JP2007305428A - 導光板及びバックライト - Google Patents
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Abstract
【課題】出射面からの出射光の照度を従来より高めることができる導光板及びバックライトを提供する。
【解決手段】光源からの光が入射する入射面103と、入射面103に対して垂直に設けられた出射面101と、出射面101に対向する裏面102と、を有する導光板本体10と、裏面102上に設けられその表面が気体と接する透明膜11と、を備える。導光板本体10の裏面102には、入射面103の法線方向に対して交差する方向に伸びかつ断面が円弧形状とされた突条102a又は溝が複数形成され、透明膜11の屈折率が導光板本体10よりも高い導光板である。
【選択図】図1
【解決手段】光源からの光が入射する入射面103と、入射面103に対して垂直に設けられた出射面101と、出射面101に対向する裏面102と、を有する導光板本体10と、裏面102上に設けられその表面が気体と接する透明膜11と、を備える。導光板本体10の裏面102には、入射面103の法線方向に対して交差する方向に伸びかつ断面が円弧形状とされた突条102a又は溝が複数形成され、透明膜11の屈折率が導光板本体10よりも高い導光板である。
【選択図】図1
Description
本発明は導光板及びバックライトに関する。さらに詳しくは、液晶パネル等の表示素子を背面から照射するバックライト及びこれに用いられる導光板に関する。
近年、ブック型のワードプロセッサやコンピュータ、携帯電話機、携帯ゲーム機、携帯ミュージックプレイヤー及び携帯TVのような小型、薄型の機器の表示装置として、バックライトを有し薄型でしかも見易い液晶表示装置が用いられている。このような液晶表示装置のバックライトとしては、液晶パネルを背面から照射する面光源が用いられており、この面光源としては蛍光ランプ又はLED(発光ダイオード、有機EL素子等)よりなる光源と、光源からの光を側面から入射し、面状の光束に変換し出射面から出射する導光板と、を備えるサイドライト型面光源が一般的である。
そして、効率よく出射面から光を出射させるためには出射面と反対の裏面に凹凸を形成することが知られており、例えば、特許文献1には、断面が半円となる突条又は溝が裏面に形成された導光板が知られている。(例えば、特許文献1参照)。
特開2003−279753号公報
しかしながら、上述のような従来の導光板では、光源からの光を入射させた時に、裏面で反射されずに裏面から出射してしまう光が多いためか、出射面から出射される光量が十分でなく表示画面の品位が低下するという場合があった。
本発明では、上記課題に鑑みてなされたものであり、出射光の照度を十分に強くできる導光板及びこれを備えたバックライトを提供することを目的とする。
本発明者らは鋭意検討したところ、断面円弧形状の突条又は溝が形成された導光板本体の裏面に導光板本体よりも屈折率の高い透明膜を形成することや、導光板の裏面に形成する断面円弧形状の突条また溝の中心角を所定の値とすることにより、出射光の照度を従来に比して高めることができることを見出し、本発明に想到するに至った。
本発明に係る導光板は、光源からの光が入射する入射面と、入射面に対して垂直に設けられた出射面と、出射面に対向する裏面と、を有する導光板本体と、裏面上に設けられ表面が気体と接する透明膜と、を備える。そして、導光板本体の裏面には、入射面の法線方向に対して交差する方向に伸びかつ断面が円弧形状とされた突条又は溝が複数形成され、透明膜の屈折率が導光板本体よりも高くされている。
このような導光板によれば、半円形状の突条や溝を備え且つ表面に透明膜が形成されていない従来の導光板に比して、出射光の光の照度が十分に高められる。
この理由としては、断面円弧形状の複数の突条又は溝が形成された導光板本体の裏面に導光板本体よりも屈折率の高い透明膜を形成すると、透明膜と空気等の気体との屈折率差が大きくなり、透明膜と気体との界面での臨界角θcの範囲が広くなり、導光板の裏面においてより多くの光を反射させることが可能となり、出射面から出射される光の照度(以下、放射照度と呼ぶことがある。)を向上させることができるものと考えられる。
ここで、導光板本体の屈折率は1.4〜1.7より好ましくは、1.45〜1.55であり、透明膜の屈折率は1.8〜3.0であることが好ましい。
