JP2009043738A - 面状光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 周囲の無効部分をほとんど無くすことができ、また光源の光束を無駄なく活用することができる面状光源装置を提供すること。
【解決手段】 導光板と光源となる小面積の発光素子を主体とする光源装置であって、導光板は背面側の一部に光入射部およびその周囲に散乱的反射面を、前面側に回転放物面状の反射面とその周囲に光射出面を有し、中央背面側より前記導光板に入射した光源光は前記回転放物面状の反射面に反射されて前記導光板内を周辺に向かって進行し、その過程で光の一部ずつが前記散乱的反射面によって前面側に反射されるようにしたこと。
【選択図】 図１

Description

本発明は例えば液晶表示パネル等受動的表示装置のバックライトなどに用いるのに適する面状の光源装置に関する。

従来、ＬＣＤ（液晶ディスプレイ装置）等のバックライト用に使用されていた面状光源装置は、蛍光管やＬＥＤ発光素子を透明な材質より成る導光板（ＬＣＤの背後に配置される）の側面に配し、照明光を導光板の側面から入射させて導光板内を進行させ、背面の粗面に達した光を前面側に散乱させ、前面の平滑面から射出して照明光とするものであった。

その一例を図３に示す。図３は第１の従来例の面状発光装置で（ａ）はその正面図、（ｂ）は断面図である。図において３１は導光板で前面３５と周囲側面３７は光沢面、背面３６は粗面の反射面（シボ等の凹凸加工をし、背後から金属を蒸着してある）となっている。３２は導光板３１の一側面の数カ所に配置されたＬＥＤ発光素子であり、側面に凹筒状に設けた光入射部３４より導光板内部に向けて（ａ）図に点線で示す矢印のように発光する。３３はＬＥＤ基板である。

光３８は光沢面に仕上げられた前面３５や周囲側面３７に反射されながら、あるいは直接に、背面３６に到達し、断面図に示すように散乱的に反射されて前面３５から射出される。以上の作用の結果、正面から見て導光板が面状に発光するが、ＬＥＤ発光素子、ＬＥＤ基板、光入射部等の厚さに加え、ＬＥＤ３２の直近では背面３６の照明ムラが出るので、有効光源面３９（点線で示す）の寸法は導光板３１よりかなり狭くなり、正面図（ａ）において無効面積３０が生じる。

次に第２の従来例である面状光源装置を図４に示す。本例は特願平１０−１７２０７４号明細書に開示されている。図４（ａ）は正面図、（ｂ）は中央断面図である。本例は１個のＬＥＤ光源を有効に使って面状光源装置を得る構成である。４１は導光板、４５はその前面、４６は粗面化された背面、４４は下辺中央部に設けた光入射部、４２はＬＥＤ発光素子、４３はＬＥＤ基板である。ＬＥＤ発光素子４２からの光４９は光入射部４４から導光板４１内に入射する。

入射光はほぼ三角筒形状の穴４７の２つの斜面４７ａで左右方向に分かれて反射される。下辺である第２反射面４８は左右に斜面状になっており、到達した光４９は多数刻まれた半円筒形の溝４８ａで再反射されて、導光板４１の主要部（（面光源となる部分）に達し、中には鏡面をなす周囲側面や前面３５で再々反射されて背面４６のあらゆる部分にて第１従来例とほぼ同様に散乱的に前面方向に反射され、面光源となる。

特開平１０−２７６２９８号 特開平１０−０８２９１５号 特開平１０−０８２９１６号 特開平０５−２４９３２０号

第１の従来例では光源としてＬＥＤ発光素子を多数必要とし面状光源のコストが高くなる。また面状に発光しない無効面積３０が生じる。面光源は照明されるＬＣＤと重ねて使うのでＬＣＤと同一寸法であることが望ましく、その外側に光源とならない無効部分があっては画面が細縁とならず、画像機器が大型化し、バランスも悪く品位も劣るので甚だ好ましくない。また光入射部から遠い側面側では照度が暗くなる傾向があり、背面３６を光源から遠ざかるほど薄く傾斜させるなどの補正を行っても光源の近くでは均一な照明を得ることは難しかった。

