JP3582544B2 - Lens sheet, surface light source and display device - Google Patents
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、出光側に凸状となるように単位レンズ部が配置されたレンズシート、そのレンズシートを用いた面光源及びその面光源をバックライトとして用いた透過型の表示装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
液晶表示装置として、直下型又はエッジライト型の拡散面光源を用いたものが知られている(特開平5−173134号、特開平2−257188号、実開平4−107201、特開平6−18707号、特開平6−67178号等)。
【0003】
図23は、エッジライト型の面光源の従来例を示す図である。
面光源100Aは、特開平5−173134号、実開平4−107201などに開示される仕様のものであり、透光性基板101の一方の面に、光等方拡散性層102が形成され、さらに、頂角αが90度の二等辺三角柱プリズム線型配列レンズシート105が積層されたものである。また、他方の面に反射層103が形成されており、側面に点状又は線状の光源104が配置されたものである。
また、面光源100Bは、特開平6−18707号、特開平6−67178号等に開示されている仕様のものであり、面光源100Aのレンズシート105の代わりに、頂角αが110度の二等辺三角柱プリズム線型配列レンズシート106を積層したものである。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
前者の面光源100Aは、等方光拡散性層102により等方拡散された光がレンズシート105のプリズム作用によって偏向されるので、光放出面の法線方向近傍に光エネルギーが集中し、エネルギーの利用効率が高く、低消費電力で高輝度化が可能である。しかし、図15の曲線(A)に示すように、法線方向近傍の所定の角度範囲から一部の光が逸脱する現象(透過光強度の角度分布におけるサイドローブ)が発生し(A−1の部分参照)、斜方向に放出された光が近辺の作業者に対して不要光(迷光,ノイズ光)となる、という問題があった。
【0005】
後者の面光源100Bは、図15の曲線(B)に示すように、サイドローブがなくなる又は小さくなる反面、法線輝度(光放出面の法線方向の輝度の意味、以下同様)が25%程度低下してしまう、という問題があった。
【0006】
本発明の目的は、法線輝度を低下することなく、斜め方向の不要光をなくすことができるレンズシート、面光源及び表示装置を提供することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、請求項1の発明は、透光性基材の出光側の面に、出光側に凸状に形成された単位五角形プリズムを1次元又は2次元的に多数配列したレンズ配列層を有するレンズシートであって、単位五角形プリズムの主切断面形状は、頂角がθaである透光性基材に接する2つの急斜面と、頂角がθa’である透光性基材に接しない2つの緩斜面とを有し、単位五角形プリズムの屈折率をn1、単位五角形プリズムの周辺雰囲気の屈折率をn0としたときに頂角θa、θa’が、
θa < 90°+ (10/9)sin−1((1/√2)(n0/n1)) − (6/9)sin−1(n0/n1)
かつ、
θa’≧ θa
であることを特徴としている。
【0008】
請求項2の発明は、請求項1に記載のレンズシートにおいて、頂角θa’の範囲は、
θa’≧ 60°+ (4/3)sin−1(n0/n1)
であることを特徴としている。
【0009】
請求項3の発明は、透光性基材の出光側の面に、出光側に凸状に形成された単位五角形プリズムを1次元的又は2次元的に多数配列したレンズ配列層を有するレンズシートであって、単位五角形プリズムの主切断面形状は、頂角がθaである透光性基材に接する2つの急斜面と、頂角がθa’である透光性基材に接しない2つの緩斜面とを有し、単位五角形プリズムの屈折率をn1、単位五角形プリズムの周辺雰囲気の屈折率をn0、さらに2つの急斜面から射出されるサイドローブ光のプリズム底面の法線から測った最大出射角をΘso,max、最小出射角Θso,min、プリズム急斜面の底角をθbとしたときに頂角θa、θa’が、
θa < 90°+ (10/9)sin−1((1/√2)(n0/n1)) − (6/9)sin−1(n0/n1)
かつ、
θa + 2sin−1(n0/n1) − EQ1 ≧ θa’≧ θa + 2sin−1(n0/n1) − EQ2
ただし、
EQ1 = 2sin−1((n0/n1)sin(Θso,min − θb))
EQ2 = 2sin−1((n0/n1)sin(Θso,max − θb))
であることを特徴としている。
【0010】
請求項4の発明は、請求項1又は請求項2に記載のレンズシートにおいて、急斜面を含む単位五角形プリズムの2つの急斜面から射出されるサイドローブ光のプリズム底面の法線から測った最大出射角をΘso,max、最小出射角Θso,min、プリズム急斜面の底角をθbとしたとしたときに、緩斜面の長さx1’と急斜面の長さx2とが、
e/(c0 − 1) ≦ x1’/x2 ≦ e/(d0 − 1)
ただし、
c0 = c1/c2
d0 = d1/d2
c1 = sin(90°− sin−1((n0/n1)sin(Θso,min − θb)))
c2 = sin(90°+ sin−1((n0/n1)sin(Θso,min − θb)) − θa)
d1 = sin(90°− sin−1((n0/n1)sin(Θso,max − θb)))
d2 = sin(90°+ sin−1((n0/n1)sin(Θso,max − θb)) − θa)
e = sin(θa/2)/sin(θa’/2)
の関係を有することを特徴としている。
【0011】
請求項5の発明は、透光性平板又は直方体状の空洞からなる導光体と、導光体の裏面に少なくとも部分的に設けた光反射層と、導光体の側端面のうち少なくとも1面以上に隣接して設けられた点状又は線状の光源と、導光体の表面側に配置される、請求項1から請求項4のいずれかに記載のレンズシートと、レンズシートの外部又は内部に積層される光等方拡散性層とを含み、レンズシートの表面が拡散光放出面となることを特徴としている。
【0012】
請求項6の発明は、1以上の点状又は線状の光源と、光源を包囲し、1面を開口部とし、かつ、その開口部側内面を光反射面とした光源収納部と、光源収納部の開口部側に配置される、請求項1から請求項4のいずれかに記載のレンズシートと、レンズシートの外部又は内部に積層される光等方拡散性層とを含み、レンズシートの表面が拡散光放出面となることを特徴としている。
【0013】
請求項7の発明は、透過型の表示素子と、表示素子の背面に設けられた請求項5又は請求項6に記載の面光源とを含むことを特徴としている。
【0014】
【作用】
図1は、本発明によるレンズシートの単位五角形プリズムの作用を説明する模式図である。
本発明のレンズシート1において、単位五角形プリズム10は、出光側に凸状に形成されており、1方向又は直交する2方向の断面(主切断面)形状が5角形である。この単位五角形プリズム10は、5角柱プリズムが各々稜線方向に互いに平行になるように、多数1次元的に配置されたものでもよいし、4角錐台に4角錐が積層された断面5角形プリズムがアレイ状に、2次元的に配置されたものであってもよい。
【0015】
この単位五角形プリズム10は、基部側(透光性基材に接する側)の2面(急斜面)12,13のなす角度(これは、図示のように、2面12,13の仮想的延長線のなす角のうち、その5角形プリズムを見込む角である)θaが頂部側(透光性基材に接しない側)の2面(緩斜面)14,15のなす角度(即ち、頂角)θa’よりも急角度(θa’>θa)である。従って、急斜面12,13と、緩斜面14、15がそれぞれ底面11となす角度を、θ1,θ2とすると、θ2<θ1 が成り立つ。ここで、急斜面12,13は、輝度を上げる機能を果たす部分であり、緩斜面14,15は、サイドローブを押さえる機能を果たす部分である。
【0016】
以下、本発明に係るレンズシートの作用を示すために、まず、頂角がそれぞれ90°及び140°である単位三角形プリズムにおいて、入射した光線が示す挙動について説明する。次に、本発明に係る単位五角形プリズムにおいて、入射した光線の挙動を示し、適正な形状の単位五角形プリズムは、輝度向上とサイドローブ光の発生防止を実現することを説明する。さらに、そのような機能を発揮するために、単位五角形プリズムが満たすべき条件(図1における角度θa’及びθaが満たすべき条件、及び、急斜面と緩斜面の長さの比)を導出する手順について説明する。
【0017】
図2は、頂角が90°の二等辺三角形プリズム線型配列レンズシートの単位プリズムの構造及びこのレンズシートをエッジライト型面光源の導光板上に配置した場合に、単位プリズム内に入射した光線の軌跡を示した図である。
【0018】
簡単のため、光線の軌跡は、以下の仮定のもとに計算して求めている。
1) 空気の屈折率は、n0=1.0、プリズムの屈折率は、n1=1.5とした。
2) プリズム底面への光線R1の入射角は、左回りに45.7°とした。
3) プリズム底面への光線R2、R3の入射角は、いずれも右又は左回りに22.8°とした。
4) 線型配列レンズシートのうち、単位プリズム1個を取り出してシミュレーションした。
5) 柱状プリズムの主切断面を考え、入射光線は、主切断面内にあるものと仮定した。
6) プリズム底面を拡散光入射方向(図では下方向)として、光線の挙動を検討した。
【0019】
また、単位プリズムの各外周面において、反射又は屈折する光線の軌跡は、
(a)反射の法則(入射角θ、反射角θ’としたときに、θ=θ’)、
(b)屈折の法則(媒質1における屈折率n1、光線と媒質1と2の界面の法線とのなす角をθ1、媒質2における屈折率n2、出射光線とその法線とのなす角をθ2としたときに、n1sinθ1=n2sinθ2)
に基づいて求めた。
【0020】
図2において、追跡すべき光線としては、導光板の裏面の光拡散反射層で反射され、プリズムに入射する角度分布をもつ反射光のうち、代表的な3本であるR1、R2、R3を選んである。このうち、光線R2は、プリズム内に入射する拡散光線のうちで、左から入射して光放出面の法線方向に偏向されて出射するものを代表する。光線R3は、プリズム内に入射する拡散光線のうちで、右から入射して光放出面の法線方向に偏向されて出射するものを代表する。
【0021】
光線R1は、サイドローブ光の原因となる光線である。特に、サイドローブ光の顕著な頂角90°のレンズシートの場合に、サイドローブの主要因となるのは、単位プリズムの斜面部内に臨界角以上の大きな角度で入射し、全反射されて水平方向に偏向され、さらに対向する斜面によって水平方向に偏向される光線である。光線R1は、このような光線を代表するものである。光線R1は、本来左右各1本づつ選ぶべきであるが、単位プリズムが左右対称であり、また、図が煩雑になるのを避けるために、右方からの1本のみによって代表させてある。
【0022】
図2に見られるように、光線R2は、光路G2→H2→I2に沿って進む。そ
の結果、光線R2は、単位プリズムを出射するときには、光放出面の法線nに近い方向に偏向されており(法線nとなす角度は反時計回りに3.8°である)、レンズシートの法線輝度を増大することに寄与していることがわかる。同様に、光線R3も、単位プリズムを通過する過程で光放出面の法線に近い方向に偏向され(法線nとなす角度は時計回りに3.8°である)、レンズシートの法線輝度の増大に寄与している。
【0023】
これに対して、光線R1は、A2→B2を経て、プリズム内に入り、右斜面f2上のC2点で入射角73.5°が臨界角41.8°以上であるために、全反射する。その結果、左方向の水平近くまで偏向されて、左斜面f1上の点D2に達する。そこで、空気中に出るときに、さらに水平方向に偏向されE2に至る。
このときの光線R1(出射光)と、面光源の光放出面の法線nとのなす角は70.7°であり、光線R1は、通常の表示装置で使用される視野角(光放出面の法線に対して最大±45°程度)を逸脱し、サイドローブ光となることがわかる。ここで、光線R1の出射方向を実測されたサイドローブ光の出射方向と比較してみる。
【0024】
図15は、各種プリズム線型配列シートにおける透過光の輝度を角度の関数として測定した結果を示す図である。測定は、エッジライト型面光源の表面に光拡散透過シートを載せ、その上に前述の三角形プリズム線型配列シートをプリズム面が外向き(導光板側と反対向き)となるように設置して行っている。図中、実線で描かれている曲線(A)は、頂角90°の三角形プリズム線型配列シートについての測定結果であり、特に(A−1)は、サイドローブ光の輝度を示している。図15から分かるように、光線R1の出射角70.7°は、実測されたサイドローブ光のピーク方向と光放出面の法線とのなす角度68°と略一致する。
【0025】
図3は、頂角が140°の三角形プリズム線型配列レンズシートの単位プリズムの構造及びこのレンズシートをエッジライト型面光源の導光板上に配置した場合に、単位プリズム内に入射した光線の軌跡を示した図である。
図2においてサイドローブ光となっていた光線R1は、単位プリズムの右斜面f2上の点C1で全反射し、さらに、底面f3の点D1、左斜面f1の点E1でも全反射し、F1→G1と進み底面側に戻される。従って、この単位プリズムでは、サイドローブ光が発生しない。これは、実験によりレンズシートの透過光の輝度を測定した結果と一致する(図15、破線(B)参照)。ただし、実際の面光源においては、R1以外の光線も各種存在するために、若干のサイドローブ光の発生がある。
【0026】
一方、光線R2、R3は、いずれも図2の場合と同様に、光放出面の法線nに近い方向に偏向される。なお、図が左右対称であることから、図中には、光線R3のみを示してある。光線R3が法線nとなす角は、12.5°であり、頂角が90°である場合の3.8°と比較して、若干増大している。このことは、頂角が140°の単位プリズムにおいて、法線方向輝度は、やや低下し、視野角は、逆に増大することを意味している。このことも、実験結果の傾向と一致するものである(図15参照)。
【0027】
図4は、本発明に係る五角形プリズム線型配列レンズシートの単位プリズムの構造及びこのレンズシートをエッジライト型面光源の導光板上に配置した場合に、単位プリズム内に入射した光線の軌跡を示した図である。
【0028】
図示した単位五角形プリズムでは、プリズム下部の急斜面(f1、f2)は、頂角90°の単位三角形プリズムと同様の形状となっている。従って、光線R1は、A0→B0を経てプリズム内へ入り、斜面f2上の点C0で全反射して左方向水平線近くまで偏向される。次に、光線R1は、プリズム上部の斜面f4上にある点D0に到達する。ここで、プリズム上部の斜面f4及びf5は、頂角140°の三角形プリズムと同様の形状となっているため、光線R1の斜面f4への入射角は、臨界角より大きい50°となる。このために、光線R1は、点D0において全反射をし、底面f3上の点E0、さらにF0を経て導光板にフィードバックされる。従って、光線R1は、サイドローブ光とならない。
【0029】
