JP2001273805A

JP2001273805A - 導光板及び面光源装置

Info

Publication number: JP2001273805A
Application number: JP2000085375A
Authority: JP
Inventors: Kimihiro Taniguchi; 仁啓谷口
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2000-03-24
Filing date: 2000-03-24
Publication date: 2001-10-05

Abstract

(57)【要約】【課題】エッジライト型面光源装置における、導光板の
反射面に形成する反射パターンの効率的設計方法の提供
と、面光源装置の輝度均一性の向上、輝度ムラの低減な
ど、光学特性の向上。【解決手段】光透過性材料からなる平板状の導光体であ
って、前記導光体の少なくとも一側面を入光面１ａと
し、前記入光面１ａに略直交する一面に散乱反射、全反
射等の機能を有する反射パターンを形成した導光板１に
おいて、前記反射パターンの粗密分布Ｙは入光面１ａか
らの距離Ｘに応じて次式で表す【数１】ただし、Ｔ_Xは、位置Ｘにおける発光量（設計仕様）Ｓ_Xは、Ｔ_Xによって決まる導光板１内部の残光量Ａ_X、Ｂ_Xは、位置Ｘにおける発光特性であって、いずれもＸの関数である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、液晶表示装置、広
告用看板、避難誘導灯などのバックライトシステム、ま
たは照明器具などの面光源装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、液晶表示装置はパーソナルコンピ
ュータ、ＴＶ、ビデオムービ等のディスプレイ装置をは
じめ、種々の分野で広く使用されてきている。液晶表示
装置は、基本的にバックライト部と液晶表示素子部から
構成されている。バックライト部の構造は、液晶表示装
置の直下に光源を設けた直下方式や導光板の側面に光源
を設けたエッジライト方式があり、液晶表示装置の薄型
化、軽量化、輝度の均一性などを考慮して、エッジライ
ト方式が多用されている。エッジライト方式の面光源装
置は、導光板の側面部に光源を配置して、前記導光板の
表面全体を発光させる構成であり、代表例として、特公
平７−９７４４４号公報に開示されたものがあげられ
る。

【０００３】エッジライト方式の面光源装置において、
導光板の四端面のうち、一端面を入光面として用いた面
光源装置の基本構成例を図９に示す。同図に示す面光源
装置２０は、光学的に透明な導光板１、冷陰極管２、必
要に応じて冷陰極管２の光を効率よく導光板１内部に導
くランプリフレクタ３、導光板１の下面に近接して設置
された反射板４、導光板１上面に配置された散乱板５及
びレンズシート６から構成されている。エッジライト方
式の面光源装置においては、導光板１の四側面のうち何
れの面にも光源を配置することが可能であるが、図９に
示す面光源装置２０は、直管型の冷陰極管を用いた例で
ある。

【０００４】また、前記導光板１の下面には、導光板１
内部に導かれた光源光を効率的に出射させるための反射
パターン７が形成され、導光板１の入光面からの距離に
応じてパターンの大きさ、密度、散乱反射性能などに分
布を設けることによって、全面にわたって均一な輝度分
布を得るための工夫がなされている。

【０００５】前記反射パターン７の分布を工夫すること
によって、全面にわたって輝度均一化が測られた面光源
装置２０を提供するために、従来から数多くの提案がな
されてきた。

【０００６】例えば、特許第２７７６６０３号公報に
は、前記反射パターンの被覆率を線状光源からの距離Ｘ
に対して、ｙ＝ａｘⁿ（ｎ＝１．７〜３）又は、ｙ＝ａ^x
（ａは定数）とする方法が開示されている。その他、特
開平４−３２８２０６号公報などにも、光源からの距離
に応じて、前記反射パターンの面積を決定する方法が提
案されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記公
開公報に記載の方法は、導光板反射面に形成する反射パ
ターンの分布に関して定式化がなされているが、実験的
に決定すべき未知定数を含むものであって、異なる形状
の導光板を製造する毎に、多数回の試作、評価を行い、
試行錯誤を繰り返して、前記未知定数を決定する必要が
あった。

