JP2013254649A - 面光源装置、表示装置および照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】指向性を持つ光が得られる面光源装置を提供する。
【解決手段】本発明の面光源装置１は、ＬＥＤ２（光源）と、少なくとも一つの開口部６（光透過部）が設けられた光射出面を有し、ＬＥＤ２からの光を内部空間で複数回反射させつつ導光させ、開口部６から射出させる箱体３と、箱体３の光射出面に対向して配置された少なくとも一つのレンズ７を含むレンズシート４（レンズ部材）と、を備え、レンズ７の焦点の位置が開口部６の位置に略一致している。
【選択図】図１

Description

本発明は、面光源装置、表示装置および照明装置に関する。

表示装置の一例として、面光源装置から射出される光を利用して表示を行う透過型液晶表示装置が知られている。この種の液晶表示装置は、液晶パネルと、液晶パネルの背面側に配置された面光源装置と、を有している。従来の面光源装置は、発光ダイオード（Light Emitting Diode, 以下、ＬＥＤと略記する）等の光源と、導光板と、を備えたものが一般的であった。この種の面光源装置では、光源から射出された光を導光板内部で伝播させ、導光板の前面から射出させる。以下、本明細書では、表示パネルの背面側に設けられる面光源装置のことをバックライトと記す場合もある。

従来、下記の特許文献１，２に記載のバックライトが提案されている。
特許文献１には、光発生装置、スラブウェーブガイド、基板、マイクロプリズム、およびマイクロレンズを備えたバックライト装置が開示されている。このバックライト装置において、基板から射出された光は、マイクロプリズムにより平行化され、さらにマイクロレンズにより平行化される。
特許文献２には、中空の光リサイクリング・キャビティを形成する前面反射体と背面反射体とを含むバックライトが開示されている。このバックライトにおいて、光源からの光は、前面反射体と背面反射体との間で複数回反射してキャビティ内を伝播した後、出力面から出力される。

特許第２７０６５７４号公報 特表２０１１−５１４６２４号公報

特許文献１のバックライト装置においては、基板から射出される光のうち、マイクロプリズムに入射した光だけが外部に取り出される。そのため、光取り出し効率が低いという問題がある。光の取り出し量はマイクロプリズムの設置面積と配置間隔で調整する必要があり、光の取り出し量の調整が煩雑である。
特許文献２のバックライトは、光源からの光をキャビティ内で複数回反射させ、キャビティ内を伝播させる間に取り出すものである。しかしながら、種々の角度成分を持つ光が出力されるため、指向性を持つ光を得ることが難しい。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、指向性を持つ光が得られる面光源装置の提供を目的とする。また、この種の面光源装置を備えた表示装置および照明装置の提供を目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の面光源装置は、光源と、少なくとも一つの光透過部が設けられた光射出面を有し、前記光源からの光を内部空間で複数回反射させつつ導光させ、前記光透過部から射出させる箱体と、前記箱体の前記光射出面に対向して配置された少なくとも一つの単位レンズを含むレンズ部材と、を備え、前記単位レンズの焦点の位置が前記光透過部の位置に略一致していることを特徴とする。

本発明の面光源装置は、前記箱体の前記光射出面に複数の前記光透過部が設けられ、前記レンズ部材が、前記複数の光透過部に対応した複数の前記単位レンズを備えたことを特徴とする。

本発明の面光源装置は、前記光透過部が、前記箱体に設けられた開口部であることを特徴とする。

本発明の面光源装置は、前記箱体の内面の少なくとも一部が、前記光源からの光を散乱反射させる散乱反射面であることを特徴とする。

本発明の面光源装置は、前記箱体の内面の少なくとも一部が、前記光源からの光を正反射させる正反射面であることを特徴とする。

本発明の面光源装置は、前記単位レンズが、両凸レンズであることを特徴とする。

本発明の面光源装置は、前記単位レンズが、平凸レンズであることを特徴とする。

本発明の面光源装置は、前記単位レンズが、放物面レンズであることを特徴とする。

本発明の面光源装置は、前記レンズ部材が、前記単位レンズの焦点位置を前記光透過部の位置にアライメントさせるためのアライメント部を備えたことを特徴とする。

本発明の面光源装置は、前記アライメント部が、前記光透過部を構成する開口部に挿入される前記単位レンズの突起であることを特徴とする。

本発明の面光源装置は、前記箱体の前記光射出面の法線方向から見た前記光透過部の平面形状が、円であることを特徴とする。

本発明の面光源装置は、前記箱体の前記光射出面の法線方向から見た前記光透過部の平面形状が、円以外の形状であることを特徴とする。

本発明の面光源装置は、前記箱体の前記光射出面の法線方向から見た前記単位レンズの平面形状が、多角形状であることを特徴とする。

本発明の面光源装置は、前記箱体の内部空間に、前記内部空間を導光する光を前記光透過部に集める集光部材を備えたことを特徴とする。

本発明の面光源装置は、前記集光部材が、テレセントリックレンズであることを特徴とする。

本発明の面光源装置は、前記レンズ部材の光射出側に、前記レンズ部材から射出された光のうち、第１の偏光を透過し、前記第１の偏光と偏光状態が異なる第２の偏光を反射させる偏光選択素子を備えたことを特徴とする。

本発明の面光源装置は、前記箱体の外面のうち、前記レンズ部材に対向する面が光吸収面とされたことを特徴とする。

本発明の表示装置は、前記面光源装置と、前記面光源装置から射出される光により表示を行う表示素子と、を備えたことを特徴とする。

本発明の表示装置は、前記表示素子が、前記面光源装置から射出された光の透過率を変調する液晶パネルであることを特徴とする。

本発明の表示装置は、前記液晶パネルの光射出側に、前記液晶パネルから射出された光の拡散角度を拡げるための光拡散部材を備えたことを特徴とする。

本発明の表示装置は、前記表示素子が、前記面光源装置からの光を励起光として蛍光を発する蛍光励起型ディスプレイであることを特徴とする。

本発明の照明装置は、前記面光源装置を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、指向性を持つ光を得ることが可能な面光源装置、および面光源装置を備えた表示装置を提供することができる。本発明によれば、前記面光源装置を備えた表示装置および照明装置を提供することができる。

