JPH0736037A - 光散乱導光光源装置及び液晶表示装置 - Google Patents
光散乱導光光源装置及び液晶表示装置Info
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Abstract
ことの出来る光散乱導光光源装置の提供。 【構成】 楔形光散乱導光体1の光入射面2から入射す
る蛍光ランプ5の光線Aは、散乱による方向転換を受け
つつ、反射を繰り返しながら進行し、反射点P1、P2
、P3 ・・で、その一部が外界へ出射される。反射角
θ1 、θ2 、θ3 ・・は、次第に大きくなり、光取出面
3からの光出射機会が増大する。この効果と、光源5に
近い部分を明るく光らせる効果とは逆に作用するから、
両者をバランスさせることで光取出面3の輝度を均一化
する。反射性のシートを傾斜面4及び蛍光ランプ5の背
面に臨んで配置して輝度を補強し、プリズム状の出射方
向修正素子を光取出面側に配置して出射光方向特性を修
正することが出来る。本願発明の光散乱導光光源装置を
液晶表示装置にバックライト光源として搭載すれば、表
示品位が向上する。
Description
がら導光させる光散乱導光体を利用した光散乱導光光源
装置及びこれをバックライト光源に利用した液晶表示装
置に関する。
の方向に向けて出射させる型の光学要素あるいは装置と
して種々のものが知られており、液晶表示装置のバック
ライト光源等の用途に使われている。これら公知の光学
要素あるいは装置の1つの類型は、延在した板状の透明
材料の側方より光を入射させ、一方の面側に反射要素を
配し、他方の表面付近に光拡散性を与えて光出射面とす
る面状光源を構成し、液晶表示装置のバックライト光源
等として使用するものである。この種の光散乱導光装置
を用いた面状光源装置においては、光散乱が透明体の内
部で体積的に生起されておらず、透明体の表面付近ある
いは反射要素における乱反射や鏡面反射を利用して光出
射方向に拡がりを持たせているのみなので、光散乱導光
装置から取り出せる散乱光の割合を十分に上げるには原
理的な困難があった。
を有する面状光源装置を得ようとした場合、反射要素の
反射能等になんらかの勾配を持たせなければならず、光
散乱導光体装置部分の構造が複雑かつ大型のものとな
り、製造コストも高くならざるを得なかった。従って、
この型の光散乱導光装置を液晶表示装置のバックライト
光源等の用途に用いた場合、明るさ、面状光源としての
輝度均一性、薄型構造、経済性等の要求のうちのいくつ
かを犠牲にせざるを得なかった。
の透明材料の内部に該透明材料と屈折率の異なる粒状物
質を分散させる等の手段によって体積的に光散乱を生じ
させた型の光散乱導光素子あるいは光散乱導光装置が提
案されている。
報及び特開平4―145485号公報開には、光散乱導
光板の側方より光を入射させ、一方の面側に反射要素を
配し他方の面を光出射面として、液晶表示装置のバック
ライト光源等を構成することが開示されている。
乱能を有し、光を散乱させながら導光する機能を有する
素子)と、該光散乱導光素子の側方より光を入射させる
光源素子とを組み合わせて光散乱導光光源装置を構成し
た場合、光取出面から取り出される光の強度分布を均一
化する為に、従来は、光散乱導光体内に分散させる粒状
物質の分散濃度に勾配を与える等の方法により、光源か
ら遠い部分の単位体積当りの散乱能を増大させたり、光
散乱導光体の裏面側に光拡散性インク等を用いて分布密
度に勾配を持たせた網目状乃至ドット状パターンを付設
するという手段が講じられていた。このような付加的な
技術手段は、経済的な負担を強いる原因となっており、
また、必ずしも均一に輝度を上げることに成功している
とは言えなかった。
示されているように、光散乱導光体の厚さを光源から離
れた部分で大きくとって輝度の均一化を図ることや、2
枚の散乱能の異なる楔型の光散乱導光体を合体させて1
個の光散乱導光素子を構成する手法の提案もある(後者
