面照明装置

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【発明の名称】	面照明装置
【発明者】	【氏名】久保田敏弘【氏名】服部幸年【氏名】三上充
【要約】	【課題】輝度が高く、かつ低コストで構造が簡単な面照明装置を提供する。【解決手段】導光体２は、透明なマトリックス材料の中にこれと屈折率の異なる粒子を混入させた光散乱材料からなり、出射面２ｂに光を任意の方向に偏向させるためのホログラム６が一体形成されている。また、出射面２ｂの反対面２ｃに光を任意の方向に偏向させるためのホログラム８が一体形成され、該ホログラム８で光が略正反射方向に反射される。

【特許請求の範囲】
【請求項１】偏平板状の導光体と、その端面に対向して配設された棒状の光源とを備え、光源から導光体へ入射した光を散乱させ、導光体の出射面から照明光を出射する面照明装置であって、前記導光体は、透明なマトリックス材料の中にこれと屈折率の異なる粒子を混入させた光散乱材料からなるとともに、出射面に光を任意の方向に偏向させるためのホログラムが一体形成されている面照明装置。
【請求項２】請求項１において、前記ホログラムが光拡散性を有する面照明装置。
【請求項３】偏平板状の導光体と、その端面に対向して配設された棒状の光源とを備え、光源から導光体へ入射した光を散乱させ、導光体の出射面から照明光を出射する面照明装置であって、前記導光体は、透明なマトリックス材料の中にその材料と屈折率の異なる粒子を混入させた光散乱材料からなるとともに、出射面の反対面に光を任意の方向に偏向させるためのホログラムが一体形成され、該ホログラムで光が略正反射方向に反射される面照明装置。
【請求項４】請求項３において、さらに、前記導光体の光源近傍の部分に、輝度むらをなくすように前記ホログラムとは異なるホログラムが一体形成されている面照明装置。
【請求項５】請求項１または２記載のホログラムが前記導光体の出射面に一体形成され、請求項３または４記載のホログラムが該導光体の出射面の反対面または光源近傍の部分に一体形成されている面照明装置。

【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、液晶等の対象物のバックライトのように、光源から導光体へ入射した光を散乱させ、導光体の出射面から照明光を出射する面照明装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来から、液晶表示用バックライトのような面照明装置として、図３のように、透明な楔形の導光体１２と、その端面に配設され、リフレクタ５で覆われた冷陰極管のような棒状の光源４とを備え、光源４から導光体１２へ入射した光を散乱させ、導光体１２の出射面１２ａから液晶（図示せず）に対して照明光を出射するものが知られている。導光体１２内の光量は光源４からの距離の増大とともに減少するが、楔形の導光体１２は、出射面１２ａまたは出射面１２ａと対向する反射側面１２ｂに角度を付けることにより、光源４からの距離の増大に応じて、強制的に出射される光量を増やして、上記光量の減少を補うので、輝度の均一性が得られる。
【０００３】また、従来の面照明装置は、導光体１２の出射面１２ａと液晶間に、光を拡散させるための拡散シート１３と、拡散された光を視認方向（垂直方向）に向けるためのレンズ（プリズム）シート１４，１４を配置し、出射面１２ａの反対面１２ｂには、導光体１２から出射された光を拡散反射させる反射シート１５を配置している。これらのシート１３、１４、１５は、照明光の輝度を向上させる輝度向上シートとして用いられる。
【０００４】一方、ホログラムの干渉パターンが一種の回折格子として作用して、特定の偏向光のみを偏向させることができ、この偏向作用を利用して、導光体にホログラムを用いる技術が知られている。再生方式の相違により透過型と反射型ホログラムがある。
