光学系が必要となり、その
分装置が複雑化し、高価になる。そのような場合に、本
実施例のようにp偏光を回折するようにすれば、レンズ
やミラー光学系が不要となって、装置が簡素化され、安
価となる。 (第12の実施例)ついで、本発明の第12の実施例に
ついて、図21を参照して説明する。
【0163】本実施例においては、異方性格子25の配
列方向を符号150に示す方向とし、かつ、液晶パネル
(不図示)の配向方向と配列方向150とが45°の角
度をなすように設定している。また、異方性基板22の
光学軸は配列方向に対して平行とし、非異方性層23の
屈折率は異常光の屈折率にマッチングさせている。
【0164】一般に、対角寸法が1インチ程度の、電子
ビューファインダ等に用いられる小型液晶パネルにおい
ては、画素ピッチが数10μm程度と小さく、製造プロ
セスにおいて配向不良が生じ易い。しかし、本実施例に
よれば、異方性格子25の配列方向を上述のように設定
しているため、配向欠陥の影響は少なくなり、画質は良
好となる。
【0165】なお、同じような効果は、上述のような方
法を採らなくとも、照明装置B11と液晶パネルとの間に
1/2波長板を介装し、偏光方向を調整することで得ら
れる。しかし、一般的な1/2波長板では、白色の可視
域をカバーできないことから、使用する波長域で方位角
が揃った直線偏光が得られず、最終的には色ずれが生じ
てしまうという問題がある。本実施例では、そのような
問題もなく、優れている。 (第13の実施例)ついで、本発明の第13の実施例に
ついて、図22を参照して説明する。
【0166】本実施例に係る液晶装置160において
は、透過型の液晶パネルP3 と照明装置B7 との間に偏
光板(偏光手段)161を配置しているが、それ以外の
構成は、上述した第8の実施例と同様である。
【0167】導光体21中を透過し、全反射角θcより
も大きな角度で上界面(非異方性層23と外側の空気と
の界面)に入射する光は、該界面にて全反射されること
は、第3の実施例等にて説明したところであるが、全反
射角θcよりも小さな角度で入射する光は、そのような
全反射は行なわれず、そのまま導光体21から出射され
る。このような光漏れは、高次の回折光の存在や、屈折
率のマッチングのズレに伴って発生する。そして、この
光漏れは、液晶パネルの画像にフレアやゴーストなどの
欠陥を生じさせ、コントラストを低下させたり画質を劣
化させたりするという問題があった。
【0168】しかし、本実施例においては、液晶パネル
3 に入射する偏光方向に透過軸を配置した偏光板16
1を置いているため、上述のような光漏れに伴う不要な
偏光成分を除去できる。その結果、フレアやゴーストな
どの画像欠陥の発生や、コントラストの低下等を防止
し、画質を良好に維持することができる。
【0169】なお、このような偏光板161の設置に伴
って光の透過率がある程度は低下するものの、本実施例
においては、異方性格子25等によって輝度が従来の2
倍程度に向上されているため、画質への影響はほとんど
無視できる。
【0170】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によると、
光源から出射された光は、異方性部材を透過する際に偏
光変換されると共に、その一部が異方性格子にて回折さ
れて照明光として利用される。したがって、このような
作用が繰り返されることにより、照明光量が増大され
て、この照明装置を液晶装置に適用した場合には画像の
輝度を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来の透過型の液晶装置の構造を説明するため
の断面図。
【図2】従来の反射型の液晶装置の構造を説明するため
の断面図。
【図3】本発明の第1の実施例としての反射型液晶装置
の構造を説明するための断面図。
【図4】本発明の第1の実施例としての反射型液晶装置
の作用を説明するための詳細断面図。
【図5】本発明の第1の実施例としての反射型液晶装置
の作用を説明するための詳細断面図。
【図6】本発明の第2の実施例としての反射型液晶装置
の構造等を説明するための断面図。
【図7】第3の実施例に係る液晶装置の構造等を説明す
るための断面図。
【図8】第3の実施例に係る液晶装置における光の挙動
を説明するための断面図。
【図9】位相板の変形例を説明するための断面図。
【図10】第4の実施例に係る液晶装置の構造を説明す
るための断面図。
【図11】第5の実施例に係る液晶装置の構造を説明す
るための斜視図。
【図12】第6の実施例に係る液晶装置の構造等を説明
するための断面図。
【図13】第7の実施例に係る液晶装置の構造を説明す
るための斜視図。
