JP4384214B2 - 面発光素子，画像表示素子及びそれを用いた画像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、液晶表示装置等に用いるバックライト等の面発光素子，画像表示素子、及びそれを用いた画像表示装置に関する。

特許文献１には、前面に光を出射する照明装置と、照明装置から入射した光を透過する透過領域を備える行列状に配置された複数の絵素と、照明装置の前面にそれぞれが透過領域に対して一対一で設けられた複数の集光素子と、を有し、複数の集光素子のそれぞれを通過した光束の、複数の絵素によって規定される面における集光スポットの中心は、透過領域内に形成され、複数の絵素のうち行方向に隣接する２つの絵素のそれぞれに形成される集光スポットの当該絵素における重心の列方向の位置が互いに異なることを特徴とする表示装置が開示されている。

特許文献２には、導光板の下面に凹パターン状の偏向パターンが形成されており、偏向パターンの光源側を向いた傾斜面である光反射部と平坦部との間に、光反射部に入射する光の指向性を高くする指向性変換部を設け、導光板から出射される光の指向性を向上させた面光源装置が開示されている。

特許文献３には、液晶パネルに平行に配置された屈折率ｎ₁を有する第１導光板と、その端面に隣接配置された線光源と、液晶パネル側の第１導光板上に配置され、ｎ₁に略等しい屈折率を有する第２導光板とを備え、第２導光板１７の第１導光板１３側の面に光源から第１導光板内を全反射の繰り返しにより導かれる光を液晶パネルに向けるコリメーション輪郭が形成されているバックライト装置が開示されている。

特許文献４には、光源と、光源からの光が対向する両端面から入射される導光体と、導光体の出射面に設けられ、出射面からの光を出射面の正面方向に向かわせるための複数の凸部が導光体と対向する面に設けられた出射光制御板からなり、導光体と出射光制御板の凸部先端が１層以上の光学的に透明な層を介して密着しており、出射光制御板凸部の屈折率が導光体の屈折率より大きく、かつ各層の屈折率が導光体の屈折率よりも大きいことを特徴とする面光源素子が開示されている。

特許文献５には、入射側面に線状光源を配置された導光板の一方の面に平均傾斜角の比較的大きな集光パターンを形成し、他方の面に平均傾斜角が比較的小さな偏向パターンを設け、導光板内で反射を繰り返して出射面に対して小さな仰角で出射面とほぼ平行な方向へ出射され、さらに集光パターンによって一方向に集光されることを特長とする指向性の高い面光源装置が開示されている。

非特許文献１には、屈折率異方性を有する部材を用いることにより、偏光性を有する出射光を得る面光源が開示されている。

特開２００５−６２７４１号公報 特開２００５−２６８２０１号公報 特開平８−２２１０１３号公報 特開２００１−３１２９１５号公報 特開平９−１１３７３０号公報 Applied Optics誌、Vol.43, No.24, pp.4672-4676, 2004年

特許文献１には、集光素子を有効に作用させるためには、照明装置から出射される光の指向性が高いことが必要であることが示されている。この照明装置の一例として、特許文献２に示された面光源装置と同様の構成のものが示されている。

しかし、この照明装置の指向性は、光源のＬＥＤを中心とする円弧上において、接線方向は指向性が高く、垂線方向については指向性が悪く、場所によって指向性の高い方向が回転していることが特許文献１に記されている。特許文献１においては、集光素子として球面レンズアレイを用いることによって、指向性の方向が回転しても面内で均一に集光素子の効果が得られるとしている。指向性そのものの分布は変わらずに指向性の高い方向が回転している場合には、特許文献１に記されているように、球面レンズアレイを用いることで面内で均一性な特性が得られることが期待させる。

しかしながら、実際には、集光素子として球面レンズアレイを適用した場合に集光素子の機能を最大限に発揮するためには、方位に寄らず全ての方向で指向性が高いことが必要であり、特許文献１のように指向性の高い方向が一方向のみであり、しかも指向性の高い方向が回転する場合には、集光素子の機能を十分に発揮できないという問題点がある。

照明装置の指向性を向上した面光源として、特許文献２から４に開示されているような各種方式が開示されている。しかしながら、レンズアレイと組み合わせて十分な特性が得られる面光源が得られていないのが現状である。上記のように、特許文献２においては、指向性の高い方向が場所によって変化するという問題点がある。特許文献３及び特許文献４においても、第２導光板或いは出射光制御板によって指向性が向上することが示されているが、集光素子、いわゆるレンズアレイを適用するのに十分な指向性を得られるに至っていない。

特許文献５においても、指向性の高い面光源装置に集光素子を適用し、実効的な透過率を得ることが示されている。しかし、指向性の高い方向とは異なる方向に関して、導光板の一方の面に形成した集光パターンにより集光することを特長としており、集光素子にとって重要な指向性の高い方向の指向性については、従来の面発光素子以上には向上できないという問題点があった。

非特許文献１においては、特許文献２に示された面光源装置と同様の構成に加えて、屈折率の異なる部材を積層することにより偏光した光を得る面光源が記されている。しかし、出射光の指向性についての考慮はなされておらず、特許文献２よりも指向性が優れた出射光は示されていない。

以上のように、これまでの面光源装置は、集光素子、つまりレンズアレイを適用するのに充分な指向性、つまりコリメート性が得られていないという問題点があった。

また、コリメート光源とレンズアレイを用いた場合に、視野角と正面輝度とが相反する特性であることが示されている。つまり、視野角を広くしようとすると正面輝度が低くなり、逆に正面輝度を高くしようとすると視野角が狭くなるという問題点があった。

本発明の目的は、少なくとも１方向にコリメート性がよく、その方向も面内で直交座標系の一軸方向にそろっている面発光素子，画像表示素子、及びそれを用いた画像表示装置を提供することである。

本発明の課題を解決するために、本発明は、光源からの光を伝達する導光体の光取り出し側に積層して形成された第１屈折率層及び第２屈折率層と、導光体と第１屈折率層間に配置され、第２屈折率層に形成された開口部と、導光体から開口部を介して出射される光を反射する反射板と、を有し、導光体，第１屈折率層，第２屈折率層の屈折率をそれぞれｎ₁，ｎ₂，ｎ₃とすると、ｎ₁＞ｎ₂＞ｎ₃、且つｎ₁−ｎ₂＞ｎ₂−ｎ₃を満たしている構成とする。

また、光源からの光を伝達する導光体の光取り出し側に形成された屈折率層と、導光体と屈折率層間の界面に傾斜溝が形成された傾斜部と、導光体と屈折率層間の界面に形成され、且つ導光体から傾斜部を透過して出射される光を反射する反射板と、反射板表面上に形成された反射膜と、を有る構成とする。

また、光源からの光を伝達する導光体の光取り出し側に形成された屈折率層と、屈折率層の光取り出し側に形成され、導光体から屈折率層を介して出射される光を反射する反射面を有する反射部材と、を有し、導光体，屈折率層，反射部材の屈折率をそれぞれｎ₁，ｎ₂，ｎ₃とすると、ｎ₃≧ｎ₁＞ｎ₂を満たしている構成とする。

また、光源からの光を伝達する導光体の光取り出し側とは反対側に形成され、入射した光を反射する反射板と、導光体の光取り出し側とは反対側に形成された屈折率層と、を有し、導光体、屈折率層の屈折率をそれぞれｎ₁，ｎ₂とすると、ｎ₁＞ｎ₂であり、かつ０＜ｎ₁−ｎ₂≦０.１７を満たしている構成とする。

また、光源と、その光源からの光を伝達する導光体と、導光体が配置されている側に平面を有するプリズムシートと、導光体とプリズムシート間に導光体及びプリズムシートよりも屈折率の高い層を有する構成とする。

また、光源と、光源からの光を伝達する導光体と、導光体側に平面を有するプリズムシートと、導光体とプリズムシート間に、少なくとも可視波長の一波長において入射角度７０°におけるＳ偏光とＰ偏光の透過率がともに９０％以上である無偏光透過層を有する構成とする。

また、一対の基板と、一対の基板を挟持する一対の偏光板と、一対の基板で挟持された液晶層と、一対の基板の一方基板と液晶層間に形成され、かつ画素内に形成された透過開口部と、一方基板に対して液晶層が配置された側と反対側に形成され、一方基板と一対の偏光板の一方偏光板間に配置され、透過開口部に光を集光する集光素子と、を有し、透過開口部の中心を画素の中心から偏芯させ、隣接する２つの画素の各透過開口部は、２つの画素間の境界に近づくように偏芯させて配置され、隣接する２つの画素が周期的に配置された構成とする。

また、画像を表示する画像表示素子と、光源からの光を画像表示素子に照射する面発光素子と、を有し、画像表示素子は、一対の基板と、一対の基板で挟持された液晶層と、一対の基板の一方基板と液晶層間に形成され、かつ画素内に形成された透過開口部と、一対の基板の一方基板に対して液晶層が配置された側とは反対側に形成された第１の偏光板と、一対の基板の他方基板と液晶層間に形成され、液晶層に接して形成された第２の偏光板と、を有し、面発光素子は、光源からの光を伝達する導光体の光取り出し側に形成された屈折率層と、導光体から開口部を介して出射される光を反射する反射板と、を有し、他方基板と屈折率層とは近接して配置され、画像表示素子は、面発光素子の反射板で反射されて出射された光を第２の偏光板で偏向し、液晶層は、偏光された光の偏光方向をスイッチングして画像表示を行う構成とする。

また、画像を表示する画像表示素子と、光源からの光を画像表示素子に照射する面発光素子と、を有し、面発光素子は、光源からの光を伝達する導光体と、導光体の光取り出し側に積層して形成された第１屈折率層及び第２屈折率層と、導光体と第１屈折率層間に配置された第２屈折率層に形成された開口部と、導光体から開口部を介して出射される光を反射する反射板と、を有し、画像表示素子は、一対の基板と、一対の基板間に形成され、かつ画素内に形成された透過開口部と、一対の基板の一方基板と面発光素子間に配置され、面発光素子から出射された光を透過開口部に集光する集光素子と、を有する構成とする。

また、画像を表示する画像表示素子と、光源を有し、光源からの光を画像表示素子に照射する面発光素子と、を有し、画像表示素子は、一対の基板と、一対の基板で挟持された液晶層と、画素内に形成された透過開口部と、面発光素子から出射された光を透過開口部に集光する集光素子と、を有し、面発光素子は、光源からの光を伝達する導光体と、導光体側に平面を有するプリズムシートと、導光体と前記プリズムシート間に導光体及びプリズムシートよりも屈折率の高い層を有する構成とする。

また、画像を表示する画像表示素子と、光源を有し、光源からの光を画像表示素子に照射する面発光素子と、を有し、画像表示素子は、一対の基板と、一対の基板で挟持された液晶層と、画素内に形成された透過開口部と、面発光素子から出射された光を透過開口部に集光する集光素子と、を有し、面発光素子は、光源からの光を伝達する導光体と、導光体側に平面を有するプリズムシートと、導光体とプリズムシート間に、少なくとも可視波長の一波長において入射角度７０°におけるＳ偏光とＰ偏光の透過率がともに９０％以上である無偏光透過層を有する構成とする。

