WO2013038633A1 - 光強度分布変換素子、面光源装置及び液晶表示装置 - Google Patents

光強度分布変換素子、面光源装置及び液晶表示装置 Download PDF

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incident
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令奈 西谷
菜美 中野
香川 周一
宗晴 桑田
小島 邦子
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三菱電機株式会社
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    • G02B6/0068Arrangements of plural sources, e.g. multi-colour light sources

Definitions

  • the present invention relates to a light intensity distribution conversion element, a surface light source device, and a liquid crystal display device, each of which includes a laser as a light source and generates planar light having a uniform intensity distribution from point-like laser light.
  • the liquid crystal display element included in the liquid crystal display device does not emit light by itself.
  • the liquid crystal display device includes a surface light source device on the back surface of the liquid crystal display element as a light source for illuminating the liquid crystal display element.
  • a cold cathode fluorescent lamp has been mainly used as a light source of the surface light source device.
  • the cold cathode fluorescent lamp is a cold cathode fluorescent lamp (hereinafter referred to as CCFL (Cold Cathode Fluorescent)) that obtains white light by applying a phosphor on the inner wall of a glass tube.
  • CCFL Cold Cathode Fluorescent
  • LED Light Emitting Diode
  • the surface light emitting device and the image display device described in Patent Document 1 have an optical system composed of a plurality of optical elements.
  • the light emitted from the laser is shaped into a light intensity distribution having a desired shape through the optical system.
  • emitted from the laser is radiate
  • Patent Document 1 the surface light emitting device and the image display device described in Patent Document 1 require an enlarged optical system having a plurality of elements in order to shape the light intensity distribution of the laser.
  • liquid crystal display devices are required to be reduced in size and simplified in configuration. It is difficult to realize the miniaturization and the simplification of the configuration of the liquid crystal display device by applying the configuration of Patent Document 1.
  • the present invention has been made in view of the above, and an object thereof is to provide a light intensity distribution conversion element having a simplified configuration. It is another object of the present invention to provide a surface light source device and a liquid crystal display device that emits planar light having a highly uniform spatial light intensity distribution with a simplified configuration using the light intensity distribution conversion element.
  • the light intensity distribution conversion element of the present invention has a first light incident surface on which a first light beam having directivity is incident and an angular intensity distribution of the first light beam so that the first light beam is emitted in the emitting direction.
  • the first light exit surface having a concave curved surface portion is adjacent to or adjacent to the curved surface portion, is inclined with respect to the exit direction of the first light beam, and is totally reflected by the first light beam. The first light beam reflected by the total reflection surface is emitted from the curved surface portion.
  • the present invention makes it possible to provide planar light having an in-plane luminance distribution with a simple configuration, a wide color reproduction range, and excellent uniformity.
  • FIG. 5 is a characteristic diagram showing an angular intensity distribution on the ZX plane of outgoing light of the light diffusing structure in Embodiment 1 of the present invention. It is a figure which shows typically the behavior of the light ray in the light-diffusion structure of Embodiment 1 of this invention. It is a block diagram which shows typically the light-diffusion structure in Embodiment 1 of this invention.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration of a liquid crystal display device 110 which is a transmission type display device according to the first embodiment of the present invention.
  • the short side direction of the liquid crystal optical element 1 is defined as the Y-axis direction
  • the long side direction is defined as the X-axis direction
  • the direction perpendicular to the XY plane is defined as the Z-axis direction. 1 is defined as the + Z-axis direction.
  • the upward direction of the liquid crystal display device is defined as the + Y axis direction
  • the light emission direction of the first light source 6 described later is defined as the + X axis direction.
  • the left side when viewed from the front is the + X-axis direction.
  • the liquid crystal display device 110 includes a transmissive liquid crystal display element 1 and a surface light source device 210.
  • the liquid crystal display device 110 can include the optical sheet 2, the optical sheet 3, and the light reflecting sheet 5. These components 1, 2, 3, 210, 5 are arranged in the Z-axis direction.
  • the liquid crystal display element 1 has a display surface 1a.
  • the display surface 1a is disposed in parallel with the XY plane.
  • the XY plane is a plane including an X axis and a Y axis that are orthogonal to the Z axis.
  • the X axis and the Y axis are orthogonal to each other.
  • the optical sheet 2 is a first optical sheet.
  • the optical sheet 3 is a second optical sheet.
  • the surface light source device 210 radiates the illumination light 6c toward the back surface 1b of the liquid crystal display element 1 (in the + Z-axis direction in FIG. 1).
  • the illumination light 6c is planar light having a uniform light intensity distribution on the XY plane of FIG.
  • the illumination light 6 c passes through the second optical sheet 3 and the first optical sheet 2 and is irradiated on the back surface 1 b of the liquid crystal display element 1.
  • the first optical sheet 2 has an effect of directing the illumination light 6c emitted from the surface light source device 210 in the normal direction to the screen of the liquid crystal display device 110.
  • the second optical sheet 3 suppresses optical effects such as fine illumination unevenness.
  • the light reflecting sheet 5 is disposed directly below the surface light source device 210 ( ⁇ Z axis direction).
  • the light emitted from the surface light source device 210 to the back side ( ⁇ Z-axis direction) is reflected by the light reflecting sheet 5 and used as illumination light for irradiating the back surface 1 b of the liquid crystal display element 1.
  • a light reflecting sheet based on a resin such as polyethylene terephthalate can be used as the light reflecting sheet 5.
  • a light reflecting sheet obtained by depositing metal on the surface of the substrate can be used as the light reflecting sheet 5.
  • the liquid crystal display element 1 has a liquid crystal layer.
  • the liquid crystal layer is disposed in parallel with the XY plane perpendicular to the Z-axis direction.
  • the display surface 1a of the liquid crystal display element 1 has a rectangular shape.
  • the X-axis direction and the Y-axis direction shown in FIG. 1 are directions along two mutually orthogonal sides of the display surface 1a.
  • the liquid crystal display element driving unit 52 changes the light transmittance of the liquid crystal layer in units of pixels in accordance with a control signal (liquid crystal display element control signal 55) supplied from the control unit 51.
  • Each pixel is further composed of three sub-pixels.
  • Each of the sub-pixels includes a color filter that transmits only red light, a color filter that transmits only green light, and a color filter that transmits only blue light.
  • the liquid crystal display element driving unit 52 generates a color image by controlling the transmittance of each sub-pixel. As a result, the liquid crystal display element 1 spatially modulates the illumination light 6c emitted from the surface light source device 210 to generate image light. The liquid crystal display element 1 can emit this image light from the display surface 1a. Note that image light is light having image information.
  • the surface light source device 210 includes a light source 6, a light intensity distribution conversion element 7, and a light guide plate 4.
  • the light source 6 is a first light source.
  • FIG. 2 is a configuration diagram showing the surface light source device 210 from the ⁇ Z-axis direction.
  • the light source 6 has a plurality of laser elements arranged in a one-dimensional direction (Y-axis direction).
  • laser elements including semiconductor lasers that emit red, green, and blue monochromatic light are regularly arranged in the Y-axis direction.
  • the wavelength of light emitted from the red semiconductor laser is 640 nm.
  • the wavelength of light emitted from the green semiconductor laser is 530 nm.
  • the wavelength of light emitted from the blue semiconductor laser is 450 nm.
  • white light is generated. Note that the wavelength of light emitted from each semiconductor laser is not limited to this, and is optimized for a desired color reproduction range. Further, the number of light colors is not limited to three, and is optimized for a desired color reproduction range.
  • the light beam 6a emitted from the light source 6 enters the light intensity distribution conversion element 7 from the light incident surface 7a.
  • the light incident surface 7a is a first light incident surface.
  • the light beam 6a passes through the light intensity distribution conversion element 7 and becomes white light with a uniform spatial light intensity distribution in the Y-axis direction. Further, the light intensity distribution conversion element 7 widens the angular intensity distribution of the light ray 6a in the ZX plane.
  • the light beam 6 a is emitted from the light emission surface 7 b of the light intensity distribution conversion element 7 toward the incident surface 4 a of the light guide plate 4.
  • the light emitting surface 7b is a first light emitting surface. The detailed shape and function of the light intensity distribution conversion element will be described later.
  • the incident surface 4a of the light guide plate 4 is disposed so as to face the light emitting surface 7b. Further, the incident surface 4a of the light guide plate 4 is disposed so that the longitudinal direction is parallel to the Y-axis direction.
  • the light guide plate 4 is made of a transparent material.
  • the light guide plate 4 is a plate-like member.
  • As the transparent material for example, acrylic resin (PMMA) can be employed.
  • the light guide plate 4 can be a plate-like member having a thickness of 3 mm, for example.
  • the light guide plate 4 includes a light diffusing element 41 on the back surface 4d (the surface on the -Z axis side).
  • the light diffusing element 41 has a function of converting linear light incident from the light incident surface 4a of the light guide plate 4 into light having a planar light intensity distribution.
  • the linear light has a uniform light intensity distribution in the one-dimensional direction (Y-axis direction).
  • the light diffusing element 41 has a function of emitting light having the planar light intensity distribution toward the liquid crystal display element 1.
  • the surface on the surface is a surface parallel to the XY plane.
  • the light diffusing element 41 has a convex lens shape as shown in FIGS.
  • the light diffusing element 41 is disposed on the back surface 4d.
  • the convex lens shape may be a concave shape.
  • the light diffusing element 41 may have a configuration in which dot-like white ink is applied. At this time, the size of the convex shape, the size of the concave shape, and the size of the dot-like white ink are small in the vicinity of the light incident surface 4a and become larger as the surface 4b on the side facing the light incident surface is approached. .
  • the density of convex optical elements having the same size, the density of concave optical elements having the same size, or the density of dot-shaped white ink having the same size is sparse in the vicinity of the light incident surface 4a. , The closer to the surface 4b on the side facing the light incident surface, the closer it becomes. This makes the light intensity distribution in the plane of the illumination light 6c in the XY plane uniform.
  • FIG. 3 is a block diagram showing a method for driving the liquid crystal display element 1 and the light source 6.
  • the liquid crystal display element driving unit 52 drives the liquid crystal display element 1 based on the liquid crystal display element control signal 55 from the control unit 51.
  • the light source driving unit 53 drives the light source 6 that is the first light source based on the light source control signal 56 from the control unit 51.
  • the control unit 51 controls the liquid crystal display element driving unit 52 and the light source driving unit 53.
  • the control unit 51 performs image processing on the video signal 54 supplied from a signal source (not shown) to generate control signals (a liquid crystal display element control signal 55 and a light source control signal 56).
  • the control unit 51 supplies these control signals 55 and 56 to the liquid crystal display element driving unit 52 and the light source driving unit 53.
  • the light source driving unit 53 drives the light source 6 based on the light source control signal 56 from the control unit 51 to emit light from the light source 6.
  • the surface light source device 210 includes light source driving units 53R, 53G, and 53B corresponding to the red semiconductor laser 6R, the green semiconductor laser 6G, and the blue semiconductor laser 6B of the light source 6, respectively.
  • the control unit 51 may individually control the light source driving units 53R, 53G, and 53B.
  • the light source driving units 53R, 53G, and 53B drive the semiconductor lasers 6R, 6G, and 6B based on the light source control signals 56R, 56G, and 56B from the control unit 51.
  • the ratio of each light intensity of the light beams 6Ra, 6Ga, 6Ba emitted from the respective semiconductor lasers 6R, 6G, 6B can be adjusted. Therefore, the control unit 51 can adjust the light emission amounts of the light sources 6R, 6G, and 6B in accordance with the ratio of the light intensity of each color required for each video signal 54.
  • the surface light source device 210 can realize low power consumption.
  • the surface light source device 210 employs a so-called side light method.
  • the side light system includes a light source and a light guide plate, and light beams emitted from the light source enter from the end face of the light guide plate and are emitted as planar light.
  • Linear light incident from the end face of the light guide plate is converted into planar light by a light diffusing element provided on the front surface (or back surface) of the light guide plate.
  • the planar light is emitted from the surface of the light guide plate.
  • the light beam 6a emitted from the light source 6 enters the light guide plate 4 from the light incident surface 4a.
  • the light incident surface 4a is a second light incident surface.
  • the illumination light 6 c is radiated from the surface 4 c of the light guide plate 4 toward the liquid crystal display element 1.
  • the surface 4c is a second light exit surface.
  • the following two requirements are necessary to make the spatial light intensity distribution of the illumination light emitted from the surface light source device uniform.
  • the first requirement is that the spatial light intensity distribution of linear light incident on the light guide plate is uniform.
  • the second requirement is that the light divergence angle in the light guide plate thickness direction is a wide angle.
  • a wide angle of divergence means a wide angle of divergence.
  • Uniformity of spatial light intensity distribution of linear light incident on the light guide plate means that light incident on the light incident surface of the light guide plate is at any spatial position on the surface (light incident surface of the light guide plate). It refers to having equal light intensity.
  • widening the divergence angle of light in the light guide plate thickness direction of linear light incident on the light guide plate means that the divergence angle of light incident on the light incident surface of the light guide plate in the thickness direction of the light guide plate is wide. . That is, the first embodiment indicates that the divergence angle on the ZX plane in FIG. 1 is wide.
  • the light source 6 of the first embodiment is a point light source and is composed of a highly directional laser element.
  • the point light source refers to a light source having a small light emitting area with respect to the size of the light incident surface 4 a of the light guide plate 4. Therefore, when the light emitted from the light source 6 is directly incident on the light guide plate 4, the illumination light 6c emitted from the surface light source device 210 has uneven spatial light intensity distribution in the XY plane.
  • the uneven spatial light intensity distribution refers to a state in which there is a height difference in the light intensity at different spatial positions within the same plane.
  • the light requirement 6a emitted from the light source 6 composed of a laser element is used as the first requirement and the second requirement using the light intensity distribution conversion element 7.
  • the laser element included in the light source 6 is a multimode semiconductor laser. Due to the structure of the multimode semiconductor laser, the divergence angle in the direction parallel to the active layer and the divergence angle in the direction perpendicular to the active layer have different values. For example, in all the laser elements of the first embodiment, the full width at half maximum of the divergence angle in the direction with a large divergence angle (hereinafter referred to as the fast axis direction) is 40 degrees. On the other hand, the full width at half maximum of the divergence angle in the direction with a small divergence angle (hereinafter referred to as the slow axis direction) is 3 degrees.
  • all the laser elements included in the light source 6 have the fast axis direction parallel to the laser element arrangement direction (Y-axis direction in FIG. 1) and the slow axis direction in the light guide plate thickness direction (in FIG. 1). Parallel to the Z-axis direction).
  • the full width at half maximum refers to the full angle of the angle at the light intensity that is half the maximum value of the light intensity.
  • the light intensity distribution conversion element 7 is made of a transparent material.
  • the light intensity distribution conversion element 7 is a plate-like member.
  • As the transparent material for example, acrylic resin (PMMA) can be employed.
  • the light intensity distribution conversion element 7 can be a plate-like member having a thickness of 2 mm, for example.
  • the length of the light intensity distribution conversion element 7 in the long side direction (Y-axis direction in FIG. 1) is set to be equal to or shorter than the length of the light incident surface 4a of the light guide plate 4 in the Y-axis direction in FIG.
  • the light incident surface 7a of the light intensity distribution conversion element 7 is a surface substantially parallel to the YZ plane in FIG. Further, the light incident surface 7 a is disposed to face the light source 6.
  • the light emission surface 7b of the light intensity distribution conversion element 7 is at a position facing the light incident surface 7a. However, it is not a plane like the light incident surface 7a, but has a light diffusion structure 70.
  • the light diffusion structure 70 has two inclined surfaces 70a and 70b and a cylindrical surface 70c.
  • the light intensity distribution conversion element 7 has a plurality of light diffusion structures 70 on the light exit surface 7b.
  • the light diffusion structure 70 is a first light diffusion structure.
  • the plurality of light diffusion structures 70 are arranged at regular intervals in the thickness direction of the light guide plate 4 (Z-axis direction in FIG. 1).
