JP2009031787A - 光制御板、面光源装置及び透過型画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 均一な輝度分布を有する平行光を、所定の角度範囲内に広げると共に、その角度範囲内で略均一な輝度角度分布を有する光として出射可能な光制御板、面面光源装置及び透過型画像表示装置を提供する。
【解決手段】 光制御板３０Ａは、略均一な輝度分布を有する平行光Ｆ_ｉを所定方向に出射する面光源２０の前方に配置されるものであり、断面が凹状又は／及び凸状の光路制御部３１Ａが設けられた光入射面３０ａと平坦な光出射面３０ｂとを有し、光路制御部３１Ａの表面は、Ｍ個の平面部３２Ａ_１〜３２Ａ_Ｍから構成されており、各平面部の傾斜角度α_１〜α_Ｍ及びピッチ比Ｌ_１〜Ｌ_Ｍは、上記平行光Ｆ_ｉを、上記所所定方向に対して−θ_ｍａｘ以上θ_ｍａｘ以内の出射角度範囲内に広げると共に、その出射角度範囲内で略均一な輝度角度分布を有する光として出射可能なように規定されている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、光制御板、面光源装置及び透過型画像表示装置に関するものである。

均一な輝度分布の平行光を照明光として出力する面光源装置としては、例えば、特許文献１に記載のものがある。この面光源装置は、ランプボックス内に相互に離間して配置された複数の光源の前方に光拡散板が配置されて構成されている。この光拡散板には、複数の光源側から光拡散板に入射する入射光を光拡散板の表面に対して略垂直方向の前方方向に向けて出射させ得る形状を備えた偏向構造部が設けられている。その結果、複数の光源から出力された光は、光拡散板を通過することによって、光拡散板の表面に対して略垂直方向の前方方向に導かれつつ、拡散されて均一な輝度分布の平行光を照明光として出力することが可能となっている。
特開２００６―３５１５１９号公報

上記面光源装置では、前述したように、均一な輝度分布の平行光として出力することが可能であるが、この面光源装置の適用用途によっては、例えば画面ムラが生じる場合や適当な視野角を確保したい場合もある。このような場合、輝度の角度分布を制御し、かつ適切な範囲に平行光を広げることが求められる。このような要求を満たすためには、例えば、拡散板を重ねて出射光の角度分布を広げることも考えられるが、拡散の方向および出射光の角度分布の制御は困難であり、透過率の低下が生じる場合がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、均一な輝度分布を有する平行光を、所定の出射角度範囲内に広げると共に、その出射角度範囲内で略均一な輝度角度分布を有する光として出射可能な光制御板、面光源装置及び透過型画像表示装置を提供することを目的とする。

本発明に係る光制御板は、略均一な輝度分布を有する平行光を所定方向に出射する面光源に対して前記所定方向側に配置されると共に、前記所定方向に略直交するように配置される光制御板であって、面光源からの平行光が入射される光入射面と、光入射面に対向配置されており光入射面から入射された平行光が出射光として出射される平坦な光出射面と、を有し、光入射面には一方向に延在しており断面形状が凹状又は／及び凸状の光路制御部が設けられており、光路制御部の表面は、それぞれが一方向に延在している第１〜第Ｍの平面部（Ｍは２以上の整数）から構成されており、光制御板の屈折率をｎ、光入射面に対して面光源側の屈折率をｎ_０、光出射面に対して光入射面と反対側の屈折率をｎ_１とし、前記所定方向に対する出射光の出射角度範囲を−θ_max以上θ_max以下とし、平行光のうち第ｍの平面部（ｍは、１以上Ｍ以下の整数）を介して入射した光の光出射面からの前記所定方向に対する出射角度をθ_ｍとし、出射角度θ_ｍ方向の輝度をＩ（θ_ｍ）とし、平行光に対する光制御板の透過率をＴとしたとき、第ｍの平面部が光出射面に平行な面となす傾斜角度α_ｍが、

ただし、

を満たし、第ｍの平面部のピッチ比Ｌ_ｍが、

ただし、

を満たし、輝度Ｉ（θ_ｍ）は出射角度範囲内において略一定であることを特徴とする。

この場合、光制御板の光入射面に断面形状が凹状又は／及び凸状の光路制御部が設けられているので、平行光のうち光路制御部の表面のうち異なる領域を介して入射した光は、その入射領域に応じた方向に屈折して光制御板内を伝搬した後、光出射面から出射されることになる。そのため、光路制御部の表面形状に応じて出射光の広がり及び輝度角度分布が制御されることになる。上記光制御板では、光路制御部の表面は第１〜第Ｍの平面部から構成されており、第１〜第Ｍの平面部は、式（１）〜式（３）を満たす傾斜角度を有している。そして、第ｍの平面部をとおった平行光は式（３）で規定される出射角度で出射されることから、第１〜第Ｍの平面部を有する光路制御部に入射した平行光は−θ_ｍａｘ以上θ_ｍａｘ以下の出射角度範囲内に広げられて出射される。また、第１〜第Ｍの平面部の傾斜角度に応じて第１〜第Ｍの平面部にそれぞれ入射される平行光の透過率は異なる一方、第１〜第Ｍの平面部をとおる平行光の量はピッチ比で制御される。そして、ピッチ比が式（４）及び式（５）を満たし且つ出射角度θ_m方向の輝度I（θ_ｍ）は上記出射角度範囲内で略一定であることから、光出射面からは出射角度範囲内において輝度角度分布が一定の出射光が出射される。

上記構成の光制御板において、平行光におけるＳ偏光成分及びＰ偏光成分のエネルギーをＥ_ｓ及びＥ_ｐとし、Ｅ_ｓ／Ｅ_ｐをＰとし、Ｓ偏光成分及びＰ偏光成分の光制御板に対する透過率をＴ_ｓ及びＴ_ｐとしたとき、透過率Ｔは、

