JP2010027493A - 面発光装置および画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】輝度の均一性を向上することができる面発光装置および画像表示装置を提供すること。
【解決手段】面発光装置１００は、レーザ光源部１と、入射面からレーザ光を導光して出射面から面発光させる導光板１０と、レーザ光の位相分布を不連続に変化させて出射する位相シフタ５と、位相シフタ５から出射されたレーザ光を集光する集光レンズ６と、集光レンズ６から出射されたレーザ光の集光位置の１次像を導光板１０の入射面近傍で２次像に結像する結像光学系７とを有する
【選択図】図１

Description

本発明は、面発光装置および画像表示装置に関する。

近年、携帯電話や情報機器などの普及に伴い、薄型で高品位な画面表示装置が要望されている。そして、そのような画面表示装置を実現するために、レーザを光源とした薄型で色再現性の良い液晶表示素子が提案されている（特許文献１、特許文献２）。

特許文献１に記載されたカラー表示素子は、液晶パネルを照明するバックライトを、導光板と、この導光板の任意の面に配置される３原色の各色に対応する複数のレーザ光源と、導光板の内部に配置された乱反射粒子と、導光板の側面および底面に配置された反射板とから構成することにより、色純度の高い光でカラー表示を行うことができるようにしている。

また、特許文献２に記載された平面光源は、レーザ光源の出射光を所定方向に略平行に反射させる反射部材と、この反射部材で反射した反射光を略直角方向に反射させる偏光部材とから構成することにより、１個のレーザ光により簡単な構成でコリメート平面光源を得ることができるようにしている。
特開平１１−２３７６３１号公報 特開２００２−１６９４８０号公報 特開平１０−１１８７８１号公報 特開平５−８０７４号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたカラー表示素子においては、略点光源であるレーザを導光板の側面に配置するため、輝度ムラが生じやすいという問題がある。また、特許文献２に記載された平面光源においては、反射部材として反射型体積ホログラム用いているため、製作誤差に敏感であり、輝度の均一性を高くすることが困難であるという問題がある。

本発明は、かかる点を考慮してなされたものであり、輝度の均一性を向上することができる面発光装置および画像表示装置を提供する。

本発明の面発光装置は、レーザ光を出射するレーザ光源部と、入射面からレーザ光を導光して出射面から面発光させる導光板と、前記レーザ光源部から出射されたレーザ光を入射し、前記レーザ光の位相分布を不連続に変化させて出射する位相シフト部材と、前記位相シフト部材から出射されたレーザ光を集光する集光レンズと、前記集光レンズから出射されたレーザ光の集光位置の１次像を前記導光板の入射面近傍で２次像に結像する結像光学系と、を有する構成を採る。

本発明の画像表示装置は、上記面発光装置と、前記導光板の出射面側に配置された表示パネルと、を有する構成を採る。

本発明によれば、輝度の均一性を向上することができる。また、面発光装置を薄型化できる。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る面発光装置の概略構成を示す断面図である。図２は、図１の要部の概略構成を示す図１に垂直な方向の断面図である。

図１および図２に示す面発光装置１００は、レーザ光源部１、ビーム成形部２、色合成プリズム３、折り曲げミラー４、位相シフタ５、集光レンズ６、結像光学系７、フレネルレンズ８、集光レンズ９、および導光板１０を有する。なお、ここでは、図１および図２に示すように、導光板１０の入射端面１０ａの短手方向および長手方向をそれぞれＸ軸およびＹ軸とし、このＸ軸およびＹ軸に直交する方向をＺ軸とする。図１は、面発光装置１００のＸＺ平面に沿う断面図であり、図２は、図１の面発光装置１００のうち位相シフタ５から導光板１０までのＹＺ平面に沿う断面図である。

図１において、レーザ光源部１は、３原色（赤、緑、青）の各色に対応する波長のレーザ光を出射する３つの半導体レーザ光源（以下単に「半導体レーザ」という）１ａ、１ｂ、１ｃから構成されている。例えば、半導体レーザ１ａは、波長６３５ｎｍの赤色のレーザ光を出射する半導体レーザである。また、半導体レーザ１ｂは、波長５３２ｎｍの緑色のレーザ光を出射する半導体レーザである。また、半導体レーザ１ｃは、波長４５０ｎｍの青色のレーザ光を出射する半導体レーザである。

