JP4645314B2 - 導光板とそれを用いたエッジライト型面光源および液晶表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、導光板とそれを用いた照明装置および表示装置に係り、更に詳しくは、側部に配置した光源からの光を導光して光射出面より射出する導光板と、前記導光板および前記光源を収めるフレーム（ランプハウス）を備えるエツジライト型面光源、および前記面光源からの射出光を、画素単位での透光／遮光に応じて表示画像を規定する液晶パネルの照明に用いて、画像表示光を生成する液晶表示装置（ＬＣＤ）に関する。

通常、透過型の液晶パネルの背面に用いられる照明光源の一種である、側部に配置した光源からの光を照明光とする、所謂エツジライト型面光源からなるバックライトユニットには、光源からの光を均一にＬＣＤパネルに導くために、透明樹脂からなる導光板が用いられている。

図５に示すように、側部に配置した光源２と導光板１を備える上記バックライトユニット４では、導光板１の端面から導光板１内に入射した光は、導光板１の平面部（同図の上面および下面）での全反射を伴いながら導光板１内を伝搬して、表側の光射出面から射出される。
尚、図５では、光源２として線状の光源を用いた例を示しているが、光源２の形状は線状に限るものではなく、例えば点状であっても良い。
導光板１の光射出面の対向する面には、表側の光射出面から射出するための手段（以後、本願明細書では「カップラー」と称することもある。）として、プリズム，拡散性ドット，回折格子などが設けられ、光射出面の対向する面に当たった光は、図中矢印に示すように導光板１から図中上方側へ向かって射出される。

図５に示すように、このバックライトユニット４の導光板１の上部に透過型のＬＣＤパネル５を配置し、導光板１から図中上方側へと射出した光を透過させることにより、画像表示光とする表示装置７が形成される。

一方、光源２から導光板１内に入射された光は、導光板１のＬＣＤパネル側の面（上面の光射出面）からばかりでなく、光入射面と隣接する面、または光入射面と対向する面からも出てゆく。
導光板１を直方体と仮定した場合、導光板１には、近傍に光源が配置される光入射面（端面１）と、光入射面に対向する端面２と、光入射面と隣接する側端面３，４と、光射出面５と、光射出面に対向する裏側の面６の、全６面を備えることになる。
入射光の全てが光射出面５から射出されることが、光の利用効率上は好ましいが、実際には、側端面３，４や裏側の面６から、バックライトユニット４外に漏れる成分が存在し、これらはＬＣＤ照射光量における損失であり、照明効率を悪化させる一因となっている。

従来の表示装置において導光板１は、フレーム６においての位置決めをするため、図５に示すように、導光板１の端面から側方に突出する長方形の突起３を突設し、他方、導光板１の各突起に対応する部位のフレーム６に突起３が嵌合しうる凹部を形成していた。

そして、前記フレームの各凹部に前記導光板 の各突部を嵌合して導光板１をフレーム６により支持していた側面を囲む白色のフレーム６に収められている。これにより、上記のような導光板１から出た光は再び導光板内に戻される。

尚、図５に示すような導光板に係る公知例としては、下記特許文献１が例示される。

特開２００２−８４２６号公報

しかし、尚も端面からの光の漏れは多く、照明効率を悪化させる一因である。
さらには、照明装置を正面から見た場合には、端部の輝度低下に基づく輝度むらの原因となっている。
本発明は、上記の光の漏れを最小限に抑えることにより、照明効率が向上され、さらに照明装置端部における輝度むらを抑制された導光板（およびそれを用いたエッジライト型面光源および液晶表示装置）を提供することを目的とする。

本発明による導光板は、
透光性材料からなり、少なくともその一端面に設けられた点状または線状の光源からの入射光を導光して、表側の光射出面から射出する導光板において、
光入射面である一端面に対向する導光板端面，光入射面と隣接する導光板側端面の少なくとも何れかが、光射出面に対向する裏側の面となす角度が90°より大きいことを特徴とする。

