JP2007334151A - 導光板、およびそれを用いる面状照明装置、ならびに液晶表示装置 - Google Patents
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【解決手段】面状照明装置2は導光板18と光源12とを有する。導光板18は、外形形状が矩形状の光射出面18aと、光射出面18の四辺にそれぞれ接続されている4つの側面18c、18d、18e、18fと、それら4つの側面から中央に向かうに従って光射出面18aから遠ざかるように傾斜する4つの傾斜面18g、18h、18i、18jから構成される背面18bとを有する。導光板18の4つの側面に対向するように4つの光源12が配置される。
【選択図】図2
Description
また、本発明の別の目的は、輝度むらが殆どない大面積の面状の照明光を出射することができる軽量で薄型且つ大型の面状照明装置を提供することにある。
本発明の更に別の目的は、軽量かつ薄型で表示面積の大きな液晶表示装置を提供することにある。
1.1≦ΦNPLGKC≦8.2
0.005≦KC≦0.1
1≦La/Lb≦2
を共に満足するのが好ましい。
また、前記背面の略中央が、曲面状に形成されているのが好ましい。
また、前記背面を構成する前記4つの傾斜面の接続部分が、曲面で形成されているのが好ましい。
また、前記最大厚みDmaxと前記最小厚みDminの比が、下記式
1<(Dmax/Dmin)≦4
を満足するのが好ましい。
また、前記発光ダイオードの発光密度は、2.0[lm/mm2]以上であるのが好ましい。
また、本発明の第2の態様の面状照明装置は、さらに、透明な樹脂製のシートの表面上に複数の角錐形状のプリズムが規則的に配置されたプリズムシートを前記導光板の光射出面側に備えるのが好ましい。
図1は、本発明に係る面状照明装置を備える液晶表示装置の概略を示す分解側面図である。また、図2は、本発明に係る面状照明装置(以下、バックライトユニットという)の概略構造の分解斜視図である。図1に示されるように、液晶表示装置10は、基本的に、バックライトユニット2と、バックライトユニット2の光出射面側に配置される液晶表示パネル4と、それらを駆動するための駆動ユニット6(バックライトユニット2との接続部は図示せず)とを有する。
液晶表示パネル4には、例えば、GH,PC,TN,STN,ECB,PDLC,IPS(In-Plane Switching),VA(Vertical Aligned)方式の各種(MVA,PVA,EVA)、OCB、強誘電性液晶、反強誘電性液晶などの液晶表示モードに従う液晶表示パネルを利用することができる。また、液晶表示パネル4の駆動方式も特に限定されず、単純マトリクス方式、アクティブマトリクス方式など既に知られた駆動方式を利用することができる。
また、駆動ユニット6は、液晶表示パネル4内の透明電極(図示しない)に電圧をかけ、液晶分子の向きを変えて液晶表示パネル4を透過する光の透過率を制御したりすることができる。
図に示されるように、導光板の4つの側面にそれぞれ対向して4つの光源12が配置されている。各光源12は、複数の白色LED20から構成されており、それぞれのLED20が、導光板18の4つの側面18c、18d、18eおよび18fに対向するように配置されている。複数のLED20は一定の間隔で配置されており、導光板18の4つの側面18c、18d、18eおよび18fを取り囲んでいる。光源12から出射した光は、4つの側面18c、18d、18eおよび18fから導光板18の内部に入射する。
導光板18の側面に対向して配置されるそれぞれのLEDは、その側面の反対側の側面に対向して配置されるそれぞれのLEDと、導光板18を介して同軸上に配置されていてもよいし、互いにずれて配置されていても良い。
また、図4に示すように、RGB−LED30は、R−LED32、G−LED34およびB−LED36からそれぞれ出射する光が所定の位置において交差するように、3種類のLED(R−LED32、G−LED34およびB−LED36)の光軸の向きが調整されている。このように3種類のLEDを調整することによって、それらLEDの光が混色されて白色光とされる。
