JP2000501858A - フラットパネル画像表示装置用照明装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、出射面及び複数の端面（１３）を有する光学的に透明な材料の光導波路（１１）と、導波路（１１）の少なくとも一つの端面（１３）を通じて導波路（１１）に光を結合する光源（９）とを具える照明装置（３）に関するものである。導波路（１１）は、光源から放出された光を偏光する偏光手段を更に具える。導波路（１１）は少なくとも二つの層を具え、そのうちの一方の層は、屈折率ｎ_e及びｎ_oを有する光学的に異方性の材料を具え、他方の層は、屈折率ｎ_iを有する光学的に等方性の材料を具え、屈折率ｎ_e又はｎ_oを少なくともｎ_iに等しくする。偏光分離が等方性の材料と異方性の材料の間の界面で生じるようにするために、屈折率に対して、ｎ_e又はｎ_oをｎ_iにほぼ等しくする。また、本発明は、このような照明装置を有するフラットパネル画像表示装置に関するものである。

Description

【発明の詳細な説明】 フラットパネル画像表示装置用照明装置 本発明は、出射面及び複数の端面を有する光学的に透明な材料の光導波路を具 え、これら端面のうちの少なくとも一つに対向して光源を配置し、その光を前記 光導波路の端面で結合することができ、前記光源から放出された光を偏光せる偏 光手段を更に具える照明装置に関するものである。 また、本発明は、このような照明装置を有するフラットパネル画像表示装置に 関するものである。 冒頭で説明したタイプの照明装置を設けたフラットパネル画像表示装置は、米 国特許出願明細書第４，２１２，０４８号から既知である。この特許に記載され た画像表示装置において、画像表示パネルは、くさび形の透明プレート及び光源 からなる照明装置によって照明される。光源から放出された光は、光導波路の端 面で結合され、導波路を伝播する。その理由は、光が光導波路とエアとの間の界 面で全反射されるからである。導波路−エア界面の光の入射角が反射ごとに減少 するので、この角度は所定の瞬時には臨界角より小さく、関連の光は光導波路を 出る。さらに、光導波路は、光源の付近の光導波路の厚さ方向に延在する偏光材 料のストリップの形態の偏光手段を具える。このようにして、光導波路から出る 光が偏光される。 上記米国特許に記載された照明装置の欠点は、光源から生じた光の約５０％が 画像の形成に寄与することができることなく消失する。その理由は、偏光子がダ イクロイックであり、したがって不所望な方向の偏光が吸収されるからである。 別の欠点は、光導波路をくさび形にして光を光導波路の端面で結合できるように する必要があることである。十分な光出力が要求されるため、設計の自由度又は 光導波路に対する材料の選択が制限される。実際には、光を光導波路に結合して すぐに光が偏光子に到達し、したがって光が偏光される。このように偏光された 光は、全反射に対する臨界角より小さい角度で出力面に入射するまで光導波路を 伝播し、結果的には結合される。実際には、等方性の材料が完全に等方性でない ので、光導波路伝播中に減偏光される。その結果、同一方向の偏光を有する偏光 された光の出力が相当減少される。したがって、結合前にカバーされる距離を比 較的短くする必要があり、これによって光導波路の設計の自由度が制限され、又 は光導波路の材料を非常に等方性にする必要があり、これによって材料の選択が 制限される。 本発明の目的は、光源から出力した光の比較的大部分を、光導波路から出る前 に同一方向の偏光を有する光に変換するとともに、光導波路の形状及び材料が光 出力に制限を及ぼさない照明装置を提供することである。 このために、本発明による照明装置は、前記導波路が少なくとも二つの層を具 え、そのうちの一方の層が、屈折率ｎ_e及びｎ_oを有する光学的に異方性の材料を 具え、他方の層が、屈折率ｎ_iを有する光学的に等方性の材料を具え、前記屈折 率ｎ_e又はｎ_oを少なくともｎ_iにほぼ等しくしたことを特徴とするものである。 界面を、等方性の層と異方性の層との間に形成する。非偏光を、例えば、異方性 の層に結合する場合、すなわち、異方性の層を導波層として用いる場合、この光 は二つのビーム成分に分離され、その偏光方向は、媒体の好適な方向に平行であ り、すなわち、等方性の層と異方性の層との間の界面に対して平行及び垂直であ る。