WO2019082856A1

WO2019082856A1 - 面状照明装置および液晶表示装置

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Publication number: WO2019082856A1
Application number: PCT/JP2018/039243
Authority: WO
Inventors: 直良山田; 齊藤　之人
Original assignee: 富士フイルム株式会社
Priority date: 2017-10-25
Filing date: 2018-10-22
Publication date: 2019-05-02
Also published as: US20200249529A1; JP6833059B2; JPWO2019082856A1; US10996510B2

Abstract

薄型な形状であり、かつ均一で輝度むらが少ない照明光を出射する面状照明装置および面状照明装置を備えた液晶表示装置を提供する。　面状照明装置は、複数の点光源を備えた光源部と、光の輝度を均一化して出射する輝度均一化部材とを備える。輝度均一化部材が、高屈折率層と低屈折率層との積層構造を有し、複数の点光源に対向する各位置に、点光源からの光を積層構造に含まれている高屈折率層へ入射させる光入射部を備える。光入射部は、積層構造に含まれる２層以上の高屈折率層に亘って設けられた、少なくとも１層の高屈折率層を貫通する空洞部からなり、空洞部の側壁面での屈折または反射によって光を高屈折率層に入射させる機能を有し、高屈折率層が、光入射部から離間した位置に、高屈折率層を導光される光を出射面側に出射させる光取出し機構を備える。

Description

面状照明装置および液晶表示装置

　本開示は、面状照明装置および面状照明装置を備えた液晶表示装置に関する。

　液晶表示装置（ＬＣＤ：Liquid Crystal Display)は、消費電力が小さく、省スペースの画像表示装置として年々その用途が広がっている。液晶表示装置は、一例として、バックライトユニット、バックライト側偏光板、液晶パネルおよび視認側偏光板などを、この順で設けられた構成となっている。

　バックライトユニットとしては、例えば、導光板と、その端面に配置した光源を備え、光源から端面に入射された光を導光して主面全体から液晶パネルに向け照射するエッジライト型（サイドライト型と称する場合もある）や、導光板を用いず、液晶パネルの直下に光源を配置して、光源上に備えられた光拡散板の主面全体から液晶パネルに向け照射する直下型が知られている。

　ＬＣＤの高画質化のためには、ローカルディミングが可能なバックライトが必須である。エッジライト型バックライトは導光板を複数並べることでディミングを可能とした構成が提案されており、バックライトユニットとしての厚みを１ｍｍ以下とすることが可能である。一方で、エッジライト型バックライトでは分割数を大きくできないという課題がある。他方、従来の直下型バックライトは光源として複数の点光源を用いることにより、数百分割以上のディミングが可能である。

　しかしながら、直下型バックライトユニットは薄型化が困難であり、既存のものでは１５ｍｍ以上の厚みがある。直下型バックライトユニットに備えられている光拡散板は、光源からの光を拡散させることにより、出射光の面内における輝度ムラ（面内輝度の不均一性）を低減する目的で配置される。近年、省電力化および小型化の要請により、ＬＥＤ（light emitting diode）光源が主流であるが、このＬＥＤ光源は、指向性が強いため、特に直下型の場合には、ＬＥＤ直上が非常に明るくなり著しい輝度ムラが生じる。直下型バックライトユニットの薄型化が難しいのは、光出射面全体で輝度ムラの少ない照射光を得るためには、光拡散板とＬＥＤ光源の距離を十分離す必要があるためである。

　特開２０１０－２７７９８６号公報（以下において、特許文献１という。）には、ＬＥＤ光源上に複数層の導光層を備え、導光層の界面に凹凸を設けることで、光源からの光線を凹凸で反射させて導光層へ入射させ、直下型バックライトでありながら薄型で輝度均一化を図った技術が開示されている。

　しかしながら、本発明者らの検討によれば、特許文献１の技術では、光源から出射された光を各導光層へ充分に効率よく入射させることが困難であり、輝度むらの抑制や光利用効率の向上を十分に実現することができない。

　本開示は、上記事情に鑑み、薄型な形状であり、かつ均一で輝度むらが少ない照明光を出射することができる面状照明装置および面状照明装置を備えた液晶表示装置を提供することを目的とする。

