JP2008016408A - 面状光源 - Google Patents

Abstract

【課題】 異方性拡散面を上面に形成した導光板と、該導光板の側面に配した発光源を有し、発光源の発光を導光板により光路変換して面状の照明光を出射する面状光源において、導光板の上面に生ずる湾曲した輝線による輝度ムラによる照明の品質の低下を改善する。
【解決手段】 上面に異方性拡散面１ｈを有する導光板１１と、該導光板の側面に配した発光源２とを有し、その発光源から前記導光板に入射する光線を導光板により光路変換して前記異方性拡散面１ｈより異方性の拡散光を出射する面状光源を、前記導光板１１の上面の一部に鏡面部１１ｋを設けた構成とする。
【選択図】 図４

Description

この発明は例えば液晶パネルを背面より照射するバックライトに係る面状光源に関し、特に導光板と導光板の側方に配した発光ダイオード等の発光源（および好ましくは導光板の上方に配した拡散板等の方向制限手段）を有し、発光源からの光を導光板により光路変換してその上面より面状の光束を出射し、さらに好ましくは前記方向制限手段により、面状の光束を所望の方向に揃えて、照明光を出射する面状光源に関する。

携帯端末機器や、ラップトップコンピュータ等に用いられる液晶パネル等の表示装置の照明手段として、面状光源よりなるバックライト装置が知られている。かかる面状光源は、例えば図７に示すような構成をなしている（特許文献１参照）。図７において（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。図７において、１２０はバックライトユニット（面状光源）であり、１０２はＬＥＤ(発光ダイオード)，１０１は導光板、１０３は拡散板、１０４はＰｙプリズムシート、１０５はＰｘプリズムシート、１０６は反射板、１０７は透過型又は半透過型の液晶表示板である。ＬＥＤ１０２はＬＥＤ基板１０２ｂに保持されて導光板１０１の側面１０１ｃに対向する位置に配置され、導光板１０１の上方には拡散板１０３、Ｐｙプリズムシート１０４、Ｐｘプリズムシート１０５が順次重ねて配置される。反射板１０６は導光板１０１の下面１０１ｂに対向、近接して配置される。ＬＥＤの発光は、導光板１０１の入光側面１０１ｃから入射し、導光板１０１の上面１０１ａと下面１０１ｂの間で反射を繰り返しながらその内部を伝播し、その間に平滑な上面１０１ａから上方に出射する。下面１０１ｂは細かな凹凸を有する乱反射面となっており、光の反射及び屈折の法則により、この面に入射した内部光を上面１０１ａに向けて反射したり、反射板１０６に向けて出射したりする。反射板１０６は下面１０１ｂから屈折により下方に出た光を反射させて内部に戻し、光の利用効率を上げる作用をなす。
特願２００２−１４６５８９（特開２００３−３３７３３３）図１７

導光板１０１の上面１０１ａからの出射光は拡散板１０３に達し、ここで光の方向が中程度の範囲に絞り込まれる。更に、Ｐｙプリズムシート１０４によりｙ方向の角度が絞り込まれ、Ｐｘプリズムシート１０５によりｘ方向の角度が絞りこまれ、最終的には出射光を略ｚ方向に揃える。このｚ方向に揃った光線が液晶表示板１０７に入射することにより液晶を透過する光の状態を理想的なものとし、鮮明でＳＮの高い表示を可能とする。

しかし、このような面状光源においては以下に述べるような問題がある。すなわち、前記下面１０１ｂの反射面においては様々な方向に光を反射するので、上面１０１ａに入射する光線の中には図７（ｃ）に示すように臨界角に近い角度で入射する光線も少なくない。このような光線は法線に対し９０°に近い角度すなわち水平に近い角度の屈折をする。このような場合、拡散板１０３に達しないか、達したとしても入射角が大きいので、この光線を効率よく方向変換して、拡散板１０３からＰｙプリズムシート１０４に向け出射することが困難となる。このようにして、全体的に見れば、ＬＥＤ１０２から導光板１０１内に入射した光を効率よく照明光に変換し、十分に明るい照明光を得ることが困難であるという問題があった。

