JP2011150924A - 面光源素子 - Google Patents

Abstract

【課題】導光体２に入射した光源１からの光を導光体２の出射面に設けた出射光制御要素から光を正面方向に取り出す効率が高く、高輝度化が可能な面光源素子を提供すること。
【解決手段】光源１と、前記光源１からの光の入射面を備える略四角形平板の導光体２と、導光体２の出射面側に設けられ、前記入射面に垂直な一面を光出射面とし、前記導光体出射面からの光を前記出射面の法線方向に向かわせるための、複数の凸部３が導光体２の出射面と光学的に結合した接着面をもつ出射光制御要素とを備えた面光源素子において、出射光制御要素における複数の凸部３の一部を相互に結合させて面内での凸部３の配置数密度を大きくする。
【選択図】図２

Description

本発明は、携帯電話、テレビ、ノートパソコン、カーナビゲーションシステムなどに利用される面光源装置に関し、特に、液晶表示装置等の画像表示装置において画像表示装置を背面側から照射する面光源素子に関するものである。

液晶パネルを利用した表示装置は、薄型化、軽量化、小型化および低消費電力等の利点を有するため、テレビやパソコンモニター、また携帯電話や携帯ゲーム機等の多く利用されている。近年ではさらに液晶表示装置に利用されるバックライトにおいて、高輝度化や視野角の制御および薄型化などが強く望まれている。現在、一般にバックライト装置には、液晶パネルの直下に光源を配置する方式（直下型）や側面に配置された光源の光を、導光板を通して面光源とする方式（エッジライト方式）がある。

面光源素子に関する従来の技術として、輝度の面内均一性や輝度の上昇を図ることなどの表示品位向上のために特許文献１及び２のように線状プリズムを多数配列したプリズムシート（輝度向上フィルム）などに代表される出射角度を制御するための集光部材を用いた構成がある。しかしながら、これらの部品を用いることは、面光源の厚みが増すことや液晶表示装置の組み立て時におけるコスト増加に繋がるといった問題を生じる。

これらの従来技術の構成に対し、エッジライト方式において導光体上に多数のマイクロプリズム（出射光制御要素）の一部を光学的に接合して配列させたマイクロプリズムアレイを有する構成の面光源素子が提案されている（例えば特許文献３、特許文献４参照）。この面光源素子によれば、導光体中の光は全反射を利用して伝播しており、光の損失が少なく、高輝度化を実現することができる。このマイクロプリズムとしては、光源に対し略平行に畝状に配置するものや、円錐または楕円錐や多角錐の頂部を切り取ったような略円錐台となる形状（以下、凸部）があり、これらを二次元状に配置したものがマイクロプリズムアレイとして用いられる。

さらに導光体と凸部が一体化した構成となるため、画像表示装置の組み立てにおいて簡略化を図ることができる。

マイクロプリズムアレイを構成する凸部を２次元状に配列する方法としては、例えば互いに独立した、または、接した凸部を格子状に配列する手法や千鳥格子状に配列する手法、または、出射光制御要素全体にランダムに配列する手法などが提案されている（例えば特許文献５参照）。

特開平６−１０２５０６号公報 特表平１０−５０６５００号公報 特開１９９９−１４４５１５号公報 米国特許第５，３９６，３５０号明細書 特開２００５−３８７４６号公報

しかしながら、これら従来の凸部の配列方法では、凸部同士の重なりによる凸部形状の変形や光学的な外観のむらを防止するために凸部間の間隔を一定値以上設ける必要があり、凸部を配置する密度を十分に大きくすることができず、単位面積あたりの光取り出し量に限界があるという問題があった。

本発明の目的は、従来の出射光制御要素による導光体の主面の法線方向への光の出射角度分布を変えることなく凸部の配置密度を大きくすることによって、高輝度化を実現する面光源素子を提供することにある。

光学的に接合した凸部で構成された出射光制御要素による光の取り出しでは、導光体中から接触面を通して凸部に入射した光を凸部断面で導光体の主面の法線を主要な光線出射方向とすることが求められる。凸部を有する出射光制御要素を出射面の鉛直方向に対して一要素のみ配置した構成では、凸部の接触面から凸部に入射した光線を凸部の断面で１回全反射させて光線を出射させるためには、凸部の接触面の径は出射面の径のおよそ３分の１以下とする必要がある。そのため、凸部の接触面の総面積は導光体の主面の総面積に対して一割程度となる。よって発明者等は、凸部の総接触面積の増大による光の取り出し効率の向上が面光源素子の明るさを上昇させる手段として有用となるとの知見に至り、本発明をなしたものである。

