JP4778279B2 - 光ミキシング素子及びそれを用いた面光源装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数の光源から発せられる光を混合して混合光を得る光ミキシング素子及びそれを用いた面光源装置に関するものである。光ミキシング素子は、互いに異なる複数の色の光たとえばＲ（赤色）Ｇ（緑色）Ｂ（青色）の三原色の光をそれぞれ発する複数の点状光源からの光を混合して所要の混合色たとえば白色の光を得るのに使用することができる。また、本発明の面光源装置は、例えば液晶表示装置のバックライトとして使用することができる。

近年、カラー液晶表示装置のバックライト（面光源装置）としては、より鮮明で色再現性良好な液晶表示画像の得られるものが要望されている。従来のエッジライト方式のバックライトでは、白色発光冷陰極管等の白色発光光源を一次光源として使用している。そして、該一次光源からの光が入射する光入射端面と該光入射端面を横切る面に沿って位置する光出射面とを持つ導光体が使用されている。このような従来のエッジライト方式のバックライトを使用した液晶表示装置においては、カラー画像信号に対する液晶表示の色再現性に問題があることが分かってきた。とくに、Ｒ（赤色）信号に対する表示色の再現性が十分でないという問題がある。

一方、液晶表示装置のバックライトの一次光源として低消費電力且つ長寿命の発光ダイオード（ＬＥＤ）を使用することが、一般化している。ＬＥＤは、点状の発光光源であり、とくに小面積のバックライトの一次光源として使用されてきた。近年では、上記カラー液晶表示の色再現性を向上させる観点から、ＲＧＢ三原色をそれぞれ発光する３種類のＬＥＤを組み合わせて使用することが提案されている。これは、ＲＧＢ三原色発光ＬＥＤを適宜の順序で配列し、これらのＬＥＤから発せられる三原色光を導光体内に導入して混合し白色光を得るものである。

ところで、液晶表示装置においては、可能な限り小さな外形寸法で可能な限り大きな有効発光領域を持つバックライトが求められ、また、バックライトの有効発光領域に近付くように液晶表示画面を可能な限り大きくすることが求められている。しかるに、上記ＲＧＢ三原色発光ＬＥＤを一次光源として用いたエッジライト方式のバックライトにおいて、有効発光領域を導光体の外周縁のできる限り近くにまで広げようとすると（即ち、有効発光領域の外側に位置するいわゆる額縁の幅を小さくしようとすると）、次のような問題が生ずる。即ち、ＲＧＢ三原色発光ＬＥＤに近い有効発光領域部分では、ＲＧＢ三原色発光ＬＥＤに対応した未混合原色光の出射パターンが観察されるようになる。このような未混合原色光出射パターンの発生は、カラー液晶表示画面の周辺領域での色再現性の著しい低下の原因となる。また、一次光源として単色のＬＥＤのみを複数用いたモノクロ液晶表示の場合においても、同様に、単色発光ＬＥＤに近い有効発光領域部分では、ＬＥＤに対応した光の出射パターンが観察されるようになる。このような光出射パターンの発生は、モノクロ液晶表示画面の周辺領域での輝度均斉度低下の原因となる。

特開２００４−１５８３３６号公報（特許文献１）には、複数の点状光源から発せられた複数色の光を、混色手段により混色し、導光体に導入させるようにした面光源装置が開示されている。

また、点状一次光源としてのＬＥＤには、特に発光光量の有効利用が望まれる。このため、所望方向範囲への集中した光出射を実現すべく、特開２００３−８０８１号公報（特許文献２）には、面光源装置にて使用される発光ダイオード（ＬＥＤ）として、側方へ集中して光出射させるようにしたものが開示されている。
特開２００４−１５８３３６号公報 特開２００３−８０８１号公報

しかるに、特許文献１に記載の混色手段は単なる透明板状体であり、各点状光源から到来する互いに異なる各色の光をその板状体内部での導光中に混合させるようにするものである。このため、良好な光混合には長い距離を必要とし、混色手段寸法の低減ができず、装置構成が大きくなりがちである。

本発明の目的は、以上のような技術的課題を解決することにあり、とりわけ、複数の点状一次光源のそれぞれから発せられる光を良好に混合し得る小寸法の光ミキシング素子を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、以上のような光ミキシング素子を用い色再現性良好な或いは輝度均斉度良好な液晶表示画像を可能にする面光源装置を提供することにある。

本発明によれば、上記の技術的課題を解決するものとして、
互いに略平行な１対の面を有する光透過性部材に、前記１対の面の間にて該１対の面を横切る方向に延在する多数の柱状面が形成されており、
前記１対の面と平行な方向に配列された複数の点状一次光源のそれぞれから発せられる光の進行方向を前記柱状面での反射及び／または屈折により変更させ、前記光を混合するようにしてなることを特徴とする光ミキシング素子、
が提供される。

