JP2006114239A - 面状光源用導光体とその製造方法、面状光源、照明装置、看板及び液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高い指向性を持ち、簡略な構成で薄型にできる面状光源用導光体とその製造方法、面状光源、照明装置、看板及び液晶表示装置の提供。
【解決手段】 裏面側及び／又は内部に、側面側から入射して伝播した光を表面側に反射するプリズム状の反射溝３が配置された導光板２Ａと、該導光板の表面側に、個々の反射溝に対応したレンズ４が並べられたシート５が配置された面状光源用導光体。または表面側及び／又は内部に側面側から入射して伝播した光を裏面側に反射するプリズム状の反射溝が配置された導光板と、該導光板の裏面側に、個々の反射溝に対応した凹面鏡が並べられたシートとが配置された面状光源用導光体。該面状光源用導光体と、その導光板の側面から光を入射可能に結合された光源７とを備える面状光源１Ａ。
【選択図】 図１

Description

本発明は、面状光源用導光体とその製造方法及び該面状光源用導光体を用いた面状光源、この面状光源を用いた照明装置、看板、液晶表示装置に関する。

面状光源は、各種照明、看板等に多く用いられるが、近年、特に液晶表示装置用のバックライトとしての需要が拡大している。

エッジライト方式と呼ばれる液晶表示装置用のバックライトでは、透明樹脂を使用した導光板と呼ばれる導光体の側面（端面）から、冷陰極管や発光ダイオード（以下、ＬＥＤと記す。）等の光源からの光を入射する。入射した光は導光板内を全反射を繰り返して伝播するが、導光板の表面又は裏面にサンドブラスト等の加工や、微細な溝、ドット印刷等の加工を施すことにより、加工部位に到達した光の伝播角度が変化して全反射条件から外れ、光が導光板の外表面に漏れ出てくる。

この漏れ出した光により面状光源となり、バックライトとして機能するわけであるが、単純な導光板への加工のみでは導光板の面に垂直な方向への散乱成分は少なく、平行な方向に近い低角度成分が多い、広い角度分布を持った拡散光となる。このようなバックライトを使用した液晶表示装置は、正面から見たときの輝度が低く、暗い画面となってしまう。そこで通常、正面輝度を向上させるため、微小な三角柱状プリズムを多数平面に配列したプリズムシートが用いられており、Ｘ方向とＹ方向の２枚を組み合わせることにより、６０度程度の指向性を得ることができ、１．５倍から２倍の正面輝度の向上が得られる（例えば、特許文献１参照。）。
特開昭６２−１４４１０２号公報

しかしながら、前述したようなプリズムシートを用いた手法でも、指向性の改善には限界があり、また薄さを求められる面状光源の厚み低減の障害となっていた。

本発明は前記事情に鑑みてなされ、高い指向性を持ち、簡略な構成で薄型にできる面状光源用導光体とその製造方法、面状光源、照明装置、看板及び液晶表示装置の提供を目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、裏面側及び／又は内部に、側面側から入射して伝播した光を表面側に反射するプリズム状の反射溝が配置された導光板と、該導光板の表面側に、個々の反射溝に対応したマイクロレンズ又はシリンドリカルレンズが並べられたシートが配置されていることを特徴とする面状光源用導光体を提供する。

また本発明は、表面側及び／又は内部に側面側から入射して伝播した光を裏面側に反射するプリズム状の反射溝が配置された導光板と、該導光板の裏面側に、個々の反射溝に対応した凹面鏡が並べられたシートとが配置されていることを特徴とする面状光源用導光体を提供する。

本発明の面状光源用導光体において、導光板と、マイクロレンズ又はシリンドリカルレンズが並べられたシートが、導光板を構成する材料の屈折率よりも低い屈折率の材料からなる層を挟んで積層されていることが好ましい。

本発明の面状光源用導光体において、導光板と、凹面鏡が並べられたシートが、導光板を構成する材料の屈折率よりも低い屈折率の材料からなる層を挟んで積層されていることが好ましい。

