JP4485999B2 - 面光源装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、携帯電話、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、ＰＤＡなどの比較的小型機器の表示画面に自発光機能を持たない液晶表示装置を採用する場合に、液晶表示素子の背面に配置して照明用光源として使用されるＬＥＤを発光源とする面光源装置に関する。

従来の、この種の面光源装置の構成を図１１及び図１２で示す。まず、図１１の面光源装置は、樹脂などの透光性部材で形成された導光板５０の端部に発光源５１を配設し、端面５２から導光板５０内に光を導入する。

導光板５０の背面には、連続する山５３と谷５４によってプリズムアレイが形成され、発光源５１から離れるに従って発光源５１に向いた傾斜面Ａ１の反対側の傾斜面Ａ２の傾斜角度βを大きくしてプリズムピッチＰを除々に短くしている。そして、導光板５０の端面５２から導入された光は、発光源５１に向いた傾斜面Ａ１で全反射して出射面５５から光を出射させ、拡散板５６で拡散させた後に液晶表示素子を照明するものである。この場合、出射面５５側から観察した単位面積あたりの傾斜面Ａ１が発光源から離れるに従って広くなるので、角度β及びプリズムピッチＰを同一に形成した導光板５０よりも出射面５５から出射される光の強度分布の均一性が改善されたものとなっている（例えば、特許文献１参照。）。

また、図１２の面光源装置は、複数の発光源６０を導光板６１の端部に配設し、夫々の発光源に対応するように導光板６１の端部に形成された連続する円弧形状の凹部６２から導光板６１内に光を導入し、導光板６１の背面下方に配設された反射材６３に反射された光を出射面から出射させるようにしたものである（例えば、特許文献２参照。）。
特開平８−９４８４４号公報 特開昭５４−１６４３７７号公報

上記図１１で示す従来の面光源装置は、発光源５１に向いた傾斜面Ａ１の傾斜角度をαとすると角度αと角度βとはα≧βの関係にある。従って、傾斜面Ａ１の面積Ｓ１と傾斜面Ａ２の面積Ｓ２とはＳ１≦Ｓ２の関係となり、出射面５５側から観察した単位面積あたりに対して傾斜面Ａ１の占める割合は最大５０％である。これは、発光源５１からの距離に対して単位面積あたりの全反射面Ａ１の拡大率としては十分とはいえず、出射面５５から出射される光による輝度及び輝度分布の更なる均一性が求められている。

また、複数の発光源（例えば、ＬＥＤ）を配設した場合の導光板５０の入光端面５２の形状及びプリズムアレイの形状について十分な対応が施されていないために、入光端面５２近傍の出射面５５で輝度ムラが生じる問題がある。

更に、上記図１２で示す面光源装置では、発光源６０の夫々に対応するように形成された凹部６２を介して光を導光板６１内に導入するようにしているが、発光源がＬＥＤの場合、ＬＥＤから放射される光は極めて指向性が強く、そのまま導光板６１内に導入されても導光板６１内を均一に導光されることがないために導光板６１の出射面から出射される光も輝度の均一性に乏しいものとなってしまう。

そこで、本発明は上記問題に鑑みて創案なされたもので、複数のＬＥＤを発光源とし、導光板の端面から導光板内に導入されたＬＥＤの光による出射面の輝度分布が均一な面光源装置を実現するものである。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載された発明は、複数の発光ダイオードを適宜な間隔を保って導光板の入光端面近傍に配置し、前記導光板の背面にローレットカットを施し、前記導光板の光出射面及び／又は光出射面の略出射方向に光制御手段を設けた面光源装置であって、前記導光板の入光端面には微細なカットが施され、前記導光板背面のローレットカットの入光端面側に向いた傾斜面の水平方向からの傾斜角度は、入光端面近傍が他の部分と比較して大きいことを特徴とするものである。

また、本発明の請求項２に記載された発明は、請求項１において、前記導光板背面のローレットカットの入光端面側に向いた傾斜面の水平方向からの傾斜角度は、入光端面から他端部に向かうに従って段階的又は除々に小さくなるように変化していることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項３に記載された発明は、請求項１又は２の何れか１項において、前記微細なカットは、凹状曲面カットであることを特徴とするものである。

ＬＥＤから放射された光を導光板内に導入する入光端面に微細な凹状曲面カットを施し、導光板内に導入された光を反射（全反射）して導光板の照射面に向ける導光板の背面の形状をローレット形状とし、該ローレット形状の三角形の凹部の入光端面側に向いた傾斜面の水平方向からの傾斜角度を入光端面から離れるに従って小さくした。その結果、明るくて輝度分布が均一な面光源装置を実現することができた。