ここでは、カップリングレンズとしてボールレンズを用いたが、これに限らず、LEDが発する光を平行光にすることができれば特に限定されない。カップリングレンズには、例えば、シリンドリカルレンズ、レンチキュラ、かまぼこ型のレンズ、フレネルレンズなどを用いることもできる。
また、本実施形態では光源としてLEDを用いたが、本発明はこれに限定されず、個繧繝として、冷陰極管、熱陰極管、または、外部電極蛍光管などを用いることもできる。
導光板18は、図2、図5(A)〜(C)に示すように、略矩形形状の平坦な光射出面18aと、四角錐形状の背面18bと、光射出面18aに垂直な4つの矩形状の側面18c、18d、18eおよび18fとを有している。本発明に従う導光板18では、4つのそれぞれの側面18c、18d、18eおよび18fから光源の光が入射され、これら4つの側面18c、18d、18eおよび18fが光の入射面である。導光板18の側面18c、18d、18eおよび18fは平坦に形成されており、上述したように、それぞれの側面18c、18d、18eおよび18fに対向して光源12が配置されている。
導光板18の厚さは特に限定されないが、中央部が最も厚くなりすぎると、導光板全体が厚くなってしまうという理由から、最大厚みと最小厚みの比は、4未満であることが好ましい。
また、特に、最大厚みと最小厚みの比が、1.5〜2.5であるのが好ましく、最も好ましくは、2程度であることが良い。その理由は、現在使用されているLEDを用いたライン光源の厚さは、最小のものでも、約1〜2mm程度であり、これに対して従来技術で用いられる平板の導光板は、約5〜8mmである。本発明は、従来に比べて、光利用効率を最大化しながら薄型化を実現することが好ましい条件であることから、導光板の最大厚みを約2〜4mmとすることが可能な条件が好ましいからである。
また、導光板18の背面18bの中央部分を、光射出面18aに平行となるような平坦面で形成しても良いし、曲面に形成しても良い。このように導光板18の背面18bの中央部分を、光射出面18aに平行な平坦面または曲面で形成することによって、光射出面18aの中央部分において暗部が発生することを低減することができ、輝度むらが一層低減された照明光を得ることができる。
また、導光板18の背面18bにおいて、隣接する傾斜面の接続部分の全部または一部を曲面で構成してもよい。このように、導光板18の背面18bの隣接する傾斜面の接続部分を曲面で構成することによって、光射出面18aの、傾斜面の接続部分に対応する部分において暗線が発生することを低減することができ、輝度むらがより一層低減された照明光を得ることができる。
導光板18に用いられる透明樹脂の材料としては、例えば、PET(ポリエチレンテレフタレート)、PP(ポリプロピレン)、PC(ポリカーボネート)、PMMA(ポリメチルメタクリレート)、ベンジルメタクリレート、アクリル樹脂、MS樹脂、あるいはCOP(シクロオレフィンポリマー)のような光学的に透明な樹脂が挙げられる。導光板18に混錬分散させる散乱粒子としては、アトシパール、シンコーン、シリカ、ジルコニア、誘電体ポリマなどを用いることができる。このような散乱粒子を導光板18の内部に含有させることによって、均一で輝度むらが少ない照明光を光出射面から出射することができる。
1.1≦ΦNPLGKC≦8.2 ・・・(1)
0.005≦KC≦0.1 ・・・(2)
1≦La/Lb≦2 ・・・(3)
上記式(1)、(2)および(3)を共に満たすように、導光板を構成することによって、光利用効率を高め、輝度の面内均一性を同時に実現することができる。以下、その理由を説明する。
T=I/I0=exp(−ρ・x)(4)
ここで、xは光の伝搬距離、I0は入射光強度、Iは出射光強度、ρは減衰定数である。
上記減衰定数ρは、散乱粒子の散乱断面積Φと媒質に含まれる単位体積当たりの散乱粒子数Npとを用いて下記式(5)で表される。
ρ=Φ・Np・・・(5)
したがって、導光板における光軸方向の長さをLGとすると、光の取出効率Eoutは、下記式(6)で与えられる。ここで、導光板の光軸方向の半分の長さLGは、導光板18の光入射面に垂直な方向における導光板18の一方の光入射面から導光板18の中心までの長さとなる(すなわち、1つの光入射面に入射された光が光出射面から射出されるべき最も遠い距離ということもできる)。したがって、例えば、図1および図2に示す導光板18の場合には、端導光板における光軸方向の長さLGは、光の入射方向(光軸方向)における導光板の長手方向の半分の長さLa/2となる。