【図14】第7の実施例における光の挙動を説明するた
めの断面図。
【図15】第8の実施例に係る液晶装置の構造を説明す
るための断面図。
【図16】第8の実施例における光の挙動を説明するた
めの断面図。
【図17】第8の実施例における光の挙動を説明するた
めの断面図。
【図18】第9の実施例に係る液晶装置の構造等を説明
するための断面図。
【図19】第10の実施例に係る液晶装置の構造等を説
明するための断面図。
【図20】第11の実施例に係る液晶装置の構造等を説
明するための断面図。
【図21】第12の実施例に係る液晶装置の構造を説明
するための斜視図。
【図22】第13の実施例に係る液晶装置の構造を説明
するための断面図。
【符号の説明】
15 ツイストネマチック液晶層 16 カラーフィルタ 20 反射型液晶装置(液晶装置) 21 導光体 22 異方性基板(異方性部材) 23 非異方性層(非異方性部材) 25 異方性格子 26 冷陰極管(光源) 30 反射型液晶装置(液晶装置) 31 導光体 32 異方性基板(異方性部材) 33 非異方性層(非異方性部材) 35 異方性格子 51 反射面(第2反射部) 52 位相板(第1位相素子) 53 反射面(第1反射部) 55 位相板(第1位相素子) 70 位相板(第1位相素子) 91a,91b,91c 位相板(第1位相素子) 111 散乱層 121 波長板シート(第2位相素子) 161 偏光板(偏光手段) B3 照明装置 B4 照明装置 B5 照明装置 B6 照明装置 B7 照明装置 B8 照明装置 B9 照明装置 B10 照明装置 B11 照明装置 P2 液晶パネル(液晶素子) P3 液晶パネル(液晶素子)

Claims (26)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 透光性を有する導光体と、該導光体の側
    方に配置されて該導光体に対して光を出射する光源と、
    を備えた照明装置において、 前記導光体が、異方性格子を有する、 ことを特徴とする照明装置。
  2. 【請求項2】 前記導光体が、屈折率異方性を有する異
    方性部材を有している、 ことを特徴とする請求項1記載の照明装置。
  3. 【請求項3】 前記異方性格子は、1次元配列格子であ
    り、 該1次元配列格子の配列方向の屈折率分布は、該1次元
    配列格子面内で該配列方向と垂直な直線偏光に対し周期
    的分布を有し、該偏光方向に垂直な直線偏光に対し略均
    一な分布を有する、 ことを特徴とする請求項1記載の照明装置。
  4. 【請求項4】 前記異方性格子は、1次元配列格子であ
    り、 該1次元配列格子の配列方向の屈折率分布は、該1次元
    配列格子面内で該配列方向と平行な直線偏光に対し周期
    的分布を有し、該偏光方向に垂直な直線偏光に対し略均
    一な分布を有する、 ことを特徴とする請求項1記載の照明装置。
  5. 【請求項5】 前記導光体が、異方性部材と、該異方性
    部材に積層され該部材より屈折率異方性が小さな非異方
    性部材、を有し、 前記異方性格子が、これら異方性部材と非異方性部材と
    の境界部分に形成されている、 ことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項記載の
    照明装置。
  6. 【請求項6】 前記導光体の裏面に反射体が設けられて
    いる、 ことを特徴とする請求項1記載の照明装置。
  7. 【請求項7】 前記導光体の側方に配置されて、前記光
    源から出射されて前記導光体中を透過する光を反射する
    第1反射部と、 前記光源から出射された光の経路に配置されて、該光を
    偏光変換する第1位相素子と、 を備えてなる請求項1乃至5のいずれか1項記載の照明
    装置。
  8. 【請求項8】 前記第1位相素子が、前記第1反射部に
    沿って配置された、 ことを特徴とする請求項7記載の照明装置。
  9. 【請求項9】 前記第1反射部が、前記導光体を挟んで
    前記光源と対峙するように配置されて、前記光源から出
    射されて前記導光体中を透過する光を反射する、 ことを特徴とする請求項8記載の照明装置。
  10. 【請求項10】 前記第1位相素子の断面形状が楔状で
    あり、該第1位相素子と前記導光体との境界面が前記第
    1反射部に対して傾斜している、 ことを特徴とする請求項9記載の照明装置。
  11. 【請求項11】 前記光源が、前記導光体を挟んで対峙
    するように1つずつ配置され、 前記第1反射部が、前記導光体を挟んで対峙するように
    1つずつ配置され、かつ、 前記第1位相素子が、前記導光体中に前記第1反射部と