【０００５】例えば、（１）透明な導光体の出射面と拡散シートの間に空気層を介して透過型のホログラムシートを配置したもの（特開平１１－２９５７１３号）、（２）透明な導光体の出射面または出射面の反対面に、光源から到達する光量に応じて回折格子の面積密度を調整した透過型または反射型のホログラムを貼付したもの（特開平９－１２７８９４号）、（３）透明な導光体の出射面の反対面に、回折格子の格子間隔ｄを調整した反射型のホログラムを貼付したもの（特許第２８６５６１８号）などが知られている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記輝度向上シートを用いた場合、装置の構造が複雑になる。また、輝度向上シートのうち、レンズシートは、傷つき易いため取扱い性が悪く、かつ高価という問題がある。さらに、反射シートは、銀などの金属膜を蒸着した鏡面シートや白色の発泡ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）シートなどが用いられるが、鏡面シートは高輝度が得られるが、取扱い性、耐久性が悪く、高価という問題があり、発泡ＰＥＴシートは、取扱い性、耐久性はよいが、輝度が低くなるという問題があった。したがって、輝度向上シートを用いると、輝度が高く、かつ、低コストで構造が簡単な面照明装置を得られないという問題があった。
【０００７】一方、従来装置（１）は、ピーク輝度が得られるホログラムシートへの入射角度が４５～７５°と大きいために、導光体とホログラムシート間に空気層が存在すると反射率が高くなり、それだけ透過光量が低下し、明るい照明が得られない。例えば、屈折率１．６の樹脂シートを用いた場合、空気層から樹脂への入射角が４５から７５°のときの透過率は８７％から５６％である。
【０００８】また、従来装置（２）は、光源から到達する光量およびホログラム面への入射角度に応じて回折格子の面積密度を調整するため、ホログラムのパターン化に手間取るという問題があった。つまり、図３に示す光源４から導光体１２内に入った光は、出射面１２ａ上の光源４に近いＡ点では、導光体１２の反射面１２ｂでの反射なしに直接光が矢印方向に出射するのに対し、光源４から離れたＢ点では、光源４から直接Ｂ点に到達した光（実線）と、出射面１２ａおよび反射面１２ｂで反射を繰り返したのちＢ点に到達した光（破線）とが出射するために、出射光量だけでなく、出射角度もＡ点と大きく異なる。このように、出射面１２ａ上の場所により、光の履歴（何回反射して到達したか、直接到達したか）が複雑であり、この履歴を考慮して出射光量を均一にしなければならないので、ホログラムのパターン化が難しい。
【０００９】さらに、従来装置（３）は、回折光が、直接、略法線方向に偏向するように、または導光体内を伝播させるようにして、均一な光が得られるように、ホログラムの干渉パターンのピッチ（回折格子の格子間隔）ｄを調整する必要がある。このため、従来装置（２）と同様にホログラムのパターン化に手間取る。しかも、反射型のホログラムは、透過型のホログラムと異なって、原理上非常に格子間隔ｄが小さくなり、輝度を高くするために、略法線方向に光を偏向させる場合、さらに小さくなり、正確なホログラムの作製が困難である。
【００１０】すなわち、従来のホログラムを用いた面照明装置では、高輝度で場所的に均一な出射光を得るのが困難である。
【００１１】本発明は、上記の問題点を解決して、輝度が高く、かつ均一な光が得られ、さらに、低コストで構造が簡単な面照明装置を提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために、請求項１の面照明装置は、偏平板状の導光体と、その端面に対向して配設された棒状の光源とを備え、光源から導光体へ入射した光を散乱させ、導光体の出射面から照明光を出射するものであって、前記導光体は、透明なマトリックス材料の中にこれと屈折率の異なる粒子を混入させた光散乱材料からなり、出射面に光を任意の方向に偏向させるためのホログラム（透過型ホログラム）が一体形成されている。
