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JP5066520B2 - 面状照明装置及びそれを用いた液晶表示装置 - Google Patents

面状照明装置及びそれを用いた液晶表示装置 Download PDF

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Description

本発明は、光源としてレーザ光を利用した面状照明装置及びそれを用いた液晶表示装置に関する。
従来、液晶表示パネルを用いた液晶表示装置には、冷陰極蛍光管を利用したバックライト照明が広く使用されている。また近年では、より鮮明で、自然な色調を再現するために赤色光、緑色光、青色光の3色の発光ダイオード(LED素子)を用いたバックライト照明も注目されており、精力的に開発が進められている。
これらのバックライト照明のうち比較的小型のものには、光源からの光を導光板側面(入射面)から入射させ、導光板の一方の主面(出射面)から光を出射させて照明する、通称エッジライト方式と呼ばれる側方光源型面状照明装置が用いられる。
この方式で用いられる導光板は、出射面の反対側の主面を光反射面とし、導光板のどちらかの主面に出射光の均一化を図るための調光パターンが施されている。
調光パターンとしては、透明導光板の反射面に印刷等により複数の乱反射領域を設け、光源から遠ざかるにつれ、乱反射領域の密度を上げる、あるいは乱反射領域の散乱度を上げるもの(例えば、特許文献1、2)、導光板の反射面に凹部または凸部を設け、光源から遠ざかるにつれ、その深さまたは高さを順次大きくするもの(例えば、特許文献3)等が知られている。
また、大型で高輝度が必要とされるバックライト照明には、陰極蛍光管あるいはLED素子を平面状に並べた、直下型照明装置が用いられる。
将来的には壁掛けTV等、薄型で大画面の液晶表示装置への要望が強まると考えられるが、直下型照明装置はエッジライト方式と比べ薄型化が困難という課題があり、薄型化が要望される液晶表示装置への採用は困難である。一方、エッジライト方式は、大画面化すると十分な輝度が確保できないという課題はあるものの、光源の高輝度化により適用の余地は残されている。
そのため、薄型で大画面の液晶表示装置を実現する方法として、LED素子よりも輝度が高く高出力化に適するレーザ光源を用いたエッジライト方式の面状照明装置の検討が始められている。
レーザ光源を用いたエッジライト方式の面状照明装置として、例えば図9A及びBに示すような構成が考えられる。図9Aは、レーザ光源を用いた従来の面状照明装置の概略構成を示す平面図、図9Bは、その側面図である。
図9A及びBにおいて、高出力のレーザ光源10から出射した発散光は、シリンドリカルレンズ11により、少なくとも導光板12の厚み方向に略平行な光束に形成された後、導光板12に入射するように構成されている。
特開平1−241590号公報 特開平6−130365号公報 特開平6−230380号公報
この構成のように、導光板12の厚み方向において略平行な光が入射する場合、次のような課題が生じる。
導光板12に略平行で入射されたレーザ光は、導光板12の入射面付近では、その指向性により、略平行光のまま導光板12の内部へと伝搬されることになる。このため、反射あるいは散乱により偏向される光量は導光板12の入射面側が最も少なくなってしまう。一方、従来の導光板12の調光パターン12aの密度は、レーザ光源10からのレーザ光の入射面側では疎で、レーザ光源10から遠ざかるに従い、高くなるように構成されている。したがって、従来の導光板12の調光パターン12aをレーザ光源10に適用した場合、導光板12の入射面付近において光を反射あるいは散乱により偏向させる効果が一層低くなり、入射面付近では大部分の光束が全反射してしまう。全反射された光束は導光板12から出射されることなく、導光板12の内部へと伝搬される。この結果、入射面付近で出射する光量が少なくなり、導光板12からの出射光に輝度ムラが生じてしまう。
本発明の目的は、広い色再現範囲と薄型大画面を実現できるレーザ光源を用いた構成において、大面積にわたり均一な輝度を有する面状照明装置及びそれを用いた液晶表示装置を提供することである。
本発明の一局面に従う面状照明装置は、レーザ光源と、端面から入射される光を第1の主面から出射する導光板と、前記レーザ光源から出射される発散光を前記導光板の厚み方向に略平行化し、前記導光板の端面に向けて出射する光学素子と、前記導光板に入射された略平行光の前記導光板内における進行方向を偏向させる第1の光偏向部とを備え、前記第1の光偏向部は、前記第1の主面から出射される光量が前記第1の主面内において均一となるように、前記導光板に入射した光の前記第1の光偏向部による偏向量の度合いを前記導光板内の位置によって変化させている。
上記の面状照明装置では、導光板に入射された光の第1の光偏向部による偏向量の度合いを導光板内の位置によって変化させているので、導光板の第1の主面から出射される光量を第1の主面内において均一にすることができる。このため、大面積にわたり均一な輝度を有する面状照明装置を実現することができる。
以下、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。なお、同じ要素には同じ符号を付しており、説明を省略する場合がある。