　本開示の面状照明装置は、二次元配列された複数の点光源を備えた光源部と、
　光源部から出射された光が入射される入射面、および入射面に対向する、光を出射する出射面を有し、かつ光源部からの光の輝度を均一化して出射する輝度均一化部材とを備え、
　輝度均一化部材が、相対的に高い屈折率である高屈折率層と相対的に低い屈折率である低屈折率層とが交互に出射面に垂直な方向に積層され、かつ高屈折率層を２層以上含む積層構造を有し、
　積層構造中の、複数の点光源に対向する各位置に、点光源からの光を積層構造に含まれている高屈折率層へ入射させる光入射部であって、光が高屈折率層中を全反射して導光される条件で光を高屈折率層に入射させる光入射部を備え、
　光入射部が、積層構造に含まれる２層以上の高屈折率層に亘って設けられた、少なくとも１層の高屈折率層を貫通する空洞部からなり、空洞部の側壁面での屈折または反射によって光を高屈折率層に入射させる機能を有し、
　各高屈折率層が、光入射部から離間した位置に、高屈折率層を導光される光を出射面側に出射させる光取出し機構を備えている。

　「相対的に高い屈折率である高屈折率層」および「相対的に低い屈折率である低屈折率層」とは、高屈折率層が低屈折率層の屈折率に対して高い屈折率を有するものであることを意味する。

　本開示の面状照明装置においては、空洞部が、出射面側に広い開口を有し、対向する点光源に向かって径が小さくなる形状であってもよい。

　本開示の面状照明装置においては、空洞部が、点光源に対向する位置の入射面側に開口を有する円錐形状であってもよい。

　本開示の面状照明装置においては、空洞部が、対向する点光源に面して開口を有する円筒形状であってもよい。

　本開示の面状照明装置においては、積層構造の、空洞部を挟み点光源に対向する位置に光反射部材または光吸収部材を備えていてもよい。

　本開示の面状照明装置においては、高屈折率層に備えられている光取出し機構の光入射部からの距離が、入射面側に近い高屈折率層ほど大きいことが好ましい。

　本開示の面状照明装置においては、光取出し機構が、光入射部を中心とする円環状に設けられていてもよい。

　本開示の面状照明装置においては、低屈折率層が空気層であることが好ましい。

　本開示の液晶表示装置は、液晶表示素子と、本開示の面状照明装置とを備えている。

　本開示の面状照明装置は、上記構成の輝度均一化部材を備えているので、薄型な形状を実現することができ、かつ均一で輝度ムラが少ない照明光を出射することができる。

本発明の一実施形態の液晶表示装置の概略構成を示す断面模式図である。バックライトユニットの光源部の平面模式図である。バックライトユニットの輝度均一化部材の一部の平面模式図および断面模式図である。輝度均一化部材の設計変更例１の一部を示す断面模式図である。輝度均一化部材の設計変更例２の一部を示す断面模式図である。輝度均一化部材の設計変更例３の一部を示す断面模式図である。輝度均一化部材の設計変更例４の一部を示す断面模式図である。輝度均一化部材の設計変更例５の一部を示す断面模式図である。輝度均一化部材の設計変更例６の一部を示す断面模式図である。

　以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明するが、本発明はこれに限られるものではない。なお、視認しやすくするため、図面中の各構成要素の縮尺等は実際のものとは適宜変更している。また、本明細書において「～」を用いて表される数値範囲は、特に断りが無い限り「～」の前後に記載される数値を下限値および上限値として含む範囲を意味する。

　図１は本発明の一実施形態の液晶表示装置１の概略構成を示す断面図である。
　液晶表示装置１は、画像表示面と反対側のバックライト入射面からバックライトが入射される液晶表示素子５０と、液晶表示素子５０のバックライト入射面側に配置されたバックライトユニット２とを備えている。バックライトユニット２は、本発明の面状照明装置の一実施形態である。

　バックライトユニット２は、二次元配列された複数の点光源１４を備えた光源部１０と、光源部１０から出射された光が入射される入射面２０ａ、および入射面２０ａに対向する、光を出射する出射面２０ｂを備え、光源部１０からの光の輝度を均一化して出射する輝度均一化部材２０とを備えている。また、バックライトユニット２は、輝度均一化部材２０と液晶表示素子５０との間に、図示しないプリズムシート、拡散シート、蛍光体シートおよび輝度向上シートなどを含んでいてもよい。

　液晶表示素子５０は、液晶パネル、その視認側に設けられた視認側偏光板およびバックライト側に設けられたバックライト側偏光板を含む。

　光源部１０は、点光源１４が配列されている反射板１２を含む。図２は、光源部１０の平面模式図である。図２に示すように点光源１４は、反射板１２上に縦横に所定の間隔で均等に配置されている。そして、光源部１０は、反射板１２の周縁に設けられた、内側に反射面１３ａを有する側壁１３を備えている。

