JP2004193051A

JP2004193051A - 面光源装置

Info

Publication number: JP2004193051A
Application number: JP2002362136A
Authority: JP
Inventors: Yoichiro Goto; 後藤　　陽一郎
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2002-12-13
Filing date: 2002-12-13
Publication date: 2004-07-08

Abstract

【課題】この発明は、指向性バックライト方式の面光源装置において、均一な発光輝度が得られる装置を提供することを目的とする。
【解決手段】この発明の面光源装置は、面状の導光板１と、導光板１の入射面側に配設される光源３と、前記入射面から入射し、前記導光板１内を伝播した光が出射される出射面と、前記出射面より出射する光を前記出射面の法線方向より所定の方向に指向させて出射させるために前記導光板の出射面又は反射面或いは出射面と反射面双方に多数形成された微小なシボ群１１からなるパターン面と、前記パターン面は前記導光板の入射側端面から遠ざかるにつれてシボの密度を粗くする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、面光源装置に関し、導光板の出射面側にプリズムシートを配設し、照明光の利用効率を向上させた面光源装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電子機器の軽量化、小型化及び低消費電力化を図る技術は著しく発展してきている。この技術の流れの中で、液晶表示装置に代表される非発光表示デバイスを用いることにより、電子機器が軽量化、小型化され、しかも低消費電力化されてきている。
【０００３】
液晶表示装置としては、透過型と反射型とがあり、透過型の液晶表示装置には、液晶表示装置を裏側から照明する照明装置、いわゆるバックライトが設けられ、反射型の液晶表示装置には、液晶表示装置を表側から照明する照明装置、いわゆるフロントライトが設けられている。
【０００４】
これらの照明装置は、線状光源或いは点光源と、この線状光源或いは点光源の光を一端面より入射され、表裏のいずれか一面より平面的に分散させて出射させる面状の導光板とを備えた面光源装置が知られている。このような面光源装置は、ほぼ均一な板厚により導光板を形成した方式のものと、線状光源より遠ざかるに従って導光板の板厚を徐々に薄く形成した形式のものとがある。
【０００５】
従来のこの種の導光板を用いた面光源装置としては、例えば、図１２に示すような液晶表示装置のバックライトに適用されたものがある。同図に示すように、この液晶表示装置は、透過型の液晶パネルユニット１２０、液晶パネルユニット１２０の下面に配置された導光板１０１、及び導光板１０１の一側面に平行に延びる線状光源７と、を備える。
【０００６】
上記面光源装置は、導光板１０１の側方に線状光源７を配置し、反射シート１０２、導光板１０１、光拡散シート１０３、プリズムシート１０４及び１０５を順次積層して形成される。
【０００７】
線状光源は、例えば、冷陰極管からなる蛍光ランプ７の周囲を、リフレクタ８で囲って形成され、リフレクタ８の開口側より導光板１０１の端面（以下、入射面という。）に照明光を入射する。ここでリフレクタ８は、入射光を正反射又は乱反射する例えば、シート材により形成される。
【０００８】
反射シート１０２は、金属箔等からなるシート状の正反射部材、又は白色ＰＥＴフィルム等からなるシート状の乱反射部材により形成され、導光板１０１より漏れ出す照明光を反射して導光板１０１に入射し、これにより照明光の利用効率が向上する。
【０００９】
導光板１０１、透明部材からなる例えば、アクリル（ＰＭＭＡ樹脂）を射出成形して断面楔型形状に形成された板状の部材であり、反射シート１０２側の平面（以下、裏面という。）の全面がマット面処理により一様に粗面に形成される。これにより導光板１０１は、裏面に光拡散面を形成し、裏面と出射面との間を繰り返し反射して光を伝搬しながら、この光拡散面により照明光を散乱する。
【００１０】
