JP2011187230A - 面光源装置及び液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】輝線や輝度ムラの発生を抑制することのできる面光源装置を提供する。
【解決手段】導光板３３の上面（光出射面）には、導光板３３長さ方向に延びた断面略半円状をした拡散パターン４０が形成されており、拡散パターン４０は導光板３３の幅方向に配列している。導光板３３の下面には、導光板３３の長さ方向においては傾斜面を有し、導光板３３の幅方向においては湾曲した断面を有する複数個の偏向パターン４１を設けている。
【選択図】図１５

Description

本発明は、エッジライト型の面光源装置に関する。具体的には、液晶ディスプレイのバックライトなどに用いることのできる比較的大面積の発光面を有する面光源装置に関するものである。

エッジライト型の面光源装置としては、特許文献１に開示されたものがある。図１（ａ）は、特許文献１に記載された面光源装置の一例である。この面光源装置１１は、透明な導光板１２の端面（光入射面１４）に対向させて複数個の点状光源１３（ＬＥＤ光源）を設けたものであり、導光板１２の光出射面１５には複数の凸部１６を設け、導光板１２の光出射面１５と反対面には溝１７が形成されている。導光板１２の凸部１６は、断面三角形状に形成されており、光入射面１４に垂直な方向（以下、導光板１２の長さ方向ということがある。）に延びている。また、各凸部１６は同一形状をしていて、光入射面１４と平行な方向（以下、導光板１２の幅方向ということがある。）に沿って等しいピッチで配列されている。導光板１２の溝１７は図１（ｂ）に示すようなＶ溝形状を有しており、光入射面１４に平行な方向に延びている。溝１７は等しい形状を有しており、導光板１２の長さ方向に沿って一定のピッチで配列している。

このような構造の面光源装置１１においては、導光板１２から出射した光は、光入射面１４から導光板１２内に入射する。導光板１２内を導光する光（図面において、光線は矢印で表す。）は、光出射面１５の凸部１６で全反射されることによって導光板１２の幅方向へ拡散され、また溝１７の傾斜面１７ａで反射されると、図１（ｃ）に示すように光出射面１５からほぼ垂直な方向へ出射される。

しかし、図１のような構造の面光源装置１１では、光出射面１５から出射される光の広がり（指向特性）が広くなる。そのため、引用文献２に開示された面光源装置２１では、図２に示すような構造によって、面光源装置２１から出射される光の指向特性を狭くしている。すなわち、傾斜面１７ａの傾斜角を小さくするとともに、光出射面１５に対向させてプリズムシート２２を配置している。このような構造によれば、傾斜面１７ａの傾斜角が小さくなっているので、導光板１２内を導光する光は、傾斜面１７ａで全反射される度に少しずつ光出射面１５の法線となす角度が小さくなり、光出射面１５に入射する光の入射角が全反射の臨界角よりも小さくなると光出射面１５から光が出射される。こうして光出射面１５から出射される光は、光出射面１５となす角度が小さな方向へ（つまり、光出射面１５とほぼ平行な方向へ）出射され、しかも光出射面１５に垂直な面内においては狭い範囲に集まっている。このようにして光出射面１５とほぼ平行な方向へ出射された指向特性の狭い光は、プリズムシート２２によって光出射面１５とほぼ垂直な方向へ曲げられるので、面光源装置２１からはほぼ垂直な方向へ向けて狭い指向特性の光が出射される。

なお、図１の面光源装置１１では点状光源１３を示しているが、光源として冷陰極管を用いてもよい。同様に、図２の面光源装置２１では冷陰極管２３を示しているが、光源として複数個の点状光源を用いていてもよい。

特開２００５−１０８５１２号公報 特開平９−１１３７３０号公報

しかしながら、特許文献１に開示された面光源装置１１でも、特許文献２に開示された面光源装置２１でも、光源として点状光源を用いた場合には、点状光源の近傍に輝線が現れる問題がある。図３は点状光源１３の近傍において面光源装置に現れた輝線を示す正面から見た図（写真）である。

また、複数個の点状光源に代えて冷陰極管を用いた場合には輝線は発生しないが、冷陰極管では光入射面に沿って光出射面の縁が全体的に明るく光り、面光源装置に輝度ムラが発生する問題があった。

本発明は、このような技術的課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、上記のような輝線や輝度ムラの発生を抑制することのできる面光源装置を提供することにある。

このような目的を達成するために、本発明の面光源装置は、光入射面から導入した光を光出射面のほぼ全体に広げて光出射面から外部へ出射する導光板と、該導光板の光入射面に対向させて配置された線状光源とを備えた面光源装置において、前記導光板の光出射面には、前記光入射面に平行な面内で導光板内の光を拡散反射させる拡散パターンが形成され、前記導光板の光出射面と反対側の面には、前記光入射面及び前記光出射面に垂直な平面面内で導光板内の光を反射させることによって前記光出射面に垂直な方向へ少しずつ偏向させるとともに、少なくとも前記光入射面に平行な面内で導光板内の光を拡散反射させる偏向パターンが形成されていることを特徴としている。なお、本発明における線状光源とは、冷陰極管のように導光板の端面に対向してその幅方向に長く延びた光源、導光板の端面に対向してその幅方向に配列された複数個の点状光源、点状光源の光をくさび状導光体によって線状に変換した光源などである。

