JP4517794B2 - 導光板およびディスプレイ装置 - Google Patents

Description

本発明は、光源からの光を導光する導光板、およびこの導光板から出射される光を照明光として用いるディスプレイ装置に関する。

ＬＣＤを用いたディスプレイ装置は、軽量かつコンパクトな設計が可能となることから、パソコンやテレビ等に広く利用されている。この種のディスプレイ装置は、マトリクス内に配置された複数のピクセルからなり、マトリクス内の各ピクセルは、制御信号に応答して、光がディスプレイ内を通過できるようにする光バルブを備えている。このディスプレイを照明するために、ディスプレイの背面にバックライトが配置されている。

このようなバックライトには、平面状の導光板が用いられているものがある。図６は、このようなバックライトを適用したディスプレイ装置の一般的な構成を示す概念図である。すなわち、光源１０から、例えば白色光のようなランダムな光Ｒが照射されると、この光Ｒは、導光板１２内を導光方向Ｆに沿って導光される。そして、その導光途中において、導光板１２の外部に漏れ出た光Ｉが拡散フィルム１４によって拡散され、その後プリズムシート１６を介した後にＬＣＤ１８に入射する。

すなわち、拡散フィルム１４は、この光Ｉを拡散して、ＬＣＤ１８の表面全体を等しく照明するために用いられている。また、プリズムシート１６は、ＬＣＤ１８の輝度を増加させるために用いられている。

このような構成によって、ＬＣＤ１８の輝度をある程度増加することはできるが、光源１０からの光Ｒの利用率はさほど高い訳ではない。というのも、光源１０からの光Ｒは、その６０〜７０％程度のみが光ＩとしてＬＣＤ１８の照明に用いられ、３０〜４０％程度は、導光板１２の終端部１１まで導光され、そこからそのまま光Ｌとしてリークしてしまうからである。

しかも、ＬＣＤ１８は、光Ｉに含まれる偏光光のうち、直線的なＳ偏光光を必要とするので、光Ｉに含まれるＰ偏光光を遮光し、光Ｉに含まれるＳ偏光光のみを取り出す図示しない偏光子が含まれている。この偏光子によって、プリズムシート１６を介して入射する光Ｉのうちの、Ｐ偏光光は使用されず、残りの約半分であるＳ偏光光しかＬＣＤ１８の照明に使用されておらず、照明光率が高くない。この対策として、ＬＣＤ１８の表面を偏光板１９によって覆うことが一般的になった。

このような偏光板１９を用いることによって、Ｓ偏光光を再利用できるようになり、ＬＣＤ１８の輝度を若干増加させることができるようになった。しかしながら、依然として、光源１０からの光Ｒのうちの３０〜４０％程度は、終端部１１からリークしてしまい、ＬＣＤ１８の照明に全く寄与しておらず、光Ｒの利用効率は低い。

光源１０からの光Ｒの利用効率の向上を図るためになされた発明としては、下記特許文献１に記載された導光板がある。この導光板２０は、図７に示すように、複屈折率を有する複屈折材からなる基材２１を、コーティング材２４でコーティングすることによって形成されている。また、基材２１とコーティング材２４との境界には、透過型の回折格子２３が設けられている。

この場合も同様に、光源から例えば白色光のようなランダムな光Ｒが照射されると、この光Ｒは、導光板２０内をほぼ導光方向Ｆに沿って導光される。そして、その導光途中において、回折格子２３の透過時に回折された光Ｉが、導光板２０の外部に出射される。

例えば、図７に示すように、回折された光Ｉが出射されるような場合、その回折効率は、入力光である光Ｒの偏光状態に依存し、図８（ａ）に示すようにＰ偏光光が出射されるＴＭモードに対するよりも、図８（ｂ）に示すようにＳ偏光光が出射されるＴＥモードに対する方が高い。

したがって、図７に示すような構成とすることによって、導光板２０から出射される光Ｉに含まれるＳ偏光光の割合を高めることができる。これによって、光Ｉの出射後に導光板２０に残った光Ｒには、Ｐ偏光光が多く残るようになるものの、複屈折材は、光Ｒの偏光状態を変化させる作用を有しているので、Ｐ偏光光がＳ偏光光に変化させられ、逆にＳ偏光光の割合が多くなる。これによって、次の回折出射時には、Ｓ偏光光の光の割合が高い光Ｉが、効率良く導光板２０から出射するようになる。

