JP2009043574A - 光学デバイス及び液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 光源近くに位置する反射面から前方に出射される光の指向性を高める。
【解決手段】 光学デバイス６０は、側面から入射された光を前面から出射する。光学デバイス６０は、半導体発光装置３０と、光入射面３ｃ、光出射面３ａ、光入射面３ｃに直交するｘ軸に沿って互いに離間して配置された複数の反射面２７を有し、光入射面３ｃから入射した光を複数の反射面２７を介して光出射面３ａに案内する平板状の透明基板３と、光入射面３ｃの長手方向に沿う第２軸線及び第３軸線により分割された光入射面３ｃの中間領域を介して光を透明基板３に導入させるライトガイド７０と、を備える。
【選択図】 図５

Description

本発明は、光学デバイス及び液晶表示装置に関する。

近年、液晶表示装置の普及に伴い、液晶表示装置に関する技術の進展が著しい。これに伴い、液晶表示装置に使用される個々の部品にも、高い性能が要求されている。

半透過型液晶表示装置では、レンズアレイ基板のレンズを利用して、光源からの光を各画素の透過領域に集光させ、光利用効率を高めると共に高輝度化を図っている（特許文献２参照）。この場合、レンズを用いて、画素の透過領域に効率的に光を集光させることが重要である。レンズによって効率的に画素の透過領域に光を集光させるためには、指向性の高い光をレンズに入射させることが重要である。

特許文献１では、図１８に示すように、導光板２００Ａの反射溝３００を利用してレンズ４００に光源７００からの光を入射させている。

なお、特許文献３には、蛍光灯からの光を拡散板に可動スリットを介して入射させる構成が開示されている。特許文献４には、遮光板を光源と導光板との間に配置する構成が開示されている。特許文献５には、遮光壁を用いて、光源からの光が導光板の表面上に配置される付加要素に進行することを妨げる構成が開示されている。特許文献６には、導光板の表面上に遮光フィルムを配置する構成が開示されている。特許文献７には、テーパー付き結合導波管を用いて、小さい入力表面積を有する導波管に結合する技術が開示されている。特許文献８には、光源からの光を導光体の側面部へ出射するファイバライトガイドを利用する技術が開示されている。特許文献９には、光源からの光を導光体の側面部へ出射するライトガイドを利用する技術が開示されている。
特開２００６−１１４２３９号公報 特開２００６−３２３３２８号公報 特開昭６２−１６８１１８号公報 特開平１１−２８８６１４号公報 特開平８−３２７８２８号公報 特開２００３−２７０６３２号公報 特表２０００−５１４９４９号公報 特開２００６−３２４１６８号公報 特開２００６−３２４１６９号公報

図１８の光学デバイスを半透過型の液晶表示装置に適用する場合、光源近くに位置する反射溝で反射された光を、レンズを介して、画素の透過領域にロスなく集光することは難しい。

これは、図１８の場合、光源近くに位置する反射溝に光源から入射する光の入射角範囲は、光源から遠い位置の反射溝に光源から入射する光の入射角範囲よりも広く、このため、光源近くに位置する反射溝から前方に出射される光の出射角範囲は、光源から遠い位置の反射溝から前方に出射される光の出射角範囲と比較して広くなるためである。出射光の出射角範囲が広くなることは出射光の指向性が劣化することを意味し、レンズによって出射光を効果的に集光させることが困難となる。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、光源近くに位置する反射面から前方に出射される光の指向性を高めることを目的とする。

本発明にかかる光学デバイスは、側面から入射された光を前面から出射する面光源用の光学デバイスであって、（１）光源と、（２）前記側面に一致する光入射面、前記前面に一致する光出射面、及び前記光入射面に直交する第１軸線に沿って互いに離間して配置された複数の反射面を有し、前記光入射面から入射した前記光源からの光を複数の前記反射面を介して前記光出射面に案内する平板状の導光板と、（３）前記光入射面の長手方向に沿う第２軸線及び第３軸線により分割された前記光入射面の中間領域を介して前記光源からの光を前記導光板に導入させる導光部材と、を備える。

前記導光部材は、第１端面及び第２端面を有し、前記第１端面から前記第２端面に前記光源からの光を案内する板状部材である、と良い。

前記導光部材は、前記第１端面側から前記第２端面側に向かって板厚が薄くなる部分を有する、と良い。

前記導光部材から出射される光の進行方向は、前記第２端面を介して、前記第１軸線に沿って進行するように変更される、と良い。

前記導光部材に入射される光の進行方向は、前記第１端面を介して、前記第１軸線に沿って進行するように変更される、と良い。

前記導光部材は、前記導光板側に球状の端部を有する、と良い。

前記導光部材は、前記第２軸線又は前記第３軸線に沿って延在する複数の溝を前記第１端面に有する、と良い。

前記導光部材は、前記第１端面と前記第２端面との間に板厚が最も厚い部分を有する、と良い。

前記導光部材の上面又は下面の少なくとも一部に反射膜が形成される、と良い。

前記中間領域に対応するスリットを有する遮光部材が前記光入射面上に設けられる、と良い。前記遮光部材は、前記光入射面に直接形成された遮光膜である、と良い。

前記光源は、凹部内に収納されたチップ状の半導体発光素子である、と良い。前記導光板の厚み方向に沿う前記中間領域の幅は、前記導光板の厚み方向に沿う前記凹部の開口幅以下である、と良い。

