JP3770558B2

JP3770558B2 - 導光板

Info

Publication number: JP3770558B2
Application number: JP2002010878A
Authority: JP
Inventors: 純司宮下
Original assignee: Citizen Electronics Co Ltd
Current assignee: Citizen Electronics Co Ltd
Priority date: 2002-01-18
Filing date: 2002-01-18
Publication date: 2006-04-26
Anticipated expiration: 2022-01-18
Also published as: JP2003215346A; US20030137823A1; US6848801B2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は例えば液晶パネルを背面より照射する面状光源に用いられる導光板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ブック型のワードプロセッサやコンピュータ、又は携帯電話機、携帯TVのような小型、薄型の情報機器の表示装置として、薄型でしかも見易いバックライト機構を有する液晶表示装置が用いられている。このようなバックライト機構としては、液晶パネルを背後から全面にわたり照射する面状光源が用いられており、この面状光源としては蛍光ランプ又はＬＥＤ（発光ダイオード）よりなる発光源と、その光束を液晶パネルに照射する面状の光束に変換する導光板よりなるものが一般的である。この中で、特に近年は、更なる小型、薄型化と長寿命化を目的として発光源としてＬＥＤを用いた面状光源が多く使用されるようになってきている。
【０００３】
このようなバックライトから均一な照明光を得るには、発光源は均質な線状の光源であることが望ましい。しかしながら、発光源としてＬＥＤを用いる場合には費用等の関係から使用できるＬＥＤの個数が制限される。図５はＬＥＤを平面形状が矩形の導光板の側面に対向して設けてなる従来のエッジライト式のバックライトを示す図である。（ａ）は斜視図、（ｂ）は側面図である。
【０００４】
図５において、１１０はバックライトであり、導光板１０１と発光源として３個のＬＥＤ１０２を有している。導光板１０１は無色透明なプラスチック材等の透光部材よりなる板状で略直方体形状をしており、その上面１０１ａを光出射面とし、これと対向する下面１０１ｂには、発光源であるＬＥＤ１０２からの光を前記光出射面１０１ａに向けて反射させるための手段として、その表面に複数の微小なシボ又は複数個の半球状ドット等を有する光拡散面が形成されている。ＬＥＤ１０２は導光板１０１の入光側面１０１ｃに対向する位置に配設され、図示しない駆動回路より所定の電流が供給されて、ＬＥＤ１０２の材質で出決まる所定の色の光を発光、出射する。ＬＥＤ１０２からの出射光は入光側面１０１ｃから導光板１０１に入り、大部分の光は上面１０１ａである光出射面で全反射、下面１０１ｂである光拡散面では全反射又は乱反射を１回又は複数回行った後に上面１０１ａである光出射面より照明光１０５として外部に出射する。外部に出射した照明光１０５は（ｂ）に示すように液晶パネル１０７を背後から照明する。なお、前記面状の照明光の輝度の均一性を確保するために上記下面１０１ｂ内のシボの粗さを調整したり、半球状ドットの形状、密度を場所により変えたりする。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このようにして、小型、薄型のバックライトにより液晶パネルの照明がなされる。しかしながら、上記の面状光源においては、以下に述べるような問題点がある。図６は、図５に示した導光板１０１を説明の便宜上モデル化して表した図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。図６（ｂ）に示すようにモデル化された導光板１０１の下面１０１ｂはシボ等の凹凸がなく、拡散面でなく平滑な面となっている。次に、図７は図６に示すモデル化された導光板１０１の中にＬＥＤ１０２から入り込んだ光の分布の状態を示す平面図であり、図７（ａ）は全体の状態を示す図、図７（ｂ）はＬＥＤ１０２付近の拡大図である。図６および図７において、１０１ｃは入光側面、１０１ｄは左側面、１０１ｆは右側面、１０１ｅは前記入光側面１０１ｃに対向する対向側面である。