このようなメカニズムが導光板２０の導光方向Ｆに沿って繰り返されることによって、導光板２０の終端部１１からリークする光Ｌの量が減少し、光源１０からの光Ｒの利用効率の向上が図られている。
特開平９−２９２５３０号公報

しかしながら、このような従来の導光板は、以下のような問題がある。

すなわち、上記特許文献１の発明の導光板２０は、図７に示すように、基材２１とコーティング材２４との２層によって構成され、両層の境界線上に回折格子２３が設けられている。

このような構成では、導光板２０内を導光される光Ｒは、基材２１の部位でのみ偏光作用がなされ、コーティング材２４の部位では偏光されないために、偏光効率は必ずしも高い訳ではなく、光Ｒの利用効率の更なる向上を図る余地が残されている。

また、構成が複雑であるので、光Ｒを回折出射させるために必要な基材２１とコーティング材２４との屈折率差を大きく取ることが困難であること、更に、回折格子２３は透過型であることから、回折格子２３にて生じる回折の効率が低く、さほど強い光を出射できないという問題がある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、光源から入射された光の利用効率を更に高めるとともに、強い光を出射することが可能な導光板および、この導光板をバックライトとして用いたディスプレイ装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明では、以下のような手段を講じる。

すなわち、本発明の導光板は、複屈折性を有する物質により形成され、端部に設けられた光源から内側に入射された光の平均的な導光方向が、物質の光学軸方向とほぼ垂直になるように、入射された光を導光する導光部と、導光部の内側表面に導光方向に沿って配置され、導光部によって導光された光が、導光部の内側から外側へ出射されるように、導光された光を回折反射させるブレーズドレリーフ型回折格子とを備えている。

このブレーズドレリーフ型回折格子は、ボリュームタイプ、あるいはレリーフタイプの何れのタイプのものも適用することができる。また、好ましくは、ブレーズドレリーフ型回折格子の格子間隔を０．１μｍ以上２μｍ以下とする。０．１μｍ未満では製造が困難となり、逆に２μｍよりも大きくなると回折格子の数が少なくなってしまい、十分な効果が得られなくなるからである。

このような手段を講じることにより、構成を簡素化し、更に、透過型の回折格子よりも強い光を出射することができる。また、導光部が全て複屈折物質により形成されていることから、出射後に残った光に多く含まれるＰ偏光光を、極めて効率良くＳ偏光光に偏光することができる。これによって、その後の出射において出射光に含まれるＳ偏光光の割合を高めることができるとともに、導光部から出射されずにそのままリークする光を低減することができるようになり、光源からの光の利用効率を高めることが可能となる。

また、回折格子を導光部と同一材料で形成してもよい。これによって、本発明の導光板を一体的に製造することが可能となる。

以上のような導光板と、光源と、導光板から出射された光によって照明されるＬＣＤとを備えたディスプレイ装置を構成することによって、このディスプレイ装置は、より高性能となり、例えば、従来と同じ性能の光源を使っても、従来よりも明るく表示することが可能となる。あるいは、従来よりも暗い能力の低い光源を用いても、従来と同程度の明るさで表示することができることから、必要電力の低減化、光源の小型化、光学素子の減少等により低廉化を図ることが可能となる。

本発明の導光板によれば、構成を簡素化し、更に、透過型の回折格子よりも強い光を出射することができる。また、導光部が複屈折物質により形成されていることから、出射後に残った光に多く含まれるＰ偏光光を、極めて効率良くＳ偏光光に偏光することができる。これによって、その後の出射において出射光に含まれるＳ偏光光の割合を高めることができるとともに、導光部から出射されずにそのままリークする光を低減することができるようになり、光源からの光の利用効率を高めることが可能となる。

また、以上のような導光板と、光源と、導光板から出射された光によって照明されるＬＣＤとを備えたディスプレイ装置を構成することによって、このディスプレイ装置は、より高性能となり、例えば、従来と同じ性能の光源を使っても、従来よりも明るく表示することが可能となる。あるいは、従来よりも暗い能力の低い光源を用いても、従来と同程度の明るさで表示することができることから、必要電力の低減化、光源の小型化、光学素子の減少等により低廉化を図ることが可能となる。

