WO2008041559A1 - Système d'éclairage à panneau plat et dispositif d'affichage à cristaux liquides utilisant celui-ci - Google Patents

Description

明 細 書

面状照明装置とそれを用いた液晶表示装置

技術分野

[0001] 本発明は、光源にレーザ素子を利用した薄型の面状照明装置、及びその面状照 明装置を用いた液晶表示装置に関する。

背景技術

[0002] 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、及び青色光の 3色の発光ダイオード（LED素子）を用いた ノ ックライト照明も、開発が進められている。

[0003] 特に、比較的小型で輝度をそれほど必要としないバックライト照明には、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。また、大型で高輝度を必要とするバックライト照明には、陰極蛍光管又は L ED素子を平面状に並べた、直下型照明装置が用いられる。

[0004] 将来的には、液晶表示装置に対しては、壁掛け TV等の薄型で大画面化への要望 力 Sさらに強まると考えられる。しかし、直下型照明装置には、エッジライト方式と比べて 薄型化が困難という課題があり、また、エッジライト方式には、大画面化すると十分な 輝度が確保できなレ、とレ、う課題がある。

[0005] そこで、薄型大画面の液晶表示装置を実現する方法として、輝度の高!/、LED素子 を光源に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。例えば、 特許文献 1に記載された方式がすでに提案されて!/、る。

[0006] LED素子をエッジライト方式の光源として用いる場合、複数の LED素子を導光板 側面にライン状に並べると、消費電力が増加したり、熱の発生が増えたりする。よって 、特許文献 1では、図 18に示すように、導光板 500の側面に棒状導光体 400を近接 させて設け、棒状導光体 400の両端に 2つの LED素子 300を設ける構成を用いてい る。この構成により、 2つの LED素子 300からの光を棒状導光体 400の内部で多重 反射させて均一な光量分布を得た後に、棒状導光体 400の側面から導光板 500の 側面に入射させている。

特許文献 1 :特開平 11 271767号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0007] LED素子よりもさらに高い輝度を得ることができる素子として、レーザ素子が存在す る。従って、上記特許文献 1の構成において、レーザ素子を LED素子の代わりに光 源に適用することも考えられるが、以下の課題が新たに生じてしまう。

[0008] まず、 1箇所から光を出射させる点光源である LED素子の場合と異なり、平行光を 出射させる平行光源であるレーザ素子では、棒状導光体内部での光線の反射が少 なくなるため均一なライン状光源が得られない。

また、半導体レーザのような発散光源の場合であっても、詳細には光の放出角は L

ED素子の場合と異なり、また活性層に対して異方性を持っているので、単に棒状導 光体端部に半導体レーザを設けるだけでは均一なライン状光源は得られない。

[0009] それ故に、本発明の目的は、光源にレーザ素子を利用した薄型 *大面積の面状照 明装置、及びその面状照明装置を用いた液晶表示装置を提供することである。 課題を解決するための手段

[0010] 本発明は、レーザ光を利用した面状照明装置に向けられている。そして、上記目的 を達成するために、本発明の面状照明装置は、偏光面が揃ったレーザ光を出射する レーザ光源と、レーザ光源から出射されたレーザ光を、角度 Θで 1次元方向に拡散さ せる 1次元拡散素子と、 1次元拡散素子によって拡散されたレーザ光を、平行光に変 換するシリンドリカルレンズと、 2つの主面と 4つの側面を有した直方体であり、シリンド リカルレンズを介して平行光に変換されたレーザ光を、 1次元方向と当該主面とが平 行となる状態でいずれか 1つの側面から入射し、一方の主面から出射する導光板とを 備える。

[0011] ここで、シリンドリカルレンズによって、 1次元拡散素子によって拡散されたレーザ光 をさらに導光板の厚み方向に収束させる力、、 1次元拡散素子によって、レーザ光源か ら出射されたレーザ光をさらに拡散させる 1次元方向と直交する方向に収束させる、 ことが好ましい。

[0012] また、シリンドリカルレンズから出射されるレーザ光を反射し、導光板の 1つの側面 に入射させるミラーをさらに備えてもよい。この場合、レーザ光源、 1次元拡散素子、 及びシリンドリカルレンズを、一方の主面と対向する他方の主面上に実装することが できる。

[0013] 1次元拡散素子による拡散の角度 Θは、導光板の主面サイズが長辺 W及び短辺 H であり、シリンドリカルレンズから出射されるレーザ光力 長辺 Wに接する側面から入 射される場合は「 Θ〉tan— ^W/SH) X 2」で与えられ、短辺 Hに接する側面から入 射される場合は「 Θ〉tan— ^H/SW) X 2」で与えられる。典型的には、 1次元拡散 また、 1次元拡散素子を微小振動させる振動部をさらに備えてもよぐ振動部の振 動周波数を可聴周波数以外とし、振動部の振動振幅をスペックルノイズの輝点の間 隔とすれば効果的である。

[0014] また、レーザ光源から出射されるレーザ光の偏光面は、導光板の主面に対して平 行又は垂直が好ましい。特に、レーザ光源がマルチェミッタ半導体レーザである場合 、マルチェミッタの配置平面と導光板の主面とが光学的に平行であることが望ましい また、レーザ光源を、互いに異なる波長のレーザ光を出射する複数の光源で構成 してもよく、この場合には、各光源から出射する複数の波長の光を導光板の厚み以 下の幅で 1次元拡散素子に入射させるとよい。