上述の計算結果も、実測データによく一致している(図15参照、曲線(C)に示す緩斜面の頂角が108°である場合のデータである)。なお、実験においては、図3でシミュレートしなかった各種の光線が、面光源からプリズムへ照射されるために、サイドローブ光は、完全には消失していない。しかし、頂角90°のプリズムにおいて測定されたサイドローブ光と比較して、その輝度は、大幅に減少している。(図15(C)のサイドローブ輝度は、図15(A)のサイドローブ輝度の58%となっている。)
【0030】
図4において、光線R1は、プリズム内において2回全反射をした後に、底面f3を介して導光板側へフィードバックされている。全反射の回数は、図3に示した頂角140°の単位三角形プリズムの場合(3回)と比較して少ない。また、光線R1がプリズム内を進行する光路長は、図4における場合の方が、図3のおける場合より短い。従って、単位五角形プリズムでは、導光板にフィードバックされるまでに光線が減衰する割合は、小さく、導光板にフィードバックされた後に、導光板裏面において拡散反射され、再度出力光としてプリズムに入射する光線の割合は、大きい。
【0031】
また、図4において、光線R3は、プリズム内で屈折した結果、光放出面の法線nから3.8°の方法に偏向、収束されて出射する。これは、図3に示した12.5°より小さく、本発明に係る五角形プリズムの方がより法線方向に高密度に出力光を収束することを示している。
【0032】
図2〜図4のシミュレーションは、いずれもプリズム面が光放出面側(導光板と反対側)を向いている場合についてされたものである。これに対して、図5は、プリズム面が入射面側(導光板側)を向いている場合のシミュレーションである。
【0033】
図中、光線R1は、その光路がA3→B3→C3→D3→E3であり、最後に導光板へフィードバックされるので、サイドローブ光の原因とはならない。
しかし、この光線が若干左側へずれてプリズムに入射した場合、すなわち、光線R1’の場合は、その光路がF3→G3→H3→I3であり、プリズムの底面f3より光放出面の法線nと64.0°の角度をなして出射する。従って、光線R1’は、サイドローブ光の発生原因となっている。
さらに、光線R2及びこれが若干右にずれてプリズムに入射した光線R2’は、光放出面の法線nと35.5°、49.4°の角度をなして底面f3より出射する。なお、光線R3に該当するものは、図示を省略してあるが、これは、光線R2と同様な挙動を示す。
【0034】
このように、本発明に係る五角形プリズムは、プリズム面を導光板方向へ向けて使用すると、プリズム面を光放出方向へ向けた場合に比較して、法線輝度が低下し、また、サイドローブ光が発生する。なお、実測データにおいても、同様の傾向が得られている(図16参照)。
【0035】
以上のシミュレーションから、導光板を用いたエッジライト型面光源の場合に、本発明による5角柱プリズム線型配列レンズシートは、プリズム面を光放射面側(導光板と反対側)に向けることが、法線輝度を高くする上で好ましいことが分かる。
また、直下型の面光源の場合においても、光透過拡散シートを通して、拡散した光をプリズムに入射する態様の場合には、図2〜図5と同様の作用機構により、プリズム面を光放出面側(導光板と反対側)に向けることが、法線輝度を高くし、サイドローブを低下させて必要十分な視野角を得る上で好ましいことが分かる。
【0036】
次に、サイドローブ光の発生について、図6を用いて、さらに詳しく考察する。図6は、頂角がθaである二等辺三角柱プリズムの主切断面(二等辺三角形PQJで表される単位プリズム)を示している。なお、以下において特に断らない限り、頂角θaと、プリズム/空気界面の臨界角θcは、
θa > 2θc (1)
なる関係を有しているものとする。ただし、
θc=sin−1(n0/n1) (2)
である。
【0037】
光線R11、R12、R13は、プリズムに底面f3から入射し、右斜面f2上の点Cにおいて全反射する光線である。なお、斜面f2に対する入射角が、臨界角θcより小さい光線は、光放出面の法線n方向に屈折しながら斜面f2を透過し、サイドローブ光に関与しない光線であるから、記述を省略する。
【0038】
光線R11は、点Cにおける入射角θc11が、臨界角θcより僅かに大きく、点Cにおいて全反射した後、斜面f1上の点Dに入射角θd11で到達している。ここで、式(1)の条件から、
θd11=θa − θc11>θc (3)
である。従って、光線R11は、点Dにおいても全反射する。その後、光線R11は、底面f3より導光板側にフィードバックされるために、サイドローブ光にはならない。
【0039】
一方、光線R12は、点Cにおける入射角θc12が、
θc12=θa − θc (4)
である光線である。光線R12は、点Cにおいて全反射した後に、斜面f1へ点Iにおいて入射する。このときの入射角θd12は、
θd12=θa − θc12=θc (5)
である。従って、光線R12は、点Iに達した後に、斜面f1に沿って点Jまで進み、点Jより底面側(導光板)にフィードバックされるために、光線R11同様、サイドローブ光にはならない。
【0040】
光線R13は、点Cにおける入射角θc13が
θc13>θa − θc (6)
であり、従って、斜面f1上の点Mにおける入射角θd13は、
θd13<θc (7)
である。この結果、光線R13は、法線nに対して大きな角度(図中、左水平方向に近い角度)で斜面f1より出射し、サイドローブ光となる。これより、点Cにおいて全反射し、かつ、角ICQ内を通過して斜面f1に達する光線は、サイドローブ光になることが分かる。ここで、
角ICQ=90°− (θa− θc) (8)
であるから、
θc13=(θa − θc) + k(90° − (θa − θc))
ただし、0<k<1、 (9)
が導かれる。
【0041】
図7は、図6と同じ頂角がθaである三角柱プリズムの主切断面を示している。図中の光線R1,max、R1,peak、R1,minは、それぞれ底面f3よりプリズムに入射し、斜面f2において、それぞれの入射角θR,max、θR,peak、θR,minが式(9)を満すように全反射している光線である。具体的には、
である。つまり、これら光線の斜面f2における反射角は、サイドローブ光を反射し得る角度範囲(式(9))をそれぞれ8/10、6/10、4/10に分割する角度である。
【0042】
このようにθR,max、θR,peak、θR,minを定めると、これらの光線が左斜面
f1より出射するときの角度を底面f3の法線、すなわち、面光源の出光面の法線nから測った値(サイドローブ出射角)Θso,min、Θso,peak、Θso,maxの具体的な値を頂角θa=90°の場合について計算すると、それぞれ57.7°、70.7°、84.7°となる。
【0043】
これに対して、図15の曲線(A)に見られるように、実測された頂角θa=90°の二等辺三角柱プリズムのサイドローブ光の最小角方向は、Θso,min=52°、光エネルギーが最大である方向(ピーク方向)は、Θso,peak=68°、そして、最大角方法は、Θso,max=82°である。これらの値は、上記計算値のΘso,min、Θso,peak、Θso,maxとほぼ一致する。このことから、以下において光線R1,max、R1,peak、R1,minは、それぞれ、光放出面の法線nから測った最小角方向、ピーク方向、最大角方向のサイドローブ光を近似するものとする。
【0044】
次に、斜面f1から光線R1,max〜R1,minが透過する領域を特定し、その領域をサイドローブ光が生じない形状のプリズムに置き換えることについて記述する。このようにすることにより、頂角θaの二等辺三角柱プリズムにおいて、高出力輝度特性を最大限活かした上で、サイドローブ光を消去することが可能となる。
【0045】
まず、斜面f1上で、サイドローブ光を放出する領域を特定する方法について、図8を用いて説明する。図8は、頂角がθa=90°である三角柱プリズムの主切断面を示している。光線R11は、図7における最大輝度のサイドローブ光である光線R1,peakを表しており、そのサイドローブ出射角θsoは、70.7°である。
【0046】
光線R11は、光路E1→D1を経てプリズムに入射し、右斜面f2上の点C1で全反射された後に、左斜面f1上にある点P1からA1方向へ出射する。いま、斜面F2上の反射点をC1、C2、・・・と漸次底面f3の方向へ移動させると、光線は、R11、R12、・・・のように斜面f1上を次第に底辺f3の方向へ移動する。光線R1cは、反射点が底辺f3と斜面f2が交わる点Bcと極限的に殆ど一致しており、Ec→Bc→Pc→Acと進行する光線である。このように、光線R11〜光線R1cは、底面f3からプリズムに入射し、斜面f1よりサイドローブ光として出射する。
【0047】
次に、斜辺f1における出射点が、光線R1cの出射点Pcより底辺f3側の点P3、P4であるサイドローブ光として光線R13、R14が存在したと仮定する。これら光線を遡行していくと、これら光線の底面f3に入射する角は、臨界角θcを超過しているために、もはや底面f3の下方からプリズム内に入射せず、例えば光路E3→G3→F3→P3→A3の様に、斜面f2から入射し、底面f3で全反射するものでなければならない。しかしながら、通常の面光源を使用し、プリズムの底面f3が面光源側を向くように設置した場合には、光線R13、R14に類する光線は、殆ど存在しない。従って、プリズムの斜面f1において、点Pcとプリズムの頂角の間から、事実上ほとんどのサイドローブ光が出射することがわかる。
【0048】
そこで、次に点Pcの位置を求める。上記までは、サイドローブ出射角がθso,peakであるR1,peakを例に取り上げたが、以下では、問題を一般化し、サイドローブ出射角がθsoである光線R1cについて考える。図9は、図8と同じ頂角がθaである三角柱プリズムの主切断面abcと、その断面内を横切り、頂点cを通過している光線R1cを示した図である。
【0049】
光線R1cが左斜面f1に入射する角θsiは、屈折の法則からθsoを用いて、
θsi=sin−1((n0/n1)sinθso) (13)
となる。ただし、図7からΘso,min〜Θso,maxは、例外的に出光面の法線n(プリズム底面f3の法線に同じ)から測っているが、屈折の法則に用いる角θsoは、出光面f1の法線Nから測るため両者は、
θso,min = Θso,min − θb
θso,peak = Θso,peak − θb
θso,max = Θso,max − θb・・・・・・(13a)
等の関係で結ばれる(ただし、θbは、三角形プリズム主切断面の底角である)。一方、三角形aPccにおいて、
角aPcc=90°− θsi (14a)
角Pcca=90°+ θsi − θa (14b)
である。
【0050】
一般に、三辺の長さがA、B、Cである三角形のそれぞれの辺の対角をα、β、γとすれば、
(A + B)/(A − B) = (sinα + sinβ)/(sinα − sinβ) ・・・・・ (15)
が成り立つ。そこで、面ca、aPc、Pcbの長さをそれぞれx、x1、x2とし、式(15)に、式(13)、(14a)、(14b)を代入すれば、
従って、
x1/x2 = 1/((sin(90°ー θsi)/sin(90°+ θsi ー θa)) ー 1) ・・・・・(19a)
を得る。これより、頂角がθaである二等辺三角柱プリズムの主切断面abcの面ca及びabにおいて、
aPc1/bPc1=x1/x2 (20)
又は、
aPc2/cPc2=x1/x2 (21)
のとなる点Pc1、Pc2を求め、三角形Pc1aPc2をサイドローブ光を生じない、又は、サイドローブ光の光量を低減する形状のプリズムに置換すれば良いことになる。そのようにすることにより、出射角θsoないしはそれ以上の角度のサイドローブ光の発生を抑制することが可能となる。
【0051】
式(19a)中のθsiは、式(13)に示されるようにθsoに依存するため、上述のように定義される点Pcの位置は、サイドローブ光の出射角θsoをθso,min≦θso≦θso,maxのいずれに設定するかによって変化する。すなわち、(19a)式をより厳密に記せば、
1/(c0 − 1) ≦ x1/x2 ≦ 1/(d0 − 1) (21a)
ただし、
c0 = c1/c2
d0 = d1/d2
c1 = sin(90°− sin−1((n0/n1)sinθso,min))
c2 = sin(90°+ sin−1((n0/n1)sinθso,min) − θa)
d1 = sin(90°− sin−1((n0/n1)sinθso,max))
d2 = sin(90°+ sin−1((n0/n1)sinθso,max) − θa)
となる。θsoをθso,maxに近い値として点Pcの位置を求めた場合には、サイドローブ光の消去は完全なものとなる。その反面、図7又は式(19a)から理解されるように、点Pcと頂角aの間の距離x1は、より長くなり、法線輝度に貢献する面の長さx2が短くなる。従って、法線輝度が低下するとともに、拡散角(主ローブの半値幅)も広がる。一般的には、これらの要求性能は、θso=θso,peakとすることにより程良くバランスする。
【0052】
続いて、サイドローブ光が出射しない、又は、より低減されるプリズム形状を求める。図7又は図15の曲線Aから明らかであるように、特に頂角θaが90°の三角柱プリズムにおいてサイドローブ光の強度が大きい。このサイドローブ光の強度は、頂角を次第に増大させると、一定の角度において急激に低下する。以下、この点について説明する。
【0053】
図26は、空気の屈折率n0=1、プリズムの屈折率n1=1.5のときに、頂角θa=90°のプリズムにおいて、強度がピークになるサイドローブ光R1,peak、すなわち、底面f3に入射角45.7°で入射する光線が、頂角θaの増加とともにその経路をどのように変化させるかを示した図である。図26から、頂角θaが90°から漸次増大すると、サイドローブ光の出射方向が次第に水平方向に傾いていくことが分かる。これは、図7において、R1,min〜R1,maxの出射光線が次第に反時計回りに回転していくことに相当している。図26(B)に示すように、頂角θaの増大の結果、出射光は隣接するプリズム(図中、左隣りのプリズム)の斜面に当たり、一部は反射され、光放出面の法線n近傍の出力光線R1R,peakになる。また、残りの出射光は、透過、屈折して導光板又は光源側にフィードバックされる光線R1t,peakとなり、再利用される。このように、θaの増大に伴い、サイドローブ光は次第に減少する。また、さらにθaを増大させると、サイドローブ光は、図3において示したようにプリズム斜面において全反射し、導光板側にその全てがフィードバックされるために、完全に消失する。
【0054】
次に、以上の過程を光線を追跡しながら説明する。図7において容易に分かるいうに、頂角θaを90°から増大させると、サイドローブ光R1,min〜R1,maxのうち、最も出射角の大きいR1,maxが、最初に隣接するプリズムの斜面に接するようになる。そこで、以下にサイドローブ光R1,maxに基づいて説明を進める。
図24は、頂角θa=90°+αである三角柱プリズムにおけるサイドローブ光の経路を示した図である。ここでαは、0°<α<90°の関係を満たしており、θa=90°+αとしたときに、図中の三角柱プリズムにおいて左斜面f1から出射したサイドローブ光R1,max(図中、点Dから点Eに向かう光線)が底面f3(図中、辺JI)と平行となる角度である。このような角度関係が満たされれば、図26からも分かるように隣接する単位プリズムの間の距離、または、R1,maxの出射点の位置の如何によらずサイドローブ光R1,maxは、必ず隣接する(左隣)のプリズム斜面に当たる。
