JP4011805B2 - 導光板、面光源装置及び液晶表示装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の技術分野】
本発明は、光利用効率に優れて輝度やその均一性に優れる面光源装置及び明るくて見やすい反射型や透過型の液晶表示装置を形成でき、発光色変換式などとすることもできる多光源型の導光板に関する。
【０００２】
【発明の背景】
従来、導光板としては、板状体における上下面の一方に粗面や白色ドットを設け側面からの入射光を散乱させて上下面の他方に出射させるようにしたサイドライト型のものが知られていた。かかるサイドライト型導光板は、その側面に光源を配置して面光源装置としそれを液晶セルと組み合わせて反射型や透過型等の液晶表示装置の形成に用いられている。
【０００３】
しかしながら輝度やその均一性に乏しくて表示品位に乏しい問題点があった。複数の側面に光源を配置して輝度を向上させる提案もあるが輝度のバラツキは改善されにくく、拡散層やプリズムシートを配置して光路制御する方式では、部品数が増大し製造効率も低下する。また液晶表示装置は、液晶セルに対する面光源装置の配置位置でバックライト式とフロントライト式に区別されているが、前記の散乱式では表示像を乱すためにフロントライト式で用いることが困難な問題点もあった。かかるフロントライト式では、表示装置の携帯電話等への普及に伴いバックライト式の場合と同様に発光色を変換できるものも求められている。
【０００４】
【発明の技術的課題】
本発明は、光の利用効率に優れて輝度とその均一性に優れる面光源装置及び明るくて見やすい反射型や透過型の液晶表示装置を形成でき、発光色を変換できるフロントライト式のものなどとしても使用できる導光板の開発を課題とする。
【０００５】
【課題の解決手段】
本発明は、上面と下面とその上下面間の対向する２側面からなる入射側面を少なくとも有する板状体よりなり、前記上下面の一方に前記各入射側面からの入射光を前記上下面の他方に出射するための光出射手段を有して、その光出射手段は、各入射側面に対面する傾斜方向が反対の一対の伝送光反射面とその間に配置した隣接の伝送光反射面とは傾斜方向が反対の一対の緩斜面からなり、かつ前記入射側面に沿う方向の稜線を有する凹凸が２００μ m 以下の間隔で繰返す構造よりなり、前記凹凸は、前記上下面の一方の面において前記入射側面の両側面側の端部を含まない位置に、かつ前記光出射手段が形成された面における前記両入射側面の端部を結ぶ基準平面に対して外側に突出して形成されており、前記伝送光反射面の前記基準平面に対する傾斜角が３０〜４５度で、前記緩斜面の前記基準平面に対する傾斜角が０超〜１０度であり、かつ前記一対の緩斜面が交わる稜線が前記基準平面よりも外側に位置することを特徴とする導光板を提供するものである。
【０００６】
また本発明は、前記の導光板における各入射側面に光源を配置してなることを特徴とする面光源装置、並びに光出射手段を板状体の上面に有する導光板を用いた前記面光源装置における導光板の下面側に、反射層具備の液晶セルを有することを特徴とする反射型液晶表示装置、及び光出射手段を板状体の上面又は下面に有する導光板を用いた前記面光源装置における導光板の上面側に透過型の液晶セルを有し、かつ導光板の下面側に光反射手段を有することを特徴とする透過型液晶表示装置を提供するものである。
【０００７】
【発明の効果】
本発明によれば、導光板の２側面より光源からの光を入射させ、その入射光を凹凸の繰返し構造よりなる光出射手段を介して同一面より出射させるようにしたので光源からの光を効率よく面光源に変換して輝度とその均一性に優れる面光源装置を得ることができ、それをバックライトやフロントライトに用いて明るくて見やすい反射型や透過型の液晶表示装置を形成することができる。また異色発光の光源の組合せとして発光色の変換が可能なフロントライト式及びバックライト式の液晶表示装置も形成することができる。
【０００８】
【発明の実施形態】
本発明による導光板は、上面と下面とその上下面間の対向する２側面からなる入射側面を少なくとも有する板状体よりなり、前記上下面の一方に前記各入射側面からの入射光を前記上下面の他方に出射するための光出射手段を有して、その光出射手段は、各入射側面に対面する傾斜方向が反対の一対の伝送光反射面とその間に配置した隣接の伝送光反射面とは傾斜方向が反対の一対の緩斜面からなり、かつ前記入射側面に沿う方向の稜線を有する凹凸が２００μ m 以下の間隔で繰返す構造よりなり、前記凹凸は、前記上下面の一方の面において前記入射側面の両側面側の端部を含まない位置に、かつ前記光出射手段が形成された面における前記両入射側面の端部を結ぶ基準平面に対して外側に突出して形成されており、前記伝送光反射面の前記基準平面に対する傾斜角が３０〜４５度で、前記緩斜面の前記基準平面に対する傾斜角が０超〜１０度であり、かつ前記一対の緩斜面が交わる稜線が前記基準平面よりも外側に位置するものである。その例を図１、図２に示した。１が導光板を形成する板状体であり、１ａが上面、１ｂが下面、１ｃ、ｄが入射側面である。
【０００９】
入射側面は、それに光源を配置して光を入射させることを目的とし、本発明においては図１の例の如く板状体１の上下面間における対向する２側面が入射側面１ｃ、ｄとして利用される。これにより２面の側面より別体の光源を介して光を入射させることができ、輝度の向上や発光色の変換が可能となる。
【００１０】
一方、板状体の上下面の一方に形成する光出射手段は、入射側面からの入射光を上下面の他方に出射するためのものであり、本発明においては図１に例示の如く入射側面１ｃ、ｄに沿う方向の稜線を有する凹凸の繰返し構造にて形成され、かつ図２に例示の如くその凹凸Ａが各入射側面１ｃ、ｄに対面する傾斜方向が反対の一対の伝送光反射面Ｒ１、２と、その間に配置した隣接の伝送光反射面とは傾斜方向が反対の一対の緩斜面Ｓ１、２にて形成される。
【００１１】
前記により入射側面のそれぞれに対応する光出射手段を配置でき、上下面の一方を共通の光出射面として光を指向性よく出射させることができて光利用効率の向上等を図ることができる。なお図例では上面１ａに光出射手段を有して下面１ｂより出射するもの、従って下面が光出射面となるものを示している。導光板の厚さを介し光路長を増大して光出射手段を介した出射光の輝線化を緩和して平準化し、発光の均一性の向上を図る点よりは図例の如く板状体の上面に光出射手段を形成して下面を光出射面としたものが好ましく、特にフロントライト式とする場合に好ましい。
【００１２】
光利用効率等の点より好ましい光出射手段は、入射側面からの入射光を反射、特に全反射を介して光出射面側に光路制御しうるようにした斜面を有するものである。
【００１３】
好ましい凹凸構造は、導光板の光出射面よりその基準平面の垂直（法線）方向に可及的に多くの光が出射すると共に、反射型液晶表示装置のフロントライトとする場合には表示光となる前記出射光と導光板よりの漏れ光の方向が可及的に重複しないものである。漏れ光が表示光と重複すると表示像の強さを減殺してコントラストの低下原因となりやすい。
【００１４】
前記した出射光の法線方向化や漏れ光と表示光の重複防止性の点より凹凸は、図２に例示した如く光出射手段を形成した面の破線で示した基準平面Ｌ、すなわち光出射手段が形成された面における両入射側面の端部を結ぶ基準平面に対して外側に突出した状態の断面略五角形の凹凸Ａを単位とし、当該基準平面に対する伝送光反射面Ｒ１、２の傾斜角θ１、２が３０〜４５度で、緩斜面Ｓ１、２の傾斜角θ３、４が０超〜１０度であり、その緩斜面の隣接する一対が交わる稜線、すなわち図上の断面における緩斜面の交点Ｋが当該基準平面Ｌよりも外側に位置するものである。なお凹凸は、図例の如く板状体における上下面の一方の面において入射側面の両側面側の端部を含まない位置に設けられる。すなわち入射側面として利用する２側面の近傍は、凹凸を設けない状態とされる。
【００１５】
前記の伝送光反射面Ｒ１、２は、入射側面よりの入射光の内、その面に入射する光を反射して光出射面に供給する役割をする。その場合に当該傾斜角θ１、２を３０〜４５度とすることにより伝送光を光出射面に対し垂直性よく反射して表示に有利な出射光を効率よく得ることができる。スネルの法則に基づく全反射や漏れ光の抑制、それによる視認妨害の抑制等の前記した性能などの点より伝送光反射面の好ましい傾斜角は、３５〜４４度、就中３８〜４３度である。
【００１６】
伝送光反射面の傾斜角が３０度未満では光出射面よりの出射光の方向が法線に対して大きい角度となり、視認に有効利用できる光量が減少して明るさが低下しやすい。また４５度を超えると光出射手段形成面よりの漏れ光が増大して表示像のコントラストが低下しやすくなる。なお図２では、伝送光反射面Ｒ１が入射側面１ｃに対応し、伝送光反射面Ｒ２が入射側面１ｄに対応する。
【００１７】