[0015] また、上述したレーザ光源を、互いに異なる波長のレーザ光を出射する複数の光 源と、光源から出射された複数のレーザ光を伝達する光ファイバと、光ファイバから出 射されるレーザ光の偏光面を揃える偏光分離部とで構成しても構わな!/、。この場合、 偏光分離部は、レーザ光を P偏光と S偏光とに分離し、 P偏光又は S偏光のいずれか 一方を第 1の出力光として出力し、他方を当該第 1の出力光の偏光面に揃えて第 2の 出力光として出力することが考えられる。

[0016] なお、上述した各々の面状照明装置は、面状照明装置から出射されるレーザ光で 照らされる液晶パネル及びその液晶パネルを駆動する画像表示回路と組み合わせ ることで、液晶表示装置を構成することが可能である。

発明の効果

[0017] 本発明によれば、光源にレーザ素子を利用した薄型'大面積の面状照明装置及び 液晶表示装置を実現することができる。また、レーザ素子から放射されるレーザ光は 、色純度が高くかつ発光効率の高いので、広い色再現性、均一な輝度、及び低消費 電力を実現することができる。

図面の簡単な説明

[0018] [図 1]図 1は、本発明の第 1の実施形態に係る面状照明装置の構成を示す斜視図 [図 2]図 2は、光源 30の構成例を示す図

[図 3]図 3は、光源 30の他の構成例を示す図

[図 4]図 4は、マルチェミッタ半導体レーザ 50の詳細な構成例を示す図

[図 5]図 5は、 1次元拡散素子 5の構成例を示す図

[図 6]図 6は、 1次元拡散素子 5を振動させる駆動部を説明する図

[図 7]図 7は、面状照明装置の具体的な設計例を説明する図

[図 8]図 8は、面状照明装置の具体的な設計例を説明する図

[図 9]図 9は、本発明の第 2の実施形態に係る面状照明装置の構成を示す斜視図

[図 10]図 10は、光源 1の構成例を示す図

[図 11]図 11は、偏光分離部 3の構成例を示す図

[図 12]図 12は、本発明の第 3の実施形態に係る面状照明装置の構成を示す斜視図 [図 13]図 13は、 1次元拡散素子 40の構成例を示す図

[図 14]図 14は、本発明の第 4の実施形態に係る面状照明装置の構成を示す斜視図 [図 15]図 15は、本発明の第 5の実施形態に係る面状照明装置の構成を示す斜視図 [図 16]図 16は、面状照明装置を用いた液晶表示装置の実施例を示す図

[図 17]図 17は、モニター部 42の詳細な構成例を示す図

[図 18]図 18は、従来の面状照明装置の構成を示す斜視図

符号の説明

[0019] 1、 12〜； 14、 30〜33、 50、 300 光源

2 光ファイバ 3 偏光分離部

4a、 4b、 8、 15、 16、 34、 35、 80 ミラー

5、 5a、 5b、 40 1次元拡散素子

6、 6a、 6b、 7、 7a、 7b、 24、 41、 55 シリンドリカノレレンズ

9、 500 導光板

10 反射板

17、 18 レンズ

19 偏光ビームスプリッタ

20 プリズム

21 半波長板

26、 28 リニアァクチユエータ

27、 29 ガイド

42 モニター部

43 接続ケーブル

44 コン卜ローノレボックス

45 面状照明装置

46 液晶パネル

47 画像表示回路

48 配線

53 レーザチップ

54 マウント

400 棒状導光体

発明を実施するための最良の形態

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。

(第 1の実施形態）

図 1は、本発明の第 1の実施形態に係る面状照明装置の構成を示す斜視図である 。図 1に示す第 1の実施形態に係る面状照明装置は、光源 30と、 1次元拡散素子 5と 、第 1のシリンドリカルレンズ 6と、第 2のシリンドリカルレンズ 7と、ミラー 8と、導光板 9と 、反射板 10とを備える。

[0021] 導光板 9の一方の主面上には、反射板 10が接着されている。光源 30、 1次元拡散 素子 5、第 1のシリンドリカルレンズ 6、及び第 2のシリンドリカルレンズ 7は、この反射板 10上に実装されている。光源 30から出射される光が、 1次元拡散素子 5、第 1のシリ ンドリカルレンズ 6、及び第 2のシリンドリカルレンズ 7を介して、ミラー 8で 180度折り返 して導光板 9に導かれる構造である。

以下、第 1の実施形態に係る面状照明装置の各構成を順に説明する。

[0022] 光源 30は、 3原色のレーザ光を出射するレーザ光源であり、例えば図 2のように構 成される。図 2において、光源 30は、赤色レーザ光源 31と、緑色レーザ光源 32と、青 色レーザ光源 33と、ミラー 34及び 35とで構成される。緑色レーザ光源 32から出射さ れる緑色レーザ光は、 1次元拡散素子 5に直接入力される。赤色レーザ光源 31から 出射される赤色レーザ光は、ミラー 34で反射されて緑色レーザ光と近接かつ並行し て、 1次元拡散素子 5に入力される。青色レーザ光源 33から出射される青色レーザ 光は、ミラー 35で反射されて緑色レーザ光と近接かつ並行して、 1次元拡散素子 5に 入力される。この赤色レーザ光源 31、緑色レーザ光源 32、及び青色レーザ光源 33 力、ら出射される各レーザ光の偏光面は、 1次元拡散素子 5に入力される時に全ての 偏光面が揃うように予め調整されている。なお、偏光面が揃った 3原色のレーザ光を 1次元拡散素子 5に入力できるのであれば、光源 30は、図 2に示した構成以外であつ てもよい。

