JP2005135899A - 面光源装置及び表示装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 光源と、前記光源からの光を導いて観察側の面と反対側に位置する光出射面から光を出射する導光板とを備えたフロントライトにおいて、前記光出射面に反射防止用の微細凹凸30からなる反射防止用パターンを形成する。光源24から出射される光のうち最も波長の短い可視光の波長をλmin、導光板の屈折率をn1、空気の屈折率をn0とすれば、微細凹凸30の周期pが次式、
p<λmin/(n0+n1)
を満たすことにより、導光板の反射防止用パターン(光出射面)から回折光が出射されるのを防止できる。
【選択図】 図8
Description
ここでは、面光源装置をフロントライトとして用いた従来例について説明する。図1はフロントライト2と反射型の液晶表示パネル3とからなる反射型液晶表示装置1の概略断面図である。このフロントライト2においては、光源4から出射した光は、導光板5内で全反射を繰り返して導光し、ついで、表面の偏向パターン6で反射されて光出射面7(裏面)にほぼ垂直に入射した光は、光出射面7から出射される。フロントライト2の光出射面7から出射した光は、図1に実線の矢印で示すように、液晶表示パネル3のガラス基板や液晶層を通過し、反射面8で反射されて再び液晶層等を通過して元の方向へ戻る。このように液晶表示パネル3内部で反射された光は、液晶表示パネル3によって変調された後、フロントライト2を通過して画像光9として観察者側へ出射される。
ここで、微細凹凸12の周期をp、光源4から出射される光のうち最も波長の短い可視光の波長をλminとするとき、反射光(ノイズ光)の低減には、
p<λmin
の条件を満たすことが望ましい。λminを真空中における波長とすれば、導光板中では波長がλmin/n1に短くなることを考慮して、微細凹凸12の周期pの条件を、
p<λmin/n1
とすればより望ましい。
こうして光出射面7に反射防止用パターン13を設けてフレネル反射を抑制することにより、画像のコントラストを向上させる方法は周知のものとなった。
を満たすものである。
を満たすものである。
を満たすものである。
を満たすような方向で配向されたものである。
を満たしている。
を満たしている。
を満たしている。
を満たしている。
を満たしている。
を満たしている。
を満たしている。
を満たしている。
H/W>1.2
を満たしている。凹部又は凸部のアスペクト比をH/W>1.2とすることにより、第12〜14の面光源装置において凹部又は凸部における反射率を十分に低減することができる。
図7は本発明の面光源装置をフロントライトとして用いた反射型液晶表示装置21の概略斜視図、図8はその概略断面図である。この反射型液晶表示装置21は、フロントライト22と反射型液晶表示パネル23とからなり、反射型液晶表示パネル23の前面側(観察側)にフロントライト22が配置されている。
第1の実施の形態は、反射防止用パターン31の配列方向とは関係なく、回折光が発生しないようにしたものである。つまり、2次元的に配列された微細凹凸30は、一列に配列された微細凹凸列が周期的に繰り返して並べられているとみなす事ができる。この微細凹凸列及び光出射面29に垂直な平面に平行な光が反射防止用パターン31に入射した時、回折しないようにしたものである。図11は第1の実施の形態を説明する図であって、反射防止用パターン31を、微細凹凸列及び光出射面29に垂直な平面で切った時の断面を拡大して表している。図11を用いて第1の実施の形態を説明する。
光路長差=n1・psinθ1+n0・psinθ2
となるから、真空中における波長がλの光が回折して強めあうための条件は、次の(1)式のようになる。
p・(n1・sinθ1+n0・sinθ2)=mλ …(1)
(但し、m=±1、±2、…)
p<λmin/(n0+n1) …(2)
p<152nm
となる。
第2の実施の形態は、所定方向では回折光が発生しないようにし、それ以外の方向では反射防止用パターン31で回折光が発生したとしても、画像光と同じ方向へ出射されないようにしたものである。図13は第2の実施の形態を説明する図であって、反射型液晶表示装置21の側面図である。図13を用いて第2の実施の形態を説明する。
θ2+θout<90°
の条件化で、前記(1)式を満たせばよい。この場合には、
sinθ2<sin(90°−θout)=cosθout
としてよいから、第1の実施の形態と同様に考えると、照明光37に対して90°以下の角度をなす方向に回折光14が発生しない条件は、次の(3)式で表される。
