JP2005135815A - 面状光源装置およびその面状光源装置を用いた表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来、バックライトユニットとして複数の点状光源を、光導入手段により包囲し離散的に配置するとともに、前記光導入手段の開口に点状光源を対向して導光板の光入射面を設けることが行われている。しかしながらこのような装置では、入射位置近傍で光が均等に広がらず輝度むらが生じるという課題があった。そこで光利用効率を向上させ輝度むらの少ない面状光源装置を提供する。
【解決手段】 導光板の出光面を底辺とし、光源の入射面に向かって前記光源に対向して錐状の窪みを設けることにより入射光が錐状の窪みで全反射されることにより輝度むらが低減する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、液晶や誘導灯、看板等の表示装置のバックライトに用いられる面状光源装置およびその面状光源装置を用いた表示装置に関するものである。

従来より、バックライトユニットとして点状光源を光導入手段により包囲し、光導入手段の投光開口に対向するように導光板の光入射面を設けたバックライトユニットおよびそのバックライトを用いた表示装置が示されている（例えば特許文献１参照）。

特開２００２−１０９９４２号公報（図１、０００３欄）

しかしながら、前記特許文献１に示されたバックライトユニットおよび表示装置では、点状光源が光導入手段によって包囲されているので、前記点状光源が離散的に配置されている入光位置近傍で、入射した光が均等に広がらず輝度むらが生じるという問題点を有していた。

この発明は、前記のような課題を解決するものであって、輝度むらを抑制し、光が均等に効率よく広がる面状光源装置およびその面状光源装置を用いた表示装置を提供することを目的としている。

この発明に係る面状光源装置は、光源と導光板とを備え、導光板は光源からの光を入射する入射面と、外部に取り出され利用される光を出光する出光面とを有しているとともに、出光面を底辺とし入射面に向かって、光源に対向して錐状の窪みが設けられているものである。

この発明の面状光源装置は、光源に対向して錐状の窪みが設けられているので光源が離散的に配置されている場合においても光利用効率を向上させ輝度むらの少ない表示品質の高い面状光源装置を得ることができる。

実施の形態１．
以下、この発明を図に基づいて説明する。
図１は実施の形態１による面状光源装置１００の分解斜視図、図２は面状光源装置１００の光路を説明するための側断面図である。
前記面状光源装置１００は、点状光源である発光ダイオード（以下ＬＥＤと略称）１０、ＬＥＤ１０が取り付けられたＬＥＤ基板１５、導光板２０、光の反射手段としての第１の反射板３０、第２の反射板３５および出射する配光を制御する光学シート４０を備えている。

ＬＥＤ１０は例えば、発光部であるＬＥＤチップ１１が白色樹脂やセラミックスで構成されたパッケージ１２内に配置され、前記パッケージ１２内にエポキシやシリコンなどの封止樹脂１３が充填された構成としている。
なお、ＬＥＤ１０は封止樹脂１３を凸レンズ形状としているので、正面方向（図１、図２において、導光板２０に対面する方向）に指向性を有する。ＬＥＤ基板１５は、ＬＥＤ１０を保持するとともに、ＬＥＤ１０に電力供給するための図示省略した回路パターンが設けられており、導光板２０に対向する面には高反射率の白色塗装が施されている。

導光板２０は、アクリル樹脂などの透明体で構成されており、例えば図１に示すごとく矩形状を有し、前記ＬＥＤ１０が設置されている側を入射面２２とし、その反対面を出光面２１としている。またさらに、導光板２０の前記出光面２１には面状光源装置１００の外部に取り出され利用される光を出光する出光区域２５が設けられている。この実施の形態１では、前記ＬＥＤ１０は出光区域２５の領域外の入射面２２の下部に配置されている。出光面２１のＬＥＤ１０と対向する位置、すなわち出光区域２５の領域外には前記導光板２０の出光面２１に円錐状の窪み２３が設けられている。この窪み２３は、前記出光面２１を底辺とし前記入射面２２に向かって前記ＬＥＤ１０に対向した円錐形状を成している。
なお、窪み２３の回転対称軸２７とＬＥＤ１０の中心軸とは一致するよう配置されている。また導光板２０の入射面２２のうち少なくとも出光区域２５に対向する領域には、光の伝搬方向を乱す拡散手段として印刷ドットパターン２６が形成されている。
前記印刷ドットパターン２６に代わり、入射面２２を粗面にしてもよく、また微小な球面やプリズムなど光の伝搬方向を変化させる機能を備えたものであってもよく、さらに前記拡散手段は導光板２０の出光面２１に設けてもよい。

