JP2000147264A - 調光シート及びそれを用いた面光源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 液晶ディスプレイ等に用いられる面光源の正
面輝度、視野角等を向上させる調光シート及びその調光
シートを用いた面光源装置を提供する。 【解決手段】透明な薄板状のシートからなり、その一面
に平均傾斜角５〜３５度の光入射面を有するプリズム状
入射素子を多数並列して設け、他面に集光素子を設けた
調光シート。及び、薄板状の透明基板の側方に光源を設
け、表面側から光を出射する面光源部材の光出射表面側
に上記の調光シートを設けてなる面光源装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は照明光の光学特性を
改良する調光シートに関し、さらに詳しくは、液晶ディ
スプレイ等に用いられる面光源の正面輝度、視野角等を
向上させる調光シート及びその調光シートを用いた面光
源装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近時、ワードプロセッサやパーソナルコ
ンピュータ等の表示装置として透過型の液晶表示装置が
多用されており、このような液晶表示装置では、通常、
液晶素子の背面に面状の照明装置すなわちバックライト
が配設されている。このバックライトは冷陰極放電管等
の線状光源を面状の光に変換する機構とされている。

【０００３】具体的には、液晶素子の背面直下に光源を
配設する方法と、側面に光源を設置し、アクリル板等の
導光素子を用いて面光源を得る方法（サイドライト方
式）が代表的であり、サイドライト方式の場合には光出
射面にはプリズムアレー等からなる光学素子を配設して
所望の光学特性を得る機構とされている。ここで、この
サイドライト方式については、例えば特開昭６１−９９
１８７号公報や特開昭６３−６２１０４号公報に開示さ
れている。

【０００４】特に、軽量、薄型という液晶表示装置の一
般的特徴をより有効に引き出す為には、バックライトを
薄くすることが出来るサイドライト方式の利用が好適で
あり、携帯用パーソナルコンピュータ等の液晶表示装置
にはサイドライト方式のバックライトが多く使用されて
いる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】これらのバックライト
に要求される性能は、近時、ますます高度化する方向に
あるが、特に、カラー液晶ディスプレイを用いた携帯型
パーソナルコンピューターやＴＶモニターでは、カラー
液晶セル自体の光線透過率が極めて低いことから、バッ
クライト光源として、より高輝度のものが要求されてい
る。

【０００６】このため、プリズムアレー等からなるシー
トを多用して光学的集光作用によって正面輝度を確保せ
ざる得なくなっているが、これらを多用することは出射
光線の界面ロスをもっぱら増大させ、さらには大きなコ
スト増を招くため、より簡易な光学的手段によって照明
光特性の改良を成し遂げる技術の出現が待ち望まれてい
た。

【０００７】この状況をさらに詳細に説明するため、従
来より実用されている導光体に白色インキの印刷を施
し、光取り出し機構としたサイドライト型バックライト
の照明光に見られる視野角特性について例示すると、図
４の４１に示す如く、広い角度範囲に渡ってブロードな
分布を有していることが解る。また、蛍光管をカラー液
晶セルの背面直下に設置した直下型バックライトの照明
光に見られる視野角特性について例示すると図４の４２
に示す如く、これもまた広い角度範囲に渡ってブロード
な分布を有していることが解る。

【０００８】この様なブロードな分布を示す照明光を前
面に集光する際には、例えば、図４の角度範囲４５度〜
７０度（−４５度〜−７０度）に見られるような、正面
から外れた領域での出射光線を正面に向けることが重要
であり、このため、図５（ａ）に示されるような光源に
面する側とは反対側に頂角を向けたプリズムを設置し、
傾斜光を正面方向に集光している。

【０００９】しかしながら、この様な方法では図５に示
した光と直交する方向（紙面に直交する方向）へのブロ
ードな照明光分布に対しては集光性が極めて小さいた
め、実用上は、この方向の光を正面方向に向けるための
プリズムシートを交差方向に更に設け、計２枚のプリズ
ムシートを夫々の母線が直交するように配置して正面方
向への集光を行っている。

