JP2011180420A - 光拡散シート及びそれを用いた面光源装置 - Google Patents

光拡散シート及びそれを用いた面光源装置 Download PDF

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健 下舞
Hisashi Tawara
久志 田原
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Abstract

【課題】入射した光を十分に拡散させることが可能な光拡散シート及びそれを用いた面光源装置を提供する。
【解決手段】入光面と、該入光面に対向する出光面とを有し、前記入光面に入射した光を拡散して前記出光面から出光する光拡散シートであり、前記光拡散シートは、屈折率が1.58以上の単一透明樹脂材料からなり、前記光拡散シートの厚み方向に直交する2面が前記入光面と前記出光面を形成し、前記入光面は平坦であり、前記出光面には、底面が一辺の長さl=10μm〜100μmの略平行六辺形であり、高さHと前記底面の一辺の長さlとの比H/lが0.5以上1.2以下のドーム形状の突起12が、間隔aと前記底面の一辺の長さlとの比a/lが0.15以下となるようにハニカム配列により平面充填されている。
【選択図】図1

Description

本発明は光拡散シート及びそれを用いた面光源装置に関し、特には高輝度の面光源装置を実現する光拡散シート及びそれを用いた面光源装置に関する。
従来、面光源装置は、液晶ディスプレイ(LCD)を代表とする非発光タイプの表示装置のバックライトとして広く用いられている。
面光源装置は、光源が側面に配置されるサイドライト(エッジライト)型と、底面に配置される直下型とに大別され、一般には、光源の薄さが求められる場合にはサイドライト型が、光源の明るさが求められる場合には直下型が有利であるとされる。例えば特許文献1には、典型的な直下型の面光源装置が開示されている。
面光源装置には、冷陰極管やLEDといった線状または点状の光源が用いられる。そのため、輝度が均一な面光源装置を得るためには、光源の出射光が発光面全体に均一に拡散される必要がある。また、面光源装置の輝度を高めるには、出射光の方向を発光面の法線方向に揃える必要がある。
そのため、面光源装置は、光源からの出射光を発光面内に均一に拡散させるための拡散機構と、拡散された光の出射方向を発光面の法線方向に揃えるための方向制御機構とを有する。
例えば特許文献1の図1に開示される面光源装置における拡散機構は、乳白板14であり、方向制御機構は2枚のレンズシート15,16である。また、図8に示される構成では、レンズシート15,16で方向が揃えられた光を、さらに乳白板14とは別の拡散機構である光拡散シート17に入力している。
このような構成の面光源装置は、光源の出射光が面光源装置の発光面から出射するまでに様々な光学材料を通過するため、輝度の均一性は良好になる反面、光の減衰が大きくなるため、高輝度の面光源装置を実現することが難しい。また、(プリズムシートとも呼ばれる)レンズシートは高価であり、レンズシートを複数用いることは高輝度化の点からもコストの面からも好ましくない。
そのため、光拡散シートに光方向制御機能を持たせてレンズシートを用いない(或いは枚数を減らす)構成とすることも提案されている(特許文献2)。特許文献2記載の光拡散シートは、粒子径が一定でない球状の樹脂粒子をバインダー樹脂に分散してベースフィルムに塗布した構成を有する。特許文献1における光拡散シート17もまた同様の構成を有している。
表面に樹脂粒子が分散した光拡散シートは、樹脂粒子が微小なレンズの役割を果たすため、樹脂粒子に入射する(面光源装置から出射する)光の角度により、集光機能と拡散機能とを実現するものと考えられる。
特開2008−192372号公報(図1、図8) 特開2003−107214号公報(図1)
光源から出射される光線を発光面内で均一な輝度に拡散するためには、光源から光拡散シートの入光面(直下型では底面)に入射した光線を光源側に多く戻す必要がある。光源側に戻ることなく透過する光線の割合が高いと、出光面に微小なレンズが設けてあっても発光面内における光の拡散(輝度の均一化)が十分に行われないまま光が出射してしまうため、光源に近い部分と光源から遠い部分の輝度差(輝度ムラ)を十分に低減することが難しくなるからである。
