JP2004038061A - 照明用導光素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】光の利用効率が高く、大きさの制約が少なく、均一に照明することが可能であるとともに、照明対象物からの反射光に混入する光が少ない照明用の導光素子を提供する。
【解決手段】プリズム状の凸部が繰り返し形成された上面（２１）と平面の下面（２２）を有し、内部を進む光を各凸部で反射して下面より出射させる導光素子（２０）において、凸部を、光の下流側から順に、光の進行方向に沿って下降する第１の表面（２３ａ）と、上昇する第２の表面（２３ｂ）と、上昇する第３の表面（２３ｃ）を有する形状とする。第１の表面で下面より出射する光を生じさせ、第２の表面で光の進行を継続させ、第３の表面で第１の表面を透過した光を再入射させる。
【選択図】 図３
【解決手段】プリズム状の凸部が繰り返し形成された上面（２１）と平面の下面（２２）を有し、内部を進む光を各凸部で反射して下面より出射させる導光素子（２０）において、凸部を、光の下流側から順に、光の進行方向に沿って下降する第１の表面（２３ａ）と、上昇する第２の表面（２３ｂ）と、上昇する第３の表面（２３ｃ）を有する形状とする。第１の表面で下面より出射する光を生じさせ、第２の表面で光の進行を継続させ、第３の表面で第１の表面を透過した光を再入射させる。
【選択図】 図３
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、対向する２つの表面で全反射して光を導きながら、一方の表面より出射させる照明用の導光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
携帯電話や携帯情報端末（ＰＤＡ）の普及に伴い、低消費電力で表示品位の高い映像表示装置が望まれており、これを満たす表示素子として、反射型液晶表示器が多用されている。反射型液晶表示器は、明所では、外光を照明光として利用するため、照明用の光源を必要とせず、電力消費が抑えられる。一方、暗所では、視認性向上のために照明する必要があるが、反射型であるという構造上、観察者側から照明するフロントライト照明装置が用いられる。
【０００３】
薄型化のために、フロントライト照明装置は、光源と面状導光素子とで構成するのが一般的である。面状導光素子は、液晶表示器の前面に配置され、光源からの光を、端部より入射させて内部を進行させながら、一方の表面より少しずつ出射させて、液晶表示器に導く。光源としては棒状の冷陰極管が用いられてきたが、電力消費の低減と軽量化のために発光ダイオードを用い、線状導光素子と組み合わせることが行われている。線状導光素子は面状導光素子の端面に対向して配置され、面状導光素子と同様に機能して、発光ダイオードからの光を面状導光素子に与える。
【０００４】
従来の導光素子の構成を図１４に示す。この導光素子８０は、端面９４より入射した光を、上面９１と下面９２とで全反射することにより他の端面９５に向けて内部を進行させ、その間に少しずつ下面９２を透過させて出射させる。全反射による進行と下面９２からの部分的な出射を両立させるために、上面９１にはプリズム状の凸部９３が繰り返し形成されている。凸部９３は２つの表面９３ａ、９３ｂを有する。表面９３ｂは、光の進行方向に沿って上昇しており、入射した光を下面９２への入射角が臨界角以上になる方向に反射する。一方、表面９３ａは、光の進行方向に沿って下降しており、入射した光を下面９２への入射角が臨界角未満になる方向に反射する。
【０００５】
表面９３ａに対する光の入射角は小さく、表面９３ａに入射する光の一部にはこれを透過して失われるものもある。この光の損失を低減するために、表面９３ａを透過した光を再入射させるようにした導光素子も提案されている。
【０００６】
その構成を図１５に示す。この導光素子９０は、上面９１に形成されているプリズム状の凸部９３が、３つの表面９３ａ、９３ｂ、９３ｃを有する。表面９３ａは、下面９２への入射角が臨界角未満になる方向に光を反射し、表面９３ｂは、下面９２への入射角が臨界角以上になる方向に光を反射する。表面９３ａを透過した光は、隣の凸部の表面９３ｃに入射し、表面９３ｃを透過して導光素子９０に再入射する。多くの光を再入射させるために、表面９３ｃの高低差は表面９３ａの高低差よりも大きく設定されている。
【０００７】
導光素子８０、９０は、幅を大きくすることにより面状となり、幅を小さくすることにより線状となる。面状とした導光素子８０、９０は、下面９２を反射型液晶表示器に向けて配置する。液晶表示器は下面９２から出射した光を反射しつつ変調して映像を表す光とし、この映像光は導光素子８０、９０の下面９２と上面９１を透過して観察者に達する。線状とした導光素子８０、９０は、下面９２を面状導光素子の端面９４に向けて配置する。下面９２から出射した光を、面状導光素子の幅全体にわたって入射させることができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来の導光素子８０、９０には、照明への光の利用効率が低くなったり、均一な照明ができなくなったりするという問題がある。また、均一な照明ができなくなるだけでなく、光の進行方向についてある程度の距離範囲までしか照明できないという限界も生じる。
【０００９】
導光素子８０では、導光のための表面９３ｂが光の進行方向に沿って上昇しているため、下面９２に対する光の入射角は表面９３ｂによって反射されるごとに大きくなっていく。したがって、上流側では表面９３ａに入射する光が多く、下流側では表面９３ａに入射する光が少なくなって、下面９２から出射する光の量も上流側で多く下流側で少なくなり、均一な照明ができなくなる。また、内部をある程度進んだ段階で、光は上面９１や下面に９２に入射しなくなり、導光素子８０の長さに限界が生じる。上面９１や下面に９２に入射しなくなった光は、下流側の端面９５より出射して、失われてしまう。
【００１０】
一方、導光素子９０では、表面９３ａよりも表面９３ｃの高低差を大きくしたことにより、必然的に、導光のための表面９３ｂが光の進行方向に沿って下降している。このため、下面９２に対する光の入射角は表面９３ｂによって反射されるごとに小さくなっていく。したがって、表面９３ｂに対する入射角も小さくなっていき、光は内部をある程度進んだ段階で表面９３ｂを透過して失われるようになる。つまり、導光素子９０においても長さに限界がある。
【００１１】
しかも、反射型液晶表示器の前面に配置する場合、表面９３ｂを透過した光は、映像光に混入することになり、映像光との角度差が小さいため映像光と共に観察者の眼に達して、提供する映像の品位を著しく低下させる。表面９３ａを透過した光を再入射させる表面９３ｃを設けることは、光の利用効率の向上を図るという点では好ましいが、映像の品位を大きく低下させる結果となるのでは、むしろ表面９３ｃを設けない方がよいといえる。
【００１２】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、光の利用効率が高く、大きさの制約が少なく、均一に照明することが可能であるとともに、照明対象物からの反射光に混入する光が少ない導光素子を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、プリズム状の凸部が繰り返し形成された上面と、上面に対向する下面とを有し、内部に入射した光を、上面と下面で全反射して凸部の繰り返しの方向に進行させながら、各凸部の一部位で下面を透過するように反射して、下面より出射した光を照明用の光とする導光素子であって、各凸部が、光の下流側から順に、上流側から下流側に下降する第１の表面と、上流側から下流側に上昇する第２の表面と、上流側から下流側に上昇する第３の表面とを有して、第１の表面で下面を透過する方向に光を反射し、第２の表面で下面によって全反射される方向に光を反射し、第３の表面で隣の凸部の第１の表面を透過した光を再入射させるものにおいて、第２の表面が第３の表面よりも小さな傾斜で上流側から下流側に上昇している構成とする。
【００１４】
この導光素子は、下面から光を出射させるための第１の表面を透過した光を、第３の表面から再入射させるため、光の損失が抑えられる。しかも、導光のための第２の表面は、光の進行方向に沿って下降するのではなく上昇するため、第２の表面への光の入射角は次第に大きくなり、第２の表面を透過して照明対象物からの反射光に混入する光は生じない。第３の表面の高低差は第１の表面の高低差よりも小さく、第２の表面が下降する従来の構成に比べて第３の表面から再入射する光は少なくなるが、面状導光素子として反射型表示器の照明に用いる場合でも、提供する映像の品位を低下させるおそれがない。
