JP4386750B2 - 導光板及び導光板を用いた面状光源 - Google Patents

Description

本発明は例えば液晶パネルを背面より照射する導光板及び導光板を用いた面状光源に関し、特に携帯電話等の小型の液晶パネルに適する導光板及び導光板を用いた面状光源に関する。

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光源としてＬＥＤ等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。また、これらの面状光源は光源を導光板の真下に配置する直下型と、光源を導光板の側方に配置するサイドライト型とに大別されるが、携帯電話機などの小型化・薄型化が重視される機器には、もっぱらサイドライト型が採用されている。

以下、図を用いて従来技術におけるサイドライト型面状光源について説明する。図５は、従来技術におけるサイドライト型面状光源の要部を示す斜視図、図６は導光板の光入射面付近を示す部分拡大平面図である。図５に示すように、サイドライト型面状光源はその基本的な構成として、透明材料からなる略直方体の導光板１と、この導光板１の側方に配置される光源２として３個の発光ダイオード（ＬＥＤ）を備えている。

導光板１は、液晶パネル７の裏面側に配置され、多くの場合、導光板１の下面側には光源２からの光を液晶パネル側に向かわせるための光反射シート（図示せず）が設けられている。さらに、導光板１の上面側には光源２からの光を均一に分散させるための拡散シート（図示せず）や光を集光させるためのプリズムシート（図示せず）が設けられている場合が多い。

導光板１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の形状をしており、その上面を光出射面１ｂとし、導光板１の１つの側面を光入射面１ａとし、この光入射面１ａと対向する位置に光源２が配置されている。光源２から照射された照射光３は光入射面１ａから入射した後、光出射面１ｂに向かって導光板内部で反射を繰り返しながら伝搬し、臨界角以下の成分を導光板１の光出射面１ｂから照明光４として外部に出射する。外部に出射した照明光４は液晶パネル７を背後から照明する。

このようなサイドライト型面状光源においては、図６に示すように光源２からの照射光３が入射角ａで導光板１に入射する際、光の屈折が生じ、導光板１の内部に入射した後の光５となって法線となす角ｂで入射する。導光板１の材料であるアクリル樹脂やポリカーボネイト樹脂等は空気より屈折率が大きいため、法線となす角ｂは入射角ａよりも小さくなる。この時、光源２より照射される照射光３は発光ダイオード（ＬＥＤ）自身の指向性をもっており、この指向性を持った照射光３が光入射面１ａで屈折して入射するため導光板１の内部に入射した後の光５の指向性は光源２の照射光の指向性より狭くなる。

図７は、光源２からの照射光３と導光板１の内部に入射した後の光５の指向性を示したものである。図７（ａ）は光源２としての発光ダイオード（ＬＥＤ）自身の照射光３の指向性を示し、図７（ｂ）は光源２の照射光３が導光板１の光入射面1ａから入射し、導光板１の内部に入射した後の光５の指向性を示している。光源２としての点光源である発光ダイオード（ＬＥＤ）自身の照射光３は図７（ａ）の曲線１０１に示すような指向性を有する。この指向性を有する照射光３を導光板１の内部に入射した後の光５の指向性は図７（ｂ）の曲線１０２に示すような指向性を示し、前述したように、導光板１に入射した後の光５の指向性の方がＬＥＤ自身の照射光３の指向性より狭くなる。このため光入射面を平坦な面により形成した従来技術の導光板１においては、導光板１に入射した後の光５の強度分布が不均一になるという問題があった。

このような問題を解決するために側面を光入射面とし、この光入射面に複数の均一なプリズムよりなる凹凸を設けた導光板の例が開示されている。（例えば、特許文献１参照。）。この導光板は光入射面の形状が前述の導光板１と異なっており、その他の基本的な構成は前述の導光板１と同様であるため、この光入射面について説明し、その他の説明は省略する。図８は導光板を示し、図８（ａ）は導光板の平面図、図８（ｂ）は図８（ａ）のＡ部における光入射面を示す部分拡大斜視図である。また、図９は、図８（ａ）のＡ部における光入射面を示す部分拡大平面図である。以下、この導光板について図に基づいて説明する。

図８に示すように、導光板１１の側面の光入射面１１ａには導光板１１の厚み方向に走る複数のプリズム状の凸部１２が均一に分布して凹凸が形成されている。ここで、凸部１２と凸部１２の間は導光板１１の厚み方向に略並行な複数の尺状の平面部１３となっている。また、プリズム状の凸部１２は１対の斜面１２ａ、１２ｂを接続して断面が略三角形形状に形成されている。

