JP4337460B2 - 照明装置用光学素子およびその照明装置 - Google Patents

Description

本発明は、液晶表示装置などに用いられる、バックライトなどの照明装置で、数個の冷陰極管やＬＥＤなどの照明光源と、拡散板によって、面照明を行う照明装置用光学素子および照明装置に関するものであり、特に、照明される面内の明るさのバラツキを低減させる技術に関するものである。

従来、液晶表示装置（特に大型のもの）などに用いられるバックライト照明装置は、例えば図１に示すような構成になっていた。

この図で、照明装置は、数本の冷陰極管などの照明光源と、拡散板から成り立っている。照明光源１から発した光２は、やや離れた位置に置いてある拡散板３を照明する。この拡散板３で拡散された光４が、液晶パネルなどを照明する光として用いられる。

しかし、図２に示すように、このような照明装置では、照明光源１に近い位置にある拡散板から発する光５が、遠い位置にある拡散板から発する光６よりも強くなってしまうため、面内の光強度にムラが生じてしまい、液晶表示装置などに用いた場合の画質を損ねるという問題点がある。

このような問題を生じさせないためには、冷陰極管と拡散板との距離を離してやれば良いが、そうするとバックライト部分が厚くなってしまい、液晶表示装置の利点である薄いという効果がなくなってしまうため、用いることができない。

また、用いる例陰極管の数を増やして冷陰極管の間隔をつめるという方法も考えられるが、そうすると電力消費量が大幅に増えてしまい、また、作製も困難になるため現実的ではなかった。

前述したように、従来の液晶表示装置（特に大型のもの）などに用いられるバックライト照明装置では、面内に明るさのムラが生じてしまい、画像の品質を損ねるという問題点があった。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、照明装置の大きさを大きくしないで、面内の明るさのムラを軽減させることが可能な照明装置用光学素子およびその照明装置ことを目的としている。

このような問題点を解決するための一つの方法は、拡散板を照明する一つの照明光源からの光を複数本の照明光源で照らした場合とほぼ等価となるように変える光学素子を用いることである。すなわち、請求項１記載の発明は、透明な樹脂からなる平行平板の一方の面上に形成された２つの回折格子と、反射層によって構成されており、
前記２つの回折格子は、面上に垂直に入射した光を前記平行平板内に全反射される方向に回折するような等しい空間周波数を持っており、その一方は透過型の回折格子であり、もう一方は表面レリーフ型の回折格子からなり、該表面レリーフ型回折格子の外側に前記反射層が形成されていることを特徴とする照明装置用光学素子である。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の照明装置用光学素子において、
前記透過型の回折格子が、複数個存在していることを特徴とする照明装置用光学素子である。

本発明により、透明な樹脂からなる平行平板と、空間周波数の等しい２つの回折格子と、反射層によって構成された光学素子によって、拡散板を照明する一つの照明光源からの光を複数本の照明光源で照らした場合とほぼ等価となるように変えることにより、拡散板からの光の強度ムラを減らし、均一に近い照明ができる照明装置を提供することができるようになる。

以下、本発明の照明装置用光学素子について図面を参照して詳細に説明する。

図３は、本発明の請求項１の光学素子の一実施例を示す概要図である。この図で、透明平板７の一つの面上には、透過型の回折格子８と、表面レリーフ型の回折格子９とが形成されており，回折格子９の上には反射層１０が形成されている。なお、ここでは透過型回折格子８にも表面レリーフ型の回折格子を用いているが、必ずしも表面レリーフ型である必要はない。

この光学素子１１は、図４に示すように、従来の照明装置に対して照明光源１と拡散板３との間で、回折格子８が照明光源１の上になるような位置に置いて用いられる。

図５に示すように、照明光源１からの光は、回折格子８に入射して、ここでそのまま抜ける０次光１２と、回折格子８で回折される＋１次回折光１３、−１次回折光１４に分かれる。回折光１３は、平板内で全反射する角度であるため、境界面１５で全反射されて、その反射光１６が回折格子９に届く、ここで回折格子９には反射層１０がついているため、その一部の光は反射回折されて、回折光１７として射出され、他の光１８はそのまま正反射方向に反射される。この時、回折格子８と回折格子９の空間周波数が等しいため、回折光１７は、０次光１２と同じ方向に射出されることになる。

一方正反射された光１８は再び平板の境界面１５で全反射され、同様の繰り返しで、回折格子９に届くたびに回折光が射出される。このため、０次光１２と同じ方向に射出される光がいくつも生じることになる。

