(57)【要約】【課題】作製に金型を必要とせず、大面積の光源にも適用しうる光学部材と、その光学部材を用いた面状光源及び表示装置とを提供する。【解決手段】光学部材は、光を反射する内面を有し、前記内面で前記光を反射させつつ前記光を所定の方向に導光する導光体と、前記導光体の表面上に独立して設けられた複数の凸レンズと、前記導光体の表面と前記凸レンズとの間にそれぞれ設けられ、前記光を前記導光体から前記凸レンズへと向かわせて前記光を抽出する複数の光抽出部とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を導光する光学部材であって、
所定の方向に延在し、前記光を反射する内面を有し、前記内面で前記光を反射させつつ前記光を所定の方向に導光する導光体と、
前記導光体の表面上に各々独立して設けられた複数のレンズと、
前記導光体の表面に前記レンズを固着するとともに、前記光を前記導光体から抽出して、前記レンズへと入射させる複数の光抽出体とを備える光学部材。
【請求項２】
前記レンズの形状が凸状又は略球状である請求項１に記載の光学部材。
【請求項３】
前記レンズが、ガラスビーズにより形成されている請求項１または２に記載の光学部材。
【請求項４】
前記光抽出体が、前記光を拡散させる拡散剤を含有している請求項１〜３のいずれか一項に記載の光学部材。
【請求項５】
前記光抽出体が、前記導光体の前記表面に垂直な方向から光を入射させたときの前記レンズの焦点位置に配置されている請求項１〜４のいずれか一項に記載の光学部材。
【請求項６】
前記レンズの、前記導光体の前記表面に対する射影の幅が１００μｍ以下である請求項１〜５のいずれか一項に記載の光学部材。
【請求項７】
前記導光体の前記表面の面積に対する、前記複数の光抽出体の、前記導光体の前記表面と接する面の面積の総和の比が４０％以下である請求項１〜６のいずれか一項に記載の光学部材。
【請求項８】
前記レンズの屈折率が１．５以上である請求項１〜７のいずれか一項に記載の光学部材。
【請求項９】
前記導光体が柔軟性のある材料により形成されている請求項１〜８のいずれか一項に記載の光学部材。
【請求項１０】
前記光抽出体の前記導光体の前記表面と接する面の面積が、前記所定の方向に沿って変化している請求項１〜９のいずれか一項に記載の光学部材。
【請求項１１】
光を所定の面から放出する面状光源であって、
請求項１に記載の光学部材と、
前記光学部材の前記導光体に光学的に接続された、前記光を放出する光源ユニットとを備える面状光源。
【請求項１２】
前記光源ユニットが前記導光体の前記所定の方向の一端に接続され、前記光抽出体の前記導光体の前記表面と接する面の面積が、前記光源ユニットから離れる方向に沿って変化している請求項１１に記載の面状光源。
【請求項１３】
前記光源ユニットが、発光ダイオードを含む請求項１１または１２に記載の面状光源。
【請求項１４】
前記光源ユニットが、それぞれ異なる波長の光を発する複数の発光ダイオードを含む請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の面状光源。
【請求項１５】
前記複数の発光ダイオードが、赤色、緑色及び青色の光をそれぞれ発する発光ダイオードである請求項１４に記載の面状光源。
【請求項１６】
前記発光ダイオードは、紫外光を発し、前記光抽出体又は前記レンズは蛍光材料を含有している請求項１３に記載の面状光源。
【請求項１７】
所定の表示を行う表示装置であって、
請求項１１に記載の面状光源と、
前記光学部材に対向して設けられた表示パネルとを備える表示装置。
【請求項１８】
光を導光する光学部材を製造する方法であって、
光を透過する板材を用意することと、
前記板材の一面の所定の領域に、粘着性または接着性を有する固着材を塗布することと、
前記板材の前記一面に集光体を配置して、前記所定の領域に塗布された前記固着
材に前記集光体を固着させることとを含む光学部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学部材、面状光源、表示装置及び光学部材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ、発光ダイオード）を用いた平面状の光源が注目されており、代表的には液晶表示素子のバックライトなどとして用いられている。特許文献１には、正面方向から外れた方向へ出射する光の強度を低く抑えた面状光源として、光源を有して面状に光を発する発光エレメントと、発光エレメントから発せられる光の発光角度の分布を制御する光制御板とを備える面光源素子が開示されている。発光エレメントは、光制御板の、光入射面側に設けられている。光制御板の光入射面には、約３００μｍの高さの複数の突起が形成されている。発光エレメントから光制御板の光入射面へと入射した光は、突起により反射を繰り返しつつ、光制御板の光入射面と反対側の面（光出射面）から放出される。入射光が突起により繰り返し反射されることにより、光出射面から放出される際に、正面方向（光出射面の法線方向）に指向されることになる。つまり、特許文献１に記載の面状光源では、光を透過する光制御板の表面に、微小な突起等の微小構造体を形成することによって、当該表面における光の多重反射により、面光源素子から出射される光の向きを制御している。
【０００３】
このように、光を透過する板の表面に微細構造体を形成して光の反射角を調整することは、例えば、携帯電話の液晶表示のバックライト等に用いられている反射体などにも用いられている。携帯電話の液晶表示のバックライトは、アクリル又はポリカーボネード等の高分子材料により形成された透光性を有する導光板と、導光板の側面（端面）に配置されたＬＥＤとを主に備え、導光板の表面及び／又は裏面の一部には、例えば鋸歯形状の微小構造体が形成されている。導光板の側面に配置されたＬＥＤから放出された光は、導光板の内部に入射し、導光板の表面及び裏面で全反射を繰り返しつつ、導光板の内部を進行する。ここで、導光板の内部を進行する光のうち、この微小構造体により散乱された光の一部が、導光板から出射する。つまり、導光板の内部で全反射を繰り返していた光のうち、微小構造体で散乱された光の一部は、導光板の表面に全反射角未満の入射角で入射し、導光板から出射する。