  • the light diffusion structure 70 has the same structure as the structure shown in FIG. 5 in a cross section parallel to the ZX plane of the light intensity distribution conversion element 7. Therefore, the light beam 6a incident on the light intensity distribution conversion element 7 has the light refraction action shown in FIGS. 5 to 8 on a plane parallel to the ZX plane.
  • the light diffusing structure 70 extends in the Y-axis direction on the light exit surface 7b of the light intensity distribution conversion element 7 while having the cross-sectional shape shown in FIG. That is, when the light diffusion structure 70 is cut along the XY plane, the cross-sectional shape of the light exit surface 7b is a straight line parallel to the Y axis.
  • the light diffusion structure 70 has two inclined surfaces 70a and 70b and a cylindrical surface 70c.
  • the cylindrical surface 70c is disposed between the slope 70a and the slope 70b.
  • the cylindrical surface 70c has a curvature only in the ZX plane.
  • the light diffusion structure 70 of the first embodiment has a shape similar to a trapezoid in the shape on the ZX plane.
  • the upper base of the trapezoid (the + X axis direction side in FIG. 5) is 0.33 mm, and the lower base (the ⁇ X axis direction side in FIG. 5) is 0.66 mm.
  • the height of the trapezoid is 0.50 mm.
  • the light diffusing structure 70 has a shape in which a circular arc having a radius of 0.165 mm is drawn at the center of the upper base of the trapezoid, and the upper base portion is concave along the circular arc. This concave shape is the cylindrical surface 70c. That is, the light diffusion structure 70 has a concave lens shape.
  • One side connecting the upper and lower bases of the trapezoid is a slope 70a, and the other side is a slope 70b.
  • the light diffusion structures 70 are arranged in three rows at an interval of 0.66 mm in the Z-axis direction. That is, the inclined surfaces 70a and 70b are inclined with respect to the emission direction of the light beam 6a.
  • the slopes 70a and 70b are connected to the cylindrical surface 70c of the slopes 70a and 70b (the end on the + X-axis direction side) to the other end (end on the ⁇ X-axis direction side) of the slopes 70a and 70b.
  • the distance between the two inclined surfaces 70a and 70b becomes wider toward the center.
  • the other ends (ends on the ⁇ X axis direction side) of the inclined surfaces 70a and 70b are disposed on the incident side ( ⁇ X axis direction side) of the light beam 6a with respect to the cylindrical surface 70c.
  • the cylindrical surface 70c has a curvature in one direction but does not have a curvature in a direction orthogonal thereto. That is, the cylindrical surface 70c has a refractive power in one direction and converges or diverges, and has no refractive power in the orthogonal direction.
  • the cylindrical surface 70c has a curvature in the Z-axis direction and has no curvature in the Y-axis direction. That is, the cylindrical surface 70c is formed as a part of a columnar shape perpendicular to the curve on the reference plane (ZX plane), where the ZX plane is the reference plane. That is, it has a columnar shape having an opening in a direction perpendicular to the bus.
  • the column surface is a curved surface corresponding to the side surface of the column body. That is, it is a curved surface formed when a straight line perpendicular to this plane moves along a curved line on a certain plane while maintaining a certain direction.
  • the cylindrical surface 70c is not a curve in which a curve on a certain plane (reference plane) described above is closed. For this reason, the cylindrical surface 70c has a columnar shape having an opening in which a bus bar is missing in a part of the region.
  • the curve on the reference plane is not limited to an arc. This vertical straight line is called a bus.
  • the generatrix direction of the cylindrical surface 70c is the Y-axis direction.
  • the Z-axis direction is a direction of a straight line that is perpendicular to the direction of the bus line among the straight lines connecting the two bus lines positioned at the end of the columnar shape. That is, the Z-axis direction is a direction of a straight line perpendicular to the two buses among the straight lines connecting the two buses positioned at the end of the columnar shape.
  • the slopes 70a and 70b are surfaces adjacent to the end portion in the direction (Z-axis direction) having the curvature of the cylindrical surface 70c.
  • the slopes 70a and 70b are planes perpendicular to the reference plane (ZX plane).
  • the slopes 70a and 70b are shown as planes.
  • the slopes 70a and 70b may be curved surfaces because they may be total reflection surfaces that totally reflect the light beam 6a. It doesn't matter.
  • the light guide plate 4 is arranged perpendicular to the Z-axis direction.
  • the slow axis direction of the light beam 6a is parallel to the Z-axis direction.
  • the slow axis direction is a direction with a small divergence angle.
  • the behavior of the light beam 6a has been described in the configuration in which the cylindrical surface 70c is disposed between the inclined surface 70a and the inclined surface 70b.
  • the slopes 70a and 70b may be either one of the slope 70a or the slope 70b. Even when the slopes 70a and 70b are either the slope 70a or the slope 70b, a certain effect can be obtained.
  • the light beam 6a emitted from each laser element has a divergence angle of 40 degrees full width at half maximum. That is, the ray 6a has a relatively large divergence angle in the XY plane. Therefore, as shown in FIG. 2, the light beam 6a emitted from each laser element propagates through the light intensity distribution conversion element 7, and thus overlaps with the light beam 6a of another adjacent laser element. Thereby, the spatial light intensity distribution in the Y-axis direction of the light beam 6a on the light exit surface 7b becomes uniform.
  • the angular intensity distribution of the light beam emitted from each laser element has a substantially Gaussian shape in which the center intensity is high and the intensity sharply decreases as the distance from the center increases. Therefore, the spatial light intensity distribution in the Y-axis direction of each laser element that reaches the light emitting surface 7b has a Gaussian shape. For this reason, in order to obtain a light beam 6a having a higher spatial intensity distribution on the light exit surface 7b, the interval between the adjacent laser elements (the length in the Y-axis direction) is set to a certain value or less, or the light incident surface. The distance (length in the X-axis direction) from 7a to the light exit surface 7b needs to be a certain value or more.
  • the adjacent light beams 6a overlap at a position of the light exit surface 7b with a value equal to or more than half the maximum value of the light intensity distribution in the Y-axis direction. It is desirable to set the number of laser elements or the length of the light intensity distribution conversion element 7 in the X-axis direction so as to satisfy this condition.
  • the divergence angle of the light emitted from the light source 6 in the ZX plane is a full width at half maximum of 3 degrees. That is, the ray 6a has a relatively small divergence angle in the ZX plane. It is difficult to widen the divergence angle of substantially parallel light with a general lens shape.
  • a configuration for widening the angle there are a diffusion plate that has a random uneven shape on the surface and diffuses light, a diffusion plate that includes minute particles in the material and diffuses light.
  • such a configuration has a trade-off relationship between diffusivity and light transmittance. For this reason, it is not desirable to employ in a surface light source device that requires low power consumption.
  • the light diffusion structure 70 is provided on the ZX plane. According to the light diffusion structure 70, it is possible to greatly widen the divergence angle of the substantially parallel light (the light beam 6a) while suppressing a decrease in light transmittance.
  • FIG. 9 is a graph showing the angular intensity distribution in the ZX plane of the light emitted from the light exit surface 7b.
  • the horizontal axis indicates the angle [degree].
  • the vertical axis represents the light intensity [a. u. ] Is shown.
  • the unit [a. u. ] Is an arbitrary unit, and is indicated by relative intensity.
  • the angle of 0 degrees is the X-axis direction in FIG.
  • the Y axis is the rotation axis
  • clockwise is the negative rotation angle
  • counterclockwise is the positive rotation angle.
  • the light (light beam 6a) incident on the light diffusing structure 70 roughly follows three optical paths.
  • the first optical path is light incident on the inclined surface 70a of the light diffusion structure 70 (FIG. 6).
  • the second optical path is light incident on the slope 70b (FIG. 7).
  • the third optical path is light incident on the cylindrical surface 70c (FIG. 8).
  • the light beam 6a incident on the inclined surface 70a is totally reflected by the difference in refractive index, and the traveling direction is inclined about ⁇ 37 degrees from the X-axis direction on the ZX plane.
  • the light ray 6a totally reflected on the inclined surface 70a is incident on the cylindrical surface 70c.
  • the slope 70a is a total reflection surface. Since the cylindrical surface 70c has a perfect circular shape, the angular intensity distribution of the light ray 6a is widened by the lens effect. Therefore, as shown in the graph 60a of FIG. 9, the light beam 6a that follows the optical path of FIG.
  • the graph 60a is indicated by a solid line and a black circle.
  • the light ray 6a incident on the inclined surface 70b is totally reflected by the difference in refractive index, and the traveling direction is inclined about +37 degrees from the X-axis direction on the ZX plane.
  • the light beam 6a totally reflected on the inclined surface 70b is incident on the cylindrical surface 70c.
  • the slope 70b is a total reflection surface. Since the cylindrical surface 70c has a perfect circular shape, the angular intensity distribution of the light ray 6a is widened by the lens effect.
  • the light beam 6a that follows the optical path of FIG. 7 has a divergence angle of about 25 degrees full width at half maximum with a direction inclined +37 degrees from the X-axis direction in the ZX plane. The light exits from the exit surface 7b.
  • the graph 60b is indicated by a solid line and a triangle.
  • the light beam 6a directly incident on the cylindrical surface 70c proceeds in the X-axis direction without changing the light traveling direction, and the angular intensity distribution is expanded by the lens effect due to the perfect circular shape of the cylindrical surface 70c. Therefore, as shown in the graph 60c of FIG. 9, the light beam 6c that follows the optical path of FIG. 8 has a divergence angle of about 36 degrees full width at half maximum about the X-axis direction on the ZX plane from the light exit surface 7b. Exit. In FIG. 9, the graph 60c is indicated by a solid line and a cross.
  • the angular intensity distribution of the light beam 6b emitted from the light exit surface 7b is the sum of the angular intensity distributions 60a, 60b and 60c of the light beam following FIGS. 6, 7 and 8, and the graph 60 of FIG. In this way, the light has a very wide divergence angle of 84 degrees full width at half maximum.
  • the graph 60 is indicated by a one-dot chain line.
  • the light diffusion structure 70 of the first embodiment while obtaining a very wide divergence angle, it is backward ( ⁇ X axis direction) with respect to the traveling direction of the light beam 6a.
  • the reflected light is small and a high light transmittance can be obtained.
  • the light beam 6a can be diffused more finely. For this reason, the illumination light 6c emitted from the surface light source device 210 has a more uniform in-plane light intensity distribution.
  • three light diffusing structures 70 are arranged in the Z-axis direction, but the present invention is not limited to this. By increasing the number of light diffusion structures 70 arranged, the light beam 6a can be diffused more finely, and the uniformity of the in-plane light intensity distribution of the illumination light 6c can be improved.
  • the light diffusion structure 70 is characterized by having the following three functions.
  • the first function is a function that divides a light beam into a configuration that follows a plurality of optical paths.
  • the second function is a function of changing the traveling direction of light rays that follow at least one of the plurality of optical paths.
  • the third function is a function that widens the angular intensity distribution of all the light beams that follow a plurality of optical paths.
  • the number of light diffusing structures 70 to be arranged, and the upper, lower and height dimensions of the trapezoid formed in the light diffusing structure 70, and the shape of the upper base are used as design parameters. It is possible to control the shape of the angular intensity distribution.
  • the inclined surface 70a or the inclined surface 70b of the light diffusion structure 70 is divided into a plurality of surfaces in the ZX plane, and the inclination angle of each surface is changed.
  • the slope 70a side is divided into two slopes, that is, a slope 70a and a slope 70d.
  • the slope 70b side is divided into two slopes, a slope 70b and a slope 70e.
  • the inclined surfaces 70a, 70b, 70d, and 70e are inclined with respect to the emission direction of the light beam 6a.
  • the slopes 70d and 70e are total reflection surfaces like the slopes 70a and 70b. Further, the inclined surfaces 70d and 70e are connected to the cylindrical surface 70c of the inclined surfaces 70d and 70e from the end portion (the end portion on the + X axis direction side) to the other end portion (the end portion on the ⁇ X axis direction side) of the inclined surfaces 70d and 70e. The distance between the two inclined surfaces 70d and 70e becomes wider toward. The other ends (ends on the ⁇ X axis direction side) of the inclined surfaces 70d and 70e are arranged on the incident side ( ⁇ X axis direction side) of the light beam 6a with respect to the cylindrical surface 70c.
  • the slopes 70d and 70e are connected to the cylindrical surface 70c via the slopes 70a and 70b.
  • the inclined surfaces 70d and 70e are close to the cylindrical surface 70c.
  • the slopes 70a and 70b are planes close to the end of the cylindrical surface 70c and perpendicular to the reference plane (ZX plane).
  • the shape of the cylindrical surface 70c of the light diffusing structure 70 can be a free-form surface.
  • the light diffusing structure 70 is composed of three surfaces, and the shape of the portion corresponding to the upper base of the trapezoid used for describing the shape of the light diffusing structure 70 is a perfect circular concave. Productivity can be improved by using a simple shape.
  • the shape of the connecting portion between the slope 70a and the cylindrical surface 70c or the shape of the connecting portion between the slope 70b and the cylindrical surface 70c is an acute angle (discontinuous) as shown in FIG. It is good also as a shape which connects a thing with a circular arc like FIG. 11 (B) (continuously). Thus, it is possible to obtain a high light diffusion performance also by simplifying the shape.
  • the inclined surfaces 70a, 70b are adjacent to the cylindrical surface 70c.
  • the inclined surfaces 70a and 70b are cylindrical surfaces. It will be close to 70c. In this manner, the inclined surfaces 70a and 70b can be connected to the cylindrical surface 70c via a surface that is not related to the reflection of the light beam 6a. Proximity means being near. Also, “adjacent” refers to continuing next to each other.
  • the direction in which the divergence angle of the light beam 6a emitted from the light source 6 is wide is the laser element array direction
  • the direction in which the divergence angle is narrow is the light guide plate thickness direction. That is, the light source 6 is disposed so that the slow axis direction of the light beam 6a and the Z-axis direction are parallel to each other.
  • the Z-axis direction is a direction having a curvature of the cylindrical surface 70c. This is for the following reason.
  • the uniformity of the light intensity distribution in the arrangement direction (Y-axis direction) of the laser elements depends on the superposition of a plurality of light beams 6a.
  • the uniformity of the light intensity distribution depends on the light divergence angle and the number of laser elements.
  • the X-axis direction is the traveling direction of the light beam 6a. That is, the wider the light divergence angle, the higher the uniformity of the light intensity distribution.
  • the uniformity of the light intensity distribution can be increased as the number of laser elements increases. Therefore, by making the direction in which the divergence angle of the laser beam is wide parallel to the arrangement direction (Y-axis direction) of the laser elements, the number of laser elements is reduced and the uniformity of the light intensity distribution in the Y-axis direction is improved. Is possible.
  • the thickness of the light intensity distribution conversion element 7 and the light guide plate 4 can be reduced. This is because since the divergence angle of the light beam 6a is small, all the light beams 6a can be incident on the light intensity distribution conversion element 7 even if the thickness of the light intensity distribution conversion element 7 is reduced. Further, since the thickness of the light intensity distribution conversion element 7 can be reduced, the thickness of the light beam 6b is also reduced, and even if the thickness of the light guide plate 4 is reduced, all the light rays 6b can be incident on the light guide plate 4. is there.
  • the light diffusion structure 70 of the first embodiment it is only necessary to design a structure in which the light transmittance is increased by converting into a desired angular intensity distribution only for a narrow range of incident angles, and the design is easy. Become. For example, light rays having a wide range of incident angles are totally reflected at 70c, and light is returned backward (in the direction of the light incident surface 7a), resulting in a decrease in light transmittance.
  • the light use efficiency is high and the spatial light intensity distribution is uniform while adopting a laser as the light source 6. It is possible to obtain a planar illumination light 6c having a high height.
  • the liquid crystal display device 110 including the surface light source device 210 can provide a high-quality image with a wide color reproduction range and reduced luminance unevenness.
  • FIG. FIG. 12 is a diagram schematically showing a configuration of a liquid crystal display device 120 which is a transmissive display device according to the second embodiment of the present invention.
  • the liquid crystal display device 120 of the second embodiment is the same as the liquid crystal display device 110 of the first embodiment, except that the surface light source device 220 is different from the surface light source device 210. That is, the liquid crystal optical element 1, the optical sheets 2 and 3, and the light reflecting sheet 5 are the same as the liquid crystal display device 110 of the first embodiment.
