JP2005116432A - 照明用導光板及びこれを使用した照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液晶表示装置の表示面を照射するために配置され、光の利用効率が高く、且つ輝度の均整度の良好な照明用導光板を提供する。
【解決手段】光源１からの光を入射する入射部２ａと入射光を出射する出射面２ｄを有する導光体２と、断面が三角形のプリズム３１が列設され、その頂稜が前記導光体２の出射面２ｄ側に向くように配置されたプリズムシート３と、前記導光体２と前記プリズムシート３との間の空間部に点状又は線状に埋設された光透過性部材４からなる光通過路とから構成されることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、側端部に配置された光源より入射した光を面状に出射できる照明用導光板に関し、更に詳しくは、液晶表示装置の表示面を照射するために配置され、光の利用効率が高く、且つ輝度の均整度の良好な照明用導光板及びこれを使用した照明装置に関する。

液晶テレビ、コンピューター、ワードプロセッサーや携帯電話、その他の情報機器類の表示装置として、液晶表示装置が多用されている。これらの液晶表示装置は自発光素子ではないので背面より照明するためのバックライトが必要である。近年、液晶表示装置が携帯用機器に搭載されることが多く、それに伴い照明装置は軽量、薄型で光の利用効率の高い均質な面状光源が要求されている。

薄型の面状光源は、図１に示すように、導光体２の側端部に近接した光源１より入射した光を導光体２と空気の屈折率差を利用して導光体２内で全反射を繰り返しながら光源側２ａから反光源側２ｂに伝播させる。
導光体２内を伝播する光を面状に取り出すには二つの方法がある。
その一つは、導光体２の反出射面２ｃに印刷された高反射粒子を含むインクによるドットによって反射、屈折させて出射面２ｄより出射せしめる。出射面２ｄより出射した光は、図示しないが、拡散板や集光用のプリズムシートを使用してドット模様を消したり集光したりして均質な光にするとともに、所望の方向の光として液晶表示素子を照明する方法である。しかしながら、この方法では、高反射インクの印刷ドットによる反射した光は散乱光となるため、不必要な方向に光が拡散して光の利用効率が低下し易く、さらに所望方向に光を配光させるためのレンズシートが必要になる。

他の方法は、導光体２の反出射面２ｃに、図示しないが、入射光を反射せしめるプリズム状の凸凹面を設け、反射、屈折により光を出射面２ｄより出射する方法である。この場合のプリズムの形状としては、不等辺三角形のプリズム（特許文献１）、導光体の臨界角のプリズム角（特許文献２）、突起状の反射ドット（特許文献３）、円弧状の溝（特許文献４）等が提案されている。

しかしながら、このようなプリズムを利用する場合は、光源側２ａに近い個所に光が多く出射され、光源側２ａから遠ざかる、即ち、反光源側２ｂに近ずくにしたがって出射し難く暗くなる欠点がある。このために、光源側２ａから遠ざかるに従いプリズム周期を短くしたり（特許文献５）、楔型としてプリズム面を出射面側２ｄに近ずける（特許文献６）などの複雑な方法が提案されている。
しかるに、これらの方法においても、均一な面状の明るさを得ようとすると、光源からの光の利用率は低下し易いという問題を含んでいる。
特許第２９２５５３０号公報 特許第３０１２４６２号公報 特開平１１−３２６８９８号公報 特開２０００−９８３８３号公報 特許第２９２５５３０号公報 特許第２９１１４４４号公報

本発明はかかる実情に鑑み、従来技術の問題点を解消し、出射面に均一な光を出射できるとともに、光の利用効率の高い導光板及び該導光板を用いた照明装置を提供する。

本発明は上記目的を達成するためになされたもので、本発明の請求項１は、光源からの光を入射する入射部と入射光を出射する出射面を有する導光体と、
断面が三角形のプリズムが列設され、その頂稜が前記導光体の出射面側に向くように配置されたプリズムシートと、
前記導光体と前記プリズムシートとの間の空間部に点状又は線状に埋設された光透過性部材からなる光通過路とから構成されることを特徴とする照明用導光板を内容とする。

本発明の請求項２は、光透過性部材の屈折率が、導光体の屈折率に等しいか又は大きく、プリズムシートの屈折率に等しいか又は小さいことを特徴とする請求項１記載の照明用導光板を内容とする。

本発明の請求項３は、プリズムシートのプリズムの頂角が３０〜９０度の範囲であり、隣接するプリズム間の間隔が０．０３〜０．２ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項１又は２記載の照明用導光板を内容とする。