また、十分に出射光の照度を高めるためには、突条又は溝の各円弧の中心角を2αとした時にαが5〜90°であることが好ましく、αが15〜65°であることがより好ましく、αが25〜45°であることがさらに好ましい。
また、透明膜は酸化チタン膜であることが好ましい。
本発明に係る第2の導光板は、光源からの光が入射される入射面と、入射面に対して垂直に設けられた出射面と、出射面と対向すると共に気体と接する裏面と、を備え、屈折率が1.4〜1.7である。そして、導光板の裏面には、入射面の法線方向に対して交差する方向に伸びかつ断面が円弧形状とされた突条又は溝が複数形成され、各円弧の中心角を2αとした時にαが2〜65°である。
このような導光板でも、従来の如き半円形状、すなわち、α=90°の突条や溝等を備える導光板に比して、照度を高めることができる。
ここで、第2の導光板において、より一層出射光の照度を高めるためには、屈折率が1.45〜1.55、かつ、αが3〜55°であることが好ましく、αが4〜10°であることがより好ましい。また、屈折率が1.55〜1.65、かつ、αが5〜60であることが好ましい。
また、上述の第1及び第二の導光板において、複数の突条又は溝の間隔をLとし、突条又は溝の円弧の半径をrとした時に、0≦L≦2mm、かつ、0.1mm≦r≦1mm、かつ、0≦L/r≦3を満たすことが好ましい。
また、上述の第1及び第二の導光板において、複数の突条又は溝の間隔をLとし突条又は溝の円弧の半径をrとし、入射面に近い側におけるL/rの値をC1とし、入射面から遠い側におけるL/rの値をC2とした時に、C1>C2であることも好ましい。
本発明にかかるバックライトは、上述のいずれかの導光板を備えたバックライトである。このバックライトは、導光板以外に例えば光源等を備えることができる。
本発明の導光板によれば、出射面から出射する出射光の照度を従来より高めることができる。したがって、液晶表示装置の液晶パネル等の表示素子を背面から照射するバックライトに本発明の導光板を用いることにより高品位の表示画面を提供できる。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図中、同一の要素には同一の符号を付した。
(第1実施形態)
まず、本実施の第1実施形態として、図1に示すようなサイドライト型面状光源としてのバックライトB1を備える液晶表示装置Dについて説明する。液晶表示装置Dは、バックライトB1と液晶表示素子60とを備えている。
まず、本実施の第1実施形態として、図1に示すようなサイドライト型面状光源としてのバックライトB1を備える液晶表示装置Dについて説明する。液晶表示装置Dは、バックライトB1と液晶表示素子60とを備えている。
液晶表示素子60は、液晶セル2、及び偏光板3、4によって構成されている。液晶セル2の上下両側にそれぞれ偏光板3、4が配置されている。液晶セル2としては、例えば、TFT型、STN型等の公知の液晶表示素子を用いることができる。
バックライトB1は、導光板70、反射部14、及び、光源部160を備えている。液晶表示素子60の下側の偏光板4の下面側に導光板70が設けられている。導光板70は、主として、導光板本体10、及び、透明膜11を備えている。
導光板本体10は、その上面が出射面101とされた略直方体形状の板状体であり、偏光板4の下に配置されている。この導光板本体10は、出射面101の側面(例えば、出射面に対して80〜100°をなすように形成された側面)に設けられた入射面103と、出射面101と対向する裏面102と、入射面103と対向する側面104と、を備えている。
導光板本体10の屈折率は、例えば、1.4〜1.7程度である。このような屈折率を有する導光板本体の材料としては、例えば、アクリル、ポリスチレン、ポリカーボネート系等の無色透明の樹脂を例示できる。例えば、アクリルの一種であるPMMAの屈折率は1.49である。
導光板本体10の厚みは、例えば、1.0〜10.0mm程度である。
導光板本体10の裏面102には、断面が円弧となる突条102aが複数並んで設けられている。
図2は導光板70の拡大断面図である。ここで、導光板本体10の裏面102に形成された各突条102aの円弧において、中心角を2αとし、半径をrとする。また、各突条102a間の間隔をLとする。ここで、間隔Lとは、図2に示すように、互いに隣接する一対の突条102aにおいて、一方の突条102aにおける他方の突条102aに近い側の円弧の開始点と、他方の突条102aにおける前記一方の突条102aに近い側の円弧の開始点と、の間の距離のことである。なお、突条でなく溝の場合にも距離Lは同様に定義できる。
