JP4341263B2 - 導光体、およびそれを用いた表示体 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、平面的に光を導光させる平面状の導光体、およびそれを用いた表示体に係り、特に平面照明光源用の導光体、およびその導光体からの射出光をLCDパネル等の表示素子の照明光とする表示体に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来から、平面的に光を導光させる平面状の導光体は、LCDパネル等の表示素子の背面光源用光学部材としての利用をはじめとして、多くの用途で使用されてきている。
【0003】
特に、LCDパネル等の表示素子の背面光源用光学部材としての導光体は、典型的には、1〜数mm程度の厚さの透明樹脂で形成されている。
【0004】
また、導光体への光の入射は、一般的に、導光体の端面において平面部に垂直な方向から行なわれていた。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の導光体においては、入射光に対する光の利用効率の低下や、好ましくない光成分(例えば、輝度むらや、照明光として利用しきれない成分等)の発生等の光学的な問題がある。
【0006】
また、光源の大きさが小さく、数が少ない場合には、平面的に光を効率よく均一に拡げることが難しい。
【0007】
一方、入射光に対する光の利用効率を低下させないようにするためには、導光体自身の厚みを厚くしなければならないことから、導光体自身の厚みを薄くすることが考えられるが、それを実現できないのが現状である。
【0008】
この導光体自身の厚みは、製品を薄くすることができないという問題に留まらず、重量、製造コスト等の面でも問題がある。
【0009】
本発明の目的は、導光体本体の厚さを薄くすることを実現しつつ、入射光に対する光の利用効率を高めることができると共に、平面的に光を効率よく均一に拡げることが可能な導光体、およびそれを用いた表示体を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、第1の発明では、平面的に光を導光させる平面状の導光体において、入射光を導光体本体の内部へ取り入れる入射カップラを、導光体本体上の平面部に少なくとも1個配置し、入射カップラを、導光体本体の内部の主導光方向を含み当該導光体本体上の平面部にほぼ直交する断面においてレンズ機能を有する光学素子で構成し、光学素子のレンズ機能の焦点付近に、光源を配置するようにしている。
【0011】
従って、第1の発明の導光体においては、レンズ機能を有する光学素子で構成した入射カップラを、平面状の導光体本体上の平面部に配置することにより、平面状の導光体本体に光を効率良く入射させることができると共に、導光体本体を薄くすることができ、また光学素子のレンズ機能の前側の焦点距離付近に配置した光源からの光を、導光体本体の内部でほぼ平行光状の光とすることができ、容易にかつ効率良く、導光体本体の内部を導光させることができる。すなわち、入射カップラにより、光源から射出された光を、導光体本体内で全反射条件を満たす光の成分へ効率良く変換することができる。また、導光体本体の内部でほぼ平行光状とした光は、射出カップラでの射出光の制御が容易となり、不必要な光の発生を抑制して、望ましい射出光を高い効率で得ることができる。
【0012】
また、第2の発明では、上記第1の発明の導光体において、入射カップラのほぼ直上方向に、光源を配置するようにしている。
【0013】
従って、第2の発明の導光体においては、入射カップラのほぼ直上方向に、光源を配置することにより、簡便に高精度な位置合わせを行なうことができる。すなわち、直上からの入射光を導光体本体の内部で臨界角以上の角度で導光する機能を入射カップラに持たせることは容易であり、例えば入射カップラとして回折素子やレンズを用いて、光軸を外した位置に光源を配置すれば良い。
【0014】
さらに、第3の発明では、上記第1の発明の導光体において、入射カップラに対して、導光体本体の内部の主導光方向の反対方向に、光源を配置するようにしている。
【0015】
従って、第3の発明の導光体においては、入射カップラに対して、導光体本体の内部の主導光方向の反対方向に、光源を配置することにより、ほぼ光軸上で光を取り扱うことができ、入射カップラの設計および作製を容易に行なうことができる。
【0016】
一方、第4の発明では、上記第1乃至第3の発明の導光体において、入射カップラを、回折光学素子で構成するようにしている。
【0017】
従って、第4の発明の導光体においては、入射カップラを回折光学素子で構成することにより、同心円状の格子パターンを利用できる等、極めて簡便に実現することができる。
さらに、入射カップラを回折光学素子で構成することにより、極めて薄い構造でレンズ機能を実現することができ、シートとして扱うことが可能な平面状の導光体を形成することができる。
【0018】
特に、回折格子パターンの場合には、入射カップラに対して導光体本体の内部の主導光方向の反対方向に、光源を配置した構成において、空間周波数を低い範囲に抑えつつ、導光体本体内での臨界角以上の角度で取り入れることが可能となるため、望ましい入射カップラを簡便に作製することができる。
また、第5の発明では、上記第1乃至第4の発明の導光体において、光源を、白色光源、もしくは多波長光源、あるいは50nm以上の帯域の可視光を発する光源とするようにしている。
【0019】
従って、第5の発明の導光体においては、光源を、白色光源、もしくは多波長光源、あるいは50nm以上の帯域の可視光を発する光源とすることにより、各波長成分に対して入射カップラの光学素子がほぼ同様に作用し、各波長成分を高効率で導光させることができる。
【0020】
