(57)【要約】【課題】モアレ縞の発生を防止して薄型化を可能とした面光源装置、およびそれを備えた液晶表示装置を提供する。【解決手段】面光源装置２０において、光源１から発せられた光は導光板２内部を進行し、所定のピッチで形成された凹凸パターン３がこの光を反射させて、導光板２の光出射面２ａから所定の方向に出射させる。反射板４は、導光板２から光出射面２ａと反対側に漏れ出る光を導光板２側へと反射させる。光分岐層６は、光出射面２ａから所定の方向に出射した光を、一部透過し、一部反射するために、導光板２が薄くても、凹凸パターン３のピッチに起因する出射パターンの濃淡が緩和された状態の光がプリズムシート５に入射する。プリズムシート５は、入射する光を、導光板の法線方向に修正して出射する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
前記光源から発せられた光を導入し内部で進行させる導光板と、
前記導光板内部を進行する光を反射させて、前記導光板の光出射面から所定の方向へ出射させるように所定のピッチで形成された光取り出し手段と、
前記導光板の前記光出射面から前記所定の方向へ出射した光の一部を透過し一部を反射する光分岐層と、
前記光分岐層を透過して入射する光を、前記導光板の法線方向に近い方向に修正して前記導光板側と反対側に出射する修正手段と、
前記導光板から漏れ出る光を前記導光板側へ反射させるように前記導光板の前記光分岐層側とは反対側に設けられた光反射層と、
を備えており、
前記修正手段から出射された後の光を出力光とすることを特徴とする面光源装置。
【請求項２】
前記光源は１個または複数の点光源からなることを特徴とする請求項１に記載の面光源装置。
【請求項３】
前記光源は１個または複数の発光体からなる１個の点光源であり、
前記光取り出し手段は、前記点光源を略中心とした円の半径方向に対して直交する方向に延びるパターンとして形成されており、前記パターンが前記円の半径方向に前記所定のピッチで配置されたものであることを特徴とする請求項１に記載の面光源装置。
【請求項４】
前記光取り出し手段の前記所定のピッチをｐ、前記導光板の厚みをｄとしたとき、
ｐ／ｄ＞０．２
を満たしていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の面光源装置。
【請求項５】
前記導光板の厚みは０．５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の面光源装置。
【請求項６】
前記光分岐層はハーフミラーからなることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の面光源装置。
【請求項７】
前記光分岐層は偏光分離層からなることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の面光源装置。
【請求項８】
前記光源は１個または複数の発光体からなる１個の点光源であり、
前記偏光分離層の透過軸は、前記点光源を略中心とした円の半径方向であることを特徴とする請求項７に記載の面光源装置。
【請求項９】
前記偏光分離層に反射防止層が形成されていることを特徴とする請求項７に記載の面光源装置。
【請求項１０】
前記光源は１個または複数の発光体からなる１個の点光源であり、
前記偏光分離層の透過軸は、前記点光源を略中心とした円の半径方向に対して直交する方向であることを特徴とする請求項９に記載の面光源装置。
【請求項１１】
前記光分岐層と前記反射板との間に位相差フィルムが配置されていることを特徴とする請求項７ないし１０のいずれか１項に記載の面光源装置。
【請求項１２】
前記位相差フィルムは、１／４波長条件を満たし、遅相軸が前記偏光分離層の光透過軸から４５°傾いて配置されていることを特徴とする請求項１１に記載の面光源装置。
【請求項１３】
請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の面光源装置の前記修正手段側に液晶パネルが積層されてなることを特徴とする液晶表示装置。
【請求項１４】
前記液晶パネルに形成された透過開口部ごとに、前記面光源装置の出力光を集光するマイクロレンズが１つ形成されていることを特徴とする請求項１３に記載の液晶表示装置。
【請求項１５】
前記液晶パネルに形成された複数の透過開口部が１つ以上の列をなし、前記列ごとに、前記面光源装置の出力光を集光するマイクロレンズが１つ形成されていることを特徴とする請求項１３に記載の液晶表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は面光源装置およびそれを用いた液晶表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
パーソナルコンピュータや携帯電話等に幅広く利用されている液晶表示装置は、液晶材が自己発光しないために、通常光源装置を具備している。特にモバイル機器に搭載される場合の液晶表示装置には、薄型軽量化を図るために、薄型の導光板と、前記導光板の側部に配置された発光ダイオード（ＬＥＤ）や蛍光管等の光源と、前記光源から出射して導光板の側部から入射し、導光板内部を全反射を繰り返しながら導光する光を、液晶表示パネル側に出射させる光取り出し手段と、を備えた面光源装置が一般的に用いられる。
【０００３】
光取り出し手段としては、拡散反射インクのドット印刷による拡散パターンや導光板に形成されたプリズム等の凹凸パターンが用いられる。より輝度の高いものが要求される際には、凹凸パターンが使用される場合が多い。
【０００４】
従来の代表的な面光源装置として、光取り出し手段として凹凸パターンが導光板表面に形成された例である面光源装置２００を、図８に斜視図で示す。また、図８における破線Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３での断面は全て同様の構成となり、その断面図を図９に示す。
【０００５】
この従来例を第１の従来例と呼ぶ。