本発明の請求項４は、光透過性部材が入射部から遠ざかるに従い密度を増すように配置された請求項１〜３のいずれか１項に記載の照明用導光板を内容とする。

本発明の請求項５は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の照明用導光板を使用したことを特徴とする照明装置を内容とする。

本発明の請求項６は、照明用導光板のプリズムシートの上面に、偏光分離素子、拡散板、集光用レンズフィルムから選ばれた少なくとも１つが配置されたことを特徴とする照明装置を内容とする。

本発明の照明用導光板は導光体とプリズムシートとの間の空間部に光通過性部材を埋設して光通過路を形成したことにより、導光体に入射した入射光は光透過性部材からなる光通過路に入り、次いでプリズムシートに入り、該プリズムシートのプリズムの部分で反射、屈折されてプリズムの反射側である出射面から出射される。このように、導光体に入射された光をプリズムシートに導き、該プリズムシートのプリズムの傾斜面により反射−屈折され出射方向の光とされるので、光は定まった方向に且つ効率的に出射される。従って、均一且つ高い輝度が得られ、光線の利用効率も向上する。

また、光通過路を形成する光透過性部材の屈折率が、導光体の屈折率に等しいか又は大きく、プリズムシートの屈折率に等しいか又は小さい場合に、一層効率的に出射面から均一な光を出射できるとともに、光の利用効率の高い導光板が得られる。

また、プリズムシートのプリズムの頂角が３０〜９０度の範囲であり、隣接するプリズム間の間隔が０．０３〜０．２ｍｍの範囲である場合に、より均一な光を出射する導光板が得られる。

また、光透過性部材が入射部から遠ざかるに従い密度を増すように配置されることにより、入射部から離れた個所であっても均一な光を出射する導光板が得られる。

上記の如き導光板は液晶テレビ、コンピューター等の照明装置に使用されるが、この場合に、プリズムシートの上面に、偏光分離素子、拡散板、集光用レンズフィルムから選ばれた少なくとも１つを配置することにより、均一で且つ高い輝度を有し、光線の利用効率の向上した照明装置が得られる。

照明装置は、通常、導光体の側端部に近接して設置される冷陰極管や発光ダイオードなどの光源を備え、該光源の背面は反射板等で囲われており、導光体の側端面より入光される。
図１に示すごとく、導光体２が平行平面である場合は、反射板５により集光される光源１より導光体２の入射部２ａから導光体２に入光した光は、導光体２に平行な光０１は直進し、導光体２の臨界角より小さい光０２は導光体２の外部に放出される。一方、導光体２の臨界角以上の光０３及び０４は、導光体２の上下面で全反射を繰り返しながら、その方向、角度を変化することなく導光される。

導光体２内に取り込まれた光を出射面２ｄに取り出すためには、各種の方法が採用されている。その一つは、導光体２の反出射面２ｃに高反射粒子を含んだインキで印刷されたドットによる反射、屈折により光の方向を変化させて取り出す方法である。しかし、この方法では散乱光となり易く、一定の方向の光を効率的に得ることは困難である。

本発明においては、図２に示す如く、光を導光体２の反出射面２ｃに設けた高反射粒子の印刷による反射、屈折ではなく、導光体２とプリズムシート３との間の空間部に埋設した光透過性部材４からなる光通過路により導光体２内の光をプリズムシート３に導き入れる。プリズムシート３に導かれた光は、図２に示す如く、プリズム３１の傾斜面により反射して、プリズム３１の出射面３２に出射される。
この方法では、印刷ドットによる散乱光ではなく、プリズム３１の傾斜面による反射、屈折によって光を出射するので、定まった方向に光を効率よく出射できる。

本発明における光透過性部材４は導光体内の光通過路を形成する部材であるので、透明な樹脂層であることが好ましく、例えば、透明な樹脂インキ、接着剤、粘着剤等を用いることができ、具体的には、溶媒を用いた樹脂溶液、樹脂エマルジョン、紫外線及び電子線や熱による硬化型樹脂及び反応硬化し得る樹脂溶液、ゲル状樹脂等が用いられる。

本発明における光透過性部材４は、下記の如く光通過路として機能する。即ち、導光体２に入射した光が導光体２と空気との屈折率の差で全反射されながら進んで行くが、そこで導光体２の出射面２ｄに導光体２の屈折率と等しいか又は大きい光透過性部材４を設置すると、導光体２内を進む光は必ず光透過性部材４内に入る。そして、光透過性部材４内を進む光は、屈折率の関係でプリズムシート３に入る。導光体２の屈折率が光透過性部材４より大きく、プリズムシート３の屈折率より小さい時は、導光体２の光は光透過部材４に入らない角度があると同時に、光透過性部材４の光もプリズムシート３に入らない角度があり、従って、出射される光が減少し光の利用効率が悪くなる場合がある。