【００１５】
ここで、第３の表面が凸部の繰り返しの方向に対して成す角は、４０゜以上かつ５０゜以下とするとよい。光の再入射のための第３の表面をこのように設定すると、再入射した光を、第３の表面を透過しない他の光と同様の角度で第１の表面や下面に導くことができて、照明に効率よく利用することができる。また、後述のように、光の下流側の端部に反射部材を備える構成とするときは、反射部材によって反射された光を、第３の表面によって下面を透過する方向に反射することが可能になり、光を一層効率よく照明に利用することができる。
【００１６】
前記目的を達成するために、本発明ではまた、プリズム状の凸部が繰り返し形成された上面と、上面に対向する下面とを有し、内部に入射した光を、上面と下面で全反射して凸部の繰り返しの方向に進行させながら、各凸部の一部位で下面を透過するように反射して、下面より出射した光を照明用の光とする導光素子であって、各凸部が、光の下流側から順に、上流側から下流側に下降する第１の表面と、上流側から下流側に上昇する第２の表面とを有して、第１の表面で下面を透過する方向に光を反射し、第２の表面で下面によって全反射される方向に光を反射するものにおいて、第２の表面の傾斜が凸部によって異なる構成とする。
【００１７】
導光のための第２の表面は、光の進行方向に沿って上昇するが、その傾斜は全ての凸部について同じではなく、下面に対する光の入射角の変化を第２の表面の傾斜の設定によって調節することができる。これにより、第１の表面に入射する光の量を一様にして均一な照明を行うことや、上面や下面に入射しなくなる光を少なくして光の利用効率を高めること、さらには、広い距離範囲にわたって照明を行うことが、容易になる。
【００１８】
上記のいずれの導光素子も、第２の表面の傾斜が上流側の凸部から下流側の凸部に向かって次第に増大しており、その増大率が単調に変化する設定とすることができる。下面から出射する光の量は、第１の表面の面積と素子内を進む光の量の積に依存し、素子内を進む光は、途中で出射するため、下流側ほど減少する。しかし、下流側の凸部ほど第２の表面の傾斜を増すことで、下流側の第１の表面の面積を大きくすることができて、照明を均一に行うことが容易になる。
【００１９】
傾斜の増大率は単調に変化させるが、単調減少とすることも単調増加とすることもできる。単調減少とすると、最も上流の凸部の第１の表面を大きくして、全ての凸部の第１の表面の面積の総和を大きくすることができて、多くの光を照明に利用することが可能になる。この設定は、導光素子を短くする場合に適する。傾斜の増大率を単調増加とすると、第１の表面の面積と素子内を進む光の量の積を全ての凸部にわたって同程度にすることができて、均一な照明が可能になる。この設定は、導光素子を長くする場合に適する。
【００２０】
光の下流側の端部に、光を上流側に向けて反射する反射部材を有するようにしてもよい。端部に達した光を照明に利用することが可能になり、光の利用効率が向上する。この場合、第２の表面または第３の表面が、反射部材からの反射光を下面より出射させることになる。反射光の多くが下流側の（反射部材に近い）凸部に向かうように反射部材を設定することも可能であり、これにより、照明を均一に行うことが一層容易になる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の導光素子およびこれを備える映像表示装置の実施形態について、図面を参照しながら説明する。第１の実施形態の映像表示装置の光学構成を図１に模式的に示す。この映像表示装置１は、線状導光素子１０、面状導光素子２０、光源である発光ダイオード３０、および表示素子である反射型液晶表示器４０より成る。
【００２２】
反射型液晶表示器４０（以下、単に液晶表示器ともいう）は、その液晶層に映像を表示し、与えられる照明光を反射しながら表示した映像によって変調して映像を表す光とする。面状導光素子２０は、液晶表示器４０の前面に配置されており、液晶表示器４０に照明光を与えるとともに、液晶表示器４０からの映像光を透過させて、観察者の眼に導く。線状導光素子１０は、面状導光素子２０の端面に沿って配置されており、照明光を面状導光素子４０に提供する。発光ダイオード３０は、線状導光素子１０の端面に対向して配置されており、照明光を発して、線状導光素子１０に供給する。
【００２３】
映像表示装置１の平面図および側面図を、発光ダイオード３０から光の例と共に、図２および図３にそれぞれ示す。線状導光素子１０は、巨視的に見て互いに平行な上面１１と下面１２を有しており、下面１２を面状導光素子１０の端面２４に向けて配置されている。上面には１１は、プリズム状の凸部１３が繰り返し形成されている。各凸部１３は、発光ダイオード３０に近接する端面１４に平行に形成されており、第１の表面１３ａ、第２の表面１３ｂおよび第３の表面１３ｃを有する。
【００２４】
面状導光素子２０も、巨視的に見て互いに平行な上面２１と下面２２を有している。面状導光素子２０は、下面２２を液晶表示器４０に向けて配置されている。上面２１にはプリズム状の凸部２３が繰り返し形成されている。各凸部２３は、線状導光素子１０に近接する端面２４に平行に形成されており、第１の表面２３ａ、第２の表面２３ｂおよび第３の表面２３ｃを有する。
【００２５】
線状導光素子１０と面状導光素子２０は、幅に大きな差異があるのみで、同様の構成である。これらは、ガラス、樹脂等の透明な光学材料で作製されている。
【００２６】
発光ダイオード３０が発した光は、端面１４より線状導光素子１０の内部に入り、上面１１と下面１２によって全反射されながら、端面１４に対向する端面１５に向かって、線状導光素子１０の内部を進む。その間、光は少しずつ下面１２を透過して、面状導光素子２０の端面２４に向かう。上面１１の各凸部１３の３つの表面１３ａ、１３ｂ、１３ｃは、線状導光素子２０内を進む光に対して、第１の表面１３ａが下流側に位置し、第３の表面１３ｃが上流側に位置し、第２の表面１３ｂが中央に位置する。
【００２７】
第１の表面１３ａは、光の進行方向に沿って下降して（上流側よりも下流側が下面１２に接近して）おり、第３の表面１３ｃは、逆に、光の進行方向に沿って上昇している。第２の表面１３ｂは、第３の表面１３ｃと同様に、光の進行方向に沿って上昇している。ただし、第２の表面１３ｂの傾斜は第３の表面１３ｃの傾斜よりも小さい。第１の表面１３ａの高低差は、第２の表面１３ｂと第３の表面１３ｃの高低差の和に等しい。
【００２８】
発光ダイオード３０が発する光は発散光であり、線状導光素子１０の上面１１や下面１２に対する光の角度には幅がある。しかし、上流側から下流側に上昇している第２の表面１３ｂに対する全ての光の入射角は臨界角以上となり、第２の表面に１３ｂに入射する光は全て全反射される。第２の表面１３ｂで反射された光は、下面１２に対しても臨界角以上の入射角で入射し、全て全反射される。こうして、第２の表面１３ｂと下面１２との全反射によって、光は線状導光素子１０内を進行する。
【００２９】
第１の表面１３ａに入射する光も臨界角以上のものが多く、臨界角以上の入射角で第１の表面１３ａに入射する光は全反射されて下面１２に向かう。第１の表面１３ａで全反射された光は、下面１２に対しては臨界角未満の入射角で入射して、大部分が下面１２を透過する。これにより、線状導光素子１０を出射して面状導光素子２０に向かう光が得られる。
【００３０】
第１の表面１３ａに臨界角未満の入射角で入射した光の一部は、第１の表面１３ａを透過する。第１の表面１３ａを透過した光の一部は、下流側の凸部１３の第３の表面１３ｃに入射する。この光は第３の表面１３ｃを透過して線状導光素子１０に再入射し、他の光と同様に進行する。第３の表面１３ｃを設けたことで、第１の表面１３ａを透過した光の一部を照明に利用することが可能になる。
【００３１】
線状導光素子１０の下面１２から出射した光は、端面２４を透過して面状導光素子２０の内部に入る。この光は、上面２１と下面２２を結ぶ方向については発光ダイオード３０によって発せられたときの発散状態を維持しており、面状導光素子２０の上面２１や下面２２に対する光の角度には、線状導光素子１０の上面１１や下面１２に対する光の角度と同様に、幅がある。
【００３２】
面状導光素子２０の凸部２３の各表面２３ａ、２３ｂ、２３ｃは、光に対して、線状導光素子１０の凸部１３の各表面１３ａ、１３ｂ、１３ｃと全く同様に作用する。つまり、中央の第２の表面２３ｂは、下面２２と共に、光を進行させ、下流側の第１の表面２３ａは、下面２２を透過して面状導光素子２０から出射する光を生じさせ、上流側の第３の表面２３ｃは、第１の表面２３ａを透過した光の一部を再入射させる。
【００３３】
面状導光素子２０の下面２２から出射した光は、前述のように、液晶表示器４０によって映像光とされ、面状導光素子２０を透過して観察者の眼Ｅに達する。