【０００６】
第１の従来例の面光源装置２００は、図８および図９から分かるように、複数のＬＥＤである光源３０…と、アクリル等の透明材料からなる導光板３１と、導光板３１の光出射面３１ａに対向する面３１ｂに形成された凹凸パターン３２と、導光板３１の凹凸パターン３２が形成された面３１ｂ側に配置された反射板３３と、光出射面３１ａの外に配置されたプリズムシート３４とによって構成されている。光源３０…は導光板３１の側方に設けられている。
【０００７】
光源３０から出射し、導光板３１の一側面である光入射面３１ｃから導光板３１の内部に導かれた光は、全反射を繰り返しながら導光板３１内部を進行する。そして、導光する際に凹凸パターン３２で反射した光のうち、光出射面３１ａの臨界角よりも小さな角度で進行する光は、光出射面３１ａから外部へ出射する。光出射面３１ａから外部へ出射した光は、プリズムシート３４による屈折および反射によって、出射面法線方向に近い方向に進行方向を変えられ、液晶パネルを照明する。
【０００８】
第１の従来例の面光源装置２００は、面内で均一に発光する薄型の面光源装置であるため、多くの液晶表示装置の光源装置として用いられている。
【０００９】
また、別の面光源装置として、光取り出し手段である凹凸パターン、およびプリズムシートのプリズムを、光源を中心とした同心円状に形成した例である面光源装置３００を、図１０に斜視図で示す。
【００１０】
これを第２の従来例と呼ぶ。第２の従来例は例えば特許文献１に記載されている。
【００１１】
第２の従来例の面光源装置３００は、導光板３１に設けられた光取り出し手段である凹凸パターン３２、およびプリズムシート３４のプリズムが、光源３０を中心とした同心円状に形成される以外は、第１の従来例の面光源装置２００と同様の構成である。図１０における、同心円の半径方向に沿う破線Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３での断面は図９と同様の構成となる。
【００１２】
面光源装置３００では、光源３０から出射される光のほとんどが、凹凸パターン３２、およびプリズムシート３４のプリズムに垂直入射するために、効率的に出射面法線方向に出射しやすく、ほぼ平行光に近い面光源装置が実現可能である。
【００１３】
第１の従来例や第２の従来例の面光源装置２００・３００のプリズムシート３４の光出射面側には、画像を表示するための液晶パネルが積層される。液晶パネルには、例えば特許文献２に記載される技術のように、面光源装置の出力光を開口部に集光するマイクロレンズが形成される場合がある。
【００１４】
この例を図１１に示す。
【００１５】
図１１では、面光源装置４０の光出射面側に、マイクロレンズ４４を備えた液晶パネル４１が積層されている。
【００１６】
液晶パネル４１は、透明電極によって規定される光を透過する透過開口部４２と、主にＴＦＴや信号線等の金属電極によって規定される光遮光部４３とを備えている。マイクロレンズ４４は、液晶パネル４１の面光源装置４０側である一方基板上に、透過開口部４２ごとに対応して形成されている。この従来技術においては、面光源装置４０から出射する光、すなわちマイクロレンズ４４に入射する光は、平行光に近い光であることが、集光効率の点で好ましい。
【００１７】
液晶パネルの透過開口部の形成の仕方やマイクロレンズの配置の仕方としては、図１２のようにレンチキュラレンズと呼ばれるカマボコ状のマイクロレンズ５２を、透過開口部５１の１列につき１つを対応させて配置するもの、図１３または図１４に示すようにお椀状のマイクロレンズ５２を透過開口部５１に対して１対１に配置するものなど、さまざまな配置例がある。図１２では、遮光層５３・５４で仕切られる各絵素に、１つずつ矩形の透過開口部５１が設けられ、当該透過開口部５１により紙面上横方向に形成される各列に１つのマイクロレンズ５２が配置されている。図１３では、遮光層５３・５４で仕切られる各絵素に、３つずつ円形の透過開口部５１が設けられ、各透過開口部５１に１つのマイクロレンズ５２が配置されている。図１４では、遮光層５３・５４で仕切られる各絵素に、１つずつ円形の透過開口部５１が設けられ、各透過開口部５１に１つのマイクロレンズ５２が配置されている。図１４のマイクロレンズ５２は千鳥配置となっている。
【特許文献１】特許第３１５１８３０号公報（登録：２００１年１月２６日、国際公開（ＷＯ９８／１９１０５）：１９９８年５月７日）
【特許文献２】特開２００５−６２７４１号公報（公開：２００５年３月１０日）
【特許文献３】特許第３５２１９４０号公報（登録：２００４年２月２０日、公開（特開平７−４９４９６）：１９９５年２月２１日）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
特にモバイル用途の液晶表示装置において、携帯性やデザインの観点から、薄型化の要求が高まる中で、液晶パネルや面光源装置に使用される部材を薄型化する検討がなされてきた。樹脂成形技術の向上に伴い導光板も薄型化されたが、その結果、表示画面にモアレ縞が発生し、著しく表示を害することがわかった。
【００１９】
その原理について簡単に説明する。
【００２０】
図１５は、以前の面光源装置であって、導光板３１が厚い場合（例えば０．８ｍｍ）の断面図である。部材番号は図８〜図１１のものに対応している。
【００２１】
一般的に液晶パネル４１の画素ピッチは約５０μｍ、プリズムシート３４のピッチは約１５μｍ、導光板３１の凹凸パターン３２のピッチは５０μｍ〜１００μｍ程度である。
【００２２】
導光板３１内を導光して、光取り出し手段である凹凸パターン３２で反射した光は、ある広がり角を持って、導光板３１の出射面から出射し、プリズムシート３４に入射する。導光板３１が厚い場合には、導光板３１の出射光がプリズムシート３４の面内に一様に入射するため、プリズムシート３４で屈折および反射され液晶パネル４１に入射する光は、プリズムシート３４のピッチ１５μｍに等しいピッチで縞状になる。１５μｍピッチの縞は、液晶パネル４１の画素ピッチ５０μｍと比較して、十分に小さいため、モアレ縞の原因とはならない。
