JP2011258513A - 面状光源装置および表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、点状光源から出射した光を効率よく導光板内に伝播させる面状光源装置を実現させることを目的とする。
【解決手段】 導光板１は、第１の側面１ｃ側の近傍および反出射面１ｂ側に配置された点状光源３の位置に対応して、柱状の孔１１を形成している。孔１１には、第１の側面１ｃに向かう点状光源３より出射した光の中心角θ１が、第１の側面１ｃに到達した場合、全反射しない範囲において、孔１１の側部１１ｂが開口する開口部１１ａが形成されている。
【選択図】 図３

Description

本発明は、点状光源を用いる面状光源装置およびこれを用いた表示装置に関するものである。

一般的な点状光源を用いる面状光源装置は、導光板底面に設けられた凹部に点状光源を配置し、導光板内に光を伝播させている（特許文献１または特許文献２）。

特開平１０−８２９１５号公報 実開昭６２-１７６８８９号公報

特許文献１の面状光源装置は、点状光源を導光板の中央に配置して、導光板全体に点状光源の光を伝播させ、出射面より面状の光を出射させている。しかしながら、導光板内を伝播せずに点状光源近傍の出射面から出射する光により、点状光源近傍の出射面が明るくなるという輝度ムラが発生する場合があり、これを防止するために、光を拡散する部材を用いる等の対策を取らなければならなかった。

特許文献２の表示装置は、導光板の側面の端部に略半円状の入光部を形成して点状光源を配置し、導光板内に光を伝播させている。しかしながら、特許文献２に開示された入光部では、導光板に直接入射しない光が多く存在するため、光の利用効率が低下していた。

本発明は、上記問題点を解決し、点状光源から出射した光を効率よく導光板内に伝播させる面状光源装置および表示装置を提供することを目的とする。

本発明の面状光源装置は、点状光源と、点状光源からの光を伝播させ、光を出射する出射面、出射面と反対の面である反出射面、出射面と反出射面とを接続する側面、を備えた導光板と、を備えており、点状光源は、導光板の側面の近傍および反出射面側に配置され、導光板は、点状光源の配置位置に対応して形成された柱状の孔を備え、孔は点状光源より出射して、側面に到達した光のうち、当該側面において全反射しない光を導光板外へ出射する開口部を側面に備えていることを特徴とする。

本発明によれば、点状光源から出射した光を効率よく導光板内に伝播させることができるため、光の利用効率の高い面状光源装置を得ることができる。

本発明に係る面状光源装置の分解斜視図である。 本発明に用いられる導光板の上面図である。 図２に示した導光板の要部拡大図である。 図３に示した導光板との比較例である。 本発明に係る導光板の要部拡大図である。 本発明に係る導光板の要部拡大図である。 本発明に係る導光板の要部拡大図である。 本発明に係る面状光源装置の断面図である。

実施の形態１．
＜面状光源装置の構成＞
図１は本発明を実施するための実施の形態１における面状光源装置を示す分解斜視図である。図１において、本発明における面状光源装置１００は、光を面状に導き、出射面１ａから出射する導光板１を備えており、開口部２ａを有する筺体２に導光板１を配置している。導光板１は開口部２ａの方向に光を出射しており、その方向を出射方向とする。導光板１は光を出射する出射面１ａ、出射面１ａと反対の面である反出射面１ｂ、出射面１ａと反出射面１ｂに略垂直で、出射面１ａと反出射面１ｂとを接続する側面を備える。なお、本実施の形態で使用する導光板１は図に示すように、平面視矩形状の平板状をなすものであり、互いに対峙する一対の第１の側面１ｃと第２の側面１ｄを設けている。光を出射する点状光源３は、導光板１の反出射面１ｂと対向して配置され、少なくとも一方の第１の側面１ｃ側の近傍に配置する。なお、導光板１の点状光源３を配置する位置に対応して、第１の側面１ｃ側の端部に孔１１が形成されている。また、導光板１の出射面１ａ側には、レンズシートおよび光を拡散する拡散シート等の光学シート類４を配置する。また、導光板１の反出射面１ｂ、一対の第１の側面１ｃ、一対の第２の側面１ｄには反射シート５を配置しており、孔１１を形成した出射面１ａ側において、孔１１を覆うように反射シート５の上部５ａを配置する。