しかしながら、従来提案されている光拡散シートでは、微小レンズ群を形成するに当たり、微小レンズ群に入射した光を光源側に積極的に戻すという技術的思想は存在していなかった。そのため、特許文献2に記載されるように、ベースフィルムよりも屈折率の小さなバインダー樹脂及び樹脂粒子を塗布して出光面を形成して、ベースフィルムと異なる材料により微小レンズ群を形成している。
1枚の光拡散シートで輝度が十分に均一化されない場合、光拡散シートを複数枚重ねて使用し、均一度を上げる必要がある。使用する光拡散シートの枚数が増えコストが上昇するのは当然のこと、透過率が低下するため面光源装置の輝度を低下させてしまう。従って、光拡散シートの使用枚数は少ない方が好ましい。
本発明はこのような従来技術の課題に鑑みなされたものであり、入射した光を十分に拡散させることが可能な光拡散シート及びそれを用いた面光源装置を提供することを目的とする。
この目的を達成するべく発明者は、光拡散シートにおいて、入光面に対向する出光面を特定形状の突起で平面充填することにより、積極的に入光面側(すなわち、光源側)へ光を戻すことが可能となり、光を十分に拡散し、輝度の均一度を高めることができることを見出し、本発明に到達した。また、光源から入射した光を光源側に積極的かつ十分に戻すことにより、本発明の光拡散シートを用いた面光源装置としての輝度も向上することがわかった。
すなわち、本発明の要旨は、入光面と、入光面に対向する出光面とを有し、入光面に入射した光を拡散して出光面から出光する光拡散シートであり、光拡散シートは、屈折率が1.58以上の単一透明樹脂材料からなり、光拡散シートの厚み方向に直交する2面が入光面と出光面を形成し、入光面は平坦であり、出光面には、底面が一辺の長さ10μm〜30μmの平行六辺形であり、高さ10μm〜30μmのドーム形状の突起が、ハニカム配列により平面充填されていることを特徴とする光拡散シートに存する。
このような構成により、本発明による光拡散シートは光源から入射した光を十分に拡散させることが可能であり、少ない枚数で均一度の高い輝度を実現することができる。また、面光源装置の輝度も向上させることが可能であることもわかった。
本発明による光拡散シートに形成する突起の形状の例を示す図である。 本発明における突起の底面形状の規定について説明するための図である。 本発明における突起間隔の規定を説明するための図である。 本発明による光拡散シートについて説明するための図である。 実施例1及び比較例1,2における突起の形状及び配列を説明するための図である。 比較例3〜5における突起の形状及び配列を説明するための図である。 実施例及び比較例の評価に用いた面光源装置の構成を説明するための図である。 図7の面光源装置において、実施例1及び比較例1,2の光拡散シートを用いた構成並びに光拡散シートなしの構成の輝度測定結果を示す図である。
以下、図面を参照して、本発明についてさらに詳細に説明する。
本発明においては、単一の透明樹脂材料によって光拡散シートを形成する。本発明における透明樹脂材料は屈折率が高いことが好ましく、具体的には屈折率が1.58以上であることが好ましい。
また、透明樹脂材料は、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、光硬化性樹脂などを用いることができる。製造方法は特に制限されないが、押出成型や射出成形を例示することができる。透明樹脂材料と製造方法の組み合わせのうち、熱可塑性樹脂と射出成形の組み合わせにより出光面に突起を転写する方法が製造が容易であるという点において好ましい。
上述の屈折率を満たす透明樹脂材料であれば、本発明に適用することに特に制限はないが、ポリカーボネートを好適な例として挙げることができる。
本発明の光拡散シートは、厚み方向と直交する2面のうち、底面を入光面、天面を出光面とする。そして、出光面には、底面が平行六辺形のドーム型を有する同一形状の突起が出光面を平面充填するように所謂ハニカム配列で形成される。
図1に、本発明の実施形態に係る光拡散シートに設ける突起の形状例を示す。