本発明の面光源装置のある実施態様においては、前記偏向パターンは、前記光入射面及び前記光出射面に垂直な平面と平行な中心断面における断面形状が、前記光入射面に近づくにつれて前記光出射面から遠くなるように傾斜した傾斜部分を備えている。なお、この傾斜部分の断面は直線に限らず、湾曲していてもよい。また、この傾斜部分の傾斜角は、０°よりも大きく２０°以下であることが望ましい。

本発明の面光源装置の別な実施態様においては、前記偏向パターンは、前記光入射面と平行な断面における断面形状が湾曲した形状となっている。この偏向パターンの断面においては、前記湾曲形状の端に外接するように定めた接線の傾きが、２３°以上７０°以下であることが望ましい。この接線の傾きの条件は、偏向パターンのすべての断面で充足している必要はないが、大部分の断面で充足していることが望ましい。

本発明の面光源装置のさらに別な実施態様においては、前記偏向パターンの形状は、円錐形状の一部とほぼ等しい形状となっている。

本発明の面光源装置のさらに別な実施態様においては、前記拡散パターンは、前記光入射面に垂直な方向に沿って均一な断面を有するとともに前記光入射面と平行な断面の表面形状が湾曲形状又は多角形状となっている。ここにいう多角形状とは、断面が三角形状や矩形状をした拡散パターンを除く趣旨である。

なお、本発明における前記課題を解決するための手段は、以上説明した構成要素を適宜組み合せた特徴を有するものであり、本発明はかかる構成要素の組合せによる多くのバリエーションを可能とするものである。

本発明によれば、偏向パターンにも光を拡散させる機能を持たせたので、拡散パターンと偏向パターンによって導光板内を導光する光を拡散させることができ、導光板の光出射面からは狭い範囲に閉じ込めて光を出射させることが可能となった。その結果、導光板の光源側の縁に輝線や輝度ムラが発生するのを抑制することが可能になる。また光出射面から狭い範囲に閉じ込めて出射された光をプリズムシートによって面光源装置の正面方向へ曲げて出射させることで、面光源装置の正面輝度をさらに向上させることができる。

図１（ａ）は、特許文献１に開示された面光源装置の斜視図である。図１（ｂ）は当該面光源装置に用いられている導光板の下面に形成された溝の一部を拡大して示す斜視図、図１（ｃ）は溝の傾斜面で全反射された光が光出射面から出射される様子を示す概略説明図である。 図２は、特許文献２に開示された面光源装置の斜視図である。 図３は、輝線の発生している図１の面光源装置を正面から見た図である。 図４（ａ）及び（ｂ）は、導光板の下面で光が全反射する様子を示す側面図及び平面図である。図４（ｃ）−（ｅ）は、ベクトルダイアグラムにより光ベクトルの変化を表した図である。図４（ｆ）−（ｈ）は、ベクトルダイアグラムで光点の移動を表した図である。 図５（ａ）は、導光板の傾斜面で光が全反射する様子を示す断面図である。図５（ｂ）は、ベクトルダイアグラムにより光ベクトルの変化を表した図である。図５（ｃ）は、ベクトルダイアグラムで光点の移動を表した図である。 図６は、光源から出た光と、導光板内に入射した光と、導光板の下面で反射した光と、導光板の光出射面から出射された光のそれぞれの指向特性を示す概略図である。 図７（ａ）及び（ｂ）は、ベクトルダイアグラムを説明する図である。 図８（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、下面に一定ピッチ毎の傾斜面を形成された導光板を示す概略背面図、概略平面図及び概略側面図である。図８（ｄ）、（ｅ）及び（ｆ）は、Ｘ方向、Ｚ方向及びＹ方向から見たベクトルダイアグラムを表した図である。 図９（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、上面に断面三角形状の凸部を形成された導光板を示す概略背面図、概略平面図及び概略側面図である。図９（ｄ）、（ｅ）及び（ｆ）は、Ｘ方向、Ｚ方向及びＹ方向から見たベクトルダイアグラムを表した図である。 図１０（ａ）及び（ｂ）は、図１に示した面光源装置における光の挙動を表したベクトルダイアグラムであって、図１０（ａ）はベクトルダイアグラムをＹ方向から見た図、図１０（ｂ）はベクトルダイアグラムをＺ方向から見た図である。 図１１（ａ）は、導光板の下面に一定ピッチ毎の傾斜面を形成された面光源装置の概略斜視図、図１１（ｂ）は当該面光源装置において導光板内で反射しながら導光する光の指向特性をベクトルダイアグラムにより表した図である。 図１２（ａ）は、図２に示した面光源装置における光の挙動を表したベクトルダイアグラムである。図１２（ｂ）は、図１２（ａ）の簡略化した表示である。 図１３は、本発明の実施形態１に係る面光源装置の斜視図である。 図１４は、実施形態１の面光源装置において、導光板の下面に形成された偏向パターンを表した図である。 図１５（ａ）は、導光板のＹＺ面と平行な断面の一部を拡大して示す図である。図１５（ｂ）及び（ｃ）は、偏向パターンの拡大斜視図及び概略断面図である。 図１６は、比較例に係る面光源装置の斜視図である。 図１７（ａ）は、比較例における光の挙動を表したベクトルダイアグラムであり、図１７（ｂ）はその一部を拡大した図である。 図１８は、実施形態１の面光源装置における光の挙動を表したベクトルダイアグラムである。 図１９は、実施形態１の面光源装置において輝線がほぼ解消されている様子を表した図である。 図２０（ａ）及び（ｂ）は、実施形態１の面光源装置に用いられている偏向パターンの断面図及び端面図である。 図２１は、は一般的なバックライトの指向特性を示す図である。 図２２（ａ）及び（ｂ）は、偏向パターンの傾斜角θの範囲を説明するための図である。 図２３は、偏向パターンの傾斜角φの範囲を定めた根拠を説明するための図である。 図２４は、本発明の実施形態２に係る面光源装置の斜視図である。 図２５（ａ）−（ｄ）は、拡散パターンの種々の断面形状を示す概略図である。 図２６（ａ）及び（ｂ）は、導光板の下面に凹設された偏向パターンを示す斜視図及び断面図である。 図２７（ａ）−（ｅ）は、偏向パターンの種々の形状を示す断面図又は下面図である。