は、当発明者に係る特許出願;特願平5−102011
号)。しかし、前者の方法では光散乱導光体部分の光入
射面が小さくなり、それを補う為に透明な導光板が必要
となり、光取出面を正面方向から見た時の光取出効率も
それほど高いとは思われない(光源素子から透明な導光
体へ入射した光の相当部分が光取出面と大きな交差角を
持った方向に転向されることなく消費されると考えられ
る)。
素子全体に亙って散乱能があり、断面でみた平均散乱能
に勾配を付けることによって均一度を向上させたもので
あるから、光取出面を正面方向から見た時の光取出効率
と輝度のいずれも高いが、最低2枚以上の散乱能の異な
る光散乱導光体を用意してこれを合体させなけらばなら
ず、構造、寸法及び製造工程等を最大限に簡素化すると
いう観点からは理想的であるとは言い難かった。
的な目的は、極めて簡単な構造で、高い均一度を以て光
取出面の正面あるいはこれに近い方向に高効率で光を取
り出すことが出来る光乱導光光源装置を提供することに
よって、上述した従来技術の問題点を一括して解決する
ことにある。
光源装置を利用して画面が明るく表示品位の高い液晶表
示装置を提供することにある。
目的を達成する為の基本的構成として、「少なくとも1
つの光入射面領域及び少なくとも1つの光取出面領域面
を有する光散乱導光体と光入射面領域から光入射を行な
う為の光源手段とを備え、光散乱導光体は前記光入射面
から遠ざかるにつれて厚みを減ずる傾向を持った領域を
有していることを特徴とする光散乱導光光源装置」(請
求項1)を提供し、更に、上記構成を有する光散乱導光
光源装置に、「前記光散乱導光体の光取出表面領域に臨
んで、散乱光出射方向特性を修正する散乱光出射方向修
正手段が前記光散乱導光素子と一体あるいは別体に設け
られている」という要件を課すことによって、光取出面
からの光出射方向特性を修正出来るようにしたものであ
る。
成する為に、「少なくとも1つの光入射面領域及び少な
くとも1つの光取出面領域を有すると共に、光入射面か
ら遠ざかるにつれて厚みを減ずる傾向を持った領域を有
する光散乱導光体と光入射面領域から光入射を行なう為
の光源手段とを備えた光散乱導光光源装置を、バックラ
イト光源手段として液晶表示素子の背面側に配置した液
晶表示装置」を提案したものである。
て厚みを減ずる傾向を持つという形状的特徴を光散乱導
光体に与えることにより、光取出面領域の正面方向ある
いはこれに近い方向(以下、単に正面方向と言う。)か
ら高い光取出効率と均一度を以て光を取り出すことが出
来るという新規な知見にその基礎を置いており、従来の
ように散乱能に勾配を付ける等の手法に頼る考え方とは
一線を画した技術思想を包含するものである。
な考え方について説明する。図1は、本願発明における
光散乱導光体と光源の配置の基本形を断面図の形でした
ものであり、図中、1は光散乱導光体で光入射面2、光
取出面3及び傾斜面4を有している。5は、光入射面2
から光散乱導光体1内に光束を送り込む為の光源素子
(例えば、蛍光ランプ)である。光散乱導光体1は、有
機材料あるいは無機材料からなる透明体への異屈折率粒
子添加、異屈折率材料の混練成形、重合過程を通しての
屈折率不均一構造形成等の方法により体積的に均一な散
乱能が与えられた楔形ブロックである。この光散乱導光
体1の材質については、光の一部を散乱させながら相当
の距離に亙って導光させる性質を有する限り、本願発明
は特に制限を設けるものではない。
入射面2から光散乱導光体1内部に取り込まれる光の主
たる方向成分は、矢印群で図示したように水平方向と小
さな角度をなしているものとみなすことが出来る。今、
光散乱導光体1への入射光束を光線Aで代表させて、光
線の挙動を考察してみる。光散乱導光体1に入射した光
線Aは、一定割合で散乱による方向転換を受けながら、
図示したように光取出面3と傾斜面4において反射を繰
り返して、光散乱導光体1の末端部分へ近づいていく。
各反射点P1 、P2 、P3 ・・・では、光の一部が外界
へ出射される。
