(57)【要約】【課題】輝度の均一性を向上することができる面発光装置を提供すること。【解決手段】面発光装置１００は、複数のレーザ光を出射するマルチストライプ構造の半導体レーザ光源１ａ〜１ｃと、入射面からレーザ光を導光して出射面から面発光させる導光板９と、半導体レーザ光源１ａ〜１ｃから出射されたレーザ光を遅軸方向において略平行光に変換する第１ビーム成形レンズ２ａ〜２ｃと、半導体レーザ光源１ａ〜１ｃから出射されたレーザ光を速軸方向において略平行光に変換する第２ビーム成形レンズ３ａ〜３ｃと、半導体レーザ光源１ａ〜１ｃから出射されたレーザ光の強度分布を、導光板９の入射面９ａの長手方向において略均一な強度分布に変換する強度分布変換部６とを有する。導光板９の入射面９ａに入射する半導体レーザ光源１ａ〜１ｃから出射したレーザ光の速軸方向は、導光板９の入射面９ａの長手方向と一致している。【選択図】図１
2009181753.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のレーザ光を出射するマルチストライプ構造の半導体レーザ光源と、
入射面からレーザ光を導光して出射面から面発光させる導光板と、
前記半導体レーザ光源から出射されたレーザ光を遅軸方向において略平行光に変換する第１の光学系と、
前記半導体レーザ光源から出射されたレーザ光を速軸方向において略平行光に変換する第２の光学系と、
前記半導体レーザ光源から出射されたレーザ光の強度分布を、前記導光板の入射面の長手方向において略均一な強度分布に変換する強度分布変換部と、を有し、
前記導光板の入射面に入射する前記強度変換部で変換されたレーザ光の速軸方向は、前記導光板の入射面の長手方向と一致している、
面発光装置。
【請求項２】
前記第１の光学系は、前記マルチストライプ構造の半導体レーザ光源を構成する複数の半導体レーザに対応した数の複数のレンズ要素で構成されるアレイ状の形状を有し、
前記複数のレンズ要素は、それぞれ、対応する半導体レーザから出射されたレーザ光を遅軸方向において略平行光に変換する、
請求項１記載の面発光装置。
【請求項３】
前記半導体レーザ光源は、
出射するレーザ光の波長が互いに異なる複数のマルチストライプ構造の半導体レーザ光源から構成され、
前記導光板の入射面に入射する各レーザ光の速軸方向は、前記導光板の入射面の長手方向と一致している、
請求項１記載の面発光装置。
【請求項４】
前記複数のマルチストライプ構造の半導体レーザ光源から出射された複数のレーザ光を合成する光合成部、をさらに有し、
前記強度分布変換部は、
前記光合成部によって合成されたレーザ光の強度分布を、前記導光板の入射面の長手方向において略均一な強度分布に変換する、
請求項３記載の面発光装置。
【請求項５】
前記強度分布変換部と前記導光板との間に配置され、前記導光板に入射するレーザ光を前記導光板の入射面の長手方向に対する略平行光に変換し、および／または、前記導光板の入射面の短手方向における発散角を変更する第３の光学系、
をさらに有する請求項１記載の面発光装置。
【請求項６】
前記半導体レーザ光源は、
３原色の各色に対応する波長のレーザ光を出射する複数のマルチストライプ構造の半導体レーザ光源を有する、
請求項１記載の面発光装置。
【請求項７】
前記強度分布変換部は、
少なくとも１つ以上の非球面レンズ素子または非球面ミラーから構成されている、
請求項１記載の面発光装置。
【請求項８】
前記第３の光学系は、
１つのレンズ素子を用いて、前記導光板に入射するレーザ光を前記導光板の入射面の長手方向において略平行光に変換する、
請求項７記載の面発光装置。
【請求項９】
前記第３の光学系は、
１つのレンズ素子を用いて、前記導光板の入射面の短手方向における発散角を制御する、
請求項７記載の面発光装置。
【請求項１０】
前記第３の光学系は、
１つの拡散板を用いて、前記導光板の入射面の短手方向における発散角を変更する、
請求項７記載の面発光装置。
【請求項１１】
前記第３の光学系は、
１つのレンズ素子および１つの拡散板を用いて、前記導光板の入射面の短手方向における発散角を変更する、
請求項７記載の面発光装置。
【請求項１２】
請求項１から請求項１１のいずれかに記載の面発光装置と、
前記導光板の出射面側に配置された表示パネルと、
を有する画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、面発光装置および画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話や情報機器などの普及に伴い、薄型で高品位な画面表示装置が要望されている。そして、そのような画面表示装置を実現するために、レーザを光源とした薄型で色再現性の良い液晶表示素子が提案されている（特許文献１、特許文献２）。
【０００３】
特許文献１に記載されたカラー表示素子は、液晶パネルを照明するバックライトを、導光板と、この導光板の任意の面に配置される３原色の各色に対応する複数のレーザ光源と、導光板の内部に配置された乱反射粒子と、導光板の側面および底面に配置された反射板とから構成することにより、色純度の高い光でカラー表示を行うことができるようにしている。