【００２３】
図１６は、近年の樹脂成形技術の向上により実現されている面光源装置であって、導光板３１が薄い場合（例えば０．４ｍｍ）の断面図である。部材番号は図８〜図１１のものに対応している。
【００２４】
画素ピッチやプリズムピッチは導光板３１が厚い例と同様である。導光板３１が厚い例と同様に、導光板３１内を導光して、光取り出し手段である凹凸パターン３２で反射した光は、ある広がり角を持って、導光板３１の出射面から出射し、プリズムシート３４に入射する。
【００２５】
導光板３１が厚い場合と異なり、導光板３１が薄い場合には、光取り出し手段とプリズムシート３４との距離が近いために、導光板３１の出射光はプリズムシート３４の面内に不均一に入射する。したがってプリズムシート３４で屈折および反射され液晶パネル４１に入射する光は、光取り出し手段である凹凸パターン３２のピッチ５０μｍ〜１００μｍに近いピッチで縞状になる。５０μｍ〜１００μｍピッチの縞は、ピッチが液晶パネル４１の画素ピッチ５０μｍに近いために、モアレ縞が発生し、著しく表示を害する。
【００２６】
ここで、モアレ縞についてより詳細に、面光源装置の断面図の拡大図である図１７を用いて説明する。
【００２７】
厚みがｄである導光板３１には、凹凸パターン３２（３２ａ、３２ｂ）が形成されており、隣接する凹凸パターン３２ａと３２ｂとの間隔（凹凸パターン３２のピッチ）はｐであるとする。凹凸パターン３２は、面内の輝度分布を均一にするために、基本的には面内でピッチ及び形状が異なるが、ここでは簡単のために面内分布については考慮せず、面内の平均値を用いて説明を進める。
【００２８】
ある広がり角を持って導光板３１内を導光する光６０は、凹凸パターン３２ａまたは３２ｂで反射すると、進行方向が変化する。進行方向が変化した光のうち、導光板３１の光出射面３１ａの臨界角θ２よりも小さい角度で光出射面３１ａに入射する光は、導光板３１外部に出射する。また、進行方向が変化した光のうち、導光板３１の光出射面３１ａの臨界角θ２よりも大きい角度で光出射面３１ａに入射する光は、全反射して導光を続ける。
【００２９】
光出射面３１ａから導光板３１外部に出射する光は、凹凸パターン３２の形状にも依るが、一般的には、臨界角θ２に近い角度で最も強度が大きくなり、角度が小さくなるにつれて徐々に強度は減衰する。
【００３０】
凹凸パターン３２の大きさは導光板３１の厚みに比べて十分小さいとし、濃淡が認識できる程度まで光強度が減衰する角度をθ１とすると、凹凸パターン３２のピッチが出射光の出射パターンに反映される条件、すなわちモアレ縞が発生する条件は、凹凸パターン３２ａを通る傾きθ２の直線と、凹凸パターン３２ｂを通る傾きθ１の直線とが交わる点が、導光板３１の出射面３１ａよりも外部、すなわちプリズムシート３４側にあることである。
【００３１】
つまりモアレ縞が発生する境界条件を数式で示すと、以下の通りである。
ｐ／ｄ＝ｔａｎ（θ２）−ｔａｎ（θ１）
実際の構成では、光出射面３１ａから出射した光は、屈折したのち、プリズムシート３４に入射するため、導光板３１外部に出射する光の重なりの条件は若干異なるが、一般的にプリズムシート３４は導光板３１に近接して配置されるため、ほとんど影響がないとした。
【００３２】
導光板３１に一般的な樹脂材料であるアクリルを使用した場合、θ２は約４２°である。また、濃淡が認識できる光強度の減衰率を２０％とすると、θ１は約３５゜である。このとき、上式より計算すると、ｐ／ｄ＝０．２となり、凹凸パターン３２のピッチｐが１００μｍの場合には、モアレ縞が発生する境界条件は、導光板３１の厚みｄ＝０．５ｍｍである。
【００３３】
すなわち、導光板３１の厚みｄが０．５ｍｍ以上の場合にはモアレ縞が発生しないが、厚みｄが０．５ｍｍ以下の場合にはモアレ縞が発生する。
【００３４】
液晶表示装置の薄型化の要求が高まる中で、導光板３１の厚みが制限されてしまうことは、大きな課題であり、薄型化してもモアレ縞が発生しない構造が望まれていた。
【００３５】
この課題を解決する方法として、凹凸パターン３２のピッチｐを小さくする方法が容易に考えられるが、凹凸パターン３２を形成する切削法の精度および樹脂成形の精度上、５０μｍ以下のピッチで凹凸パターンを形成するのは極めて困難である。
【００３６】
また、別の方法として、図１８に示すように、液晶パネル４１とプリズムシート３４との間に拡散層３５を配置する方法が容易に考えられるが、面光源装置の正面輝度が低下するだけでなく、光の平行度が低下することから、特にマイクロレンズを備えた液晶表示装置において集光効率が低下するため、表示上好ましくなく、薄型化を可能にした状態とは言えなかった。
【００３７】
本発明は、上記の問題点に鑑み、モアレ縞の発生を防止して薄型化を可能とした面光源装置、およびそれを備えた液晶表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３８】
本発明の面光源装置は、上記課題を解決するために、光源と、前記光源から発せられた光を導入し内部で進行させる導光板と、前記導光板内部を進行する光を反射させて、前記導光板の光出射面から所定の方向へ出射させるように所定のピッチで形成された光取り出し手段と、前記導光板の前記光出射面から前記所定の方向へ出射した光の一部を透過し一部を反射する光分岐層と、前記光分岐層を透過して入射する光を、前記導光板の法線方向に近い方向に修正して前記導光板側と反対側に出射する修正手段と、前記導光板から漏れ出る光を前記導光板側へ反射させるように前記導光板の前記光分岐層側とは反対側に設けられた光反射層と、を備えており、前記修正手段から出射された後の光を出力光とすることを特徴としている。
【００３９】