以下に、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら説明する。

なお、以下の実施の形態の説明に用いる図中の符号は、図６乃至図８と同一部分については同一符号を付して示すことにする。

図１は、本発明の実施の形態に係る導光板の構成例を示す断面図である。

すなわち、同実施の形態に係る導光板２は、複屈折性を有する物質により形成され、光源１０から内側に入射された光Ｒの平均的な導光方向Ｆが、物質の光学軸方向とほぼ垂直になるように、光Ｒを導光する導光部３と、導光部３の内側表面に導光方向Ｆに沿って配置され、導光部３によって導光された光Ｒが、導光部３の内側から外側に出射されるように光Ｒを回折反射させる反射型の回折格子４とを備えている。

複屈折性を有する物質として、ＰＥＴ、ＰＣＢ、アクリル等の多くのタイプのプラスチック材を使用することが可能である。また、複屈折性物質の光軸方向は、予め定めた方向に沿って応力を加えることによって設定することができる。これは、とても一般的に行われている。

図１に示す回折格子４は、レリーフタイプのものを示しているが、このような導光板２に代えて、図２に示すように、ボリュームタイプの回折格子４’を用いた導光板２’を用いることも可能である。

回折格子４の格子間隔としては、好ましくは、０．１μｍ以上２μｍ以下とする。０．１μｍ未満では製造が困難となり、逆に２μｍよりも大きくなると回折格子の数が少なくなってしまい、十分な効果が得られなくなるからである。回折格子４と導光部３とは、同一材料で形成してもよい。これによって、導光板２を一体的に製造することが可能となる。また、回折格子４の外側（非導光部３側）に、回折格子４を透過した光を導光部３側に戻すために、反射体５を配置するようにしても良い。

次に、以上のように構成した同実施の形態に係る導光板２の作用について説明する。

すなわち、光源１０から、例えば白色光のようなランダムな光Ｒが導光部３の内部に入射すると、この光Ｒは、導光部３内を導光方向Ｆに沿って導光される。そして、その導光途中において、導光部３の内側表面に、導光方向Ｆに沿って配置された反射型の回折格子４によって回折反射された光Ｒ’は、導光部３の外部へと出射される。

図３は、同実施の形態に係る導光板２の回折格子４による１次回折反射光の回折効率を示すグラフである。横軸が、導光部３の内側表面に対する光Ｒの入射角度であり、縦軸は回折効率を示す。このグラフは、回折格子４として２０００ライン／ｍｍのブレーズドレリーフ型回折格子、導光部３の屈折率として１．５、入射光Ｒの波長として５００ｎｍの条件において、光ＲのうちのＳ偏光光が回折されるＴＥモードと、光ＲのうちのＰ偏光光が回折されるＴＭモードとのそれぞれについて計算した結果である。なお、αｃは臨界角である。

図３に示すように、ＴＥモードの回折効率は、ＴＭモードの数倍であるので、同実施の形態に係る導光板２の導光部３では、Ｓ偏光光がＰ偏光光よりも数倍多く出射される。

一方、このように、一度の光Ｉの出射によって、Ｓ偏光光がＰ偏光光よりも数倍多く出射されることから、導光部３内に残った光Ｒには、Ｐ偏光光が多く含まれるようになる。しかしながら、導光部３では、光Ｒの平均的な導光方向Ｆが、複屈折性物質の光学軸方向とほぼ垂直であることから、図４に示すように、光Ｒが効率良く偏光される。つまり、Ｐ偏光光からＳ偏光光への変化が効率良くなされ、Ｓ偏光光の割合が多くなる。この状態で回折出射されることによって、次の回折出射時には、やはりＳ偏光光が多く含まれる光Ｉが、効率良く導光板２から出射される。なお、回折された光Ｒ’は、複屈折性物質の光学軸方向とほぼ平行であり、前記方向については、光学軸に進む光の常光線と異常光線との屈折率の差が最小となるので、その光の偏光が変わらないという特性を持つことから、ほとんど偏光されることなく、ほぼそのままの偏光状態が維持されたまま出射される。

同実施の形態に係る導光板２では、導光部３が全て複屈折性物質で構成されているので、このようなＰ偏光光からＳ偏光光への変化が極めて効率よく行われる。したがって、このようなメカニズムが導光部３の導光方向Ｆに沿って繰り返されることによって、導光部３の終端部１１からリークする光Ｌが減り、逆に光源１０からの光Ｒのほとんどが導光部３の外へと出射される。しかも、この出射光Ｉは、Ｓ偏光光の割合が高められている。

