JPH09178949A

JPH09178949A - 平面照明装置

Info

Publication number: JPH09178949A
Application number: JP7337482A
Authority: JP
Inventors: Akiyoshi Fujii; 暁義藤井; Hiromi Kato; 浩巳加藤
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1995-12-25
Filing date: 1995-12-25
Publication date: 1997-07-11

Abstract

(57)【要約】【課題】有効にホログラム回折を生じさせて、平面照
明装置のコストダウンを図る。【解決手段】導光体４１の端面に配置された線状の光
源１１からの光を、端面から取り入れて端面に垂直な第
１の面（出射面）から出射する。導光体４１の第２の面
（裏面）には、モザイク状の微小ホログラムの集合体が
パターン形成されたホログラムシート４２が配置されて
いる。集合体を構成する微小ホログラムは、互いに異な
る入射光波長および入射角に対して最大回折効率を示
し、入射された光を有効に出射面側に回折する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、液晶表示素子の背
面を照明する等の手段に利用される平面照明装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】上述の平面照明装置は、液晶表示素子に
光を供給する装置として、ノート型パーソナルコンピュ
ーター（ノートＰＣ）や薄型テレビ、および情報端末装
置のディスプレイなどに多数採用されている。特に、ノ
ートＰＣ分野では、表示部の対角寸法が２１ｃｍ（８．
４型）から３０ｃｍ（１２型）以上に大面積化すると共
に照明装置も大面積化しており、一方では携帯性および
軽量化の観点から薄型化が望まれている。例えば、対角
２６ｃｍクラスの液晶表示素子では、液晶表示部と照明
装置とを含めた厚さは、１０ｍｍ程度である。

【０００３】図６に、従来の平面照明装置の断面図を示
す。この平面照明装置は、光源１１、導光体１２、反射
フィルム１４、拡散フィルム１５およびレンズフィルム
１６の５つの主な構成部分からなっている。

【０００４】光源１１である冷陰極管（ＣＣＦＴ）から
の光は、導光体１２の端面から導光体１２に入射する。
薄型化が要求される分野の平面照明装置では、このよう
に光源１１を導光体１２の端面に沿って配置して、端面
から光を入射させる構造として薄型化を実現している。

【０００５】導光体１２は、端面から入射した光を出射
面に広げるための透明な板である。この導光体１２は主
としてアクリルで作製され、近年では図示したように楔
形に形成するのが一般的である。導光体１２の裏面に
は、光を散乱させるドット１３がパターン状に形成され
ている。導光体１２の端面から入射した光は、導光体１
２の中で反射を繰り返しながら伝播して、一部がドット
１３により散乱されて出射面（図の上側の面）から導光
体１２の外部へ出射される。導光体１２の裏面のドット
１３は、裏面全てを覆っているのではなく、光源１１に
近い側では粗く、光源１１から遠い側では密になるよう
に、ドット１３のサイズやピッチを変化させている。こ
れは、光源１１からの光が導光体１２にまんべんなく広
がって、導光体１２から均一に出射するようにするため
である。光源１１からの光は、ドット１３の部分では散
乱され、ドット１３とドット１３との間では反射され
て、導光体１２中を伝播していく。

【０００６】反射フィルム１４は導光体１２の裏面側に
設けられ、導光体１２の裏面から漏れた光を導光体１２
の方へ戻す働きを有している。

【０００７】拡散フィルム１５は導光体１２の出射面側
に設けられ、輝度の面内分布を均一にする働きを有して
いる。拡散フィルム１５が形成されていない状態で出射
面側から導光体１２を観察すると、ドット１３の部分で
は光を散乱しているために輝いて見える。このため、導
光体１２内で面内に光が広がっていても、輝度に分布が
できてしまう。拡散フィルム１５は、このような輝度の
分布を平均化して均一な輝度分布を作り出している。

【０００８】レンズシート１６であるプリズムシートは
拡散フィルム１５の上側に設けられ、拡散フィルム１５
から出射された光に指向性を持たせて出射面のピーク輝
度を上げる働きを有している。拡散フィルム１５から出
射した光はほぼ全方位に対して一様な輝度を有するが、
液晶表示素子には、その液晶の有する光学的異方性と配
向処理の結果とから見やすい範囲が存在する。この範囲
は液晶表示素子を真上から観察した時、左右で±４０゜
程度である。このように液晶表示素子の視角特性には制
限があるため、一様に拡散した光よりもむしろ指向性を
持たせ、その分ピーク輝度を上げた方が見やすさ、明る
さおよび光源の消費電力の低減を考慮すると有利であ
る。このプリズムシートは、例えば特開昭６２−１４４
１０２号に開示されており、これを応用したものは、特
公平１−３７８０１号や特公平７−２７１３７号に開示
されている。