を満たすことが好ましい。

この場合には、面光源から出射される平行光の偏光度を考慮した透過率Ｔを用いていることから輝度角度分布の均一性をより向上させることが可能である。

また、本発明は以下の光制御板にも係る。

すなわち、本発明は、略均一な輝度分布を有する平行光を所定方向に出射する面光源に対して所定方向側に配置されると共に、所定方向に略直交するように配置される光制御板であって、面光源からの平行光が入射される平坦な光入射面と、光入射面に対向配置されており光入射面から入射された平行光が出射光として出射される光出射面と、を有し、光出射面には一方向に延在しており断面形状が凹状又は／及び凸状の光路制御部が設けられており、光路制御部の表面は、それぞれが前記一方向に延在している第１〜第Ｍの平面部（Ｍは２以上の整数）から構成されており、光制御板の屈折率をｎ、光出射面に対して光入射面と反対側の屈折率をｎ_１とし、所定方向に対する出射光の出射角度範囲を−θ_max以上θ_max以下とし、出射光のうち第ｍの平面部（ｍは、１以上Ｍ以下の整数）から出射される光の所定方向に対する出射角度をθ_ｍとし、出射角度θ_ｍ方向の輝度をＩ（θ_ｍ）とし、平行光に対する光制御板の透過率をＴとしたとき、第ｍの平面部が光入射面と平行な面となす傾斜角度α_ｍが、

ただし、

を満たし、第ｍの平面部のピッチ比Ｌ_ｍが、

ただし、

を満たし、輝度Ｉ（θ_m）は、出射角度範囲において略一定であることを特徴とする光制御板にも係る。

この場合、光制御板の光入射面は平坦であり平行光は光制御板に略垂直入射されることになる。そして光出射面に断面形状が凹状又は／及び凸状の光路制御部が設けられているので、平行光のうち光路制御部の表面の異なる領域をとおして出射された光は、その出射した位置に応じた方向に屈折して出射される。そのため、光路制御部の表面形状に応じて出射光の広がり及び輝度角度分布が制御されることになる。上記構成の光制御板では、光路制御部の表面は第１〜第Ｍの平面部から構成されており、第１〜第Ｍの平面部は、式（７）及び式（８）を満たす傾斜角度を有している。そして、第ｍの平面部をとおった平行光は式（８）で規定される出射角度で出射されることから、第１〜第Ｍの平面部を有する光路制御部を介して出射される平行光は−θ_ｍａｘ以上θ_ｍａｘ以下の出射角度範囲内に広げられた出射光として出射される。また、第１〜第Ｍの平面部の傾斜角度に応じて第１〜第Ｍの平面部からそれぞれ出射される平行光の透過率は異なる一方、第１〜第Ｍの平面部から出射される平行光の量はピッチ比で制御される。そして、ピッチ比が式（９）及び式（１０）を満たし且つ出射角度θ_m方向の輝度I（θ_ｍ）は上記出射角度範囲内で略一定であることから、光制御板からは出射角度範囲内において輝度角度分布が一定の出射光が出射される。

上記のように光出射面に光路制御部が設けられた光制御板の場合、上記平行光におけるS偏光成分及びP偏光成分のエネルギーをE_ｓ及びE_ｐとし、E_ｓ／E_ｐをＰとし、S偏光成分及びP偏光成分の光制御板に対する透過率をＴ_ｓ及びＴ_ｐとしたとき、透過率Ｔを、

とすることが好ましい。

この場合にも、面光源から出射される平行光の偏光度を考慮した透過率Ｔを用いていることから輝度角度分布の均一性をより向上させることが可能である。

また、上述の何れの光制御板においても、光路制御部を複数有し、複数の光路制御部は、上記所定方向及び上記一方向に略直交する方向に配列されていることが好ましい。このように複数の光路制御部を設けることより、平行光をより確実に上記出射角度範囲内に広げられると共に、その出射角度範囲内における輝度角度分布の均一性を向上させることが可能である。

本発明に係る面光源装置は、略均一な輝度分布を有する平行光を所定方向に出射する面光源と、その面光源に対して前記所定方向側に配置されると共に、前記所定方向に略直交するように配置される本発明に係る光制御板と、を備えることを特徴とする。面光源から所定方向に出射された平行光は、光制御板を通過することで、上記出射角度範囲内に広げられた出射光であって、その出射角度範囲内において略均一な輝度角度分布を有する出射光になる。すなわち、面光源装置からは、−θ_ｍａｘ以上θ_ｍａｘ以下の角度広がりを有し、その出射角度範囲内で輝度角度分布が均一な光が出射されることになる。

また、本発明に係る透過型画像表示装置は、上記本発明に係る面光源装置と、その面光源装置に対して上記所定方向側に配置され面光源装置からの出射光が入射される透過型画像表示部と、を備えることを特徴とする。この構成では、面光源装置から出射される−θ_ｍａｘ以上θ_ｍａｘ以下の角度広がりを有し、その出射角度範囲内で輝度角度分布が均一な出射光が透過型画像表示部に入射されるので、例えば、画面ムラの抑制や、所定の視野角の確保が容易となる。

本発明の光制御板によれば、均一な輝度分布を有する平行光を、所定の角度範囲内に広げると共に、その角度範囲内で略均一な輝度角度分布を有する光として出射可能である。また、本発明の面光源装置によれば、所定の出射角度範囲内に広げられていると共に、その出射角度範囲内で略均一な輝度角度分布を有する光を出射可能である。更に、本発明の透過型画像表示装置によれば、所定の出射角度範囲内に広げられていると共に、その出射角度範囲内で略均一な輝度角度分布を有する光を透過型画像表示部に入射させることが可能であるので、画面ムラの抑制や、所定の視野角を確保することが可能である。

