JP4262113B2 - バックライト - Google Patents

Description

この発明は液晶表示装置等の薄型の表示装置の照明手段として用いられるバックライトに関する。

携帯電話機、ノートパソコン等に用にいられる液晶表示装置（ＬＣＤ）のようなフラットパネルディスプレーには、一般に、そのフラットパネルを照らすための背景システムとしてのバックライトが組み合わせて使用されている。このバックライトの重要な要件は ＬＣＤパネル等のフラットパネルの全表面にわたって、均等でかつ十分に強い光分布を与えることである。このために、図８に示すような導光板とプリズムシートを用いたバックライトが従来から知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−５９３２１ 図１、図５

ここで、図８（ａ）はかかる従来のバックライト１１０の斜視図、図８（ｂ）はその上面図、図８（ｃ）バックライト１１０をその幅方向（Ｘの方向）から見た側面図である。図８に示す直交座標のＸ、Ｙ、Ｚの方向は、それぞれバックライト１１０の幅方向、厚さ方向、長さ方向、を示している。図８において、１０１は導光板、１０２は導光板の１の側面である入光面１０１ｃに対向する位置に配された発光源としてのＬＥＤ（発光ダイオード）、１０３は導光板１０１の上面１０１ａに対向して配されたプリズムシート、１０４は導光板１０１の下面１０１ｂに対向して配された反射シートである。導光板１０１の上面１０１ａは滑らかな平面となっており、その下面１０１ｂには比較的小さな傾斜角（図９のα）でＺ方向に向けて立ち上がるように傾斜するプリズム面を有する複数のプリズム１０１ｐが形成されている。一方、プリズムシート１０３の導光板１０１に対向する下面１０３ｂには鋭角（例えば６０°〜７５°）に突起した複数のプリズム１０３ｐが形成されている。以下に、前記のバックライト１１０の作用を説明する。

次に、図９は前記導光板１０１の作用を示す図である。図９に示すように、ＬＥＤ１０２から導光板１０１の入光面１０１ｃに角度θで入射した光束Ｓ１は屈折により、θよりも小さい出射角で導光板１０１内に入り、その下面のプリズム１０１ｐの面に入射する。ここで光束Ｓ１は平行光線の束であるとする。このとき、プリズム１０１ｐ面に対する入射角が臨界角（例えば導光板１０１の屈折率が１．５５のときは４０°）よりも大きな場合は、光束Ｓ１はここで反射され、導光板１０１の上面１０１ａに入射する。ここで、上面１０１ａに対する入射角が臨界角以下であれば、屈折により上面１０１ａを透過して外部に出射するが、入射角が臨界角以上の場合は、図に示すように、更にここで反射されて下面１０１ｂのプリズム１０１ｐ面に入射する。ここで、プリズム１０１ｐに傾斜角αがあるため、プリズム１０１ｐ面で反射を受ける度に、その反射光として前記上面１０１ａに入射する光束Ｓ１入射角は減少する（２αずつ）。このため、下面のプリズム１０１ｐ面で1回又は複数回反射された後には、上面１０１ａに対する入射角は臨界角以下となり、図９に例示するように上面１０１ａを屈折により透過し、出射角φの光束Ｓ１２として外部に出射することとなる。
ここで、傾斜角αは導光板１０１内部の光の伝播性を良くするために、小さな角度に設定される場合が多い。この場合、上面１０１ａに対する入射角は臨界角以下となる場合でも、入射角は臨界角に近い角度になる。よって、前記の出射角φは大きな角度（例えば６０°を超えるような角度）となりやすい。

図１０は、図９に示すような導光板１０１の上面１０１ａからの出射光の指向性を示す図であり、図１０（ａ）はＺＹ面における指向性を示し、図１０（ｂ）はＸＹ面における指光性を示す図である。図１０より総合的に見て、出射光の成分はZ方向に偏っており、
Ｙ方向の成分が少なく、垂直方向の成分が少ないので、このままでは被照明体であるＬＣＤパネル等に対し、照明に有効な垂直方向の照明光の成分を十分に供給することができず、バックライトとして必要な照明の明るさを得ることが困難となる。そこで、導光板１０１からの出射光をＹ方向に向けるためにプリズムシート１０３が配されている。