本発明の面状光源用導光体において、反射溝とマイクロレンズ又はシリンドリカルレンズ又は凹面鏡との間隔が０．０３ｍｍ〜０．２ｍｍの範囲内であることが好ましい。

本発明の面状光源用導光体において、マイクロレンズ又はシリンドリカルレンズ又は凹面鏡の主形状が二次曲面又は二次曲面を複数組み合わせた形状であることが好ましい。

本発明の面状光源用導光体において、プリズム状の反射溝の断面が三角形であり、導光板の平面に対する主反射面の傾斜角度が４０度から５０度の範囲であり、その高さが１μｍ〜５０μｍの範囲内であることが好ましい。

本発明の面状光源用導光体において、マイクロレンズ又はシリンドリカルレンズの表面に反射防止コートが施されていることが好ましい。

本発明の面状光源用導光体において、マイクロレンズ又はシリンドリカルレンズが並べられたシート表面又は導光板の表面が散乱面であることが好ましい。

また本発明は、前述した本発明に係る面状光源用導光体の製造方法であって、導光板に形成するプリズム状の反射溝と、シートに形成するマイクロレンズ又はシリンドリカルレンズ又は凹面鏡を、同時に形成し、これらを組み合わせて面状光源用導光体を作製することを特徴とする面状光源用導光体の製造方法を提供する。

また本発明は、前述した本発明に係る面状光源用導光体と、その導光板の側面から光を入射可能に結合された光源とを備えることを特徴とする面状光源を提供する。

また本発明は、前述した本発明に係る面状光源を備えることを特徴とする照明装置を提供する。

また本発明は、前述した本発明に係る面状光源を備えることを特徴とする看板を提供する。

また本発明は、前述した本発明に係る面状光源を備えることを特徴とする液晶表示装置を提供する。

本発明の面状光源用導光体は、導光板の表面側又は内部に設けたプリズム状の反射溝によって側面側から入射して伝播した光を表面側に反射し、該表面側に配置されたマイクロレンズ又はシリンドリカルレンズによってその光の拡散を制御して出射するか、或いは導光板の裏面側又は内部に設けたプリズム状の反射溝によって側面側から入射して伝播した光を裏面側に反射し、該裏面側に配置された凹面鏡によってその光の拡散を制御して導光板の表面側から出射する構成としたので、高い指向性を持った面状光源用導光体を提供できる。また、単純な構造であるため、薄型の面状光源用導光体を提供できる。
また本発明の面状光源は、前記本発明に係る面状光源用導光体と、その導光板の側面から光を入射可能に結合された光源とを備えた構成なので、薄型で高い指向性を持った面状光源を提供できる。
また本発明の照明装置、看板及び液晶表示装置は、前記本発明に係る面状光源を備えているので、薄型で高い指向性を持ったものとなる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の第１実施形態を示す断面図であって、図中符号１Ａは面状光源、２Ａは導光板、３は反射溝、４はマイクロレンズ又はシリンドリカルレンズ（以下、それらを総称してレンズと記す。）、５はシート、６Ａは面状光源用導光体、７は光源である。

本実施形態の面状光源１Ａは、側面側から入射して伝播した光を表面側に反射するプリズム状の反射溝３が裏面側に複数設けられた導光板２Ａと、該導光板２Ａの表面側に設けられ、個々の反射溝３に対応した複数のレンズ４が並べられたシート５とからなる面状光源用導光体６Ａと、該導光板２Ａの側面から光を入射可能に結合された光源７とを備えて構成されている。

ここでいう「プリズム状の反射溝３」とは、導光板２Ａ内を伝播する光を、伝播する面と略垂直方向に反射する面を有する構造体という意味であり、一般的なプリズム形状を有する必要はない。また、ここでいう「対応する」とは、一つの反射溝３に対して、その反射溝３から反射された光を主に集光する役割のレンズ４（後述する第２実施形態では凹面鏡８）が基本的に存在するという意味であり、必ずしも一対一の対応を意味しない。例えば複数の反射溝３に一つのレンズ４（又は凹面鏡８）が対応しても良い。

