JP6906914B2 - 波長選択素子、光源装置及び表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、波長選択素子、光源装置及び表示装置に関する。

特許文献１には、擬似白色発光素子と液晶表示素子の間に多層膜からなる反射フィルタが配置された液晶表示装置が開示されている。当該反射フィルタは、緑と赤の間の波長の光を透過する反射特性を有する多層膜を有している。これにより、液晶表示素子への入射光の色純度が向上するため、色再現性の良い画像を表示することができる液晶表示装置が提供されることが特許文献１に記載されている。

特開２００８−８５２３２号公報

しかしながら、ＩＴＵ（国際電気通信連合）によるＢＴ．２０２０規格の勧告等を背景として表示装置の色再現性の向上が求められている。そのため、表示装置に用いられる光源装置からの出射光の色純度を更に向上させることが課題となり得る。

本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであって、色純度を更に向上し得る波長選択素子並びにこれを用いた光源装置及び表示装置を提供することを目的とする。

本発明の一観点によれば、発光素子からの入射光を波長に応じて異なる透過率で透過させる波長選択素子であって、前記入射光が入射される受光面の少なくとも一部が、前記発光素子に向かって凹となる曲面形状を有することを特徴とする波長選択素子が提供される。

本発明の他の一観点によれば、少なくとも１つの発光素子と、前記少なくとも１つの発光素子からの入射光を波長に応じて異なる透過率で透過させる波長選択素子であって、前記入射光が入射される受光面の少なくとも一部が、前記発光素子に向かって凹となる曲面形状を有する波長選択素子とを有することを特徴とする光源装置が提供される。

本発明の他の一観点によれば、少なくとも１つの発光素子と、前記少なくとも１つの発光素子からの入射光を波長に応じて異なる透過率で透過させる波長選択素子であって、前記入射光が入射される受光面の少なくとも一部が、前記発光素子に向かって凹となる曲面形状を有する波長選択素子とを有する光源装置と、前記光源装置から射出された光を光源とする液晶パネルとを有することを特徴とする表示装置が提供される。

本発明によれば、色純度を更に向上し得る波長選択素子並びにこれを用いた光源装置及び表示装置が提供される。

誘電体多層膜の透過特性を示すグラフである。 第１実施形態に係る液晶表示装置の構成を示す概略図である。 第１実施形態に係る光源装置の平面図である。 第１実施形態に係る光源装置の断面図である。 第１実施形態に係る波長選択素子を透過する光の強度の一例を示すグラフである。 第２実施形態に係る光源装置の断面図である。 第３実施形態に係る光源装置の平面図である。 第３実施形態に係る光源装置の断面図である。 第３実施形態に係る光源装置の断面図である。

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。

［第１実施形態］
上述のように、特許文献１の液晶表示装置では、液晶パネルを背面から照明する光を高純色化するために、誘電体多層膜が用いられている。誘電体多層膜は、屈折率の異なる誘電体層が交互に積層された構造を有し、特定の波長を有する光を選択的に透過させる。図１は誘電体多層膜の透過特性の一例を示すグラフである。図１の横軸は入射光の波長を示しており、縦軸は透過率を示している。また、図１には、積層面の法線方向に対する入射光の角度が、０ｄｅｇ.、１５ｄｅｇ.、３０ｄｅｇ.、４５ｄｅｇ.の４つの場合における透過特性が示されている。

図１に示されている誘電体多層膜の透過特性は、積層面の法線方向（０ｄｅｇ.）から入射する光に対して、Ｒ（赤）／Ｇ（緑）／Ｂ（青）の３原色の波長が高い透過率となるように最適化されている。Ｒ／Ｇ／Ｂの３原色の波長をそれぞれ６１０／５３０／４７０（ｎｍ）とするとき、図１に実線で示されているように、Ｒ／Ｇ／Ｂの３原色に対応する波長が通過帯域となっており、透過率がいずれも８０％以上となっている。また、ＢとＧの間の４７０〜５３０（ｎｍ）及びＧとＲの間の５６０〜６１０（ｎｍ）の波長帯域において、透過率が極小となる阻止帯域が存在する。これにより、図１に示す誘電体多層膜は、３原色の光を高い透過率で透過させるとともに、３原色の中間の波長の光の大部分は減衰又は反射させることにより、入射光を３原色の波長に純色化させることができる。

