JP2010218693A - 点状光源用導光板 - Google Patents

Abstract

【課題】ＬＥＤのような点状光源近傍の輝度ムラの発生を防止し、光の利用効率が高く、かつ、出射面全体をディスプレイの有効発光領域として最大限に利用可能とする導光板を提供すること。
【解決手段】本発明の導光板は、透光性材料で構成され、端面と一対の主面とを備えた導光板であって、前記端面は、複数の点状光源からの光を前記導光板に入光する入光面であり、一方の主面が入光した光を前記導光板から出光する出光面であり、他方の主面が反射面であり、少なくとも前記出光面上であって、かつ、前記導光板の平面視における前記複数の点状光源の間の領域に凹凸構造が形成されたことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、点状光源を入射面に配した導光板に関し、特に、液晶表示装置の照明手段として用いられる、面内輝度の均一性に優れた液晶表示装置を実現できる導光板に関する。

現在、液晶表示装置は、携帯電話、ＰＤＡ端末、デジタルカメラ、テレビ、パーソナルコンピュータ用ディスプレイ、ノートパソコン等の幅広い分野で利用されている。液晶表示装置においては、例えば、液晶表示パネルの背後に面状の照明装置（バックライト）を配置し、このバックライトからの光を液晶表示パネルに供給することにより、画像を表示する。このような液晶表示装置に用いられるバックライトは、その表示画像を見やすくするために、液晶表示パネルに均一な光を供給することが要求される。

液晶ディスプレイ等の薄型表示装置のバックライトには、導光板を用いた面状の照明装置を用いる形式のものが多く用いられており、このような照明装置の光源として、点状光源であるＬＥＤランプが注目されている。ＬＥＤランプを用いた面状の照明装置は、導光板の端面にＬＥＤランプを配し、端面から導入されたＬＥＤランプの光を導光板に設けられた光拡散体で面内均一に反射拡散させることにより均一な面内輝度を有している。

光源からの光を反射拡散させるには、次のような方法がある。一般的には導光板の背面に酸化チタン、チタン酸バリウム等の白色物質を直接印刷したり、前記白色物質が印刷されたシートを導光板の背面に貼り合わせたりして反射拡散させる。また、導光板背面にパターン化された微細な凹凸を施し、この凹凸で光源からの光を観測面に拡散させる方法や、あるいは導光板内部に反射拡散物質を混入させてＬＥＤランプからの光を拡散させる方法もある。

光拡散体は通常グラデーションが施されている。白色物質を印刷する方法では、光源から近い位置では単位面積当たりの被覆率が小さく、光源から遠ざかるにつれて被覆率が高くなるようなパターンが選択される。

しかしながら、ＬＥＤランプには強い指向性があるため、導光板に設けられた光拡散体において、上記の光源から遠ざかるにつれて被覆率が高くなるグラデーションでは光源から離れた面では均一な輝度の発光面が得られるが、ＬＥＤランプ直前部が極端に明るく、ＬＥＤランプとＬＥＤランプの間の部分は暗くなってしまい、ＬＥＤランプ近傍では明暗（輝度ムラ）が生じてしまうという欠点があった。

そこで、この輝度ムラを防止する手段として、ＬＥＤを覆うように導光板の縁部に沿って反射吸収シートを設けると共に、この反射吸収シートの裏側にＬＥＤに対応してＬＥＤを覆うように光吸収部を設けたバックライト装置が開示されている（特許文献１）。

しかしながら、特許文献１の装置では、ＬＥＤを覆うように設けられた光吸収部は、ＬＥＤ近傍の光を吸収し、輝度の高かった部分の輝度を低下させて均一性を図るものであるため、ＬＥＤ近傍の導光板出射面とＬＥＤ間の導光板出射面との輝度差は減少するものの、ＬＥＤから出射された光を有効利用することができていなかった。

一方、導光板の入射面に複数の楕円柱状の溝を形成することで光の入射角を広げ、ＬＥＤランプ近傍の輝度ムラを抑制する試みがなされている（特許文献２）。

しかしながら、特許文献２の導光板では、入射光の入射角を広げることで輝度ムラの発生する領域を狭めることはできるが、入射角を広げることに物理的な限界があるため完全に除去することはできなかった。そのため、不均一な光の出射部分は利用することができず、面の利用効率および光の利用効率として不十分なものであった。