複数の前記反射面それぞれに入射される光の入射角範囲は、前記導光板の厚み方向に沿う前記中間領域の幅によって設定される、と良い。

前記導光板の前記光出射面上に形成され、前記導光板の屈折率よりも低い屈折率の低屈折率層と、前記低屈折率層上に形成されると共に、前記反射面で反射され、前記低屈折率層を通過した前記光源からの光が入射される複数のレンズと、 をさらに備える、と良い。

複数の前記反射面の前記第１軸線に沿う配置間隔は、前記光入射面から離間するに従って狭くなる、と良い。

本発明にかかる液晶表示装置は、上述の光学デバイスのいずれかを含む。

本発明にかかる光学デバイスは、側面から入射された光を前面から出射する面光源用の光学デバイスであって、（１）光源と、（２）前記側面に一致する光入射面、前記前面に一致する光出射面、及び前記光入射面に直交する軸線に沿って互いに離間して配置された複数の反射面を有し、前記光入射面から入射した前記光源からの光を複数の前記反射面を介して前記光出射面に案内する平板状の導光板と、（３）前記光入射面の長手方向に沿う複数の軸線により分割された前記光入射面の中間領域を介して前記光源からの光を前記導光板に導入させる中間部材と、 を備え、前記光源から複数の前記反射面それぞれに入射される光の入射角範囲は、前記導光板の厚み方向に沿う前記中間領域の幅によって設定される。

導光板の厚み方向に沿う中間領域の幅によって、光源から複数の反射面それぞれに入射される光の入射角範囲が設定される。これによって、光源近くに位置する反射面に入射される光の入射角範囲は制限され、光源近くに位置する反射面から前方に出射される光の出射角範囲は制限される。

前記中間部材は、第１端面及び第２端面を有し、前記第１端面から前記第２端面に前記光源からの光を案内する導光部材である、と良い。前記中間部材は、前記中間領域に対応するスリットを有する遮光部材である、と良い。

光源近くに位置する反射面から前方に出射される光の指向性を高めることができる。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。なお、各実施の形態は、説明の便宜上、簡略化されている。図面は簡略的なものであるから、図面の記載を根拠として本発明の技術的範囲を狭く解釈してはならない。図面は、もっぱら技術的事項の説明のためのものであり、図面に示された要素の正確な大きさ等は反映していない。同一の要素には、同一の符号を付し、重複する説明は省略するものとする。上下左右といった方向を示す言葉は、図面を正面視した場合を前提として用いるものとする。

〔第１の実施形態〕
本発明の第１の実施形態について、図１乃至図１０を用いて説明する。図１に、液晶表示装置５０の構成を説明するための概略的な説明図を示す。図２に、レンズアレイ基板３を平面視した構成を説明するための模式図を示す。図３に、透明電極層６の画素領域の構成を説明するための概略的な模式図を示す。図４に、レンズの機能を説明するための説明図を示す。図５に、レンズアレイ基板２を含む光学デバイス６０の断面構成を説明するための概略的な模式図を示す。図６に、光学デバイス６０を斜視した構成を説明するための概略的な模式図を示す。図７に、光学デバイス６０の端部付近の断面構成を説明するための概略的な模式図を示す。図８に、半導体発光装置３０の構成を説明するための模式図を示す。図９に、光学デバイス６０の側面を正面視した模式図を示す。図１０に、光学デバイス６０の動作を説明するための説明図を示す。

図１に、液晶表示装置５０を示す。液晶表示装置５０は、いわゆる半透過型の液晶表示装置である。

液晶表示装置５０は、偏光板１、レンズアレイ基板２（透明基板３、レンズ４）、リム５、透明電極層６、配向膜７、液晶層８、配向膜９、透明電極層１０、フィルタ層１１、透明基板１２、偏光板１３、をこの順で備える。

偏光板１は、特定の偏光成分の光を透過させる光学部材である。偏光板１３も、偏光板１と同様に、特定の偏光成分の光を透過させる光学部材ある。偏光板１を通過する光の振動方向と偏光板１３を通過する光の振動方向とは直交関係にある。

レンズアレイ基板２は、透明基板３、複数のレンズ４を有する。透明基板３は、透明基板１２と共に、透明電極層６〜フィルタ層１１を機械的に保持する。レンズ４は、光源（図１では不図示）からの光を、透明電極層６の透過領域２０（図３参照）に集光させる。なお、透明基板３、１２は、板状の部材（ガラス、ポリカーボネイト、アクリル樹脂等）であって、可視光領域の光に透明である。レンズ４は、フォトレジスト（感光性樹脂材料）からなる。レンズ４のレンズ作用によって、光源からの光の利用効率は高められ、液晶表示装置５０の高輝度化を図ることができる。