上記の発明によれば、光源から発せられて導光板に導入された光は導光板内部を進行し、所定のピッチで形成された光取り出し手段がこの光を反射させて、導光板の光出射面から所定の方向に出射させる。光反射層は、前記導光板から漏れ出る光を導光板側へ反射させるように導光板の光分岐層側とは反対側に設けられているので、導光板から光出射面と反対側に漏れ出る光を導光板側へと反射し、この光を光出射面から出射する光に寄与させる。そして、光分岐層が、導光板の光出射面から所定の方向に出射した光を、一部透過し、一部反射するために、導光板が薄くても、光取り出し手段のピッチに起因する出射パターンの濃淡が緩和された状態の光が修正手段に入射する。修正手段は、光分岐層を透過して入射する光を、導光板の法線方向に近い方向に修正して導光板側と反対側に出射する。修正手段から出射された後の光は、面光源装置の出力光となる。
【００４０】
従って、このような構成の面光源装置の出力光を液晶パネルに照射しても、面光源装置において修正手段への入射光が光分岐層によって均一な強度分布を有するものとなっているために、表示を害するモアレ縞は発生しない。また、この面光源装置は拡散層が不要である他、光の平行度が変わらないので面光源装置の正面輝度を低下させることもない。
【００４１】
以上により、モアレ縞の発生を防止して薄型化を可能とした面光源装置を提供することができるという効果を奏する。
【００４２】
本発明の面光源装置は、上記課題を解決するために、前記光源は１個または複数の点光源からなることを特徴としている。
【００４３】
上記の発明によれば、発光ダイオードに代表される小型薄型の点光源を使用することによって、薄型の導光板にも光源光を効率的に入射可能であることから、薄型の面光源装置を提供することができるという効果を奏する。さらに、複数の点光源を使用することによって、比較的大きな導光板にも均一に光を入射可能であることから、携帯電話よりも少し大きめの中型液晶にも応用することができるという効果を奏する。
【００４４】
本発明の面光源装置は、上記課題を解決するために、前記光源は１個または複数の発光体からなる１個の点光源であり、前記光取り出し手段は、前記点光源を略中心とした円の半径方向に対して直交する方向に延びるパターンとして形成されており、前記パターンが前記円の半径方向に前記所定のピッチで配置されたものであることを特徴としている。
【００４５】
上記の発明によれば、１個の点光源としての光源から発せられ、導光板の内部を全反射しながら導光される光が、光取り出し手段により進行方向を変えられることによって、均一な強度分布を有する光として、光出射面に平行に近い角度で出射されるという効果を奏する。
【００４６】
本発明の面光源装置は、上記課題を解決するために、前記光取り出し手段の前記所定のピッチをｐ、前記導光板の厚みをｄとしたとき、ｐ／ｄ＞０．２を満たしていることを特徴としている。
【００４７】
上記の発明によれば、従来モアレ縞が発生していた典型的な構成の導光板に対して、モアレ縞の発生を防止することができるという効果を奏する。
【００４８】
本発明の面光源装置は、上記課題を解決するために、前記導光板の厚みは０．５ｍｍ以下であることを特徴としている。
【００４９】
上記の発明によれば、光取り出し手段の所定のピッチを、形成の困難さを回避できる下限値付近の１００μｍに設定したときに、モアレ縞が発生する従来の典型的な厚みの導光板に対して、モアレ縞の発生を良好に防止することができるという効果を奏する。
【００５０】
本発明の面光源装置は、上記課題を解決するために、前記光分岐層はハーフミラーからなることを特徴としている。
【００５１】
上記の発明によれば、光分岐層をハーフミラーで構成することにより、光分岐層の透過率および反射率の設定が容易になるという効果を奏する。
【００５２】
本発明の面光源装置は、上記課題を解決するために、前記光分岐層は偏光分離層からなることを特徴としている。
【００５３】
上記の発明によれば、光分岐層を偏光分離層で構成することにより、光分岐層の透過率および反射率を、導光板から出射する光の偏光状態に合わせて制御することができるという効果を奏する。
【００５４】
本発明の面光源装置は、上記課題を解決するために、前記光源は１個または複数の発光体からなる１個の点光源であり、前記偏光分離層の透過軸は、前記点光源を略中心とした円の半径方向であることを特徴としている。
【００５５】
上記の発明によれば、光源が１個の点光源であって、偏光分離層の透過軸がこの点光源を略中心とした円の半径方向であるので、偏光分離層の透過率が向上し、面光源装置の光利用効率がより高くなるという効果を奏する。
【００５６】
本発明の面光源装置は、上記課題を解決するために、前記偏光分離層に反射防止層が形成されていることを特徴としている。
【００５７】
上記の発明によれば、偏光分離層に反射防止層が形成されているので、偏光分離層の透過率が向上するという効果を奏する。
【００５８】
本発明の面光源装置は、上記課題を解決するために、前記光源は１個または複数の発光体からなる１個の点光源であり、前記偏光分離層の透過軸は、前記点光源を略中心とした円の半径方向に対して直交する方向であることを特徴としている。
【００５９】
上記の発明によれば、光源が１個の点光源であって、偏光分離層に反射防止層が形成されており、偏光分離層の透過軸がこの点光源を略中心とした円の半径方向に対して直交する方向であるので、光分岐層の透過率が向上し、面光源装置の光利用効率がより高くなるという効果を奏する。
【００６０】
本発明の面光源装置は、上記課題を解決するために、前記光分岐層と前記反射板との間に位相差フィルムが配置されていることを特徴としている。
【００６１】
上記の発明によれば、光分岐層としての偏光分離層で反射された光の偏光方向を、位相差フィルムによって変えることにより、当該光が光反射層で反射して偏光分離層に再入射する際に、効率的に偏光分離層を透過するようにすることができるという効果を奏する。
【００６２】
本発明の面光源装置は、上記課題を解決するために、前記位相差フィルムは、１／４波長条件を満たし、遅相軸が前記偏光分離層の光透過軸から４５°傾いて配置されていることを特徴としている。
【００６３】
