JP2006351273A - 光偏向素子及び光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 出射光分布が狭く、一次光源の光量の利用効率が高く、簡素化された構成で画像品位の向上が容易な光偏向素子および光源装置を提供する。
【解決手段】 一次光源から発せられた光が入射する光入射面を有し且つ入射した光を導光し且つ導光された光を出射する光出射面３３を有する導光体３と、光偏向素子４とを用いて光源装置を構成する。光偏向素子４は、導光体３からの出射光を入射する入光面４１とその反対側に位置し入射した光を出射する出光面４２とを有する。入光面４１には２つのプリズム面４４，４５から構成されるプリズム列が互いに並列に複数配列されている。プリズム列のそれぞれは、その延在方向と直交する断面において、一次光源から遠い側に配置されているプリズム面４５が、プリズム頂部に近い第１部分４６では凹状をなし且つプリズム頂部から遠い第２部分４７では凸状をなしている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ノートパソコン、液晶テレビ、携帯電話、携帯情報端末等において表示部として使用される液晶表示装置等を構成するエッジライト方式の光源装置およびそれに使用される光偏向素子に関するものであり、特に光源装置の導光体の光出射面側に配置される光偏向素子の改良に関するものである。

近年、カラー液晶表示装置は、携帯用ノートパソコンやパソコン等のモニターとして、あるいは液晶テレビやビデオ一体型液晶テレビ、携帯電話、携帯情報端末等の表示部として、種々の分野で広く使用されてきている。また、情報処理量の増大化、ニーズの多様化、マルチメディア対応等に伴って、液晶表示装置の大画面化、高精細化が盛んに進められている。

液晶表示装置は、基本的にバックライト部と液晶表示素子部とから構成されている。バックライト部としては、液晶表示素子部の直下に一次光源を配置した直下方式のものや導光体の側端面に対向するように一次光源を配置したエッジライト方式のものがあり、液晶表示装置のコンパクト化の観点からエッジライト方式が多用されている。

ところで、近年、比較的小さな画面寸法の表示装置であって観察方向範囲の比較的狭い例えば携帯電話機の表示部として使用される液晶表示装置等では、消費電力の低減の観点から、エッジライト方式のバックライト部として、一次光源から発せられる光量を有効に利用するために、画面から出射する光束の広がり角度をできるだけ小さくして所要の角度範囲に集中して光を出射させるものが利用されてきている。

このように観察方向範囲が限定される表示装置であって、一次光源の光量の利用効率を高め消費電力を低減するために比較的狭い範囲に集中して光出射を行う光源装置として、特開２００１−１４３５１５号公報［特許文献１］において、導光体の光出射面に隣接して両面にプリズム形成面を有するプリズムシートを使用することが提案されている。この両面プリズムシートでは、一方の面である入光面及び他方の面である出光面のそれぞれに、互いに平行な複数のプリズム列が形成されており、入光面と出光面とでプリズム列方向を合致させ且つプリズム列どうしを対応位置に配置している。これにより、導光体の光出射面から該光出射面に対して傾斜した方向に出射光のピークを持ち適宜の角度範囲に分布して出射する光を、プリズムシートの入光面の一方のプリズム面から入射させ他方のプリズム面で内面反射させ、更に出光面のプリズムでの屈折作用を受けさせて、比較的狭い所要方向へ光を集中出射させることができる。

しかし、このような光源装置によれば、狭い角度範囲の集中出射が可能であるが、光偏向素子として使用されるプリズムシートとして両面に互いに平行な複数のプリズム列を、入光面と出光面とでプリズム列方向を合致させ且つプリズム列どうしを対応位置に配置することが必要であり、この成形が複雑になる。

特開平１０−２５４３７１号公報［特許文献２］では、プリズム列を構成する一方の面の傾斜角αを４．７〜５．７度、他方の面の傾斜角βを３４．２〜３５度とすることで法線方向の輝度向上を図っているが、他方の面を平面としているため充分な効果が得られていない。

特表平９−５０７５８４号公報（国際公開ＷＯ９４／２０８７１公報）［特許文献３］及び特開平９−１０５８０４号公報［特許文献４］には、プリズム列を構成する一方の面を凸または凹の曲面としたプリズムシートが開示されている。また、特開２００２−１９７９０８号公報［特許文献５］には、プリズム列を構成する一方の面を複数の平面または１つの凸曲面から構成したプリズムシートが開示されている。しかしながら、これらの公報には、プリズム列を構成する一方の面に凸面部分と凹面部分との組み合わせを用いることでプリズムシートを用いた光源装置の性能向上をはかることについては、記載がない。
特開２００１−１４３５１５号公報 特開平１０−２５４３７１号公報 特表平９−５０７５８４号公報 特開平９−１０５８０４号公報 特開２００２−１９７９０８号公報

本発明の目的は、出射光の分布が非常に狭くコントロールされ、一次光源の光量の利用効率の向上が可能となり（即ち、一次光源から発せられる光を所要の観察方向へ集中して出射させる効率が高くなり）、しかも簡素化された構成で画像品位の向上が容易な光偏向素子および光源装置を提供することにある。

本発明によれば、上記目的を達成するものとして、
光を入射する入光面とその反対側に位置し入射した光を出射する出光面とを有しており、前記入光面には２つのプリズム面から構成されるプリズム列が互いに並列に複数配列されており、該プリズム列のそれぞれは、その延在方向と直交する断面において一方の前記プリズム面がプリズム頂部に近い第１部分では凹状をなし且つプリズム頂部から遠い第２部分では凸状をなしていることを特徴とする光偏向素子、
が提供される。

