JP4712433B2 - 照明装置及び液晶表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、光源と導光板とにより構成される照明装置及びその照明装置を使用した液晶表示装置に関する。

液晶表示装置は、薄くて軽量であり、消費電力が小さいため、携帯電話や携帯端末（ＰＤＡ：Personal Digital Assistants ）等の電子機器に広く使用されている。これらの電子機器に使用される液晶表示装置には、通常、バックライトと呼ばれる照明装置が設けられている。

図１は、従来の液晶表示装置の一例を示す模式図である。この図１に示すように、液晶表示装置は、液晶パネル１０と、液晶パネル１０の背面に配置されるバックライト２０とにより構成されている。

液晶パネル１０は、２枚の透明基板１１ａ，１１ｂの間に液晶１２を封入して形成されている。また、液晶パネル１０の厚さ方向の両側には、それぞれ偏光板（図示せず）が配置されている。

バックライト２０は、光源となるＬＥＤ（Light Emitting Diode：発光ダイオード）２１と、導光板２２と、反射シート２３と、プリズムシート２４とにより構成されている。ＬＥＤ２１は、導光板２２の一方の端面側に配置されている。通常、２インチの液晶パネルの場合、３〜４個のＬＥＤ２１が使用される。

導光板２２は透明樹脂からなり、図１に示すように断面が楔状に形成されている。この導光板２２の裏面側には反射シート２３が配置され、前面側（液晶パネル１０側）にはプリズムシート２４が配置されている。

このように構成された液晶表示装置において、ＬＥＤ２１から放出された光は導光板２２内に進入し、反射シート２３で反射されて液晶パネル１０に向けて出射される。

液晶パネル１０を構成する２枚の透明基板１１ａ，１１ｂのうちの一方の基板には画素毎に画素電極が形成されており、他方の基板にはそれらの画素電極に対向する共通電極（コモン電極）が形成されている。この画素電極と対向電極との間に印加する電圧により、画素を透過する光の量を制御することができる。そして、画素毎に光の透過量を制御することにより、所望の画像を表示することができる。

液晶表示装置においては、バックライト２０から出射された光が液晶パネル１０の全面を均一に照射することが好ましい。そのために、導光板２２の前面や裏面に微細な凹凸を設けて光がより均一に散乱するようにしたり、図１に示すように導光板２２と液晶パネル１０との間に配光制御板としてプリズムシート２４を配置したりしている。

ところで、図１に示すように単にＬＥＤ２１を導光板２２の端面近傍に配置しただけでは、輝度むらが発生して液晶表示装置に表示された画像の品質が低下するという問題がある。図２はバックライト２０を液晶パネル１０側から見たときの平面図である。この図２に示すように、液晶表示装置には通常複数個のＬＥＤ２１が使用されている。しかし、ＬＥＤ２１を導光板２２の端面近傍に配置しただけでは、ＬＥＤ２１間の領域に光が届かないために暗い部分（図２にＡで示す部分）が発生し、ＬＥＤ２１の正面近傍には輝度が高い部分（図２にＢで示す部分）が発生する。

従来から、このような問題を解消するために、種々の技術が開発されている。例えば、特開２００４−１６３８８６号公報には、光源と導光板との間に凹レンズを配置した照明装置が記載されている。この照明装置においては、光源から出射された光が凹レンズで屈折され、輝度むらの発生を回避することができる。また、特開２００２−３５７８２３号公報には、図３（ａ）に示すように、ＬＥＤ２１に対応する部分に半円形の切り欠きを設けた導光板２６が記載されている。この導光板２６でも、ＬＥＤ２１から放出された光が切り欠きの部分で屈折されるので、ＬＥＤ２１間の領域にも光が届くようになり、輝度むらの発生が回避される。

更に、特開２００３−３３１６２８号公報には、図３（ｂ）に示すように、導光板２７のＬＥＤ配置側の端面全体に多数のプリズム（三角形の凹凸）２７ａを形成することが記載されている。この導光板２７においても、ＬＥＤ２１から放出された光がプリズム２７ａにより屈折されるので、ＬＥＤ２１間の領域にも光が届くようになり、輝度むらが抑制される。

更にまた、図３（ｃ）に示すように、導光板２８のＬＥＤ配置側の端面に微細な凹凸を形成したものもある。このような微細な凹凸は、金型ブロックへのブラスト処理により形成される。この導光板２８においては、ＬＥＤ２１から放出された光が導光板内に進入する際に微細な凹凸により散乱され、ＬＥＤ２１間の領域にも光が届くようになって輝度むらの発生が回避される。

図４は、図３（ｃ）に示す導光板２８の製造方法を示す模式図である。この図４に示すように、金型ブロック４１にブラスト処理を施す。すなわち、金型ブロック４１にノズル４２から噴射された砂（砥粒）を噴き付けて表面に凹凸を形成する。このとき、砂の材質、粒径、噴射速度、噴射量及び噴き付け角度等を調整して凹凸パターンを変化させることができる。

次に、この金型ブロック４１を使用して導光板２８を成形する。その後、導光板２８にＬＥＤ、反射シート及びプリズムシート等を取り付けてバックライトとし、ＬＥＤを点灯して光学特性（均一性）を評価する。そして、所望の光学特性が得られない場合は、条件を変えて再度ブラスト処理を実施する。
特開２００４−１６３８８６号公報 特開２００２−３５７８２３号公報 特開２００３−３３１６２８号公報 特開２００３−５７６５２号公報