本発明による導光板の好適な形状に基づく光学特性は、
光入射面である一端面を除く端面に到達する光線のうち、
光射出面または光射出面に対向する面についての法線に対する入射角度＝入射角θ₁
光入射面を除く端面についての法線に対する反射角度＝反射角θ₂
光射出面に対向する面と光入射面を除く端面の成す角度＝傾斜角度θ₃
とし、
入射角θ₁は、光射出面または光射出面に対向する面についての法線への入射角度分布により、入射する光線が最も多く採る角度に設定され、
反射角θ₂は、導光板を構成する透光性材料の屈折率nにより決まる全反射の臨界角αを超えるように決定し、
α＝sin^-1（１／ｎ）
θ₂＞sin^-1（１／ｎ）
とした場合、
入射角θ₁と反射角θ₂により、傾斜角度θ₃が
θ₃=θ₁＋θ₂
なる式で設定されることが好ましい。（図２参照）

本発明によれば、導光板端面を傾斜させることにより、導光板端面からの光の漏れを最小限に抑え、端面に到達した光を効果的に光射出面へ向かわせることが可能となり、照明効率が向上され、さらに照明装置端部における輝度むらが抑制された導光板が得られる。
また、導光板および光源をフレームに収めてエッジライト型面光源を構成する場合に、突起を設けなくとも、フレーム内での位置決めが可能な導光板を提供できる。

以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。
図１は、図５のバックライトユニット４のうち、光源２と導光板１を取り出して示す説明図（斜視図）である。
導光板１は、アクリル，ポリスチレン，ポリカーボネイト，塩化ビニール，メタクリル樹脂等の透明樹脂板、または透明ガラス板等から成る。

図２は、図１における導光板１を、光入射面（光源）側から見た場合の一部を示す説明図である。
この場合は、同図の上辺（面１ａ）が光射出面にあたり、面１ｂが導光板側端面の一方であり、同図の下辺（面１ｃ）が光射出面に対向する背面にあたり、紙面が光入射面にあたる。

また、図２は、図１における導光板１を、導光板側端面側から見た場合の一部を示す説明図にも該当する。
この場合は、同図の上辺（面１ａ）が光射出面にあたり、面１ｂが光入射面（あるいは、それに対向する面、の何れか）であり、同図の下辺（面１ｃ）が光射出面に対向する背面にあたり、紙面が導光板側端面にあたる。

図２において、法線Ｎ１は、導光板１における光射出面１ａまたは光射出面と対向する面１ｃについての法線である。
法線Ｎ２は、光入射面を除いた端面または側端面に該当する面１ｂについての法線である。
入射角θ₁は、端面または側端面１ｂに入射する光線Ｌ_x（Ｌ_y）における法線Ｎ１に対する角度である。
反射角θ₂は、端面または側端面１ｂに入射する光線Ｌ_x（Ｌ_y）における法線Ｎ２に対する角度である。
傾斜角度θ₃は、光射出面と対向する面１ｃと端面または側端面１ｂの成す角度である。
傾斜角度θ₃は、入射角θ₁と反射角θ₂により設定される。

ここで、図３に示した平面図（導光板１を、１ａまたは１ｃ側から見た場合）に示すように、光入射面と平行方向をｘ軸，垂直方向をｙ軸とした時、導光板内を進行する光線Ｌは、ｘ軸に対して仰角φをとる。
そして、光線Ｌのｘ方向成分をＬ_x，ｙ方向成分をＬ_yとすると、図２における端面１ｂbに入射する光線は、光入射面に隣接する端面においてはＬ_x，光入射面に対向する面においてはＬ_yがあてはまる。

入射角θ₁は、図４に示した入射角度分布により、法線Ｎ１に対して入射する光線が最も多く採る角度に設定する。

反射角θ₂が導光板の屈折率ｎにより決まる全反射の臨界角αを超えるように、傾斜角度θ₃を設定する。ここで、αは
α＝sin^-1（１／ｎ）
であり、即ち反射角θ₂は
θ₂＞ sin^-1（１／ｎ）
となる。