本発明の一態様においては、前記１対の面にはそれぞれ光反射膜が付されている。

また、本発明によれば、上記の技術的課題を解決するものとして、
光入射端面及び光出射面を有する導光体と、該導光体の光入射端面に隣接して配置された上記の光ミキシング素子と、該光ミキシング素子に隣接して配置された前記複数の点状一次光源とを備えており、
前記光ミキシング素子は前記１対の面が前記導光体の光出射面と略平行になるように配置されており、前記複数の点状一次光源は前記導光体の光入射端面と略平行な方向に配列されており、
前記複数の点状一次光源のそれぞれから発せられる光を前記光ミキシング素子にて混合して前記導光体の光入射端面に入射させるようにしてなることを特徴とするエッジライト方式面光源装置、
が提供される。

本発明の一態様においては、前記複数の点状一次光源は、互いに発光色の異なる複数種類のものからなり、それぞれがそれに隣接する少なくとも一方側の他の点状一次光源とは互いに異なる種類のものとなるように配列されている。

以上のような本発明の光ミキシング素子によれば、光透過性部材の１対の面間に形成された多数の柱状面での反射及び／または屈折により、複数の点状一次光源のそれぞれから発せられる光の進行方向を変更させ光の混合を行うので、小さな寸法であっても良好な光混合が可能になる。

また、以上のような本発明による光ミキシング素子を用いた本発明の面光源装置によれば、小さな額縁寸法であっても有効発光領域の周辺部における色再現性や輝度均斉度の低下がなく、装置寸法の小型化が可能である。

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は本発明による光ミキシング素子を用いた本発明のエッジライト方式面光源装置の一つの実施形態を示す模式的部分分解斜視図であり、図２は本実施形態の面光源装置の模式的部分断面図であり、図３は本実施形態の面光源装置の模式的部分平面図である。これらの図に示されているように、本実施形態の面光源装置は、互いに反対側に位置する２つの側端面を光入射端面３１とし、これと略直交する一つの主表面を光出射面３３とする導光体３と、この導光体３の光入射端面３１にそれぞれ隣接して配置された光ミキシング素子２と、この光ミキシング素子２に隣接して導光体３と反対側に配置された点状一次光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂからなる点状一次光源群１と、導光体３の光出射面３３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上にこれと対向して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とを含んで構成される。

点状一次光源１Ｒは赤色発光ダイオード（Ｒ−ＬＥＤ）であり、点状一次光源１Ｇは緑色発光ダイオード（Ｇ−ＬＥＤ）であり、点状一次光源１Ｂは青色発光ダイオード（Ｂ−ＬＥＤ）からなる。これらの点状一次光源は、支持基板７上において、Ｙ方向に適宜の間隔を置いて１列状に配列されて、点状一次光源群１を構成している。この点状一次光源群１におけるＲ−ＬＥＤ、Ｇ−ＬＥＤ及びＢ−ＬＥＤの配列は、この順に繰り返し配置したものであってもよいが、Ｇ−ＬＥＤの配列密度をＲ−ＬＥＤ及びＢ−ＬＥＤの配列密度より高くして、図３に示されているように、Ｒ−ＬＥＤ、Ｇ−ＬＥＤ、Ｂ−ＬＥＤ、Ｇ−ＬＥＤの順の配列単位を繰り返し配置したものであってもよい。これにより、カラー液晶表示における色再現性を高めることができる。

点状一次光源１Ｒ，１Ｇ，１ＢのＹ方向配列ピッチは、目標とする色再現性や輝度均斉度の程度、後述の額縁幅、更には光ミキシング素子２の光混合性能などを勘案して、適宜設定することができる。点状一次光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂの配列ピッチは、たとえば７〜２０ｍｍとすることができる。

点状一次光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂとしては、上記特許文献２に図６他を参照して記載されているような側方発光のＬＥＤを使用することができる。これにより、図４に示されているように、点状一次光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂから発せられる光の分布ＤＢは、Ｚ方向と９０°及びそれに近い角度をなす方向に集中する。また、点状一次光源群１には、光源リフレクタ１’が付されている。光源リフレクタ１’としては、正反射機能を持つ金属蒸着反射層を表面に有するプラスチックフィルムを使用することができる。従って、点状一次光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂから発せられた光は、直接または光源リフレクタ１’により反射された後に光ミキシング素子２へと向かう。