【０００６】
図７に示すようにＬＥＤ１０２は導光板１０１に対し極めて近接して配置されている。これは、ＬＥＤ１０２の発光による入射光ｓ１を効率よく導光板１０１に取り込むためである。ここで、導光板の材質は透光性のアクリルであり、その屈折率は略１．５であり、臨界角は略４２゜である。前記ＬＥＤ１０２の発光は入射光ｓ１として入光側面１０１ｃに達し屈折によりこの面を透過し導光板１０１内部に透過による内部光ｓとして出射する。このときの出射角は入射角よりも小となり、理論的には最大でも臨界角（略４２゜）となり、実際には最大で３０゜程度となる。このような事情から図７（ａ）に示すように導光板１０１の内部に内部光ｓの存在しない無効領域Ｒを生ずる。この無効領域Ｒは最大の出射角を有する内部光（ｓ）により決まり、境界の傾角θ１は略６０°となる。
【０００７】
この無効領域Ｒにおいては内部光ｓが存在しないため、導光板１０１の役割である光路変換作用が行われず、照明光（図５の１０５）が出射することが殆ど行われない。なお、無効領域Ｒ以外の領域においては、内部光ｓが出射角に応じて、前記の左側面１０１ｄ、右側面１０１ｆ又は対向側面１０１ｅに到達し、左側面１０１ｄまたは、右側面に達した光は全反射により対向側面１０１ｅに到達する。このようにして導光板１０１に広く分布する。そして、実際にはこのような分布の過程で、図５に示すような下面１０１ｂの拡散面に入射して乱反射され、上面１０１ａ（図６（ｂ））から照明光として出射することになる。そして実際には、上記下面１０１ｂ内のシボの粗さを調整したりすることにより、光の分布する領域の照明光の輝度を均一化することができる。しかしながら、上記したように前記無効領域Ｒからは照明光は殆ど出射せず、その範囲の大きさも無視できない。よって、導光板１０１全体として見た場合には、その出射する照明光（５）の輝度ムラを生じ、照明の対象となる液晶パネル（図５の７）の表示品質を低下させることとなる。
【０００８】
次に、図８は図６に示すモデル化された導光板１０１の中にＬＥＤ１０２から入り込んだ光の分布の状態を示す側面図であり、図８（ａ）は全体の状態を示す図、図８（ｂ）はＬＥＤ１０２付近の拡大図である。図８（ｂ）に示すようにＬＥＤ１０２から発して入光側面１ｃに達した入射光ｓ１はすでに説明した原理により、この面を透過して、実際には最大でも３０°程度の出射角で透過して内部光ｓとして導光板内に入り、図８（ａ）に示すように上面１０１ａと下面１０１ｂの間で反射を繰り返し、導光板内１０１内に広く分布し、分布した領域では、すでに説明した原理により照明光を出射する。しかし、図８（ｂ）に示すように、入光側面１ｃの近傍には内部光ｓの存在しない無効領域Ｒ１が存在し、この領域からは照明光が生じないし又この領域の大きさも無視できない。よって、側面的に見ても、照明光に無視できない輝度ムラを生ずることとなる。
【０００９】
このように、ＬＥＤを発光源とする従来のバックライトの導光板においては、平面的に見ても側面的に見ても導光板の入光端面の近傍に照明光を生じない無効領域が無視できない大きさで存在し、このため、照明光の輝度ムラを生ずるという問題があった。本発明はこのような問題を解決し、導光板から発する照明光の輝度の均一性を向上することを課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するための第１の手段として本発明は、板状の透光材よりなり、その側面に対向して配された発光光源からの光を光路変換してその上面から照明対象物に対し面状の照明光を出射する導光板において、前記発光光源と対向する導光板の入光側面に、当該側面に開口部を有する穴であって、上下の壁面および左右の壁面と、開口部に対向する奥の壁面と、左右の壁面と奥の壁面の間を接続する 1 対の円弧状の湾曲壁面とにより穴の内面が構成され、上方から見た平面形状は角部が丸められたコ字型をなす穴を複数個設けたことを特徴とする。
【００１１】
上記の課題を解決するための第２の手段として本発明は、入光側面に設けた複数の穴は導光板の厚味方向に関し複数層に分かれて設けられていることを特徴とする。
【００１４】