【００３４】
光に対する凸部１３、２３の作用について、より詳しく説明する。なお、線状導光素子１０の凸部１３と面状導光素子２０の凸部２３は、同様に設定されており、光に対して同様に作用するので、以下の説明においては、両者を総称して凸部５３といい、第１の表面１３ａ、２３ａ、第２の表面１３ｂ、１３ｂ、第３の表面１３ｃ、２３ｃもそれぞれ総称して、第１の表面５３ａ、第２の表面５３ｂ、第３の表面５３ｃという。また、線状導光素子１０と面状導光素子２０も総称して導光素子５０といい、上面１１、２１、下面１２、２２、入射側の端面１４、２４、および下流側の端面１５、２５も、それぞれ総称して、上面５１、下面５２、端面５４、および端面５５という。
【００３５】
凸部５３の断面を拡大して図４に示す。図４において、符号α、β、γは、第１の表面５３ａ、第２の表面５３ｂ、第３の表面５３ｃが、それぞれ、凸部５０の繰り返し方向と成す角を表す。導光素子５０の内部を進む光の平均の光路を導光軸５７と定義すると、導光軸５７は凸部５３の繰り返し方向に平行であり、したがって、符号α、β、γは各表面５３ａ、５３ｂ、５３ｃが導光軸５７と成す角でもある。
【００３６】
導光軸５７に対して角θを成す光は、第２の表面５３ｂに対して（θ＋β）の入射角で入射し、正反射されて、下面５２に対して（θ＋２β）の入射角で入射する。つまり、光は第２の表面５３ｂで反射されるごとに、上面５１や下面５２に対する入射角を２βずつ増していく。したがって、最も上流側の凸部５３の第２の表面１２に対する入射角が臨界角以上である限り、全ての凸部５３の第２の表面５３ｂに対する入射角は臨界角以上となり、第２の表面５３ｂに入射する光は全て全反射される。よって、第２の表面５３ｂを透過して映像光に混入する光はなく、映像の品位の低下が避けられる。
【００３７】
第１の表面５３ａに入射する光を図５に示す。第１の表面５３ａに入射する光の多くは、入射角が臨界角以上であり、第１の表面５３ａによって反射される。第１の表面５３ａが導光軸と成す角αは、４０゜以上かつ５０゜以下に設定されている。第１の表面５３ａで反射された光は、下面５２に対する入射角が０゜に近く、ほとんどが下面５２を透過する。面状導光素子２０の場合、下面２２を透過した光は液晶表示器４０に略垂直に入射することになり、良好に変調される。
【００３８】
第１の表面５３ａに入射する光のうち入射角が臨界角未満のものは、一部が第１の表面５３ａを透過してしまう。ここで、第１の表面５３ａの下部（下面に近い部分）に入射する光は、導光軸５７に対する角度が第１の表面５３ａの法線よりも小さく、透過の際の屈折によって、導光軸５７に対する角度がさらに小さくなる。このような光は、ほとんど全て隣の凸部５３の第３の表面５３ｃに入射して、導光素子５０に再入射することになる。
【００３９】
一方、第１の表面５３ａの上部に入射する光は、導光軸５７に対する角度が第１の表面５３ａの法線よりも小さく、透過の際の屈折によって、導光軸５７に対する角度がさらに大きくなる。このような光は、第３の表面５３ｃに入射することなく失われることになる。ただし、面状導光素子２０の場合でも、第１の表面２３ａを透過して失われる光は、液晶表示器４０からの映像光と大きな角度を成し、したがって、映像の品位を低下させることはない。
【００４０】
光を再入射させる第３の表面５３ｃは、再入射した光を、第１の表面５３ａに直接入射する方向に反射させるか、第２の表面５３ｂに臨界角以上の入射角で入射するように反射させるのが好ましい。第３の表面５３ｃが導光軸５７と成す角γは、第１の表面５３ａと同様に、４０゜以上かつ５０゜以下に設定されている。この設定により、再入射した光は、第１の表面５３ａに直接入射するか、あるいは、第２の表面５３ｂに臨界角以上の入射角で入射する。
【００４１】
以下、他の実施形態について説明するが、各実施形態は第１の実施形態の映像表示装置１と同様の映像表示装置であり、線状導光素子１０および面状導光素子２０の設定が相違するだけなので、重複する説明は省略する。また、第１の実施形態で用いた総称を用いる。
【００４２】
第２の実施形態の導光素子５０の断面図を図６に示す。本実施形態の導光素子５０は、光の進行方向に沿って上昇する第２の表面５３ｂの傾斜（導光軸５７と成す角β）が、凸部５３によって異なり、最も上流のものから最も下流のものまで、次第に増大している。図示したように、第２の表面５３ｂが導光軸５７と成す角βを、最も上流の凸部５３のものから順に１、２、３、４・・・の添字を付して区別して表せば、β１＜β２＜β３＜β４・・・である。
【００４３】
前述のように、第２の表面５３ｂによって反射されるごとに、上面５１や下面５２に対する光の入射角は２βずつ大きくなり、導光軸５７対して平行に近づく。導光軸５７と成す角が小さい光ほど、第１の表面５３ａによって反射された後は照明に有用な方向に進むことになり、第２の表面５３ｂの傾斜の角βを次第に大きくしていくことは、照明への光の利用効率の向上の点で好ましい。
【００４４】
第１の表面５３ａの傾斜（角α）と第３の表面５３ｃの傾斜（角γ）は、第２の表面５３ｂの傾斜の増大に応じて変化しているが、それらの変化は第２の表面５３ｂの傾斜の変化に比べて小さく、第２の表面５３ｂの傾斜の変化は、第１の表面５３ａの高低差に大きく現れる。つまり、第１の表面５３ａの面積は、下流側の凸部５３ほど大きい。
【００４５】
導光素子５０内を進む光は、途中で出射するため、次第に減少する。一方、第１の表面５３ａで反射される光の量は、第１の表面５３ａの面積と導光素子５０内に残存する光の量の積におおよそ比例する。下流側の凸部５３ほど第１の表面５３ａの面積を大きくすることで、均一な照明の実現も容易になる。
【００４６】
上流側からの距離Ｌと、第２の表面５３ｂの傾斜（角β）の大きさの関係の例を図７および図８に示す。図７の例では、傾斜は上流側で大きく変化しており、傾斜の変化率ｄβ／ｄＬは単調減少である。この設定では、入射側の端面５４の近傍から第２の表面５３ｂの傾斜が大きくなり、第１の表面５３ａの総面積が大きくなるため、光の利用効率が高い。比較的短い導光素子とする場合に好適である。図８の例では、傾斜は下流側で大きく変化しており、傾斜の変化率ｄβ／ｄＬは単調増加である。この設定では、第１の表面５３ａの面積と導光素子５０内に残存する光の量の積を略一定にすることができて、距離Ｌの広い範囲にわたって均一な照明が可能である。比較的長い導光素子とする場合に好適である。
【００４７】
第３の実施形態の導光素子５０の断面図を図９に示す。本実施形態の導光素子５０は、上面５１の凸部５３が、光を出射させるための第１の表面５３ａと光を進行させるための第２の表面５３ｂのみを有する構成である。ただし、第２の実施形態と同様に、第２の表面５３ｂの傾斜（導光軸５７と成す角β）が、凸部５３によって異なり、最も上流のものから最も下流のものまで、次第に増大している。つまり、第２の表面５３ｂが導光軸５７と成す角βを、前述のように区別して表せば、β１＜β２＜β３＜β４・・・である。
【００４８】
このように光を再入射させるための第３の表面５３ａを備えない構成においても、第２の表面５３ｂの傾斜（角β）を次第に増大させることで、前述の効果が得られる。なお、傾斜の増大率ｄβ／ｄＬは、図７に示したように単調減少とすることもできるし、図８に示したように単調増加とすることもできる。照明に必要な距離（Ｌ）に応じて選択すればよい。
【００４９】
第４の実施形態の導光素子５０の断面図を図１０に示す。本実施形態の導光素子５０は、第１の実施形態の導光素子５０の下流側の端面５５に、反射部材５６を設けたものである。反射部材５６は、アルミニウム等の金属を端面５５に蒸着することにより形成されており、薄膜状とされている。なお、金属の薄板を端面５５に貼り付けて反射部材５６としてもよいし、反射部材５６を端面５５から離間させてもよい。
【００５０】
このように、反射部材５６を設けることで、下流側の端面５５に達した光を戻すことができて、光の利用効率がさらに高まる。凸部５３および下流側の端部を拡大して図１１に示す。反射部材５６によって反射された光は、第２の表面５３ｂと第３の表面５３ｃとによって下面５２から出射する光とされるが、これに主として寄与するのは、傾斜の大きい第３の表面５３ｃである。前述のように、第３の表面５３ｃの傾斜（角γ）は４０゜以上、５０゜以下に設定されており、第３の表面５３ｃは反射した光を下面５２に対して垂直に近くすることができる。したがって、第３の表面５３ｃによって反射された光は、照明に有効に利用される。
【００５１】