【０００４】
このように、表面に微細構造体が形成された導光板を用いることにより、導光板の側面から入射した光を、導光体の表面全体からほぼ均一に取り出すことができる。そのため、導光板の面方向にＬＥＤを並べて配置する必要がなく、ＬＥＤを導光体の側面のみに配置することができるので、バックライトの小型軽量化が可能となる。
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−１０６３２７号広報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、上述の導光板は、携帯電話の液晶バックライト等の小型ディスプレイ用の照明としては用いられているが、大面積を照らす大型照明、例えば室内用照明等の用途にはあまり利用されていない。それは、上述の導光板を大面積の照明装置に利用する場合には、大面積にわたって微小構造体を形成する必要があり、そのような導光板は、通常、金型により成形されるため、大面積の成形にコストがかかる。さらにこれらは光源の発光プロファイルや照明装置の大きさ、必要とされる照射プロファイルなどに応じて個々の設計が必要であり、また導光板上の位置によって微小構造体の形状を変化させる必要があり、大面積の導光板の作製には時間とコストを要するという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の目的は、金型を必要とせず大面積であっても容易に作製可能な光学部材、面状光源、表示装置及び光学部材の作製方法を提供することである。
【０００８】
本発明の第１の態様に従えば、光を導光する光学部材であって、所定の方向に延在し、前記光を反射する内面を有し、前記内面で前記光を反射させつつ前記光を所定の方向に導光する導光体と、前記導光体の表面上に各々独立して設けられた複数のレンズと、前記導光体の表面に前記レンズを固着するとともに、前記光を前記導光体から抽出して、前記レンズへと入射させる複数の光抽出体とを備える光学部材が提供される。
【０００９】
光抽出体とは、前記導光体の内部を導波する光の一部を前記導光体の外部に出射させる作用と、導光体に対してレンズを固着する作用を兼ね備える部材である。またレンズは集光体とも呼び、前記光抽出体から出射した光を屈折や反射を利用して所望の方向や位置に導くものである。本発明の光学部材においては、導光体の表面上に光抽出体を形成してその導光体中を導光する光を抽出し、その光を抽出体で固着されたレンズによって所定の方向へ出射する構成とした。このような構成を採ることにより、導光体の表面に光を均一に取り出すための溝又は突起等の微小構造体を形成する必要がなく、大面積の光学部材であっても容易に作製することができる。また、後述のように出射光の均一性を高めるなどの目的に沿って、光抽出体の底面の面積や配置密度、レンズの屈折率や大きななどのパラメーターを、導光体上の位置によって変化させることが容易にでき、光の制御性が高いという利点がある。
【００１０】
本発明の光学部材において、レンズとしてはたとえば集光作用を有するレンズとして凸レンズを用いることにより、導光板から抽出体により抽出されレンズに入射した光を、光学部材の正面方向（光学部材の法線方向）に向かって集光させることができる。この凸レンズの形状は略球状であってもよい。この場合には凸レンズが配置される向きによってレンズの集光性能が左右されることがなく、作製する上で好適である。
【００１１】
本発明の光学部材において、前記レンズが、ガラスビーズにより形成されていてもよい。この場合には、径の大きさ及び材質が均一である多数のレンズを容易に形成することができる。
【００１２】
本発明の光学部材において、前記光抽出体が、前記光を拡散させる拡散剤を含有してもよい。導光体の内部で全反射していた光の一部が、導光体と光抽出体との界面で屈折して光抽出体へ入射する際、光は導光体と光抽出体との界面に対してごく浅い角度で光抽出体へと入射する。ここで、光抽出体に拡散材を含有させておくことにより、光抽出体へ入ってきた光を拡散させて上方のレンズへ向かわせることができ、光を効率よく光学部材の正面方向に向かって出射させることができる。
【００１３】
本発明の光学部材において、前記光抽出体が、前記導光体の前記表面に垂直な方向から光を入射させたときの前記レンズの焦点位置に配置されていてもよい。前記光抽出体が、前記導光体の前記表面に垂直な方向から光を入射させたときの前記レンズの焦点位置に配置されているので、光抽出体からレンズに入射した光を、レンズの、光抽出体とは反対側に略平行な光線として出射させることができる。
【００１４】
本発明の光学部材において、前記レンズの、前記導光体の前記表面に対する射影の幅が１００μｍ以下であってもよい。ここで、レンズの、導光体の表面に対する射影の幅とは、レンズを導光体の表面に射影した場合の射影形状の幅を指している。例えば、レンズが半径Ｒの球形である場合には、球形のレンズを導光体の表面に射影した場合の射影形状は、半径Ｒの円であり、射影の幅は２Ｒとなる。本発明において、レンズの、導光体の表面に対する射影の幅が１００μｍ以下であるので、光学部材を正面から見た場合、即ち、光学部材の面方向に垂直な方向（光学部材の法線方向）から光学部材を見た場合に、光学部材の表面に形成されたレンズを目視で認識することが困難となる。これは一般に１００μｍ以下の物体は肉眼で認識しにくくなることによる。例えば、光学部材に光源を接続して、光源から発せられた光を光学部材のレンズが形成されている面（光放出面）から取り出すときには、各レンズは明るく光り、その周りはレンズに比べて暗くなる。しかしながら、本発明の光学部材においてはレンズの射影の幅が１００μｍ以下であるので、各レンズを目視で認識しにくくなる。そのため、光学部材の光放出面に生じた明暗を目視で確認することができず、光学部材の光放出面が一様に光っているように認識される。つまり、光学部材の光放出面における輝度ムラが小さくなる。
【００１５】
