JP2652009B2 - 面光源 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は面光源に関し、更に詳しくは、各種ディスプ
レイの光源、特に液晶表示セルの裏面に背面光源として
設置するのに適し、出光効率の著しく改良された面光源
に関する。

（従来の技術） 近年、情報化社会の急激な進展とともに、各種情報を
人間に受渡しする端末機器が非常に多く利用されてい
る。これらの端末ディスプレイの大部分はいわゆるCRT
であるが、これらのCRTは、カラー表示機能、画像調整
機能等に優れ、信号ケーブルが少なくて済む等の多くの
利点を有するものの、高圧電源や肉厚ガラスからなる表
示管を必要とするため、大きくて重く、且つスペースを
とるという欠点があることから、壁掛け型、可搬型、携
帯型等の用途を中心に平板状のフラットディスプレイが
種々提案されており、これらのうちで特に有望なもの
は、IC駆動可能で、カラー化が容易な液晶ディスプレイ
である。

（発明が解決しようとしている問題点） 従来の液晶ディスプレイは、裏面に光反射層を設け、
前面からの外光を利用して情報を表示する方式であり、
格別の光源を必要としないため、卓上計算機、電池駆動
の計算機、時計等のディスプレイとして広く使用されて
いる。しかしながら、このような液晶ディスプレイを端
末機やテレビとして従来のCRTに代えて使用する場合に
は、明るさが不足しているために、視野角、コントラス
ト、表示品質が劣り、特に10〜12インチ程度以上のサイ
ズにし、80字20〜25行程度の大容量表示用としては表示
品質上の問題が生じる。また特別の光源を有さないの
で、外部の光環境条件の変化によって表示品質が左右さ
れ、外光が存在しない場合には、表示機能を全く失うと
いう欠点がある。

このような問題点を解決するために、最近では、液晶
ディスプレイの裏面に設置する背面光源の研究が多く為
されている。これらの背面光源としては有機分散型EL、
薄膜EL、発光ダイオードアレイを利用したもの、蛍光灯
やランプ等の光源と導光板とを組み合わせたもの、フル
ネル型導光板、照明ボックス等種々のものが提案されて
いるが、大型ディスプレイ用としては、均一性、光効
率、演色性等の点で満足できるものは知られていない。

これらの内で有望なものとしては、アクリル板等の透
光性パネルの側面に蛍光灯等の光源を設け、パネルの一
方の面から出光する方式が知られているが、この方式で
はまず第一にパネルを蛍光灯の直径より薄くすると導光
効率が著しく低下するという問題があり、また第二に導
入光の大部分は出光面に平行な直進光であるために、出
光面からの出光効率が低いという問題があり、更に第三
にはこのパネルを大型にすればする程光源付近とパネル
の中央部分との照度に差が生じるという問題がある。

また光源として蛍光灯を使用する場合には、蛍光灯の
光量は常に均一であるために、出光面の光量を任意に制
御することができず、液晶ディスプレイの使用者の個人
差や使用環境に対応することができない。また、光量す
なわち明暗のみではなく、ホワイトバランスや演色性、
使用者の眼精疲労を考慮すると、出光面からの波長を調
節して、適当な色相光とすることも望ましいが、光源が
蛍光灯である場合には白色光のみが出光されるので、電
気的に調節することは不可能であるという欠点が生じ
る。

従って、本発明の主たる目的は、CRTに代替できる程
度に大型であり、且つ出光パネルを蛍光灯等の光源のサ
イズに関係なく薄くでき、更に出光効率に優れた面光源
を提供することである。

また、本発明の別の目的は、CRTに代替できる程度に
大型であり、且つ使用する光環境や使用者の個人差に応
じて容易に光量および／または波長を調節することがで
きる面光源を提供することである。

