JP4637803B2 - 導光板およびそれを備えた面状発光装置 - Google Patents

Description

本発明は導光板およびそれを備えた面状発光装置に関し、特に、液晶表示装置のバックライトとして使用される導光板と、そのような導光板を備えた面状発光装置に関するものである。

近年、テレビジョンおよびパソコンをはじめ、携帯型電子機器などに搭載されるディスプレイとして、薄型で軽量な液晶ディスプレイが普及している。図３８に示すように、液晶ディスプレイ２００は、画像を表示する液晶表示パネル１５１とバックライト装置１１０とを備えて構成される。バックライト装置１１０は、液晶表示パネル１５１を背面から光を照射して液晶表示パネル１５１に表示されている画像を鮮明に映し出す機能を有している。

そのバックライト装置１１０は、光源、光源を駆動する回路および多種の光学フィルム等により構成されている。バックライト装置１１０の光源として、一般的に冷陰極蛍光ランプ（Cold Cathode Fluorescent Lamp）１５２が使用されている。しかしながら、冷陰
極蛍光ランプ１５２には水銀（Ｈｇ）が使用されているために、たとえばバックライト装置１１０が破損した場合にはその水銀が流出してしまう可能性があり、環境に悪影響を及ぼすおそれがある。

そこで、冷陰極蛍光ランプに代わる光源として、発光ダイオードに代表される固体発光素子（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）が提案されている。その固体発光素子として、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）および青色（Ｂ）のそれぞれの光を発光する固体発光素子と、白色の光を発光する固体発光素子とが開発されている。

バックライト装置では、液晶表示パネルに対して白色光を照射させることが望ましいとされる。そのため、固体発光素子の使用の態様として、白色の光を発光する固体発光素子を単体で使用するか、赤色、緑色および青色のそれぞれの光を発光する３つの固体発光素子を使用する態様がある。３つの固体発光素子を使用する場合には、それぞれの固体発光素子から出射された３つの光を混合することによって白色光とし、その白色光が液晶パネルに照射されることになる。

ところで、固体発光素子は冷陰極蛍光ランプに比べてサイズが小さく、また、出射した光によって照射される範囲（領域）が狭い。そのため、たとえばテレビジョンなどに使用される大型液晶表示パネルのバックライト装置の光源として固体発光素子を使用する場合には、固体発光素子は液晶表示パネルの直下において列状または平面状に複数配設されることになる。このような液晶表示装置のバックライト装置は、直下型ＬＥＤバックライトと称される。

しかしながら、一般的な固体発光素子から出射される光の発光特性としては、固体発光素子が位置するところの光の強度が最も強く、固体発光素子から離れるにしたがってその強度は弱くなる。そのため、固体発光素子を直下型ＬＥＤバックライトの光源として使用する場合には、固体発光素子の位置との関係で液晶表示パネルの面内において輝度が不均一になってしまう。つまり、固体発光素子が配置されている直上の液晶表示パネルの部分では輝度が最も高く、一つの固体発光素子とこれに隣り合う固体発光素子との間の領域のの直上に位置する液晶表示パネルの部分では輝度は低くなる。

また、赤色、緑色および青色のそれぞれの光を発光する３つの固体発光素子を光源として使用した場合には、液晶表示パネルの面内において各色ごとに輝度が不均一であるために混色が十分に行なわれず、液晶表示パネルにおいて赤色、緑色および青色の色むらが生じることがある。

このような不具合を解消するために、固体発光素子を出射してから液晶表示パネルに到達するまでに十分な長さの光路を確保し、その光路の途中においてそれぞれの固体発光素子から出射した光を十分に混色させて、液晶表示パネルに照射する手法が提案されている。

たとえば特許文献１では、基板に配設された固体発光素子を円柱の側面の一部あるいは球面の一部からなる上面を有する樹脂で覆ったバックライト装置が提案されている。このバックライト装置では、まず、固体発光素子から出射した光はその曲面において全反射をして樹脂内を導光する。そして、樹脂内を導光した光は基板の上面に設けられた光拡散部によって散乱されて強度の均一な光として出射されることになる。

また、特許文献２では、サイドエミッタタイプの固体発光素子から出射された光を導光板へ導く態様のバックライト装置が提案されている。さらに、特許文献３では、導光板に窪みを形成した発光装置が提案されている。この導光板では、導光板の下面側にＬＥＤが配設され、そのＬＥＤと対向する導光板の上面側に窪みが形成されている。この窪みは、上面に近づくにしたがって徐々に広がるように形成されている。
特開２００５−３４０７５０号公報 特開２００５−３１０６１１号公報 特開２００２−２９８６２９号公報

しかしながら、従来のバックライト装置では次のような問題点があった。まず、特許文献１に開示されたバックライト装置では、上述したように固体発光素子を覆う樹脂の表面形状は円柱の側面の一部あるいは球面の一部とされる。ここで、図３９に示すように、この曲面（円柱の側面）を固体発光素子１０２を中心とした２つの曲面Ｐ，Ｑに分けてみる。固体発光素子１０２から出射される光のうち、曲面Ｐに入射する光のすべてを樹脂１０３内に閉じ込めるには、樹脂１０３の屈折率を１．５、球の半径を２ｍｍとした場合、球の中心Ｃと基板１０１との距離Ｄは約０．２４ｍｍ以下に設定しなければならない。一方、固体発光素子１０２の高さＨが０．１ｍｍ以上であることを考慮すると、この距離では、基板１０１に配設された固体発光素子１０２と樹脂１０３の端面と隙間がほとんどなくなってしまう。そうすると、光が樹脂１０３内を導光できる領域が少なくなって、混色効果が悪化するという問題があった。

また、固体発光素子１０２から出射される光のうち曲面Ｑに入射する光については、全反射条件を満たしていない。そのため、曲面Ｑに入射した光は樹脂１０３の外へ出射されてしまい、樹脂１０３内への結合効率が悪化してしまう。

さらに、特許文献１では、バックライト装置の樹脂として４つの曲面（曲面Ｐに対応）からなる上面を有する樹脂が提案されている。このバックライト装置では、それぞれ球面の一部をなす４つの曲面が１つの交点において出会い、その交点の直下に固体発光素子が配設されている。ところが、このバックライト装置の場合には、球面の一部をなす一つの曲面について、この曲面に繋がって延びる曲面（曲面Ｑに対応）は３面存在する。したがって、４つの曲面（曲面Ｐ）についてはそのそれぞれの曲面に繋がって延びる曲面は１２面（曲面Ｑ）存在することになる。

このため、４つの曲面（曲面Ｐ）の交点の直下に位置する固体発光素子から出射した光のうち、この１２面（曲面Ｑ）に到達した光は全反射をせずに樹脂の外へ出射してしまう。そのため、固体発光素子から出射される光のうちの大部分が樹脂内に閉じ込められることなく樹脂の外へ出射されてしまい、均一な輝度を得ることができないという問題があっ
た。

また、特許文献２に開示されたバックライト装置では、固体発光素子（ＬＥＤ）パッケージと導光板の間に空気層が存在する。そのため、ＬＥＤパッケージと導光板との界面において屈折率に空気の存在による差が生じ固体発光素子から出射した光が全反射をしてしまい、光が固体発光素子パッケージから出射することができず、バックライト装置の光源として利用できる光量が減るという問題点があった。

さらに、特許文献３に開示された発光装置では、窪みの形状として、全方向に光を広げるのであれば円錐状が好ましく、特定の方向へ光を広げるには三角錐状等が好ましいとされる。そして、円錐状等のいずれの窪みにおいても、鋭角の角は線状の輝度むらを生じやすく、これを解消するには面取りすることが好ましいとされる。ところが、その窪みの直下に配設される光源には大きさがあるため、光源から発せられる光のうち、光源内における特定の位置から出射する一部の光は窪みにおいて全反射をせずに、導光板の外へ出射してしまうことがあった。