さらに、第6の発明では、上記第1乃至第5の発明の導光体において、入射カップラが、導光体本体の内部の主導光方向にほぼ直交し当該導光体本体上の平面部にほぼ直交する断面においてレンズ機能を有し、その焦点距離が断面にほぼ直交する方向のレンズ機能の焦点距離よりも大きくなるようにしている。
【0021】
従って、第6の発明の導光体においては、入射カップラが、導光体本体の内部の主導光方向にほぼ直交し当該導光体本体上の平面部にほぼ直交する断面においてレンズ機能を有し、その焦点距離が断面にほぼ直交する方向のレンズ機能の焦点距離よりも大きくすることにより、当該断面における入射光成分を、概ねそのまま直進させることができる。
すなわち、一般的な光源からの光は発散光であることから、当該断面においては、導光体本体の内部で発散しながら導光するため、主導光方向では、ほぼ平行光状で効率よく導光し、それにほぼ直交する方向では発散して平面状の導光体本体に広く均一に導光することができる。
【0022】
一方、第7の発明では、上記第1乃至第6の発明の導光体において、光源を、入射カップラに対して小さいほぼ点状光源とするようにしている。
【0023】
従って、第7の発明の導光体においては、光源を、入射カップラに対して小さいほぼ点状光源とすることにより、より平行光状の光成分が多い導光状態を得ることができ、損失やノイズとなる光成分を著しく低減して、効率の高い導光を実現することができる。
【0024】
また、第8の発明では、上記第1乃至第6の発明の導光体において、光源を、導光体本体の内部の主導光方向にほぼ直交する方向に長い線状光源とするようにしている。
【0025】
従って、第8の発明の導光体においては、光源を、導光体本体の内部の主導光方向にほぼ直交する方向に長い線状光源とすることにより、主導光方向での導光状態を保証しつつ、主導光方向にほぼ直交する方向において平面状の導光体本体により広く均一に導光することができる。
【0026】
さらに、第9の発明では、上記第1乃至第8の発明の導光体において、導光体本体の内部を導光する光を導光体本体の外へ射出する射出カップラを、導光体本体上に少なくとも1個配置するようにしている。
【0027】
従って、第9の発明の導光体においては、導光体本体の内部を導光する光を導光体本体の外へ射出する射出カップラを、導光体本体上に少なくとも1個配置することにより、平面状の導光体本体の内部から、射出カップラを配置した位置において選択的に効率良く光を射出することができる。
【0028】
一方、第10の発明では、上記第9の発明の導光体において、射出カップラが、導光体本体の内部の主導光方向においてレンズ機能を有するようにしている。
【0029】
従って、第10の発明の導光体においては、射出カップラが、導光体本体の内部の主導光方向においてレンズ機能を有するようにすることにより、ほぼ平行光として導光中の光を任意の射出角度範囲へ射出することができる。
【0030】
また、第11の発明では、上記第9または第10の発明の導光体において、入射カップラと射出カップラとが、可視光波長に対してほぼ反転した分散特性を有するようにしている。
【0031】
従って、第11の発明の導光体においては、入射カップラと射出カップラとが、可視光波長に対してほぼ反転した分散特性を有するようにすることにより、入射カップラでの波長分散を射出カップラで補償し、射出光の波長分散を抑えて、入射光と同様の波長分布を持った光を射出することができる。すなわち、点状の白色光源を用いて、白色の平面光源を容易に実現することができる。
【0032】
さらに、第12の発明では、上記第9乃至第11の発明の導光体において、入射カップラと射出カップラとが、導光体本体の内部の主導光方向において光学素子としての主構成が同一であり、かつ形状あるいは構造を空間的に対称形もしくはほぼ対称形とするようにしている。
【0033】
従って、第12の発明の導光体においては、入射カップラと射出カップラとを同一の光学素子構成とし、かつ対称的な光学機能を持たせることにより、波長分散が対称的になり、互いの波長分散を打ち消して、導光体本体から射出する光は極めて波長分散の少ない光とすることができる(入射カップラでの波長分散を射出カップラで補償することができる)。
すなわち、これらの波長分散を弱めるあるいは打ち消す効果により、光源の光とは異なる色づき等を抑制して、光源と同様の波長成分を持った射出範囲の制御された望ましい射出光を得ることができる。
【0034】
一方、第13の発明では、上記第1乃至第12の発明の導光体において、入射カップラまたは射出カップラのうちの少なくとも一方のカップラを、同心円状の回折格子パターンとするようにしている。
【0035】
従って、第13の発明の導光体においては、入射カップラまたは射出カップラのうちの少なくとも一方のカップラを、同心円状の回折格子パターンとすることにより、同心円の法線を光軸とし、光軸上に配置した光源からの光を、ほぼ平行光状の光へ変換することができる。
【0036】
また、第14の発明では、上記第1乃至第12の発明の導光体において、入射カップラまたは射出カップラのうちの少なくとも一方のカップラを、同心円の中心を含まない同心円状の回折格子パターンとするようにしている。
【0037】
従って、第14の発明の導光体においては、入射カップラまたは射出カップラのうちの少なくとも一方のカップラを、同心円の中心を含まない同心円状の回折格子パターンとすることにより、任意の位置に配置した光源からの入射光に対して、導光体本体内での臨界角以上の角度で取り入れることができる。特に、入射カップラの直上方向に光源を配置した場合には、光源と入射カップラの位置合わせが容易となり、導光体を簡便に作製することができる。
【0038】
さらに、第15の発明では、上記第1乃至第14の発明の導光体において、入射カップラまたは射出カップラのうちの少なくとも一方のカップラを、表面レリーフ型回折素子とするようにしている。