しかしながら、図３（ａ）〜（ｃ）に示す導光板を使用する従来の照明装置には、以下に示す問題点がある。すなわち、図３（ａ）に示す導光板２６を使用する照明装置では、ＬＥＤ２１と半円形の切り欠きとを高精度に位置合わせする必要がある。また、ＬＥＤ２１の個数及び位置が導光板２６の切り欠きにより決まってしまうために汎用性がなく、パネルサイズの変化に容易に対応することができない。

図３（ｂ）に示す導光板２７を使用する照明装置でも、ＬＥＤ２１とプリズム２７ａとを高精度に位置合わせする必要がある。また、プリズム２７ａを有効に利用するためにはＬＥＤ２１と導光板２７との間に一定の距離が必要となるため、導光板２７に入射しない漏れ光が増大し、光の利用効率が低下して液晶パネル側に出射される光の量が低下するという問題が発生する。

図３（ｃ）に示す導光板２８では、ＬＥＤ配置側の端面全体に微細な凹凸が形成されているため高精度の位置合わせが不要ではあるものの、金型ブロック４１へのブラスト処理と成形及び光学評価とを繰り返して所望の特性を示す凹凸を形成する必要があり、金型製造に時間がかかるという欠点がある。また、携帯電話の場合は製造数が多いために多くの成形金型が必要となるが、ブラスト処理による凹凸の再現性が悪いために金型品質の均一化に問題があり、製品コストが上昇する原因となっている。

また、特開２００４−１６３８８６号公報に記載された照明装置においても、光源とレンズとを高精度に位置合わせする必要があり煩雑であるとともに、光源と導光板との間隔が大きくなるので光の利用効率が低下するという問題点がある。

以上から、本発明の目的は、輝度むらがなく、光の利用効率が高く、光学特性の再現性が優れているとともに、製品コストを低減できる照明装置及びその照明装置を使用した液晶表示装置を提供することである。

上記した課題は、光源と、前記光源から出射された光を端部から内部に入力し所定の方向に出力する導光板と、前記導光板の前記光源側の端部に配置された回折光学素子とを有し、前記回折光学素子が、２次元方向に不連続に分布した凹凸パターンを有することを特徴とする照明装置により解決する。

本発明の照明装置においては、回折光学素子（Diffractive optical elements：以下、ＤＯＥという）を用いて光源から出射された光を回折又は拡散させて輝度むらの発生を防止する。このＤＯＥは、例えば導光板の端面に形成された２値の凹凸パターン、すなわち凹部の深さ及び凸部の高さがそれぞれ均一の凹凸パターンにより構成される。このような凹凸パターンは、例えばフォトレジスト法を使用することにより比較的簡単に製造することができて、再現性も優れている。これにより、照明装置の品質を均一に維持することができる。また、光源とＤＯＥとの間隔を狭くすることができるので、漏れ光が少なく、光の利用効率が高い。

更に、ＤＯＥの凹凸パターンは、例えば所望の拡散特性又は回折特性となるようにGerchberg-Saxton法又はシミュレーテッドアニーリング法により最適化することにより決定されるので、金型製造時に光学評価を行う必要がない。これにより、金型の製造が容易になり、延いては照明装置の製品コストを低減することができる。

所望の光学特性を得るという観点から、ＤＯＥの凹凸パターンにおける凹部と凸部との境界面（凹部及び凸部の側壁面）と導光板の光源側端面とのなす角度は９０°であることが好ましい。しかし、凹部と凸部との境界面と導光板の光源側端面とのなす角度が３０°以上であれば、ＤＯＥの特性の差は小さい。また、このように凹部と凸部との境界面を傾斜させることにより、ＤＯＥの製造が容易になる。これと同様に、凹部又は凸部の角部を曲面としても、ＤＯＥの特性の劣化は小さく、ＤＯＥの製造が容易になる。

このように導光板の光源側の端面にＤＯＥが形成された照明装置を使用することにより、液晶表示装置の表示品質が向上する。

なお、特開２００３−５７６５２号公報には、導光板の液晶パネルに対向する面に回折格子を設けた照明装置が記載されている。しかし、この照明装置では光源と導光板との間に光を屈折又は回折する素子がなく、そのため導光板の端面近傍の部分のうち光源間の部分が暗くなるおそれがある。

以下、本発明について、添付の図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図５は本発明の第１の実施形態の照明装置を使用した液晶表示装置を示す模式図である。この図５に示すように、液晶表示装置は、液晶パネル５０と、液晶パネル５０の背面に配置されるバックライト６０とにより構成されている。

液晶パネル５０は、２枚の透明基板５１ａ，５１ｂの間に液晶５２を封入して形成されている。また、液晶パネル５０の厚さ方向の両側には、それぞれ偏光板（図示せず）が配置されている。液晶パネル５０の大きさは、例えば２〜４インチである。

バックライト６０は、光源となる複数個のＬＥＤ６１と、導光板６２と、反射シート６３と、プリズムシート６４とにより構成されている。ＬＥＤ６１は、導光板６２の一方の端面に沿って配置されている。