以下、この発明の好適な実施形態を図１から図１０を参照しながら、詳細に説明する（同一部分については同じ符号を付す）。尚、以下に述べる実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの実施形態に限られるものではない。

図１は本発明に係わる面光源装置の実施形態を示す分解立体図であり、本実施形態はＬＥＤ１、導光板２、反射シート３、拡散版４、及びプリズムシート５の５つの部分から構成されている。

そして、導光板２を挟むように導光板２の下方には反射シート３が配設され、導光板２の上方には拡散板４及びプリズムシート５が順次配設されている。また、導光板２の端部近傍には発光源となる複数のＬＥＤ１が略一定の間隔を保って配設されている。本実施形態ではＬＥＤ間の距離を８〜９ｍｍとしている。なお、前記プリズムシート５の上方に更に液晶表示素子７を配置することによって液晶表示装置が形成されるものである。

面光源装置３０の光学系は、まず、ＬＥＤ１で発光された光は樹脂などの透光性部材で形成された導光板２の端面（入光端面）８から導光板２内に導入され、導光板２の照射面（液晶表示素子７を配置する方の面）９、背面（照射面９の反対の面）１０及び他方の端面１１の３方向に分かれて導光板２内を導光される。

導光板２内に導入されて導光板２の照射面９に向かった光はその殆んどが照射面９で反射（全反射）されて導光板２の背面１０に向かい、背面に至った光のうちの一部は背面１０で反射（全反射）されて照射面に向かい、照射面９に至った光は照射面９から外部（大気中）に放出されるものと照射面９で反射されて再度背面１０に向かうものとに分かれる。

また、背面１０に至った光のうちの他の一部は背面１０から外部に放出されて下方に配設された反射シート３に向かい、反射シート３で反射されて導光板２の背面１０に向かう。背面１０に至った光のうち一部は背面１０から導光板２内に導入されて照射面９に向かい、照射面９に至った光は照射面９から外部に放出されるものと照射面９で反射されて再度背面１０に向かうものとに分かれる。反射シート３で反射されて背面１０に至った光のうちの他の一部は背面１０で反射されて再度反射シート３に向かう。

一方、入光端面８から導光板２内に導入された光のうち直接導光板２の背面１０に向かう光は、上記導光板２内に導入されて照射面９に向かい、照射面９で反射されて背面１０に向う光と同様の光路を辿るものとなる。

更に、入光端面８から導光板２内に導入された光のうち、他方の端面１１に向かう光は殆んど端面１１から外部に放出されることになる。従って、この外部に放出される光を有効に利用するために端面１１に反射手段を施し、端面１１で反射させた光を導光板２内に戻して照射面９からの放出に向けるようにすることが一般的に行なわれている。

上述したように、導光板の照射面から放出される光は、導光板の入光端面から導光板内に導入されて導光板内の様々な光路を辿って到達した光の集合体である。また、ＬＥＤから放射された光のうち導光板に導入されないもの、及び、導光板に導入されても照射面から放出されないものもあり、これら照射面からの放出に寄与しない光を極力少なくすることが明るい面光源装置を実現するためのもっとも重要な要件である。

また、液晶表示素子の照明光源として求められる要件の１つに、照射面の輝度の均一性がある。特に、液晶表示装置のフルカラー化が一般的になった現在では、面光源の明るさと共に面内の輝度の均一性が液晶表示画面の画質を左右することになり、惹いては液晶表示装置の表示品位に大いに影響を及ぼすものとなる。

本発明の発明者は、明るくて、面内で輝度の均一性が高い面光源装置を開発することによって液晶表示装置の商品性の向上に寄与しようと研究・開発を進めてきた。

上記目的を達成するために、まず、発光源にＬＥＤを使用することを前提として導光板の入光端面の理想的な形状を検討した。それには、シミュレーション技法を取り入れ、仮想入光端面を設定してＬＥＤから放射される光の挙動を検証した。

設定した入光端面は、図２に示すように（ａ）の頂角９０°の直角二等辺三角形の凹部とその三角形の底辺に平行な面とが交互に連続する形状による端面と、（ｂ）の半径１３０μｍの円弧形状の凹部の連続によるレンチキュラー形状（ｂ）の２つである。なお、（ａ）の入光端面形状は現在一般的に採用されている形状の１つである。