上記の課題を解決するために本願第一の発明の面光源素子は、光源と、少なくとも一つの端面を前記光源からの光の入射面として光を内部で導光させる略四角形平板状の導光体と、前記導光体の入射面に垂直な主面を出射側面とし、前記導光体内部を導光する光を前記出射側面から取り出して前記出射側面の法線方向に向かわせるための出射光制御要素とを備え、前記出射光制御要素は、少なくとも一部に曲面を有する複数の凸部が前記導光体の出射側面に対向して設けられ、前記凸部の頂部が前記導光体の出射側面に光学的に結合した接着面からなる、前記出射光制御要素の前記接着面の反対側に光を出射させ前記凸部は前記接着面を上面、前記接着面の反対側の面を下面とし、前記上面より下面の面積が大きい略円錐台の一部である面光源素子において、少なくとも一対の隣接する凸部が結合する接触面を有し、前記接触面は前記導光体内部を導光する光の主たる進行方向に平行であるように該凸部が配置されてなる。

この構成によれば、従来技術において独立して配置していた凸部の配列を複数の凸部を相互に重なりを持たせて接合することによって、凸部の配置数密度を従来の配置手法を用いるよりも多くすることができる。本発明では、導光体の光の入射面に直交する方向を主たる光線進行方向とし、光源から入射された光の導光体内での伝播角度より、入射光に対して有効な反射断面の領域を求め、凸部の入射光の反射に対して利用されない断面領域を形成しないように凸部を相互に接合させることで凸部の配置数密度を大きくすることが可能となる。さらに凸部の接触面からの入射光線に対して有効な凸部断面の領域では凸部の形状は保持されているため、出射光線の視野角特性に関して影響を及ぼすことがない。

導光体の入射端面が略平面である場合、導光体の屈折率に依存して導光体中の光線の伝播角度は制限される。さらに凸部の屈折率によっても光線の伝播角度に制限が与えられる。そのため、凸部の接触面から入射した光が凸部の内部で伝播して全反射する領域は限られることになる。この法則を利用すれば、入射光線に対して有効な凸部断面の領域を導き出すことができる。

本発明の面光源素子によれば、従来の凸部が互いに独立している配列と同等の視野角特性を保持しながらも、隣接する凸部を接合させて高密度に配列することで導光体中の伝播光が導光体主面の法線方向へ出射する光量を増やすことが可能となり、高輝度化が実現された面光源素子を得ることができる。

本発明の面光源素子の一例となる構成を示した概略断面図である。 図１中で、導光体の一辺が入射面で凸部が円形である場合の導光体の出射面への凸部の射影図である。 図１中で、導光体の一辺が入射面で凸部が円形と断定しない場合の導光体の出射面への凸部の射影図である。 本発明の面光源素子の一例で、導光体の相対する二辺が入射面である場合の導光体の出射面への凸部の射影図である。 本発明の面光源素子の一例で、導光体の角部が入射面である場合の導光体の出射面への凸部の射影図である。

以下、本発明の各実施の形態について、図１〜図５を用いて説明する。

図１は本発明の第一実施形態にかかる面光源素子の概略構成図を示す。この面光源素子は、光を供給する例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）または蛍光管のような光源１と、光源１が例えば両端面に配置されて光源１の光が入射される導光体２と、導光体２から出射された光の角度分布を制御する出射光制御要素とを備えている。出射光制御要素は導光体の出射面上に配置されており、出射光制御要素の入射面には多数の凸部３（マイクロプリズムアレイ）が形成され、該凸部３の頂部が導光体２と光学的に結合している。該凸部３の断面形状は、例えば放物線状、三角形状などの形状を有する。導光体２の端面から入射した光は、導光体内部を反射しつつ伝搬する。そして、出射光制御要素の凸部３と導光体２とが結合した部分から、前記の伝搬光は該凸部３中に取り込まれ、凸部３の側面で反射して出射面の正面方向を中心として出射する。本実施例では、出射光制御要素における複数の凸部の一部を相互に結合させて配置することを特徴とする。

本発明の面光源素子の導光体に用いる材料としては、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリスチレン樹脂等の透明性に優れた樹脂およびガラスを所定の形状に加工したものが挙げられる。

