JP5358451B2 - 面状照明装置及び画像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザを光源に利用した面状照明装置及び当該面状照明装置をバックライトに用いた画像表示装置に関するものである。

画像表示装置は、ＣＲＴ（Ｃａｔｈｏｄｅ Ｒａｙ Ｔｕｂｅ）又はＰＤＰ（Ｐｌａｓｍａ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｐａｎｅｌ）のような自発光型ディスプレイと、液晶パネルを使ったＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）のような光の透過率を変化させて画像を表示させる非自発光型ディスプレイとに大別できる。非自発光型ディスプレイは、一般に、背面にバックライトとなる面状照明装置を備え、面状照明装置から発せられる照明光の透過量を各画素で変化させ画像を表示している。それゆえ、非自発光型ディスプレイにおいて、面状照明装置は、画像表示装置の消費電力、画質及びサイズ等に大きく影響を与える。

近年、ＬＥＤ（発光ダイオード）をバックライトに用いたＬＣＤが開発されている。ＬＥＤを用いることで、従来の冷陰極管方式よりも、電気−光変換効率が高く、さらに色純度の高いＬＣＤを実現できる。また、レーザ光源をバックライトに用いることで、ＬＥＤよりさらに電気−光変換効率が高く、かつ色純度の高い画像表示装置ができると考えられている。これは、レーザはＬＥＤよりも、電気−光変換効率が高く、かつ、スペクトル幅が小さいため色再現性に優れているからである。

ＬＣＤにおいて、液晶パネルは、面状照明装置から発せられる照明光の偏光状態を制御して、各画素の透過光の量を変える。そのため、一般にＬＣＤでは照明光が有する偏光は、偏光フィルター等を通過することで１つの方向に揃えられ、１つの方向に偏光した光、すなわち直線偏光の光が液晶パネルに入射する。

これに対し、レーザ光は、一般に直線偏光の光である。そのため、レーザ光をＬＣＤの照明光に使うことで、ＬＣＤの偏光フィルターを取り除くことができ、ＬＣＤの光利用効率を高めることができる。さらに、レーザは時間応答が冷陰極管に比べて非常に早いため、高速に変調できる。そのため、液晶パネルの各画素の色分割のために従来使われているカラーフィルタを取り除き、各色の画面を時分割して点灯するカラーフィールドシーケンシャル方式も実現可能である。カラーフィールドシーケンシャル方式を採用した場合、ＬＣＤのカラーフィルタの光損失がなくなるため、ＬＣＤの光利用効率をさらに高めることができる。

レーザ光源を用いた面状照明装置は、導光板の側面からレーザ光を入射し、面状の照明光を得る導光板方式と、ミラーやレンズを使うことでレーザ光を直接面状の照明光に変換する直接投射方式との二つの種類に大別できる。一般に、導光板方式では、導光板の側面からレーザ光を入射し、導光板内で光が拡散され、導光板から面状に光が出射される。導光板を用いた面状照明装置は、例えば特許文献１に提案されている。

これに対し、直接投射方式では、プロジェクタのように、面状に光が投射される。直接投射方式では、光は基本的に空気中を通るので、導光板の内部を光が通る導光板方式よりも、光の透過損失が小さく、高い光利用効率を実現できる。直接投射方式の光学系を用いた画像表示装置には、例えばリアプロジェクション型画像表示装置がある。

特開２００２−１８４２２５号公報

近年、画像表示装置は、薄型化が進んでおり、ＬＣＤも例外ではない。ＬＣＤを薄型化する場合、バックライトとなる面状照明装置の薄型化は、必須である。また、同時に、ＬＣＤの低消費電力化のため、バックライトとなる面状照明装置が、高い光利用効率を有することも望まれている。

直接投射方式の面状照明装置では、光が通る光路の大半が空気のため、光路における光の損失が小さく、高い光利用効率を有する。また、一般に、直接投射方式は、光を拡散させる機能を有する導光板のような、偏光を乱す光学素子を用いる必要がないため、直線偏光の光のまま面状照明光を得ることが容易である。

画像をスクリーンに直接投射するリアプロジェクション型画像表示装置の一般的な光学系を、直接投射方式の画像表示装置の例として挙げる。図２６は、一般的なリアプロジェクション型画像表示装置の概略構成を示す断面図である。光学エンジン部１００から出射される光は、画像表示素子１０１で変調され、投射光学系１０２で拡大され、背面ミラー１０３で反射した後、スクリーン１０４に投影される。しかし、従来のリアプロジェクション型画像表示装置では、投射光学系１０２を通過した光が、長方形に拡大されるため、装置全体のサイズが大きくなってしまうという課題がある。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、薄型化することができるとともに、高い光利用効率を実現することができる面状照明装置及び画像表示装置を提供することを目的とするものである。

本発明の一局面に係る面状照明装置は、レーザ光源と、前記レーザ光源から出射されたビームを第１の略平行光に変換する第１の変換部と、前記第１の変換部によって第１の略平行光に変換されたビームを第１の方向に直線状に広げる１次元光拡散素子と、前記１次元拡散素子によって前記第１の方向に広げられたビームを第２の略平行光に変換する第２の変換部と、自由曲面で形成された反射面を有し、前記第２の変換部によって前記第２の略平行光に変換されたビームを前記第１の方向に直交する第２の方向に面状に広げる自由曲面ミラーとを備える。

この構成によれば、第１の変換部によって、レーザ光源から出射されたビームが第１の略平行光に変換され、１次元光拡散素子によって、第１の略平行光に変換されたビームが第１の方向に直線状に広げられ、第２の変換部によって、第１の方向に広げられたビームが第２の略平行光に変換される。そして、自由曲面で形成された反射面を有する自由曲面ミラーによって、第２の略平行光に変換されたビームが第１の方向に直交する第２の方向に面状に広げられる。

本発明によれば、第１の方向に直線状に広げられたビームの第２の方向の長さは一定であり、直線状のビームを第１の方向に長くしたとしても、第２の方向の長さは変わらないので、装置を薄型化することができる。また、自由曲面ミラーを反射することによって、ビームが面状に広げられ、光学素子内をビームが通過しないため、透過損失が小さく高い光利用効率を実現することができる。

本発明の目的、特徴及び利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。

本発明の実施の形態１に係る面状照明装置の概略構成を示す正面図である。 本発明の実施の形態１に係る面状照明装置の概略構成を示す側面図である。 レンチキュラーレンズでビームを広げる様子を説明するための図である。 面状照明装置の自由曲面ミラー及び光出射部の近傍を拡大した側面断面図である。 厚み方向（第２の方向）の強度分布の一例を示す図である。 自由曲面ミラー及び光出射部の設計例を説明するための図である。 複数の微小要素に分割した自由曲面ミラーと、複数の要素に分割した光出射面とを模式的に示す図である。 計算例の条件において、微小要素の計算から求めた自由曲面ミラーの反射面の断面形状の曲線を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る面状照明装置の概略構成を示す斜視図である。 本発明の実施の形態２に係る面状照明装置の概略構成を示す正面図である。 本発明の実施の形態２に係る面状照明装置の概略構成を示す側面図である。 本発明の実施の形態２に係る面状照明装置の自由曲面ミラーとプリズムシートとの位置関係を説明するための図である。 屈折型プリズムシートの原理を説明するための図である。 反射型プリズムシートの原理を説明するための図である。 自由曲面ミラーをプリズムシートよりも大きく外側に配置した時の、両者の位置関係を示す図である。 本発明の実施の形態３に係る面状照明装置の概略構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態４に係る面状照明装置の構成を示す側面図である。 本発明の実施の形態４の変形例に係る面状照明装置の概略構成を示す側面図である。 コリメートレンズを振動させるアクチュエータの概略構成を示す図である。 レンチキュラーレンズを振動させるアクチュエータの概略構成を示す図である。 自由曲面ミラーを振動させるアクチュエータの概略構成を示す図である。 レーザ光源を面状照明装置の正面下部に配置した状態を示す図である。 本発明の実施の形態５に係る面状照明装置の構成を示す正面図である。 本発明の実施の形態５の変形例に係る面状照明装置の構成を示す正面図である。 本発明の実施の形態６に係る画像表示装置の概略構成を示す図である。 一般的なリアプロジェクション型画像表示装置の概略構成を示す側面図である。

以下添付図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。尚、以下の実施の形態は、本発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。

（実施の形態１）
まず、本発明の実施の形態１に係る面状照明装置の概略構成を説明する。

図１及び図２は、本発明の実施の形態１に係る面状照明装置の概略構成を示す図であり、図１は、本発明の実施の形態１に係る面状照明装置の概略構成を示す正面図であり、図２は、本発明の実施の形態１に係る面状照明装置の概略構成を示す側面図である。