このことについて説明する。図４０に示すように、固体発光素子１０２の直上に形成される窪み１０４に対して、固体発光素子１０２の中心（原点Ｏ）から出射する光は、光路１６４，１６５に示すように、窪み１０４において全反射をして導光板本体１０３ａの延在する方向に沿って導光板本体１０３ａ内を進むことになる。一方、固体発光素子１０２の端（点Ｐ１）から出射する光のうち窪み１０４の中央に向かって進む光は、光路１６６に示すように、窪み１０４において全反射をすることなく導光板本体１０３ａの外へ出射してしまうことになる。このように、特許文献３に開示された発光装置の導光板１０３の窪み１０４においては、光源（固体発光素子１０２）の大きさが考慮されていないために、バックライト装置として光量を十分に確保することができないという問題があった。

本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、一つの目的は固体発光素子から出射される光を効果的に閉じ込めて均一に導光させる導光板を提供することであり、他の目的はそのような導光板を備えて面内において均一に発光する面状発光装置を提供することである。

本発明に係る導光板は、液晶表示装置のバックライトに使用される導光板であって、板状の導光板本体と凹部とを備えている。板状の導光板本体は、所定の発光素子から出射された光が入射する第１面および前記第１面と対向する第２面を有している。凹部は、導光板本体の第２面に形成されて所定の側壁面を有している。その凹部は、発光素子から出射して第２面の側に向かって導光板本体の内部を進む光のうち、第２面を経て導光板本体の外へ進む光の成分の光路が位置する導光板本体の領域の部分に形成されている。そして、凹部の側壁面は、発光素子の端部から出射して凹部の底の部分に入射する光の成分が全反射するとともに、その端部から出射して凹部と導光板本体の上面との境界部分に入射する光の成分が全反射する面を備えている。

この構成によれば、導光板本体の第２面の部分に、発光素子から出射して第２面の側に向かって導光板本体の内部を進む光のうち、第２面を経て導光板本体の外へ出射する光の成分の光路が位置する領域を取り除くように凹部が形成され、さらに、発光素子の端部から出射して凹部の底の部分に入射する光の成分が全反射するとともに、その端部から出射して凹部と導光板本体の上面との境界部分に入射する光の成分が全反射する面を含む、凹部の側壁に露出した側壁面においては、発光素子から出射した光が導光板本体の外へ出射しないように全反射される。これにより、発光素子から第２面の側に向かって出射された光の大部分が全反射されて第２面による光の損失が大幅に低減し、発光素子から出射される光を効率よく均一に導光板本体の内部へ導くことができる。

そのような凹部として、より具体的には、その側壁面は円錐の側面であること、あるいは、回転放物面の一部であることが好ましい。そして、発光素子はその回転放物面の焦点との関係で所定の位置に配置されていることがより好ましい。

また、凹部の側壁面は、指数関数として表される曲線を所定の軸の回りに回転させることにより形成される曲面の一部であることが好ましく、そのような指数関数として表される曲線は、αを全反射角度−９０度とし、Ｃを定数とすると、曲座標（ｒ、θ）による式ｒ＝ｅｘｐ（θ／ｔａｎα＋Ｃ）によって得られるｒとθを、式Ｘ＝ｒ・ｃｏｓθとＹ＝ｒ・ｓｉｎθによって直角座標（Ｘ，Ｙ）に変換した曲線であることがより好ましい。

さらに、凹部の側壁面は、発光素子の位置との関係で全反射条件を満たす所定の曲線を所定の軸の回りに回転することによって得られる曲面に沿うように、頂角の異なる複数の円錐の側面の一部をそれぞれ繋ぎ合わせることによって形成された面であることが好ましい。

さらに、また、凹部の側壁面は、発光素子におけるあらゆる部分から出射する光を全反射させる面であることが好ましい。

これにより、発光素子から出射される光を閉じ込めて、その閉じ込められた光を導光板本体の延在する方向に沿って導くことができる。なお、円錐、回転放物面、指数関数に基づく曲面は数学的に厳密な形状を意図するものではなく、製造上の誤差を当然に含む。

本発明に係る面状発光装置は、主表面を有する基板と発光素子と導光板とを有している。発光素子は基板の主表面上に配設されている。導光板は発光素子を覆うように基板の主表面上に配設されている。その導光板は、板状の導光板本体と凹部と光路変換部とを備えている。板状の導光板本体は互いに対向する第１面および第２面を有している。凹部は、導光板本体の第２面における、発光素子から出射して第２面の側に向かって導光板本体の内部を進む光のうち第２面を経て導光板本体の外へ進む光の成分の光路が位置する導光板本体の領域の部分に形成され、光の成分を導光板本体の外へ出射させないように光の成分を全反射させる所定の面を含む側壁面を有している。光路変換部は凹部の側壁面において全反射された光の成分を含む導光板本体の内部を進む光を第２面から外へ向かって出射するよう光路を変換させる。凹部の所定の面として、発光素子の端部から出射して凹部の底の部分に入射する光の成分が全反射するとともに、その端部から出射して凹部と導光板本体の第２面との境界部分に入射する光の成分が全反射する面を備えている。

この構成によれば、発光素子の端部から出射して凹部の底の部分に入射する光の成分が全反射するとともに、その端部から出射して凹部と導光板本体の第２面との境界部分に入射する光の成分が全反射する面を含む、凹部の側壁面において全反射された光は、導光板本体の外へ出射することなく導光板本体の延在する方向にほぼ沿って内部を進む。導光板本体内を進む光は、光路変換部によりその光路が変えられることによって全反射条件が崩れて、導光板本体の第２面から出射される。これにより、凹部の側壁面によって反射されずに導光板本体内を進んで光路変換部によって光路が変えられる光とともに、導光板本体の第２面から均一に光を出射させることができる。

そのような光路変換部として、より具体的には、拡散粒子や導光板本体を進む光を導光板本体の外へ出射する所定の面を露出する開口部がある。拡散粒子の場合には、光は拡散粒子の表面において反射されることになる。また、開口部の場合には、光は開口部の側壁面において反射されることになる。光を均一に出射するために、拡散粒子の場合には、たとえば導光板本体内に均一に配設されていることが好ましい。また、開口部の場合には、開口部は発光素子を中心として同心円状に複数配設されていることが好ましい。また、この場合には、開口部は、発光素子から遠ざかるにしたがって大きさが大きくなるように複数配設されていることがより好ましい。

また、基板、発光素子および導光板を所定の寸法からなる一つの発光モジュールとすることが好ましく、その発光モジュール内では、複数の発光素子が列状に配設されることがより好ましい。

この場合には、発光素子を２次元的に配設する場合と比べて発光素子を配設する領域を狭めることができ、コストの削減を図ることができる。また、導光板内において光を比較的長い距離にわたり導光させることができ、バックライト装置として混色性を高めることができる。

また、そのような発光モジュールが平面状に複数配設されていることが好ましい。この場合には、液晶表示装置としてよりサイズの大きな液晶表示パネルに容易に対応させることができ、また、複数の発光素子のうちのいくつかの発光素子が発光しなくなったような場合でも、輝度の低下を防ぐことができる。

さらに、基板の主表面上に配設されて発光素子が載置されるパッケージ部と、そのパッケージ部に形成され、発光素子から出射される光を導光板へ向けて反射させるための反射面と、発光素子を封止するように、導光板とパッケージとの間に充填された樹脂とを備えていてもよい。

この場合には、発光素子をパッケージ部に配設することで発光素子を基板に直接取付ける場合と比べて、発光素子に不具合が発生した場合にパッケージ部ごと交換すればよく、発光素子の交換作業をより容易に行なうことができる。