【００１０】したがって、薄板状透明基板からなる導光
体に白色インキの印刷パターンからなる光散乱機構を設
けたブロードな拡散光線を発する面光源装置を照明光と
する場合には常に交差する方向に設けた２枚以上のプリ
ズムを使用せざる得ず、必然的に界面での反射ロス等に
よる照明光の光量低下が発生することとなる。すなわ
ち、本発明はかかる事情に鑑みて為されるものであり、
ただ１枚のシートでありながら高い照明光の制御性を有
し、特に拡散性の強い照明光源に対して高い集光能力を
発揮する、構造簡素で生産の容易な調光シートの提供で
ある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、透明な薄板状
のシートからなり、その一面に平均傾斜角５〜３５度の
光入射面を有するプリズム状入射素子を多数並列して設
け、他面に集光素子を設けた調光シートに関する。さら
には、薄板状の透明基板の側方に光源を設け、表面側か
ら光を出射する面光源部材の光出射表面側に前記の調光
シートを設けてなる面光源装置に関する。

【００１２】また、本発明の調光シート（照明光特性改
良シート）ならびに面光源装置は各構成要素が、より具
体的には、次のような特徴を有する場合にも成立する。
すなわち、前記集光素子が、プリズム状入射素子の並列
方向と４５度以上の角度をなして交差する、平均傾斜角
３０度〜６０度の光出射面を有するプリズム状出射素子
が多数並列して設けられたものであるもの。

【００１３】さらには、前記プリズム状入射素子の並列
方向とプリズム状出射素子の並列方向がほぼ９０度の角
度をなして交差しているもの。加えて、前記ほぼ板状の
導光体に設けられた光取りだし機構が白色インキによる
印刷パターンであること、または白色インキと粗面が併
用されているもの等である。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明の調光シートの一例につき
図面を用いて説明する。図１は本発明に係わる調光シー
トの断面図、図２は調光シートのプリズム状入射素子の
形状の一例を示す縦断面図、図３は調光シートへの入射
光線の軌跡を示す縦断面、図４は従来の面光源から発せ
られる照明光の視野角分布を例示した図、図５は従来の
プリズムシートでの入射光線の軌跡を示す縦断面図、図
６は面光源素子の一例を示す一部破断斜視図、図７は面
光源素子の他の一例を示す一部破断斜視図、図８は本発
明の面光源装置により得られた照明光の視野角分布を示
す図である。

【００１５】図中１０は調光シート、１１は母線、３１
は傾斜角度、３２は光出射面、３３は光出射面の法線、
３４は調光シートのシート中心面、４１は白色インキが
印刷された導光体の視野角分布、４２は背面直下に蛍光
管が配設された面光源の視野角特性、６１は導光体、６
２はリフレクタ、６３は拡散シート、６４は反射板、６
５は冷陰極管、６６，６７，６８，６９は白色インキ、
７１，７２，７３，７４は粗面ドットパターンをそれぞ
れ示す。

【００１６】本発明の調光シート１０は、図１に例示さ
れるように、下側（光源側）に大きな頭頂角を有するプ
リズム状入射（光入射）素子１２が、また上側（光出射
側）には集光素子１３が形成されている。この調光シー
ト１０をバックライト光源として用いると、広い角度範
囲に渡る光源光を、初めに光源側の大きな頭頂角を有す
るプリズム状入射素子１２が集光する。

【００１７】この状態を図３に示した。正面から大きく
外れた方向からの光源光線３４は前記プリズム状入射素
子１２が一種の凸レンズとしての効果を果たすために正
面方向に方向を変換されることとなる。さらに、調光シ
ート１０のプリズム状入射素子１２の設けられた側とは
相反する側には後述する集光素子１３が設けられてい
る。

【００１８】このような集光光学系を用いる調光シート
１０では、調光シート１０一枚のみで、ブロードな分布
を有する拡散性の照明光を光出射面への法線方向から見
て２次元的に集光することが可能となり、簡素な構成で
ありながら、界面での反射ロスなどに起因する照明光の
強度低下が発生しずらい。加えて、従来のプリズム頂角
が光源側とは相反する側を向いた態様（図５参照）で
は、相対的には強度の強い光出射面の法線方向を向いた
光線成分、すなわち、図４にて０度付近の光線が、図５
（ｂ）に見られるように、プリズム傾斜面にてスネルの
法則に基づく全反射を受け、有効利用されない場合があ
るのに対して、本発明において用いられる光源側に頂角
を向けた大きな頭頂角のプリズム状入射素子１２では、
こうした現象は発生せず、光源光の光量の有効利用が可
能である利点も有する。

【００１９】したがって、光学系の原理に基づいて考察
すれば、前記光源側に頂角を向けたプリズム状入射素子
１２は、その頭頂角が凸レンズとしての役割を果たすに
適切な角度として決定されるべきであり、従来、バック
ライト光源用に用いられてきた、頭頂角５０度〜１１０
度程度の小さな頭頂角を有するプリズムとは本質的に機
能の異なるものである。この条件を明確にするため、図
３に基づいて光源から出射角αにて出射した光線が、前
記光源側に頂角βを向けたプリズム部で変角され出射す
る時の出射角γを示すと、２種類の傾斜面による解をそ
れぞれγ１、γ２として、