そして、本実施形態では、各突条102aの中心角2αは特に限定されないが、出射光の照度が十分なものとなるようにすべく、α=5〜90°とすることが好ましく、α=15〜65°とすることがより好ましく、α=25〜45°とすることが一層好ましい。
また、Lやrの値は特に限定されず、例えば、0≦L/r≦3とすることができるが、出射光の照度を十分高めるためにはL/r=0であることが好ましい。また、rの具体例としては0.1mm≦r≦1.0mm、Lの具体例としては、0≦L≦2.0mmとすることができる。
なお、各突条102aの各円弧における半径r及びαは互いに同一であってもよく、互いに異なっていてもよい。また、Lの値も、図1の左右方向においてすべて同一であっても良いが、互いに異なる値とすることができる。
また、出射面101における入射面103に近い側(図1の左側)と、出射面101における入射面103から遠い側(図1の右側)との間で放射照度が偏ることを抑制すべく、裏面102において入射面103から離れるほど(図1の右側に向かうほど)L/rが小さくなるように突条102aを配置することも好ましい。言い換えると、複数の突条又は溝の間隔をLとし突条又は溝の円弧の半径をrとし、入射面に近い側におけるL/rの値をC1とし、入射面から遠い側におけるL/rの値をC2とした時に、C1>C2であることが好ましい。(たとえば、後述の図10を参照)。
これらの突条102aの長さ方向の形態は特に限定されず入射面103の法線方向と交差する方向に伸びていればよい。例えば、後述する光源6が入射面103に沿う線状の光源(例えば、冷陰極管等)であれば、これに対応して、各突条102aを、光源6と平行に配置された直線状とし、互いに略平行に並べることが好ましい。また、光源6が点光源(例えば、LED等)であれば、各突条102aを、光源6を取囲むような弓状とし、互いに同心円状に並べて配置することが好ましい。
裏面102上には、屈折率が導光板本体10よりも高い透明膜11が、各突条102aによって形成される外形形状に沿って形成されている。透明膜11の屈折率は、1.8〜3.0程度、好ましくは2.0以上、より好ましくは2.2以上、さらに好ましくは2.5以上である。このような透明膜11の材料としては、酸化チタン(屈折率2.6)、ITO(屈折率2.0)等が例示できる。
透明膜11の厚みとしては、導光板本体10の裏面102から出射しようとする光に対して反射あるいは屈折現象を生じさせ得る光学的距離以上であれば良く、例えば、2μm〜0.1mm程度とすることができる。このような透明膜11は、公知のスパッタリング法やゲル状の膜材料の塗布法等により容易に形成できる。
光源部160は、導光板本体10の入射面103に対向するように配置されている。光源部160は、光源6、集光レンズ8、及び、反射板7を有している。導光板本体10の入射面103に面して光源6が配置され、この光源6と導光板本体10との間に集光レンズ8が配置され、光源6のさらに外側に反射板7が配置されている。光源部160からの光は入射面103から導光板本体10内に入射する。
さらに、導光板本体10の側面104、及び、導光板本体10の裏面102に面して、導光板70から出射された光を反射して導光板本体10に再び入射させる反射部14が配置されている。反射部14としては、例えば、白色反射板等が用いられる。なお、導光板70と反射部14との間には空気の層が形成されるようになっており、透明膜11の表面は空気等の気体と接触している。
このような導光板70によれば、出射面101から出射される光の放射照度が従来に比べて十分に高くなる。
この理由としては、断面円弧形状の複数の突条102aが形成された導光板本体10の裏面102に導光板本体10よりも屈折率の高い透明膜11を形成すると、透明膜11と空気等の気体との屈折率差が大きくなるので、透明膜11と気体との界面での臨界角θcの範囲が広くなり、導光板70の裏面においてより多くの光を反射させることが可能となり、出射面101から出射される光の放射照度を向上させることができるものと考えられる。
(第2実施形態)
