JP2008108688A - 面発光装置及びこれを利用したディスプレイ装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】面発光装置及びこれを利用したディスプレイ装置を提供する。
【解決手段】面発光装置は、光源110と、光源からの光が出射面123を通じて出射されるようにガイドする、出射面にホログラムパターン126が形成された導光板120と、を備え、ホログラムパターンは、導光板内に入射し導光板の側面120a,120b,120c,120dに達する前に45°より大きい方位角でホログラムパターンに入射する光の出射効率が、導光板の側面で反射された後にホログラムパターンに入射する光の出射効率よりも低くなるように形成されることを特徴とする。
【選択図】図4
【解決手段】面発光装置は、光源110と、光源からの光が出射面123を通じて出射されるようにガイドする、出射面にホログラムパターン126が形成された導光板120と、を備え、ホログラムパターンは、導光板内に入射し導光板の側面120a,120b,120c,120dに達する前に45°より大きい方位角でホログラムパターンに入射する光の出射効率が、導光板の側面で反射された後にホログラムパターンに入射する光の出射効率よりも低くなるように形成されることを特徴とする。
【選択図】図4
Description
本発明は、垂直出射光量を増加させ、また、光が全面に均一に分布されるように出射する面発光装置に関する。
面発光装置は、例えば、自ら発光せず、外部から供給される光を利用して画像を形成する液晶表示装置(Liquid Crystal Display;LCD)のバックライトなどに利用される。
面発光装置は、光源の配置形態によって直下型とエッジライト型とに分類される。直下型は、液晶パネルの直下に設置された光源が、光を液晶パネルに直接的に照射する方式であり、エッジライト型は、導光板の側面に光源が配置される方式である。直下型は、光源を広い面積に自由かつ効果的に配置できるので、大型ディスプレイに、エッジライト型は、光源が導光板の側面に配置されて、薄型化及び小型化に有利な構造であるので、モニタや携帯電話に採用される中小型のディスプレイに主に利用される。
図1は、従来のエッジライト型の面発光装置を概略的に示す図面である。図1に示すように、面発光装置は、光源10と、前記光源10からの光を側面から入射させて、上部に出射する導光板12と、を備える。導光板12は、入射された光を全反射により導光板内で伝播させ、上部に出射させるものであって、出射面になる導光板の上面にホログラムパターン14を備えている。ホログラムパターン14は、光を回折させて出射面との角度が垂直に近い光として出射させるためのものである。
このような面発光装置は、全面にわたって均一な輝度で光を照射することが要求され、エッジライト型の面発光装置の場合、光分布の均一性の面においていくつかの問題点がある。
ホログラムパターンが形成された導光板から出射される光の分布は、ホログラムパターンへの入射角によって変わる。均一な輝度分布の光を出射するためには、出射角を一定に調節する必要がある。
また、前記の構造の面発光装置の場合、光源から遠い位置では、光源から離れるほど光源からの光が減少するので、発光量が足りない。さらに、光源から近い地点にホットスポットが生じ、その周辺に暗部が発生するという問題点がある。
その問題点を解決するために多様な方法が試みられている。導光板のホログラムパターンを入光部の近くでははっきりと形成させない方法、入光部から側面方向に散乱させるための別途のパターンを挿入する方法、または光源の発散角を大きくするために、入光部の形状を別途に設計製作して使用する方法などがある。
本発明は、前記問題点に鑑みてなされたものであって、全面に均一な輝度分布を有する光を出射する面発光装置を提供することを目的とする。
前記目的を達成するための本発明に係る面発光装置は、光源と、前記光源からの光が出
射面を通じて出射されるようにガイドする、前記出射面にホログラムパターンが形成された導光板と、を備え、前記ホログラムパターンは、前記導光板内に入射し導光板の側面に達する前に45°より大きい方位角で前記ホログラムパターンに入射する光の出射効率が、前記導光板の側面で反射された後に前記ホログラムパターンに入射する光の出射効率よりも低くなるように形成されることを特徴とする。