導光板６２はＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）等の透明樹脂からなり、図５に示すように断面が楔状に形成されている。導光板６２の大きさは液晶パネル５０の大きさとほぼ同じであり、ＬＥＤ配置側の端部における厚さは約１ｍｍである。この導光板６２の裏面側には反射シート６３が配置され、前面側（液晶パネル５０側）には配光制御板としてプリズムシート６４が配置されている。また、導光板６２のＬＥＤ配置側の端面には、２次元方向に分布した２値の凹凸パターンからなるＤＯＥ（回折光学素子）６２ａが形成されている。このＤＯＥ６２ａにより、ＬＥＤ６１から放出された光が導光板６２内に進入する際に拡散又は回折されて、輝度むらの発生を防止している。

図６（ａ）はＤＯＥ６２ａを示す平面図、図６（ｂ）は同じくその断面を示す模式図である。図６（ａ）において、白く見える部分が凸部であり、黒く見える部分が凹部である。凹部の深さは、例えば０．４〜０．７μｍである。

このＤＯＥ６２ａの凹凸パターンは、所望の拡散特性又は回折特性となるように、既知のGerchberg-Saxton法又はシミュレーテッドアニーリング法により凹凸パターンを最適化することにより得られる。本実施形態では、図７（ａ），（ｂ）に示すように、ＤＯＥ６２ａの拡散特性が、導光板６２のＬＥＤ配置側の面に平行な面及び垂直な面のいずれにおいてもガウス分布となるように凹凸パターンを最適化したものとする。図８（ａ）は、本実施形態において目標としたガウス分布の拡散特性を示し、図８（ｂ）は最適化した凹凸パターンを有するＤＯＥの拡散特性を示している。図９に示すように、複数のガウス分布（図９では２つのガウス分布）を組み合わせたものを目標とする拡散特性としてもよい。

図１０は、横軸にＤＯＥ６２ａの全面積（凸部の面積と凹部の面積との総和）に対する凸部の面積比率をとり、縦軸にエラー量（目標とした拡散特性とＤＯＥの拡散特性との差の割合）をとって、両者の関係を示す図である。この図１０からわかるように、凸部の面積比率を３０〜７０％の範囲内とすればエラー量を小さくすることができて、ほぼ設計通りの拡散特性を得ることができる。また、凸部の面積比率を４０〜６０％の範囲内とすれば、エラー量を無視することができる。すなわち、凸部の面積比を４０〜６０％の範囲内とすれば、拡散プロファイルを積分した値を１としたときに、エラー量が１０^-3以下となる。

図１１（ａ）〜（ｅ）は、ＤＯＥ６２ａの製造に使用する成形金型の製造方法を示す模式図である。

まず、最適化した凹凸パターンを描画したレチクル（露光マスク）を用意しておく。

次に、図１１（ａ）に示すように、シリコン基板７１の上にフォトレジストを塗布してフォトレジスト膜７２を形成する。そして、予め用意しておいたレチクルを使用してステッパ露光（縮小露光）を行い、その後現像処理して、図１１（ｂ）に示すようにレチクルの凹凸パターンをレジスト膜７２に転写する。

次に、図１１（ｃ）に示すように、シリコン基板７１の上側全面にＮｉ（ニッケル）をスパッタリングして、下地膜７３を形成する。その後、図１１（ｄ）に示すように、下地膜７３の上にＮｉを十分な厚さになるまで電解めっきして、金属ブロック７４を形成する。

次いで、図１１（ｅ）に示すように、金属ブロック７４をシリコン基板７１から取り外し、所定の形状に外形加工した後、補強板７５と接合して成形金型とする。但し、金属ブロック７４が十分な強度を有しているときは、補強板７５を接合することなく金属ブロック７４を成形金型としてもよい。

このようにして凹凸パターンが形成された成形金型を他の成形金型と組み合わせた後、それらの成形金型により形成される空間内にＰＭＭＡ等の透明樹脂を注入して、ＤＯＥ６２ａを有する導光板６２を成形する。

なお、上記の例ではシリコン基板７１から取り外した金属ブロック７４を成形金型とする場合について説明したが、金属ブロック７４を金型原盤とし、この金型原盤にＮｉを電解めっきして成形金型を形成してもよい。これにより、同一品質の成形金型を多数製造することができる。金属ブロック７４を原盤として成形金型を形成すると、金属ブロック７４を成形金型としたときに比べて凸部と凹部とが逆になる。しかし、本実施形態では２値の凹凸パターンによりＤＯＥ６２ａを構成しているので、凸部と凹部とが逆になってもＤＯＥ６２ａの光学特性は同じになる。

上述したように、本実施形態においては、２値の凹凸パターンからなるＤＯＥ６２ａによりＬＥＤ６１から放出された光を拡散させるので、導光板６２内での輝度むらが回避され、液晶パネル５０全体に光が均一に照射される。これにより、液晶表示装置に良好な品質で画像を表示できるという効果を奏する。

また、本実施形態においては、フォトレジスト法及びめっき法によりＤＯＥ形成用金型の凹凸パターンを形成するので、ブラスト処理により凹凸パターンを形成する従来の方法に比べて金型の製造が容易であり、均一且つ高品質な照明装置を大量に製造することができる。これにより、液晶表示装置用照明装置の製品コストが低減されるという効果を奏する。

