JP4779594B2 - 照明装置および液晶表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、表示光を生成するための内蔵光源（バックライト）を具備する液晶表示装置におけるバックライト・ユニット（照明装置）の改良に関する。

更に詳しくは、表示画面に対して側面に配置される光源と、この光源から入射した光を導光して液晶表示パネル（ＬＣＤパネル）側に射出する平面状の導光板とから成る面状の照明装置の改良に関する。

通常、透過型のＬＣＤパネルの背面に用いられる照明光源である所謂バックライトには、光源からの光を均一にＬＣＤパネルに導くために、透明樹脂からなる導光板が用いられている。

図１０に示すように、この種の導光板１０に光源１２が配置されてなる照明装置１４では、導光板１０の端面１１から導光板１０内に入射した光は、導光板１０の平面部を全反射しながら、導光板１０によって導光される平均方向である平均導光方向Ｆにほぼ沿って導光板１０内を進む。

なお、図１０は、光源１２として線状の光源を用いた例を示しているが、光源１２の形状は線状に限るものではなく、例えば、点状の光源を用いることもある。

導光板１０の平面部には所々にプリズム１６が設けられ、プリズム１６に当たった光は、図中矢印５６に示すように、導光板１０から図中上方側へ向かって射出される。

ここで、液晶表示装置の画面表示の点から、導光板１０から射出した射出光が、導光板表面の法線方向（正面方向）を中心として一定の角度範囲に広がるように射出することが望ましい。しかしながら、一般に、この射出光は導光板表面の法線方向（正面方向）から大きく異なる方向において強い光強度を持つから、導光板表面の法線方向において強い光を得るために、導光板１０から射出した光を導光板表面の法線方向に曲げるための特種な光学フィルム（プリズムシートなど）が導光板１０とＬＣＤパネル１８の間に複数配置される。

導光板１０の端面１１から導光板１０内に入射して、導光板１０内を伝播する光を光射出面（同図の上側）から取り出すための手段として、プリズムを用いない照明装置の例としては、導光板１０の面に散乱性のドットを印刷することにより、光を拡散射出する方法や、導光板１０の背面に回折格子を形成する方法（特許文献１）も提案されている。

上記の導光板においては、液晶パネルの表示画面に相当する光射出面内での光射出量を均一化する（すなわち、表示画面内の輝度分布を一様にする）ことも重要な技術課題であり、導光板１０の背面に回折格子を形成する手法の改良案として、導光板の裏面に回折格子を設け、この回折格子の断面形状または単位幅における格子部幅／非格子部幅の比の少なくとも１つが、上記導光板の表面における輝度が増大し、かつ均一化されるように変化せしめるものも知られている（特許文献２参照）。
特開平７−２４８４９６号公報 特開平９−３２５２１８号公報

しかしながら、このような照明装置は射出面内の光強度を均一にしながら、光源から導光板に入射する光を、角度分布を伴った望ましい射出方向の射出光へ変換する割合を高くすることが困難であり、透過型ＬＣＤパネルのバックライトなどとして利用する際に光の利用効率（光源から導光板に入射した光のうち、照明光として望ましい角度範囲の射出光に変換される割合）が低いという問題があった。

特にＬＣＤパネルのバックライトとしては、射出面の法線方向に強い光を出すことが望まれるが、従来技術では光源と導光板以外の複数の光学フィルムの組み合わせによって実現しており、光学フィルムの数を減らすことが難しい。

導光板からの射出光を適切な光分布へと変換するために、導光板と透過型表示素子の間に複数の光学フィルムを挿入する方法も提案されているが、これでは表示装置の厚みが増してしまい、製造コストも嵩んでしまうという別の問題が生じる。

また、プリズムを用いる場合には構造が比較的大きいために目視観察時にプリズムの配置パターンを隠すのが困難であること、またプリズムによって導光板の厚みが厚くなること、射出光の射出角度範囲や射出光強度を自由に制御することができないなどの問題がある。

更に、導光板の端面に光源を設置した際に、光源に近い側と遠い側との光強度を一定にするのが困難である。また、点状の光源もしくは輝度ムラのある光源の場合には、光源側の端面から光源に遠い側の端面に光が向かう平均的な方向である平均導光方向（導光板内を導光する光の平均的な方向）Ｆと直交する方向における射出光の分布の均一性と光の利用効率を共に高くすることは一層困難である。

また、回折格子を使用して光射出面内での光射出量を制御する方法においては、回折光の波長分散の結果、その射出方向によって色彩が異なり、このため色ムラが発生して、色彩の点で画面全体で均一な画面表示が困難になるという欠点を有していた。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、導光板以外の高価で特殊な光学フィルムの数を減少させながら、光の利用効率を高くして望ましい角度分布を伴った十分な光強度の射出光を得ると共に、射出面における射出光強度の均一性を高くすることが可能で、簡便な構成の照明装置およびその照明装置を用いて構成される表示装置を提供することにある。

