JP4600078B2 - 照明装置および液晶表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、表示光を生成するための内蔵光源（バックライト）を具備する液晶表示装置におけるバックライト・ユニット（照明装置）の改良に関する。
更に詳しくは、表示画面に対して側面に配置される光源からの光を導光して、光射出面より液晶パネル（ＬＣＤパネル）側に光を射出する構成の、所謂エッジライト式のバックライト・ユニットにおける、導光板および光源を備えた面状の照明装置の改良に関する。

通常、透過型のＬＣＤパネルの背面に用いられる照明光源である所謂バックライトには、光源からの光を均一にＬＣＤパネルに導くために、透明樹脂からなる導光板が用いられている。
図１０に示すように、この種の導光板１０に光源１２が配置されてなる照明装置１４では、導光板１０の端面１１から導光板１０内に入射した光は、導光板１０の平面部を全反射しながら、導光板１０によって導光される平均方向であるほぼ平均導光方向Ｆに沿って導光板１０内を進む。
なお、図１０は、光源１２として線状の光源を用いた例を示しているが、光源１２の形状は線状に限るものではなく、例えば点状であってもよい。
導光板１０の平面部には所々にプリズム１６が設けられ、プリズム１６に当たった光は、図中矢印５６に示すように、導光板１０から図中上方側へ向かって射出される。

導光板１０の端面１１から導光板１０内に入射して、導光板１０内を伝播する光を光射出面（同図の上側）から取り出すための手段として、プリズムを用いない照明装置の例としては、導光板１０の面に散乱性のドットを印刷することにより、光を拡散射出する方法や、導光板１０の背面に回折格子を形成する方法（特許文献１）も提案されている。

上記の導光板においては、液晶パネルの表示画面に相当する光射出面内での光射出量を均一化する（すなわち、表示画面内の輝度分布を一様にする）ことも重要な技術課題であり、導光板１０の背面に回折格子を形成する手法の改良案として、
透明な板状体の少なくとも一端面から入射する光源からの光を、上記板状体の裏面に設けられた回折格子によって板状体の表面側へ回折させる導光板であって、
上記回折格子の断面形状または単位幅における格子部幅／非格子部幅の比の少なくとも１つが、上記導光板の表面における輝度が増大し、かつ均一化されるように変化せしめら
れていることを特徴とする導光板（特許文献２）のような提案も知られている。
特開平７−２４８４９６号公報 特開平９−３２５２１８号公報

しかしながら、このような照明装置では、射出面内の光強度を均一にしながら光源から導光板に入射する光を望ましい射出光へ変換する割合を高くすることが困難であり、透過型ＬＣＤパネルのバックライトなどとして利用する際に光の利用効率（光源から導光板に入射した光のうち、照明光として望ましい角度範囲の射出光に変換される割合）が低いという問題があった。
特に、ＬＣＤパネルのバックライトとしては、射出面の法線方向に強い光を出すことが望まれるが、従来技術では、光源と導光板の組み合わせのみによってこれを実現することは極めて難しい。

導光板からの射出光を適切な光分布へと変換するために、導光板と透過型表示素子の間に各種の光学フィルムを挿入する方法も提案されているが、これでは表示装置の厚みが増してしまい、製造コストも嵩んでしまうという別の問題が生じる。

また、プリズムを用いる場合には、構造が比較的大きいために目視観察時にプリズムの配置パターンを隠すのが困難であること、またプリズムによって導光板の厚みが厚くなること、射出光の射出角度範囲や射出光強度を自由に制御することができないなどの問題がある。

更に、導光板の端面に光源を設置した際に、光源に近い側と遠い側との光強度を一定にするのが困難である。
特に、点状の光源もしくは輝度ムラのある光源の場合には、光源側の端面から光源に遠い側の端面に光が向かう平均的な方向である平均導光方向（導光板内を導光する光の平均的な方向）Ｆと直交する方向における射出光の分布の均一性と光の利用効率を共に高くすることは一層困難である。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、導光板以外の高価で特殊な光学フィルム（プリズムなど）を用いることなく、光射出面の法線方向に十分な光強度の射出光を得ると共に、光の利用効率を高くし、射出面における射出光強度の均一性を高くし、射出光の角度範囲を自在に制御することが可能な簡便な構成の照明装置を提供することにある。

本発明の請求項１に係る照明装置は、
光源と、
光源から入射した光を導光し、前記導光された光を光射出面から射出する略シート状の導光板とを備えた照明装置において、
光射出面および光射出面に対向する面の双方に回折格子から成る複数個の光射出用光学素子を配したことを特徴とする。