なお、上記実施形態ではＤＯＥ６２ａが点対称の拡散特性を生成するものである場合、すなわち導光板６２のＬＥＤ配置側の端面に平行な面における拡散強度分布が円形となる場合について説明したが、ＤＯＥ６２ａは点対称の拡散特性を生成するものであることに限定されず、異方性を有する拡散特性を生成するものであってもよい。例えば、図１２に示すように、拡散分布が導光板６２の厚さ方向を短軸、幅方向を長軸とする楕円形となるようにＤＯＥ６２ａの凹凸パターンを最適化してもよいし、また導光板６２の厚さ方向を短辺、幅方向を長辺とする矩形となるようにＤＯＥ６２ａの凹凸パターンを最適化してもよい。このように、ＤＯＥ６２ａの拡散分布を設定した場合は、拡散分布を円形とした場合に比べて漏れ光の発生するおそれがより一層少なくなり、光の利用効率が更に高くなるという利点がある。図１３に、拡散分布を矩形としたときの目標拡散特性を示す。

また、本実施形態では、図１４（ａ）に示すように導光板６２のＬＥＤ配置側の端面全体にＤＯＥ６２ａを形成した場合について説明したが、図１４（ｂ）に示すように、ＬＥＤ６１の近傍の部分のみにＤＯＥ６２ａを形成してもよい。図１４（ａ）に示すようにＤＯＥ６２ａを形成した場合は、ＬＥＤ６１と導光板６２との位置合わせを高精度に行う必要がないので組み立てが容易になるとともに、パネルサイズの変更等に容易に対応することができるという利点を有する。また、図１４（ｂ）に示すようにＤＯＥ６２ａを形成した場合は、金型製造時のステッパ露光に要する時間が短縮されるという利点を有する。

（第２の実施形態）
第１の実施形態ではGerchberg-Saxton法又はシミュレーテッドアニーリング法により凹凸パターンを最適化してＤＯＥの凹凸パターンを設計した例について説明したが、現状の金型（図４に示す方法により製造された金型）の凹凸パターンのデータからＤＯＥの２値の凹凸パターンを設計してもよい。以下に、その方法について説明する。

図１５（ａ）〜（ｃ）は、現状の金型の凹凸パターンから２値のＤＯＥの凹凸パターンを設計する方法を示す模式図である。

まず、現状の金型の凹凸パターンを３次元形状測定器により測定する。図１５（ａ）は、ブラスト処理により凹凸が形成された金型の凹凸パターンを示している。次に、３次元形状測定器の測定結果から、凹凸面の各点における高さｈを位置（Ｘ，Ｙ）の関数（ｈ＝ｆ（Ｘ，Ｙ））としたデータを作成する。そして、このデータから、凹凸パターンの位相変化成分を抽出する。

すなわち、まず、図１５（ｂ）に示すように、凹部の最も低い部分から凸部の最も高い部分までを使用する光の波長（設計波長）に応じた一定の周期（２π）毎に複数の領域（０〜２π、２π〜４π、…）に分割する。そして、各領域における高さの変化分を抽出し、０〜２πの範囲の変化に変換する。

次に、図１５（ｃ）に示すように、しきい値Ｔｈを設定する。そして、しきい値Ｔｈよりも低い領域を凹部とし、しきい値Ｔｈよりも高い領域を凸部として２値の凹凸パターンを決定する。しきい値Ｔｈは０〜２πの範囲内で任意に設定すればよいが、拡散特性のエラー量を小さくするために、凸部の面積比率が４０〜６０％の範囲内で設定することが好ましい。

このようにして２値の凹凸パターンを決定した後、第１の実施形態と同様に凹凸パターンを描画したレチクルを作成し、フォトレジスト法及びめっき法を用いて、ＤＯＥの製造に使用する成形金型を製造する。そして、その成形金型を使用して、端面にＤＯＥを有する導光板を製造した後、導光板の端面近傍にＬＥＤを取り付け、必要に応じて反射シート及びプリズムシートを配置することにより照明装置が完成する。また、この照明装置を液晶パネルに取り付けることにより、液晶表示装置が完成する。

本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、導光板内での輝度むらが回避され、液晶表示装置に良好な品質で画像を表示できるという効果を奏する。また、本実施形態においても、金型の製造が容易であり、均一且つ高品質な照明装置を大量に製造することができる。

（第３の実施形態）
図１６（ａ）は本発明の第３の実施形態に係る液晶表示装置用照明装置の導光板を示す平面図、図１６（ｂ）は同じくその導光板の端面に設けられたＤＯＥを示す斜視図である。なお、本実施形態が第１の実施形態と異なる点はＤＯＥの構造が異なることにあり、その他の構成は基本的に第１の実施形態と同様であるので、重複する部分の説明は省略する。

本実施形態においては、導光板８２の端面に、高次回折光を発生するＤＯＥ８２ａを形成している。この高次回折光発生ＤＯＥ８２ａは、回折光に異方性をもたせるために１次元回折格子の凹凸パターンにより構成されている。この１次元回折格子の凹凸パターンは、例えばRigoroua Coupled-Wave Analysis法により凹凸パターンを最適化することにより決定される。

