JPH0727137B2

JPH0727137B2 - 面光源素子

Info

Publication number: JPH0727137B2
Application number: JP63304208A
Authority: JP
Inventors: 誠大江; 一清千葉
Original assignee: Mitsubishi Rayon Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Rayon Co Ltd
Priority date: 1988-06-02
Filing date: 1988-12-02
Publication date: 1995-03-29
Anticipated expiration: 2010-03-29
Also published as: JPH0284618A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は面光源装置に用いる面光源素子に関する。本発
明は特に、液晶表示装置等の背面照明手段として好適に
使用されるものである。

［従来の技術］従来、液晶表示装置等の背面照明手段としては、光源に
線状ランプを用いランプを回転放物線型リフレクターの
焦点に置きランプ上部に乳半状の拡散板を置いた形状が
一般的であり、リフレクターの形状を最適化する工夫及
び拡散板の拡散率を調整する工夫等が行なわれている。

また、特殊な形状として、線状ランプと導光体を組合わ
せ、導光体形状を点光源近似によってシュミレートし、
ある方向に出射光を集光するように近似曲線状に加工し
たものや、光の進行方向に沿って導光体の厚みを変えた
ものや、光源からの距離によってプリズム角を変えたレ
ンチキュラーを使ったもの、及びこれらの幾つかを組合
わせたものがある。点光源近似をすれば、殆んどの場
合、光路をシュミレート出来、且つそれに応じた導光層
の形状を光進行方向の距離に応じて変えていくことは可
能であり、この様な提案も特許及び実用新案で多数なさ
れている。

しかし、面光源は出射平面よりできるだけ全方向に均一
に光が出射することを目的とした物が殆んどであるが、
使用目的によっては或る方向に光を集中したい場合があ
る。

例えば視野角の小さいパーソナルユースの液晶カラーTV
等は、或る方向だけに均一な光を出射し且つ出射面全体
ができるだけ均一な出射光量であることが要求される。
第９図はそのような液晶カラーTV装置の概略構成図であ
る。同図において、１は液晶画面、２は液晶カラーTV装
置の本体部、３は液晶画面１の画面の法線、４は観察者
の目である。この形式の装置においては、液晶画面１を
液晶カラーTV装置の本体部２から45°程度の角度で立た
せ、法線３に対して15°の角度をなす方向から画面を見
るような構成になっている。したがって、図において、
Ｘで示す角度域内で面光源の輝度が他の角度域に比べて
大きくなるような背面照明手段があれば、全体の光量を
そこに集中できる点において、有利となる。つまり、こ
の様な面光源の輝度は所望の方向に対して最高の輝度値
を示し、それは全方向均一出射型の輝度値より何倍も大
きくなる。従ってある特定方向のみが視角である様な表
示装置の背面照明として使用すれば低消費電力で高輝度
の表示装置を得ることが出来る。

［発明が解決しようとする問題点］しかしながら、第９図のような液晶カラーTV装置等の平
面に使用する光源は、特殊な小面積の例外を除いて殆ん
どの場合、点光源を使うことはない。使用する光源は、
体積光源（蛍光灯の様に点光源と見做すことが出来ない
光源）であり、点光源近似の一致性は極めて悪い。従っ
て従来技術で提案されている様な形状は、形状が精密且
つ複雑で製造にコストがかかる割には、前記のような所
望の特性を得ることは難しい。

しかも蛍光灯の様な体積光源は光源自体が拡散光であ
り、無指向性である。即ち、拡散光出射光源を用いて所
望の指向性を確保することは厳密な意味では非常に困難
である。

また、前記のような光出射の方向性の点とは別に、光源
装置自体をできるだけ小型にする為には、少なくとも光
源ランプの直径と同じ程度の厚さで目的を達成する必要
がある。前述したようなランプの下部に回転放物線型リ
フレクターを配設するタイプの光源装置ではランプ径の
２〜４倍の厚さになり、小型化の要望を満たすことはで
きない。

［問題点を解決するための手段］本発明の目的は、前記従来技術の問題点に鑑み、カラー
液晶TV装置の様な小型でしかも視野角が小さく、しかも
視野が限定される様な表示器の背面照明として、薄型
（ランプの径と同程度）で、光源のワット数を増加する
ことなく、使用者が見る方向に集中光が簡単に得られる
面光源素子を提供することにある。

