JP4920691B2 - 面状照明装置とそれを用いた液晶表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、光源にレーザ素子を利用した薄型の面状照明装置、及びその面状照明装置を用いた液晶表示装置に関する。

従来、液晶表示パネルを用いた液晶表示装置には、冷陰極蛍光管を利用したバックライト照明が広く使用されている。また近年では、より鮮明で自然な色調を再現するために、赤色光、緑色光、及び青色光の３色の発光ダイオード（ＬＥＤ素子）を用いたバックライト照明も、開発が進められている。

特に、比較的小型で輝度をそれほど必要としないバックライト照明には、光源からの光を導光板側面（入射面）から入射させ、導光板の一方の主面（出射面）から光を出射させて照明する、通称エッジライト方式と呼ばれる側方光源型面状照明装置が用いられる。また、大型で高輝度を必要とするバックライト照明には、陰極蛍光管又はＬＥＤ素子を平面状に並べた、直下型照明装置が用いられる。

将来的には、液晶表示装置に対しては、壁掛けＴＶ等の薄型で大画面化への要望がさらに強まると考えられる。しかし、直下型照明装置には、エッジライト方式と比べて薄型化が困難という課題があり、また、エッジライト方式には、大画面化すると十分な輝度が確保できないという課題がある。

そこで、薄型大画面の液晶表示装置を実現する方法として、輝度の高いＬＥＤ素子を光源に用いたエッジライト方式の面状照明装置の検討が始められている。例えば、特許文献１に記載された方式がすでに提案されている。

ＬＥＤ素子をエッジライト方式の光源として用いる場合、複数のＬＥＤ素子を導光板側面にライン状に並べると、消費電力が増加したり、熱の発生が増えたりする。よって、特許文献１では、図１８に示すように、導光板５００の側面に棒状導光体４００を近接させて設け、棒状導光体４００の両端に２つのＬＥＤ素子３００を設ける構成を用いている。この構成により、２つのＬＥＤ素子３００からの光を棒状導光体４００の内部で多重反射させて均一な光量分布を得た後に、棒状導光体４００の側面から導光板５００の側面に入射させている。
特開平１１−２７１７６７号公報

ＬＥＤ素子よりもさらに高い輝度を得ることができる素子として、レーザ素子が存在する。従って、上記特許文献１の構成において、レーザ素子をＬＥＤ素子の代わりに光源に適用することも考えられるが、以下の課題が新たに生じてしまう。

まず、１箇所から光を出射させる点光源であるＬＥＤ素子の場合と異なり、平行光を出射させる平行光源であるレーザ素子では、棒状導光体内部での光線の反射が少なくなるため均一なライン状光源が得られない。
また、半導体レーザのような発散光源の場合であっても、詳細には光の放出角はＬＥＤ素子の場合と異なり、また活性層に対して異方性を持っているので、単に棒状導光体端部に半導体レーザを設けるだけでは均一なライン状光源は得られない。

それ故に、本発明の目的は、光源にレーザ素子を利用した薄型・大面積の面状照明装置、及びその面状照明装置を用いた液晶表示装置を提供することである。

本発明は、レーザ光を利用した面状照明装置に向けられている。そして、上記目的を達成するために、本発明の面状照明装置は、偏光面が揃ったレーザ光を出射するレーザ光源と、レーザ光源から出射されたレーザ光を、角度θで１次元方向に拡散させる１次元拡散素子と、１次元拡散素子によって拡散されたレーザ光を、平行光に変換するシリンドリカルレンズ部と、２つの主面と４つの側面を有した直方体であり、シリンドリカルレンズ部を介して平行光に変換されたレーザ光を、１次元方向と当該主面とが平行となる状態でいずれか１つの側面から入射し、一方の主面から出射する導光板とを備える。

ここで、シリンドリカルレンズ部によって、１次元拡散素子によって拡散されたレーザ光をさらに導光板の厚み方向に収束させるか、１次元拡散素子によって、レーザ光源から出射されたレーザ光をさらに拡散させる１次元方向と直交する方向に収束させる、ことが好ましい。

また、シリンドリカルレンズ部から出射されるレーザ光を反射し、導光板の１つの側面に入射させるミラーをさらに備えてもよい。この場合、レーザ光源、１次元拡散素子、及びシリンドリカルレンズ部を、一方の主面と対向する他方の主面上に実装することができる。

１次元拡散素子による拡散の角度θは、導光板の主面サイズが長辺Ｗ及び短辺Ｈであり、シリンドリカルレンズ部から出射されるレーザ光が、長辺Ｗに接する側面から入射される場合は「θ＞ｔａｎ^-1（Ｗ／２Ｈ）×２」で与えられ、短辺Ｈに接する側面から入射される場合は「θ＞ｔａｎ^-1（Ｈ／２Ｗ）×２」で与えられる。典型的には、１次元拡散素子は、マイクロシリンドリカルレンズアレイである。
また、１次元拡散素子を微小振動させる振動部をさらに備えてもよく、振動部の振動周波数を可聴周波数以外とし、振動部の振動振幅をスペックルノイズの輝点の間隔とすれば効果的である。