【0055】
また、頂角θaが90°+αとなるのにともない、底面f3と、斜面f1又はf2とのなす角θbは、45°−(α/2)となる。これは、三角形の内角の和が180°であること、二等辺三角形の両底角は相等しいこと、及び、底辺が(α/2)減少したぶん斜面f2及びその法線が反時計回りに(α/2)回転することに注目すれば初等幾何学的に容易に求められる。その結果、左斜面f1のD点におけるサイドローブ光R1,maxの入射角θsi,maxは、図24の三角形KDCの内角の和が180°であることから、
また、右斜面f2での全反射角θR,maxは、式(12)より、
となる。
【0056】
サイドローブ光R1,maxの斜面f1における出射角θso,maxとθR,maxは、点
Dにおいて屈折の法則により、以下のように関連づけられる。
従って、
となる。出射光線の方向(D→E)が底面f3と平行であるということは、サイドローブ光R1,maxが底面f3の法線(面光源出光面の法線)nと直交することを意味するから、図24より、
となる。従って、式(21e)及び(21f)より、
【0057】
式(21g)において両辺の正弦をとると、
を得る。
【0058】
ここで、θa=90°+αは三角形の頂角であり、0°<θa<180°であるから、
0°< α < 90°
∴ 45°< (α/2) + 45°< 90°
∴ 1/√2 < sin((α/2) + 45°) < 1 (21i)
となり、(21h)式の右辺は、
(1/√2)(n0/n1) < (n0/n1)sin(45°+ α/2) < n0/n1 ・・・・・(21j)
となる。
【0059】
従って、式(21h)及び(21j)より、
(n0/n1) > sin(90°ー θR,max + (3/2)α) > (1/√2)(n0/n1)・・・(21k)
となる(なお、式(21k)の不等号は、式(21j)における不等号とその向きを逆としている)。これに、式(21c)のθR,maxを代入すると、
(n0/n1) > sin((6/10)θc + (9/10)α) > (1/√2)(n0/n1)・・・(21m)
となる。
【0060】
一方、式(21m)の正弦の中の角度は、元来図24の斜面f2の点Dにおける入射角θSi,maxであること、すなわち、
であることを考慮すれば、
0°< (6/10)θc+(9/10)α < 90° (21p)
となる。この区間において、逆正弦関数の主値は、1価の単調増加関数であることから式(21m)の逆正弦をとっても同じ不等号が成立し、
θc > (6/10)θc + (9/10)α > sin−1((1/√2)(n0/n1))・・・(21q)
となる。ただし、臨界角の定義より、sin−1(n0/n1)=θcとしている。式(21q)をαについて解くと、
となり、図24のような関係が成立するために頂角θa,maxは、
θa,max = 90°+ α
という条件を満たさなければならないことが分かる。
【0061】
頂角θaがさらに増加すると、順次サイドローブ光R1,peak、R1,minが底辺f3と平行になり、サイドローブ光では無くなる。式(11)、(10)のθR,peak、θR,minを用いて上記と同様の計算を行うと、θa,peak、θa,minのそれぞれについて、
を得る。なお、ここでは、式(10)、(11)において、90°を90°+αとして計算を行っている。
【0062】
以上の結果をまとめると、頂角θa=90°のときは、プリズムの左斜面f1から出射角θso,min≦θ≦θso,maxの範囲でサイドローブ光R1,min〜R1,peak〜R1,maxが全てそのまま出射される(図7)。頂角θaを増加させると、出射サイドローブ光は、次第に反時計回りに傾き、はじめに左斜面の下方から出る光線が図26(B)に示されるように隣接プリズムで偏向され始める。ただし、大部分の光は、そのまま出射する。頂角をθa,maxまで変化させると、まずサイドローブ光のうち最大出射角のR1,maxが図24に示すように斜面f1から出射した後にプリズム底面f3と平行になり、そして、図26(c)に示すように、出射光線が左斜面f1における出射位置によらず隣接するプリズム斜面で反射及び透過して向きを変えサイドローブ光でなくなる。
【0063】
さらに、θaが増加して、θa,peakに達すると、ピーク強度を与えるサイドローブ光R1,peakも左斜面f1より出射した後に、底面f3に平行となりサイドローブ光で無くなる。
最後に、θaがθa,minに達すると、最小出射角のサイドローブ光R1,minも同様にサイドローブ光でなくなり、全てのサイドローブ光R1,min〜R1,maxは、法線方向近傍に出射する反射光R1Rと導光板(光源)側へフィードバックされる光線R1tとに変換される。
【0064】
θaをθa,minからなおいっそう増加させると、出射角の大きいサイドローブ光から順次左斜面f2で全反射するようになる。そして、
となると、全サイドローブ光は、左斜面f2において全反射され、底面f3から導光板側へ戻る。図3は、n0=1.0、n1=1.5のとき式(21v)を満たす三角柱プリズムの例であり、頂角θa=140°である。
【0065】
次に、式(21v)の導出方法について説明する。
図10は、頂角がθaである三角柱プリズムの主切断面を示した図である。図中、光線R5は、光路C→D(全反射)→Eに沿ってプリズム内を進行し、斜面f1よりF方向へ出射角θsoで出射する光線である。
【0066】
光線R5が斜面f1及び斜面f2にそれぞれ入射するときの角度をθsi及びθR1、また、点Cから点Dに進行する光線が底面f3となす角度をθR2とすると、
なる関係が成り立つ。ここで、
が満たされれば、斜面f1から出射し得る光線R5は、底面f3から入射する光線ではなく、斜面f2よりプリズム内に入射し、点Cにおいて全反射をする光線である。
【0067】
逆に、
であれば、光線R5は、底面f3よりプリズム内に入射した光線である。既に説明したように、斜面f2よりプリズム内に入射する光線は、極く僅かである。従って、式(22)及び(25)を同時に満たすように、頂角θaを定めることにより、底面f3よりプリズムに入射し、その後にサイドローブ光となる光線の存在を防止することが可能となる。このような条件を満たすθaは、式(22)〜(25)より、次式のように与えられる。
【0068】
すなわち、頂角θaが式(21u)のθa,minからさらに増加して、式(27)をも満たすようになると、サイドローブ光の出射が抑制されることは依然として同じであるが、抑制されたサイドローブ光は、全て斜面f1、f2において全反射され、導光板あるいは光源側にフィードバックされ、出力光として利用されなくなる。そのために、出力光の輝度(特に、光放出面の法線方向nの輝度)は低下する。その代わり、頂角が広くなった分だけ出力光の視野角(半値角)は広がり、また、導光板にフィードバックされた光は導光板内部を伝搬し、一部は再出力される。この結果、輝度の面分布はより均一となる。
【0069】
故に、特に高い法線輝度と少ないサイドローブを求める場合は、
また、出力光の視野角の広さ、及び、法線輝度の高さよりもサイドローブ光の除去と光放出面内の輝度分布の均一化を求める場合は、
とすると良い。
【0070】
図17は、代表的な材料について、屈折率、臨界角、90°頂角の場合における最大出射角θmax、強度がピークの方向θpeak、及び、最小出射角θminのサイドローブを生じる各々の光線に対してこれを隣接斜面反射により抑止する緩斜面頂角θa,max、θa,peak、θa,max及び両斜面f1、f2においてサイドローブ原因光が全反射されて出射を抑制する緩斜面頂角θRefを列挙した図である。ただし、空気の屈折率を1.00として計算を行っている。
【0071】
図11は、以上の説明に基づいて得られた五角柱プリズムの主切断面を示した図である。
プリズム上部の緩斜面f4、f5は、頂角がθa’(θa’>θa,max)である二等辺三角形a’b’c’の斜辺の一部である。プリズム下部の急斜面f1、f2は、頂角がθa(θa≦θa,max)である二等辺三角形abcの斜辺の一部である。θa<θa,maxとしたのは、θa≧θa,maxとすると、サイドローブ光は減少するものの、プリズムを透過する光線(図2のR2、R3等)の屈折、収束が不十分となり、出射光の法線輝度の低下、拡散角の増大など、好ましくない結果を招くからである。
また、急斜面と緩斜面の長さの比は、後述の式(36)を満たしている。なお、上記2つの斜面は、点Pc1、Pc2において階段状の段差を生じないように接続してある。
【0072】
図11に示すプリズムにおいて、底面f3よりプリズムに入射した光線のうち、急斜面f1、f2を透過するものは、光放出面の法線方向へ効率よく収束するために、法線輝度は、向上する。また、例えば、緩斜面f5において全反射し、緩斜面f4へ進行する光線は、緩斜面f4を出射した後に左隣のプリズム斜面(f5)で一部反射して出光面の法線方向に進行し、残りは屈折して、底面f3へフィードバックされるために、サイドローブ光の発生原因となることがない。このように、図11に示す五角柱プリズムは、低サイドローブ特性と高法線輝度特性の両特性を合わせ持つプリズムである。
【0073】
しかしながら、図11に示すプリズムでは、図中の光線R6のように、底面f3からプリズム内に入射した後に、急斜面f2上の点Cにおいて全反射し、緩斜面f4を透過してサイドローブ光となる光線が存在し得る。
つまり、光線R6は、点Cにおいて大きな角度で全反射した場合に、緩斜面上の点Dに小さい入射角で到達する。ここで、頂角θa’が十分に大きく取られておらず、斜面f4の傾斜が急であれば、点Dへの光線R6の入射角θsiは、臨界角θc未満となり、光線R6は、斜面f4を透過する。実際に計算すると、例えば、点Bにおける光線R6の入射角θin=48.9°、緩斜面の頂角θa’=120°と仮定した場合に、入射角θsiは31°となり、光線R6は、射角θso=50°で出射する。この出射光路R6は、左上方へ進行するものであり、すでに議論したように、その大部分は、左隣りのプリズムで反射することなく、そのままサイドローブ光となる。
【0074】
このようなサイドローブ光は、以下のようにして求められる条件により防ぐことが可能である。すなわち、図11に示した経路によりプリズムに入射する光線を全て急斜面f4、f5において全反射させ、底面f3へフィードバックするようにすればよいのである。
図12は、頂角がθa(<θa,max)である二等辺三角柱プリズムの主切断面
ABCを示した図である。図中、光線R7は、右斜面f2において全反射した後に、左斜面f1上の点Eに入射角θsi(<θc)で到達し、サイドローブ光としてプリズムから出射する光線である。
【0075】
ここで、斜面f1を点Eを中心に時計方向へ角度Δθだけ回転させると考える。これは、斜面f1の傾斜をΔθだけ減少させることに相当する。逆にθsiは、Δθだけ増大する。Δθが、θsi+Δθ≧θc、すなわち、
であれば、θsiは、臨界角θcより大きくなる。その結果、光線R7は、斜面f1において全反射し、サイドローブ光となることを防ぐことが可能となる。
【0076】
図13は、上述の考察をもとに形状を決定した五角柱プリズムの主切断面を示した図である。五角形A’Pc1BCPc2は、頂角θaの三角形ABCにおいて、右斜辺CA(左斜辺AB)の一部分である辺Pc2A(辺Pc1A)を半時時計回り(時計回り)に式(28)を満たす角度Δθだけ回転させ、2辺Pc1A、Pc2Aが交わる点を新たに点A’としたものである。従って、五角形A’Pc1BCPc2において、面Pc2A’(f5)及びPc1A’(f4)は、緩斜面であり、面CPc2(f2)及びPc1B(f1)は、急斜面である。
【0077】
ここで、角ABCの角度(底角)をθbとすると、頂角θa’とθbの関係は
、二等辺三角形の両底辺が等しいことを考慮すると、
となる。従って、
である。さらに、式(13)と式(28)より、
が導かれる。θsoは、Θso,min〜Θso,maxと式(13a)の関係にあることから、出射するサイドローブ光の出射角がθso,min〜θso,maxの範囲を有することを考慮すると、Θso,min−θb≦θso≦Θso,max−θbとなるから、図13に示す
五角柱プリズムは、
より好ましくは、
なる条件を満たすことにより、底面f3より入射し、図13の経路を進行する光線がサイドローブ光となることを防止するようになる。しかしながら、θa’が大きすぎると、視野角が不必要に拡がり、法線輝度が低下して好ましくない。従って、
とすることが好ましい。図17に、θa,perfectの例を示す。ただし、急斜面の頂角は、θa=90°、屈折率は、n0=1、n1=1.5とする。
【0078】
次に、上述のような五角柱プリズムにおける緩斜面の長さx1’と急斜面の長さx2の比を求める。
図14は、五角柱プリズムの主切断面を示した図である。主切断面ABPc1
C’Pc2は、頂角θaの二等辺三角形ABCの臨界点Pc1、Pc2よりも上部を頂角
θa’(θa’>θa)の二等辺三角形Pc1C’Pc2に置き換えた形状を有している。図中のPc1C(Pc2C)は、式(19a)中のx1に相当する。また、Pc1C’(Pc2C’)=x1’とする。
【0079】
図から明らかなように、
Pc1C’’= Pc2C’’= x1sin(θa/2) (33)
であり、また同時に、
Pc1C’’= Pc2C’’= x1’sin(θa’/2) (34)
である。従って、式(33)及び式(34)より
x1’= (sin(θa/2)/sin(θa’/2))・x1 (35)
となる。
【0080】
ここで、式(19a)と式(35)を比較すると、次式を得ることができる。
ただし、
k0 = k1/k2
k1 = sin(90°− sin−1((n0/n1)sinθso))
k2 = sin(90°+ sin−1((n0/n1)sinθso) − θa)
e = sin(θa/2)/sin(θa’/2)
式(31)のときと同様に、θsoは、(Θso,min−θb)〜(Θso,max−θb)
の範囲を有することを考慮すれば、
ただし、
c0 = c1/c2
d0 = d1/d2
c1 = sin(90°− sin−1((n0/n1)sin(Θso,min ー θb)))
c2 = sin(90°+ sin−1((n0/n1)sin(Θso,min ー θb)) − θa)
d1 = sin(90°− sin−1((n0/n1)sin(Θso,max ー θb)))
d2 = sin(90°+ sin−1((n0/n1)sin(Θso,max ー θb)) − θa)
e = sin(θa/2)/sin(θa’/2)
を得る。
【0081】
図18は、急斜面の頂角θa=90°、臨界角θc=41.8°(プリズムの
屈折率n0=1.5、空気の屈折率n1=1.0)、である場合について、緩斜面の頂角θa’及び緩斜面と急斜面の長さの比x1’/x2を算出した結果を示している。なお、除去すべきサイドローブ光の出射角は、それぞれ、出光面法線nから測ってΘso,max=84.7°、Θso,peak=70.7°、Θso,min=57.7°としてある。
【0082】
最後に、頂角θaと臨界角θcの関係が、θa≦2θcのである場合について
