JP4181935B2 - 面光源素子およびそれを用いた表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、携帯電話、携帯情報端末（ＰＤＡ）等の携帯機器に用いられる面光源素子およびこれを用いた直視型の表示装置に関する。

携帯機器に使用される表示装置は、面状に光を発する面光源素子（バックライト）と情報を与える透過型または半透過型の表示パネルとで構成され、該表示パネルが与えた情報により光の透過率がコントロールされることによって文字および映像が表示される。バックライトとしては、蛍光管のような光源と導光体とを組み合わせたものが用いられる。

小型携帯機器の表示装置では近年、薄型、小型化、軽量化、低消費電力化のために光源として発光ダイオード（ＬＥＤ）に代表される点光源が用いられる場合が多い。この場合、低消費電力化のためにＬＥＤ個数を少なくする一方で、高輝度化の実現を図るという相反する要求がある。また、従来から、導光体内の散乱反射を利用して光を出射させるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。また、導光板伝播光を導光板裏面に設けた反射パターンにより出射光角度を制御する技術も知られている（例えば、特許文献２参照）。一方、導光体裏面の反射パターンを光源を中心とした同心円状にすることも知られている（例えば、特許文献３参照）。
特開２００１−４３７１６号公報 特開２００１−２１５５０５号公報 特許第３１５１８３０号明細書

しかし、特許文献１では、出射光の輝度角度分布が広がってしまい低い輝度しか得られない。このため高輝度化を図る際には線状プリズムを多数配列したプリズムシートなどに代表される出射光角度を制御する集光部材を用いる必要がある。しかしながら、これらの部品を用いることは、高コスト化や面光源素子の厚みが増すといった問題が生じる。また、特許文献２には、例えば導光方向の断面が三角形状に形成された拡散パターンが記載されている（同文献の図９（ｃ））。しかしながら、図１３に示すように、この拡散パターンの凹部へ所定の角度以上で入射した光は透過光となる。さらに、この光の一部は導光体裏面への漏れ光となるため光の利用効率低下が避けられない。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたもので、ＬＥＤ等の点光源を用いた場合でも高輝度な面光源素子を提供することを目的とする。また、本発明はこの面光源素子を利用した表示装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明の面光源素子は、側面に配置された点光源からの光が入射される導光体と、導光体の出射面からの光を出射面の正面方向に向かわせるための、光反射機能を有する複数の凸部を形成した出射光制御板とを備え、前記出射光制御板の凸部の内面に光反射面を有し、該凸部が点光源を中心として略同心円上に配置され、凸部の頂部が導光体表面に密着してなり、前記出射光制御板の凸部の主光反射面中央部における法線ベクトルの導光体出射面の投影ベクトルと、該凸部の主光反射面中央部から点光源方向へ向くベクトルとのなす角度が−１０°〜＋１０°の範囲内で、かつ各凸部でそれぞれランダムに設定されていることを特徴とする。

この構成によれば、内面に光反射面を有する出射光制御板の凸部が点光源を中心として略同心円上に配置されており、かつ凸部反射面における広がり角を狭くしているので、導光体の出射面から光は各凸部に対してほぼ同じ角度で入射してそれぞれ凸部で広がることなく出射面の正面方向に向かうため、輝度は単位立体角当たりの光束に比例することから高輝度を得ることができる。これとともに、凸部と光源方向のなす角度が、各凸部で前記範囲内において、それぞれランダムに設定されているので、凸部パターンの周期性が解消されて出射光制御板と液晶パネルとの間で発生するモアレ現象を抑止することができる。また、従来の導光体に凸部を設けるのと異なり、出射光制御板に凸部を設けることにより、全反射を用いて光を取り出すことになるため、光の利用効率に優れるという効果がある。さらに、出射光制御板の凸部頂部を導光体の出射面に密着させることにより、出射光制御板と導光体間の隙間がなくなり面光源素子を小型化できる。

好ましくは、凸部と光源方向のなす角度が、各凸部で前記範囲内において、それぞれ周方向に順次周期的に変化するように設定される。したがって、凸部パターンの周期性が解消されて出射光制御板と液晶パネルとの間で発生するモアレ現象を抑止することができる。