本実施の形態１に係る面状照明装置１０は、レーザ光を面状に広げて照射する。面状照明装置１０は、レーザ光源１、コリメートレンズ２、レンチキュラーレンズ３、フレネルレンズ４、自由曲面ミラー５及び光出射部６を備える。

レーザ光源１は、レーザ光を発生する。コリメートレンズ２は、レーザ光源１から出射されたビームを第１の略平行光に変換する。レンチキュラーレンズ３は、コリメートレンズ２によって第１の略平行光に変換されたビームを第１の方向Ｄ１に直線状に広げる。フレネルレンズ４は、レンチキュラーレンズ３によって第１の方向Ｄ１に広げられたビーム（ラインビームとする）を第２の略平行光に変換する。自由曲面ミラー５は、自由曲面で形成された反射面を有し、フレネルレンズ４によって第２の略平行光に変換されたビームを第１の方向Ｄ１に直交する第２の方向Ｄ２に面状に広げて反射する。光出射部６は、面状に広げられたビームを外部に出射する。なお、フレネルレンズ４の代わりに、光の回折を使って光を同一方向の向きに揃える回折素子を用いてもよい。

また、本実施の形態１において、コリメートレンズ２が第１の変換部の一例に相当し、レンチキュラーレンズ３が１次元光拡散素子の一例に相当し、フレネルレンズ４が第２の変換部の一例に相当する。

レーザ光源１から出射したレーザ光は、コリメートレンズ２により第１の略平行光に変換される。コリメートレンズ２はどこに配置してもよいが、面状照明装置１０の厚みを薄くするときには、レーザ光源１の出射端付近に配置すればよい。なぜならば、コリメートレンズ２をレーザ光源１に近づける程コリメートレンズ２に入射するビーム径は小さくなるので、コリメートレンズ２から出るコリメート光のビーム径も小さくできるからである。

第１の略平行光は、レンチキュラーレンズ３を透過し、第１の方向Ｄ１に広がりを有するラインビームに変換される。第１の方向Ｄ１は、レーザ光源を出射するビーム光軸に垂直であり、かつ面状照明光の出射面に平行な方向である。なお、ラインビームの第２の方向Ｄ２の広がりは、略平行のままである。

ラインビームは、フレネルレンズ４にて、第２の略平行光に変換され、自由曲面ミラー５に入射する。第２の略平行光は、自由曲面ミラー５の反射面のいずれの位置においても、同じ角度で入射される。自由曲面ミラー５の反射面のいずれの位置においても第２の略平行光が同じ角度で入射することで、自由曲面ミラー５の反射面の設計が容易となる。自由曲面ミラー５は、所望する面状照明光の強度分布によって形状が異なる。例えば、均一な面状照明光を必要とする場合、自由曲面ミラー５の反射面は、第２の略平行光の強度分布を均一化する曲率を第１の方向Ｄ１に有し、ラインビームの第２の方向Ｄ２の強度分布を均一化して拡大する曲率を第２の方向Ｄ２に有する自由曲面となる。

なお、自由曲面ミラー５の加工コストを抑え、かつ、均一な面状照明光を得る場合、第２の略平行光の第１の方向Ｄ１の強度分布が略一様で、自由曲面ミラー５の第１の方向Ｄ１に対する断面形状が一様になっていることが好ましい。第２の略平行光の第１の方向Ｄ１の強度分布が一様であれば、均一な面状照明光を得る場合、自由曲面ミラー５は第１の方向Ｄ１に一様な断面形状でよく、自由曲面ミラー５の加工コストを抑えることができる。

このように、自由曲面ミラー５の第１の方向に対する断面形状が一様であるので、自由曲面ミラー５の加工の容易性が向上し、面状照明装置１０の加工コストを抑えることができる。

また、第２の略平行光は、第１の方向Ｄ１の広がりが略平行であるため、自由曲面ミラー５へ入射するラインビームの長さが、自由曲面ミラー５の位置に関わらず一定となり、自由曲面ミラー５を配置する位置の自由度を大きくすることができる。

また、フレネルレンズ４を小型化する場合、フレネルレンズ４は、レンチキュラーレンズ３と自由曲面ミラー５との間に配置されることが好ましい。フレネルレンズ４に入射するラインビームは、第２の方向に略平行であるため、レンチキュラーレンズ３と自由曲面ミラー５との間にフレネルレンズ４を配置すると、フレネルレンズ４の入射面の厚みを小さくすることができる。フレネルレンズ４を小さくすることで、面状照明装置１０の厚みを小さくすることができる。

さらに、フレネルレンズ４は、面状に広げられたビームを外部に出射する長方形状の光出射部６の端部、より具体的には光出射部６の上端部の近傍に配置されている。この場合、面状に広げられたビームを外部に出射する長方形状の光出射部６の端部にフレネルレンズ４が配置されているので、フレネルレンズ４が、自由曲面ミラー５で反射されたビームの陰になることを防ぐことができ、装置を薄型化することができる。

また、実施の形態１に係る面状照明装置１０において、面状照明光の第１の方向Ｄ１の強度むらを低減したい場合、レンチキュラーレンズ３を１次元光拡散素子として用いることが好ましい。

図３は、レンチキュラーレンズでビームを広げる様子を説明するための図である。レーザ光源１から出射されたレーザ光１１は、コリメートレンズ２にて第１の略平行光１２に変換される。第１の略平行光１２は、レンチキュラーレンズ３に入射して、複数のビームに分割され、各ビームが重畳されたラインビーム１３に変換される。

レンチキュラーレンズ３は、シリンドリカルレンズアレイで構成される光学素子である。図３においては、レンチキュラーレンズ３は、６つのシリンドリカルレンズで構成されるレンズアレイで示され、内側の４つのシリンドリカルレンズが、第１の略平行光１２をラインビーム１３に広げている。レンチキュラーレンズ３を構成する各シリンドリカルレンズは、各々に入射した第１の略平行光１２を広げて出射する。そのため、第１の略平行光１２は、入射するシリンドリカルレンズの数だけ重畳されたラインビーム１３になる。

重畳されたラインビーム１３の第１の方向Ｄ１の強度分布は、第１の略平行光１２の第１の方向Ｄ１の強度分布に関わらず、略一定となる。なぜならば、ラインビーム１３は、第１の略平行光１２を重畳してつくられているため、ラインビーム１３の第１の方向Ｄ１の強度分布は、レンチキュラーレンズ３の各シリンドリカルレンズに入射する各ビームの強度分布を平均化したものだからである。

このように、レンチキュラーレンズ３は、第１の略平行光を複数に分割し、分割した複数の第１の略平行光のそれぞれを直線状に広げ、広げた複数の第１の略平行光のそれぞれを重畳する。

これにより、第１の略平行光１２の強度分布が、温度変化や経年劣化で変化しても、自由曲面ミラー５に入射するラインビーム１３の第１の方向Ｄ１の強度分布を一定にすることができる。自由曲面ミラー５に入射するラインビーム１３の第１の方向Ｄ１の強度分布は、面状照明装置１０の第１の方向Ｄ１の強度分布に影響する。そのため、レンチキュラーレンズ３を１次元拡散素子として用いることで、面状照明光の第１の方向Ｄ１の強度分布が変化しにくい、信頼性の高い面状照明装置１０を実現することができる。

また、レンチキュラーレンズ３を用いることで、レンチキュラーレンズ３に入射するビームの偏光方向と、レンチキュラーレンズ３によって広げられた直線状のビームの偏光方向とを一致させることができる。

なお、レンチキュラーレンズ３のレンズピッチは、ビーム径よりも十分小さいことが好ましい。レンズピッチがビーム径の５分の１以下となれば、ラインビーム１３の強度分布は、第１の略平行光１２の強度分布変化の影響をほとんど受けなくなり、第１の方向Ｄ１の強度むらを２０％以下に抑えた面状照明光を実現することができる。

また、第１の略平行光１２がレンチキュラーレンズ３によりラインビーム１３に変換される際、第１の略平行光１２の透過するシリンドリカルレンズの数で、分割して重畳されるビームの数が決まる。第１の略平行光１２が透過するシリンドリカルレンズの数を５つ以上にすることで、第１の略平行光１２の強度分布にほとんど依存しないラインビーム１３をつくることができる。