従って、前記したように、導光体２の光源側２ａからの入射光が光透過性部材４との界面での反射を減ずるように、導光体２と光透過性部材４との屈折率が等しいか又は光透過性部材４の方が大きいことが好ましい。更に、光透過性部材４とプリズムシート３の関係についても、導光体２と同様に、両部材の屈折率が等しいか又は光透過性部材４の屈折率がプリズムシートのそれより小さいことが好ましい。

かくして、光透過性部材４の屈折率は、導光体２及びプリズムシート３の屈折率に等しいか、又は導光体２とプリズムシート３の屈折率の間にあることが好ましく、最も好ましいのは、導光体２、光透過性部材４、プリズムシート３の順に屈折率が大きくなることである。
導光体２から導き入れられた光は、光透過性部材４からなる光通過路を通りプリズムシート３に入り、該プリズムシート３のプリズム３１の部分で反射、屈折させて、プリズム３１の反対側の出射面３２より出射させる。このためには、プリズムシート３は、入射した光の方向に対して、断面が三角形のプリズム３１の稜線がほぼ垂直になるように、且つプリズム３１の頂稜が導光体２の出射面２ｄに向くように配備される。

導光体２の出射面２ｄから出射する光の方向は、照射する液晶パネル及び、必要に応じ使用される拡散板やレンズシート等の光学部材によって好ましい方向が異なるので、これらに合致させるように選択されるが、通常は出射する出射面の法線方向が好ましい。このためには、図３に示すように、断面三角形のプリズムの反射、屈折させる傾斜面αは、導光体２内の水平な光から全反射により導光した方向の光までを法線方向に出射するには、出射面に対し約４５〜７３度の範囲にあることが好ましい。

断面三角形のプリズム３１の前記傾斜面αの他の傾斜面βは、光の通過路の埋設個所にあたる。埋設個所は、プリズムの山谷の任意の個所になる。前記の如く光透過性部材を設置するときは、液状又はゲル状で取り扱われプリズム面と合わされるので、プリズムの窪みに埋設されることが殆どである。
従って、プリズム３１の他の傾斜面βは窪みを提供することになる。このためにはプリズム３１の頂角は９０度以下が好ましく、一方、プリズム３１の作成上は３０度以下の製作はかなり困難であるので約３０〜９０度の範囲が好ましい。断面三角形のプリズム３１は、その谷部が隣接して直線配列されても適宜間隔を置いた断続配列されても良いが、光の通過路の埋設個所がプリズムにとって任意の個所に当たるので隣接したプリズム構造が好ましい。

プリズム３１の直線配列の周期は、点状又は線状の光透過性部材４からなる光通過路の単位より小さいことが好ましい。光通過路の単位よりプリズムの周期が大きいとプリズム間の窪みを埋め切ることができず、光通過路に接した反射、屈折を起こす傾斜面の利用効率が低下する。また、あまりプリズム３１の周期が小さ過ぎると多くのプリズム単位が埋没して反射、屈折の傾斜面が減少する。光通過路の単位は細かいほど均質な光の配分が期待できるが０．０３ｍｍが限度であり、一方、上限は０．２ｍｍ程度である。従って、プリズムの直線配列の周期はこれと等しいか、小さい単位とすることが好ましい。

断面三角形のプリズム３１の形状及びその直線配列の周期は、光源１に近い個所とこれより遠ざかる個所についてそれぞれ一方を変えるか又は両方を変えたプリズムシートを用いることができる。しかし、本発明にあっては、点状又は線状の光通過路の密度を変えて配置できるので、一定の形状で一定の周期でプリズム３１を配置したプリズムシート３を使用しても、光源１からの距離が異なる個所でも均一な出射光を得ることができる。

光透過性部材４を点状又は線状に埋設して光通過路を形成するには、前記した液状又はゲル状の樹脂をスクリーン印刷やインクジェット方式、バブルジェット方式等によって導光体２かプリズムシート３のプリズム３１面に配置した後、両面を重ね合わせ光又は熱によって固化させる。粘着性や感圧接着性を利用する場合は、重ね合わせる前に予備乾燥固化させても良い。この場合、樹脂は、光源１に近い個所では単位面積あたり粗に、遠ざかるに従い密に配置することが好ましい。