そこで、この点を改善すべく図８（ａ）に示すように導光板１０１の上面１０１ａに、異方性の拡散特性を有するホログラム又はヘアーライン面１０１ｈを設けてなる導光板１０１を用いた面状光源が考えられる。この例においては、導光板１０１の下面１０１ｂには複数のプリズムが設けられている。他の構成は図７に示した面状光源１２０と略同様とする。このような技術は例えば、特許文献２に示す公知の原理を利用したものである。すなわち、導光板の上面１０１ａの表面に所定のホログラムに類する異方性の拡散面１０１ｈを形成し、図８（ｂ）および図８（ｃ）に示すように出射光が所望の角度範囲に入る異方性拡散による拡散光φ０１を出射するようにすることができる旨が記載されている。このようして、上記の図７（ｃ）に示した拡散板１０３に対する入射角が大となるという問題が改善され、拡散板（１０３）に入射する光の利用効率を高め、照明光の明るさを上げることができる。
米国特許第６３４７８７３Ｂ１明細書 ５頁

この異方性拡散の作用はホログラム又はこれに類する凹凸を有する表面の拡散作用によりなされる。ここでホログラムの作用原理を簡単に説明する。ホログラムは物体光（物体から反射されて光線）と参照光を干渉させて生ずる明暗の縞を記録したものであり、物体が実在しない場合でもこの縞模様よりなるホログラムに所定の光を入射することにより、物体光を再生させる作用がある。図９はホログラムの原理を示すＸＺ断面図である。図９（ａ）に示すように点ｐから放射される物体光ｓｂと垂直方向のレーザー光等の同位相の平行光線よりなる参照光ｓｓを干渉させたとき、場所により明暗を生ずる。この明暗を水平配置した平面ｈ上で見れば、明るくなる部分は左右対称に複数個存在するが、その間隔は対称軸から離れるほど小となって行く。これは、点ｐからの光路差が波長λに等しくなるような関係を維持するために、必然的にこのような傾向となるのである。このようにして平面ｈ上に生じた明暗の縞模様を記録して再生したものが、図９（ｂ）に示すホログラムＨであり、明暗の縞模様の明るい部分がスリットとなっている。スリット間隔ｄは外側にいくほど小となっている。
ここで、図９（ｂ）に示すように、物体光ｓｂを加えることなく、垂直方向の同位相の光線ｓｓのみをホログラムHに入射すると、ホログラムHの各スリットは同位相の波源として機能し、隣り合うスリット間隔をｄとしたとき
ｓｉｎθ＝λ／ｄ・・・（１）
で示される角度θの出射角で各スリット点から回折による拡散光ｓφが出射する。
図９（ｂ）において1番目のスリットと２番目のスリットの間隔をｄ１、２番目のスリットと３番目のスリットの間隔をｄ２とし、1番目及び2番目のスリットの出射角をそれぞれθ１、θ２とすれば ｓｉｎθ１＝λ／ｄ１ 、ｓｉｎθ２＝λ／ｄ２ となり、
ｄ１＞ｄ２ であるから、θ２＞θ１ となり、出射光は拡散する。そして拡散の方向は
図９（ａ）のｐと同位置にある仮想的な点ｐ１から発光しているような方向をとる。

図１０は、ＹＺ断面におけるホログラムの作成および作用を示す図であり、図１０（ａ）はホログラムの作成方法、図１０（ｂ）はホログラムの作用を示し、基本的な原理はそれぞれ図９（ａ）、図９（ｂ）についてすでに説明したのと同様である。但し、ホログラムＨのスリット間隔ｄ１、ｄ２等は図９場合よりも小さくなっており、その分だけ拡散光ｓφの出射角θ１、θ２等は図９に示すＸＺ断面の場合よりも大となっており、この結果、拡散角の巾はＸＺ断面よりもＹＺ断面の方が大となる。すなわちＨは異方性拡散面となる。