発光素子から導光板へより損失を減らして光を導くには、導光板は、発光素子と導光板との間に空気の層を介在させることなく基板上に配設されていることが好ましい。

実施の形態１
本発明の実施の形態１に係る、面状発光装置に使用される導光板の第１の例について説明する。図１および図２に示すように、導光板３を実質的に構成する導光板本体３ａは、樹脂から形成されて互いに対向する表面（第２面）５と裏面（第１面）６とを有する板状の形状とされる。その導光板本体３ａの裏面６の側の所定の位置には固体発光素子２が配設されている。その固体発光素子２は基板１の表面上に反射シート３０を介在させて取付けられている。

一方、導光板本体３ａの表面５の所定の領域には凹部４が形成されている。図２および図３に示すように、凹部４は、固体発光素子２から出射して表面５の側に向かって導光板本体３ａの内部を進む光のうち、表面５を経て導光板本体３ａの外へ出射する光の成分の光路が位置する領域を取り除くように形成されている。その凹部４の側壁に露出した側壁面４ａは、固体発光素子２から出射した光を導光板本体３ａの外へ出射させないように全反射させる面とされる。この導光板３では凹部４は略円錐形状に形成されて、露出した側壁面４ａはその円錐の側面をなす。

その凹部４の構造についてさらに詳しく説明する。表面５およびその表面５に形成された凹部４の側壁面４ａ等は空気と接する界面となる。導光板本体３ａの内部からその界面に入射する光は、その入射角度θによってその界面から導光板本体３ａの外へ出射する光の成分（以下、「成分Ａ」と記す。）と、その界面において全反射をして導光板本体３ａの内部を進む光の成分（以下、「成分Ｂ」と記す。）とを含んでいる。

導光板本体３ａを構成する樹脂の屈折率をたとえば１．５とすると、約４２度以上の角度で入射した光はその界面において全反射される。一方、０度〜約４２度の角度で入射した光は導光板本体３ａの内部から外へ出射されることになる。なお、全反射とは、屈折率の大きい媒質から屈折率の小さい媒質に光が入射するときに、特定の角度以上の入射角度では入射光は屈折せずにすべて反射してしまう現象をいう。また、入射角度θは入射面の法線と入射する光の光路とのなす角度として定義される。

一方、固体発光素子２からは一般的に全放射角度をもって光が出射される。導光板本体として、たとえば図３に示すように、裏面６と凹部が形成されていない表面５を有する導光板本体３ａを想定すると、導光板本体３ａと空気との界面において全反射をしない光の成分が存在する。つまり、固体発光素子２を通る表面５の法線方向を入射角度０度とすると、入射角度が０度から約４２度の範囲の光（光の成分６１〜６３参照）は全反射をせずに導光板本体３ａの外へ出射してしまう。

このような導光板本体３ａの外へ出射しようとする光の成分を全反射させて導光板本体３ａ内に閉じ込めるために、固体発光素子２の直上に位置する導光板本体３ａの部分に界面として全反射条件を満たす凹部４の側壁面４ａが形成されている。この導光板本体３ａでは、凹部４は略円錐形状の窪みとして形成され、側壁面（界面）４ａはその略円錐形状の側面に対応することになる。なお、この略円錐形状は、後述するように、頂角の異なる複数の円錐形状の一部を組合わせた形状も含む概念とする。

以上のように構成された導光板３では、固体発光素子２から出射する光の成分のうち、成分Ａについては凹部４の側壁面４ａにおいて全反射されて、導光板本体３ａから導光板本体３ａの外へ出射することなく導光板本体３ａの内部を進む。また、成分Ｂについては表面５において全反射されて、導光板本体３ａの内部を進む。こうして全反射した光は、裏面６では反射され、そして、表面５では全反射されながら導光板本体３ａの内部を全反射の条件が満たされない状態になるまで進むことになる。

ここで、固体発光素子のあらゆる部分から出射した光を導光板の外へ出射させない凹部の形状について検討する。まず、図４に示すように、固体発光素子２の中心を原点Ｏとし、この原点Ｏからのみ光が出射する場合を想定する。つまり、点光源を想定する。この場合、凹部４には、原点Ｏから出射して凹部４の底の部分（点Ｃ）に入射する光の成分７１が全反射をすること（条件Ａ）、そして、凹部４と導光板本体３ａの上面５との境界部分（点Ｄ）に入射する光の成分７２が全反射をすること（条件Ｂ）が求められる。

上述したように、導光板本体３ａを構成する樹脂の屈折率を１．５とすると、約４２度以上の角度で入射した光はその界面において全反射される。そうすると、条件Ａおよび条件Ｂを満たす円錐状の凹部４の形状の一例として、たとえば、導光板本体３ａの厚さ（Ｌ２）は７．９３ｍｍ、原点Ｏと点Ｃとの距離（Ｌ３）は１．５ｍｍ、円錐底面直径（Ｌ１）は１４．２８ｍｍ（半径７．１４ｍｍ）となる。

次に、図５に示すように、固体発光素子２として所定の大きさの光源を想定する。この場合、固体発光素子２の一端部の位置を点Ｐ１とすると、凹部４には、点Ｐ１から出射して凹部４の底の部分（点Ｃ）に入射する光の成分７１が全反射をすること（条件Ａ）、そして、点Ｐ１から出射して凹部４と導光板本体３ａの上面５との境界部分（点Ｄ）に入射する光の成分７２が全反射をすること（条件Ｂ）が求められる。この条件Ａと条件Ｂの双方を満たすには、凹部４は少なくとも２つ以上の円錐を組合わせた形状とされる。

この場合、条件Ａおよび条件Ｂを満たす凹部４の形状の一例として次の形状が挙げられる。まず、原点Ｏと点Ｃとの距離（Ｌ４）を１．５ｍｍとし、原点Ｏと点Ｅとの距離（Ｌ７）を５．０ｍｍとし、原点Ｏと点Ｐ１との距離（Ｌ５）を０．３ｍｍとすると、条件Ａを満たす円錐は、点Ｃを頂点とする底面の直径（Ｌ２）が１０ｍｍ（半径５ｍｍ）、固体発光素子２から底面に対応する部分までの距離（Ｌ６）が８．１６ｍｍの円錐（側壁面４ｄ）となる。また、原点Ｏと点Ｄとの距離（Ｌ３）は１１．２ｍｍとなる。

そして、条件Ｂを満たす円錐は、点Ｅを頂点とする底面の直径（Ｌ１）が２０．０ｍｍ（半径１０．０ｍｍ）の円錐（側壁面４ｅ）となる。凹部４は、この２つの円錐の側壁面４ｄ、４ｅの一部を組合わせた形状とすることで、固体発光素子２のあらゆる部分から出射する光を側壁面４ｄ、４ｅにおいて全反射させることができる。

上述した板状の導光板本体３から構成される導光板３によれば、導光板本体３ａの表面５の部分に、固体発光素子２から出射して表面５の側に向かって導光板本体３ａの内部を進む光のうち、表面５を経て導光板本体３ａの外へ出射する光の成分の光路が位置する領域を取り除くように凹部４が形成され、さらに、その凹部４の側壁に露出した側壁面４ａ、４ｄ、４ｅにおいて、固体発光素子２から出射した光が導光板本体３ａの外へ出射しないように全反射される。

これにより、固体発光素子２から表面５の側に向かって出射された光の大部分が凹部４によって全反射されて均一に導光板本体３ａの内部に導かれ、表面５による光の損失が大幅に低減し、固体発光素子２から出射される光を効率よく導光板本体３ａの内部へ導くことができる。その結果、固体発光素子２から出射されて導光板３に導かれる光量が増えて、バックライト装置の光源として十分な光量を確保することができる。

実施の形態２
本発明の実施の形態２に係る、面状光源装置に使用される導光板の第２の例について説明する。図６および図７に示すように、導光板３を構成する導光板本体３ａの表面５の所定の領域に、回転放物面の一部をなす側壁面４ｂを露出する凹部４が形成されている。なお、これ以外の構成については前述した導光板３と同様なので、同一部材には同一符号を
付しその説明を省略する。

