JP5161934B2 - 表示素子および表示装置 - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、表示素子および表示装置に関する。
現在、表示装置としては、表示面に対して奥行きの少ないFPD(Flat Panel Display)が広く用いられている。FPDはその表示原理により、LCD(Liquid Crystal Display)、PDP(Plasma Display Panel)、OLED(Organic Light Emitting Display)、FED(Field Emission Display)などに区分されており、これらは、屋外広告モニタや薄型テレビから携帯電話や携帯音楽機器等に用いられる。FPDの画面サイズについては、それぞれの使用環境に応じて幅広く使い分けられている。しかしながら、これらの表示装置は、ガラス基板などの支持基板を用いて製造されているため、その画面サイズは、製造される支持基板の大きさにより制限されることになる。
そこで、導光体を構成要素とする表示素子を複数並べて、表示面を形成する表示装置の検討が進められている。この表示装置は、導光体の他に光源と、導光対側面に設けられ、導光体内の光を外部に放出させる複数の光取出部とを有する。
特開2005−227324
発明が解決しようとする課題は、導光体を用いた表示素子において、光取り出し効率を向上させることにある。
本発明の一実施形態による表示素子は、光源と、
前記光源に近く前記光源の光が照射される一端、前記光源から遠い他端、及び前記一端側から前記他端側へ延在する側面部分を有し、前記一端側から前記他端部分側へ前記側面部分で全反射させながら往路光を導き、前記往路光を前記他端部分側から前記一端側へ前記側面部分で全反射させながら復路光を導く導光体と、前記導光体の側面に設けられ、前記導光体内の光を取り出す光取り出し部と、を備え、前記他端部分は、前記光源から遠いほど前記側面部分の延在方向に垂直な断面積が小さい第1円錐台部分を有し、前記往路光が前記側面部分で全反射される際の入射角よりも、前記復路光が前記側面部分で全反射される際の入射角を小さくするように往路光の進路を変更する。
第1の実施形態に係る表示装置を示す平面図。 第1の実施形態に係る表示素子の導光体延在方向の断面を示す図。 第1の実施形態に係る表示素子の導光体延在方向に垂直な断面を示す図。 第1の実施形態に係る表示素子の一端面における光の経路の一例を示す図。 第1の実施形態に係る導光体側面で全反射する光の経路の一例を示す図。 第1の実施形態に係る導光体側面で屈折する光の経路の一例を示す図。 第1の実施形態に係る導光体内を進行する光の経路の一例を示す図。 第1の実施形態に係る導光体の他端部分を示す断面図。 第1の実施形態に係る導光体を導波される光の経路の一例を示す図。 第1の実施形態に係る表示素子において、シミュレーションにおける受光素子配置の一例を示す図。 第1の実施形態に係るシミュレーションに用いた光源の出射光強度と出射角度の関係を示す図。 第1の実施形態に係る導光体への入射した光の強度と入射角の関係を示す図。 第1の実施形態に係る光強度の角度依存性の結果を示す図。 比較例に係る導光体の他端部分を示す断面図。 比較例に係る導光体を導波される光の経路の一例を示す図。 比較例に係る光強度の角度依存性の結果を示す図。 第2の実施形態係る表示素子の断面図。 第2の実施形態に係る導光体の他端部分における光の経路の一例を示す図。 第2の実施形態に係る導光体の他端部分における別なる光の経路の一例を示す図。 第2の実施形態に係る光強度の角度依存性の結果を示す図。 比較例に係る光強度の角度依存性の結果を示す図。
(第1の実施形態)
以下に第1の実施形態である、表示装置について説明する。
図1は、導光体を含む表示素子を複数並べて形成した表示装置の平面図である。表示装置は、並列された複数の表示素子100と、駆動回路5とを備えている。1つの表示素子100は、駆動回路5に接続された光源11、光源11に中空の導光管3を介して連結された柱状の導光体1、導光体1の一側面と対向し、駆動回路5に接続された回路基板6、及び回路基板6の導光体1に対向する一主面に設けられた複数の光取り出し部2を有する。光取り出し部2と回路基板6は導光体1の裏面に設けられている。導光体1は、延在方向に垂直な断面の形状が円、四角、楕円など、さまざまな形状を採用することが可能である。本実施形態においては、断面が円形の導光体1を用いることとする。