　点光源１４は、ＬＥＤであっても良いし、レーザー光源であってもよい。色再現性の向上と、より効率良く光を面内方向に拡げることができる点で、レーザー光源が好ましい。また、光源は白色光源であっても良いし、異なる発光色の光源が複数使用されてもよい。さらに、光源は単色光源であっても良い。単色光源を用いる場合には、バックライトユニット、もしくは液晶表示素子が蛍光体を含む部材を有し、単色光源から出射した光を前記蛍光体で波長変換することによって、白色光やその他所望の発光色を得ることができる。たとえば、光源として青色または紫外線を発光するＬＥＤを用い、蛍光体として量子ドット蛍光体を用いることができる。点光源の数はローカルディミングのエリア分割数に直結するため、エリア分割数を上げるためには、点光源の数を増加させる必要がある。より小さいサイズの点光源を用いることにより、個数を増加させることができる。このような点光源１４としては、サイズが０．１５ｍｍ以下、好ましくは０．１ｍｍ以下のＬＥＤが好適である。

　点光源１４が配置される基板は反射板に限らない。しかしながら、点光源１４から輝度均一化部材２０に向けて出射された光のうち、輝度均一化部材２０により反射された光をさらに反射させて光の利用効率を上げるために、点光源１４を反射板１２上に配置することが好ましい。反射板１２は、特に制限なく、公知のものが、各種、利用可能である。光を効率的に用いるために、吸収が小さく反射率が高い反射面を有することが好ましい。例えば、白色ＰＥＴ（polyethylene terephthalate）やポリエステル系樹脂を用いた多層膜フイルムからなる反射面を有するものが好適であるが、これに限るものではない。ポリエステル系樹脂を用いた多層膜フイルムとしては、例えば、３Ｍ社製のＥＳＲ（商品名）が挙げられる。

　本液晶表示装置１においては、バックライトユニット２の点光源１４から出射された光は、輝度均一化部材２０に、その入射面２０ａから入射され、輝度均一化部材２０において面内輝度が均一化された状態で出射面２０ｂから出射される。バックライトユニット２から出射された面内均一性の高いバックライトを、液晶表示素子５０に入射させることができる。

　図１と共に図３を参照して、本実施形態の輝度均一化部材２０について詳細に説明する。図３は、図１に示すバックライトユニット２の一部の平面模式図（上図）およびIII－III線断面模式図（下図）である。

　輝度均一化部材２０は、入射面２０ａに入射された光源部１０からの光の輝度を均一化して出射面２０ｂから出射する面状の部材である。

　輝度均一化部材２０は、相対的に高屈折率である高屈折率層２２（２２ａ，２２ｂ，２２ｃ…）と、相対的に低屈折率である低屈折率層２４とが交互に出射面２０ｂに垂直な方向に積層された積層構造を有している。輝度均一化部材２０の入射面２０ａは、交互に積層された複数の高屈折率層２２および低屈折率層２４からなる積層構造の最も光源部１０側に配置された高屈折率層の光源部１０に対面する面である。また、輝度均一化部材２０の出射面２０ｂは、積層構造の最も液晶表示素子５０側に配置された高屈折率層の液晶表示素子５０に対面する面である。

　本例において、輝度均一化部材２０は積層構造中に５層の高屈折率層２２を備えている。しかしながら、高屈折率層２２と低屈折率層２４とが交互に積層された積層構造としては、少なくとも２層以上の高屈折率層２２を含んでいればよい。輝度均一化部材としての厚みが厚くなりすぎず、十分な輝度均一化を図るには、高屈折率層は３層以上、１０層以下であることが好ましい。

　なお、以下において、複数の高屈折率層２２の各層を区別する必要のある場合には、高屈折率層２２ａ，２２ｂ，２２ｃ…と表記し、特に区別する必要のない場合には、単に高屈折率層２２と表記する。
　高屈折率層２２と低屈折率層２４との界面において、高屈折率層２２側から界面に入射する光をより多く全反射させるためには、高屈折率層２２と低屈折率層２４との屈折率差は、０．２以上であることが好ましい。

　高屈折率層および低屈折率層の構成材料は、高屈折率層が低屈折率層より高い屈折率を有するものであれば特に限定されない。低屈折率層２４としては、空気層が最も好ましい。高屈折率層２２としては、公知の板状物（シート状物）が、各種、利用可能である。一例として、ポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリメチルメタクリレート等のアクリル樹脂、ベンジルメタクリレート、ＭＳ樹脂（ポリメタクリルスチレン）、シクロオレフィンポリマ、シクロオレフィンコポリマ、セルロースジアセテートやセルローストリアセテートなどのセルロースアシレート等、公知のバックライト装置に用いられる導光板と同様の透明性が高い樹脂で形成された導光シートが挙げられる。上記樹脂は熱可塑性樹脂に限らず、例えば、紫外線硬化性樹脂、電子線硬化性樹脂等の電離放射線硬化性樹脂あるいは熱硬化性樹脂であってもよい。