透明基板３上には、リム５も配置される。リム５の厚みは、レンズ４の厚みに応じて設定される。リム５は、レンズアレイ基板２上に配置される偏光板１を保持する。

図２に、レンズアレイ基板２を平面視した模式図を示す。図２に示すように、複数のレンズ４は、透明基板３の主面上に隙間なくマトリクス状に配置される。なお、レンズ４間に隙間が生じないように、レンズ４の上面視形状は多角形（六角形）に設定されている。また、リム５は、透明基板３の主面の縁側の部分に配置される。リム５の内側には、複数のレンズ４が配置される。

図１に示すように、透明電極層６は、複数のＴＦＴ(Thin Film Transistor)素子１５を有する。透明電極層６は、導電性薄膜（ＩＴＯ：Indium Tin Oxide）から形成される。透明電極層６は、透明電極層１０と共に、液晶層８に電界を印加する。液晶層８の液晶の配向状態は、電界が印加されることで制御される。液晶の配向状態が制御されることによって、光源からの光の透過、不透過が制御される。

配向膜７、配向膜９は、液晶層８を挟持するように配置される。配向膜７、配向膜９は、液晶分子を所定の方向に揃える。配向膜７、配向膜９は、高分子材料であるポリイミド（Polyimide）等の有機薄膜で形成される。

フィルタ層１１は、画素ごとに、赤（Red）、緑（Green）、青（Blue）のフィルタを有する。また、フィルタ層１１は、ブラックマトリクス膜１４を画素間に有する。ブラックマトリクス膜１４は、画素間の光のクロストークを防止する。

図３に、透明電極層６の画素領域ＰＸの概略的な構成を示す。図３に示すように、透明電極層６の画素領域ＰＸは、透過領域２０、反射領域２１を有する。また、画素領域ＰＸ間には配線２２が形成される。なお、ここでは、ＴＦＴ素子１５は図示されていない。レンズ４で集光された光源からの光は、透過領域２０を通過する。透過領域２０の周囲の反射領域２１は、透明基板１２側から入射する光を反射する。反射領域２１を設けることにより、外来光を液晶表示装置の光源として活用する。

図４に、レンズ４の機能について説明するための説明図を示す。図４（ａ）に、透明基板３上にレンズ４を設けない場合を示す。図４（ｂ）に、透明基板３上にレンズ４を設けた場合を示す。

図４（ａ）の場合（レンズ４を設けない場合）、光源からの光の一部は透過領域２０を通過して前方に進行することができるが、その他の光は反射領域２１に妨げられ前方に進行することができない。

他方、図４（ｂ）の場合（レンズ４を設ける場合）、光源からの光の大部分は透過領域２０を通過して前方に進行することができる。すなわち、レンズ４を配置することによって、光源からの光の利用効率を格段に高めることができる。

図５に、レンズアレイ基板２を含む光学デバイス６０の概略的な断面構成を説明するための模式図を示す。

図５に示すように、光学デバイス６０は、レンズアレイ基板２（透明基板３、レンズ４）、サイドライトユニット８０（半導体発光装置３０、ライトガイド（導光部材）７０）、リム５を備える。光学デバイス６０は、面光源用の光学デバイス（ここでは、液晶表示装置用のバックライト）であって、透明基板３の側面３ｃから入射された光を透明基板３の前面３ａから出射する。

透明基板（導光板）３は、上面（光出射面）３ａ、下面３ｂ、側面（光入射面）３ｃ、側面３ｄを有する平板状の部材である。透明基板３は、可視光領域の光に対して透明である。

透明基板３の下面３ｂには、ｚ軸に沿って延在する複数の溝２３が形成される。そして、透明基板３の下面３ｂには、複数の反射面２７がｘ軸（側面３ｃに直交する軸線）に沿って互いに離間して配置される。また、複数の反射面２８がｘ軸に沿って互いに離間して配置される。なお、溝２３同士の間には、反射面２７と反射面２８とから規定される凸部２４が形成される。

透明基板３の上面３ａには低屈折率層２５が形成される。低屈折率層２５の屈折率は、透明基板３の屈折率よりも低い。また、低屈折率層２５上には、複数のレンズ４が形成される。また、透明基板３の上面３ａには、リム５が配置される。

透明基板３の側面３ｃの横には、サイドライトユニット８０が配置される。サイドライトユニット８０は、ライトガイド７０、半導体発光装置３０を有する。透明基板の側面３ｃ上には、ライトガイド７０、半導体発光装置３０らが、この順で配置される。半導体発光装置３０は、配線基板（不図示）に電気的に接続され、白色の光を出射する。ライトガイド７０は、半導体発光装置３０から出射された光を透明基板３の側面３ｃに案内する。

光学デバイス６０は、次のように動作する。半導体発光装置３０から出射された光（白色光）は、ライトガイド７０を介して、透明基板３の側面３ｃに入射される。そして、側面３ｃから透明基板３内に入射された光は、ｘ軸に沿って進行する。このとき、低屈折率層２５によって、低屈折率層２５−透明基板３間の界面に対する入射角が大きい光は、その界面で全反射される。従って、側面３ｃから透明基板３に入射された光は、側面３ｃに対向する側面３ｄまで効果的に伝播する。また、反射面２７、反射面２８で反射された光は、低屈折率層２５を通過し、レンズ４に入射される。このように、側面３ｃから入射された光は、反射面２７、２８を介して、上面３ａに案内される。そして、透明基板３の上面３ａからは、その面内で所定の強度を有する光が出射される。