そして、そのときの導光板の照射面から放出される光線密度の分布をシミュレーションして得られた結果が図３（ａ）、（ｂ）に表されている。なお、図３は導光板のＬＥＤ近傍の照射面を拡大して表しており、（ａ）、（ｂ）共に図中に記したＡ部には明るいスポット（明スポット）、Ｂ部には暗いスポット（暗スポット）が生じている。但し、明スポットＡの光線密度に対する暗スポットＢの光線密度の比率は、（ａ）の場合は４３．５％（ｂ）の場合は６２．５％となった。つまり、明スポットと暗スポットとの光線密度の差が（ｂ）の方が少なく、従って、（ｂ）の入光端面の形状の方が導光板のＬＥＤ近傍の照射面における輝度の均一性が高いことがわかる。

この理由は図２（ａ）、（ｂ）から説明できる。上記導光板の照射面のＡの明スポットは２つのＬＥＤの中間部の位置を示し、Ｂの暗スポットはＬＥＤの光軸上の位置を示している。これは、ＬＥＤの光（光線）が平行光線として導光板の入光端面に向かうと想定すると、（ａ）の場合は光線が、直進する光線と直角二等辺三角形の凹部の面で屈折されて左右に大きく振り分けられる光線の３つに分かれ、隣り合う２つの凹部で屈折された光線と直進する光線の３つの光線が交差する位置で特に光線密度（輝度）が高くなることになる。

一方、（ｂ）の場合は、光線が円弧形状の凹部の面で略均等に屈折されるために、（ａ）ほど光線が集中する部分がなく、光線密度（輝度）の均一性を確保するには有効な形状であることが検証できた。なお、導光板の入光端面の形状は（ｂ）の円弧形状の他に、楕円曲線面、双曲線面などの曲面で構成しても有効性は確保できるものである。

ところで、導光板の入光端面は、図２の（ａ）及び（ｂ）で示される形状の他に、図４の（ｃ）〜（ｆ）で示される形状も可能である。（ｃ）の入光端面は（ｃ′）の円弧形状の凹部の連続によるレンチキュラー形状に於いて、円弧のピッチを維持しながら円弧の頂点部分を削除して繋ぎ合わせた形状をしており、凹部と平面とが交互に連続する形状となっている。（ｄ）の入光端面は（ｄ′）の円弧形状の凹部の連続によるレンチキュラー形状に於いて、円弧の頂点部分を残すように該円弧の下方を平坦に削除した形状をしており、（ｃ）と同様に凹部と平面とが交互に連続する形状となっている。（ｅ）の入光端面は（ｄ）のように円弧形状の凹部と平面とが交互に連続する形状をしており、円弧の弦の長さｍ１の、円弧のピッチｐ１に対する比率が約６０％となっている。（ｆ）の入光端面は頂角１３０°の二等辺三角形の凸形状のプリズム部とその三角形の底辺に平行な面とが交互に連続する形状をしており、プリズム部の長さｍ２の、プリズム部のピッチｐ２に対する比率が約４０％となっている。

なお、導光板の入光端面は上記図２の（ａ）及び（ｂ）、図４の（ｃ）〜（ｆ）で示した形状に限られるものではなく、それ以外の形状についても考えられる。その場合、上記図２の（ａ）及び（ｂ）、図４の（ｃ）〜（ｆ）の形状を含めて、導光板等に対する要求仕様を考慮して適宜最適設計が施されるものである。但し、シミュレーションにより、その中でも凹状曲面で構成される入光端面が最も良好な光学特性を齎すことが確認されている。

上記のように、導光板の入光端面にレンチキユラー形状を採用することによって導光板のＬＥＤ近傍の照射面輝度分布の均一性を向上させることができるということが検証できたが、導光板の照射面におけるＬＥＤの光軸上の輝度アップ及びＬＥＤ近傍の更なる輝度均一性の向上を狙って、上記導光板の入光端面のシミュレーションに続いて導光板の背面の形状に関するシミュレーションを行なった。導光板の背面の基本的な形状は図５に示すように三角形の凹部の連続によるローレット（プリズム）１２を採用した。この場合、ＬＥＤ１から出射して導光板２の入光端面８から導光板２内に導入された光のうち、導光板２の照射面９から外部に放出される光の殆んどはローレット１２の入光端面８側に傾斜面Ｐ１（以降、単に傾斜面と称す）で反射（全反射）された光である。従って、照射面９の輝度及び輝度分布は傾斜面Ｐ１の形態によって決定するといっても過言ではない。