また第２従来例においては、ＬＥＤ発光素子の数を減らしてコスト低減に貢献することができたが、やはり面状光源の有効部分の外側に無効面積４０が生じ、装置の小型化、細縁化を妨げている。

本発明の目的は、周囲の無効面積部分をほとんど無くすことができる面状光源装置を提供することである。また他の目的は光源の光束を無駄なく活用することができる面状光源装置を提供することである。

上記課題を解決するため、本発明の面状光源装置は次の特徴を有する。
（１）導光板と光源となる小面積の発光素子を主体とする光源装置であって、導光板は背面側の一部に光入射部およびその周囲に散乱的反射面を、前面側に嵌入する凹状の反射面とその周囲に光射出面を有し、中央背面側より前記導光板に入射した光源光は前記反射面に反射されて前記導光板内を周辺に向かって進行し、その過程で光の一部分ずつが前記散乱的反射面によって前面側に反射されるようにした面状光源装置において、前記導光板のほぼ中心部に前記発光素子として１個のＬＥＤを配置し、前記反射面は、前記発光素子の発光面の中心を焦点とする放物線の上半分を、前記発光素子の発光面の中心を通る垂直軸の回りに回転した面の一部あるいはその近似面であることを特徴とする面状光源装置。

また本発明の面状光源装置は更に次の特徴の１つ以上を有することがある。
（２）前記散乱的反射面は散乱性反射面と非散乱性反射面とを混在させた面であること。

（３）前記導光板における反射面の少なくとも一部に接して光反射性の膜あるいは板を設
けたこと。

（４）前記導光板の前面に光拡散性の面を配置したこと。

本発明においては、光源を導光板の有効光源面内かあるいはその境界部においたため、導光板の周囲に無効面積が生じないか殆ど生じない。また光源の発光の全部を有効に利用できる面状光源装置が提供できる。また本発明においては光源としてＬＥＤ発光素子が特に適し、１個または少数の発光素子を用いて簡素な構造で小型に構成でき、使用し易い面状光源装置とすることができる。

方形状の導光板の背面側中央に光源とその光の入射部とその周囲に散乱的反射面を設け、導光板の前面には光源光を周辺に向かって反射させる凹状の反射面を設け、その反射面は前記発光素子の発光面の中心を焦点とする放物線の上半分を、前記発光素子の発光面の中心を通る垂直軸の回りに回転した面の一部あるいはその近似面とした面状光源装置である。

図１は本発明の実施例１である面状光源装置を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）はＸ−Ｘ断面図である。１は方形状の導光板であり、その上面１１のほとんど全部から発光する。上面１１は光沢面（鏡面といってもよい）であり、中央部に摺鉢状（蟻地獄の巣状あるいは陣笠状と言うこともできる）の反射面を有する反射部１２を有する。１３は下面であり、中心部に小ドーム状をなした凹部である光入射部１４を有する。またその周囲には半円状断面の溝１５が多数同心円状に彫り込まれている。周囲側面１６は光沢面である。１７は光源となるＬＥＤ発光素子、１８は該素子を搭載するＬＥＤ基板、１９は光である。

ＬＥＤ発光素子１７からの光１９は光入射部１４のドーム面をほぼ垂直に通過し、反射部１２の内面によって周囲方向にやや下向きに、下面１３のあらゆる場所に向かうように反射される。下面の溝１５は到達した光を種々の方向に反射する散乱性の反射面の一種である。また溝１５の中間は平滑面（鏡面）の非散乱性の反射面で、到達した光を更に導光板の奥の方に送って光源から遠くとも光度の均等化を図る手段としている。溝１５によって上方に反射された光は上面１１から射出し、面光源となる。図示しないが、更にその前方に照明されるべき液晶パネル等が配置される。反射部１２の反射面の凡その形状は、ＬＥＤ発光素子１７の発光面の中心を焦点とする放物線の一部の上半分を、焦点を通る垂直軸の回りに回転してできる一種の回転放物面である。

もしこの面の形状と点光源の位置関係や導光板の方形が完全であるとすると、反射された光源光は全て導光板面に平行に広がり周囲側面１６で反射されるのみで下面を照射できないので、反射面の形状を少し崩したり（放物面の焦点位置を発光点の真上からずらして反射後の光線をやや下向きにする、あるいは円錐面や双曲面、楕円面等他の曲面や微小平面を混在させる等）、発光面の高さ位置、周囲側面の垂直度や面粗度あるいは外部反射膜か反射板を付加したりすることが必要となる。