一方、緩斜面は、それに入射する伝送光を反射して伝送光反射面等に供給すると共に、反射型液晶表示装置のフロントライトとした場合には液晶セルからの表示像を透過させること、透過型液晶表示装置のバックライトとした場合には反射層等を介した光利用効率の向上などを目的とする。かかる点より、上記基準平面Ｌに対する緩斜面の傾斜角θ３、４は０超〜１０度の範囲とされる。
【００１８】
前記により当該傾斜角より大きい角度の伝送光が緩斜面に入射して反射され、その傾斜角に基づき基準平面に対してより平行な角度で反射されて隣接の伝送光反射面に入射し、反射されて光出射面より前記平行化により良好に集束されて出射する。その場合に上記の如く光出射手段の凹凸が当該基準平面Ｌよりも外側に突出した凸形態とすることにより凹凸形設計の自由度を高くでき、かつ緩斜面の当該交点Ｋが当該基準平面Ｌよりも外側に位置する凸形態とすることにより小さい傾斜角の緩斜面の設計を有利に行うことができる。ちなみに当該交点Ｋが基準平面Ｌよりも内側となる形態では伝送光を緩斜面が遮って伝送光反射面への入射効率が低下し、出射効率が低減する。
【００１９】
前記の結果、伝送光反射面に直接入射する伝送光に加えて緩斜面に入射してその反射を介し隣接の伝送光反射面に入射する伝送光もその伝送光反射面を介した反射にて光出射面に供給でき、その分の光利用効率の向上をはかりうると共に、緩斜面で反射されて隣接の伝送光反射面に入射する光の入射角を一定化でき、反射角のバラツキを抑制できて出射光の平行集光化をはかることができる。緩斜面の傾斜角が１０度を超えると、他方の入射側面のために設けた緩斜面に入射した伝送光の反射による伝送角度が大きくなり伝送光反射面に入射した際に全反射角度を超えて透過し、ロス光が増大しやすくなる。
【００２０】
従って光出射手段を形成する凹凸における伝送光反射面と緩斜面の当該傾斜角を調節することにより、出射光に高度な指向性をもたせることができて、それにより光出射面に対して垂直方向ないしそれに近い角度で光を出射させることが可能になる。なお緩斜面の当該傾斜角は、伝送光の平行光化による出射光の集光化や漏れ光の抑制等の前記性能などの点より、０超〜８度、就中２〜７度であることが好ましい。
【００２１】
さらに明るい表示像を得る点よりは、当該基準平面に対する緩斜面の投影面積が伝送光反射面のそれの５倍以上、就中１０倍以上、特に１５倍以上の凹凸とすることが好ましい。これにより反射型液晶表示装置のフロントライトとした場合には液晶セルによる表示像の大部分を緩斜面を介して透過させることができる。また透過型液晶表示装置のバックライトとした場合には、大きい面積の反射面を確保できて光利用効率の向上に有利である。
【００２２】
前記した緩斜面等の面積を確保し、液晶セルの画素との干渉によるモアレの発生を防止することやシャープな凹凸の形成性などの点より好ましい伝送光反射面の大きさは、液晶セルの画素ピッチが１００〜３００μmが一般的であることを考慮して、当該基準平面に対する投影幅に基づいて３〜４０μm、就中３０μm以下、特に５〜２５μmとしたものである。
【００２３】
また前記の点より伝送光反射面の間隔は大きいことが好ましいが、一方で伝送光反射面は上記したように側面入射光の実質的な出射機能部分であるから、その間隔が広すぎると照明光が疎となってやはり不自然な表示となる場合があり、それらを鑑みた場合、凹凸が２００μ m 以下の間隔で繰返す構造、すなわち凹凸単位の間隔（図２のＢ）を２００μ m 以下とし、凸凹単位の繰返しピッチＰ（図２）を５０μm〜１mmとすることが好ましい。なおピッチは、例えばランダムピッチや所定数のピッチ単位をランダム又は規則的に組合せたものなどの如く不規則であってもよいが、モアレの防止性や外観性等の点よりは一定であることが好ましい。
【００２４】
さらに伝送光反射面への伝送光の入射効率を高めて光利用効率の向上による輝度の向上やその均一性の向上などの点より、各入射側面に対して設けた伝送光反射面が対応の入射側面より遠離るほど当該基準平面に基づく突出高が大きくなるように形成することが好ましい。従って伝送光反射面や緩斜面の基準平面に対する傾斜角は光の伝送方向に基づいて変化していてもよい。また同じ凹凸単位において各入射側面に対応する伝送光反射面や緩斜面の当該傾斜角が傾斜方向の逆転関係を除き相違していてもよく、緩斜面の交点Ｋを介し断面に基づいて左右対称である必要はない。
【００２５】
凹凸の繰返し構造からなる光出射手段の場合、液晶セルの画素と干渉してモアレを生じる場合がある。モアレの防止は、凹凸のピッチ調節で行いうるが、上記したように凹凸のピッチには好ましい範囲がある。従ってそのピッチ範囲でモアレが生じる場合の解決策としては、画素に対し凹凸を交差状態で配列しうるように凹凸を入射側面の基準平面に対し傾斜状態に形成する方式が好ましい。その場合、傾斜角が大きすぎると伝送光反射面等を介した反射に偏向を生じて出射光の方向に大きな偏りが発生し、導光板の光伝送方向における発光強度の異方性が大きくなって光利用効率も低下し、表示品位の低下原因となりやすい。
【００２６】
前記の点より入射側面の基準平面に対する凸凹の配列方向、すなわち凹凸の稜線方向の傾斜角は±３０度以内、就中±２５度以内、特に±２０度以内とすることが好ましい。なお±の符号は、入射側面を基準とした傾斜の方向を意味する。モアレを無視しうる場合などには凸凹の配列方向は、入射側面に平行なほど好ましい。
【００２７】
なお光出射手段の凹凸を形成する伝送光反射面や緩斜面は、直線面や屈折面、湾曲面等を含む適宜な面形態に形成でき、形状等の異なる凹凸の繰返し構造とすることもできる。また凹凸は、その稜線が連続した一連の凹凸構造に形成されていてもよいし、所定の間隔を有して稜線方向に不連続に配列した断続的な凹凸構造に形成されていてもよい。
【００２８】
導光板は、適宜な形態としうるが、一般には対向する入射側面を確保する点より図例の如く入射側面１ｃ、ｄとそれに直交する側面１ｅ、ｆの厚さが同厚の板とされる。導光板の光出射面、すなわち光出射手段を形成しない上下面の一方は、通例フラット面とされるが、反射型液晶表示装置のフロントライトとして上面から視認した場合に視認方向により、光出射手段とそれが光出射面に映込んだパターン同士が干渉して干渉縞によるモアレ現象を発生するときがあり、そのモアレによる表示品位の低下防止を目的に必要に応じ微細凹凸を付与した光出射面構造などとすることもできる。
【００２９】
前記した光出射面における微細凹凸の形成は、例えばサンドブラスト等のマット処理による粗面化方式や導光板を形成する際に金型等を介して微細凹凸を付与する方式、透明粒子含有の樹脂層を付設する方式や拡散ドットないしそれを設けたシートを導光板に設ける方式などの従来の拡散層に準じた適宜な方式にて行うことができる。
【００３０】
導光板における入射側面等の側面の形状についても、特に限定はなく適宜に決定してよい。一般には光源の配置性などの点より光出射面に対して垂直な入射側面とされるが、陰極管の外形に対応した凹形などとすることもできる。また入射側面は、図１に例示した如く透明体１１、１２を介して突出した形態に形成することもできる。かかる突出形態は、入射側面よりも短寸の光源を用いて端部等で発光ムラが生じることの防止などを目的とする。すなわち入射側面に配置する光源の電極部等による非発光部にて影の生じることを光路長の増大による光の発散効果で防止することなどを目的とする。
【００３１】
導光板の形成には、光源の波長域に応じそれに透明性を示す適宜な材料を用いうる。ちなみに可視光域では、例えばアクリル系樹脂やポリカーボネート系樹脂、ポリエステル系樹脂やノルボルネン系樹脂、ポリオレフィン系樹脂やエポキシ系樹脂等で代表される透明樹脂やガラスなどがあげられる。複屈折を示さないか、複屈折の小さい材料で形成したものが好ましい。
【００３２】
導光板は、切削法にても形成でき、適宜な方法で形成することができる。量産性等の点より好ましい製造方法としては、熱可塑性樹脂を所定の形状を形成しうる金型に加熱下に押付て形状を転写する方法、加熱溶融させた熱可塑性樹脂あるいは熱や溶媒を介して流動化させた樹脂を所定の形状に成形しうる金型に充填する方法、熱や紫外線ないし放射線等で重合処理しうる液状樹脂を所定の形状を形成しうる型に充填ないし流延して重合処理する方法などがあげられる。
【００３３】
導光板の厚さは、使用目的による導光板のサイズや光源の大きさなどにより適宜に決定することができる。反射型や透過型の液晶表示装置等の形成に用いる場合の一般的な導光板の厚さは、その入射側面に基づき２０mm以下、就中０．１〜１０mm、特に０．３〜５mmである。なお導光板は、例えば光の伝送を担う導光部に光出射手段を形成したシートを接着したものの如く、同種又は異種の材料からなる部品の積層体などとして形成されていてもよく、１種の材料による一体的単層物として形成されている必要はない。
【００３４】
本発明による面光源装置は、反射型や透過型の液晶表示装置等におけるサイドライト型のフロントライトやバックライトなどとして用いることを目的に、図３〜５に例示の如く導光板１における対向の入射側面１ｃ、ｄのそれぞれに光源２１、２２を配置したものである。その光源については、特に限定はなく面光源装置の使用目的などに応じて単色光や各種波長域の発光特性を示す適宜なものを用いうる。