また、−１次光１４のほうも同様にして、０次光１２と同じ方向に射出される光がいくつも生じる。このため、一つの照明光源が、複数個の照明光源とほぼ同等な役割を果たすことになり、用いる照明光源の数を増やして間隔をつめたのと同等になるので、照明光源のムラが緩和される。

ところで、図５は一つの照明光源についての図であるが、普通、照明光源は複数個用いられているので、請求項２に示すように、透過型の回折格子を複数個用いる場合のほうが多い。このような場合を図６に示す。

この図では、２つの透過型回折格子１９、２０と２つの照明光源２１、２２が用いられている。図５の場合と同様に、それぞれの照明光源に対していくつもの光が射出される。この時に照明光源２１による射出光は、伝播していく間に光が弱くなるので光源２１に近く光源２２からは離れた位置の光２３は強く、光源２１から遠く光源２２には近い位置の光２４は弱くなる。一方、照明光源２２による射出光は、光源２２に近く光源２１からは離れた位置の光２５は強く、光源２２から遠く光源２１には近い位置の光２６は弱くなる。

このため、これらの光が補いあって各位置に対し、射出光を合わせた時の強度の違いが小さくなる。

また、回折格子の場合、波長によって回折効率が若干異なるため、伝播していく間に若干光の色味が変わってくるが、このような色の違いも緩和させる効果がある。

このため、複数個の透過型回折格子を用いると、照明光のムラがより小さくなるという利点もある。

次に、請求項３の光学素子の一実施例を図７に示す。この光学素子は、請求項１の光学素子の透過型回折格子８の部分を、透明平板７の反対面に設置された表面レリーフ型回折格子２７と反射層２８に変えた構成となっている。

この場合には図８に示すように照明光源１からの入射光２９は、回折格子２７に入射して、ここで反射回折されて＋１次回折光３０、−１次回折光３１に分かれる。回折光３０は回折格子９でその一部の光が反射回折されて、回折光３２として射出され、他の光３３はそのまま正反射方向に反射される。この時、回折格子２７と回折格子９の空間周波数が等しいため、回折光３２は、入射光２９と同じ方向に射出されることになる。

一方正反射された光３３は平板の境界面１５で全反射され、同様の繰り返しで、回折格子９に届くたびに回折光が射出される。このため、入射光２９と同じ方向に射出される光がいくつも生じることになる。

また、−１次光３１のほうも同様にして、入射光２９と同じ方向に射出される光がいくつも生じる。このため、一つの照明光源が、複数個の照明光源とほぼ同等な役割を果たすことになり、用いる照明光源の数を増やして間隔をつめたのと同等になるので、照明光源のムラが緩和される。

普通、表面レリーフ回折格子では透過型よりも反射型のほうが浅い凸凹で高い回折効率が得られるので、このような構成にすると浅い凸凹の回折格子だけで光学素子を作製できるという利点がある。

なお、回折格子２７の形状としては三角波形状にしておくのが、光の利用上は最も効率
が良い。

また、普通、照明光源は複数個用いられているので、この場合も請求項４に示すように、透過型の回折格子を複数個用いる場合のほうが多く、そのほうが光の均一性も良くなる。

本発明の照明装置用光学素子およびその照明装置は、液晶表示装置などに用いられる、バックライトなどの照明装置として利用されるものである。

従来の照明装置の一実施例を示す概要図である。 従来の照明装置の問題点を説明するための概要図である。 本発明の請求項１（請求項２）の光学素子の一実施例を示す概要図である。 本発明の請求項１（請求項２）の光学素子を照明装置に用いる場合の概要図である。 本発明の請求項１の光学素子の原理を示す概要図である。 本発明の請求項２の光学素子の原理を示す概要図である。 本発明の請求項３（請求項４）の光学素子の一実施例を示す概要図である。 本発明の請求項３の光学素子の原理を示す概要図である。

Claims (2)

1. 透明な樹脂からなる平行平板の一方の面上に形成された２つの回折格子と、反射層によって構成されており、
   前記２つの回折格子は、面上に垂直に入射した光を前記平行平板内に全反射される方向に回折するような等しい空間周波数を持っており、その一方は透過型の回折格子であり、もう一方は表面レリーフ型の回折格子からなり、該表面レリーフ型回折格子の外側に前記反射層が形成されていることを特徴とする照明装置用光学素子。
2. 請求項１記載の照明装置用光学素子において、
   前記透過型の回折格子が、複数個存在していることを特徴とする照明装置用光学素子。