は光散乱導光体1内に戻される。各反射点P1 、P2 、
P3 ・・・における反射は、θ1 、θ2 、θ3 ・・・で
示したように鏡面的に起こる。そして、両面3、4が平
行でない為に、反射回数が増えるに従って、角度θが徐
々に大きくなる。それ故、光取出面3から光が出射され
る機会が増大することになる。このような効果を仮に多
重反射効果と呼ぶことにする。
射面2からの距離xの関数f(x)と考えると、上記多
重反射効果はf(x)を増加関数とする要因である。一
方、入射面2に近い部分では光源5に近いという効果が
直接光、散乱光いずれについても働く。この効果は、当
然f(x)を減少関数にする要因である。
とによって、関数f(x)を平坦化することが出来ると
いう新たな知見に基づいて創出されたものである。従来
は、後者の光源近接効果を光散乱導光体の輝度均一化を
妨げる要因と考え、それを弱める為に光散乱導光体の散
乱能や反射点における反射能に勾配を付ける等の手段が
講じられていたのであり、旧来の発想法に従えば、光散
乱導光体の厚みを光入射面側で大きくとることはむしろ
光源近接効果を助長し、輝度均一化に逆行するものであ
ると考えるのが自然であった。本願発明は、上記多重反
射効果を利用する考え方によってこの通念を覆したもの
である。
大きい程、θの増大傾向が早めに現れるから、光散乱導
光体1の末端部まで多重反射効果を生かすにには、角度
φを小さめにとることが好ましいと思われる。また、光
散乱導光体1の散乱能が小さい程、多重反射効果が相対
的に大きく作用する傾向があるから、本願発明の光散乱
導光光源装置は、比較的大面積の均一光源を実現するの
に好適な特性を有しているということが出来る。
3も)、を曲面とすることにより、反射角θ1 、θ2 、
θ3 ・・・・の増大推移を制御し、より望ましい輝度分
布を実現することも可能である。
如き多重反射効果を利用しているので、光取出面から比
較的大きな出射角をもって出射されるが、出射光強度に
より好適な方向特性を持たせる為に、プリズム作用を利
用した出射方向修正手段を使用することが出来る。この
プリズム作用を利用した出射方向修正手段については、
本願発明者に係る特願平5−102011に添付した明
細書に詳しく述べられている。その基本的な作用を図2
を用いて簡単に説明する。
散乱導光体1の内部より光取出面3、プリズム素子6を
通って外界に出射される光を代表させた光線を表してい
る。周知のスネルの法則によって、各線B1 、B2 、B
3 は、光取出面3に直交する方向に方向を修正される。
プリズム要素の頂角、屈折率等の値を選択することによ
って、種々の修正特性を発揮させることが出来る。出射
方向修正手段は、光散乱導光体1と別体の素子を用意す
ることとしても良いが、光光取出面3に凹凸を形成する
手法を用いることも可能である(詳細は、上記出願の明
細書を参照)。
置の作用は、該装置を液晶表示素子の背面側にバックラ
イト光源手段として配置した場合にも当然生かされるも
のであって、バックライト光源を構成する光散乱導光光
源装置が明るく均一に光ることによって、液晶表示像の
表示品位が向上することは言うまでもない。また、本願
発明で使用される光散乱導光体は、同じ光入射面面積を
有する従来の光散乱導光体と比較した場合、光散乱導光
体の厚さが薄くなっている領域がある分だけ小型軽量化
されているから、これを組み込んだ液晶表示装置をコン
パクトで軽量なものとすることが出来る。
mのシリコン系樹脂粉体(東芝シリコン製、トスパール
120)を各々0.05wt%、0.08wt%、0.
10wt%、0.15wt%を加えて均一に分散した4
種類の試料と粒子無添加のMMA試料を用意し、計5種
類の試料の各々にラジカル重合開始剤としてベンゾイル
パーオキサイド(BPO)0.5wt%、連鎖移動剤と
してn―ラウリルメルカプタン(n−LM)を0.2w
t%加え、70℃で24時間注型重合させて縦68m
m、横85mmで厚さが長辺方向に3.8mmから0.