好ましくは、凸部を出射光制御板の表面と平行な面で切断したときの反射面の断面形状が、曲面状、または円弧状である。

本発明の面光源素子の発光面上に液晶パネルを設けることで高輝度な表示装置を得ることができる。

本発明の面光源素子によれば、ＬＥＤ等の点光源を用いた場合に高輝度な面光源を得ることができる。さらにこの面光源素子を利用した表示装置は高い輝度を有する。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る面光源素子の概略構成図を示す。この面光源素子は、側面の例えばコーナー部３にＬＥＤのような点光源１が配置されて、点光源１からの光が入射される例えばアクリル樹脂製の導光体２と、導光体２の出射面からの光を出射面の正面方向に向かわせるための、光反射機能を有する複数の凸部７が形成された出射光制御板５とを備えている。出射光制御板５の凸部７は点光源１に対して微小である。

また、図２のように、出射光制御板５の凸部７の内面に反射面７ａを有して、凸部７の頂部（密着部）７ｂが導光体２の出射面２ｂと密着している。この例では、凸部７を出射光制御板５の表面と平行な面で切ったときの反射面の断面形状は矩形になっており、横断面形状は上辺が底辺より大きい台形となっている。さらに、図３のように凸部７は点光源１を中心として略同心円上に配置されている。

図１の点光源１から導光体２に入射した後、図４に示すように、導光体２内を伝播してきた光は、出射光制御板５の凸部７の頂部７ｂから凸部７内に進行し、凸部７の内面の反射面７ａで反射し導光体２の出射面２ｂに対し垂直に近い角度で出射する。図４は導光体２の断面内での１つの点光源１からの代表的光線の伝搬を示す。

図３のように出射光制御板５の凸部７は点光源１を中心として略同心円上に配置されていることから、導光体２の出射面２ｂからの光は、各凸部７に対してほぼ同じ角度で入射してそれぞれ凸部７で広がることなく出射面の正面方向に向かうこととなる。

すなわち、凸部７が略同心円上に配置され、またその大きさが点光源１に対して微小であることから、出射光制御板５の凸部７の主反射面中央部における法線ベクトルの導光体出射面２ｂの投影ベクトルが、凸部７の主反射面中央部から略点光源１方向へ向いている。好ましくは、前記投影ベクトルと、凸部７の主反射面中央部から点光源１方向へ向くベクトルのなす角度（以下、凸部７と点光源１方向のなす角度と称する）が−１０°〜＋１０°の範囲内である。図２において、この角度δは、ほぼゼロと見なせるように設定されている。

この場合、図５に示すように、１つの凸部７へ入射する光の導光板２の面内方向の広がり角αはゼロとみなしてよい。また、凸部７での反射においては導光体２の厚み方向の角度分布を制御するため、出射光の周方向の広がり角α’もほぼゼロとみなすことができる。したがって、導光体２の出射面２ｂから各同心円上の凸部７へ入射した光はそれぞれ各凸部７で広がることなく出射面の正面方向に向かうため、輝度は単位立体角当たりの光束に比例することから、広がり角が狭い本発明では高い輝度を得ることができる。さらに、凸部７の高さを適宜調整することで凸部７へ入射した光を全て出射させることができるため、高効率化が可能である。なお、半径方向の広がり角β’は、凸部内部の形状により規定されるため、凸部形状を適宜選択することで所望の値に設計可能である。

また、出射光制御板５の凸部７の頂部７ｂを導光体２の出射面２ｂに密着させているので、出射光制御板５と導光体２間の隙間がなくなり面光源素子を小型化できる。

同心円上の周方向の凸部間隔および円弧の半径を面内で適宜変調することにより、面内の輝度を均一化することが可能である。

図１２に示すように、本発明の面光源素子の発光面側に透過型または半透過型液晶パネル８を設けることにより表示装置が構成される。これにより、高輝度な表示装置を得ることができる。

なお、出射光制御板５の凸部７のパターンに周期性があると、液晶パネル８の画素の周期性によりモアレが生じる。本発明では、図６に示すように、凸部７の周方向の配置にランダム性を与えることにより、凸部パターンの周期性が解消されて出射光制御板５と液晶パネル８との間で発生するモアレ現象を抑止することができる。図６中では凸部７の中心をプロットしている。

同様に、モアレ現象を抑止するために、図７に示すように、凸部７と点光源１方向のなす角度が各凸部７でそれぞれランダムに設定させてもよい。また、図８に示すように、凸部７と点光源１方向のなす角度が各凸部７でそれぞれ周方向に順次周期的に変化するように設定させてもよい。

なお、周方向の広がり角α’が狭くなりすぎるのを避けるには、凸部７と点光源１方向のなす角度がゼロでない凸部７を設ければよい。ベクトルのなす角度がゼロでない凸部７に入射した光は斜め方向に反射する。微小領域内に複数個の凸部７が存在し、その凸部７と点光源１方向のなす角度のヒストグラムがゼロ度を中心とした分布になるように設定することで、視覚特性を広げることが可能となる。