この伝播の際に、照明光は、裏面で反射する毎に出射面に対する入射角が低下し、出射面に対して臨界角以下の成分が出射面より出射される。この出射面より出射される照明光は、裏面に形成された粗面により散乱され、また、反射シート１０２に乱反射部材を適用した場合は、この反射シート１０２により乱反射して伝播すること等により、散乱光により出射される。しかしながら、この照明光は、出射面に対して伝播方向に傾いて形成された裏面を反射して伝播し、臨界角以下の成分が射出されることにより、主たる出射方向が楔型形状の先端方向に傾いて形成される。すなわち、導光板１０１からの出射光が指向性を有するようになり、これにより面光源装置は、指向出射性を有するようになる。
【００１１】
プリズムシート１０４及び１０５は、この導光板１０１の指向性を補正するために配置される。すなわち、プリズムシート１０４及び１０５は、ポリカーボネート等の透光性のシート材で形成され、導光板１０１と対向する側とは逆側の面にプリズム面が形成される。このプリズム面は、一方向にほぼ平行に延長する断面三角形形状の突起が繰り返されて形成され、導光板１０１側のプリズムシート５は、この突起が入射面とほぼ平行に延長するように、プリズムシート１０５は、この突起が入射面とほぼ直交する方向に延長するように配置される。
【００１２】
これにより、プリズムシート１０４及び１０５は、この三角形形状の突起の斜面で、出射光の主たる出射方向を出射面の正面方向に補正する。これによりこの面光源装置では、出射光を正面方向に効率良く出射できるようになされている。
【００１３】
上記した面光源装置を改良し、入射面より入射した光源からの光の利用効率を更に向上させ、しかも高品位の照明光を出射することができる面光源装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この種の面光源装置を図１３に示す。図示はしないが、導光板１０１の裏面に、１対の斜面を有する凸部を繰り返し形成する。また、導光板１０１の出射面の全面がマット処理により一様に粗面に形成され、この出射面に光拡散面を形成する。導光板１０１の出射面に配置されるプリズムシート１１０の導光板１０１側に同種の凸部を繰り返し形成する。導光板１０１から出射された拡散光をプリズムシート１１０により指向性補正し出射することにより、照明光を効率良く出射して照明光の利用効率を向上させるものである。
【００１４】
ところで、ある特定方向の輝度を大きくした面光源装置をバックライトとして用いると、低消費電力で高輝度の表示装置を得ることができる。そこで、導光板表面をできるだけ均一に粗面加工を施して、出射面の法線に対して７０°〜８０°方向に光を出射させ、この出射された光を導光体と対向する側の面にプリズム面が形成したプリズムシートにより、この方向を法線方向に変換させて出射させた面光源装置が提案されている（特許文献２参照）。
【００１５】
また、通常、面光源装置に用いられる導光板には、シルク印刷、ドットパターン等の光散乱パターンを設けられている。そして、図１４に示すように、光源１３０（この図では点光源で構成している）から近い位置では単位面積あたりの被覆率ドットが小さく、光源から遠ざかるにつれて被覆率が高くなるようなパターン１４０が導光板１０１に施されている。これは、光源１３０から遠ざかるほど導光板１０１から反射される光の光量が小さくなり、光源１３０から近いほど輝度が高くなるので、光散乱させるパターンの単位面積あたりの密度を小さくし、光の散乱を少なくし、光源から遠ざかるにつれて光散乱させるパターンの単位面積あたりの密度を高くし光の散乱を多くするものである。
【００１６】
尚、被覆率は、例えば微小な凹凸で光散乱パターンを形成する場合には、単位面積あたりのドットの面積をいう。
【００１７】
尚、図１４において、パターンを模式的に表す円１４０の大きさは、被覆率の大きさを概念的に表したものであり、大きな円ほど被覆率が大きく、微小な凹凸で形成された光散乱パターンの場合、単位面積あたりのドット面積が大きいことを示している。
【００１８】
このような光散乱パターンを形成することで、導光板全面に亘って均一に発光させることが可能となる。
【００１９】