なお、導光板の下面のプリズム１０１ｐの面に直接または上面１０１ａからの反射を経て入射する内部光（Ｓ１）の入射角が臨界角よりも小となる場合がある。この場合は、図示は省略するが、入射光はプリズム１０１ｐの面を屈折により透過して、反射シート１０４（図８参照）に達し、ここで反射されて、プリズム１０１ｐの面を再び透過して導光板１０１内に入射する。このようにして、導光板１０１内の内部光の利用効率を高めることができる。

以下に、プリズムシート１０３の作用につき説明する。図１１はプリズムシート１０３の作用を示す図である。図１１に示すようにＺＹ面で見れば導光板の上面１０１ａから出射した光束Ｓ１２は、プリズムシート１０３の導光板１０１に対向する下面に設けられたプリズム１０３ｐのプリズム斜面１０３ｐａに垂直に近い角度で（0°に近い入射角で）入射し、ほとんど屈折することなくプリズムシート１０３内を進行してプリズムの稜線を挟んで反対側の斜面１０３ｐｂに入射し、ここで全反射され、略鉛直方向（Ｙ方向）に上方に進行し、プリズムシート１０３の上面１０３ａからほとんど屈折することなく照明光束１３として出射する。ここで最終出射面であるプリズムシートの上面１０３ａは平滑面または簡素な粗面になっている。このように、導光板からの出射光の光束S１２は，ほとんどそのまま（平行光線の束として）プリズムシート１０３で反射されて方向を変えるだけなので、最終的な出射光であるバックライトとしての照明用光束Ｓ１３はほとんど平行光による光束であり、かかる光束が集合したバックライトの照明光は、バックライトの長さ方向（Ｚ方向）の指向性が狭い。また、最終出射面が簡素な粗面になっている場合でもＺ方向の指向性は若干しか広がらない。

ここで、図１２は前記バックライトの照明光の指向性を示す図であり、図１２（ａ）はＺＹ面における指向性を示し、図１２（ｂ）はＸＹ面における指向性を示す。図１２からもわかるように、バックライトの指向性はＹ方向に関してはその成分が大きく、図示しないフラットパネルに効果的に入射する光量を上げ、全体的な照明の明るさを上げることについては有利となる。しかし、図１２（ａ）に示すＺ方向の指向性の幅が、図１２（ｂ）に示すＸ方向の指向性の幅に比してかなり小さくなり、均質な照明をすることを妨害する。（例えば、明暗の縞模様等を生ずる場合がある。）この結果、照明の品位が低下するという問題を生ずる。

本発明は上記したような、発光源と、導光板と、導光板に対向するプリズム面を備えたプリズムシートとを有するバックライトにおける照明光の指向性の問題すなわち、バックライトの照明光の指向性が方向によって大きな差異を生じ、均質な照明をすることを妨害し、照明の品位が低下するという問題を改善することを課題とする。

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、導光板と、その導光板の１つの側面である入光面に対向して配された発光源と、前記導光板の上面に対向する位置に配されたプリズムシートと、前記導光板の下面に対向する位置に配された反射シートとを有し、前記発光源から前記入光面を経て前記導光板に入光した光線を導光板により光路変換してその上面より、前記プリズムシートに入射し、そのプリズムシートにより光線の方向を整えて被照明体に照明光を出射するバックライトにおいて、前記プリズムシートは最終出射面にレンチキュラーレンズを設けたことを特徴とする。

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、前記第1の手段において、前記プリズムシートは導光板と対向する面にプリズムを設け、その反対側の最終出射面にレンチキュラーレンズを設けてなり、前記プリズムの稜線と前記レンチキュラーレンズの稜線は互いに略平行であることを特徴とする。

