JP5903296B2

JP5903296B2 - 照明装置およびこれを用いた液晶表示装置

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Publication number: JP5903296B2
Application number: JP2012039693A
Authority: JP
Inventors: 前澤　昌平; 昌平前澤
Original assignee: Nitto Denko Corp
Current assignee: Nitto Denko Corp
Priority date: 2012-02-27
Filing date: 2012-02-27
Publication date: 2016-04-13
Anticipated expiration: 2032-02-27
Also published as: JP2013175386A

Description

本発明は、照明装置およびこれを用いた液晶表示装置に関する。

一般的に、液晶表示装置には、広い角度範囲で鮮明な画像が視認できる広視野角が要求されているが、一方で、のぞき見防止等を目的として狭視野角化を要求される場合もある。狭視野角化の手段としては、例えば、光源と液晶パネルとの間に、光の透過角度を制限するルーバー層を介在させることや表示窓に透明ホログラムを貼り付けることが提案されている（特許文献１，２参照）。しかし、使用状況に応じて広視野角化と狭視野角化との両立が要求される場合（特に、モバイル用）には、これらの手段では対応することができない。

そこで、光源と、光源からの光に対して光線方向の制御機能を有する光学構造が付加された光学シート（第１の光学シートおよび第２の光学シート）とを有し、光学シートを水平移動させることで出射光線の照射角を制御する照明装置が提案されている（特許文献３参照）。しかし、光学シートを水平移動させるので小型化が困難である上に、その駆動用に電力を消費する点も好ましくない。

特開２００３−２７９９５１号公報特開平１１−１３３２３３号公報特許第４６１９２４８号公報

本発明は上記従来の課題を解決するためになされたものであり、その主たる目的とするところは、出射光線の照射角を制御し、小型化にも対応可能な照明装置を提供することにある。

本発明の照明装置は、導光板と、該導光板の上面または下面に設けられる反射型ホログラム層と、該導光板の第１の側面に入射し、該反射型ホログラム層の格子面の下方から入射する光を出射する第１の光源と、該第１の側面と対向する第２の側面に入射し、該反射型ホログラム層の格子面の上方から入射する光を出射する第２の光源と、該導光板の下側に配置される反射体と、該第１の光源と第２の光源の光量を独立して調整する光量調整手段とを備える。
好ましい実施形態においては、上記導光板の下方に回折される光が拡散される。
好ましい実施形態においては、上記反射型ホログラム層の内部の格子面が、上記導光板の主面と非平行に配列されている。
好ましい実施形態においては、上記反射型ホログラム層がフォトポリマーから構成される。
好ましい実施形態においては、上記反射型ホログラム層に入射する光が、上記導光板の略法線方向に回折される。
好ましい実施形態においては、上記反射体が拡散反射板である。
好ましい実施形態においては、上記導光板と反射体との間に配置される拡散体をさらに備える。
好ましい実施形態においては、上記導光板の上側に配置される拡散体をさらに備える。
好ましい実施形態においては、上記第１の光源の最大光量が上記第２の光源の最大光量よりも高い。
好ましい実施形態においては、上記光源がＬＥＤである。
好ましい実施形態においては、上記導光板の反射型ホログラム層が設けられる側には、該導光板内部に導かれた光の全反射を阻害する阻害部が実質的に形成されていない。
本発明の別の局面によれば、液晶表示装置が提供される。この液晶表示装置は、液晶パネルと、該液晶パネルの一方の側に配置された上記照明装置とを備える。
好ましい実施形態においては、上記液晶表示装置は透過型である。

本発明によれば、２つの光源を用い、反射型ホログラム層により一方の光源から出射される光を導光板の上方に出射させて、もう一方の光源から出射される光を導光板の下方の反射体に向けて出射させ、上方に反射させる。反射型ホログラム層により導光板の上方に出射される光は狭視野角化に寄与し、反射型ホログラム層により導光板の下方に出射される光は拡散されて広視野角化に寄与する。したがって、各光源の光量を調整することで、出射光線の照射角を制御することができる。しかも、特別な作動装置が不要で、簡易な構成により出射光線の照射角を制御することができる。