図６に、光学デバイスを斜視した概略的な構成を説明するための模式図を示す。

図６に示すように、透明基板３の下面３ｂに形成される反射面２７は、ｘ軸に沿って互いに離間して形成される。また、同様に、ｚ軸に沿って互いに離間して形成される。

ｘ軸に沿う反射面２７の配置間隔は、側面３ｃ（半導体発光装置３０）から遠ざかるに伴って狭くなる。換言すると、側面３ｃ側のｘ軸に沿う反射面２７の配置間隔は、側面３ｄ側のｘ軸に沿う反射面２７の配置間隔よりも広い。これにより、透明基板３の上面３ａから出射される光の面内における強度分布を均一化することができる。なお、ｚ軸に沿う反射面２７の配置間隔は、ほぼ等しく設定されている。

図７に、光学デバイス６０の端部付近の概略的な断面構成を説明するための模式図を示す。図８に、半導体発光装置３０の構成を説明するための模式図を示す。図９に、光学デバイス６０の側面を正面視した模式図を示す。なお、図８（ａ）は、半導体発光装置３０を上面視した構成を示す模式図であり、図８（ｂ）は、半導体発光装置３０の断面構成を説明するための概略的な模式図である。

図７に示すように、透明基板３の側面３ｃの横には、ライトガイド７０、半導体発光装置３０が配置される。半導体発光装置３０からは白色の光が出射される。ライトガイド７０は、半導体発光装置３０から出射された光を透明基板３の側面３ｃの中間領域Ｒ２（図９参照）に入射させる。ライトガイド７０は、半導体発光装置３０と透明基板３の間に配置された中間部材としても機能する。

まず、図７、図８を参照して、半導体発光装置３０の構成について説明する。図７、図８（ｂ）に示すように、半導体発光装置３０は、支持基板３１、発光チップ（ＬＥＤ（Light Emitting Diode））３２、壁部３３、樹脂層３７を有する。尚、図６からも明らかなように、半導体発光装置３０は、側面３ｃの長手方向に沿って長尺な部材である。

支持基板３１は、板状のガラスエポキシ基板である。

発光チップ（光源）３２は、チップ状の半導体発光素子（ベアチップ）である。発光チップ３２は、支持基板３１の主面上に載置される。発光チップ３２のアノード電極は、支持基板３１の配線３５に接続される。発光チップ３２のカソード電極は、支持基板３１の配線３４に接続される。発光チップ３２に順方向電流を流すことで、発光チップ３２は青色の光（所定波長の光）を出射する。

壁部３３は、ガラスエポキシからなる板状部材である。壁部３３は、支持基板３１の主面上に配置される。壁部３３は、発光チップ３２を収納するための開口を有する。壁部３３の開口の内面３８は、発光チップ３２由来の光（発光チップ３２から出射された光、蛍光物質３６から放出された光）を反射する。尚、壁部３３が支持基板３１の主面上に配置されることによって、発光チップ３２の収納容器が構成される。

上述の収納容器の凹部は、蛍光物質３６を含有する樹脂層３７で充填される。蛍光物質３６に発光チップ３２から光が入射すると、蛍光物質３６は所定範囲の波長の光を放出する。これにより、半導体発光装置３０から出射される光は白色に設定される。なお、樹脂層３７は、壁部３３と同様に、ガラスエポキシからなる。また、図８（ａ）に示すように、半導体発光装置３０の凹部内には、複数の発光チップ３２が配置される。

次に、図７、図９を参照して、ライトガイド７０の構成、ライトガイド７０の配置位置について説明する。

図７に示すように、ライトガイド７０は、透明基板３と半導体発光装置３０との間に配置される。ライトガイド７０は、シリコン樹脂からなる板状の透明部材である。

ライトガイド７０は、第１端面（光入射面）７１、第２端面（光出射面）７２を有する。第１端面７１は、半導体発光装置３０に対向して配置される。また、第２端面７２は、透明基板３の側面３ｃに対向して配置される。第１端面７１には、グレーティング（ｚ軸に沿って延在する複数の溝７３）が形成され、レンズ作用を奏する。第２端面７２は、ｘ軸に曲率を有し、レンズ作用を奏する。

ライトガイド７０は、基部７４、胴部７５、頂部７６を有する。ライトガイド７０の厚みは、基部７４と胴部７５との境界部分で最も厚く、胴部７５と頂部７６との境界部分で最も薄い。

基部７４の厚み（ｙ軸に沿う幅）は、半導体発光装置３０から離間するに従ってＴ２からＴ３へと厚くなる。図７に示すように、胴部７５の厚み（ｙ軸に沿う幅）は、半導体発光装置３０から離間するに従ってＴ３からＴ１へと薄くなる。なお、図７に示すように、ライトガイド７０の厚み（ｙ軸に沿う幅）は、透明基板３の厚みＴ４（ｙ軸に沿う幅）以下に設定される。これによって、光学デバイス６０の構成は簡素化される。

