JP4906831B2 - 面状照明装置 - Google Patents
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Description
そのため、タンデム方式のバックライトユニットの薄型化には限界があった。
本発明は、かかる実情に鑑みてなされたものであり、薄型な形状であり、かつ、均一で輝度むらが少ない照明光を出射することができる面状照明装置を提供することを目的とする。
ρ(x,y)=c{F(x,y)−F min }/(F max −F min )
(式中、cは、0.5≦c≦1を満たし、F min は、相対輝度F(x,y)の最小輝度である)
を満足することが好ましい。
また、前記透過率調整体は、フィルム状の透明部材の表面に配置されることが好ましい。
さらに、前記透過率調整体は、FMスクリーニングによって前記透明部材の表面に配置されることが好ましい。
また、前記透明部材は、透明フィルム、導光板、拡散フィルムまたはプリズムシートであることが好ましい。
また、前記透過率調整体は、網点パターンで配置されることが好ましい。
また、前記透過率調整体は、所定領域全面に配置した場合の透過率が10%以上50%以下であることが好ましい。
また、前記透過率調整体は、寸法が500μm以下であり、所定のパターン密度分布で配置されていることが好ましい。
さらに、前記透過率調整体の光出面側に、光学部材が配置されていることが好ましい。
また、前記導光板の前記光射出面は、外形が矩形状であるのが好ましい。
また、前記導光板の前記光射出面が平坦に形成されており、前記導光板は、前記光射出面の反対側に、前記光射出面の前記一辺に平行な前記光射出面の2等分線に対し、互いに対称に傾斜して形成された第1傾斜面と第2傾斜面を有するのが好ましく、更に、所定の偏光成分を選択的に透過させ、それ以外の偏光成分を反射させる偏光分離フィルムが前記導光板の前記光射出面上に、前記導光板と一体に形成されているのが好ましい。
さらに、前記第1光源及び前記第2光源は共に、前記LEDアレイを2つ以上有し、機械的接合方法及び化学的接合方法の少なくとも一方を用い、前記LEDアレイの前記LEDチップと他の前記LEDアレイの前記LEDチップとの間隔を所定距離離間させて積層させた構成を有することも好ましい。
また、前記導光板を2つ以上有し、前記導光板の前記光射出面の一辺と前記光入射面の一辺を含む面と、他の前記導光板の前記光射出面の一辺と前記入射面の一辺を含む面とが隣接して配置されているのが好ましい。
また、前記導光板の前記第1傾斜面及び前記第2傾斜面側に、複数の拡散反射体が配置されているのが好ましい。
さらに、前記拡散反射体は、前記第1傾斜面及び前記第2傾斜面に配置されているのが好ましい。
あるいは、前記導光板の前記第1傾斜面及び前記第2傾斜面に対向して配置される反射シートを有し、前記拡散反射体は、前記導光板と前記反射シートとの間に配置されたフィルム状の透明部材に配置されているのが好ましい。
また、前記拡散反射体は、前記第1光入射面および前記第2光入射面から離れるに従って、密に配置されているのが好ましい。
さらに、前記導光板の、前記第1光入射面近傍の前記光射出面、前記第1光入射面近傍の前記第1傾斜面、前記第2光入射面近傍の前記光射出面、及び前記第2光入射面近傍の前記第2傾斜面にそれぞれ配置された反射素材を有するのが好ましい。
また、前記導光板は、その内部に、前記第1及び第2光入射面から入射して内部を伝搬する光を散乱し、かつ下記式(1)を満たす散乱粒子を含むのが好ましい。
1.1≦Φ・Np・LG・KC≦8.2 ・・・(1)
(ただし、散乱粒子の散乱断面積をΦ、前記導光板の光の入射方向の半分の長さをLG、散乱粒子の密度をNp、補正係数をKCとし、KCを0.005以上0.1以下とする)