また、レーザ光源から出射されるレーザ光の偏光面は、導光板の主面に対して平行又は垂直が好ましい。特に、レーザ光源がマルチエミッタ半導体レーザである場合、マルチエミッタの配置平面と導光板の主面とが光学的に平行であることが望ましい。
また、レーザ光源を、互いに異なる波長のレーザ光を出射する複数の光源で構成してもよく、この場合には、各光源から出射する複数の波長の光を導光板の厚み以下の幅で１次元拡散素子に入射させるとよい。

また、上述したレーザ光源を、互いに異なる波長のレーザ光を出射する複数の光源と、光源から出射された複数のレーザ光を伝達する光ファイバと、光ファイバから出射されるレーザ光の偏光面を揃える偏光分離部とで構成しても構わない。この場合、偏光分離部は、レーザ光をＰ偏光とＳ偏光とに分離し、Ｐ偏光又はＳ偏光のいずれか一方を第１の出力光として出力し、他方を当該第１の出力光の偏光面に揃えて第２の出力光として出力することが考えられる。

なお、上述した各々の面状照明装置は、面状照明装置から出射されるレーザ光で照らされる液晶パネル及びその液晶パネルを駆動する画像表示回路と組み合わせることで、液晶表示装置を構成することが可能である。

本発明によれば、光源にレーザ素子を利用した薄型・大面積の面状照明装置及び液晶表示装置を実現することができる。また、レーザ素子から放射されるレーザ光は、色純度が高くかつ発光効率の高いので、広い色再現性、均一な輝度、及び低消費電力を実現することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る面状照明装置の構成を示す斜視図である。図１に示す第１の実施形態に係る面状照明装置は、光源３０と、１次元拡散素子５と、第１のシリンドリカルレンズ６と、第２のシリンドリカルレンズ７と、ミラー８と、導光板９と、反射板１０とを備える。

導光板９の一方の主面上には、反射板１０が接着されている。光源３０、１次元拡散素子５、第１のシリンドリカルレンズ６、及び第２のシリンドリカルレンズ７は、この反射板１０上に実装されている。光源３０から出射される光が、１次元拡散素子５、第１のシリンドリカルレンズ６、及び第２のシリンドリカルレンズ７を介して、ミラー８で１８０度折り返して導光板９に導かれる構造である。
以下、第１の実施形態に係る面状照明装置の各構成を順に説明する。

光源３０は、３原色のレーザ光を出射するレーザ光源であり、例えば図２のように構成される。図２において、光源３０は、赤色レーザ光源３１と、緑色レーザ光源３２と、青色レーザ光源３３と、ミラー３４及び３５とで構成される。緑色レーザ光源３２から出射される緑色レーザ光は、１次元拡散素子５に直接入力される。赤色レーザ光源３１から出射される赤色レーザ光は、ミラー３４で反射されて緑色レーザ光と近接かつ並行して、１次元拡散素子５に入力される。青色レーザ光源３３から出射される青色レーザ光は、ミラー３５で反射されて緑色レーザ光と近接かつ並行して、１次元拡散素子５に入力される。この赤色レーザ光源３１、緑色レーザ光源３２、及び青色レーザ光源３３から出射される各レーザ光の偏光面は、１次元拡散素子５に入力される時に全ての偏光面が揃うように予め調整されている。なお、偏光面が揃った３原色のレーザ光を１次元拡散素子５に入力できるのであれば、光源３０は、図２に示した構成以外であってもよい。

また、光源３０にマルチエミッタ半導体レーザ５０を用いた場合の構成例を、図３及び図４に示す。マルチエミッタ半導体レーザ５０は、１つのチップの中に複数の発光領域が設けられたものであり、シングルエミッタの半導体レーザに比べて高出力が得られる。図４の（ａ）において、複数の発光領域を有したレーザチップ５３は、マウント５４にボンディングされている。マウント５４は、レーザチップ５３で発生した熱を放熱すると共に、図示しない電極と組になってレーザチップ５３に電力を供給する。シリンドリカルレンズ５５は、レーザチップ５３から出射されるレーザ光の高速軸方向をコリメートするレンズであり、図４の（ｂ）に示すようにレーザチップ５３から出射された複数のレーザ光５１ａ〜５１ｆを、一方向が導光板９の厚み以下の幅を持つ平行光又は導光板９の入射面に収斂するような弱収束光に変換する。

この例のように、マルチエミッタ半導体レーザ５０の複数の発光領域が、導光板９の主面と平行な面内に配置される構成にすることで、シリンドリカルレンズ５５と１次元拡散素子５という少数の光学素子で高出力の線状光源を得ることができる。なお、導光板９の主面とマルチエミッタ半導体レーザ５０の発光領域とは、物理的に平行でなくとも、例えば像回転プリズムを用いる等して光学的に平行であれば、この例と同じ効果が得られる。また、シリンドリカルレンズ５５と１次元拡散素子５との間に、レーザチップ５３から出射されるレーザ光の遅速軸方向をコリメートするシリンドリカルレンズを設けてもよい。マルチエミッタ半導体レーザ５０の一般的な遅速軸側の寸法は１０ｍｍであるので、遅速軸を例えば焦点距離が５０ｍｍ以上の長いシリンドリカルレンズでコリメートすることによって、遅速軸側の画角がＮＡ０．１と小さくできる。画角が小さくできると１次元拡散素子５の設計が簡単になるという効果が得られる。