本発明の光学部材において、前記導光体の前記表面の面積に対する、前記複数の光抽出体の、前記導光体の前記表面と接する面の面積の総和の比が４０％以下であってもよい。この場合には、導光体の表面の面積に対する、導光体の前記表面と接する面の面積の総和の比、即ち、導光体と光抽出体との接合面積比が４０％以下であるので、光学部材に光源を接続した場合に、光学部材の表面から放出される光の輝度比を５０％以上にすることができる。ここで、輝度比とは、光学部材に光源を接続して、光学部材の表面（光出射面）から光を放出させる場合において、正面輝度の最大値に対する正面輝度の最小値の割合を指している。接合面積比を小さくすることによって導光体の内部を導波する光量を調整し、光源から離れている光抽出体にも十分な光量を送り、輝度の不均一を低減させる事が出来る。また接合面積比を小さくすることによって集光体から出射する光のゆがみ、いわゆる収差（特にザイデル収差）を抑えることが可能となり、より輝度比の高い光を出射することが期待できる。
【００１６】
本発明の光学部材において、前記レンズの屈折率が１．５以上であってもよい。この場合には、レンズの屈折率が１．５以上であるので、光学部材に光源を接続して光学部材の光出射面から光を放出させる場合において、光出射角度、即ち、光出射面の法線から測った、光の広がりの角度を５°以下に抑えることができ、光出射面の法線方向に指向した光を放出することができる。
【００１７】
本発明の光学部材において、前記導光体が柔軟性のある材料により形成されていてもよい。導光体が柔軟性のある材料、例えば、ポリカーボネート、アクリル又はＰＥＴ等の材料によって形成されているので、所望の形状の光学部材、例えば、曲面形状の光学部材を形成することができる。
【００１８】
本発明の光学部材において、光抽出体の導光体の表面と接する面の面積が、前記所定の方向に沿って変化してもよい。光抽出体が導光体の内部を導光する光をレンズに向かって抽出する能力は、光抽出体の、導光体表面と接する面（底面）の面積に依存する。例えば、光学部材の、所定の方向の一端に光源が接続されているような場合には、所定の方向に沿って光源から離れるにつれて、導光体の内部を伝わる光の光量が少なくなる。このような場合は、光抽出部の導光体に対する射影面積を光源から離れる方向に沿って増加させることにより、本発明に係る光学部材は出射する光の均一性を、前記所定の方向に沿って高めることができる。
【００１９】
本発明の第２の態様に従えば、光を所定の面から放出する面状光源であって、本発明の第１の態様に係る光学部材と、前記光を放出し、前記光学部材の前記導光体に光学的に接続された光源ユニットとを備える面状光源が提供される。なお、ここで言う光学的に接続された状態とは、遮光体など光をさえぎるものが間になく光が伝播可能な状態を指す。
【００２０】
本発明の面状光源によれば、本発明の光学部材及び光学部材に光学的に接続された光源ユニットとを備えているので、簡易な構造の面状光源を提供することができる。例えば、軽量且つ大面積の光学部材を用いることが可能であるので、軽量且つ大面積の面状光源を構成することができる。
【００２１】
本発明の面状光源において、光源ユニットが導光体の前記所定の方向の一端に接続されてもよく、光抽出体の導光体の表面と接する面（底面）の面積が、前記光源ユニットから離れる方向に沿って変化していてもよい。たとえば光源ユニットから離れるにつれて導光体の内部を伝わる光の光量が少なくなるが、これを相殺するように、光抽出体の底面の面積を光源ユニットから離れる方向に沿って増加させることにより抽出される光の量を距離に伴い増大させ、前記所定の方向に沿って面状光源から放出する光の均一性を高めることができる。
【００２２】
本発明の面状光源において、前記光源ユニットが発光ダイオードを含んでもよい。上述のように本発明の光学部材は、光抽出体の底面積を光源ユニットからの距離によって変化させることで光の均一性を高めることができるので、指向性の高い点状光源であるＬＥＤを光源として用いた場合であっても、出射光の均一性が高い面状光源を構成することができる。さらに、この均一性向上は、上述のように光抽出体に光を拡散させる拡散剤を含ませることによりさらに効果を高めることができる。
【００２３】
本発明の面状光源において、光源ユニットが、それぞれ異なる波長の光を発する複数の発光ダイオードを含んでもよく、あるいは、複数の発光ダイオードが、赤色、緑色及び青色の光をそれぞれ発する発光ダイオードであってもよい。一般に、光源ユニットが赤色、緑色及び青色など複数の波長の光を発する発光ダイオードを含んでいる場合には、それらの発光量を調整することにより、単一のＬＥＤでは発することができない任意の色の光を発することができる。しかし、このような光源ユニットの場合、各波長のＬＥＤの配置位置が出射光にまで影響し、面状光源から発光する光の色が分離してしまう問題があった。一方、本発明の面状光源では、光抽出体の内部に拡散材を含有させているので、光抽出体へ入ってきた光をここで拡散させて上方のレンズへ向かわせることができる。この作用により、導光体内を導波してきた各波長の光が光抽出体内部で拡散され、混合されて色分離のない光を効率よく光学部材の正面方向に向かって出射させることができる。
【００２４】
本発明の面状光源において、光源ユニットは、紫外光を発する発光ダイオードを有し、光抽出体又はレンズが蛍光材料を含有していてもよい。光抽出体又はレンズは、蛍光材料を含有しているので、面状光源は、光源ユニットから発せられた紫外光を例えば可視光に波長変換して放出することができる。
【００２５】
本発明の第３の態様に従えば、所定の表示を行う表示装置であって、本発明の第２の態様に係る面状光源と、前記光学部材に対向して設けられた表示パネルとを備える表示装置が提供される。本発明の表示装置は、本発明の面状光源を備えているので、面状光源から放出される光は光学部材の正面方向に制御され、たとえば高い均一性を持って照射され、表示パネルを効率よく照らすことができる。そのため、表示パネルに表示された文字等をはっきりと視認することができる。
【００２６】