なお、第１の略平行光１２がレンチキュラーレンズ３を透過する際に、第１の略平行光１２の偏光方向とラインビーム１３の偏光方向とを一致させる場合、レンチキュラーレンズ３は、ガラスあるいは複屈折量が少ない樹脂で生成されていることが好ましい。複屈折量が少なければ、レンチキュラーレンズ３の透過前後でビームの偏光成分の乱れは少なくなる。例えば、ラインビーム１３の偏光比を１００：１にするには、複屈折量は０．０１以下であることが好ましい。

次に、実施の形態１に係る面状照明装置１０における自由曲面ミラー５の光反射面の断面形状の具体的な設計方法について述べる。図４は、面状照明装置の自由曲面ミラー及び光出射部の近傍を拡大した側面断面図である。図４では、ラインビーム１３の断面、自由曲面ミラー５の断面、光出射部６の断面を図示している。

ラインビーム１３が入射する自由曲面ミラー５の光反射面１４は、自由曲面ミラー５の左下の部分である。光反射面１４は、微小要素１５に分割される。図４では、模式的に光反射面１４を３つの微小要素１５に分割し、光出射部６を３つの要素１６に分割している。微小要素１５は、微小要素１５に入射する光を要素１６の長さに投影する。そのとき、例えば、ラインビーム１３の第２の方向Ｄ２の強度分布は、トップハット形状の分布を有する。

図５は、厚み方向（第２の方向）の強度分布の一例を示す図である。図５において、縦軸は光強度を示し、横軸は厚み方向を示す。ラインビーム１３が、第２の方向Ｄ２にトップハット形状の強度分布を有するとき、面状照明装置１０の所望の長さに投射された投影後の要素１６が、それぞれ同じ長さになるようにすれば、均一な強度分布の面状照明光を得ることができる。その投影の関数を自由曲面ミラー５の光反射面１４で実現することにより、均一な強度分布の面状照明光が得られる。

ここで、自由曲面ミラー５の具体的な設計例について説明する。一例として、自由曲面ミラー５及び光出射部６は、下記の条件で設計される。図６は、自由曲面ミラー及び光出射部の設計例を説明するための図である。なお、下記の条件で、ｘ方向は、レーザ光源１を出射したレーザ光の進行方向を示し、ｙ方向は、光出射部６の光出射面に垂直な方向、すなわち、第２の方向を示す。

（条件）
ラインビーム１３の第２の方向Ｄ２（ｙ方向）の強度分布：トップハット
ラインビーム１３のｙ方向の厚み：１０ｍｍ
自由曲面ミラー５のｙ方向の長さ：１０ｍｍ
光出射部６の光出射面のｘ方向の長さ：４００ｍｍ
自由曲面ミラー５のｘ方向の位置（光出射部６の自由曲面ミラー５側の端部から自由曲面ミラー５までのｘ方向の長さ）：３０ｍｍ
自由曲面ミラー５のｙ方向の位置（光出射部６の光出射面から自由曲面ミラー５までのｙ方向の長さ）：３０ｍｍ
上記の条件において、自由曲面ミラー５をｙ方向にｎ＝４００の微小要素１５に分割し、光出射部６の光出射面はｘ方向にｎ＝４００の要素１６に分割する。この時、自由曲面ミラー５の１つの微小要素１５のｙ方向の長さは、０．０２５ｍｍ（１０ｍｍ／４００）となり、光出射面の１つの要素１６のｘ方向の長さは、１ｍｍ（４００ｍｍ／４００）となる。自由曲面ミラー５の各々の微小要素１５と、光出射面の要素１６が１対１で対応するように、自由曲面ミラー５が設計される。

図７は、複数の微小要素に分割した自由曲面ミラーと、複数の要素に分割した光出射面とを模式的に示す図である。図７において、自由曲面ミラー５の微小要素１５と光出射面の要素１６とを１対１で対応させるためには、微小要素１５のそれぞれの傾きを異ならせる必要がある。

ラインビーム１３は、ｘ方向に平行に自由曲面ミラー５に入射する。自由曲面ミラー５の各微小要素１５と、各微小要素１５に対応付ける光出射面の各要素１６との位置関係により、要素１６へのビームの入射角度θ１、θ２、・・・が決まる。なお、入射角度θ１、θ２、・・・は、自由曲面ミラー５の各微小要素１５を反射したビームの光軸と、光出射部６の光出射面とがなす角度である。入射角度θ１、θ２、・・・を用いて、幾何学的に各微小要素１５の傾きが計算できる。各微小要素１５の傾きが求まると、その微小要素１５で構成される自由曲面ミラー５の形状が決まる。図８は、上記条件において、微小要素の計算から求めた自由曲面ミラーの反射面の断面形状の曲線を示す図である。図８において、縦軸はｙ方向の長さを示し、横軸はｘ方向の長さを示す。

また、本実施の形態１の面状照明装置１０において、１次元光拡散素子としてレンチキュラーレンズ３を用いている。しかしながら、時間的に変化しないビームプロファイルのレーザ光がレーザ光源１から出射される場合、１次元光拡散素子は、第１の略平行光を直線状に広げる機能を有するものであれば、非球面レンズ、自由曲面ミラー及び回折光学素子のいずれかでもよい。

この場合、レーザ光源１は、特にシングルモードの半導体レーザ光源であることが好ましい。シングルモードの半導体レーザ光源は、ビームプロファイルが一定で、ガウス分布となっているので、１次元光拡散素子の設計が容易になる。また、シングルモードの半導体レーザ光源を用いることで、面状照明光の強度分布がレーザ光源の温度変化及び出力変化の影響を受けにくくなり、信頼性の高い面状照明装置を実現することができる。

なお、レーザ光のビームプロファイルが、温度又は時間で変化する場合、レーザ光源１から出射されたビームを、光ファイバに入射し、光ファイバから出射されたビームをコリメートレンズにより第１の略平行光に変換し、１次元拡散素子に入射してもよい。光ファイバから出射されるビームは、入射するビームのビームプロファイルに関わらずほぼ一定である。そのため、ラインビームの強度分布を、光ファイバに入射するビームのビームプロファイルに関わらず、一定とすることができる。したがって、面状照明光の強度分布が変化しない、信頼性の高い面状照明装置を実現することができる。特に、高出力の半導体レーザは、出力や温度によって、ビームプロファイルが変化するため、高出力の半導体レーザを光源に用いる場合に、この構成は有用である。

なお、光ファイバに入射するビームの偏光方向と、光ファイバから出射するビームの偏光方向とを同一にする場合、光ファイバは偏波面保持光ファイバであることが好ましい。偏波面保持光ファイバは、入射光と出射光とで偏光方向が変わらない。

また、面状照明光の強度分布を均一にする場合、レーザ光源１は、少なくとも第２の方向Ｄ２にシングルモードであることが好ましい。この場合、レーザ光源１の個体にあわせて自由曲面ミラー５の断面形状を設計する必要がなく、自由曲面ミラー５の断面形状の設計が容易になる。

このように、コリメートレンズ２によって、レーザ光源１から出射されたビームが第１の略平行光に変換され、レンチキュラーレンズ３によって、第１の略平行光に変換されたビームが第１の方向に直線状に広げられ、フレネルレンズ４によって、第１の方向に広げられたビームが第２の略平行光に変換される。そして、自由曲面で形成された反射面を有する自由曲面ミラー５によって、第２の略平行光に変換されたビームが第１の方向に直交する第２の方向に面状に広げられる。

したがって、第１の方向に直線状に広げられたビームの第２の方向の長さは一定であり、直線状のビームを第１の方向に長くしたとしても、第２の方向の長さは変わらないので、装置を薄型化することができる。また、自由曲面ミラー５を反射することによって、ビームが面状に広げられ、光学素子内をビームが通過しないため、透過損失が小さく高い光利用効率を実現することができる。

また、レンチキュラーレンズ３によって第１の方向に直線状に広げられたビームは、第１の方向に直交する第２の方向に略平行であるため、直線状のビームの第１の方向の長さに依存せず、第２の方向の長さは一定である。このため、直線状のビームを第１の長さ方向に十分長くしても、第２の方向の長さは短くできる。そのため、直線状のビームの生成に必要な空間は、薄い直方体となり、面状照明装置１０の第２の方向への大型化を防ぐことができる。

また、自由曲面ミラー５は、直線状のビームを反射して第２の方向に広げる反射型の光学素子であるため、自由曲面ミラー５の反射面以外の形状や大きさは何ら規定されるものではない。そのため、自由曲面ミラー５は、内部を光が通る導光板等に比べ、小さい体積で実現することができ、面状照明装置１０を小型化することができる。面状照明装置１０の小型化は、面状照明装置１０を配置する空間の省スペース化などから有用といえる。さらに、自由曲面ミラー５の体積が小さいので、自由曲面ミラー５をつくる材料の量を少なくでき、面状照明装置１０の生産コストを抑えることが可能となる。

