JP2004152719A - 面光源素子およびそれを用いた表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光の利用効率が高く正面方向の輝度の高い、かつ薄型化が可能な大面積の面光源素子および表示装置を提供する。
【解決手段】光源１０を、光を供給するランプ９と発光する光ファイバ２とに分離し、従来の蛍光管に比べて径の小さい光ファイバ２のみを導光体端面１に配置することにより、導光体３の厚さを薄くできるとともに、出射光制御板４の凸部７の頂部が導光体３の出射面に密着されていることにより、出射光制御板４と導光体３間に隙間をなくしたことから、面光源素子を小型化できる。かつ、この出射光制御板４に設けた凸部７により導光体３の出射面からの光を出射面６の正面方向に向かわせて正面方向の輝度を向上させることができる。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、案内板、広告用看板、画像表示装置、非常灯などに利用される面光源素子およびこれを用いた直視型の表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
案内板や表示板等に代表される表示装置は、面状に光を発する面光源素子（バックライト）と情報を与える表示パネルとで構成され、該表示パネルが与えた情報により光の透過率がコントロールされることによって文字および映像が表示される。バックライトとしては、導光板を用いたものや図１３のように蛍光管２２が表示面２１の直下に設けられたもの（直下型）などが挙げられる（例えば、特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−４２５２８号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
直下型の場合、少なくとも蛍光管２２の管径と面内の輝度むらを低減するため、蛍光管２２と表示面２１間の距離がある程度必要である。このためバックライトの厚みを薄くするには制限がある。また、導光体を用いた場合でも、表示面積が大きくなった場合には、面内の輝度を保つために熱陰極管などの管径の大きな光源を利用せざるを得なく、導光体の厚みが厚くなり重量が増加するといった課題があった。
【０００５】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたもので、光の利用効率が高く正面方向の輝度の高い、かつ薄型化が可能な大面積の面光源素子および表示装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決する本発明の面光源素子は、光を供給するランプおよびこのランプからの光を伝送する光ファイバを有する光源と、前記光ファイバの光が少なくとも１つの端面に入射される導光体と、前記光ファイバの光を前記導光体に入射させる導光部材と、前記導光体の出射面からの光を出射面の正面方向に向かわせるための、少なくとも一部に曲面を有する複数の凸部が前記導光体と対向する面に設けられ、この凸部の頂部が前記導光体の出射面に密着されてなる出射光制御板とを備えている。
【０００７】
この構成によれば、光源を、光を供給するランプと発光する光ファイバとに分離し、従来の蛍光管に比べて径の小さい光ファイバのみを導光体端面に配置することにより、導光体の厚さを薄くできるとともに、出射光制御板の凸部の頂部が導光体の出射面に密着されていることにより、出射光制御板と導光体間に隙間をなくしたことから光の出射方向の寸法を縮めることができ、面光源素子を小型化できる。かつ、この出射光制御板に設けた凸部により導光体の出射面からの光を出射面の正面方向に向かわせて正面方向の輝度を向上させることができる。これにより、光の利用効率が高く正面方向の輝度の高い、かつ薄型化が可能な大面積の面光源素子を得ることができる。
【０００８】
好ましくは、前記導光部材は、前記導光体端面に対向する側面部にのみ発光領域が形成された側面発光型の光ファイバである。したがって、光ファイバの光は導光体端面方向にのみ進むので、リフレクタが不要となって面光源素子を小型化でき、またより利用効率の高い面光源素子を得ることができる。