、本発明に係る単位五角形プリズムの形状が満たすべき条件について、図6を用いて説明する。この場合は、点Dにおける光線の入射角θsiは、点Cにおける光線の入射角θRが僅かにθcを超過した時点で、臨界角未満になる。従って、θ
R=θcとなる光線R12を用いて図8及び図9において説明した計算を行い、
臨界点Pcを求める。その他の計算等は、上述したのと同様に行う。
【0083】
【実施例】
(レンズシートの実施例)
以下、図面などを参照しながら、実施例をあげて、さらに詳しく説明する。
図19は、本発明によるレンズシートの実施例を、比較例とともに示した図である。なお、図19(A)、(B)、(C)、(D)の配置は、図2、図3、図4及び図5に対応する。
また、これらのレンズシートは、いずれも厚さ50μmの透明な2軸延伸PET(ポリエチレンテレフタレート)シートの表面に、紫外線で架橋硬化させた屈折率1.50のウレタンアクリレート樹脂を用いて成形されたものである。
【0084】
比較例1
図19(A)に示すように、頂角90°の3角形プリズム線型配列レンズシート105を、後述するバックライト上に積層したもの。プリズムの繰り返し周期は50μm、主断面内で頂角を挟む2辺の長さは各々36μmである。
【0085】
比較例2
図19(B)に示すように、頂角108°(θa,min<θa<θa,Ref)の3
角形プリズム線型配列レンズシート106を、後述するバックライト上に積層したもの。プリズムの繰り返し周期は50μm、主断面内で頂角を挟む2辺の長さは各々27μmである。
【0086】
実施例
図19(C)に示すように、基部側の辺が頂角90°、頂部側の辺が頂角108°の5角形プリズム線型配列のレンズシート1を、後述するバックライト上に、単位五角形プリズムが観察側に向くように積層したもの。プリズムの繰り返し周期は50μm、主断面内における急斜面の辺長(図1のL1)は18μm、緩斜面の辺長(図1のL2)は16μmである。
【0087】
比較例3
図19(D)に示すように、基部側の辺が頂角90°、頂部側の辺が頂角108°の実施例と同様の5角形プリズム線型配列レンズシート1Bを、後述するバックライト上に、単位五角形プリズムが光源側に向くように積層したもの。
【0088】
バックライトは、9.4インチの画面で、厚さ4mmの導光板101であって、表面にサンドブラストPETシートからなる光等方性拡散層102、裏面に白色インキ印刷による散点パターン状の光拡散反射層103を形成したもの用いて、長辺2灯式の約φ3cmの冷陰極管(消費電力4ワット)からなる光源104を使用した。
この輝度測定は、レンズシート105,106,1,1Bの裏面にバックライトをおき、各レンズシートの正面から30cmの位置に輝度計〔トプコンBM−8(2°)〕を用いて行なった。なお、バックライトの導光板上に何も載せない場合及び導光板上に光等方性拡散層のみを載せた場合の法線輝度は、各々770〔cd/cm2〕、968〔cd/cm2〕であった。
【0089】
図15,図16は、上記実施例及び比較例1〜比較例3のレンズシートの輝度測定を行なった結果を示す線図である。
比較例1は、図15の(A)に示すように、法線輝度が高いがサイドローブが大きく発生していた。法線輝度の値は1244〔cd/cm2〕、半値角は66°であり、サイドローブ/主ローブ(法線輝度)の輝度比は0.23であった。
比較例2は、図15の(B)に示すように、サイドローブが殆どなくなっていたが、法線輝度は1045〔cd/cm2〕と比較例1と比べ16%程度低下していた。半値角は74°であり、比較例1と比べ視野角が広がったが、サイドローブは、サイドローブ/主ローブの輝度比=0.00(図15のグラフからの読み取り値)と大幅に低下した。
実施例は、図15の(C)に示すように、法線輝度が1145〔cd/cm2〕、半値角が70°、サイドローブ/主ローブの輝度比が0.14であり、法線
輝度の低下は少なく、視野角も広く、しかも、サイドローブも小さかった。
比較例3は、図16に示すように、法線輝度が435〔cd/cm2〕と低く、しかも、サイドローブ/主ローブの輝度比=1.34と主ローブよりも大きなサイドローブが発生していた。また、半値角も125°と大きく(ただし、サイドローブピーク輝度の1/2以上を有する角度範囲として評価)、実用上不要な角度範囲にまで光を放射している。
【0090】
(エッジライト型の面光源の実施例)
図20は、本発明による面光源の第1実施例(エッジライト型)を示す斜視図である。第1実施例の面光源は、エッジライト型のバックライト40の導光板41の上面に、光等方拡散性層20及び本発明のレンズシート1が配置されている。このバックライト40は、導光板41の下面に、散点パターンの光拡散反射層42が形成されており、導光板41の側端面の両側には、それぞれ線光源43,反射膜44,照明カバー45が設けられている。エッジライト型の面光源は、薄型で光放出面が発熱しにくい利点がある。
【0091】
(直下型の面光源の実施例)
図21は、本発明による面光源の第2実施例(直下型)を示した断面図である。第2実施例の面光源は、ケース31内に、蛍光灯などの線光源32が設けられた直下型のバックライト30の開口側に、光等方拡散性層20及び本発明のレンズシート1を配置したものである。また、ケース31の光源側内面は、光拡散反射面に加工されている。
【0092】
(表示装置の実施例)
図20,図21に示した面光源は、公知の透過型の液晶表示素子の背面に配置することによって、液晶表示装置として使用することができる。また、透過型の液晶表示素子の他に、エレクトロクロミック表示素子などの背面光源を必要とする素子に適用することができる。
【0093】
(レンズシートの他の実施例)
図22は、本発明によるレンズシートの他の実施例を示した図である。
図19(C)の実施例では、5角柱プリズムの単位五角形プリズム10を1次元的に配置した例で説明したが、図22に示すように、緩斜面の4角錐台の上に、急斜面の4角錐が連設された単位五角形プリズム10’を2次元的に配置したものであっても、同様の効果が得られる。
【0094】
また、前記各実施例では、斜面の左右の長さが等しい例で説明したが、ラップトップ形のパソコンの表示装置に使用するような場合には、単位五角形プリズムが特定の方向に傾いていてもよい。即ち、両底角が等しくない左右非対称な形状でもよい。さらに、必要に応じ、特開平6−324205号公報等に開示されているような高さが光りの波長以上の微小突起部からなる微小凹凸を形成し、導光板との光学密着を防止することもできる。
【0095】
【発明の効果】
以上詳しく説明したように、本発明によれば、単位五角形プリズムが出光側に凸状に形成されており、1方向又は直交する2方向の断面形状が5角形であるので、基部側のレンズの急斜面によって、光放出面の法線方向の輝度を高めて、視野角を規制し、頂部側のレンズの緩斜面によって、サイドローブの発生を抑制し、高法線輝度を実現できるので、法線近傍の所定角度に集光した明るい面発光が可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるレンズシートの単位五角形プリズムを作用を説明する模式図。
【図2】三角形プリズム線形配列レンズシート(頂角90°)の単位レンズ部内に入射した光線を示した図。
【図3】三角形プリズム線形配列レンズシート(頂角140°)の単位レンズ部内に入射した光線を示した図。
【図4】本発明による五角形プリズム線形配列レンズシートの単位レンズ部内に入射した光線を示した図。
【図5】五角形プリズム線形配列レンズシートのレンズ部を入光側に向けて配置した場合の光線を示した図。
【図6】頂角θaの三角柱プリズムにおいて、サイドローブ光の発生原因について説明した図。
【図7】頂角θaの三角柱プリズムにおいて、最小角方向、ピーク方向、最大角方向のサイドローブ光の軌跡を示した図。
【図8】頂角θaの三角柱プリズムにおいて、光線が入射する領域とサイドローブ光を放出する領域の関係を示した図。
【図9】頂角θaの三角柱プリズムにおいて、サイドローブ光を放出する領域の長さx1と、放出しない領域の長さx2の関係を示した図。
【図10】頂角θaの三角柱プリズムにおいて、底面f3より入射し、斜面f1より出射角θsoで出射するサイドローブ光の軌跡を示した図。
【図11】式(19a)及び(27)を満たす五角柱プリズムにおいて、サイドローブ光となる光線の軌跡を示した図。
【図12】頂角θaの三角柱プリズムにおいて、斜面f2において全反射し、斜面f1に到達した光線の斜面f1への入射角θsiと斜面f1の傾きの関係を示した図。
【図13】式(31)を満たす五角柱プリズムの主切断面形状を説明した図。
【図14】主切断面は、頂角θaの二等辺三角形ABCの臨界点Pc1、Pc2よりも上部を頂角θa’(θa’>θa)の二等辺三角形Pc1C’Pc2に置き換えた形状を有している五角柱プリズムの主切断面を示した図。
【図15】比較例1(A)、比較例2(B)及び実施例(C)のレンズシートの輝度測定を行なった結果を示す線図である。
【図16】比較例3のレンズシートの輝度測定を行なった結果を示す線図である。
【図17】代表的な材料について、屈折率、臨界角、90°頂角の場合における最大出射角θmax、強度がピークの方向θpeak、及び、最小出射角θminのサイドローブを生じる各々の光線に対してこれを隣接斜面反射により抑止する緩斜面頂角θa,max、θa,peak、θa,max及び両斜面f1、f2においてサイドローブ原因光が全反射されて出射を抑制する緩斜面頂角θRefを列挙した図である。
【図18】急斜面の頂角θa=90°、臨界角θc=41.8°(プリズムの屈折率n0=1.5、空気の屈折率n1=1.0)、である場合について、緩斜面の頂角θa’及び緩斜面と急斜面の長さの比x1’/x2を算出した結果を示した図である。
【図19】本発明によるレンズシートを設置したエッジライト型面光源の実施例を、比較例とともに示した図である。
【図20】本発明による面光源の第1実施例(エッジライト型)を示す斜視図である。
【図21】本発明による面光源の第2実施例(直下型)を示した断面図である。
【図22】本発明によるレンズシートの他の実施例を示した図である。
【図23】エッジライト型の面光源の従来例を示す図である。
【図24】頂角θa=90°+αである三角柱プリズムにおけるサイドローブ光の経路を示した図である。
【図25】頂角θa=90°+αである三角柱プリズムにおけるサイドローブ光の経路を示した図24とは異なる図である。
【図26】空気の屈折率n0=1、プリズムの屈折率n1=1.5のときに、三角柱プリズムの頂角と強度がピークになるサイドローブ光R1,peakの経路との関係を示した図である。
【符号の説明】
1、1’、1B レンズシート
10、10’ 単位五角形プリズム
31 ケース
32、43 線光源
40 バックライト
41、101 導光板
42、103 光拡散反射層
44 反射膜
45 照明カバー
102 光等方拡散層
105、106 レンズシート[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to a lens sheet in which a unit lens unit is arranged so as to be convex on the light output side, a surface light source using the lens sheet, and a transmission type display device using the surface light source as a backlight. .
[0002]
[Prior art]
As a liquid crystal display device, a device using a direct-type or edge-light type diffusion surface light source is known (JP-A-5-173134, JP-A-2-257188, JP-A-4-107201, JP-A-6-18707). No. JP-A-6-67178).
[0003]
FIG. 23 is a diagram showing a conventional example of an edge light type surface light source.
The
The surface light source 100B has a specification disclosed in JP-A-6-18707, JP-A-6-67178, etc., and has a vertex angle α of 110 degrees instead of the
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In the former
[0005]
As shown by the curve (B) in FIG. 15, the latter surface light source 100B has no or small side lobes, but has a normal luminance (meaning luminance in the normal direction of the light emitting surface, the same applies hereinafter) of 25%. However, there is a problem that it is reduced to the extent.
[0006]
An object of the present invention is to provide a lens sheet, a surface light source, and a display device that can eliminate unnecessary light in oblique directions without lowering normal luminance.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problem, the invention of
θa<90 ° + (10/9) sin-1((1 / √2) (n0 / n1))-(6/9) sin-1(N0 / n1)
And,
θa′ ≧ θa
It is characterized by being.
[0008]
According to a second aspect of the present invention, in the lens sheet according to the first aspect, the apex angle θa’Range is
θa′ ≧ 60 ° + (4/3) sin-1(N0 / n1)
It is characterized by being.
[0009]
The invention according to
θa<90 ° + (10/9) sin-1((1 / √2) (n0 / n1))-(6/9) sin-1(N0 / n1)
And,
θa+ 2 sin-1(N0 / n1)-EQ1 ≥ θa′ ≧ θa+ 2 sin-1(N0 / n1)-EQ2
However,
EQ1 = 2sin-1((N0 / n1) sin (Θso, min − Θb))
EQ2 = 2sin-1((N0 / n1) sin (Θso, max − Θb))
It is characterized by being.
