JP4400867B2 - 光偏向素子及び光源装置 - Google Patents

Description

本発明は、ノートパソコン、液晶テレビ、携帯電話、携帯情報端末等において表示部として使用される液晶表示装置等を構成するエッジライト方式の光源装置およびそれに使用される光偏向素子に関するものであり、特に導光体の光出射面側に配置される光偏向素子の改良に関するものである。

近年、カラー液晶表示装置は、携帯用ノートパソコンやデスクトップ型パソコン等のモニターとして、あるいは液晶テレビやビデオ一体型液晶テレビ、携帯電話、携帯情報端末等の表示部として、種々の分野で広く使用されてきている。また、情報処理量の増大化、ニーズの多様化、マルチメディア対応等に伴って、液晶表示装置の大画面化、高精細化が盛んに進められている。

液晶表示装置は、基本的にバックライト部と液晶表示素子部とから構成されている。バックライト部としては、液晶表示素子部の直下に光源を配置した直下方式のものや導光体の側端面に対向するように光源を配置したエッジライト方式のものがあり、液晶表示装置のコンパクト化の観点からエッジライト方式が多用されている。

ところで、近年、比較的小さな画面寸法の表示装置であって観察方向範囲の比較的狭い表示部として使用される液晶表示装置等では、消費電力の低減の観点から、エッジライト方式のバックライト部として、一次光源から発せられる光量を有効に利用するために、画面から出射する光束の広がり角度をできるだけ小さくして所要の角度範囲に集中して光を出射させるものが利用されてきている。

このように観察方向範囲が限定される表示装置であって、一次光源の光量の利用効率を高め消費電力を低減するために比較的狭い範囲に集中して光出射を行う光源装置として、特願２０００−２６５５７４号公報（特許文献１）において、導光体の光出射面に隣接して両面にプリズム形成面を有するプリズムシートを使用することが提案されている。この両面プリズムシートでは、一方の面である入光面及び他方の面である出光面のそれぞれに、互いに平行な複数のプリズム列が形成されており、入光面と出光面とでプリズム列方向を合致させ且つプリズム列どうしを対応位置に配置している。これにより、導光体の光出射面から該光出射面に対して傾斜した方向に出射光のピークを持ち適宜の角度範囲に分布して出射する光を、プリズムシートの入光面の一方のプリズム面から入射させ他方のプリズム面で内面反射させ、更に出光面のプリズムでの屈折作用を受けさせて、比較的狭い所要方向へ光を集中出射させる。

しかし、このような光源装置によれば、狭い角度範囲の集中出射が可能であるが、光偏向素子として使用されるプリズムシートとして両面に互いに平行な複数のプリズム列を、入光面と出光面とでプリズム列方向を合致させ且つプリズム列どうしを対応位置に配置することが必要であり、この成形が複雑になる。

一方、特開平１０−２５４３７１号公報（特許文献２）では、プリズムシートのプリズム列を構成する一方のプリズム面のシート法線方向に対する傾斜角を４．７〜５．７度、他方のプリズム面のシート法線方向に対する傾斜角を３４．２〜３５度とすることで法線方向の輝度の向上を図ることが提案されている。しかし、このようにプリズム列の一方のプリズム面の前記傾斜角を極めて小さくしたようなプリズムシートでは、プリズム列の頂角が４０度程度と小さくなり、微細なプリズム形状の成形が困難になるとともに、それを用いて光源装置を構成した場合に、プリズム列の先端のつぶれにより黒筋が観察されるなど品位上の問題点も有していた。

また、輝度の大幅な低下を招くことなく、プリズム列の先端の耐擦傷性を向上させることを目的として、特開２００１−３４３５０７号公報（特許文献３）にはプリズムシートのプリズム列の先端部シート面と平行な平坦部を形成することが提案されている。
特願２０００−２６５５７４号公報 特開平１０−２５４３７１号公報 特開２００１−３４３５０７号公報

しかし、特許文献３記載のようにプリズム列の先端部にシート面と平行な平坦部を形成したプリズムシートでは、それを用いて光源装置を構成した場合に、プリズム列の先端のつぶれによる黒筋の発生はある程度抑止できるものの、導光体とプリズムシートの接触面積が増えることにより、スティキングによる干渉模様の発生や光源装置としての輝度の低下を招く場合があるという問題点を有していた。

そこで、本発明の目的は、プリズムシートなどの光偏向素子を用いて構成される光源装置において、光偏向素子のプリズム列の先端のつぶれによる黒筋などの発生を、輝度の低下を招くことなく抑止して、輝度が高く、品位に優れた光源装置を提供することにある。

すなわち、本発明の光偏向素子は、光を入射する入光面とその反対側に位置し入射した光を出射する出光面とを有しており、前記入光面には複数のプリズム列が互いに並列に配列され、前記プリズム列のそれぞれは先端部分に位置する傾斜角が５〜４５度の先端部平面と、該先端部平面の一方の側に位置する第１のプリズム面と前記先端部平面の他方の側に位置する第２のプリズム面とから構成され、前記プリズム列の延在方向と直交する方向における、前記先端部平面の長さは、前記プリズム列のピッチの０．００８８倍以上０．０８８倍以下であることを特徴とするものである。また、本発明の一能様においては、前記プリズム面の少なくとも一方が凸曲面あるいは複数の平面および／または凸曲面から構成されることを特徴とする。また、本発明の別の一能様においては、前記少なくとも一方のプリズム面の、前記出光面側の端縁および前記先端部平面側の端縁を結ぶ平面と、前記少なくとも一方のプリズム面との最大距離ｄの前記プリズム列のピッチＰに対する割合（ｄ／Ｐ）が０．１〜５％であることを特徴とする。また、本発明の別の一能様においては、前記少なくとも一方の面が凸曲面から構成され、前記凸曲面の曲率半径ｒの前記プリズム列のピッチＰに対する割合（ｒ／Ｐ）が２〜５０であることを特徴とする。また、本発明の光源装置は、一次光源と、該一次光源から発せられる光を入射する光入射面および入射した光を導光して出射する光出射面を有する導光体と、該導光体の光出射面側に隣接配置した上記のような光偏向素子からなることを特徴とするものである。