【０００９】
好ましくは、前記導光部材は、導光部材本体と、この導光部材本体からの光を導光体端面方向に向かわせるための複数の凸部が前記導光体端面と対向する面に設けられ、この凸部の頂部が導光部材本体と密着してなる入射光制御板とを有する。したがって、入射光制御板により導光部材本体の出射面からの光を導光体端面方向に向かわせてその入射角度を一定とし凸部による屈折方向も一定とするように制御するから、光の利用効率を高くできる。
【００１０】
好ましくは、前記光源のランプ部と前記光ファイバとの間に色フィルタを有する。したがって、面光源素子の発光色を容易に変化させることができる。
【００１１】
本発明の表示装置は、前記面光源素子を有するものであり、この面光源素子の発光面上に透過型の表示素子、印刷フィルムまたは散乱機能を有する成形体を設けてなる。したがって、上記面光源素子と、透過型表示素子（例えば、液晶表示素子）、印刷フィルムまたは散乱機能を有する成形体などとを組合せることにより、薄型で正面方向の輝度が高い表示装置を得ることができる。
【００１２】
本発明の表示装置は、複数の画素が２次元的に配列され、各画素の透過率を制御することで２次元画像を表示する表示パネルと、前記色フィルタを有する面光源素子とを備え、光ファイバへの入射光の色と表示パネルの表示画像を同期させることで、カラー表示を行う。したがって、薄型で正面方向の輝度が高い２次元画像を表示できる画像表示装置を得ることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１実施形態にかかる面光源素子を示す概略構成図である。この面光源素子は、ハウジング１５に収納された例えばメタルハライドランプのような光を供給するランプ９およびランプ９からの光を伝送する光ファイバ２を有する光源１０を備えている。この面光源素子は、また、前記光ファイバ２が少なくとも１つの端面１に配置されて光ファイバ２の光が入射される導光体３を備えている。導光体３は例えば平面視矩形で、均一厚さの板状である。この例では、図２に示すように、導光体３の相対向する２つの端面１、１に光ファイバ２の後述する先端部２０が配置されている。
【００１４】
光ファイバ２は、屈折率の大きい中心部分のコアと、コアより小さい屈折率をもつ外層部分のクラッドからなり、ランプ９からの光を伝送する。図３に示す光ファイバ２の先端部２０は、側面が発光する側面発光型の光ファイバであり、光ファイバ２の光を導光体３に入射させる導光部材１１を構成する。この先端部２０の側面発光部２０ａは、導光体端面１に対向する側面部のみに発光領域が形成されている。この側面発光部２０ａは、例えばホットスタンプ法やサンドブラスト法などにより、光ファイバの側面部にクラッドからコアにまで達する傷を設けることにより、またはコアを露出させるように側面部をカットすることなどにより形成される。この側面発光型の光ファイバ２を用いることにより、導光体端面１と反対方向に発光する光がなくなるため、光ファイバ先端部２０の周囲にリフレクタを設ける必要がなく、面光源素子を小型化できる。
【００１５】
本発明において、光ファイバ２は、図１のように、ランプ９から導光体３までは光を導光する導光用光ファイバと、その先端部２０に形成された導光体端面のみで光を出射する側面発光型光ファイバとを組み合わせることが、光の利用効率の点から好ましい。
【００１６】
また、図１の面光源素子は、導光体３から出射された光の出射角度の分布を制御する出射光制御板４を備えている。前記出射光制御板４は導光体３上に配置され、入射面５に入射した光が出射面６から出射される。出射光制御板４の入射面５には導光体３の出射面からの光を出射面６の正面方向に向かわせるための、少なくとも一部に曲面を有する複数の凸部７が形成されており、この凸部７の導光体側先端と導光体３の出射面とが密着している。これら両者は、図示していない接着層または粘着層を介して密着させることができる。この例における凸部７は１次元パターンであり、光ファイバ２が配置されている側の導光体端面１と平行になるように凸部７の稜線が配置されている。
【００１７】
図４に示す出射光制御板４の凸部７において、光の進行方向および出射光制御板４の法線方向に平行な断面形状を表す関数のうち端面１とは反対側の面を表す部分７ａの１次微分の絶対値の最大値が１以上３以下であることが、正面方向の輝度向上に好ましい。