このような本発明の目的は、以下の本発明によって達
成された。

（問題点を解決するための手段） すなわち、本発明は、透光性板からなる出光パネル
（Ｂ）及びその１箇所以上の側面部に設置した光源
（Ａ）とからなる面光源であって、該出光パネル（Ｂ）
が、その側面近傍において光源（Ａ）の半分以上を包接
し、光源光を採り入れ、光源光を複数の不定方向に反射
する表面凹凸形状の導光面（６）を光源側に有する導光
部（２）と、該導光部（２）に連続して設けられ、光案
内部（４）に向かって漸次厚みが減少しつつ光案内部
（４）に接続してなり、光源光の大部分を出光面（３）
と非平行な角度を有する光線に集光して光案内部（４）
に向かって導く光収束部（10）と、該光収束部（10）に
接続して設けられ、光源光を出光する出光面（３）を有
し、その側面が光収束面（10）と接続してなり且つ厚さ
が導光部（２）よりも薄く、且つ出光面（３）が光源
（Ａ）の中心よりも下方に位置する板状の光案内部
（４）とからなることを特徴とする面光源である。

（好ましい実施態様） 次に本発明の面光源の好ましい実施態様を図解的に示
す添付図面を参照して本発明を更に詳細に説明する。

第１図は、本発明の面光源の１例の断面図を示し、第
２図はその平面図を示し、第３図は従来技術の面光源の
断面図を示すものである。

従来のアクリル板等を使用した面光源は、第３図示の
如く、出光面３と導光面６を除いた部分に光反射層８を
設けた出光パネルＢの導光部（導光面６）に、蛍光灯等
の光源Ａを付設したものであり、蛍光灯Ａの直径よりも
出光パネルＢの厚みを薄くすると光源光１の導入効率が
低下するという欠点があった。また、光源Ａを出光パネ
ルＢとは異なる平面上に設け、光源光を反射させて出光
パネルＢに平行に導入するものも知られているが、上記
と同様に、出光パネルＢを光源Ａの直径より薄くする
と、光源Ａから発生する光の導入効率が低いものであ
る。

また、出光パネルＢを厚くすれば導光効率は向上する
が、現在の薄型化および軽量化指向に合致しないもので
ある。また光源Ａから導入される光は出光パネルＢ中を
出光面に平行に直進する光が多くの割合を占めるため、
出光面３からの出光効率が低いという問題があり、更に
光源Ａ付近の出光面３の照度が高く、光源Ａから離れる
程照度が低下し、出光面３全体において照度が不均一で
あった。

また、光源として蛍光灯を使用する場合には、蛍光灯
の光量は常に均一であるために、出光面の光量を任意に
制御することができず、液晶ディスプレイの使用者の個
人差や使用環境に対応することができない。また、光量
すなわち明暗のみではなく、ホワイトバランスや演色
性、使用者の眼精疲労を考慮すると、出光面からの波長
を調節して、適当な色相光とすることも望ましいが、光
源が蛍光灯である場合には白色光のみが出光されるの
で、電気的に調節することは不可能であるという問題が
ある。

本発明の面光源は、上記の如き従来技術の問題点を解
決したものであり、第１図および第２図に図解的に示す
如く、光源Ａおよび出光パネルＢからなり、該出光パネ
ルＢが光源光１を導入する導光部２、導光面６、導入光
１を収束して光案内部４に導光する光収束部10、導入光
１を出光面３に案内する光案内部４、光反射相８および
出光面３からなるものであり、光源Ａは導光部中に包設
され、光収束部10は導光部と光案内部を連結して光案内
部４に向って薄くなり、光案内部４は導光部２より薄
く、好ましくは光源Ａから離れる従って薄くなり、光反
射面８は、光源光１の大部分が直接光案内部４に導入さ
れず、光収束部10で収束されて反射光５として光案内部
４に導入され、且つ出光面３に対し方向づけられた角度
で反射する形状であることを特徴としているものであ
る。

以上の如き構成とすることによって、出光パネルＢの
光案内部４の厚さを光源である蛍光灯Ａの直径より薄く
しても、導入された光は、光収束部10で収束され、且つ
出光面３と対向する側の反射面８で反射（一次反射光）
され、出光面３に直接到達し、光源光１の導光効率を低
下させることがない。また図示の例の如く、導光部２の
みを厚くして蛍光灯Ａを導光部２中に包含させ、厚い導
光部２と薄い光案内部４とを漸時厚みを減じる光収束部
10で連結させることによって、蛍光灯Ａから出光する光
１の大部分を、蛍光灯Ａを包囲する導光部２の光反射層
８および光収束部10により集光させて光案内部４に導入
することができるので、従来例（第３図示）に比して光
案内部４を薄くしても光源光１の導光効率を著しく向上
させることができ、更に好ましくは光案内部４を光源か
ら離れるに従って薄くすることにより、導入された光を
出光面３全体に均一に分配させることができる。