本発明の請求項１に係る照明装置は、光源と、光源から入射した光を導光し、光射出面から射出する平面状の導光板とを備えた照明装置において、前記導光板が、その光射出面及び光射出面に対向する面のいずれか一方又は双方を光学素子形成面として、この光学素子形成面に、導光板内を導光された光を光射出面から射出させる光射出用光学素子を形成した区域を、少なくとも１つ以上備えており、かつ、この光射出用光学素子が、前記光学素子形成面の表面凹凸構造から成る回折格子によって構成されており、前記導光板が、前記光学素子形成面に、射出光を拡散する拡散性光学素子を形成した区域を備えており、かつ、この拡散性光学素子が前記光学素子形成面の表面凹凸構造から構成されていると共に、この拡散性光学素子を形成した区域が光学素子形成面の全体に配置されており、平面視で矩形形状の０．１μｍ以上、５μｍ以下の深さの凹部あるいは凸部を拡散要素として、前記拡散性光学素子が一個又は複数個の拡散要素から構成されており、前記拡散性光学素子の配置密度が、光源に近い側で高いことを特徴とするものである。

（削除）

また、請求項２に係る照明装置は、光源と、光源から入射した光を導光し、光射出面から射出する平面状の導光板とを備えた照明装置において、前記導光板が、その光射出面及び光射出面に対向する面のいずれか一方又は双方を光学素子形成面として、この光学素子形成面に、導光板内を導光された光を光射出面から射出させる光射出用光学素子を形成した区域を、少なくとも１つ以上備えており、かつ、この光射出用光学素子が、前記光学素子形成面の表面凹凸構造から成る回折格子によって構成されており、前記導光板が、前記光学素子形成面に、射出光を拡散する拡散性光学素子を形成した区域を備えており、かつ、この拡散性光学素子が前記光学素子形成面の表面凹凸構造から構成されていると共に、この拡散性光学素子を形成した区域が光学素子形成面の全体に配置されており、平面視で楕円形状の０．１μｍ以上、５μｍ以下の深さの凹部あるいは凸部を拡散要素として、前記拡散性光学素子が一個又は複数個の拡散要素から構成されており、前記拡散性光学素子の配置密度が、光源に近い側で高いことを特徴とするものである。

また、請求項３に係る照明装置は、光源と、光源から入射した光を導光し、光射出面から射出する平面状の導光板とを備えた照明装置において、前記導光板が、その光射出面及び光射出面に対向する面のいずれか一方又は双方を光学素子形成面として、この光学素子形成面に、導光板内を導光された光を光射出面から射出させる光射出用光学素子を形成した区域を、少なくとも１つ以上備えており、かつ、この光射出用光学素子が、前記光学素子形成面の表面凹凸構造から成る回折格子によって構成されており、前記導光板が、前記光学素子形成面に、射出光を拡散する拡散性光学素子を形成した区域を備えており、かつ、この拡散性光学素子が前記光学素子形成面の表面凹凸構造から構成されていると共に、この拡散性光学素子を形成した区域が光学素子形成面の全体に配置されており、平面視で線状の０．１μｍ以上、５μｍ以下の深さの凹部あるいは凸部を拡散要素として、前記拡散性光学素子が一個又は複数個の拡散要素から構成されており、前記拡散性光学素子の配置密度が、光源に近い側で高いことを特徴とするものである。

また、請求項４に係る照明装置は、請求項１ないし３のいずれかに係る照明装置を前提として、前記拡散要素の形状が導光板内を導光する光の平均導光方向において長く、直交方向において短いことを特徴とするものである。

また、請求項５に係る照明装置は、請求項１ないし４のいずれかに係る照明装置を前提として、前記拡散要素の形状が、光学素子形成面の全体にわたって一定であることを特徴とするものである。

また、請求項６に係る照明装置は、請求項１ないし５のいずれかに係る照明装置を前提として、光学素子形成面内において、互いに大きさの異なる拡散要素が含まれていることを特徴とするものである。

また、請求項７に係る照明装置は、前記光射出用光学素子の配置密度が高い領域範囲で前記拡散性光学素子の拡散要素の配置密度又は大きさが小さく、前記光射出用光学素子の配置密度が低い領域範囲で前記拡散性光学素子の拡散要素の配置密度又は大きさが大きいことを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の照明装置である。

また、請求項８に係る照明装置は、前記光射出用光学素子の配置密度が高い領域範囲で前記拡散性光学素子の拡散要素の配置密度又は大きさが小さく、前記光射出用光学素子の配置密度が低い領域範囲で前記拡散性光学素子の拡散要素の配置密度又は大きさが大きいことを特徴とするものである。