以下において本発明の好適な実施形態を説明するが、その前に本発明の作用効果を説明するための道具としてベクトルダイアグラムを説明するとともに、ベクトルダイアグラムを用いて特許文献１、２の面光源装置で輝線や輝度ムラが発生する理由を説明する。

（ベクトルダイアグラムの説明）
まず、ベクトルダイアグラムについて説明する。ベクトルダイアグラムとは、光の導光方向を表現するものであって、原点Ｏから光線の方向と等しい向きに延びた光ベクトルによって光線を表している。屈折率が一定の媒質中においては、光ベクトルの長さは等しいので、各光ベクトルの先端は同じ球面上に位置することになる。このようなベクトルダイアグラムを用いれば、光の反射や屈折の様子を簡単に表すことができる。

例えば、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、導光板Ｐ内を導光する光Ａが導光板Ｐの平らな底面で全反射して光Ｂとなる場合を考える。なお、導光板の光入射面に垂直な方向をＸ方向、導光板の光出射面に垂直な方向をＺ方向、Ｘ方向及びＺ方向に直交する方向をＹ方向とする。また、上記光Ａ及びＢを含む平面内でＺ方向と直交する方向をＷ方向とする。

この入射光Ａ及び反射光Ｂをそれぞれ３次元のベクトルダイアグラムで表すと、入射光Ａに対応する光ベクトルＯＡと反射光Ｂに対応する光ベクトルＯＢはいずれも光ベクトルの基点が原点Ｏにあり先端は同一の球面Ｑ１上にある。図４（ｃ）は、このベクトルダイアグラムをＷ方向及びＺ方向に垂直な方向から見た図であり、図４（ｄ）はＹ方向から見た図、図４（ｅ）はＸ方向から見た図である。光ベクトルＯＡとＯＢの長さが等しいこと、底面に立てた法線Ｎに対して入射光Ａと入射光Ｂのなす角度が等しいことを考慮すれば、光ベクトルＯＢの先端は光ベクトルＯＡの先端を法線Ｎと平行な方向へ移動させた点（法線Ｎと球面Ｑ１との交点）にあることが分かる。よって、ベクトルダイアグラムを用いれば、反射面の法線方向から簡単に反射光の方向を知ることができる。

また、光ベクトルの基点は常に原点にあるので、ベクトルダイアグラムは光ベクトルを省略してその先端だけを表せば、より簡明な表現方法となる。図４（ｆ）−（ｈ）は、光ベクトルＯＡ、ＯＢを光点Ａ、Ｂで表して図４（ｃ）−（ｅ）のベクトルダイアグラムを簡略に示したものである。

つぎに、図５（ａ）に示すように、ＺＸ面内において入射光Ａが導光板Ｐの底面に設けられた傾斜面Ｒで全反射する場合を考える。この場合には、図５（ｂ）（Ｙ方向から見たベクトルダイアグラム）に示すようにして反射光Ｂを知ることができる。すなわち、入射光Ａと同じ方向に光ベクトルＯＡを描き、光ベクトルＯＡの先端Ａから傾斜面Ｒの法線Ｎ１と同じ方向へ直線（Ｎ１）を伸ばし、この直線と球面Ｑ１との交点を先端Ｂとする光ベクトルＯＢを描けばよい。

また、導光板Ｐの上面に入射する光Ｂの入射角をβi、導光板Ｐの上面から出射する光Ｃの出射角をβoとし、導光板Ｐの屈折率をｎ、空気の屈折率を１とすれば、角度βiとβoの間には、ｎ・sinβi＝sinβo の関係がある。したがって、屈折光Ｃの光ベクトルＯＣを定めるためには、球面Ｑ１の１／ｎの半径の球面Ｑ２を描いておき、光ベクトルＯＢの先端Ｂを通る導光板上面の法線Ｎ２と球面Ｑ２との交点を求めれば、出射光Ｃの光ベクトルＯＣを知ることができる。なお、図５（ｃ）は、光ベクトルＯＡ、ＯＢ、ＯＣを光点Ａ、Ｂ、Ｃとして図５（ｂ）を簡略に描いたものである。よって、ベクトルダイアグラムを用いれば、反射面や出射面の法線方向から簡単に反射光や出射光の方向を知ることができる。