上記の発明によれば、位相差フィルムが、１／４波長条件を満たし、遅相軸が偏光分離層の透過軸から４５゜傾いているので、偏光分離層で反射して位相差フィルムを透過し、光反射層で反射して再び位相差フィルムを透過した光の偏光方向が、偏光分離層の透過軸と平行になるので、光が非常に効率的に偏光分離層を透過するようにすることができるという効果を奏する。
【００６４】
本発明の液晶表示装置は、上記課題を解決するために、前記面光源装置の前記修正手段側に液晶パネルが積層されてなることを特徴としている。
【００６５】
上記の発明によれば、モアレ縞の発生を防止して薄型化を可能とした液晶表示装置を提供することができるという効果を奏する。
【００６６】
本発明の液晶表示装置は、上記課題を解決するために、前記液晶パネルに形成された透過開口部ごとに、前記面光源装置の出力光を集光するマイクロレンズが１つ形成されていることを特徴としている。
【００６７】
上記の発明によれば、マイクロレンズによって、面光源装置の出力光を液晶パネルに形成された各透過開口部に効率よく集光することができるので、液晶パネルが面光源装置の出力光を効率よく表示に用いることができるという効果を奏する。
【００６８】
本発明の液晶表示装置は、上記課題を解決するために、前記液晶パネルに形成された複数の透過開口部が１つ以上の列をなし、前記列ごとに、前記面光源装置の出力光を集光するマイクロレンズが１つ形成されていることを特徴としている。
【００６９】
上記の発明によれば、マイクロレンズによって、面光源装置の出力光を液晶パネルに形成された各透過開口部に効率よく集光することができるので、液晶パネルが面光源装置の出力光を効率よく表示に用いることができるという効果を奏する。
【発明の効果】
【００７０】
本発明の面光源装置は、以上のように、光源と、前記光源から発せられた光を導入し内部で進行させる導光板と、前記導光板内部を進行する光を反射させて、前記導光板の光出射面から所定の方向へ出射させるように所定のピッチで形成された光取り出し手段と、前記導光板の前記光出射面から前記所定の方向へ出射した光の一部を透過し一部を反射する光分岐層と、前記光分岐層を透過して入射する光を、前記導光板の法線方向に近い方向に修正して前記導光板側と反対側に出射する修正手段と、前記導光板から漏れ出る光を前記導光板側へ反射させるように前記導光板の前記光分岐層側とは反対側に設けられた光反射層と、を備えており、前記修正手段から出射された後の光を出力光とする。
【００７１】
以上により、モアレ縞の発生を防止して薄型化を可能とした面光源装置を提供することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００７２】
本発明の実施形態について図面を参照して以下に説明する。なお、以下で参照する図では、簡略のためにプリズムの個数を少なく記載しているが、実際の導光板にはもっと多数のプリズムが形成されている。
【００７３】
〔第一実施形態〕
本発明の一実施形態について、図１ないし図７を用いて説明すれば以下の通りである。
【００７４】
本実施形態に係る液晶表示装置１００の断面図を図１に示す。また、本実施形態に使用する面光源装置２０の斜視図を図２に示す。
【００７５】
図１に示すように、第一実施形態に係る液晶表示装置１００は、液晶パネル１０と面光源装置２０との積層体から構成される。
【００７６】
液晶パネル１０は、ＴＦＴ等のスイッチング素子や信号線等、および画素電極が、５０μｍピッチで形成された基板（ＴＦＴ基板と呼ぶ）と、画素電極およびＲＧＢのカラーフィルタが周期的に形成された基板（ＣＦ基板と呼ぶ）とを、液晶層を挟持するよう貼り合せた構成であって、透明電極によって規定される透過開口部１１と、主にＴＦＴや信号線等の金属電極によって規定される光遮光部１２とを備えている。そして、透過開口部１１に１対１に対応するよう、ＴＦＴ基板の面光源装置２０側の表面にマイクロレンズ１３を形成してある。
【００７７】
透過開口部１１およびマイクロレンズ１３の配置方法は、背景技術で説明した図１４に示す千鳥配置としたが、他に図１３のような配置でもよいし、図１２のようにレンチキュラレンズと呼ばれるカマボコ状のマイクロレンズを、透過開口部の１列に対応して配置してもよい。
【００７８】
マイクロレンズ１３は公知の方法で形成することができる。具体的には、例えば、以下に説明する工程によって形成される。
【００７９】
まず、所望とするマイクロレンズ１３の形状が精密に形成された金型原盤を用意する。金型原盤と液晶パネル１０のＴＦＴ基板との間に紫外線硬化樹脂を封入する。続いて、封入した樹脂に紫外線を照射し、硬化させる。紫外線硬化樹脂を完全に硬化させた後、金型を静かに剥離する。
【００８０】
上記の方法を用いれば、光学特性の高いマイクロレンズ１３を、容易に、かつ高い量産性で製造することができる。マイクロレンズ１３の材料には、完全に硬化した状態で透明性が高く、かつ複屈折の小さい紫外線硬化樹脂が好適に用いられる。なお、上記方法以外に、例えばイオン交換法やフォトリソグラフィ法、熱だれ法などが用いられる。
【００８１】
また、こうして作成された液晶パネル１０の表裏面には、図示しない偏光板や視角補償用の位相差フィルム等を配置してある。
【００８２】
面光源装置２０は、光源１、導光板２、反射板４、プリズムシート５、および、光分岐層６を備えている。反射板４、導光板２、光分岐層６、および、プリズムシート５はこの順で積層されている。
【００８３】
光源１は、導光板２の側方に配置されている。光源１には、導光板２の幅寸法と比較して十分に幅の狭い光源が用いられ、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）を使用することができる。これにより、光源１は導光板２にとって１個の点光源となる。光源１には、導光板２の幅寸法と比較して十分に小さい幅で配置できるのであれば、１個の発光体からなるもの以外に、複数の発光体が並べられて１個の光源として配置されたものでも、点光源として使用することができる。例えば、１個のＬＥＤランプ内に２つのＬＥＤチップを実装したＬＥＤランプや、ＬＥＤランプを２個近接して並べた場合などがこれに該当する。
【００８４】