【0039】
従って、第15の発明の導光体においては、入射カップラまたは射出カップラのうちの少なくとも一方のカップラを、表面レリーフ型回折素子とすることにより、エンボス技術等を用いて導光体を容易かつ安価に量産することができる。特に、入射カップラと射出カップラを、共に表面レリーフ型回折素子とした場合には、一度の成形で全ての機能を持った導光体を形成することができる。
【0040】
一方、第16の発明では、上記第1乃至第15の発明の導光体において、入射カップラまたは射出カップラのうちの少なくとも一方のカップラを、キノフォーム、もしくはブレーズド回折格子とするようにしている。
【0041】
従って、第16の発明の導光体においては、入射カップラまたは射出カップラのうちの少なくとも一方のカップラを、キノフォーム、もしくはブレーズド回折格子とすることにより、導光体本体への光の入射あるいは/および導光体本体からの光の射出時における光の利用効率を極めて高くすることができる。特に、カップラをキノフォームとした場合には、任意の光波面変換に対して柔軟に応用することができ、またカップラをブレーズド回折格子とした場合には、その格子間隔や格子パターンによって光学的機能を簡便に設計することができ、また作製も比較的容易であり、高精度な光学素子を作り易くすることができる。
【0042】
また、第17の発明では、上記第1乃至第16の発明の導光体において、入射カップラまたは射出カップラのうちの少なくとも一方のカップラを、反射型回折素子とするようにしている。
【0043】
従って、第17の発明の導光体においては、入射カップラまたは射出カップラのうちの少なくとも一方のカップラを、反射型回折素子とすることにより、導光体本体における光の入射面と対向する面に配置するため、反射層等を設けることができ、光の損失が極めて少なく、容易に高効率にすることができる。
【0044】
さらに、第18の発明では、上記第9乃至第17の発明の導光体において、入射カップラが配置された導光体本体の平面部上に、射出カップラを少なくとも1個配置するようにしている。
【0045】
従って、第18の発明の導光体においては、入射カップラが配置された導光体本体の平面部上に、射出カップラを少なくとも1個配置することにより、形成面が導光体本体の一面だけでよく、簡便に高精度な位置関係にして作製することができる。
【0046】
一方、第19の発明では、上記第1乃至第18の発明の導光体の光射出面に、LCDパネル等の表示素子を配置している。
【0047】
従って、第19の発明の表示体においては、導光体の光射出面に、LCDパネル等の表示素子を配置することにより、光の利用効率が高く、明るくてかつ厚さの薄い表示体を実現することができる。特に、LCDパネル等の表示素子の1画素毎に、導光体上の対応する位置に射出カップラを配置した場合には、ブラックマトリクス等の光が遮断される領域へは、導光体から光を射出しないため、より一層光の利用効率を高めることができる。
【0048】
また、第20の発明では、上記第19の発明の表示体において、射出カップラが、LCDパネル等の表示素子位置近辺で射出光を集光する機能を有するようにしている。
【0049】
従って、第20の発明の表示体においては、射出カップラが、LCDパネル等の表示素子位置近辺で射出光を集光する機能を有するようにすることにより、射出光が表示素子のセル内で集光もしくは集光に近い状態に細く絞られているため、表示素子と導光体とがセルの大きさの範囲内で変位しても、表示素子からの射出光は表示素子のセルに入射し続ける。従って、表示素子と導光体との組み合わせ時のアライメント誤差の許容量を大きくすることができ、容易に明るい表示体を安定して作製することができる。また、集光する点と射出カップラの大きさ、表示素子と導光体との距離によって、表示素子のセルから射出する光の拡がりも制御することが可能であり、観察者から明るく観察される視域を任意に形成することができる。
【0050】
【発明の実施の形態】
本発明は、入射光を導光体本体の内部へ取り入れる入射カップラを、導光体本体上の平面部に配置し、入射カップラを、導光体本体上の平面部に少なくとも1個配置し、入射カップラを、導光体本体の内部の主導光方向を含み当該導光体本体上の平面部にほぼ直交する断面においてレンズ機能を有する光学素子で構成し、当該光学素子のレンズ機能の前側焦点付近に、光源を配置することを、基本的な特徴としている。
【0051】
さらに、導光体本体の内部を導光する光を導光体本体の外へ射出する射出カップラを、導光体本体上に少なくとも1個配置し、入射カップラと射出カップラの光学機能に、対称性を持たせることをもう一つの特徴としている。
【0052】
以下、上記のような考え方に基づく本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【0053】
(第1の実施の形態)
図1は、本実施の形態による入射カップラと射出カップラとを用いた導光体の全体構成例を示す斜視図である。
【0054】
図1において、平面的に光を導光させる平面状の導光体本体1上の平面部に、入射光を導光体本体1の内部へ取り入れる入射カップラ2を、少なくとも1個(本例では1個)配置している。
【0055】
この入射カップラ2は、導光体本体1の内部の主導光方向を含み、当該導光体本体1上の平面部にほぼ直交する断面においてレンズ機能を有する光学素子である回折光学素子で構成している。
【0056】
また、回折光学素子のレンズ機能の前側焦点付近に、光源3を配置している。
【0057】
ここで、光源3は、入射カップラ2のほぼ直上方向に配置するようにしている。
【0058】
また、光源3は、白色光源、もしくは多波長光源、あるいは50nm以上の帯域の可視光を発する光源とするようにしている。
【0059】
一方、導光体本体1の内部を導光する光を導光体本体1の外へ射出する射出カップラ4を、導光体本体1上に少なくとも1個(本例では3個)配置している。
