JP3775576B2 - 導光板及びこれを用いる表示装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、液晶表示装置（ＬＣＤ）等のフロントライトやバックライト等の光源を使用する表示装置に関し、特に、バックライト等から平面的な光源を得る導光板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＬＣＤ表示装置には、画像の表示に外部光源（外光）を利用するものと内部光源を使用するものとがある。内部光源を使用する表示装置は、一般に、ＬＣＤパネルとバックライト装置とを組み合わせている。バックライト装置は、冷陰極線管や発光ダイオード（ＬＥＤ）などを光源としている。冷陰極線管やＬＥＤは、それ自体は平面光源ではないため、これ等光源から放射される光で液晶パネルを背面から面照射するべく、導光板が使用される。
【０００３】
例えば、特開平９−１１３７３０号公報には、導光板から出射する光線の指向性を向上させて明るい面光源装置を得るようにした発明が紹介されている。この発明では、導光板のｘ−ｚ面における光の伝搬を光線の出射面での臨界角を閾値として利用し、光線の方向を選択することによって光線の方向を揃える。また、導光板のｘ−ｙ面における光の伝搬を一方向に延在する断面三角の多数の溝が形成された一次元のプリズムシートによって光線の方向を揃えている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、臨界角を利用して光線の方向を選択する方法では、出射する光線の出射角が略垂直になるため、出射面に対してかなり斜めにして観測しないと明るく見えない。また、屈折や反射によって出射面に対して垂直方向に偏向する方法も考えられるが、新たな部材を必要とする。また、偏向に伴う損失によって光の利用効率を低下させる。また、プリズムシートにより光を揃える方法に関しても、プリズム部の入射角度によっては、出射面の上方（あるいは前方）出射しない成分が生じ、光利用効率を低下させる。
【０００５】
よって、本発明は、バックライト光を効率良く面光源に変える導光板を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明の導光板は、基板に入射した光線を互いに対向する第１及び第２の面の内部反射により出射面まで案内する導光板において、上記基板は、導光領域と出射領域とを含み、上記導光領域は、上記入射した光線の向きを前記出射領域に向けて揃える反射パターンを有し、上記出射領域は、向きが揃えられた前記光線を前記出射面から出射する反射パターンを有する。
【０００７】
かかる構成とすることによって半球状に拡散する入射光を揃えて出射領域の方向に伝搬させ、出射面から放射することができるので、明るい平面光源（バックライト）を得ることが可能となる。
【０００８】
好ましくは、上記導光領域の反射パターンは、上記導光領域から上記出射領域に向かう主伝搬方向と直角な方向の光線の成分を上記主伝搬方向に向けるように形成される、それにより、光束を基板の導光方向（主伝搬方向）に導きより強い光線を得る。
【０００９】
好ましくは、上記導光領域は、入射光線と上記第１の面とのなす角度が略一定になるように入射光線を揃えるｚ方向成分変換領域と、ｚ方向成分変換領域を経た光線が前記出射領域を向くように揃えるｙ方向成分変換領域と、を含む。すなわち、主伝搬方向（ｘ方向）と直角な方向の成分を可及的に零にするように反射する。それにより、光線のｚ方向成分を揃えて基板の導光方向（ｘ方向）に向け、更に、ｙ方向成分を揃えて導光方向（ｘ方向）に向けて強い光線を得る。
【００１０】
好ましくは、上記基板の導光領域の上記第１及び第２の面に少なくともいずれかに反射膜が形成される。それにより、界面における反射を完全にする。
【００１１】
好ましくは、上記導光領域は、基板表面に反射パターンを形成する凹凸形状が形成されている。それにより、反射面や反射体を形成する。
【００１２】