上記の課題を解決するための第３の手段として本発明は、前記第２の手段において、 前記プリズムシートのプリズムの稜線の方向およびレンチキュラーレンズの稜線の方向は前記導光板の入光面の方向と略平行であることを特徴とする。

上記の課題を解決するための第４の手段として本発明は、前記第１の手段乃至第3の手段のいずれかにおいて、導光板の下面には稜線が入光面に略平行なプリズムが設けられていることを特徴とする。

上記の課題を解決するための第５の手段として本発明は、バックライトに使用されるプリズムシートにおいて、一方の面にプリズムが設けられ、これと対向する他方の面にレンチキュラーレンズが設けられていることを特徴とする。

前記第１の手段乃至第４の手段に係るバックライトのいずれかにおいては、バックライトの導光板からプリズムシートのプリズム面で主として反射されて、プリズムシートの垂直方向に向かう光は、プリズムシートの最終出射面に形成されたレンズにより、集光（凸レンズの場合）又は発散（凹レンズの場合）され、バックライトの長さ方向（導光板の入光面に垂直な方向）の指向性を広げることができる。このため、バックライトの長さ方向と幅方向の指向性を同じにし、照明品位の高いバックライトを構成することができる。

前記第5の手段に係るプリズムシートをバックライトに使用することにより、上記（段落１３）と同様の原理により、照明品位の高いバックライトを構成することができる。

導光板と、その導光板の１の側面である入光面に対向して配されたＬＥＤと、前記導光板の上面に対向する位置に配されたプリズムシートとを有し、前記ＬＥＤ光源から前記入光面を経て前記導光板に入光した光線を導光板により光路変換してその上面より、前記プリズムシートに入射し、そのプリズムシートにより光線の方向を整えて被照明体に照明光を出射するバックライトにおいて、前記プリズムシートを導光板と対向する側にプリズムを設け、プリズムと反対側の最終出射面にレンチキュラーレンズを設けた構成とする。

以下に図面を参照して、本発明に係るバックライトの実施例１を説明する。図１は本実施例１に係るバックライト１０の構成を示す図であり、図１（ａ）はバックライト１０の斜視図、図１（ｂ）はその上面図、図１（ｃ）バックライト１０をその幅方向（Ｘの方向）から見た側面図である。図１に示す直交座標のＸ、Ｙ、Ｚの方向は、それぞれバックライト１０の幅方向、厚さ方向、長さ方向を示している。そして、図１（ｄ）は図１（ｃ）のＡ部の拡大図である。図１において、１は導光板、２は導光板１の１つの側面である入光面１ｃに対向する位置に配された発光源としてのＬＥＤ（発光ダイオード）、３は導光板１の上面１ａに対向して配されたプリズムシート、４は導光板１の下面１ｂに対向して配された反射シートである。導光板１は透明なプラスチックよりなり、その上面１ａは滑らかな平面となっており、その下面１ｂには比較的小さな傾斜角（図２のα参照）でＺ方向に向けて立ち上がるように傾斜するプリズム面を有する複数のプリズム１ｐが形成されている。一方、プリズムシート３も透明なプラスチックよりなり、その導光板１に対向する下面３ｂには鋭角（例えば６０°〜７５°）に突起した複数のプリズム３ｐが形成されている。そして、プリズムシート３の前記プリズム３ｐが形成された下面3ｂの反対側の上面３ａには複数の凸状のレンチキュラーレンズ３Ｌが形成されている（図１（ｄ）参照）。この凸状のレンチキュラーレンズ３Ｌの面は後述するようにバックライトの照明光の最終出射面となる。

ここでプリズム３ｐの稜線と前記レンチキュラーレンズ３Ｌの稜線（又は母線）の方向は、図１（ａ）、図１（ｂ）に示すようにともにＸ方向に向かい、互いに平行となっている。なお、前記の導光板１の下面１ｂのプリズム１ｐの稜線の方向もＸ方向となっている。以下に、図１に示すバックライト１０の作用を説明する。

