JP2005285586A - 面発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 モアレの発生を効果的に防止でき、より輝度の均一性に優れかつ発光輝度の高い面発光装置を提供する。
【解決手段】 発光面又は反射面に複数のドットが形成された導光板と、その導光板の光入射面側に設けられた発光ダイオードと、それぞれＶ字型の断面を有する複数の溝が互いに平行に形成されてなるプリズムパターンを一方の主面に有してなり、導光板の発光面に対向して設けられたプリズムシートと、を備えた面発光装置であって、導光板のドットを、プリズムシートの前記溝と交差する直線上に配列した。
【選択図】図４

Description

本発明は、点光源である発光ダイオードからの光を導光板を介して出射する面発光装置に関する。

近年、液晶バックライトなどの光源として、点光源であるＬＥＤチップからの光を面状に発光させる面発光装置が用いられている。この面発光装置は、対向する主面を有する導光板の一端面から１又は２以上の発光ダイオードからの光を入射してその導光板の一方の主面全体から光を出射させるように構成される。
このように導光板を用いて構成される面発光装置は、導光板の一端面から入射された光を一方の主面から面全体に広げて出射するものであることから、いかにして発光面全体における均一性を確保するかが重要である。
そのために、従来の面発光装置用の導光板では、発光面又は発光面に対向する反射面に所定の密度に設定されたドットを形成したり、プリズムシートを用いたりするなど種々の工夫がなされている。

特開平８−２７１８９３号公報 特開２００１−１０８８３５号公報

しかしながら、導光板のドット配列やプリズムシートのプリズムパターンに起因して、発光面にモアレと呼ばれる干渉縞が発生し、発光面全体における輝度の均一性及び発光輝度の向上の妨げとなることがあった。

そこで、本発明は従来例に比較してモアレの発生を効果的に防止でき、より輝度の均一性に優れかつ発光輝度の高い面発光装置を提供することを目的とする。

以上の目的を達成するために、本発明に係る面発光装置は、発光面又は反射面に複数のドットが形成された導光板と、その導光板の光入射面側に設けられた発光ダイオードと、それぞれＶ字型の断面を有する複数の溝が互いに平行に形成されてなるプリズムパターンを一方の主面に有してなり、前記導光板の発光面に対向して設けられたプリズムシートと、を備えた面発光装置であって、前記導光板のドットは、前記プリズムシートの前記溝と交差する直線上に配列されていることを特徴とする。

また、前記導光板は、前記発光面と前記反射面が前記発光ダイオードから離れるにしたがって間隔が狭くなるように基準勾配を有しており、前記反射面は、前記光入射面側に位置する平坦部と、その平坦部を除く部分であって、それぞれ前記発光面に対して前記基準勾配より大きい勾配を有するプリズム反射面を備えてなる複数のプリズムが形成されたプリズム部とを有し、前記発光面における前記平坦部に対向する部分に、前記ドットが形成されるようにしてもよい。
また、前記ドットは、前記導光板の反射面又は発光面の少なくとも一部に形成されており、前記ドットのドット密度は、前記光入射面から離れるにしたがって高くなっているようにしてもよい。

以上の本発明に係る面発光装置によれば、従来例に比較してモアレの発生を効果的に防止でき、より輝度の均一性に優れかつ発光輝度の高い面発光装置を提供することができる。

以下、図面を参照しながら、本発明に係る実施の形態について説明する。
実施の形態１．
本実施の形態１の面発光装置は、図１の平面図及び図２の断面図を含む斜視図に示すように、互いに対向する発光面２と反射面３とを有し透過性樹脂からなる導光板１と、その導光板１の一方の端面である光入射面１ａに対向するように設けられた発光ダイオード２０と、導光板１の発光面２に対向するように設けられたプリズムシート４とが外枠３０によって保持されることにより構成されている。

本実施の形態１の面発光装置において、プリズムシート４の、導光板１の発光面２に対向する面には、それぞれＶ字型の断面を有する複数の溝４ｇが互いに平行に形成されることによって構成されたプリズムパターンが設けられており、導光板１の発光面２には、発光面２における発光輝度を均一にするために多数のドットが所定のドット密度分布となるように形成されている。

