JP2004265797A - 内部拡散手段を有する面光源 - Google Patents

Abstract

【課題】発光体と内部拡散手段とを有する面光源において、発光体からの光をロスすることなく利用するとともに、面光源の厚さ、特に、内部拡散手段の厚さを薄くして、液晶表示装置の全体としての厚さを薄くすることを可能にする内部拡散手段を有する面光源を提供する。
【解決手段】発光体と、該発光体に対向して配置され、発光体からの光を端面から内部に導入して拡散し、全体をほぼ均一な光量にして投射する内部拡散手段とを有する面光源において、発光体に対向して配置された内部拡散手段は、その端面の厚さが発光体の大きさに対して充分に厚く、且つ、１３°以下の角度で厚さを漸減して形成されていることを特徴とする内部拡散手段を有する面光源によって達成される。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光体と、この発光体に対向して配置され、発光体からの光を端面から内部に導入して拡散し、全体をほぼ均一な光量にしてその一面から投射する内部拡散手段とを有する面光源に関するものであり、主として液晶表示装置を照明する照明装置として使用される内部拡散手段を有する面光源に関するものである。そして、この内部拡散手段は、後述するように、ガイドロッドと導光板を有するものと導光板のみのものとがある。本発明は、このような内部拡散手段において、発光体に対向する端面の厚さを発光体の大きさに対して充分に厚くして、発光体から投射される光を外部に漏らすことなく内部拡散手段の端面からその内部に入射して、発光体から投射される光を充分に活用するとともに、この内部拡散手段の厚さを薄くした内部拡散手段を有する面光源の新規な構成に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
液晶表示装置を照明する面光源、例えば液晶表示装置のフロントライトは既に公知となっている。この液晶表示装置のフロントライトは、通常、ＬＥＤ（発光ダイオード）等からなる発光体と、この発光体に対向するガイドロッド又は導光板等からなる光の内部拡散手段とを有しており、発光体から投射された光が、内部拡散手段であるガイドロッド又は導光板等の発光体に対向する端面から内部に入射して拡散し、全体がほぼ均一な光量となって被照明体に向かって投射されるように構成されている。
【０００３】
ここで、光の内部拡散手段としてガイドロッドと導光板との双方を有しているものでは、第１段の内部拡散手段であるガイドロッドの内部で光が拡散して全体がほぼ均一な光量となって導光板に投射され、第２段の内部拡散手段である導光板の内部で光が拡散してさらに全体を均一な光量にして、被照明体である液晶パネルに投射するように構成されている。そして、ガイドロッドを使用せずに、光の内部拡散手段である導光板の端面が発光体に直接対向しているものでは、発光体から投射された光が導光板の発光体に対向する端面から内部に入射して拡散され、全体がほぼ均一な光量となって被照明体である液晶パネルに投射されるように構成されている。
【０００４】
このガイドロッド及び導光板は、いずれも、発光体（又はガイドロッド）に対向して配置された端面から、発光体（又はガイドロッド）から投射される光を内部に導入して内部で反射を繰り返して拡散するとともに全体をほぼ均一な光量にして、その１面に形成された光の投射面から光を外部に投射する光の内部拡散手段を構成するものであって、ガイドロッドを使用するときには、ガイドロッドと導光板との２種類の光の内部拡散手段を組み合わせて使用することによって、被照明体（液晶パネル）を照明する光の光量が全面でより均一な光量となるようにしたものであり、ガイドロッドを使用せずに、導光板の端面が直接発光体に対向しているものは、被照明体（液晶パネル）を照明する光の光量がわずかに不均一な光量となったとしても、より簡便な構成で安価に製造することを求めたものであるということができる。
【０００５】
ここで、従来技術の液晶パネルを照明する内部拡散手段を有する面光源の構成を説明する。図３はガイドロッド及び導光板を有する面光源を液晶パネルの照明として用いた例を示す斜視図、図４はこの面光源のガイドロッドによる光の拡散と外部への投射を示す概念的な断面図、図５はフロントライトを有する液晶表示装置を示すものであって、導光板の端面を直接発光体に対向させた例を示す概念的な断面図、図６は発光体に比較してガイドロッド又は導光板の厚さを薄くしたときの光の漏洩を示す概念的な断面図である。
【０００６】