発光ダイオードに代表される小型薄型の点光源を使用することによって、薄型の導光板２にも光源光を効率的に入射可能であることから、薄型の面光源装置２０を提供することができる。
【００８５】
導光板２はアクリル等の透明な材料からなる。本実施形態では、導光板２を射出成形によって作成する。導光板２は、略長方形状の平板であり、端部に光入射面２ｃが形成される。光入射面２ｃの外側に、光源１が配置されている。また、光源から発せられる光を効率的に内部に取り込めるように光入射面２ｃ周辺部分の厚みを大きくしてもよい。その場合には、導光板２の厚みが異なる部分をつなげる領域は、導光を妨げないように緩やかな曲線を描く形状とする。導光板２の光分岐層６側の面が光出射面２ａとなっている。
【００８６】
また、導光板２の光出射面２ａに対向する面２ｂには、凹凸パターン（光取り出し手段）３が形成されている。本実施形態では、凹凸パターン３の形状をあらかじめ射出成形用金型に作成しておき、導光板２の射出成形と同時に凹凸パターン３も形成するようにしている。なお導光板２の厚みは、０．４ｍｍとした。
【００８７】
凹凸パターン３の反射面は、図２に示すように、点光源である光源１を中心とした円の半径方向であるＹ方向に対して直交するＸ方向に延びるように形成されている。言い換えれば、凹凸パターン３は、Ｘ方向に延びる溝によって構成されている。これにより、導光板２の内部を全反射しながら導光する光が、凹凸パターン３により進行方向を変えられることによって、光出射面２ａの面に平行に近い角度で出射される。なお、凹凸パターン３は導光板２の一部として設けられているが、光取り出し手段としては、導光板２とは別に設けられたものであってもよい。
【００８８】
光出射面２ａの面に平行に近い角度で出射された光は、プリズムシート５により導光板２の法線方向、すなわち光出射面２ａの法線方向に出射方向を修正される。また、光強度の面内の均一性を得るために、光源１から離れるにつれて、隣接する凹凸パターン３同士の間隔が短くなるようにした。具体的には凹凸パターン３のピッチは５０μｍ〜１００μｍとした。
【００８９】
プリズムシート（修正手段）５としては、薄い透明シート上に、多数のプリズムが樹脂成形されたものを使用した。このようなシートは金型を用いた２Ｐ法により容易に作成可能である。プリズムシート５のプリズムについても、導光板２の凹凸パターン３と同様に、点光源である光源１を中心とした同心円状に配置される。プリズムは、プリズムシート５の導光板２側の面に形成されている。プリズムシート５のプリズムのピッチは１５μｍとし、導光板２から出射した光を効率よく導光板２の法線方向に修正するように、プリズムの傾斜角度を規定している。プリズムシート５は、このように方向を修正した光を、導光板２側とは反対側に出射する。なお、プリズムシート５は、入射する光を必ずしも導光板２の法線方向に修正するものに限らず、入射する光を導光板２の法線方向に近い方向に修正するものであればよい。
【００９０】
プリズムシート５から出射された後の光は、面光源装置２０の出力光となる。プリズムシート５に液晶パネルなどの光照射対象が直接接続される場合には、プリズムシート５の出射光がそのまま面光源装置２０の出力光となる。プリズムシート５にさらに面光源装置２０の部材として接続されるものがある場合には、それらの部材を通過した後の光が面光源装置２０の出力光となる。
【００９１】
反射板（光反射層）４は、導光板２から漏れ出る光を導光板２側へ反射させるように、導光板２の光分岐層６側とは反対側に設けられている。反射板４は、これにより、導光板２の光出射面２ａとは反対側の面２ｂから漏れ出る光を導光板２側へと反射し、この光を光出射面２ａから出射する光に寄与させる。反射板４は、金属薄膜や誘電体多層膜が形成された薄型のシートであって、拡散が少なく、反射率が高いことが好ましい。反射板４は、導光板２の凹凸パターン３が形成された面２ｂの外側に配置されている。実際の凹凸パターン３の占有面積は、導光板２の全面積に対して小さく、また、凹凸パターン３での界面反射率は約４％である（導光板２内を導光する光に対しては１００％全反射する）ことから、反射板４による反射光は、導光板２の光出射面２ａからの出射光の大部分を占める。
【００９２】
光分岐層６は、導光板２の光出射面２ａから出射した光の一部を透過し、一部を反射する。本実施形態では、光分岐層６として、ハーフミラーを用いた。ハーフミラーは、薄い透明なシート上に、銀やアルミニウム等の金属薄膜や誘電体多層膜を、半透明の状態になるよう薄く形成することで作成することができる。
【００９３】
ハーフミラーの透過率については、ハーフミラーの透過率および反射率の設定が容易であることから、凹凸パターン３およびプリズムシート５の設計に応じて自由に変更可能であるが、通常は透過と反射とが１対１となる透過率５０％程度が好ましい。
【００９４】
本実施形態では、ハーフミラーは面内で均一な透過率のものとしたが、面内で透過率を不均一にしてもよい。例えば、ハーフミラーの面内領域を縦横５分割として、それぞれの枡目について透過率を変えた例を図３に示す。同図のハーフミラーでは、中央付近の透過率が最も高く、周辺に向かうにつれて低くなる。このように中央付近の透過率を高くすることによって、中央付近を透過する光が増大するために、中央付近の輝度を向上することができる。
【００９５】
また、別の設計として、光源１から離れるにしたがって透過率を上げることで、導光板２の終端部から漏れる光を少なくして、光利用効率の高い面光源装置を作成することも可能である。
【００９６】
このような透過率が面内で不均一なハーフミラーについては、例えばマスク蒸着等によって作成することができる。
【００９７】
また別の光分岐層６の例として、反射率の高い鏡面に開口を形成した反射層からなるものが挙げられる。開口形状としては、丸い形状や四角形状、ライン状等さまざまな形状が考えられるが、モアレ縞を防ぐためには、その隣接する開口同士間のピッチは、液晶パネル１０の画素ピッチと比較して十分小さくなければならない。また、面内で不均一な形状、配置および透過率としても良い。