    は離間するように配置された、 ことを特徴とする請求項7記載の照明装置。
  12. 【請求項12】 光を出射する照明装置と、液晶素子
    と、を有する液晶装置において、 前記照明装置が、前記液晶素子に沿って配置されると共
    に、透光性を有する導光体と、該導光体の側方に配置さ
    れて該導光体に対して光を出射する光源と、を備え、 前記導光体が、異方性格子を有する、 ことを特徴とする液晶装置。
  13. 【請求項13】 前記導光体が、屈折率異方性を有する
    異方性部材を有している、 ことを特徴とする請求項12記載の液晶装置。
  14. 【請求項14】 前記異方性格子は、1次元配列格子で
    あり、 該1次元配列格子の配列方向の屈折率分布は、該1次元
    配列格子面内で該配列方向と垂直な直線偏光に対し周期
    的分布を有し、該偏光方向に垂直な直線偏光に対し略均
    一な分布を有する、 ことを特徴とする請求項13記載の液晶装置。
  15. 【請求項15】 前記異方性格子は、1次元配列格子で
    あり、 該1次元配列格子の配列方向の屈折率分布は、該1次元
    配列格子面内で該配列方向と平行な直線偏光に対し周期
    的分布を有し、該偏光方向に垂直な直線偏光に対し略均
    一な分布を有する、 ことを特徴とする請求項13記載の液晶装置。
  16. 【請求項16】 前記異方性格子は、1次元配列格子で
    あり、 該1次元配列格子のピッチは、前記液晶素子における画
    素のピッチよりも小さい、 ことを特徴とする請求項13乃至15のいずれか1項記
    載の液晶装置。
  17. 【請求項17】 前記導光体が、異方性部材と、該異方
    性部材に積層され該部材より屈折率異方性が充分小さい
    非異方性部材、を有し、 前記異方性格子が、これら異方性部材と非異方性部材と
    の境界部分に形成されている、 ことを特徴とする請求項13乃至16のいずれか1項記
    載の液晶装置。
  18. 【請求項18】 前記液晶素子が、カラーフィルタと、
    液晶層と、を有し、かつ、 前記カラーフィルタが、前記液晶層よりも前記導光体の
    近傍に配置されてなる、 請求項13乃至17のいずれか1項記載の液晶装置。
  19. 【請求項19】 前記導光体の裏面に反射体が設けられ
    ている、 ことを特徴とする請求項12に記載の液晶装置。
  20. 【請求項20】 前記導光体の観察側に偏光検光手段を
    配置した、 ことを特徴とする請求項13乃至18のいずれか1項記
    載の液晶装置。
  21. 【請求項21】 光を出射する照明装置と、該照明装置
    からの光を適宜透過して種々の情報を表示する為の液晶
    素子と、からなる液晶装置において、 前記照明装置が、前記液晶素子に沿って配置されると共
    に、透光性を有する導光体と、該導光体の側方に配置さ
    れて該導光体に対して光を出射する光源と、を備え、 前記導光体が、異方性格子と、前記導光体を挟んで前記
    液晶素子とは反対側に配置された反射体と、を有する、 ことを特徴とする液晶装置。
  22. 【請求項22】 前記異方性格子は、1次元配列格子で
    あり、 該1次元配列格子の配列方向の屈折率分布は、該1次元
    配列格子面内で該配列方向と垂直な直線偏光に対し周期
    的分布を有し、該偏光方向に垂直な直線偏光に対し略均
    一な分布を有する、 ことを特徴とする請求項21記載の液晶装置。
  23. 【請求項23】 前記異方性格子は、1次元配列格子で
    あり、 該1次元配列格子の配列方向の屈折率分布は、該1次元
    配列格子面内で該配列方向と平行な直線偏光に対し周期
    的分布を有し、該偏光方向に垂直な直線偏光に対し略均
    一な分布を有する、 ことを特徴とする請求項21記載の液晶装置。
  24. 【請求項24】 前記反射体と前記導光体との間に配置
    されて、照射された光を散乱させる散乱層、 を備えてなる請求項21乃至23のいずれか1項記載の
    液晶装置。
  25. 【請求項25】 前記反射体と前記導光体との間に配置
    されて、照射された光を偏光変換する為の位相素子、 を備えてなる請求項21乃至23のいずれか1項記載の
    液晶装置。
  26. 【請求項26】 前記導光体と前記液晶素子との間に配
    置されて、該導光体から漏れ出た不要な偏光成分を除去
    する偏光手段、 を備えてなる請求項21乃至23のいずれか1項記載の
    液晶装置。
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