JP2002042528A

JP2002042528A - 面光源素子およびそれを用いた表示装置

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Publication number: JP2002042528A
Application number: JP2001123705A
Authority: JP
Inventors: Ikuo Onishi; 伊久雄大西; Katsuya Fujisawa; 克也藤澤; Isao Hamashima; 功浜島; Yoichi Hashimoto; 洋一橋本
Original assignee: Kuraray Co Ltd
Current assignee: Kuraray Co Ltd
Priority date: 2000-04-27
Filing date: 2001-04-23
Publication date: 2002-02-08
Anticipated expiration: 2021-04-23
Also published as: JP4566441B2

Abstract

(57)【要約】【課題】光の利用効率が高く正面方向の輝度が高い面
光源素子を提供することを目的とする。また、この面光
源素子を利用した、正面方向に高い輝度を有する表示装
置を提供することを目的とする。【解決手段】光源２と、リフレクタ８と、リフレクタ
８で反射された光源からの光が少なくとも一つの端面１
から入射される導光体３と、出射面からの光を出射面の
正面方向に向かわせるための、少なくとも一部に曲面を
有する複数の凸部７が導光体３と対向する面に設けられ
た出射光制御板４とを備え、該出射光制御板４が該凸部
７の頂部で導光体３の出射面と密着してなる面光源素子
において、該凸部７の、光の進行方向および出射光制御
板の法線方向に平行な、該凸部７の断面形状を表す関数
のうち光源とは反対側の面を表す部分の１次微分の絶対
値の最大値が１以上３以下であることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、パーソナルコンピ
ュータ、コンピュータ用モニタ、ビデオカメラ、テレビ
受信機、カーナビゲーションシステム、広告用看板など
に利用される面光源素子およびこれを用いた直視型の表
示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】液晶パネル、広告用看板等に代表される
透過型表示装置は、面状に光を発する面光源素子（バッ
クライト）と画像情報を与える表示パネルとで構成さ
れ、該表示パネルが与えた画像情報により光の透過率が
コントロールされることによって文字および映像が表示
される。バックライトとしては、ハロゲンランプ、反射
板、レンズ等が組み合わされて出射光の輝度の分布が制
御されるもの、蛍光管が導光体の端面に設けられ、蛍光
管からの光が端面と垂直な面から出射されるもの、蛍光
管が導光体の内部に設けられたもの（直下型）などが挙
げられる。ハロゲンランプを利用したバックライトは、
高輝度を必要とする液晶プロジェクタに主に用いられ
る。一方、導光体を利用したバックライトは薄型化が可
能であるため、直視型の液晶ＴＶ、パーソナルコンピュ
ータのディスプレイなどに用いられることが多い。また
直下型のバックライトは構造が単純なため大型の広告用
看板などに用いられることが多い。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】液晶ＴＶ、ノートパソ
コンなどに用いられるバックライトでは、消費電力を軽
減すること、および高輝度であることが要求されてい
る。高輝度化を実現することは、冷陰極管などの光源を
増やすことで可能であるが、この方法は消費電力の増加
につながるため実用的ではない。そこで図１３に示すよ
うな、光源、導光体およびマイクロプリズムアレイを用
いた面光源素子が提案されている（ＵＳＰ５，３９６，
３５０号参照）。しかし、この中に記載されているプリ
ズムアレイは平面で構成されているため、角度分布に偏
りが生じ、十分な特性を得ることができない。またプリ
ズムアレイとは反対側の面にマイクロレンズアレイを設
けた構成では、角度分布の偏りがなく正面方向の輝度を
向上させることができるが、プリズムとレンズの位置関
係を正確に設定することが必要となる。レンズをプリズ
ムに対して正確に配置することは、プリズムアレイの間
隔が大きい場合には対応可能であるが、プリズムアレイ
の間隔が小さくなった場合にはマイクロレンズとの位置
合わせが困難になり、生産性を低下させコストアップの
原因となる。したがって、上記のように、反射面が平面
のプリズムアレイを用いたのでは、光の利用効率が高く
正面方向の輝度の高い面光源素子を得るのが困難である
という問題があった。

【０００４】また、図１３のプリズムアレイにおいて、
光源が導光体端面の片方にのみに設けられる場合には、
プリズムの片方の斜面しか利用していないため、もう一
方の斜面は不要となり、その領域が有効に活用されない
ことから光の利用効率が低く、高輝度な面光源素子が得
られない。

