JP2014207134A

JP2014207134A - 面発光素子

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Publication number: JP2014207134A
Application number: JP2013083948A
Authority: JP
Inventors: 安部　浩司; Koji Abe; 浩司安部; 伊久雄大西; Ikuo Onishi
Original assignee: Kuraray Co Ltd
Current assignee: Kuraray Co Ltd
Priority date: 2013-04-12
Filing date: 2013-04-12
Publication date: 2014-10-30

Abstract

【課題】導光板の光入射面の幅に比較して小さな光源（いわゆる点光源またはそれに類する物）を用いる面光源装置において、光源からの光の出光方向の制御を高めて光利用効率を高める。【解決手段】上記の課題は、略円盤状の導光板２と、導光板２の側面部分に正反射する部材８を有し、上記導光板２の中央部分に点光源６とを備え、上記導光板２の光出射面と対向する面に複数の凹部が形成され、且つ、上記点光源側のパターン５傾斜面と、導光板主面の法線と傾斜面の成す最小の角度をα、反点光源側のパターン５の傾斜面と導光板主面の法線とが成す最小角度をβとした時に、α＜βと成ることを特徴とする面光源装置。【選択図】図３

Description

この発明は、液晶表示装置や照明装置などに用いられる面光源装置、ならび面光源装置を用いた液晶表示装置、携帯電話機および情報端末機と読書灯、表面検査用ランプ、人工光植物プラント用の面発光照明装置等に関する。

従来の面光源装置を第１図および第２図に示す。第１図は分解斜視図、第２図は断面図である。面光源装置１は、光を閉じ込めて伝播させるための導光板２と発光装置３と反射板４とから構成されている。導光板２はポリカーボネート樹脂やメタクリル樹脂等の透明で屈折率の大きな樹脂により成形されており、導光板２の下面には凹凸加工や拡散反射インクのドット印刷等によって拡散パターン５が形成されている。発光装置３は、回路基板上に複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）等のいわゆる点光源７を実装したものや、冷陰極管であって、導光板２の端面（光入射面８）に対向している。反射板４は、反射率の高い、たとえば白色樹脂シートによって形成されており、両面テープによってその両側部で導光板２の下面に貼り付けられている。発光装置３から出射して光入射面７から導光板２の内部に導かれた光は、導光板２内部で全反射することによって、導光板２内部に閉じ込められかつ進行する。導光板２内部の光が拡散パターン５に当ると拡散反射される。この反射光のうち、全反射の臨界角よりも小さな角度で光出射面１０に入射した光が光出射面から外部へ出射する。導光板２下面の拡散パターン５の存在しない箇所を透過した光は、反射板４によって反射されて再び導光板２内部へ戻るので、導光板２下面における光量損失の発生が防止される。しかしながら、出射した光の制御が難しく、正面方向だけでなく斜め方向にも大きく広がる。

個人用のディスプレイ、携帯端末等観察する角度が限られる用途や、読書灯などのように目的の対照物にのみ光が照射され、且つ人間の目には発光した光が入らない方が眩しくなくストレスを感じない用途、また自動車のテールランプや、植物に効果的に光を照射する目的においては、特定の方向のみに光が照射される方が望ましい。

砲弾型のＬＥＤ等で特定方向に光を照射する光源もあるが、スポット系が小さい課題がある。またレンズを用いて平行光源にすることもできるが、照射エリアを広げると、光源とレンズの距離を大きく離す必要があり厚みが増加する課題がある。

このような面光源で且つ光を集光することが可能な面光源素子として特許文献１に光入射面から導入された光を閉じ込めて伝搬させ、光出射面から外部へ取り出すための導光板と、上記導光板の光入射面側に配置された点光源とを備え、上記導光板の光出射面とは反対側の面のほぼ全体に拡散パターンが形成され、上記拡散パターンは相互に間隔をあけて配置された複数の拡散パターン素子から構成され、各拡散パターン素子がその形状に長手方向の方向性を有し、この長手方向が、拡散パターン素子と上記光源とを結ぶ方向に対してほぼ垂直である、面光源装置によって出光特性や面内の輝度分布の均一性を高めている。しかしこの面光源装置では、光が導光板の端面に達する前に光を取り出す必要があり、導光板の厚みを薄くする必要がある。また導光板の厚みが薄くなることによって使用可能な光源のサイズも小さくなる。そのため高照度の用途になると、対応できない課題がある。