前記導光板２Ａは、透明な材料であればよく、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、などの合成樹脂からなる板や、ガラス板などが用いられ、その中でも透明性、加工の容易さなどの点からアクリル板が好ましい。
またレンズ４を有するシート５の材料としては、前記導光板２Ａと同様の合成樹脂材料、或いはフッ素樹脂などの低屈折率の合成樹脂材料が望ましい。

また、光源７としては、ＬＥＤ、冷陰極管などの液晶表示装置等の面状光源用の光源として従来公知の光源の中から、適宜選択して用いることができる。

本実施形態の面状光源１Ａは、導光板２Ａの表面側に設けたプリズム状の反射溝３によって側面側から入射して伝播した光を表面側に反射し、該表面側に配置されたレンズ４によってその光の拡散を制御して出射するので、出射する光の指向性を高めることができる。また、単純な構造であるため、薄型の面状光源１Ａを提供できる。

この面状光源１Ａは、一般の照明用の面状光源、例えば読書灯等に応用しても有用であるが、特に携帯電話機のように、他者に画面を見られるのを避けたい液晶表示装置用のバックライト等に適用する場合、光の広がり角を小さくすることができるので特に有用である。

また、本出願人が先に出願した特願２００４−１３０４７６に記載したシート状導光体のような、薄型で、光の伝播角度分布を小さくすることの可能な導光体と組み合わせることにより、高い効果を得ることができる。導光体を薄くすることにより、一方の面に反射溝を配置した場合に、反射した光がもう一方の面に到達したときの広がりが小さくなるので、マイクロレンズ等や凹面鏡のサイズも小さく、そのピッチも小さくとることができて、正面から見たときの輝度ムラを目立たなくすることができる。また、導光体内部での光の伝播角度分布が小さければ、反射溝で反射した光の広がり角自体も小さくなるので、前記と同様の効果が得られるとともに、レンズ４（又は凹面鏡８）の厚さ（高さ）も薄く（低く）できるので、液晶表示装置用のバックライトの厚さも低減にも寄与できるし、成形加工も容易となる。

この面状光源１Ａを液晶表示装置用のバックライトに適用する場合、反射溝３とレンズ４との間隔は、０．０３ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲が望ましく、０．０３ｍｍ〜０．２ｍｍの範囲がさらに望ましい。両者の間隔が前記範囲以上の厚さであると、レンズ４のサイズが大きくなりすぎて、拡散シート等を用いたとしても、正面から観察したときに輝点が目立ってしまう。また、両者の間隔が前記範囲以下であると、相対的に反射溝のサイズを小さくしなければならなくなって、加工が困難となる。

一般照明用の面状光源としては、特にこのような制限はないが、可撓性が求められる用途の場合には、材料にもよるが、導光板２Ａの厚さは、０．０５ｍｍ〜３ｍｍの範囲が望ましく、０．０５ｍｍ〜１ｍｍの範囲がさらに好ましい。この範囲以下の厚さでは、前記と同様に加工が困難となり、また、導光板自体の強度が得られ難くなる。

レンズ４の形状としては、反射溝３からの光の広がり角と、レンズ４から出射する光に要求される角度分布に応じて適宜設計すれば良いが、通常、球面、楕円球面、放物面、円柱面、楕円円柱面等の二次曲面の一部を主形状とする形状か、これらの二次曲面を複数組み合わせたフレネルレンズのような形状が望ましい。

また、レンズ４の表面には、反射戻り光を抑えるために反射防止コート（アンチリフレクション（ＡＲ）コート）を施しても良いし、指向性が強すぎる場合には、ある程度の散乱面を付与しても良い。