【０００４】
また、特許文献２に記載された平面光源は、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を略直角方向に反射させる偏光部材とから構成することにより、１個のレーザ光により簡単な構成でコリメート平面光源を得ることができるようにしている。
【特許文献１】特開平１１−２３７６３１号公報
【特許文献２】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】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載されたカラー表示素子においては、略点光源であるレーザを導光板の側面に配置するため、輝度ムラが生じやすいという問題がある。また、特許文献２に記載された平面光源においては、反射部材として反射型体積ホログラム用いているため、製作誤差に敏感であり、輝度の均一性を高くすることが困難であるという問題がある。
【０００６】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、輝度の均一性を向上することができる面発光装置および画像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】
【０００７】
本発明の面発光装置は、複数のレーザ光を出射するマルチストライプ構造の半導体レーザ光源と、入射面からレーザ光を導光して出射面から面発光させる導光板と、前記半導体レーザ光源から出射されたレーザ光を遅軸方向において略平行光に変換する第１の光学系と、前記半導体レーザ光源から出射されたレーザ光を速軸方向において略平行光に変換する第２の光学系と、前記半導体レーザ光源から出射されたレーザ光の強度分布を、前記導光板の入射面の長手方向において略均一な強度分布に変換する強度分布変換部と、を有し、前記導光板の入射面に入射する前記強度変換部で変換されたレーザ光の速軸方向は、前記導光板の入射面の長手方向と一致している、構成を採る。
【０００８】
本発明の画像表示装置は、上記構成の面発光装置と、前記導光板の出射面側に配置された表示パネルと、を有する構成を採る。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、輝度の均一性を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
（実施の形態１）
＜面発光装置の構成＞
図１は、本発明の実施の形態１に係る面発光装置の概略構成を示す断面図である。図２は、図１の要部の概略構成を示す図１に垂直な方向の断面図である。
【００１１】
図１および図２に示す面発光装置１００は、レーザ光源１、第１ビーム成形レンズ２、第２ビーム成形レンズ３、色合成プリズム４、折り曲げミラー５、第１非球面レンズ６、第２非球面レンズ７、シリンドリカルレンズ８、および導光板９を有する。なお、ここでは、図１および図２に示すように、導光板９の入射端面９ａの短手方向および長手方向をそれぞれＸ軸およびＹ軸とし、このＸ軸およびＹ軸に直交する方向をＺ軸とする。図１は、面発光装置１００のＸＺ平面に沿う断面図であり、図２は、図１の面発光装置１００のうち第１非球面レンズ６から導光板９までのＹＺ平面に沿う断面図である。
【００１２】
図１において、レーザ光源１は、３原色（赤、緑、青）の各色に対応する波長のレーザ光を出射する３つの半導体レーザ光源（以下単に「半導体レーザ」という）１ａ、１ｂ、１ｃから構成されている。また、各半導体レーザ１ａ、１ｂ、１ｃは、マルチストライプ構造であり、２つの半導体レーザから構成されている。例えば、半導体レーザ１ａは、波長６３５ｎｍの赤色のレーザ光を出射する半導体レーザ１ａ−１、１ａ−２で構成され、半導体レーザ１ｂは、波長５３２ｎｍの緑色のレーザ光を出射する半導体レーザ１ｂ−１、１ｂ−２で構成され、半導体レーザ１ｃは、波長４５０ｎｍの青色のレーザ光を出射する半導体レーザ１ｃ−１、１ｃ−２で構成されている。後述するように、半導体レーザ１ａ〜１ｃから出射されるレーザ光は、ビームの拡がり角が大きい方向（速軸方向）と、ビームの拡がり角が小さい方向（遅軸方向）とを有する。本実施の形態では、輝度の均一性を高くするため、導光板９の入射端面９ａに入射するレーザ光の速軸方向と導光板９の入射端面９ａの長手方向とが一致するように半導体レーザ１ａ〜１ｃを配置している。この原理は、後で詳しく説明する。
【００１３】