第５の実施形態の導光素子５０の断面図を図１２に示す。本実施形態の導光素子５０は、第４の実施形態の導光素子５０を修飾して、下流側の端面５５と反射部材５６を導光軸５７に対して傾斜させたものである。端面５５および反射部材５６の法線は、導光軸５７に対して角θ’を成し、上面５１のうち端面５５に近い部位と交差する。このようにすると、反射部材５６によって反射された光は、光の量が少なくなる下流側の凸部５３に多く入射することになり、照明を一層均一にすることができる。
【００５２】
なお、第４、第５の実施形態のように、下流側の端面５５に反射部材５６を設けることは、第３の実施形態のように凸部５３が第３の表面５３ｃを有さない構成においても有用である。その場合、専ら第２の表面５３ｂが、反射部材５６からの光を下面５２より出射させることになる。
【００５３】
第６の実施形態の導光素子５０の断面図を図１３に示す。本実施形態の導光素子５０は、第３の実施形態の導光素子５０を修飾して、下面５２を上面５１に対して傾斜した平面としたものである。下面５２は下流側ほど上面５１に接近する。
【００５４】
導光素子５０に入射する光には、導光軸に平行なものやきわめて平行に近いものも含まれる。このような光は、上面５１と下面５２が平行であれば、上面５１や下面５２に入射することなく直接下流側の端面５５に達することになる。第５の実施形態のように、導光軸に対して傾斜した反射部材５６を備える構成であれば、このような光も照明に利用することは可能であるが、それでも利用効率は低下し、また、各凸部５３の第１の表面５３ａは有効に機能しなくなる。
【００５５】
本実施形態のように、下面５２を光の進行方向に沿って上昇する傾斜面とすることにより、上面５１と下面５２が平行な場合の導光軸５７’が下面５２と交差するようにすることができて、反射部材５６を備えなくても、導光軸５７’に対して平行に近い光を照明に有効に利用することが可能になる。しかも、導光軸５７’が下面５２と交差する位置を上流側の端面５４と下流側の端面５５の中央付近とすることができるため、発光ダイオードの主光線のように、導光軸５７’に近い光を、光量が減少する下流側で出射させることが可能であり、均一な照明の実現が容易になる。
【００５６】
このように、下面５２を光の進行方向に沿って上昇する傾斜面とすることは、光を再入射させる第３の表面５３ｃを有する構成においても、有用である。なお、反射部材５６を併用することは、当然可能であり、好ましい。
【００５７】
なお、上記の各実施形態においては線状導光素子１０と面状導光素子２０を同様の構成とする場合について説明したが、線状導光素子１０と面状導光素子２０を同様の構成とする必要はなく、線状導光素子１０としていずれかの実施形態のものを採用し、面状導光素子１０として他の実施形態のものを採用するようにしてもよい。また、単一の発光ダイオード３０と線状導光素子１０を組み合わせて用いることに代えて、複数の発光ダイオードを面状導光素子２０の端面２４に沿って配列するようにしてもよい。
【００５８】
【発明の効果】
プリズム状の凸部が繰り返し形成された上面と、上面に対向する下面とを有し、内部に入射した光を、上面と下面で全反射して凸部の繰り返しの方向に進行させながら、各凸部の一部位で下面を透過するように反射して、下面より出射した光を照明用の光とする導光素子であって、各凸部が、光の下流側から順に、上流側から下流側に下降する第１の表面と、上流側から下流側に上昇する第２の表面と、上流側から下流側に上昇する第３の表面とを有して、第１の表面で下面を透過する方向に光を反射し、第２の表面で下面によって全反射される方向に光を反射し、第３の表面で隣の凸部の第１の表面を透過した光を再入射させるものにおいて、本発明のように、第２の表面が第３の表面よりも小さな傾斜で上流側から下流側に上昇している構成とすると、第１の表面を透過した光を第３の表面より再入射させることができる上に、導光のための第２の表面を透過する光をなくすことができて、光の利用効率の向上と高品位の映像の提供とを両立させることが可能になる。
【００５９】
第３の表面が凸部の繰り返しの方向に対して成す角を、４０゜以上かつ５０゜以下とすると、再入射した光を、第３の表面を透過しない他の光と同様の角度で第１の表面や下面に導くことができて、照明に効率よく利用することができる。また、光の下流側の端部に反射部材を備える構成とするときは、反射部材によって反射された光を、第３の表面によって下面を透過する方向に反射することが可能になり、光の利用効率が一層向上する。
【００６０】
プリズム状の凸部が繰り返し形成された上面と、上面に対向する下面とを有し、内部に入射した光を、上面と下面で全反射して凸部の繰り返しの方向に進行させながら、各凸部の一部位で下面を透過するように反射して、下面より出射した光を照明用の光とする導光素子であって、各凸部が、光の下流側から順に、上流側から下流側に下降する第１の表面と、上流側から下流側に上昇する第２の表面とを有して、第１の表面で下面を透過する方向に光を反射し、第２の表面で下面によって全反射される方向に光を反射するものにおいて、本発明のように、第２の表面の傾斜が凸部によって異なる構成とすると、下面に対する光の入射角の変化を第２の表面の傾斜の設定によって調節することができて、第１の表面に入射する光の量を一様にして均一な照明を行うことや、上面や下面に入射しなくなる光を少なくして光の利用効率を高めること、さらには、広い距離範囲にわたって照明を行うことが、容易になる。
【００６１】
第２の表面の傾斜が上流側の凸部から下流側の凸部に向かって次第に増大しており、その増大率が単調に変化している構成とすると、照明対象範囲の大小に応じた長さを有し、光の利用効率が高く、均一な照明が可能な導光素子とすることが容易になる。傾斜の増大率を単調減少とすると、最も上流の凸部の第１の表面を大きくすることになり、第１の表面の面積の総和を大きくすることができて、短い導光素子とするときに、光の利用効率をきわめて高くすることができる。また、傾斜の増大率を単調増加とすると、第１の表面の面積と素子内に残存する光の量の積を全ての凸部にわたって同程度にすることができて、長い導光素子とするときでも、照明を均一に行うことが可能である。
【００６２】
光の下流側の端部に、光を上流側に向けて反射する反射部材を有するようにすると、端部に達した光を照明に利用することが可能になって、光の利用効率がさらに向上し、照明を均一に行うことも一層容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態の映像表示装置の光学構成を模式的に示す斜視図。
【図２】上記映像表示装置の平面図。
【図３】上記映像表示装置の側面図。
【図４】第１の実施形態の導光素子の凸部の断面図。
【図５】第１の実施形態の導光素子の凸部の第１の表面に入射する光を示す図。
【図６】第２の実施形態の導光素子の断面図。
【図７】第２の実施形態の導光素子における凸部の位置と第２の表面の傾斜の大きさの関係の例を示す図。
【図８】第２の実施形態の導光素子における凸部の位置と第２の表面の傾斜の大きさの関係の他の例を示す図。
【図９】第３の実施形態の導光素子の断面図。
【図１０】第４の実施形態の導光素子の断面図。
【図１１】第４の実施形態の導光素子の凸部および端部を示す断面図。
【図１２】第５の実施形態の導光素子の断面図。
【図１３】第６の実施形態の導光素子の断面図。
【図１４】従来の導光素子の断面図。
【図１５】従来の他の導光素子の断面図。
【符号の説明】
１ 映像表示装置
１０ 線状導光素子
１１ 上面
１２ 下面
１３ 凸部
１３ａ 第１の表面
１３ｂ 第２の表面
１３ｃ 第３の表面
１４ 端面
１５ 端面
２０ 面状導光素子
２１ 上面
２２ 下面
２３ 凸部
２３ａ 第１の表面
２３ｂ 第２の表面
２３ｃ 第３の表面
２４ 端面
２５ 端面
３０ 発光ダイオード
４０ 反射型液晶表示器
５０ 導光素子
５１ 上面
５２ 下面
５３ 凸部
５３ａ 第１の表面
５３ｂ 第２の表面
５３ｃ 第３の表面
５４ 端面
５５ 端面
５６ 反射部材
５７ 導光軸
α 第１の表面の傾斜角
β 第２の表面の傾斜角
γ 第３の表面の傾斜角
【発明の属する技術分野】
本発明は、対向する２つの表面で全反射して光を導きながら、一方の表面より出射させる照明用の導光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
携帯電話や携帯情報端末（ＰＤＡ）の普及に伴い、低消費電力で表示品位の高い映像表示装置が望まれており、これを満たす表示素子として、反射型液晶表示器が多用されている。反射型液晶表示器は、明所では、外光を照明光として利用するため、照明用の光源を必要とせず、電力消費が抑えられる。一方、暗所では、視認性向上のために照明する必要があるが、反射型であるという構造上、観察者側から照明するフロントライト照明装置が用いられる。
【０００３】