続いて、本発明の第2実施形態について図3を参照して説明する。本実施形態の液晶表示装置DのバックライトB2が、第1実施形態のバックライトB1と異なる点は、導光板本体10の厚みが一定でなく、入射面103から離れるにしたがって導光板本体10の厚みが薄くなるように、裏面102が出射面101に対して傾斜している点である。傾斜角度θは、例えば、15°以下とすることが好ましい。
続いて、本発明の第2実施形態について図3を参照して説明する。本実施形態の液晶表示装置DのバックライトB2が、第1実施形態のバックライトB1と異なる点は、導光板本体10の厚みが一定でなく、入射面103から離れるにしたがって導光板本体10の厚みが薄くなるように、裏面102が出射面101に対して傾斜している点である。傾斜角度θは、例えば、15°以下とすることが好ましい。
このようなバックライトB2においても、第1実施形態と同様に断面円弧形状の複数の突条102aが形成された導光板本体10の裏面102に対して透明膜11が形成されているので、第1実施形態と同様の作用効果を奏する。
(第3実施形態)
続いて、本発明の第3実施形態について図4を参照して説明する。本実施形態のバックライトB3が、第1実施形態のバックライトB1と異なる点は、導光板本体10の裏面102において、複数の突条102aに代えて断面円弧の複数の溝102bが形成されている点である。
続いて、本発明の第3実施形態について図4を参照して説明する。本実施形態のバックライトB3が、第1実施形態のバックライトB1と異なる点は、導光板本体10の裏面102において、複数の突条102aに代えて断面円弧の複数の溝102bが形成されている点である。
溝102bの円弧における中心角2α及び半径rは図4に示すように第1実施形態と同様に定義され、また、中心角2α、半径r、溝102bの長さ方向の形態、間隔L等は第1実施形態と同様である
このようなバックライトB3においても、第1実施形態と同様の円弧形状を備える複数の溝102bが形成された導光板本体10の裏面102に対して透明膜11が形成されているので、第1実施形態と同様の作用効果を奏する。
(第4実施形態)
続いて、本発明の第4実施形態について図5を参照して説明する。本実施形態のバックライトB4が、第1実施形態のバックライトB1と異なる第1の点は、導光板本体10の裏面102において透明膜11が無く、導光板本体10の裏面102が空気等の気体と接触している点である。本実施形態においては、導光板本体10のみで導光板70を構成している。
続いて、本発明の第4実施形態について図5を参照して説明する。本実施形態のバックライトB4が、第1実施形態のバックライトB1と異なる第1の点は、導光板本体10の裏面102において透明膜11が無く、導光板本体10の裏面102が空気等の気体と接触している点である。本実施形態においては、導光板本体10のみで導光板70を構成している。
また、本実施形態のバックライトB4が、第1実施形態のバックライトB1と異なる第2の点は、各突条102aの中心角を2αとしたときに、αが2〜65°に設定されている点である。
導光板本体10の好ましい屈折率は、1.4〜1.7程度である。特に、屈折率が1.45〜1.55であり、かつ、αが3〜55°であることが好ましく、αが4〜10°であることが一層好ましい。また、屈折率が1.55〜1.65であり、かつ、αが5〜65°であることが好ましい。
このようなバックライトB3においては、所定の角度αを有する断面円弧の複数の溝102bが形成されているので、透明膜が無くても十分に出射光の放射照度を高めることができる。
(計算例)
(計算例1A,1B)
図6の白丸(計算例1A)、白四角(計算例1B)のデータは、実施例4すなわち図5に示したバックライトB4を用いて導光板70の出射面101から出射する光の面内平均放射照度がどのようになるか、中心角2αを種々変えてコンピュータによりシミュレーション計算した結果を示すグラフである。
(計算例1A,1B)
図6の白丸(計算例1A)、白四角(計算例1B)のデータは、実施例4すなわち図5に示したバックライトB4を用いて導光板70の出射面101から出射する光の面内平均放射照度がどのようになるか、中心角2αを種々変えてコンピュータによりシミュレーション計算した結果を示すグラフである。
このコンピュータシミュレーションにおいて、入射面の各位置から図5の角度範囲φが、−45°≦φ≦+45°となる光を入射させ、導光板70内で反射して最終的に出射面101面から出射する光の照度を見積もった。導光板の厚み3mm、図5の水平方向の導光板の長さ50mm、導光板の屈折率1.49(白丸(計算例1A))、1.60(白四角(計算例1B))、円弧半径r=0.5mm、L=0とした。