しかしながら、特許文献２に示した面光源装置のように、高輝度を得るため導光板から非常に絞られて寝た光を出射し、出射面から出た指向性のある光をプリズムシートにより法線方向に方向を変える指向性バックライト方式の面光源装置の場合、光源から遠ざかるにつれて被覆率が高くなるようなパターン変化では均一な発光は得られなかった。図１５に、光源から遠ざかるにつれて被覆率が高くなるようなパターンを形成した導光板を上記した指向性バックライト方式の面光源装置に用いた場合の光源からの距離と輝度との関係を示す。図１５に示すように、上記指向性バックライト方式の面光源装置では、光源から遠ざかるにつれて被覆率が高くなるようなパターンを形成すると、光源から遠ざかるにつれて逆に輝度が高くなるということが判明した。
【００２０】
【特許文献１】
特開平１０−２６８１３８号公報
【特許文献２】
特公平７−２７１３７号公報
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
一般的なシルク印刷やドットパターン等の光散乱パターンを設ける方式では、光散乱パターンに光を当てることで光を散乱させ、導光板から積極的に光を出射させる方式のため、絞られて寝た光を出射させることは困難である。これに対して、導光板から絞られて寝た光を出射させるためには、導光板内を伝播する光の進行方向を徐々に変化させ、出射面に臨界角以下の角度で当たるようになった時点で出射面より出射させる必要がある。
【００２２】
上記した光の進行方向を徐々に変化させるパターンでは、光がパターンに一度当たっただけでは導光板から光は出射しないため、単純に光源から遠ざかるにつれて被覆率が高くなるようなパターン変化では導光板の光源側の発光が極端に少なく、導光板全体の均一な発光は得られなかった。
【００２３】
この発明は、上述した従来の問題点に鑑みなされたものにして、指向性バックライト方式の面光源装置において、均一な発光輝度が得られる装置を提供することを目的とする。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
この発明の面光源装置は、面状の導光板と、前記導光板の入射面側に配設される光源と、前記入射面から入射し、前記導光板内を伝播した光が出射される出射面と、前記出射面より出射する光を前記出射面の法線方向より所定の方向に指向させて出射させるために前記導光板の出射面又は反射面或いは出射面と反射面双方に多数形成された微小なシボ群からなるパターン面と、前記パターン面は前記導光板の入射側端面から遠ざかるにつれてシボの密度を粗くすることを特徴とする。
【００２５】
また、この発明は、前記シボの密度を表面粗さで規定すると、前記導光板の入射面から入射面に対向する反対側端面に向かって１μｍから０．０１μｍまでの範囲内で順次粗くする。
【００２６】
また、前記光源は前記導光板の入射面に沿って配設される複数の点光源からなり、前記導光板の出射面側に対向する反射面に入射面から入射面に対向する反対側端面に向かう縦軸に対して平行する方向にプリズムが形成され、このプリズムのピッチを５μｍから５００μｍ、頂角を１００°から１５０°に設定するとよい。
【００２７】
また、前記光源は前記導光板の入射面に沿って配設される線状光源からなり、前記導光板の出射面側に対向する反射面に入射面から入射面に対向する反対側端面に向かう縦軸に対して平行する方向にプリズムが形成され、このプリズムのピッチを５μｍから５００μｍ、頂角を７０°から１００°に設定するよい。
【００２８】
上記した構成によれば、指向性バックライト方式の面光源装置において、均一な発光輝度が得られる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態につき、図面を参照して説明する。図１は、この発明の実施形態にかかる面光源装置を用いた液晶表示装置を示す分解斜視図、図３は、この発明の実施形態にかかる面光源装置を用いた液晶表示装置を示す概略側面図である。
【００３０】
図１に示すように、この実施形態は、透過型の液晶パネルユニット２０、液晶パネルユニット２０の下面に配置された面状の導光板１、及び導光板１の一側面に設けられた光入射側端面面に平行に配置された光源としての複数の白色発光ダイオード素子（ＬＥＤ）３…と、を備える。