【００１３】本発明は、導光体が透明なマトリックス材料の中にこれと屈折率の異なる粒子を混入させた光散乱材料からなるので、所定の散乱濃度（例えば、０．０３ｗｔ％）の導光体の場合、図２に示すように、ピーク輝度時において、導光体から出射される光がＳ波よりＰ波が多くなるという偏光性を示す。図２の横軸はホログラムへの入射角度である。フレネルの反射の法則からＳ波よりＰ波の方が透過率が高いことから、本発明にかかる導光体は、従来の透明な導光体に比較して輝度が高く、均一な光で明るい表示が可能となる。
【００１４】本発明では、以下のブラッグの条件を満足するように、干渉パターンのピッチｄと、導光体から出射させたい方向に向くようにθとを、使用する光源の波長に合わせて決定したホログラムが、導光体の出射面に一体形成される。
２ｄｓｉｎθ＝λここで、θは再生光（導光体から出射する光）の出射角度と、再生参照光（ホログラム面への入射光）の入射角度を二等分した角度である。実際には、光源の波長は赤、緑、青の波長であるため、それぞれに合致した干渉パターンのピッチｄで形成することになる。
【００１５】従来装置は、透明な導光体から出射された光をレンズシートで偏向させるが、レンズシートの基材に延伸したシートを使用しているので複屈折が生じ、導光体から出射されたＰ波が多い場合であっても、レンズシート通過後にその状態が解消されて、その分輝度が低くなってしまうが、本発明では、輝度が高く、均一な光が得られるので、レンズシートを用いる必要がないから、構造が簡単になり、低コスト化が図れる。
【００１６】また、上記の従来装置（１）は、導光体とホログラム面に空気層を介しているので、反射率が高くなり透過光量が低下し、明るい照明が得られないという問題があったが、本発明では、導光体にホログラムを一体形成しているから、反射率が高くならないので、透過光量が低下せず、明るい照明が得られる。なお、導光体にホログラムを一体形成せずに、導光体面にホログラムを接着する場合であっても、界面の屈折率を０．３以下にすることにより、同様の効果が得られる。
【００１７】請求項３の面照明装置は、偏平板状の導光体と、その端面に対向して配設された棒状の光源とを備え、光源から導光体へ入射した光を散乱させ、導光体の出射面から照明光を出射する面照明装置であって、前記導光体は、透明なマトリックス材料の中にその材料と屈折率の異なる粒子を混入させた光散乱材料からなり、出射面の反対面に光を任意の方向に偏向させるためのホログラム（反射型ホログラム）が一体形成され、該ホログラムで光が略正反射方向に反射される。
【００１８】導光体が透明なマトリックス材料の中にこれと屈折率の異なる粒子を混入させた光散乱材料からなるので、透明な材料のみで構成された導光体とは異なり、ホログラムへの入射角度が場所的に均一化される結果、ホログラムのパターンが単純化され、ホログラムの作製が容易になる。これを、本発明の実施形態を示す図１を用いて説明する。
【００１９】図１において、光源４から導光体２内に入った光は、矢印で示すように、散乱粒子１０のために散乱されながら伝播していくために、光源４から遠ざかった光が直接ホログラム入射面６ａに入射することがなくなり、ホログラム入射面６ａへの入射角度が場所的に均一化される。つまり、光は、導光体内部の散乱粒子によって散乱するために、光源４から遠い所まで直進できず、遠い所でも近い所と同程度の角度でホログラム入射面６ａに入る。しかも、Ｄで示すように反射しないで直接ホログラム入射面６ａに達する光の入射角度と、反射面８ａで正反射（入射角度と反射角度が等しい反射）したのちホログラム入射面６ａに達する光Ｅ，Ｆの入射角度とがほぼ同一になる。その結果、ホログラム入射面６ａへの入射角度が場所的にほぼ同一となる。このように、ホログラム入射面６ａへの入射角度が均一化されることは、どの部分の出射光の角度依存性を見ても似たような傾向であることからも分かる。このため、ホログラム６は、同じような入射角の光を同じ方向に偏向させるだけでよいので、設計が容易になる。