本発明における導光体２は、二面が平行な平板でも良いが、光源側２ａが厚く光源側２ａから遠ざかるに従い、即ち、反光源側２ｂに近づくに従い薄くなる楔型でも良い。導光体２は透明な合成樹脂等によって作られ、樹脂の種類は特に制限されないが、例えば、アクリル樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、ポリカーボネート樹脂、環状オレフィン樹脂等が挙げられる。

本発明におけるプリズムシート３は、上記した導光体２と同様に透明な合成樹脂が使用できる。また、基板として、例えば二軸延伸ポリエチレンテレフタレートを用い、この基板上に紫外線硬化樹脂等でプリズムを形成した複合のプリズムシートも使用できる。

導光体２とプリズムシート３との組み合わせは任意であるが、例えば、導光体２としてアクリル樹脂又はノルボルネン系樹脂のような環状オレフィン重合体を使用し、プリズムシート３としてはポリカーボネート又は該環状オレフィン重合体を使用すると、導光体２との屈折率差が無いか、又は屈折率が導光体２、光通過路を形成する光透過性部材４、プリズムシート３の順に大きくなり、光の出射が容易になるので都合がよい。

以上のように、導光体２とプリズムシート３が光透過性部材４からなる光の通過路により連結された本発明の照明用導光板が得られる。
得られた照明用導光板を用いて照明装置とするには、導光体２の側端部に近接して光源１が設けられる。
入射部２ａは導光体２の側端部の平面又は発光ダイオードのように点光源にあっては窪みの中に設置される。この光源１の周辺やプリズムシート３側の出射面２ｄ以外の面に反射板を設けることも多い。プリズムシート３の出射面３２は平滑な光沢面であることが好ましいが、均質な光を得るために防眩機能の凸凹面を設けることもできる。また、プリズムシート３内に拡散粒子を含ませても良い。

更に、プリズムシート３の出射面３２には、必要に応じ、拡散板、集光用レンズフィルム及び偏光分離素子等を１種又は２種以上組み合わせて設置して液晶表示機能を向上させることができる。集光用のレンズフィルムとしては、山谷構造が交互に隣接したプリズムフィルム、断面半円形の隣接したレンチキラーレンズフィルム、ピラミット形状、半球状のレンズアレイ等が挙げられる。また、偏光分離素子には複屈折率を利用する多層偏光分離膜、デスコテック液晶、コレステリック液晶等を利用する偏光分離膜等を挙げることができる。

以下、本発明を実施例に基づいて更に詳細に説明するが、本発明はかかる実施例のみに限定されるものではない。

〔プリズムシートの作成〕
図３に示すように、断面三角形のプリズム３１が出射面３２に対して５３度の角度と８０度の角度をなし、頂角が４７度の２平面からなるプリズム３１の底角が互いに隣接し底角の周期が０．０５ｍｍで頂角が互いに平行になるように直線配列した、厚さ０．２ｍｍのプリズムシートをポリカーボネート（帝人化成株式会社パンライトＭ１２０１）で作成した。屈折率は１．５８を示した。

〔導光体の作成〕
アクリル樹脂（株式会社クラレ パラペットＧＨ−１０００−Ｓ）を使用して、横７０ｍｍ、縦４３ｍｍの長方形とし、短辺側を入射部として厚さ０．８ｍｍ、反入射部の厚さを０．５ｍｍの楔型の長方形を射出成型により作成した。屈折率は１．４９を示した。

〔光透過性部材による光通過路の作成〕
前記導光体２の出射面２ｄにシルク印刷版としてピンホール径が０．０４ｍｍの微細孔を設けたシルク印刷機で、光透過性部材４として紫外線硬化型の透明インキ（粘度２５ポイズ、硬化時の屈折率１．５３：セイコウアドバンス株式会社製 ＵＶ５４３２）を印刷して、平均０．０５ｍｍの微細ドットからなる光通過路を印刷した。
光通過路は、図４に示すように、入射部より６３ｍｍまでの距離において、縦軸方向、横軸方向のドットの間隔を変えることにより入射部と反入射部のドットの単位面積あたりの数を変える配置とした。尚、入射部と反入射部のドット比は、１：６．２とした。

〔導光板の作成〕
上記のように紫外線硬化型の透明インキで導光体２の出射面２ｄに印刷した光通過路上に、プリズムシート３のプリズム面３１を重ね合わせた状態で紫外線照射装置（日本電池株式会社ＣＳＯＬ−１−３）より波長３７５ｎｍ、出力８０Ｗ、照射時間１０秒の条件で照射して、前記導光体２及びプリズムシート３間の紫外線硬化型の透明インキを硬化させ、導光板を得た。

