JP4600077B2 - 照明装置および液晶表示装置 - Google Patents
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Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
光板を構成することが可能である。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
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