本発明の第４の態様に従えば、光を導光する光学部材を製造する方法であって、光を透過する板材を用意することと、前記板材の一面の所定の領域に、粘着性または接着性を有する粘着材または接着剤（総じて固着材と呼ぶ）を塗布することと、前記板材の前記一面に集光体を配置して、前記所定の領域に塗布された前記固着材に前記集光体を固着させることとを含む光学部材の製造方法が提供される。
【００２７】
本発明の光学部材の製造方法によれば、金型を作製することなく光学部材を作製することができる。そのため、大面積の光学部材であっても、本製造方法を用いて容易に作製することができる。また、粘着剤や接着剤などの固着材を例えば印刷法により塗布することにより、導光体の表面に、所定の大きさの光抽出体を所定の配置で形成することができる。また、集光体として球形のレンズを用いた場合には、配置する際に方向を考慮することなく固着材に固着させることができ、作製上好適である。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の光学部材を用いることにより、均一性などの光の制御性が高くかつ、軽量、大面積の面状光源を容易に作製することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
〈第１の実施形態〉
本発明の光学部材を備える面状光源１００の構造について、図１（ａ），（ｂ）を参照しつつ説明する。図１（ａ），（ｂ）に示すように、面状光源１００は、光源ユニット２と、光源ユニット２に光学的に接続された導光部１とを主に備える。光源ユニット２は、外観が約３０ｃｍの長さの棒状体であって白色光を射出するＬＥＤチップ２１の連装体と、ＬＥＤチップ２１を取り巻いて配置された反射体２２とを備える。ＬＥＤチップ２１は導光部１の端面に対向して配置されている。反射体２２は、反射率９０％以上の白色樹脂の成形体であり、ＬＥＤチップ２１から放出された光が光源ユニット２の外部へ漏れないようにＬＥＤチップ２１からの光をその内面で反射させることで導光部１へと向かわせている。
【００３０】
導光部１は、透光性を有する導光板（導光体）１１、導光板１１の一方の面（光射出面１１ａ）に配置された光抽出部（光抽出体）１２、及び、光抽出部１２に対応して設けられた集光部（集光体、レンズ）１３を含む光学部材１Ａと、光抽出部１２及び集光部１３を覆って配置された保護部材１４と、導光板１１の光射出面１１ａと反対側の面を覆って配置された反射部材１５とを備える。導光板１１は、１辺の長さが約３０ｃｍの略正方形の、ポリカーボネート製の板であり、板厚が約２００μｍの主部１１ｃと側端に位置する接続部１１ｄとからなる。なお、導光板１１を構成する板材の屈折率は１．５８である。接続部１１ｄには、光源ユニット２が光学的に接続されており、接続部１１ｄの板厚は約３００μｍである。このように、導光板１１の接続部１１ｄが、主部１１ｃよりも厚いので、導光板１１と光学ユニット２とを、光学的、機械的に確実に接続することができる。
【００３１】
反射部材１５は、厚さ約１００μｍのポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルムと、その上に形成された厚さ約０．２μｍの銀の蒸着膜とから構成されている。この反射部材１５は、導光板１１の光射出面１１ａと反対側の面１１ｂから射出する光を反射することで、光が面１１ｂから漏れることを防止しているので、導光板１１内を導光する光を効率よく光射出面１１ａから取り出すことができる。保護部材（保護フィルム）１４は、厚さ約１００μｍのＰＥＴフィルムにより形成されており、後述する光抽出部１２及び集光部１３を覆って保護する目的により必要に応じて設置することができる。保護部材１４の集光部１３と反対側の面１４ａは、面状光源１００から放出される光が射出する面（面状光源１００の光出射面１００ａ）である。
【００３２】
集光部１３は、平均粒径が約８０μｍの球状の複数のガラスビーズ１３ａからなり、各集光体１３ａの屈折率（λ＝５６０ｎｍ）は、１．８１である。各集光体１３ａは、隣接する集光体１３ａと互いに接触する程の高い密度で導光板１１の導光板１１の光射出面１１ａ上に分散配置されている。光抽出部１２は、拡散剤として酸化チタン粉末（平均粒径４００ｎｍ、充填率５ｗｔ％）を含有するアクリル系ＵＶ樹脂により形成された抽出体１２ａを含む。アクリル系ＵＶ樹脂は屈折率が１．６５の材料を用いた。図１（ｂ）に示すように、各光抽出体１２ａは、導光板１１の光射出面１１ａと接する平坦な底面１２ｂと、集光部１３が配置される側の上面であって凸状に膨らんだドーム型の形状をしている凸面１２ｃとを有する。光抽出体１２ａ及び集光体１３ａの、光射出面１１ａに対する射影の形状、即ち、光射出面１１ａに直交する方向から見た光抽出体１２ａ及び集光体１３ａの形状は、それぞれ直径２８μｍ、８０μｍの円形であり、集光体１３ａの射影の面積に対する光抽出体１２ａの射影の面積の比（以下、「射影面積比」と呼ぶ）は約１３％である。
【００３３】
次に、面状光源１００における光路について説明する。先ず、光の全反射について図２を参照しつつ説明する。媒質Ａ（屈折率μ０）と媒質Ｂ（屈折率μ１）の界面Ｃにおいて、光の入射角θ０と出射角θ１との間には、μ０ｓｉｎθ０＝μ１ｓｉｎθ１の関係がある（スネルの法則）。ここで、出射角θ１＝９０°となるときの入射角θ０は全反射角（θＴ）と呼ばれており、θ０＞θＴである場合には、光は界面Ｃにおいて全反射される。ｓｉｎ９０°＝１なので上記式より、θＴ＝ｓｉｎ−１（μ１／μ０）（つまり、θＴ＝ａｒｃｓｉｎ（μ１／μ０））となり、出射側の媒質Ｂの屈折率μ１が大きくなるほど、全反射角θＴは大きくなる。
【００３４】