薄型化のために、フロントライト照明装置は、光源と面状導光素子とで構成するのが一般的である。面状導光素子は、液晶表示器の前面に配置され、光源からの光を、端部より入射させて内部を進行させながら、一方の表面より少しずつ出射させて、液晶表示器に導く。光源としては棒状の冷陰極管が用いられてきたが、電力消費の低減と軽量化のために発光ダイオードを用い、線状導光素子と組み合わせることが行われている。線状導光素子は面状導光素子の端面に対向して配置され、面状導光素子と同様に機能して、発光ダイオードからの光を面状導光素子に与える。
【０００４】
従来の導光素子の構成を図１４に示す。この導光素子８０は、端面９４より入射した光を、上面９１と下面９２とで全反射することにより他の端面９５に向けて内部を進行させ、その間に少しずつ下面９２を透過させて出射させる。全反射による進行と下面９２からの部分的な出射を両立させるために、上面９１にはプリズム状の凸部９３が繰り返し形成されている。凸部９３は２つの表面９３ａ、９３ｂを有する。表面９３ｂは、光の進行方向に沿って上昇しており、入射した光を下面９２への入射角が臨界角以上になる方向に反射する。一方、表面９３ａは、光の進行方向に沿って下降しており、入射した光を下面９２への入射角が臨界角未満になる方向に反射する。
【０００５】
表面９３ａに対する光の入射角は小さく、表面９３ａに入射する光の一部にはこれを透過して失われるものもある。この光の損失を低減するために、表面９３ａを透過した光を再入射させるようにした導光素子も提案されている。
【０００６】
その構成を図１５に示す。この導光素子９０は、上面９１に形成されているプリズム状の凸部９３が、３つの表面９３ａ、９３ｂ、９３ｃを有する。表面９３ａは、下面９２への入射角が臨界角未満になる方向に光を反射し、表面９３ｂは、下面９２への入射角が臨界角以上になる方向に光を反射する。表面９３ａを透過した光は、隣の凸部の表面９３ｃに入射し、表面９３ｃを透過して導光素子９０に再入射する。多くの光を再入射させるために、表面９３ｃの高低差は表面９３ａの高低差よりも大きく設定されている。
【０００７】
導光素子８０、９０は、幅を大きくすることにより面状となり、幅を小さくすることにより線状となる。面状とした導光素子８０、９０は、下面９２を反射型液晶表示器に向けて配置する。液晶表示器は下面９２から出射した光を反射しつつ変調して映像を表す光とし、この映像光は導光素子８０、９０の下面９２と上面９１を透過して観察者に達する。線状とした導光素子８０、９０は、下面９２を面状導光素子の端面９４に向けて配置する。下面９２から出射した光を、面状導光素子の幅全体にわたって入射させることができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来の導光素子８０、９０には、照明への光の利用効率が低くなったり、均一な照明ができなくなったりするという問題がある。また、均一な照明ができなくなるだけでなく、光の進行方向についてある程度の距離範囲までしか照明できないという限界も生じる。
【０００９】
導光素子８０では、導光のための表面９３ｂが光の進行方向に沿って上昇しているため、下面９２に対する光の入射角は表面９３ｂによって反射されるごとに大きくなっていく。したがって、上流側では表面９３ａに入射する光が多く、下流側では表面９３ａに入射する光が少なくなって、下面９２から出射する光の量も上流側で多く下流側で少なくなり、均一な照明ができなくなる。また、内部をある程度進んだ段階で、光は上面９１や下面に９２に入射しなくなり、導光素子８０の長さに限界が生じる。上面９１や下面に９２に入射しなくなった光は、下流側の端面９５より出射して、失われてしまう。
【００１０】
一方、導光素子９０では、表面９３ａよりも表面９３ｃの高低差を大きくしたことにより、必然的に、導光のための表面９３ｂが光の進行方向に沿って下降している。このため、下面９２に対する光の入射角は表面９３ｂによって反射されるごとに小さくなっていく。したがって、表面９３ｂに対する入射角も小さくなっていき、光は内部をある程度進んだ段階で表面９３ｂを透過して失われるようになる。つまり、導光素子９０においても長さに限界がある。
【００１１】
しかも、反射型液晶表示器の前面に配置する場合、表面９３ｂを透過した光は、映像光に混入することになり、映像光との角度差が小さいため映像光と共に観察者の眼に達して、提供する映像の品位を著しく低下させる。表面９３ａを透過した光を再入射させる表面９３ｃを設けることは、光の利用効率の向上を図るという点では好ましいが、映像の品位を大きく低下させる結果となるのでは、むしろ表面９３ｃを設けない方がよいといえる。
【００１２】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、光の利用効率が高く、大きさの制約が少なく、均一に照明することが可能であるとともに、照明対象物からの反射光に混入する光が少ない導光素子を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、プリズム状の凸部が繰り返し形成された上面と、上面に対向する下面とを有し、内部に入射した光を、上面と下面で全反射して凸部の繰り返しの方向に進行させながら、各凸部の一部位で下面を透過するように反射して、下面より出射した光を照明用の光とする導光素子であって、各凸部が、光の下流側から順に、上流側から下流側に下降する第１の表面と、上流側から下流側に上昇する第２の表面と、上流側から下流側に上昇する第３の表面とを有して、第１の表面で下面を透過する方向に光を反射し、第２の表面で下面によって全反射される方向に光を反射し、第３の表面で隣の凸部の第１の表面を透過した光を再入射させるものにおいて、第２の表面が第３の表面よりも小さな傾斜で上流側から下流側に上昇している構成とする。
【００１４】
この導光素子は、下面から光を出射させるための第１の表面を透過した光を、第３の表面から再入射させるため、光の損失が抑えられる。しかも、導光のための第２の表面は、光の進行方向に沿って下降するのではなく上昇するため、第２の表面への光の入射角は次第に大きくなり、第２の表面を透過して照明対象物からの反射光に混入する光は生じない。第３の表面の高低差は第１の表面の高低差よりも小さく、第２の表面が下降する従来の構成に比べて第３の表面から再入射する光は少なくなるが、面状導光素子として反射型表示器の照明に用いる場合でも、提供する映像の品位を低下させるおそれがない。
【００１５】
ここで、第３の表面が凸部の繰り返しの方向に対して成す角は、４０゜以上かつ５０゜以下とするとよい。光の再入射のための第３の表面をこのように設定すると、再入射した光を、第３の表面を透過しない他の光と同様の角度で第１の表面や下面に導くことができて、照明に効率よく利用することができる。また、後述のように、光の下流側の端部に反射部材を備える構成とするときは、反射部材によって反射された光を、第３の表面によって下面を透過する方向に反射することが可能になり、光を一層効率よく照明に利用することができる。
【００１６】
前記目的を達成するために、本発明ではまた、プリズム状の凸部が繰り返し形成された上面と、上面に対向する下面とを有し、内部に入射した光を、上面と下面で全反射して凸部の繰り返しの方向に進行させながら、各凸部の一部位で下面を透過するように反射して、下面より出射した光を照明用の光とする導光素子であって、各凸部が、光の下流側から順に、上流側から下流側に下降する第１の表面と、上流側から下流側に上昇する第２の表面とを有して、第１の表面で下面を透過する方向に光を反射し、第２の表面で下面によって全反射される方向に光を反射するものにおいて、第２の表面の傾斜が凸部によって異なる構成とする。
【００１７】
導光のための第２の表面は、光の進行方向に沿って上昇するが、その傾斜は全ての凸部について同じではなく、下面に対する光の入射角の変化を第２の表面の傾斜の設定によって調節することができる。これにより、第１の表面に入射する光の量を一様にして均一な照明を行うことや、上面や下面に入射しなくなる光を少なくして光の利用効率を高めること、さらには、広い距離範囲にわたって照明を行うことが、容易になる。
【００１８】
上記のいずれの導光素子も、第２の表面の傾斜が上流側の凸部から下流側の凸部に向かって次第に増大しており、その増大率が単調に変化する設定とすることができる。下面から出射する光の量は、第１の表面の面積と素子内を進む光の量の積に依存し、素子内を進む光は、途中で出射するため、下流側ほど減少する。しかし、下流側の凸部ほど第２の表面の傾斜を増すことで、下流側の第１の表面の面積を大きくすることができて、照明を均一に行うことが容易になる。
【００１９】
