JP5013315B2 - 照明光源装置、液晶表示装置、およびプロジェクタ - Google Patents

Description

本発明は、照明光源装置、液晶表示装置、およびプロジェクタに関し、特に液晶表示装置のバックライトやＭＥＭＳを利用したプロジェクタの照明光源に好適な照明光源装置に関するものである。

従来、液晶表示パネルを照明するバックライトに、近赤外線反射フィルタやバンドパスフィルタを利用し、斜入射成分を反射するように構成された液晶表示装置が開示されている（特許文献１を参照）。また、従来、一次元ＭＥＭＳ（メムス：Micro-Electro Mechanical Systems）とレーザ光源とを利用したプロジェクタが開示されている（特許文献２を参照）。

米国特許公開２００７／０１４１２７号公報 特開２００４−２０５９０号公報

液晶表示装置用のバックライトでは、光の利用効率を高めているが、光の出射角を厳密に制御しようと企図するものではない。ちなみに、近年の発光ダイオード（ＬＥＤ）の発展に伴い、白色冷陰極管に代えてＲＧＢ３色のＬＥＤを光源に用いて色特性を向上させた液晶表示装置が開発されている。

プロジェクタでは、レーザ光源からの光をシリンドリカルレンズによりライン状に集光して一次元ＭＥＭＳを照明している。この場合、レーザ光に大きな異方性がなければ、照明光束は一次元ＭＥＭＳの長手方向には狭い角度で照射され、短手方向には広い角度で照射される。例えば５００画素程度の一次元ＭＥＭＳを考えると、一次元ＭＥＭＳの縦横比は１：５００程度になり、照明光の入射角の比も５００：１程度になる。

一次元ＭＥＭＳでは、使用光および不使用光の出射方向を変化させ、不使用光を遮ることにより画像を形成する。したがって、一次元ＭＥＭＳの短手方向について入射光束の角度は狭い方が望ましい。これに対し、シリンドリカルレンズを利用する従来技術では、光源の発光分布が特殊なものでない限り、上述したように一次元ＭＥＭＳの短手方向について広い角度で照明することになるため、非効率的な照明になってしまう。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、所望形状の出射面から出射角の制限された照明光を供給することのできる照明光源装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明の第１形態では、所定面から光を出射する照明光源装置において、
準単色光を供給する光源と、
前記光源から供給された光を伝播させる導光板とを備え、
前記導光板の前記所定面に対応する出射面には、出射角の制限作用を有する誘電体多層膜が形成されており、
前記誘電体多層膜は、ファブリ−ペロ型の膜構成を有し、前記出射角の大きさに応じて透過波長域が異なり、
前記誘電体多層膜中のスペーサーは、低屈折率の膜物質からなり、
前記スペーサーの使用光に対する屈折率は、前記出射角に対する前記透過波長域の変化の依存性を決定する要因であり、当該屈折率は１．５よりも小さいことを特徴とする照明光源装置を提供する。

本発明の第２形態では、第１形態の照明光源装置と、該照明光源装置により照明される液晶表示パネルとを備えていることを特徴とする液晶表示装置を提供する。

本発明の第３形態では、第１形態の照明光源装置と、該照明光源装置により照明されるＭＥＭＳとを備えていることを特徴とするプロジェクタを提供する。

本発明の照明光源装置では、光源から供給された準単色光を伝播させる導光板の出射面に、バンドパス作用を有する誘電体多層膜を形成している。その結果、本発明の照明光源装置では、バンドパス作用を有する誘電体多層膜の出射角による膜特性の波長シフトの作用により、所望形状の出射面から出射角の制限された照明光を供給することができる。

以下、具体的な実施形態の説明に先立って、本発明の原理を説明する。本発明の照明光源装置では、導光板の出射面にバンドパス作用を有する誘電体多層膜が形成（コート）され、出射面以外の領域（端面または背面）から準単色光を入射させる。バンドパス作用を有する誘電体多層膜は、次の式（１）に示すような出射角による膜特性の波長シフトを起こす。

式（１）において、θは誘電体多層膜から空気中への光の出射角であり、λ_θは出射角θでの波長であり、λ₀は垂直入射での波長であり、Ｎ^*は誘電体多層膜の実効屈折率である。また、空気中への出射角θと、導光板中での誘電体多層膜への入射角θ’との関係は、導光板の屈折率をｎとするとき、次の式（２）で表される。
sinθ＝ｎ×sinθ’ （２）