１次元拡散素子５は、ホログラムやレンズアレイからなり、光源３０から出射されるレーザ光を１次元方向に角度θで拡散させる（図２及び図３を参照）。レーザ光を拡散させる面は、導光板９の主面と平行になるように設計されている。なお、拡散された３原色のレーザ光は、遠方ではほぼ重なって白色のレーザ光となる。

図５は、１次元拡散素子５の構成例を示す上面図（ａ１）及び（ａ２）、正面図（ｂ）、及び側面図（ｃ）である。図５に示す１次元拡散素子５は、図中Ｘ方向の片面（ａ１）又は両面（ａ２）に曲面を有するシリンドリカルレンズ２４を、アレイ状に多数配列した構造である。１次元拡散素子５に入射されるレーザ光２５は、複数のシリンドリカルレンズ２４毎に分割された後、Ｘ方向に発散される。各シリンドリカルレンズ２４から発散された光は遠方で互いに重なり合うので、それぞれのシリンドリカルレンズ２４に入射された光の強度が重畳しあって、遠方で略均一な強度分布が得られる。１次元拡散素子５を構成する多数のシリンドリカルレンズ２４の曲率は全て同じでもよいし、わずかに変えてもよい。曲率をわずかに変えることで光の光量分布を変化させることも可能である。

また、１次元拡散素子５がレーザ光を拡散させる角度θは、例えば次のように設計することが好ましい。
今、長辺Ｗかつ短辺Ｈの導光板９を想定する。設計としては、導光板９の横幅一杯までレーザ光を拡散させることが好ましいため、図１に示すように１次元拡散素子５を導光板９の長辺Ｗ側端面の中心位置に実装する場合には、角度θは次式［１］で表される。また、図示しないが、１次元拡散素子５を導光板９の短辺Ｈ側端面の中心位置に実装する場合には、角度θは次式［２］で表される。
θ＞ｔａｎ^-1（Ｗ／２Ｈ）×２ … ［１］
θ＞ｔａｎ^-1（Ｈ／２Ｗ）×２ … ［２］

第１のシリンドリカルレンズ６は、１次元拡散素子５によって角度θで拡散された偏光面が揃ったレーザ光を、平行光に変換する。第２のシリンドリカルレンズ７は、第１のシリンドリカルレンズ６と直交する面内に曲率を有しており、第１のシリンドリカルレンズ６で平行光に変換されたレーザ光を、導光板９の厚み方向に収束させる。この第２のシリンドリカルレンズ７によって、導光板９に入射させる光の結合効率を向上させることができ、明るい面状照明装置を得ることができる。ミラー８は、Ｌ形状断面の反射板であり、第２のシリンドリカルレンズ７で導光板９の厚み方向に収束されたレーザ光を、直角に２回反射させて導光板９へ出射する。このＬ形状断面のミラー８によって、レーザの偏光分離や拡散・収束の光学系構成を導光板９の主面上に設けることができ、面状照明装置の小型化が可能となる。

導光板９は、２つの平行な主面と、この主面に垂直な４つの側面とから構成されている、すなわち直方体である。導光板９に入射されたレーザ光は、導光板９の内部を多重反射又は散乱を繰り返しながら進行する間に導光板９の主面から出射される。導光板９の一方の主面には反射板１０が貼り付けられており、レーザ光は他方の主面からだけ出射されるため、均一な照度で明るい面状照明装置が得られる。

なお、レーザ光を用いることによりランダムな干渉パターンであるスペックルノイズが発生する。しかし、例えば図６に示す駆動部を用いて１次元拡散素子５を振動させることで、干渉パターンを変化させることができる。１次元拡散素子５は、リニアアクチュエータ２６に保持されており、リニアアクチュエータ２６がガイド２７に沿って移動することによりＸ方向に移動する。ガイド２７は、リニアアクチュエータ２８に保持されており、リニアアクチュエータ２８がガイド２９に沿って移動することにより図中Ｙ方向に移動する。この構成により、１次元拡散素子５を２方向に移動させることができる。

１次元拡散素子５を例えば１０Ｈｚ以上の振動周波数で動かせば、人の目には干渉パターンが認識できなくなるので、スペックルノイズも消失する。さらに、１次元拡散素子５の振動周波数を可聴周波数以外とすることにより、振動音が聞こえなくなるので騒音がなくなる。１次元拡散素子５の振動振幅は、スペックルパターンの輝点が隣接する輝点と重なるところまで、すなわちスペックルノイズの輝点の間隔以上動かせばよい。

