(57)【要約】【課題】光源からさまざまな角度で入射する光を、目標出射半値角内に集光することができる集光シートを提供することである。【解決手段】集光シート１１０は、シート面に直交する方向の断面形状が略台形形状である単位形状を有し、台形の上底部分を入射面１１２ａとし、台形の下底部分を出射面１１２ｂとして単位形状をシート面方向に複数並べて配置された光透過性を有する透過部１１２と、透過部１１２の単位形状の間に設けられている部分であって、入射面１１２ａに入射しない光を反射する反射部１１３とを備え、透過部１１２と反射部１１３との境界部１１３ｂは、入射面１１２ａに入射して境界部１１３ａに当たる光を反射して出射面１１２ｂに向けることにより目標出射半値角以内に出射光を集光する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シート面に直交する方向の断面形状が略台形形状である単位形状を有し、前記台形の上底部分を入射面とし、前記台形の下底部分を出射面として前記単位形状をシート面方向に複数並べて配置された光透過性を有する透過部と、
前記透過部の単位形状の間に設けられている部分であって、前記入射面に入射しない光を反射する反射部と、
を備え、
前記透過部と前記反射部との境界部は、前記入射面に入射して前記境界部に当たる光を反射して前記出射面に向けることにより目標出射半値角以内に出射光を集光する集光シート。
【請求項２】
請求項１に記載の集光シートにおいて、
前記反射部は、前記透過部よりも屈折率が低く、
前記透過部と前記反射部との境界部は、前記入射面に入射して前記境界部に当たる光を全反射して前記出射面に向けること、
を特徴とする集光シート。
【請求項３】
請求項１に記載の集光シートにおいて、
前記反射部は、前記透過部よりも屈折率が低い素材をベースとしており、前記屈折率が低い素材中に光を反射する反射ビーズが混入されていること、
を特徴とする集光シート。
【請求項４】
請求項１に記載の集光シートにおいて、
前記透過部は、光透過性を有した素材により形成されており、
前記透過部と前記反射部との境界部に反射膜を有していること、
を特徴とする集光シート。
【請求項５】
請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の集光シートにおいて、
前記入射面よりも入射側に一体又は別体で設けられた層であって、この層に入射する光を所定の出射角度範囲を除外した出射角度に偏向して出射させて前記入射面に入射させる入射調整層を有すること、
を特徴とする集光シート。
【請求項６】
請求項５に記載の集光シートにおいて、
前記入射調整層が除外する前記入射調整層からの出射角度をα°からβ°（α＜β）とすると、
前記角度α°は、前記目標出射半値角と略等しく、
少なくとも前記角度β°以上の角度で前記入射面に入射した光の大部分は、前記透過部と前記反射部との境界部に当たって反射すること、
を特徴とする集光シート。
【請求項７】
請求項５又は請求項６に記載の集光シートにおいて、
前記入射調整層は、シート面に直交する方向の断面形状が略二等辺三角形形状であってその底辺が光源側になるように配置された単位形状をシート面方向に複数並べて配置された第１の調整部と、
前記第１の調整部の間隙に相当する部分であって、シート面に直交する方向の断面形状が略二等辺三角形形状であってその頂点が光源側になるように配置された単位形状をシート面方向に複数並べて配置された第２の調整部と、
を有し、
前記第１の調整部は、前記第２の調整部よりも屈折率が高いこと、
を特徴とする集光シート。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶表示装置のバックライト装置等に使用される集光シートに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
透過型の液晶ディスプレイ等を背面から照明する面光源として各種方式のバックライトが提案、実用化している。バックライトには、主として、面光源でない光源を面光源に変換する方式によりエッジライト型と直下型とがある。これらいずれの形態のバックライトにおいても、光を適度に集光する集光シートが用いられている（特許文献１参照）。
【０００３】
しかし、上述の従来の集光シートでは、光源からさまざまな角度で入射する光を、目標とする出射角度内に集めきれずに、不要な方向へ出射する光が多く、十分な集光効果を得ることができなかった。
【特許文献１】特開平１０−１７０７２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の課題は、光源からさまざまな角度で入射する光を、目標出射半値角内に集光することができる集光シートを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、以下のような解決手段により、前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために、本発明の実施例に対応する符号を付して説明するが、これに限定されるものではない。
