JP2004325647A - Display element - Google Patents

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a display element in which a display is performed by efficiently taking evanescent light out of a light guide plate on the end face of which a compact light source is furnished. <P>SOLUTION: Transmission light 11 in the light guide plate 1 is made incident on a light extraction structure 5 by bringing the light extraction face 6 of the light extraction structure 5 close to the total reflection face 2 of the light guide plate 1 on the end face 3 of which a diffusion light source 4 is provided by a distance in the order of a light wavelength, making the transmission light reflected on a light reflection face 7, and display light 17 is taken out of the display face 12 of the light guide plate 1. The display light 17 is efficiently taken out by optimizing the angle between the light reflection face 7 and the light extraction face 6. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【００１１】
と規定することにより、導光板２０１から損失の少ない表示光２１１が得られるとされている。
【００１２】
前記各特許文献に記載された発明は、いずれもアクチュエータや駆動部といった変位素子を用いている。近年、変位素子技術の発達により、変位素子は応答速度が速く、小型化でき、消費電力も少ないので、表示素子としても高応答速度、小型化、省電力が期待されている。
【００１３】
【特許文献１】
特開平７−２８７１７６号公報
【特許文献２】
特開平１１−２０２２２２号公報
【特許文献３】
特開平１１−２０２２２３号公報
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１に記載された散乱体１０２を用いて導光板１０１からエバネッセント光を取り出す技術においては、散乱体１０２で散乱された光のすべてを表示光１０９として利用し得ないといった問題がある。
【００１５】
即ち、前記導光板１０１から取り出されたエバネッセント光は、前記反射体１０２によりランダムな角度で散乱反射され、再び導光板１０１に入射される。しかし、前記導光板１０１の屈折率は導光板の外部の屈折率よりも大きいため、散乱体１０２により散乱された光のうち、導光板１０１の全反射条件を満たす一部の光１１０は、図１０のように導光板１０１の外部には出射されずに導光板１０１の出射面１１２で全反射してしまう。このように、特許文献１の表示装置では、散乱体１０２で散乱された光のすべてを効率よく導光板１０１から光を取り出すことができず、表示画面が暗いといった問題があった。
【００１６】
また、図１１に示した特許文献２及び３の表示装置では、前記マイクロプリズム２０２の頂角２１４は、マイクロプリズム２０２に入射する光がある特定の入射角度θであるときにのみ、入射された光を好適な角度で導光板２０１に反射することができるように設計されている。一般的に光源として利用されている拡散光源は、出射光の指向性は弱く、様々な方向へ光を出射する。従って、拡散光源を用いた場合、前記マイクロプリズム２０２へは導光板を介して様々な方向から光が入射されるが、マイクロプリズム２０２の反射面２０３で反射された表示光２１１は導光板２０１に垂直方向へ出射されるものは少ない。その結果、特許文献２及び３の表示装置は、光源光の利用効率が低く、画面表示は暗いものになってしまう。
【００１７】
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものあり、光源からの光を有効に利用するとともに導光板から効率よくエバネッセント光を取り出して、明るい表示光を得るように最適化された表示素子を提供するものである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明の表示素子は、光を全反射する全反射面と、前記全反射面に対向する表示面と、前記全反射面に垂直な端面を持った平行平板である導光板と、前記導光板の一端面の近傍に設置された拡散光源と、前記導光板と屈折率が同じ透光性材料からなり、前記導光板の前記全反射面に対向する位置に設けた光抽出構造体であって、前記全反射面に対向し光を内部に透過させる光抽出面と、前記光抽出面から入射した光を反射させることにより、反射させた光を前記光抽出面から出射させて前記導光板を透過させ、前記導光板の前記表示面から外部へ出射させるように設定された光反射面を少なくとも１つ備えた光抽出構造体と、前記光抽出面の位置を、前記全反射面から光の波長分の距離よりも遠い第１の位置と、前記全反射面から光の波長分の距離よりも近い第２の位置との間で移動させることが可能である変位素子と前記変位素子を駆動する回路を備えた回路基板とで構成される。そして、本発明は、前記導光板、前記光抽出構造体、前記変位素子、前記回路基板の順に積層された構造からなる表示素子である。本発明は、前記拡散光源と前記導光板の間に介在する物質の屈折率をｎ_０、前記導光板の屈折率をｎ_１としたとき、前記光抽出面と前記光反射面とのなす角度θ_１が、
【数５】

で与えられる角度であることを特徴とする表示素子である。
【００１９】
また、本発明の表示素子は、光を全反射する全反射面と、前記全反射面に対向する表示面と、前記全反射面に垂直な端面を持った平行平板である導光板と、前記導光板の一端面の近傍に設置された拡散光源と、前記導光板よりも屈折率が大きい透光性材料からなり、前記導光板の前記全反射面に対向する位置に設けた光抽出構造体であって、前記全反射面に対向し光を内部に透過させる光抽出面と、前記光抽出面から入射した光を反射させることにより、反射させた光を前記光抽出面から出射させて前記導光板を透過させ、前記導光板の前記表示面から外部へ出射させるように設定された光反射面を少なくとも１つ備えた光抽出構造体と、前記光抽出面の位置を、前記全反射面から光の波長分の距離よりも遠い第１の位置と、前記全反射面から光の波長分の距離よりも近い第２の位置との間で移動させることが可能である変位素子と前記変位素子を駆動する回路を備えた回路基板とで構成されている。そして、本発明は、前記導光板、前記光抽出構造体、前記変位素子、前記回路基板の順に積層された構造からなる表示素子である。本発明は、前記拡散光源と前記導光板の間に介在する物質の屈折率をｎ_０、前記導光板の屈折率をｎ_１、前記光抽出構造体の屈折率をｎ_２としたとき、前記光抽出面と前記光反射面とのなす角度θ_２が、
【数６】

で与えられる角度であることを特徴とする表示素子である。
【００２０】
本発明において、前記光抽出構造体の構造が三角柱状構造物であって、前記三角柱状構造物の三角形状の底面が前記導光板の前記端面と垂直となるように設置され、、前記三角柱状構造物の３つの四辺形側面のうち、１つの四角形側面が前記導光板に対向する前記光抽出面であり、残りの少なくとも１つの四角形側面が前記光反射面であるとなる構成することが好ましい。
【００２１】
この場合、前記三角柱状構造物の３つの四辺形側面のうち、１つの四角形側面が前記導光板に対向する前記光抽出面であり、他の２つの四角形側面が前記光反射面でとなるように構成することも可能である。
【００２２】
本発明において、前記導光板の前記表示面に近接して設けられ、前記表示面から出射した光を光学的に変換する少なくとも１つの光学的変換機能を有する光変換層を備えているように構成することも可能である。
【００２３】
この場合、前記光変換層は、光学的変換機能を持った複数の層の積層体からなるように構成することも可能である。
【００２４】
また、前記光変換層は、光を散乱させる機能を有するように構成することも可能である。
【００２５】
更に、前記光変換層は、波長選択機能を有するように構成することも可能である。
【００２６】
本発明において、前記拡散光源と前記導光板との間に介在する物質の屈折率をｎ_０、前記導光板の屈折率をｎ_１としたとき、前記導光板の前記表示面と前記光変換層との間に、
【数７】