図6の白丸及び白四角からわかるように、透明膜11が無い場合には、αが2〜65°で平均放射照度が従来の半円形状の突条、すなわち、α=90°の場合に比べて十分によくなる(図6では例えば1.5×107W/m2程度以上)。特に計算例A1(白丸)の場合、αが3〜55°であるとより好ましく(図6では例えば2.5×107W/m2程度以上)、αが4〜10°であると一層好ましい(図6では例えば3.0×107W/m2程度以上)事がわかった。計算例A2(白四角)の場合は、αが5〜65°であると好ましい。
ここで、実施例4のような透明膜11の無いバックライトB4では、導光板本体10の屈折率が1.4〜1.7であれば、中心角2αが上述の角度に設定されている限り上述のような特性が発現する。
このような導光板では、導光板と外部との屈折率差により導光板から飛び出る光の臨界角条件が決定する。上記屈折率では、臨界角が40°前後になる。また、出射面101から効率的に光を出射させるには、裏面102では臨界角条件のまま全反射させることが好ましい。実施例4等では、裏面102に断面略円弧の突条102aを設けることで、突条102aで反射した光の軌跡を変更することができ、表面101での臨界角条件を克服することができる。すなわち、上述の範囲αでは、裏面102での反射効果が大きいため、出射面101へ進む光の減少量が従来に比して少ないと考えている。また、裏面102が略円弧であるので、断面三角の突条や溝の場合と異なり、裏面102に進入する光線の位置に応じて反射する光の方向が連続的に変わるため、出射面101からの放射照度の光源からの位置依存性も緩和されると考えている。
また、裏面102に形成されたものが突条102aでなく溝102bであっても、また、導光板70の断面がくさび状、すなわち、裏面102が斜面とされていても、中心角2αが上述の角度に設定されていれば同様の反射効果により同様の性質が得られる。
(計算例2A,2B)
図6の黒丸(計算例2A),黒四角(計算例2B)のデータは、図1に示した構成のバックライトB1を用いて導光板70の透明膜11に到達する光の面内平均放射照度がどのようになるか、中心角2αを種々変えてコンピュータによりシミュレーション計算した結果を示すグラフである。屈折率2.6(黒丸(計算例2A))、屈折率2.0(黒四角(計算例2B))で厚み0.05mmの透明膜11を設けた以外は計算例1と同様に計算した。
図6の黒丸(計算例2A),黒四角(計算例2B)のデータは、図1に示した構成のバックライトB1を用いて導光板70の透明膜11に到達する光の面内平均放射照度がどのようになるか、中心角2αを種々変えてコンピュータによりシミュレーション計算した結果を示すグラフである。屈折率2.6(黒丸(計算例2A))、屈折率2.0(黒四角(計算例2B))で厚み0.05mmの透明膜11を設けた以外は計算例1と同様に計算した。
図6の黒丸及び黒四角からわかるように、透明膜11がある場合には、αが90°以下の極めて広い範囲において、透明膜11が無い半円状の突起(α=90°の白丸参照)を有する従来の導光板に比べて平均放射照度が高まり、特に、αが5〜90°の範囲であると好ましく(図6では例えば1.5×107W/m2程度以上)、αが15〜65°であるとより好ましく(図6では例えば2.5×107W/m2程度以上)、αが25〜45°であることが一層好ましい(図6では例えば3.0×107W/m2程度以上)ことが解った。
なお、第2実施形態や第3実施形態のバックライトでも透明膜11により同様の作用効果が発現することは明らかである。これらは、透明膜11の導光板側の面及び/又は透明膜11の外側の面での反射効果があると考えられる。
続いて、計算例1、すなわち、第4実施形態におけるバックライトB4(図5参照)について、図6のa点、b点、c点の各条件における、導光板の出射面から出射する出射光の角度分布を図7(a)に示す。なお、角度分布とは、図7(b)のように導光板70を覆う半球状の仮想受光面Fを設けた場合に各出射面から受光面Fの各角度で受ける光の放射強度の角度分布である。なお、角度分布がある場合でも、適切なプリズムシートの採用等により実用上の問題は少ない。
また、図8は、計算例1、すなわち、第4実施形態におけるバックライトB4について、図6のa点、b点の各条件における、出射面上の入射面からの距離と、各位置での出射光の放射照度分布と、の関係を示す図である。aのほうが均一性は高い。
