JP4704326B2

JP4704326B2 - 面光源素子およびそれを用いた画像表示装置

Info

Publication number: JP4704326B2
Application number: JP2006341021A
Authority: JP
Inventors: 伊久雄大西
Original assignee: Kuraray Co Ltd
Current assignee: Kuraray Co Ltd
Priority date: 2006-12-19
Filing date: 2006-12-19
Publication date: 2011-06-15
Anticipated expiration: 2026-12-19
Also published as: JP2008153106A

Description

本発明は、面光源素子およびこれを備える液晶表示装置などの画像表示装置、さらに該画像表示装置を表示モジュールとして備えるパーソナルコンピュータ、コンピュータ用モニタ、ビデオカメラ、テレビ受信機、カーナビゲーションシステムなどの画像表示装置に関する。

液晶表示装置に代表される透過型の画像表示装置は、面状に光を発する面光源素子（バックライト）とドット状に画素が配置された透過型表示素子とで構成され、該透過型表示素子の各画素で面光源素子からの光の透過率がコントロールされることによって文字や映像などが表示される。面光源素子としては、ハロゲンランプ、反射板、レンズ等が組み合わされて出射光の輝度の分布が制御されるもの、蛍光管が導光板の端面に設けられて蛍光管からの光が端面と垂直な面から出射されるもの、蛍光管が導光板の直下に設けられたもの（直下型）などが挙げられる。ハロゲンランプを利用した面光源素子は、高輝度を必要とする液晶プロジェクタに主に用いられる。

一方、導光板を利用した面光源素子は薄型化が可能であるため、直視型の液晶ＴＶ、パーソナルコンピュータのディスプレイなどに用いられることが多い。これら導光板を利用した面光源素子では、通常、正面輝度や出射光の視野角特性を改善する目的で導光板の出射面側にプリズムシートや拡散シートを設けるが、さらなる薄型化を実現する手段としては、これらのシートの機能を合わせ持った出射光制御板が有効である。これら出射光制御板は入射面上に所望の視野角特性に合わせて決定される形状からなる凸部を有しており、導光板と出射光制御板を平行に配置するとともに、固定層を介して光学的に導光板と密着させることによって出射光制御板の出射面から出射する光を制御することが可能である（特許文献１参照）。

特開２００１−３３８５０７号公報

しかしながら、近年、これら面光源素子に関する正面方向の輝度向上の要求はますます高まっており、一方で省エネルギーの観点から効率的に光を正面方向に偏向することが望まれている。凸部の断面形状により光を正面方向に偏向する割合は、大きく異なってくること、また導光板の屈折率、凸部をなす材料の屈折率に応じて、断面形状を変更する必要があることが分っているが、正面方向の輝度を効率良く高めるための断面形状についての知見は不充分であった。

そこで本発明は、前記の課題に鑑みてなされたもので、光源からの光を効率良く正面方向に偏向することで正面方向の輝度の高い面光源素子および画像表示装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、
光源と、前記光源からの光を受光する少なくとも１つの端面である入射面と該入射面と略垂直を成す主面の一つである出射面とを有する導光板と、前記導光板の出射面からの光を入射面上の凸部で受光して出射面から正面方向へ出射する出射光制御板とを備える面光源素子であって、凸部が導光板と光学的に密着してなり、任意の前記凸部と、該凸部の最近傍にある前記光源との最短経路を含む前記出射面に垂直な平面と該出射面の交線をＸ軸、凸部の光学的密着部の中心を通り出射面と直交する軸をＹ軸とし、Ｘ軸方向の光学的に密着していない部分の断面形状が、下記の（１）式〜（１４）式で表されるＮ個の傾きの異なる領域が下記（１５）式を満足するものであることを特徴とする面光源素子である。

請求項２に記載の発明は、
前記凸部のＸ軸方向の断面形状が、該凸部を成すＮ個の傾きの異なる領域のうち少なくとも１組の隣接する２つの領域の形状を曲線で近似した形状であることを特徴とする請求項１に記載の面光源素子照明装置である。

請求項３に記載の発明は、
請求項１または２の面光源素子の出射面側に透過型表示素子を設けたことを特徴とする画像表示装置である。

本発明によれば、導光板の出射面と出射光制御板の入射面を光学的に密着した面光源素子において、出射光制御板の凸部の断面形状を制御することで、指向性が強く、正面方向の輝度の高い面光源素子を得ることができる。また、本発明の面光源素子上に透過型表示素子を設けることで、指向性が強く、正面方向の輝度の高い画像表示装置を得ることができる。凸部へは最近傍の光源から入射する光のエネルギー量が最も多い。従って、Ｘ軸方向の断面形状を最適化することで、最も効率よく正面方向の輝度を高めることができる。