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対の側端面を光入射端面３１としている。

導光体３の光入射端面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とされている。尚、導光体３の厚さは、光入射端面３１の側の端部において最も大きく、それからＸ方向に離れるに従い徐々に小さくなっている。即ち、導光体の裏面３４はＸ方向に関する中央の部分で最も深くなるような傾斜をもって形成されており、導光体はＸ方向に関して右半部及び左半部がそれぞれくさび形状をなしている。このくさび形状のくさび角θは、たとえば０．２〜３度とすることができる。

導光体３の厚さは、その光出射面３３の大きさに応じて適宜設定されるが、たとえば、光入射端面３１の近傍において２〜８ｍｍ程度で、Ｘ方向中央部分において１〜３ｍｍである。

導光体３としては、以上のような右半部及び左半部がそれぞれくさび形状のものに限定されるものではなく、全体の厚さが均一なものや、上記右半部及び左半部のうちの一方のみからなるくさび形状（この場合には点状一次光源群１及び光ミキシング素子２は右側のもの及び左側のものの一方のみ使用される）等の種々の形状のものが使用できる。

この導光体３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構や、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端面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構等を付与することによって、光入射端面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から光入射端面３１および光出射面３３の双方に直交する面（ＸＺ面）内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光度分布のピークの方向（ピーク光）が光出射面３３となす角度をαとする。該角度αは例えば１０〜４０度であり、出射光光度分布の半値全幅は例えば１０〜４０度である。

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の向上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。

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）から次の式（１）および式（２）
Δａ＝（１／Ｌ）∫_０ ^Ｌ｜（ｄ／ｄｘ）ｆ（ｘ）｜ｄｘ ・・・ （１）
θａ＝ｔａｎ^−１（Δａ） ・・・ （２）
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、光出射率が０．５％より小さくなると導光体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、光出射率が５％より大きくなると一次光源１の近傍で多量の光が出射して、光出射面３３内でのＸ方向における出射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の光出射率を０．５〜５％とすることにより、光出射面から出射する光の出射光光度分布（ＸＺ面内）におけるピーク光の角度が光出射面の法線に対し５０〜８０度の範囲にあり、光入射端面と光出射面との双方に垂直なＸＺ面における出射光光度分布（ＸＺ面内）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の光入射端面３１側の端縁での出射光の光強度（Ｉ_０）と光入射端面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、次の式（３）
Ｉ＝Ｉ_０（α／１００）［１−（α／１００））］^Ｌ／ｔ ・・・ （３）
のような関係を満足する。ここで、定数αが光出射率であり、光出射面３３における光入射端面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（百分率：％）である。この光出射率α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、指向性光出射機構が付与されていない他の主面には、導光体３からの出射光の光入射端面３１と平行な面（ＹＺ面）での指向性を制御するために、光入射端面３１に対して略垂直の方向（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。本実施形態においては、光出射面３３に粗面を形成し、図５に示されるように、裏面３４に、光入射端面３１に対して略垂直方向（Ｘ方向）に延びる多数のレンズ列３４ａを互いに平行に配列してなるレンズ面を形成している。本発明においては、図５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５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の裏面３４にレンズ列３４ａとしてプリズム列を形成する場合には、その頂角を８５〜１１０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からの出射光を適度に集光させることができ、面光源装置としての輝度の向上を図ることができるためであり、より好ましくは９０〜１００度の範囲である。

本発明の導光体においては、所望のプリズム列形状を精確に作製し、安定した光学性能を得るとともに、組立作業時や光源装置としての使用時におけるプリズム頂部の摩耗や変形を抑止する目的で、プリズム列の頂部に平坦部あるいは曲面部を形成してもよい。

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に光出射機構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構を付与してもよい。

光入射端面３１は、ＸＹ面内及び／又はＸＺ面内での光の広がりを調節するために、粗面化してもよい。粗面の形成方法としては、フライス工具等で切削する方法、砥石、サンドペーパー、バフ等で研磨する方法、ブラスト加工、放電加工、電解研磨、化学研磨等による方法が挙げられる。ブラスト加工に使用されるブラスト粒子としては、ガラスビーズのような球形のもの、アルミナビーズのような多角形状のものが挙げられるが、多角形状のものを使用する方が光を広げる効果の大きな粗面を形成できることから好ましい。切削加工や研磨加工の加工方向を調整することにより、異方性の粗面を形成することもできる。ＸＹ面内での光の広がりの調節のためにはＺ方向の加工方向を採用してＺ方向の筋状凹凸形状を形成することができ、ＸＺ面内での光の広がりの調節のためにはＹ方向の加工方向を採用してＹ方向の筋状凹凸形状を形成することができる。この粗面加工は、導光体の光入射端面に直接施すこともできるが、金型の光入射端面に相当する部分を加工して、これを成形時に転写することもできる。