次に、第１の実施形態に係る面状照明装置の具体的な設計例を示す。
＜基本構成＞
図７は、光学系の基本構成であるラインディフューザを説明する図である。レーザ光源には、高出力化のためマルチエミッタのバーレーザダイオード（波長６４２ｎｍ、出力４Ｗ）を用いた。レーザ光源から出射された光は、ＦＡＣ（Ｆａｓｔ Ａｘｉｓ Ｃｏｌｌｉｍａｔｏｒ）レンズとＳＡＣ（Ｓｌｏｗ Ａｘｉｓ Ｃｏｌｌｉｍａｔｏｒ）レンズとにより、Ｘ−Ｚ軸及びＹ−Ｚ軸毎にコリメートされる。コリメートされた光は、１次元拡散素子（両面レンチキュラレンズ）によって分割され、かつ相互に重畳された後、シリンドリカルフレネルレンズによってほぼ平行光となって導光板に入射される。導光板のサイズは、３２インチ対角のＷ：７００ｍｍ×Ｈ：４００ｍｍとし、Ｗ：７００ｍｍの側から光を入射させるようにした。

レーザ光源として用いたバーレーザダイオードは、１０ｍｍ幅の中に６０μｍストライプ幅のエミッタが３００μｍピッチで３３個並んだ構成である。各エミッタからの拡がり角（半値全角）は、ストライプ幅の方向が約１０度、ストライプ幅と垂直な方向が約４０度である。レーザ光源のコリメートレンズは、取り込み効率の点から高ＮＡのレンズが望ましく、一方１０ｍｍの長さにわたって分布するエミッタをコリメートするためには、画角を小さくするために長焦点のレンズが好ましい。高ＮＡかつ長焦点のレンズは、必然的に大型になるが、装置の大型化を避けるため、２組のシリンドリカルレンズで上記条件を満足する構成とした。すなわち、拡がり角４０度の方向には短焦点高ＮＡのシリンドリカルレンズ（ＦＡＣレンズ）を用い、拡がり角１０度の方向には長焦点低ＮＡのシリンドリカルレンズ（ＳＡＣレンズ）を用いた。ＳＡＣレンズの出射瞳位置に両面レンチキュラを設けて、バーレーザダイオードの１０ｍｍ幅の方向にビームを広げる構成とした。このような構成にすることで、光源サイズの異方性が大きく、かつ、高出力バーレーザダイオードに適した光学系が得られる。両面レンチキュラを出射した光は、導光板に入る直前にシリンドリカルフレネルレンズでほぼ平行光となるようにしている。これは、レーザの偏光面を揃えるためである。

＜両面レンチキュラレンズの設計＞
両面レンチキュラレンズをアクリル成形で試作することを考えると、アクリルの屈折率ｎ＝１．４９＠６４０ｎｍから、レンズのＮＡの最大値は約０．５となる。両面レンチキュラの曲率半径は、以下の式［３］により求めた。但し、ｆは焦点距離、ｌは両面の間隔、ｒは曲率半径、及びｎは屈折率である。
ｆ＝ｌ＝ｒ＊ｎ／（ｎ−１） … ［３］

光量分布の均一性及び７００ｍｍ内に入射する光量の観点から、ＮＡの値として０．４程度を目指すこととし、導光板直前に設けるシリンドリカルフレネルレンズで導光板進行中の光量分布を調整することとした。図８に、設計したラインディフューザ光学系の全体光路図（ａ）、及び導光板入射面（ｂ）、中央部（ｃ）、及び最終面（ｄ）での光量分布を示す。導光板入射面（ｂ）では均一な光量分布は得られていないが、光が進行するに従って光量が均一化し、最終面（ｄ）でほぼ均一な分布が得られている。これは、シリンドリカルフレネルレンズの球面収差を利用して、近軸光は発散し、軸外光は弱収束気味にするような光学配置にしたためである。なお、シミュレーションに用いた光学素子の仕様は、以下の通りである。
両面レンチキュラレンズ ： ＮＡ ０．３９， ＥＦＬ １．２２
シリンドリカルフレネルレンズ： 寸法７２０＊２５＊ｔ３，ＥＦＬ １２００

ここで、ラインディフューザタイプの有用性を以下に示しておく。
・ファイバ敷設タイプと比べて偏光を維持し易い。
・非球面レンズや回折素子等などを用いることにより、光量分布の均一化を図り易い。
・発光点が局在しているので、発光点位置移動や光学素子駆動等のスペックルノイズ対策を行い易い。
・光ファイバを用いないため、画面が大型化しても部材コストがほとんど変わらない。
・駆動機構がないため、ポリゴンミラー走査タイプと比べて機械的寿命が長い。
・ポリゴンミラー走査タイプのように光を集光しないため、薄型化し易い。

以上のように、本発明の第１の実施形態に係る面状照明装置によれば、色純度が高くかつ発光効率の高いレーザ光を用いることにより、広い色再現性、均一な輝度、及び低消費電力を実現することができる。