＜反射シート＞
反射シート５は、ポリエチレン（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ）又はポリエチレンテレフタレート（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）に硫酸バリウム又は酸化チタンを混ぜ合わせた材料や、樹脂に微細な気泡を形成した材料、金属板に銀を蒸着した材料、金属板に酸化チタンを含む塗料を塗布した材料を用いる。なお、反射シート５の反射率は、反射面での反射ロスを抑えるために９０％以上であることが望ましく、鏡面反射をする材料を用いてもよい。反射シート５を配置することで、導光板１から出射した光を再度導光板１に向かわせて、導光板１に入射させることができるため、光の利用効率を向上させることができる。

＜筐体＞
筺体２は、材料に白色の材料を用いると反射率を更に高めることができ、光の損失を抑制し、面状光源装置１００の光利用効率を向上させることができる。

＜光学シート＞
導光板１の出射面１ａ側に配置した光学シート類４は、レンズシート、拡散シート等を組合せて配置することができる。また、レンズシートを拡散シートで挟み込んだ構造のものを用いてもよい。また、輝度向上のためにプリズムの方向を最適に組み合わせた複数枚のレンズシートを用いてもよい。さらに、拡散シートの拡散性を向上させる場合に２枚以上の拡散シートを用いてもよい。また、拡散シートは、１枚のみ用いる場合や用いない場合があってよい。さらに、光学シート類４には、保護シート、視野角制御シート、偏光反射シートを用いてもよい。すなわち、光学シート類４は求められる輝度、配光特性に応じて組み合わされる。

＜点状光源＞
点状光源３は、発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ：以下、ＬＥＤと称する）または、レーザーダイオード（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ：以下、ＬＤと称する）等を用いる。本実施の形態においては、点状光源３は光源基板３１にＬＥＤを実装したものを用いている。ＬＥＤには青色等の単色光を発光する半導体発光素子、半導体発光素子から発光した青色単色光の一部を吸収し、黄色の光を発光する蛍光体からなる擬似白色ＬＥＤ等がある。また、ＲＥＤ（赤）、ＧＲＥＥＮ（緑）、ＢＬＵＥ（青）の半導体発光体素子を組み合わせ、３つの単色光の混合によって白色光を得るものもある。本実施の形態においては、擬似白色ＬＥＤを用いている。用途によっては、前記単色光のＬＥＤを用いてもよい。また、図１において、点状光源３は１個用いた場合を図示しているが、複数個の点状光源３を用いることができる。なお、本発明において、点状光源３にＬＥＤを用い、導光板１の孔１１の内部にＬＥＤを収納してもよい。このような構造とすることで、ＬＥＤからの光を導光板１に放射状ないし同心円状に伝播させることができ、光の利用効率の高い面状光源装置を提供できる。これにより、ＬＥＤの個数が少ない場合であっても、所望の輝度を満たし、かつ、輝度の均一性が向上できる。また、少ない点状光源３で面状光源装置を構成できるため、低コスト化かつ軽量化にも寄与できる。

＜光源基板＞
光源基板３１は、点状光源３を保持するとともに点状光源３に電力を供給する回路パターンを形成している（図示せず）。また、光源基板３１に金属基板を用いることで、点状光源３から発せられる熱を周囲に効率よく拡散させ、点状光源３の発光効率を高めることができる。また、点状光源３をＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）に実装することで、点状光源３からの熱を周囲に効率よく伝えるとともに、面状光源装置１００の体積を増やすことなく収納することができる。

