JP2002231029A

JP2002231029A - 線状光源

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Publication number: JP2002231029A
Application number: JP2001025169A
Authority: JP
Inventors: Hideo Maeda; 英男前田
Original assignee: Minolta Co Ltd
Current assignee: Minolta Co Ltd
Priority date: 2001-02-01
Filing date: 2001-02-01
Publication date: 2002-08-16

Abstract

(57)【要約】【課題】出射光の散乱角を大きく保ったまま高い光利
用効率を確保することが可能な線状光源を提供する。【解決手段】光源装置(1)からの出射光は、導光体(3
A)により導波されて線状の光に変換される。導光体(3A)
は、その内部から光を出射させるために、光拡散パター
ン(3d)から成る散乱面(rf)を有する。散乱ホログラム
(H)は、導光体(3A)からの出射光を、それが出射する面
(ex)に対して略垂直方向へ立ち上げる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は線状光源に関するも
のであり、例えばＬＣＤ(liquid crystal display)等の
表示素子を照明するためのバックライト，フロントライ
ト等の照明装置及びそれに用いる線状光源に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】透過型ＬＣＤの照明にはバックライトユ
ニットが用いられ、反射型ＬＣＤの照明にはフロントラ
イトユニットが用いられる。これらのユニットの一般的
な構成では、線状光源から発生させた線状の光が面状の
光に変換され、その光でＬＣＤ表示面が均一に照明され
る。その線状光源として従来より用いられてきたのが冷
陰極管である。ユニットの薄型化に伴って冷陰極管の細
径化が進みつつあるが、冷陰極管が細径化するとその体
積が小さくなるため光量ダウンは免れない。これを解決
するために、光源をユニット外部に配置し、そこから光
ファイバを介して線状の導光体中に光を導入する照明装
置が提案されている(特開平１１−１６７８０８号公報
等)。その概略構成を図９に示す。

【０００３】図９に示す照明装置は、光源装置(1)，光
ファイバ(2)，導光体(3)，導光板(4)等で構成されてい
る。ユニット外部の光源装置(1)から出射した光は、光
ファイバ(2)によって線状の導光体(3)に導入される。導
光体(3)は空気と接しているため、一般的にそのＮＡ(nu
merical aperture)は光ファイバ(2)のＮＡよりも大きく
なる。したがって、光ファイバ(2)から導入された光は
導光体(3)外へ放射されることなく導光体(3)内を導波す
る。その導波光を導光板(4)側へ出射させるために、導
光体(3)の導光板(4)側には図１０に示すような凹凸形状
の出射面(3a)が形成されている。導波光のなかには出射
面(3a)に対する全反射条件を破るもの(つまり臨界角を
超える光)が存在するので、その一部の導波光が導光体
(3)外へ出射することになる。出射面(3a)を適切に設計
・作製することにより、導波光を徐々に導光体(3)外へ
出射させて、輝度均斉化した光を導光板(4)に入射させ
ることができる。導光板(4)に入射した光は、導光板(4)
内での反射により面状の光に変換された後、導光板(4)
外へ出射する。その光でＬＣＤ表示面(不図示)が均一に
照明される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】図９に示す照明装置
は、光ファイバ(2)でユニット外部から導入した光を導
光体(3)で線状の光に変換する構成になっているため、
光量を任意に設定することが可能であり、また導光体
(3)の薄型化も容易である。したがって、線状光源とし
て冷陰極管を用いた場合よりも、薄型で光量の大きい線
状光源を構成することができる。しかしながら、導光体
(3)の出射面(3a)に形成されているような光拡散パター
ン(図１０)の散乱能力では、出射光の散乱角が小さいた
め別途散乱板を設けざるを得ない。その散乱板には大き
な散乱角が要求されるが、散乱角を大きくしようとする
と透過率が下がってしまうため、導光板(4)に入射させ
る光の利用効率は悪くなる。したがって、照明装置とし
てのバックライトやフロントライトは暗くなってしま
う。

