JP2009170430A - 面光源装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】光の利用効率の高い導光体を用いた面光源装置を提供する。
【解決手段】少なくとも一つの側面を入射面11、入射面11に直交する上面を出射面12、出射面12に対向する下面を反射面13とし、厚みが10〜400μmである導光体10と、入射面11に対向して配置された光源20と、反射面13に設けられ、出射面12の法線に対してある角度を成して入射面12から反射面13に入射する光線を受け、法線との成す角度が減少した光線を出射する、入射面11に平行な直線状または曲線状の連続した反射溝14と、出射面12に設けられ、反射溝14から出射された光線を、入射面11に直交する方向よりも入射面11に平行な方向への拡散幅が大きくなるように拡散して透過させる異方性拡散パターンと、出射面12に対向して配置され、出射面12側または反対側の表面に稜線が直線状または曲線状に連続したプリズムを有する光学シートとを備える。
【選択図】図3

Description

本発明は、光源から出射された光を導く導光体を備えて液晶表示素子や液晶表示装置などを背面から照明する面光源装置に関する。
従来、携帯電話機等の液晶表示装置を照明するため、光源から出射された光を液晶表示装置に導く導光体及びこの導光体を備え液晶表示装置を背面から照明する面光源装置が提供されている。
図1は、従来の導光体の外観を示す斜視図である(例えば、特許文献1参照)。図中には、光源120も同時に示す。
導光体110は、例えばPMMA又はポリカーボネートのような透明な材料からなり、略板状の平坦な形状を有している。そして、上面及び下面をそれぞれ出射面112及び反射面113とし、一つの側面を入射面111としている。反射面113には、入射面111から入射された光を出射面112に向けて反射するために複数の偏向パターン素子114による偏向パターンが形成されている。このように、側面にある入射面111から入射された光を主面にある出射面112から出射する導光体110をサイドエッジ方式と称し、携帯電話機等において広く使用されている。
ここで偏向パターン素子114は相互に間隔をあけて配置されており、その長手方向が、光源120からの光の進行方向に対して垂直となっている。複数の光源120が互いに離れて配置されている場合には、各光源120に対応する領域に反射面113を分割し、各領域ごとに対応する光源120からの光の進行方向に垂直となるように偏向パターン素子114を配置する。
光源120から出射された光は、入射面111から導光体110に入射し、反射面113に形成された偏向パターン素子114の長手方向で反射した場合は、出射面112の方向に偏向され、出射面112から出射される。また、偏向パターン素子114の短手方向で反射した場合は、光の進行方向が変更されるので、光源120の指向性を弱める拡散効果として働き、輝線の発生を抑制する。すなわちこの場合、偏向パターン素子114は、出射面112の方向に偏向する反射機能と、輝線発生を抑止する拡散機能とを兼ねている。
この方式では、偏向パターン素子114が間隔をあけて配置されているため、長手方向の反射面で偏向する効率が低く、光源120からの出射光の利用効率が低くなるという問題がある。また光源120が複数の場合、図1(b)のように偏向パターン素子114の配置が非常に複雑となり、作製が困難となる。
図2は、従来の導光体及び面光源装置の使用態様を示す図である。
導光体110は、液晶表示装置140の直下に、出射面112が液晶表示装置140の下面141に対向するように配置される。導光体110には、光源120から出射された光が入射面111から入射される。
入射面111から導光体110に入射された光は、出射面112に対向する反射面113に形成された偏向パターン素子114によって偏向して反射されて液晶表示装置140の方向に立ち上げられ、出射面112から出射される。
一方、従来、レーザ光をディフューザを有する矩形の開口を介して感光フィルムを露光し、多数のスペックルをランダムに形成してなるホログラムが提供されている(特許文献2及び3参照)。このホログラムにおいて、スペックルは略楕円形状を有し、楕円の長軸と短軸は、開口の矩形の短辺と長辺とフーリエ変換の関係を有する。このホログラムにレーザ光を入射すると、レーザ光は各スペックルによって散乱され、露光の際に用いられた矩形状の開口を再現する。このようなホログラムを用いることで、入射光を異方的に拡散することができる。