[0023] また、光源 30にマルチェミッタ半導体レーザ 50を用いた場合の構成例を、図 3及 び図 4に示す。マルチェミッタ半導体レーザ 50は、 1つのチップの中に複数の発光領 域が設けられたものであり、シングルェミッタの半導体レーザに比べて高出力が得ら れる。図 4の（a)において、複数の発光領域を有したレーザチップ 53は、マウント 54 にボンディングされている。マウント 54は、レーザチップ 53で発生した熱を放熱すると 共に、図示しない電極と組になってレーザチップ 53に電力を供給する。シリンドリカ ノレレンズ 55は、レーザチップ 53から出射されるレーザ光の高速軸方向をコリメートす るレンズであり、図 4の（b)に示すようにレーザチップ 53から出射された複数のレーザ 光 51 a〜51fを、一方向が導光板 9の厚み以下の幅を持つ平行光又は導光板 9の入 射面に収斂するような弱収束光に変換する。

[0024] この例のように、マルチェミッタ半導体レーザ 50の複数の発光領域力 導光板 9の 主面と平行な面内に配置される構成にすることで、シリンドリカルレンズ 55と 1次元拡 散素子 5という少数の光学素子で高出力の線状光源を得ることができる。なお、導光 板 9の主面とマルチェミッタ半導体レーザ 50の発光領域とは、物理的に平行でなくと も、例えば像回転プリズムを用いる等して光学的に平行であれば、この例と同じ効果 が得られる。また、シリンドリカルレンズ 55と 1次元拡散素子 5との間に、レーザチップ 53から出射されるレーザ光の遅速軸方向をコリメートするシリンドリカルレンズを設け てもよい。マルチェミッタ半導体レーザ 50の一般的な遅速軸側の寸法は 10mmであ るので、遅速軸を例えば焦点距離が 50mm以上の長いシリンドリカルレンズでコリメ ートすることによって、遅速軸側の画角が NA0. 1と小さくできる。画角が小さくできる と 1次元拡散素子 5の設計が簡単になるという効果が得られる。

[0025] 1次元拡散素子 5は、ホログラムやレンズアレイからなり、光源 30から出射されるレ 一ザ光を 1次元方向に角度 Θで拡散させる（図 2及び図 3を参照）。レーザ光を拡散 させる面は、導光板 9の主面と平行になるように設計されている。なお、拡散された 3 原色のレーザ光は、遠方ではほぼ重なって白色のレーザ光となる。

[0026] 図 5は、 1次元拡散素子 5の構成例を示す上面図（al)及び (a2)、正面図（b)、及 び側面図（c)である。図 5に示す 1次元拡散素子 5は、図中 X方向の片面（al)又は 両面（a2)に曲面を有するシリンドリカルレンズ 24を、アレイ状に多数配列した構造で ある。 1次元拡散素子 5に入射されるレーザ光 25は、複数のシリンドリカルレンズ 24 毎に分割された後、 X方向に発散される。各シリンドリカルレンズ 24から発散された光 は遠方で互いに重なり合うので、それぞれのシリンドリカルレンズ 24に入射された光 の強度が重畳しあって、遠方で略均一な強度分布が得られる。 1次元拡散素子 5を 構成する多数のシリンドリカルレンズ 24の曲率は全て同じでもよいし、わずかに変え てもよレ、。曲率をわずかに変えることで光の光量分布を変化させることも可能である。

[0027] また、 1次元拡散素子 5がレーザ光を拡散させる角度 Θは、例えば次のように設計 することが好ましい。

今、長辺 Wかつ短辺 Hの導光板 9を想定する。設計としては、導光板 9の横幅一杯 までレーザ光を拡散させることが好ましいため、図 1に示すように 1次元拡散素子 5を 導光板 9の長辺 W側端面の中心位置に実装する場合には、角度 Θは次式 [1]で表 される。また、図示しないが、 1次元拡散素子 5を導光板 9の短辺 H側端面の中心位 置に実装する場合には、角度 Θは次式 [2]で表される。

Θ >tan^{_ 1} (W/2H) X 2 · · · [1]

Θ >tan^{_ 1} (H/2W) X 2 · · · [2]

