JP5442313B2 - 面光源素子およびそれを用いた画像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、面光源素子およびそれを備える液晶表示装置などの画像表示装置、更に該画像表示装置を表示モジュールとして備えるパーソナルコンピュータ、コンピュータ用モニタ、ビデオカメラ、テレビ受信機、カーナビゲーションシステムなどの画像表示装置に関する。

例えば、液晶表示装置に代表される透過型の画像表示装置は、面状に光を発する面光源素子（バックライト）とドット状に画素が配置された透過型表示素子とで構成され、該透過型表示素子の各画素で透過率を変化させ、面光源素子からの透過光量を制御することによって文字や映像を表示する。これらに用いられる面光源素子では、エッジライト方式と直下方式がある。エッジライト方式は、導光板の端面に配置した光源からの光を、導光板によって端面と直交する主面から正面方向に取り出す方式であり、直下方式は、複数の光源を装置の背面に並べ、拡散板に光を入射し、拡散板で光を均一化して入射面と対向する出射面に光を取り出す方式である。

携帯電話やモバイルパソコンに用いられる画像表示装置では、装置の薄さが要求されるため、光源を装置の側端に備えることで薄型に対して有利なエッジライト方式が主流である。一方で、テレビやパソコンのモニタでは、画面が大型なため、エッジライト方式だと画面面積に対する周辺部の長さの割合が減少し、十分な輝度を得ることができない。また、導光板が厚くなり、重量が増加する。従って、大型の面光源素子では直下方式が主流となっている。

一般に、画像表示装置は、あらゆる角度から画像が鮮明に視認されるよう、広い視野角をもつことが望ましい。従って、これに用いられる面光源素子も広い視野角が要求される。しかし、使用される環境や用途によっては、限定された視野角が好まれる場合がある。例えば、パーソナルコンピュータ用のモニタや携帯電話の画面では、場合によっては情報の秘匿やプライバシーの問題から使用者以外は表示画像を視認できないことが必要とされ、画面の左右方向に限定された視野角が必要となる。また、カーナビゲーションシステム等のモニタをフロントパネルに搭載する場合、安全上車のフロントガラスへの画像の映り込みを防止するため、画面の上下方向に視野角を限定する必要がある。このような場合には、画面の特定方向へは光が行かないよう限定された視野角を有し、また画面の視認性からその方向以外には広い視野角を持った面光源素子が必要である。

このような限定された視野角は、ルーバーフィルムと呼ばれるフィルムを面光源素子に用いることによって得られる（特許文献１参照）。ルーバーフィルムは、面光源素子より上下または左右の特定方向に斜めに出射する光を吸収し、他の角度に出射する光を透過させることによって視野角を限定する。図２に一般的なルーバーフィルム６の断面図を示す。光遮蔽層６ｃと光透過層６ｂの積層体の表裏を基材フィルム６ａで被覆した構造である。ルーバーフィルム６に正面方向から入射した光は、光透過層６ｂに入射した場合はそのまま透過し、また一部は光遮蔽層６ｃに入射して吸収される。一方でルーバーフィルム６に斜め方向から入射した光は、光遮蔽層６ｃに到達して吸収されるため、ルーバーフィルム６を用いることによって正面方向にのみ明るく、斜め方向には光が出射しない視野角が限定された面光源素子が得られる。

例えば、カーナビゲーションシステムの画面の場合、図３に示すような導光板２と拡散シート７等の光学フィルムを用いて面内の輝度の均一性、正面方向の輝度を得た後、ルーバーフィルム６で上下方向の視野角を限定した面光源素子を用いる。ルーバーフィルム６を設けない面光源素子を用いた場合、図４に示すように、上下の斜め方向に出射した光のうち、一度フロントガラスで反射されて運転者９に到達する成分が存在する。夜間等周囲が暗い場合に、画面８がフロントガラスに映りこみ、周囲の視認性を低下させるために非常に危険である。そこで、上下方向の視野角を限定することによって、上下の斜め方向の成分を低下させた面光源素子を用いて安全性を高めている。

一方で、近年、面光源素子に関する正面方向の輝度向上の要求は益々高まっており、また省エネルギーの観点から光を効率的に利用する必要がある。しかし、ルーバーフィルムを用いて視野角を限定する場合、一度斜め方向に広がった光を吸収させて視野角を限定していること、正面方向にルーバーフィルムに入射した場合であっても一部は光遮蔽層に到達し吸収されることから、光の利用効率が低下し、高い正面輝度を得ることは不可能であった。

特開２００５−３１５９９６号公報

そこで本発明は、エッジライト方式の面光源素子において、特定方向に視野角を限定して情報の秘匿性や安全性を高め、かつ、光の利用効率が高い面光源素子および画像表示装置を提供することを目的とする。