以上のような目的は、少なくとも一つの側端を入射面と
し、これと直交する面を光出射面とし、かつ出射面の反
対面に反射層を備えた第１エレメントと上記第１のエレメントからの出射光を入射させる入射面
と所定の方向に光を出射させる出射面とを備えた第２の
エレメントとから構成され、上記第１のエレメントの光出射面にはその仮想平面が上
記反射層の面と実質的に平行な梨地面を有しており、か
つ上記第２のエレメントの入射面には多数のプリズム単
位が形成されていることを特徴とする面光源素子により
達成される。

以下、本発明に係る面光源素子について、図面に基づき
詳細に説明する。

まず、本発明に係る面光源素子の基本的な考え方につい
て、説明する。

導光体の空気に対する光の屈折率ｎは凡ねｎ＝1.4〜1.6
近辺であり、第10図（ａ）に示すように、導光体10の入
射端面11と出射平面16が直交している様な形状（エッジ
ライティング）では臨界反射角が45°前後で原理的に出
射平面16には光が出射しない。なお、第10図（ａ）にお
いて、14は蛍光灯等の光源、15はそのリフレクター、13
は導光体10の出射平面16と反対側に形成された反射面で
ある。

そのため、第10図（ｂ）に示すように、一般的には出射
平面16を拡散加工した平面16aとしたり、出射対向面の
反射面13を散乱反射面13aとするが、光の出射の方向性
を欲する今回の目的では出射光が散乱光となる為この様
な手段は使えない。

且つ又、本発明の実施例にも示してある様に出射平面の
法線方向ｉの出射光量は極めて少ない（第４図（ｂ）参
照）。そこで本発明者らは、第１エレメントである導光
体表面をできるだけ均一に粗面加工（本発明では以降梨
地面という）を施し、その形成された梨地面と出射光の
出射方向性を詳細に検討した結果、出射面の法線に対し
70〜80度方向に殆んどの光が出射していることを見出
し、この方向を法線方向に変換させるために、第２エレ
メントを組み合せることを考えて本発明を完成させた。

第１エレメントの構成の斜視図を第４図（ａ）に示す
が、出射平面には均一な梨地面を形成し、その反対面に
は反射面13を形成させその一端に蛍光灯の様な線状光源
14を配設した。第４図（ｂ）はそのＡ−Ａ′断面図であ
る。

第７図（ａ）〜（ｆ）は第４図（ｂ）に示した出射光輝
度の角度分布を示した図である。すなわち各角度の出射
光の内、最も大きい角度の出射光を100％としたときの
各角度の出射光の割合いを示した図である（測定試料及
び測定法については後述する）。

第５図（ａ），（ｂ）はそれぞれの測定方法を示す図で
あり、第５図（ａ）は測定位置を示す正面図であり、第
５図（ｂ）はそのＡ−Ａ′断面図である。第５図（ｂ）
において48は輝度計である結果は第７図（ａ）〜（ｆ）
示すとおり、光源として必要な正面方向（平面の法線方
向）には殆ど光は出ておらず、75〜80℃の特定方向に出
射光が集中している。（第４図（ｂ）にも示す）ことが
わかった。そこで本発明はこの様に特定方向に出射光が
集中し、出射光分布ができるだけ小さく且つ出射光量の
多い梨地面60を有する導光体（第１のエレメント）を逆
に利用し、法線の両側に出射した出射光20,21（第４図
（ｂ）参照）を第２のエレメントであるプリズム群によ
って全出射光を屈折させることにより、所望方向に集中
的に出射光を集束させることをその原理とするものであ
る。

第６図（ａ），（ｂ）は上記の作用のもう一つの構成要
素である第２のエレメントのプリズムを拡大した図であ
る。同図において、20,21はそれぞれ第１のエレメント
の梨地面60からの右側方向、左側方向への出射光、
θ_１，θ_２はそれぞれ、法線とプリズム面30,31がなす
角、32は出射面である。また、ψ_１〜ψ_６及びφ_１〜φ
_６はそれぞれ、プリズム単位の各面或は基準線に対する
角度を示したものであり、その角度の取り方は第６図
（ａ），（ｂ）に示すとおりである。