第１ビーム成形レンズ２は、Ｘ軸方向にのみパワーを有するビーム成形レンズである。すなわち、第１ビーム成形レンズ２は、レーザ光源１から出射されたレーザ光をＸ軸方向に略平行光に変換して、所定のビーム形状に成形する。レーザ光のビーム成形は、例えば、レーザ光のビーム径および発散角（波面の曲率半径）をそれぞれ所望の値に制御することによって行われる。本実施の形態では、各半導体レーザ１ａ、１ｂ、１ｃに対応して第１ビーム成形レンズ２ａ、２ｂ、２ｃがそれぞれ設けられている。すなわち、各第１ビーム成形レンズ２ａ〜２ｃは、対応する半導体レーザ１ａ〜１ｃからのレーザ光のビーム径および発散角を所望の値に制御して、そのレーザ光を所定のビーム形状に成形する。また、各第１ビーム成形レンズ２ａ、２ｂ、２ｃは、マルチストライプ構造の半導体レーザを構成する複数の半導体レーザに対応した数の複数のレンズ要素で構成されるアレイ状の形状を有する。具体的には、各半導体レーザ１ａ〜１ｃは、上記のように、２つの半導体レーザで構成されているため、第１ビーム成形レンズ２ａは、レンズ要素２ａ−１、２ａ−２で構成されるアレイ状の形状を有し、第１ビーム成形レンズ２ｂは、レンズ要素２ｂ−１、２ｂ−２で構成されるアレイ状の形状を有し、第１ビーム成形レンズ２ｃは、レンズ要素２ｃ−１、２ｃ−２で構成されるアレイ状の形状を有する。各第１ビーム成形レンズ２ａ〜２ｃは、半導体レーザ毎のレーザ光をＸ軸方向で略平行光に個別に変換して所定のビーム形状に成形する。第１ビーム成形レンズ２ａ〜２ｃについては、後で詳細に説明する。
【００１４】
第２ビーム成形レンズ３は、Ｙ軸方向にのみパワーを有するビーム成形レンズである。すなわち、第２ビーム成形レンズ３は、レーザ光源１から出射されたレーザ光をＹ軸方向で略平行光に変換して、所定のビーム形状に成形する。本実施の形態では、各半導体レーザ１ａ、１ｂ、１ｃに対応して第２ビーム成形レンズ３ａ、３ｂ、３ｃがそれぞれ設けられている。例えば、図１の例では、各第２ビーム成形レンズ３ａ〜３ｃは、対応する半導体レーザ１ａ〜１ｃからのレーザ光を、ビーム径がＡである平行ビームに変換している（後述する図３（Ａ）参照）。そして、各半導体レーザ１ａ〜１ｃから出射され、対応する第２ビーム成形レンズ３ａ〜３ｃによりビーム成形されたレーザ光（平行光）１０ａ、１０ｂ、１０ｃは、色合成プリズム４に入射される。第２ビーム成形レンズ３ａ〜３ｃについては、後で詳細に説明する。
【００１５】
色合成プリズム４は、レーザ光源１（半導体レーザ１ａ〜１ｃ）から出射され、第１ビーム成形レンズ２ａ〜２ｃと第２ビーム成形レンズ３ａ〜３ｃとによりビーム成形されたレーザ光１０ａ〜１０ｃを合成して、１本のレーザ光１０を出射する。この合成されたレーザ光１０は、折り曲げミラー５により光路が変更されて（図１の例では、９０°折り曲げられて）、順に、第１非球面レンズ６、第２非球面レンズ７、シリンドリカルレンズ８、および導光板９に入射する。
【００１６】
第１非球面レンズ６は、強度分布変換部を構成する強度分布変換素子として機能し、レーザ光源１から出射されたレーザ光（ここでは、合成されたレーザ光１０）の強度分布を、導光板９の入射端面９ａの長手方向において略均一な強度分布に変換する。
【００１７】
具体的には、例えば、第１非球面レンズ６は、Ｙ軸方向にのみパワーを有する非球面レンズである（図２参照）。すなわち、第１非球面レンズ６は、強度分布がガウス分布であるビーム径Ａの平行ビームのＹ軸方向の強度分布を略均一な強度分布に変換し、第２非球面レンズ７へ入射する位置においてビーム幅を導光板９の入射端面９ａの長手方向の幅Ｂに略等しい幅に変換する。図３（Ａ）は、第１非球面レンズ６の入射面近傍におけるレーザ光１０のＹ軸方向の強度分布の一例を示す図である。図３（Ｂ）は、第２非球面レンズ７へ入射する位置におけるレーザ光１０のＹ軸方向の強度分布の一例を示す図である。図３（Ａ）および図３（Ｂ）に示すように、第１非球面レンズ６は、レーザ光１０のＹ軸方向の強度分布を、ビーム径Ａのガウス分布から幅Ｂの均一な分布に変換する。
【００１８】
なお、本実施の形態では、第１非球面レンズ６は、強度分布変換部を構成する強度分布変換素子として１枚の非球面レンズを用いているが、これに限定されない。例えば、第１非球面レンズ６は、強度分布変換部を構成する強度分布変換素子として、非球面レンズを構成要素として含む強度分布変換素子を用いてもよい。
【００１９】
また、本実施の形態では、各半導体レーザ１ａ〜１ｃから出射され対応する第１ビーム成形レンズ２ａ〜２ｃおよび第２ビーム成形レンズ３ａ〜３ｃによりビーム成形されたレーザ光１０ａ〜１０ｃは、色合成プリズム４によって１本のレーザ光１０に合成されるが、レーザ光１０ａ〜１０ｃのうち少なくとも一部は、１つのレーザ光に合成されることなく、独立して、対応する強度分布変換素子に入射されてもよい。
【００２０】
第２非球面レンズ７は、第１非球面レンズ６と同様、Ｙ軸方向にのみパワーを有する非球面レンズである（図２参照）。第２非球面レンズ７は、導光板９に入射するレーザ光１０を導光板９の入射端面９ａの長手方向において略平行光にするためのレンズである。すなわち、第２非球面レンズ７は、第１非球面レンズ６により発散光にされたレーザ光１０を再び平行光に変換する機能を有する。
【００２１】
一方、シリンドリカルレンズ８は、Ｘ軸方向にのみパワーを有するレンズである（図１参照）。シリンドリカルレンズ８は、導光板９の入射端面９ａの短手方向における発散角を変更するためのレンズである。すなわち、シリンドリカルレンズ８は、導光板９に入射するレーザ光１０のＸ軸方向を収束光または発散光に変換する機能を有する。
【００２２】