で与えられる屈折率ｎ_３を有する低屈折率層を備えているように構成することも可能である。
【００２７】
本発明の作用について説明する。
【００２８】
本発明は、拡散光源を備えることを特徴とする。拡散光源とは、出射される光の指向性が弱く、いずれの方向へも光を出射する光源をいう。拡散光源を使用することにより、容易に光を導光坂内部全体に出射することができる。また、表示素子の光源部にコリメータレンズ等を用いて光の方向性を規制する必要がないため、光源の光を有効に利用できるとともに、光源部を小型で安価に形成することができる。
【００２９】
導光板に入射した光は、前記全反射面と表示面と間で全反射を繰り返し、導光板内に行き渡る。光の全反射条件を満たす全反射面では、エバネッセント光が光の波長程度染み出している。
【００３０】
導光板の端面に備えた拡散光源から入射した光が全反射面で全反射している導光板において、前記光抽出構造体の光抽出面が、前記導光板の全反射面から光の波長分の距離よりも遠い第１の位置にある状態（以下、「ＯＦＦ状態」ともいう。）では、エバネッセント光は光抽出構造体に入射しない。
【００３１】
前記回路基板で変位素子を駆動させ、前記光抽出構造体の光抽出面の位置を前記全反射面から光の波長分の距離よりも近い第２の位置に移動させた状態（以下、「ＯＮ状態」ともいう。）において、導光板の全反射面から染み出したエバネッセント光は光抽出面から光抽出構造体へと入射する。光抽出構造体へ入射した光は、光反射面で反射し、光抽出面から出射されて再び導光板に入射する。導光板に入射した光は、導光板を透過して表示面から導光板の外部へ出射される。
【００３２】
このように、回路基板で変位素子を駆動させて光抽出構造体の光抽出面と導光板の全反射面との距離を制御する。該距離を制御することにより、前記エバネッセント光の光抽出構造体への入射、非入射を切り替える。
【００３３】
前記光抽出構造体は、入射した光を表示面へ反射する。このようにして導光板の表示面から出射する光（以下、「表示光」ともいう。）を制御することができ、観察者は表示面上で光の点灯、消灯を観察することが可能となる。
【００３４】
本発明の表示素子において、前記光抽出構造体の屈折率は、前記導光板の屈折率とほぼ同じであるか、導光板の屈折率よりも大きいことを特徴とする。これにより、前記光抽出面が前記第２の位置（ＯＮ状態）に移動した場合、前記全反射面から出ているエバネッセント光をすべて光抽出構造体に入射させることができ、表示素子としての光の利用効率を向上させることができる。
【００３５】
仮に、光抽出構造体の屈折率が導光板の屈折率よりも小さいとすると、光抽出構造体の光抽出面が第２の位置に移動した場合であっても、一部のエバネッセント光は導光板と光抽出構造体との界面で全反射条件を満たしてしまい、光抽出構造体に入射することなく導光板内に全反射してしまう。その結果、光抽出構造体から表示面へ出射する光も低下するので、表示素子としての光の利用効率が低下してしまう。
【００３６】
更に、本発明において、前記光抽出面と光反射面とがなす角度を最適化することにより、前記表示面から取り出される光の量を増加させることができ、いわゆる「光取り出し効率」を向上させることができる。光取り出し効率とは、前記光反射面で反射された光に対して、前記導光板の表示面で全反射されずに表示面から導光板外部に出射される光の割合をいい、光取り出し効率が高いほど明るい画面表示を実現することができる。
【００３７】
前記光取り出し効率の向上は、光反射面で反射された光の進行方向と前記表示面の法線とのなす角度をできる限り小さくすることにより実現される。
【００３８】
本発明において、光抽出構造体の屈折率と導光板の屈折率がほぼ同じである表示素子がＯＮ状態にあるとき、光抽出構造体の光抽出面と光反射面との角度が式（１）で与えられる角度θ_１をなすと、光反射面で反射された光の進行方向は、光抽出面の法線方向を中心とする角度範囲に反射される。光抽出面と表示面は平行であるので、光反射面で反射された光の進行方向は表示面の法線方向を中心として反射されることとなる。これにより、光反射面で反射された光の進行方向と前記表示面の法線とのなす角を小さくすることができ、光取り出し効率が大きくなるので、明るい表示素子を得ることができる。
【００３９】
また、本発明において、光抽出構造体の屈折率が導光板の屈折率よりも大きい表示素子がＯＮ状態にあるとき、光抽出構造体の光抽出面と光反射面との角度が式（２）で与えられる角度θ_２をなすと、光反射面で反射された光の進行方向は、光抽出面の法線方向を中心とする角度範囲に反射される。光抽出面と表示面は平行であるので、光反射面で反射された光の進行方向は表示面の法線方向を中心として反射されることとなる。これにより、光反射面で反射された光の進行方向と前記表示面の法線とのなす角を小さくすることができ、光取り出し効率が大きくなるので、明るい表示素子を得ることができる。
【００４０】
本発明において、前記光抽出構造体が三角柱状構造物であり、三角柱状構造物の３つの四辺形側面のうち、１つが導光板に対向する光抽出面であり、他の少なくとも１つが光反射面であることを特徴としている。光抽出構造体、変位素子の積層部（以下、「光取り出し素子」ともいう。）を１つの画素として考えると、前記光抽出面が四辺形側面であれば、光取り出し素子を１次元的又は２次元的に基板上に無駄な隙間がないように複数配置することができる。これにより、本発明の表示素子において、表示可能な情報量を大きくすることができる。
【００４１】
また、前記三角柱状構造物の三角形状の底面が前記導光板の端面と垂直となるように位置させることにより、光反射面で反射された光の進行方向と表示面の法線とのなす角が小さくなるので、表示素子の取り出し効率を大きくさせることができる。
【００４２】
また、本発明において、前記三角柱状構造体の３つの四辺形側面のうち２つの四辺形側面を光反射面とした場合、１つの光反射面は導光板の光源側の端面方向から光抽出構造体に入射した光を反射し、他の光反射面は光源側の端面に対向する端面（以下、「対向反射面」ともいう。）で反射し、該対向反射面方向から光抽出構造体に入射した光を反射する。よって、光源光を効率よく利用することができ、前記光抽出構造体から出射される光量が増加し、明るい画面表示を実現することができる。
【００４３】
本発明に係る表示素子は、前記表示面の近傍に光を光学的に変換する機能を少なくとも１つ有する光変換層を備えていることを特徴としている。前記光変換層を備えることにより、表示面から出射した表示光を光学的に変換することが可能となるので、使用用途に応じて表示光を様々に変換することが可能となる。
【００４４】
また、１つの光変換層に光学的変換機能を複数持たせたり、１つの光学的変換機能を持った光変換層を複数積層させた積層体を用いたりすることで、複数の光学的変換機能の組み合わせることができ、表示面から出射した表示光を様々に変換することが可能である。
【００４５】
この場合、表示素子は、前記光変換層に複数の光学的変換機能を持たせたり、１つの光学的変換機能を持った光変換層を複数積層させた積層体を用いたりすることで、複数の光学的変換機能を兼備することになる。これにより、前記表示面から出射した表示光は、複数の光変換効果を発現する。
【００４６】
また、前記光変換層は、光を散乱する機能を有するように構成することも可能である。前述のように、光取り出し効率を向上するためには、前記光抽出構造体の光反射面で反射した光の進行方向と表示面の法線とのなす角度が小さい方が好ましい。しかし、光反射面で反射した光の進行方向と表示面の法線とのなす角度を小さくすると、光取り出し効率は向上するが、視野角が狭くなる場合がある。前記光を散乱する機能を有する光変換層は、表示面から出射された光を散乱することにより、表示光を表示面の法線とのなす角度が大きい方向へも出射させることが可能となる。これにより、視野角の広い表示素子を得ることができる。
【００４７】
また、本発明における表示素子において、前記光変換層に波長選択機能を持たせることにより、表示面から導光板外部に出射する光の波長を制御することが可能となる。これにより、前記光反射面で反射した光のうち、特定の波長を有する光のみが光変換層を透過するようになるため、前記表示素子はカラー表示を行うことができる。
【００４８】
また、本発明に係る光変換層として、光の３原色に対応する波長選択性を組み合わせた光変換層を用いることにより、フルカラー画面表示が可能な表示素子を得ることもできる。
【００４９】
本発明において、前記導光板の前記表示面と前記光変換層との間に、前記（３）式で与えられる屈折率ｎ_３を有する低屈折率層を備えることにより、前記表示装置を小型化することができる。
【００５０】
即ち、前記表示面の近傍に光変換層を備える場合、表示素子の小型化を考えると、表示面と光変換層を密着させて厚みをできるだけ薄くすることが好ましい。しかし、光変換層の屈折率が導光板の屈折率よりも大きい場合に、表示面と光変換層を密着させると、表示面と光変換層が接する面では光の全反射条件が成り立たないため、表示素子がＯＦＦ状態であっても導光板から光が漏出してしまう。そのため、前記表示面と光変換層とを密着させることができない。
【００５１】
本発明において、前記低屈折率層を備えることにより、前記導光板と低屈折率層が接する面で全反射条件が成り立ち、ＯＦＦ状態において導光板から光が出射することがない。従って、前記導光板、低屈折率層、及び光変換層をこの順に密着させて積層することことができ、表示素子の厚みを薄くすることが可能となる。
【００５２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
【００５３】
＜表示素子の構造＞
図１は本発明における表示素子の断面図を示している。図１を用いて本発明の表示素子の構造と表示機構について説明する。
【００５４】
本発明の表示素子は、導光板１、拡散光源４と、光抽出構造体５、変位素子１４及び回路基板１６等によって構成されている。
【００５５】
導光板１は、光が内部で全反射することが可能な全反射面２、及び表示面１２を備える。導光板１の端部には、前記全反射面２及び表示面１２に垂直な端面３と対向反射面９が形成されている。
【００５６】
導光板１の材質は、ガラスや透光性のセラミックやアクリル等のプラスチック材料が好ましい。導光板１の全反射面２と表示面１２は平行な平面であるので、透過光１１は、全反射面２と表示面１２の両面で全反射を繰り返しながら導光板１中を伝搬する。透過光１１は、導光板１の全反射面２と表示面１２で全反射し続け、何ら外因のない通常状態において、導光板１の外部へ出射することがない。そのため、本実施形態に係る表示素子は、拡散光源４からの透過光１１を無駄なく利用することができる。
【００５７】
また、端面３に対向する対向反射面９は、導光板１内の透過光１１が正反射するように反射処理がされており、透過光１１を導光板１の端部から外部に逃がすことがない。そのため、本表示素子は、前記透過光１１を導光板１内で効率よく使うことができる。
【００５８】
導光板１の端面３の近傍には、拡散光源４が設置されている。拡散光源４は、特に限定されるものではないが、冷陰極管、熱陰極管、ＬＥＤ等が好ましい。
【００５９】
この拡散光源４の周囲には、拡散光源４から出射された出射光１０を反射して、前記導光板１の端面３に入射するように反射処理された反射部材８が設置されている。 反射部材８は、前記出射光１０を導光板１へ逃がさず入射することができる。
【００６０】
前記拡散光源４から出射される出射光１０は指向性が弱いため、前記反射部材８で反射された光も、前記端面３から入射され得る角度の範囲内において指向性が弱く、様々な入射角度で導光板１に入射される。反射部材８は、鏡面処理を施されたアルミニウム板等を加工して形成される。
【００６１】
本発明では、拡散光源４を用いることで、光源部１５を比較的単純な構造にすることができる。そのため、光源部１５を小型で安価にすることができ、ひいては表示素子全体を低コストで小型化することができる。
【００６２】
光抽出構造体５は透光性材料からなり、導光板１の全反射面２に対向するように配置されている。光抽出構造体５の材質は、ガラスや透光性のセラミックやアクリル等のプラスチック材料が好ましい。
【００６３】
光抽出構造体５の光抽出面６は、全反射面２に対向し、全反射面２から放出されたエバネッセント光を内部に透過する。また、光抽出構造体５の光反射面７は、光が正反射するように処理されており、光抽出面６から入射した光を反射させて、光抽出面６から出射させる。該光反射面７は、１つの光抽出構造体に対して少なくとも一面形成される。
【００６４】
光抽出構造体５は光抽出構造支持体１３に支持され、変位素子１４に固定されている。光抽出構造支持体１３は、前記光抽出体５の光抽出面６が導光板１の全反射面２と平行となるように、変位素子１４の端部に固定する。光抽出構造支持体１３は、前記光抽出構造体５の光反射面７における光の反射に影響を及ぼさない材料で形成される。また、光抽出構造支持体１３は、前記光抽出面６が全反射面２に当接する際の圧力を分散するために、適度な柔軟性を有する材料で形成されていてもよい。
【００６５】
なお、上記光抽出構造体５は、光抽出構造支持体１３を介さず、直接、変位素子１４に固着することも可能である。
【００６６】
変位素子１４は、光抽出構造体５の光抽出面６を、導光板１の全反射面２から光の波長分の距離よりも遠い第１の位置（ＯＦＦ状態）と、光の波長分の距離よりも近い第２の状態（ＯＮ状態）との間で移動させることができる。変位素子１４は、回路基板１６からの信号に基づき駆動する。変位素子１４は、特に限定されるものではなく、圧電素子、静電アクチュエータ、形状記憶合金アクチュエータ等から適宜選択して用いられる。
【００６７】
＜表示素子の表示機構＞
本実施形態に係る表示素子がどのようにして画面表示を可能とするかについて説明する。
【００６８】
図１において、拡散光源４から出射された出射光１０は、直接に又は反射部材８で反射されて端面３から導光板１に入射する。入射された光は、透過光１１として全反射面２と表示面１２とで全反射を繰り返しながら導光板１内を透過する。
【００６９】
変位素子１４を回路基板１６で駆動することにより、光抽出構造体５の光抽出面６の位置を導光板１の全反射面２から光の波長分の距離よりも遠い第１の位置に移動させた状態（ＯＦＦ状態）では、透過光１１は光抽出構造体５へ入射しない。この状態において、表示面１２に画像等は表示されていない。
【００７０】
変位素子１４を回路基板１６で駆動することにより、光抽出構造体５の光抽出面６の位置を導光板１の全反射面２から光の波長分の距離よりも近い第２の位置に移動させた状態（ＯＮ状態）では、導光板１の全反射面２から透過光１１がエバネッセント光として光抽出面６から光抽出構造体５へ入射する。光抽出構造体５は、入射した透過光１１を光反射面７で反射し光抽出面６から出射する。再び、導光板１に入射した光は、導光板１を透過して表示面１２から表示光１７として導光板１の外部へ出射される。この状態において、観察者１８は表示面１２から出射された表示光１７を感知し、画面表示を認識する。
【００７１】
このように、上記の２つの状態により表示面１２から出射する表示光１７を制御することができ、表示素子の表示面１２側にいる観察者１８は光の点灯、消灯を見ることが可能となる。また、表示光１７の階調はＯＮ状態の時間を回路基板１６で制御することにより、任意に変化させることができる。
【００７２】
以下、具体的な実施例について説明する。
【００７３】
（実施例１）
図２は、本発明の実施例１に係る表示素子の要部拡大断面図である。本実施例において、光抽出構造体５の屈折率と導光板１の屈折率とはほぼ同じである。図２は実施例１に係る表示素子のＯＮ状態の断面図を示している。
【００７４】
光源部１５は、拡散光源４と反射部材８から構成されている。拡散光源４及び反射部材８と導光板１の端面３との間の光入射部１９には、所定の屈折率を有する透光性の物質が充填されており、透光性の物質は空気等の気体やガラスや透光性セラミックや透光性プラスチック材料等が好ましい。
【００７５】
拡散光源４から光入射部１９に放射された出射光１０は、直接に、又は反射部材８で反射されて端面３から入射する。出射光１０は、端面３の法線２０に対して半角０°から９０°の角度範囲２１で入射する。
【００７６】
ここで、前記光入射部１９の屈折率をｎ_０、導光板１の屈折率をｎ_１とする。出射光１０の角度範囲２１とスネルの式を考慮すると、導光板１の内部に入射した透過光１１は、導光板１の端面３の法線２０に対して式（４）で表される半角ψ_１の角度範囲２２で導光板１に入射される。
【００７７】
【数８】