以下、図面を参照して本発明の光制御板、面光源装置及び透過型画像表示装置の実施形態について説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。

図１は、本発明に係る透過型画像表示装置の一実施形態の構成を示す側面図である。図１では、透過型画像表示装置の各構成要素を模式的に示している。また、後述する面光源は、説明のために断面構成を示している。

透過型画像表示装置１は、液晶セル１１の上下両面に偏光板１２，１３が積層されて構成される透過型画像表示部１０を有し、その透過型画像表示部１０の背面側（下側）に面光源装置４０が設けられてなる液晶表示装置である。透過型画像表示装置１は液晶表示装置に限定されないが、ここでは、液晶表示装置として説明する。また、以下の説明では、図１に示すように、面光源装置４０及び透過型画像表示部１０が配列される方向（図１中、上方向）をｙ軸方向とし、紙面内においてｙ軸方向に直交する方向をｚ軸方向とし、ｚ軸方向及びｙ軸方向に直交する方向をｘ軸方向とする。

透過型画像表示部１０が有する液晶セル１１及び偏光板１２，１３は、従来の液晶表示装置等の透過型画像表示装置で用いられているものを用いることができる。液晶セル１１としては、９０°ツイストのＴＮ型液晶表示素子が例示される。また、上下一対の偏光板１２，１３は、互いにその透過軸を直交させる状態に配置され、またこれらの偏光板１２，１３の透過軸は、液晶セル１１における液晶分子の配向方向と平行になるように配置されている。

面光源装置４０は、面光源２０と、面光源２０上に設けられた光制御板３０とを含んで構成されている。

面光源２０は、均一な輝度分布を有する平行光を出射できるものであれば特にその構成は限定されず、例えば、特開２００６―３５１５１９号公報に開示されている面光源の構成を採用できる。ここでは、図１に例示した面光源２０について説明する。

面光源２０は、上面側が開放された薄箱型のランプボックス２１と、そのランプボックス２１内に相互に離間して配置された複数の光源２２と、ランプボックス２１の開放面を塞ぐように載置されて固定された光拡散板２３とを有する。

図２に示すように、光拡散板２３の上面、すなわち、光源２２と反対側の面は平坦であり、光拡散板２３の光源２２側の面には、図２の一点鎖線で囲んだ領域に示すように、光源２２からの光をｙ軸方向に屈折させるように構成された偏向構造部２４が設けられている。この偏向構造部２４としては、図２に示すように、ｘ軸方向に延在しており断面形状が略三角形の多数個のプリズム２５が光拡散板２３の光源２２側の表面に一体成形されたものが例示される。各プリズム２５の形状は、光源２２からの光の向きがｙ軸方向に変えられるように、隣接する光源２２間の間隔、光拡散板２３の屈折率及び光源２２と光拡散板２３との距離に基づいて決定されている。具体的には、上記機能を有するように、各プリズム２５の頂角を、隣接する光源２２間の間隔、光拡散板２３の屈折率及び光源２２と光拡散板２３との距離に基づいて決定している。

上記面光源２０の構成では、複数の光源２２からの光は、偏向構造部２４を通過することによってｙ軸方向に偏向した後、光拡散板２３内で拡散されながら光拡散板２３の上面から出射される。光拡散板２３の上面は平坦であることから、図１に示したように、略均一な輝度分布を有する平行光Ｆ_ｉが上面の法線方向（所定方向）に面光源２０から出力されることになる。以下の説明では、平行光Ｆ_ｉは複数の互いに平行な光線ｆ_ｉの集まりとして説明する。

図１に示したように、面光源２０の上方（透過型画像表示部１０側）には、光制御板３０が設けられている。光制御板３０は、面光源２０から出射された平行光Ｆ_ｉを、角度分布を制御して、所定の角度範囲内に広げられた出射光Ｆ_ｏに変換するためのものである。以下の説明では、出射光Ｆ_ｏも、図１に示すように、複数の光線ｆ_ｏの集まりとして説明する。

光制御板３０は、面光源２０から出射された平行光Ｆ_ｉが入射される光入射面３０ａと、光入射面３０ａに対向配置された光出射面３０ｂとを有する板状体であり、光出射面３０ｂがｙ軸方向と略直交するように配置されている。

光制御板３０は、透明材料、例えば透明樹脂、透明ガラスからなる。透明樹脂としては、例えばポリカーボネート樹脂、ＡＢＳ樹脂（アクリロニトリル−スチレン−ブタジエン共重合体樹脂）、メタクリル樹脂、ＭＳ樹脂（メタクリル酸メチル−スチレン共重合体樹脂）、ポリスチレン樹脂、ＡＳ樹脂（アクリロニトリル-スチレン共重合体樹脂）、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン樹脂などが挙げられる。また、光制御板３０の厚みは、通常は０．１ｍｍ〜１５ｍｍ、好ましくは０．５ｍｍ〜１０ｍｍ、より好ましくは１ｍｍ〜５ｍｍである。この光制御板３０には光拡散材が分散されていてもよい。

光制御板３０の光入射面３０ａ及び光出射面３０ｂの何れか一方は平坦であり、他方には、ｘ軸方向（一方向）に延在しており、そのｘ軸方向に直交する断面の形状が凹状又は／及び凸状の微細構造としての光路制御部３１が、ｚ軸方向全体にわたって複数設けられている。この光路制御部３１は、平行光Ｆ_ｉの輝度角度分布を制御して、所定の角度範囲内に広げるためのものである。