また出光パネルＢの出光面３に送られる光源光１は、
第３図示の例では、大部分が出光面３と平行な直進光で
あるため、出光面３に至る光の割合が少なく、また光源
から遠ざかるにつれて、反射をくり返した光（高次反射
光）の成分が殆どとなり、光効率が低下するため、出光
面３の照度が低く、また不均一であったのに対して、本
発明の面光源の場合には、光源光１の大部分は光源の周
囲および光収束部10で集光され、出光パネルＢの外面に
設けられ、且つ好ましくは傾斜を有する光反射層８によ
り反射されて出光面３に対して方向づけられた角度を有
して直接出光面３に至る一次反射光を利用するため、途
中の光損失が少なく、光案内部４に導入された光１の出
光効率が著しく向上し、また反射面を傾斜させたことに
よって出光面３全体にわたって均一な照度を与えること
ができるものである。具体的には、例えば、出光パネル
Ｂの両端に２個以上の光源を組み合わせて均一な照度に
することが可能であり、また、光源が１本でも光源から
の遠近差なしに均一にすることも可能となるうえ、任意
の照度分布を与えることも可能である。このような作用
効果は、出光パネルＢの出光面３および導光面６を除く
外面に光反射層８を設け、蛍光灯Ａの周囲、特に下方の
光反射層の角度や形状を変化させ、例えば傾斜面や凹凸
形状、凹状あるいは凸状反射レンズ形状、フルネルレン
ズ形状、マイクロレンズアレイ形状等の反射型レンズ状
にし、更に光案内部の光反射層８を傾斜させることによ
り、光源Ａからの出光面３に達する光量を自由に変化さ
せることができるので、出光面３に至る光量を均一化す
ることができる。

更に本発明の別の好ましい実施態様では、光源Ａの周
囲に調光フィルター11を設ける。この調光フィルター11
は光源Ａからの光の強度および色相を自由に変えること
ができるものであり、光量フィルターおよび／または波
長フィルターとしての機能を有する。

まず最初に調光フイルター11が光量フイルターである
場合には、このような光量フイルターは、蛍光灯Ａから
照射される光の量を調節できる構成である限りいずれの
構成でもよいものであり、いくつかの好ましい例を挙げ
れば次の通りである。

（１）蛍光灯Ａの周囲に蛍光灯の光を制御できる層を形
成し、蛍光灯を回転可能にした態様。

この態様では、上記層が光量フイルターとなり、例え
ば、黒色その他の色の如く、遮光または光を吸収し得る
層を形成する態様、白色、金属色等の如く光を反射でき
る層を形成する方法等いずれでもよい。このような光量
制御層は適当なインキや塗料を調製し、これを蛍光灯Ａ
の周囲に印刷したり、ハケ、ロール、スプレー、静電塗
装、焼付け、インキジェット法等の方法で塗布したり、
蒸着、CVD、スパッタ等の方法、また、予め染着層を形
成しておき、後に染色する方法で、直接光源に形成する
か、予め他の透明基材に形成しておき、貼り合わせする
等のいずれの方法で形成してもよい。勿論、このような
光量フイルターは、蛍光灯Ａの管壁に均一に形成するの
ではなく、線状、縞状あるいは点状に適当に密度差や濃
度差をつけて形成するか、あるいは、透過濃度の異なる
遮光材層を段階的または連続的に形成する。このような
構成の光量フイルター11を形成し、適当な手段（図示な
し）により蛍光灯Ａを回転させることによって、出光面
に至る光量を容易に制御することができる。