この導光板１１においては図９に示すように光入射面１１ａに設けたプリズム状の凸部１２における１対の斜面１２ａ、１２ｂの効果により、光入射面１１ａを擬似的平面と見なした時、光入射面１１ａに入射する入射角が大きい光に対しても導光板１１の内部に入射した後の光１５、１７の法線となす角を前述の導光板１よりも増大させ、結果として光入射面１１ａ全体に関し、導光板１１内部への入射した後の光の角度範囲を増大させることができる。また、平面部１３については前述の導光板１における平面状の光入射面１ａの場合と同様、導光板１１の内部に入射した後の光１６となって導光板１１の内部に入射される。

特開平２００２−１９６１５１号公報（第３−５頁、図２）

しかしながら、前述の導光板１１においては図９に示すようにプリズム状の凸部１２と平面部１３とによって形成される光入射面１１ａの形状が不連続な形状であるため光入射面１１ａから導光板１１の内部に入射した後の光１５、１６、１７の指向性は図１０に示すような歪んだ形状となる。図９において導光板１１の平面部１３から導光板１１の内部に入射した後の光１６は、図１０における曲線１０４に示す指向性を示す。また、図９において凸部１２の一方の斜面１２ａから導光板１１の内部に入射した後の光１７は、図１０における曲線１０５に示す指向性を示す。また、図９において凸部１２の他方の斜面１２ｂから導光板１１の内部に入射した後の光１５は、図１０における曲線１０３に示す指向性を示す。このように光入射面１１ａから導光板１１の内部に入射した後の光１５、１６、１７の指向性が歪んだ形状となり、この指向性に対応して光の強度分布が不均一化するという問題があった。また、このように光の強度分布が不均一な導光板を用いたサイドライト型面状光源による液晶表示装置においては、光源からの輝線や、光源からの照射光が干渉し合って輝点が生じ表示画面に輝度ムラが発生し表示画面の品位が著しく低下するという問題があった。

（発明の目的）
本発明の目的は、上記従来技術における課題を解決して光源付近での輝線や輝点を防止し、光の強度分布を均一化することができる導光板及び導光板を用いた面状光源を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明の導光板は、板状の透光材よりなり、その側面を光入射面とし該光入射面に対向して配置された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、前記光入射面は滑らかに連続した２次曲面からなる凹凸を有し、該凹凸は滑らかな曲面からなる凹部と滑らかな曲面からなる凸部とが前記光入射面の長手方向に交互に繰り返し形成されており、前記凸部及び前記凹部の横断面形状は、前記光入射面の長手方向をｙ軸方向、該ｙ軸と直交する方向をｘ軸方向とし、該ｘ軸方向の変数ｘ、前記ｙ軸方向の変数ｙ、前記ｘ軸方向の半径Ｃ、前記ｙ軸方向の半径Ｄとする次式、ｘ ^２ ／Ｃ ^２ ＋ｙ ^２ ／Ｄ ^２ ＝１で表される楕円の楕円弧からなり、前記ｘ軸方向の半径Ｃ及び前記ｙ軸方向の半径Ｄの値が３０〜５００μｍの範囲に設定されていることを特徴とする。
また、前記凸部及び前記凹部の横断面形状は、光源より遠ざかるに従って徐々に変化するように形成されていることを特徴とする。
また、曲面を粗面にしたことを特徴とする。
また、導光板は略直方体の形状をなすことを特徴とする。

本発明の面状光源は、光源と、導光板とを備えた面状光源において、該導光板は請求項１から請求項４のいずか１項に記載の導光板であることを特徴とする。

以上のように本発明の導光板は、その側面を光入射面とし、光入射面の形状を連続した凹凸の滑らかな曲面とすることにより導光板内部に入射した後の光の指向性を滑らかに補正することができる。これにより、導光板に入射した後の光の強度分布が均一化され光源付近での輝線や輝点を防止することができる。この結果、本発明の導光板と発光ダイオードとにより高品位のサイドライト型面状光源を構成することができる。さらに本発明の導光板を用いたサイドライト型面状光源により液晶表示パネルを照明すれば、液晶表示装置の表示画面における輝度ムラを低減して高品位の表示画面を表示することができる。

以下、本発明の実施形態について図１から図４を参照して詳細に説明する。図１は本実施の形態の導光板を用いたサイドライト型面状光源の示す図であり、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。本実施形態における導光板は光入射面に特徴があり、その基本的な構成は前述の従来技術と類似している。したがって、従来例同様な構成要素については同一番号を付与し説明を省略する。