図１７（ａ）は１次元回折格子型ＤＯＥの凹凸パターンを示す平面図、図１７（ｂ）は同じくその１次元回折格子型ＤＯＥを示す模式的断面図である。図１７（ａ）において、黒く見える部分が凹部を示し、白く見える部分が凸部を示している。

凸部と凹部とのデューティー比を最適化することで、使用する光の波長帯域（可視光の波長帯域）で回折光の効率をほぼ均等にした光回折特性を実現することができて、図１８に模式的に示すように、水平方向（導光板８２の幅方向）のみに光を回折させることができる。

例えば、図１７（ｂ）に示すように、凸部の高さをｄ、凸部のピッチをｐ、凸部の幅をｆ・ｐとしたときに、ｆ＝０．５〜０．７、ｐ／ｄ＝１．５〜２．５を満足するようにｄ、ｐ及びｆの値を設定する。

図１９（ａ）は、横軸に波長をとり、縦軸に回折効率をとって、ＴＥ波（Transverse Electric wave）の０次光、±１次光、±２次光、±３次光及び±４次光の波長と回折効率との関係を示す図である。また、図１９（ｂ）は、横軸に波長をとり、縦軸に回折効率をとって、ＴＭ波（Transverse Magnetic wave）の０次光、±１次光、±２次光、±３次光及び±４次光の波長と回折効率との関係を示す図である。これらの図１９（ａ），（ｂ）に示すように、回折効率が使用波長帯域でほぼ同じ値を実現している。

本実施形態においても、照明装置の輝度むらが回避され、液晶表示装置に良好な品質で画像を表示できるという効果を奏する。また、本実施形態においても、２値の凹凸パターンによりＤＯＥ８２ａを形成するので、金型の製造が容易であり、均一且つ高品質な照明装置を大量に製造することができる。更に、本発明においては、光が導光板８２の幅方向に拡散されるので、漏れ光が防止され光の利用効率が高いという利点もある。

（第４の実施形態）
第１〜第３の実施形態では、ＤＯＥ（回折光学素子）をＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）等の樹脂の射出成形により形成している。この場合、凸部と凹部との境界面を導光板の端面に垂直に形成することが好ましい。しかし、そのためには金型温度を高くして樹脂の流動性を高くしたり、樹脂の注入圧力を高くするなど成形条件を厳しくする必要があり、歩留りが低下することが考えられる。また、樹脂を金型内に時間をかけて注入することも考えられるが、その場合はスループットが低下して製造コストの上昇を招く。

そこで、図２０（ａ），（ｂ）に示すように、凹部と凸部との境界面（図中破線で示す部分）を傾斜させたり、境界面の上部近傍又は下部近傍を湾曲させた形状とすれば、上記の問題点を解消することができる。このように境界面が垂直でない場合はＤＯＥの特性が所望のものからずれてしまうことが考えられる。しかし、本願発明者等の研究から、境界面の傾斜角度が垂直（９０°）から極端にずれた場合や、曲率が極端に大きな場合を除いて、ＤＯＥの特性の変化を無視できる程度であることが判明している。以下に、その詳細について説明する。

図２１（ａ）は凹部と凸部との境界面が導光板端面に対し垂直であるＤＯＥの断面を示す模式図、図２１（ｂ）は同じくそのＤＯＥの拡散特性をシミュレーションした結果を示す図、図２１（ｃ）は同じくそのＡ−Ａ線の位置における拡散特性の強度分布を示す図である。また、図２２（ａ）は境界面に段差を有するＤＯＥの断面を示す模式図、図２２（ｂ）は同じくそのＤＯＥの拡散特性をシミュレーションした結果を示す図、図２２（ｃ）は同じくその拡散特性のＡ−Ａ線の位置における強度分布を示す図である。但し、ここでは、凹部の深さ（凸部の高さｄ）をｈとしている。また、段差の高さはｈ／２とし、段差の幅ｘは凸部のピッチｐの半分（ｐ／２）としている。

更に、図２３（ａ）は凹部と凸部との境界面に４段の段差を有するＤＯＥの断面を示す模式図、図２３（ｂ）は同じくそのＤＯＥの拡散特性をシミュレーションした結果を示す図、図２３（ｃ）は同じくそのＡ−Ａ線の位置における拡散特性の強度分布を示す図である。但し、ここでは凹部の深さをｈとし、段差の高さをｈ／３、段差の幅ｘを凸部のピッチの半分（ｐ／２）としている。

これらの図２１（ａ），（ｂ），（ｃ）、図２２（ａ），（ｂ），（ｃ）及び図２３（ａ），（ｂ），（ｃ）からわかるように、ＤＯＥの凹部と凸部との境界面に段差を設けた場合は散乱強度が若干低くなり、０次透過光が若干増す程度で拡散分布の変化は殆どない。段差数を無限大とした場合、凹部と凸部との境界面は図２０（ａ）に示すような連続的な傾斜面となる。図２２（ａ）の段差を無限大にしたときの傾斜角（凹部の平面からの傾き角）は４１．３５°に相当し、図２３（ａ）の段差を無限大にしたときの傾斜角（凹部の平面からの傾き角）は３０．４０°に相当する。このようなシミュレーションの結果、図２０（ａ）に示すように境界面が傾斜している場合であっても、傾斜角度が３０°以上９０°以下であれば、境界面が垂直であるＤＯＥの拡散特性との差が殆どないことが判明した。