2mm迄徐々に変化した楔型の光散乱導光体を1枚づつ
作製した。
置で5個の光散乱導光光源装置を構成した。これは図1
に示した配置と基本的には同じものであるが、輝度を補
強する為に反射性のシート(銀箔状シート)を傾斜面4
及び光源(蛍光ランプ)5の背面に臨んで配置し、出射
光方向の特性を真上方向に修正する為にプリズム状の出
射方向修正素子6(各プリズム要素の頂角約95°)を
配置した。また、出射方向修正素子9と光散乱導光体1
の間には光散乱を補助する光拡散シート8を配した。
差計(株式会社ミノルタ製;CS100)を用いて光取
出面3側表面(出射方向修正素子表面)の輝度分布を図
上左右方向に沿った10箇所で測定したところ、図4の
結果を得た。図4に示されたグラフから明かなように、
散乱能の無い透明体を用いた場合には、光源の極く近く
を除いて、蛍光ランプランプ5から離れた部分で輝度が
増している。これは、前述した多重反射効果が実証され
たものと考えることが出来る。
いた場合には、トスパール分散量に応じて(散乱能増
大)、光源に比較的近い部分における輝度の落ち込みが
是正されることを、図示したグラフから明瞭に読み取る
ことが出来る。このケースでは、特に、トスパール12
0を0.05wt%分散させたものが最も平坦な特性が
得られていることが判る。この結果から、光源5の直接
光の影響が強く出ると思われる数mmの近傍部分を除く
大半の部分を均一光源面として使用出来ることは明らか
である。
る為に図5に示したように、トスパールを0.08wt
%分散した光散乱導光体1を用いて、光取出面3におけ
る光出射方向特性を測定した。図6は、その結果を示し
たもので、出射方向修正素子(プリズム素子)の作用が
明確に現れている。即ち、光取出面3真上方向をΨ=
0、+−各方向を図5のようにとると、プリズム素子を
置かない場合にはΨの大きな方向に光強度ピークが出る
が、プリズム素子を使用した場合にはほぼ正面方向に光
強度ピークをもって来ることが出来る。
体に散乱能をもたらしている屈折率不均一構造の大きさ
(例えば、異屈折率粒子の径)やプリズム素子の頂角に
よって変わるので、それらの組み合わせを適宜選択する
ことによって、所望の出射光方向特性を得ることが出来
る。
明の光散乱導光光源装置が図5のような配置を持つもの
に限られることは全くなく、種々のバリエーションが可
能なことは明らかである。これらのいくつかを例示した
ものが、図7〜図9である。なお、各図において、プリ
ズム素子、光拡散シート等の付属部材は記載を省略して
あり、これらを適宜付加して光散乱導光光源装置が構成
される。
基本配置に相当するものであり、図7(ii)は、光散
乱導光体1の中央部を薄くし、光源素子(蛍光ランプ)
5を両側に配置した構成である。また、図7(iii)
は、厚み勾配を対角線に沿った方向に形成した領域を有
する光散乱導光体1の隣合う2辺に臨んで光源素子(蛍
光ランプ)を設けた配置を表わしている。
7(i)の基本形を使用するが、光源素子(蛍光ラン
プ)5にはコの字形のものを採用し、明るさを補強した
構成を示している。図ではコの字形蛍光ランプは光散乱
導光体1から離した状態(組み立て前の状態)が描かれ
ている。この構成の有利な点は、コの字形の蛍光ランプ
の持つ省電力特性(同じ輝度の3本の短尺の蛍光ランプ
に分けて3方に配置した場合よりも電力消費が少ない性
質)を活用出来ることにある。
体1に共用する構成を断面図で示したものである。この
ような考え方を拡張して、例えば球状光源素子の周りに
放射状に楔形状の光散乱導光体1を多数配置して円形の
光源を得ることも出来る。
を表裏2面とすることが可能なことは言うまでもない。
また、作用の説明の欄でも述べたように、光散乱導光体
1の厚み勾配を一定にとらず、テーパ状の傾斜面を有す
る楔形状とすることによって、輝度分布を制御すること
も可能である。更に、光散乱導光体の断面形状を2等辺