[0028] 第 1のシリンドリカルレンズ 6は、 1次元拡散素子 5によって角度 Θで拡散された偏光 面が揃ったレーザ光を、平行光に変換する。第 2のシリンドリカルレンズ 7は、第 1のシ リンドリカルレンズ 6と直交する面内に曲率を有しており、第 1のシリンドリカルレンズ 6 で平行光に変換されたレーザ光を、導光板 9の厚み方向に収束させる。この第 2のシ リンドリカルレンズ 7によって、導光板 9に入射させる光の結合効率を向上させることが でき、明るい面状照明装置を得ることができる。ミラー 8は、 L形状断面の反射板であ り、第 2のシリンドリカルレンズ 7で導光板 9の厚み方向に収束されたレーザ光を、直 角に 2回反射させて導光板 9へ出射する。この L形状断面のミラー 8によって、レーザ の偏光分離や拡散 ·収束の光学系構成を導光板 9の主面上に設けることができ、面 状照明装置の小型化が可能となる。

[0029] 導光板 9は、 2つの平行な主面と、この主面に垂直な 4つの側面と力、ら構成されてい る、すなわち直方体である。導光板 9に入射されたレーザ光は、導光板 9の内部を多 重反射又は散乱を繰り返しながら進行する間に導光板 9の主面から出射される。導 光板 9の一方の主面には反射板 10が貼り付けられており、レーザ光は他方の主面か らだけ出射されるため、均一な照度で明るい面状照明装置が得られる。

[0030] なお、レーザ光を用いることによりランダムな干渉パターンであるスペックルノイズが 発生する。しかし、例えば図 6に示す駆動部を用いて 1次元拡散素子 5を振動させる ことで、干渉パターンを変化させることができる。 1次元拡散素子 5は、リニアァクチュ エータ 26に保持されており、リニアァクチユエータ 26がガイド 27に沿って移動するこ とにより X方向に移動する。ガイド 27は、リニアァクチユエータ 28に保持されており、リ ニァァクチユエータ 28がガイド 29に沿って移動することにより図中 Y方向に移動する 。この構成により、 1次元拡散素子 5を 2方向に移動させることができる。 [0031] 1次元拡散素子 5を例えば 10Hz以上の振動周波数で動かせば、人の目には干渉 ノ ターンが認識できなくなるので、スペックルノイズも消失する。さらに、 1次元拡散素 子 5の振動周波数を可聴周波数以外とすることにより、振動音が聞こえなくなるので 騒音がなくなる。 1次元拡散素子 5の振動振幅は、スペックルパターンの輝点が隣接 する輝点と重なるところまで、すなわちスペックルノイズの輝点の間隔以上動かせば よい。

[0032] 次に、第 1の実施形態に係る面状照明装置の具体的な設計例を示す。

<基本構成 >

図 7は、光学系の基本構成であるラインディフューザを説明する図である。レーザ光 源には、高出力化のためマルチェミッタのバーレーザダイオード（波長 642nm、出力 4W)を用いた。レーザ光源から出射された光は、 FAC (Fast Axis Collimator)レ ンズと SAC (Slow Axis Collimator)レンズとにより、 X—Z軸及び Y— Z軸毎にコ リメートされる。コリメートされた光は、 1次元拡散素子（両面レンチキユラレンズ）によつ て分割され、かつ相互に重畳された後、シリンドリカルフレネルレンズによってほぼ平 行光となって導光板に入射される。導光板のサイズは、 32インチ対角の W : 700mm X H： 400mmとし、 W： 700mmの側から光を入射させるようにした。

[0033] レーザ光源、として用いたバーレーザダイオードは、 10mm幅の中に 60 mストライ プ幅のェミッタが 300〃 mピッチで 33個並んだ構成である。各ェミッタからの拡がり角 (半値全角）は、ストライプ幅の方向が約 10度、ストライプ幅と垂直な方向が約 40度 である。レーザ光源のコリメートレンズは、取り込み効率の点から高 NAのレンズが望 ましぐ一方 10mmの長さにわたって分布するェミッタをコリメートするためには、画角 を小さくするために長焦点のレンズが好ましい。高 NAかつ長焦点のレンズは、必然 的に大型になるが、装置の大型化を避けるため、 2組のシリンドリカルレンズで上記条 件を満足する構成とした。すなわち、拡がり角 40度の方向には短焦点高 NAのシリン ドリカルレンズ (FACレンズ)を用い、拡がり角 10度の方向には長焦点低 NAのシリン ドリカルレンズ (SACレンズ)を用いた。 SACレンズの出射瞳位置に両面レンチキユラ を設けて、バーレーザダイオードの 10mm幅の方向にビームを広げる構成とした。こ のような構成にすることで、光源サイズの異方性が大きぐかつ、高出力バーレーザ ダイオードに適した光学系が得られる。両面レンチキユラを出射した光は、導光板に 入る直前にシリンドリカルフレネルレンズでほぼ平行光となるようにしている。これは、 レーザの偏光面を揃えるためである。

[0034] <両面レンチキユラレンズの設計〉

両面レンチキユラレンズをアクリル成形で試作することを考えると、アクリルの屈折率 n= l . 49@ 640nm力、ら、レンズの NAの最大値は約 0· 5となる。両面レンチキユラ の曲率半径は、以下の式 [3]により求めた。但し、 fは焦点距離、 1は両面の間隔、 rは 曲率半径、及び nは屈折率である。

f = l = r * n/ (n— 1) · · · [3]

[0035] 光量分布の均一性及び 700mm内に入射する光量の観点から、 NAの値として 0.

