JP4132080B2 - 小型照明装置 - Google Patents

Description

本発明の技術分野は照明装置であり、より具体的には液晶表示装置の照明に好適な三原色の照明装置に関する。
現在多くの表示装置が、小型及び大型（画面の面積が１平方メートル以上）の画面を照明するために小型軽量な照明装置を必要としている。
用途によっては、たとえば、パイロットが使用するヘルメット用の直視用超軽量表示装置や、典型的には厚さが５ｃｍ以下で対角線の大きさが１ｍのような壁掛け用大型平面スクリーン用途の場合、主要な要求は小型、光学効率およびコントラストを最適化することである。
ヘルメット表示装置に関する現在の解決方法は白黒の超小型CRTを使用することである；しかし、この分野で使用する場合、小型軽量で明るさの要求を共に満たすことが可能でさえあれば三原色の画像を表示することが要求されている。現在の技術では、液晶表示スクリーンは小型軽量である点に関しては優れているものの、特に（昼間の任務に就いている場合のように）パイロットが明るい環境下で移動している際に、充分なコントラスト（典型的には５以上）のある映像を提供できるだけの充分な光量を有する新しい照明装置は未開発である。
また、大型のテレビスクリーンにおいては、液晶表示装置には投影技術が用いられており、対角寸法が１ｍの場合には奥行きは２０から４０ｃｍとかなり大きくなる。例えば、図１は光源、アクティブマトリックス、投影装置OP、映像をスクリーンEの方に反射する反射鏡Mpを有する映像装置GIを利用した表示装置を例示するが、これはかなり大型の装置である。代替手段として、ビデオ速度のアドレッシングと整合する直視モードの液晶表示装置を使用することもできるが、この実現は大型の電子光学的ピクセルが本質的に有する大きな静電容量の為に困難である。大型のスクリーンは映写装置を不要にする利点は有るが、コンピュータ用に開発された蛍光管を利用した現在のバックライトでは大衆マーケットの要求するビデオ映像を満足できる程度に表示するのに必要な光度とコントラストを実現することができない。
このような欠点に鑑み、本発明は、スクリーンフォーマットの光源に適合した、光源としての表面に比較して奥行きが小さな小型照明装置、つまり、新規なアナモルフィック手段を用いた照明装置を対象とする。
より具体的には、本発明は、照明方向を光源からいわゆる鉛直方向Dyに向けるための少なくとも一つの光源とコリメータ手段を有する照明装置であって：
−いわゆる鉛直方向に概略平行な光をアナモルフォーズする光学部材と；
−いわゆる鉛直方向とは垂直な水平方向の光をアナモルフォーズして所定の長方形の光源とする光学部材とを有することを特徴とする照明装置である。
変形例では、光学部材M₁は方向Dyに対して角度θ₁だけ傾斜した反射鏡である。
この光学部材M₁は、好ましくは反射鏡でありDy方向に対しておよそ４５度の角度を成すミクロプリズムを有する。この光学部材M₁は、また、好ましくはDy方向に対しておよそ４５度傾斜したインデックスミクロ層を有する回折要素である。該スクリーンの照明に用いる三原色照明の場合には、部材M₁は好ましくは赤色光、緑色光および青色光に対応する積層した３つのホログラフ格子を有する；この回折格子は単一の感光材料層に記録されたものでも、複数の感光材料層に記録されたものでも良い。さらに、インデックスミクロ層は、赤色光、緑色光および青色光の色に応じた屈折率の相違に基づき、回折格子に色分解機能を持たせることもできる。この機能を持たせる為に、光学部M₁は、層の間隔と方向が（Dyに対してはおよそ４５度）赤色光、緑色光および青色光を所定の方向（おおむねDx方向）に分光させるように定められた、積層した少なくとも二つの回折格子を有することが望ましい。これは、第１の回折格子が赤色光を大きく分光し緑色光をやや分光し、第２の回折格子が青色光を強く分光し緑色光をわずかに分光し、これらが総合されることによって赤色光、緑色光および青色光を充分に分光することができるので、回折格子は２つで充分である。
本発明の変形例においては、光学部材M₂は、DyおよびDz方向に対して垂直なDx方向に対してθ₂だけ傾斜した反射要素である。
光学部材M₂は、それぞれがDx方向に対して４５度傾斜したマイクロプリズムか、Dx方向に対して４５度傾斜したインデックスミクロ層を有するものであることが好ましい。