第１の反射板３０は、ＬＥＤ１０およびＬＥＤ基板１５が配置された位置以外の入射面２２に設けられ、反射率９０％以上の発泡ＰＥＴ等の拡散反射材が用いられている。
第２の反射板３５は、図２に示すようにＬ字型をなし、前記矩形状導光板２０の一方の短辺２４ａの前記ＬＥＤ１０の側部および前記窪み２３の上部を覆うように形成されている。なおこの反射板３５は図２に示す構造に限らず矩形状導光板２０の長辺２４ｂを含むすべての辺を覆う構造であってもよい。
なお前記第１、第２の反射板はアルミニウムや銀の蒸着板などであってもよい。
光学シート４０は拡散シートが用いられ、出光区域２５に接して設けられている。なお、拡散シートに代わり、後述する図９の４０ａに示すようなプリズムシートやこれらを組み合わせた複数枚のシートで構成されてもよい。また、前述したように、出光面２１や入射面２２に微小な球面やプリズムを施し、導光板２０の出射光の配光を制御する手段を付加することにより、光学シート４０を省くことも可能である。

次にこの面状光源装置１００の動作について、図２に基づいて説明する。図２においてＬＥＤ１０から発せられた光は入射面２２から導光板２０に入射する。入射した光はＬＥＤ１０に対向する出光面２１に設けられた窪み２３に達する。ここで窪み２３は出光面２１を底辺とし入射面２２に向けた円錐状となっているので、入射光は全反射して導光板２０内を伝播する方向に進行方向を変える。円錐状の窪み２３で全反射され導光板２０中を伝播する光は、この伝播過程において入射面２２に形成された印刷ドットパターン２６によって散乱され、出光区域２５から出射する。なお光の一部は窪み２３や入射面２２さらには導光板２０の短、長辺２４ａ、２４ｂなどの面からも出射するが、第１の反射板３０、第２の反射板３５により導光板２０に戻された後、出光区域２５より出射する。出光区域２５を出射した光は、光学シート４０にて配光分布を整えられる。

ここで、ＬＥＤ１０から導光板２０への光の入射をさらに詳説する。導光板２０内での光の最大の広がり角θ_１はスネルの法則に従い次式(１)を満たす範囲となる。
ｎ×Ｓｉｎθ_１＝Ｓｉｎθ_２
∴ θ_１＝Ｓｉｎ^−１（（Ｓｉｎθ_２）／ｎ） ・・・ （１）
ただし、θ_２はＬＥＤ１０を出射する光の広がり角（−９０度≦θ_２≦９０度）、ｎは導光板２０の屈折率である
よって、出光面２１に到達する光の範囲ｗはＬＥＤ１０の中心線と出光面２１との交点をＰ、ＬＥＤ１０の発光面の径をｒ、導光板２０の厚さをｄとすると、交点Ｐを中心に下記式（２）の範囲となる。
ｗ＝２×ｄ×Ｔａｎθ_１＋ｒ
＝２×ｄ×Ｔａｎ（ｓｉｎ^−１（（ｓｉｎθ_２）／ｎ））＋ｒ ・・・ （２）
なお図２に示したθ_３は円錐状をなす窪み２３の円錐面と、出光面２１との角度である。ここでθ_３≧ｓｉｎ^−１（１／ｎ）とする。
窪み２３が大きくなるにつれ導光板２０を厚くする必要が生じるが、窪み２３を設ける範囲つまり円錐状窪み２３の底辺を交点Ｐを中心に式(２)を満たすｗ内に制限することの優位性に関し、シミュレーション結果を図３に示す。図３は、例えば下記条件における窪み２３の底辺ｗと全反射により導光板２０中を伝播する光の割合との相関を示したものである。
ｎ＝１．５
ｒ＝１（ｍｍ）
ｄ＝１０（ｍｍ）
θ_２＝９０（度）
θ_３＝４２（度）
図３から判るように窪みの底辺を式（２）に求まる範囲ｗ以下とすることにより薄い導光板２０を用い光を全反射させ効率よく導光板２０中に伝播させることができる。