4程度を目指すこととし、導光板直前に設けるシリンドリカルフレネルレンズで導光板 進行中の光量分布を調整することとした。図 8に、設計したラインディフューザ光学系 の全体光路図（a)、及び導光板入射面 (b)、中央部（c)、及び最終面（d)での光量 分布を示す。導光板入射面 (b)では均一な光量分布は得られていないが、光が進行 するに従って光量が均一化し、最終面（d)でほぼ均一な分布が得られている。これは 、シリンドリカルフレネルレンズの球面収差を利用して、近軸光は発散し、軸外光は弱 収束気味にするような光学配置にしたためである。なお、シミュレーションに用いた光 学素子の仕様は、以下の通りである。

両面レンチキユラレンズ ： NA 0. 39, EFL 1. 22

シリンドリカノレフレネノレレンズ： ^†¾720 >! 25 >I t3, EFL 1200

[0036] ここで、ラインディフューザタイプの有用性を以下に示しておく。

•ファイバ敷設タイプと比べて偏光を維持し易い。

•非球面レンズや回折素子等などを用いることにより、光量分布の均一化を図り易 い。

•発光点が局在しているので、発光点位置移動や光学素子駆動等のスペックルノィ ズ対策を行い易い。

•光ファイバを用いな!/、ため、画面が大型化しても部材コストがほとんど変わらなレ、。 •駆動機構がなレ、ため、ポリゴンミラー走査タイプと比べて機械的寿命が長レ、。 •ポリゴンミラー走査タイプのように光を集光しないため、薄型化し易い。

[0037] 以上のように、本発明の第 1の実施形態に係る面状照明装置によれば、色純度が 高くかつ発光効率の高いレーザ光を用いることにより、広い色再現性、均一な輝度、 及び低消費電力を実現することができる。

[0038] なお、図 1において、第 2のシリンドリカルレンズ 7を第 1のシリンドリカルレンズ 6と 1 次元拡散素子 5との間、又は 1次元拡散素子 5と光源 30との間に配置しても構わない 。このようにすれば、レーザ光の幅が狭い場所に第 2のシリンドリカルレンズ 7を配置 できるので、第 2のシリンドリカルレンズ 7を小型化できる。

[0039] (第 2の実施形態）

上述した第 1の実施形態は、導光板 9のサイズが小さぐ必要な発光量を出射でき る光源 30が導光板 9の主面上に実装できるほど小型である場合を想定して!/、る。し 力、しながら、例えば大画面液晶 TV用の導光板 9のようにサイズが大きくなれば、必要 な発光量を出射できる光源 30のサイズも大きくなつて、導光板 9の主面上に光源 30 を実装できな!/、場合も想定される。

そこで、この第 2の実施形態では、光源 30が導光板 9の主面上に実装されていない 面状照明装置について説明する。

[0040] 図 9は、本発明の第 2の実施形態に係る面状照明装置の構成を示す斜視図である 。図 9に示す第 2の実施形態に係る面状照明装置は、光源 1と、光ファイバ 2と、偏光 分離部 3と、ミラー 4a及び 4bと、 1次元拡散素子 5a及び 5bと、第 1のシリンドリカルレ ンズ 6a及び 6bと、第 2のシリンドリカルレンズ 7a及び 7bと、ミラー 8と、導光板 9と、反 射板 10とを備える。

[0041] 導光板 9の一方の主面上には、反射板 10が接着されている。光源 1と偏光分離部 3 とは、光ファイバ 2で接続されている。偏光分離部 3、ミラー 4a及び 4b、 1次元拡散素 子 5a及び 5b、第 1のシリンドリカルレンズ 6a及び 6b、及び第 2のシリンドリカルレンズ 7a及び 7bは、反射板 10上に実装されている。光源 1から出射されるレーザ光は、偏 光分離部 3で 2方向に分離されて、一方のレーザ光が、ミラー 4a、 1次元拡散素子 5a 、第 1のシリンドリカルレンズ 6a、及び第 2のシリンドリカルレンズ 7aを介して、他方の レーザ光が、ミラー 4b、 1次元拡散素子 5b、第 1のシリンドリカルレンズ 6b、及び第 2 のシリンドリカルレンズ 7bを介して、ミラー 8で 180度折り返してそれぞれ導光板 9に 導かれる構造である。

以下、第 2の実施形態に係る面状照明装置の各構成を順に説明する。

[0042] 光源 1は、 3原色のレーザ光を出射するレーザ光源であり、例えば図 10のように構 成される。図 10において、光源 30は、青色レーザ光源 12と、赤色レーザ光源 13と、 緑色レーザ光源 14と、ダイクロイツクミラー 15及び 16と、レンズ 17とで構成される。ダ ィクロイツクミラー 15は、青色光を透過し、赤色光を反射する。ダイクロイツクミラー 16 は、青色光及び赤色光を透過し、緑色光を反射する。青色レーザ光源 12から出射さ れる青色レーザ光は、ダイクロイツクミラー 15及び 16を透過した後、レンズ 17で集光 されて光ファイバ 2に導光される。赤色レーザ光源 13から出射される赤色レーザ光は 、ダイクロイツクミラー 15で反射されかつダイクロイツクミラー 16を透過した後、レンズ 1 7で集光されて光ファイバ 2に導光される。緑色レーザ光源 14から出射される緑色レ 一ザ光は、ダイクロイツクミラー 16を反射した後、レンズ 17で集光されて光ファイバ 2 に導光される。この光ファイバ 2に導光された各色のレーザ光は、偏光分離部 3まで 伝達される。