この光路制御部３１の断面形状及び配置位置等に応じて光制御板３０は種々の実施形態が可能となっている。以下、光制御板３０の構成について詳述する。

図３は光制御板３０の第１の実施形態の構成を模式的に示す側面図である。

図３に示した光制御板３０Ａでは、光入射面３０ａに、複数の光路制御部３１Ａがｚ軸方向全体にわたって密に形成されている。各光路制御部３１Ａは、ｘ軸方向に延在しており断面形状が凹状の微細構造である。各光路制御部３１Ａの幅Ｗ、すなわち、ｚ軸方向の長さは、１０μｍ〜５００μｍが例示されるが、好ましくは１０μｍ〜２００μｍ、より好ましくは１０μｍ〜１００μｍである。

図４及び図５を利用して光路制御部３１Ａの構成について説明する。図４及び図５は光制御板の一部拡大図であり、図５には、光路制御部３１Ａに入射する複数の光線ｆ_ｉの光路の一例を模式的に示している。

図４及び図５に示すように、光路制御部３１Ａの表面はＭ個（Ｍは２以上の整数）の第１〜第Ｍの平面部３２Ａ_１〜３２Ａ_Ｍから構成されており、第１〜第Ｍの平面部３２Ａ_１〜３２Ａ_Ｍはそれぞれｘ軸方向に延在している。図４では、一例としてＭ＝９の場合を示している。

第１〜第Ｍの平面部３２Ａ_１〜３２Ａ_Ｍは光出射面３０ｂに平行な平面に対して平行であるか又は傾斜している。第１〜第Ｍの平面部３２Ａ_１〜３２Ａ_Ｍは、光制御板３０Ａから出射される出射光Ｆ_ｏが、面光源２０からの平行光Ｆ_ｉの出射方向（すなわち、ｙ軸方向）に対して−θ_ｍａｘ以上θ_ｍａｘ以下の出射角度範囲内で広がると共に、その出射角度範囲内における出射光Ｆ_ｏの輝度角度分布が略一定になるように構成されている。

具体的には、第１〜第Ｍの平面部３２Ａ_１〜３２Ａ_Ｍは、第１〜第Ｍの平面部３２Ａ_１〜３２Ａ_Ｍが光出射面３０ｂと平行な平面となす傾斜角度α_１〜α_Ｍ及びピッチ比Ｌ_１〜Ｌ_Ｍが所定の条件を満たすように構成されている。なお、図４に示したように、ピッチ比Ｌ_１〜Ｌ_Ｍは、各第１〜第Ｍの平面部３２Ａ_１〜３２Ａ_Ｍのｚ軸方向の長さに対応する。

各傾斜角度α_１〜α_Ｍ及びピッチ比Ｌ_１〜Ｌ_Ｍが満たすべき所定の条件について説明する。以下の説明では、光制御板３０Ａの屈折率をｎとし、光制御板３０Ａに対して面光源２０側で光入射面３０ａに接している媒質の屈折率をｎ_０とし、光制御板３０Ａに対して透過型画像表示部１０側で光出射面３０ｂに接している媒質の屈折率をｎ_１とする。すなわち、光制御板３０Ａを中間層として含む３層構造を仮定する。

また、平行光Ｆ_ｉを構成する複数の光線ｆ_ｉのうち第ｍの平面部３２Ａ_ｍに入射する光線ｆ_ｉに対応する光線ｆ_ｏのｙ軸方向（所定方向）に対する出射角度をθ_ｍとし、出射角度θ_ｍ方向の出射光Ｆ_ｏの輝度をＩ（θ_ｍ）とする。なお、出射角度θ_ｍは、面光源２０からの平行光Ｆ_ｉの出射方向（ｙ軸方向）に対して図中右回り方向（時計回り）を正の方向とする。

この場合において、第ｍの平面部３２Ａ_ｍの傾斜角度α_ｍは、

を満たす。ただし、

である。式（１３）から理解されるように、ξ_ｍは、第ｍの平面部３２Ａ_ｍへの入射により屈折した光線ｆ_ｉの光出射面３０ｂへの入射角である（図５参照）。

また、ピッチ比Ｌ_ｍは、

を満たす。ただし、

である。式（１６）中のＴは平行光Ｆ_ｉに対する光制御板３０Ａの透過率であり、平行光Ｆ_ｉのＳ偏光成分及びＰ偏光成分のエネルギーをＥ_ｓ及びＥ_ｐとし、Ｅ_ｓ／Ｅ_ｐ＝Ｐとし、Ｓ偏光成分及びＰ偏光成分に対する光制御板３０Ａの透過率をＴ_ｓ及びＴ_ｐとすると、次式で表される。

ただし、

である。式（１８），（１９）中のｔ^ｓ _１，ｔ^ｐ _１は、光線ｆ_ｉの第ｍの平面部３２Ａ_ｍへの入射位置におけるＳ偏光成分及びＰ偏光成分の透過率であり、ｔ^ｓ _２、ｔ^ｐ _２は、光出射面３０ｂにおける光線ｆ_ｏの出射位置におけるＳ偏光成分及びＰ偏光成分の透過率であり、以下の式（２０）〜式（２３）で表される。

ｎ=１．５７、ｎ_０=ｎ_１＝１．０、Ｐ=１．０、θ_ｍａｘ=２０°、−２０°以上２０°以下の各θ_mに対してＩ(θ_m)＝１及びＭ＝９とした場合に、上記式（１２）〜式（２３）を利用して算出した傾斜角度α_１〜α_９及びピッチ比Ｌ_１〜Ｌ_９を表１に示す。

次に、光制御板３０Ａの作製方法の一例について説明する。光制御板３０Ａを作製する場合には、各光路制御部３１Ａを構成する第１〜第Ｍの平面部３２Ａ_１〜３２Ａ_Ｍの傾斜角度α_１〜α_Ｍ及びピッチ比Ｌ_１〜Ｌ_Ｍを式（１２）〜式（２３）を基に決定する。そして、光制御板３０Ａとなるべき透明材料からなる板材の一方の表面に、予め決定した第１〜第Ｍの平面部３２Ａ_１〜３２Ａ_Ｍの傾斜角度α_１〜α_Ｍ及びピッチ比Ｌ_１〜Ｌ_Ｍを基に、例えば微細加工技術を用いて光路制御部３１Ａを形成して光制御板３０Ａとする。