【０００５】一方、端部の光源から入射された光を平面
方向に送る第１導光体と、第１導光体と対向する面に曲
面を持つ複数の凸部を有する第２導光体とを備え、第１
導光体からの光を第２導光体の透過方向に向かわせるバ
ックライト装置が提案されている（特開平８−２２１０
１３号参照）。しかし、この曲面を有するバックライト
装置は、凸部の曲面の傾き、特に曲面の底部から立ち上
がり部分の傾きが大きいことから、（例えば、凸部が短
軸と長軸の比が略１：２の楕円形状）、第２導光体への
入射光のうち、光源側に反射される光の割合が大きくな
り、正面方向の輝度が低下するという問題があった。

【０００６】本発明は、上記の課題に鑑みてなされたも
ので、光の利用効率が高く正面方向の輝度の高い面光源
素子を提供することを目的とする。また、本発明は、こ
の面光源素子を利用した、高い輝度を有する表示装置を
提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決する本
発明の面光源素子は、光源と、リフレクタと、リフレク
タで反射された光源からの光が少なくとも一つの端面か
ら入射される導光体と、出射面からの光を出射面の正面
方向に向かわせるための、少なくとも一部に曲面を有す
る複数の凸部が導光体と対向する面に設けられた出射光
制御板とを備え、該出射光制御板が凸部の頂部で導光体
の出射面と密着してなる面光源素子において、光の進行
方向および出射光制御板の法線方向に平行な、該凸部の
断面形状を表す関数のうち光源とは反対側の面を表す部
分の１次微分の絶対値の最大値が１以上３以下であるこ
とを特徴としている。ここで光の進行方向は、導光体の
出射面に平行で、かつ光源の発光面（光源の発光面と
は、例えば図１に示すような円筒状の蛍光管が光源の場
合はその外周部である。）に垂直な方向である。

【０００８】この構成によれば、凸部の断面形状を表す
関数のうち光源とは反対側の面を表す部分の１次微分の
絶対値の最大値を１以上３以下とすることにおより、正
面方向の輝度を向上させるから、光の利用効率が高く正
面方向の輝度の高い面光源素子を得ることができる。

【０００９】好ましくは、該凸部の断面形状を表す関数
のうち光源とは反対側の面を表す部分の２次微分値が、
該部分の光の進行方向と平行な方向の長さを単位長さと
したときに、−１０〜２０［１／単位長さ］の間にあ
る。好ましくは、該凸部の断面形状を表す関数が変曲点
を有する。

【００１０】さらに好ましくは、該凸部の軸が出射光制
御板の法線方向に対して傾斜しており、該凸部の軸と光
の進行方向とがなす角が鋭角である。ここで、凸部の軸
とは、光の進行方向および出射光制御板の法線方向に平
行な凸部の断面形状を表す関数が略偶関数であるように
設定された座標系のＹ軸のことである。この構成によれ
ば、出射光制御板凸部の個数を増やして、輝度増加がは
かれる。

【００１１】本発明の面光源素子を用いた表示装置は、
上記面光源素子と、透過型表示素子（液晶表示素子）、
印刷フィルムおよび散乱機能を有する成形体を組合わせ
ることにより、正面方向の輝度が高い表示装置を得るこ
とが出来る。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１に本発明にかかる面光源素子
の第１の実施形態の概略構成図を示す。この面光源素子
は、端面１側に光源２が設けられた導光体３と、導光体
３から出射された光の出射角度の分布を制御する出射光
制御板４から成っている。出射光制御板４は導光体３上
に配置され、入射面５に入射した光が出射面６から出射
される。出射光制御板４の入射面には多数の凸部７が形
成されており、この凸部７の導光体側先端と導光体３の
出射面とが密着している。これら両者は、図示していな
い接着層または粘着層を介して密着させることができ
る。この例における凸部は１次元パターンであり、光源
が配置されている側の導光体端面１と平行になるように
凸部の稜線が配置されている。光源２の周囲には、導光
体端面１側と反対方向に進む光を反射し、導光体端面側
１に進行させるリフレクタ８が設けられている。

【００１３】光源２から導光体端面１へ入射した光は導
光体３内を全反射を繰り返し伝播していく。この伝搬光
が導光体３の出射面と出射光制御板４の凸部７との密着
部から出射光制御板４に取り込まれる。これにより、導
光体３内を伝搬する光は密着部から順次、出射光制御板
４に取り出され、取り出された光は出射光制御板４の凸
部７内で全反射されながら出射される。