出射光21のようにプリズムの右側より入射する場合にお
いては、プリズム面30から入射し、プリズム面31で全反
射した後、出射面32から所定角度ψ_６で出射する。ま
た、出射光20のようにプリズムの左側より入射する場合
においては、プリズム面31から入射し、プリズム面30で
全反射した後、出射面32から所定角度φ_６で出射する。

第１のエレメントの梨地面60の第１次出射光の出射角
は、法線に対して対称になるので、第２のエレメントの
プリズム群の構成単位のプリズム角（第６図のθ_１・θ
_２）及び屈折率を変えることにより所望の出射角（ψ_６
及びφ_６）を得ることが可能である。

［実施例］以下、本発明に係る面光源素子について、その具体的な
構成について、図面に基づき詳細に説明する。

第１図は本発明に係る面光源素子の一実施例を示す部分
的な断面図である。

同図において、14は蛍光灯等の光源、15はそのリフレク
ター、13は導光体50の出射面16と反対側に形成された反
射面、16は導光体50の出射面である（60は梨地面）。な
お、導光体50の出射面16は反射層13の面と実質的に平行
な面である。40は第２エレメントのプリズム単位、32は
その出射面である。プリズム単位40は光源（ランプ）に
平行な方向に延びる凸状の線形状をなしている。

本発明の構成は、導光体の少なくとも一つの側端11を入
射面とし、これと直交する面を光出射面16とし、該出射
面16の反対面に反射層13を備えかつ、導光体の少なくと
も一つの面に前記梨地面60を配した第１のエレメント50
と、上記第１エレメント50からの出射光を入射させ、か
つ所定の方向に光を出射させるプリズム単位40を配した
入射面と該プリズム単位40からの光を出射せしめる出射
面32とを備えた第２のエレメント51とから構成されてい
る。

第１エレメントから出射した光はそれぞれ光線54,55の
様に出射され、ψ_６とφ_６とをほぼ同じになる様にプリ
ズム単位を設定することにより、目的を達成することが
できる。

本発明の素子を構成する材料としては、小型軽量の目的
から光の導光体として可視光透過率の最も大きいアクリ
ル樹脂が好適であるが、これに限定する必要はない。

また、光源14としては、小型の蛍光灯を用いるが、連続
した形状の線状光源（例えば、フィラメントランプ）で
あってもかまわない。

次に、第１のエレメントにより第１次の出射角が、法線
に対して対称になる場合のプリズム角の決定例を示す。
法線に非対称な場合も光の入射角を左、右変えることで
簡単に計算出来る。なお、ｎはエレメントを構成する材
料の屈折率である。

プリズムの左側より入射の場合（記号は総て第６図（ａ）による）（ｉ）90°−ψ＜θ_１，φ_１＝（θ_１＋ψ）−90, sinφ_２＝sin（θ_１＋ψ−90）/n φ_５＝90−（２θ_２＋θ_１−φ_２）， sinφ_６＝ｎ×sinφ_５， φ_６＝sin^-1（ｎ×sinφ_５）（ii）90°−ψ＞θ_１，φ_１＝90−（θ_１＋ψ）， sinφ_２＝sin（90−θ_１−ψ）/n φ_５＝90−（２θ_２＋θ_１＋φ_２）， sinφ_６＝ｎ×sinφ_５（iii）90°−ψ＝θ_１，φ_１＝０ φ_５＝90−（２θ_２＋θ_１）， sinφ_６＝ｎ×sinφ_５プリズムの右側より入射（記号は総て第６図（ｂ）による）（iv）90°−ψ＜θ_２ ψ_１＝（θ_２＋ψ）−90, sinψ_２＝sin（θ_２＋ψ−90）/n ψ_５＝（２θ_１＋θ_２−ψ_２）−90, sinψ_６＝ｎ×sinψ_５（ｖ）90°−ψ＞θ_２ ψ_１＝90−（θ_２＋ψ）， sinψ_２＝sin（90−θ_２＋ψ）/n ψ_５＝（２θ_１＋θ_２＋ψ_２）−90, sinψ_６＝ｎ×sinψ_５（vi）90°−ψ＝θ_２，ψ_１＝０ ψ_５＝（２θ_２＋θ_１）−90, sinψ_６＝ｎ×sinψ_５また、プリズムの材質をアクリル樹脂で作ると屈折率は
ｎ＝1.49であり、プリズム40への入射角を法線に対し
て、対称でψ＝65°とすると、先の計算式によりプリズ
ムよりの出射角は法線の片側に集束する角度が得られる
（左、右の差が２°以内の計算例を示す）。