　高屈折率層２２の一層分の厚みは２μｍ～１００μｍが好ましい。

　低屈折率層２４（本実施形態においては空気層２４）の厚み、すなわち高屈折率層２２間の空隙は、高屈折率層２２同士が接触しない距離であればよく、０μｍより大きく１０μｍ以下が好ましい。この空気層２４には高屈折率層２２間の空隙を維持するため、すなわち、空気層２４を形成するための図示しないスペーサが配置されている。例えば、直径数μｍオーダーのシリカ球をスペーサとして高屈折率層２２間に分散配置させることにより、空気層２４を形成することができる。

　輝度均一化部材２０は、積層構造中の、複数の点光源１４に対向する各位置に光入射部３０を備えている。光入射部３０は、点光源１４からの光を積層構造に含まれている各高屈折率層２２ａ，２２ｂ，２２ｃ…へ入射させる。この場合、光入射部３０は、光が各高屈折率層２２ａ，２２ｂ，２２ｃ…中を全反射して導光される条件で光を高屈折率層２２ａ，２２ｂ，２２ｃ…に入射させる。但し、光入射部３０は、すべての光が高屈折率層２２中で全反射して導光される条件で高屈折率層２２に入射させるものである必要はない。しかしながら、より多くの光が高屈折率層２２中で全反射して導光される条件で高屈折率層２２に入射させることが好ましい。

　点光源１４毎に光入射部３０を備えているので、各点光源１４を中心とした一定の領域毎に、点光源１４からの光の均一化を図ることができる。

　輝度均一化部材２０における光入射部３０は、５層の高屈折率層２２ａ～２２ｅを貫く貫通孔である円筒状の空洞部３１からなる。空洞部３１の側壁面は、高屈折率層２２に形成された、高屈折率層２２の表面（低屈折率層２４との界面）に対して傾きを有する面（以下において側面という。）からなる。言い換えると、空洞部３１は、高屈折率層の側面により囲まれて構成されるものであり、空洞部３１の側壁面は、高屈折率層の側面に他ならない。
　なお、本実施形態においては、空洞部３１が高屈折率層２２ａ～２２ｅを貫く貫通孔であるが、輝度均一化部材における光入射部としては、少なくとも２層の高屈折率層に亘って設けられた空洞部であって、そのうちの少なくとも１層の高屈折率層を貫通して設けられていればよい。

　光入射部３０は、空洞部３１の側壁面での屈折または反射によって光を高屈折率層に入射させる機能を有する。この光入射部３０の作用により、点光源１４から出射された光を面内方向に拡げて導光させることができる。

　各高屈折率層２２ａ～２２ｅにはそれぞれに貫通孔が設けられており、それらが連続するように積層されて１つの貫通孔からなる空洞部３１が構成されている。点光源１４から出射した光は、空洞部３１に入射し、空洞部３１の側壁面、すなわち各高屈折率層２２ａ～２２ｅの側面３２ａ～３２ｅに入射し、その側面３２ａ～３２ｅで屈折して進行方向が変化される。この際、側面３２ａ～３２ｅで屈折してそれぞれ高屈折率層２２ａ～２２ｅに入射された光の、低屈折率層（空気層）２４との界面への入射角が全反射角以上であれば、光は各高屈折率層２２ａ～２２ｅ中でそれぞれ全反射を繰り返して面内方向に導光される。他方、上記界面に全反射角未満で入射する光は、高屈折率層２２から出射される。なお、輝度均一化部材２０の入射面２０ａから出射した光は反射板１２で反射されて出射面２０ｂ側に戻される。

　空洞部３１は、低屈折材料が充填されていてもよいが、点光源からの光の多くを高屈折率層２２に入射させ、かつ導光させるためには、低屈折材料と各高屈折率層２２との屈折率差は大きい方が好ましい。空洞部３１は、空気で満たされた空隙であることがもっとも好ましい。

　また、空洞部３１の側壁面は、反射防止処理がなされていてもよい。反射防止処理としては、特定の屈折率および膜厚を有する薄層を積層することや、表面にモスアイ構造を設けること等が含まれ得る。反射防止処理を施すことにより、点光源からの光をより多く高屈折率層２２に入射させることができる。