  • the same components as those of the liquid crystal display device 110 described in Embodiment 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
  • the surface light source device 220 of the second embodiment includes a light source 8, a light intensity distribution conversion element 9, and a light guide plate 4.
  • the light guide plate 4 is a plate-like member made of a transparent material, includes a light diffusing element 41 on the back surface 4d (the surface on the ⁇ Z axis side), and has a function of converting linear light into planar light. Since these points are the same as those of the first embodiment, detailed description thereof is omitted.
  • the light source 8 has a configuration in which a plurality of laser elements are arranged in a one-dimensional direction.
  • the laser element included in the light source 8 has the same light wavelength (for example, the red wavelength is 640 nm, the green wavelength is 532 nm, and the blue wavelength is 450 nm) as the laser element of the light source 6 of the first embodiment.
  • the full width at half maximum of the divergence angle in the fast axis direction is 40 degrees
  • the full width at half maximum of the divergence angle in the slow axis direction is 3 degrees
  • the fast axis direction is the laser element array direction (in FIG. 1). This is the same in that it is parallel to the Y-axis direction) and the slow-axis direction is parallel to the light guide plate thickness direction (Z-axis direction in FIG. 1).
  • the light beam 8a of the light source 8 is emitted toward the -X axis direction in FIG.
  • the light source 8 is disposed on the back surface 4d side, which is the surface facing the front surface 4c of the light guide plate 4.
  • the light intensity distribution conversion element 9 is made of a transparent material.
  • the transparent material for example, acrylic resin (PMMA) can be employed.
  • the light intensity distribution conversion element 9 has a plate-shaped light guide portion 91.
  • the light guide unit 91 is disposed to face the back surface 4 d of the light guide plate 4.
  • the light intensity distribution conversion element 9 includes an optical path changing unit 92 having two reflecting surfaces.
  • the light intensity distribution conversion element 9 can be, for example, a member having a plate-like thickness of 2 mm.
  • the length of the light intensity distribution conversion element 9 in the long side direction (Y-axis direction in FIG. 12) is set to be equal to or shorter than the length of the light incident surface 4a of the light guide plate 4 in the Y-axis direction in FIG.
  • the light incident surface 9a of the light intensity distribution conversion element 9 is a surface substantially parallel to the YZ plane in FIG. Further, the light incident surface 9 a is disposed to face the light source 8.
  • the light exit surface 9 b of the light intensity distribution conversion element 9 is disposed to face the light incident surface 4 a of the light guide plate 4.
  • the light incident surface 4a is a surface substantially parallel to the YZ plane in FIG.
  • the main surfaces 9c and 9d of the light guide portion 91 of the light intensity distribution conversion element 9 are both substantially parallel to the XY plane in FIG.
  • the main surface 9c is a surface on the + Z axis direction side
  • the main surface 9d is a surface on the ⁇ Z axis direction side.
  • the optical path changing unit 92 of the light intensity distribution conversion element 9 has two reflecting surfaces 9e and 9h.
  • the reflection surface 9e has a function of directing the light beam 8a traveling in the ⁇ X axis direction through the light intensity distribution conversion element 9 in the + Z axis direction.
  • the reflecting surface 9h has a function of directing the light ray 8a traveling in the + Z-axis direction through the light intensity distribution conversion element 9 in the + X-axis direction.
  • a surface 9g that connects the main surface 9c and the light emitting surface 9b and a surface 9f that connects the reflecting surfaces 9e and 9h are substantially parallel to the YZ plane.
  • the light intensity distribution conversion element 9 guides the light beam 8 a from the light incident surface 9 a to the light incident surface 4 a of the light guide plate 4.
  • the light intensity distribution conversion element 9 has a plurality of light diffusion structures 70 on the light exit surface 9b.
  • the plurality of light diffusion structures 70 are arranged at regular intervals in the thickness direction of the light guide plate 4 (Z-axis direction in FIG. 12).
  • the light diffusion structure 70 has the same configuration as that shown in the first embodiment. That is, it is the same as that of Embodiment 1 in the following points.
  • the light diffusion structure 70 has two inclined surfaces 70a and 70b and a cylindrical surface 70c.
  • the light intensity distribution conversion element has a structure similar to the structure shown in FIG. 5 in a cross section parallel to the ZX plane (FIG. 12).
  • the light beam 8a incident on the light intensity distribution conversion element 7 has a light refraction action shown in FIGS. 5 to 8 on a plane parallel to the ZX plane.
  • the light diffusion structure 70 extends in the Y-axis direction on the light exit surface 7b of the light intensity distribution conversion element 7 while having the cross-sectional shape shown in FIG. That is, when the light diffusion structure 70 is cut along the XY plane, the cross-sectional shape of the light exit surface 7b is a straight line parallel to the Y axis.
  • the light diffusion structure 70 of the second embodiment is the same as that of the first embodiment, and a detailed description thereof is omitted.
  • the light intensity distribution conversion element 9 of the second embodiment has a uniform spatial light intensity distribution in the laser element array direction (Y-axis direction) of the light source 8, similarly to the light intensity distribution conversion element 7 of the first embodiment.
  • the light beams of adjacent laser elements are spatially overlapped using their own divergence angles. In this respect, it is the same as that of the first embodiment, and detailed description thereof is omitted.
  • the light source 8 is disposed on the back surface 4d side ( ⁇ Z axis direction) of the light guide plate 4, and most of the light intensity distribution conversion element 9 is disposed on the back surface 4d of the light guide plate 4. It is arranged on the side (-Z axis direction).
  • the light source and the light intensity distribution conversion element arranged in the frame portion of the liquid crystal display device in the first embodiment can be arranged in the thickness direction of the liquid crystal display device. . For this reason, the frame portion of the liquid crystal display device 120 can be narrowed.
  • the length of the light intensity distribution conversion element 9 in the X-axis direction can be increased, and the uniformity of the spatial light intensity distribution in the Y-axis direction of the light beam 8a emitted from the light source 8 can be improved.
  • the length of the light intensity distribution conversion element 9 in the X-axis direction it is possible to reduce the number of laser elements necessary for uniforming the spatial light intensity distribution in the laser element arrangement direction. become.
  • the light intensity distribution conversion element 9 of the second embodiment has a second light diffusion structure 90 in order to improve the uniformity of the spatial light intensity distribution in the laser element arrangement direction (Y-axis direction).
  • FIG. 13 is a configuration diagram showing the surface light source device 220 from the ⁇ Z-axis direction.
  • the light incident surface 9a of the light intensity distribution conversion element 9 has a light diffusion structure 90 that acts on the light beam 8a only on the XY plane.
  • the cross section of the light diffusing structure 90 parallel to the XY plane has a shape in which circular concave shapes having a radius of 0.02 mm and a depth of 0.01 mm are arranged in the Y-axis direction.
  • the concave shape is a shape that is concave in the ⁇ X axis direction.
  • the centers of the perfect circles are arranged at equal intervals (0.04 mm) in the Y-axis direction.
  • the concave surface is formed by a part of a cylindrical surface having a central axis in the Z-axis direction.
  • a plurality of the light diffusion structures 90 are arranged in the Y-axis direction at intervals of 0.04 mm.
  • the light beam 8a incident on the light diffusion structure 90 has its divergence angle expanded in the XY plane by the light diffusion structure 90.
  • the light diffusion structure 90 diffuses the light beam 8a in the Y-axis direction.
  • the Y-axis direction is a direction that does not have the curvature of the cylindrical surface 70c. Diffusion means that the divergence angle is widened.
  • the uniformity of the spatial light intensity distribution in the Y-axis direction can be improved. Therefore, the length of the light intensity distribution conversion element 9 in the X-axis direction can be reduced, and the light guide unit 91 can be downsized. Alternatively, the number of laser elements included in the light source 8 can be reduced.
  • the hatched portion on the right side of FIG. 13 is the light reflecting sheet 5 arranged in the + Z-axis direction of the light guide unit 91.
  • the light intensity distribution conversion element 9 of the second embodiment may have a shape in which the main surfaces 9c and 9d of the light guide portion 91 are not parallel.
  • the light guide part 91 of the light intensity distribution conversion element 9 has a shape in which the thickness (dimension in the Z-axis direction on the ZX plane) increases from the light incident surface 9a toward the optical path changing part 92. That is, the light guide unit 91 has a shape in which the thickness increases from the light incident surface 9a toward the traveling direction of the light beam 8a.
  • the thickness is a dimension in a direction (Z-axis direction) perpendicular to the traveling direction (-X-axis direction) of the light beam 8a on the ZX plane (reference plane). This shape is a so-called wedge shape.
  • the light guide unit 91 has a wedge shape.
  • the divergence angle in the ZX plane of the light ray 8a incident on the light intensity distribution conversion element 9 can be reduced, and the light can be made substantially parallel.
  • the shape of the light guide 91 of the light intensity distribution conversion element 9 in the ZX plane is a wedge shape in which the thickness increases in the ⁇ X axis direction, in particular, the divergence angle of the laser light in the ZX plane. This is effective when is large.
  • the slow axis direction of the laser element is arranged parallel to the light guide plate thickness direction (Z-axis direction in FIG. 1). For this reason, the wedge shape of the light guide 91 is effective when the divergence angle in the slow axis direction is relatively large.
  • the light intensity distribution conversion element 9 includes a light ray 8a propagating in the light guide unit 91 in the ⁇ X axis direction and a light ray 8a propagating in the + Z axis direction in the optical path changing unit 92.
  • the angle formed may not be vertical (90 degrees).
  • the shape of the light intensity distribution conversion element 9 is designed so that the angle formed by the light beam 8a and the reflecting surfaces 9e and 9h satisfies the total reflection condition according to Snell's law. This makes it possible to improve the reflectance of the light ray 8a on the reflecting surfaces 9e and 9h.
  • the light incident surface 9a of the light intensity conversion element 9 can be arranged in the direction away from the light guide plate 4 ( ⁇ Z axis direction). Is also effective. That is, it is effective when a large laser element is employed for the light source 8.
  • the light utilization efficiency is high and the spatial light intensity distribution is uniform while adopting a laser as the light source.
  • High planar illumination light 8c can be obtained.
  • the liquid crystal display device 120 including the surface light source device 220 can provide a high-quality image with a wide color reproduction range and reduced luminance unevenness.
  • the frame portion can be narrowed by disposing most of the light source 8 and the light intensity distribution conversion element 9 in the thickness direction of the liquid crystal display device 220.
  • FIG. 16 is a diagram schematically showing a configuration of a liquid crystal display device 130 which is a transmissive display device according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 17 is a configuration diagram showing the surface light source device 230 from the ⁇ Z-axis direction.
  • the surface light source device 230 includes the light source 10 instead of the first light source 8 as compared with the surface light source device 220 according to the second embodiment, and further includes the second light source 11. It is different. That is, the liquid crystal optical element 1, the optical sheets 2 and 3, the light guide plate 4, the light reflection sheet 5, and the light intensity distribution conversion element 9 are the same as the liquid crystal display device 120 of the second embodiment.
  • liquid crystal display device 120 of the second embodiment with respect to the same components as the liquid crystal display device 110 of the first embodiment.
  • the same components as those of the liquid crystal display device 120 described in the second embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
  • the light source 10 is a first light source. As shown in FIG. 17, the light source 10 has a plurality of laser elements arranged one-dimensionally in the Y-axis direction.
  • the laser element included in the light source 10 emits red light. This red light is, for example, light having a wavelength of 640 nm.
  • the light emitted from the light source 10 has a direction with a wide divergence angle (fast axis direction) and a direction perpendicular thereto, and a direction with a narrow divergence angle (slow axis direction).
  • the laser elements are arranged so that the fast axis direction is parallel to the laser element arrangement direction (Y-axis direction), and the slow axis direction is the thickness of the light intensity distribution conversion element 9.
  • the laser elements are arranged so as to be parallel to the direction (Z-axis direction).
  • the light beam 10 a emitted from the first light source 10 is emitted from the light emission surface 9 b toward the light incident surface 4 a of the light guide plate 4 through the light intensity distribution conversion element 9.
  • a light beam emitted from the light exit surface 9b is a light beam 10b.
  • the behavior in the light intensity distribution conversion element 9 until the light ray 10a becomes the light ray 10b is the same as the behavior until the light ray 8a in the second embodiment becomes the light ray 8b, and the description thereof is omitted.
  • the light beam 10a travels in the light intensity distribution conversion element 9 in the ⁇ X-axis direction, then changes the traveling direction to the + Z-axis direction on the reflecting surface 9e, and then changes the traveling direction on the reflecting surface 9h from the + Z-axis direction. Change to + X direction.
  • the light source 11 is a second light source.
  • the light source 11 has a plurality of LED elements arranged one-dimensionally in the Y-axis direction.
  • the light source 11 is disposed on substantially the same plane as the light guide plate 4 parallel to the XY plane. That is, the light source 11 is disposed to face the light incident surface 4 a of the light guide plate 4. Further, the light emitting surface of the light source 11 is directed in the + X axis direction. That is, the light beam 11a emitted from the light source 11 is emitted toward the light incident surface 4a.
  • the light beam 11a enters the light guide plate 4 from the light incident surface 4a.
  • the light beam 11a emitted from the light source 11 is blue-green light.
  • the blue-green light is light having peaks in the vicinity of 450 nm and 530 nm, for example, and a continuous spectrum in a band from 420 nm to 580 nm.
  • the LED element included in the light source 11 is, for example, a package including a blue LED chip that emits blue light and a green phosphor that absorbs the blue light and emits green light.
  • the LED element included in the light source 11 employs, for example, a light source other than an LED as an excitation light source, and excites a green phosphor by the excitation light source to emit blue-green light.
  • the light source 11 emits blue-green light by exciting phosphors that emit blue and green light with a light source that emits light having a wavelength in the ultraviolet region, for example.
  • the light source 11 includes, for example, a blue LED chip and a green LED chip that emit blue light.
  • the light source 11 has an angular intensity distribution of Lambert distribution with a full width at half maximum of 120 degrees in the XY plane and the ZX plane.
  • the light beam 11a has a divergence angle wider than that of the light beam 10a.
  • the light beam 11a emitted from the light source 11 in the + X-axis direction is transmitted through the optical path changing unit 92 of the light intensity distribution conversion element 9 and emitted from the light emission surface 9b, and enters the light guide plate 4 from the light incident surface 4a. .
  • the light beam 11a emitted from the light source 11 has a very wide divergence angle.
  • the light beam 10a emitted from the light source 10 has high directivity and a narrow divergence angle.
  • the light beam 11a has a divergence angle wider than that of the light beam 10a.
  • the plurality of LED elements are arranged in the Y-axis direction. Therefore, the blue-green light included in the illumination light 8c radiated from the light guide plate 4 toward the liquid crystal display element becomes light having a uniform spatial intensity distribution in the XY plane.
  • the red light beam 10b and the blue-green light beam 11a are combined before entering the light guide plate 4, and enter the light guide plate 4 as white linear light. Thereafter, the light beam 10 b and the light beam 11 a are emitted from the light guide plate 4 as planar white illumination light 8 c that illuminates the liquid crystal display element 1.
  • planar white illumination light 8 c that illuminates the liquid crystal display element 1.
  • the red light beam 10b and the blue-green light beam 11a included in the illumination light 8c each generate light having a high spatial intensity distribution in the XY plane. Accordingly, the illumination light 8c becomes white planar light with high uniformity of spatial intensity distribution in the XY plane.
  • a laser element excellent in monochromaticity only in red is adopted. This is because, in a semiconductor laser that is optimal for use in display applications, red is currently the most mass-productive. Another reason is that a sufficient output has not been obtained yet, particularly in a green semiconductor laser. In order to obtain green light more efficiently, a method of obtaining green light by exciting a green phosphor with light of another color is optimal.
  • the near-ultraviolet region or blue semiconductor laser or LED used to excite the green phosphor has higher luminous efficiency than the green semiconductor laser.
  • the green phosphor has a high light absorption rate and internal conversion efficiency with respect to the near-ultraviolet light and blue light. Therefore, at present, an element using a phosphor has higher luminous efficiency than a green semiconductor laser.
