JP2004349182A - フロントライト及び反射型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】導光板を伝搬する光が偏向パターンから外部へ透過することによって生じる損失光を抑制して、光出射面からの出射光量を増加させ、導光板から観察者の目の方向に直接出射されるノイズ光を抑制することができるフロントライトを提供する。
【解決手段】フロントライト２１を構成する光源２３から導光板３０に入射した光はその内部を伝搬する。この光が導光板３０の表面に凹設された凹部２５の斜面２５ａで全反射されると、導光板３０の裏面の光出射面３２から出射される。また、凹部２５に入射した光が凹部２５ａを透過して外部に漏れると、その漏れ光は凹部２５の後ろに突設された凸部２６から導光板３０内に再度入射する。凸部２６から入射した光は、凸部２６に形成された斜面２６ａで全反射され、導光板３０の光出射面３２から出射される。
【選択図】 図５

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フロントライト及び当該フロントライトを用いた反射型表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、周囲が明るいときには自然光を、また、周囲が暗いときには備え付けの補助光源を液晶パネルの表示光源として用いる、反射型液晶表示装置が開発されてきた。反射型液晶表示装置は、周囲が暗くても液晶表示パネルを確認することができ、また、周囲が明るいときには補助光源が電力を消費しないので、携帯電話や携帯情報端末などに広く利用されている。
【０００３】
従来より、このような反射型液晶表示装置の補助光源の１つとして、液晶表示パネルの前面に配置するフロントライトが使用されている。図１は、特許文献１に記載されている反射型液晶表示装置１の概略断面図である。この反射型液晶表示装置１は、導光板３と導光板３の一側面に対面するように配置された光源２とからなるフロントライト４、液晶表示パネル５、反射板６等で構成されている。
【０００４】
図１において、光源２から出射された光は、導光板３の表面（平坦面１２）と裏面（光出射面１０）とで全反射を繰り返しながら、導光板３の全面に広がっていく。導光板３の表面には、斜面９ａ，９ｂを備えた断面Ｖ字形の偏向パターン９が多数形成されていて、導光板３の内部を伝搬中に偏向パターン９の斜面９ａに入射した光は、全反射して光出射面１０から液晶表示パネル５へと出射される。光出射面１０から出射された光は液晶表示パネル５を透過して反射板６で反射され、再度液晶表示パネル５と導光板３を透過して正面に出射される。こうして、フロントライト４から出射された光は、液晶表示パネル５を照射する照明光になるので、観察者は、この光を観測することによって、液晶表示パネル５の表示を認識することができる。
【０００５】
上記フロントライト４においては、導光板３を伝搬する光を全反射させ、かつ、その反射光が導光板３の光出射面１０を透過するよう、偏向パターン９の斜面９ａ，９ｂの傾きが設計される。
【０００６】
特許文献１には、光源２に発光ダイオードを用いた場合、導光板３の表面又は裏面に平行な面に対して光の進む方向がなす角度（以下、導光角度という。）βは、±２５°〜±３５°となり、このときに、平坦面１２に対する斜面９ａの傾きαが、
３５°≦α≦４３°
を満たすように偏向パターン９を形成すれば、偏向パターン９の斜面９ａに入射する光の多くを光出射面１０から出射させられることが記載されている。
【０００７】
しかしながら、導光角度βには上記のように幅があることなどから、偏向パターン９の斜面９ａをどのような角度αで設計しても、全ての光を全反射させることはできない。したがって、図２に示すように、斜面９ａへの入射光１１ａの一部が、斜面９ａを透過すると、そのうちの一部の光１１ｂは、斜面９ｂに入射せず、導光板３から直接外部に漏れ出て損失光になっていた。
【０００８】
上記のような漏れ光１１ｂがあると、光源２の出射光量に対する光出射面１０からの出射光量の割合（光利用効率）が低くなり、反射型液晶表示装置１の輝度やコントラストを向上させることができなくなる。また、輝度やコントラストを向上させようと思えば、光源の数を増やしたり、消費電力の大きな光源を用いる必要が生じるため、製造コストが高く付いたり、バッテリーの消耗が激しくなったり、装置の小型化が困難になるといった問題が生じる。
【０００９】
また、図２に示すように、導光板３の平坦面１２と偏向パターン９の斜面９ｂとの境界部分（エッジ部分）をシャープに成型することは困難であるため、この部分が曲面となって成型ダレ１３が生じ易い。そして、偏向パターン９を透過した光１１ｃが成型ダレ１３に入射すると、観察者の目の方向に向かう反射光になるので、光量損失を生じるのに加えて、光源２の光が直接目に入って液晶表示パネル５の画像が白っぽく見え、視認性を悪化させる原因となっていた。
【００１０】