本発明の一態様においては、前記第１部分は前記プリズム列の配列方向の寸法が前記第２部分の１／５〜１／２である。本発明の一態様においては、前記プリズム列のそれぞれは、その前記断面において一方の前記プリズム面の第１部分が互いに傾斜角の異なる複数の直線から構成される。本発明の一態様においては、前記プリズム列のそれぞれは、その前記断面において一方の前記プリズム面の第１部分が曲線からなる。

本発明の一態様においては、前記プリズム列のそれぞれは、その前記断面において一方の前記プリズム面の第１部分は両端を結ぶ直線からの最大距離（ｄ１）の前記プリズム列の配列ピッチ（Ｐ）に対する割合（ｄ１／Ｐ）が０．１〜１％である。本発明の一態様においては、前記プリズム列のそれぞれは、その前記断面において一方の前記プリズム面の第２部分は両端を結ぶ直線からの最大距離（ｄ２）の前記プリズム列の配列ピッチ（Ｐ）に対する割合（ｄ２／Ｐ）が０．４〜５％である。

本発明の一態様においては、前記プリズム列のそれぞれは、他方の前記プリズム面が平面である。本発明の一態様においては、前記プリズム列のそれぞれは、一方の前記プリズム面の頂部振り分け角αが３５°〜４０°であり、他方の前記プリズム面の頂部振り分け角βが４°〜１０°である。本発明の一態様においては、前記プリズム列は、その断面において、頂点の座標を原点とし、前記プリズム列のピッチＰの長さを50と正規化したとき、点１(-5.51938,63.08698)、点２(0.0,0.0)、点３(4.0,5.30816)、点４(10.0,12.53522)、点５(28.0,36.9758)、点６(44.48062,63.08698)の６点またはその近傍点を繋いだ形状からなる。

また、本発明によれば、上記目的を達成するものとして、
一次光源と、該一次光源から発せられた光が入射する光入射面を有し且つ入射した光を導光し且つ導光された光を出射する光出射面を有する導光体と、該導光体の前記光出射面に対向して前記入光面が位置するように配置された請求項１〜９のいずれかに記載の光偏向素子とを備えていることを特徴とする光源装置、
が提供される。

本発明の一態様においては、前記光偏向素子は、前記プリズム列の他方の前記プリズム面が前記一次光源に近い側に配置され、前記プリズム列の一方の前記プリズム面が前記一次光源から遠い側に配置されている。本発明の一態様においては、前記一次光源が前記導光体のコーナー部に隣接して配置され、かつ前記光偏向素子のプリズム列が前記一次光源を略中心として略同心円状に配置されている。本発明の一態様においては、前記光偏向素子の出光面上に隣接配置された光拡散素子を備えており、該光拡散素子は平行光を入射したときの出射光分布の半値全幅が異方性を有している。

以上のような本発明の光偏向素子及び光源装置においては、入光面に互いに並列に配列された複数のプリズム列のそれぞれについて、２つのプリズム面のうちの一方がプリズム頂部に近い第１部分では凹状をなし且つプリズム頂部から遠い第２部分では凸状をなしているので、第１部分で反射した光と第２部分で反射した光とを互いに異なる様式にて所望方向へと偏向させることができ、これにより出射光の分布が非常に狭くコントロールされ、一次光源の光量の利用効率の向上が可能となり（即ち、一次光源から発せられる光を所要の観察方向へ集中して出射させる効率が高くなり）、しかも簡素化された構成で画像品位の向上が容易になる。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態を説明する。

図１は、本発明による面光源装置の一つの実施形態を示す模式的斜視図である。図１に示されているように、本実施形態の発明の面光源装置は、少なくとも一つの側端面を光入射面３１とし、これと略直交する一つの表面を光出射面３３とする導光体３と、この導光体３の光入射面３１に対向して配置され光源リフレクタ２で覆われた線状または棒状の一次光源１と、導光体３の光出射面３３上に配置された光偏向素子４およびその上に隣接配置された光拡散素子６と、導光体３の光出射面３３とは反対側の裏面３４に対向して配置された光反射素子５とから構成される。

導光体３は、ＸＹ面と平行に配置されており、全体として矩形板状をなしている。導光体３は４つの側端面を有しており、そのうちＹＺ面と平行な１対の側端面のうち、少なくとも一つの側端面を光入射面３１とする。光入射面３１は一次光源１と対向して配置されており、一次光源１から発せられた光は光入射面３１に入射して導光体３内に導入される。本発明においては、例えば、光入射面３１とは反対側の側端面３２等の他の側端面にも一次光源を配置してもよい。

導光体３の光入射面３１に略直交した２つの主面は、それぞれＸＹ面と略平行に位置しており、いずれか一方の面（図では上面）が光出射面３３となる。この光出射面３３またはそれと反対側の裏面３４のうちの少なくとも一方の面に粗面からなる指向性光出射機能部や、プリズム列、レンチキュラーレンズ列、Ｖ字状溝等の多数のレンズ列を光入射面３１と略平行に並列形成したレンズ面からなる指向性光出射機能部を付与することによって、光入射面３１から入射した光を導光体３中を導光させながら、光出射面３３から光入射面３１および光出射面３３に直交する面（ＸＺ面）内の出射光分布において指向性のある光を出射させる。このＸＺ面内分布における出射光分布のピークの方向が光出射面３３となす角度をａとすると、この角度ａは１０〜４０度とすることが好ましく、出射光分布の半値全幅は１０〜４０度とすることが好ましい。