本発明の光偏向素子は、プリズム列の先端部に特定の傾斜角を有する先端平面を設けることにより、輝度の低下を招くことなく、黒筋や干渉模様などの外観上の欠陥のない品位に優れた光源装置を提供することができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明による光源装置の一つの実施形態を示す模式的斜視図である。図１に示されているように、本発明の光源装置は、少なくとも一つの側端面を光入射面３１とし、これと略直交する一つの表面を光出射面３３とする導光体３と、この導光体３の光入射面３１に対向して配置され光源リフレクタ２で覆われた一次光源１と、導光体３の光出射面上に配置された光偏向素子４と、光偏向素子４の出光面４２上に隣接配置された光拡散素子６と、導光体３の光出射面３３とは反対側の裏面３４に対向して配置された光反射素子５とから構成される。

導光体３は、ＸＹ面と平行に配置されており、全体として矩形板状をなしている。導光体３は４つの側端面を有しており、そのうちＹＺ面と平行な１対の側端面のうち、少なくとも一つの側端面を光入射面３１とする。光入射面３１は一次光源１と対向して配置されており、一次光源１から発せられた光は光入射面３１から導光体３内へと入射する。本発明においては、例えば、光入射面３１と対向する側端面３２等の他の側端面にも光源を配置してもよい。

導光体３の光入射面３１に略直交した２つの主面は、それぞれＸＹ面と略平行に位置しており、いずれか一方の面（図では上面）が光出射面３３となる。この光出射面３３または裏面３４のうちの少なくとも一方の面に粗面からなる指向性光出射機能部や、プリズム列、レンチキュラーレンズ列、Ｖ字状溝等の多数のレンズ列を光入射面３１と略平行に並列形成したレンズ面からなる指向性光出射機能部を付与することによって、光入射面３１から入射した光を導光体３中を導光させながら、光出射面３３から光入射面３１および光出射面３３に直交する面（ＸＺ面）内の出射光分布において指向性のある光を出射させる。このＸＺ面内分布における出射光分布のピーク光の方向が光出射面３３となす角度をａとすると、この角度ａは１０〜４０度とすることが好ましく、出射光分布の半値全幅は１０〜４０度とすることが好ましい。

導光体３の表面に形成する粗面やレンズ列は、ＩＳＯ４２８７／１−１９８４による平均傾斜角θａが０．５〜１５度の範囲のものとすることが、光出射面３３内での輝度の均斉度を図る点から好ましい。平均傾斜角θａは、さらに好ましくは１〜１２度の範囲であり、より好ましくは１．５〜１１度の範囲である。これは、粗面やレンズ列の平均傾斜角θａが０．５度未満であると、導光体３から出射する光量が少なくなり十分な輝度が得られなくなる傾向にあり、平均傾斜角θａが１５度を超えると一次光源１の近傍で多量の光が出射して、光出射面３３内でのＸ方向における光の減衰が著しくなり、光出射面３３での輝度の均斉度が低下する傾向にあるためである。このように導光体３の粗面やレンズ列の形成された面の平均傾斜角θａを０．５〜１５度の範囲とすることにより、光出射面３３から出射する光の光入射面と光出射面との双方に垂直なＸＺ面における出射光分布におけるピーク光の角度ａが１０〜４０度の範囲にあり、その半値全幅が１０〜４０度であるような指向性の高い出射特性の光を導光体３から出射させることができ、その出射方向を光偏向素子４で効率的に偏向させることができ、高い輝度を有する面状の光源装置を提供することができる。

この平均傾斜角θａは、導光体３の厚さ（ｔ）と入射光が伝搬する方向の長さ（Ｌ）との比（Ｌ／ｔ）によって最適範囲が設定されることが好ましい。すなわち、導光体３としてＬ／ｔが２０〜２００程度のものを使用する場合は、平均傾斜角θａを０．５〜７．５度とすることが好ましく、さらに好ましくは１〜５度の範囲であり、より好ましくは１．５〜４度の範囲である。また、導光体３としてＬ／ｔが２０未満程度のものを使用する場合は、平均傾斜角θａを７〜１２度とすることが好ましく、さらに好ましくは８〜１１度の範囲である。

導光体３に形成される粗面の平均傾斜角θａは、ＩＳＯ４２８７／１−１９８４に従って、触針式表面粗さ計を用いて粗面形状を測定し、測定方向の座標をｘとして、得られた傾斜関数ｆ（ｘ）から次の（１）式および（２）式を用いて求めることができる。ここで、Ｌは測定長さであり、Δａは平均傾斜角θａの正接である。

さらに、導光体３としては、その光出射率が０．５〜５％の範囲にあるものが好ましく、より好ましくは１〜３％の範囲である。これは、光出射率をこの範囲とすることにより、導光体３の表面に形成した粗面やレンズ列の平均傾斜角θａと同様に、導光体３から出射する十分な量の光量を確保し十分な輝度が得られるとともに、一次光源１の近傍で光が多量に出射することを抑え光出射面３３での輝度の均斉度を高めることができるためである。また、光出射率を上記範囲内とすることにより、光出射面３３から出射する光の光入射面と光出射面との双方に垂直なＸＺ面における出射光分布におけるピーク光の角度ａが１０〜４０度の範囲にあり、その半値全幅が１０〜４０度であるような指向性の高い出射特性の光を導光体３から出射させることができ、その出射方向を光偏向素子４で効率的に偏向させることができ、高い輝度を有する面状の光源装置を提供することができる。