特許第3151830号公報 米国特許第5,365,354号公報 米国特許第5,534,386号公報
従来の導光体においては、入射面から入射した光の内で出射面から出射される光の割合が少なく、出射面から出射されない光のほとんどが、光源を配置した部分の反対側の側面から出射してしまっており、光の利用効率の面で問題があった。
本発明は、前述の実情に鑑みて提案されるものであって、光の利用効率の高い導光体及びこのような導光体を供える面光源装置を提供することを目的とする。
前述の課題を解決するために、本発明に係る導光体は、少なくとも一つの側面を入射面とし、入射面に直交する矩形の出射面と、出射面に対向する反射面とを有する導光体であって、反射面は、入射面又は出射面から、出射面の法線に対してある角度を成して入射する光線を受け、法線との成す角度が減少した光線を出射する偏向パターンを有し、偏向パターンは入射面に略平行な直線状反射溝あるいは曲線状反射溝を有するものであり、出射面は出射面の法線に対して所定角度以下の角度を成して偏向パターンから入射する光線を拡散して透過する異方性拡散パターンを有し、異方性拡散パターンは、偏向パターンから入射する光線を反射溝の稜線に直交する方向への拡散幅よりも、稜線に平行な方向への拡散幅が大きくなるように拡散するものである。
導光体の厚みは10〜400μmとされ、導光体の厚みが10〜200μmの範囲が好ましく、導光体の厚みが10〜100μmの範囲がより好ましく、導光体の厚みが10〜70μmの範囲であることが特に好ましい。このような導光体厚みとすることで、光源を配置した部分の反射側の側面から漏れる光量を減少させることができ、光源からの出射光の利用効率が向上する。
好ましくは、反射溝の導光体平面に対する傾斜角度α1は、側面の入射面から入射された光が出射面および反射面で所定回数反射された後、出射面に対する光線の入射角が臨界角以下となることにより、出射面から出射される様に、0.5〜45度である。
好ましくは、異方性拡散パターンは、サーフェスレリーフホログラムを有する。
好ましくは、サーフェスレリーフホログラムは、同心円の半径方向に長い線状の複数のランダムスペックル領域を有する。
好ましくは、サーフェスレリーフホログラムが導光板の出射面に一体的に成形されている。
好ましくは、拡散光の光束の縦横比は、1:180〜1:3の範囲にある。
好ましくは、入射面は、光を広げるためのプリズム、ヘアラインなどの微細凹凸形状が成形されている。
本発明に係る面光源装置は、導光体を有する。また、本発明に係る面光源装置は、導光体に加えて、導光体から出射した光を導光体平面の法線方向へ偏向する光学フィルムを有することもできる。
好ましくは、光学フィルムが、複数の屈折面を有するプリズムフィルムである。
好ましくは、光学フィルムが、回折格子またはホログラムが形成された光学フィルムである。
好ましくは、導光体の入射面又はその近傍に実質的に1又は2以上の発光点を有する。
好ましくは、実質的に1又は2以上の発光点は、それぞれ一つのLEDからなる。
本発明により、導光体を薄くすることで導光体の光源を配置した部分の反対側の側面から漏れる光を減少させ、光の利用効率を高めることができる。またフィルム形状で連続作製が可能となるため生産効率が上昇する。その結果、低消費電力で高輝度な薄型の導光体および面光源装置を安価に提供することが出来る。
従来の面光源装置の概略図である。 従来の面光源装置の使用態様を示す図である。 本発明の面光源装置の概略図である。 導光体10の入光面11の形状を示す上面図である。 反射溝14を示す図である。 本実施形態の導光体10の詳細断面を示す図である。 反射溝14の第1面14aの作用を示す図である。 ホログラム22の拡大図である。 ホログラム22の拡大図である。 ホログラム22の作用を説明する図である。 ホログラム22からの出射光の強度分布を示す図である。 出射面12に出現する輝線を示す図である。 ホログラム22の製造装置の概略を示す模式図である。 感光性フィルムの所望領域を示す図である。 導光体10及び光学シート50を有する面光源装置の一部を示す図である。 光学シート50を示す上面図である。