【００２０】また、光は散乱粒子１０のために散乱されるので、光源４に近い場所と遠い場所でのホログラム入射面６ａへの入射光量が均一化されるともに、図２を用いて先に説明したとおり、散乱粒子１０によって透過率の高いＰ波が強くなるので、輝度も高くなる。したがって、液晶の照明装置として、十分に高い輝度と光の均一性を有している。さらに、従来装置のように、略法線方向に光を偏向させる必要がなく、略正反射方向に反射させるだけでよいので、各波長を偏向させる角度が小さいために、色分散が少なくなり、色がつきにくいので、パターン化の難易度がさらに下がる。しかも、光が導光体内の光散乱材料で散乱するので、ぼけが生じ、一層色がつきにくくなる。
【００２１】導光体の出射面に光を所望の方向に偏向させるための透過型のホログラムを形成する方法として、例えば、導光体から出射させた光と、干渉させるための参照光とをフォトレジストまたはフォトポリマーに記録させるか、または、導光体を使用せずに、導光体から出る光の方向と同じ方向からのレーザ光を使用し、このレーザ光と、干渉させるためのレーザによる参照光とをフォトレジストまたはフォトポリマーに記録させる方法がある。
【００２２】本発明の反射型ホログラムも、上記の透過型のホログラムと同様に、ブラッグの条件を満足するような干渉パターンのピッチｄを決める必要がある。例えば、光散乱材料からなる導光体の出射面の反対面に反射シートを設置し、反射シートとして、拡散反射シートと鏡面シートを比較した場合、ピーク輝度は正反射する鏡面シートを用いた場合の方が１．３倍程度高い。これは光散乱材料からなる導光体から出射する光が指向性を有しており（導光体の表裏面から出射する光の分布は同じである）、その指向性を保ったまま、反射させればピーク輝度が低下することがないことを示している。したがって、本発明では、ホログラム面で光が略正反射するホログラムを形成するので、従来の正反射する鏡面シートと同じか、再入射時の反射がない分明るくなる。
【００２３】上記の反射型ホログラムを有する従来装置（２）、（３）では、ホログラムの干渉パターンを調整するため、パターン化に手間取るという問題があったが、本発明では、干渉パターン調整の必要性がなく、しかも、高い輝度と光の均一性を有しているから、従来のように、拡散シートやレンズシートを用いることがないので、輝度が高く、かつ低コストで構造が簡単な面照明装置を得ることができる。
【００２４】好ましくは、前記導光体の光源近傍の部分に、出射光の輝度むらをなくすように前記ホログラムと異なるホログラムが一体形成されている。例えば、光源（冷陰極管）の両端部の電極部分はほとんど発光しないため、電極部分に対向する導光体の両側部に対して、光源の明るさが不足する分、その側部の出射面の輝度が低くなり、出射光の輝度むらが生じる。従来は、側部に拡散シートを貼り付ける等、出射光量を補正する輝度斑対策を行っているが、小さな拡散シートの貼付作業が煩雑であり、また、貼付位置の誤りも生じやすかったが、本発明では、ホログラムにより光を拡散させて、この輝度むらを確実に解消することができる。
【００２５】請求項５の面照明装置は、請求項１または２記載のホログラムが前記導光体の出射面に形成され、請求項３または４記載のホログラムが該導光体の出射面の反対面または光源近傍の部分に形成されている。
【００２６】上記構成によれば、導光体の出射面に透過型ホログラムが形成され、出射面の反対面または光源近傍の部分に反射型ホログラムが形成されるので、輝度向上シートが不要となり、上記と同様に、輝度が高く、低コスト化で構造が簡単な面照明装置が得られる。
【００２７】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面にしたがって説明する。図１は本発明の一実施形態に係る面照明装置を示す。本装置は、楔形の導光体２と、その端面２ａに対向して長手方向に沿って配設された平行な光源４とを備えており、光源４から導光体２へ入射した光を散乱させ、導光体４の出射面２ｂから照明光を出射するものである。光源４はリフレクタ５で覆われており、光源４には例えば冷陰極管が用いられる。
