(57)【要約】【課題】正面輝度と光の利用効率とを向上させる光学素子を提供する。【解決手段】有機電界発光素子４のガラス基板１５に、輝度向上フィルム５の入射面６を密着して配置する。輝度向上フィルム５の入射面６の反対側には複数の凸部７が設けられている。凸部７は円錐台形であり、液晶パネル２の画素１０の開口部１１の鉛直下に凸部７が配置されている。入射面１３とほぼ垂直に輝度向上フィルム５に入射した光は、凸部７の上面１３からほとんど屈折せずに出射される。一方、入射面６に対して傾いて輝度向上フィルム５に入射した光は、凸部の稜面１４において、入射面６の垂線方向に近づくよう屈折して出射する。これにより、正面輝度が向上する。また、凸部７と凸部７との間で光が散乱反射するので、光の利用効率が向上する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
面状照明素子と液晶パネルとの間に設けられ、前記面上照明素子から出射される光を集光する光学素子であって、
前記面状照明素子から出射される光が入射する入射面を有し、
前記入射面と対向する面には複数の凸部が設けられ、
前記複数の凸部のうち略全ての凸部は、前記液晶パネルの画素の開口部に対応しうる位置に配置されている
ことを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記面状照明素子は、線状発光素子と、当該発光素子からの光を端面から取り込み、面上の出射面から前記光を出射する面状導光体を有する請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記凸部は、前記入射面と平行な面を有する請求項２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記面状照明素子は有機電界発光素子であり、前記凸部は円錐台形または多角錘台形である請求項１に記載の光学素子。
【請求項５】
前記凸部と凸部との間の部分には、当該凸部と凸部との間の部分に到達した光を全て前記光学素子内に反射する反射手段が設けられている請求項４に記載の光学素子。
【請求項６】
前記反射手段は、散乱機能も有する請求項５に記載の光学素子。
【請求項７】
有機電界発光素子と、前記有機電界発光素子の光出射方向側に配置された、請求項４から請求項６のいずれか一項に記載の光学素子とを有する面状照明装置。
【請求項８】
液晶パネルと、前記液晶パネルの観察者と反対側に設けられた請求項７に記載の面状照明装置とからなる液晶表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光学素子、面状照明装置及び液晶表示装置に係る。
【０００２】
【従来の技術】
従来、薄型の表示装置として液晶を用いた表示装置が、パーソナルコンピュータやＰＤＡ（携帯情報端末）等に使われている。このような液晶表示装置は、使用者が正面から観察することが多いため、正面の輝度が高いことが望まれる。
【０００３】
そのため、図５に示すように、液晶パネル４１の背面に設置された導光板４２の表面に、輝度向上フィルム４３と呼ばれる集光性を有する光学素子が配置されている。輝度向上フィルム４３は、導光板４２から液晶パネル４１に対して斜めの方向に出射された光を、液晶パネル４１と垂直な方向に近づくよう屈折させるものである。このような輝度向上フィルム４３を設けることにより、バックライト４２から出射される光は望ましい方向に集光され、液晶表示装置４０の正面輝度が向上する。
【０００４】
輝度向上フィルム４３の構造としては、例えば特許文献１に記載されたようなものが知られている。特許文献１に記載されたプリズムシートは断面三角形状のプリズムがストライプ状に形成されているものであり、このプリズム部でバックライトからの光を集光する。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０−５０６５００号公報（図１）
【０００６】
【特許文献２】
特開２０００−１４８０３２号公報（段落番号０００８、図３）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
液晶パネル４１には複数の画素がマトリクス状に配置されており、各画素には赤、青又は緑のカラーフィルタが設けられている。そして、各画素には、光を透過しうる部分（開口部）と、電極や液晶制御回路等が設けられている光を透過しない部分（周辺部）とがある。