図２および図３は導光板１の作用を示す図である。図２に示すように、ＬＥＤ２から導光板１の入光面１ｃに角度θで入射した光束Ｓは屈折により、θよりも小さい出射角で導光板１内に入り、その下面のプリズム１ｐの面に入射する。ここで光束Ｓは平行光線の束であるとする。このように導光板１に入射した後は、光束Ｓはすでに従来例において図９を用いて説明したのと同様の原理により、下面のプリズム１ｐで反射されるごとに入射角が減少し、上面１ａに対する入射角が臨界角（例えば導光板１の屈折率が１．５５のときは４０°）以下となったとき、はじめて、この面を屈折により透過して、かなり大きな出射角φ（例えば６０°以上）の光束Ｓ２として外部に出射する。

図３は、この導光板の作用を、上記の光束Ｓに含まれる１本の光線ｓについて、更に詳しく説明するための図である。図３に示すように、光線ｓはＬＥＤ２から導光板１の入光面１ｃに角度θで入射し、ここで屈折され、スネルの法則により、屈折率ｎ＝１．５５のときは、
θ１＝ｓｉｎ^−１［（ｓｉｎθ）／１．５５］・・・・（１）
と、入射角θよりもかなり小さな角度θ１で導光板１内に出射し、αの傾斜角を有するプリズムｐ１の面に、入射角 φ１ｐ＝９０°―θ１―α の角度で入射する。ここで入射角φ１ｐが臨界角以上であれば、光線は全反射されて導光板の上面１ａに入射角
φ１ａ＝９０°―θ１―２α で入射する。ここで、入射角φ１ａが臨界角以上であれば、光線ｓは下面のプリズム１ｐに向け、更に反射され、下面のプリズム１ｐに対し入射角
φ２ｐ＝９０°―θ１―３α で入射する。このようにして、導光板の下面のプリズム１ｐにおいて1回反射を受けるごとに上面１ａへの入射角は２αずつ減少する。すなわち、プリズム１ｐで、ｎ回反射を受けた場合の上面１ａに対する入射角をφｎａとすれば、
φｎａ＝９０°―β―２ｎα・・・・（２）
と表すことができる。すなわち、反射を繰り返すたびに入射角が減少し、臨界角以下となることができる。そしてこのとき上面１ａを透過して図２に例示するφの出射角で外部に出射する。

例えば、θ１＝３０° α＝６° 臨界角＝４０° としたとき、下面のプリズム１ｐにおいて1回反射を受けた場合は（２）式より、上面１ａに対する入射角は
φ１ａ＝６０°―１２°＝４８° となり、臨界角以上となり、反射されるが、プリズム１ｐにおいて２回反射を受けた場合は、上面１ａに対する入射角は
φ２ａ＝６０°―２４°＝３６° となり、臨界角４０°以下となるので、入射光は屈折により、図２に示すように出射角φで上面１ａを透過して出射する。この場合入射角であるφ２ａは臨界角に近いので、図２に示す出射光Ｓ２の出射角φは大となり、例えば６０°以上となる。よって、導光板１からの出射光Ｓ２の指向性は、従来と同様に、図１０に示すようにＹ成分が少なくＺ成分に偏ったものとなる。

次に、反射シート４（図１参照）は導光板の下面１ｂのプリズム１ｐのプリズム面に内側から入射する光の入射角が臨界角以内である場合にこの面を透過して下方に出射する光を反射して、プリズム面を透過して再び導光板１内に入光させ、光の利用効率を高める作用をする。
以上に述べた、導光板１および反射シート４の作用原理そのものは、すでに、図８、図９に示して説明した従来のバックライト１１０の場合と同様であり、公知のものであるが、本実施例１を説明するための順序として述べたものである。