【００１４】本発明者らは各種形状の凸部を有する出射
光制御板について鋭意検討した結果、光線の進行方向お
よび出射光制御板の法線方向に平行な、凸部の断面形状
を表す関数の１次微分の絶対値の最大値が１から３の間
にある場合に正面方向の輝度向上が図られることを見出
した。図２〜図４は、出射光制御板が有する凸部の断面
形状を表す関数、その１次微分および２次微分の値、輝
度分布計算結果の一例をそれぞれ示す。図２において横
軸は座標（ａ．ｕ．）、縦軸は高さ（ａ．ｕ．）、図３
において、横軸は座標（ａ．ｕ．）、縦軸は１次微分値
（無次元）、および２次微分値（１／ａ．ｕ．）、図４
において、横軸は出射角度（ｄｅｇ）、縦軸は輝度
（ａ．ｕ．）である。各図において、（ａ）〜（ｃ）は
本発明にかかる凸部の断面形状のパターンについて、
（ｄ）は従来の凸部の断面形状のパターンについてのデ
ータを示す。

【００１５】凸部の断面形状の１次微分および２次微分
は、以下の手順にて求めることができる。まず、凸部を
稜線方向と垂直に切断し、この断面を顕微鏡などで拡大
撮影する。つぎに、単位長さ（ａ．ｕ．）を１０点以上
で等間隔に分割し、各座標（Ｘｉ）に対する高さ（Ｙ
ｉ）を求める。ついで、これらを単位長さで、Ｘｉ’＝Ｘｉ／ａ．ｕ．Ｙｉ’＝Ｙｉ／ａ．ｕ．の規格化を行う。その後、このデータ列に対して３次の
スプライン補間を行うことで凸部の形状を表す関数を求
め、この関数の１次微分および２次微分を得ることがで
きる。本発明における出射光制御板が有する凸部の断面
形状を表す関数、その１次微分および２次微分の一例を
それぞれ図２（ａ）〜（ｃ）に示す。

【００１６】図３（ｄ）の従来における凸部の断面のよ
うに、１次微分の絶対値の最大値が３より大きく、凸部
斜面Ａの傾きが大きくなると、図５に示すように、出射
光制御板への入射光のうち、光源側に反射される光の割
合が大きくなり、正面方向の輝度が低下する。また１よ
り小さく、凸部斜面Ａの傾きが小さい場合には、図６に
示すように光源とは反対側に反射される光の割合が大き
くなるため、同様に正面方向の輝度が低下する。また、
各種凸部形状について検討したところ、凸部の断面形状
を表す関数のうち光源とは反対側の面を表す部分の２次
微分値は、該部分の光の進行方向と平行な方向の長さを
単位長さとしたとき、−１０〜２０［１／単位長さ］の
間にあることが高い正面方向の輝度を得る点で有効であ
ることがわかった。

【００１７】図４の輝度分布計算に示すように、図４
（ａ）〜（ｃ）の本発明にかかる凸部の断面形状のもの
は、図４（ｄ）の従来の凸部の断面形状のものに比較し
て、光の利用効率が高く、正面方向の輝度が高い面光源
素子が得られる。

【００１８】さらに、本発明者らは凸部の断面形状を表
す関数のうち光源とは反対側の面を表す部分が変曲点を
有することで、より正面方向の輝度の向上が図られるこ
とを見出した。図７（ａ）〜（ｃ）は、変曲点を有する
凸部の断面形状を表す関数、その１次微分および２次微
分の一例を示す。その原理について図８を用いて説明す
る。一般に、凸部の裾部には大きな角度で入射した光が
到達する。図８（ａ）に示すように、凸部の断面形状を
表す関数が変曲点を有しない場合、凸部周辺の傾きが大
きくなるため、光源側に反射され正面方向の輝度が低下
する。これに対し、図８（ｂ）に示すように、凸部の断
面形状を表す関数が変曲点を有する場合は、凸部の裾部
での傾きが緩やかになるため、大きな角度で入射したと
きでも正面方向に光を出射させることが可能である。

【００１９】本発明の面光源素子に用いる導光体として
は、アクリル樹脂（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート樹脂
（ＰＣ）、ポリスチレン樹脂（ＰＳ）等の透明性に優れ
た樹脂またはガラスを所定の形状に加工したものを用い
ることができる。なかでもアクリル樹脂を用いるのが軽
量性、透明性の点で好ましい。加工方法としては、押出
し板若しくはキャスト板から切り出す方法または加熱プ
レス、射出成形等の溶融成形法などが好適に用いられ
る。