射面を通じて出射されるようにガイドする、前記出射面にホログラムパターンが形成された導光板と、を備え、前記ホログラムパターンは、前記導光板内に入射し導光板の側面に達する前に45°より大きい方位角で前記ホログラムパターンに入射する光の出射効率が、前記導光板の側面で反射された後に前記ホログラムパターンに入射する光の出射効率よりも低くなるように形成されることを特徴とする。
本発明の面発光装置は、ホログラムパターンを備え、前記ホログラムパターンは、導光板に入射された光が、最初、出射効率の低い角度分布を有してホログラムパターンに到達し、側面で反射された後に出射効率の高い角度分布を有してホログラムパターンに到達するように形成されることを特徴とする。これにより、光源から近い地点でのホットスポットの発生を抑制することができ、また出射光の角度分布が高度角約0°の近辺に集まり、輝度分布が均一になるという利点がある。したがって、ディスプレイ装置に利用することにより優れた画像特性を実現することができる。
以下、添付された図面を参照して、本発明の望ましい実施形態に係るコリメーティング拡散板と、それを採用したディスプレイ装置とを詳細に説明する。しかし、下記に例示される実施形態は、本発明の範囲を限定するものではなく、本発明を当業者に十分に説明するために提供されるものである。以下の図面において同じ参照符号は、同じ構成要素を示し、図面上で各構成要素のサイズは、説明の明瞭性及び便宜のために誇張されうる。
図2は、ホログラムパターンに到達する光の高度角α及び方位角δの定義を示す図面である。高度角は、光の進行ベクトルkと出射面の法線とがなす角であり、方位角は、光の進行ベクトルを出射面に投影したベクトルとホログラムパターンの配列方向とがなす角である。図2で、x−y平面がホログラムパターンの形成された面であり、x方向がホログラムパターンの配列方向であると仮定すれば、z軸とベクトルkとがなす角αが高度角であり、ベクトルk’がx軸となす角δが方位角である。図3は、ホログラムパターンが形成された導光板から出射される光の出射効率分布を、ホログラムパターンに到達する光の高度角α及び方位角δによって示す図面である。図3に示すように、高度角及び方位角のうち、出射光量に主な影響を及ぼすものは方位角であり、方位角が約45°以上である場合、出射光は急減するということが分かる。したがって、本発明では、ホログラムパターンに到達する光の方位角を適切に調節して出射光量を調節する。
図4は、本発明の実施形態に係る面発光装置を概略的に示す図面である。
図4に示すように、面発光装置100は、光源110及び導光板120を備え、導光板120の上面には、ホログラムパターン126が形成されている。
光源110としては、例えば、LED(Light Emitting Diode)を採用することができる。導光板120は、光源110から照射された光を内部で進行させて上部に出射させるためのものであって、導光板120の上面が出射面123となる。導光板120の材質としては、例えば、PMMA(ポリメチルメタクリレート)、PC(ポリカーボネート)のような透光性の材料が使用される。導光板120は、所定の角度で入射された光を全反射させて、内部で進行させて上部に出射させるものであるので、光は、導光板120の下面120e及び側面120a〜120dで全反射が起こるように、臨界角より大きい角で入射せねばならない。または、そのために、下面120e及び側面120a〜120dをミラー面として加工するか、下面120e及び側面120a〜120dに反射部材(図示せず)を設けることが望ましい。
導光板120は、ホログラムパターン126を備える。以下では、ホログラムパターン126が導光板120の上面である出射面123に形成されたものとして図示して説明するが、これは、例示的なものであり、導光板の下面120eに形成されるか、または出射面123と下面120eとの両方に形成されてもよい。ホログラムパターン126は、深さdである溝が、一定の方向に沿って所定のピッチpで平行に反復して配列された回折格子の形状になっている。ホログラムパターン126の深さdやピッチpは、一定であってもよく、出射面123の各位置で異なる値を有するように形成されてもよい。