ここで、特に本実施の形態１の面発光装置では、導光板１のドットは、プリズムシート４の溝と直交することなくかつ平行になることもなく斜めに交わる直線上に配列されていることを特徴とし、これにより、発光面２におけるモアレの発生を防止している。

以下、詳細に本実施の形態１の面発光装置の構成について説明する。
（プリズムシート）
実施の形態１において、プリズムシート４は、導光板１の発光面２とほぼ等しい外周形状の上面と下面（導光板１の発光面２に対向する面）とを有し、発光面２から出射される光の指向性を制御するために設けられている。本実施の形態１において、図２の断面図に示すように、プリズムシート４の下面には、指向性を制御するために断面がＶ字型の複数の溝４ｇが互いに平行に形成されており、隣接する溝４ｇの間の峰部によりプリズム４１が構成される（図５）。また、プリズムシート４の上面には、図５に示すように、プリズム４１の稜線が発光面側から観測されないように微細凹凸４ａが形成されている。

プリズム４１を構成するＶ字溝４ｇの角度θ４（図５に図示）は、面発光装置に要求される指向性を考慮して設定されるが、発光時の光の指向性を発光面に対してほぼ垂直に制御するためには、７０°≧θ４≧６０°の範囲に設定される。
このように、プリズムの角度θ４を７０°≧θ４≧６０°の範囲に設定して、発光時の光の指向性を発光面に対してほぼ垂直にすると、出射面における輝度を向上せることができる。

また、プリズム幅Ｗ４３（プリズムの頂角間の間隔）は、好ましくは１μｍ〜１００μｍの範囲に設定される。
プリズム幅Ｗ４３が１００μｍを超えると、発光時においてプリズム４１の稜線が観測されるようになり、視認性が低下する。

また、本実施の形態１のレンズシート４における上面の微細凹凸４ａは、プリズムシート４の下面のプリズムの稜線に対応するラインが出射面であるプリズムシート４の上面において視認されるのを防止するものであり、指向性を劣化させない範囲で光を散乱（拡散）させる。
すなわち、微細凹凸４ａの形状（大きさ）は、指向性を変化（劣化）させない範囲で光を散乱（拡散）させるように設定され、具体的には、溝４ｇ及びプリズム４１に比較して十分小さいものである。

この実施の形態１の面発光装置は、上述のように形成された複数の溝で構成されたプリズムシート４を備えることによって、所望の指向性と高い輝度が得られる。

（導光板１）
本実施の形態１において、導光板１は、互いに対向する第１と第２の主面を有し板状に形成された透明体であり、発光面２とする第１の主面に対して反射面３とする第２の主面が傾斜するように構成されている。
すなわち、互いに対向する第１と第２の端面のうち、光入射面である一方の端面から他方の端面に向かって第１の主面と第２の主面の間隔が狭くなるように第２の主面は第１の主面に対して勾配（基準勾配）を有しており、光入射面１ａから入射された光は直接又は反射面３で反射されて発光面２から出射される。

通常、この導光板の反射面３及び／又は光出射面２には、シボと呼ばれる多数のドット（微細な凹部又は凸部からなる）が形成されており、ドットの密度を発光面の輝度分布に応じて変化させることにより発光面における発光輝度の不均一を補償して発光面における輝度の均一性を確保している。発光面２又は反射面３に対して位置に応じた所定のドット密度になるようにドットの配置設計及びドットの製造を行うためには規則的にドットを配置することが好ましいが、規則的にドットを配置するとプリズムシートのプリズムパターンとの関係で光が干渉して発光面に干渉縞が発生する。

そこで、本実施の形態１では、図３に模式的に示すように、導光板１のドットを、プリズムシート４の溝４ｇ（プリズムの稜線）が形成される方向Ｄ１と直交することなく斜めに交わる直線Ｌ１上に配列して、ドットを規則的に配列しかつ発光面２におけるモアレの発生を防止している。