【００３１】
更に、面光源装置は、面状の導光板１の導光板の反射面側に配設される反射シート２と、導光板１の出射面側に配設されるプリズムシート５と、導光板１の入射面と対向する面に設けられた反射部材４と、で構成される。
【００３２】
導光板１は、例えば、アクリル(ＰＭＭＡ)、ポリカーボネート(ＰＣ)のような透光性樹脂を射出成形法により形成された板状部材である。
【００３３】
導光板１には、出射面より出射する光を前記出射面の法線方向より所定の方向に指向させて出射させるために微小なシボ群１１からなるパターン面が設けられる。このパターン面に形成されるシボ１１（微小な凹凸）は、出射面側或いは反射面若しくは両面に設けられるが、この実施形態では図１の部分拡大図に示すように、出射面側にシボ１１が形成される。シボ１１の形状は、図２に示すように、略球面状突起で、その表面は反射した光が散乱せず、規則正しく所定の方向を向くように平滑曲面に形成されている。指向性バックライト方式の場合、導光板１に設けるパターンは光があまり散乱しないパターンにし、極く僅かに光の方向を変えながら反射を繰り返し導光するように設計している。
【００３４】
図４に示すように、この実施形態では、シボ１１にはグラデーションを設け、入射側端面から対向する反射側端面に向けて密から粗というようにシボ密度を変化させて形成する。すなわち、光源３から遠ざかるにつれて被覆率が低くなるようなパターン面が導光板１に施されている。
【００３５】
尚、被覆率は、例えば微小な凹凸で光散乱パターンを形成する場合には、単位面積あたりのドットの面積をいう。
【００３６】
また、図４において、パターンを模式的に表す円１１の大きさは、被覆率の大きさを概念的に表したものであり、大きな円ほど被覆率が大きく、微小な凹凸で形成された光散乱パターンの場合、単位面積あたりのドット面積が大きいことを示している。
【００３７】
ここで、シボ密度は表面粗さで規定され、具体的には表面粗さＲａ１．０〜０．０１μｍになるように規定し形成した。
【００３８】
図５に示すように、この実施形態では、光源側の表面粗さＲａ０．４２μｍから反射面端側の表面粗さがＲａ０．１０μｍまで徐々に粗くなるように形成している。
【００３９】
導光板１の反射面には、図１の部分拡大図に示すように、入射側端面から反射側端面に向かう縦軸に対して平行する方向にプリズムが形成されている。具体的にはピッチ５０μｍ、頂角１３５°の山形プリズムが形成されている。このプリズムの頂角は、ＬＥＤ３からの光を広げ、ＬＥＤ３，３間に明暗部ができるのを防止するために所定の角度、１００°から１５０°度の範囲に形成するとよく、又、ピッチも設けるＬＥＤ３の個数やその間の距離に応じて５μｍ５００μｍの範囲で選択すればよい。
【００４０】
プリズムシート５は、アクリル樹脂のような透光性樹脂シートで形成され、片面に断面三角形の多数の平行凸条が形成されており、凸条の延長方向に直交する方向に出射面から出た指向性ある光を法線方向に方向転角する。配置方向は図１の部分拡大図に示すように、入射側端面から反射側端面に向かう縦軸に対して直交する方向に平行凸条５１が配置される。
【００４１】
反射シート２及び反射部材４は、正反射シート又は散乱型白色シートで形成されており、導光板１の反射面及び反射側端面の全面を覆うように配設されている。尚、白色ケースを近接してもよい。
【００４２】
又、図１には示していないが、導光板１、反射シート２、ＬＥＤ３、反射部材４とは、白色ケースで固定される。導光板１の側端面から漏れる光はこの白色ケース６で反射され、導光板１内に戻される。
【００４３】
また、図示はしていないが、ＬＥＤ３と導光板１との間には空気層が設けられ、これらＬＥＤ３と導光板１とを高反射部材にて囲むように構成し、ＬＥＤ３からの光をもれなく導光体１内に案内するように構成している。
【００４４】
図３に示すように、ＬＥＤ３を点灯すると、ＬＥＤ３から出た光は、導光板１の入射側端面から導光板１内に入射する。入射した光は、反射側端面に向かって出射面と反射面との間を反射しながら進んでいく。導光板１のシボ１１及びプリズム１２の表面は平滑球面状であるから、表面にて反射された光は散乱されず、極く僅かに光の方向を変えながら反射を繰り返し導光する。シボ１１及びプリズム１２の表面にて反射され、徐々に光の進行角度が変化し出射面に臨界角以下の角度で当たるようになった時点で出射面より出射する。