少なくとも１方向にコリメート性がよく、その方向も面内で直交座標系の一軸方向にそろっている面発光素子，画像表示素子、及びそれを用いた画像表示装置が提供できる。

図１から図７を用いて、本発明の第１の実施形態を説明する。

図１は、画像表示装置を構成する面発光素子及び画像表示素子の断面図を示している。ここでは、画像表示素子として画像を表示する半透過型の液晶表示素子５７，面発光素子として光源からの光を画像表示素子に照射する液晶表示装置に用いるバックライト５９を示している。

光源（図示せず）より入射した光線は、主に導光体である導光板３１内で反射を繰り返し伝達する。導光板３１の下方、つまり液晶表示素子５７とは反対側（光取り出し側とは反対側）に反射溝３３を設け、さらにその反射溝３３に対して光取り出し側とは反対側（下方）に反射シート３５を設けた。また導光板３１の液晶表示素子５７側には第１屈折率層である第１低屈折率層２１及び第２屈折率層である第２低屈折率層２３が形成され、導光板３１，第２低屈折率層２３，第１低屈折率層２１の順に積層して形成されている（導光板３１と第１低屈折率層２１間に第２低屈折率層２３が配置）。導光板３１と第２低屈折率層２３との界面で光線が全反射して導光板３１内を伝達する。

光を取り出す開口部である光取り出し開口部２５においては、導光板３１から液晶表示素子５７側に光線を取り出すために第２低屈折率層２３を無くし、導光板３１と第１低屈折率層２１が直接接するようにした。導光板３１から光取り出し開口部２５を介して出射した光線は、第２低屈折率層２３上で、第２低屈折率層２３の光取り出し側（液晶表示素子５７側）に形成された反射板である反射ミラー２７で反射してバックライト５９から出射される、つまり反射板である反射ミラー２７で反射した光線を第１低屈折率層２１から取り出す。

本実施例での画像表示素子は、一対の基板（上基板９，下基板１７）と、その一対の基板を挟持する一対の偏光板（偏光板７ａ，７ｂ）と、その一対の基板間に配置された液晶層１３及び透過開口部１５と、下基板１７と面発光素子５９間に配置され、その面発光素子５９から出射された光を透過開口部１５に集光する集光素子であるレンチキュラレンズ１とを備える。

バックライト５９の光出射面内での輝度分布を均一化するために、拡散シート１９を設けた。拡散シート１９はバックライト５９から出射される光線の指向性にはほとんど影響せず、拡散することが望ましい。

また、一対の偏光板のうち一方の偏光板７ｂを透過した光線を、集光素子であるレンチキュラレンズ１で透過開口部１５に集光し、透過開口部１５を透過する光量を向上した。下基板１７の基板厚を薄くすると透過開口部１５を透過する光量を大きくすることができ、視野角を広くすることができる。一方、下基板１７の基板が厚くすると、正面輝度が高くなるので、必要とする表示装置の特性に合わせて、下基板１７の厚さを定めることが望ましい。透過開口部１５を透過した光線は、液晶層１３，カラーフィルタ１１，上基板９，偏光板７ａを透過し、透過率がスイッチングされて画像が表示される。

反射表示部１６を設けることで、半透過の液晶表示装置とすることができる。この液晶表示素子５７の構成は、通常の用いられている半透過型液晶表示素子と同じくすればよく、アクティブマトリックス駆動の場合は、反射表示部１６に薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を設けて液晶層のスイッチングを行えばよい。

また、本実施形態のように半透過の液晶表示素子５７においては、偏光板７として円偏光板を用いれば良い。また、偏光板７ｂのバックライト５９側に反射型偏光板を設け、偏光板７ｂで吸収される方向の偏光を反射型偏光板で反射してバックライト５９側に戻して再利用することで、光利用効率を向上してもよい。

図２に示したバックライト５９部の拡大断面図を用いて、本実施形態のバックライト５９について詳細に説明する。

導光板３１と第２低屈折率層２３との界面で光線が全反射して導光板３１内を伝達し、光取り出し開口部２５において第１低屈折率層２１に光を取り出す。そのためには、導光板３１，第１低屈折率層２１，第２低屈折率層２３の屈折率をそれぞれｎ₁，ｎ₂，ｎ₃とすると

とする必要がある。光取り出し開口部２５から第１低屈折率層２１に透過した光線は、反射ミラー２７で反射し、第１低屈折率層２１の外、つまり画像表示素子５７側に取り出される。反射板である反射ミラー２７表面上には銀，アルミ等の高反射率な金属や誘電体多層膜を用いた反射膜２９を形成することにより、効率良く光を取り出すことができる。光線が導光板３１と第２低屈折率層２３との界面で全反射して伝搬する場合、導光板３１と第２低屈折率層２３との界面への入射角θ₁は、

を満たしているため、光取り出し開口２５に入射する光線の中で、

を満たす光線が第１低屈折層２１に出射される。このとき、光取り出し開口２５からが第１低屈折層２１に出射される光線の出射角θ₂は、

となる。

したがって、導光板３１中を伝搬する光線の角度を広くするためにｎ₂はｎ₁に比べてできるだけ小さくすることが望ましく、第１低屈折層２１に出射される光線の光線伝搬方向の拡がり角（図２においてｙ軸方向）を小さくするためには、ｎ₂とｎ₃の屈折率差を小さいことが望ましい。例えば、導光板３１として屈折率１.５９のポリカーボネート（ＰＣ）、第２低屈折率層２３として屈折率１.３４のフッ素化ポリマーを用いると、θ₁＞３２.６°となる光線が導光板３１と第２低屈折率層２３との界面で全反射し、導光板３１中を伝搬される。

また、ｎ₂＝１.３５１とすることにより、９０°＞θ₂＞８２.６８°となり、第１低屈折層２１から出射される光線の拡がり角度を±５°とすることができることになる。導光板３１と第１低屈折率層２１及び第２低屈折率層２３は、導光板３１をコア、第１低屈折率層２１及び第２低屈折率層２３をクラッドとする光導波路構造とみなすことが出来る。コアの屈折率１.３５１とクラッドの屈折率１.３４からなる光導波路の開口数は０.１７であり、十分に制御可能な屈折率差である。このように、屈折率は精度良く制御できるため、必要とする視野角を得られるように精密に制御しやすい。

上記のように、導光板３１と第２低屈折率層２３の屈折率差は大きいことが望ましく、指向性を向上するためには、第１低屈折率層２１と第２低屈折率層２３の屈折率差が小さいことが望ましい。そのため、

を満たしていることが望ましい。

つまり、式（１）（５）を満たすことで、指向性が高く、方向の揃った面発光素子を提供できる顕著な効果を奏することができる。

なお、低屈折率を得るために、微細な空隙を形成した材料においては、屈折率１.３以下のものが得られており、このような複合低屈折率材料を第１低屈折率層２１および第２低屈折率層２３に用いると、さらに導光板への光閉じ込め効果が大きくなり望ましい。

さらに、第１低屈折率層２１の屈折率が小さいと、第１低屈折率層２１から光線が取り出される場合の光線の拡がり角度の増加が抑えられるため、望ましい。空隙を多量に含有する材料、例えばシリカエアロゾルにおいては屈折率１.０３が実現されており、これら低屈折率材料を用いれば第２低屈折率層２３を空気層とすることもできる。

集光素子であるレンチキュラレンズ１が機能し、透過開口部１５を透過する光量を増加するためには、面発光素子のバックライト５９から出射光の拡がり角度が、少なくとも、角度±７°以下、望ましくは、±５°以下とすることが必要である。この指向性を得るためには、

で表される第１低屈折率層と第２低屈折率層の間の開口数ＮＡは、０.２４以下、望ましくは０.１７以下とする必要がある。

なお、通常輝度視野角（拡がり角度）としては、ピークの輝度に対して輝度が半分となる角度が一般的に用いられており、視野角（拡がり角度）はこれに従って定めればよい。

伝搬角度（９０°−θ₁）の大きな光線が導光板３１から取り出され伝搬角度の小さな光線が残るため、光線が伝搬するにしたがって伝搬角度の小さな光線の割合が大きくなり、導光板３１から取り出される光量が減少する。そのため、導光板３１の光出射面とは逆の面に反射溝３３を設け、バックライト５９の出射面内で輝度が均一となるようにした。反射溝３３の深さや斜面の角度といった溝形状、反射溝３３の間隔を調整することによって面内の均一性を得ることが出来る。光線が反射溝３３で反射することでθ₁が小さくなり、光取り出し開口部２５を透過する前に第２低屈折率層２３を透過する光線が生じても、第１低屈折層２１の表面で全反射し再び導光板３１に戻ることができる。

さらに、銀やアルミといった反射率の高い金属や白色の材料を用いた反射シート３５を設け、導光板３１より透過する光線を導光板３１側に反射するようにし、再び利用できるようにした。

光取り出し開口部２５以外から反射ミラー２７に光線が入射すると光損失が生じることになるが、上記のように、導光板３１と第２低屈折層２３の界面で光線が全反射して伝搬し、第２低屈折層２３を通って直接反射ミラー２７に光線が当たることがないため、反射ミラー２７を設けてもバックライト５９における光損失は増加しない。

また、反射ミラー２７で反射した光線は、バックライト５９から取り出されるため、基本的に光線が反射膜２９に当たるのは１回のみであり、反射膜２９に金属膜を用いても光損失を小さく抑えることができる。反射ミラー２７の角度は、所望の方向に光線が出射されるようにすればよく、導光板３１に平行に近く出射する光線を反射して正面に向けるためには、４５°前後が望ましい。上記のように第１低屈折率層２１での光線の拡がり角度が±γの場合、反射ミラー２７の角度αを（４５°＋γ）とすれば良い。例えば、上記のようにγ＝３.６６°の場合は、α＝４８.６６°とすればよい。

第１低屈折率層２１及び第２低屈折率層２３は、溶液状の透明樹脂材料を用いて塗布・硬化させることで形成することができる。透明無機材料を用いても良い。光取り出し開口部２５は、第２低屈折率層２３に光感光性の材料を用い、光硬化時に露光するパターンによって形成してもよく、フォトリソグラフィを用いて形成してもよい。

また、光取り出し開口部２５を設けた第２低屈折率層２３を印刷により形成することもできる。

反射ミラー２７は、光感光性材料を用い、露光量を調整して露光し三角形状のミラーを形成してもよく、或いは、反射ミラー２７形状の溝を形成した第１低屈折率層２１に反射膜２９を形成し、第２低屈折率層２３を形成した導光板３１と貼り合せてもよい。第２低屈折率層２３上に反射ミラー２７を形成する場合には、反射ミラー２７の形状を形成後その上に反射膜２９を形成すればよい。

図３にバックライトの正面図を示す。面内で輝度分布及び輝度視野角が均一となるように、開口部である光取り出し開口部２５及び反射板である反射ミラー２７をランダムに配置した。液晶表示素子５７の画素とのモアレや輝度の不均一が生じないように、反射ミラー２７は画素のサイズよりも小さくした。ＬＥＤ３７側から反対側に掛けて輝度傾斜が生じないように、光源のＬＥＤ３７に近い側の光取り出し開口部２５を小さくし、ＬＥＤ３７から離れるにしたがって光取り出し開口部２５の面積（幅及び長さ）を大きくした。