請求項１の発明では、平均導光方向に沿って導光板内を導光する光を、導光板の光射出面及びその対向面の双方に配置された回折格子の相乗効果によって、全反射光とは大きく異なる角度に回折し、特に導光板の光射出面の法線方向に向かって射出することができるため、ＬＣＤパネルなどの照明に好適な条件において、光利用効率の高い照明装置を容易に簡便な構成で実現することができる。
特に、光射出素子として用いる回折格子の回折効率が50%以下であっても、導光板の光射出面及びその対向面の２面に配置されているため、導光板からの光射出効率を十分に高くすることができる。

更に、導光板の光射出面（前面）およびその対向面（背面）の双方に配置形成する回折格子に、それぞれ異なるように主たる光学機能を持たせることも可能である。
例えば、背面側の回折格子は、導光板内を伝播する光を多く取り出すように機能させ、前面側の回折格子により、射出光の方向・範囲や射出面内での輝度分布の制御を行なうように機能させる、などの光学機能の分離である。
この場合、当然、導光板の表裏（前面と背面）での回折格子の構造（形状，セルの分布）などは、求められる機能に応じて異なることになる。

請求項２の発明では、主として、導光板の光射出面と対向する面の回折格子からの透過回折光及び導光板の光射出面の回折格子からの反射回折光を、導光板の光射出面に対向する面に近接配置した反射シートにより、光射出方向へ反射することにより、導光板の光射出面の回折格子からの透過回折光及び導光板の光射出面と対向する面の回折格子からの反射回折光と共に導光板から射出し、照明光として望ましい光の光射出効率を更に高くすることができる。

請求項３の発明では、光射出面と光射出面に対向する面とにおいて、前記射出用光学素子が光射出面に平行な面を基準として対称的な格子構造（ここでは深さや格子間隔、格子形状を含む断面構造）の場合、光源から導光板側面に入射した光に対して、光射出面とその対向面が同様に作用するため、導光板の設計が容易になり、均一で高効率な導光板を実現しやすい。また、射出用光学素子である回折格子の設計や作製が１種類でよいため、簡便に実現できる。

請求項４の発明では、光射出面と光射出面に対向する面とにおいて、射出用光学素子がそれぞれ光射出面、それに対向する面から見て相対的に同一の配置となるようにすることにより、両面とも同一の版から作製することができる。
すなわち、ただ１つの版の設計、作製を行い、これをもとに導光板の両面に射出用光学素子を形成することにより簡便に低コストに高効率な導光板を作製できる。

請求項５の発明では、請求項４の発明において、光射出面における射出用光学素子の配置が平均導光方向を軸として非対称としていることにより、光射出方向から観察した際に、光射出面とその対向面での射出用光学素子の全体の配置は一致することはなく、簡便に作製できながらも導光板の射出面内においてより均一な射出光を実現することができる。

本発明の照明装置によれば、特殊な光学フィルムなどを用いる必要がなく、照明装置を少ない部材構成で実現することが可能となるだけでなく、回折光学素子の機能により射出光の角度範囲を適宜設計できる。
更に、射出用光学素子が回折光学素子から構成されていることにより、構造が極めて微小であり、また微細加工技術などにより容易に任意の領域に形成可能であるため、導光板上における回折光学素子の構造や配置が最適化でき、極めて均一な射出光分布を有する導光板を構成することが可能である。

以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の照明装置における照明装置の構成例を示す斜視図である。
図２は、本発明の照明装置における断面を示した側面図である。

すなわち、本実施の形態に係る照明装置は、光源からの光を側面より導光板に入射し、導光板内を全反射しながら導光し、光射出面もしくは光射出面に対向する面に配置された回折格子から成る光射出用光学素子によって透過回折光と反射回折光を生じ、導光板からの射出光すなわち照明光を得ることができる。

ここで、平均導光方向に沿って導光板内を導光する光を、回折格子の機能によって全反射光とは大きく異なる角度に回折し、特に導光板の光射出面の法線方向に向かって射出することができるため、ＬＣＤパネルなどの照明に好適な条件において、光利用効率の高い照明装置を容易に簡便な構成で実現することができる。
図１，２のように、導光板の光射出面と対向する面に反射シートを配置することにより、主要な回折光成分を有効に照明光として利用することができる。

なお、透過型液晶表示パネル１８と組み合わせて表示装置を構成した例を図９に示す。
導光している光を射出面の法線方向へ回折するには、高い空間周波数の回折格子が必要となるが、このような回折格子の回折効率を高くすることは容易ではない。

しかし、本発明のように両面に回折格子を形成することにより、実質的に約２倍の回折効率を実現できるため、照明装置として光の利用効率を著しく向上させることができる。しかも、両面とも回折格子を用いることにより、射出光の方向や広がり方の制御が十分に可能であり、照明光として望ましい光が高効率に得られる。