しかしながら、図１に示されるように、誘電体多層膜には、入射角が積層面の法線方向に対して大きくなるにつれて透過特性が短波長側へシフトするという角度依存性がみられる。入射角に応じて、入射光が誘電体多層膜中を通過する光路長が変化するためである。このような透過特性の角度依存性により、図１に示される誘電体多層膜の透過特性は、積層面に対して大きな角度（＞１５ｄｅｇ.）から入射された光に対しては上述の最適化の条件を満たさなくなる。このように、誘電体多層膜に斜めから入射された光に対しては純色化が十分に行われない場合がある。本実施形態は、透過特性に角度依存性を有する誘電体多層膜等を採用した場合であっても色純度を更に向上し得る波長選択素子並びにこれを用いた光源装置及び表示装置を提供する。

図２は、第１実施形態に係る液晶表示装置の構成を示す概略図である。液晶表示装置は、液晶パネル１及びバックライトユニット２を備える。液晶パネル１とバックライトユニット２の間には、光拡散シート、プリズムシート等が更に設けられていてもよい。

液晶パネル１は、電極１０、液晶層１１、ガラス基板１２ａ、１２ｂ、カラーフィルタ１３、偏光板１４ａ、１４ｂを備える。一対のガラス基板１２ａ、１２ｂは、液晶層１１を挟んで対向する。ガラス基板１２ａ、１２ｂのうち、バックライトユニット２側のガラス基板１２ａには、複数の電極１０が設けられている。液晶表示装置の制御部（不図示）は、ガラス基板１２ａの複数の電極１０の間に電圧を印加することにより、液晶層１１内に液晶層１１と平行な電界を生成する。この電界が液晶分子を回転させることにより液晶表示装置の表示が制御される。

偏光板１４ａ、１４ｂは、ガラス基板１２ａ、１２ｂの外側の面にそれぞれ設けられている。偏光板１４ａ、１４ｂの偏光軸の向きは、バックライトユニット２から照明される光が、電極１０に電圧が印加されている場合に通過又は遮断されるように設定されている。例えば、図３に示す偏光板１４ａ、１４ｂの偏光軸の向きは、互いに直交するように構成される。

カラーフィルタ１３は、ガラス基板１２ｂと液晶層１１との間に設けられる。カラーフィルタ１３は、バックライトユニット２から照明される光のうち、Ｒ／Ｇ／Ｂの３原色のいずれかの波長帯域の光を通過させる。

バックライトユニット２は、エッジライト方式のバックライトである。バックライトユニット２は、導光板２１と、光源装置２２とを備える。光源装置２２は、導光板２１の端部に設けられており、液晶パネル１を照明する光を、導光板２１を介して供給する。エッジライト方式では、光源装置２２が導光板２１の端部に設けられているため、光源装置２２が占有する面積を小さくすることができ、バックライトユニット２を省スペース化することができる。バックライトユニット２の液晶パネル１と反対側には、導光板２１に供給された光を液晶パネル１に向けて反射する光反射シート等が更に設けられていてもよい。

なお、図２ではバックライトユニット２の方式としてエッジライト方式を例示しているが、液晶パネル１の背面に複数の光源装置を配列した直下型方式であってもよい。一部の光源装置のみを駆動することにより、コントラスト比を向上させることができる。

図３Ａ及び図３Ｂは、第１実施形態に係る光源装置２２の構成を示す概略図である。図３Ａは、光源装置２２を光が射出される面の法線方向から見た平面図である。図３Ｂは、図３ＡのＡ−Ａ’線における断面図である。光源装置２２は、波長選択素子２２２、基材２２３、発光素子２２４及びこれらを搭載する基板２２１を備える。発光素子２２４は、白色光を生成して射出する素子である。発光素子２２４は、例えば、青色発光ダイオード、蛍光体及びこれらを搭載するパッケージにより構成され得る。蛍光体には、ＹＡＧ（Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２）等を主成分とする材料が用いられ得る。青色発光ダイオードから射出された青色光の一部は、蛍光体により黄色光に変換される。発光素子２２４は、このようにして得られた青色光と黄色光とを混合して白色光として射出する。