【００３５】
ちなみに前記光源の例としては、（冷、熱）陰極管や発光ダイオード等の点状光源、その点状光源のアレイ体や点状光源による光を線状光源化したもの、細長のエレクトロルミネッセンス素子などがあげられる。液晶表示装置の形成に用いる面光源装置では、可視光域の可及的に広い波長域の発光特性を示すものが好ましい。
【００３６】
導光板に配置する光源の組合せは、例えば同種のものや発光色が相違するものなどの如く使用目的に応じて適宜に決定することができる。また光源は、適宜な方式にてそれぞれを独立に又は従属的に点灯と消灯を切り替え得るようにすることもできる。低消費電力性や光源駆動装置等の簡便化、点灯／消灯切り替えの方式の簡便化や異色発光光源の組込みの容易性などの点より発光ダイオード、特にそれを用いて線状光源を得るようにしたものが好ましい。
【００３７】
ちなみに前記の点状光源による光を線状光源化したものとしては、例えば上記の導光板に準じて入射側面に配置し得るように形成した直方体等からなる線状の導光板の背面や側面に点状光源を配置して、点状光源からの入射光を線状光源に変換できるようにしたものなどがあげられる。その場合、線状導光板の側面に点状光源を配置する方式では線状導光板の背面にドット構造や凹凸の繰返し構造等からなる適宜な形態の光路変更手段などを設けることもできる。
【００３８】
面光源装置の形成に際しては図３〜５の例の如く、光源からの放射光を導光板の入射側面に効率よく導くために光源を包囲する光源ホルダ２３などの適宜な補助手段を配置することもできる。光源ホルダは、高反射率の金属薄膜を付設した樹脂シートや金属箔、白色シートなどが一般に用いられる。またバックライトとして用いる場合、光源ホルダを導光板の光出射面に延設して反射シートを兼ねさすこともできる。
【００３９】
本発明による面光源装置は、光源からの光を効率よく利用して明るさに優れる面光源を提供し、大面積化等も容易であることより反射型液晶表示装置のフロントライトシステムや透過型液晶表示装置のバックライトシステムなどとして種々の装置に好ましく適用することができる。
【００４０】
図３に面光源装置をフロントライトシステムに用いた反射型液晶表示装置を例示した。これは面光源装置２における上面１ａに光出射手段を有する導光板１の光出射面（下面１ｂ）側に液晶セル３２の表裏に偏光板３１、３３を有し、かつ裏面に反射層３４を具備する反射型の液晶表示ユニット３を配置して形成したものであり、面光源装置を消灯して外光による反射型液晶表示装置としても用いうるものである。
【００４１】
一方、図４、図５に面光源装置をバックライトシステムに用いた液晶表示装置を例示した。これは面光源装置２における導光板１の上側に光拡散層５を介して透過型の液晶表示ユニット３を配置して形成したものであり、導光板１がその裏面側に反射層６を有して透過型に加え、反射・透過両用の液晶表示装置として用いうるものである。
【００４２】
なお図４の例では、下面１ｂに光出射手段を有する導光板１を用いた面光源装置２における導光板の上面１ａの側に透過型の液晶セル３２を配置したものを例示しており、図５の例では上面１ａに光出射手段を有する導光板１を用いた面光源装置２における導光板の前記上面側に透過型の液晶セル３２を配置したものを例示している。従って導光板は、光出射手段の形成面と非形成面のいずれの側も液晶セル側として配置でき、その場合に導光板の裏面側、すなわち液晶セルを配置しない側に反射層等の光反射手段を配置することで反射・透過両用の液晶表示装置を形成することができる。
【００４３】
前記した図例の如く液晶表示装置は、面光源装置と液晶セルを少なくとも用いて、その液晶セルを面光源装置における導光板１の所定面側に配置することにより形成される。その場合、面光源装置をフロントライトに用いる反射型の液晶表示装置では、図３の如く裏面に反射層３４を具備する液晶表示ユニット３の視認側に面光源装置２がその導光板１の光出射手段形成面が上側（視認側）となるように配置される。
【００４４】
従ってフロントライトシステムによる反射型の液晶表示装置では、面光源装置の導光板と反射層との間に少なくとも液晶セルの液晶層が位置して、導光板の光出射手段形成面が視認側となるように配置することが必須とされる。その視認は、外部より面光源装置の導光板における緩斜面部分Ｓ１、２を透過した外光又は点灯時の導光板による出射光が液晶セルを透過して反射層で反転し、その反転光が再度液晶セルを透過した後、導光板における当該部分Ｓ１、２を透過することにより行われる。なお前記の反射層は、セル基板に付設するなどして液晶セル内に設けることもできる。
【００４５】
一方、図４、５の如く面光源装置をバックライトに用いる透過型等の液晶表示装置では、液晶セルの裏面（視認背面）側に面光源装置の導光板が配置され、図５の如く視認側に光出射手段形成面を有する導光板を用いるときや図４、５の如く反射・透過両用で用いるときには液晶セルと反射層の間に面光源装置の導光板が配置される。
【００４６】
図５の例の如く導光板の光出射手段形成面側を液晶セル側として光出射面に配置した反射層を介し反転させる方式は、上記したように光出射手段から液晶セルに入射するまでの光路長を増大させて光出射手段による輝線パターンを緩和でき、モアレ等の表示不良の発生を抑制できる利点などがある。
【００４７】
前記した透過型液晶表示装置による視認は、面光源装置による出射光が直接又は反射層による反転を介し液晶セルに入射して透過することにより行われる。また反射・透過両用の液晶表示装置による視認は、透過モードでは前記の透過型に準じ、反射モードでは外光が液晶セルを透過して導光板裏面の反射層で反転し、その反転光が再度導光板における緩斜面部分Ｓ１、２と液晶セルを透過することにより行われる。
【００４８】
液晶表示装置は一般に、前記図３〜５の如く液晶シャッタとして機能する透明電極具備の液晶セル３２とそれに付随の駆動装置や偏光板等からなる液晶表示ユニット、必要に応じ点灯／消灯の切り替えスイッチを組み込んだバックライト又はフロントライト及び必要に応じての集光手段４や光拡散層５、反射層６や反射防止層、補償用位相差板等の構成部品を適宜に組立てることなどにより形成される。
【００４９】
本発明においては上記した導光板ないし面光源装置を用いる点を除いて特に限定はなく、図例の如く従来に準じて形成することができる。従って用いる液晶セルについては特に限定はなく、例えば液晶の配向形態に基づく場合、ＴＮ液晶セルやＳＴＮ液晶セル、垂直配向セルやＨＡＮセル、ＯＣＢセルの如きツイスト系や非ツイスト系、ゲストホスト系や強誘電性液晶系の液晶セルなどの適宜なものを用いうる。また液晶の駆動方式についても特に限定はなく、例えばアクティブマトリクス方式やパッシブマトリクス方式などの適宜な駆動方式であってよい。
【００５０】
なお図３〜５において液晶セル３２は、セル基板の間に液晶層を封入してなるがその場合、セル基板に本発明による導光板を兼ねさすこともできる。また図例では、透明電極とそれに付随の駆動装置の記入を省略している。
【００５１】
液晶セル表裏の一方又は両方に設ける偏光板についても特に限定はないが、高度な直線偏光の入射による良好なコントラスト比の表示を得る点などより、特にバックライト側やフロントライト側の偏光板として、例えばヨウ素系や染料系の吸収型直線偏光子などの如く偏光度の高いものを用いることが好ましい。
【００５２】
反射層についも、例えばアルミニウムや銀、金や銅やクロム等の高反射率金属の粉末をバインダ樹脂中に含有する塗工層や蒸着方式等による金属薄膜の付設層、その塗工層や付設層を基材で支持した反射シート、金属箔などの従来に準じた適宜な反射層として形成することができる。液晶セルの内部に反射層を設ける場合、その反射層としては前記の高反射率金属等の高導電性材料にて電極パターンを形成する方式や、高反射率金属膜で形成した反射層の上に絶縁層を介して透明電極パターンを設ける方式などによる反射層が好ましい。
【００５３】
なお反射型液晶表示装置における反射層は、例えばプラスチックフィルム上に高反射率金属膜からなる反射層を設けたものなどとして液晶セルの外側に設けることもできる。また透過型液晶表示装置の場合には、そのバックライトを形成する導光板に直接付設することもできる。その反射層は、上記に例示の適宜な方式で導光板の利用形態に応じ導光板の光出射手段形成面又は光出射面のいずれにも設けることができる。
【００５４】
液晶表示装置の形成に際しては、上記の如く例えば視認側の表面に設けるアンチグレア層や反射防止膜、あるい光拡散板や補償用位相差板、偏光分離板や集光手段などの適宜な光学素子を適宜な位置に配置でき、反射防止膜は導光板の光出射面などにも設けることができる。また前記の集光手段は、光路制御による集光を目的としたもので、例えばプリズムシートやレンズシートなどにて形成することができる。図４に例示した如く集光手段４は、導光板１と液晶表示ユニット３の間などの適宜な位置に１層又は２層以上を配置することができる。