反射溝３となるプリズムの形状は、断面が三角形であり、光を反射する面の、導光板２Ａの面に対する傾斜角度が４０度〜５０度の範囲が望ましい。傾斜角度が前記範囲より小さいと、レンズ４で垂直方向に光を屈折、反射させることが困難となり、傾斜角度が前記範囲を超えると全反射条件を満たさなくなって散逸する光が多くなり、光の利用効率が低下する。また反射溝３のサイズは、高さ１μｍ〜５０μｍの範囲が望ましく、２μｍ〜３０μｍの範囲がさらに望ましい。反射溝３のサイズが前記範囲を超えるとレンズ４での集光が困難となり、また前記範囲より小さいと必要な輝度を得るための溝の数が多くなりすぎ、加工も困難となる。長さ（幅）は、導光板２Ａの幅を最大として自由に設定し得るが、液晶表示装置用のバックライトに適用する場合には５μｍ〜１０００μｍの範囲が望ましい。

面状光源１Ａとして、面内輝度を均一にするには、反射溝３及びレンズ４の分布密度を変化させるか、反射溝３のサイズを変化させるかの２種類の方法があり、いずれか又は両方の方法を適宜選択すればよい。

反射溝３及びレンズ４の分布に関して、モアレ等が問題になる場合には、分布に規則性をもたせないようにランダムに配置すればよい。

レンズ４を並べたシート５と導光板２Ａは、別々に成形したものを重ねて使用しても良いし、一体で成形しても良い。重ねて使用する場合には、導光板２Ａ内を伝播する光が漏れないように空気層を挟むか、導光板２Ａよりも屈折率が低く、やはり導光板２Ａ内を伝播する光が漏れない材料の層を挟む必要がある。レンズ４を形成すべきシート５と、反射溝３を形成すべき導光板２Ａを重ね、ホットスタンプ等の方法で一体成形すれば、後工程での精密な位置合わせの必要が無く製造コストが低減できるが、この場合にも、やはり導光板２Ａ内を伝播する光が漏れないように、シート５と導光板２Ａの間に導光板２Ａよりも充分に屈折率が低い材料の層を挟む必要がある。低屈折率の材料としてはフッ素系の樹脂が好適に使用される。

図２は、本発明の第２実施形態を示す断面図である。本実施形態の面状光源１Ｂは、側面側から入射して伝播した光を裏面側に反射するプリズム状の反射溝３が表面側に複数設けられた導光板２Ｂと、該導光板２Ｂの裏面側に設けられ、個々の反射溝３に対応した凹面鏡８が並べられたシート９とからなる面状光源用導光体６Ｂと、該導光板２Ａの側面から光を入射可能に結合された光源７とを備えて構成されている。

この凹面鏡８は、第１実施形態で用いたレンズ４を設けたシート５を成形後、その表面に真空蒸着法、スパッタ法、無電解めっき法などによってＡｌやＡｇなどの反射率の良好な金属薄膜を成膜して作製される。

この面状光源１Ｂを液晶表示装置用のバックライトに適用する場合、反射溝３と凹面鏡８との間隔は、０．０３ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲が望ましく、０．０３ｍｍ〜０．２ｍｍの範囲がさらに望ましい。可撓性が求められる用途の場合には、材料にもよるが、導光板２Ｂの厚さは、０．０５ｍｍ〜３ｍｍの範囲が望ましく、０．０５ｍｍ〜１ｍｍの範囲がさらに好ましい。反射溝３となるプリズムの形状は、断面が三角形であり、光を反射する面の、導光板の面に対する傾斜角度が４０度〜５０度の範囲が望ましい。反射溝３のサイズは、高さ１μｍ〜５０μｍの範囲が望ましく、２μｍ〜３０μｍの範囲がさらに望ましい。液晶表示装置用のバックライトに適用する場合、反射溝３の長さは５μｍ〜１０００μｍの範囲が望ましい。