上述のように入射角θ₁と反射角θ₂を規定することにより、設定する傾斜角度θ₃は以下のように決定される。
θ₃＝θ₁＋θ₂

なお、導光板１の材質としてガラスを用い、上述の入射角θ₁を９０°としたとき、ガラスの屈折率は１．５であるので、全反射の臨界角αは
α＝sin^-1（１／１．５）＝４１．８°
であり、上述の屈折角θ₂＝４１．８°とすると、上述の傾斜角θ₃は、
θ₃=＝９０°＋４１．８°＝１３１．８°
と設定される。

また、真空成膜によって光射出面に対向する面に反射性薄膜付与を行う場合、光入射面を除く端面はターゲットまたは蒸着源に向かって傾斜しているので、光入射面を除く端面にも同時に反射性薄膜付与することができる。

真空成膜によって反射性薄膜付与する場合、可視領域での光線反射率の良好な銀合金のターゲットまたは蒸着源とすることが好ましい。

また、光射出面の対向する面にプリズム、拡散性ドットまたは回折格子を付与する場合、光入射面を除く端面にもパターンを付与してもよい。これにより、端面からの反射光も拡散されることにより光射出面から均一な射出光が得られる。

また、図６に示すように、フレーム６の導光板支持部は導光板１を嵌め込みやすい形状となっている。
そのため、導光板支持部粘着性シートを容易に付与でき、位置決めのための凸部・凹部を設ける必要がない。

導光板１としての透明樹脂板は、射出成形により携帯電話のディスプレイサイズに成形されている。
材料としては、ポリカーボネイト（三菱エンプラ製）を用いた。
光射出面に対向する面１ｃおよび／または光入射面を除く端面・側端面には、回折格子パターンが転写などにより形成されている。
面１ｃに形成される回折格子はカップラーとして作用し、その他の端面・側端面に形成される回折格子は導光板内部での入射光の伝搬経路を制御する。

さらに、光射出面１ａに対向する背面１ｃ、光入射面に隣接する側端面、光入射面に対向する端面には、スパッタによって銀合金の反射性薄膜を付与した。
反射性薄膜は、一度の成膜で前記の各々の面に同時に付与されている。

光源としては、ＬＥＤ（発光ダイオード）を用い、ＬＣＤパネル，バックライトユニット，フレームを、図６に示すように組み合わせて表示装置７とした。

本発明による導光板の一例を示す斜視説明図。 図１の要部（光学特性）を示す断面図。 図１の平面説明図。 図２における入射角θ₁に係る特性（入射角度分布）を示すグラフ。 従来例を示す斜視説明図。 本発明の実施形態に係る表示装置を示す斜視説明図。

符号の説明

１ 導光板
１ａ 光射出面
１ｂ 光入射面に隣接する端面または光入射面に対向する側端面
１ｃ 光射出面に対向する背面
２ 光源
３ 位置決めのための突起
４ バックライトユニット
５ ＬＣＤパネル
６ フレーム
７ 表示装置

Claims (3)

1. 透光性材料からなり、少なくともその一端面に設けられた点状または線状の光源からの入射光を導光して、表側の光射出面から射出する導光板において、
   光入射面である一端面に対向する導光板端面，光入射面と隣接する導光板側端面の少なくとも何れかが、光射出面に対向する裏側の面となす角度が90°より大きく、
   かつ、前記光入射面には隣接する端面及び光入射面に対向する側端面には導光板内部での前記入射光を拡散させる回折格子パターンが形成され、前記光射出面に対向する背面には回折格子パターンが形成されることを特徴とする導光板。
2. 請求項1に記載の導光板と、
   前記導光板の一側端面に設けられた点状または線状の光源と、
   前記導光板および前記光源を収めると共に、前記導光板の裏面にあたる箇所に光反射層が配置されたフレームとを備えるエッジライト型面光源。
3. 画素単位での透光／遮光に応じて表示画像を規定する液晶パネルと、
   請求項２に記載のエッジライト型面光源とを少なくとも備えることを特徴とする液晶表示装置。