導光体３の表面に形成する粗面やレンズ列は、ＩＳＯ４２８７／１−１９８４による平均傾斜角θａが０．５〜１５度の範囲のものとすることが、光出射面３３内での輝度の均斉度を図る点から好ましい。平均傾斜角θａは、さらに好ましくは１〜１２度の範囲であり、より好ましくは１．５〜１１度の範囲である。この平均傾斜角θａは、導光体３の厚さ（ｔ）と入射光が伝搬する方向の長さ（Ｌ）との比（Ｌ／ｔ）によって最適範囲が設定されることが好ましい。すなわち、導光体３としてＬ／ｔが２０を越え２００以下程度のものを使用する場合は、平均傾斜角θａを０．５〜７．５度とすることが好ましく、さらに好ましくは１〜５度の範囲であり、より好ましくは１．５〜４度の範囲である。また、導光体３としてＬ／ｔが２０以下程度のものを使用する場合は、平均傾斜角θａを７〜１２度とすることが好ましく、さらに好ましくは８〜１１度の範囲である。

導光体３に形成される粗面の平均傾斜角θａは、ＩＳＯ４２８７／１−１９８４に従って、触針式表面粗さ計を用いて粗面形状を測定し、測定方向の座標をｘとして、得られた傾斜関数ｆ（ｘ）から次の（１）式および（２）式を用いて求めることができる。ここで、Ｌは測定長さであり、Δａは平均傾斜角θａの正接である。

Δａ＝（１／Ｌ）∫₀ ^L｜（ｄ／ｄｘ）ｆ（ｘ）｜ｄｘ ・・・ （１）
θａ＝ｔａｎ^-1（Δａ） ・・・ （２）
さらに、導光体３としては、その光出射率が０．５〜５％の範囲にあるものが好ましく、より好ましくは１〜３％の範囲である。これは、光出射率が０．５％より小さくなると導光体３から出射する光量が少なくなり十分な輝度が得られなくなる傾向にあり、光出射率が５％より大きくなると一次光源１の近傍で多量の光が出射して、光出射面３３内でのＸ方向における光の減衰が著しくなり、光出射面３３での輝度の均斉度が低下する傾向にあるためである。このように導光体３の光出射率を０．５〜５％とすることにより、光出射面から出射する光の出射光分布におけるピーク光の角度（ピーク角度）が光出射面の法線に対し５０〜８０度の範囲にあり、光入射面と光出射面との双方に垂直なＸＺ面における出射光分布の半値全幅が１０〜４０度であるような指向性の高い出射特性の光を導光体３から出射させることができ、その出射方向を光偏向素子４で効率的に偏向させることができ、高い輝度を有する面光源装置を提供することができる。

本発明において、導光体３からの光出射率は次のように定義される。光出射面３３の光入射面３１側の端縁での出射光の光強度（Ｉ₀ ）と光入射面３１側の端縁から距離Ｌの位置での出射光強度（Ｉ）との関係は、導光体３の厚さ（Ｚ方向寸法）をｔとすると、次の（３）式のような関係を満足する。

Ｉ＝Ｉ_０・［Ａ／１００］（１−［Ａ／１００］）^Ｌ／ｔ ・・・ （３）
ここで、定数Ａが光出射率であり、光出射面３３における光入射面３１と直交するＸ方向での単位長さ（導光体厚さｔに相当する長さ）当たりの導光体３から光が出射する割合（％）である。この光出射率Ａは、縦軸に光出射面３３からの出射光の光強度の対数をとり横軸に（Ｌ／ｔ）をとり、これらの関係をプロットすることで、その勾配から求めることができる。

また、指向性光出射機能部が付与されていない他の主面には、導光体３からの出射光の一次光源１と平行な面（ＹＺ面）での指向性を制御するために、光入射面３１に対して略垂直の方向（Ｘ方向）に延びる多数のレンズ列を配列したレンズ面を形成することが好ましい。図１に示した実施形態においては、光出射面３３に粗面を形成し、裏面３４に光入射面３１に対して略垂直方向（Ｘ方向）に延びる多数のレンズ列の配列からなるレンズ面を形成している。本発明においては、図１に示した形態とは逆に、光出射面３３にレンズ面を形成し、裏面３４を粗面とするものであってもよい。

図１に示したように、導光体３の裏面３４あるいは光出射面３３にレンズ列を形成する場合、そのレンズ列としては略Ｘ方向に延びたプリズム列、レンチキュラーレンズ列、Ｖ字状溝等が挙げられるが、ＹＺ断面の形状が略三角形状のプリズム列とすることが好ましい。

このプリズム列を形成する場合には、その頂角を７０〜１５０度の範囲とすることが好ましい。これは、頂角をこの範囲とすることによって導光体３からの出射光を十分集光させることができ、面光源装置としての輝度の十分な向上を図ることができるためである。すなわち、プリズム頂角をこの範囲内とすることによって、出射光分布におけるピーク光を含みＸＺ面に垂直な面において出射光分布の半値全幅が３５〜６５度である集光された出射光を出射させることができ、面光源素子としての輝度を向上させることができる。なお、プリズム列を光出射面３３に形成する場合には、頂角は８０〜１００度の範囲とすることが好ましく、プリズム列を裏面３４に形成する場合には、頂角は７０〜８０度または１００〜１５０度の範囲とすることが好ましい。

なお、本発明では、上記のような光出射面３３またはその裏面３４に光出射機能部を形成する代わりにあるいはこれと併用して、導光体内部に光拡散性微粒子を混入分散することで指向性光出射機能を付与したものでもよい。また、導光体３としては、図１に示したような断面形状に限定されるものではなく、くさび状、船型状等の種々の断面形状を持つものが使用できる。