[0043] 偏光分離部 3は、光ファイバ 2を通過する間にランダムになっているレーザ光の偏 光面を揃える役割を持つ。図 11は、偏光分離部 3の詳細な構成例を示す図である。 図 11に示す偏光分離部 3は、レンズ 18と、偏光ビームスプリッタ 19と、プリズム 20と、 半波長板 21とを備える。

[0044] 光ファイバ 2から出射される各色レーザ光は、レンズ 18に照射されて平行光に変換 される。偏光ビームスプリッタ 19は、レンズ 18で平行光となったレーザ光を、 P偏光の 成分と S偏光の成分とに分離する。 S偏光は、反射されてレーザ光 23となる（第 1の出 力光）。 P偏光は、偏光ビームスプリッタ 19を透過した後、プリズム 20で反射されてレ 一ザ光 22となる（第 2の出力光）。レーザ光 22は、半波長板 21によって偏光面が回 転されて、レーザ光 23と同じ S偏光となる。よって、偏光分離部 3からは、偏光面が揃 つたレーザ光が 2方向に出射されることとなる。

[0045] なお、図 11において、半波長板 21をレーザ光 23の光路に設ければ、レーザ光 23 の偏光面をレーザ光 22の偏光面（P偏光）に揃えることも可能である。また、半波長 板 21が赤 *緑*青の波長に渡ってほぼ半波長となる広帯域の半波長板である場合を 説明したが、レーザ光がプリズム 20を出射した後に色毎に光路を分離してそれぞれ の色に最適な半波長板を用いることも当然できる。

[0046] 偏光分離部 3から 2方向に出射される同じ偏光面のレーザ光は、ミラー 4a及び 4bで 反射されて、 1次元拡散素子 5a及び 5bにそれぞれ入射される。

1次元拡散素子 5a及び 5bは、ホログラムやレンズアレイからなり、ミラー 4a及び 4b で反射されるレーザ光を 1次元方向に角度 Θ 'でそれぞれ拡散させる。この 1次元拡 散素子 5a及び 5bは、上記第 1の実施形態で説明した 1次元拡散素子 5と同様の構 成であり、レーザ光を拡散させる面は、導光板 9の主面と平行になるように設計されて いる。なお、 1次元拡散素子 5a及び 5bがレーザ光を拡散させる角度 Θ 'は、基本的 には 1次元拡散素子 5がレーザ光を拡散させる角度 Θの 1/2となる。

[0047] 第 1のシリンドリカルレンズ 6a及び 6bは、 1次元拡散素子 5a及び 5bによって角度 Θ 'で拡散された偏光面が揃ったレーザ光を、平行光にそれぞれ変換する。第 2のシリ ンドリカルレンズ 7a及び 7bは、第 1のシリンドリカルレンズ 6a及び 6bで平行光に変換 されたレーザ光を、導光板 9の厚み方向に収束させる。ミラー 8は、 L形状断面の反射 板であり、第 2のシリンドリカルレンズ 7a及び 7bで導光板 9の厚み方向に収束された レーザ光を、直角に 2回反射させて導光板 9へそれぞれ出射する。導光板 9に入射さ れたレーザ光は、導光板 9の内部を多重反射又は散乱を繰り返しながら進行する間 に導光板 9の主面から出射される。

[0048] この第 1のシリンドリカルレンズ 6a及び 6b、第 2のシリンドリカルレンズ 7a及び 7b、ミ ラー 8、及び導光板 9は、上記第 1の実施形態で説明した第 1のシリンドリカルレンズ 6 、第 2のシリンドリカルレンズ 7、ミラー 8、及び導光板 9と、基本的に同じ機能を持つ構 成である。

[0049] 以上のように、本発明の第 2の実施形態に係る面状照明装置によれば、導光板 9の 主面上に光源 1を実装できず光ファイバ 2を用いざるを得ない場合でも、偏光分離部 3によってレーザ光の偏光面を揃えている。これにより、色純度が高くかつ発光効率 の高いレーザ光を用いて、広い色再現性、均一な輝度、及び低消費電力を実現する こと力 Sでさる。 [0050] なお、図 9において、第 2のシリンドリカルレンズ 7a及び 7bを第 1のシリンドリカルレ ンズ 6a及び 6bと 1次元拡散素子 5a及び 5bとの間、又は 1次元拡散素子 5a及び 5bと 偏光分離部 3との間に配置しても構わない。このようにすれば、レーザ光の幅が狭い 場所に第 2のシリンドリカルレンズ 7a及び 7bを配置できるので、第 2のシリンドリカルレ ンズ 7a及び 7bを小型化できる。

[0051] (第 3の実施形態）

図 12は、本発明の第 3の実施形態に係る面状照明装置の構成を示す斜視図であ る。図 12に示す第 3の実施形態に係る面状照明装置は、光源 30と、 1次元拡散素子 40と、シリンドリカルレンズ 6と、ミラー 8と、導光板 9と、反射板 10とを備える。