なお、図１において、第２のシリンドリカルレンズ７を第１のシリンドリカルレンズ６と１次元拡散素子５との間、又は１次元拡散素子５と光源３０との間に配置しても構わない。このようにすれば、レーザ光の幅が狭い場所に第２のシリンドリカルレンズ７を配置できるので、第２のシリンドリカルレンズ７を小型化できる。

（第２の実施形態）
上述した第１の実施形態は、導光板９のサイズが小さく、必要な発光量を出射できる光源３０が導光板９の主面上に実装できるほど小型である場合を想定している。しかしながら、例えば大画面液晶ＴＶ用の導光板９のようにサイズが大きくなれば、必要な発光量を出射できる光源３０のサイズも大きくなって、導光板９の主面上に光源３０を実装できない場合も想定される。
そこで、この第２の実施形態では、光源３０が導光板９の主面上に実装されていない面状照明装置について説明する。

図９は、本発明の第２の実施形態に係る面状照明装置の構成を示す斜視図である。図９に示す第２の実施形態に係る面状照明装置は、光源１と、光ファイバ２と、偏光分離部３と、ミラー４ａ及び４ｂと、１次元拡散素子５ａ及び５ｂと、第１のシリンドリカルレンズ６ａ及び６ｂと、第２のシリンドリカルレンズ７ａ及び７ｂと、ミラー８と、導光板９と、反射板１０とを備える。

導光板９の一方の主面上には、反射板１０が接着されている。光源１と偏光分離部３とは、光ファイバ２で接続されている。偏光分離部３、ミラー４ａ及び４ｂ、１次元拡散素子５ａ及び５ｂ、第１のシリンドリカルレンズ６ａ及び６ｂ、及び第２のシリンドリカルレンズ７ａ及び７ｂは、反射板１０上に実装されている。光源１から出射されるレーザ光は、偏光分離部３で２方向に分離されて、一方のレーザ光が、ミラー４ａ、１次元拡散素子５ａ、第１のシリンドリカルレンズ６ａ、及び第２のシリンドリカルレンズ７ａを介して、他方のレーザ光が、ミラー４ｂ、１次元拡散素子５ｂ、第１のシリンドリカルレンズ６ｂ、及び第２のシリンドリカルレンズ７ｂを介して、ミラー８で１８０度折り返してそれぞれ導光板９に導かれる構造である。
以下、第２の実施形態に係る面状照明装置の各構成を順に説明する。

光源１は、３原色のレーザ光を出射するレーザ光源であり、例えば図１０のように構成される。図１０において、光源１は、青色レーザ光源１２と、赤色レーザ光源１３と、緑色レーザ光源１４と、ダイクロイックミラー１５及び１６と、レンズ１７とで構成される。ダイクロイックミラー１５は、青色光を透過し、赤色光を反射する。ダイクロイックミラー１６は、青色光及び赤色光を透過し、緑色光を反射する。青色レーザ光源１２から出射される青色レーザ光は、ダイクロイックミラー１５及び１６を透過した後、レンズ１７で集光されて光ファイバ２に導光される。赤色レーザ光源１３から出射される赤色レーザ光は、ダイクロイックミラー１５で反射されかつダイクロイックミラー１６を透過した後、レンズ１７で集光されて光ファイバ２に導光される。緑色レーザ光源１４から出射される緑色レーザ光は、ダイクロイックミラー１６を反射した後、レンズ１７で集光されて光ファイバ２に導光される。この光ファイバ２に導光された各色のレーザ光は、偏光分離部３まで伝達される。

偏光分離部３は、光ファイバ２を通過する間にランダムになっているレーザ光の偏光面を揃える役割を持つ。図１１は、偏光分離部３の詳細な構成例を示す図である。図１１に示す偏光分離部３は、レンズ１８と、偏光ビームスプリッタ１９と、プリズム２０と、半波長板２１とを備える。

光ファイバ２から出射される各色レーザ光は、レンズ１８に照射されて平行光に変換される。偏光ビームスプリッタ１９は、レンズ１８で平行光となったレーザ光を、Ｐ偏光の成分とＳ偏光の成分とに分離する。Ｓ偏光は、反射されてレーザ光２３となる（第１の出力光）。Ｐ偏光は、偏光ビームスプリッタ１９を透過した後、プリズム２０で反射されてレーザ光２２となる（第２の出力光）。レーザ光２２は、半波長板２１によって偏光面が回転されて、レーザ光２３と同じＳ偏光となる。よって、偏光分離部３からは、偏光面が揃ったレーザ光が２方向に出射されることとなる。

なお、図１１において、半波長板２１をレーザ光２３の光路に設ければ、レーザ光２３の偏光面をレーザ光２２の偏光面（Ｐ偏光）に揃えることも可能である。また、半波長板２１が赤・緑・青の波長に渡ってほぼ半波長となる広帯域の半波長板である場合を説明したが、レーザ光がプリズム２０を出射した後に色毎に光路を分離してそれぞれの色に最適な半波長板を用いることも当然できる。