請求項１の発明は、シート面に直交する方向の断面形状が略台形形状である単位形状を有し、前記台形の上底部分を入射面（１１２ａ）とし、前記台形の下底部分を出射面（１１２ｂ）として前記単位形状をシート面方向に複数並べて配置された光透過性を有する透過部（１１２）と、前記透過部の単位形状の間に設けられている部分であって、前記入射面に入射しない光を反射する反射部（１１３）と、を備え、前記透過部と前記反射部との境界部（１１３ｂ）は、前記入射面に入射して前記境界部に当たる光を反射して前記出射面に向けることにより目標出射半値角以内に出射光を集光する集光シート（１１０，２００）である。
【０００６】
請求項２の発明は、請求項１に記載の集光シート（１１０，２００）において、前記反射部（１１３）は、前記透過部（１１２）よりも屈折率が低く、前記透過部と前記反射部との境界部（１１３ｂ）は、前記入射面に入射して前記境界部に当たる光を全反射して前記出射面に向けること、を特徴とする集光シートである。
【０００７】
請求項３の発明は、請求項１に記載の集光シートにおいて、前記反射部（１１３）は、前記透過部（１１２）よりも屈折率が低い素材をベースとしており、前記屈折率が低い素材中に光を反射する反射ビーズ（１１４）が混入されていること、を特徴とする集光シート（１１０，２００）である。
【０００８】
請求項４の発明は、請求項１に記載の集光シートにおいて、前記透過部（１１２）は、光透過性を有した素材により形成されており、前記透過部と前記反射部との境界部に反射膜（３１３）を有していること、を特徴とする集光シートである。
【０００９】
請求項５の発明は、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の集光シートにおいて、前記入射面（１１２ａ）よりも入射側に一体又は別体で設けられた層であって、この層に入射する光を所定の出射角度範囲を除外した出射角度に偏向して出射させて前記入射面に入射させる入射調整層（１２０）を有すること、を特徴とする集光シート（２００）である。
【００１０】
請求項６の発明は、請求項５に記載の集光シートにおいて、前記入射調整層（１２０）が除外する前記入射調整層からの出射角度をα°からβ°（α＜β）とすると、前記角度α°は、前記目標出射半値角と略等しく、少なくとも前記角度β°以上の角度で前記入射面に入射した光の大部分は、前記透過部（１１２）と前記反射部（１１３）との境界部（１１３ｂ）に当たって反射すること、を特徴とする集光シート（２００）である。
【００１１】
請求項７の発明は、請求項５又は請求項６に記載の集光シートにおいて、前記入射調整層（１２０）は、シート面に直交する方向の断面形状が略二等辺三角形形状であってその底辺が光源側になるように配置された単位形状をシート面方向に複数並べて配置された第１の調整部（１２１）と、前記第１の調整部の間隙に相当する部分であって、シート面に直交する方向の断面形状が略二等辺三角形形状であってその頂点が光源側になるように配置された単位形状をシート面方向に複数並べて配置された第２の調整部（１２２）と、を有し、前記第１の調整部は、前記第２の調整部よりも屈折率が高いこと、を特徴とする集光シート（２００）である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、光源からさまざまな角度で入射する光を、目標出射半値角内に集光することができ、バックライトなどで、必要な範囲を効率よく照明することができる。
また、入射調整層を設けることにより、より狭い目標出射半値角内に集光することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
光源からさまざまな角度で入射する光を、目標出射半値角内に集光するという目的を、確実に達成することができる集光シートを実現した。
【実施例１】
【００１４】
図１は、本発明の集光シートの実施例１を示す断面図である。
本実施例における集光シート１１０は、基材層１１１，透過部１１２，反射部１１３等を有し、透過型の液晶ディスプレイ等を背面から照明する光源からの光を所定の目標出射半値角内に集光する光学部材である。
【００１５】
ここで、目標出射半値角について説明する。
図６は、目標出射半値角について説明する図である。
曲線Ｌ１は、本実施例における集光シート１１０を使用する前の出射角度分布を表す曲線である。
