JP3932544B2 - 面光源装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、点光源を面状に広げる面光源装置に関し、特に、光の取り出し効率を向上する技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、照明等に主に用いられる面光源装置として、ＬＥＤ等の光源からの光を導光板に入射させ、面状に広げて出射させる構成のものがあり、各種電気機器等の液晶表示画面のバックライト光源装置として広く用いられている。この種の導光型の面光源装置を図１の斜視図及び図２の断面図により示す。この面光源装置１００は、光を閉じ込めるための導光板２と、発光部３（以下、光源という）と、反射板４とから構成されている。導光板２は、ポリカーボネイ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形成されており、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凹凸パターン５が形成されている。光源３は、回路基板３ａ上に複数のＬＥＤなどのいわゆる点光源３ｂを実装したものであって、導光板２の側面（光入射面７）に対向している。反射板４は、反射率の高い、例えば、白色樹脂シートによって形成されており、その両側部は、両面テープ８によって導光板２の下面に貼り付けられている。
【０００３】
しかして、図２に示すように、光源３から出射されて光入射面７から導光板２の内部に導かれた光ｆ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る。導光板２内部の光ｆは、凹凸パターン５に入射すると、拡散反射され、光出射面６へ向けて全反射の臨界角よりも小さな角度で反射された光ｆが、光出射面６から外部へ取り出される。また、導光板２下面の凹凸パターン５の存在しない箇所を透過した光ｆ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下面からの光量損失を防止することができる。
【０００４】
ところで、上述したように、ＬＥＤを光源とした導光型のバックライト面光源装置においては、ＬＥＤの出射光を導光板に結合しなければならず、また、導光板に結合させた光を拡散パターンにより面状に広げているため、制御性が必ずしも良くなく、高効率、高均一性に限界があり、また、設計が容易でない。従来では、照明等インコヒーレント光を導光板に結合するための構成として、いわゆるベクター（方向）放射結合型のものが知られている。
【０００５】
ベクター放射結合型のバックライトの構成を図３（ａ）（ｂ）に示す。ＬＥＤから成る光源３は導光板２の端面の一点に局在化されており、それを中心に導光板２の下面には、凹凸パターン５が同心円上に配列されている。光源３から導光板２に光結合部３ｃを経て結合された光は放射状に広がり、凹凸パターン５によって出射される。導光板２の下方には反射板４が設けられている。光は光源３を中心に導光板２の中を直線的に導光させる。これにより、出射光は、導光量と放射損失係数との積で表すことができる。放射損失係数を導光量低下を補うように増加させることで、均一な出射光量を得るようにする。凹凸パターン５は、導光方向に対して垂直な方向に一様な形状にする。これにより、パターンに当たった光で出射されなかった光も、導光方向が変わることなく直線的な導光が得られる。
【０００６】
ここに、光が直線的に導光することから、光源３の指向性制御を行う必要があり、光結合部３ｃの形状を制御する。図４に本バックライト構成の理想的な光源の指向性を示す。光源３から導光板２の出射領域の端までの距離の２乗にほぼ比例する。このため、図示の対角θａ方向に相対強度のピークが現れ、光源指向性の補正が必要となる。そこで、図３（ｂ）に示すように、光源結合部３ｃのレンズ作用を用いて、対角θａ方向に光を屈折させ補正している。また、実際には、理想的な指向性と完全に一致させることは不可能であって、光源３からの出射方向に依存する輝度むらが発生するので、輝度の強い方向のパターン密度を下げ、低い方向へ合わせることにより、均一性が得られるようにする。
【０００７】