好ましくは、上記凹凸形状は、断面が略三角形状である。それにより、傾斜した反射面を得る。
【００１３】
好ましくは、上記第１又は第２の面に投影した上記ｙ方向成分変換領域における光線の軌跡が、３次関数又は円弧の組み合わせで表される。このような反射面を形成することによって光線がｘ方向に向かう。
【００１４】
好ましくは、上述した導光板を平面光源に用い、この平面光源と表示パネルとを組み合わせて明るい表示装置（電気光学装置）を構成する。
【００１５】
好ましくは、表示装置を用いて情報機器（デジタルカメラ、携帯情報端末装置、携帯電話装置等）を構成する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１７】
図１は、液晶表示装置に使用される導光板を説明する図であり、図１（ａ）は、導光板１０の平面図、図１（ｂ）は、導光板１０の断面図である。図１（ａ）に示すように、同図の左右方向にｘ軸及び上下方向にｙ軸を定める。図１（ｂ）に示すように、同図の上下方向にｚ軸を定めている。ここで、ｘ軸方向は導光板１０の導光方向（入射光の主伝搬方向）となっている。
【００１８】
導光板１０は、透明な樹脂を材料とする長方形の基板１１であり、上面１１ａと下面１１ｂは互いに略平行な略平面である。この板１１の一端側の溝１３に光源が配置される。この溝１３の形状が適切に定められることにより、光源、例えば、ＬＥＤの取付位置が設定され、光源からの光線Ｌの入射角を設定できる。好ましくは、光源から出射される光束の中心線（光線ベクトル）が上面１１ａに対して３０度から６０度の角度になるように載置するのが具合がよい。導光板１０は、この光源の配置溝の回りに、光源から放射された光線の方向をｚ方向において揃えるｚ方向コリメート領域Ａと、ｚ方向に揃えられた光線の方向を更にｙ方向において揃えるｙ方向コリメート領域Ｂとを有している。更に、導光板は、これ等のｚ方向コリメート領域Ａとｙ方向コリメート領域Ｂとを含む導光領域に続いて光線Ｌを導光板１０の上面からｚ方向（上方）に向けて均等に出射して図示しない液晶表示パネルのバックライトを提供する出射領域Ｃを有している。これ等の領域Ａ、Ｂ及びＣは、基板１１の下面１１ｂに形成された数μｍの深さの凹凸のパターン（各種断面形状を含む）によって形成されている。各パターンは、樹脂基板の射出成形、シート成形、２Ｐ法などによって形成することができる。基板下面１１ｂの表面にはアルミニウムなどの反射膜が適宜に形成される。
【００１９】
なお、導光板１０の導光領域の上面１１ａ及び下面１１ｂの両面に夫々凹凸パターンと反射膜とを形成することができる。それにより、光線の反射回数を増やして光線の曲率を大きくし、ｙ方向コリメート領域の面積を相対的に小さくすることが可能となる利点がある。
【００２０】
図２は、ｚ方向コリメート領域を説明する説明図であり、同図（ａ）はｚ方向コリメート領域Ａにおける光線Ｌのｚ成分の反射を説明する断面図、同図（ｂ）はｚ方向コリメート領域Ａにおける光線Ｌのｘｙ平面における拡散を説明する平面図である。
【００２１】
導光板１１の下面には、図２（ａ）及び同（ｂ）に示すように、断面が略鋸歯状の深さ数μｍの凹凸面が光源位置を中心としてｘｙ平面において同心円状に形成されている。
【００２２】
図２（ａ）に示されるように、ＬＥＤから放射されたｚ方向成分の光線Ｌは、導光板の下面の凹凸面で反射し、反射光線のｚ方向成分の反射方向が揃えられる。また、図２（ｂ）に示すように、ＬＥＤから放射された光線Ｌのｘｙ平面における成分（ｘｙ成分）は、光源から放射状に拡散し、導光板１０の下面１１ｂに臨界角以上の入射角で入射して反射する。この領域での反射は全反射が望ましいが、入射角θ0が臨界角よりも小さくなる場合は、図示するように、アルミニウムなどの反射膜１２を下面１１ｂに設けて強制的に反射させることができる。
【００２３】
図３は、ｙ方向コリメート領域を説明する説明図である。図３（ａ）は、図１（ａ）に示されたｙ方向コリメート領域Ｂの一部の領域Ｓを拡大して示す平面図である。図３（ｂ）は、領域Ｓの断面図である。