また、光の取出効率とは、入射光に対する、導光板の光入射面から光軸方向に長さLG離間した位置に到達する光の割合であり、例えば、図1および図2に示す導光板18の場合は、端面(光入射面)に入射する光に対する導光板18の中心(導光板の光軸方向(特に、長手方向)の半分の長さとなる中央点の位置)に到達する光の割合である。
Eout∝exp(−Φ・Np・LG)・・・(6)
Eout=exp(−Φ・Np・LG・KC)・・・(7)
この結果より、Φ・Np・LG・KCの値が大きくなると、光の取出効率Eoutが低くなることが分かる。光は導光板の光軸方向へ進むにつれて散乱するため、光の取出効率Eoutが低くなると考えられる。
ここで、Φ・Np・LG・KCの値を大きくすると、導光板18の光射出面18aから出射する光の照度むらが顕著になるが、Φ・Np・LG・KCの値を8.2以下とすることにより、照度むらを一定以下(許容範囲内)に抑えることができる。なお、照度と輝度は略同様に扱うことができる。従って、本発明においては、輝度と照度とは、同様の傾向があると推測される。
また、補正係数KCは、上記式(2)のように、0.005以上0.1以下であることが好ましい。
また、図10に、Φ・Np・LG・KCの値と光利用効率(光入射面に入射する光に対して光射出面から射出される光の割合)との関係を測定した結果を示す。
また、Kcを0.005以上とすることで、光利用効率を高くすることができ、0.1以下とすることで、導光板からの射出される光の照度むらを小さくすることができることがわかる。
このようにして種々の粒子密度の導光板について、それぞれ光射出面から射出される光の照度分布を測定した結果を図11に示す。図11は、縦軸を照度[lx]とし、横軸を導光板の一方の光入射面からの距離(導光長)[mm]とした。
図12に、算出した照度むらと粒子密度との関係を示す。図12では、縦軸を照度むら[%]とし、横軸を粒子密度[個/m3]とした。また、図12には、横軸を同様に粒子密度とし、縦軸を光利用効率[%]とした、光利用効率と粒子密度との関係も併せて示す。
ここで、Φ・Np・LG・KCを1.1以上8.2以下とすることで、光利用効率を50%以上とし、かつ、照度むらを150%以下とすることができる。照度むらを150%以下とすることで、照度むらを目立たなくすることができる。
以上から、Φ・Np・LG・KCを1.1以上8.2以下とすることで、光利用効率を一定以上とし、かつ照度むらも低減することができ、Kcを0.005以上とすることで、光利用効率を高くすることができ、0.1以下とすることで、導光板からの射出される光の照度むらを小さくすることができる。
本発明に従うバックライトユニットでは、図2および図5(A)〜(C)に示されるように、導光板18の4つの側面18c、18d、18eおよび18fから光を入射させる。ここで、導光板18の光射出面18が正方形ではなく長方形である場合は、導光板18の4つの側面18c、18d、18eおよび18fから光を入射させたときに、長手方向に平行な側面18dおよび18gから入射する光が光射出面18aの略中央から出射されるまでの導光長(光路長)と、長手方向に垂直な側面18cおよび18eから入射する光が光射出面18aの略中央から出射されるまでの導光長が異なってしまう。そのため、導光板18の長手方向の長さをLa[m]、長手方向に垂直な方向(短手方向)の長さをLb[m]としたときに、これらの比(La/Lb)が大きすぎると、以下のような問題が起こる。
これに対し、導光板18の長手方向に垂直な2つの側面18cおよび18eから入射した入射光のほとんどを光出射面18aから出射させるために、上記式におけるLGにLaを代入して上記式(1)および(2)に基づいて導光板18に含ませる散乱粒子の粒子密度および散乱断面積を調整すると、長手方向に平行な2つの側面18dおよび18gからそれぞれ入射した光に対して、導光板18の中央部を通過して反対側の側面から出射する光の割合が増加して、光利用効率が低下してしまう恐れがある。