【００１８】
図１の光ファイバ２から導光体端面１へ入射した光は導光体３内を全反射を繰り返し伝播していく。この伝搬光が導光体３の出射面と出射光制御板４の凸部７との密着部から出射光制御板４に取り込まれる。これにより、導光体３内を伝搬する光は密着部から順次、出射光制御板４に取り出され、取り出された光は出射光制御板４の凸部７内で全反射されながら出射面６から正面方向に出射される。
【００１９】
本発明の面光源素子では、光源１０を光を供給するランプ９と光ファイバ２とに分離し、従来の光の供給部と発光部が一体で管径が大きい蛍光管と比べて、径の小さい光ファイバ２のみを導光体端面１に配置することにより、導光体３の厚さを薄くできる。かつ、出射光制御板４の凸部７の頂部が導光体３の出射面に密着されていることにより、出射光制御板４と導光体３間の隙間をなくしたことから、光の出射方向の寸法を小さくできる。これにより、面光源素子を小型化できる。光ファイバ２は一般に市販されているものが用いられるが、特に表示面積が大きくなっても、面内の輝度を十分に保つことができるものが選択される。これとともに、出射光制御板４に設けた凸部７により、導光体３の出射面からの光を出射面６の正面方向に向かわせて正面方向の輝度を向上させることができる。こうして、光の利用効率が高く正面方向の輝度の高い、かつ薄型化が可能な大面積の面光源素子を得ることができる。
【００２０】
本発明の面光源素子に用いる導光体としては、アクリル樹脂（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート樹脂（ＰＣ）、ポリスチレン樹脂（ＰＳ）等の透明性に優れた樹脂またはガラスを所定の形状に加工したものを用いることができる。なかでもアクリル樹脂を用いるのが軽量性、透明性の点で好ましい。加工方法としては、押出し板若しくはキャスト板から切り出す方法または加熱プレス、射出成形等の溶融成形法などが好適に用いられる。
【００２１】
また、出射光制御板の表面形状は、スタンパまたは雌金型などを用いて、熱プレス法、紫外線硬化による２Ｐ法、熱硬化によるキャスト法、射出成形法等によって透明な基材上に形成することができる。該透明な基材としては、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリスチレン樹脂等の樹脂またはガラスが用いられる。出射光制御板の作製に用いるスタンパは、例えばガラス基板上にネガ型あるいはポジ型の感光性樹脂をコーティングし、この感光性樹脂をフォトマスクを介して露光し、現像後、電鋳を行うことにより作製することができるし、切削によって作製することもできる。出射光制御板は板状である必要はなく、フィルム状であってもよい。
【００２２】
また、出射光制御板の凸部の断面は、導光体の出射面からの光を出射面の正面方向に向かわせるよう少なくとも一部に曲面を有するものであればよく、台形、放物線、楕円、およびこれらの組み合わせからなる形状を用いることができる。出射光制御板の凸部は、図１で示した１次元的配置のレンチキュラーレンズの様なパターンばかりでなく２次元的配置のレンズアレイタイプでもよい。出射光制御板の光出射面にマイクロレンズアレイが設けられていてもよい。上記の出射光制御板と導光体の貼り付けには、紫外線硬化型接着剤、ホットメルト接着剤等の接着剤、粘着材および両面テープなどのうち、透明性に優れるものを選択して用いることができる。
【００２３】
また、図５に示すように、ハウジング１５内に、ランプ９の光が出射する前面側に色フィルタ１４を設けた場合には、ランプ９からの光が色フィルタ１４を介して光ファイバ２に入射されて、色フィルタ１４を選択することで光ファイバ２への入射光の色を選択でき、面光源素子の発光色を変化させてカラー表示が可能となる。
光源のランプとしては、メタルハライドランプの他に高圧ナトリウムランプ、水銀灯、キセノンランプ、ハロゲンランプなどを用いることができる。
【００２４】
なお、図６に示すように、光ファイバ先端部２０において、導光体端面１に対向する側面部だけでなく、他の側面部にも発光領域を形成して、光ファイバ先端部２０の周囲に、この先端部２０からの光を反射して導光体端面１側に進行させるリフレクタ８を設けてもよい。