図３に示すように、光源ユニット２のＬＥＤチップ２１から放出された光ＥＬのうち、大部分の光は、光学ユニット２と光学的に接続された導光部１の導光板１１へと進む。ＬＥＤチップ２１から放出される光は指向性が高いので、ＬＥＤチップ２１から放出された光は、導光板１１に対してほぼ平行に入射される。即ち、導光板１１の表面に対して浅く（９０°に近い入射角で）入射される。このように、導光板１１の内部に入射した光は、導光板１１と空気との界面（１１ａ及び１１ｂ）で全反射を繰り返しつつ導光板１１の内部を進んでいく。ここで、図３に示すように、導光板１１と光抽出部１２（光抽出体１２ａ）との界面においては、一部の光は導光板１１と各光抽出体１２ａとの界面で屈折して、光抽出体１２ａの内部へと進む。導光板１１と光抽出体１２ａとの界面において、光が全反射しないのは、光抽出体１２ａの屈折率が空気の屈折率よりも大きいからである。そのため前述の通り、導光板１１及び空気の界面よりも、導光板１１及び光抽出部１２の界面の方が、全反射角が大きくなるからである。そのため、導光板１１と空気との界面では全反射していた光のうち、一部の光は、導光板１１と光抽出体１２ａとの界面に到達すると全反射できず、この界面において屈折して光抽出体１２ａに入射する。このように、光抽出部１２を設けることにより、導光板１１の内部で全反射していた光を導光板１１の外に取り出すことができる。なお、光抽出体の屈折率は、導光板１１の屈折率よりも大きいことが好適である。このように構成した場合、光抽出体の内部に伝播した光は、該光学部材の面に対し垂直寄りの方向に屈折させることができ、光学部材の法線方向を照射するのに適している。
【００３５】
光抽出部１２へと進んだ光は、さらに、各光抽出体１２ａの上側面１２ｃに配置された集光体１３ａへと入射する。各集光体１３ａはその下側から入射する光を集光し、集光体１３ａからの光出射時に、光を上方（前方、図３の上方）、即ち、導光板１１の法線方向に向かって集光させる。特に、光抽出体１２ａが集光体１３ａの焦点位置に存在している場合には、光抽出体１２ａから集光体１３ａへと進んだ光は、略平行光として出射することができる。本発明の光学部材からの出射光を、導光板１１の法線方向に向かって略平行光として出射するのに好適な構造は以下のとおりである。第１には上述のように、光抽出体１２ａが集光体１３ａの焦点位置に存在することである。第２には、光抽出体１２ａよりも集光体１３ａのほうが広い投影面積を有する（「射影面積比」が小さい）構造とすることである。上述の第１の実施形態はこの構成例である。このように構成することにより、光抽出体により抽出された光の多くを、集光体のひとつの焦点に集中させることができる。この焦点に集中した光は平行光として集光体を出射させることができる。第３には集光体の屈折率を比較的高く設定することであるが、これについては後述する。一方、集光体１３ａよりも光抽出体１２ａのほうが広い投影面積を有する（「射影面積比」が大きい）構造とすることで、出射光の角度分布が広い面状光源を構成することができる。このように構成することで広い視野角を必要とする照明装置や表示素子のバックライトとして用いることができるので、集光体１３ａと光抽出体の投影面積の比率「射影面積比」は、必要とする照明性能によって適宜設計することが好適である。
【００３６】
次に、このようにして構成された面状光源１００の種々の光学特性について測定した。先ず、面状光源１００から放出される白色光の輝度の角度依存性（角度輝度特性）を測定して、面状光源１００から放出される光の指向性を調べた。図４は、この実施例で製造した面状光源１００の角度輝度特性を示している。図４のグラフの横軸は、光射出面１００ａに垂直な方向に対する角度を表し、縦軸は各角度における放出光の輝度（の相対強度）を示している。これにより、面状光源１００の正面輝度が高いこと、即ち、面状光源１００からは０度方向（正面方向、光学部材の法線方向）に光が強く出射されていることがわかった。
【００３７】
次に、面状光源の光の出射特性に対する、ガラスビーズの粒径の影響を調べるために、集光体として粒径８０μｍのガラスビーズを用いた面状光源と、集光体として粒径２００μｍのガラスビーズを用いた面状光源とを用意して、これらの面状光源の光射出面に輝度ムラが発生しているかどうかを、目視により確認した。集光体１３ａとして粒径８０μｍのガラスビーズを用いた面状光源１００の光射出面１００ａには、肉眼で輝度ムラを確認することはできなかった。これに対して、集光体１３ａとして粒径２００μｍのガラスビーズを用いた場合には、光射出面１００ａに輝度ムラが生じていることが肉眼で確認された。発明者の知見によれば、この違いは、肉眼では１００μｍ以下の物質を認識できないことに起因していると考えられる。つまり、集光体１３ａとして１００μｍより小さい粒径のガラスビーズを用いた場合には、各ガラスビーズを肉眼で把握することはできないため、光射出面１００ａ全体が光っているように見えると考えられる。これに対して、集光体１３ａとして１００μｍよりもかなり大きな粒径のガラスビーズを用いた場合には、光射出面１００ａにおけるガラスビーズ部分とそれ以外の部分との明るさのムラを輝度ムラとして感知しうるのではないかと考えられる。このことから、集光体１３ａとして、粒径１００μｍ以下のガラスビーズを用いることが望ましいと考えられる。また、上記発明者の知見によれば、集光体１３ａとして、球体でない光学部材を用いる場合には、その集光体１３ａの、光射出面１００ａに対する射影が１００μｍ四方の略矩形に収まる程度の大きさであれば、言い換えれば、光射出面１００ａに対する射影の幅が１００μｍ以下であれば、粒径１００μｍ以下のガラスビーズを用いた場合と同様に、輝度ムラが生じないと考えられる。
【００３８】
次に、面状光源の光の出射特性に対する、光抽出体１２ａの底面１２ｂの面積の影響、即ち、光抽出体１２ａと導光板１１の光出射面１１ａとの接合面積の影響を調べるために、光抽出部１２の接合面積比を変化させつつ、輝度比の変化を測定した。ここで、光抽出部の接合面積比とは、導光板１１の光出射面１１ａの面積に対する光抽出部１２の射影面積の割合を表し、集光体の配置密度に相当する。また、輝度比とは、面状光源１００の光射出面１００ａ上における、正面輝度の最大値に対する正面輝度の最小値の割合を表す。つまり、面状光源１００の光射出面１００ａが一様に光っている場合には、輝度比は１００％となる。上記具体例で構成した面状光源１００について、集光体１３ａの配置はそのままにした状態で、各光抽出体１２ａの底面１２ｂの面積を変化させつつ、輝度比の測定を行った。すなわち、光抽出部１２の接合面積比のみを変化させつつ、輝度比の変化を測定した。測定結果を図５に示している。図５によれば、接合面積比を低くすることにより、輝度比を向上させることができ、面状光源１００の光射出面１００ａをほぼ一様に光らせることができることが分かった。例えば、接合面積比を４０％以下にすることで、面状光源１００の輝度比を５０％以上にすることができることが分かった。