【０００５】本発明はこのような状況に鑑みてなされた
ものであって、出射光の散乱角を大きく保ったまま高い
光利用効率を確保することが可能な線状光源を提供する
ことを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、第１の発明の線状光源は、点光源と、その点光源か
らの出射光を導波して線状の光に変換する導光体と、そ
の導光体からの出射光をそれが出射する面に対して略垂
直方向へ立ち上げる回折格子と、を有することを特徴と
する。

【０００７】第２の発明の線状光源は、上記第１の発明
の構成において、前記導光体がその内部から光を出射さ
せるための散乱面を有することを特徴とする。

【０００８】第３の発明の線状光源は、上記第１又は第
２の発明の構成において、前記回折格子が散乱光の記録
されたホログラムから成ることを特徴とする。

【０００９】第４の発明の線状光源は、上記第１〜第３
のいずれか一つの発明の構成において、前記回折格子の
周辺部での散乱角度が、前記回折格子の中心部での散乱
角度に比べて小さいことを特徴とする。

【００１０】第５の発明の線状光源は、上記第１〜第４
のいずれか一つの発明の構成において、前記回折格子が
前記導光体に一体化された透過型回折格子であることを
特徴とする。

【００１１】第６の発明の線状光源は、上記第１〜第４
のいずれか一つの発明の構成において、前記回折格子が
前記導光体に一体化された反射型回折格子であることを
特徴とする。

【００１２】第７の発明の線状光源は、上記第１〜第６
のいずれか一つの発明の構成において、前記回折格子が
離散的に設けられた面を有することを特徴とする。

【００１３】第８の発明のバックライトは、上記第１〜
第７のいずれか一つの発明に係る線状光源を有すること
を特徴とする。

【００１４】第９の発明のフロントライトは、上記第１
〜第７のいずれか一つの発明に係る線状光源を有するこ
とを特徴とする。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明を実施した線状光源
を、図面を参照しつつ説明する。なお、前記従来例(図
９)や実施の形態の相互で同一の部分や相当する部分に
は同一の符号を付して重複説明を適宜省略する。

【００１６】以下に説明する線状光源の実施の形態で
は、光を散乱させる回折格子が主要部となる。その回折
格子は散乱光の記録されたホログラム(以下「散乱ホロ
グラム」という。)から成っており、図６に示すよう
に、散乱ホログラム(H)は入射光(L1)を散乱光(L2)に変
換する。つまり散乱ホログラム(H)は、回折格子のピッ
チのスペクトルを広帯域にしたものと言える。散乱機能
を有するものとしては、すりガラスや前述した凹凸形状
の光拡散パターン(図１０)が従来より知られている。こ
れらは屈折がその散乱機能の原理をなしている。例えば
すりガラスの場合、粗面での屈折方向に分布があること
によりその散乱機能が達成される。

【００１７】図１１に、従来の散乱機能により得られる
散乱角θの(A)小さい場合と(B)大きい場合を示す。図１
１(B)のように散乱角θが大きい場合には、入射光(L1)
が散乱面に対して大きな角度で入射することになり、フ
レネル反射率も大きくなる。そのため、散乱角θが大き
い場合には反射率が高くなり、結果として透過率が低く
なってしまう(A:反射光量小，B:反射光量大)。例えば、
散乱角θが６０度程度の場合には７０％程度の透過率し
か得られない。これに対し散乱ホログラム(H)では、散
乱角θが６０度でも９０％の透過率を確保することがで
きる。

【００１８】次に、散乱ホログラム(H)の作成方法を説
明する。図７は、いわゆる二光束干渉露光法と呼ばれる
方法で、散乱ホログラム(H)を作成する装置のシステム
構成を示している。その主な構成要素は、レーザ光源(1
0)，ミラー(11,13A,13B)，ハーフミラー(12)，空間フィ
ルター(14A,14B)，拡散板(15)，露光乾板(16)及び除振
台(17)である。レーザ光源(10)からの光をハーフミラー
(12)を用いて２つの同光量の光に分割する。各々の光を
空間フィルター(14A,14B)に通して、可干渉性を高め
る。そして、散乱体である拡散板(15)に一方の光を通
し、生じた散乱光を物体光とする。もう一方の光は平行
光のまま参照光とする。参照光と物体光とを露光乾板(1
6)上で干渉させ、露光乾板(16)に干渉縞を記録する。露
光乾板(16)は現像，定着等を経て、散乱光の記録された
散乱ホログラム(H)となる。