偏光分離部３から２方向に出射される同じ偏光面のレーザ光は、ミラー４ａ及び４ｂで反射されて、１次元拡散素子５ａ及び５ｂにそれぞれ入射される。
１次元拡散素子５ａ及び５ｂは、ホログラムやレンズアレイからなり、ミラー４ａ及び４ｂで反射されるレーザ光を１次元方向に角度θ’でそれぞれ拡散させる。この１次元拡散素子５ａ及び５ｂは、上記第１の実施形態で説明した１次元拡散素子５と同様の構成であり、レーザ光を拡散させる面は、導光板９の主面と平行になるように設計されている。なお、１次元拡散素子５ａ及び５ｂがレーザ光を拡散させる角度θ’は、基本的には１次元拡散素子５がレーザ光を拡散させる角度θの１／２となる。

第１のシリンドリカルレンズ６ａ及び６ｂは、１次元拡散素子５ａ及び５ｂによって角度θ’で拡散された偏光面が揃ったレーザ光を、平行光にそれぞれ変換する。第２のシリンドリカルレンズ７ａ及び７ｂは、第１のシリンドリカルレンズ６ａ及び６ｂで平行光に変換されたレーザ光を、導光板９の厚み方向に収束させる。ミラー８は、Ｌ形状断面の反射板であり、第２のシリンドリカルレンズ７ａ及び７ｂで導光板９の厚み方向に収束されたレーザ光を、直角に２回反射させて導光板９へそれぞれ出射する。導光板９に入射されたレーザ光は、導光板９の内部を多重反射又は散乱を繰り返しながら進行する間に導光板９の主面から出射される。

この第１のシリンドリカルレンズ６ａ及び６ｂ、第２のシリンドリカルレンズ７ａ及び７ｂ、ミラー８、及び導光板９は、上記第１の実施形態で説明した第１のシリンドリカルレンズ６、第２のシリンドリカルレンズ７、ミラー８、及び導光板９と、基本的に同じ機能を持つ構成である。

以上のように、本発明の第２の実施形態に係る面状照明装置によれば、導光板９の主面上に光源１を実装できず光ファイバ２を用いざるを得ない場合でも、偏光分離部３によってレーザ光の偏光面を揃えている。これにより、色純度が高くかつ発光効率の高いレーザ光を用いて、広い色再現性、均一な輝度、及び低消費電力を実現することができる。

なお、図９において、第２のシリンドリカルレンズ７ａ及び７ｂを第１のシリンドリカルレンズ６ａ及び６ｂと１次元拡散素子５ａ及び５ｂとの間、又は１次元拡散素子５ａ及び５ｂと偏光分離部３との間に配置しても構わない。このようにすれば、レーザ光の幅が狭い場所に第２のシリンドリカルレンズ７ａ及び７ｂを配置できるので、第２のシリンドリカルレンズ７ａ及び７ｂを小型化できる。

（第３の実施形態）
図１２は、本発明の第３の実施形態に係る面状照明装置の構成を示す斜視図である。図１２に示す第３の実施形態に係る面状照明装置は、光源３０と、１次元拡散素子４０と、シリンドリカルレンズ６と、ミラー８と、導光板９と、反射板１０とを備える。

この第３の実施形態に係る面状照明装置は、上記第１の実施形態に係る面状照明装置の１次元拡散素子５を１次元拡散素子４０に代えて、第２のシリンドリカルレンズ７を省いた構成である。なお、第３の実施形態に係る面状照明装置における１次元拡散素子４０以外の構成は、第１の実施形態に係る面状照明装置と同様であるため説明を省略する。

図１３は、１次元拡散素子４０の構成例を示す上面図（ａ１）及び（ａ２）、正面図（ｂ）、及び側面図（ｃ）である。図１３に示す１次元拡散素子４０は、図中Ｘ方向の片面（ａ１）又は両面（ａ２）に曲面を有するシリンドリカルレンズ４１をアレイ状に多数配列し、さらに１次元拡散素子４０の一方の全面に、図中Ｙ方向に曲面を有するシリンドリカル面が形成された構造である。

以上のように、本発明の第３の実施形態に係る面状照明装置によれば、１次元拡散素子４０において、光源３０から出射されるレーザ光を、導光板９と平行な１次元方向には光が拡散しかつ拡散方向と直交する方向には光が収束するレーザ光に、変換することができる。従って、第２のシリンドリカルレンズ７を省いても、導光板９に効率よくレーザ光を入射させることができる。

（第４の実施形態）
図１４は、本発明の第４の実施形態に係る面状照明装置の構成を示す斜視図である。図１４に示す第４の実施形態に係る面状照明装置は、光源３０と、１次元拡散素子５と、第１のシリンドリカルレンズ６と、第２のシリンドリカルレンズ７と、ミラー８０と、導光板９と、反射板１０とを備える。

この第４の実施形態は、光源３０、１次元拡散素子５、第１のシリンドリカルレンズ６、及び第２のシリンドリカルレンズ７が、導光板９の主面上に実装されていない場合の構造例を説明するものである。