【００４５】
導光板１より出射する光は非常に絞られて寝た光となり、この出射面から出た指向性のある光をプリズムシート５により法線方向に方向を変える。視野角０度付近で効率良く光が出光される。
【００４６】
導光板１に形成する表面粗さＲａの値および変化度合いは用いる導光板１の形状により最適な値に決定されるが、本実施形態では、２インチ、３４．８×４７．４mmの導光板に適用した。この場合、表面粗さＲａは、図５に示すように、Ｒａ０．４２〜０．１μｍに規定した。
【００４７】
図６乃至図９に、導光板のシボの表面を顕微鏡で観察したものを示す。図６は、表面粗さＲａが０．１μｍの状態、図７は、表面粗さＲａが０．２０μｍの状態、図８は、表面粗さＲａが０．３０μｍの状態、図９は、表面粗さＲａが０．４２μｍの状態をそれぞれ示している。この実施形態では、導光板１の光源側が図９に示す状態であり、光源より遠ざかるにつれて図８，図７，図６の状態と徐々にその密度が粗くなるように形成している。
【００４８】
図１０、表１に、一定の表面粗さＲａのシボを形成した４種類の比較例として導光板、並びに光源より遠ざかるにつれてその密度が粗くなるように形成したこの発明の実施形態の導光板をそれぞれ用意し、入光面からの輝度を測定した結果を示す。
【００４９】
【表１】

【００５０】
表１及び図１０から明らかなように、この発明の実施形態によれば、比較例に比べて、導光板全面に亘ってほぼ均一な輝度が得られる。また、各導光板は、入光面近くほど輝度が小さくなって行くが、この実施形態ではその落ち込み程度も少なく。
【００５１】
上記した導光板は、次のように金型を形成し、この金型を用いて射出成型により形成する。導光板用金型の製造は、導光板用金型に平行にブラストノズルを前後左右に移動させ、球形のビーズを所定圧力で導光板用金型のキャビティ面にショットしてブラスト加工を行って、シボに対応する凹部を有する加工面を形成する。このブラスト加工の際、ブラストノズルの移動速度、ブラスト圧力を変化させ、導光板の光源側から遠ざかるにつれて徐々にその密度が粗くなる凹部がキャビティ面に凹部が形成される。尚、ブラストノズルを前後に移動させるときに、球形のビーズの径を変えて粗さを変化させることもできる。この金型を使用して形成された導光板のシボ形成面には、導光板１の光源側より遠ざかるにつれて徐々にその密度が粗くなるシボ１１が形成される。
【００５２】
図１０は、この発明の他の実施形態を示す概略側面図である。この図１１に示す実施形態は、導光板１の形状を平板形状にし、シボ密度を光源３側から遠ざかるにつれて粗くし、表面粗さＲａを０．１０〜０．０７μｍに設定にしたものである。
【００５３】
この実施形態では、導光板１の入射側端面から導光板１内に入射した光（実線）は、反射側端面に向かって出射面と反射面との間を反射しながら進んで行き、シボ及びプリズム１２の表面にて反射され、徐々に光の進行角度が変化し出射面に臨界角以下の角度で当たるようになった時点で出射面より出射する。
【００５４】
一方、導光板１より出射せず反射側端面まで到達した光（点線）は、反射側端面または反射部材で反射され戻り光となり、入射側端面へ向かって進んで行くようにしたものである。この場合も同様に、出射面に臨界角以下の角度で当たるようになった時点で出射面より出射する。
【００５５】
従って、導光板１より出射する光は２方向の非常に絞られて寝た光となり、この出射面から出た指向性のある光をプリズムシート５により法線方向に方向を変える。
【００５６】
この実施形態によれば、単位面積当たりのシボ密度は、光源から遠ざかるにつれて粗くなるよう設定しているため導光板全面に渡って均一に発光させることが可能となる。
【００５７】
しかも、戻り光の場合には、光が反射端面に到達するまでに、ある程度出射されているので、光源３側に向かうにつれ光の量は減って行く。戻り光から見ればシボの密度は徐々に大きくなることになるが、光の量が減って行くことから、従来のグラデーションと同様の効果が期待でき、より均一な輝度の発光が期待できる。
【００５８】