【００５５】
一方、前記の補償用位相差板は、複屈折の波長依存性などを補償して視認性の向上等をはかることを目的とするものであり、視認側又は／及びバックライト側の偏光板と液晶セルの間等に必要に応じて配置される。補償用位相差板としては、波長域などに応じて適宜なものを用いることができる。その位相差板は、例えばポリカーボネートやポリスルホン、ポリエステルやポリメチルメタクリレート、ポリアミドやポリビニールアルコール等からなるフィルムを延伸処理してなる複屈折性シートや液晶ポリマー配向層の支持シートなどとして得ることができ、それら位相差シートを２層以上重畳したものなどとして形成することもできる。
【００５６】
また光拡散層は、明暗ムラの防止による明るさの均等な面発光を得るためや隣接光線の混交によるモアレの低減などを目的に、必要に応じて液晶表示装置の適宜な位置に１層又は２層以上配置するものである。ちなみに図４、５の例では、導光板１と液晶表示ユニット３の間に光拡散層５が配置されている。なお導光板出射光の指向性の維持などの点よりは、拡散範囲の狭い拡散層が好ましく用いうる。
【００５７】
光拡散層は、上記した光出射面の微細凹凸に準じて、例えば低屈折率の透明樹脂中に高屈折率の透明粒子を分散させて塗布硬化させる方式や気泡を分散させた透明樹脂を塗布硬化させる方式、基材表面を溶媒を介し膨潤させてクレイズを発生させる方式や不規則な凹凸面を有する透明樹脂層を形成する方式、あるいは前記に準じて形成した拡散シートを用いる方式などの適宜な方式で形成することができる。
【００５８】
なお透過型液晶表示装置の形成に際しては、輝度の向上を目的に面光源装置と偏光板の間に偏光分離板を配置することもできる。偏光分離板は、例えばコレステリック液晶相を有する層、就中コレステリック相を呈する液晶ポリマーからなる層を有するシートや、透明基板上に誘電体の多層膜を設けたものなどの如く、自然光を透過と反射を介して偏光に分離する機能を有するものである。ちなみに、コレステリック液晶相によれば透過と反射を介して左右の円偏光に分離でき、前記誘電体の多層膜によれば透過と反射を介してＰ波とＳ波の直線偏光に分離することができる。また円偏光は、１／４波長板を介して直線偏光に変換することができる。
【００５９】
そのため偏光分離板を透過した偏光を偏光軸を可及的に一致させて偏光板に入射させることにより、偏光板による吸収ロスを抑制できて輝度の向上を図りうる。また図４、５の如く裏面に反射層６を設けた導光板１からなる面光源装置では、前記の偏光分離板で反射された偏光を反射層６で反転させて偏光分離板に再入射させることにより反転光の一部又は全部を透過させることができ、その光利用効率の向上により輝度の向上を図りうる。
【００６０】
本発明において、上記した面光源装置や液晶表示装置を形成する導光板や液晶セルや偏光板等の光学素子ないし部品は、全体的又は部分的に積層一体化されて固着されていてもよいし、分離容易な状態に配置されていてもよい。界面反射の抑制によるコントラストの低下防止などの点よりは、固着状態にあることが好ましい。その固着密着処理には、粘着剤等の適宜な透明接着剤を用いることができる。
【００６１】
【実施例】
実施例１
予めダイヤモンドバイトで切削して所定形状に加工した金型に高流動性のポリメチルメタクリレートを加熱溶融させて充填し冷却後に取り出して導光板を得た。この導光板は、幅４０mm、奥行２８mm、肉厚１mmの同厚平板からなり、幅方向の対向２面を入射側面としてその片面に入手側面に平行な光出射手段を各入射側面より２mm離れた位置より有してなる。
【００６２】
また前記した光出射手段は、図２に例示の断面５角形による基準平面Ｌよりの凸形態に基づき２５０μmの一定ピッチによる凹凸の繰返し構造よりなり、各入射側面に対面する伝送光反射面Ｒ１、２はその傾斜角θ１、２が４１度で、対応の入射側面より遠離るほど高くなり、緩斜面Ｓ１、２はその傾斜角θ３、４が６．５度で、伝送光反射面の基準平面に対する投影幅が１２〜２１μmであり、凸部間の隙間（Ｂ）が５０μm以下のものよりなる。なお凹凸の繰返し構造は、入射側面間の中央における入射側面に平行な線に対して対称である。
【００６３】
次に幅４２mm、奥行２．５mm、厚さ１．５mmの直方体からなる有効発光幅４１mmの線状導光板の左右両面に緑色発光ダイオードを１個ずつ設けて直流電源と接続した光源１を前記の導光板における両入射側面の一方に配置し、他方の入射側面に緑色発光ダイオードに代えて赤色発光ダイオードを設けてなる光源２を配置して面光源装置を得た。
【００６４】
ついで前記の面光源装置における導光板の光出射手段を有しない側にノーマリーホワイトの反射型ツイストネマチック系液晶表示ユニットを配置して、フロントライト式の反射型液晶表示装置を得た。なお視認は、光出射手段を形成した導光板の上面側を介して行われる。
【００６５】
実施例２
実施例１で得た面光源装置の下面側に銀蒸着の光拡散型反射板を配置し、かつ上面側にヘイズ８３％の拡散フィルムを介しノーマリーホワイトの透過型ツイストネマチック系液晶表示ユニットを配置して、バックライト式の透過型液晶表示装置を得た。
【００６６】
実施例３
面光源装置をその導光板の上下面を逆転させて配置したほかは実施例２に準じてバックライト式の透過型液晶表示装置を得た。
【００６７】
比較例１
光出射手段を頂角９８度の断面二等辺三角形からなる凹凸の２５０μmの一定ピッチによる繰返し構造としたほかは実施例１に準じて導光板と面光源装置と反射型液晶表示装置を得た。
【００６８】
比較例２
比較例１による面光源装置を用いたほかは実施例２に準じて透過型液晶表示装置を得た。
【００６９】
比較例３
サンドブラスト加工による粗面を光出射手段として片面に有する導光板を用いたほかは実施例２に準じて面光源装置と透過型液晶表示装置を得た。
【００７０】
比較例４
比較例１による面光源装置を用いたほかは実施例３に準じて透過型液晶表示装置を得た。
【００７１】
比較例５
比較例３による面光源装置を用いたほかは実施例３に準じて透過型液晶表示装置を得た。
【００７２】
評価試験１
実施例、比較例で得た反射型又は透過型の液晶表示装置について、液晶セルを電圧無印加の状態で光源１又は光源２を点灯させ、装置中央部、点灯側の入射部及びその対向部における正面輝度を輝度計（トプコン社製、ＢＭ７）にて調べた。その結果を次表に示した。なお光源１は緑光による。
【００７３】
【００７４】
評価試験２
実施例、比較例で得た反射型又は透過型の液晶表示装置について外観観察を行った結果、実施例では全面にわたりほぼ均一で明るい発光状態が得られたが、比較例では入射部で強く発光して対向部に向かい輝度が大きく低下して発光の均一性に劣り、特に比較例３、５の拡散式のものでは実施例に比べ輝度が大きく劣っていた。
【００７５】
また実施例では、光源の１と２による緑と赤の発光色の変換が可能であり均一で明るい発光状態が得られ液晶表示装置を駆動したときに見やすい表示であった。しかし比較例では発光ムラで見にくかった。以上より本発明によれば発光色の切り替えが可能で、表示特性に優れるフロントライト式又はバックライト式の反射型又は透過型の液晶表示装置を形成できることかわかる。
【図面の簡単な説明】
【図１】導光板例の斜視説明図
【図２】導光板における光出射手段例の側面説明図
【図３】フロントライト式の反射型液晶表示装置例の説明図
【図４】バックライト式の透過型液晶表示装置例の説明図
【図５】他のバックライト式の透過型液晶表示装置例の説明図
【符号の説明】
１：導光板
１ａ：上面（光出射手段形成面）
Ａ：光出射手段（Ｒ１、２：伝送光反射面 Ｓ１、２：緩斜面）
１ｂ：下面（光出射面） １ｃ、ｄ：入射側面
２：面光源装置（２１、２２：光源）
３：液晶表示ユニット
３１、３３：偏光板 ３２：液晶セル ３４：反射層
５：光拡散層 ６：反射層
【発明の技術分野】
本発明は、光利用効率に優れて輝度やその均一性に優れる面光源装置及び明るくて見やすい反射型や透過型の液晶表示装置を形成でき、発光色変換式などとすることもできる多光源型の導光板に関する。
【０００２】
【発明の背景】
従来、導光板としては、板状体における上下面の一方に粗面や白色ドットを設け側面からの入射光を散乱させて上下面の他方に出射させるようにしたサイドライト型のものが知られていた。かかるサイドライト型導光板は、その側面に光源を配置して面光源装置としそれを液晶セルと組み合わせて反射型や透過型等の液晶表示装置の形成に用いられている。
【０００３】
しかしながら輝度やその均一性に乏しくて表示品位に乏しい問題点があった。複数の側面に光源を配置して輝度を向上させる提案もあるが輝度のバラツキは改善されにくく、拡散層やプリズムシートを配置して光路制御する方式では、部品数が増大し製造効率も低下する。また液晶表示装置は、液晶セルに対する面光源装置の配置位置でバックライト式とフロントライト式に区別されているが、前記の散乱式では表示像を乱すためにフロントライト式で用いることが困難な問題点もあった。かかるフロントライト式では、表示装置の携帯電話等への普及に伴いバックライト式の場合と同様に発光色を変換できるものも求められている。