【0060】
この射出カップラ4は、導光体本体1の内部の主導光方向においてレンズ機能を有するものとしている。
【0061】
すなわち、LEDや半導体レーザー等の光源3から発した光を、平面状の導光体本体1上の平面部に形成された入射カップラ2に入射し、回折光学素子の回折機能により、主導光方向へ導光する光として、板状、もしくはフィルム状の導光体本体1へ取り入れ、さらに導光体本体1内を導光する光を、適宜配置された射出カップラ4により導光体本体1の外部へ取り出すようにしている。
【0062】
次に、以上のように構成した本実施の形態の導光体においては、入射光を導光体本体1の内部へ取り入れる入射カップラ2を、導光体本体1上の平面部に配置していることにより、入射カップラ2の大きさ(面積)を、導光体本体1の厚みには依存せずに決定することができ、光源3からの光の拡がり方を考慮して、入射光の十分な取り入れ効率を得るための大きさの入射カップラ2を使用することができる。
【0063】
また、入射カップラ2がレンズ機能を有していることにより、入射カップラ2のレンズ機能の前側の焦点距離付近に配置した光源3からの光を、導光体本体1の内部でほぼ平行光状とすることができ、容易にかつ効率良く、導光体本体1の内部を導光させることができる。
【0064】
以上により、平面状の導光体本体1に光を効率良く入射させることができると共に、導光体本体1の厚さを薄くすることができる。
【0065】
特に、入射カップラ2を構成する回折光学素子も、その他の光学素子に比べて薄い構造(典型的には0.1〜10μm程度)で良いため、導光体を平滑な板もしくはフィルムと同様に容易に取り扱うことができる。
【0066】
また、このような導光体は、構成が極めて簡単であり、構成材料が少なくてよいため、安価に製造することができる。
【0067】
特に、回折格子素子が表面レリーフ型である場合、エンボス成形やインジェクション成形などにより、極めて簡便に製造することができる。
【0068】
ここで、導光体本体1の平面部にほぼ垂直な面内において、入射カップラ2から導光体本体1内へほぼ平行光状として入射する場合には、射出カップラ4での射出光の制御が容易となり、不必要な光の発生を抑制して、平面内で望ましい光量分布を持った射出光を高効率で得ることができる。
【0069】
すなわち、射出カップラ4の光学的設計が容易であるばかりでなく、導光体本体1から一様な射出光を得たい場合に、複数配置した射出カップラ4へ導光体本体1内から入射する光の角度がほぼ一定であるため、複数の射出カップラ4の光学的な設計が1度で済み、また作製時にも同一の射出カップラ4を複数形成するだけでよいため、極めて簡便に作製を行なうことができる。
【0070】
このような導光体は、構成が簡単であり、構成材料が少なくてよいため、安価に製造することができる。
【0071】
特に、回折格子素子が表面レリーフ型である場合、エンボス成形やインジェクション成形などにより、極めて簡便に製造することができる。
【0072】
なお、射出カップラは、用途に応じて導光板の平面部における射出光分布を最適化するように二次元的に配置するのが望ましい。
【0073】
また、導光体を薄くすることができるため、LCD等の表示素子の照明部材等の面光源としての利用をはじめとして、多くの用途に光利用効率の高い導光体として利用することができる。
【0074】
一方、入射カップラ2のほぼ直上方向に、光源3を配置していることにより、簡便に高精度な位置合わせを行なうことができる。
【0075】
すなわち、直上からの入射光を導光体本体1の内部で臨界角以上の角度で導光する機能を入射カップラ2に持たせることは容易であり、例えば入射カップラ2として、回折素子やレンズを用いて、光軸を外した位置に光源3を配置すれば良い。
【0076】
また、光源3を、白色光源、もしくは多波長光源、あるいは50nm以上の帯域の可視光を発する光源としていることにより、各波長成分に対して入射カップラ2の光学素子がほぼ同様に作用し、各波長成分を高効率で導光させることができる。
【0077】
図2は、図1の導光体における入射カップラ2周辺の具体的な一例を示す側面図である。
【0078】
図2において、光源3から導光体に入射した光が入射カップラ2によって適切に変換され、導光体本体1の平面部とほぼ直交する断面において、導光体本体1の内部を、光が全反射している。
【0079】
すなわち、入射カップラ2により回折した光が、導光体本体1の平面部に対して臨界角を超えた角度で進み、導光体本体1の平面部の界面(導光体本体1の外側との境界)で全反射している。
【0080】
ここで、臨界角は、導光体本体1を構成する材料の屈折率と、導光体本体1の外側の媒質の屈折率とから決定され、例えば前者の屈折率を1.5、後者の屈折率を1.0とすると、臨界角は約42度の角度であるため、それ以上の角度で導光体本体1内から導光体本体1界面に入射した光は、全反射する。そして、この全反射して導光された光は、損失が極めて少ないため、導光体として最適である。
【0081】
図3は、図1の導光体における入射カップラ2周辺の具体的な他の例を示す側面図である。
【0082】
図3において、導光体本体1と光源3とを接着剤で固定している。
【0083】
次に、以上のように構成した本実施の形態の導光体においては、平面状の導光体本体1の平面部に光源3を固定することができ、高精度に配置した光源3を安定に保持することができる。
【0084】
なお、接着剤の屈折率としては、光源3の光射出部や、導光体本体1と同一もしくは近似した値とすれば、界面での反射を減少することができ、望ましい。
【0085】
図4は、光源3の波長が単波長でない場合の光の入射/射出の様子を示す概念図である。
【0086】
図4において、入射カップラ2、射出カップラ4は、それぞれ回折カップラの例を示している。