＜表示素子＞
面状光源装置１００上に表示素子（図示せず）を配置することで、表示装置が構成される。この表示素子には、液晶材料の複屈折性を応用した液晶表示パネルや、文字や絵が透明板に印刷された表示パネル等が用いられる。液晶表示パネルは、基板上にカラーフィルター、遮光層、対向電等が形成されたカラーフィルター基板と、基板上にスイッチング素子となる薄型トランジスタ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：以下、ＴＦＴと称する）、画素電極等が形成されたＴＦＴ基板を対向させて配置している。両基板の間隔を保持するためのスペーサーと、カラーフィルター基板とＴＦＴ基板とを張り合わせるためのシール材と、カラーフィルター基板とＴＦＴ基板の間に挟持される液晶材料を備え、液晶を配向させる配向膜と、偏光板とによって構成されている。液晶表示パネルは、スイッチング素子による電圧のオン又はオフにより液晶層の配向を制御して、液晶表示パネルに入射した光を映像信号に合わせて変調して表示を行なう。

＜導光板＞
導光板１は、本発明においては、厚みが一定である平板状のものを用いたが、楔形状の導光板１を用いてもよい。材料は、透明なアクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ガラス等の材料より構成されている。また、導光板１の反出射面１ｂ側には、光の伝播方向を乱して、出射面１ａより光を出射する方向へと導くための光散乱部（図示せず）が形成されている。光散乱部は光を導光板１内部に向かって反射する手段として機能する。反射する手段としては、反出射面１ｂにドット印刷をする方法、反出射面１ｂを粗面化してシボ面を形成する方法または微小な球面や凸凹を形成する方法などがある。

図２に導光板１の上面図、図３に図２に示した導光板１の要部拡大図を示す。図２、図３に示すように、本発明における導光板１は、第１の側面１ｃ側の端部の光源配置領域ＫＲ１に孔１１を有しており、導光板１の反出射面１ｂ側に配置された点状光源３（図示せず）の位置に対応して形成されている。なお、光源配置領域ＫＲ１と隣接して、出射領域ＡＲが配置されており、出射領域ＡＲに前述した光散乱部が形成されている。また、実施の形態１における孔１１は、導光板１の出射面１ａと反出射面１ｂとの間を貫通しており、出射面１ａと反出射面１ｂに形成された形状が同じである柱状を呈している。また、出射面１ａおよび反出射面１ｂは、円、楕円、長円、多角形状の一部が切り取られた形状を示している。すなわち、孔１１は、円柱（楕円柱、長円柱）または角柱であって、柱状の側部１１ｂにおいて、第１の側面１ｃ側に開口部１１ａを備えている。

次に、孔１１における導光板１の第１の側面１ｃ側に形成された開口部１１ａについて説明する。図４は、図３に示した導光板１との比較例を示している。図４に示すように、円柱状の孔１２を点状光源３（図示せず）と対応する位置であって、第１の側面１ｃ側の端部である光源配置領域ＫＲ２に設ける際、孔１２の中心Ｏ（点状光源３の発光中心）より第１の側面１ｃに垂直に下ろした垂線をＰ、第１の側面１ｃに向かう光の軌跡Ｈ、とした場合、垂線Ｐに対する光の軌跡Ｈとのなす角をαとする。点状光源３より出射した光が第１の側面１ｃに到達して全反射する境界にあるとき、角αは臨界角となり、導光板１の材料の屈折率ｎに依存して、下式（１）で示される。

α＝ｓｉｎ^−１（１／ｎ）・・・（１）

式（１）に示す角αよりも大きい角度の光が、第１の側面１ｃに到達した場合、全反射して伝播する。よって、角αが臨界角よりも大きい角度となる光Ｌ１２１は、第１の側面１ｃにおいて全反射され、導光板１を伝播する光となる。一方、角αが臨界角に満たない角度で第１の側面１ｃに向かう光Ｌ１２２は、第１の側面１ｃにおいて、全反射されずに導光板１外へと出射してしまう。導光板１外へと出射した光Ｌ１２２は、第１の側面１ｃと対向する位置に配置された反射シート５によって、再び導光板１へ向かう光となるが、導光板１を介して導光板１外へ出射した後に再利用されるため、光の損失となる。角αが臨界角を満たさない光Ｌ１２２となる孔１２の中心角θ１の範囲は、下式（２）で示される。