【００１９】なお、システムの光学系全体を除振台(17)
上に設置しているのは、光学系が振動すると干渉の明暗
がブレてしまい、干渉波面が正しく記録されなくなるか
らである。除振台(17)上に光学系を設置することによ
り、システム外部からの振動の影響を取り除くことがで
きる。こうして作成した散乱ホログラム(H)をそのまま
用いてもよいし、それを原盤とする複製を２Ｐ(photo-p
olymerization)法等により作成して用いてもよい。

【００２０】図１に、第１の実施の形態の線状光源を示
す。この線状光源は、透過型回折格子を構成する前記散
乱ホログラム(H)と、ＬＥＤ(light emitting diode)等
の点光源に相当する光源装置(1)と、一方の面(rf)に光
拡散パターン(3d)が形成された導光体(3A)と、で構成さ
れている。ＬＥＤ等の光源装置(1)は、従来の冷陰極管
よりも低消費電力，長寿命及び高信頼性を特徴とするた
め、この線状光源を用いればバックライトやフロントラ
イトの低消費電力化，長寿命化及び高信頼性化を達成す
ることができる。なお、光源装置(1)から出射した光を
光ファイバ(2，図９)によって導光体(3A)に導入する構
成にしてもよい。

【００２１】光源装置(1)から出射した光は、線状の導
光体(3A)で導波されて線状の光に変換される。その際、
導光体(3A)中の導波光は、面(rf)に形成されている光拡
散パターン(3d)によって散乱されるが、その散乱によっ
て出射面(ex)に対する全反射条件を破る光(つまり臨界
角を超える光)が発生する。その結果、導波光の一部が
導光体(3A)外へ線状に出射することになる。

【００２２】面(rf)に形成されている光拡散パターン(3
d)は、上記のように導光体(3A)がその内部から光を出射
させるための散乱面を構成している。このような通常の
散乱面では散乱角が大きくないため、導波光は導光体(3
A)の出射面(ex)に沿う方向に導光体(3A)から出射する。
したがって、導光体(3A)からの出射光の向きを、その出
射光が入射する導光板(4，図９)の面に対して垂直にす
ることはできない。そこで散乱ホログラム(H)により、
導光体(3A)からの出射光をそれが出射する面(ex)に対し
て略垂直方向へ立ち上げる。導光体(3A)からの出射光
は、散乱ホログラム(H)の機能により導光板(4)に向けて
偏向され、その際、散乱ホログラム(H)によって散乱さ
れる。

【００２３】散乱ホログラム(H)からの出射光は、出射
面(ex)に対して略垂直な光線を中心とした散乱光とな
り、その散乱光は冷陰極管からの光と同様に拡散した光
となる。つまり、出射光の散乱角を冷陰極管と同等に大
きく保ったまま、高い光利用効率を確保することができ
る。このため、散乱光が導光板(4)に入射した際に光量
分布が均一化されやすくなる。また、散乱ホログラム
(H)は回折格子の中でも散乱性が高いため、光源の色分
解を気にすることのない散乱光を高い光利用効率で得る
ことができる。

【００２４】図２に、第２の実施の形態の線状光源を示
す。この線状光源に用いられている導光体(3B)は、一方
の面(ex)に散乱ホログラム(H)、他方の面(rf)に光拡散
パターン(3d)を有している。つまり散乱ホログラム(H)
は、導光体(3B)に一体化された透過型回折格子を構成し
ている。導光体(3B)の出射面(ex)に散乱ホログラム(H)
を作成するには、前述した二光束干渉露光法を用いて直
接形成してもよく、それを２Ｐ法等により複製してもよ
い。