出光面２１に平行な面内の光の広がりを図４に模式的に示す。窪み２３は円錐形であるため、窪み２３で全反射した光は窪み２３の回転対称軸２７を中心として放射状に広がる。
このように本実施の形態１では、導光板２０の出光面を底辺とし、入射面に向かって光源に対向して円錐状の窪み２３を設けているので、点状光源であるＬＥＤ１０が離散的に配置されている場合でも、光の利用効率が向上した輝度むらの少ない面状光源装置を得ることができる。

なお図２に示した窪み２３は、回転対称軸２７とＬＥＤ１０の中心軸とが一致する円錐形状のものについて説明したが、これに限られるものではない。例えば図５（ａ）に示すように円錐の回転対称軸２７をＬＥＤ１０の中心軸よりずらし、導光板２０の短辺２４ａに設けた半円錐状の窪み２３ａとしてもよい。ここで図５（ａ）は側断面図であり図５（ｂ）は面内の光の広がりを示す模式図である。このような構造を採用すると、窪み２３ａで全反射した光は出光区域２５に向かうものが多くなる。従って光の利用効率がさらに向上し、高輝度な面状光源装置１００を得ることができる。なお、図５（ａ）に示すように半円錐状の窪み２３ａの底辺の長さｗは、前述した式（２）に示されたものと同様である。

またさらに、窪みは他の錐体形であってもよい。例えば図６（ｂ）に示すように窪み２３ｂの断面形状を楕円つまり、楕円錐状の窪み２３ｂの長軸が、出光区域２５に向かう方向となるように設定した形状を採用することにより出光面に平行な面内での光の広がりが大きくなり、離散的に配置されたＬＥＤ１０間の輝度むらがより低減される。ここで図６（ａ）は側断面図であり図６（ｂ）は面内の光の広がりを示す模式図である。

またこの実施の形態１ではＬＥＤ１０を矩形状導光板２０の出光区域２５外の導光板左端の短辺２４ａに配置する例を示したが、図示省略した右側端面の短辺に配置してもよい。さらには長辺２４ｂに設けてもよく、それらはいずれも各辺にのみまたはすべての辺または２以上の辺に沿って配置するようにしてもよい。

また、点状光源であるＬＥＤ１０と窪み２３を複数個配置した例を示したが、それぞれ対向して１個の場合でもよく、このような構成を採用することにより光の利用効率が向上するという効果がある。

また、導光板２０は平板の例を示したが、ＬＥＤ１０に対向する側、つまり図２に示す例では図の左側から右側にかけて導光板２０の厚みが薄くなる楔形状としてもよい。

また、第１の反射板３０を入射面２２に接して配置する例を示したが、第２の反射板３５に代わり導光板２０の短、長辺２４ａ、２４ｂに配置すると出光面以外の面から出光する光を導光板２０に戻すことができ光の利用効率が向上する。また、第１反射板３０と第２の反射板３５を一体化してもよい。一体化することにより、部品点数の削減や組み立て性が向上する。