【0087】
光源3からは、異なる波長の光がそれぞれ同じ拡がり角Aを持って入射カップラ2に入射し、異なる回折角度で回折し、導光体本体1内を導光する。
【0088】
こうして射出カップラ4に達した光は、射出カップラ4により回折し、導光体本体1外へ射出する。
【0089】
このような構成では、入射カップラ2と射出カップラ4は対照的な機能が要求され、同種の光学素子では波長分散の影響も対称的(打ち消し合う方向)になる。
従って、射出カップラ4に対して、波長毎に異なる入射角で入射するが、この時の拡がり角Bや射出方向は、波長の差異によらず、少なくとも可視光の範囲では、概ね同一となる。
【0090】
図5は、図4における導光体の効果をさらに詳細に説明するための概念図である。
【0091】
図5において、主導光方向において、入射カップラ2を構成する回折格子の局所的な格子間隔をdとした時、下記に示す式によって波長毎の分散が決定される。
【0092】
【数1】
【0093】
ただし、λは光の波長、θiは入射光の入射角度、θRは波長λの1次回折光の回折格子からの射出角度である。
【0094】
従って、波長に依らず共通した角度θiで入射カップラ2に入射した光は、波長毎に異なる角度θRで導光体本体1内を導光する。
【0095】
図5(a)は、この時の代表的な光線の挙動を示している。
【0096】
図5(b)は、図5(a)と対称的な光学機能を持つ回折格子から成る射出カップラ4部における代表的な光線の挙動を示している。
【0097】
すなわち、波長λの光が回折格子に入射角度θRで入射すると、回折格子から1次回折光は射出角度θoで射出する。
【0098】
【数2】
【0099】
すなわち、入射カップラ2と射出カップラ4が対称的な光学機能を持つ回折素子である場合、カップラを構成する局所的な回折格子において、あらゆる波長について対称的に作用する。
【0100】
その結果として、射出カップラ4から導光体本体1外へと射出する光は、波長分散が補償されて、色のにじみ等のない、均一な色を持った射出光を得ることができる。
【0101】
ここで、入射カップラ2と射出カップラ4が全く対称的な光学機能を持つ場合には、光源3から入射カップラ2に入射した光の角度分布や波長分布が再現されて、それぞれの射出カップラ4から射出される。
【0102】
入射カップラ2と射出カップラ4とが、可視波長に対してほぼ反転した分散特性を有するようにすることにより、入射カップラ2の波長分散を射出カップラ4で補償し、射出光の波長分散を抑えて、入射光と同様の波長分布を持った光を射出することができる。
【0103】
一方、図6に示すように、射出カップラ4の特性をわずかに変更することにより、波長分散の補償効果はそのままにして、射出光の角度分布を制御することができる。
【0104】
すなわち、光源3からの入射角度分布に依存しない射出光の角度分布を設定することができる。
【0105】
以上、本発明の基本的な構成例について説明したが、その他の構成例について以下に説明する。
【0106】
(第2の実施の形態)
図7は、本実施の形態による導光体の構成例を示す平面図であり、図1乃至図6と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【0107】
すなわち、本実施の形態による導光体は、図7に示すように、入射カップラ2に対して、導光体本体1の内部の主導光方向の反対方向に、光源3を配置するようにしている。
【0108】
以上のように構成した本実施の形態の導光体においては、導光体本体1の内部の主導光方向の反対方向に、光源3を配置していることにより、ほぼ光軸上で光を取り扱うことができ、入射カップラ2の設計および作製を容易に行なうことができる。
【0109】
特に、入射カップラ2が回折光学素子の場合、構造(格子パターン等)を粗くすることができ、作製が容易になる。
ここで、ほぼ光軸上で光を取り扱うことができるとは、主光線に対して入射カップラ2が特別な光学的作用(単純な透過屈折や反射は含まない)をほとんど及ぼさない条件で取り扱うことを意味する。
(第3の実施の形態)
図8および図9は、本実施の形態による導光体における入射カップラおよび射出カップラの構成例を示す平面図および平面図の一点鎖線部の断面図であり、図1乃至図7と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【0110】
図8および図9において、入射カップラ2および射出カップラ4を、それぞれ対称的な光学機能を持った同心円状の回折格子パターンとしている。
【0111】
ここで、同心円状の回折格子パターンは、同心円の中心を含まないブレーズド型の同心円状の回折格子パターンとしている。
【0112】
以上のように構成した本実施の形態の導光体においては、回折格子は、図5に示したような直上方向の光源からの入射光に対して、導光体本体1の内部へ臨界角以上の角度で進行する光へと変換する。
【0113】
ここで、入射カップラ2と射出カップラ4の光学機能の対称性により、入射カップラ2での波長分散を射出カップラ4で補償し、射出光の波長分散を抑えて、入射光と同様の波長分布を持った光を射出することができる。
【0114】
すなわち、点状の白色光源3を用いて、白色の平面光源を容易に実現することができる。
【0115】
また、入射カップラ2と射出カップラ4との光学機能の対称性から、上述した波長分散の補償を確実にかつ容易に実現することができる。
【0116】
さらに、このような回折格子をブレーズド回折格子としていることにより、極めて効率の高い回折素子とすることができる。
【0117】
一方、射出カップラ4の回折格子の大きさや回折効率を変更して、主導光方向における射出光を平面状の導光体表面において均一に分布させることもできる。
【0118】
(第4の実施の形態)