[0052] この第 3の実施形態に係る面状照明装置は、上記第 1の実施形態に係る面状照明 装置の 1次元拡散素子 5を 1次元拡散素子 40に代えて、第 2のシリンドリカルレンズ 7 を省いた構成である。なお、第 3の実施形態に係る面状照明装置における 1次元拡 散素子 40以外の構成は、第 1の実施形態に係る面状照明装置と同様であるため説 明を省略する。

[0053] 図 13は、 1次元拡散素子 40の構成例を示す上面図（al)及び (a2)、正面図（b)、 及び側面図（c)である。図 13に示す 1次元拡散素子 40は、図中 X方向の片面（al) 又は両面（a2)に曲面を有するシリンドリカルレンズ 41をアレイ状に多数配列し、さら に 1次元拡散素子 40の一方の全面に、図中 Y方向に曲面を有するシリンドリカル面 が形成された構造である。

[0054] 以上のように、本発明の第 3の実施形態に係る面状照明装置によれば、 1次元拡散 素子 40において、光源 30から出射されるレーザ光を、導光板 9と平行な 1次元方向 には光が拡散しかつ拡散方向と直交する方向には光が収束するレーザ光に、変換 すること力 Sできる。従って、第 2のシリンドリカルレンズ 7を省いても、導光板 9に効率よ くレーザ光を入射させることができる。

[0055] (第 4の実施形態）

図 14は、本発明の第 4の実施形態に係る面状照明装置の構成を示す斜視図であ る。図 14に示す第 4の実施形態に係る面状照明装置は、光源 30と、 1次元拡散素子 5と、第 1のシリンドリカルレンズ 6と、第 2のシリンドリカルレンズ 7と、ミラー 80と、導光 板 9と、反射板 10とを備える。

[0056] この第 4の実施形態は、光源 30、 1次元拡散素子 5、第 1のシリンドリカルレンズ 6、 及び第 2のシリンドリカルレンズ 7が、導光板 9の主面上に実装されていない場合の構 造例を説明するものである。

[0057] この図 14に示す例のように、上記各部品が導光板 9の主面上に実装されていない 場合には、第 2のシリンドリカルレンズ 7から出射されるレーザ光を導光板 9の側面に 入射させるための平板状のミラー 80を、適切な角度で設置すればよい。

[0058] (第 5の実施形態）

図 15は、本発明の第 5の実施形態に係る面状照明装置の構成を示す斜視図であ る。図 15に示す第 5の実施形態に係る面状照明装置は、光源 30と、 1次元拡散素子

5と、第 1のシリンドリカルレンズ 6と、第 2のシリンドリカルレンズ 7と、導光板 9と、反射 板 10とを備える。

[0059] この第 5の実施形態は、光源 30、 1次元拡散素子 5、第 1のシリンドリカルレンズ 6、 及び第 2のシリンドリカルレンズ 7が、導光板 9の主面上に実装されていないが、各部 品が導光板 9の主面と並行に配置されている場合の構造例を説明するものである。

[0060] この図 15に示す例のように、各部品が導光板 9の外に導光板 9の主面と並行に配 置されている場合には、ミラー 80を用いることなぐ第 2のシリンドリカルレンズ 7から出 射されるレーザ光を導光板 9の側面に直接入射させればよい。

[0061] なお、上記第 3〜第 5の実施形態では、光源から 1次元拡散素子へレーザ光が直 接出射される構成 (第 1の実施形態）を適用させた場合を説明したが、光源から 1次 元拡散素子へ光ファイバを介してレーザ光が伝達される構成（第 2の実施形態）を適 用させることも勿論可能である。

[0062] (面状照明装置を用いた液晶表示装置の実施例）

図 16は、液晶表示装置の構成例を示す図である。この液晶表示装置は、モニター 部 42とコントロールボックス 44と力 S、接続ケーブル 43で接続された構成である。図 17 は、図 16のモニター部 42の詳細な構成例を示す図である。モニター部 42は、上記 第 2の実施形態に係る面状照明装置 45と、液晶パネル 46と、画像表示回路 47とで 構成される。 [0063] 画像表示回路 47は、配線 48で液晶パネル 46と接続されており、液晶パネル 46を 駆動して画像を表示する。コントロールボックス 44は、少なくとも電源と光源とからな つており、接続ケーブル 43を介してモニター部 42に電力供給及び光の供給を行う。 コントロールボックスから供給された光力 面状照明装置 45を介して液晶パネル 46を 照らすと共に、画像表示回路 47が液晶パネル 46を駆動することにより、画像が表示 される。この時、面状照明装置 45から出射する光の偏光面の向きを液晶パネル 46の 入射側偏光子の向きに合わせておくことにより、光利用効率の高い液晶表示装置を 実現すること力 Sでさる。

産業上の利用可能性

[0064] 本発明の面状照明装置は、液晶表示装置等に利用可能であり、特に薄型 '大面積 を確保しつつ、広い色再現性、均一な輝度、及び低消費電力を実現したい場合等に 有用である。

Claims

請求の範囲

[1] レーザ光を利用した面状照明装置であって、

偏光面が揃ったレーザ光を出射するレーザ光源と、

前記レーザ光源から出射されたレーザ光を、角度 Θで 1次元方向に拡散させる 1次 元拡散素子と、

前記 1次元拡散素子によって拡散されたレーザ光を、平行光に変換するシリンドリ 力ノレレンズと、

2つの主面と 4つの側面を有した直方体であり、前記シリンドリカルレンズを介して平 行光に変換されたレーザ光を、前記 1次元方向と当該主面とが平行となる状態でい ずれか 1つの側面から入射し、一方の主面から出射する導光板とを備える、面状照 明装置。