式（１）を参照すると、出射角θが大きくなるほど、透過波長域が短波長側にシフトすることがわかる。このため、導光板に準単色光を入射させると、誘電体多層膜への入射光のうち所定の角度以上の出射角になる光は誘電体多層膜によって反射され、導光板から出射することができない。換言すると、所定の角度よりも小さい出射角になる光のみ出射することができ、誘電体多層膜で反射された光は所定の角度よりも小さい出射角になるまで導光板の内部で反射・散乱を繰り返す。

その結果、出射面での光量分布が比較的均一になり、しかも所定の角度以下の出射角の光のみが出射面から出射される。出射面の形状は導光板の形状に依存するので、例えば一次元ＭＥＭＳに対応した細長い形状も可能である。このように、本発明の照明光源装置では、バンドパス作用を有する誘電体多層膜の出射角による膜特性の波長シフトの作用により、所望形状の出射面から出射角の制限された照明光を供給することができる。

式（１）を参照すると、実効屈折率Ｎ^*が小さい方が、波長シフトの角度依存性は大きくなることがわかる。したがって、出射角θの制御を高精度に行うには、実効屈折率Ｎ^*が小さい方が好ましい。一般に、バンドパス作用を有する誘電体多層膜の膜構成は、（ＨＬ）ⁿＨＬＬＨ（ＬＨ）ⁿ、または（ＨＬ）ⁿＨＨ（ＬＨ）ⁿである。ここで、Ｈは高屈折率の膜物質を、Ｌは低屈折率の膜物質を表している。光の波長をλとし、膜物質の屈折率をｎとし、膜の物理的な厚さをｈとするとき、膜の光学的な厚さｎ×ｈはλ／４である。

（ＨＬ）ⁿＨＬＬＨ（ＬＨ）ⁿにおいて、（ＨＬ）ⁿＨおよびＨ（ＬＨ）ⁿは反射膜であり、ＬＬはスペーサーである。（ＨＬ）ⁿＨＨ（ＬＨ）ⁿにおいて、（ＨＬ）ⁿおよび（ＬＨ）ⁿは反射膜であり、ＨＨはスペーサーである。すなわち、バンドパス作用を有する誘電体多層膜として、反射膜−スペーサー−反射膜の膜構成を有するファブリ−ペロ型の誘電体多層膜を用いることができる。なお、スペーサーはＬＬやＨＨに限定されることなく、ＬＬＬＬ、ＨＨＨＨなどλ／２の整数倍の光学的な厚さを有するものであれば良い。

式（１）における実効屈折率Ｎ^*は膜物質の構成などに依存するが、反射膜−スペーサー−反射膜の膜構成を有するファブリ−ペロ型の誘電体多層膜では、実効屈折率Ｎ^*は特にスペーサーの屈折率に大きく影響される。したがって、スペーサーに低屈折率の膜物質Ｌを用いる方が、波長シフトの角度依存性を大きくすることができ、ひいては出射角θの高精度な制御に有利である。具体的には、スペーサーの使用光に対する屈折率は１．５よりも小さいことが好ましい。ちなみに、スペーサーとして使用可能なＭｇＦ₂の屈折率は約１．３８であり、ＳｉＯ₂の屈折率は約１．４６である。

バンドパス作用を有する誘電体多層膜の膜構成は、例えば（ＨＬ）ⁿＨＬＬＨ（ＬＨ）ⁿに限られることなく、（ＨＬ）ⁿＨＬＬＨ（ＬＨ）ⁿと（ＨＬ）ⁿＨＬＬＨ（ＬＨ）ⁿとの間に低屈折率の膜物質Ｌを挟んで繰り返したマルチスタックにすれば、誘電体多層膜の透過特性を矩形状にすることができる。また、誘電体多層膜の膜厚や最外層の膜を工夫することにより透過特性を最適化することも可能である。この場合も、スペーサーの屈折率が波長シフトの角度依存性に及ぼす影響が大きい。さらに、スペーサーの膜厚を工夫することにより、複数の波長に対して透過帯域を得ることができる。