図３は、内部拡散手段を有する面光源の１例としてガイドロッド及び導光板の双方を有する面光源を液晶表示装置のフロントライトとして採用した例を示すものであって、この実施例の液晶表示装置のフロントライトは、ガイドロッド２１と導光板２２との双方を有しており、ガイドロッド２１の両側の端面２１ａに対向して光源となるＬＥＤ２３が配置されている。そして、ガイドロッド２１の手前側に位置する投光面２１ｂに対向して、導光板２２の受光面２２ａが配置されている。更に、ガイドロッド２１の向こう側には、ガイドロッド２１から漏れた光を再びガイドロッド２１に戻すための湾曲した反射板２４が設けられており、導光板２２の下方には、この面光源で照明する被照明体である液晶パネル２５が配置されている。尚、ＬＥＤ２３は、光量が充分であれば、両側に配置することなく片側の１個のみであっても良いことは勿論である。
【０００７】
このＬＥＤ２３とガイドロッド２１とは、図４に示すように、相互に接近して配置されており、光源となるＬＥＤ２３の発光素子２３ａが発光することによって生じる光は、矢印で示すように、端面２１ａからガイドロッド２１の内部に導入されて反射しながら拡散し、Ｖ字状の溝として形成された反射面２１ｃで反射した光が、下方（導光板２２の配置されている方向）の投光面２１ｂから導光板２２（図４には図示されていない）に向かって投射される。従って、導光板２２に投射される光は、Ｖ字状の反射面２１ｃの間隔で縦に細い線状となった光が多数並列した光となるが、反射面２１ｃの間隔が充分に小さいときには線状の光のピッチが充分に小さくなり、実質的にガイドロッド２１の投光面２１ｂの全面が光る連続した光となる。ここで、前述したＶ字状の反射面２１ｃは、このＶ字状の形状に限定されるものではなく、他の形状、例えば階段状の反射面やホログラムを利用した反射面とすることができる。
【０００８】
図５は、面光源を液晶表示装置のフロントライトとして使用した例であって、ガイドロッドを使用せずに、導光板の端面を直接光源に対向させた例を示す概念的な断面図である。この液晶表示装置は、カラー表示の液晶表示装置であって、図に示すように、液晶表示装置３１の上端に、光源３２（一般に、白色ＬＥＤが使用される）と、光源３２から投射される光を光源３２に対向する端面３３ａから内部に導入する導光板３３とからなるフロントライト３４が配置されている。この導光板３３は、端面３３ａから内部に導入された光Ａを上下面で反射を繰り返して導光板３３の内部に拡散するとともに、導光板３３の上面に設けられたプリズム等の反射面（図示されていない）で光を下方に反射して、下側に配置された液晶パネル３５を照明する。
【０００９】
また、周囲の環境が明るいときには、外光Ｂが導光板３３の上面から内部に入射して、外光Ｂで液晶パネル３５を照明することができる。従って、この実施例の液晶表示装置３１では、周囲の環境が十分に明るいときには、光源３２からの光を使用することなく、環境から投射される光のみで液晶パネル３５を照明することが可能であり、消費電力を節約することが可能となる。
【００１０】
フロントライト３４の下方には、既に各種の形式のものが周知となっている液晶パネル３５が配置されている。この実施例の液晶パネル３５は、カラー表示の液晶表示装置のための液晶パネルであって、最上方に偏光板と補償板とが一体となった偏光・補償板３６が配置されており、その下方に液晶セル３７が配置されている。この液晶セル３７は、周知のように、上側のガラス基板３８、カラーフィルター３９、液晶４０、反射板４１、下側のガラス基板４２の順に配列して一体となっている。
【００１１】
この液晶表示装置３１では、光源３２から投射された光Ａは、導光板３３の端面３３ａから導光板３３の内部に導入されて、上下面で反射を繰り返すことによって導光板３３の内部に拡散するとともに、上面３３ｂに形成された反射面（図示しない）で反射した光が下方に投射されて液晶パネル３５を照明する。この反射して下方に投射された液晶パネル３５の照明光は、偏光・補償板３６、上側のガラス基板３８を透過してカラーフィルター３９で所定の色のみを透過し、液晶４０で所定の文字又は形状が表示された部分のみを透過した後、反射板４１でここまで到達した光を反射して、もとの経路を通って導光板３３の上面３３ｂから外部に放射される。このようにして、本実施例の液晶表示装置３１は、ユーザーが前記所定の文字又は形状を認識することができるようになる。照明光が外光Ｂの場合も、同様にして液晶パネル３５を照明するので、重複を避けるため、ここでは詳細な説明は省略する。
【００１２】