(実施の形態1)
図1A及びBは、本発明の実施の形態1にかかる面状照明装置の概略構成を示す模式図であり、図1Aは、その平面図、図1Bは、その側面図である。
図1A及びBにおいて、本実施の形態にかかる面状照明装置は、赤色光、緑色光、青色光の3原色を発光する3つのレーザ光源からの光を合成し出射する光源部1と、光源部1からの光を略平行光にするコリメートレンズ2と、光源部1からの光を偏向走査する回転多面鏡3と、回転多面鏡3の反射面が焦点となるように配置されたシリンドリカルレンズ4と、シリンドリカルレンズ4からの出射光を一方の端面(入射面)5aから入射し、一方の主面(出射面)5bから出射する導光板5と、を備えている。本実施の形態では、光源部1からの光を導光板5に対して走査する手段として回転多面鏡3を用いているが、回転多面鏡3に代えて、回折素子や、導光棒、散乱体といった周知技術により、光源部1からの光を導光板5に対して回折させたり、散乱、発散されるようにしても良い。
本実施の形態の導光板5の反射面5cには、導光板5に入射した光を反射によって偏向し、出射面5bに向かわせる入射面5aに平行なライン状に形成された複数の突起部6が設けられている。突起部6は、反射面5cの全面に渡って形成され、図1A及びBに示すように、入射面5a付近に多く形成されている。なお、図1Aにおいては、図面の簡略化のため、突起部6は点線で示されている。突起部6は、導光板5に入射される、光源部1からのレーザ光の進行方向を、反射や、散乱、屈折、回折等の光学的現象により、その進行方向を変化させる偏向体の一例である。ここでは、上述したように、レーザ光の進行方向は突起部6による反射によって変化させられる。また、突起部6は、通常、導光板5の反射面5cにレーザ加工等によって形成される溝、あるいは、導光板5の成型と同時に一体成型される溝であるが、勿論これらに限られるものではない。偏向体は、導光板5の内部に熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂からなる散乱粒子を含有させたり、導光板5の内部に気泡等を発生させることによっても実現できる。また、突起部6は入射面5a付近に多く形成されるとしたが、入射面5a付近で突起部6の大きさ、つまり溝の深さを深くしても良い。もちろん、溝の深さに限らず、偏向体の3次元的な形状が大きければ良い。さらに、偏向体の3次元的な形状の大きさに代えて、偏向体の散乱度合いまたは回折効率が入射面5a付近で大きくなるように分布させても良い。そうすることにより、入射面5a付近におけるレーザ光の散乱度合いを増やすことができる。
本実施の形態にかかる面状照明装置において、光源部1から出射した発散光は、コリメートレンズ2により略平行な光束に変換され、回転多面鏡3で偏向走査され、シリンドリカルレンズ4により導光板5への入射角が一定となるように再び偏向され、導光板5に導かれる。すなわち、シリンドリカルレンズ4からの光は導光板5の厚み方向に略平行に入射される。入射面5aから入射した光は、導光板5の反射面5cに設けられた突起部6により反射、偏向され、導光板5の臨界角以下となると出射面5bから出射する。
ここで、図9A及びBの導光板12のように、入射面から遠くなるにつれ突起部等の偏向体の密度が高くなる構成であると、入射面付近で反射、偏向される光量は小さく、略平行光束で入射した光の大部分が導光板12内部で全反射を繰り返して導光板12の内部へ伝搬されてしまう。このため、導光板12の入射面付近においては光が出射しないため暗くなる。
一方、本実施の形態の導光板5は、突起部6が入射面5a付近に高密度に配置されているため、入射面5a付近の出射面5bから出射される光の輝度を向上させ、導光板5全体の輝度を均一化することが出来る。
また、本実施の形態によれば、偏光の揃ったレーザ光源を持つ光源部1からの光を同一の入射角で導光板5へ入射するように構成し、かつ、入射面5aに平行なライン状の突起部6により反射する角度が乱れないように構成しているため、消光比の高い、導光板からの出射光が得られ、液晶表示パネルの偏光板での透過率が向上する。
以上のように本実施の形態にかかる面状照明装置によれば、発光効率が高く、色純度が良いレーザ光源を用いることにより、薄型大画面、かつ、色の再現性が良好な高画質の液晶表示装置を実現することが可能であり、さらに、レーザ光を略平行光で入射させる構成にあわせて導光板の調光パターンを構成することにより、大面積にわたり均一な輝度にすることが可能である。さらに、この調光パターンにより導光板に入射するレーザ光の偏光を維持し、偏光の揃った光を導光板から出射するので、液晶表示パネルでの透過率の向上も可能であり、消費電力の低い液晶表示装置を実現できる。
本実施の形態では、偏向体を導光板5の反射面5cに設けた突起部6としたが、突起部6に代えて、反射面5cに設けられた溝等による凹凸形状、あるいは、反射面5cに印刷等により設けられた散乱体であっても良い。また、反射面5cに設けられた突起部6等に代えて、出射面5bに設けられた凹凸形状、導光板5の内部に設けられた散乱体であっても同様な効果が得られる。