このようなバックライトのパターンの概略構成を図５に、そのパターンに光が当たった時の様子を図６に示す。導光板２のパターン５に当たった光源３からの光は、角度が変えられる。その光の中で全反射角を越えるものだけが、導光板２から出射されるが（光線ａ，ｃ）、その他の光は、そのまま導光を続ける（光線ｂ）。なお、図５においては、反射板４を導光板２のパターン５が設けられた側と反対側に配置したものを示した（従って、この構成では、光は図面上で下側に出射する）が、図３（ａ）と同様に、反射板４を導光板２のパターン５が設けられた側に配置してもよい。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のような従来のバックライト構成では、上述したように、そのまま導光を続ける光があるため、導光板のパターンに当たって取り出せる光の取り出し効率は１００％とはならない。また、ベクター放射結合方式では、パターン形状の特性から、光源とパターンを結ぶ方向での指向角は、導光板の全反射条件を満たさないものであるために、１８０度に広げられるが、それと直交方向の指向角は極めて狭いものとなる。そして、このような偏った指向性は面光源装置としては使いづらいものとなり、例えば、この面光源を使用した画像表示装置は見る角度によって面内の輝度の不均一を生じてしまう。
【０００９】
そこで、図７（ａ）（ｂ）に示すように、導光板２の上面に拡散板９を設置することが考えられる。これにより、導光板２から出射した光は拡散し、指向角を広げることができる。しかしながら、拡散板９を設置することで、拡散板９での反射、吸収などにより効率が落ちてしまい、高効率化の意図に反する。また、導光板２の製造コストが高いことからも好ましくない。従って、拡散板などを用いずに、導光板出射時に指向角が広がっているパターンの実現が望まれる。
【００１０】
ここで、凹凸パターンの一つの構成例について図８を参照して説明する。図８（ａ）に示した凹凸パターン５は、導光板２に横向き三角柱状のドット状の凸パターンである（奥行き寸法は微少）。このようなパターン構成の場合、導光板２内の光の指向性は±４５°以下であり、下半分Ｂの光しかパターン５に当たらない。このようなパターンを用いて高い輝度を出すために、パターン密度を上げると、図８（ｂ）に示すように、隣りのパターンへの再入射が生じ、やはり取り出し効率は落ちてしまう。よって、パターン密度を上げても、取り出し効率の落ちないパターンの実現が望まれていた。
【００１１】
本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、ベクター放射結合方式において、拡散板などを用いることなく、導光板に設けられた光を出射させるパターンに当たった光を効率良く取り出すことが可能で、高い光出射効率が得られ、また、偏った指向性でなく均一な光分布が得られる面光源装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１の発明は、平板状の導光板と、導光板の端面に光が入射するように設置された、導光板の幅に比べて幅の狭い光源と、導光板内を導光する光を取り出す、導光板の表面に設けられた凹凸パターンとからなり、凹凸パターンを構成する反射面は、所定の角度をなして互いに交わり、光源から離れる側に突出するプリズム形状を形成する面からなり、上記の交わる面は、その交角をほぼ２等分する平面が光源を通り、かつ導光板の表面に垂直になる角度で設置されている面光源装置である。
【００１３】
この構成においては、凹凸パターンを構成する反射面が所定の角度をなして互いに交わり光源から離れる側に突出するプリズム形状を形成する面から成り（例えば、プリズム）、光源から直接プリズムに入る光はプリズムにほぼ垂直に入射することになり、プリズムに垂直に入射した光は逆方向に全反射されるが、このような場合は、ごくまれである。プリズムの垂直方向から少しずれるだけでも、光は、互いに交わる一方の面に反射して斜め前方の他方の面に当たって反射し、全体としてひとひねりした後、導光板から出射される。したがって、ほとんど全ての光は、プリズムでひとひねりされ、斜め上方に進み、導光板から出射するようになる。これにより、パターンに当たる光をほとんど全て取り出せる可能性が高まる。
【００１４】