第１実施形態の面光源装置の斜視図である。 面光源装置の平面図である。 図１のＡ−Ａ’線に沿う断面図である。 面光源装置における光の経路を示す図である。 図１のＢ−Ｂ’線に沿う断面図である。 第２実施形態の面光源装置の斜視図である。 面光源装置の平面図である。 第１変形例の面光源装置の平面図である。 第３実施形態の面光源装置の要部の断面図である。 面光源装置における光の経路を示す図である。 第４実施形態の面光源装置の要部の断面図である。 面光源装置における光の経路を示す図である。 第５実施形態の面光源装置の平面図である。 （Ａ）図１３のＡ−Ａ’断面における光の経路、（Ｂ）図１３のＢ−Ｂ’断面における光の経路、をそれぞれ示す図である。 （Ａ）〜（Ｃ）開口部の平面形状の変形例を示す平面図である。 第６実施形態の面光源装置の断面図である。 第７実施形態の面光源装置の断面図である。 面光源装置における光の経路を示す図である。 第８実施形態の表示装置の断面図である。 第９実施形態の表示装置の断面図である。 表示装置の正面図である。 第１０実施形態の照明装置の断面図である。

［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について、図１〜図５を用いて説明する。
図１は、本実施形態の面光源装置の斜視図である。図２は、面光源装置の平面図である。図３は、図１のＡ−Ａ’線に沿う断面図である。図４は、面光源装置における光の経路を示す図である。図５は、図１のＢ−Ｂ’線に沿う断面図である。
以下の各図面においては各構成要素を見やすくするため、構成要素によって寸法の縮尺を異ならせて示すことがある。

本実施形態の面光源装置１は、図１に示すように、光源を構成する複数の発光ダイオード２（Light Emitting Diode, 以下、ＬＥＤと略記する）と、箱体３と、レンズシート４（レンズ部材）と、を備えている。レンズシート４は、後述する箱体３の天板３ａに対向して配置されている。図１では、図面を見易くするためにレンズシート４と箱体３とを離して描いている。実際には、レンズシート４と箱体３とはより近い位置に配置されている。レンズシート４と箱体３とは密着していてもよい。

箱体３は略直方体状の形状を有している。図３、図５に示すように、箱体３の内部は中空であり、空気が存在している。図２に示すように、箱体３の天板３ａおよび底板３ｂは、法線方向から見た平面形状が長方形である。図３に示すように、天板３ａおよび底板３ｂは、ｘｙ平面に平行であり、かつ、互いに平行な板材で構成されている。天板３ａおよび底板３ｂの周囲を囲む４つの側板３ｃ，３ｄのうち、天板３ａおよび底板３ｂの短辺側にあたる一つの側板３ｄに、複数のＬＥＤ２が設けられている。

複数のＬＥＤ２は、側板３ｄの高さ方向の中央にｙ軸方向に沿って等間隔に設けられている。本実施形態では３個のＬＥＤ２が用いられているが、ＬＥＤ２の個数は３個に限ることはなく、少なくとも１個あればよく、何個であってもよい。ＬＥＤ２が設けられた側板３ｄは、天板３ａおよび底板３ｂに接する辺側からＬＥＤ２が設けられた中央側にかけて傾斜しており、天板３ａもしくは底板３ｂに対して９０°より大きく、１８０°より小さい角度θをなすテーパ面を有している。

ＬＥＤ２は、特定の機能や性能を有する必要はなく、一般的な市販のＬＥＤ２を用いることができる。面光源装置１の全体としては、指向性を有する光を射出することが要求されるが、ＬＥＤ２は、指向性を有する光を射出する必要はない。一般的な拡散光を射出するＬＥＤ２を用いることができる。ＬＥＤ２は、ＬＥＤ２の光射出面２ａが箱体３の内部を向く姿勢で箱体３に固定されている。これにより、ＬＥＤ２は、箱体３の内部空間に向けて光を射出する。以下、箱体３の内部空間をキャビティ５と称する。

箱体３は、例えば金属、プラスチック等の種々の材料で構成されるが、材料は特に限定されない。ただし、キャビティ５に面する箱体３の内面３ｉは、光を反射させる反射面である必要がある。その理由は、ＬＥＤ２から射出された光を、箱体３の内面３ｉで複数回反射させつつキャビティ５内を導光させる必要があるからである。したがって、反射時の光の損失を最小限に抑えるために、箱体３の内面３ｉの光反射率はできるだけ高い方が望ましい。したがって、例えば箱体３がプラスチックで形成されている場合等には、箱体３の内面３ｉに光反射率の高い材料からなる反射膜を設けてもよい。

箱体３の内面３ｉの少なくとも一部は、ＬＥＤ２から射出された光を散乱反射させる散乱反射面であってもよい。もしくは、箱体３の内面３ｉの少なくとも一部は、ＬＥＤ２から射出された光を正反射させる正反射面であってもよい。例えば箱体３の内面３ｉの全てが散乱反射面であってもよいし、箱体３の内面３ｉの全てが正反射面であってもよい。もしくは、天板３ａの内面３ｉが正反射面、底板３ｂの内面３ｉが散乱反射面というように、正反射面と散乱反射面とが混在していてもよい。箱体３は、一体成型されたものであってもよいし、複数の部材を組み合わせたものであってもよい。

図１、図２に示すように、箱体３の天板３ａには、箱体３の外部空間とキャビティ５とを連通させる複数の開口部６が設けられている。本実施形態では、開口部６の平面形状は円であり、箱体３の天板３ａに１３個の開口部６が設けられている。複数の開口部６は規則的に配列されている。図２のｘ軸方向を行、ｙ軸方向を列としたとき、列方向に見ると、右から数えて奇数番目の列には３個の開口部６が配置され、偶数番目の列には２個の開口部６が配置されている。同じ列の中でｙ軸方向に隣り合う開口部６の間隔Ｐｙを１ピッチとすると、奇数番目の列の３個の開口部６の配置に対して、偶数番目の列の２個の開口部６の配置はｙ軸方向に１／２ピッチずれている。