本実施の形態では、シリンドリカルレンズ4を用いて導光板5への入射角を揃え、ライン状に配置された突起部6で反射させることにより、導光板5からの出射光の偏光を揃えているが、シリンドリカルレンズ4を用いないで、導光板5に回転多面鏡3からの反射光を直接、導光板5に入射させるようにしても良い。この場合、導光板5には放射状に光が入射されることになるが、突起部6を放射状の光に合わせて放物線状に配置することにより、出射面5bから出射される光の偏光を揃えることができる。
本実施の形態では、突起部6を入射面5a付近に高密度に配置することとしているが、導光板5が比較的大きく、導光板5の入射面5aから他方の端面までの透過率が悪い場合には、入射面5a付近と他方の端面側で突起部6の密度を上げて配置する必要がある。
本実施の形態では、レーザ光源を用いる場合の課題であるスペックル対策及びレーザ光の広がり方向(レーザ光の進行方向と直交する方向)の均一化を考慮して、回転多面鏡3でレーザ光を走査する構成としたが、シリンドリカルレンズ等を用いて出射面5bと平行方向に光束を広げて導光板5に入射させる構成としても良い。
本実施の形態では、光源部1は1つであるが、複数であってもよく、レーザ光が入射する、導光板5の入射面も複数であってもよい。
本実施の形態では、シリンドリカルレンズ4を用いて導光板5への入射角を揃えているが、導光板5の入射面5aにシリンドリカルレンズ効果を有するフレネルレンズ形状が形成されていてもよい。この場合、シリンドリカルレンズ4が不要となり、面状照明装置自体の小型化が図られる。
(実施の形態2)
次に、本発明の実施の形態2について説明する。上記の実施の形態1では、回転多面鏡により偏向走査された光をシリンドリカルレンズにより入射角を揃えた後に導光板に入射させている。一方、本実施の形態では、回転多面鏡による反射光を直接、導光板に入射させる。本実施の形態によれば、シリンドリカルレンズが不要となり、面状照明装置自体の小型化を図ることができる。図2A及びBは、本発明の実施の形態2にかかる面状照明装置の概略構成を示す模式図であり、図2Aは、その平面図、図2Bは、その側面図である。
本実施の形態にかかる面状照明装置においては、図2A及びBに示すように、コリメートレンズ2からの光を、導光板5内の往路、すなわち入射面5aから他方の端面5dまでの経路において、回転多面鏡3により偏向走査する。そして、その偏向走査された光の導光板5への伝搬進行方向が揃うように、その偏向走査された光を他方の端面5dにより反射させる。回転多面鏡3から導光板5に入射された光は、導光板5内を入射面5aから他方の端面5dに向かう往路においては突起部6により反射されることなく他方の端面5dまで伝搬され、他方の端面5dにより折返し反射されて、導光板5内の復路において、反射面5cに導かれることになる。
本実施の形態にかかる導光板5の端面5dは、回転多面鏡3により偏向走査された光を、導光板5の厚み方向と直交する方向に集光あるいは発散させるレンズ機能を有し、そのレンズ機能により入射光の伝搬方向を一致させつつ、反射面5c側に反射させる。
本実施の形態によれば、導光板5の厚み等の寸法を小さくすること無く、面状照明装置自体の小型化が実現される。
(実施の形態3)
次に、本発明の実施の形態3について説明する。上記の実施の形態1及び2では、突起部等の偏向体の配置構成により、導光板の出射面からの光の輝度ムラを抑えるものであった。一方、本実施の形態では、突起部等の偏向体の配置構成に代えて、導光板の出射面から出射される光の透過率を出射面内で変化させることにより、出射面から出射される光の輝度ムラを抑えるものである。図3A及びBは、本発明の実施の形態3にかかる面状照明装置の概略構成を示す模式図であり、図3Aは、その平面図、図3Bは、その側面図である。
本実施の形態にかかる面状照明装置においては、図3A及びBに示すように、上記の実施の形態1及び2とは異なり、突起部6は反射面5c内で均一に配置されている。一方、出射面5b上には、例えば高屈折率材料と低屈折率材料の多層化によって形成された半透過膜5eが配置されている。半透過膜5eは、出射面5b内の位置によって、その透過率が異なる透過率分布を有している。半透過膜5eの透過率分布は、入射面5a付近の出射面5b上の透過率が高く、他方の端面側に進むに従い、低くなるように設定されている。
本実施の形態では、突起部6を反射面5c内で均一に配置したが、上記の実施の形態1と同様、突起部6を入射面5a付近に高密度に配置しても構わない。そうすることにより、入射面5a付近の出射面5bから出射される光の輝度を一層向上させ、導光板5全体の輝度の均一度合いを高めることができる。
本実施の形態によれば、上記の実施の形態1及び2と同様、導光板5の全面に渡って均一な輝度を実現できる。
なお、本実施の形態の半透過膜は、波長ごとに透過率分布が変わるように構成しても良い。このように構成すれば、色毎に輝度を調整できるので色ムラを低減できる。
(実施の形態4)
次に、本発明の実施の形態4について説明する。上記の実施の形態1及び2では、偏向体である突起部を導光板内に配置し、その分布を変化させることにより、導光板の出射面からの出射光の輝度ムラを抑えるものであった。一方、本実施の形態では、偏向体の分布を変化させることに代えて、導光板の入射面自体に偏向体を設けることにより、上記実施の形態1及び2と同様の効果を実現するものである。図4A及びBは、本発明の実施の形態4にかかる面状照明装置の概略構成を示す模式図であり、図4Aは、その平面図、図4Bは、その側面図である。本実施の形態において、実施の形態1と異なるのは導光板7のみであり、その他の要素は実施の形態1と同じであるので説明を省略する。なお、図4A及びBでは、図面の簡略化のため、導光板内に均一に分布する突起部等の偏向体の配置は省略されている。
