JP2004006421A - 面光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】面光源装置において、光源から導光板に入射された光の指向性分布の輝度のばらつきを改善することができ、均一な照明を可能とする。
【解決手段】導光板１２表面に、導光する光を光源１３の方向に反射させる輝度調整用パターン１５０を設ける。輝度調整用パターン１５０に入射する光は光源１３側へ反射させられ、光源１３と輝度調整用パターン１５０との間で多重反射が起き、輝度調整用パターン１５０のない方向への光が増加する。輝度調整用パターン１５０が、導光板１２に入射された光の指向性分布の輝度の高い角度方向に設置されていることで、導光板１２から出射される光の指向性分布の輝度ばらつきを調整することができる。
【選択図】図９

Description

　本発明は、導光板を用いた面光源装置に関し、特に、光源から導光板への光結合の効率向上を図る技術に関するものである。

　従来、照明等に主に用いられる面光源装置として、ＬＥＤ等の光源からの光を導光板に入射させ、面状に広げて出射させる構成のものがあり、各種電気機器等の液晶表示画面のバックライト光源装置として広く用いられている。この種の導光型の面光源装置を図１の斜視図及び図２の断面図により示す。この面光源装置１００は、光を閉じ込めるための導光板２と、発光部３（以下、光源という）と、反射板４とから構成されている。導光板２は、ポリカーボネイト樹脂やメタクリル樹脂等の透明で屈折率の大きな樹脂により形成されており、導光板２の下面には凹凸加工や拡散反射インクのドット印刷等によって拡散パターン５が形成されている。光源３は、回路基板３ａ上に複数のＬＥＤなどのいわゆる点光源３ｂを実装したものであって、導光板２の側面（光入射面７）に対向している。反射板４は、反射率の高い、例えば、白色樹脂シートによって形成されており、その両側部は、両面テープ８によって導光板２の下面に貼り付けられている。

　しかして、図２に示すように、光源３から出射されて光入射面７から導光板２の内部に導かれた光ｆは、導光板２内部で全反射することによって導光板２内部に閉じ込められる。導光板２内部の光ｆは、拡散パターン５に入射すると、拡散反射され、光出射面６へ向けて全反射の臨界角よりも小さな角度で反射された光ｆが、光出射面６から外部へ取り出される。また、導光板２下面の拡散パターン５の存在しない箇所を透過した光ｆは、反射板４によって反射されて、再び導光板２内部へ戻るので、導光板２下面からの光量損失を防止することができる。

　ところで、上述したように、ＬＥＤを光源とした導光型のバックライト面光源装置においては、ＬＥＤの出射光を導光板に結合しなければならず、また、導光板に結合させた光を拡散パターンにより面状に広げているため、制御性が必ずしも良くなく、高効率、高均一性に限界があり、また、設計が容易でない。従来では、照明等インコヒーレント光を導光板に結合するための構成として、いわゆるベクター（方向）放射結合型のものが知られている。

　ベクター放射結合型のバックライトの構成を図３（ａ）（ｂ）に示す。ＬＥＤから成る光源３は導光板２の端面の一点に局在化されており、それを中心に導光板２の下面には、拡散パターン５が同心円上に配列されている。光源３から導光板２に光結合部３ｃを経て結合された光は放射状に広がり、拡散パターン５によって出射される。導光板２の下方には反射板４が設けられている。光は光源３を中心に導光板２の中を直線的に導光させる。これにより、出射光は、導光量と放射損失係数との積で表すことができる。放射損失係数を導光量低下を補うように増加させることで、均一な出射光量を得るようにする。拡散パターン５は、導光方向に対して垂直な方向に一様な形状にし、これにより、パターンに当たった光で出射されなかった光も、導光方向が変わることなく直線的な導光が得られる。

　ここに、光が直線的に導光することから、光源３の指向性制御を行う必要があり、光結合部３ｃの形状を制御する。図４に本バックライト構成の理想的な光源の指向性を示す。光源３から導光板２の出射領域の端までの距離の２乗にほぼ比例する。このため、図示の対角θａ方向に相対強度のピークが現れ、光源指向性の補正が必要となる。そこで、図３（ｂ）に示すように、光源結合部３ｃのレンズ作用を用いて、対角θａ方向に光を屈折させ補正している。また、実際には、理想的な指向性と完全に一致させることは不可能であって、光源３からの出射方向に依存する輝度むらが発生するので、輝度の強い方向のパターン密度を下げ、低い方向へ合わせることにより、均一性が得られるようにする。

　ところで、上述したようなベクター放射結合方式の面光源装置において、均一な照射を実現するためには、図５のグラフの実線で示すような入射光の指向性分布が必要である。この分布形状は、光源から導光板への光の取り込み口の形状で制御するが、実際には、完全に実現できるわけではなく、破線で示すような形状になってしまう。このずれは、各方向ごとの輝度ばらつきを生じる原因であり、導光型面光源における大きな課題である。