液晶表示装置のフロントライトとして使用される面光源では、液晶表示装置の全体としての厚さを薄くするために、面光源の厚さ、特に液晶パネルと重ね合わされる導光板やガイドロッドの厚さも薄くすることが求められている。しかし、このような面光源においては、液晶表示装置の厚さを薄くするために内部拡散手段であるガイドロッドや導光板の厚さを薄くすると、図６に示すように、発光体からの光の一部が、ガイドロッドや導光板などの内部拡散手段の端面から内部に導入されず、内部拡散手段の端面の上下から外部に漏洩して光のロスが生じる。即ち、図６に示すように、図４の実施例におけるＬＥＤ２３の発光素子２３ａ（図５の実施例では光源３２）から発光される光の一部が、ガイドロッド２１（図５では導光板３３）の端面２１ａ（図５では端面３３ａ）の上下から漏洩することになり、発光素子２３ａ（光源３２）から発光された光を完全に活用することができず、光のロスが生じる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、これらの従来技術の問題点を解消して、発光体と、この発光体に対向して配置され、発光体からの光を端面から内部に導入して拡散し、全体をほぼ均一な光量にして投射する内部拡散手段とを有する面光源において、発光体であるＬＥＤからの光をロスすることなく利用するとともに、面光源の厚さ、特に、内部拡散手段であるガイドロッドや導光板の厚さを薄くして液晶表示装置の全体としての厚さを薄くすることを可能にする内部拡散手段を有する面光源を提供するものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような従来技術の問題点を解決するものであって、発光体と、該発光体に対向して配置され、前記発光体からの光を端面から内部に導入して拡散し、全体をほぼ均一な光量にして投射する内部拡散手段とを有する面光源において、前記発光体に対向して配置された前記内部拡散手段は、その端面の厚さが前記発光体の大きさに対して充分に厚く、且つ、１３°以下の角度で厚さを漸減して形成されていることを特徴とする内部拡散手段を有する面光源を提供するものである。
【００１５】
ここで、前記内部拡散手段がガイドロッドであって、該ガイドロッドの内部で光が拡散し、その１面から全面がほぼ均一な光量となって投射された光が、前記ガイドロッドの投射面に対向する導光板に入射し、再び該導光板の内部で拡散してさらに全体を均一な光量にして被照明体に投射することが望ましく、或いは、前記内部拡散手段が導光板であって、該導光板の内部で拡散して全体をほぼ均一な光量にして被照明体に投射することが望ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細について、実施例を示す図面に基づいて従来技術と対比しながら説明する。図１は本発明の内部拡散手段を有する面光源の１実施例の要部を示す概念的な断面図である。図に示すように、本実施例の内部拡散手段を有する面光源は、光源であるＬＥＤ１の発光素子１ａ（図４の実施例ではＬＥＤ２３の発光素子２３ａに、図５の実施例では光源３２に相当する）は、光の内部拡散手段であるガイドロッド２（図４ではガイドロッド２１に、図５では導光板３３に相当）の端面２ａ（図４では端面２１ａに、図５では端面３３ａに相当）が対向して配置されており、この端面２ａから光が内部に導入されて、全体がほぼ均一な光量になるように拡散される。
【００１７】
この内部拡散手段であるガイドロッド２の端面２ａの厚さは、図から明らかなように、発光素子１ａの大きさに対して充分に厚く形成されており、端面２ａの上下から光が漏洩しないようになっている。そして、この端面２ａからθ°の角度で緩やかに傾斜してガイドロッド２の中央部の厚さが薄くなるように、テーパ面２ｂが形成されている。このテーパ面２ｂは、図１に示すようにガイドロッド２の上面に形成されるばかりでなく、ガイドロッド２の下面、或いは上面と下面との双方に形成してもよい。そして、詳細は後述するように、このテーパ面２ｂの角度θ°は、１３°以下の角度とすることが望ましい。
【００１８】
ガイドロッド２の下面には、図４で従来技術として説明した反射面２１ｃと同様のＶ字状の溝（図示しない）等からなる反射面２ｃが形成されており、この反射面２ｃで反射した光が上面に形成された投光面２ｄ（図４では投光面２１ｂ）から外部に投射される。そして、この外部に投射された光は、図３における導光板２２の端面２２ａから入射し、導光板２２の内部で再び拡散するとともに反射面で反射した光が外部（液晶パネル２５）に向かって投射され、面光源を形成する。
【００１９】
