JPWO2010116702A1 - 面状照明装置及びそれを用いた液晶表示装置 - Google Patents

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Abstract

面状照明装置は、光を出射する複数の光源（１２ａ、１２ｂ）と、光源から出射された光をいずれかの側面から入射して一方の主面から出射する導光板（１５）と、所定の偏光方向の光を透過し、所定の偏光方向に対して直交する偏光方向の光を反射する偏光フィルタ（１９）と、入射する光の偏光特性に対して所定の変調を行う偏光変調板（１８）と、入射する光を正反射する反射シート（１７）とを備え、偏光フィルタ及び偏光変調板は、導光板の一方の主面近傍に、導光板側から偏光変調板、偏光フィルタの順に配置され、反射シートは、導光板の一方の主面とは逆側の主面近傍に配置され、複数の光源から出射された光のうち少なくとも２つは、導光板に入射する段階において、互いの偏光方向が直交した直線偏光を含み、偏光変調板は、１／２波長板として機能する偏光変調セル（１８ａ）と、偏光特性を変調しない非変調セル（１８ｂ）とを含む。

Description

本発明は、低コストな面状照明装置及びそれを用いた光利用効率の高い液晶表示装置に関する。
近年、環境問題や省電力の観点から、水銀を含まず、消費電力の低い発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザなどの半導体材料からなる光源を利用した面状照明装置や画像表示装置の開発が進められている。
画像表示装置の一つに、液晶表示装置がある。液晶表示装置は、空間変調素子として液晶パネルを用い、液晶パネルの背面から面状照明装置（バックライト）で照明し、透過する光を空間変調することにより画像を形成するものである。この液晶表示装置の低消費電力化策として、バックライトから出射する光を単一偏光にする手法や、液晶パネルを構成する、赤色、緑色及び青色の各サブピクセルに対して、入射する光を該当する色（波長）に分離して照明する手法がある。
それらの例として、レーザ光源から出射されたレーザ光を複数列の偏光プリズムに通過させることにより、偏光方向を揃えて導光板に入射させる構成が示されている（例えば、特許文献１参照）。この様な構成にすることにより、導光板の主面から出射するレーザ光の偏光方向を揃えることができるため、消費電力の低い液晶表示装置が実現できる。
また、他の例として、導光板の側面に配置したＬＥＤ光源からの光を導光板に入射させ、導光板の裏面側に偏光変換手段としての微細溝を形成することにより、導光板から出射する光の偏光成分を所定方向に揃える様に構成した例もある（例えば、特許文献２参照）。この様な構成とすることにより、光源にＬＥＤを用いても特定方向の偏光成分の光を出射させることができ、消費電力の低い液晶表示装置を実現できるとしている。
一方、導光板の側面に配置したＬＥＤ光源からの白色光を導光板に入射させる構成において、導光板内部に、特定の波長域の光を反射させ、残りの波長域の光を透過させる干渉フィルタを設ける構成も提案されている（例えば、特許文献３参照）。この様にして、入射した白色光を赤色と、緑色と、青色とに分離して液晶パネルを照明することで、光を効率よく利用することができるため、消費電力の低い液晶表示装置を実現できるとしている。
これらの例以外に、身の回りにおいても、例えば、道路等で用いられる進路案内板や信号機等、面状照明装置において所定の領域を所定の色の光で照明する例は多く見られる。
しかしながら、上記で説明した従来の技術においては、光利用効率は高いものの、光学系の構成が複雑であるため、装置の製作が容易ではなく、面状照明装置や液晶表示装置としては、高コストになってしまうという課題があった。
特開２００８−２７７２７９号公報 特開２００４−２７１８７１号公報 特開２００６−１２７２２号公報
本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、極めて簡便な光学系の構成により任意の領域を選択的に照明可能な面状照明装置を提供することを目的とする。
本発明の一局面に従う面状照明装置は、光を出射する複数の光源と、前記光源から出射された光をいずれかの側面から入射して一方の主面から出射する導光板と、所定の偏光方向の光を透過し、前記所定の偏光方向に対して直交する偏光方向の光を反射する偏光フィルタと、入射する光の偏光特性に対して所定の変調を行う偏光変調板と、入射する光を正反射する反射シートとを備え、前記偏光フィルタ及び前記偏光変調板は、前記導光板の前記一方の主面近傍に、前記導光板側から前記偏光変調板、前記偏光フィルタの順に配置され、前記反射シートは、前記導光板の前記一方の主面とは逆側の主面近傍に配置され、前記複数の光源から出射された光のうち少なくとも２つは、前記導光板に入射する段階において、互いの偏光方向が直交した直線偏光を含み、前記偏光変調板は、１／２波長板として機能する偏光変調セルと、偏光特性を変調しない非変調セルとを含む。
上記の面状照明装置は、極めて簡便な光学系の構成により任意の領域を選択的に照明することができる。
本発明の実施の形態１にかかる面状照明装置の斜視図である。 本発明の実施の形態１にかかる面状照明装置の上面図である。 図２に示すIII−III線における面状照明装置の断面図である。 本発明の実施の形態１にかかる面状照明装置における光の偏光方向を説明するための第１の模式図である。 本発明の実施の形態１にかかる面状照明装置における光の偏光方向を説明するための第２の模式図である。 本発明の実施の形態１にかかる面状照明装置における光の偏光方向を説明するための第３の模式図である。 本発明の実施の形態１にかかる面状照明装置における光の偏光方向を説明するための第４の模式図である。 本発明の実施の形態１にかかる面状照明装置を用いたサインボードの一例を示す模式図である。 本発明の実施の形態１にかかる他の面状照明装置の上面図である。 本発明の実施の形態１にかかるさらに他の面状照明装置の上面図である。 本発明の実施の形態１にかかる面状照明装置に適用可能な無偏光光源の一例を示す模式図である。 本発明の実施の形態２にかかる面状照明装置の上面図である。 図１２に示すXIII−XIII線における光の偏光状態を説明するための面状照明装置の第１の断面図である。 図１２に示すXIII−XIII線における光の偏光状態を説明するための面状照明装置の第２の断面図である。 本発明の実施の形態２にかかる面状照明装置の１／４偏光板の前後における偏光状態を説明するための第１の模式図である。 本発明の実施の形態２にかかる面状照明装置の１／４偏光板の前後における偏光状態を説明するための第２の模式図である。 本発明の実施の形態２にかかる面状照明装置の偏光変調板の前後における偏光状態を説明するための第１の模式図である。 本発明の実施の形態２にかかる面状照明装置の偏光変調板の前後における偏光状態を説明するための第２の模式図である。 本発明の実施の形態３にかかる液晶表示装置の断面図である。 本発明の実施の形態３にかかる液晶表示装置の上面図である。 図１９に示す偏光変調フィルタとカラーフィルタとの配置関係を説明するための模式図である。 本発明の実施の形態３にかかる他の液晶表示装置の断面図である。 本発明の実施の形態３にかかるさらに他の液晶表示装置の断面図である。 本発明の実施の形態３にかかるさらに他の液晶表示装置の断面図である。 本発明の実施の形態４にかかる液晶表示装置の上面図である。 図２５に示すXXVI−XXVI線における面状照明装置の断面図である。 本発明の実施の形態４にかかる三次元液晶表示装置の構成を示す模式図である。
以下、本発明の各実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、同じ要素には同じ符号を付しており、説明を省略する場合もある。また、図面は、理解しやすくするために、それぞれの構成要素を主体に模式的に示している。
（実施の形態１）
図１乃至図３は、本発明の実施の形態１にかかる面状照明装置１０を説明する図であり、図１及び図２は、面状照明装置１０から、偏光フィルタ１９と、偏光変調板１８と、反射シート１７とを除いた部分の斜視図及び上面図であり、図３は、図２に示すIII−III線における、偏光変調板１８と、偏光フィルタ１９と、反射シート１７とを含めた面状照明装置１０の断面図である。
本面状照明装置１０は、光１１ａ、１１ｂをそれぞれ出射する光源１２ａ、１２ｂと、光源１２ａと１２ｂとに接続された制御部１６と、光１１ａと１１ｂとを混合するコンバイナ１３と、光１１ａ、１１ｂを線状に変換する導光棒１４と、線状の光を面状に変換して出射する導光板１５と、反射シート１７と、偏光変調板１８と、偏光フィルタ１９とを備える。
まず、光１１ａ、１１ｂを面状に変換するまでの仕組みを、図１乃至図３を用いて説明する。複数の光源１２ａ、１２ｂから出射された光１１ａ、１１ｂは、コンバイナ１３で合波された後、導光棒１４に入射して線状光に変換される。導光棒１４の長手方向の一面には、図２に示した様な全反射プリズム１４ａを多数配置したプリズムアレイが構成されている。この導光棒１４を用いることで、各全反射プリズム１４ａに到達した光１１ａ、１１ｂは、反射ロスなく、導光板１５側に向けて全反射され、線状光として導光棒１４から導光板１５に向けて出射し、導光板１５に入射面１５ａから入射する。なお、複数の光源１２ａ、１２ｂから出射された光を入射する側面は、上記の入射面１５ａに特に限定されず、他の側面から光を入射してもよい。
導光板１５に入射した光１１ａ、１１ｂは、導光板１５の底面に設けられた線状の全反射プリズム１５ｂ（図３参照）により、導光棒１４の全反射プリズム１４ａと同様にロスなく全反射され、導光板主面１５ｃから略垂直に面状光として出射することになる。ここで、図３に示す通り、面状照明装置１０の導光板１５の主面１５ｃ側の近傍には、偏光変調板１８と、偏光フィルタ１９とが、導光板１５側から偏光変調板１８、偏光フィルタ１９の順に配置され、さらに、導光板１５の主面１５ｃとは反対側の近傍に反射シート１７が配置されている。なお、本面状照明装置１０においては、導光棒１４と導光板１５とは別体としたが、もちろん一体化して一枚の導光板としても構わない。
次に、図２を用いて、偏光変調板１８の動作の仕組みを説明する。まず、光源１２ａ、１２ｂから出射した光１１ａ、１１ｂは、直線偏光であり、両者の偏光方向が互いに直交しているとする。例えば、図４に示す通り、導光棒１４の内部において、光１１ａの偏光方向が進行方向に対して左右方向の偏光方向となり、光１１ｂの偏光方向が進行方向に対して上下方向の偏光方向となる様に、光源１２ａ、１２ｂを配置したとする。
この場合、図４に示す通り、導光棒１４内の全反射プリズム１４ａで全反射され、さらに導光板１５内の全反射プリズム１５ｂで全反射して導光板の主面１５ｃから出射した光１１ａの偏光方向は、紙面垂直方向（図中の黒丸で示す方向）になり、光１１ｂの偏光方向は、紙面内左右方向（図中の矢印方向）となる。また、偏光変調板１８は、１／２波長板として作用する偏光変調セル１８ａと、入射する光の偏光特性を変調しない非変調セル１８ｂの二種類の領域から構成する。
このとき、１／２波長板として作用する偏光変調セル１８ａを透過した光１１ａ、１１ｂの偏光方向はそれぞれ９０度回転するため、図５に示す様に、光１１ａは、紙面内左右方向に偏光し、光１１ｂは、紙面垂直方向に偏光する。また、偏光特性を変調しない非変調セル１８ｂを透過した光１１ａ、１１ｂの偏光方向は、偏光変調板１８においてはともに変調されないため、光１１ａの偏光方向は、紙面に垂直なまま、光１１ｂの偏光方向は、紙面内左右方向のまま、偏光フィルタ１９に到達する。よって、偏光フィルタ１９に到達した光１１ａ、１１ｂの偏光方向は、透過した偏光変調板１８の偏光変調セル１８ａ、非変調セル１８ｂ毎に異なることになる。
ここで、偏光フィルタ１９が、紙面に垂直方向に偏光している光を透過し、紙面内水平方向に偏光している光を反射する特性を持っている場合、図６に示す通り、偏光変調セル１８ａを透過した光のうち、光１１ｂのみが偏光フィルタ１９を透過し、光１１ａは反射することになる。同様に、非変調セル１８ｂを透過した光のうち、光１１ａのみが偏光フィルタ１９を透過し、光１１ｂは反射することになる。なお、図６においては、説明を容易にするために、偏光フィルタ１９で反射する光１１ａ、１１ｂを、右隣の各偏光変調セル１８ａ、１８ｂへの反射として図示しているが、本来はもちろん同一の偏光変調セルや非変調セルに戻る。
さらに、偏光フィルタ１９を反射した光１１ａ、１１ｂは、再度、偏光変調板１８に戻るが、偏光変調板１８と偏光フィルタ１９とを密着させておけば、偏光フィルタ１９で反射した光１１ａは、偏光変調セル１８ａに戻り、光１１ｂは、非変調セル１８ｂに戻ることになる。
次に、偏光変調板１８を図面下向きに透過する光の偏光方向に関して、図７を用いて説明する。光１１ａは、偏光変調セル１８ａを透過すると、その偏光方向が進行方向に対して９０度回転するため、偏光変調板１８を透過した光１１ａの偏光方向は、紙面垂直方向に再度変換される。光１１ｂは、非変調セル１８ｂを透過する際には偏光方向に影響を受けないために、紙面内左右方向の偏光方向を維持したまま偏光変調板１８を透過する。
ここで、導光板１５と偏光変調板１８とで挟まれた空間を伝播する光では、紙面上向きに伝播する光も、偏光フィルタ１９で反射されて紙面下向きに伝播する光もともに、同じ偏光方向を有しており、光１１ａは、紙面垂直方向に偏光方向を持ち、光１１ｂは、紙面内水平方向に偏光方向を持つ。したがって、偏光フィルタ１９で反射されて紙面下向きに伝播して導光板１５を透過し、さらに、反射シート１７で正反射した光は、図４と同じ偏光方向を持つことになる。
よって、導光板１５に入射して全反射プリズム１５ｂで全反射した光が、紙面左右方向にわずかでも広がりながら、導光板１５の主面１５ｃから出射すれば、光１１ａであれば非変調セル１８ｂを透過するまで、光１１ｂであれば偏光変調セル１８ａを透過するまで、偏光フィルタ１９と反射シート１７との間を多重反射することになる。結果として、光量ロス無く、光１１ａは、非変調セル１８ｂの直上からのみ出射し、光１１ｂは、偏光変調セル１８ａの直上からのみ出射することになる。
なお、光１１ａ、１１ｂを導光板１５の主面１５ｃから紙面左右方向に広がりながら出射させるには、例えば、全反射プリズム１５ｂにわずかに曲率を設けても構わないし、導光板１５の入射面１５ａにわずかに曲率を設けても構わない。他の方法でももちろん構わず、その方法は限定しない。また、導光板１５に入射して全反射プリズム１５ｂで全反射した光が、紙面左右方向にわずかでも傾いた状態で導光板１５の主面１５ｃから出射するようにしてもよく、この場合も、上記と同様の効果を得ることができる。例えば、全反射プリズム１５ｂの反射面を垂直方向に反射する角度から微小角度だけ傾けて形成するようにしてもよい。
以上の構成による効果を、一例として、図８を用いて説明する。例えば、道路標識等で表示したいサインボードとして、図８に示すような左右の矢印パターンがあり、この左右の表示を切り替えて使用することを考える。その場合、偏光変調板１８の、図１〜図７で示した偏光変調セル１８ａ及び非変調セル１８ｂの形状を図８の通り矢印形状に設定し、矢印以外の部分の領域１８ｃは、入射する光を全て反射するように金属や多層膜でコートしておく。
このとき、図１に示した面状照明装置１０の光源１２ａを点灯させると、非変調セル１８ｂの領域である右向きの矢印が点灯し、さらに光源１２ｂを点灯させると、偏光変調セル１８ａである左向き矢印を点灯させることができる。即ち、制御部１６が点灯させる光源を切り替えることにより、簡便に点灯領域を切り替えることができる。
さらに、本面状照明装置は、図８とは異なるパターンを点灯させる場合であっても、偏光変調板１８の偏光変調セル１８ａや非変調セル１８ｂや領域１８ｃの構成を変えるだけで、回路構成等は何ら改造することなく、簡便に点灯領域を切り替えることができる。なお、偏光変調セル１８ａ及び非変調セル１８ｂの形状及び数等は、上記の例に特に限定されず、表示すべき対象物に応じて種々の変更が可能である。
次に、図９に示す面状照明装置３０は、図２に示す面状照明装置１０と比較して導光棒１４以降の構成は同じであるが、光源が光１１ａを出射する単一の光源１２ａからなり、光源１２ａに対して１／２波長板２０が設けられ、光源１２ａ及び１／２波長板２０を制御部１６が制御する点が異なる。
図９の面状照明装置３０に示す様に、光源が単一の光源１２ａであった場合、光源１２ａと導光棒１４の間に１／２波長板２０を配置し、１／２波長板２０を回転可能に支持しておく。このとき、例えば、図９の通り、光源１２ａから出射した光の偏光方向が紙面水平方向であり、さらに、この光が１／２波長板２０を透過すると、その偏光方向が９０度回転する様に、１／２波長板２０を配置する。この場合には、偏光変調セル１８ａの直上からのみ光１１ａが出射することになり、左向きの矢印が点灯することになる。
さらに、制御部１６からの指令により、１／２波長板２０をステッピングモータ等の回転機構（図示省略）を用いて回転させて偏光方向が紙面水平方向のまま導光棒１４に入射するようにした場合、非変調セル１８ｂの直上からのみ光１１ａが出射することになり、右向きの矢印が点灯することになる。
この様に、１／２波長板２０を用いることで、単一の光源でありながら、偏光方向を好みのタイミングで切り替えることにより、領域毎に光源を設けることなく、単一の光源のまま、照明したい領域を簡便に切り替えることが可能になる。よって、光源が単一で、かつ偏光変調セル１８ａ、非変調セル１８ｂ毎に点灯回路を別々に用意する必要がないため、面状照明装置を低コストに製作することが可能であるという効果を有する。
なお、ここでは、導光棒１４に入射する光１１ａの偏光成分が、紙面垂直方向もしくは紙面内左右方向の場合を説明したが、もちろん１／２波長板２０の配置角度を調整して光１１ａの偏光方向を紙面垂直方向と紙面内左右方向の間の角度（例えば、斜め方向）で偏光させても良く、その場合、光１１ａに含まれる紙面垂直方向の偏光の量と紙面内左右方向の偏光の量との比で、左向き矢印と、右向き矢印とを点灯させることができる。即ち、任意の光量比で任意の領域を点灯させることができる。
また、図９では、単一の光源を用いて偏光方向を所定のタイミングで変調したが、図１０の面状照明装置４０の通り、波長の異なる複数の光源を用いた場合には、さらに別の効果も有する。図１０に示す面状照明装置４０は、図９に示す面状照明装置３０と比較して導光棒１４以降の構成は同じであるが、光源が波長の異なる光２３ｒ、２３ｇ、２３ｂを出射する３個の光源２２ｒ、２２ｇ、２２ｂからなり、それぞれの光源に対して１／２波長板２０ｒ、２０ｇ、２０ｂを設け、それぞれを制御部１６に接続している点が異なる。
この状態で、点灯する光源として３個の光源２２ｒ、２２ｇ、２２ｂの中から一つを制御部１６で選択し、その偏光方向を、対応する波長板２０ｒ、２０ｇ、２０ｂの中から一つを選択して制御することで、図８の偏光変調セル１８ａ、非変調セル１８ｂの領域を光源２２ｒ、２２ｇ、２２ｂの任意の波長の光で切り替えて点灯することができる。
また、光源２２ｒ、２２ｇ、２２ｂをそれぞれ赤色光源（中心波長５７０〜６８０ｎｍ）、緑色光源（中心波長４９０〜５７０ｎｍ）、青色光源（中心波長４００〜４９０ｎｍ）とし、各光源を所定の光量で同時に点灯させることで、表示させたい領域を任意の色で点灯をさせることができる。また、点灯させたい色の光源の波長板を高速に切り替えることで、偏光変調セル１８ａ、１８ｂを視認上同時に点灯させることも可能である。さらには、光源２２ｒ、２２ｇ、２２ｂにレーザ光源を用いると、各光源の色純度が極めて高くなるため、極めて広色域の表示をさせることが可能になる。
この他、光源２２ｒ、２２ｇ、２２ｂには、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）を用いることももちろん可能である。光源にＳＬＤを用いると、光源の波長幅が広くなり、スペックルノイズが抑制されるため、より視認しやすい面状照明装置を構成することができる。
もちろん、光源２２ｒ、２２ｇ、２２ｂに発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いることも可能である。一般に発光ダイオードから出射される光の偏光方向は単一方向に偏光していない場合が多いが、その場合でも、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）等を用いれば、上記と同様に構成することが可能である。一例として、図１１において、光源１２としてＬＥＤを用いた場合の構成を説明する。