本発明の実施形態において、ホログラムパターン126の配列方向は、導光板120の内部を進行する光の主方向を考慮して形成される。すなわち、光源110から照射される光の方向と、ホログラムパターン126の配列方向とは、次の関係を有するように形成される。光源110から照射されて導光板120に入射された光が、初めにホログラムパターン126に到達するとき、その方位角の分布は、出射効率の低い角度分布を有し、導光板120の側面120a〜120dのうち何れか一つで反射された後、ホログラムパターン126に到達するときには、その方位角の分布が出射効率の高い角度分布を有するように形成される。例えば、図3で説明したものを参照すれば、ホログラムパターン126に初期入射する光は、方位角が約45°より大きい角となり、側面反射後にホログラムパターン126に入射する光は、方位角が45°より十分に小さい角、望ましくは、0°に近い角になるように、ホログラムパターン126及び光源110の配置が設計される。
光源110及びホログラムパターン126の配置を詳細に説明すれば、次の通りである。
光源110は、前記光源110からの光が導光板120の側面120a〜120dで反射されることにより、ホログラムパターン126に入射される方位角が変わるように、導光板120の側面120a〜120dのうち何れか一つに向って光を照射する。例えば、光源110は、導光板120の横軸に対して所定の角度を有するように配置されて、側面120aに向って光を照射する。図4において、長さLである出射面123の一辺を導光板120の横軸とし、横軸に沿う方向をx軸方向とする。光源110は、x軸と角γをなす方向に光を照射するように配置される。なお、図4において、長さWである出射面123の一辺を導光板の縦軸とし、縦軸に沿う方向をy軸方向とする。
ホログラムパターン126の配列方向は、光が側面120aで反射された後、ホログラムパターン126に入射する方位角が約0°になるように形成される。すなわち、ホログラムパターン126の配列方向は、光が側面120aで反射された後の進行方向と一致するように形成される。ここで、ホログラムパターン126の配列方向は、所定の形状が繰り返されている方向を意味し、本実施形態では所定のピッチpで形成された溝が並んでいる方向である。側面120aで反射された光は、x軸と−γ角をなす方向に向かうため、ホログラムパターン126の配列方向も、x軸に対して−γ角をなすように形成される。
前記光源110は、図示したように、導光板120の角に配置されてもよく、この場合、光源110からの光は、導光板の三つの側面120a、120b、120cでそれぞれ反射された後、他の角に向うように、前記角γは、次の通りに決定されることが望ましい。
前記の構造の面発光装置100が、出射面123の全体で均一な輝度分布を有する光を出射する過程は、次の通りである。光源110から導光板120の側面120aに向って光が照射される。光は、導光板120の側面120aに到達する前に、導光板120の下面120eまたは出射面123に到達する。導光板120の下面120eに到達する光は全反射され、出射面123に到達する光は、ホログラムパターン126となす角によって出射または反射される。特に、ホログラムパターン126に入射する方位角が主な要因となることは、図3で説明した通りである。光源110から照射する光は、導光板220の横軸(x軸)とγ角をなし、したがって、ホログラムパターン126に入射する方位角、すなわち、出射面でホログラムパターン126の配列方向となす角は、2γとなる。この値は、出射効率の低い角、例えば、45°より十分に大きい値として選択され、したがって、光は、上部に出射されずに反射される。導光板120の側面120aに到達した光は全反射されて、他の側面120bに向う。このとき、出射面123から見た光の方向は、導光板120の横軸(x軸)に対して−γ角をなす。一方、ホログラムパターン126の配列方向も、x軸と−γ角をなす方向に形成されているので、ホログラムパターン126に入射する方位角は、0°になって、出射効率が高い。また、ホログラムパターン126に到達せず、側面120bで反射されて側面120cに向う光は、今度は、ホログラムパターン126となす方位角が2γであり、この値は、約45°より大きい値として選択されたので、光は、出射されずに反射される。光が再び側面120cで反射された場合、x軸に対して−γの方向を有し、ホログラムパターン126となす方位角が0°になって出射される。このように、光源110に近い地点でホログラムパターン126に入射する光は、ほとんど側面で反射することなくホログラムパターン126に入射する光であり、ホログラムパターン126との方位角が大きい値を有するので、出射効率が低い。したがって、光源と近い地点で発生するホットスポットが発生する恐れがない。