p<λmin/(n1+n0・cosθout) …(3)
ここで、pは微細凹凸30の周期、n1は導光板材料の屈折率、n0は空気の屈折率、λminは光源24から出射される可視光のうち最も波長の短い可視光の波長である。
p<160nm
となる。
第3の実施の形態は、導光板26の内部でも反射防止用パターン31による回折光が発生しないようにしたものである。図15は第3の実施の形態を説明する図であって、反射防止用パターン31の一部の断面(隣接する2つの微細凹凸30のxz断面)を拡大して表している。図15を用いて第1の実施の形態を説明する。
光路長差=n1・psinθ1+n1・psin(180°−θ2)
=n1・psinθ1+n1・psinθ2
となる。ただし、θ1は導光板26内で光出射面29に立てた法線から測った入射角、θ2は導光板26外で光出射面29に立てた法線から測った回折角である(第1の実施の形態に同じ)。従って、真空中における波長がλの光が回折して強めあうための条件は、次の(4)式のようになる。
p・n1(sinθ1+sinθ2)=mλ …(4)
(但し、m=±1、±2、…)
p<λmin/(2・n1) …(5)
ここで、pは微細凹凸30の周期、n1は導光板材料の屈折率である。
p<127nm
となる。
p<λmin/(2・n1)<λmin/(n0+n1)
となり、上記(5)式を満たしていれば、第1の実施の形態の(2)式も満たすので、導光板26の外側でも回折光が発生しないことが分かる。
第4の実施の形態は、反射防止用パターン31の配列方向を最適化することにより大きな周期の微細凹凸30でも回折が生じないようにしたものである。ここで、光出射面にほぼ平行に導光する光が反射防止用パターン31で回折し、導光板26内部へ光出射面29にほぼ平行に出射する条件で計算を行った。このとき、回折光の光路長差が最も大きくなるため、この条件において回折が生じないような微細凹凸の配列方向及び、微細凹凸の周期を求めればよい。光出射面29に垂直なxz平面においては、格子の厚み(微細凹凸30の高さ)が小さいので、上記のように1次元の回折格子として取り扱うことができたが、光出射面29に平行なxy平面においては、格子の厚み(光出射面29の長さと幅)が大きいので、ブラッグ回折として取り扱わなければならない。
2・n1・dsinφ=qλ (q=±1、±2、…) …(6)
の条件を満たす場合に、反射光が強め合う(ブラッグの回折条件)。ここで、光Lは導光板26内で回折されるので、導光板26の屈折率n1を考慮した。
p<λmin/(2・n1) …(7)
となる。
導光板26の光出射面29と平行な面内においては、上記(7)式を満たすように微細凹凸30の周期を小さくすれば、ブラッグ回折による回折光が発生しないようにすることができる。しかし、微細凹凸30の周期が小さくなるほど反射防止用パターン31を形成することが困難となるので、第5の実施の形態では、反射防止用パターン31の方向を最適化することにより、できるだけ大きな周期の微細凹凸30で回折光の発生を抑制している。
2・n1・(d2・sinα1)・sinφ=qλ (q=±1、±2、…)
となる。よって、格子面S1において回折が起こらないためには、
2・n1・(d2・sinα1)・|sinφ|<λmin …(8)
であればよい。
同様にして、図21に示すような格子面S2におけるブラッグ回折を考えると、格子間間隔はd1・sinα1であるから、
2・n1・(d1・sinα1)・sin(α1−φ)=qλ (q=±1、±2、…)
となる。よって、格子面S2において回折が起こらないための条件は、
2・n1・(d1・sinα1)・|sin(α1−φ)|<λmin …(9)
となる。
また、図22に示すような格子面S3におけるブラッグ回折を考えると、格子間間隔はd2sinα3であるから、
2・n1・(d2・sinα3)・sin(α2−φ)=qλ
(q=±1、±2、…)
となる。よって、格子面S3において回折が起こらないための条件は、
2・n1・(d2・sinα3)・|sin(α2−φ)|<λmin …(10)
となる。
また、図23に示すような格子面S4におけるブラッグ回折を考えると、格子間間隔はd1・sinα4であるから、
2・n1・(d1・sinα4)・sin(α4−φ)=qλ (q=±1、±2、…)
となる。よって、格子面S4において回折が起こらないための条件は、
2・n1・(d1・sinα4)・|sin(α4−φ)|<λmin …(11)
となる。
2・n1・(d2・sinα1)・|sinφ|<λmin …(8)
2・n1・(d1・sinα1)・|sin(α1−φ)|<λmin …(9)