【００２５】
図７は、本発明の第１実施形態にかかる面光源素子の他例を示すもので、第１例と異なり、光ファイバ２の先端部２０を導光体３のすべての端面に相対向するように全周囲に配置している。光ファイバ２の出射光は導光体３の全端面から導光体３に入射する。また、出射光制御板４は、凸部７が２次元のレンズアレイの形状をなしている。その他の構成は第１例と同様である。導光体３の全端面から光が入射されるので、導光体３への入射光量分布の均一化が可能となる。
【００２６】
図８（ａ）は、本発明の第２実施形態にかかる面光源素子の第１例を示す概略構成図である。この面光源素子は、第１実施形態と異なり、光ファイバ２の光を導光体３に入射させる導光部材１１が、光ファイバ２の先端と一端を直結させた例えば直方体のような本体１２ａと、この本体１２ａからの光を導光体端面１方向に向かわせるための複数の凸部１６が本体１２ａと対向する面に設けられ、この凸部１６の頂部が本体１２ａと密着してなる入射光制御板１２ｂとを有している。上記の入射光制御板１２ｂと導光体３との貼り付けには、紫外線硬化型接着剤、ホットメルト接着剤等の接着剤、粘着材および両面テープなどのうち、透明性に優れるものを選択して用いることができる。その他の構成は第１実施形態と同様である。
【００２７】
図８（ｂ）は、導光部材１１および導光体３の拡大平面図である。入射光制御板１２ｂの凸部１６は本体１２ａと密着しているので、伝播光の一部は、入射光制御板１２ｂに入射し、凸部１６壁面の反射により導光体３の端面１方向に出射する。これにより、入射光制御板１２ｂにより本体１２ａの出射面からの光を導光体３の端面１方向に向かわせて、導光体３への入射角度が一定となって出射光制御板４の凸部７による屈折方向も一定となるように制御するから、光の利用効率を高くできる。なお、入射光制御板１２ｂの凸部１６の断面は台形、放物線、楕円、およびこれらの組み合わせからなる形状を用いることができる。
【００２８】
図９（ａ）は、本発明の第２実施形態にかかる面光源素子の第２例を示す概略構成図である。この例では、分岐させた光ファイバ２の両先端とそれぞれ本体１２ａの両端とを直結させている。また、図９（ｂ）のように、導光体３の端面に入射光制御部１２ｂの凸部１６を形成し、本体１２ａと密着させている。その他の構成は第１例と同様である。本体１２ａの両端から光ファイバ２を入射させることで、導光体３への入射光量分布の均一化が可能となる。また、第１例のように入射光制御部１２ｂと導光体端面１とを分離した場合に比べて、２つの界面を減らすことができるので、反射率を低減させることで、より一層高輝度化を図ることができる。
【００２９】
図１０は、本発明の第２実施形態にかかる面光源素子の第３例を示す概略構成図である。この例では、導光体３の直交する２つの端面に光ファイバ２を設けている。また、出射光制御板４は、凸部７が２次元配置のマイクロレンズアレイの形状をなしており、同様に導光体３の端面からの入射光を制御することができる。その他の構成は第１例と同様である。
【００３０】
上記の通り説明した面光源素子を用いることで、薄型で正面方向の輝度が高い表示装置を得ることができる。例えば、面光源素子の出射面に透過型の表示素子を設けることで、直視型の表示装置を構成することができる。この透過型表示素子としては、ＳＴＮ、ＴＦＴ、ＭＩＮＩなどの液晶パネルが挙げられる。また、透過型の表示素子の代わりに、透明または乳半フィルム上に印刷を施した印刷フィルム、あるいは着色プラスチックの成形品等を用いて、広告看板、情報掲示板等の表示装置を構成することができる。さらに、散乱機能を有する成形体を用いて、印刷および散乱機能を有する表示装置を構成することができる。
【００３１】
【実施例】
以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこの実施例により何ら限定されるものではない。
【００３２】
実施例１