図5は、図4の実施形態による面発光装置において、ホログラムパターン126の深さdを一定にした場合の出射面での光分布を示すシミュレーション図面である。図5に示すように、光源110から近い地点でホログラムパターン126に入射する光は、方位角が大きいため、出射効率が低く、入光部でのホットスポットが非常に低減する。逆に、側面で1回反射し、ホログラムパターンに到達する光が多く分布した部分で輝度が高いということが分かる。輝度をさらに均一にするために、ホログラムパターン126の深さdを調節することが望ましい。図6は、図5の光分布を考慮して、輝度の低い所でホログラムパターン126の深さを深く分布させたものである。図6において(x,y)座標が(0,0)である点が光源110の位置である。図7A及び図7Bは、図4の面発光装置100でホログラムパターン126の深さdを図6のように分布させた場合、出射光の分布を示すシミュレーション図面である。図7Aは、出射角による光の分布を示し、出射光は、高度角αの0°の近辺にほとんど分布している。図7Bは、光分布を出射面上で示すものであり、光は、出射面の全体にわたって均一な輝度で分布しているということを示す。図7Bにおいて、(x,y)座標が(0,0)である点が光源110の位置である。
図8は、本発明の他の実施形態による面発光装置を示す。図8に示すように、面発光装置200は、光源210及び導光板220を備え、導光板220の上面には、ホログラムパターン226が形成されている。導光板220の側面220a〜220d及び下面(図示せず)は、ミラー面として加工されるか、または側面220a〜220d及び下面(図示せず)に反射部材(図示せず)が設けられる。
本実施形態は、光源210及びホログラムパターン226の詳細な配置でのみ図4の実施形態と異なる。すなわち、光源210及びホログラムパターン226は、光源210から照射されて導光板220に入射された光が、初めにホログラムパターン226に到達するときには、その方位角の分布が出射効率の低い角度分布を有し、導光板220の側面で反射された後にホログラムパターン226に到達するときには、その方位角の分布が出射
効率の高い角度になるように形成されるという点で図4の実施形態と同じであり、本実施形態は、これを具現する他の例として提示されるものである。
効率の高い角度になるように形成されるという点で図4の実施形態と同じであり、本実施形態は、これを具現する他の例として提示されるものである。
光源210から照射される光は、一般的に発散角を有しており、光源210から放射状に進む。すなわち、導光板220の各位置を通過する光の方向は、一つではない。したがって、本実施形態は、内部で進行する光の方向を考慮して、ホログラムパターン226の配列方向を出射面223の各位置で変えて形成している。例えば、導光板220に最初に入射し、側面220aに1回反射して進行する光が主に出射されるB領域と、側面220a、220b、220cで3回反射した後に進行する光が主に出射されるA領域とに分けられる。この場合、A、Bの二つの領域で進行する光は、それぞれ点P1、点P2に光源が位置したような経路で進行する。したがって、A領域でホログラムパターン226の配列方向は、点P1から導光板の側面220cに向って放射状に照射する光の進行方向と一致するように形成し、B領域でホログラムパターン226の配列方向は、点P2から側面220bに向って放射状に広がる光の進行方向と一致するように形成される。このように、導光板220の各位置で導光板220の内部を進行する光の方向を考慮してホログラムパターンの配列方向を調節すれば、あらゆる位置でさらに均一な輝度の光を出光させることができる。図9は、本実施形態のホログラムパターン226の配列方向の分布図であり、配列方向は、x軸に対する角度で表している。
図10A及び図10Bは、図8の実施形態による面発光装置200から出射される光の分布を示すシミュレーション図面である。図10Bにおいて、(x,y)座標が(0,0)である点が光源210の位置である。ホログラムパターン226の深さの分布は、図6の通りである。図10Aは、出射角による光の分布を示し、出射光は、高度角αが0°の近辺にほとんど分布されている。図10Bは、光の分布を出射面上で示したものであって、光は、出射面全体にわたって均一な輝度で分布しているということが分かる。本実施形態の場合、光ビームが放射状に進行することを考慮して、ホログラムパターン226の配列方向を一定にするのではなく、出射面の各位置で変えて形成することによって、特に、図7Aと比較して、出射面に対して垂直な出射光がさらに増加した。