図１２はこのような異方性拡散面Hにレーザー光源Ｌから、垂直にレーザー光ｓLを入射した場合の拡散光φを示す図である。拡散光ＸＺ面においては左右対称となる拡散光を生ずるが、拡散光φを水平面で切断したＡ−Ａ断面はＹ方向に長い楕円となり、拡散光φは異方性拡散光となる。この場合拡散光φの光束はＸ軸に関しても、Y軸に関しても対称となっている。このような異方性拡散は例えば図８の１０１に示すような導光板の上面の異方性拡散面（１０１ｈ）から出射するときは、Ｙ方向における出射光の隙間部を補完しあうことができるので、結果的に出射光のＹ方向の隙間をなくす上で有効である。しかしながら、図１２に示したような拡散光φの対称性は、図１３に示すように異方性拡散面Hにレーザー光源Ｌから斜めにレーザー光ｓＬを入射した場合には拡散光φの断面は図１３のB―B断面図に示すように、楕円ではなく、対称性を失ったくびれた湾曲形状となり、後に述べるような問題を生ずる。

拡散光の断面が湾曲形状となることについて、少し説明する。ホログラムHに垂直なレーザー光線（又は同位相の光線）が入射した場合、ホログラムの各スリットはそれぞれが、互いに同位相の波源点となり、左右対称に分布した各スリットから出射する拡散光からは（１）式で示される出射角（θ）の光線を出射しこれがＸ方向についても、ＸZ断面においてもＹＺ断面についても対称に分布する（図９、図１０参照）。しかし、図１１に示すようにＸＺ面においてレーザー光線ｓＬが傾斜角αで入射した場合にはホログラムの各スリットにおける波源は同位相とはならず、距離ｄで隣り合う波源の間で、最初から
ｄｓｉｎα の光路差を生じている。これを考慮すると、拡散光ｓφの出射角θについては
ｓｉｎθ＝（λ＋ｄｓｉｎα）／ｄ＝λ／ｄ＋ｓｉｎα・・・・・（２）
となる。（２）式より、ｄについて対称性があっても、拡散光ｓφの出射角θについては対称性のないことがわかる。
図１１はα＝３０° の場合に図９のホログラムについて拡散光ｓφの出射角θについて（２）式を用いて計算した方向を示す図である。ＸＺ面については拡散の対称性は完全に失われ、全体として大きく右側に傾斜していることがわかる。対称性が失われるとともに、全体の拡散巾も小さくなる。
一方、ＹＺ断面で見れば、ホログラムのスリット同士の波源の位相は同位相となるので、図１０（ｂ）に示すような、拡散光の対称性は保存される。
図１３のＢ−Ｂ断面図はＢ−Ｂの方向においては楕円における対称性が失われて、一方に片寄って巾も狭くなり、これと直交する方向（Ｙ方向）においては対称性が保存され全体として弓状に湾曲した形状となっている。

図１４に、図８に示したような異方性拡散面１０１ｈを上面に有する導光板１０１の上面における出射光の輝度の分布状態を示す。ここで薄くハッチングした部分Ｌ１は一応発光をしているが光の弱い部分、濃く塗った部分Ｌ２が異方性拡散により上記のように湾曲した輝度の高い発光部分を示す。ここで、ＬＥＤに近い部分は異方性拡散による湾曲が特に顕著である。これは、この部分においてはＬＥＤからの光線が、ＺＸ面から離れて斜め方向に向かう部分が多く、そのため、斜め方向に湾曲が伸びて、湾曲が激しくなっている。なお、ＬＥＤから離れるに従って内部光の斜め方向の成分（ＸＹ面で見た場合）は減少し、拡散光の極端な湾曲は次第に少なくなっていく（しかし一定の湾曲は存続する。）。
ここで、湾曲した拡散光の部分Ｌ２は明るく光り、拡散光の湾曲と湾曲の隙間は明るさが低下している。よって、このままでは湾曲が目立ち、照明の品質が低下する。そこで導光板１０１の上面に対向して図１に示すような拡散板１０３その他プリズムシート（１０４、１０５）等の光路補正部材を配置することにより、拡散光の湾曲、輝度のムラはある程度改善される。しかし、ＬＥＤの近傍の拡散光の湾曲の目立ち、および、それによる輝度のムラは、かかる方法によっても改善することは困難である。このように従来の異方性拡散面を上面に形成してなる導光板を有する面状光源は拡散作用により、全体の照明光の光量を上げる利点を有するものの、拡散光の湾曲の目立ち、輝度ムラを十分防止できないという問題があった。