本発明の面光源素子では、出射光制御板の最近傍の光源と凸部を結ぶ、前記出射面に垂直な凸部の断面が光源からの光線の偏向を制御するが、導光板と凸部の光学的密着部の入射位置に光線の偏向方向は依存する。従って、導光板と凸部の光学的密着部の中心を通る面での断面形状を規定することで、目的とする光線制御方向からのズレを低減し、効率良く目的とする光線方向制御が可能となる。

（１）式は、光学的に密着していない部分Ｗの割合ｂをＮ分割している。分割した各点に入射した光が効率よく正面方向に出射するよう各点で傾きをなせばよい。ここで割合ｂは、０．８５〜１の範囲であることが必要である。ｂが０．８５を下回ると、光が入射しない壁面が存在することになり、効率の低下を招く。

図５に示すように（２）式は導光板端面１から入射した光が屈折し、端面法線方向に対する最大の角度である。また（３）式は前記光線の凸部への入射角度であり、（４）式は凸部内部での導光板出射面法線方向となす角度を表す。さらに（５）式は、導光板出射面からのなす角度を表す。また（６）式は凸部に角度π／２で入射した場合の凸部内部での屈折角度である。ただしｎ_２＜ｎ_１の場合は全反射が発生するため、この光線は発生しない。従って、凸部内部で出射平面となす最小の角度は（７）式で得られる。つまり図５に示すように導光板の端面から入射した光は、導光板内を全反射を繰り返し伝播してゆき、凸部が導光板と光学的に密着した部分から凸部に入射した際、凸部の光は、導光板出射面からＡ’以上かつＢ’’’以下の角度に限定される。

（８）、（９）式は多角形で求める形状の初期値を与えている。（１０）、（１１）式は凸部と導光板の光学的密着部を（Ｍ＋１）に等分割したときの各領域のｘ座標を示している。

図１に示す各領域から凸部の斜面（Ｘ_ｉ、Ｙ_ｉ）に進行する光の傾きは、（１２）式で表される。この傾きがＡ’以下もしくはＢ’’’以上であればこの光は存在しないことを（１３）式は意味する。従って、（１４）は斜面（Ｘ_ｉ、Ｙ_ｉ）への入射光の傾きの平均を表す。

θ_ｉの傾きの光が壁面で全反射し、略正面方向に向かうには（Ｘ_ｉ、Ｙ_ｉ）における傾きα_ｉが（１５）式を満足していればよい。α_ｉは望ましい視野角特性に応じて適宜選択すればよい。正面方向で高い輝度を得るには、
｜２α_ｉ−θ_ｉ−π／２｜≦π／２０（１６）
が望ましく、
｜２α_ｉ−θ_ｉ−π／２｜≦π／３０（１７）
がより望ましい。

座標（Ｘ_ｉ、Ｙ_ｉ）とその点での傾きから次の座標である（Ｘ_ｉ＋１、Ｙ_ｉ＋１）は（１８）式で求めることができる。
Ｙ_ｉ＋１＝（Ｘ_ｉ＋Δ）×ｔａｎα_ｉ＋Ｙ_ｉ（１８）

本形状を有する凸部の光学的に密着した部分から入射した光は効率的に略正面方向に出射し、正面方向の輝度が高い面光源素子を得ることができる。

請求項２に記載した発明は請求項１に記載の面光源素子であって、前記凸部のＸ軸方向の断面形状が、該凸部を成すＮ個の傾きの異なる領域のうち少なくとも１組の隣接する２つの領域の形状を曲線で近似した形状であることを特徴とする面光源素子である。本面光源素子では正面方向への出光強度の分布や、出光角度の分布を滑らかにすることができる。また、より賦形しやすいため出射光制御板の作製時に有利となり望ましい。さらに、領域の接合部が鋭い形状ではないことで破損しにくい点も望ましい。該接合部の破損は光の出射方向の変化や、不必要な散乱が生じることがあり、望ましくない。