光源１２をＬＥＤとして、光源１２から出射した無偏光の光１１は、ＰＢＳ２１に入射すると、Ｐ偏光の光１１ｐとＳ偏光の光１１ｓとに分離されて出射する。さらに、Ｐ偏光の光１１ｐを１／２波長板２０ｐに入射させ、反射ミラー（図示省略）等の光学部品を用いてＳ偏光の光１１ｓを１／２波長板２０ｓに入射させる。このとき、１／２波長板２０ｐと１／２波長板２０ｓとの両方を制御部１６に接続しておく。この構成において、１／２波長板２０ｐ及び１／２波長板２０ｓの配置を、ステッピングモータ等の回転機構（図示省略）を用いて制御部１６を通して制御することで、１／２波長板２０ｐを透過した光１１ｐの偏光方向と１／２波長板２０ｓを透過した光１１ｓの偏光方向とを任意に選択することができる。この様に構成することで、偏光変調セル１８ａ及び非変調セル１８ｂを同時に任意の光量で点灯させることも可能になるという効果も有する。
なお、ここではＬＥＤを用いた例を説明したが、もちろん他の光源を用いても構わない。また、これまでは、偏光変調板１８を構成する変調セルとして偏光変調セル１８ａ及び非変調セル１８ｂを固定していたが、変調セルの構成は、上記の例に特に限定されない。例えば、偏光変調セルとして、液晶セル等の空間変調素子等を用いると、入射する光に対する任意の領域の偏光変調量を任意かつ動的に調整することができるようになり、照明するパターン形状を任意かつ動的に変更することができるというメリットも有する。
また、上で説明した実施の形態では、サインボードに対する照明例を示したが、用途はこれに限定するものではない。また、本実施の形態において、導光棒１４は上述の全反射プリズム１４ａを用いて線状に折り返したが、導光棒の構成はこの構成に限らず、ロス無く、偏光方向を維持したまま、線状光に変換できれば、どのような構成でも構わない。同様に、導光板１５の全反射プリズム１５ｂも、ロス無く、偏光方向を維持したまま、線状光に変換できれば、本実施の形態の形状に限定するものではない。
（実施の形態２）
図１２乃至図１４は、本発明の実施の形態２にかかる面状照明装置５０の説明図であり、図１２は、面状照明装置５０から、偏光フィルタ１９と、偏光変調板５８と、１／４波長板５９と、反射シート１７とを除いた面状照明装置５０の上面図であり、図１３及び図１４は、図１２のXIII−XIII線における面状照明装置５０の断面図である。
本面状照明装置５０では、光源５２ａ、５２ｂから出射した直線偏光の光５１ａ、５１ｂに対して、コンバイナ１３で合波した後、１／４波長板５３を挿入することで、光５１ａ、５１ｂの偏光を相異なる方向に回転する回転偏光に変換している点が、実施の形態１の面状照明装置１０と大きく異なる。構成要素としては、上述の１／４波長板５３と、１／４波長板５９が追加されており、１／４波長板５９は、導光板１５と反射シート１７の間に配置されている。さらに、偏光変調板５８を構成する偏光変調セル５８ａ、５８ｂが、結晶軸方向の配置が相異なる１／４波長板、即ち、互いに遅軸及び速軸の向きが異なる１／４波長板で構成されている。
上記の面状照明装置５０の具体的な動作の仕組みを、図１２乃至図１８を用いて説明する。まず、光源５２ａ、５２ｂから出射してコンバイナ１３で合波された直線偏光の光５１ａ、５１ｂを、１／４波長板５３により回転偏光に変換する。このとき、例えば、図１２の通り、光源５２ａから出射された光５１ａの偏光方向を紙面内左右方向とし、光源５２ｂから出射された光５１ｂの偏光方向を紙面垂直方向として、両者を直交させておき、コンバイナ１３で合波した状態で１／４波長板５３に入射させると、光５１ａと光５１ｂとを、回転方向が互いに逆向きの回転偏光の光とすることができる。
図１５は、光５１ａが左回転（光の進行方向において反時計回転）の回転偏光に変換される様子を説明しており、図１６は、光５１ｂが右回転（光の進行方向において時計回転）の回転偏光に変換される様子を説明している。ただし、理解し易くするため、１／４波長板５３に入射する前の光５１ａ、５１ｂは互いに直交しているが、光５１ａの偏光方向は、光の進行方向に対して左上方向から右下方向としてあり、光５１ｂの偏光方向は、光の進行方向において右上方向から左下方向としてある。さらに、１／４波長板５３の遅軸方向をｎｓ、速軸方向をｎｆとして記載しており、光５１ａ、５１ｂの電界を遅軸方向と速軸方向に分解して記載している。
この１／４波長板５３を光５１ａが透過すると、光５１ａの遅軸方向成分が１／４波長遅れるために、図１５の通り、左回転の回転偏光に変換される。同様に、この１／４波長板５３を光５１ｂが透過すると、光５１ｂの遅軸方向成分が１／４波長遅れるために、図１６の通り、右回転の回転偏光に変換される。その後、導光板１５の主面１５ｃから出射するまでの光路は、実施の形態１と同じである。
ここで、全反射プリズム１４ａと全反射プリズム１５ｂとのそれぞれで全反射する際に、Ｓ偏光成分の位相とＰ偏光成分の位相とに相対的なずれが生じるが、例えば、導光棒１４内を伝搬する光の紙面垂直方向の偏光成分は、全反射プリズム１４ａにおいてＳ偏光として略垂直に全反射し、さらに全反射プリズム１５ｂにてＰ偏光として略垂直に全反射するため、２回の全反射を経て、位相ずれ量は相殺されることになる。
このことは導光棒１４内を伝搬する光の紙面内左右方向の偏光成分も同様で、全反射プリズム１４ａにおいてＰ偏光として略垂直に全反射し、さらに全反射プリズム１５ｂにてＳ偏光として略垂直に全反射するため、２回の全反射を経て、位相ずれ量は相殺されることになる。よって、導光板１５から出射した光５１ａ、５１ｂは、図１３に示す様な回転偏光として偏光変調板５８に入射する。
ここで、偏光変調板５８の偏光変調セル５８ａ、５８ｂは双方１／４波長板から構成されているが、これも互いに光の偏光方向を回転させる向きが異なる。この様に構成された偏光変調板５８の前後での振舞いを、図１７と図１８とを用いて説明する。
導光板１５から出射して偏光変調板５８に到着した左回転の回転偏光を持つ光５１ａは、偏光変調板５８を構成する偏光変調セル５８ａ、５８ｂに入射する。ここで、偏光変調セル５８ａと偏光変調セル５８ｂとでは、図１７と図１８に示す様に、遅軸ｎｓの向きと速軸ｎｆの向きとが相異なる方向を向いている。左回転の回転偏光を持つ光５１ａがこの様な偏光変調セル５８ａ及び偏光変調セル５８ｂを透過すると、偏光変調セル５８ａから出射する光と偏光変調セル５８ｂから出射する光とは、互いに直交した直線偏光に変換されることが分かる。さらに、偏光変調セル５８ａから出射した光の偏光方向と、１／４波長板５３に入射する前の光５１ａの偏光方向とは、光の進行方向に対して同じ向きとなることが分かる。
光５１ｂに対しても同様に考えることができる。即ち、右回転の回転偏光を持つ光５１ｂが偏光変調セル５８ａ及び偏光変調セル５８ｂを透過すると、偏光変調セル５８ａから出射した光と偏光変調セル５８ｂから出射した光とは、やはり直線偏光に変換され、偏光方向は互いに直交することになる。さらに、偏光変調セル５８ａから出射した光の偏光方向と、１／４波長板５３に入射する前の光５１ｂの偏光方向とは、光の進行方向に対して同じ向きとなる。
偏光変調板５８を透過した光５１ａ、５１ｂは、この後、偏光フィルタ１９に入射する。偏光フィルタ１９は、ここでは、実施の形態１と同様に、紙面内左右方向の偏光を反射し、紙面垂直方向の偏光を透過する特性を持っている。よって、図１３及び図１４に示す様に、偏光変調セル５８ａを透過した光５１ａは、偏光フィルタ１９で反射され、偏光変調セル５８ａを透過した光５１ｂは、偏光フィルタ１９を透過する。また、偏光変調セル５８ｂを透過した光５１ａは、偏光フィルタ１９を透過し、偏光変調セル５８ｂを透過した光５１ｂは、偏光フィルタ１９で反射される。
反射された光５１ａは、再び偏光変調セル５８ａを透過することで、再度、回転偏光となる。回転偏光となった光５１ａは、このまま導光板１５を透過して反射シート１７で反射され、再度、偏光変調セル５８ａに入射する。この様に、偏光フィルタ１９と反射シート１７との間を一往復する間で、偏光変調セル５８ａを２回通過することになるため、偏光は逆方向に回転することになる。そのため、１／４波長板５９を挿入することにより、偏光フィルタ１９と反射シート１７との間を一往復する間での位相ずれを相殺している。即ち、１／４波長板５９を一往復することにより、さらに１／２波長分の位相がずれるため、偏光変調セル５８ａ、５８ｂのピッチで１／４波長板５９の構造を替える必要はない。この点については、光５１ｂも同様である。
この様に、偏光フィルタ１９と反射シート１７との間を多重反射する間で、光５１ａが偏光変調セル５８ｂを透過すれば、紙面垂直方向の偏光方向となって偏光フィルタ１９を透過し、同様に光５１ｂが偏光変調セル５８ａを透過すれば、紙面垂直方向の偏光方向となって偏光フィルタ１９を透過することになる。以上のことから、実施の形態１の面状照明装置１０と同様に、光５１ａは、偏光変調セル５８ｂの直上からのみ偏光フィルタ１９の外へ出射することになり、さらに、光５１ｂは、偏光変調セル５８ａの直上からのみ偏光フィルタ１９の外へ出射することになる。
以上により、本実施の形態では、実施の形態１の面状照明装置１０と構成は異なるが、面状照明装置１０と同様の機能を有することから、面状照明装置１０と同様の効果を有する。即ち、サインボード等において、任意の点灯パターンで極めて簡便に領域を切り替えて点灯可能であり、低コストに構成可能である。さらに、面状照明装置１０と同様に光源を複数用いて、任意の色で点灯させることも可能であり、光源も、ＬＥＤ、レーザ、ＳＬＤ等様々な光源を用いることが可能であるが、改めての説明は割愛する。
また、光を出射する単一の光源を用いてもよく、例えば、光源５２ｂ及びコンバイナ１３を省略し、図９に示す面状照明装置３０と同様に、単一の光源５２ａに対して１／２波長板を新たに設け、単一の光源５２ａ及び１／２波長板を制御部１６が制御するようにしてもよい。この場合、１／２波長板は、光源５２ａから出射された光を任意のタイミングで偏光方向を切り替えて直線偏光に変換し、１／４波長板５３は、この直線偏光を、導光板１５に入射する段階において、互いの偏光の回転方向が逆向きとなる回転偏光に変換する。
上記の構成により、回転偏光でかつ任意のタイミングで偏光方向を切り替え可能な光が導光板１５の側面１５ａから入射して主面１５ｃから出射されるので、互いの偏光の回転方向が逆向きとなる２種類の回転偏光を任意のタイミングで選択的に出射することができる。
このとき、左回転の回転偏光を持つ光５１ａは、偏光変調セル５８ｂを透過し、偏光フィルタ１９を透過する偏光方向を有する第１の光となった後、偏光フィルタ１９を透過して外部へ出射される。一方、右回転の回転偏光を持つ光５１ｂは、偏光変調セル５８ｂを透過し、偏光フィルタ１９により反射される偏光方向を有する第２の光となって、偏光フィルタ１９により内部に反射される。
また、右回転の回転偏光を持つ光５１ｂは、偏光変調セル５８ａを透過し、偏光フィルタ１９を透過する偏光方向を有する第１の光となった後、偏光フィルタ１９を透過して外部へ出射される。一方、左回転の回転偏光を持つ光５１ａは、偏光変調セル５８ａを透過し、偏光フィルタ１９により反射される偏光方向を有する第２の光となって、偏光フィルタ１９により内部に反射される。
したがって、光５１ａは、偏光変調セル５８ｂのみを介して外部へ出射され、光５１ｂは、偏光変調セル５８ａのみを介して外部へ出射されるので、極めて簡便な光学系の構成により任意の領域を選択的に照明することができ、簡便に点灯領域の切り替えが可能な面状照明装置を簡便かつ安価に構成することができる。
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３にかかる液晶表示装置について、図１９乃至図２１を用いて説明する。図１９は、本発明の実施の形態３にかかる液晶表示装置８０について示したものであり、本液晶表示装置８０の液晶パネル８１を背面から照明する面状照明装置９０ａの上面図を図２０に示した。ただし、図２０において、偏光変調板１８、偏光フィルタ１９、反射シート１７は記載していない。
図２０に示した面状照明装置９０ａは、図１０に示した面状照明装置４０と類似であるが、液晶表示装置８０に対する面状照明装置９０ａとしては、照明パターンを切り替える必要がないため、図１０における１／２波長板２０ｒ、２０ｇ、２０ｂは取り除いている。また、本液晶表示装置８０では、光源として、赤色光９１ｒ、緑色光９１ｇ、青色光９１ｂを出射する赤色光源９２ｒ、緑色光源９２ｇ、青色光源９２ｂを用いている。さらに、合波されて導光棒１４に入射する赤色光９１ｒ、緑色光９１ｇ、青色光９１ｂの各偏光方向としては、図２０の通り、緑色光９１ｇに対しては紙面垂直方向で、赤色光９１ｒ、青色光９１ｂに対しては紙面水平方向に偏光する様に各光源を配置してある。
液晶パネル８１は、面状照明装置９０ａから光が出射される側に配置され、液晶パネル８１は、下側偏光板８２、下側ガラス板８３、液晶層８４、カラーフィルタ８５、上側ガラス板８６及び上側偏光板８７から構成されている。さらに、カラーフィルタ８５は、赤色光９１ｒを透過し、緑色光９１ｇと青色光９１ｂとを吸収する赤色サブピクセル８５Ｒと、緑色光９１ｇを透過し、赤色光９１ｒと青色光９１ｂとを吸収する緑色サブピクセル８５Ｇと、青色光９１ｂを透過し、赤色光９１ｒと緑色光９１ｇとを吸収する青色サブピクセル８５Ｂとから構成される。
液晶パネル８１と導光板１５との間に、偏光変調板１８と偏光フィルタ１９とが挟まれている。図１９では、説明上、偏光変調板１８と導光板１５との間に空隙があるが、無くても構わない。偏光変調板１８は、面状照明装置１０と同様に、１／２波長板として作用する偏光変調セル１８ａと、偏光特性を変調しない非変調セル１８ｂとからなり、偏光変調セル１８ａは、緑色サブピクセル８５Ｇの直下に、非変調セル１８ｂは、赤色サブピクセル８５Ｒ及び青色サブピクセル８５Ｂの直下に配置されている。
また、面状照明装置１０と同様に、偏光フィルタ１９は、紙面垂直方向に偏光している光を透過し、紙面内左右方向に偏光している光を反射する様に配置しておく。この様な配置とすることで、緑色光９１ｇの偏光方向は、偏光変調板１８の偏光変調セル１８ａを透過すると、紙面垂直方向になるため、緑色光９１ｇは、偏光フィルタ１９を透過し、液晶パネル８１の緑色サブピクセル８５Ｇに入射することになる。また、緑色光９１ｇの偏光方向は、偏光変調板１８の非変調セル１８ｂを透過しても、紙面内左右方向のままであるため、緑色光９１ｇは、偏光フィルタ１９で反射され、以後は面状照明装置１０と同様に、偏光変調板１８の偏光変調セル１８ａに入射するまで、偏光フィルタ１９と反射シート１７の間を多重反射することになる。
同様に、赤色光９１ｒと青色光９１ｂとは、偏光変調板１８の非変調セル１８ｂを透過しても、偏光方向は紙面垂直方向のままであるため、偏光フィルタ１９を透過し、液晶パネル８１の赤色サブピクセル８５Ｒと青色サブピクセル８５Ｇとに区別なく入射することになる。また、赤色光９１ｒもしくは青色光９１ｂが偏光変調板１８の偏光変調セル１８ａを透過すると、偏光方向は紙面内左右方向になるため、偏光フィルタ１９で反射され、以後は、面状照明装置１０の場合と同様に、偏光変調板１８の非変調セル１８ｂに入射するまで、偏光フィルタ１９と反射シート１７の間を多重反射することになる。
また、カラーフィルタ８５内の各サブピクセル８５Ｒ、８５Ｇ、８５Ｂと、偏光変調板１８内の偏光変調セル１８ａ及び非変調セル１８ｂとの大きさに関して、図２１に示す構成の通り、偏光変調セル１８ａ及び非変調セル１８ｂは、マトリックス状に配列されており、偏光変調セル１８ａ及び非変調セル１８ｂの縦横のピッチを、各サブピクセル８５Ｒ、８５Ｇ、８５Ｂの縦横のピッチと同じもしくは整数倍に構成している。
ここで、偏光変調セル１８ａ及び非変調セル１８ｂから変調セルが構成され、偏光変調板１８は、マトリックス状に配列された複数の変調セル（偏光変調セル１８ａ及び非変調セル１８ｂ）を含み、変調セルである偏光変調セル１８ａ及び非変調セル１８ｂの縦方向の一辺の長さは、カラーフィルタ８５のサブピクセル８５Ｒ、８５Ｇ、８５Ｂの縦方向の一辺の長さと同じに設定され、変調セルである偏光変調セル１８ａの横方向の一辺の長さは、カラーフィルタ８５のサブピクセル８５Ｒ、８５Ｇ、８５Ｂの横方向の一辺の長さと同じに設定され、変調セルである非変調セル１８ｂの横方向の一辺の長さは、カラーフィルタ８５のサブピクセル８５Ｒ、８５Ｇ、８５Ｂの横方向の一辺の長さの整数倍（例えば、２倍）に設定されている。
こうすることで、偏光フィルタ１９により偏光変調セル１８ａの直上からのみ出射する緑色光９１ｇは、緑色サブピクセル８５Ｇにのみ入射することになり、同様に、非変調セル１８ｂの直上からのみ出射する青色光９１ｂ及び赤色光９１ｒは、青色サブピクセル８５Ｂ及び赤色サブピクセル８５Ｒにのみ入射することになる。
従来の液晶表示装置では、カラーフィルタの各サブピクセルに対して、光源から出射された光は、色の区別なく入射していたため、各サブピクセルに入射した光のうち２／３は吸収され、１／３しか画像形成に寄与しなかった。それに対して、本液晶表示装置８０では、緑色光９１ｇは、カラーフィルタ８５での吸収がなく、赤色サブピクセル８５Ｒ及び青色サブピクセル８５Ｂに入射する赤色光９１ｒ及び青色光９１ｂも、入射する光のうち１／２が利用されるため、トータルでは２／３（＝１／３＋（１／２）×（２／３））の光が利用されることになり、光利用効率が従来の２倍になるという効果を有する。また、同一輝度の光量を得るためには、エネルギーが半分で済む。
また、一般に、レーザ光線は直進性に優れるため、各光源９２ｒ、９２ｇ、９２ｂにレーザ光源やＳＬＤを用いると、偏光変調板１８から各サブピクセル８５Ｒ、８５Ｇ、８５Ｂまで伝播する間の光の拡がりを抑えることができる。この結果、緑色光９１ｇが緑色サブピクセル８５Ｇ以外のサブピクセルに入射する割合を抑えることができ、同様に赤色光９１ｒや青色光９１ｂが緑色サブピクセル８５Ｇに入射する割合も抑えることができるため、光利用効率の高い液晶表示装置を構成することができる。
もちろん、光源にＬＥＤを用いても構わない。通常、ＬＥＤは、スペクトル幅がレーザ光源よりも広く、また、出射したレーザ光の拡がり角も大きくばらつく。さらに、本実施の形態の様に、各サブピクセルに該当する色を選択的に入射させる場合、先行技術文献の特許文献３に示したような反射型波長フィルタを用いると、反射型波長フィルタの角度依存性や波長依存性が大きく、特にＬＥＤを光源に用いた場合、上述の入射角のばらつきや、波長のばらつきによって、光利用効率は高くならない。しかし、本液晶表示装置８０では、各光源から出射した光を、波長ではなく、偏光で分離しているため、入射角ばらつきや波長ばらつきが生じても、光の分離特性には何ら影響せず、高い分離特性が得られる。よって、光源にＬＥＤを用いた場合でも、高い光利用効率を達成することができる。
なお、図１９に示した様に、面状照明装置９０ａと液晶パネル８１との間は、空いていても構わないが、密着させていても構わない。密着させた場合、偏光変調板１８からカラーフィルタ８５（各サブピクセル８５Ｒ、８５Ｇ、８５Ｂ）までの距離が短くなるため、偏光変調板１８からカラーフィルタ８５まで伝播する間の光の拡がりによる光のロスを低減することができる。この場合、光利用効率をさらに向上させることができるため、より好ましい構成といえる。
さらに、非変調セル１８ｂから出射した赤色光９１ｒを赤色サブピクセル８５Ｒへ、青色光９１ｂを青色サブピクセル８５Ｂへ入射させることができれば、さらに光利用効率の高い液晶表示装置を構成することができる。例えば、図２２に示す液晶表示装置１００の様に、偏光フィルタ１９と液晶パネル８１との間に、波長フィルタ１０１を挿入すると、非変調セル１８ｂから出射した赤色光９１ｒを赤色サブピクセル８５Ｒへ、青色光９１ｂを青色サブピクセル８５Ｂへ入射させることができる。
ここで、波長フィルタ１０１は、互いに異なるフィルタ特性を有する複数のサブフィルタ１０１Ｂ、１０１Ｒ、１０１Ｇを含み、具体的には、青色光９１ｂを透過し、赤色光９１ｒを反射するサブフィルタ１０１Ｂと、赤色光９１ｒを透過し、青色光９１ｂを反射するサブフィルタ１０１Ｒと、なんら変調をしないサブフィルタ１０１Ｇとからなる。本波長フィルタ１０１を用いることにより、赤色光９１ｒは、サブフィルタ１０１Ｒに到達するまで、波長フィルタ１０１と反射シート１７との間を多重反射し、同じく青色光９１ｂも、サブフィルタ１０１Ｂに到達するまで、波長フィルタ１０１と反射シート１７との間を多重反射することになる。
この結果、波長フィルタ１０１を透過した光のうち、緑色光９１ｇは、サブピクセル８５Ｇに、赤色光９１ｒは、サブピクセル８５Ｒに、青色光９１ｂは、サブピクセル８５Ｂに入射することになる。即ち、カラーフィルタ８５において、他の色のサブピクセルに入射する成分はなくなるため、カラーフィルタでの吸収による光のロスが無くなる。上述の通り、従来はカラーフィルタに入射する光の２／３を吸収によりロスしていたが、本液晶表示装置１００を用いると、光利用効率を従来の３倍高く改善することができ、非常に光利用効率の高い液晶表示装置を構成することができる。