図2は導光体1の延在方向に平行な表示素子100の断面構成を示している。この断面は、導光体1の側面部分1aの延在方向に平行な中心線、すなわち、延在方向に垂直な断面の中心を通る線である軸Aを含む断面である。
導光体1の光源11側の端面は、導光体1の延在方向に垂直な面に対して傾斜しており、導光体1の側面と角度ωをなす。導光体1の側面を導光管3で覆うことで、光源11から放射される光を、より効率良く導光体1に入射させることができる。
導光体1の一端から光が進入すると、光は導光体1の側面部分1aで全反射を繰り返しつつ、一端と他端部分1eとの間を往復する。導光体1内を一端から他端部分1eへ導かれる光を往路光とする。導光体1の他端部分1eから一端へ導かれる光を復路光とする。往路光が導光体1側面部分1aで全反射される際の入射角よりも、復路光が導光体1側面部分1aで全反射される際の入射角の方が小さくなるように、導光体1の他端部分1eは光の進行方向を変更させる。
光源11としては、例えば、指向性を持つ発光ダイオード(LED)を用いる。導光管3については、例えば内部が鏡面研磨されたアルミニウムを用いる。導光体1については、光源11が出射する光の波長域で透過性に優れた材料であり、例えば、ポリメタクリル酸メチル(PMMA)からなるアクリル樹脂で構成する。ここでアクリル樹脂は屈折率が約1.5程度である。
たとえば、光源11がM個、1つの導光体1当たり光取出し部2がN個設けられていることとすると、表示装置はM×N画素の画像を表示することができる。駆動回路5は、複数の光源11のうちの一部または全部の光源11を選択し、選択した光源11から光を出射させる。光源11が出射した光は導光体1の光源11側の一端から導光体1内に入射し、導光体1側面で全反射しながら光源11から遠い他端側に向かって進行する。
また、1つの導光体1に対向して設けられたN個の光取り出し部2を1ラインとする。駆動回路5は、M本のラインのうち1のラインを選択し、そのラインに設けられた光取り出し部2に回路基板6を介して電気信号を供給し、それぞれの光取り出し部2の光取り出し状態と非取り出し状態を切り替える。光取り出し部2が光取り出し状態になったとき、その光取り出し部2と対向する導光体1に接続された光源11から光が出射されている場合には、その光取り出し部2から光が取り出される。同様にして、駆動回路5は、第1ラインから第Mラインまで各ラインを順次切り替えて走査し、画像を表示する。
例えば図2に示す4つの光取り出し部2のうち、左から2番目の光取り出し部2は光取り出し状態にあり、他の光取り出し部2は非光取り出し状態にある。電気信号が供給された光取り出し部2は高さを増し、上面が導光体1に接触する。光取り出し部2の動作の詳細を、図3を使って説明する。
導光体1の他端部分1eは、2つの円錐台部分(第1円錐台部分、第2円錐台部分)と、2つの円錐台部分に挟まれた円柱部分から構成される。すなわち、他端部分1eのうち、光源11から遠い方から、第1円錐台部分、円柱部分、第2円錐台部分の順に並べられている。導光体1の他端部分1eの断面は、7つの辺(m、n、o、p、q、r、s)から構成されているが、第1円錐台部分は、辺o、辺qを母線とする側面と、辺pを有する円形の底面とを有する。円柱部分は、辺n、辺rを母線とする側面を有する。第2円錐部分は、辺m、辺sを母線とする側面を有し、導光体1の側面部分1aに接続されている。
他端部分1 eの第1円錐台部分の側面の母線o、qは、導光体1の軸Aに対して傾斜しており、光源11から遠い側の方が軸Aに近い。この曲面上の光源11からの距離が異なる任意の2地点(x、y)について、導光体1の軸Aからの距離を比較すると、光源11に近い方の地点xと導光体1と軸Aとの距離は、光源11から遠い方の地点yと導光体1の軸Aとの距離より長い。
また、地点xを通り軸Aに垂直な断面のほうが、地点yを通り軸Aに垂直断面よりも面積が広い。