【００７８】
このように導光板１の内部の透過光１１は、上記角度範囲２２を持つ。表示素子がＯＮ状態にあるとき、光抽出構造体５に入射し光反射面７で反射された取り出し光２３は、角度範囲２４を持つ。
【００７９】
ＯＮ状態において、取り出し光２３に対する表示光１７の割合である光取り出し効率を大きくするためには、表示面１２で全反射条件を満たさない取り出し光の２３の割合を大きくする必要がある。そのために、取り出し光２３と表示面の法線２５とのなす角２６をできるだけ小さくする必要がある。取り出し光２３と表示面１２の法線２５のなす角２６を小さくするためには、前記取り出し光２３の角度範囲２４が決まっていることから、取り出し光２３の角度範囲２４の中心２７と表示面１２の法線２５とのなす角度を小さくすることが有効である。
【００８０】
これらのことより、本実施例では、取り出し光２３の角度範囲２４の中心２７と表示面１２の法線２５とのなす角度を小さくために、光抽出構造体５の光抽出面６と光反射面７との角度θ_１を最適化する。本実施例において最適な角度θ_１は、前記光入射光部１９の屈折率をｎ_０、導光板１の屈折率をｎ_１とすると、次式（１）で与えられる。
【００８１】
【数９】

【００８２】
上記の式（１）について説明する。本実施例では、導光板１の屈折率と光抽出構造体５の屈折率は同じであるので、光反射面７に入射する光３２の角度範囲３３の角度ψ_２は、導光板１に入射した透過光１１の角度範囲２２の半角ψ_１と等しい。よって、光反射面７に入射する光３２は、表示面１２の法線２５に対して次式（５）で表される角度ψ_２の角度範囲３３で入射する。
【００８３】
【数１０】

【００８４】
上式（５）で表される角度範囲３３で光反射面７に入射する光３２の中心３４が、取り出し光２３の中心２７となす角度φ_１は次式（６）で表される。
【００８５】
【数１１】

【００８６】
前記光取り出し効率を大きくするためには、取り出し光２３の中心２７と表示面１２の法線２５とのなす角度２６をできるだけ小さくする必要がある。光反射面７において、光反射面７に入射する光３２の中心３４が表示面１２の法線２５方向と一致するとき、取り出し光２３は表示面１２の法線２５を中心に反射され、光取り出し効率を最も大きくすることができる。
【００８７】
光反射面７において、光反射面７に入射する光３２の中心３４が表示面１２の法線２５方向と一致するとき、角度φ_１は光反射面７の法線２９によって１／２に分割される。また、光反射面７の法線２９と表示面１２の法線２５がなす角度φ_２と、光抽出面６と光反射面７とがなす角度θ_１は等しい。よって、θ１、φ１及びφ２の間には、
【数１２】

で示される関係があり、式（１）が導き出される。
【００８８】
このように、上記の式（１）を満たすように光反射面７を設計することにより、光反射面７において、光反射面７に入射する光３２の中心３４が表示面１２の法線２５方向と一致し、取り出し光２３は表示面１２の法線２５を中心に反射されることとなり、光取り出し効率を大きくすることができる。
【００８９】
例えば、光入射部の屈折率ｎ_０が１．０、導光板の屈折率ｎ_１が１．５、光抽出構造体の屈折率ｎ_２が１．５であるとき、式（１）により、光抽出面と光反射面とのなす角度θ_１は約３４．５°と算出され、このとき光取り出し効率が最大となる。
【００９０】
このように、式（１）で最適化された光抽出面６と光反射面７の角度を、実測値と比較して検証する。
【００９１】
図４は、本発明における表示素子の表示光の正規化された照度の強度と、光抽出面６と光反射面７のなす角度との関係を示したグラフである。本実施例１に係る表示素子の実測結果を□で示す。図４から分かるように、光抽出面と光反射面の角度が３５°であるとき、正規化された照度が極大となっていることが分かる。よって、式（１）によって得られた値とよく合致しており、式（１）が本発明の表示素子における光抽出面と光反射面の設計に有効であることが分かる。
【００９２】
（実施例２）
図３は、本発明の実施例２に係る表示装置の要部拡大断面図である。本実施例において、光抽出構造体５の屈折率は、導光板１の屈折率より大きい。図３は表示素子のＯＮ状態の断面図を示している。
【００９３】
光源部１５は、上記実施例１と同等に構成されている。拡散光源４から出射された光は、端面３から導光板１に入射して伝搬してゆく。
【００９４】
ここで、入射光部１９の屈折率をｎ_０、導光板１の屈折率をｎ_１、光抽出構造体５の屈折率をｎ_２とする。本実施例では、光抽出構造体５の屈折率は導光板１の屈折率よりも大きいので、ｎ_１＜ｎ_２の関係が成り立つ。前記実施例１と同様、表示面１２における光取り出し効率を大きくするために、光抽出構造体５の光抽出面６と光反射面７とのなす角度θ_２を最適化すると、角度θ_２は次の式（２）で与えられる。
【００９５】
【数１３】

【００９６】
上記の式（２）について説明する。光抽出面６に入射する光は、光抽出面６の法線３８に対して次式（７）で表される角度ψ_３の角度範囲３５で入射する。
【００９７】
【数１４】

【００９８】
式（７）で表される角度範囲３５で光抽出面６に入射する光３６の中心３７と光抽出面６の法線３８とがなす角度φ_３は次式（８）で表される。
【００９９】
【数１５】

【０１００】
本実施例２において、導光板１の屈折率ｎ_１と光抽出構造体５の屈折率ｎ_２は異なるので、光抽出面６に入射する光３６は、光抽出面６で屈折して光抽出構造体５に入射する。光抽出構造体５に入射した光３９は、角度範囲４１を有している。入射した光３９の中心４０と光抽出面６の法線３８とがなす角度φ_４は、スネルの式を考慮すると次式（９）で表される。
【０１０１】
【数１６】

【０１０２】
光取り出し効率を大きくするためには、取り出し光２３の中心２７と表示面１２の法線２５のなす角度をできるだけ小さくする必要がある。光反射面７において、光反射面７に入射する光４７の中心４３が表示面１２の法線２５方向へ反射されるとき、取り出し光２３は表示面１２の法線２５を中心に反射され、光取り出し効率を大きくすることができる。
【０１０３】
光反射面７において、光反射面７に入射する光４７の中心４３が表示面１２の法線２５方向と一致するとき、角度φ_４は光反射面７の法線２９によって１／２に分割される。また、光反射面７の法線２９と表示面１２の法線２５がなす角度φ_５と、光抽出面６と光反射面７とがなす角度θ_２は等しい。よって、θ２、φ４及びφ５の間には、
【数１７】

で示される関係があり、式（２）が導き出される。
【０１０４】
このように、式（２）を満たすように光反射面７を設計することにより、光反射面７において、光反射面７に入射する光４７の中心４３が表示面１２の法線２５方向と一致し、取り出し光２３は表示面１２の法線２５を中心に反射されることとなり、光取り出し効率を大きくすることができる。
【０１０５】
例えば、光入射部の屈折率が１、導光板の屈折率が１．５、光抽出構造体の屈折率が１．７であるとき、式（２）により、光抽出面と光反射面の角度θ_２は約２７．８°と算出され、このとき光取り出し効率が最大となる。
【０１０６】
このように、式（２）で最適化された光抽出面６と光反射面７の角度を、実測値と比較して検証する。図４は本発明の表示素子における表示光の正規化された照度の強度と、光抽出面６と光反射面７の角度の関係を示したものである。本実施例に係る表示素子の実測結果を◆で示す。図４から分かるように、光抽出面と光反射面の角度が３０°であるとき、正規化された照度が極大となっていることが分かる。よって、式（２）によって得られた値とよく合致しており、式（２）が本発明の表示素子における光抽出面と光反射面の設計に有効であることが分かる。
【０１０７】
（実施例３）
本実施例において、前記光抽出構造体の配置及び形状について説明する。本実施例の表示素子の基本的な構造は、前記実施例１又は実施例２で説明した表示素子を同様である。従って、以下、実施例３について前記各実施例と異なる構成について説明する。
【０１０８】
図１に示す光抽出構造体５、光抽出構造支持体１３及び変位素子１４の積層体（光取り出し素子）を１つの画素として考えると、光取り出し素子を１次元的又は２次元的に回路基板１６上に複数配置することにより、様々な情報の表示が可能となる。
【０１０９】
光取り出し素子を１次元的に配置すれば、変化量を表示するメータ等に用いることができ、また２次元的に配置すれば画像を表示が可能になり、画像表示装置として用いることができる。また、表示素子の光取り出し効率を大きくするには、光反射面をできるだけ大きくすることが好ましい。
【０１１０】
図５は、全反射面２に配置された光抽出構造体６の俯瞰図である。本実施例において、光抽出構造体５は、三角柱状に形成されている。光抽出構造体５の光抽出面６は四辺形側面であるため、導光板１に対して光抽出構造体５を無駄な隙間がないように敷き詰めることが可能である。また、光抽出構造体５を適切な三角柱状構造物に形成することで光反射面７を大きくすることができる。これにより、表示素子の表示可能な情報量を大きくすることができるとともに、表示素子の光取り出し効率を大きくすることができる。また、本実施例において、前記光抽出構造体５は、その三角形状の底面４８が導光板１の端面３と垂直な関係になるように設置されており、光取り出し効率を大きくすることができる。
【０１１１】
（実施例４）
図６は、実施例４に係る表示素子の要部拡大断面図である。本実施例の表示素子の基本的な構造は、前記実施例１乃至実施例３で説明した表示素子を同様である。従って、以下、実施例４について前記各実施例と異なる構成について説明する。
【０１１２】
本実施例において、光抽出構造体５は三角柱状構造物に形成されており、３つの四辺形側面のうち、１つの側面が前記光抽出面６であり、他の２つの側面が光反射面７、７′となるように形成されている。本実施例に係る表示素子は、光反射面７、７′を２つ設けることにより、一の光反射面７で導光板１の端面３方向からの透過光１１を反射し、他の光反射面７′で導光板１の対向反射面９方向からの透過光１１′を反射することが可能となる。光反射面を２つ設けることにより、光源部１５の核酸光源４及び反射部材８から導光板に入射された光を有効に利用することができる。
【０１１３】
（実施例５）
図７は、実施例５に係る表示素子の要部拡大断面図である。本実施例の表示素子の基本的な構造は、前記実施例１乃至実施例３で説明した表示素子を同様である。従って、以下、実施例４について前記各実施例と異なる構成について説明する。
【０１１４】
本実施例に係る表示素子は、表示面１２に近接して設けられ、前記表示面１２から出射した光を光学的に変換する少なくとも１つの光学的機能を有する光変換層４４を備える。
【０１１５】
光変換層４４を備えることにより、表示面１２から出射した表示光１７を光学的に変換することが可能となるので、表示素子の使用用途に応じて表示光１７を様々に変換することが可能となる。また、１つの光変換層に複数の光学的変換機能を持たせたり、光変換層にある光学的変換機能を持った複数の層を積層させた積層体を用いたりすることで、複数の光学的変換機能の組み合わせることができる。これにより、表示面から出射した表示光を様々に変換することが可能である。また、表示光の利用効率を著しく低下させないために、前記光変換層４４は光を光学的に変換する際には光の著しい減衰を生じさせないことが望ましい。
【０１１６】
本実施例に係る光変換層４４は、光を散乱する機能を有する。導光板１の表示面１２から出射した表示光１７は、前記光変換層４４で散乱されて多方向へ放射する拡散光となる。これにより、視野角の広い表示素子を得ることができる。光を散乱する機能を持った光変換層４４としては、磨りガラスのように透明物質の表面を荒らしたもの、透明物質にアルミニウム、銀、鉄等の反射体の微粒子を混入したもの、あるいはマイクロレンズアレイ等を用いることができる。
【０１１７】
（実施例６）
図８は、実施例６に係る表示素子の要部拡大断面図である。本実施例の表示素子の基本的な構造は、前記実施例１乃至実施例３で説明した表示素子を同様である。従って、以下、実施例５について前記各実施例と異なる構成について説明する。
【０１１８】
本実施例に係る表示素子は、波長選択機能を有する光変換層４４を備える。ここで、波長選択機能とは、白色光など種々の波長を有する光から特定の波長を有する光のみを選択的に透過させる機能をいう。本実施例に係る光変換層４４は、３種類のカラーフィルター４４′から構成されている。拡散光源４には、冷陰極管、熱陰極管又は白色発光ダイオード等の白色光源が使用される。該カラーフィルター４４′は、それぞれレッド、グリーン及びブルーの光の３原色に対し波長選択機能を備えており、これらのカラーフィルター４４′を透過した表示光１７は、透過したカラーフィルターの選択波長に応じて着色される。本実施例に係る表示素子は、上記３色の表示光１７の組み合わせを変化させることによりフルカラー表示を行うことができる。また、画素４９と画素４９の間にはブラックマトリックス４５を設けることが好ましい。ブラックマトリックス４５を設けることにより、表示光１７は画素４９のみから出射されるので、表示光１７のコントラストを向上させることができる。
【０１１９】
前記カラーフィルターに変えて透過型ホログラム等を用いることも可能である。透過型ホログラムは、レッド、グリーン及びブルーの光の３原色に対し波長選択機能を備えており、これらの透過型ホログラムを透過した表示素子１７は、透過した透過型ホログラムの選択波長に応じて着色される。本実施例に係る表示素子は、上記３色の表示光１７の組み合わせを変化させることによりフルカラー表示を行うことができる。
【０１２０】
本実施例において、前記波長選択機能を有する光変換層４４′に光を散乱する機能を付加させたり、該光変換層４４に光を散乱する機能を持った他の光変換層を積層したりすることも可能である。これにより、視野角の広いフルカラー表示素子を得ることができる。
【０１２１】
（実施例７）
図９は、実施例７に係る表示素子の要部拡大断面図である。本実施例の表示素子の基本的な構造は、前記実施例１乃至実施例３で説明した表示素子を同様である。従って、以下、実施例７について前記各実施例と異なる構成について説明する。
【０１２２】
本実施例は、ＯＦＦ状態において、透過光１１の光変換層４４″への漏出を低減する。即ち、導光板１の屈折率が前記光変換層の屈折率より大きく、導光板１と光変換層４４″とが密着して積層されている場合、表示素子がＯＦＦ状態であるにもかかわらず、表示面１２に入射する光の一部が光変換層４４″へ漏出してしまうおそれがあった。本実施例は、導光板１の表示面１２と光変換層４４″の間に低屈折率層４６を介在させ、該低屈折率層の屈折率を最適化することにより、ＯＦＦ状態における透過光１１の漏出を防止する。
【０１２３】
実施例７において、導光板１、低屈折率層４６及び光変換層４４″は、互いに密着した状態で積層されている。この場合、光入射部１９の屈折率をｎ_０、導光板１の屈折率をｎ_１とすると、低屈折率層４６は式（３）で与えられる屈折率ｎ_３であることが最適である。
【０１２４】
【数１８】