導光板から出射された光は、プリズムシートのプリズムによって液晶パネルと垂直な方向に近づくように集光される。しかし、画素の周辺部の鉛直下に位置するプリズムで集光された光は、液晶パネルを通過することができないので、このような光は液晶表示装置の輝度の向上には何ら寄与しない。すなわち、画素の周辺部の鉛直下にプリズムが配置されている液晶表示装置は、光の利用効率が高くないと言える。
【０００８】
本発明は上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は正面輝度を向上させるとともに、光の利用効率も向上させる光学素子と、当該光学素子を用いた面状照明装置及び液晶表示装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、面状照明素子と液晶パネルとの間に設けられ、前記面上照明素子から出射される光を集光する光学素子であって、面状照明素子から出射される光が入射する入射面を有し、入射面と対向する面には複数の凸部が設けられ、複数の凸部のうち略全ての凸部は、液晶パネルの画素の開口部に対応しうる位置に配置されていることを特徴とする。
【００１０】
この発明によれば、光学素子上の略全ての凸部が液晶パネルの画素の開口部に対応するように光学素子を配置することが可能となり、凸部で集光した光をほぼ全ての画素の開口部から出射することが可能となる。この結果、液晶パネルの正面方向の輝度を向上させることができ、また、光の利用効率も向上させることができる。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光学素子であって、面状照明素子は、線状発光素子と、当該線状発光素子からの光を端面から取り込み、面状の出射面から光を出射する面状導光体とを有する。
【００１２】
この発明によれば、面状導光体からの光を液晶パネルの垂直方向に近づくように集光した上で、液晶パネルの画素の開口部に向けて出射することができる。従って、正面輝度と光の利用効率を向上させることができる。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の光学素子であって、凸部が入射面と平行な面を有する。
【００１４】
この発明によれば、凸部上にある入射面と平行な面の鉛直下から、液晶パネルとほぼ垂直に出射された光を、屈折させることなく液晶パネルへ出射する。従って、屈折させる必要のない光を屈折させることなく出射するため、液晶パネルの正面輝度が更に向上する。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の光学素子であって、面状照明素子が有機電界発光素子であり、凸部は円錐台形または多角錘台形である。
【００１６】
この発明によれば、出射面内の方向について等方性の光出射特性を有する有機電界発光素子から出射される光を、液晶パネルの垂直方向に近づくよう効果的に集光した上で、液晶パネルの開口部に向けて出射させることができる。更に、凸部は円錐台形又は多角錘台形であるため、凸部上面の鉛直下から、液晶パネルとほぼ垂直に出射された光を、屈折させることなく液晶パネルへ出射する。ここで、出射面内の方向について等方性の光出射特性を有するとは、出射する光のある方向の輝度が、その方向を出射面へ正射影した成分の方向には依存しないことをいう。
【００１７】
従って、有機電界発光素子を用いてバックライトを構成するような液晶表示装置において、効果的に正面の輝度を向上させることができるとともに、光を効率的に利用できる。
【００１８】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載された光学素子であって、凸部と凸部との間の部分には、この部分に到達した光を全て光学素子内に反射する反射手段が設けられている。
【００１９】
この発明によれば、液晶パネルの画素の周辺部の鉛直下には反射手段が配置される。このため、液晶パネルの画素の開口部の鉛直下のみから、液晶パネルの垂直方向に近づくように集光されている光が出射され、周辺部の鉛直下に達した光は、光学素子の内部に向かって反射され、最終的に凸部から出射される。
【００２０】
従って、液晶パネルの開口部に向かってのみ光を出射できるため、光源から発せられた光の利用効率を更に向上させることができる。
【００２１】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の光学素子であって、反射手段が散乱機能も有する。
【００２２】