本発明は上記したように、異方性拡散面を上面に形成した導光板を有する面状光源において、上記したように、拡散光の湾曲による輝度の不均一および湾曲の目立ちに起因して、かかる導光板を有する面状光源の照明の品質が低下するという問題を改善することを課題とするものである。

上記の課題を解決するための第1の手段として本発明は、上面に異方性拡散面を有する導光板と、該導光板の側面に配した発光源とを少なくとも有し、その発光源から前記導光板に入射する光線を導光板により光路変換して前記異方性拡散面より異方性の拡散光を導光板の上方に出射する面状光源において、前記導光板の上面の一部に平滑な鏡面部を設けたことを特徴とする。これにより、前記導光板の上面から出射する異方性拡散の湾曲の隙間の暗部を前記平滑な鏡面部による通常の屈折光の出射により補完し、面状光源の照明品位の向上を図ることが出来る。

上記の課題を解決するための第2の手段として本発明は、前記第１の手段において、前記平滑な鏡面部を前記発光源と対向する導光板の側面の近傍に設けたことを特徴とする。これにより、前記発光源と対向する導光板の側面の近傍における異方性拡散の湾曲をなくし、面状光源の照明品位の向上を図ることが出来る。

上記の課題を解決するための第３の手段として本発明は、前記第１の手段又は第2の手段において、前記導光板の上面の上方に拡散板その他の集光手段を設けたことを特徴とする。これにより、前記導光板における前記異方性拡散面より生ずる拡散光の湾曲による目立ちを軽減するとともに、照明の輝度の均一化を向上することができる。

上記の課題を解決するための第４の手段として本発明は、前記第１乃至第3の手段のいずれかにおいて、前記該導光板の側面に配した発光源は互いに間隔をおいて配置した複数のＬＥＤよりなることを特徴とする。これにより、線状光源を用いることなく、ＬＥＤを発光源として、照明の輝度の均一化に優れた前記第１乃至第3の手段のいずれかに記載した面状光源を構成することができる。

前記第1の手段乃至第４の手段のいずれかによれば、上面に異方性拡散面を有する導光板と、該導光板の側面に配した発光源とを有し、その発光源から前記導光板に入射する光線を導光板により光路変換して前記異方性拡散面より異方性の拡散光を出射する面状光源において、前記導光板の上面から出射する異方性拡散の湾曲の隙間の暗部を前記平滑な平面部による通常の屈折光の出射により補完し、面状光源の照明品位の向上を図ることが出来る。

本発明を実施するための形態は、例えば、導光板と、該導光板の側面に配したＬＥＤと、前記導光板の下面に対向して配した反射板（又は反射シート）を有し、導光板の上方に拡散板、および１対のプリズムシートが順次重ねて配置された面状光源において、前記導光板の上面に異方性拡散を起こすホログラムの作用効果を有する、ホログラム拡散面、ホログラムに類する凹凸を有するヘアーライン拡散面等の異方性拡散面を形成したものであり、更に導光板の上面の一部に前記異方散面ではない平滑な平面部を設けたことを特徴とするものである。

以下に図面を参照して本発明に係る面状光源の実施例１を説明する。図１は本実施例１に係る面状光源２０の全体の構成を示す図である。図１において、２０は面状光源であり、２はＬＥＤ(発光ダイオード)、１は導光板、３は拡散板、４はＰｘプリズムシート、５はＰｙプリズムシート、６は反射板である。ＬＥＤ２はＬＥＤ基板２ｂに保持されて導光板１の入光側面１ｃに対向する位置に配置され、導光板１の上方には拡散板３、Ｐｘプリズムシート４、Ｐｙプリズムシート５が順次重ねて配置される。反射板６は導光板１の下面１ｂに対向、近接して配置される。ここで、互いに直交するｘ、ｙ、ｚ軸よりなる座標のｘ軸は前記入光側面１ｃに垂直な導光板１の長手方向の軸、y軸はx軸に垂直な導光板１の幅方向の軸、ｚ軸は導光板１の厚み方向の軸である。
図２は図１に示す面状光源２０の中の導光板１とＬＥＤ２を示す斜視図である。図２に示すように導光板１の上面１ａには異方性拡散面１ｈおよび平滑な平面よりなる鏡面部分１ｋが形成されている。鏡面部分１ｋは導光板１の上面において入光側面１ｃから一定の距離にある部分すなわち、ＬＥＤ２に近い部分にのみ形成されている。導光板１の上面１ａのその他の部分にホログラム拡散面又はこれを凹凸形状に置き換えたヘアーライ拡散面よりなる異方性拡散面１ｈが形成されている。導光板１の下面１ｂには複数のプリズムよりなるＧｒｏｏｖｅ面が形成されている。