そこで、本発明では、上記式(1)、(2)および(3)を共に満たすように、すなわち、Φ・Np・LG・KCの値が1.1以上8.2以下となり、かつ、導光板の長手方向の長さLaとそれに垂直な方向の長さLbとの比La/Lbが1以上2以下となるように、導光板を構成する。これにより、導光板の光利用効率が高められ、輝度の面内均一性の高い照明光が得られる。
以上が、本発明に用いられる散乱粒子分散導光板が、上記関係式(1)、(2)および(3)を満足するようにする理由である。
また、皿に、同一の発光密度で光源を配置させる場合、従来と同一の出射輝度を維持しながら導光板の厚さを1/4倍または1/2倍にすることができるので、従来に比べて薄型化を達成できる。
さらには、従来の導光板と同一の厚さで本発明の導光板を構成し、従来と同一の発光密度の光源を用いてバックライトユニットを構成した場合には、光源に投入する電力を従来よりも低減させても従来と同一の出射輝度を維持することができる。そのため、本発明の導光板を用いれば、光源(LED)の数を増加させた場合、同一の駆動電力で駆動した場合は導光板の光利用効率が従来に比べて高い観点で省電力化は可能であるので、LED一個の駆動電力を低減しすることで、より低消費電力にすることが可能になり、その結果、全体として、光源に投入する電力をに削減でき、低消費電力化を達成できる。
このように、透明材料と可塑剤とを混合した材料で導光板を作製することで、導光板をフレキシブルにすること、つまり、柔軟性のある導光板とすることができ、導光板を種々の形状に変形させることが可能となる。従って、導光板の表面を種々の曲面に形成することができる。
これにより、例えば、導光板、または、この導光板を用いた面状照明装置を電飾(イルミネーション)関係の表示板として用いる場合に、曲率を持つ壁にも装着することが可能となり、導光板をより多くの種類、より広い使用範囲の電飾やPOP(POP広告)等に利用することができる。
本実施形態においては、好ましい形態として、拡散フィルム15の光射出側に偏光分離フィルム14が配置されている。偏光分離フィルム14は、拡散フィルム15の光射出面から出射する光のうち、所定の偏光成分、例えば、p偏光成分を選択的に透過させ、それ以外の偏光成分、例えば、s偏光成分の殆どを反射させることができる。偏光分離フィルム14は、反射した光を導光板に再度入射させて、再利用することができるので、光の利用効率を高め、輝度を格段に向上させることができる。かかる偏光分離フィルム14は、例えば、透明樹脂に針状粒子を混錬して分散させて得られた板材を延伸させて、針状粒子を所定の方向に配向させることによって得られる。偏光分離フィルム14としては、公知のものを用いることができる。
ここでは、偏光分離フィルム14と拡散フィルム15を別部材として構成しているが、偏光分離フィルム14を拡散フィルム15と一体にしてもよい。
また、図示例では、偏光分離フィルム14を拡散フィルム15の光射出側に配置したが、本発明はこれに限定されず、導光板18の光射出面18aの直上に配置しても良い。このように、導光板18の光射出面18aの直上に偏光分離フィルム14を配置する場合は、偏光分離フィルム14を、導光板18の製造時に圧着または融着させて一体化させることが好ましい。これにより、導光板18の光射出面18aと偏光分離フィルム14との間に空気を介在させることなく、互いを密着させることができる。
図1および2に示されるように、導光板18と拡散フィルム15の間に2枚のプリズムシートが設けられている。プリズムシートは、透明なシートの表面上に複数の細長いプリズムを互いに平行に配列させることにより形成される光学部材であり、導光板18の光射出面から出射する光の集光性を高めて輝度を改善することができる。プリズムシート16とプリズムシート17は、それぞれのプリズム列の延在する方向が互いに直交するように配置されている。また、プリズムシート16および17は、それぞれのプリズムの頂角が導光板18の光出射面18aに対して対向しないように配置される。これら2枚のプリズムシート16および17の配置順序は特に限定されない。
