(57)【要約】【課題】大出力レーザを用いて、直線偏光出射の薄型高効率な面状照明装置を構成することが困難。【解決手段】線状ビームをハーフミラー列で平面上に配列した面光源ユニットを複数配列し、隣接ユニットへ光を配分するようハーフミラーの反射率を設定する。【選択図】図１
2008243409.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光源と、前記レーザ光源から出射したレーザ光を線状ビームに変換するビーム変換手段と、前記線状ビームを複数ビームに分配して平面状に配列するハーフミラー列とを有し、前記複数ビームが前記平面から垂直に出射するよう構成された面光源ユニットを同一平面上に複数配列して成る面状照明装置であって、
前記ハーフミラー列の反射率および透過率を、前記複数ビームの強度が均等となるよう設定するとともに、隣接する面光源ユニットにも一部の光を送ることを特徴とする面状照明装置。
【請求項２】
前記面光源ユニットの少なくとも１つのエッジをテーパ形状とし、隣接ユニットと重なるよう配列したことを特徴とする請求項１記載の面状照明装置。
【請求項３】
前記面光源ユニットが、さらに前記レーザ光を平行移動させるビームシフト手段を有し、前記レーザビームを所定の周波数で振動することで、前記複数ビームを配列方向に振動させることを特徴とする請求項１記載の面状照明装置。
【請求項４】
前記ビーム変換手段が、１次元拡散素子であることを特徴とする請求項１記載の面状照明装置。
【請求項５】
面光源ユニットを同一平面上に複数配列した面状照明装置と、その前面に配置され、前記面状照明装置から出射される平行ビームを一定角度広げる視野角拡大層と、さらにその前面に配置された液晶パネルとからなる液晶表示装置。
【請求項６】
前記視野角拡大層が凹レンズアレイシートを含むことを特徴とする請求項５記載の液晶表示装置。
【請求項７】
前記視野角拡大層がフレネルレンズを含むことを特徴とする請求項５記載の液晶表示装置。
【請求項８】
前記面光源ユニットの少なくとも１つを発光させ、その領域に対応した部分の液晶パネルを駆動して画像を表示することを特徴する請求項５記載の液晶表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光源としてレーザ光を利用した面状照明装置とそれを用いた液晶表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、液晶表示パネルを用いた液晶表示装置には、冷陰極蛍光管を利用したバックライト照明が広く使用されている。また、近年では、より鮮明で、自然な色調を再現するために赤色光、緑色光、青色光の３色の発光ダイオード（ＬＥＤ素子）を用いたバックライト照明も注目されており、精力的に開発が進められている。
【０００３】
これらのバックライト照明のうち、大型で高輝度が必要とされるものには、陰極蛍光管を平面状に並べた直下型照明装置が用いられ、比較的小型のものには、光源からの光を導光板側面（入射面）から入射させ、導光板の一方の主面（出射面）から出射させて照明する、通称エッジライトと呼ばれる側方光源型面状照明装置が用いられている。
【０００４】
液晶表示装置においては、薄型大画面への取り組みとともに、高輝度あるいは低消費電力への取り組みも重要であり、特に電力消費の大半を占めるバックライト装置の省電力化が重要な課題となっている。
【０００５】
このため、バックライトユニットの照明光を無駄なく、かつ効率よく液晶表示パネルを透過させることが重要である。液晶表示装置においては、バックライトユニットから照射される照明光は液晶表示パネルの偏光板を通すことにより、光源から放出された光量の半分しか有効活用されていない。したがって、あらかじめ偏光した照明光を用いて偏光板を透過させれば効率よく照明光を利用できることになる。
【０００６】
このような例として、例えば特許文献１のように、１個のレーザ光により簡単な構成で高品位、高精度のコリメート平面光源を得る方法が示されている。具体的には、所定の出射幅を有するレーザ光源と、このレーザ光源の出射光を所定方向に略平行に反射させる反射部材と、この反射部材で反射した反射光についてその平行面に対して略直角方向に反射させる偏向面を有する偏向部材（ハーフミラー）とからなる構成としている。そして、このような構成により、単独のレーザ光によるコリメート平面光源を簡単な構成で得ることができるので、高品位で高効率の液晶表示装置を得ることができるとしている。