以下、本発明に係る導光体及び面光源装置の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
本実施の形態においては、簡単のため、幾つかの異なる図面において共通の指示符合によって同一の部材を示す。また、本実施の形態の図面は、本発明の内容を説明するために用いられるものであり、各部の寸法の比率を正確に反映するものではない。
また、参照の便宜上、図中にxyz直交座標系を設定する。すなわち、導光体における光の進行方向に導光体の上面又は下面の2つの辺に沿ってx軸及びy軸を設定し、出射面の法線方向にz軸を設定する。また、z軸の正負方向を上下と称する。
図3は、本実施形態の導光体の概略を示す。図中には、光源となる4個の発光ダイオード20も同時に示す。なお光源としては図3に示すような複数の発光ダイオードのほか、冷陰極管などの蛍光管も利用出来るが、発光面の一辺が短い発光ダイオードが望ましい。
図3(a)は導光体10の上面図、図3(b)は導光体10の正面図、図3(c)は導光体10の斜視図である。
導光体10は、発光ダイオード20からの光を入射させる入射面11と、光を導光体から出射する出射面12と、入射面11からの入射光又は出射面12からの反射光を反射する反射面13とを少なくとも有する。
より詳細には、導光体10は略矩形状の上面及び下面を有する略板状の形状を有する。材料としては例えばPMMA、ポリオレフィン又はポリカーボネートのような一定の屈折率を有する透明な材料が利用出来るが、本要件を満たすものであれば何でも良い。
入射面11は、反射面13及び出射面12と略直交している。入射面11に対向して略等間隔で直線状に配置された複数の発光ダイオード20から出射した光は、入射面11から導光体10に入射される。
入射面11には導光体厚み方向に伸びるプリズムが形成されてもよく、図4に示すようにプリズム形状は断面が略三角形もしくは略半楕円形もしくはなめらかな波型形状であり、さらにその表面に微細な凹凸形状を形成してもよい。
反射面13は、概略、前記導光体10のxy平面と平行な下面に形成される。
図5は、反射面13に形成された、光の進行方向を変えるための反射溝14を示す図である。反射溝14は入射面11に略平行な方向に形成され、入射面11から入射面11と対向する面に連続して複数形成される。隣り合う溝同士の間隔は一定でもよいし、変化しても良い。各々の反射溝14の、入射面11からの距離は関数で表記してもよい。隣り合う溝同士の間隔を調整することによって、導光体10の反射効率等の特性を微調整することができる。
反射溝14の大部分が光の反射に使用されるため、本実施形態のような反射溝14を形成した反射面13は、入射された光を出射面12方向に反射する効率が高く、導光体10の光利用効率を高める。
図6は、反射溝14を含む導光体10の詳細断面を示す。
図6(a)に示すように、反射溝14は、入射面11側の第1面14aと、導光体10の入射面11と対向する面側の第2面14bとを有する。出射面12に対し、第1面14aはある有限の角度α1(傾斜角度)を、第2面14bはある有限の角度α2(傾斜角度)を有する。α1とα2は全ての反射溝14において一定でも良いし、一部あるいは全ての反射溝14において異なっていても良い。なお図6(b)に示すように反射溝と反射溝の間に平面部を設けてもよい。この場合、反射溝(導光体に対して凹形状)ではなく、反射隆起部(導光体に対して凸形状)でもよい。
図7は、第1面14aの作用を示す。
図7に示すように、第1面14aは出射面12と角度ψ1をなして入射面11に入射された光を、出射面12に対して角度ψ2を成す光へ立ち上げる。すなわち、入射面11に出射面12の法線に対してある角度をなして第1面14aへ入射した光は、前記法線とのなす角度が減少して出射される。
第1面14aで立ち上げられた光は、出射面12の法線となす角度が臨界角より小さくなると出射面12から出射される(図7に於いて点X1)。
第1面14aと出射面12のなす角度α1(傾斜角度)は、0.5〜45度である。
なお、第2面14bは、前記反射作用は有さず、反射作用の観点からは、角度α2は出来るだけ大きい方が望ましいが、後述する導光体10を成形する際の型抜きを容易にする点から90度以下が望ましい。第2面14bは、好ましくは30〜90度であり、さらに好ましくは35〜88度である。