これ以降においては、ベクトルダイアグラムを示す場合には、図４（ｆ）−（ｈ）及び図５（ｃ）のような簡略な表現を用いるものとする。

つぎに、導光板に導入された光の指向特性や導光板から出射される光線方向とベクトルダイアグラムとの関係を、図６によって説明する。図６においては、導光板Ｐの左側に線状光源（複数個の点状光源、または冷陰極管）が配置されているとする。線状光源の任意の点から出る光線の方向の領域は導光板側の半球となる。すなわち、線状光源の任意の点から出る指向特性は、図６に示す指向特性Ｇ１のようにＸ方向を中心とする広がり角が９０°の半球面となっている。この光が光入射面Ｐ１から導光板Ｐに入射すると、光入射面Ｐ１における屈折のために導光板Ｐ内における指向特性は、図６に示す指向特性Ｇ２のようにＸ方向に中心を有する円錐状となる。この指向特性Ｇ２は、Ｘ方向を中心とする α＝arcsin（１／ｎ） の広がり角を有している。なお、ｎは導光板Ｐの屈折率である。

一方、導光板Ｐの光出射面Ｐ２が平面である場合、導光板Ｐの下面で全反射される光のうち光出射面Ｐ２から出射することのできる光は、図６に示す指向特性Ｇ３のようにＺ方向を中心とする α＝arcsin（１／ｎ） の広がり角を有する範囲内のものである。この指向特性Ｇ３の光が、光出射面Ｐ２から出射すると、図６に示すようにＺ方向を中心とする広がり角が９０°の指向特性Ｇ４となる。

上記指向特性Ｇ２をベクトルダイアグラムで表せば、図７（ａ）及び（ｂ）に示すＸ方向を中心とする球面状の領域Ｇ２となり、指向特性Ｇ３はＺ方向を中心とする球面状の領域Ｇ３となる。すなわち、導光板Ｐに入射した直後の光の光点は領域Ｇ２の上にあり、導光板Ｐ内で全反射して領域Ｇ３の上に移動した光点に対応する光は光出射面Ｐ２から外部へ出射される。

例えば、図８（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）に示すように、導光板Ｐの下面にＹ方向に沿って伸びた傾斜面Ｒが形成され、当該傾斜面ＲがＸ方向に一定ピッチで並んでいる場合を考える。この場合には、図８（ｄ）、（ｅ）及び（ｆ）に示すように、光が導光板Ｐの上面と傾斜面Ｒで全反射することによって領域Ｇ２上の光点（図面においては、光点はドットで表す。）が領域Ｇ３に達すると、その光は導光板Ｐの上面から外部へ出射される。なお、図８（ａ）及び（ｄ）はそれぞれ、Ｘ方向から見た導光板Ｐとベクトルダイアグラムを示す概略図、図８（ｂ）及び（ｅ）はそれぞれ、Ｚ方向から見た導光板Ｐとベクトルダイアグラムを示す概略図、図８（ｃ）及び（ｆ）はそれぞれ、Ｙ方向から見た導光板Ｐとベクトルダイアグラムを示す概略図である。

また、図９（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、下面が平らな導光板Ｐの上面（光出射面）に光拡散用の凸部Ｓを設けた場合を示している。凸部Ｓは、断面三角形状をしていてＸ方向に延びており、しかもＹ方向に沿って一定ピッチ毎に並んでいる。なお、このように光出射面にパターンが形成されている場合には、パターンを設ける前の平らな光出射面（あるいは、各パターンを平均化して平らに均した光出射面）に立てた法線を光出射面の法線と呼ぶ。これに対し、図９（ａ）−（ｃ）に示すように、凸部Ｓを構成する傾斜面に立てた法線を凸部の法線と呼ぶ。この場合には、凸部Ｓの法線ＮｓはＺ方向から見たときＹ方向と平行であるので、図９（ｄ）−（ｆ）に示すように、ベクトルダイアグラム内の領域Ｇ２にある光点は領域Ｇ３側へ移動しない。従って、図９（ａ）−（ｃ）のように導光板Ｐの上面にＸ方向に延びた凸部を形成しているだけでは、導光板Ｐ内の光は光出射面から外部へ出射されない。なお、図９（ａ）及び（ｄ）はそれぞれ、Ｘ方向から見た導光板Ｐとベクトルダイアグラムを示す概略図、図９（ｂ）及び（ｅ）はそれぞれ、Ｚ方向から見た導光板Ｐとベクトルダイアグラムを示す概略図、図９（ｃ）及び（ｆ）はそれぞれ、Ｙ方向から見た導光板Ｐとベクトルダイアグラムを示す概略図である。

なお、図９のように導光板Ｐの上面に断面三角形状の凸部Ｓを設けた場合には、凸部Ｓの法線Ｎｓは光出射面の法線方向（Ｚ方向）から２方向へ傾いているので、光を外部へ出射させる領域Ｇ３は図９（ｅ）のように２つの領域に分離している。このため領域Ｇ３の全体の面積が広くなり、光の出射効率が高くなっているように見える。しかし、２つの領域Ｇ３が重なり合っていない領域では、凸部Ｓの一方の傾きの傾斜面に入射した光は外部へ出射するが、他方の傾きの傾斜面に入射した光は全反射されて再度導光板内へ戻る。よって、全体としての出射効率には変化がないので、領域Ｇ３は１つの球面状の領域で表すことにする。

