JP4775195B2 - 面光源装置 - Google Patents

Description

本発明は、液晶パネルをその背面から照明する面光源装置に関する。

薄型軽量で画像表示が可能な液晶表示装置は、製造技術の進展による価格低減や高画質化技術開発によって急速に普及し、パーソナルコンピュータのモニターやＴＶ受像機などに広く用いられている。

液晶表示装置としては透過型液晶表示装置が一般的に用いられている。透過型液晶表示装置は、バックライトと呼ばれる面状光源を備え、そこからの照明光を液晶パネルによって空間変調して画像を形成する。

バックライトとしては、略線状光源である冷陰極管を用いて、薄板状の導光板の側面より入射する方式のものが良く用いられている。その基本構成を図５に示す。図５（ａ）は従来の冷陰極線管を用いたバックライトを出射面側から観察した上面図であり、図５（ｂ）は断面図である。なお、図５（ａ）では後述のリフレクタ１３０を割愛して表示している。

冷陰極線管１２０から射出し、導光板１１０の側面にある入射面１１１から入射された光は、対向する主面間で全反射を繰り返しながら伝播する。出射面１１２の対向面となる反射面１１３の表面には特定の密度分布、大きさの拡散反射層あるいは反射用凹凸を形成して伝播する光の一部を出射させる様に構成する。この拡散反射層あるいは反射用凹凸を形成する密度分布、大きさ分布などを適度に設定することにより、液晶パネル全面にわたってほぼ一様な照明をすることが可能になる。導光板１１０の反射面１１３側に反射シート１４０を設けることにより、反射面から導光板外部に漏れる一部の光を導光板側に反射して光の損失を防止する。また、バックライトから出射する光の指向性を制御して所望の配光特性で液晶パネル（図示せず）を照明するために、導光板１１０の出射面１１２側に拡散フィルム、プリズムシートなどの光学フィルム１５０を設置するのが一般的である。

このとき、冷陰極線管１２０を囲み導光板１１０の入射面１１１に向かって開口するリフレクタ１３０を設ける。これにより、冷陰極線管の発光する光を余すところ無く導光板に導くことが出来る。

更に最近、発光効率の高い発光ダイオード（以下ＬＥＤ）が開発され、これを液晶バックライト用の光源に用いることが提案されている。

点光源であるＬＥＤからバックライトとして使用可能な面状の発光を得る為の方法としては、多数のＬＥＤを導光板の端面に配置して直接光を入力する方法が一般的である。その一例を図６に示す。

図６は発光素子自身に箱状の反射部材を備えたサイドエミッタ型と呼ばれるＬＥＤ発光素子を用いた方式の構成を示す図であり、図６（ａ）は光源部を中心とした要部を示す部分断面図、図６（ｂ）は光源部を導光板から観察した上面図である。なお図６（ｂ）では透明な封止樹脂部を割愛して表示している。

素子基板２２２上にＬＥＤチップ２２１をボンディングし、その周囲に反射部材２２３を設け透明な封止樹脂２２４で封止し、接続電極２２５を設けて構成したサイドエミッタ型のＬＥＤ素子２２０を基板２７０上に配列し接続して、光源部を構成する。

この光源部を複数のサイドエミッタ型のＬＥＤ素子２２０の開口部それぞれが導光板２１０の入射面２１１と近接して対向するように、フレーム２６０上に固定する。

このように構成することにより、光源部を導光板と対向する所定の位置に安定に保持して出射した光を導光板に導くことが出来る。

なお、図６において、２４０は反射シート、２５０は光学フィルムである。

点光源であるＬＥＤからバックライトとして使用可能な面状の発光を得る為の方法としては、多数のＬＥＤを導光板の端面に配置して直接光を入力する方法が一般的である。その他の例を図７に示す。

図７は高出力のＬＥＤ素子を導光板側面に多数配置するバックライトの構成を示す図であり、図７（ａ）は光源部を中心とした要部を示す部分断面図、図７（ｂ）は光源部を導光板から観察した上面図である。

ＬＥＤ素子５２０は、素子基板５２２とＬＥＤチップ５２１と集光レンズ５２４から構成される。ＬＥＤ素子５２０は配線基板５７０の上に、直線状に多数配置される。反射部材５２３は断面がコの字で、集光レンズが挿入できるだけの穴がＬＥＤ素子の数だけ開いている。多数直線状に並んだＬＥＤ素子５２０と対向するように導光板５１０の入射面５１１が配置される。

なお、図７において、５４０は反射シート、５５０は光学フィルムである。また特許文献１では点光源であるＬＥＤからの光をアスペクト比の大きい矩形状の導光板入射端面に効率よくムラ無く導く構造が開示されている。