本実施の形態による導光体は、前述した導光体において、入射カップラ2または射出カップラ4のうちの少なくとも一方のカップラを、表面レリーフ型回折素子とするようにしている。
【0119】
以上のように構成した本実施の形態の導光体においては、入射カップラ2または射出カップラ4のうちの少なくとも一方のカップラを構成する回折光学素子を、表面レリーフ型回折素子とするようにしていることにより、最適な回折効率の構造の高さとした場合に、透過型に比べて構造の高さをより小さくすることができ、例えばエンボス技術等を用いて、導光体を容易かつ安価に量産することができる。
【0120】
特に、入射カップラ2と射出カップラ4とを、共に表面レリーフ型回折素子とした場合には、一度の成形によって全ての機能を持った導光体を形成することができる。
【0121】
また、レリーフの複製工程において、これらの光学素子の相対位置関係を、高精度に安定して保つことができ、個体差の少ない複製が可能となる。
(第5の実施の形態)
本実施の形態による導光体は、前述した導光体において、入射カップラ2または射出カップラ4のうちの少なくとも一方のカップラを、反射型回折素子とするようにしている。
【0122】
次に、以上のように構成した本実施の形態の導光体においては、入射カップラ2または射出カップラ4のうちの少なくとも一方のカップラを構成する回折光学素子を、反射型回折素子とするようにしていることにより、導光体本体1における光の入射面と対向する面に配置するため、反射層等を設けることが可能となり、光の損失が極めて少なく、容易に高効率にすることができる。
【0123】
特に、入射カップラ2を、導光体本体1の光入射面とは対向する面に配置された反射型回折素子とし、入射カップラ2が配置された導光体本体1の面のほぼ全面に亘って反射層を備えるようにした場合には、入射カップラ2における光の損失を極小化すると共に、導光体本体1から光が射出するのは、反射層がない面のみとなるため、導光体全体の光の損失も極めて少なく、容易に高効率な導光体を得ることができる。
【0124】
(第6の実施の形態)
図10は、本実施の形態による導光体における入射カップラおよび射出カップラの構成例を示す斜視図であり、図1乃至図9と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【0125】
図10において、光源3、入射カップラ2、射出カップラ4のセットを、複数(本例では3つ)並列に並べて配置している。
【0126】
以上のように構成した本実施の形態の導光体においては、光源3、入射カップラ2、射出カップラ4のセットを、3つ並列に並べて配置していることにより、特に主導光方向にほぼ直交する方向の導光体のサイズが大きい場合に、平面状の導光体本体1の射出面における射出光の分布の均一性を増すことができる。
【0127】
(第7の実施の形態)
図11は、本実施の形態による導光体における入射カップラおよび射出カップラの構成例を示す斜視図であり、図1乃至図10と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【0128】
図11において、光源3を、導光体本体1の内部の主導光方向にほぼ直交する方向に長い線状光源としている。
【0129】
以上のように構成した本実施の形態の導光体においては、光源3を、導光体本体1の内部の主導光方向にほぼ直交する方向に長い線状光源としていることにより、平面状の導光体本体1の射出面における射出光の分布の均一性を、簡便に極めて高くすることができる。
【0130】
(第8の実施の形態)
本実施の形態による導光体は、前述した導光体において、光源3を、入射カップラ2に対して十分に小さいほぼ点状光源とするようにしている。
【0131】
以上のように構成した本実施の形態の導光体においては、光源3を、入射カップラ2に対して十分に小さいほぼ点状光源とするようにしていることにより、光源3と導光体本体1(入射カップラ2)との位置関係が若干ずれても、入射カップラ2の大きさよりも十分小さければ、導光体本体1への光の入射効率が著しく変化することがなく、光源3と導光体本体1とのアライメントを簡便に行なうことができる。
【0132】
以上の効果は、特に導光体を、白色(もしくは多波長)照明部材として用いる際に、色ムラのない均一な光の分布をもった照明光を提供することができる。
【0133】
(第9の実施の形態)
本実施の形態による導光体は、前述した導光体において、入射カップラ2が、導光体本体1の内部の主導光方向にほぼ直交し当該導光体本体1上の平面部にほぼ直交する断面においてレンズ機能を有し、その焦点距離が断面にほぼ直交する方向のレンズ機能の焦点距離よりも大きくなるようにしている。
【0134】
以上のように構成した本実施の形態の導光体においては、入射カップラ2が、導光体本体1の内部の主導光方向にほぼ直交し当該導光体本体1上の平面部にほぼ直交する断面においてレンズ機能を有し、その焦点距離が断面にほぼ直交する方向のレンズ機能の焦点距離よりも大きくしていることにより、当該断面における入射光成分を、概ねそのまま直進させることができる。
【0135】
すなわち、一般的な光源からの光は発散光であることから、当該断面においては、導光体本体1の内部で発散しながら導光するため、主導光方向では、ほぼ平行光状で効率よく導光し、それにほぼ直交する方向では発散して平面状の導光体本体1に広く均一に導光することができる。
【0136】
(第10の実施の形態)
本実施の形態による導光体は、前述した導光体において、入射カップラ2と射出カップラ4とが、可視光波長に対してほぼ反転した分散特性を有するようにしている。
【0137】
以上のように構成した本実施の形態の導光体においては、入射カップラ2と射出カップラ4とが、可視光波長に対してほぼ反転した分散特性を有するようにしていることにより、入射カップラ2での波長分散を射出カップラ4で補償し、射出光の波長分散を抑えて、入射光と同様の波長分布を持った光を射出することができる。