【０１２５】
式（３）について図９を用いて説明する。前述のように、透過光１１は導光板１の端面３の法線２０に対して、式（４）で示される半角ψ_１の角度範囲２２を持つ。
【０１２６】
【数１９】

【０１２７】
この角度範囲２２を持った透過光１１のすべてが導光板１と低屈折率層４６の界面、すなわち表示面１２で全反射条件を満たすために、低屈折率層の屈折率ｎ_３は光の全反射条件から次式の式（１０）となる。
【０１２８】
【数２０】

【０１２９】
よって、式（３）が得られる。表示面１２と光変換層４４″の間に上記条件を満たす低屈折率層４６を設けることにより、導光板１と低屈折率層４６の界面において透過光１１の全反射条件が保たれる。
【０１３０】
従来は、光変換層の屈折率が導光板の屈折率より大きい場合、表示素子がＯＦＦ状態における光の漏出を防止するため、導光板と光変換層を密着させて積層することができなかった。そのため、表示素子の厚みが厚くなる原因となっていた。
【０１３１】
本実施例に係る表示素子は、導光板１の表示面１２と光変換層４４″との間に前記低屈折率層４６を介在させることにより、導光板１と光変換層４４″とを低屈折率層４６を介して密着させて積層することができる。これにより、表示素子の厚みを薄くすることが可能となる。低屈折率層４６としては、ポーラスシリカ等の透明材料の薄膜が好ましい。
【０１３２】
なお、これまでに述べた表示素子は、本発明における表示素子の一例を示したものであり、本発明は実施の形態に示したいくつかの実施例や図面で示した大きさ、角度等に限定されるものではない。
【０１３３】
【発明の効果】
本発明に係る表示素子は、光抽出構造体の光抽出面と光抽出面の角度や光取り出しの形状を最適化することにより、光取り出し効率を向上させることができ、明るい表示素子を得ることができる。また、本発明に係る表示素子は、表示面の近傍に光変換層を設けることにより、使用用途に合わせて表示光を任意に変換することができ、様々な表示を行うことが可能な表示素子を得ることができる。
【０１３４】
更に、本発明に係る表示素子は、小型で安価な拡散光源を用いるため、表示素子全体を小型することができ、また安価に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における表示素子の要部拡大断面図である。
【図２】実施例１に係る表示素子の要部拡大断面図である。
【図３】実施例２に係る表示素子の要部拡大断面図である。
【図４】本発明における表示素子の表示光の正規化された光束の強度と、光抽出面と光反射面の角度の関係を示したグラフである。
【図５】実施例３に係る表示素子の導光板と光抽出構造体の関係を示した俯瞰図である。
【図６】実施例４に係る表示素子の要部拡大断面図である。
【図７】実施例５に係る表示素子の要部拡大断面図である。
【図８】実施例６に係る表示素子の要部拡大断面図である。
【図９】実施例７に係る表示素子の要部拡大断面図である。
【図１０】従来技術に係る表示素子の断面図である。
【図１１】従来技術に係る光スイッチング素子の断面図である。
【符号の説明】
１ 導光板
２ 全反射面
３ 端面
４ 拡散光源
５ 光抽出構造体
６ 光抽出面
７ 光反射面
８ 反射部材
９ 対向反射面
１２ 表示面
１３ 光抽出構造支持体
１４ 変位素子
１６ 回路基板[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a display element that extracts light from a light guide plate through which light from a diffuse light source propagates to display an image or the like.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, as a display element used for a display device, there are a CRT (cathode ray tube), a PDP (plasma display), a liquid crystal display, an LED (light emitting diode), an EL (electroluminescence), and the like. ing.
[0003]
In recent years, as one of the display elements, a display element using evanescent light has been proposed. This utilizes a phenomenon in which light of about the distance of the wavelength of light leaks out of the total reflection surface of the light guide plate in a state where the light propagates inside the light guide plate or the like while repeating total internal reflection. . Light that seeps out of the surface of the light guide plate in this way is called evanescent light. When the translucent object is brought closer to the total reflection surface to a distance equal to or less than the wavelength of light, it is known that even when the total reflection surface and the translucent object are not in contact, the evanescent light is incident on the translucent object. I have. A display element can be obtained by extracting evanescent light that has permeated from the light guide plate and using it as display light.
[0004]
Several methods have been disclosed so far for extracting evanescent light (for example, see Patent Documents 1 to 3).
[0005]
As shown in FIG. 10, the display device described in Patent Literature 1 includes a light guide plate 101, a scatterer 102, an actuator unit 103, a vibrating unit 107, and a fixing unit 106. A pair of electrodes 105 is provided.
[0006]
In the display device of Patent Document 1, in a state where light 108 is transmitted while being totally reflected inside the light guide plate 101, the actuator unit 103 is driven to move the scatterer 102 to the total reflection surface 111 of the light guide plate 101. A structure is provided for moving to a position closer than the distance of the wavelength of light. By bringing the scatterer 102 closer to the light guide plate 101, the scatterer 102 scatters the evanescent light oozing from the light guide plate 101 and emits the evanescent light to the total reflection surface 111 of the light guide plate 101. The display light 109 can be obtained by extracting the light emitted to the total reflection surface 111 from the emission surface 112 facing the total reflection surface 111.
[0007]
Patent Document 2 discloses an optical switching element for extracting evanescent light as shown in FIG. The optical switching element of Patent Document 2 includes a light guide plate 201, a microprism 202, a buffer member 206, a spacer 210, a displacement element 212, and an IC unit 209. The displacement element 212 includes a pair of electrodes 204, 205 spring member 207, and a support post 208.
[0008]
The display element described in Patent Literature 2 drives the displacement element 212 and moves the micro prism 202 to the total reflection surface 213 of the light guide plate 201 in a state where light 215 passes through the inside of the light guide plate 201 while being totally reflected. , The evanescent light seeping out of the total reflection surface 213 is incident on the microprism 202. It is said that this display element can obtain display light 211 by reflecting light incident on the microprism 202 on the reflection surface 203 in the microprism 202 and emitting the light in the vertical direction of the light guide plate 201. I have.
[0009]
The display device described in Patent Document 3 has a structure substantially similar to that of Patent Document 2 described above. The display device of Patent Document 3 describes the relationship between the angle θ of the introduced light 215 with respect to the total reflection surface 213 and the apex angle φ of the microprism 202.
[0010]
(Equation 4)