  • the phosphor excitation light source is a blue LED element. This is because it is preferable to employ an LED rather than a laser when the phosphor is excited by a blue light emitting element to obtain light of other colors as in the light source 11 of the third embodiment.
  • the laser In contrast to LEDs with low current drive and low output, the laser has high output with high current drive. For this reason, the amount of heat generated from the laser during driving is very large. In addition, light emitted from the LED has a wide divergence angle, whereas light emitted from the laser has a very narrow divergence angle. For this reason, in the case of a laser, the intensity density of excitation light incident on the phosphor (the intensity of light incident per unit volume of the phosphor) is very high. A part of the light incident on and absorbed by the phosphor is converted to another wavelength and emitted to the outside, and the other light mainly becomes thermal energy.
  • the internal conversion efficiency (the amount of light converted into light of other wavelengths with respect to the amount of light absorbed) of the phosphor is about 40% to 80%. That is, the thermal energy generated at the same time ranges from 20% to 60% of the incident light energy. Accordingly, when a laser beam having a high output and a high light intensity density is incident, the calorific value of the phosphor becomes very large.
  • the light source 11 in the third embodiment employs a blue-green LED including a blue LED and a phosphor that emits green light when excited by the blue light.
  • Red is a color with high human sensitivity to color differences. Therefore, the difference in wavelength bandwidth in red is felt as a more prominent difference in human vision.
  • the wavelength bandwidth is a difference in color purity.
  • White light generated by conventional CCFLs and LEDs has particularly low color purity because of a small amount of red light and a wide wavelength bandwidth. Therefore, in a liquid crystal display device using a CCFL or LED light source, the red color reproduction range and power consumption are in a trade-off relationship. That is, there is a trade-off between increasing the amount of white CCFL or LED and increasing the amount of red light to secure the color reproduction range, or narrowing the color reproduction range to save power.
  • a laser has a narrow wavelength bandwidth, and light with high color purity can be obtained without losing light.
  • the effect of reducing power consumption can be obtained by using red light as laser light among the three primary colors. This is because the laser light is very monochromatic and has good transmittance through the red filter, so that a sufficient amount of red light can be secured without increasing the amount of light, and the effect of reducing power consumption can be obtained.
  • the monochromaticity is high, the color purity is improved, and the effect of widening the color reproduction range can be obtained.
  • a laser is applied to the red light source.
  • the wavelength band of red light is wide. For this reason, a part of the red light passes through the green filter adjacent to the spectrum. As a result, liquid crystal display devices using conventional CCFLs and LED light sources have also reduced the color purity of green.
  • the color purity is increased, the amount of red light transmitted through the green filter is reduced, and the green color purity can be improved. Thereby, the effect of widening the color reproduction range can be obtained.
  • the first light source 10 is configured by a laser element that emits red light.
  • the second light source 11 is composed of an LED element that emits blue-green light.
  • the present invention is not limited to this.
  • the first light source 10 is composed of a laser element that emits red light and a laser element that emits blue light
  • the second light source 11 is an LED element that emits green light. It is also possible to configure by.
  • the first light source 10 is constituted by a laser element that emits blue light
  • the second light source 11 is constituted by an LED element that emits red light and an LED element that emits green light. Is also possible.
  • the first light source 10 is a light source having a laser element and the second light source 11 is a light source having an LED element.
  • the first light source 10 As a light source having a laser element with a narrow divergence angle, light loss can be suppressed. If the light source 10 has a light source with a wide divergence angle, the reflectance on the reflection surfaces 9e and 9h of the light intensity distribution conversion element 9 is lowered. In particular, since the reflecting surface 9h needs to transmit the light beam 11a of the second light source 11, it must be a reflecting surface using a difference in refractive index, and the divergence angle of the light source 10 depends on the reflectance. In addition, about the reflective surface 9e, a mirror can also be formed by vapor-depositing a metal. However, since the manufacturing process of the light intensity distribution conversion element 9 is complicated, it is desirable that the reflection surface 9e is also a reflection surface using a difference in refractive index.
  • the first light source 10 is a light source having a laser element with a narrow divergence angle, it is difficult to improve the uniformity of the arrangement direction of laser elements (Y-axis direction).
  • the light intensity distribution conversion element 9 is installed in the thickness direction ( ⁇ Z-axis direction) of the liquid crystal display device 130. For this reason, in order to improve the uniformity in the arrangement direction (Y-axis direction) of the laser elements, a sufficient optical distance (the length of the light guide portion 91 of the light intensity distribution conversion element 9) is set to a frame of the liquid crystal display device 130. It becomes possible to provide sufficient without expanding a part.
  • the second light source 11 As a light source having an LED element with a wide divergence angle, even if no optical element is provided between the light source 11 and the light guide plate 4, the spatial light intensity distribution is uniform due to its own divergence angle. It is possible to obtain a simple illumination light 8c. If the light source 11 has a light source with a narrow divergence angle, it is difficult to obtain illumination light 8c having a uniform spatial light intensity distribution. This is because the adjacent light beams 11a do not sufficiently overlap before the light beam 11a enters the light guide plate 4, so that the light does not become uniform linear light and uneven brightness occurs.
  • the light source 11 is constituted by an LED element having a divergence angle of 120 degrees full width at half maximum.
  • the divergence angle may be controlled by providing a lens on the light emitting surface of the LED element.
  • a cylindrical lens that reduces only the divergence angle in the ZX plane may be provided.
  • bonded with the light-guide plate 4 among the light rays 11a may be provided.
  • the divergence angle is too narrow, the uniformity of the spatial light intensity distribution in the illumination light 8c is reduced, so it is necessary to optimize the lens shape in consideration of the optical coupling efficiency and the divergence angle. is there.
  • FIG. 18 is a block diagram showing a method for driving the liquid crystal display element 1, the light source 10 and the light source 11.
  • the liquid crystal display element driving unit 52 drives the liquid crystal display element 1.
  • the light source driving unit 53a drives the light source 10 that is the first light source.
  • the light source driving unit 53b drives the light source 11 that is the second light source.
  • the control unit 51 controls the liquid crystal display element driving unit 52 and the light source driving units 53a and 53b.
  • each of the light source driving units 53 a and 53 b is individually controlled by the control unit 51, and the amount of red light emitted from the first light source 10 and the amount of blue-green light emitted from the second light source 11 are determined. It is possible to adjust the ratio.
  • the control unit 51 outputs a light source control signal 56a to the light source driving unit 53a.
  • the control unit 51 outputs a light source control signal 56b to the light source driving unit 53b. For this reason, it is possible to realize low power consumption by adjusting the light emission amount of each light source according to the ratio of each color light intensity required for each video signal 54.
  • the planar illumination light 8c having high light use efficiency and high uniformity of spatial light intensity distribution is obtained while employing a laser as the light source. It becomes possible.
  • the liquid crystal display device 130 including the surface light source device 230 can provide a high-quality image with a wide color reproduction range and reduced luminance unevenness.
  • the frame portion can be narrowed by disposing most of the light source 10 and the light intensity distribution conversion element 9 in the thickness direction (Z-axis direction) of the liquid crystal display device 230.
  • a liquid crystal display device with high mass productivity can be provided with a simple configuration.
  • FIG. 19 is a diagram schematically showing a configuration of a liquid crystal display device 140 which is a transmissive display device according to the fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 20 is a configuration diagram showing the surface light source device 240 from the ⁇ Z-axis direction.
  • the surface light source device 240 included in the liquid crystal display device 140 according to the fourth embodiment is different from the surface light source device 230 according to the third embodiment in the position where the second light source 11 is disposed, and includes the reflecting member 12. It differs in point. That is, the liquid crystal optical element 1, the optical sheets 2 and 3, the light guide plate 4, the light reflecting sheet 5, the light intensity distribution conversion element 9, and the light source 10 are the same as the liquid crystal display device 130 of the third embodiment.
  • the points other than the position where the light source 11 is arranged are the same as those of the liquid crystal display device 130 of the third embodiment.
  • the same components as those of the liquid crystal display device 130 described in the third embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
  • the light source 11 is arranged in the direction ( ⁇ Z axis direction) on the back surface 4d side from the light guide plate 4. That is, the light source 11 is arranged in the direction opposite to the surface 4 c of the light guide plate 4 with respect to the light guide plate 4.
  • the light emitting surface of the light source 11 is directed in the + Z axis direction. That is, the light beam 11a is emitted in the + Z-axis direction.
  • the traveling direction of the light beam 11a is changed by the reflecting member 12 to the + X-axis direction.
  • the light beam 11a enters the light guide plate 4 from the light incident surface 4a.
  • the reflection member 12 is disposed between the light source 11 and the light intensity distribution conversion element 9.
  • the reflecting member 12 has a reflecting surface 12a.
  • the reflecting member 12 is made of, for example, an acrylic resin (PMMA), polycarbonate (PC), or a metal such as aluminum.
  • the reflective surface 12a can be formed by evaporating aluminum, gold, silver or the like on the acrylic resin or the like. Moreover, it is good also as a thing provided with the reflective surface 12a, without vapor-depositing a metal by making the reflection member 12 into resin which has a high reflectance.
  • the reflection surface 12 a is disposed to face the light source 11. Further, the light intensity distribution conversion element 9 is disposed to face the reflecting surface 9 h and the light incident surface 4 a of the light guide plate 4.
  • the reflecting surface 12a is disposed opposite to the light source 11, the reflecting surface 9h, and the light incident surface 4a because the light beam 11a is emitted from the light source 11, reflected by the reflecting surface 12a, and then transmitted through the reflecting surface 9h. It is because it arrange
  • the light beam 11a emitted from the light source 11 is emitted toward the + Z-axis direction, and is changed to light traveling in the + X-axis direction by the reflecting surface 12a of the reflecting member 12.
  • the light beam 11 a reflected by the reflecting surface 12 a passes through the reflecting surface 9 h of the light intensity distribution conversion element 9 and enters the light guide plate 4.
  • the reflecting member 12 has a curvature in the ZX plane and extends in the Y-axis direction. That is, the reflecting member 12 has a curvature on a plane parallel to the ZX plane. In the ZX plane, the reflecting member 12 has a shape obtained by partially cutting an ellipse. One focal point of the elliptical shape is located at the center of the light emitting surface of the light source 11. The other focal point of the elliptical shape is located at the center of the light incident surface 4 a of the light guide plate 4.
  • the light source 11 is a second light source.
  • the reflecting member 12 has a reflecting surface 12a in which a cross section by a plane perpendicular to the Y-axis direction becomes a part of an ellipse having a pair of focal points of the light emitting surface center of the light source 11 and the light incident surface 4a.
  • the Y-axis direction is a direction that does not have the curvature of the cylindrical surface 70c.
  • the reflecting member 12 can be reduced in size without reducing the efficiency with which the light beam 11a of the light source 11 is coupled to the light guide plate 4.
  • the surface light source device 240 can obtain the planar illumination light 8c with high light utilization efficiency and high uniformity of spatial light intensity distribution while adopting a laser as the light source 10. It becomes possible.
  • the liquid crystal display device 140 provided with the surface light source device 240 can provide a high-quality image with a wide color reproduction range and reduced luminance unevenness.
  • the frame portion can be made narrow by disposing most of the light source 10 and the light intensity distribution conversion element 9 in the thickness direction ( ⁇ Z-axis direction) of the liquid crystal display device 240. .
  • the reflecting member 12 can couple the light beam 11a of the light source 11 having a wide divergence angle to the light guide plate 4 with high efficiency, and can suppress an increase in power consumption.
  • the cylindrical surface 70c is configured by a cylindrical lens. In each embodiment, it is a concave cylindrical lens.
  • the generatrix direction of the lens surface of the cylindrical lens is the Y-axis direction.
  • the direction of the straight line perpendicular to the two buses positioned at the end of the lens surface is the Z-axis direction.
  • the feature of the present invention is that the light beam 6a totally reflected by the inclined surfaces 70a and 70b is emitted from the cylindrical surface 70c, so that the uniformity of the spatial light intensity distribution can be improved while keeping the light utilization efficiency high.
  • the configuration in which the cylindrical surface 70c shown in the above-described embodiment is a cylindrical lens is excellent from the viewpoint of manufacturing the light diffusion structure 70 in that it is easy to manufacture.

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Abstract

 光強度分布変換素子(7)は、光入射面(7a)、光出射面(7b)及び全反射面(70a,70b)を備える。光入射面(7a)は、指向性を有する光線(6a)を入射する。光出射面(7b)は、光線(6a)の角度強度分布を広げ、光線(6a)の出射方向に対して凹形状の曲面部(70c)を有する。全反射面(70a,70b)は、曲面部(70c)に近接し又は隣接し、光線(6a)の出射方向に対して傾斜し、光線(6a)が全反射する。全反射面(70a,70b)で反射した光線(6a)は、曲面部(70c)から出射する。

Description

光強度分布変換素子、面光源装置及び液晶表示装置
 本発明は、光源にレーザを備え、点状のレーザ光から強度分布の均一な面状の光を生成する光強度分布変換素子、面光源装置および液晶表示装置に関するものである。
 液晶表示装置が備える液晶表示素子は、自ら発光しない。このため、液晶表示装置は液晶表示素子を照明する光源として、液晶表示素子の背面に面光源装置を備えている。面光源装置の光源として、従来は、冷陰極蛍光ランプが主流であった。冷陰極蛍光ランプは、ガラス管の内壁に蛍光体を塗布し白色の光を得る冷陰極蛍光ランプ(以下、CCFL(Cold Cathode Fluorescent))である。しかし近年では、発光ダイオード(以下、LED(Light Emitting Diode)とよぶ。)の性能が飛躍的に向上したことに伴い、LEDを光源に用いた面光源装置の需要が急速に高まっている。
 しかしながら、CCFLやLEDから出射される光は色純度が低い。このため、これらの光源を採用した液晶表示装置では色再現範囲が狭いことが問題とされていた。なお、色純度が低いとは、光が複数の波長を有し、単色性に劣ることである。
 そこで近年では、広い色再現範囲を有する液晶表示装置を提供することを目的として、その光源に色純度の高いレーザを用いることが提案されている。レーザから出射される光は非常に単色性に優れている。このため、色鮮やかな画像を提供することを可能にする。尚、単色とは、波長幅の狭い、すなわち一色だけで他の色のまじっていない色のことである。また、単色光とは、波長幅の狭い単一の光のことである。
 しかしながら一方で、点光源で高い指向性を有する光を出射するレーザを面光源装置の光源として採用する場合、均一性の高い空間光強度分布を有する面状の光を得ることが非常に難しい。
 特許文献1に記載された面発光装置および画像表示装置は、複数の光学素子から構成される光学系を有している。そして、レーザから出射された光は、その光学系を介して所望の形状の光強度分布に整形される。そして、レーザから出射された光は、均一性の高い面状の光として面発光装置から出射される。
特開2009-181753号公報
 しかしながら、特許文献1に記載された面発光装置および画像表示装置は、レーザの光強度分布を整形するために複数の素子を有する大型化した光学系を必要とする。近年、液晶表示装置は、小型化・構成の簡素化が求められている。特許文献1の構成を適用して、液晶表示装置の小型化・構成の簡素化を実現するのは困難である。
 本発明は、上記に鑑みて成されたものであって、簡素化された構成の光強度分布変換素子の提供を目的とする。また、その光強度分布変換素子を用いて簡素化された構成で均一性の高い空間光強度分布の面状の光を出射する面光源装置および液晶表示装置を提供することを目的とする。
 本発明の光強度分布変換素子は、指向性を有する第1の光線を入射する第1の光入射面と、前記第1の光線の角度強度分布を広げ、前記第1の光線の出射方向に対して凹形状の曲面部を有する第1の光出射面と前記曲面部に近接し又は隣接し、前記第1の光線の出射方向に対して傾斜し、前記第1の光線が全反射する全反射面とを備え、前記全反射面で反射した前記第1の光線は、前記曲面部から出射する。
 本発明は、簡素な構成で、色再現範囲が広く、均一性に優れた面内輝度分布の面状の光を提供することを可能にする。
本発明の実施の形態1における液晶表示装置の構成を模式的に示す構成図である。 本発明の実施の形態1における面光源装置の構成を模式的に示す構成図である。 本発明の実施の形態1における液晶表示素子および光源の駆動方法を示すブロック図である。 本発明の実施の形態1における液晶表示素子および光源の駆動方法を示すブロック図である。 本発明の実施の形態1における光拡散構造を模式的に示す構成図である。 本発明の実施の形態1の光拡散構造における光線の挙動を模式的に示す図である。 本発明の実施の形態1の光拡散構造における光線の挙動を模式的に示す図である。 本発明の実施の形態1の光拡散構造における光線の挙動を模式的に示す図である。 本発明の実施の形態1における光拡散構造の出射光のZ-X平面上における角度強度分布を示した特性図である。 本発明の実施の形態1の光拡散構造における光線の挙動を模式的に示す図である。 本発明の実施の形態1における光拡散構造を模式的に示す構成図である。 本発明の実施の形態2における液晶表示装置の構成を模式的に示す構成図である。 本発明の実施の形態2における面光源装置の構成を模式的に示す構成図である。 本発明の実施の形態2における液晶表示装置の構成を模式的に示す構成図である。 本発明の実施の形態2における液晶表示装置の構成を模式的に示す構成図である。 本発明の実施の形態3における液晶表示装置の構成を模式的に示す構成図である。 本発明の実施の形態3における面光源装置の構成を模式的に示す構成図である。 本発明の実施の形態3における液晶表示素子および光源の駆動方法を示すブロック図である。 本発明の実施の形態4における液晶表示装置の構成を模式的に示す構成図である。 本発明の実施の形態4における面光源装置の構成を模式的に示す構成図である。
 以下に、本発明に係る光強度分布変換素子、面光源装置および液晶表示装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。
実施の形態1.