【００２０】

【数１】

【００２１】と表される。また、前記のように、プリズ
ム状入射素子１２がいわゆる集光レンズとしての機能を
果たすという観点からすると、なにも３角プリズム形状
に限定されるものではなく、平均傾斜角が上記の条件を
満足していれば良いのであり、図２に示すように、プリ
ズム状入射素子１２が、断面多角形のプリズム、頂部曲
面形のプリズム、シリンドリカルレンチキュラーレン
ズ、断面多角形の角錐群等でも上記の効果を与えること
は十分可能である。

【００２２】すなわち、平均傾斜角が５〜３５度を満足
すれば良い。ここで、平均傾斜角は図３に３１として示
したように調光シートのシート中心面３４とプリズム傾
斜面との為す角度であって、９０度以下になる方の角度
の平均値として定義され、より具体的には、前記定義に
よる角度を１０μｍピッチで１００点測定した際の平均
値として定義される。

【００２３】光源側に頂角を向けたプリズム状入射素子
１２の傾斜角３１として、前記集光作用を発揮させる範
囲としては５度〜３５度、好ましくは７．５度〜３０
度、より好ましくは１０度〜２５度である。これは３角
プリズムの頂角として１１０度〜１７０度、好ましくは
１２０度〜１６５度、より好ましくは１３０度〜１６０
度に対応づけられる。このような大きな頭頂角を有する
プリズム、ないしは、これと同等な平均傾斜角を有する
光学素子群によって、光源からのブロードな拡散光は正
面方向に集光されることとなる。

【００２４】つぎに、調光シート１０の光源側とは反対
側に配置される集光素子１３としては、通常はプリズム
シートが用いられるが、場合によっては、シリンドリカ
ルレンチキュラーレンズアレー、マイクロ凸レンズアレ
ー、微少多角錐群（四角錐、円錐等）等の集光素子とし
ても良い。シート内に入射した光線を集光する意味で
は、なにも三角プリズムシートに限定されるものではな
く、平均傾斜角として３０度〜６０度、好ましくは４０
度〜５５度、更に好ましくは４０度〜５０度なる平均傾
斜角を有する集光素子１３が配設される。

【００２５】これらの集光素子１３（プリズムシート）
は、光源側に頂角を向けた光学素子群とは母線の方向が
４５度以上、好ましくは６０度以上、さらに好ましく
は、ほぼ９０度で交わるように配置される。光源側に頂
角を向けたプリズム状入射素子１２とは母線の方向が交
わるように配置されたプリズム状素子等からなる集光素
子１３が設けられているので、前記光源側に頂角を向け
たプリズム状入射素子１２では集光出来なかった出射光
線、例えば、図３で示した光と直行する方向（紙面と直
交する方向）に分布する光線を集光して正面方向への集
光を実現する機構とされる。

【００２６】本発明の好ましい態様においては、調光シ
ート１０は樹脂材料によって形成される。特に調光シー
ト１０の基材部分はアクリル系樹脂、ポリカーボネート
系樹脂、またはポリエステル系樹脂が用いられ、前記基
材表面にアクリル系等に代表される公知の熱硬化性、も
しくは光硬化性樹脂によって前記光学素子が形成され
る。

【００２７】このような調光シートは導光体６１（樹脂
板）に白色インキ６６〜６９等からなる光散乱機構（光
散乱面）を形成し、光取り出し機構としたサイドライト
型バックライト、および、蛍光管を液晶表示板等からな
る表示面の背面直下に設置し、光拡散板等により輝度分
布を均一化した直下型バックライト（図示せず）の様
な、照明光の視野角分布が広くブロードな面光源の正面
輝度向上に特に有効である。

【００２８】また、特開平６−１８８７９、平７―１６
９３１１等に開示されている指向性を有した散乱光を出
射する面光源素子に適用することも可能であり、この場
合には光源光の指向特性でピークになる光線が、前記光
源側に頂角を向けたプリズム部によって正面方向を向く
ように平均傾斜角を設定すべきである。このような、指
向性散乱に適切な平均傾斜角を設定した、本発明による
調光シート１０においても、未だ、ブロードな光源を集
光する特性は保持しているため、この特徴を積極的に利
用することによって、指向性散乱とブロードな散乱の混
合した光源を集光することが可能となる。