また、図７に示すように、胴部７５のｘ軸に沿う幅Ｗ２は、基部７４のｘ軸に沿う幅Ｗ１、頂部７６のｘ軸に沿う幅Ｗ３よりも広い。ライトガイド７０における光の伝播損失を低減するためには、胴部７５の上面７７又は下面７８にて発光チップ３２由来の光が全反射されるようにライトガイド７０の形状を設定する必要がある。胴部７５のｙ軸に沿う幅Ｗ２を広く設定することによって、ライトガイド７０における光の伝播損失を低減することができる。

図７に示すように、ライトガイド７０の基部７４には、半導体発光装置３０が取り付けられる。ライトガイド７０の基部７４は、半導体発光装置３０の凹部内に部分的に収納される。ライトガイド７０と半導体発光装置３０とは、図示しない接着剤等によって互いに固着される。なお、ライトガイド７０の第１端面７１と半導体発光装置３０の樹脂層３７との間には空気層３９が介在する。空気層３９は、樹脂層３７の充填量を調整することによって無視可能なものとすることもできる。また、空気層３９に屈折率整合材料（マッチングオイル等）を充填し、光の界面反射を抑制しても良い。

ライトガイド７０の頂部７６は、透明基板３の中間領域Ｒ２（図９参照）に対向して配置される。このとき、ライトガイド７０の第２端面７２も、透明基板３の中間領域Ｒ２に対向して配置される。尚、中間領域Ｒ２のｙ軸沿う幅は、発光チップ３２のｙ軸に沿う幅Ｔ５以下に設定される。また、中間領域Ｒ２のｙ軸沿う幅は、半導体発光装置３０の凹部のｙ軸に沿う幅Ｔ６以下に設定される。

光入射面３ｃについては、図９に示すように、透明基板３の側面３ｃの軸線ＡＸ１よりも上の部分を上端領域Ｒ１とする。側面３ｃの軸線ＡＸ１と軸線ＡＸ２との間の部分を中間領域Ｒ２とする。側面３ｃの軸線ＡＸ２よりも下の部分を下端領域Ｒ３とする。なお、軸線ＡＸ１、ＡＸ２は、共にｚ軸に沿って延在する軸線である。

最後に、図７を参照して、サイドライトユニット８０の動作について説明する。発光チップ３２由来の光（発光チップ３２から出射された光、蛍光物質３６から放出された光）は、ライトガイド７０の第１端面７１に入射される。図７に模式的に示すように、発光チップ３２由来の光には、第１端面７１に設けられた溝７３を介して、ｙ軸に沿って進行するように進行方向が変更される光も含まれる。

ライトガイド７０の第１端面７１に入射した光は、ライトガイド７０の基部７４、胴部７５、頂部７６を介して、第２端面７２に導かれる。図７に模式的に示すように、発光チップ３２由来の光には、第１端面７１を通過し、基部７４の下面にて全反射され、胴部７５の上面７７にて全反射され、胴部７５の下面７８にて全反射され、第２端面７２にてｙ軸に沿って進行するように進行方向が変更される光も含まれる。

ここで、図１０を用いて光学デバイス６０の動作について更に説明を加える。

図１０（ａ）に示すように、半導体発光装置３０から出射された光は、ライトガイド７０によって、入射角範囲θ０から入射角範囲θ１に制限されて反射面２７ａに入射する。これにより、反射面２７ａで反射された光は、出射角範囲θ２から出射角範囲θ３に制限されて前方に出射される。このようにして、反射面２７ａから前方に出射される光の指向性が高められる。なお、入射角範囲θ０は、説明の便宜上設定したものである。また、入射角範囲θ１は、中間領域Ｒ２のｙ軸に沿う幅によって設定される。なお、反射面２７ａには、透明基板３内で反射された光も入射し得る。

図１０（ｂ）に示すように、半導体発光装置３０から出射された光は、ライトガイド７０によって、入射角範囲θ４から入射角範囲θ５に制限されて反射面２７ｂに入射する。これにより、反射面２７ｂで反射された光は、出射角範囲θ６から出射角範囲θ７に制限されて前方に出射される。このようにして、反射面２７ｂから前方に出射される光の指向性が高められる。なお、入射角範囲θ４は、説明の便宜上設定したものである。また、入射角範囲θ５は、中間領域Ｒ２のｙ軸に沿う幅によって設定される。なお、反射面２７ａには、透明基板３内で反射された光も入射し得る。

本実施形態にかかる光学デバイス６０は、ライトガイド７０を利用して、発光チップ３２由来の光を透明基板３の側面３ｃの中間領域Ｒ２に入射させる。換言すると、ライトガイド７０は、透明基板３の側面３ｃの中間領域Ｒ２に発光チップ３２由来の光を入射させる。これによって、半導体発光装置３０の近くに位置する反射面２７ａに入射する光の入射角範囲を制限し、反射面２７ａから前方に出射される光の指向性を高めることができる。

反射面２７ａから前方に出射される光の指向性を高めることで、透明基板３の上面３ａから出射される光の面内における強度分布を均一化することができる。これにより面内における出射光の強度分布がより均一化された面光源用の光学デバイス（バックライト）６０を実現できる。