　空洞部３１の開口は、点光源のサイズと同一以上の大きさであり、平面視において、点光源１４を開口中に内包できる大きさである。
　本実施形態においては、全ての高屈折率層２２ａ～２２ｅに亘って同一の開口径の空洞部３１が設けられている。しかしながら、各高屈折率層２２ａ～２２ｅに設けられている孔の開口径は必ずしも同一でなくてもよい。

　本実施形態の輝度均一化部材２０は、空洞部３１の出射面２０ｂ側の開口に対向して光反射部材３６を備えている。光反射部材３６は、点光源１４から出射した光が空洞部３１を通過してそのまま出射面２０ｂから出射されるのを抑制する。一方で光反射部材３６に積層構造側から入射する光の一部を透過させることにより、点光源１４の直上において一定の輝度を確保する。
　したがって、光反射部材３６は、５０％以上の光を反射するが、少なくとも０％よりも大きい量の光を透過する部材である。
　なお、光反射部材３６に代えて光吸収部材を備えていてもよい。光吸収部材は、５０％以上の光を吸収するが、少なくとも０％よりも大きい量の光を透過する部材を用いる。

　また、高屈折率層２２は、光入射部３０から離間した位置に、高屈折率層２２を導光される光を、高屈折率層２２の出射面２０ｂ側の面から出射させるための光取出し機構４０を備えている。
　光取出し機構４０は、高屈折率層２２中において、全反射を繰り返して導光している光がその光取出し機構４０に入射した場合にその光の全反射条件を崩し、高屈折率層２２から光を出射させる構造であればよい。本実施形態においては、高屈折率層２２の表面に備えられた凹部により光取出し機構４０が構成される。

　高屈折率層２２ａ～２２ｅにはそれぞれ光取出し機構４０が設けられている。図３の平面図は、最も液晶表示素子５０側に配置された高屈折率層２２ｅにより構成される輝度均一化部材２０の出射面２０ｂの一部を示す。本実施形態において光取出し機構４０は、倒立三角形の断面を有する円環状の凹部である。各高屈折率層２２ａ～２２ｅにおいて、円環状の凹部は同心円状に複数設けられているが、その個数および配置は適宜設定すればよい。

　本実施形態においては、高屈折率層２２ａ～２２ｅのうち、輝度均一化部材２０の入射面２０ａ側に近い高屈折率層ほど、光入射部３０から距離が離れた位置に光取出し機構４０が設けられている。すなわち、輝度均一化部材２０に備えられている複数の高屈折率層２２ａ～２２ｅは、入射面２０ａ側に配置された高屈折率層ほど最少半径が漸次大きくなる同心円状の凹部を備えている。本構成により、入射面２０ａに近い高屈折率層ほど光を面内方向により拡げて導光させた上で、光取出しを行うことができる。入射面２０ａ側に配置された高屈折率層ほど入射される光の量が多いため、輝度の均一化の効果が高い。

　なお、本実施形態において、光取出し機構４０は、連続的な円環として設けられた凹部からなるものとしたが、１つの円環状の光取出し機構４０が、円環状に離散的に配置された複数の凹部により構成されていてもよい。また、光取出し機構４０は、必ずしも円環状に設けられていなくてもよい。光取出し機構４０は凸部であってもよい。また、光取出し機構を構成する凹部あるいは凸部の形状は、特に限定されず、四角錐状（ピラミッド形状）半球状、円錐状、多角錐状、あるいは円錐台状、多角錐台状などであってもよい。

　また、光取出し機構は、内部または表面に設けられた光散乱構造であってもよい。高屈折率層が光散乱構造を有する場合、光入射部により入力され高屈折率層中を全反射して導光されている光が光散乱構造で散乱され、高屈折率層から光を出射させることができる。光散乱構造は、高屈折率層の内部または表面に光散乱粒子を配置すること、あるいは、表面に微細な凹凸構造を設けること等によって、作製することができる。また、光散乱構造は、高屈折率層内を面内に拡がる光の量と、高屈折率層から出射する光の量とのバランスが適切になるように、その形成密度を適宜調整することが好ましい。

　光取出し機構は、高屈折率層においてランダムに配置されていてもよいし、周期的に配置されていてもよく、面内に分布構造をもつように配置されていてもよい。また、光取出し機構が高屈折率層の表面に備えられる場合には、一方の面のみならず両方の面に備えられていてもよい。さらに、光取り出し機構が凸部や微細な凹凸構造を有する場合は、それらの構造が、空気層２４を形成するための前述のスペーサを兼ねることもできる。