このように、第１非球面レンズ６、第２非球面レンズ７、およびシリンドリカルレンズ８を組み合わせた光学系を設けることにより、導光板９の入射端面９ａに入射するレーザ光１０は、Ｙ軸方向における強度分布が略均一になるとともに、Ｘ軸方向が収束光または発散光になり、Ｙ軸方向が略平行光になる。したがって、この光学系を最適化することにより、レーザ光源１から出射されたレーザ光１０を、Ｙ軸方向に略均一な分布で、かつ、導光板９の入射端面９ａの長手方向および短手方向の各幅に合わせて効率的に、導光板９の入射端面９ａに導くことができる。
【００２３】
導光板９は、入射端面９ａからレーザ光１０を導光して出射面である前面９ｂからレーザ光を出射して平面状に発光する。ここで、図２に示すように導光板９の入射端面９ａの長手方向の幅をＢとする。導光板９は、例えば、ＰＭＭＡ（アクリル樹脂）やＰＣ（ポリカーボネート）、ＣＯＰ（シクロオレフィンポリマー）などから形成されている。
【００２４】
また、導光板９は、例えば、前面９ｂに光拡散層が配置され、背面９ｃに反射シートが配置されている。光拡散層は、光拡散材を含む透光性樹脂から形成されている。光拡散層としては、例えば、ポリエチレンテレフタラートに微細凹凸を設けたものや、乱反射させる白色インクを前面９ｂに印刷したものが用いられる。このとき、光拡散層の拡散度合いは、微細凹凸の大きさを調整したり、白色インクによる各ドットの大きさを調整したりすることによって、変化させることができる。また、反射シートとしては、金属フィルムを用いてもよいし、背面９ｃに金属を蒸着させてもよい。
【００２５】
ここで、導光板９の前面９ｂの拡散度合いの分布は、導光板９の前面９ｂから出射するレーザ光１０の輝度が一様になるように形成されている。具体的には、導光板９の前面９ｂに形成される光拡散層は、Ｚ軸方向の輝度を均一にするため、導光板９の入射端面９ａからのＺ軸方向の距離に応じて拡散度合いを変化させた構成を有する。例えば、ここでは、導光板９の入射端面９ａから遠ざかるほど拡散度合いを大きくすることにより、Ｚ軸方向の輝度を均一にしている。
【００２６】
また、導光板９に入射したレーザ光１０は、導光板９の内部を、全反射を繰り返しながら伝播しつつ、導光板９の前面９ｂに配置された光拡散層で拡散される。このため、拡散されたレーザ光１０のうち導光板９の前面９ｂに臨界角よりも小さい角度で入射するレーザ光の成分が現れる。このレーザ光の成分は、導光板９の前面９ｂから均一に出射する。これにより、導光板９は、平面状に発光する。
【００２７】
なお、本実施の形態では、拡散シートを導光板９の前面９ｂに配置したが、これに限定されない。例えば、拡散シートは、導光板９の背面９ｃに配置してもよい。ただし、この場合、光拡散層は、反射シートよりも前面９ｂ側に配置される。
【００２８】
本実施の形態では、上記のように、輝度の均一性を高くするため、導光板９の入射端面９ａに入射するレーザ光の速軸方向と導光板９の入射端面９ａの長手方向とが一致するように半導体レーザ１ａ〜１ｃを配置している。この原理は、次の通りである。
【００２９】
ここでは、まず、半導体レーザ１ａ〜１ｃの構造について説明する。図４は、マルチストライプ構造の半導体レーザの一般的な構造を示す概略図である。なお、本実施の形態では、半導体レーザ１ａ〜１ｃとして、図４に示す一般的な構造の半導体レーザをそれぞれ用いている。
【００３０】
図４に示す半導体レーザは、電極４１、ストライプ４２、酸化膜４３、Ｐ型クラッド層４４、活性層４５、Ｎ型クラッド層４６、基板４７、電極４８、およびレーザ出射面４９をそれぞれ２つずつ有する。
【００３１】
半導体レーザは、図４に示すように、バンドギャップの小さい活性層４５を、バンドギャップの大きいＰ型クラッド層４４とＮ型クラッド層４６とで挟んだ構造を有する。この構造において、電極４１、４８から順方向に電圧を印加すると、活性層４５に対してＰ型クラッド層４４からは正孔が、Ｎ型クラッド層４６からは電子がそれぞれ注入され、活性層４５の内部に反転分布が形成される。この結果、レーザ出射面４９から図４のＺ軸方向にレーザ光が取り出される。
【００３２】
このとき、図４のＹ軸方向（ストライプ４２の幅方向と直交する方向）は、活性層４５と各クラッド層４４、４６との屈折率の違いから、活性層４５の中に光が閉じ込められる。このため、Ｙ軸方向の横モードは、活性層４５のＹ軸方向の幅で決定される。通常、活性層４５のＹ軸方向の幅は１〜２μｍに設定され、このＹ軸方向においてレーザ光はシングルモードである。なお、一般に、図４に示すＹ軸方向は、レーザ光（ビーム）の拡がり角が大きく、上記のように「速軸」と呼ばれている。
【００３３】
一方、図４のＸ軸方向（ストライプ４２の幅方向と平行な方向）においては、ストライプ４２の領域にのみ反転分布が生じるため、ストライプ４２の幅Ｃを調整することでＸ軸方向のレーザ光のモードをコントロールする。例えば、横モードをシングルモードにする場合は（シングルモード発振）、ストライプ４２の幅は数μｍに設定される。また、横モードをマルチモードにする場合は（マルチモード発振）、ストライプ４２の幅は数十から数千ミクロンに設定される。なお、一般に、図４に示すＸ軸方向は、レーザ光（ビーム）の拡がり角が小さく、上記のように「遅軸」と呼ばれている。
【００３４】