すなわち、本発明に係る実施の形態１では、図４に示すように、プリズムパターンを形成するために光入射面１ａに平行な方向Ｄ１に形成された複数の溝４ｇに対して、光入射面１ａと平行でない例えばＸ−Ｘ’線(図３の直線Ｌ１に相当)上にドットを配列することにより、ドットの配列とプリズムシートのプリズムパターンとによる光の干渉を防止して発光面における干渉縞の発生を防止している。
尚、溝の形成方向Ｄ１とドットを配列する直線Ｌ１のなす角度θは、より効果的にモアレの発生を防止するために、５°〜４５°の範囲であることが好ましい。
尚、プリズムシートは、フレキシブルなものであっても良いし、柔軟性のないものであってもよく、例えば、射出成形によって作製される透光性を有する薄い板状のものによって構成できる。

また、図４に示すドットの配列例では、光入射面１aの両側に位置する端部においては直線Ｌ１上に配列されたドットに加えさらに、ランダムにドットを追加してドット密度を高くして、その両端部における輝度の低下（すなわち、発光ダイオードの指向性に起因してその両端部では輝度が低下する傾向にある。）を補償している。

さらに、図４に示すドットの配列例では、光入射面１ａから離れるに従って、ドット密度が高くなるようにドットが配列されており、発光面において光源側と光源から離れた部分との間で輝度の差が生じるのを防止している。
すなわち、一端面である光入射面から点光源からの光を入射して主面である発光面から光を放出する面発光装置では、入射された光は導光板を伝播するにしたがって減少し、光源から離れるほど光量が減少する。そこで、本実施の形態１では、光拡散用のドットの密度を光源から離れるにしたがって順次増加させることにより、光拡散ドットが占める面積を順次増加させて発光面内における輝度の均一化を図っている。

以上のように構成された実施の形態１の面発光装置では、プリズムシートのプリズムパターンを構成する溝の形成方向と規則的に配列されたドットの配列方向とが平行にならないように交差させているので、ドットの配置設計及びドットの製造が容易にでき、かつ発光面における干渉縞の発生を防ぐことができる。

以上の実施の形態１では、発光面全体にわたって溝形成方向Ｄ１に対して斜めに配列したドットを形成するようにしたが、本発明はこれに限られるものではなく、モアレの発生が生じ易い光入射面側の領域のみに溝形成方向Ｄ１に対して斜めに配列したドットを形成するようにして、他の部分については、ドットを他の配列の仕方若しくは不規則な配置としてもよい。

また、以上の実施の形態１では、プリズムパターンを構成する溝は、光入射面と平行になるように形成したが、本発明はこれに限られるものではなく、光入射面に対してある角度を持った斜め方向にプリズムを構成する溝を形成するようにし、その溝に対して交差するような直線上にドットを配列するようにしてもよい。
以上のようにしても、実施の形態１と同様の作用効果がえられる。

実施の形態２．
本発明に係る実施の形態２の面発光装置は、実施の形態１の導光板１に代えて、図６に示す導光板１０を用いて構成した以外は、実施の形態１と同様に構成される。

以下、実施の形態２の面発光装置に使用される導光板１０の特徴について詳細に説明する。
本実施の形態２の導光板１０は、互いに対向する第１と第２の主面を有し板状に形成された透明体であり、光入射面から他方の端面に向かって発光面２と反射面３の間隔が狭くなるように反射面が発光面に対して勾配（基準勾配）を有している点については、実施の形態１の導光板１と同様である。

しかし、本実施の形態２の導光板１０において、反射面３は、実施の形態１とは異なり、光が入射される入射面側に位置する平坦部３ａと、他方の端面側に位置し、それぞれ発光面２に対して基準勾配θｒより大きい勾配θ１を有する光反射面Ｒ１１を備えた複数のプリズムが形成されたプリズム部３ｐとからなっている。
このように、反射面３がプリズムが形成されていない平坦部３ａとプリズム１１等が形成されたプリズム部３ｐとによって構成された本実施の形態２の導光板１では、比較的長手方向の長さの長い導光板であっても、発光ダイオードから遠く離れた部分（他方の端面側）に効果的に光を伝達できるという特徴を有している。
すなわち、本実施の形態２の導光板１０は、幅の狭い、棒状、線状の導光板に適用でき、その場合でも優れた発光面の輝度均一性が確保できる。