また、反射面２７ａから前方に出射される光の指向性を高めることで、透明基板３の上面３ａに配置された複数のレンズ４に指向性の高い光を入射させることができる。これにより、半導体発光装置３０からの光を、レンズ４を介して、画素の透過領域２０にロスなく集光させることができ、光利用効率を高めることができる。

また、本実施形態においては、ライトガイド７０の第１端面７１、第２端面７２は、光の進行方向をｙ軸に沿って光が進行するように変換する。これによって、透明基板３の奥にまで効果的に光を伝播させることができ、光学デバイス６０における光利用効率を全体的に改善することができる。

〔第２の実施形態〕
本発明の第２の実施形態について、図１１乃至図１２を用いて説明する。図１１に、光学デバイスの端部付近の断面構成を説明するための概略的な模式図を示す。図１２に、透明基板を斜視した構成を説明するための概略的な模式図を示す。

図１１、図１２に示すように、本実施形態においては、第１の実施形態の構成に加えて、透明基板３の側面３ｃにスリット４１を有する遮光膜（遮光部材）４０が形成される。遮光膜４０のスリット４１は、中間領域Ｒ２に対応して設けられる。なお、遮光膜４０は、通常の薄膜形成技術（スパッタ、蒸着等）を利用して透明基板３の側面３ｃ上に形成される。

スリット４１によっても、半導体発光装置３０の近くに位置する反射面２７ａに入射する光の入射角範囲は制限され、反射面２７ａから前方に出射される光の指向性は高められる。また、スリット４１上にライトガイド７０の頂部７６を配置すれば、簡易に、ライトガイド７０の頂部７６を側面３ｃの中間領域Ｒ２に対向配置することができる。なお、スリット４１は、透明基板３の側面３ｃに必ずしも直接形成されている必要はない。本実施形態においても、第１の実施形態において説明した効果が得られることは言うまでもない。

〔第３の実施形態〕
本発明の第３の実施形態について、図１３を用いて説明する。図１３に、光学デバイスの端部付近の断面構成を説明するための概略的な模式図を示す。

図１３に示すように、本実施形態においては、第２の実施形態の構成に加えて、ライトガイド７０の胴部７５の上面７７、下面７８上に、金属材料からなる反射膜７９が形成される。反射膜７９によって、胴部７５の上面７７又は下面７８を通過する光をライトガイド７０の内部に戻すことができ、光利用効率が向上される。なお、反射膜７９は、通常の薄膜形成技術（スパッタ、蒸着等）を利用してライトガイド７０の上面７７、下面７８上に形成される。また、本実施形態においても、第１、第２の実施形態において説明した効果が得られることは言うまでもない。

〔第４の実施形態〕
本発明の第４の実施形態について、図１４を用いて説明する。図１４に、光学デバイスの端部付近の断面構成を説明するための概略的な模式図を示す。

図１４に示すように、本実施形態においては、第１の実施形態のライトガイド７０が省略されている。また、第２の実施形態に説明したスリット４１を有する遮光膜４０が透明基板３の側面３ｃに形成される。なお、第２の実施形態と同様、スリット４１の配置位置は、中間領域Ｒ２に対応する。

スリット４１によっても、半導体発光装置３０の近くに位置する反射面２７ａに入射する光の入射角範囲は制限され、反射面２７ａから前方に出射される光の指向性は高められる。この場合、スリット４１は、半導体発光装置３０と透明基板３の間に配置された中間部材として機能する。なお、スリット４１を有する遮光膜４０は、必ずしも透明基板３の側面３ｃに直接的に形成されている必要はない。本実施形態においても、第１の実施形態において説明したものと同様の効果が得られることは言うまでもない。

〔第５の実施形態〕
本発明の第５の実施形態について、図１５を用いて説明する。図１５は、第５の実施形態にかかるレンズアレイ基板２を含む光学デバイス６０の断面構成を説明するための概略的な模式図である。本実施形態においては、第１の実施形態とは異なり、頂部７６の幅Ｗ３が胴部７５の幅Ｗ２よりも大きい。これによって、ライトガイド７０の第２端面７２から出射される光の指向性を効果的に高めることができる。

図１５に示すように、基部７４の幅Ｗ１、胴部７５の幅Ｗ２、頂部７６の幅Ｗ３らの関係は、Ｗ３＞Ｗ２＞Ｗ１である。特に、頂部７６の幅Ｗ３は、胴部７５の幅Ｗ２よりも大きな値に設定される。これによってライトガイド７０の第２端面７２から出射される光の指向性を効果的に高めることができる。

なお、頂部７６の肉厚は、ｘ軸に沿って厚みＴ１からＴ７に厚くなる。また、頂部７６の出射面は、ｙ軸に平行な平坦面である。第１の実施形態と同様に、ライトガイド７０の出射端を球状にすることによって、出射光の指向性をさらに高めることもできる。