本発明は、Ｘ軸と、Ｘ軸とに直交するＹ軸とに平行なＸ−Ｙ平面の法線の一方を正面方向として、光源と、前記光源からの光を受光するＸ−Ｙ平面に略垂直な端面である入射面およびＸ−Ｙ平面に略平行な主面を有する導光板と、Ｘ−Ｙ平面に平行な主面をもつ光制御部材Ｉとを備え、前記導光板と、前記光制御部材Ｉとが、この順に正面方向に配置された面光源素子であって、前記光制御部材Ｉは、前記導光板に対向する面に凸部Ｉと、前記導光板に対向する面の凸部Ｉ相互の間に光遮蔽層とを有し、前記凸部Ｉは、前記導光板と光学的に密着した略円錐台形状であって、
前記凸部Ｉの幅をＰ、高さをＨ１、前記導光板と光学的に密着している領域の幅をＷとして、
Ｈ１／Ｐ≧１．２ （１）
Ｗ／Ｐ≧０．４ （２）
であることを特徴とする面光源素子である。

そして、上記の面光源素子において、前記光吸収層の高さをＨ２として、
Ｈ２／Ｐ≧０．４ （３）
（Ｈ１−Ｈ２）／Ｐ≧１．０ （４）
である。

また、上記の面光源素子において、前記光制御部材Ｉの正面方向側に光制御部材IIを備え、前記光制御部材IIの主面の、主として光を入射する面から略平行光を入射した場合に、主として光を出射する面の、正面方向における輝度をＬとし、
光制御部材IIの主面と直交しＸ軸に平行な平面Ｉにおける正面方向となす角度をβ、βにおける輝度をＬ_１（β）とした場合に、
Ｌ_１（β_１）＝Ｌ／２ （５）
であるβ_１が０〜１０度であり、光制御部材IIの主面と前記平面Ｉとに直交する平面IIにおける正面方向となす角度をγ、γにおける輝度をＬ_２（γ）とした場合に、
Ｌ_２（γ_１）＝Ｌ／２ （６）
であるγ_１が２０〜５０度であっても良い。

さらに、上記の面光源素子において、前記任意の凸部Ｉの、光学的に密着していない部分の断面積の輪郭線が、楕円、放物線または多項式により表される曲線の一部からなっていても良い。

さらに本発明は、上記の面光源素子の出射面側に透過型表示素子を配置することを特徴とする画像表示装置である。

本発明によれば、光制御部材Ｉの凸部Ｉを導光板と光学的に密着させ、凸部Ｉの形状を制御して正面方向に光を偏向させ、かつ、制御された光が到達しない領域に光遮蔽層を設けることで斜め方向に向かう光のみを遮蔽することによって、光の利用効率が高く、視野角が限定された面光源素子を得ることが可能である。また、本発明の面光源素子上に透過型表示素子を設けることで、正面方向に明るく、斜め方向から視認されない、情報の秘匿性や安全性を高めた画像表示素子を得ることができる。

本発明の面光源素子の一部断面を示す概略断面図である。 従来技術である、ルーバーフィルムの原理を示す図である。 従来技術である、ルーバーフィルムを用いた面光源素子の構成例を示す図である。 カーナビゲーションシステムの画面からの、光線の進み方を示した図である。 本発明の説明に用いる、凸部Ｉ形状と光遮蔽層の記号の説明図である。 凸部Ｉによって正面方向に偏向される原理を示した図である。 光制御部材Ｉの凸部Ｉにおける、ある凸部形状での光線の進み方を示した図である。 光制御部材Ｉにおける、凸部Ｉでの光線の進み方を示した図である。 実際の導光板内における、光線の進み方を示した図である。 光遮蔽層によって、斜め方向の不要な光のみが吸収される原理を示した図である。 光制御部材IIを用いた本発明の面光源素子の構成を示した図である。 光制御部材IIに略平行光を入射した場合の視野角特性の概念図である。 本発明の面光源素子の、出射面における視野角特性の一例の概念図である。 凸部Ｉと導光板の間に固定層を用いた場合の概略断面図である。 光遮蔽層の一形態を示した図である。 光遮蔽層の一形態を示した図である。 光遮蔽層の一形態を示した、Ｘ−Ｙ平面における断面図である。 光制御部材の一例を示す概念図である。 光制御部材の一例を示す概念図である。 光制御部材の一例を示す概念図である。 本発明の実施例の面光源素子の概念図である。 本発明の実施例の面光源素子における、視野角特性の結果である。 本発明の実施例の面光源素子における、視野角特性の結果である。 比較例１の面光源素子における、視野角特性の結果である。 比較例２の面光源素子における、視野角特性の結果である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。
図１に、本発明の実施形態に係る面光源素子の一例の概略断面図を示す。この面光源素子は、導光板２の端面に光源１が設けられ、導光板２から出射された光の角度を制御する光制御部材Ｉ３とからなっている。光源１から導光板２内へ入射した光は、導光板２内を、全反射を繰り返して伝搬していく。この伝搬する光が、光制御部材Ｉの凸部Ｉ３ａと光学的に密着した部分から光制御部材Ｉ３へと順次取り出されていく。導光板２上に配置された光制御部材Ｉ３の凸部Ｉ３ａに入射した光は、凸部Ｉ３ａの導光板と光学的に密着していない部分で全反射され正面方向に偏向させる。また、導光板２等での散乱による斜め方向への不要な光は、光制御部材Ｉ３に設けられた光遮蔽層３ｂによって吸収される。光源１の周囲には、導光板２の端面と反対方向に進む光を反射し、導光板２の端面から光を入射する反射部材が設けられていても良い。なお、図１においては光源１が配置された導光板２の入射端面に直交する方向をＸ軸方向としているが、Ｘ軸方向は入射端面に直交する方向に限定されない。