この発明によれば、液晶パネルの周辺部の鉛直下に達した光が反射する際に、様々な方向に散乱されるため、反射した後に、凸部から出射される光がより多くなる。従って、光の利用効率を更に向上することができる。
【００２３】
請求項７に記載の発明は、有機電界発光素子と、有機電界発光素子の光出射方向側に配置された請求項４から請求項６のいずれか一項に記載の光学素子とを有する面状照明装置である。
【００２４】
この発明によれば、有機電界発光素子は通常の面状導光体よりも極めて薄いため、面状照明装置を薄くできる。更に、有機電界発光素子の光出射特性に適合した光学素子を組み合わせるため、面状照明装置の正面輝度と光の利用効率とを向上させることができる。
【００２５】
請求項８に記載の発明は、液晶パネルと、液晶パネルの観察者と反対側に設けられた請求項７に記載の面状照明装置とからなる液晶表示装置である。
【００２６】
この発明によれば、正面輝度が高く、光の利用効率の高い液晶表示装置を得ることができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化した一実施の形態を図１〜図３に従って説明する。
【００２８】
本実施の形態は、液晶パネル２と、有機電界発光素子４を用いたバックライト３とを有する液晶表示装置１である。
【００２９】
液晶パネル２は公知のもので、赤、青又は緑のカラーフィルタを有する複数の画素１０をマトリクス状に配置して、文字や画像等を表示する。
【００３０】
画素１０には、光が通過しうる開口部１１と、液晶制御回路や電極等が配置され、光が通過できない周辺部１２とを有する。
【００３１】
バックライト３は、面状照明素子としての有機電界発光素子４と、光学素子としての輝度向上フィルム５とからなる。
【００３２】
有機電界発光素子４は、ガラス基板１５上に、ＩＴＯ（インジウム錫酸化物）による透明電極、有機層及び金属電極を順に積層して形成されている。
【００３３】
有機電界発光素子４の両電極間に電圧を印加すると、発光層１６が発光する。この実施の形態では、発光色が白色となるように有機発光層１６が構成されている。そして、発光層１６から発せられた光は、ガラス基板１５を通って外部に出射される。
【００３４】
この実施の形態における有機電界発光素子４は、電極及び有機化合物からなる層が平面状に形成されており、電極間に電圧が印加されると、発光層１６のすべての点で同時に同じ色の光が発生する。従って、この実施の形態における有機電界発光素子４は面状発光素子である。
【００３５】
輝度向上フィルム５は、透明な樹脂で形成されており、入射面６としての平坦な面を有し、入射面６と反対側には複数の凸部７が形成されている。入射面６は有機電界発光素子４のガラス基板１５に密着している。
【００３６】
入射面６と反対側に形成された凸部７は、円錐台形をしており、各凸部７の底面が同一の平面上にあるように配置されている。各凸部の底面によって規定される平面を対向面８と呼ぶ。対向面８は入射面６と平行になっている。
【００３７】
図１に示すように、凸部７はすべて同一の形状である。そして、対向面８上に、液晶パネルの画素１０間の間隔と同じ間隔で、液晶パネルの画素１０と同様にマトリクス状に配置されている。すなわち、凸部７は、液晶パネルの画素１０の開口部１１に対応しうる位置に配置されている。
【００３８】
凸部７と凸部７との間の部分には、アルミニウム９が蒸着されており、アルミニウム９の輝度向上フィルム５と対向する面には微小な凹凸が設けられている。すなわち、凸部７と凸部７との間の部分には、凸部７と凸部７との間の部分に到達した光を全て光学素子内に反射する反射手段が設けられている。また、この反射手段は、散乱機能も有している。
【００３９】
次に、上記のように構成された液晶表示装置１の作用を図３に従って説明する。
【００４０】
有機電界発光素子４の両電極間に電圧が印加されると、有機電界発光素子４は発光し、ガラス基板１５から白色の光が出射される。
【００４１】
有機電界発光素子４の発光層１６は平面状に形成されている。これは、点状の発光層が連続して平面状に配置されていると考えることができる。各点状の発光層（発光点）から発せられる光は、この発光点を中心としてすべての方向に均一に発せられる。そして、このような発光点が連続して平面状に配置されているため、ガラス基板１５からはあらゆる方向に光が出射される。
【００４２】
このような発光点が平面状に連続して配置された有機電界発光素子４全体においては、有機電界発光素子４の周縁部を除く部分では、ガラス基板の垂線とのなす角がθである方向の輝度Ｉ（θ）は、