【００２５】本実施の形態のように光を導波する導光体
(3B)に散乱ホログラム(H)を一体化すると、第１の実施
の形態(図１)の場合とは異なり、散乱ホログラム(H)自
体が導波光を導光体(3B)外へ出射する役割をもつことに
なる。したがってこの場合、散乱ホログラム(H)と光拡
散パターン(3d)とを併せて考慮した設計にする必要があ
る。ただし、散乱ホログラム(H)自体の散乱特性のみで
十分に導波光を導光体(3B)外へ出射させることができる
ため、光拡散パターン(3d)を省いて小型化・低コスト化
を達成することが可能である。

【００２６】上記のように光拡散パターン(3d)を省いた
場合には、散乱ホログラム(H)の形状分布等で導光体(3
B)の輝度分布が決定されるため、輝度均斉化が必要にな
る。輝度均斉化を図る方法として、導光体(3B)の出射面
(ex)全体に形成した散乱ホログラム(H)の各場所におけ
る回折効率を最適化する方法が考えられる。しかし、場
所ごとに回折効率を制御するためには、導光体(3B)の出
射面(ex)全体にわたって高い作製精度が要求され、その
結果、高い生産コストを伴うことになる。

【００２７】上記のような問題は、図３(A：平面図，
B：側面図)に示す第３の実施の形態のように、回折格子
の離散的な配置構成により解決することができる。つま
り、散乱ホログラム(H)を導光体(3B)の出射面(ex)全体
に形成するのではなく、図３(A),(B)に示すように導光
体(3C)の出射面(ex)の一部に(島状に)散乱ホログラム(3
h)を作製し、散乱ホログラム(3h)の大きさの分布を最適
化して輝度均斉化を図る方法が有効である。この方法で
は、回折効率を所望の値に設定しなくても、回折効率に
再現性をもたせて散乱ホログラム(3h)を作成すれば、出
射面(ex)の面積に占める(離散的な)散乱ホログラム(3h)
の面積率で光の出射量を制御することができる。したが
って、輝度均斉化を容易に達成することができ、光量分
布の均一な線状光源を低コストかつコンパクトに実現す
ることができる。

【００２８】なお、図３に示す線状光源に用いられてい
る散乱ホログラム(3h)は透過型であるが、導光体(3C)の
斜面(rf)の一部に(島状に)反射型の散乱ホログラム(3h)
を形成することによっても、同様の機能を得ることは可
能である。そのように反射型の散乱ホログラム(3h)を導
光体(3C)に一体化した場合でも、その散乱ホログラム(3
h)から成る離散的な島状の光拡散パターンは図３の場合
と同様であり、それによって小型化・低コスト化を達成
することが可能である。

【００２９】図４に、第４の実施の形態の線状光源を示
す。線状光源として従来の冷陰極管を用いた場合には、
場所による光の散乱度合いや光量は同じである。このた
め導光板(4)の光量分布は、導光板(4)の中心部が明るく
周辺部がやや暗くなる。図４に示すように、散乱ホログ
ラム(H)の作成において散乱ホログラム(H)内の場所によ
り散乱角(α,β)が異なるような制御を行えば、この問
題を解決することができる。つまり本実施の形態では、
散乱ホログラム(H)の周辺部での散乱角度(β)が、散乱
ホログラム(H)の中心部での散乱角度(α)に比べて小さ
くなっているため、導光板(4)全体の光量分布を均一に
することができる。図４に示すような散乱ホログラム
(H)を作成する方法としては、前述の二光束干渉露光法
(図７)において、散乱角度の異なる拡散板(15)を用いて
露光乾板(16)上の場所を選択的に露光する方法が簡単で
ある。