ｓ−成分と称する界面に垂直な偏光方向を有する成分は、界面における屈折 率差を検出せず、その結果、導波路の出力面に向かって進行する。この導波路の 偏光状態は変化しないままである。しかしながら、ビーム成分の入射角を全反射 に対する臨界角よりも小さくする必要がある状態である。しかしながら、この入 射角を、非偏光ビームを異方性の層に結合する際に決定することができる。ｐ− 成分と称する他方の成分は、屈折率差が十分大きい場合には界面における屈折率 差を検出し、この界面で全反射し、その結果、異方性の層に到達する。導波層に 存在した状態のビーム成分は、層をしばらく伝播してから減偏光する。その理由 は、この層の材料が異方性だからである。その結果、光ビームは、所定の伝播距 離の後、両方向の偏光、すなわち、ｓ−成分及びｐ−成分を具える。この光が等 方性材料と異方性材料との間の界面に存在する場合、再び偏光分離が行われる。 この界面に到達すると、ｓ−成分は導波路の出射面に向かって再び進行する。ｐ −成分は導波層で反射され、既に説明したようにして再び減偏光し、反射し、 部分的に結合される、等々。異方性の程度が大きい場合、ｐ−成分は、界面での 複数の反射後にｐ−成分はほぼ完全に非偏光ビームのみに変換され、その結果、 そのほぼ半分は既に、妨げなく界面に進行すべき適切な偏光方向を有する。した がって、異方性材料の異方性の程度は、等方性層と異方性層との間の界面におけ る反射回数を決定する。異方性材料を適切に選択することによって、導波路の表 面上の適切な強度分布を得ることができる。 このプロセスを毎回繰り返し、その結果、光源から放出される光の比較的大部 分が、導波路の出射面で結合される前に、同一、すなわち、所望の偏光方向を有 する光に変換される。比較的大きな光出射がこのようにして実現される。光導波 路は、導波路からの出射光を結合するためにくさび形状を有することができるが 、そうである必要はない。 異方性材料の常光線屈折率と異常光屈折率との差が大きくなるに従って、導波 路の受光角が大きくなる。 本発明による照明装置の好適例は、前記導波路を等方性の層によって構成し、 この等方性の層の屈折率ｎ_iを、前記屈折率ｎ_o及びｎ_eのうちの大きい方にほぼ 等しくしたことを特徴とするものである。 等方性の層を導波層として用いることもできる。この場合、光は等方性の層で 結合される。異方性の層の最大屈折率を等方性の層の屈折率にほぼ等しくする必 要がある状態である。そうでない場合、より密度の高い媒体が偏光方向の一つに 対して発生し、その結果、全反射が界面で発生しないおそれがある。本例の利点 は、等方性材料が低拡散レベルを有し、材料を広く選択できる点である。他の利 点は、この場合、異方性の層を薄膜に設けることができ、その結果、材料を更に 広く選択することができる。 本発明による照明装置の他の例は、異方性の層が、前記出射面から離間して対 向する導波路の面に存在することを特徴とするものである。 光ビームの偏光方向を、導波層の光学的な特性に依存することなく、異方性の 導波層の場合でも等方性の導波層の場合でも層に適合させることができる。 しかしながら、減偏光を、出射面に対向する面上の追加の異方性の層によって 、及び／又は、等方性の導波層の頂部に存在する異方性の層によって強めること が できる。 導波層が、例えば、光学的に異方性の材料からなる場合、追加の層を、異方性 の導波層の光軸方向に平行でない光軸方向に異方性である必要がある。 本発明による照明装置の他の例は、前記導波路の出射面がコリメーティング構 造を有することを特徴とするものである。 このようにして、導波路の出射面を出射する光がコリメートされ、これは、照 明装置が用いられる画像表示装置の明るさに寄与する。 導波層として機能しない層を、不連続な層とし、又は表面構造を有する層とす ることができる。この場合、導波路から出射する光をコリメートすることができ ないが、光を出射面の両端間で均一に分布させることができる。 本発明による照明装置の他の例は、前記コリメーティング構造がマイクロレン ズアレイを具えることを特徴とするものである。 マイクロレンズアレイは、この用途に非常に好適な既知の素子である。 