行方向に見ると、上から数えて奇数番目の行には３個の開口部６が配置され、偶数番目の行には２個の開口部６が配置されている。同じ行の中でｘ軸方向に隣り合う開口部６の間隔Ｐｘを１ピッチとすると、奇数番目の行の３個の開口部６の配置に対して、偶数番目の行の２個の開口部６の配置はｘ軸方向に１／２ピッチずれている。天板３ａの全面積に占める複数の開口部６の合計面積の割合は、例えば１０％程度である。

ＬＥＤ２から射出された光Ｌは、箱体３の内面３ｉで反射を繰り返し、キャビティ５の内部を導光する。すなわち、ＬＥＤ２から射出された光Ｌは、図３に示すように、ｘｚ断面で見ると、天板３ａの内面３ｉと底板３ｂの内面３ｉとで反射を繰り返し、図５に示すように、ｘｙ断面で見ると、４つの側板３ｃ，３ｄで反射を繰り返す。

例えば箱体３の内面３ｉの光反射率が９５％であったとすると、反射時に５％の光の損失が生じるものの、その他の大部分の光Ｌはキャビティ５の内部を導光する。光Ｌは、天板３ａの開口部６に到達しない限り、キャビティ５内を導光する。光Ｌは、天板３ａの開口部６に到達すると箱体３の外部に取り出される。したがって、開口部６が設けられた箱体３の天板３ａは、ＬＥＤ２からの光Ｌを取り出すための光射出面と言える。

箱体３の外面のうち、少なくともレンズシート４に対向する外面３ｈは、例えば黒色の塗膜が設けられた光吸収面となっていることが望ましい。その理由は、レンズシート４の光入射面で反射して箱体３に戻った光が箱体３の外面３ｈで反射して指向性を乱す光とならないように、箱体３に戻った光を外面３ｈで吸収させるためである。

レンズシート４は、図１に示すように、複数のレンズ７（単位レンズ）を有するシート状の部材である。本実施形態のレンズシート４は、同じ寸法、同じ形状の１３個のレンズ７を有している。１３個のレンズ７は規則的に配列されている。レンズ７は、光軸方向から見た平面形状が円形であり、２つの凸面が球面からなる両凸レンズである。レンズシート４を法線方向から見ると、図２に示すように、レンズ７は、レンズ７の輪郭となる円の中心が開口部６に一致するように、配置されている。

開口部６の配置と同様、レンズ７の配置を列方向で見ると、右端から数えて奇数番目の列には３個のレンズ７が配置され、偶数番目の列には２個のレンズ７が配置されている。同じ列の中でｙ軸方向に隣り合うレンズ７の中心間の間隔Ｐｙを１ピッチとすると、奇数番目の列の３個のレンズ７の配置に対して、偶数番目の列の２個のレンズ７の配置はｙ軸方向に１／２ピッチずれている。

行方向で見ると、上から数えて奇数番目の行には３個のレンズ７が配置され、偶数番目の行には２個のレンズ７が配置されている。同じ行の中でｘ軸方向に隣り合うレンズ７の間隔Ｐｘを１ピッチとすると、奇数番目の行の３個のレンズ７の配置に対して、偶数番目の行の２個のレンズ７の配置はｘ軸方向に１／２ピッチずれている。

レンズシート４および箱体３の断面を見ると、図４に示すように、レンズ７は、当該レンズ７の焦点Ｆが当該レンズ７に対応する開口部６の位置に一致するように配置されている。すなわち、レンズ７の焦点Ｆは、当該レンズ７に対応する開口部６の内部に位置している。キャビティ５内を導光する光Ｌは、箱体３の様々な内面３ｉで複数回反射した後、開口部６に達する。そのため、開口部６から様々な角度で光Ｌが射出される。光Ｌがいかなる角度で開口部６から射出されたとしても、開口部６の径Ｄがある程度小さければ、レンズ７の焦点Ｆもしくはその近傍から射出された光Ｌのみがレンズ７に入射する。これにより、レンズ７に対して様々な角度で入射した光Ｌは、レンズ７の光軸ＡＸに対して略平行な光に変換されてレンズ７から射出される。

本実施形態の面光源装置１においては、箱体３の開口部６からのみ光Ｌが取り出される。そのため、開口部６の位置に焦点Ｆを有する球面レンズの作用によりレンズ７の光軸ＡＸに対して略平行な光Ｌ、いわゆる指向性が高い光Ｌを得ることができる。また、箱体３の開口部６から射出される光Ｌは、キャビティ５の内部で何回も反射を繰り返しているため、箱体３から射出される時点で配光分布および輝度分布が均一化されている。その結果、レンズシート４を通した面光源装置１の全体として、配光分布および輝度分布が均一な光を得ることができる。

本実施形態の面光源装置１において、ＬＥＤ２から射出された光Ｌが箱体３の開口部６からのみ取り出されるため、ＬＥＤ２を１次光源とすると、開口部６を２次光源とみなすことができる。すなわち、２次光源である開口部６から配光分布および輝度分布が均一化された光Ｌが射出される。したがって、１次光源として配光分布や輝度分布に優れたＬＥＤ２を用いる必要はなく、用いるＬＥＤ２の選択の自由度を高められる。

本実施形態では箱体２の側板３ｄにＬＥＤ２を設置したが、ＬＥＤ２からの光Ｌがキャビティ５に入りさえすればよいため、ＬＥＤ２の設置位置は必ずしも箱体３の側板３ｄに限ることはない。例えば箱体３の天板３ａや底板３ｂにＬＥＤ２を設置することも可能である。このように、ＬＥＤ２の設置位置の自由度も高い。
本実施形態では、複数のレンズ７および開口部６が均一のピッチで規則的に配列されている例を示した。ただし、レンズ７の焦点Ｆが当該レンズ７に対応する開口部６の位置に一致するように配置されていれば、複数のレンズ７および開口部６が必ずしも規則的に配置されていなくてもよい。例えば、複数のレンズ７および開口部６がランダムに配置されていてもよい。
また、箱体３の天板３ａと底板３ｂとは、必ずしも平行でなくてもよい。