図２〜図４は、いずれも光偏向素子４におけるプリズム列の形状の説明図であり、光偏向素子４は主表面の一方を入光面４１とし他方の面を出光面４２とする。入光面４１には多数のプリズム列が互いに並列に配列され、各プリズム列は光源側に位置する第１のプリズム面４４と光源から遠い側に位置する第２のプリズム面４５との２つのプリズム面から構成されている。図２〜図４に示した実施形態においては、第１のプリズム面４４が平面である。また、第２のプリズム面４５は、その延在方向と直交する断面において、プリズム頂部（最下端部）に近い第１部分４６とプリズム頂部から遠い第２部分４７とを有する。第１部分４６は外方に向かって凹状をなしており、第２部分４７は外方に向かって凸状をなしている。第１部分４６は、プリズム列の配列方向（Ｘ方向）の寸法が、第２部分４７の１／５〜１／２であるのが好ましい。その理由は、この寸法が１／５より小さくなると第１部分４６の後述の機能が発揮されにくくなるからであり、この寸法が１／２より大きくなると第２部分４７の後述の機能が発揮されにくくなるからである。

本実施形態では、プリズム列のそれぞれは、その断面において、第２のプリズム面４５の第１部分４６が２つの部分域４６１，４６２から構成されており且つ第２部分４７が２つの部分域４７１，４７２から構成されている。部分域４６１，４６２は互いに傾斜角の異なる直線であり、部分域４７１，４７２は互いに傾斜角の異なる凸の円弧である。ここで、各部分域の傾斜角とは、プリズム列形成平面４３に対する傾斜角度をいう。部分域が直線以外の円弧等の曲線からなる場合の傾斜角は、当該部分域の両端縁を結ぶ直線がプリズム列形成平面４３の法線方向となす角をいう。

プリズム列のそれぞれは、プリズム面４４の頂部振り分け角βが例えば４°〜１０°であり、プリズム面４５の頂部振り分け角αが例えば３５°〜４０°である。このようにすることで、高い集光効果を発揮させることができ、光源装置として高い輝度を得ることができる。ここで、頂部振り分け角α，βとは、プリズム列の頂角のプリズム列形成平面４３の法線方向に対する右左の振り分け角であり、プリズム頂部近傍における第２のプリズム面４５（部分域４６１）がプリズム列形成平面４３の法線Ｎとなす角度をαとし、プリズム頂部近傍における第１のプリズム面４４がプリズム列形成平面４３の法線Ｎとなす角度をβとしている。尚、第１部分４６の部分域４６２とプリズム列形成平面４３の法線Ｎとのなす角度γは、例えば３６°〜４２°である。

光偏向素子４において、プリズム列のそれぞれについて、その断面においてプリズム面４５の第１部分４６は両端を結ぶ直線からの最大距離（ｄ１）のプリズム列配列ピッチ（Ｐ）に対する割合（ｄ１／Ｐ）が０．１〜１％であるのが好ましい。（ｄ１／Ｐ）は、更に好ましくは０．３〜０．６％である。また、プリズム列のそれぞれは、その断面においてプリズム面４５の第２部分４７は両端を結ぶ直線からの最大距離（ｄ２）の前記プリズム列の配列ピッチ（Ｐ）に対する割合（ｄ２／Ｐ）が０．４〜５％であるのが好ましい。（ｄ２／Ｐ）は、更に好ましくは０．７〜４％である。

第２のプリズム面４５をこのような形状にすることにより、後述のように所望の集光特性を発揮でき輝度が向上する光偏向素子を得ることが容易になるとともに、一定の光学特性を有する光偏向素子を安定して製造することもできる。

具体的なプリズム列の断面形状としては、プリズム列の頂点の座標を原点としプリズム列の配列ピッチＰの長さを50と正規化したとき、（ｘ，ｚ）座標表示で、点１(-5.51938,63.08698)、点２(0.0,0.0)、点３(4.0,5.30816)、点４(10.0,12.53522)、点５(28.0,36.9758)、点６(44.48062,63.08698)の６点またはその近傍点を繋いだ形状からなるものが挙げられる。ここで、点４と点５との間の部分域４７１の円弧形状の曲率半径は357.52326であり、点５と点６との間の部分域４７２の円弧形状の曲率半径は536.75469である。

次に、本発明の光偏向素子におけるプリズム列の２つのプリズム面４４，４５の機能について更に詳細に説明する。

図２に示される様に、導光体光出射面３３からの光出射は、ピーク光が光出射面３３に対して角度ａをなすように分布してなされる。この光は、光偏向素子４のプリズム列のプリズム面４４に入射し、プリズム面４５により内面反射される。この内面反射により、ピーク光は反射光Ｌ１としてプリズム列形成平面４３の大略法線方向へと偏向される。導光体光出射面３３に対して角度ａより大きな角度で出射して、光偏向素子４に入射し、ピーク光の内面反射位置より出光面４２に近い位置において内面反射される光は、第２部分４７の凸形状に基づき、反射光Ｌ２としてプリズム列形成平面４３の大略法線方向へと偏向される。また、導光体光出射面３３に対して角度ａより小さな角度で出射して、光偏向素子４に入射し、ピーク光の内面反射位置より出光面４２から遠い位置において内面反射される光の一部は、第１部分４６の凹形状に基づき、反射光Ｌ３としてプリズム列形成平面４３の大略法線方向へと偏向される。このようにして、主としてプリズム面４５の形状及び更にはプリズム面４４の形状に基づき、第１部分で内面反射した光と第２部分で内面反射した光とを互いに異なる様式にて偏向させることができ、プリズム列形成平面４３の大略法線方向へと偏向される光の割合が高められるので、出射光の分布が非常に狭くコントロールされ、一次光源１の光量の利用効率の向上が可能となり、即ち一次光源１から発せられる光を所要の観察方向へ集中して出射させる効率を高めることができる。