この曲線Ｌ１では、中央（出射角度０°）において、その明るさ（ゲイン）がピークであるＰ１となっている。半値角とは、このピークの明るさが、半分のＰＨ１となる出射角度を表し、図６では、曲線Ｌ１における半値角は、αである。
本実施例では、この半値角をより狭くすることを目的として集光シート１１０を設けており、その半値角を狭くする目標である角度を、目標出射半値角と呼んでいる。
例えば、曲線Ｌ１の出射特性を有する光源に、集光シートを使用した後の出射特性が曲線Ｌ２のようにして、明るさのピークがＰ２となり、その明るさが半分のＰＨ２となるときの角度をβとしようとしている（βを目標としている）とき、このβが、目標出射半値角となる。
【００１６】
本実施例における集光シート１１０は、略３０°を目標出射半値角としている。
なお、図１及び以下に示す断面図は、シート面に直交する方向の断面を示しており、紙面の奥行方向にこの断面形状が続いて形成されているものとする。
【００１７】
基材層１１１は、集光シート１１０の製造を容易にするためにベースとなるシート材である。なお、製造上必要がなければ、この基材層１１１を省略してもよい。
また、基材層１１１には、必要に応じて拡散剤を混入する等して、適度な光拡散作用を与えてもよい。
【００１８】
透過部１１２は、光透過性を有する材料により形成されており、基材層１１１よりも光源側に配置されている。透過部１１２は、図１に示した断面形状が略台形形状である単位形状をシート面方向（図１では左右方向）に複数並べて配置されており、この台形の上底部分を入射面１１２ａとし、台形の下底部分が出射面１１２ｂとなるように、入射面１１２ａ側（上底側）が光源側に配置されている。透過部１１２の単位形状における台形の斜面に相当する部分は、シート面の垂線に対して８°の傾斜となっている。
【００１９】
反射部１１３は、透過部１１２の単位形状の間に設けられている部分であり、透過部１１２よりも屈折率が低い素材をベースとしており、この素材中に光を反射する反射ビーズ１１４が混入されている。本実施例では、透過部１１２を形成する素材の屈折率は、１．４８であり、反射部１１３は、反射ビーズ１１４以外の部分は、空気であって屈折率１．０である。
【００２０】
反射部１１３は、透過部１１２を形成した後、上記素材に反射ビーズ１１４を混入したものを透過部１１２の間隙部分にスキージで流し込みながら入射面１１２ａ上の反射ビーズ１１４を除去することにより形成する。反射ビーズ１１４の外径は、スキージ法により入射面１１２ａ上に生じる隙間よりも十分に大きいので、入射面１１２ａ上に反射ビーズ１１４が残ってしまうことなく、反射部１１３を形成することができる。
【００２１】
なお、このままでは、反射ビーズ１１４を透過部１１２の間隙部分に保持することができない。この反射ビーズ１１４を透過部１１２の間隙部分に保持するためには、例えば、上部と端部を透明フィルムで蓋をするとよい。
また、反射ビーズ１１４を透過部１１２の間隙部分に保持する他の方法としては、ビーズ表面に薄いホットメルトをコーティングし、これをホットメルトが溶ける程度まで熱することにより、反射ビーズ１１４を固定してもよい。なお、薄いホットメルトをコーティングし、これを細密充填すれば、ビーズ同士の空隙をホットメルトが埋めてしまうこともなく、また、後述する境界部１１３ｂにおける全反射に対しても、コーティング層が薄ければ反射ビーズ１１４と境界部１１３ｂとの接点の面積は極わずかであることから、悪影響は殆どない。
【００２２】
図２は、実施例１の集光シート１１０に入射する光の進み方を示す図である。
反射部１１３は、上述の反射ビーズ１１４を含んでいるので、入射面１１２ａに入射せずに、反射部１１３へ反射面１１３ａから入射した光は、反射ビーズ１１４によって反射されて光源側に戻るようになっている。
また、上述したように、反射部１１３は、透過部１１２よりも屈折率が低いので、透過部１１２と反射部１１３との境界部１１３ｂは、その臨界角よりも大きな角度で当たる光を全反射するようになっている。本実施例において、入射面１１２ａに入射してこの境界部１１３ｂに当たる光は、全反射して出射面１１２ｂに向けられて、目標出射半値角以内に出射光を集光するようになっている。
【００２３】
図２では、光の入射例として、入射角２０°，３０°，４０°で集光シート１１０へ入射する光の進み方をそれぞれ示している。
入射角２０°で入射面１１２ａに入射する光は、大部分が境界部１１３ｂに当たることなくそのまま出射する。また、ごく僅かな光は、境界部１１３ｂにより全反射して出射角度が小さくなって出射している。
また、入射角２０°以下の光については、入射角２０°の例と同様に大部分が境界部１１３ｂに当たることなくそのまま出射する。
さらに、略１２°以下の入射角で入射面１１２ａに入射する光は、入射面１１２ａで屈折して透過部１１２内を略８°（シート面への垂線に対する角度）で進むが、境界部１１３ｂの斜面の角度が８°であるから、全ての光が境界部１１３ｂに当たることなくそのまま出射する。
