JP2010170755A - 面発光装置および画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】輝度の均一性が高い薄型の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、マルチストライプの半導体レーザ光源部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、レーザ光の強度分布を導光板１０の入射面の長手方向においてのみ多重反射するロッドインテグレータ６と、ロッドインテグレータ６に入射するレーザ光の発散角を制御するシリンドリカルレンズ５と、ロッドインテグレータか６ら出射されたレーザ光を、導光板１０の入射面近傍位置において、導光板１０の入射面の長手方向に略一致させて結像させる結像光学系７と、を有し、半導体レーザ光源のマルチストライプの配列方向と導光板の長手方向が略一致するように配置されている。
【選択図】図２

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（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。

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

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を用いているため、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、輝度の均一性が高く且つ薄型の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、
複数のレーザ光を出射するマルチストライプ構造の半導体レーザ光源と、
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、
前記マルチストライプ構造の半導体レーザ光源から出射されたレーザ光を入射し、前記レーザ光の強度分布を、出射面において、少なくとも一方向に略均一な強度分布に変換するロッドインテグレータと、
前記ロッドインテグレータに入射する前記レーザ光の発散角を制御する入射レンズ部と、
前記ロッドインテグレータから出射されたレーザ光の前記略均一な強度分布を、前記導光板の入射面近傍位置において、前記導光板の入射面の長手方向に略一致させて結像させる結像光学系と、を有し、
前記マルチストライプ構造の半導体レーザ光源のマルチストライプの配列方向と前記導光板の長手方向が略一致するように配置されている構成を採る。

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に垂直な方向（Ａ−Ａ断面）の断面図である。

図１および図２に示す面発光装置１００は、マルチストライプの半導体レーザ光源部１、ビーム成形部２、色合成プリズム３、折り曲げミラー４、シリンドリカルレンズ５、ロッドインテグレータ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ＹＺ平面に沿う断面図である。

図１において、マルチストライプの半導体レーザ光源部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つのマルチストライプ半導体レーザ光源（以下単に「マルチストライプ半導体レーザ」という）１ａ、１ｂ、１ｃから構成されている。例えば、マルチストライプ半導体レーザ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、マルチストライプ半導体レーザ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、マルチストライプ半導体レーザ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。なお本実施の形態においてマルチストライプの配列方向はＹ軸及び導光板の入射端面１０ａの長手方向に平行である。

ビーム成形部２は、マルチストライプの半導体レーザ光源部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、各マルチストライプ半導体レーザ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、対応するマルチストライプ半導体レーザ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、対応するマルチストライプ半導体レーザ１ａ〜１ｃからのレーザ光を、図１のｘ軸方向にはビーム径がＡである略平行ビームに変換している。一方で図２に示すＹ軸方向は、マルチストライプの配列方向であるので、レーザ光のＹ軸方向の発散角は光源の幅に応じて広がりを持つ。

各マルチストライプ半導体レーザ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）、シリンドリカルレンズ５に入射される。

シリンドリカルレンズ５は、図２に示すように、Ｙ軸方向にのみパワーを有し、レーザ光１１のＹ軸方向における発散角を制御することでレーザ光１１を収束光に変換する。また、シリンドリカルレンズ５は、図１に示すように、Ｘ軸方向にはパワーを有さない。よって、レーザ光１１は、Ｘ軸方向については、略平行光のままシリンドリカルレンズ５を透過する。このように、シリンドリカルレンズ５によって、Ｙ軸方向の発散角が制御されたレーザ光１１は、ロッドインテグレータ６に入射される。

ロッドインテグレータ６は、図１および図２に示すように、ロッドの長手方向がＺ軸に平行となるように配置されている。ロッドインテグレータ６に入射するレーザ光１１は、ロッドインテグレータ６内で多重反射しながら伝搬されるので、強度分布が略一様な光に変換されて出射する。ここで、本実施の形態の場合、シリンドリカルレンズ５によってレーザ光がＸ軸方向において略平行とされ、Ｙ軸方向において発散されている。これにより、ロッドインテグレータ６に入射するレーザ光１１は、図２に示すように、Ｙ軸方向において、ロッドインテグレータ６の中を多重反射しながら伝播するので、ロッドインテグレータ６の出口でのレーザ光１１は、Ｙ軸方向の強度分布が略均一な分布に変換される。これに対して、ロッドインテグレータ６に入射するレーザ光１１は、図１に示すように、Ｘ軸方向において、略平行光のままロッドインテグレータ６を透過する。ロッドインテグレータ６を出射したレーザ光１１は、結像光学系７に入射される。

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軸方向においてロッドインテグレータ６の出射口で略均一に形成されたレーザ光１１の強度分布を、フレネルレンズ８の位置に拡大投影する。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のＹ軸方向の投影倍率は、フレネルレンズ８の位置においてレーザ光１１のビーム幅が導光板１０の入射端面１０ａの長手方向の幅Ｂに略等しい幅に変換されるように設定されている。図３に、フレネルレンズ８の位置におけるレーザ光１１のＹ軸方向の強度分布を示す。レーザ光１１の強度分布が導光板の長手方向の幅Ｂに略等しいビーム幅で略均一分布になっている。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。

フレネルレンズ８および集光レンズ９は、発散角制御光学系の一例である。

このように、ビーム成形部２と、シリンドリカルレンズ５と、ロッドインテグレータ６は、マルチストライプの半導体レーザ光源部１から出射されたレーザ光の強度分布を、導光板１０の入射面の長手方向において略均一な強度分布に変換する強度分布変換部として機能する。