本発明においては、プリズム面４５の第１部分４６を単一の円弧または非円の弧あるいは互いに傾斜角の異なる複数の円弧または非円の弧からなるものとすることができる。また、プリズム面４５の第２部分４７を単一の円弧または非円の弧あるいは互いに傾斜角の異なる複数の直線からなるものとすることができる。非円の弧としては、楕円弧、放物線弧等が挙げられる。このような場合においても、上記実施形態と同様な機能が得られる。尚、本発明において、プリズム面４５の第１部分４６の部分域４６１が直線以外の円弧等の曲線からなる場合の頂部振り分け角は、当該部分域の両端縁を結ぶ直線がプリズム列形成平面４３の法線方向となす角をいう。

光偏向素子４からの出射光のＸＺ面内での出射光分布の半値全幅は、５度以上２５度以下であることが好ましく、より好ましくは１０〜２０度の範囲であり、さらに好ましくは１１〜１５度の範囲である。これは、この出射光分布の半値全幅を５度以上とすることによって極端な狭視野化による画像等の見づらさをなくすことができ、２５度以下とすることによって高輝度化を図ることができるためである。

一次光源１はＹ方向に延在する線状の光源であり、該一次光源１としては例えば蛍光ランプや冷陰極管を用いることができる。なお、本発明においては、一次光源１は線状光源に限定されるものではなく、ＬＥＤ光源、ハロゲンランプ、メタハロランプ等のような点光源を使用することもできる。特に、携帯電話や携帯情報端末機等の比較的小さな画面寸法の表示装置に使用する場合には、ＬＥＤ等の小さな点光源を使用することが好ましい。また、一次光源１は、図１に示したように、導光体３の一方の側端面に設置する場合だけでなく、必要に応じて対向する他方の側端面にもさらに設置することもできる。

本発明においては、図１に示したように、一次光源１として線状の光源を使用する場合には、光偏向素子４に形成するプリズム列は一次光源１と略平行な方向に延びるように、あるいは一次光源１と２０°以下の傾きを有する方向に延びるように形成するが、光偏向素子４に形成するプリズム列の配置は使用する光源によって、導光体３中を伝搬する光の伝搬方向によって変更することができる。例えば、図５に示すように一次光源１としてＬＥＤ光源等の略点状光源を導光体３のコーナー等に配置して使用する場合には、導光体３に入射した光は光出射面３３と同一の平面内において一次光源１を略中心とした放射状に導光体３中を伝搬し、光出射面３３から出射する出射光も同様に一次光源１を中心とした放射状に出射する。このような放射状に出射する出射光を、その出射方向に関わらず効率よく所望の方向に偏向させるためには、光偏向素子４に形成するプリズム列を一次光源１を取り囲むように略弧状に並列して配置することが好ましい。このように、プリズム列を一次光源１を取り囲むように略弧状に並列して配置することにより、光出射面３３から放射状に出射する光の殆どが光偏向素子４のプリズム列に対して略垂直に入射するため、導光体３の光出射面３３の全領域で出射光を効率良く特定の方向に向けることができ、輝度の均一性を向上させることができる。光偏向素子４に形成する略弧状のプリズム列は、導光体３中を伝搬する光の分布に応じてその弧状の程度を選定し、光出射面３３から放射状に出射する光の殆どが光偏向素子４のプリズム列に対して略垂直に入射するようにすることが好ましい。具体的には、ＬＥＤ等の点状光源を略中心とした略同心円状に略円弧の半径が少しずつ大きくなるように並列して配置されたものが挙げられ、プリズム列の半径の範囲は、面光源装置における点状光源の位置と、液晶表示エリアに相当する面光源の有効エリアとの位置関係や大きさによって決定される。

光源リフレクタ２は一次光源１の光をロスを少なく導光体３へ導くものである。材質としては、例えば表面に金属蒸着反射層有するプラスチックフィルムを用いることができる。図示されているように、光源リフレクタ２は、光反射素子５の端縁部外面から一次光源１の外面を経て光拡散素子６の出光面端縁部へと巻きつけられている。他方、光源リフレクタ２は、光拡散素子６及び光偏向素子４を避けて、光反射素子５の端縁部外面から一次光源１の外面を経て導光体３の光出射面端縁部へと巻きつけることも可能である。

このような光源リフレクタ２と同様な反射部材を、導光体３の側端面３１以外の側端面に付することも可能である。

光反射素子５としては、例えば表面に金属蒸着反射層を有するプラスチックシートを用いることができる。本発明においては、光反射素子５として反射シートに代えて、導光体３の裏面３４に金属蒸着等により形成された光反射層等とすることも可能である。

本発明の導光体３及び光偏向素子４は、光透過率の高い合成樹脂から構成することができる。このような合成樹脂としては、メタクリル樹脂、アクリル樹脂、ポリカーボネート系樹脂、ポリエステル系樹脂、塩化ビニル系樹脂が例示できる。特に、メタクリル樹脂が、光透過率の高さ、耐熱性、力学的特性、成形加工性に優れており、最適である。このようなメタクリル樹脂としては、メタクリル酸メチルを主成分とする樹脂であり、メタクリル酸メチルが８０重量％以上であるものが好ましい。導光体３及び光偏向素子４の粗面の表面構造やプリズム列等の表面構造を形成するに際しては、透明合成樹脂板を所望の表面構造を有する型部材を用いて熱プレスすることで形成してもよいし、スクリーン印刷、押出成形や射出成形等によって成形と同時に形状付与してもよい。また、熱あるいは光硬化性樹脂等を用いて構造面を形成することもできる。更に、ポリエステル系樹脂、アクリル系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、塩化ビニル系樹脂、ポリメタクリルイミド系樹脂等からなる透明フィルムあるいはシート等の透明基材上に、活性エネルギー線硬化型樹脂からなる粗面構造またレンズ列配列構造を表面に形成してもよいし、このようなシートを接着、融着等の方法によって別個の透明基材上に接合一体化させてもよい。活性エネルギー線硬化型樹脂としては、多官能（メタ）アクリル化合物、ビニル化合物、（メタ）アクリル酸エステル類、アリル化合物、（メタ）アクリル酸の金属塩等を使用することができる。