本発明において、導光体３からの光出射率は次のように定義される。光出射面３３の光入射面３１側の端縁での出射光の光強度（Ｉ₀ ）と光入射面３１側の端縁から距離Ｌの位置での出射光強度（Ｉ）との関係は、導光体３の厚さ（Ｚ方向寸法）をｔとすると、次の（３）式のような関係を満足する。

ここで、定数Ａが光出射率であり、光出射面３３における光入射面３１と直交するＸ方向での単位長さ（導光体厚さｔに相当する長さ）当たりの導光体３から光が出射する割合の百分率（％）である。この光出射率Ａは、縦軸に光出射面２３からの出射光の光強度の対数をとり、横軸に（Ｌ／ｔ）をとり、これらの関係をプロットすることで、その勾配から求めることができる。

また、指向性光出射機能部が付与されていない他の主面には、導光体３からの出射光の一次光源１と平行な面（ＹＺ面）での指向性を制御するために、光入射面３１に対して８０〜９０度程度の方向（略Ｘ方向）に延びる多数のレンズ列を配列したレンズ面を形成することが好ましい。図１に示した実施形態においては、光出射面３３に粗面を形成し、裏面３４に光入射面３１に対して略垂直方向（略Ｘ方向）に延びる多数のレンズ列の配列からなるレンズ面を形成している。本発明においては、図１に示した形態とは逆に、光出射面３３にレンズ面を形成し、裏面３４を粗面とするものであってもよい。

図１に示したように、導光体３の裏面３４あるいは光出射面３３にレンズ列を形成する場合、そのレンズ列としては略Ｘ方向に延びたプリズム列、レンチキュラーレンズ列、Ｖ字状溝等が挙げられるが、ＹＺ方向の断面の形状が略三角形状のプリズム列とすることが好ましい。

本発明において、導光体３に形成されるレンズ列としてプリズム列を形成する場合には、その頂角を７０〜１５０度の範囲とすることが好ましい。これは、頂角をこの範囲とすることによって導光体３からの出射光を十分集光さることができ、光源装置としての輝度の十分な向上を図ることができるためである。すなわち、プリズム頂角をこの範囲内とすることによって、出射光分布におけるピーク光を含みＸＺ面に垂直な面において出射光分布の半値全幅が３５〜６５度である集光された出射光を出射させることができ、光源装置としての輝度を向上させることができる。なお、プリズム列を光出射面３３に形成する場合には、頂角は８０〜１００度の範囲とすることが好ましく、プリズム列を裏面３４に形成する場合には、頂角は７０〜８０度または１００〜１５０度の範囲とすることが好ましい。

なお、本発明では、上記のような光出射面３３またはその裏面３４に光出射機能部を形成する代わりにあるいはこれと併用して、導光体内部に光拡散性微粒子を混入分散することで指向性光出射機能を付与したものでもよい。また、導光体３としては、図１に示したような断面形状に限定されるものではなく、くさび状、船型状等の種々の断面形状を持つものが使用できる。

図２は、光偏向素子４におけるプリズム列の形状の説明図である。光偏向素子４は、その２つの主表面のうち導光体３側に位置する面を入光面４１とし、他方の面を出光面４２とする。入光面４１には多数のプリズム列４１Ａが並列に配列され、各プリズム列４１Ａは一次光源１側に位置する第１のプリズム面４４と一次光源１から遠い側に位置する第２のプリズム面４５の２つのプリズム面とを有する。図２に示した実施形態においては、第１のプリズム面４４が平面であり、第２のプリズム面４５が凸曲面である。

本発明の光偏向素子４は、対向する２つのプリズム面４４、４５からなるプリズム列４１Ａの先端部分に先端部平面４６が形成されている。すなわち、プリズム列４１Ａは、先端部平面４６と、その一方の側に位置する第１のプリズム面４４と他方の側に位置する第２のプリズム面４５とから構成されている。このような先端部平面４６をプリズム列４１Ａの先端部に形成することにより、光偏向素子４を導光体３上に配置した際のプリズム列４１Ａの先端のつぶれ（形状変化）を防止でき、このつぶれに起因する黒筋などの発生のない、品位の優れた光源装置を提供できる。本発明においては、この先端部平面４６のプリズム形成面（プリズム列４１Ａの底面に対応する面でプリズムシート面と略平行な面）４３に対する傾斜角ｂを１〜５０度の範囲とすることにより、光偏向素子４と導光体３とによるスティッキングによる干渉模様などの発生を抑止できるとともに、先端部平面４６を設けることによる輝度の低下を抑止することができる。特に、先端部平面４６の傾斜角ｂは５〜４５度の範囲とすることが輝度の向上をもたらすことから好ましく、より好ましくは７〜３５度の範囲である。