ビーム成形部２は、レーザ光源部１から出射されたレーザ光を所定のビーム形状に成形するビーム成形レンズ２ａ、２ｂ、２ｃから構成されている。レーザ光のビーム成形は、例えば、レーザ光のビーム径および発散角（波面の曲率半径）をそれぞれ所望の値に制御することによって行われる。

本実施の形態では、各半導体レーザ１ａ、１ｂ、１ｃに対応してビーム成形レンズ２ａ、２ｂ、２ｃがそれぞれ設けられている。すなわち、各ビーム成形レンズ２ａ〜２ｃは、対応する半導体レーザ１ａ〜１ｃからのレーザ光のビーム径および発散角を所望の値に制御して、そのレーザ光を所定のビーム形状に成形する。例えば、図１の例では、各ビーム成形レンズ２ａ〜２ｃは、対応する半導体レーザ１ａ〜１ｃからのレーザ光を、ビーム径がＡである平行ビームに変換している。各半導体レーザ１ａ〜１ｃから出射され対応するビーム成形レンズ２ａ〜２ｃによりビーム成形されたレーザ光（平行光）１１ａ、１１ｂ、１１ｃは、色合成プリズム３に入射される。

色合成プリズム３は、ビーム成形レンズ２ａ〜２ｃによりビーム成形されたレーザ光１１ａ〜１１ｃを合成して、１本のレーザ光１１を出射する。この合成されたレーザ光１１は、折り曲げミラー４により光路が変更されて（図１の例では、９０°折り曲げられて）、位相シフタ５に入射される。

位相シフタ５は、入射したレーザ光の位相分布を不連続に変化させて出射する。本実施の形態の場合、位相シフタ５は、レーザ光１１の位相を少なくとも２本の平行な直線帯状にシフトさせる。図３に、位相シフタ５の構成例を示す。図３（Ａ）はＸ軸方向から見た位相シフタ５の側面図であり、図３（Ｂ）はＺ軸方向から見た位相シフタ５の平面図である。

図３に示すように、位相シフタ５は、位相シフト部５ａ、５ｂを有する。位相シフト部５ａ、５ｂは、光透過部材である基台５ｃ上に形成された厚さｔの光透過部材である。本実施の形態の例では、位相シフト部５ａ、５ｂは、Ｙ軸方向において平行に並んだ２本の直線帯状に配置されている。位相シフト部５ａ、５ｂの厚さｔは、式（１）で示される値に設定されている。
ｔ＝λ／２（ｎ−１） ………（１）
ここでλはレーザ光１１の波長、ｎは位相シフト部の屈折率である。

これにより、位相シフタ５を透過するレーザ光１１は、位相シフト部５ａ、５ｂを透過する光と、位相シフト部５ａ、５ｂを透過しない光とで、πラジアン（１８０度）の位相差が与えられる。本実施の形態の場合には、位相シフト部５ａ、５ｂがＹ軸方向において平行に並んだ２本以上の直線帯状とされているので、レーザ光は導光板入射面１０ａの長手方向（Ｙ軸方向）の位相分布のみが不連続に変化される。位相シフタ５を出射したレーザ光１１は、集光レンズ６に入射される。

因みに、位相シフタによってレーザ光の位相分布を制御する原理自体は、例えば非特許文献１、非特許文献２等に記載された既知の事項なので、ここでの詳しい説明は省略する。

集光レンズ６は１枚のシリンドリカルレンズから構成されている。集光レンズ６はＹ軸方向にのみパワーを有する。集光レンズ６はＹ軸方向においてレーザ光１１を集光する。

図４（Ａ）に、位相シフタ５に入射する前のレーザ光のＹ断面での強度分布を示す。また、図４（Ｂ）に、集光レンズ６によって集光されたレーザ光１１の焦点面でのＹ断面での強度分布を示す。図４（Ａ）および図４（Ｂ）から、レーザ光のＹ断面における強度分布が、ビーム径Ａのガウス分布からビーム幅が略Ｂの均一な分布に変換されていることが分かる。なお、Ｘ軸方向においては、集光レンズ６はパワーを有さないのでレーザ光１１は平行光のまま集光レンズ６を透過し、結像光学系７に入射する。