光学部材M₂が回折を生じさせるホログラフ格子である場合は、反射要素であるか透過要素であるかに関わらず、赤色光、緑色光および青色光を回折させる。光学部材M₂が反射要素の場合、光学部材M₁と同様であり、光を異なる方向に分光し三原色の分光機能を有するよう所定の方向と間隔を置いて設けられた少なくとも２つのホログラフ回折格子を有する。
光学部材M₂が透過要素である場合、反射要素の場合に比較して分光機能は簡単で、三原色の分光を行うのに単一のホログラフ格子で充分である。
これが、本発明において、光学部材M₂がDx方向に対して角度θ₂だけ傾斜したかあるいはDx方向と平行な光透過性の回折要素である理由である。この構成は、装置が三原色の表示装置に組み込まれ、光学部材M₂がアクティブマトリックスに近接して設けられたホログラフレンズ列からなる場合に特に小型化が可能である。この場合は、光学部材M₂は複数の機能を有する：
−方向Dxへのアナモルフォーシス作用
−分光
−アクティブマトリックスのピクセルへの集光
本発明の他の利点は、制限的でない例として記載する下記の説明および図面により一層明瞭になる。
−図１は従来技術に基づく光源を有する表示装置を示すものである。
−図２は、本発明の光源の第１の例を示す。
−図３は、本発明の光源装置で使用することができるアナモルフォーシス要素M₁とM₂の第１の例を示す。
−図４は、本発明の光源装置で使用することができるホログラフミラー型のアナモルフォーシス要素M₁とM₂の第２の例を示す。
−図５は、図４によるホログラフミラーの記録方式を示す。
−図６は、本発明の光源装置を有する表示装置で使用することができるアクティブマトリックスの例である。
−図７は、本発明の光源装置をを有する三原色表示装置で使用することができるアクティブマトリックスの例である。
−図８は、本発明の光源装置を有する表示装置の例である。
本発明による小型照明装置は、一般に：
−単色光または三原色光の光源；
−平行光線発生装置（コリメータ）；
−光源からの光とコリメータからの光を一方は鉛直方向に他方は水平方向にアナモルフォーシスする２つの光学部材M₁とM₂とを有する。
図２は、光源２０が光を発生しそれがレンズ２１で平行な光線にされる本発明の第１の実施例を示す。図に示されているように、レンズの直径φが、装置の奥行きを決定する要素である。この構成の場合、光学部材M₁は反射要素であり、光を単一の方向、この場合にはDy方向に反射する。
光学部材M₂は、反射された光を受け、Dx方向とは角度θ₂をなすDx’およびDyで定義される画像面とは垂直なDz’の方向に反射する。
平行光線となった光を全て受けるために、光学部材M₁はDy方向に対して角度θ₁を成し、あるいは、より正確には光学部材M₁の平面はDzとZyで定義される平面に対して角度θ₁をなす。
同様に、光学部材M₁によって反射された光を受ける為に、光学部材M₂の平面は、Dx・Dy平面と角θ₂をなす。
図２に示されているように、光る領域又は画像面の大きさは、パラメータLおよびHで定義される。φ×φのレンズの場合、H=φcotθ₁、L=φcotθ₂である。
図３は、アナモルフォーシス鏡の第１の例を示す。これは、４５度の角度で入射する光に対して４５度の角度をなす反射鏡として金属被覆されたマイクロプリズムを有する非回折型アナモルフォーシス要素である。
図４は、ホログラフミラー型のアナモルフォーシス要素の第２の例である。当該アナモルフォーシス要素は、フォトポリマー型の感光材料に記録された回折格子を有する。記録方法の概要を図５に示す。この方法は、アナモルフォーシス装置を構成する材料の中で干渉する２つの平面波O₁とO₂を利用し、前記媒質の内部にインデックスの異なる階層を形成する。運転時の特定の周波数領域内の波長λ₀を有する平面波を照射すると、回折格子は光を受けるべき領域の高さH、H=φcotθ₁、にわたって平行光線を照射する。
３つの基本波長、赤色光、緑色光、青色光の３色からなる三原色を使用する場合は、従来のカラーフィルタを光学部材M₁で置換することができる。より具体的には、光学部材M₁は、赤色光、緑色光、青色光に対してそれぞれ反応する３つの層を重ねあわせたフィルムにアナモルフォーシス機能を記録すること、あるいは、単一のフィルムにそれぞれのスペクトルバンドに対応する３つのアナモルフォーシス機能を重ねあわせることで得ることができる。