Ｉ（θ）＝Ｉ０ｃｏｓ１／４θ・・・・・・・・・・（１）
で表される。ここで、Ｉ０は垂線方向の輝度である。従って、有機電界発光素子のある方向の輝度は、当該方向とガラス基板１５の表面の垂線となす角度にのみ依存し、ガラス基板１５の表面内の方向には依存しない。すなわち、有機電界発光素子４はガラス基板１５の表面内の方向について等方性の出射特性を有する。
【００４３】
また、式（１）より、有機電界発光素子４から出射される光の輝度は、ガラス基板１５に対して傾いた方向でも比較的高いことが分かる。すなわち、有機電界発光素子４から出射される光の方向は広い範囲の角度にわたって分布しており、そのうち、有機電界発光素子４の正面方向に出射される光の割合は少ない。
【００４４】
このような有機電界発光素子４のガラス基板１５に、上述のような輝度向上フィルム５を配置したときの光路を説明する。図３に示すように、発光層１６で発せられた光はガラス基板１５を通って輝度向上フィルム５に入射する。この時、輝度向上フィルム５の屈折率は空気の屈折率よりも大きく、輝度向上フィルム５はその入射面６において、ガラス基板１５に密着しているため、ガラス基板１５と空気との界面ではガラス基板１５内に全反射するような方向を有する光も、輝度向上フィルム５に入射する。
【００４５】
凸部７の上面１３の鉛直下にある部分から輝度向上フィルム５の入射面６に入射する光（図３中のＡで示される光）のうち、入射面６とほぼ垂直なものは、直接凸部７の上面１３を通過して出射される。この時、光はほとんど屈折しない。従って、有機電界発光素子４から輝度向上フィルム５の入射面６にほぼ垂直な方向に出射された光は、輝度向上フィルム５を、ほぼ垂直な方向に通過する。
【００４６】
このように、円錘台形をした凸部７の上面１３は、有機電界発光素子のうちその鉛直下にある部分から、輝度向上フィルム５の入射面６にほぼ垂直に出射された光を、その方向をほとんど変えることなく通過させるために設けられている。この点で、特許文献２に記載された出射光制御板に設けられている四角錐台形の凸部とは、その作用及び効果を異にする。
【００４７】
凸部７の上面１３を直接透過しない光のうちの一部（図３中のＢで示される光）は、輝度向上フィルム５に設けられた凸部７の稜面１４に達する。ここで、稜面とは、凸部７の上面１３と底面との間の面を指す。このような光は、この稜面１４において、輝度向上フィルム５の入射面６の垂直方向に近づくように屈折する。すなわち、輝度向上フィルム５の入射面６に対してある程度傾いて出射された光は、輝度向上フィルム５に設けられた凸部７の稜面１４において、当該入射面６の垂直方向に近づくように集光される。当該凸部７は円錐台形であるため、入射面６内のすべての方向の光に対して、等しく効果を奏する。
【００４８】
凸部７の上面１３を直接透過しない光のうちの残りの光（図３中のＣで示される光）は、凸部７と凸部７との間に達する。この部分にはアルミニウム９が蒸着されているため、この部分に達した光は、全て輝度向上フィルム５内に反射される。そして、アルミニウム９の表面には微小な凹凸が設けられているため、反射する際に様々な方向に散乱される。散乱反射された光のうちの多くは、その後、輝度向上フィルム５の入射面６や有機電界発光素子４の金属電極等で反射されて、再度凸部７に達する。再度凸部７に達した光のうち、一部は全反射して輝度向上フィルム５の内部に留まるが、それ以外の光は、凸部７から出射される。この時、輝度向上フィルム５の入射面６の垂直方向に近づくように屈折する。
【００４９】
以上記述したように、第１の実施の形態によれば、以下の効果が得られる。
【００５０】
（１）  有機電界発光素子のガラス基板に輝度向上フィルムを密着させる。従って、ガラス基板と輝度向上フィルムとの界面における臨界角度が、ガラス基板と空気との界面における臨界角度よりも小さくなり、空気との界面では全反射してガラス基板から出射されないような角度を持った光であっても、輝度向上フィルムに入射できる。このため、有機電界発光素子で発せられる光のうち、より多くの光を、輝度向上フィルムを通して外部に出射させることができる。
【００５１】
（２）  凸部は、入射面と平行な上面を有する。従って、有機電界発光素子において、その出射面とほぼ垂直に出射される光は、凸部で屈折することなく、そのまま出斜面とほぼ垂直に出射される。このため、錘形の凸部を有する輝度向上フィルムに比べて、有機電界発光素子において望ましい角度で出射された光のうち、輝度向上フィルムにおいて方向を変えられる光が少なくなる。この結果、正面輝度を効果的に向上させることができる。