凹部４の構造についてさらに詳しく説明する。まず、図８に示すように、Ｘ軸を軸とする２次元の放物線２０を考える。大きさを有する固体発光素子２（図７参照）は、その一端部が放物線の焦点２１に位置するように配設されている。その固体発光素子２から出射した光は放物線２０において反射をしてＸ軸に平行に進むことになる。本実施の形態に係る導光板本体３ａの凹部４の側壁面４ｂは、図９に示すように、この放物線２０をＹ軸の回りに回転（矢印３０）することによって得られる回転放物面の一部から構成される。したがって、大きさを有する固体発光素子２は、その一端部Ｐ１がＸ軸の正の方向に向かって広がる放物線の焦点に位置し、他端部Ｐ２がＸ軸の負の方向に向かって広がる放物線の焦点に位置することになる。

その放物線についてさらに詳しく説明する。点ＰのＸ座標をｐとし、Ｘ＝０における傾きをａすると、放物線は次の式によって表わされる。

Ｙ＝ａ×ｐ^0.5×（（Ｘ＋ｐ）^0.5）
まず、図１０に示すように、固体発光素子２の一端部Ｐ１が焦点２１に位置することによって、固体発光素子２の一端部Ｐ１から出射した光の成分６４は、放物線（放物面）２０において全反射をして導光板本体３ａの内部を進む。また、一端部Ｐ１よりも内側に位置する部分から出射した光の成分６５は、放物線（放物面）２０に光の成分６４の入射角度よりも浅い角度で入射することによって放物線（放物面）２０において全反射をする。

これに対して、図１１に示すように、たとえば固体発光素子２の中心Ｏを焦点２１に配置させた場合には、固体発光素子２の端部Ｐ１から出射した光の成分６６は放物線（放物面）２０に対し、全反射条件を満たさなくなるために導光板本体３ａの外へ出射することになる。したがって、固体発光素子２は、一端部Ｐ１が焦点２１の位置に一致するように配設することが望ましい。

以上のように構成された導光板３では、固体発光素子２から出射する光の成分のうち、成分Ａについては凹部４の側壁面４ｂにおいて全反射されて、導光板本体３ａから導光板本体３ａの外へ出射することなく導光板本体３ａの延在する方向に沿って導光板本体３ａの内部を進むことになる。また、成分Ｂについては表面５において全反射されて、導光板本体３ａの内部を進むことになる。たとえば、導光板本体３ａの厚みＬ２を４ｍｍとし、凹部４の最大直径Ｌ１を８ｍｍ（半径４ｍｍ）とし、凹部４の深さＬ３を２．６ｍｍとすると、固体発光素子２から出射される光のすべてを導光板本体３ａへ導くことができる。

上述した導光板３によれば、前述した導光板３による効果に加えて次のような効果が得られる。すなわち、上述した導光板３では、特に、回転放物面の一部からなる側壁面４ｂによって全反射された光が、導光板本体３ａの裏面６（あるいは表面５）に略平行に導光板本体３ａ内に導かれることによって導光板本体３ａ内を最短距離で進むことになり、導光板本体３ａを構成する樹脂によって光が吸収されることによる光損失を低減することができる。

変形例
上述した導光板３では、固体発光素子２の大きさと凹部４の深さＬ３の組合わせによっては、固体発光素子２から出射する光のうち直上に出射する光が導光板本体３ａの外へ出射する場合が考えられる。そこで、変形例として、所定の大きさを有する固体発光素子２のあらゆる部分から出射した光も導光板本体３ａの外へ出射させない放物線に基づいた導光板３の凹部４について説明する。

この場合、図１２に示すように、固体発光素子２の一端部の位置を点Ｐ１とすると、凹部４には、点Ｐ１から出射して凹部４の底の部分（点Ｃ）に入射する光の成分７１が全反射をすること（条件Ａ）、そして、点Ｐ１から出射して凹部４と導光板本体３ａの上面５との境界部分（点Ｄ）に入射する光の成分７２が、全反射をすること（条件Ｂ）が求められる。

導光板本体３ａを構成する樹脂の屈折率を１．５とすると、約４２度以上の角度で入射した光はその界面において全反射される。そうすると、条件Ａおよび条件Ｂを満たす凹部４の形状の一例として、回転放物面を構成する放物線の式は、Ｘ−Ｙ平面（図８参照）において、Ｙ²＝２×ｈ×ａ×（Ｘ＋（ｈ／２×ａ））となる。ここで、ｈは固体発光素子２と凹部４の底（点Ｃ）との距離を表し、ａはＸ＝０における放物線の傾きを表す。

この放物面に基づき、たとえば凹部４の導光板本体３ａの上面５における直径Ｌ１を８ｍｍ（半径４ｍｍ）とすると、導光板本体３ａの厚さＬ２は、４．５５ｍｍとなる。このとき、固体発光素子２の大きさとして原点Ｏから端の点Ｐ１までの長さが０．３ｍｍであっても、その固体発光素子２のあらゆる部分から出射する光を、凹部４の側壁面４ｂにおいて全反射させることができる。

こうして、上記放物線に基づく凹部４の側壁面４ｂにおいて全反射された光は、導光板本体３ａの裏面６（あるいは表面５）に略平行に導光板本体３ａ内に導かれることによって導光板本体３ａ内を最短距離で進むことになる。その結果、導光板本体３ａを構成する樹脂によって光が吸収されることによる光損失を低減することができる。

実施の形態３
本発明の実施の形態３に係る、面状光源装置に使用される導光板の第３の例として、ここでは、図１３に示される、回転放物面とは異なる曲面に基づく凹部４が形成された導光板３について説明する。

まず、この凹部４をなす曲面は、次の極座標（ｒ、θ）の式、
ｒ＝ｅｘｐ（θ／ｔａｎα＋Ｃ）
によって表される各点を、次の変換式、
Ｘ＝ｒ・ｃｏｓθ
Ｙ＝ｒ・ｓｉｎθ
によって変換された各点（Ｘ，Ｙ）を結んだ曲線に基づく。図１４にこの曲線２５を示す。なお、曲座標の式において、αは全反射角度から９０度を差し引いた角度（全反射角度−９０度）であり、Ｃは導光板本体３ａの厚さ等によって決定される定数である。上記式に基づく曲線２５は、点光源を原点Ｏ（図１４参照）に配置した場合に、その光源からさまざまな出射角度をもって出射する光が曲線に入射すると、すべての光が等しい全反射角度をもって全反射をする曲線とされる。

たとえば、導光板本体３ａを構成する樹脂の屈折率を１．４とすると、全反射角度は約４５．６度となる。そして、点光源を原点Ｏに配設し、その点光源から導光板本体３ａの上面５までの長さ（図１３参照）を３．５ｍｍとすると、α＝−４４．４度、Ｃ＝２．４となる。凹部を構成する曲面として、この曲線２５をＹ軸に回りに回転させることによって得られる曲面では、原点から出射した光はすべて全反射することになる。

次に、光源として所定の大きさを有する固体発光素子の場合について検討する。図１３に示すように、固体発光素子２の中心Ｏから一端部Ｐ１までの長さを０．３ｍｍとすると、固体発光素子２のあらゆる点から出射する光を凹部４において全反射させようとする場合、一端部Ｐ１から出射する光をも曲線（曲面）において全反射させる必要があるため、図１４に示すように、もとの曲線２５をＸ軸方向に０．３移動させた曲線２６を考える。図１３に示す導光板本体３ａの凹部４を構成する曲面（側壁面４ｆ）は、この曲線２６をＹ軸の回りに回転させることによって得られる曲面とされる。