【００２４】
ｚ方向コリメート領域Ａで反射してｘｚ平面（ｚ軸方向）における光線方向が揃えられた反射光線（光線ベクトル）Ｌは、ｙ方向コリメート領域で上面１１ａと下面１１ｂで全反射を繰り返しながら進行方向を徐々に変え、ｘｙ平面における光線ベクトルＬの方向をｘ軸方向に向け、ｙ方向において揃えられる。
【００２５】
このｙ方向コリメート領域Ｂは、図３（ａ）に示すように、ｘｙ平面では短冊状の曲面（反射面）を敷き詰めたような形状をしており、図３（ｂ）に示すように、ｚｘ平面（断面）では、鋸歯状になっている。短冊状の曲面は入射光線Ｌを全反射し、所望の角度で反射するように反射面が傾いている。導光板１０の下面１１ｂに設けられた凹凸形状（短冊状の曲面）は、上面１１ａに設けられても良く、上下面の両面に形成されても良い。
【００２６】
このｙ方向コリメート領域Ｂを通過する全ての光線が上面１１ａ又は下面１１ｂで複数回反射した夫々の点のうちの下面１１ｂ（ｘｙ平面）における反射点…、Ｐ_ｎ−１、Ｐ_ｎ、Ｐ_ｎ＋１、…は、図４（ａ）に示すように、この光線ベクトルＬに固有のｘについての３次関数で表現される３次曲線上にある。また、この曲線は、図４（ｂ）に示すように、半径ｒ_ｎの円弧Ｒ_ｎをつなぎ合わせた曲線でも良い。この場合、反射によるｘｙ平面内での方向変換角度θ_ｂが３次関数の場合と比較して小さくなり（θ_ａ＞θ_ｂ）、格子ピッチが広くなって基板１１の製造が容易となる。
【００２７】
図５は、上述したｚ方向コリメート領域Ａとｙ方向コリメート領域Ｂの反射パターン例を示しており、図２の「Ｖ」領域（上約１／２相当の領域）に該当する部分の基板下面１１ｂのｘｙ平面のパターン例を示している。同図の左下位置が光源位置に相当する。ｚ方向コリメート領域Ａは、この光源位置を中心として同心円状に配置された反射板（反射パターン）によって形成され、その右側にｙ方向コリメート領域Ｂが短冊状の反射板によって形成されている。
【００２８】
図６は、出射領域を説明するための説明図である。同図（ａ）に示すように、出射領域Ｃは、断面三角波状の突起（反射部）１４を間隔を空けて並べた形状となっている。反射部１４の傾斜面をｘｙ平面で見た場合には、図６（ｂ）に示すように、ｙ軸に平行な直線となる。導光板１０の下面１１ｂの平坦部の反射膜１２で反射した光線Ｌは再び上面１１ａで全反射する。これを繰り返して光線Ｌはｘ方向に伝搬する。一方、三角形状の傾斜面で全反射した光線Ｌは、上面１１ａでは全反射せず導光板１０の外部に出射する。光線Ｌが導光板１０をｘ方向に伝搬するに従って光量が減衰するので、ｘ座標の増加に伴って反射部１４の配置間隔を徐々に狭くし、導光板１０からの出射光量を均一化する。
【００２９】
図７は、本発明に係る導光板を使用した液晶表示装置の例を説明する説明図である。導光板はＬＥＤを光源とするバックライト装置１として組み込まれ、液晶表示パネル２の内部光源として組み立てられる。液晶パネル２を上述した構成の導光板１０を介して背面から照明することによってより明るい画像が得られる。
【００３０】
次に、本発明の導光板を備えた電子機器の例について以下に説明するが、例示のものに限定されるものではない。
【００３１】
〈モバイル型コンピュータ〉
まず、上述した実施形態に係る表示装置をモバイル型のパーソナルコンピュータに適用した例について説明する。図８は、このパーソナルコンピュータの構成を示す斜視図である。同図において、パーソナルコンピュータ１１００は、キーボード１１０２を備えた本体部１１０４と、上述した表示装置１１０６を備えた表示装置ユニットとから構成されている。
【００３２】
〈携帯電話〉
次に、上述した実施形態に係る表示装置を、携帯電話の表示部に適用した例について説明する。図９は、この携帯電話の構成を示す斜視図である。同図において、携帯電話１２００は、複数の操作ボタン１２０２の他、受話口１０２４、送話口１２０６と共に上述した表示装置１２０８を備えるものである。
【００３３】
〈ディジタルスチルカメラ〉