（２）蛍光灯Ａは固定し、その周囲に回転可能な光量フ
イルター11を設ける態様。

この例の原理も上記（１）の場合と全く同一であり、
例えば、透明なガラスやプラスチックからなる管状フイ
ルター11を形成し、その表面に上記（１）における如
き、密度差や濃度差を有する光吸収層あるいは光反射層
を形成する方法でよい。更に上記管状体を設けた後にそ
の表面に上記の如き光量調節機能を有するフイルム等を
巻き付けたものでもよい。また、フレキシブルな筒状シ
ートにして、２軸で回転して送る方法も可能である。こ
のような構成の光量フイルター11を設け、このフイルタ
ー11やギヤやベルト等の適当な手段（図示なし）で回転
させることによって、出光面に至る光量を任意に制御す
ることができる。以上は、説明容易性のために、管状の
フイルターを例示して説明したが、フイルターはこれら
の例に限定されず、いずれの形状および可動機構でもよ
い。

また、調光フイルター11が波長フイルターである場合
には、上記（１）および（２）の態様における光吸収層
を特定の波長の光を吸収する色に着色することによって
本発明の目的が達成できる。すなわち、調光フイルター
11をイエロー、オレンジ、レッド、ブルー、グリーン、
バイオレットあるいはそれらの中間色で任意の順序に着
色すればよく、このような構成の調光フイルター11を使
用者の好みに応じて回転あるいはスライドさせることに
よって、光源から出光面に至る光の波長を任意に制御す
ることができる。また、テレビ用途においては、必須で
ある色相調整が最も簡単にできる方法として有効であ
る。

更に本発明で使用する調光フイルター11は、上記の光
量フイルターと波長フイルターとを同時に兼ねることが
できる。例えば、同一のフイルター上に光量調節と色調
調節の両機能を持たせる方法と、前記第２の構成例で
は、複数のフイルターに分けて相互に重ね合わせ、独立
に制御する方法とがあり、後者の方が、光量、色調、色
調の濃淡等多くの調整が可能であり、より精密な調整に
適している。

以上の如き本発明の作用効果を奏する出光パネルＢ
は、いずれかの透光性に優れた材料、例えばガラス材料
等から形成できるが、成形容易性や透光性等の点から
は、アクリル樹脂、アクリロニトリル−スチレン共重合
樹脂、セルロースアセトブチレート樹脂、セルロースプ
ロピオネート樹脂、ポリメチルペンテン樹脂、ポリカー
ボネート樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリエステル樹脂等
の透光性プラスチック材料あるいはこれらの複合材料若
しくは共重合材料から形成するのが好ましい。また、反
応固化型のエポキシ系樹脂、アクリル系樹脂、メタクリ
ル系樹脂、ウレタン系樹脂等も使用可能である。成形方
法としては、射出成形、コンプレッション成形、注型成
形、切削、研磨等公知の方法がいずれも適用できる。

このようにして得られる出光パネルＢの光反射層８
は、第１図および第２図に示す如く、出光面３および導
光部２の導光面６を除く他の部分にニッケル、アルミニ
ウム、銀、金等の光反射性金属を蒸着、スパッタ、メッ
キ、銀鏡反応等により形成するか、反射性の金属入り塗
料を塗布したり、あるいはアルミニウムシート等の光反
射性材料を貼り合わせすることにより形成し、光源光１
がパネルＢ外に漏洩するのを防止することが、一部の漏
洩光を再度内部に反射する効果を含めて有効である。ま
た、不要な部分は設計されない外光入射を防止するため
の遮光剤や光吸収剤で層を形成することも手段として有
効である。これらの反射面は、光学設計を乱さない範囲
で、散乱性に処理するか、ガラスビーズ等の再帰反射材
料を利用することも可能であり、また、凹凸面を利用し
て拡散反射させることも可能である。

また、その出光面３には、光拡散層９を形成するのが
好ましく、例えば、出光面を出光パネルの成形時または
成形後に、サンドペーパー研磨、サンドブラスト、ホー
ンニング、バフ研磨、ヘアライン加工、エンボス加工、
プレス加工等で粗面化したり、シリカ、アルミナ、酸化
チタン、酸化亜鉛、硫酸バリウム、酸化マグネシウム等
の白色顔料や特定径を有するガラスビーズ等の光拡散性
材料を含む透明樹脂層を、浸漬、ロールコート、ブレー
ドコート、スプレコート等の塗布法により形成したり、
あるいはこれらの層を接着することにより、出光面３に
至った光を乱反射あるいは拡散させ、出光面３からの照
度を均一化するとともに視角を広げることができる。ま
たこのような光拡散層は、スリガラス板、光拡散性ガラ
ス板、光拡散性プラスチックシート等を別に用意し、成
形時に同時に一体化するか、または使用時に液晶セル７
と出光面３との間に載置あるいは張り合わせてもよい。
また、光源の導光部と反対側には光反射性の集光鏡や放
熱板を配置することも効率向上や熱設計上有利である。