点Ｐ１から出射して凹部４の底の部分（点Ｃ）に入射した光の成分７１と、点Ｐ１から出射して凹部４と導光板本体３ａの上面５との境界部分（点Ｄ）に入射する光の成分７２とが、この曲面（側壁面４ｆ）において全反射をすることになる。さらに、原点Ｏから一端部Ｐ１との間の部分から出射される光についても凹部４において全反射させることができる。その結果、固体発光素子２のあらゆる部分から出射する光を全反射させることができる。

そのような凹部４の形状の一例として、凹部４の直径Ｌ１は５．０８ｍｍ（半径２．５４ｍｍ）とされ、凹部４の深さＬ３は１ｍｍとされる。そして、導光板本体３ａの厚みＬ２は２．５ｍｍとされる。これにより、前述した放物線に基づく凹部４が形成された導光板本体３ａ（図１２参照）では、導光板本体３ａの厚みＬ２が４．５５ｍｍであったのに比べて、上述した導光板本体３ａでは、その厚みＬ２を約２ｍｍ程度薄くすることができる。

また、上述した曲線２６では、所定のＸの値において傾きが０となることから、この傾きが０となる点を凹部４の側壁面４ｆと導光板本体３ａの上面５との接続部分とすることで、側壁面４ｆと上面５とを滑らかに繋ぐことができる。なお、導光板本体３ａの厚みＬ２が２．５ｍｍの場合には、固体発光素子２として、その中心Ｏから一端部Ｐ１までの長さが０．６ｍｍまでのサイズの固体発光素子２から出射される光を全反射させることができる。

実施の形態４
本発明の実施の形態４に係る、面状光源装置に使用される導光板の第４の例について説明する。図１５および図１６に示すように、導光板３を構成する導光板本体３ａの表面５の所定の領域に、前述した回転放物面の側壁面４ｂを複数の円錐の側面の一部を順次繋ぎ合わせることによって近似した側壁面４ｃを露出する凹部４が形成されている。なお、これ以外の構成については前述した導光板３と同様なので、同一部材には同一符号を付しその説明を省略する。

凹部４の構造についてさらに詳しく説明する。図１７に示すように、側壁面４ｃは、リング状の複数の曲面４４ａ〜４４ｆによって構成される。曲面４４ａ〜４４ｆのそれぞれは、頂角の異なる複数の円錐の側面の一部から構成されている。たとえば、曲面４４ａは円錐４１の側面の一部とされ、曲面４４ｃは円錐４２の側面の一部とされる。また、曲面４４ｅは円錐４３の側面の一部とされる。これら曲面４４ａ〜４４ｆは、回転放物面を近似するように互いに繋がって側壁面４ｃを構成している。

以上のように構成された導光板３では、固体発光素子２から出射する光の成分のうち、成分Ａについては凹部４の側壁面４ｃを構成して回転放物面を近似する曲面４４ａ〜４４ｆのいずれかにおいて全反射されて、導光板本体３ａから導光板本体３ａの外へ出射することなく導光板本体３ａの延在する方向にほぼ沿って内部を進むことになる。また、成分Ｂについては表面５において全反射されて、導光板本体３ａの内部を進むことになる。

上述した導光板３によれば、前述した導光板３による効果に加えて次のような効果が得られる。すなわち、上述した導光板３では、側壁面４ｃとして、特に、回転放物面を近似するように頂角の異なる複数の円錐の側面の一部（曲面４４ａ〜４４ｆ）が繋ぎ合わされている。これにより、導光板本体３ａを形成する際に、回転放物面を形成する場合と比較
して滑らかな曲面を形成する必要がなくなって、導光板本体３ａをより安価に作製することができる。

なお、上述した導光板３では、凹部４を構成する曲面として、回転放物面を近似するように互いに繋がって側壁面４ｃを例に挙げて説明したが、回転放物面以外に、前述した図１３に示される極座標に基づく曲面（側壁面４ｆ）を近似するように互いに繋がる側壁面としてもよい。

実施の形態５
次に、実施の形態５として上述した導光板を適用した面状発光装置について説明する。まず、導光板本体の内部の光は、導光板本体の表面（導光板本体と空気との界面）において全反射の条件を満たしている限り導光板本体の内部を進み続けることになる。導光板を面状発光装置に適用する場合には、導光板本体の内部を進む光を光路の途中で外へ出射させる必要がある。そのために、導光板本体には、その光路を変換する光路変換部が設けられる。

図１８に示すように、本実施の形態に係る面状発光装置１０では、そのような光路変換部７の一例として、導光板本体３ａ内に光を拡散させる拡散粒子７ａがおよそ均一に配設されている。また、導光板本体３ａの表面５には、たとえば回転放物面の一部をなす側壁面４ｂ、あるいは、極座標に基づく曲線を回転させることによって得られる曲面の一部をなす側壁面４ｆを露出する凹部４が形成されている。なお、これ以外の構成については前述した導光板と同様なので、同一部材には同一符号を付しその説明を省略する。

この面状発光装置１０では、固体発光素子２から出射する光の成分のうち、成分Ａについては凹部４の側壁面４ｂにおいて全反射されて、導光板本体３ａから導光板本体３ａの外へ出射することなく導光板本体３ａの延在する方向にほぼ沿って内部を進むことになる。また、成分Ｂについては表面５において全反射されて、導光板本体３ａの内部を進むことになる。

次に、導光板本体３ａの内部を進む光は、導光板本体３ａを構成する樹脂の中に配設された拡散粒子７ａの表面にあたってその光路が変えられる。光路が変えられた光のうち表面５の側に向かって進む光には全反射条件を満たさない成分が含まれる。このような全反射条件を満たさない光は、表面５から導光板本体３ａの外へ出射して液晶表示パネル（図示せず）を後方から照射することになる。こうして、導光板本体３ａの内部を進む光は、導光板本体３ａに配設された拡散粒子７ａの表面においてその光路が変えられて、バックライトとして導光板本体３ａの表面５から光が均一に出射されることになる。

上述した面状発光装置１０における導光板本体３ａに設けられる光路変換部７として、拡散粒子７ａを例に挙げて説明したが、この他に、たとえば図１９に示すように、導光板本体３ａの表面５に裏面６の側に向かって窪んだ開口部７ｂを形成してもよい。このような開口部７ｂの側壁面に対して全反射条件を満たさない光がこの側壁面から導光板本体３ａの外へ出射されることになる。

また、導光板本体３ａの表面５に開口部７ｂを設ける代わりに、たとえば図２０に示すように、裏面６に表面５の側に向かって窪んだ開口部７ｂを形成してもよい。この場合には、図２１に示すように、開口部７ｂがなければ導光板本体３ａの裏面６によって反射された光の光路が表面に対して全反射条件を満たすような光に対して、開口部７ｂを設けることで、そのような光を開口部７ｂの側壁面（導光板本体と空気との界面）において屈折させて、全反射条件を満たさない角度をもって表面から導光板本体３ａの外へ出射させることができる。

実施の形態６
実施の形態６に係る面状発光装置として、光路変換部を経て出射される光の強度を一定にするための構造について説明する。図２２に示すように、面状発光装置１０の導光板本体３ａの表面５に形成される光路変換部７としての開口部７ｂは、固体発光素子２が配設された位置を中心とする同心円の各円周に沿って複数形成されている。なお、開口部７ｂ
の形状は模式的に四角で表されているが、円形でも多角形でもよい。

固体発光素子２から出射された光の強度は、光が導光板本体３ａを進むにしたがって導光板本体３ａを構成する樹脂によって吸収されて減衰することになる。そのため、固体発光素子２から出射される光の強度は、固体発光素子２の近傍が最も強く固体発光素子２から離れるにしたがって弱くなる。固体発光素子２から光は四方に出射されることで、固体発光素子２からの距離が同じところでは同じ強度となる。そのため、導光板本体３ａ内における光の強度は、固体発光素子２が配設された位置を中心とした同心円状の強度分布をもつことになる。