図11は、本発明の他の実施形態による面発光装置を示す図面である。図11に示すように、面発光装置300は、光源310、312及び導光板320を備え、導光板320の上面には、ホログラムパターン326が形成されている。導光板320の側面320a〜320d及び下面(図示せず)は、ミラー面として加工されるか、または側面320a〜320d及び下面(図示せず)に反射部材(図示せず)が設けられる。
本実施形態は、光源310、312及びホログラムパターン326の詳細な配置でのみ図4及び図8の実施形態と異なる。すなわち、光源310、312及びホログラムパターン326は、光源310、312から照射されて導光板320に入射された光が初めにホログラムパターン326に到達するときには、その方位角の分布が出射効率の低い角度分布を有し、導光板320の側面で反射された後にホログラムパターン326に到達するときには、その方位角の分布が出射効率の高い角度分布を有するように形成されるという点で、図4及び図8の実施形態と同様であり、本実施形態は、これを具現する他の例として提示される。
本実施形態において、光源310、312は、導光板320の対角方向に位置する二つの角にそれぞれ配置される。この場合にも、導光板320の内部を進行する光の方向を考慮して、ホログラムパターン326の配列方向を出射面323の各位置で変えて形成する。例えば、導光板320の領域をC、D、Eの三つの領域に分けられる。領域Cから出射される光は、第2光源312から出射され側面320cで1回反射して進行する光がほとんどである。すなわち、領域Cでは、点P3の位置に光源が存在し、側面320dに向う
光の放射と同じ経路で光が進行する。したがって、ホログラムパターン326の配列方向も、この進行方向と一致させる。領域Eから出射される光は、第1光源310から出射され側面320aで1回反射して進行する光がほとんどである。すなわち、領域Eでは、点P4の位置に光源が存在し、側面320bに向う光の放射と同じ経路で光が進行する。したがって、ホログラムパターン326の配列方向も、この進行方向と一致させる。領域Dから出射する光は、第1光源310からの光が側面320a、320b、320cで3回反射して進行する光と、第2光源312からの光が側面320c、320d、320aで3回反射して進行する光とが共に存在する。したがって、領域Dには、領域Cや領域Eとは異なり、一定の方向にホログラムパターン326を形成することが望ましい。例えば、光源310、312から放射状に照射する光ビームの中心軸が、導光板320の横軸(x軸)となす角がγであれば、ホログラムパターン326の配列方向は、−γとする。
光の放射と同じ経路で光が進行する。したがって、ホログラムパターン326の配列方向も、この進行方向と一致させる。領域Eから出射される光は、第1光源310から出射され側面320aで1回反射して進行する光がほとんどである。すなわち、領域Eでは、点P4の位置に光源が存在し、側面320bに向う光の放射と同じ経路で光が進行する。したがって、ホログラムパターン326の配列方向も、この進行方向と一致させる。領域Dから出射する光は、第1光源310からの光が側面320a、320b、320cで3回反射して進行する光と、第2光源312からの光が側面320c、320d、320aで3回反射して進行する光とが共に存在する。したがって、領域Dには、領域Cや領域Eとは異なり、一定の方向にホログラムパターン326を形成することが望ましい。例えば、光源310、312から放射状に照射する光ビームの中心軸が、導光板320の横軸(x軸)となす角がγであれば、ホログラムパターン326の配列方向は、−γとする。
以上で説明した面発光装置において、光源の数及び位置を特定して説明したが、これは、例示的なものである。光源は、角だけでなく、側面の他の位置に配置されてもよい。三つ以上の多数の光源が配置されてもよく、この場合、平行に配置されるか、または図11のように、対向するように配置されてもよい。すなわち、光源からの光が導光板の側面に反射することにより、ホログラムパターンに入射する方位角が変わり、特に、このときの方位角が、出射効率の低い角度から出射効率の高い角度に変わりうる構成であれば、いかなる配置も可能である。
また、ホログラムパターンは、出射面である導光板の上面に形成されたものとして図示して説明したが、これだけでなく、導光板の下面に形成されてもよく、上面と下面との両方に形成されてもよい。