［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態について、図６〜図７を用いて説明する。
本実施形態の面光源装置の基本構成は第１実施形態と同様であり、レンズシートの構成が第１実施形態と異なる。
図６は、本実施形態の面光源装置の斜視図である。図７は、面光源装置の平面図である。
図６、図７において第１実施形態で用いた図面と共通の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。

本実施形態の面光源装置１１は、図６に示すように、光源を構成する複数のＬＥＤ２と、箱体１４と、レンズシート１２（レンズ部材）と、を備えている。レンズシート１２は、複数のレンズ１３（単位レンズ）を有するシート状の部材である。レンズシート１２の法線方向から見たときのレンズ１３の平面形状は、第１実施形態では円であったのに対し、本実施形態では正方形である。

本実施形態のレンズシート１２は、図７に示すように、同じ寸法、同じ形状の１２個のレンズ１３を有している。１２個のレンズ１３は、３行４列に格子状に配列されている。レンズ１３は、レンズ１３の輪郭となる正方形の中心が開口部６に一致するように、配置されている。したがって、箱体１４は１２個の開口部６を有し、１２個の開口部６が同じピッチで３行４列に格子状に配列されている。符号１４ａは天板、１４ｂは底板、１４ｃ，１４ｄは側板をそれぞれ示す。その他の構成は第１実施形態と同様である。

本実施形態の面光源装置１１においても、指向性が高く、配光分布および輝度分布が均一な光を得ることができる。
また、第１実施形態のレンズ７は円形であるため、レンズ７同士を隙間無く配置するのは不可能である。そのため、レンズシート４は、レンズ７以外の平坦部分を有している。これに対して、本実施形態のレンズ１３は正方形であるため、図７に示すように、レンズ１３同士を隙間無く配置することができる。この構成により、本実施形態の面光源装置１１は、第１実施形態の面光源装置１に比べてより均一な輝度分布を得ることができる。

［面光源装置の変形例］
上記実施形態の面光源装置１１においては、レンズシート１２が正方形状のレンズ１３を有していた。この構成に代えて、図８に示すように、本変形例の面光源装置１６は、レンズシート１７が正六角形状のレンズ１８を有している。符号１９は箱体を示す。この面光源装置１６においても、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。

［第３実施形態］
以下、本発明の第３実施形態について、図９〜図１０を用いて説明する。
本実施形態の面光源装置の基本構成は第１実施形態と同様であり、レンズシートの構成が第１実施形態と異なる。
図９は、本実施形態の面光源装置の要部の断面図である。図１０は、本実施形態の面光源装置における光の経路を示す図である。
図９、図１０において第１実施形態で用いた図面と共通の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。

図９に示すように、本実施形態の面光源装置２１において、レンズ２３は、レンズ２３の一方の面が平面２３ａ、他方の面が球面２３ｂで構成される平凸レンズである。光が入射する平面２３ａ側でレンズシート２２と箱体３の天板３ａとが密着している。レンズ２３の平面２３ａ側には突起２３ｔが設けられており、突起２３ｔが天板３ａの開口部６に略隙間なく挿入されている。このように、開口部６にレンズ２３の突起２３ｔが嵌め込まれることでレンズシート２２と箱体３とのアライメントがなされる。すなわち、図１０に示すように、突起２３ｔは、レンズ２３の焦点Ｆを開口部６の位置にアライメントさせるためのアライメント部として機能する。その他の構成は第１実施形態と同様である。

指向性が高い光を得るためには、開口部とレンズの焦点とのアライメントが重要である。第１実施形態では特に触れなかったが、レンズシートが箱体から離れた位置にある場合、箱体に対するレンズシートの相対位置を精度良く固定するための固定手段が必要である。その点、本実施形態の面光源装置２１によれば、天板３ａの開口部６にレンズ２３の突起２３ｔを嵌め込む構成によって、開口部６とレンズ２３の焦点Ｆとのアライメントを確実に行うことができる。その結果、指向性がより高い光を得ることができる。

レンズ２３に突起２３ｔを形成する際には、例えばレンズ２３を形成した後、平面側に感光性樹脂を塗布し、凸面側から平行光を照射して感光性樹脂を露光すればよい。その場合、レンズ２３の作用により光が焦点に集光し、焦点とその近傍の感光性樹脂のみが選択的に露光される。その後、感光性樹脂の現像を行えば、突起２３ｔが形成される。
ただし、突起２３ｔの形成方法は、感光性樹脂を用いた露光・現像法に限ることはない。例えば、突起２３ｔを射出成型法などで形成してもかまわない。

［第４実施形態］
以下、本発明の第４実施形態について、図１１〜図１２を用いて説明する。
本実施形態の面光源装置の基本構成は第１実施形態と同様であり、キャビティ内に集光部材を備えた点が第１実施形態と異なる。
図１１は、本実施形態の面光源装置の要部の断面図である。図１２は、本実施形態の面光源装置における光の経路を示す図である。
図１１、図１２において第１実施形態で用いた図面と共通の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。

本実施形態の面光源装置３１においては、図１１に示すように、箱体３の天板３ａの開口部６に対応する位置にテレセントリックレンズ３２（非焦点系レンズ）が備えられている。テレセントリックレンズ３２は、平凸レンズであり、平面３２ａ側をキャビティ５の内側に向け、凸面３２ｂ側を天板３ａ側に向けて固定されている。凸面３２ｂの頂点が開口部６の位置に対応している。レンズシート２２の構成は第３実施形態と同様である。その他の構成は第１実施形態と同様である。

指向性が高い光を得るためには、開口部６の径Ｄが小さい方が好ましい。その理由は、開口部６の径が小さい程、焦点Ｆから外れた位置を通る光がレンズ２３に入射する割合が少なくなる。その結果、指向性の低下が抑えられるからである。その反面、開口部６の径が小さいと、光の取り出し効率が低下するおそれがある。