第２図及び第３図は本発明の他の構成例を示す面光源素
子の部分的な断面図である。

第２図において、第１のエレメント（導光体）50−１は
その梨地面60を光の出射面16とは反対側に形成し、独立
または一体的に形成した反射層13に対向させて配置した
ものとなっており、第１エレメント50−１の出射面16は
平滑面となっている。第３図は導光体50の上下面に梨地
面60を配した導光体50−２を使用した構成例を示したも
のである。なお本発明において、透明導光体の出射面16
となる梨地面の仮想平面が反射層の面13と実質的に平行
と云うことは、厚味の均一な板状体と云うことで、本発
明は容易に製作、組立可能な透明導光体を用いることを
特徴の一つとしている。

第12図は、第１のエレメント50の出射光が法線に対称に
出射し、第２のエレメント51のプリズム単位の角度（第
６図のθ_１，θ_２）をθ_１＝θ_２＝31.5°とした場合の
実施例を示す図である。この実施例によれば、光線56,5
7のように、第２のエレメントの出射面32からの出射光
を法線方向に集束することができる。

次に３インチ液晶カラーTV用の背面光源を想定し、パネ
ルサイズを横61mm×縦56mmとした本発明の構成例につい
て説明する。

第１のエレメントは、厚さ5mmの透明アクリル樹脂、第
２のエレメントは厚さ1mmのアクリル樹脂としては以下
の具体的な実施例を作成したが、本発明はサイズ、厚
み、材質共にこれに限定されるものではないことは明ら
かである。

［詳細な実施例−１］第１図に示す構成例の製作及びその評価（導光体の作製）まず、磨いた黄銅板（約3mm×250mm×250mm）の片面に6
0メッシュのガラスビーズを吹きつける常法のホーニン
グ法によって金属板表面をホーニング加工し、レプリカ
用の金型を作製する。ホーニングの程度により５種類の
金型を作製した。

次に厚さ5mmのアクリル樹脂板の片面に該金型を用い熱
プレスによりホーニング面のレプリカをとり、これを導
光体とした。

（第２エレメントの製作）ポータブル液晶TVの画面の有効視野角、法線よりの傾き
角（第９図参照）を測定して、出射角を画面法線に対し
て15°（ψ_６＝φ_６）になる様に決定し、プリズム角を
左側38°（＝θ_１）右側25°（＝θ_２）とした（第６図
（ａ），（ｂ）参照）。そして、その設定のプリズムの
先端角（＝θ_１＋θ_２）63°のプリズム辺が多数平行に
配されたマルチプリズムで、且つピッチ0.38mmの金型を
作成し、熱プレスにより厚さ1mmのアクリル樹脂板に熱
転写し、第２のエレメントとした。

（導光体の曇価の測定）（１）前記（導光体の作製）で５種類の金型を用いてレ
プリカをとったアクリル樹脂板5mmより各各50×50mm試
片を切り出し、曇価測定用試料とした。対照試料として
は、レプリカをとる前の透明なアクリル樹脂板を同じ様
に50×50mmに切断して使用した。

曇価の測定は、ASTM-D1003-61に準じ計測器の光入射側
にレプリカ面を配置して測定し、次式により曇価を求め
た。

曇価｛（拡散光透過率）／（全光線透過率）｝×100％（２）測定結果は第１表のとうりである（第１エレメントの製作及び出射光の角度分布評価）次に、上記導光体より、横61mm×縦56mmの大きさの板を
切断し、横61mmの２辺を常法により研磨し、縦56mmの２
辺は、粘着剤つきアルミニウム蒸着膜付きポリエステル
を貼りつけ、転写したマット面の対面には、銀蒸着膜付
きポリエステルフィムを配設した。横61mmの２辺に沿っ
て径7mm、長さ245mmのランプ（（株スタンレー電気製CB
7-245W冷陰極管）をアルミニウム箔をリフレクターとし
て巻きつけ、DC12Vでインバーターを介して点灯した。
第１エレメントの中央部（第５図（ａ）の部分）につ
いて輝度計（（株）ミノルタ製輝度計nt−１）で法線に
対して角度を変えて測定し、出射光分布を求めた（第５
図（ｂ）参照）。