本発明者らのシミュレーション結果によれば、図１５に模式的に示すように、光出射角を±４０°程度に設定することができる。なお、このシミュレーションにおいては、第２端面７２の厚み（ｙ軸に沿う幅）を０．２ｍｍとし、胴部７５と頂部７６間の境界部分の厚みＴ１を０．１ｍｍとし、第１端面７１の厚み（ｙ軸に沿う幅）を０．６ｍｍ程度としている。また、ｘ軸（透明基板３の側面３ｃに垂直に交差する軸線）に対して頂部７６の上面がなす角は、θ＝５°である。ｘ軸に対して頂部７６の下面がなす角は、θ＝−５°である。ライトガイド７０の屈折率は、１．６１である。

頂部７６の上面がｘ軸に対してなす角度は、θ＝１°〜１０°の範囲に設定すると良い。これにより、上述のように出射光の指向性を効果的に高く設定することができる。頂部７６の下面についても同様である。

また、反射面２８のｘ軸に沿う幅は、レンズ４のｘ軸に沿う幅（レンズ径）よりも大きな値である。このように反射面２８を設定することによって、透明基板３を伝播する光をレンズ４に効果的に案内することができる。なお、反射面２７のｘ軸に沿う幅は、レンズ４のｘ軸に沿う幅（レンズ径）よりも小さな値である。反射面２８のｘ軸に沿う幅は、反射面２７のｘ軸に沿う幅よりも十分に大きな値である。

〔第６の実施形態〕
本発明の第６の実施形態について、図１６及び図１７を用いて説明する。図１６は、第６の実施形態にかかるレンズアレイ基板２を含む光学デバイス６０の断面構成を説明するための概略的な模式図である。図１７は、シミュレーション結果を説明するためのグラフである。

本実施形態においては、第５の実施形態とは異なり、図１６に示すように、胴部７５の表裏面には、反射膜７９が形成される。これにより、ライトガイド７０における光ロスを低減させ、装置全体としての光利用効率を向上させることができる。なお、反射膜７９は、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）等の金属材料からなる。

図１７に、シミュレーション結果を説明するためのグラフを示す。図１７に示すように、本実施形態においては、ライトガイド７０を半導体発光装置３０と透明基板３との間に設けることによって、より高い指向性の光を透明基板３に導入させることができる。

なお、このシミュレーションにおいては、第２端面７２の厚み（ｙ軸に沿う幅）を０．２ｍｍとし、胴部７５と頂部７６間の境界部分の厚みＴ１を０．１ｍｍとし、第１端面７１の厚み（ｙ軸に沿う幅）を０．６ｍｍ程度としている。また、ｘ軸（透明基板３の側面３ｃに垂直に交差する軸線）に対して頂部７６の上面がなす角は、θ＝５°である。ｘ軸に対して頂部７６の下面がなす角は、θ＝−５°である。ライトガイド７０の屈折率は、１．６１である。

本発明の実施形態は上述の実施形態に限定されない。本発明は、液晶表示装置以外の他の様々なデバイスにも適用することができる。光学デバイス上に拡散板を配置し、出射光の強度がより均一化された面光源として用いることも可能である。

透明基板３の側面３ｃの長手方向に沿う複数の軸線により分割された側面３ｃの中間領域Ｒ２を介して半導体発光装置３０からの光を透明基板３に導入させる中間部材は、他にも様々なものが考えられる。中間部材は、半導体発光装置３０と全く別の部材でなくとも、半導体発光装置３０と一体化されているものであってもよい。例えば、発光チップをモールドするための樹脂層を成型することによって、半導体発光装置３０自体に中間部材を付加させてもよい。

光源は、ランプ等であっても良い。半導体発光装置３０の具体的な構成は任意であり、砲弾型のＬＥＤであっても構わない。蛍光物質３６を樹脂層３７に充填する代わりに、光の三原色に対応して発光チップの発光波長を選定してもよい。また、複数の半導体発光装置３０を用いてもよい。

透明基板３、ライトガイド７０等は、単層の部材で構成する必要はなく、複層の部材として構成しても良い。透明基板３の下面３ｂ上に反射シートを貼り合わせることで、反射面２７を透明基板３の下面３ｂに配置しても良い。ライトガイド７０と透明基板３とは当接している必要はない。

液晶表示装置の構成を説明するための概略的な説明図である。 レンズアレイ基板を平面視した構成を説明するための模式図である。 透明電極層６の画素領域の構成を説明するための概略的な模式図である。 レンズの機能を説明するための説明図である。 レンズアレイ基板２を含む光学デバイス６０の断面構成を説明するための概略的な模式図である。 光学デバイス６０を斜視した構成を説明するための概略的な模式図である。 光学デバイス６０の端部付近の断面構成を説明するための概略的な模式図である。 半導体発光装置３０の構成を説明するための模式図である。 光学デバイス６０の側面を正面視した模式図である。 光学デバイス６０の動作を説明するための説明図である。 第２の実施形態にかかる光学デバイスの端部付近の断面構成を説明するための概略的な模式図である。 第２の実施形態にかかる透明基板を斜視した構成を説明するための概略的な模式図である。 第３の実施形態にかかる光学デバイスの端部付近の断面構成を説明するための概略的な模式図である。 第４の実施形態にかかる光学デバイスの端部付近の断面構成を説明するための概略的な模式図である。 第５の実施形態にかかるレンズアレイ基板２を含む光学デバイス６０の断面構成を説明するための概略的な模式図である。 第６の実施形態にかかるレンズアレイ基板２を含む光学デバイス６０の断面構成を説明するための概略的な模式図である。 シミュレーション結果を説明するためのグラフである。 従来の光学部品を説明するための概略的な模式図である。