本発明の好ましい実施形態による照明装置の概略構成図である。反射型ホログラム製造のための露光光学系の一例を示す概略図である。本発明の別の好ましい実施形態による照明装置の概略構成図である。本発明のさらに別の好ましい実施形態による照明装置の概略構成図である。実施例１の照明装置の輝度の視野角依存性を示すグラフである。実施例１の照明装置の輝度の視野角依存性を示すグラフである。実施例２の照明装置の輝度の視野角依存性を示すグラフである。実施例２の照明装置の輝度の視野角依存性を示すグラフである。実施例３の照明装置の輝度の視野角依存性を示すグラフである。実施例３の照明装置の輝度の視野角依存性を示すグラフである。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明するが、本発明はこれらの具体的な実施形態には限定されない。

Ａ．照明装置
Ａ−１．全体構成
図１は、本発明の好ましい実施形態による照明装置の構成を示す断面図である。照明装置１００は、平板状の導光板１０と、導光板１０の右側面近傍に配置された第１の光源２１と、導光板１０の左側面近傍に配置された第２の光源２２とを備えている。第１の光源２１は、その出射光が導光板１０の右側面に入射するように配置され、第２の光源２２は、その出射光が導光板１０の左側面に入射するように配置されている。第１の光源および第２の光源としては、それぞれ、点光源でもよいし、線光源でもよいし、面光源でもよい。点光源を用いる場合、典型的には、点光源が導光板の側面に沿って複数配置される。

光源には、発光ダイオード（ＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ：ＬＥＤ）が好ましく用いられる。ＬＥＤによれば、例えば、冷陰極蛍光ランプ（ＣＣＦＬ：ＣｏｌｄＣａｔｈｏｄｅＦｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔＬａｍｐ）に比べて、瞬時にＯＮ／ＯＦＦを切り替えることができる。その結果、出射光線の照射角の制御を瞬時に行うことができる。また、ＬＥＤは電圧の変化に応じて光量が直線的に変化し得るので、光量を容易に調整することができる。用いるＬＥＤの出射光半値角は、好ましくは６０°以上である。

第１の光源２１および第２の光源２２は、制御部（図示しない）による制御にしたがって、それぞれ、光量調整手段としての第１の駆動部３１、第２の駆動部３２により駆動されている。駆動部は、各光源に電気的に接続された光源駆動回路により光量を調整する。このように、第１の光源、第２の光源ごとに光量を調整することにより、例えば、使用者からの入力に応じて一方の光源を点灯させて、もう一方の光源を消灯させることができる。また、どちらの光源も点灯させて、それぞれの光量を調整することもできる。光源駆動回路には、光源としてＬＥＤを用いる場合には、例えば、ドライバＩＣが使用され、光源として蛍光ランプを用いる場合には、例えば、インバータ回路が使用される。

上記導光板は、入射した光が全反射を繰り返しながら当該導光板内部を進行することで光源から離れたところまで光を導き、光を出射させたい部位において全反射を阻害し光を出射させる部材である。導光板は、代表的には、ガラス、樹脂材料から形成されている。導光板を形成する樹脂材料としては、例えば、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＣ（ポリカーボネート）、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）、ベンジルメタクリレート、ＭＳ樹脂、あるいはＣＯＰ（シクロオレフィンポリマー）のような光学的に透明な樹脂材料が挙げられる。

導光板の主面には、導光板内部に導かれた光の全反射を阻害する阻害部が形成されている。阻害部は、例えば、導光板の主面に、反射ドットや凹凸（例えば、半球状の）等を形成することにより構成される。本発明においては、阻害部は、反射型ホログラム層が設けられている側（図示例では、上面）には、実質的に形成されていないことが好ましい。光源から出射する光を、効率的に反射型ホログラム層に入射させるためである。