このようにして求めたデータが第２表及び前述した第７
図（ａ）〜（ｄ）である。第７図において半径方向に輝
度円周方向に光出射角をとってある。試料−５、及び対
照試料はいずれの方向にも出射光量が小さく、測定が不
正確となった為、割愛した。

なお、使用したランプの中央部に於ける管面輝度は各々
5000,5200cd/m²であった。

（本発明に係る面光源素子の製作おびその評価）前記第２エレメントよりマルチプリズムの線方向が長辺
に平行になる様に、横16mm×縦56mmに切断し、前記第１
エレメントの光出射面にプリズム凸部が向き合う様に配
設し、ランプ辺に沿って（横61mmの辺）約5mm巾の両面
粘着テープで固定し、本発明に係る面光源素子を製作し
た。

第１エレメントの出射光の角度分布評価の方法と全く同
様な方法で、本面光源素子の出射光の角度分布を測定し
た。その測定結果を第３表及び第８図（ａ）〜（ｄ）に
示す。

以上の様に導光体の梨地面の性能としては、曇価が約30
％以上、好ましくは50％以上あれば面光源素子として充
分な輝度と分布角を得ることが出来る。

［詳細な実施例−２］第２図及び第３図に示す構成例の製作及びその評価［詳細な実施例−１］の試料−２を作成した金型を用い
アクリル樹脂5mm厚の両面にレプリカをとり、これを試
料−６とした。この導光体は第３図に示した50−２に相
当する。

（導光体の曇価の測定）［詳細な実施例−１］と全く同様にして試料−６の曇価
を測定した。

曇価試料−６ 81.5％（第１エレメントの製作及び出射光の角度分布評価）［詳細な実施例−１］と全く同様にして製作した。導光
体として前記試料−２及び試料−６を用い次の点を除い
て［詳細な実施例−１］と全く同じである。

異なる点試料−２と同じ導光体の梨地面に銀蒸着付
ポリエステルフィルムを配設した（第２図参照）。

この様に配設した試料を試料−７とする。これは第２図
の導光体50−１に相当する。

出射光の角度分布の測定結果を第７図（ｅ）〜（ｆ）で
ある。

使用したランプの中央部に於ける管面輝度は各々5000,5
200dc/m²であった。

（本発明に係る面光源素子の製作及びその評価）［詳細な実施例−１］と全く同様にして面光源素子を製
作し本面光源素子の出射光の角度分布を測定した。

その結果を第５表及び第８図（ｅ）〜（ｆ）に示す。

以上の様に梨地面が両面（試料−６）或いは反射層に密
接（試料−７）していると集中光の分布角を広くするこ
とが出来る（ピーク輝度はその分小さくなる）。

（比較例）アクリル系樹脂ペレット（三菱レイヨン社製、ハイペッ
トHBS［登録商標］にルチル型酸化チタンを重量で1.5％
ドライブレンドし、通常の押出機で50μ厚のフィルムを
形成した。該フィルムを無機ガラス平板上に空気泡の入
らぬ様に延展し、メチルメタクリレートで仮止めした
後、常法通り重合固化して厚さ5mmのアクリル樹脂板を
得た。

この様にして作られた比較例の板を横61mm×縦56mmに切
断し、横61mmの２辺を常法により研磨し縦56mmの２辺は
粘着剤つきアルミニウム蒸着膜付きフィルムを貼りつ
け、板表面に形成されている白色の薄層の対面に銀蒸着
膜付きポリエステルフィムを配設した。次いで第１のエ
レメントと同様の測定を全く同じ方法で行ない、出射光
分布を求めた。その結果を第６表及び第11図に示した。