2・n1・(d2・sinα3)・|sin(α2−φ)|<λmin …(10)
2・n1・(d1・sinα4)・|sin(α4−φ)|<λmin …(11)
任意の入射角φに対して上記(8)〜(11)式を満たせば、ブラッグ回折は任意の入射角の光に対して発生しなくなる。しかし、反射型液晶表示装置21の場合には、光源24の位置が定まっていて光は一定の入射角φで反射防止用パターン31に入射すると考えてよい。従って、(8)〜(11)式の左辺のうち最大のもの値が極小値をとるような入射角φを決めることができれば、所定の可視光最短波長λminに対して、大きな格子定数d1、d2を決めることができる。すなわち、入射光の方向に対して反射防止用パターン31の最適な配置を決めたうえで、所定の可視光最短波長λminに対してできるだけ大きな格子定数(周期)d1、d2を決定することができる。あるいは、所定の格子定数d1、d2に対して最小の可視光最短波長λminの光に対してブラッグ回折が生じないようにすることができる。
α1>90°の場合には、図24から分かるように、上記(8)式と(9)式を同時に満足していれば、(11)式も成立する。これは数式によって証明することができる。(8)式と(9)式が両方成り立つ条件で光路長差が最も小さくなるのは、(8)式の左辺と(9)式の左辺が等しくなるときである。このとき、
φ=arctan[d1sinα1/(d2+d1cosα1)]
が成り立ち、(8)式及び(9)式の左辺は、つぎの(12)式のようになる。
従って、ブラッグ回折が起きないようにする条件については、(8)〜(10)式のみ考えればよい。
(8)式と(9)式の交点は次式から得られる。
d2/d1=|sin(α1−φ)/sinφ| …(14)
また、(9)式と(10)式の交点は次式から得られる。
d3/d2=|sin(α3−φ’)/sinφ’| …(15)
但し、φ’=α1−φ
また、(8)式と(10)式の交点は次式から得られる。
d1/d3=|sin(α2−φ”)/sinφ”| …(16)
但し、φ”=α2−φ
ここでは、d1/sinα3=d2/sinα2=d3/sinα1を用いた。
dj/di=|sin(α−φ)|/sinφ …(17)
と一般化して表すことができる。ここでdi、djは任意の方向の格子ベクトル<di>と<dj>の大きさ(格子定数)であり、αは格子ベクトル<di>と<dj>のなす角度であり、φは格子ベクトル<di>と平行な格子面に対する光の入射角、α−φは格子ベクトル<dj>と平行な格子面に対する光の入射角である。
よって、任意の2つの(基本)格子ベクトルを選択し、格子ベクトル<di>の方向に対して(17)式から求めた角度φで光が入射するように反射防止用パターン31を配置すれば、できるだけ大きな格子定数di、djの反射防止用パターン31によってブラッグ回折を防止することができ、反射防止用パターン31の成形が容易になる。
図25は矩形の格子を表している。この場合には、α=90°であるから、前記(17)式は、
dj/di=1/tanφ …(18)
となる。これは、α=90°の矩形の格子の場合には、光の入射方向がベクトル<dj>−<di>の方向と垂直であれば、格子定数di、djとして大きな値を選択することができることを表している。
また、α=90°のとき、上記(8)式は、
2・n1・di・cosφ<λmin
となり、上記(9)式は、
2・n1・dj・sinφ<λmin
となるので、両式より、次の(19)式が得られる。
p<λmin/〔(√2)・n1〕 …(20)
となる。このとき、例えば、λmin=380nm、n1=1.5とすると、(20)式は、
p<179nm
となる。
図26はdi=dj=p、α=120°の六方格子を表している。この場合には、上記(14)式は、
sinφ=sin(120°−φ)
となり、φ=60°となる。六方格子の対称性を考えると光の入射方向が、φ=0°、60°、120°、180°の方向であれば回折が生じにくいことを示しており、六方格子の3つの基本格子ベクトルのいずれかに平行に光が入射すれば、格子面間の間隔di、djとして大きな値を選択することができることを表している。
また、di=dj=p、α=120°のとき、上記(8)式と(9)式は、
p<(2・λmin)/(3・n1) …(21)
となる。
p<169nm
となる。
第8の実施の形態は、図10に示したフロントライトのように点光源を用いた場合を説明する。光源24として点光源を用いた場合には、導光板26内を導光する光の進行方向は面内で一定ではない。そのため、回折が生じにくい方向に微細凹凸30を配列しようとすると、微細凹凸30は同心円状に配列されることになる。このように導光板26に微細凹凸30を同心円状に配列するためには、導光板26の作製が困難になる。