【０００４】
【発明の技術的課題】
本発明は、光の利用効率に優れて輝度とその均一性に優れる面光源装置及び明るくて見やすい反射型や透過型の液晶表示装置を形成でき、発光色を変換できるフロントライト式のものなどとしても使用できる導光板の開発を課題とする。
【０００５】
【課題の解決手段】
本発明は、上面と下面とその上下面間の対向する２側面からなる入射側面を少なくとも有する板状体よりなり、前記上下面の一方に前記各入射側面からの入射光を前記上下面の他方に出射するための光出射手段を有して、その光出射手段は、各入射側面に対面する傾斜方向が反対の一対の伝送光反射面とその間に配置した隣接の伝送光反射面とは傾斜方向が反対の一対の緩斜面からなり、かつ前記入射側面に沿う方向の稜線を有する凹凸が２００μ m 以下の間隔で繰返す構造よりなり、前記凹凸は、前記上下面の一方の面において前記入射側面の両側面側の端部を含まない位置に、かつ前記光出射手段が形成された面における前記両入射側面の端部を結ぶ基準平面に対して外側に突出して形成されており、前記伝送光反射面の前記基準平面に対する傾斜角が３０〜４５度で、前記緩斜面の前記基準平面に対する傾斜角が０超〜１０度であり、かつ前記一対の緩斜面が交わる稜線が前記基準平面よりも外側に位置することを特徴とする導光板を提供するものである。
【０００６】
また本発明は、前記の導光板における各入射側面に光源を配置してなることを特徴とする面光源装置、並びに光出射手段を板状体の上面に有する導光板を用いた前記面光源装置における導光板の下面側に、反射層具備の液晶セルを有することを特徴とする反射型液晶表示装置、及び光出射手段を板状体の上面又は下面に有する導光板を用いた前記面光源装置における導光板の上面側に透過型の液晶セルを有し、かつ導光板の下面側に光反射手段を有することを特徴とする透過型液晶表示装置を提供するものである。
【０００７】
【発明の効果】
本発明によれば、導光板の２側面より光源からの光を入射させ、その入射光を凹凸の繰返し構造よりなる光出射手段を介して同一面より出射させるようにしたので光源からの光を効率よく面光源に変換して輝度とその均一性に優れる面光源装置を得ることができ、それをバックライトやフロントライトに用いて明るくて見やすい反射型や透過型の液晶表示装置を形成することができる。また異色発光の光源の組合せとして発光色の変換が可能なフロントライト式及びバックライト式の液晶表示装置も形成することができる。
【０００８】
【発明の実施形態】
本発明による導光板は、上面と下面とその上下面間の対向する２側面からなる入射側面を少なくとも有する板状体よりなり、前記上下面の一方に前記各入射側面からの入射光を前記上下面の他方に出射するための光出射手段を有して、その光出射手段は、各入射側面に対面する傾斜方向が反対の一対の伝送光反射面とその間に配置した隣接の伝送光反射面とは傾斜方向が反対の一対の緩斜面からなり、かつ前記入射側面に沿う方向の稜線を有する凹凸が２００μ m 以下の間隔で繰返す構造よりなり、前記凹凸は、前記上下面の一方の面において前記入射側面の両側面側の端部を含まない位置に、かつ前記光出射手段が形成された面における前記両入射側面の端部を結ぶ基準平面に対して外側に突出して形成されており、前記伝送光反射面の前記基準平面に対する傾斜角が３０〜４５度で、前記緩斜面の前記基準平面に対する傾斜角が０超〜１０度であり、かつ前記一対の緩斜面が交わる稜線が前記基準平面よりも外側に位置するものである。その例を図１、図２に示した。１が導光板を形成する板状体であり、１ａが上面、１ｂが下面、１ｃ、ｄが入射側面である。
【０００９】
入射側面は、それに光源を配置して光を入射させることを目的とし、本発明においては図１の例の如く板状体１の上下面間における対向する２側面が入射側面１ｃ、ｄとして利用される。これにより２面の側面より別体の光源を介して光を入射させることができ、輝度の向上や発光色の変換が可能となる。
【００１０】
一方、板状体の上下面の一方に形成する光出射手段は、入射側面からの入射光を上下面の他方に出射するためのものであり、本発明においては図１に例示の如く入射側面１ｃ、ｄに沿う方向の稜線を有する凹凸の繰返し構造にて形成され、かつ図２に例示の如くその凹凸Ａが各入射側面１ｃ、ｄに対面する傾斜方向が反対の一対の伝送光反射面Ｒ１、２と、その間に配置した隣接の伝送光反射面とは傾斜方向が反対の一対の緩斜面Ｓ１、２にて形成される。
【００１１】
前記により入射側面のそれぞれに対応する光出射手段を配置でき、上下面の一方を共通の光出射面として光を指向性よく出射させることができて光利用効率の向上等を図ることができる。なお図例では上面１ａに光出射手段を有して下面１ｂより出射するもの、従って下面が光出射面となるものを示している。導光板の厚さを介し光路長を増大して光出射手段を介した出射光の輝線化を緩和して平準化し、発光の均一性の向上を図る点よりは図例の如く板状体の上面に光出射手段を形成して下面を光出射面としたものが好ましく、特にフロントライト式とする場合に好ましい。
【００１２】
光利用効率等の点より好ましい光出射手段は、入射側面からの入射光を反射、特に全反射を介して光出射面側に光路制御しうるようにした斜面を有するものである。
【００１３】
好ましい凹凸構造は、導光板の光出射面よりその基準平面の垂直（法線）方向に可及的に多くの光が出射すると共に、反射型液晶表示装置のフロントライトとする場合には表示光となる前記出射光と導光板よりの漏れ光の方向が可及的に重複しないものである。漏れ光が表示光と重複すると表示像の強さを減殺してコントラストの低下原因となりやすい。
【００１４】
前記した出射光の法線方向化や漏れ光と表示光の重複防止性の点より凹凸は、図２に例示した如く光出射手段を形成した面の破線で示した基準平面Ｌ、すなわち光出射手段が形成された面における両入射側面の端部を結ぶ基準平面に対して外側に突出した状態の断面略五角形の凹凸Ａを単位とし、当該基準平面に対する伝送光反射面Ｒ１、２の傾斜角θ１、２が３０〜４５度で、緩斜面Ｓ１、２の傾斜角θ３、４が０超〜１０度であり、その緩斜面の隣接する一対が交わる稜線、すなわち図上の断面における緩斜面の交点Ｋが当該基準平面Ｌよりも外側に位置するものである。なお凹凸は、図例の如く板状体における上下面の一方の面において入射側面の両側面側の端部を含まない位置に設けられる。すなわち入射側面として利用する２側面の近傍は、凹凸を設けない状態とされる。
【００１５】
前記の伝送光反射面Ｒ１、２は、入射側面よりの入射光の内、その面に入射する光を反射して光出射面に供給する役割をする。その場合に当該傾斜角θ１、２を３０〜４５度とすることにより伝送光を光出射面に対し垂直性よく反射して表示に有利な出射光を効率よく得ることができる。スネルの法則に基づく全反射や漏れ光の抑制、それによる視認妨害の抑制等の前記した性能などの点より伝送光反射面の好ましい傾斜角は、３５〜４４度、就中３８〜４３度である。
【００１６】
伝送光反射面の傾斜角が３０度未満では光出射面よりの出射光の方向が法線に対して大きい角度となり、視認に有効利用できる光量が減少して明るさが低下しやすい。また４５度を超えると光出射手段形成面よりの漏れ光が増大して表示像のコントラストが低下しやすくなる。なお図２では、伝送光反射面Ｒ１が入射側面１ｃに対応し、伝送光反射面Ｒ２が入射側面１ｄに対応する。
【００１７】
一方、緩斜面は、それに入射する伝送光を反射して伝送光反射面等に供給すると共に、反射型液晶表示装置のフロントライトとした場合には液晶セルからの表示像を透過させること、透過型液晶表示装置のバックライトとした場合には反射層等を介した光利用効率の向上などを目的とする。かかる点より、上記基準平面Ｌに対する緩斜面の傾斜角θ３、４は０超〜１０度の範囲とされる。
【００１８】
前記により当該傾斜角より大きい角度の伝送光が緩斜面に入射して反射され、その傾斜角に基づき基準平面に対してより平行な角度で反射されて隣接の伝送光反射面に入射し、反射されて光出射面より前記平行化により良好に集束されて出射する。その場合に上記の如く光出射手段の凹凸が当該基準平面Ｌよりも外側に突出した凸形態とすることにより凹凸形設計の自由度を高くでき、かつ緩斜面の当該交点Ｋが当該基準平面Ｌよりも外側に位置する凸形態とすることにより小さい傾斜角の緩斜面の設計を有利に行うことができる。ちなみに当該交点Ｋが基準平面Ｌよりも内側となる形態では伝送光を緩斜面が遮って伝送光反射面への入射効率が低下し、出射効率が低減する。
【００１９】