（従来例において輝線等が発生する理由）
まず、特許文献１に開示された面光源装置において輝線又は輝度ムラが生じる理由を考える。この場合には、図８と同じように傾斜面の法線方向はＺ方向から見てＸ方向と平行となっており、しかも傾斜面の傾斜角を大きくして図１０（ａ）、（ｂ）のように領域Ｇ２の光点を一気に領域Ｇ３へ移動させるようにしているので、導光板の光出射面から出る光のＹ方向における広がりが大きくなる。そのため、斜め方向ないし横方向へ出射される光が多くなり、面光源装置に輝線（点状光源の場合）や輝度ムラ（冷陰極管の場合）が発生する。

特許文献１の面光源装置を改善する方法としては、光出射面Ｐ２から光出射面Ｐ２とほぼ平行な方向へ光を出射させ、この光出射面Ｐ２とほぼ平行な方向へ出射された光をプリズムシートによって光出射面Ｐ２にほぼ垂直な方向へ変換させる方法が特許文献２に記載されている。この方法の一つとして、特許文献２には、図１１（ａ）に示すように導光板Ｐの下面の傾斜面Ｒの傾きを小さくし、光点の移動ピッチが小さくなるようにする方法が開示されている。しかし、図１１（ａ）のように光出射面Ｐ２を平坦にした場合には、光点は図１１（ｂ）のようにＸ方向に平行に少しずつ移動するだけであるので、光は領域Ｇ３のうちの斜線を施した領域で光出射面Ｐ２から出射される。この光は光出射面Ｐ２から光出射面Ｐ２とほぼ平行な方向へ出射されるが、図１１（ａ）に示すように導光板Ｐの幅方向（Ｙ方向）に広がっている。その結果、輝線や輝度ムラを解消させることはできず、またプリズムシートによって光出射面Ｐ２に垂直な方向へ変換しても、その正面輝度が低下することになる。

光を出射面Ｐ２にほぼ平行な方向へ出射させ、かつ指向特性を狭くするには、図６に示した指向特性Ｇ４のうち斜線を施した方向へ出射させればよく、それには導光板Ｐの下面で反射された光が指向特性Ｇ３の斜線を施した領域ｇ３にできるだけ集まるようにすればよい。このため、図２に示した面光源装置２１（特許文献２）では、導光板１２の下面に傾斜角の小さな傾斜面１７ａを設けるとともに、光出射面１５に光拡散用の凸部１６を形成している。

図１２（ａ）は、図２に示す面光源装置２１における光点の移動の一例を示すベクトルダイアグラムである。ここで白抜きの丸印は導光板の上面（凸部１６）で反射された後の光点を示し、黒い丸印は導光板の下面（溝１７）で反射された後の光点を表している。しかし、白抜きの光点は導光板の下面へ向かう光ベクトルであるから、光出射面から出る光を考える場合には考慮する必要がない。したがって、これ以降においては、導光板の下面で反射された光だけを考えることにする。図１２（ａ）の場合では、白抜きの丸印を省略して黒い丸印どうしを直接結んで図１２（ｂ）のように表す。

この面光源装置２１では、凸部１６で光を拡散させることができるので、領域Ｇ２の端の部分にある光点も領域ｇ３に達することができ、指向性の狭い光（図６の指向特性Ｇ４のうち斜線を施した領域ｇ４内の光）を出射させることができる。しかし、凸部１６が断面三角形状をしているので、拡散が規則的になり、図１２（ｂ）に示すように、領域Ｇ３のうち領域ｇ３以外の領域に達した光点は特定の部分に集まりやすい。そのため面光源装置２１でも輝線や輝度ムラを解消することができなかった。また、光源装置２１の正面輝度もさらに向上させることが望まれていた。

（本発明の第１の実施形態）
図１３は本発明の実施形態１による面光源装置３１を示す概略斜視図である。この面光源装置３１は、線状光源３２、導光板３３、光反射板３４及びプリズムシート３５からなる。線状光源３２は、ＬＥＤを用いた多数（数十個程度）の点状光源３７を回路基板３６の表面に一列に並べて実装したものであり、導光板３３の光入射面３８に対向配置される。

なお、図示例では多数の点状光源からなる線状光源３２を示すが、線状光源３２としては冷陰極管を用いてもよい。また、図示しないが、傾斜方向に長いくさび状の透明な導光体とプリズムシートと１個の点状光源を用い、点状光源から出射した光をくさび状導光体内に導入し、くさび状導光体の長細い面から出射させるようにした線状光源でもよい。

導光板３３は、屈折率の高い透光性樹脂又はガラスによって形成されている。導光板３３の上面（光出射面３９）と下面は平行となっており、上面には光拡散用の拡散パターン４０が複数条形成され、下面には偏向パターン４１が複数個形成されている。