図3は、導光体1の延在方向に垂直な方向についての、光取り出し部2の断面を示す図である。図3(a)は光取り出し部2が非光取り出し状態の場合を示し、図3(b)は光取り出し状態の場合を示す。光取り出し部2は光取り出し層21と、変位素子22と、スペーサ23とから構成される。変位素子と22は例えば印加される電圧に応じて体積変化を生じる部材である。回路基板6上には変位素子22と光取り出し層21が積層され、変位素子22と光取り出し層21を挟むようにして、これらの両端にスペーサ23が設けられている。スペーサ23は、変位素子22と光取り出し層21の厚さの和よりも高く設けられている。2つのスペーサ23上に導光体1が設けられている。
駆動回路5の電気信号は、回路基板6を介して変位素子22に供給され、変位素子22に電界を生じさせる。変位素子22の材料としては例えば強誘電体材料であるチタン酸ジルコン酸鉛を用いる。光取り出し層21としては、導光体1よりも屈折率が大きい材料を用い、例えば、屈折率1.53程度のポリエチレン樹脂フィルムに屈折率2程度の酸化チタン粒子を分散させたものを用いる。光取り出し層21には、変位素子22と接する面に100nm程度の厚さのアルミニウムが反射面として形成されている。
駆動回路5から光取り出し部2に電気信号が供給されていない状態においては、図3(a)に示すように、光取り出し層21と導光体1側面との間には間隙がある。このため、光取り出し素子層21が接しない導光体1の側面は大気で覆われている。
駆動回路5から光取り出し部2に電気信号が供給されると、図3(b)に示すように変位素子22の厚さが増加し、光取り出し層21が持ち上げられて導光体1の側面に接する。したがって、導光体1の側面に、大気とは異なる屈折率を有する光取出層21が、局所的に存在することになる。ここで、図3(b)の矢印は取り出される光の一経路を示す。導波光を導光体1外に取り出すことの詳細について、以下に示す。
図4は、図2の表示素子の導光体1の光源1側の端面を示す断面拡大図である。導光体1の光源11側の端面は角度ωで傾斜しているので、ここで例えば導光体1の延在方向に平行な光がこの端面に照射されると、破線で示すように、光はこの一端面で屈折して導光体1内に進入し、導光体1側面、すなわち、屈折率差を有する導光体1と大気との界面において、角度δ1で入射する。角度δ1が臨界角よりも大きな角度で入射する場合には、導光体1側面において導光体内を、全反射条件を満たしながら導波することになる。ここで、導光体1の屈折率をn1、導光体1と界面を形成するもの(大気)の屈折率をn2とすると、全反射を生じるための臨界角θ1は、一般に数1で表される。
Figure 0005161934
本実施形態では、n1=約1.5、n2=約1であるため、θ1は約41.8°程度と算出することができる。
図5は、導光体1の側面に入射する光が全反射を生じる場合の光の経路の一例を示し、図6は、導光体1の側面に入射する光が屈折する場合の光の経路の一例を示す模式図である。図に5示すように、導光体1の側面への入射角αが臨界角より大きい(α>θ1)場合には、全反射条件を満たすため、導光体1と大気の界面において全反射を生じる。これに対して、図に6示すように入射角β臨界角未満(β<θ1)場合には、光は屈折し界面から大気へ光が放出される。
なお、本実施形態においては、導光体1の光源11側の一端面から入射し他端部分1e側に導波される光を往路光と呼び、他端部分1eで反射されて、光源11側の一端面に向けて導波される光を復路光と呼ぶこととする。
図7の導光体1内に示す破線は往路光の経路の一例を模式的に示したものである。実線は、復路光の経路の一例を示したものである。光取り出し部2に電気信号が供給され光取り出し状態になった場合には、上述したように、光取り出し層21が導光体1側面に接触する。このとき、導光体1の光取り出し部2が接触する部分において光は全反射を生じず、屈折して導光体1から出て光取り出し層21に進入する。
導光体1から光取り出し層21に進入した光は、光取出し層21において屈折と反射を繰り返しながら、その進行方向を変化させて、一部の光は、図7に示すように導光体1外部へ取り出されることになる。このように、駆動回路5によって選択された光取り出し部2は、接触部分において導光体1内を導波する導波光の全反射条件を局所的に崩すことにより外部に光を取り出すことが可能である。