また、図１には図示していないが、導光体２と凸部３とを光学的に結合させるために厚さ１０μｍ以下の接着剤の層などを用いることができる。

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

以下、本発明における凸部形状の設定方法について述べる。

図２に示すように、導光体２の出射面への凸部の射影図において、出射光制御要素の多数の凸部３は、相互に隣接する凸部３の一部を接合させて配置する。例えば、凸部３の元となる形状が円形で凸部の上面４および凸部下面５が同心円状である場合の、それぞれの面の半径をｒおよびＲとする。

屈折率ｎ_１をもつ導光体２では、光源１からの光が平面である入射面をもつ導光体２に入射すると導光体内での入射面の法線に対する最大の伝播角度θは、式（１）で表せる。
θ＝sin^−１（１／ｎ_１） （１）
接触面より凸部３に入射した光線が反射に利用する凸部２の入射面に平行な方向の長さＬは、光源１から導光体２に入射した光の伝播角度の条件によって求めることができる。凸部上面４に凸部２の中心線とθの角度を為す接線と凸部上面４の輪郭線との交点６より、入射光が凸部断面で反射される最大の利用範囲の長さＬを導くことができる。ここで、一辺の導光体の端面を入射面とし、導光体の屈折率ｎ_１と凸部の屈折率ｎ_２が等しいとすると式（２）と表すことができる。
Ｌ＝Ｒsin｛sin^−１（１／ｎ_１）＋sin^−１（ｒ／Ｒ）｝ （２）

光に対して有効な凸部３出射面の主たる光線進行方向に垂直な方向の長さは左右各々にＬ／２となり、隣接する凸部３と中心線からＬ／２以上の長さの位置で結合すればよい。隣接する凸部３に関しても同様の条件を満たせばよい。

以上のように凸部３の接触面への入射光線に対して、有効な凸部断面の領域を維持したまま出射制御要素の導光体２への接触面の総面積を増加させる方法として、上記のように凸部３の両端を相互に重なるように配置する方法があり、本発明は入射面に平行な方向で凸部３と隣接する凸部３の間隔を従来手法よりも短くする配列方法を実現している。本発明により、光線が凸部３の断面で全反射するときに利用する断面の領域を従来形状の凸部３と同様に保持したまま視野角特性に影響を与えることなく、凸部３の配置数を増やすことが可能となる。これにより、円形形状の凸部３の場合には、光の取り出し光量を従来方法の格子状配列よりも増加させることができる。

図３には一辺の導光体２の端面を入射面とする場合、図４には相対する二辺の導光体２の端面を入射面とする場合の凸部に関して、形状を円形とは断定しないときの有効な凸部断面の領域の決定方法を示す。

導光体２の一辺が入射面である場合は、光源１から入射面に向かう方向が主となる光線の進行方向であるため、有効な凸部３出射面の入射面に平行な方向の長さＬは、前記出射面への凸部３の射影図において、前記導光体２の屈折率をｎ_１として前記入射面の法線とsin^−１（１／ｎ_１）の角度θ１を為す、前記凸部３の前記上面の輪郭線に引いた接線による第一の接点Ａ１と第二の接点Ａ２、前記凸部３の屈折率をｎ_２、前記入射面の法線とsin^−１（１／ｎ_２）の角度θ２を為す、Ａ１を始点として反光源側に伸ばした直線と前記凸部下面５の輪郭線との交点Ｂ１、Ａ２を始点として反光源側に伸ばした直線と前記凸部下面の輪郭線との交点Ｂ２としたとき、前記入射面の法線と平行なＢ１を通る直線とＢ２を通る直線間の長さＬ１よりも長い前記入射面と平行な方向の長さＬとして定義できる。

相対する二辺が入射面である場合は、第一の光源１から入射面に向かう方向およびそれと対向する方向が光線の進行方向となるため、有効な凸部出射面の入射面に平行な方向の長さＬは、前記出射面への凸部の射影図において、前記導光体２の屈折率をｎ_１として前記入射面の法線とsin^−１（１／ｎ_１）の角度θ１を為す、前記凸部３の前記上面の輪郭線に引いた接線による第一の接点Ａ１と第二の接点Ａ２、前記接点Ａ１および接点Ａ２よりも反光源側にある第三の接点Ａ３と第四の接点Ａ４、前記凸部の屈折率をｎ_２、前記入射面の法線とsin^−１（１／ｎ_２）の角度θ２を為す、第一の接点Ａ１を始点として反光源側に伸ばした直線と前記凸部下面５の輪郭線との交点Ｂ１、第二の接点Ａ２を始点として反光源側に伸ばした直線と前記凸部下面５の輪郭線との交点Ｂ２、第三の接点Ａ３を始点として光源１側に伸ばした直線と前記凸部下面５の輪郭線との交点Ｂ３、第四の接点Ａ４を始点として光源１側に伸ばした直線と前記凸部下面５の輪郭線との交点Ｂ４としたとき、前記入射面の法線と平行なＢ１を通る直線とＢ２を通る直線間の長さＬ１と、Ｂ１を通る直線とＢ４を通る直線間の長さＬ２と、Ｂ２を通る直線とＢ３を通る直線間の長さＬ３と、Ｂ３を通る直線とＢ４を通る直線間の長さＬ４のうち、最大の長さよりも長い前記入射面と平行な方向の長さＬとして定義できる。