なお、波長フィルタ１０１を構成するサブフィルタ１０１Ｒ、１０１Ｂは、通常、屈折率の異なる誘電体多層膜を複数層積層させることで構成することができる。今回の様に、波長フィルタ１０１を構成するサブフィルタ１０１Ｒとサブフィルタ１０１Ｂとが隣接している場合、例えば、サブフィルタ１０１Ｒを製作する場合は、サブフィルタ１０１Ｂ及びサブフィルタ１０１Ｇの領域をマスクした状態で誘電体多層膜を複数層積層させ、同様にサブフィルタ１０１Ｂを製作する場合は、サブフィルタ１０１Ｒ及びサブフィルタ１０１Ｇの領域をマスクした状態で誘電体多層膜を複数層積層させることで製作することができる。なお、ここで述べた波長フィルタ１０１の製作方法や構成は、あくまで一例であり、その製作方法や構成を限定するものではなく、所望の波長特性が得られるものであれば、どのようなものでも構わない。
ここで、波長フィルタ１０１のサブフィルタ１０１Ｒ、１０１Ｂを誘電体多層膜で構成する場合、透過させたい波長と反射させたい波長とが近接していると、波長フィルタを構成するサブフィルタ１０１Ｒ、１０１Ｂそれぞれに急峻な波長特性を持たせる必要が出てくるため、膜層数が多くなる。例えば、青色光を反射させて緑色光を透過させるサブフィルタの場合、緑色光の波長が５３０ｎｍで、青色光の波長が４５０ｎｍとすると、わずか８０ｎｍの間で透過特性と反射特性を切り替える必要がある。
そこで、本液晶表示装置１００において、偏光変調板１８と偏光フィルタ１９とで分離する光を、三色の中で中間の波長である緑色光とし、波長フィルタ１０１で分離する光を青色光及び赤色光とすることで、例えば、赤色光の波長を６３０ｎｍ、青色光の波長を４５０ｎｍとすると、１８０ｎｍの間で透過特性と反射特性とを切りかえればよいため、波長フィルタ１０１の各サブフィルタには、急峻な波長特性を持たせる必要がなくなるため、コスト的にも有利な液晶表示装置を構成することが可能になる。
また、カラーフィルタ８５の各サブピクセル８５Ｒ、８５Ｇ、８５Ｂの境界には、図２３に示す通り、通常はブラックマトリックス１０２が構成されており、この部分では、光は基本的に吸収されることが分かっているため、この部分に入射する光は全てロスになる。よって、偏光変調板１８の偏光変調セル１８ａと非変調セル１８ｂとの境界に、入射する光を導光板１５側へ反射する反射コートから構成される全反射領域１０３を設けることで、この全反射領域１０３に入射する光は、すべて反射させることができる。この結果、光がブラックマトリックス１０２に入射することを抑えることが可能になり、さらに光利用効率の高い液晶表示装置１１０を構成することができる。
なお、図２３では、偏光変調板１８だけではなく、波長フィルタ１０１のサブフィルタ１０１Ｂとサブフィルタ１０１Ｒとの間にも、全反射領域１０３を設けて、同様にブラックマトリックス１０２に入射することによるロスを抑えている。こうすることで、さらに光利用効率の高い液晶表示装置１１０を構成することができる。
さらに、図２４に示す液晶表示装置１２０においても、以下に説明する動作により、図２２に示す液晶表示装置１００と同様に、赤色サブピクセル８５Ｒ、緑色サブピクセル８５Ｇ、青色サブピクセル８５Ｂそれぞれに、赤色光９１ｒ、緑色光９１ｇ、青色光９１ｂを入射させることができ、従来の液晶表示装置において見られたカラーフィルタにおける光のロスが無くなるため、カラーフィルタにおける光利用効率を、従来と比較して３倍向上させることができ、光利用効率の高い液晶表示装置を構成することができる。
図２４に示す液晶表示装置１２０は、図１９に示す液晶表示装置８０と類似する構成を有しているが、偏光変調板１８の内、非変調セル１８ｂの代わりに、偏光変調セル１８ｘと偏光変調セル１８ｙとが付加されている。ここで、偏光変調セル１８ｙは、非変調セル１８ｂと同様に、偏光方向を変えずに、緑色光９１ｇと赤色光９１ｒを透過させるが、青色光９１ｂのみ、偏光方向を紙面垂直方向から紙面内左右方向へ変えるような波長特性を有し、さらに、偏光変調セル１８ｘは、偏光方向を変えずに、緑色光９１ｇと青色光９１ｂとを透過させるが、赤色光９１ｒのみ、偏光方向を紙面垂直方向から紙面内左右方向へ変えるような波長特性を有する。さらに、偏光変調セル１８ｘの直上に青色サブピクセル８５Ｂを、偏光変調セル１８ｙの直上に赤色サブピクセル８５Ｒを配置する。
このとき、偏光変調セル１８ａにおける赤色光９１ｒ、緑色光９１ｇ、青色光９１ｂの動作は、液晶表示装置８０と同様である。一方、偏光変調セル１８ｘを透過した後、赤色光９１ｒの偏光方向は、紙面内左右方向であり、緑色光９１ｇの偏光方向も、紙面内左右方向であるが、青色光９１ｂの偏光方向のみが、紙面垂直方向になる。同様に、偏光変調セル１８ｙを透過した後、青色光９１ｂの偏光方向は、紙面内左右方向であり、緑色光９１ｇの偏光方向も、紙面内左右方向であるが、赤色光９１ｒの偏光方向のみが、紙面垂直方向になる。
また、偏光フィルタ１９は、液晶表示装置８０と同様に、紙面垂直方向の偏光成分を透過し、紙面内左右方向の偏光成分を反射する様に配置されている。こうすることで、偏光フィルタ１９からは、偏光変調セル１８ａの直上のみから緑色光９１ｇが出射し、偏光変調セル１８ｘの直上のみから青色光９１ｂが出射し、偏光変調セル１８ｙの直上のみから赤色光９１ｒが出射することになる。よって、赤色光９１ｒのみがカラーフィルタ８５内の赤色サブピクセル８５Ｒに入射し、緑色光９１ｇのみが緑色サブピクセル８５Ｇに入射し、青色光９１ｂのみが青色サブピクセル８５Ｂに入射することになる。
こうすることで、図２４に示す液晶表示装置１２０においても、図２２に示す液晶表示装置１００と同様に、従来の液晶表示装置において見られたカラーフィルタにおける光のロスが無くなるため、カラーフィルタにおける光利用効率を、従来と比較して３倍向上させることができ、光利用効率の高い液晶表示装置を構成することができる。また、上述の通り、偏光により各光源から出射した光を選択してサブフィルタに入射させているため、光源にＬＥＤを用いたときに、偏光変調板１８や偏光フィルタ１９に対して入射角がばらついた場合や、波長がばらついた場合であっても、光の分離特性が高く、光利用効率の高い液晶表示装置を構成することができる。
なお、ここでは、液晶表示装置１００と液晶表示装置１２０とを用いて、偏光方向が同じ光（ここでは赤色光９１ｒ、青色光９１ｂ）を分離する方法を説明したが、他の方法であっても、偏光方向が同じ光（ここでは赤色光９１ｒ、青色光９１ｂ）を分離できていれば構わない。
また、液晶表示装置８０や液晶表示装置１００、１１０、１２０の様に、面状照明装置９０（９０ａ、９０ｂ、９０ｃ、９０ｄ）と液晶パネル８１との間や偏光フィルタ１９と偏光変調板１８との間は、空いていても構わないが、密着させていても構わない。密着させた場合、偏光変調板１８からカラーフィルタ８５（サブピクセル８５Ｒ、８５Ｇ、８５Ｂ）までの距離が短くなるため、偏光変調板１８からカラーフィルタ８５まで伝播する間の光の拡がりによる光のロスを低減することができるため、より好ましい構成といえる。
また、本液晶表示装置８０や液晶表示装置１００、１１０、１２０においても、光源にレーザ光源やＳＬＤを用いることで、偏光変調板１８や波長フィルタ１０１からカラーフィルタ８５までの光の拡がりを抑えることができ、より光利用効率の高い、また色再現範囲の広い高画質な画像を表示することができる。もちろん、実施の形態１の面状照明装置１０で説明した様に、光源としてＬＥＤ等も用いることが可能であり、他の光源を用いても構わない。
また、本実施の形態における液晶表示装置８０、１００、１１０、１２０は、いずれも実施の形態１で説明した面状照明装置１０の様に、偏光変調板を構成する偏光変調セルとして、１／２波長板を含んだ系を用いているが、もちろん、実施の形態２で説明した面状照明装置５０の様に、偏光変調板を構成する偏光変調セルとして、１／４波長板を含んだ系で構成しても構わない。
例えば、図２４に示す液晶表示装置１２０において、図１２に示す面状照明装置と同様に、コンバイナ１３と導光棒１４との間に１／４波長板５３を挿入し、導光板１５と反射シート１７の間に１／４波長板５９を配置し、偏光変調板１８の代わりに、互いに波長特性の異なる１／４波長板として機能する第１乃至第３の偏光変調セルから構成される偏光変調板を、導光板１５と偏光フィルタ１９との間に配置するようにしてもよい。ここで、第１の偏光変調セルは、偏光変調セル１８ｙの位置に、第２の偏光変調セルは、偏光変調セル１８ｘの位置に、第３の偏光変調セルは、偏光変調セル１８ａの位置に配置されているものとする。
この場合、互いの偏光の回転方向が逆向きとなる２種類の回転偏光（例えば、赤色光及び緑色光）と、２種類の回転偏光のうち一方（例えば、赤色光）と同じ回転方向を有する回転偏光（例えば、青色光）とが導光板１５の側面１５ａから入射して主面１５ｃから出射され、これら３つの回転偏光のうち逆向きの偏光方向を有する第３の回転偏光（例えば、緑色光）は、３つの回転偏光の波長に対して１／４波長板として機能する第３の偏光変調セルを透過して、偏光フィルタ１９を透過する偏光方向を有する第３の光となり、偏光フィルタ１９を透過して外部へ出射される。一方、同じ回転方向を有する第１及び第２の回転偏光（例えば、赤色光及び青色光）は、第３の偏光変調セルを透過して、偏光フィルタにより反射される偏光方向を有する光となり、偏光フィルタ１９により内部に反射される。
また、第１の回転偏光（例えば、赤色光）は、第１の回転偏光の波長に対してのみ第３の偏光変調セルと遅軸及び速軸の向きが異なる１／４波長板として機能する第２の偏光変調セルを透過して、偏光フィルタ１９により反射される偏光方向を有する光となり、偏光フィルタ１９により内部に反射される。一方、第２の回転偏光（例えば、青色光）は、第２の偏光変調セルを透過して、偏光フィルタ１９を透過する偏光方向を有する第２の光となり、偏光フィルタ１９を透過して外部へ出射される。
さらに、第２の回転偏光（例えば、青色光）は、第２の回転偏光の波長に対してのみ第３の偏光変調セルと遅軸及び速軸の向きが異なる１／４波長板として機能する第１の偏光変調セルを透過して、偏光フィルタ１９により反射される偏光方向を有する光となり、偏光フィルタ１９により内部に反射される。一方、第１の回転偏光（例えば、赤色光）は、第１の偏光変調セルを透過して、偏光フィルタ１９を透過する偏光方向を有する第１の光となり、偏光フィルタ１９を透過して外部へ出射される。
したがって、第１の回転偏光（例えば、赤色光）は、第１の偏光変調セルのみを介して赤色サブピクセル８５Ｒへ入射し、第２の回転偏光（例えば、青色光）は、第２の偏光変調セルのみを介して青色サブピクセル８５Ｂへ入射し、第３の光（例えば、緑色光）は、第３の偏光変調セルのみを介して緑色サブピクセル８５Ｇへ入射するので、１／４波長板を含んだ系を用いる場合でも、上記と同様の効果を得ることができる。
（実施の形態４）
本実施の形態４にかかる液晶表示装置１３０を、図２５及び図２６を用いて説明する。図２５は、液晶パネル８１と、偏光フィルタ１９と、偏光変調板１８と、反射シート１７とを除いた液晶表示装置１３０の上面図であり、図２６は、図２５のXXVI-XXVI線における液晶表示装置１３０の断面図である。
本液晶表示装置１３０を構成する面状照明装置９０ｅは、実施の形態１の面状照明装置１０や面状照明装置４０と類似であるが、偏光変調板１８を構成する偏光変調セル１８ａ及び非変調セル１８ｂからなる変調セルのピッチが異なる。即ち、液晶パネル内のカラーフィルタ８５を構成するサブピクセル８５Ｒ、８５Ｇ、８５Ｂを一画素としたとき、偏光変調セル１８ａ及び非変調セル１８ｂからなる変調セルのピッチは、カラーフィルタの一画素を一ユニットとしたときの画素のピッチと同一であり、さらに、偏光変調セル１８ａと非変調セル１８ｂとを交互に配列させている。即ち、変調セルである偏光変調セル１８ａ及び非変調セル１８ｂの一辺の長さは、カラーフィルタ８５の３つのサブピクセル８５Ｒ、８５Ｇ、８５Ｂの一辺の長さの合計値と同じに設定され、各サブピクセル８５Ｒ、８５Ｇ、８５Ｂの一辺の長さの整数倍（例えば、３倍）に設定されている。
本液晶表示装置１３０において、各光源９２ｒ、９２ｇ、９２ｂから出射して１／２波長板２０ｒ、２０ｇ、２０ｂを出射した赤色光９１ｒ、緑色光９１ｇ及び青色光９１ｂが、コンバイナ１３で合波される。ここで、制御部１６は、１／２波長板２０ｒ、２０ｇ、２０ｂを制御し、合波されて導光棒１４に入射する赤色光９１ｒ、緑色光９１ｇ及び青色光９１ｂの偏光方向をいずれも、紙面内左右方向に偏光させたとする。
理解し易い様に、図２６において、紙面左右方向に偏光しながら、導光棒１４に入射する光を光１３１ｘとし、これと直交して紙面上下方向に偏光しながら、導光棒１４に入射する光を光１３１ｙとしている。即ち、赤色光９１ｒ、緑色光９１ｇ及び青色光９１ｂは、全て光１３１ｘと同じ方向に偏光している。また、実施の形態１の面状照明装置１０と同様に、偏光変調セル１８ａは、１／２波長板として機能し、非変調セル１８ｂは、ここでは何ら偏光を変調しない。さらに、偏光フィルタ１９は、これまでと同様に紙面内左右方向に偏光方向を持つ光を反射し、紙面垂直方向に偏光方向を持つ光を透過する機能を持つ。
この状態において、光１３１ｘは、実施の形態１の面状照明装置１０と同様に、１／２波長板として機能する偏光変調セル１８ａを通過すると、偏光フィルタ１９で反射されるために、非変調セル１８ｂに到達するまで偏光フィルタ１９と反射シート１７の間を多重反射することになる。また、非変調セル１８ｂに光１３１ｘが入射すると、面状照明装置１０と同様に偏光フィルタ１９を透過し、面状照明装置９０ｅから紙面内上向きに出射する。よって、光１３１ｘの赤色光９１ｒ、緑色光９１ｇ及び青色光９１ｂは、偏光フィルタ１９の非変調セル１８ｂの直上からのみ出射することになる。
また、制御部１６は、１／２波長板２０ｒ、２０ｇ、２０ｂを制御し、合波されて導光棒１４に入射する赤色光９１ｒ、緑色光９１ｇ及び青色光９１ｂの偏光方向が紙面内上下方向に偏光させたとすると、導光棒１４に入射する光は、光１３１ｙとなり、光１３１ｙの赤色光９１ｒ、緑色光９１ｇ及び青色光９１ｂは、偏光フィルタ１９の偏光変調セル１８ａの直上からのみ出射することになる。
上記のように構成された本液晶表示装置１３０を用いると、例えば、図２７の様な三次元表示が可能な三次元液晶表示装置１５０を構成できる。図２７の様に、液晶パネル８１と、シャッターメガネ１３２とを制御部１６に接続する。シャッターメガネ１３２は、通常のメガネにおけるレンズの部分がシャッターになっており、制御部１６により任意のタイミングで左右独立にシャッターを開閉できる。図２７では、制御部１６と、シャッターメガネ１３２とを直接結線して接続しているが、もちろん、無線で制御しても構わない。
次に、三次元液晶表示装置１５０の動作の仕組みを説明する。ここでは、例えば、図２６に示すように、非変調セル１８ｂの直上に存在する液晶パネル８１の画素１３３ｂは、左目用画像を表示し、偏光変調セル１８ａの直上に存在する液晶パネル８１の画素１３３ａは、右目用画像を表示するとする。
具体的には、各光源９２ｒ、９２ｇ、９２ｂが点灯され、液晶パネル８１に左目用画像及び右目用画像が表示された状態において、制御部１６は、所定のタイミングで１／２波長板２０ｒ、２０ｇ、２０ｂを制御して、赤色光９１ｒ、緑色光９１ｇ、青色光９１ｂの偏光方向を図２６の光１３１ｘの方向に偏光させる。さらに、制御部１６は、同じタイミングでシャッターメガネ１３２の左目シャッターを開け、右目シャッターを閉じる。こうすることにより、液晶パネルに表示された左目用画像のみが左目に入射することになる。
次に、制御部１６は、所定のタイミングで１／２波長板２０ｒ、２０ｇ、２０ｂを制御して、赤色光９１ｒ、緑色光９１ｇ及び青色光９１ｂの偏光方向を図２６の光１３１ｙの方向に偏光させる。さらに、制御部１６は、同じタイミングでシャッターメガネ１３２の右目シャッターを開け、左目シャッターを閉じる。こうすることにより、液晶パネルに表示された右目用画像のみが右目に入射することになる。
以上の動作により、視聴者は、液晶パネル８１に表示された画像を三次元画像として認識することになる。さらに、次のフレーム画像が液晶パネル８１に表示され、上記の動作を繰り返すことにより、三次元の動画を視聴することができる。この様に構成することで、例えば、右目用画像を表示している間は、左目用画像に該当する画素１３３ｂには、光が入射しないため、光のロスがなく、高効率な三次元液晶表示装置を構成することができる。
また、通常の三次元表示装置の液晶パネルのように、１フレーム期間において、左目用画像と右目用画像とを交互に切り替えるのではなく、１フレーム期間の間、画素１３３ｂには左目用画像を、画素１３３ａには右目用画像を書き込んだ状態を維持することができるため、液晶パネル８１として応答特性が遅い液晶パネルを用いた場合でも、クロストークのない良好な三次元画像を表示することができる。また、液晶パネル８１の画素１３３ｂの上に、視聴者の左目に左目用画像を導くようにレンチキュラーレンズを形成するとともに、画素１３３ａの上に、視聴者の右目に右目用画像を導くようにレンチキュラーレンズを形成すれば、視聴者は、シャッターメガネを用いることなく、三次元画像を視聴することができる。
なお、本三次元液晶表示装置１５０においても、光源にレーザ光を用いることで、色再現範囲の広い高画質な画像を表示することができる。もちろん、実施の形態１の面状照明装置１０で説明した様に、光源としてＬＥＤやＳＬＤ等も用いることが可能であり、他の光源を用いても構わない。
また、本実施の形態における三次元液晶表示装置１５０は、いずれも実施の形態１で説明した面状照明装置１０の様に、偏光変調板を構成する偏光変調セルとして、１／２波長板を含んだ系を用いているが、もちろん、実施の形態２で説明した面状照明装置５０の様に、偏光変調板を構成する偏光変調セルとして、１／４波長板を含んだ系で構成しても構わない。
また、上記の各実施の形態に示す構成は、一例であって、発明の趣旨を逸脱しない範囲でさまざまな変形を加えることができるのは言うまでも無い。また、上で述べた各実施の形態やそれらを変形した発明を組み合わせて用いることも、もちろん可能である。
上記の各実施の形態から本発明について要約すると、以下のようになる。即ち、本発明に係る面状照明装置は、光を出射する複数の光源と、前記光源から出射された光をいずれかの側面から入射して一方の主面から出射する導光板と、所定の偏光方向の光を透過し、前記所定の偏光方向に対して直交する偏光方向の光を反射する偏光フィルタと、入射する光の偏光特性に対して所定の変調を行う偏光変調板と、入射する光を正反射する反射シートとを備え、前記偏光フィルタ及び前記偏光変調板は、前記導光板の前記一方の主面近傍に、前記導光板側から前記偏光変調板、前記偏光フィルタの順に配置され、前記反射シートは、前記導光板の前記一方の主面とは逆側の主面近傍に配置され、前記複数の光源から出射された光のうち少なくとも２つは、前記導光板に入射する段階において、互いの偏光方向が直交した直線偏光を含み、前記偏光変調板は、１／２波長板として機能する偏光変調セルと、偏光特性を変調しない非変調セルとを含む。
この面状照明装置においては、互いの偏光方向が直交した２種類の直線偏光が導光板の側面から入射して一方の主面から出射され、これら２種類の光のうち、偏光フィルタを透過する偏光方向を有する第１の光は、非変調セル及び偏光フィルタを透過して外部へ出射され、偏光フィルタにより反射される偏光方向を有する第２の光は、非変調セルを透過した後、偏光フィルタにより内部に反射される。
また、第１及び第２の光が１／２波長板として機能する偏光変調セルを透過する際に、第１及び第２の光の偏光方向が変換され、第１の光は、第２の光となって偏光フィルタにより内部に反射され、第２の光は、第１の光となって偏光フィルタを透過して外部へ出射される。
したがって、第１の光は、非変調セルのみを介して外部へ出射され、第２の光は、偏光変調セルのみを介して外部へ出射されるので、極めて簡便な光学系の構成により任意の領域を選択的に照明することができ、簡便に点灯領域の切り替えが可能な面状照明装置を簡便かつ安価に構成することができる。