また、ビーム成形部２と、シリンドリカルレンズ５は、ロッドインテグレータ６に入射するレーザ光の発散角を制御する入射レンズ部として機能する。

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レ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、レーザ光の強度分布を、導光板１０の入射面の長手方向（Ｙ軸方向）に略均一な強度分布に変換するロッドインテグレータ６と、ロッドインテグレータ６に入射するレーザ光の発散角を制御するシリンドリカルレンズ５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、マルチストライプの半導体レーザ光源部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。

本実施の形態では、マルチストライプの半導体レーザ光源部１の配列方向に垂直な方向を導光板の短手方向であるＸ軸方向に一致させているためレーザ光１１を、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させることが出来るので、面発光装置１００はＸ軸方向に薄型にすることが出来る。仮にマルチストライプの半導体レーザ光源部１の配列方向を導光板の短手方向に平行に配置した場合、レーザ光１１は導光板の短手方向に発散角を持ってしまうので、Ｘ軸方向のビーム幅が大きくなる分装置を薄型化することが出来ない。

なお、本実施の形態では、マルチストライプの半導体レーザ光源部１をマルチストライプ半導体レーザ１ａ、１ｂ、１ｃによって構成したが、これに限らない。例えば、マルチストライプ半導体レーザ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、ロッドインテグレータ６に入射するレーザ光の発散角を制御する入射レンズ部として、シリンドリカルレンズ５を用いたが、これに限らない。要は、Ｙ軸方向にのみパワーを有し、Ｙ軸方向の発散角を制御できるレンズであればよい。

また、本実施の形態では、レーザ光１１を導光板１０の前でＹ軸方向において略平行光に変換する発散角制御光学系として、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４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４に示す面発光装置４００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４００の特徴は、ミラー４１、ミラー４２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５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５に示す画像表示装置５００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５１とを有する。

表示パネル５１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５１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５００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５１に入射し、表示パネル５１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５１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４に示す実施の形態２に対応する面発光装置４００と、表示パネル５１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４１、ミラー４２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 フレネルレンズへ入射する位置におけるレーザ光のＹ軸方向の強度分布の一例を示す図 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概略構成を示す断面図

１ マルチストライプの半導体レーザ光源部
１ａ マルチストライプ赤色半導体レーザ
１ｂ マルチストライプ緑色半導体レーザ
１ｃ マルチストライプ青色半導体レーザ
２ ビーム成形部
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 シリンドリカルレンズ
６ ロッドインテグレータ
７ 結像光学系
８ フレネルレンズ
９ 集光レンズ
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 マルチストライプ赤色半導体レーザから出射したレーザ光
１１ｂ マルチストライプ緑色半導体レーザから出射したレーザ光
１１ｃ マルチストライプ青色半導体レーザから出射したレーザ光
４１、４２ ミラー
５１ 表示パネル
１００、４００ 面発光装置
５００ 画像表示装置

Claims (13)

1. 複数のレーザ光を出射するマルチストライプ構造の半導体レーザ光源と、
   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、
   前記マルチストライプ構造の半導体レーザ光源から出射されたレーザ光を入射し、前記レーザ光の強度分布を、出射面において、少なくとも一方向に略均一な強度分布に変換するロッドインテグレータと、
   前記ロッドインテグレータに入射する前記レーザ光の発散角を制御する入射レンズ部と、
   前記ロッドインテグレータから出射されたレーザ光の前記略均一な強度分布を、前記導光板の入射面近傍位置において、前記導光板の入射面の長手方向に略一致させて結像させる結像光学系と、を有し、
   前記マルチストライプ構造の半導体レーザ光源のマルチストライプの配列方向と前記導光板の長手方向が略一致するように配置されていることを特徴とする面発光装置。
2. 前記入射レンズ部は、前記ロッドインテグレータに入射する前記レーザ光の発散角を、マルチストライプの配列方向に対し垂直な方向に対しては、略平行に制御する、
   請求項１に記載の面発光装置。
3. 前記入射レンズ部は、
   前記レーザ光を略平行光に変換する第一レンズ部と、
   一方向にのみパワーを有する第二レンズ部と、
   を有する請求項１に記載の面発光装置。
4. 前記第二レンズ部がパワーを有する前記一方向は、前記導光板の入射面の長手方向及び前記マルチストライプの配列方向と一致しており、
   前記ロッドインテグレータは、前記導光板の入射面の長手方向における前記レーザ光の強度分布を略均一に変換する、
   請求項３に記載の面発光装置。
5. 前記結像光学系は、一方向にのみパワーを有し、
   前記パワーの方向は、前記ロッドインテグレータによってレーザ光が均一な強度分布に変換される方向と略平行である、
   請求項１から４いずれかに記載の面発光装置。
6. 前記マルチストライプ構造の半導体レーザ光源は、出射するレーザ光の波長が互いに異なる複数のマルチストライプ構造の半導体レーザ光源から構成され、
   前記面発光装置は、前記複数のマルチストライプ構造のレーザ光源から出射されたレーザ光を合成する光合成部、をさらに有し、
   前記ロッドインテグレータは、前記光合成部によって合成されたレーザ光の強度分布を、出射面において、少なくとも一方向に略均一な強度分布に変換する、
   請求項１に記載の面発光装置。
7. 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変更する発散角制御光学系、をさらに有する、
   請求項１に記載の面発光装置。
8. 前記複数のマルチストライプ構造の半導体レーザ光源は、
   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。
9. 前記発散角制御光学系は、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７に記載の面発光装置。
10. 前記発散角制御光学系は、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７に記載の面発光装置。
11. 前記発散角制御光学系は、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７に記載の面発光装置。
12. 前記発散角制御光学系は、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７に記載の面発光装置。
13. 請求項１から請求項１２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。

Images