結像光学系７は、集光レンズ６から出射されたレーザ光１１の集光位置の１次像を導光板１０の入射面近傍で２次像に結像する機能を有する。本実施の形態の例では、結像光学系７は、図２のＹ軸方向にのみにパワーを有する２枚の非球面レンズ７ａ、７ｂから構成される。なお、結像光学系７はリレー光学系と呼ぶこともできる。結像光学系７は、Ｙ軸方向において集光レンズ６の焦点面付近に形成されたレーザ光１１の均一な強度分布を、フレネルレンズ８の位置に拡大投影する。従って、フレネルレンズ８の位置におけるレーザ光１１の強度分布は、図４（Ｃ）に示すようにビーム幅が略Ｃの均一な強度分布となる。また、結像光学系７は、Ｘ軸方向においてはパワーを有さず、レーザ光１１はＸ軸方向において略平行光のまま結像光学系７を透過する。結像光学系７を出射したレーザ光１１は、フレネルレンズ８に入射される。

フレネルレンズ８は、Ｙ軸方向にのみパワーを有する（図２参照）。フレネルレンズ８は、導光板１０に入射するレーザ光１１が導光板１０の入射端面１０ａの長手方向において略平行光なるようにレーザ光１１を変換する。フレネルレンズ８を出射したレーザ光１１は、集光レンズ９に入射される。

集光レンズ９は、Ｘ軸方向にのみパワーを有するレンズである（図１参照）。レーザ光１１は、集光レンズ９により、導光板１０の入射端面１０ａ位置において、Ｘ軸方向の発散角とビーム幅とが所定の値となるように制御される。集光レンズ９を出射したレーザ光１１は、導光板１０に入射される。

導光板１０は、入射端面１０ａからレーザ光１１を導光して出射面である前面１０ｂからレーザ光を出射して平面状に発光する。導光板１０は、例えば、ＰＭＭＡ（アクリル樹脂）やＰＣ（ポリカーボネート）、ＣＯＰ（シクロオレフィンポリマー）などから形成されている。

また、導光板１０は、例えば、前面１０ｂに光拡散層が配置され、背面１０ｃに反射シートが配置されている。光拡散層は、光拡散材を含む透光性樹脂から形成されている。光拡散層としては、例えば、ポリエチレンテレフタラートに微細凹凸を設けたものや、乱反射させる白色インクを前面１０ｂに印刷したものが用いられる。このとき、光拡散層の拡散度合いは、微細凹凸の大きさを調整したり、白色インクによる各ドットの大きさを調整したりすることによって、変化させることができる。また、反射シートとしては、金属フィルムを用いてもよいし、背面１０ｃに金属を蒸着させてもよい。

ここで、導光板１０の前面１０ｂの拡散度合いの分布は、導光板１０の前面１０ｂから出射するレーザ光１１の輝度が一様になるように形成されている。具体的には、導光板１０の前面１０ｂに形成される光拡散層は、Ｚ軸方向の輝度を均一にするため、導光板１０の入射端面１０ａからのＺ軸方向の距離に応じて拡散度合いを変化させた構成を有する。例えば、ここでは、導光板１０の入射端面１０ａから遠ざかるほど拡散度合いを大きくすることにより、Ｚ軸方向の輝度を均一にしている。

導光板１０に入射したレーザ光１１は、導光板１０の内部を全反射を繰り返しながら伝播しつつ、導光板１０の前面１０ｂに配置された光拡散層で拡散される。このため、拡散されたレーザ光１１のうち導光板１０の前面１０ｂに臨界角よりも小さい角度で入射するレーザ光の成分が現れる。このレーザ光の成分は、導光板１０の前面１０ｂから均一に出射する。これにより、導光板１０は、平面状に発光する。

なお、本実施の形態では、拡散シートを導光板１０の前面１０ｂに配置したが、これに限定されない。例えば、拡散シートは、導光板１０の背面１０ｃに配置してもよい。ただし、この場合、光拡散層は、反射シートよりも前面１０ｂ側に配置される。