基材２２３は、発光素子２２４を中心としてこれを覆うように形成された構造物である。基材２２３は、球体の一部である半球状の形状をなしている。基材２２３の材料には、ガラス、樹脂等の可視光を透過する材料が用いられ得る。波長選択素子２２２は、基材２２３の表面に設けられた膜状の部材である。波長選択素子２２２は、発光素子２２４からの入射光を波長に応じて異なる透過率で透過させる。基材２２３が発光素子２２４を中心とする半球状の形状を有するため、その表面に設けられた波長選択素子２２２は、半球面状、すなわち、発光素子２２４に向かって凹となる曲面形状の受光面を有する。また、波長選択素子２２２と発光素子２２４の間は基材２２３で充填されている。

波長選択素子２２２は、例えば、誘電体多層膜、コレステリック液晶膜等を用いて構成され得る。波長選択素子２２２の構造は、垂直に入射された光に対し、Ｒ／Ｇ／Ｂの３原色の波長が高い透過率となるように最適化されている。

発光素子２２４から射出された白色光は、基材２２３を透過して波長選択素子２２２に入射する。波長選択素子２２２は、発光素子２２４からの入射光を波長に応じて異なる透過率で透過させる。具体的には、波長選択素子２２２は、入射光をＲ／Ｇ／Ｂの３原色に分離する。これにより、光源装置２２は、３原色に純色化された光を射出することができる。

波長選択素子２２２が誘電体多層膜を用いて構成されている場合の構造の例を説明する。誘電体多層膜は、屈折率が互いに異なる複数の誘電体層が積層された構造となっている。より具体的には、誘電体多層膜は、高屈折率の誘電体膜と低屈折率の誘電体膜を交互に複数層積層した構造を有する。層間での反射により生じた反射光と入射光との干渉等の現象により、誘電体多層膜は、波長に応じて異なる透過率となる。誘電体膜の層数、各層の膜厚、屈折率を適宜設計することにより、所望の透過特性の誘電体多層膜を得ることができる。高屈折率の誘電体膜の例としては、例えばＴｉＯ_２、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ｔａ_２Ｏ_５が挙げられる。低屈折率の誘電体膜の例としては、例えばＳｉＯ_２、ＭｇＦ_２、ＣａＦ_２が挙げられる。これらの誘電体膜は、例えば、マグネトロンスパッタ法により形成することができる。

波長選択素子２２２がコレステリック液晶膜を用いて構成されている場合の構造の例を説明する。コレステリック液晶膜は、薄膜状に形成されたコレステリック液晶を含む１又は２以上の層で構成された膜である。コレステリック液晶は液晶分子がなす螺旋の方向及びピッチに応じて特定の波長かつ特定の円偏光の光を反射する。この性質により、例えば、左方向の円偏光の光を反射するコレステリック液晶層と、右方向の円偏光の光を反射するコレステリック液晶層とが積層された構造の積層膜は、波長選択素子２２２として機能し得る。また、同方向の円偏光を反射する２層のコレステリック液晶層の間に４分の１波長板が形成された構造の積層膜も、波長選択素子２２２として機能し得る。

図４は本実施形態に係る波長選択素子２２２を透過する光の強度の一例を示すグラフである。図４の横軸は入射光の波長を示しており、縦軸は任意単位(arb. units)による強度を示している。また、図４には、発光素子２２４から射出された光の法線方向に対する射出角度が０〜８０ｄｅｇの９つの場合における、波長選択素子２２２を透過する光の強度が示されている。本透過特性は、シミュレーションにより得られたものである。発光素子２２４はランバーシアン型の配光特性を有する点光源とした。また、波長選択素子２２２の形状は発光素子２２４の位置を中心とする半球面形状とした。