【００３９】
次に、面状光源から放出される光の広がりに対する、集光体の屈折率の影響を調べるために、それぞれ異なる屈折率を有する集光体を備える複数の面状光源について、これらの面状光源１００から放出される光の広がりを測定した。本測定に用いられた複数の面状光源の構成は、集光体１５ａの屈折率がそれぞれ異なる点を除いて、上記具体例で構成した面状光源１００と同様である。図６は、これらの面状光源について、集光体１５ａを構成するガラスビーズの屈折率と、面状光源の光出射角度との関係を示している。ここで、光出射角度とは、面状光源１００から放出される光の広がりを表す角度であり、光射出面１００ａの法線から測った角度で定義される。例えば、光出射角度が５°であるとは、面状光源１００から放出される光が、光射出面１００ａの法線に対して５°以内に収束していることを表している。図６によれば、集光部１５を構成する集光体（ガラスビーズ）１５ａの屈折率を高くすることによって、光出射角度を小さく絞ることができる。つまり、光射出面１００ａの法線方向（正面方向）に放出される光の輝度を上げることができ、正面から見て明るい面状光源を作製することができる。逆に、集光体１５ａを構成するガラスビーズの屈折率を低くすることによって、光出射角度を大きくすることができる。ここで、人間が目視で、正面が最も強く光っていると認識できる範囲は、約５°以下であるところ、図６によれば、集光体１５ａの屈折率を１．５以上にすることによって、光出射角度を約５°以下に抑えることができる。つまり、集光体１５ａの屈折率を１．５以上にすることによって、正面方向の輝度が高い面状光源を構成することができる。一方、集光体の屈折率が２．０以上では、集光体内部での全反射により抽出光が集光体から正面方向に出射できにくくなくなるため、該屈折率は２．０以下であることが好適である。
【００４０】
次に、面状光源の正面輝度に対する、光源からの距離の影響を調べるため、上記具体例で構成された面状光源１００について、光射出面１００ａにおける、光射出面からの距離に対する正面輝度の変化について測定した。測定された結果を図７に示している。本測定は、光抽出体１２ａの、導光板１１の光射出面１１ａに対する射影の大きさのパターン（パターンＡ，Ｂ及びＣ）毎に行われた。ここで、各パターンにおける、光抽出体１２ａの底面１２ｂの直径ｄ（以下、単に光抽出体１２ａの直径ｄと呼ぶ）は、下式で示されるように、光源ユニット２と光抽出体１２ａとの間の距離ｌの関数として表されている。図７の横軸は、面状光源１００の光射出面１００ａ上の、導光体１１の光源ユニット２側の端部から測った基準地点までの距離を表し、図７の縦軸は、各基準地点の真上５００ｍｍの測定地点（光射出面１００ａの法線方向に５００ｍｍ離れた点）において測定された正面輝度を表している。
【００４１】
【数１】
2010086661.tif 000003
【００４２】
【表１】
2010086661.tif 000004
【００４３】
ここで、各パターンにおける定数ａ，ｂ及びｃの値は、表１の通りである。また、各パターンにおける、光源ユニット２から基準地点までの距離ｌと、光抽出体１２ａの直径ｄとの関係を表すグラフを図８に示す。図８によれば、パターンＡでは、光抽出体１２ａの直径ｄは、光源ユニット２からの基準地点までの距離ｌによらず一定であり、パターンＢ、Ｃでは光抽出体１２ａの直径ｄは距離ｌが大きくなるにつれて大きくなっている。距離ｌが同じである場合には、パターンＢにおける光抽出体１２ａの直径が、パターンＡにおける光抽出体１２ａの直径よりも大きく、パターンＣにおける光抽出体１２ａの直径は、パターンＢにおける光抽出体１２ａの直径よりもさらに大きい。
【００４４】
図７によれば、パターンＡ、Ｂでは、距離ｌが大きくなると正面輝度が低くなる傾向が見られる。また、パターンＡとパターンＢとを比べると、距離ｌが大きくなった場合には、パターンＡで、正面輝度がより大きく低下していることが分かった。これに対して、パターンＣの場合には、距離ｌによらず、ほぼ一定の正面輝度が得られることがわかった。
【００４５】
発明者の知見によれば、光抽出体１２ａの光取り出し能力（光抽出能力）は、光抽出体１２ａの底面１２ｂの面積に大きく依存していると考えられる。光抽出能力とは、導光板１１の内部において全反射を繰り返している光を、導光板１１の外側へと屈折させて抽出する能力である。ここで、導光体１１の内部を伝わる光は、光抽出部１２との界面に到達するたびに、その一部が導光体１１の外部へと取り出される。そのため、導光板１１の内部を伝わる光の量は、導光板１１の長手方向（図１（ａ）の左右方向）に沿って光源ユニット２から離れるにつれて、減衰すると考えられる。従って、パターンＡのように、導光板１１に、光源ユニットからの距離によらず一定の直径を有する光抽出体１２ａを配置した場合には、導光板１１の内部を伝わる光の量の減衰に伴って、光源ユニット２から離れるにつれて正面輝度が低下したものと考えられる。
【００４６】
これに対して、パターンＢ、Ｃのように、導光板１１の長手方向に沿って光源ユニット２から離れるにつれて、光抽出体１２ａの直径を大きくして光抽出体１２ａの底面１２ｂの面積を大きくすることにより、パターンＡと比べて、導光板１１の光源ユニット２から離れた領域から取り出される光の量を増やすことができ、当該領域における正面輝度を向上させることができる。また、パターンＣのように、光源ユニット２からの距離に応じて光抽出体１２ａの大きさを最適に調整することにより、光源ユニット２からの距離によらず、光源ユニット２から離れる方向（導光板１１の長さ方向）について一様に光る面状光源１００を作製することができる。
【００４７】