また、ここでは、複数の三角プリズムが透明な樹脂シート上に配置された2枚のプリズムシート16および17を用いたが、2枚のプリズムシート16および17の代わりに、プリズムに類する光学素子が規則的に配置されたシートを用いても良い。また、レンズ効果を有する素子、例えば、レンチキュラーレンズ、凹レンズ、凸レンズ、ピラミッド型などの光学素子を規則的に備えるシートをプリズムシートの代わりに用いることもできる。
反射板22は、導光板18の背面18bから漏洩する光を反射して、再び導光板18に入射させるために設けられており、光の利用効率を向上させることができる。反射板22は、導光板18の背面18bに対応した形状で、背面18bを構成する各傾斜面18g、18h、18iおよび18jをそれぞれ覆うように形成される。図1では、導光板の背面が四角錐形状に形成されているので、反射板22も同様に四角錐形状に形成されている。なお、前述したように、導光板18の背面18bの各傾斜面18g、18h、18iおよび18jを曲面で形成した場合には、反射板22も同様に曲面で形成される。また、導光板18の背面18bの各傾斜面8g、18h、18iおよび18jの接続部分を曲面で形成する場合は、反射板22の、各傾斜面の接続部分に対応する部分が曲面で形成される。
反射板22は、導光板18の傾斜面から漏洩する光を反射することができれば、どのような材料で形成されてもよく、例えば、PETやPP(ポリプロピレン)等にフィラーを混練後延伸することによりボイドを形成して反射率を高めた樹脂シート、透明もしくは白色の樹脂シート表面にアルミ蒸着などで鏡面を形成したシート、アルミ等の金属箔もしくは金属箔を担持した樹脂シート、あるいは表面に十分な反射性を有する金属薄板により形成することができる。
拡散フィルム15は、図1に示されるように、偏光分離フィルム14とプリズムシート16との間に配置される。拡散フィルム15は、フィルム状部材に光拡散性を付与して形成される。フィルム状部材は、例えば、PET(ポリエチレンテレフタレート)、PP(ポリプロピレン)、PC(ポリカーボネート)、PMMA(ポリメチルメタクリレート)、ベンジルメタクリレート、MS樹脂、あるいはCOP(シクロオレフィンポリマー)のような光学的に透明な樹脂を材料に形成することができる。
拡散フィルム15の製造方法は特に限定されないが、例えば、フィルム状部材の表面に微細凹凸加工や研磨による表面粗化を施して拡散性を付与したり、表面に光を散乱させるシリカ、酸化チタン、酸化亜鉛等の顔料や、樹脂、ガラス、ジルコニア等のビーズ類をバインダとともに塗工したり、上記顔料やビーズ類を上記透明な樹脂中に混練したりすることで形成することができる。他には、反射率が高く光の吸収が低い材料で、例えば、Ag、Alのような金属を用いて形成することもできる。
本発明において、拡散フィルム15としては、マットタイプやコーティングタイプの拡散フィルムを用いることができる。
このように導光板18とプリズムシート17の間に拡散フィルム15を配置する場合は、拡散フィルム15は、導光板18の光射出面に密着することなく、所定の距離だけ離して配置されてもよく、その距離は導光板18の光射出面からの光量分布に応じて適宜変更することができる。
このように拡散フィルム15を導光板18の光射出面から所定の間隔だけ離すことにより、導光板18の光射出面から射出する光が、光射出面と拡散フィルム15の間で更にミキシング(混合)される。これにより、拡散フィルム15を透過して液晶表示パネル4を照明する光の輝度を、より一層均一化することができる。
拡散フィルム15を導光板18の光射出面から所定の間隔だけ離す方法としては、例えば、拡散フィルム15と導光板18との間にスペーサを設ける方法などを用いることができる。
本発明においては、バックライトユニットの導光板の光射出面側に配置される光学部品の配置順序は特に限定されない。例えば、導光板の光射出面上に、1枚のプリズムシート、拡散フィルム、偏光分離フィルムをこの順で配置してバックライトユニットを構成してもよいし、導光板の光射出面上に、拡散フィルム、2枚のプリズムシート、偏光分離フィルムをこの順で配置したり、導光板の光射出面上に、上述したピラミッド型プリズムシート、拡散フィルム、偏光分離フィルムをこの順で配置してバックライトユニットを構成しても良い。また、前述したように、導光板の光射出面上に偏光分離フィルムを一体で形成した場合には、その偏光分離フィルムの上に、2枚のプリズムシートを配置したり、1枚のピラミッド型プリズムシートを配置してバックライトユニットを構成することもできる。