また、図２に示したように、先端部平面４６が一次光源１とは反対の側に右上がりとなるような傾斜角ｂを有する場合には、光源装置としての輝度を向上させるためには先端部平面４６は、光偏光素子４に入射してくる光、すなわち導光体３の光出射面３３からの出射光のピーク光ＰＬ１のプリズム形成面４３に対する傾斜角と略同一またはそれより大きな傾斜角を有していることが好ましい。これは、先端部平面４６の傾斜角ｂをこのようにすることにより、導光体３からの出射光のピーク光ＰＬ１が先端部平面４６を介して光偏向素子４に入射することが実質上なくなり、導光体３からの出射光の大部分は第１のプリズム面４４から光偏向素子４に入射し第２のプリズム面４５で全反射して、偏向ピーク光ＰＬ２を有する光としてプリズム形成面４３の法線方向に出射するためである。一方、先端部平面４６が出射ピーク光ＰＬ１のプリズム形成面４３に対する傾斜角より小さな傾斜角ｂを有していたり、一次光源側に左上がりとなるような傾斜角ｂを有していると、図３に示したように導光体３からの出射ピーク光ＰＬ１の一部は、先端部平面４６を介して光偏向素子４に入射するようになり、入射の際に屈折して偏向ピーク光ＰＬ３としてプリズム形成面４３の法線方向より大幅にずれた方向に出射し、プリズム形成面４３の法線方向の輝度の低下を招く傾向にあるためである。

さらに、本発明においては、プリズム列４１Ａの延在方向と直交する断面（ＸＺ面）における先端部平面４６の長さＳはプリズム列４１ＡのピッチＰに対して０．００８Ｐ〜０．０８８Ｐの範囲であることが好ましく、より好ましくは０．０１７Ｐ〜０.０５３Ｐ、さらに好ましくは０．０１７Ｐ〜０．０３５Ｐの範囲である。これは、先端部平面４６の長さＳが、プリズム列４１ＡのピッチＰに対して０．０８８Ｐを超えると輝度低下が大きくなる傾向にあり、逆に０．００８Ｐ未満であると微細なプリズム形状の成形が困難になる傾向にあるためである。

本発明の光偏向素子４は、第１のプリズム面４４の傾斜角ρを５〜２０度、第２のプリズム面４５の傾斜角σを３５〜４０度、ρとσの差の絶対値（｜ρ−σ｜）を１５〜３５度とすることが、光源装置として高い輝度を得ることができることから好ましい。なお、ここでいうプリズム面４４、４５の傾斜角ρ、σとは、図２に示したように、プリズム面４４、４５と先端部平面４６の交差部分におけるプリズム列形成平面４３の法線に対する角度である。このように第１のプリズム面４４の傾斜角角ρが小さく、傾斜角角ρとσの和γが４０〜６０度程度の光偏向素子４においては、先端部平面４６を形成しない場合にプリズム列先端のつぶれによる黒筋などの発生が顕著となるため、本発明はこのような光偏向素子４における特性改善に特に適している。なお、図２に示したように第２のプリズム面４５が凸曲面となっている場合には、第２のプリズム面４５の傾斜角σは凸曲面の先端部平面４６との交差部分における凸曲面の接平面とプリズム形成面４３の法線とのなす角をいう。第１のプリズム面４４が凸曲面からなる場合も同様である。図２には、第１のプリズム面４４と先端部平面４６とのなす角度がαで示されており、第２のプリズム面と先端部平面４６とのなす角度がβで示されている。

図２に示した一実施形態においては、第２のプリズム面４５を凸曲面としたが、このように少なくとも、第２のプリズム面４５を凸曲面とすることによって、光偏向素子４としての集光効果をより向上させ、光源装置としての輝度をより高めることができる。この場合、プリズム列４１ＡのピッチＰと凸曲面の曲率半径ｒの比（ｒ／Ｐ）を２〜５０とすることが好ましく、より好ましくは３〜３０、さらに好ましくは５〜１２の範囲である。これは、ｒ／Ｐが２未満であったり、５０を超えると、十分な集光特性を発揮できなくなり、輝度が低下する傾向にあるためである。また、本発明においては、第２のプリズム面４５を構成する凸曲面は上記のようにｒ／Ｐで規定される断面円弧形状のものに限らず、断面非円弧形状のものであってもよい。非円弧形状としては、楕円形状の一部、放物線形状の一部等が挙げられる。この場合、第２のプリズム面４５を構成する凸曲面の先端縁および底縁を結ぶ平面４５’と凸曲面との最大距離ｄのプリズム列４１ＡのピッチＰに対する割合（ｄ／Ｐ）を０．１〜５％とすることが好ましい。これは、ｄ／Ｐが０．１％未満あるいは５％を超えると、集光特性が低下する傾向にあり、十分な輝度向上を図れなくなる傾向にあるためであり、より好ましくは０．２〜３％の範囲であり、さらに好ましくは０．２〜２％の範囲である。また、凸曲面が断面円弧形状の場合も同様である。

本発明においては、このような凸曲面に限らず、少なくとも第２のプリズム面４５を互いに傾斜角の異なる２つ以上の平面より構成し、これら平面の傾斜角が出光面に近いほど小さくなり、最も出光面に近い平面と最も出光面から遠い平面との傾斜角の差を１５度以下とすることにより、同様に高い集光効果を発揮させることができ、光源装置として高い輝度を得ることができる。この最も出光面に近い平面と最も出光面から遠い平面との傾斜角の差は、好ましくは０．５〜１０度の範囲であり、より好ましくは１〜７度の範囲である。また、第２のプリズム面４５をこのような構造にすることにより、所望の集光性を有する光偏向素子４を容易に設計することもできるとともに、一定の光学特性を有する光偏向素子４を安定して製造することもできる。