バックライト５９から出射される光量は、このように光取り出し開口部２５の形状や密度で調整することも出来、また、反射ミラー２７の高さ，幅によって変えることによっても調整出来る。

図４に画像表示素子の正面図、図５に画素部とレンチキュラレンズの配置図を示す。

画素５５は行列状に２次元で周期的に配置し、各画素５５はさらにＲＧＢの三色のサブ画素５３に分割している。サブ画素５３は水平方向（行方向、図においてはｘ軸方向）、画面を見る場合の左右方向に並んでいる。そのため、レンチキュラレンズ１は、ｙ軸方向に曲率を持ち、ｘ軸方向に長く並べた。このレンチキュラレンズ１を用いて、バックライト５９からのｙ軸方向に指向性の強い出射光を集光した。

図４に示した楕円は、バックライト５９からの指向性の様子を概念的に示したもので、レンチキュラレンズ１で集光するｙ軸方向は指向性が高く、ｘ軸方向は視野角が広い。画像表示装置としては、この視野角が広いｘ軸方向を左右方向とし、指向性の高いｙ軸方向を上下方向とすることが望ましい。そのため、このｘ軸方向に並んだサブ画素の透過開口部１５に合わせてレンチキュラレンズ１を用いて集光した。レンチキュラレンズで集光されないｙ方向については、所望の視野角が得られるようにバックライト５９からの出射光の拡がり角度を調整することが望ましい。

このように、集光素子としてレンチキュラレンズ１を用いて集光する場合には、直交座標系において、一つの座標軸方向の指向性が高く指向性の方向がそろっており、垂直なもう一軸方向については出射角度分布が広いことが望ましい。

透過開口部１５に効率良く光を集光するためには、レンチキュラレンズ１は非球面レンズとすることが望ましい。特に、下基板１７が薄くレンチキュラレンズ１の曲率半径が小さくなる場合には、非球面レンズを用いることが有効である。但し、球面レンズとしても十分な集光性能が得られる場合には必ずしも非球面レンズとする必要はない。また、レンチキュラレンズ１の中心部の曲率を緩くし平らに近くすると、透過開口部１５を透過する光線の正面輝度を高くすることが知られており、本実施形態にも適用できる。

本実施形態では、レンチキュラレンズ１を下基板１７上に形成したが、レンチキュラレンズ１の向きを上下反転して、別の透明基板上に形成してもよく、偏光板７ｂ上に形成してもよい。

また、レンチキュラレンズ１を屈折率の異なる材料で被覆して埋め込み、レンチキュラレンズ１の表面が平面となるようにしてもよい。このようにレンチキュラレンズ１を埋め込み型のレンズとする場合には平らな表面に偏光板７ｂを貼り付けると、レンチキュラレンズ１及び偏光板７ｂ表面での反射を抑えることでき、望ましい。また、偏光板７ｂは、下基板１７とレンチキュラレンズ１の間に設けてもよい。

レンチキュラレンズ１の幅，高さ，曲率をランダムに変調すると光拡散機能を持たせることができる。曲率を保ったままレンチキュラレンズ１の幅と高さを変調すると、焦点距離は変わらす、レンチキュラレンズ１の集光方向とは垂直方向について光拡散性を付与でき、特に望ましい。レンチキュラレンズによって十分に光を拡散し、液晶表示素子５７で表示される画像に輝度の不均一性を生じさせない場合には、拡散シート１９は用いなくても良い。また、第１低屈折率層２１の表面に凹凸形状を形成して、光拡散機能を持たせてもよく、第１低屈折率層２１自体に光拡散性を持たせてもよい。

図６に光取り出し開口部２５と反射ミラー２７の斜視図を示す。

光取り出し開口部２５から出射された光線が、反射ミラー２７で反射される。光軸方向（ここではｙ軸方向）の光線拡がり角は光取り出し開口部２５から出射される光線の拡がり角によって決まる。光軸方向と垂直な方向（ｘ軸方向）については、反射ミラー２７の形状により拡がり角を調整することができる。反射ミラー２７を光取り出し開口部２５側に湾曲した円弧状とすると、光軸方向とは垂直な方向の拡がり角度を狭くすることが出来る。この方向の拡がり角度を特別に狭くする場合には、光取り出し開口部２５を小さくし、反射ミラー２７の円弧の中心が光取り出し開口部２５の中にくるようにする。光取り出し開口部２５を透過した光線が反射ミラー２７に当たるように、光取り出し開口部２５の幅は反射ミラー２７の幅よりも小さくする。さらに、光取り出し開口部２５の幅は、反射ミラー２７に近い側は広くし、遠くなるにしたがって狭くする。

図７にＬＥＤ３７からの光が入射する入射端面６１での導光板３１の断面形状を示す。光導波路３１に取り込む光量を大きくするためには、光導波路３１に入射した光線の伝搬角度が小さいことが望ましい。そこで、光導波路３１に入射した光線の伝搬角度が小さくなるように入射端面６１の形状を、入射側に凸のプリズム形状（図７（ａ））、入射側に凸のシリンドリカルレンズ（図７（ｂ））、或いは、楔形形状（図７（ｃ））とした。入射端面６１を楔形形状とした場合（図７（ｃ））には、ＬＥＤ３７を斜めにして光を入射した。

本実施形態においては、出射面内において指向性の方向が揃い、一方向に指向性の高い面発光素子を実現できる。しかしそれでも指向性の度合いや方向が場所によって異なり、集光素子を適用した画像表示装置おいて輝度分布が生じる場合には、集光素子を適用したときに均一な正面輝度が得られるように、バックライト出射面内の輝度を場所によって調整することが望ましい。

本実施形態の面発光素子では、一軸方向に指向性の高い光線を得ることが出来るため、レンチキュラレンズ１を適用したが、バックライトの全方位でコリメート性が良い場合にも、レンチキュラレンズ１を適用して集光することができる。この場合には、液晶表示素子５７の出射側にホログラムシートやレンチキュラレンズシート，プリズムシート，レンズアレイシートを設けることで視野角を広くすることができる。

あるいは、バックライト５９と液晶表示素子５７の間に、ホログラムシートやレンチキュラレンズシート，プリズムシートを設けて、一軸方向の拡がり角を広くしてもよい。また、全方位でコリメート性が良い場合には、レンチキュラレンズ１に変えてサブ画素に対応させたマイクロレンズアレイを用いることができる。この場合には、マイクロレンズを稠密に配置できるように、透過開口部１５は千鳥配置のいわゆるデルタ配置とすることが望ましい。

本実施形態の面発光素子では指向性の高い方向を揃えることができ、直交座標系において少なくとも一軸方向について指向性を高くすることができる。そのため、集光素子、いわゆるレンズアレイの集光機能を十分に活用することができる。

図８から図１２を用いて、本発明の第２の実施形態を説明する。

図８は、面発光素子及び画像表示素子の断面図を示している。画像表示素子は、第１の実施形態と同じものを使用した。ただ本実施例では、複数のプリズム層（プリズムアレイ３９，プリズムシート４１）を第１低屈折率層２１の光取り出し側に配置している。第１低屈折率層２１の光取り出し側から、プリズムアレイ３９，プリズムシート４１の順に積層配置している。

光源（図示せず）より入射した光線は、導光板３１と第２低屈折率層２３との界面で全反射して導光板３１内を伝達する。光取り出し開口部２５においては、導光板３１と第１低屈折率層２１が接着層を介して接するようにし、導光板３１より液晶表示素子５７側に光線を取り出した。光取り出し開口部２５を透過した光線は反射ミラー２７で反射し、プリズムアレイ３９を透過して指向性の高い光線として出射される。さらに、プリズムシート４１を用いて正面方向に光線を曲げて、偏光板７ｂに入射する。レンチキュラレンズ１により偏光板７ｂを透過した光線を透過開口部１５に集光し、実効的な透過率を向上した。

図９に示したバックライト５９部の断面図を用いて、バックライト５９について詳細に説明する。

導光板３１と第２低屈折率層２３との界面で光線が全反射して導光板３１内を伝達し、光取り出し開口部２５から第１低屈折率層２１に光線が取り出される。光取り出し開口部２５には透明接着層６３があり、光取り出し開口部２５と第１低屈折率層２１とを接着している。透明接着層６３の屈折率が導光板３１の屈折率よりも大きい場合には、第１低屈折率層２１に出射される光線の角度は、第１の実施形態と同じとなる。例えば、導光板３１として屈折率１.５９のＰＣ、第２低屈折率層２３として屈折率１.３４のフッ素化ポリマー、第１低屈折率層２１として１.３５１のフッ素化ポリマーを用いると、９０°＞θ₂＞８２.６８°となる。

ここでは、反射ミラー２７の内部を空洞とし、反射ミラー２７での全反射を利用して光線を反射した。そのため、光線を正面方向に反射させると全反射せずに透過してしまう光線が生じるため、第１の実施形態とは異なり正面方向に向けて反射させずに斜め方向に反射するようにした。このとき、第１低屈折率層２１から出射される光線の拡がり角度増加を抑え、指向性の高い光線を得るために、ここでは第１低屈折率層２１の表面にプリズムアレイ３９を設けた。プリズムアレイ３９からは光線が斜めに出射されるため、さらに、プリズムシート４１を用いて光線を正面に向けた。

図１０を用いて、プリズムアレイ３９による光線の拡がり角度増加抑制効果について説明する。屈折率ｎ₁から屈折率ｎ₂の媒体の界面に入射角度θ₁で入射し、出射角度θ₂で出射する光線を考えると、スネルの法則

を用いて、θ₁がわずかにΔθ₁だけ変化した場合のθ₂の変化量Δθ₂は

と表される。（８）式によれば、入射光線が界面に垂直に入射するθ₁＝０の場合は、

であるのに対して、θ₁が大きくなるにしたがってθ₂の変化量Δθ₂が大きくなる。そのため、図１０（ａ）のように、界面への入射角度θ₁が大きい場合には、界面に垂直に入射する場合に比べて光線が透過する際の拡がり角の増加が大きくなる。

そこで、図１０（ｂ）のように表面にプリズムを形成して界面に垂直に近く光線が入射するようにするようにし、界面を透過する際の拡がり角の増加を抑制した。この場合、プリズムアレイ３９の斜面の角度εは、斜面に入射する光線の中で光強度（または輝度）の一番強い方向の光線が斜面にほぼ垂直に入射するように定めることが望ましい。この場合の拡がり角度の変化は、概ね（９）式で表される。

また、プリズムアレイ３９のもう一方の斜面によって輝度の高い方向の光線が遮られないようにするために、プリズムアレイ３９の頂角の角度は９０°程度とする。

図１１に本実施形態の面発光素子の組み立て方法を示す。ここでは、反射溝３３を形成した導光板３１と、反射ミラー２７とプリズムアレイ３９を形成した第１低屈折率層２１を射出成型によってそれぞれ個別に作成した。第１低屈折率層２１には、反射ミラー２７と位置合わせして、印刷により第２低屈折率層２３を形成した。その後、導光板３１と第１低屈折率層２１とを透明接着層６３を用いて張り合わせた。光取り出し開口部２５においては、透明接着層６３を通って導光板３１から第１低屈折率層２１に光線が透過する。透明接着層６３の屈折率は、導光板３１の屈折率と等しいか第２低屈折率層２３をよりも高いものであればよい。