その点、本実施形態の面光源装置３１は、図１２に示すように、テレセントリックレンズ３２を備えている。テレセントリックレンズ３２の平面３２ａに入射した光Ｌは、凸面３２ｂで反射してテレセントリックレンズ３２の内部を導光し、開口部６に集められる。すなわち、テレセントリックレンズ３２は、キャビティ５内を導光する光Ｌを開口部６に集める集光部材として機能する。そのため、本実施形態の面光源装置３１によれば、開口部６の径を変えることなく、開口部６に入射する光の量を増やすことができる。その結果、本実施形態の面光源装置３１によれば、高い指向性を維持しつつ、光の取り出し効率を向上させることができる。

［第５実施形態］
以下、本発明の第５実施形態について、図１３〜図１４を用いて説明する。
本実施形態の面光源装置の基本構成は第１実施形態と同様であり、開口部の形状が第１実施形態と異なる。
図１３は、本実施形態の面光源装置の平面図である。図１４（Ａ）、（Ｂ）は、本実施形態の面光源装置における光の経路を示す図であり、図１４（Ａ）は図１３のＡ−Ａ’線に沿う断面図、図１４（Ｂ）は図１３のＢ−Ｂ’線に沿う断面図である。
図１３、図１４（Ａ）、（Ｂ）において第１実施形態で用いた図面と共通の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。

第１実施形態の面光源装置１において、開口部６の平面形状は円であった。これに対して、本実施形態の面光源装置４１においては、図１３に示すように、箱体４２の天板４２ａの開口部４３の平面形状が楕円である。本実施形態では、一例として、楕円の短軸方向をｙ軸方向に揃え、長軸方向をｘ軸方向に揃えた向きに、全ての開口部４３が形成されている。ただし、全ての開口部４３の向きを必ずしも上記の方向に揃えなくてもよく、開口部４３によって異なっていてもよい。その他の構成は第１実施形態と同様である。

レンズ７の焦点Ｆの位置が開口部４３の位置と一致している点は、第１実施形態と同様である。しかしながら、本実施形態の面光源装置４１の場合、光の振る舞いが第１実施形態と若干異なる。本実施形態の場合、開口部４３が楕円であるため、方向によって開口径が異なる。すなわち、図１３のＡ−Ａ’線に沿う方向（楕円の短軸方向）に沿った断面で見ると、図１４（Ａ）に示すように、開口部４３の開口径Ｄａは相対的に小さい。したがって、レンズ７の焦点Ｆから外れた位置を通る光Ｌがレンズ７に入射する割合が少なく、ｙｚ平面内での指向性は高い。一方、図１３のＢ−Ｂ’線に沿う方向（楕円の長軸方向）に沿った断面で見ると、図１４（Ｂ）に示すように、開口部４３の開口径Ｄｂは相対的に大きい。したがって、レンズ７の焦点Ｆから外れた位置を通る光Ｌがレンズ７に入射する割合が多くなり、ｘｚ平面内での指向性は低くなる。

円形の開口部６を有する第１実施形態の面光源装置１では、射出される光の指向性は、方向によって変わることなく、等方的である。これに対し、楕円形の開口部４３を有する本実施形態の面光源装置４１では、射出される光の指向性は異方性を有する。開口部４３の形状をなす楕円の短軸方向での指向性は相対的に高く、楕円の長軸方向での指向性は相対的に低くなる。このことから、本実施形態の面光源装置４１は、例えば特定の方向に高い指向性が要求され、その他の方向にはそれ程高い指向性が要求されないような用途に最適なものとなる。

［面光源装置の変形例］
第１実施形態の面光源装置１は円形の開口部６を有し、第５実施形態の面光源装置４１は楕円形の開口部４３を有している。これらの構成に代えて、以下のような開口部を有する面光源装置を用いてもよい。例えば、図１５（Ａ）に示すように、平面形状が正方形の開口部４５を設けてもよい。もしくは、図１５（Ｂ）に示すように、平面形状が正六角形の開口部４６を設けてもよい。もしくは、図１５（Ｃ）に示すように、平面形状が十字形の開口部４７を設けてもよい。これらの構成においても、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。その他、開口部は不定形であってもよい。

［第６実施形態］
以下、本発明の第６実施形態について、図１６を用いて説明する。
本実施形態の面光源装置の基本構成は第１実施形態と同様であり、反射型偏光フィルムを備えた点が第１実施形態と異なる。
図１６は、本実施形態の面光源装置の断面図である。
図１６において第１実施形態で用いた図面と共通の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。

本実施形態の面光源装置５１は、図１６に示すように、レンズシート４の光射出側に反射型偏光フィルム５２（偏光選択素子）が備えられている。反射型偏光フィルム５２は、レンズシート４から射出された光のうち、特定の偏光状態を有する第１の偏光Ｐ１を透過させ、第１の偏光と偏光状態が異なる第２の偏光Ｐ２を反射させる機能を有している。反射型偏光フィルム５２としては、例えばＤＢＥＦ（登録商標、住友スリーエム社製）を用いることができる。その他の構成は第１実施形態と同様である。

本実施形態の場合、反射型偏光フィルム５２で反射した第２の偏光Ｐ２は、レンズ７により集光され、開口部６からキャビティ５内に戻る。第２の偏光Ｐ２は、キャビティ５内で反射を繰り返した後に偏光状態が変わり、レンズシート４を経て反射型偏光フィルム５２に入射する時点で第１の偏光Ｐ１になっていれば、反射型偏光フィルム５２を透過することができる。本実施形態の面光源装置５１によれば、指向性が高い光が得られることに加え、上記のようにして特定の偏光のみを効率良く取り出すことができる。したがって、本実施形態の面光源装置５１は、偏光を用いて表示を行う液晶表示装置に好適に用いることができる。

［第７実施形態］
以下、本発明の第７実施形態について、図１７〜図１８を用いて説明する。
本実施形態の面光源装置の基本構成は第１実施形態と同様であり、レンズシートの構成が第１実施形態と異なる。
図１７は、本実施形態の面光源装置の断面図である。図１８は、本実施形態の面光源装置における光の経路を示す図である。
図１７、図１８において第１実施形態で用いた図面と共通の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。

上記第１〜第６実施形態のレンズは球面レンズを想定している。これに対し、本実施形態の面光源装置６１は、図１７に示すように、複数の放物面レンズ６２を有するレンズシート６３を備えている。放物面レンズ６２は平凸レンズであり、平面６２ａ側を光射出側に向け、放物面６２ｂ側を天板３ａ側に向けて固定されている。放物面レンズ６２の焦点Ｆの位置は開口部６の位置と一致している。その他の構成は第１実施形態と同様である。