光制御部材Ｉ３の凸部Ｉ３ａの断面図を図５に示す。凸部Ｉ３ａの幅をＰ、高さをＨ１、導光板２と光学的に密着している領域の幅をＷとして、凸部Ｉ３ａのそれぞれの関係を記載している。このうち、凸部Ｉ３ａと導光板２とが密着している領域の幅Ｗと、凸部Ｉ３ａの幅Ｐとの比Ｗ／Ｐが大きいと、導光板２からより多くの光を取り出すことが可能であり、光の利用効率を高めることができる。

導光板２から凸部Ｉ３ａに入射した光が、導光板２と密着していない凸部Ｉ３ａの領域によって全反射され、正面方向に偏向される原理を図６に示す。凸部Ｉ３ａの高さＨと、凸部Ｉ３ａの幅Ｐとの比Ｈ／Ｐが小さい場合の光の進み方を図７に示す。この場合、凸部Ｉ３ａによって斜め方向に偏向された光がそのまま出射するために、正面方向へ偏向される割合は小さい。Ｈ／Ｐを大きくした場合、図８に示すように、斜め方向に偏向された光が再び凸部Ｉ３ａ内で全反射され、正面方向に偏向されるために、より正面の輝度を高めることが可能である。従って、
Ｈ１／Ｐ≧１．２ （１）
Ｗ／Ｐ≧０．４ （２）
である場合に、光利用効率を高め、かつ、光が正面に偏向され、視野角の限定された面光源素子を得ることができる。

Ｗ／Ｐを極端に小さくし、Ｈ／Ｐを大きくすることで、正面方向にのみ光を偏向させ、正面方向の輝度のみを高めることは可能であるが、光の利用効率が極端に低下する。

以上のように、導光板２の中を導光し、凸部Ｉ３ａの導光板２と光学的に密着した部分から取り出された光は正面に偏向されるため、視野角の限定された面光源素子が得られる。一方で、実際の導光板２内を導光する光の中には、図９で示すように、導光板２内部の微粒子２ａや表面の僅かな凹凸２ｂによって全反射や屈折を生じ、導光板２から出射する成分が存在する。これら微粒子２ａや表面の凹凸２ｂは、理想状態では存在しないが、僅かな不純物、傷、板状にする際に型から転写される等によって導光板２の製造過程で不可避的に僅かに生じる。導光板２から微粒子２ａや表面凹凸２ｂによって出射した光は、凸部Ｉ３ａによって制御されることなく斜め方向に散乱し、面光源素子の視野角の特性を劣化させる。

そこで、本発明では、光制御部材Ｉ３の導光板２と対向する面のうち、凸部Ｉ３ａ相互の間に光遮蔽層３ｂを設けることによって、図１０に示すように、不要な斜め方向への散乱光を吸収し、高い視野角特性を得ることが可能である。光遮蔽層３ｂを凸部Ｉ３ａの間に設けることによって、凸部Ｉ３ａの導光板２と光学的に密着した部分から凸部Ｉ３ａに入射し、凸部Ｉ３ａの斜面によって正面方向に偏向される光は吸収されることなく光制御部材Ｉ３から出射する。一方で、斜め方向からの光遮蔽層３ｂの投影面積が大きくなるために、導光板２からの斜め方向への散乱光は効果的に光遮蔽層３ｂに到達し、吸収される。このように不要な方向の光のみを吸収させることによって、光利用効率が高く、さらに、斜め方向への出射光が非常に少ない、視野角が限定された面光源素子を得ることができる。

ここで光遮蔽層３ｂとは、光を吸収することによって透過率を低下させる遮光材よりなる層であって、例えば厚さが光遮蔽層３ｂの高さＨ２となるように平板上に塗布したときにおける層の全光線透過率が３０％以下である遮光材からなる層であるのが好ましい。

また、光制御部材Ｉ３における光遮蔽層３ｂの高さと凸部Ｉ３ａの幅との比が所定の範囲内にあり、かつ、凸部Ｉ３ａの、導光板２と光学的に密着しておらず、光遮蔽層３ｂと接していない部分の高さと、凸部Ｉ３ａの幅との比が所定の範囲内にある面光源素子である。斜め方向へ出射した不要な光は光制御部材Ｉ３の光遮蔽層３ｂによって吸収される。光遮蔽層３ｂの高さＨ２と、光遮蔽層３ｂによって覆われていない凸部Ｉ３ａの幅Ｐとの比を、
Ｈ２／Ｐ≧０．４ （３）
とすることによって、斜め方向に対しての光吸収層３ｂの投影面積が大きくなり、不要な方向への光が効率よく遮蔽可能である。また、導光板２から凸部Ｉ３ａへ光学的に密着した部分から取り出された光は、凸部Ｉ３ａの導光板２と光学的に密着しておらず、光遮蔽層３ｂと接していない部分によって正面方向に偏向される。凸部Ｉ３ａのうち、この正面方向に偏向させる機能を有した部分の高さＨ１−Ｈ２と、凸部Ｉの幅Ｐとの比を、
（Ｈ１−Ｈ２）／Ｐ≧１．０ （４）
とすることによって、より正面方向へ効率的に偏向させることができ、正面輝度の高い、視野角が限定された面光源素子を得ることが可能である。