表示素子100から取り出される光は、導光体1内を導波される光のうち、導光体1側面の光取り出し層21が接触する部分に入射した光のみである。光源11の指向性により導光体1内の導波する光の経路は様々であるため、導光体1内へ進入した光の一部は、導光体1側面の光取り出し層21から取り出されることなく、他端部分1eまで導波される。
図8は導光体1の他端部分1eにおける光の経路の一例を示す拡大図である。図2と同様に、往路光を破線で示し、復路光を実線で示す。復路光の導光体1側面への入射角をδ2とする。他端部分1eには、上述したように辺o、辺qを有する、光源から遠い地点の方が導光体1の軸Aからの距離が近い傾斜した曲面が設けられている。曲面の母線と導光体1側面あるいは導光体1の軸Aとのなす角をηとする。
この曲面は傾斜しているため、この曲面で全反射させた復路光の導光体1側面部分1aへの入射角δ1は復路光の入射角δ2と異なる。すなわち、δ2=δ1−2ηであり、復路光の入射角δ2は、往路光の入射角δ1よりも小さい。
図9に、導光体1内を導波される往路光と復路光の経路の一例を示す。導光体1の側面で全反射され、導光体1の反対側の側面で全反射され、再び導光体1の側面で全反射されるまでの1周期の距離をTとする。復路光は、往路光よりも導光体1側面への入射角が小さいので、復路光の1周期の距離T2は往路光の1周期の距離T1よりも短い。従って、往路光の光路長より復路光の光路長を長くすることができる。
従って、1つの光取り出し部2を光取り出し状態とし、光取り出し層21を導光体1側面に接触させる場合には、往路光が光取り出し層21の接触部分に入射しなかったとしても、復路光がこの光取り出し層21の接触部分に入射する可能性を高めることができる。すなわち、復路光の1周期の距離が往路光よりも短い場合の方が、往路光と同じ場合よりも光取り出し効率を高めることができる。
光取り出し部2から取り出した光の強度の角度依存性に関して、光学シミュレーションを行った結果について説明する。図10は本シミュレーションにあたり設定した、表示素子と受光素子の位置関係を示す図である。図10において、受光素子の検出方向と導光体側面に垂直な方向との成す角をψと設定した。したがって、図10における角度ψが正の領域においては、往路光を主成分とする光の取り出し方向となり、角度ψが負の領域においては、復路光を主成分とする光の取り出し方向となる。
また、光源11については、その波長は520nmがピーク輝度となる波長依存性を有し、その指向性については図11に示すように設定した。なお、図11におけるθは、指向性半値角として定義される値であり、その値は30度とした。さらに、図10における導光体1における光源11側の端面、すなわち、図4におけるωについては30度と設定した。なお、これらの設定においては、導光体1内の往路光の全反射角(図9におけるδ1)の導波光強度依存性について示したものが、図12である。
図13に図10の受光素子における、光学シミュレーションを用いた光強度の角度依存性についての結果を示す。なお、図13において、横軸は図10における角度ψであり、縦軸は取り出された光強度を相対値で示す。なお、ここで、ψが正の領域では主として往路光による取り出し光成分を、ψが負の領域では主として復路光による取り出し光成分を示している。図13に示すように、受光素子30において検出される光の強度は、角度ψにおける正領域及び負領域に、それぞれピークをもつ角度依存性があることが確認できる。ここで、図13における光の強度について検討を行うために、比較例として、導光体の他端部分が垂直な場合について以下に示す。
図14は他端部分201eが導光体201側面に垂直な面である表示素子200を示す図である。他端部分201eの界面は正反射する材料、例えば、蒸着法により形成した膜厚が200nmのアルミニウムで構成されている。導光体201の他端部分201eを除いて、上述のシミュレーションと同じであるので、同じ部分の詳細な説明は省略する。
図15は、図14に示す表示素子200において導光体201側面を導波される光を示す模式図である。破線は往路光を示し、実線は復路光を示す。往路光は入射角δで導光体201側面に入射し、全反射を繰り返して他端部分201e側に導波される。復路光は、他端部分201eで反射され、再び入射角δで全反射を行いながら光源側に導波される。往路光と復路光は、導光体201e側面への入射角が同じであり、それぞれの1周期分の距離はT3である。本比較例においては、往路光と復路光の光路長が同一となる場合である。