以上説明したように、本実施の形態によれば、レーザ光の位相分布を不連続に変化させて出射する位相シフタ５と、位相シフタ５から出射されたレーザ光を集光する集光レンズ６と、集光レンズ６から出射されたレーザ光の集光位置の１次像を導光板１０の入射面近傍で２次像に結像する結像光学系７とを設けたことにより、導光板１０の入射端面１０ａに入射するレーザ光１１は、Ｙ軸方向における強度分布が略均一になるとともに、Ｘ軸方向が収束光または発散光になり、Ｙ軸方向が略平行光になる。したがって、この光学系を最適化することにより、レーザ光源部１から出射されたレーザ光１１を、Ｙ軸方向に略均一な分布で、かつ、導光板１０の入射端面１０ａの長手方向および短手方向の各幅に合わせて効率的に、導光板１０の入射端面１０ａに導くことができる。

このように、本実施の形態の構成によれば、安定してレーザ光１１の強度分布を均一に変換することができる。この結果、面光源の輝度の均一性の向上を図ることができる。

また、レーザ光１１は、ビーム成形部２から集光レンズ９までの間、Ｘ軸方向においては略平行光で伝播するので、面発光装置１００はＸ軸方向に薄型になる。

なお、本実施の形態では、レーザ光源部１を半導体レーザ１ａ、１ｂ、１ｃによって構成したが、これに限らない。例えば、半導体レーザ１ｂの代わりに、波長５３２ｎｍのレーザ光を出射するレーザとして、高効率のＳＨＧ（第２高調波発生：second harmonic generation）レーザを用いてもよい。ＳＨＧレーザのＳＨＧ結晶は、ＫＴＰやＬＢＯ、ＢｉＢｏなどが一般的に用いられる。

また、本実施の形態では、位相シフト部材を、図３のように構成した場合について説明したが、位相シフト部材の構成はこれに限らない。要は、位相シフト部材は、入射したレーザ光の位相分布を不連続に変化させて出射するものであればよい。本実施の形態のような構成の面発光装置に適用する場合には、位相シフト部材は、レーザ光の位相分布を、導光板入射面１０ａの長手方向（Ｙ軸方向）のみで不連続に変化させるものであればよい。

また、本実施の形態では、レーザ光１１を導光板１０の前でＹ方向において略平行光に変換する光学系として、フレネルレンズ８を用いたが、フレネルレンズに換えて、屈折レンズやミラーを用いてもよい。

また、本実施の形態では、導光板１０に入射するレーザ光１１のＸ軸方向の発散角を制御する集光レンズを用いているが、集光レンズは、屈折レンズでも、フレネルレンズでも、ミラーでも、あるいは拡散板でもよい。

（実施の形態２）
次に、実施の形態２に係る面発光装置について説明する。図５は、実施の形態２に係る面発光装置の構成を示す断面図である。なお、本実施の形態では、実施の形態１と同様の構成要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。

図５に示す面発光装置２００は、実施の形態１の面発光装置１００とほぼ同様の構成を有する。本実施の形態の面発光装置２００の特徴は、ミラー２１、ミラー２２を用いて、レーザ光を折り返していることである。このような構成にすることで、Ｚ軸方向の長さを短くできるので、装置の小型化を実現できる。

（実施の形態３）
次に、実施の形態３に係る画像表示装置について説明する。図６は、本発明の実施の形態３に係る画像表示装置の概略構成を示す断面図である。なお、本実施の形態では、実施の形態１と同様の構成要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。

図６に示す画像表示装置３００は、図１に示す実施の形態１に対応する面発光装置１００と、表示パネル３１とを有する。

表示パネル３１は、導光板１０の前面１０ｂと対向する位置に配置されている。表示パネル３１は、例えば、公知の液晶パネルであり、図示しない偏光板や液晶セル、カラーフィルタなどから構成されている。

画像表示装置３００は、導光板１０の前面１０ｂから出射したレーザ光１１を表示パネル３１に入射し、表示パネル３１による光の遮断および透過現象を利用して画像を表示する。

このように、本実施の形態によれば、実施の形態１で説明した輝度の均一性が高い、薄型の面発光装置１００を光源として用いるため、輝度ムラを低減することができる。

なお、表示パネル３１と一緒に使用する面発光装置は、実施の形態１の面発光装置１００に限定されない。例えば、画像表示装置は、図５に示す実施の形態２に対応する面発光装置２００と、表示パネル３１とを有する構成としてもよい。この場合の面発光装置はミラー２１、ミラー２２を用いて、レーザ光を折り返しているので、装置の小型化を実現できる。