図1(a)は上方から突起12を見た平面図、図1(b)は突起12の側面図である。突起12は底面が略平行六辺形(対向する3組の2辺が略平行かつ略等長である六角形)の略ドーム形状(垂直断面形状が、少なくとも頂点近傍で上に凸の略円弧状であることを意味する)を有している。底面が略平行六辺形であることにより、突起の平面充填が可能であり、底面が円形である場合よりも密に突起を配置することができる。また、略ドーム形状を有することにより、錐体のような尖った形状と比較してレンズとして良好な性能を実現することができる。平面充填可能な底面の形状としては、他に三角形や四角形などが存在するが、後述するように平行六辺形であることが望ましい。
突起12の底面を形成する平行六辺形の一辺の長さlは10〜100μmであることが好ましく、10〜30μmであることがさらに好ましく、15〜25μmであることが特に好ましい。長さlが10μm未満であると、突起構造に対して間隔の影響が大きくなり望ましくない。逆に長さlが100μm以上となると、突起構造に対して間隔の影響を小さくすることができるが、レジスト層を厚くする必要があり、製造が非常に困難になる。
また、突起12の高さH(頂点から突起最下部までの距離)は、突起12の底面を形成する平行六辺形の一辺の長さlに対する比率H/lが、0.5≦H/l≦1.2の範囲であることが好ましく、0.8≦H/l≦1.0の範囲であることが、最大輝度の大きさ及び輝度ムラの小ささの点から最も好ましい。一方、0<H/l<0.5もしくは1.2<H/lの範囲では、輝度ムラが非常に大きくなり、好ましくない。
なお、本発明において、突起12の底面は平行六辺形であるが、平行する3組の辺の組ごとの長さの差が小さいことが好ましく、特には差がない(すなわち、底面が正六角形である)ことが好ましい。具体的には、図2(a)に示す様な正六角形の状態(対向する2頂点間の方向(x方向とする)の大きさd:対向する2辺の距離(y方向とする)の大きさp=2:√3)に対して、x方向の倍率αが0.75〜1.25、y方向の倍率βが0.75〜1.1の範囲であることが好ましく、x方向の倍率αが0.9〜1.1、y方向の倍率βが0.9〜1の範囲であることがさらに好ましく、若しくは横方向の倍率x方向の倍率α及びy方向の倍率βがいずれも実質的に1であることが最も好ましい。x方向の倍率αが0.75〜1.25の範囲から外れるか、y方向の倍率βが0.75〜1.1から外れると、平均輝度及び輝度ムラの絶対値及びバランスが悪くなる。図2(b)に、x方向の倍率α=1、y方向の倍率β=0.75とした状態を、図2(c)に、x方向の倍率α=0.75、y方向の倍率β=1とした状態を示す。
従って、上述の一辺の長さlと、倍率の関係から、突起12の大きさd(2頂点間の最長距離)は、15〜75μmとなる。
本発明において、突起12は、光拡散シートの出光面を平面充填(又は最密充填)するように、所謂ハニカム配列で設けられる。従って、隣接する突起との間隔は小さいことが好ましい。 なお、本明細書において突起の間隔とは、図3(a)及び(b)に示すように、隣接する2つの突起12a及び12bの頂点を通る垂直断面において、突起が集光拡散機能を発現する上で重要な部分(突起の光学的機能において重要な部分)の基準となる平面に相当するレベルhでの間隔aとして定義する。この平面は、熱硬化性樹脂や光硬化性樹脂で形成したシート状に突起を形成して光拡散シートを製造する場合には、突起形成前のシート表面に相当する平面であってよい。一方、熱可塑性樹脂を射出成形して光拡散シートを製造する場合には、便宜上、突起の頂点から、突起の高さHに対してh=0.97H下の平面とする。
実際には、光拡散シートのある垂直断面に含まれる突起について、平均の高さを求め、突起の頂点位値を平均した高さを基準として、そこから平均高さ×0.97下がった仮想平面における間隔aの平均値から、突起の間隔aを求めることができる。
このように定義される突起の間隔aの好ましい範囲は、突起の高さHと同様に、突起12の底面を形成する平行六辺形の一辺の長さlに対する比率a/lによって規定することができる。具体的には、a/l≦0.15であることが好ましく、a/l≦0.1であることがさらに好ましく、a/l≦0.05であることが最も好ましい。理論的にはa/lの下限値は0であるが、現在の製造技術では0とすることは困難である。