上記の面光源素子であって、光を入射した場合に、所定の範囲で光を拡散させる機能を有した光制御部材II４を用いた場合の構成を図１１に示す。光制御部材II４の主面の、主として光を入射する面から略平行光を入射した際の、拡散光の角度特性を図１２に示す。光制御部材II４の主として光を出射する面の、正面方向における輝度をＬとし、光制御部材II４の主面と直交しＸ軸に平行な平面Ｉにおける正面方向となす角度をβ、βにおける輝度をＬ_１（β）とした場合に、
Ｌ_１（β_１）＝Ｌ／２
であるβ_１を０〜１０度とし、光制御部材II４の主面と前記平面Ｉとに直交する平面IIにおける正面方向となす角度をγ、γにおける輝度をＬ_２（γ）とした場合に、
Ｌ_２（γ_１）＝Ｌ／２
であるγ_１を２０〜５０度とすることによって、一方向には視野角の限定を保持しつつ、別の方向に視野角を広げることができる。従って、図１３に示す通り、一方向には視野角が限定され、また一方向には視認性の良い、明るい面光源素子を得ることが可能である。

また、上記の面光源素子であって、前記凸部Ｉ３ａの、光学的に密着していない部分の、断面積の輪郭線が、楕円、放物線または多項式で表わされる曲線の一部からなる場合は、正面方向へ出射光の強度分布や、出射光の角度分布を滑らかにすることが可能である。また、より賦形し易いために光制御部材Ｉ３の作製時にも有利となり望ましい。さらに、凸部Ｉ３ａの導光板２と光学的に密着していない斜面が破損し難い点も望ましい。凸部Ｉ３ａの導光板２と密着していない斜面の破損は、光の出射方向の変化や、不必要な散乱が生じることがあるため、望ましくない。

一方、上記の面光源素子の出射面側に透過型表示素子を設けた場合は、視野角が上下、左右の両方向、または一方向にのみ限定され、情報の秘匿や、安全性に貢献することができる。また、該面光源素子は光の利用効率が高く、正面方向の輝度が高いため、この出射面側に透過型表示素子を設けることにより、好ましい画像表示装置として利用できる。ここで、画像表示装置とは、面光源素子と透過型表示素子を組み合わせた表示モジュール、更には、この表示モジュールを用いたテレビ、パソコンモニターなどの少なくとも画像表示機能を有する機器のことを言う。

本発明の面光源素子に用いる導光板２としては、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）などのアクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂（ＰＣ）、ポリスチレン樹脂（ＰＳ）、シクロオレフィンポリマー等の透明性に優れた樹脂、またはガラスを所定の形状に加工したものを用いることができる。中でもＰＭＭＡを用いるのが軽量性、透明性の点で好ましく、またＰＣを用いるのが、耐久性の点で好ましい。導光板２の加工方法としては、押し出し板若しくはキャスト板から切り出す方法、または加熱プレス、射出成形等の溶融成形法等が好適に用いられるが、これに限定されるものではない。

また、導光板２と光制御部材Ｉ３とを光学的に密着させるには、導光板２と光制御部材Ｉ３との間に固定層５を設けても良い。固定層５としては、接着剤、粘着材、粘接着材、光硬化性樹脂などが挙げられるが、取り扱い性や生産性の面から光硬化性の粘接着材が好適に用いられる。粘着材には、例えばゴム系やアクリル系、ビニルアルキルエーテル系やシリコーン系、ポリスチレン系やポリウレタン系、ポリエーテル系やポリアミド系、スチレン系等の適宜なポリマーをベースポリマーとするものが挙げられる。中でも、アクリル酸ないしメタクリル酸のアルキルエステルを主体とするポリマーをベースポリマーとするアクリル系粘着材が透明性や耐候性、耐熱性の点で優れるため、好適に用いられる。また、接着剤はそれに例えば、シリカやアルミナ、チタニアやジルコニア、酸化錫や酸化インジウム、酸化カドミウムや酸化ノンモン等の導電性のある無機系粒子や、架橋または未架橋ポリマー等の有機系粒子等の適宜な透明粒子を１種または２種以上含有させて光拡散型のものとすることもできる。

固定層５を設ける場合は、凸部Ｉ３ａの先端が埋まる場合がある。この場合には、図１４に示すように、固定層５の表面を導光板２の出射面とし、固定層５に埋まった幅をＷとすれば良い。また導光板２の屈折率をｎ_１、凸部Ｉ３ａの屈折率をｎ_２、固定層５の屈折率ｎ_３とした場合には、
ｎ_１≦ｎ_３≦ｎ_２
であることが好ましい。屈折率が上の関係を満たすことによって、導光板２内を伝搬する光を効率よく凸部Ｉ３ａに取り込むことが可能であり、より光の利用効率を高めることが可能である。