【００９８】
さらに別の光分岐層６の例として、偏光分離層からなるものが挙げられる。偏光分離層とは、例えば３Ｍ社製の製品名ＤＢＥＦに代表される、所定軸方向の偏光を選択的に透過させ、それ以外の偏光を反射する機能を備える偏光選択反射フィルムのことを指す。偏光分離層を用いれば、光分岐層６の透過率および反射率を、導光板２から出射する光の偏光状態に合わせて制御することができる。
【００９９】
図４および図５に、光分岐層６として偏光分離層７を用いた場合の断面図を示す。
【０１００】
偏光分離層７の透過軸の方向は、図２で用いたＸ方向、Ｙ方向を用いると、図４では、透過軸がＹ方向の場合であり、図５では透過軸がＸ方向の場合である。
【０１０１】
図４および図５の構成では、偏光分離層７で反射された光が、反射板４で反射して偏光分離層７に再入射する際に、効率的に偏光分離層７を透過するように、反射板４の導光板２側の面上に位相差フィルム８を積層している。偏光分離層７としては、３Ｍ社製のＤＢＥＦを使用した。
【０１０２】
位相差フィルム８は、偏光分離層７と反射板４との間に配置されれば良く、偏光分離層７と導光板２との間に配置しても同等の効果が得られる。また、位相差フィルム８は必ずしも必要ではない。
【０１０３】
位相差フィルム８は透明であって、位相差は１／４波長条件を満たし（より具体的にはリタデーション値が約１４０ｎｍであって）、遅相軸が偏光分離層の透過軸から４５゜傾いていることが好ましい。この場合には、偏光分離層７で反射して位相差フィルム８を透過し、反射板４で反射して再び位相差フィルム８を透過した光の偏光方向が、偏光分離層７の透過軸と平行になるので、光が非常に効率的に偏光分離層７を透過する。また、導光板２の成形の際に導光板２の内部に複屈折が発生する場合は、それも考慮して位相差を設定すると好ましい。
【０１０４】
偏光分離層７の透過軸がＸ方向またはＹ方向である場合に、偏光分離層７の透過率を測定した結果を表１に示す。
【０１０５】
【表１】
2007329099.tif 000003
【０１０６】
表１は、導光板２からの出射光を想定し、無偏光の光を７０°方向から入射したときの、偏光分離層７の透過率を測定した結果である。透過軸がＸ方向である場合には透過率は２２％であり、透過軸がＹ方向である場合には透過率は３３％であった。すなわち、偏光分離層７の透過軸をＹ方向としたほうが、透過率が向上し、面光源装置２０の光利用効率がより高くなるため好ましい。
【０１０７】
また表１には、偏光分離層７の表裏面に反射防止層を形成した場合についても同様の結果を示した。反射防止層を形成した場合は、偏光分離層７の表面での光反射が低減するため、透過率が高まる。反射防止層としては、微細構造からなるモスアイ構造を使用した。反射防止層を形成した場合には、透過軸がＸ方向である場合に透過率は４２％であり、透過軸がＹ方向である場合に透過率は３３％であった。
【０１０８】
すなわち、反射防止層を形成した場合には、偏光分離層７の透過軸をＸ方向としたほうが、光分岐層６の透過率が向上し、面光源装置２０の光利用効率がより高くなる。この結果は、特に斜め入射の場合のＸ方向の光について、表面反射が非常に大きいことを示している。これはフレネルの法則からも容易に推測できる結果である。
【０１０９】
反射防止層としては、多層膜を蒸着したものを使用してもよい。その場合、例えば７０°方向等の斜めの角度で表面反射率がもっとも低くなるようにそれぞれの膜厚を決定することが好ましい。
【０１１０】
偏光分離層７としては、他にらせん構造の選択反射を利用したものや、ワイヤーグリッド偏光子等も使用できる。
【０１１１】
なお、さらに他の光分岐層として、例えば透明基板や別の液晶パネル等も可能である。
【０１１２】
以上の構成の面光源装置２０では、光分岐層６が、導光板２の光出射面２ａから出射した光を、一部透過し、一部反射するために、図６に示すように、導光板２が薄いにも関わらず、導光板２の凹凸パターン３のピッチに起因する出射パターンの濃淡が緩和された状態の光がプリズムシート５に入射する。以上の方法で作成した液晶パネル１０と面光源装置２０とを積層して液晶表示装置１００を構成したところ、面光源装置２０においてプリズムシート５への入射光が光分岐層６によって一様な強度分布を有するものとなっているために、導光板２が薄いにもかかわらず、表示を害するモアレ縞は発生しなかった。
【０１１３】
また、面光源装置２０は拡散層が不要である他、光の平行度が変わらないので面光源装置の正面輝度を低下させることもなく、マイクロレンズ１３を備えていても、集光効果が低下することはなかった。
【０１１４】
また、光分岐層６として偏光分離層７を用いた場合では、偏光分離層７の透過軸と、液晶パネル１０に設置した偏光板の透過軸とを一致させるように配置すると、液晶表示装置１００の輝度が１．５倍に向上し、明るい表示となった。
【０１１５】
ここで、導光板２の凹凸パターン３のピッチｐおよび導光板２の厚みｄと、面光源装置２０の効果との関係について述べておく。背景技術の説明から分かるように、導光板３１に一般的な樹脂材料であるアクリルを使用し、濃淡が認識できる光強度の減衰率を２０％とすると、このような従来の典型的な構成ではｐ／ｄ＞０．２でモアレ縞が発生していた。しかし、本実施形態の面光源装置２０によれば、ｐ／ｄ＞０．２でもモアレ縞の発生を防止することができる。また、ピッチｐを５０μｍ以下で形成するのが極めて困難であるために、一般的な下限値付近の１００μｍをピッチｐとして設定したとき、ｐ／ｄ＞０．２はｄ≦０．５ｍｍのときであり、モアレ縞の発生を厚みが０．５ｍｍ以下の薄い導光板２で良好に防止することができる。
【０１１６】
比較例として、光分岐層６を配置しない以外は第一実施形態と同じ構成の面光源装置と、液晶パネルとを積層して液晶表示装置を作成した結果、モアレ縞が発生し表示を著しく害した。
【０１１７】
〔第二実施形態〕
本発明の他の実施形態について、図７を用いて説明すれば以下の通りである。なお、前記第一実施形態で説明した部材と同一の符号の部材については、特に断らない限り、同一の機能を有するものとする。