また、自由曲面ミラー５は、導光板に比べ光学素子内に光が通らないため、透過損失が小さく高い光利用効率を実現することができ、電気−光変換効率の高い低消費電力の面状照明装置１０を実現することができる。また、自由曲面ミラー５は反射面のみが面状照明装置１０に使用されるため、導光板等に比べ、経年劣化を低減することができる。

（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２に係る面状照明装置について説明する。

図９は、本発明の実施の形態２に係る面状照明装置の概略構成を示す斜視図であり、図１０は、本発明の実施の形態２に係る面状照明装置の概略構成を示す正面図であり、図１１は、本発明の実施の形態２に係る面状照明装置の概略構成を示す側面図である。

実施の形態２に係る面状照明装置２０は、実施の形態１に係る面状照明装置１０の構成に加えて、さらに自由曲面ミラー５で広げられたレーザ光を略平行光に変換するプリズムシート７を備えている。プリズムシート７は、光の屈折や反射を用いて、光の角度を変える面状の光学素子である。プリズムシート７により、自由曲面ミラー５で反射した光は第３の略平行光に変換される。なお、本実施の形態２において、プリズムシート７が面状光学素子の一例に相当する。

面状に広がったレーザ光が、面状照明装置２０の光出射部６から垂直に出射されることで、面状照明装置２０は正面を照明することができる。正面を照明する面状照明装置２０は、ＬＣＤに使われるバックライト等に使う場合に有用となる。

図１２は、本発明の実施の形態２に係る面状照明装置の自由曲面ミラー５とプリズムシート７との位置関係を説明するための図である。なお、図１２には、ラインビーム１３、自由曲面ミラー５及びプリズムシート７以外の構成要素は図示していない。

ラインビーム１３は、自由曲面ミラー５で広げられ、自由曲面ミラー５で広げられたレーザ光は、プリズムシート７に入射する。この時、自由曲面ミラー５からプリズムシート７までの距離が最も近い光入射位置におけるレーザ光の入射角度θ１は、距離が最も遠い光入射位置におけるレーザ光の入射角度θ２よりも小さくなる。図１２から明らかなように、プリズムシート７の光入射位置によって、プリズムシート７へのレーザ光の入射角度が大きく異なる。

また、プリズムシート７には、屈折型プリズムシート７１と反射型プリズムシート７２とがある。図１３は、屈折型プリズムシート７１の原理を説明するための図である。屈折型プリズムシート７１は、プリズムを入射角度に応じて傾けることで、出射されるレーザ光を略平行にしている。図１３から明らかなように、入射角度が大きくなれば、プリズムの入射面と、入射光とが平行に近づき、プリズムへの光入射面積を大きくとることが難しくなる。

一方、図１４は、反射型プリズムシート７２の原理を説明するための図である。屈折型プリズムシート７１と同様に、反射型プリズムシート７２のプリズムは入射角度に応じて傾いている。屈折型プリズムシート７１とは逆に、図１４から明らかなように、入射角度が小さくなれば、プリズムの入射面と、入射光とが平行に近づき、プリズムへの光入射面積を大きくとることが難しくなる。

そのため、面状照明装置２０を薄型化する場合、自由曲面ミラー５とプリズムシート７とは近接して配置することが好ましく、かつ、光利用効率を高める場合、プリズムシート７は、光の入射角度に応じて、屈折型プリズムシート７１と反射型プリズムシート７２とを組み合わせて構成することが好ましい。すなわち、図１２に示すように、屈折型プリズムシート７１と反射型プリズムシート７２とを第１の方向に隣接して配置し、自由曲面ミラー５に近い側には屈折型プリズムシート７１を配置し、自由曲面ミラー５に遠い側には反射型プリズムシート７２を配置する。

特に、自由曲面ミラー５とプリズムシート７とを５０ｍｍ以内の距離に配置する時は、図１２に示すように、屈折型プリズムシート７１と反射型プリズムシート７２との境界７３が、入射角度２５度から３５度の範囲内にあれば、プリズムシート７の光利用効率が８０％以上となり、薄型で光利用効率の高い面状照明装置を実現することができる。

このように、自由曲面ミラー５からプリズムシート７へ入射するビームの入射角度が２５度から３５度までの範囲内に、反射型プリズムシート７２と屈折型プリズムシート７１との境界７３が存在するように、反射型プリズムシート７２と屈折型プリズムシート７１とが配置されるので、自由曲面ミラー５と光出射部６との距離を短くすることができ、装置をさらに薄型化することができる。

また、プリズムシート７が屈折型プリズムシート７１と反射型プリズムシート７２とから構成される場合、プリズムシート７の光出射面側に拡散シートを挿入する、あるいは拡散性を有するプリズムシート７を用いてもよい。そうすれば、プリズムシート７の反射型プリズムシート７２の領域と屈折型プリズムシート７１の領域との境界７３によってできる光の明線及び暗線を低減でき、均一な面状照明光を得ることができる。

また、自由曲面ミラー５で広げられたビームが第３の略平行光に変換されるので、従来使用されている面状照明装置の代替が容易となり、使い勝手のよい面状照明装置２０を実現することができる。また、面状照明装置２０を液晶表示装置のバックライトに容易に利用することができる。

なお、プリズムシート７は反射型プリズムシート７２であり、かつ、自由曲面ミラー５を、プリズムシート７よりも大きく外側に配置してもよい。すなわち、自由曲面ミラー５と、反射型プリズムシート７２の上端部との、レーザ光源１の光軸方向の距離を十分に長くする。

図１５は、自由曲面ミラーをプリズムシートよりも大きく外側に配置した時の、両者の位置関係を示す図である。図１５に示すように、自由曲面ミラー５と、反射型プリズムシート７２の上端部７４との距離が十分に長くなるように、自由曲面ミラー５及び反射型プリズムシート７２が配置される。これにより、反射型プリズムシート７２への入射角度を、光の入射位置に関わらず大きくすることができ、反射型プリズムシート７２のみで、プリズムシート７の光利用効率を高めることができる。

なお、プリズムシート７の代わりに、回折を利用して光の角度を変えるホログラムシートを用いてもよい。この場合、上記に述べてきたプリズムシート７と同様の効果を有する。

（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３に係る面状照明装置について説明する。

本発明の実施の形態３に係る面状照明装置は、実施の形態１に係る面状照明装置あるいは実施の形態２に係る面状照明装置の構成に、さらに、自由曲面ミラーによって面状に広がったビームを反射させる背面ミラーを備える。

図１６は、本発明の実施の形態３に係る面状照明装置の概略構成を示す断面図である。なお、面状照明光の強度分布を均一化する場合、背面ミラーは、ビームを広げ、ビームを重畳する機能を有するレンチキュラーミラーであることが好ましい。そのため、図１６に示す面状照明装置は、背面ミラーとしてレンチキュラーミラーを用いている。

実施の形態３に係る面状照明装置３０は、レーザ光源１、コリメートレンズ２、レンチキュラーレンズ３、フレネルレンズ４、自由曲面ミラー５、光出射部６及びレンチキュラーミラー８を備える。

レンチキュラーミラー８は、自由曲面ミラー５によって反射されたビームを、面状に広げられたビームを外部に出射する光出射部６に向けて反射する。また、レンチキュラーミラー８は、入射したビームを複数に分割して反射するとともに、分割した複数のビームのそれぞれを重畳する。なお、実施の形態３において、レンチキュラーミラー８がミラーの一例に相当する。

レンチキュラーミラー８は、小さい反射型シリンドリカルレンズアレイで構成されている。レンチキュラーミラー８のひとつひとつの反射型シリンドリカルレンズが、自由曲面ミラー５によって面状に広がったビームを反射する。さらに、反射型シリンドリカルレンズは各々に入射する光を第２の方向Ｄ２に広げるため、レンチキュラーミラー８に入射した面状照明光は、レンチキュラーミラー８によって第２の方向Ｄ２に向けて重畳される。

レンチキュラーミラー８を反射したビームが第２の方向Ｄ２に向けて重畳されることで、自由曲面ミラー５で反射された面状照明光の強度むらを均一化することができる。これにより、面状照明装置で発生する面状照明光の強度むらは、ラインビームの第２の方向Ｄ２の光強度むら、自由曲面ミラー５の表面の傷、あるいは塵等の影響を受けにくく、信頼性の高い面状照明装置を実現することができる。