　上記輝度均一化部材２０は、光入射部３０を備えたことにより、光を複数の高屈折率層２２ａ～２２ｅ中を導光させて横方向（面内方向）に点光源から離間する方向に拡げることができるため輝度均一化を実現でき、輝度むらが少ない光を出射することができる。各高屈折率層に空洞部の側壁面を構成する側面３２ａ～３２ｅが設けられて、この側面３２ａ～３２ｅからそれぞれの高屈折率層２２ａ～２２ｅ中に光を入射させることができるので、光の取り込み効率が高く、光利用効率に優れる。また、複数の高屈折率層を備えることから輝度均一化部材全体として光取出し機構を多数設けることができるので、輝度均一化と光利用効率をさらに向上させることができる。

　バックライトユニット２は、上記輝度均一化部材２０を備えており、輝度が均一化された光を出射することができるため、光源部１０と輝度均一化部材２０との間に厚い空間は不要である。したがって、直下型バックライトでありながら従来と比べて非常に薄くすることができる。
　バックライトユニット２は、直下型であるため、備えられている点光源の数だけの多分割のローカルディミングが可能である。

　また、バックライトユニット２の薄型化により、液晶表示装置１全体としての薄型化も実現できる。さらに、バックライトユニット２から輝度の均一性が十分に高いバックライトを出射させることができるため、バックライトユニット２と液晶表示素子５０との間隔も狭くすることが可能であり、液晶表示装置のさらなる薄型化を図ることができる。

　以下、輝度均一化部材の設計変更例を図４～図９を参照して説明する。なお図４～図９は、輝度均一化部材の一部の拡大模式図であり、１つの点光源１４とその点光源１４に対向して配置される１つの光入射部を含む領域を示している。

　図４は輝度均一化部材の設計変更例１の光入射部３０Ａを説明するための断面模式図である。図４の輝度均一化部材は、３層の高屈折率層２２ａ～２２ｃが空気層２４と交互に積層された積層構造を有する。光入射部３０Ａは、３層の高屈折率層２２ａ～２２ｃのうちの点光源１４側の２層の高屈折率層２２ａおよび２２ｂを貫通して設けられた空洞部３１Ａからなる。空洞部３１Ａの側壁面は高屈折率層２２ａおよび２２ｂの側面３２ａおよび３２ｂでからなる。

　図４の輝度均一化部材においては、輝度均一化部材の出射面を構成する最も液晶表示素子側に配置された高屈折率層２２ｃの空洞部３１Ａの開口に面する領域に光散乱部３８が設けられている。光散乱部３８は高屈折率層２２ｃ中に散乱粒子が分散された領域である。この光散乱部３８は、点光源１４から出射した光が空洞部３１Ａを通過してそのまま出射面２０ｂから出射されるのを抑制する。

　本構成の輝度均一化部材においては、点光源１４から出射された光の多くは空洞部３１Ａに入射する。空洞部３１Ａに入射した後に側壁面（側面３２ａ、３２ｂ）に入射した光は側壁面で屈折して高屈折率層２２ａ、２２ｂ内に導入され、全反射条件を満たす光が面内方向に導光されて拡がる。一方、空洞部３１Ａを通過した光は散乱部３８に入射し、光散乱部３８で散乱される。光散乱部３８に入射した光は、散乱光として一部が出射面から出射され、一部は輝度均一化部材内で反射と屈折を繰り返し、そのうちの少なくとも一部は高屈折率層２２内を伝搬して面内方向に拡がっていく。

　高屈折率層２２ａ～２２ｃにおいて面内方向に導光された光は図４においては図示していない光取出し機構により高屈折率層２２から出射され、最終的には輝度均一化部材の出射面から出射される。

　図５は輝度均一化部材の設計変更例２の断面模式図である。図５の輝度均一化部材は、４層の高屈折率層１２２ａ～１２２ｄが空気層２４と交互に積層された積層構造を有する。光入射部１３０は、積層構造において出射面側に広い開口を有し、対向する点光源に向かって径が小さくなる形状の空洞部１３１からなる。この空洞部１３１は、出射面側の高屈折率層１２２ｄおよび１２２ｃを貫通し、高屈折率層１２２ｂ中に先端が閉じた円錐状凹部が設けられている。光入射部１３０を構成する空洞部１３１の側壁面は、高屈折率層１２２ｂ～１２２ｄの側面１３２ｂ～１３２ｄから構成されている。高屈折率層１２２ｂ～２２２ｄの側面１３２ｂ～２３２ｄは、高屈折率層１２２ｃ～１２２ｄを貫通する孔および高屈折率層１２２ｂに円錐状凹部が設けられたことにより形成された面である。

