JP4525539B2 - バックライト装置 - Google Patents

Description

本発明は、表示パネル等の光学部材の所定面に向かって光を照射するバックライト装置に開する。

従来のバックライト装置として特許文献１に開示されたものがある。この公報に開示されたバックライト装置について図５を用いて説明する。

基体２０１上に設けたＬＥＤ２０２は単色ＬＥＤであり、単色光を出力する。導光板２０５は入射面２０６に入射した光を直接または、内部で反射させた後に導光板２０５の正面から出射する。

光学素子２０３は、その光学素子２０３がない場合に入射面２０６における照度が基準より高い部分に入射する光の一部を入射面２０６における照度が基準値より低い部分に入射させるように入射光（ＬＥＤ出力光）を屈折する構成を有する。

具体的に述べれば、光学素子２０３は、ＬＥＤ２０２からの光の強度に応じて、その光学素子２０３に入射されたＬＥＤ出射光に対する屈折特性を変化させることにより、導光板２０５の入射面２０６に照射される照射光の密度が均一になるようにしている。
特開２００３−２９７１２７公報

しかしながら、上記従来のバックライト装置においては、以下に述べる問題点がある。

すなわち、図６に示すように、ＬＥＤ２０２からの出力光Ａが光学素子２０３に入射し、出射面３０２から出射する際、その出射面３０２に対する入射角θが臨界角θｔ以上になると全反射して、光学素子２０３の出射面３０２から出射しなくなる。

ここで、臨界角θｔは、光学素子２０３の屈折率をｎ、大気の屈折率を１とすると、
θｔ=ｓｉｎ^-1（１/ｎ）・・・（１）
として表される。

光学素子２０３の出射面３０２がＬＥＤ２０２の光軸６００（図５）より離れれば離れるほど、出射面３０２に対する入射角θは大きくなり、臨界角θｔに近付いていく。このため、光学素子２０３の大きさ（特に、ＬＥＤ２０２の光軸６００に直交する領域の長さ）は、出射面３０２に対する入射角θを臨界角θｔ未満に維持できる大きさに限定される。

言い換えれば、上記大きさが制限された光学素子２０３をバックライト装置に用いた場合、ＬＥＤ２０２から出力光の内、一部（出射面３０２に対して臨界角θｔ以上で入射される光）を用いることなく導光板２０５の入射面２０６を照明しているため、ＬＥＤ２０２からの出力光の利用効率が低下していた。

この点、ＬＥＤ２０２と光学素子２０３の間隔を大きくすれば、入射角θを小さくできるが、バックライト装置の小型化を困難にする恐れが生じていた。

具体的に説明すれば、図７に示すように、光学素子２０３に入射された光３０１の方向を光学素子２０３の出射面（空気との境界面）３０２の屈折を利用して曲げる（符号３０１Ａ参照）際に、光３０１の進行方向に向かって左側に曲げるには境界面３０２の入射法線３０３が光３０１の進行方向に向かって左側にある必要がある。

この場合、光３０１の曲がる角度δは、境界面３０２に対する光３０１の入射角をα、境界面３０２から出射される光３０１Ａの出射角をβ、および境界面３０２の光３０１の進行方向に対する角度をγとすると、
ｎ・ｓｉｎα＝ｓｌｎβ・・・（２）
δ＝β−α ・・・（３）
α＋γ＝９０° ・・・（４）
の３式がそれぞれ成立する。この３式（２）〜（４）によりδは、下式（５）
δ＝ｓｉｎ^-1（ｎ・ｃｏｓγ）＋γ−９０°・・・（５）
として表すことができる。

臨界角をθｔとすると、出射面３０２の屈折を利用するためには、０≦α＜θｔである必要があり、この範囲ではγの範囲は上式（５）より
９０°−θｔ≦γ≦９０°・・・（６）
となる。