[0011]
It is stated that the display light 211 with a small loss can be obtained from the light guide plate 201 by defining as follows.
[0012]
Each of the inventions described in the above patent documents uses a displacement element such as an actuator or a drive unit. In recent years, with the development of displacement element technology, displacement elements have a high response speed, can be miniaturized, and have low power consumption. Therefore, high response speed, miniaturization, and power saving are expected as display elements.
[0013]
[Patent Document 1]
JP-A-7-287176
[Patent Document 2]
JP-A-11-202222
[Patent Document 3]
JP-A-11-202223
[0014]
[Problems to be solved by the invention]
However, the technique of extracting evanescent light from the light guide plate 101 using the scatterer 102 described in Patent Document 1 has a problem that not all of the light scattered by the scatterer 102 can be used as the display light 109. .
[0015]
That is, the evanescent light extracted from the light guide plate 101 is scattered and reflected at a random angle by the reflector 102 and is incident on the light guide plate 101 again. However, since the refractive index of the light guide plate 101 is larger than the refractive index outside the light guide plate, a part of the light scattered by the scatterer 102 that satisfies the condition of total reflection of the light guide plate 101 is not shown in FIG. As shown in FIG. 10, the light is not reflected out of the light guide plate 101 but is totally reflected by the light exit surface 112 of the light guide plate 101. As described above, the display device of Patent Document 1 has a problem in that all the light scattered by the scatterer 102 cannot be efficiently extracted from the light guide plate 101, and the display screen is dark.
[0016]
Further, in the display devices of Patent Documents 2 and 3 shown in FIG. 11, the apex angle 214 of the microprism 202 is incident only when light incident on the microprism 202 has a specific incident angle θ. It is designed so that light can be reflected to the light guide plate 201 at a suitable angle. A diffuse light source generally used as a light source has low directivity of emitted light and emits light in various directions. Therefore, when a diffused light source is used, light is incident on the microprism 202 from various directions via the light guide plate, but the display light 211 reflected on the reflection surface 203 of the microprism 202 is incident on the light guide plate 201. Few are emitted in the vertical direction. As a result, the display devices of Patent Literatures 2 and 3 have low utilization efficiency of light from the light source, resulting in a dark screen display.
[0017]
The present invention has been made to solve the above problems, and has been optimized to effectively use light from a light source and efficiently extract evanescent light from a light guide plate to obtain bright display light. A display element is provided.
[0018]
[Means for Solving the Problems]
The display element of the present invention is a light guide plate that is a parallel flat plate having a total reflection surface that totally reflects light, a display surface facing the total reflection surface, an end surface perpendicular to the total reflection surface, and the light guide plate. And a light extraction structure provided at a position facing the total reflection surface of the light guide plate, the light source being disposed in the vicinity of one end surface of the light guide plate, and made of a translucent material having the same refractive index as the light guide plate. A light extraction surface that faces the total reflection surface and allows light to pass therethrough, and reflects light incident from the light extraction surface, so that the reflected light is emitted from the light extraction surface and the light guide plate is A light extraction structure provided with at least one light reflection surface set to transmit and emit light from the display surface of the light guide plate to the outside; and A first position farther than the wavelength distance, and a wavelength of light from the total reflection surface. Distance composed of the second circuit board having a circuit which can be moved to drive the displacement element the displacement element between a position closer than. The present invention is a display element having a structure in which the light guide plate, the light extraction structure, the displacement element, and the circuit board are stacked in this order. According to the present invention, the refractive index of a substance interposed between the diffusion light source and the light guide plate is set to n. ₀ , The refractive index of the light guide plate is n ₁ , The angle θ between the light extraction surface and the light reflection surface ₁ But,
(Equation 5)

Wherein the angle is given by:
[0019]
Further, the display element of the present invention is a total reflection surface that totally reflects light, a display surface facing the total reflection surface, a light guide plate that is a parallel flat plate having an end surface perpendicular to the total reflection surface, A light extraction structure provided at a position opposed to the total reflection surface of the light guide plate, comprising a diffusion light source installed near one end surface of the light guide plate, and a light-transmitting material having a larger refractive index than the light guide plate; A light extraction surface that faces the total reflection surface and transmits light therein, and reflects light incident from the light extraction surface, thereby causing the reflected light to exit from the light extraction surface. A light extraction structure provided with at least one light reflection surface set to transmit the light guide plate and emit light from the display surface of the light guide plate to the outside, and the position of the light extraction surface to the total reflection surface A first position farther than the distance corresponding to the wavelength of light from Is composed of a circuit board having a circuit for driving to move the displacement device is capable of the displacement element and a second position closer than the distance wavelengths of light. The present invention is a display element having a structure in which the light guide plate, the light extraction structure, the displacement element, and the circuit board are stacked in this order. According to the present invention, the refractive index of a substance interposed between the diffusion light source and the light guide plate is set to n. ₀ , The refractive index of the light guide plate is n ₁ , The refractive index of the light extraction structure ₂ , The angle θ between the light extraction surface and the light reflection surface ₂ But,
(Equation 6)

Wherein the angle is given by:
[0020]
In the present invention, the structure of the light extraction structure is a triangular prism-shaped structure, and the light extraction structure is installed such that a triangular bottom surface of the triangular prism-shaped structure is perpendicular to the end surface of the light guide plate; It is preferable that one of the three rectangular side surfaces of the structure is the light extraction surface facing the light guide plate, and the remaining at least one rectangular side surface is the light reflection surface. .
[0021]
In this case, among the three quadrilateral sides of the triangular prism-shaped structure, one quadrilateral side is the light extraction surface facing the light guide plate, and the other two quadrilateral sides are the light reflection surfaces. It is also possible to configure.
[0022]
In the present invention, the light guide plate includes a light conversion layer provided in proximity to the display surface and having at least one optical conversion function of optically converting light emitted from the display surface. It is also possible.
[0023]
In this case, the light conversion layer may be configured to include a laminate of a plurality of layers having an optical conversion function.
[0024]
In addition, the light conversion layer may be configured to have a function of scattering light.
[0025]
Further, the light conversion layer can be configured to have a wavelength selection function.
[0026]
In the present invention, the refractive index of a substance interposed between the diffusion light source and the light guide plate is represented by n ₀ , The refractive index of the light guide plate is n ₁ When, between the display surface of the light guide plate and the light conversion layer,
(Equation 7)