本実施形態の場合、図１８に示すように、放物面レンズ６２に対して大きい入射角で入射した光Ｌ１は、放物面６２ｂで反射し、放物面レンズ６２の光軸ＡＸに平行な光となって射出される。一方、放物面レンズ６２に対して小さい入射角で入射した光Ｌ２は、放物面６２ｂで反射することなく、平面６２ａで屈折して射出される。このように、本実施形態の面光源装置６１では、放物面レンズ６２に入射した光の一部は放物面６２で反射せずに射出されるため、完全な平行光は得られない。それでも、本実施形態の面光源装置６１によれば、指向性を十分に有する光を得ることができる。

［第８実施形態］
以下、本発明の第８実施形態について、図１９を用いて説明する。
以下の第８、第９実施形態では、上記実施形態の面光源装置を備えた表示装置の一例を示す。本実施形態は、第１実施形態の面光源装置をバックライトとして備えた液晶表示装置の一例である。
図１９は、本実施形態の液晶表示装置を示す断面図である。
図１９において、第１実施形態で用いた図面と共通の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。

本実施形態の液晶表示装置６８は、図１９に示すように、第１実施形態の面光源装置１からなるバックライト６９と、第１偏光板７０と、液晶パネル７１と、第２偏光板７２と、視野角拡大フィルム７３（光拡散部材）と、を備えている。なお、図１９では、液晶パネル７１を模式的に１枚の板状に図示している。観察者は、視野角拡大フィルム７３が配置された図１９の液晶表示装置６８の上側から表示を見ることになる。よって、以下の説明では、視野角拡大フィルム７３が配置された側を視認側と称し、バックライト６９が配置された側を背面側と称する。

本実施形態の液晶表示装置６８においては、バックライト６９から射出された光を液晶パネル７１で変調し、変調した光によって所定の画像や文字等を表示する。また、液晶パネル７１から射出された光が視野角拡大フィルム７３を透過すると、射出光の角度分布が視野角拡大フィルム７３に入射する前よりも広がった状態となって光が視野角拡大フィルム７３から射出される。これにより、観察者は広い視野角を持って表示を視認できる。

液晶パネル７１としては、例えばアクティブマトリクス方式の透過型液晶パネルを用いることができる。ただし、アクティブマトリクス方式の透過型液晶パネルに限らず、例えば半透過型（透過・反射兼用型）液晶パネル、各画素がスイッチング用薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor, 以下、ＴＦＴと略記する）を備えていない単純マトリクス方式の液晶パネルであっても良い。液晶パネル７１には周知の一般的な液晶パネルを用いることができるため、詳細な構成の説明は省略する。

液晶表示装置６８の視認側には、視野角拡大フィルム７３が配置されている。視野角拡大フィルム７３は、基材７４と、基材７４の一面（視認側と反対側の面）に形成された複数の光拡散部７５と、基材７４の一面に形成された光吸収層７６と、から構成されている。視野角拡大フィルム７３は、光拡散部７５が設けられた側を第２偏光板７２に向け、基材７４の側を視認側に向けた姿勢で第２偏光板７２上に配置されている。

基材７４には、例えばトリアセチルセルロース（ＴＡＣ）フィルム等の透明樹脂製の基材が好ましく用いられる。光拡散部７５は、例えばアクリル樹脂やエポキシ樹脂等の光透過性および感光性を有する有機材料で構成されている。光拡散部７５は、水平断面（ｘｙ断面）の形状が円形であり、光射出端面となる基材７４側の面の面積が小さく、光入射端面となる基材７４と反対側の面の面積が大きく、基材７４側から基材７４と反対側に向けて水平断面の面積が徐々に大きくなっている。すなわち、光拡散部７５は、基材７４側から見たとき、いわゆる逆テーパ状の円錐台状の形状を有している。光拡散部７５は、視野角拡大フィルム７３において光の透過に寄与する部分である。すなわち、光拡散部７５に入射した光は、光拡散部７５のテーパ状の側面で全反射しつつ、光拡散部７５の内部に略閉じこめられた状態で導光し、全方位に拡散した状態で射出される。

光吸収層７６は、基材７４の光拡散部７５が形成された側の面のうち、複数の光拡散部７５の形成領域以外の領域に形成されている。光吸収層７６は、一例として、ブラックレジスト等の光吸収性および感光性を有する有機材料で構成されている。

例えば画面の正面方向、すなわち液晶パネルを垂直に透過する光を基準として、液晶表示装置の画質の調整を行った場合、指向性を持たない従来のバックライトを用いた液晶表示装置では、画面を正面方向から見たときと斜め方向から見たときとで色ずれが生じてしまう。これに対して、本実施形態の液晶表示装置６８では、ｘ軸方向とｙ軸方向との双方に高い指向性を有する第１実施形態の面光源装置１からなるバックライト６９を用いている。これにより、液晶パネル７１において色変化が少ない角度範囲のみを光が透過する。その後、視野角拡大フィルム７３で光が全ての方位に拡散するため、観察者は、どの方向から見ても色ずれの少ない高画質の映像を見ることができる。

［第９実施形態］
以下、本発明の第９実施形態について、図２０を用いて説明する。
本実施形態は、第５実施形態の面光源装置をバックライトとして備えた蛍光励起型の液晶表示装置の一例である。

本実施形態の液晶表示装置７８は、図２０に示すように、第５実施形態の面光源装置４１からなるバックライト６９（面光源装置）と、液晶素子７９と、発光素子８０と、を備えている。本実施形態の液晶表示装置７８は、赤色光による表示を行う赤色用サブピクセル８１Ｒ、緑色光による表示を行う緑色用サブピクセル８１Ｇ、青色光による表示を行う青色用サブピクセル８１Ｂが隣接して配置されている。これら３つのサブピクセル８１Ｒ，８１Ｇ，８１Ｂにより表示を構成する最小単位である１つのピクセルが構成される。