例えば、図７において１１ｋの符号を付して示すように、仮に平坦部３ａにプリズム１１ｋが形成されているとすると、発光ダイオード２０から入射された光Ｌ１はプリズム１１ｋによって反射されて、発光ダイオード２０に比較的近い発光面から出射される。
しかしながら、本実施の形態２の導光板１０のように、プリズムが形成されていない平坦部３ａが設けられていると、光Ｌ１はプリズムではなく反射面３（平坦部３ａ）によって反射されてより発光ダイオードから離れた部分の発光面から出射される。
このように、本実施の形態２の導光板１０では、平坦部３ａを設けることによって、比較的長手方向に長い導光板であっても、より遠方への光の伝達を可能としている。

また、本実施の形態２の導光板１０において、図６に示すように、プリズム部３ｐはさらに、平坦部３ａ側に位置する（平坦部３ａに隣接する）第１プリズム部３ｂと第１プリズム部を除いた他方の端面側に位置する第２プリズム部３ｃからなっている。
そして、第１プリズム部３ｂでは他方の端面に向かう方向に光反射面Ｒ１１の面積が徐々に大きくなるようにプリズム形状が設定されている。
その際、プリズム形状は第２の端面に向かう方向に相似形状で大きくなるように形成されることが好ましく、これによりプリズム形状の設計が容易となる。

このように、他方の端面に向かう方向に光反射面Ｒ１１の面積が徐々に大きくなるようにプリズムが形成された第１プリズム部３ｂを設けることにより、発光面２において不連続に輝度が変化して平坦部３ａとプリズム部３ｐとの境界に対応して輝線又は暗線の形成を防止できる。
すなわち、第１プリズム部３ｂはプリズムの無い平坦部から急に大きなプリズムが出現することにより形成される境界が記発光面側から観測されにくくするために設けたものである。

さらに、実施の形態２の導光板１０において、第２プリズム部３ｃでは、第２の端面に向かう方向にプリズムピッチが徐々に小さくなるように設定して、発光面内における輝度の均一性をより向上させている。
ここで、本明細書において、プリズムピッチとは、プリズム幅ｘとプリズム間の間隔ｙとを合計した長さをいい、第２プリズム部３ｃでは、例えば、以下の手順で、第２の端面に向かう方向にプリズムピッチが徐々に小さくなるように設定することができる。
尚、以下の例は、全長が５０ｍｍの導光板１において光源から２５ｍｍ〜５０ｍｍの部分のプリズムピッチを設定するものであり、光源から２０ｍｍ〜２５ｍｍの部分には、上述した第１プリズム部３ｂが設けられている。また、図１０に示すように、図１０の点Ｐ１〜点Ｐ２の間（すなわち、光源からの距離が２５ｍｍ〜３０ｍｍの間）のプリズムピッチは一定に設定されている。さらに、プリズム幅ｘは５０μｍ（一定）に設定されている。

このピッチ設定方法では、まず、
（１）図１０に示すプリズムピッチグラフを作成する。具体的にはプリズムピッチを徐変すべき領域において、数点選び各点における必要なプリズムピッチを設定し、各点間を結ぶ。本例では、図１０に示すように、４点（Ｐ１〜Ｐ４）を選び、点Ｐ１とＰ２においてはプリズムピッチを０．３ｍｍに設定し、点Ｐ３はプリズムピッチ０．２ｍｍとし、点Ｐ４におけるプリズムピッチは０．１ｍｍとした。尚、本発明では、選択する点は４点に限られるものではなく、４点以上であってもよいし（４点以上にするとより細かな変化をつけることができる）、４点より少なくてもよい。