Refractive index n given by ₃ It is also possible to provide a low refractive index layer having the following.
[0027]
The operation of the present invention will be described.
[0028]
The present invention is characterized by including a diffusion light source. The diffuse light source is a light source that emits light in any direction because the emitted light has weak directivity. By using the diffusion light source, light can be easily emitted to the entire inside of the light guiding slope. Further, since it is not necessary to regulate the direction of light using a collimator lens or the like for the light source section of the display element, the light of the light source can be used effectively, and the light source section can be formed small and inexpensively.
[0029]
The light incident on the light guide plate repeats total reflection between the total reflection surface and the display surface, and reaches the inside of the light guide plate. On the total reflection surface that satisfies the condition for total reflection of light, the evanescent light seeps out at about the wavelength of light.
[0030]
In a light guide plate in which light incident from a diffused light source provided on an end surface of the light guide plate is totally reflected by a total reflection surface, the light extraction surface of the light extraction structure has a wavelength corresponding to the wavelength of light from the total reflection surface of the light guide plate. Evanescent light does not enter the light extraction structure in a state at a first position farther than the distance (hereinafter, also referred to as an “OFF state”).
[0031]
A state in which the displacement element is driven by the circuit board and the position of the light extraction surface of the light extraction structure is moved from the total reflection surface to a second position that is closer than the distance corresponding to the wavelength of light (hereinafter, “ON”) In this case, the evanescent light leaking from the total reflection surface of the light guide plate enters the light extraction structure from the light extraction surface. The light incident on the light extraction structure is reflected on the light reflection surface, exits from the light extraction surface, and enters the light guide plate again. Light incident on the light guide plate is transmitted through the light guide plate and emitted from the display surface to the outside of the light guide plate.
[0032]
Thus, the displacement element is driven by the circuit board to control the distance between the light extraction surface of the light extraction structure and the total reflection surface of the light guide plate. By controlling the distance, the incidence and non-incidence of the evanescent light on the light extraction structure are switched.
[0033]
The light extraction structure reflects incident light to a display surface. In this manner, light emitted from the display surface of the light guide plate (hereinafter, also referred to as “display light”) can be controlled, and the observer can observe whether the light is on or off on the display surface. Become.
[0034]
In the display device according to the aspect of the invention, a refractive index of the light extraction structure may be substantially the same as or greater than a refractive index of the light guide plate. Thereby, when the light extraction surface moves to the second position (ON state), all the evanescent light emitted from the total reflection surface can be incident on the light extraction structure, and the light as a display element can be obtained. Efficiency can be improved.
[0035]
Assuming that the refractive index of the light extraction structure is smaller than the refractive index of the light guide plate, even if the light extraction surface of the light extraction structure moves to the second position, some evanescent light is guided. The interface between the light plate and the light extraction structure satisfies the condition of total reflection, and the light is totally reflected in the light guide plate without being incident on the light extraction structure. As a result, light emitted from the light extraction structure to the display surface also decreases, so that the light use efficiency of the display element decreases.
[0036]
Furthermore, in the present invention, by optimizing the angle between the light extraction surface and the light reflection surface, the amount of light extracted from the display surface can be increased, and the so-called “light extraction efficiency” is improved. be able to. The light extraction efficiency refers to a ratio of light emitted from the display surface to the outside of the light guide plate without being totally reflected by the display surface of the light guide plate, with respect to the light reflected by the light reflection surface. , A brighter screen display can be realized.
[0037]
The improvement of the light extraction efficiency is realized by minimizing the angle between the traveling direction of the light reflected by the light reflection surface and the normal line of the display surface.
[0038]
In the present invention, when the display element in which the refractive index of the light extraction structure is substantially the same as the refractive index of the light guide plate is in the ON state, the angle between the light extraction surface and the light reflection surface of the light extraction structure is expressed by the formula (1). The angle θ given by ₁ In this case, the traveling direction of the light reflected by the light reflection surface is reflected in an angle range centered on the normal direction of the light extraction surface. Since the light extraction surface and the display surface are parallel, the traveling direction of the light reflected on the light reflection surface is reflected about the normal direction of the display surface. Thus, the angle between the traveling direction of the light reflected by the light reflecting surface and the normal to the display surface can be reduced, and the light extraction efficiency increases, so that a bright display element can be obtained.
[0039]
Further, in the present invention, when the display element in which the refractive index of the light extraction structure is larger than the refractive index of the light guide plate is in the ON state, the angle between the light extraction surface and the light reflection surface of the light extraction structure is expressed by Expression (2). The angle θ given by ₂ In this case, the traveling direction of the light reflected by the light reflection surface is reflected in an angle range centered on the normal direction of the light extraction surface. Since the light extraction surface and the display surface are parallel, the traveling direction of the light reflected on the light reflection surface is reflected about the normal direction of the display surface. Thus, the angle between the traveling direction of the light reflected by the light reflecting surface and the normal to the display surface can be reduced, and the light extraction efficiency increases, so that a bright display element can be obtained.
[0040]
In the present invention, the light extraction structure is a triangular prism-shaped structure, and one of the three quadrilateral sides of the triangular prism-shaped structure is a light extraction surface facing the light guide plate, and at least one other is a light reflection surface. It is characterized by being a surface. When a light extraction structure and a stacked portion of a displacement element (hereinafter, also referred to as a “light extraction element”) are considered as one pixel, if the light extraction surface is a quadrilateral side, the light extraction element is one-dimensional or A plurality can be arranged two-dimensionally so that there is no useless gap on the substrate. Thereby, in the display element of the present invention, the amount of information that can be displayed can be increased.
[0041]
Further, by positioning the triangular bottom surface of the triangular prism-shaped structure so as to be perpendicular to the end surface of the light guide plate, the angle between the traveling direction of the light reflected by the light reflecting surface and the normal line of the display surface. Is reduced, so that the take-out efficiency of the display element can be increased.
[0042]
Further, in the present invention, when two quadrilateral sides of the three quadrilateral sides of the triangular prism-shaped structure are light reflecting surfaces, one light reflecting surface is a light extraction structure from a light source side end face direction of the light guide plate. The light incident on the body is reflected, and the other light reflecting surface is reflected by an end surface (hereinafter, also referred to as “opposing reflecting surface”) facing the end surface on the light source side, and is reflected from the direction of the opposing reflecting surface to the light extraction structure. Reflects incident light. Therefore, light from the light source can be used efficiently, the amount of light emitted from the light extraction structure increases, and a bright screen display can be realized.
[0043]
The display element according to the present invention is characterized in that a light conversion layer having at least one function of optically converting light is provided near the display surface. By providing the light conversion layer, the display light emitted from the display surface can be optically converted, so that the display light can be variously converted according to the intended use.
[0044]
In addition, by providing one light conversion layer with a plurality of optical conversion functions or using a laminate in which a plurality of light conversion layers having one optical conversion function are stacked, a plurality of optical conversion functions are provided. Can be combined, and the display light emitted from the display surface can be variously converted.
[0045]
In this case, the display element is provided with a plurality of optical conversion functions by providing the light conversion layer with a plurality of optical conversion functions or by using a laminate in which a plurality of light conversion layers having one optical conversion function are stacked. Will also have an optical conversion function. Thus, the display light emitted from the display surface exhibits a plurality of light conversion effects.
[0046]
Further, the light conversion layer can be configured to have a function of scattering light. As described above, in order to improve the light extraction efficiency, it is preferable that the angle between the traveling direction of the light reflected by the light reflecting surface of the light extraction structure and the normal to the display surface is small. However, when the angle between the traveling direction of the light reflected by the light reflecting surface and the normal to the display surface is reduced, the light extraction efficiency is improved, but the viewing angle may be narrowed. The light conversion layer having a function of scattering the light can scatter the light emitted from the display surface, so that the display light can also be emitted in a direction having a large angle with the normal to the display surface. . Thus, a display element having a wide viewing angle can be obtained.
[0047]
Further, in the display element of the present invention, the wavelength of light emitted from the display surface to the outside of the light guide plate can be controlled by providing the light conversion layer with a wavelength selection function. Thus, only light having a specific wavelength among the light reflected on the light reflecting surface is transmitted through the light conversion layer, so that the display element can perform color display.
[0048]
Further, by using a light conversion layer having a combination of wavelength selectivity corresponding to three primary colors of light as the light conversion layer according to the present invention, it is possible to obtain a display element capable of full-color screen display.
[0049]
In the present invention, a refractive index n given by the formula (3) is provided between the display surface of the light guide plate and the light conversion layer. ₃ The display device can be miniaturized by providing the low refractive index layer having the following.
[0050]
That is, when a light conversion layer is provided in the vicinity of the display surface, it is preferable to make the display surface and the light conversion layer in close contact with each other and to reduce the thickness as much as possible in consideration of miniaturization of the display element. However, when the refractive index of the light conversion layer is larger than the refractive index of the light guide plate, when the display surface is brought into close contact with the light conversion layer, the condition for total reflection of light does not hold on the surface where the display surface and the light conversion layer are in contact. Even when the display element is in the OFF state, light leaks from the light guide plate. Therefore, the display surface and the light conversion layer cannot be brought into close contact.
[0051]
In the present invention, by providing the low-refractive-index layer, the condition for total reflection is satisfied on the surface where the light-guiding plate and the low-refractive-index layer are in contact, and no light is emitted from the light guide plate in the OFF state. Therefore, the light guide plate, the low refractive index layer, and the light conversion layer can be stacked in close contact with each other in this order, and the thickness of the display element can be reduced.
[0052]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0053]
<Display element structure>
FIG. 1 is a sectional view of a display element according to the present invention. The structure and display mechanism of the display element of the present invention will be described with reference to FIG.
[0054]
The display element of the present invention includes a light guide plate 1, a diffusion light source 4, a light extraction structure 5, a displacement element 14, a circuit board 16, and the like.
[0055]
The light guide plate 1 includes a total reflection surface 2 capable of totally internally reflecting light, and a display surface 12. At the end of the light guide plate 1, an end surface 3 perpendicular to the total reflection surface 2 and the display surface 12 and an opposing reflection surface 9 are formed.
[0056]
The material of the light guide plate 1 is preferably a glass, a translucent ceramic, or a plastic material such as acrylic. Since the total reflection surface 2 and the display surface 12 of the light guide plate 1 are parallel planes, the transmitted light 11 propagates through the light guide plate 1 while repeating total reflection on both surfaces of the total reflection surface 2 and the display surface 12. The transmitted light 11 continues to be totally reflected by the total reflection surface 2 and the display surface 12 of the light guide plate 1 and does not exit to the outside of the light guide plate 1 in a normal state without any external factors. Therefore, the display element according to the present embodiment can use the transmitted light 11 from the diffused light source 4 without waste.
[0057]
In addition, the facing reflection surface 9 facing the end face 3 is subjected to a reflection process so that the transmitted light 11 in the light guide plate 1 is specularly reflected, and the transmitted light 11 may escape from the end of the light guide plate 1 to the outside. Absent. Therefore, the present display element can efficiently use the transmitted light 11 in the light guide plate 1.
[0058]
In the vicinity of the end surface 3 of the light guide plate 1, a diffusion light source 4 is provided. The diffusion light source 4 is not particularly limited, but is preferably a cold cathode tube, a hot cathode tube, an LED, or the like.
[0059]
Around the diffused light source 4, there is provided a reflecting member 8 which reflects the emitted light 10 emitted from the diffused light source 4 and reflects the emitted light 10 to enter the end face 3 of the light guide plate 1. The reflecting member 8 can make the emitted light 10 enter the light guide plate 1 without escape.
[0060]
Since the outgoing light 10 emitted from the diffusion light source 4 has low directivity, the light reflected by the reflecting member 8 also has low directivity within the range of angles that can be incident from the end face 3 and has various incident angles. At the light guide plate 1. The reflecting member 8 is formed by processing a mirror-finished aluminum plate or the like.
[0061]
In the present invention, by using the diffusion light source 4, the light source unit 15 can have a relatively simple structure. Therefore, the light source unit 15 can be made small and inexpensive, and the whole display element can be made small at low cost.
[0062]
The light extraction structure 5 is made of a translucent material, and is disposed so as to face the total reflection surface 2 of the light guide plate 1. The material of the light extraction structure 5 is preferably glass, translucent ceramic, or a plastic material such as acrylic.
[0063]
The light extraction surface 6 of the light extraction structure 5 faces the total reflection surface 2 and transmits the evanescent light emitted from the total reflection surface 2 therein. In addition, the light reflecting surface 7 of the light extraction structure 5 is processed so that light is regularly reflected, and reflects light incident from the light extraction surface 6 and emits the light from the light extraction surface 6. The light reflecting surface 7 is formed on at least one surface for one light extraction structure.
[0064]
The light extraction structure 5 is supported by a light extraction structure support 13 and fixed to a displacement element 14. The light extraction structure support 13 is fixed to an end of the displacement element 14 such that the light extraction surface 6 of the light extractor 5 is parallel to the total reflection surface 2 of the light guide plate 1. The light extraction structure support 13 is formed of a material that does not affect light reflection on the light reflection surface 7 of the light extraction structure 5. Further, the light extraction structure support 13 may be formed of a material having appropriate flexibility in order to disperse the pressure when the light extraction surface 6 contacts the total reflection surface 2.
[0065]
The light extraction structure 5 can be directly fixed to the displacement element 14 without the light extraction structure support 13.
[0066]
The displacement element 14 moves the light extraction surface 6 of the light extraction structure 5 from the first position (OFF state) farther than the total reflection surface 2 of the light guide plate 1 by the wavelength of light, and the light extraction surface 6 by the wavelength of light. It can be moved between a second state (ON state) which is shorter than the distance. The displacement element 14 is driven based on a signal from the circuit board 16. The displacement element 14 is not particularly limited, and is appropriately selected from a piezoelectric element, an electrostatic actuator, a shape memory alloy actuator, and the like.
[0067]
<Display mechanism of display element>
How the display element according to the present embodiment enables screen display will be described.
[0068]
In FIG. 1, emitted light 10 emitted from a diffusion light source 4 is incident on the light guide plate 1 from the end face 3 directly or after being reflected by a reflection member 8. The incident light is transmitted through the light guide plate 1 while repeating total reflection on the total reflection surface 2 and the display surface 12 as transmitted light 11.
[0069]
By driving the displacement element 14 with the circuit board 16, the position of the light extraction surface 6 of the light extraction structure 5 is moved from the total reflection surface 2 of the light guide plate 1 to a first position farther than the distance corresponding to the wavelength of light. In the state (OFF state), the transmitted light 11 does not enter the light extraction structure 5. In this state, no image or the like is displayed on the display surface 12.
[0070]
By driving the displacement element 14 with the circuit board 16, the position of the light extraction surface 6 of the light extraction structure 5 is moved from the total reflection surface 2 of the light guide plate 1 to a second position closer than the distance corresponding to the wavelength of light. In this state (ON state), the transmitted light 11 from the total reflection surface 2 of the light guide plate 1 enters the light extraction structure 5 from the light extraction surface 6 as evanescent light. The light extraction structure 5 reflects the incident transmitted light 11 on the light reflection surface 7 and emits it from the light extraction surface 6. Again, the light incident on the light guide plate 1 passes through the light guide plate 1 and is emitted from the display surface 12 as display light 17 to the outside of the light guide plate 1. In this state, the observer 18 senses the display light 17 emitted from the display surface 12 and recognizes the screen display.
[0071]
As described above, the display light 17 emitted from the display surface 12 can be controlled by the above two states, and the observer 18 on the display surface 12 side of the display element can see whether the light is on or off. Become. The gradation of the display light 17 can be arbitrarily changed by controlling the ON state time by the circuit board 16.
[0072]
Hereinafter, specific examples will be described.
[0073]
(Example 1)
FIG. 2 is an enlarged sectional view of a main part of the display element according to Example 1 of the present invention. In this embodiment, the refractive index of the light extraction structure 5 and the refractive index of the light guide plate 1 are substantially the same. FIG. 2 is a sectional view of the display element according to the first embodiment in an ON state.
[0074]
The light source unit 15 includes the diffusion light source 4 and the reflecting member 8. The light incident portion 19 between the diffusion light source 4 and the reflecting member 8 and the end surface 3 of the light guide plate 1 is filled with a translucent substance having a predetermined refractive index, and the translucent substance is air or the like. Of these, a gas, glass, translucent ceramic, translucent plastic material or the like is preferable.
[0075]
The outgoing light 10 radiated from the diffusion light source 4 to the light incident part 19 is incident directly or from the end face 3 after being reflected by the reflection member 8. The emitted light 10 is incident on the normal 20 of the end face 3 in an angle range 21 of a half angle of 0 ° to 90 °.
[0076]
Here, the refractive index of the light incident portion 19 is n ₀ , The refractive index of the light guide plate 1 is n ₁ And Considering the angle range 21 of the outgoing light 10 and the Snell formula, the transmitted light 11 that has entered the inside of the light guide plate 1 is a half angle represented by the formula (4) with respect to the normal 20 to the end face 3 of the light guide plate 1. ψ ₁ Is incident on the light guide plate 1 in the angle range 22 of FIG.
[0077]
(Equation 8)