上述した実施形態に係る表示装置をファインダに用いたディジタルスチルカメラについて説明する。図１０は、このディジタルスチルカメラの構成を示す斜視図であるが、外部機器との接続についても簡易に示すものである。
【００３４】
通常のカメラは、被写体の光像によってフィルムを感光するのに対し、ディジタルスチルカメラ１３００は、被写体の光像をＣＣＤ(Charge Coupled Device)等の撮像素子により光電変換して撮像信号を生成する。ディジタルスチルカメラ１３００のケース１３０２の背面には、上述した表示装置１３０４が設けられ、ＣＣＤによる撮像信号に基づいて表示を行う構成となっている。このため、表示装置１３０４は、被写体を表示するファインダとして機能する。また、ケース１３０２の観察側（図においては裏面側）には、光学レンズやＣＣＤ等を含んだ受光ユニットが設けられている。
【００３５】
撮影者が表示装置１３０４に表示された被写体を像を確認して、シャッタボタン１３０８を押すと、その時点におけるＣＣＤの撮像信号が、回路基板１３１０のメモリに転送・格納される。また、このディジタルスチルカメラ１３００は、ケース１３０２の側面に、ビデオ信号出力端子１３１２と、データ通信用の入出力端子１３１４とを備えている。そして、同図に示されるように、ビデオ信号出力端子１３１２にはテレビモニタ１４３０が、また、データ通信用の入出力端子１３１４にはパーソナルコンピュータ１４３０が、それぞれ必要に応じて接続され、更に、所定の操作によって、回路基板１３０８のメモリに格納された撮像信号が、テレビモニタ１３３０や、コンピュータ１３４０に出力される構成となっている。
【００３６】
〈電子ブック〉
図１１は、本発明の電子機器の一例としての電子ブック（携帯情報機器）の構成を示す斜視図である。同図において、符号１４００は、電子ブックを示している。電子ブック１４００は、ブック型のフレーム１４０２と、このフレーム１４０２に開閉可能なカバー１４０３とを有する。フレーム１４０２には、その表面に表示面を露出させた状態で表示装置１４０４が設けられ、更に、操作部１４０５が設けられている。フレーム１４０２の内部には、コントローラ、カウンタ、メモリなどが内蔵されている。表示装置１４０４は、本実施形態では、電子インクを薄膜素子に充填して形成した画素部と、この画素部と一体に備えられ且つ集積化された周辺回路とを備える。周辺回路には、デコーダ方式のスキャンドライバ及びデータドライバを備える。
【００３７】
なお、電子機器としては、図８のパーソナルコンピュータ、図９の携帯電話機、図１０のディジタルスチルカメラ、図１１の電子ブックの他にも、電子ペーパ、液晶テレビや、ビューファインダ型、モニタ直視型のビデオテープレコーダ、カーナビゲーション装置、ページャ、電子手帳、電卓、ワードプロセッサ、ワークステーション、テレビ電話、ＰＯＳ端末、タッチパネルを備えた機器などが挙げられる。そして、これ等の各種電子機器の表示部には、上述した表示装置が適用可能である。
【００３８】
なお、導光板は、樹脂のみならず、ガラス、例えば、石英ガスであっても良い。光源は、ＬＥＤのみならず、レーザ、水銀灯、蛍光灯、冷陰極線管であっても良い。
【００３９】
また、光源の位置は、実施例のように、基板端部上面の他、基板の端部、基板の端部の上面と下面の中間位置等であっても良い。
【００４０】
また、光源はバックライトのみならず、フロントライトであっても良い。この場合、導光板にタッチパネルを組み合わせることが可能である。
【００４１】
また、実施例では長方形の板状体を導光板としているが、この形に限定されるものではなく、正方形、円形等各種の形状であっても良い。
【００４２】