図１に示すように、照明装置１００では、導光板１０の上面に反射型ホログラム層４０が設けられ、導光板１０の下面から離間して反射体５０が配置されている。反射型ホログラム層４０は、その内部の干渉縞４１による平坦面状の格子面を導光板１０の主面と非平行に配列されている。図１の例では、干渉縞４１による格子面の下面を右斜め方向に向けて配列されている。したがって、第１の光源２１から出射され、導光板を経て干渉縞４１による格子面の右斜め下方から入射する光４６は、導光板１０の下方に向けて回折される（回折光４６ａ）。ここで、光４６は、好ましくは、導光板１０の略法線方向に回折される。回折光４６ａは、実質的に平行光とされている。次に、回折光４６ａは、反射体５０により上方に向けて反射される（反射光４６ｂ）。反射光４６ｂは、反射体５０により拡散され得、拡散光とされる。一方、第２の光源２２から出射され、導光板を経た光４７は、干渉縞４１による格子面の左斜め下方から入射するので、反射せずに、導光板１０の上方に向けて回折透過する（回折光４７ａ）。具体的には、光４７は、干渉縞４１による格子面の左斜め下方から入射し、一旦、隣接する格子面の上方に向けて反射され、導光板１０の上方に向けて回折される。ここで、光４７は、好ましくは、導光板１０の略法線方向に回折される。回折光４７ａは、実質的に平行光とされている。このようにして、第１の光源から出射される光は拡散光として広視野角化に寄与し、第２の光源から出射される光は狭視野角化に寄与する。なお、第１の光源の最大光量を第２の光源の最大光量よりも高く設定することが好ましい。拡散による輝度の低下を使用者に感じさせないからである。

反射型ホログラムは、代表的には、ホログラム記録材料に干渉性を有した二つの光束を互いに異なる側から照射し、当該ホログラム材料に応じた現像を行うことにより製造される。二つの光束が干渉することにより干渉縞が生成し、この干渉縞をなす光の強弱パターンに対応してホログラム記録材料は反応し、例えば、屈折率の変化としてホログラム記録材料に記録される。ホログラム記録材料としては、例えば、フォトポリマー、フォトレジスト、銀塩乳剤、重クロム酸ゼラチン等が挙げられる。これらの中でも、フォトポリマー、フォトレジストが好ましく用いられ、特にフォトポリマーが好ましく用いられる。これらは、透明性に優れるので、省エネルギー化に寄与し、得られる液晶表示装置の視認性を向上させることができる。

上記二つの光束の一方（参照光）は、平板状のホログラム記録材料の略法線方向から照射することが好ましい。このような方法によれば、上述のとおり、反射型ホログラム層から出射される光の出射方向を、導光板の略法線方向とすることができる。その結果、照明装置の出射光角度分布を上下左右対称にすることができ、正面に偏向させるためにプリズムシートを用いる等のコストアップを防止し、小型化にも寄与し得る。

光束の照射方向の一方をホログラム記録材料の略法線方向とする場合、もう一方は、導光板と空気界面の臨界角以上の角度で照射させる。上述のとおり、光源から導光板に入射した光は全反射を繰り返しながら当該導光板内部を進行するが、この光を回折させるためである。なお、空気界面での臨界角θは、導光板の屈折率をｎ_１とした時、ｓｉｎθ＝１／ｎ_１となる。

ホログラム記録に用いられる光の波長は、例えば、ホログラム記録材料に含まれる重合開始剤に対応させる。ホログラム記録に用いられる光の波長は、好ましくは２００ｎｍ〜２０００ｎｍ、より好ましくは３００ｎｍ〜７００ｎｍ、さらに好ましくは４００ｎｍ〜７００ｎｍである。ホログラム記録には、レーザー光が好ましく用いられる。レーザーとしては、固体レーザー、半導体レーザー、気体レーザー、液体レーザーのいずれでもよい。好ましい具体例としては、５３２ｎｍのＹＡＧレーザー、４８８または５１４．５ｎｍのＡｒイオンレーザー、６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザーが挙げられる。

反射型ホログラム製造のための露光光学系の一例を図２に示す。レーザー発振器（ＹＡＧレーザー）１０１から発振したレーザー光は、レーザーシャッター１０２を通過後、偏光ビームスプリッター１０３により二光束（直進光１１１と反射光１１２）に分離され、一方は（図示例では直進光１１１）はλ／２板１０４を通過して、その偏光方向が変換される。分離された二光束１１１，１１２は、それぞれ、反射ミラー１０５を通過、対物レンズ１０６で発散され、コリメートレンズ１０７で平行光化され、ホログラム記録材料１０８上で干渉を起こし干渉縞が生成し、それがホログラム記録材料１０８に記録される。ホログラム記録材料１０８は、導光板（ガラス板）１０９の表面に保持された状態で、一方の光束がその略法線方向に表面から照射され、他方の光束が、導光板と空気界面の臨界角以上の角度で裏面（導光板側）から照射される。