【０００８】上記課題に対して、特開平７−１５９６２
２号公報には詳細かつ具体的に、前記反射パターンの分
布を決定する方法が開示されている。前記公開公報に記
載の方法を要約すると、前記反射パターンの密度Ｐ
（Ｘ）は、光源からの距離Ｘに応じて、次式（ｉ）で表
される。

【０００９】

【数２】（ただし、ａ，ｂ，ｃは定数）なお、上記式（ｉ）の導出過程では、下記の仮定を設定
している。

【００１０】「楔形導光板の入光端面に配設された冷陰
極管に垂直な面で切断された楔形導光板の断面におい
て、冷陰極管から距離Ｘの位置にある微小出光面ｄｘの
輝度Ｚ（Ｘ）は、１．その位置Ｘでの残光量に比例する。２．その位置Ｘの楔形導光板の厚さｙに比例する。３．その位置Ｘでの出光率に比例する。と仮定する。」

【００１１】ここで、仮定２において、輝度は導光板の
厚さｙに比例するとしているが、一旦導光板内に入射し
た光は、導光板の厚さに関わらず、反射面に形成した反
射パターンで反射されるか、反射面もしくは発光面への
入射光が臨界角より小さくならない限り、導光板外へ出
射しない。したがって、上記公開公報では、修正式を導
入することによって、上記仮定２の矛盾点を修正する方
法を採用している。

【００１２】そこで本発明では、光透過性材料からなる
平板状の導光体であって、前記導光体の少なくとも一側
面を入光面１ａとし、前記入光面１ａに略直交する一面
に散乱反射、全反射等の機能を有する反射パターンを形
成した導光板において、いかなる形状の導光板であって
も、効率的に反射パターンを設計し、面内全域にわたっ
て輝度均一性を得る方法を提供することを目的としてい
る。

【００１３】

【課題を解決するための手段】かかる課題を解決するた
めに、本発明では、第一に、光透過性材料からなる平板
状の導光体であって、該導光体の少なくとも一側面を入
光面とし、該入光面に略直交する一面に散乱反射、全反
射等の機能を有する反射パターンを形成した導光板にお
いて、該反射パターンの粗密分布Ｙは該入光面からの距
離Ｘに応じて式（ｉｉ）で表されること、

【００１４】

【数３】ただし、Ｔ_Xは、位置Ｘにおける発光量（設計仕様）Ｓ_Xは、Ｔ_Xによって決まる導光板内部の残光量Ａ_X、Ｂ_Xは、位置Ｘにおける発光特性であって、いずれもＸの関数である。

【００１５】第二に、前記導光板と、前記導光板の入光
面に近接配置された光源とを備え、該導光板の下面に近
接配置された反射板とを備える面光源装置であることを
特徴とする。

【００１６】第三に、さらに前記光源の周囲に配置され
たランプリフレクタと前記導光板の上面に配置された、
散乱、集光、偏光の機能を有するシート状部材を備える
面光源装置であることを特徴とする。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明について実施例をも
とに詳細に説明する。

【００１８】まず、本発明による導光板１の反射パター
ンの設計方法について説明する。

【００１９】図７は導光板１に入射する光束と、出射す
る光束の相関関係を説明する図面である。本発明では、
導光板１の上面を発光面、導光板１の下面を反射面と称
する。また、線状光源である冷陰極管２と垂直な方向に
対し、光学的特性は一様であるとし、さらに、以下の仮
定をおく。（仮定１）導光板１の発光面１ｂから出射する光束Ｔ_n
の総量は、入光面１ａから入射した光束Ｓ₀に等しいと
する。（図７（Ａ）参照）これを数式で表すと式（ｉ
ｉｉ）のようになる。