このように、上述した本発明の実施の形態によれば、光源からの放射光を伝搬方向に対して垂直な成分と水平な成分とを伝搬方向に揃えて導光板を伝搬させ、出射領域から適宜に放射するのでより明るい導光板を得ることが可能となる。また、この導光板を用いることによって明るい表示パネルを得ることが可能となる。液晶表示器、電気光学装置、各種情報処理装置などの表示器を含む装置の表示を改良することが可能となる。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の導光板は、基板内で反射によって拡散光を平行光に変換し、出射領域に導くので、従来よりも指向性の高い出射が可能となる。また、導光を全反射によって行うことができ、それにより、高効率で明るい導光板が得られる。
【００４４】
また、本発明の導光板を用いる各種装置によれば、明るい表示画面が得られて好ましい。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の導光板を説明する説明図である。
【図２】図２は、導光板のｚ方向コリメート領域を説明する説明図である。
【図３】図３は、導光板のｙ方向コリメート領域を説明する説明図である。
【図４】図４は、ｙ方向コリメート領域における光線の反射を説明する説明図である。
【図５】図５は、導光板のｚ方向コリメート領域及びｙ方向コリメート領域の反射パターンの例（ｘｙ平面）を説明する説明図である。
【図６】図６は、導光板の出射領域を説明する説明図である。
【図７】図７は、本発明の導光板を使用する液晶表示装置の例を説明する説明図である。
【図８】図８は、本発明に係る導光板を含む携帯型コンピュータの例を説明する説明図である。
【図９】図９は、本発明に係る導光板を含む携帯電話機の例を説明する説明図である。
【図１０】図１０は、本発明に係る導光板を含むデジタルカメラの例を説明する説明図である。
【図１１】図１１は、本発明に係る導光板を含む電子ブックの例を説明する説明図である。
【符号の説明】
１０ 導光板
１１ 基板
１１ａ 基板上面
１１ｂ 基板下面
１２ 反射面

Claims (10)

1. 基板に入射した光線を互いに対向する第１及び第２の面の内部反射により出射面まで案内する導光板であって、
   前記基板は、前記光線を前記出射面から出射する反射パターンを有する出射領域と前記入射した光線の向きを当該出射領域に向けて揃える反射パターンを有する導光領域とを含み、
   前記導光領域は、前記入射した光線と前記第１の面とのなす角度が略一定になるように当該光線を揃えるｚ方向成分変換領域と、前記ｚ方向成分変換領域を経た前記光線が前記出射領域を向くように揃えるｙ方向成分変換領域と、を含み、
   前記基板の第１又は第２の面に投影した前記ｙ方向成分変換領域における光線の軌跡が、３次関数又は円弧の組み合わせで表される、
   ことを特徴とする導光板。
2. 前記導光領域の反射パターンは、前記導光領域から前記出射領域に向かう主伝搬方向と直角な方向の光線の成分を前記主伝搬方向に向けるように形成される、ことを特徴とする請求項１に記載の導光板。
3. 前記基板の導光領域の前記第１及び第２の面の少なくともいずれかに反射膜が形成される、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の導光板。
4. 前記基板の導光領域は、基板表面に前記反射パターンを構成する凹凸形状を有する、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の導光板。
5. 前記反射パターンは入射光を全反射する、ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の導光板。
6. 前記凹凸形状は、断面が略三角形状である、請求項４に記載の導光板。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の導光板を含む平面光源と、この平面光源と組み合わされる表示パネルと、を含む電気光学表示装置。
8. 請求項７に記載の電気光学表示装置を備えるデジタルカメラ。
9. 請求項７に記載の電気光学表示装置を備える携帯情報端末装置。
10. 請求項７に記載の電気光学表示装置を備える携帯電話装置。

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