【特許文献１】特開２００２−１６９４８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の構成では、以下のような問題があった。
【０００８】
特許文献１の構成では、導光板の端部から入射した平行光のレーザ光を導光板の内部に設けたハーフミラーにより一部を透過させ、一部を導光板の主面にほぼ垂直方向に出射させるようにしているが、主面から均一な輝度の照明光を出射させるためには半透過ミラーを多数配置する必要があるため、特に大型の物は製造が困難であり、コストアップとなる。
【０００９】
また、大画面の表示装置に対して十分な輝度を得るには大出力のレーザを必要とする。
【００１０】
一般的な液晶表示装置に必要な輝度４５０ｃｄ／ｍ２を３２インチサイズで得るにはＲＧＢ各色８〜１０Ｗクラスのレーザ光源が必要である。このような大出力のレーザは、複数の半導体レーザをファイバでバンドルすることで得られるが、多数のファイバをバンドルすると、コア径が大きくなり、レーザ光源としての点光源の大きさが大きいので、コリメートしても一定の広がり角を持ち、細く絞ったビームを遠くへ導くことができない。このため、薄型で高効率の光学系を設計することが困難となる。特に、大画面になるほどビームを導く距離が長くなるため、ビーム径が大きくなり、光学系が厚くなる。
【００１１】
また、ファイバをバンドルする際にも損失が生じるのでここでも効率低下の要因となる。
【００１２】
大出力のレーザ光源は、大きな発熱が１箇所に集中するため、大容量の放熱、温度コントロールシステムを要し、光源部の大型化を招くとともにコストアップ要因となる。
【００１３】
また、緑光源には、緑色発光の半導体レーザが存在しないため、通常、ＳＨＧ素子（２次高調波発生素子）を用いた光源モジュールが使用されるが、大出力のＳＨＧ光源モジュールの基本波発生にはやはり大出力のファイバレーザ等が用いられ、光源が大きくなる。
【００１４】
以上のような要因から、大出力レーザを用いた光学系では、薄型大画面で高輝度な面状照明装置を構成するのは困難であった。
【００１５】
さらに、レーザ光源を用いた場合、レーザ光の干渉性の高さによるスペックルノイズが発生するためこれを低減することが必要である。
【００１６】
本発明は、上記課題を解決するものであり、薄型大画面に対応したレーザ光源を用いた照明装置において、光利用効率が高く低消費電力であり、さらに高輝度で色ムラの無い面状照明装置とそれを用いた液晶表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
このような課題を解決するために、本発明の面状照明装置とそれを用いた液晶表示装置は、レーザ光源と、レーザ光源から出射したレーザ光を線状ビームに変換するビーム変換手段と、線状ビームを複数ビームに分配して平面状に配列するハーフミラー列とを有し、複数ビームがその平面から垂直に出射するよう構成された面光源ユニットを同一平面上に複数配列しており、ハーフミラー列の反射率および透過率を、複数ビームの強度が均等となるよう設定するとともに、隣接する面光源ユニットにも一部の光を送るようにしている。
【００１８】
さらに、少なくとも１つのエッジをテーパ形状とし、隣接ユニットと重なるよう配列する。
【００１９】
このような構成により、まず、個々の面光源ユニットの光源に必要な強度は小さくなり、通常の半導体レーザを単体でそのまま使用できるので、安価で小型な構成とできる。また、緑光源においても、比較的低出力なものは小型で安価に構成できる。
【００２０】
各光源は、十分コリメート可能な点光源であり、細いビーム径で、薄型で高効率な光学系を構成できる。
【００２１】
各面光源ユニットの光源部にヒートシンクを設けるなど、放熱構造を設けることにより、大容量の温度コントロールシステムは不要となり、安価でコンパクトな構成とできる。
【００２２】
ハーフミラーを多数積層した構造も小型なので製造しやすく、同じものを多数使用することにより量産効果によるコストダウンも期待できる。