本発明に係る他の面状照明装置は、光を出射する光源と、前記光源から出射された光をいずれかの側面から入射して一方の主面から出射する導光板と、所定の偏光方向の光を透過し、前記所定の偏光方向に対して直交する偏光方向の光を反射する偏光フィルタと、入射する光の偏光特性に対して所定の変調を行う偏光変調板と、入射する光を正反射する反射シートとを備え、前記偏光フィルタ及び前記偏光変調板は、前記導光板の前記一方の主面近傍に、前記導光板側から前記偏光変調板、前記偏光フィルタの順に配置され、前記反射シートは、前記導光板の前記一方の主面とは逆側の主面近傍に配置され、前記光源から出射された光は、前記導光板に入射する段階において、直線偏光でかつ任意のタイミングで偏光方向を切り替え可能な光を含み、前記偏光変調板は、１／２波長板として機能する偏光変調セルと、偏光特性を変調しない非変調セルとを含む。
この面状照明装置においては、直線偏光でかつ任意のタイミングで偏光方向を切り替え可能な光が導光板の側面から入射して一方の主面から出射されるので、偏光フィルタを透過する偏光方向を有する第１の光が入射されているときは、第１の光は、非変調セル及び偏光フィルタを透過して外部へ出射され、一方、偏光フィルタにより反射される偏光方向を有する第２の光が入射されているときは、第２の光は、非変調セルを透過した後、偏光フィルタにより内部に反射される。
また、第１又は第２の光が１／２波長板として機能する偏光変調セルを透過する際に、その偏光方向が変換され、第１の光は、第２の光となって偏光フィルタにより内部に反射され、第２の光は、第１の光となって偏光フィルタを透過して外部へ出射される。
したがって、第１の光が入射されているときは、第１の光は、非変調セルのみを介して外部へ出射され、一方、第２の光が入射されているときは、第２の光は、偏光変調セルのみを介して外部へ出射されるので、極めて簡便な光学系の構成により任意の領域を選択的に照明することができ、簡便に点灯領域の切り替えが可能な面状照明装置を簡便かつ安価に構成することができる。また、光源が単一で、かつ偏光変調セル及び非変調セル毎に点灯回路を別々に用意する必要がないため、面状照明装置をより低コストに製作することができる。
本発明に係る他の面状照明装置は、相異なる波長の光を出射する少なくとも３つの光源と、前記光源から出射された光をいずれかの側面から入射して一方の主面から出射する導光板と、所定の偏光方向の光を透過し、前記所定の偏光方向に対して直交する偏光方向の光を反射する偏光フィルタと、入射する光の偏光特性に対して所定の変調を行う偏光変調板と、入射する光を正反射する反射シートとを備え、前記偏光フィルタ及び前記偏光変調板は、前記導光板の前記一方の主面近傍に、前記導光板側から前記偏光変調板、前記偏光フィルタの順に配置され、前記反射シートは、前記導光板の前記一方の主面とは逆側の主面近傍に配置され、前記少なくとも３つの光源から出射された光のうち少なくとも２つは、前記導光板に入射する段階において、互いの偏光方向が直交した直線偏光を含み、前記偏光変調板は、互いに波長特性の異なる１／２波長板として機能する少なくとも３種類の偏光変調セルを含む。
この面状照明装置においては、少なくとも３つの光源から、互いの偏光方向が直交した２種類の直線偏光と、この２種類の直線偏光のうちの一方と同じ偏光方向を有する直線偏光とが導光板の側面から入射して一方の主面から出射され、これら３つの光のうち、偏光フィルタを透過する偏光方向を有する第１及び第２の光は、３つの光の波長に対して１／２波長板として機能する第３の偏光変調セルを透過する際に、その偏光方向が変換され、偏光フィルタにより内部に反射され、一方、偏光フィルタにより反射される偏光方向を有する第３の光は、第３の偏光変調セルを透過する際に、その偏光方向が変換され、偏光フィルタを透過して外部へ出射される。
また、第１の光は、第１の光の波長に対してのみ１／２波長板として機能する第２の偏光変調セルを透過する際に、その偏光方向が変換され、偏光フィルタにより内部に反射され、一方、第２の光は、第２偏光変調セルを透過しても、その偏光方向は変換されず、偏光フィルタを透過して外部へ出射される。
さらに、第２の光は、第２の光の波長に対してのみ１／２波長板として機能する第１の偏光変調セルを透過する際に、その偏光方向が変換され、偏光フィルタにより内部に反射され、一方、第１の光は、第１の偏光変調セルを透過しても、その偏光方向は変換されず、偏光フィルタを透過して外部へ出射される。
したがって、第１の光は、第２の光に対してのみ１／２波長板として機能する第１の偏光変調セルのみを介して外部へ出射され、第２の光は、第１の光に対してのみ１／２波長板として機能する第２の偏光変調セルのみを介して外部へ出射され、第３の光は、３つの光に対して１／２波長板として機能する第３の偏光変調セルのみを介して外部へ出射されるので、極めて簡便な光学系の構成により任意の領域を選択的に照明することができ、簡便に点灯領域の切り替えが可能な面状照明装置を簡便かつ安価に構成することができる。
本発明に係る他の面状照明装置は、光を出射する複数の光源と、前記光源から出射された光をいずれかの側面から入射して一方の主面から出射する導光板と、所定の偏光方向の光を透過し、前記所定の偏光方向に対して直交する偏光方向の光を反射する偏光フィルタと、入射する光の偏光特性に対して所定の変調を行う偏光変調セルを含む偏光変調板と、入射する光を正反射する反射シートとを備え、前記偏光フィルタ及び前記偏光変調板は、前記導光板の前記一方の主面近傍に、前記導光板側から前記偏光変調板、前記偏光フィルタの順に配置され、前記反射シートは、前記導光板の前記一方の主面とは逆側の主面近傍に配置され、前記複数の光源から出射された光のうち少なくとも２つは、前記導光板に入射する段階において、互いの偏光の回転方向が逆向きとなる回転偏光を含み、前記偏光変調板は、互いに遅軸及び速軸の向きが異なる１／４波長板として機能する複数種類の偏光変調セルを含む。
この面状照明装置においては、互いの偏光の回転方向が逆向きとなる２種類の回転偏光が導光板の側面から入射して一方の主面から出射され、出射される２種類の回転偏光のうち第１の回転偏光は、互いに遅軸及び速軸の向きが異なる１／４波長板として機能する第１及び第２の偏光変調セルのうち第１の偏光変調セルを透過し、偏光フィルタを透過する偏光方向を有する第１の光となり、偏光フィルタを透過して外部へ出射され、一方、第２の回転偏光は、第１の偏光変調セルを透過し、偏光フィルタにより反射される偏光方向を有する第２の光となり、偏光フィルタにより内部に反射される。
また、第２の回転偏光は、第２の偏光変調セルを透過し、偏光フィルタを透過する偏光方向を有する第１の光となり、偏光フィルタを透過して外部へ出射され、一方、第１の回転偏光は、第２の偏光変調セルを透過し、偏光フィルタにより反射される偏光方向を有する第２の光となり、偏光フィルタにより内部に反射される。
したがって、第１の回転偏光は、第１の偏光変調セルのみを介して外部へ出射され、第２の回転偏光は、第２の偏光変調セルのみを介して外部へ出射されるので、極めて簡便な光学系の構成により任意の領域を選択的に照明することができ、簡便に点灯領域の切り替えが可能な面状照明装置を簡便かつ安価に構成することができる。
本発明に係る他の面状照明装置は、光を出射する光源と、前記光源から出射された光をいずれかの側面から入射して一方の主面から出射する導光板と、所定の偏光方向の光を透過し、前記所定の偏光方向に対して直交する偏光方向の光を反射する偏光フィルタと、入射する光の偏光特性に対して所定の変調を行う偏光変調板と、入射する光を正反射する反射シートとを備え、前記偏光フィルタ及び前記偏光変調板は、前記導光板の前記一方の主面近傍に、前記導光板側から前記偏光変調板、前記偏光フィルタの順に配置され、前記反射シートは、前記導光板の前記一方の主面とは逆側の主面近傍に配置され、前記光源から出射された光は、前記導光板に入射する段階において、回転偏光でかつ任意のタイミングで偏光の回転方向を切り替え可能な光を含み、前記偏光変調板は、互いに遅軸及び速軸の向きが異なる１／４波長板として機能する複数種類の偏光変調セルを含む。
この面状照明装置においては、回転偏光でかつ任意のタイミングで偏光方向を切り替え可能な光が導光板の側面から入射して一方の主面から出射されるので、互いの偏光の回転方向が逆向きとなる２種類の回転偏光を任意のタイミングで選択的に出射することができる。
このとき、出射される２種類の回転偏光のうち第１の回転偏光は、互いに遅軸及び速軸の向きが異なる１／４波長板として機能する第１及び第２の偏光変調セルのうち第１の偏光変調セルを透過し、偏光フィルタを透過する偏光方向を有する第１の光となり、偏光フィルタを透過して外部へ出射され、一方、第２の回転偏光は、第１の偏光変調セルを透過し、偏光フィルタにより反射される偏光方向を有する第２の光となり、偏光フィルタにより内部に反射される。
また、第２の回転偏光は、第２の偏光変調セルを透過し、偏光フィルタを透過する偏光方向を有する第１の光となり、偏光フィルタを透過して外部へ出射され、一方、第１の回転偏光は、第２の偏光変調セルを透過し、偏光フィルタにより反射される偏光方向を有する第２の光となり、偏光フィルタにより内部に反射される。
したがって、第１の回転偏光は、第１の偏光変調セルのみを介して外部へ出射され、第２の回転偏光は、第２の偏光変調セルのみを介して外部へ出射されるので、極めて簡便な光学系の構成により任意の領域を選択的に照明することができ、簡便に点灯領域の切り替えが可能な面状照明装置を簡便かつ安価に構成することができる。また、光源が単一で、かつ第１及び第２の偏光変調セル毎に点灯回路を別々に用意する必要がないため、面状照明装置を低コストに製作することができる。
本発明に係る他の面状照明装置は、相異なる波長の光を出射する少なくとも３つの光源と、前記光源から出射された光をいずれかの側面から入射して一方の主面から出射する導光板と、所定の偏光方向の光を透過し、前記所定の偏光方向に対して直交する偏光方向の光を反射する偏光フィルタと、入射する光の偏光特性に対して所定の変調を行う偏光変調板と、入射する光を正反射する反射シートとを備え、前記偏光フィルタ及び前記偏光変調板は、前記導光板の前記一方の主面近傍に、前記導光板側から前記偏光変調板、前記偏光フィルタの順に配置され、前記反射シートは、前記導光板の前記一方の主面とは逆側の主面近傍に配置され、前記少なくとも３つの光源から出射された光のうち少なくとも２つは、前記導光板に入射する段階において、互いの偏光の回転方向が逆向きとなる回転偏光を含み、前記偏光変調板は、互いに波長特性の異なる１／４波長板として機能する少なくとも３種類の偏光変調セルを含む。
この面状照明装置においては、互いの偏光の回転方向が逆向きとなる２種類の回転偏光と、２種類の回転偏光のうちの一方と同じ回転方向を有する回転偏光とが導光板の側面から入射して一方の主面から出射され、これら３つの回転偏光のうち逆向きの偏光方向を有する第３の回転偏光は、３つの回転偏光の波長に対して１／４波長板として機能する第３の偏光変調セルを透過し、偏光フィルタを透過する偏光方向を有する第３の光となり、偏光フィルタを透過して外部へ出射され、一方、同じ回転方向を有する第１及び第２の回転偏光は、第３の偏光変調セルを透過し、偏光フィルタにより反射される偏光方向を有する光となって、偏光フィルタにより内部に反射される。
また、第１の回転偏光は、第１の回転偏光の波長に対してのみ第３の偏光変調セルと遅軸及び速軸の向きが異なる１／４波長板として機能する第２の偏光変調セルを透過し、偏光フィルタにより反射される偏光方向を有する光となり、偏光フィルタにより内部に反射され、一方、第２の回転偏光は、第２の偏光変調セルを透過し、偏光フィルタを透過する偏光方向を有する第２の光となり、偏光フィルタを透過して外部へ出射される。
さらに、第２の回転偏光は、第２の回転偏光の波長に対してのみ第３の偏光変調セルと遅軸及び速軸の向きが異なる１／４波長板として機能する第１の偏光変調セルを透過し、偏光フィルタにより反射される偏光方向を有する光となり、偏光フィルタにより内部に反射され、第１の回転偏光は、第１の偏光変調セルを透過し、偏光フィルタを透過する偏光方向を有する第１の光となり、偏光フィルタを透過して外部へ出射される。
したがって、第１の回転偏光は、第１の偏光変調セルのみを介して外部へ出射され、第２の回転偏光は、第２の偏光変調セルのみを介して外部へ出射され、第３の回転偏光は、第３の偏光変調セルのみを介して外部へ出射されるので、極めて簡便な光学系の構成により任意の領域を選択的に照明することができ、簡便に点灯領域の切り替えが可能な面状照明装置を簡便かつ安価に構成することができる。
前記複数の光源は、相異なる波長の光を出射する２つの光源を含むことが好ましい。この場合、波長の異なる２つの光を用いて、任意の領域を選択的に照明することができるとともに、簡便に点灯領域を切り替えることができる。
前記複数の光源は、相異なる波長の光を出射する少なくとも３つの光源を含み、前記偏光フィルタに対して前記偏光変調板とは逆側に配置され、互いに異なるフィルタ特性を有する複数のサブフィルタを含む波長フィルタをさらに備え、前記複数のサブフィルタは、所定波長の光を透過し、前記所定波長以外の光のうち少なくとも一部を反射させるサブフィルタを含むことが好ましい。
この場合、波長の異なる３つの光を複数のサブフィルタにより分離して出射することができるので、この面状照明装置を液晶表示装置に用いた場合、光の利用効率を向上することができる。
前記３つの光源は、青色光を出射する青色光源、緑色光を出射する緑色光源、及び赤色光を出射する赤色光源を含み、前記偏光変調板及び前記偏光フィルタは、前記緑色光を分離し、前記波長フィルタは、前記青色光と前記赤色光とを分離することが好ましい。
この場合、偏光変調板と偏光フィルタとで分離する光を、三色の中で中間の波長である緑色光とし、波長フィルタで分離する光を青色光及び赤色光とすることができるので、波長フィルタにおいて透過特性と反射特性とを切り替えるために使用可能な波長範囲が広くなり、波長フィルタの各サブフィルタに急峻な波長特性を持たせる必要がなくなるため、波長フィルタを容易に製造することができるとともに、低コスト化を図ることができる。
前記偏光変調セルは、入射する光に対する任意の領域の偏光変調量を任意かつ動的に調整することが好ましい。この場合、照明するパターン形状を任意かつ動的に変更することができる。
前記３つの光源は、中心波長４００〜４９０ｎｍの光を出射する青色光源、中心波長４９０〜５７０ｎｍの光を出射する緑色光源、及び中心波長５７０〜６８０ｎｍの光を出射する赤色光源を含むことが好ましい。
この場合、各光源を所定の光量で同時に点灯させることで、表示させたい領域を任意の色で点灯をさせることができる。
前記光源は、レーザ光源を含むことが好ましい。この場合、光源の色純度が極めて高くなるため、極めて広色域の表示をさせることが可能になる。
前記光源は、スーパールミネッセントダイオードを含んでもよい。この場合、光源の波長幅が広くなり、スペックルノイズが抑制されるため、より視認しやすい面状照明装置を構成することができる。
前記光源は、発光ダイオードを含んでもよい。この場合、装置の低コスト化を図ることができる。
本発明に係る液晶表示装置は、液晶パネルと、前記液晶パネルを背面から照明する上記面状照明装置とを備え、前記液晶パネルは、カラーフィルタを内蔵し、前記偏光フィルタの前記偏光変調板とは逆側に配置される。
この液晶表示装置においては、極めて簡便な光学系の構成により任意の領域を選択的に照明することができる面状照明装置を用いているので、光利用効率が高く、消費電力の低い液晶表示装置を簡便な構成で低コストに構成することができる。
前記偏光変調板は、マトリックス状に配列された複数の変調セルを含み、前記変調セルの一辺の長さは、前記カラーフィルタのサブピクセルの一辺の長さと同じ又は整数倍であることが好ましい。
この場合、各変調セルの直上から対応する色の光のみを、対応する色のカラーフィルタへ入射することができるので、光利用効率を向上することができ、同一輝度の光量を得る場合は、使用するエネルギーを減少させて消費電力を削減することができる。
前記変調セル間の境界領域に設けられ、入射する光を導光板側へ反射する反射コートをさらに備えることが好ましい。
この場合、反射コートに入射するすべての光を内部へ反射させることができるので、カラーフィルタの各サブピクセルの境界にブラックマトリックスが形成されている場合、ブラックマトリックスに光が不要に吸収されることを防止し、光利用効率をさらに高めることができる。
本発明の面状照明装置は、簡便な光学系の構成により面状照明装置から出射される光の領域を制御することができるので、安価な面状照明装置として利用することができる。また、本発明の面状照明装置を用いて液晶表示装置を構成することで、簡便な構成で液晶パネルのサブピクセルに対して該当する色の光を分離して入射させることができるため、低コストでかつ光利用効率が高く消費電力の低い液晶表示装置を構成することができる。したがって、本発明の面状照明装置及びこれを用いた液晶表示装置は、照明装置やディスプレイ装置全般に適用することができ、有用である。
本発明は、低コストな面状照明装置及びそれを用いた光利用効率の高い液晶表示装置に関する。
近年、環境問題や省電力の観点から、水銀を含まず、消費電力の低い発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザなどの半導体材料からなる光源を利用した面状照明装置や画像表示装置の開発が進められている。
画像表示装置の一つに、液晶表示装置がある。液晶表示装置は、空間変調素子として液晶パネルを用い、液晶パネルの背面から面状照明装置（バックライト）で照明し、透過する光を空間変調することにより画像を形成するものである。この液晶表示装置の低消費電力化策として、バックライトから出射する光を単一偏光にする手法や、液晶パネルを構成する、赤色、緑色及び青色の各サブピクセルに対して、入射する光を該当する色（波長）に分離して照明する手法がある。
それらの例として、レーザ光源から出射されたレーザ光を複数列の偏光プリズムに通過させることにより、偏光方向を揃えて導光板に入射させる構成が示されている（例えば、特許文献１参照）。この様な構成にすることにより、導光板の主面から出射するレーザ光の偏光方向を揃えることができるため、消費電力の低い液晶表示装置が実現できる。
また、他の例として、導光板の側面に配置したＬＥＤ光源からの光を導光板に入射させ、導光板の裏面側に偏光変換手段としての微細溝を形成することにより、導光板から出射する光の偏光成分を所定方向に揃える様に構成した例もある（例えば、特許文献２参照）。この様な構成とすることにより、光源にＬＥＤを用いても特定方向の偏光成分の光を出射させることができ、消費電力の低い液晶表示装置を実現できるとしている。
一方、導光板の側面に配置したＬＥＤ光源からの白色光を導光板に入射させる構成において、導光板内部に、特定の波長域の光を反射させ、残りの波長域の光を透過させる干渉フィルタを設ける構成も提案されている（例えば、特許文献３参照）。この様にして、入射した白色光を赤色と、緑色と、青色とに分離して液晶パネルを照明することで、光を効率よく利用することができるため、消費電力の低い液晶表示装置を実現できるとしている。
これらの例以外に、身の回りにおいても、例えば、道路等で用いられる進路案内板や信号機等、面状照明装置において所定の領域を所定の色の光で照明する例は多く見られる。
特開２００８−２７７２７９号公報 特開２００４−２７１８７１号公報 特開２００６−１２７２２号公報
しかしながら、上記で説明した従来の技術においては、光利用効率は高いものの、光学系の構成が複雑であるため、装置の製作が容易ではなく、面状照明装置や液晶表示装置としては、高コストになってしまうという課題があった。
本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、極めて簡便な光学系の構成により任意の領域を選択的に照明可能な面状照明装置を提供することを目的とする。
本発明の一局面に従う面状照明装置は、光を出射する複数の光源と、前記光源から出射された光をいずれかの側面から入射して一方の主面から出射する導光板と、所定の偏光方向の光を透過し、前記所定の偏光方向に対して直交する偏光方向の光を反射する偏光フィルタと、入射する光の偏光特性に対して所定の変調を行う偏光変調板と、入射する光を正反射する反射シートとを備え、前記偏光フィルタ及び前記偏光変調板は、前記導光板の前記一方の主面近傍に、前記導光板側から前記偏光変調板、前記偏光フィルタの順に配置され、前記反射シートは、前記導光板の前記一方の主面とは逆側の主面近傍に配置され、前記複数の光源から出射された光のうち少なくとも２つは、前記導光板に入射する段階において、互いの偏光方向が直交した直線偏光を含み、前記偏光変調板は、１／２波長板として機能する偏光変調セルと、偏光特性を変調しない非変調セルとを含む。
上記の面状照明装置は、極めて簡便な光学系の構成により任意の領域を選択的に照明することができる。