本発明の実施形態を、添付図面に基づいて説明する。図１は、本発明の第１実施形態にかかる照明光源装置の構成を概略的に示す図である。第１実施形態では、ＭＥＭＳを利用したプロジェクタの照明光源に対して本発明を適用している。第１実施形態の照明光源装置は、準単色光を供給する光源１と、光源１から供給された光を伝播させる導光板（例えばプレート状の光伝播部材）２とを備えている。

光源１として、例えば波長が５３２ｎｍの光を出射するレーザ光源を用いることができる。必要な光量に応じて複数の光源を備える場合もあるが、以下、説明を簡単にするために、単一の光源を備える場合について考える。光源１からの光が導光板２の端面（側面）２ａに入射するように、光源１は導光板２の端面２ａに近接して配置されている。導光板２の出射面（光が出射される面）２ｂには、図２に示すような波長特性のバンドパス作用を有する誘電体多層膜３が形成されている。誘電体多層膜３の実効屈折率Ｎ^*は、例えば１．６である。

導光板２の端面２ａのうち、光の入射領域以外の領域には、反射膜（不図示）が形成されている。また、端面２ａ以外の他の端面（図２では他の３つの端面のうち、端面２ａと対向する１つの端面だけが図示されている）２ｃにも、反射膜（不図示）が形成されている。導光板２の出射面２ｂと対向する背面２ｄは散乱面とされており、散乱面に反射膜（不図示）が形成されている。これにより、導光板２の背面２ｄは、反射作用および散乱作用を有する。なお、端面２ａの入射領域以外の領域および端面２ｃに、反射作用および散乱作用を持たせることもできる。後述するように、反射膜の反射率が高い程、また光の透過領域が小さい程、光の利用効率は高くなる。

誘電体多層膜３の透過率の波長特性を示す図２において、縦軸は光の透過率であり、横軸は光の波長である。また、実線２１は光源１からの光の波長である５３２ｎｍを、破線２２は垂直出射（出射角０度）の立ち下がり波長である５３５．２ｎｍを、参照符号２３は垂直出射の透過率特性を、参照符号２４は１０度出射（出射角１０度）の透過率特性を示している。式（１）によれば、実効屈折率Ｎ^*が１．６で且つ垂直出射の立ち下がり波長が５３５．２ｎｍのとき、１０度出射の立ち下がり波長は５３２ｎｍへ波長シフトする。

したがって、光源１から導光板２の端面２ａに入射した光は、導光板２の内部を伝播して、例えば背面２ｄで反射散乱され、出射面２ｂに入射する。このとき、出射面２ｂへの光の入射角θ’に応じて、ひいては誘電体多層膜３から出射されることになる光の出射角θに応じて、誘電体多層膜３の透過率特性が異なる。具体的には、図２に示すように、垂直出射の場合には、波長が５３２ｎｍの光に対する誘電体多層膜３の透過率は十分に高い。したがって、出射面２ｂに垂直入射した光は、誘電体多層膜３を透過し、導光板２から出射角θ＝０度で出射される。

一方、１０度出射の場合には、波長が５３２ｎｍの光に対する誘電体多層膜３の透過率は垂直出射の場合に比して著しく減少する。したがって、誘電体多層膜３からの出射角θが１０度を超えるような入射角θ’で出射面２ｂへ入射した光は、誘電体多層膜３を透過することなく反射され、背面２ｄに再び入射して反射散乱される。背面２ｄで反射散乱された光は、出射面２ｂに直接入射、あるいは端面２ａの入射領域以外の領域または端面２ｃで反射された後に出射面２ｂに入射する。

このとき、出射角θが１０度以下になるような光は誘電体多層膜３を透過して導光板２から出射されるが、出射角θが１０度を超えるような光は誘電体多層膜３で反射されて背面２ｄへ戻される。こうして、背面２ｄでの反射散乱と出射面２ｂへの入射とを繰り返しながら、出射角θが１０度以下の光だけが誘電体多層膜３を透過して導光板２から出射される。このように、誘電体多層膜３は、図３に示すような出射角依存の透過率特性、すなわち透過率の出射角特性を有することになる。

以上のように、第１実施形態の照明光源装置では、導光板２の出射面２ｂにコートされた誘電体多層膜３の作用により、例えば１０度以下の出射角になる光のみが導光板２の出射面２ｂから出射され、それ以外の光は１０度以下の出射角になるまで導光板２の内部で反射および散乱を繰り返す。その結果、導光板２の出射面２ｂでの光量分布が比較的均一になり、しかも１０度以下の出射角の光のみが導光板２から制限的に出射される。