上記の課題を解決するためにその第５の手段として本発明は、前記第１の手段第４の手段のいずれかにおいて、前記導光板の下面には複数の溝又はシボが設けられ、光散乱面が形成されていることを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、図面に基づいて本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は本発明の実施の形態に係る導光板を用いたバックライトを示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は側面図である。図１において、１０はバックライトであり、導光板１と発光源として３個のＬＥＤ２を有している。導光板１は透光性を有するプラスチック材等よりなり、板状で略直方体の形状をなしている。１ａは前記導光板１の上面であり光出射面となる。１ｂは前記導光板１の下面であり、発光源であるＬＥＤ２からの光を光出射面である前記上面１ａに向けて反射させるための手段として、その表面に複数の微小なシボ又は複数個の半球状ドット等を有する光拡散面が形成されている。ＬＥＤ２は導光板の入射端面１ｃに対向する位置に、その入射端面１ｃに近接して配置されている。入射端面１ｃには後に詳述する盲穴３が設けられている。図示しない駆動回路より所定の電流が供給されると、ＬＥＤ２はその材質で決まる所定の色の光を発光、出射する。ＬＥＤ２からの出射光は前記入射端面１ｃを透過して導光板１内に入り、ここで、上面１ａと下面１ｂの間で反射を繰り返して導光板１内を伝播しながら、その途中で下面からの乱反射により、上面１ａを透過した光が、その上面１ａより照明光５として出射する。導光板１の上面１ａから出射した照明光５は図１（ｂ）に示すように液晶パネル７を背後から照明する。
【００１６】
図２は図１に示した前記導光板１の形状をモデル化した導光板１を用いたバックライトを示す図である。即ち、説明の都合上、導光板１の下面１ｂは図１の場合と異なり、シボ等の凹凸のない平滑な面となっている。図２において、（ａ）は平面図、（ｂ）および（ｃ）は側面図である。図２において、１ｃは導光板１の入光側面、１ｄは左側面、１ｆは右側面、１ｅは前記入光側面１ｃに対向する対向側面である。３は導光板１の入光側面１ｃに設けられた盲穴である。盲穴３の詳しい形状については後に述べるが、（ｂ）又は（ｃ）に示すように導光板１の厚みに対し一部分だけ盲穴３の掘り込みがある。（ｂ）は厚みに対し２ヶ所の掘り込みがある場合を示し、（ｃ）は１ヶ所の掘り込みがある場合を示す。図２に示すようにＬＥＤ２は導光板１に対し極めて近接して配置されている。これは、ＬＥＤ２の発光による入射光ｓ１を効率よく導光板１に取り込むためである。ここで、導光板１の材質は透光性のアクリルであり、その屈折率は略１．５であり、臨界角は略４２゜である。図３は図２に示す導光板１にＬＥＤ２から透過により内部に入った光ｓの分布状態を示す平面図であり、（ａ）は全体図、（ｂ）はそのＬＥＤ２の近傍の拡大図である。次に、図４は図２に示す導光板１に入った光の分布状態を示す側面図であるが、これについては後に詳述する。図３（ａ）に示す光路（光の分布）は、便宜上、導光板の下面１ｂにおける乱反射は行われず、境界において、全反射又は透過が行われると仮定して示したものである。なお、このよう仮定を行っても全体的な傾向は実際（図１の場合）と近似することが経験上認められている。
【００１７】
図３（ｂ）に示すように、入光側面１ｃに設けられた盲穴３は導光板１の入光側面１ｃにおいて開口する開口部３ｂ、開口部３ｂに対向する奥壁部３ｃ、開口部３ｂの左右の左壁部３ｄ、右壁部３ｆと、左壁部３ｄと奥壁部３ｃを接続する円弧状の左円弧壁部３ｒ１、右壁部３ｆと奥壁部３ｃを接続する円弧状の右円弧壁部３ｒ２と、後述する図４（ｂ）に示す盲穴３の上面の壁をなす上壁部３ｊおよび、盲穴３の下面の壁をなす下壁部３ｋを有している。
【００１８】
ＬＥＤ２の発光による入射光ｓ１のうち盲穴３の奥壁部３ｃに達したものは、入光側面１ｃから見て、割合小さな出射角で透過して、導光板の内部の光ｓとなる。これは、入射光ｓ１のうち入光側面１ｃに対する入射角が比較的小さいものが入光側面１ｃと平行な奥壁部３ｃに達する傾向があり、屈折により入光側面１ｃに対する入射光ｓ１の入射角よりも小さな出射角で透過して内部光ｓとなるためである。
【００１９】