このように構成することで、ＬＥＤ素子からの光を導光板に導くことができる。
特開２００４−２３５１３９号公報

液晶パネルの入射側には偏光板が配置され、特定の偏光方向の光のみが使用される。冷陰極線管やＬＥＤ素子からのランダムな偏光成分の光の約半分は使用されずに偏光板で吸収される。

偏光方向のそろったレーザーと照明光学系を使用することで偏光方向を維持でき、光の効率を向上させ、明るい液晶表示素子が得られることを筆者は見出した。

本発明は、上記の問題を考慮し、レーザーを面光源に使用したときの光の均一性を向上させ、明るいレーザーを光源として用いた液晶表示装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明は、少なくとも１個のレーザーと、入射端面の形状が矩形で入射した光線を内部で多重反射を繰り返して矩形の射出端面より射出するロッドレンズと、前記レーザーから射出した平行光線を前記ロッドレンズの入射端面に集光する集光レンズと、前記ロッドレンズの射出端面の光束を導光板に導くとともに、両側テレセントリックになるよう構成されたシリンドリカルレンズからなる照明光学系レンズとを備え、前記レーザーから射出する光束は、集光レンズ、ロッドレンズ、照明光学系レンズを通して導光板に導くように構成したことを特徴とする面光源装置である。

本発明の面光源装置は、少なくとも１個のレーザーと導光板と少なくとも２個のレンズで構成される照明光学系を配置されるので、レーザーの偏光が維持され、液晶パネルで光を有効に利用することができ、明るい面光源を実現することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。

図１はレーザーを用いた面光源装置の構成を示す構成図である。レーザー１０１からの光束はエクステンダーで拡大され、大きな光束に変換されて、導光板に入射する。エクステンダーは照明光学系レンズ２０１と照明光学系レンズ２０２で構成される。照明光学系レンズ２０１と照明光学系レンズ２０２の焦点距離の比が拡大率となる。この拡大率は、レーザー１０１から出射する光束の径を導光板５０１の入射端面５０２の長さに拡大するのに必要な率である。

またレーザー１０１の光束は略円形であり、導光板５０１の入射端面５０２は矩形であるので、円形を矩形に変換するために、照明光学系レンズ２０１と照明光学系レンズ２０２はシリンドリカルレンズで構成されることが望ましい。

レーザー１０１からは平行な光線が射出され、照明光学系レンズ２０１で集光される。集光される位置は照明光学系レンズ２０１から照明光学系レンズ２０１の焦点距離分だけ離れたところである。照明光学系レンズ２０２は照明光学系レンズ２０１の焦点位置より照明光学系レンズ２０２の焦点距離分はなれた位置に配置する。このように配置することでレーザーからの平行な光線は拡大されて、導光板５０１の入射端面５０２に入射する。その入射角は、入射端面５０２の位置に依らず、一定、すなわち平行となる。導光板５０１の入射端面５０２に入射した光線は、出射面５０３から出射する。

このようにレーザーの微小な面積から射出する平行光線が大きな面積に変換されて導光板５０１の入射端面５０２に入射するために、照明ムラの無い均一な面光源ができる。また照明光学系で偏光を乱さないために、光の効率の良い面光源を実現できる。

図２は、本発明による面光源装置の構成を示す構成図である。レーザー１０１から射出した平行光線は、集光レンズ１０６で集光される。集光する位置はロッドレンズ３０１の入射端面近傍である。ロッドレンズ３０１の端面の形状は矩形である。ロッドレンズ３０１の内部で多重反射を繰り返し、ロッドレンズ３０１の射出端面より射出する。ロッドレンズ３０１の射出端面では射出端面形状と同じ形状の矩形で光量が均一な光が射出する。

ロッドレンズ３０１の射出端面の光束を導光板５０１に導くのがリレーレンズである。リレーレンズは照明光学系レンズ２０３，２０４，２０５で構成される。リレーレンズでロッドレンズ３０１の射出端面と導光板５０１の入射端面５０２とが共役になるように配置する。このようにすることで、効率よく光を導くことができる。

照明光学系レンズ２０３，２０４，２０５は両側テレセントリックになるよう構成されたシリンドリカルレンズであり、ロッドレンズ３０１の射出端面からの光は導光板５０１の入射端面５０２に導かれる。

このようにレーザーの微小な面積から射出する平行光線がロッドレンズ３０１で多重反射されながら混合され、さらに大きな面積に変換されて導光板５０１に入射するために、照明ムラの無い均一な面光源ができる。