上記のように、偏向パターンからの漏れ光によって反射型液晶表示装置１の輝度やコントラストが低下するという問題や、導光板から直接観測者の方向に届く光があることで画面の視認性が低下するという問題は、偏向パターン９の形状が図３（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すような台形状、半円形状、鋸歯状の場合にも生じる。なお、特許文献２には、鋸歯状の偏向パターンを備えた導光板を有するフロントライトが開示されている。
【００１１】
【特許文献１】特開２００２−１４３４１号公報（第４−１１頁、第５図、第７図、第１０図等）
【特許文献２】特開２００３−４５２１５号公報（第２図、第３図、第１２図等）
【００１２】
【発明の開示】
本発明は、上述の従来の問題点に鑑みてなされたものであり、導光板を伝搬する光が、偏向パターンから外部へ漏れることによって生じる光の損失を抑制することができる偏向パターンを形成された導光板を備えたフロントライト、及び、当該フロントライトを用いた反射型表示装置を提供することにある。
【００１３】
本発明に係るフロントライトは、光入射面から入射した光を閉じ込めて伝搬させ、光出射面から出射させる導光板と、導光板の光入射面に対向する位置に配置された光源とを備えたフロントライトにおいて、前記導光板の光出射面と対向する面に、導光板内を伝搬する光を前記光出射面へ向けて反射させるための光反射面を有する複数の凹部と、該凹部の光反射面を透過した光のほぼ全てを導光板内に再入射させるための凸部とを備えたことを特徴としている。
【００１４】
本発明に係るフロントライトにあっては、導光板の光出射面と対向する面に、複数の凹部と、該凹部の光反射面を透過した光のほぼ全てを導光板内に再入射させるための凸部とを備えているので、導光板内を伝搬する光が凹部の光反射面を透過しても、凹部の光反射面を透過した光は凸部で捕捉されて導光板内に再入射する。従って、導光板の凹部から外部へ漏れて損失となる光を減少させることができ、光の利用効率を向上させることができる。また、凹部の光反射面を透過した光が、凹部の丸みを帯びたエッジなどで反射されることにより、画像光と同じ方向へ出射されてノイズ光となるのを防止でき、反射型表示装置に用いたときに画像のコントラスト低下を防止し、視認性を向上させることができる。
【００１５】
本発明に係る別なフロントライトは、光入射面から入射した光を閉じ込めて伝搬させ、光出射面から出射させる導光板と、導光板の光入射面に対向する位置に配置された光源とを備えたフロントライトにおいて、前記導光板の光出射面と対向する面は、平坦な領域と、導光板内を伝搬する光を前記光出射面へ向けて反射させるための光反射面を有する、前記平坦領域から窪んだ複数の凹部と、前記平坦領域から突出した複数の凸部とからなり、対をなす凹部と凸部のうち、凸部は凹部よりも前記光源から遠い側に位置していることを特徴としている。
【００１６】
本発明に係る別なフロントライトにあっては、前記導光板の光出射面と対向する面が平坦な領域と複数の凹部と複数の凸部からなり、対をなす凹部と凸部のうち、凸部は凹部よりも光源から遠い側に位置しているので、導光板内を伝搬する光が凹部の光反射面を透過しても、凹部の光出射面を透過した光は凸部で捕捉されて導光板内に再入射する。従って、導光板の凹部から外部へ漏れて損失となる光を減少させることができ、光の利用効率を向上させることができる。また、凹部の光反射面を透過した光が、凹部の丸みを帯びたエッジなどで反射されることにより、画像光と同じ方向へ出射されてノイズ光となるのを防止でき、反射型表示装置に用いたときに画像のコントラスト低下を防止し、画像の視認性を向上させることができる。
【００１７】
本発明に係る両フロントライトの実施態様にあっては、対をなす凹部と凸部との間に平坦領域が存在していないことが望ましい。ここに平坦領域が存在していると、凹部と平坦領域との間にエッジ部が生じるので、凹部の光反射面を透過した光が当該エッジ部で反射されて画像光と同じように正面方向へ向かうことがある。よって、ここには平坦領域が存在しないようにすることが望ましい。
【００１８】
本発明に係る両フロントライトの別な実施態様にあっては、凸部の高さは、凹部の光反射面を透過する光のうち、導光板の光出射面と対向する面からの傾きが最大となる光線が凸部に再入射するように定められている。凸部の高さをこのように定めれば、凹部の光反射面を透過した光をほぼ全て凸部で受けて凸部から導光板内に再入射させることができ、光の漏れを非常に少なくすることができる。
【００１９】
本発明に係る両フロントライトのさらに別な実施態様にあっては、凸部へ再入射した光を前記導光板の光出射面へ向けて反射させるための面を凸部に有しており、当該反射面は、導光板の光出射面に対向する面に対して傾いた平面又は曲面によって構成されている。当該反射面は光出射面に対向する面に対して傾いているので、凸部に入射した光を光出射面に向けて反射させることができ、光出射面から出射させて照明用の光として利用することができる。また、この反射面は平面に限らず、曲面であってもよく、曲面とすることにより反射光に散乱性を付与することもできる。
【００２０】