【００２９】すなわち、導光板６１の表面に粗面等より
なる反射機構（粗面）７１〜７４素子を設けた、指向性
を有する散乱光を光源とするバックライトでは、特開平
６−１８８７９等で開示されているように、光源６５側
に頂点が向いた５０度〜９０度なる小さな頂角を有する
プリズムシートを、母線が管状光源と平行になるように
配設するのが一般的であった。

【００３０】しかしながら、このような小さな頂角を有
する光源６５側を向いたプリズムでは、導光板６１の表
面に白色インキを印刷した光散乱機構（白色インキ）６
６〜６９により散乱されたブロードな散乱光は集光する
能力を持たないため、例えば、粗面７１〜７４と白色イ
ンキ６６〜６９が混在した導光体からの出射光を効率よ
く集光することは困難である。

【００３１】これに対して、本発明の調光シート１０で
は、大きな頂角を有する光源側を向いたプリズム状入射
素子１２が元来、出射光線の指向性を極端に狭くしない
のに加えて、粗面７１〜７４等による指向性散乱に適切
な平均傾斜角を設定した後にも、未だ、ブロードな光源
を集光する特性を保持しているため、粗面７１〜７４と
白色インキ６６〜６９を併用することによりブロードな
散乱光も集光され、バックライトとして用いるのに好適
な視野角特性が実現される。

【００３２】すなわち、前記のような特徴をも有するた
め、本発明の調光シート１０は、粗面７１〜７４と白色
インキ６６〜６９の混在した導光体等、指向性の大きい
面光源に対しても好適に用いることが可能であり、粗面
７１〜７４のみでは狭くなりがちな、管状光源６５に垂
直な方向３３への視野角特性を、白色インキ６６〜６９
等を併用することによって拡大することが出来る。

【００３３】なお、導光板６１と調光シート１０との間
に曇りガラス状等の拡散シート６３を設けるのも光量の
全面均一化の上で好ましい。さらに、光出射面側とは反
対側には光量を増すために通常は反射板６４が設けられ
る。本発明に於ける面光源の光供給手段６５としては特
に限定されないが、蛍光管（冷陰極管、熱陰極管）、タ
ングステン白熱球、オプティカルロッド、ＬＥＤアレー
等が代表的であり、その後方にはリフレクター６２が設
けられるのが普通である。

【００３４】特に、小型化と高輝度化が容易な線状光源
として冷陰極管の利用が最も好適である。本発明におい
て、液晶ディスプレイとは液晶分子の電気光学効果、す
なわち光学異方性（屈折率異方性）、配向性等を利用
し、任意の表示単位に電界印加あるいは通電して液晶の
配向状態を変化させ、光線透過率や反射率を変えること
で駆動する、光シャッタの配列体である液晶セルを用い
て表示を行うものをいう。

【００３５】具体的には透過型単純マトリクス駆動スー
パーツイステッドネマチックモード、透過型アクティブ
マトリクス駆動ツイステッドネマチックモード等の液晶
表示素子が挙げられ、本願発明の調光シートを有する面
光源素子をこれら液晶表示素子のバックライト光源手段
として液晶ディスプレイを構成することにより、高輝
度、広視野角、低価格等、液晶ディスプレイとして好適
な特性を賦与することが可能となる。

【００３６】

【実施例】以下、本発明を実施例により、さらに詳細に
説明するが、本発明は、その要旨を越えない限り、以下
の実施例に限定されるものではない。

【００３７】実施例１ 図６に示した面光源装置を構成した。基材フィルムとし
てポリエチレンテレフタレートからなるサイズ１００ｍ
ｍ×１００ｍｍ、厚み２００μｍ、光線透過率９２％の
フィルムを使用し、前記フィルムの表面には光源側を向
く、平均傾斜角２５度、頭頂角１３０度となるピッチ幅
１５０μｍの三角プリズムを光硬化性アクリル樹脂を用
いて形成し、さらに前記プリズムを形成した側とは逆側
には、平均傾斜角４５度、頭頂角９０度となる三角プリ
ズムを母線の方向が前記光源側を向いた三角プリズムと
は９０度の角度となるように形成し、調光シートとし
た。面光源としてはサイズ１００ｍｍ×１００ｍｍ、厚
み４ｍｍのアクリル樹脂を使用し、光源から離れるにし
たがって面積が相対的に大きくなるようにパターニング
したＴｉＯ₂ 含有の白色インキを印刷した。