本実施の形態では、Ｘ軸方向においては、大きなレーザ出力を得るため、ストライプ４２の幅を広げてマルチモード発振させる。すなわち、本実施の形態では、半導体レーザ１ａ〜１ｃから出射されるレーザ光は、Ｙ軸（速軸）方向がシングルモード発振、Ｘ軸（遅軸）方向がマルチモード発振となる。また、一般に、マルチストライプ構造の半導体レーザを構成する複数の半導体レーザは、遅軸方向に配列される。そこで、図４に示すように、各半導体レーザ１ａ〜１ｃを構成する２つの半導体レーザのレーザ出射面４９は、Ｘ軸方向に配列される。
【００３５】
また、本実施の形態では、図４のＹ軸方向と図２のＹ軸方向を一致させるように、つまり、半導体レーザから出射されたレーザ光１０の速軸方向と、導光板９の入射端面９ａの長手方向とが、導光板９の入射端面９ａにおいて一致するように、半導体レーザ１ａ〜１ｃを配置する。
【００３６】
このように、半導体レーザから出射されたレーザ光１０の速軸方向と導光板９の入射端面９ａの長手方向とを導光板９の入射端面９ａにおいて一致させる理由は、半導体レーザはシングルモードである速軸方向の強度分布が非常に安定しているからである。強度分布が非常に安定しているレーザ光１０の速軸方向を導光板９の入射端面９ａにおいてその長手方向と一致させることにより、非常に安定したガウス分布のレーザ光を第１非球面レンズ６に入射することができる。
【００３７】
これに対し、遅軸方向をマルチモード発振させた場合、遅軸方向の強度分布は個体差が大きい。また、第１非球面レンズ６は、入射するレーザ光１０の強度分布がガウス分布でない場合には、変換するレーザ光１０の強度分布の均一性も劣化する。
【００３８】
このため、仮に本実施の形態において、図２のＹ軸方向（導光板９の入射端面９ａの長手方向）と図４のＸ軸方向（半導体レーザから出射されたレーザ光１０の遅軸方向）とが導光板９の入射端面９ａにおいて一致するように半導体レーザ１ａ〜１ｃを配置した場合、半導体レーザ１ａ〜１ｃの個体差に基づくレーザ光１０のばらつきが生じる。これにより、第１非球面レンズ６に入射するレーザ光１０の強度分布が変化し、第１非球面レンズ６はレーザ光１０の強度分布を安定して均一に変換することができない。
【００３９】
そこで、本実施の形態では、図２のＹ軸方向（導光板９の入射端面９ａの長手方向）と図４のＹ軸方向（半導体レーザから出射されたレーザ光１０の速軸方向）とが導光板９の入射端面９ａにおいて一致するように半導体レーザ１ａ〜１ｃを配置する。これにより、第１非球面レンズ６に入射するレーザ光１０の強度分布は、半導体レーザの個体差によるばらつきがない、非常に安定したガウス分布になる。そのため、第１非球面レンズ６は、安定してレーザ光１０の強度分布を均一に変換することができる。この結果、面光源の輝度の均一性を高くすることができる。
【００４０】
なお、半導体レーザ１ａ〜１ｃの配置は、図１に示すような縦方向の配置に限定されず、横方向に配置してもよい。第１非球面レンズ６に入射するレーザ光１０の速軸方向と導光板９の入射端面９ａの長手方向とを一致させる配置であれば、半導体レーザ１ａ〜１ｃの配置はどのような配置であってもよい。
【００４１】
次に、第１ビーム成形レンズ２ａ〜２ｃの詳細について説明する。
【００４２】
上記のように、第１ビーム成形レンズ２ａ〜２ｃは、Ｘ軸方向にのみパワーを有するビーム成形レンズである。図１に示す第１ビーム成形レンズ２ａを構成するレンズ要素２ａ−１は、半導体レーザ１ａ−１からのレーザ光をＸ軸方向で略平行光に変換し、レンズ要素２ａ−２は、半導体レーザ１ａ−２からのレーザ光をＸ軸方向で略平行光に変換する。同様に、図１に示す第１ビーム成形レンズ２ｂを構成するレンズ要素２ｂ−１は、半導体レーザ１ｂ−１からのレーザ光をＸ軸方向で略平行光に変換し、レンズ要素２ｂ−２は、半導体レーザ１ｂ−２からのレーザ光をＸ軸方向で略平行光に変換する。第１ビーム成形レンズ２ｃについても同様である。
【００４３】
ここで、仮に第１ビーム成形レンズ２ａ〜２ｃがそれぞれ１つのレンズ要素で構成されるとした場合、半導体レーザ１ａ〜１ｃからのレーザ光は、略平行光に変換されずに次の式（１）に示す発散角θを持ってしまう。
【数１】
2009181753.tif 000003
ここで、ｐはマルチストライプ構造の半導体レーザの間隔であり、ｆは第１ビーム成形レンズを構成するレンズ要素の焦点距離である。第１ビーム成形レンズ２ａ〜２ｃから出射されるレーザ光が式（１）に示す発散角θを持つと、導光板９に入射するレーザ光１０の遅軸方向（導光板９の入射端面９ａの短手方向）のビーム径が太くなる。すなわち、導光板９の入射端面９ａの短手方向の幅を、レーザ光１０の遅軸方向のビーム径に応じて厚くする必要がある。
【００４４】
これに対し、本実施の形態では、各第１ビーム成形レンズ２ａ〜２ｃは、それぞれ２つのレンズ要素で構成されている。これにより、各第１ビーム成形レンズ２ａ〜２ｃは、マルチストライプ構造の半導体レーザ１ａ〜１ｃの各レーザを、個別にＸ軸方向で略平行光に変換することができる。この結果、導光板９の幅を厚くする必要が無くなるため、面光源の輝度の均一性を保持しつつ、面発光装置１００を薄型化することができる。
【００４５】