【００２８】前記導光体２は、透明なマトリックス材料の中にこれと屈折率の異なる粒子（散乱粒子）を混入させた光散乱材料からなり、出射面２ｂに光を任意の方向に偏向させるための透過型ホログラム６が一体形成されている。また、導光体２における出射面２ｂと対向する反対面２ｃに光を任意の方向に偏向させるための反射型ホログラム８が一体形成され、該ホログラム８で光が略正反射方向に反射される。各ホログラム６，８における導光体２との境界面がホログラム入射面６ａ，８ａとなる。
【００２９】なお、この実施形態では、導光体２に楔形のものを用いているが、大型モニター用には、異なる光散乱性能を有する透明樹脂部分（非散乱領域）と、透明樹脂に微粒子を混入した部分（散乱領域）とを偏平板状に成形した導光体を用いてもよい。
【００３０】
【実施例】以下、実施例により本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら制限されるものではない。本発明にかかるホログラムの作製方法は、フォトレジストまたはサーモプラスチックなどの感光材料を使用し、表面の凹凸によるホログラムを作製する。具体的には、ガラス基板の上にフォトレジストを載せ、散乱材料からなる導光体から出射される光と参照光とをフォトレジスト面で干渉させ、凹凸形状のレリーフ型のレジストホログラムを作製する。ホログラムの露光においては、導光体から出射される光に両面＃６００の粒度の擦りガラスの透過光を用いてホログラムに拡散性をもたせる。
【００３１】つぎに、レジストホログラム表面に蒸着または無電解メッキなどにより、金薄膜や銀薄膜を形成し導電性を与える。この導電性薄膜を電極として電気ニッケルメッキによりレジストホログラムのレリーフに十分厚くニッケルメッキ層を形成し、これを剥がして仕上げたものをスタンパーとする。上記作製方法は、透過型ホログラムに適用されるが、反射型ホログラムの作製方法としては、例えば、透過型の場合と同様にスタンパーを作製し、射出成形などを利用して形成したホログラム面に、アルミニウム、銀などの反射材を蒸着などの方法で付着させるか、または、透過型とは反対の方向から参照光を入射させ、フォトレジストまたはフォトポリマーに記録させて反射型ホログラムを作製し、これを導光体に接着剤などで密着させる方法がある。
【００３２】作製したスタンパーを、射出成形機の金型に取り付け、射出成形することで、導光体の表裏面にホログラムを形成させる。または、スタンパーをプレス型に取り付け、加熱したシート上にホログラム面を形成させ、このシートを導光体の表裏面に接着剤で接着し作製することも可能である。
【００３３】また、上記作製方法のほかに、内面に刻線溝を切削加工した金型を用いて導光体と同時に成形してもよく、また導光体の出射面に刻線溝を直接切削加工により形成してもよい。
【００３４】導光体は、アクリル樹脂にシリコーン粒子を混ぜた散乱材料を用いて射出成形する。ノート型パソコンのバックライトのタイプは、シリコーン粒子４．５μｍ、濃度０．０１～０．０１ｗｔ％程度のものが使用される。大型モニター用のものは、上述した非散乱領域と散乱領域とを偏平板状に成形した２色導光体（特願平１０－１５１８３３号）を用い、散乱材料の濃度はシリコーン粒子４．５μｍ、濃度０．１５～０．３ｗｔ％程度のものが使用される。
【００３５】光源は冷陰極管、ＬＥＤが好ましく用いられる。いずれかに限定されるものではないが、ホログラムは波長選択性（ある特定の波長のみ回折すること）があるため、分光特性として広範囲のものは効率が良くない。
【００３６】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、輝度を高く、かつ低コストで構造が簡単な透過型または反射型のホログラムを用いた面照明装置が得られる。

【出願人】	【識別番号】０００２５１０６０【氏名又は名称】林テレンプ株式会社
【出願日】	平成１３年７月２３日（２００１．７．２３）
【代理人】	【識別番号】１０００８７９４１【弁理士】【氏名又は名称】杉本修司（外１名）
【公開番号】	特開２００２－１９７９１０（Ｐ２００２－１９７９１０Ａ）
【公開日】	平成１４年７月１２日（２００２．７．１２）
【出願番号】	特願２００１－２２１０６３（Ｐ２００１－２２１０６３）