したがって、光３０１の曲がる角度δの範囲は、下式（７）
０≦δ＜９０°−θｔ・・・（７）
となる。

また、図８に示すように、光学素子２０３に入射された光３０１の方向を光学素子２０３の境界面３０２を介して光３０１の進行方向に向かって右側に曲げるには（符号３０１Ｂ参照）、境界面３０２の入射法線３０５が光３０１の進行方向に向かって、右側にある必要がある。

したがって、光を左側に曲げる場合と同様の考察により、光３０１が境界面（出射面）３０２を介して右側に曲がる角度δの範囲は、下式（８）
０≦δ＜９０°−θｔ・・・（８）
上記（７）および（８）式から明らかなように、光学素子２０３に入射された光３０１がその進行方向に対して左右に曲げられる範囲は、光３０１の進行方向をδ＝０、光３０１を進行方向に向かって、右側に曲げる場合の角度δを正、左側に曲げる場合の角度δを負とすると、下式（９）
−（９０°−θｔ）＜δ＜９０°−θｔ ・・・（９）
により表される。

ここで、光学素子２０３の屈折率ｎが１．５の場合には、上式（１）および（９）により、光３０１が境界面３０２を介して曲がる角度δの範囲は、ｓｉｎ^-1（１/１．５）を約４２°であるため、−４８°＜δ＜４８°となる。

以上述べたように、光学素子２０３に入射された光の屈折特性を利用して、光学部材（導光板）２０５の所定面（入射面）２０６に均一な照明強度を得る方法では、光学素子２０３に入射された光の進行方向を左右に屈折可能な範囲が上記（９）式
−（９０°−θｔ）＜δ＜９０°−θｔ ・・・（９）
により限定されてしまう。

すなわち、ＬＥＤ２０２からの出力光において光軸６００から離れた方向に進む光は、その進行をＬＥＤ２０２の光軸６００方向に曲げて光学部材（導光板）２０５の所定面（入射面）２０６が均一な照明強度になるようにする必要がある。

しかしながら、光軸６００から離れるほど、光３０１を境界面３０２を介して曲げる角度は大きくなり、屈折で曲げられる上式（９）に示す範囲を超えてしまう。このため、ＬＥＤ２０２から出力光を有効利用して、光学部材（導光板）２０５の所定面（入射面）２０６における照射強度の密度を均一にすることが困難であった。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、光学素子に入射された光（入射光）をその光学素子の出射面を介して曲げることができる角度範囲を、従来のバックライト装置よりも広くすることにより、入射光の利用効率を向上させることを目的としている。

請求項１記載の発明は、上記課題を解決するため、一方の面に入射した光を他方の面から出射する導光板と、前記導光板の前記一方の面に向けて出力光を出力する発光ダイオードと、前記導光板と前記発光ダイオードとの間に配置され、前記発光ダイオードから入射した前記出力光を前記導光板に向けて出射する光学素子と、を備え、前記出力光は、光軸を有する所定の配向パターンの光として前記光学素子に入射し、前記光学素子は、同一面上に、平面形状が前記出力光の前記光軸を中心とする同心円状であり、前記光軸を通る縦断面形状が鋸歯状でかつ前記光軸側に向かって傾斜する第１の傾斜面を有する複数の凸部を設けた第１の領域と、前記第１の領域の外側の領域であって平面形状が前記光軸を中心とする同心円状であり、前記縦断面形状が鋸歯状でかつ前記光軸側に向かって前記第１の傾斜面とは異なる傾斜で傾斜する第２の傾斜面と、前記第１の領域の外側に向かって前記第１の傾斜面と前記第２の傾斜面とは異なる傾斜で傾斜する第３の傾斜面とを有する複数の凸部を設けた第２の領域と、を有し、前記第１の領域は、前記第１の傾斜面における前記出力光の入射角を臨界角未満とし、入射した前記出力光を屈折して出射するよう形成され、前記第２の領域は、前記第２の傾斜面における前記出力光の入射角を臨界角以上とし、入射した前記出力光を全反射して前記第３の傾斜面から出射するよう形成され、ていることを要旨とする。