この面状光源１Ｂは、導光板２Ｂの裏面に設けたプリズム状の反射溝３によって側面側から入射して伝播した光を導光板２Ｂの裏面側に反射し、該裏面側に配置された凹面鏡８によってその光の拡散を制御して導光板２Ｂの表面側から出射する構成としたので、出射する光の指向性を高めることができる。また、単純な構造であるため、薄型の面状光源１Ｂを提供できる。

図３は、本発明の第３実施形態を示す断面図である。本実施形態の面状光源１Ｃは、側面側から入射して伝播した光を表面側に反射するプリズム状の反射溝３が内部に複数設けられた導光板２Ｃと、該導光板２Ｃの表面側に設けられ、個々の反射溝３に対応したレンズ４が並べられたシート５とからなる面状光源用導光体６Ｃと、該導光板２Ｃの側面から光を入射可能に結合された光源７とを備えて構成されている。本実施形態において、反射溝３、レンズ４、シート５及び光源７は、前記第１実施形態と同様に構成することができる。

本実施形態の面状光源１Ｃは、導光板２Ｃの表面側に設けたプリズム状の反射溝３によって側面側から入射して伝播した光を表面側に反射し、該表面側に配置されたレンズ４によってその光の拡散を制御して出射するので、出射する光の指向性を高めることができる。また、単純な構造であるため、薄型の面状光源１Ｃを提供できる。

図４は、本発明の第４実施形態を示す断面図である。本実施形態の面状光源１Ｄは、側面側から入射して伝播した光を裏面側に反射するプリズム状の反射溝３が内部に複数設けられた導光板２Ｄと、該導光板２Ｄの裏面側に設けられ、個々の反射溝３に対応した凹面鏡８が並べられたシート９とからなる面状光源用導光体６Ｄと、該導光板２Ｄの側面から光を入射可能に結合された光源７とを備えて構成されている。本実施形態において、反射溝３、凹面鏡８、シート９及び光源７は、前記第１，２実施形態と同様に構成することができる。

本実施形態の面状光源１Ｄは、導光板２Ｄの内部に設けられた反射溝３によって側面側から入射して伝播した光を導光板２Ｄの裏面側に反射し、該裏面側に配置された凹面鏡８によってその光の拡散を制御して出射するので、出射する光の指向性を高めることができる。また、単純な構造であるため、薄型の面状光源１Ｄを提供できる。

［実施例１］
図３に示す構造の面状光源１Ｃを作製した。縦横１００ｍｍ、厚さ１００μｍのアクリルシートの片面（底面）に、断面が三角形をなし、その高さ３〜２０μｍ、幅３〜３０μｍ、反射面の傾斜角度（アクリルシート面に対する）４５度、反射面の角度８７度のプリズム状の反射溝３を、平均密度２５個／ｍｍ^２で形成した。反射溝３のサイズは、平均輝度が均一になるよう、光源７から遠ざかるほど大きくした。

このシートの底面に、同じく縦横１００ｍｍ、厚さ１ｍｍのアクリル板を熱圧着し、厚さ１．１ｍｍの導光板２Ｃとした。さらに、曲率半径Ｒ＝２００μｍ、高さ２０μｍのマイクロレンズ４を並べた１００ｍｍ角のシート５（レンズ厚さを含んだシート厚５０μｍ）を、反射溝３を設けたシートの上に重ね、面状光源用導光体６Ｃを作製した。マイクロレンズ４は、その中心と、個々のプリズム状反射溝３の、正面から見たときの反射面の中心が一致するように配置した。

導光板２Ｃの入射端面に、光源７として発光面サイズ３ｍｍ×１ｍｍのＬＥＤ５個を均等な間隔で配置して白色光を入射した。

面状光源用導光体６Ｃから出射する光の角度分布の中心を測定したところ、２２度であった。やや輝度分布にムラがあったので、さらに拡散シートを重ねたところ、ムラは解消された。この時の出射光の角度分布の中心は２８度であった。