【００３８】さらに、前記導光体の光出射面上には拡散
板を設置し、光出射面と対向する面には発泡ポリエチレ
ンテレフタレートよりなる反射シートを設置し、その上
に前記照明光特性改良シートを配設して面光源素子とし
た。光源としては管径３ｍｍの冷陰極管を使用し、該冷
陰極管の周囲をリフレクタによって覆い、インバータを
介して電圧印加して点灯した。該面状導光素子の中央部
からの各出射角度に対する輝度分布を輝度計（トプコム
製ＢＭ−７）を用いて測定した。結果を図８に８１とし
て示す。

【００３９】実施例２ 図７に示した面光源装置を構成した。導光体として用い
たアクリル樹脂板と同様の板に、光源６５から離れるに
したがって粗面７１〜７４からなるドットパターンの面
積が大きくなるように形成した金型を用いて粗面からな
るドットパターンを転写し、さらに、前記白色インキ６
６〜６９からなるドットパターンを印刷して導光体と
し、他の条件は実施例１と同様として輝度分布を測定し
た。結果を図８に８２として示す。

【００４０】比較例１、２ 実施例１と同じ白色インキの印刷を施した導光体、およ
び実施例２と同じ粗面パターンと白色インキの印刷を混
在させた導光体を用い、調光シートを用いなかったこと
の他は実施例１、２と同様にして、輝度値を測定した。
結果をそれぞれ図８に８３，８４として示す。

【００４１】

【発明の効果】本発明の調光シートは、ただ１枚のシー
トでありながら高い照明光の制御性を有し、特に拡散性
の強い照明光源に対して高い集光能力を発揮する、構造
簡素で生産が容易、かつ低コストな調光シートの提供を
可能とした。また、指向性を有した高強度な散乱光と拡
散性を有した散乱光を共に集光する特徴を備えるため、
高い正面輝度、広い視野角を両立させることが可能とな
る。これらの特徴は、近時、多様化する液晶ディスプレ
イバックライトに対する照明光の光学特性に対する要求
に、高い制御性をもって応えることが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係わる調光シートの斜視図。

【図２】 本発明に係わる調光シートのプリズム状入射
素子の形状の一例を示す縦断面図。

【図３】 本発明に係わる調光シートへの入射光線の軌
跡を示す縦断面図。

【図４】 従来の面光源から発せられる照明光の視野角
分布を例示した図。

【図５】 従来のプリズムシートでの入射光線の軌跡を
示す縦断面図。

【図６】 面光源素子の一例を示す一部破断斜視図。

【図７】 面光源素子の他の一例を示す一部破断斜視
図。

【図８】 本発明の面光源装置により得られた照明光の
視野角分布を示す図。

【符号の説明】 １０ 調光シート １１ 母線 ３１ 傾斜角度 ３２ 光出射面 ３３ 光出射面の法線 ３４ 照明光特性改良シートのシート中心面 ４１ 白色インキが印刷された導光体の視野角特性 ４２ 背面直下に蛍光管が配設された面光源の視野角特
性 ６１ 導光体 ６２ リフレクタ ６３ 拡散シート ６４ 反射板 ６５ 冷陰極管 ６６，６７，６８，６９ 白色インキ ７１，７２，７３，７４ 粗面ドットパターン

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 透明な薄板状のシートからなり、その一
   面に平均傾斜角５〜３５度の光入射面を有するプリズム
   状入射素子を多数並列して設け、他面に集光素子を設け
   た調光シート。
2. 【請求項２】 集光素子が、プリズム状入射素子の並列
   方向と４５度以上の角度をなして交差する、平均傾斜角
   ３０度〜６０度の光出射面を有するプリズム状出射素子
   が多数並列して設けられたものであることを特徴とする
   請求項１に記載の調光シート。
3. 【請求項３】 プリズム状入射素子の並列方向とプリズ
   ム状出射素子の並列方向がほぼ９０度の角度をなして交
   差していることを特徴とする請求項２に記載の調光シー
   ト。
4. 【請求項４】 薄板状の透明基板の側方に光源を設け、
   表面側から光を出射する面光源部材の光出射表面側に請
   求項１〜３のいずれかに記載の調光シートを設けてなる
   面光源装置。
5. 【請求項５】 薄板状の透明基板の光出射表面とは反対
   側に白色インキによる印刷パターンからなる光散乱機構
   が設けられていることを特徴とする請求項４に記載の面
   光源装置。
6. 【請求項６】 薄板状の透明基板に粗面からなる反射機
   構が設けられていることを特徴とする請求項４又は５に
   記載の面光源装置。