【００５２】
（３）  凸部は、入射面に対して傾いた稜面を有する。従って、稜面に達した光は、入射面の垂線方向に近づくように屈折する。このため、有機電界発光素子において、出射面に対して角度をもって出射された光も、出射面に垂直方向に近づくようになり、このような光も正面輝度の向上に貢献するようになる。
【００５３】
（４）  凸部は円錐台形である。従って、稜面における集光作用に方向性がない。すなわち、入射面内のどのような方向から稜面に到着した光であっても、同様に、入射面に垂直方向に近づくよう屈折する。このため、特に等方性の出射特性を有する面状発光素子である有機電界発光素子の正面輝度を効果的に向上させる。
【００５４】
（５）  凸部は、液晶パネルの画素の開口部と対応した位置に配置にされている。従って、画素の開口部に向かって、液晶パネルに略垂直な光を出射することができる。
【００５５】
（６）  凸部と凸部との間にはアルミニウムが蒸着されている。従って、凸部以外に部分から光が出射されることはなく、光の利用効率が向上する。
【００５６】
（７）  凸部と凸部との間に蒸着されたアルミニウムの表面には微小な凹凸が設けられている。従って、凸部と凸部との間で反射される光は同時に散乱もされる。このため、凸部と凸部との間の部分で反射された光のうち、その後凸部に達して出射されるものの割合が増え、光の利用効率が更に向上する。
【００５７】
（８）  円錐台形の凸部を有する輝度向上フィルムを、有機電界発光素子に密着させて面状発光装置を形成している。従って、正面輝度の高い面状発光装置を得ることができる。
【００５８】
（９）  円錐台形の凸部を有する輝度向上フィルムを、有機電界発光素子に密着して形成した面状発光装置を、液晶表示装置のバックライトとして用いる。従って、液晶表示装置を構成する液晶パネルの正面の輝度が向上し、正面からの視認性の高い液晶表示装置が得られる。
【００５９】
尚、本発明は前記実施の形態の他、以下の態様で実施してもよい。
【００６０】
○  実施の形態では凸部を円錐台形としたが、凸部の形状は円錐台形に限られるものではなく、多角錘台形であってもよい。凸部が多角錘台形であっても、円錐台形場合とほぼ同様な効果が得られる。
【００６１】
○  実施の形態においては、液晶表示装置のバックライトとして、有機電界発光素子を用いたが、これに限られず、光源と導光板とからなる面状照明装置をバックライトとして用いてもよい。
【００６２】
この場合も、有機電界発光素子をバックライトとして用いた場合と同様に、正面輝度と光の利用効率を向上させることができる。
○  実施の形態において、凸部と凸部との間にはアルミニウムを蒸着させて反射手段を形成したが、反射手段は蒸着されたアルミニウムに限られず、他の反射率の高い金属その他の部材であってもよい。凸部と凸部との間に達した光を、輝度向上フィルムから透過させずに反射させるものであれば、第１、第２の実施の形態と同様の効果を奏する。
○  実施の形態において、有機電界発光素子の発光色は白色であるとしたが、白色に限られず、他の色であってもよい。
【００６３】
○  実施の形態では、有機電界発光素子と輝度向上フィルムとからなる面状照明装置を、液晶表示装置のバックライトとして用いたが、これに限られず、当該面状発光装置を他の用途、例えば照明装置単体として用いてもよい。この場合にも、正面の輝度が高い面状発光装置として用いることができる。
【００６４】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば正面輝度と光の利用効率とを向上させる光学素子と、当該光学素子を用いた面状照明装置及び液晶表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態の断面模式図。
【図２】実施の形態の液晶パネルの画素の拡大模式図。
【図３】実施の形態の拡大した断面模式図。
【図４】従来技術の断面模式図。
【符号の説明】
１…液晶表示装置、２…液晶パネル、３…バックライト（面状照明装置）、４…有機電界発光素子（面状照明素子）、５…輝度向上フィルム（光学素子）、６…入射面、７…凸部、９…アルミニウム（反射手段）、１０…画素、１１…開口部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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