（まとめ）例えば第８図（ａ）〜（ｆ）と第11図を比較してみれば
わかる様に、比較例が全方向に均一に光が出射する特性
を有しているのに対し、本発明の面光源素子を特定方向
に集中光を得ることができ、かつ中心点のピーク輝度値
が約3.5〜４倍の高輝度値を得ることが出来る利点を有
していることが分る。

［詳細な実施例−３］第12図に示したように出射角を画面法線方向に向ける例
としプリズム角を左右対象に31.5°（＝θ_１）.31.5°
（＝θ_２）とし、ピッチ0.5mmの金型を作成し、熱プレ
スにより厚さ1mmのアクリル樹脂に熱転写し、第２のエ
レメントを作成した。

第１のエレメントとして第２表の試料−１の導光体を用
い、第２のエレメントに上記31.5/31.5°（θ_１＝
θ_２）のマルチプリズムを用い、［詳細な実施例−１］
と全く同様にして面光源素子を作成し、出射光の角度分
布を測定した。第１のエレメントのピーク輝度の測定結
果を第７表に、また、その面光源素子のピーク輝度を第
８表に、さらに、その面光源素子の出射光輝度の角度分
布を第13図に示す。

第８表及び第13図から解るように、θ_１，θ_２を上記の
ように設定することにより、通常の場合に比べて集中光
を画面法線方向に向けることのできる面光源素子を作成
できた。

［発明の効果］以上、説明したように、本発明に係る面光源素子によれ
ば、液晶カラーTVの様な小型でしかも視野角が小さく、
しかも視野が限定される様な表示器の背面照明として
は、薄型（ランプの径と同程度）で、光源のワット数を
増加することなく集中光が簡単に得られる最適の光源装
置を提供できる。

本質的に拡散光源である蛍光灯を用い軽便に集中光
が得られ且つ、集中光の出射方向を簡単に自由に決める
ことが出来る（凸レンズで焦点を出すのと非常に良く似
た現象を実現出来る）。

効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本装置の面光源素子の断面図である。第２図および第３図はそれぞれ本発明の他の実施例の部
分的な断面図である。第４図（ａ），（ｂ）は本装置の第１のエレメントの斜
視図及び断面図である。第５図（ａ），（ｂ）は、それぞれ本発明に係る出射光
輝度の角度分布の測定法の概念図である。第６図は第１のエレメントより出射光のピーク光がプリ
ズムに入射した時の光路解析図である。第７図（ａ）〜（ｆ）はそれぞれ本実施例に係る導光体
の出射光輝度の角度分布を示す図である。第８図（ａ）〜（ｆ）は、本発明に係る面光源素子の出
射光輝度の角度分布を示す図である。第９図は液晶カラーTVの観視状態に於ける相対角度を示
す図である。第10図（ａ），（ｂ）は従来の面光源装置の断面図であ
る。第11図は、比較例の面光源素子の出射光輝度の角度分布
を示す図である。第12図は、第２のエレメントがθ_１＝θ_２型である本発
明の実施例に係る面光源素子の断面図である。第13図は、θ_１＝θ_２型の本発明に係る面光源素子の出
射光輝度の角度分布を示す図である。 13:反射面、14:光源、15:リフレクター、16:出射面、5
0,50−1,50−2:導光体（第１のエレメント）、51:第２
のエレメント、40:プリズム単位、60:梨地面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭52−109392（ＪＰ，Ａ) 特開昭52−141598（ＪＰ，Ａ) 特開昭53−57068（ＪＰ，Ａ) 特開昭54−8383（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−158367（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−73618（ＪＰ，Ａ) 実開昭52−104388（ＪＰ，Ｕ) 実開昭55−162272（ＪＰ，Ｕ) 実開昭62−87315（ＪＰ，Ｕ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも一つの側端を入射面とし、これ
と直交する面を光出射面とし、かつ出射面の反対面に反
射層を備えた第１エレメントと、上記第１のエレメントからの出射光を入射させる入射面
と所定の方向に光を出射させる出射面とを備えた第２の
エレメントとから構成され、上記第１のエレメントの光出射面にはその仮想平面が上
記反射層の面と実質的に平行な梨地面を有しており、か
つ上記第２のエレメントの入射面には多数のプリズム単
位が形成されていることを特徴とする面光源素子。