上述した表示素子200を用いて、図10と同様に導光体201側面に受光素子を配置し、光学シミュレーションによる光取り出し強度の角度依存性の結果を図16に示す。本実施形態の効果について検討するために、本実施形態の光取り出し強度の角度依存性である図13と図16を比較した結果を以下に示す。
往路光成分である角度ψが正の領域については、本実施形態と比較例ともに、光取り出し強度の角度依存性がほぼ同一となった。これに対して、復路成分である角度ψが負の領域について、光取り出し強度をψで積分したところ、比較例に対して本実施形態の積分強度は約1.8倍となった。これは、復路光における光取り出し強度を向上させることが可能なことを示した結果である。
なお、本実施形態においては、導光体の他端部分は、一部または全部を例えば反射率の高いアルミニウムや銀の薄膜で覆っても良い。
また本実施形態においては導光体の側面部分を円柱状としたが、四角柱状のものを用いる場合には、他端部分1eは3つの四角錘台を組み合わせたような形状となっている。すなわち、他端部分1eは、辺pを四角形の底面と、辺o、辺qを側面に有する第1四角錘台と、辺n、辺rを側面に有する第2四角錐台と、辺m、辺sを側面に有する第3四角錐台と、から構成される。このような導光体においても、導光体側面への復路光の入射角を小さくすることがでるので、光取り出し効率を高めることが出来る。
さらに、本実施の形態においては、光取り出し部2に電界が印加されると強誘電性に起因する体積増加を生じる部材を用いる構成としたが、他の原理によって導光体から光を取り出す光取り出し部を採用することも可能である。
(第2の実施形態)
以下に本発明における第2の実施形態である表示素子について説明する。
図17は、表示素子300の導光体延在方向に関する断面を模式的に示したものである。
表示素子300は、光源311と、光源311と一端を対向させて光源311から発する光を導波する導光体301と、導光体301の側面に形成した光取り出し部302と、を有する。
表示素子300が第1の実施形態の表示素子と異なる点は、導光体301の光源311側の端面の形状と、他端部分301eの形状である。すなわち、光源311側の端面は、導光体301側面に垂直である。また、他端部分301eは、導光体301の側面に垂直な面に対して傾斜している。この他端部分301eは、例えばメッキ法などで反射率の高いアルミニウムや銀の薄膜が設けられている。他端部分301eと導光体301の延在方向に垂直な面との成す角をζとする。また、表示素子300には導光管が設けられておらず、導光体301の一端面と光源311は接するように設けられている。また、他の構成については第1の実施形態と同様である。なお、図17における破線は往路光、実線は復路光を示し、第1の実施形態と同様に導光体301に作用させた光取り出し部302において、復路光が導光体301の外部に取り出された場合を模式的に示している。
図18は、他端部分301eの断面を示す拡大図である。ここで、他端部分301eの傾斜面のうち、導光体301の軸Aよりも下側において、光源311側からの距離が近い方の地点をxとし、遠い方の地点をyとする。地点xと地点yを比較すると、地点xの方が地点yよりも導光体301の軸Aからの距離が長い。換言すれば、地点xを通り軸Aに垂直な断面のほうが、地点yを通り軸Aに垂直断面よりも面積が広いことになる。
図19は、光源311が出射する光、すなわち、往路光が導光体301の軸Aに平行な場合の他端部分301eでの光の経路の他の一例を示す図である。これは、光源311は導光体301の垂直な端面に直接取り付けられているため、光源311として図11に示した指向性を持つものを用いた場合には、図19の破線に示す軸Aと平行な導波光が最も強度が高くなるためである。往路光は導光体301側面で全反射されることなく他端部分301eに到達し、他端部分301eの傾斜面で正反射されると、入射角δ2はπ―2ζにて導光体301側面に全反射されるようになる。他端部分が第1の実施例の比較例(図14)のような形状である場合には、このような往路光に対する復路光も、導光体301側面に入射せずに光源側311に導波される。しかしながら、他端部分301eは、復路光を導光体301側面で全反射されるように導くことができ、光取り出し効率を高めることが出来る。