特開２００３−２４２８１７号公報 特開２００７−１４９６７２号公報

そこで、本願発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、ＬＥＤのような点状光源近傍の輝度ムラの発生を防止し、光の利用効率が高く、かつ、出射面全体をディスプレイの有効発光領域として最大限に利用可能とする導光板を提供することを目的とする。

本発明の導光板は、透光性材料で構成され、端面と一対の主面とを備えた導光板であって、前記端面は、複数の点状光源からの光を前記導光板に入光する入光面であり、一方の主面が入光した光を前記導光板から出光する出光面であり、他方の主面が反射面であり、少なくとも前記出光面上であって、かつ、前記導光板の平面視における前記複数の点状光源の間の領域に凹凸構造が形成されたことを特徴とする。

本発明の導光板においては、前記凹凸構造が干渉露光によるスペックルパターンを用いて形成されていることが好ましい。

本発明の導光板においては、前記凹凸構造が、前記出光面上に形成されており、かつ、前記凹凸構造が形成された領域における拡散角度が、５°から１００°の範囲であることが好ましい。

本発明の面状光源ユニットは、上記導光板と、前記導光板の端面に光を入光するように配置された複数の点状光源と、を備えたことを特徴とする。

本発明の導光板は、ＬＥＤのような点状光源近傍の輝度ムラの発生を防止し、光の利用効率が高く、かつ、出射面全体をディスプレイの有効発光領域として最大限に利用することができる。

本発明の実施の形態に係る導光板の側面を示す図である。 図１に示す導光板の出光面側から見た模式図である。 実施例に用いたバックライト装置の分解模式図である （ａ），（ｂ）は、導光板の入光面近傍の輝度ムラ観察結果を示す図である。 ＬＥＤ設置する端面に光拡散構造を設けた場合の模式図である。 拡散角（ＦＷＨＭ）の値を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る導光板の側面を示す図である。導光板１の一側端面２に近接して点状光源としてＬＥＤ６が配設されている。端面は、複数のＬＥＤ６からの光を導光板１に入光する入光面である。導光板は、一対の主面を有しており、一方の主面が入光した光を導光板１から出光する出光面５であり、他方の主面が反射面（出光面に対向する面）３である。反射面３には、光反射拡散体４が設けられている。このような構成の導光板１においては、ＬＥＤ６から出射された光は、導光板の一側端面２から入光して、導光板１内を反射しながら伝搬する。反射面３に到達した光は、光反射拡散体４で反射角度が変えられて光路が出光面５に向い、出光面５から出光される。出光された光は、出光面５の上部に配設される拡散フィルムや輝度向上フィルム等により角度制御され、被照明体に導かれ照明光として利用される。図１では、入光面が一側端面２である場合について示したが、照射したい面積やその照射強度に応じて、点状光源は他の側端面に配してもよく４つの側端面すべてに点状光源を配することもできる。

導光板１は、ポリメチルメタクリレート、ポリカーボネート、ポリスチレン等透光性のあるプラスチック材料やガラス等の透光性の良好な材料を用いることができ、出光面５に対向する反射面３に形成された光反射拡散体４は、ＬＥＤ６から出射し入光面２より導光板１内に入光した光を出光面５全体において均一に出射できるように、入光面２からの距離に応じてその大きさが調整されている。光反射拡散体４としては、酸化チタン、チタン酸バリウム等の白色物質を反射面３に印刷したり、微細な凹凸を反射面３に賦型することができ、また、反射面３に微細な凹凸を設けても良い。これらの凹凸は、点状に配列させても良く、線状に配列させても良い。微細な凹凸形状としては、半球状の形状やピラミッドのような四角錐、Ｖ溝形状やプリズム形状等種々の形状を用いることもできる。これらの光反射拡散体４は、導光板全体から光が効率よく均一に出光面５から光が出光できるように配置される。