図３は面光源装置の他の例による構成を示す構成図である。レーザー１０１から射出した平行光線は、集光レンズ１０６で集光される。集光する位置はロッドレンズ３０２の入射側端面近傍である。レーザー１０２から射出した平行光線は、集光レンズ１０６で集光される。集光する位置はロッドレンズ３０２の入射側端面近傍である。レーザー１０３から射出した平行光線は、集光レンズ１０６で集光される。集光する位置はロッドレンズ３０２の入射側端面近傍である。ロッドレンズ３０２の端面の形状は矩形である。ロッドレンズ３０２の内部で多重反射を繰り返し、ロッドレンズ３０２の射出端面より射出する。ロッドレンズ３０２の射出端面では射出端面形状と同じ形状の矩形で光量が均一な光が射出する。照明光学系レンズ２０３，２０４，２０５は両側テレセントリックになるよう構成され、ロッドレンズ３０２の射出端面からの光は導光板５０１の入射端面５０２に導かれる。

このように複数のレーザーの微小な面積から射出する平行光線がロッドレンズ３０２で多重反射されながら混合され、さらに大きな面積に変換されて導光板に入射するために、照明ムラの無い均一な面光源ができる。複数のレーザーの出力を混合できるために、光量を大きくすることもできるし、ＲＧＢの波長の違うレーザーを使用することでカラー表示ができる。

図４は面光源装置の他の例による構成を示す構成図である。光源の光の強度ムラを低減するインテグレーターを構成するように２枚のマルチレンズアレイを配置する。レーザー１０１から射出した平行光線は、対応するマルチレンズアレイ４０１で集光される。集光する位置はマルチレンズアレイ４０２の近傍である。マルチレンズアレイ４０２で光線の向きが変えられ、光束の中心は導光板５０１の入射端面５０２の中心に向かう。マルチレンズアレイ４０２を射出する光は発散しており、入射端面５０２の全体を照明する。このように配置することでインテグレーターが構成される。照明光学系レンズ２０６はマルチレンズアレイ４０２から射出する発散光を平行にする。この照明光学系レンズ２０６はフィールドレンズの役割を持っている。レーザー１０２〜１０５から射出した平行光線もレーザー１０１と同様に導光板入射端面を照明する。

このように複数のレーザーの微小な面積から射出する平行光線がマルチレンズアレイ４０１および４０２で混合され、さらに大きな面積に変換されて導光板５０１に入射するために、照明ムラの無い均一な面光源ができる。複数のレーザーの出力を混合できるために、光量を大きくすることもできるし、ＲＧＢの波長の違うレーザーを使用することでカラー表示ができる。

なお、上記各実施の形態において、レーザーを照明光学系の光軸に対して回転させる微調整機構を設けて、レーザーの偏光方向を液晶パネルが設定した偏光方向に合わせるように微調整することにより、より明るい面光源を実現できる。

本発明の面光源、及び液晶表示装置は、レーザーより偏光方向の揃った、均一な明るさの光を取り出すという効果を有し、液晶モニターや特に色再現性が要求される液晶テレビなどに有用である。

面光源装置の構成を示す構成図 本発明の実施の形態による面光源装置の構成を示す構成図 面光源装置の他の例の構成を示す構成図 面光源装置の他の例の構成を示す構成図 従来の冷陰極線管を用いたエッジ入力型バックライトを示す上面図および断面図 従来のサイドエミッタ型ＬＥＤ光源素子を用いたエッジ入力型バックライトを示す要部断面図および光源部を導光板側から観察した上面図 従来の高出力型ＬＥＤ光源素子を用いたエッジ入力型バックライトを示す要部断面図および光源部を導光板側から観察した上面図

１０１〜１０５ レーザー
１０６、５２４ 集光レンズ
１１０、２１０、５１０ 導光板
１１１、２１１、５１１ 入射面
１１２ 出射面
１１３ 反射面
１２０ 冷陰極線管
１３０ リフレクタ
１４０、５４０ 反射シート
１５０、５５０ 光学フィルム
２０１〜２０６ 照明光学系レンズ
２２０、５２０ ＬＥＤ素子
２２１、５２１ ＬＥＤチップ
２２２、５２２ 素子基板
２２３、５２３ 反射部材
２２４ 封止樹脂
２２５ 接続端子
２６０ フレーム
２７０、５７０ 配線基板
３０１、３０２ ロッドレンズ
４０１、４０２ マルチレンズアレイ
５０１ 導光板
５０２ 入射端面
５０３ 出射面

Claims (1)

1. 少なくとも１個のレーザーと、入射端面の形状が矩形で入射した光線を内部で多重反射を繰り返して矩形の射出端面より射出するロッドレンズと、前記レーザーから射出した平行光線を前記ロッドレンズの入射端面に集光する集光レンズと、前記ロッドレンズの射出端面の光束を導光板に導くとともに、両側テレセントリックになるよう構成されたシリンドリカルレンズからなる照明光学系レンズとを備え、前記レーザーから射出する光束は、集光レンズ、ロッドレンズ、照明光学系レンズを通して導光板に導くように構成したことを特徴とする面光源装置。

Images