また下面の傾斜（例えば中心部を離れるほど上面に近づく陣笠型として、厚みを持って水平に広がる光線を順次捕らえやすくする等）、下面に設ける散乱面の性質（溝あるいはマット面）や散乱面の間に設ける整反射面の構造や分布、外部反射膜や反射板の付加等々を工夫して、下面全体が反射された光源光でうまく照射され正面から見てほぼ均等な輝度で光を上方（前方）に射出するように調整する。

また反射部１２の反射面のある部分が全反射するか否かは、導光板材料の屈折率とその部分における光源光の入射角により異なる。もし全反射であるとその部分の前方には光射出がなく暗くなるし、逆に反射率が低いとその部分の前方への射出光が強すぎることになり、反射部の前方から見て輝度の不均一も生じやすい。その為の対策として、反射部１２の上面に反射性の金属膜を蒸着し、その膜厚を部分的に（同心円状に）変化させるか、蒸着膜に微細な穴や切れ目を分布させるとよい。あるいは反射面に微細なキズあるいは凹凸を設けあるいは微小な非放物面を混在させて前方（上方）へ故意に光の一部を漏洩させる。これらや他の手段を適宜組み合わせて、反射部前面をも含めて導光板全体を一様な輝度で発光させる。

図２は本発明の実施例２である面状光源装置を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）はそのＸ−Ｘ断面図、（ｃ）はＬＥＤ基板の平面図である。本例ではＬＥＤの多色化と中央の反射部からの他の発光機構を開示している。２は導光板、２１は上面、２２は摺鉢状曲面を有する反射部、２３は下面で、光入射部２４（（本例では天井部が平面である）、溝２５、およびＬＥＤ基板２８の収納用凹部が彫り込まれている。２６は周囲側面、２７はＬＥＤ発光素子である。

ＬＥＤ発光素子２７はＲ、Ｇ、Ｂの３色のものを（ｃ）図に示すようにＬＥＤ基板２８の上に複数組交互に円周状に配置してある。これは各色の光源を近接させて色発光の方向性を弱め色ムラを防止するためである。また散乱性反射面（本例では粗な斜面）を底部（上部）に持つ溝２５は周辺部にあるもの程深くして到達する光線を捕え易くしている。２９は導光板と同様な透明材質の補助導光板であり、反射部２２とは逆向きの摺鉢状の補助反射部２０が彫り込まれ、導光板や補助導光板と近似な屈折率を持つ透明接着剤５１で導光板２の上面に接着され、導光板と光学的に一体化されている。

補助反射部２０の役割は２つある。第１はＬＥＤ発光素子２７からの直接光を２つの摺鉢状反射面に挟まれた空洞によって減衰させ、輝点となって観察されることを防ぐこと、第２は周囲側面２６や補助導光板２９の上面２９１で反射されて到達した光２０１を前面（上面）に散乱させ、反射部前面に必要な照明光を与えることである。更に照度を均等化するため、前面に乳白色の散光板５２を配している。５３はスペーサである。

反射部２２の反射面の形状も、基本思想的には回転放物面であるが、その断面の放物線の焦点はＬＥＤの真上付近に来るべきなので、回転面の軸（中心にある）とは離れる。また３色光を中心部近くでもよく混合する必要があるので、反射面には細かい平面や散乱面をも採り入れ、光線の反射の方向を放射状のみでなくその両側（脇の方向）に向かう成分も生じるようにすることが望ましい。

以上本発明の２つの実施例とその変形例を説明したが、本発明の具体化はこれらの例、あるいはその組み合わせに限られないのはもちろんであり、更なる変更・改善を含むものである。例えば下面の散乱性反射部の溝間隔は光源からの距離に従って変化させてもよい。また溝は断面半円でなくてもよく、同心円状にも限られない。例えば所定の密度や形状や面の傾斜や高さの分布を有する多数散布されたドット状散乱面で構成してもよい。また散光板を配置するかわりに、導光板あるいは補助導光板の前面をマット面としてもよい。また導光板に対するＬＥＤ基板の（従ってＬＥＤ発光素子の）位置決めは、例えば導光板に一体成形したピンとＬＥＤ基板に設けた穴とで行ってもよい。