一方、図２２（ａ）の形状は、図２４に示すように凸部と凹部との境界面が半径ｈ（凹部の深さ）の曲面の場合よりも拡散特性がより厳しい条件といえる。すなわち、図２４に示すように凸部と凹部との境界面が半径ｈで湾曲した形状となっていても、散乱特性の変化は図２２（ｂ），（ｃ）に示すものより小さくなり、実用上問題ないといえる。また、図２０（ｂ）のように凹部と凸部との境界面の上部近傍及び下部近傍が湾曲した形状では、図２４に示す場合よりも境界面の半径が小さくなるため散乱特性の変化はより少なく、同様に実用上問題ない。

図２０（ａ），（ｂ）に示すような境界面を有するＤＯＥを形成するためには、ＤＯＥの境界面に応じた傾斜面又は湾曲面を有する金型を形成することが考えられる。しかしながら、本願発明者等の研究により、ＤＯＥの境界面に対応する面が垂直の金型を使用しても、例えば金型内に樹脂を注入するときに金型温度を図２１（ａ）のように形成する場合の温度よりも低くすることで、図２０（ａ），（ｂ）に示す形状となることが判明している。

（第５の実施形態）
図２５は、本発明の第５の実施形態に係る照明装置を示す斜視図である。本実施形態が第１の実施形態と異なる点は、導光板６２の光出射側の面全体に、ブラスト処理により微細な凹凸（図中網掛けで示す）が形成されていることにあり、その他の構成は基本的に第１の実施形態と同様であるので、図２５において図５と同一物には同一符号を付してその詳しい説明は省略する。

本実施形態においては、ＬＥＤ６１が配置される側の導光板６２の端面全体にＤＯＥ６２ａが形成されているとともに、光出射側の面（液晶パネルに対向する面）の全体にブラスト処理により形成された微細な凹凸が設けられている。これらの凹凸により液晶パネル側に出射される光の量を調整することができる。例えば凹凸の密度を高くし、又は凹凸の深さを深くすることで、光の出射量を増やし、散乱性を高めることができる。逆に、凹凸の密度を低くし、又は凹凸の深さを浅くすることで光の出射量を少なくし、散乱性を抑えることができる。このようにの凹凸の密度又は深さ凹部の深さを場所ごとに調整することで、液晶パネルを照射する光の均一性をよくしたり、中央部の明るさだけを向上させるなど、自由に光の分布を調整することが可能になる。

本実施形態においては、第１の実施形態と同様の効果を得ることができるのに加えて、液晶パネル全体をより一層均一に照射することができるとともに、液晶パネルへの光の照射分布を調整できるという効果を奏する。

（第６の実施形態）
図２６は本発明の第６の実施形態に係る照明装置を示す斜視図、図２７は同じくその照明装置を使用した液晶表示装置を示す斜視図である。本実施形態が第１の実施形態と異なる点は、導光板６２の裏面側（液晶パネル５０に対向する面と反対側の面側）に複数のシリンドリカルレンズ８１が形成されていることにあり、その他の構成は基本的に第１の実施形態と同様であるので、図２６，図２７において、図５と同一物には同一符号を付してその詳しい説明は省略する。

本実施形態においては、ＬＥＤ６１が配置される側の導光板６２の端面全体にＤＯＥ６２ａが形成されているとともに、導光板６２の裏面（液晶パネル５０に対向する面と反対側の面）側に複数のシリンドリカルレンズ８１が形成されている。これらのシリンドリカルレンズ８１はその軸方向を導光板６２の長さ方向（ＬＥＤ６１が配置された端面に垂直な方向）に対し平行にして配置されている。シリンドリカルレンズ８１の曲面は、球面形状でもよく、非球面形状でもよい。

本実施形態においては、ＬＥＤ６１から出射された光が導光板６２内を反射しながら進行するときに、シリンドリカルレンズ８１で光が散乱され、光の均一性がより一層向上するという効果を奏する。本実施形態の導光板に、第４の実施形態と同様に光出射側の面全体に微小な凹凸を形成することにより、光の均一性が更に向上する。

なお、上記実施形態では、本発明の照明装置を液晶パネルの背面側に配置してバックライトとして使用する場合について説明したが、本発明を液晶パネルの前面側に配置するフロントライトに適用してもよい。

また、上記実施形態ではＤＯＥを導光板と一体的に形成する場合について説明したが、ＤＯＥと導光板とを個別に製造し、導光板の端面にＤＯＥを配置してもよい。

更に、上記の実施形態では２値の凹凸パターンによりＤＯＥを形成する場合について説明したが、３値又は４値の凹凸パターン（段差が均一の凹凸パターン）によりＤＯＥを形成してもよい。

以下、本発明の諸態様を、付記としてまとめて記載する。

（付記１）光源と、
前記光源から出射された光を端面から内部に入力し所定の方向に出力する導光板と、
前記導光板の前記光源側の端面に配置された回折光学素子と
を有することを特徴とする照明装置。