このように式（１２）〜式（２３）を基に第１〜第Ｍの平面部３２Ａ_１〜３２Ａ_Ｍの傾斜角度α_１〜α_Ｍ及びピッチ比Ｌ_１〜Ｌ_Ｍを決定している光制御板３０Ａを面光源装置４０に組み込む場合には、光路制御部３１Ａが形成されている側が面光源２０側に位置するように光制御板３０Ａを配置して面光源装置４０とする。

前述したように面光源２０からは略均一な輝度分布を有しており面光束密度が一定の平行光Ｆ_ｉが出射されるため、光制御板３０Ａには平行光Ｆ_ｉが入射される。光制御板３０Ａの面光源２０側には光路制御部３１Ａが複数形成されており、各光路制御部３１Ａの表面は第１〜第Ｍの平面部３２Ａ_１〜３２Ａ_Ｍから構成されている。

第１〜第Ｍの平面部３２Ａ_１〜３２Ａ_Ｍの傾斜角度α_１〜α_Ｍ及びピッチ比Ｌ_１〜Ｌ_Ｍは、式（１２）〜式（２３）を満たしているので、各第１〜第Ｍの平面部３２Ａ_１〜３２Ａ_Ｍに入射する各光線ｆ_ｉは、それぞれ所定の出射角度で出射されるように第１〜第Ｍの平面部３２Ａ_１〜３２Ａ_Ｍで屈折する。その結果、図５に示したように、平行光Ｆ_ｉのうち各光路制御部３１Ａに入射する部分の光は−θ_ｍａｘ以上θ_ｍａｘ以下の出射角度範囲でそれぞれ広げられ、結果として平行光Ｆ_ｉがその出射角度範囲に広げられることになる。また、第１〜第Ｍの平面部３２Ａ_１〜３２Ａ_Ｍの傾斜角度α_１〜α_Ｍが異なっていることから、各光線ｆ_ｉの各第１〜第Ｍの平面部３２Ａ_１〜３２Ａ_Ｍへの入射角度も異なるので、平行光Ｆ_ｉのうち第１〜第Ｍの平面部３２Ａ_１〜３２Ａ_Ｍに入射する光線ｆ_ｉ毎に透過率が異なる。一方、平行光Ｆ_ｉのうち第１〜第Ｍの平面部３２Ａ_１〜３２Ａ_Ｍの各々に入射される部分の光の量は、式（１５），（１６）で規定されるピッチ比Ｌ_１〜Ｌ_Ｍで制御される。その結果、出射光Ｆ_ｏの輝度角度分布が制御されることになる。そして、式（１６）において輝度Ｉ（θ_m）は上記出射角度範囲内で一定であることから、出射光Ｆ_ｏの輝度角度分布は、上記出射角度範囲内で一定となる。

すなわち、光制御板３０Ａでは、面光源２０から出射される面光束密度が略一定の平行光Ｆ_ｉを、−θ_ｍａｘ以上θ_ｍａｘ以下の出射角度範囲に広げ、その範囲内で輝度の角度分布が略一定である出射光Ｆ_ｏとして出射することが可能である。

例えば、面光源２０から出射される面光束密度一定の平行光Ｆ_ｉを、透過型画像表示部１０に対するバックライトとしてそのまま使用しようとすると、面光源２０から出力される光が面光源２０の前方側法線方向（ｙ軸方向）に強く集光されていることにより、面光源２０を大型の液晶テレビや、プロジェクションテレビなどに用いる場合には大域的な画面ムラが生じる場合もあり得る一方、小型テレビ、ＰＣモニタに用いる場合には適当は視野角を確保できない場合もある。

これに対して、光制御板３０Ａを面光源２０の前方に配置することで、面光源２０から出射される平行光Ｆ_ｉから、所定の出射角度範囲内で略一定の輝度角度分布を有する出射光Ｆ_ｏを得ることができる。その結果、光制御板３０Ａ及びそれを含む面光源装置４０を利用することで、透過型画像表示装置１の大型化を容易に図ることができ、また、視野角の確保も容易である。また、光制御板３０Ａには、微細構造としての光路制御部３１Ａが複数形成されていることから、面光束密度が略一定の平行光Ｆ_ｉの光が入射され、その角度分布範囲が微小領域で広げられたとしても、透過型画像表示部１０をほぼ面光束密度一定の光で照射することができる。そのため、透過型画像表示部１０で明るさがほぼ均一な画像を表示可能である。

図３に示した光制御板３０Ａでは、光路制御部３１Ａの断面形状は凹状としたが、光路制御部３１Ａの形状は、この場合に限定されず、式（１２）〜式（２３）を満たす傾斜角度α_１〜α_Ｍ及びピッチ比Ｌ_１〜Ｌ_Ｍを有する第１〜第Ｍの平面部３２Ａ_１〜３２Ａ_Ｍから構成されていれば特に限定されない。例えば、図６（ａ）に示す光制御板３０Ｂのように、断面形状が凸状の光路制御部３１Ｂを有していても良い。また、図６（ｂ）に示す光制御板３０Ｃのように、断面形状が凹状の光路制御部３１Ａ及び断面形状が凸状の光路制御部３１Ｂを共に含んでいるものとしてもよい。