【０００９】一方、特開昭５６−５１７７２号公報に
は、ホログラム素子を平面照明装置に応用したものが開
示されている。この出願は、主として時計の表示部に用
いられる反射型液晶表示装置に関するものである。

【００１０】図６を用いて説明すると、導光体１２の裏
面側の反射フィルム１４と導光体１２との間にホログラ
ム素子が配置され、通常は反射型液晶表示装置として使
用するが、周囲が暗い場合には、補助光源としてＣＣＦ
Ｔ１１の位置に設けられた照明用ランプからの光をホロ
グラム素子により出射側（図では上側）に回折させる。
ホログラム素子を用いる理由はホログラム素子の有する
回折性のためであり、浅い角度でホログラム素子に光が
入射しても、入射面に対して垂直に近い角度で回折する
ようにホログラム素子を作製することができるからであ
る。これにより、上述の導光体１２裏面の散乱用ドット
１３のように、出射面に有効に光を導く働きを期待して
いる。但し、この出願の実施例にあっては、導光体は図
６のような楔形ではなく平行平板であり、光源１１も導
光体１２の一端ではなく両端に設けている。また、拡散
フィルム１５やレンズフィルム１６は設けられていな
い。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】平面照明装置の性能と
しては、上述のように、明るく均一な輝度分布が得られ
ること、薄型軽量であることの他に、安価であることが
要求されている。しかし、図６に示したような従来の平
面照明装置では、構成部品点数が多いために、その材料
コストおよび組立コストが高いという問題があった。

【００１２】一方、特開昭５６−５１７７２号に開示さ
れているホログラム素子を使用した構造では、従来必要
であった拡散シートやレンズシートが削減でき、導光体
に設けられるドットも省略できるので、コストダウンに
は有効であると考えられる。しかし、この特開昭５６−
５１７７２号に開示されている技術では、特定の波長で
かつ特定の入射角度以外の光に対しては回折効率が低下
し、あるいは回折効果を示さないという、ホログラム素
子の有する本質的な制約については全く考慮されていな
い。

【００１３】有効なホログラム回折を生じさせるために
は、ホログラム素子への入射光の波長と入射角とが同時
に条件を満たす必要がある。このホログラム素子特有の
性質から以下のような問題が生じるので、ホログラム素
子を備えた構造は現在まで実用化されていない。照明に
使用される光源は通常白色光であり、また、導光体を伝
播する光は導光体の各面に対して様々な角度で入射す
る。このため、単一なホログラム素子を導光体に取り付
けただけでは、入射光の波長と入射角度とが取る範囲を
カバーして効率良く回折させることはできない。

【００１４】本発明は、このような従来技術の課題を解
決すべくなされたものであり、ホログラム素子により有
効に入射光の回折を生じさせて、コストダウンを図るこ
とができる平面照明装置を提供することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明の平面照明装置
は、透明導光体の１つの端面側に線状の光源が配置さ
れ、該光源からの光を、該端面から取り入れて該端面に
垂直な第１面から出射する平面照明装置において、該透
明導光体の第１面とは反対側の第２面側には反射型ホロ
グラムシートが配置され、該ホログラムシートはモザイ
ク状の微小ホログラムの集合体がパターン形成されてお
り、そのことにより上記目的が達成される。

【００１６】前記集合体を構成する微小ホログラムは、
互いに異なる入射光波長および入射角に対して最大回折
効率を示すものであってもよい。

【００１７】前記ホログラムシートは、互いに異なる入
射光波長に対して最大回折効率を示す複数枚が積層さ
れ、または互いに異なる入射角に対して最大回折効率を
示す複数枚が積層されていてもよい。

【００１８】以下、本発明の作用について説明する。

【００１９】本発明にあっては、導光体の出射面と反対
側面に配置される反射型ホログラムシートに、モザイク
状の微小ホログラムの集合体がパターン形成されてい
る。ホログラムには、特定の波長でかつ特定の入射角度
以外の光に対しては回折効率が低下し、あるいは回折効
果を示さないという制約がある。しかし、集合体を構成
する各微小ホログラムの特性を異ならせることにより、
入射光の波長と入射角度とが取る範囲をカバーすること
ができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態につい
て、図面を参照しながら説明する。