ここで、この反射面２ｃは、液晶表示装置の全体の厚さを薄くするためには、テーパ面２ｂの下方には形成せずに、テーパ面２ｂは、光をガイドロッド２へ導入する光の導入部とすることが望ましい。しかし、幅方向の大きさに制限のある場合には、テーパ面２ｂの下方にも反射面２ｃを形成できることは勿論である。そして、この場合には、上面（テーパ面２ｂ）から外部に投射される光が上面で屈折することを考慮して、テーパ面２ｂの下方に配置されるＶ字状の溝は反射面となるＶ字状の溝の角度をテーパ面２ｂで屈折する角度に対応して変更しておくことが望ましい。
【００２０】
また、このＶ字状の溝からなる反射面２ｃをガイドロッド２の上面及びテーパ面２ｂに形成して、導光板をガイドロッド２の下面に配置して、ガイドロッド２の上面から光を投射するように形成することも可能である。この場合にも、上述の説明とほぼ同様になるので詳細な説明は省略する。さらに、反射面２ｃはＶ字状の溝に限定されるものではなく、その他の公知となっている反射面、例えば階段状の反射面やドットを設けた反射面、或いはホログラムによる反射面等を任意に採用することができる。
【００２１】
図５に示す従来技術の実施例と同様に、導光板の端面が直接光源に対向している場合には、上述の説明で「ガイドロッド２」となっている個所を「導光板２」と読み替えることによって全く同様に実施することができる。但し、この場合には、周知のように、導光板の液晶パネルに対向して設けられた反射面（図５の実施例では導光板３３の上面）によって反射した光は、導光板の下面から液晶パネルに向かって投射されるので、「導光板」を「液晶パネル」に読み替えることになる。
【００２２】
図２はガイドロッドや導光板等の屈折率の高い物質と空気等の屈折率の低い物質との境界における光の屈折や反射を示す説明図である。ここで、中央の水平線が屈折率の高い物質と屈折率の低い物質との境界５であって、この境界５の上方が空気等の屈折率の低い物質６、下方がガイドロッドや導光板等の屈折率の高い物質７を示している。ガイドロッドや導光板等は、透明で高い屈折率を有するものであって、加工が容易であることが望ましいので、ＰＭＭＡ（アクリル樹脂）で製作されることが多い。従って、ここでは、屈折率の高い物質７として、ＰＭＭＡを例にして説明する。
【００２３】
屈折率の高い物質７から屈折率の低い物質６に向かって投射される光は、境界５において、スネルの法則に従って屈折して透過するか全反射するかが決まることは周知である。
スネルの法則は、
ｎ_１ ｓｉｎθ_１ ＝ｎ_２ ｓｉｎθ_２
で示されるものである。ここで、
ｎ_１ ：入射場の屈折率
θ_１ ：入射角
ｎ_２ ：出射場の屈折率
θ_２ ：出射角
である。
【００２４】
ガイドロッドや導光板等に多く使用されているＰＭＭＡの屈折率は約１．５であり、空気の屈折率は１なので、ガイドロッドや導光板等と空気との境界５における光は、スネルの法則に従って、臨界角が約４２°となり、法線８に対して臨界角（約４２°）未満の角度αで投射された光▲１▼は、▲１▼’で示すように屈折して透過する。一方、法線８に対して臨界角（約４２°）以上の角度βで投射された光▲２▼は、▲２▼’で示すように全反射してガイドロッド又は導光板から外部に出ることはない。
【００２５】
一方、光源であるＬＥＤ１の発光素子１ａから投射される光は、発光素子１ａに直交する方向（法線方向）に放射される光量が最も多く、放射角度（法線方向からの角度）が３０°になると８５％程度に、６０°になると４０％程度に減少し、更に放射角度が大きくなると急激に減少する。このため、光源として有効な放射角度は、６０°（両側の投射範囲とすると１２０°）以下に設定することが通常である。従って、光源として有効な最外周の光としてガイドロッドや導光板に入射する光の角度を６０°とすると、この光が空気（屈折率＝１）を通過してガイドロッドや導光板（屈折率＝約１．５）に入射した後の角度は、スネルの法則により約３５°となり、ガイドロッドや導光板に入射した光は、全て法線に対して約３５°以下の光となる。
【００２６】
このガイドロッド又は導光板の端面から入射した光が、導光板の上面又は下面で拡散する際には、導光板の上面又は下面と端面とは直交しているので、端面から約３５°の角度で入射した光は上面又は下面における法線に対して約５５°の光となり、この角度がガイドロッド又は導光板の内部で拡散する光の最小の角度となるので、発光素子１ａから投射されて端面から入射した光は全てＰＭＭＡの屈折率約１．５と空気の屈折率１との境界における臨界角約４２°よりも大きくなって、ＰＭＭＡと空気との境界（即ち、導光板の上面又は下面）では光は全反射して外部に漏洩することはない。