また特許文献２には、点光源と、前記点光源から射出された光が入射する入射面と、前記入射面に対向する対向面と、面状に広がりを持った光を出射させる出射面と、前記入射面から入射した光を前記対向面へ向けて進行させ、前記対向面側から前記入射面側へ進行する光の進行方向を制御して前記出射面から出射させる光路制御パターンとを備えた導光体と、前記導光体の対向面側に配置され、前記点光源の光射出位置を焦点とする放物曲面に形成された反射面からなり、前記対向面に向けて進行した光を前記導光体内に反射させる反射部材とを、有することによってＬＥＤ近傍付近が明るくなることなく面内均一に発光することが可能になる。しかしながらパターン形状等に関する記載は無く、光の配向特性を制御することができない為、特定の方向に無駄なく光を配向させることができない。

特許第３１５１８３０号公報特開２００４−１２７８１０公報

この発明は、導光板の光入射面の幅に比較して小さな光源（いわゆる点光源またはそれに類する物）を用いる面光源装置において、光源からの光の出光方向の制御を高めて光利用効率を高めることを目的とする。
この発明はさらに、上記の面光源装置を用いた液晶表示装置、携帯電話機および情報端末機を提供することを目的とする。
この発明はさらに、上記の面光源装置を組み込んだ自動車用テールランプ、読書灯、表面検査用ランプ、人工光植物プラント等の光照射装置を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ね、導光板の中央部分にある点光源から発光した光が導光体断面部分から、内部に入射し、導光体の外周部分で反射された光が導光板の光出射面の反対面に存在するパターンによって光の出射方向を制御することで、特に導光体主面に対して垂直方向の光を効率的に出射することができる。

すなわち、本発明によれば、以下のものが提供される。

＜１＞
光入射面から導入された光を閉じ込めて伝搬させ、光出射面から外部へ取り出すための略円盤状の導光板と、導光板の側面部分に正反射する部材を有し、上記導光板の中央部分に点光源とを備え、上記導光板の光出射面と対向する面に複数の凹部が形成され、且つ上記点光源側のパターン傾斜面と、導光板主面の法線と傾斜面の成す最小の角度をα、反点光源側のパターンの傾斜面と導光板主面の法線とが成す最小角度をβとした時に、α＜βと成ることを特徴とする面光源装置。

＜２＞
上記角度αが０度〜１０度、上記角度βが４０度〜５０度であることを特徴とする＜１＞に記載の面光源素子。

＜３＞
上記パターンと上記点光源とを結ぶ方向における、パターン素子の断面が直角三角形であることを特徴とする＜１＞または＜２＞に記載の面光源素子。

＜４＞
上記点光源が導光板主面に対して、±２０度以内に５０％以上の光が出射することを特徴とする＜１＞〜＜３＞のいずれか一つに記載の面光源素子

＜５＞
上記点光源に近づくほど、上記パターンの存在確率が、増加することを特徴とする＜１＞〜＜４＞のいずれか一つに記載の面光源素子

＜６＞
上記導光板の主面の形状が円形で、且つ上記パターンが、同心円状に連続して繋がっていることを特徴とする＜１＞〜＜５＞のいずれか一つに記載の面光源素子

＜７＞
上記導光板の主面の形状が円形で、且つ上記パターンが、同心円状の円周上に配置されていることを特徴とする＜１＞〜＜５＞のいずれか一つに記載の面光源素子

＜８＞
上記正反射部が鏡面テープであることを特徴とする＜１＞〜＜７＞のいずれか一つに記載の面光源素子

＜９＞
上記正反射部が導光板側面に形成したプリズムであることを特徴とする＜１＞〜＜７＞のいずれか一つに記載の面光源素子

＜１０＞
画像を生成する液晶表示パネルと、液晶表示パネルを照明するための、＜１＞〜＜９＞のいずれか一つに記載の面光源素子とを備えた液晶表示装置。

本発明は、特定の方向に光の照射量が多く、且つ広い面積で照射することが可能な薄型の面発光素子を提供することができる。本発明の面発光素子は特定の方向に光を出射させる、液晶表示パネル用照明、自動車用テールランプ、読書灯、表面検査用ランプ、人工光植物プラント用光源に好適である。

点光源を用いた従来の面光源装置を示す分解斜視図である。従来の面光源装置の断面図である。本発明の実施例による面光源装置を示す平面図である。本発明の実施例による面光源装置を示す断面図である。本発明の実施例によるパターンの断面SEM観察像である。