直角方向Dx方向の平行光線照明は、図２に示すように、第２のアナモルフォーシス要素M₂によって得られる。この部材は入射した光を、DyとDx’で定義される平面と直行するDz’方向に送り出す。液晶表示装置のようなスクリーンでは、液晶表示装置の最大コントラストが得られるように光の照射方向（液晶表示面に垂直な方向から４度程度傾斜した角度）を調整することができる。
典型的な例では、光学部材M₂は図３または図４に示すものである。
M₁が分光機能を有しない場合、光学部材M₂がスペクトル成分によって角度を分散させる角度分光機能を有するのが望ましい。光学部材M₂が反射鏡である場合、赤色光、緑色光、青色光の３つの光成分を分散させる為にDy方向に対して平均４５度傾いたインデックス層の少なくとも２つのホログラフ回折格子が必要である。光学部材M₂が光透過性である場合、分光効率が高く赤色光、緑色光、青色光の３色を分光するには単一のインデックス回折格子で充分である。
分光機能を有するアナモルフォーシス要素を使用することで、一般的に表示装置で使用されているカラーフィルタは不用になる。
次に、本発明の照明装置が特に効果的に使用される表示装置について説明する。
一般的に、上述した小型の平行光照明は、例えば、照明装置のすぐ後に設置されるアクティブマトリックススクリーンの照明用に用いられる。
しかし、アクティブマトリックス液晶表示スクリーンの表示の役に立っている部分の面積は小さい。液晶画像の明るさを向上させるために、格子配置されたレンズを用いてピクセルの透明な部分に光を集中させることが知られている。この方法が効果を発揮するには、レンズの焦点位置に形成され液晶装置内に位置する画像ピクセルの表示の役に立っている部分に一致するように平行光線による照明をあてることが特に必要である。本発明が提案する照明装置は、この技術を使用するに際して、標準的なミクロレンズ（典型的には焦点距離が数ミリメートルでレンズ直径がおよそ１００μｍ）を使用して光源が発生したすべての光を使用することが特に有益である。
大型ビデオへの利用
この場合、本発明の小型照明装置は以下の特徴を有する：
−短アーク型の光源、例えば約１ｍｍのアークに対応する小型メタルハライドランプ；
−焦点距離１００ｍｍで直径φが５０ｍｍの短アークランプの平行光線発生レンズ；
−約１０μｍの厚さの感光材料層に記録されたホログラフ格子を有するアナモルフォーシス光学部材M₁とM₂。
照明装置は、典型的には８００×６００ｍｍ²の表示面積を有するH×Lの領域にむけてDxおよびDy方向に平行光線を照射する。
大きさHとLとは平行光線発生レンズの直径を表わすパラメータφと光学部材M₁とM₂とが傾斜している角度θ₁とθ₂とによって定まる。大型の液晶表示マトリックスは、図６に示すように、１ｍｍのスペースをおいて配置された６０μｍ×６０μｍ程度の小型基本ピクセルを有するのが好ましい。（典型的には６０μｍ×６０μｍである）小型の液晶ピクセルに関してはビデオ速度でのアドレッシングの問題（典型的には、現在の所、各ライン上の約８００個のピクセルに対して６０μｓでアドレッシングすることが望ましい）が解消される。照明の効率を向上させる為に必要なことは、平行光線をそれぞれの基本ピクセルに集中させるように照明装置とアクティブマトリックスの間にミクロレンズ配列R₁を設けるだけである。レンズ配列はマトリックスの背面に密着させられていても良いし、例えばモールディングでその背面に直接形成されたものでも良い。レンズの焦点距離は、超小型のレンズ配列／アクティブマトリックス集合体を得る為に、アクティブマトリックスの厚さと同程度であっても良い（典型的にはレンズの焦点距離は６ｍｍ程度でレンズのスペースは１ｍｍである）。
アクティブマトリックス構造は、例えば図７に示すようなものである。三原色の表示装置の場合、白の点は赤色光、青色光、緑色光の基本サブピクセルから構成される。このタイプの三原色構成の場合、レンズ配列の距離は三原色の組の距離と同程度である。図８は表示装置の例を示す。アクティブマトリックスの出口側には第２のミクロレンズ配列R₂が与えられた電気信号に応じて基本ピクセルによって強さが調節された光を発生させる。利用者に向けられたこの平行光線は分散器Dによって分散させられ表示装置に光模様を表示させる。
この実施例の場合、レンズ配列R₁とアクティブマトリックスは方向（Dx’Dy）で表わされる平面に設けられている。