（２）次に、隣接する点間の各距離Ｌ（点Ｐ１と点Ｐ２間、点Ｐ２と点Ｐ３間、及び点Ｐ３と点Ｐ４間の各距離Ｌ）を算出後、次の式（Ａ）に示す等差数列の式から、ｎ’を求め、そのｎ’を整数化することにより、距離Ｌを分割する分割数ｎをそれぞれ求める。
ｎ’＝２Ｌ／（ａ＋ｌ）・・・（Ａ）
ここで、式（Ａ）中、ａは、隣接する点間における光源側の設定ピッチであり、ｌ（アルファベットのＬの小文字）は、隣接する点間における光源から離れた側の設定ピッチである。
すなわち、図１０に示す例で説明すると、点Ｐ２と点Ｐ３間では、ａは点Ｐ２における設定ピッチの０．３ｍｍであり、ｌは点Ｐ３における設定ピッチの０．２ｍｍである。また、点Ｐ３と点Ｐ４間では、ａは点Ｐ３における設定ピッチの０．２ｍｍであり、ｌは点Ｐ４における設定ピッチの０．１ｍｍである。
尚、ｎは上述のように、指定された距離Ｌの中を何分割するかを指定する値であり、数列でいう項数にあたる。

（３）次に、以下の等差数列の式（Ｂ）から各点間（点Ｐ２と点Ｐ３間、及び点Ｐ３と点Ｐ４間）における公差ｄをそれぞれ求める。
ｄ＝２（Ｌ−ａｎ）／〔ｎ（ｎ＋１）〕・・・（Ｂ）
以上のようにして求めた公差ｄを基に、各点間（点Ｐ２と点Ｐ３間、及び点Ｐ３と点Ｐ４間）においてそれぞれ、光源から離れるに従って、プリズムピッチを順次、公差ｄずつ減少させる。

本発明では、以上のように構成された第２プリズム部３ｃを有しているので、より発光面内の均一性を確保することができる。
すなわち、発光面２のプリズム部３に対向する部分において、光源側から離れた他方の端面に近い発光面では輝度が低下する傾向がある。
従って、本実施の形態２の導光板では、他方の端面に近い発光面における輝度の低下を防止するために、輝度の低下を補うようにプリズム１１を密に形成することにより、プリズムの光反射面により反射される光の量を多くしている。
これによって、発光面２のプリズム部３に対向する部分における輝度の均一性をより高めることができる。

さらに、本実施の形態２の導光板１０では、発光面における平坦部３ａに対向する光源側の領域２ａに凹部又は凸部からなる複数のドットを形成しており、これにより、発光面２における領域２ａにおける平坦部３ａが形成されたことによる輝度の減少を補うことができる。
すなわち、平坦部３にはプリズムが形成されていないので、プリズムに反射されて上方の発光面２から出射される光（例えば、図７における光Ｌ５）がない分、領域２ａの輝度は低下する（この様子を図８において破線５２によって示している。）。

これに対応して、本実施の形態２では、発光面２において平坦部３ａに対向する部分であって、平坦部が形成されたことによる輝度の減少が生じる部分に、その輝度の減少を補うために凹部又は凸部からなる多数のドット１２を形成している。
特に本実施の形態２では、輝度の低下が著しいところほど、ドット１２の密度を高くして、領域２ａ全体が均一な輝度になるようにしている。
すなわち、図８に模式的に示すように、ドット１２がない場合には、光源に近いところほど輝度が低下する（図８においてドット１２がない場合の輝度は破線５２で示している。）ので、光源に近い部分ほどドットの密度を高くしている。
これによって、本実施の形態２の導光板１０では、図８において実線５１で示すように、光源からの距離にかかわらず輝度を一定にできる。

またさらに、本実施の形態２の導光板１０では、発光面２には、プリズム１１に直交する方向（すなわち、入射面である一方の端面及び他方の端面に直交する方向）に光を散乱させる複数の筋（プリズム１１に比べると十分細く、ドットの径に比べても十分小さい、例えば、研削目）が形成されている。
この研削目はプリズム１１の稜線が発光面において観測されるのを防止しており、よりいっそう発光面における輝度の均一性及び視認性を向上させることができる。