上記反射体としては、拡散反射板が好ましく用いられる。鏡面反射板に比べて光がより拡散されるので、視野角をさらに広げることができる。拡散反射板としては、例えば、アルミニウム、ステンレス等の金属板やポリエステル等の樹脂フィルム等の基材にアルミニウム、銀等を蒸着した蒸着シート、当該基材にアルミニウム金属箔を積層した積層体、内部に空孔（ボイド）が形成された樹脂フィルム等が挙げられる。

図３は、本発明の別の好ましい実施形態による照明装置の構成を示す断面図である。照明装置２００では、導光板１０と反射体５０との間には、拡散体６０が配置されている。このような形態によれば、導光板の下方に出射された光が拡散体を通過して反射体に到達し、次いで、反射体で反射されて拡散体を再度通過するので、拡散されて視野角を広げることができる。

図４は、本発明のさらに別の好ましい実施形態による照明装置の構成を示す断面図である。照明装置３００では、導光板１０と反射体５０との間に第１の拡散体６１が配置され、反射型ホログラム層４０の上面から離間して第２の拡散体６２が配置されている。第１の拡散体６１で拡散された光は、第２の拡散体６２でさらに拡散され、視野角をさらに広げることができる。

上記拡散体としては、例えば、透光性フィルムの表面に凹凸処理（例えば、光拡散物質のコーティング）を施したもの、樹脂フィルムの内部に光拡散性微粒子を含有させたもの、樹脂フィルムの内部に気泡構造を有するもの等が挙げられる。

上記拡散体のヘイズ値は、好ましくは９０％以上である。拡散体の全光線透過率は、好ましくは９０％以上である。

Ｂ．液晶表示装置
本発明の液晶表示装置は、液晶パネルと、液晶パネルの一方の側に配置された上記照明装置とを備える。具体的には、上記照明装置の制御部は、液晶表示装置の主制御部に接続され、液晶表示装置のバックライトとして機能する。液晶パネルは、液晶セルと、液晶セルの両側にそれぞれ配置された偏光板とを備える。液晶セルは、一対の基板（代表的には、ガラス基板）と、当該基板間に配された表示媒体としての液晶を含む液晶層とを備える。目的に応じて、任意の適切な光学補償板（位相差板）が、液晶セルと偏光板との間に配置され得る。本発明の液晶表示装置においては、液晶パネルからの出射光角度は照明装置からの出射光角度に依存し得るので、例えば、光源の切り替えにより出射光角度を切り変えることができ、状況に応じた視野角の切り替えが可能になる。

本発明の液晶表示装置は透過型であっても半透過型であってもよいが、好ましくは透過型とされている。

以下、実施例によって本発明を具体的に説明するが、本発明はこれら実施例によって限定されるものではない。

＜評価方法＞
各照明装置について、導光板上面から出射する光の発散角強度分布を、ＡＵＴＯＲＯＮＩＣ社製、ｃｏｎｏｓｃｏｐｅを用いて測定した。

（反射型ホログラム層の形成）
図２で説明したように、ホログラム記録材料に光を照射し、現像を行い、反射型ホログラム層を形成した。導光板として、厚み１ｃｍのＢＫ−７ガラスを用いた。ホログラム記録材料として、Ｄｕｐｏｎｔ社製記録材料ＨＲＦを用いた。ホログラム記録材料裏面の光の入射角度を４５°（導光板と空気界面の臨界角：４２°）とした。なお、ホログラム記録材料は、材料自身のスティックング性を利用して導光板に密着させた。

＜実施例１＞
上記で得られた反射型ホログラム層付導光板を用いて、図１に示す照明装置を作製した。第１の光源、第２の光源および光量調整手段は、ＬＧ電子製ＰＣモニターＥ２３５０ＶＲ−ＳＮをそのまま利用した。また、反射体として、ＬＧ電子製ＰＣモニターＥ２３５０ＶＲ−ＳＮの導光板下側に配置されていた白色拡散反射板（厚み：２３６μｍ）を用いた。