導光体２の角部が入射面である場合は、前記凸部３は前記出射面への射影図（図５）において、前記下面上で入射面から凸部中央に引いた直線と直交する方向で凸部中央を通る長さＬが前記接触面の下面上の長さＬ０よりも長い、として定義できる。

このように本発明は、凸部３の一部を互いに結合させて配置することで凸部３の高密度配置が可能となり、出射面での取り出し光量を増加させることが可能となる。

（実施例１）
例えば円形の凸部をもつ出射光制御要素において、導光体の屈折率がｎ＝１．５９、凸部上面の半径ｒが５μｍであり、凸部下面の半径Ｒが１５μｍである場合に導光体と接した凸部上面から凸部断面に入射した光線が反射される凸部の接合方向の長さＬは、Ｌ＝２５．６μｍとなる。一方、接合方向の長さに垂直な方向の凸部間の最小間隔は、凸部間の隙間を１．５μｍに設定すると３１．５μｍとなる。よって、最密箇所での１つの凸部が占有する面積は８０６μｍ^２であり、導光体と凸部上面との接着面積の占有率は約１０％となる。

（比較例１）
例えば円形の凸部をもつ出射光制御要素において、従来技術の相互の凸部に重なりを持たせない格子状の配列方法では、導光体の屈折率がｎ＝１．５９、凸部上面の半径ｒが５μｍであり、凸部下面の半径Ｒが１５μｍである場合、凸部間の隙間を１．５μｍに設定すると凸部間の距離は３１．５μｍとなる。
実施例１では、最密箇所での１つのの凸部が占有する面積が８０６μｍ^２であることに対して本比較例では９９２μｍ^２となり、接着面積の占有率としては約８％に低下する。

（比較例２）
例えば円形の凸部をもつ出射光制御要素において、従来技術の相互の凸部に重なりを持たせない六方最密状の配列方法では、導光体の屈折率がｎ＝１．５９、凸部上面の半径ｒが５μｍであり、凸部下面の半径Ｒが１５μｍである場合、凸部間の隙間を１．５μｍに設定すると凸部の中心間の距離は３１．５μｍとなる。このとき１つの凸部が占有する面積は８５９μｍ^２となり、接着面積の占有率としては約９％になる。

従来技術による凸部の配列方法では、各凸部が接触しないように１〜２μｍ程度の隔をおいて配置している。この方法では、凸部を格子状に最密に配置した場合、配置できる最大の個数が１ｍｍ^２あたりおよそ１０４０個となる。これに対して、本発明の配置方法では、およそ１２８０個／ｍｍ^２の配置が可能となり、配列密度を２３％向上することができる。

上記実施例１の面光源素子と比較例１の面光源素子とについて正面輝度および視野角特性をシミュレーションにより比較したところ、表１のように本発明の面光源素子が従来技術と同様の視野角保持しながら優れた輝度特性を示した。ここで導光体は短辺側を入射端面として３７ｍｍ×６２ｍｍの大きさを持ち、導光体の中心での計測結果を求めた。光源にはＬＥＤを略等間隔に４灯配置した。以上のことから本発明により高輝度化を実現する面光源素子を提供することが出来ることがわかる。

（実施例２）
例えば円形の凸部をもつ出射光制御要素において、導光体の１つの角部に入射端面をもつ構成では、導光体の屈折率がｎ＝１．５９、凸部上面の半径ｒが５μｍであり、凸部下面の半径Ｒが１５μｍである場合、凸部の長さＬは最小で１０μｍとなる。一方、凸部間の隙間を１．５μｍに設定すると凸部間の距離は３１．５μｍとなる。これより１つの凸部が占有する面積は３１５μｍ^２となり、比較例２のように六方最密状に配列した場合の凸部の占有面積８５９μｍ^２よりもさらに密度を増加させることができる。接着面積の占有率としては約２５％に達し、光の取り出しには有利な構成となる。