また、図6(a)のように反射溝14間に平面部がない場合は、隣接する反射溝14間の間隔pは一定であることが出来、好ましくは1〜100μmであり、さらに好ましくは2〜80μmであり、さらに好ましくは5〜60μmである。なお、前記間隔pを一定にすると液晶表示素子のセル配置との干渉によってモアレが出現することがあるので、前記間隔を意図的にランダムに設定することもできる。図6(b)のように反射溝14間に平面部がある場合は、隣接する反射溝14間の間隔p'は、出射光分布が均一となるよう光源からの距離に応じて場所ごと変えてもよい。あるいは、間隔p'を一定とし、反射溝または反射隆起部の幅pを光源からの距離に応じて場所ごと変えてもよい。この場合、反射溝の深さ、または反射隆起部の高さが場所ごとに変化することになる。
導光体10の厚みは一定であり、10〜400μmとされ、10〜200μmの範囲が好ましく、10〜100μmの範囲がより好ましく、10〜70μmの範囲であることが特に好ましい。
前記構成により、図7に示すように、発光ダイオード20から導光体10の入射面11に入射した光は、出射面12の法線となす角が臨界角に達するまでは出射面12と反射面13で全反射を繰り返しながら導光体10の内部を進む。
出射面12は、導光体10の、xy平面と平行な上面に形成される。
出射面12には、異方性を有する異方性拡散パターンとしてのホログラムが形成されている。このホログラムは、3次元的に形成されたホログラムと区別するためにサーフェスレリーフホログラムと称される。
図8及び図9は、出射面に形成されたホログラム22の詳細を示す拡大図である。
図8はホログラムを200倍に拡大した拡大図であり、図9はホログラムをさらに拡大した拡大図である。
図8に示すように、ホログラムは、200倍程度に拡大して見た場合、入射面11から入射面11と対向する面に向かう方向に沿って伸びる線状(あるいは非常に細い楕円状)の多数のランダムスペックル又はランダムスペックル領域(例えば他の領域に比べて透過率が高いか又は低い領域)(ランダムな溝或いは凹凸)22aを有する。このランダムスペックル22aは、その形状及び位置がホログラム全体において一定で無く、ランダム性を有する。
後述するように、線状スペックル22aにより、ホログラムに入射した光は入射面11から入射面11と対向する面に向かう方向と比較してそれと直交する方向に強く拡散される。各方向の拡散度の拡散比は、スペックルの長軸及び短軸の寸法によって決定される。
また、スペックル22aのランダム性により、ホログラム22への入射光は、ランダムな方向へ散乱或いは透過される。従って、ホログラムはディフューザとしての機能も有する。
図10は、ホログラムの作用を説明する図である。
図10(a)は、導光体10の出射面12の点P1から出射された光の強度の角度依存性を示す上面図である。図10(b)は、導光体10の出射面12の点P1から出射された光の強度分布を立体的に示す斜視図である。
導光体10の出射面12の点P1から出射された光は、出射面12に形成されたホログラムによって、楕円E1に示すようにr方向と比較してθ方向に強く拡散される。
図11は、前記出射光の強度分布を示す。図11(a)はθ方向における前記出射光の強度分布を示し、図11(b)は前記r方向における前記出射光の強度分布を示す。
上記したように、r方向と比較してθ方向に強く拡散され、θ方向に於ける拡散角Φθの半値幅Φθ0は、r方向に於ける拡散角Φの半値幅Φr0よりも十分に大きい(Φθ0>>Φr0)。
前記r方向の半値幅Φr0は、0<Φr0≦5度が好ましく、0<Φr0≦1度がより好ましい。一方、θ方向の半値幅Φθ0は、5〜70度が好ましく、5〜30度がより好ましく、5〜10度が更に好ましい。
前記半値幅Φθ0と半値幅Φr0の比は、半値幅Φr0:半値幅Φθ0=1:180から1:3の範囲にあることが好ましい。
なお、図10中の点C1は、参考のために、出射面12に等方的拡散素子を設けた場合に点P1から出射された光の強度分布を示す。この場合、出射面から出射された光は、円C1で表される等方的強度分布を有する。
要するに、このホログラムは、出射面12から出射される光を前記r方向に比較してθ方向へ大きく拡散して透過する。
前記ホログラムの異方性拡散作用により、この導光体10においては、θ方向における一様な出射光の強度分布が実現される。就中、出射面12からの出射光における輝線の出現が防止される。