図４によれば、射出角度が０〜８０ｄｅｇのいずれの場合においても、強度の差はあるものの、ほぼ同じ波長帯域に通過帯域及び阻止帯域が存在することがわかる。より具体的には、赤、緑及び青の３原色に対応する波長帯域に通過帯域が存在し、赤と緑の間及び緑と青の間に対応する波長帯域に阻止帯域が存在する。

波長選択素子２２２は、発光素子２２４に向かって凹となる曲面形状を有する。そのため、図３Ｂに矢印で図示されるように、発光素子２２４から射出された光束は、射出角度によらず波長選択素子２２２の受光面に対して略垂直の角度で入射する。そのため、波長選択素子２２２を構成する誘電多層膜等の材料自体が図１に示すような角度依存性を有していたとしても、その影響は十分に低減される。そのため、波長選択素子２２２は、図４に示されるシミュレーション結果のようにいずれの角度に射出された光に対しても同じ波長帯域に通過帯域及び阻止帯域が存在する透過特性となる。したがって、当該波長選択素子２２２を含む光源装置２２から射出される光は、良好な色純度を有する。また、当該光源装置２２を光源とするバックライトユニット２を備えた表示装置は、良好な色再現性を有する。なお、略垂直とは、角度依存性による影響が十分に小さい角度範囲を指すものとし、例えば、図１から理解されるように角度依存性が小さい１５ｄｅｇ以下の範囲と規定し得る。

以上のように、本実施形態によれば、透過特性に角度依存性を有する誘電体多層膜等を採用した場合であっても色純度を更に向上し得る波長選択素子並びにこれを用いた光源装置及び表示装置が提供される。

また、本実施形態においては、波長選択素子２２２と発光素子２２４の間の光路が基材２２３で充填されている。ここで、基材２２３は、空気よりも屈折率が大きいガラス、樹脂等を主材料とし得るため、波長選択素子２２２の屈折率と基材２２３の屈折率の差を、波長選択素子２２２の屈折率と空気の屈折率との差よりも小さくすることができる。この場合、発光素子２２４から射出された光が波長選択素子２２２を通過するまでの光路をこれらと屈折率が近い基材２２３で充填することができるため、光路中の屈折率の変動を小さくすることができる。この構成により、基材２２３の部分が空気等の中空である場合と比べて光の伝搬効率が向上し得る。

なお、波長選択素子２２２及び基材２２３の形状は、半球面としたが、これらの形状は少なくとも発光素子２２４に向かって凹となる曲面形状を有していればよく、その他の曲面形状であってもよい。この場合、これらの形状が直線の場合に比べれば色純度を向上する効果が得られる。例えば、波長選択素子２２２の形状は、球面の一部を切り取って得られる形状、すなわち球面の一部であってもよい。

また、発光素子２２４の配光特性が異なる場合、例えば、垂直方向に指向性を有する配光特性の場合、垂直方向に射出される光束の割合が多くなるため、波長選択素子２２２及び基材２２３の形状は、半球面よりも扁平な形状の方がより好ましい場合もある。このとき、図３Ｂに示すＡ−Ａ’断面での波長選択素子２２２及び基材２２３の形状は半円形よりも扁平な形状、例えば半楕円形状となる。このように、波長選択素子２２２の受光面の曲面形状は発光素子２２４の配光特性に応じて定めることができる。

［第２実施形態］
第１実施形態においては、基材２２３は、波長選択素子２２２と発光素子２２４の間を充填している。これに対し、第２実施形態においては、第１実施形態の基材２２３に対応する基材２２５が膜状となっており、基材２２５と発光素子２２４の間が中空である点が第１実施形態と異なる。

図５は、光源装置２２の断面図であり、第１実施形態における図３Ｂに対応する図である。基材２２５は膜状の材料であるため、波長選択素子２２２と発光素子２２４の間に空隙が存在する。この空隙部は空気、窒素等の気体で満たされていてもよく、真空であってもよい。その他の構成は同様であるため説明を省略する。本実施形態の構成においても第１実施形態と同様に、色純度を更に向上し得る波長選択素子並びにこれを用いた光源装置及び表示装置が提供される。