１ 光源
２ 導光体
３ 凸部
４ 凸部上面
５ 凸部下面
６ 交点
７ 中心線

Claims (7)

1. 光源と、少なくとも一つの端面を前記光源からの光の入射面として光を内部で導光させる略四角形の主面を有する平板状の導光体と、前記導光体の入射面に垂直な主面の一方を出射側の面とし、前記導光体内部を導光する光を前記出射側の面から取り出して前記出射側の面の法線方向に向かわせるための出射光制御要素とを備え、前記出射光制御要素は、少なくとも一部に曲面を有する複数の凸部が前記導光体の出射側の面に対向して設けられ、前記凸部は、前記凸部の頂部を上面、前記頂部の反対側の面を下面とし、前記上面より下面の面積が大きい略円錐台の一部であって、前記凸部の頂部が前記導光体の出射側の面に光学的に結合した接着面を有し、前記出射光制御要素の前記接着面からの光を前記接着面の反対側に出射させる面光源素子において、
   少なくとも一対の隣接する前記凸部が互いに結合する接触面を有し、前記接触面は前記導光体内部を導光する光の主たる進行方向に平行であるように該凸部が配置されていることを特徴とする面光源素子。
2. 前記光源が、前記導光体の端面のうち、前記四角形のいずれか一辺にあたる端面を入射面として配置される請求項１に記載の面光源素子。
3. 前記光源が、前記導光体の端面のうち、前記四角形の対向する二辺にあたる端面を入射面として配置される請求項１に記載の面光源素子。
4. 前記光源が、前記導光体の端面のうち、前記四角形の少なくとも１つの角部に設けられた端面を入射面として配置される請求項１に記載の面光源素子。
5. 前記入射面は一辺であり、前記凸部は
   前記出射面への凸部の射影図において、前記導光体の屈折率をｎ_１として前記入射面の法線とsin^−１（１／ｎ_１）の角度θ１を為す、前記凸部の前記上面の輪郭線に引いた接線による第一の接点Ａ１と第二の接点Ａ２、前記凸部の屈折率をｎ_２、前記入射面の法線とsin^−１（１／ｎ_２）の角度θ２を為す、Ａ１を始点として反光源側に伸ばした直線と前記凸部下面の輪郭線との交点Ｂ１、Ａ２を始点として反光源側に伸ばした直線と前記凸部下面の輪郭線との交点Ｂ２としたとき、前記入射面の法線と平行なＢ１を通る直線とＢ２を通る直線間の長さＬ１よりも長い前記入射面と平行な方向の長さＬを有することを特徴とする請求項２に記載の面光源素子。
6. 前記入射面は二辺であり、前記凸部は前記出射面への凸部の射影図において、前記導光体の屈折率をｎ_１として前記入射面の法線とsin^−１（１／ｎ_１）の角度θ１を為す、前記凸部の前記上面の輪郭線に引いた接線による第一の接点Ａ１と第二の接点Ａ２、前記接点Ａ１および接点Ａ２よりも反光源側にある第三の接点Ａ３と第四の接点Ａ４、前記凸部の屈折率をｎ_２、前記入射面の法線とsin^−１（１／ｎ_２）の角度θ２を為す、第一の接点Ａ１を始点として反光源側に伸ばした直線と前記凸部下面の輪郭線との交点Ｂ１、第二の接点Ａ２を始点として反光源側に伸ばした直線と前記凸部下面の輪郭線との交点Ｂ２、第三の接点Ａ３を始点として光源側に伸ばした直線と前記凸部下面の輪郭線との交点Ｂ３、第四の接点Ａ４を始点として光源側に伸ばした直線と前記凸部下面の輪郭線との交点Ｂ４としたとき、前記入射面の法線と平行なＢ１を通る直線とＢ２を通る直線間の長さＬ１と、Ｂ１を通る直線とＢ４を通る直線間の長さＬ２と、Ｂ２を通る直線とＢ３を通る直線間の長さＬ３と、Ｂ３を通る直線とＢ４を通る直線間の長さＬ４のうち最大の長さよりも長い前記入射面と平行な方向の長さＬをもつことを特徴とする請求項３に記載の面光源素子。
7. 前記凸部は前記下面上で入射面から凸部中央に引いた直線と直交する方向で凸部中央を通る長さＬが前記接触面の下面上の長さＬ０よりも長いことを特徴とする請求項４に記載の面光源素子。

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