出射面２ｂの形状は導光板２の形状に依存するので、例えば出射面２ｂに対向して一次元ＭＥＭＳが配置される場合には、一次元ＭＥＭＳに対応した細長い形状の出射面２ｂを実現することも可能である。このように、第１実施形態の照明光源装置では、バンドパス作用を有する誘電体多層膜３の出射角による膜特性の波長シフトの作用により、所望形状の出射面２ｂから出射角の制限された照明光を供給することができる。特に、一次元ＭＥＭＳを照明する場合には、その短手方向について狭い角度で照明することになるので、従来技術に比して効率的な照明を実現することができる。

なお、上述の第１実施形態では、光源１を導光板２の端面２ａに近接させて配置し、光源１からの光を導光板２の端面２ａに直接入射させている。しかしながら、これに限定されることなく、例えば図４に示すように、光源１と導光板２の端面２ａとの間の光路中に集光レンズ４を配置する変形例も可能である。図４の変形例では、光源１からの光を集光レンズ４により集光して、導光板２の端面２ａにおける入射領域を小さくすることができるので、光の利用効率を向上させることができる。

また、上述の第１実施形態では、光源１からの光を導光板２の端面（出射面２ｂに隣接する側面）２ａに入射させるエッジライト方式を採用している。しかしながら、これに限定されることなく、例えば図５に示すように、光源１からの光を導光板２の背面２ｄから入射させる変形例も可能である。図５の変形例では、例えば４つの端面２ａ，２ｃに反射膜を形成し、背面２ｄの入射領域以外の領域を散乱面として反射膜を形成することになる。また、図５の変形例において、光源１と導光板２の背面２ｄとの間の光路中に集光レンズを配置することもできる。なお、端面２ａ，２ｃに反射作用および散乱作用を持たせることもできる。

図６は、本発明の第２実施形態にかかる照明光源装置の構成を概略的に示す図である。第２実施形態では、液晶表示装置のバックライトに対して本発明を適用している。第２実施形態の照明光源装置は、準単色光を供給する光源１１と、光源１１から供給された光を伝播させる導光板１２とを備えている。光源１１として、例えば波長幅が半値全幅で２０ｎｍ程度のＲＧＢ３色のＬＥＤを用いることができる。

必要な光量に応じて複数の光源を備える場合や、ＲＧＢそれぞれ個別の光源を備える場合もあるが、以下、説明を簡単にするために、単一の光源を備える場合について考える。光源１１からの光が導光板１２の端面１２ａに入射するように、光源１１は導光板１２の端面１２ａに近接して配置されている。必要に応じて、光源１１と導光板１２との間の光路中に集光レンズを付設することもできる。導光板１２の出射面１２ｂには、図７に示すような波長特性のトリプルバンドパス作用を有する誘電体多層膜１３が形成されている。

誘電体多層膜１３の実効屈折率Ｎ^*は、例えば１．６である。導光板１２の端面１２ａのうち、光の入射領域以外の領域には、反射膜（不図示）が形成されている。また、端面１２ａ以外の他の端面１２ｃにも、反射膜（不図示）が形成されている。導光板１２の出射面１２ｂに対向する背面１２ｄは散乱面とされており、散乱面に反射膜（不図示）が形成されている。なお、端面１２ａの入射領域以外の領域および端面１２ｃに、反射作用および散乱作用を持たせることもできる。

図７において、縦軸は光の透過率または光の強度であり、横軸は光の波長である。参照符号７１はＢ（Blue：青）の光に対する透過率特性を、参照符号７２はＧ（Green：緑）の光に対する透過率特性を、参照符号７３はＲ（Red：赤）の光に対する透過率特性を示している。また、参照符号８１はＬＥＤ１１から出射されるＢの光の波長分布を、参照符号８２はＬＥＤ１１から出射されるＧの光の波長分布を、参照符号８３はＬＥＤ１１から出射されるＲの光の波長分布を示している。

図７に示すように、誘電体多層膜１３の各波長Ｂ，Ｇ，Ｒの光に対する透過波長帯域は、ＬＥＤ１１が出射する各波長光の波長幅の半値全幅である２０ｎｍ程度に設定されている。式（１）によれば、誘電体多層膜１３の実効屈折率Ｎ^*が１．６の場合、２０ｎｍの波長シフトが起こるのは出射角θが２５度程度になるときである。したがって、誘電体多層膜１３からの出射角θが例えば２５度を超えるような入射角θ’で出射面１２ｂへ入射した光は、誘電体多層膜１３を透過することなく反射され、背面１２ｄに再び入射して反射散乱される。