この図１４に示す例のように、上記各部品が導光板９の主面上に実装されていない場合には、第２のシリンドリカルレンズ７から出射されるレーザ光を導光板９の側面に入射させるための平板状のミラー８０を、適切な角度で設置すればよい。

（第５の実施形態）
図１５は、本発明の第５の実施形態に係る面状照明装置の構成を示す斜視図である。図１５に示す第５の実施形態に係る面状照明装置は、光源３０と、１次元拡散素子５と、第１のシリンドリカルレンズ６と、第２のシリンドリカルレンズ７と、導光板９と、反射板１０とを備える。

この第５の実施形態は、光源３０、１次元拡散素子５、第１のシリンドリカルレンズ６、及び第２のシリンドリカルレンズ７が、導光板９の主面上に実装されていないが、各部品が導光板９の主面と並行に配置されている場合の構造例を説明するものである。

この図１５に示す例のように、各部品が導光板９の外に導光板９の主面と並行に配置されている場合には、ミラー８０を用いることなく、第２のシリンドリカルレンズ７から出射されるレーザ光を導光板９の側面に直接入射させればよい。

なお、上記第３〜第５の実施形態では、光源から１次元拡散素子へレーザ光が直接出射される構成（第１の実施形態）を適用させた場合を説明したが、光源から１次元拡散素子へ光ファイバを介してレーザ光が伝達される構成（第２の実施形態）を適用させることも勿論可能である。

（面状照明装置を用いた液晶表示装置の実施例）
図１６は、液晶表示装置の構成例を示す図である。この液晶表示装置は、モニター部４２とコントロールボックス４４とが、接続ケーブル４３で接続された構成である。図１７は、図１６のモニター部４２の詳細な構成例を示す図である。モニター部４２は、上記第２の実施形態に係る面状照明装置４５と、液晶パネル４６と、画像表示回路４７とで構成される。

画像表示回路４７は、配線４８で液晶パネル４６と接続されており、液晶パネル４６を駆動して画像を表示する。コントロールボックス４４は、少なくとも電源と光源とからなっており、接続ケーブル４３を介してモニター部４２に電力供給及び光の供給を行う。コントロールボックスから供給された光が、面状照明装置４５を介して液晶パネル４６を照らすと共に、画像表示回路４７が液晶パネル４６を駆動することにより、画像が表示される。この時、面状照明装置４５から出射する光の偏光面の向きを液晶パネル４６の入射側偏光子の向きに合わせておくことにより、光利用効率の高い液晶表示装置を実現することができる。

本発明の面状照明装置は、液晶表示装置等に利用可能であり、特に薄型・大面積を確保しつつ、広い色再現性、均一な輝度、及び低消費電力を実現したい場合等に有用である。

本発明の第１の実施形態に係る面状照明装置の構成を示す斜視図 光源３０の構成例を示す図 光源３０の他の構成例を示す図 マルチエミッタ半導体レーザ５０の詳細な構成例を示す図 １次元拡散素子５の構成例を示す図 １次元拡散素子５を振動させる駆動部を説明する図 面状照明装置の具体的な設計例を説明する図 面状照明装置の具体的な設計例を説明する図 本発明の第２の実施形態に係る面状照明装置の構成を示す斜視図 光源１の構成例を示す図 偏光分離部３の構成例を示す図 本発明の第３の実施形態に係る面状照明装置の構成を示す斜視図 １次元拡散素子４０の構成例を示す図 本発明の第４の実施形態に係る面状照明装置の構成を示す斜視図 本発明の第５の実施形態に係る面状照明装置の構成を示す斜視図 面状照明装置を用いた液晶表示装置の実施例を示す図 モニター部４２の詳細な構成例を示す図 従来の面状照明装置の構成を示す斜視図

１、１２〜１４、３０〜３３、５０、３００ 光源
２ 光ファイバ
３ 偏光分離部
４ａ、４ｂ、８、１５、１６、３４、３５、８０ ミラー
５、５ａ、５ｂ、４０ １次元拡散素子
６、６ａ、６ｂ、７、７ａ、７ｂ、２４、４１、５５ シリンドリカルレンズ
９、５００ 導光板
１０ 反射板
１７、１８ レンズ
１９ 偏光ビームスプリッタ
２０ プリズム
２１ 半波長板
２６、２８ リニアアクチュエータ
２７、２９ ガイド
４２ モニター部
４３ 接続ケーブル
４４ コントロールボックス
４５ 面状照明装置
４６ 液晶パネル
４７ 画像表示回路
４８ 配線
５３ レーザチップ
５４ マウント
４００ 棒状導光体

Claims (25)