【００２１】図１に示すように、光源１１からの光が導
光体４１に入射する場合、導光体４１と空気との屈折率
の違いから、入射後に導光体４１内で光線が取り得る角
度は限定される。

【００２２】例えば、導光体４１がアクリルからなる場
合、その屈折率は１．４９であるので、導光体４１内で
の光線の進行方向は、図１にＡで示すように、入射面法
線に対してほぼ±４１．８゜の範囲にある。導光体４１
が平行平板の場合、図１にＢで示すように、光は導光体
４１の裏面（第２面）側と出射面（第１面）側とで全反
射を繰り返して伝播するが、この時の入射反射角度は面
法線に対して９０゜−４１．８゜＝４８．２゜以上であ
る。従って、導光体４１に付設されるホログラムシート
には、この角度以上の光しか入射せず、この範囲の光を
効率良く出射面方向に回折させれば良い。しかし、ホロ
グラムにより効率良く回折させるためには、入射する光
の波長と入射角度とが同時に条件を満たす必要がある。

【００２３】ここで、１枚のホログラムシートに入射さ
れる光の波長として、例えば図２に示すＣＣＦＴの発光
スペクトルから４３４ｎｍ（Ｂ）の光を想定する。この
光は、上述のように４８．２゜以上の入射角でホログラ
ムに入射するので、４３４ｎｍの入射波長および４８．
２゜以上の入射角で回折効率が最適になるように、微小
ホログラムを作製すればよい。ホログラムへの光の入射
角に対して、回折効率の許容角度は数度程度あるので、
例えば入射角９０゜から１０゜きざみに４通りに分ける
ことにする。各中心入射角８５゜、７５゜、６５゜およ
び５５゜に対して４３４ｎｍの入射波長で回折光が導光
体４１の裏面に対してほぼ垂直方向に向かうように、微
小ホログラムを作製する。このような微小ホログラムの
集合体を、１シート内でモザイク状に分布するように作
製すると、想定波長に対して様々な入射角の光について
効率良く回折させることができる。

【００２４】同様なホログラムシートを、他の波長、例
えば図２に示したＣＣＦＴの発光スペクトルから５４３
ｎｍ（Ｇ）および６１２ｎｍ（Ｒ）に対して作製して、
上記のホログラムシートと積層することにより、白色光
のような広い波長領域と入射角度とを有する光に対して
回折が生じるホログラムシートを作製することができ
る。これにより、導光体を伝播する光に対して、かなり
良い回折効率で出射側に回折させることができ、出射面
から出射させることができる。

【００２５】このような多重のホログラムシートの具体
的な作製は、例えば以下のようにして行われる。ガラス
基板などの上に記録材料（たとえばデュポン（株）製の
オムニデックス６００など）からなる膜を形成したもの
に対し、この例の場合にはこの膜に所定の波長レーザ光
を２つに分割した光を照射し一枚のホログラムシートを
作製する。こののち同様にして作製したホログラムシー
トを３枚積層する。なお、分割された２つのレーザ光の
角度設定については、「レーザの画像」龍岡靜夫（共立
出版）ｐ．７７−８１を参照して行うことができる。

【００２６】このようなホログラムシートの複製は、マ
スターシートを作製することにより、同様のホログラム
シートを容易に複製することができるので、ホログラム
シート自体を安価に作製することができる。

【００２７】ここでは、想定波長を異ならせたホログラ
ムシートを積層した場合について説明したが、想定入射
角度を異ならせて、互いに異なる入射波長に対して最大
回折効率を有する微小ホログラムの集合体をモザイク状
に作製したホログラムシートを積層してもよい。

【００２８】各微小ホログラムについて、最大効率が得
られる入射光波長や入射角は上述したものに限られず、
用いられる光源の波長や光源の性質、導光体材料の屈折
率によって適宜選択することができる。また、集合体を
構成する微小ホログラムの数や形状も、上述したものに
限られず、適宜選択することができる。