【００２４】
入射角３０°で入射面１１２ａに入射する光は、大部分が境界部１１３ｂにより全反射して出射角度が小さくなって出射している。また、ごく僅かな光は、境界部１１３ｂに当たることなくそのまま出射している。
入射角２０°〜３０°の光については、境界部１１３ｂにより全反射して出射角度が小さくなって出射する光と、境界部１１３ｂに当たることなくそのまま出射する光とが混在している。
入射角４０°で入射面１１２ａに入射する光は、全て境界部１１３ｂにより全反射して出射角度が略２０°よりも小さくなって出射している。なお、入射角４０°については、反射面１１３ａに入射して反射するものも示しているが、反射面１１３ａに入射する光については、大部分が反射ビーズ１１４によって反射されて光源側に戻るようになっている。なお、図２では、反射面１１３ａの表面で反射しているように示しているが、実際には、反射ビーズ１１４の表面で反射される。
入射角が４０°よりも大きな場合については、この入射角４０°の場合と同様な光の進み方をする。
【００２５】
以上説明したように、境界部１１３ｂに当たることなくそのまま出射する成分を有する入射角は、最大で略３０°であり、それ以上の入射角で入射面１１２ａに入射する光は、境界部１１３ｂにより全反射して出射角度が小さくなって出射する。したがって、集光シート１１０から出射する光の出射角度を略３０°以下に抑えることができる。
【実施例２】
【００２６】
図３は、実施例２における集光シート２００を示す断面図である。
本実施例における集光シート２００は、実施例１における集光シート１１０の光源側に、入射調整層１２０を新たに設け、実施例１における目標出射半値角が３０°であったのを、目標出射半値角２０°としている点が実施例１と異なっている。したがって実施例１と共通する集光シート１１０の部分については、詳細な説明を適宜省略する。
なお、本実施例における集光シート１１０は、その入射側の面に後述の入射調整層１２０が形成されるので、反射ビーズ１１４をこの入射調整層１２０により覆うことにより保持することもでき、その場合には、端部にのみ透明フィルムで蓋をすればよい。
入射調整層１２０は、第１の調整部１２１，第２の調整部１２２を有している。
第１の調整部１２１は、シート面に直交する方向の断面形状が略二等辺三角形形状であってその底辺が光源側になるように配置された単位形状をシート面方向に複数並べて配置された部分である。本実施例では、この第１の調整部１２１の屈折率は、１．５５である。
【００２７】
第２の調整部１２２は、第１の調整部１２１の間隙に相当する部分であって、シート面に直交する方向の断面形状が略二等辺三角形形状であってその頂点が光源側になるように配置された単位形状をシート面方向に複数並べて配置された部分である。本実施例では、この第２の調整部１２２の屈折率は、１．５であり、二等辺三角形の頂角は、１２°である。
このように、第１の調整部１２１は、第２の調整部１２２よりも屈折率が高くなるように構成されている。
【００２８】
図４は、入射調整層１２０の作用を説明する図である。図４には、入射調整層１２０への入射角が２０°，３０°の光を示している。
第１の調整部１２１に入射角２０°で入射した光は、第１の調整部１２１に入射するときに屈折し、その後第２の調整部１２２に入射するときにさらに屈折して、調整部１２２内を略６°（シート面への垂線に対する角度）で進む。第１の調整部１２１と第２の調整部１２２の斜面の角度が６°（二等辺三角形の頂角が１２°）であるから、第２の調整部１２２に入射した後の全ての光がそのまま出射する。
【００２９】
一方、第１の調整部１２１に入射角３０°で入射した光には、２通りの出射パターンが存在する。
一つ目は、上記入射角２０°の場合と同様に第２の調整部１２２に１回入射した後そのまま出射する光（図４中のＡ）である。
二つ目は、第１の調整部１２１に入射してから第２の調整部１２２に入射後、さらに第１の調整部１２１に入射してから第２の調整部１２２に再び入射し、その後出射する光（図４中のＢ）である。
よって、第１の調整部１２１に入射角３０°入射した光は、２方向に分離されて出射することとなる。本実施例では、出射光Ａは、略２０°、出射光Ｂは、略３０°の出射角で出光する。
【００３０】
入射角２０°を超えてから入射角３０°までの光は、この入射角３０°の場合と同様に出射する方向が２通りに分かれている。したがって、入射角が２０°〜３０°の範囲の光は、出射角が略２０°以下の光と、出射角が略３０°以上の光に分けられ、２０°〜３０°で出射する光は殆どない。
また、入射角が２０°以下の光については、略２０°以下で出射し、入射角が３０°以上の光は、３０°以上に出射する。
【００３１】