前記の結果、伝送光反射面に直接入射する伝送光に加えて緩斜面に入射してその反射を介し隣接の伝送光反射面に入射する伝送光もその伝送光反射面を介した反射にて光出射面に供給でき、その分の光利用効率の向上をはかりうると共に、緩斜面で反射されて隣接の伝送光反射面に入射する光の入射角を一定化でき、反射角のバラツキを抑制できて出射光の平行集光化をはかることができる。緩斜面の傾斜角が１０度を超えると、他方の入射側面のために設けた緩斜面に入射した伝送光の反射による伝送角度が大きくなり伝送光反射面に入射した際に全反射角度を超えて透過し、ロス光が増大しやすくなる。
【００２０】
従って光出射手段を形成する凹凸における伝送光反射面と緩斜面の当該傾斜角を調節することにより、出射光に高度な指向性をもたせることができて、それにより光出射面に対して垂直方向ないしそれに近い角度で光を出射させることが可能になる。なお緩斜面の当該傾斜角は、伝送光の平行光化による出射光の集光化や漏れ光の抑制等の前記性能などの点より、０超〜８度、就中２〜７度であることが好ましい。
【００２１】
さらに明るい表示像を得る点よりは、当該基準平面に対する緩斜面の投影面積が伝送光反射面のそれの５倍以上、就中１０倍以上、特に１５倍以上の凹凸とすることが好ましい。これにより反射型液晶表示装置のフロントライトとした場合には液晶セルによる表示像の大部分を緩斜面を介して透過させることができる。また透過型液晶表示装置のバックライトとした場合には、大きい面積の反射面を確保できて光利用効率の向上に有利である。
【００２２】
前記した緩斜面等の面積を確保し、液晶セルの画素との干渉によるモアレの発生を防止することやシャープな凹凸の形成性などの点より好ましい伝送光反射面の大きさは、液晶セルの画素ピッチが１００〜３００μmが一般的であることを考慮して、当該基準平面に対する投影幅に基づいて３〜４０μm、就中３０μm以下、特に５〜２５μmとしたものである。
【００２３】
また前記の点より伝送光反射面の間隔は大きいことが好ましいが、一方で伝送光反射面は上記したように側面入射光の実質的な出射機能部分であるから、その間隔が広すぎると照明光が疎となってやはり不自然な表示となる場合があり、それらを鑑みた場合、凹凸が２００μ m 以下の間隔で繰返す構造、すなわち凹凸単位の間隔（図２のＢ）を２００μ m 以下とし、凸凹単位の繰返しピッチＰ（図２）を５０μm〜１mmとすることが好ましい。なおピッチは、例えばランダムピッチや所定数のピッチ単位をランダム又は規則的に組合せたものなどの如く不規則であってもよいが、モアレの防止性や外観性等の点よりは一定であることが好ましい。
【００２４】
さらに伝送光反射面への伝送光の入射効率を高めて光利用効率の向上による輝度の向上やその均一性の向上などの点より、各入射側面に対して設けた伝送光反射面が対応の入射側面より遠離るほど当該基準平面に基づく突出高が大きくなるように形成することが好ましい。従って伝送光反射面や緩斜面の基準平面に対する傾斜角は光の伝送方向に基づいて変化していてもよい。また同じ凹凸単位において各入射側面に対応する伝送光反射面や緩斜面の当該傾斜角が傾斜方向の逆転関係を除き相違していてもよく、緩斜面の交点Ｋを介し断面に基づいて左右対称である必要はない。
【００２５】
凹凸の繰返し構造からなる光出射手段の場合、液晶セルの画素と干渉してモアレを生じる場合がある。モアレの防止は、凹凸のピッチ調節で行いうるが、上記したように凹凸のピッチには好ましい範囲がある。従ってそのピッチ範囲でモアレが生じる場合の解決策としては、画素に対し凹凸を交差状態で配列しうるように凹凸を入射側面の基準平面に対し傾斜状態に形成する方式が好ましい。その場合、傾斜角が大きすぎると伝送光反射面等を介した反射に偏向を生じて出射光の方向に大きな偏りが発生し、導光板の光伝送方向における発光強度の異方性が大きくなって光利用効率も低下し、表示品位の低下原因となりやすい。
【００２６】
前記の点より入射側面の基準平面に対する凸凹の配列方向、すなわち凹凸の稜線方向の傾斜角は±３０度以内、就中±２５度以内、特に±２０度以内とすることが好ましい。なお±の符号は、入射側面を基準とした傾斜の方向を意味する。モアレを無視しうる場合などには凸凹の配列方向は、入射側面に平行なほど好ましい。
【００２７】
なお光出射手段の凹凸を形成する伝送光反射面や緩斜面は、直線面や屈折面、湾曲面等を含む適宜な面形態に形成でき、形状等の異なる凹凸の繰返し構造とすることもできる。また凹凸は、その稜線が連続した一連の凹凸構造に形成されていてもよいし、所定の間隔を有して稜線方向に不連続に配列した断続的な凹凸構造に形成されていてもよい。
【００２８】
導光板は、適宜な形態としうるが、一般には対向する入射側面を確保する点より図例の如く入射側面１ｃ、ｄとそれに直交する側面１ｅ、ｆの厚さが同厚の板とされる。導光板の光出射面、すなわち光出射手段を形成しない上下面の一方は、通例フラット面とされるが、反射型液晶表示装置のフロントライトとして上面から視認した場合に視認方向により、光出射手段とそれが光出射面に映込んだパターン同士が干渉して干渉縞によるモアレ現象を発生するときがあり、そのモアレによる表示品位の低下防止を目的に必要に応じ微細凹凸を付与した光出射面構造などとすることもできる。
【００２９】
前記した光出射面における微細凹凸の形成は、例えばサンドブラスト等のマット処理による粗面化方式や導光板を形成する際に金型等を介して微細凹凸を付与する方式、透明粒子含有の樹脂層を付設する方式や拡散ドットないしそれを設けたシートを導光板に設ける方式などの従来の拡散層に準じた適宜な方式にて行うことができる。
【００３０】
導光板における入射側面等の側面の形状についても、特に限定はなく適宜に決定してよい。一般には光源の配置性などの点より光出射面に対して垂直な入射側面とされるが、陰極管の外形に対応した凹形などとすることもできる。また入射側面は、図１に例示した如く透明体１１、１２を介して突出した形態に形成することもできる。かかる突出形態は、入射側面よりも短寸の光源を用いて端部等で発光ムラが生じることの防止などを目的とする。すなわち入射側面に配置する光源の電極部等による非発光部にて影の生じることを光路長の増大による光の発散効果で防止することなどを目的とする。
【００３１】
導光板の形成には、光源の波長域に応じそれに透明性を示す適宜な材料を用いうる。ちなみに可視光域では、例えばアクリル系樹脂やポリカーボネート系樹脂、ポリエステル系樹脂やノルボルネン系樹脂、ポリオレフィン系樹脂やエポキシ系樹脂等で代表される透明樹脂やガラスなどがあげられる。複屈折を示さないか、複屈折の小さい材料で形成したものが好ましい。
【００３２】
導光板は、切削法にても形成でき、適宜な方法で形成することができる。量産性等の点より好ましい製造方法としては、熱可塑性樹脂を所定の形状を形成しうる金型に加熱下に押付て形状を転写する方法、加熱溶融させた熱可塑性樹脂あるいは熱や溶媒を介して流動化させた樹脂を所定の形状に成形しうる金型に充填する方法、熱や紫外線ないし放射線等で重合処理しうる液状樹脂を所定の形状を形成しうる型に充填ないし流延して重合処理する方法などがあげられる。
【００３３】
導光板の厚さは、使用目的による導光板のサイズや光源の大きさなどにより適宜に決定することができる。反射型や透過型の液晶表示装置等の形成に用いる場合の一般的な導光板の厚さは、その入射側面に基づき２０mm以下、就中０．１〜１０mm、特に０．３〜５mmである。なお導光板は、例えば光の伝送を担う導光部に光出射手段を形成したシートを接着したものの如く、同種又は異種の材料からなる部品の積層体などとして形成されていてもよく、１種の材料による一体的単層物として形成されている必要はない。
【００３４】
本発明による面光源装置は、反射型や透過型の液晶表示装置等におけるサイドライト型のフロントライトやバックライトなどとして用いることを目的に、図３〜５に例示の如く導光板１における対向の入射側面１ｃ、ｄのそれぞれに光源２１、２２を配置したものである。その光源については、特に限定はなく面光源装置の使用目的などに応じて単色光や各種波長域の発光特性を示す適宜なものを用いうる。
【００３５】
ちなみに前記光源の例としては、（冷、熱）陰極管や発光ダイオード等の点状光源、その点状光源のアレイ体や点状光源による光を線状光源化したもの、細長のエレクトロルミネッセンス素子などがあげられる。液晶表示装置の形成に用いる面光源装置では、可視光域の可及的に広い波長域の発光特性を示すものが好ましい。
【００３６】
導光板に配置する光源の組合せは、例えば同種のものや発光色が相違するものなどの如く使用目的に応じて適宜に決定することができる。また光源は、適宜な方式にてそれぞれを独立に又は従属的に点灯と消灯を切り替え得るようにすることもできる。低消費電力性や光源駆動装置等の簡便化、点灯／消灯切り替えの方式の簡便化や異色発光光源の組込みの容易性などの点より発光ダイオード、特にそれを用いて線状光源を得るようにしたものが好ましい。
【００３７】