また、本発明においては、上記のような異なる傾斜角を有する平面の少なくとも１つを凸曲面とすることもでき、全ての平面を凸曲面としてもよい。この場合、凸曲面の形状は、そのＸＺ断面の形状が円弧あるいは非円弧とすることができる。さらに、複数の凸曲面により第２のプリズム面４５を構成する場合には、各凸曲面の形状が異なることが好ましく、断面円弧形状の凸曲面と断面非円弧形状の凸曲面とを組み合わせることができ、少なくとも１つの凸曲面を断面非円弧形状とすることが好ましい。複数の凸曲面を断面円弧形状とする場合には、各凸曲面でその曲率を変えたものであってもよい。非円弧形状としては、楕円形状の一部、放物線形状の一部等が挙げられる。このような凸曲面は、前述と同様に、プリズム列４１ＡのピッチＰに対する曲率半径ｒの比（ｒ／Ｐ）が２〜５０の範囲とすることが好ましく、より好ましくは３〜３０、さらに好ましくは５〜１２の範囲である。

また、第２のプリズム面４５が傾斜角の異なる複数の平面あるいは凸曲面より構成されるとき、十分な集光特性を確保するためには、第２のプリズム面の先端縁と底縁とを結ぶ平面４５’と複数の平面あるいは凸曲面（実際のプリズム面）との最大距離ｄが、前述と同様に、プリズム列４１ＡのピッチＰに対する割合（ｄ／Ｐ）で０．１〜５％とすることが好ましく、より好ましくは０．２〜３％の範囲であり、さらに好ましくは０．２〜２％の範囲である。

このような傾斜角の異なる平面および凸曲面は、典型的には各平面および各凸曲面で全反射した光が光偏向素子４の出光面４２から出射した際の出射光輝度分布（ＸＺ面内）におけるピーク光の角度が略一定の角度になるように設計されるが、この各ピーク光の角度は必ずしも略一定の角度となるようにする必要はなく、全てのピーク光の角度が１５度以内の範囲内となるような範囲で設計することが好ましく、より好ましくは１０度以下、さらに好ましくは５度以下の範囲である。

一次光源１はＹ方向に延在する線状の光源であり、例えば蛍光ランプや冷陰極管を用いることができる。なお、本発明においては、一次光源１は線状光源に限定されるものではなく、ＬＥＤ光源、ハロゲンランプ、メタハロランプ等のような点状光源を使用することもできる。特に、携帯電話機や携帯情報端末機等の画面寸法の小さな表示装置に使用する場合には、ＬＥＤ等の小さな点状光源を使用することが好ましい。また、一次光源１は、図１に示したように、導光体３の一方の側端面に設置する場合だけでなく、必要に応じて対向する他方の側端面にもさらに設置することもできる。

例えば、図４に示すように一次光源１としてＬＥＤ光源等の点状光源を導光体３のコーナー等に配置して使用する場合には、導光体３に入射した光は光出射面３３と同一の平面内において一次光源１を略中心とした放射状に導光体３中を伝搬し、光出射面３３から出射する出射光も同様に一次光源１を中心とした放射状に出射する。このような放射状に出射する出射光を、その出射方向に関わらず効率よく所望の方向に偏向させるためには、光偏向素子４の入光面４１に形成するプリズム列４１Ａを一次光源１を取り囲むように略弧状に並列して配置することが好ましい。このように、プリズム列４１Ａを一次光源１を取り囲むように略弧状に並列して配置することにより、導光体３の光出射面３３と同一平面内においては、光出射面３３から放射状に出射する光の殆どが光偏向素子４のプリズム列４１Ａに対して略垂直に入射する。このため、導光体３の光出射面３３の全領域で出射光を効率良く特定の方向に向けることができ、輝度の均一性を向上させることができる。光偏向素子４に形成する略弧状のプリズム列４１Ａは、光出射面３３と同一平面内においては、導光体３中を伝搬する光の分布に応じてその弧状の程度を選定し、光出射面３３から放射状に出射する光の殆どが光偏向素子４のプリズム列４１Ａに対して略垂直に入射するようにすることが好ましい。具体的には、ＬＥＤ等の点状光源を略中心とした略同心円状に略円弧の半径が少しずつ大きくなるように並列して配置されたものが挙げられる。プリズム列４１Ａの半径の範囲は、光源装置における点状光源の位置と、液晶表示素子の表示エリアに相当する光源装置の有効エリアとの位置関係や大きさによって決定される。

光源リフレクタ２は一次光源１の光をロスを少なく導光体３へ導くものである。材質としては、例えば表面に金属蒸着反射層有するプラスチックフィルムを用いることができる。図１に示されているように、光源リフレクタ２は、光反射素子５の端縁部外面から一次光源１の外面を経て光拡散素子６の出射面端縁部へと巻きつけられている。他方、光源リフレクタ２は、光拡散素子６を避けて、光反射素子５の端縁部外面から一次光源１の外面を経て、光偏向素子４の出光面端縁部あるいは導光体３の光出射面端縁部へと巻きつけることも可能である。このような光源リフレクタ２と同様な反射部材を、導光体３の側端面３１以外の側端面に設けることが好ましい。本発明においては、光反射素子５として反射シートに代えて、導光体３の裏面３４に金属蒸着等により形成された光反射層等とすることも可能である。