背面１２ｄで反射散乱された光は、出射面１２ｂに直接入射、あるいは端面１２ａの入射領域以外の領域または端面１２ｃで反射された後に出射面１２ｂに入射する。このとき、出射角θが２５度以下になるような光は誘電体多層膜１３を透過して導光板１２から出射されるが、出射角θが２５度を超えるような光は誘電体多層膜１３で反射されて背面１２ｄへ戻される。こうして、背面１２ｄでの反射散乱と出射面１２ｂへの入射とを繰り返しながら、出射角θが２５度以下の光だけが誘電体多層膜１３を透過して導光板１２から出射される。

このように、第２実施形態の照明光源装置では、導光板１２の出射面１２ｂにコートされた誘電体多層膜１３の作用により、例えば２５度以下の出射角になる光のみが導光板１２の出射面１２ｂから出射され、それ以外の光は２５度以下の出射角になるまで導光板１２の内部で反射および散乱を繰り返す。その結果、導光板１２の出射面１２ｂでの光量分布が比較的均一になり、しかも２５度以下の出射角の光のみが導光板１２から制限的に出射される。

なお、第２実施形態では、図７に示すように、ＬＥＤ１１から出射される光の波長分布が裾をひいた形状を有するので、誘電体多層膜１３の透過率の出射角特性も裾をひいた形状になるが、中心波長の近傍の光に限れば、出射光の角度分布が制限されることになる。ＬＥＤ１１から出射される光の波長幅をさらに狭くすれば、出射角をさらに狭い角度範囲内に制限することも可能である。

本発明の第１実施形態にかかる照明光源装置の構成を概略的に示す図である。 第１実施形態における誘電体多層膜の透過率の波長特性を示す図である。 第１実施形態における誘電体多層膜の透過率の出射角特性を示す図である。 第１実施形態の第１変形例にかかる照明光源装置の構成を概略的に示す図である。 第１実施形態の第２変形例にかかる照明光源装置の構成を概略的に示す図である。 本発明の第２実施形態にかかる照明光源装置の構成を概略的に示す図である。 第２実施形態における誘電体多層膜の透過率の波長特性および光源からの光の波長分布を示す図である。

符号の説明

１，１１ 光源
２，１２ 導光板
２ａ，１２ａ 入射端面
２ｂ，１２ｂ 出射面
２ｄ，１２ｄ 背面
３，１３ バンドパス作用を有する誘電体多層膜
４ 集光レンズ

Claims (8)

1. 所定面から光を出射する照明光源装置において、
   準単色光を供給する光源と、
   前記光源から供給された光を伝播させる導光板とを備え、
   前記導光板の前記所定面に対応する出射面には、出射角の制限作用を有する誘電体多層膜が形成されており、
   前記誘電体多層膜は、ファブリ−ペロ型の膜構成を有し、前記出射角の大きさに応じて透過波長域が異なり、
   前記誘電体多層膜中のスペーサーは、低屈折率の膜物質からなり、
   前記スペーサーの使用光に対する屈折率は、前記出射角に対する前記透過波長域の変化の依存性を決定する要因であり、当該屈折率は１．５よりも小さいことを特徴とする照明光源装置。
2. 前記導光板の外側面のうち、前記光源からの光が入射する入射領域と前記出射面とを除く他の領域には、反射膜が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の照明光源装置。
3. 前記導光板の前記出射面に対向する背面には、反射作用および散乱作用を有するように散乱面に反射膜が形成されていることを特徴とする請求項２に記載の照明光源装置。
4. 前記光源からの光が前記出射面と隣接する端面から入射するように構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の照明光源装置。
5. 前記光源からの光が前記出射面と対向する背面から入射するように構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の照明光源装置。
6. 前記光源と前記導光板との間の光路中に配置された集光レンズを備えていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の照明光源装置。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の照明光源装置と、該照明光源装置により照明される液晶表示パネルとを備えていることを特徴とする液晶表示装置。
8. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の照明光源装置と、該照明光源装置により照明されるＭＥＭＳとを備えていることを特徴とするプロジェクタ。

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