〔出射能力の測定〕
導光板の導光体２の入射部２ａ側に、光源１としてＬＥＤ（日亜科学株式会社 ＮＳＣＷ３３５Ｔ）を４灯設置し、光源１の周辺には反射板５を設置した。ＬＥＤを３．３Ｖ、１８ｍＡの電流で点灯して導光体２に入射した。
図５に示すように、導光板２の出射面（プリズムシートの出射面）の垂直方向に距離４０ｃｍを隔てて二次元色分布測定装置（ミノルタ株式会社ＣＡ１５００）を設置して、測定角０．１度の測定エリアにて輝度（ｃｄ／ｍ² ）を測定した。導光板２の出射光の均一性を調べるために縦、横の一辺をそれぞれ五等分して２５エリアに分け、それぞれのエリア中央の輝度を測定した。結果を表１に示した。また、縦、横の各列のエリアにおいて、最高輝度を示す部分と最低輝度を示す部分の比を以て均整度とし、表１の枠外に示した。

一方、導光板の中央点から出射の方向角による輝度の変化を求め、光源１からの光線の方向に鉛直方向を０度として、光源の手前側をマイナス角、光源１の反対側方向をプラス角として、図６のＸ方向として表示した。また、光源１からの光線の方向に垂直で導光板上のプリズム３１の稜線方向に沿った方向にも、鉛直方向を０度として、左をマイナス、右をプラスになる角度で表して、図７のＹ方向として出射の方向角による輝度の変化を求めた。

比較例

実施例において、光透過性部材４による光通過路を設けず、実施例１と同一のプリズムシート３と同一の導光体２とを実施例と同一の方向に重ね合わせた他は、実施例と同様にして出射能力の測定を行った。結果を表２及び図６、図７に示す。

表１、表２及び図６、図７から明かなように、本発明の導光板では、２５点の全エリアにおいて、ほぼ均一に出射していることが判る。また、中心点１３での出射した光の方向角は、ほぼ出射面の法線方向に集まっており効率良く出射していることが判る。

本発明によれば、導光体とプリズムシートとの間の空間部に光透過性部材を点状又は線状に配置して光通過路とすることにより、光の利用効率が高く、且つ輝度の均整度の良好な照明用導光板が得られる。従って、この照明用導光板を使用することにより、液晶表示装置の光の利用効率を向上させるとともに、液晶表示装置の省電力化、軽量化、薄型化が可能である。

平行平板の導光体内の導光の様子を示す概略図である。 導光体とプリズムシートの間に光通過路を設けた導光体の出射の様子を示す概略図である。 実施例のプリズムの断面図である。 実施例の導光体に配置した光透過性部材の配置間隔（ドットの間隔）を示すグラフである。 実施例及び比較例の各照明用導光板の光源の位置と２５等分したエリアの輝度を示す図である。 実施例及び比較例の各照明用導光板の中央個所の入射光線方向と平行した方向の出射角度による輝度の変化を示したグラフである。 実施例及び比較例の各照明用導光板の中央個所の入射光線方向と垂直した方向の出射角度による輝度の変化を示したグラフである。

符号の説明

１ 光源
２ 導光体
２ａ 光源側（入射部）
２ｂ 反光源側（反入射部）
２ｃ 反出射面
２ｄ 出射面
３ プリズムシート
４ 光透過性部材
３１ プリズムシートのプリズム
３２ プリズムシートの出射面
５ 反射板
６ 二次元色分布測定装置

Claims (6)

1. 光源からの光を入射する入射部と入射光を出射する出射面を有する導光体と、
   断面が三角形のプリズムが列設され、その頂稜が前記導光体の出射面側に向くように配置されたプリズムシートと、
   前記導光体と前記プリズムシートとの間の空間部に点状又は線状に埋設された光透過性部材からなる光通過路とから構成されることを特徴とする照明用導光板。
2. 光透過性部材の屈折率が、導光体の屈折率に等しいか又は大きく、プリズムシートの屈折率に等しいか又は小さいことを特徴とする請求項１記載の照明用導光板。
3. プリズムシートのプリズムの頂角が３０〜９０度の範囲であり、隣接するプリズム間の間隔が０．０３〜０．２ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項１又は２記載の照明用導光板。
4. 光透過性部材が入射部から遠ざかるに従い密度を増すように配置された請求項１〜３のいずれか１項に記載の照明用導光板。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の照明用導光板を使用したことを特徴とする照明装置。
6. 照明用導光板のプリズムシートの上面に、偏光分離素子、拡散板、集光用レンズフィルムから選ばれた少なくとも１つが配置されたことを特徴とする照明装置。

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