 図1は、本発明に係る実施の形態1の透過型表示装置である液晶表示装置110の構成を模式的に示す図である。図1の説明を容易にするために液晶光学素子1の短辺方向をY軸方向とし、長辺方向をX軸方向とし、X-Y平面に垂直な方向をZ軸方向とし、液晶表示素子1の表示面1a側を+Z軸方向とする。また、液晶表示装置の上方向を+Y軸方向とし、後述する第1の光源6の光出射方向を+X軸方向とする。以下の各図では、液晶表示装置を正面から見て左側が+X軸方向である。
 図1に示すように、液晶表示装置110は、透過型の液晶表示素子1および面光源装置210を備える。また、液晶表示装置110は、光学シート2、光学シート3および光反射シート5を備えることができる。これら構成要素1,2,3,210,5は、Z軸方向に配列されている。液晶表示素子1は、表示面1aを有する。表示面1aは、X-Y平面と平行に配置されている。X-Y平面は、Z軸に直交するX軸及びY軸を含む面である。なお、X軸及びY軸は互いに直交している。また、光学シート2は第1の光学シートである。光学シート3は第2の光学シートである。
 面光源装置210は、照明光6cを液晶表示素子1の背面1bに向けて(図1中+Z軸方向に向けて)放射する。照明光6cは、図1のX-Y平面において光強度分布が均一な面状の光である。
 この照明光6cは、第2の光学シート3と第1の光学シート2とを透過して液晶表示素子1の背面1bに照射される。ここで、第1の光学シート2は、面光源装置210から放射された照明光6cを液晶表示装置110画面に対する法線方向に向ける作用を有するものである。また第2の光学シート3は、細かな照明むらなどの光学的影響を抑制するものである。
 面光源装置210の直下(-Z軸方向)には光反射シート5が配置されている。面光源装置210からその背面側(-Z軸方向)に放射された光は、光反射シート5で反射され、液晶表示素子1の背面1bを照射する照明光として利用される。光反射シート5としては、たとえば、ポリエチレンテレフタラートなどの樹脂を基材とした光反射シートを使用することができる。また、光反射シート5として基板の表面に金属を蒸着させた光反射シートを使用することができる。
 液晶表示素子1は、液晶層を有する。液晶層は、Z軸方向に垂直なX-Y平面と平行に配置されている。液晶表示素子1の表示面1aは矩形状をしている。図1に示すX軸方向及びY軸方向は、それぞれ、この表示面1aの互いに直交する2辺に沿った方向である。図3に示すように、液晶表示素子駆動部52は、制御部51から供給された制御信号(液晶表示素子制御信号55)に応じて液晶層の光透過率を画素単位で変化させる。各画素はさらに3つの副画素から構成されている。この副画素は各々赤色の光のみを透過させるカラーフィルタ、緑色の光のみを透過させるカラーフィルタおよび青色の光のみを透過させるカラーフィルタを備えている。液晶表示素子駆動部52は、各副画素の透過率を制御することによりカラー画像を生成する。これにより、液晶表示素子1は、面光源装置210から放射された照明光6cを空間的に変調して画像光を生成する。そして、液晶表示素子1は、この画像光を表示面1aから出射することができる。なお、画像光とは、画像情報を有する光のことである。
 面光源装置210は、光源6、光強度分布変換素子7および導光板4を備えている。尚、光源6は第1の光源である。図2は、面光源装置210を-Z軸方向から示した構成図である。
 光源6は、複数のレーザ素子が1次元方向(Y軸方向)に配列されている。本実施の形態1の光源6は、それぞれ赤色、緑色および青色の単色光を発する半導体レーザを含むレーザ素子が規則的にY軸方向に配列されている。赤色の半導体レーザから出射される光の波長は640nmである。緑色の半導体レーザから出射される光の波長は530nmである。青色の半導体レーザから出射される光の波長は450nmである。これら3色の光を混合することにより、白色の光を生成する。尚、各半導体レーザから出射される光の波長はこれに限るものではなく、所望の色再現範囲に対し最適化される。また、光の色の数も3色に限るものではなく、所望の色再現範囲に対し最適化される。
 光源6から出射される光線6aは、光入射面7aから光強度分布変換素子7に入射する。光入射面7aとは、第1の光入射面である。光線6aは、光強度分布変換素子7を透過すことにより、Y軸方向の空間光強度分布の均一な白色光となる。また、光強度分布変換素子7は光線6aのZ-X平面における角度強度分布を広げる。そして、光線6aは、光強度分布変換素子7の光出射面7bより導光板4の入射面4aに向けて出射される。光出射面7bとは、第1の光出射面である。光強度分布変換素子の詳細な形状および機能については後に示す。導光板4の入射面4aは、光出射面7bに対向して配置されている。また、導光板4の入射面4aは、長手方向がY軸方向に平行となるように配置されている。
 導光板4は透明材料から成る。また、導光板4は板状の部材である。透明材料とは、例えばアクリル樹脂(PMMA)などが採用できる。また、導光板4は例えば厚み3mmの板状部材とすることができる。
 導光板4はその裏面4d(-Z軸側の面)に光拡散素子41を備える。光拡散素子41は、導光板4の光入射面4aから入射する線状の光を面状の光強度分布を有する光に変換する機能を持つ。線状の光は、1次元方向(Y軸方向)に一様な光強度分布を有する。そして、光拡散素子41は、その面状の光強度分布を有する光を液晶表示素子1に向けて放射する機能を持つ。ここで、面上の面とは、X-Y平面に平行な面である。
 例えば、光拡散素子41は、図1および図2に示すような凸レンズ形状をしている。そして、光拡散素子41は、裏面4dに配置されている。この凸レンズ形状は、凹形状であっても良い。また、例えば、光拡散素子41は、ドット状の白色インクが塗布された構成でも良い。その際、凸形状の大きさ、凹形状の大きさおよびドット状の白色インクの大きさが、光入射面4aの近傍においては小さく、光入射面と対向する側の面4bに近づくにつれ大きくなる。あるいは、同じ大きさの凸形状の光学素子の密度、同じ大きさの凹形状の光学素子の密度または同じ大きさのドット状の白色インクの密度が、光入射面4aの近傍においては疎であり、光入射面と対向する側の面4bに近づくにつれ密になる。このことにより、X-Y平面における照明光6cの面内の光強度分布は均一になる。
 図3は、液晶表示素子1および光源6の駆動方法を示すブロック図である。液晶表示素子駆動部52は、制御部51からの液晶表示素子制御信号55に基づいて液晶表示素子1を駆動する。光源駆動部53は、制御部51からの光源制御信号56に基づいて第1の光源である光源6を駆動する。制御部51は、液晶表示素子駆動部52と光源駆動部53とを制御する。
 制御部51は図示しない信号源から供給された映像信号54に画像処理を施して制御信号(液晶表示素子制御信号55および光源制御信号56)を生成する。制御部51は、これら制御信号55,56を液晶表示素子駆動部52および光源駆動部53に供給する。光源駆動部53は、制御部51からの光源制御信号56に基づいて光源6を駆動して光源6から光を出射させる。
 例えば、図4のように、面光源装置210は、光源6の赤色の半導体レーザ6R、緑色の半導体レーザ6Gおよび青色の半導体レーザ6Bの各々に対応した光源駆動部53R,53G,53Bを備えている。このように、制御部51が光源駆動部53R,53G,53Bを個別に制御する構成とすることもできる。光源駆動部53R,53G,53Bは、制御部51からの光源制御信号56R,56G,56Bに基づいて半導体レーザ6R,6G,6Bを駆動する。これにより、各半導体レーザ6R,6G,6Bから出射される光線6Ra,6Ga,6Baの各光強度の割合を調整することができる。このため、制御部51は、各映像信号54に対し必要となる各色の光強度の割合に応じて各光源6R,6G,6Bの発光量を調整できる。これにより、面光源装置210は低消費電力化を実現することが可能である。
 次に、光強度分布変換素子7の構造および機能について示す。
 本実施の形態1の面光源装置210は、いわゆるサイドライト方式と呼ばれる方式を採用している。サイドライト方式は、光源と導光板とを備え、光源から出射した光線が導光板の端面から入射して、面状の光として出射される。導光板の端面から入射した線状の光は、導光板の表面(あるいは裏面)に備えられる光拡散素子によって面状の光に変換される。その面状の光は、導光板の表面から放射される。本実施の形態1において、光源6から出射した光線6aは光入射面4aから導光板4に入射する。光入射面4aは第2の光入射面である。また、本実施の形態1において、照明光6cは導光板4の表面4cから液晶表示素子1に向けて放射される。表面4cは第2の光出射面である。
 サイドライト方式において、面光源装置から放射される照明光の空間光強度分布を均一にするためには、次の2つの要件が必要である。第1の要件は、導光板に入射する線状の光の空間光強度分布が均一であることである。第2の要件は、導光板厚み方向における光の発散角が広角であることである。発散角が広角とは、発散角が広いことである。
 導光板に入射する線状の光の空間光強度分布の均一性とは、導光板の光入射面に入射する光がその面上(導光板の光入射面)の任意の空間位置において何れも等しい光強度を有することを指す。
 また、導光板に入射する線状の光の導光板厚み方向における光の発散角の広角化とは、導光板の光入射面に入射する光の導光板厚み方向における発散角が広いことを指す。つまり、本実施の形態1においては図1中のZ-X平面上での発散角が広いことを指す。
 本実施の形態1の光源6は点光源で指向性の高いレーザ素子で構成されている。ここで、点光源とは導光板4の光入射面4aの大きさに対して発光面積が小さい光源を指す。従って、光源6から出射される光を直接導光板4に入射すると、面光源装置210から出射される照明光6cはX-Y平面内において空間光強度分布むらが生じてしまう。ここで空間光強度分布むらとは、同一面内の異なる空間位置における光の強度に高低差が生じている状態を指す。
 そこで、本実施の形態1の面光源装置においては、レーザ素子で構成される光源6から出射される光線6aを、光強度分布変換素子7を用いて、上記第1の要件および第2の要件を満たす光強度分布を有する光に変換する。
 光源6に含まれるレーザ素子はマルチモードの半導体レーザである。マルチモードの半導体レーザは、その構造から活性層に平行な方向の発散角と活性層に垂直な方向の発散角とが異なる値を有する。例えば、本実施の形態1のレーザ素子は何れも、広がり角の大きい方向(以下、速軸方向と呼ぶ。)の発散角の半値全角は40度である。一方、広がり角の小さい方向(以下、遅軸方向と呼ぶ。)の発散角の半値全角は3度である。本実施の形態1においては、光源6に含まれるレーザ素子は全て、速軸方向をレーザ素子配列方向(図1中Y軸方向)に平行とし、遅軸方向を導光板厚み方向(図1中Z軸方向)に平行とする。尚、半値全角とは、光強度の最大値の半分の光強度における角度の全角を指す。
 光強度分布変換素子7は透明材料から成る。また、光強度分布変換素子7は板状の部材である。透明材料とは、例えばアクリル樹脂(PMMA)などが採用できる。また、光強度分布変換素子7は例えば厚み2mmの板状部材とすることができる。光強度分布変換素子7の長辺方向(図1中Y軸方向)における長さは、導光板4の光入射面4aの図1中Y軸方向における長さと同等もしくはそれより短く設定される。
 図5に示すように、光強度分布変換素子7の光入射面7aは、図5中Y-Z平面と略平行な面である。また、光入射面7aは、光源6と対向して配置される。光強度分布変換素子7の光出射面7bは、光入射面7aに対向する位置にある。しかし、光入射面7aのように平面では無く、光拡散構造70を有する。光拡散構造70は、2つの斜面70a,70bおよびシリンドリカル面70cを有する。
 光強度分布変換素子7は光出射面7bに複数の光拡散構造70を有する。光拡散構造70は第1の光拡散構造である。複数の光拡散構造70は導光板4の厚み方向(図1中Z軸方向)に一定の間隔で配置される。光拡散構造70は、光強度分布変換素子7のZ-X平面に平行な断面において、図5に示す構造と同様の構造を有する。従って、光強度分布変換素子7に入射する光線6aは、Z-X平面と平行な面上で、図5から図8に示す光の屈折作用を有する。光拡散構造70は、光強度分布変換素子7の光出射面7b上で、図5に示す断面形状を有しながらY軸方向に延びている。つまり、光拡散構造70をX-Y平面で切断した場合、光出射面7bの断面形状は、Y軸に平行な直線となる。
 図5に示すように、光拡散構造70は、2つの斜面70a,70bおよびシリンドリカル面70cを有する。シリンドリカル面70cは、斜面70aと斜面70bとの間に配置されている。シリンドリカル面70cは、Z-X平面のみに曲率を有する。本実施の形態1の光拡散構造70は、Z-X平面上の形状において、台形に似た形状をしている。台形の上底(図5中+X軸方向側)が0.33mm、下底(図5中-X軸方向側)が0.66mmとする。台形の高さは0.50mmである。光拡散構造70は、その台形の上底の中心に半径0.165mmの真円形状の円弧を描き、上底部分をその円弧に沿って凹形状とした形状である。この凹形状がシリンドリカル面70cである。すなわち、光拡散構造70は、凹レンズ形状を有する。台形状の上底と下底を結ぶ一辺が斜面70aであり、他辺が斜面70bである。光拡散構造70は、Z軸方向に0.66mmの間隔で3列配置されている。つまり、斜面70a,70bは、光線6aの出射方向に対して傾斜している。また、斜面70a,70bは、斜面70a,70bのシリンドリカル面70cに隣接する端部(+X軸方向側の端部)から斜面70a,70bの他の端部(-X軸方向側の端部)に向けて2つの斜面70a,70bの間隔は広くなる。斜面70a,70bの他の端部(-X軸方向側の端部)は、シリンドリカル面70cに対して光線6aの入射側(-X軸方向側)に配置されている。