【００２０】

【数４】

【００２１】（仮定２）入光面１ａから任意の位置にお
ける残光束Ｓ_nは、式（ｉｖ）のように表される。（図
７（Ｂ）参照）

【００２２】

【数５】

【００２３】図６は導光板１内を進行する光線の挙動を
説明する断面図である。導光板１外部に放出される光線
は、下記ＩもしくはＩＩのいずれかの経路によるもので
ある。

【００２４】（Ｉ）導光板１の入光面１ａから入射した
光線は、反射面の傾斜によって徐々に角度を変えながら
全反射を繰返して進行するが、発光面１ｂへの入射角が
臨界角以下となったときに、導光板１の外部に出射す
る。（図６（Ａ）参照）（なお、反射面１ｃへの入射角が臨界角以下となる場合
も、導光板１の外部に出射するが、本発明による面光源
装置２０では、導光板１の下部に近接して反射板４を設
置しているため、反射面１ｃから出射する光は再び導光
板１内に入射後、発光面１ｂから導光板１外部に出射す
る。（図６（Ｂ）参照）したがって、反射板４で反射
した光線が導光板１内部を通過し、発光面から出射する
場合も（Ｉ）に含める。）（ＩＩ）光線が反射パターン７に衝突することによっ
て、反射角が大きく変化し、発光面１ｂへの入射角が臨
界角以下となり、導光板１外部へ出射する。（図６
（Ｃ）参照）（なお、反射パターン７が透過性もしくは半透過性であ
って、かつ三次元的な形状を有していれば、反射面１ｃ
から導光板１外部に出射する場合が存在するが、この場
合にも，上記と同様、反射板４によって反射し、発光面
１ｂから導光板１外部に出射する。したがって、この場
合も（ＩＩ）に含める。）上記（Ｉ）、（ＩＩ）を数式
で表すと、次のようになる。

【００２５】

【数６】ただし、 α_n：反射パターン面積率（単位面積当たりに散乱ドッ
トが占める面積の割合） β_n：各位置における導光板１内部の残光束（Ｓ_n）が反
射面に当たる割合ｌ_n：反射パターンに当たった光束が出射する割合ｋ_n：反射面で折り返した光が出射する割合 β_n×ｌ_n＝Ｌ_n、β_n×ｋ_n＝Ｋ_nと置換えると、式（ｖ）
は次のように書きかえることができる。

【００２６】

【数７】

【００２７】なお、式（ｖ）及び式（ｖｉ）において、
第１項は前記（Ｉ）による出射成分、第２項は前記（Ｉ
Ｉ）による出射成分である。次に、式（ｖｉ）を変形す
ると、反射パターンの面積率α_nは、次式（ｖｉｉ）で
表される。

【００２８】

【数８】

【００２９】ここで、面光源装置２０として要求する輝
度分布（＝Ｕ_n）に基づいて、導光板１の発光面１ｂか
ら出射する光束Ｔ_nが決まり、式（ｉ）及び式（ｉｉ
ｉ）によって、導光板１の入射面から任意の位置におけ
る残光束Ｓ_nの値が求められるので、予め係数Ｌ_n、及び
Ｋ_nの値を知ることができれば、要求する輝度分布を得
るための反射パターン面積率を厳密に設計することが可
能となる。なお、Ｔ_n＝Ｕ_n×（発光面積）とする。

【００３０】そこで、まず、係数Ｋ_nを求める方法につ
いて説明する。本発明において、係数Ｋ_nの値は、反射
パターン７を形成していない導光板１の発光特性を計測
することによって求める。反射パターン７の無い場合α
_n＝０であるから、式（ｖｉ）より、次式が得られる。

【００３１】

【数９】

【００３２】ここで、Ｔ’_n：反射パターン７を形成
していない導光板１のＴ_n Ｓ’_n：反射パターン７を形成していない導光板１のＳ_n 次に、係数Ｌ_nを求める方法について説明する。