底面が平行六辺形である突起を微小間隔でハニカム配列することにより、突起間における平坦な出光面が非常に少なくなり、突起による光線の方向制御機能を十分に利用することができる。
図4は、本発明による光拡散シートについて説明するための図である。図4(a)は、本発明による光拡散シートの垂直断面の一部を示している。図4(a)に示すように、光拡散シート100は、透明樹脂材料からなる基材シート5の厚み方向(紙面上下方向)に直交する2つの面のうち、底面10を入光面、天面11を出光面とする。本発明に係る光拡散シート100は、直下型の面光源装置を想定しているため、底面10にはエッジライト型の面光源装置における導光板が有するような反射パターンは設けられておらず、平坦に形成されている。
また、基材シート5の天面11には上述した形状の突起12が所謂ハニカム配列で形成されている。突起12は基材シート5の天面11自体に形成されており、特許文献2とは異なり、基材シート5の天面11を別の材質で被覆したり、塗布したりすることはない。従って、本発明において、突起12は、基材シート5と同一素材で形成され、光拡散シート100の入光面から出光面に至る光路を形成する材質の屈折率は等しい。
図4(b)中の光線1は突起12の突起内部で全反射を繰り返し、光源側(入光面10側)に再度出射する光線を示している。本発明の光拡散シート100では、屈折率の高い単一透明樹脂材料により全体が構成されるため、基材シート5よりも屈折率の低い材料で出光面の凹凸を形成する構成に比べ、突起12内部における全反射条件が成立する入射角の範囲が広い。そのため、突起12内部で全反射されて光源側へ戻る光の量が多くなる。
このように、本発明は、出光面11に設ける突起12の内部で光線を積極的に全反射させ、光源側に戻る光の量を増やすという技術的思想に基づき、光拡散シート100は、屈折率の高い単一透明樹脂材料により全体を構成している。その結果、光源からの光が拡散シート内によって面内で十分に拡散され、輝度の均一度を高めることができる。
光拡散シート100から光源側に戻る光の量が多いことの利点は、光源から入光面の距離が短い場合や、光源の数が少ない場合(光源から最も遠い距離が大きい場合)など、面内の輝度の差がもともと大きい場合に顕著である。
光拡散シート100が有する光線の方向制御機能(出射する光線の方向を出光面11の法線方向(紙面の上方向)に揃える)は、図4(a)の光線3に示されるように、平坦な入光面10における屈折作用と、出光面11に設けた突起12の突起通過により実現される。
上述のように、光拡散シート100の出光面11には、突起12がハニカム配列で平面充填されているため、突起12の間隔は非常に小さく、出光面11には入光面10と平行な面はほとんど存在しない。図4(b)に示すように、出光面11に入光面10と平行な面15が存在すると、出光面11の屈折作用により光線は入光面に入射した際と平行に出射し、光の方向制御機能を得ることができない。出光面11に設けた突起12のうち、突起部分から出射することにより、出射光線のうち最大強度を持つ光線方向3は入光面10で変換された方向を維持し、輝度向上に寄与する。
出光面11に突起12を直接形成する方法に特に制限はないが、突起12に対応する凹凸を記録した感光材料の表面に、電気分解によって適当な厚さのNiを付け、離形することで、記録した凹凸を反転した形状を有する鋳型を得ることができる(電鋳プロセス)。そして、この鋳型を原版とし、透明樹脂材料をこの原版に射出成形することにより、出光面11に突起12を形成(転写)することができる。
以下に、実施例を挙げて本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例によりなんら限定されるものではない。
(光拡散シートの作成)
<実施例1>