本発明による照明装置の他の例は、減偏光効果を有するレフレクタを、前記光 源から離間した少なくとも一つの端面に配置したことを特徴とするものである。 照明装置の光導波路の端面にレフレクタを設けることそれ自体は既知であり、 この場合、そこに到達する光が消失しないように光を結合せず、したがって、照 明装置の光出力には寄与しない。レフレクタは、光を光導波路に再び送る。この ようにして、この光に、出力面で結合する新たな機会を与える。 端面のレフレクタが減偏光の影響を有する場合、出力面で結合するのに不所望 な偏光を有する入射光は減偏光され、その結果、この光の約半分は適切な偏光方 向となり、それを光導波路の外で結合することができる。他の半分の光は導波路 伝播中に再び減偏光することができる。減偏光レフレクタの利点は、導波層の材 料の明るさに関係なく、不所望なビーム成分の減偏光があるという点である。 本発明による照明装置の他の例は、前記導波路の端面をコリメータとして実現 したことを特徴とするものである。 等方性の層と異方性の層との間の界面でｐ−成分に対して完全な反射が行われ るようにするために、導波路の受光角及び異方性材料の屈折率差を互いに適合さ せる必要がある。この角度は、エア界面に対して非常に小さくなる。このような 適合を、導波路の端面をコリメータとして実現することによって達成することが できる。 本発明による照明装置の他の例は、前記コリメータを円柱レンズによって構成 したことを特徴とするものである。 本発明による照明装置の他の例は、前記光学的に異方性の材料を、異方性ポリ マーゲル又は異方性ポリマー網状構造としたことを特徴とするものである。 これら材料は、複屈折層の形態で複屈折材料として用いるのに非常に好適であ る。 本発明のこれら及び他の態様を、後に説明する実施の形態を参照して明らかに する。 図面中、 図１は、本発明による照明装置を有するフラットパネル画像表示装置の一例を 示す。 図２は、ビーム経路も図示した本発明による照明装置の実施の形態の断面であ る。 図３ａ〜３ｄは、相違する光源の形態を有する照明装置の複数の実施の形態を 示す。 図１に線図的に示す画像表示装置１は、照明装置３、画像表示パネル５及び検 光子７を順に具える。照明装置３は、光学的に透明な材料からなるとともに四つ の端面１３，１４，１５，１６を有する光導波路１１を具える。端面１３を通じ て導波路１１に光を結合する光源９は、端面、例えば１３に対向して存在する。 光源９を、例えば、棒状の蛍光ランプとすることができる。特に、例えば、セル ラ移動式電話機におけるように小さい画像表示パネルを有するフラットパネル画 像表示装置においては、光源を、例えば、一つ以上の発光ダイオード（ＬＥＤ） によって構成することもできる。 レフレクタ１０は、光導波路１１から離れて対向する光源９の側に存在する。 このレフレクタ１０は、光源９によって光導波路１１から離れた方向に放出した 光が導波路に向かって反射するようにする。導波路１１の出射面１７は画像表示 パネル５に向かって指導される。 （図示しない）追加の偏光子を、導波路１１の出射面１７の上又はそれに近接 して配置して、偏光の効率を更に最適化することができる。 本発明による照明装置３において、光源９からの非偏光は、光を著しく損失す ることなく同一方向の偏光にほぼ完全に変換される。 次いで、照明装置３から発生した所望の方向の偏光を有する光は、表示すべき 画像情報に従って画像表示パネル５によって偏光方向に偏光される。次いで、変 調された光が検光子７に入射し、この検光子７は画像表示パネル上の画素からの 光をブロックし、この表示パネルは最終画像中で暗画素として見えてくる必要が ある。検光子７を、例えば、不所望な方向の偏光を吸収する吸収偏光子とするこ とができるが、画像に対して不所望な方向の偏光を光路から除去する反射又は屈 折偏光子とすることもできる。 画像表示パネル５を、例えば、画素のマトリックスを配置した液晶材料とする ことができ、その動作を、ねじれネマチック効果（ＴＮ）、超ねじれネマチック 効果（ＳＴＮ）又は強誘電効果に基づかせて、それに入射された光の偏光方向を 変調させる。 照明装置３が、偏光を発生させるために、導波路１１を少なくとも二つの層１ ９，２１によって構成し、そのうちの一方の層は、屈折率ｎ_iを有する光学的に 等方性の材料を具え、他方の層は、屈折率ｎ_o及びｎ_eを有する光学的に異方性の 材料を具える。