本発明の光入射面から導入された光を閉じ込めて伝搬させ、光出射面から外部へ取り出すための導光板と、導光板の側面部分に正反射する部材を有し、上記導光板の中央部分に点光源とを備え、上記導光板の光出射面とは反対側の面ほぼ全体にパターンが形成され、パターン形状は、凹形状であり、且つ上記点光源に最も近い傾斜面と導光板主面の法線と傾斜面の成す最小の角度をα、点光源に最も遠い傾斜面と導光板主面の法線とが成す最小角度をβとした時に、α＜βと成ることを特長とする面光源装置である。

まず、この発明の実施の形態における第１の例（以下、第１実施形態という）について、図3 、図４に基づき説明する。

なお、図3は第１実施形態としての面光源装置を示す平面図であり、図4はその断面図である。

本例では、光を放射状に出射する点光源６として、ＬＥＤ素子６を使用している。図３において、そのＬＥＤ素子は、導光板２の中央部分に形成された円柱状の、凹部分に設置されている。凹部分の側面はＬＥＤ素子１から導光板２に光を効率良く取り込んで全反射させるために、導光板２の主面に対して垂直に近い面を有することが望ましい。

またＬＥＤ素子６から出射される光は、導光体２の主面に対して、平行方向に近い角度で出射することにより、多くの光が導光体内部に入射することができ、光利用効率が向上する。そのためＬＥＤ素子６の側面方向に向かって光が多く出射することが望ましい。

本例の導光板２の外周部分には、正反射部材８が形成されている。正反射部材８は、特に限定されないが、Ａｌ、Ａｇを蒸着したものや、屈折率の異なる多層フィルムのような吸収が少なく、反射率の高い物が好ましい。導光板２に取り込まれた光は、正反射部材８で正反射され、導光板２内部に戻される。戻された光は導光板の光出射面とは反対側に形成されたパターン５の斜面において全反射し、導光体２の出射面から出射される。

本例の凹パターン５は光出射面の反対面側に形成されている。点光源に最も近い傾斜面と導光板主面の法線とが成す最小の角度（α）が０度に近づくと、入射した光線は、導光板２内部を全反射する角度で進行する。また凹部の成形の点からはテーパーがある方が良い、従って角度αは０度＜α＜１０度の値をとることが望ましい。導光板２の厚みは特に限定されるものではないが、ＬＥＤ光源の入射効率を高めることと、発光強度の強いＬＥＤを用いる場合は３ｍｍ以上の厚みであることが望ましい。それ以上厚みが薄くなると入光効率が低下する。

また導光板２の厚みが３ｍｍ以上になると、導光板内部に入射した光が凹パターンにあたるまでに最低でも６ｍｍ以上の距離が必要となる。導光板２の主面に対して、より平行方向の光は凹パターンに接触するまでに７０ｍｍ以上の距離が必要となる。そのため導光板２の正反射部材部分に反射させる前に光をパターン５で取り出すと、面内輝度均一度が低下する。

導光体２の外周部分で反射された光線は、再度導光体２の内部に戻される。戻された光はパターン５の点光源から遠い傾斜面と、導光板主面の法線とが成す最小角度βが４５度に近い角度を持つ場合、パターン５の斜面で光は全反射され、導光板２の主面に対して垂直方向に光が出射する確率が高くなる。
この光の出射角度は光源の出光特性と、パターン５の角度との関係によってコントロールすることができる。光の出射効率の点から４０度＜β＜５０度であることが好ましい。

また面内の明るさのバランスは、パターンの密度や形状を変化させることで、調整することが可能である。パターン５の傾斜面によって光線を全反射した時に、光線の進行方向が導光板２の主面に対して垂直方向に近づけることで、集光して光を出射することができる。

ＬＥＤ素子６から出射される光が、導光体２の主面と、平行方向の光量が多く且つ導光体の形状が円形である場合は、パターン斜面角度βを４５度にして同心円状に繋がった形状にすることでパターンに光が当たる確率が上がり、効率よく、且つ正面方向に光を出射することができる。またパターン５の斜面角度βを変更することで必要な方向へ光を出射させることもできる。

パターン付の導光板の作製方法は、金型を使った透明な樹脂の射出成形、プレス成形、光硬化性成形後貼り合わせ等で作製することができる。

導光体２は可視光の波長に対して透明であることが望ましく、材質は有機、無機どちらでも問題はない。一例として導光体２の材質としてメタアクリレート樹脂、ポリカーボネート樹脂やポリポロピレン樹脂、ガラス等が挙げられる。望ましくは可視光波長の光が伝播するときに損失の少ないものがよい。