光入射端面３１の粗面化の程度は、導光体厚さ方向で、平均傾斜角θａが１〜５度、中心線平均粗さＲａが０．０５〜０．５μｍ、十点平均粗さＲｚが０．５〜３μｍであることが好ましい。これは、光入射端面３１の粗面化の度合いをこの範囲とすることによって、面光源装置発光面（光拡散素子６の上面）における明帯あるいは暗帯の発生を抑止できるとともに、発光面における輝線・暗線をぼかし見え難くすることができるためである。平均傾斜角θａは、更に好ましくは２〜４．５度、特に好ましくは２．５〜３度の範囲である。中心線平均粗さＲａは、更に好ましくは０．０７〜０．３μｍ、特に好ましくは０．１〜０．２５μｍの範囲である。十点平均粗さＲｚは、更に好ましくは０．７〜２．５μｍ、特に好ましくは１〜２μｍの範囲である。また、光入射端面３１の粗面化の程度は、長手方向（Ｙ方向）で、上記と同様の理由から、平均傾斜角θａが１〜３度、中心線平均粗さＲａが０．０２〜０．１μｍ、十点平均粗さＲｚが０．３〜２μｍであることが好ましい。平均傾斜角θａは、更に好ましくは１．３〜２．７度、特に好ましくは１．５〜２．５度の範囲である。中心線平均粗さＲａは、更に好ましくは０．０３〜０．０８μｍ、特に好ましくは０．０５〜０．０７μｍの範囲である。十点平均粗さＲｚは、更に好ましくは０．４〜１．７μｍ、特に好ましくは０．５〜１．５μｍの範囲である。

図６に、光ミキシング素子２の模式的部分分解斜視図を示す。

光ミキシング素子２は、互いに略平行でＸＹ面と平行な１対の面２１ａ，２１ｂを有する光透過性部材２１に、面２１ａ，２１ｂ間にて該１対の面を横切る方向たとえば該面と直交する方向（Ｚ方向）に延在する多数の柱状面２２が形成されているものである。この柱状面２２は、光透過性部材２１に形成された柱状空隙２１’に面する光透過性部材２１の表面（内面）により構成されている。光透過性部材の材質としては、たとえばガラスまたは後述の合成樹脂等が挙げられる。この光透過性部材２１としては例えば屈折率１．４〜１．８程度のものを使用することができ、一方、柱状空隙２１’は空気からなるので屈折率は大略１である。このため、光透過性部材２１内を進行する光は、柱状面２２に到来すると屈折及び／または反射されて進行方向を変更せしめられる。即ち、柱状面２２で屈折した光は、柱状空隙２１’内を進行し、更に柱状面２２に入射し再び屈折して光透過性部材２１内を進行する。柱状面２２で反射された光は、光透過性部材２１内を進行する。これらの光の進行方向は、複数回の屈折及び／または反射を受けることで、ＸＹ面内における広い範囲に拡大せしめられる。また、光の進行距離は、複数回の屈折及び／または反射を受けることで、Ｙ方向距離に比較して延長せしめられる。

柱状面２２のＸＹ断面形状は、作製の容易さの観点から円形が好ましいが、これに限定されるものではない。Ｚ方向となす角度の小さい方向への光の散乱をできるだけ少なくして面光源装置発光面での輝線発生を抑制する観点からは、柱状面２２はできるだけ平滑であることが好ましい。但し、柱状面２２は必ずしも完全に平滑な柱状をなしていなくともよく、例えば、レーザ孔開け加工やエッチング加工などによる加工痕が残った面であっても、実用は十分に可能である。

柱状面２２のＸＹ断面寸法は、例えば最大径が０．１〜５ｍｍとなるようなものである。ここで、最大径は、各柱状面２２につき定義され、断面における直線距離が最大の径を指す。本実施形態では、柱状面２２のＸＹ断面形状が円形であるので、最大径として直径が採用される。柱状面２２のＸＹ断面寸法が小さすぎると光ミキシング素子からの出射光量が低下する傾向にあり、他方、柱状面２２のＸＹ断面寸法が大きすぎると光混合が十分に行われなくなる傾向にある。また、ＸＹ面内における柱状面２２の配置密度は、例えば、柱状面２２のＸＹ断面寸法の最大径が０．１ｍｍ以上且つ０．３ｍｍ未満の時には７０〜８０００個／ｃｍ^２程度であり、柱状面２２のＸＹ断面寸法の最大径が０．３ｍｍ以上且つ１ｍｍ未満の時には６〜８５０個／ｃｍ^２程度であり、柱状面２２のＸＹ断面寸法の最大径が１ｍｍ以上且つ５ｍｍ以下の時には０．２５〜８０個／ｃｍ^２程度である。柱状面２２の配置密度が小さすぎると光混合が十分に行われなくなる傾向にあり、他方、柱状面２２の配置密度が大きすぎると光ミキシング素子からの出射光量が低下する傾向にある。また、各柱状面２２で囲まれる円形領域のＸＹ面内での断面積の合計が面２１ａまたは面２１ｂの面積（柱状面２２で囲まれる円形領域をも含む）に対して占める割合即ち断面積占有率は、例えば５〜６０％である。断面積占有率が小さすぎると光混合が十分に行われなくなる傾向にあり、他方、断面積占有率が大きすぎると光ミキシング素子からの出射光量が低下する傾向にある。