θ１≦２α・・・（２）

よって、図３に示すように、孔１１において、第１の側面１ｃに向かう光の中心角θ１が、第１の側面１ｃに到達した場合、全反射しない範囲において孔１１の側部１１ｂが開口する開口部１１ａを第１の側面１ｃの端部に形成する。すなわち、孔１１が円柱状である場合、中心角がθ１の範囲となる円弧（側部１１ｂ）を第１の側面１ｃ側に配置し、開口部１１ａを形成する。一例として、導光板１の材料として屈折率ｎ＝１．４９のアクリルを用いるとした場合、式（１）、式（２）より臨界角α＝４２．１６°となり、中心角θ１≦８４．３２°となる。よって、孔１１の中心角θ１が８４．３２°となる円弧（側部）を第１の側面１ｃに配置し、開口部１１ａを形成する。

次に、本発明の面状光源装置の動作について、説明を行う。図３に示すとおり、点状光源３より出射して孔１１の側部１１ｂに入射した光の中で、第１の側面１ｃに向かう光Ｌ１１は、臨界角より大きい角度で第１の側面１ｃに到達されるため、第１の側面１ｃで全反射を行い光の損失なく、導光板１内を伝播する光となる。一方、臨界角に満たない角度で第１の側面１ｃに向かう光Ｌ１１１は、孔１１に入射せず、開口部１１ａから導光板１外へ出射し、導光板１の第１の側面１ｃに設けた反射シート５により、再度導光板１の第１の側面１ｃより入射し、導光板１内を伝播する。導光板１内を伝播する光は、導光板１の反出射面１ｂに施されたドット印刷または粗面化処理又はプリズム等により拡散され、光の伝播方向が変化することにより、導光板１と導光板１の周囲の空気層との境界で臨界角を満たさなくなり、導光板１の出射面１ａから出射される。なお、第１の側面１ｃ以外方向に向かう光は、放射状に拡散して導光板内を伝播する。

上記説明した通り、本発明の面状光源装置１００によれば、点状光源３から出射した光のうち、導光板１の第１の側面１ｃにおいて、臨界角に満たない角度の光は、導光板１を介すことなく開口部１１ａより導光板１外へ出射し、第１の側面１ｃと対向して配置した反射シート５に到達して、再び導光板１へ向かう光とすることができる。また、第１の側面１ｃにおいて、臨界角よりも大きい角度の光は、第１の側面１ｃで全反射し、導光板１内を伝播させることができる。よって、点状光源３を導光板１の第１の側面１ｃ近傍に配置する場合、点状光源３から出射する光を導光板１内で効率よく伝播させることができるため、光の利用効率の高い面状光源装置を実現できる。また、導光板１の第１の側面１ｃに孔１１の開口部１１ａを形成させる構造であるため、点状光源３の光源配置領域ＫＲ１を図４に示す光源配置領域ＫＲ２と比較して、狭くすることができ、狭額縁の面状光源装置が実現できる。

なお、導光板１の孔１１の側部１１ｂは、凸凹のない鏡面もしくは凸凹のある粗面としてもよい。凹凸のない鏡面で構成させることで、効率よく導光板内に光を取り込むことができる。また、凹凸のある粗面とすることで、光源近傍において光を散乱させ、導光板１内において輝度を均一にすることができる。

また、導光板１の孔１１は、導光板１の出射面１ａと反出射面１ｂとの間で貫通させず、反出射面１ｂ側が開口する凹部（図示せず）としてもよい。また、孔１１は点状光源３を配置した位置に対応して形成させていたが、点状光源３を収納させてもよい。