次に、光制御板３０の第２の実施形態について説明する。図７は光制御板３０の第２の実施形態の構成を模式的に示す側面図である。

図７に示した光制御板３０Ｄでは、光出射面３０ｂに、光路制御部３１Ｄが形成されている。光制御板３０Ｄの構成は、光入射面３０ａが平坦で、光出射面３０ｂに光路制御部３１Ｄが設けられている点で、図３に示した光制御板３０Ａの構成と相違する。この点を中心にして、図８及び図９を利用して光制御板３０Ｄについて説明する。図８及び図９は、図７示した光制御板の一部拡大図である。図９には、光路制御部３１Ｄに入射する光線ｆ_ｉの光路の一例を模式的に示している。

図８及び図９に示すように、光路制御部３１Ｄの表面はＭ個（Ｍは２以上の整数）の第１〜第Ｍの平面部３２Ｄ_１〜３２Ｄ_Ｍから構成されており、第１〜第Ｍの平面部３２Ｄ_１〜３２Ｄ_Ｍはそれぞれｘ軸方向に延在している。図８では、一例としてＭ＝９の場合を示している。第１〜第Ｍの平面部３２Ｄ_１〜３２Ｄ_ｍは光入射面３０ａに平行な平面に対して平行であるか又は傾斜している。第１〜第Ｍの平面部３２Ｄ_１〜３２Ｄ_ｍは、光制御板３０Ｄから出射される出射光Ｆ_ｏが、面光源２０からの平行光Ｆ_ｉの出射方向（すなわち、ｙ軸方向）に対して−θ_ｍａｘ以上θ_ｍａｘ以下の出射角度範囲内で広がると共に、その出射角度範囲内における出射光Ｆ_ｏの輝度角度分布が略一定になるように構成されている。

より具体的には、第１〜第Ｍの平面部３２Ｄ_１〜３２Ｄ_Ｍは、第１〜第Ｍの平面部３２Ｄ_１〜３２Ｄ_Ｍが光入射面３０ａに平行な平面となす各傾斜角度α_１〜α_Ｍ及びピッチ比Ｌ_１〜Ｌ_Ｍが式（２４）〜式（３２）を満たすように構成されている。なお、以下の式（２４）〜（３２）は、第ｍ（ｍは１以上Ｍ以下の整数）の平面部３２Ｄ_ｍに対するものである。また、式中のｎ、ｎ_１、及びθ_ｍの定義は第１の実施形態の場合、すなわち、図４及び図５を利用して説明した場合と同様である。

先ず、第ｍの平面部３２Ｄ_ｍの傾斜角度α_mは、

を満たす。ただし、

である。

また、第ｍの平面部３２Ｄ_ｍのピッチ比Ｌ_ｍは、

を満たす。ただし、

である。本実施形態では、式（２７）におけるＴは、

ただし、

を満たしている。

ｎ=１．５７、ｎ_１＝１．０、Ｐ=１．０、θ_ｍａｘ=２０°、−２０°以上２０°以下の各θ_mに対してＩ(θ_m)＝１、Ｍ＝９とした場合に、上記式（２４）〜式（３２）を利用して算出した傾斜角度α_１〜α_９及びピッチ比Ｌ_１〜Ｌ_９を表２に示す。

この光制御板３０Ｄを作製する場合の作製方法の一例は、第１の実施形態の場合において式（１２）〜式（２３）の代わりに式（２４）〜式（３２）を基に傾斜角度α_１〜α_Ｍ及びピッチ比Ｌ_１〜Ｌ_Ｍを決定する点以外は、第１の実施形態の場合と同様である。

そして、式（２４）〜式（３２）を基に傾斜角度α_１〜α_Ｍ及びピッチ比Ｌ_１〜Ｌ_Ｍを決定している光制御板３０Ｄを面光源装置４０に組み込む場合には、光路制御部３１Ｄが形成されている側が透過型画像表示部１０側に位置するように光制御板３０Ｄを配置して面光源装置４０とする。

この光制御板３０Ｄの作用・効果は、第１の実施形態の光制御板３０Ａの作用・効果と同様である。すなわち、光制御板３０Ｄでは、面光源２０から出射された面光束密度が略一定の平行光Ｆ_ｉを、−θ_ｍａｘ以上θ_ｍａｘ以下の出射角度範囲に広げられており、その出射角度範囲内で輝度角度分布が略一定である出射光Ｆ_ｏとして出射することが可能である。その結果、光制御板３０Ｄ及びそれを含む面光源装置４０を利用することで、透過型画像表示装置１の大型化を図ることができ、また、視野角の確保も容易である。また、光制御板３０Ｄには、微細構造としての光路制御部３１Ｄが複数形成されていることから、面光束密度が略一定の平行光Ｆ_ｉの光が入射され、その角度分布範囲が微小領域で広げられたとしても、透過型画像表示部１０をほぼ面光束密度一定の光で照射することができる。そのため、透過型画像表示部１０で明るさがほぼ均一な画像を表示可能である。

図７に示した光制御板３０Ｄでは、光路制御部３１Ｄの断面形状は凹状としたが、これに限定されず、式（２４）〜式（３２）を満たす傾斜角度α_１〜α_Ｍ及びピッチ比Ｌ_１〜Ｌ_Ｍを有する第１〜第Ｍの平面部３２Ｄ_１〜３２Ｄ_Ｍから構成されていれば特に限定されない。例えば、図１０（ａ）に示す光制御板３０Ｅのように、断面形状が凸状の光路制御部３１Ｅを有していても良い。また、図１０（ｂ）に示す光制御板３０Ｆのように、断面形状が凹状の光路制御部３１Ｄ及び断面形状が凸状の光路制御部３１Ｅとを共に含んでいるものとしてもよい。