この光ミキシング素子２は、点状一次光源群１と対向する面が光入力面２３とされており、これと反対側の面即ち導光体光入射端面３１と対向する面が光出力面２４とされている。光入力面２３及び光出力面２４は、柱状面２２と略平行でＹＺ面と平行であり、１対の面２１ａ，２１ｂと直交している。

１対の面２１ａ，２１ｂには、それぞれ光反射膜２５が付されている。この光反射膜２５としては、たとえば、銀蒸着反射フィルム等の正反射膜を使用することができる。或いは、白色合成樹脂シートなどの拡散反射膜を使用してもよい。

光ミキシング素子２の厚さ（Ｚ方向寸法）は、導光体３の光入射端面３１の近傍での厚さと同等である。また、光ミキシング素子２の幅（Ｘ方向寸法）は、面光源装置小型化の要請と所望の光混合性能とを勘案して適宜設定することができる。光ミキシング素子２の幅が大きすぎると小型化に不利となり、素子幅が小さすぎると光混合が十分に行われなくなる傾向にある。光ミキシング素子２の幅は、例えば、１０〜３０ｍｍとすることができる。また、光ミキシング素子２の長さ（Ｙ方向寸法）は、導光体３のＹ方向寸法と同等である。

かくして、光ミキシング素子２の１対の面２１ａ，２１ｂ及び光入力面２３の双方と平行な方向に配列された複数の点状一次光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂのそれぞれから発せられ、一部光源リフレクタ１’による反射を受けた光は、光ミキシング素子２の光入力面２３に入射して光透過性部材２１内へと導入される。そして、上記のようにして、多数の柱状面２２による屈折及び／または反射を受けて、主としてＸＹ面内で拡散される。この過程で、光ミキシング素子２の幅が小さくとも、他の点状一次光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂから発せられた光と効率よく混合される。混合された光は、光出力面２４から出射するが、この時には既に十分な光混合がなされて白色光となっており、また、位置による光分布の均斉度も向上している。１対の面２１ａ，２１ｂには光反射膜２５が付されているので、光入力面２３から光透過性部材２１に導入された光は、実質上全て光出力面２４から出射して、導光体３の光入射端面３１に入射する。

以上のような光ミキシング素子２は、例えば、所要厚さの光透過性材料に対してレーザ孔開け加工を施すことにより柱状面付の光透過性部材２１を作製し、この光透過性部材２１の１対の面２１ａ，２１ｂにそれぞれ光反射膜２５を例えば接着剤により接合することで、製造することができる。レーザ孔開け加工により形成される柱状面２２の形状には若干のテーパーがつく場合があるが、本発明の柱状面２２には、このようなテーパー付のものをも含むものとする。但し、テーパーの角度（Ｚ方向となす角度）は、例えば２度以下であるのが好ましい。

光ミキシング素子製造の際の光透過性部材作製の別法としては、光透過性樹脂組成物と水溶性樹脂組成物（例えばポリビニルアルコール）とを、後者が上記柱状空隙２１’に対応するようなパターンにて共押し出しし、これにより得られた共押し出し成形物を所要厚さ毎にスライスし、これにより得られた板状物を温水中に浸漬することで水溶性樹脂を溶出除去するものが挙げられる。

図１〜図３の実施形態の光ミキシング素子２においては、光入力面２３がＹＺ面と平行な平面であるが、本発明においては、図７に示されているように、光入力面２３を、点状一次光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂのそれぞれに対応する部分がＸＹ面内において点状一次光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂに向かって凹状となるように、形成することができる。これにより、点状一次光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂから発せられた光は、主として、それに対応する光入力面２３の部分に対して略垂直に入射する。かくして、光入力面２３への光入射の際の屈折が十分に低減されるので、ＸＹ面内で光透過性部材２１の内部へと広い分布角度で光を導入することができ、光ミキシング素子２の幅（Ｘ方向寸法）を更に小さくしても、良好な光混合を行うことが可能となる。