傾斜の増大率は単調に変化させるが、単調減少とすることも単調増加とすることもできる。単調減少とすると、最も上流の凸部の第１の表面を大きくして、全ての凸部の第１の表面の面積の総和を大きくすることができて、多くの光を照明に利用することが可能になる。この設定は、導光素子を短くする場合に適する。傾斜の増大率を単調増加とすると、第１の表面の面積と素子内を進む光の量の積を全ての凸部にわたって同程度にすることができて、均一な照明が可能になる。この設定は、導光素子を長くする場合に適する。
【００２０】
光の下流側の端部に、光を上流側に向けて反射する反射部材を有するようにしてもよい。端部に達した光を照明に利用することが可能になり、光の利用効率が向上する。この場合、第２の表面または第３の表面が、反射部材からの反射光を下面より出射させることになる。反射光の多くが下流側の（反射部材に近い）凸部に向かうように反射部材を設定することも可能であり、これにより、照明を均一に行うことが一層容易になる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の導光素子およびこれを備える映像表示装置の実施形態について、図面を参照しながら説明する。第１の実施形態の映像表示装置の光学構成を図１に模式的に示す。この映像表示装置１は、線状導光素子１０、面状導光素子２０、光源である発光ダイオード３０、および表示素子である反射型液晶表示器４０より成る。
【００２２】
反射型液晶表示器４０（以下、単に液晶表示器ともいう）は、その液晶層に映像を表示し、与えられる照明光を反射しながら表示した映像によって変調して映像を表す光とする。面状導光素子２０は、液晶表示器４０の前面に配置されており、液晶表示器４０に照明光を与えるとともに、液晶表示器４０からの映像光を透過させて、観察者の眼に導く。線状導光素子１０は、面状導光素子２０の端面に沿って配置されており、照明光を面状導光素子４０に提供する。発光ダイオード３０は、線状導光素子１０の端面に対向して配置されており、照明光を発して、線状導光素子１０に供給する。
【００２３】
映像表示装置１の平面図および側面図を、発光ダイオード３０から光の例と共に、図２および図３にそれぞれ示す。線状導光素子１０は、巨視的に見て互いに平行な上面１１と下面１２を有しており、下面１２を面状導光素子１０の端面２４に向けて配置されている。上面には１１は、プリズム状の凸部１３が繰り返し形成されている。各凸部１３は、発光ダイオード３０に近接する端面１４に平行に形成されており、第１の表面１３ａ、第２の表面１３ｂおよび第３の表面１３ｃを有する。
【００２４】
面状導光素子２０も、巨視的に見て互いに平行な上面２１と下面２２を有している。面状導光素子２０は、下面２２を液晶表示器４０に向けて配置されている。上面２１にはプリズム状の凸部２３が繰り返し形成されている。各凸部２３は、線状導光素子１０に近接する端面２４に平行に形成されており、第１の表面２３ａ、第２の表面２３ｂおよび第３の表面２３ｃを有する。
【００２５】
線状導光素子１０と面状導光素子２０は、幅に大きな差異があるのみで、同様の構成である。これらは、ガラス、樹脂等の透明な光学材料で作製されている。
【００２６】
発光ダイオード３０が発した光は、端面１４より線状導光素子１０の内部に入り、上面１１と下面１２によって全反射されながら、端面１４に対向する端面１５に向かって、線状導光素子１０の内部を進む。その間、光は少しずつ下面１２を透過して、面状導光素子２０の端面２４に向かう。上面１１の各凸部１３の３つの表面１３ａ、１３ｂ、１３ｃは、線状導光素子２０内を進む光に対して、第１の表面１３ａが下流側に位置し、第３の表面１３ｃが上流側に位置し、第２の表面１３ｂが中央に位置する。
【００２７】
第１の表面１３ａは、光の進行方向に沿って下降して（上流側よりも下流側が下面１２に接近して）おり、第３の表面１３ｃは、逆に、光の進行方向に沿って上昇している。第２の表面１３ｂは、第３の表面１３ｃと同様に、光の進行方向に沿って上昇している。ただし、第２の表面１３ｂの傾斜は第３の表面１３ｃの傾斜よりも小さい。第１の表面１３ａの高低差は、第２の表面１３ｂと第３の表面１３ｃの高低差の和に等しい。
【００２８】
発光ダイオード３０が発する光は発散光であり、線状導光素子１０の上面１１や下面１２に対する光の角度には幅がある。しかし、上流側から下流側に上昇している第２の表面１３ｂに対する全ての光の入射角は臨界角以上となり、第２の表面に１３ｂに入射する光は全て全反射される。第２の表面１３ｂで反射された光は、下面１２に対しても臨界角以上の入射角で入射し、全て全反射される。こうして、第２の表面１３ｂと下面１２との全反射によって、光は線状導光素子１０内を進行する。
【００２９】
第１の表面１３ａに入射する光も臨界角以上のものが多く、臨界角以上の入射角で第１の表面１３ａに入射する光は全反射されて下面１２に向かう。第１の表面１３ａで全反射された光は、下面１２に対しては臨界角未満の入射角で入射して、大部分が下面１２を透過する。これにより、線状導光素子１０を出射して面状導光素子２０に向かう光が得られる。
【００３０】
第１の表面１３ａに臨界角未満の入射角で入射した光の一部は、第１の表面１３ａを透過する。第１の表面１３ａを透過した光の一部は、下流側の凸部１３の第３の表面１３ｃに入射する。この光は第３の表面１３ｃを透過して線状導光素子１０に再入射し、他の光と同様に進行する。第３の表面１３ｃを設けたことで、第１の表面１３ａを透過した光の一部を照明に利用することが可能になる。
【００３１】
線状導光素子１０の下面１２から出射した光は、端面２４を透過して面状導光素子２０の内部に入る。この光は、上面２１と下面２２を結ぶ方向については発光ダイオード３０によって発せられたときの発散状態を維持しており、面状導光素子２０の上面２１や下面２２に対する光の角度には、線状導光素子１０の上面１１や下面１２に対する光の角度と同様に、幅がある。
【００３２】
面状導光素子２０の凸部２３の各表面２３ａ、２３ｂ、２３ｃは、光に対して、線状導光素子１０の凸部１３の各表面１３ａ、１３ｂ、１３ｃと全く同様に作用する。つまり、中央の第２の表面２３ｂは、下面２２と共に、光を進行させ、下流側の第１の表面２３ａは、下面２２を透過して面状導光素子２０から出射する光を生じさせ、上流側の第３の表面２３ｃは、第１の表面２３ａを透過した光の一部を再入射させる。
【００３３】
面状導光素子２０の下面２２から出射した光は、前述のように、液晶表示器４０によって映像光とされ、面状導光素子２０を透過して観察者の眼Ｅに達する。
【００３４】
光に対する凸部１３、２３の作用について、より詳しく説明する。なお、線状導光素子１０の凸部１３と面状導光素子２０の凸部２３は、同様に設定されており、光に対して同様に作用するので、以下の説明においては、両者を総称して凸部５３といい、第１の表面１３ａ、２３ａ、第２の表面１３ｂ、１３ｂ、第３の表面１３ｃ、２３ｃもそれぞれ総称して、第１の表面５３ａ、第２の表面５３ｂ、第３の表面５３ｃという。また、線状導光素子１０と面状導光素子２０も総称して導光素子５０といい、上面１１、２１、下面１２、２２、入射側の端面１４、２４、および下流側の端面１５、２５も、それぞれ総称して、上面５１、下面５２、端面５４、および端面５５という。
【００３５】
凸部５３の断面を拡大して図４に示す。図４において、符号α、β、γは、第１の表面５３ａ、第２の表面５３ｂ、第３の表面５３ｃが、それぞれ、凸部５０の繰り返し方向と成す角を表す。導光素子５０の内部を進む光の平均の光路を導光軸５７と定義すると、導光軸５７は凸部５３の繰り返し方向に平行であり、したがって、符号α、β、γは各表面５３ａ、５３ｂ、５３ｃが導光軸５７と成す角でもある。
【００３６】
導光軸５７に対して角θを成す光は、第２の表面５３ｂに対して（θ＋β）の入射角で入射し、正反射されて、下面５２に対して（θ＋２β）の入射角で入射する。つまり、光は第２の表面５３ｂで反射されるごとに、上面５１や下面５２に対する入射角を２βずつ増していく。したがって、最も上流側の凸部５３の第２の表面１２に対する入射角が臨界角以上である限り、全ての凸部５３の第２の表面５３ｂに対する入射角は臨界角以上となり、第２の表面５３ｂに入射する光は全て全反射される。よって、第２の表面５３ｂを透過して映像光に混入する光はなく、映像の品位の低下が避けられる。
【００３７】
第１の表面５３ａに入射する光を図５に示す。第１の表面５３ａに入射する光の多くは、入射角が臨界角以上であり、第１の表面５３ａによって反射される。第１の表面５３ａが導光軸と成す角αは、４０゜以上かつ５０゜以下に設定されている。第１の表面５３ａで反射された光は、下面５２に対する入射角が０゜に近く、ほとんどが下面５２を透過する。面状導光素子２０の場合、下面２２を透過した光は液晶表示器４０に略垂直に入射することになり、良好に変調される。