図7に示したグラフは、22インチ(約56cm)サイズの導光板を用いた場合のシミュレーション結果である。図7のグラフから、本発明に従うバックライトユニットは、比較例1の、導光板の2つの側面から光を入射させるタイプのバックライトユニットの約2倍の輝度を達成することができることがわかる。また、本発明に従うバックライトユニットは、平板状の導光板を用いて4つの側面から光を入射させた比較例2のバックライトユニットに比べて、輝度むらが抑制されている。
また、更には、発光密度が10.0[lm/mm2]のLED(20.0[lm]程度の超高輝度タイプのチップ型LED)を光源として使用すれば、軽量で輝度むらが抑制された、最大サイズが80インチ(約203センチ)の超大型のバックライトユニットを実現することができる。
4 液晶表示パネル
6 駆動ユニット
10 液晶表示装置
14 偏光分離フィルム
15 拡散フィルム
16、17 プリズムシート
18 導光板
18a 光出射面
18b 背面
18c、18d、18e、18f 側面
18g、18h、18i、18j 傾斜面
20 白色LED
30 RGB−LED
32 R−LED
34 G−LED
36 B−LED
42、44、46 ボールレンズ
40 カップリングレンズ
50 ピラミッド型プリズムシート
52 透明シート
54 ピラミッド型プリズム
Claims (11)
- 光源の光を面状の光に変換するための透明な樹脂製の導光板であって、
外形形状が矩形状の光射出面と、
前記光射出面の四辺にそれぞれ接続され、前記光射出面と略直交する4つの光入射面と、
前記光射出面の反対側の面であって、前記4つの光入射面から中央に向かうに従って前記光射出面から遠ざかるように傾斜する4つの傾斜面から構成される背面とを有し、
前記4つの光入射面において最小厚みとなり、前記4つの光入射面の中央において最大厚みとなることを特徴とする導光板。 - さらに、内部に多数の散乱粒子を含み、
前記光射出面の一辺の長さをLa、当該一辺に直交する方向の辺の長さをLbとし、前記散乱粒子の散乱断面積をΦ、前記散乱粒子の密度をNp、補正係数をKC、対向する2つの前記光入射面間の光の入射方向の距離の長い方の半分の長さをLGとしたときに、下記式
1.1≦ΦNPLGKC≦8.2
0.005≦KC≦0.1
1≦La/Lb≦2
を共に満足する請求項1に記載の導光板。 - 前記4つの傾斜面が、それぞれ平坦に形成されている請求項1または2に記載の導光板。
- 前記背面の略中央が、曲面状に形成されている請求項1〜3のいずれか1項に記載の導光板。
- 前記背面を構成する前記4つの傾斜面の接続部分が、曲面で形成されている請求項1〜4のいずれか1項に記載の導光板。
- 前記最大厚みDmaxと前記最小厚みDminの比が、下記式
1<(Dmax/Dmin)≦4
を満足する請求項1〜5のいずれか1項に記載の導光板。 - 面状の照明光を発生させるための面状照明装置であって、
請求項1〜6のいずれか1項に記載の導光板と、
前記導光板の前記4つの光入射面に対向して配置される4つの光源とを備える面状照明装置。 - 前記4つの光源は、それぞれ、複数の白色の発光ダイオードを備える請求項7に記載の面状照明装置。
- 前記発光ダイオードの発光密度は、2.0[lm/mm2]以上である請求項8に記載の面状照明装置。
- さらに、透明な樹脂製のシートの表面上に複数の角錐形状のプリズムが規則的に配置されたプリズムシートを前記導光板の光射出面側に備える請求項7〜9のいずれか1項に記載の面状照明装置。
- 請求項7〜10のいずれか1項に記載の面状照明装置と、
前記面状照明装置の光射出面側に配置される液晶表示パネルと、
前記記液晶表示パネルを駆動するための駆動ユニットとを有する液晶表示装置。
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