また、請求項９に係る照明装置は、光源と、光源から入射した光を導光し、光射出面から射出する平面状の導光板とを備えた照明装置において、前記導光板が、その光射出面及び光射出面に対向する面のいずれか一方又は双方を光学素子形成面として、この光学素子形成面に、導光板内を導光された光を光射出面から射出させる光射出用光学素子を形成した区域を、少なくとも１つ以上備えており、かつ、この光射出用光学素子が、前記光学素子形成面の表面凹凸構造から成る回折格子によって構成されており、前記導光板が、前記光学素子形成面に、射出光を拡散する拡散性光学素子を形成した区域を備えており、かつ、この拡散性光学素子が前記光学素子形成面の表面凹凸構造から構成されていると共に、この拡散性光学素子を形成した区域が光学素子形成面の全体に配置されており、平面視で矩形形状の凹部あるいは凸部を拡散要素として、前記拡散性光学素子が一個又は複数個の拡散要素から構成され、前記光射出用光学素子の配置密度が高い領域範囲で前記拡散性光学素子の拡散要素の配置密度又は大きさが小さく、前記光射出用光学素子の配置密度が低い領域範囲で前記拡散性光学素子の拡散要素の配置密度又は大きさが大きいことを特徴とするものである。

また、請求項９に係る照明装置は、光源と、光源から入射した光を導光し、光射出面から射出する平面状の導光板とを備えた照明装置において、前記導光板が、その光射出面及び光射出面に対向する面のいずれか一方又は双方を光学素子形成面として、この光学素子形成面に、導光板内を導光された光を光射出面から射出させる光射出用光学素子を形成した区域を、少なくとも１つ以上備えており、かつ、この光射出用光学素子が、前記光学素子形成面の表面凹凸構造から成る回折格子によって構成されており、前記導光板が、前記光学素子形成面に、射出光を拡散する拡散性光学素子を形成した区域を備えており、かつ、この拡散性光学素子が前記光学素子形成面の表面凹凸構造から構成されていると共に、この拡散性光学素子を形成した区域が光学素子形成面の全体に配置されており、平面視で矩形形状の凹部あるいは凸部を拡散要素として、前記拡散性光学素子が一個又は複数個の拡散要素から構成され、前記拡散性光学素子の配置密度が、光源に近い側で高いことを特徴とするものである。
また、請求項１０に係る液晶表示装置は、画素単位で透光／遮光を制御して画面表示する液晶表示パネルと、請求項１ないし９のいずれかに記載の照明装置と、を備えることを特徴とする液晶表示装置である。

請求項１及び１０に係る発明によれば、光学素子形成面に光射出面から射出させる光射出用光学素子を形成した区域を備えており、しかも、この光射出用光学素子が、前記光学素子形成面の表面凹凸構造から成る回折格子によって構成されているから、光射出面の法線方向に向かって射出することができる。そして、このため、光利用効率が高く、明るい画面表示の液晶表示装置を実現することができる。

また、前記光学素子形成面の全体に、射出光を拡散する拡散性光学素子を形成した区域を備えており、かつ、この拡散性光学素子が前記光学素子形成面の表面凹凸構造から構成されているから、光射出面から射出する回折光の拡がり方を制御することが可能となる。また、これらの発明においては、前記拡散性光学素子によって拡散するから、回折光の波長分散による色ムラの発生を抑え、導光板の光射出面を均一な色彩で見栄えのよい発光面とすることが可能である。そして、このため、その光強度の点においても、また、その画面の色彩の点においても、画面全体で均一な画面表示が実現できる。

なお、光射出用光学素子と拡散性光学素子とはいずれも導光板の光学素子形成面の表面凹凸構造から構成されているから、微細加工装置を用いて、同時に、しかも極めて容易に形成することが可能である。

そして、このため、請求項１及び１０に係る発明によれば、光利用効率が高く、従って明るく、また、画面全体で均一な画面表示ができる液晶表示装置を容易に実現することが可能となる。なお、このとき、特殊な光学フィルムは必要とせず、照明装置及び液晶表示装置を少ない部材で簡単に構成することができる。

次に、請求項１に係る発明においては、前記拡散性光学素子が、平面視で矩形形状の凹部あるいは凸部から成る拡散要素の一個又は複数個から構成されているから、ＥＢ描画装置などの微細加工装置を用いて極めて容易に形成できる。また、その長辺方向への光拡散と短辺方向の光拡散とが異なり、しかもこれら長辺方向と短辺方向の二方向のみに拡散するから、その形状の設計によって、空間的に限定して射出光を広げることが可能となる。そして、このため、表示画面方向への集中的光拡散を可能とすると共に、光強度及び色彩について画面全体で均一な画面表示が実現できる。

また、請求項２に係る発明においては、前記拡散性光学素子が、平面視で楕円形状の凹部あるいは凸部から成る拡散要素の一個又は複数個から構成されているから、レーザー加工装置などを用いて極めて容易に形成できる。また、その長軸方向への光拡散と短軸方向の光拡散とを変えることができ、しかも、長軸方向と短軸辺方向の間で連続的に拡散強度が変化するから、その形状の設計によって空間的に滑らかに分布する光拡散が可能となる。