本実施形態においては、反射ミラー２７に反射層を設けず、界面での全反射を用いたが、反射ミラー２７に反射層に設けてもよい。この場合は、第１の実施形態の反射層２９を有する反射ミラー２７と同じとなり、正面方向に光線を反射するように反射ミラー２７の角度を定めることできる。このように正面方向に近く光線を反射する場合には、プリズムアレイ３９、又はプリズムシート４１を設ける必要はない。

プリズムアレイ３９は、本実施形態のように、第１低屈折率層２１に一体で形成する必要はなく、第１低屈折率層２１表面は平坦にし、プリズムシートを個別に設けてもよい。この場合、界面の増加によって反射面が増加する一方第１低屈折率層２１も導光板３１の一部として機能することができる。この場合のプリズム形状について、図１２を用いて説明する。

プリズムシートの屈折率をｎ₂、入射側の媒体の屈折率をｎ₁、出射側をｎ₃とし、ｚ軸方向に対する光入射角度をθ₁、出射角度をθ₃とし、プリズムの斜面の角度（プリズムの底角）をεとすると、スネルの法則により

の関係がある。プリズムの斜面に対して主要な光線がほぼ垂直に出射するようにプリズムの斜面の角度をεを定める（θ₃≒ε）と、拡がり角度Δθ₁を持つ光線が入射した場合、Δθ₁が小さい場合には、出射角度の拡がり角度Δθ₃は、

となる。例えば、屈折率ｎ₁，ｎ₃の媒体を空気とすると、Δθ₃＜Δθ₁となり、プリズムシートに指向性を向上する効果があることが分かる。θ₁が大きいほどこの効果は大きく、またｎ₂が大きいほど大きい。

但し、θ₁またはｎ₂が大きくなると、プリズムシートに入射する場合の反射が大きくなり、プリズムシートを透過する光量が減少する。これら指向性の向上の反射による透過光量の減少とを勘案して入射角度及び屈折率を定めることが望ましい。ここでも、プリズムアレイ３９のもう一方の斜面は、輝度の高い方向の光線を遮らないようにするために、プリズムアレイ３９の頂角の角度は９０°に近い値とすることが望ましい。

本実施形態においては、出射光の指向性を良くするために、プリズムアレイ３９から出射される光線は、バックライト５９出射面の垂線方向に対して斜めに出射されることになる。そこで、プリズムシート４１を用いて、正面方向に向くようにした。プリズムの角度εは、（１０）（１１）式において、光強度の一番強い光線の方向がθ₃≒０となるように定めればよい。

プリズムシート４１の入射面に対して光線が角度を持って入射するため、プリズムシート４１の入射面での反射率が、Ｐ偏向とＳ偏向で異なり、プリズムシート４１から出射される光線は、Ｐ偏光成分を多く含むように偏光している。そのため、この偏光方向に合わせて、偏光板７ｂの方向を定めることが望ましい。また、偏光板７ｂの方向を合せることが出来ない場合は、プリズムシート４１に複屈折率性を持たせて偏光を解消してもよい。

プリズムアレイ３９及びプリズムシート４１のプリズムと液晶表示素子の画素との間でモアレが生じないようにするためには、液晶表示素子の画素内に複数のプリズムが入る程度にプリズムのピッチを小さくすることが望ましい。

本実施形態においては、反射ミラー２７に反射層２９を形成する必要がないため、面発光素子５９の形成が容易となる。

図１３から図１５を用いて、本発明の第３の実施形態を説明する。

図１３は、面発光素子及び画像表示素子の断面図を示している。画像表示素子は、偏光板７ｂの位置を除いて、第１の実施形態と同じものを使用している。また面発光素子は、光取り出し開口部２５と反射ミラー２７の配置、及び拡散シート１９を用いていない点を除いて第１の実施形態と同じである。本実施形態においては、反射ミラー２７を、液晶表示素子５７の画素と位置を合わせて形成した。反射ミラー２７で反射した光線は、対応したレンチキュラレンズ１を用いて透過開口部１５に集光され、効率良く透過開口部１５を透過することができる。偏光板７ｂは、第１低屈折率２１から下基板１７の間に設ければよいが、ここでは、偏光板７ｂは、第１低屈折率２１上に貼り付けて、空気と接する界面の数を減らした。

レンチキュラレンズ１と反射ミラー２７との間隔は、広いほうがレンチキュラレンズ１の曲率半径を大きくすることができ、レンチキュラレンズ１の形成しやすさの点で望ましい。レンチキュラレンズ１と反射ミラー２７の間隔を広くしても効率良くレンチキュラレンズ１に光線を入射するためには、バックライトから出射される光線の拡がり角θを小さくすることが望ましい。レンチキュラレンズの径をＤ、レンチキュラレンズ１と反射ミラー２７の間隔をＬとすると、拡がり角度θは、

を満たすようすることが望ましい。一方、画像表示装置を薄くする場合には、レンチキュラレンズ１と反射ミラー２７の間隔Ｌを短くすることが望ましい。

図１４にバックライト５９の正面図を示す。光取り出し開口部２５及び反射ミラー２７は、透過開口部１５の位置に合わせて周期的に形成した。光源のＬＥＤ３７に近い側の光取り出し開口部２５の面積を小さくし、ＬＥＤ３７から離れるにしたがって光取り出し開口部２５の面積を大きくするように形成することで、ＬＥＤ３７側から反対側に掛けて輝度傾斜が生じないようにした。バックライト９から取り出される光量は、このように光取り出し開口部２５の形状で調整することもでき、また、反射ミラー２７の高さ，幅によっても調整出来る。

図１５に別のバックライト５９の正面図を示す。ここでは、レンチキュラレンズ１の集光特性のない方向、つまりサブ画素の並ぶ方向については光取り出し開口部２５及び反射ミラー２７を分離せず、つなげて形成した。あるいは、反射ミラー２７は連続させ、光取り出し開口部２５をサブ画素に合わせて分離してもよい。

本実施形態では、画素に合わせて反射ミラー２７を形成するため、反射ミラー２７の個数を少なくでき、作成が容易となる。本実施形態でも、レンチキュラレンズ１の曲率を保ったままレンチキュラレンズ１の幅及び高さをランダムに変調すると輝度均一化を図れるため望ましい。

本実施形態において、反射ミラー２７をレンチキュラレンズ１の焦点位置に設けると、一方向に指向性の高い光線を得ることができる。このように、本実施形態の面光源素子とレンチキュラレンズを組み合わせて、一方向に指向性の高い面光源素子としてもよい。この場合は、画像表示素子側に別個レンチキュラレンズを設け、透過開口部１５に光を集光するようにすればよい。

図１６を用いて、本発明の第４の実施形態を説明する。

図１６は、面発光素子及び画像表示装素子の断面図を示している。面発光素子については、前述までの実施形態と同じである。画像表示素子については、ここでは、半透過型の液晶表示素子５７の下基板１７を薄くし（上基板９より薄くし）、第１の実施形態から第３の実施形態に記載の集光素子であるレンチキュラレンズを用いずに液晶表示素子５７とバックライト５９とを貼り付けている。

光源（図示せず）より入射した光線は、導光板３１と第２低屈折率層２３との界面で全反射して導光板３１内を伝達する。光取り出し開口部２５においては、導光板３１と第１低屈折率層２１が接するようにし、導光板３１より液晶表示素子５７側に光線と取り出した。光取り出し開口部２５と反射ミラー２７は、透過開口部１５と対応させて形成した。光取り出し開口部２５を透過した光線は反射ミラー２７の反射層２９で反射し、透過開口部１５に入射する。

本実施形態では、一対の偏光板のうち、一方の偏光板７ａ（第１の偏光板）は、上基板９に対して液晶層１３が配置された側とは反対側に配置され、他方の偏光板（第２の偏光板）は、下基板１７と液晶層１３間に形成され、液晶層１３に接してインセル偏光板４３として配置されており、反射ミラー２７で反射されて入射した光線を偏光し、液晶層１３で偏光された光の偏光方向をスイッチングすることで、画像を表示する。反射ミラー２７と透過開口部１５を近接して配置（下基板１７と第１低屈折率層２１とを近接して配置）し、バックライトからの出射光の指向性を良くすることにより、実効的な開口透過光量を向上した。

本実施形態においては、マイクロレンズアレイを用いることなく透過光量を大きく出来るため、画像表示装置の構成を簡単にし、また画像表示装置を薄くすることができる。光取り出し開口部２５及び反射ミラー２７の形状，反射溝３３の形状・ピッチを場所によって調整することで、各透過開口部１５を透過する光量を均一化することができる。

本実施形態では、反射ミラー２７と透過開口部１５を近づけて透過光量を大きくするためにインセル偏光板４３を用いたが、偏光板は、インセル偏光板４３に加えて、またはインセル偏光板４３に代えて下基板１７と第１低屈折率層２１に間に設けてもよい。また、下基板１７を無くし、第１低屈折率層２１上に液晶表示素子５９を形成してもよい。この場合に液晶表示素子５９をアクティブマトリックスで駆動する場合、ＴＦＴは転写法や有機半導体材料を用いた有機ＴＦＴを用いることが望ましい。

また、後述の第６の実施形態と同じく、透過開口部１５を大きくし、第２低屈折率層の上に反射膜を設けると、透過開口部１５から入射した外光をこの反射膜で反射して反射表示として利用できるため、透過型液晶表示素子を用いていわゆる微反射の表示を得ることもできる。

図１７から図１８を用いて、本発明の第５の実施形態を説明する。

図１７は、本実施形態の面発光素子部の断面図を示す。導光板３１と、導光板３１の光取り出し側に形成された低屈折率層２４との界面で光線が全反射して導光板３１内を伝達し、光取り出し傾斜部４５から低屈折率層２４に光を取り出す。導光板３１と低屈折率層２４間の界面に傾斜溝が形成された傾斜部（導光板３１の低屈折率層２４側に形成された傾斜溝）である光取り出し傾斜部４５は、光取り出し傾斜部４５以外の部分と比べて光線の入射角度が大きくなり、光線が低屈折率層２４に透過する。

反射ミラー２７表面上には銀，アルミ等の高反射率な金属や誘電体多層膜を用いた反射膜２９を形成することにより、効率よく光を取り出すことができる。導光板３１から光取り出し傾斜部４５，低屈折率層２４を透過した光線は、反射ミラー２７で反射し第１低屈折率層２１の外に取り出される。

図１８に、光取り出し傾斜部４５と反射ミラー２７の拡大図を示す。導光板３１，低屈折率層２４の屈折率をそれぞれｎ₁，ｎ₂とすると（ｎ₁＞ｎ₂）、導光板３１と第２低屈折率層２３との界面で全反射して伝搬する場合、導光板３１と第２低屈折率層２３の界面への入射角θ₁は、