【００３０】図５に、第５の実施の形態の線状光源を示
す。前述した第１〜第４の実施の形態にはオフアクシス
型の散乱ホログラム(H,3h)が用いられているが、第５の
実施の形態にはオンアクシス型の散乱ホログラム(H)が
用いられている。オンアクシス型の場合には光を偏向す
る機能がないため、その機能をもつ光学部品としてプリ
ズムシート(P)を導光体(3A)と散乱ホログラム(H)との間
に配置している。オンアクシス型の散乱ホログラム(H)
を前述の二光束干渉法を用いて作成する場合、図８に示
すように、二光束が平行になるようにハーフミラー(18)
を配置すればよい。また、プリズムシート(P)の平面側
に第２のプリズムシートを配置してもよい。その場合の
２枚のプリズムシート(P)の配置は、プリズム面が表裏
反対側を向くとともにプリズムの稜線が互いに直交する
ようにすればよい。そのように２枚のプリズムシート
(P)を用いることによって、散乱ホログラム(H)に入射さ
せる光の発散角を小さくすることができる。

【００３１】各実施の形態のように回折格子を利用すれ
ば、指向性を制御して散乱角を大きくしつつ、光利用効
率の高い線状光源を提供することができる。なお、光を
散乱させるという散乱ホログラムの効果に関しては、複
数のピッチを多重に形成した多重ホログラムを用いた場
合でも、散乱ホログラムに近い効果が得られることは言
うまでもない。多重ホログラムは複数の干渉縞を露光乾
板に記録することにより得られ、また、一面において場
所選択的にいろいろなピッチの回折格子を設定すること
でも同様の散乱効果を得ることができる。

【００３２】なお散乱ホログラムの代わりに、散乱機能
のないホログラム又は回折格子を用いた場合も採用でき
る。これは、散乱機能のない場合は、波長に応じて回折
角が変化し、色純度が低下するが、用いるバックライト
又はフロントライトの仕様によっては、色純度を、さほ
ど要求しない場合もあるからである。

【００３３】各実施の形態に用いられる導光体(3A,3B,3
C)や導光板(4)の素材は特に限定されないが、射出成形
で製造できるという製法上の利点、及び透明性，屈折率
等の光学的特性から、ＰＭＭＡ(polymethyl methacryla
te)，メチルメタクリレートと他の(メタ)アクリレート
との共重合体，ＰＣ(polycarbonate)等の透明樹脂を用
いることが好ましい。ＰＭＭＡに比べて比重の小さいシ
クロオレフィンポリマー(比重…ＰＭＭＡ：１．２，シ
クロオレフィンポリマー：１．０)を用いれば、軽量化
に寄与することができる。また、シクロオレフィンポリ
マーはＰＭＭＡに比べて射出成形時の流動性が良いので
薄型成形に向き、屈折率が高いので(屈折率…ＰＭＭ
Ａ：１．４９，シクロオレフィンポリマー：１．５３)
光閉じ込めの効果が大きい。したがって、導光体の薄型
化に好適である。さらに、吸湿が少ないので高湿条件下
でも形状の変形が少ないという利点を併せ持っている。

【００３４】上記樹脂を用いて射出成形又はコンプレッ
ション成形を行うことにより、導光体(3A,3B,3C)や導光
板(4)を製造することができる。そのとき、上述した光
拡散パターン(3d)や散乱ホログラム(H,3h)を導光体(3A,
3B,3C)に一体形成してもよく、また、導光体(3A,3B,3C)
を成形した後に、印刷で光拡散パターン(3d)や散乱ホロ
グラム(H,3h)を形成してもよい。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように第１発明によれば、
回折格子が導光体からの出射光をその出射面に対して略
垂直方向へ立ち上げるため、出射光の散乱角を冷陰極管
と同等に大きく保ったまま高い光利用効率を確保するこ
とが可能な線状光源を実現することができる。また第２
の発明によれば、散乱面により導光体から出射した光を
その出射面に対して略垂直方向へ回折格子が立ち上げる
ため、出射光の散乱角を冷陰極管と同等に大きく保った
まま高い光利用効率を確保することが可能な線状光源を
実現することができる。第３の発明によれば、回折格子
の中でも散乱性の高い散乱ホログラムにより、光源の色
分解を気にすることのない散乱光が高い光利用効率で得
られる。