【０１１８】
図７に、本実施形態に係る面光源装置１２０の斜視図を示す。なお、面光源装置１２０の断面図は図１と同様である。
【０１１９】
面光源装置１２０は、凹凸パターン３およびプリズムシート５のプリズムを、導光板２の光入射面２ｃに平行となるように形成し、第一実施形態で用いた光源１を、光入射面２ｃの外側に光入射面２ｃに沿って厚み方向と直交する方向に複数個（ここでは３個）並べたこと以外は、第一実施形態の面光源装置２０と同様の構成である。
【０１２０】
以上の方法で作成した液晶パネル１０と面光源装置１２０とを積層した結果、液晶パネル１０の画素ピッチと導光板２の凹凸パターン３のピッチとが近いにもかかわらず、表示を害するモアレ縞は発生しなかった。
【０１２１】
また、光分岐層６として偏光分離層７を用いた場合では、偏光分離層７の透過軸と、液晶パネル１０に設置した偏光板の透過軸とを一致させるように配置すると、液晶表示装置の輝度が１．５倍に向上し、明るい表示となった。
【０１２２】
なお、本実施形態では、３個よりもっと多くの光源１を使用することもできる。また、光源１として蛍光管等線状の光源を使用することもできる。
【０１２３】
本実施形態のように、光源１が複数の点光源の集合体による擬似線光源や、線光源そのものからなる場合には、比較的大きな導光板２にも均一に光を入射可能であることから、面光源装置１２０を、携帯電話よりも少し大きめの中型液晶にも応用することができる。
【０１２４】
以上、各実施形態について述べた。
【０１２５】
ところで、特許文献３には、導光板と修正手段との間に、多層構造体からなる光分岐層を配置した例が記載されている。
【０１２６】
しかしこの構成は、面光源装置の出射光を偏光とし、液晶表示装置の輝度を向上させることが目的であり、導光板の薄さから発生するモアレ縞については記載されていない。
【０１２７】
また、この構成は線光源に特化しており、光源を中心とした同心円状に形成した面光源装置については記載されておらず、より平行光が必要とされるマイクロレンズを備えた液晶表示装置には使用できない。
【０１２８】
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０１２９】
本発明は、携帯機器に搭載される液晶表示装置に特に好適に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１３０】
【図１】本発明の実施形態を示すものであり、液晶表示装置の要部構成を示す断面図である。
【図２】図１の液晶表示装置に用いられる面光源装置の構成を示す斜視図である。
【図３】光分岐層をハーフミラーで構成した場合の、透過率の面内分布を示す斜視図である。
【図４】光分岐層を偏光分離層で構成した場合の、第１の透過軸の方向を示す断面図である。
【図５】光分岐層を偏光分離層で構成した場合の、第２の透過軸の方向を示す断面図である。
【図６】図１の液晶表示装置における面光源装置の出力光の状態を示す断面図である。
【図７】本発明の他の実施形態を示すものであり、液晶表示装置の要部構成を示す断面図である。
【図８】従来技術を示すものであり、面光源装置の要部構成を示す斜視図である。
【図９】図８の面光源装置の構成を示す断面図である。
【図１０】従来技術を示すものであり、光源を点光源とした面光源装置の要部構成を示す斜視図である。
【図１１】マイクロレンズを備えた液晶パネルが積層された液晶表示装置の構成を示す断面図である。
【図１２】マイクロレンズの第１の構成例を示す平面図および断面図である。
【図１３】マイクロレンズの第２の構成例を示す平面図である。
【図１４】マイクロレンズの第３の構成例を示す平面図である。
【図１５】厚い導光板を有する面光源装置を備えた液晶表示装置の構成を示す断面図である。
【図１６】薄い導光板を有する面光源装置を備えた液晶表示装置の構成を示す断面図である。
【図１７】導光板の寸法とモアレ縞の発生との関係を示す断面図である。
【図１８】拡散層を有する面光源装置を備えた液晶表示装置の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【０１３１】
１            光源（点光源）
２            導光板
２ａ          光出射面
３            凹凸パターン（光取り出し手段）
４            反射板（光反射層）
５            プリズムシート（修正手段）
６            光分岐層
７            偏光分離層（光分岐層）
８            位相差フィルム
１０          液晶パネル
１１          透過開口部
１３          マイクロレンズ
２０          面光源装置
１００、１２０
液晶表示装置
【図１】
2007329099.tif 000004
【図２】
2007329099.tif 000005
【図３】
2007329099.tif 000006
【図４】
2007329099.tif 000007
【図５】
2007329099.tif 000008
【図６】
2007329099.tif 000009
【図７】
2007329099.tif 000010
【図８】
2007329099.tif 000011
【図９】
2007329099.tif 000012
【図１０】
2007329099.tif 000013
【図１１】
2007329099.tif 000014
【図１２】
2007329099.tif 000015
【図１３】
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【図１４】
2007329099.tif 000017
【図１５】
2007329099.tif 000018
【図１６】
2007329099.tif 000019
【図１７】
2007329099.tif 000020
【図１８】
2007329099.tif 000021