拡散パターン４０は、光入射面３８に垂直な方向（Ｘ方向）に沿って均一な断面を有しており、導光板３３の幅方向（Ｙ方向）に沿って一定のピッチで配列されている。拡散パターン４０は、ＹＺ面と平行な断面では、図１５（ａ）に示すように表面が円弧状に湾曲している。

この拡散パターン４０に入射した光は、ＹＺ面内では、図１５（ａ）に示すように入射位置によって異なる方向へ全反射されるから、ＹＺ面内で拡散される。一方、ＺＸ面内では、拡散パターン４０に入射した光は、光出射面３９の法線に対して入射角と同じ角度で反射される。よって、ベクトルダイアグラム上では、拡散パターン４０で反射した光の光点はＹ方向及びＺ方向にはランダムに移動するが、Ｘ方向には移動しない。

なお、拡散パターン４０は、断面三角形状の凸部よりもＹＺ面内における反射光の拡散度合いが強いものであればよく、半円状ないし円弧状の表面を有するものに限らない。例えば図２５（ａ）に示すように楕円状の断面を有するものでもよく、図２５（ｂ）に示すように扁平な断面形状でもよい。また、図２５（ｃ）に示すように、拡散パターン４０は、表面が４面以上の平面によって断面多角形状に形成されたものであってもよい。さらに、拡散パターン４０は、必ずしも凸部である必要はなく、図２５（ｄ）に示すように、凹部によって拡散パターン４０が形成されていてもよい。

偏向パターン４１は、図１５（ｂ）、（ｃ）に示すように導光板３３の下面に突出しており、円錐形状をほぼ２分割したような形状となっている。また、各偏向パターン４１は、Ｚ方向から見てその中心軸がＸ方向と平行となるように配置され、略半円状の端面が光入射面３８に近い側に位置し、先端が光入射面３８から遠い側に位置している。したがって、ＺＸ面と平行な中心断面では、図１５（ｃ）に示すように偏向パターン４１は傾斜面を有する三角形状の凸部となる。また、ＹＺ面と平行な断面では、偏向パターン４１は略半円状の凸部となっており、光入射面３８と平行な各断面の断面形状は互いに相似形となっている。断面形状が相似形になっていることで、各偏向パターン４１で偏向される光は、ＹＺ面内で指向性に偏りが少なくなる。

この偏向パターン４１に入射した光は、図１４及び図１５（ｂ）に示すように入射位置によって異なる方向へ全反射されるから、偏向パターン４１によって散乱される。また、ＺＸ面内では、拡散パターン４０に入射した光は、光出射面３９の法線となす角度が小さくなる方向へ全反射される。よって、ベクトルダイアグラム上では、偏向パターン４１で反射した光の光点はＹ方向及びＺ方向にランダムに移動し、またＸ方向にも少しずつ移動する。しかも、このＸ方向での光点の移動量もある限度内でランダムになる。

光反射板３４は、導光板３３の下面に対向させて配置されている。光反射板３４は白色樹脂シートや金属シートのような高反射率のシートであって、導光板３３から漏れた光を反射して再び導光板３３へ戻し、光利用効率の低下を防ぐ働きをする。

プリズムシート３５は、断面三角形状の微細プリズムをＸ方向に沿って配列したものである。導光板３３は、その光出射面３９から指向性の狭い光を出射する（すなわち、図６に示した指向特性Ｇ４のうちの斜線領域ｇ４内に光を出射させる）が、その光は光出射面３９とほぼ平行な方向を向いていて正面輝度には寄与しない。そのため、この光出射面３９とほぼ平行な方向へ出射した光をプリズムシート３５に入射させることにより、光の方向を光出射面３９にほぼ垂直な方向へ変換し、面光源装置３１の正面方向へ光を出射させている。

つぎに、面光源装置３１の作用効果を図１６の比較例による面光源装置１０１と比較しながら説明する。図１６の比較例の面光源装置１０１は、面光源装置３１とは導光板３３の下面のパターンが異なるだけである。比較例の面光源装置１０１では、導光板３３の下面のパターンはＶ溝となっていて小さな傾きの傾斜面Ｒ（図８参照）がＸ方向に並んでいる。断面が円弧状の拡散パターン４０は光点をＹ方向及びＺ方向でランダムに移動させるが、傾斜面Ｒは光点をＸ方向に少しずつ移動させるだけであるから、ベクトルダイアグラムにおける光点の移動は図１７（ａ）のようになる。断面が円弧状の拡散パターン４０を用いれば、光点がＹ方向及びＺ方向でランダムに移動するので、断面三角形状の凸部Ｓの場合（図１２参照）よりも領域Ｇ２内の光点が領域ｇ３に入りやすくなり、光出射面から出る光を狭い範囲に閉じ込めることができる。

しかし、比較例の面光源装置１０１でも光点の移動のバラツキ方がまだ十分ではなく、図１７（ｂ）に示すように、光点が領域ｇ３を越えて移動し、領域Ｇ３内の領域ｇ３以外の箇所に入るものもかなりある。そのため、領域ｇ３以外で光出射面から出た光が輝線や輝度ムラの原因となっている。また、領域ｇ３以外へ入る光のため面光源装置１０１の正面輝度が低下する。