本発明に係るバックライト装置によれば、発光ダイオードから出射された出力光が光学素子に入射されると、この出力光の強度に応じて、光学素子は同一平面上でこの出力光を屈折して導光板へ出射すると共に全反射させることができるから、光学素子から導光板へ照射される出力光の照射密度を略均一化でき、この結果、発光ダイオードから出射された出力光を効率良く利用することができ、また、発光ダイオードから出射された出力光の拡散性を向上させることができるので、発光ダイオードと導光板との間の距離を短くすることが可能となり、これにより、バックライト装置自体の薄型化を実現することができる。

好適には、光学素子の出射面への入射角が臨界角以上になる部分では、屈折特性を利用せず、出射面の全反射特性により出力光を光学部材の所定面に出射させることにより、出力光の進行方向からの曲がり角度δの範囲を、出射面の屈折特性を利用した場合と比べて広くすることができる。

したがって、臨界角以上で入射した出力光を全反射により光学部材の所定面側へ案内することができるため、発光ダイオード側への戻り光の発生を回避することができる。このため、発光ダイオードからの出力光の利用効率を向上させることができる。また、光学素子の出射面から出射する光の角度が大きいため、その出射光の拡散性を向上させることができ、発光ダイオードと光学部材との間の距離を短くすることが可能になる。この結果、バックライト装置の小型化を容易に実現することができる。

また、発光ダイオードから出力された赤色光、青色光、および緑色光を混色して白色光を生成し、生成した白色光を光学部材の所定面に照射させる場合においても、上記拡散性の向上により赤色、青色、緑色の混色性を向上させることができる。この結果、発光ダイオードと光学部材との間の距離を短く設定することができ、バックライト装置の小型化を実現することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面を参照して説明する。

最初に、本発明の実施形態の原理を説明する。

図１に示すように、光学素子２０３０に入射された光４０１の方向を、光学素子２０３０の出射面（空気との境界面）４０２の全反射を利用して曲げる（符号４０１Ａ参照）際に、光４０１の進行方向に向かって左側に曲げるには境界面４０２の入射法線４０３が光４０１の進行方向に向かって左側にある必要がある。

この場合、光４０１の曲がる角度δは、境界面４０２に対する光４０１の入射角をαとすると、
δ＝１８０°−２α ・・・（１０）
として表される。

臨界角をθｔとすると、出射面４０２の全反射を利用するためには、θｔ≦α＜９０°である必要があり、この範囲において、光４０１の曲がる角度δの範囲は、下式（１１）
０≦δ＜１８０°−２θｔ ・・・（１１）
となる。

また、図２に示すように、光学素子２０３０に入射された光４０１の方向を光学素子２０３０の境界面４０２を介して光４０１の進行方向に向かって右側に曲げるには（符号４０１Ｂ参照）、境界面４０２の入射法線４０５が光４０１の進行方向に向かって、右側にある必要があり、光を左側に全反射させる場合と同様の考察から、光４０１が境界面（出射面）４０２を介して右側に曲がる角度δの範囲は、下式（１２）
０≦δ＜１８０°−２θｔ ・・・（１２）
上記（１１）および（１２）式から明らかなように、光学素子２０３０に入射された光４０１がその進行方向に対して左右に曲げられる範囲は、光４０１の進行方向をδ＝０光４０１を進行方向に向かって、右側に曲げる場合の角度δを正、左側に曲げる場合の角度δを負とすると、下式（１３）とすると、下式（１３）
−（１８０°−２θｔ）＜δ＜１８０°−２θｔ ・・・（１３）
により表される。

例えば、光学素子２０３０の屈折率ｎが１．５の場合には、上式（１）および（１３）により、光４０１が境界面４０２を介して曲がる角度δの範囲は、−９８°＜δ＜９８°となる。