上述した導光板本体３ａには、光路変換部７としての開口部７ｂがその同心円の円周に沿って形成され、しかも、一つの円周上に形成される開口部の形状が同じ形状とされる。これにより、その開口部において光路が変換される光の量を一定にすることができて、その一つの同心円の円周に沿って形成された開口部７ｂから出射される光の強度を一定にすることができる。

実施の形態７
実施の形態７に係る面状発光装置として、光路変換部を経て出射される光の強度を固体発光素子からの距離に関係なく一定にするための構造について説明する。

図２３および図２４に示すように、面状発光装置１０の導光板本体３ａの表面５に形成される光路変換部７としての開口部７ｂは、固体発光素子２が配設された位置から遠ざかるにしたがってその深さが深くなるように形成されている。なお、これ以外の構成については前述した面状発光装置と同様なので、同一部材には同一符号を付しその説明を省略する。

この面状発光装置１０では、光路変換部７としての開口部７ｂの深さが深くなると、光路変換部７に入射する光の量は増えることになる。一方、固体発光素子２から出射される光の強度は、固体発光素子２から遠ざかるにしたがって弱くなる。これにより、固体発光素子２からより離れたところに位置する光路変換部７に弱い光をより多く入射させることによって、その光路変換部７から出射する光の強度を、固体発光素子２の比較的近くに位置する光路変換部７に入射してその光路変換部７から出射する光の強度とほぼ同じ強度にすることができる。その結果、導光板３において、固体発光素子２からの距離に関係なくほぼ一定の強度の光を導光板３の外へ出射させることができる。

なお、上述した面状発光装置１０では、固体発光素子２からより離れたところにおいて弱い光をより多く入射させる光路変換部７として深さのより深い開口部７ｂを例に挙げて説明したが、この他に、たとえば図２５および図２６に示すように、光路変換部７として固体発光素子２から離れるにしたがってより多くの拡散粒子７ａを配設させてもよい。この光路変換部７は、たとえば導光板本体３ａとほぼ同じ屈折率を有して拡散粒子７ａを含有する樹脂を塗布することによって形成されている。

こうして、固体発光素子２から遠ざかるにしたがってより多くの拡散粒子７ａが配設されていることで、その光路変換部７から出射する光の強度を、固体発光素子２の比較的近くに位置する光路変換部７に入射してその光路変換部７から出射する光の強度とほぼ同じ強度にすることができる。その結果、導光板３において、固体発光素子２からの距離に関係なくほぼ一定の強度の光を導光板３の外へ出射させることができる。

実施の形態８
実施の形態８に係る面状発光装置として、導光板本体を複数備えた導光板を適用した面
状発光装置の一例について説明する。図２７に示すように、この面状発光装置１０では、導光板３として、たとえば図１あるいは図４に示される導光板本体３ａが二次元的に複数配設された導光板３が適用される。互いに隣接する一つの導光板本体３ａと他の導光板本体３ａとは、その間に空気の層を介在させることなく接続されている。また、各導光板本体３ａには光路変換部は図面の簡略化のために特に示されていないが、たとえば図１８〜図２０に示されるような光路変換部が形成されている。なお、これ以外の構成については前述した面状発光装置と同様なので、同一部材には同一符号を付しその説明を省略する。

上述した面状発光装置１０によれば、導光板３による効果に加えて次のような効果が得られる。すなわち、この面状発光装置１０では、同じ寸法の矩形状の導光板本体３ａを周期的に配設することによって面状発光装置１０の大きさを自由に変えることができる。これにより、面状発光装置１０として液晶表示パネルのサイズごとにそのサイズに対応した導光板を適用する場合と比べて、基本となる最小サイズの導光板本体を組合わせるだけで種々のサイズの液晶表示パネルに対応させることができ、製造コストを大幅に削減することができる。

なお、上述した面状発光装置１０では、平面形状が矩形状の導光板本体３ａを複数配設した導光板３を例に挙げて説明したが、この他に、たとえば図２８に示すように、平面形状が六角形の導光板本体３ａを複数配設した導光板３を適用してもよい。このような平面形状が六角形の導光板本体３ａを複数配設した導光板３では、一つの固体発光素子２に対してこれと互いに隣り合う他の固体発光素子２との距離がいずれも同じ距離になる。これにより、導光板３から出射する光の強度の導光板３の面内均一性をより向上させることができる。

実施の形態９
実施の形態９に係る面状発光装置として、導光板本体を適用した面状光源装置の他の例について説明する。図２９に示すように、この面状発光装置１０では、固体発光素子２は所定のパッケージ８に搭載され、そのパッケージ８は基板１の表面にはんだにより実装される。パッケージ８には固体発光素子２が搭載される部分に凹部が形成され、その凹部に固体発光素子２を封止するように所定の樹脂９が充填されている。その樹脂９によって封止された固体発光素子２の上に導光板本体３ａから構成される導光板３が取付けられている。

図３０に示すように、パッケージ８には、凹部を構成する斜面８ａが設けられている。その斜面８ａの傾き角度θは、固体発光素子２から出射角０度をもって出射してパッケージ８の斜面８ａにおいて反射し、導光板３の表面５に入射する光の入射角度が全反射条件を満たすように設定される。たとえばこの角度θは、固体発光素子２から導光板３の上面までの距離Ｌを４ｍｍとし、樹脂９の屈折率を約１．５とすると、約２４．５度以下に設定されることが好ましい。

この面状発光装置１０では、固体発光素子２から出射した光のうち凹部４に露出した側壁面４ｂに入射した光は、その側壁面４ｂにおいて全反射されて導光板本体３ａの内部を進む。導光板本体３ａを進む光は、光路変換部により光路が変換されない限り導光板本体３ａ内に閉じ込められたままである。

凹部４の側壁面として回転放物面の一部から構成される側壁面４ｂの場合には、その側壁面４ｂにおいて全反射された光はパッケージ８の凹部に入射することなく導光板本体３ａの延在する方向に沿って導かれることになる。もし、側壁面４ｂにおいて全反射した光がパッケージ８の凹部に入射すると、その光は導光板本体３ａにおいて全反射条件を満たさなくなり光路変換部（図示せず）以外の部分から導光板本体３ａの外へ出射することに
なり、面状発光装置における均一な発光が阻害されることになる。

また、固体発光素子２から出射した光のうちパッケージ８の斜面８ａに入射した光は、その斜面８ａにおいて反射され導光板本体３ａの表面５において全反射されて導光板本体３ａの内部を進む。導光板本体３ａの内部を進む光は、光路変換部により光路が変換されない限り導光板本体３ａ内に閉じ込められたままである。こうして、固体発光素子２から出射されて導光板本体３ａの内部を進む光が光路変換部（図示せず）に入射すると、全反射条件が崩れて導光板本体３ａの外へ出射されることになる。

上述した面状発光装置１０では、導光板３による効果に加えて次のような効果が得られる。すなわち、この面状発光装置１０では、固体発光素子２は銀ペーストにより基板１に直接取り付けられて樹脂によって封止されているのではなく、所定のパッケージ８に搭載され、その固体発光素子２を搭載したパッケージ８がはんだにより基板１に実装されている。これにより、たとえば固体発光素子９に不具合が発生した場合にパッケージ８ごと交換すればよく、メンテナンス作業を容易に行なうことができる。なお、上述した面状発光装置１０における樹脂９の屈折率の値は一例であって、他の屈折率を有する樹脂を用いてもよく、パッケージ８の斜面８ａの角度としてはその屈折率に応じた角度が設定されることになる。

実施の形態１０
実施の形態１０に係る面状発光装置として、導光板本体および光路変換部を含めた面状発光装置の一例について説明する。図３１に示すように、基板１の表面にパッケージ８が実装され、そのパッケージ８に固体発光素子２が搭載されている。その固体発光素子２の上方に導光板３を構成する導光板本体３ａが配設されている。その導光板本体３ａとパッケージ８との間には、固体発光素子２を封止するように樹脂９が充填されている。導光板本体３ａと樹脂９とは、所定の接着剤（図示せず）により空気層を介在させることなく接着されている。導光板本体３ａ、接着剤および樹脂９は、屈折率の値が一致するように材料が選択されている。