【００３３】本発明において、係数Ｌ_nの値は、導光板
１に任意の反射パターン７を暫定的に形成し、発光特性
を計測することによって求める。式（ｖｉ）、式（ｖｉ
ｉｉ）より、次式が得られる。

【００３４】

【数１０】 α”_n：暫定的に設定したα_n Ｔ”_n：各位置における光（Ｓ_n）が反射面に当たる割合Ｓ”_n：散乱ドットに当たった光が出射する割合

【００３５】以上説明した方法によって、未知の係数Ｌ
_n及びＫ_nを決定できるので、要求する光学特性（輝度）
に対する、反射パターンの寸法を厳密に設計することが
可能である。なお、以上説明した方法では、導光板１に
おける位置ｎによって各種パラメータの計算を実施して
いるが、一般に、ｎを導光板１の入光面１ａからの距離
Ｘに置換えて表すことが可能である。

【００３６】式（ｖｉｉ）において、ｎをｘと置換え、
さらにＡ_x＝１／（Ｌ_n−Ｋ_n）、Ｂ_x＝Ｋ_n／（Ｌ_n−
Ｋ_n）と置換えると、式（ｘ）のようになる。

【００３７】

【数１１】

【００３８】以下、実施例をもとに導光板１の設計方法
と該導光板１を用いた面光源装置２０について説明す
る。

【００３９】（実施例１）図１は本発明の第一の実施例
による導光板１である。導光板１は、ポリメチルメタク
リレートなどの樹脂もしくはガラスの他、種々の光透過
性材料を用いることが可能であるが、本実施例において
は、ポリメチルメタクリレートから射出成形法によって
製造している。

【００４０】導光板１の断面は楔形形状であり、入光面
ｌａから遠ざかるにつれて、厚さが減少する形状となっ
ている。本実施例においては、発光面１ａは鏡面であ
り、反射面１ｃには、光散乱反射機能を有する反射パタ
ーン７を形成している。前記反射パターン７の形成方法
は、散乱反射特性を有するインクなどをスクリーン印刷
法によって、導光板１の反射面１ｃに形成する方法、若
しくは、あらかじめ射出成形用の金型に所定のパターン
を形成しておき、成形時に導光板１と一体的に形成する
方法などが採用できる。反射パターン７の形状は、印刷
法で形成する場合、円形、正方形などが採用できて、射
出成形法で形成する場合は、円柱、角柱、半円柱、三角
錐、角錐など種々の形状を採用することが可能である
が、本実施例においては、印刷法により正方形のパター
ンを形成している。

【００４１】また、本実施例における導光板１の平面寸
法は、２１０ｍｍ×１６０ｍｍとしている。導光板１の
入光面１ａの厚み（＝ｔ₁）は、冷陰極管２の直径によ
って決定することが一般的である。冷陰極管２の光を導
光板１の入光面１ａに効率よく入射させるためには、導
光板１の入光面１ａの厚みを管直径より大きな値とする
ことが必要である。ただし、導光板１の厚みを厚くしす
ぎると、導光板１の重量増加を招くため、経験的に冷陰
極管２の直径＋０．４ｍｍないしは＋１．０ｍｍとして
いる。本発明の第一の実施例においては、冷陰極管２の
管径を２．０ｍｍ、導光板１の入光面１ａの厚みｔ１を
２．５ｍｍとした。

【００４２】面光源装置２０の導光板１は、断面形状を
単純楔形状としたものが数多く採用されており、入光面
１ａに対向する側の端面（反入光面１ｄ）の厚み（＝ｔ
₂）は、導光板１の重量を考慮すると、極力薄いことが
望ましいが、ポリメチルメタクリレートなどの樹脂材料
を用いて射出成形法によって製造された導光板１は、成
形時のひずみ並びに吸湿による反りが発生する。このた
め、経験的に１．０ｍｍ以上の厚みを有することが望ま
しい。したがって、本実施例においては、反入光面１ｄ
の厚みｔ２を１．２ｍｍとした。