また、請求項３に係る発明においては、前記拡散性光学素子が、平面視で線状の凹部あるいは凸部から成る拡散要素の一個又は複数個から構成されているから、機械切削加工装置などを用いて極めて容易に形成できる。また、線に直交する方向のみに光を広げることができるため、空間的に限定して射出光を広げることが可能となる。

次に、請求項４に係る発明によれば、前記拡散要素の形状が導光板内を導光する光の平均導光方向において長く、直交方向において短いから、平均導光方向に直交する方向に主に拡散してその光量を平均化することができる。例えば、光源として複数の点状の光源を用いる場合に、導光板内に入射したばかりの光の分布は極めて不均一であるが、導光板内を進行するに従って速やかに平均化することが可能であり、結果として高い均一性を持った射出光を得ることができる。

次に、請求項５に係る発明によれば、前記拡散要素の形状が、光学素子形成面の全体にわたって一定であるから、拡散性光学素子の設計及び最適化が容易になり、望ましい射出光を得やすくなるだけでなく、作成工程においても簡便に拡散要素を形成することができる。

また、請求項６に係る発明によれば、光学素子形成面内において、互いに大きさの異なる拡散要素が含まれており、これら大きさに応じて拡散性が異なるため、拡散光の均一性を一層向上させることができる。例えば、目視観察においては、その射出面がきめ細かくフラットに感じられるようになり、画像表示装置としての画質も向上する。

また、請求項７及び９に係る発明においては、拡散性光学素子の配置密度が光源に近い側で高く構成されている。光拡散性の大きさは拡散性光学素子の配置密度に比例するから、請求項７及び９に係る発明によれば、光源に近い側でその拡散性が高く、このため、導光板に入射した光を一層効果的に均一化することができ、射出面からの射出光を一層均一なものとすることができる。

次に、請求項８及び１０に係る発明によれば、前記光射出用光学素子の配置密度が高い領域範囲で前記拡散性光学素子の拡散要素の配置密度又は大きさが小さく、前記光射出用光学素子の配置密度が低い領域範囲で前記拡散性光学素子の拡散要素の配置密度又は大きさが大きいから、光射出用光学素子の光学性能を損なうことがなく、望ましい拡散性を得ることができ、照影装置として高輝度と高均一性の両立が可能となり、表示装置としても明るく、高品質な表示が可能となる。

また、請求項１に係る発明においては、拡散要素が０．１μｍ以上、５μｍ以下の深さの凹部又は高さの凸部であるから、導光板の厚みを薄くすることを妨げず、十分な拡散効果を発揮することができる。なお、光射出用光学素子を構成する回折格子の高さ（深さ）は、一般に、０．１〜１μｍ程度であるから、これら拡散性光学素子と光射出用光学素子とはいずれも肉眼で判別不可能な大きさであり、外見上の導光板を平面状とすることが可能であり、照明装置を薄型化して薄い表示装置を実現することができる。

次に、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。図面の図１は、本発明の実施形態に係る照明装置の斜視図、図２はその原理を説明するための断面説明図、図３は平面説明図である。

図１〜３に示すように、本発明に係る照明装置１４は、光源１２と平面状の導光板１０とを備えて構成されるものである。なお、この他、導光板１０の光射出面２６に対向する面２８に反射体３２を備えるものであってもよい。また、導光板１０は、厚みが一定の平板状のものに限られず、図１に示すように、後述する平均導光方向Ｆに従ってその厚みが漸減するものであっても良い。

一般に光源１２は導光板１０の端部に配置され、この光源１２からの光は端面から導光板１０に入射する。入射光は、導光板１０表裏の平面部で反射を繰り返しながら、前記入射側端部とは反対側の端部に向かって導光される。そして、その一部の光は、導光板１０表裏の平面部のうち、ＬＣＤパネルが配置された側の平面部（光射出面２６）から射出して、前記ＬＣＤパネルに入射し、その画面表示に利用される。なお、導光板１０は、その端部がＬＣＤパネルの枠体に固定されて画面表示に使われないことがあるから、本発明において「光射出面２６」というときには、このような端部などを除き、画面表示等に利用される光を射出する領域の意味である。

なお、光源１２として端面にほぼ平行に配置された線状の光源を用いた場合、導光板１０における平均導光方向Ｆは、光源１２からの光の入射側端面にほぼ直交する方向となる。また、光源１２として、端面に配置された点状のＬＥＤ等の光源を用いた場合、光源１２を中心として放射方向に導光しようとするが、導光板１０全体に亘って平均すると線状光源と同様に入射端面にほぼ直交する方向が平均導光方向Ｆとなる。

次に、前記導光板１０は、その光射出面２６及び光射出面に対向する面２８のいずれか一方又は双方を光学素子形成面として、この光学素子形成面に、導光板１０内を導光された光を光射出面から射出させる光射出用光学素子３８を形成した区域と、射出光を拡散する拡散性光学素子４０を形成した区域とを備えるものである。図１〜３に示す導光板１０においては、光射出面２６を光学素子形成面としてこの面に多数の光射出用光学素子３８と多数の拡散性光学素子４０を配置し、他方、その対向面２８には多数の光射出用光学素子３８を配置している。