更に、導光板２の表面改質や、光制御部材Ｉ３の凸部Ｉ３ａを形成する材料に自己粘着性を持たせることで、導光板２と光制御部材Ｉ３とを、固定層５を介さずに光学的に密着させても良い。この場合、凸部Ｉ３ａ先端に幅Ｗの平坦部を設けることが好適である。この平坦部が密着することによって、光学的に密着部の幅を高い精度で得ることが可能である。

また、光制御部材Ｉ３の表面形状は、スタンパまたは雌金型などを用いて、熱プレス法、紫外線硬化による２Ｐ法、熱硬化によるキャスト法、射出成形等によって透明な基材上に形成することができる。透明な基材としては、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリスチレン樹脂、シクロオレフィンポリマー等の樹脂またはガラスが用いられる。本発明においては、アクリル樹脂やポリカーボネート樹脂を用いた透明な基材上に光硬化性樹脂で形状を転写することが好適に用いられる。

基材に転写する際に用いる光硬化性樹脂は、作製した光制御部材Ｉ３の光学性能を決定するものであり、所望の性能に応じて適宜選択することができる。光硬化性樹脂の成分としては、ラジカル重合が可能なモノマー或いはオリゴマーを単独、または２種以上組み合わせて用いるが、通常２種以上を用いるのが好ましく、光制御部材Ｉ３に要求される機械的強度、耐衝撃性、耐熱性、表面硬度等を付与することができる。成分の具体例としては、脂肪族、脂環族、芳香族系のモノマー、またはポリアルコールとアクリル酸、またはメタクリル酸との縮合反応得られるエステル型（メタ）アクリレートや、分子内に２個以上のイソシアネート基を有するイソシアネート化合物とヒドロキシル基またはチオール基を含有する（メタ）アクリレートとのウレタン化反応で得られるウレタンポリ（メタ）アクリレートや分子内に少なくとも２個のエポキシ基を有する化合物と、アクリル酸またはメタクリル酸とのグリシジル基開環反応で得られるエポキシポリ（メタ）アクリレートや、飽和または不飽和多価カルボン酸、多価アルコールおよび（メタ）アクリル酸との縮合反応で得られるポリエステル（メタ）アクリレート等の（メタ）アクリロイル官能性モノマー若しくはオリゴマーや、スチレン、クロロスチレン、ブロモスチレン、ジビニルベンゼン等のビニル化合物や、ジエチレングリコールビスアリルカーボネート、ジアリルフタレート、ジアリルビフェニレート等の（メタ）アリル化合物が挙げられる。これら単量体は、１種を単独で用いても良いし、２種以上を混合しても良い。

光制御部材Ｉ３の作製に用いる成形型（スタンパ）は、例えばガラス基板上にネガ型或いはポジ型の感光性樹脂をコーティングし、この感光性樹脂を、フォトマスクを介して露光するか、またはレーザー描画装置により露光、現像して得られる母型に対し、電鋳を行うことにより作製することができる。また、前記スタンパは切削によって直接作製することもできるし、切削により得られた母型から電鋳により作製しても良い。

光制御部材Ｉ３の好適な厚さは、０．０５ｍｍ〜３ｍｍで、特に、０．１ｍｍから０．５ｍｍのフィルム状であることで装置の薄型化、軽量化、密着性低下につながる応力の低減等の効果が得られ好ましい。０．０５ｍｍを下回ると導光板との固定時の皺や物理的強度の低下から好ましくない。一方、３ｍｍを超えると装置の重量が大きくなるため好ましくない。

光制御部材Ｉ３の光出射面には、表面凹凸を直接転写しても良いし、光透過性微粒子を混合させた拡散材液を塗工することによって拡散層を設けても良い。拡散層により視野角特性が滑らかになり、良好な品位を得ることができる。

単位凸部Ｉ３ａの大きさであるＰは、１０μｍ以上、３００μｍ以下であることが望ましい。更に望ましくは、１５μｍ以上、２００μｍ以下である。１０μｍより小さいと回折現象により着色が発生し、画面の品位を低下させる。また３００μｍより大きいと凸部自身が視認されるため、画面の品位を低下させる。

光制御部材Ｉ３に光遮蔽層３ｂを設ける方法としては、光制御部材Ｉ３の基材に凸部Ｉ３ａを設けた後、カーボン等の光吸収性の材料を溶剤に分散させて塗布し、溶剤の乾燥によって、凸部Ｉ３ａ相互の間に光吸収材を凝集させる方法等があげられる。また、インクジェット装置等で光吸収性の材料を分散させた溶液を凸部Ｉ３ａ相互の間に注入する方法を用いても良い。光吸収性の材料としては、通常の光遮蔽目的や、黒色インク等に用いられる材料ならば好適に用いることができ、カーボンや、金属微粒子、金属酸化物やアニリン等があげられる。また、特定の波長のみ出射する光源を用いる場合には、光源の出射波長域での透過率が低い材料を用いれば良い。