尚、本発明におけるプリズムの典型的な例は、図９に示すような反射面の発光面に対する基準勾配より発光面に対する勾配が大きく光源側に位置する光反射面Ｒ１１と、それとある角度を持って交わる対向面Ｂ１１とによって構成され、光反射面Ｒ１１と対向面Ｂ１１とが交わる稜線が導光板１０の光入射面に平行に形成されたものである。

また、プリズムの大きさ（幅ｘ）、光反射面の発光面に対する角度θ１及びプリズム間の間隔ｙは、導光板の大きさ及び縦横比等との関連で最適化して設定されるが、それらのパラメータは以下の範囲内で設定されることが好ましい。
（１）光反射面Ｒ１１の発光面に対する角度θ１：１°〜６０°，
この範囲外であると、効果的に光を反射させることができない。
（２）プリズム幅ｘ：０．１μｍ〜３００μｍ，
この範囲より大きくなると、発光面においてプリズムの稜線が観測されやすくなり、この範囲より小さいとプリズム加工が難しくなる。
（３）プリズム間の間隔ｙ：０〜１ｍｍ，
この範囲を超えると、発光面において稜線が観測されやすくなり、視認性が低下する。
（４）対向面Ｂ１１の発光面に対する角度θ２：１°〜９０°（より好ましくは、θ１以上で９０°以下），
９０°を超えると金型からの離型が困難となる。

以上のように形成された実施の形態２の面発光装置において、導光板１０の領域２ａに形成されたドットは、その配置設計及び形成を容易にしかつ領域２ａにおけるモアレの発生を防止するために、プリズムシート４の溝４ｇが形成される方向Ｄ１と斜めに交わる直線上に配列している。
これにより、特にモアレが生じやすい発光面の光入射面側において効果的にモアレの発生を防止できる。
以上の実施の形態２の面発光装置によれば、比較的長い導光板を用いた面発光装置であっても発光輝度の均一性を確保できかつモアレの発生を防止できる。

本発明に係る実施の形態１の面発光装置の平面図である。 実施の形態１の面発光装置の断面図を含む斜視図である。 実施の形態１における導光板上のドット配列とプリズムの形成方向を模式的に示す平面図である。 実施の形態１における導光板のドット配列を示す平面図である。 実施の形態１におけるプリズムシートの断面図である。 本発明に係る実施の形態２における導光板の断面図である。 実施の形態２における導光板内の光の進行を模式的に示す断面図である。 実施の形態２における導光板の発光面の輝度分布を模式的に示すグラフである。 実施の形態２におけるプリズムの形状を示す断面図である。 実施の形態２のプリズムピッチ設定方法における導光板の光源からの距離に対するプリズムピッチを示すグラフである。

符号の説明

１，１０ 導光板、１ａ 光入射面、２ 発光面、３ 反射面、４ プリズムシート、４ａ 微細凹凸、４ｇ 溝、１１ プリズム、１２ ドット、２０ 発光ダイオード、３０ 外枠、４１ プリズム。

Claims (3)

1. 発光面又は反射面に複数のドットが形成された導光板と、
   その導光板の光入射面側に設けられた発光ダイオードと、
   それぞれＶ字型の断面を有する複数の溝が互いに平行に形成されてなるプリズムパターンを一方の主面に有してなり、前記導光板の発光面に対向して設けられたプリズムシートと、を備えた面発光装置であって、
   前記導光板のドットは、前記プリズムシートの前記溝と交差する直線上に配列されていることを特徴とする面発光装置。
2. 前記導光板は、前記発光面と前記反射面が前記発光ダイオードから離れるにしたがって間隔が狭くなるように基準勾配を有しており、
   前記反射面は、
   前記光入射面側に位置する平坦部と、
   その平坦部を除く部分であって、それぞれ前記発光面に対して前記基準勾配より大きい勾配を有するプリズム反射面を備えてなる複数のプリズムが形成されたプリズム部とを有し、
   前記発光面における前記平坦部に対向する部分に、前記ドットが形成されている請求項１記載の面発光装置。
3. 前記ドットは、前記導光板の反射面又は発光面の少なくとも一部に形成されており、
   前記ドットのドット密度は、前記光入射面から離れるにしたがって高くなっている請求項１記載の面発光装置。
   

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