を満たしている。ｎ₁に比べてｎ₂を十分に小さくすることにより、導光板３１中を伝搬する光線の角度を広くすることができる。光取り出し傾斜部４５に入射する光線の中で、

を満たす光線が低屈折層２４に出射される。このとき、光取り出し開口２５から出射する光線の出射角θ₂は、

となる。例えば、導光板３１として屈折率１.５９、第１低屈折率層２１として屈折率１.３４の透明ポリマーを用いると、θ₁＞３２.６°となる光線が導光板３１と第２低屈折率層２３との界面で全反射し、導光板３１中を伝搬される。また、光取り出し傾斜部４５の傾斜角度βを０.７５°とすると、９０.７５°＞θ₂＞８３.３°となり、低屈折層２４から出射される光線の拡がり角度を±５°とすることができる。このとき反射ミラーの傾斜角度αを４３.５°とすることにより、正面に光を反射することができる。

このように、導光板３１と低屈折率層２４の界面と光取り出し傾斜部４５のなす角度βは小さいことが望ましく、バックライト５９から出射される光線の拡がり角度を±７°以下にするためには、βは０より大きく１°以下、拡がり角度を±５°以下にするためには、βは０より大きく０.７５°以下とする必要がある。

入射角度θ₁が大きく、光取り出し傾斜部４５で反射した光線の伝搬角度は、（９０°−θ₁＋２α）と大きくなる。そのため、導光板３１の低屈折率層２４とは逆側の面には反射溝を設けず平坦にした。光取り出し傾斜部４５及び反射ミラー２７を形成した導光板３１の反射層２９を形成した後、低屈折率層２１を塗布し、硬化させた。

本実施形態の面光源素子は、構造が簡単であり形成が容易である。また、本実施形態の面発光素子は、第１，第３及び第４の実施形態の面発光素子に代えて用いることができる。また、第１，第３及び第４の実施形態の面発光素子の光取り出し開口部２５に傾斜面を設けてもよい。

図１９を用いて、本発明の第６の実施形態を説明する。

図１９は、面発光素子及び画像表示素子の断面図を示している。ここでは、画像表示素子として透過型の液晶表示素子５７を用いている。第２低屈折率層２３の液晶表示装置側の表面にも反射膜２９を形成した以外は、バックライト５９の構成は第１の実施形態と同じである。第２低屈折率層２３の表面は凹凸形状とし、光線を拡散反射するようにした。光取り出し開口部２５を透過した光線は、第１の実施形態と同じく反射ミラー２７で反射し、レンチキュラレンズ１で透過開口部１５に集光されて液晶表示素子５７から出射される。

一方、液晶表示素子５７側から入射し透過開口部１５を透過した外光６５は、第２低屈折率層２３上の反射膜２９で反射され、再び透過開口部１５を透過することで、反射表示に利用する。反射膜２９での反射光を利用することにより、外光６５をバックライト５９側に設けた反射部で反射させて表示に用いるいわゆる微反射構造とすることができ、強い外光下でも画像表示を見ることができる。導光板３１を伝搬する光線は、導光板３１と低屈折率層２４との界面で全反射して伝搬するため、低屈折率層２４上に金属の反射膜２９と設けても、光損失を生じることなく光線は導光板３１内を伝搬することができる。

図２０を用いて、本発明の第７の実施形態を説明する。

図２０は、面発光素子及び画像表示素子の断面図を示している。第２の実施形態と比べて、バックライト５９はプリズムシート４１を用いていない点、液晶表示素子５７は集光素子として非対称レンチキュラレンズ５を用いている点が異なる。プリズムシート４１を用いていないため、光線はバックライト５９から斜めに出射される。そのため、非対称レンチキュラレンズ５を用い、バックライト５９からの指向性の強い光線を集光するとともに、正面方向の輝度が高くなるように光線の方向を変えた。透過開口部１５の中心と非対称レンチキュラレンズ５のレンズ中心（レンズ高さの頂点）をずらすことによって、斜めに入射する光線を正面方向に向けることができる。

本実施形態の非対称レンチキュラレンズ５は、非球面レンズを用いて、レンズの片側を除いた形状が望ましい。また、非球面形状としては奇数項を含む多項式で表わされる非球面レンズとすることが望ましい。

本実施形態では、第２の実施形態に比べてプリズムシート４１を用いていないため、プリズムシート４１による光損失を低減できる。

図２１から図２３を用いて、本発明の第８の実施形態を説明する。

図２１は、面発光素子の断面図を示している。光源（図示せず）より入射した光線は、主に導光板３１内で反射を繰り返し伝達する。導光板３１の液晶表示素子５７側（光取り出し側）には屈折率層である低屈折率層２４が形成されており、導光板３１と低屈折率層２４との界面、及び低屈折率層２４の表面で光線が全反射して導光板３１及び低屈折率層２４を伝搬する。

導光板３１より液晶表示素子側に光線を取り出すために、反射面である突起部４７を有する反射部材である突起部形成シート４９を設け、突起部４７の先端が第１低屈折率層２１に接するようにしている。この反射部材である突起部形成シート４９は、低屈折率層２４の光取り出し側に形成され、導光板３１から低屈折率層２４を介して出射される光を反射する反射面の突起部４７を有し、突起部４７に入射した光線は、突起部側面４８で全反射し、出射される。導光板３１，低屈折率層２４，突起部シート４９の屈折率をそれぞれｎ₁，ｎ₂，ｎ₃とすると、

となるようにした。そのため、導光板３１中の光線の伝搬角度をφとすると、φの小さな光線は導光板３１と低屈折率層２４の界面で全反射し、φの大きな光線のみが低屈折率層２４を透過して突起部４７に入射する。低屈折率層２４に入射した光線の中で突起部４７に入射しなかった光線は、低屈折率層２４の表面で全反射し、導光板３１に戻る。

図２２に突起部４７の拡大断面図を示す。導光板３１の中を伝搬角度φで進行する光線が、導光板３１と低屈折率層２４の界面で全反射せず、低屈折率層２４に入射するためには

を満たす必要がある。また、低屈折率層２４と空気の界面で全反射するためは、

を満たす必要がある。突起部シート４９から出射される光線の角度ψは、光線が反射する所での突起部側面４８の角度をαとすると、

と表される。上記の式のように、低屈折率層２４の屈折率を制御することによって、図２１に斜線で示したように突起部４７に透過する光線の角度範囲を制限することができる。

その結果、突起部シート４９から出射される光線の拡がり角度を狭くすることができ、指向性を高くすることが出来る。光線の指向性を良くするためには、突起部４７の屈折率が大きいこと、低屈折率層２４の屈折率は小さいことが望ましい。そのため、例えば、フッ素化ポリマーのような低屈折材料を用いることが望ましく、突起部４７には屈折率１.７以上の高屈折率の材料を用いることが望ましい。高屈折率材料は、例えば、ポリマーにＴｉＯ₂のような高屈折率な無機材料の微細粒子を混ぜることで実現することができる。

突起部シート４９からの出射光の指向性を高くするためには、突起部４７の断面形状は、放物線とすることが望ましく、放物線の焦点位置が突起部４７先端の中心になるようにすることが望ましい。このように焦点位置が突起部４７先端の中心に設けることで、突起部側面４８で反射した光線は集光され、低屈折率層２４で光線の角度を制限して指向性を高めるのに加えて、さらに指向性を強くすることができる。

図２３にバックライト５９の正面図を示す。突起部４７を回転対象な突起形状とすることで、どの方向から入射するかによらず、突起部４７に入射する光線に対しても同様に機能し、指向性を高く出射することができる。そこで、導光板３１のＬＥＤ３７を設けた入射端面とは逆側の端面に折り返し反射板５１を設けた。折り返し反射板５１で反射して導光板３１に戻った光線も、同様に突起部４７に入射し、指向性が高い光線として突起部シート４９から出射される。

ここまで光源としてＬＥＤについて示してきたが、冷陰極蛍光ランプ（ＣＣＦＬ）といった線状光源を用いることもできる。このように全方位について指向性を高くすることができるので、画像表示装置に用いるレンズは、レンチキュラレンズに加えて、球面レンズアレイにも適用することが出来る。レンチキュラレンズを用いる場合には、一方向のみ指向性が高ければよいため、本実施形態のように突起部４７が分離していなくてもよく、レンチキュラレンズの長手方向については、突起部４７がつながっていても良い。

図２４を用いて、本発明の第９の実施形態を説明する。

図２４は、面発光素子の断面図を示している。光源（図示せず）より入射した光線は、主に導光板３１内で反射を繰り返し伝達する。導光板３１の液晶表示装置の反対側には低屈折率層２４が形成されており、低屈折率層２４と空気界面で光線が全反射し、導光板３１及び低屈折率層２４内を伝達する。導光板３１より液晶表示素子５７側に光線と取り出すために、導光板３１の光取り出し側とは反対側に反射ミラー２７を設け、反射ミラー２７で全反射した光線が出射される。導光板３１，低屈折率層２４の屈折率をそれぞれｎ₁、ｎ₂とすると、反射ミラー２７で光線が全反射するように、

とした。導光板３１の中を伝搬角度φで進行する光線が反射ミラー２７で全反射するためには、反射ミラー２７の角度をαとし、

を満たす必要がある。また、導光板３１内で反射して伝搬するためには、

を満たす必要がある。導光板３１から出射される光線の角度ψは、

と表される。（２２）式から（２４）式によると、導光板３１から出射される光線の指向性を良くするためには、導光板３１の屈折率は小さくし、低屈折率層２４の屈折率は導光板３１の屈折率に近いこと、が望ましい。

また、反射ミラー２７の角度αは、反射ミラー２７で全反射する光線を正面方向に反射するように定めることが望ましい。たとえば、ｎ₁＝１.４９，ｎ₂＝１.３５で、α＝６７.６°とすると、導光板３１から出射される光線の角度は、±３.９°となり、指向性が高く出射されることが分かる。（２２）から（２４）式を用いて検討した結果、導光板３１から出射される光線の拡がり角度を±７°以下とするためには、
０＜ｎ₁−ｎ₂≦０.１７
±５°以下とするためには、
０＜ｎ₁−ｎ₂≦０.１５
とする必要がある。また、導光板３１の屈折率ｎ₁は、１より大きく１.７以下、好ましくは１.５以下とすることが望ましく、反射ミラーの角度αは６７°以上とすることが望ましい。

導光板３１から出射される輝度分布は、反射ミラー２７の密度，高さ，幅を変えることで調整することができる。また、導光板３１および低屈折率層２４の合計の厚さを薄くすると、取りさせる単位長さ当たりの光量を多くできる。

本実施形態においては導光板３１として屈折率が小さいことが望ましく、屈折率の小さいところから光線が出射されるため、導光板３１から出射される場合の拡がり角度の増加を抑制できる。

低屈折率層２４は、反射ミラー２７を形成するように射出成型した導光板３１に、低屈折率層２４を塗布・硬化させることによって形成することができる。あるいは、いわゆる２色成型によって、導光板３１と低屈折率層２４を同時に成型することもできる。