本発明においては、柱状面２２の断面寸法は、全ての柱状面につき同一である必要はない。例えば、図８に示されているように、点状一次光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂからの距離即ち光入力面２３からの距離が小さい領域では、この距離が大きい領域に比べて柱状面２２の断面寸法を大きなものとすることができる。大きさの比率は、例えば１：４とすることができる。このようにすることで、光混合が十分に行われ且つ光ミキシング素子からの出射光量の低下が抑制されるという利点がある。

また、本発明においては、柱状面２２の断面形状は、円形に限られず、その他の形状例えば楕円形や三角形以上の多角形等が可能である。例えば、図９に示されているように、柱状面２２として、断面形状が三角形のものを使用し、この三角形が点状一次光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂに最も近い位置に１つの頂点を持つように配置したものが例示される。このようにすることで、光透過性部材２１の内部へと導入された光を、光入力面２３の方へと戻りにくくして光出力面２４の方へと効率よく導くことができるという利点がある。

以上の実施形態では光ミキシング素子２が導光体３とは別体にて形成されている例が示されているが、本発明においては光ミキシング素子２を導光体３と一体化して作製することも可能である。図１０は、そのような実施形態を示す模式的部分断面図である。図１０において、上記図１〜図９におけると同様の機能を持つ部材または部分には同一の符号が付されている。

図１０の実施形態では、光ミキシング素子２の光透過性部材２１と導光体３とが共通の部材から構成されている。図１０において、光ミキシング素子２の光出力面２４と導光体３の光入射端面３１とが共通の部材内において仮想的に示されているが、現実にはそのような面は存在しない。但し、このような場合であっても、本発明においては、図示されるような位置に光ミキシング素子２の光出射面２４と導光体３の光入射端面３１とが存在するものとする。本実施形態では、光ミキシング素子２の下側の面２１ｂに付された光反射膜２５と導光体裏面３４に付された光反射素子５とを一連のものとして構成することも可能である。

本実施形態の装置の製造に際しては、共通の部材を用いて導光体３を作製し、次いで、その共通の部材に柱状面２２を形成し、光反射膜２５及び光反射素子５を付すことができる。

光偏向素子４は、導光体３の光出射面３３上に配置されている。光偏向素子４の２つの主面４１，４２は全体として互いに平行に配列されており、それぞれ全体としてＸＹ面と平行に位置する。主面４１，４２のうちの一方（導光体３の光出射面３３側に位置する主面）は入光面４１とされており、他方が出光面４２とされている。出光面４２は、導光体３の光出射面３３と平行な平坦面とされている。入光面４１は、多数のＹ方向に延びるプリズム列４１ａが互いに平行に配列されたプリズム列形成面とされている。プリズム列形成面は、隣接するプリズム列の間に比較的幅の狭い平坦部（例えば、プリズム列のＸ方向寸法と同程度あるいはそれより小さい幅の平坦部）を設けてもよいが、光の利用効率を高める点からは平坦部を設けることなくプリズム列をＸ方向に連続して配列することが好ましい。

図１１に、光偏向素子４による光偏向の様子を示す。この図は、ＸＺ面内での導光体３からのピーク光（出射光分布のピークに対応する光）の進行方向を示すものである。導光体３の光出射面３３から角度αで斜めに出射されるピーク光は、プリズム列４１ａの第１面へ入射し第２面により全反射されてほぼ出光面４２の法線の方向に出射する。また、ＹＺ面内では、上記のような導光体裏面３４のプリズム列３４ａの作用により広範囲の領域において出光面４２の法線の方向の輝度の十分な向上を図ることができる。

光偏向素子４の各プリズム列４１ａのプリズム面の形状は、単一平面に限られず、例えば断面凸多角形状または凸曲面形状とすることができ、これにより、高輝度化、狭視野化を図ることができる。

本発明の光偏向素子においては、所望のプリズム形状を精確に作製し、安定した光学性能を得るとともに、組立作業時や光源装置としての使用時におけるプリズム頂部の摩耗や変形を抑止する目的で、プリズム列の頂部に平坦部あるいは曲面部を形成してもよい。この場合、プリズム列頂部に形成する平坦部あるいは曲面部の幅は、３μｍ以下とすることが、光源装置としての輝度の低下やスティッキング現象による輝度の不均一パターンの発生を抑止する観点から好ましく、より好ましくは２μｍ以下であり、さらに好ましくは１μｍ以下である。

本発明においては、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の出光面上に光拡散素子６を隣接配置することができる。また、本発明においては、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の防止を考慮して、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。

光拡散素子６の光拡散性は、光拡散素子６中に光拡散剤例えば、シリコーンビーズ、ポリスチレン、ポリメチルメタクリレート、フッ素化メタクリレート等の単独重合体あるいは共重合体等を混入したり、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、その程度が異なる。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の入射面側の平均傾斜角を出射面側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。