ちなみに前記の点状光源による光を線状光源化したものとしては、例えば上記の導光板に準じて入射側面に配置し得るように形成した直方体等からなる線状の導光板の背面や側面に点状光源を配置して、点状光源からの入射光を線状光源に変換できるようにしたものなどがあげられる。その場合、線状導光板の側面に点状光源を配置する方式では線状導光板の背面にドット構造や凹凸の繰返し構造等からなる適宜な形態の光路変更手段などを設けることもできる。
【００３８】
面光源装置の形成に際しては図３〜５の例の如く、光源からの放射光を導光板の入射側面に効率よく導くために光源を包囲する光源ホルダ２３などの適宜な補助手段を配置することもできる。光源ホルダは、高反射率の金属薄膜を付設した樹脂シートや金属箔、白色シートなどが一般に用いられる。またバックライトとして用いる場合、光源ホルダを導光板の光出射面に延設して反射シートを兼ねさすこともできる。
【００３９】
本発明による面光源装置は、光源からの光を効率よく利用して明るさに優れる面光源を提供し、大面積化等も容易であることより反射型液晶表示装置のフロントライトシステムや透過型液晶表示装置のバックライトシステムなどとして種々の装置に好ましく適用することができる。
【００４０】
図３に面光源装置をフロントライトシステムに用いた反射型液晶表示装置を例示した。これは面光源装置２における上面１ａに光出射手段を有する導光板１の光出射面（下面１ｂ）側に液晶セル３２の表裏に偏光板３１、３３を有し、かつ裏面に反射層３４を具備する反射型の液晶表示ユニット３を配置して形成したものであり、面光源装置を消灯して外光による反射型液晶表示装置としても用いうるものである。
【００４１】
一方、図４、図５に面光源装置をバックライトシステムに用いた液晶表示装置を例示した。これは面光源装置２における導光板１の上側に光拡散層５を介して透過型の液晶表示ユニット３を配置して形成したものであり、導光板１がその裏面側に反射層６を有して透過型に加え、反射・透過両用の液晶表示装置として用いうるものである。
【００４２】
なお図４の例では、下面１ｂに光出射手段を有する導光板１を用いた面光源装置２における導光板の上面１ａの側に透過型の液晶セル３２を配置したものを例示しており、図５の例では上面１ａに光出射手段を有する導光板１を用いた面光源装置２における導光板の前記上面側に透過型の液晶セル３２を配置したものを例示している。従って導光板は、光出射手段の形成面と非形成面のいずれの側も液晶セル側として配置でき、その場合に導光板の裏面側、すなわち液晶セルを配置しない側に反射層等の光反射手段を配置することで反射・透過両用の液晶表示装置を形成することができる。
【００４３】
前記した図例の如く液晶表示装置は、面光源装置と液晶セルを少なくとも用いて、その液晶セルを面光源装置における導光板１の所定面側に配置することにより形成される。その場合、面光源装置をフロントライトに用いる反射型の液晶表示装置では、図３の如く裏面に反射層３４を具備する液晶表示ユニット３の視認側に面光源装置２がその導光板１の光出射手段形成面が上側（視認側）となるように配置される。
【００４４】
従ってフロントライトシステムによる反射型の液晶表示装置では、面光源装置の導光板と反射層との間に少なくとも液晶セルの液晶層が位置して、導光板の光出射手段形成面が視認側となるように配置することが必須とされる。その視認は、外部より面光源装置の導光板における緩斜面部分Ｓ１、２を透過した外光又は点灯時の導光板による出射光が液晶セルを透過して反射層で反転し、その反転光が再度液晶セルを透過した後、導光板における当該部分Ｓ１、２を透過することにより行われる。なお前記の反射層は、セル基板に付設するなどして液晶セル内に設けることもできる。
【００４５】
一方、図４、５の如く面光源装置をバックライトに用いる透過型等の液晶表示装置では、液晶セルの裏面（視認背面）側に面光源装置の導光板が配置され、図５の如く視認側に光出射手段形成面を有する導光板を用いるときや図４、５の如く反射・透過両用で用いるときには液晶セルと反射層の間に面光源装置の導光板が配置される。
【００４６】
図５の例の如く導光板の光出射手段形成面側を液晶セル側として光出射面に配置した反射層を介し反転させる方式は、上記したように光出射手段から液晶セルに入射するまでの光路長を増大させて光出射手段による輝線パターンを緩和でき、モアレ等の表示不良の発生を抑制できる利点などがある。
【００４７】
前記した透過型液晶表示装置による視認は、面光源装置による出射光が直接又は反射層による反転を介し液晶セルに入射して透過することにより行われる。また反射・透過両用の液晶表示装置による視認は、透過モードでは前記の透過型に準じ、反射モードでは外光が液晶セルを透過して導光板裏面の反射層で反転し、その反転光が再度導光板における緩斜面部分Ｓ１、２と液晶セルを透過することにより行われる。
【００４８】
液晶表示装置は一般に、前記図３〜５の如く液晶シャッタとして機能する透明電極具備の液晶セル３２とそれに付随の駆動装置や偏光板等からなる液晶表示ユニット、必要に応じ点灯／消灯の切り替えスイッチを組み込んだバックライト又はフロントライト及び必要に応じての集光手段４や光拡散層５、反射層６や反射防止層、補償用位相差板等の構成部品を適宜に組立てることなどにより形成される。
【００４９】
本発明においては上記した導光板ないし面光源装置を用いる点を除いて特に限定はなく、図例の如く従来に準じて形成することができる。従って用いる液晶セルについては特に限定はなく、例えば液晶の配向形態に基づく場合、ＴＮ液晶セルやＳＴＮ液晶セル、垂直配向セルやＨＡＮセル、ＯＣＢセルの如きツイスト系や非ツイスト系、ゲストホスト系や強誘電性液晶系の液晶セルなどの適宜なものを用いうる。また液晶の駆動方式についても特に限定はなく、例えばアクティブマトリクス方式やパッシブマトリクス方式などの適宜な駆動方式であってよい。
【００５０】
なお図３〜５において液晶セル３２は、セル基板の間に液晶層を封入してなるがその場合、セル基板に本発明による導光板を兼ねさすこともできる。また図例では、透明電極とそれに付随の駆動装置の記入を省略している。
【００５１】
液晶セル表裏の一方又は両方に設ける偏光板についても特に限定はないが、高度な直線偏光の入射による良好なコントラスト比の表示を得る点などより、特にバックライト側やフロントライト側の偏光板として、例えばヨウ素系や染料系の吸収型直線偏光子などの如く偏光度の高いものを用いることが好ましい。
【００５２】
反射層についも、例えばアルミニウムや銀、金や銅やクロム等の高反射率金属の粉末をバインダ樹脂中に含有する塗工層や蒸着方式等による金属薄膜の付設層、その塗工層や付設層を基材で支持した反射シート、金属箔などの従来に準じた適宜な反射層として形成することができる。液晶セルの内部に反射層を設ける場合、その反射層としては前記の高反射率金属等の高導電性材料にて電極パターンを形成する方式や、高反射率金属膜で形成した反射層の上に絶縁層を介して透明電極パターンを設ける方式などによる反射層が好ましい。
【００５３】
なお反射型液晶表示装置における反射層は、例えばプラスチックフィルム上に高反射率金属膜からなる反射層を設けたものなどとして液晶セルの外側に設けることもできる。また透過型液晶表示装置の場合には、そのバックライトを形成する導光板に直接付設することもできる。その反射層は、上記に例示の適宜な方式で導光板の利用形態に応じ導光板の光出射手段形成面又は光出射面のいずれにも設けることができる。
【００５４】
液晶表示装置の形成に際しては、上記の如く例えば視認側の表面に設けるアンチグレア層や反射防止膜、あるい光拡散板や補償用位相差板、偏光分離板や集光手段などの適宜な光学素子を適宜な位置に配置でき、反射防止膜は導光板の光出射面などにも設けることができる。また前記の集光手段は、光路制御による集光を目的としたもので、例えばプリズムシートやレンズシートなどにて形成することができる。図４に例示した如く集光手段４は、導光板１と液晶表示ユニット３の間などの適宜な位置に１層又は２層以上を配置することができる。
【００５５】
一方、前記の補償用位相差板は、複屈折の波長依存性などを補償して視認性の向上等をはかることを目的とするものであり、視認側又は／及びバックライト側の偏光板と液晶セルの間等に必要に応じて配置される。補償用位相差板としては、波長域などに応じて適宜なものを用いることができる。その位相差板は、例えばポリカーボネートやポリスルホン、ポリエステルやポリメチルメタクリレート、ポリアミドやポリビニールアルコール等からなるフィルムを延伸処理してなる複屈折性シートや液晶ポリマー配向層の支持シートなどとして得ることができ、それら位相差シートを２層以上重畳したものなどとして形成することもできる。
【００５６】
また光拡散層は、明暗ムラの防止による明るさの均等な面発光を得るためや隣接光線の混交によるモアレの低減などを目的に、必要に応じて液晶表示装置の適宜な位置に１層又は２層以上配置するものである。ちなみに図４、５の例では、導光板１と液晶表示ユニット３の間に光拡散層５が配置されている。なお導光板出射光の指向性の維持などの点よりは、拡散範囲の狭い拡散層が好ましく用いうる。