以上述べたように、本実施形態によれば、光学素子２０３０の出射面４０２における入射光４０１に対する全反射特性を利用して、入射光４０１の進行方向を左右に曲げる範囲を、従来の構成の約２倍にすることができる。言い換えれば、入射光４０１の進行方向に対する曲がり角度δの範囲を、屈折を利用した場合よりも広くすることができる。

好適には、本実施形態においては、光学素子２０３０の出射面４０２に対する入射角αに応じて、例えば、入射角αが臨界角θｔ未満の場合には、入射光４０１を光学素子２０３０の出射面４０２を介して屈折させ、一方、入射角αが臨界角θｔ以上の場合には、入射光４０１を光学素子２０３０の出射面４０２を介して全反射させることにより、入射光４０１の進行方向に対する曲がり角度δの範囲を、屈折のみを利用した場合よりも広くすることができる。

以上の原理に基づく本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。

図３は、本発明の一実施形態に係わるバックライト装置１の概略構成を示す図である。

図３に示すように、バックライト装置１は、図示しない例えば平板状の表示パネルの背面に対して所定間隔を空けて対向配置された光学部材である例えば平板状の導光板２と、この導光板２における表示パネル背面対向面と反対側の所定面２ａに対し、所定間隔を空けて光学素子４と対向し、さらに所定間隔を空けて、光軸３ａが直交するように配置された発光ダイオード（ＬＥＤ）３とを備えている。この発光ダイオード３は、光軸３ａを中心として所定面２ａに向かって、所定の配向パターン（光軸３ａに近い部分では光線が密、光軸３ａから遠い部分で光線が疎となる放射特性）を有する光を出力する発光ダイオード（ＬＥＤ）３とを備えている。

同図中において、その左半分を縦断面として示している光学素子４は、発光ダイオード３と１対の関係であり、この対の関係が、導光板２の背面（所定面２ａの側）に縦に、例えばハニカム状、マトリクス状に配置されている（図示せず）。

また、バックライト装置１は、導光板２および発光ダイオード３間に配置されており、導光板２の所定面２ａに対向する出射面４ａ、および出射面４ａおよび発光ダイオード３に対向する入射面４ｂをそれぞれ有する光学素子４を備えている。

この光学素子４としては、光を出射面４ａを介して曲げることができる素子、例えば、屈折レンズや回折格子等を用いることができる。なお、光学素子４は、屈折率ｎを有している。

この光学素子４は、発光ダイオード３から出力された出力光が入射面４ｂを介して入射された際に、その入射された出力光を、その出力光の強度に応じて出射面４ａを介して屈折および全反射させることにより、導光板２の所定面２ａ上に照射された出力光の照射密度を略均一化する機能を有している。

具体的に説明すれば、光学素子４の出射面４ａには、光軸３ａを中心として断面形状が鋸歯状に形成され平面形状が同心円状に形成された複数の凸部１０ａ１、１０ａ２、・・・を有する回折格子部１０が形成されている。

回折格子部１０の凸部１０ａ１は、光軸３ａ側の一端部からその一端部を通る水平方向（光軸３ａに直交する方向）に対して所定角度で傾斜する傾斜面を有している。

すなわち、凸部１０ａ１の傾斜面は、発光ダイオード３から出力された出力光の内、光路３ａ１を通る出力光が入射面４を介して臨界角θｔ未満の入射角で入射された際に、その入射出力光を、所定の屈折度合い（屈折角度）により屈折させ、光学素子４が無い場合において光路３ａ１を通って導光板２の所定面２ａに入射する部分（符号Ｐ１参照）以外の部分、すなわち、所定面２ａにおける光学素子４が無い場合に照度が低い部分（符号Ａ１参照）に案内するように構成されている。なお、臨界角θｔは、上記（１）式により求められる。