なお、本実施形態においては光源ユニットからの距離に伴い光抽出体の底面の面積を増大させた例を示したが、設定する発光分布によってその変化を調整することができる。例えば、面状光源の中央を明るくしたい場合には、光源ユニットから離れるにつれて光抽出体の底面の面積をいったん増大させ、その先では減少させるといった調整も可能である。また、光の進行方向に垂直な方向に対しても変化させることができる。また、集光体の屈折率を変化させる、光抽出体の底面の面積を変化させる等の種々の条件を組み合わせた面状光源を作製することも適宜可能である。
【００４８】
上記のような構造及び光学特性を有する光学部材１Ａの製造方法について、図９を参照しつつ説明する。先ず、導光板となるポリカーボネート製の板材を用意する（Ｓ１）。板材の一面に、所定のパターンで、例えば、固着材が点状に孤立分散したパターンで、固着材を印刷する（Ｓ２）。その後、所定の大きさのガラスビーズを、板材の固着材が印刷された面に配置する（Ｓ３）。このとき、板材の、固着材が印刷された領域にのみガラスビーズを固着することができる。この結果、点状に孤立分散した各固着材が光抽出部の光抽出体となり、各ガラスビーズが集光部の集光体となる。
【００４９】
上述の方法において、印刷によって固着材を塗布しているので、導光板上の所定の領域に、所定の大きさの光抽出体を容易に形成することができる。固着材の塗布は、必ずしも印刷による塗布に限定されるわけではないが、印刷により固着材を塗布することにより、所望の微細なパターンで、容易に固着材を塗布することができる。そのため、例えば前述のような粒径１００μｍ以下の非常に小さなガラスビーズを用いる場合であっても、ガラスビーズが互いに接するように、固着材を密に塗布することが容易となる。また、上述の方法によれば、集光体としてガラスビーズのような球形の光学部材を用いているので、ガラスビーズを板材の固着材が印刷された面に配置する場合において、ガラスビーズの向きを考慮する必要がなく好適である。
【００５０】
〈第２の実施形態〉
図１０に示すように、第２の実施形態における面状光源２００の光源ユニット２０２は、発振波長の異なる３種類のＬＥＤチップ２２１Ａ〜Ｃを含んでいる。ＬＥＤチップ２２１Ａ〜Ｃ以外の構成については、第１の実施形態における面状光源１００と同様であり、説明を省略する。ＬＥＤチップ２２１Ａ〜Ｃからは、それぞれ、中心波長６１７ｎｍ、５３０ｎｍ及び４７０ｎｍのＬＥＤ光が放出される。各ＬＥＤチップ２２１Ａ〜Ｃは、光源ユニット２０２の長手方向に沿って、周期的且つ均等に配置されている。
【００５１】
各ＬＥＤチップ２２１Ａ〜Ｃから放出されるＬＥＤ光の光量がほぼ等しくなるように、各ＬＥＤチップ２２１Ａ〜Ｃに入力する電力を調整したところ、面状光源２００から、色の不均一のない白色光が放出されていることを目視確認できた。これは本発明の構成の光抽出体によって、抽出光が拡散、混合された結果、色の分離を抑えることができたためと考えられる。また、各ＬＥＤチップ２２１Ａ〜Ｃに入力する電力を個別に調整することによって、面状光源２００から放出される光の色合いが変化することを確認した。例えば、ＬＥＤチップ２２１Ａに入力する電力を他のＬＥＤチップ２２１Ｂ，Ｃに入力する電力よりも多くするなどして、ＬＥＤチップ２２１Ａの輝度が他のＬＥＤチップ２２１Ｂ，Ｃの輝度よりも大きくなるように調整すれば、面状光源から赤みがかった光が放出される。同様に、ＬＥＤチップ２２１Ｂ及び２２１Ｃに入力する電力を多くするなどすれば、それぞれ緑がかった光、青みがかった光が面状光源から放出される。このように、光の３原色に相当する波長の光を放出するＬＥＤチップを利用することにより、面状光源は任意の色の光を放出することができる。
【００５２】
〈第３の実施形態〉
図１１に示されている本実施の形態の面状光源３００の光抽出部３１２（光抽出体３１２ａ）は、拡散剤として酸化チタン粉末を含有するアクリル系ＵＶ樹脂に代えて、蛍光材料としてフルオレセインを含有するアクリル系ＵＶ樹脂により形成した。光源ユニット３０２のＬＥＤチップ３２１は、中心波長３６５ｎｍの紫外光を発する。なお、光抽出部３１２及び光源ユニット３０２のＬＥＤチップ３２１以外の構成については、第１の実施形態における面状光源１００と同様であり、説明を省略する。
【００５３】
本実施の形態の面状光源３００の光出射面からは、可視光（波長λ＝３６０〜８３０ｎｍ）が放出されていることが確認された。ここで、ＬＥＤチップ３２１からは紫外光のみが放出されており、可視光は放出されていない。しかしながら、ＬＥＤチップ３２１から放出された紫外光は蛍光材料（蛍光物質）を励起し、励起された蛍光物質からは可視領域の蛍光が発せられる。つまり、ＬＥＤチップ３２１から放出された紫外光は蛍光材料に吸収され、波長変換されて可視光として放出される。このように、光抽出部３１２にフルオレセインなどの蛍光材料を混ぜることにより、紫外光を放出するＬＥＤチップを利用して、可視光を放出する面状光源を作製することができる。
【００５４】
このようにして作成された面状光源３００から放出される光の指向性を調べるために、面状光源３００から放出される光の輝度の角度依存性（角度輝度特性）を測定した。本測定は、第１の実施形態の面状光源１００についての角度輝度特性の測定と同様にして行われた。図１２は、測定された面状光源３００の角度輝度特性を示しており、グラフの縦軸及び横軸は図４と同様である。図１２に示された角度輝度特性の測定結果から、面状光源３００においても正面輝度が高いこと、即ち、面状光源３００からは０度方向（正面方向）に光が強く出射されていることがわかった。これは、蛍光材料が紫外線を吸収して可視光を発光する際に、その発光方向の角度範囲が広いため、拡散光と同様の広がりとなった結果、第１の実施形態と同様に集光体の焦点近傍を通過する光として集光体に入射し、略平行光として正面方向に出射したものと考えられる。
【００５５】
なお、本実施の形態において、蛍光材料としてフルオレセインを用いたが、使用可能な蛍光材料はこれに限られず、例えば、スチルベン系の蛍光材料又はＹＡＧ系の蛍光材料等の一般的な蛍光材料を用いることもできる。光抽出部３１２の光抽出体３１２ａを形成する際に上記蛍光材料を混ぜてもよく、それに加えて、又はそれに代えて、集光部の集光体を形成する際に上記蛍光材料を混ぜてもよい。あるいは、蛍光材料を光抽出体及び／又は集光体の表面に塗布してもよい。