また摺鉢状反射面とＬＥＤ発光素子の位置は導光板の中央部とは限らず、例えば一辺（あるいは一隅）に設けてもよい。その場合摺鉢状反射面は全周（全方位）でなくても半周（あるいは四半分）でよいことになる。光源を一辺や一隅に設けた場合は中央部に設けた場合よりも、光源直上の光度ムラの許容度はやや大きくできる利点も生じる。

また摺鉢状反射面を導光板の有効光源面のすぐ外側に設けても、ＬＥＤ発光素子やＬＥＤ基板が無効面積を増やすことがないので無効面積が生じるとしても従来例よりも極めて小さく抑えることができる。またＬＥＤ発光素子を複数用いる場合、それぞれの素子の発光部を焦点とする小さな放物面（放物面の回転軸は水平軸でもよい）を素子ごとに設けてもよい。この他種々の変更を本発明に加えることができる。

本発明の面状光源装置は、導光板の周囲に無効面積が殆ど生じないし、また光源の発光の全部を有効に利用できる。また光源としてＬＥＤ発光素子が特に適し、簡素な構造で小型に構成できるので、産業上の利用価値は大きい。

本発明の実施例１の面状光源装置を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）はＸ−Ｘ断面図である。 本発明の実施例２の面状光源装置を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）はそのＸ−Ｘ断面図、（ｃ）はＬＥＤ基板の平面図である。 第１の従来例の面状光源装置を示し、（ａ）はその正面図、（ｂ）は断面図である。 第２の従来例の面状光源装置を示し、（ａ）はその正面図、（ｂ）は中央断面図である。

符号の説明

１ 導光板
１１ 上面
１２ 反射部
１３ 下面
１４ 光入射部
１５ 溝
１６ 周囲側面
１７ ＬＥＤ発光素子
１８ ＬＥＤ基板
１９ 光
２ 導光板
２０ 補助反射部
２０１ 光
２１ 上面
２２ 反射部
２３ 下面
２４ 光入射部
２５ 溝
２６ 周囲側面
２７ ＬＥＤ発光素子
２８ ＬＥＤ基板
２９ 補助導光板
２９１ 補助導光板上面
３０ 無効面積
３１ 導光板
３２ ＬＥＤ発光素子
３３ ＬＥＤ基板
３４ 光入射部
３５ 前面
３６ 背面
３７ 周囲側面
３８ 光
３９ 有効光源面
４０ 無効面積
４１ 導光板
４２ ＬＥＤ発光素子
４３ ＬＥＤ基板
４４ 光入射部
４５ 前面
４６ 背面
４７ 穴
４７ａ 斜面
４８ 第２反射面
４８ａ 溝
４９ 光
５１ 接着剤
５２ 光拡散板
５３ スペーサ

Claims (4)

1. 導光板と光源となる小面積の発光素子を主体とする光源装置であって、導光板は背面側の一部に光入射部およびその周囲に散乱的反射面を、前面側に嵌入する凹状の反射面とその周囲に光射出面を有し、中央背面側より前記導光板に入射した光源光は前記反射面に反射されて前記導光板内を周辺に向かって進行し、その過程で光の一部分ずつが前記散乱的反射面によって前面側に反射されるようにした面状光源装置において、前記導光板のほぼ中心部に前記発光素子として１個のＬＥＤを配置し、前記反射面は、前記発光素子の発光面の中心を焦点とする放物線の上半分を、前記発光素子の発光面の中心を通る垂直軸の回りに回転した面の一部あるいはその近似面であることを特徴とする面状光源装置。
2. 前記散乱的反射面は散乱性反射面と非散乱性反射面とを混在させた面であることを特徴とする請求項１に記載の面状光源装置。
3. 前記導光板における反射面の少なくとも一部に接して光反射性の膜あるいは板を設けたことを特徴とする請求項１に記載の面状光源装置。
4. 前記導光板の前面に光拡散性の面を配置したことを特徴とする請求項１に記載の面状光源装置。

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