また、レンチキュラーミラー８によって、自由曲面ミラー５により反射されたビームを光出射部６に向けて反射させるので、自由曲面ミラー５と光出射部６との光学的な距離を長くすることが可能になり、大きい面積の面状照明光を得ることが容易となる。さらに、レンチキュラーミラー８によって、入射したビームが分割して反射されるとともに、分割されたビームのそれぞれが重畳されるので、直線状のビームの第２の方向Ｄ２の強度分布に関わらず、均一な強度分布の面状照明光を得ることができる。

（実施の形態４）
次に、本発明の実施の形態４に係る面状照明装置について説明する。

本発明の実施の形態４に係る面状照明装置は、実施の形態１〜３に係るいずれか１つの面状照明装置に、さらに折り返しミラーを備える。

図１７は、本発明の実施の形態４に係る面状照明装置の構成を示す側面図である。実施の形態４に係る面状照明装置４０は、レーザ光源１、コリメートレンズ２、レンチキュラーレンズ３、フレネルレンズ４、自由曲面ミラー５、光出射部６及び折り返しミラー９を備える。折り返しミラー９は、レンチキュラーレンズ３から自由曲面ミラー５までの間に配置され、レンチキュラーレンズ３により直線状に広げられたビームを折り返す。

レーザ光源１から出射したレーザ光は、コリメートレンズ２にて第１の略平行光に変換され、レンチキュラーレンズ３によって、ラインビームに変換される。ラインビームは折り返しミラー９によって略９０度反射され、フレネルレンズ４にて第２の略平行光に変換され、自由曲面ミラー５に入射する。自由曲面ミラー５によって反射された面状照明光は、ラインビームと交差して、光出射部６から面状照明装置４０の外へ出射される。

図１７から明らかなように、折り返しミラー９によってラインビームを折り返すことによって、フレネルレンズ４が自由曲面ミラー５の反射光の障害物になることを容易に防ぐことができる。そのため、自由曲面ミラー５からの反射光がフレネルレンズ４に当たらないようにするために装置を大型化することを防ぎ、コンパクトな面状照明装置を提供できる。

すなわち、レンチキュラーレンズ３により直線状に広げられたビームが折り返しミラー９によって折り返され、折り返されたビームがフレネルレンズ４に入射するので、フレネルレンズ４が、自由曲面ミラー５で反射されたビームの陰になることを防ぐことができ、装置を薄型化することができる。

なお、レンチキュラーレンズ３から自由曲面ミラー５までの距離を長くする場合、ラインビームを折り返して、往復させてもよい。図１８は、本発明の実施の形態４の変形例に係る面状照明装置の概略構成を示す側面図である。図１８に示す面状照明装置４１は、ラインビームを折り返して往復させる。

折り返しミラー９は、光出射部６の上端部の近傍に配置され、自由曲面ミラー５は、レンチキュラーレンズ３の近傍に配置される。折り返しミラー９と自由曲面ミラー５との間にはフレネルレンズ４が配置される。レンチキュラーレンズ３によって広げられたラインビームは、折り返しミラー９によって自由曲面ミラー５に向かって折り返され、自由曲面ミラー５によって面状に広げられる。

ラインビームは第２の方向Ｄ２に略平行であるため、面状照明装置４１の第２の方向Ｄ２のサイズは同程度で光路を長くすることができ、ラインビームを第１の方向に容易に長くすることができる。すなわち、レンチキュラーレンズ３による広がり角が小さい場合でも、第２の方向Ｄ２のサイズは同程度で、第１の方向に大きな面状照明光を出射する面状照明装置４１を提供できる。

なお、本発明の実施の形態１〜４に係る面状照明装置において、レーザ光源１に狭スペクトル幅のレーザ光を出射するレーザ光源を使用し、かつ、品質のよい面状照明光を得る場合、面状照明装置は、レーザ光の位相を時間的あるいは空間的にランダム化する手段を備えることが好ましい。

例えば、青色半導体レーザから出射される波長４４０ｎｍのレーザ光は、スペクトル幅が０．５ｎｍ程度以下と小さく、かつ、コヒーレント光である。そのため、このレーザ光を光源に用いると、スペックルノイズと呼ばれる粒状のギラつきが現れる。これは、狭スペクトル幅のレーザ特有の現象であり、照明光の品質を低下させる。レーザ光の位相を時間的あるいは空間的にランダム化する手段によって、スペックルノイズが低減され、なめらかな面状照明光を得ることができる。

具体的に、レーザ光の位相を時間的にランダム化する手段としては、光学素子を振動させる振動装置が用いられる。振動装置によって光学素子を振動させることにより、レーザ光の干渉パターンを人間の目の時間応答以上で時間的に変化させ、干渉パターンを平均化する。

なお、振動装置の消費電力を小さくする場合、振動させる光学素子はコリメートレンズ２であることが好ましい。本実施の形態１〜４では、略平行光のビーム径は３ｍｍ程度である。したがって、コリメートレンズ２の径は５ｍｍ程度と小さくなる。さらに、コリメートレンズ２はレーザ光源１に近い光学素子であるため、コリメートレンズ２に与える振動は小さくても、面状照射光の干渉パターンを大きく変化させることができる。そのため、コリメートレンズ２を振動させるためのエネルギーは小さくてよく、低消費電力の面状照明装置を実現することができる。

なお、コリメートレンズ２が光軸に対して傾いた場合、自由曲面ミラー５へ入射するラインビームの位置がずれるため、コリメートレンズ２の光軸に対する傾きは固定されていることが好ましい。コリメートレンズ２の光軸に対する傾きが固定されていれば、面状照明光の光強度分布は一定の状態で、スペックルノイズのみが低減され、品質のよい面状照明光を得ることができる。コリメートレンズ２の光軸に対する傾きを固定して、コリメートレンズ２を振動させる振動装置としては、例えば、４本のワイヤにより支持するアクチュエータが考えられる。

図１９は、コリメートレンズを振動させるアクチュエータの概略構成を示す図である。図１９では、４本のワイヤによるアクチュエータ２７の概略構成を示している。アクチュエータベース２１とヨーク２２とは、面状照明装置に固定され、可動部２３は、４本のワイヤ２４で支えられている。コリメートレンズ２は、可動部２３に固定され、可動部２３は、ヨーク２２によって、縦方向２５と横方向２６に、例えばローレンツ力等の力を受ける。コリメートレンズ２の光軸方向は、図１９のＺ軸方向である。４本のワイヤ２４は、アクチュエータベース２１と可動部２３とを平行リンク構造でつないでいる。そのため、可動部２３は、光軸方向に対し傾きを変えず、縦方向２５と横方向２６とに平行移動する。この構造により、可動部２３に固定されているコリメートレンズ２を、光軸方向の傾きを変えずに、振動させることができる。

このように、コリメートレンズ２を振動させるので、スペックルノイズを低減することができ、なめらかな面状照明光を得ることができる。また、コリメートレンズ２は、装置の中で使われている光学素子の中で最も小さい素子であるため、振動させるエネルギーを小さくでき、消費電力を抑えた面状照明装置を実現することができる。

なお、本実施の形態１〜４の面状照明装置において、面状照明光の強度むらを抑える場合、振動させる光学素子は１次元光拡散素子であり、かつ、その１次元光拡散素子のビームの広がり角が一定であってもよい。１次元光拡散素子としては、レンチキュラーレンズ３、又はラインビームを成形する拡散シート等が例として挙げられる。

図２０は、レンチキュラーレンズを振動させるアクチュエータの概略構成を示す図である。なお、レンチキュラーレンズ３を振動させるアクチュエータ２８は、図１９に示すアクチュエータ２７と同じ構成である。

例えば、レンチキュラーレンズ３が振動し、第１の略平行光のレンチキュラーレンズ３へ入射する領域が変化した場合でも、レンチキュラーレンズ３は小さいシリンドリカルレンズがアレイ状に配列されたものであるため、出射するビームの広がり角は変化しない。さらに、１次元光拡散素子は光軸に対し傾きを固定され、自由曲面ミラー５へ入射するラインビームの角度が一定であることが好ましい。１次元拡散素子を振動させる振動装置は、上述したコリメートレンズ２の振動装置と同様の構成等が考えられる。

１次元拡散素子の光軸に対する傾きが固定されていれば、レーザ光源１の出射光から自由曲面ミラー５の面状照明光までの光軸が常に一定となり、面状照明光の光強度分布が一定になる。面状照明光の光強度分布が一定であり、スペックルノイズのみが低減されるため、光強度分布が変化しない品質のよい面状照明光を得ることができる。また、１次元光拡散素子は、コリメートレンズ２に比べて、レーザ光源１から離れた位置に配置できるため、振動装置の配置が容易となる。