【００２３】
さらに、面光源ユニットを複数配列した場合に輝度のばらつきが生じると問題となるが、これを隣接ユニットとの境界部で光を一部重ねるように配分することにより隣接ユニット間の輝度段差を目立たなくすることができることで解決する。
【００２４】
こうして形成した面光源ユニットからは直線偏光の平行光が出射されるので、液晶パネルの偏光板を透過する際に生じる偏光ロスもなく、高効率な照明装置となる。
【００２５】
また、レーザ光を平行移動させるビームシフト手段を有し、レーザビームを所定の周波数で振動することで、複数ビームを配列方向に振動させるようにする。
【００２６】
このような構成により、全面を均一に照明するとともに、スペックルノイズの低減を図る。
【００２７】
また、上記のように構成した面状照明装置の前面に、面状照明装置から出射される平行ビームを一定角度広げる視野角拡大層と、さらにその前面に配置された液晶パネルとで液晶表示装置を構成する。
【００２８】
このような構成により、視野角特性が良好で、高効率で薄型大画面の液晶表示装置が構成できる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明の面状照明装置とそれを用いた液晶表示装置によれば、色純度が高く、高効率化に適したレーザ光源を用いることにより、広い色再現性と薄型大画面を実現するとともに、光利用効率の向上による消費電力の低下という大きな効果が得られる。また、大画面であっても、輝度ムラが少ない面状照明装置および液晶表示装置が実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００３１】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１にかかる液晶表示装置の構成を示した斜視図であり、図２は、面光源ユニットの配列状態を示す３面図、図３は、面光源ユニットの構成を示す背面図である。
【００３２】
図１において、面状照明装置１００は、面光源ユニット１００aを平面状に複数配列して構成され、その前面に視野角拡大層１０１、さらにその前面に液晶パネル１０２を配置して、液晶表示装置２００が構成される。
【００３３】
図２及び図３において、面光源ユニット１００ａは、縦３枚、横３枚の９枚が配列されている。各面光源ユニット１００ａにおいて、レーザ光源１から出射されたレーザビームはＲ、Ｇ、Ｂ３色のコリメートされた直線偏光の平行ビームであって偏光方向はそろえてあり、合波プリズム２で１ビームに合波され、ビームシフタ３で平行シフト振動される。その後、ビーム変換手段４で線状ビーム１０に変換され、レンズ５で平行化されて折り返しミラー６により前面方向に折り返される。
【００３４】
ビーム変換手段４は、典型的にはホログラムやレンズアレイからなる１次元拡散素子である。またはポリゴンミラーや振動ミラーで走査しても良い。レンズ５は、シリンドリカルレンズまたはフレネルレンズである。
【００３５】
ビームの振動方向は、線状ビームに垂直な方向である。
【００３６】
折り返された線状ビーム１０はハーフミラーアレイ７に導かれる。
【００３７】
第１のハーフミラー７ａを透過したビームはそのまま前面に出射し、反射したビームは面光源ユニット１００ａの主面に平行に透過しながら、続く各ハーフミラーで反射されたビームは、面光源ユニット１００ａの主面からそれぞれ垂直に出射する。
【００３８】
こうして面光源ユニットから出射した各線状ビームは、前面から見ると平面上に平行に配列された、直線偏光の平行ビーム列となり、これらがビームシフタ３で振動されることにより、全面が均一に照明される。
【００３９】
面光源ユニット１００ａの背面の、光源や光学素子、光路以外の部分にはヒートシンク１１を設けてある。レーザ光源のパワーに対して十分な面積のヒートシンクを設ければ、特別な温度コントロールシステムは不要となる。ヒートシンクの放熱フィンは鉛直方向に設けて、熱気がスムーズに上昇するようにする。上部に放熱ファンを設けてもよい。また、レーザ光源の温度特性によっては温度コントロールが必要な場合もあるが、個々のレーザ光源は小型なため、小型のペルチェ素子を使って比較的安価に構成できる。
【００４０】