図２は、図１の照明装置における射出用光学素子３８が、導光板内の光を射出する様子を示している。
透過型のＬＣＤパネルのバックライトとして本発明の照明装置を利用する場合などには、射出用光学素子３８は導光中の光を射出面にほぼ垂直な方向に射出する光に変換することが望ましいが、射出用光学素子３８として回折格子を利用することにより簡便にこれが実現できる。

更に、回折格子の機能により、射出光の角度範囲を適宜設定することも可能であり、特に他の光学フィルムなどを用いなくても、ディスプレイとして最適な角度分布を持った照明光を実現することができる。

回折格子としてレリーフ型回折格子を用いる場合、パターンの設計が容易で有ると共に、導光板上に成形することも容易である。
このとき、レリーフ型回折格子の構造の高さ（深さ）は、典型的には０．１〜１μｍ程度であるため、余計な突起のない、ほぼ平面と見なせる導光板１０を実現できる。
すなわち、照明装置を薄くできる。更に、導光板１０と一体成形可能であり、極めて簡便に安価に製造可能である。

ここで、回折格子の機能について更に詳細に論じる。
導光板内を導光する光のうち、回折格子に入射した光は回折光を生じるが、通常の主要な回折光は１次回折光である。回折光学素子の最も基本的な構造である回折格子において、回折格子の格子ピッチｄと、１次回折光の射出角度（回折角）θRとの関係は、下記（１）式により表される。
ｄ＝ｍλ／（ｓｉｎθｉ−ｓｉｎθＲ） （１）
ただし、ｍは回折次数、λは導光板内における光の波長、θｉは正反射角度（回折格子が反射時に作用する場合）である。透過時もほぼ同様の式が成立する。

導光板内を平均導光方向に進む光を射出光に変換するために、最も効果的に作用する回折格子は平均導光方向に沿って格子ベクトルを持つ場合である。
すなわち、格子ベクトル方向と平均導光方向Ｆをほぼ同一とし、格子ピッチｄを適切に設定することにより、全反射しながら平均導光方向Ｆに進む光が回折格子によってθRの角度で回折し、全反射条件を外れて導光板１０の光射出面２６から射出して行く。特にθR〜０°とすると、導光板表面に対してほぼ垂直に照明光が射出し、透過型ディスプレイ用の照明光として最も好ましい。

回折格子は、導光板を導光している光を回折光として射出するのみでなく、その回折光の拡がり方（射出角度範囲）を制御することも可能である。
具体的には、図５（ａ）のような直線状の回折格子パターンは、導光中の光を曲げる働きのみを持ち、図５（ｂ）のような曲線状の回折格子パターンは射出する回折光の範囲をそのパターンによって任意に設計できる。

ここで、導光板上での回折格子パターンは、平均導光方向Ｆと平均的な格子ベクトル方向とを一致させると、全反射条件を満たす光に対して効果的に作用する構成とすることができる。
すなわち、導光中の光に対して、射出光の方向を大きく異ならせることができ、確実に導光板から射出できるようになる。

さらに、平均導光方向において、回折格子の空間周波数に幅を持たせることにより、導光板から射出する１次回折光を空間周波数の幅に応じた角度範囲内に光を射出することができ、予め設定した角度範囲に光を集中的に射出するため、効率よく光を利用することができる。

なお、射出用光学素子はそれぞれセル状の領域内に形成した回折格子を用い、多数のセルを導光板上に配置することが好ましい。
図６は、導光板上において単位面積当たりのセルの配置個数及びセルの大きさを変化させることによって配置密度を変化させた例である。
この時、平均導光方向Ｆに沿って導光板内を導光する光量が減少することによる射出光の減少を導光板の各位置における射出用光学素子３８の配置密度を、セルの配置個数及び／またはセルの大きさの設定により補償するため、射出面内で均一に光を射出できる。

図６では、図の上下が非対称となるようにしているが、このような配置パターンを導光板の光射出面及びそれと対向する面に形成すると、図７のようになる。
図７では、対向面に配置した射出用光学素子を網掛けで示している。このように非対称な配置を導光板の両面に形成することにより、射出光強度を高めると共に、簡便に導光板の射出面内において均一な射出光強度分布が得られるようにできる。

ここで、射出用光学素子のセルの外形形状としては、図８に示すように長方形状、円形状、楕円形状のうち何れであっても良い。
また、同一の導光板１０に配置されるセルは全て同一形状であっても、長方形状と円形状と楕円形状が混在していても良い。

最適な設計例としては、セルは平均導光方向Ｆに短く、それと直交する方向に長い形状を持つようにすれば、セルの形状による回折効果によって、射出する光を平均導光方向Ｆと同方向に拡げることができ、回折格子の設計とは独立した射出光角度分布の制御が可能である。この射出光の拡がりは、回折光における不必要な色付きの抑制することに貢献する。