図12は、本発明の実施形態に係るディスプレイ装置500を示す図面である。ディスプレイ装置500は、面発光装置100と、面発光装置100から照射された光を利用して画像を形成するディスプレイパネル400とを備える。ディスプレイパネル400は、例えば、液晶パネルから構成することができる。面発光装置100が、光源110と、ホログラムパターン126が形成された導光板120とを備え、出射面全体で均一な輝度の光を照射する作用は、前述した通りであるので、これについての説明は省略する。また、図面では、面発光装置を、図4の実施形態の面発光装置100として図示したが、図8及び図11の面発光装置(図8の200、図11の300)も採用可能である。本発明のディスプレイ装置は、出射面に対して垂直な出射光が増加し、光分布の均一な光を照射する面発光装置を採用するので、輝度特性などの画像品質に優れる。
前記の実施形態は、例示的なものに過ぎず、当業者ならば、これから多様な変形及び均等な他の実施形態が可能である。したがって、本発明の真の技術的な保護範囲は、特許請求の範囲内で決まらねばならない。
本発明は、面発光装置に関連した技術分野に好適に適用され得る。
100 面発光装置、
110 光源、
120 導光板、
120a,120B,120c,120d 側面、
120e 下面、
123 出射面、
126 ホログラムパターン、
d 深さ、
p ピッチ。
110 光源、
120 導光板、
120a,120B,120c,120d 側面、
120e 下面、
123 出射面、
126 ホログラムパターン、
d 深さ、
p ピッチ。
Claims (13)
- 光源と、
前記光源からの光が出射面を通じて出射されるようにガイドする、前記出射面にホログラムパターンが形成された導光板と、を備え、
前記ホログラムパターンは、
前記導光板内に入射し導光板の側面に達する前に45°より大きい方位角で前記ホログラムパターンに入射する光の出射効率が、前記導光板の側面で反射された後に前記ホログラムパターンに入射する光の出射効率よりも低くなるように形成されることを特徴とする面発光装置。 - 前記導光板の側面で反射された後に前記ホログラムパターンに入射する光の方位角は、0゜以上であり、45゜より小さいことを特徴とする請求項1に記載の面発光装置。
- 前記導光板の側面で反射された後に前記ホログラムパターンに入射する光の方位角は、0゜であることを特徴とする請求項1に記載の面発光装置。
- 前記出射面は四角形状であり、
前記出射面において、前記光源から照射される光の中心軸と前記出射面の一辺に沿う前記導光板の軸とがなす角が+θであるとき、
前記ホログラムパターンの配列方向が前記軸となす角は、−θであることを特徴とする請求項1に記載の面発光装置。 - 前記導光板の側面は、ミラー面であるか、
または前記導光板の側面に反射部材がさらに設けられることを特徴とする請求項1〜4のうちいずれか1項に記載の面発光装置。 - 前記光源は、前記導光板の端に配置されることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の面発光装置。
- 前記出射面は四角形状であり、
前記光源が、前記出射面の対角方向で対向する前記導光板の二つの端に配置されることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の面発光装置。 - 前記導光板の出射面が、2辺の長さがそれぞれL,Wの直方形であり、前記出射面において、前記光源から照射される光の中心軸と長さLである前記出射面の一辺に沿うL方向軸とがなす角(γ)が、下記の式で表されることを特徴とする請求項6に記載の面発光装置。
- 請求項1に記載の面発光装置と、
前記面発光装置により照射する光を利用して画像を形成するディスプレイパネルと、を備えることを特徴とするディスプレイ装置。 - 前記導光板の側面は、ミラー面であるか、
または前記導光板の側面に反射部材がさらに設けられることを特徴とする請求項9に記載のディスプレイ装置。 - 前記光源は、前記導光板の端に配置されることを特徴とする請求項9または10に記載のディスプレイ装置。
- 前記出射面は四角形状であり、
前記光源が、前記出射面の対角方向で対向する前記導光板の二つの端に配置されることを特徴とする請求項9または10に記載のディスプレイ装置。 - 前記導光板の出射面が、2辺の長さがそれぞれL,Wの直方形であり、前記出射面において、前記光源から照射される光の中心軸と長さLである前記出射面の一辺に沿うL方向軸とがなす角(γ)が、下記の式で表されることを特徴とする請求項11に記載のディスプレイ装置。
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