　本構成の輝度均一化部材においては、点光源１４から出射された光が空洞部１３１の側壁面（高屈折率層の側面１３２ｂ～１３２ｄ）で全反射し、高屈折率層１２２ｂ～１２２内に内部に導入される。空洞部１３１の側壁面（高屈折率層の側面１３２ｂ～１３２ｄ）はその側壁面で全反射して高屈折率層に導入された光が高屈折率層の内部で全反射を繰り返しながら導光されるように、高屈折率層と低屈折率層との界面に対する側壁面の傾斜角が調整されている。図５に示すように、本実施形態における空洞部１３１の側壁面は傾斜角が徐々に変化する曲面である。

　図５に示す輝度均一化部材においては、輝度均一化部材の入射面を構成する高屈折率層１２２ａおよび、出射面を構成する高屈折率層１２２ｄには、入射面側および出射面側の両面にそれぞれ光取出し機構４０および４２を備えている。光取出し機構を増やすことにより輝度均一化の効果を向上させることができる。

　図６は輝度均一化部材の設計変更例３の断面模式図である。図６の輝度均一化部材は、５層の高屈折率層２２２ａ～２２２ｅが空気層２４と交互に積層された積層構造を有する。光入射部２３０は、積層構造に設けられた、点光源１４に対向する位置の入射面側に開口を有する円錐形状の空洞部２３１である。空洞部２３１は、高屈折率層２２２ａ～２２２ｄを貫通し、輝度均一化部材の出射面を構成する高屈折率層２２２ｅに円錐頂点を有する。空洞部２３１の側壁面は、高屈折率層２２２ａ～２２２ｅの側面２３２ａ～２３２ｅから構成されている。高屈折率層２２２ａ～２２２ｅの側面２３２ａ～２３２ｅは、高屈折率層２２２ａ～２２２ｄを貫通する孔および高屈折率層２２２ｅに円錐先端部状の凹部が設けられたことにより形成された面である。

　円錐形状の空洞部２３１の開口は円錐の底面に当たる部分である。開口と点光源１４が対面して配置されており、この開口サイズは点光源１４のサイズ以上であることが好ましい。

　本構成の輝度均一化部材においては、点光源１４から出射した光は光入射部２３０を構成する空洞部２３１の側壁面（高屈折率層の側面２３２ａ～２３２ｅ）に入射して屈折され、高屈折率層２２２ａ～２２２ｅへと導かれる。その屈折した光が各高屈折率層２２２ａ～２２２ｅの内部で全反射を繰り返しながら導光されるように、高屈折率層と低屈折率層の界面に対する側壁面の傾斜角が調整されている。

　図７は輝度均一化部材の設計変更例４の断面模式図である。図７の輝度均一化部材は、４層の高屈折率層３２２ａ～３２２ｄが空気層２４と交互に積層された積層構造を有する。光入射部３３０は、積層構造に設けられた、点光源１４に対向する位置の入射面側に開口を有する一部円錐形状の空洞部３３１からなる。空洞部３３１は、高屈折率層３２２ａ～３２２ｃを貫通し、輝度均一化部材の出射面を構成する高屈折率層３２２ｄに円錐頂点を有する。空洞部３３２の側壁面は、高屈折率層３２２ａ～３２２ｄの側面３３２ａ～３３２ｄから構成されている。高屈折率層３２２ａ～３２２ｄの側面３３２ａ～３３２ｄは、高屈折率層３２２ａ～３２２ｃを貫通する孔および高屈折率層３２２ｄに円錐先端部状の凹部が設けられたことにより形成された面である。本実施形態においては、空洞部３３１の側壁面の傾斜が、最も光源部側に配置されている高屈折率層３２２ａと他の高屈折率層３２２ｂ～３２２ｄとで異なっている。このように空洞部３３１の側壁面はその傾斜角が高屈折率層間で異なっていてもよい。

　図８は輝度均一化部材の設計変更例５の断面模式図である。図８の輝度均一化部材は、４層の高屈折率層４２２ａ～４２２ｄが空気層２４と交互に積層された積層構造を有する。光入射部４３０は、高屈折率層４２２ａおよび４２２ｂに亘って設けられた空洞部４３１および高屈折率層４２２ｃおよび４２２ｄに亘って設けられた空洞部４３３からなる。空洞部４３１は、点光源１４に対向する位置の入射面側に開口を有する円錐形状を有し、空洞部４３３と、出射面側に広い開口を有し、対向する点光源１４に向かって径が小さくなる形状を有する。このように、光入射部４３０は、複数の空洞部４３１、４３３から構成されていてもよい。