以上の如き出光パネルＢは、第１図示の如く出光面
３、導光部２および光収束部10が凹部を形成しており、
この凹部に液晶ディスプレイ７を載置することによっ
て、液晶ディスプレイ７の背面を照明し、液晶ディスプ
レイ７を環境によらず明瞭に見えるようにすることがで
きる。また、本発明の出光パネルをこのような形状とす
ることによって、背面光源を含むディスプレイ全体の厚
みを薄くすることができ、全体の軽量化が達成できる。

以上本発明の好ましい実施態様を例示して本発明を説
明したが、光源Ａからの光の大部分を反射光とし、光収
束部10で集光し、且つ出光面に対して角度を有する光と
して光案内部４に導入できる構成である限り、本発明の
面光源は図示の形状に限定されず、いずれの形状でこよ
いものである。例えば、出光パネルＢの導光部２（光源
Ａ）は図示の２箇所に限定されず、１箇所でも、３箇所
でも４箇所でもよく、また出光パネルＢの形状は、矩形
に限定されず、円盤状、楕円板状、多角形状、コーナ部
が丸みを有する矩形状等任意の形状でよく、従って、光
源の形状も棒状蛍光灯Ａに限定されず、出光パネルＢの
形状に応じて、環状等任意の形状でよい。

（作用・効果） 以上の如き本発明の面光源は、光源からの光が光案内
部に平行に入射されるのではなく、方向性を有する反射
光として入射されるため、入射光の大部分は、出光面に
対して方向づけられた角度のある光とすることができ、
光源からの光を効率良く出光面に案内することができ
る。

また本発明の好ましい実施態様では、光源としての蛍
光灯の太さに拘らず、光案内部を薄くすることができる
ので、ディスプレイの薄層化および軽量化という要求を
満足させることができる。

また、同様の理由から、導光部を蛍光灯の直径より厚
くして、そのなかに蛍光灯の半分以上をはめ込み、この
導光部を光収束部で光案内部と連結することにより、光
案内部は蛍光灯の直径より薄くすることができるので、
蛍光灯から照射される光の大部分を集光して光案内部に
導入できる。従って、光案内部が蛍光灯の直径よりも薄
くとも、光源光の利用効率を著しく高めることができ
る。

また、出光面等の一部を除く出光パネルの外面に光反
射層を形成し、それらの光源に対する角度や形状を適当
にコントロールすることにより、光源からの光を出光面
全体に均一に分配することができるので出光面の照度を
一層均一化することができる。

更に本発明の好ましい例では、光源の周囲に調光フィ
ルターを付設することによって、使用者によって出光面
に至る光の光量および／または波長が簡便に任意に制御
できるので、使用者の個人差に十分対応でき、使用者毎
に最適の光量（明暗）および／または最適の波長光（色
相）をもって液晶ディスプレイ等のディスプレイを使用
することができる。

（実施例） 実施例１ ポリメチルメタクリレート樹脂（パラペットHR、協和
ガス化学製）を使用して第１図および第２図に示す如き
形状でサイズ200mm×120mm、光案内部の中心厚み4mm、
周辺厚み10mm、導光部の厚み25mmの出光パネルを射出成
形方法で成形し、出光面および導光面を除く外面にアル
ミニウムを真空蒸着して光反射層を形成した。また上記
のアクリル樹脂にガラスビーズ（東芝バロティーニ製）
を10重量％の割合で混練して2mm厚のシートを作成し、
これを出光面に貼合した。光源としては15Wの蛍光灯を
２本使用し、導光部に形成した凹部に嵌合し、上面をア
ルミニウムシートで封止して本発明の面光源とした。