また、孔１１の出射面１ａ側に反射部を備えてもよい（図示せず）。このような構成とすることにより、孔１１内において、点状光源３より出射し出射面１ａ側へ向かう光を反射させて、導光板１内に伝播させることができるため、光利用効率を向上させることが可能となる。反射部は反射シートを配置する方法や筺体２の材料を白色とする。

さらに、本実施の形態に係る面状光源装置１００では、導光板１の出射面１ａまたは反出射面１ｂに鏡面処理、粗面化処理、ドットパターン印刷や有色印刷を施してもよい（図示せず）。導光板１の出射面１ａ又は反出射面１ｂに粗面化処理を施し、シボ面を形成することで、導光板１の出射面１ａでの輝度を均一にすることができる。

実施の形態２．
本実施の形態２における面状光源装置について、以下に説明する。図５、６に実施の形態２に係る導光板の要部拡大図を示す。本実施の形態２における面状光源装置の特有の構成および動作以外は、実施の形態１の面状光源装置と同様であるため、説明を省略する。

実施の形態１における孔１１は、図３に示すとおり、導光板１の孔１１の側部１１ｂと第１の側面１ｃとのなす角θ２が鋭角となってしまい、他の部材等と接触した場合、破損してしまう、もしくは導光板１の成型が困難となる場合がある。そこで、本実施の形態２においては、図５、６に示すとおり、導光板１の孔１１の側部１１ｂと第１の側面１ｃとの接続部１ｅを平面もしくは曲面で形成する。本構成により、導光板１の第１の側面１ｃ側の端部に孔１１を形成する場合であっても、破損がしにくく、導光板１の成型が容易であるとともに、導光板１の金型の成形も容易にすることが可能となる。なお、接続部１ｅを形成することにより、第１の側面１ｃが切除されるが、点状光源３から出射した光は、導光板１を介すことなく、導光板１の外に出射して反射シート５により導光板１へ再度入射するため、全反射により導光板１内へ光が伝播する効率への影響はほとんどない。

また、図７に示す通り、導光板１に形成した孔１１を第１の側面１ｃに形成し、第１の側面１ｃと孔１１の側部１１ｂとの接続部１ｅにより第１の側面１ｃに開口部１１ａを形成してもよい。なお、接続部１ｅは、前述した通り、孔１１の中心角θ１の範囲内で開口部１１ａが形成されるように、孔１１の側部１１ｂより第１の側面１ｃに略垂直な平面で形成される。本構成により、点状光源３の中心Ｏより光が出射し、第１の側面１ｃに向かう光の中で、接続部１ｅで入射される光Ｌ１１３は、接続部１ｅで屈折して導光板１に入射し、第１の側面１ｃで全反射され、導光板１内へ光が伝播する。また、接続部１ｅで入射されない光Ｌ１１４は、導光板１の外に出射して反射シート５により導光板１へ再度入射する。

実施の形態３．
本実施の形態３における面状光源装置の構成について、以下に説明する。図８に実施の形態３に係る面状光源装置を構成する導光板の断面図を示す。本実施の形態３における面状光源装置の特有の構成および動作以外は、実施の形態１および実施の形態２の面状光源装置と同様であるため、説明を省略する。

実施の形態１および実施の形態２では導光板１に柱状の孔１１を設けていたが、実施の形態３においては、反出射面１ｂ側に第１の凹部１３、第１の凹部１３と対応して、出射面１ａ側に第２の凹部１４を設ける。第１の凹部１３は柱状の凹部であり、底部に凸部１３ａを備えている。なお、本実施の形態における凸部１３ａは、反出射面１ｂ側に突出する突出部である。また、第２の凹部１４は、円錐形状を呈している。