以上のような一次光源１、光源リフレクタ２、導光体３、光偏向素子４および光反射素子５更には光拡散素子６からなる面光源装置の発光面（光偏向素子４の出光面４２更には光拡散素子６の表面）上に、液晶表示素子を配置することにより液晶表示装置が構成される。液晶表示装置は、図１における上方から液晶表示素子を通して観察者により観察される。また、本発明においては、十分にコリメートされた狭い分布の光を面光源装置から液晶表示素子に入射させることができるため、液晶表示素子での階調反転等がなく明るさ、色相の均一性の良好な画像表示が得られるとともに、所望の方向に集中した光照射が得られ、この方向の照明に対する一次光源の発光光量の利用効率を高めることができる。

さらに、本発明においては、このように光偏向素子４によって狭視野化され高輝度化された光源装置において、輝度の低下をできる限り招くことなく、視野範囲を目的に応じて適度に制御するために、光偏向素子４の出光面上に光拡散素子６を隣接配置することができる。また、本発明においては、このように光拡散素子６を配置することによって、品位低下の原因となるぎらつきや輝度斑等を抑止し品位向上を図ることもできる。

光拡散素子６は、光偏向素子４の出光面側にて光偏向素子４と一体化させてもよいし、光拡散素子６を個別に光偏向素子４の出光面側に載置してもよいが、個別に光拡散素子６を配置するほうが好ましい。個別に光拡散素子６を載置する場合には、光拡散素子６の光偏向素子４に隣接する側の面には、光偏向素子４とのスティッキングを防止するため、凹凸構造を付与することが好ましい。同様に、光拡散素子６の出射面においても、その上に配置される液晶表示素子との間でのスティッキングを考慮する必要があり、光拡散素子６の出射面にも凹凸構造を付与することが好ましい。この凹凸構造は、スティッキング防止の目的のみに付与する場合には、平均傾斜角が０．７度以上となるような構造とすることが好ましく、さらに好ましくは１度以上であり、より好ましくは１．５度以上である。

本発明においては、輝度特性、視認性および品位等のバランスを考慮して光偏向素子４からの出射光を適度に拡散させる光拡散特性を有する光拡散素子６を使用することが必要である。すなわち、光拡散素子６の光拡散性が低い場合には、視野角を十分に広げることが困難となり視認性を低下させるとともに、品位改善効果が十分でなくなる傾向にあり、逆に光拡散性が高すぎる場合には光偏向素子４による狭視野化の効果が損なわれるとともに、全光線透過率も低くなり輝度が低下する傾向にある。そこで、本発明の光拡散素子６においては、平行光を入射したときの出射光分布の半値全幅が１〜１３度の範囲であるものが使用される。光拡散素子６の半値全幅は、好ましくは３〜１１度の範囲、さらに好ましくは４〜８．５度の範囲である。なお、本発明において光拡散素子６の出射光分布の半値全幅とは、図６に示すように、光拡散素子６に入射した平行光線が出射時にどの程度拡散して広がるかを示したもので、光拡散素子６を透過拡散した出射光の光度分布におけるピーク値に対する半値での広がり角の全幅の角度（Δθ_Ｈ）をいう。

このような光拡散特性は、光拡散素子６中に光拡散剤を混入したり、光拡散素子６の少なくとも一方の表面に凹凸構造を付与することによって付与することができる。表面に形成する凹凸構造は、光拡散素子６の一方の表面に形成する場合と両方の表面に形成する場合とでは、その程度が異なる。光拡散素子６の一方の表面に凹凸構造を形成する場合には、その平均傾斜角を０．８〜１２度の範囲とすることが好ましく、さらに好ましくは３．５〜７度であり、より好ましくは４〜６．５度である。光拡散素子６の両方の表面に凹凸構造を形成する場合には、一方の表面に形成する凹凸構造の平均傾斜角を０．８〜６度の範囲とすることが好ましく、さらに好ましくは２〜４度であり、より好ましくは２．５〜４度である。この場合、光拡散素子６の全光線透過率の低下を抑止するためには、光拡散素子６の入射面側の平均傾斜角を出射面側の平均傾斜角よりも大きくすることが好ましい。また、光拡散素子６のヘイズ値としては８〜８２％の範囲とすることが、輝度特性向上と視認性改良の観点から好ましく、さらに好ましくは３０〜７０％の範囲であり、より好ましくは４０〜６５％の範囲である。

本発明の光源装置においては、その発光面（光拡散素子６の出射面）の法線方向から観察した場合の表示エリア内における輝度が均一であることも要求される。この輝度の均一性は光源の表示エリアの大きさにも依存し、例えば、ノートパソコンやモニター等の表示エリアが大きい大型の光源装置では、比較的広い視野角特性が要求される場合があり、発光面から出射する出射光の分布をより広くすることが要求される。一方、携帯電話や携帯情報端末等の表示エリアが小さい小型の光源装置では、高輝度や表示品位向上が優先される場合があり、発光面からの出射する出射光分布は比較的狭くてもよい。このため、光拡散素子６としては、光源装置の表示エリアの大きさに応じて適切な光拡散特性を有するものを使用することが好ましい。