導光板入光側面１ｃより入射した光線は直接にまたはＧｒｏｏｖｅ面１ｂでの１回または複数回の反射を経た後に、前記鏡面部分１ｋ又は異方性拡散面１ｈから上方に出射する。この際、異方性拡散面１ｈからは湾曲のある異方性拡散光として出射する。鏡面部分１ｋからは、拡散光ではなく、通常の屈折光が出射するので、異方性拡散に起因する光束の湾曲は生じない。
図３は導光板１を上方から見た場合の出射光の輝度の分布を示す図（導光板１の上面の近傍で見た場合を示す。）である。ここで、斜線のハッチングで示す部分Ｌ１は光線が多少なりとも出射する部分であり、濃く塗った部分Ｌ２は拡散光の出射光のうち明るさの目立つ湾曲した部分である。
なお、異方性拡散面１ｈにおいては、厳密な臨界角というものはないが、入射角が大となるほど、反射の割合が増え、出斜光が弱くなる傾向がある。そして、上記の拡散光の湾曲部分Ｌ２同士の隙間の部分にも反射板６の作用により、入射角の小さい光線が入射することがあるので、弱いけれどもある程度の光線は出射している。

本実施例１においては、図３に示すように図２の鏡面部分１ｋに対応する部分においては、通常の屈折による光線の出射がなされるので、異方性拡散による輝線の湾曲は全く存在しない、そしてその他の部分（図２の異方性拡散面１ｈに対応する部分）には、異方性拡による輝線の湾曲部Ｌ２が存在するが、その湾曲の程度は比較的少なく、湾曲部同士の間に存在する輝度の弱い隙間部分の面積も比較的に小である。このような状態で導光板１からの出射光は拡散板３、Ｐｘプリズムシート４、Ｐｙプリズムシート５を経て照明光として上方に出射する際には、導光板１からの出射光の方向が補正修正されて輝度の不均一性が改善され、上記の異方性拡散による輝線の湾曲が目立つこともかなり改善され、全体として、輝度が略均一な明光を出射することができる。
なお、反射板６は導光板１の下面１ｂから屈折により下方に出射した光線を反射して導光板１内に再入射させ、導光板１における光線の利用効率を高める作用をなす。

以下に図面を参照して本発明に係る面状光源の実施例２を説明する。図４は実施例２に係る面状光源に使用される導光板１１を示す図である。導光板１１の入光側面１１ｃの近傍には鏡面部分１１ｋが図２に示した実施例１における鏡面部分１ｋの設けられた部分に相応する部分にも設けられている。１１ｈは異方性拡散面である。図４に示すように鏡面部分１１ｋは入光側面１１ｃの近傍部分以外にも異方性拡散面１１ｈと混在する形で設けられている。図４には帯状の異方性拡散面１１ｈと帯状の鏡面部分１１ｋが交互に設けられ、この図においては、鏡面部分１１ｋの巾と異方性拡散面１１ｈは略等しくなっている。
図５は図４に示す導光板１１の作用を示す図である。導光板１１の内部光ｓが異方性拡散面１１に入射するとその1部は拡散光φとなるが、残りの部分（ホログラムのスリットを通過しない部分）はここで乱反射され、反射板６を経る等して鏡面部分１１ｋに入射する。この点線で示す入射光は屈折により上方に点線で示すｓｒとして出射するが、鏡面部分１１ｋへの入射角に応じて比較的広い角度範囲に分布する。よって、異方性拡散面１１ｈからの拡散光φの隙間を補完することが出来る。なお鏡面部分１１ｋにはこれ以外に下面１１ｂで反射された内部光ｓが入射し屈折により出射光S１を上方に出射する。かかる出射光も拡散光φ同士の隙間を補完することができる。
このような鏡面部分１１ｋからの出射光は異方性拡散面１１ｈからの拡散光φの達しない部分すなわち、異方性拡散による輝線の湾曲した輝線のへこみ部分にも達し、輝度を均一化す作用を有する。