図12は、前記等方的拡散素子を出射面に設けた場合に、出射面12からの出射光に出現する輝線を示す。
反射面13に於ける連続する反射溝14によって反射された光は、視点V0に到達する多数の経路を有する。従って、視点V0から導光体10を見たとき、発光ダイオード20と視点V0を結ぶ線上に輝線BLが現れる。
本実施形態の導光体10においては、出射面12に形成されたホログラム22が前記r方向に比較して前記θ方向に強く異方的に光を拡散する。従って視点V0から光源方向を見たとき、視点V0に向かう光線強度が抑制され、前記輝線BLの出現が防止される。
また、上記構成によれば、r方向における出射光の拡散角が抑制されることにより、ディフューザとしてのホログラムによるr方向の臨界角の変動が抑制され、出射角の一様性が保持される。
図13は、ホログラム22の製造装置の概略を示す模式図である。
この装置は、Z方向に所定波長のレーザ光を出射する図示しないレーザ光源と、X方向にスリット状(例えば1mm幅)の第1開口81aを有する第1遮蔽板81と、Y方向に開いた三角形状の第2開口82aを有する第2遮蔽板82と、−Y方向に開いた三角形状の第3開口83aを有する第3遮蔽板83と、例えばフォトポリマーからなる感光性フィルム84を固定・回転するテーブル85と、テーブル85を光軸L0を中心に回転自在に支持する支持部材87と、支持部材87を固定・支持する第1スライダ88と、第1スライダ88をZ軸方向に移動自在に支持する第2スライダ89と、第2スライダをY軸方向に移動自在に支持する基台90とを有する。なお、遮蔽板82と83との間には、適宜の集束レンズ(図示せず)が設けてある。
そして前記第1開口81aには、レーザ光Lを拡散して透過する磨りガラスの如きディフューザが設けてある。
第1及び第2開口81a,82aの組み合わせは、前記レーザ光に対して、所定長さを有する線状開口(或いは細長矩形開口)として作用する。すなわち、この線状開口(或いは細長矩形開口)は、第1開口81aの幅を短辺とし、第2開口82aが前記開口81aと重なるX方向の距離を長辺とする。
なお、前記基台90に対して第2スライダ89をY軸方向へ移動することにより、或いは、第2スライダ89に対して遮蔽板82をY軸方向へ移動することにより、前記線状開口の長さを変更することができる。
前記構成により、前記線状開口(或いは細長矩形開口)から出射され感光性フィルム84に入射される光線は、概略、それぞれの断面形状が横長の線状(又は細長楕円形)を有する複数のスペックルを備えた光ビームとなる。
第3遮蔽板83は、前記光ビームのうち第3開口83aに位置する光ビームを透過する。従って、感光性フィルム84の位置には、開口83aを透過した光ビームによる光スポットが形成される。
上記構成により、支持部材87に対してテーブル85を回転することにより、感光性フィルム84の所望の円周方向位置β1(図14)へ前記光スポットを形成することができる。また、基台90に対して第2スライド89をY軸方向へ移動することにより、概略、感光性フィルム84の所望の半径方向位置r1(図14)へ前記光スポットを形成することができる。
従って、テーブル85を所望位置へ回転すると共に、支持部材87を所望のY軸方向位置へ位置決めすることにより、感光性フィルムの所望領域84a(図14)へレーザ光の光スポットを形成することが出来る。
ところでレーザ光Lは、第1開口81aを透過する際、前記ディフューザによって拡散される。
前記ディフューザによって拡散されたレーザ光は、感光性フィルム84において多数のランダムな略楕円状(或いは線状)の輝点を発生する。この輝点がランダムスペックルになる。このランダムスペックルの短軸と長軸の平均寸法は、前記矩形の長辺と短辺の寸法にそれぞれ対応し、前記長軸と前記長辺の方向は直交する。より具体的には、前記長辺及び短辺をL、Wとすると、前記短軸及び長軸の平均寸法は、λh/L、λh/Wとなる。ここに、λはレーザ光の波長であり、hは開口81aと感光性フィルムとの距離である。
従って、図14に示す感光性フィルムの所望領域84aへ、前記ディフューザで拡散された光を照射することにより、当該所望領域84aに前記多数のランダムスペックルを形成することができる。このランダムスペックルは、概略、前記光軸L0と交わる感光性フィルムの点を中心する円の半径方向に伸びる線状又は細長楕円形状を有する。