次に、光制御板３０の作用・効果についてシミュレーション結果を基により詳細に説明する。シミュレーションを実施する際の光制御板３０のモデルとしては、図３に示した光制御板３０Ａ及び図７に示した光制御板３０Ｄを採用した。なお、シミュレーションでは、Ｍ＝１８００１としている。シミュレーションは、面光源２０からの平行光Ｆ_ｉの出射方向（所定方向、ｙ軸方向）に対する出射光Ｆ_ｏの出射角度範囲における最大出射角度θ_ｍａｘを１０°、１５°、２０°、３０°とした場合について実施した。また、シミュレーションでは、面光源２０からの平行光Ｆ_ｉの出射方向に対する−θ_ｍａｘ以上θ_ｍａｘ以下の任意の角度θに対してＩ（θ）を一定値としている。また、光制御板３０Ａ，３０Ｄの屈折率ｎは１．５７とし、前述した屈折率ｎ_０，ｎ_１はそれぞれ１．０としている。

また、比較のために、光制御板３０Ａ，３０Ｄの構成において、光路制御部の表面の断面形状が、所定の半径を有する円弧である場合についてもシミュレーションを実施している。比較用の円弧は、光制御板３０Ａ，３０Ｄの光路制御部３１Ａ，３１Ｄの両端において接するように設定している。

図１１〜図１４は、それぞれ最大出射角度θ_ｍａｘが１０°、１５°、２０°及び３０°の場合のシミュレーション結果を示す図である。横軸は角度θを示し、縦軸は相対輝度を示している。相対輝度は、第２の実施形態の光制御板３０Ｄの場合のＩ（θ）が１となるように規格化した場合の輝度である。

各図中のグラフＧ２は、図３〜図５に示したように、光入射面３０ａに光路制御部３１Ａが形成されている場合の結果である。また、各図中のグラフＧ１は、図７〜図９に示したように、光出射面３０ｂに光路制御部３１Ｄが形成されている場合の結果である。図１１及び図１２では、グラフＧ１及びグラフＧ２はほぼ重なっている。また、各図中のグラフＧ４及びグラフＧ３は、前述した比較用の結果であり、それぞれ光入射面３０ａ及び光出射面３０ｂ側に形成する光路制御部の表面の断面形状を円弧形状とした場合の結果である。

図１１〜図１４のシミュレーション結果から理解されるように、第１及び第２の実施形態の光路制御部３１Ａ，３１Ｄが設けられている場合には、出射光Ｆ_ｏの輝度角度分布は、所定の出射角度範囲内において一定である一方、上記のように円弧形状の場合には、出射光の輝度の角度分布は一定にならならず、図１１〜図１４においてθ＝０近傍の輝度が高くなる分布を示すことが分かる。

すなわち、第１及び第２の実施形態の光路制御部３１Ａ，３１Ｄを形成することによって、平行光Ｆ_ｉを、所定の出射角度範囲で広げながら、その出射角度範囲内での輝度角度分布を略一定にできる。その結果、光制御板３０Ａ，３０Ｄ及びそれを含む面光源装置４０は、透過型画像表示装置１の大型化や、視野角確保が容易であることは前述したとおりである。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない。例えば、光制御板３０が有する複数の光路制御部３１は全ての同一の形状としているが、各光路制御部３１が有する第１〜第Ｍの平面部が式（１２）〜式（２３）又は式（２４）〜式（３２）を満たせば光路制御部の形状及び大きさは異なっていても良い。

また、式（１６）で使用する透過率Ｔを式（１７）〜式（１８）で規定しており、式（２７）で使用する透過率Ｔを式（２８）〜式（３２）により規定している、すなわち、平行光Ｆ_ｉのＰ偏光成分及びＳ偏光成分のエネルギーを考慮して透過率Ｔを規定しているが、この場合に限定されない。例えば、面光源から出射される光の波長と光制御板の構成材料に応じて決まる理論的な透過率Ｔを利用することも可能である。なお、通常、透過率はＰ偏光成分及びＳ偏光成分に応じて異なるため、平行光Ｆ_ｉのＰ偏光成分及びＳ偏光成分のエネルギーを考慮して透過率Ｔを規定する方が、より所望の特性を有する出射光Ｆ_ｏを得ることができるため好ましい。

更に、図４、図５、図８及び図９では、一例としてＭ＝９の場合を図示しているが、第１〜第Ｍの平面部の数は９の数に限定されず、Ｍは２以上であれば、８以下であってもよいし、１０以上であってもよい。Ｍの数が大きいほどより所望の特性を有する出射光Ｆ_ｏを出射できるため好ましい。なお、Ｍの数が大きい、すなわち、平面部の数が多い場合には、各光路制御部３１の表面形状はより滑らかになって曲面に近づくことになる。また、光路制御部３１は光入射面３０ａ又は光出射面３０ｂに対して１つとすることも可能である。

また、これまでの説明では、光制御板３０及びそれを含む面光源装置４０は、透過型画像表示装置１に適用するとしたが、これに限定されず、一定範囲の角度広がりを有しており、その角度広がり内での輝度角度分布が一定の光による例えば照明などを要するものであれば好適に適用することが可能である。

本発明に係る透過型画像表示装置の一実施形態の構成を模式的に示す側面図である。 図１に示す面光源の一実施形態の構成を模式的に示す側面図である。 本発明に係る光制御板の第１の実施形態の構成を模式的に示す側面図である。 図３に示した光制御板の一部拡大図である。 図３に示した光制御板の一部拡大図である。 図３に示した光制御板の変形例の構成を模式的に示す側面図である。 本発明に係る光制御板の第２の実施形態の構成を模式的に示す側面図である。 図７に示した光制御板の一部拡大図である。 図７に示した光制御板の一部拡大図である。 図７に示した光制御板の変形例の構成を模式的に示す側面図である。 最大出射角度が１０°の場合の輝度角度分布のシミュレーション結果を示すグラフである。 最大出射角度が１５°の場合の輝度角度分布のシミュレーション結果を示すグラフである。 最大出射角度が２０°の場合の輝度角度分布のシミュレーション結果を示すグラフである。 最大出射角度が３０°の場合の輝度角度分布のシミュレーション結果を示すグラフである。