そこで、導光板の入光端面をレンチキユラー形状とし、背面のローレットの傾斜面の傾斜角度αを夫々１８°、１５°、１３°、１０°及び８°に設定して照射面の光線密度の分布のシミュレーションを行った。その結果を示すのが図６である。図６の（ａ）はローレット１２の傾斜面Ｐ１の傾斜角度αを１８°に設定したときの導光板２の照射面９における光線密度の分布図であり、（ａ′）は（ａ）のＬＥＤ近傍の拡大図である。更に順次（ｂ）はαを１５°、（ｃ）はαを１３°、（ｄ）はαを１０°そして（ｅ）はαを８°に設定したときの照射面９の光線密度の分布図であり、（ｅ′）は（ｅ）のＬＥＤ近傍の拡大図である。

そこで、図６のＬＥＤ近傍の光線密度の分布を示す（ａ′）及び（ｅ′）に注目すると、傾斜面Ｐ１の傾斜角度１８°の（ａ′）によるとＬＥＤ近傍においてはＬＥＤの光軸上が明スポットとなり、傾斜面Ｐ１の傾斜角度８°の（ｅ′）によると逆にＬＥＤの光軸上が暗スポットとなり２つのＬＥＤの中間部が明スポットとなった。よって、ローレット１２の傾斜面Ｐ１の傾斜角度を制御することによって照射面の輝度及び輝度分布を変えられることが検証できたと同時に、ＬＥＤ近傍の照射面の輝度分布を良好に保つ条件はローレット１２の傾斜面Ｐ１の傾斜角度が１８°〜８°の範囲内にあり、その中でも１５°近辺が望ましいことも検証できた。

更に、導光板の照射面と液晶表示素子との間にプリズムシートを配設して照射面から放出された光の配光を制御する場合、プリズムシートの出光効率と傾斜面Ｐ１の傾斜角度との間には相関関係があり、プリズムシートのプリズム形状によってプリズムシートの高出光効率を確保するための傾斜角度が限定される。本発明の実施形態で使用するプリズムシートでは傾斜角度が８°で最も出光効率が高いため、基本となるローレットの傾斜面の傾斜角度を８°とし、出光効率を高く保ちながらＬＥＤ近傍の輝度の均一性を確保するためにＬＥＤ近傍のみの傾斜角度を変えるようにした。

但し、このとき、ローレットの傾斜面の傾斜角度を急激に変えるとその変化点で照射面上に輝線が現れて輝度分布に不具合な部分が生じることとなる。そのため、輝度分布に悪影響を及ぼさないように、傾斜角度をＬＥＤ近傍から離れる方向に対して除々に変えるような対策を講じるようにした。

ここで、上記導光板の入光端面及び背面の形状に関する検証結果を盛り込んだ最適な条件下での実施形態をシミュレーションした結果を以下に示す。設定条件は、導光板の入光端面を図７のように円弧形状の凹部を連続した形状のレンチキュラー形状とし、詳しくは、円弧形状の半径を１３０μｍ、深さを４７μｍ、ピッチを２００μｍとすると共に、導光板の背面を図８のように三角形の凹部を連続した形状のローレット（プリズム）形状とし、詳しくは、三角形の入光端面側に向いた傾斜面の傾斜角度を図８（ａ）に示すように入光端面から離れるに従って除々に小さくするように傾斜角度を可変にした（（ａ）においては傾斜角α_１＞傾斜角α_１＋ｎ）。そして、このときの入光端面からの距離と傾斜面の角度の関係を示したのが図９である。この場合、部分的には同一傾斜角度になる範囲が存在するが、少なくとも任意の位置にある傾斜面の傾斜角度に対してそれよりも入光端面から離れた位置にある傾斜面の傾斜角度が大きくなることはない。

なお、上記最適条件との比較評価のために、導光板の入光端面の形状を上記実施形態と同様とし、背面の傾斜面の傾斜角度を８°に固定したものも同時にシミュレーションをした。

その結果を図１０（ａ）、（ａ′）、（ｂ）、（ｂ′）に示している。（ａ）は傾斜角度を８°一定にした導光板の照射面の光線密度分布図であり、（ａ′）は（ａ）の照射面のＬＥＤ近傍を拡大した光線密度分布図である。また、（ｂ）は傾斜角度を１５°〜８°の範囲内で可変にした導光板の照射面の光線密度分布図であり、（ｂ′）は（ｂ）の照射面のＬＥＤ近傍を拡大した光線密度分布図である。