以下に実施例と比較例を挙げて本発明の特徴をさらに具体的に説明する。以下の実施例に示す材料、使用量、割合、処理内容、処理手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更することができる。したがって、本発明の範囲は以下に示す具体例により限定的されるものではない。

＜実施例１＞
厚み３ｍｍ、直径７０ｍｍのＰＭＭＡ（ポリメチルメタアクリレート）樹脂からなる円形の導光板の中央部分に、直径６ｍｍ高さ３ｍｍの穴を形成した。次に該ＰＭＭＡ板の底面にパターンを形成するために原版として凸形状が形成されたＮｉスタンパーに光硬化性モノマーを滴下し、厚み１２５μmのＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）フィルムを上からカバーして、ゴムローラーで押し付けながら、光硬化性モノマーをパターン部分に充填し且つ厚みを均一にした。その後ＰＥＴフィルム上から紫外線を１０００ｍＪ照射し、光硬化性モノマーを硬化させた。図５に示すように、パターンは、点光源に最も近い傾斜面と導光板主面の法線と傾斜面の成す最小の角度をαが９度、点光源に最も遠い傾斜面と導光板主面の法線とが成す最小角度をβが４５度であった。このようにしてできたパターン付のＰＥＴフィルムを粘着剤を介して導光板に貼り合わせた。導光板の中央部分に形成された穴に、フィリップス社製サイドエミット型の赤色ＬＥＤ(型番LXHL-DD09)を設置した。導光板の光出射面と逆側には光吸収性の黒色紙を置き、出射された光を全て吸収する構成とした。
導光板の円形導光板の外周部分には、反射率約９３％のＡｌ蒸着ＰＥＴフィルムを粘着剤を介して貼り合わせることで、面光源素子を作製した。

ＬＥＤ光源を電圧２．５４Ｖ、電流２００ｍＡの条件化で発光させて、導光板の正面の平均輝度を測定すると平均輝度は３３００ｃｄ／ｍ^２であった。２０度傾けると正面の平均輝度の約３％となった。この結果から特定方向に集光した面光源素子となっていることがわかる。また、作製した面光源素子を積分球を用いて発光効率を測定した結果１０．３ｌｍ／Ｗであった。

＜実施例２＞
導光板の出射面の反対側に黒色紙の変わりに、反射率９０％以上の拡散反射フィルムを置いた以外は、実施例１と同様の構成で面光源素子を作製した。ＬＥＤ光源を電圧２．５４Ｖ、電流２００ｍＡの条件化で発光させて導光板の正面の平均輝度を測定すると平均輝度は３３９０ｃｄ／ｍ^２であった。作製面光源素子の輝度の角度特性を評価すると２０度傾けると正面の輝度の約１０％となった。この結果から特定方向に集光した面光源素子となっていることがわかる。また、作製した面光源素子を積分球を用いて発光効率を測定した結果２３．２ｌｍ／Ｗであった。

＜実施例３＞
導光板の出射面の反対側に黒色紙の代わりに、反射率９３％の正反射フィルムを置いた以外は、実施例１と同様の構成で面光源素子を作製した。ＬＥＤ光源を電圧２．５４Ｖ、電流２００ｍＡの条件化で発光させて、導光板の正面の平均輝度を測定すると平均輝度は４３１４ｃｄ／ｍ^２であった。作製面光源素子の輝度の角度特性を評価すると、２０度傾けると正面の輝度の約２％となった。この結果から特定方向に集光した面光源素子となっていることがわかる。また、作製した面光源素子を積分球を用いて発光効率を測定した結果２２．２ｌｍ／Ｗであった。

＜実施例４＞
導光板の厚みを４ｍｍとした以外は、実施例１と同様の構成で面光源素子を作製した。ＬＥＤ光源を電圧２．５４Ｖ、電流２００ｍＡの条件化で発光させて、導光板の正面の平均輝度を測定すると平均輝度は４４５７ｃｄ／ｍ^２であった。作製面光源素子の輝度の角度特性を評価すると、２０度傾けると正面の輝度の約３％となった。この結果から特定方向に集光した面光源素子となっていることがわかる。また、作製した面光源素子を積分球を用いて発光効率を測定した結果１０．９ｌｍ／Ｗであった。

＜実施例５＞
導光板の厚みを４ｍｍとした以外は、実施例２と同様の構成で面光源素子を作製した。ＬＥＤ光源を電圧２．５４Ｖ、電流２００ｍＡの条件化で発光させて、導光板の正面の平均輝度を測定すると平均輝度は４４８６ｃｄ／ｍ^２であった。作製面光源素子の輝度の角度特性を評価すると、２０度傾けると正面の輝度の約９％となった。この結果から特定方向に集光した面光源素子となっていることがわかる。また、作製した面光源素子を積分球を用いて発光効率を測定した結果２３．４ｌｍ／Ｗであった。