異方性の層と等方性の層の両方とも導波層として作用することが できる。 図２は、本発明による導波路の放射経路を示す。偏光されていない光ビームｂ を導波層１９に結合すると、界面２９で偏光分離が生じる。実際には、偏光され ていないビームは二つのビーム成分ｂ_s及びｂ_pを具え、その偏光方向は媒体の好 適な方向に平行である。これは、一方のビーム成分の偏光面が等方性の層と異方 性の層との間の界面２９に平行であるとともに他方のビーム成分の偏光面がこの 界面２９に垂直であることを意味する。界面２９に垂直な偏光方向のビーム成分 、すなわち、ｓ−成分は、屈折率差を検出せず、界面２９を通じて導波路１１の 出射面１７まで進行する。他方のビーム、すなわち、ｐ成分は、屈折率差を検出 し、界面２９で反射され、導波層１９に再び到達する。この層を伝播すること によって、このビーム成分は、（僅かな程度の）異方性が原因で減偏光し、その 結果、ビームの少なくとも一部は、所定の距離をカバーした後、両方向の偏光ｓ ’及びｐ’を有する。このビームｂ_s’＋ｂ_p’が界面２９に当たると、その一部 (ｂ_s’）は、界面２９を介して妨害なく導波路１１の出射面１７方向に進行する 。 界面２９に対するｓ−成分の入射角を、全反射に対する角度よりも小さくする 必要があり、それに対して、ｐ−成分の入射角を、全反射に対する臨界角よりも 大きくする必要がある。これらの角度は、異方性材料の常光線屈折率と異常光屈 折率との間の屈折率差によって決定され、その結果、導波路の受光角も固定され る。 等方性の層と異方性の層の両方とも導波層として作用することができる。導波 層が等方性である場合及び減偏光が発生すべき場合、この層の等方性材料を僅か に異方性にする必要がある。これは実際には一般的である。 この場合、異方性の層の屈折率ｎ_iが屈折率ｎ_e及びｎ_oのうちの大きい方に等 しい必要がある。 導波層として適切な異方性材料を、例えば、ＰＭＭＡ又はポリカーボネートと する。 等方性の導波層上の層として設けられるべき適切な異方性材料を、例えば、欧 州特許出願公開明細書第０４５１９０５号（ＰＨＮ１３．２９９）に記載された ような異方性ポリマーゲル、又は、例えば、欧州特許出願公開明細書第０２１３ ６８０号（ＰＨＮ１１．４７２）に記載されたような異方性ポリマー網状構造と する。 導波路を本発明による照明装置に対して実現することができる方法の一例を説 明する。ＰＥＴのシートを、例えば、８０℃で１２ＭＰａの張力で押し出し及び 伸長する。これによって、材料はｎ_e＝１．６５及びｎ_o＝１．５３の異方性とな る。ｎ_i＝１．５３のＣＯＣ（環状オレフィン重合体）のホイルをこのシート上 に積層する。ＣＯＣホイルに適切な表面構造を設けることができる。これを、例 えば、熱処理又は重合化処理によるレプリカ処理によって行うことができる。 導波層を異方性材料で実現する場合、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート） 又はＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）が材料として非常に好適である。この 場合、異方性の層の上に設けられた等方性の層を、例えば、アクリル層とする。 光が結合されない透明プレートの各端面１５にレフレクタ２３を設けることが できる。このようにして、出射面１７で結合されず、その結果光導波路を伝播し て端面に到達する光が、この端面１５を通じて光導波路１１から出るのを防止す る。実際には、レフレクタ２３は、光を導波路１１に戻すように反射する。この レフレクタ２３を、好適には減偏光レフレクタとする。この際、場合によっては 導波層の端部で完全な減偏光がある。レフレクタ２３を、例えば、蒸着薄膜又は ホイルとして実現することができる。図において、このレフレクタを破線で示す 。その理由は、それは任意の素子だからである。 出射面１７に対向して配置した面２５に異方性材料の追加の層２７を設ける。 光ビームの偏光方向を、導波層の光学的な特性に依存することなく、異方性の層 の場合でも等方性の導波層の場合でもこの層２７によって適合させることができ る。