光遮蔽層３ｂは、凸部Ｉ３ａが接して存在している場合にも凸部Ｉ３ａと隣接する凸部Ｉ３ａとの間の谷部に設けることができる。この場合、凸部Ｉ３ａによって導光板２から光制御部材Ｉ３に入射する光を多くすることができ、光の利用効率を高めることが可能である。この場合、光遮蔽層３ｂの高さＨ２は図１５に示す通りとなる。また、光遮蔽層３ｂは、図１６に示すように、凸部Ｉ３ａの周囲に厚く存在していても良く、この場合の光遮蔽層３ｂの高さは図のように決めることができる。

また、光遮蔽層３ｂは凸部Ｉ３ａ相互の間全てに存在している必要はなく、例えば図１７に示すように、凸部Ｉ３ａを２次元に配列させた場合の、凸部Ｉ３ａの間の広い領域に設けることによって、斜め方向への光を吸収させることができる。この場合、例えばインクジェット装置を用いるなどでの作製が容易となる。

光制御部材II４の形態としては、光制御部材II４の主面に凸部II４ａが形成されたもの、光制御部材II４の内部に光を散乱させる微粒子が分散させられたもの、光制御部材II４の主面に周期的な屈折率分布が持たせられたもの等が挙げられる。光制御部材II４の主面に凸部II４ａが形成される場合の一例を図１８に示す。凸部II４ａを形成する場合には、例えば楕円のような、凸部II４ａの形状を、平面Ｉにおける断面と平面IIにおける断面とで異なる形状にすることによって、平面Ｉと平面IIとで異なる拡散性を得ることが可能である。また、ランダムな幅、間隔を有して形成された一方向の溝が設けられていても良い。凸部II４ａは、切削加工やリソグラフィーによって作製した金型から転写によって形成することが可能である。このような光制御部材II４としては、例えば、Ｌｕｍｉｎｉｔ社製Ｌｉｇｈｔ Ｓｈａｐｉｎｇ Ｄｉｆｆｕｓｅｒ（ＬＳＤ）を好適に用いることができる。光制御部材II４の内部に光を散乱させる微粒子を分散させる場合は、図１９に示す通り、楕円状の微粒子を一方向に配向させて分散させることによって、平面Ｉと平面IIとで異なる拡散性を得ることができる。この場合、例えば楕円状の微粒子を分散させた後に延伸することによって、一方向へ微粒子を配向させることができる。また、光制御部材II４に屈折率分布を設ける場合は、例えば図２０に示す通り１次元方向に分布させることによって平面Ｉと平面IIとで異なる光の拡散性を得ることが可能である。この場合、屈折率の異なる樹脂を多層押出し等で分布させることで得ることが可能である。

光制御部材II４の形態は、主面に凸部II４ａを持たせることで最も光の拡散性が得られ、１方向にのみ広い視野角を得るためには好ましい。また、表面で光を散乱させるため、光の利用効率が高く、明るい面光源素子を得ることができる。さらに、凸部II４ａを光制御部材II４の、主に光を入射する面に設けることによって、光制御部材II４の透過率が向上し、光を効率的に利用することが可能である。また、一方向のみの拡散性をより向上させることが可能であるために、一方向のみに視認性の高い面光源素子を得ることが可能である。

光制御部材II４に用いる材料としては、光学部材に一般的に用いられる材料であれば好適に用いることができ、例えば、ＰＥＴ樹脂、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリスチレン樹脂、シクロオレフィンポリマー等の樹脂またはガラスが挙げられる。また、光制御部材II４に凸部II４ａを設ける場合、その形状は、スタンパまたは雌金型等を用いて、熱プレス法、紫外線硬化による２Ｐ法、熱硬化によるキャスト法、射出成形、押出し成形等によって形成することができる。２Ｐ法によって凸部を形成する場合、基材に転写する際に用いる光硬化性樹脂は、作製した光制御部材II４の光学性能を決定するものであり、所望の性能に応じて適宜選択することができる。

光制御部材II４の好適な厚さは、０．０５ｍｍ〜３ｍｍで、特に、０．１ｍｍから０．５ｍｍのフィルム状であることで装置の薄型化、軽量化、密着性低下につながる応力の低減等の効果が得られ好ましい。０．０５ｍｍを下回ると物理的強度の低下から皺や弛みが発生し好ましくない。一方、３ｍｍを超えると装置が重量化するため好ましくない。

また、光制御部材Ｉ３と光制御部材II４とは、透明な接着剤で接着され、または一体化されていても良い。光制御部材Ｉ３と光制御部材II４とを接着する場合で、かつ、凸部II４ａを光制御部材II４の主に光を入射する面に設ける場合、接着部の屈折率ｎ_４、凸部II４ａの屈折率ｎ_５を、
ｎ_４＜ｎ_５
とすることによって、光を効率的に拡散させることができ、好ましい。