このように、レンチキュラーレンズ３を振動させるので、スペックルノイズを低減することができ、なめらかな面状照明光を得ることができる。また、レンチキュラーレンズ３が、ビームを分割して重畳する場合、レンチキュラーレンズ３が振動したとしても、面状照明光の強度むらは発生しにくいため、信頼性の高い面状照明装置を実現することができる。

なお、本実施の形態１〜４の面状照明装置において、光学素子の振動を積極的に利用して、面状照明光の強度むらを抑える場合、振動させる光学素子は自由曲面ミラー５であってもよい。

図２１は、自由曲面ミラーを振動させるアクチュエータの概略構成を示す図である。図２１に示すアクチュエータ２９は、自由曲面ミラー５の側面に取り付けられた回転軸３１に接続されており、回転軸３１を回転振動させる。これにより、自由曲面ミラー５が矢印３２の方向へ回転振動する。

アクチュエータ２９は、ラインビームの第１の方向を回転軸３１として、自由曲面ミラー５に対し微小な回転振動を与える。これにより、面状に広がった照明光が、光出射部６で走査される。そうすれば、面状照明光の干渉パターンが時間的に変化し、スペックルノイズが低減する。さらに、本構成では、面状照明光を光出射部６で走査することにより、自由曲面ミラー５の表面の傷又は塵等による面状照明光の強度のむらが低減されるため、均一な面状照明光を得ることができる。

このように、自由曲面ミラー５を振動させるので、スペックルノイズを低減することができ、なめらかな面状照明光を得ることができる。また、面状照明光の強度むらを抑え、均一な強度の面状照明光を得ることができる。

なお、騒音の防止や信頼性の向上等の理由により、機械的な振動装置を使用しない場合、音響光学素子又は電気光学素子等を用いて、第１の略平行光を走査してもよい。第１の略平行光はビーム径が小さいので、走査させることが容易である。第１の略平行光を走査させることにより、コリメートレンズ２を振動させること、あるいは自由曲面ミラー５を回転振動させることと、同様の効果を得ることが可能である。

なお、面状照明光の偏光が乱れてもよい場合、液晶を用いて、レーザ光の偏光を時間的に変化させ、スペックルノイズを低減してもよい。この場合、液晶を光路上に配置し、偏光を時間的にランダム化する。これにより、干渉パターンを時間的に変化させ、スペックルノイズを低減することができる。

なお、スペックルノイズの低減のために、上記で述べた方法を２つ以上組み合わせて使用することも可能であることは言うまでもない。

また、本発明の実施の形態１〜４による面状照明装置において、面状照明装置が長方形状の照射面を有し、面状照明装置を立てて使用する場合、１次元光拡散素子は、長方形状の照射面の横方向にビームを広げ、レーザ光源１は長方形状の照射面の中心の下方に配置されることが好ましい。

図２２は、レーザ光源を面状照明装置の正面下部に配置した状態を示す図である。図２２に示すように、レーザ光源１は、光出射部６の中央の下方に配置される。この場合、面状照明装置を正面から見たときに、左右対称に光学素子等が配置でき、レーザ光源１は正面下部に配置できる。面状照明装置を壁に設置するなど、立てて使う場合や、面状照明装置を画像表示装置のバックライトに使用する場合、面状照明装置を構成する光学素子が対称性を有しているので、デザイン性等に優れた面状照明装置を実現することができる。また、本実施の形態１〜４の面状照明装置では、レーザ光源１の重量が比較的大きくなるため、面状照明装置の下部にレーザ光源１を配置することで、安定した面状照明装置を実現することができる。

（実施の形態５）
次に、本発明の実施の形態５に係る面状照明装置について説明する。本実施の形態５に係る面状照明装置は、光源にレーザを用いているため、高速に変調することが可能である。そのため、カラーフィールドシーケンシャル方式と呼ばれる、各色の画像を人の目の時間分解能よりも高速に表示させ、カラー画像をつくることが可能である。

図２３は、本発明の実施の形態５に係る面状照明装置の構成を示す正面図である。実施の形態５に係る面状照明装置５０は、青色レーザ光源１ａ、赤色レーザ光源１ｂ、緑色レーザ光源１ｃ、コリメートレンズ２ａ，２ｂ，２ｃ、レンチキュラーレンズ３、フレネルレンズ４、自由曲面ミラー５、光出射部６及びダイクロイックミラー５１，５２を備える。なお、実施の形態１に係る面状照明装置１０と同じ構成については、同じ符号を付し、説明を省略する。

青色レーザ光源１ａは、レーザ光源１と同じ構成であり、青色レーザ光を出射する。赤色レーザ光源１ｂは、レーザ光源１と同じ構成であり、赤色レーザ光を出射する。緑色レーザ光源１ｃは、レーザ光源１と同じ構成であり、緑色レーザ光を出射する。

コリメートレンズ２ａは、青色レーザ光源１ａによって出射された青色レーザ光を第１の略平行光に変換する。コリメートレンズ２ｂは、赤色レーザ光源１ｂによって出射された赤色レーザ光を第１の略平行光に変換する。コリメートレンズ２ｃは、緑色レーザ光源１ｃによって出射された緑色レーザ光を第１の略平行光に変換する。

ダイクロイックミラー５１は、コリメートレンズ２ａを透過した青色レーザ光を透過させ、コリメートレンズ２ｂを透過した赤色レーザ光を反射させる。ダイクロイックミラー５２は、ダイクロイックミラー５１を透過した青色レーザ光を透過させ、ダイクロイックミラー５１を反射した赤色レーザ光を反射させ、コリメートレンズ２ｃを透過した緑色レーザ光を反射させる。

ダイクロイックミラー５２を透過した青色レーザ光及び赤色レーザ光と、ダイクロイックミラー５２を反射した緑色レーザ光とは、レンチキュラーレンズ３に入射する。そして、制御部（不図示）は、青色レーザ光源１ａ、赤色レーザ光源１ｂ及び緑色レーザ光源１ｃを制御し、カラーフィールドシーケンシャル方式により、青色レーザ光、赤色レーザ光及び緑色レーザ光をそれぞれ時間的にずらして出射させる。

このように、光の３原色である青色、赤色及び緑色のビームが青色レーザ光源１ａ、赤色レーザ光源１ｂ及び緑色レーザ光源１ｃから出射されるので、高い色再現範囲を有する面状照明装置を実現することができる。

また、液晶パネルを使った画像表示装置に通常使用されているカラーフィルタを取り除くことができる。カラーフィルタの光損失を無くすことで、画像表示装置の光利用効率を高め、低消費電力の画像表示装置を実現することができる。

図２４は、本発明の実施の形態５の変形例に係る面状照明装置の構成を示す正面図である。実施の形態５の変形例に係る面状照明装置５３は、青色レーザ光源１ａ、赤色レーザ光源１ｂ、緑色レーザ光源１ｃ、コリメートレンズ２、レンチキュラーレンズ３、フレネルレンズ４、自由曲面ミラー５、光出射部６及び光ファイバ５４を備える。なお、実施の形態１に係る面状照明装置１０及び実施の形態５に係る面状照明装置５０と同じ構成については、同じ符号を付し、説明を省略する。

光ファイバ５４は、青色レーザ光源１ａ、赤色レーザ光源１ｂ及び緑色レーザ光源１ｃから出射された赤色ビーム、緑色ビーム及び青色ビームを合波する。光ファイバ５４によって合波されたビームは、コリメートレンズ２に入射する。

このように、青色レーザ光源１ａ、赤色レーザ光源１ｂ及び緑色レーザ光源１ｃから出射された赤色ビーム、緑色ビーム及び青色ビームを光ファイバ５４により合波することで、面状照明光の強度分布は、青色レーザ光源１ａ、赤色レーザ光源１ｂ及び緑色レーザ光源１ｃのビームプロファイル変化の影響を受けにくくなり、信頼性の高い面状照明装置を実現することができる。

（実施の形態６）
次に、本発明の実施の形態６に係る画像表示装置について説明する。実施の形態６に係る画像表示装置は、少なくとも液晶パネルと、実施の形態１〜５に係る面状照明装置のいずれかをバックライトに用いた画像表示装置である。

図２５は、本発明の実施の形態６に係る画像表示装置の概略構成を示す図である。画像表示装置６０は、面状照明装置１０、液晶パネル６１及びフライアイレンズシート６２を備える。なお、図２５に示す画像表示装置６０は、実施の形態１に係る面状照明装置１０を備えているが、本発明は特にこれに限定されず、実施の形態２〜５に係る面状照明装置を備えてもよい。また、画像表示装置６０は、フライアイレンズシート６２を備えず、面状照明装置１０及び液晶パネル６１のみを備えてもよい。