本実施の形態の導光板7の入射面7aには、図4Bに示すように、導光板7の厚み方向に、導光板7に入射される光を回折、屈折、あるいは散乱する凹凸形状が設けられている。この凹凸形状は、導光板7に入射される、光源部1からのレーザ光の進行方向を、反射や、散乱、屈折、回折等の光学的現象により、その進行方向を変化させる偏向体の一例である。
本実施の形態にかかる面状照明装置において、光源部1から出射した発散光は、コリメートレンズ2により略平行な光束に変換され、回転多面鏡3で偏向走査され、シリンドリカルレンズ4により導光板7への入射角が一定となるように再び偏向され、導光板7の入射面7aに導かれる。導光板7に入射した光は、入射面7aを通過する際において入射面7aの凹凸形状により導光板7の厚み方向に拡散されて、導光板7内に導入される。導光板7に入射された光は、導光板7の一方の主面(出射面)7b及び他方の主面との間で反射を繰り返しながら、偏向体で偏向されて出射面7bから徐々に出射される。
このとき、導光板7に入射した光は、導光板7の厚み方向に拡散した光となるため、入射面7a付近でも十分な光量が偏向され、入射面7a付近の出射面7bから出射される光の輝度が向上する。このため、導光板7の厚み方向に平行な光束が入射した場合と比べると、入射面7a付近でも十分な輝度が得られ、導光板7全体の輝度を均一化することが出来る。
本実施の形態においては、入射面7aにおいて入射光を導光板7の厚み方向にのみ拡散させているため、入射面7aを通過した際の入射光の偏光が維持され、消光比の高い出射光が得られ、液晶表示パネルの偏光板での透過率が向上する。
以上のように本実施の形態においても、大面積にわたり均一な輝度にすることが可能である。また、液晶表示パネルでの透過率の向上も可能であり、消費電力の低い液晶表示装置を実現できる。
本実施の形態の入射面7aの凹凸形状は、導光板7の厚み方向に曲率を有するシリンドリカルレンズ効果を有する面であっても良い。また、入射面7aの凹凸形状を、一方の傾斜角がブリュースター角となる鋸歯状とし、入射偏光をP偏光とすることにより、入射面7aでの効率の向上が可能である。
また、本実施の形態では、導光板7の入射面7aに凹凸形状を設けているが、入射面7aの直前にプリズムアレイあるいは回折格子を置いても良い。この場合、プリズムアレイあるいは回折格子のピッチは、等ピッチであっても、不等ピッチでもよい。また、入射面7aの直前に導光板7の厚み方向に曲率を有するシリンドリカルレンズを置き、入射面7a付近で集光するようにしてもよい。この場合であっても、入射面7a付近で集光された光は導光板7内で拡散されるので、導光板7の入射面7aに凹凸形状を設けた場合と同様の効果を得ることができる。
本実施の形態において、上記の実施の形態1の突起部6の分布の変化を用いていないが、突起部6による調光パターンを併用することにより、さらに均一性を向上させることが可能である。
(実施の形態5)
次に、本発明の実施の形態5について説明する。上記の実施の形態4では、回転多面鏡により偏向走査された光をシリンドリカルレンズにより入射角を揃えた後に導光板に入射させている。一方、本実施の形態では、回転多面鏡による反射光を直接、導光板に入射させる。本実施の形態によれば、シリンドリカルレンズが不要となり、面状照明装置自体の小型化を図ることができる。図5A及びBは、本発明の実施の形態5にかかる面状照明装置の概略構成を示す模式図であり、図5Aは、その平面図、図5Bは、その側面図である。
本実施の形態にかかる面状照明装置においては、図5A及びBに示すように、コリメートレンズ2からの光を、導光板7内の往路、すなわち入射面7aから他方の端面7cまでの経路において、回転多面鏡3により偏向走査する。そして、その偏向走査された光の導光板7への伝搬方向が揃うように、その偏向走査された光を他方の端面7cにより反射させる。この反射の際、反射光は端面7cの凹凸形状により導光板7内に向かって拡散され、再び導光板7内に導入される。導光板7に入射された光は、導光板7の一方の主面(出射面)7b及び他方の主面との間で反射を繰り返しながら、偏向体で偏向されて出射面7bから徐々に出射されることになる。
本実施の形態にかかる導光板7の端面7cは、回転多面鏡3により偏向走査された光を導光板7の厚み方向と直交する方向に集光あるいは発散させるレンズ機能を有し、そのレンズ機能により入射光の伝搬方向を一致させて反射する。さらに、導光板7の厚み方向に、導光板7に入射される光を反射する凹凸形状が設けられている。この凹凸形状は、導光板7に入射される、光源部1からのレーザ光の進行方向を、反射や、散乱、屈折、回折等の光学的現象により、その進行方向を変化させる偏向体の一例である。
本実施の形態によれば、導光板7の厚み等の寸法を小さくすること無く、面状照明装置自体の小型化が実現される。
(実施の形態6)
次に、本発明の実施の形態6について説明する。本実施の形態は、上記の実施の形態1において、導光板の入射面を入射光の光軸に対してブリュースター角をなすように傾けたものである。図6A及びBは、本発明の実施の形態6にかかる面状照明装置の概略構成を示す模式図であり、図6Aは、その平面図、図6Bは、その側面図である。本実施の形態において、実施の形態1と異なるのは、導光板8のみであり、その他の要素は実施の形態1と同じであるので説明を省略する。