符号の説明

１…透過型画像表示装置、１０…透過型画像表示部、２０…面光源、３０，３０Ａ，３１Ｂ，３１Ｄ，３０Ｅ…光制御板、３０ａ…光入射面、３０ｂ…光出射面、３１，３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｄ，３１Ｅ…光路制御部、４０…面光源装置、Ｆ_ｉ…平行光、Ｆ_ｏ…出射光、Ｌ_１〜Ｌ_Ｍ…ピッチ比、α_１〜α_Ｍ…各傾斜角度、３２Ａ_１〜３２Ａ_Ｍ，３２Ｄ_１〜３２Ｄ_Ｍ…第１〜第Ｍの平面部。

Claims (7)

1. 略均一な輝度分布を有する平行光を所定方向に出射する面光源に対して前記所定方向側に配置されると共に、前記所定方向に略直交するように配置される光制御板であって、
   前記面光源からの前記平行光が入射される光入射面と、
   前記光入射面に対向配置されており前記光入射面から入射された前記平行光が出射光として出射される平坦な光出射面と、
   を有し、
   前記光入射面には一方向に延在しており断面形状が凹状又は／及び凸状の光路制御部が設けられており、
   前記光路制御部の表面は、それぞれが前記一方向に延在している第１〜第Ｍの平面部（Ｍは２以上の整数）から構成されており、
   前記光制御板の屈折率をｎ、前記光入射面に対して前記面光源側の屈折率をｎ_０、前記光出射面に対して前記光入射面と反対側の屈折率をｎ_１とし、前記所定方向に対する前記出射光の出射角度範囲を−θ_max以上θ_max以下とし、前記平行光のうち第ｍの平面部（ｍは、１以上Ｍ以下の整数）を介して入射した光の前記光出射面からの前記所定方向に対する出射角度をθ_ｍとし、前記出射角度θ_ｍ方向の輝度をＩ（θ_ｍ）とし、前記平行光に対する前記光制御板の透過率をＴとしたとき、
   前記第ｍの平面部が前記光出射面に平行な面となす傾斜角度α_ｍが、
   

   

   
   ただし、
   

   

   
   

   

   
   を満たし、
   前記第ｍの平面部のピッチ比Ｌ_ｍが、
   

   

   
   ただし、
   

   

   
   を満たし、
   前記輝度Ｉ（θ_ｍ）は前記出射角度範囲内において略一定であることを特徴とする光制御板。
2. 前記平行光におけるＳ偏光成分及びＰ偏光成分のエネルギーをＥ_ｓ及びＥ_ｐとし、Ｅ_ｓ／Ｅ_ｐをＰとし、
   前記Ｓ偏光成分及び前記Ｐ偏光成分の前記光制御板に対する透過率をＴ_ｓ及びＴ_ｐとしたとき、
   前記透過率Ｔは、
   

   

   
   を満たすことを特徴とする請求項１に記載の光制御板。
3. 略均一な輝度分布を有する平行光を所定方向に出射する面光源に対して前記所定方向側に配置されると共に、前記所定方向に略直交するように配置される光制御板であって、
   前記面光源からの前記平行光が入射される平坦な光入射面と、
   前記光入射面に対向配置されており前記光入射面から入射された前記平行光が出射光として出射される光出射面と、
   を有し、
   前記光出射面には一方向に延在しており断面形状が凹状又は／及び凸状の光路制御部が設けられており、
   前記光路制御部の表面は、それぞれが前記一方向に延在している第１〜第Ｍの平面部（Ｍは２以上の整数）から構成されており、
   前記光制御板の屈折率をｎ、前記光出射面に対して前記光入射面と反対側の屈折率をｎ_１とし、前記所定方向に対する前記出射光の出射角度範囲を−θ_max以上θ_max以下とし、前記出射光のうち第ｍの平面部（ｍは、１以上Ｍ以下の整数）から出射される光の前記所定方向に対する出射角度をθ_ｍとし、前記出射角度θ_ｍ方向の輝度をＩ（θ_ｍ）とし、前記平行光に対する前記光制御板の透過率をＴとしたとき、
   前記第ｍの平面部が前記光入射面と平行な面となす傾斜角度α_ｍが、
   

   

   
   ただし、
   

   

   
   を満たし、
   前記第ｍの平面部のピッチ比Ｌ_ｍが、
   

   

   
   ただし、
   

   

   
   を満たし、
   前記輝度Ｉ（θ_m）は、前記出射角度範囲において略一定であることを特徴とする光制御板。
4. 前記平行光におけるＳ偏光成分及びP偏光成分のエネルギーをE_ｓ及びE_ｐとし、E_ｓ／E_ｐをＰとし、前記Ｓ偏光成分及び前記P偏光成分の前記光制御板に対する透過率をＴ_ｓ及びＴ_ｐとしたとき、前記透過率Ｔを、
   

   

   
   とすることを特徴とする請求項３に記載の光制御板。
5. 前記光路制御部を複数有し、
   複数の前記光路制御部は、前記所定方向及び前記一方向に略直交する方向に配列されていることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の光制御板。
6. 略均一な輝度分布を有する平行光を所定方向に出射する面光源と、
   前記面光源に対して前記所定方向側に配置されると共に、前記所定方向に略直交するように配置される請求項１〜５の何れか一項に記載の光制御板と、
   を備えることを特徴とする面光源装置。
7. 請求項６に記載の面光源装置と、
   前記面光源装置に対して前記所定方向側に配置されており前記面光源装置からの前記出射光が入射される透過型画像表示部と、
   を備えることを特徴とする透過型画像表示装置。

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