前記ランダムスペックルの輝点部分には窪みが形成され、この窪みがレリーフ型スペックル・パターンとなり、材料面に多数できると光を拡散するようになる。
前記ホログラムの製造に当たっては、各領域84aに対して露光を繰り返す多重露光を行い、感光性フィルム84の全体を露光する。
露光したホログラムを現像すると、スペックルが凹凸によって形成されたマスターホログラムが得られる。このように作製したマスターホログラムの電鋳型をとり、ロール金型にすることで、ロール転写によって導光体の出射面にホログラムを一体成型することができる。
図15は、導光体及び光学シートを有する面光源装置の一部を示す図である。
導光体10及び光学シート50を有する面光源装置において、導光体10の出射面12から出射された光は、出射面12となす角度γ1,γ2が小さい成分の光L1,L2を含んでいる。光学シート50は、平坦な上面51と平坦ではない下面52を有し、導光体10の出射面12となす角度が小さい光L1,L2が下面52から入射されると、上面51と大きな角度をなすように偏向して出射する(L1’,L2’)。このように、光学シート50は、液晶表示装置に出射される光の正面強度を向上させる。
図16は、光学シート50を示す上面図である。
光学シート50は、例えばPMMA、ポリオレフィン又はポリカーボネートのような透明な材料からなり、上面51に対向する下面52に、プリズム状の構造をなす面を有し、そのプリズムの稜線53は直線状あるいは曲線状に連続している。この光学シート50は、導光体10の反射面13に形成された直線状あるいは曲線状の反射溝14とほぼ平行か、所定角度傾けるように、導光体10の出射面12上に設置される。
光学シート50の下面52を導光体側とは反対方向に向けた配置でも、下面52の形状(頂角)を適切に選択することにより、液晶表示装置に出射される光の正面強度を向上させることができる。
なお、上述の実施の形態は、本発明の一具体例を示すものであり、本発明はこれに限定されない。本発明の範囲を逸脱しない限り、種々の対象に適用することができる。また、本文中に示した数値は一例に過ぎず、本発明はこれに限定されない。
前記面光源装置は、携帯電話機やゲーム機器、電子手帳等の液晶表示装置に於いて、バックライトとして使用することが出来る。また導光体が薄くフィルム状であることから、量産性に優れ、安価に提供することができる。
10 導光体
11 入射面
12 出射面
13 反射面
14 反射溝
14a 第1面
14b 第2面
20 発光ダイオード
22 ホログラム
22a スペックル
50 光学シート
51 上面
52 下面
53 稜線
81 第1遮蔽板
81a 第1開口
82 第2遮蔽板
82a 第2開口
83 第3遮蔽板
83a 第3開口
84 感光性フィルム
84a 感光性フィルムの所望領域
85 テーブル
87 支持部材
88 第1スライダ
89 第2スライダ
90 基台
110 導光体
111 入射面
112 出射面
113 反射面
114 偏向パターン素子
120 光源
140 液晶表示装置
141 下面

Claims (2)

  1. 少なくとも一つの側面を入射面、該入射面に直交する上面を出射面、該出射面に対向する下面を反射面とし、前記出射面と前記反射面との間の厚みが10〜400μmである導光体と、
    前記入射面に対向して配置された光源と、
    前記反射面に設けられ、前記出射面の法線に対してある角度を成して前記入射面又は前記出射面から前記反射面に入射する光線を受け、前記法線との成す角度が減少した光線を出射する、前記入射面に平行な直線状または曲線状の連続した反射溝と、
    前記出射面に設けられ、前記法線に対して臨界角以下の角度を成すように前記反射溝から出射された光線を、前記入射面に直交する方向への拡散幅よりも前記入射面に平行な方向への拡散幅が大きくなるように拡散して透過させる異方性拡散パターンと、
    前記出射面に対向して配置され、前記出射面側または反対側の表面に、稜線が直線状または曲線状に連続したプリズムを有する光学シート
    とを備えることを特徴とする面光源装置。
  2. 前記反射溝は、断面が三角形であり、前記出射面側に向かう法線が前記入射面と交わる斜面を有し、前記斜面が前記出射面と成す傾斜角度が0.5°〜45°であることを特徴とする請求項1に記載の面光源装置。
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