次に、本実施の形態３の動作について説明する。図８において、点状光源３からの光のうち、第１の凹部１３の側面１３ｂに到達する光Ｌ１３１は、側面１３ｂで屈折して導光板１内部へと伝播する。また、第１の凹部１３の底部の凸部１３ａに向かう光Ｌ１４１は、凸部１３ａにより第２の凹部１４へ集光され、第２の凹部１４の側面１４ａで反射し、導光板１内部へと伝播していく。第１の凹部１３から第２の凹部１４へと進んだ光のうち極僅かな光は導光板１内に伝播せず、導光板１外へと出射されるが、その光は第２の凹部１４の上面に設けた反射シート１５により反射され、導光板１内へと伝播する。本構成により、点状光源３から出射した光のうち、導光板１の第１の側面１ｃにおいて臨界角を満たさない角度の光は、導光板１を介すことなく開口部より導光板１外へ出射し、第１の側面１ｃと対向して配置した反射シート５に到達して、再び導光板１へ向かわせるとともに、第１の凹部１３、第２の凹部１４を形成することで、点状光源３から出射する光を導光板１の出射面１ａと水平な方向へ伝播させる光とすることができ、輝度の均一性を向上させることができる。また、出射面１ａ側から見て、点状光源３を中心に放射状に光を伝播させることができる。

なお、第１の凹部１３に設けた凸部１３ａは、導光板１の出射面１ａ側に突出させてもよい（図示せず）し、凹凸を含む面であってもよい。

また、本発明においては、上記の各実施形態の構成に限定されるものでなく、本発明を逸脱しない範囲において、種々の変更、組み合わせが可能である。光源は複数配置してもよいし、導光板の種類や形状など適宜選択することができる。

１ 導光板、２ 筐体、２ａ 開口部、３ 点状光源、４ 光学シート類、 ５ 反射シート、１ａ 出射面、１ｂ 反出射面、 １ｃ 第１の側面、 １ｄ 第２の側面
１ｅ 接続部、１１ 孔、１１ａ 開口部、１１ｂ 側部、１２ 孔、１３ 第１の凹部、１３ａ 凸部、１４ 第２の凹部、１００ 面状光源装置。

Claims (9)

1. 点状光源と、
   前記点状光源からの光を伝播させ、光を出射する出射面、前記出射面と反対の面である反出射面、前記出射面と前記反出射面とを接続する側面、を備えた導光板と、を備え、
   前記点状光源は、前記導光板の前記側面の近傍および反出射面側に配置され、
   前記導光板は、前記点状光源の配置位置に対応して形成された柱状の孔を備え、
   前記孔は、前記点状光源より出射して、前記側面に到達した光のうち、前記側面において全反射しない光を前記導光板外へ出射する開口部を前記側面に備えていることを特徴とする面状光源装置。
2. 前記孔における前記点状光源の発光中心をＯ、前記発光中心Ｏより前記側面に垂直に下ろした垂線をＰ、前記発光中心Ｏより前記側面に向かう光の軌跡をＨ、垂線Ｐと光の軌跡Ｈとがなす角をαとした場合、前記角αは、前記点状光源より出射した光が前記側面に到達して全反射する境界にあるとき臨界角となり、前記導光板材料の屈折率ｎに依存して、
   α＝ｓｉｎ^−１（１／ｎ）、を満たしており
   前記開口部は、前記孔における発光中心Ｏより出射する光の中心角をθ１とする場合、
   θ１≦２α、
   の関係を満たす側部を前記導光板の前記側面に配置して形成されることを特徴とする請求項１記載の面状光源装置。
3. 前記導光板の側面と前記孔の側部との接続部は、平面もしくは曲面で形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の面状光源装置。
4. 前記孔は、前記出射面および前記反出射面の形状が同じである柱状形状であって、前記出射面または反出射面で貫通していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の面状光源装置。
5. 前記孔は、前記反出射面に形成した第１の凹部であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の面状光源装置。
6. 前記第１の凹部は、前記底部に凸部を備えたことを特徴とする請求項５記載の面状光源装置。
7. 前記第１の凹部に対応する位置であって、前記出射面に第２の凹部をさらに備えたことを特徴とする請求項５または６記載の面状光源装置。
8. 前記第２の凹部は、円錐形状であることを特徴とする請求項７記載の面状光源装置。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載の面状光源装置と対向する位置に、表示素子を配置したことを特徴とする表示装置。

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