本発明の導光体３及び光偏向素子４は、光透過率の高い合成樹脂から構成することができる。このような合成樹脂としては、メタクリル樹脂、アクリル樹脂、ポリカーボネート系樹脂、ポリエステル系樹脂、塩化ビニル系樹脂が例示できる。特に、メタクリル樹脂が、光透過率の高さ、耐熱性、力学的特性、成形加工性に優れており、特に適している。このようなメタクリル樹脂としては、メタクリル酸メチルを主成分とする樹脂であり、メタクリル酸メチルが８０重量％以上であるものが好ましい。導光体３及び光偏向素子４の粗面の表面構造やプリズム列等の表面構造を形成するに際しては、透明合成樹脂板を所望の表面構造を有する型部材を用いて熱プレスすることで形成してもよいし、スクリーン印刷、押出成形や射出成形等によって成形と同時に形状付与してもよい。また、熱あるいは光硬化性樹脂等を用いて構造面を形成することもできる。更に、ポリエステル系樹脂、アクリル系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、塩化ビニル系樹脂、ポリメタクリルイミド系樹脂等からなる透明フィルムあるいはシート等の透明基材の表面に、活性エネルギー線硬化型樹脂からなる粗面構造またレンズ列配列構造を表面に形成してもよいし、このようなシートを接着、融着等の方法によって別個の透明基材に接合一体化させてもよい。活性エネルギー線硬化型樹脂としては、多官能（メタ）アクリル化合物、ビニル化合物、（メタ）アクリル酸エステル類、アリル化合物、（メタ）アクリル酸の金属塩等を使用することができる。

さらに、本発明においては、このように光偏向素子４によって狭視野化され高輝度化された光源装置において、輝度の低下をできる限り招くことなく、視野範囲を目的に応じて適度に制御するために、光偏向素子４の出光面４２上に光拡散素子６を隣接配置することもできる。このように光拡散素子６を配置することによって、品位低下の原因となるぎらつきや輝度斑等を抑止し品位向上を図ることもできる。

光拡散素子６は、光偏向素子４の出光面側に光偏向素子４と一体化させて形成してもよいし、光拡散素子６を個別に光偏向素子４の出光面側に載置してもよいが、個別に光拡散素子６を配置することが好ましい。個別に光拡散素子６を載置する場合には、光拡散素子６の光偏向素子４に対向する入射面６１には、光偏向素子４とのスティッキングを防止するため、凹凸構造を付与することが好ましい。同様に、光拡散素子６の出射面６２においても、その上に配置される液晶表示素子との間でのスティッキングを考慮する必要があり、光拡散素子６の出射面６２にも凹凸構造を付与することが好ましい。この凹凸構造は、スティッキング防止の目的のみで付与する場合には、平均傾斜角が０．７度以上となるような構造とすることが好ましく、さらに好ましくは１度以上であり、より好ましくは１．５度以上である。

本発明においては、輝度特性、視認性および品位等のバランスを考慮して光偏向素子４からの出射光を適度に拡散させる光拡散特性を有する光拡散素子６を使用することが好ましい。すなわち、光拡散素子６の光拡散性が低い場合には、視野角を十分に広げることが困難となり視認性を低下させるとともに、品位改善効果が十分でなくなる傾向にあり、逆に光拡散性が高すぎる場合には光偏向素子４による狭視野化の効果が損なわれるとともに、全光線透過率も低くなり輝度が低下する傾向にある。このため、光拡散素子６としては、平行光を入射させたときの出射光分布の半値全幅が１〜１３度の範囲であるものを使用することが好ましい。光拡散素子６の出射光分布の半値全幅は、好ましくは３〜１１度の範囲、さらに好ましくは４〜８．５度の範囲である。なお、本発明において光拡散素子６の出射光分布の半値全幅とは、図５に示すように、光拡散素子６に入射した平行光線が出射時にどの程度拡散して広がるかを示したもので、光拡散素子６を透過拡散した出射光の光度分布におけるピ−ク値に対する半値での広がり角の全幅の角度（Δθ_Ｈ）をいう。

このような光拡散特性は、光拡散素子６中に光拡散剤を混入したり、光拡散素子６の少なくとも一方の表面に凹凸構造を付与することによって付与することができる。表面に形成する凹凸構造は、光拡散素子６の一方の表面に形成する場合と両方の表面に形成する場合とでは、その程度を異ならせることが好ましい。光拡散素子６の一方の表面に凹凸構造を形成する場合には、その平均傾斜角を０．８〜１２度の範囲とすることが好ましく、さらに好ましくは３．５〜７度であり、より好ましくは４〜６．５度である。光拡散素子６の両方の表面に凹凸構造を形成する場合には、一方の表面に形成する凹凸構造の平均傾斜角を０．８〜６度の範囲とすることが好ましく、さらに好ましくは２〜４度であり、より好ましくは２．５〜４度である。この場合、光拡散素子６の全光線透過率の低下を抑止するためには、光拡散素子６の入射面６１の平均傾斜角を出射面６２の平均傾斜角よりも大きくすることが好ましい。また、光拡散素子６のヘイズ値としては８〜８２％の範囲とすることが、輝度特性向上と視認性改良の観点から好ましく、さらに好ましくは３０〜７０％の範囲であり、より好ましくは４０〜６５％の範囲である。

本発明においては、光偏向素子４を用いて導光体３からの出射光を法線方向等の特定な方向に出射させ、この出射光を異方拡散性を有する光拡散素子６を用いて所望の方向に出射させることもできる。この場合、光拡散素子６に異方拡散作用と光偏向角作用の両方の機能を付与することもできる。例えば、凹凸構造として、一方向に長く延びた多数のレンチキュラーレンズ列を並列配置したものや、一方向に所要の長さ延びた多数のシリンドリカルレンズ形状体を離散的に平行に配置したものでは、その断面形状を非対称形状にすることで、異方拡散作用と光偏向作用の両機能を付与することができる。