【００３８】
第１の表面５３ａに入射する光のうち入射角が臨界角未満のものは、一部が第１の表面５３ａを透過してしまう。ここで、第１の表面５３ａの下部（下面に近い部分）に入射する光は、導光軸５７に対する角度が第１の表面５３ａの法線よりも小さく、透過の際の屈折によって、導光軸５７に対する角度がさらに小さくなる。このような光は、ほとんど全て隣の凸部５３の第３の表面５３ｃに入射して、導光素子５０に再入射することになる。
【００３９】
一方、第１の表面５３ａの上部に入射する光は、導光軸５７に対する角度が第１の表面５３ａの法線よりも小さく、透過の際の屈折によって、導光軸５７に対する角度がさらに大きくなる。このような光は、第３の表面５３ｃに入射することなく失われることになる。ただし、面状導光素子２０の場合でも、第１の表面２３ａを透過して失われる光は、液晶表示器４０からの映像光と大きな角度を成し、したがって、映像の品位を低下させることはない。
【００４０】
光を再入射させる第３の表面５３ｃは、再入射した光を、第１の表面５３ａに直接入射する方向に反射させるか、第２の表面５３ｂに臨界角以上の入射角で入射するように反射させるのが好ましい。第３の表面５３ｃが導光軸５７と成す角γは、第１の表面５３ａと同様に、４０゜以上かつ５０゜以下に設定されている。この設定により、再入射した光は、第１の表面５３ａに直接入射するか、あるいは、第２の表面５３ｂに臨界角以上の入射角で入射する。
【００４１】
以下、他の実施形態について説明するが、各実施形態は第１の実施形態の映像表示装置１と同様の映像表示装置であり、線状導光素子１０および面状導光素子２０の設定が相違するだけなので、重複する説明は省略する。また、第１の実施形態で用いた総称を用いる。
【００４２】
第２の実施形態の導光素子５０の断面図を図６に示す。本実施形態の導光素子５０は、光の進行方向に沿って上昇する第２の表面５３ｂの傾斜（導光軸５７と成す角β）が、凸部５３によって異なり、最も上流のものから最も下流のものまで、次第に増大している。図示したように、第２の表面５３ｂが導光軸５７と成す角βを、最も上流の凸部５３のものから順に１、２、３、４・・・の添字を付して区別して表せば、β１＜β２＜β３＜β４・・・である。
【００４３】
前述のように、第２の表面５３ｂによって反射されるごとに、上面５１や下面５２に対する光の入射角は２βずつ大きくなり、導光軸５７対して平行に近づく。導光軸５７と成す角が小さい光ほど、第１の表面５３ａによって反射された後は照明に有用な方向に進むことになり、第２の表面５３ｂの傾斜の角βを次第に大きくしていくことは、照明への光の利用効率の向上の点で好ましい。
【００４４】
第１の表面５３ａの傾斜（角α）と第３の表面５３ｃの傾斜（角γ）は、第２の表面５３ｂの傾斜の増大に応じて変化しているが、それらの変化は第２の表面５３ｂの傾斜の変化に比べて小さく、第２の表面５３ｂの傾斜の変化は、第１の表面５３ａの高低差に大きく現れる。つまり、第１の表面５３ａの面積は、下流側の凸部５３ほど大きい。
【００４５】
導光素子５０内を進む光は、途中で出射するため、次第に減少する。一方、第１の表面５３ａで反射される光の量は、第１の表面５３ａの面積と導光素子５０内に残存する光の量の積におおよそ比例する。下流側の凸部５３ほど第１の表面５３ａの面積を大きくすることで、均一な照明の実現も容易になる。
【００４６】
上流側からの距離Ｌと、第２の表面５３ｂの傾斜（角β）の大きさの関係の例を図７および図８に示す。図７の例では、傾斜は上流側で大きく変化しており、傾斜の変化率ｄβ／ｄＬは単調減少である。この設定では、入射側の端面５４の近傍から第２の表面５３ｂの傾斜が大きくなり、第１の表面５３ａの総面積が大きくなるため、光の利用効率が高い。比較的短い導光素子とする場合に好適である。図８の例では、傾斜は下流側で大きく変化しており、傾斜の変化率ｄβ／ｄＬは単調増加である。この設定では、第１の表面５３ａの面積と導光素子５０内に残存する光の量の積を略一定にすることができて、距離Ｌの広い範囲にわたって均一な照明が可能である。比較的長い導光素子とする場合に好適である。
【００４７】
第３の実施形態の導光素子５０の断面図を図９に示す。本実施形態の導光素子５０は、上面５１の凸部５３が、光を出射させるための第１の表面５３ａと光を進行させるための第２の表面５３ｂのみを有する構成である。ただし、第２の実施形態と同様に、第２の表面５３ｂの傾斜（導光軸５７と成す角β）が、凸部５３によって異なり、最も上流のものから最も下流のものまで、次第に増大している。つまり、第２の表面５３ｂが導光軸５７と成す角βを、前述のように区別して表せば、β１＜β２＜β３＜β４・・・である。
【００４８】
このように光を再入射させるための第３の表面５３ａを備えない構成においても、第２の表面５３ｂの傾斜（角β）を次第に増大させることで、前述の効果が得られる。なお、傾斜の増大率ｄβ／ｄＬは、図７に示したように単調減少とすることもできるし、図８に示したように単調増加とすることもできる。照明に必要な距離（Ｌ）に応じて選択すればよい。
【００４９】
第４の実施形態の導光素子５０の断面図を図１０に示す。本実施形態の導光素子５０は、第１の実施形態の導光素子５０の下流側の端面５５に、反射部材５６を設けたものである。反射部材５６は、アルミニウム等の金属を端面５５に蒸着することにより形成されており、薄膜状とされている。なお、金属の薄板を端面５５に貼り付けて反射部材５６としてもよいし、反射部材５６を端面５５から離間させてもよい。
【００５０】
このように、反射部材５６を設けることで、下流側の端面５５に達した光を戻すことができて、光の利用効率がさらに高まる。凸部５３および下流側の端部を拡大して図１１に示す。反射部材５６によって反射された光は、第２の表面５３ｂと第３の表面５３ｃとによって下面５２から出射する光とされるが、これに主として寄与するのは、傾斜の大きい第３の表面５３ｃである。前述のように、第３の表面５３ｃの傾斜（角γ）は４０゜以上、５０゜以下に設定されており、第３の表面５３ｃは反射した光を下面５２に対して垂直に近くすることができる。したがって、第３の表面５３ｃによって反射された光は、照明に有効に利用される。
【００５１】
第５の実施形態の導光素子５０の断面図を図１２に示す。本実施形態の導光素子５０は、第４の実施形態の導光素子５０を修飾して、下流側の端面５５と反射部材５６を導光軸５７に対して傾斜させたものである。端面５５および反射部材５６の法線は、導光軸５７に対して角θ’を成し、上面５１のうち端面５５に近い部位と交差する。このようにすると、反射部材５６によって反射された光は、光の量が少なくなる下流側の凸部５３に多く入射することになり、照明を一層均一にすることができる。
【００５２】
なお、第４、第５の実施形態のように、下流側の端面５５に反射部材５６を設けることは、第３の実施形態のように凸部５３が第３の表面５３ｃを有さない構成においても有用である。その場合、専ら第２の表面５３ｂが、反射部材５６からの光を下面５２より出射させることになる。
【００５３】
第６の実施形態の導光素子５０の断面図を図１３に示す。本実施形態の導光素子５０は、第３の実施形態の導光素子５０を修飾して、下面５２を上面５１に対して傾斜した平面としたものである。下面５２は下流側ほど上面５１に接近する。
【００５４】
導光素子５０に入射する光には、導光軸に平行なものやきわめて平行に近いものも含まれる。このような光は、上面５１と下面５２が平行であれば、上面５１や下面５２に入射することなく直接下流側の端面５５に達することになる。第５の実施形態のように、導光軸に対して傾斜した反射部材５６を備える構成であれば、このような光も照明に利用することは可能であるが、それでも利用効率は低下し、また、各凸部５３の第１の表面５３ａは有効に機能しなくなる。
【００５５】
本実施形態のように、下面５２を光の進行方向に沿って上昇する傾斜面とすることにより、上面５１と下面５２が平行な場合の導光軸５７’が下面５２と交差するようにすることができて、反射部材５６を備えなくても、導光軸５７’に対して平行に近い光を照明に有効に利用することが可能になる。しかも、導光軸５７’が下面５２と交差する位置を上流側の端面５４と下流側の端面５５の中央付近とすることができるため、発光ダイオードの主光線のように、導光軸５７’に近い光を、光量が減少する下流側で出射させることが可能であり、均一な照明の実現が容易になる。
【００５６】
このように、下面５２を光の進行方向に沿って上昇する傾斜面とすることは、光を再入射させる第３の表面５３ｃを有する構成においても、有用である。なお、反射部材５６を併用することは、当然可能であり、好ましい。