請求項３に記載した発明は、請求項１または２の面光源素子の出射面側に透過型表示素子を設けたことを特徴とする画像表示装置である。該面光源素子は正面方向の輝度が高いため、この出射面側に透過型表示素子を設けることにより、好ましい画像表示装置として利用できる。ここで、画像表示装置とは、面光源素子と透過型表示素子を組み合わせた表示モジュール、さらには、この表示モジュールを用いたテレビ、パソコンモニターなどの少なくとも画像表示機能を有する機器のことを言う。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳しく説明する。
図６は本発明の実施形態に係る面光源素子の一部断面を示す概略断面図を示す。この面光源素子は、左右の端面１側に光源２が設けられた導光板３と、導光板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からなっている。出射光制御板４は導光板３上に配置され、入射面５に入射した光が出射面から出射される。出射光制御板４の入射面５には、導光板３の出射面６からの光を出射光制御板４を介して正面方向に向かわせるために、多数の凸部７が形成されている。この凸部７の頂部は導光板３の出射面６に光学的に密着している。光源２の周囲には、導光板の入射面１側と反対方向に進む光を反射し、導光板の入射面１側に進行させるリフレクタが設けられていてもよい。

光源２から導光板の入射面１へ入射した光は導光板３内を、全反射を繰り返し伝播していく。この伝播する光が出射光制御板４の凸部７の頂部との界面から出射光制御板４に取り込まれる。これにより、導光板３内および固定層９内を伝播する光は界面から順次、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内で全反射されて出射される。

本発明の面光源素子に用いる導光板としては、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）などのアクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂（ＰＣ）、ポリスチレン樹脂（ＰＳ）、シクロオレフィンポリマー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ＰＭＭＡ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がこれに限定されるものではない。

また、導光板と出射光制御板を光学的に密着させるには、導光板と出射光制御板の間に固定層を設けてもよい。固定層としては、接着剤、粘着剤、粘接着剤、光硬化性樹脂などが挙げられるが、取り扱い性や生産性の面から光硬化性の粘接着剤が好適に用いられる。粘着剤には、例えばゴム系やアクリル系、ビニルアルキルエーテル系やシリコーン系、ポリエステル系やポリウレタン系、ポリエーテル系やポリアミド系、スチレン系などの適宜なポリマーをベースポリマーとするものが挙げられる。中でも、アクリル酸ないしメタクリル酸のアルキルエステルを主体とするポリマーをベースポリマーとするアクリル系粘着剤が透明性や耐候性、耐熱性の点で優れるため、好適に用いられる。また、接着剤はそれに例えばシリカやアルミナ、チタニアやジルコニア、酸化錫や酸化インジウム、酸化カドミウムや酸化ノンモン等の導電性のある無機系粒子や、架橋または未架橋ポリマー等の有機系粒子などの適宜な透明粒子を１種または２種以上含有させて光拡散型のものとすることもできる。

固定相を設ける場合は、凸部の先端が埋まる場合がある。この場合には図４に示すように、固定層の表面を導光体の出射面６とし、固定相に埋まった幅を２ａとすればよい。また固定相の屈折率をｎ_３とした場合には、
ｎ_１≦ｎ_３≦ｎ_２（１９）
であることが好ましい。屈折率が（１９）式を満たすことで導光板内を伝播する光を効率よく凸部に取り込むことができ、高輝度化が容易になる。

さらに、導光板の表面改質や、出射光制御板の凸部を形成する材料に自己粘着性を持たせることで、導光板と出射光制御板を、固定相を介さずに光学的に密着させてもよい。この場合は凸部先端に２ａの平坦部を設けることが好適である。この平坦部が密着することで、光学的密着部の幅を高い精度で得ることができる。

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、シクロオレフィンポリマー等の樹脂またはガラスが用いられる。本発明においては、アクリル樹脂を用いた透明な基材上に光硬化性樹脂で形状を転写することが好適に用いられる。

基材に転写する際に用いる光硬化性樹脂は、作製した出射光制御板の光学性能を決定するものであり、所望の性能に応じて適宜選択するのが好ましい。光硬化性樹脂の成分としては、ラジカル重合が可能なモノマー或いはオリゴマーを単独で或いは２種以上組み合わせて用いるが、通常2種以上を用いるのが好ましく、出射光制御板に要求される機械的強度、耐衝撃性、耐熱性、表面硬度などを付与することができる。成分の具体例としては、脂肪族、脂環族、芳香族系のモノ又はポリアルコールとアクリル酸又はメタクリル酸との縮合反応で得られるエステル型（メタ）アクリレートや、分子内に２個以上のイソシアネート基を有するイソシアネート化合物とヒドロキシル基またはチオール基を含有する(メタ)アクリレートとのウレタン化反応で得られるウレタンポリ（メタ）アクリレートや分子内に少なくとも２個のエポキシ基を有する化合物とアクリル酸又はメタクリル酸とのグリシジル基開環反応で得られるエポキシポリ（メタ）アクリレートや、飽和又は不飽和多価カルボン酸、多価アルコール及び（メタ）アクリル酸との縮合反応で得られるポリエステル（メタ）アクリレート等の（メタ）アクリロイル官能性モノマー若しくはオリゴマーや、スチレン、クロロスチレン、ブロモスチレン、ジブロモスチレン、ジビニルベンゼン等のビニル化合物や、ジエチレングリコールビスアリルカーボネート、ジアリルフタレート、ジアリルビフェニレート等の（メタ）アリル化合物が挙げられる。これらの単量体は1種を単独で用いてもよいし、２種以上を混合してもよい。