本発明の他の実施例においては、方向Dxと角θ₂をなすDx’およびDyとで規定される平面に光学部材M₂とアクティブマトリックスを設けることによって表示装置の一層の小型化が図られる。この構成の場合、光学部材M₂は光を透過させる回折要素である。レンズ配列R₁は、平面波と球面波を干渉させることで記録したホログラフレンズを用いることで光学部材M₂に組み込まれていても良い。
ヘルメット表示装置
これはヘルメットに搭載することができる超軽量、超小型の表示装置である。このためには、照明装置は、液晶表示マトリックスの背面に設けたミクロレンズ配列を用いて非常に小さいピクセル（約２０μｍ×２０μｍ）に焦点を合わせることができるよう極めて小型の（１ｍｍ²．ｓｒ未満の）ソリッドステートレーザー光源を具備する。
これらの条件によってきわめて解像度の高い表示装置が得られ、要素それぞれのきわめて小さいことを考慮すれば、レーザー光源の出力は小さくなる（約１０ｍW）。

Claims (13)

1. 少なくとも１つの光源と、光源からの光の方向を鉛直方向（Dy）に向ける平行光線発生装置とを有し、
   該平行光線発生装置から照射される光を鉛直方向において所定の幅を有する平行光線に変換する光学部材（M₁）と、
   該光学部材（M₁）から照射される光を鉛直方向とは直交する水平方向（Dz）において所定の幅を有する平行光線に変換し長方形の領域に光を当てる第２の光学部材（M₂）とを有し、
   光学部材（M₁）または光学部材（M₂）が分光機能を有することを特徴とするカラースクリーンの小型三原色照明装置。
2. 反射性の光学部材（M₁）が方向（Dy）に対して角度θ₁だけ傾斜していることを特徴とする請求項１に記載の小型三原色照明装置。
3. 反射性の光学部材（M₁）がそれぞれが方向（Dy）に対して約４５度の角度を成すミクロプリズムであることを特徴とする請求項２に記載の小型三原色照明装置。
4. 反射性の光学部材（M₁）が方向（Dy）と４５度の角度を成すよう傾斜したインデックスミクロ層であることを特徴とする請求項２に記載の小型三原色照明装置。
5. 光学部材（M₂）が方向（Dy）と（Dz）に対して概略直交する方向（Dx）に対して角度θ₂だけ傾斜した反射要素であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載された小型三原色照明装置。
6. 反射性の光学部材（M₂）は、方向（Dx）に対して約４５度の角度を成すミクロプリズムであることを特徴とする請求項５に記載の小型三原色照明装置。
7. 反射性の光学部材（M₂）は、方向（Dx）に対しておよそ４５度傾斜したインデックスミクロ層であることを特徴とする請求項５に記載の小型三原色照明装置。
8. 光学部材（M₁）と（M₂）とが積層された３つの回折格子を有し、第１の回折格子が赤色光を所定の幅を有する平行光線に変換し、第２の回折格子が緑色光を所定の幅を有する平行光線に変換し、第３の回折格子が青色光を所定の幅を有する平行光線に変換することを特徴とする請求項４または７に記載の小型三原色照明装置。
9. 光学部材（M₁）と（M₂）は赤色光、緑色光および青色光の３色をθ_R、θ_Vおよびθ_Bの３つの方向に分散させる為におよそ４５度傾斜したインデックスミクロ層からなる積層された少なくとも２つの回折格子を有することを特徴とする請求項４または７のいずれかに記載された小型三原色照明装置。
10. 光学部材（M₂）は方向（Dx）と平行な光透過性の回折要素であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載された小型三原色照明装置。
11. 光学部材（M₂）は、赤色光をθ_R方向に、緑色光をθ_V方向に、青色光をθ_B方向に分散させることができるインデックスミクロ層の回折格子を有することを特徴とする請求項１０に記載された小型三原色照明装置。
12. 回折要素（M₂）は、透過性で、ホログラフレンズの配列からなることを特徴とする請求項１０に記載された小型三原色照明装置。
13. 空間光調整装置と、該空間光調整装置に光を照射する為の請求項１ないし１２のいずれかに記載された小型三原色照明装置を具備する表示装置。

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