図１に示すように本実施形態における面状光源は導光板２１と光源２として３個のＬＥＤを備えている。導光板２１は透光性を有するプラスチック材、例えばアクリル樹脂等を射出成形して板状で略直方体形状に形成され、その上面は光出射面２１ｂとなっている。光出射面２１ｂと対向する下面２１ｃには、光源２からの照射光が導光板２１内に入射した後の光２６を光出射面２１ｂ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が設けられ下面２１ｃは光反射面となっている。

また、導光板２１は、その１つの側面を光入射面２１ａとし、この光入射面２１ａと対向する位置に光源２が配置されている。光源２の照射光は図１（ｂ）に示すように光入射面２１ａから入射した後、光出射面２１ｂに向かって導光板２１内部で反射を繰り返しながら伝搬し、臨界角以下の成分を導光板２１の光出射面２１ｂから照明光２５として外部に出射する。外部に出射した照明光２５は液晶パネル７を背後から照明する。これにより本実施形態におけるサイドライト型面状光源は、この導光板２１の光出射面２１ｂに発光面を形成して、光源２より照射された照射光により面状光源を形成するようになされている。

図２は図１のＢ部の拡大図であり、図２（ａ）は導光板２１の光入射面２１ａを示す部分拡大平面図、図２（ｂ）は光入射面２１ａの部分拡大斜視図である。図２に示すように、導光板２１の光入射面２１ａには導光板２１の厚み方向に延長される滑らかな曲面からなる凸部２２と、同じく厚み方向に延長される滑らかな曲面からなる凹部２３とが導光板２１の光入射面２１ａの長手方向に交互に繰り返し形成され、滑らかに連続した曲面からなる凹凸が形成されている。ここでこの凹凸は、凸部２２と凹部２３とが直接接続して形成される。さらに凸部２２と凹部２３とは滑らかな２次曲面で形成されており、導光板２１の厚み方向に一定の断面形状により形成されている。したがって凸部２２と凹部２３との横断面形状は２次曲線となる。

この２次曲線については特に限定されるものではないが、本実施形態においては、図３に示すように、ｘ軸とｙ軸の交点２４を中心とし、ｘ軸方向の半径Ｃ、ｙ軸方向の半径Ｄでｘ^２／Ｃ^２＋ｙ^２／Ｄ^２＝１の式で表される楕円２７の楕円弧からなる２次曲線で凸部２２と凹部２３との横断面形状を形成した。即ち、楕円２７の中心２４を通るｙ軸で楕円２７を分断し、一方の楕円弧からなる２次曲線を凸部２２の横断面形状とし、他方の楕円弧からなる２次曲線を凹部２３の横断面形状としたものである。また、この時の楕円２７のｙ軸方向が光入射面２１ａを巨視的に平面と見なした場合、この平面と平行となるように凸部２２と凹部２３との形状が形成される。さらに、この楕円２７の半径Ｃ、Ｄは３０〜５００μｍの範囲で所定の値に設定されることが好ましい。

以上のように本実施形態における導光板２１は、図２（ａ）に示すように連続した凹凸の滑らかな２次曲線からなる光入射面２１ａより光源２の照射光を入射することによって、導光板２１の内部に入射した後の光２６の強度分布が均一化され、その指向性が図４（ａ）の曲線１０６に示すような滑らかな指向性に補正される。これによって光源２付近での輝線や輝点を防止することができる。尚、図４（ｂ）、図４（ｃ）に示す曲線１０７、１０８は、楕円２７の半径Ｃ、Ｄの比であるＤ／Ｃの値を変え、光入射面２１ａを形成する凸部２２と凹部２３の形状を変化させた時の導光板２１の内部に入射した後の光２６の指向性を示したものである。このように、凸部２２と凹部２３との形状を変化させることにより導光板２１の内部に入射した後の光２６の指向性を制御することができる。したがって導光板２１と光源２との位置関係等に合わせて楕円２７の半径Ｃ、Ｄの比であるＤ／Ｃの値を変えることによって光入射面２１ａの形状を最適化し、光入射面２１ａから導光板２１の内部に入射した後の光２６の指向性を滑らかに補正することができる。

また、図１（ｂ）に示すように導光板２１の内部に入射した後の光２６は、光出射面２１ｂと下面２１ｃとの間で反射を繰り返しながら伝搬し、臨界角以下の成分からなる照明光２５を光出射面２１ｂより出射して液晶表示パネル７の背後から照明する。この結果、液晶表示パネル７の表示画面における輝度ムラを低減して高品位の表示画面を表示することができる。