図２５から図２８を用いて、本発明の第１０の実施形態を説明する。

図２５は、画像表示素子の画素配置の正面図を、図２６は図２５のＡ−Ａ′部の断面図を示している。

マイクロレンズアレイを用いて指向性の高い光線を透過開口部に集光する場合、画像表示素子の輝度視野角はレンズの幅及び焦点距離によって概ね決まる。透過開口部からの出射光量を大きくするためには、レンズの集光位置を透過開口部に合わせるため、結局のところ視野角は基板厚によって概ね決まることになる。焦点距離を短く、つまり基板厚を薄くすると、開口部を透過する光量を大きくでき、視野角は広くなる一方、正面輝度は小さくなる。逆に、基板厚を厚くすると、視野角は狭くなるが正面輝度が高くすることができる。そこで、基板厚を厚くして正面輝度を高くし、しかも視野角を広くするために、ここでは隣り合うレンチキュラレンズを２つ一組として、これら一組のレンチキュラレンズ２の中心が互いに近くなるように偏芯させた。同時に透過開口部１５も偏芯レンチキュラレンズ２の中心と揃うように位置を移動させた。つまり、複数の画素の各画素内に透過開口部１５が形成され、透過開口部１５の中心を画素の中心から偏芯させ、隣接する２つの画素の各透過開口部１５は、その２つの画素間の境界に近づくように偏芯させて配置し、その隣接する２つの画素を一組として周期的に配置させた。また一列に並んだ画素の２列を一組として、一組の画素の透過開口部１５を互いに近づくように偏芯させた。

図２７にレンチキュラレンズを偏芯しない場合とした場合について、レンチキュラレンズで集光する方向の輝度視野角分布を示している。２.４型ＶＧＡ（画素ピッチｐ７６.５μｍ）、透過開口部１５のサイズｗ＝１６μｍ，ｈ＝２９μｍの場合について示している。偏芯レンチキュラレンズ２を用いることにより、正面輝度は変わらずに、視野角は片側に広くなり、もう一方は狭くなっていることが分かる。

このように、偏芯レンチキュラレンズ２を用いると、偏芯させない場合に比べて正面から見たときの輝度は変わらず、視野角を広くすることができる。但し、斜め方向から見た場合に一ラインごとに画像の濃淡が生じるため、見る角度によっては最悪の場合解像度が半分に低下することになる。高解像度な画像表示素子を用いる場合には、この斜めから見た場合の解像度の低下が気なりにくく、偏芯レンチキュラレンズ２を用いるのは特に高解像度な画像表示素子、例えば３００ppi（pixel per inch）以上の場合に有効である。

図２８には、透過開口部１５を透過する光量と偏芯レンチキュラレンズ２の偏芯量ｓの関係を示す。レンチキュラレンズを用いない場合の透過光量を基準として規格化した光量を示している。レンチキュラレンズを偏芯させることによって透過開口部１５を透過する光量が増加することが分かる。正面輝度は変わらないため、正面以外の方向の光量が増加していると考えられるが、透過開口部１５を透過する全光量を重視する場合にも、レンチキュラレンズを偏芯することが有効である。

図２９に、２次元配列した偏芯マイクロレンズアレイを用いる場合の画像表示素子の画素配置の正面図を示す。偏芯マイクロレンズアレイ４を用いる場合には、４個のサブ画素５３を一組とし、互いに近づくように中心を偏芯させる。この一組の４個のサブ画素５３は、ＲＧＢ三原色の中の２色の組み合わせとなる（２色のカラーフィルタが含まれる）。この場合、画素の一行内に上に偏芯したサブ画素と下に偏芯したサブ画素が含まれているため、解像度の低下は気になりにくい。

図３０に、ＲＧＢに加えて白（Ｗ）を加えた４原色の場合について、偏芯マイクロレンズアレイを用いる場合の画像表示素子の画素配置の正面図を示す。この場合は、４個のサブ画素５３の中にＲＧＢＷのすべてのサブ画素が含めることができる。つまり４個のサブ画素５３を一組とし、互いに近づくように中心を偏芯させ、この一組の４個のサブ画素５３は、４色のカラーフィルタを含むことになる。

図３１から図３３を用いて、本発明の第１１の実施形態を説明する。

図３１は、面発光素子及び画像表示素子の断面図を示しており、図３２は面発光素子の断面図を示している。画像表示素子は、第１の実施形態と同じものを使用した。また、面発光素子は、第１低屈折率層に形成されていたプリズムアレイを分離し、プリズムシート４１とした点と、λ／２板付プリズムシート４２を設けたことを除いて、第２の実施形態と同じバックライト５９を用いた。つまり第２の実施形態での複数のプリズム層は、プリズムシート４１と、λ／２板付プリズムシート４２とし、第１低屈折率層の光取り出し側から、プリズムシート４１，λ／２板付プリズムシート４２と、順に積層配置させた。

そのため、光線は内部を空洞とした反射ミラー２７で全反射し、第１低屈折率層から正面方向対して導光板３１に平行に近い方向に斜め方向に出射される。この斜めに出射された光線を、第２の実施形態で説明したように、プリズムシート４１を用いて指向性を向上するとともに、光線の進行方向を正面方向側に向けた。指向性を向上するために、プリズムシート４１で完全に正面に向けずに、さらにλ／２板付プリズムシート４２で最終的に正面方向に向けるように屈折した。

図３３にプリズムシート４１の基材フィルム８１の表面での透過率の角度依存性を示した。第１低屈折率層表面での透過率もほぼ同様の特性を示す。本実施形態では、第１低屈折率層表面及びプリズムシート４１の入射面に対して光線が大きな角度を持って入射するため、これら界面での透過率は、Ｓ偏光７１に比べてＰ偏光７３のほうが大きく、プリズムシート４１を透過する光線は無偏光ではなく、Ｐ偏光成分の多く含むように偏光している。本実施形態においては、プリズムシート４１表面に対して約７０°の入射角度にピーク強度がくるように反射ミラー２７の角度を設定した。このプリズムシート４１への入射角度が大きいほどプリズムシート４１による指向性向上の効果は大きく、図３３より理解できるように、プリズムシート４１を透過する光の偏光度もより大きくなる。つまり、指向性及び偏光度を大きくするためには、プリズムシート４１への入射角度が大きくなるようにすること、例えば７０°以上となるようにすることが望ましい。一方、プリズムシート４１を透過する光量を大きくするためには、プリズムシート４１の透過率が高いことが望ましく、プリズムシート４１への入射角度は、６５°〜７５°が望ましい。

液晶表示素子５７に入射する光線の偏光方向には望ましい方向があり、プリズムシート４１を透過する光線の偏光方向と液晶表示素子５７に適した偏光方向とが揃っている場合には、偏光した光が効率よく偏光板７ｂを光線が透過することが出来る。しかし、本実施形態では、液晶表示素子５７としてＩＰＳ（In Plane Switch）モードを用いており、液晶表示素子５７に入射する光線は、概ね水平方向に向いたほうが望ましく、プリズムシート４１を透過した光線の主要な偏光状態と異なっていた。

そのため、λ／２板６７を用いて偏光方向を約９０°回転した。λ／２板６７上にプリズムアレイを形成し、λ／２板付プリズムシート４２とすることにより、画像表示装置の厚さを増すことなく、所望の偏光方向が得られるようにλ／２板、つまり位相差板を挿入することが出来る。

プリズムシート４１により、ある程度正面方向近くに光線が向けられており、λ／２板付プリズムシート４２を透過したのち、λ／２板付プリズムシート４２上のプリズムアレイを透過しても、偏光状態はほとんど変化することはない。λ／２板６７は、所望の偏光が得られるように、光学軸を合わせればよい。λ／２板６７は、λ／２板付プリズムシート４２の基材として用いることに限定するものではなく、液晶表示素子５７とプリズムシート４１の間にあれば良く、λ／２板付プリズムシート４２の基材を光学的に当方性の媒体を用い、このプリズムシートと液晶表示素子５７の間に設けてもよく、偏光板７ｂに貼り付けてもよい。

或いは、プリズムシート４１を用いずに、第１低屈折率層からの光線を直接λ／２板付プリズムシート４２に入射してもよい。また、λ／２板６７に換えて、偏光を解消するような複屈折率性媒体を用いて、プリズムシートを形成してもよい。

λ／２板６７は、可視光の波長範囲でλ／２となる位相差を持つことが望ましいが、特に視感度の高い波長５５０ｎｍで位相差がλ／２となるようにすることが望ましい。また、完全にλ／２板でなくても、偏光を回転する効果が得られる位相差板であればよい。なお、プリズムシート４１を透過する光線の偏光方向と液晶表示素子５７に適した偏光方向とが方向が揃っている場合には、λ／２板６７を設ける必要はない。例えば、液晶表示素子５７の偏光板として円偏光板を用いる場合には、偏光板の軸方向をバックライト光の偏光方向に合わせることができるため、λ／２板６７を設けなくてもよい。

また、面発光素子は本実施形態の構成に限定するものではなく、導光板の出射面に平行に近く光線を出射する場合、または、出射面側に平面のシートがありその上のプリズム形状を有する面から光線を出射する光学シートを用い、シート面に平行に近く光線が入射する場合に、効果があるものである。

図３４に別の面発光素子の断面図を示した。ここでは、プリズムシート４１の基材として反射型偏光板６９を用いた。反射型偏光板６９は、特定の方向の偏光を反射し、垂直な偏光を透過する性質を持つものであり、図３４においては、Ｓ偏光を反射するようにした。そのため、プリズムシート４１を透過する光線は、Ｐ偏光に強く偏光した直線偏光になる。この偏光をλ／２板を用いて偏光方向を回転した。

反射型偏光板６９を用いない場合にも、プリズムシート４１の入射面でＳ偏光の反射率が高いため、プリズムシート４１から出射される光線はある程度偏光している。ここでは、反射型偏光板６９の反射偏光方向をこの反射率の高い方向に合わせることで、Ｓ偏光を導光板３１側に戻して再利用することで、バックライト５９から直線偏光を出射し、λ／２板６９を用いてその偏光方向を偏光板７ｂの透過軸に合わせることで、偏光板７を透過する光量を大きくすることができる。

反射型偏光板６９は、光線を垂直に入射したときにも、一方向の偏光を反射し、垂直方向の偏光を透過する機能を有しているものである。

本実施形態では、第１低屈折率層２１に平行に近く第１低屈折率層２１に対して斜め方向に、ある程度出射方向の揃った光線が出射されるため、反射型偏光板６９に変えて、屈折率の異なる誘電体膜を積層することによっても、プリズムシート４１で反射するＳ偏光の反射率を高くし、プリズムシート４１からＰ偏光に強く偏光した光線を取り出すことができる。この場合は、第１低屈折率層２１から出射される光線の出射が、プリズムシート４１の入射面に対してブルースター角となるようにすることが望ましい。

本実施形態では、第１底屈折率層２１から斜め方向に出射方向のある程度揃った指向性が高い光線が出射されるため、反射型偏光板６９を効率良く機能させることが出来る。バックライト５９は本実施形態に限定されるものではなく、導光板から導光板の出射面に平行に近く出射され、出射方向のある程度揃った指向性が高い光線がえられるものであれば、反射型偏光板やλ／２板を用いることによって同様の効果が得られるものである。