入射光ｓ１のうち盲穴３のｃ左円弧壁部３ｃｒ１又は右円弧壁部３ｒ２に達したものは、あまり屈折せずに透過して導光板１の内部に入る。これは、入射光ｓ１のうち、入光側面１ｃに対する入射角が中位の大きさのものが、左円弧壁部３ｃｒ１又は右円弧壁部３ｃｒ１に入射する傾向があるが、この場合の入射の方向がこれらの円弧壁部の法線の方向と近くなるためである。この結果、入光側面１ｃから見て発光ｓ１の入射角と近い出射角で透過して内部光ｓとして導光板の内部に入る。これを、図７に示す従来の場合と比較すると、光線の屈折による内側への折れ曲がりが無くなり、出射光であるｓは入射光ｓ１の略延長上となり、出射光ｓは従来よりも外側に開いた状態となる。
【００２０】
入射光ｓ１のうち入光側面１ｃから見た入射角が比較的大きなものが盲穴３の左壁部３ｄ又は右壁部３ｆに達する。この場合、入射光ｓ１は左右の壁部３ｄ、３ｆの法線に対する角度が減少する方向に屈折してｓとして出射する。すなわち、内部光ｓは入射光ｓ１に対し外側に折れ曲がった状態となる。これを、図７に示す従来の場合と比較すると、光の内側への折れ曲がりがなくなり、逆に外側への折れ曲がりを生じ、屈折による出射光である内部光ｓの角度範囲は従来よりも大幅に拡大する。この結果、一番外側に開いた内部光ｓの入光側面１ｃに対する傾角θ１は従来よりも顕著に減少し、これに対応して決まる内部光ｓの存在しない無効領域Ｒ（図３（ａ）に示す。）の面積は従来よりも大幅に減少する。なお、上記光線の外側への折れ曲がり非常に大きい場合は、出射光は隣の盲穴３のコーナー部で反射され内側に折れ曲がる。このようにして、出射光としての内部光ｓは従来よりも大幅に広い出射角の範囲にわたって適切に分布する。
【００２１】
このようにして、透過により、導光板１内に広い角度範囲で入った内部光ｓは図３（ａ）に示すように、透過の際の出射角に応じ左右の側面１ｄ、１ｆ又は対向側面１ｅのいずれかに達し、ここでこれら側面に対する入射角が臨界角（略４２°）以上の場合は全反射され他の側面に達し、ここでさらに側面に対する入射角が臨界角以上であれば更に他の側面に向かって全反射される。このようにして、内部光ｓが前記の無効領域Ｒを除き導光板１の全体にわたり広がる。これら内部光ｓの存在する領域においては、図１に示す実際の場合は、下面（１ｂ）の散乱面の効果により内部光ｓが乱反射されて導光板の上面より均一な照明光を出射する。本実施の形態においては前記の無効領域Ｒの面積はすでに述べたように従来よりも大幅に減少している。又、無効領域Ｒにおいても、内部光ｓの存在する領域からの乱反射による回りこみにより、その周辺に近い部分は照明光を出射することとなり、照明光を出射しない領域は更に減少する。
【００２２】
このようにして本実施の形態においては、平面的に見た場合、実質的に照明光を出射しない領域は従来よりも大幅に低減し、照明光の輝度の均一化が向上する。更には、透過光（内部光ｓ）の前記出射角の制限解除の二次的な効果として、内部光ｓの入光側面１ｃに対する出射角が４５°付近のものが出現し、これが導光板１の他の側面１ｄ、１ｅ、１ｆにおいて全反射を繰り返した後に点線ｓ２で示すように入光端面１ｃに戻る際前記無効領域Ｒに入り、これによって無効領域Ｒの輝度が若干向上する効果もある。このように、本実施の形態を平面的に見た場合、従来よりも照明光の輝度の均一性を大幅に向上することのできる条件を備えている。又、無効領域Ｒが縮小することにより、全体の照明の明るさも向上する。
【００２３】
次に、図４は図２に示す導光板１の内部にＬＥＤ２から入った内部光ｓの分布状態を示す側面図であり、（ａ）は全体を示す図であり、（ｂ）はＬＥＤ２の近傍を示す拡大図である。図４（ｂ）に示すように、ＬＥＤ２からの入射光ｓ１で盲穴３の上壁部３ｊに達したものは、屈折により顕著に上方に折れ曲がり、内部光ｓとして導光板１の上面１ａに達する。又、入射光ｓ１で盲孔３の下壁部３ｋに達したものは屈折により顕著に下方に折れ曲がり導光板１の下面に１ｂに達する。これを図８（ｂ）に示す従来の場合と比較すると光線の折れ曲がりの方向が逆になっており、入光側面１ｃを基準にとると、内部光ｓの出射角の最大値が従来より大幅に増加し、この結果内部光ｓの存在しない無効領域Ｒ１の大きさが従来よりも大幅に減少する。これは、従来のように盲孔３がない場合は、入射光は入光側面に対しその法線（水平方向）に近づく方向に折れ曲がるので、上方又は下方への角度が減少するように折れ曲がる。これに対し本実施の形態において盲孔３の上壁部３ｊ及び下壁部３ｋの法線は垂直方向となっているので、これらの部分に入射した光は屈折によりこれらの法線（垂直方向）に近づくように折れ曲がり、結局、上方または下方への角度が増加するように折れ曲がることとなるからである。