バックライト６９は、発光素子８０の蛍光体層８２Ｒ，８２Ｇ，８２Ｂを励起させる励起光Ｌ１を射出する。本実施形態のバックライト６９は、励起光Ｌ１として紫外光や青色光を射出する。液晶素子７９は、バックライト６９から射出された励起光Ｌ１の透過率を上記のサブピクセル８１Ｒ，８１Ｇ，８１Ｂ毎に変調する。発光素子８０には、液晶素子７９により変調された励起光Ｌ１が入射され、蛍光体層８２Ｒ，８２Ｇ，８２Ｂが励起されて発光した光が外部に射出される。したがって、本実施形態では、図２０に示す液晶表示装置７８の上方側が、観察者が表示を見る視認側となる。

本実施形態では、楕円形の開口部４３を有する第５実施形態の面光源装置４１がバックライト６９として用いられている。開口部４３の平面形状である楕円の短軸方向は３つのサブピクセル８１Ｒ，８１Ｇ，８１Ｂの配列方向（図２０のｘ軸方向）に一致している。開口部４３の平面形状である楕円の長軸方向が３つのサブピクセル８１Ｒ，８１Ｇ，８１Ｂの配列方向と直交する方向（図２０のｙ軸方向）に一致している。そのため、サブピクセル８１Ｒ，８１Ｇ，８１Ｂの配列方向の指向性が相対的に高く、サブピクセル８１Ｒ，８１Ｇ，８１Ｂの配列方向と直交する方向の指向性が相対的に低い光が、バックライト６９から射出される。

液晶素子７９は、第１透明基板８３と第２透明基板８４との間に液晶層８５が挟持された構成となっている。本実施形態の場合、観察者から見て前面側に位置する第２透明基板８４は、発光素子８０の基板を兼ねている。第１透明基板８３の内面（液晶層８５側の面）には、サブピクセル毎に第１透明電極８６が形成され、第１透明電極８６を覆うように配向膜（図示略）が形成されている。第１透明基板８３の外面（液晶層８５側と反対側の面）には第１偏光板８７が設けられている。第１透明基板８３には、例えばガラス、石英、プラスチック等からなる励起光を透過し得る基板を用いることができる。第１透明電極８６には、例えばインジウム錫酸化物（Indium Tin Oxide, 以下、ＩＴＯと略記する）等の透明導電性材料が用いられる。第１偏光板８７には、従来一般の外付けの偏光板を用いることができる。

一方、第２透明基板８４の内面（液晶層８５側の面）には、蛍光体層８２、第１光吸収層８８が基板側からこの順に積層されている。蛍光体層８２を構成する蛍光体材料は、サブピクセル毎に発光波長帯域が異なっている。バックライト６９からの励起光が紫外光である場合、赤色用サブピクセル８１Ｒには紫外光を吸収して赤色光を発光する蛍光体材料からなる蛍光体層８２Ｒが設けられる。同様に、緑色用サブピクセル８１Ｇには紫外光を吸収して緑色光を発光する蛍光体材料からなる蛍光体層８２Ｇが設けられる。青色用サブピクセル８１Ｂには紫外光を吸収して青色光を発光する蛍光体材料からなる蛍光体層８２Ｂが設けられる。

もしくは、バックライト６９からの励起光が青色光である場合には、赤色用サブピクセル８１Ｒ、緑色用サブピクセル８１Ｇには青色光を吸収して赤色光、緑色光をそれぞれ発光する蛍光体材料からなる蛍光体層８２Ｒ，８２Ｇが設けられる。青色用サブピクセル８１Ｂには、蛍光体層に代えて、励起光である青色光を波長変換することなく拡散させて外部に射出させる光拡散層が設けられる。さらに、第２透明基板８４の内面には、第１光吸収層８８を覆うように第２偏光板８９が形成され、第２偏光板８９の表面に第２透明電極９０、配向膜（図示略）が積層されている。第２偏光板８９は、液晶素子７９の製造過程で塗布技術等を用いて作り込まれる偏光板であり、いわゆるイン・セル偏光板である。第２透明電極９０には、第１透明電極８６と同様、ＩＴＯ等の透明導電性材料が用いられる。

第２透明基板８４の外面側には第２光吸収層９１が形成されている。第２透明基板８４の内面に設けられた第１光吸収層８８は、バックライト６９からの励起光Ｌ１の漏れによるコントラスト低下を抑制するためのものである。第２透明基板８４の外面に設けられた第２光吸収層９１は、外光によるコントラスト低下を抑制するためのものである。

第８実施形態で述べた通り、通常の液晶表示装置は、斜め方向から見たときに色ずれが生じる。これに対して、本実施形態の蛍光励起型の液晶表示装置７８は、サブピクセル８１Ｒ，８１Ｇ，８１Ｂの配列方向の指向性が相対的に高い紫外光もしくは青色光を射出する面光源装置をバックライト６９として用い、紫外光もしくは青色光を蛍光体層８２で色変換する。このとき、各色の光が蛍光体層８２から等方的に射出されるため、観察者は、どの方向から見ても色ずれの少ない高画質の映像を見ることができる。

［表示装置の構成例］
以下、表示装置の一構成例について、図２１を用いて説明する。
図２１は、表示装置の一構成例である液晶表示装置の概略構成を示す正面図である。

本構成例の液晶テレビジョン９３は、図２１に示すように、表示画面として上記第８実施形態の液晶表示装置６８、もしくは第９実施形態の液晶表示装置７８を備えている。観察者側（図２１の手前側）には液晶パネルが配置され、観察者と反対側（図２１の奥側）にはバックライト（面光源装置）が配置されている。
本構成例の液晶テレビジョン９３は、上記実施形態の液晶表示装置６８，７８を備えているため、高画質の表示が可能な液晶テレビジョンとなる。

［第１０実施形態］
以下、本発明の第１０実施形態について、図２２を用いて説明する。
第１０実施形態では、第１実施形態の面光源装置を備えた照明装置の一例を示す。
図２２は、本実施形態の照明装置を示す断面図である。
図２２において、第６実施形態で用いた図面と共通の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。