［比較例１］
図５にその断面図を示すように、縦横１００ｍｍ、厚さ１ｍｍのアクリル板１２の一端面に、光源７として発光面サイズ３ｍｍ×１ｍｍのＬＥＤ５個を結合した。アクリル板１２の片面（裏面）に、断面が三角形をなし、高さ２０μｍ、幅３０μｍ、反射面の傾斜角度４５度、反射面の角度８７度のプリズム状の反射溝１３を、平均密度２５個／ｍｍ^２で形成した。反射溝１３の密度は、平均輝度が均一になるよう、光源７から遠ざかるほど大きくした。

アクリル板１２の上に２枚のプリズムシート１４を、軸が直交するように重ね、出射する角度分布を測定したところ、５４度であった。

本発明の第１実施形態を示す断面図である。 本発明の第２実施形態を示す断面図である。 本発明の第３実施形態を示す断面図である。 本発明の第４実施形態を示す断面図である。 比較例を示す断面図である。

符号の説明

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ…面状光源、２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ…導光板、３…反射溝、４…レンズ、５…シート、６Ａ，６Ｂ，６Ｃ，６Ｄ…面状光源用導光体、７…光源、８…凹面鏡、９…シート。

Claims (14)

1. 裏面側及び／又は内部に、側面側から入射して伝播した光を表面側に反射するプリズム状の反射溝が配置された導光板と、該導光板の表面側に、個々の反射溝に対応したマイクロレンズ又はシリンドリカルレンズが並べられたシートが配置されていることを特徴とする面状光源用導光体。
2. 表面側及び／又は内部に側面側から入射して伝播した光を裏面側に反射するプリズム状の反射溝が配置された導光板と、該導光板の裏面側に、個々の反射溝に対応した凹面鏡が並べられたシートとが配置されていることを特徴とする面状光源用導光体。
3. 導光板と、マイクロレンズ又はシリンドリカルレンズが並べられたシートが、導光板を構成する材料の屈折率よりも低い屈折率の材料からなる層を挟んで積層されていることを特徴とする請求項１に記載の面状光源用導光体。
4. 導光板と、凹面鏡が並べられたシートが、導光板を構成する材料の屈折率よりも低い屈折率の材料からなる層を挟んで積層されていることを特徴とする請求項２に記載の面状光源用導光体。
5. 反射溝とマイクロレンズ又はシリンドリカルレンズ又は凹面鏡との間隔が０．０３ｍｍ〜０．２ｍｍの範囲内であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の面状光源用導光体。
6. マイクロレンズ又はシリンドリカルレンズ又は凹面鏡の主形状が二次曲面又は二次曲面を複数組み合わせた形状であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の面状光源用導光体。
7. プリズム状の反射溝の断面が三角形であり、導光板の平面に対する主反射面の傾斜角度が４０度から５０度の範囲であり、その高さが１μｍ〜５０μｍの範囲内であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の面状光源用導光体。
8. マイクロレンズ又はシリンドリカルレンズの表面に反射防止コートが施されていることを特徴とする請求項１，３，５〜７のいずれかに記載の面状光源用導光体。
9. マイクロレンズ又はシリンドリカルレンズが並べられたシート表面又は導光板の表面が散乱面であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の面状光源用導光体。
10. 請求項１〜９のいずれかに記載の面状光源用導光体の製造方法であって、導光板に形成するプリズム状の反射溝と、シートに形成するマイクロレンズ又はシリンドリカルレンズ又は凹面鏡を、同時に形成し、これらを組み合わせて面状光源用導光体を作製することを特徴とする面状光源用導光体の製造方法。
11. 請求項１〜９のいずれかに記載の面状光源用導光体と、その導光板の側面から光を入射可能に結合された光源とを備えることを特徴とする面状光源。
12. 請求項１１に記載の面状光源を備えることを特徴とする照明装置。
13. 請求項１１に記載の面状光源を備えることを特徴とする看板。
14. 請求項１１に記載の面状光源を備えることを特徴とする液晶表示装置。

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