また、本発明においては、光源装置としての視野角を調整し、品位を向上させる目的で、光偏向素子４や光拡散素子６に光拡散材を含有させることもできる。このような光拡散材としては、光偏向素子４や光拡散素子６を構成する材料と屈折率が異なる透明な微粒子を使用することができ、例えば、シリコンビーズ、ポリスチレン、ポリメチルメタクリレ−ト、フッ素化メタクリレ−ト等の単独重合体あるいは共重合体等からなるものが挙げられる。光拡散材としては、光偏向素子４による狭視野効果や光拡散素子６による適度な拡散効果を損なわないように、含有量、粒径、屈折率等を適宜選定する必要がある。例えば、光拡散材の屈折率は、光偏向素子４や光拡散素子６を構成する材料との屈折率差が小さすぎると拡散効果が小さく、大きすぎると過剰な散乱屈折作用が生じるため、屈折率差が０．０１〜０．１の範囲とすることが好ましく、さらに好ましくは０．０３〜０．０８、より好ましくは０．０３〜０．０５の範囲である。また、光拡散材の粒径が大きすぎると散乱が強くなりぎらつきや輝度の低下を招く傾向にあり、小さすぎると着色が発生する場合があるため、その平均粒径が０．５〜２０μｍの範囲のものを用いることが好ましく、さらに好ましくは２〜１５μｍ、より好ましくは２〜１０μｍの範囲である。

以上のような一次光源１、光源リフレクタ２、導光体３、光偏向素子４、光反射素子５および光拡散素子６からなる光源装置の発光面（光拡散素子６の出射面６２）上に、液晶表示素子を配置することにより液晶表示装置が構成される。液晶表示装置は、図１における上方から液晶表示素子を通して観察者により観察される。また、本発明においては、十分にコリメートされた狭い分布の光を光源装置から液晶表示素子に入射させることができるため、液晶表示素子での階調反転等がなく明るさ、色相の均一性の良好な画像表示が得られるとともに、所望の方向に集中した光照射が得られ、この方向の照明に対する一次光源１の発光光量の利用効率を高めることができる。

以下、実施例によって本発明を具体的に説明する。
なお、以下の実施例における各物性の測定は下記のようにして行った。

光源装置の法線輝度、光度半値全幅の測定
光源として冷陰極管を用い、その駆動回路のインバータ（ハリソン社製ＨＩＵ−７４２Ａ）にＤＣ１２Ｖを印加して冷陰極管を高周波点灯させた。法線輝度は、光源装置あるいは導光体の表面を２０ｍｍ四方の正方形に３×５分割し、各正方形の法線方向の輝度値の１５点の平均として求めた。導光体からの出射光の光度半値全幅は、導光体の表面に４ｍｍφのピンホールを有する黒色の紙をピンホールが導光体の光出射面の中央に位置するように固定し、輝度計の測定円が８〜９ｍｍとなるように距離を調整し、冷陰極管の長手方向軸と垂直方向および平行方向でピンホールを中心にゴニオ回転軸が回転するように調節した。それぞれの方向で回転軸を＋８０度〜−８０度まで１度間隔で回転させながら、輝度計で出射光の光度分布を測定し、ピーク角度、光度分布の半値全幅（ピーク値の１／２の分布の広がり角）を求めた。また、光源装置の輝度半値全幅は、輝度計の視野角度を０．１度にし、光源装置の発光面の中央を測定位置として、ゴニオ回転軸が回転するように調節した。それぞれの方向で回転軸を＋８０度〜−８０度まで１度間隔で回転させながら、輝度計で出射光の輝度分布を測定し、ピーク輝度、ピーク角度を求めた。ピーク角度は光源装置に対し法線方向を０度とし、一次光源側を負、それと反対側を正とした。

比較例１
アクリル樹脂（三菱レイヨン（株）製アクリペットＶＨ５＃０００）を用い射出成形することによって一方の面が平均傾斜角１．１度のマット面で他方の面が鏡面である導光体を作製した。この導光体は、２１６ｍｍ×２９０ｍｍ、厚さ２．０ｍｍ−０．７ｍｍのクサビ板状をなしていた。この導光体の鏡面側に、導光体の長さ２１６ｍｍの辺（短辺）と平行になるように、アクリル系紫外線硬化樹脂によってプリズム列のプリズム頂角１３０度、ピッチ５０μｍのプリズム列が並列に連設配列されたプリズム層を形成した。導光体の長さ２９０ｍｍの辺（長辺）に対応する一方の側端面（厚さ２．０ｍｍの側の端面）に対向するようにして、長辺に沿って冷陰極管を光源リフレクター（麗光社製銀反射フィルム）で覆い配置した。さらに、その他の側端面に光拡散反射フィルム（東レ社製Ｅ６０）を貼付し、プリズム列形成面（裏面）に反射シートを配置した。以上の構成を枠体に組み込んだ。この導光体は、光入射面および光出射面の双方に垂直な面内での出射光光度分布の最大ピーク角度は光出射面法線方向に対して７０度、半値全幅は２２．５度であった。

一方、厚さ１８８μｍのポリエステルフィルムの一方の表面に屈折率１．５０６４のアクリル系紫外線硬化性樹脂を用いて、ピッチ５６．５μｍのプリズム列を並列に連設したプリズムシートを作製した。プリズム列の断面形状は、プリズムの頂点の座標を原点としプリズム列のピッチPの長さを１としたとき、（ｘ、ｚ）座標表示で、点１（-11.500,65.209）、点２（0.000,0.000）、点４（15.443,12.000）の３点を順に繋いだ２つの直線と、点４と点５（45.000,65.209）を繋いだ半径527.817の凸曲線で構成した。

得られたプリズムシートを、上記導光体の光出射面側（マット面側）にプリズム列形成面が向き、導光体の光入射面にプリズム稜線が平行であり、第１のプリズム面（上記点１と点２を繋いだ直線に対応するプリズム面）が光源側となるように導光体上に載置し、光源装置を得た。