また、本発明に用いる光源１としては、冷陰極管、熱陰極管等の線状光源、ＬＥＤ等の点状光源が挙げられる。線状光源の場合には、導光板２の片方の端面または対向する両端面に１本または複数本配置しても良い。線状光源の本数が多くなると、導光板２への入射光量が増加し、高輝度化を図ることができる。また点状光源の場合には、１個または複数個用いても良い。この場合、点状光源を配置する導光板２側面の中心に対して点状光源を対称に配置することが好ましい。この配置により面内の分布を対称にすることができ、外観品位を向上させることが可能である。点状光源を複数個用いる場合、点状光源の間隔は均等になるように配置することが望ましい。これにより点状光源の近傍と点状光源間の均一性を高めることができる。

上記した面光源素子を背面照明装置として液晶表示パネルなどの透過型表示素子に組み合わせることで画像表示装置を得ることができる。本発明の画像表示装置においては、視野角を制限する方向を画像表示装置の上下方向とするか左右方向とするかは任意であり、斜め方向とすることもできる。例えば、左右方向の視野角を制限したい場合は、面光源素子のＸ軸方向が透過型表示素子の左右方向に平行となるように組み合わせればよい。

以下、実施例によって、より具体的に本発明の効果を説明する。

実施例では、本発明の効果を検証するにあたり、光線追跡ソフトウェアＬｉｇｈｔＴｏｏｌｓ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ社）を用いたシミュレーションを行い、正面輝度と、輝度の角度特性と、出射した光の量を比較した。実施例１の面光源素子の構成を図２１に示す。光源１として、発光面積が３ｍｍ×０．８ｍｍのＬＥＤを用いた。導光板２として、寸法が６０ｍｍ×４０ｍｍで厚み０．８ｍｍの平板状のＰＭＭＡ（屈折率１．４９）を用い、出射面および出射面との対向する面に製造上から生まれる微細な表面凹凸を付与した。その正面方光側に、光制御部材Ｉ３を配置し、基材として厚み０．１ｍｍのＰＭＭＡフィルムを用い、凸部Ｉ３ａと光遮蔽層３ｂを設けた。凸部Ｉ３ａは、屈折率１．５３の光硬化性樹脂を想定し、凸部Ｉ３ａと導光板２とを貼り合せた構成とした。凸部Ｉ３ａの断面形状は、凸部Ｉ３ａの幅Ｐと高さＨ１の比Ｈ１／Ｐが１．５８、幅Ｐと前記導光板２と光学的に密着している領域の幅Ｗの比Ｗ／Ｐが０．２７の多項式形状とした。また、光制御部材Ｉ３に光遮蔽層３ｂを設け、凸部Ｉ３ａの幅Ｐと高さＨ２との比Ｈ２／Ｐを０．４２、光遮蔽層３ｂの長さ１００μｍでの透過率を１％とした。導光板２の下側には、光吸収性のシート１１を配置して光制御部材Ｉ３等での表面反射光を取り除き、導光板２の光源１と反対側の端面には、導光板２を導光した光で、凸部Ｉ３ａや微細な表面凹凸によって導光板２の出射面から取り出されなかった光を再び導光板２内に入射させるために、反射部材１０を配置した。

次に、実施例２として、実施例２の面光源素子に光制御部材II４を用いた場合のシミュレーションを行った。光制御部材II４としては、主に光が入射する面にＹ方向にのみ光を広げる表面凹凸を設けたシートを用いた。

比較例１として、図２１に示す構成で、光制御部材Ｉ３に光遮蔽層３ｂを設けていない場合でのシミュレーションを実施した。この場合、大部分の光は凸部Ｉ３ａによって正面方向へと偏向され、正面方向付近に出射するものの、導光板２からの制御されない散乱光が斜め方向に出射している。この面光源素子を画像表示装置に用いた場合、斜め方向からも画面表示が視認され、情報の秘匿性や安全性を得ることができない。

実施例１、実施例２の視野角特性のシミュレーション結果を図２２、図２３に、比較例１、比較例２の視野角特性を図２４、図２５に示す。それぞれの面光源素子での正面輝度と、面光源素子の出射面から出た光の量、および斜め４５°方向へ出射した光の正面輝度に対する割合を表１に示す。

実施例１では、比較例１と比較して、凸部Ｉによって正面方向へ偏向された光のみを有効に利用し、散乱光を光遮蔽層３ｂで吸収させることによって、正面方向の輝度と、有効な光の量を維持したまま、斜め方向の光のみを除くことが可能である。この面光源素子を用いることによって、光利用効率が高いために明るく、かつ、斜め方向からは画面表示が視認されず、情報の秘匿性や安全性を高めることが可能である。また実施例２では、光制御部材II４を用いることによって、Ｘ方向、Ｙ方向に限定した視野角を有し、不要な方向への斜め方向の光が少ない、光利用効率が高いために正面方向の輝度の高い面光源素子が得られる。

比較例２として、図３に示す通りの、ルーバーフィルム６を用いた場合のシミュレーションを実施した。導光板２から光を取り出すために、導光板の出射面と対向する主面に凹凸を付与し、導光板の下面に反射率９０％の反射シートを用いた。また導光板の出射面側に拡散シートを配置し、Ｘ軸方向の視野角特性を限定するために、ルーバーフィルム６を配置した。この場合、この場合、広がった光がルーバーフィルム６で吸収されてしまうために、光の利用効率が低い、暗い面光源素子となる。