また、射出用光学素子の配置間隔を１００μｍ以下とすると、一般的な観察条件における人間の目の解像度以下となり、このような照明装置の光射出面２６を目視観察した場合でも、射出用光学素子の大きさは十分小さく、単位面積あたりに十分な数の射出用光学素子を配置できるため、均一な射出光を出す面として観察させることができる。

回折格子は構造が極めて微小であり、また微細加工技術などにより容易に任意の領域に任意の光学機能を持った回折光学素子を形成可能であるため、最適化が容易であり、均一な射出光分布を有する導光板を構成することが可能である。

通常、導光板は、光源に近い端面側（入射側）ほど光の射出光強度は大きく、光源から遠い端面側ほど光の射出光強度は小さくなる。
このため、回折格子の回折効率を、導光板１０の光入射側から離れるほど高くすることにより、光強度の強い入射側において導光板１０から射出する光の割合を少なく、入射側から離れるほど射出割合を増加することができ、導光板１０の光射出面２６全域に亘って均一な強度の光を射出することが可能となる。

ここで、光源として端面にほぼ平行に配置された線状の光源を用いた場合、導光板における平均導光方向Ｆは、光源からの光の入射端面にほぼ直交する方向となる。
また、光源として、端面に配置された点状のＬＥＤ等の光源を用いた場合、光源を中心とする放射方向に導光しようとするが、導光板全体に亘って平均すると線状光源と同様に入射端面にほぼ直交する方向が平均導光方向Ｆとなる。

以上のように、本発明の照明装置は、プリズムなどの比較的高価な光学シートなどを併用する必要なく、光射出面のほぼ法線方向に射出する照明光が得られると共に、射出角度範囲が制御されており、射出面内で均一な分布を実現でき、光の利用効率が高く、さらに角度による色変化の少ない射出光を得ることが可能な照明装置を簡便な構成で提供できる。

なお、導光板１０は、図１に示すように平板状（厚みが一定）のみならず、平均導光方向Ｆに沿って進むにつれてその厚みが徐々に薄くなるような構成であっても良い。
また、本発明は拡散シートなどの安価で薄い構造のシートの併用を妨げるものではなく、射出面内の光の均一性を確実にするため、導光板の光射出面側に拡散シートなどを配置しても良い。

以上、本発明の好適な実施の形態について、添付図面を参照しながら説明したが、本発明はかかる構成に限定されない。特許請求の範囲の発明された技術的思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明の照明装置の構成例を示す斜視図。 本発明の照明装置における断面を示した側面図。 本発明の照明装置における射出用光学素子を対称とした場合の例を示す側面図。 一般的なＬＥＤからの射出光の様子を示す側面図。 本発明の照明装置における回折格子の構成例を示す図。 本発明の照明装置を構成する導光板における射出用光学素子の配置例を示す平面図。 図６に示す射出用光学素子の配置を導光板の両面につけた場合の例を示す平面図。 本発明の照明装置を構成する導光板における射出用光学素子の形状例を示す平面図。 本発明の照明装置が適用されてなる表示装置を示す斜視図。 従来技術による導光体が適用されてなる照明装置を示す斜視図。 図１０に示す照明装置が適用されてなる表示装置を示す斜視図。

符号の説明

Ｆ…平均導光方向
１０…導光板
１２…光源
１４…照明装置
１６…プリズム
１８…透過型ＬＣＤパネル
２４…表示装置
２６…光射出面
２８…対向面
３２…反射体
３８…射出用光学素子
５０…導光中の光
５１…回折光
５６…照明光
５８…表示光

Claims (6)

1. 光源と、
   光源から入射した光を導光し、前記導光された光を光射出面から射出する略シート状の導光板とを備えた照明装置において、
   光射出面および光射出面に対向する面の双方に回折格子から成る複数個の光射出用光学素子を配した構成からなり、
   前記回折格子は平均導光方向と平均的な回折ベクトル方向が一致し、
   前記光射出用光学要素のセルの外形は、前記セルが平均導光方向に短く、それと直交する方向に長いことを特徴とする照明装置。
2. 前記光射出面に対向する面に近接して光反射性シートを配したことを特徴とする請求項１記載の照明装置。
3. 光射出面と光射出面に対向する面における前記射出用光学素子が、それぞれ光射出面に平行な面を基準として対称的な格子構造であることを特徴とする請求項１または２に記載の照明装置。
4. 光射出面と光射出面に対向する面とにおける前記射出用光学素子が、それぞれ光射出面およびそれに対向する面から見て相対的に同一の配置関係であることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の照明装置。
5. 光射出面における前記射出用光学素子の配置が、平均導光方向を軸として非対称であることを特徴とする請求項４に記載の照明装置。
6. 画素単位での透光／遮光に応じて表示画像を規定する液晶パネルと、
   請求項１〜５の何れかに記載の照明装置、とを少なくとも備えることを特徴とする液晶表示装置。