光反射素子５としては、例えば表面に金属蒸着反射層を有するプラスチックシートを用いることができる。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を用いることも可能である。

本発明の光ミキシング素子２の光透過性部材２１、導光体３、光偏向素子４および光拡散素子６は、光透過率の高い合成樹脂を用いて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、最適である。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、光偏向素子４および光拡散素子６の粗面又はヘアライン等の表面構造やプリズム列又はレンチキュラーレンズ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上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。

以上のような一次光源１、光源リフレクタ１’、光ミキシング素子２、導光体３、光偏向素子４、光拡散素子６および光反射素子５からなる面光源装置の発光面（光拡散素子６の出射面６２）上に、不図示の液晶表示素子を配置することにより、本発明の面光源装置をバックライトとした液晶表示装置が構成される。液晶表示装置は、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。液晶表示装置の表示エリアは、液晶表示素子の表示領域あるいは該液晶表示素子を保持するフレームの開口領域等により決まる。面光源装置の有効発光領域は、液晶表示装置の表示エリアより大きく、該表示エリアの全てをカバーするように存在している。図１には、面光源装置の有効発光領域ＥＡが図示されている。ＸＹ面内にて、この有効発光領域ＥＡより外方の部分が、いわゆる額縁であり、この額縁は不図示のフレーム部材により遮光される。

以下、実施例によって本発明を説明する。

［実施例１］
以下のようにして、図１他に関し説明した実施形態に属するエッジライト方式面光源装置を製造した。

アクリル樹脂（三菱レイヨン（株）製アクリペット［商品名］）を用い射出成形することによって、光出射面が平均傾斜角３．５度のマット面からなり、裏面がプリズム頂角１００度、頂部先端曲率半径１５μｍ、ピッチ５０μｍの多数のＸ方向プリズム列が互いに平行になるように形成されたプリズム列形成面からなり、Ｘ方向寸法が４７０ｍｍで、Ｙ方向寸法が３２０ｍｍで、厚さが光入射端面側の端部において５．６ｍｍで且つＸ方向中央部において１．２ｍｍで、くさび角が１．１度である矩形状の導光体を作製した。この導光体の光入射端面以外の端面に光拡散反射フィルムを貼付し、裏面に対向するように銀蒸着反射フィルムを配置した。

厚さ６ｍｍのアクリル樹脂板（三菱レイヨン（株）製アクリライトＬ［商品名］）に対して、レーザ孔開け加工を行って、直径約０．５ｍｍの断面がほぼ円形の多数の柱状面を形成した。これを切断して、幅（Ｘ方向寸法）２０ｍｍで長さ（Ｙ方向寸法）３２０ｍｍの２つの光透過性部材を作製した。透光性部材における柱状面は、ＸＹ面内の配置密度が５５個／ｃｍ^２で総数が約３５００個であり、ＸＹ面内での断面積占有率は約１０％であった。この光透過性部材の幅２０ｍｍで長さ３２０ｍｍの１対の面に対してそれぞれ接着剤を用いて銀蒸着反射フィルムを貼付した。

かくして得られた光ミキシング素子を、その光出力面が導光体の光入射端面に対向するように配置し、これら光ミキシング素子並びに光拡散反射フィルム及び銀蒸着反射フィルム付の導光体を、支持基板上に配置した。

更に、光ミキシング素子の光入力面に対向するように、青色発光ダイオード、緑色発光ダイオード、赤色発光ダイオード及び緑色発光ダイオード（いずれもＬｕｘｅｏｎ社製の側方発光ＬＥＤ）の組をこの順にＹ方向にピッチ１０ｍｍで１列に配列し、これらの発光ダイオードからなる点状一次光源群を銀蒸着反射フィルム製の光源リフレクタと共に支持基板に取り付けた。

以上の構成を枠体に組み込んだ。この構成において、導光体からの出射光光度分布（ＸＺ面内）の最大ピークは光出射面法線方向に対して７０度、半値全幅が２２．５度であった。

一方、屈折率１．５０６４のアクリル系紫外線硬化性樹脂を用いて、頂角６８度のプリズム列をピッチ５０μｍで多数並列に形成してなるプリズム列形成体を厚さ１２５μｍのポリエステルフィルムの一方の表面に形成したプリズムシートを作製した。

得られたプリズムシートを、上記導光体の光出射面（マット面）側にプリズム列形成面が向き、導光体の光入射端面にプリズム列の稜線が平行となるように載置した。更に、その上に、ヘイズ値６０％の光拡散シートを配置した。