なお、本実施の形態においては、導光体301の光源311側の一端面を導光体301の延在方向に垂直な面に直接接続する構成とした。これは、光源311の光と導光体301の接続構造を簡素化し、製造プロセスを容易にするためである。
本実施形態の効果を検証するために、第1の実施形態と同様に光学シミュレーションを行った結果を以下に示す。ここで、第1の実施形態と異なる点は、導光体301の両端面構造と光源の接続方法であり、その他については、第1の実施形態と同様である。例えば、受光素子の配置については図10、光源311の指向性については図11と同様としている。図20は、他端部分301eがtanζ=0.25となるように傾斜している導光体301について、受光素子にて検出される光強度の角度依存性(図10における角度ψ)に関する結果である。また、図21には、図20に示した結果(実線)に加えて、他端部分が図14に示したような形状である場合、すなわち他端部分の面が導光体301の延在方向に垂直(ζ=0)である場合の、受光素子により検出される光強度の角度依存性に関する結果を点線にて加えている。図21における実線と点線の比較により、往路光成分、すなわち、図21における角度ψが正領域においては、ほぼ同一の光強度の角度依存性となった。これに対して、復路光成分、すなわち、角度ψが負領域においては、実線にて示される他端部分301eがtanζ=0.25となる場合の方が光強度が大きくなり、tanζ=0.25の場合のその積分強度は、ζ=0の場合と比較して約7.2倍となった。
このように、他端部分301eが第2の実施形態のような形状である場合にも、第1の実施形態と同様に、導光体301からの光取り出し効率を高めることが出来る。
1導光体、1a導光体の側面部分、1e導光体の他端部分、2光取り出し部、3導光管、5駆動回路、6回路基板
11光源、21光取り出し層、22変位素子、23スペーサ、
30受光素子
100表示素子、
200表示素子、201導光体、201a導光体の側面部分、201e導光体の他端部分、202光取り出し部、
300表示素子、301導光体、301e導光体の他端部分、302光取り出し部

Claims (6)

  1. 光源と、
    前記光源に近く前記光源の光が照射される一端、前記光源から遠い他端、及び前記一端側から前記他端側へ延在する側面部分を有し、前記一端側から前記他端部分側へ前記側面部分で全反射させながら往路光を導き、前記往路光を前記他端部分側から前記一端側へ前記側面部分で全反射させながら復路光を導く導光体と、
    前記導光体の側面に設けられ、前記導光体内の光を取り出す光取り出し部と、
    を備え、
    前記他端部分は、前記光源から遠いほど前記側面部分の延在方向に垂直な断面積が小さい第1円錐台部分を有し、前記往路光が前記側面部分で全反射される際の入射角よりも、前記復路光が前記側面部分で全反射される際の入射角を小さくするように往路光の進路を変更する表示素子。
  2. 前記他端部分は、前記第1円錐台部分よりも前記光源側に円柱部分を有する請求項1に記載の表示素子。
  3. 前記他端部分は、前記円柱部分よりも前記光源側に第2円錐台部分を有し、
    前記第2円錐台部分は、前記光源から遠いほど前記側面部分の延在方向に垂直な断面積が大きい請求項2に記載の表示素子。
  4. 前記他端部分の界面は全反射面または正反射面である請求項3に記載の表示素子。
  5. 前記第1円錐台部分の一母線上における前記光源に近い一地点と、記延在方向に垂直な前記側面部分の断面の中心を通り前記延在方向に平行な軸との距離は、前記一母線上における前記光源から遠い他地点と前記軸との距離よりも長い請求項1に記載の表示素子。
  6. 請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の表示素子を複数有し、
    複数の前記表示素子は延在方向を平行にして並べられている表示装置。
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