[2] 前記シリンドリカルレンズは、前記 1次元拡散素子によって拡散されたレーザ光を、 さらに前記導光板の厚み方向に収束させる、請求項 1に記載の面状照明装置。

[3] 前記 1次元拡散素子は、前記レーザ光源から出射されたレーザ光を、さらに前記拡 散させる 1次元方向と直交する方向に収束させる、請求項 1に記載の面状照明装置

[4] 前記シリンドリカルレンズから出射されるレーザ光を反射し、前記導光板の 1つの側 面に入射させるミラーをさらに備える、請求項 1に記載の面状照明装置。

[5] 前記レーザ光源、前記 1次元拡散素子、及び前記シリンドリカルレンズを、前記一 方の主面と対向する他方の主面上に実装した、請求項 4に記載の面状照明装置。

[6] 前記導光板の主面サイズが長辺 W及び短辺 Hであり、前記シリンドリカルレンズか ら出射されるレーザ光が長辺 Wに接する側面から入射される場合、前記 1次元拡散 素子による拡散の角度 Θが次式で与えられる、請求項 1に記載の面状照明装置。

Θ >tan^{_ 1} (W/2H) X 2

[7] 前記導光板の主面サイズが長辺 Wかつ短辺 Hであり、前記シリンドリカルレンズから 出射されるレーザ光が短辺 Hに接する側面から入射される場合、前記 1次元拡散素 子による拡散の角度 Θが次式で与えられる、請求項 1に記載の面状照明装置。

Θ >tan^{_ 1} (H/2W) X 2

[8] 前記 1次元拡散素子が、マイクロシリンドリカルレンズアレイである、請求項 1に記載 の面状照明装置。

[9] 前記 1次元拡散素子を微小振動させる振動部をさらに備える、請求項 1に記載の面 状照明装置。

[10] 前記振動部の振動周波数が可聴周波数以外である、請求項 9に記載の面状照明 装置。

[11] 前記振動部の振動振幅がスペックルノイズの輝点の間隔である、請求項 9の記載の 面状照明装置。

[12] 前記レーザ光源から出射されるレーザ光の偏光面は、前記導光板の主面に対して 平行又は垂直である、請求項 1に記載の面状照明装置。

[13] 前記レーザ光源がマルチェミッタ半導体レーザであり、マルチェミッタの配置平面と 前記導光板の主面とが光学的に平行である、請求項 1に記載の面状照明装置。

[14] 前記レーザ光源は、互いに異なる波長のレーザ光を出射する複数の光源からなり、 各光源から出射する複数の波長の光を、前記導光板の厚み以下の幅で前記 1次元 拡散素子に入射する、請求項 1に記載の面状照明装置。

[15] 前記レーザ光源は、

互いに異なる波長のレーザ光を出射する複数の光源と、

前記光源から出射された複数のレーザ光を伝達する光ファイバと、

前記光ファイバから出射されるレーザ光の偏光面を揃える偏光分離部とを備える

、請求項 1に記載の面状照明装置。

[16] 前記偏光分離部は、レーザ光を P偏光と S偏光とに分離し、 P偏光又は S偏光のい ずれか一方を第 1の出力光として出力し、他方を当該第 1の出力光の偏光面に揃え て第 2の出力光として出力する、請求項 15に記載の面状照明装置。

[17] 前記シリンドリカルレンズは、前記 1次元拡散素子によって拡散されたレーザ光を、 さらに前記導光板の厚み方向に収束させる、請求項 15に記載の面状照明装置。

[18] 前記 1次元拡散素子は、前記レーザ光源から出射されたレーザ光を、さらに前記拡 散させる 1次元方向と直交する方向に収束させる、請求項 15に記載の面状照明装置

[19] 前記シリンドリカルレンズから出射されるレーザ光を反射し、前記導光板の 1つの側 面に入射させるミラーをさらに備える、請求項 15に記載の面状照明装置。

[20] 前記偏光分離部、前記 1次元拡散素子、及び前記シリンドリカルレンズを、前記一 方の主面と対向する他方の主面上に実装した、請求項 19に記載の面状照明装置。

[21] 前記 1次元拡散素子が、マイクロシリンドリカルレンズアレイである、請求項 15に記 載の面状照明装置。

[22] 前記 1次元拡散素子を微小振動させる振動部をさらに備える、請求項 15に記載の 面状照明装置。

[23] 前記振動部の振動周波数が可聴周波数以外である、請求項 22に記載の面状照 明装置。

[24] 請求項 1に記載の面状照明装置と、

前記面状照明装置から出射されるレーザ光で照らされる液晶パネルと、 前記液晶パネルを駆動する画像表示回路とで構成される、液晶表示装置。

[25] 請求項 15に記載の面状照明装置と、

前記面状照明装置から出射されるレーザ光で照らされる液晶パネルと、 前記液晶パネルを駆動する画像表示回路とで構成される、液晶表示装置。