本実施の形態の導光板8の入射面8aは、図6A及びBに示すように、導光板8の出射面8bに対して傾斜しており、その傾斜は、入射するレーザ光の光軸に対してブリュースター角をなすように構成されている。
本実施の形態の導光板8の反射面8cには、実施の形態1と同様に、導光板8に入射した光を反射によって偏向し、出射面8bに向かわせる入射面8aに平行なライン状に形成された複数の突起部9が設けられている。突起部9は、反射面8cの全面に渡って形成され、図6Bに示すように、入射面8a付近に多く形成されている。
本実施の形態の光源部1は、P偏光のレーザ光を出力可能なレーザ光源を有している。本実施の形態においては、光源部1から出力されたP偏光のレーザ光を導光板8の入射面8aにブリュースター角で入射させることにより、入射面8aにおけるレーザ光の反射を低減させる。
以上のように本実施の形態にかかる面状照明装置によれば、光源部1から出射した発散光は、コリメートレンズ2により略平行な光束に変換され、回転多面鏡3で偏向走査され、シリンドリカルレンズ4により導光板8への入射角が一定となるように再び偏向され、導光板8の入射面8aにブリュースター角で入射する。このとき、P偏光で入射するように構成されているため、入射面8aでほとんど反射することなく導光板8に入射し、導光板8の反射面8cに設けられた突起部9により反射、偏向し出射面8bから出射する。
このとき、導光板8には略平行光が入射するが、出射面8bに対して斜めに入射し、かつ、入射面8a付近に出射面8bに向けて反射させる突起部9が多く配置されているため、入射面8a付近の輝度は確保できる。加えて、入射面8a付近以外では、突起部9をバランスよく配置することに導光板8全体での輝度の均一化が図れる。
以上のように本実施の形態では、大面積にわたり均一な輝度が得られるという効果に加え、導光板8の入射面8aでの効率が向上する。
なお、本実施の形態では、導光板8の入射面8aを傾けたが、導光板8に入射する光の入射角度を傾けても同様の効果が得られる。
さらに、導光板8の入射面8aと入射光の入射角度の両方傾けることにより、入射面8aの面積を維持したまま、導光板8の薄型化、軽量化が可能となる。
(実施の形態7)
次に、本発明の実施の形態7について説明する。上記の実施の形態1〜6では、光源部から出力されるレーザ光をコリメートレンズにより発散光から平行光に変換し、導光板の厚み方向に略平行なレーザ光を導光板に入射させている。本実施の形態では、この略平行なレーザ光の入射による導光板における光利用効率の向上について具体的に説明する。図7A〜Cは、本発明の実施の形態7にかかる面状照明装置に用いられる導光板を説明するための模式図であり、図7Aは、その導光板の概略構成を示す側面図、図7Bは、その導光板の反射面に形成された突起部及びその突起部に入射されるレーザ光の入射角を示す図、図7Cは、その導光板の反射面に形成された突起部及びその突起部に入射されるレーザ光の他の入射角を示す図である。
本実施の形態の導光板15は、図7Aに示すように、一方の端面である入射面15aと、一方の主面である出射面15bと、他方の主面である反射面15cと、反射面15c上に形成された突起部16と、を備えている。導光板15の厚み方向に略平行、すなわち、導光板15の出射面15bに略平行なレーザ光17は、入射面15aから導光板15に入射され、入射面15aから入射した光は、導光板15の反射面15cに設けられた突起部16による反射によって出射面15bに向けて偏向され、導光板15の臨界角以下となると出射面15bから出射する。
本実施の形態の突起部16は、図7Aに示すように、導光板15の反射面15cに形成された溝であり、その反射面16aは、導光板15の出射面15bと所定の角度θ1をなすように形成されている。突起部16が導光板15に形成された溝であることから、突起部16の反射面16aは導光板15と同一の臨界角を有している。したがって、レーザ光17が反射面16aに臨界角以下で入射されれば反射面16aを透過し(図7Cの場合)、臨界角以上で入射されれば反射面16aを透過せず、全反射される(図7Bの場合)。
図7B及びCに示すように、レーザ光17は突起部16の反射面16aに、反射面16aの法線方向(図中の一点鎖線)と所定の角度(入射角)θ2をなして入射される。以下、導光板15の材質をアクリル樹脂で構成した場合を例にして説明する。
導光板15がアクリルの場合、アクリルの屈折率は約1.49、臨界角は約42°である。したがって、レーザ光17を突起部16の反射面16aに臨界角以上で入射させることにより反射面16aにおける全反射が実現される。このため、本実施の形態では、反射面16aと導光板15の出射面15bとがなす角度θ1を略45°に設定する。そうすることにより、導光板15の出射面15bに略平行となるように導光板15に入射されるレーザ光17は、図7Bに示すように、突起部16の反射面16aに臨界角以上の入射角度θ2で入射されることになる。導光板15に入射されるレーザ光17と出射面15bとがなす角度は、±3°以下であることが好ましい。この場合、レーザ光17のすべての光束を突起部16の反射面16aにより全反射で偏向させ、出射面15bから出射させることができ、導光板15の光利用効率を一層向上させることができる。