[0078]
Thus, the transmitted light 11 inside the light guide plate 1 has the angle range 22 described above. When the display element is in the ON state, the extracted light 23 incident on the light extraction structure 5 and reflected by the light reflection surface 7 has an angle range 24.
[0079]
In the ON state, in order to increase the light extraction efficiency, which is the ratio of the display light 17 to the extracted light 23, it is necessary to increase the ratio of the extracted light 23 that does not satisfy the total reflection condition on the display surface 12. Therefore, it is necessary to minimize the angle 26 between the extracted light 23 and the normal 25 of the display surface. In order to reduce the angle 26 between the extracted light 23 and the normal 25 of the display surface 12, since the angle range 24 of the extracted light 23 is determined, the center 27 of the angle range 24 of the extracted light 23 and the display surface are determined. It is effective to reduce the angle between the normal 12 and the normal line 25.
[0080]
From these facts, in this embodiment, in order to reduce the angle between the center 27 of the angle range 24 of the extracted light 23 and the normal 25 of the display surface 12, the light extraction surface 6 of the light extraction structure 5 and the light reflection Angle θ with surface 7 ₁ Optimize. Optimal angle θ in this embodiment ₁ Indicates that the refractive index of the light incident light portion 19 is n ₀ , The refractive index of the light guide plate 1 is n ₁ Then, it is given by the following equation (1).
[0081]
(Equation 9)

[0082]
The above equation (1) will be described. In this embodiment, since the refractive index of the light guide plate 1 and the refractive index of the light extraction structure 5 are the same, the angle ψ of the angle range 33 of the light 32 incident on the light reflecting surface 7 is obtained. ₂ Is the half angle の of the angle range 22 of the transmitted light 11 incident on the light guide plate 1. ₁ Is equal to Therefore, the light 32 incident on the light reflection surface 7 is at an angle ψ represented by the following equation (5) with respect to the normal 25 of the display surface 12. ₂ With an angle range of 33.
[0083]
(Equation 10)

[0084]
The angle φ between the center 34 of the light 32 incident on the light reflecting surface 7 and the center 27 of the extracted light 23 in the angle range 33 represented by the above equation (5) ₁ Is represented by the following equation (6).
[0085]
(Equation 11)

[0086]
In order to increase the light extraction efficiency, it is necessary to make the angle 26 between the center 27 of the extracted light 23 and the normal 25 of the display surface 12 as small as possible. On the light reflecting surface 7, when the center 34 of the light 32 incident on the light reflecting surface 7 coincides with the direction of the normal 25 of the display surface 12, the extracted light 23 is reflected around the normal 25 of the display surface 12, The extraction efficiency can be maximized.
[0087]
When the center 34 of the light 32 incident on the light reflecting surface 7 coincides with the normal 25 direction of the display surface 12, the angle φ ₁ Is divided into に よ っ て by a normal 29 of the light reflection surface 7. The angle φ formed by the normal 29 of the light reflecting surface 7 and the normal 25 of the display surface 12 ₂ And the angle θ between the light extraction surface 6 and the light reflection surface 7 ₁ Are equal. Therefore, between θ1, φ1 and φ2,
(Equation 12)

And the equation (1) is derived.
[0088]
Thus, by designing the light reflecting surface 7 so as to satisfy the above expression (1), the center 34 of the light 32 incident on the light reflecting surface 7 on the light reflecting surface 7 becomes the normal 25 of the display surface 12. The direction of the light 23 coincides with the direction, and the extracted light 23 is reflected around the normal line 25 of the display surface 12, so that the light extraction efficiency can be increased.
[0089]
For example, the refractive index n of the light incident part ₀ Is 1.0, the refractive index n of the light guide plate ₁ Is 1.5, the refractive index n of the light extraction structure ₂ Is 1.5, the angle θ between the light extraction surface and the light reflection surface is given by Expression (1). ₁ Is calculated to be about 34.5 °, at which time the light extraction efficiency is maximized.
[0090]
As described above, the angle between the light extraction surface 6 and the light reflection surface 7 optimized by the equation (1) is verified by comparing with the actually measured value.
[0091]
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the normalized illuminance intensity of the display light of the display element of the present invention and the angle between the light extraction surface 6 and the light reflection surface 7. The measurement results of the display element according to the first embodiment are indicated by squares. As can be seen from FIG. 4, when the angle between the light extraction surface and the light reflection surface is 35 °, the normalized illuminance is maximized. Therefore, the value well matches the value obtained by Expression (1), and it can be seen that Expression (1) is effective for designing the light extraction surface and the light reflection surface in the display element of the present invention.
[0092]
(Example 2)
FIG. 3 is an enlarged sectional view of a main part of the display device according to the second embodiment of the present invention. In the present embodiment, the refractive index of the light extraction structure 5 is larger than the refractive index of the light guide plate 1. FIG. 3 shows a cross-sectional view of the display element in an ON state.
[0093]
The light source unit 15 has the same configuration as that of the first embodiment. Light emitted from the diffusion light source 4 enters the light guide plate 1 from the end face 3 and propagates.
[0094]
Here, the refractive index of the incident light portion 19 is n ₀ , The refractive index of the light guide plate 1 is n ₁ , The refractive index of the light extraction structure 5 is n ₂ And In this embodiment, since the refractive index of the light extraction structure 5 is larger than the refractive index of the light guide plate 1, n ₁ <N ₂ Holds. As in the first embodiment, in order to increase the light extraction efficiency on the display surface 12, the angle θ between the light extraction surface 6 and the light reflection surface 7 of the light extraction structure 5 is formed. ₂ Is optimized, the angle θ ₂ Is given by the following equation (2).
[0095]
(Equation 13)

[0096]
The above equation (2) will be described. The light incident on the light extraction surface 6 has an angle ψ expressed by the following equation (7) with respect to a normal 38 of the light extraction surface 6. ₃ At an angle range of 35.
[0097]
[Equation 14]

[0098]
The angle φ between the center 37 of the light 36 incident on the light extraction surface 6 and the normal 38 of the light extraction surface 6 in the angle range 35 represented by the equation (7). ₃ Is represented by the following equation (8).
[0099]
(Equation 15)

[0100]
In the second embodiment, the refractive index n of the light guide plate 1 ₁ And the refractive index n of the light extraction structure 5 ₂ Therefore, the light 36 incident on the light extraction surface 6 is refracted by the light extraction surface 6 and enters the light extraction structure 5. The light 39 incident on the light extraction structure 5 has an angle range 41. Angle φ between center 40 of incident light 39 and normal 38 of light extraction surface 6 ₄ Is expressed by the following equation (9) in consideration of Snell's equation.
[0101]
(Equation 16)

[0102]
In order to increase the light extraction efficiency, it is necessary to make the angle between the center 27 of the extraction light 23 and the normal 25 of the display surface 12 as small as possible. On the light reflecting surface 7, when the center 43 of the light 47 incident on the light reflecting surface 7 is reflected in the direction of the normal 25 of the display surface 12, the extracted light 23 is reflected around the normal 25 of the display surface 12, Light extraction efficiency can be increased.
[0103]
When the center 43 of the light 47 incident on the light reflecting surface 7 coincides with the normal 25 direction of the display surface 12, the angle φ ₄ Is divided into に よ っ て by a normal 29 of the light reflection surface 7. The angle φ formed by the normal 29 of the light reflecting surface 7 and the normal 25 of the display surface 12 ₅ And the angle θ between the light extraction surface 6 and the light reflection surface 7 ₂ Are equal. Therefore, between θ2, φ4 and φ5,
[Equation 17]

And the equation (2) is derived.
[0104]
As described above, by designing the light reflecting surface 7 so as to satisfy the expression (2), the center 43 of the light 47 incident on the light reflecting surface 7 in the light reflecting surface 7 is in the normal 25 direction of the display surface 12. The extracted light 23 is reflected around the normal line 25 of the display surface 12 as a center, so that the light extraction efficiency can be increased.
[0105]
For example, when the refractive index of the light incident portion is 1, the refractive index of the light guide plate is 1.5, and the refractive index of the light extraction structure is 1.7, the light extraction surface and the light reflection surface are expressed by Expression (2). Angle θ ₂ Is calculated to be about 27.8 °, at which time the light extraction efficiency is maximized.
[0106]
As described above, the angle between the light extraction surface 6 and the light reflection surface 7 optimized by the equation (2) is verified by comparing with the actually measured value. FIG. 4 shows the relationship between the intensity of the normalized illuminance of the display light and the angle between the light extraction surface 6 and the light reflection surface 7 in the display element of the present invention. The results of actual measurement of the display element according to the present example are indicated by triangles. As can be seen from FIG. 4, when the angle between the light extraction surface and the light reflection surface is 30 °, the normalized illuminance is maximized. Therefore, the value well matches the value obtained by Expression (2), and it can be seen that Expression (2) is effective for designing the light extraction surface and the light reflection surface in the display element of the present invention.
[0107]
(Example 3)
In this embodiment, the arrangement and shape of the light extraction structure will be described. The basic structure of the display element of this embodiment is the same as that of the display element described in the first or second embodiment. Therefore, hereinafter, a configuration of the third embodiment that is different from each of the above embodiments will be described.
[0108]
When the stacked body (light extraction element) of the light extraction structure 5, the light extraction structure support 13, and the displacement element 14 shown in FIG. 1 is considered as one pixel, the light extraction element is one-dimensionally or two-dimensionally formed on a circuit board. By arranging a plurality of pieces on the 16, various information can be displayed.
[0109]
If the light extraction element is arranged one-dimensionally, it can be used for a meter or the like that displays the amount of change, and if it is arranged two-dimensionally, an image can be displayed and can be used as an image display device. Further, in order to increase the light extraction efficiency of the display element, it is preferable to make the light reflection surface as large as possible.
[0110]
FIG. 5 is an overhead view of the light extraction structure 6 arranged on the total reflection surface 2. In this embodiment, the light extraction structure 5 is formed in a triangular prism shape. Since the light extraction surface 6 of the light extraction structure 5 is a quadrilateral side surface, the light extraction structure 5 can be spread over the light guide plate 1 so that there is no useless gap. Further, by forming the light extraction structure 5 in an appropriate triangular prism-shaped structure, the light reflection surface 7 can be enlarged. Thus, the amount of information that can be displayed on the display element can be increased, and the light extraction efficiency of the display element can be increased. Further, in the present embodiment, the light extraction structure 5 is installed such that the triangular bottom surface 48 is perpendicular to the end surface 3 of the light guide plate 1, and the light extraction efficiency can be increased. .
[0111]
(Example 4)
FIG. 6 is an enlarged cross-sectional view of a main part of a display element according to Example 4. The basic structure of the display element of this embodiment is the same as that of the display elements described in the first to third embodiments. Therefore, the configuration of the fourth embodiment that is different from each of the above embodiments will be described below.
[0112]
In this embodiment, the light extraction structure 5 is formed as a triangular prism-shaped structure, and one of the three quadrilateral side surfaces is the light extraction surface 6, and the other two side surfaces are light reflection surfaces. 7, 7 '. In the display element according to the present embodiment, by providing two light reflecting surfaces 7 and 7 ′, one light reflecting surface 7 reflects the transmitted light 11 from the end face 3 direction of the light guide plate 1, and reflects the other light. The surface 7 'can reflect the transmitted light 11' from the direction of the opposing reflection surface 9 of the light guide plate 1. By providing two light reflecting surfaces, light incident on the light guide plate from the nucleic acid light source 4 and the reflecting member 8 of the light source unit 15 can be effectively used.
[0113]
(Example 5)
FIG. 7 is an enlarged sectional view of a main part of a display element according to Example 5. The basic structure of the display element of this embodiment is the same as that of the display elements described in the first to third embodiments. Therefore, the configuration of the fourth embodiment that is different from each of the above embodiments will be described below.
[0114]
The display element according to this embodiment includes a light conversion layer 44 provided near the display surface 12 and having at least one optical function of optically converting light emitted from the display surface 12.
[0115]
By providing the light conversion layer 44, the display light 17 emitted from the display surface 12 can be optically converted, so that the display light 17 can be variously converted according to the usage of the display element. It becomes. In addition, by providing a single light conversion layer with a plurality of optical conversion functions, or using a laminate of a plurality of layers having an optical conversion function in the light conversion layer, a plurality of optical conversion functions can be achieved. Can be combined. Thereby, it is possible to convert the display light emitted from the display surface in various ways. In order not to significantly reduce the utilization efficiency of display light, it is desirable that the light conversion layer 44 does not cause significant attenuation of light when optically converting light.
[0116]
The light conversion layer 44 according to the present embodiment has a function of scattering light. The display light 17 emitted from the display surface 12 of the light guide plate 1 is scattered by the light conversion layer 44 and becomes diffused light radiated in multiple directions. Thus, a display element having a wide viewing angle can be obtained. As the light conversion layer 44 having the function of scattering light, a transparent material having a roughened surface such as frosted glass, a transparent material in which fine particles of a reflector such as aluminum, silver, iron, etc. are mixed, or a micro material may be used. A lens array or the like can be used.
[0117]
(Example 6)
FIG. 8 is an enlarged sectional view of a main part of a display element according to Example 6. The basic structure of the display element of this embodiment is the same as that of the display elements described in the first to third embodiments. Therefore, the configuration of the fifth embodiment that is different from that of each of the above embodiments will be described below.
[0118]
The display element according to the present embodiment includes a light conversion layer 44 having a wavelength selection function. Here, the wavelength selection function refers to a function of selectively transmitting only light having a specific wavelength from light having various wavelengths such as white light. The light conversion layer 44 according to this embodiment includes three types of color filters 44 '. As the diffusion light source 4, a white light source such as a cold cathode tube, a hot cathode tube or a white light emitting diode is used. The color filter 44 'has a wavelength selection function for each of the three primary colors of red, green and blue light, and the display light 17 transmitted through these color filters 44' is changed to the selected wavelength of the transmitted color filter. Colored accordingly. The display element according to this embodiment can perform full-color display by changing the combination of the three colors of display light 17. Further, it is preferable to provide a black matrix 45 between the pixels 49. By providing the black matrix 45, the display light 17 is emitted only from the pixel 49, so that the contrast of the display light 17 can be improved.
[0119]
It is also possible to use a transmission hologram or the like instead of the color filter. The transmission hologram has a wavelength selection function for the three primary colors of red, green and blue light, and the display element 17 that has transmitted these transmission holograms is colored according to the selected wavelength of the transmitted transmission hologram. Is done. The display element according to this embodiment can perform full-color display by changing the combination of the three colors of display light 17.
[0120]
In this embodiment, a light scattering function is added to the light conversion layer 44 'having the wavelength selection function, or another light conversion layer having a light scattering function is laminated on the light conversion layer 44. It is also possible. Thereby, a full-color display element having a wide viewing angle can be obtained.
[0121]
(Example 7)
FIG. 9 is an enlarged cross-sectional view of a main part of a display element according to Example 7. The basic structure of the display element of this embodiment is the same as that of the display elements described in the first to third embodiments. Therefore, the configuration of the seventh embodiment that is different from each of the above embodiments will be described below.
[0122]
This embodiment reduces the leakage of the transmitted light 11 to the light conversion layer 44 ″ in the OFF state. That is, the refractive index of the light guide plate 1 is larger than the refractive index of the light conversion layer, and the light guide plate 1 and the light conversion plate are converted. When the layer 44 "is laminated in close contact, there is a possibility that a part of the light incident on the display surface 12 may leak to the light conversion layer 44" even though the display element is in the OFF state. In the present embodiment, the low refractive index layer 46 is interposed between the display surface 12 of the light guide plate 1 and the light conversion layer 44 ″, and the refractive index of the low refractive index layer is optimized, whereby the OFF state is achieved. Leakage of the transmitted light 11 is prevented.
[0123]
In Example 7, the light guide plate 1, the low-refractive-index layer 46, and the light-converting layer 44 ″ are stacked in close contact with each other. In this case, the refractive index of the light incident portion 19 is set to n. ₀ , The refractive index of the light guide plate 1 is n ₁ Then, the low refractive index layer 46 has a refractive index n given by the equation (3). ₃ Optimally,
[0124]
(Equation 18)