 シリンドリカル面70cは、一方向には曲率を持つが、それと直交する方向には曲率を持たない面である。つまり、シリンドリカル面70cは、一方向に屈折力を持ち収束または発散し,直交する方向では屈折力をもたない面である。シリンドリカル面70cは、Z軸方向に曲率を持ち、Y軸方向には曲率を持たない面である。つまり、シリンドリカル面70cは、Z-X平面を基準平面とすると、基準平面(Z-X平面)上の曲線に垂直な柱面形状の一部で形成されている。つまり、母線に垂直な方向に開口部を有する柱面形状をしている。柱面とは、柱体の側面にあたる曲面である。つまり、ある平面上の1つの曲線に沿って、この平面に垂直な直線が一定方向を保ちながら運動するときにできる曲面である。シリンドリカル面70cは、上述のある平面(基準平面)上の曲線が閉じた曲線ではない。このため、シリンドリカル面70cは、母線が一部の領域で欠けた開口部を有する柱面形状をしている。なお、基準面上の曲線は円弧に限られない。この垂直な直線を母線という。シリンドリカル面70cの母線方向とはY軸方向である。また、Z軸方向は、柱面形状の端に位置する2つの母線を結ぶ直線のうち母線の方向に垂直な直線の方向である。つまり、Z軸方向は、柱面形状の端に位置する2つの母線を結ぶ直線のうち、その2つの母線に垂直な直線の方向である。
 また、斜面70a,70bは、シリンドリカル面70cの曲率を持つ方向(Z軸方向)の端部に隣接する面である。図5では、斜面70a,70bは、基準平面(Z-X平面)に垂直な平面である。なお、図5から図8までには、斜面70a,70bは、平面で示されているが、斜面70a,70bは、光線6aを全反射する全反射面であれば良いため、曲面であっても構わない。なお、導光板4は、Z軸方向に垂直に配置されている。また、光線6aの遅軸方向は、Z軸方向に平行である。遅軸方向は、発散角の小さい方向である。なお、図6から図8では、シリンドリカル面70cが斜面70aと斜面70bとの間に配置されている構成で光線6aの挙動を説明した。しかし、斜面70a,70bが斜面70aまたは斜面70bのどちらか1つのでも構わない。斜面70a,70bが斜面70aまたは斜面70bのどちらか1つの場合でも、一定の効果を上げることができる。
 次に、光源6から出射される光線6aの光強度分布変換素子7における挙動を、X-Y平面とZ-X平面とに分けて説明する。
 X-Y平面においては、Y軸方向における空間光強度分布を均一化することが求められる。各レーザ素子から出射される光線6aは、半値全角40度の発散角を有する。つまり、X-Y平面において、光線6aは比較的大きな発散角を有する。従って、図2に示すように、各レーザ素子から出射される光線6aは光強度分布変換素子7の中を伝播することにより、隣接する他のレーザ素子の光線6aと空間的に重なり合う。これにより、光出射面7bにおける光線6aのY軸方向における空間光強度分布は一様になる。
 各レーザ素子から出射される光線の角度強度分布は、中心強度が高く、中心から離れるにつれ急峻に強度が低下する略ガウシアン形状である。従って、光出射面7bに到達する各レーザ素子のY軸方向における空間光強度分布はガウシアン形状を有する。このため、光出射面7bにおいてより空間強度分布の均一性が高い光線6aを得るためには、隣接するレーザ素子の間隔(Y軸方向の長さ)を一定値以下とするか、光入射面7aから光出射面7bまでの距離(X軸方向の長さ)を一定値以上とする必要がある。つまり、光出射面7bの位置で、隣接する光線6aが、Y軸方向における光強度分布の最大値の半値以上の値で重なり合うことが必要である。この条件を満たすように、レーザ素子の数を設定するか光強度分布変換素子7のX軸方向の長さを設定することが望ましい。
 Z-X平面においては、光の発散角が広いことが求められる。一方で、光源6から出射される光のZ-X平面における発散角は半値全角3度である。つまり、Z-X平面において、光線6aは比較的小さな発散角を有する。略平行光の発散角を大きく広げることは一般的なレンズ形状では困難である。また、角度を大きく広げるための構成として、表面にランダムな凹凸形状を有し光を拡散する拡散板や、材料の中に微小粒子を含ませ光を乱反射させる拡散板などがある。しかし、このような構成は、拡散度と光透過率がトレードオフの関係を有する。このため、低消費電力化が必要な面光源装置に採用することは望ましくない。
 そこで、本実施の形態1においては、Z-X平面に光拡散構造70を設けている。光拡散構造70によれば、光透過率の低下を抑制しながらも、略平行な光(光線6a)の発散角を大きく広げることが可能となる。
 図6、図7および図8は、光拡散構造70における光の挙動を示す図である。図9は、光出射面7bから出射される光線のZ-X平面における角度強度分布を示すグラフである。横軸は角度[度]を示している。縦軸は光強度[a.u.]を示している。ここで、単位[a.u.]は任意単位であり、相対強度で示している。尚、図9のグラフにおいて角度0度とは図1中のX軸方向である。-Y軸方向から見てY軸を回転軸として時計回りを負の回転角、反時計回りを正の回転角とする。図6から図8に示すように、光拡散構造70に入射する光(光線6a)は、大きく分けて3通りの光路をたどる。第1の光路は、光拡散構造70の斜面70aに入射する光である(図6)。第2の光路は、斜面70bに入射する光である(図7)。第3の光路は、シリンドリカル面70cに入射する光である(図8)。
 図6に示すように、斜面70aに入射した光線6aは屈折率差により全反射し、Z-X平面において進行方向をX軸方向から約-37度傾ける。斜面70aにおいて全反射した光線6aは、シリンドリカル面70cに入射する。斜面70aは全反射面である。シリンドリカル面70cは真円形状を有するため、光線6aはレンズ効果により角度強度分布が広げられる。従って、図9のグラフ60aに示すように、図6の光路をたどる光線6aは、Z-X平面においてX軸方向から-37度傾いた方向を軸に半値全角約25度の発散角を有して光出射面7bから出射する。図9で、グラフ60aは、実線と●印で示されている。
 図7に示すように、斜面70bに入射した光線6aは屈折率差により全反射し、Z-X平面において進行方向をX軸方向から約+37度傾ける。斜面70bにおいて全反射した光線6aは、シリンドリカル面70cに入射する。斜面70bは全反射面である。シリンドリカル面70cは真円形状を有するため、光線6aはレンズ効果により角度強度分布が広げられる。図9のグラフ60bに示すように、図7の光路をたどる光線6aは、Z-X平面においてX軸方向から+37度傾いた方向を軸に半値全角約25度の発散角を有して光出射面7bから出射する。図9で、グラフ60bは、実線と▲印で示されている。
 図8に示すように、シリンドリカル面70cに直接入射する光線6aは光進行方向を変更することなくX軸方向に進み、シリンドリカル面70cの真円形状によるレンズ効果で角度強度分布が広げられる。従って、図9のグラフ60cに示すように、図8の光路をたどる光線6cは、Z-X平面においてX軸方向を軸に半値全角約36度の発散角を有して光出射面7bから出射する。図9で、グラフ60cは、実線と×印で示されている。
 上記より、光出射面7bから出射される光線6bの角度強度分布は、図6、図7および図8をたどる光線の角度強度分布60a,60b,60cの足し合わせとなり、図9のグラフ60の様に半値全角84度と非常に広い発散角を有する光となる。図9で、グラフ60は、一点鎖線で示されている。
 図6から図8より明らかなように、本実施の形態1の光拡散構造70によると、非常に広い発散角を得ながらも、光線6aの進行方向に対して後方(-X軸方向)に反射される光は少なく高い光透過率を得ることが可能となる。
 また、本実施の形態1のように、Z軸方向に複数の光拡散構造70を配列することにより、より細かに光線6aを拡散することが可能となる。このため、面光源装置210から出射される照明光6cはより均一な面内光強度分布となる。本実施の形態においては、光拡散構造70をZ軸方向に3本配列した構成としたが、本発明はこれに限るものではない。配列する光拡散構造70の数を増やすことにより、より細かに光線6aを拡散することができ、照明光6cの面内光強度分布の均一性を向上することが可能である。
 本実施の形態1において、光拡散構造70の形状を説明する際に用いた台形の上底、下底および高さの寸法、また上底の凹形状を提示したが、本発明はこれに限るものではない。本発明に係る光拡散構造70は、以下の3つの機能を有することが特徴である。第1の機能は、光線を複数の光路をたどる構成に分ける機能である。第2の機能は、複数の光路のうち少なくとも1つの光路をたどる光線の進行方向を変更する機能である。第3の機能は、複数の光路をたどる全ての光線の角度強度分布を広げる機能である。これを満たすものであれば、光拡散構造70の形状を説明する際に用いた台形の下底および上底の寸法、また上底の部分の形状は、実施の形態1の形状に係わらず、本発明の範囲である。
 配置される光拡散構造70の数、また光拡散構造70に形成された台形の上底、下底および高さの寸法、上底の形状を設計のパラメータとすることにより、所望する光線6bの角度強度分布の形状を制御することが可能である。
 例えば、図10に示すように、光拡散構造70の斜面70aあるいは斜面70bをZ-X平面において複数の面に分割し、それぞれの面の傾き角を変化させる。図10では、斜面70a側を斜面70aおよび斜面70dの2つの斜面に分割している。また、斜面70b側を斜面70bおよび斜面70eの2つの斜面に分割している。これにより、異なる光路をたどる光線の数を増やすことができ、よりきめ細かに光線6bの角度強度分布を制御することが可能となる。斜面70a,70b,70d,70eは、光線6aの出射方向に対して傾斜している。また、斜面70d,70eは、斜面70a,70bと同様に全反射面である。また、斜面70d,70eは、斜面70d,70eのシリンドリカル面70cに近接する端部(+X軸方向側の端部)から斜面70d,70eの他の端部(-X軸方向側の端部)に向けて2つの斜面70d,70eの間隔は広くなる。斜面70d,70eの他の端部(-X軸方向側の端部)は、シリンドリカル面70cに対して光線6aの入射側(-X軸方向側)に配置されている。
 図10に示すように、斜面70d,70eは、斜面70a,70bを介してシリンドリカル面70cと接続されている。このような形状の場合には、斜面70d,70eはシリンドリカル面70cに近接することになる。斜面70a,70bは、シリンドリカル面70cの端部に近接して基準平面(Z-X平面)に垂直な平面である。
 例えば、光拡散構造70のシリンドリカル面70cの形状を自由曲面にすることも可能である。
 但し、本実施の形態1に示すように光拡散構造70が3面で構成され、光拡散構造70の形状を説明する際に用いた台形の上底に相当する部分の形状を真円の凹形状とする簡素な形状とすることにより、生産性を高めることができる。
 また、金型の製作の容易性および耐久性、部品の成形性などを考慮して、生産性を高めるために、多少の形状の簡略化をすることも可能である。例えば、斜面70aとシリンドリカル面70cとの接続部の形状または斜面70bとシリンドリカル面70cとの接続部の形状が、本実施の形態1では図11(A)のように鋭角(不連続)であったものを、図11(B)のように円弧で(連続的に)つなげるような形状としても良い。このように形状を簡略化することによっても、高い光拡散性能を得ることは可能である。
 斜面70a,70bとシリンドリカル面70cとの接続部の形状が図11(A)のように直接つなげるような形状の場合には、斜面70a,70bはシリンドリカル面70cに隣接することになる。また、例えば、斜面70a,70bとシリンドリカル面70cとの接続部の形状が図11(B)のように円弧で(連続的に)つなげるような形状の場合には、斜面70a,70bはシリンドリカル面70cに近接することになる。このように、斜面70a,70bはシリンドリカル面70cと、光線6aの反射と関係のない面を介して接続することができる。近接とは、近くにあることである。また、隣接とは、隣り合って続くことである。
 本発明においては、光源6から出射される光線6aの発散角の広い方向(速軸方向)をレーザ素子配列方向とし、発散角の狭い方向(遅軸方向)を導光板厚み方向とした。つまり、光源6は、光線6aの遅軸方向とZ軸方向とが平行となるように配置されている。Z軸方向は、シリンドリカル面70cの曲率を持つ方向である。これは、以下の理由からである。本発明の構成において、レーザ素子の配列方向(Y軸方向)における光強度分布の均一性は、複数の光線6aの重畳に依っている。光強度分布変換素子7のX軸方向の長さを一定とすると、光強度分布の均一性は、光の発散角とレーザ素子の個数に依存する。X軸方向は、光線6aの進行方向である。つまり、光の発散角が広いほど、光強度分布の均一性を高めることができる。または、レーザ素子の個数が多いほど、光強度分布の均一性を高めることができる。従って、レーザ光の発散角が広い方向をレーザ素子の配列方向(Y軸方向)と平行にすることにより、レーザ素子の個数を削減して、Y軸方向の光強度分布の均一性を高めることが可能となる。
 一方、レーザ光の発散角の狭い方向(遅軸方向)を導光板の厚み方向と平行にすることにより、光強度分布変換素子7および導光板4の厚みを薄くすることが可能となる。なぜなら、光線6aの発散角が小さいので、光強度分布変換素子7の厚みを薄くしても、全ての光線6aを光強度分布変換素子7に入射させることができるからである。また、光強度分布変換素子7の厚みを薄くできるため、光線6bの厚みも薄くなり、導光板4の厚みを薄くしても、全ての光線6bを導光板4に入射させることができるからである。また、本実施の形態1の光拡散構造70においては、狭い範囲の入射角度に対してのみ所望の角度強度分布に変換して光透過率が高くなる構造を設計すれば良く、設計が容易となる。例えば、広い範囲の入射角度の光線では、70cにおいて全反射され、光が後方(光入射面7aの方向)に戻され光透過率が下がる等の問題がある。
 以上より、本実施の形態1の光強度分布変換素子7を備えた面光源装置210に依れば、光源6にレーザを採用しながらも、光利用効率が高く、空間光強度分布の均一性が高い面状の照明光6cを得ることが可能となる。この面光源装置210を備えた液晶表示装置110は、色再現範囲が広く輝度むらを抑えた高品質な画像を提供することが可能となる。
実施の形態2.