本発明の実施の形態１にかかる面状照明装置の斜視図である。 本発明の実施の形態１にかかる面状照明装置の上面図である。 図２に示すIII−III線における面状照明装置の断面図である。 本発明の実施の形態１にかかる面状照明装置における光の偏光方向を説明するための第１の模式図である。 本発明の実施の形態１にかかる面状照明装置における光の偏光方向を説明するための第２の模式図である。 本発明の実施の形態１にかかる面状照明装置における光の偏光方向を説明するための第３の模式図である。 本発明の実施の形態１にかかる面状照明装置における光の偏光方向を説明するための第４の模式図である。 本発明の実施の形態１にかかる面状照明装置を用いたサインボードの一例を示す模式図である。 本発明の実施の形態１にかかる他の面状照明装置の上面図である。 本発明の実施の形態１にかかるさらに他の面状照明装置の上面図である。 本発明の実施の形態１にかかる面状照明装置に適用可能な無偏光光源の一例を示す模式図である。 本発明の実施の形態２にかかる面状照明装置の上面図である。 図１２に示すXIII−XIII線における光の偏光状態を説明するための面状照明装置の第１の断面図である。 図１２に示すXIII−XIII線における光の偏光状態を説明するための面状照明装置の第２の断面図である。 本発明の実施の形態２にかかる面状照明装置の１／４偏光板の前後における偏光状態を説明するための第１の模式図である。 本発明の実施の形態２にかかる面状照明装置の１／４偏光板の前後における偏光状態を説明するための第２の模式図である。 本発明の実施の形態２にかかる面状照明装置の偏光変調板の前後における偏光状態を説明するための第１の模式図である。 本発明の実施の形態２にかかる面状照明装置の偏光変調板の前後における偏光状態を説明するための第２の模式図である。 本発明の実施の形態３にかかる液晶表示装置の断面図である。 本発明の実施の形態３にかかる液晶表示装置の上面図である。 図１９に示す偏光変調フィルタとカラーフィルタとの配置関係を説明するための模式図である。 本発明の実施の形態３にかかる他の液晶表示装置の断面図である。 本発明の実施の形態３にかかるさらに他の液晶表示装置の断面図である。 本発明の実施の形態３にかかるさらに他の液晶表示装置の断面図である。 本発明の実施の形態４にかかる液晶表示装置の上面図である。 図２５に示すXXVI−XXVI線における面状照明装置の断面図である。 本発明の実施の形態４にかかる三次元液晶表示装置の構成を示す模式図である。
以下、本発明の各実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、同じ要素には同じ符号を付しており、説明を省略する場合もある。また、図面は、理解しやすくするために、それぞれの構成要素を主体に模式的に示している。
（実施の形態１）
図１乃至図３は、本発明の実施の形態１にかかる面状照明装置１０を説明する図であり、図１及び図２は、面状照明装置１０から、偏光フィルタ１９と、偏光変調板１８と、反射シート１７とを除いた部分の斜視図及び上面図であり、図３は、図２に示すIII−III線における、偏光変調板１８と、偏光フィルタ１９と、反射シート１７とを含めた面状照明装置１０の断面図である。
本面状照明装置１０は、光１１ａ、１１ｂをそれぞれ出射する光源１２ａ、１２ｂと、光源１２ａと１２ｂとに接続された制御部１６と、光１１ａと１１ｂとを混合するコンバイナ１３と、光１１ａ、１１ｂを線状に変換する導光棒１４と、線状の光を面状に変換して出射する導光板１５と、反射シート１７と、偏光変調板１８と、偏光フィルタ１９とを備える。
まず、光１１ａ、１１ｂを面状に変換するまでの仕組みを、図１乃至図３を用いて説明する。複数の光源１２ａ、１２ｂから出射された光１１ａ、１１ｂは、コンバイナ１３で合波された後、導光棒１４に入射して線状光に変換される。導光棒１４の長手方向の一面には、図２に示した様な全反射プリズム１４ａを多数配置したプリズムアレイが構成されている。この導光棒１４を用いることで、各全反射プリズム１４ａに到達した光１１ａ、１１ｂは、反射ロスなく、導光板１５側に向けて全反射され、線状光として導光棒１４から導光板１５に向けて出射し、導光板１５に入射面１５ａから入射する。なお、複数の光源１２ａ、１２ｂから出射された光を入射する側面は、上記の入射面１５ａに特に限定されず、他の側面から光を入射してもよい。
導光板１５に入射した光１１ａ、１１ｂは、導光板１５の底面に設けられた線状の全反射プリズム１５ｂ（図３参照）により、導光棒１４の全反射プリズム１４ａと同様にロスなく全反射され、導光板主面１５ｃから略垂直に面状光として出射することになる。ここで、図３に示す通り、面状照明装置１０の導光板１５の主面１５ｃ側の近傍には、偏光変調板１８と、偏光フィルタ１９とが、導光板１５側から偏光変調板１８、偏光フィルタ１９の順に配置され、さらに、導光板１５の主面１５ｃとは反対側の近傍に反射シート１７が配置されている。なお、本面状照明装置１０においては、導光棒１４と導光板１５とは別体としたが、もちろん一体化して一枚の導光板としても構わない。
次に、図２を用いて、偏光変調板１８の動作の仕組みを説明する。まず、光源１２ａ、１２ｂから出射した光１１ａ、１１ｂは、直線偏光であり、両者の偏光方向が互いに直交しているとする。例えば、図４に示す通り、導光棒１４の内部において、光１１ａの偏光方向が進行方向に対して左右方向の偏光方向となり、光１１ｂの偏光方向が進行方向に対して上下方向の偏光方向となる様に、光源１２ａ、１２ｂを配置したとする。
この場合、図４に示す通り、導光棒１４内の全反射プリズム１４ａで全反射され、さらに導光板１５内の全反射プリズム１５ｂで全反射して導光板の主面１５ｃから出射した光１１ａの偏光方向は、紙面垂直方向（図中の黒丸で示す方向）になり、光１１ｂの偏光方向は、紙面内左右方向（図中の矢印方向）となる。また、偏光変調板１８は、１／２波長板として作用する偏光変調セル１８ａと、入射する光の偏光特性を変調しない非変調セル１８ｂの二種類の領域から構成する。
このとき、１／２波長板として作用する偏光変調セル１８ａを透過した光１１ａ、１１ｂの偏光方向はそれぞれ９０度回転するため、図５に示す様に、光１１ａは、紙面内左右方向に偏光し、光１１ｂは、紙面垂直方向に偏光する。また、偏光特性を変調しない非変調セル１８ｂを透過した光１１ａ、１１ｂの偏光方向は、偏光変調板１８においてはともに変調されないため、光１１ａの偏光方向は、紙面に垂直なまま、光１１ｂの偏光方向は、紙面内左右方向のまま、偏光フィルタ１９に到達する。よって、偏光フィルタ１９に到達した光１１ａ、１１ｂの偏光方向は、透過した偏光変調板１８の偏光変調セル１８ａ、非変調セル１８ｂ毎に異なることになる。
ここで、偏光フィルタ１９が、紙面に垂直方向に偏光している光を透過し、紙面内水平方向に偏光している光を反射する特性を持っている場合、図６に示す通り、偏光変調セル１８ａを透過した光のうち、光１１ｂのみが偏光フィルタ１９を透過し、光１１ａは反射することになる。同様に、非変調セル１８ｂを透過した光のうち、光１１ａのみが偏光フィルタ１９を透過し、光１１ｂは反射することになる。なお、図６においては、説明を容易にするために、偏光フィルタ１９で反射する光１１ａ、１１ｂを、右隣の各偏光変調セル１８ａ、１８ｂへの反射として図示しているが、本来はもちろん同一の偏光変調セルや非変調セルに戻る。
さらに、偏光フィルタ１９を反射した光１１ａ、１１ｂは、再度、偏光変調板１８に戻るが、偏光変調板１８と偏光フィルタ１９とを密着させておけば、偏光フィルタ１９で反射した光１１ａは、偏光変調セル１８ａに戻り、光１１ｂは、非変調セル１８ｂに戻ることになる。
次に、偏光変調板１８を図面下向きに透過する光の偏光方向に関して、図７を用いて説明する。光１１ａは、偏光変調セル１８ａを透過すると、その偏光方向が進行方向に対して９０度回転するため、偏光変調板１８を透過した光１１ａの偏光方向は、紙面垂直方向に再度変換される。光１１ｂは、非変調セル１８ｂを透過する際には偏光方向に影響を受けないために、紙面内左右方向の偏光方向を維持したまま偏光変調板１８を透過する。
ここで、導光板１５と偏光変調板１８とで挟まれた空間を伝播する光では、紙面上向きに伝播する光も、偏光フィルタ１９で反射されて紙面下向きに伝播する光もともに、同じ偏光方向を有しており、光１１ａは、紙面垂直方向に偏光方向を持ち、光１１ｂは、紙面内水平方向に偏光方向を持つ。したがって、偏光フィルタ１９で反射されて紙面下向きに伝播して導光板１５を透過し、さらに、反射シート１７で正反射した光は、図４と同じ偏光方向を持つことになる。
よって、導光板１５に入射して全反射プリズム１５ｂで全反射した光が、紙面左右方向にわずかでも広がりながら、導光板１５の主面１５ｃから出射すれば、光１１ａであれば非変調セル１８ｂを透過するまで、光１１ｂであれば偏光変調セル１８ａを透過するまで、偏光フィルタ１９と反射シート１７との間を多重反射することになる。結果として、光量ロス無く、光１１ａは、非変調セル１８ｂの直上からのみ出射し、光１１ｂは、偏光変調セル１８ａの直上からのみ出射することになる。
なお、光１１ａ、１１ｂを導光板１５の主面１５ｃから紙面左右方向に広がりながら出射させるには、例えば、全反射プリズム１５ｂにわずかに曲率を設けても構わないし、導光板１５の入射面１５ａにわずかに曲率を設けても構わない。他の方法でももちろん構わず、その方法は限定しない。また、導光板１５に入射して全反射プリズム１５ｂで全反射した光が、紙面左右方向にわずかでも傾いた状態で導光板１５の主面１５ｃから出射するようにしてもよく、この場合も、上記と同様の効果を得ることができる。例えば、全反射プリズム１５ｂの反射面を垂直方向に反射する角度から微小角度だけ傾けて形成するようにしてもよい。
以上の構成による効果を、一例として、図８を用いて説明する。例えば、道路標識等で表示したいサインボードとして、図８に示すような左右の矢印パターンがあり、この左右の表示を切り替えて使用することを考える。その場合、偏光変調板１８の、図１〜図７で示した偏光変調セル１８ａ及び非変調セル１８ｂの形状を図８の通り矢印形状に設定し、矢印以外の部分の領域１８ｃは、入射する光を全て反射するように金属や多層膜でコートしておく。
このとき、図１に示した面状照明装置１０の光源１２ａを点灯させると、非変調セル１８ｂの領域である右向きの矢印が点灯し、さらに光源１２ｂを点灯させると、偏光変調セル１８ａである左向き矢印を点灯させることができる。即ち、制御部１６が点灯させる光源を切り替えることにより、簡便に点灯領域を切り替えることができる。
さらに、本面状照明装置は、図８とは異なるパターンを点灯させる場合であっても、偏光変調板１８の偏光変調セル１８ａや非変調セル１８ｂや領域１８ｃの構成を変えるだけで、回路構成等は何ら改造することなく、簡便に点灯領域を切り替えることができる。なお、偏光変調セル１８ａ及び非変調セル１８ｂの形状及び数等は、上記の例に特に限定されず、表示すべき対象物に応じて種々の変更が可能である。
次に、図９に示す面状照明装置３０は、図２に示す面状照明装置１０と比較して導光棒１４以降の構成は同じであるが、光源が光１１ａを出射する単一の光源１２ａからなり、光源１２ａに対して１／２波長板２０が設けられ、光源１２ａ及び１／２波長板２０を制御部１６が制御する点が異なる。
図９の面状照明装置３０に示す様に、光源が単一の光源１２ａであった場合、光源１２ａと導光棒１４の間に１／２波長板２０を配置し、１／２波長板２０を回転可能に支持しておく。このとき、例えば、図９の通り、光源１２ａから出射した光の偏光方向が紙面水平方向であり、さらに、この光が１／２波長板２０を透過すると、その偏光方向が９０度回転する様に、１／２波長板２０を配置する。この場合には、偏光変調セル１８ａの直上からのみ光１１ａが出射することになり、左向きの矢印が点灯することになる。
さらに、制御部１６からの指令により、１／２波長板２０をステッピングモータ等の回転機構（図示省略）を用いて回転させて偏光方向が紙面水平方向のまま導光棒１４に入射するようにした場合、非変調セル１８ｂの直上からのみ光１１ａが出射することになり、右向きの矢印が点灯することになる。
この様に、１／２波長板２０を用いることで、単一の光源でありながら、偏光方向を好みのタイミングで切り替えることにより、領域毎に光源を設けることなく、単一の光源のまま、照明したい領域を簡便に切り替えることが可能になる。よって、光源が単一で、かつ偏光変調セル１８ａ、非変調セル１８ｂ毎に点灯回路を別々に用意する必要がないため、面状照明装置を低コストに製作することが可能であるという効果を有する。
なお、ここでは、導光棒１４に入射する光１１ａの偏光成分が、紙面垂直方向もしくは紙面内左右方向の場合を説明したが、もちろん１／２波長板２０の配置角度を調整して光１１ａの偏光方向を紙面垂直方向と紙面内左右方向の間の角度（例えば、斜め方向）で偏光させても良く、その場合、光１１ａに含まれる紙面垂直方向の偏光の量と紙面内左右方向の偏光の量との比で、左向き矢印と、右向き矢印とを点灯させることができる。即ち、任意の光量比で任意の領域を点灯させることができる。
また、図９では、単一の光源を用いて偏光方向を所定のタイミングで変調したが、図１０の面状照明装置４０の通り、波長の異なる複数の光源を用いた場合には、さらに別の効果も有する。図１０に示す面状照明装置４０は、図９に示す面状照明装置３０と比較して導光棒１４以降の構成は同じであるが、光源が波長の異なる光２３ｒ、２３ｇ、２３ｂを出射する３個の光源２２ｒ、２２ｇ、２２ｂからなり、それぞれの光源に対して１／２波長板２０ｒ、２０ｇ、２０ｂを設け、それぞれを制御部１６に接続している点が異なる。
この状態で、点灯する光源として３個の光源２２ｒ、２２ｇ、２２ｂの中から一つを制御部１６で選択し、その偏光方向を、対応する波長板２０ｒ、２０ｇ、２０ｂの中から一つを選択して制御することで、図８の偏光変調セル１８ａ、非変調セル１８ｂの領域を光源２２ｒ、２２ｇ、２２ｂの任意の波長の光で切り替えて点灯することができる。
また、光源２２ｒ、２２ｇ、２２ｂをそれぞれ赤色光源（中心波長５７０〜６８０ｎｍ）、緑色光源（中心波長４９０〜５７０ｎｍ）、青色光源（中心波長４００〜４９０ｎｍ）とし、各光源を所定の光量で同時に点灯させることで、表示させたい領域を任意の色で点灯をさせることができる。また、点灯させたい色の光源の波長板を高速に切り替えることで、偏光変調セル１８ａ、１８ｂを視認上同時に点灯させることも可能である。さらには、光源２２ｒ、２２ｇ、２２ｂにレーザ光源を用いると、各光源の色純度が極めて高くなるため、極めて広色域の表示をさせることが可能になる。
この他、光源２２ｒ、２２ｇ、２２ｂには、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）を用いることももちろん可能である。光源にＳＬＤを用いると、光源の波長幅が広くなり、スペックルノイズが抑制されるため、より視認しやすい面状照明装置を構成することができる。
もちろん、光源２２ｒ、２２ｇ、２２ｂに発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いることも可能である。一般に発光ダイオードから出射される光の偏光方向は単一方向に偏光していない場合が多いが、その場合でも、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）等を用いれば、上記と同様に構成することが可能である。一例として、図１１において、光源１２としてＬＥＤを用いた場合の構成を説明する。
光源１２をＬＥＤとして、光源１２から出射した無偏光の光１１は、ＰＢＳ２１に入射すると、Ｐ偏光の光１１ｐとＳ偏光の光１１ｓとに分離されて出射する。さらに、Ｐ偏光の光１１ｐを１／２波長板２０ｐに入射させ、反射ミラー（図示省略）等の光学部品を用いてＳ偏光の光１１ｓを１／２波長板２０ｓに入射させる。このとき、１／２波長板２０ｐと１／２波長板２０ｓとの両方を制御部１６に接続しておく。この構成において、１／２波長板２０ｐ及び１／２波長板２０ｓの配置を、ステッピングモータ等の回転機構（図示省略）を用いて制御部１６を通して制御することで、１／２波長板２０ｐを透過した光１１ｐの偏光方向と１／２波長板２０ｓを透過した光１１ｓの偏光方向とを任意に選択することができる。この様に構成することで、偏光変調セル１８ａ及び非変調セル１８ｂを同時に任意の光量で点灯させることも可能になるという効果も有する。
なお、ここではＬＥＤを用いた例を説明したが、もちろん他の光源を用いても構わない。また、これまでは、偏光変調板１８を構成する変調セルとして偏光変調セル１８ａ及び非変調セル１８ｂを固定していたが、変調セルの構成は、上記の例に特に限定されない。例えば、偏光変調セルとして、液晶セル等の空間変調素子等を用いると、入射する光に対する任意の領域の偏光変調量を任意かつ動的に調整することができるようになり、照明するパターン形状を任意かつ動的に変更することができるというメリットも有する。
また、上で説明した実施の形態では、サインボードに対する照明例を示したが、用途はこれに限定するものではない。また、本実施の形態において、導光棒１４は上述の全反射プリズム１４ａを用いて線状に折り返したが、導光棒の構成はこの構成に限らず、ロス無く、偏光方向を維持したまま、線状光に変換できれば、どのような構成でも構わない。同様に、導光板１５の全反射プリズム１５ｂも、ロス無く、偏光方向を維持したまま、線状光に変換できれば、本実施の形態の形状に限定するものではない。
（実施の形態２）
図１２乃至図１４は、本発明の実施の形態２にかかる面状照明装置５０の説明図であり、図１２は、面状照明装置５０から、偏光フィルタ１９と、偏光変調板５８と、１／４波長板５９と、反射シート１７とを除いた面状照明装置５０の上面図であり、図１３及び図１４は、図１２のXIII−XIII線における面状照明装置５０の断面図である。
本面状照明装置５０では、光源５２ａ、５２ｂから出射した直線偏光の光５１ａ、５１ｂに対して、コンバイナ１３で合波した後、１／４波長板５３を挿入することで、光５１ａ、５１ｂの偏光を相異なる方向に回転する回転偏光に変換している点が、実施の形態１の面状照明装置１０と大きく異なる。構成要素としては、上述の１／４波長板５３と、１／４波長板５９が追加されており、１／４波長板５９は、導光板１５と反射シート１７の間に配置されている。さらに、偏光変調板５８を構成する偏光変調セル５８ａ、５８ｂが、結晶軸方向の配置が相異なる１／４波長板、即ち、互いに遅軸及び速軸の向きが異なる１／４波長板で構成されている。
上記の面状照明装置５０の具体的な動作の仕組みを、図１２乃至図１８を用いて説明する。まず、光源５２ａ、５２ｂから出射してコンバイナ１３で合波された直線偏光の光５１ａ、５１ｂを、１／４波長板５３により回転偏光に変換する。このとき、例えば、図１２の通り、光源５２ａから出射された光５１ａの偏光方向を紙面内左右方向とし、光源５２ｂから出射された光５１ｂの偏光方向を紙面垂直方向として、両者を直交させておき、コンバイナ１３で合波した状態で１／４波長板５３に入射させると、光５１ａと光５１ｂとを、回転方向が互いに逆向きの回転偏光の光とすることができる。
図１５は、光５１ａが左回転（光の進行方向において反時計回転）の回転偏光に変換される様子を説明しており、図１６は、光５１ｂが右回転（光の進行方向において時計回転）の回転偏光に変換される様子を説明している。ただし、理解し易くするため、１／４波長板５３に入射する前の光５１ａ、５１ｂは互いに直交しているが、光５１ａの偏光方向は、光の進行方向に対して左上方向から右下方向としてあり、光５１ｂの偏光方向は、光の進行方向において右上方向から左下方向としてある。さらに、１／４波長板５３の遅軸方向をｎｓ、速軸方向をｎｆとして記載しており、光５１ａ、５１ｂの電界を遅軸方向と速軸方向に分解して記載している。
この１／４波長板５３を光５１ａが透過すると、光５１ａの遅軸方向成分が１／４波長遅れるために、図１５の通り、左回転の回転偏光に変換される。同様に、この１／４波長板５３を光５１ｂが透過すると、光５１ｂの遅軸方向成分が１／４波長遅れるために、図１６の通り、右回転の回転偏光に変換される。その後、導光板１５の主面１５ｃから出射するまでの光路は、実施の形態１と同じである。
ここで、全反射プリズム１４ａと全反射プリズム１５ｂとのそれぞれで全反射する際に、Ｓ偏光成分の位相とＰ偏光成分の位相とに相対的なずれが生じるが、例えば、導光棒１４内を伝搬する光の紙面垂直方向の偏光成分は、全反射プリズム１４ａにおいてＳ偏光として略垂直に全反射し、さらに全反射プリズム１５ｂにてＰ偏光として略垂直に全反射するため、２回の全反射を経て、位相ずれ量は相殺されることになる。