（付記２）前記回折光学素子が、前記導光板の端面に設けられた凹凸パターンにより構成され、前記凹凸パターンの段差が均一であることを特徴とする付記１に記載の照明装置。

（付記３）前記凹凸パターンが、前記光源側の端面全体に形成されていることを特徴とする付記２に記載の照明装置。

（付記４）前記凹凸パターンが、前記光源の近傍の部分のみに形成されていることを特徴とする付記２に記載の照明装置。

（付記５）前記凹凸パターンの凹凸が、前記導光板の前記光源側端面に２次元分布をしていることを特徴とする付記２に記載の照明装置。

（付記６）前記回折光学素子が、高次回折光を生成する１次元回折格子からなることを特徴とする付記２に記載の照明装置。

（付記７）前記凹凸パターンの凸部の面積比率が３０乃至７０％であることを特徴とする付記２に記載の照明装置。

（付記８）前記凹凸パターンが、光散乱面を有する既存の部材の凹凸のサンプリングにより決定されたものであることを特徴とする付記２に記載の照明装置。

（付記９）前記回折光学素子が、フォトレジスト法及びめっき法により凹凸パターンが形成された金型を用いて形成されたものであることを特徴とする付記２に記載の照明装置。

（付記１０）前記回折光学素子が、点対称の拡散光を生成するものであることを特徴とする付記１に記載の照明装置。

（付記１１）前記回折光学素子が、前記導光板の光源側端面の短辺方向に比べて長辺方向に大きい拡散特性をもつ光を生成するものであることを特徴とする付記１に記載の照明装置。

（付記１２）前記光源が発光ダイオードであることを特徴とする付記１に記載の照明装置。

（付記１３）前記導光板の光出射面側に、配向制御板が配置されていることを特徴とする付記１に記載の照明装置。

（付記１４）前記凹凸パターンにおける凹部と凸部との境界面と前記導光板の端面とのなす角度が３０°以上９０°以下であることを特徴とする付記２に記載の照明装置。

（付記１５）前記凹部の底部と側壁とが曲面で接続されていることを特徴とする付記２に記載の照明装置。

（付記１６）前記凸部の頂部と側壁とが曲面で接続されていることを特徴とする付記２に記載の照明装置。

（付記１７）前記凹部の底部と側壁とが曲面で接続されているとともに、前記凸部の頂部と側壁とが曲面で接続されていることを特徴とする付記２に記載の照明装置。

（付記１８）前記導光板の光出射面にブラスト処理が施されていることを特徴とする付記１に記載の照明装置。

（付記１９）前記導光板の光出射面と反対側の面に、前記導光板内を進行する光を散乱させる複数のレンズが設けられていることを特徴とする付記１に記載の照明装置。

（付記２０）前記レンズが、シリンドリカルレンズであることを特徴とする付記１９に記載の照明装置。

（付記２１）前記シリンドリカルレンズは、その軸方向を導光板の長さ方向（光源が配置された端面に垂直な方向）に対し平行にして配置されていることを特徴とする付記２０に記載の照明装置。

（付記２２）前記シリンドリカルレンズは、非球面形状であることを特徴とする付記２１に記載の照明装置。

（付記２３）２枚の基板の間に液晶を封入してなる液晶パネルと、前記液晶パネルに光を照射する照明装置とを有する液晶表示装置において、
前記照明装置が、光源と、前記光源から出射された光を端面から内部に入力し前記液晶パネルに向けて出力する導光板と、前記導光板の前記光源側の端面に配置された回折光学素子とにより構成されていることを特徴とする液晶表示装置。

（付記２４）前記回折光学素子が、前記導光板の端面に設けられた凹凸パターンにより構成され、前記凹凸パターンの段差が均一であることを特徴とする付記２３に記載の液晶表示装置。