この面光源の出光面に液晶ディスプレイを載置し、面
光源を点灯したところ、液晶ディスプレーの視野角、コ
ントラストが優れ全体が均一な高い表示機能を示した。

実施例２ 上記実施例１の上記アクリル樹脂からその一端に回転
用とってを設けた管状体を形成し、その表面に黒色のド
ットが印刷され、ドット数が連続的に変化しているポリ
塩化ビニルシートを貼り合わせ、２本の調光フイルター
を用意した。この中に15Wの蛍光灯を夫々装着し、実施
例１の出光パネルの導光部の凹部に嵌合し、上面をアル
ミニウムシートで封止し、外部から上記の調光フイルタ
ーが自在に回転できるようにして本発明を面光源とし
た。

この面光源の出光面に液晶ディスプレイを載置し、面
光源を点灯したところ、液晶ディスプレーは発光型とな
り、視野角、コントラストが優れ、全体が均一な高い表
示機能を示した。また、調光フイルターを徐々に回転さ
せることによって、液晶ディスプレイの明暗が変化し、
個人差および外光に対応して表示面の調光が可能であっ
た。

実施例３ 実施例２におけるドット印刷シートに代えて、蛍光灯
の周囲長さに等しい巾で、縦に連続的に透明性の高い虹
の７色を配色したシートを使用し、他は実施例２と同様
にして本発明の面光源を得た。この面光源を実施例１と
同様に使用してみたところ、表示面の光の色相を種々の
色相に変化させることができた。

以上の通り、本発明の面光源は、液晶ディスプレイ等
の各種のディスプレイの背面光源として非常に有用であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の面光源の１例の断面を図解的に示す図
であり、第２図は第１図の平面図に相当し、且つ第３図
は従来技術の面光源の断面の図解的に示す図である。 A;光源 B;出光パネル 1;光源光 2;導光部 3;出光面 4;光案内部 5;反射光 6;導光面 7;液晶ディスプレイ 8;光反射層 9;光拡散層 10;光収束部 11;調光フイルター

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】透光性板からなる出光パネル（Ｂ）及びそ
   の１箇所以上の側面部に設置した光源（Ａ）とからなる
   面光源であって、該出光パネル（Ｂ）が、その側面近傍
   において光源（Ａ）の半分以上を包接し、光源光を採り
   入れ、光源光を複数の不定方向に反射する表面凹凸形状
   の導光面（６）を光源側に有する導光部（２）と、該導
   光部（２）に連続して設けられ、光案内部（４）に向か
   って漸次厚みが減少しつつ光案内部（４）に接続してな
   り、光源光の大部分を出光面（３）と非平行な角度を有
   する光線に集光して光案内部（４）に向かって導く光収
   束部（10）と、該光収束部（10）に接続して設けられ、
   光源光を出光する出光面（３）を有し、その側面が光収
   束部（10）と接続してなり且つ厚さが導光部（２）より
   も薄く、且つ出光面（３）が光源（Ａ）の中心よりも下
   方に位置する板状の光案内部（４）とからなることを特
   徴とする面光源。
2. 【請求項２】光案内部が、光源から遠ざかるに従って薄
   くなっている特許請求の範囲第（１）項に記載の面光
   源。
3. 【請求項３】導光部の周囲あるいはその１部に凹凸形状
   が形成され、光源光が反射光として光収束部に導入され
   る特許請求の範囲第（１）項に記載の面光源。
4. 【請求項４】出光面が光拡散性とされている特許請求の
   範囲第（１）項に記載の面光源。
5. 【請求項５】出光面及び導光面を除く出光パネルの表面
   が光反射性となっている特許請求の範囲第（１）項に記
   載の面光源。
6. 【請求項６】出光パネルが矩形であり、その少なくとも
   一端に光源が設けられている特許請求の範囲第（１）項
   に記載の面光源。
7. 【請求項７】出光パネルが円盤状であり、その周囲に環
   状光源が設けられている特許請求の範囲第（１）項に記
   載の面光源。
8. 【請求項８】出光パネルが、透光性樹脂から一体的に成
   形されている特許請求の範囲第（１）項に記載の面光
   源。