 図12は、本発明に係る実施の形態2の透過型表示装置である液晶表示装置120の構成を模式的に示す図である。本実施の形態2の液晶表示装置120は、面光源装置220が面光源装置210と異なる以外は、実施の形態1の液晶表示装置110と同じである。つまり、液晶光学素子1、光学シート2,3および光反射シート5は、実施の形態1の液晶表示装置110と同じである。実施の形態1で説明した液晶表示装置110の構成要素と同様の構成要素には、同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。
 本実施の形態2の面光源装置220は、光源8、光強度分布変換素子9および導光板4を備える。導光板4は、板状部材で透明材料から成り、裏面4d(-Z軸側の面)に光拡散素子41を備え、線状の光を面状の光に変換する機能を有する。これらの点においては実施の形態1と同様であるのでその詳細な説明を省略する。また、光源8は複数のレーザ素子を1次元方向に配列した構成である。光源8に含まれるレーザ素子は、実施の形態1の光源6のレーザ素子と、光の波長(例えば、赤色の波長は640nm、緑色の波長は532nm、青色の波長は450nmである。)が同様で、マルチモードの半導体レーザで、速軸方向の発散角の半値全角は40度で、遅軸方向の発散角の半値全角は3度であり、速軸方向をレーザ素子配列方向(図1中Y軸方向)に平行とし、遅軸方向を導光板厚み方向(図1中Z軸方向)に平行として配置する点などで同様であるので、その詳細な説明を省略する。
 光源8の光線8aは、図12の-X軸方向に向けて出射される。また、光源8は、導光板4の表面4cと対向する面である裏面4d側に配置されている。
 光強度分布変換素子9は透明材料から成る。透明材料とは、例えばアクリル樹脂(PMMA)などが採用できる。また、光強度分布変換素子9は板形状の導光部91を有する。導光部91は、導光板4の裏面4dに対向して配置されている。また、光強度分布変換素子9は反射面を2面有する光路変更部92を有する。光強度分布変換素子9は例えば板状部の厚みが2mmの部材とすることができる。光強度分布変換素子9の長辺方向(図12中Y軸方向)における長さは、導光板4の光入射面4aの図1中Y軸方向における長さと同等もしくはそれより短く設定される。
 図12に示すように、光強度分布変換素子9の光入射面9aは、図12中Y-Z平面と略平行な面である。また、光入射面9aは光源8と対向して配置される。光強度分布変換素子9の光出射面9bは、導光板4の光入射面4aと対向して配置される。光入射面4aは、図12中のY-Z平面と略平行な面である。また、光強度分布変換素子9の導光部91の主面9c,9dは、何れも図12中X-Y平面と略平行である。主面9cは+Z軸方向側の面であり、主面9dは-Z軸方向側の面である。光強度分布変換素子9の光路変更部92は、二つの反射面9e,9hを有する。反射面9eは、光強度分布変換素子9の中を-X軸方向に進行する光線8aを+Z軸方向に向ける機能を有する。反射面9hは、光強度分布変換素子9の中を+Z軸方向に進行する光線8aを+X軸方向に向ける機能を有する。また、主面9cと光出射面9bを繋ぐ面9gと、反射面9eと9hを繋ぐ面9fとは、Y-Z平面に略平行である。光強度分布変換素子9は、光線8aを光入射面9aから導光板4の光入射面4aへと導く。
 光強度分布変換素子9は光出射面9bに複数の光拡散構造70を有する。複数の光拡散構造70は導光板4の厚み方向(図12中Z軸方向)に一定の間隔で配置される。光拡散構造70は、実施の形態1で示した構成を同様である。つまり、以下の点で実施の形態1と同様である。光拡散構造70は、2つの斜面70a,70bおよびシリンドリカル面70cを有する。また、光強度分布変換素子のZ-X平面(図12)に平行な断面において、図5に示す構造と同様の構造を有している。光強度分布変換素子7に入射する光線8aは、光線6aと同様に、Z-X平面と平行な面上で、図5から図8に示す光の屈折作用を有する。また、光拡散構造70は、光強度分布変換素子7の光出射面7b上で、図5に示す断面形状を有しながらY軸方向に延びている。つまり、光拡散構造70をX-Y平面で切断した場合、光出射面7bの断面形状は、Y軸に平行な直線となる。これらの点において、本実施の形態2の光拡散構造70は実施の形態1と同様の構造であり、その詳細な説明を省略する。
 また、本実施の形態2の光強度分布変換素子9は、実施の形態1の光強度分布変換素子7と同様に、光源8のレーザ素子配列方向(Y軸方向)における空間光強度分布の均一化のため、隣接するレーザ素子の光線を自らの発散角を利用して空間的に重ね合わせる構成をしている。この点において、実施の形態1と同様であり、その詳細な説明を省略する。
 本実施の形態2の面光源装置220は、光源8を導光板4の裏面4d側(-Z軸方向)に配置し、また、光強度分布変換素子9の大部分を導光板4の裏面4d側(-Z軸方向)に配置している。近年、液晶表示装置においては、画面周囲に備えられる構造部分(額縁部分)を狭くすることが求められている。そこで、本実施の形態2によれば、実施の形態1においては液晶表示装置の額縁部分に配置していた光源および光強度分布変換素子を液晶表示装置の厚み方向に配置することが可能となる。このため、液晶表示装置120の額縁部分を狭くすることが可能となる。また、本実施の形態2の構成では、光強度分布変換素子9のX軸方向の長さを長くでき、光源8から出射した光線8aのY軸方向における空間光強度分布の均一性を向上できる。また、光強度分布変換素子9のX軸方向の長さを長くすることにより、レーザ素子配列方向の空間光強度分布の均一化のために必要であったレーザ素子の数を削減することも可能になる。
 さらに、本実施の形態2の光強度分布変換素子9は、レーザ素子配列方向(Y軸方向)の空間光強度分布の均一性を高めるため、第2の光拡散構造90を有する。図13は、面光源装置220を-Z軸方向から示した構成図である。図13に示すように、光強度分布変換素子9の光入射面9aは、光線8aに対しX-Y平面上においてのみ作用する光拡散構造90を有する。光拡散構造90のX-Y平面と平行な断面は、半径0.02mm、深さ0.01mmの真円の凹形状がY軸方向に並んだ形状をしている。つまり、凹形状は、-X軸方向に凹となる形状である。また、上記真円の中心は、Y軸方向に等間隔(0.04mm)に並んでいる。また、Z軸方向の断面で上記形状をすることから、凹形状の面は、Z軸方向に中心軸を持つ円筒面の一部で形成されている。この光拡散構造90は、0.04mm間隔でY軸方向に複数個配置される。光拡散構造90に入射した光線8aは、光拡散構造90により、X-Y平面における発散角が広げられる。つまり、光拡散構造90は、Y軸方向に光線8aを拡散する。Y軸方向はシリンドリカル面70cの曲率を持たない方向である。拡散するとは、発散角が広げられることである。これにより、光拡散構造90を設けない場合に比べ、Y軸方向における空間光強度分布の均一性を向上することができる。従って、光強度分布変換素子9のX軸方向における長さを縮小することができ、導光部91の小型化を可能にする。あるいは、光源8の有するレーザ素子の個数を削減することが可能となる。なお、図13の右側の斜線を施した部分は、導光部91の+Z軸方向に配置された光反射シート5である。
 また、図14に示すように、本実施の形態2の光強度分布変換素子9は、その導光部91の主面9c,9dが平行でない形状を有しても良い。詳しくは、光強度分布変換素子9の導光部91において、その厚み(Z-X平面におけるZ軸方向の寸法)が光入射面9aから光路変更部92に向けて大きくなる形状を有する。つまり、導光部91は、光入射面9aから光線8aの進行方向に向かって厚みが広がる形状をしている。厚みとは、Z-X平面(基準平面)上で光線8aの進行方向(-X軸方向)に垂直な方向(Z軸方向)の寸法である。この形状は、いわゆる楔形である。導光部91は、楔形形状をしている。
 このような楔形の形状とすることにより、光強度分布変換素子9に入射する光線8aのZ-X平面における発散角を小さくし、略平行な光とすることが可能となる。光線8を略平行な光に変換することにより、光路変換部92の反射面9e,9hにおいて反射率の高い構成の設計が容易となる。また、光線8を略平行な光に変換することにより、光出射面9bに設けられる光拡散構造70における光透過率の向上も可能となる。このように、光強度分布変換素子9の導光部91のZ-X平面における形状を-X軸方向に向けて厚みが広がる楔形とすることは、特にレーザ光のZ-X平面における発散角が大きい場合に有効である。
 なお、本実施の形態2では、レーザ素子の遅軸方向を導光板厚み方向(図1中Z軸方向)に平行として配置している。このことから、遅軸方向の発散角が比較的大きい場合に、導光部91の楔形が有効である。
 また、図15に示すように、光強度分布変換素子9は、導光部91の中を-X軸方向に伝播する光線8aと光路変更部92の中+Z軸方向に伝播する光線8aとの成す角度が垂直(90度)とならない構成であっても良い。光線8aと反射面9e,9hとが成す角度がスネルの法則に従う全反射条件を満たすよう光強度分布変換素子9の形状を設計する。このことにより、反射面9e,9hにおける光線8aの反射率を向上させることが可能となる。また、図15の構成においては、光強度変換素子9の光入射面9aを導光板4から離れる方向(-Z軸方向)に配置することが可能となるため、光源8の寸法が大きい場合にも有効である。つまり、光源8に大きなレーザ素子を採用する場合に有効である。
 以上より、本実施の形態2の光強度分布変換素子9を備えた面光源装置220に依れば、光源にレーザを採用しながらも、光利用効率が高く、空間光強度分布の均一性の高い面状の照明光8cを得ることが可能となる。この面光源装置220を備えた液晶表示装置120は、色再現範囲が広く輝度むらを抑えた高品質な画像を提供することが可能となる。さらに、本実施の形態2においては、光源8および光強度分布変換素子9の大部分を液晶表示装置220の厚み方向に配置することにより、額縁部分を狭くすることを可能にする。
実施の形態3.
 図16は、本発明に係る実施の形態3の透過型表示装置である液晶表示装置130の構成を模式的に示す図である。また、図17は、面光源装置230を-Z軸方向から示した構成図である。本実施の形態3の液晶表示装置130は、面光源装置230が実施の形態2の面光源装置220に対し、第1の光源8に代わる光源10を備え、さらに第2の光源11を備える点で異なる。つまり、液晶光学素子1、光学シート2,3、導光板4、光反射シート5および光強度分布変換素子9は、実施の形態2の液晶表示装置120と同じである。また、実施の形態2の液晶表示装置120が、実施の形態1の液晶表示装置110と同じ構成要素に関しても同じである。実施の形態2で説明した液晶表示装置120の構成要素と同様の構成要素には、同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。
 光源10は第1の光源である。図17に示すように、光源10は複数のレーザ素子をY軸方向に1次元配列している。光源10が有するレーザ素子は赤色の光を発する。この赤色の光は、例えば波長640nmの光である。光源10から出射する光は、発散角の広い方向(速軸方向)とそれと垂直の方向で、発散角の狭い方向(遅軸方向)とを有する。本実施の形態3の面光源装置230においては、速軸方向がレーザ素子配列方向(Y軸方向)と平行となるようにレーザ素子を配列し、遅軸方向が光強度分布変換素子9の厚み方向(Z軸方向)と平行となるようにレーザ素子を配列する。
 第1の光源10から出射される光線10aは、光強度分布変換素子9を介し光出射面9bから導光板4の光入射面4aに向けて出射される。光出射面9bから出射される光線は、光線10bである。光線10aが光線10bとなるまでの光強度分布変換素子9の中での挙動は、実施の形態2の光線8aが光線8bとなるまでの挙動と同様であり、その説明を省略する。つまり、光線10aは、光強度分布変換素子9の中を-X軸方向に進行した後、反射面9eで進行方向を+Z軸方向に変え、その後、反射面9hで進行方向を+Z軸方向から+X軸方向に変える。
 光源11は第2の光源である。光源11は複数のLED素子をY軸方向に1次元配列している。光源11は、X-Y平面に平行な導光板4と略同一平面上に配置されている。つまり、光源11は、導光板4の光入射面4aと対向して配置されている。また、光源11の発光面は+X軸方向に向けられる。つまり、光源11から出射する光線11aは、光入射面4aに向けて出射する。そして、光線11aは、光入射面4aから導光板4に入射する。
 光源11から出射される光線11aは、青緑色の光である。この青緑色の光は、例えば450nm付近と530nm付近にピークを有し、420nmから580nmの帯域に連続的なスペクトルを有する光である。光源11の有するLED素子は、例えば青色の光を出射する青色LEDチップを備えたパッケージに、この青色の光を吸収して緑色の光を発する緑色蛍光体を充填したものである。また、光源11の有するLED素子は、例えば励起光源にLED以外の光源を採用しその励起光源により緑色の蛍光体を励起し青緑色の光を発するものである。また、光源11は、例えば紫外領域の波長の光を放射する光源により青色と緑色の光を発する蛍光体を励起し青緑色の光を発するものである。また、光源11は、例えば青色の光を発する青色LEDチップと緑色LEDチップを備えるものである。
 光源11は、X-Y平面およびZ-X平面において、半値全角120度のランバート分布の角度強度分布を有する。光線11aは、光線10aの発散角よりも広い発散角を有する。
 光源11から+X軸方向に向けて出射される光線11aは、光強度分布変換素子9の光路変更部92を透過して光出射面9bから出射し、光入射面4aから導光板4に入射する。光源11から出射される光線11aは非常に広い発散角を有している。光源10から出射される光線10aは、指向性が高く発散角が狭い。光線11aは、光線10aの発散角よりも広い発散角を有している。また、複数のLED素子はY軸方向に配置されている。そのため、導光板4から液晶表示素子へ向けて放射される照明光8cに含まれる青緑色の光は、X-Y平面において空間強度分布が均一な光となる。
 赤色の光線10bと青緑色の光線11aとは、導光板4に入射する前に合成され、白色の線状の光として導光板4に入射する。その後、光線10bと光線11aとは、液晶表示素子1を照明する面状の白色照明光8cとして導光板4から放射される。前述の通り、照明光8cに含まれる赤色の光線10bと青緑色の光線11aとは、各々X-Y平面において空間強度分布の均一性が高い光を生成する。従って、照明光8cは、X-Y平面において空間強度分布の均一性が高い白色の面状光となる。
 本実施の形態3においては、赤色のみ単色性に優れたレーザ素子を採用している。これは、ディスプレイ用途に使用するために最適な半導体レーザにおいて、現状では赤色が最も量産性に優れているためである。また、特に緑色の半導体レーザにおいては、未だ十分な出力が得られていないことも理由の一つである。尚、より効率良く緑色の光を得るためには、緑色の蛍光体を他の色の光により励起して緑色の光を得る方法が最適である。
 なぜならば、緑色の蛍光体を励起するために用いる近紫外領域や青色の半導体レーザあるいはLEDは、緑色の半導体レーザよりも発光効率が高い。また、緑色の蛍光体は前記近紫外光や青色の光に対し光吸収率および内部変換効率が高い。そのため、現状では緑色の半導体レーザよりも蛍光体を利用した素子の方が発光効率が高いためである。
 また、本実施の形態3においては、蛍光体の励起光源を青色のLED素子としている。これは、本実施の形態3の光源11のように、青色の発光素子によって蛍光体を励起し他色の光を得る構成とする場合、レーザよりLEDを採用する方が望ましいためである。
 これは、以下の理由による。低電流駆動で低出力のLEDに対し、レーザは高電流駆動で高出力である。このため、駆動時のレーザからの発熱量が非常に大きい。また、LEDから出射される光は広い発散角を有するのに対し、レーザから出射される光は非常に狭い発散角を有する。このため、レーザの場合、蛍光体に入射する励起光の強度密度(蛍光体の単位体積あたりに入射する光の強度)が非常に高くなる。蛍光体に入射し吸収された光は、一部が他波長に変換され外部に放射され、その他の光は主に熱エネルギーとなる。一般に、蛍光体の内部変換効率(吸収される光量に対する他波長の光に変換される光量)は40%から80%程度である。すなわち同時に発生する熱エネルギーは入射した光エネルギーの20%から60%にも及ぶ。従って、高出力で光強度密度の高いレーザの光が入射した場合、蛍光体の発熱量は非常に大きくなる。
 蛍光体を備えるレーザ自身の発熱量が増加すると、蛍光体の温度が上昇する。また、蛍光体自身の発熱量が増加しても、蛍光体の温度が上昇する。蛍光体の温度が上昇すると、蛍光体の内部変換効率が大幅に低下し、輝度の低下や消費電力の増加を引き起こす。従って、本実施の形態3における光源11は、青色のLEDと、この青色の光によって励起され緑色の光を発する蛍光体とを備えた青緑色LEDを採用している。
 赤色は色差に対する人間の感度が高い色である。そのため、赤色における波長帯域幅の差は、人間の視覚にはより顕著な差となって感じられる。ここで、波長帯域幅は色純度の差である。従来のCCFLやLEDで生成される白色の光は、特に赤色の光量が少なく、波長帯域幅が広いため色純度が低い。そのため、CCFLやLED光源を用いた液晶表示装置では赤色の色再現範囲と消費電力がトレードオフの関係となってしまう。つまり、白色のCCFLやLEDの光量を上げて赤色の光量を多くして色再現範囲を確保するか、色再現範囲を狭めて省電力とするかのトレードオフである。
 一方で、レーザは波長帯域幅が狭く、光を損失することなしに高い色純度の光が得られる。これらの理由により、3原色の色の中でも特に、赤色の光をレーザ光とすることで、低消費電力化に対する効果を得ることができる。なぜなら、レーザ光は非常に単色性が高く赤色フィルタでの透過率が良いことから、光量を上げなくとも十分な赤色の光量を確保でき、低消費電力化の効果を得ることができる。また、単色性が高いため、色純度が向上し、色再現範囲を広くする効果も得られる。以上の理由から、本実施の形態3の液晶表示装置130においては、赤色の光源に対しレーザを適用している。
 また、従来のCCFLやLED光源を用いた液晶表示装置では、赤色の光の波長帯域幅が広い。このため、赤色の光の一部がスペクトルの隣接する緑色のフィルタを透過する。このことにより、従来のCCFLやLED光源を用いた液晶表示装置は、緑色の色純度も低下させていた。しかしながら、本実施の形態3の液晶表示装置130においては、色純度が増すため、緑色フィルタを透過する赤色の光量が低減され、緑色の色純度を向上させることが可能となる。これにより、色再現範囲を広くする効果が得られる。
 本実施の形態3においては、第1の光源10を赤色の光を出射するレーザ素子により構成した。また、第2の光源11を青緑色の光を出射するLED素子により構成した。しかし、本発明はこれに限るものではない。上記理由によれば、例えば、第1の光源10を赤色の光を出射するレーザ素子と青色の光を出射するレーザ素子とにより構成し、第2の光源11を緑色の光を出射するLED素子により構成することも可能である。また、例えば、第1の光源10を青色の光を出射するレーザ素子により構成し、第2の光源11を赤色の光を出射するLED素子と緑色の光を出射するLED素子とにより構成することも可能である。但し、青色のみレーザ光源を採用するよりも赤色のみレーザ光源を採用する方が、従来の液晶表示装置との顕著な差を示すことが可能である。
 本実施の形態3の面光源装置230においては、第1の光源10がレーザ素子を有する光源であり、第2の光源11がLED素子を有する光源であることが最適な形である。
 第1の光源10を発散角の狭いレーザ素子を有する光源とすることにより、光の損失を抑制することが可能となる。仮に、光源10が発散角の広い光源を有する場合、光強度分布変換素子9の反射面9eおよび9hにおける反射率が低下する。特に、反射面9hは第2の光源11の光線11aを透過する必要があるため屈折率差を利用した反射面でなければならず、光源10の発散角が反射率に依存する。尚、反射面9eについては、金属を蒸着してミラーを形成することもできる。但し、光強度分布変換素子9の製作工程が複雑になるため、反射面9eも屈折率差を利用した反射面であることが望ましい。
 第1の光源10は発散角の狭いレーザ素子を有する光源であるため、レーザ素子の配列方向(Y軸方向)の均一性を高めることが難しい。しかしながら、本実施の形態3は光強度分布変換素子9を液晶表示装置130の厚み方向(-Z軸方向)に設置している。このため、レーザ素子の配列方向(Y軸方向)の均一性を高めるために、より十分な光学距離(光強度分布変換素子9の導光部91の長さ)を、液晶表示装置130の額縁部分を広げることなく十分に設けることが可能となる。
 第2の光源11を発散角の広いLED素子を有する光源とすることにより、光源11と導光板4との間に光学素子を設けなくても、自らの発散角により、空間光強度分布の均一な照明光8cを得ることが可能である。仮に、光源11に発散角の狭い光源を有する場合、空間光強度分布の均一な照明光8cを得ることが困難となる。なぜなら、光線11aが導光板4に入射するまでに、隣接する光線11aが十分重ならないため、均一な線状の光とならず、輝度むらが生じるからである。
 本実施の形態3においては、光源11は半値全角120度の発散角を有するLED素子により構成した。しかし、本発明はこれに限るものではない。例えば、LED素子の発光面にレンズを備えることにより、発散角を制御しても良い。例えば、Z-X平面における発散角のみを小さくするシリンドリカルレンズを備えても良い。これにより、光線11aのうち導光板4に結合する光量(光結合効率)を向上させることが可能になる。但し、先に述べたように、発散角を狭くし過ぎると、照明光8cにおける空間光強度分布の均一性が低下するため、光結合効率と発散角を考慮しレンズ形状を最適化する必要がある。
 また、本実施の形態3によれば、光源10と光源11の発光量を個別に制御することにより、消費電力を低減することが可能である。図18は、液晶表示素子1、光源10および光源11の駆動方法を示すブロック図である。液晶表示素子駆動部52は、液晶表示素子1を駆動する。光源駆動部53aは、第1の光源である光源10を駆動する。光源駆動部53bは、第2の光源である光源11を駆動する。制御部51は、液晶表示素子駆動部52と光源駆動部53a,53bとを制御する。
 例えば、制御部51により各光源駆動部53a,53bを個別に制御して、第1の光源10から出射する赤色の光の光量と第2の光源11から出射する青緑色の光の光量との割合を調整することが可能である。制御部51は光源駆動部53aに対して光源制御信号56aを出力する。制御部51は光源駆動部53bに対して光源制御信号56bを出力する。このため、各映像信号54に対し必要となる各色光強度の割合に応じて各光源の発光量を調整することにより、低消費電力化を実現することも可能である。
 以上より、本実施の形態3の面光源装置230に依れば、光源にレーザを採用しながらも、光利用効率が高く、空間光強度分布の均一性が高い面状の照明光8cを得ることが可能となる。この面光源装置230を備えた液晶表示装置130は、色再現範囲が広く輝度むらを抑えた高品質な画像を提供することが可能となる。本実施の形態3においては、光源10および光強度分布変換素子9の大部分を液晶表示装置230の厚み方向(Z軸方向)に配置することにより、額縁部分を狭くすることが可能となる。さらに、赤色をレーザ素子で構成し、青緑色をLED素子で構成することにより、従来の液晶表示装置の課題となっていた色再現範囲の拡大および低消費電力化の両方を解決できる。また、簡易な構成により、量産性の高い液晶表示装置を提供することが可能となる。
実施の形態4.