このように、入射調整層１２０は、入射する光を所定の出射角度範囲（本実施例では、略２０°〜３０°）を除外した出射角度に偏向して出射させて、その後に入射面１１２ａに入射させる。
ここで、入射調整層１２０が除外する入射調整層１２０からの出射角度範囲の内の小さい側の角度である２０°は、集光シート２００の目標出射半値角と等しい。
また、入射調整層１２０が除外する入射調整層１２０からの出射角度範囲の内の大きい側の角度である３０°以上の角度で入射調整層１２０から出射して入射面１１２ａに入射した光の大部分は、透過部１１２と反射部１１３との境界部１１３ｂに当たって反射し、３０°以下の出射角で出射する。
【００３２】
実施例１に示したように、集光シート１１０では、入射角２０°以下の光については、大部分が境界部１１３ｂに当たることなくそのまま出射する。入射角２０°〜３０°の光については、境界部１１３ｂにより全反射して出射角度が小さくなって出射する光と、境界部１１３ｂに当たることなくそのまま出射する光とが混在している。また、入射角が４０°以上の光については、全て境界部１１３ｂにより全反射して出射角度が略２０°よりも小さくなって出射する。
【００３３】
よって、本実施例のように、集光シート１１０よりも光源側に入射調整層１２０を設け、集光シート１１０に入射角２０°〜３０°で入射する光を除外することにより、集光シート１１０（集光シート２００）から出射する光の出射角度を略２０°以下に抑えて集光することができる。
【００３４】
本実施例のように、集光シートよりも光源側に入射調整層を設ける場合の留意すべき点は、以下の２点である。
（１）屈折の場合は、（基材屈折率）×ｓｉｎ（基材中の角度）＝ｓｉｎ（入射又は出射角度）であり、屈折率に影響されるので、第１の調整部の屈折率を高くして入射した光は基材中でより小さい角度にすることで、入射調整層内部の斜面への入射角度が大きくなり、より偏向させる角度に差がつけ易くなる。また、出射する平面（台形底辺）は、屈折率を低くすることで出射後の角度が大きくなることを防ぐ。その意味では、台形部分（透過部）の屈折率は、反射面での全反射可能な範囲内で低い方がよい。
【００３５】
（２）入射角度が０度近傍の光が所望の出射角度より大きくならないように、入射調整層内部の斜面の入射角度と、第１及び第２の調整部の屈折率を選定する。
（変形例）
【００３６】
以上説明した実施例に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の均等の範囲内である。
例えば、各実施例において反射部１１３は、反射ビーズ１１４を混入することにより、光反射性を持たせた例を示したが、これに限らず、例えば、蒸着、無電解メッキ、その他の手法により、反射部を形成してもよい。図５は、蒸着により反射膜３１３を形成した例である。図５に示した例のように、反射部を透過部との境界部にのみ設けるようにしてもよい。
ただし、反射膜３１３を形成した場合、図５中のＡの範囲に入射した光は、反射膜３１３で繰り返し反射されるため、反射損失が相乗され効率が低下してしまうことが多い。この場合、入射側の面に透明フィルムを貼り付け、その上に光分解性の感光材料を塗布し、更にその上に反射層（面上の反射層）を設けた後、出射側の面から平行光で露光感光した後、現像して図５中のＢの範囲の反射層を取り去るようにして、反射部に入射する光を光源側へ戻す反射層を形成してもよい。
【００３７】
また、角度、屈折率も適宜選択することができる。例えば、入射調整層の頂角を３２度、第一の調整部の屈折率１．５５とすれば、第二の調整部の屈折率は、１．４８と透過部の材料と同じにできるとともに、頂角が大きく金型加工も容易となる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の集光シートの実施例１を示す断面図である。
【図２】実施例１の集光シート１１０に入射する光の進み方を示す図である。
【図３】実施例２における集光シート２００を示す断面図である。
【図４】入射調整層１２０の作用を説明する図である。
【図５】蒸着により反射部３１３を形成した例である。
【図６】目標出射半値角について説明する図である。
【符号の説明】
【００３９】
１１０，２００  集光シート
１１１  基材層
１１２  透過部
１１２ａ  入射面
１１２ｂ  出射面
１１３  反射部
１１３ａ  反射面
１１３ｂ  境界部
１１４  反射ビーズ
１２０  入射調整層
１２１  第１の調整部
１２２  第２の調整部
【図１】
2005107095.tif 000003
【図２】
2005107095.tif 000004
【図３】
2005107095.tif 000005
【図４】
2005107095.tif 000006
【図５】
2005107095.tif 000007
【図６】
2005107095.tif 000008