【００４３】次に反射パターン７を前述の方法によって
設計する。

【００４４】まず，係数Ｋ_nを求めるため、反射パター
ン７を形成していない導光板１の発光特性を調べる。発
光特性は、図９に示す面光源装置２０に反射パターン７
を形成していない導光板１を組込んで、図８に示す方法
によって導光板１の中央部１２の輝度を１０ｍｍピッチ
で測定した。輝度の測定結果に基づき、式（ｖｉｉｉ）
によって計算した諸量を表１に示す。

【００４５】

【表１】

【００４６】次に、係数Ｌ_nの値を求める方法について
記述する。まず、反射パターン７の面積率α”_nを、従
来技術を参考に、入光面１ａからの距離Ｘに対して、
α”_n＝Ａｘ³＋Ｂに従うように暫定的に設定し、導光板
１に反射パターン７を形成した。さらに、図９に示す面
光源装置２０に前記導光板１を組込んで輝度を測定し
た。輝度測定結果に基づき、数式（ｉｘ）によって計算
した諸量を表２に示す。

【００４７】

【表２】

【００４８】以上、式（ｖｉｉ）における未知係数を求
めることができたので、発光面全面にわたって輝度が均
一となるように、反射パターンの面積率並びに直径を求
める。ここで、発光面全面にわたって、輝度が均一であ
るとは、Ｔ_n＝Ｔ₁となることを言う。

【００４９】図５（Ａ）に示すように本実施例における
反射パターン７の形状は正方形、ピッチ（＝Ｐ₁）は短
辺方向、長辺方向ともに０．６ｍｍで一定値とし、配列
は碁盤目状の配列とした。反射パターンの一辺の長さＱ
_nは、図５（Ａ）に示す四角形領城１０、前記四角形領
域１０に含まれる反射パターンの総面積の比率から、次
式（ｘｉ）で表される。

【００５０】

【数１２】

【００５１】式（ｖｉｉ）、式（ｘｉ）によって、反射
パターン７の面積率と一辺の長さを計算した。結果を表
３に示す。

【００５２】

【表３】

【００５３】以上説明した方法によって設計した反射パ
ターン７を導光板１に形成し、図９に示す面光源装置２
０に組込んで輝度を測定した結果、図２に示す結果が得
られた。図２に示す輝度の測定値は図８に示す測定方法
によって面光源装置２０の中央部１２を測定したもので
あり、中央部１２の輝度均一性（輝度の最大値／輝度の
最小値）は９７％、面光源装置２０の全面では、９１％
となった。従来では、複数回の試作を繰返して、全面の
輝度均一性８５％程度となるのに対し、１回の試作で上
記の値となり、従来の面光源装置に対して、設計効率、
輝度均一性が向上した。

【００５４】（実施例２）図３は本発明の第二の実施例
の導光板１である。第一の実施例と同様、導光板１は、
ポリメチルメタクリレートから射出成形法によって製造
している。

【００５５】導光板１の断面は略楔形形状であり、入光
面１ａから遠ざかるにつれて、厚さが減少する形状とな
っているが、導光板１の重量を低減することを目的と
し、反射面は図３に示すように、半径１３．０ｍの円筒
面とした。反射パターン７は円形とし、印刷法により形
成している。

【００５６】また、本実施例における導光板１の平面寸
法は、１８５ｍｍ×２４５ｍｍとしている。導光板１の
入光面１ａの厚み（＝ｔ₁）、及び入光面１ａに対向す
る側の端面（反入光面１ｄ）の厚み（＝ｔ₂）は、第一
の実施例と同様に考えて、ｔ₁＝２．５ｍｍ、ｔ₂＝１．
４ｍｍとした。