図２は、図１の導光板の出光面５側からみた模式図である。導光板１の出光面５上には、入光面２におけるＬＥＤ６間の領域に、出光面５からの光出光効率を向上するための凹凸構造７が形成されている。入光面２より導光板１に入光する光の入光角度は、導光板１に入光する際に屈折により狭められるので、複数のＬＥＤ６の間に暗い領域が発生する。上記の凹凸構造７が形成される領域は、前記暗い領域（導光板１の平面視における複数のＬＥＤ６間の領域）に相当する。また、入光面２の端面に、特にＬＥＤ６等の点状光源を設置する箇所の端面に、凹凸を設けて導光板１への入光角度をある程度は広くすることができるが、やはり暗い領域が存在するため、凹凸構造７を暗い部分に配することでＬＥＤ６間の暗いところを明るくすることができる。

本発明に係る導光板の出光面５に形成される凹凸構造７は、種々の方法で賦型することができる。例えば、凹凸構造を有する金型を用いた射出成型法、凹凸構造を有するマスタ型と導光板とを用いてＵＶ硬化性樹脂等を用いて導光板上に凹凸形状を転写する方法や、凹凸構造を有するフィルムを、粘着剤等を用いて導光板に貼り合せる方法等を用いることができる。

本発明においてＬＥＤ６間に形成する凹凸構造７は、高さ及びピッチが不規則であることが好ましい。不規則な凹凸構造として特に干渉露光によるスペックルパターンを用いて形成されているのが好ましく用いられる。この凹凸構造は、擬似ランダム形状である拡散構造体であり、具体的には、次のようにして形成することができる。まず、予め干渉露光によりスペックルパターンを形成したサブマスタ型を作製し、このサブマスタ型に電鋳等の方法で金属を被着してこの金属にスペックルパターンを転写してマスタ型を作製する。このサブマスタ型の詳細な製造方法については、特許第３４１３５１９号公報に開示されている。この内容はすべてここに含めておく。マスタ型ができた後は、射出成型法、転写する方法、フィルム等に転写した後に貼り合せる方法等を用いることができる。干渉露光によるスペックルパターンを用いた凹凸構造は、不規則な擬似ランダム形状を有しているため、たとえば導光板１を液晶用バックライトとして用いた場合にはモアレが発生することなく、画面を均一に明るく、視認性のよいものとすることができる。

ＬＥＤ６間の凹凸構造７は、スペックルパターンの寸法、形状及び方向を調節することにより、拡散角度の範囲を制御することができる。一般に、拡散角度の範囲は、スペックルの平均サイズ及び形状に依存する。スペックルが小さければ拡散角度範囲が広く、また、スペックルが横方向の長円形であれば、拡散角度分布の形は縦方向に長い楕円形となる。このように所望する指向角度や拡散角度に応じてスペックルパターンを決定することができる。このスペックルパターンの詳細な製法については、特許第３３９０９５４号公報に開示されている。この内容はすべてここに含めておく。拡散角度は凹凸構造のピッチ、高さ、アスペクト比を変えて制御しても良く、紫外線硬化される光透過性樹脂層の屈折率を変えて制御しても良い。

ＬＥＤ６間の凹凸構造７の拡散角度は、ＬＥＤ６間の暗い部分を明るくする効果や凹凸構造の傷付き等を考慮して、５°から１００°の範囲のものが好ましい。凹凸構造７は、暗い部分を適宜均一になるようにその分布を合わせるのが好ましい。暗い部分の合わせ込みとしては、特に、１５°〜７０°の範囲で合わせ込むと、光反射拡散体４との関係で簡便に行うことができる。ここで、本発明における「拡散角度」とは、輝度がピーク輝度の半分に減衰する角度の幅の値（ＦＷＨＭ：Full Width Half Maximum）をいう。この拡散角度は、例えば例えば日本電色の変角色差計で法線角度０°より入射した光の出光分布を測定することによって求めることができる。

本発明において、ＬＥＤ６間に形成される凹凸構造７は、出光面５に設けられていても良く、出光面５に対向する反射面３に設けられていても良く、出光面５及び反射面３に設けられても良い。どちらの面に形成されていても、ＬＥＤ６間の暗い部に光を供給して、暗い部分を明るくすることができる。

ＬＥＤ６間の暗い部分は、バックライトユニットを組み立てて目視で観察することでもでき、また、２次元輝度計等で測定することもできる。ＬＥＤ６間の暗い部分に凹凸構造７を形成するが、その領域や拡散角度等は目視で暗い部分がなくなるように調整することができ、２次元輝度計等で測定しながら調整することもできる。