本発明に係る両フロントライトのさらに別な実施態様においては、凹部の光反射面で反射されて導光板の光出射面から出射される光の光度が最大となる角度と、凹部の光反射面を透過して前記凸部へ再入射した後、凸部で反射されて前記導光板の光出射面から出射される光の光度が最大となる角度とがほぼ等しくなっているので、凹部で反射されて光出射面から出射される照明光と、凹部の光反射面を透過して凸部で捕捉された透過光とを同じ方向へ出射させることができ、外部へ漏れる光を効率的に再利用することが可能になる。また、光出射面から出射される光の方向が揃うので、反射型の表示パネルの構造（例えば、反射面の構造）を簡略にすることができる。
【００２１】
本発明に係る両フロントライトのさらに別な実施態様は、凸部が導光板の光出射面に対向する面に対して傾いた平面又は曲面を有し、該平面又は該曲面の、光出射面に対向する面に対する平均傾斜角が１０°以上５０°以下であることを特徴としている。このような実施態様によれば、従来例のように凸部を備えていない導光板と比較して、光出射面から出射される光の光量を増加させることができる。
【００２２】
さらに、前記平均傾斜角を２０°以上４０°以下とすれば、導光板の表面から出射されるノイズ光をより抑制することができ、画像の視認性をより向上させることができる。
【００２３】
また、本発明に係る両フロントライトのさらに別な実施態様においては、点光源を用いており、導光板の光出射面に垂直な方向から見たとき、前記点光源を中心とする同一円周上にある前記偏向パターンの凹部の、光を反射させる面に立てた法線が、ある一点にほぼ集まるようにしている。このような構造によれば、点光源を用いているにも拘わらず、導光板の光出射面から同じ方向に揃った光を出射させることが可能になり、フロントライトによる照明光の照明方向と外光による照明方向とを揃えることが可能になり、反射型表示装置の表示が見易くなる。
【００２４】
本発明のフロントライトは、表示パネルの前面に配置して反射型液晶表示装置その他の反射型表示装置の照明用に用いることができる。本発明のフロントライトは、光利用効率が高いので、反射型表示装置の補助光源に使用することで、画面の輝度やコントラストを高くすることができ、また、輝度やコントラストが同じであれば、消費電力を抑えることができる。
【００２５】
なお、この発明の以上説明した構成要素は、可能な限り任意に組み合わせることができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
図４は、本発明の一実施形態による反射型表示装置２０の概略平面図である。また、図５は、図４のＡ−Ａ線断面図である。本発明の反射型表示装置２０は、液晶表示パネル２２と、フロントライト２１とで構成されている。
【００２７】
フロントライト２１は、発光ダイオードなどを用いた点光源２３と導光板３０とで構成されていて、液晶表示パネル２２の前面に配置されている。導光板３０の表面には、平坦面２４（導光板の光出射面と対向する面）から窪んだ凹部２５と平坦面２４から突出した凸部２６からなる偏向パターン３１が、多数形成されている。凹部２５と凸部２６の断面形状はいずれも直角三角形状となっており、凸部２６は凹部２５に隣接して凹部２５よりも点光源２３から遠い側に位置している。
【００２８】
導光板３０は、ポリカーボネイト樹脂やアクリル樹脂、メタクリル樹脂等の透明な高分子材料で形成されており、その成型方法には、射出成型法や注型法、反転パターンを有するスタンパを未硬化の紫外線硬化型樹脂に押圧してパターンを転写するエンボス法（スタンパ法）等が挙げられる。点光源２３は、導光板３０の一側面（短辺）である光入射面３３の中央で、光入射面３３と対向するように配置されている。導光板３０の偏向パターン３１は、点光源２３の発光領域の中心を仮想原点としたときに、この仮想原点を中心とする同心円状に配置されている。導光板３０の光出射面３２から出射される光の強度分布を光出射面３２全体で均一化するために、偏向パターン３１の分布面密度は、点光源２３から離れるほど高くなっている。
【００２９】
液晶表示パネル２２は、図５に示すように、表側基板２８ａと裏側基板２８ｂとの間に液晶層２８ｃを挟み込んで封止したものである。表側基板２８ａには、ＴＦＴ電極等のスイッチング素子や偏光板などが設けられている。裏側基板２８ｂには、透明電極が形成されており、さらに、例えばエンボス法などにより三角波状の凹凸を付与された絶縁体層２９ｂの表面に反射率の高いアルミ等の金属薄膜を蒸着させて反射面２９ａが形成されている。なお、液晶表示パネル２２は、ここに述べた構造や図５に記載した構造のものに限定されるものでなく、例えば透過型の液晶表示パネルの裏面側に反射板を設けたものであってもよい。
【００３０】
図５では、導光板３０内部での光の伝搬の様子を破線矢印で示している。点光源２３から出射され、導光板３０の光入射面３３から入射した光は、表面の平坦面２４と裏面の光出射面３２とで全反射を繰り返しながら、導光板３０の全体に広がっていく。このとき、点光源２３の光の出射方向と、平坦面２４及び光出射面３０での全反射条件から、導光板３０を伝搬できる光の角度が決まってくる。導光板３０の内部を伝搬する光のうち、偏向パターン３１を構成する凹部２５の斜面２５ａ（光反射面）で反射して導光板３０の光出射面３２に全反射角よりも小さい角度で入射した光は、光出射面３２を透過して液晶表示パネル２２に入射し、液晶層２８ｃを透過した後に反射面２９ａで反射され、再び液晶層２８ｃや導光板３０を透過して正面へ向けて出射される。このとき、液晶表示パネル２２で反射されて観察者の目に入る光が多いほど、液晶画面の輝度やコントラストが向上する。