このことは導光棒１４内を伝搬する光の紙面内左右方向の偏光成分も同様で、全反射プリズム１４ａにおいてＰ偏光として略垂直に全反射し、さらに全反射プリズム１５ｂにてＳ偏光として略垂直に全反射するため、２回の全反射を経て、位相ずれ量は相殺されることになる。よって、導光板１５から出射した光５１ａ、５１ｂは、図１３に示す様な回転偏光として偏光変調板５８に入射する。
ここで、偏光変調板５８の偏光変調セル５８ａ、５８ｂは双方１／４波長板から構成されているが、これも互いに光の偏光方向を回転させる向きが異なる。この様に構成された偏光変調板５８の前後での振舞いを、図１７と図１８とを用いて説明する。
導光板１５から出射して偏光変調板５８に到着した左回転の回転偏光を持つ光５１ａは、偏光変調板５８を構成する偏光変調セル５８ａ、５８ｂに入射する。ここで、偏光変調セル５８ａと偏光変調セル５８ｂとでは、図１７と図１８に示す様に、遅軸ｎｓの向きと速軸ｎｆの向きとが相異なる方向を向いている。左回転の回転偏光を持つ光５１ａがこの様な偏光変調セル５８ａ及び偏光変調セル５８ｂを透過すると、偏光変調セル５８ａから出射する光と偏光変調セル５８ｂから出射する光とは、互いに直交した直線偏光に変換されることが分かる。さらに、偏光変調セル５８ａから出射した光の偏光方向と、１／４波長板５３に入射する前の光５１ａの偏光方向とは、光の進行方向に対して同じ向きとなることが分かる。
光５１ｂに対しても同様に考えることができる。即ち、右回転の回転偏光を持つ光５１ｂが偏光変調セル５８ａ及び偏光変調セル５８ｂを透過すると、偏光変調セル５８ａから出射した光と偏光変調セル５８ｂから出射した光とは、やはり直線偏光に変換され、偏光方向は互いに直交することになる。さらに、偏光変調セル５８ａから出射した光の偏光方向と、１／４波長板５３に入射する前の光５１ｂの偏光方向とは、光の進行方向に対して同じ向きとなる。
偏光変調板５８を透過した光５１ａ、５１ｂは、この後、偏光フィルタ１９に入射する。偏光フィルタ１９は、ここでは、実施の形態１と同様に、紙面内左右方向の偏光を反射し、紙面垂直方向の偏光を透過する特性を持っている。よって、図１３及び図１４に示す様に、偏光変調セル５８ａを透過した光５１ａは、偏光フィルタ１９で反射され、偏光変調セル５８ａを透過した光５１ｂは、偏光フィルタ１９を透過する。また、偏光変調セル５８ｂを透過した光５１ａは、偏光フィルタ１９を透過し、偏光変調セル５８ｂを透過した光５１ｂは、偏光フィルタ１９で反射される。
反射された光５１ａは、再び偏光変調セル５８ａを透過することで、再度、回転偏光となる。回転偏光となった光５１ａは、このまま導光板１５を透過して反射シート１７で反射され、再度、偏光変調セル５８ａに入射する。この様に、偏光フィルタ１９と反射シート１７との間を一往復する間で、偏光変調セル５８ａを２回通過することになるため、偏光は逆方向に回転することになる。そのため、１／４波長板５９を挿入することにより、偏光フィルタ１９と反射シート１７との間を一往復する間での位相ずれを相殺している。即ち、１／４波長板５９を一往復することにより、さらに１／２波長分の位相がずれるため、偏光変調セル５８ａ、５８ｂのピッチで１／４波長板５９の構造を替える必要はない。この点については、光５１ｂも同様である。
この様に、偏光フィルタ１９と反射シート１７との間を多重反射する間で、光５１ａが偏光変調セル５８ｂを透過すれば、紙面垂直方向の偏光方向となって偏光フィルタ１９を透過し、同様に光５１ｂが偏光変調セル５８ａを透過すれば、紙面垂直方向の偏光方向となって偏光フィルタ１９を透過することになる。以上のことから、実施の形態１の面状照明装置１０と同様に、光５１ａは、偏光変調セル５８ｂの直上からのみ偏光フィルタ１９の外へ出射することになり、さらに、光５１ｂは、偏光変調セル５８ａの直上からのみ偏光フィルタ１９の外へ出射することになる。
以上により、本実施の形態では、実施の形態１の面状照明装置１０と構成は異なるが、面状照明装置１０と同様の機能を有することから、面状照明装置１０と同様の効果を有する。即ち、サインボード等において、任意の点灯パターンで極めて簡便に領域を切り替えて点灯可能であり、低コストに構成可能である。さらに、面状照明装置１０と同様に光源を複数用いて、任意の色で点灯させることも可能であり、光源も、ＬＥＤ、レーザ、ＳＬＤ等様々な光源を用いることが可能であるが、改めての説明は割愛する。
また、光を出射する単一の光源を用いてもよく、例えば、光源５２ｂ及びコンバイナ１３を省略し、図９に示す面状照明装置３０と同様に、単一の光源５２ａに対して１／２波長板を新たに設け、単一の光源５２ａ及び１／２波長板を制御部１６が制御するようにしてもよい。この場合、１／２波長板は、光源５２ａから出射された光を任意のタイミングで偏光方向を切り替えて直線偏光に変換し、１／４波長板５３は、この直線偏光を、導光板１５に入射する段階において、互いの偏光の回転方向が逆向きとなる回転偏光に変換する。
上記の構成により、回転偏光でかつ任意のタイミングで偏光方向を切り替え可能な光が導光板１５の側面１５ａから入射して主面１５ｃから出射されるので、互いの偏光の回転方向が逆向きとなる２種類の回転偏光を任意のタイミングで選択的に出射することができる。
このとき、左回転の回転偏光を持つ光５１ａは、偏光変調セル５８ｂを透過し、偏光フィルタ１９を透過する偏光方向を有する第１の光となった後、偏光フィルタ１９を透過して外部へ出射される。一方、右回転の回転偏光を持つ光５１ｂは、偏光変調セル５８ｂを透過し、偏光フィルタ１９により反射される偏光方向を有する第２の光となって、偏光フィルタ１９により内部に反射される。
また、右回転の回転偏光を持つ光５１ｂは、偏光変調セル５８ａを透過し、偏光フィルタ１９を透過する偏光方向を有する第１の光となった後、偏光フィルタ１９を透過して外部へ出射される。一方、左回転の回転偏光を持つ光５１ａは、偏光変調セル５８ａを透過し、偏光フィルタ１９により反射される偏光方向を有する第２の光となって、偏光フィルタ１９により内部に反射される。
したがって、光５１ａは、偏光変調セル５８ｂのみを介して外部へ出射され、光５１ｂは、偏光変調セル５８ａのみを介して外部へ出射されるので、極めて簡便な光学系の構成により任意の領域を選択的に照明することができ、簡便に点灯領域の切り替えが可能な面状照明装置を簡便かつ安価に構成することができる。
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３にかかる液晶表示装置について、図１９乃至図２１を用いて説明する。図１９は、本発明の実施の形態３にかかる液晶表示装置８０について示したものであり、本液晶表示装置８０の液晶パネル８１を背面から照明する面状照明装置９０ａの上面図を図２０に示した。ただし、図２０において、偏光変調板１８、偏光フィルタ１９、反射シート１７は記載していない。
図２０に示した面状照明装置９０ａは、図１０に示した面状照明装置４０と類似であるが、液晶表示装置８０に対する面状照明装置９０ａとしては、照明パターンを切り替える必要がないため、図１０における１／２波長板２０ｒ、２０ｇ、２０ｂは取り除いている。また、本液晶表示装置８０では、光源として、赤色光９１ｒ、緑色光９１ｇ、青色光９１ｂを出射する赤色光源９２ｒ、緑色光源９２ｇ、青色光源９２ｂを用いている。さらに、合波されて導光棒１４に入射する赤色光９１ｒ、緑色光９１ｇ、青色光９１ｂの各偏光方向としては、図２０の通り、緑色光９１ｇに対しては紙面垂直方向で、赤色光９１ｒ、青色光９１ｂに対しては紙面水平方向に偏光する様に各光源を配置してある。
液晶パネル８１は、面状照明装置９０ａから光が出射される側に配置され、液晶パネル８１は、下側偏光板８２、下側ガラス板８３、液晶層８４、カラーフィルタ８５、上側ガラス板８６及び上側偏光板８７から構成されている。さらに、カラーフィルタ８５は、赤色光９１ｒを透過し、緑色光９１ｇと青色光９１ｂとを吸収する赤色サブピクセル８５Ｒと、緑色光９１ｇを透過し、赤色光９１ｒと青色光９１ｂとを吸収する緑色サブピクセル８５Ｇと、青色光９１ｂを透過し、赤色光９１ｒと緑色光９１ｇとを吸収する青色サブピクセル８５Ｂとから構成される。
液晶パネル８１と導光板１５との間に、偏光変調板１８と偏光フィルタ１９とが挟まれている。図１９では、説明上、偏光変調板１８と導光板１５との間に空隙があるが、無くても構わない。偏光変調板１８は、面状照明装置１０と同様に、１／２波長板として作用する偏光変調セル１８ａと、偏光特性を変調しない非変調セル１８ｂとからなり、偏光変調セル１８ａは、緑色サブピクセル８５Ｇの直下に、非変調セル１８ｂは、赤色サブピクセル８５Ｒ及び青色サブピクセル８５Ｂの直下に配置されている。
また、面状照明装置１０と同様に、偏光フィルタ１９は、紙面垂直方向に偏光している光を透過し、紙面内左右方向に偏光している光を反射する様に配置しておく。この様な配置とすることで、緑色光９１ｇの偏光方向は、偏光変調板１８の偏光変調セル１８ａを透過すると、紙面垂直方向になるため、緑色光９１ｇは、偏光フィルタ１９を透過し、液晶パネル８１の緑色サブピクセル８５Ｇに入射することになる。また、緑色光９１ｇの偏光方向は、偏光変調板１８の非変調セル１８ｂを透過しても、紙面内左右方向のままであるため、緑色光９１ｇは、偏光フィルタ１９で反射され、以後は面状照明装置１０と同様に、偏光変調板１８の偏光変調セル１８ａに入射するまで、偏光フィルタ１９と反射シート１７の間を多重反射することになる。
同様に、赤色光９１ｒと青色光９１ｂとは、偏光変調板１８の非変調セル１８ｂを透過しても、偏光方向は紙面垂直方向のままであるため、偏光フィルタ１９を透過し、液晶パネル８１の赤色サブピクセル８５Ｒと青色サブピクセル８５Ｇとに区別なく入射することになる。また、赤色光９１ｒもしくは青色光９１ｂが偏光変調板１８の偏光変調セル１８ａを透過すると、偏光方向は紙面内左右方向になるため、偏光フィルタ１９で反射され、以後は、面状照明装置１０の場合と同様に、偏光変調板１８の非変調セル１８ｂに入射するまで、偏光フィルタ１９と反射シート１７の間を多重反射することになる。
また、カラーフィルタ８５内の各サブピクセル８５Ｒ、８５Ｇ、８５Ｂと、偏光変調板１８内の偏光変調セル１８ａ及び非変調セル１８ｂとの大きさに関して、図２１に示す構成の通り、偏光変調セル１８ａ及び非変調セル１８ｂは、マトリックス状に配列されており、偏光変調セル１８ａ及び非変調セル１８ｂの縦横のピッチを、各サブピクセル８５Ｒ、８５Ｇ、８５Ｂの縦横のピッチと同じもしくは整数倍に構成している。
ここで、偏光変調セル１８ａ及び非変調セル１８ｂから変調セルが構成され、偏光変調板１８は、マトリックス状に配列された複数の変調セル（偏光変調セル１８ａ及び非変調セル１８ｂ）を含み、変調セルである偏光変調セル１８ａ及び非変調セル１８ｂの縦方向の一辺の長さは、カラーフィルタ８５のサブピクセル８５Ｒ、８５Ｇ、８５Ｂの縦方向の一辺の長さと同じに設定され、変調セルである偏光変調セル１８ａの横方向の一辺の長さは、カラーフィルタ８５のサブピクセル８５Ｒ、８５Ｇ、８５Ｂの横方向の一辺の長さと同じに設定され、変調セルである非変調セル１８ｂの横方向の一辺の長さは、カラーフィルタ８５のサブピクセル８５Ｒ、８５Ｇ、８５Ｂの横方向の一辺の長さの整数倍（例えば、２倍）に設定されている。
こうすることで、偏光フィルタ１９により偏光変調セル１８ａの直上からのみ出射する緑色光９１ｇは、緑色サブピクセル８５Ｇにのみ入射することになり、同様に、非変調セル１８ｂの直上からのみ出射する青色光９１ｂ及び赤色光９１ｒは、青色サブピクセル８５Ｂ及び赤色サブピクセル８５Ｒにのみ入射することになる。
従来の液晶表示装置では、カラーフィルタの各サブピクセルに対して、光源から出射された光は、色の区別なく入射していたため、各サブピクセルに入射した光のうち２／３は吸収され、１／３しか画像形成に寄与しなかった。それに対して、本液晶表示装置８０では、緑色光９１ｇは、カラーフィルタ８５での吸収がなく、赤色サブピクセル８５Ｒ及び青色サブピクセル８５Ｂに入射する赤色光９１ｒ及び青色光９１ｂも、入射する光のうち１／２が利用されるため、トータルでは２／３（＝１／３＋（１／２）×（２／３））の光が利用されることになり、光利用効率が従来の２倍になるという効果を有する。また、同一輝度の光量を得るためには、エネルギーが半分で済む。
また、一般に、レーザ光線は直進性に優れるため、各光源９２ｒ、９２ｇ、９２ｂにレーザ光源やＳＬＤを用いると、偏光変調板１８から各サブピクセル８５Ｒ、８５Ｇ、８５Ｂまで伝播する間の光の拡がりを抑えることができる。この結果、緑色光９１ｇが緑色サブピクセル８５Ｇ以外のサブピクセルに入射する割合を抑えることができ、同様に赤色光９１ｒや青色光９１ｂが緑色サブピクセル８５Ｇに入射する割合も抑えることができるため、光利用効率の高い液晶表示装置を構成することができる。
もちろん、光源にＬＥＤを用いても構わない。通常、ＬＥＤは、スペクトル幅がレーザ光源よりも広く、また、出射したレーザ光の拡がり角も大きくばらつく。さらに、本実施の形態の様に、各サブピクセルに該当する色を選択的に入射させる場合、先行技術文献の特許文献３に示したような反射型波長フィルタを用いると、反射型波長フィルタの角度依存性や波長依存性が大きく、特にＬＥＤを光源に用いた場合、上述の入射角のばらつきや、波長のばらつきによって、光利用効率は高くならない。しかし、本液晶表示装置８０では、各光源から出射した光を、波長ではなく、偏光で分離しているため、入射角ばらつきや波長ばらつきが生じても、光の分離特性には何ら影響せず、高い分離特性が得られる。よって、光源にＬＥＤを用いた場合でも、高い光利用効率を達成することができる。
なお、図１９に示した様に、面状照明装置９０ａと液晶パネル８１との間は、空いていても構わないが、密着させていても構わない。密着させた場合、偏光変調板１８からカラーフィルタ８５（各サブピクセル８５Ｒ、８５Ｇ、８５Ｂ）までの距離が短くなるため、偏光変調板１８からカラーフィルタ８５まで伝播する間の光の拡がりによる光のロスを低減することができる。この場合、光利用効率をさらに向上させることができるため、より好ましい構成といえる。
さらに、非変調セル１８ｂから出射した赤色光９１ｒを赤色サブピクセル８５Ｒへ、青色光９１ｂを青色サブピクセル８５Ｂへ入射させることができれば、さらに光利用効率の高い液晶表示装置を構成することができる。例えば、図２２に示す液晶表示装置１００の様に、偏光フィルタ１９と液晶パネル８１との間に、波長フィルタ１０１を挿入すると、非変調セル１８ｂから出射した赤色光９１ｒを赤色サブピクセル８５Ｒへ、青色光９１ｂを青色サブピクセル８５Ｂへ入射させることができる。
ここで、波長フィルタ１０１は、互いに異なるフィルタ特性を有する複数のサブフィルタ１０１Ｂ、１０１Ｒ、１０１Ｇを含み、具体的には、青色光９１ｂを透過し、赤色光９１ｒを反射するサブフィルタ１０１Ｂと、赤色光９１ｒを透過し、青色光９１ｂを反射するサブフィルタ１０１Ｒと、なんら変調をしないサブフィルタ１０１Ｇとからなる。本波長フィルタ１０１を用いることにより、赤色光９１ｒは、サブフィルタ１０１Ｒに到達するまで、波長フィルタ１０１と反射シート１７との間を多重反射し、同じく青色光９１ｂも、サブフィルタ１０１Ｂに到達するまで、波長フィルタ１０１と反射シート１７との間を多重反射することになる。
この結果、波長フィルタ１０１を透過した光のうち、緑色光９１ｇは、サブピクセル８５Ｇに、赤色光９１ｒは、サブピクセル８５Ｒに、青色光９１ｂは、サブピクセル８５Ｂに入射することになる。即ち、カラーフィルタ８５において、他の色のサブピクセルに入射する成分はなくなるため、カラーフィルタでの吸収による光のロスが無くなる。上述の通り、従来はカラーフィルタに入射する光の２／３を吸収によりロスしていたが、本液晶表示装置１００を用いると、光利用効率を従来の３倍高く改善することができ、非常に光利用効率の高い液晶表示装置を構成することができる。
なお、波長フィルタ１０１を構成するサブフィルタ１０１Ｒ、１０１Ｂは、通常、屈折率の異なる誘電体多層膜を複数層積層させることで構成することができる。今回の様に、波長フィルタ１０１を構成するサブフィルタ１０１Ｒとサブフィルタ１０１Ｂとが隣接している場合、例えば、サブフィルタ１０１Ｒを製作する場合は、サブフィルタ１０１Ｂ及びサブフィルタ１０１Ｇの領域をマスクした状態で誘電体多層膜を複数層積層させ、同様にサブフィルタ１０１Ｂを製作する場合は、サブフィルタ１０１Ｒ及びサブフィルタ１０１Ｇの領域をマスクした状態で誘電体多層膜を複数層積層させることで製作することができる。なお、ここで述べた波長フィルタ１０１の製作方法や構成は、あくまで一例であり、その製作方法や構成を限定するものではなく、所望の波長特性が得られるものであれば、どのようなものでも構わない。
ここで、波長フィルタ１０１のサブフィルタ１０１Ｒ、１０１Ｂを誘電体多層膜で構成する場合、透過させたい波長と反射させたい波長とが近接していると、波長フィルタを構成するサブフィルタ１０１Ｒ、１０１Ｂそれぞれに急峻な波長特性を持たせる必要が出てくるため、膜層数が多くなる。例えば、青色光を反射させて緑色光を透過させるサブフィルタの場合、緑色光の波長が５３０ｎｍで、青色光の波長が４５０ｎｍとすると、わずか８０ｎｍの間で透過特性と反射特性を切り替える必要がある。
そこで、本液晶表示装置１００において、偏光変調板１８と偏光フィルタ１９とで分離する光を、三色の中で中間の波長である緑色光とし、波長フィルタ１０１で分離する光を青色光及び赤色光とすることで、例えば、赤色光の波長を６３０ｎｍ、青色光の波長を４５０ｎｍとすると、１８０ｎｍの間で透過特性と反射特性とを切りかえればよいため、波長フィルタ１０１の各サブフィルタには、急峻な波長特性を持たせる必要がなくなるため、コスト的にも有利な液晶表示装置を構成することが可能になる。
また、カラーフィルタ８５の各サブピクセル８５Ｒ、８５Ｇ、８５Ｂの境界には、図２３に示す通り、通常はブラックマトリックス１０２が構成されており、この部分では、光は基本的に吸収されることが分かっているため、この部分に入射する光は全てロスになる。よって、偏光変調板１８の偏光変調セル１８ａと非変調セル１８ｂとの境界に、入射する光を導光板１５側へ反射する反射コートから構成される全反射領域１０３を設けることで、この全反射領域１０３に入射する光は、すべて反射させることができる。この結果、光がブラックマトリックス１０２に入射することを抑えることが可能になり、さらに光利用効率の高い液晶表示装置１１０を構成することができる。
なお、図２３では、偏光変調板１８だけではなく、波長フィルタ１０１のサブフィルタ１０１Ｂとサブフィルタ１０１Ｒとの間にも、全反射領域１０３を設けて、同様にブラックマトリックス１０２に入射することによるロスを抑えている。こうすることで、さらに光利用効率の高い液晶表示装置１１０を構成することができる。
さらに、図２４に示す液晶表示装置１２０においても、以下に説明する動作により、図２２に示す液晶表示装置１００と同様に、赤色サブピクセル８５Ｒ、緑色サブピクセル８５Ｇ、青色サブピクセル８５Ｂそれぞれに、赤色光９１ｒ、緑色光９１ｇ、青色光９１ｂを入射させることができ、従来の液晶表示装置において見られたカラーフィルタにおける光のロスが無くなるため、カラーフィルタにおける光利用効率を、従来と比較して３倍向上させることができ、光利用効率の高い液晶表示装置を構成することができる。
図２４に示す液晶表示装置１２０は、図１９に示す液晶表示装置８０と類似する構成を有しているが、偏光変調板１８の内、非変調セル１８ｂの代わりに、偏光変調セル１８ｘと偏光変調セル１８ｙとが付加されている。ここで、偏光変調セル１８ｙは、非変調セル１８ｂと同様に、偏光方向を変えずに、緑色光９１ｇと赤色光９１ｒを透過させるが、青色光９１ｂのみ、偏光方向を紙面垂直方向から紙面内左右方向へ変えるような波長特性を有し、さらに、偏光変調セル１８ｘは、偏光方向を変えずに、緑色光９１ｇと青色光９１ｂとを透過させるが、赤色光９１ｒのみ、偏光方向を紙面垂直方向から紙面内左右方向へ変えるような波長特性を有する。さらに、偏光変調セル１８ｘの直上に青色サブピクセル８５Ｂを、偏光変調セル１８ｙの直上に赤色サブピクセル８５Ｒを配置する。
このとき、偏光変調セル１８ａにおける赤色光９１ｒ、緑色光９１ｇ、青色光９１ｂの動作は、液晶表示装置８０と同様である。一方、偏光変調セル１８ｘを透過した後、赤色光９１ｒの偏光方向は、紙面内左右方向であり、緑色光９１ｇの偏光方向も、紙面内左右方向であるが、青色光９１ｂの偏光方向のみが、紙面垂直方向になる。同様に、偏光変調セル１８ｙを透過した後、青色光９１ｂの偏光方向は、紙面内左右方向であり、緑色光９１ｇの偏光方向も、紙面内左右方向であるが、赤色光９１ｒの偏光方向のみが、紙面垂直方向になる。