3角形状のものとする等の選択も許容されることは、本
願発明の原理から考えて当然である。
乱導光体1は、上記実施例初頭に述べた方法によって得
られたものに限られることがないことも、本願発明の原
理に照らして明らかである。他の幾つかの製造例と輝度
分布の測定結果について簡単に列挙すれば、次のように
なる。
粒径2μmのシリコン系樹脂粉体(東芝シリコン製、ト
スパール120)を0.08wt%加えて均一に分散さ
せ、ラジカル重合開始剤としてベンゾイルパーオキサイ
ド(BPO)を0.5wt%、連鎖移動剤としてn―ラ
ウリルメルカプタン(n−LM)を0.2wt%、各々
加え、70℃で24時間注型重合させて縦68mm、横
85mmで厚さが長辺方向に3.8mmから0.2mm
まで徐々に変化した楔型の光散乱導光体を作製した。
6としては、頂角約62°のものを使用)と測定法で輝
度分布を測定したところ、光取出面の大半について95
%程度の光強度の均一度が得られた。蛍光ランプに市販
のものを使用した条件での明るさは約4000カンデラ
であった。また、同等の厚さを有する市販のアクリル樹
脂製導光体(3.8mm程度の等厚板で裏面に光拡散層
をスクリーン印刷し、光取出面側には光拡散板を配置)
を用いて同等の条件の下で明るさを測定したところ、ほ
ぼ2000カンデラといういう値を得た。このことか
ら、この実施例の光散乱導光体を使用することによっ
て、従来の約2倍の明るさを均一に有する光散乱導光光
源装置を提供出来ることが判った。
にシリコーンオイルを0.025wt%加えて均一に分
散させ、ラジカル重合開始剤としてベンゾイルパーオキ
サイド(BPO)を0.5wt%、連鎖移動剤としてn
―ブチルメルカプタン(n−BM)を0.2wt%、各
々加え、70℃で30分間にわたりゾル化を行なった上
で、更に65℃で24時間注型重合させて縦68mm、
横85mmで厚さが長辺方向に3.8mmから0.2m
mまで徐々に変化した楔型の光散乱導光体を作製した。
6としては、頂角約62°のものを使用)と測定法で輝
度分布を測定したところ、光取出面の大半について90
%程度の光強度の均一度が得られた。蛍光ランプに市販
のものを使用した条件での明るさは約3800カンデラ
であった。
ト)に粒径2μmのシリコン系樹脂粉体(東芝シリコン
製、トスパール120)を0.08wt%加え、V型タ
ンブラを用いて10分間、次いでヘンシェルミキサを用
いて5分間混合した。これを2軸押し出し機で溶融混合
(シリンダ温度220℃〜250℃)・押出成形して、
ペレットを作製した。
ダ温度220℃〜250℃の条件で射出成形し、縦68
mm、横85mmで厚さが長辺方向に3.8mmから
0.2mm迄徐々に変化した楔型の光散乱導光体を2枚
作製した。
蛍光ランプを使用して図7(ii)に示した配置をとら
せた。図3の配置からプリズム素子と光拡散シート7を
除いた条件で、輝度分布を測定したところ、光取出面の
大半について95%程度の光強度の均一度が得られた。
ートを使用した図3の配置で同様の測定を行なったとこ
ろ、光強度の均一度は更にアップした。また、蛍光ラン
プに市販のものを使用した条件での明るさは約4100
カンデラであった。
従って、縦68mm、横85mmで図7(iii)に示
された形状を有する楔型光散乱導光体を作製した。
ト7を除いた条件で、輝度分布を測定したところ、光取
出面の大半について90%程度の光強度均一度を得るこ
とが出来た。
ポリトリフロロエチルメタクリレート(P3FMA)を
0.1wt%加えて均一に分散させ、ラジカル重合開始
剤としてベンゾイルパーオキサイド(BPO)を0.5
wt%、連鎖移動剤としてn―ラウリルメルカプタン
(n−LM)を0.2wt%、各々加え、70℃で24
時間懸濁重合した。得られたポリマーを熱処理、乾燥
後、径30mmの2軸押し出し機を用いて、シリンダ温
度220℃〜250℃の条件で押出成形して、ペレット
を作製した。
ダ温度220℃〜250℃の条件で射出成形し、縦68