導光板本体３ａの凹部４には、たとえば回転放物面の一部からなる側壁面４ｂが露出している。また、導光板本体３ａの表面５における所定の位置には、光路変換部７をなす開口部７ｂが形成されている。導光板本体３ａの厚みＬ２は３ｍｍとされ、凹部４の最大直径Ｌ１は８ｍｍとされ、凹部４の深さＬ４は２．６ｍｍとされる。固体発光素子２は、平面形状が一辺０．３ｍｍの正方形とされ、高さが０．１ｍｍとされる。

光路変換部７の開口部７ｂとして略円錐形状の開口部７ｂが、凹部４の中央部を中心とする同心円に沿って形成されている。その開口部７ｂのうち固体発光素子２に最も近いところに位置する略円錐形状の開口部７ｂでは、開口径が約１ｍｍ（開口半径０．５ｍｍ）とされ、深さＤ１が約０．５ｍｍとされる。一方、固体発光素子２から最も離れたところに位置する略円錐形状の開口部７ｂでは、開口径が約３ｍｍ（開口半径１．５ｍｍ）とされ、深さＤ２が約１．５ｍｍとされる。

この固体発光素子２に最も近いところに位置する開口部７ｂと最も離れたところに位置する開口部７ｂとの間に、２ｍｍの間隔をもって１５個の開口部７ｂが形成されている。また、導光板本体３ａは平面形状が一辺が６０ｍｍの略正方形（６０ｍｍ×６０ｍｍ）とされ、固体発光素子２から導光板本体３ａの一方の端と他方の端までのそれぞれ長さ３０ｍｍの領域に上述した開口部７ｂが形成されている。

次に、上述した面状発光装置１０の光強度分布について説明する。図３２は、シミュレーションによる光強度の評価結果を比較例（グラフＢ）とともに示すグラフ（グラフＡ）
である。縦軸は光の相対強度を表し、横軸は固体発光素子からの距離（単位ｍｍ）を表す。比較例に係る面状発光装置では、グラフＢに示すように、固体発光素子から３０ｍｍ離れたところでは、その光強度は固体発光素子が位置するところ（原点）の光強度の約１０分の１程度にまで下がっていることがわかる。

これに対して、本面状発光装置１０では、グラフＡに示すように、固体発光素子から３０ｍｍ離れたところの光強度は、固体発光素子が位置するところ（原点）の光強度とほぼ同程度の光強度であることがわかった。この結果より、本面状発光装置１０では全反射をさせる側壁面４ｂを露出した凹部４と、その凹部４によって全反射された光を出射させる光路変換部７を備えた導光板本体３ａを備えることで、一つの固体発光素子２から出射される光を面内により均一に出射させることができることが実証された。

上述した各面状発光装置１０は液晶表示装置のバックライト装置として使用される。ここで、面状発光装置１０が液晶表示装置のバックライト装置として使用される態様について簡単に説明する。その一例として、図３３に示すように、液晶表示装置５０では、液晶表示パネル５１の裏面に光学シート５２を介在させて拡散板５３が装着される。面状発光装置１０はその拡散板５３の後方に所定のスペーサ（図示せず）を介在させて間隔を隔てて配設されることになる。また、他の例として、図３４に示すように、スペーサを介在させることなく面状光源装置１０を液晶表示パネル５１の背面に光学シート５２を介在させて直接配設するようにしてもよい。

実施の形態１１
ここでは、面状発光装置の他の例について説明する。図３５に示すように、この面状発光装置では、凹部４は直線状に延在するように形成されている。その直線状に延在する方向と直交する方向の凹部４の断面形状は、既に説明した各実施の形態において説明した導光板本体３ａに設けた凹部４のいずれかの断面形状と同じ形状とされる。

固体発光素子２は、その凹部４に沿って固体発光素子２から出射される光が全反射される所定の位置に直線状に間隔を隔てて配設されている。また、凹部４の周辺には、光を導光板本体３ａの外へ出射させる光路変換部（図示せず）が形成されている。

上述した面状発光装置では、固体発光素子２を直線状に配設することで、たとえば図２７に示すように、マトリクス状に固体発光素子２が配設された面状発光装置の場合と比べて、固体発光素子２を配設する基板（実装基板）の領域は、直線状に延在する凹部４の直下に位置する領域１４に限られることになる。これにより、固体発光素子２を配設する実装基板の領域を縮小することができて、コストの削減を図ることができる。

また、特に、凹部４の断面形状としては、実施の形態３において説明した極座標に基づく凹部４の断面形状と同じ断面形状とすることで、凹部４の側壁面４ｆと導光板本体３ａの上面５とを滑らかに繋ぐことができて、面状発光装置の輝度ムラや色ムラを減少させることができる。さらに、図３５に示される面状発光装置を複数用意し、図３６に示すように、これを凹部４が直線状に延在する方向と直交する方向に並べてもよい。この面状発光装置の場合には、図３７に示すように、液晶表示装置５０における大型液晶パネル５１のバックライト装置１０として適用することができる。

なお、上述した各実施の形態では、導光板を構成する導光板本体の表面５に形成する凹部として、全反射条件を満たす側壁面を露出する凹部を例に挙げて説明したが、凹部の側壁面としては、より均一な光の出射をするためにすべて全反射条件を満たした面から構成される必要はなく、全反射条件を満たした面を備えていれば全反射条件を満たさずに一部の光を出射させる面を有していてもよい。

また、上述した各実施の形態では、凹部として、その側壁面が円錐の側面、回転放物面の一部、あるいは、極座標に基づく曲線を回転させることによって得られる曲面の一部であるものを例に挙げて説明したが、凹部としてはこのような側壁面を有するものに限られず、全反射条件を満たす面を有していれば、たとえば四角錐や多角錐などの側面を有していてもよい。

さらに、導光板本体３ａの内部を進む光を導光板本体３ａの外へ出射させる光路変換部７として、導光板本体３ａに均一に配設した拡散粒子７ａを例に挙げて説明したが、拡散粒子７ａを配設する領域としてはこれに限られず、より均一な光の出射をするために特定の領域に配設してもよく、たとえば導光板本体３ａの表面５から所定の深さの領域に拡散粒子を配設したり、凹部４の直下の領域を除く領域に拡散粒子を配設するようにしてもよい。また、拡散粒子７ａの大きさや密度を配設する領域に応じて変えてもよい。さらに、光路変換部７として略円錐状の開口部７ｂを例に挙げて説明したが、開口部７ｂとしては、全反射条件を満たさずに光を導光板本体３ａの外へ出射させる面を含んでいれば略円錐状に限られるものではない。