本発明においては、光偏向素子４を用いて導光体３からの出射光を法線方向等の特定な方向に出射させ、この出射光を異方拡散性を有する光拡散素子６を用いて所望の方向に出射させることもできる。この場合、光拡散素子６に異方拡散作用と光偏向作用の両方の機能を付与することもできる。例えば、凹凸構造としてレンチキュラーレンズ列やシリンドリカルレンズ形状体を用いたものでは、その断面形状を非対称形状にすることで、異方拡散作用と光偏向作用の両機能を付与することができる。

また、本発明においては、光源装置としての視野角を調整し、品位を向上させる目的で、光偏向素子４や光拡散素子６に光拡散材を含有させることもできる。このような光拡散材としては、光偏向素子４や光拡散素子６を構成する材料と屈折率が異なる透明な微粒子を使用することができ、例えば、シリコーンや、ポリスチレン、ポリメチルメタクリレート、フッ素化メタクリレート等の単独重合体あるいは共重合体等が挙げられる。光拡散材としては、光偏向素子４による狭視野効果や光拡散素子６による適度な拡散効果を損なわないように、含有量、粒径、屈折率等を適宜選定する必要がある。例えば、光拡散材の屈折率は、光偏向素子４や光拡散素子６を構成する材料との屈折率差が小さすぎると拡散効果が小さく、大きすぎると過剰な散乱屈折作用が生じるため、屈折率差が０．０１〜０．１の範囲とすることが好ましく、さらに好ましくは０．０３〜０．０８、より好ましくは０．０３〜０．０５の範囲である。また、光拡散材の粒径は、粒径が大きすぎると散乱が強くなりぎらつきや輝度の低下を引き起こし、小さすぎると着色が発生するため、平均粒径が０．５〜２０μｍの範囲とすることが好ましく、さらに好ましくは２〜１５μｍ、より好ましくは２〜１０μｍの範囲である。

なお、本発明のような光偏向素子を用いた光源装置の出射光分布は、ピーク位置を境に、一次光源側での出射光分布がピ−ク光から遠くなるにつれ急激に輝度が低下し、一次光源から遠い側での出射光分布は比較的緩やかに輝度が低下する非対称な出射光分布を示す場合がある。例えば、このような出射光分布の光源装置を１０インチ以上のノート型パソコン等の比較的広い視野角を必要とする液晶表示装置に用いる場合、比較的光拡散性の高い光拡散素子を光偏向素子の出光面上に配置し、出射光分布を広げて視野角を広げることが行われている。ヘイズ値が５０％以上という光拡散性の強い光拡散素子を用いる場合には、出射光分布のピーク角度が１〜３度程度一次光源から遠い側に偏向される。このため、光偏向素子からの出射光分布のピーク角度がその出光面の法線方向に位置する場合、光拡散素子により出射光分布のピーク角度が、法線方向から１〜３度程度光源から遠い側に偏光され、結果として法線方向から観察した場合の輝度を極端に低下させることになる。これは、光拡散素子を使用することにより、光偏向素子から出射した出射光分布の非対称性は幾分緩和されるものの、比較的急激に輝度が低下する出射光分布の部位が法線方向位置するためである。このような輝度の極端な低下を避けるために、あらかじめ光偏向素子からの出射光分布のピーク角度を法線方向から光源側に１〜３度傾けておくことが好ましい。

以下、実施例によって本発明を具体的に説明する。なお、以下の実施例及び比較例における面光源装置の輝度分布の測定は次のようにして行った。

光源として冷陰極管を用い、インバータ（ハリソン社製ＨＩＵ−７４２Ａ）にＤＣ１２Ｖを印加して高周波点灯させた。輝度計の視野角度を０．１度にし、面光源装置の中央の面部分に位置するよう調整し、ゴニオ回転軸が回転するように調節した。それぞれの方向で回転軸を＋８０°〜−８０°まで１°間隔で回転させながら、輝度計で出射光の輝度分布を測定した。角度は光源装置に対し法線方向を０°とし、一次光源側を負、それと反対側を正とした。

実施例
アクリル樹脂（三菱レイヨン（株）製アクリペットＶＨ５＃０００）を用い射出成形することによって一方の面がマット（平均傾斜角１．１度）である導光体を作製した。該導光体は、２１６ｍｍ×２９０ｍｍ、厚さ２．０ｍｍ−０．７ｍｍのクサビ板状をなしていた。この導光体の鏡面側に、導光体の長さ２１６ｍｍの辺（短辺）と平行になるように、アクリル系紫外線硬化樹脂によってプリズム列のプリズム頂角１００°、ピッチ５０μｍのプリズム列が並列に連設配列されたプリズム層を形成した。導光体の長さ２９０ｍｍの辺（長辺）に対応する一方の側端面（厚さ２．０ｍｍの側の端面）に沿って冷陰極管を光源リフレクタ（麗光社製銀反射フィルム）で覆い配置した。さらに、その他の側端面に光拡散反射フィルム（東レ社製Ｅ６０）を貼付し、プリズム列配列面（裏面）に反射シートを配置した。以上の構成を枠体に組み込んだ。この導光体は、光入射面および光出射面の双方に垂直な面内での出射光光度分布の最大ピーク角度は光出射面法線方向に対して７０度、半値全幅は２２．５度であった。