一辺の長さl=20μm、大きさd=40μm、p=34.6μm(縦横比1)、高さH=20μm(H/l=1.0)の突起が図5(a)に示すように平面充填された形状に対応した凹凸を形成した部材から、電鋳プロセスにより原版となる鋳型を形成した。そして、ポリカーボネート(三菱エンジニアリングプラスチックス株式会社製のユーピロンHL4000、屈折率1.585)を射出成形し、幅400mm、高さ300mm、平均厚みが2mmのポリカーボネート製光拡散シートを作成した。1cmの区間における突起の間隔aは平均1.0μm(a/l=0.05)であった。この間隔は、成型精度や樹脂のヒケなどにより生じたものと考えられる。
<比較例1>
実施例1と同様の突起を、図5(b)に示すように、ハニカム配列ではなく、隣接する突起とは頂点でのみ接するような配列で形成したことを除き、実施例1と同様にして光拡散シートを作成した。
<比較例2>
図5(c)に示すように、比較例1の各突起を隣接する突起と10μmずつ離間させて形成した(a=10μm、a/l=0.5)ことを除き、実施例1と同様にして光拡散シートを作成した。
<比較例3>
図6(a)、(b)に示すような、底面が一辺34.6μmの正三角形で、高さ20μmのドーム形状を有する突起を、出光面を平面充填するように配列した以外は、実施例1と同様にして光拡散シートを作成した。
<比較例4>
図6(c)、(d)に示すような、底面が、対角線の長さ40μmの正方形で、高さ20μmのドーム形状を有する突起を、出光面を平面充填するように配列した以外は、実施例1と同様にして光拡散シートを作成した。
<比較例5>
図6(e)、(f)に示すような、突起がドーム型でなく、正六角錐形状であること以外は実施例1と同様にして光拡散シートを作成した。
<実施例2>
大きさd=40μm、p=25.9μm(実施例1に対するx方向の倍率α=1,y方向の倍率β=0.75)とした以外は実施例1と同様にして光拡散シートを作成した。
<実施例3>
大きさd=30μm、p=34.6μm(実施例1に対するx方向の倍率α=0.75,y方向の倍率β=1)とした以外は実施例1と同様にして光拡散シートを作成した。
<実施例4>
大きさd=50μm、p=34.6μm(実施例1に対するx方向の倍率α=1.25,y方向の倍率β=1)とした以外は実施例1と同様にして光拡散シートを作成した。
<比較例6>
大きさd=40μm、p=17.3μm(実施例1に対するx方向の倍率α=1,y方向の倍率β=0.5)とした以外は実施例1と同様にして光拡散シートを作成した。
<比較例7>
大きさd=20μm、p=34.6μm(実施例1に対するx方向の倍率α=0.5,y方向の倍率β=1)とした以外は実施例1と同様にして光拡散シートを作成した。
<比較例8>
大きさd=75μm、p=34.6μm(実施例1に対するx方向の倍率α=1.5,y方向の倍率β=1)とした以外は実施例1と同様にして光拡散シートを作成した。
<比較例9>
大きさd=40μm、p=43.4μm(実施例1に対するx方向の倍率α=1,y方向の倍率β=1.25)とした以外は実施例1と同様にして光拡散シートを作成した。
(評価)
図7(a),(b)に示すような、内寸幅350mm、奥行き200mm、深さ22mmのケースを用意し、内側面および底面に株式会社ツジデン製、RF188反射シート32を貼り付けた。
そして、底面の反射シートから4mm離して、直径3.5mm、長さ400mmの冷陰極管7本(33)を、電極部34がケースから突き出るようにし、かつ冷陰極管33の中心間の距離が25mmとなるように、ケースの幅方向に平行に配置した。
光拡散板35を、ケースの上面に設置して面光源装置を形成し、出光面の法線方向(図5(b)の上方向)に1000mm離して設置した2次元輝度測定装置(コニカミノルタセンシング社製、CS−2000)を用いて、幅方向の中心線A上で等間隔に100点の輝度を測定した。
そして、下記の数式1と数式2にしたがって輝度平均値Laと輝度均一度Luを得た。
輝度平均値 La=(L1+L2)/2 (数式1)
輝度均一度 Lu=((L1-L2)/La)*100 (数式2)
ここで、
L1:輝度極大値の平均値
L2:輝度極大値にはさまれた極小値の平均値
である。
輝度均一度(Lu)は、輝度の均一さを示すものであり、輝度の均一さが低い(輝度ムラが大きい)ほど、輝度均一度の値は大きくなる。