導波層１９が、例えば、光学的に異方性の材料からなる場合、追加の層２７ は、異方性の導波層の光軸に平行でない光軸方向に異方性である必要がある。 コリメーティング構造３１を、好適には導波路１１の出射面１７上に設ける。 このために、導波路１１から出射する光はコリメートにされ、これは、所定の観 察角内で照明装置の明るさに寄与する。コリメーティング構造を、例えば、マイ クロレンズアレイによって構成することができる。 ｐ−成分が界面２９でほとんど完全に反射されるようにするために、導波路の 受光角及び異方性の材料の屈折率差を互いに適合させる必要がある。光を結合す る端面の数に等しい導波路の一つ以上の端面を、コリメータとして実現すること によって更に適合させることができる。これを、例えば、円柱レンズとして関連 の端面を実現することができる。 一つの端面１３のみに蛍光ランプ９を設ける代わりに、棒状ランプ９を対向す る端面１５に設けて、一層明るくすることもできる。棒状ランプ９を、第３端面 １４及び可能な場合には第４端面１６に設けることもできる。端面ごとの一つの 個別の棒状ランプの代わりに、例えば、複数の屈曲部を有する単一棒状ランプ６ ， ８を、３又は４端面を照明するのに用いることができる。これによって照明装置 の効率を増大させる。その理由は、このようなランプの損失は距離が増大するに 従って減少するからである。これまで説明したような可能性の全てを図３ａ〜３ ｄに図示する。これらは、相違する光源形態を有する複数の照明装置の正面図を 示す。 光を単一端面に結合する場合（図３ａ）、又は光を二つの平行な端面に結合す る場合（図３ｂ）、異方性の材料の光軸を、好適には棒状ランプの長手方向に平 行にする。棒状ランプが平行でないが所定の角度を含む場合（図３ｃ，３ｄ）、 異方性領域の光軸は、好適には、偏光方向が棒状ランプの軸線に対して所定の角 度となるように入射光の平面を有する角度を含む。実際には、棒状ランプを通常 互いに垂直に配置し、光軸を、好適には棒状ランプに対してほぼ４５゜の角度に 合わせる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．出射面及び複数の端面を有する光学的に透明な材料の光導波路を具え、これ ら端面のうちの少なくとも一つに対向して光源を配置し、その光を前記光導波 路の端面で結合することができ、前記光源から放出された光を偏光せる偏光手 段を更に具える照明装置において、前記導波路が少なくとも二つの層を具え、 そのうちの一方の層が、屈折率ｎ_e及びｎ_oを有する光学的に異方性の材料を具 え、他方の層が、屈折率ｎ_iを有する光学的に等方性の材料を具え、前記屈折 率ｎ_e又はｎ_oを少なくともｎ_iにほぼ等しくしたことを特徴とする照明装置。 ２．前記導波路を等方性の層によって構成し、この等方性の層の屈折率ｎ_iを、 前記屈折率ｎ_o及びｎ_eのうちの大きい方にほぼ等しくしたことを特徴とする請 求の範囲１記載の照明装置。 ３．異方性の層が、前記出射面から離間して対向する導波路の面に存在すること を特徴とする請求の範囲１又は２記載の照明装置。 ４．前記導波路の出射面がコリメーティング構造を有することを特徴とする請求 の範囲１，２又は３記載の照明装置。 ５．前記コリメーティング構造がマイクロレンズアレイを具えることを特徴とす る請求の範囲４記載の照明装置。 ６．減偏光効果を有するレフレクタを、前記光源から離間した少なくとも一つの 端面に配置したことを特徴とする請求の範囲１，２，３，４又は５記載の照明 装置。 ７．前記導波路の端面をコリメータとして実現したことを特徴とする請求の範囲 １，２，３，４又は５記載の照明装置。 ８．前記コリメータを円柱レンズによって構成したことを特徴とする請求の範囲 ７記載の照明装置。 ９．前記光学的に異方性の材料を、異方性ポリマーゲル又は異方性ポリマー網状 構造としたことを特徴とする請求の範囲１から８のうちのいずれかに記載の照 明装置。 10．表示すべき画像情報に従って、放出された光の偏光方向を変調する画像表示 パネルを設けた照明装置と、検光子とを有するフラットパネル画像表示装置に おいて、前記照明装置を、請求の範囲１から９のうちのいずれかに記載したよ うに実現したことを特徴とするフラットパネル画像表示装置。