【００２７】
ガイドロッド又は導光板から外部に漏洩しない限界の入射角は、前述したように、ＰＭＭＡと空気との境界における臨界角の約４２°であり、発光素子１ａから投射される光の最外周の光がガイドロッド又は導光板の上面（又は下面）に入射する光の角度は約５５°なので、ガイドロッド又は導光板の上面（又は下面）を約１３°傾斜させたときに臨界角の約４２°となる。このことは、図１におけるガイドロッド２の上面に形成されたテーパ面２ｂの角度θ°を約１３°以下にするときには、ガイドロッド又は導光板のテーパ面２ｂから光が外部に漏洩することがないことを示している。本発明は、この知見に基づいて、発光体に対向する光の内部拡散手段の端面の厚さを発光体の大きさに対して充分に厚く形成するとともに、内部拡散手段の厚さを漸減するテーパ面を形成して、このテーパ面の角度を１３°以下の角度にすることによって内部拡散手段から外部に光が漏洩しないように構成したものである。
【００２８】
本発明は、このように構成することによって、面光源の厚さ、特に、内部拡散手段であるガイドロッドや導光板の端面の厚さを十分に厚くして発光体からの光のロスをなくすとともに、反射面の位置における厚さを薄くして液晶表示装置の全体としての厚さを薄くすることを可能にした内部拡散手段を有する面光源を提供するものである。従って、本発明は、以上に述べた実施の形態に述べられた方法に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において各種の変更や改良を行うことができるのは勿論である。
【００２９】
【発明の効果】
本発明の内部拡散手段を有する面光源は、以上に説明したように、発光体と、該発光体に対向して配置され、前記発光体からの光を端面から内部に導入して拡散し、全体をほぼ均一な光量にして投射する内部拡散手段とを有する面光源において、発光体に対向して配置された内部拡散手段を、端面の厚さが発光体の大きさに対して充分に厚く、且つ、１３°以下の角度で厚さを漸減して形成したものであって、このように構成することによって、発光体であるＬＥＤからの光をロスすることなく利用することができるとともに、面光源の厚さ、特に、内部拡散手段であるガイドロッドや導光板の液晶パネルと重なる部分の厚さを薄くして、液晶表示装置の全体としての厚さを薄くすることを可能にする内部拡散手段を有する面光源を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の内部拡散手段を有する面光源の１実施例の要部を示す概念的な断面図である。
【図２】ガイドロッドや導光板等の屈折率の高い物質と空気等の屈折率の低い物質との境界における光の屈折や反射を示す説明図である。
【図３】ガイドロッド及び導光板を有する面光源を液晶パネルの照明として用いた例を示す斜視図である。
【図４】面光源のガイドロッドによる光の拡散と外部への投射を示す概念的な断面図である。
【図５】フロントライトを有する液晶表示装置を示すものであって、導光板の端面を直接発光体に対向させた例を示す概念的な断面図である。
【図６】発光体に比較してガイドロッド又は導光板の厚さを薄くしたときの光の漏洩を示す概念的な断面図である。
【符号の説明】
１ ＬＥＤ
１ａ 発光素子
２ ガイドロッド
２ａ 端面
２ｂ テーパ面
２ｃ 反射面
２ｄ 投光面
５ 境界
６ 屈折率の低い物質
７ 屈折率の高い物質
８ 法線

Claims (3)

1. 発光体と、該発光体に対向して配置され、前記発光体からの光を端面から内部に導入して拡散し、全体をほぼ均一な光量にして投射する内部拡散手段とを有する面光源において、 前記発光体に対向して配置された前記内部拡散手段は、その端面の厚さが前記発光体の大きさに対して充分に厚く、且つ、１３°以下の角度で厚さを漸減して形成されていることを特徴とする内部拡散手段を有する面光源。
2. 前記内部拡散手段がガイドロッドであって、該ガイドロッドの内部で光が拡散し、その１面から全面がほぼ均一な光量となって投射された光が、前記ガイドロッドの投射面に対向する導光板に入射し、再び該導光板の内部で拡散してさらに全体を均一な光量にして被照明体に投射することを特徴とする請求項１記載の内部拡散手段を有する面光源。
3. 前記内部拡散手段が導光板であって、該導光板の内部で拡散して全体をほぼ均一な光量にして被照明体に投射することを特徴とする請求項１記載の内部拡散手段を有する面光源。

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