【００３１】
図６は図５のＢ部を拡大した図である。偏向パターン３１の凹部２５の斜面２５ａは、点光源２３から遠くなる方向に向けて斜め下りとなっており、導光板３０を伝搬する光の角度に合わせて、その傾きが決められる。すなわち、斜面２５ａに入射した伝搬光の大部分が斜面２５ａで全反射し、かつ、その全反射光が光出射面３２を透過するように、凹部２５の斜面２５ａの平坦面２４からの傾きαが決定されている。
【００３２】
しかしながら、導光板３０を伝搬する光の導光角度はある程度の幅を有するので、凹部２５の斜面２５ａの傾きαをどのように調整しても、導光板３０を伝搬する全ての光を斜面２５ａで全反射させることはできない。
【００３３】
このような導光板３０から外部への損失光を抑制するために、本発明では偏向パターン３１の凹部２５に隣接してその後方に凸部２６を形成して、上記のように凹部２５を透過した光を、もう一度凸部２６から導光板３０の内部に入射させるようにしている。以下、この偏向パターン３１の凸部２６の設計方法について、図６を用いて説明する。
【００３４】
偏向パターン３１の凸部２６は、凹部２５を透過した光のほぼ全てが入射するような高さｈｓで形成されているとよい。そのために、斜面２５ａの透過光のうち、平坦面２４からの傾きτが最も大きな光が入射するように、凸部２６の高さｈｓを決める。
【００３５】
上記のように、凹部２５の斜面２５ａの平坦面２４からの傾斜角をαとし、斜面２５ａに入射する光の平坦面２４からの傾き（導光角度）をβ、このときの斜面２５ａへの入射角をθ１、導光板３０の屈折率をｎ、平坦面２４と凹部２５の境界から凸部２６の頂点までの水平距離をｂ、凹部２５から出る光の出射角をθ２とする。
【００３６】
導光角度βで伝搬する光が凹部２５の斜面２５ａから出射するとき、その入射角θ１は、次式（１）で表される。
θ１＝９０°−α−β （１）
このとき、屈折の法則（スネルの法則）から、凹部２５から出る光の出射角θ２は次式（２）で表される。
ｓｉｎθ２＝ｎ・ｓｉｎθ１ （２）
また、凹部２５を透過した光の平坦面２４からの傾きτは、次式（３）で表される。
τ＝９０°−α−θ２ （３）
また、凹部２５と平坦面２４との境界付近を傾きτで透過した光が、捕捉面２５ｂに入射する位置を、平坦面２４からの高さｈで表すと、
ｈ＝ｂ・ｔａｎτ （４）
になる。
【００３７】
よって、凸部２６の高さｈｓを式（４）で表される高さｈよりも大きくすれば、凹部２５の斜面２５ａを透過した光を凸部２６に再入射させることができる。しかし、ここでは凸部２６の頂点付近に形成される成型ダレ３５（曲面）を考慮していないので、凸部２６の高さｈｓを式（４）で表される高さｈに等しくした場合には、成型ダレ３５へ入射して正面側（観察者の方向）へ反射されるノイズ光が発生し、画面の視認性低下の原因になる。
【００３８】
このような成型ダレ３５によるノイズ光をなくすためには、凸部２６の高さｈｓは、式（４）で表される高さｈよりも十分に高くしておけばよい。具体的には、次式（５）を満たすように凸部２６の高さｈｓを設定すれば、凹部２５の斜面２５ａから透過した光を、すべて凸部２６に入射させることができる。
ｈｓ＝κ・ｂ・ｔａｎτ （５）
ここで、式（１）〜（３）によれば、
τ＝９０°−α−ａｒｃｓｉｎ［ｎ・ｃｏｓ（α＋β）］ （６）
である。式（５）においてκは、κ＞１を満たす係数であって、実験結果やコンピュータシミュレーション結果等から決めることができる。また、凸部２６の成型性を考慮すれば、κ≦２とすることが好ましい。
【００３９】
次に、偏向パターン３１のより具体的な例を挙げて、凸部２６の高さｈｓを求める。凹部２５の斜面２５ａの傾きα＝５０°、導光板３０の屈折率ｎ＝１．５３、凹部２５の水平方向の幅ｂ＝４μｍ、凹部２５に入射する光の導光角度β＝４０°のとき、式（６）より、τ＝４０°となる。
したがって、式（５）より、凸部２６の高さｈｓは、
ｈｓ＝４κ×ｔａｎ４０°≒３．３６κ［μｍ］
になる。ここで、係数κ＝１．１とすると、凸部２６の高さはｈｓ＝３．７μｍになる。
【００４０】
さらに、上記のようにして凹部２５を透過する光を凸部２６に再入射させたら、再入射した光は液晶表示パネル２２を照明するための光として利用することが望ましい。そのためには、凸部２６に再入射した光を凸部２６の斜面２６ａ（斜面）で全反射させることにより、凹部２５の斜面２５ａで全反射して光出射面３２から出射される光の出射方向とほぼ等しい角度で、光出射面３２から出射させればよい。
【００４１】
以下に、光出射面３２からの出射光量を測定した結果を示す。ここでは、凹部２５の斜面２５ａの傾きをα＝５０°とし、凸部２６の斜面２６ａの傾きγを変化させて出射光量を測定した。図７に示すグラフの横軸は、斜面２６ａの平坦面２４からの傾きγを示しており、縦軸は、凹部２５と凸部２６を備えた導光板３０の光出射面３２からの出射光量Ｌ１と、凹部２５は備えているが凸部２６を備えていない導光板の光出射面からの出射光量Ｌ２との比較を示している。なお、比較する２つの導光板の表面には、同じ位置に、同じ形状の凹部２５が形成されているものとする。また、図７では、導光板の光出射面から出射されるすべての光（図８において、光出射面３２の法線となす角度εが、−９０°≦ε≦＋９０°の範囲の光）を測定した結果である。