これまでの実施の形態では、微細凹凸が周期的に配置されている場合について説明したが、以下の実施の形態においては、光の波長以下のサイズの微細凹凸がランダムに配置されている場合について説明する。微細凹凸をランダムに形成する意義から説明する。
K<λmin/(n0+n1) …(22)
これは第1の実施の形態で導いた(2)式に対応するものである。
K<168nm
となる。好ましくは、100nm以下とすればよい。
z=f(x) (0≦x≦a)
と表わすことができる。これは周期aの周期関数に拡張することができるので、フーリエ展開すれば、周期(時間的な周期ではなく、波長に相当する空間的な周期)がTn=a/n(n=1、2、3、…)の正弦波成分に分けることができる。このようにして各成分に分けた正弦波の一部を示したものが図30(b)である。そして、横軸に各成分の周期Tnをとり、縦軸に各成分の強度を表わしたものが図30(c)である。
第10の実施の形態でも、第9の実施の形態と同様にして微細凹凸30の凹部又は凸部どうしの距離の出現頻度が最大となる距離Kを考える。すなわち、図29(a)のような微細凹凸30のパターンから隣接する凸部どうしの距離kを求め、それを集計して図29(b)のように出現頻度が最大となるときの距離Kを求める。そして、第10の実施の形態では、光源24から出射される可視光のうち最も波長の短い可視光の波長をλminとしたとき、出現頻度最大のときの距離Kが、次の(23)式を満たすようにする。ただし、n1は導光板材料の屈折率、n0は空気の屈折率、θoutはフロントライト22の光出射面29から出射される照明光37の光度が最大の方向が光出射面29の法線に対してなす角度(図13参照)である。
K<λmin/(n1+n0・cosθout) …(23)
この(23)式は、第2の実施の形態の(3)式に対応するものである。
K<178nm
となる。好ましくは、100nm以下とすればよい。
第11の実施の形態でも、第9の実施の形態と同様にして微細凹凸30の凹部又は凸部どうしの距離の出現頻度が最大となる距離Kを考える。すなわち、図29(a)のような微細凹凸30のパターンから隣接する凸部どうしの距離kを求め、それを集計して図29(b)のように出現頻度が最大となるときの距離Kを求める。そして、第11の実施の形態では、光源24から出射される可視光のうち最も波長の短い可視光の波長をλmin、導光板材料の屈折率をn1としたとき、出現頻度最大のときの距離Kが、次の(24)式を満たすようにする。
K<λmin/(2・n1) …(24)
この(24)式は、第3の実施の形態の(5)式に対応するものである。
K<140nm
となる。好ましくは、100nm以下とすればよい。
次に、図28(b)のように同じ形状の微細凹凸30が導光板26の下面(光出射面29)にランダムに配置されている場合を第12、13、14の実施の形態で説明する。ここでは、図32(a)に示すようにほぼ同一形状、同一寸法をした凸状の微細凹凸30である凸部が、導光板26の光出射面29又はその反対側の面にランダムに配列されている。あるいは、図32(b)に示すようにほぼ同一形状、同一寸法をした凹状の微細凹凸30である凹部がランダムに配列されていてもよい。これらのほぼ同一形状、同一寸法の微細凹凸30の凸部又は凹部の基端部の幅(直径)をWとする。
W<λmin/(n0+n1) …(25)
これは第1の実施の形態で導いた(2)式に対応するものである。
W<168nm
となる。好ましくは、100nm以下とすればよい。
第13の実施の形態においては、光源24から出射される可視光のうち最も波長の短い可視光の波長をλminとしたとき、微細凹凸30の幅Wが、次の(26)式を満たすようにする。ただし、n1は導光板材料の屈折率、n0は空気の屈折率、θoutはフロントライト22の光出射面29から出射される照明光37の光度が最大の方向が光出射面29の法線に対してなす角度(図13参照)である。
W<λmin/(n1+n0・cosθout) …(26)
この(26)式は、第2の実施の形態の(3)式に対応するものである。
W<178nm
となる。好ましくは、100nm以下とすればよい。
第14の実施の形態においては、光源24から出射される可視光のうち最も波長の短い可視光の波長をλmin、導光板材料の屈折率をn1としたとき、微細凹凸30の幅Wが、次の(27)式を満たすようにする。
W<λmin/(2・n1) …(27)
この(27)式は、第3の実施の形態の(5)式に対応するものである。
W<140nm
となる。好ましくは、100nm以下とすればよい。