また、本実施形態では、基材２２５が膜状であるため、まず平面状の基材２２５上に波長選択素子２２２に形成し、その後波長選択素子２２２が形成された基材２２５を曲面形状に曲げて成形するという工法により製造することが可能となる。このような工法を採用する利点について説明する。波長選択素子２２２を形成する工程において基材２２５が平面状である方が好ましい場合がある。例えば、波長選択素子２２２を形成する工程がマグネトロンスパッタ法等の真空装置を用いる工程である場合、基材２２５が平面である方が、波長選択素子２２２の厚さのばらつきを低減することができる。

なお、波長選択素子２２２に加えて基材２２５自体の屈折率をも利用して波長選択の機能を実現してもよい。言い換えると、基材２２５自体が波長選択素子２２２の一部であってもよい。また、図５では発光素子２２４に対して基材２２５の外側の面に波長選択素子２２２が形成されている。しかしながら、発光素子２２４に対して基材２２５の内側の面に波長選択素子２２２が形成されていてもよく、基材２２５の両面に波長選択素子２２２が形成されていてもよい。両面に形成される波長選択素子は、各々が異なる透過特性を有していてもよい。

［第３実施形態］
第１実施形態においては、基材２２３及び波長選択素子２２２の表面の曲面形状として半球面形状を例示している。これに対し、第３実施形態においては、発光素子２２４が複数個設けられており、更に第１実施形態の基材２２３に対応する基材２２７と波長選択素子２２６の表面が楕円体面形状となっている点が第１実施形態と異なる。また、本実施形態では、第２実施形態と同様に基材２２７が膜状であり、基材２２７と発光素子２２４の間は中空となっているものとするが、第１実施形態のように波長選択素子２２６と発光素子２２４の間の光路が基材２２７で充填されていてもよい。

図６Ａ、図６Ｂ及び図６Ｃは、第３実施形態に係る光源装置２２の構成を示す概略図である。図６Ａは、光源装置２２を光が射出される面の法線方向から見た平面図である。
図６Ｂは、図６ＡのＡ−Ａ’線における断面図であり、図６Ｃは、図６ＡのＢ−Ｂ’線における断面図である。本実施形態においては、基材２２７と波長選択素子２２６の表面が楕円体面形状を有しているため、図６Ａに示されるように、上面視において波長選択素子２２６は楕円の一部である半楕円形状である。また、Ａ−Ａ’線はこの楕円の短軸に対応し、Ｂ−Ｂ’線はこの楕円の長軸に対応する。

図６Ｂ及び図６Ｃに示されるように、本実施形態の光源装置２２はＢ−Ｂ’線に沿う向きに並ぶ２つの発光素子２２４を備える。この２つの光源装置から射出される光束を波長選択素子２２２に可能な限り垂直に近い角度で入射するように構成するため、基材２２７及び波長選択素子２２６の表面はＢ−Ｂ’線断面において半楕円面形状となっている。本実施形態によれば、発光素子２２４が複数個設けられている場合であっても、第１実施形態の場合と同様に、色純度を更に向上し得る波長選択素子並びにこれを用いた光源装置及び表示装置が提供される。

なお、３個以上の発光素子２２４がＢ−Ｂ’線に沿う向きに並ぶ構成となっている場合には、図６Ａに示す波長選択素子２２６の表面の楕円形状の長軸を発光素子２２４の個数に応じてより長く設計することで同様の効果が得られる。

［その他の実施形態］
上述の実施形態は、本発明を適用しうるいくつかの態様を例示したものに過ぎず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜修正や変形を行うことを妨げるものではない。

例えば、波長選択素子２２２の受光面が有する曲面形状は、上述の例には限定されず、例えば、円筒面の一部、楕円筒面の一部、輪環面（ドーナツ形状の表面）の一部等であってもよい。