また、上記において、凹凸パターンを構成する、上記の交わる面以外の面は、該交わる面の交角を２等分する面に、垂直または平行であることが望ましい。
また、上記の交わる面が、周期的に設けられていることが望ましい。
また、上記凸パターンは、上記の交わる面の交線と、導光板の表面の角度が、２２．５°乃至４５°であることが望ましい。
また、上記凹パターンは、上記の交わる面の交線と、導光板の表面の角度が、４５°であることが望ましい。
また、上記所定の角度は、７５°乃至１０５°であることが望ましい。
また、本発明は、上記記載の面光源装置に用いられる導光板である。
また、本発明は、上記記載の面光源装置を用いて画像を表示する画像表示装置である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化した一実施形態を図面を参照して説明する。
図９は本実施形態による面光源装置の外観図である。この面光源装置は、主として各種電気機器等の液晶表示画面のバックライトとして使用される。面光源装置１１は、光を閉じ込めて導光させる矩形平板状の透明媒体である導光板１２と、この導光板１２の端面から光が入射するように設置された点光源１３と、導光板１２の非出射面側（図では下面）の平板上に設けられたシート又は薄板状の反射板１４と、導光板１２の平板上の一面に設けられた光出射用の凹凸パターン１５（この構成が従来とは相違する。詳細構成は後述）とから構成される。反射板１４は必ずしも必要でない。点光源１３としては、導光板１２の幅寸法に比べて十分に幅の狭いＬＥＤモジュール等を用いる。この導光板１２から光を取り出す機構は、基本的には上述の従来技術で説明したものと同等であり、点光源１３から導光板１２内に導入された光は、導光板１２内で全反射され、混ぜ合わされてパターン１５により外部へ取り出される。なお、導光板１２の厚みは、１ｍｍ程度のものを用いる。
【００１６】
光出射用の凹凸パターン１５の第１実施形態による構成を図１０に示す。ここに示すパターン１５は、ドット状の凸パターンであり、出射輝度の均一化のために導光板１２の一平面に点光源１３から遠くなる程、密度を高めて配置される。なお、図示していないが、凹パターンでもよい。パターン１５の一つを同図（ｂ）（ｃ）に示す。凸パターン１５は横向き三角柱形状であり、これを構成する一つの反射面をプリズム形状としたものである。プリズム形状とは、互いにほぼ直交する面を繰り返し周期的に並んで設けたものであり、ここでは、直角なプリズム１５ａを構成している。プリズム１５ａの直交する面は、その交角（頂角）をほぼ２等分する平面が点光源１３を通り、かつ導光板１２の表面に垂直になる角度で設置されている。凸パターン１５のプリズム１５ａ以外の側面１５ｂ，１５ｃは、プリズム１５ａの交角を２等分する面に、垂直または平行である。
【００１７】
具体的には、凸パターン１５は、光源側の面が導光板１２の表面に対して４５°の角度を持つ面であり、光源から遠い側の面がプリズム１５ａとされ、その導光板表面とのなす角度は、３３．７５°とする。凸パターン１５の上面１５ｄは、導光板１２の表面と同一面を示す。凸パターン１５の光源からの光に直交する方向の幅は、５０〜１００μｍ、光源からの光の方向の寸法は、１５０μｍ、高さが５０μｍ程度とする。なお、両側面１５ｃは、点光源１３からの放射光が当たらず、導光板１２表面に垂直な面、角度に設定されている。
【００１８】
本実施形態による照明の光源は、点光源であり、導光板との結合方式も従来技術で説明したような、ベクター結合構成であるため、パターン１５に入射する光は、点光源１３から真っ直ぐに来る光である。図１１（ａ），（ｂ）に示すように、プリズム１５ａに垂直に光が入射した場合、その光は逆方向に反射される。また、図１２（ａ）（ｂ）に示すように、プリズム１５ａが傾いている場合でも、上から見た時に傾いていない角度のものであれば、全反射角を保っているため、入射光を反射する。この原理より、パターン１５のプリズム１５ａ面は全反射を生じさせる。
【００１９】
また、プリズム１５ａは、図１３（ａ）に示すように、入射光が確実に２回反射できるだけの長さを有するものであること、又は、ピッチが十分小さいものであることが望ましい。図１３（ｂ）に示すように、プリズム１５ａが短いものである場合には、２回目の反射をしない場合が起こり、不都合である。２回反射の条件さえ満足すれば、プリズムは複数個ある必要はなく、図１３（ｃ）に示すように、１個でもよい。