図２の側面図に示すように、面光源ユニット１００ａの上下のエッジにはテーパ部８を設け、隣接ユニットが互いに一部重なるように配置されている。このテーパ部８のうち下側エッジ即ちユニットの背面側がテーパとなっている下側テーパ部８ｂには、図３に示すように、レンズ５や折り返しミラー６が配置されていないが、ここには隣接ユニットのレンズ５と折り返しミラー６が配置される。従って、下側テーパ部８ｂの部分には隣接ユニットからのビームが入ることになる。線状ビーム１０をレンズ５よりもやや広めにすることによって、隣接ユニットとビームが重なるようにすることも可能である。
【００４１】
このような構成により、上下に配列された面光源ユニット間の境界が目立たなくすることができる。
【００４２】
次に、面光源ユニット１００ａのハーフミラーアレイの反射率の設定について説明する。
【００４３】
図４は、面光源ユニット１００ａの構成を示す側面図であり、図４（ａ）はビームの配分をユニット完結する場合、図４（ｂ）はユニット間で光をブレンドする場合である。
【００４４】
まず、図４（ａ）において、光源１から出射されたビームの光強度Ｐ０＝１に対して、Ｎ枚のハーフミラーで光ビームをＮ等分する場合、第１のハーフミラー７ａの透過率Ｔ１＝１／Ｎ、最終ハーフミラー７ｂの反射率をＲＮ＝１として、ｎ番目のハーフミラーの反射率Ｒｎは、
Ｒｎ＝１／（Ｎ−ｎ＋１）  ・・・（式１）
とすればよい。たとえば、Ｎ＝１０枚の時は、Ｔ１＝０．１（すなわちＲ１＝０．９）、以下、Ｒ２＝０．１１、Ｒ３＝０．１２５、Ｒ４＝０．１４３、Ｒ５＝０．１６７、Ｒ６＝０．２、Ｒ７＝０．２５、Ｒ８＝０．３３、Ｒ９＝０．５、Ｒ１０＝１となる。これをプロットすると図５の実線のグラフとなる。
【００４５】
このように、ビームの配分をユニット完結とすると、ユニット内の各出射ビームを均一に配分することはできるが、ユニットごとにレーザ強度のばらつきや変動があると、ユニット境界部で輝度の段差がはっきりと現れることとなる。
【００４６】
面光源ユニットと液晶パネルの間に拡散板を設け、十分距離をとることによって強くぼかすことによって境界を目立たなくすることはできるが、その場合は、薄型化できないことに加え、拡散板によって偏光がランダムになるため、液晶パネルの偏光板を透過する際のロスが大きくなってしまう。
【００４７】
そこで本発明では、図４（ｂ）で示したように、最終ハーフミラー７ｂの反射率を１ではなく透過率を与えることでビームを隣接ユニットまで配分することとした。
【００４８】
すなわち、最終ハーフミラー７ｂの反射率をＲＮとした時、反射するビームは１／Ｎであるから、最終ハーフミラー７ｂを透過するビーム強度をＰｏｕｔとすると、
１／Ｎ／（Ｐｏｕｔ＋１／Ｎ）＝ＲＮ  ・・・（式２）
従って、
Ｐｏｕｔ＝（１−ＲＮ）／Ｎ／ＲＮ  ・・・（式３）
となる。
【００４９】
これが隣接ユニットから入射して、第１のハーフミラー７ａで反射され、同時にレーザ光源からのビームが透過して出射するビームが１／Ｎとなるよう反射率Ｒ１を設定する。すなわち、
Ｒ１・Ｐｏｕｔ＋（１−Ｒ１）＝１／Ｎ  ・・・（式４）
よって
Ｒ１＝（１−Ｎ）・ＲＮ／（１−ＲＮ−Ｎ・ＲＮ）  ・・・（式５）
となる。
【００５０】
以下、ｎ番目のハーフミラーの反射率Ｒｎ、透過光強度をＰｎとして、
Ｒｎ・Ｐｎ−１＝１／Ｎ  ・・・（式６）
となるよう各Ｒｎを求めればよい。
【００５１】
例えば、Ｎ＝１０で、ＲＮ＝０．６とした場合、Ｒ１＝０．９６となり、以下、ユニット完結の場合より各反射率は少しずつ小さな値となる。これをプロットすると、図５の破線のようになる。
【００５２】
図６は面光源ユニットを３枚配列した場合の出射光強度の分布を示すグラフである。
【００５３】
Ｎ＝１０枚とし、レーザ光源からの入射強度１に対して、各ビーム強度は１／Ｎ＝０．１となっており、中央のユニットのみ入射強度が０．９に低下した場合を示している。実線で表した、ユニット完結の場合は、ユニット境界で輝度の段差がはっきり現れるが、破線で示したユニット間ブレンドでは、境界部に中間の強度が生じ、輝度の段差がなだらかになる。これによって、レーザ光源の強度にばらつきや変動が生じても、境界部における輝度段差が目立たなくなる効果を有する。
【００５４】