一方、屈折率１．５０６４のアクリル系紫外線硬化性樹脂を用いて、断面が点１(-5.51938μｍ,63.08698μｍ)、点２(0.0μｍ,0.0μｍ)、点３(4.0μｍ,5.30816μｍ)、点４(10.0μｍ,12.53522μｍ)、点５(28.0μｍ,36.9758μｍ)、点６(44.48062μｍ,63.08698μｍ)の６点を繋いだ形状からなり、ピッチＰが５０μｍである、図２〜４に示されるプリズム列が並列に連設されたプリズム列を、厚さ１８８μｍのポリエステルフィルムの一方の表面に形成したプリズムシートを作製した。

このプリズムシートにおいて、頂部振り分け角αは３７度であり、頂部振り分け角βは５度であり、角度γは３９．７度であった。部分域４６１，４６２は直線であり、部分域４７１は円弧形状でその曲率半径は357.52326μｍであり、部分域４７２は円弧形状でその曲率半径は536.75469μｍであった。また、第１部分４６はその両端を結ぶ直線からの最大距離（ｄ１）のピッチＰに対する割合（ｄ１／Ｐ）が０．４４％であり、第２部分４７はその両端を結ぶ直線からの最大距離（ｄ２）の前記プリズム列の配列ピッチ（Ｐ）に対する割合（ｄ２／Ｐ）が２．２％であった。

得られたプリズムシートを、上記導光体の光出射面側にプリズム列形成面が向き、導光体の光入射面にプリズム稜線が平行でありプリズム面４４（点１と点２とを結ぶ線に対応）が光源側となるように載置し、面光源装置を得た。この面光源装置の光入射面および光出射面の双方に垂直な面内での出射光輝度分布を求めたところ、図７の結果が得られた。図７において輝度スケールは相対値で示されている。

この面光源装置に液晶表示素子を配置して観察したところ、ぎらつき等のない高品位なものであった。

比較例
プリズムシートのプリズム列を、図８に示すように、断面が点１(-5.51938μｍ,63.08698μｍ)、点２(0.0μｍ,0.0μｍ)、点３(28.0μｍ,36.9758μｍ)、点４(44.48062μｍ,63.08698μｍ)の４点を繋いだ形状からなり、点２と点３とを結ぶ部分域は円弧形状でその曲率半径が601.30222μｍであり、点３と点４とを結ぶ部分域は円弧形状でその曲率半径は536.75469μｍで、ピッチＰが５０μｍである形状にしたこと以外は、実施例と同様にして面光源装置を得た。この面光源装置の光入射面および光出射面の双方に垂直な面内での出射光輝度分布を求めたところ、図９の結果が得られた。図９の輝度スケールは図７のものと同一である。

本発明による光源装置を示す模式的斜視図である。 本発明の光偏向素子の入光面のプリズム列の形状の説明図である。 本発明の光偏向素子の入光面のプリズム列の形状の説明図である。 本発明の光偏向素子の入光面のプリズム列の形状の説明図である。 略点状光源を導光体のコーナー部に隣接配置した本発明による光源装置を示す斜視図である。 光拡散素子からの出射光分布の半値全幅の説明図である。 本発明の光源装置の輝度分布を示す図である。 比較例の光偏向素子の入光面のプリズム列の形状の説明図である。 比較例の光源装置の輝度分布を示す図である。

符号の説明

１ 一次光源
２ 光源リフレクタ
３ 導光体
３１ 光入射面
３２ 側端面
３３ 光出射面
３４ 裏面
４ 光偏向素子
４１ 入光面
４２ 出光面
４３ プリズム列形成平面
４４ 第１のプリズム面
４５ 第２のプリズム面
４６ 第１部分
４６１，４６２ 部分域
４７１，４７２ 部分域
４７ 第２部分
５ 光反射素子
６ 光拡散素子

Claims (7)

1. 光を入射する入光面とその反対側に位置し入射した光を出射する出光面とを有しており、前記入光面には２つのプリズム面から構成されるプリズム列が互いに並列に複数配列されており、該プリズム列のそれぞれは、その延在方向と直交する断面において一方の前記プリズム面がプリズム頂部に近い第１部分では凹状をなし且つプリズム頂部から遠い第２部分では凸状をなしていることを特徴とする光偏向素子。
2. 前記第１部分は前記プリズム列の配列方向の寸法が前記第２部分の１／５〜１／２であることを特徴とする、請求項１に記載の光偏向素子。
3. 前記プリズム列のそれぞれは、その前記断面において一方の前記プリズム面の第１部分が互いに傾斜角の異なる複数の直線から構成されることを特徴とする、請求項１〜２のいずれかに記載の光偏向素子。
4. 前記プリズム列のそれぞれは、その前記断面において一方の前記プリズム面の第１部分が曲線からなることを特徴とする、請求項１〜２のいずれかに記載の光偏向素子。
5. 前記プリズム列のそれぞれは、その前記断面において一方の前記プリズム面の第１部分は両端を結ぶ直線からの最大距離（ｄ１）の前記プリズム列の配列ピッチ（Ｐ）に対する割合（ｄ１／Ｐ）が０．１〜１％であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の光偏向素子。
6. 一次光源と、該一次光源から発せられた光が入射する光入射面を有し且つ入射した光を導光し且つ導光された光を出射する光出射面を有する導光体と、該導光体の前記光出射面に対向して前記入光面が位置するように配置された請求項１〜５のいずれかに記載の光偏向素子とを備えていることを特徴とする光源装置。
7. 前記光偏向素子は、前記プリズム列の他方の前記プリズム面が前記一次光源に近い側に配置され、前記プリズム列の一方の前記プリズム面が前記一次光源から遠い側に配置されていることを特徴とする、請求項６に記載の光源装置。

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