（付記２５）前記凹凸パターンにおける凹部と凸部との境界面と前記導光板の端面とのなす角度が３０°以上９０°以下であることを特徴とする付記２４に記載の液晶表示装置。

図１は、従来の液晶表示装置の一例を示す模式図である。 図２は、従来の照明装置（バックライト）を液晶パネル側から見たときの平面図である。 図３（ａ）〜（ｃ）は、いずれも従来のバックライトの例を示す模式図である。 図４は、図３（ｃ）に示すバックライトの導光板の製造方法を示す模式図である。 図５は、本発明の第１の実施形態の照明装置を使用した液晶表示装置を示す模式図である。 図６（ａ）は第１の実施形態の照明装置のＤＯＥを示す平面図、図６（ｂ）は同じくその断面を示す模式図である。 図７（ａ）は第１の実施形態におけるＤＯＥの拡散特性を示す模式図、図７（ｂ）はガウス分布を示す図である。 図８（ａ）は第１の実施形態において目標としたガウス分布の拡散特性を示し、図８（ｂ）は最適化した凹凸パターンを有するＤＯＥの拡散特性を示している。 図９は、複数のガウス分布（２つのガウス分布）を組み合わせた例を示す図である。 図１０は、ＤＯＥの全面積に対する凸部の面積比率とエラー量との関係を示す図である。 図１１（ａ）〜（ｅ）は、ＤＯＥの製造に使用する成形金型の製造方法を示す模式図である。 図１２は、導光板の厚さ方向を短軸、幅方向を長軸とする楕円形の拡散分布を示す模式図である。 図１３は、拡散分布を矩形としたときの目標拡散特性を示す図である。 図１４（ａ）は導光板のＬＥＤ配置側の端面全体にＤＯＥを形成した例を示す模式図であり、図１４（ｂ）はＬＥＤの近傍の部分のみにＤＯＥを形成した例を示す模式図である。 図１５（ａ）〜（ｃ）は、第２の実施形態におけるＤＯＥの２値の凹凸パターンの設計方法を示す模式図である。 図１６（ａ）は本発明の第３の実施形態に係る液晶表示装置用照明装置の導光板を示す平面図、図１６（ｂ）は同じくその導光板の端面に設けられたＤＯＥを示す斜視図である。 図１７（ａ）は１次元回折格子型ＤＯＥの凹凸パターンを示す平面図、図１７（ｂ）は同じくその１次元回折格子型ＤＯＥを示す模式的断面図である。 図１８は、１次元回折格子型ＤＯＥにより水平方向のみに光を回折させた状態を示す模式図である。 図１９（ａ）はＴＥ波の０次光、±１次光、±２次光、±３次光及び±４次光の波長と回折効率との関係を示す図、図１９（ｂ）はＴＭ波の０次光、±１次光、±２次光、±３次光及び±４次光の波長と回折効率との関係を示す図である。 図２０（ａ），（ｂ）は、いずれも本発明の第４の実施形態に係る液晶表示装置用用命装置の導光板を示す断面図である。 図２１（ａ）は凹部と凸部との境界面が導光板端面に対し垂直であるＤＯＥの断面を示す模式図、図２１（ｂ）は同じくそのＤＯＥの拡散特性をシミュレーションした結果を示す図、図２１（ｃ）は同じくそのＡ−Ａ線の位置における拡散特性の強度分布を示す図である。 図２２（ａ）は境界面に段差を有するＤＯＥの断面を示す模式図、図２２（ｂ）は同じくそのＤＯＥの拡散特性をシミュレーションした結果を示す図、図２２（ｃ）は同じくそのＡ−Ａ線の位置における拡散特性の強度分布を示す図である。 図２３（ａ）は境界面に４段の段差を有するＤＯＥの断面を示す模式図、図２３（ｂ）は同じくそのＤＯＥの拡散特性をシミュレーションした結果を示す図、図２３（ｃ）は同じくそのＡ−Ａ線の位置における拡散特性の強度分布を示す図である。 図２４は境界面が曲面であるＤＯＥと境界面に段差を有するＤＯＥとを重ねて示す模式図である。 図２５は、本発明の第５の実施形態の係る照明装置を示す斜視図である。 図２６は本発明の第６の実施形態に係る照明装置を示す斜視図である。 図２７は同じくその照明装置を使用した液晶表示装置を示す斜視図である。

符号の説明

１０，５０…液晶パネル、
１１ａ，１１ｂ，５１ａ，５１ｂ…透明基板、
１２，５２…液晶、
２０，６０…バックライト、
２１，６１…ＬＥＤ、
２２，２６，２７，２８，６２，８２…導光板、
２３，６３…反射シート、
２４，６４…プリズムシート、
４１…金型プロック、
４２…ノズル、
６２ａ，８２ａ…ＤＯＥ（回折光学素子）、
７１…シリコン基板、
７２…フォトレジスト膜、
７３…下地膜、
７４…金属ブロック、
７５…補強板、
８１…シリンドリカルレンズ。

Claims (12)

1. 光源と、
   前記光源から出射された光を端部から内部に入力し所定の方向に出力する導光板と、
   前記導光板の前記光源側の端部に配置された回折光学素子とを有し、
   前記回折光学素子が、２次元方向に不連続に分布した凹凸パターンを有することを特徴とする照明装置。
2. 前記凹凸パターンの段差が均一であることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
3. 前記凹凸パターンが、前記光源側の端部全体に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の照明装置。
4. 前記凹凸パターンが、前記光源の近傍の部分のみに形成されていることを特徴とする請求項２に記載の照明装置。
5. 前記凹凸パターンの凸部の面積比率が３０乃至７０％であることを特徴とする請求項２に記載の照明装置。
6. 前記回折光学素子が、前記導光板の光源側端部の短辺方向に比べて長辺方向に大きい拡散特性をもつ光を生成するものであることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
7. 前記凹凸パターンにおける凹部と凸部との境界面と前記凹部の底面とのなす角度が３０°以上９０°以下であることを特徴とする請求項２に記載の照明装置。
8. 前記凹凸パターンの凹部の底部と側壁とが曲面で接続されていることを特徴とする請求項２に記載の照明装置。
9. 前記凹凸パターンの凸部の頂部と側壁とが曲面で接続されていることを特徴とする請求項２に記載の照明装置。
10. 前記導光板の光出射面にブラスト処理が施されていることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
11. 前記導光板の光出射面と反対側の面に、前記導光板内を進行する光を散乱させる複数のレンズが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
12. ２枚の基板の間に液晶を封入してなる液晶パネルと、前記液晶パネルに光を照射する照明装置とを有する液晶表示装置において、
    前記照明装置が、光源と、前記光源から出射された光を端部から内部に入力し前記液晶パネルに向けて出力する導光板と、前記導光板の前記光源側の端部に配置された回折光学素子とを有し、
    前記回折光学格子が、２次元方向に不連続に分布した凹凸パターンを有することを特徴とする液晶表示装置。

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