図9は、計算例1Aにおけるα=53.13°の場合、計算例2Aにおけるα=53.13°の場合、後述する計算例3及び比較例の場合において、出射面上の入射面からの距離と、各位置での出射光の放射照度との関係を調べた表である。
計算例3では、図10に示すように、L/rが光源部からの距離に応じて3段階に代えられており、光源部に近い1/3の部分ではL/r=0.6/0.25、中間部の1/3の部分ではL/r=0.4/0.375、光源部から遠い1/3の部分ではL/r=0/0.625とした以外は計算例2Aの条件と同じである。なお、図10中のkは、k=2r・sin(α)により定義され、上述のαを代入するとk=1.6rとなる。
比較例は、計算例1Aにおけるα=90°の場合である。
計算例1A,2A,3では、概ね良好な場所的分布を示している。特に、計算例3では、光源部から遠い部分の突条の配置を密にしているので、均一性が高くなった。
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されることなく、種々の変形態様を構成することができる。
例えば、第2実施形態のような楔形の導光板において、突条102aに代えて溝102bを採用してもよい。
また、第4実施形態のバックライトにおいて、第2実施形態のように導光板本体を楔形にしても良く、また、第3実施形態のように突条を溝に代えてもよく、楔形かつ溝を有してもよい。
また、突条や溝の円弧形状は、完全な真円弧でなくてもよく、略円弧であればよい。
また、突条や溝の円弧形状は、完全な真円弧でなくてもよく、略円弧であればよい。
6…光源、10…導光板本体、11…透明膜、70…導光板、101…出射面、102…裏面、102a…突条、102b…溝、103…入射面。
Claims (13)
- 光源からの光が入射する入射面と、前記入射面の側面に設けられた出射面と、前記出射面に対向する裏面と、を有する導光板本体と、
前記裏面上に設けられその表面が気体と接する透明膜と、を備え、
前記導光板本体の裏面には、前記入射面の法線方向に対して交差する方向に伸びかつ断面が円弧形状とされた突条又は溝が複数形成され、
前記透明膜の屈折率が前記導光板本体よりも高い導光板。 - 前記導光板本体の屈折率は1.4〜1.7であり、前記透明膜の屈折率は1.8〜3.0である請求項1に記載の導光板。
- 前記各円弧の中心角を2αとした時にαが5〜90°である請求項1から又は2に記載の導光板。
- 前記各円弧の中心角を2αとした時にαが15〜65°である請求項1又は2に記載の導光板。
- 前記各円弧の中心角を2αとした時にαが25〜45°である請求項1又は2に記載の導光板。
- 前記透明膜は酸化チタン膜である請求項1〜5のいずれかに記載の導光板。
- 光源からの光が入射する入射面と、前記入射面の側面に設けられた出射面と、前記出射面と対向すると共に気体と接する裏面と、を備え、
屈折率が1.4〜1.7であり、
前記裏面には、前記入射面の法線方向に対して交差する方向に伸びかつ断面が円弧形状とされた突条又は溝が複数形成され、
前記各円弧の中心角を2αとした時にαが2〜65°である導光板。 - 前記屈折率が1.45〜1.55であり、前記αが3〜55°である請求項7に記載の導光板。
- 前記屈折率が1.45〜1.55であり、前記αが4〜10°である請求項7に記載の導光板。
- 前記屈折率が1.55〜1.65であり、前記αが5〜65°である請求項7に記載の導光板。
- 前記複数の突条又は溝の間隔をLとし、前記突条又は溝の円弧の半径をrとした時に、0≦L≦2mm、かつ、0.1mm≦r≦1mm、かつ、0≦L/r≦3を満たす請求項1〜10のいずれかに記載の導光板。
- 前記複数の突条又は溝の間隔をLとし前記突条又は溝の円弧の半径をrとし、前記入射面に近い側におけるL/rの値をC1とし、前記入射面から遠い側におけるL/rの値をC2とした時に、C1>C2である請求項1〜11のいずれかに記載の導光板。
- 請求項1〜12のいずれかに記載の導光板を備えたバックライト。
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-
2006
- 2006-05-11 JP JP2006132945A patent/JP2007305428A/ja active Pending
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