 図19は、本発明に係る実施の形態4の透過型表示装置である液晶表示装置140の構成を模式的に示す図である。図20は、面光源装置240を-Z軸方向から示した構成図である。本実施の形態4の液晶表示装置140が有する面光源装置240は、本実施の形態3の面光源装置230に対し、第2の光源11を配置する位置が異なり、また、反射部材12を備える点で異なる。つまり、液晶光学素子1、光学シート2,3、導光板4、光反射シート5、光強度分布変換素子9および光源10は、実施の形態3の液晶表示装置130と同じである。また、光源11の配置する位置以外の点は、実施の形態3の液晶表示装置130と同じである。また、実施の形態2の液晶表示装置130が、実施の形態1の液晶表示装置110および実施の形態2の液晶表示装置1210と同じ構成要素に関しても同じである。実施の形態3で説明した液晶表示装置130の構成要素と同様の構成要素には、同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。
 図19に示すように、光源11は導光板4より裏面4d側の方向(-Z軸方向)に配置される。つまり、光源11は、導光板4に対して導光板4の表面4cと反対の方向に配置されている。また、光源11の発光面は+Z軸方向に向けられている。つまり、光線11aは+Z軸方向に出射される。光線11aは、反射部材12により進行方向を+X軸方向に変更される。そして、光線11aは、光入射面4aから導光板4に入射する。
 反射部材12は、光源11と光強度分布変換素子9との間に配置される。反射部材12は反射面12aを有する。反射部材12は、例えば、アクリル樹脂(PMMA)やポリカーボネート(PC)や、アルミニウム等の金属から成る。また、反射面12aは、前記アクリル樹脂等にアルミニウムや金、銀等を蒸着することで形成することができる。また、反射部材12を高い反射率を有する樹脂とすることにより、金属を蒸着することなく、反射面12aを備えるものとしても良い。反射面12aは、光源11と対向して配置される。また、光強度分布変換素子9の反射面9hおよび導光板4の光入射面4aと対向して配置される。反射面12aが、光源11、反射面9hおよび光入射面4aと対向して配置されるのは、光線11aが光源11から出射され、反射面12aで反射した後、反射面9hを透過して光入射面4aから導光板4に入射するように配置されるからである。
 光源11から発される光線11aは+Z軸方向に向かって出射され、反射部材12の反射面12aにより、+X軸方向に進行方向する光に変更される。反射面12aで反射した光線11aは、光強度分布変換素子9の反射面9hを透過して導光板4に入射する。
 反射部材12は、Z-X平面において曲率を有し、Y軸方向に延在する。つまり、反射部材12は、Z-X平面と平行な面上で曲率を有している。Z-X平面において、反射部材12は、楕円を一部切り取った形状を有する。楕円形状の1つの焦点は、光源11の発光面の中心に位置する。また、楕円形状の他の1つの焦点は、導光板4の光入射面4aの中心に位置する。光源11は第2の光源である。つまり、反射部材12は、Y軸方向に垂直な面による断面が、光源11の発光面中心と光入射面4aの中心とを対の焦点とする楕円の一部となる反射面12aを有する。Y軸方向はシリンドリカル面70cの曲率を持たない方向である。これにより、光源11から発される光を導光板4に効率良く結合することが可能になる。このとき、反射部材12と導光板4との間に光強度分布変換素子9を透過することによる光学的影響を考慮して設計すると、光線11aをより効率良く導光板4に結合することが可能となる。
 本実施の形態4の面光源装置240においては、LEDが広い発散角を有する場合に、その光の一部を反射面12aを介さず導光板4の光入射面4aに直接導く。これにより、光源11の光線11aが導光板4に結合される効率を低下させることなく、反射部材12を小型化することが可能にとなる。
 以上より、本実施の形態4の面光源装置240は、光源10にレーザを採用しながらも、光利用効率が高く、空間光強度分布の均一性の高い面状の照明光8cを得ることが可能となる。この面光源装置240を備えた液晶表示装置140は、色再現範囲が広く輝度むらを抑えた高品質な画像を提供することが可能となる。本実施の形態4においては、光源10および光強度分布変換素子9の大部分を液晶表示装置240の厚み方向(-Z軸方向)に配置することにより、額縁部分を狭くすることを可能にする。さらに、赤色をレーザ素子で構成し、青緑色をLED素子で構成することにより、従来の液晶表示装置の課題となっていた色再現範囲の拡大および低消費電力化の両方を解決できる。また、簡易な構成により、量産性の高い液晶表示装置を提供することが可能となる。また、反射部材12により、発散角の広い光源11の光線11aを高い効率で導光板4に結合することができ、消費電力の増加を抑制することが可能である。
 なお、上述の各実施の形態では、シリンドリカル面70cは、シリンドリカルレンズで構成されている。各実施の形態では、凹面形状のシリンドリカルレンズである。シリンドリカル面70cでは、シリンドリカルレンズのレンズ面の母線方向は、Y軸方向である。また、シリンドリカルレンズのレンズ面の端に位置する2つの母線を結ぶ直線のうち、レンズ面の端に位置する2つの母線に垂直な直線の方向はZ軸方向である。しかし、本願発明の特徴は、斜面70a,70bで全反射した光線6aがシリンドリカル面70cから出射することで、光利用効率を高く保ちながら、空間光強度分布の均一性を向上できることである。そのため、例えば、図11(A)又は図11(B)に示された光拡散構造70をシリンドリカル面70cの光軸を中心に回転させた形状として、光出射面7b上に並べる構成も考えられる。この構成は、上述の実施の形態と同等の効果を得ることができる。
 ただし、このような円錐台のような形状を光出射面7b上に並べる構成は、作製が難しい。樹脂成型で作製する場合は、樹脂の成型も難しく、その金型の作製も難しい。このように考えると、上述の実施の形態で示したシリンドリカル面70cをシリンドリカルレンズとする構成は、光拡散構造70を作製する面からも、作製が容易という点で優れている。
 上述の各実施の形態においては、略平行な面、略平行光または略ガウシアン形状など「略」などの用語をつけた表現を用いている場合がある。これらは、製造上の公差や組立て上のばらつきなどを考慮した範囲を含むことを表している。このため、請求の範囲に例え「略」を記載しない場合であっても製造上の公差や組立て上のばらつきなどを考慮した範囲を含むものである。また、請求の範囲に「略」を記載した場合は製造上の公差や組立て上のばらつきなどを考慮した範囲を含むことを示している。また、「略同一平面上に配置」との記載は、上述のとおり「対向して配置」の意味である。
 なお、以上のように本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限るものではない。
 1 液晶光学素子、 1a 表示面、 1b 背面、 210,220,230,240 面光源装置、 2,3 光学シート、 4 導光板、 4a 光入射面、 4b 面、4c 表面、 4d 裏面、 41 光拡散素子、 5 光反射シート、 51 制御部、 52 液晶表示素子駆動部、 53,53R,53G,53B,53a,53b 光源駆動部、 54 映像信号、 55 液晶表示素子制御信号、 56,56a,56b 光源制御信号、 6,8,10,11 光源、 12 反射部材、 12a 反射面、 6a,8a,10a,11a,6Ra,6Ga,6Ba,6b,10b 光線、 6R 赤色半導体レーザ、 6G 緑色半導体レーザ、 6B 青色半導体レーザ、 6c,8c 照明光、 60a,60b,60c 光線の角度強度分布、 7,9 光強度分布変換素子、 7a,9a 光入射面、 7b,9b 光出射面、 70 光拡散構造、 90 光拡散構造、 70a,70b,70d,70e 斜面、 70c シリンドリカル面、 91 導光部、 92 光路変更部、 9c,9d 主面、 9e,9h 反射面、 9g,9f 面、 110,120,130,140 液晶表示装置。

Claims (14)

  1.  指向性を有する第1の光線を入射する第1の光入射面と、
     前記第1の光線の角度強度分布を広げ、前記第1の光線の出射方向に対して凹形状の曲面部を有する第1の光出射面と
     前記曲面部に近接し又は隣接し、前記第1の光線の出射方向に対して傾斜し、前記第1の光線が全反射する全反射面と
    を備え、
     前記全反射面で反射した前記第1の光線は、前記曲面部から出射する光強度分布変換素子。
  2.  前記曲面部は、シリンドリカルレンズを形成し、
     前記曲面部の前記シリンドリカルレンズのレンズ面の端に位置する2つの母線を結ぶ直線のうち前記2つの母線に垂直な直線の方向を第1の方向とし、前記母線の方向を第2の方向とすると、前記全反射面は、前記曲面部の前記第1の方向の端部に近接し又は隣接する面である請求項1に記載の光強度分布変換素子。
  3.  前記曲面部は、2つの前記全反射面の間に位置し、
     前記2つの全反射面は、前記全反射面の前記曲面部に近接する端部又は隣接する端部から前記全反射面の他の端部に向けて前記2つの全反射面の間隔が広くなり、前記他の端部は前記曲面部に対して前記第1の光線の入射側に位置する請求項2に記載の光強度分布変換素子。
  4.  請求項2から3の何れか1項に記載の光強度分布変換素子と、
     前記第1の光線を出射する第1の光源と、
     前記光強度分布変換素子から出射した前記第1の光線を入射する第2の光入射面及び前記第2の光入射面から入射した前記第1の光線を出射する第2の光出射面を有する導光板とを備え、
     前記第2の光出射面は、前記導光板で面状の光に変換された前記第1の光線を出射し、
     前記第2の光入射面の長手方向は、前記第2の方向に平行で、
     前記第2の光入射面は、前記第1の光出射面に対向して配置される面光源装置。
  5.  前記第1の光源は、前記第1の光線の遅軸方向と前記第1の方向とが平行となるように配置される請求項4に記載の面光源装置。
  6.  前記第1の光入射面は、光拡散構造を有し、
     前記光拡散構造は、前記第2の方向に前記第1の光線を拡散する請求項4または5に記載の面光源装置。
  7.  前記第1の光源は、前記導光板の前記第2の光出射面と対向する面である裏面側に配置され、
     前記光強度分布変換素子は、前記第1の光入射面から前記第1の光出射面までの光路上に導光部及び光路変更部を有し、前記第1の光線を前記第1の光入射面から前記第2の光入射面へと導く請求項4から6のいずかれ1項に記載の面光源装置。
  8.  前記導光部は、板形状であり、前記裏面に対向して配置され、前記第1の光入射面から前記第1の光線の進行方向に向かって厚みが広がる楔形形状である請求項7に記載の面光源装置。
  9.  前記第1の光源から出射する際の前記第1の光線の発散角よりも広い発散角を有する第2の光線を出射する第2の光源をさらに備え、
     前記第2の光線は、前記第2の光入射面から前記導光板に入射する請求項7又は8に記載の面光源装置。
  10.  前記第2の光線を反射する反射部材をさらに備え、
     前記第2の光源は、前記導光板に対して導光板の前記裏面の方向に配置され、
     前記第2の光線は前記反射部材により進行方向が変更されて前記第2の光入射面から前記導光板に入射する請求項9に記載の面光源装置。
  11.  前記反射部材は、前記第2の方向に垂直な面による断面が、前記第2の光源の発光面中心と前記第2の光入射面の中心とを対の焦点とする楕円の一部となる反射面を有する請求項10に記載の面光源装置。
  12.  前記第1の光源はレーザ素子を有する請求項5から11のいずれか1項に記載の面光源装置。
  13.  前記第2の光源はLED素子を有する請求項9から12のいずれか1項に記載の面光源装置。
  14.  請求項5から13のいずれか1項に記載の面光源装置を有する液晶表示装置。
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