液晶パネル６１を使った画像表示装置６０は、バックライトから出射される照明光の偏光を制御して、画像を表示するディスプレイである。本実施の形態６の画像表示装置６０は、直線偏光のレーザ光を光源に用いて、かつ、直線偏光のまま面状照明光を生成できる面状照明装置をバックライトに用いている。そのため、光利用効率を高くすることができ、消費電力を抑えることができる。

また、本実施の形態６の画像表示装置６０は、液晶パネル６１の光出射面側にフライアイレンズシート６２を備えていることが好ましい。さらに好ましくは、フライアイレンズシート６２の個々のレンズが、液晶パネル６１の各画素よりも十分に小さいことが好ましい。通常の液晶パネルを使った画像表示装置は、斜め横や上から見た場合でも映像が視聴できるよう、ある程度の視野角が必要となっている。そのため、液晶パネルから出射する光は、広がり角をもって出射される必要がある。そこで、フライアイレンズシート６２により、液晶パネル６１から出射された光が上下左右に拡大されるので、広視野角の画像表示装置を実現することができる。

また、フライアイレンズシート６２を液晶パネル６１の出射面側に配置すれば、フライアイレンズシート６２は、液晶パネル６１に入射する光に何ら影響を与えないため、画像表示装置６０の光利用効率を低下させることはない。また、フライアイレンズシート６２の個々のレンズが液晶パネル６１の各画素よりも十分に小さければ、フライアイレンズシート６２による画質の低下を抑えた画像表示装置６０を実現することができる。なお、本実施の形態６において、フライアイレンズシート６２が光拡散部及びレンズアレイシートの一例に相当する。

すなわち、フライアイレンズシート６２の個々のレンズが、液晶パネル６１の１画素よりも小さいので、フライアイレンズシート６２による画像のぼやけを抑え、広視野角の画像表示装置を実現することができる。

また、画像表示装置６０が実施の形態５に係る面状照明装置５０を備え、画像表示装置６０の映像表示方式がカラーフィールドシーケンシャル方式である場合、カラーフィルタを取り除くことができ、光利用効率が高く低消費電力の画像表示装置６０を実現することができる。

なお、実施の形態１〜５に係る面状照明装置は、画像表示装置だけではなく、植物プラントの面状照明装置に用いることも可能である。植物プラントの照明は１日中使用するなど、使用時間が非常に長く、コストの観点から、消費電力は非常に重要である。そのため、光利用効率が高く、低消費電力の本実施の形態１〜５に係る面状照明装置は有用である。

さらに、従来のように、樹脂でできた導光板を用いると、光吸収により導光板が劣化し、透過率が低下する可能性がある。しかしながら、本実施の形態１〜５に係る面状照明装置は、直接投射型の光学系であり、光は空気中を通るため、光学素子である導光板の経年劣化の影響を抑えることが可能である。

また、実施の形態１〜５に係る面状照明装置及び実施の形態６に係る画像表示装置は、本発明の主旨から逸脱しない範囲で様々な形態をとり得ることは言うまでもない。

なお、上述した具体的実施形態には以下の構成を有する発明が主に含まれている。

本発明の一局面に係る面状照明装置は、レーザ光源と、前記レーザ光源から出射されたビームを第１の略平行光に変換する第１の変換部と、前記第１の変換部によって第１の略平行光に変換されたビームを第１の方向に直線状に広げる１次元光拡散素子と、前記１次元拡散素子によって前記第１の方向に広げられたビームを第２の略平行光に変換する第２の変換部と、自由曲面で形成された反射面を有し、前記第２の変換部によって前記第２の略平行光に変換されたビームを前記第１の方向に直交する第２の方向に面状に広げる自由曲面ミラーとを備える。

この構成によれば、第１の変換部によって、レーザ光源から出射されたビームが第１の略平行光に変換され、１次元光拡散素子によって、第１の略平行光に変換されたビームが第１の方向に直線状に広げられ、第２の変換部によって、第１の方向に広げられたビームが第２の略平行光に変換される。そして、自由曲面で形成された反射面を有する自由曲面ミラーによって、第２の略平行光に変換されたビームが第１の方向に直交する第２の方向に面状に広げられる。

したがって、第１の方向に直線状に広げられたビームの第２の方向の長さは一定であり、直線状のビームを第１の方向に長くしたとしても、第２の方向の長さは変わらないので、装置を薄型化することができる。また、自由曲面ミラーを反射することによって、ビームが面状に広げられ、光学素子内をビームが通過しないため、透過損失が小さく高い光利用効率を実現することができる。

また、上記の面状照明装置において、前記１次元光拡散素子は、前記第１の略平行光の前記第１の方向の強度を均一化する機能を有し、前記自由曲面ミラーの前記第１の方向に対する断面形状が一様であることが好ましい。

この構成によれば、自由曲面ミラーの第１の方向に対する断面形状が一様であるので、自由曲面ミラーの加工の容易性が向上し、面状照明装置の加工コストを抑えることができる。

また、上記の面状照明装置において、前記１次元光拡散素子は、前記第１の略平行光を複数に分割し、分割した複数の第１の略平行光のそれぞれを直線状に広げ、広げた複数の第１の略平行光のそれぞれを重畳することが好ましい。

この構成によれば、直線状のビームの第１の方向の強度分布が略一様となるので、レーザ光源の固体差によるビームプロファイルの違いや、温度変化によるビームプロファイルの変化の影響を受けにくい、信頼性の高い面状照明装置を実現することができる。

また、上記の面状照明装置において、前記１次元光拡散素子は、レンチキュラーレンズを含むことが好ましい。

この構成によれば、レンチキュラーレンズに入射するビームの偏光方向と、レンチキュラーレンズによって広げられた直線状のビームの偏光方向とを一致させることができる。

また、上記の面状照明装置において、前記自由曲面ミラーで広げられたビームを第３の略平行光に変換する面状光学素子をさらに備え、前記面状光学素子は、面状に広げられたビームを外部に出射する光出射部に対して直線偏光の第３の略平行光を垂直に出射することが好ましい。

この構成によれば、自由曲面ミラーで広げられたビームが第３の略平行光に変換されるので、従来使用されている面状照明装置の代替が容易となり、使い勝手のよい面状照明装置を実現することができる。また、面状照明装置を液晶表示装置のバックライトに容易に利用することができる。

また、上記の面状照明装置において、前記面状光学素子は、反射型プリズムシートと屈折型プリズムシートとを含み、前記自由曲面ミラーから前記面状光学素子へ入射するビームの入射角度が２５度から３５度までの範囲内に、前記反射型プリズムシートと前記屈折型プリズムシートとの境界が存在することが好ましい。

この構成によれば、自由曲面ミラーから面状光学素子へ入射するビームの入射角度が２５度から３５度までの範囲内に、反射型プリズムシートと屈折型プリズムシートとの境界が存在するように、反射型プリズムシートと屈折型プリズムシートとが配置されるので、自由曲面ミラーと光出射部との距離を短くすることができ、装置をさらに薄型化することができる。

また、上記の面状照明装置において、前記自由曲面ミラーによって反射されたビームを、面状に広げられたビームを外部に出射する光出射部に向けて反射するミラーをさらに備えることが好ましい。

この構成によれば、ミラーによって、自由曲面ミラーにより反射されたビームを光出射部に向けて反射させるので、自由曲面ミラーと光出射部との光学的な距離を長くすることが可能になり、大きい面積の面状照明光を得ることが容易となる。

また、上記の面状照明装置において、前記ミラーは、入射したビームを複数に分割して反射するとともに、分割した複数のビームのそれぞれを重畳することが好ましい。

この構成によれば、ミラーによって、入射したビームが複数に分割して反射し、分割された複数のビームのそれぞれが重畳されるので、直線状のビームの第２の方向の強度分布に関わらず、均一な強度分布の面状照明光を得ることができる。

また、上記の面状照明装置において、前記１次元光拡散素子から前記自由曲面ミラーまでの間に配置され、前記１次元光拡散素子により直線状に広げられたビームを折り返す折り返しミラーをさらに備えることが好ましい。

この構成によれば、１次元光拡散素子により直線状に広げられたビームが折り返され、折り返されたビームが第２の変換部に入射するので、第２の変換部が、自由曲面ミラーで反射されたビームの陰になることを防ぐことができ、装置を薄型化することができる。

また、上記の面状照明装置において、前記第２の変換部は、面状に広げられたビームを外部に出射する長方形状の光出射部の端部に配置されていることが好ましい。

この構成によれば、面状に広げられたビームを外部に出射する長方形状の光出射部の端部に第２の変換部が配置されているので、第２の変換部が、自由曲面ミラーで反射されたビームの陰になることを防ぐことができ、装置を薄型化することができる。