【００２９】以下に、本発明のより具体的な実施形態に
ついて、図面を参照しながら説明する。

【００３０】図３に、本発明の一実施形態である平面照
明装置の断面図を示す。この平面照明装置は、透明な材
料からなる平行平板型の導光体４１の一端面に沿って線
状の光源１１が設けられ、その端面に垂直な、図の上側
の出射面（第１面）と対向する裏面（第２面）側にホロ
グラムシート４２が設けられている。両者の間に空気層
が介在することにより光が全反射することを防ぐため、
導光体４１とホログラムシート４２とは光学的接着剤で
接着してある。導光体４１はアクリルからなり、光源１
１としてはＣＣＦＴが配置されている。

【００３１】ホログラムシート４２の裏面側には、反射
シート４３が設けられ、ホログラムシート４２を透過し
た光を導光体４１に戻すようになっている。この反射シ
ート４３としては、例えば金属を蒸着したもののような
表面が鏡面になっているものが望ましい。反射効率のみ
を考慮すると、金属反射では光吸収が若干生じるので白
色シートのような散乱シートの方が良いが、ホログラム
の入射角の選択性を考慮して、反射角度を確保する意味
で鏡面反射を採用している。

【００３２】この平面照明装置には、従来の平面照明装
置のような拡散シートやレンズシートは形成されておら
ず、導光体裏面に散乱のためのドットパターンは設けら
れていない。

【００３３】また、図示はしていないが、ホログラムシ
ート４２は、例えば図２に示したＣＣＦＴの発光スペク
トルを考慮して４３４ｎｍ、５４３ｎｍおよび６１２ｎ
ｍを想定波長とした３枚を積層した構造になっている。

【００３４】図４に、３枚の内の１枚のホログラムシー
ト、例えば想定波長４３４ｎｍのシートの構造を示す。
このホログラムシートは、導光体裏面に垂直な方向（出
射面方向）に回折されるように想定された何通りかの入
射角度に対応する微小ホログラムの集合体がモザイク状
に形成されている。ここでは、異なる入射角度に対応す
る４つの微小ホログラムａ、ｂ、ｃおよびｄを１つの塊
Ａとして、複数の塊Ａを１枚のホログラムシートの中で
島状に配置してある。

【００３５】上述したように、導光体に入射した光は、
空気と導光体材料（アクリル）との屈折率差によって入
射面法線に対して４１．８゜以内の角度を有している。
従って、入射光は、導光体の出射面である第１面側と導
光体の裏面である第２面側とで、各々面法線に対して４
８．２゜以上の角度で導光体中を伝播する。そこで、微
小ホログラムａ、ｂ、ｃおよびｄでは、想定入射角度が
各々８５゜、７５゜、６５゜および５５゜となるよう
に、ホログラムの有するブラッグ面の法線角度を平面か
ら各々４７゜、５２゜、５７゜および６２゜に設定し
た。ホログラムの想定入射角に対して回折効果の得られ
る入射角の許容幅は±５゜程度であるので、想定入射角
は８５゜±５゜、７５゜±５゜、６５゜±５゜および５
５゜±５゜となり、各微小ホログラムａ、ｂ、ｃおよび
ｄではこれらの入射角範囲を満足する入射光をほぼ出射
面方向に回折する。従って、このホログラムシートは、
４３４ｎｍの光に対して入射角が４８゜以上の光を微小
ホログラムａ、ｂ、ｃおよびｄにより出射面側に回折す
ることができ、光源から入射した光を効率良く回折する
ことができる。出射面側に回折された光は、導光体の出
射面から出射される。

【００３６】他の２枚のホログラムシートについても、
想定波長が５４３ｎｍと６１２ｎｍで異なるものの、同
様の構成となっている。

【００３７】図５に、ブラッグ面の法線角度が平面に対
して６３゜である場合について、入射光と回折光との関
係を示す。図中、Ｂはブラッグ面を示し、αはブラッグ
面Ｂの法線Ｎと平面Ｐとのなす角度を示す。ホログラム
の回折光は、このブラッグ面の法線Ｎに対して対称な方
向に反射され、導光体に対してほぼ垂直に進むことにな
る。回折光の特徴は、図５からも予想されるように、指
向性を有しているということであり、ドットパターンに
より光を散乱させる従来の平面照明装置のようにレンズ
シートにより指向性を持たせる必要はない。また、拡散
フィルムにより輝度分布を均一化する必要もないので、
平面照明装置を構成する部品の点数を少なくしてコスト
を低減することができる。