[0010]
According to a fourth aspect of the present invention, in the lens sheet according to the first or second aspect, the maximum emission angle of the side lobe light emitted from the two steep slopes of the unit pentagonal prism including the steep slope measured from the normal line of the bottom surface of the prism. Θso, max, Minimum emission angle Θso, min, The base angle of the steep prismbAnd the length x1 'of the gentle slope and the length x2 of the steep slope are
e / (c0-1) ≤x1 '/ x2≤e / (d0-1)
However,
c0 = c1 / c2
d0 = d1 / d2
c1 = sin (90 ° −sin-1((N0 / n1) sin (Θso, min − Θb)))
c2 = sin (90 ° + sin-1((N0 / n1) sin (Θso, min − Θb)) − Θa)
d1 = sin (90 ° −sin-1((N0 / n1) sin (Θso, max − Θb)))
d2 = sin (90 ° + sin-1((N0 / n1) sin (Θso, max − Θb)) − Θa)
e = sin (θa/ 2) / sin (θa'/ 2)
It is characterized by having the following relationship.
[0011]
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a light guide comprising a light-transmitting flat plate or a rectangular parallelepiped cavity, a light reflection layer provided at least partially on a back surface of the light guide, and at least one of side end faces of the light guide. 5. The lens sheet according to
[0012]
The invention according to
[0013]
A seventh aspect of the present invention is characterized by including a transmission type display element and the surface light source according to the fifth or sixth aspect provided on the back surface of the display element.
[0014]
[Action]
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating the operation of a unit pentagonal prism of a lens sheet according to the present invention.
In the
[0015]
The unit
[0016]
Hereinafter, in order to show the operation of the lens sheet according to the present invention, first, the behavior of an incident light beam in a unit triangular prism having apical angles of 90 ° and 140 ° will be described. Next, the behavior of the incident light beam in the unit pentagonal prism according to the present invention will be described, and it will be described that the unit pentagonal prism having an appropriate shape achieves the improvement of luminance and the prevention of generation of side lobe light. Furthermore, in order to exhibit such a function, the conditions that the unit pentagonal prism must satisfy (the angle θ in FIG. 1).a’And θaThe procedure to derive the conditions that should be satisfied and the ratio of the length of the steep slope to the gentle slope) will be described.
[0017]
FIG. 2 shows the structure of a unit prism of an isosceles triangular prism linear array lens sheet having an apex angle of 90 °, and light rays incident on the unit prism when the lens sheet is arranged on a light guide plate of an edge light type surface light source. FIG.
[0018]
For simplicity, the trajectory of the light ray is calculated and obtained under the following assumptions.
1) The refractive index of air was n0 = 1.0, and the refractive index of the prism was n1 = 1.5.
2) The angle of incidence of the light ray R1 on the bottom surface of the prism was 45.7 ° counterclockwise.
3) The incident angles of the light rays R2 and R3 on the bottom surface of the prism were both 22.8 ° clockwise or counterclockwise.
4) One unit prism was taken out of the linear array lens sheet and simulated.
5) Considering the main cut surface of the columnar prism, it was assumed that the incident light was within the main cut surface.
6) The behavior of the light beam was examined with the prism bottom surface as the diffused light incident direction (downward in the figure).
[0019]
Also, on each outer peripheral surface of the unit prism, the trajectory of the light beam reflected or refracted is
(A) the law of reflection (θ = θ ′ when the incident angle θ and the reflection angle θ ′),
(B) The law of refraction (the refractive index n1 in the
Determined based on
[0020]
In FIG. 2, as light rays to be traced, R1, R2, and R3, which are three typical light rays among the reflected light rays having an angular distribution, which are reflected by the light diffusion / reflection layer on the back surface of the light guide plate and enter the prism, are used. I have chosen. Among them, the light ray R2 represents, among the diffused light rays that enter the prism, those that enter from the left, are deflected in the normal direction of the light emitting surface, and emit. The light ray R3 is representative of the diffuse light rays that enter the prism and that are incident from the right, deflected in the normal direction of the light emitting surface, and emitted.
[0021]
The light ray R1 is a light ray that causes side lobe light. Particularly, in the case of a lens sheet having a remarkable apex angle of 90 ° of side lobe light, the main factor of the side lobe is that the light enters the inclined surface of the unit prism at an angle larger than the critical angle, is totally reflected, and is horizontally reflected. Is a light beam that is deflected in the horizontal direction and is further deflected in the horizontal direction by the opposite slope. Ray R1 is representative of such a ray. The light ray R1 should be selected one by one for each of the right and left. However, the unit prism is symmetrical to the left and right, and in order to avoid complicating the drawing, only one light ray R1 is represented from the right.
[0022]
As can be seen in FIG.2→ H2→ I2Follow along. So
As a result, when the light beam R2 exits the unit prism, it is deflected in a direction close to the normal line n of the light emitting surface (the angle between the light line R2 and the normal line n is 3.8 ° counterclockwise), It can be seen that this contributes to increasing the normal luminance of the sheet. Similarly, the ray R3 is also deflected in the process of passing through the unit prism in a direction close to the normal to the light emitting surface (the angle formed with the normal n is 3.8 ° clockwise), and the normal to the lens sheet. This contributes to an increase in luminance.
[0023]
On the other hand, the ray R1 is A2→ B2Through the prism, and C on the right slope f22At the point, the incident angle of 73.5 ° is more than the critical angle of 41.8 °, so that the light is totally reflected. As a result, it is deflected to near the horizontal in the left direction, and the point D on the left slope f1 is2Reach Then, when it comes out into the air, it is further deflected horizontally and E2Leads to.
At this time, the angle between the light ray R1 (emitted light) and the normal line n of the light emission surface of the surface light source is 70.7 °, and the light ray R1 has a viewing angle (light emission angle) used in a normal display device. It can be seen that it deviates from the normal of the surface by about ± 45 ° at the maximum) and becomes side lobe light. Here, the emission direction of the light ray R1 will be compared with the emission direction of the actually measured side lobe light.
[0024]
FIG. 15 is a diagram showing the results of measuring the luminance of transmitted light as a function of angle in various types of prism linear array sheets. The measurement is performed by placing a light diffusion transmission sheet on the surface of an edge light type surface light source, and placing the above-described triangular prism linear array sheet on the surface so that the prism surface faces outward (opposite to the light guide plate side). ing. In the figure, the curve (A) drawn by a solid line is a measurement result for a triangular prism linear array sheet having a vertex angle of 90 °, and particularly (A-1) shows the luminance of the side lobe light. As can be seen from FIG. 15, the emission angle 70.7 ° of the light ray R1 substantially coincides with the actually measured angle 68 ° between the peak direction of the side lobe light and the normal to the light emitting surface.
[0025]
FIG. 3 shows the structure of a unit prism of a triangular prism linear array lens sheet having an apex angle of 140 ° and the trajectory of light rays entering the unit prism when the lens sheet is arranged on a light guide plate of an edge light type surface light source. FIG.
In FIG. 2, the light beam R1 which has been the side lobe light is changed to a point C on the right slope f2 of the unit prism.1At the point D on the bottom surface f3.1, Point E on left slope f11But total reflection, F1→ G1And return to the bottom side. Therefore, no side lobe light is generated in this unit prism. This agrees with the result of measuring the luminance of the transmitted light of the lens sheet by an experiment (see FIG. 15, broken line (B)). However, in an actual surface light source, there are various types of light rays other than the light rays R1, so that some side lobe light is generated.
[0026]
On the other hand, the light rays R2 and R3 are both deflected in a direction close to the normal line n of the light emitting surface, as in the case of FIG. In addition, since the figure is symmetrical, only the light ray R3 is shown in the figure. The angle formed by the ray R3 and the normal n is 12.5 °, which is slightly larger than 3.8 ° when the apex angle is 90 °. This means that in the unit prism having the apex angle of 140 °, the luminance in the normal direction slightly decreases and the viewing angle increases. This is also consistent with the tendency of the experimental results (see FIG. 15).
[0027]
FIG. 4 shows the structure of the unit prism of the pentagonal prism linear array lens sheet according to the present invention and the trajectory of light rays incident on the unit prism when the lens sheet is arranged on the light guide plate of the edge light type surface light source. FIG.
[0028]
In the illustrated unit pentagonal prism, the steep slopes (f1, f2) below the prism have the same shape as a unit triangular prism having a vertex angle of 90 °. Therefore, ray R1 is A0→ B0And enters the prism through the point C on the slope f2.0And is deflected to near the left horizontal line. Next, the ray R1 is reflected at a point D on the slope f4 above the prism.0To reach. Here, since the slopes f4 and f5 on the upper part of the prism have the same shape as the triangular prism with the apex angle of 140 °, the incident angle of the light ray R1 on the slope f4 is 50 ° larger than the critical angle. For this reason, the ray R1 is0At the point E on the bottom surface f3.0And F0Is fed back to the light guide plate. Therefore, the light ray R1 does not become the side lobe light.
[0029]
The above calculation result also agrees well with the actually measured data (see FIG. 15, data when the apex angle of the gentle slope shown in the curve (C) is 108 °). In the experiment, since various light beams not simulated in FIG. 3 are irradiated from the surface light source to the prism, the side lobe light has not completely disappeared. However, compared to the side lobe light measured in the prism with the 90 ° apex angle, its brightness is greatly reduced. (The side lobe luminance in FIG. 15C is 58% of the side lobe luminance in FIG. 15A.)
[0030]
In FIG. 4, the light beam R1 is totally reflected twice in the prism, and is fed back to the light guide plate via the bottom surface f3. The number of times of total reflection is smaller than that in the case of the unit triangular prism having the apex angle of 140 ° shown in FIG. 3 (three times). Further, the optical path length in which the ray R1 travels in the prism is shorter in the case of FIG. 4 than in the case of FIG. Therefore, in the unit pentagonal prism, the rate of attenuation of the light beam before being fed back to the light guide plate is small, and after being fed back to the light guide plate, the light beam is diffusely reflected on the back surface of the light guide plate and again enters the prism as output light. The proportion is large.
[0031]
In FIG. 4, as a result of refraction in the prism, the light ray R3 is deflected, converged, and emitted 3.8 degrees from the normal line n of the light emitting surface. This is smaller than 12.5 ° shown in FIG. 3, indicating that the pentagonal prism according to the present invention converges output light more densely in the normal direction.
[0032]
The simulations in FIGS. 2 to 4 are all performed in a case where the prism surface faces the light emission surface side (the side opposite to the light guide plate). On the other hand, FIG. 5 is a simulation in a case where the prism surface faces the incident surface side (light guide plate side).
[0033]
In the figure, a ray R1 has an optical path A3→ B3→ C3→ D3→ E3Finally, since the feedback is made to the light guide plate, it does not cause side lobe light.
However, when this light ray is slightly shifted to the left and enters the prism, that is, in the case of the light ray R1 ', the optical path is F3→ G3→ H3→ I3The light exits from the bottom surface f3 of the prism at an angle of 64.0 ° with respect to the normal n of the light emitting surface. Therefore, the light ray R1 'is a cause of the generation of the side lobe light.
Further, the ray R2 and the ray R2 'which is slightly shifted to the right and enter the prism are emitted from the bottom surface f3 at angles of 35.5 ° and 49.4 ° with the normal line n of the light emitting surface. Although the illustration corresponding to the ray R3 is omitted, it shows the same behavior as the ray R2.
[0034]
As described above, when the pentagonal prism according to the present invention is used with the prism surface directed toward the light guide plate, the normal luminance is reduced as compared with the case where the prism surface is directed toward the light emission direction, and the side lobe is reduced. Light is generated. Note that the same tendency is obtained in the actually measured data (see FIG. 16).
[0035]
From the above simulations, in the case of the edge light type surface light source using the light guide plate, the pentagonal prism linear array lens sheet according to the present invention can turn the prism surface toward the light emitting surface side (the opposite side to the light guide plate). It can be seen that this is preferable for increasing the normal luminance.
Further, even in the case of a direct type surface light source, in the case where the diffused light is incident on the prism through the light transmitting diffusion sheet, the prism surface is changed to the light emitting surface by the same operation mechanism as in FIGS. It turns out that it is preferable to face the side (the side opposite to the light guide plate) in order to increase the normal luminance and reduce the side lobe to obtain a necessary and sufficient viewing angle.
[0036]
Next, generation of side lobe light will be considered in more detail with reference to FIG. FIG. 6 shows a main cut surface (a unit prism represented by an isosceles triangle PQJ) of an isosceles triangular prism having an apex angle of θa. In the following, unless otherwise specified, the apex angle θaAnd the critical angle θ at the prism / air interfacecIs
θa> 2θc (1)
Have the following relationship. However,
θc= Sin-1(N0 / n1) (2)
It is.
[0037]
The rays R11, R12, and R13 are rays that enter the prism from the bottom surface f3 and are totally reflected at a point C on the right slope f2. Note that the angle of incidence with respect to the slope f2 is the critical angle θcSince the smaller light rays are refracted in the direction of the normal line n of the light emitting surface and pass through the slope f2 and do not contribute to the side lobe light, the description is omitted.
[0038]
Ray R11 is incident angle θ at point C.c11Is the critical angle θcAfter being totally reflected at the point C, the incident angle θ is changed to a point D on the slope f1.d11Has reached. Here, from the condition of equation (1),
θd11= Θa− Θc11> Θc (3)
It is. Therefore, the light ray R11 is also totally reflected at the point D. Thereafter, since the light ray R11 is fed back from the bottom surface f3 to the light guide plate side, the light ray R11 does not become side lobe light.
[0039]
On the other hand, the ray R12 has an incident angle θ at the point C.c12But,
θc12= Θa− Θc (4)
Is a ray of light. The ray R12 enters the slope f1 at the point I after being totally reflected at the point C. The incident angle θ at this timed12Is
θd12= Θa− Θc12= Θc (5)
It is. Therefore, after reaching the point I, the ray R12 travels along the slope f1 to the point J and is fed back to the bottom side (light guide plate) from the point J, so that the ray R12 does not become a sidelobe light like the ray R11.