尚、本実施形態においては、断面が２次曲線からなる凸部と凹部とが交互に繰り返し形成する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、例えば断面が３次、４次等の多次曲線からなる凸部と凹部とが交互に繰り返し形成しても良い。
また、凸部と凹部とを直接接続する例で説明したが、これに限定されるものではなく、凸部と凹部との間を滑らかな曲面で接続しても良い。
また、凸部または凹部を一種類の曲面で形成する例で説明したが、複数の曲面を組み合わせて凸部または凹部を形成しても良い。

また本実施形態においては、導光板の光入射面に表面処理を施さない例で説明したが、これに限らず、この光入射面を粗面により形成して光拡散面としてもよい。これによって、さらに輝度ムラを低減することができる。
また、光入射面に一種類の凸部と凹部とを交互に繰り返し形成する場合について説明したが、これに限らず、光源から照射する照射光の指向性等に応じて光源より遠ざかるに従って凸部及び凹部の形状を徐々に変化させてもよい。これによって、指向性をより滑らかにすることができる。

さらに本実施形態では液晶表示装置の面状光源に本発明の導光板を適用する場合について説明したが、これに限らず、種々の照明機器、表示装置等のサイドライト型面状光源に広く適用することができる。

本発明の実施形態における導光板を用いたサイドライト型面状光源を示す図であり、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 図１のＢ部の拡大図であり、図２（ａ）は光入射面を示す部分拡大平面図、図２（ｂ）は光入射面の部分拡大斜視図である。 本発明の実施形態における導光板の光入射面を示す部分拡大平面図である。 本発明の実施形態における導光板の内部に入射した後の光の指向性を示す図である。 従来技術におけるサイドライト型面状光源の要部を示す斜視図である。 従来技術における導光板の光入射面付近を示す部分拡大平面図である。 従来技術における光の指向性を示し、図７（ａ）は光源自身の照射光の指向性を示す図、図７（ｂ）は導光板の内部に入射した後の光の指向性を示す図である。 従来技術における導光板を示し、図８（ａ）は導光板の平面図、図８（ｂ）は図８（ａ）のＡ部を示す部分拡大斜視図である。 従来技術における導光板の光入射面付近を示す部分拡大平面図である。 従来技術における導光板の内部に入射した後の光の指向性を示す図である。

符号の説明

１、１１
導光板
１ａ、１１ａ 光入射面
１ｂ、１１ｂ 光出射面
２ 光源（ＬＥＤ）
３ 光源からの照射光
４ 導光板から出射する照明光
５ 導光板の内部に入射した後の光
７ 液晶パネル
１２ 凸部
１２ａ、１２ｂ 斜面
１３ 平面部
１５、１６、１７ 導光板の内部に入射した後の光
２１
導光板
２１ａ 光入射面
２１ｂ 光出射面
２１ｃ 導光板の下面
２２ 凸部
２３ 凹部
２４ 楕円の中心
２５ 照明光
２６ 導光板の内部に入射した後の光
２７ 楕円

Claims (5)

1. 板状の透光材よりなり、その側面を光入射面とし該光入射面に対向して配置された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、前記光入射面は滑らかに連続した２次曲面からなる凹凸を有し、該凹凸は滑らかな曲面からなる凹部と滑らかな曲面からなる凸部とが前記光入射面の長手方向に交互に繰り返し形成されており、前記凸部及び前記凹部の横断面形状は、前記光入射面の長手方向をｙ軸方向、該ｙ軸と直交する方向をｘ軸方向とし、該ｘ軸方向の変数ｘ、前記ｙ軸方向の変数ｙ、前記ｘ軸方向の半径Ｃ、前記ｙ軸方向の半径Ｄとする次式、ｘ ^２ ／Ｃ ^２ ＋ｙ ^２ ／Ｄ ^２ ＝１で表される楕円の楕円弧からなり、前記ｘ軸方向の半径Ｃ及び前記ｙ軸方向の半径Ｄの値が３０〜５００μｍの範囲に設定されていることを特徴とする導光板。
2. 前記凸部及び前記凹部の横断面形状は、光源より遠ざかるに従って徐々に変化するように形成されていることを特徴とする請求項１記載の導光板。
3. 前記曲面を粗面にしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の導光板。
4. 前記導光板は略直方体の形状をなすことを特徴とする請求項１記載の導光板。
5. 光源と、導光板とを備えた面状光源において、該導光板は請求項１から請求項４のいずか１項に記載の導光板であることを特徴とする面状光源。

Images