【００４２】
図７より、凸部２６の斜面２６ａの傾きγを、
１０°≦γ≦５０°
とすれば、凹部２５しか形成されていない導光板よりも、光出射面３２から出射される光量を増加させられることがわかる。また、図７によれば、凸部２６の斜面２６ａの傾きγを、
２０°≦γ≦４０°
にするのが、より望ましい。特に、実測値では、傾きγ＝３５°のときに、光量の比（Ｌ１／Ｌ２）は最大になった。
【００４３】
このように斜面２６ａの傾きγを、光量の比（Ｌ１／Ｌ２）が最大となるか、あるいは、少なくとも１よりも大きくなるような角度にすれば、導光板３０での光の損失を抑制することができるので、光利用率の高いフロントライト２１を得ることができる。
【００４４】
また、図９は、図７と同様に光出射面３２から出射される光量の比（Ｌ１／Ｌ２）を測定したグラフであって、光出射面３２から出射される光のうち、法線となす角εが、１５°≦ε≦３５°の範囲で測定したものである。このとき出射光量の比は、斜面２６ａの傾きがγ＝３０°の付近で最大になる。
【００４５】
図１０に示すグラフの横軸は、斜面２６ａの平坦面２４からの傾き角度γを示しており、縦軸は、凹部２５と凸部２６を備えた導光板３０からのノイズ光量Ｎ１と、凹部２５は備えているが凸部を備えていない導光板からのノイズ光量Ｎ２との比較を示している。なお、図１０のグラフの測定値は、凹部２５の斜面２５ａの傾きαが５０°の導光板３０を用い、図８に示すように、液晶画面の観察者の目への入射角δが−１０°≦δ≦＋１０°の範囲の光の光量をノイズ光量として測定したものである。
【００４６】
さらに、図１１は、上記図１０に示したノイズ光Ｎ１，Ｎ２のうち、光出射面でのフレネル反射光を除去した値を示すグラフである。図１１より、凸部２６の斜面２６ａの傾きγが２５°≦γ≦４０°の領域では、観察者の目に入射するノイズ光をほぼ無くすことができ、また、傾きγ＝２０°でも、１／１０程度にまで抑制することができることが分かる。
【００４７】
しかして、凹部２５の斜面２５ａの傾きα＝５０°の場合には、凸部２６の斜面２６ａの傾きγは、１０°以上５０°以下とすることによって光出射面３２からの出射光量を増加させることができ、また、導光板３０から直接観察者の方向に出射されるノイズ光を抑制することもできるので、画像の明るさやコントラストを向上させることができる。また、さらに好ましい傾きγは、２０°以上４０°以下であることも明らかとなった。
【００４８】
また、図９の結果からは、斜面２５ａの傾きα＝５０°に対しては、斜面２６ａの傾きはγ＝３０°とすれば、図１２に示すように、凹部２５の斜面２５ａで全反射する光と、凸部２６の斜面２６ａで全反射する光とが同じ方向に反射されると推測されるので、光出射面３２から出射される光の向きを揃えることができる。光出射面３２から出射される光の向きが揃っていれば、反射面２９ａの凹凸形状が設計し易くなるので、液晶画面から出射される光を観察者の方向に向けて反射させることができて、画像の明るさやコントラストをより向上させることができる。
【００４９】
上述の偏向パターン３１では、凹部２５と凸部２６がいずれも断面直角三角形であったが、凹部２５を透過した光を再入射させられる凸部２６が形成されていて、凹部２５から外部へ漏れる光が減少し、導光板３０から直接観察者の方向に向かうような光が少なくなるような偏向パターン３１であれば、どのような形状であってもよい。例えば、図１３（ａ）（ｂ）に示すように、凹部２５の断面形状は台形や半円形であってもよい。また、図１４（ａ）に示すように、凸部２６の断面形状は台形状であってもよいし、図１４（ｂ）に示すように、斜面２６ａが湾曲していて、反射光を若干拡散させるようになっていてもよい。
【００５０】
しかして、このフロントライト２１では、導光板３０の表面に、凹部２５と凸部２６とを備えた偏向パターン３１が形成されているので、導光板３０を伝搬する光のうち、凹部２５の斜面２５ａを透過した光を凸部２６へ再入射させ、凸部２６の内面で反射させることによって光路を変換し、光出射面３２から出射させることができる。このように凹部２５から外部へ漏れ出る光を減らすことによって、光出射面３２からの出射光量が増加するので、本発明のフロントライト２１を用いれば、輝度及びコントラストが良好な反射型表示装置２０を得ることができる。
【００５１】
また、本発明のフロントライト２１によれば、凸部２６に成型ダレ３５が生じていても、成型ダレ３５で反射して観察者の目に直接入る光が少なくなるように凸部２６の高さｈｓや傾きγを設計することにより、画面のコントラストを向上させることができる。
【００５２】
本発明の反射型表示装置２０は、図１５（ａ）（ｂ）に示すように、携帯電話４０や携帯情報端末４１の液晶ディスプレイとして使用することができる。本発明のフロントライト２１は、点光源２３からの出射光の利用効率が高いので、消費電力の少ない点光源２３を用いても画面の輝度やコントラストを良好に保つことが可能になる。したがって、携帯電話４０や携帯情報端末４１などのバッテリ駆動時間をより長時間化させることができる。