このような作用は鏡面部分１１ｋの巾を異方性拡散面１１ｈの巾に比して大とすれば、補完作用も大となるが、あまりその比率を大とすると、面状光源の全体としての明るさを向上させるという異方性拡散面の特有の作用効果をなくしてしまうこととなる。そこで、この明るさの向上という目的が達成される範囲で、鏡面部分１１ｋの巾と異方性拡散面１１ｈの巾の比率を適切に設定し、照明光の輝度の均一化と照明光全体の明るさの向上の両立を図ることが望ましい。

図４には鏡面部分１１ｋを異方性拡散面１１ｈの間に複数、帯状に配した場合を示しているが、本発明はこれに限らず、異方性拡散面１１ｈの間に三角形、四角形、円形其の他の形状の鏡面部分１１ｋを千鳥状其の他の配列により、分散して配置した場合にも同様の効果を得ることが出来る。

図６は図４に示す導光板１１を上方から見た場合の出射光の輝度の分布を示す図（導光板１の上面の近傍で見た場合を示す。）である。ここで、粗いハッチングで示すＬ１は図４の入光側面１１ｃ近傍の鏡面部分１１ｋに対応して比較的輝度の低い光線を出射する部分である。細かいハッチングで示すL３は図４において、鏡面部分１１ｋと異方性拡散面１１ｈの混在する部分に対応し、輝度が比較的高く、輝度の分布がほぼ均一の領域を示す。図６に示すような、湾曲する輝線Ｌ２はほとんど目立たなくなり、実質的に消えているとみなされる。このように、図４に示す本実施例２に係る導光板１１によれば異方性拡散面の有する欠点を十分に除去し且つ照明の強度も確保することができる。

本発明の実施例１に係る面状光源の構成を示す図である。 図１に示す面状光源に使用する導光板の構成を示す図である。 図２に示す導光板の輝度の分布状態を示す図である。 本発明の実施例２に係る面状光源に使用する導光板の構成を示す図である。 図４に示す導光板の作用を示す図である。 図４に示す導光板の輝度の分布状態示す図である。 従来の面状光源の構成を示す図である。 従来の異方性拡散面を有する導光板の構成を示す図である。 ホログラムによる拡散の原理を示す図である。 ホログラムによる拡散の原理を示す図である。 ホログラムによる拡散の原理を示す図である。 レーザー光の垂直入射に対する異方性拡散面の作用を示す図である。 レーザー光の斜め入射に対する異方性拡散面の作用を示す図である。 図８に示す導光板の輝度の分布状態を示す図である。

符号の説明

１、１１ 導光板
１ａ、１１ａ 上面
１ｂ、１１ｂ 下面
１ｃ、１１ｃ 入光側面
１ｈ、１１ｈ 異方性拡散面
１ｋ、１１ｋ 鏡面部分
２ ＬＥＤ
２ｂ ＬＥＤ基板
３ 拡散板
４ Ｐｘプリズムシート
５ Ｐｙプリズムシート
６ 反射板
２０ 面状光源
ｓ 内部光
φ 拡散光
L1、Ｌ３ 発光部
L2 湾曲部

Claims (4)

1. 上面に異方性拡散面を有する導光板と、該導光板の側面に配した発光源とを少なくとも有し、その発光源から前記導光板に入射する光線を導光板により光路変換して前記異方性拡散面より異方性の拡散光を導光板の上方に出射する面状光源において、前記導光板の上面の一部に平滑な鏡面部を設けたことを特徴とする面状光源。
2. 前記平滑な鏡面部を前記発光源と対向する導光板の側面の近傍に設けたことを特徴とする請求項１に記載の面状光源。
3. 前記導光板の上面の上方に拡散板その他の集光手段を設けたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の面状光源。
4. 前記該導光板の側面に配した発光源は互いに間隔をおいて配置した複数のＬＥＤよりなることを特徴とする請求項１乃至請求項３に記載の面状光源。
   

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