次に、第２ビーム成形レンズ３ａ〜３ｃの詳細について説明する。
【００４６】
上記のように、第２ビーム成形レンズ３ａ〜３ｃは、Ｙ軸方向にのみパワーを有するビーム成形レンズである。ここで、図４に示すように、マルチストライプ構造の半導体レーザのレーザ出射面４９は、Ｘ軸方向に配列されている。そのため、Ｙ軸方向にのみパワーを有する第２ビーム成形レンズ３ａ〜３ｃは、第１ビーム成形レンズ２ａ〜２ｃのように、各レーザに対して個別にレンズ要素を配置する必要が無くなる。すなわち、第２ビーム成形レンズ３ａ〜３ｃは、１つのレンズ（例えば、シリンドリカルレンズ）で構成される場合でも、半導体レーザ１ａ〜１ｃのレーザ光をそれぞれＹ軸方向で略平行光に変化することができる。なお、本実施の形態では、第２ビーム成形レンズ３ａ〜３ｃがレンズ要素に分割されない場合について説明したが、第２ビーム成形レンズ３ａ〜３ｃは、レンズ要素に分割して用いてもよい。
【００４７】
また、例えば、第２ビーム成形レンズ３ａの焦点距離は、半導体レーザ１ａ−１および半導体レーザ１ａ−２から出射するレーザ光の第１非球面レンズ６近傍におけるＹ軸方向のビーム径の平均値が第１非球面レンズ６の設計入射ビーム径と略一致するように設定される。これにより、半導体レーザ１ａ−１および半導体レーザ１ａ−２から出射されるレーザ光の発散角にばらつきが生じる場合でも、導光板９の入射端面９ａにおけるレーザ光１０のＹ軸方向における強度分布を均一な分布に変換することができる。具体的には、図５に示すように、導光板９の入射直前におけるレーザ光１０のＹ軸方向における強度分布は、半導体レーザ１ａ−１の強度分布を示すレーザ光強度分布１と半導体レーザ１ａ−２の強度分布を示すレーザ光強度分布２との合成であるレーザ光強度分布３となる。他の第２ビーム成形レンズ３ｂ、３ｃについても同様である。このように、第２ビーム成形レンズ３ａ〜３ｃの焦点距離を設定することで、導光板９の入射端面９ａでのレーザ光１０の強度分布を均一にすることができる。
【００４８】
このようにして、本実施の形態では、第１ビーム成形レンズ２ａ〜２ｃおよび第２ビーム成形レンズ３ａ〜３ｃを用いて、マルチストライプ構造の半導体レーザ１ａ−１〜１ｃ−２から出射されるレーザ光がY方向のビーム径がＡの平行ビームに変換（コリメート：collimate）される。
【００４９】
一般に、マルチストライプ構造の半導体レーザ間の間隔（寸法）は、数十ミクロン（μｍ）〜数百ミクロンである。ここで、仮にビーム成形レンズ２ａ〜２ｃがＸ軸方向のみでなく、Ｙ軸方向に対してもレーザ光を平行ビームに変換するとした場合、Ｙ軸方向のビーム径は、上記半導体レーザ間の間隔以上に拡げることができなくなる。すなわち、第１非球面レンズ６に入射されるレーザ光１０のビーム径は最大でも数百ミクロンとなるため、第１非球面レンズ６では、設計入射ビーム径を数百ミクロンにする必要がある。よって、第１非球面レンズ６では、調整誤差（ディセンタ誤差）およびビーム径のばらつきが強度分布変換に与える影響がより大きくなってしまう。
【００５０】
一方、マルチストライプ構造の半導体レーザ間の間隔を数ミリオーダに広げると、Ｘ軸方向のビーム径が太くなってしまう。例えば、半導体レーザをＸ軸方向に５ｍｍ間隔で１０個配列すると、５０（＝５ｍｍ×１０）ｍｍの幅が必要となるため、面発光装置１００自体を薄型化することができなくなる。
【００５１】
これに対し、本実施の形態に係る面発光装置１００では、第１ビーム成形レンズ２ａ〜２ｃおよび第２ビーム成形レンズ３ａ〜３ｃを用いてＸ軸方向とＹ軸方向とで個別にビーム成形を行う。これにより、面発光装置１００では、マルチストライプ構造の半導体レーザを用いる場合でも、Ｘ軸方向の自装置の幅が増加することを防ぎ、かつ、Ｙ軸方向へのビーム径の拡がりに制限を受けることを防ぎつつ、ビーム成形を行うことができる。
【００５２】
また、第１ビーム成形レンズ２ａ〜２ｃの両面をシリンドリカル面で構成（レーザ光源１側の面をＸ軸方向のシリンドリカル面、出口側の面をＹ軸方向のシリンドリカル面で構成）することで、上記したマルチストライプ構造の半導体レーザ間の寸法に関する問題を解決することができる。ただし、Ｘ軸方向のシリンドリカル面およびＹ軸方向のシリンドリカル面の光軸を軸とした回転方向の誤差を、正常に動作するために問題ないレベルまで抑えることが非常に困難であることが知られている。このため、両面がシリンドリカル面で構成されるビーム成形レンズを実際に使用することは非常に困難となる。
【００５３】
これに対し、本実施の形態に係る面発光装置１００では、第１ビーム成形レンズ２ａ〜２ｃと第２ビーム成形レンズ３ａ〜３ｃとでＸ軸方向およびＹ軸方向のビーム成形を個別に行う。これにより、面発光装置１００では、第１ビーム成形レンズ２ａ〜２ｃと第２ビーム成形レンズ３ａ〜３ｃとを用いる容易な構成により、上記レンズ両面をシリンドリカル面で構成する場合に生じる問題を考慮することなく、Ｘ軸方向およびＹ軸方向のビーム成形を行うことができる。
【００５４】
＜面発光装置の動作＞
次に、上記の構成を有する面発光装置１００の動作について説明する。
【００５５】