図３５から図３６を用いて、本発明の第１２の実施形態を説明する。図３５は面発光素子の断面図を示している。画像表示素子は、第１１の実施形態と同じく、第１の実施形態と同じものを使用した。また、面発光素子も第１１の実施形態と同じく、第１低屈折率層に形成されていたプリズムアレイを分離し、プリズムシート４１とした点と、λ／２板付プリズムシート４２を設けたことを除いて、第２の実施形態と同じものを用いた。本実施形態においては、第１低屈折率層２１上及びプリズムシート４１の基材フィルム８１の導光板３１側（導光体３１とプリズムシート４１間）に高屈折率層７５ａ及び７５ｂ（導光体４１及びプリズムシート４１よりも屈折率の高い層）を設けた点が、第１１の実施形態と異なる。

図３６に、高屈折率層７５ｂの屈折率が２.０の場合の高屈折率層７５ｂ表面での透過率の角度依存性を示す。高屈折率層７５ｂを設けない場合（図３４）に比べて、高屈折率層７５ｂ表面でのＰ偏光７３の透過率が大きく、高屈折率層７５ｂを透過した光はより強くＰ偏光成分の含むように偏光している。同様に、第１低屈折率層２１上にも高屈折率層７５ａを設けることによってさらに偏光度が大きくなる。高屈折率層７５としては、第１低屈折率層２１及び基材フィルム８１の屈折率よりも大きい必要があり、屈折率が大きいほど偏光度が大きくなり望ましい。そのため、高屈折率層７５屈折率としては１.８以上が望ましく、ＴｉＯ₂，Ｔａ₂Ｏ₅，ＺｒＯ₂，ＺｎＳの薄膜や透明なポリマーにこれら高屈折率な材料の微粒子を分散したものを用いることが望ましい。また、高屈折率層７５は、光干渉が生じない程度に厚いことが望ましく、１μｍ以上の膜厚が望ましい。但し、液晶表示素子にマイクロレンズアレイを設ける場合には、マイクロレンズアレイにより光干渉による色づきが緩和されるため、１μｍ以下の膜厚とすることもできる。

第１低屈折率層２１から導光板３１に平行に近く斜め方向に出射された光線を、第２の実施形態で説明したように、プリズムシート４１を用いて指向性を向上するとともに、光線の進行方向を正面方向側に向けた。指向性を向上するために、プリズムシート４１で完全に正面に向けずに、さらにλ／２板付プリズムシートで最終的に正面方向に向けるように屈折した。

本実施形態においては、プリズムシート４１表面に対して約７０°の入射角度にピーク強度がくるように反射ミラー２７の角度を設定した。このプリズムシート４１への入射角度が大きいほどプリズムシート４１による指向性向上の効果は効果が大きく、図３６より理解できるように、プリズムシート４１を透過する光の偏光度もより大きくなる。つまり、指向性及び偏光度を大きくするためには、プリズムシート４１への入射角度が大きくなるようにすること、例えば７０°以上となるようにすることが望ましい。一方、プリズムシート４１を透過する光量を大きくするためには、プリズムシート４１の透過率が高いことが望ましく、プリズムシート４１への入射角度は、６０°〜７５°が望ましい。

本実施形態においても、λ／２板６７を用いて偏光方向を約９０°回転した。λ／２板６７上にプリズムアレイを形成し、λ／２板付プリズムシート４２とすることにより、画像表示装置の厚さを増すことなく、所望の偏光方向が得られるようにλ／２板、つまり位相差板を挿入することが出来る。

このように、本実施形態においては、高指向性な光を得るとともに、高屈折率層７５を設けることによってバックライトより偏光した光を取り出すことができる。プリズムシート４１の基材フィルム８１の屈折率が大きく所望の偏光度が得られる場合には、高屈折率層７５ｂを省略することもできる。また、高屈折率層７５ａと７５ｂを必ずしも両方設ける必要はなく、片方のみ用いても良い。

図３７に別の面発光素子の断面図を示した。ここでは図３５とは導光板の構造の異なる実施形態を示している。

光源（図示せず）より入射した光線は、導光板３１及び導光板３１上に設けた高屈折率層７５ａ内で反射を繰り返し伝達する。導光板３１の下方、つまり液晶表示素子５７とは反対側（光取り出し側とは反対側）に反射溝３３を設け、さらにその反射溝３３に対して光取り出し側とは反対側（下方）に反射シート３５を設けた。導光板３１内を伝播する光は、反射溝３３で反射すると導光板３１内を伝播する角度が大きくなり、高屈折率層７５ａの空気界面での全反射角度よりも大きくなると導光板３１よりプリズムシート４１側に出射される。この際、導光板３１の出射面に平行に近く出射されるため、界面での透過率の差によって出射光は偏光する。さらに、プリズムシート４１に入射する際に、高屈折率層７５ｂにさらに強く偏光する。この偏光した光をλ／２板付プリズムシート４２に設けたλ／２板６７により、液晶表示素子に合わせて所望の方向に偏光方向を回転する。

このように偏光度の高い出射光を得るためには、面発光素子の導光板の構造は本実施形態に限定されるものではなく、導光板の出射面に平行に近く光が出射され、出射方向のある程度揃った光線が得られるものであれるものであればよい。

図３８から図３９を用いて、本発明の第１３の実施形態を説明する。図３８は面発光素子の断面図を示している。ここでは、面発光素子として、高屈折率層に替えて無偏光透過膜７９を設けた以外は、図３７と同様の構成としている。

ここでは、無偏光透過膜７９としてベースの基材フィルム８１ａ上に順に高屈折率層７５，低屈折率層７７を積層した構造とし、高屈折率層７５の屈折率を１.８、膜厚を５５ｎｍ、低屈折率層７７の屈折率を１.２２、膜厚を１７６ｎｍとした。導光板３１及びプリズムシート４１ａの基材フィルム８１ａの屈折率を１.５とした。ここでは、導光板３１の光取り出し側に無偏光透過膜７９ａ、プリズムシート４１ａの導光板３１側に無偏光透過膜７９ｂを設け、それぞれの膜構成は同じくした。

図３９にこの無偏光透過膜７９の波長５５０ｎｍにおける透過率の角度依存性を示す。Ｐ偏光とＳ偏光の透過率がほぼ等しく、入射角度の大きい側ではＳ偏光の透過率が幾分大きくなっている。本実施形態においては、プリズムシート４１ａに対して約７０°の入射角度にピーク強度がくるように設定した。そのため、プリズムシート４１ａを透過した光は、Ｓ偏光に若干偏光した光が出射される。図３９より、Ｓ偏光に偏光した光を取り出すには、プリズムシート４１への入射角度は５５°以上とすることが望ましい。導光板から出射される光は、６０°から８０°程度であり、特に７０°前後で強度が強い。図３９において入射角度７０°でのＳ偏光の透過率は９８％、Ｐ偏光の透過率は９２％であった。このように、可視波長の一波長において導光板からの光強度が強くなる入射角度７０°におけるＳ偏光とＰ偏光の透過率がともに９０％以上となるように無偏光透過層（無偏光透過膜７９）を配置することにより、効率よく光を取り出すことが出来るため、望ましい。プリズムシート４１ａを透過した光は、プリズムシート４１ｂにより偏光方向を変えずに正面方向に向けられる。

このように、基材フィルム８１ａ上に基材フィルム８１ａよりも屈折率の高い高屈折率層７５と、基材フィルム８１ａよりも屈折率の低い低屈折率層７７をこの順で積層することによって、斜め方向から入射した光をほとんど偏光させずに透過することができる。高屈折率層７５の膜厚は低屈折率層７７の膜厚よりも薄くすることが望ましい。高屈折率層７５としては、ＴｉＯ₂，Ｔａ₂Ｏ₅，ＺｒＯ₂，ＺｎＳやこれらと屈折率の低い無機材料とを混ぜた材料を用いた無機膜や、ポリマーに高屈折率誘電体材料の微粒子を混ぜたものを用いることができる。低屈折率層７７としては、ＭｇＯ等の低屈折率誘電体材料やシリカ等の基材に波長よりも十分小さな空隙を設けたナノ空孔材料を用いることができる。ナノ空孔材料を用いると本実施形態に用いたように、屈折率１.３以下とすることができる。このようなナノ構造材料は、例えばシリカ粒子を溶媒中に分散した塗料の塗膜を加熱することにより内部に微細な空孔を形成することで得ることができる。

無偏光透過膜７９として、２層の多層膜構造を示したが、さらに多層構造としてもよい。また、多層構造に限らず、波長以下の微細な周期構造（ナノ構造）によっても偏光による透過率の差の小さい構造を得ることが出来る。このナノ構造は、無反射構造として利用されているものと同じであり、表面での反射を抑え、透過率を高くすることが出来るものである。ナノ構造においては、透過率の波長依存性を小さくすることができ、可視波長全体に渡って透過率を高くすることができる。

一方、本実施形態のように多層膜構造を用いる場合には、無偏光透過膜７９の透過率に波長依存性が生じる可能性があり、見る角度によって色が変わる可能性がある。これに対して、液晶表示素子にマイクロレンズアレイを設けると、マイクロレンズアレイによりこの波長依存性が緩和され、色づきを抑えることができる。このように、これまでの実施形態で示したように、マイクロレンズアレイを設けた液晶表示素子を組み合わせることが望ましい。

本実施形態においては、偏光方向を回転する必要がなく、プリズムアレイ３９は位相差のない基材フィルム８１ｂ上に形成した。

第１１から第１３の実施形態において、本発明の面発光素子において偏光度，偏光方法を制御する構造を示したが、面発光素子の構造について限定するものではない。一般的に、指向性の高い面発光素子は偏光しやすい傾向にあり、面発光素子の構造によっては本発明の偏光制御構造を適用することができる。また組み合わせる液晶表示素子も限定するものではなく、マイクロレンズを設けない液晶表示素子にも適用することができる。

これまで、光源としてＬＥＤを用いた実施形態について説明したが、光源には冷陰極蛍光ランプ（ＣＣＦＬ）等の線状光源を用いることもできる。また、ＬＥＤを用いる場合も、ＬＥＤの個数を制限するものではない。

また、本実施形態では、液晶表示素子５７としてＩＰＳ（In Plane Switch）モードを用いて説明したが、ＶＡ（Vertical Alignment）モードなどの他のモードを用いることもできる。