【００５３】
また、本発明のフロントライト２１は、光の利用効率が高いので、反射面２９ａでの反射光の散乱方向を広げても、画面の輝度やコントラストを十分に確保できるため、広い角度から画面を見られるような反射型表示装置２０にすることができる。
【００５４】
（第２の実施形態）
図１６は、本発明の別な実施形態によるフロントライト３６の概略平面図である。また、図１７は、図１６に示すフロントライト３６のＣ−Ｃ線断面図である。本実施形態のフロントライト３６は、ポリカーボネイト樹脂やアクリル樹脂、メタクリル樹脂等の透明な樹脂を射出成型法等の方法で形成した導光板３０と、発光ダイオードなどを用いた点光源２３とで構成されている。点光源２３は、導光板３０の内部に嵌め込まれている。本実施形態のフロントライト３６は、第１の実施形態で説明し、図５に示した反射型表示装置２０のフロントライト３６の代わりに使用することができる。
【００５５】
導光板３０の表面には、凹部２５と凸部２６とからなる偏向パターン３１が、点光源２３を中心とする同心円状に配置されている。偏向パターン３１は、第１の実施形態で説明したように、導光板３０を伝搬中に凹部２５の斜面２５ａを透過した光が、捕捉面２５ｂから凸部２６に入射し、斜面２６ａで反射されて光出射面３２から出射されるような形状になっている。導光板３０の光出射面３２から出射される光の強度分布を光出射面３２全体で均一化するために、偏向パターン３１の分布面密度は、点光源２３からの距離が長くなるほど高くなっている。
【００５６】
本実施形態の偏向パターン３１は、光出射面３２のほぼ全体にわたって光出射面３２からの出射光の出射方向を揃えられるような配置になっている。具体的には、図１６、図１７に示すように、点光源２３を中心とする同心円Ｒの上に位置している偏向パターン３１の凹部２５を構成する斜面２５ａの法線Ｍが、それぞれほぼ１点Ｏで交わるように、各偏向パターン３１の向きが決められている。ただし、異なる同心円上に配置されている偏向パターン３１では、その斜面２５ａに立てた法線Ｍが交わる点は異なっていてもよい。光出射面３２から出射される光の方向が、光出射面３２のほぼ全体にわたって揃っていれば、その出射方向に合わせて液晶表示パネルの反射面の凹凸形状（傾き）を設計することができるので、液晶表示パネルの反射面のパターン設計を容易にすることができる。
【００５７】
上記のように同心円上の偏向パターン３１の斜面２５ａに立てた法線Ｍが、所定の１点Ｏで交わるような配置について、導光板３０を垂直な方向から見た図１８を用いてさらに詳しく説明する。図１８において角度ξは、光出射面３２に垂直な方向から見て、偏向パターン３１の斜面２５ａの法線Ｍと、その斜面２５ａと点光源２３（仮想原点）とを結ぶ直線との間の角度である。また、角度φは、光出射面３２に垂直な方向から見て、法線Ｍが交わる点Ｏと点光源２３とを結ぶ直線（光出射面３２に垂直な方向から見て、点光源２３を通過し、光出射面３２から出射される光線の方向と平行な直線）と、点光源２３と偏向パターン３１の斜面２５ａとを結ぶ直線との間の角度である。偏向パターン３１の斜面２５ａでの反射光が光出射面３２へ入射するときの入射角をζ１とすると、次の式（７）を満たすように各偏向パターン３１を光出射面３２に垂直な軸の回りにξだけ傾ければ、同一同心円上の偏向パターン３１の斜面２５ａの法線Ｍは１点Ｏで交わることになる。
【数１】

【００５８】
さらに、同心円上の偏向パターン３１の凸部２６の斜面２６ａの法線も一点で交わるようにして、斜面２５ａで反射された光と、斜面２６ａで反射された光との光出射面３２からの出射方向を揃えるようにすれば、液晶画面の輝度やコントラストをさらに向上させることが可能になる。
【００５９】
この結果、点光源２３から見て同一方向に位置している偏向パターン３１の凹部２５の斜面２５ａに立てた法線は、導光板３０の光出射面３２に垂直な方向から見たとき、ほぼ同じ方向を向いていて平行となっている。
【００６０】
本実施形態のフロントライト３６の導光板３０の表面には、凹部２５と凸部２６とを備えた偏向パターン３１が形成されているので、導光板３０を伝搬する光が凹部２５へ透過したときにも、その透過光を凸部２６で受け止めて、凸部２６の内面で反射させることによって光路を変換し、光出射面３２から出射させることができる。よって、本実施形態のフロントライト３６を用いれば、輝度及びコントラストが良好な反射型表示装置にすることができる。
【００６１】
また、本実施形態のフロントライト３６は、凸部２６の成型ダレで反射して観察者の目に直接入る光が少なくなるように凸部２６の高さや凸部２６の斜面の傾きを設計するので、画面が白っぽく見えるようなことがなく、画面のコントラストが良好になる。
【００６２】
本実施形態のフロントライト３６を用いた反射型表示装置も、携帯電話や携帯情報端末の液晶画面として使用することができる。本実施形態のフロントライト３６は、点光源２３からの出射光の利用効率が高いので、消費電力の少ない点光源２３を用いても画面の輝度やコントラストを良好に保つことが可能になる。したがって、携帯電話や携帯情報端末などのバッテリ駆動時間をより長時間化させることができる。
【００６３】