[0040]
Ray R13 has an incident angle θ at point Cc13But
θc13> Θa− Θc (6)
Therefore, the incident angle θ at the point M on the slope f1d13Is
θd13<Θc (7)
It is. As a result, the light ray R13 is emitted from the inclined surface f1 at a large angle with respect to the normal line n (an angle close to the left horizontal direction in the figure) and becomes a side lobe light. From this, it is understood that the light beam that is totally reflected at the point C and that passes through the inside of the angle ICQ and reaches the slope f1 is a sidelobe light. here,
Angle ICQ = 90 °-(θa− Θc) (8)
Because
θc13= (Θa− Θc) + K (90 ° − (θa− Θc))
However, 0 <k <1, (9)
Is led.
[0041]
FIG. 7 shows that the same apex angle as in FIG.a3 shows the main cut surface of the triangular prism. Ray R in the figure1, max, R1, peak, R1, minRespectively enter the prism from the bottom surface f3, and the respective incident angles θ on the inclined surface f2.R, max, ΘR, peak, ΘR, minIs a ray totally reflected so as to satisfy the expression (9). In particular,
It is. That is, the reflection angles of these light rays on the inclined surface f2 are angles that divide the angle range in which the side lobe light can be reflected (formula (9)) into 8/10, 6/10, and 4/10, respectively.
[0042]
Thus θR, max, ΘR, peak, ΘR, minDefines that these rays are on the left slope
Value measured from the normal to the bottom surface f3, that is, the normal n of the light emitting surface of the surface light source (sidelobe emission angle) Θso, min, Θso, peak, Θso, maxThe specific value ofaCalculating for the case of = 90 ° yields 57.7 °, 70.7 °, and 84.7 °, respectively.
[0043]
On the other hand, as can be seen from the curve (A) in FIG.a= 90 °, the minimum angle direction of the side lobe light of the isosceles triangular prism is Θso, min= 52 °, the direction in which the light energy is maximum (peak direction) is Θso, peak= 68 ° and the maximum angle method is Θso, max= 82 °. These values are Θ of the above calculated values.so, min, Θso, peak, Θso, maxAnd almost match. From this, in the following the ray R1, max, R1, peak, R1, minRespectively approximate the side lobe light in the minimum angle direction, the peak direction, and the maximum angle direction measured from the normal line n of the light emitting surface.
[0044]
Next, a ray R from the slope f11, max~ R1, minThe following describes how to specify a region through which the light passes, and replace that region with a prism having a shape that does not generate side lobe light. By doing so, the apex angle θaIn the isosceles triangular prism, it is possible to eliminate the side lobe light while maximizing the high output luminance characteristics.
[0045]
First, a method of specifying a region that emits side lobe light on the slope f1 will be described with reference to FIG. FIG. 8 shows that the apex angle is θ.a9 shows the main cut surface of the triangular prism with 90 = 90 °. The light beam R11 is a light beam R, which is the side lobe light having the maximum brightness in FIG.1, peakAnd the side lobe emission angle θsoIs 70.7 °.
[0046]
Light ray R11 is transmitted through optical path E1→ D1And enters the prism via a point C on the right slope f2.1After being totally reflected at point P on the left slope f11From A1Emits in the direction. Now, let the reflection point on the slope F2 be C1, C2,... Gradually move in the direction of the bottom surface f3, and the light beam gradually moves on the inclined surface f1 in the direction of the base f3 as indicated by R11, R12,. Ray R1cIs the point B where the reflection point intersects the base f3 and the slope f2cIs almost the same as Ec→ Bc→ Pc→ AcIt is a light ray that travels. Thus, the light rays R11 to R1cEnters the prism from the bottom surface f3 and exits from the inclined surface f1 as side lobe light.
[0047]
Next, the emission point on the hypotenuse f1 is the ray R1cExit point P ofcPoint P on the lower f3 side3, P4It is assumed that light rays R13 and R14 exist as side lobe light. As these rays travel backward, the angle of incidence of these rays on the bottom surface f3 becomes the critical angle θ.cAnd no longer enters the prism from below the bottom surface f3, for example, the optical path E3→ G3→ F3→ P3→ A3, The light must be incident from the inclined surface f2 and totally reflected by the bottom surface f3. However, when an ordinary surface light source is used and the prism is installed such that the bottom surface f3 of the prism faces the surface light source, there are almost no light rays similar to the light rays R13 and R14. Therefore, on the slope f1 of the prism, the point PcIt can be seen that virtually all of the side lobe light is emitted from between the prism and the vertex angle.
[0048]
Then, the point PcFind the position of Until the above, the sidelobe emission angle is θso, peakR that is1, peakIn the following, the problem is generalized, and the sidelobe emission angle becomes θsoRay R1cthink about. FIG. 9 shows that the same apex angle as in FIG.aAnd the ray R passing through the vertex c, crossing the main section plane abc of the triangular prism and the cross section thereof.1cFIG.
[0049]
Ray R1cIs the angle θ at which the light enters the left slope f1.siIs θ from the law of refractionsoUsing,
θsi= Sin-1((N0 / n1) sin θso) (13)
It becomes. However, from FIG.so, min~ Θso, maxIs exceptionally measured from the normal line n of the light exit surface (same as the normal line of the prism bottom surface f3), but the angle θ used for the law of refraction issoAre measured from the normal line N of the light emitting surface f1.
θso, min = Θso, min − Θb
θso, peak= Θso, peak− Θb
θso, max = Θso, max − Θb... (13a)
(However, θbIs the base angle of the main cut surface of the triangular prism). On the other hand, the triangle aPcIn c,
Angle aPcc = 90 ° -θsi (14a)
Angle Pcca = 90 ° + θsi − Θa (14b)
It is.
[0050]
In general, assuming that the diagonal of each side of a triangle having three sides A, B, and C is α, β, and γ,
(A + B) / (A−B) = (sinα + sinβ) / (sinα−sinβ) (15)
Holds. Then, surfaces ca, aPc, PcIf the lengths of b are x, x1, and x2, and substituting equations (13), (14a), and (14b) into equation (15),
Therefore,
x1 / x2 = 1 / ((sin (90 ° -θsi) / Sin (90 ° + θ)si ー θa)) ー 1) ・ ・ ・ ・ ・ (19a)
Get. From this, the apex angle is θaIn the planes ca and ab of the main cutting plane abc of the isosceles triangular prism,
aPc1/ BPc1= X1 / x2 (20)
Or
aPc2/ CPc2= X1 / x2 (21)
The point Pc1, Pc2And find the triangle Pc1aPc2Can be replaced by a prism having a shape that does not generate side lobe light or reduces the amount of side lobe light. By doing so, the emission angle θsoOr, it is possible to suppress the generation of the side lobe light at an angle larger than that.
[0051]
Θ in equation (19a)siIs θ as shown in equation (13).so, The point P defined as abovecIs the emission angle θ of the side lobe light.soTo θso, min≤θso≤θso, maxIt changes depending on which of the settings is made. That is, if equation (19a) is more strictly described,
1 / (c0-1) ≤x1 / x2≤1 / (d0-1) (21a)
However,
c0 = c1 / c2
d0 = d1 / d2
c1 = sin (90 ° −sin-1((N0 / n1) sin θso, min))
c2 = sin (90 ° + sin-1((N0 / n1) sin θso, min) − Θa)
d1 = sin (90 ° −sin-1((N0 / n1) sin θso, max))
d2 = sin (90 ° + sin-1((N0 / n1) sin θso, max) − Θa)
It becomes. θsoTo θso, maxPoint P as a value close tocIs obtained, the erasing of the side lobe light is completed. On the other hand, as understood from FIG. 7 or equation (19a), the point PcThe distance x1 between the angle x and the apex angle a is longer, and the length x2 of the surface contributing to the normal luminance is shorter. Accordingly, the normal angle luminance is reduced and the diffusion angle (half-width of the main lobe) is also increased. Generally, these required performances are θso= Θso, peakBy doing so, the balance is moderate.
[0052]
Subsequently, a prism shape from which side lobe light is not emitted or which is further reduced is determined. As is clear from the curve A in FIG. 7 or FIG. 15, the intensity of the side lobe light is particularly large in a triangular prism having a vertical angle θa of 90 °. The intensity of the side lobe light rapidly decreases at a certain angle when the vertex angle is gradually increased. Hereinafter, this point will be described.
[0053]
FIG. 26 shows the apex angle θ when the refractive index of air n0 = 1 and the refractive index of the prism n1 = 1.5.a= 90 °, the side lobe light R at which the intensity peaks1, peakThat is, a light ray incident on the bottom surface f3 at an incident angle of 45.7 ° has an apex angle θaFIG. 7 is a diagram showing how the route is changed with an increase in the number. From FIG. 26, the apex angle θaIs gradually increased from 90 °, the emission direction of the side lobe light gradually inclines in the horizontal direction. This is shown in FIG.1, min~ R1, maxCorresponds to the fact that the outgoing light beam gradually rotates counterclockwise. As shown in FIG. 26B, the apex angle θaAs a result, the output light impinges on the slope of the adjacent prism (the prism adjacent to the left in the figure), is partially reflected, and the output light R near the normal line n of the light emission surface.1R, peakbecome. Further, the remaining outgoing light is transmitted and refracted, and the light ray R fed back to the light guide plate or the light source side.1t, peakAnd is reused. Thus, θa, The side lobe light gradually decreases. In addition, θaIs increased, the side lobe light is totally reflected at the prism slope as shown in FIG. 3 and completely disappears because all of it is fed back to the light guide plate side.
[0054]
Next, the above process will be described while tracing light rays. As can be easily understood from FIG.aIs increased from 90 °, the side lobe light R1, min~R1, maxOf which R has the largest emission angle1, maxWill first come into contact with the slope of the adjacent prism. Therefore, the side lobe light R1, maxThe explanation will proceed based on.
FIG. 24 shows the vertical angle θ.aFIG. 9 is a diagram illustrating a path of side lobe light in a triangular prism with = 90 ° + α. Here, α satisfies the relationship of 0 ° <α <90 °, and θa= 90 ° + α, the side lobe light R emitted from the left slope f1 in the triangular prism shown in FIG.1, maxThis is the angle at which (the light beam going from point D to point E in the figure) is parallel to the bottom surface f3 (side JI in the figure). If such an angular relationship is satisfied, as can be seen from FIG. 26, the distance between adjacent unit prisms, or R1, maxRegardless of the position of the exit point of1, maxAlways hits the adjacent (left adjacent) prism slope.
[0055]
Also, the apex angle θaBecomes 90 ° + α, the angle θ formed between the bottom surface f3 and the slope f1 or f2.bIs 45 ° − (α / 2). This is because the sum of the interior angles of the triangle is 180 °, the two base angles of the isosceles triangle are the same, and the slope f2 whose base is reduced by (α / 2) and its normal are counterclockwise. If attention is paid to (α / 2) rotation, it can be easily obtained in elementary geometric form. As a result, the side lobe light R at the point D on the left slope f1 is obtained.1, maxIncident angle θsi, maxSince the sum of the interior angles of the triangle KDC in FIG. 24 is 180 °,
Also, the total reflection angle θ on the right slope f2R, maxIs, from equation (12),
It becomes.
[0056]
Side lobe light R1, maxOutput angle θ on the slope f1so, maxAnd θR, maxIs a point
In D, according to the law of refraction, it is related as follows.
Therefore,
It becomes. The fact that the direction (D → E) of the emitted light beam is parallel to the bottom surface f3 means that the side lobe light R1, maxMeans that is perpendicular to the normal line n of the bottom surface f3 (the normal line of the light emitting surface of the surface light source).
It becomes. Therefore, from equations (21e) and (21f),
[0057]
Taking the sine of both sides in equation (21g),
Get.
[0058]
Where θa= 90 ° + α is the apex angle of the triangle, 0 ° <θa<180 °,
0 ° <α <90 °
∴ 45 ° <(α / 2) + 45 ° <90 °
√ 1 / √2 <sin ((α / 2) + 45 °) <1 (21i)
And the right side of equation (21h) is
(1 / √2) (n0 / n1) <(n0 / n1) sin (45 ° + α / 2) <n0 / n1 (21j)
It becomes.
[0059]
Therefore, from equations (21h) and (21j),
(N0 / n1)> sin (90 ° -θ)R, max+ (3/2) α)> (1 / √2) (n0 / n1) (21k)
(Note that the inequality sign in equation (21k) is opposite to the inequality sign in equation (21j)). In addition, θ in equation (21c)R, maxSubstituting
(N0 / n1)> sin ((6/10) θc+ (9/10) α)> (1 / √2) (n0 / n1) (21 m)
It becomes.
[0060]
On the other hand, the angle in the sine of the equation (21m) is originally the incident angle θ at the point D on the slope f2 in FIG.Si, maxThat is,
Considering that
0 ° <(6/10) θc+ (9/10) α <90 ° (21p)
It becomes. In this section, since the main value of the inverse sine function is a monovalent monotonically increasing function, the same inequality holds even if the inverse sine of equation (21m) is taken,
θc> (6/10) θc+ (9/10) α> sin-1((1 / √2) (n0 / n1)) (21q)
It becomes. However, from the definition of the critical angle, sin-1(N0 / n1) = θcAnd Solving equation (21q) for α yields
24, and the apex angle θa, maxIs
θa, max= 90 ° + α
It must be understood that the condition must be satisfied.
[0061]
Apex angle θaFurther increases, the side lobe light R1, peak, R1, minBecomes parallel to the base f3, and is no longer side lobe light. Θ in equations (11) and (10)R, peak, ΘR, minWhen the same calculation as above is performed usinga, peak, Θa, minFor each of the
Get. Here, in the equations (10) and (11), the calculation is performed by setting 90 ° to 90 ° + α.
[0062]
Summarizing the above results, the apex angle θa= 90 °, the exit angle θ from the left slope f1 of the prismso, min≤θ≤θso, maxSide lobe light R in the range1, min~ R1, peak~ R1, maxAre all emitted as they are (FIG. 7). Apex angle θaWhen is increased, the outgoing side lobe light gradually tilts counterclockwise, and firstly, the light beam emitted from below the left slope starts to be deflected by the adjacent prism as shown in FIG. 26 (B). However, most of the light is emitted as it is. The vertical angle is θa, maxTo the maximum emission angle R of the side lobe light.1, maxAfter being emitted from the slope f1 as shown in FIG. 24, it becomes parallel to the prism bottom surface f3, and as shown in FIG. The light is reflected and transmitted to change its direction and is no longer side lobe light.