面状光源ユニットであるバックライトユニットにおいては、ＬＥＤ６と導光板１以外に、導光板１の出光面５に対向する反射面３側に反射シートを設置し、さらに、出光面５側に、出光した光を集光、立ち上げ、拡散するための種々の光学シートを設置する。光学シートしては、拡散シート、プリズムシート、マイクロレンズシート、ＤＢＥＦシート等を用いることができる。また、ＬＥＤ６直上には、直接光がバックライトユニットから出ないように反射シートや鏡面シート等で覆っても良い。

本発明においては、ＬＥＤ６を設置する一側端面２のＬＥＤ６部分に、光拡散構造を設けても良い（図５参照）。光拡散構造としては、溝形状、フレネルレンズ形状、プリズム形状や特許文献２のような楕円柱状の溝等、ＬＥＤの導光板１への光の入光角を広げる効果を有する凹凸形状である。これらの光拡散構造は、暗い領域に光を供給できるので好ましい構造である。このようにして暗い領域に供給された光は、凹凸構造７により効率よく導光板１から立ち上げることができ、暗い部分を明るくすることができる。なお、これらの光拡散構造は、導光板１の厚み方向に均一であることが好ましい。これは、厚み方向に凹凸形状があることにより、ＬＥＤの光が厚み方向に拡散し、出光面５や反射面３に深い角度で入射することになり、その結果、ＬＥＤの光が、ＬＥＤ近傍で出光面５から出光してしまうことがあるからである。

本発明においては、ＬＥＤ６近傍の明るい領域８の反射面３あるいは出光面５又は両面に、ＬＥＤ６の指向性を有する方向に、Ｖ型の溝、畝状形状、プリズム形状等の散乱構造体を設けても良い。Ｖ型の溝やプリズム等により、ＬＥＤ６の光は進行方向とは異なる方向に散乱され、ＬＥＤ６間の暗い領域に光を供給することができる。供給された光は、凹凸構造７により効率よく導光板１から立ち上げることができ、暗い部分を明るくすることができる。この散乱構造体は、構造体の溝や畝の方向がＬＥＤ６の光の進行方向と平行になるように合わせて、ＬＥＤの光源を中心に同心円状に設けても良く、また、構造体の溝や畝の方向が一側端面２に垂直になるように設けても良い。なお、この散乱構造体は、ＬＥＤ６近傍の明暗部分のみに形成してもよく、出光面５全体に形成しても良い。

本発明においては、ＬＥＤ６近傍の明るい領域８の光反射拡散体４は、その密度、占有面積等を調整することにより、領域８から光が出ることを抑えることができる。光の出光を抑えることで光を他の領域で用いることができ、光を有効に利用することができる。

本発明の導光板は、面光源として液晶表示装置のバックライトに適用することができ、サイドライト式バックライトユニットに用いることができる。また、画面（照明エリア）を複数のエリアに分けて省エネ対応のローカルディミング等の適用が考慮された複合分割パネルバックライト形式のユニットにも用いることができる。また、看板等の面光源としても適用することができる。

本発明の導光板は、ＬＥＤ６近傍の明暗について、明るいところを吸収させることなく、暗いところを明るくさせることができ、明暗を均一にさせているため、光の利用効率が高く、また、利用面積を拡大させることができる。このため、本発明の導光板は、省エネ、省スペースという観点からも有用である。

次に、本発明の効果を明確にするために行った実施例について説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

（実施例１）
図３は、本実施例で用いたバックライト装置の分解模式図である。導光板として、厚みが２ｍｍの三菱レイヨン株式会社製のSHINKOLITE-A（登録商標）を切断し、１８．２ｃｍ×１０．９ｃｍの端面を平坦化加工したものを用いた。ＬＥＤ光源を１０．９ｃｍの側端面に６個配置し、反射シート、拡散シート、輝度向上フィルム、偏光反射フィルムを図３のように構成した。

導光板の出光面に対向する面には、光反射拡散体として白色ドットをスクリーン印刷した。白色ドットパターンは、図２の破線９以降（図２において破線より右側）の面内輝度が均一になるように、入光面からの距離に応じて面積を調整した。また、ＬＥＤ近傍の明るい領域８の明るさが、導光板の中央付近の明るさに合うように白色ドットの面積を小さく特別に調整した。この状態では、図２の領域７は非常に暗い状態で、破線９から光源側は非常に輝度ムラの大きな状態だった。通常は均一な領域としては破線９以降しか用いることができなかった。また、図２の破線９よりＬＥＤ近傍側については、その出光分が利用できない無駄な光になっていた。