1. レーザ光を利用した面状照明装置であって、
   偏光面が揃ったレーザ光を出射するレーザ光源と、
   前記レーザ光源から出射されたレーザ光を、角度θで１次元方向に拡散させる１次元拡散素子と、
   前記１次元拡散素子によって拡散されたレーザ光を、平行光に変換するシリンドリカルレンズ部と、
   ２つの主面と４つの側面を有した直方体であり、前記シリンドリカルレンズ部を介して平行光に変換されたレーザ光を、前記１次元方向と当該主面とが平行となる状態でいずれか１つの側面から入射し、一方の主面から出射する導光板とを備える、面状照明装置。
2. 前記シリンドリカルレンズ部は、前記１次元拡散素子によって拡散されたレーザ光を、さらに前記導光板の厚み方向に収束させる、請求項１に記載の面状照明装置。
3. 前記１次元拡散素子は、前記レーザ光源から出射されたレーザ光を、さらに前記拡散させる１次元方向と直交する方向に収束させる、請求項１に記載の面状照明装置。
4. 前記シリンドリカルレンズ部から出射されるレーザ光を反射し、前記導光板の１つの側面に入射させるミラーをさらに備える、請求項１に記載の面状照明装置。
5. 前記レーザ光源、前記１次元拡散素子、及び前記シリンドリカルレンズ部を、前記一方の主面と対向する他方の主面上に実装した、請求項４に記載の面状照明装置。
6. 前記導光板の主面サイズが長辺Ｗ及び短辺Ｈであり、前記シリンドリカルレンズ部から出射されるレーザ光が長辺Ｗに接する側面から入射される場合、前記１次元拡散素子による拡散の角度θが次式で与えられる、請求項１に記載の面状照明装置。
   θ＞ｔａｎ^-1（Ｗ／２Ｈ）×２
7. 前記導光板の主面サイズが長辺Ｗかつ短辺Ｈであり、前記シリンドリカルレンズ部から出射されるレーザ光が短辺Ｈに接する側面から入射される場合、前記１次元拡散素子による拡散の角度θが次式で与えられる、請求項１に記載の面状照明装置。
   θ＞ｔａｎ^-1（Ｈ／２Ｗ）×２
8. 前記１次元拡散素子が、マイクロシリンドリカルレンズアレイである、請求項１に記載の面状照明装置。
9. 前記１次元拡散素子を微小振動させる振動部をさらに備える、請求項１に記載の面状照明装置。
10. 前記振動部の振動周波数が可聴周波数以外である、請求項９に記載の面状照明装置。
11. 前記振動部の振動振幅がスペックルノイズの輝点の間隔である、請求項９の記載の面状照明装置。
12. 前記レーザ光源から出射されるレーザ光の偏光面は、前記導光板の主面に対して平行又は垂直である、請求項１に記載の面状照明装置。
13. 前記レーザ光源がマルチエミッタ半導体レーザであり、マルチエミッタの配置平面と前記導光板の主面とが光学的に平行である、請求項１に記載の面状照明装置。
14. 前記レーザ光源は、互いに異なる波長のレーザ光を出射する複数の光源からなり、各光源から出射する複数の波長の光を、前記導光板の厚み以下の幅で前記１次元拡散素子に入射する、請求項１に記載の面状照明装置。
15. 前記レーザ光源は、
    互いに異なる波長のレーザ光を出射する複数の光源と、
    前記光源から出射された複数のレーザ光を伝達する光ファイバと、
    前記光ファイバから出射されるレーザ光の偏光面を揃える偏光分離部とを備える、請求項１に記載の面状照明装置。
16. 前記偏光分離部は、レーザ光をＰ偏光とＳ偏光とに分離し、Ｐ偏光又はＳ偏光のいずれか一方を第１の出力光として出力し、他方を当該第１の出力光の偏光面に揃えて第２の出力光として出力する、請求項１５に記載の面状照明装置。
17. 前記シリンドリカルレンズ部は、前記１次元拡散素子によって拡散されたレーザ光を、さらに前記導光板の厚み方向に収束させる、請求項１５に記載の面状照明装置。
18. 前記１次元拡散素子は、前記レーザ光源から出射されたレーザ光を、さらに前記拡散させる１次元方向と直交する方向に収束させる、請求項１５に記載の面状照明装置。
19. 前記シリンドリカルレンズ部から出射されるレーザ光を反射し、前記導光板の１つの側面に入射させるミラーをさらに備える、請求項１５に記載の面状照明装置。
20. 前記偏光分離部、前記１次元拡散素子、及び前記シリンドリカルレンズ部を、前記一方の主面と対向する他方の主面上に実装した、請求項１９に記載の面状照明装置。
21. 前記１次元拡散素子が、マイクロシリンドリカルレンズアレイである、請求項１５に記載の面状照明装置。
22. 前記１次元拡散素子を微小振動させる振動部をさらに備える、請求項１５に記載の面状照明装置。
23. 前記振動部の振動周波数が可聴周波数以外である、請求項２２に記載の面状照明装置。
24. 請求項１に記載の面状照明装置と、
    前記面状照明装置から出射されるレーザ光で照らされる液晶パネルと、
    前記液晶パネルを駆動する画像表示回路とで構成される、液晶表示装置。
25. 請求項１５に記載の面状照明装置と、
    前記面状照明装置から出射されるレーザ光で照らされる液晶パネルと、
    前記液晶パネルを駆動する画像表示回路とで構成される、液晶表示装置。

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