[0063]
Furthermore, θaIncreases, θa, peak, The side lobe light R giving the peak intensity1, peakAfter being emitted from the left slope f1, the light also becomes parallel to the bottom face f3 and disappears as side lobe light.
Finally, θaIs θa, min, The side lobe light R having the minimum emission angle1, minIs no longer the side lobe light, and all the side lobe light R1, min~ R1, maxIs the reflected light R emitted near the normal direction.1RAnd light ray R fed back to the light guide plate (light source) side1tIs converted to
[0064]
θaTo θa, minWhen it is further increased, the side lobe light having the larger emission angle is sequentially totally reflected on the left slope f2. And
Then, all the side lobe lights are totally reflected on the left slope f2 and return from the bottom face f3 to the light guide plate side. FIG. 3 shows an example of a triangular prism that satisfies the equation (21v) when n0 = 1.0 and n1 = 1.5, and has an apex angle θ.a= 140 °.
[0065]
Next, a method for deriving Expression (21v) will be described.
FIG. 10 shows that the apex angle is θ.aFIG. 4 is a diagram showing a main cut surface of a triangular prism which is a triangular prism. In the figure, a ray R5 travels in the prism along an optical path C → D (total reflection) → E, and an emission angle θ from a slope f1 in the F direction.soIt is a light beam emitted at.
[0066]
The angle at which the ray R5 enters the slope f1 and the slope f2 is θsiAnd θR1The angle formed by the ray traveling from point C to point D with the bottom surface f3 is θR2Then
The following relationship holds. here,
Is satisfied, the light ray R5 that can be emitted from the inclined surface f1 is not a light beam incident from the bottom surface f3 but a light beam that enters the prism from the inclined surface f2 and undergoes total reflection at the point C.
[0067]
vice versa,
If, the ray R5 is a ray that has entered the prism from the bottom surface f3. As described above, the number of light rays entering the prism from the slope f2 is extremely small. Accordingly, the apex angle θ is set so as to simultaneously satisfy the equations (22) and (25).aBy defining the above, it is possible to prevent the existence of a light beam that enters the prism from the bottom surface f3 and subsequently becomes side lobe light. Θ satisfying such conditionsaIs given by the following equation from equations (22) to (25).
[0068]
That is, the apex angle θaIs θ in equation (21u).a, minWhen the value further satisfies Expression (27), the emission of the side lobe light is still suppressed, but the suppressed side lobe light is totally reflected on the slopes f1 and f2. Then, the light is fed back to the light guide plate or the light source, and is not used as output light. Therefore, the luminance of the output light (particularly, the luminance in the normal direction n of the light emitting surface) decreases. Instead, the viewing angle (half-value angle) of the output light increases as the vertex angle increases, and the light fed back to the light guide plate propagates inside the light guide plate, and a part of the light is output again. As a result, the surface distribution of luminance becomes more uniform.
[0069]
Therefore, especially when high normal luminance and low side lobes are required,
In addition, when it is desired to remove the side lobe light and make the luminance distribution uniform in the light emission surface rather than the width of the viewing angle of the output light and the height of the normal luminance,
It is good to
[0070]
FIG. 17 shows the refractive index, the critical angle, and the maximum exit angle θ at 90 ° apex angle for typical materials.max, The intensity is the peak direction θpeak, And the minimum emission angle θminGentle slope apex angle θ that suppresses each ray that produces side lobes by adjacent slope reflectiona, max, Θa, peak, Θa, maxAnd the gentle slope apex angle θ that suppresses the emission by totally reflecting the side lobe cause light on both slopes f1 and f2.RefFIG. However, the calculation is performed with the refractive index of air being 1.00.
[0071]
FIG. 11 is a diagram showing a main cut surface of the pentagonal prism obtained based on the above description.
The gentle slopes f4 and f5 above the prism have an apex angle of θ.a’(Θa’> Θa, max) Is a part of the hypotenuse of an isosceles triangle a′b′c ′. The steep slopes f1 and f2 below the prism have an apex angle of θ.a(Θa≤θa, max) Is a part of the hypotenuse of the isosceles triangle abc. θa<Θa, maxThe reason is that θa≧ θa, maxThen, although the side lobe light is reduced, the refraction and convergence of the light (R2, R3, etc. in FIG. 2) transmitted through the prism become insufficient, and it is preferable to reduce the normal luminance of the emitted light and increase the diffusion angle. Because it has no consequences.
The ratio between the length of the steep slope and the length of the gentle slope satisfies Expression (36) described later. The two slopes are at point Pc1, Pc2Are connected so as not to generate a step-like step.
[0072]
In the prism shown in FIG. 11, among the light rays incident on the prism from the bottom surface f3, those that pass through the steeply inclined surfaces f1 and f2 are efficiently converged in the normal direction of the light emitting surface, so that the normal luminance is improved. . Further, for example, a light ray totally reflected on the gentle slope f5 and traveling to the gentle slope f4 is partially reflected by the prism slope (f5) on the left side after exiting the gentle slope f4, and travels in the normal direction of the light emitting surface. However, the rest is refracted and fed back to the bottom surface f3, so that it does not cause the generation of side lobe light. As described above, the pentagonal prism shown in FIG. 11 is a prism having both low side lobe characteristics and high normal line luminance characteristics.
[0073]
However, in the prism shown in FIG. 11, after entering the prism from the bottom surface f3 like the ray R6 in the figure, it is totally reflected at the point C on the steep slope f2, passes through the gentle slope f4, and becomes side lobe light. There may be more light rays.
That is, when the light ray R6 is totally reflected at a large angle at the point C, it reaches the point D on the gentle slope at a small incident angle. Where the apex angle θaIs not sufficiently large and the slope f4 has a steep slope, the incident angle θ of the ray R6 to the point DsiIs the critical angle θcAnd the ray R6 passes through the slope f4. When actually calculated, for example, the incident angle θ of the ray R6 at the point Bin= 48.9 °, apex angle θ of gentle slopea′ = 120 °, the incident angle θsiIs 31 ° and the ray R6 has an angle of incidence θso= 50 °. The exit light path R6 travels to the upper left, and as described above, most of the exit light path R6 becomes the side lobe light without being reflected by the prism on the left.
[0074]
Such side lobe light can be prevented by the conditions required as follows. That is, all rays incident on the prism along the path shown in FIG. 11 may be totally reflected on the steep slopes f4 and f5 and fed back to the bottom face f3.
FIG. 12 shows that the apex angle is θa(<Θa, max) Is the main cut surface of the isosceles triangular prism
It is the figure which showed ABC. In the figure, the ray R7 is totally reflected on the right slope f2, and then enters the point E on the left slope f1 at an incident angle θ.si(<Θc) And emitted from the prism as side lobe light.
[0075]
Here, it is assumed that the slope f1 is rotated clockwise about the point E by the angle Δθ. This corresponds to reducing the inclination of the slope f1 by Δθ. Conversely, θsiIncreases by Δθ. Δθ is θsi+ Δθ ≧ θcThat is,
Then θsiIs the critical angle θcBe larger. As a result, it is possible to prevent the light ray R7 from being totally reflected on the slope f1 and becoming a side lobe light.
[0076]
FIG. 13 is a diagram showing a main cut surface of a pentagonal prism whose shape is determined based on the above consideration. Pentagon A'Pc1BCPc2Is the vertical angle θaOf the triangle ABC, the side P which is a part of the right hypotenuse CA (left hypotenuse AB)c2A (side Pc1A) is rotated clockwise (clockwise) by an angle Δθ that satisfies Expression (28) half an hour, and the two sides Pc1A, Pc2The point at which A intersects is newly designated as point A '. Therefore, the pentagon A'Pc1BCPc2At the plane Pc2A '(f5) and Pc1A ′ (f4) is a gentle slope, and the surface CPc2(F2) and Pc1B (f1) is a steep slope.
[0077]
Here, the angle (base angle) of the angle ABC is θbThen the apex angle θa’And θbThe relationship is
, Considering that both bases of an isosceles triangle are equal,
It becomes. Therefore,
It is. Further, from Expressions (13) and (28),
Is led. θsoIs Θso, min~ Θso, maxAnd Equation (13a), the emission angle of the emitted side lobe light is θso, min~ Θso, maxConsidering that it has a range of Θso, min−θb≤θso≤Θso, max−θbAs shown in FIG.
The pentagonal prism is
More preferably,
By satisfying the following condition, it is possible to prevent the light beam entering from the bottom surface f3 and traveling along the path in FIG. 13 from becoming the side lobe light. However, θaIs too large, the viewing angle unnecessarily widens and the normal luminance decreases, which is not preferable. Therefore,
It is preferable that FIG.a, perfectHere is an example. However, the apex angle of the steep slope is θa= 90 ° and the refractive indexes n0 = 1 and n1 = 1.5.
[0078]
Next, the ratio between the length x1 'of the gentle slope and the length x2 of the steep slope in the pentagonal prism as described above is determined.
FIG. 14 is a diagram showing a main cut surface of the pentagonal prism. Main cutting plane ABPc1
C'Pc2Is the vertical angle θaCritical point P of the isosceles triangle ABC ofc1, Pc2Apex above
θa’(Θa’> Θa) Isosceles triangle Pc1C'Pc2It has the shape replaced with. P in the figurec1C (Pc2C) corresponds to x1 in the equation (19a). Also, Pc1C '(Pc2C ′) = x1 ′.
[0079]
As is clear from the figure,
Pc1C '' = Pc2C ″ = x1sin (θa/ 2) (33)
And at the same time,
Pc1C '' = Pc2C ″ = x1′sin (θa'/ 2) (34)
It is. Therefore, from Equations (33) and (34),
x1 ′ = (sin (θa/ 2) / sin (θa'/ 2)) x1 (35)
It becomes.
[0080]
Here, by comparing the expression (19a) and the expression (35), the following expression can be obtained.
However,
k0 = k1 / k2
k1 = sin (90 ° −sin-1((N0 / n1) sin θso))
k2 = sin (90 ° + sin-1((N0 / n1) sin θso) − Θa)
e = sin (θa/ 2) / sin (θa'/ 2)
As in equation (31), θsoIs (Θso, min−θb) ~ (Θso, max−θb)
Considering that it has a range of
However,
c0 = c1 / c2
d0 = d1 / d2
c1 = sin (90 ° −sin-1((N0 / n1) sin (Θso, min ー θb)))
c2 = sin (90 ° + sin-1((N0 / n1) sin (Θso, min ー θb)) − Θa)
d1 = sin (90 ° −sin-1((N0 / n1) sin (Θso, max ー θb)))
d2 = sin (90 ° + sin-1((N0 / n1) sin (Θso, max ー θb)) − Θa)
e = sin (θa/ 2) / sin (θa'/ 2)
Get.
[0081]
FIG. 18 shows the vertical angle θ of the steep slope.a= 90 °, critical angle θc= 41.8 ° (of the prism
The refractive index n0 = 1.5 and the refractive index of air n1 = 1.0).aAnd the ratio x1 '/ x2 of the length of the gentle slope and the steep slope are calculated. Note that the emission angles of the side lobe lights to be removed are each measured from the light output surface normal n.so, max= 84.7 °, Θso, peak= 70.7 °, Θso, min= 57.7 °.
[0082]
Finally, the apex angle θaAnd critical angle θcIs θa≤2θcAbout when
The conditions that the shape of the unit pentagonal prism according to the present invention should satisfy will be described with reference to FIG. In this case, the incident angle θ of the light beam at the point DsiIs the incident angle θ of the ray at point CRIs slightly θcIs exceeded, the angle becomes less than the critical angle. Therefore, θ
R= ΘcThe calculation described in FIGS. 8 and 9 is performed using the ray R12
Critical point PcAsk for. Other calculations and the like are performed in the same manner as described above.
[0083]
【Example】
(Example of lens sheet)
Hereinafter, an example will be described in more detail with reference to the drawings and the like.
FIG. 19 is a diagram showing an example of a lens sheet according to the present invention together with a comparative example. The arrangements in FIGS. 19A, 19B, 19C, and 19D correspond to FIGS. 2, 3, 4, and 5, respectively.
Each of these lens sheets was formed on the surface of a transparent biaxially stretched PET (polyethylene terephthalate) sheet having a thickness of 50 μm using a urethane acrylate resin having a refractive index of 1.50 cross-linked and cured by ultraviolet rays. Things.
[0084]
Comparative Example 1
As shown in FIG. 19A, a prism prism linear
[0085]
Comparative Example 2
As shown in FIG. 19B, the apex angle is 108 ° (θa, min<Θa<Θa, Ref3)
A prism prism linear
[0086]
Example
As shown in FIG. 19C, a
[0087]
Comparative Example 3
As shown in FIG. 19 (D), a pentagonal prism linear
[0088]
The backlight is a
This luminance measurement was performed using a luminance meter [Topcon BM-8 (2 °)] at a
[0089]
FIGS. 15 and 16 are diagrams showing the results of measurement of the luminance of the lens sheets of the above-described example and Comparative Examples 1 to 3. FIG.
In Comparative Example 1, as shown in FIG. 15A, the normal luminance was high, but the side lobe was large. The value of the normal luminance is 1244 [cd / cm2The half-value angle was 66 °, and the luminance ratio of side lobe / main lobe (normal luminance) was 0.23.
In Comparative Example 2, as shown in FIG. 15B, the side lobe was almost completely eliminated, but the normal luminance was 1045 [cd / cm].2] And about 16% as compared with Comparative Example 1. The half value angle was 74 °, and the viewing angle was wider than that of Comparative Example 1. However, the side lobe was significantly reduced to a luminance ratio of side lobe / main lobe = 0.00 (read value from the graph in FIG. 15). did.
In this embodiment, as shown in FIG. 15C, the normal luminance is 1145 [cd / cm].2], The half value angle is 70 °, the luminance ratio of the side lobe / main lobe is 0.14, and the normal line
The decrease in luminance was small, the viewing angle was wide, and the side lobe was small.
In Comparative Example 3, as shown in FIG. 16, the normal luminance was 435 [cd / cm2], And the side lobe / main lobe had a luminance ratio of 1.34, which was larger than the main lobe. Further, the half value angle is as large as 125 ° (evaluated as an angle range having half or more of the side lobe peak luminance), and light is emitted to an angle range that is not practically necessary.