次に、光射出用光学素子３８について説明する。

光射出用光学素子３８は、前記光学素子形成面に矩形形状等の各種形状の微小区域（セル）を設け、このセル内に、前記光学素子形成面の表面凹凸構造の形態で形成された回折格子によって構成されるものである。

導光板１０内を導光する光のうち、光射出用光学素子３８に入射した光は複数の回折光を生じる。回折格子が反射型回折格子の場合、その格子ピッチｄと、ｍ次回折光の射出角度（回折角）θＲとの関係は、下記（１）式により表される。

ｄ＝ｍλ／（ｓｉｎθｉ−ｓｉｎθＲ） （１）
ただし、λは導光板内における光の波長、θｉは正反射角度（回折格子が反射時に作用する場合）である。なお、回折格子が透過型回折格子の場合にもほぼ同様の式が成立する。そして、一般に、これら複数の回折光のうち主要な回折光はｍ＝１の１次回折光である。このため、回折格子の格子ピッチｄと格子ベクトル方向（回折格子を構成するストライプに直交する方向）を適切に設定することにより、光射出面２６の方向に回折光を発生させ、光射出面２６からこの回折光を射出させることができる。

前述のように、本発明に係る照明装置を液晶表示装置のバックライトとして使用する場合には、その射出光を光射出面２６の法線方向に発生させて光利用効率を高めるため、格子ピッチｄは、θＲ〜０°として、前記（１）式によって算出される値を有することが望ましい。なお、回折格子の格子ピッチｄに幅を持たせることにより、導光板１０から発生する１次回折光をその幅に応じた角度範囲内に射出させることもできる。

また、導光板１０内を平均導光方向に進む光を回折光に変換するために、最も効果的に作用する回折格子は平均導光方向Ｆに沿って格子ベクトルを持つ場合である。すなわち、格子ベクトル方向と平均導光方向Ｆをほぼ同一とすることが望ましい。例えば、図６（ａ）に示す直線状の回折格子パターンである。また、回折光５６を光射出面２６の法線方向に発生させるだけでなく、その周囲に拡散させることもできる。例えば、図６（ｂ）に示す曲線状の回折格子パターンは射出する回折光の範囲をそのパターンによって任意に設計できる。

なお、射出用光学素子３８の深さとしては、０．１〜１μｍ程度でよく、断面形状としては、例えば、のこぎり刃状でよい。また、その平面形状としては、長方形状（図７（ａ）参照）、楕円形状（図７（ｂ）参照）など適宜選択できる。また、同一の導光板１０に配置される射出用光学素子３８は、全て同一の形状であってもよく、長方形状と楕円形状などが混在していても良い。最適な設計例としては、射出用光学素子３８は平均導光方向Ｆに短く、それと直交する方向に長い形状を持つようにすれば、射出用光学素子３８の形状による回折効果によって、射出する光５６を平均導光方向Ｆと同じ方向に拡げることができ、回折格子の設計とは独立した射出光角度分布の制御が可能である。この射出光５６の拡がりは、回折光における不必要な色付きの抑制することに貢献する。

また、射出用光学素子３８の配置間隔を１００μｍ以下とすると、一般的な肉眼観察下における人間の目の解像度以下となり、このような照明装置の光射出面２６を目視観察した場合でも、射出用光学素子の大きさは十分小さく、単位面積あたりに十分な数の射出用光学素子を配置できるため、均一な射出光を出す面として観察させることができる。

また、射出用光学素子３８の配置密度は、光学素子形成面の全体にわたって均一であってもよいが、その部位によって配置密度を変化させることもできる。図１〜３に示す導光板１０は、単位面積当たりのセルの配置個数及びセルの大きさを変化させることによって、光の入射側で配置密度が小さく、平均導光方向Ｆに沿って次第に増加するように配置密度を変化させた例である。導光板１０内の光は、その一部が光射出面２６から射出して失われるから、平均導光方向Ｆに沿って進行するにつれてその光量が減少する。図１〜３に示す導光板１０では、平均導光方向Ｆに沿って射出用光学素子３８の配置密度が増加するから、その回折光の割合が増加する。このため、光射出面２６全域に亘って均一に光を射出できる。

なお、射出用光学素子３８の配置密度を一定として、この射出用光学素子３８を構成する回折格子の回折効率を導光板１０の光入射側から離れるほど高くすることによっても、導光板の光射出面２６全域に亘って均一な強度の光を射出することが可能となる。

次に、拡散性光学素子４０について説明する。

拡散性光学素子４０は、前記光学素子形成面の全面に矩形形状等の各種形状の微小区域を設け、この区域内に前記光学素子形成面の表面凹凸構造の形態で拡散要素を設け、この拡散要素の一個又は複数個で前記拡散性光学素子４０を構成しているものである。