　さらには、理想的な指向性分布からのずれは、光源が理想的な点光源でないために生じる。指向性分布のずれを図６（ａ）に示し、光源の大きさによる出射光のずれを図６（ｂ）に示している。光源が完全な点光源であれば、図７の実線で示すような理想的な分布が、光取り込み形状を制御することによりできる。しかし、実際の光源は幅を持っているため、破線で示すように、理想的な光から少しづつずれた光も生じる。出射光は全ての光の合成であるから、指向性分布は、図７に示すように、なまった分布形状となる。光源が大きさを持つことは避けられないことから、このずれは本質的な問題である。

　本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、光源から導光板に入射された光の指向性分布の輝度のばらつきを改善することができ、均一な照明が可能な面光源装置を提供することを目的とする。

　上記目的を達成するために請求項１の発明は、平板状の導光板と、導光板の端面に光が入射するように設置された、導光板の幅に比べて幅の狭い光源と、導光板内を導光する光を出射する、導光板表面に設けられた光出射用パターンと、導光板内を導光する光を光源の方向に反射させる、導光板表面に設けられた輝度調整用パターンと、を備えた面光源装置である。

　上記構成においては、照明の光源が点光源で、光源と導光板との結合方式がベクター結合であることで、導光板の輝度調整用パターンに入射する光は、光源から真っ直ぐに来る光となる。そして、輝度調整用パターンに入射する光は、光源側へ反射させられる。そのため、光源と輝度調整用パターンとの間で多重反射が起き、光源側では拡散反射成分が生じ、輝度調整用パターンのない方向への光が増加する。従って、この輝度調整用パターンが、導光板に入射された光の指向性分布の輝度の高い角度方向に設置されていることにより、導光板から出射される光の指向性分布の輝度ばらつきを調整する機能を果たす。さらに、導光板内を導光される光は導光板表面に設けられた光出射用パターンに当たることで出射される。こうして光出射されることで、均一な照射が可能となる。

　本発明によれば、導光板に設けた輝度調整用パターンが導光板内を導光する光を光源側へ反射させるので、この輝度調整用パターンが導光板に入射された光の指向性分布の輝度の高い角度方向に設置されていることにより、輝度調整用パターンと光源の間で多重反射が起き、光源側での拡散反射成分のために、輝度調整用パターンのない方向への光が増加する。その結果、導光板から出射される光の指向性分布の輝度ばらつきが解消され、導光板に設けられた光出射用パターンにより出射される光は均一なものとなり、均一な照明が可能となる。

　以下、本発明を具体化した一実施形態を図面を参照して説明する。
　図８は本実施形態による面光源装置の外観図である。この面光源装置は、各種電気機器等の液晶表示画面のバックライトとして使用される。面光源装置１１は、光を閉じ込めて導光させる矩形平板状の透明媒体である導光板１２と、この導光板１２の端面から光が入射するように設置された光源１３と、導光板１２の非出射面側（図では下面）の平板上に設けられたシート又は薄板状の反射板１４と、導光板１２の平板上の一面に設けられた凹凸状の光出射用パターン１５と、導光板１２内を導光する光を光源１３の方向に反射させる凹又は凸の輝度調整用パターン１５０とから構成される。光源１３としては、導光板１２の幅寸法に比べて十分に幅の狭いＬＥＤモジュール等を用いる。

　輝度調整用パターン１５０は、導光板１２表面の光源１３に比較的近い位置で、導光板１２に入射された光の指向性分布の輝度の高い角度方向に設置されている（詳細構成は後述）。この導光板１２から光を出射させる機構は、基本的には上述の従来技術で説明したものと同等であり、光源１３から導光板１２内に導入された光は、導光板１２内で全反射され、混ぜ合わされて出射用のパターン１５により外部へ出射される。なお、導光板１２の厚みは、１ｍｍ程度のものを用いる。

　図９（ａ）（ｂ）（ｃ）に、上記面光源装置１１における輝度調整用パターン１５０の構成を示す。ここに示す輝度調整用パターン１５０は凸パターンであり（以下、輝度調整用パターン１５０を凸パターン１５０という）、その光源１３から遠い側の面は、少なくとも一組の互いにほぼ直交する直角プリズム状の面１５ａからなり、そのほぼ直交する面は、その間の交角をほぼ２等分する平面が光源１３を通り、かつ導光板１２表面に垂直になる角度で設置され、直交する面の交線と導光板表面の角度は６７．５°以上とする。また、この面と光源側の面との間の角度は、ほぼ９０°又はそれ以上とする。すなわち、凸パターン１５０の光源１３に近い側の面と導光板１２表面の角度は、２２．５°以下とする。これにより、プリズムで反射された光が、光源１３側の面に当たっても外へ出ないようになる。