【0138】
すなわち、点状の白色光源を用いて、白色の平面光源を容易に実現することができる。
【0139】
(第11の実施の形態)
図12は、本実施の形態による導光体とLCDパネルとを組み合わせた表示体の全体構成例を示す側面図であり、図1乃至図11と同一部分には同一符号を付してその説明を省ほぼし、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【0140】
すなわち、本実施の形態による導光体は、図12に示すように、前述した導光体本体1の光射出面に、表示素子として透過型のLCDパネル5を配置した構成としている。
【0141】
以上のように構成した本実施の形態の表示体においては、導光体本体1の光射出面に、表示素子であるLCDパネル5を配置するようにしていることにより、画素構造を持った表示素子であるLCDパネル5と組み合わせる場合に、画素と射出カップラ4を1対1に対応させると、極めて効率の良い光の射出により、光の利用効率が高く、明るくてかつ厚さの薄い表示体を実現することができる。
【0142】
(第12の実施の形態)
図13は、本実施の形態による導光体とLCDパネルとを組み合わせた表示体の全体構成例を示す側面図であり、図12と同一部分には同一符号を付してその説明を省ほぼし、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【0143】
すなわち、本実施の形態による導光体は、前述した表示体において、図13に示すように、射出カップラ4が、LCDパネル5位置近辺で射出光を集光する機能を有するようにしている。
【0144】
以上のように構成した本実施の形態の表示体においては、射出カップラ4が、LCDパネル5位置近辺で射出光を集光する機能を有するようにしていることにより、射出光がLCDパネル5のセル内で集光もしくは集光に近い状態に細く絞られる、すなわち画素構造の内部で収束するような光を射出するため、表示素子であるLCDパネル5と導光体本体1とがセルの大きさの範囲内で変位しても、導光体からの射出光はLCDパネル5のセルに入射し続ける。
【0145】
従って、LCDパネル5と導光体との組み合わせ時のアライメント誤差の許容量を大きくすることができ、容易に明るい表示体を安定して作製することができる。
【0146】
また、集光する点と射出カップラ4の大きさ、LCDパネル5と導光体との距離によって、LCDパネル5のセルから射出する光の拡がりも制御することが可能であり、観察者から明るく観察される視域を任意に形成することができる。
【0147】
(その他の実施の形態)
尚、本発明は、上記各実施の形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で、種々に変形して実施することが可能である。
また、上記各実施の形態は可能な限り適宜組み合わせて実施してもよく、その場合には組み合わせた作用効果を得ることができる。
【0148】
さらに、上記各実施の形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより、種々の発明を抽出することができる。
例えば、上記各実施の形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題(の少なくとも一つ)が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果(の少なくとも一つ)が得られる場合には、この構成要件が削除された構成を発明として抽出することができる。
【0149】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の導光体によれば、レンズ機能を有する光学素子で構成した入射カップラを、平面状の導光体本体上の平面部に配置することにより、平面状の導光体本体に光を効率良く入射させることができると共に、導光体本体を薄くすることができ、また光学素子のレンズ機能の前側の焦点距離付近に配置した光源からの光を、導光体本体の内部でほぼ平行光状の光とすることができ、容易にかつ効率良く、導光体本体の内部を導光させることが可能となる。
【0157】
さらに、本発明の導光体によれば、導光体本体の内部を導光する光を導光体本体の外へ射出する射出カップラを、導光体本体上に少なくとも1個配置するようにしているので、平面状の導光体本体の内部から、射出カップラを配置した位置において選択的に効率良く光を射出することが可能となる。
【0159】
また、本発明の導光体によれば、入射カップラと射出カップラとが、可視光波長に対してほぼ反転した分散特性を有するようにしているので、入射カップラでの波長分散を射出カップラで補償し、射出光の波長分散を抑えて、入射光と同様の波長分布を持った光を射出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態による入射カップラと射出カップラとを用いた導光体の全体構成例を示す斜視図。
【図2】本発明の第1の実施の形態による導光体における入射カップラ周辺の具体的な一例を示す側面図。
【図3】本発明の第1の実施の形態による導光体における入射カップラ周辺の具体的な他の例を示す側面図。
【図4】同第1の実施の形態の導光体における光源の波長が単波長でない場合の光の入射/射出の様子を示す概念図。
【図5】同第1の実施の形態の導光体の効果をさらに詳細に説明するための概念図。
【図6】同第1の実施の形態の導光体における射出範囲の変更例を示す概念図。
【図7】本発明の第2の実施の形態による導光体の全体構成例を示す平面図。
【図8】本発明の第3の実施の形態による導光体における入射カップラの構成例を示す平面図および側面図。