さらに、本実施形態のフロントライト３６の偏向パターンは、同一同心円上の偏向パターン３１の凹部２５又は凸部２６の斜面の法線が一点で交わるような配置になっているので、光出射面３２からの出射光の方向を揃えることができ、画面の輝度やコントラストをさらに向上させることができる。
【００６４】
（点光源について）
これまで点光源という用語を用いたが、本発明でいう点光源とは、文字通りの点光源よりも広い概念で用いている。すなわち、導光板の光出射面に垂直な方向から見たとき、光出射面の各位置において出射光の進行方向が揃っていることが望ましい。光源の発光領域が点であれば、光の進行方向を揃えることができるが、実際には発光領域は有限の大きさを持つ。導光板の有効出射領域のうち５０％以上の領域において、その領域内の任意の点と光源の発光領域の両端とを結んだ直線のなす角度が１０°以下となれば、光を精度良く制御することができ、そのような大きさの光源は点光源として扱うことができる。また、導光板の有効出射領域の５０％以上の領域において、その領域内の任意の点と光源の発光領域の両端とを結んだ直線のなす角度が２５°以下であれば、実質的に問題なく光を制御し、出射させることができる。
【００６５】
従って、本発明にいう点光源とは、常識的な意味における点光源のほか、上記のような条件を満たすものが含まれる。すなわち、導光板との関係において、導光板の有効出射領域の５０％以上の領域において、その領域内の任意の点と光源の発光領域の両端とを結んだ直線のなす角度が２５°以下であれば、そこに用いられている光源は、本願発明にかかる点光源である。
【００６６】
また、点光源の発光点は１つである必要はなく、近接して配置されていて局在化されていれば複数の発光点を有していてもよい。
【００６７】
（第３の実施形態）
図１９は、本発明のさらに別な実施形態による反射型表示装置のフロントライト３７の概略斜視図である。本実施形態のフロントライト３７は、ポリカーボネイト樹脂やアクリル樹脂、メタクリル樹脂等の透明な樹脂を射出成型法等の方法で形成した導光板３０と、冷陰極線管のような線光源３８とで構成されている。線光源３８は、導光板３０の一側面である光入射面３３と対向するように配置されている。本実施形態のフロントライト３７は、第１の実施形態で説明し、図５に示した、反射型表示装置のフロントライトとして使用することができる。
【００６８】
本実施形態のフロントライト３７の導光板３０にも、第１の実施形態で説明し、図６に示したものと同じ断面形状を備えた偏向パターン３１が、線光源３８と平行に形成されている。偏向パターン３１と偏向パターン３１との間には平坦面２４が形成されている。導光板３０の光出射面３２から出射される光の強度分布を均一化するために、偏向パターン３１が形成される間隔は、線光源３８から遠ざかるほど短くなっている。線光源３８から出射された光は、導光板３０の平坦面２４と光出射面３２とで反射を繰り返しながら伝搬する。導光板３０の内部を伝搬中に偏向パターン３１の凹部２５を構成する斜面２５ａに入射して、凹部２５を透過した光は、凸部２６に入射して、斜面２６ａで反射し、光出射面３２から外部へ出射されるので、導光板３０での損失光は少なくなる。したがって、フロントライト３７を用いれば、輝度及びコントラストが良好な反射型表示装置を得ることができる。
【００６９】
また、本実施形態のフロントライト３６は、凸部２６の成型ダレで反射して観察者の目に直接入る光が少なくなるように凸部２６の高さや凸部２６の斜面２６ａの傾きγを設計するので、画面が白っぽく見えるようなことがなく、画面のコントラストが良好になる。
【００７０】
本実施形態のフロントライト３７を用いた反射型表示装置は、携帯電話や携帯情報端末の液晶画面として使用することができる。本実施形態のフロントライト３７は、線光源３８からの出射光の利用効率が高いので、消費電力の少ない点光源２３を用いても画面の輝度やコントラストを良好に保つことが可能になる。したがって、携帯電話や携帯情報端末などのバッテリ駆動時間をより長時間化させることができる。
【００７１】
【発明の効果】
本発明に係るフロントライトによれば、導光板内を伝搬する光が凹部の光反射面を透過しても、凹部の光反射面を透過した光は凸部で捕捉されて導光板内に再入射させられるので、導光板の凹部から外部へ漏れて損失となる光を減少させることができ、光の利用効率を向上させることができる。よって、同じ光源を用いても表示パネルを明るく照明することができ、あるいは、明るさをそのままにして消費電力を低減させることができる。また、凹部の光反射面を透過した光が、凹部の丸みを帯びたエッジなどで反射されることにより、画像光と同じ方向へ出射されてノイズ光となるのを防止でき、反射型表示装置に用いたときに画像のコントラスト低下を防止し、視認性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の反射型液晶表示装置を示す概略断面図である。
【図２】図１に示す反射型液晶表示装置に用いられている偏向パターンの拡大断面図である。
【図３】（ａ）（ｂ）（ｃ）は、それぞれ従来の別な形状の偏向パターンを示す概略断面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態による反射型表示装置の平面図である。