符号の説明

３０ 半導体発光装置
６０ 光学デバイス
７０ ライトガイド
３ 透明基板（導光板）
３ｃ 側面（光入射面）
３ａ 上面（光出射面）
２７ 反射面
３２ 発光チップ
４０ 遮光膜
４１ スリット
２５ 低屈折率層

Claims (20)

1. 側面から入射された光を前面から出射する面光源用の光学デバイスであって、
   光源と、
   前記側面に一致する光入射面、前記前面に一致する光出射面、及び前記光入射面に直交する第１軸線に沿って互いに離間して配置された複数の反射面を有し、前記光入射面から入射した前記光源からの光を複数の前記反射面を介して前記光出射面に案内する平板状の導光板と、
   前記光入射面の長手方向に沿う第２軸線及び第３軸線により分割された前記光入射面の中間領域を介して前記光源からの光を前記導光板に導入させる導光部材と、
   を備える光学デバイス。
2. 前記導光部材は、第１端面及び第２端面を有し、前記第１端面から前記第２端面に前記光源からの光を案内する板状部材であることを特徴とする請求項１に記載の光学デバイス。
3. 前記導光部材は、前記第１端面側から前記第２端面側に向かって板厚が薄くなる部分を有することを特徴とする請求項２に記載の光学デバイス。
4. 前記導光部材から出射される光の進行方向は、前記第２端面を介して、前記第１軸線に沿って進行するように変更されることを特徴とする請求項２又は３に記載の光学デバイス。
5. 前記導光部材に入射される光の進行方向は、前記第１端面を介して、前記第１軸線に沿って進行するように変更されることを特徴とする請求項２乃至４いずれか一項に記載の光学デバイス。
6. 前記導光部材は、前記導光板側に球状の端部を有することを特徴とする請求項４に記載の光学デバイス。
7. 前記導光部材は、前記第２軸線又は前記第３軸線に沿って延在する複数の溝を前記第１端面に有することを特徴とする請求項５に記載の光学デバイス。
8. 前記導光部材は、前記第１端面と前記第２端面との間に板厚が最も厚い部分を有することを特徴とする請求項１に記載の光学デバイス。
9. 前記導光部材の上面又は下面の少なくとも一部に反射膜が形成されることを特徴とする請求項２に記載の光学デバイス。
10. 前記中間領域に対応するスリットを有する遮光部材が前記光入射面上に設けられることを特徴とする請求項１に記載の光学デバイス。
11. 前記遮光部材は、前記光入射面に直接形成された遮光膜であることを特徴とする請求項１０に記載の光学デバイス。
12. 前記光源は、凹部内に収納されたチップ状の半導体発光素子であることを特徴とする請求項１に記載の光学デバイス。
13. 前記導光板の厚み方向に沿う前記中間領域の幅は、前記導光板の厚み方向に沿う前記凹部の開口幅以下であることを特徴とする請求項１２に記載の光学デバイス。
14. 複数の前記反射面それぞれに入射される光の入射角範囲は、前記導光板の厚み方向に沿う前記中間領域の幅によって設定されることを特徴とする請求項１に記載の光学デバイス。
15. 前記導光板の前記光出射面上に形成され、前記導光板の屈折率よりも低い屈折率の低屈折率層と、
    前記低屈折率層上に形成されると共に、前記反射面で反射され、前記低屈折率層を通過した前記光源からの光が入射される複数のレンズと、
    をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の光学デバイス。
16. 複数の前記反射面の前記第１軸線に沿う配置間隔は、前記光入射面から離間するに従って狭くなることを特徴とする請求項１に記載の光学デバイス。
17. 請求項１乃至１６いずれか一項に記載の光学デバイスを含む液晶表示装置。
18. 側面から入射された光を前面から出射する面光源用の光学デバイスであって、
    光源と、
    前記側面に一致する光入射面、前記前面に一致する光出射面、前記光入射面に直交する軸線に沿って互いに離間して配置された複数の反射面を有し、前記光入射面から入射した前記光源からの光を複数の前記反射面を介して前記光出射面に案内する平板状の導光板と、
    前記光入射面の長手方向に沿う複数の軸線により分割された前記光入射面の中間領域を介して前記光源からの光を前記導光板に導入させる中間部材と、
    を備え、
    前記光源から複数の前記反射面それぞれに入射される光の入射角範囲は、前記導光板の厚み方向に沿う前記中間領域の幅によって設定される、光学デバイス。
19. 前記中間部材は、第１端面及び第２端面を有し、前記第１端面から前記第２端面に前記光源からの光を案内する導光部材であることを特徴とする請求項１７に記載の光学デバイス。
20. 前記中間部材は、前記中間領域に対応するスリットを有する遮光部材であることを特徴とする請求項１７に記載の光学デバイス。

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