また、当該受光面の曲面形状は一部に平面を含んでいてもよい。図４に示されるように、発光素子２２４の発光面に対して水平に近い方向に射出される光量は少ない。そのような光量の少ない方向については透過特性が変動したとしても影響が少ないため、当該方向に対応する波長選択素子２２２の受光面は平面であってもよい。

本発明が適用され得る液晶表示装置の構成は図２に示すものに限定されない。例えば、図２では、液晶層１１に平行な電界を生成させる構成となっているが、液晶層１１に垂直な電界を生成させる方式であってもよく、その場合、電極１０の配置は図２とは異なるものとなり得る。

本発明に用いられ得る発光素子は、複数の波長を含む光を射出し得るものであれば上述したものに限定されない。例えば、量子ドットを蛍光体に用いた発光素子であってもよく、有機電界発光素子や、複数色の発光ダイオードもしくはレーザーダイオードを組み合わせた発光素子であってもよい。

本発明に用いられ得る光源装置の基板２２１は、発光素子２２４を備える面に、光を吸収する材料が塗布されていてもよい。光を吸収する材料が塗布されていることで、波長選択素子２２２からの反射光が、再び波長選択素子２２２に異なる角度で入射することを抑制し、本発明の効果を高めることができる。

２２１ 基板
２２２ 波長選択素子
２２３ 基材
２２４ 発光素子

Claims (16)

1. 発光素子からの入射光を波長に従って、第１の透過率で透過する第１の波長選択膜と、
   前記第１の波長選択膜の上部に設けられた基材と、
   前記基材の上部に設けられ、前記基材からの前記入射光を波長に従って、前記第１の透過率と異なる第２の透過率で透過する第２の波長選択膜と、
   前記第１の波長選択膜の面のうちの前記発光素子に近い側の面に位置する受光面と、を有し、
   前記入射光が入射される前記受光面の少なくとも一部が、前記発光素子に向かって凹となる曲面形状を有することを特徴とする波長選択素子。
2. 前記曲面形状は、前記発光素子の配光特性に応じて定められていることを特徴とする請求項１に記載の波長選択素子。
3. 前記曲面形状は、前記発光素子から射出された光が前記受光面に対して略垂直に入射されるように定められていることを特徴とする請求項１又は２に記載の波長選択素子。
4. 前記第１の波長選択膜および前記第２の波長選択膜のうちの少なくとも１つの膜は、屈折率が互いに異なる複数の誘電体層が積層された誘電体多層膜を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の波長選択素子。
5. 前記第１の波長選択膜および前記第２の波長選択膜のうちの少なくとも１つの膜は、コレステリック液晶膜を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の波長選択素子。
6. 前記第１の波長選択膜は、前記第２の波長選択膜の光透過特性と異なる光透過特性を持つことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の波長選択素子。
7. 前記第１の波長選択膜は空気層を含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の波長選択素子。
8. 前記曲面形状は、球面の一部であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の波長選択素子。
9. 前記曲面形状は、楕円体面の一部であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の波長選択素子。
10. 前記発光素子からの前記入射光は、白色光であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の波長選択素子。
11. 赤、緑及び青の３原色に対応する波長帯域に通過帯域を有し、
    赤と緑の間及び緑と青の間に対応する波長帯域に阻止帯域を有する
    ことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の波長選択素子。
12. 少なくとも１つの発光素子と、
    前記少なくとも１つの発光素子からの入射光を波長に応じて異なる透過率で透過させる請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の波長選択素子と
    を有することを特徴とする光源装置。
13. 前記波長選択素子と前記発光素子の間が、基材で充填されていることを特徴とする請求項１２に記載の光源装置。
14. 前記波長選択素子の屈折率と前記基材の屈折率との差は、前記波長選択素子の屈折率と空気の屈折率との差よりも小さいことを特徴とする請求項１３に記載の光源装置。
15. 前記発光素子は、複数個であることを特徴とする請求項１２乃至１４のいずれか１項に記載の光源装置。
16. 請求項１２乃至１５のいずれか１項に記載の光源装置と、
    前記光源装置から射出された光を光源とする液晶パネルと
    を有することを特徴とする表示装置。

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