視野角を広げる別の方法として凸部を出射光制御板５の表面と平行な面で切ったときの反射面の断面形状を曲面状または円弧状としてもよい。断面形状を円弧状とした場合の凸部１７の構成を図９に示す。この場合は凸部１７と点光源１の方向ベクトルのなす角度が略ゼロになるように設定する。断面形状を円弧状にすることで、図１０に示すように周方向に広がりゼロで入射した光は凸部反射面で反射する際に周方向の広がり角α’を有するようになる。

図１１に示すように、断面形状を円弧状とした場合には、α’が大きくなりすぎるのを防ぐために、周方向の広がり角θは２０°以下であることが望ましい。θ＝０°の場合は直線となる。θをいずれに設定するかは必要とする視野角特性を考慮して決めることができる。

導光体の成形に用いる樹脂としては、本発明の実施形態で使用したアクリル樹脂の外にポリカーボネート樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリオレフィン樹脂等の透明性に優れるものが挙げられる。また、出射光制御板の表面形状は、熱プレス法、紫外線硬化による２Ｐ法、熱硬化による２Ｐ法、雌金型を用いた出射成形法等によって形成することができる。入射光制御板はフィルム状である必要はなく、板状であってもよい。

また、点光源としてはＬＥＤばかりでなく、ファイバーの一端から光を入射しもう一方の端面を発光面として導光体側面に配置した光ファイバーによる点光源を用いることもできる。

本発明の一実施形態に係る面光源素子を示す概略構成図である。 出射光制御板の凸部を示す斜視図である。 出射光制御板の凸部内での光線方向を説明する平面図である。 出射光制御板の凸部の機能を説明する側面図である。 出射光制御板の凸部の光制御機能を説明する斜視図である。 出射光制御板の凸部の配置例を示す平面図である。 出射光制御板の凸部の配置例を示す平面図である。 出射光制御板の凸部の配置例を示す平面図である。 出射光制御板の凸部の断面形状を円弧状にした場合を示す平面図である。 図９の場合の光制御機能を示す斜視図である。 図９の場合の円弧角度を示す平面図である。 面光源素子発光面上に液晶パネルを設けた場合の概略構成図である。 従来の面光源素子の反射パターンを示す側面図である。

符号の説明

１：点光源
２：導光体
２ｂ：出射面
５：出射光制御板
７：凸部
７ａ：反射面
７ｂ：頂部

Claims (5)

1. 側面に配置された点光源からの光が入射される導光体と、導光体の出射面からの光を出射面の正面方向に向かわせるための、光反射機能を有する複数の凸部を形成した出射光制御板とを備えた面光源素子であって、
   前記出射光制御板の凸部の内面に光反射面を有し、該凸部が点光源を中心として略同心円上に配置され、凸部の頂部が導光体表面に密着してなり、
   前記出射光制御板の凸部の主光反射面中央部における法線ベクトルの導光体出射面の投影ベクトルと、該凸部の主光反射面中央部から点光源方向へ向くベクトルとのなす角度が−１０°〜＋１０°の範囲内で、かつ各凸部でそれぞれランダムに設定されていることを特徴とする面光源素子。
2. 側面に配置された点光源からの光が入射される導光体と、導光体の出射面からの光を出射面の正面方向に向かわせるための、光反射機能を有する複数の凸部を形成した出射光制御板とを備えた面光源素子であって、
   前記出射光制御板の凸部の内面に光反射面を有し、該凸部が点光源を中心として略同心円上に配置され、凸部の頂部が導光体表面に密着してなり、
   前記出射光制御板の凸部の主光反射面中央部における法線ベクトルの導光体出射面の投影ベクトルと、該凸部の主光反射面中央部から点光源方向へ向くベクトルとのなす角度が−１０°〜＋１０°の範囲内で、かつ各凸部でそれぞれ周方向に順次周期的に変化するように設定されている面光源素子。
3. 凸部を出射光制御板の表面と平行な面で切断したときの反射面の断面形状が曲面状である請求項１または２に記載の面光源素子
4. 凸部を出射光制御板の表面と平行な面で切断したときの反射面の断面形状が円弧状である請求項３に記載の面光源素子。
5. 請求項１から３のいずれかに記載の面光源素子の発光面上に液晶パネルを設けてなる表示装置。

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