これに対し、本発明実施形態の面光源装置３１では、導光板３３下面の偏向パターン４１で光が拡散する結果、偏向パターン４１によっても光点がＹ方向及びＺ方向にランダムに移動し、さらにＸ方向でもランダムに移動する。その結果、ベクトルダイアグラムにおける光点の移動は、図１８に示すように一層ランダムに移動することになる。また、光が下面の偏向パターン４１で反射してＹＺ面内でＹ方向に散乱されるので、偏向パターン４１で反射された光の光点がＺＸ面に近くなりやすく、そのため上面の拡散パターン４０で反射されたときに光点がＺＸ面を越えて反対側へ移動し易くなる。その結果、光点が領域ｇ３に入りやすくなる。よって、光出射面３９から出射される光が狭い領域に集まり、輝線や輝度ムラが生じにくくなる。さらに、この狭い範囲に集まった光をプリズムシート３５で正面方向へ変換することにより、面光源装置３１の正面輝度を高くすることができる。図１９は本発明実施形態の面光源装置３１において輝線が軽減されている様子を示す図（写真）である。

つぎに、下面の偏向パターン４１の条件を説明する。すなわち、偏向パターン４１のＸ方向における傾斜角の最大値は０°よりも大きく２０°以下で、かつ、偏向パターン４１のＹＺ面と平行な断面において偏向パターン４１の表面に外接する接線の傾きの最大値は２３°以上７０°以下でなければならない。図１５（ｂ）、（ｃ）に示したような半円錐状の偏向パターン４１の場合で言えば、図２０（ａ）に示す偏向パターン４１の中心を通るＺＸ面と平行な断面における傾斜角θが、
０°＜θ≦２０° （あるいは、θ≦２０°、かつ、θ≠０°）
であって、かつ、図２０（ｂ）に示す偏向パターン４１の略半円状をした断面（ＹＺ面と平行な断面）の端に外接する接線が導光板３３の下面となす角度（接線の傾き）φが、
２３°≦φ≦７０°
でなければならない。なお、すべての断面において接線の傾きφが上記の条件を満たしている必要はないが、大部分の断面においては、接線の傾きが上記条件を満たしていることが望ましい。

この理由はつぎの通りである。図２１は一般的なバックライトの指向特性を示す図である。この図から分かるように、面光源装置から出射される光の広がりは最大でも５５°以下にする必要がある。図２２（ａ）に斜線を施して示す領域は領域ｇ３の光をプリズムシート３５によって光出射面３９に垂直な方向へ変換された光の領域を表している。この領域Ｋの最大の広がり角はγ＝５５°となっている。そして、図２２（ａ）の領域ｇ３は、領域Ｋの最大の広がり角γを５５°とするために領域Ｇ３内で光点を集めなければならない領域を示している。この領域ｇ３の広がりは、γ＝５５°となる。そして、領域ｇ３内に光を集めるためには、つぎのような条件を満たせばよい。図２２（ｂ）は領域ｇ３に光を集めるための臨界状態をＺＸ面内で表している。ＺＸ面内において、領域ｇ３の縁からＺ方向と平行に延ばした直線が球面Ｑ１と交差する点をＪとするとき、点Ｊから見て光が漏れない条件は、光点の移動方向ＪＦが内側の球面（領域ｇ３）に外接する場合にＺ方向となす角度εが最大値となる。この条件で、点Ｊを通り領域ｇ３の球面に外接する接線（Ｎ）がＺ方向となす角度εを求めれば、この角度εは約２０°（正確には１９.６°）となる。この接線（Ｎ）の方向は偏向パターン４１の傾斜面に立てた法線Ｎと平行であるから、偏向パターン４１の傾斜角θは２０°以下でなければならない。より好ましくは、θ≦１０°とすればよい。また、傾斜角θが０°であれば、光点はＸ方向に移動しないが、原理的には０°でなければ光点はＸ方向へ移動するので、偏向パターン４１の傾斜角θは０°よりも大きければよく、好ましくは１°以上であればよい。なお、傾斜角θの最適な値は、３°程度である。

つぎに、領域Ｇ２の光点を領域ｇ３に到達させるためには、ベクトルダイアグラムにおいて、偏向パターン４１で反射した光の光点がＺ方向からみたときにＸ方向を挟んで反対側へ移動しなければならない。図２３は、偏向パターン４１の端に引いた接線の傾きφと、光点がＸ方向を跨いで反対側へ移動する光点の割合をシミュレーションにより求めた結果を表している。少なくとも光点の半分以上はＸ方向を越えなければならないから、図２３の結果によれば、接線の傾きφは２３°以上、好ましくは３０°以上、さらに好ましくは４５°以上としなければならない。一方、接線の傾きφが９０°に近くなると、偏向パターン４１の側面に光が入射しなくなるので、接線の傾きφは７０°以下にする必要がある。よって、偏向パターン４１の端に引いた接線の傾きφは２３°以上７０°以下としなければならない。なお、傾きφの最適値は、６０°程度である。

もっとも、傾斜角θ、φの条件は、必ずしもすべての偏向パターン４１が満たしていなければならないものではなく、少なくとも全パターン数の７０％以上、好ましくは８０％以上が満たしていればよい。