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するかまたはレーザー描画装置により露光し、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。

出射光制御板の好適な厚さは０．０５ｍｍ〜３ｍｍで、特に、０．１ｍｍ〜０．５ｍｍのフィルム状であることで装置の薄型化、軽量化密着性低下につながる応力の低減などの効果が得られ好ましい。０．０５ｍｍを下回ると導光板との固定時の皺や物理的強度の低下から好ましくない。一方、３ｍｍを超えると装置が重量化するため好ましくない。

また、本発明における出射光制御板が備えた凸部は、１次元的配置のレンチキュラーレンズのようなパターンのほかに、図２もしくは図３に示す２次元的配置のレンズアレイタイプでもよい。光源に線状である蛍光管を用いた場合には、レンチキュラーレンズタイプ、レンズアレイタイプを用いることができる。またＬＥＤで代表される点状光源を用いた場合には、レンズアレイタイプであることが好ましい。レンズアレイである場合には、最近傍以外の光源から凸部に入射する光も正面方向に出射できるよう、単位レンズ中心に対して回転対称であることが好適である。

出射光制御板の光出射面には微細な表面凹凸を直接転写してもよいし、光透過性微粒子を混合させた拡散剤液を塗工することによって拡散層を設けても良い。拡散層により視野角特性がなだらかになり、良好な品位を得ることができる。

単位凸部の大きさである２（ａ＋ｗ）は、１０μｍ以上、３００μｍ以下であることが望ましい。さらに望ましくは、１５μｍ以上、２００μｍ以下である。１０μｍより小さいと回折現象により着色が発生し、画面の品位を低下させる。また３００μｍより大きいと凸部自身が視認されるため、画面の品位を低下させる。

Ｎは５〜１０の範囲であることが望ましい。これより小さくなると十分な性能を得ることができない。またこれ以上では、凸部形状の作製の困難さが増大する。

曲線への近似法としては特に制限はなく、通常よく知られている最小二乗法、スプライン補間法、ラグランジュ補間法などを用いることができる。近似に用いる点は、近似する領域から少なくとも1点を選ぶ。通常近似する領域の数より多くとる。例えば、連続する複数の領域の両端と各領域の接点を選ぶことができる。また加えて、各領域の中点を近似に用いることもできる。

また本発明に用いる光源としては、冷陰極管、熱陰極間などの線状光源、ＬＥＤなどの点状光源が挙げられる。線状光源の場合には、導光板の片方の端面または対向する両端面に１本または複数本配置してもよい。線状光源の本数が多くなると、導光板への入射光量が増加し、高輝度化を図ることができる。また点状光源の場合には、１個または複数個用いてもよい。この場合、点状光源を配置する導光板側面の中心に対して点状光源を対称に配置することが好ましい。この配置により面内の分布を対象にすることができ外観品位を向上することができる。一方、複数個用いる場合、点状光源の間隔は均等になるよう配置することが望ましい。これにより点状光源の近傍と点状光源間のムラを最小に抑えることができる。

以下、実施例によって、より具体的に本発明の効果を説明する。各実施例、並びに比較例では、図６に示すような構成の面光源素子の正面輝度を測定し、効果を確認した。何れの場合も、導光板短辺側面に光源として白色ＬＥＤ３個を配置し、面光源素子を得た。ＬＥＤの発光中心間距離は１０ｍｍとし、中央の１個は導光板側面の中央に配置した。面光源素子の中央部を発光面に対して垂直に５００ｍｍの距離から輝度計（トプコンテクノハウス社製ＢＭ−７Ｆａｓｔ）により測定した。