【００５７】
光拡散層は、上記した光出射面の微細凹凸に準じて、例えば低屈折率の透明樹脂中に高屈折率の透明粒子を分散させて塗布硬化させる方式や気泡を分散させた透明樹脂を塗布硬化させる方式、基材表面を溶媒を介し膨潤させてクレイズを発生させる方式や不規則な凹凸面を有する透明樹脂層を形成する方式、あるいは前記に準じて形成した拡散シートを用いる方式などの適宜な方式で形成することができる。
【００５８】
なお透過型液晶表示装置の形成に際しては、輝度の向上を目的に面光源装置と偏光板の間に偏光分離板を配置することもできる。偏光分離板は、例えばコレステリック液晶相を有する層、就中コレステリック相を呈する液晶ポリマーからなる層を有するシートや、透明基板上に誘電体の多層膜を設けたものなどの如く、自然光を透過と反射を介して偏光に分離する機能を有するものである。ちなみに、コレステリック液晶相によれば透過と反射を介して左右の円偏光に分離でき、前記誘電体の多層膜によれば透過と反射を介してＰ波とＳ波の直線偏光に分離することができる。また円偏光は、１／４波長板を介して直線偏光に変換することができる。
【００５９】
そのため偏光分離板を透過した偏光を偏光軸を可及的に一致させて偏光板に入射させることにより、偏光板による吸収ロスを抑制できて輝度の向上を図りうる。また図４、５の如く裏面に反射層６を設けた導光板１からなる面光源装置では、前記の偏光分離板で反射された偏光を反射層６で反転させて偏光分離板に再入射させることにより反転光の一部又は全部を透過させることができ、その光利用効率の向上により輝度の向上を図りうる。
【００６０】
本発明において、上記した面光源装置や液晶表示装置を形成する導光板や液晶セルや偏光板等の光学素子ないし部品は、全体的又は部分的に積層一体化されて固着されていてもよいし、分離容易な状態に配置されていてもよい。界面反射の抑制によるコントラストの低下防止などの点よりは、固着状態にあることが好ましい。その固着密着処理には、粘着剤等の適宜な透明接着剤を用いることができる。
【００６１】
【実施例】
実施例１
予めダイヤモンドバイトで切削して所定形状に加工した金型に高流動性のポリメチルメタクリレートを加熱溶融させて充填し冷却後に取り出して導光板を得た。この導光板は、幅４０mm、奥行２８mm、肉厚１mmの同厚平板からなり、幅方向の対向２面を入射側面としてその片面に入手側面に平行な光出射手段を各入射側面より２mm離れた位置より有してなる。
【００６２】
また前記した光出射手段は、図２に例示の断面５角形による基準平面Ｌよりの凸形態に基づき２５０μmの一定ピッチによる凹凸の繰返し構造よりなり、各入射側面に対面する伝送光反射面Ｒ１、２はその傾斜角θ１、２が４１度で、対応の入射側面より遠離るほど高くなり、緩斜面Ｓ１、２はその傾斜角θ３、４が６．５度で、伝送光反射面の基準平面に対する投影幅が１２〜２１μmであり、凸部間の隙間（Ｂ）が５０μm以下のものよりなる。なお凹凸の繰返し構造は、入射側面間の中央における入射側面に平行な線に対して対称である。
【００６３】
次に幅４２mm、奥行２．５mm、厚さ１．５mmの直方体からなる有効発光幅４１mmの線状導光板の左右両面に緑色発光ダイオードを１個ずつ設けて直流電源と接続した光源１を前記の導光板における両入射側面の一方に配置し、他方の入射側面に緑色発光ダイオードに代えて赤色発光ダイオードを設けてなる光源２を配置して面光源装置を得た。
【００６４】
ついで前記の面光源装置における導光板の光出射手段を有しない側にノーマリーホワイトの反射型ツイストネマチック系液晶表示ユニットを配置して、フロントライト式の反射型液晶表示装置を得た。なお視認は、光出射手段を形成した導光板の上面側を介して行われる。
【００６５】
実施例２
実施例１で得た面光源装置の下面側に銀蒸着の光拡散型反射板を配置し、かつ上面側にヘイズ８３％の拡散フィルムを介しノーマリーホワイトの透過型ツイストネマチック系液晶表示ユニットを配置して、バックライト式の透過型液晶表示装置を得た。
【００６６】
実施例３
面光源装置をその導光板の上下面を逆転させて配置したほかは実施例２に準じてバックライト式の透過型液晶表示装置を得た。
【００６７】
比較例１
光出射手段を頂角９８度の断面二等辺三角形からなる凹凸の２５０μmの一定ピッチによる繰返し構造としたほかは実施例１に準じて導光板と面光源装置と反射型液晶表示装置を得た。
【００６８】
比較例２
比較例１による面光源装置を用いたほかは実施例２に準じて透過型液晶表示装置を得た。
【００６９】
比較例３
サンドブラスト加工による粗面を光出射手段として片面に有する導光板を用いたほかは実施例２に準じて面光源装置と透過型液晶表示装置を得た。
【００７０】
比較例４
比較例１による面光源装置を用いたほかは実施例３に準じて透過型液晶表示装置を得た。
【００７１】
比較例５
比較例３による面光源装置を用いたほかは実施例３に準じて透過型液晶表示装置を得た。
【００７２】
評価試験１
実施例、比較例で得た反射型又は透過型の液晶表示装置について、液晶セルを電圧無印加の状態で光源１又は光源２を点灯させ、装置中央部、点灯側の入射部及びその対向部における正面輝度を輝度計（トプコン社製、ＢＭ７）にて調べた。その結果を次表に示した。なお光源１は緑光による。
【００７３】
評価試験２
実施例、比較例で得た反射型又は透過型の液晶表示装置について外観観察を行った結果、実施例では全面にわたりほぼ均一で明るい発光状態が得られたが、比較例では入射部で強く発光して対向部に向かい輝度が大きく低下して発光の均一性に劣り、特に比較例３、５の拡散式のものでは実施例に比べ輝度が大きく劣っていた。
【００７５】
また実施例では、光源の１と２による緑と赤の発光色の変換が可能であり均一で明るい発光状態が得られ液晶表示装置を駆動したときに見やすい表示であった。しかし比較例では発光ムラで見にくかった。以上より本発明によれば発光色の切り替えが可能で、表示特性に優れるフロントライト式又はバックライト式の反射型又は透過型の液晶表示装置を形成できることかわかる。
【図面の簡単な説明】
【図１】導光板例の斜視説明図
【図２】導光板における光出射手段例の側面説明図
【図３】フロントライト式の反射型液晶表示装置例の説明図
【図４】バックライト式の透過型液晶表示装置例の説明図
【図５】他のバックライト式の透過型液晶表示装置例の説明図
【符号の説明】
１：導光板
１ａ：上面（光出射手段形成面）
Ａ：光出射手段（Ｒ１、２：伝送光反射面 Ｓ１、２：緩斜面）
１ｂ：下面（光出射面） １ｃ、ｄ：入射側面
２：面光源装置（２１、２２：光源）
３：液晶表示ユニット
３１、３３：偏光板 ３２：液晶セル ３４：反射層
５：光拡散層 ６：反射層
Claims (8)
- 上面と下面とその上下面間の対向する２側面からなる入射側面を少なくとも有する板状体よりなり、前記上下面の一方に前記各入射側面からの入射光を前記上下面の他方に出射するための光出射手段を有して、その光出射手段は、各入射側面に対面する傾斜方向が反対の一対の伝送光反射面とその間に配置した隣接の伝送光反射面とは傾斜方向が反対の一対の緩斜面からなり、かつ前記入射側面に沿う方向の稜線を有する凹凸が２００μ m 以下の間隔で繰返す構造よりなり、前記凹凸は、前記上下面の一方の面において前記入射側面の両側面側の端部を含まない位置に、かつ前記光出射手段が形成された面における前記両入射側面の端部を結ぶ基準平面に対して外側に突出して形成されており、前記伝送光反射面の前記基準平面に対する傾斜角が３０〜４５度で、前記緩斜面の前記基準平面に対する傾斜角が０超〜１０度であり、かつ前記一対の緩斜面が交わる稜線が前記基準平面よりも外側に位置することを特徴とする導光板。
- 請求項１において、伝送光反射面の当該基準平面に対する投影幅が３〜４０μm である導光板。
- 請求項２において、各入射側面に対して設けた伝送光反射面が対応の入射側面より遠離るほど当該基準平面に基づく突出高が大きくなる導光板。
- 請求項１〜３の一に記載の導光板における各入射側面に光源を配置してなることを特徴とする面光源装置。
- 請求項４において、点灯・消灯を切り替えうる異色発光の光源が配置された面光源装置。
- 請求項４又は５において、光源が点状光源とそれからの入射光を線状光源に変換する線状導光板からなる線状光源である面光源装置。
- 光出射手段を板状体の上面に有する導光板を用いた請求項４〜６の一に記載の面光源装置における導光板の下面側に、反射層具備の液晶セルを有することを特徴とする反射型液晶表示装置。
- 光出射手段を板状体の上面又は下面に有する導光板を用いた請求項４〜６の一に記載の面光源装置における導光板の上面側に透過型の液晶セルを有し、かつ導光板の下面側に光反射手段を有することを特徴とする透過型液晶表示装置。
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