まず、半導体レーザ１ａ〜１ｃは、赤色、緑色、および青色のレーザ光１０ａ〜１０ｃをそれぞれ出射する。半導体レーザ１ａ〜１ｃから出射されたレーザ光１０ａ〜１０ｃは、対応する第１ビーム成形レンズ２ａ〜２ｃと第２ビーム成形レンズ３ａ〜３ｃにより、ビーム径Ａの平行ビームに変換（ビーム成形）される。ビーム成形後のレーザ光１０ａ〜１０ｃは、色合成プリズム４により、１本のレーザ光１０に合成される。合成後のレーザ光１０は、折り曲げミラー５により折り曲げられて、第１非球面レンズ６に入射する。
【００５６】
第１非球面レンズ６に入射したレーザ光１０は、第１非球面レンズ６により、強度分布がガウス分布であるビーム径Ａの平行ビームのＹ軸方向の強度分布が略均一な強度分布に変換された後、第２非球面レンズ７に入射する。このとき、本実施の形態では、導光板９の入射端面９ａに入射するレーザ光１０の速軸方向と導光板９の入射端面９ａの長手方向とが一致するように半導体レーザ１ａ〜１ｃを配置する。このため、第１非球面レンズ６に入射するレーザ光１０の強度分布は、半導体レーザの個体差によるばらつきがない、非常に安定したガウス分布になる。このため、第１非球面レンズ６は、安定してレーザ光１０の強度分布を均一に変換することができる。これは、面光源の輝度の均一性の向上に大きく寄与する。
【００５７】
その後、第２非球面レンズ７では、第１非球面レンズ６により発散光とされたレーザ光１０を再び平行光に変換する。
【００５８】
その後、シリンドリカルレンズ８は、レーザ光１０のＸ軸方向の平行光を収束光または発散光に変換する。したがって、導光板９の入射端面９ａに入射するレーザ光１０は、Ｙ軸方向における強度分布が略均一になるとともに、Ｘ軸方向が収束光または発散光になり、Ｙ軸方向が略平行光になる。
【００５９】
その後、シリンドリカルレンズ８から出射したレーザ光１０は、導光板９の入射端面９ａから導光板９に入射する。導光板９に入射したレーザ光１０は、導光板９の内部を全反射を繰り返しながら伝播しつつ、導光板９の前面９ｂに配置された光拡散層で拡散される。このとき、拡散されたレーザ光１０のうち導光板９の前面９ｂに臨界角よりも小さい角度で入射するレーザ光の成分が現れる。そして、このレーザ光の成分が、導光板９の前面９ｂから均一に出射する。これにより、導光板９は、平面状に発光する。
【００６０】
このように、本実施の形態によれば、導光板９の入射端面９ａに入射するレーザ光の速軸方向と導光板９の入射端面９ａの長手方向とが一致するように半導体レーザ１ａ〜１ｃを配置する。これにより、第１非球面レンズ６に入射するレーザ光１０の強度分布は、半導体レーザの個体差によるばらつきがない、非常に安定したガウス分布になる。このため、第１非球面レンズ６は、安定してレーザ光１０の強度分布を均一に変換することができる。この結果、面光源の輝度の均一性の向上を図ることができる。
【００６１】
さらに、本実施の形態によれば、各第１ビーム成形レンズ２ａ〜２ｃは、マルチストライプ構造の半導体レーザ１ａ〜１ｃに対応した数のレンズ要素に分割して構成されている。これにより、第１ビーム成形レンズ２ａ〜２ｃは、マルチストライプ構造の半導体レーザ１ａ〜１ｃから出射される各レーザ光を、発散角を持たすことなく略平行光に個別に変換することができる。この結果、導光板９の入射端面９ａでのレーザ光１０の強度分布が均一になるため、面光源の輝度の均一性の向上を図ることができる。
【００６２】
さらに、本実施の形態によれば、マルチストライプ構造の半導体レーザ１ａ〜１ｃから出射されるレーザ光に対して、第１ビーム成形レンズ２ａ〜２ｃがＸ軸方向でビーム成形して、第２ビーム成形レンズ３ａ〜３ｃがＹ軸方向でビーム成形する。これにより、レーザ光１０は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に対して、それぞれ個別にビーム径を制御してビーム成形されることができる。具体的には、レーザ光１０のＸ軸方向に対しては、遅軸方向のビーム径が太くならないようにビーム径を制御することができ、レーザ光１０のＹ軸方向に対しては、導光板９の入射端面９ａでのレーザ光１０の強度分布が均一になるようにビーム径を制御することができる。この結果、面光源の輝度の均一性の向上を図ることができる。
【００６３】
なお、本実施の形態における光学系は、いろいろ変更が可能である。
【００６４】
例えば、第２非球面レンズ７の代わりに、第１非球面レンズ６により発散光とされたレーザ光１０を再び略平行光に変換する光学系として、Ｙ軸方向にのみパワーを持つ非球面フレネルレンズを用いることができる。非球面フレネルレンズは、通常の非球面レンズに比べて、レンズの厚さを薄くすることができる。したがって、非球面フレネルレンズを用いた場合は、レンズの厚さを薄くすることができ、面発光装置の小型化を図ることができる。
【００６５】
また、例えば、シリンドリカルレンズ８の代わりに、シリンドリカルフレネルレンズを用いることができる。シリンドリカルフレネルレンズは、Ｘ軸方向にのみパワーを持ち、レーザ光１０を収束光に変換する。シリンドリカルフレネルレンズは、シリンドリカルレンズ８に比べて、レンズの厚さを薄くすることができる。したがって、シリンドリカルフレネルレンズを用いた場合は、レンズの厚さを薄くすることができ、面発光装置の小型化を図ることができる。