さらに、本実施の形態によれば、導光板15からほぼ垂直に光が出射するため、輝度を正面に集める視野角調整用のプリズムシートが不要になる。このとき、視野角を広げるための拡散シートが必要だが、プリズムシートのように導光板15との間で多重反射させなくてもよいため、拡散シートのみのほうが効率的にも有利である。
本実施の形態において、導光板15の反射面15cに傾斜をつけると、入射面15aの反対側の端面から漏れる光を低減できるので、光利用効率の点において効果的である。
また、本実施の形態において、突起部16の反射面16aと出射面15bとがなす角度を40°程度とすれば、導光板15に入射されるレーザ光17と出射面15bとがなす角度が±8°程度ばらついても高い光利用効率を得ることができる。
(実施の形態8)
次に、本発明の実施の形態8について説明する。上記の実施の形態1〜7の光源部は、1つの光源部に赤色光、緑色光、青色光の3原色を発光する3つのレーザ光源を搭載し、3つのレーザ光源からの光を導光板の同一の入射面に入射させるものであった。一方、本実施の形態では、複数の光源部を用意し、各光源部から異なる色のレーザ光を導光板の異なる入射面に入射させるものである。図8は、本発明の実施の形態8にかかる面状照明装置の概略構成を示す平面図である。
本実施の形態にかかる面状照明装置は、図8に示すように、赤色光及び緑色光を発光する2つのレーザ光源からの光を合成し出射する光源部1aと、光源部1aからの光を略平行光にするコリメートレンズ2aと、光源部1aからの光を偏向走査する回転多面鏡3aと、回転多面鏡3aの反射面が焦点となるように配置されたシリンドリカルレンズ4aと、シリンドリカルレンズ4aからの出射光を一方の入射面14aから入射し、出射面から出射する導光板14と、青色光を発光するレーザ光源からの光を出射する光源部1bと、光源部1bからの光を略平行光にするコリメートレンズ2bと、光源部1bからの光を偏向走査する回転多面鏡3bと、回転多面鏡3bの反射面が焦点となるように配置されたシリンドリカルレンズ4bと、を備えている。そして、シリンドリカルレンズ4bからの出射光は導光板14の他方の入射面14bから入射される。もちろん、本実施の形態は、光源部1aが赤色光及び緑色光を出射し、光源部1bが青色光を出射するものに限定されるものではなく、その他の組み合わせであっても構わない。
本実施の形態の導光板14の反射面には、例えば、導光板14の入射面14a及び入射面14bから入射した各光の両方を散乱によって偏向し、出射面に向かわせる反射散乱体が反射面の全面に渡って均一に形成され、導光板の出射面には、波長選択性の半透過膜が形成されている。
この波長選択性の半透過膜は、例えば青色光のみに対して上記の実施の形態3と同様に透過率の分布を持つように構成され、この透過率分布は、入射面14b付近の透過率が高く、他方の端面側に進むに従い低くなるように設定されている。
一方、導光板14の入射面14aには例えば、上記の実施の形態4と同様に、導光板14の厚み方向に、導光板14に入射される光を回折、屈折、あるいは散乱する凹凸形状が設けられている。このため、入射面14aから入射されるレーザ光と入射面14bから入射されるレーザ光の各々の特性に応じて別途独立に、出射面から出射される光の輝度の調節をすることができる。したがって、本実施の形態によれば、各色のレーザ光が導光板14から出射される際の輝度の均一化を一層高めることができる。
以上説明したように、本発明の実施の形態1〜8にかかる面状照明装置及びそれを用いた液晶表示装置によれば、色純度が高く、発光効率の高いレーザ光源を用いることにより、広い色再現性と薄型大画面および低消費電力が実現できる。同時に、大面積にわたり均一な輝度にすることが可能であり、高画質化という大きな効果が得られる。
上記の各実施の形態から本発明について要約すると、以下のようになる。すなわち、本発明にかかる面状照明装置は、レーザ光源と、端面から入射される光を第1の主面から出射する導光板と、前記レーザ光源から出射される発散光を前記導光板の厚み方向に略平行化し、前記導光板の端面に向けて出射する光学素子と、前記導光板に入射した光の前記導光板内における進行方向を偏向させる第1の光偏向部とを備え、前記第1の光偏向部は、前記第1の主面から出射される光量が前記第1の主面内において均一となるように、前記導光板に入射した光の前記第1の光偏向部による偏向量の度合いを前記導光板内の位置によって変化させている。
上記の面状照明装置では、導光板に入射された光の第1の光偏向部による偏向量の度合いを導光板内の位置によって変化させているので、導光板の第1の主面から出射される光量を第1の主面内において均一にすることができる。このため、大面積にわたり均一な輝度を有する面状照明装置を実現することができる。
前記導光板は、前記光学素子から出射した略平行光が入射され、前記第1の光偏向部は、前記導光板内に配置され、反射、散乱、屈折及び回折のうちの少なくとも1つを含む光学的現象により前記略平行光を偏向させる、複数の偏向体であり、前記複数の偏向体は、前記複数の偏向体による偏向量の度合いが前記導光板内の位置によって変化するように疎密分布されることが好ましい。