今回開示された実施の形態は例示であってこれに制限されるものではない。本発明は上記で説明した範囲ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の実施の形態１に係る導光板を示す斜視図である。 同実施の形態において、図１に示す断面線ＩＩ−ＩＩにおける断面図である。 同実施の形態において、凹部が形成される領域を説明するための断面図である。 同実施の形態において、凹部の形状と固体発光素子との関係を説明するための第１の断面図である。 同実施の形態において、凹部の形状と固体発光素子との関係を説明するための第２の断面図である。 本発明の実施の形態２に係る導光板を示す斜視図である。 同実施の形態において、図６に示す断面線ＶＩＩ−ＶＩＩにおける断面図である。 同実施の形態において、凹部の形状を説明するための放物線を示す図である。 同実施の形態において、凹部の形状を説明するための回転放物面を示す断面図である。 同実施の形態において、固体発光素子と回転放物面との位置関係を示す第１の断面図である。 同実施の形態において、固体発光素子と回転放物面との位置関係を示す第２の断面図である。 同実施の形態において、固体発光素子から出射した光の光路を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態３に係る導光板の断面図である。 同実施の形態において、凹部の形状を説明するための曲線を示す図である。 本発明の実施の形態４に係る導光板を示す斜視図である。 同実施の形態において、図１５に示す断面線ＸＶＩ−ＸＶＩにおける断面図である。 同実施の形態において、凹部の形状を説明するための部分拡大断面図である。 本発明の実施の形態５に係る面状発光装置を示す断面図である。 同実施の形態において、変形例に係る面状発光装置を示す断面図である。 同実施の形態において、他の変形例に係る面状発光装置を示す断面図である。 同実施の形態において、図２０に示す面状発光装置における光の進み方を示す部分拡大断面図である。 本発明の実施の形態６に係る面状発光装置を示す平面図である。 本発明の実施の形態７に係る面状発光装置を示す断面図である。 同実施の形態において、図２３に示す面状発光装置における光の進み方を示す部分拡大断面図である。 同実施の形態において、変形例に係る面状発光装置を示す断面図である。 同実施の形態において、図２５に示す面状発光装置の部分拡大断面図である。 本発明の実施の形態８に係る面状発光装置を示す斜視図である。 同実施の形態において、変形例に係る面状発光装置を示す部分平面図である。 本発明の実施の形態９に係る面状発光装置を示す断面図である。 同実施の形態において、図２９に示す面状発光装置の部分拡大断面図である。 本発明の実施の形態１０に係る面状発光装置を示す断面図である。 同実施の形態において、図３１に示す面状発光装置による光の強度分布を示すグラフである。 各実施の形態に係る面状発光装置がバックライト装置として液晶表示装置に適用される場合の構成の一例を示す部分断面図である。 各実施の形態に係る面状発光装置がバックライト装置として液晶表示装置に適用される場合の構成の他の例を示す部分断面図である。 本発明の実施の形態１１に係る面状発光装置を示す斜視図である。 同実施の形態において、図３５に示す面状発光装置を複数配設した面状発光装置を示す斜視図である。 同実施の形態において、図３６に示す面状発光装置をバックライト装置として液晶表示装置に適用される場合の構成を示す斜視図である。 従来の液晶ディスプレイを示す分解斜視図である。 従来のバックライト装置の問題点を説明するための部分拡大断面図である。 従来の他のバックライト装置の問題点を説明するための部分拡大断面図である。

符号の説明

１ 基板、２ 固体発光素子、３ 導光板、３ａ 導光板本体、４ 凹部、４ａ〜４ｆ
側壁面、５ 表面、６ 裏面、７ 光路変換部、７ａ 拡散粒子、７ｂ 開口部、８ パッケージ、９ 樹脂、１０ 面状発光装置、３０ 反射シート、５０ 液晶表示装置、５１ 液晶表示パネル、５２ 光学シート、５３ 拡散板。

Claims (19)

1. 液晶表示装置のバックライトに使用される導光板であって、
   所定の発光素子から出射された光が入射する第１面および前記第１面と対向する第２面を有する板状の導光板本体と、
   前記導光板本体の前記第２面に形成された所定の側壁面を有する凹部と
   を備え、
   前記凹部は、前記発光素子から出射して前記第２面の側に向かって前記導光板本体の内部を進む光のうち、前記第２面を経て前記導光板本体の外へ進む光の成分の光路が位置する前記導光板本体の領域の部分に形成され、
   前記凹部の前記側壁面は、前記発光素子の端部から出射して前記凹部の底の部分に入射する光の成分が全反射するとともに、前記端部から出射して前記凹部と前記導光板本体の前記第２面との境界部分に入射する光の成分が全反射する面を備えた、導光板。
2. 前記凹部の前記側壁面は円錐の側面である、請求項１記載の導光板。
3. 前記凹部の前記側壁面は回転放物面の一部である、請求項１記載の導光板。
4. 前記発光素子は前記回転放物面の焦点との関係で所定の位置に配置された、請求項３記載の導光板。
5. 前記凹部の前記側壁面は、指数関数として表される曲線を所定の軸の回りに回転させることにより形成される曲面の一部である、請求項１記載の導光板。
6. 前記指数関数として表される曲線は、
   αを全反射角度−９０度とし、Ｃを定数とすると、曲座標（ｒ、θ）による次の式、
   ｒ＝ｅｘｐ（θ／ｔａｎα＋Ｃ）
   によって得られるｒとθを、次の式、
   Ｘ＝ｒ・ｃｏｓθ
   Ｙ＝ｒ・ｓｉｎθ
   によって直角座標（Ｘ，Ｙ）に変換した曲線である、請求項５記載の導光板。
7. 前記凹部の前記側壁面は、前記発光素子の位置との関係で全反射条件を満たす所定の曲線を所定の軸の回りに回転することによって得られる曲面に沿うように、頂角の異なる複数の円錐の側面の一部をそれぞれ繋ぎ合わせることによって形成された面である、請求項１記載の導光板。
8. 前記凹部の前記側壁面は、前記発光素子におけるあらゆる部分から出射する光を全反射させる面である、請求項１〜７のいずれかに記載の導光板。
9. 主表面を有する基板と、
   前記基板の主表面上に配設された発光素子と、
   前記発光素子を覆うように前記基板の主表面上に配設された導光板と
   を有し、
   前記導光板は、
   互いに対向する第１面および第２面を有する板状の導光板本体と、
   前記導光板本体の前記第２面における、前記発光素子から出射して前記第２面の側に向かって前記導光板本体の内部を進む光のうち前記第２面を経て前記導光板本体の外へ進む光の成分の光路が位置する前記導光板本体の領域の部分に形成され、前記光の成分を前記導光板本体の外へ出射させないように前記光の成分を全反射させる所定の面を含む側壁面を有する凹部と、
   前記凹部の前記側壁面において全反射された前記光の成分を含む前記導光板本体の内部を進む光を前記第２面から外へ向かって出射するよう光路を変換させる光路変換部と
   を備え、
   前記凹部の前記所定の面として、前記発光素子の端部から出射して前記凹部の底の部分に入射する光の成分が全反射するとともに、前記端部から出射して前記凹部と前記導光板本体の前記第２面との境界部分に入射する光の成分が全反射する面を備えた、面状発光装置。
10. 前記光路変換部は拡散粒子を含む、請求項９記載の面状発光装置。
11. 前記拡散粒子は前記導光板本体内に均一に配設された、請求項１０記載の面状発光装置。
12. 前記光路変換部は前記導光板本体を進む光を前記導光板本体の外へ出射する所定の面を露出する開口部を含む、請求項９〜１１のいずれかに記載の面状発光装置。
13. 前記開口部は、前記発光素子を中心として同心円状に複数配設された、請求項１２記載の面状発光装置。
14. 前記開口部は、前記発光素子から遠ざかるにしたがって大きさが大きくなるように複数配設された、請求項１３記載の面状発光装置。
15. 前記基板、前記発光素子および前記導光板を所定の寸法からなる一つの発光モジュールとされた、請求項９〜１４のいずれかに記載の面状発光装置。
16. 前記発光モジュール内では、複数の前記発光素子が列状に配設された、請求項１５記載の面状発光装置。
17. 前記発光モジュールが平面状に複数配設された、請求項１５または１６に記載の面状発光装置。
18. 前記基板の主表面上に配設されて前記発光素子が載置されるパッケージ部と、
    前記パッケージ部に形成され、前記発光素子から出射される光を前記導光板へ向けて反射させるための反射面と、
    前記発光素子を封止するように、前記導光板と前記パッケージとの間に充填された樹脂と
    を備えた、請求項９〜１７のいずれかに記載の面状発光装置。
19. 前記導光板は、前記発光素子と前記導光板との間に空気の層を介在させることなく前記基板上に配設された、請求項１８に記載の面状発光装置。

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