【図５】図４のＡ−Ａ線断面図である。
【図６】偏向パターンの凸部の必要な高さを算出するための説明図である。
【図７】偏向パターンの凸部の斜面の傾きγに対する、凸部が設けられていない場合の出射光量に対する凸部が設けられている場合の出射光量の比の変化を示す図である。
【図８】出射光量比やノイズ光の光量比を計測する際に計測される光束の範囲を説明する図である。
【図９】偏向パターンの凸部の斜面の傾きγに対する、凸部が設けられていない場合の出射光量に対する凸部が設けられている場合の出射光量の比の変化を示す図である。
【図１０】偏向パターンの凸部の斜面の傾きγに対する、凸部が設けられていない場合のノイズ光量に対する凸部が設けられている場合のノイズ光量の比の変化を示す図である。
【図１１】図１０で計測されているノイズ光量からフレネル反射によるノイズ光を除去して示したノイズ光量比の特性図である。
【図１２】導光板の一部破断した概略断面図であって、偏向パターンにおける光の挙動を示す図である。
【図１３】（ａ）（ｂ）は、凹部の断面形状が異なる偏向パターンを示す概略断面図である。
【図１４】（ａ）（ｂ）は、凸部の断面形状が異なる偏向パターンを示す概略断面図である。
【図１５】（ａ）（ｂ）は本発明の反射型液晶表示装置を備えた携帯電話と携帯情報端末を示す斜視図である。
【図１６】本発明の第２の実施形態によるフロントライトの概略平面図である。
【図１７】図１６に示すフロントライトのＣ−Ｃ線断面図である。
【図１８】同一円周上にある偏向パターン配置を説明する概略平面図である。
【図１９】本発明の第３の実施形態によるフロントライトの概略斜視図である。
【符号の説明】
２０ 反射型表示装置
２１ フロントライト
２２ 液晶表示パネル
２３ 点光源
２４ 平坦面
２５ 凹部
２５ａ 凹部の斜面
２６ 凸部
２６ａ 凸部の斜面
２８ａ 表面基板
２８ｂ 裏面基板
２８ｃ 液晶層
２９ａ 反射面
２９ｂ 絶縁体層
３０ 導光板
３１ 偏向パターン
３２ 光出射面
３３ 光入射面

Claims (10)

1. 光入射面から入射した光を閉じ込めて伝搬させ、光出射面から出射させる導光板と、導光板の光入射面に対向する位置に配置された光源とを備えたフロントライトにおいて、
   前記導光板の光出射面と対向する面に、導光板内を伝搬する光を前記光出射面へ向けて反射させるための光反射面を有する複数の凹部と、該凹部の光反射面を透過した光のほぼ全てを導光板内に再入射させるための凸部とを備えたフロントライト。
2. 光入射面から入射した光を閉じ込めて伝搬させ、光出射面から出射させる導光板と、導光板の光入射面に対向する位置に配置された光源とを備えたフロントライトにおいて、
   前記導光板の光出射面と対向する面は、平坦な領域と、導光板内を伝搬する光を前記光出射面へ向けて反射させるための光反射面を有する、前記平坦領域から窪んだ複数の凹部と、前記平坦領域から突出した複数の凸部とからなり、
   対をなす凹部と凸部のうち、凸部は凹部よりも前記光源から遠い側に位置していることを特徴とするフロントライト。
3. 対をなす前記凹部と前記凸部との間に前記平坦領域が存在していないことを特徴とする、請求項２に記載のフロントライト。
4. 前記凸部の高さは、前記凹部の光反射面を透過する光のうち、前記導光板の光出射面と対向する面からの傾きが最大となる光線が前記凸部に再入射するように定められていることを特徴とする、請求項１又は２に記載のフロントライト。
5. 前記凸部は、凸部へ再入射した光を前記導光板の光出射面へ向けて反射させるための面を有しており、当該反射面は、前記導光板の光出射面に対向する面に対して傾いた平面又は曲面によって構成されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載のフロントライト。
6. 前記凹部の光反射面で反射されて前記導光板の光出射面から出射される光の光度が最大となる角度と、前記凹部の光反射面を透過して前記凸部へ再入射した後、凸部で反射されて前記導光板の光出射面から出射される光の光度が最大となる角度とがほぼ等しくなっていることを特徴とする、請求項１又は２に記載のフロントライト。
7. 前記凸部は前記導光板の光出射面に対向する面に対して傾いた平面又は曲面を有し、該平面又は該曲面の、前記光出射面に対向する面に対する平均傾斜角が１０°以上５０°以下であることを特徴とする、請求項１又は２に記載のフロントライト。
8. 前記平均傾斜角が２０°以上４０°以下であることを特徴とする、請求項７に記載のフロントライト。
9. 前記光源が点光源であって、導光板の光出射面に垂直な方向から見たとき、前記点光源を中心とする同一円周上にある前記偏向パターンの凹部の、光を反射させる面に立てた法線が、ある一点にほぼ集まることを特徴とする、請求項１又は２に記載のフロントライト。
10. 請求項１乃至９のいずれかに記載したフロントライトと、該フロントライトの背後に配置され、フロントライトから出射した光を反射させる反射面を有する表示パネルとを備えた反射型表示装置。

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