図４は本実施例１に係るバックライト（１０）におけるプリズムシート３の作用を示す図である。図４に示すように、導光板１の上面１ａを出射角φ（図２参照）で出射した光束Ｓ２はプリズムシート３の下面３ｂにおいて導光板１に対向する位置に設けられたプリズム３ｐの左側の斜面３ｐａに入射する。この場合、プリズム３ｐの頂角が出射角φに対応した所定の角度範囲にあれば、プリズムの左側の斜面３ｐａには９０°付近の入射角で入射し、ほとんど屈折することなく、プリズム３ｐ内を進行し、その右側の斜面３ｐｂに入射し、ここで全反射され、上方に略垂直方向（Ｙ方向）に進行し、プリズムシート３の上面３ａに形成された凸状のレンチキュラーレンズ３Ｌに達し、レンチキュラーレンズ３Ｌの面を屈折により透過して外部に出射する。このレンチキュラーレンズ３Ｌは図の面内（ＺＹ面）では上に凸に湾曲し、紙面に垂直方向（Ｘ方向）にはその湾曲を保った状態で真っ直ぐに伸びている。最終出射面であるレンチキュラーレンズ３Ｌを出射した光線は屈折により一旦、レンズの焦点距離ｆだけ離れた位置に集光した後、集光の際の角度に略等しい角度ωをもってＺＹ面においてＺ方向に拡散し、最終的な照明光束Ｓ３となる。このように拡散する照明光束Ｓ３の存在により、バックライト１０の照明光の指向性が改善される。この様子を指向性の特性図である図５を用いて説明する。本実施例１に係るバックライト１０によれば、図５（ａ）に示すように、の照明光のＺＹ面におけるＺ方向の指向性の幅を従来（図１２（ａ）参照）よりも広げることができる。

一方、レンチキュラーレンズ３Ｌからの出射光は、図の面に垂直な方向（Ｘ方向）においては、レンチキュラーレンズ３Ｌの面は湾曲していないので、レンズによる集光、拡散作用は行われない。よって本実施例１に係るバックライトのＸＹ面におけるＸ方向の指向性の幅は図５（ｂ）に示すように従来（図１２（ｂ）参照）と変わらないことになる。この結果、本実施例１においてはバックライトのＺ方向（長さ方向）の指向性とＸ方向(幅方向)の指向性の大きさを略等しくすることができ、照明品位の高いバックライトを実現することができる。なお、バックライトのＺ方向の指向性はレンチキュラーレンズ３Ｌの曲率を変えて、焦点距離を変えることにより、拡散角ωを変えることにより調整することができるので、Ｚ方向（長さ方向）の指向性とＸ方向(幅方向)の指向性の大きさを完全に等しくしたり、目的に応じて、所望の比率とすることもできる。

以下に図面を参照して、本発明に係るバックライトの実施例２を説明する。図６は本実施例２に係るバックライト２０の構成を示す図であり、図６（ａ）はその上面図、図６（ｂ）は直交座標Ｘ、Ｙ、ＺのＸ方向から見た側面図、図６（ｃ）は図６（ｂ）のＢ部の拡大図である。図６において１３はプリズムシートである。プリズムシート１３は透明なプラスチックよりなり、その導光板１に対向する下面１３ｂには図１に示したバックライト１０のプリズムシート３の下面に設けられたプリズム３ｐと同様の複数のプリズム１３ｐが形成されている。そして、プリズムシート１３の前記プリズム１３ｐが形成された下面１3ｂの反対側の上面１３ａには複数の凹状のレンチキュラーレンズ１３Ｌが形成されている。ここでプリズム１３ｐの稜線と前記レンチキュラーレンズ１３Ｌの稜線（又は長手方向）は共にＸ方向に伸び、互いに平行となっている。なお、本実施例２に係るバックライト２０のプリズムシート１３以外の部材およびその記号は図１に示した実施例１に係るバックライト１０の場合と同様である。すなわち、本実施例２において、導光板１および反射シート４の作用はすでに述べた実施例１の場合と同様である。そこで、前記のプリズムシート１３の作用につき特に説明を行う。