【００２０】また、出射光制御板の表面形状は、スタン
パまたは雌金型などを用いて、熱プレス法、紫外線硬化
による２Ｐ法、熱硬化によるキャスト法、射出成形法等
によって透明な基材上に形成することができる。該透明
な基材としては、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹
脂、ポリスチレン樹脂等の樹脂またはガラスが用いられ
る。出射光制御板の作製に用いるスタンパは、例えばガ
ラス基板上にネガ型あるいはポジ型の感光性樹脂をコー
ティングし、この感光性樹脂をフォトマスクを介して露
光し、現像後、電鋳を行うことにより作製することがで
きるし、切削によって作製することもできる。出射光制
御板は板状である必要はなく、フィルム状であってもよ
い。

【００２１】また、本発明の出射光制御板が備えた凸部
は、図１で示した１次元的配置のレンチキュラーレンズ
の様なパターンばかりでなく２次元的配置のレンズアレ
イタイプでもよい。出射光制御板の光出射面にマイクロ
レンズアレイが設けられていても良い。上記の出射光制
御板と導光体の貼付けには、紫外線硬化型接着剤、ホッ
トメルト接着剤等の接着剤、粘着材および両面テープな
どのうち、透明性に優れるものを選択して用いることが
できる。また、出射光制御板と導光体はポリエチレンテ
レフタレート（ＰＥＴ）、セルローストリアセテート
（ＴＡＣ）、ＰＭＭＡ、ＰＣ等透明性に優れる樹脂フィ
ルムを介して張り合わせることもできる。

【００２２】図９に本発明にかかる面光源素子の第２実
施形態の概略構成図を示す。この面光源素子は、第１実
施形態と異なり、導光体３に端面１側の片側のみに光源
２が設けられており、また、凸部７が、図１１に示すよ
うに凸部斜面Ａと凸部斜面Ｂのように各斜面の形状が互
いに異なっている。その他の構成は第１実施形態と同様
である。

【００２３】図９に示す第２実施形態の面光源素子で
は、端面から入射した光は導光体３内部を全反射を繰返
し伝搬していく。この光は導光体の出射面と出射光制御
板凸部との密着部から出射光制御板の内部に進入し、出
射光制御板凸部の入射端面と対向する凸部斜面Ａで全反
射し、出射する（図１０参照）。しかし、従来の面光源
素子は、凸部斜面Ａしか利用していないため、もう一方
の凸部斜面Ｂは不要となり、その領域が有効に活用され
ないことから光の利用率が低く高輝度な面光源素子が得
られない。

【００２４】第２実施形態の面光源素子は、出射光制御
板凸部の入射端面側の凸部斜面Ｂを利用していないこと
に着目し、この凸部斜面Ｂの割合を減らすことで、凸部
の個数を増やし、輝度増加を図った。図１１に第２実施
形態の面光源素子の拡大断面図を示す。第２実施形態で
は凸部の軸を出射光制御板の法線に対し傾けることで、
凸部斜面Ｂの割合を減少させている。また、この際の傾
き方向は、光の進行方向と凸部の軸とがなす角度が鋭角
となる方向である。

【００２５】第２実施形態の出射光制御板の作製プロセ
スの一例を図１２に示す。先ずガラス基板上にポジ型感
光性樹脂を膜厚が均一になるように塗布し、感光性樹脂
層の上に透過および遮光機能を有するマスクを置き、斜
め方向から紫外線を照射する。ガラス基板を現像した
後、熱処理を行うことで断面形状が放物線状で、かつ軸
が傾斜した凹凸パターンが得られる。このパターンから
ニッケル電鋳によりスタンパを作製する。この後、基材
となるポリエチレンテレフタレートフィルム上にアクリ
ル系の紫外線硬化型樹脂を塗布し、スタンパに押し当て
た後、フィルム側から紫外線照射により成形することで
目的の出射光制御板が得られる。この後、導光体の片面
に透明な接着剤を塗布し、出射光制御板を貼り付け、光
源およびリフレクタを取り付けることで、第２実施形態
の面光源素子が得られる。この面光源素子は、凸部の軸
を傾けていないものに対し、高輝度な面光源素子となっ
ている。

【００２６】上記の通り説明した面光源素子を用い、そ
の出射面に透過型の表示素子を設けることで、直視型の
表示装置を構成することができる。この透過型表示素子
としては、ＳＴＮ、ＴＦＴ、ＭＩＮＩなどの液晶パネル
が挙げられる。また、透過型の表示素子の代わりに、透
明または乳半フィルム上に印刷を施した印刷フィルム、
あるいは着色プラスチックの成形品等を用いて、広告看
板、情報掲示板等の表あ示装置を構成することができ
る。