mm、横85mmで厚さが長辺方向に3.8mmから
0.2mm迄徐々に変化した楔型の光散乱導光体を作製
した。
配置をとらせ、図3の配置からプリズム素子と光拡散シ
ート7を除いた条件で、輝度分布を測定したところ、光
取出面の大半について95%程度の光強度の均一度が得
られた。
拡散シートを使用した図3の配置で蛍光ランプに市販の
ものを使用した条件で同様の測定を行なったところ、光
取出面側のほぼ全面に亙って約4100カンデラの輝度
が観測された。
明の光散乱導光光源装置は明るく均一な面状光源を提供
するものであるから、これを液晶表示装置のバックライ
ト光源手段に採用すれば、少ない電力で表示品位を高め
ることが出来るのは明らかであるが、これを確かめる為
に、市販の4インチ液晶テレビジョン装置に使用されて
いるバックライト光源を本願発明実施例のものに置き換
えたところ、表示画面の明るさが増し、表示画像の品位
が著しく向上した。
を構成する光散乱導光体の形状に簡単な工夫を加え、適
宜出射方向修正手段を併用することによって、明るく輝
度の均一性が高い光散乱導光光源装置を実現することが
出来る。また、上記実施例中(3)、(4)の事例に見
られる如く、従来のプラスチック成形技術(射出成形、
押し出し成形等)を利用することによって、本願発明装
置の主要構成要素たる光散乱導光体を製造することが出
来るから、輝度の均一度向上に相当のコストを要した従
来の光散乱導光光源装置に比べて、経済性、量産性の面
で格段に有利なものと言うことが出来る。
液晶表示素子の背面側にバックライト光源手段として配
置した場合、バックライト光源を構成する光散乱導光光
源装置が明るく均一に光ることによって、液晶表示像の
表示品位が向上することは言うまでもない。また、本願
発明で使用される光散乱導光体は、同じ光入射面面積を
有する従来の光散乱導光体と比較した場合、光散乱導光
体の厚さが薄くなっている部分がある分だけ小型軽量化
されているから、それ自体省資源性に富むものであり、
また、これを組み込んだ液晶表示装置をコンパクトで軽
量、安価なものとすることが出来る。
基本形を示した断面図である。
リズム素子)の作用を説明する為の図である。
散乱導光光源装置の構成を示した断面図である。
における輝度分布測定結果を表わしたグラフである。
面における光出射方向特性を測定する際の角度の取り方
を説明する図である。
面における光出射方向特性を測定した結果をプリズム素
子使用/不使用時に分けて表わしたグラフである。
光散乱導光体と光源素子の形状及び配置関係について、
いくつかの例を示した図である。
った光散乱導光光源装置を構成する際の配置を説明する
図である。
発明に従った光散乱導光光源装置を構成する際の配置を
説明する図である。
Claims (3)
- 【請求項1】 少なくとも1つの光入射面領域及び少な
くとも1つの光取出面領域を有する光散乱導光体と前記
光入射面領域から光入射を行なう為の光源手段とを備
え、前記光散乱導光体は前記光入射面から遠ざかるにつ
れて厚みを減ずる傾向を持った領域を有していることを
特徴とする光散乱導光光源装置。 - 【請求項2】 前記光散乱導光体の光取出表面領域に臨
んで、散乱光出射方向特性を修正する散乱光出射方向修
正手段が前記光散乱導光素子と一体あるいは別体に設け
られていることを特徴とする請求項1に記載された光散
乱導光光源装置。 - 【請求項3】 少なくとも1つの光入射面領域及び少な
くとも1つの光取出面領域を有すると共に、前記光入射
面から遠ざかるにつれて厚みを減ずる傾向を持った領域
を有する光散乱導光体と前記光入射面領域から光入射を
行なう為の光源手段とを備えた光散乱導光光源装置を、
バックライト光源手段として液晶表示素子の背面側に配
置したことを特徴とする液晶表示装置。
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