【００２０】
また、導光板１２内を導光する光は、点光源１３からの放射光に対して、４５°の角度で広がっている。従って、図１４に示すように、パターン１５の光源側の面の角度が、４５°以上になっていることにより、導波光に影響を及ぼさなくなる。
【００２１】
以上のように、パターン１５の一つの反射面をプリズム１５ａとすることで、パターン１５に当たる光は全て取り出すことができるようになる。プリズム１５ａと導光板１２の表面角度は、図１５（ａ）に示すように、３３．７５°程度であれば、導光板１２に対して垂直な軸を中心に光が広がる。全ての光を出射する目的のみであれば、図１５（ｂ）（ｃ）に示すように、プリズム１５ａと導光板１２表面の角度は、２２．５°〜４５°であればよい。このようにして、交角を二等分する面での指向性は狭くなる。図１５（ａ）に示したような構成では、導光板出射後の指向性は、おおよそ７０度となる。
【００２２】
第２実施形態によるパターン構成を図１６、図１７に示す。上記ではパターン１５として、凸パターンを示したが、図１６に示すように、凹パターンでも構わない。この場合、全ての光を取り出すためには、プリズム１５ｅが、導光板１２表面に対して、ほぼ４５°であればよい。このような角度であることが望ましいのは、第１実施形態とは異なり、パターンが付いている側の導光板表面１５ｆからの反射光もプリズム１５ｅに入射するためである。また、図１８に示すように、凸と凹が併さったパターン１５でも構わない。
【００２３】
図１８乃至図２０はパターンのプリズムの変形例を示す。いずれも指向角の広角化を図るものである。プリズムの互いに交わり合う面のなす交角が直角ならば、光源から出射された、交角を２等分する面とほぼ平行な光は、２回の全反射により再び交角を２等分する面と平行になる。従って、指向角は広がらない。ところが、図１８に示すように、プリズム頂角（θ）を９０度より大きく、又は、図１９に示すように、９０°未満にすることによって、上記の光源は交角を２等分する面とは平行にならない。導光板の材質をアクリルとすると、全反射の臨界角は４２°となり、この条件からプリズム頂角は８８°乃至９３°が望ましい。しかしながら、頂角が７５°乃至１０５°程度であれば、大部分の光は反射するので、実用上問題はない。なお、プリズム頂角を大きくすると、出射光の指向角が広くなる。
【００２４】
また、プリズムの頂角の大きさで偏向される光の角度が決まるので、図２０に示すように、パターンのプリズム頂角（θ１，θ２，θ３，…）が種々異なった値を持つものとすることが望ましい。この構成により、導光板を出射する光は交角を２等分する面の法線方向にも指向角を有するものとなる。
【００２５】
さらにまた、様々な偏向角を実現するために、図２１に示すように、プリズムを構成する面の交角が連続的に変化する曲面形状であってもよい。これにより、一つのプリズム部で指向角を広げることができる。また、図２２に示すように、プリズム１５ａの２つの面が連続的に変化する面とされていてもよい。また、図２３に示すように、プリズムを構成する面の少なくとも１つに拡散パターンｐを加工したものであってもよい。この拡散パターンｐは不完全拡散反射をするようなパターンであって、入射光の多くを正反射させる特性を持つものが望ましい。これにより、プリズム部を反射した光は指向角の広がった光となる。
【００２６】
なお、本発明は上記実施形態の構成に限られず種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では、バックライトとして使用されるものを示したが、本面光源装置を用いて画像を表示する画像表示装置として構成してもよい。
【００２７】
【発明の効果】
以上のように本発明に係る面光源装置によれば、導光板の表面に設けられた光を出射させる凹凸パターンを構成する反射面が所定の角度をなして互いに交わり光源から離れる側に突出するプリズム形状を形成する面（プリズム面という）から成り、ほとんど全ての光は、プリズムでひとひねりされ、斜め上方に進み、導光板から出射するようになる。これにより、パターンに当たる光をほとんど全て取り出せる可能性が高まる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の面光源装置の斜視図である。