同様に、凸部１０ａ２は、凸部１０ａ１に対して径方向外側に連続して形成されており、凸部１０ａ１側の一端部からその一端部を通る水平方向に対して所定角度で傾斜する傾斜面を有している。

この凸部１０ａ２の傾斜面は、発光ダイオード３から出力された出力光の内、光路３ａ２を通る出力光が入射面４を介して臨界角θｔ未満の入射角で入射された際に、その出力光を、所定の屈折度合い（屈折角度）により屈折させ、光学素子４が無い場合において光路３ａ２を通って導光板２の所定面２ａに入射する部分（符号Ｐ２参照）以外の部分、すなわち、所定面２ａにおける光学素子４が無い場合に照度が低い部分（符号Ａ２参照）に案内するように構成されている。

さらに、凸部１０ａ３は、凸部１０ａ２に対して径方向外側に連続して形成されており、凸部１０ａ２側の一端部からその一端部を通る水平方向に対して所定角度で傾斜する傾斜面を有している。

この凸部１０ａ３の傾斜面は、発光ダイオード３から出力された出力光の内、光路３ａ３を通る出力光が入射面４を介して臨界角θｔ未満の入射角で入射された際に、その出力光を、所定の屈折度合い（屈折角度）により屈折させ、光学素子４が無い場合において光路３ａ３を通って導光板２の所定面２ａに入射する部分（符号Ｐ３参照）以外の部分、すなわち、所定面２ａにおける光学素子４が無い場合に照度が低い部分（符号Ａ３参照）に案内するように構成されている。

特に、本実施形態では、光軸３ａに近いほど導光板２の所定面２ａに照射される光の照度が高く、光軸３ａから離れるにつれてその照度が低くなっていくことから、凸部１０ａ１〜１０ａ３それぞれの屈折の度合いを、光軸３ａからの距離に応じて小さく設定している。すなわち、凸部１０ａ１による屈折の度合いが一番大きく、以下、凸部１０ａ２、凸部１０ａ３と屈折の度合いが小さくなるようにそれぞれの傾斜面が調整されている。

一方、本実施形態において、凸部１０ａ１〜１０ａ３に対して光軸３ａからさらに離れる凸部１０ａ４および１０ａ５は、凸部１０ａ１〜１０ａ３の屈折作用ではなく、入射光を全反射する全反射作用を有するように構成されている。

すなわち、図３および図４に示すように、回折格子部１０の凸部１０ａ４は、光軸３ａ側の一端部からその一端部を通る水平方向に対して所定角度で傾斜する傾斜面を有している。

そして、この凸部１０ａ４の傾斜面は、発光ダイオード３から出力された出力光の内、光路３ａ４を通る出力光が入射面４を介して臨界角θｔ以上の入射角α１で入射された際に（傾斜面の入射法線２０）、その出力光を全反射して、光学素子４が無い場合において光路３ａ４を通って導光板２の所定面２ａに入射する部分以外の部分（所定面２ａにおける光学素子４が無い場合に照度が低い部分）に案内するように構成されている。

同様に、回折格子部１０の凸部１０ａ５は、光軸３ａ側の一端部からその一端部を通る水平方向に対して所定角度で傾斜する傾斜面を有している。

そして、この凸部１０ａ５の傾斜面は、発光ダイオード３から出力された出力光の内、光路３ａ５を通る出力光が入射面４を介して臨界角θｔ以上の入射角α２で入射された際に（傾斜面の入射法線２１）、その出力光を全反射して、光学素子４が無い場合において光路３ａ５を通って導光板２の所定面２ａに入射する部分以外の部分（所定面２ａにおける光学素子４が無い場合に照度が低い部分）に案内するように構成されている。