＜実施例６＞
導光板の厚みを４ｍｍとした以外は、実施例３と同様の構成で面光源素子を作製した。ＬＥＤ光源を電圧２．５４Ｖ、電流２００ｍＡの条件化で発光させて、導光板の正面の平均輝度を測定すると平均輝度は６２０９ｃｄ／ｍ２であった。作製面光源素子の輝度の角度特性を評価すると、２０度傾けると正面の輝度の約３％となった。この結果から特定方向に集光した面光源素子となっていることがわかる。また、作製した面光源素子を積分球を用いて発光効率を測定した結果２２．７ｌｍ／Ｗであった。

＜実施例７＞
導光板の厚みを５mmとした以外は、実施例１と同様の構成で面光源素子を作製した。ＬＥＤ光源を電圧２．５４Ｖ、電流２００ｍＡの条件化で発光させて、導光板の正面の平均輝度を測定すると平均輝度は４９１９ｃｄ／ｍ^２であった。作製面光源素子の輝度の角度特性を評価すると、２０度傾けると正面の輝度の約３％となった。この結果から特定方向に集光した面光源素子となっていることがわかる。また、作製した面光源素子を積分球を用いて発光効率を測定した結果１０．９ｌｍ／Ｗであった。

＜実施例８＞
導光板の厚みを５mmとした以外は、実施例１と同様の構成で面光源素子を作製した。ＬＥＤ光源を電圧２．５４Ｖ、電流２００ｍＡの条件化で発光させて、導光板の正面の平均輝度を測定すると平均輝度は５１２２ｃｄ／ｍ^２であった。作製面光源素子の輝度の角度特性を評価すると、２０度傾けると正面の輝度の約９％となった。この結果から特定方向に集光した面光源素子となっていることがわかる。また、作製した面光源素子を積分球を用いて発光効率を測定した結果２３．１ｌｍ／Ｗであった。

＜実施例９＞
導光板の厚みを５mmとした以外は、実施例１と同様の構成で面光源素子を作製した。ＬＥＤ光源を電圧２．５４Ｖ、電流２００ｍＡの条件化で発光させて、導光板の正面の平均輝度を測定すると平均輝度は６９７８ｃｄ／ｍ^２であった。作製面光源素子の輝度の角度特性を評価すると、２０度傾けると正面の輝度の約３％となった。この結果から特定方向に集光した面光源素子となっていることがわかる。また、作製した面光源素子を積分球を用いて発光効率を測定した結果２２．２ｌｍ／Ｗであった。

Claims

光入射面から導入された光を閉じ込めて伝搬させ、光出射面から外部へ取り出すための略円盤状の導光板と、導光板の側面部分に正反射する部材を有し、上記導光板の中央部分に点光源とを備え、上記導光板の光出射面と対向する面に複数の凹部が形成され、且つ上記点光源側のパターン傾斜面と、導光板主面の法線と傾斜面の成す最小の角度をα、反点光源側のパターンの傾斜面と導光板主面の法線とが成す最小角度をβとした時に、α＜βと成ることを特徴とする面光源装置。
上記角度αが０度〜１０度、上記角度βが４０度〜５０度である請求項１に記載の面光源素子。
上記パターンと上記点光源とを結ぶ方向における、パターン素子の断面が直角三角形である請求項１または２に記載の面光源素子。
上記点光源が導光板主面に対して、±２０度以内に５０％以上の光が出射する請求項１〜３のいずれか１項に記載の面光源素子。
上記点光源に近づくほど、上記パターンの存在確率が増加する請求項１〜４のいずれか１項に記載の面光源素子。
上記導光板の主面の形状が円形で、且つ上記パターンが、同心円状に連続して繋がっている請求項１〜５のいずれか１項に記載の面光源素子。
上記導光板の主面の形状が円形で、且つ上記パターンが、同心円状の円周上に配置されている請求項１〜５のいずれか１項に記載の面光源素子。
上記正反射する部材が鏡面テープである請求項１〜７のいずれか１項に記載の面光源素子。
上記正反射する部材が導光板側面に形成したプリズムである請求項１〜７のいずれか１項に記載の面光源素子。
画像を生成する液晶表示パネルと、液晶表示パネルを照明するための、請求項１〜９のいずれか１項に記載の面光源素子とを備えた液晶表示装置。