【００２７】

【発明の効果】本発明によれば、光の利用効率が高く正
面方向の輝度が高い面光源素子を得ることができる。こ
の面光源素子を利用した表示装置は正面方向に高い輝度
を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の面光源素子の第１実施形態を示す概略
構成図である。

【図２】（ａ）〜（ｃ）は第１実施形態の出射光制御板
が有する凸部の断面形状を表す関数、（ｄ）は従来の凸
部の断面形状を表す関数の一例を示す特性図である。

【図３】（ａ）〜（ｃ）は第２図の（ａ）〜（ｃ）の関
数、（ｄ）は第２図の（ｄ）の関数のそれぞれ１次微分
関数および２次微分関数の一例を示す特性図である。

【図４】（ａ）〜（ｃ）は第２図の（ａ）〜（ｃ）の関
数、（ｄ）は第２図の（ｄ）の関数のそれぞれ輝度分布
計算結果の一例を示す特性図である。

【図５】凸部傾きが大きい場合の光線の進行方向を示す
図である。

【図６】凸部傾きが小さい場合の光線の進行方向を示す
図である。

【図７】（ａ）は出射光制御板における変曲点を有する
凸部の断面形状を表す関数、（ｂ）はその１次微分関
数、（ｃ）は２次微分関数を示す特性図である。

【図８】凸部の断面形状を表す関数が変曲点を有するこ
とによる特性向上の説明図である。

【図９】本発明の面光源素子の第２実施形態を示す概略
構成図である。

【図１０】出射光制御板の機能を説明する図である。

【図１１】第２実施形態の出射光制御板を示す拡大断面
図である。

【図１２】第２実施形態の出射光制御板の作製プロセス
を示す概略図である。

【図１３】従来の面光源素子の構成を示す概略構成図で
ある。

【符号の説明】

２…光源、３…導光体、４…出射光制御板、７…凸部、
８…リフレクタ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｇ０９Ｆ 9/00 ３３６Ｇ０９Ｆ 9/00 ３３６Ｊ // Ｆ２１Ｙ 103:00 Ｆ２１Ｙ 103:00 (72)発明者橋本洋一広島県広島市西区鈴が峯町38−１−304 Ｆターム(参考） 2H042 BA04 BA15 BA20 2H091 FA23Z FA28Z FA29Z FA41Z FD06 LA30 5G435 AA03 BB12 BB15 DD13 EE27 FF02 FF06 FF08 GG02 GG03 GG24

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源と、リフレクタと、リフレクタで反
射された光源からの光が少なくとも一つの端面から入射
される導光体と、出射面からの光を出射面の正面方向に
向かわせるための、少なくとも一部に曲面を有する複数
の凸部が導光体と対向する面に設けられた出射光制御板
とを備え、該出射光制御板が凸部の頂部で導光体の出射
面と密着してなる面光源素子において、光の進行方向お
よび出射光制御板の法線方向に平行な、該凸部の断面形
状を表す関数のうち光源とは反対側の面を表す部分の１
次微分の絶対値の最大値が１以上３以下である面光源素
子。
【請求項２】該凸部の断面形状を表す関数のうち光源
とは反対側の面を表す部分の２次微分値が、該部分の光
の進行方向と平行な方向の長さを単位長さとしたとき
に、−１０〜２０［１／単位長さ］の間にある請求項１
に記載の面光源素子。
【請求項３】該凸部の断面形状を表す関数のうち光源
とは反対側の面を表す部分が変曲点を有する請求項２に
記載の面光源素子。
【請求項４】該凸部の軸が出射光制御板の法線方向に
対し傾斜しており、該凸部の軸と光の進行方向とがなす
角が鋭角である請求項１〜３のいずれか1項に記載の面
光源素子。
【請求項５】請求項１〜３のいずれか１項に記載の面
光源素子の発光面上に透過型表示素子を設けてなる表示
装置。
【請求項６】透過型表示素子が液晶表示素子である請
求項１３に記載の表示装置。
【請求項７】請求項１〜３のいずれか１項に記載の面
光源素子の発光面上に印刷フィルムを設けてなる表示装
置。
【請求項８】請求項１〜３のいずれか１項に記載の面
光源素子の発光面上に散乱機能を有する成形体を設けて
なる表示装置。