図33(a)(b)は第15の実施の形態における1つの微細凹凸を拡大して示す斜視図であって、同図(a)は導光板26の下面(光出射面29)に設けられた凸部を表わし、同図(b)は導光板26の下面に設けられた凹部を表わしている。第15の実施の形態における微細凹凸30では、凸部の高さ又は凹部の深さをHとし、その幅をWとするとき、そのアスペクト比H/Wが、
H/W>1.2
となるようにしている。このように微細凹凸30のアスペクト比H/Wを1.2以上にすれば、反射防止用パターン31における反射率を十分に小さくでき、導光板26の下面におけるフレネル反射を小さくすることができる。また、反射率を小さくするためには、微細凹凸30は、成形が可能な限度でできるだけ高さ又は深さHができるだけ大きいことが望ましく、特に150nm以上の高さ又は深さを有することが好ましい。
つぎに、上記のような反射防止用パターン31を導光板26に形成する方法を説明する。まず始めに、図34(a)に示すような反射防止用パターン31の原盤41を作製する。光の波長以下の微細凹凸を有する原盤41を作製する方法には、2光束干渉露光法や電子ビーム露光法などがある。このような方法により原盤41が得られたら、図34(b)に示すように、電鋳法によりNi等のスタンパ材料を原盤41の上に堆積させてスタンパ42を作製する。このスタンパ42を図34(c)のように原盤41から剥離させて原盤41から分離すると、スタンパ42の下面には、原盤41の微細凹凸のパターンを反転させたパターンが得られる。ついで、図34(d)に示すように、このスタンパ42を加熱しながら導光板26の裏面又は表面に押圧させ、図34(e)に示すように、導光板26に微細凹凸30を転写させる。この後、スタンパ42を導光板26から剥離すると、導光板26の裏面又は表面には微細凹凸30が成形される。
次に、上記各実施の形態で説明したような微細凹凸を備えた面光源装置を両面表示可能な両面型液晶表示装置に用いた場合を説明する。ここでいう両面型液晶表示装置とは、一組の液晶表示パネルと面光源装置によって、両面から画像を視認できるようにした液晶表示装置である。
図39は本発明にかかる反射型液晶表示装置21を組み込まれた携帯電話61を示している。この携帯電話61は、テンキー等を備えたダイアル部62の上に反射型液晶表示装置21が組み込まれており、上面にアンテナ63が設けられている。
22 フロントライト
23 反射型液晶表示パネル
24 光源
26 導光板
28 偏向パターン
29 光出射面
30 微細凹凸
31 反射防止用パターン
35 反射面
Claims (20)
- 光源と、前記光源からの光を導いて観察側の面と反対側に位置する光出射面から光を出射する導光板とを備えた面光源装置において、
前記観察側の面又は前記光出射面の少なくとも一方に反射防止用の複数の微細な凹部又は凸部が周期的に配置され、
前記光源から出射される最も波長の短い可視光の真空中における波長と、導光板の屈折率とに関連して、前記凹部又は凸部が配置された面に入射する光が回折光を発生する場合の、前記凹部又は凸部の周期の下限値を算出し、前記下限値よりも小さな周期で前記凹部又は凸部を形成した面光源装置。 - 光源と、前記光源からの光を導いて観察側の面と反対側に位置する光出射面から光を出射する導光板とを備えた面光源装置において、
前記観察側の面又は前記光出射面の少なくとも一方に複数の微細な凹部又は凸部が周期的に配置され、
前記凹部又は凸部の配列方向を、導光する光の進行方向に対して回折がもっとも生じにくい方向に配列させた面光源装置。 - 前記凹部の深さ又は前記凸部の高さをHとするとき、当該凹部又は凸部の幅Wに対する比H/Wが、
H/W>1.2
を満たす、請求項1〜14に記載の面光源装置。 - 前記光源から出射される最も波長の短い可視光の真空中における波長λminを380nmとした、請求項1〜14に記載の面光源装置。
- 前記凹部又は凸部は、前記導光板の観察側の面又は光出射面の少なくとも一方に転写されていることを特徴とする、請求項1〜14に記載の面光源装置。
- 請求項1〜14に記載の面光源装置と、前記面光源装置から出射された光を反射させて画像を生成する表示パネルとからなる表示装置。
- 請求項1〜14に記載の面光源装置と、前記面光源装置から出射された光を透過させて画像を生成すると共に前記面光源装置から出射された光を反射させて画像を生成する表示パネルとからなる表示装置。
- 請求項18又は19に記載の表示装置をディスプレイとして備えた電子機器。
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