そして、出光面には、入光面近傍のＬＥＤ間に相当する暗い領域（図２の参照符号７の領域）に、トリアセチルセルロース（ＴＡＣ）フィルム上に凹凸構造をＵＶ転写したものを、微細凹凸形状として透明粘着材を用いて接着した。透明粘着材としては、（株）巴川製紙所のＴＤ０６Ａを用いた。

凹凸構造としては、干渉露光によるスペックルパターンを用い、ＬＥＤ光源近傍の暗い部分が目視で斑なく明るくなるように拡散角度を２０°〜４０°の範囲で調整したものを用いた。この拡散角度とは、図６に示すように、凹凸形状面にレーザー等の平行光を入射した場合、ピーク輝度の半分が減衰する角度の幅の値（ＦＷＨＭ：Full Width Half Maximum）をいう。この拡散角度は、例えば日本電色工業株式会社製の変角色差計で法線角度０°より入射した光の出光分布を測定することによって求めることができる。

出光面に凹凸構造を設けない導光板と、本発明の導光板（出光面に凹凸構造を設けた導光板）について、入光面近傍の輝度ムラを観察した。図４（ａ）に、出光面に凹凸構造を設けない導光板を配した場合の入光面近傍の輝度ムラの観察結果を示した。また、図４（ｂ）に、本発明の導光板を配した場合の観察結果を示した。図４から分かるように、本発明の導光板を配した場合の方が入光面近傍の面内輝度の均一性が高く、ＬＥＤによる入光面近傍の輝度ムラを劇的に低減できたことが確認された。これにより、本発明の導光板を用いた場合、導光板の主面のほぼすべてを用いることができるようになった。

（実施例２）
図５に、本発明の実施の形態の他の例を示した。ここでは、導光板のＬＥＤを設置する一側端面に頂角９０°のプリズム形状を賦型した。導光板の出光面に対向する面には、実施例１と同様に白色ドットパターンをスクリーン印刷した。図２の破線９までの面積は小さくはなったが、ＬＥＤ光源近傍の明暗は明確に存在した。そこで、実施例１と同様に調整してＬＥＤ間の暗いところに、干渉露光によるスペックルパターンを調整して賦形したフィルムを貼り付けたところ、ＬＥＤ間の暗いところを明るくすることができた。その結果、ＬＥＤによる入光面近傍の輝度ムラをほとんどなくすことができた。

本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。例えば、上記実施の形態における部材の材質、配置、形状などは例示的なものであり、適宜変更して実施することが可能である。その他、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。

本発明の導光板は、点状光源を用いた場合の点状光源近傍の輝度ムラをなくすことができ、光を有効に利用することができるため、ＬＥＤ等の点状光源を用いるバックライトに有用であり、薄型液晶表示装置の分野で好適に利用できる。

１ 導光板
２ 入光面
３ 出光面に対向する反射面
４ 光反射拡散体
５ 出光面
６ ＬＥＤ
７ ＬＥＤ間の暗い領域、凹凸構造の賦形領域
８ ＬＥＤによる明るい領域
９ ＬＥＤによる輝度ムラがほぼ見えなくなる位置

Claims (4)

1. 透光性材料で構成され、端面と一対の主面とを備えた導光板であって、前記端面は、複数の点状光源からの光を前記導光板に入光する入光面であり、一方の主面が入光した光を前記導光板から出光する出光面であり、他方の主面が反射面であり、少なくとも前記出光面上であって、かつ、前記導光板の平面視における前記複数の点状光源の間の領域に凹凸構造が形成されたことを特徴とする導光板。
2. 前記凹凸構造が干渉露光によるスペックルパターンを用いて形成されていることを特徴とする請求項１に記載の導光板。
3. 前記凹凸構造が、前記出光面上に形成されており、かつ、前記凹凸構造が形成された領域における拡散角度が、５°から１００°の範囲であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の導光板。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の導光板と、前記導光板の端面に光を入光するように配置された複数の点状光源と、を備えたことを特徴とする面状光源ユニット。