（実施例１）
実施例１では、導光板３として、寸法が３０ｍｍ×４０ｍｍで厚み１ｍｍの平板状ＰＭＭＡを用い、出射面およびその対向する面は平坦面とした。出射光制御板４としては、基材として厚み０．１ｍｍのＰＭＭＡフィルムを用い、スタンパに光硬化性樹脂を塗布したものを紫外線硬化することで基材に転写して作製した。導光板の屈折率は１.４９であり、硬化後の光硬化性樹脂の屈折率は１.５４であった。該出射光制御板を導光板の出射面に貼り合わせた。

（実施例２）
実施例２では、導光板３として、寸法が３０ｍｍ×４０ｍｍで厚み１ｍｍの平板状ＰＭＭＡを用い、出射面およびその対向する面は平坦面とした。出射光制御板４としては、基材として厚み０．１ｍｍのＰＭＭＡフィルムを用い、スタンパに光硬化性樹脂を塗布したものを紫外線硬化することで基材に転写して作製した。導光板の屈折率は１．４９であり、硬化後の光硬化性樹脂の屈折率は１．５４であった。該出射光制御板を導光板の出射面に貼り合わせた。

（実施例３）
実施例３では、導光板３として、寸法が３０ｍｍ×４０ｍｍで厚み１ｍｍの平板状ＰＣを用い、出射面およびその対向する面は平坦面とした。出射光制御板４としては、基材として厚み０．１ｍｍのＰＣフィルムを用い、スタンパに光硬化性樹脂を塗布したものを紫外線硬化することで基材に転写して作製した。導光板の屈折率は１.５９であり、硬化後の光硬化性樹脂の屈折率は１.５９であった。該出射光制御板を導光板の出射面に貼り合わせた。

（比較例１）
比較例１では、寸法が３０ｍｍ×４０ｍｍで厚み１ｍｍの平板状ＰＣを用い、出射面およびその対向する面は平坦面とした。出射光制御板４としては、基材として厚み０．１ｍｍのＰＣフィルムを用い、スタンパに光硬化性樹脂を塗布したものを紫外線硬化することで基材に転写して作製した。導光板の屈折率は１.５９であり、硬化後の光硬化性樹脂の屈折率は１.５９であった。該出射光制御板を導光板の出射面に貼り合わせた。
表１に上記実施例ならびに比較例の正面輝度の評価結果を示す。

図７は、実施例１における凸部断面形状の（Ｘ_ｉ、Ｙ_ｉ）座標を示している。なお、Ｘ_ｉおよびＹ_ｉの単位はｍｍである。

実施例２および３の凸部断面形状は下記多項式で近似したものである。

ＸおよびＹの単位はｍｍである。実施例２および３の（２０）式における各パラメータをそれぞれ図８、図９に示す。

本発明の原理を示す概略断面図である。本発明に用いることのできる凸部形状の略図である。本発明に用いることのできる回転対称な凸部形状の略図である。凸部と導光板の間に固定相を用いた場合の概略断面図である。本発明の説明に用いる記号の説明図である。本発明の面光源素子の一部断面を示す概略断面図である。実施例１に係る凸部断面形状の（Ｘ_ｉ、Ｙ_ｉ）座標を示す表である。凸部断面形状を示す（２０）式における実施例２に係るパラメータを示す表である。凸部断面形状を示す（２０）式における実施例３に係るパラメータを示す表である。

符号の説明

１・・・端面、２・・・光源、３・・・導光板、４・・・出射光制御板、５・・・入射面
６・・・出射面、７・・・凸部、９・・・固定層、１０・・・リフレクタ

Claims

光源と、前記光源からの光を受光する少なくとも１つの端面である入射面と該入射面と略垂直を成す主面の一つである出射面とを有する導光板と、前記導光板の出射面からの光を入射面上の凸部で受光して出射面から正面方向へ出射する出射光制御板とを備える面光源素子であって、凸部が導光板と光学的に密着してなり、任意の前記凸部と、該凸部の最近傍にある前記光源との最短経路を含む前記出射面に垂直な平面と該出射面の交線をＸ軸、凸部の光学的密着部の中心を通り出射面と直交する軸をＹ軸とし、Ｘ軸方向の光学的に密着していない部分の断面形状が、下記の（１）式〜（１４）式で表されるＮ個の傾きの異なる領域が下記（１５）式を満足するものであることを特徴とする面光源素子。
前記凸部のＸ軸方向の断面形状が、該凸部を成すＮ個の傾きの異なる領域のうち少なくとも１組の隣接する２つの領域の形状を曲線で近似した形状であることを特徴とする請求項１に記載の面光源素子。
請求項１または２の面光源素子の出射面側に透過型表示素子を設けたことを特徴とする画像表示装置。