本発明に係る面発光装置および画像表示装置は、輝度の均一性を向上することができる面発光装置および画像表示装置として有用である。また、本発明に係る面発光装置および画像表示装置は、高画質化、薄型化、小型化、および低消費電力化が望まれる液晶テレビや液晶モニタなどに好適である。

本発明の実施の形態１に係る面発光装置の概略構成を示す断面図 図１の要部の概略構成を示す図１に垂直な方向の断面図 図３（Ａ）はＸ軸方向から見た位相シフタの側面図、図３（Ｂ）はＺ軸方向から見た位相シフタの平面図 図４（Ａ）は位相シフタに入射する前のレーザ光の強度分布を示す図、図４（Ｂ）は集光レンズの焦点面でのレーザ光の強度分布を示す図、図４（Ｃ）はフレネルレンズ位置でのレーザ光の強度分布を示す図 本発明の実施の形態２に係る面発光装置の概略構成を示す断面図 本発明の実施の形態３に係る画像表示装置の要部の概略構成を示す断面図

符号の説明

１ レーザ光源部
１ａ 赤色半導体レーザ
１ｂ 緑色半導体レーザ
１ｃ 青色半導体レーザ
２ａ、２ｂ、２ｃ ビーム成形レンズ
３ 色合成プリズム
４ 折り曲げミラー
５ 位相シフタ
６、９ 集光レンズ
７ 結像光学系
８ フレネルレンズ
１０ 導光板
１０ａ 導光板の入射端面
１０ｂ 導光板の前面
１０ｃ 導光板の背面
１１ 色合成プリズムにより合成されたレーザ光
１１ａ 赤色半導体レーザから出射したレーザ光
１１ｂ 緑色半導体レーザから出射したレーザ光
１１ｃ 青色半導体レーザから出射したレーザ光
２１、２２ ミラー
３１ 表示パネル
１００、２００ 面発光装置
３００ 画像表示装置

Claims (11)

1. レーザ光を出射するレーザ光源部と、
   入射面からレーザ光を導光して出射面から面発光させる導光板と、
   前記レーザ光源部から出射されたレーザ光を入射し、前記レーザ光の位相分布を不連続に変化させて出射する位相シフト部材と、
   前記位相シフト部材から出射されたレーザ光を集光する集光レンズと、
   前記集光レンズから出射されたレーザ光の集光位置の１次像を前記導光板の入射面近傍で２次像に結像する結像光学系と、
   を有する面発光装置。
2. 前記位相シフト部材は、前記導光板入射面の長手方向の位相分布のみを不連続に変化させ、
   前記集光レンズと前記結像光学系は、前記導光板入射面の長手方向にのみパワーを有する、
   請求項１に記載の面発光装置。
3. 前記位相シフト部材は、前記レーザ光の位相を少なくとも２本の平行な直線帯状にシフトする、
   請求項１に記載の面発光装置。
4. 前記位相シフト部材における位相シフト部の位相シフト量は、略１８０度である、
   請求項１に記載の面発光装置。
5. 前記結像光学系と前記導光板との間に配置され、前記導光板に入射するレーザ光を前記導光板の入射面の長手方向において略平行光に変換し、および／または、前記導光板の入射面の短手方向における発散角を制御する光学系を、をさらに有する、
   請求項１に記載の面発光装置。
6. 前記レーザ光源部は、３原色の各色に対応する波長のレーザ光を出射する複数のレーザ光源を有する、
   請求項１に記載の面発光装置。
7. 前記光学系は、１つのフレネルレンズを用いて、前記導光板に入射するレーザ光を前記導光板の入射面の長手方向において略平行光に変換する、
   請求項５に記載の面発光装置。
8. 前記光学系は、１つのフレネルレンズを用いて、前記導光板の入射面の短手方向における発散角を変更する、
   請求項５に記載の面発光装置。
9. 前記光学系は、１つの拡散板を用いて、前記導光板の入射面の短手方向における発散角を変更する、
   請求項５に記載の面発光装置。
10. 前記光学系は、１つのフレネルレンズおよび１つの拡散板を用いて、前記導光板の入射面の短手方向における発散角を変更する、
    請求項５に記載の面発光装置。
11. 請求項１から請求項１０のいずれかに記載の面発光装置と、
    前記導光板の出射面側に配置された表示パネルと、
    を有する画像表示装置。
    

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