【００５７】次に反射パターン７を前述の方法によって
設計する。

【００５８】まず、第一の実施例と同様の方法によっ
て、係数Ｋ_n、Ｌ_nを求めた。結果を表４並びに表５に示
す。

【００５９】

【表４】

【００６０】

【表５】

【００６１】本実施例において、反射パターン７は、図
５（Ｂ）に示すように円形とし、ピッチ（＝ｐ₂）０．
９ｍｍ、配列は千鳥状の配列とした。反射パターン７の
半径ｒ_nは、図５（Ｂ）に示す三角形領域１１と、前記
三角形領域１１に含まれる反射パターン７の総面積の比
率から、次式（ｘｉｉ）で表される。

【００６２】

【数１３】ただし、Ａ＝三角形領域１１の面積

【００６３】式（ｖｉｉ）、式（ｘｉｉ）によって、反
射パターン７の面積率と直径を計算した。結果を表６に
示す。

【００６４】

【表６】

【００６５】以上説明した方法によって設計した反射パ
ターン７を導光板１に形成し、図９に示す面光源装置２
０に組込んで輝度を測定した結果、図４に示す結果が得
られた。図４に示す輝度の測定値は図８に示す測定方法
によって面光源装置２０の中央部１２を測定したもので
あり、中央部１２の輝度均一性（輝度の最大値／輝度の
最小値）は９５％、面光源装置２０の全面では、９０％
となった。従来では、複数回の試作を繰返して、全面の
輝度均一性８５％程度となるのに対し、１回の試作で上
記の値が得られ、従来の面光源装置に対して、設計効
率、輝度均一性が向上した。

【００６６】なお、反射パターン７は、上記実施例にお
いて、正方形もしくは円形としているが、三角形、多角
形など種々の形状とすることが可能である。

【００６７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によって、
導光板の形状に無関係に、効率的に反射パターンを設計
し、面内全域にわたって輝度均一性の高い面光源装置を
得ることが可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による導光板の第１の実施例を説明する
図面。

【図２】本発明による導光板の第一実施例における反射
パターンの寸法と面光源装置の輝度を説明するグラフ。

【図３】本発明による導光板の第２の実施例を説明する
図面。

【図４】本発明による導光板の第一実施例における反射
パターンの寸法と面光源装置の輝度を説明するグラフ。

【図５】本発明による導光板の反射パターンの配列を説
明する図面。

【図６】導光板内部の光線の挙動を説明する断面図。

【図７】導光板に入射する光束と、導光板から出射する
光束の関係を説明する断面図。

【図８】面光源装置の輝度測定方法を説明する図面。

【図９】従来技術の面光源装置を説明する断面図。

【符号の説明】

１…導光板１ａ…入光面１ｂ…発光面１ｃ…反射面２…冷陰極管３…ランプリフレクタ４…反射板５…散乱板６…シート状部材７…反射パターン２０…面光源装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光透過性材料からなる平板状の導光体で
あって、該導光体の少なくとも一側面を入光面とし、該
入光面に略直交する一面に散乱反射、全反射の機能を有
する反射パターンを形成した導光板において、該反射パ
ターンの粗密分布Ｙは該入光面からの距離Ｘに応じて次
式で表されることを特徴とする導光板。【数１】ただし、Ｔ_Xは、位置Ｘにおける発光量（設計仕様）Ｓ_Xは、Ｔ_Xによって決まる導光板内部の残光量Ａ_X、Ｂ_Xは、位置Ｘにおける発光特性であって、いずれもＸの関数である。
【請求項２】請求項１に記載の導光板と、前記導光板
の入光面に近接配置された光源と、該導光板の下面に近
接配置された反射板とを備える、面光源装置。
【請求項３】さらに前記光源の周囲に配置されたラン
プリフレクタと、前記導光板の上面に配置された、散
乱、集光、偏光の機能を有するシート状部材を備える、
請求項２に記載の面光源装置。