一方、導光板１より出射せず反射側端面まで到達した光は、反射側端面または反射部材４で反射され戻り光となり入射側端面へ向かって進んで行き、同様に出射面に臨界角以下の角度で当たるようになった時点で出射面より出射する。
【００５９】
上記した実施形態においては、光源として点光源を用いたが、線状光源を用いても同様の効果が得られる。尚、線状光源を用いた場合においても、導光板１の反射面には、入射側端面から反射側端面に向かう縦軸に対して平行する方向にプリズムを形成することが好ましい。この場合のプリズムは、頂角を線状光源からの光を導光板に収束させるように、所定の角度、７０°から１００°の範囲に形成するとよく、又、ピッチも５μｍから５００μｍの範囲で選択すればよい。
【００６０】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、指向性バックライト方式の面光源装置において、導光板の全面から均一な発光輝度を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施形態にかかる面光源装置を用いた液晶表示装置を示す分解斜視図である。
【図２】この発明の導光板に形成されるシボの形状を示す模式的側面図である。
【図３】この発明の実施形態にかかる面光源装置を用いた液晶表示装置を示す概略側面図である。
【図４】この発明の実施形態のパターンを形成した導光板を示す概略平面図である。
【図５】この発明の実施形態にかかる導光板のシボ密度の表面粗さを光源からの距離に対応して示した関係図である。
【図６】導光板のシボの表面を顕微鏡で観察したものを示す図であり、表面粗さＲａが０．１０μｍの状態を示す。
【図７】導光板のシボの表面を顕微鏡で観察したものを示す図であり、表面粗さＲａが０．２０μｍの状態を示す。
【図８】導光板のシボの表面を顕微鏡で観察したものを示す図であり、表面粗さＲａが０．３０μｍの状態を示す。
【図９】導光板のシボの表面を顕微鏡で観察したものを示す図であり、表面粗さＲａが０．４２μｍの状態を示す。
【図１０】この発明の他の実施形態にかかる面光源装置を用いた液晶表示装置を示す概略側面図である。
【図１１】各表面粗さに対する入光面からの距離と輝度との関係を示す特性図である。
【図１２】従来の面光源装置を用いた液晶表示装置の概略断面図である。
【図１３】従来の面光源装置を用いた液晶表示装置の概略断面図である。
【図１４】光源から遠ざかるにつれて被覆率が高くなるようなパターンを形成した導光板を示す概略平面図である。
【図１５】光源から遠ざかるにつれて被覆率が高くなるようなパターンを形成した導光板を指向性バックライト方式の面光源装置に用いた場合の光源からの距離と輝度との関係を示す特性図である。
【符号の説明】
１導光板
２反射シート
３ＬＥＤ
４反射部材
５プリズムシート
１１シボ

Claims

面状の導光板と、前記導光板の入射面側に配設される光源と、前記入射面から入射し、前記導光板内を伝播した光が出射される出射面と、前記出射面より出射する光を前記出射面の法線方向より所定の方向に指向させて出射させるために前記導光板の出射面又は反射面或いは出射面と反射面双方に多数形成された微小なシボ群からなるパターン面と、前記パターン面は前記導光板の入射側端面から遠ざかるにつれてシボの密度を粗くすることを特徴とする面光源装置。
前記シボの密度を表面粗さで規定すると、前記導光板の入射面から入射面に対向する反対側端面に向かって１μｍから０．０１μｍまでの範囲内で順次粗くすることを特徴とする請求項１に記載の面光源装置。
前記光源は前記導光板の入射面に沿って配設される複数の点光源からなり、前記導光板の出射面側に対向する反射面に入射面から入射面に対向する反対側端面に向かう縦軸に対して平行する方向にプリズムが形成され、このプリズムのピッチを５μｍから５００μｍ、頂角を１００°から１５０°に設定したことを特徴とする請求項１又は２に記載の面光源装置。
前記光源は前記導光板の入射面に沿って配設される線状光源からなり、前記導光板の出射面側に対向する反射面に入射面から入射面に対向する反対側端面に向かう縦軸に対して平行する方向にプリズムが形成され、このプリズムのピッチを５μｍから５００μｍ、頂角を７０°から１００°に設定したことを特徴とする請求項１又は２に記載の面光源装置。