以上のようにして製造された面光源装置について、点状一次光源群の各発光ダイオードを点灯させて発光面を目視により観察したところ、導光体光入射端面の近傍での各発光ダイオードに対応した各色光の出射パターンは視認されず、発光面全体が白色で一様な明るさであった。

［比較例１］
柱状面を形成しなかったこと以外は実施例１と同様にして同一寸法の光ミキシングのための導光素子を作製し、これを光ミキシング素子に代えて使用したこと以外は、実施例１と同様にして面光源装置を製造した。

以上のようにして製造された面光源装置について、実施例１と同一の条件で点状一次光源群の各発光ダイオードを点灯させて発光面を目視により観察したところ、導光体光入射端面の近傍で各発光ダイオードに対応した各色光の出射パターンが視認された。

［比較例２］
光ミキシング素子を使用せず、導光体光入射端面に対向するように点状一次光源群を配置したこと以外は、実施例１と同様にして面光源装置を製造した。

以上のようにして製造された面光源装置について、実施例１と同一の条件で点状一次光源群の各発光ダイオードを点灯させて発光面を目視により観察したところ、導光体光入射端面の近傍で比較例１よりも広い範囲にわたって各発光ダイオードに対応した各色光の出射パターンが視認された。

本発明による光ミキシング素子を用いた本発明のエッジライト方式面光源装置の一つの実施形態を示す模式的部分分解斜視図である。 図１の実施形態の面光源装置の模式的部分断面図である。 図１の実施形態の面光源装置の模式的部分平面図である。 点状一次光源から発せられる光の分布を示す模式図である。 導光体の模式的断面図である。 光ミキシング素子の模式的部分分解斜視図である。 本発明のエッジライト方式面光源装置の一つの実施形態を示す模式的部分平面図である。 本発明のエッジライト方式面光源装置の一つの実施形態を示す模式的部分平面図である。 本発明のエッジライト方式面光源装置の一つの実施形態を示す模式的部分平面図である。 本発明のエッジライト方式面光源装置の一つの実施形態を示す模式的部分断面図である。 光偏向素子による光偏向の様子を示す図である。

符号の説明

１ 点状一次光源群
１Ｒ，１Ｇ，１Ｂ 点状一次光源
１’ 光源リフレクタ
２ 光ミキシング素子
２１ 光透過性部材
２１ａ，２１ｂ １対の面
２１’ 柱状空隙
２２ 柱状面
２３ 光入力面
２４ 光出力面
２５ 光反射膜
３ 導光体
３１ 光入射端面
３３ 光出射面
３４ 裏面
３４ａ レンズ列（プリズム列）
４ 光偏向素子
４１ 入光面
４１ａ プリズム列
４２ 出光面
５ 光反射素子
６ 光拡散素子
６１ 入射面
６２ 出射面
７ 支持基板
ＤＢ 光の分布
ＥＡ 有効発光領域

Claims (3)

1. 互いに略平行な１対の面、並びに該１対の面と直交し且つ互いに反対側に対向して位置する光入力面および光出力面を有する光透過性部材に、前記１対の面の間にて該１対の面を横切る方向に延在する多数の柱状面が形成されており、
   前記１対の面にはそれぞれ光反射膜が付されており、
   前記１対の面と平行な方向に配列され且つそれぞれ前記光入力面に隣接して配置されている複数の点状一次光源のそれぞれから発せられる光を前記光入力面に入射させ前記光透過性部材内へと導入し、ここで、前記光入力面は前記点状一次光源のそれぞれに対応する部分が前記点状一次光源のそれぞれに向かって凹状となるように形成されており、
   前記光の進行方向を前記柱状面での反射及び／または屈折により変更させると共に前記光反射膜での反射により変更させて前記光を混合し、混合された光を実質上全て前記光出力面から出射させるようにしてなることを特徴とする光ミキシング素子。
2. 光入射端面及び光出射面を有する導光体と、該導光体の光入射端面に隣接して配置された請求項１に記載の光ミキシング素子と、該光ミキシング素子に隣接して配置された前記複数の点状一次光源とを備えており、
   前記光ミキシング素子は前記１対の面が前記導光体の光出射面と略平行になるように配置されており、前記複数の点状一次光源は前記導光体の光入射端面と略平行な方向に配列されており、
   前記複数の点状一次光源のそれぞれから発せられる光を前記光ミキシング素子にて混合して前記導光体の光入射端面に入射させるようにしてなることを特徴とするエッジライト方式面光源装置。
3. 前記複数の点状一次光源は、互いに発光色の異なる複数種類のものからなり、それぞれがそれに隣接する少なくとも一方側の他の点状一次光源とは互いに異なる種類のものとなるように配列されていることを特徴とする、請求項２に記載のエッジライト方式面光源装置。

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