図７は本実施例２に係るバックライト（２０）におけるプリズムシート１３の作用を示す図である。図７に示すように、導光板１の上面１ａを出射角φ（図２参照）で出射した光束Ｓ２はプリズムシート１３の下面１３ｂにおいて導光板１に対向する位置に設けられたプリズム１３ｐの左側の斜面１３ｐａに入射し、すでに実施例１において説明したのと同様にして右側の斜面１３ｐｂで反射されて上方に略垂直方向（Ｙ方向）に進行し、プリズムシート１３の上面１３ａに形成された凹状のレンチキュラーレンズ１３Ｌに達し、最終出射面であるレンチキュラーレンズ１３Ｌの面を屈折により透過して外部に出射する。このレンチキュラーレンズ１３Ｌは図の面内（ＺＹ面）では下に凸に凹状に湾曲し、紙面に垂直方向（Ｘ方向）にはその湾曲を保った状態で真っ直ぐに伸びている。レンチキュラーレンズ１３Ｌを出射した光線は凹レンズの屈折により、ＺＹ面においては、レンズの表面から略焦点距離ｆだけ内側の位置が仮想的な光源となるような方向に拡散角ωをもってＺ方向に拡散し、最終的な照明光束Ｓ４となる。これにより、バックライト２０の最終出射光の指向性はZ方向の幅が従来より増加し、Ｘ方向の指向性の幅とのバランスがとれ、図５に示したバックライト１０の指向性と同様となり、照明の品位が向上する。

本発明の実施例１に係るバックライトの構成を示す図である。 図１に示すバックライトに用いる導光板の作用を示す図である。 図１に示すバックライトに用いる導光板の作用を詳細に示す図である。 図１に示すバックライトに用いるプリズムシートの作用を示す図である。 図１に示すバックライトの照明光の指向性を示す図である。 本発明の実施例２に係るバックライトの構成を示す図である。 図６に示すバックライトに用いるプリズムシートの作用を示す図である。 従来のバックライトの構成を示す図である。 図８に示すバックライトに用いる導光板の作用を示す図である。 図８に示すバックライトに用いる導光板の出射光の指向性を示す図である。 図８に示すバックライトに用いるプリズムシートの作用を示す図である。 図８に示すバックライトの照明光の指向性を示す図である。

符号の説明

１ 導光板
１ａ、３ａ、１３ａ 上面
１ｂ、３ｂ、１３ｂ 下面
１ｃ 入光面
１ｐ、３ｐ、１３ｐ プリズム
２ ＬＥＤ
３、１３ プリズムシート
３Ｌ、１３Ｌ レンチキュラーレンズ
４ 反射シート
Ｓ 光束
Ｓ２ 出射光
ｓ 光線
Ｓ３、Ｓ４ 照明光束

Claims (5)

1. 導光板と、その導光板の１つの側面である入光面に対向して配された発光源と、前記導光板の上面に対向する位置に配されたプリズムシートと、前記導光板の下面に対向する位置に配された反射シートとを有し、前記発光源から前記入光面を経て前記導光板に入光した光線を導光板により光路変換してその上面より、前記プリズムシートに入射し、そのプリズムシートにより光線の方向を整えて被照明体に照明光を出射するバックライトにおいて、前記プリズムシートは最終出射面にレンチキュラーレンズを設けたことを特徴とするバックライト。
2. 前記プリズムシートは導光板と対向する面にプリズムを設け、その反対側の最終出射面にレンチキュラーレンズを設けてなり、前記プリズムの稜線と前記レンチキュラーレンズの稜線は互いに略平行であることを特徴とする請求項１に記載のバックライト。
3. 前記プリズムシートのプリズムの稜線の方向およびレンチキュラーレンズの稜線の方向は前記導光板の入光面の方向と略平行であることを特徴とする請求項２に記載のバックライト。
4. 導光板の下面には稜線が入光面に略平行なプリズムが設けられてい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バックライト。
5. バックライトに使用されるプリズムシートにおいて、一方の面にプリズムが設けられ、これと対向する他方の面にレンチキュラーレンズが設けられていることを特徴とするプリズムシート。
   

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