【００５６】
〈第４の実施形態〉
図１３に示された表示装置４００は、第１の実施の形態に係る面状光源１００と、面状光源１００の光射出面１００ａの上に配置された表示パネルとしての液晶パネル４０１と、液晶パネル４０１を制御して所望の表示を形成させる制御部４０２とを備える。液晶パネル４０１は、面状光源１００の光出射面１００ａの上に配置されているので、表示装置４００は、面状光源１００を液晶パネル４０１のバックライトとして利用することができる。前述の通り、面状光源１００の正面輝度は高く、光射出面１００ａの正面方向に光が強く射出されているので、液晶パネル４０１を正面側（液晶パネル４０１の、面状光源１００と対向する面とは反対の面側）から見たときに、液晶パネル４０１に表示されている文字等をはっきりと視認することができる。
【００５７】
また、面状光源１００に代えて、第２や第３の実施の形態に係る面状光源２００を液晶パネル４０１のバックライトとして用いてもよい。いずれの場合にも、液晶パネル４０１に所定のカラーフィルターを用いることによって、表示される文字、画像等をカラーで表示することができる。
【００５８】
いずれの場合であっても、面状光源１００または面状光源２００は、軽量であって且つ大面積の光源とすることができるので、表示装置４００の軽量化を図ることができ、さらに、表示装置４００の大画面化を図ることができる。なお、表示装置４００に用いられる表示パネルは、液晶パネルに限られず、例えば絵、図形等が表示された透明な板などの任意の表示パネルを使用しうる。
【００５９】
なお、上記第１および第２の実施の形態において、光抽出体に含まれる拡散材として酸化チタン粉末が用いられていたが、これに限定されず、例えば、酸化マグネシウム、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、及び酸化亜鉛などの酸化物あるいはアクリル樹脂及びシリコン樹脂等の高分子樹脂を用いてもよい。また、上記実施例においては、拡散材として用いられている酸化チタンの平均粒径が４００ｎｍであり、充填率が５ｗｔ％であったが、これに限定されず、拡散材として機能しうる限りにおいて任意の粒径の拡散材を任意の充填率で使用しうる。また拡散部材な内部に空洞が存在してもかまわない。
【００６０】
上記実施の形態において、集光体としてガラスを材料とするガラスビーズが用いられていたが、集光体として利用可能な材料はこれに限られない。例えば、アクリル、ポリエチレン及びポリスチレン等の高分子樹脂を利用することも可能であり、各種金属酸化物、金属フッ化物、金属窒化物等を利用することもできる。またその形状も球形の凸レンズを例としたが、これに限らず必要とする光学性能に応じて選定しうる。たとえば半球状レンズ、凹レンズ、またプリズムや多面体形状の集光体を用いることもできる。また、導光体として、例えば、ポリカーボネート、アクリル又はＰＥＴ等の柔軟性のある材料を用いることにより、所望の形状に柔軟に変形しうる光学部材、例えば、曲面形状に変形しうる光学部材を形成することができる。本発明の光源として、ＬＥＤを用いた例を示したが、蛍光管や電球など任意の光源を用いることが可能である。また本発明の光学部材を用いた面状光源の代表的な応用として、液晶表示素子のバックライトの例を示したが、面状の照明装置として広く応用が可能であり、各種の照明器具や看板、表示素子などに利用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
面状の照明装置として応用が可能であり、液晶表示素子のバックライトや各種の照明器具や看板、表示素子など、特に大面積の面状光源を軽量かつ容易に提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】図１（ａ）は、第１の実施形態に係る面状光源１００の概略図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＩＢ−ＩＢ線断面図である。
【図２】図２は、光の屈折についての説明図である。
【図３】図３は、面状光源１００における光路を示す概略図である。
【図４】図４は、面状光源１００の角度輝度測定の結果を示すグラフである。
【図５】図５は、面状光源１００における、光抽出部１２の接合面積比に対する輝度比の変化を示すグラフである。
【図６】図６は、集光部１５の屈折率に対する面状光源１００の光出射角度の関係を示すグラフである。
【図７】図７は、光源からの距離に対する正面輝度の変化を示すグラフである。
【図８】図８は、パターンＡ〜Ｃにおける、光源からの距離ｌに対する光抽出部の射影直径ｄの関係を示すグラフである。
【図９】図９は、本発明に係る光学部材の製造方法を表すフローチャートである。
【図１０】図１０は、第２の実施形態に係る面状光源２００を示す概略図である。
【図１１】図１１は、第３の実施形態に係る面状光源３００の図３相当図である。
【図１２】図１２は、面状光源３００の角度輝度測定の結果を示すグラフである。
【図１３】図１３は、第４の実施形態に係る表示装置の概略図である。
【符号の説明】
【００６３】
２      光学ユニット
１１    導光板
１２    光抽出部
１２ａ    光抽出体
１３    集光部
１３ａ    集光体
１００、２００、３００  面状光源
４００  表示装置
【図１】
2010086661.tif 000005
【図２】
2010086661.tif 000006
【図３】
2010086661.tif 000007
【図４】
2010086661.tif 000008
【図５】
2010086661.tif 000009
【図６】
2010086661.tif 000010
【図７】
2010086661.tif 000011
【図８】
2010086661.tif 000012
【図９】
2010086661.tif 000013
【図１０】
2010086661.tif 000014
【図１１】
2010086661.tif 000015
【図１２】
2010086661.tif 000016
【図１３】
2010086661.tif 000017