図６において、面光源ユニット１には、隣接ユニットからの入射がないため、第１のハーフミラーからの出射光強度が下がっているが、この部分は液晶パネルの画面領域からはずして配置することで対処できる。
【００５５】
図７はビームシフタ３の例を示す図である。図７に示すように、正方形断面のプリズムを光軸に垂直な軸周りに回転させることにより、ビームを平行にシフト振動することができる。
【００５６】
図８はビームシフタ３の別の例を示す図である。図８に示すように、光軸に対して斜めに配置した平行プリズムを光軸周りに回転させることで、入射ビームは平行シフトして光軸周りに回転する。このような方法でも同様の効果を発する。
【００５７】
図９は、視野角拡大層を示す模式図である。図９に示すように、視野角拡大層１０１として、凹レンズアレイシートを用いることにより、面光源ユニット１００ａから出射した平行ビームは、各凹レンズで広げられ液晶パネル１０２を透過する。これによって、視野角特性が改善されるとともに、ビームを振動させていることと合わせて、スペックルノイズの低減にも効果を発する。すなわち、液晶パネル１０２のある画素を透過する光は、ビームの振動と、凹レンズによる発散効果によって、時々刻々異なる角度から入射することとなり、スペックルノイズの干渉パターンが変化することで、輝度ムラが知覚されにくくなる。したがって、レーザ光源を用いても画質の優れた照明装置とすることができる。
【００５８】
また、ランダムな散乱を起こす拡散板と異なり、凹レンズアレイでは、ビームの偏光を大きく乱すことがないので、液晶パネルの偏光板を透過する際のロスをなくすことができ、高効率な照明装置となる。凹レンズアレイは両面に設けてもよい。また、フレネルレンズを併用してさらに広げるようにしてもよく、それらを複合してもよい。
【００５９】
図１０は、表示例を示す正面図である。上述のように、複数の面光源ユニットを配列して大画面を構成しているので、その一部のみを動作させることも可能である。例えば、図１０に示すように、画面の隅に時刻を表示しそのほかは表示しないような場合、部分表示領域１０３に対応する面光源ユニットのみ点灯し、ほかは消灯することで消費電力を抑えることができ、常時時刻表示をするという使い方ができる。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明にかかる面状照明装置とそれを用いた液晶表示装置は、広い色再現性と薄型大画面を実現でき、さらに、面状照明装置の輝度の均一化、および、光利用効率の向上により、高画質で低消費電力の液晶表示装置を実現できるので、ディスプレイ分野において有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の実施の形態における液晶表示装置の斜視図
【図２】面光源ユニットの配列状態を示す３面図
【図３】面光源ユニットの構成を示す背面図
【図４】面光源ユニットの構成を示す側面図
【図５】ハーフミラーアレイの反射率のグラフ
【図６】面光源ユニットを３枚配列した場合の出射光強度の分布を示すグラフ
【図７】ビームシフタの例を示す図
【図８】ビームシフタの別の例を示す図
【図９】視野角拡大層を示す模式図
【図１０】表示例を示す正面図
【符号の説明】
【００６２】
１    レーザ光源
２    合波プリズム
３    ビームシフタ
４    ビーム変換手段
５    レンズ
６    折り返しミラー
７    ハーフミラーアレイ
７ａ    第１のハーフミラー
７ｂ    最終ハーフミラー
８    テーパ部
１０    線状ビーム
１１    ヒートシンク
１００    面状照明装置
１００ａ    面光源ユニット
１０１    視野角拡大層
１０２    液晶パネル
【図１】
2008243409.tif 000003
【図２】
2008243409.tif 000004
【図３】
2008243409.tif 000005
【図４】
2008243409.tif 000006
【図５】
2008243409.tif 000007
【図６】
2008243409.tif 000008
【図７】
2008243409.tif 000009
【図８】
2008243409.tif 000010
【図９】
2008243409.tif 000011
【図１０】
2008243409.tif 000012