また、上記の面状照明装置において、前記第１の変換部を振動させる振動装置をさらに備え、前記第１の変換部は光軸に対し傾きが固定されていることが好ましい。

この構成によれば、第１の変換部を振動させるので、スペックルノイズを低減することができ、なめらかな面状照明光を得ることができる。また、第１の変換部は、装置の中で使われている光学素子の中で最も小さい素子であるため、振動させるエネルギーを小さくでき、消費電力を抑えた面状照明装置を実現することができる。

また、上記の面状照明装置において、前記１次元光拡散素子を振動させる振動装置をさらに備え、前記１次元光拡散素子は光軸に対し傾きが固定されていることが好ましい。

この構成によれば、１次元光拡散素子を振動させるので、スペックルノイズを低減することができ、なめらかな面状照明光を得ることができる。また、１次元拡散素子が、ビームを分割して重畳する場合、１次元拡散素子が振動したとしても、面状照明光の強度むらは発生しにくいため、信頼性の高い面状照明装置を実現することができる。

また、上記の面状照明装置において、前記自由曲面ミラーを振動させる振動装置をさらに備えることが好ましい。

この構成によれば、自由曲面ミラーを振動させるので、スペックルノイズを低減することができ、なめらかな面状照明光を得ることができる。また、面状照明光の強度むらを抑え、均一な強度の面状照明光を得ることができる。

また、上記の面状照明装置において、前記レーザ光源は、シングルモードの半導体レーザを含むことが好ましい。

この構成によれば、シングルモードの半導体レーザを用いることで、面状照明光の強度分布がレーザ光源の温度変化及び出力変化の影響を受けにくくなり、信頼性の高い面状照明装置を実現することができる。

また、上記の面状照明装置において、前記レーザ光源は、赤色ビーム、緑色ビーム及び青色ビームを出射することが好ましい。

この構成によれば、光の３原色である赤色、緑色及び青色のビームがレーザ光源から出射されるので、高い色再現範囲を有する面状照明装置を実現することができる。

また、上記の面状照明装置において、前記レーザ光源から出射された赤色ビーム、緑色ビーム及び青色ビームを合波する光ファイバをさらに備えることが好ましい。

この構成によれば、レーザ光源から出射された赤色ビーム、緑色ビーム及び青色ビームを光ファイバにより合波することで、面状照明光の強度分布は、レーザ光源のビームプロファイル変化の影響を受けにくくなり、信頼性の高い面状照明装置を実現することができる。

本発明の他の局面に係る画像表示装置は、上記の面状照明装置と、前記面状照明装置によって照明される液晶パネルとを少なくとも備える。

この構成によれば、バックライトに用いる面状照明装置は、導光板型の面状照明装置に比べ、光の透過損失が少ないため、光利用効率が高く低消費電力の画像表示装置を実現することができる。また、バックライトに用いる面状照明装置は、直線偏光の光を出射できるため、画像表示装置の光利用効率を高くすることができ、低消費電力の画像表示装置を実現することができる。

また、上記の画像表示装置において、前記液晶パネルの光出射面側に配置されている光拡散部をさらに備えることが好ましい。

この構成によれば、光拡散部が液晶パネルの光出射面側に配置されているので、広視野角の画像表示装置を実現することができる。また、液晶パネルに入射する照明光の偏光を乱すことがなく、高い光利用効率の画像表示装置を実現することができる。

また、上記の画像表示装置において、前記光拡散部は、レンズアレイシートを含み、前記レンズアレイシートの個々のレンズは、前記液晶パネルの１画素よりも小さいことが好ましい。

この構成によれば、レンズアレイシートの個々のレンズが、液晶パネルの１画素よりも小さいので、レンズアレイシートによる画像のぼやけを抑え、広視野角の画像表示装置を実現することができる。

また、上記の画像表示装置において、前記画像表示装置の映像表示方式は、カラーフィールドシーケンシャル方式であることが好ましい。

この構成によれば、画像表示装置の映像表示方式が、カラーフィールドシーケンシャル方式であるので、カラーフィルタを取り除くことができ、光利用効率が高く低消費電力の画像表示装置を実現することができる。

本発明に係る面状照明装置及び画像表示装置は、薄型化することができるとともに、高い光利用効率を実現することができ、レーザを光源に利用した面状照明装置及び当該面状照明装置をバックライトに用いた画像表示装置として有用である。

Claims (20)

1. レーザ光源と、
   前記レーザ光源から出射されたビームを第１の略平行光に変換する第１の変換部と、
   前記第１の変換部によって第１の略平行光に変換されたビームを第１の方向に直線状に広げる１次元光拡散素子と、
   前記１次元光拡散素子によって前記第１の方向に広げられたビームを第２の略平行光に変換する第２の変換部と、
   自由曲面で形成された反射面を有し、前記第２の変換部によって前記第２の略平行光に変換されたビームを前記第１の方向に直交する第２の方向に面状に広げる自由曲面ミラーとを備えることを特徴とする面状照明装置。
2. 前記１次元光拡散素子は、前記第１の略平行光の前記第１の方向の強度を均一化する機能を有し、前記自由曲面ミラーの前記第１の方向に対する断面形状が一様であることを特徴とする請求項１記載の面状照明装置。
3. 前記１次元光拡散素子は、前記第１の略平行光を複数に分割し、分割した複数の第１の略平行光のそれぞれを直線状に広げ、広げた複数の第１の略平行光のそれぞれを重畳することを特徴とする請求項２記載の面状照明装置。
4. 前記１次元光拡散素子は、レンチキュラーレンズを含むことを特徴とする請求項３記載の面状照明装置。
5. 前記自由曲面ミラーで広げられたビームを第３の略平行光に変換する面状光学素子をさらに備え、
   前記面状光学素子は、面状に広げられたビームを外部に出射する光出射部に対して直線偏光の第３の略平行光を垂直に出射することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の面状照明装置。
6. 前記面状光学素子は、反射型プリズムシートと屈折型プリズムシートとを含み、
   前記自由曲面ミラーから前記面状光学素子へ入射するビームの入射角度が２５度から３５度までの範囲内に、前記反射型プリズムシートと前記屈折型プリズムシートとの境界が存在することを特徴とする請求項５記載の面状照明装置。
7. 前記自由曲面ミラーによって反射されたビームを、面状に広げられたビームを外部に出射する光出射部に向けて反射するミラーをさらに備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の面状照明装置。
8. 前記ミラーは、入射したビームを複数に分割して反射するとともに、分割した複数のビームのそれぞれを重畳することを特徴とする請求項７に記載の面状照明装置。
9. 前記１次元光拡散素子から前記自由曲面ミラーまでの間に配置され、前記１次元光拡散素子により直線状に広げられたビームを折り返す折り返しミラーをさらに備えることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の面状照明装置。
10. 前記第２の変換部は、面状に広げられたビームを外部に出射する長方形状の光出射部の端部に配置されてい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. 前記第１の変換部を振動させる振動装置をさらに備え、
    前記第１の変換部は光軸に対し傾きが固定されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の面状照明装置。
12. 前記１次元光拡散素子を振動させる振動装置をさらに備え、
    前記１次元光拡散素子は光軸に対し傾きが固定されている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. 前記自由曲面ミラーを振動させる振動装置をさらに備えることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の面状照明装置。
14. 前記レーザ光源は、シングルモードの半導体レーザを含むことを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載の面状照明装置。
15. 前記レーザ光源は、赤色ビーム、緑色ビーム及び青色ビームを出射することを特徴とする請求項１〜１４のいずれかに記載の面状照明装置。
16. 前記レーザ光源から出射された赤色ビーム、緑色ビーム及び青色ビームを合波する光ファイバをさらに備えることを特徴とする請求項１５記載の面状照明装置。
17. 請求項１〜１６のいずれかに記載の面状照明装置と、
    前記面状照明装置によって照明される液晶パネルとを少なくとも備えることを特徴とする画像表示装置。
18. 前記液晶パネルの光出射面側に配置されている光拡散部をさらに備えることを特徴とする請求項１７記載の画像表示装置。
19. 前記光拡散部は、レンズアレイシートを含み、
    前記レンズアレイシートの個々のレンズは、前記液晶パネルの１画素よりも小さいことを特徴とする請求項１８記載の画像表示装置。
20. 前記画像表示装置の映像表示方式は、カラーフィールドシーケンシャル方式であることを特徴とする請求項１７〜１９のいずれかに記載の画像表示装置。

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