例えば、光学素子４を屈折率ｎ＝１．５のアクリル材を用いて生成した場合、ｓｉｎ^-1（１/１．５）が約４２°であるため、全反射を利用した際の出力光の曲がる角度は、上式（１３）により、
−（１８０°−２×４２）＜δ＜１８０°−２×４２
となり、最終的に、発光ダイオード３からの出力光が光学素子４の凸部１０ａ４および１０ａ５の反射面を介して曲がる角度δの範囲は、−９８°＜δ＜９８°となる。

ここで、背景技術として説明した、同一の屈折率ｎ＝１．５の材料により生成された光学素子を用いて、その屈折特性のみにより発光ダイオードからの出力光を曲げる場合においては、上式（１）および（９）から、−４８°＜δ＜４８°となる。

すなわち、本実施形態においては、発光ダイオードから出力され光学素子４に入射された出力光を、背景技術と比べて約２倍の範囲で導光板２の所定面２ａに向かって曲げることができる。

以上述べたように、本実施形態によれば、臨界角θｔ以上で入射した発光ダイオード出力光を導光板２の所定面２ａ側へ全反射することができるため、発光ダイオード側への戻り光を生じさせることなく、発光ダイオードからの出力光を効率良く利用することができる。

また、光学素子４の出射面４ａから出射する光の角度が大きいため、その出射光の拡散性を向上させることができ、発光ダイオード３と導光板２との間の距離を短くすることが可能になる。この結果、バックライト装置１の小型化を容易に実現することができる。

なお、本実施形態においては、回折格子部１０の各凸部１０ａ１、１０ａ２、・・・の反射面を平面としたが、本発明はこの構成に限定されるものではなく、曲面であってもよい。

本発明は、上述した実施の形態および変形例に限定されるものではなく、本発明に属する範囲内において、上記実施の形態および変形例を様々に変形して実施することが可能である。

本発明の原理を説明するための図。 本発明の実施の原理を説明するための図。 本発明の一実施形態に係わるバックライト装置の概略構成を示す図。 図３に示すバックライト装置の回折格子部の一部を拡大して示す図。 従来のバックライト装置の概略構成を示す図。 従来のバックライト装置の問題点を説明するための図。 従来のバックライト装置の問題点を説明するための図。 従来のバックライト装置の問題点を説明するための図。

符号の説明

１ バックライト装置
２ 導光板
２ａ 所定面
３ 発光ダイオード
４ 光学素子
４ａ 出射面
１０ 回折格子部
１０ａ１〜１０ａ５ 凸部

Claims (1)

1. 一方の面に入射した光を他方の面から出射する導光板と、
   前記導光板の前記一方の面に向けて出力光を出力する発光ダイオードと、
   前記導光板と前記発光ダイオードとの間に配置され、前記発光ダイオードから入射した前記出力光を前記導光板に向けて出射する光学素子と、
   を備え、
   前記出力光は、光軸を有する所定の配向パターンの光として前記光学素子に入射し、
   前記光学素子は、同一面上に、
   平面形状が前記出力光の前記光軸を中心とする同心円状であり、前記光軸を通る縦断面形状が鋸歯状でかつ前記光軸側に向かって傾斜する第１の傾斜面を有する複数の凸部を設けた第１の領域と、
   前記第１の領域の外側の領域であって平面形状が前記光軸を中心とする同心円状であり、前記縦断面形状が鋸歯状でかつ前記光軸側に向かって前記第１の傾斜面とは異なる傾斜で傾斜する第２の傾斜面と、前記第１の領域の外側に向かって前記第１の傾斜面と前記第２の傾斜面とは異なる傾斜で傾斜する第３の傾斜面とを有する複数の凸部を設けた第２の領域と、
   を有し、
   前記第１の領域は、前記第１の傾斜面における前記出力光の入射角を臨界角未満とし、入射した前記出力光を屈折して出射するよう形成され、
   前記第２の領域は、前記第２の傾斜面における前記出力光の入射角を臨界角以上とし、入射した前記出力光を全反射して前記第３の傾斜面から出射するよう形成され、
   ていることを特徴とするバックライト装置。

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