図１１は、本発明の面光源素子を用いた表示装置の一実施例を示す構成図である。本実施例では、ハウジング１５内のランプの表面上にＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の色フィルタが取り付けられ、光ファイバ２に入射する光の色を順次変化し得るようにされ、面光源素子の出射面には白黒表示型液晶パネル１７が設けられている。そして、図１２に示すように、光ファイバ２への入射光色（Ｒ、Ｇ、Ｂ）と液晶パネルの表示画像（カラー画像のＲ成分、Ｇ成分、Ｂ成分）を同期させる。色の変化時間を目の時間分解能以下にすることで、Ｒ成分画像、Ｇ成分画像、Ｂ成分画像が重なり合い、カラー表示が可能となる。本実施例では、白黒表示型液晶パネルを用いているため、カラー画像表示型液晶パネルで使用されている各画素に対応したカラーフィルタが不用である。このため、液晶パネルの低コスト化が図れるとともに、高い透過率を実現できる。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、光の利用効率が高く正面方向の輝度の高い、かつ薄型化が可能な大面積の面光源素子および表示装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる面光源素子を示す概略構成図である。
【図２】図１の平面図である。
【図３】図１の要部を示す部分拡大図である。
【図４】図１の部分正面図である。
【図５】色フィルタを用いた場合の構成を示す図である。
【図６】リフレクタを用いた場合の構成を示す図である。
【図７】本発明の第１実施形態にかかる面光源素子の他例を示す概略構成図である。
【図８】（ａ）は本発明の第２実施形態にかかる面光源素子の第１例を示す概略構成図、（ｂ）はその部分側面図である。
【図９】（ａ）は本発明の第２実施形態にかかる面光源素子の第２例を示す概略平面図、（ｂ）はその部分側面図である。
【図１０】本発明の第２実施形態にかかる面光源素子の第３例を示す概略平面図である。
【図１１】本発明の面光源素子を用いた表示装置の一実施例を示す概略構成図である。
【図１２】図１０の表示装置の動作を示す図である。
【図１３】従来の面光源素子の構成を示す概略構成図である。
【符号の説明】
２…光ファイバ、２０…光ファイバ先端部、２０ａ…発光領域、３…導光体、４…出射光制御板、７…凸部、９…ランプ、１０…光源、１１…導光部材、１２ａ…導光部材本体、１２ｂ…入射光制御板、１４…色フィルタ。

Claims (8)

1. 光を供給するランプおよびこのランプからの光を伝送する光ファイバを有する光源と、
   前記光ファイバの光が少なくとも１つの端面に入射される導光体と、
   前記光ファイバの光を前記導光体に入射させる導光部材と、
   前記導光体の出射面からの光を出射面の正面方向に向かわせるための、少なくとも一部に曲面を有する複数の凸部が前記導光体と対向する面に設けられ、この凸部の頂部が前記導光体の出射面に密着されてなる出射光制御板とを備えた面光源素子。
2. 前記導光部材は、前記導光体端面に対向する側面部にのみ発光領域が形成された側面発光型の光ファイバである請求項１に記載の面光源素子。
3. 前記導光部材は、導光部材本体と、この導光部材本体からの光を導光体端面方向に向かわせるための複数の凸部が前記導光体端面と対向する面に設けられ、この凸部の頂部が導光部材本体と密着してなる入射光制御板とを有する請求項１に記載の面光源素子。
4. 前記光源のランプと前記光ファイバとの間に色フィルタを有する請求項１ないし３のいずれかに記載の面光源素子。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の面光源素子の発光面上に透過型の表示素子を設けてなる表示装置。
6. 請求項１ないし４のいずれかに記載の面光源素子の発光面上に印刷フィルムを設けてなる表示装置。
7. 請求項１ないし４のいずれかに記載の面光源素子の発光面上に散乱機能を有する成形体を設けてなる表示装置。
8. 複数の画素が２次元的に配列され、各画素の透過率を制御することで２次元画像を表示する表示パネルと、請求項４に記載の色フィルタを有する面光源素子とを備え、光ファイバへの入射光の色と表示パネルの表示画像を同期させることで、カラー表示を行う表示装置。

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