[0125]
Equation (3) will be described with reference to FIG. As described above, the transmitted light 11 is shifted from the normal 20 of the end face 3 of the light guide plate 1 by the half angle ψ represented by the equation (4). ₁ Has an angle range 22.
[0126]
[Equation 19]

[0127]
Since all of the transmitted light 11 having this angle range 22 satisfies the condition of total reflection on the interface between the light guide plate 1 and the low refractive index layer 46, that is, on the display surface 12, the refractive index n of the low refractive index layer ₃ Is given by the following equation (10) from the condition of total reflection of light.
[0128]
(Equation 20)

[0129]
Therefore, equation (3) is obtained. By providing the low refractive index layer 46 that satisfies the above conditions between the display surface 12 and the light conversion layer 44 ″, the condition of total reflection of the transmitted light 11 is maintained at the interface between the light guide plate 1 and the low refractive index layer 46.
[0130]
Conventionally, when the refractive index of the light conversion layer is larger than the refractive index of the light guide plate, the light guide plate and the light conversion layer cannot be closely adhered and laminated in order to prevent leakage of light when the display element is in the OFF state. . For this reason, the thickness of the display element is increased.
[0131]
In the display element according to the present embodiment, the light guide plate 1 and the light conversion layer 44 ″ are lowered by interposing the low refractive index layer 46 between the display surface 12 of the light guide plate 1 and the light conversion layer 44 ″. The layers can be stacked in close contact with each other with the refractive index layer 46 interposed therebetween. Thereby, the thickness of the display element can be reduced. As the low refractive index layer 46, a thin film of a transparent material such as porous silica is preferable.
[0132]
Note that the display elements described so far are examples of the display element in the present invention, and the present invention is not limited to the size, the angle, and the like shown in some of the examples shown in the embodiments and the drawings. It is not limited.
[0133]
【The invention's effect】
The display element according to the present invention can improve the light extraction efficiency by optimizing the angle between the light extraction surface and the light extraction surface of the light extraction structure and the shape of light extraction, and obtain a bright display element. Can be. In addition, the display element according to the present invention can provide a light conversion layer in the vicinity of the display surface, whereby display light can be arbitrarily converted according to the intended use, and can perform various displays. Can be obtained.
[0134]
Furthermore, since the display element according to the present invention uses a small and inexpensive diffused light source, the entire display element can be reduced in size and can be manufactured at low cost.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an enlarged sectional view of a main part of a display element according to the present invention.
FIG. 2 is an enlarged sectional view of a main part of the display element according to Example 1.
FIG. 3 is an enlarged sectional view of a main part of a display element according to a second embodiment.
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the normalized intensity of the display light of the display light of the display element and the angle between the light extraction surface and the light reflection surface according to the present invention.
FIG. 5 is an overhead view illustrating a relationship between a light guide plate and a light extraction structure of a display element according to a third embodiment.
FIG. 6 is an enlarged sectional view of a main part of a display element according to Example 4.
FIG. 7 is an enlarged sectional view of a main part of a display element according to Example 5.
FIG. 8 is an enlarged sectional view of a main part of a display element according to Example 6.
FIG. 9 is an enlarged sectional view of a main part of a display element according to Example 7.
FIG. 10 is a cross-sectional view of a display element according to the related art.
FIG. 11 is a cross-sectional view of an optical switching element according to the related art.
[Explanation of symbols]
1 Light guide plate
2 Total reflection surface
3 end face
4 Diffuse light source
5 Light extraction structure
6 Light extraction surface
7 Light reflecting surface
8 Reflective member
9 Opposing reflective surface
12 Display surface
13 Light extraction structure support
14 Displacement element
16 Circuit board

Claims (9)

A total reflection surface that totally reflects light, a display surface facing the total reflection surface, and a light guide plate that is a parallel flat plate having an end surface perpendicular to the total reflection surface,
A diffused light source installed near one end surface of the light guide plate,
A light extraction structure formed of a light-transmitting material having the same refractive index as the light guide plate and provided at a position facing the total reflection surface of the light guide plate, wherein the light extraction structure faces the total reflection surface and transmits light inside. The light extraction surface to be reflected, and the light incident from the light extraction surface is reflected, so that the reflected light is emitted from the light extraction surface and transmitted through the light guide plate, and from the display surface of the light guide plate to the outside. A light extraction structure having at least one light reflection surface set to emit light;
The position of the light extraction surface is set between a first position farther from the total reflection surface for a wavelength of light and a second position closer to the total reflection surface for a wavelength of light. A displacement element that can be moved;
A circuit board having a circuit for driving the displacement element,
A display element having a structure in which the light guide plate, the light extraction structure, the displacement element, and the circuit board are stacked in this order,
When a refractive index of a substance interposed between the diffusion light source and the light guide plate is n ₀ , and a refractive index of the light guide plate is n ₁ , an angle θ ₁ between the light extraction surface and the light reflection surface is:

A display element having an angle given by: A total reflection surface that totally reflects light, a display surface facing the total reflection surface, and a light guide plate that is a parallel flat plate having an end surface perpendicular to the total reflection surface,
A diffused light source installed near one end surface of the light guide plate,
A light extraction structure made of a light-transmitting material having a higher refractive index than the light guide plate and provided at a position facing the total reflection surface of the light guide plate, wherein light is directed inside the light guide plate to face the total reflection surface. A light extraction surface to be transmitted, and by reflecting light incident from the light extraction surface, the reflected light is emitted from the light extraction surface and transmitted through the light guide plate. A light extraction structure comprising at least one light reflection surface set to emit light to
The position of the light extraction surface is set between a first position farther from the total reflection surface for a wavelength of light and a second position closer to the total reflection surface for a wavelength of light. A displacement element that can be moved;
A circuit board having a circuit for driving the displacement element,
A display element having a structure in which the light guide plate, the light extraction structure, the displacement element, and the circuit board are stacked in this order,
When the refractive index of a substance interposed between the diffusion light source and the light guide plate is n ₀ , the refractive index of the light guide plate is n ₁ , and the refractive index of the light extraction structure is n ₂ , the light extraction surface and the light extraction surface angle theta ₂ between the light reflecting surface,

A display element having an angle given by: The structure of the light extraction structure is a triangular prism-shaped structure, and the triangular bottom surface of the triangular prism-shaped structure is installed so as to be perpendicular to the end surface of the light guide plate. The one side surface among the four quadrilateral side surfaces is the light extraction surface facing the light guide plate, and the remaining at least one side surface is the light reflection surface. Display element. One of the three quadrilateral sides of the triangular prism-shaped structure is the light extraction surface facing the light guide plate, and the other two quadrilateral sides are the light reflection surfaces. The display element according to claim 3. A light conversion layer provided at a position close to the display surface of the light guide plate and having at least one optical conversion function for optically converting light emitted from the display surface. The display element according to any one of claims 1 to 4. The display device according to claim 5, wherein the light conversion layer is formed of a laminate of a plurality of layers having an optical conversion function. The display device according to claim 5, wherein the light conversion layer has a function of scattering light. The display device according to any one of claims 5 to 7, wherein the light conversion layer has a wavelength selection function. When the refractive index of a substance interposed between the diffusion light source and the light guide plate is n ₀ , and the refractive index of the light guide plate is n _1, between the display surface of the light guide plate and the light conversion layer. ,

Display device according to any one of claims 5 to 8, characterized in that it comprises a low refractive index layer having a refractive index n ₃ which is given by.

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