[0090]
(Example of edge light type surface light source)
FIG. 20 is a perspective view showing a first embodiment (edge light type) of the surface light source according to the present invention. In the surface light source of the first embodiment, the light
[0091]
(Example of a direct type surface light source)
FIG. 21 is a sectional view showing a second embodiment (direct type) of the surface light source according to the present invention. The surface light source according to the second embodiment includes a light
[0092]
(Example of display device)
The surface light source shown in FIGS. 20 and 21 can be used as a liquid crystal display device by disposing it on the back of a known transmission type liquid crystal display element. Further, in addition to a transmissive liquid crystal display element, the present invention can be applied to an element requiring a back light source, such as an electrochromic display element.
[0093]
(Other Examples of Lens Sheet)
FIG. 22 is a view showing another embodiment of the lens sheet according to the present invention.
In the embodiment of FIG. 19 (C), an example in which the unit
[0094]
Further, in each of the above embodiments, the example in which the left and right lengths of the slope are equal has been described. However, in the case of using the display device of a laptop personal computer, the unit pentagonal prism is inclined in a specific direction. Is also good. In other words, a left-right asymmetric shape in which both base angles are not equal may be used. Further, if necessary, as described in Japanese Unexamined Patent Publication No. Hei 6-324205, the height of the minute projections and projections having a height equal to or greater than the wavelength of light is formed to prevent optical adhesion to the light guide plate. Can also.
[0095]
【The invention's effect】
As described in detail above, according to the present invention, since the unit pentagonal prism is formed in a convex shape on the light emission side and the cross-sectional shape in one direction or two orthogonal directions is pentagonal, The steep slope enhances the brightness in the normal direction of the light emitting surface, restricts the viewing angle, and the gentle slope of the top lens suppresses the occurrence of side lobes and achieves high normal brightness. Bright surface light emission condensed at a predetermined angle in the vicinity became possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating the operation of a unit pentagonal prism of a lens sheet according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing light rays incident into a unit lens portion of a triangular prism linear array lens sheet (
FIG. 3 is a diagram illustrating light rays incident into a unit lens section of a triangular prism linear array lens sheet (
FIG. 4 is a diagram illustrating light rays incident into a unit lens unit of a pentagonal prism linear array lens sheet according to the present invention.
FIG. 5 is a diagram illustrating light rays when the lens unit of the pentagonal prism linear array lens sheet is arranged so as to face the light incident side.
FIG. 6: Apex angle θaFIG. 4 is a diagram for explaining a cause of generation of side lobe light in the triangular prism of FIG.
FIG. 7: apex angle θaFIG. 5 is a diagram showing the trajectories of side lobe light in the minimum angle direction, the peak direction, and the maximum angle direction in the triangular prism of FIG.
FIG. 8: Vertical angle θaFIG. 5 is a diagram showing a relationship between a region where a light beam enters and a region where side lobe light is emitted in the triangular prism of FIG.
FIG. 9: Apex angle θaFIG. 7 is a diagram showing a relationship between a length x1 of a region emitting side lobe light and a length x2 of a region not emitting the side lobe light in the triangular prism of FIG.
FIG. 10: Apex angle θaFIG. 6 is a diagram showing a trajectory of side lobe light that enters from a bottom surface f3 and exits from an inclined surface f1 at an emission angle θso in the triangular prism of FIG.
FIG. 11 is a diagram showing a trajectory of a light beam serving as side lobe light in a pentagonal prism satisfying Expressions (19a) and (27).
FIG. 12: Apex angle θaIncident on the inclined surface f1 of the light ray totally reflected on the inclined surface f2 and reaching the inclined surface f1siFIG. 7 is a diagram showing a relationship between the slope and the inclination of the slope f1.
FIG. 13 is a diagram illustrating a main cut surface shape of a pentagonal prism that satisfies Expression (31).
FIG. 14 is a diagram showing a main cutting plane having a vertical angle θ.aCritical point P of the isosceles triangle ABC ofc1, Pc2Apex angle θ abovea’(Θa’> Θa) Isosceles triangle Pc1C'Pc2The figure which showed the main cut surface of the pentagonal prism which has the shape replaced by FIG.
FIG. 15 is a diagram showing the results of measuring the luminance of the lens sheets of Comparative Example 1 (A), Comparative Example 2 (B) and Example (C).
FIG. 16 is a diagram showing the result of measurement of the luminance of the lens sheet of Comparative Example 3.
FIG. 17 shows a refractive index, a critical angle, and a maximum exit angle θ in the case of a 90 ° apex angle for typical materials.max, The intensity is the peak direction θpeak, And the minimum emission angle θminGentle slope apex angle θ that suppresses each ray that produces side lobes by adjacent slope reflectiona, max, Θa, peak, Θa, maxAnd the gentle slope apex angle θ that suppresses the emission by totally reflecting the side lobe cause light on both slopes f1 and f2.RefFIG.
FIG. 18: Apex angle θ of steep slopea= 90 °, critical angle θc= 41.8 ° (refractive index of the prism n0 = 1.5, refractive index of the air n1 = 1.0), the apex angle θ of the gentle slopeaAnd the result of calculating the ratio x1 '/ x2 of the length of the gentle slope and the steep slope.
FIG. 19 is a diagram showing an example of an edge light type surface light source provided with a lens sheet according to the present invention, together with a comparative example.
FIG. 20 is a perspective view showing a first embodiment (edge light type) of the surface light source according to the present invention.
FIG. 21 is a sectional view showing a second embodiment (direct type) of the surface light source according to the present invention.
FIG. 22 is a view showing another embodiment of the lens sheet according to the present invention.
FIG. 23 is a diagram showing a conventional example of an edge light type surface light source.
FIG. 24: Apex angle θaFIG. 9 is a diagram illustrating a path of side lobe light in a triangular prism with = 90 ° + α.
FIG. 25: Apex angle θaFIG. 25 is a diagram different from FIG. 24, illustrating a path of side lobe light in the triangular prism with = 90 ° + α.
FIG. 26 shows the side lobe light R at which the apex angle and the intensity of the triangular prism are peaked when the refractive index of air n0 = 1 and the refractive index of the prism n1 = 1.5.1, peakFIG. 6 is a diagram showing a relationship with a route.
[Explanation of symbols]
1, 1 ', 1B lens sheet
10, 10 'unit pentagonal prism
31 cases
32, 43 line light source
40 backlight
41, 101 light guide plate
42,103 Light diffuse reflection layer
44 Reflective film
45 Lighting cover
102 Light isotropic diffusion layer
105, 106 Lens sheet
Claims (7)
前記単位五角形プリズムの主切断面形状は、
頂角がθaである前記透光性基材に接する2つの急斜面と、
頂角がθa’である前記透光性基材に接しない2つの緩斜面とを有し、
前記単位五角形プリズムの屈折率をn1、前記単位五角形プリズムの周辺雰囲気の屈折率をn0としたときに頂角θa、θa’が、
θa < 90°+ (10/9)sin−1((1/√2)(n0/n1)) − (6/9)sin−1(n0/n1)
かつ、
θa’≧ θa
であることを特徴とするレンズシート。A lens sheet having a lens array layer in which a large number of unit pentagonal prisms formed in a convex shape on the light emitting side are one-dimensionally or two-dimensionally arranged on a light emitting side surface of a light transmitting base material,
The main cut surface shape of the unit pentagonal prism,
Two steep in contact with the translucent base apex angle of theta a,
Having two gentle slopes not in contact with the translucent substrate having an apex angle of θ a ′,
When the refractive index of the unit pentagonal prism is n1 and the refractive index of the surrounding atmosphere of the unit pentagonal prism is n0, the apex angles θ a and θ a ′ are
θ a <90 ° + (10/9) sin −1 ((1 / √2) (n0 / n1)) − (6/9) sin −1 (n0 / n1)
And,
θ a '≧ θ a
A lens sheet, characterized in that:
前記頂角θa’の範囲は、
θa’≧ 60°+ (4/3)sin−1(n0/n1)
であることを特徴とするレンズシート。The lens sheet according to claim 1,
The range of the apex angle θ a ′ is
θ a ′ ≧ 60 ° + (4/3) sin −1 (n0 / n1)
A lens sheet, characterized in that:
前記単位五角形プリズムの主切断面形状は、
頂角がθaである前記透光性基材に接する2つの急斜面と、
頂角がθa’である前記透光性基材に接しない2つの緩斜面とを有し、
前記単位五角形プリズムの屈折率をn1、前記単位五角形プリズムの周辺雰囲気の屈折率をn0、さらに2つの急斜面から射出されるサイドローブ光のプリズム底面の法線から測った最大出射角をΘso,max、最小出射角Θso,min、プリズム急斜面の底角をθbとしたときに頂角θa、θa’が、
θa < 90°+ (10/9)sin−1((1/√2)(n0/n1)) − (6/9)sin−1(n0/n1)
かつ、
θa + 2sin−1(n0/n1) − EQ1 ≧ θa’≧ θa + 2sin−1(n0/n1) − EQ2
ただし、
EQ1 = 2sin−1((n0/n1)sin(Θso,min − θb))
EQ2 = 2sin−1((n0/n1)sin(Θso,max − θb))
であることを特徴とするレンズシート。A lens sheet having a lens array layer in which a large number of unit pentagonal prisms formed in a convex shape on the light emitting side are arranged one-dimensionally or two-dimensionally on the light emitting side surface of the light transmitting substrate,
The main cut surface shape of the unit pentagonal prism,
Two steep in contact with the translucent base apex angle of theta a,
Having two gentle slopes not in contact with the translucent substrate having an apex angle of θ a ′,
The refractive index of the unit pentagonal prism is n1, the refractive index of the surrounding atmosphere of the unit pentagonal prism is n0, and the maximum emission angle of the side lobe light emitted from the two steep slopes measured from the normal to the prism bottom is Θ so, max , minimum emission angle Θ so, min , and apex angles θ a , θ a ′ when the base angle of the steep prism surface is θ b ,
θ a <90 ° + (10/9) sin −1 ((1 / √2) (n0 / n1)) − (6/9) sin −1 (n0 / n1)
And,
θ a + 2sin -1 (n0 / n1) - EQ1 ≧ θ a '≧ θ a + 2sin -1 (n0 / n1) - EQ2
However,
EQ1 = 2sin -1 ((n0 / n1) sin (Θ so, min - θ b))
EQ2 = 2sin -1 ((n0 / n1) sin (Θ so, max - θ b))
A lens sheet, characterized in that:
前記急斜面を含む前記単位五角形プリズムの2つの急斜面から射出されるサイドローブ光のプリズム底面の法線から測った最大出射角をΘso,max、最小出射角Θso,min、プリズム急斜面の底角をθbとしたとしたときに、
前記緩斜面の長さx1’と前記急斜面の長さx2とが、
e/(c0 − 1) ≦ x1’/x2 ≦ e/(d0 − 1)
ただし、
c0 = c1/c2
d0 = d1/d2
c1 = sin(90°− sin−1((n0/n1)sin(Θso,min − θb)))
c2 = sin(90°+ sin−1((n0/n1)sin(Θso,min − θb)) − θa)
d1 = sin(90°− sin−1((n0/n1)sin(Θso,max − θb)))
d2 = sin(90°+ sin−1((n0/n1)sin(Θso,max − θb)) − θa)
e = sin(θa/2)/sin(θa’/2)
の関係を有することを特徴とするレンズシート。The lens sheet according to claim 1 or 2,
The maximum outgoing angle of the side lobe light emitted from the two steeply inclined surfaces of the unit pentagonal prism including the steeply inclined surface measured from the normal to the bottom surface of the prism is s so, max , the minimum outgoing angle Θ so, min , and the base angle of the steep prismatic surface Is θ b ,
The length x1 ′ of the gentle slope and the length x2 of the steep slope are:
e / (c0-1) ≤x1 '/ x2≤e / (d0-1)
However,
c0 = c1 / c2
d0 = d1 / d2
c1 = sin (90 ° - sin -1 ((n0 / n1) sin (Θ so, min - θ b)))
c2 = sin (90 ° + sin -1 ((n0 / n1) sin (Θ so, min - θ b)) - θ a)
d1 = sin (90 ° - sin -1 ((n0 / n1) sin (Θ so, max - θ b)))
d2 = sin (90 ° + sin -1 ((n0 / n1) sin (Θ so, max - θ b)) - θ a)
e = sin (θ a / 2 ) / sin (θ a '/ 2)
A lens sheet having the following relationship:
前記導光体の裏面に少なくとも部分的に設けた光反射層と、
前記導光体の側端面のうち少なくとも1面以上に隣接して設けられた点状又は線状の光源と、
前記導光体の表面側に配置される、前記請求項1から請求項4のいずれかに記載のレンズシートと、
前記レンズシートの外部又は内部に積層される光等方拡散性層とを含み、
前記レンズシートの表面が拡散光放出面となる
ことを特徴とする面光源。A light guide made of a translucent flat plate or a rectangular parallelepiped cavity,
A light reflection layer provided at least partially on the back surface of the light guide,
A point-like or linear light source provided adjacent to at least one or more of the side end surfaces of the light guide,
The lens sheet according to any one of claims 1 to 4, wherein the lens sheet is arranged on a surface side of the light guide.
Including a light isotropic diffusive layer laminated on the outside or inside of the lens sheet,
A surface light source, wherein a surface of the lens sheet is a diffused light emission surface.
前記光源を包囲し、1面を開口部とし、かつ、その開口部側内面を光反射面とした光源収納部と、
前記光源収納部の開口部側に配置される、前記請求項1から請求項4のいずれかに記載のレンズシートと、
前記レンズシートの外部又は内部に積層される光等方拡散性層とを含み、
前記レンズシートの表面が拡散光放出面となる
ことを特徴とする面光源。One or more point or linear light sources;
A light source storage part surrounding the light source, and having one surface as an opening, and an inner surface on the opening side as a light reflecting surface;
The lens sheet according to claim 1, wherein the lens sheet is arranged on an opening side of the light source storage unit.
Including a light isotropic diffusive layer laminated on the outside or inside of the lens sheet,
A surface light source, wherein a surface of the lens sheet is a diffused light emission surface.
前記表示素子の背面に設けられた前記請求項5又は請求項6に記載の面光源とを含むことを特徴とする表示装置。A transmissive display element,
A display device, comprising: the surface light source according to claim 5 provided on a back surface of the display element.
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