また、偏光フィルタ１９は、液晶表示装置８０と同様に、紙面垂直方向の偏光成分を透過し、紙面内左右方向の偏光成分を反射する様に配置されている。こうすることで、偏光フィルタ１９からは、偏光変調セル１８ａの直上のみから緑色光９１ｇが出射し、偏光変調セル１８ｘの直上のみから青色光９１ｂが出射し、偏光変調セル１８ｙの直上のみから赤色光９１ｒが出射することになる。よって、赤色光９１ｒのみがカラーフィルタ８５内の赤色サブピクセル８５Ｒに入射し、緑色光９１ｇのみが緑色サブピクセル８５Ｇに入射し、青色光９１ｂのみが青色サブピクセル８５Ｂに入射することになる。
こうすることで、図２４に示す液晶表示装置１２０においても、図２２に示す液晶表示装置１００と同様に、従来の液晶表示装置において見られたカラーフィルタにおける光のロスが無くなるため、カラーフィルタにおける光利用効率を、従来と比較して３倍向上させることができ、光利用効率の高い液晶表示装置を構成することができる。また、上述の通り、偏光により各光源から出射した光を選択してサブフィルタに入射させているため、光源にＬＥＤを用いたときに、偏光変調板１８や偏光フィルタ１９に対して入射角がばらついた場合や、波長がばらついた場合であっても、光の分離特性が高く、光利用効率の高い液晶表示装置を構成することができる。
なお、ここでは、液晶表示装置１００と液晶表示装置１２０とを用いて、偏光方向が同じ光（ここでは赤色光９１ｒ、青色光９１ｂ）を分離する方法を説明したが、他の方法であっても、偏光方向が同じ光（ここでは赤色光９１ｒ、青色光９１ｂ）を分離できていれば構わない。
また、液晶表示装置８０や液晶表示装置１００、１１０、１２０の様に、面状照明装置９０（９０ａ、９０ｂ、９０ｃ、９０ｄ）と液晶パネル８１との間や偏光フィルタ１９と偏光変調板１８との間は、空いていても構わないが、密着させていても構わない。密着させた場合、偏光変調板１８からカラーフィルタ８５（サブピクセル８５Ｒ、８５Ｇ、８５Ｂ）までの距離が短くなるため、偏光変調板１８からカラーフィルタ８５まで伝播する間の光の拡がりによる光のロスを低減することができるため、より好ましい構成といえる。
また、本液晶表示装置８０や液晶表示装置１００、１１０、１２０においても、光源にレーザ光源やＳＬＤを用いることで、偏光変調板１８や波長フィルタ１０１からカラーフィルタ８５までの光の拡がりを抑えることができ、より光利用効率の高い、また色再現範囲の広い高画質な画像を表示することができる。もちろん、実施の形態１の面状照明装置１０で説明した様に、光源としてＬＥＤ等も用いることが可能であり、他の光源を用いても構わない。
また、本実施の形態における液晶表示装置８０、１００、１１０、１２０は、いずれも実施の形態１で説明した面状照明装置１０の様に、偏光変調板を構成する偏光変調セルとして、１／２波長板を含んだ系を用いているが、もちろん、実施の形態２で説明した面状照明装置５０の様に、偏光変調板を構成する偏光変調セルとして、１／４波長板を含んだ系で構成しても構わない。
例えば、図２４に示す液晶表示装置１２０において、図１２に示す面状照明装置と同様に、コンバイナ１３と導光棒１４との間に１／４波長板５３を挿入し、導光板１５と反射シート１７の間に１／４波長板５９を配置し、偏光変調板１８の代わりに、互いに波長特性の異なる１／４波長板として機能する第１乃至第３の偏光変調セルから構成される偏光変調板を、導光板１５と偏光フィルタ１９との間に配置するようにしてもよい。ここで、第１の偏光変調セルは、偏光変調セル１８ｙの位置に、第２の偏光変調セルは、偏光変調セル１８ｘの位置に、第３の偏光変調セルは、偏光変調セル１８ａの位置に配置されているものとする。
この場合、互いの偏光の回転方向が逆向きとなる２種類の回転偏光（例えば、赤色光及び緑色光）と、２種類の回転偏光のうち一方（例えば、赤色光）と同じ回転方向を有する回転偏光（例えば、青色光）とが導光板１５の側面１５ａから入射して主面１５ｃから出射され、これら３つの回転偏光のうち逆向きの偏光方向を有する第３の回転偏光（例えば、緑色光）は、３つの回転偏光の波長に対して１／４波長板として機能する第３の偏光変調セルを透過して、偏光フィルタ１９を透過する偏光方向を有する第３の光となり、偏光フィルタ１９を透過して外部へ出射される。一方、同じ回転方向を有する第１及び第２の回転偏光（例えば、赤色光及び青色光）は、第３の偏光変調セルを透過して、偏光フィルタにより反射される偏光方向を有する光となり、偏光フィルタ１９により内部に反射される。
また、第１の回転偏光（例えば、赤色光）は、第１の回転偏光の波長に対してのみ第３の偏光変調セルと遅軸及び速軸の向きが異なる１／４波長板として機能する第２の偏光変調セルを透過して、偏光フィルタ１９により反射される偏光方向を有する光となり、偏光フィルタ１９により内部に反射される。一方、第２の回転偏光（例えば、青色光）は、第２の偏光変調セルを透過して、偏光フィルタ１９を透過する偏光方向を有する第２の光となり、偏光フィルタ１９を透過して外部へ出射される。
さらに、第２の回転偏光（例えば、青色光）は、第２の回転偏光の波長に対してのみ第３の偏光変調セルと遅軸及び速軸の向きが異なる１／４波長板として機能する第１の偏光変調セルを透過して、偏光フィルタ１９により反射される偏光方向を有する光となり、偏光フィルタ１９により内部に反射される。一方、第１の回転偏光（例えば、赤色光）は、第１の偏光変調セルを透過して、偏光フィルタ１９を透過する偏光方向を有する第１の光となり、偏光フィルタ１９を透過して外部へ出射される。
したがって、第１の回転偏光（例えば、赤色光）は、第１の偏光変調セルのみを介して赤色サブピクセル８５Ｒへ入射し、第２の回転偏光（例えば、青色光）は、第２の偏光変調セルのみを介して青色サブピクセル８５Ｂへ入射し、第３の光（例えば、緑色光）は、第３の偏光変調セルのみを介して緑色サブピクセル８５Ｇへ入射するので、１／４波長板を含んだ系を用いる場合でも、上記と同様の効果を得ることができる。
（実施の形態４）
本実施の形態４にかかる液晶表示装置１３０を、図２５及び図２６を用いて説明する。図２５は、液晶パネル８１と、偏光フィルタ１９と、偏光変調板１８と、反射シート１７とを除いた液晶表示装置１３０の上面図であり、図２６は、図２５のXXVI-XXVI線における液晶表示装置１３０の断面図である。
本液晶表示装置１３０を構成する面状照明装置９０ｅは、実施の形態１の面状照明装置１０や面状照明装置４０と類似であるが、偏光変調板１８を構成する偏光変調セル１８ａ及び非変調セル１８ｂからなる変調セルのピッチが異なる。即ち、液晶パネル内のカラーフィルタ８５を構成するサブピクセル８５Ｒ、８５Ｇ、８５Ｂを一画素としたとき、偏光変調セル１８ａ及び非変調セル１８ｂからなる変調セルのピッチは、カラーフィルタの一画素を一ユニットとしたときの画素のピッチと同一であり、さらに、偏光変調セル１８ａと非変調セル１８ｂとを交互に配列させている。即ち、変調セルである偏光変調セル１８ａ及び非変調セル１８ｂの一辺の長さは、カラーフィルタ８５の３つのサブピクセル８５Ｒ、８５Ｇ、８５Ｂの一辺の長さの合計値と同じに設定され、各サブピクセル８５Ｒ、８５Ｇ、８５Ｂの一辺の長さの整数倍（例えば、３倍）に設定されている。
本液晶表示装置１３０において、各光源９２ｒ、９２ｇ、９２ｂから出射して１／２波長板２０ｒ、２０ｇ、２０ｂを出射した赤色光９１ｒ、緑色光９１ｇ及び青色光９１ｂが、コンバイナ１３で合波される。ここで、制御部１６は、１／２波長板２０ｒ、２０ｇ、２０ｂを制御し、合波されて導光棒１４に入射する赤色光９１ｒ、緑色光９１ｇ及び青色光９１ｂの偏光方向をいずれも、紙面内左右方向に偏光させたとする。
理解し易い様に、図２６において、紙面左右方向に偏光しながら、導光棒１４に入射する光を光１３１ｘとし、これと直交して紙面上下方向に偏光しながら、導光棒１４に入射する光を光１３１ｙとしている。即ち、赤色光９１ｒ、緑色光９１ｇ及び青色光９１ｂは、全て光１３１ｘと同じ方向に偏光している。また、実施の形態１の面状照明装置１０と同様に、偏光変調セル１８ａは、１／２波長板として機能し、非変調セル１８ｂは、ここでは何ら偏光を変調しない。さらに、偏光フィルタ１９は、これまでと同様に紙面内左右方向に偏光方向を持つ光を反射し、紙面垂直方向に偏光方向を持つ光を透過する機能を持つ。
この状態において、光１３１ｘは、実施の形態１の面状照明装置１０と同様に、１／２波長板として機能する偏光変調セル１８ａを通過すると、偏光フィルタ１９で反射されるために、非変調セル１８ｂに到達するまで偏光フィルタ１９と反射シート１７の間を多重反射することになる。また、非変調セル１８ｂに光１３１ｘが入射すると、面状照明装置１０と同様に偏光フィルタ１９を透過し、面状照明装置９０ｅから紙面内上向きに出射する。よって、光１３１ｘの赤色光９１ｒ、緑色光９１ｇ及び青色光９１ｂは、偏光フィルタ１９の非変調セル１８ｂの直上からのみ出射することになる。
また、制御部１６は、１／２波長板２０ｒ、２０ｇ、２０ｂを制御し、合波されて導光棒１４に入射する赤色光９１ｒ、緑色光９１ｇ及び青色光９１ｂの偏光方向が紙面内上下方向に偏光させたとすると、導光棒１４に入射する光は、光１３１ｙとなり、光１３１ｙの赤色光９１ｒ、緑色光９１ｇ及び青色光９１ｂは、偏光フィルタ１９の偏光変調セル１８ａの直上からのみ出射することになる。
上記のように構成された本液晶表示装置１３０を用いると、例えば、図２７の様な三次元表示が可能な三次元液晶表示装置１５０を構成できる。図２７の様に、液晶パネル８１と、シャッターメガネ１３２とを制御部１６に接続する。シャッターメガネ１３２は、通常のメガネにおけるレンズの部分がシャッターになっており、制御部１６により任意のタイミングで左右独立にシャッターを開閉できる。図２７では、制御部１６と、シャッターメガネ１３２とを直接結線して接続しているが、もちろん、無線で制御しても構わない。
次に、三次元液晶表示装置１５０の動作の仕組みを説明する。ここでは、例えば、図２６に示すように、非変調セル１８ｂの直上に存在する液晶パネル８１の画素１３３ｂは、左目用画像を表示し、偏光変調セル１８ａの直上に存在する液晶パネル８１の画素１３３ａは、右目用画像を表示するとする。
具体的には、各光源９２ｒ、９２ｇ、９２ｂが点灯され、液晶パネル８１に左目用画像及び右目用画像が表示された状態において、制御部１６は、所定のタイミングで１／２波長板２０ｒ、２０ｇ、２０ｂを制御して、赤色光９１ｒ、緑色光９１ｇ、青色光９１ｂの偏光方向を図２６の光１３１ｘの方向に偏光させる。さらに、制御部１６は、同じタイミングでシャッターメガネ１３２の左目シャッターを開け、右目シャッターを閉じる。こうすることにより、液晶パネルに表示された左目用画像のみが左目に入射することになる。
次に、制御部１６は、所定のタイミングで１／２波長板２０ｒ、２０ｇ、２０ｂを制御して、赤色光９１ｒ、緑色光９１ｇ及び青色光９１ｂの偏光方向を図２６の光１３１ｙの方向に偏光させる。さらに、制御部１６は、同じタイミングでシャッターメガネ１３２の右目シャッターを開け、左目シャッターを閉じる。こうすることにより、液晶パネルに表示された右目用画像のみが右目に入射することになる。
以上の動作により、視聴者は、液晶パネル８１に表示された画像を三次元画像として認識することになる。さらに、次のフレーム画像が液晶パネル８１に表示され、上記の動作を繰り返すことにより、三次元の動画を視聴することができる。この様に構成することで、例えば、右目用画像を表示している間は、左目用画像に該当する画素１３３ｂには、光が入射しないため、光のロスがなく、高効率な三次元液晶表示装置を構成することができる。
また、通常の三次元表示装置の液晶パネルのように、１フレーム期間において、左目用画像と右目用画像とを交互に切り替えるのではなく、１フレーム期間の間、画素１３３ｂには左目用画像を、画素１３３ａには右目用画像を書き込んだ状態を維持することができるため、液晶パネル８１として応答特性が遅い液晶パネルを用いた場合でも、クロストークのない良好な三次元画像を表示することができる。また、液晶パネル８１の画素１３３ｂの上に、視聴者の左目に左目用画像を導くようにレンチキュラーレンズを形成するとともに、画素１３３ａの上に、視聴者の右目に右目用画像を導くようにレンチキュラーレンズを形成すれば、視聴者は、シャッターメガネを用いることなく、三次元画像を視聴することができる。
なお、本三次元液晶表示装置１５０においても、光源にレーザ光を用いることで、色再現範囲の広い高画質な画像を表示することができる。もちろん、実施の形態１の面状照明装置１０で説明した様に、光源としてＬＥＤやＳＬＤ等も用いることが可能であり、他の光源を用いても構わない。
また、本実施の形態における三次元液晶表示装置１５０は、いずれも実施の形態１で説明した面状照明装置１０の様に、偏光変調板を構成する偏光変調セルとして、１／２波長板を含んだ系を用いているが、もちろん、実施の形態２で説明した面状照明装置５０の様に、偏光変調板を構成する偏光変調セルとして、１／４波長板を含んだ系で構成しても構わない。
また、上記の各実施の形態に示す構成は、一例であって、発明の趣旨を逸脱しない範囲でさまざまな変形を加えることができるのは言うまでも無い。また、上で述べた各実施の形態やそれらを変形した発明を組み合わせて用いることも、もちろん可能である。
上記の各実施の形態から本発明について要約すると、以下のようになる。即ち、本発明に係る面状照明装置は、光を出射する複数の光源と、前記光源から出射された光をいずれかの側面から入射して一方の主面から出射する導光板と、所定の偏光方向の光を透過し、前記所定の偏光方向に対して直交する偏光方向の光を反射する偏光フィルタと、入射する光の偏光特性に対して所定の変調を行う偏光変調板と、入射する光を正反射する反射シートとを備え、前記偏光フィルタ及び前記偏光変調板は、前記導光板の前記一方の主面近傍に、前記導光板側から前記偏光変調板、前記偏光フィルタの順に配置され、前記反射シートは、前記導光板の前記一方の主面とは逆側の主面近傍に配置され、前記複数の光源から出射された光のうち少なくとも２つは、前記導光板に入射する段階において、互いの偏光方向が直交した直線偏光を含み、前記偏光変調板は、１／２波長板として機能する偏光変調セルと、偏光特性を変調しない非変調セルとを含む。
この面状照明装置においては、互いの偏光方向が直交した２種類の直線偏光が導光板の側面から入射して一方の主面から出射され、これら２種類の光のうち、偏光フィルタを透過する偏光方向を有する第１の光は、非変調セル及び偏光フィルタを透過して外部へ出射され、偏光フィルタにより反射される偏光方向を有する第２の光は、非変調セルを透過した後、偏光フィルタにより内部に反射される。
また、第１及び第２の光が１／２波長板として機能する偏光変調セルを透過する際に、第１及び第２の光の偏光方向が変換され、第１の光は、第２の光となって偏光フィルタにより内部に反射され、第２の光は、第１の光となって偏光フィルタを透過して外部へ出射される。
したがって、第１の光は、非変調セルのみを介して外部へ出射され、第２の光は、偏光変調セルのみを介して外部へ出射されるので、極めて簡便な光学系の構成により任意の領域を選択的に照明することができ、簡便に点灯領域の切り替えが可能な面状照明装置を簡便かつ安価に構成することができる。
本発明に係る他の面状照明装置は、光を出射する光源と、前記光源から出射された光をいずれかの側面から入射して一方の主面から出射する導光板と、所定の偏光方向の光を透過し、前記所定の偏光方向に対して直交する偏光方向の光を反射する偏光フィルタと、入射する光の偏光特性に対して所定の変調を行う偏光変調板と、入射する光を正反射する反射シートとを備え、前記偏光フィルタ及び前記偏光変調板は、前記導光板の前記一方の主面近傍に、前記導光板側から前記偏光変調板、前記偏光フィルタの順に配置され、前記反射シートは、前記導光板の前記一方の主面とは逆側の主面近傍に配置され、前記光源から出射された光は、前記導光板に入射する段階において、直線偏光でかつ任意のタイミングで偏光方向を切り替え可能な光を含み、前記偏光変調板は、１／２波長板として機能する偏光変調セルと、偏光特性を変調しない非変調セルとを含む。
この面状照明装置においては、直線偏光でかつ任意のタイミングで偏光方向を切り替え可能な光が導光板の側面から入射して一方の主面から出射されるので、偏光フィルタを透過する偏光方向を有する第１の光が入射されているときは、第１の光は、非変調セル及び偏光フィルタを透過して外部へ出射され、一方、偏光フィルタにより反射される偏光方向を有する第２の光が入射されているときは、第２の光は、非変調セルを透過した後、偏光フィルタにより内部に反射される。
また、第１又は第２の光が１／２波長板として機能する偏光変調セルを透過する際に、その偏光方向が変換され、第１の光は、第２の光となって偏光フィルタにより内部に反射され、第２の光は、第１の光となって偏光フィルタを透過して外部へ出射される。
したがって、第１の光が入射されているときは、第１の光は、非変調セルのみを介して外部へ出射され、一方、第２の光が入射されているときは、第２の光は、偏光変調セルのみを介して外部へ出射されるので、極めて簡便な光学系の構成により任意の領域を選択的に照明することができ、簡便に点灯領域の切り替えが可能な面状照明装置を簡便かつ安価に構成することができる。また、光源が単一で、かつ偏光変調セル及び非変調セル毎に点灯回路を別々に用意する必要がないため、面状照明装置をより低コストに製作することができる。
本発明に係る他の面状照明装置は、相異なる波長の光を出射する少なくとも３つの光源と、前記光源から出射された光をいずれかの側面から入射して一方の主面から出射する導光板と、所定の偏光方向の光を透過し、前記所定の偏光方向に対して直交する偏光方向の光を反射する偏光フィルタと、入射する光の偏光特性に対して所定の変調を行う偏光変調板と、入射する光を正反射する反射シートとを備え、前記偏光フィルタ及び前記偏光変調板は、前記導光板の前記一方の主面近傍に、前記導光板側から前記偏光変調板、前記偏光フィルタの順に配置され、前記反射シートは、前記導光板の前記一方の主面とは逆側の主面近傍に配置され、前記少なくとも３つの光源から出射された光のうち少なくとも２つは、前記導光板に入射する段階において、互いの偏光方向が直交した直線偏光を含み、前記偏光変調板は、互いに波長特性の異なる１／２波長板として機能する少なくとも３種類の偏光変調セルを含む。
この面状照明装置においては、少なくとも３つの光源から、互いの偏光方向が直交した２種類の直線偏光と、この２種類の直線偏光のうちの一方と同じ偏光方向を有する直線偏光とが導光板の側面から入射して一方の主面から出射され、これら３つの光のうち、偏光フィルタを透過する偏光方向を有する第１及び第２の光は、３つの光の波長に対して１／２波長板として機能する第３の偏光変調セルを透過する際に、その偏光方向が変換され、偏光フィルタにより内部に反射され、一方、偏光フィルタにより反射される偏光方向を有する第３の光は、第３の偏光変調セルを透過する際に、その偏光方向が変換され、偏光フィルタを透過して外部へ出射される。
また、第１の光は、第１の光の波長に対してのみ１／２波長板として機能する第２の偏光変調セルを透過する際に、その偏光方向が変換され、偏光フィルタにより内部に反射され、一方、第２の光は、第２偏光変調セルを透過しても、その偏光方向は変換されず、偏光フィルタを透過して外部へ出射される。
さらに、第２の光は、第２の光の波長に対してのみ１／２波長板として機能する第１の偏光変調セルを透過する際に、その偏光方向が変換され、偏光フィルタにより内部に反射され、一方、第１の光は、第１の偏光変調セルを透過しても、その偏光方向は変換されず、偏光フィルタを透過して外部へ出射される。
したがって、第１の光は、第２の光に対してのみ１／２波長板として機能する第１の偏光変調セルのみを介して外部へ出射され、第２の光は、第１の光に対してのみ１／２波長板として機能する第２の偏光変調セルのみを介して外部へ出射され、第３の光は、３つの光に対して１／２波長板として機能する第３の偏光変調セルのみを介して外部へ出射されるので、極めて簡便な光学系の構成により任意の領域を選択的に照明することができ、簡便に点灯領域の切り替えが可能な面状照明装置を簡便かつ安価に構成することができる。
本発明に係る他の面状照明装置は、光を出射する複数の光源と、前記光源から出射された光をいずれかの側面から入射して一方の主面から出射する導光板と、所定の偏光方向の光を透過し、前記所定の偏光方向に対して直交する偏光方向の光を反射する偏光フィルタと、入射する光の偏光特性に対して所定の変調を行う偏光変調セルを含む偏光変調板と、入射する光を正反射する反射シートとを備え、前記偏光フィルタ及び前記偏光変調板は、前記導光板の前記一方の主面近傍に、前記導光板側から前記偏光変調板、前記偏光フィルタの順に配置され、前記反射シートは、前記導光板の前記一方の主面とは逆側の主面近傍に配置され、前記複数の光源から出射された光のうち少なくとも２つは、前記導光板に入射する段階において、互いの偏光の回転方向が逆向きとなる回転偏光を含み、前記偏光変調板は、互いに遅軸及び速軸の向きが異なる１／４波長板として機能する複数種類の偏光変調セルを含む。