【００５７】
なお、上記の各実施形態においては線状導光素子１０と面状導光素子２０を同様の構成とする場合について説明したが、線状導光素子１０と面状導光素子２０を同様の構成とする必要はなく、線状導光素子１０としていずれかの実施形態のものを採用し、面状導光素子１０として他の実施形態のものを採用するようにしてもよい。また、単一の発光ダイオード３０と線状導光素子１０を組み合わせて用いることに代えて、複数の発光ダイオードを面状導光素子２０の端面２４に沿って配列するようにしてもよい。
【００５８】
【発明の効果】
プリズム状の凸部が繰り返し形成された上面と、上面に対向する下面とを有し、内部に入射した光を、上面と下面で全反射して凸部の繰り返しの方向に進行させながら、各凸部の一部位で下面を透過するように反射して、下面より出射した光を照明用の光とする導光素子であって、各凸部が、光の下流側から順に、上流側から下流側に下降する第１の表面と、上流側から下流側に上昇する第２の表面と、上流側から下流側に上昇する第３の表面とを有して、第１の表面で下面を透過する方向に光を反射し、第２の表面で下面によって全反射される方向に光を反射し、第３の表面で隣の凸部の第１の表面を透過した光を再入射させるものにおいて、本発明のように、第２の表面が第３の表面よりも小さな傾斜で上流側から下流側に上昇している構成とすると、第１の表面を透過した光を第３の表面より再入射させることができる上に、導光のための第２の表面を透過する光をなくすことができて、光の利用効率の向上と高品位の映像の提供とを両立させることが可能になる。
【００５９】
第３の表面が凸部の繰り返しの方向に対して成す角を、４０゜以上かつ５０゜以下とすると、再入射した光を、第３の表面を透過しない他の光と同様の角度で第１の表面や下面に導くことができて、照明に効率よく利用することができる。また、光の下流側の端部に反射部材を備える構成とするときは、反射部材によって反射された光を、第３の表面によって下面を透過する方向に反射することが可能になり、光の利用効率が一層向上する。
【００６０】
プリズム状の凸部が繰り返し形成された上面と、上面に対向する下面とを有し、内部に入射した光を、上面と下面で全反射して凸部の繰り返しの方向に進行させながら、各凸部の一部位で下面を透過するように反射して、下面より出射した光を照明用の光とする導光素子であって、各凸部が、光の下流側から順に、上流側から下流側に下降する第１の表面と、上流側から下流側に上昇する第２の表面とを有して、第１の表面で下面を透過する方向に光を反射し、第２の表面で下面によって全反射される方向に光を反射するものにおいて、本発明のように、第２の表面の傾斜が凸部によって異なる構成とすると、下面に対する光の入射角の変化を第２の表面の傾斜の設定によって調節することができて、第１の表面に入射する光の量を一様にして均一な照明を行うことや、上面や下面に入射しなくなる光を少なくして光の利用効率を高めること、さらには、広い距離範囲にわたって照明を行うことが、容易になる。
【００６１】
第２の表面の傾斜が上流側の凸部から下流側の凸部に向かって次第に増大しており、その増大率が単調に変化している構成とすると、照明対象範囲の大小に応じた長さを有し、光の利用効率が高く、均一な照明が可能な導光素子とすることが容易になる。傾斜の増大率を単調減少とすると、最も上流の凸部の第１の表面を大きくすることになり、第１の表面の面積の総和を大きくすることができて、短い導光素子とするときに、光の利用効率をきわめて高くすることができる。また、傾斜の増大率を単調増加とすると、第１の表面の面積と素子内に残存する光の量の積を全ての凸部にわたって同程度にすることができて、長い導光素子とするときでも、照明を均一に行うことが可能である。
【００６２】
光の下流側の端部に、光を上流側に向けて反射する反射部材を有するようにすると、端部に達した光を照明に利用することが可能になって、光の利用効率がさらに向上し、照明を均一に行うことも一層容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態の映像表示装置の光学構成を模式的に示す斜視図。
【図２】上記映像表示装置の平面図。
【図３】上記映像表示装置の側面図。
【図４】第１の実施形態の導光素子の凸部の断面図。
【図５】第１の実施形態の導光素子の凸部の第１の表面に入射する光を示す図。
【図６】第２の実施形態の導光素子の断面図。
【図７】第２の実施形態の導光素子における凸部の位置と第２の表面の傾斜の大きさの関係の例を示す図。
【図８】第２の実施形態の導光素子における凸部の位置と第２の表面の傾斜の大きさの関係の他の例を示す図。
【図９】第３の実施形態の導光素子の断面図。
【図１０】第４の実施形態の導光素子の断面図。
【図１１】第４の実施形態の導光素子の凸部および端部を示す断面図。
【図１２】第５の実施形態の導光素子の断面図。
【図１３】第６の実施形態の導光素子の断面図。
【図１４】従来の導光素子の断面図。
【図１５】従来の他の導光素子の断面図。
【符号の説明】
１ 映像表示装置
１０ 線状導光素子
１１ 上面
１２ 下面
１３ 凸部
１３ａ 第１の表面
１３ｂ 第２の表面
１３ｃ 第３の表面
１４ 端面
１５ 端面
２０ 面状導光素子
２１ 上面
２２ 下面
２３ 凸部
２３ａ 第１の表面
２３ｂ 第２の表面
２３ｃ 第３の表面
２４ 端面
２５ 端面
３０ 発光ダイオード
４０ 反射型液晶表示器
５０ 導光素子
５１ 上面
５２ 下面
５３ 凸部
５３ａ 第１の表面
５３ｂ 第２の表面
５３ｃ 第３の表面
５４ 端面
５５ 端面
５６ 反射部材
５７ 導光軸
α 第１の表面の傾斜角
β 第２の表面の傾斜角
γ 第３の表面の傾斜角
Claims (5)
- プリズム状の凸部が繰り返し形成された上面と、上面に対向する下面とを有し、内部に入射した光を、上面と下面で全反射して凸部の繰り返しの方向に進行させながら、各凸部の一部位で下面を透過するように反射して、下面より出射した光を照明用の光とする導光素子であって、各凸部が、光の下流側から順に、上流側から下流側に下降する第１の表面と、上流側から下流側に上昇する第２の表面と、上流側から下流側に上昇する第３の表面とを有して、第１の表面で下面を透過する方向に光を反射し、第２の表面で下面によって全反射される方向に光を反射し、第３の表面で隣の凸部の第１の表面を透過した光を再入射させるものにおいて、
第２の表面が第３の表面よりも小さな傾斜で上流側から下流側に上昇していることを特徴とする導光素子。 - 第３の表面が凸部の繰り返しの方向に対して成す角が、４０゜以上かつ５０゜以下であることを特徴とする請求項１に記載の導光素子。
- プリズム状の凸部が繰り返し形成された上面と、上面に対向する下面とを有し、内部に入射した光を、上面と下面で全反射して凸部の繰り返しの方向に進行させながら、各凸部の一部位で下面を透過するように反射して、下面より出射した光を照明用の光とする導光素子であって、各凸部が、光の下流側から順に、上流側から下流側に下降する第１の表面と、上流側から下流側に上昇する第２の表面とを有して、第１の表面で下面を透過する方向に光を反射し、第２の表面で下面によって全反射される方向に光を反射するものにおいて、
第２の表面の傾斜が凸部によって異なることを特徴とする導光素子。 - 第２の表面の傾斜が上流側の凸部から下流側の凸部に向かって次第に増大しており、その増大率が単調に変化していることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の導光素子。
- 光の下流側の端部に、光を上流側に向けて反射する反射部材を有することを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の導光素子。
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| JP2006126715A (ja) * | 2004-11-01 | 2006-05-18 | Terumo Corp | 光導波路およびこの光導波路を用いた蛍光センサ |
-
2002
- 2002-07-08 JP JP2002198313A patent/JP2004038061A/ja active Pending
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| JP4558448B2 (ja) * | 2004-11-01 | 2010-10-06 | テルモ株式会社 | 光導波路およびこの光導波路を用いた蛍光センサ |
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