【００３６】第４の発明によれば、回折格子での散乱の
分布に関し、中心部での散乱角度に比べて周辺部での散
乱角度が小さいので、導光板の光量分布を均一化するこ
とができる。第５の発明や第６の発明によれば、回折格
子が導光体に一体化された透過型又は反射型の回折格子
であるため、小型で低コストの線状光源を実現すること
ができる。第７の発明によれば、回折格子が離散的に設
けられた面により輝度均斉化を容易に達成することがで
きるので、光量分布の均一な線状光源を低コストかつコ
ンパクトに実現することができる。第８の発明や第９の
発明によれば、従来の冷陰極管よりも低消費電力，長寿
命及び高信頼性を特徴とするＬＥＤ等の光源を用いるこ
とができるので、バックライトやフロントライトの低消
費電力化，長寿命化及び高信頼性化を達成することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施の形態の線状光源を示す平面図。

【図２】第２の実施の形態の線状光源を示す平面図。

【図３】第３の実施の形態の線状光源を構成する導光体
を示す外観図。

【図４】第４の実施の形態の線状光源及び導光板を示す
平面図。

【図５】第５の実施の形態の線状光源を示す平面図。

【図６】第１〜第４の実施の形態に用いられるオフアク
シス型の散乱ホログラムを示す平面図。

【図７】図６の散乱ホログラムの作成装置を模式的に示
すシステム構成図。

【図８】第５の実施の形態に用いられているオンアクシ
ス型の散乱ホログラムの作成装置を模式的に示すシステ
ム構成図。

【図９】従来の照明装置の一例を示す斜視図。

【図１０】図９の照明装置に用いられている導光体を示
す斜視図。

【図１１】従来の散乱機能を説明するための模式図。

【符号の説明】

1 …光源装置(点光源) 3A,3B,3C …導光体 3d …光拡散パターン(散乱面) 3h …島状の散乱ホログラム(回折格子) H …散乱ホログラム(回折格子) P …プリズムシート 4 …導光板 θ,α,β …散乱角 L1 …入射光 L2 …散乱光

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｇ０２Ｂ 6/00 ３３１Ｇ０２Ｆ 1/13357 Ｇ０２Ｆ 1/13357 Ｇ０９Ｆ 9/00 ３３６ＢＧ０９Ｆ 9/00 ３３６Ｆ２１Ｙ 101:02 // Ｆ２１Ｙ 101:02 Ｆ２１Ｓ 1/00 ＤＦターム(参考） 2H038 AA54 BA01 2H091 FA14Z FA15Z FA19Z FA23Z FA41Z FA45Z FB02 LA11 LA12 LA16 LA30 5G435 AA03 BB04 BB12 BB16 EE22 FF03 FF06 FF08 GG23

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】点光源と、その点光源からの出射光を導
波して線状の光に変換する導光体と、その導光体からの
出射光をそれが出射する面に対して略垂直方向へ立ち上
げる回折格子と、を有することを特徴とする線状光源。
【請求項２】前記導光体がその内部から光を出射させ
るための散乱面を有することを特徴とする請求項１記載
の線状光源。
【請求項３】前記回折格子が散乱光の記録されたホロ
グラムから成ることを特徴とする請求項１又は２記載の
線状光源。
【請求項４】前記回折格子の周辺部での散乱角度が、
前記回折格子の中心部での散乱角度に比べて小さいこと
を特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の線状
光源。
【請求項５】前記回折格子が前記導光体に一体化され
た透過型回折格子であることを特徴とする請求項１〜４
のいずれか１項に記載の線状光源。
【請求項６】前記回折格子が前記導光体に一体化され
た反射型回折格子であることを特徴とする請求項１〜４
のいずれか１項に記載の線状光源。
【請求項７】前記回折格子が離散的に設けられた面を
有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に
記載の線状光源。
【請求項８】請求項１〜７のいずれか１項に記載の線
状光源を有することを特徴とするバックライト。
【請求項９】請求項１〜７のいずれか１項に記載の線
状光源を有することを特徴とするフロントライト。