【００２４】
このようにして、導光板１の上面１ａおよび下面１ｂに達した光は、本実施の形態の場合はこれらの面に対する入射角が臨界角以上となりこれらの面を屈折により透過し、外部へ出射する。上面１ａから外部へ出射した場合は照明光５となる。又下面１ｂに臨界角以上で入射した光は実際には全部透過して外部に出射するものではなく、そのかなりの部分は図１の１ｂに示すような散乱面によって乱反射され、上面１ａから照明光として出射する。これらの効果により、入光側面１ｃの近傍においても、前記の無効領域Ｒ１以外の部分においては確実に照明光が発生する。
【００２５】
次に、ＬＥＤ２からの入射光ｓ１で盲孔３の上壁部３ｊ又は下壁部３ｋ以外の壁部である基部奥壁部３ｃ等に達したものは、屈折により、従来と同様に内側に折れ曲がり、比較的小さな出射角の内部光ｓとなって、導光板１の上面１ａ又は下面１ａに達し、ここで全反射されて対向面に向かう。以後、上面１ａ又と下面１ａの間で全反射を繰り返すことにより、内部光ｓが図４（ａ）に示すように無効領域Ｒ１を除き導光板１１の全体にわたり分布する。ここで下面１ａに達した光束のかなりの部分は、実際には前記の散乱面に乱反射され、上面１ａから照明光として出射する。すなわち、側面的に見た場合、無効領域Ｒ１以外の部分においては、散乱面の効果により、出射光である照明光の輝度は十分に均一化されており、且つ、無効領域Ｒ１の大きさは上記したように従来よりも大幅に縮小された状態となっている。よって側面的に見た場合、本実施の形態は、従来よりも照明光の輝度の均一性を大幅に向上する条件を備えている。又、無効領域Ｒ１が縮小されることにより、全体の照明の明るさも向上する。
【００２６】
上記したように、本実施の形態に係る導光板によれば、平面的に見ても側面的に見ても従来よりも照明光の輝度の均一性を大幅に向上する条件を備えている。よって本実施の形態に係る導光板１によれば、実際に、照明光の輝度の均一性が従来よりも大幅に向上する。又、全体の照明の明るさも向上する。なお以上に述べた実施の形態においては導光板の入光側面に複数個の盲穴を設けたが、本発明はこれに限らず、場合によっては１個の盲穴を設けることによっても効果を有する場合がある。
【００２７】
【発明の効果】
以上に述べたように本発明によれば、バックライトの導光板の入光側面の近傍に発生する内部光が存在しないデッドスペース（前記無効領域）を従来に比して顕著に縮小することにより、導光板から出射する照明光の輝度の均一性を従来よりも大幅に向上することができる。又、照明の全体の明るさも向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る導光板を用いたバックライトの構成を示す図である。
【図２】図１に示すバックライトにおいて導光板をモデル化した場合の形状を示す図である。
【図３】図２に示す導光板に内部にＬＥＤからは入り込んだ光の分布の状態を示す平面図である。
【図４】図２に示す導光板に内部にＬＥＤからは入り込んだ光の分布の状態を示す側面面図である。
【図５】従来の導光板を用いたバックライトの構成を示す図である。
【図６】図５に示すバックライトにおいて導光板をモデル化した場合の形状を示す図である。
【図７】図６に示す導光板に内部にＬＥＤからは入り込んだ光の分布の状態を示す平面図である。
【図８】図７に示す導光板に内部にＬＥＤからは入り込んだ光の分布の状態を示す側面図である。
【符号の説明】
１導光板
１ａ上面
１ｂ下面
１ｃ入光側面
２ＬＥＤ
３盲穴
３ｂ開口部
３ｃ奥壁部
３d 左壁部
３ｆ右壁部
３ｒ１左円弧壁部
３ｒ２右円弧壁部
５照明光
７液晶パネル
１０バックライト
Ｒ、Ｒ１無効領域
ｓ内部光
ｓ１入射光

Claims

板状の透光材よりなり、その側面に対向して配された発光光源からの光を光路変換してその上面から照明対象物に対し面状の照明光を出射する導光板において、前記発光光源と対向する導光板の入光側面に、当該側面に開口部を有する穴であって、上下の壁面および左右の壁面と、開口部に対向する奥の壁面と、左右の壁面と奥の壁面の間を接続する 1 対の円弧状の湾曲壁面とにより穴の内面が構成され、上方から見た平面形状は角部が丸められたコ字型をなす穴を複数個設けたことを特徴とする導光板。
入光側面に設けた複数の穴は導光板の厚味方向に関し複数層に分かれて設けられていることを特徴とする請求項１に記載の導光板。