（本発明の第２の実施形態）
図２４に示すものは、本発明の実施形態２による面光源装置５１を示す斜視図である。この面光源装置５１は、導光板本体５３の端に導光板本体５３よりも厚みの大きな光導入部５２を設けることにより、導光板３３の大部分を占める導光板本体５３の薄型化を図ったものである。導光板本体５３は、実施形態１の導光板３３と同様な構造を有している（図２４においては、導光板本体５３に対向して配設されるプリズムシート３５を図示省略している。）。

光源の高さには制限があるため、導光板の厚みを薄くすると、光入射面から導光板内に入らないでロスになる光が増加して光の利用効率が悪くなる。そのため、この面光源装置５１では、導光板本体５３の端に厚みの大きな光導入部５２を設け、光導入部５２の端面（光入射面３８）に線状光源３２を対向させている。光導入部５２の厚みは、光源の光出射面の高さよりも厚いことが望ましい。

光導入部５２の上面と導光板本体５３の上面との間には傾斜面５５を形成しているが、傾斜面５５の傾斜角が大きくなると、傾斜面５５から光が漏れやすくなり、光導入部５２に入射した光を効率よく導光板本体５３へ導光できなくなる。そのため、線状光源３２に設けられた各点状光源５４の前方においては傾斜面５５に沿って円錐状面５６を形成し、円錐状面５６の表面に傾斜方向に沿って略放射状にＶ溝パターン５７を形成している。傾斜面５５ないし円錐状面５６に設けたＶ溝パターン５７で光導入部５２内の光を全反射させることによって光の指向特性を変換し、傾斜面５５から光を漏出させることなく導光板本体５３へ光を導くことができる。よって、この実施形態によれば、実施形態１の作用効果に加えて、導光板３３の薄型化を図りつつ光源の光の利用効率を高めることができる。

なお、このような実施形態における光導入部５２や円錐状面５６に設けたＶ溝パターン５７などの働きについては、特願２００８−２０９８３２（または、ＰＣＴ／ＪＰ２００９／００３４３５）に詳細に説明している。

（その他の実施形態）
本発明は上記のような実施形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々設計変更することができる。例えば、上記実施形態では、偏向パターン４１は導光板３３の下面に突出していたが、図２６（ａ）及び（ｂ）に示すように、導光板３３の下面に凹設してもよい。この場合には、円錐形状を半分に割った形状を有する４１は、先端が光入射面に近い側となり、半円状の端面が光入射面から遠い側となるように配置される。

また、偏向パターン４１の形状は、図２７に示すように、種々の形状が考えられる。図２７（ａ）はＸ方向の断面が湾曲したものである。また、図２７（ｂ）及び（ｃ）に示すものは、半円錐状のものを２つつないだような形状となっている。図２７（ｄ）は、先端を丸くした偏向パターン４１であり、図２７（ｅ）は先端を多角形状にした偏向パターン４１である。さらに、偏向パターン４１のうち、光がほとんど入射しない部分については、どのような形状となっていても差し支えない。

本発明の面光源装置は、比較的大面積の面光源装置として用いられるものであって、例えばノートパソコンに搭載されている液晶ディスプレイなどのバックライトとして用いることができる。

３１、５１ 面光源装置
３２ 線状光源
３３ 導光板
３５ プリズムシート
３７ 点状光源
３８ 光入射面
３９ 光出射面
４０ 拡散パターン
４１ 偏向パターン
５２ 光導入部
５３ 導光板本体
５４ 点状光源
５７ Ｖ溝パターン

Claims (7)

1. 光入射面から導入した光を光出射面のほぼ全体に広げて光出射面から外部へ出射する導光板と、該導光板の光入射面に対向させて配置された線状光源とを備えた面光源装置において、
   前記導光板の光出射面には、前記光入射面に平行な面内で導光板内の光を拡散反射させる拡散パターンが形成され、
   前記導光板の光出射面と反対側の面には、前記光入射面及び前記光出射面に垂直な平面面内で導光板内の光を反射させることによって前記光出射面に垂直な方向へ少しずつ偏向させるとともに、少なくとも前記光入射面に平行な面内で導光板内の光を拡散反射させる偏向パターンが形成されていることを特徴とする面光源装置。
2. 前記偏向パターンは、前記光入射面及び前記光出射面に垂直な平面と平行な中心断面における断面形状が、前記光入射面に近づくにつれて前記光出射面から遠くなるように傾斜した傾斜部分を備えていることを特徴とする、請求項１に記載の面光源装置。
3. 前記傾斜部分の傾斜角が、０°よりも大きく２０°以下であることを特徴とする、請求項２に記載の面光源装置。
4. 前記偏向パターンは、前記光入射面と平行な断面における断面形状が湾曲した形状となっていることを特徴とする、請求項１に記載の面光源装置。
5. 前記偏向パターンの断面において、前記湾曲形状の端に外接するように定めた接線の傾きが、２３°以上７０°以下であることを特徴とする、請求項４に記載の面光源装置。
6. 前記偏向パターンの形状は、円錐形状の一部とほぼ等しい形状となっていることを特徴とする、請求項２又は４に記載の面光源装置。
7. 前記拡散パターンは、前記光入射面に垂直な方向に沿って均一な断面を有するとともに前記光入射面と平行な断面の表面形状が湾曲形状又は多角形状となっていることを特徴とする、請求項１に記載の面光源装置。

Images