【図9】本発明の第3の実施の形態による導光体における射出カップラの構成例を示す平面図および側面図。
【図10】本発明の第6の実施の形態による導光体における入射カップラおよび射出カップラの構成例を示す斜視図。
【図11】本発明の第7の実施の形態による導光体における入射カップラおよび射出カップラの構成例を示す斜視図。
【図12】本発明の第11の実施の形態による導光体とLCDパネルとを組み合わせた表示体の全体構成例を示す側面図。
【図13】本発明の第12の実施の形態による導光体とLCDパネルとを組み合わせた表示体の全体構成例を示す側面図。
【符号の説明】
1…導光体本体
2…入射カップラ
3…光源
4…射出カップラ
5…LCDパネル。
Claims (19)
- 平面的に光を導光させる平面状の導光体において、
入射光を導光体本体の内部へ取り入れる入射カップラを、前記導光体本体上の平面部に少なくとも1個配置し、
前記入射カップラを、前記導光体本体の内部の主導光方向を含み当該導光体本体上の平面部にほぼ直交する断面においてレンズ機能を有する光学素子で構成し、
前記光学素子のレンズ機能の前側焦点付近に、光源を配置するようにするとともに、
前記導光体本体の内部を導光する光を導光体本体の外へ射出する射出カップラを、前記導光体本体上に少なくとも1個配置するようにし、
前記入射カップラと前記射出カップラとが、可視光波長に対してほぼ反転した分散特性を有するようにした
ことを特徴とする導光体。 - 前記請求項1に記載の導光体において、
前記入射カップラのほぼ直上方向に、前記光源を配置するようにした
ことを特徴とする導光体。 - 前記請求項1に記載の導光体において、
前記入射カップラに対して、前記導光体本体の内部の主導光方向の反対方向に、前記光源を配置するようにした
ことを特徴とする導光体。 - 前記請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の導光体において、
前記入射カップラを、回折光学素子で構成するようにした
ことを特徴とする導光体。 - 前記請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の導光体において、
前記光源を、白色光源、もしくは多波長光源、あるいは50nm以上の帯域の可視光を発する光源とするようにした
ことを特徴とする導光体。 - 前記請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の導光体において、
前記入射カップラが、前記導光体本体の内部の主導光方向にほぼ直交し当該導光体本体上の平面部にほぼ直交する断面においてレンズ機能を有し、その焦点距離が前記断面にほぼ直交する方向のレンズ機能の焦点距離よりも大きくなるようにした
ことを特徴とする導光体。 - 前記請求項1乃至請求項6のいずれか1項に記載の導光体において、
前記光源を、前記入射カップラに対して小さいほぼ点状光源とするようにした
ことを特徴とする導光体。 - 前記請求項1乃至請求項6のいずれか1項に記載の導光体において、
前記光源を、前記導光体本体の内部の主導光方向にほぼ直交する方向に長い線状光源とするようにした
ことを特徴とする導光体。 - 前記請求項1乃至請求項8のいずれか1項に記載の導光体において、
前記射出カップラが、前記導光体本体の内部の主導光方向においてレンズ機能を有するようにした
ことを特徴とする導光体。 - 前記請求項1乃至請求項9のいずれか1項に記載の導光体において、
前記入射カップラと前記射出カップラとが、前記導光体本体の内部の主導光方向において光学素子としての主構成が同一であり、かつ形状あるいは構造を空間的に対称形もしくはほぼ対称形とするようにした
ことを特徴とする導光体。 - 前記請求項1乃至請求項10のいずれか1項に記載の導光体において、
前記入射カップラまたは射出カップラのうちの少なくとも一方のカップラを、同心円状の回折格子パターンとするようにした
ことを特徴とする導光体。 - 前記請求項1乃至請求項11のいずれか1項に記載の導光体において、
前記入射カップラまたは射出カップラのうちの少なくとも一方のカップラを、同心円の中心を含まない同心円状の回折格子パターンとするようにした
ことを特徴とする導光体。 - 前記請求項1乃至請求項12のいずれか1項に記載の導光体において、
前記入射カップラまたは射出カップラのうちの少なくとも一方のカップラを、表面レリーフ型回折素子とするようにした
ことを特徴とする導光体。 - 前記請求項1乃至請求項14のいずれか1項に記載の導光体において、
前記入射カップラと射出カップラとを、表面レリーフ型回折素子とするようにした
ことを特徴とする導光体。 - 前記請求項1乃至請求項14のいずれか1項に記載の導光体において、
前記入射カップラまたは射出カップラのうちの少なくとも一方のカップラを、キノフォーム、もしくはブレーズド回折格子とするようにした
ことを特徴とする導光体。 - 前記請求項1乃至請求項15のいずれか1項に記載の導光体において、
前記入射カップラまたは射出カップラのうちの少なくとも一方のカップラを、反射型回折素子とするようにした
ことを特徴とする導光体。 - 前記請求項1乃至請求項16のいずれか1項に記載の導光体において、
前記入射カップラが配置された導光体本体の平面部上に、前記射出カップラを少なくとも1個配置するようにした
ことを特徴とする導光体。 - 前記請求項1乃至請求項17のいずれか1項に記載の導光体の光射出面に、LCDパネル等の表示素子を配置して成ることを特徴とする表示体。
- 前記請求項18に記載の表示体において、
前記射出カップラが、LCDパネル等の表示素子位置近辺で射出光を集光する機能を有するようにした
ことを特徴とする表示体。
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