JP2006228595A - 照明装置および液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】導光板以外の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、さらに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。
【解決手段】１つ以上の点状光源と、前記光源からの光を端面から入射して導光し、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、
導光板の光射出面及び／または光射出面に対向する面に、入光部である導光板の端面の法線方向からの角度が大きいほど回折効率が大きくなるような回折格子を配した構成とする。
【選択図】図３

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９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９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、導光板の端面にＬＥＤのような点状光源を設置した際に、光利用効率を低下させずに、射出面において射出光強度を均一にすることが困難である。
特に、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極めて困難である。もちろん、光源に近い側と遠い側との光強度を一定にするのも容易ではない。

また、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。

一方、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。

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、導光板の光射出面において均一な射出光強度を得ると共に、光の利用効率を高くし、光射出面の法線方向に十分な光強度の射出光を得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、
１つ以上の点状光源と、
前記光源からの光を端面から入射して導光し、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、
導光板の光射出面及び／または光射出面に対向する面に、入光部である導光板の端面の法線方向からの角度が大きいほど回折効率が大きくなるような回折格子を配したことを特徴とする。

請求項１の発明に係る照明装置では、点状光源からの光を側面から入射して導光し、光射出面から射出する平面状の導光板とを備えた照明装置において、導光板の光射出面及び／または光射出面に対向する面に、入光部である導光板側面（以下、入光側面）の法線方向からの角度が大きいほど回折効率が大きくなるような回折格子を配している。

従って、ＬＥＤなどの点状光源から導光板に入射した光が導光板中で進む方向によって光強度が異なり、入光側面の法線方向からの角度が大きいほど光強度が低下するが、回折効率の増加によってこれを補償するため、射出面で極めて均一な光強度が得られる。
この時、回折格子の機能により、あらかじめ設計された方向へ光を回折するため、望ましい射出光の射出角が得られると共に光損失が少なく、光利用効率の高い照明装置が実現できる。

請求項２の発明では、小領域の前記回折格子を基本単位（以下、回折格子セルと称する）とし、セルの配置密度や大きさにより回折効率を変化させているため、望ましい回折効率の分布が容易に得られ、均一な射出光分布が簡便に確実に実現できる。
光板を構成することが可能である。

請求項３の発明では、回折格子の格子ベクトルの角度を、前記入光側面の法線方向からの角度と略等しくしたことにより、入射側面付近に設置された点状光源から発散しながら導光板中を導光している光に対し、射出面もしくはその対向面の方向へ光を回折することができ、照明光として望ましい射出光を得やすい。

請求項４の発明では、回折格子の空間周波数を1000〜4000本／ｍｍとすることにより、導光板を導光している可視光に対して、射出面もしくはその対向面の方向へ、特に射出面の法線方向に向かって光を回折することができ、照明光の射出方向として最適な光が効率よく得られる。

請求項５の発明では、導光板の入光部側面から離れるに連れ、導光板から光を射出するための効率が大きくなる光学素子が導光板の光射出面及び／または光射出面に対向する面に配置しているため、従来のプリズムなどからなる光学素子を用いて簡便な導光板が作製できると共に、上述の均一さを伴った照明装置を実現でき、均一で大きな導光板も比較的容易に作成できる。

請求項６の発明では、光学素子として回折格子を用いるため、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に配置された回折格子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。

本発明の照明装置によれば、高価で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。
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。
図３は、本発明の照明装置におけるセル配置とセルを構成する回折格子の例を示す平面図である。

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によって回折光を生じ、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、ＬＥＤなどの点状光源から射出する光は、ほとんどの場合Lambertianもしくはそれに類する光強度の角度分布を有している。従って、光源の正面方向（導光板の入光側面の法線方向とほぼ一致）に最も強い光が射出し、それから角度が大きくなるに従い、光強度は低下する。

このような光を導光板からそのままの強度分布で取り出すと、導光板の射出面において不均一な光強度分布となる。
この不均一さは、特に入光部付近の、入光端面の法線方向に直交する方向において著しい。

本発明では、導光板の光射出面及び／または光射出面に対向する面に、入光側面の法線方向からの角度が大きいほど回折効率が大きくなるような回折格子を配することにより、光源から導光板に入射した光の角度に応じた光強度の変化を回折効率の増加によって補償するため、射出面で極めて均一な光強度が得られる。

このとき、回折格子の機能により、あらかじめ設計された方向へ光を回折するため、望ましい射出光の射出角が得られると共に光損失が少なく、光利用効率の高い照明装置が実現できる。このとき、回折格子の機能により、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７に示す。

図２は、図１の照明装置における回折格子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、回折格子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、回折格子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。

回折効率は、回折格子そのものの効率を変化させることによって実現できるが、本発明ではマクロな回折効率の制御方法として、単位面積あたりの回折効率専有面積の変化も含むものとしている。

図３は、小領域の前記回折格子を基本単位（以下、セル）とし、セルの配置密度や大きさにより回折効率を変化させている例を示している。
このため、望ましい回折効率の分布が容易に得られ、均一な射出光分布が簡便に確実に実現できる。
図３では、点状光源を１灯用いる場合について示したが、３灯用いる場合には、例えば図４のようにすればよい。

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、導光方向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、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。
ここで、射出光学素子のセルの外形形状としては、図６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。

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を抑制することに貢献する。
また、射出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、導光板からの射出光は、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。

図８に示すように、上述のような回折格子と、従来の射出用光学素子などを組み合わせて使用することも可能である。
例えば、導光板の入光部側面から離れるに連れ、導光板から光を射出するための効率が大きくなるように射出用光学素子が導光板の光射出面及び／または光射出面に対向する面に配置すれば、従来のプリズムなどからなる光学素子を用いて簡便な導光板が作製できる。また、均一な射出光を実現する大きな導光板も比較的容易に作成できる。

ここで、射出用光学素子として回折格子を用いれば、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に配置された回折格子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。
また、均一にするために効果的に機能する回折格子と一度に作製できるため、製造工程が簡略化できる。

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セル配置とセルを構成する回折格子の例を示す平面図。 点状光源を３つ用いる場合の本発明の照明装置におけるセル配置例を示す平面図。 本発明の照明装置における回折格子の構成例を示す図。 本発明のセルの例を示す平面図。 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。 点状光源を３つ用いる場合の本発明の照明装置におけるセル配置例を示す平面図。 従来技術による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…回折格子
３９…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 (7)

1. １つ以上の点状光源と、
   前記光源からの光を端面から入射して導光し、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、
   導光板の光射出面及び／または光射出面に対向する面に、入光部である導光板の端面の法線方向からの角度が大きいほど回折効率が大きくなるような回折格子を配したことを特徴とする照明装置。
2. セル状の小領域内に形成された回折格子を基本単位とし、前記セルの配置密度や大きさにより前記回折効率を変化させたことを特徴とする請求項１記載の照明装置。
3. 回折格子の格子ベクトルの角度を、前記端面の法線方向からの角度と略等しくした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. 回折格子の空間周波数を、1000〜4000本／mmとした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. 導光板の入光部端面からの距離に応じて、導光板から光を射出する効率が大きくなる光学素子が導光板の光射出面及び／または光射出面に対向する面に配置されていることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の照明装置。
6. 前記光学素子として回折格子を用いることを特徴とする請求項５記載の照明装置。
7. 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１〜６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。