この光源装置の光入射面および光出射面の双方に垂直な面内での出射光分布を求め、比較例７を基準とした場合のピーク輝度比率、ピーク光の角度を表２に示した。また、得られた光源装置を発光させて、その発光面の外観を目視で観察し、黒筋や干渉模様の有無を表２に示した。

実施例１〜１８、比較例２〜３
プリズムシートのプリズム列の断面形状を表１に示した通り（点１〜点５をこの順に繋いだもの）とした以外は、比較例１と同様にして同様の導光体上に載置し、光源装置を得た。なお、表１中、プリズム列の先端部平面の傾斜角は、先端部平面が一次光源側と反対側に右上がりの傾斜角を示す場合をマイナス、一次光源側に左上がりの傾斜角を示す場合をプラスで示した（表３および表５においても同じ。）。この光源装置について、比較例１と同様にして評価を行った。その結果を表２に示した。

比較例４
プリズムシートのプリズム列の断面形状を点１(-19.752,54.269)と点２(0.000,0.000)を繋いだ直線と、点３(0.000,0.000)と点４(36.748,54.269)を繋いだ半径468.915μｍの曲面で構成した以外は、比較例１と同様にしてプリズムシートを作製した。得られたプリズムシートを、比較例１と同様にして同様の導光体上に載置し、光源装置を得た。この光源装置について、比較例１と同様にして評価を行った。その結果を表２に示した。

実施例１９〜２９、比較例５
プリズムシートのプリズム列の断面形状を表３に示した通り（点１〜点４をこの順で繋いだもの）とした以外は、比較例４と同様にしてプリズムシートを作製した。得られたプリズムシートを、比較例１と同様にして同様の導光体上に載置し、光源装置を得た。この光源装置について、比較例１と同様にして評価を行った。その結果を表４に示した。

比較例６
プリズムシートのプリズム列の断面形状を点１(-14.178,61.410)と点２(0.000,0.000)を繋いだ直線と、点３(0.000,0.000)と点４(42.322,61.410)を繋いだ半径504.324μｍの曲面で構成した以外は、比較例１と同様にしてプリズムシートを作製した。得られたプリズムシートを、比較例１と同様にして同様の導光体上に載置し、光源装置を得た。この光源装置について、比較例１と同様にして評価を行った。その結果を表６に示した。

実施例３０〜３２
プリズムシートのプリズム列の断面形状を表５に示した通り（点１〜点４をこの順に繋いだもの）とした以外は、比較例６と同様にしてプリズムシートを作製した。得られたプリズムシートを、比較例１と同様にして同様の導光体上に載置し、光源装置を得た。この光源装置について、比較例１と同様にして評価を行った。その結果を表６に示した。

比較例７
プリズムシートのプリズム列を、２つのプリズム面がともに平面であり、プリズム頂角が６５．４度である断面二等辺三角形（ρ＝σ＝３２．７度）とした以外は、比較例１と同様にして光源装置を得た。この光源装置の光入射面および光出射面の双方に垂直な面内での出射光輝度分布を求め、そのピーク輝度を１．００とした。また、ピーク光の角度は０度であった。

本発明による光源装置を示す模式的斜視図である。 本発明の光偏向素子のプリズム列の概略形状を示す部分断面図である。 本発明の光偏向素子のプリズム列の概略形状を示す部分断面図である。 本発明の光源装置を示す模式的斜視図である。 本発明の光拡散素子の出射光分布の説明図である。

符号の説明

１ 一次光源
２ 光源リフレクタ
３ 導光体
４ 光偏向素子
５ 光反射素子
６ 光拡散素子
３１ 光入射端面
３２ 端面
３３ 光出射面
３４ 裏面
４１ 入光面
４２ 出光面
４４ 第１のプリズム面
４５ 第２のプリズム面
４６ 平面

Claims (5)

1. 光を入射する入光面とその反対側に位置し入射した光を出射する出光面とを有しており、
   前記入光面には複数のプリズム列が互いに並列に配列され、
   前記プリズム列のそれぞれは先端部分に位置する傾斜角が５〜４５度の先端部平面と、該先端部平面の一方の側に位置する第１のプリズム面と前記先端部平面の他方の側に位置する第２のプリズム面とから構成され、
   前記プリズム列の延在方向と直交する方向における、前記先端部平面の長さは、前記プリズム列のピッチの０．００８８倍以上０．０８８倍以下であること、を特徴とする光偏向素子。
2. 前記プリズム面の少なくとも一方が凸曲面あるいは複数の平面および／または凸曲面から構成されることを特徴とする請求項１に記載の光偏向素子。
3. 前記少なくとも一方のプリズム面の、前記出光面側の端縁および前記先端部平面側の端縁を結ぶ平面と、前記少なくとも一方のプリズム面との最大距離ｄの前記プリズム列のピッチＰに対する割合（ｄ／Ｐ）が０．１〜５％であることを特徴とする、請求項２に記載の光偏向素子。
4. 前記少なくとも一方の面が凸曲面から構成され、前記凸曲面の曲率半径ｒの前記プリズム列のピッチＰに対する割合（ｒ／Ｐ）が２〜５０であることを特徴とする、請求項２に記載の光偏向素子。
5. 一次光源と、該一次光源から発せられる光を入射する光入射面および入射した光を導光して出射する光出射面を有する導光体と、該導光体の光出射面側に隣接配置した請求項１〜２のいずれかに記載の光偏向素子からなることを特徴とする光源装置。

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