図１０において、ローレットの傾斜角度を固定したときに導光板のＬＥＤ近傍にあった暗スポットが傾斜角度を可変にしたときの導光板においては解消されており、傾斜角度を可変にしたことによる明らかな効果が認められた。また、導光板の照射面全体の輝度の均一性に関しては、明スポットの光線密度に対する暗スポットの光線密度の比率は、ローレットの傾斜角度を固定した導光板は６２．６％であったのに対してローレットの傾斜角度を可変にした本実施形態の導光板は７８．６５％であった。なお、入光端面の形状が直角二等辺三角形の凹部で形成された一般的な導光板の明スポットの光線密度に対する暗スポットの光線密度の比率が４３．５％であったことも合わせて比較すると、本実施形態に係わる導光板の照射面の輝度分布における均一性が極めて高いことが検証できた。

なお、上記シミュレーションによって、導光板背面のローレットの入光端面側に向いた傾斜面の傾斜角度を大きくすると導光板の照射面におけるＬＥＤの光軸上の輝度が高まることが確認されている。よって、導光板の照射面の輝度分布における均一性を確保する手法として図８（ｂ）に示すように、ローレットの傾斜面の高さをＬＥＤから離れるに従って高くして反射面の面積を増加させ（（ｂ）においては傾斜高ｈ_１＜傾斜高ｈ_１＋ｎ）、ＬＥＤから遠ざかるに従って到達光量が減少するのを反射効率を高めることで捕足し、照射面の輝度の均一性を確保する方法も可能である。

また、導光板の照射面から放出された光の均一性を更に向上させるために、導光板と液晶表示素子との間に光制御手段を設ける場合がある。この光制御手段は具体的には拡散板とプリズムシートのうちの何れか一方又は両方で構成され、さらに、拡散板とプリズムシートの夫々は１枚又は複数枚で構成される。本実施形態の場合は、１枚の拡散板と１枚のプリズムシートを配設している。

なお、導光板２の入光端面８に施す円弧形状の凹部は、微細な連続した形状のレンチキュラー形状とするものであるが、このピッチについては発光源（本実施形態の場合はＬＥＤ１）より小さいものであれば効果を得られるものとなる。

上述のように、本発明は面光源装置を構成する導光板において、導光板に光を導入する入光端面を円弧形状の凹部の連続からなるレンチキュラー形状とし、導光板内に導入された光を反射（全反射）して導光板の照射面に向ける導光板の背面の形状を三角形の凹部の連続からなるローレット（プリズム）とし、ローレットの三角形の凹部の入光端面側に向いた傾斜面（反射面となる面）の傾斜角度を入光端面から離れるに従って小さくした。

その結果、光源から放射された光を効率よく導光板内に導入し、更に導光板内に導入された光を効率良く、且つ均一に照射面から外部（大気中）に放出することが可能になった。つまり、明るくて輝度バラツキの少ない面光源装置が実現できたのである。

本発明の面光源装置にかかわる実施形態を示す分解立体図である。 光線分布のシミュレーションのために設定した導光板の入光端面の拡大図である。 図２のシミュレーション結果を示す光線密度分布図である。 導光板の他の入光端面を示す部分平面図である。 光線分布のシミュレーションのために設定した導光板の背面の拡大図である。 図５のシミュレーション結果を示す光線密度分布図である。 図１のＡ部拡大図である。 図１のＢ部拡大図である。 光線分布のシミュレーションのために設定した導光板背面の傾斜角度を表す図である。 本発明の面光源装置に係わる実施形態のシミユレーション結果を示す光線密度分布図である。 従来の面光源装置を示す概略断面図である。 従来の他の面光源装置を示す概略平面図である。

符号の説明

１ ＬＥＤ
２ 導光板
３ 反射シート
４ 拡散板
５ プリズムシート
７ 液晶表示素子
８ 入光端面
９ 照射面
１０ 背面
１１ 端面
１２ ローレット
３０ 面光源装置

Claims (3)

1. 複数の発光ダイオードを適宜な間隔を保って導光板の入光端面近傍に配置し、前記導光板の背面にローレットカットを施し、前記導光板の光出射面及び／又は光出射面の略出射方向に光制御手段を設けた面光源装置であって、
   前記導光板の入光端面には微細なカットが施され、前記導光板背面のローレットカットの入光端面側に向いた傾斜面の水平方向からの傾斜角度は、入光端面近傍が他の部分と比較して大きいことを特徴とする面光源装置。
2. 前記導光板背面のローレットカットの入光端面側に向いた傾斜面の水平方向からの傾斜角度は、入光端面から他端部に向かうに従って段階的又は除々に小さくなるように変化していることを特徴とする請求項１に記載の面光源装置。
3. 前記微細なカットは、凹状曲面カットであることを特徴とする請求項１又は２の何れか１項に記載の面光源装置。