実施の形態２．
図７はこの発明の実施の形態２による面状光源装置１００の分解斜視図である。図８（ａ）は側断面図、図８（ｂ）は光路を説明するための平面図である。
窪み２３は入射面２２のほぼ中央とし、ＬＥＤ１０に向き合って配置されている。すなわちＬＥＤ１０は出光区域２５に対向する領域に設けられている。出光面２１のＬＥＤ１０と対向する位置には円錐状の窪み２３が設けられている。この場合、出光区域２５に前記窪み２３の存在による不出光部分が出来るが用途によっては支障をきたすものではない。この円錐状の窪み２３は前述した実施の形態１と同様の形状とし、回転対称軸１７とＬＥＤ１０の中心軸とが一致するよう配置されている。また導光板２０には入射面２２に光の伝搬方向を乱す拡散手段として印刷ドットパターン２６が形成されている。さらに窪み２３の表面、すなわち窪み２３に沿って導光板２０の出光面２１側に輝度分布調整手段としての反射層２８が形成されている。前記反射層２８は銀を蒸着することなどによって設けられており、反射率９０％以上、透過率１０％以下としている。また銀に代わり、アルミニウムであってもよい。反射板３０ａはＬＥＤ１０が配置される個所を除く導光板２０の入射面２２および、図示省略した側面に設けられ、前記した実施の形態１と同様の材質が用いられている。

ＬＥＤ１０からの発光は入射面２２から導光板２０に入射し、出光面２１のＬＥＤ１０に対向する位置に設けられた円錐状の窪み２３に到達する。前記したように窪み２３の表面には反射層２８が形成されているため、到達した光のほとんどは窪み２３の斜面で反射され、導光板２０内を伝搬する方向に導かれる。この導光板２０中を伝播する光は伝搬過程において、入射面２２に形成された印刷ドットパターン２６によって散乱され、出光区域２５より出射する。なお、導光板２０の出光区域２５以外の面から出射する光は、反射板３０ａにより導光板２０に戻された後、出光区域２５より出射し、光学シート４０にて配光分布を整えられる。

前記窪み２３に沿って表面に形成された輝度分布調整手段としての反射層２８に代わり、導光板２０の出光面２１に接して、円錐状窪み２３の底辺ｗとほぼ同様の直径を有する円板状の反射層２８ａを、図８（ａ）に示すように前記窪み２３をまたいで設置してもよい。またさらには光学シート４０に蒸着やスクリーン印刷白色インキ等により反射層２８ａを設けることもできる。また、ＬＥＤ１０および窪み２３を発光区域２５のほぼ中央にそれぞれ１個ずつ設ける例を示したが、これに限らず必要光量に合わせ複数個配置してもよい。さらに窪み２３は円錐状に限らず光の広がりの用途に応じ、楕円錐状としてもよい。

以上のようにこの実施の形態２においては、導光板２０の出光区域２５に円錐状の窪み２３がＬＥＤ１０に対向して設けられているので、導光板２０のほぼ全面を発光区域２５として用いることができ、小型な面状光源装置１００を得ることができる。また、ＬＥＤ１０に対向して出光面２１に窪み２３を設けているので、効率よくＬＥＤからの光を導光板２０内に広げて出射することができる。さらにＬＥＤ１０に対向する位置に輝度分布調整手段として窪み２３の表面に反射層２８または２８ａを設けているので、反射層２８または２８ａを設けていない場合に窪み２３を通過する光と出光区域２５から出光する光量との差によるＬＥＤ１０に対向する位置での輝度むらを低減することができる。なお、実施の形態１、２では点状光源としてＬＥＤを示したが、レーザダイオード等の光源であってもよい。