【００６６】
さらには、例えば、Ｙ軸方向にのみパワーを持つ上記の非球面フレネルレンズおよびＸ軸方向にのみパワーを持つ上記のシリンドリカルフレネルレンズを同時に用いてもよい。これにより、２つのレンズの厚さを薄くすることができるため、面発光装置の小型化をより一層図ることができる。
【００６７】
また、例えば、シリンドリカルレンズ８の代わりに、拡散板を用いることもできる。拡散板は、第２非球面レンズ７を透過した後のレーザ光１０に発散性を与える点で、シリンドリカルレンズ８と同様の機能を有する。しかも、拡散板は、シリンドリカルレンズ８に比べて、厚さを薄くすることができる。したがって、拡散板を用いた場合は、厚さを薄くすることができ、結果として面発光装置をコンパクトにすることができる。また、拡散板は、シリンドリカルレンズ８よりもＸ軸方向のパワーが強いため、Ｚ軸方向の輝度を均一にすることができる。
【００６８】
なお、第１非球面レンズ６からのレーザ光１０を拡散板に直接入射するように構成してもよい。これにより、第２非球面レンズ７を省略することができるため、面発光装置をさらにコンパクトにすることができる。
【００６９】
また、拡散板と上記したＸ軸方向にのみパワーを持つシリンドリカルフレネルレンズとを同時に用いてもよい。これにより、シリンドリカルフレネルレンズを単独で用いる場合に比べて導光板９の入射端面９ａに入射するレーザ光１０の発散角をより大きくすることができ、Ｚ軸方向の輝度の均一性をさらに上げることができる。
【００７０】
（実施の形態２）
次に、実施の形態２に係る画像表示装置について説明する。図６は、本実施の形態に係る画像表示装置の概略構成を示す断面図である。なお、本実施の形態では、実施の形態１と同様の構成要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００７１】
図６に示す画像表示装置６００は、図１に示す実施の形態１に対応する面発光装置１００と、表示パネル６１とを有する。
【００７２】
表示パネル６１は、導光板９の前面９ｂと対向する位置に配置されている。表示パネル６１は、例えば、公知の液晶パネルであり、図示しない偏光板や液晶セル、カラーフィルタなどから構成されている。
【００７３】
画像表示装置６００は、導光板９の前面９ｂから出射したレーザ光１０を表示パネル６１に入射し、表示パネル６１による光の遮断および透過現象を利用して画像を表示する。
【００７４】
このように、本実施の形態によれば、実施の形態１で説明した輝度の均一性が高い面発光装置１００を光源として用いるため、輝度ムラを低減することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本発明に係る面発光装置および画像表示装置は、輝度の均一性を向上することができる面発光装置および画像表示装置として有用である。また、本発明に係る面発光装置および画像表示装置は、高画質化、小型化、および低消費電力化が望まれる液晶テレビや液晶モニタなどに好適である。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明の実施の形態１に係る面発光装置の概略構成を示す断面図
【図２】図１の要部の概略構成を示す図１に垂直な方向の断面図
【図３】（Ａ）は、図１の第１非球面レンズの入射面近傍におけるレーザ光のＹ軸方向の強度分布の一例を示す図、（Ｂ）は、図１の第２非球面レンズへ入射する位置におけるレーザ光のＹ軸方向の強度分布の一例を示す図
【図４】図１の半導体レーザの一般的な構造を示す概略図
【図５】図１の導光板の入射端面におけるレーザ光のＹ軸方向の強度分布の一例を示す図
【図６】本発明の実施の形態２に係る画像表示装置の概略構成を示す断面図
【符号の説明】
【００７７】
１ａ  赤色半導体レーザ
１ｂ  緑色半導体レーザ
１ｃ  青色半導体レーザ
２ａ、２ｂ、２ｃ  第１ビーム成形レンズ
３ａ、３ｂ、３ｃ  第２ビーム成形レンズ
４  色合成プリズム
５  折り曲げミラー
６  第１非球面レンズ
７  第２非球面レンズ
８  シリンドリカルレンズ
９  導光板
９ａ  導光板の入射端面
９ｂ  導光板の前面
９ｃ  導光板の背面
１０ａ  赤色半導体レーザから出射したレーザ光
１０ｂ  緑色半導体レーザから出射したレーザ光
１０ｃ  青色半導体レーザから出射したレーザ光
１０  色合成プリズムにより合成されたレーザ光
４１  電極
４２  ストライプ
４３  酸化膜
４４  Ｐ型クラッド層
４５  活性層
４６  Ｎ型クラッド層
４７  基板
４８  電極
４９  レーザ出射面
１００  面発光装置
６００  画像表示装置
【図１】
2009181753.tif 000004
【図２】
2009181753.tif 000005
【図３】
2009181753.tif 000006
【図４】
2009181753.tif 000007
【図５】
2009181753.tif 000008
【図６】
2009181753.tif 000009