　図９は輝度均一化部材の設計変更例６の断面模式図である。図９の輝度均一化部材は、４層の高屈折率層５２２ａ～５２２ｄが空気層２４と交互に積層された積層構造を有する。光入射部５３０は、２層の高屈折率層５２２ｂおよび５２２ｃに亘って設けられた、点光源１４に対向する位置の入射面側に開口を有する一部円錐形状の空洞部５３１からなる。本実施形態においては、輝度均一化部材の出射面を構成する高屈折率層５２２ｄ、輝度均一化部材の入射面を構成する高屈折率層５２２ａには光入射部５３０が設けられていない。このように光入射部５３０は積層構造の内部に備えられていてもよい。

　図７～図９で説明した設計変更例４～６の輝度均一化部材における光入射部３３０、４３０および５３０は、先に説明した設計変更例１～３の輝度均一化部材における光入射部と同様の作用により、光を面内方向に導光させることができる。

　図４～図９を参照して説明した設計変更例の輝度均一化部材を備えた場合には、図３を参照して説明した輝度均一化部材２０を備えた場合と同様の効果を得ることができる。

　図１に示すような全ての高屈折率層を貫通する貫通孔を備えた輝度均一化部材は、高屈折率層をなす導光シートを複数層積層させた状態で機械切削、またはレーザー照射して貫通孔を形成し、この複数の導光シートを、各導光シート間に空気層を設けて積層させることにより作製することができる。

　図４～図９に示すような複雑な形状の空洞部からなる光入射部を有する輝度均一化部材は、例えば、それぞれの高屈折率層毎にモールドを作製し、モールドを用いたインプリントにより異なる凹部あるいは孔を有する複数の導光シートを作製し、導光シート間に空気層を設けて積層させることにより作製することができる。
　なお、光取出し機構についてもインプリント形成してもよい。光取出し機構は表面に諸キズをつけて作製してもよい。

　なお、積層構造に備えられた空洞部を構成する、高屈折率層に設けられた孔および凹部には低屈折材料が埋め込まれていてもよい。

　本開示の面状照明装置は、上述した液晶表示装置におけるバックライトユニットとしてのみならず、看板、標識などのバックライト、室内灯などとしても用いることが可能である。

　２０１７年１０月２５日に出願された日本出願特願２０１７－２０６０３８の開示はその全体が参照により本明細書に取り込まれる。
　本明細書に記載された全ての文献、特許出願、及び技術規格は、個々の文献、特許出願、及び技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。

Claims

　二次元配列された複数の点光源を備えた光源部と、
　該光源部から出射された光が入射される入射面、および該入射面に対向する、光を出射する出射面を有し、かつ前記光源部からの光の輝度を均一化して出射する輝度均一化部材とを備え、
　前記輝度均一化部材が、相対的に高い屈折率である高屈折率層と相対的に低い屈折率である低屈折率層とが交互に前記出射面に垂直な方向に積層され、かつ前記高屈折率層を２層以上含む積層構造を有し、
　該積層構造中の、前記複数の点光源に対向する各位置に、該点光源からの光を該積層構造に含まれている高屈折率層へ入射させる光入射部であって、前記光が前記高屈折率層中を全反射して導光される条件で該光を該高屈折率層に入射させる光入射部を備え、
　該光入射部が、前記積層構造に含まれる２層以上の高屈折率層に亘って設けられた、少なくとも１層の高屈折率層を貫通する空洞部からなり、該空洞部の側壁面での屈折または反射によって前記光を前記高屈折率層に入射させる機能を有し、
　前記各高屈折率層が、前記光入射部から離間した位置に、該高屈折率層を導光される光を前記出射面側に出射させる光取出し機構を備えている面状照明装置。
　前記空洞部が、前記出射面側に広い開口を有し、対向する前記点光源に向かって径が小さくなる形状である請求項１記載の面状照明装置。
　前記空洞部が、前記点光源に対向する位置の前記入射面側に開口を有する円錐形状である請求項１記載の面状照明装置。
　前記空洞部が、対向する前記点光源に面して開口を有する円筒形状である請求項１記載の面状照明装置。
　前記積層構造の、前記空洞部を挟み前記点光源に対向する位置に光反射部材または光吸収部材を備えた請求項１から４のいずれか１項に記載の面状照明装置。
　前記高屈折率層に備えられている前記光取出し機構の前記光入射部からの距離が、前記入射面側に近い高屈折率層ほど大きい請求項１から５のいずれか１項に記載の面状照明装置。
　前記光取出し機構が、前記光入射部を中心とする円環状に設けられている請求項１から６のいずれか１項に記載の面状照明装置。
　前記低屈折率層が空気層である請求項１から７のいずれか１項に記載の面状照明装置。
　液晶表示素子と、
　請求項１から８のいずれか１項に記載の面状照明装置とを備えた液晶表示装置。