この面状照明装置においては、互いの偏光の回転方向が逆向きとなる２種類の回転偏光が導光板の側面から入射して一方の主面から出射され、出射される２種類の回転偏光のうち第１の回転偏光は、互いに遅軸及び速軸の向きが異なる１／４波長板として機能する第１及び第２の偏光変調セルのうち第１の偏光変調セルを透過し、偏光フィルタを透過する偏光方向を有する第１の光となり、偏光フィルタを透過して外部へ出射され、一方、第２の回転偏光は、第１の偏光変調セルを透過し、偏光フィルタにより反射される偏光方向を有する第２の光となり、偏光フィルタにより内部に反射される。
また、第２の回転偏光は、第２の偏光変調セルを透過し、偏光フィルタを透過する偏光方向を有する第１の光となり、偏光フィルタを透過して外部へ出射され、一方、第１の回転偏光は、第２の偏光変調セルを透過し、偏光フィルタにより反射される偏光方向を有する第２の光となり、偏光フィルタにより内部に反射される。
したがって、第１の回転偏光は、第１の偏光変調セルのみを介して外部へ出射され、第２の回転偏光は、第２の偏光変調セルのみを介して外部へ出射されるので、極めて簡便な光学系の構成により任意の領域を選択的に照明することができ、簡便に点灯領域の切り替えが可能な面状照明装置を簡便かつ安価に構成することができる。
本発明に係る他の面状照明装置は、光を出射する光源と、前記光源から出射された光をいずれかの側面から入射して一方の主面から出射する導光板と、所定の偏光方向の光を透過し、前記所定の偏光方向に対して直交する偏光方向の光を反射する偏光フィルタと、入射する光の偏光特性に対して所定の変調を行う偏光変調板と、入射する光を正反射する反射シートとを備え、前記偏光フィルタ及び前記偏光変調板は、前記導光板の前記一方の主面近傍に、前記導光板側から前記偏光変調板、前記偏光フィルタの順に配置され、前記反射シートは、前記導光板の前記一方の主面とは逆側の主面近傍に配置され、前記光源から出射された光は、前記導光板に入射する段階において、回転偏光でかつ任意のタイミングで偏光の回転方向を切り替え可能な光を含み、前記偏光変調板は、互いに遅軸及び速軸の向きが異なる１／４波長板として機能する複数種類の偏光変調セルを含む。
この面状照明装置においては、回転偏光でかつ任意のタイミングで偏光方向を切り替え可能な光が導光板の側面から入射して一方の主面から出射されるので、互いの偏光の回転方向が逆向きとなる２種類の回転偏光を任意のタイミングで選択的に出射することができる。
このとき、出射される２種類の回転偏光のうち第１の回転偏光は、互いに遅軸及び速軸の向きが異なる１／４波長板として機能する第１及び第２の偏光変調セルのうち第１の偏光変調セルを透過し、偏光フィルタを透過する偏光方向を有する第１の光となり、偏光フィルタを透過して外部へ出射され、一方、第２の回転偏光は、第１の偏光変調セルを透過し、偏光フィルタにより反射される偏光方向を有する第２の光となり、偏光フィルタにより内部に反射される。
また、第２の回転偏光は、第２の偏光変調セルを透過し、偏光フィルタを透過する偏光方向を有する第１の光となり、偏光フィルタを透過して外部へ出射され、一方、第１の回転偏光は、第２の偏光変調セルを透過し、偏光フィルタにより反射される偏光方向を有する第２の光となり、偏光フィルタにより内部に反射される。
したがって、第１の回転偏光は、第１の偏光変調セルのみを介して外部へ出射され、第２の回転偏光は、第２の偏光変調セルのみを介して外部へ出射されるので、極めて簡便な光学系の構成により任意の領域を選択的に照明することができ、簡便に点灯領域の切り替えが可能な面状照明装置を簡便かつ安価に構成することができる。また、光源が単一で、かつ第１及び第２の偏光変調セル毎に点灯回路を別々に用意する必要がないため、面状照明装置を低コストに製作することができる。
本発明に係る他の面状照明装置は、相異なる波長の光を出射する少なくとも３つの光源と、前記光源から出射された光をいずれかの側面から入射して一方の主面から出射する導光板と、所定の偏光方向の光を透過し、前記所定の偏光方向に対して直交する偏光方向の光を反射する偏光フィルタと、入射する光の偏光特性に対して所定の変調を行う偏光変調板と、入射する光を正反射する反射シートとを備え、前記偏光フィルタ及び前記偏光変調板は、前記導光板の前記一方の主面近傍に、前記導光板側から前記偏光変調板、前記偏光フィルタの順に配置され、前記反射シートは、前記導光板の前記一方の主面とは逆側の主面近傍に配置され、前記少なくとも３つの光源から出射された光のうち少なくとも２つは、前記導光板に入射する段階において、互いの偏光の回転方向が逆向きとなる回転偏光を含み、前記偏光変調板は、互いに波長特性の異なる１／４波長板として機能する少なくとも３種類の偏光変調セルを含む。
この面状照明装置においては、互いの偏光の回転方向が逆向きとなる２種類の回転偏光と、２種類の回転偏光のうちの一方と同じ回転方向を有する回転偏光とが導光板の側面から入射して一方の主面から出射され、これら３つの回転偏光のうち逆向きの偏光方向を有する第３の回転偏光は、３つの回転偏光の波長に対して１／４波長板として機能する第３の偏光変調セルを透過し、偏光フィルタを透過する偏光方向を有する第３の光となり、偏光フィルタを透過して外部へ出射され、一方、同じ回転方向を有する第１及び第２の回転偏光は、第３の偏光変調セルを透過し、偏光フィルタにより反射される偏光方向を有する光となって、偏光フィルタにより内部に反射される。
また、第１の回転偏光は、第１の回転偏光の波長に対してのみ第３の偏光変調セルと遅軸及び速軸の向きが異なる１／４波長板として機能する第２の偏光変調セルを透過し、偏光フィルタにより反射される偏光方向を有する光となり、偏光フィルタにより内部に反射され、一方、第２の回転偏光は、第２の偏光変調セルを透過し、偏光フィルタを透過する偏光方向を有する第２の光となり、偏光フィルタを透過して外部へ出射される。
さらに、第２の回転偏光は、第２の回転偏光の波長に対してのみ第３の偏光変調セルと遅軸及び速軸の向きが異なる１／４波長板として機能する第１の偏光変調セルを透過し、偏光フィルタにより反射される偏光方向を有する光となり、偏光フィルタにより内部に反射され、第１の回転偏光は、第１の偏光変調セルを透過し、偏光フィルタを透過する偏光方向を有する第１の光となり、偏光フィルタを透過して外部へ出射される。
したがって、第１の回転偏光は、第１の偏光変調セルのみを介して外部へ出射され、第２の回転偏光は、第２の偏光変調セルのみを介して外部へ出射され、第３の回転偏光は、第３の偏光変調セルのみを介して外部へ出射されるので、極めて簡便な光学系の構成により任意の領域を選択的に照明することができ、簡便に点灯領域の切り替えが可能な面状照明装置を簡便かつ安価に構成することができる。
前記複数の光源は、相異なる波長の光を出射する２つの光源を含むことが好ましい。この場合、波長の異なる２つの光を用いて、任意の領域を選択的に照明することができるとともに、簡便に点灯領域を切り替えることができる。
前記複数の光源は、相異なる波長の光を出射する少なくとも３つの光源を含み、前記偏光フィルタに対して前記偏光変調板とは逆側に配置され、互いに異なるフィルタ特性を有する複数のサブフィルタを含む波長フィルタをさらに備え、前記複数のサブフィルタは、所定波長の光を透過し、前記所定波長以外の光のうち少なくとも一部を反射させるサブフィルタを含むことが好ましい。
この場合、波長の異なる３つの光を複数のサブフィルタにより分離して出射することができるので、この面状照明装置を液晶表示装置に用いた場合、光の利用効率を向上することができる。
前記３つの光源は、青色光を出射する青色光源、緑色光を出射する緑色光源、及び赤色光を出射する赤色光源を含み、前記偏光変調板及び前記偏光フィルタは、前記緑色光を分離し、前記波長フィルタは、前記青色光と前記赤色光とを分離することが好ましい。
この場合、偏光変調板と偏光フィルタとで分離する光を、三色の中で中間の波長である緑色光とし、波長フィルタで分離する光を青色光及び赤色光とすることができるので、波長フィルタにおいて透過特性と反射特性とを切り替えるために使用可能な波長範囲が広くなり、波長フィルタの各サブフィルタに急峻な波長特性を持たせる必要がなくなるため、波長フィルタを容易に製造することができるとともに、低コスト化を図ることができる。
前記偏光変調セルは、入射する光に対する任意の領域の偏光変調量を任意かつ動的に調整することが好ましい。この場合、照明するパターン形状を任意かつ動的に変更することができる。
前記３つの光源は、中心波長４００〜４９０ｎｍの光を出射する青色光源、中心波長４９０〜５７０ｎｍの光を出射する緑色光源、及び中心波長５７０〜６８０ｎｍの光を出射する赤色光源を含むことが好ましい。
この場合、各光源を所定の光量で同時に点灯させることで、表示させたい領域を任意の色で点灯をさせることができる。
前記光源は、レーザ光源を含むことが好ましい。この場合、光源の色純度が極めて高くなるため、極めて広色域の表示をさせることが可能になる。
前記光源は、スーパールミネッセントダイオードを含んでもよい。この場合、光源の波長幅が広くなり、スペックルノイズが抑制されるため、より視認しやすい面状照明装置を構成することができる。
前記光源は、発光ダイオードを含んでもよい。この場合、装置の低コスト化を図ることができる。
本発明に係る液晶表示装置は、液晶パネルと、前記液晶パネルを背面から照明する上記面状照明装置とを備え、前記液晶パネルは、カラーフィルタを内蔵し、前記偏光フィルタの前記偏光変調板とは逆側に配置される。
この液晶表示装置においては、極めて簡便な光学系の構成により任意の領域を選択的に照明することができる面状照明装置を用いているので、光利用効率が高く、消費電力の低い液晶表示装置を簡便な構成で低コストに構成することができる。
前記偏光変調板は、マトリックス状に配列された複数の変調セルを含み、前記変調セルの一辺の長さは、前記カラーフィルタのサブピクセルの一辺の長さと同じ又は整数倍であることが好ましい。
この場合、各変調セルの直上から対応する色の光のみを、対応する色のカラーフィルタへ入射することができるので、光利用効率を向上することができ、同一輝度の光量を得る場合は、使用するエネルギーを減少させて消費電力を削減することができる。
前記変調セル間の境界領域に設けられ、入射する光を導光板側へ反射する反射コートをさらに備えることが好ましい。
この場合、反射コートに入射するすべての光を内部へ反射させることができるので、カラーフィルタの各サブピクセルの境界にブラックマトリックスが形成されている場合、ブラックマトリックスに光が不要に吸収されることを防止し、光利用効率をさらに高めることができる。
本発明の面状照明装置は、簡便な光学系の構成により面状照明装置から出射される光の領域を制御することができるので、安価な面状照明装置として利用することができる。また、本発明の面状照明装置を用いて液晶表示装置を構成することで、簡便な構成で液晶パネルのサブピクセルに対して該当する色の光を分離して入射させることができるため、低コストでかつ光利用効率が高く消費電力の低い液晶表示装置を構成することができる。したがって、本発明の面状照明装置及びこれを用いた液晶表示装置は、照明装置やディスプレイ装置全般に適用することができ、有用である。

Claims (17)

  1. 光を出射する複数の光源と、
    前記光源から出射された光をいずれかの側面から入射して一方の主面から出射する導光板と、
    所定の偏光方向の光を透過し、前記所定の偏光方向に対して直交する偏光方向の光を反射する偏光フィルタと、
    入射する光の偏光特性に対して所定の変調を行う偏光変調板と、
    入射する光を正反射する反射シートとを備え、
    前記偏光フィルタ及び前記偏光変調板は、前記導光板の前記一方の主面近傍に、前記導光板側から前記偏光変調板、前記偏光フィルタの順に配置され、
    前記反射シートは、前記導光板の前記一方の主面とは逆側の主面近傍に配置され、
    前記複数の光源から出射された光のうち少なくとも２つは、前記導光板に入射する段階において、互いの偏光方向が直交した直線偏光を含み、
    前記偏光変調板は、１／２波長板として機能する偏光変調セルと、偏光特性を変調しない非変調セルとを含むことを特徴とする面状照明装置。
  2. 光を出射する光源と、
    前記光源から出射された光をいずれかの側面から入射して一方の主面から出射する導光板と、
    所定の偏光方向の光を透過し、前記所定の偏光方向に対して直交する偏光方向の光を反射する偏光フィルタと、
    入射する光の偏光特性に対して所定の変調を行う偏光変調板と、
    入射する光を正反射する反射シートとを備え、
    前記偏光フィルタ及び前記偏光変調板は、前記導光板の前記一方の主面近傍に、前記導光板側から前記偏光変調板、前記偏光フィルタの順に配置され、
    前記反射シートは、前記導光板の前記一方の主面とは逆側の主面近傍に配置され、
    前記光源から出射された光は、前記導光板に入射する段階において、直線偏光でかつ任意のタイミングで偏光方向を切り替え可能な光を含み、
    前記偏光変調板は、１／２波長板として機能する偏光変調セルと、偏光特性を変調しない非変調セルとを含むことを特徴とする面状照明装置。
  3. 相異なる波長の光を出射する少なくとも３つの光源と、
    前記光源から出射された光をいずれかの側面から入射して一方の主面から出射する導光板と、
    所定の偏光方向の光を透過し、前記所定の偏光方向に対して直交する偏光方向の光を反射する偏光フィルタと、
    入射する光の偏光特性に対して所定の変調を行う偏光変調板と、
    入射する光を正反射する反射シートとを備え、
    前記偏光フィルタ及び前記偏光変調板は、前記導光板の前記一方の主面近傍に、前記導光板側から前記偏光変調板、前記偏光フィルタの順に配置され、
    前記反射シートは、前記導光板の前記一方の主面とは逆側の主面近傍に配置され、
    前記少なくとも３つの光源から出射された光のうち少なくとも２つは、前記導光板に入射する段階において、互いの偏光方向が直交した直線偏光を含み、
    前記偏光変調板は、互いに波長特性の異なる１／２波長板として機能する少なくとも３種類の偏光変調セルを含むことを特徴とする面状照明装置。
  4. 光を出射する複数の光源と、
    前記光源から出射された光をいずれかの側面から入射して一方の主面から出射する導光板と、
    所定の偏光方向の光を透過し、前記所定の偏光方向に対して直交する偏光方向の光を反射する偏光フィルタと、
    入射する光の偏光特性に対して所定の変調を行う偏光変調セルを含む偏光変調板と、
    入射する光を正反射する反射シートとを備え、
    前記偏光フィルタ及び前記偏光変調板は、前記導光板の前記一方の主面近傍に、前記導光板側から前記偏光変調板、前記偏光フィルタの順に配置され、
    前記反射シートは、前記導光板の前記一方の主面とは逆側の主面近傍に配置され、
    前記複数の光源から出射された光のうち少なくとも２つは、前記導光板に入射する段階において、互いの偏光の回転方向が逆向きとなる回転偏光を含み、
    前記偏光変調板は、互いに遅軸及び速軸の向きが異なる１／４波長板として機能する複数種類の偏光変調セルを含むことを特徴とする面状照明装置。
  5. 光を出射する光源と、
    前記光源から出射された光をいずれかの側面から入射して一方の主面から出射する導光板と、
    所定の偏光方向の光を透過し、前記所定の偏光方向に対して直交する偏光方向の光を反射する偏光フィルタと、
    入射する光の偏光特性に対して所定の変調を行う偏光変調板と、
    入射する光を正反射する反射シートとを備え、
    前記偏光フィルタ及び前記偏光変調板は、前記導光板の前記一方の主面近傍に、前記導光板側から前記偏光変調板、前記偏光フィルタの順に配置され、
    前記反射シートは、前記導光板の前記一方の主面とは逆側の主面近傍に配置され、
    前記光源から出射された光は、前記導光板に入射する段階において、回転偏光でかつ任意のタイミングで偏光の回転方向を切り替え可能な光を含み、
    前記偏光変調板は、互いに遅軸及び速軸の向きが異なる１／４波長板として機能する複数種類の偏光変調セルを含むことを特徴とする面状照明装置。
  6. 相異なる波長の光を出射する少なくとも３つの光源と、
    前記光源から出射された光をいずれかの側面から入射して一方の主面から出射する導光板と、
    所定の偏光方向の光を透過し、前記所定の偏光方向に対して直交する偏光方向の光を反射する偏光フィルタと、
    入射する光の偏光特性に対して所定の変調を行う偏光変調板と、
    入射する光を正反射する反射シートとを備え、
    前記偏光フィルタ及び前記偏光変調板は、前記導光板の前記一方の主面近傍に、前記導光板側から前記偏光変調板、前記偏光フィルタの順に配置され、
    前記反射シートは、前記導光板の前記一方の主面とは逆側の主面近傍に配置され、
    前記少なくとも３つの光源から出射された光のうち少なくとも２つは、前記導光板に入射する段階において、互いの偏光の回転方向が逆向きとなる回転偏光を含み、
    前記偏光変調板は、互いに波長特性の異なる１／４波長板として機能する少なくとも３種類の偏光変調セルを含むことを特徴とする面状照明装置。
  7. 前記複数の光源は、相異なる波長の光を出射する２つの光源を含むことを特徴とする請求項１又は４に記載の面状照明装置。
  8. 前記複数の光源は、相異なる波長の光を出射する少なくとも３つの光源を含み、
    前記偏光フィルタに対して前記偏光変調板とは逆側に配置され、互いに異なるフィルタ特性を有する複数のサブフィルタを含む波長フィルタをさらに備え、
    前記複数のサブフィルタは、所定波長の光を透過し、前記所定波長以外の光のうち少なくとも一部を反射させるサブフィルタを含むことを特徴とする請求項１又は４に記載の面状照明装置。
  9. 前記３つの光源は、青色光を出射する青色光源、緑色光を出射する緑色光源、及び赤色光を出射する赤色光源を含み、
    前記偏光変調板及び前記偏光フィルタは、前記緑色光を分離し、
    前記波長フィルタは、前記青色光と前記赤色光とを分離することを特徴とする請求項８に記載の面状照明装置。
  10. 前記偏光変調セルは、入射する光に対する任意の領域の偏光変調量を任意かつ動的に調整することを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の面状照明装置。
  11. 前記３つの光源は、中心波長４００〜４９０ｎｍの光を出射する青色光源、中心波長４９０〜５７０ｎｍの光を出射する緑色光源、及び中心波長５７０〜６８０ｎｍの光を出射する赤色光源を含むこと特徴とする請求項３、６及び８のいずれかに記載の面状照明装置。
  12. 前記光源は、レーザ光源を含むことを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の面状照明装置。
  13. 前記光源は、スーパールミネッセントダイオードを含むことを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の面状照明装置。
  14. 前記光源は、発光ダイオードを含むことを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の面状照明装置。
  15. 液晶パネルと、
    前記液晶パネルを背面から照明する請求項１〜１４のいずれかに記載の面状照明装置とを備え、
    前記液晶パネルは、カラーフィルタを内蔵し、前記偏光フィルタの前記偏光変調板とは逆側に配置されることを特徴とする液晶表示装置。
  16. 前記偏光変調板は、マトリックス状に配列された複数の変調セルを含み、
    前記変調セルの一辺の長さは、前記カラーフィルタのサブピクセルの一辺の長さと同じ又は整数倍であることを特徴とする請求項１５に記載の液晶表示装置。
  17. 前記変調セル間の境界領域に設けられ、入射する光を導光板側へ反射する反射コートをさらに備えることを特徴とする請求項１６に記載の液晶表示装置。
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