本発明の面発光素子及び画像表示素子の第１の実施形態の断面図。 本発明の第１の実施形態の面発光素子の断面図。 本発明の第１の実施形態の面発光素子の正面図。 本発明の第１の実施形態の面発光素子の正面図。 本発明の第１の実施形態の画素部とレンチキュラレンズの配置図。 本発明の第１の実施形態の光取り出し開口部及び反射ミラーの斜視図。 本発明の第１の実施形態の光入射面の断面図。 本発明の面発光素子及び画像表示素子の第２の実施形態の断面図。 本発明の第２の実施形態の面発光素子の断面図。 本発明の第２の実施形態のプリズムアレイの効果の説明図。 本発明の第２の実施形態の面発光素子の組立て方法を説明する図。 本発明の第２の実施形態のプリズムシートの説明図。 本発明の面発光素子及び画像表示素子の第３の実施形態の断面図。 本発明の第３の実施形態の面発光素子の正面図。 本発明の第３の実施形態の別の面発光素子の正面図。 本発明の面発光素子及び画像表示素子の第４の実施形態の断面図。 本発明の面発光素子の第５の実施形態の断面図。 本発明の第５の実施形態の光取り出し傾斜部と反射ミラーの断面図。 本発明の面発光素子及び画像表示素子の第６の実施形態の断面図。 本発明の面発光素子及び画像表示素子の第７の実施形態の断面図。 本発明の面発光素子の第８の実施形態の断面図。 本発明の第８の実施形態の突起部の断面図。 本発明の第８の実施形態の面発光素子の正面図。 本発明の面発光素子の第９の実施形態の断面図。 本発明の画像表示素子の画素配置の第１０の実施形態の正面図。 図２５のの正Ａ−Ａ′部の断面図。 本発明の第１０の実施形態の画像表示素子の視野角分布を示す図。 本発明の第１０の実施形態の透過開口部を透過する光量とレンチキュラレンズの偏芯量の関係を示す図。 本発明の第１０の実施形態の画像表示素子の他の画素配置の正面図。 本発明の第１０の実施形態の画像表示素子の他の画素配置の正面図。 本発明の面発光素子及び画像表示素子の第１１の実施形態の断面図。 本発明の第１１の実施形態の面発光素子の拡大断面図。 本発明の第１１の実施形態のプリズムシートでの透過率の角度依存性を示す図。 本発明の第１１の実施形態の他の面発光素子の拡大断面図。 本発明の第１２の実施形態の面発光素子の拡大断面図。 本発明の第１２の実施形態の高屈折率層での透過率の角度依存性を示す図。 本発明の第１２の実施形態の他の面発光素子の拡大断面図。 本発明の第１３の実施形態の面発光素子の拡大断面図。 本発明の第１３の実施形態の無偏光透過層での透過率の角度依存性を示す図。

符号の説明

１ レンチキュラレンズ
２ 偏芯レンチキュラレンズ
３ マイクロレンズ
４ 偏芯マイクロレンズ
５ 非対称レンチキュラレンズ
７ 偏光板
９ 上基板
１１ カラーフィルタ
１３ 液晶層
１５ 透過開口部
１６ 反射表示部
１７ 下基板
１９ 拡散シート
２１ 第１低屈折率層
２３ 第２低屈折率層
２４，７７ａ，７７ｂ 低屈折率層
２５ 光取り出し開口部
２７ 反射ミラー
２９ 反射膜
３１ 導光板
３３ 反射溝
３５ 反射シート
３７ ＬＥＤ
３９ プリズムアレイ
４１ プリズムシート
４２ λ／２板付プリズムシート
４３ インセル偏光板
４５ 光取り出し傾斜部
４７ 突起部
４８ 突起部側面
４９ 突起部形成シート
５１ 折り返し反射板
５３ サブ画素
５５ 画素
５７ 液晶表示素子
５９ バックライト
６１ 入射端面
６３ 透明接着層
６５ 外光
６７ λ／２板
６９ 反射型偏光板
７１ Ｓ偏光
７３ Ｐ偏光
７５ａ，７５ｂ 高屈折率層
７９，７９ａ，７９ｂ 無偏光透過膜

Claims (29)

1. 光源と、
   前記光源からの光を伝達する導光体と、
   前記導光体の光取り出し側に積層して形成された第１屈折率層及び第２屈折率層と、
   前記導光体と前記第１屈折率層間に配置された前記第２屈折率層に形成された開口部と、
   前記導光体から前記開口部を介して出射される光を反射する反射板と、を有し、
   前記導光体，前記第１屈折率層，前記第２屈折率層の屈折率をそれぞれｎ₁，ｎ₂，ｎ₃とすると、ｎ₁＞ｎ₂＞ｎ₃、且つｎ₁−ｎ₂＞ｎ₂−ｎ₃を満たしており、
   前記開口部において、前記導光体と前記第１屈折率層とは直接接している、または、前記導光体の屈折率より大きい屈折率を有する透明接着層によって接着されていることを特徴とする面発光素子。
2. 請求項１記載の面発光素子において、
   前記反射板において反射した光線を前記第１屈折率層から取り出すことを特徴とする面発光素子。
3. 請求項１記載の面発光素子において、
   前記反射板は、反射ミラーであって、
   前記反射ミラー表面には反射膜が形成されたことを特徴とする面発光素子。
4. 請求項１記載の面発光素子において、
   前記反射板は、前記第２屈折率層上、且つ前記第２屈折率層の光取り出し側に形成されたことを特徴とする面発光素子。
5. 請求項１記載の面発光素子において、
   前記導光体は、光取り出し側とは反対の側に反射溝を有することを特徴とする面発光素子。
6. 請求項１記載の面発光素子において、
   前記開口部及び前記反射板は、前記導光板上にランダムに配置されていることを特徴とする面発光素子。
7. 請求項１記載の面発光素子において、
   前記開口部及び前記反射板が周期的に配置されていることを特徴とする面発光素子。
8. 請求項１記載の面発光素子において、
   前記反射板は円弧状であり、円弧の中心が前記開口部内にあることを特徴とする面発光素子。
9. 請求項１記載の面発光素子において、
   前記第１屈折率層の光取り出し側に複数のプリズム層を有していることを特徴とする面発光素子。
10. 請求項９記載の面発光素子において、
    前記複数のプリズム層は、プリズムアレイとプリズムシートとを有し、
    第１屈折率層の光取り出し側に前記プリズムアレイ，前記プリズムシートの順に積層配置されていることを特徴とする面発光素子。
11. 請求項９記載の面発光素子において、
    前記複数のプリズム層は、プリズムシートとλ／２板付プリズムシートとを有し、
    第１屈折率層の光取り出し側に前記プリズムシート，前記λ／２板付プリズムシートの順に積層配置されていることを特徴とする面発光素子。
12. 請求項１０記載の面発光素子において、
    前記プリズムアレイのプリズムの頂角が９０°であることを特徴とする面発光素子。
13. 請求項１記載の面発光素子において、
    前記第２屈折率層上に反射膜が形成され、前記反射膜は、入射された外光を反射することを特徴とする面発光素子。
14. 請求項１記載の面発光素子において、
    前記導光体が配置されている側に平面を有するプリズムシートを有し、
    前記導光体と前記プリズムシート間に前記導光体及び前記プリズムシートよりも屈折率の高い層を有することを特徴とする面発光素子。
15. 請求項１４記載の面発光素子において、
    λ／２板を有し、
    前記導光体から、前記プリズムシート，前記λ／２板の順に積層配置されていることを特徴とする面発光素子。
16. 請求項１記載の面発光素子において、
    前記導光体側に平面を有するプリズムシートを有し、
    前記導光体と前記プリズムシート間に、少なくとも可視波長の一波長において入射角度７０°におけるＳ偏光とＰ偏光の透過率がともに９０％以上である無偏光透過層を有することを特徴とする面発光素子。
17. 請求項１６記載の面発光素子において、
    前記無偏光透過層が、ベース基材上に前記ベース基材よりも屈折率の高い高屈折率層と、前記ベース基材よりも屈折率の低い低屈折率層と、を有し、
    前記ベース基材から順に前記高屈折率層，前記低屈折率層が積層配置されたことを特徴とする面発光素子。
18. 一対の基板と、
    前記一対の基板を挟持する一対の偏光板と、
    前記一対の基板で挟持された液晶層と、
    前記一対の基板の一方基板と前記液晶層間に形成され、かつ画素内に形成された透過開口部と、
    前記一方基板に対して前記液晶層が配置された側と反対側に形成され、前記一方基板と前記一対の偏光板の一方偏光板間に配置され、前記透過開口部に光を集光する集光素子と、
    請求項１記載の面発光素子とを有し、
    前記透過開口部の中心を前記画素の中心から偏芯させ、
    隣接する２つの画素の各前記透過開口部は、前記２つの画素間の境界に近づくように偏芯させて配置され、
    前記隣接する２つの画素が周期的に配置されたことを特徴とする画像表示素子。
19. 請求項１８記載の画像表示素子において、
    前記集光素子はレンチキュラレンズであり、
    一列に並んだ前記画素の２列を一組として、一組の前記画素の前記透過開口部を互いに近づくように偏芯したことを特徴とする画像表示素子。
20. 請求項１８記載の画像表示素子において、
    ４個の前記画素を一組として、前記一組の前記画素の前記透過開口部が互いに近づくように偏芯したことを特徴とする画像表示素子。
21. 請求項１９記載の画像表示素子において、
    前記一組の前記画素に２色のカラーフィルタが含まれていることを特徴とする画像表示素子。
22. 請求項２０記載の画像表示素子において、
    前記一組の前記画素に４色のカラーフィルタが含まれていることを特徴とする画像表示素子。
23. 請求項１８記載の画像表示素子において、
    前記集光素子は、非対称レンチキュラレンズであることを特徴とする画像表示素子。
24. 画像を表示する画像表示素子と、
    請求項１記載の面発光素子とを有し、
    前記画像表示素子は、一対の基板と、
    前記一対の基板で挟持された液晶層と、
    前記一対の基板の一方基板と前記液晶層間に形成され、かつ画素内に形成された透過開口部と、
    前記一対の基板の一方基板に対して前記液晶層が配置された側とは反対側に形成された第１の偏光板と、
    前記一対の基板の他方基板と前記液晶層間に形成され、前記液晶層に接して形成された第２の偏光板と、を有し、
    前記画像表示素子の前記他方基板と前記第１屈折率層とは近接して配置され、
    前記画像表示素子は、前記面発光素子の前記反射板で反射されて出射された光を前記第２の偏光板で偏光し、
    前記液晶層は、前記偏光された光の偏光方向をスイッチングして画像表示を行うことを特徴とする画像表示装置。
25. 画像を表示する画像表示素子と、
    請求項１に記載の面発光素子とを有し、
    前記画像表示素子は、一対の基板と、
    前記一対の基板間に形成され、かつ画素内に形成された透過開口部と、
    前記一対の基板の一方基板と前記面発光素子間に配置され、前記面発光素子から出射された光を前記透過開口部に集光する集光素子と、を有することを特徴とする画像表示装置。
26. 請求項２５記載の画像表示装置において、
    前記面発光素子と前記画像表示素子とが直接接触して形成されていることを特徴とする画像表示装置。
27. 請求項２５記載の画像表示装置において、
    前記画像表示素子は、前記一対の基板間に形成された液晶層と、
    前記一対の基板に対して前記液晶層が配置された反対側に配置された一対の偏光板と、を有する液晶表示素子であることを特徴とする画像表示装置。
28. 請求項２７記載の画像表示装置において、
    前記画像表示素子は、ＩＰＳモードを用いた液晶表示素子であることを特徴とする画像表示装置。
29. 請求項２７記載の画像表示装置において、
    前記画像表示素子は、ＶＡモードを用いた液晶表示素子であることを特徴とする画像表示装置。

Images