実施の形態３．
図９はこの発明の実施の形態３による表示装置２００の分解斜視図である。図において前記した実施の形態１または実施の形態２による面状光源装置１００の上部に表示手段としての液晶パネル５０を設けた表示装置２００を示す。なおここで面状光源装置１００の光学シート４０ａは実施の形態１で記述したように拡散シートとプリズムシートの組み合わせたものを示している。このような表示装置２００は、前記した実施の形態１、または実施の形態２の優れた特性である輝度むらの少ない平面光源装置１００を用いたものであるので、表示品質が高い表示装置２００が得られる。なお、表示手段としての液晶パネル５０に代えて非常口の表示をした透光性パネルを用いれば、非常口の誘導灯として機能する。あるいはこの透光性パネルの図柄を変更して他の用途、例えば看板に用いてもよい。

以上のように、この発明の実施の形態１、２による面状光源装置を液晶や誘導灯等のバックライトに用いると、輝度むらの少ない高効率、薄型の表示装置が得られる。

この発明の実施の形態１の面状光源装置の分解斜視図である。 この発明の実施の形態１の面状光源装置の光路を説明するための側断面図である。 この発明の実施の形態１の面状光源装置の導光板中を伝搬する光のシミュレーション図である。 この発明の実施の形態１の面状光源装置の平面上の光路を説明するための図である。 この発明の実施の形態１の面状光源装置の第１の応用例を示す側断面図および平面図である。 この発明の実施の形態１の面状光源装置の第２の応用例を示す側断面図および平面図である。 この発明の実施の形態２の面状光源装置の分解斜視図である。 この発明の実施の形態２の面状光源装置の側断面図および平面図である。 この発明の実施の形態３の表示装置の分解斜視図である。

符号の説明

１０ ＬＥＤ、２０ 導光板、２１ 出光面、２２ 入射面、
２３，２３ａ，２３ｂ 窪み、２４ａ 短辺、２４ｂ 長辺、２５ 出光区域、
２８，２８ａ 輝度分布調整手段、５０ 液晶パネル、１００ 面状光源装置、
２００ 表示装置。

Claims (12)

1. 光源と導光板とを備えた面状光源装置であって、前記導光板は前記光源からの光を入射する入射面と、前記光を出光する出光面とを有しているとともに、前記出光面を底辺とし前記入射面に向かって、前記光源に対向して錐状の窪みが設けられていることを特徴とする面状光源装置。
2. 前記導光板の出光面には、外部に取り出され利用される光を出光する出光区域が設けられているとともに、前記出光区域外に前記錐状の窪みが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の面状光源装置。
3. 前記導光板の出光面には、外部に取り出され利用される光を出光する出光区域が設けられているとともに、前記出光区域に前記錐状の窪みが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の面状光源装置。
4. 前記錐状の窪みが、円錐状であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の面状光源装置。
5. 前記錐状の窪みが、楕円錐状であるとともに、前記楕円錐状窪みの長軸が、前記出光区域に向かう方向に設定されていることを特徴とする請求項２に記載の面状光源装置。
6. 前記導光板が矩形状であり、前記光源およびその光源に対向して設けられた前記窪みが、前記矩形状導光板の一辺に沿って設けられていることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の面状光源装置。
7. 前記窪みが、前記矩形状導光板の複数の辺に沿って設けられていることを特徴とする請求項６に記載の面状光源装置。
8. 光源と矩形状の導光板とを備えた面状光源装置であって、前記導光板は前記光源からの光を入射する入射面と、外部に取り出され利用される光を出光する出光区域とを備えた出光面とを有しているとともに、前記矩形状導光板の一辺に沿って前記出光面を底辺とし前記入射面に向かって、前記光源に対向して半円錐状の窪みが設けられていることを特徴とする面状光源装置。
9. 前記窪みの出光面側に、前記窪みに沿って輝度分布調整手段が設けられていることを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の面状光源装置。
10. 前記出光面に、前記窪みをまたいで輝度分布調整手段が設けられていることを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の面状光源装置。
11. 前記光源および前記光源に対向して設けられた前記窪みとがそれぞれ複数個設けられていることを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の面状光源装置。
12. 前記請求項１〜請求項１１のいずれか１項に記載の面状光源装置を用い、前記面状光源装置の上部に表示手段を備えたことを特徴とする表示装置。

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