なお、回折格子４の表面で回折した一部の光Ｒ’’の一部は、そのまま回折格子４を透過して導光部３の外部へ漏れ出る恐れがある。しかしながら、回折格子４の外側（非導光部３側）に、反射体５を配置することによって、回折格子４を透過した光Ｒ’’を反射し、導光部３内に戻すことによって、導光部３の外部に光Ｒ’’が漏れ出ることが阻止される。

図５に示すように、導光板２に、更に拡散フィルム１４、プリズムシート１６、ＬＣＤ１８を付加してディスプレイ装置を構成した場合、前述したようにＬＣＤ１８ではＳ偏光光のみが照明光として使用される。したがって、このようなディスプレイ装置は、同実施の形態に係る導光板２から出射されるＳ偏光光の割合が高い光Ｉを、照明光として用いることから、ＬＣＤ１８が極めて効率良く照明される。

上述したように、同実施の形態に係る導光板２においては、上記のような作用により、構成を簡素化し、更に、透過型の回折格子よりも強い光を出射することができる。また、導光部３が複屈折物質により形成されていることから、出射後に残った光Ｒに多く含まれるＰ偏光光を、極めて効率良くＳ偏光光に偏光することができる。これによって、その後の出射において出射光Ｉに含まれるＳ偏光光の割合を高めることができるとともに、導光部３から出射されずにそのまま終端部１１からリークする光Ｌを低減することができるようになり、光源１０からの光の利用効率を高めることが可能となる。

また、以上のような導光板２と、光源１０と、導光板２から出射された光Ｉによって照明されるＬＣＤ１８とを備えたディスプレイ装置を構成することによって、このディスプレイ装置は、より高性能となり、例えば、従来と同じ性能の光源を使っても、従来よりも明るく表示することが可能となる。あるいは、従来よりも暗い能力の低い光源を用いても、従来と同程度の明るさで表示することができることから、必要電力の低減化、光源の小型化、光学素子の減少等により低廉化を図ることが可能となる。

以上、本発明を実施するための最良の形態について、添付図面を参照しながら説明したが、本発明はかかる構成に限定されない。特許請求の範囲の発明された技術的思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明の実施の形態に係る導光板の構成例を示す断面図。 ボリュームタイプの回折格子を用いた導光板の構成例を示す断面図。 同実施の形態に係る導光板の回折格子による１次回折反射光の回折効率を示すグラフ。 導光部内で行われる光の偏光作用を示す概念図。 同実施の形態に係る導光板を用いたディスプレイ装置の構成例を示す概念図。 従来技術の導光板を用いたディスプレイ装置の一般的な構成を示す概念図。 従来技術の導光板内で行われる光の偏光作用を示す概念図。 導光板から出射する光の偏光状態を示す概念図。

符号の説明

Ｆ…導光方向、２…導光板、３…導光部、４…回折格子、５…反射体、１０…光源、１１…終端部、１２…導光板、１４…拡散フィルム、１６…プリズムシート、１８…ＬＣＤ、１９…偏光板、２０…導光板、２１…基材、２３…回折格子、２４…コーティング材

Claims (6)

1. 複屈折性を有する物質により形成され、端部に設けられた光源から内側に入射された光の平均的な導光方向が、前記物質の光学軸方向とほぼ垂直になるように、前記入射された光を導光する導光部と、
   前記導光部の内側表面に前記導光方向に沿って配置され、前記導光部によって導光された光が、前記導光部の内側から外側へ出射されるように、前記導光された光を回折反射させるブレーズドレリーフ型回折格子と
   を備えた導光板。
2. 請求項１に記載の導光板において、
   前記回折格子を、ボリュームタイプのブレーズドレリーフ型回折格子とした導光板。
3. 請求項１に記載の導光板において、
   前記回折格子を、レリーフタイプのブレーズドレリーフ型回折格子とした導光板。
4. 請求項１乃至３のうち何れか１項に記載の導光板において、
   前記ブレーズドレリーフ型回折格子の格子間隔を０．１μｍ以上２μｍ以下とした導光板。
5. 請求項１乃至４のうち何れか１項に記載の導光板において、
   前記ブレーズドレリーフ型回折格子を前記導光部と同一材料で形成した導光板。
6. 請求項１乃至５のうち何れか１項に記載の導光板と、
   前記導光板に備えられた導光部の内側に入射される光を照射する光源と、
   前記導光部から出射された光によって照明されるＬＣＤと
   を備えたディスプレイ装置。

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