実施例１の照明装置において、第１の光源の電流量と第２の光源の電流量を１：１とし、第１の光源のみを点灯した時および第２の光源のみを点灯した時の輝度の視野角依存性を図５に示す。また、第１の光源の電流量と第２の光源の電流量を５．５：１とし、第１の光源のみを点灯した時および第２の光源のみを点灯した時の輝度の視野角依存性を図６に示す。

＜実施例２＞
実施例１で用いた各部材に加え、拡散体として、ＬＧ電子製ＰＣモニターＥ２３５０ＶＲ−ＳＮの導光板上側に配置されていた拡散板（厚み：１３１μｍ、ヘイズ：９６．７％）を用いて図３に示す照明装置を作製した。

実施例２の照明装置において、第１の光源の電流量と第２の光源の電流量を１：１とし、第１の光源のみを点灯した時および第２の光源のみを点灯した時の輝度の視野角依存性を図７に示す。また、第１の光源の電流量と第２の光源の電流量を３：１とし、第１の光源のみを点灯した時および第２の光源のみを点灯した時の輝度の視野角依存性を図８に示す。

＜実施例３＞
実施例２で用いた各部材に加え、拡散体として、ＬＧ電子製ＰＣモニターＥ２３５０ＶＲ−ＳＮの導光板上側に配置されていた拡散板（厚み：１３１μｍ、ヘイズ：９６．７％）を用いて図４に示す照明装置を作製した。

実施例３の照明装置において、第１の光源の電流量と第２の光源の電流量を１：１とし、第１の光源のみを点灯した時および第２の光源のみを点灯した時の輝度の視野角依存性を図９に示す。また、第１の光源の電流量と第２の光源の電流量を１．４：１とし、第１の光源のみを点灯した時および第２の光源のみを点灯した時の輝度の視野角依存性を図１０に示す。

本発明の照明装置は、種々の用途に用いられ得る。特に、液晶表示装置のバックライトとして好適に用いられ得る。

１０導光板
２１第１の光源
２２第２の光源
３１駆動部
３２駆動部
４０反射型ホログラム層
５０反射体
６０拡散体
６１第１の拡散体
６２第２の拡散体
１００照明装置
２００照明装置
３００照明装置

Claims

導光板と、
該導光板の上面または下面に設けられる反射型ホログラム層と、
該導光板の第１の側面に入射し、該反射型ホログラム層の格子面の下方から入射する光を出射する第１の光源と、
該第１の側面と対向する第２の側面に入射し、該反射型ホログラム層の格子面の上方から入射する光を出射する第２の光源と、
該導光板の下側に配置される反射体と、
該第１の光源と第２の光源の光量を独立して調整する光量調整手段と
を備え、
該反射型ホログラム層の内部の格子面が、該導光板の主面と非平行に配列されており、
該反射体が拡散反射板であり、
該反射型ホログラム層に入射する光が、該導光板の略法線方向に回折される、照明装置。
前記導光板の下方に回折される光が拡散される、請求項１に記載の照明装置。
前記反射型ホログラム層がフォトポリマーから構成される、請求項１または２に記載の照明装置。
前記導光板と反射体との間に配置される拡散体をさらに備える、請求項１から３のいずれかに記載の照明装置。
前記導光板の上側に配置される拡散体をさらに備える、請求項１から４のいずれかに記載の照明装置。
前記第１の光源の最大光量が前記第２の光源の最大光量よりも高い、請求項１から５のいずれかに記載の照明装置。
前記光源がＬＥＤである、請求項１から６のいずれかに記載の照明装置。
前記導光板の反射型ホログラム層が設けられる側には、該導光板内部に導かれた光の全反射を阻害する阻害部が実質的に形成されていない、請求項１から７のいずれかに記載の照明装置。
液晶パネルと、
該液晶パネルの一方の側に配置された請求項１から８のいずれかに記載の照明装置と
を備える、液晶表示装置。
透過型である、請求項９に記載の液晶表示装置。