導光板１０内を導光する光のうち、拡散性光学素子４０に入射した光は、この拡散性光学素子４０によって拡散される。拡散性光学素子４０は光学素子形成面の全面に渡って配置されているため、導光板１０の光入射側における入射光の光量分布の不均一性（特に平均導光方向に直交する方向の不均一性）を解消し、射出面２６から均一に射出光５６を射出することができる。また、その光拡散により、前記射出用光学素子３８を構成する回折格子に起因する色ムラを解消して、導光板の射出面に相当する区域を均一な色彩で見栄えのよい発光面とすることが可能である。なお、この拡散性光学素子４０の形状等を適切に設計することにより、射出光量を増加させ、あるいは、射出光角度分布の最適化を図ることも可能である。

この拡散性光学素子４０を構成する拡散要素の平面形状としては、例えば、矩形形状であってよい（図８（ａ）参照）。この場合には、矩形の各辺に直交する方向へのみ光を拡がらせることができ、拡がり方を矩形の大きさで制御することができる。従って、２方向への光の拡がり方を自由に設計可能である。一般的には、導光板１０の平均導光方向Ｆに対して、一組の辺を直交するように長方形を配置し、各辺に直交する方向の光の拡がり方を制御するのが望ましい。これにより、平均導光方向Ｆとそれに直交する方向の光の拡がり方を独立に設定し、適宜、拡散する方向や強さを制御したり、射出光の角度範囲を制御したり、回折格子による波長分散効果を打ち消したりできる。

また、拡散要素の平面形状を、楕円形状とすることもできる（図８（ｂ）参照）。この場合には、あらゆる方向に拡がりを持つように光を拡散することができる。その際、拡散要素の大きさにより光の拡がり方を制御できる。また、その長軸に直交する方向及び短軸に直交する方向への光の拡がり方を、当該方向における大きさで制御することができる。長軸と短軸の間の角度方向については、両軸における光の拡がり方を補間したような拡がり方となる。従って、長軸と短軸を基準とした連続的な光の拡がり方を任意に設計可能である。一般的には、導光板１０の平均導光方向Ｆに対して、片方の軸が直交するように配置し、各辺に直交する方向の光の拡がり方を制御するのが望ましい。これにより、平均導光方向Ｆとそれに直交する方向Ｖの光の拡がり方を独立に設定し、適宜、拡散する方向や強さを制御したり、射出光の角度範囲を制御したり、回折格子による波長分散効果を極小化できる。

また、拡散要素の平面形状を、線状とすることもできる（図８（ｃ）参照）。この場合には、この線に直交する方向に拡がりを持つように光を拡散することができる。その際、拡散要素の線幅により光の拡がり方を制御できる。従って、線幅によって簡便に一方向の光の拡がり方を任意に設計可能である。一般的には、導光板１０の平均導光方向Ｆに対して、平行となるように線を配置し、平均導光方向Ｆに直交する方向Ｖの光の拡がり方を制御するのが望ましい。これにより、適宜、拡散する方向や強さを制御したり、射出光の角度範囲を制御することができる。

なお、図１〜３に示す導光板１０は、光学素子形成面の全体にわたって一定の形状の拡散要素４２を設けたもので、拡散要素４２としては線状の拡散要素を利用している。これに対し、図４に示す導光板１０は、線状の拡散要素４２と共に、この拡散要素４２より微小な矩形形状の拡散要素４３を配置したものを示している。このように、拡散要素として、様々な形状が混在していても良い。

次に、拡散要素の大きさは小さいほど拡散光が広がり、また肉眼でこの拡散要素を判別することが困難となることになるため、十分な拡散性を得るために少なくとも短い辺の長さ（線状の場合は線幅）は１０μｍ以下であることが望ましい。図５に、拡散要素４２として細かいパターンを用いた例を、拡大して示す。

なお、拡散要素の大きさは光学素子形成面の全体にわたって一定であってもよいが、その領域範囲によって大きさの異なる拡散要素を用いることもできる。導光板１０内の光は、その一部が光射出面２６から射出して失われるから、平均導光方向Ｆに沿って進行するにつれてその光量が減少する。このため、例えば、光の入射側で大きく、平均導光方向Ｆに沿って次第に小さくなるように拡散要素の大きさを変化させて、射出光の均一化を向上させることができる。

また、前記射出用光学素子３８の配置密度が高い領域範囲で前記拡散性光学素子の拡散要素の大きさが小さく、前記光射出用光学素子の配置密度が低い領域範囲で前記拡散性光学素子の拡散要素の大きさが大きいように配置すれば、射出用光学素子３８と拡散性光学素子とが、それぞれ、本来の性能を十分に発揮するとともに互いに補完して、照明装置として高輝度と高均一性の両立が可能となる。

次に、拡散要素の配置密度は、光学素子形成面の全体にわたって均一であってよいが、その領域範囲によって配置密度を変化させることもできる。例えば、光源に近い入射側で配置密度が大きく、平均導光方向Ｆに沿って次第に低下するように配置密度を変化させて、射出光の均一化を向上させることができる。