実施例1〜4、比較例1〜9の光拡散シートを用いた評価結果、及び光拡散シートを用いない場合の評価結果は以下の通りであった。
また、実施例1、比較例1〜2、ならびに光拡散シートを用いない場合の輝度測定結果を図8に示す。
表1からわかるように、突起をハニカム配列させて平面充填した実施例1は、同じ形状の突起を異なる配列で充填した比較例1や、間隔を持たせて配列した比較例2に対して、平均輝度値Laの値が大きく、かつ、輝度の均一度Luの値が非常に小さい(輝度ムラが少ない)。つまり、実施例1の光拡散シートは、全体的に高輝度かつ輝度ムラが少ないことがわかる。このように、突起を平面充填することが、平均輝度の向上並びに輝度の均一度の向上に寄与しているものと考えられる。
輝度ムラが少ないことは、図8において、実施例1の輝度測定結果の変動幅が比較例1,2の変動幅より小さいことにも現れている。
さらに、実施例1を底面が正三角形である比較例3、正方形である比較例4と比較した場合、平均輝度値Laは同等かやや低いものの、輝度の均一度Luの値が非常に小さく、輝度ムラが少ない。このように、底面が平行六辺形であることが輝度の均一度の向上に寄与しているものと考えられる。
また、実施例1〜4及び比較例6〜9とから、底面の形状が正六角形に対してx方向の倍率αが0.75〜1.25の範囲,y方向の倍率βが0.75〜1.1である場合に、平均輝度と輝度ムラの絶対値及びバランスが良好であり、特に正六角形(x方向の倍率α=1,y方向の倍率β=1)の場合に良好であることがわかる。
以上説明したように、本発明によれは、屈折率の高い透明樹脂材料により、出光面の突起を含めた光拡散シート全体を形成する。そのため、光拡散シート、特には出光面の突起内部で全反射して光源側(入光面側)に再度出射する光線の量が多く、光源からの光が出光面の全域に亘って十分に拡散される。
さらに、突起を底面が平行六辺形のドーム形状として形成することで、輝度の均一度を高めることができる。さらに、突起をハニカム配列させ、出光面を突起で平面充填することにより、一層の輝度均一度の向上及び高平均輝度を実現することができる。

Claims (7)

  1. 入光面と、該入光面に対向する出光面とを有し、前記入光面に入射した光を拡散して前記出光面から出光する光拡散シートであり、
    前記光拡散シートは、屈折率が1.58以上の単一透明樹脂材料からなり、
    前記光拡散シートの厚み方向に直交する2面が前記入光面と前記出光面を形成し、
    前記入光面は平坦であり、
    前記出光面には、底面が一辺の長さl=10μm〜100μmの略平行六辺形であり、高さHと前記底面の一辺の長さlとの比H/lが0.5以上1.2以下のドーム形状の突起が、間隔aと前記底面の一辺の長さlとの比a/lが0.15以下となるようにハニカム配列により平面充填されていることを特徴とする光拡散シート。
  2. 前記略平行六辺形が、正六角形における対向する2頂点間の方向の距離を1とした際の前記対向する2頂点間の方向の長さが0.75〜1.25、正六角形における対向する2辺の距離を1とした際の、前記対向する2辺の距離が0.75〜1.1の範囲であることを特徴とする請求項1記載の光拡散シート。
  3. 前記突起の底面が正六角形であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の光拡散シート。
  4. 前記透明樹脂材料が熱可塑性樹脂であることを特徴とする請求項1乃至請求項3の何れか1項に記載の光拡散シート。
  5. 前記透明樹脂材料がポリカーボネートであることを特徴とする請求項4記載の光拡散シート。
  6. 前記光拡散シートが、前記突起に対応した形状を有する金型を用い、前記透明樹脂材料を射出成形して形成されることを特徴とする請求項4又は請求項5記載の光拡散シート。
  7. 反射シートと、
    前記反射シートの上に均等に配置された複数の光源と、
    前記入光面が前記複数の光源を挟んで前記反射シートと対向するように配置された、請求項1乃至請求項6のいずれか1項に記載の光拡散シートと、
    を有することを特徴とする面光源装置。
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