　ここで考える照明の光源１３は、導光板１２の横幅方向寸法に比べて十分に幅の狭い点光源であり、導光板１２との結合方式も従来技術で説明したようなベクター結合である。このため、図１０（ａ）（ｂ）に示すように、凸パターン１５０の直角プリズム１５ａに入射する光は、光源１３から真っ直ぐに来る光である。直角プリズム１５ａに垂直に光が入射した場合、その光は逆方向に反射させられる。また、図１１（ａ）（ｂ）に示すように、直角プリズム１５ａが傾いた場合でも、上から見た時に傾いていない角度であれば、全反射角を保っているため、光を逆方向に反射させる。この原理より、本実形態による凸パターン１５０の直角プリズム１５ａ面は、全反射を生じさせる。

　直角プリズム１５ａは、入射した光を確実に２回反射させるように、十分に長い方が望ましい。または、ピッチが十分小さい方が望ましい。図１２（ａ）には、直角プリズム１５ａが十分に長い場合、（ｂ）には直角プリズム１５ａが短い場合を示している。後者の場合は、入射光は１回だけ反射され、外へ出て行くようなことが起きる。

　次に、本実施形態の作用を説明する。上述の原理により、直角プリズム１５ａでは、全反射が生じる。よって、輝度調整用の凸パターン１５０に入射する光は、図１３（ａ）（ｂ）に示すように、全て光源側へ反射させられる。これによって、凸パターン１５０と光源１３との間で多重反射が生じる。光源１３側は、拡散反射であるので、凸パターン１５０のない方向の光が増加する。また、反射光は、ずれて光源１３以外の部分に当たる可能性もあるため、光源１３の背面基板は、白い筐体としておくことが望ましい。また、凸パターン１５０は、指向性分布を調整するために、光源１３から導光板１２方向に垂直に伸ばした直線上又はその近傍と、光源１３から導光板１２の対角へ伸ばした直線の外側に設置されていることが望ましい。

　図１４に本実施形態による指向性分布の変化を示す。同図において、実線は目標値、破線は実際の値、矢印は凸パターン１５０によって補正される向きを示す。目標値より輝度の高い方向にのみ凸パターン１５０を設置すれば、矢印のような指向性分布の変化が生じ、指向性分布は目標値に近付く。

　また、凸パターン１５０としては、これに代えて、図１５に示すような、光源１３に対向した直角プリズム１５ａを持つ凹パターン１５０´であっても構わない。

　なお、本発明は上記実施形態の構成に限られず種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では、輝度調整用の凸パターン１５０又は凹パターン１５０´による指向性分布の調整について述べたが、導光板１２の平板上に設けられた光出射用パターン１５自体を指向性分布の調整に寄与し得るように分布させることも可能である。また、本面光源装置１１は、室内照明用の光源としても適用可能である。

従来の面光源装置の斜視図である。 同装置の断面図である。 （ａ）はベクター放射結合型のバックライト構成の斜視図、（ｂ）は光源からの光結合部を示し、（ａ）のＡ部の拡大図である。 バックライト構成の理想的な光源の指向性を示す特性図である。 ベクター放射結合方式の面光源装置における入射光の指向性分布を示す図である。 （ａ）は指向性分布のずれを示す図、（ｂ）は光源の大きさによる出射光のずれを示す図である。 指向性分布がなまっている状況を示す図である。 本実施形態による面光源装置の外観図である。 （ａ）は同面光源装置の側面図、（ｂ）は同装置における輝度調整用のパターンを示し、（ａ）のＥ部の拡大透視斜視図、（ｃ）は横断面図である。 （ａ）はプリズムに垂直に光が入射した場合の上から見た図、（ｂ）は横から見た図である。 （ａ）はプリズムに斜めに光が入射した場合の上から見た図、（ｂ）は横から見た図である。 （ａ）はプリズムが長い場合の図、（ｂ）はプリズムが短い場合の図である。 （ａ）（ｂ）は本実施形態のパターンの作用を説明するための図である。 本実施形態による指向性分布の変化を示す図である。 パターンの他の構成例を示す図である。

符号の説明

　１１　面光源装置
　１２　導光板
　１３　光源
　１４　反射板
　１５　光出射用パターン
　１５０　凸パターン（輝度調整用パターン）
　１５ａ　直角プリズム
　１５０　凹パターン（輝度調整用パターン）

Claims (1)

1. 　平板状の導光板と、
   　上記導光板の端面に光が入射するように設置された、導光板の幅に比べて幅の狭い光源と、
   　上記導光板内を導光する光を出射する、導光板表面に設けられた光出射用パターンと、
   　上記導光板内を導光する光を上記光源の方向に反射させる、導光板表面に設けられた輝度調整用パターンと、
   を備えたことを特徴とする面光源装置。

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