また、前記射出用光学素子３８の配置密度が高い領域範囲で前記拡散性光学素子の拡散要素の配置密度が小さく、前記光射出用光学素子の配置密度が低い領域範囲で前記拡散性光学素子の拡散要素の配置密度が大きいように配置すれば、射出用光学素子３８と拡散性光学素子とが、それぞれ、本来の性能を十分に発揮するとともに互いに補完して、照明装置として高輝度と高均一性を両立させることができる。

射出用光学素子３８と拡散性光学素子４０とは、いずれも、原版の製造時に、ＥＢ描画装置などの微細加工装置、レーザー加工装置、あるいは機械切削加工装置などを用いて、同一工程で極めて容易に形成することができる。例えば、拡散性光学素子４０が矩形形状の場合にはＥＢ描画装置を使用して、楕円形状の場合にはレーザー加工装置を使用して、線状の場合には機械切削加工装置を使用して、それぞれ、射出用光学素子３８と共に形成することが可能である。

また、拡散性光学素子４０を構成する拡散要素は平均導光方向Ｆに長く、それと直交する方向に短い形状を持ち、射出用光学素子３８は平均導光方向に短く、それと直交する方向に長い形状を持つようにすれば、それぞれの光学的機能をその形状による回折効果によってサポートすることができる。

また、光射出用光学素子３８を構成する回折格子の構造の高さ（深さ）は０．１〜１μｍ程度であり、拡散性光学素子４０を構成する拡散要素も０．１〜５μｍの高さ（深さ）で十分な拡散効果を発揮するため、マクロ的には余計な突起のない、ほぼ平面と見なせる導光板１０を製造することができる。すなわち、照明装置の薄型化にも容易に対応でき、薄い表示装置を実現できる。

次に、この照明装置１４を透過型のＬＣＤパネル１８と組み合わせて表示装置を構成した例を図９に示す。すなわち、この液晶表示装置は、照明装置１４の光射出面２６側に、画素単位で透光／遮光を制御して画面表示するＬＣＤパネル１８を配置して、射出光５６をＬＣＤパネル１８に入射させ、このＬＣＤパネル１８を透過する光を画面の表示光５８として利用するものである。

なお、本発明の照明装置は、必要に応じて、導光板１０とＬＣＤパネル１８の間にプリズムシートなどの光学フィルムを介在させて使用することもできる。そして、この場合には、ＬＣＤパネル１８に入射する光を一層確実に均一なものとすることができる。

本発明の照明装置の構成例を示す斜視図。 本発明の照明装置における断面を示した断面説明図。 本発明の照明装置における導光板の構成例を示す平面説明図。 本発明の照明装置における導光板の別の構成例を示す平面図。 本発明の照明装置における導光板の上面の一部を示す拡大説明図。 本発明の照明装置における回折格子の構成例を示す説明図。 本発明の照明装置を構成する導光板における射出用光学素子の形状例を示す面説明図。 本発明の照明装置を構成する導光板における拡散性光学素子の形状例を示す平面説明図。 本発明の照明装置を適用した液晶表示装置の斜視図。 従来技術の照明装置を使用した表示装置を示す斜視図。

Ｆ…平均導光方向、１０…導光板、１２…光源、１４…照明装置、１６…プリズム、１８…透過型ＬＣＤパネル、２４…表示装置、２６…光射出面、２８…対向面、３２…反射体、３８…光射出用光学素子、４０…拡散性光学素子、４２，４３…拡散要素、５０…導光中の光、５６…照明光、５８…表示光

Claims (10)