【００３８】ホログラムの性質上、回折条件を満たさな
い光はホログラムシートを透過するので、４３４ｎｍ以
外の波長の光はこのホログラムシートを透過することに
なる。そこで、これ以外の波長である５４３ｎｍおよび
６１２ｎｍの想定波長に対して同様の想定入射角度を有
するモザイク状の微小ホログラムの集合体をホログラム
シートに作製して、これらを積層する。これにより、第
１層で回折されなかった光についても、第２層または第
３層で回折させることができるので、白色光のような広
い波長領域と入射角度とを有する光に対しても、有効に
回折を生じさせて、出射面から出射させることができ
る。

【００３９】図４において、ホログラムシートの島Ａと
島Ａとの間にはホログラムを形成していない領域がある
が、これは光源からの光を導光体全体に行き渡らせるた
め、敢えてホログラムを形成しなかった領域である。光
源からの光を導光体全体に均一に行き渡らせるために
は、ホログラムを形成した領域（島）Ａは、ＣＣＦＴに
近いところ（図４では左側）では疎に、ＣＣＦＴから離
れるにつれて密になるようにパターン形成してもよい。

【００４０】ホログラムシートの島Ａと島Ａとの間を通
った光は回折されずにホログラムシート４２を透過し
て、導光体４１の裏面側に設けられた反射シート４３で
反射され、再びホログラムシート４２を通って導光体４
１に戻り、導光体４１の出射面側で反射して導光体４１
を伝播することになる。

【００４１】ホログラムによれば、ある特定の波長に対
して回折が生じるため、回折光にはいずれかの色がつい
ていることになる。しかし、図４の微小ホログラムａ、
ｂ、ｃおよびｄを十分に小さくしたり、また、想定入射
角が４つであっても４つより多くの微小ホログラムから
なる島Ａを形成することにより、回折光が互いに混り合
って白色光が得られる。また、回折が生じる入射角度に
は幅があるため、図５に示したように、回折光がある角
度で広がっていくので、これによっても光が互いに混り
合って白色光が得られる。

【００４２】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の平面照明装置によれば、導光体裏面に反射型ホログラ
ムシートを配置することにより、導光体端面から入射し
た光源からの光を出射面方向に指向性を持たせて出射す
ることができる。従って、視角特性を有する液晶表示素
子の照明装置として用いた場合、明るい表示が得られ、
消費電力を低減することができる。

【００４３】また、ホログラムシートにモザイク状の微
小ホログラムの集合体を形成することにより、白色光の
ように広い波長領域と入射角度とを有する光に対しても
有効に回折を生じさせて、光の利用効率を向上すること
ができる。

【００４４】さらに、従来の平面表示装置に必要とされ
ていた拡散シートやプリズムシートのような構成部品を
削減することができ、また、導光体に光を散乱するため
のドットパターンを形成する必要もない。さらに、ホロ
グラムシートは、マスターシートを作製することによ
り、同様のシートを容易に複製することができるので、
シート自体も安価に作製することができる。従って、平
面照明装置を低コストに作製することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の平面照明装置において、導光体内への
光の入射と導光体内での光の伝播とを示す概念図であ
る。

【図２】ＣＣＦＴの一般的な発光スペクトルの図であ
る。

【図３】実施形態１の平面照明装置を示す断面図であ
る。

【図４】実施形態１におけるホログラムシートの構造を
示す平面図である。

【図５】ホログラムによる光回折を示す概念図である。

【図６】従来の平面照明装置を示す断面図である。

【符号の説明】

１１光源４１導光体４２ホログラムシート４３反射シート

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】透明導光体の１つの端面側に線状の光源
が配置され、該光源からの光を、該端面から取り入れて
該端面に垂直な第１面から出射する平面照明装置におい
て、該透明導光体の第１面とは反対側の第２面側には反射型
ホログラムシートが配置され、該ホログラムシートはモ
ザイク状の微小ホログラムの集合体がパターン形成され
ている平面照明装置。
【請求項２】前記集合体を構成する微小ホログラム
は、互いに異なる入射光波長および入射角に対して最大
回折効率を示すものである請求項１に記載の平面照明装
置。
【請求項３】前記ホログラムシートは、互いに異なる
入射光波長に対して最大回折効率を示す複数枚が積層さ
れ、または互いに異なる入射角に対して最大回折効率を
示す複数枚が積層されている請求項１に記載の平面照明
装置。