【図２】同装置の断面図である。
【図３】（ａ）はベクター放射結合型のバックライト構成の斜視図、（ｂ）は光源からの光結合部を示し、（ａ）のＡ部の拡大図である。
【図４】バックライト構成の理想的な光源の指向性を示す特性図である。
【図５】従来のバックライトのパターンの概略構成図である。
【図６】そのパターンに光が当たった時の様子を示す図である。
【図７】（ａ）（ｂ）は従来のバックライトの問題を解決するための一つの構成を説明する図である。
【図８】（ａ）（ｂ）はバックライトの問題を説明する図である。
【図９】第１の実施形態による面光源装置の外観図である。
【図１０】（ａ）は同面光源装置の側面図、（ｂ）は同装置における光出射用の凹凸パターンを示し、（ａ）のＣ部の拡大透視斜視図、（ｃ）は横断面図である。
【図１１】（ａ）はプリズムに垂直に光が入射した場合の上から見た図、（ｂ）は横から見た図である。
【図１２】（ａ）はプリズムに斜めに光が入射した場合の上から見た図、（ｂ）は横から見た図である。
【図１３】（ａ）はプリズムが長い場合の図、（ｂ）はプリズムが短い場合の図である。
【図１４】導光板内の光の指向性分布とパターンとを示す図である。
【図１５】（ａ）（ｂ）（ｃ）はそれぞれ各種パターン形状の場合の光の出射作用を示す図である。
【図１６】（ａ）は第２実施形態によるパターン形状の場合の作用を示す図、（ｂ）は同パターンを透視して示した斜視図である。
【図１７】パターンの他の構成例を示す図である。
【図１８】パターンのプリズムの構成例を示す図である。
【図１９】パターンのプリズムの構成例を示す図である。
【図２０】パターンのプリズムの構成例を示す図である。
【図２１】パターンのプリズムの構成例を示す図である。
【図２２】パターンのプリズムの構成例を示す図である。
【図２３】パターンのプリズムの構成例を示す図である。
【符号の説明】
１１ 面光源装置
１２ 導光板
１３ 点光源
１５ 凹凸パターン
１５ａ，１５ｅ プリズム
１５ｂ，１５ｃ 側面

Claims (8)

1. 平板状の導光板と、
   上記導光板の端面に光が入射するように設置された、導光板の幅に比べて幅の狭い光源と、
   上記導光板内を導光する光を取り出す、導光板の表面に設けられた凹凸パターンとからなり、
   上記凹凸パターンを構成する反射面は、所定の角度をなして互いに交わり、上記光源から離れる側に突出するプリズム形状を形成する面からなり、
   上記の交わる面は、その交角をほぼ２等分する平面が上記光源を通り、かつ導光板の表面に垂直になる角度で設置されていることを特徴とする面光源装置。
2. 上記凹凸パターンを構成する、上記の交わる面以外の面は、該交わる面の交角を２等分する面に、垂直または平行であることを特徴とする請求項１記載の面光源装置。
3. 上記の交わる面が、周期的に設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の面光源装置。
4. 上記凸パターンは、上記の交わる面の交線と、上記導光板の表面の角度が、２２．５°乃至４５°であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の面光源装置。
5. 上記凹パターンは、上記の交わる面の交線と、上記導光板の表面の角度が、４５°であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の面光源装置。
6. 上記所定の角度は、７５°乃至１０５°であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の面光源装置。
7. 請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の面光源装置に用いられる導光板。
8. 請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の面光源装置を用いて画像を表示することを特徴とした画像表示装置。

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