1. 光源と、光源から入射した光を導光し、光射出面から射出する平面状の導光板とを備えた照明装置において、前記導光板が、その光射出面及び光射出面に対向する面のいずれか一方又は双方を光学素子形成面として、この光学素子形成面に、導光板内を導光された光を光射出面から射出させる光射出用光学素子を形成した区域を、少なくとも１つ以上備えており、かつ、この光射出用光学素子が、前記光学素子形成面の表面凹凸構造から成る回折格子によって構成されており、前記導光板が、前記光学素子形成面に、射出光を拡散する拡散性光学素子を形成した区域を備えており、かつ、この拡散性光学素子が前記光学素子形成面の表面凹凸構造から構成されていると共に、この拡散性光学素子を形成した区域が光学素子形成面の全体に配置されており、平面視で矩形形状の０．１μｍ以上、５μｍ以下の深さの凹部あるいは凸部を拡散要素として、前記拡散性光学素子が一個又は複数個の拡散要素から構成されており、前記拡散性光学素子の配置密度が、光源に近い側で高いことを特徴とする照明装置。
2. 光源と、光源から入射した光を導光し、光射出面から射出する平面状の導光板とを備えた照明装置において、前記導光板が、その光射出面及び光射出面に対向する面のいずれか一方又は双方を光学素子形成面として、この光学素子形成面に、導光板内を導光された光を光射出面から射出させる光射出用光学素子を形成した区域を、少なくとも１つ以上備えており、かつ、この光射出用光学素子が、前記光学素子形成面の表面凹凸構造から成る回折格子によって構成されており、前記導光板が、前記光学素子形成面に、射出光を拡散する拡散性光学素子を形成した区域を備えており、かつ、この拡散性光学素子が前記光学素子形成面の表面凹凸構造から構成されていると共に、この拡散性光学素子を形成した区域が光学素子形成面の全体に配置されており、平面視で楕円形状の０．１μｍ以上、５μｍ以下の深さの凹部あるいは凸部を拡散要素として、前記拡散性光学素子が一個又は複数個の拡散要素から構成されており、前記拡散性光学素子の配置密度が、光源に近い側で高いことを特徴とする照明装置。
3. 光源と、光源から入射した光を導光し、光射出面から射出する平面状の導光板とを備えた照明装置において、前記導光板が、その光射出面及び光射出面に対向する面のいずれか一方又は双方を光学素子形成面として、この光学素子形成面に、導光板内を導光された光を光射出面から射出させる光射出用光学素子を形成した区域を、少なくとも１つ以上備えており、かつ、この光射出用光学素子が、前記光学素子形成面の表面凹凸構造から成る回折格子によって構成されており、前記導光板が、前記光学素子形成面に、射出光を拡散する拡散性光学素子を形成した区域を備えており、かつ、この拡散性光学素子が前記光学素子形成面の表面凹凸構造から構成されていると共に、この拡散性光学素子を形成した区域が光学素子形成面の全体に配置されており、平面視で線状の０．１μｍ以上、５μｍ以下の深さの凹部あるいは凸部を拡散要素として、前記拡散性光学素子が一個又は複数個の拡散要素から構成されており、前記拡散性光学素子の配置密度が、光源に近い側で高いことを特徴とする照明装置。
4. 前記拡散要素の形状が導光板内を導光する光の平均導光方向において長く、直交方向において短いことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の照明装置。
5. 前記拡散要素の形状が、光学素子形成面の全体にわたって一定であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の照明装置。
6. 光学素子形成面内において、互いに大きさの異なる拡散要素が含まれていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の照明装置。
7. 前記光射出用光学素子の配置密度が高い領域範囲で前記拡散性光学素子の拡散要素の配置密度又は大きさが小さく、前記光射出用光学素子の配置密度が低い領域範囲で前記拡散性光学素子の拡散要素の配置密度又は大きさが大きいことを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の照明装置。
8. 光源と、光源から入射した光を導光し、光射出面から射出する平面状の導光板とを備えた照明装置において、前記導光板が、その光射出面及び光射出面に対向する面のいずれか一方又は双方を光学素子形成面として、この光学素子形成面に、導光板内を導光された光を光射出面から射出させる光射出用光学素子を形成した区域を、少なくとも１つ以上備えており、かつ、この光射出用光学素子が、前記光学素子形成面の表面凹凸構造から成る回折格子によって構成されており、前記導光板が、前記光学素子形成面に、射出光を拡散する拡散性光学素子を形成した区域を備えており、かつ、この拡散性光学素子が前記光学素子形成面の表面凹凸構造から構成されていると共に、この拡散性光学素子を形成した区域が光学素子形成面の全体に配置されており、平面視で矩形形状の凹部あるいは凸部を拡散要素として、前記拡散性光学素子が一個又は複数個の拡散要素から構成され、前記光射出用光学素子の配置密度が高い領域範囲で前記拡散性光学素子の拡散要素の配置密度又は大きさが小さく、前記光射出用光学素子の配置密度が低い領域範囲で前記拡散性光学素子の拡散要素の配置密度又は大きさが大きいことを特徴とする照明装置。
9. 光源と、光源から入射した光を導光し、光射出面から射出する平面状の導光板とを備えた照明装置において、前記導光板が、その光射出面及び光射出面に対向する面のいずれか一方又は双方を光学素子形成面として、この光学素子形成面に、導光板内を導光された光を光射出面から射出させる光射出用光学素子を形成した区域を、少なくとも１つ以上備えており、かつ、この光射出用光学素子が、前記光学素子形成面の表面凹凸構造から成る回折格子によって構成されており、前記導光板が、前記光学素子形成面に、射出光を拡散する拡散性光学素子を形成した区域を備えており、かつ、この拡散性光学素子が前記光学素子形成面の表面凹凸構造から構成されていると共に、この拡散性光学素子を形成した区域が光学素子形成面の全体に配置されており、平面視で矩形形状の凹部あるいは凸部を拡散要素として、前記拡散性光学素子が一個又は複数個の拡散要素から構成され、前記拡散性光学素子の配置密度が、光源に近い側で高いことを特徴とする照明装置。
10. 画素単位で透光／遮光を制御して画面表示する液晶表示パネルと、請求項１ないし９のいずれかに記載の照明装置と、を備えることを特徴とする液晶表示装置。
    

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