本実施形態の照明装置９７は、図２２に示すように、第１実施形態の面光源装置１を備えている。よって、本実施形態の照明装置９７は、高い指向性を有し、かつ、照度分布が均一化される。その結果、本実施形態の照明装置９７によれば、照明光を狭い領域に集光させ、その領域を均一に照明することができる。本実施形態の照明装置９７を例えばホールの天井付近に設置すれば、照明装置９７から下方に向けて指向性の高い光が照射されるため、例えばスポットライトとして好適に用いることができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば上記実施形態では、箱体から光を取り出すための光透過部が天板に設けられた開口部で構成されていたが、光透過部は必ずしも開口していなくてもよい。例えば、開口部を透明な部材で塞いだ構成の光透過部であってもよく、光を取り出すことができさえすればよい。上記実施形態では、一つの箱体のみで面光源装置を構成したが、例えば大面積の面光源装置を実現したい場合、光射出面が同一平面となるように複数の箱体を配列した構成、いわゆる複数の箱体をタイリングした構成としてもよい。

上記実施形態では、光源としてＬＥＤを用いたが、特にＬＥＤに限ることなく、冷陰極管等の他の光源を用いることも可能である。上記実施形態のように複数個の光源を用いる場合、必ずしも光源を等間隔に配置する必要はなく、光源の配置に疎密を付けてもよい。同様に、光透過部およびレンズの配置についても、必ずしも等間隔である必要はなく、必要に応じて疎密を付けてもよい。また、光透過部およびレンズの個数は少なくとも１個あればよい。その他、上記実施形態で例示した面光源装置の各構成部材の数、配置、材料等の具体的な構成については、適宜変更が可能である。

本発明は、液晶表示装置、有機エレクトロルミネッセンス表示装置、プラズマディスプレイ等の各種表示装置に利用可能である。

１，１１，１６，２１，３１，４１，５１，６１…面光源装置、２…発光ダイオード（ＬＥＤ、光源）、３，１４，１９，４２…箱体、４，１２，１７，２２，６３…レンズシート（レンズ部材）、５…キャビティ、６，４３，４５，４６，４７…開口部（光透過部）、７，１３，１８，２３，６２…レンズ（単位レンズ）、２３ｔ…突起（アライメント部）、３２…テレセントリックレンズ（集光部材）、５２…反射型偏光フィルム（偏光選択素子）、６８，７８…液晶表示装置（表示装置）、６９…バックライト（面光源装置）、７１…液晶パネル、９７…照明装置、Ｆ…レンズの焦点。

Claims (22)

1. 光源と、
   少なくとも一つの光透過部が設けられた光射出面を有し、前記光源からの光を内部空間で複数回反射させつつ導光させ、前記光透過部から射出させる箱体と、
   前記箱体の前記光射出面に対向して配置された少なくとも一つの単位レンズを含むレンズ部材と、を備え、
   前記単位レンズの焦点の位置が前記光透過部の位置に略一致していることを特徴とする面光源装置。
2. 前記箱体の前記光射出面に複数の前記光透過部が設けられ、
   前記レンズ部材が、前記複数の光透過部に対応した複数の前記単位レンズを備えたことを特徴とする請求項１に記載の面光源装置。
3. 前記光透過部が、前記箱体に設けられた開口部であることを特徴とする請求項１または２に記載の面光源装置。
4. 前記箱体の内面の少なくとも一部が、前記光源からの光を散乱反射させる散乱反射面であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の面光源装置。
5. 前記箱体の内面の少なくとも一部が、前記光源からの光を正反射させる正反射面であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の面光源装置。
6. 前記単位レンズが、両凸レンズであることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載の面光源装置。
7. 前記単位レンズが、平凸レンズであることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載の面光源装置。
8. 前記単位レンズが、放物面レンズであることを特徴とする請求項６または７に記載の面光源装置。
9. 前記レンズ部材が、前記単位レンズの焦点位置を前記光透過部の位置にアライメントさせるためのアライメント部を備えたことを特徴とする請求項１ないし８のいずれか一項に記載の面光源装置。
10. 前記アライメント部が、前記光透過部を構成する開口部に挿入される前記単位レンズの突起であることを特徴とする請求項９に記載の面光源装置。
11. 前記箱体の前記光射出面の法線方向から見た前記光透過部の平面形状が、円であることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか一項に記載の面光源装置。
12. 前記箱体の前記光射出面の法線方向から見た前記光透過部の平面形状が、円以外の形状であることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか一項に記載の面光源装置。
13. 前記箱体の前記光射出面の法線方向から見た前記単位レンズの平面形状が、多角形状であることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか一項に記載の面光源装置。
14. 前記箱体の内部空間に、前記内部空間を導光する光を前記光透過部に集める集光部材を備えたことを特徴とする請求項１ないし１３のいずれか一項に記載の面光源装置。
15. 前記集光部材が、テレセントリックレンズであることを特徴とする請求項１４に記載の面光源装置。
16. 前記レンズ部材の光射出側に、前記レンズ部材から射出された光のうち、第１の偏光を透過し、前記第１の偏光と偏光状態が異なる第２の偏光を反射させる偏光選択素子を備えたことを特徴とする請求項１ないし１５のいずれか一項に記載の面光源装置。
17. 前記箱体の外面のうち、前記レンズ部材に対向する面が光吸収面とされたことを特徴とする請求項１ないし１６のいずれか一項に記載の面光源装置。
18. 請求項１ないし１７のいずれか一項に記載の面光源装置と、前記面光源装置から射出される光により表示を行う表示素子と、を備えたことを特徴とする表示装置。
19. 前記表示素子が、前記面光源装置から射出された光の透過率を変調する液晶パネルであることを特徴とする請求項１８に記載の表示装置。
20. 前記液晶パネルの光射出側に、前記液晶パネルから射出された光の拡散角度を拡げるための光拡散部材を備えたことを特徴とする請求項１９に記載の表示装置。
21. 前記表示素子が、前記面光源装置からの光を励起光として蛍光を発する蛍光励起型ディスプレイであることを特徴とする請求項１８に記載の表示装置。
22. 請求項１ないし１７のいずれか一項に記載の面光源装置を備えたことを特徴とする照明装置。

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