１：光源
１ａ：凸部に入射して、正面方向に偏向される光
１ｂ：導光板内を導光していく光
１ｃ：導光板内の微粒子によって散乱され、導光板から出射する光
１ｄ：導光板表面の凹凸によって散乱され、導光板から出射する光
１ｅ：光遮蔽層によって吸収される光
１ｆ：ルーバーフィルムに正面方向から入射し、透過する光
１ｇ：ルーバーフィルムに正面方向から入射した光のうち、光遮蔽層で吸収される光
１ｈ：ルーバーフィルムに斜め方向から入射して、吸収される光
１ｉ：カーナビゲーションシステムの画面から出射して、運転者に到達する光
１ｊ：カーナビゲーションシステムの画面から出射して、フロントガラスで反射して運転者に到達する光
２：導光板
２ａ：導光板内に存在する、光を散乱させる微粒子
２ｂ：導光板表面の微細な凹凸
３：光制御部材Ｉ
３ａ：光制御部材Ｉにおける凸部Ｉ
３ｂ：光制御部材Ｉにおける光遮蔽層
４：光制御部材II
４ａ：出射光制御板における凸部II
５：固定層
６：ルーバーフィルム
６ａ：ルーバーフィルムにおける基材フィルム
６ｂ：ルーバーフィルムにおける光透過層
６ｃ：ルーバーフィルムにおける光遮蔽層
７：拡散シート
８：カーナビゲーションシステムの画面
９：運転者
１０：反射部材
１１：光吸収性のシート

Ｐ：凸部Ｉの幅
Ｈ１：凸部Ｉの、導光板と光学的に密着していない部分の高さ
Ｈ２：光遮蔽層の高さ
Ｗ：凸部が、導光板と光学的に密着している部分の幅

Ｌ：光制御部材IIに略平行光を入射した場合に、正面方向における輝度
Ｌ_１（β）：光制御部材IIに略平行光を入射した場合に、角度βにおける輝度
Ｌ_２（γ）：光制御部材IIに略平行光を入射した場合に、角度γにおける輝度
β：光制御部材IIの、主面と直交しＸ軸と平行な平面Ｉにおける正面方向となす角度
β_１：光制御部材IIに略平行光を入射した場合に、Ｌ_１（β）がＬ／２となる角度
γ：光制御部材IIの、主面と平面Ｉとに直交する平面IIにおける正面方向となす角度
γ_１：光制御部材に略平行光を入射した場合に、Ｌ_２（γ）がＬ／２となる角度

Claims (4)

1. Ｘ軸と、Ｘ軸とに直交するＹ軸とに平行なＸ−Ｙ平面の法線の一方を正面方向として、
   光源と、
   前記光源からの光を受光するＸ−Ｙ平面に略垂直な端面である入射面およびＸ−Ｙ平面に略平行な主面を有する導光板と、
   Ｘ−Ｙ平面に平行な主面をもつ光制御部材Ｉとを備え、
   前記導光板と、前記光制御部材Ｉとが、この順に正面方向に配置された面光源素子であって、
   前記光制御部材Ｉは、前記導光板に対向する面に凸部Ｉと、前記導光板に対向する面の凸部Ｉ相互の間に光遮蔽層とを有し、
   前記凸部Ｉは、前記導光板と光学的に密着した略円錐台形状であって、
   前記凸部Ｉの幅をＰ、高さをＨ１、前記導光板と光学的に密着している領域の幅をＷとして、
   Ｈ１／Ｐ≧１．２ （１）
   Ｗ／Ｐ≧０．４ （２）
   であり、かつ、
   前記光吸収層の高さをＨ２として、
   Ｈ２／Ｐ≧０．４ （３）
   （Ｈ１−Ｈ２）／Ｐ≧１．０ （４）
   であることを特徴とする面光源素子。
2. 請求項１に記載の面光源素子であって、
   前記光制御部材Ｉの正面方向側に光制御部材IIを備え、
   前記光制御部材IIの主面の、主として光を入射する面から略平行光を入射した場合に、主として光を出射する面の、正面方向における輝度をＬとし、
   光制御部材IIの主面と直交しＸ軸に平行な平面Ｉにおける正面方向となす角度をβ、βにおける輝度をＬ_１（β）とした場合に、
   Ｌ_１（β_１）＝Ｌ／２ （５）
   であるβ１が０〜１０度であり、
   光制御部材IIの主面と前記平面Ｉとに直交する平面IIにおける正面方向となす角度をγ、γにおける輝度をＬ_２（γ）とした場合に、
   Ｌ_２（γ_１）＝Ｌ／２ （６）
   であるγ_１が２０〜５０度であることを特徴とする面光源素子。
3. 請求項１または２に記載の面光源素子であって、
   前記任意の凸部の、光学的に密着していない部分の断面積の輪郭線が、楕円、放物線または多項式で表わされる曲線の一部からなることを特徴とする面光源素子。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の面光源素子の出射面側に透過型表示素子を配置することを特徴とする画像表示装置。