この場合、複数の偏向体の疎密分布によって略平行光が偏向される度合いを変化させることができるので、導光板内における略平行光の偏向量の度合いを精度よく変化させることができる。
前記複数の偏向体は、前記導光板の第1の主面または前記第1の主面に対向する第2の主面に配置された複数の反射散乱体であり、前記複数の反射散乱体は、前記導光板の端面近傍に高密度分布されることが好ましい。
この場合、複数の反射散乱体を第1の主面または第2の主面に配置することにより、容易に略平行光が偏向される頻度を変化させることができる。
前記複数の偏向体は、前記導光板の第1の主面または前記第1の主面に対向する第2の主面に形成された複数の凹凸形状部であり、前記複数の凹凸形状部は、前記導光板の端面近傍に高密度分布されることが好ましい。
この場合、複数の凹凸形状部を第1の主面または第2の主面に形成することにより、容易に略平行光が偏向される頻度を変化させることができる。
前記複数の偏向体は、前記導光板内に分散された複数の散乱体であり、前記複数の散乱体は、前記導光板の端面近傍に高密度分布されることが好ましい。
この場合、複数の散乱体を導光板内に分散させることにより、容易に略平行光が偏向される頻度を変化させることができる。
前記導光板の第1の主面上に配置され、前記第1の主面から出射される光を透過させる半透過膜、をさらに備え、前記半透過膜の透過率は、前記導光板の端面近傍で高くなることが好ましい。
この場合、半透過膜の透過率が導光板の端面近傍で高くなり、導光板の端面近傍から出射される光量をより向上させることができるので、第1の主面内での輝度分布をより均一化することができる。
前記光学素子と前記導光板との間に配置され、前記光学素子から出射される略平行光を前記導光板の厚み方向と直交する方向に略平行化する光学レンズ、をさらに備え、前記複数の偏向体は、前記導光板に入射される略平行光に垂直な複数の直線上に配置されていることが好ましい。
この場合、光学レンズから導光板に入射される光は、その偏光が維持されて第1の主面から出射されることになる。このため、第1の主面から出射された光が液晶表示パネルに照射される場合、液晶表示パネルにおける透過率の向上が図られる。
前記光学素子から出射される略平行光は、前記導光板に放射状に入射されており、前記複数の偏向体は、前記放射状に入射される略平行光の入射方向に凸部を有する放物線状に配置されていることが好ましい。
この場合、複数の偏向体により導光板に入射される略平行光の偏光を揃えることができ、第1の主面から出射された光が液晶表示パネルに照射される場合、光学系の小型化を図りつつ、液晶表示パネルにおける透過率を向上させることができる。
前記導光板は、前記導光板の端面に対向し、前記端面から入射された略平行光を前記導光板の端面側に反射すると共に、前記端面側への反射光を前記導光板の厚み方向と直交する方向に略平行化する反射面、を有し、前記複数の偏向体は、前記導光板の反射面の近傍に高密度分布されることが好ましい。
この場合、導光板内で導光板に入射される光の偏光を揃えることができる。このため、導光板の入射光学系の小型化を図ることができる。
前記導光板は、前記端面上に配置され、反射、散乱、屈折及び回折のうちの少なくとも1つを含む光学的現象により、前記導光板に入射する光を前記導光板の厚み方向に偏向する第2の光偏向部、を有し、前記第2の光偏向部は、複数の凹凸形状部であることが好ましい。
この場合、複数の凹凸形状を導光板の端面に形成することにより、導光板に入射される光を効率よく、その偏向度合い変化させることができる。
前記複数の凹凸形状部は、前記導光板に入射する光を前記導光板の厚み方向と直交する方向に略平行化することが好ましい。
この場合、導光板の端面付近における第1の主面方向に向かう光量を効率よく増やすことができる。
前記複数の凹凸形状部は、前記光学素子から出射した略平行光に対してブリュースター角をなす傾斜面を持つ鋸歯形状を有することが好ましい。
この場合、導光板への入射光を反射させることなく、効率よく導光板内に入射させることができ、光利用効率が向上する。
前記光学素子と前記導光板との間の光路上に配置され、反射、散乱、屈折及び回折のうちの少なくとも1つを含む光学的現象により、前記導光板に入射する光を前記導光板の厚み方向に偏向する第3の光偏向部、をさらに備え、前記第3の光偏向部は、前記導光板の端面に向けて集光するレンズ効果を有することが好ましい。
この場合、導光板の端面付近において光が拡散するので、導光板の端面付近第1の主面方向に向かう光量を効率よく増やすことができる。
前記導光板は、前記端面に対向し、前記端面から入射された略平行光を前記導光板の端面側に反射すると共に、前記導光板の端面方向への反射光を前記導光板の厚み方向と直交する方向に略平行化する反射面、を有し、前記第1の光偏向部は、前記導光板の反射面上に形成され、前記導光板の端面から入射される略平行光を反射、散乱、屈折及び回折を含む光学的現象により前記略平行光の前記端面への入射方向を前記導光板の厚み方向に偏向する、複数の凹凸形状部であることが好ましい。
この場合、導光板内で導光板に入射される光の偏光を揃えることができる。このため、導光板の入射光学系の小型化を図ることができる。
前記光学素子から出射される略平行光は、前記導光板の第1の主面に対して傾いた方向から前記導光板に入射されることが好ましい。
この場合、導光板への入射光の反射を抑え、効率よく導光板内に入射させることができる。
前記導光板の端面は、前記導光板の第1の主面に対して傾斜していることが好ましい。
この場合、導光板への入射光の反射を抑え、効率よく導光板内に入射させることができる。
前記導光板の端面は、前記導光板の端面から入射される略平行光の入射方向に対してブリュースター角をなすことが好ましい。
この場合、導光板への入射光を反射させることなく、効率よく導光板内に入射させることができ、光利用効率がより向上する。
前記光学素子から出射される略平行光は、前記導光板の第1の主面に対して略平行に入射されることが好ましい。
この場合、導光板に入射される光を効率よく第1の主面から出射させることができる。
前記複数の凹凸形状は、前記略平行光を全反射させる傾斜面を有することが好ましい。
この場合、複数の凹凸形状を透過する光を減らすことができるので、光利用効率をより向上させることができる。
本発明にかかる液晶表装置は、液晶表示パネルと、前記液晶表示パネルを照明する上記の面状照明装置とを備える。
上記の液晶表示装置では、面状照明装置から均一な輝度を有する照射光を液晶表示パネルに照射することができるので、高画質で大面積の画像を表示することができる。
本発明にかかる面状照明装置及びそれを用いた液晶表示装置によれば、薄型に適したエッジライト方式において、導光板の構成をレーザ光源を用いた場合に対応させることにより、面内で均一な輝度を有する面状照明装置を実現でき、これを用いて高画質で薄型大画面の液晶表示装置を実現できるので、ディスプレー分野において有用である。
本発明の実施の形態1にかかる面状照明装置の概略構成を示す模式図であり、図1Aは、その平面図、図1Bは、その側面図である。 本発明の実施の形態2にかかる面状照明装置の概略構成を示す模式図であり、図2Aは、その平面図、図2Bは、その側面図である。 本発明の実施の形態3にかかる面状照明装置の概略構成を示す模式図であり、図3Aは、その平面図、図3Bは、その側面図である。 本発明の実施の形態4にかかる面状照明装置の概略構成を示す模式図であり、図4Aは、その平面図、図4Bは、その側面図である。 本発明の実施の形態5にかかる面状照明装置の概略構成を示す模式図であり、図5Aは、その平面図、図5Bは、その側面図である。 本発明の実施の形態6にかかる面状照明装置の概略構成を示す模式図であり、図6Aは、その平面図、図6Bは、その側面図である。 本発明の実施の形態7にかかる面状照明装置に用いられる導光板を説明するための模式図であり、図7Aは、その導光板の概略構成を示す側面図、図7Bは、その導光板の反射面に形成された突起部及びその突起部に入射されるレーザ光の入射角を示す図、図7Cは、その導光板の反射面に形成された突起部及びその突起部に入射されるレーザ光の他の入射角を示す図である。 本発明の実施の形態8にかかる面状照明装置の概略構成を示す平面図である。 図9Aは、レーザ光源を用いた従来の面状照明装置の概略構成を示す平面図、図9Bは、その側面図である。

Claims (7)

  1. レーザ光を出射するレーザ光源と、
    入射端面から入射される前記レーザ光を第1の主面から出射する導光板と、
    前記レーザ光をコリメートする光学素子と、
    前記レーザ光を前記導光板の厚み方向と直交する方向に拡散させる拡散素子と、
    前記光学素子および前記拡散素子を透過した前記レーザ光を前記導光板の厚み方向に拡散させる光偏向手段と、
    を備え、
    前記レーザ光を、前記光学素子および前記拡散素子により前記導光板の入射端面に沿って整形後、前記光偏向手段は、当該レーザ光を前記導光板の厚み方向に拡散させ
    前記光偏向手段は、前記導光板の前記入射端面上に形成された複数の凹凸形状部を備え、
    前記導光板に入射する光を前記導光板の厚み方向に偏向するように構成し、
    前記複数の凹凸形状部は、前記光学素子から出射した略平行光に対してブリュースター角をなす傾斜面を持つ鋸歯形状を有することを特徴とする面状照明装置。
  2. 前記光偏向手段は、前記導光板の入射端面近傍に配置された前記導光板の厚み方向に曲率を有するシリンドリカルレンズを備え、前記導光板に入射する光を前記導光板の厚み方向に偏向するように構成したことを特徴とする請求項1に記載の面状照明装置。
  3. 前記導光板の第1の主面上に配置され、前記第1の主面から出射される光を透過させる半透過膜、をさらに備え、
    前記半透過膜の透過率は、前記導光板の端面近傍でその他の部位よりも高くなることを特徴とする請求項1または2に記載の面状照明装置。
  4. 前記レーザ光は、前記導光板の第1の主面に対して傾いた方向から前記導光板に入射されることを特徴とする請求項1に記載の面状照明装置。
  5. 前記導光板の入射端面は、前記導光板の第1の主面に対して傾斜していることを特徴とする請求項1に記載の面状照明装置。
  6. 前記導光板の入射端面は、前記導光板の入射端面から入射されるレーザ光の入射方向に対してブリュースター角をなすことを特徴とする請求項またはに記載の面状照明装置。
  7. 液晶表示パネルと、
    前記液晶表示パネルを照明する請求項1ないしのいずれか1項に記載の面状照明装置と、
    を備えることを特徴とする液晶表示装置。
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