また、前記第1光源及び第2光源は共に、赤色発光ダイオード、緑色発光ダイオード及び青色発光ダイオードが前記複数本のプラスチック光ファイバのそれぞれに対応するように並んで配置されたLEDアレイと、前記赤色発光ダイオード、前記緑色発光ダイオード及び前記青色発光ダイオードの光射出側に対応してそれぞれ配置される複数のレンズとを用いて構成されるのが好ましい。
また、前記プラスチック光ファイバは、両方の端面から入射して内部を伝搬する光を散乱し、かつ下記式(1)を満たす散乱粒子を含むのが好ましい。
1.1≦Φ・Np・LG・KC≦8.2 ・・・(1)
(但し、散乱粒子の散乱断面積をΦ、前記プラスチック光ファイバの半分の長さをLG、散乱粒子の密度をNp、補正係数をKCとし、KCを0.005以上0.1以下とする)
また、本発明の第2の態様の面状照明装置は、所定間隔離れて配置される第1光源及び第2光源の間に、互いに密接して積層されて配置された複数本のプラスチック光ファイバを用いて構成され、且つ、導光部材の光射出面側には、それに対応して透過率調整体が配置されており、好ましくは、内部を伝搬する光を散乱する散乱粒子を含む導光部材を備えており、プラスチック光ファイバの一方の端面に対向して第1光源が配置され、他方の端面に対向して第2光源が配置された構成であるので、薄型化を実現することができるとともに、均一で且つむらが少ない面状の照明光を出射することができる。
図1Aは、本発明の第1の実施形態に係る面状照明装置を備える液晶表示装置の概略を示す斜視図であり、図1Bは液晶表示装置の概略断面図である。また、図2Aは、本発明に係る面状照明装置(以下、バックライトユニットという)に用いられる導光板と光源の概略平面図であり、図2Bは、導光板の概略断面図である。
液晶表示装置10は、バックライトユニット2と、そのバックライトユニット2の光射出面側に配置される液晶表示パネル4と、液晶表示パネル4を駆動する駆動ユニット6とを有して構成される。
駆動ユニット6は、液晶表示パネル4内の透明電極に電圧をかけ、液晶分子の向きを変えて液晶表示パネル4を透過する光の透過率を制御する。
2つの光源12は、図1Bに示されるように、それらの間に導光板18が挟まれるように配置される。光源12は、LEDアレイ24とカップリングレンズ40を備える。LEDアレイ24は、赤色、緑色及び青色の3種類の発光ダイオード(以下、それぞれR−LED32、G−LED34及びB−LED36という)を用いて形成される複数のRGB−LED30が一列に配置されて構成されている。図3に、複数のRGB−LED30の配置の様子を模式的に示す。図3に示すように、R−LED32、G−LED34及びB−LED36が規則的に配置されている。
また、図4に示すように、RGB−LED30は、R−LED32、G−LED34及びB−LED36からそれぞれ出射する光が所定の位置において交差するように、3種類のLED(R−LED32、G−LED34及びB−LED36)の光軸の向きが調整されている。このように3種類のLEDを調整することによって、それらLEDの光が混色されて白色光とされる。
3原色のLED(R−LED32、G−LED34及びB−LED36)を用いて構成されたRGB−LED30は、従来バックライト用光源として使用される冷陰極管(CCFL)と比較して色再現領域が広く色純度が高いため、このRGB−LED30をバックライト用光源として使用した場合には、従来よりも色再現性が高くなり、鮮やかな色彩の画像を表示することが可能になる。
ここでは、カップリングレンズとしてボールレンズを用いたが、これに限らず、LEDが発する光を平行光にすることができれば特に限定されない。カップリングレンズには、例えば、シリンドリカルレンズ、レンチキュラ、かまぼこ型のレンズ、フレネルレンズなどを用いることもできる。
導光板18は、図2Aに示すように、略矩形形状の平坦な光射出面18aと、光射出面18aの反対側に位置し、光射出面18aの一辺に平行で、光射出面18aを2等分する2等分線Xに対して互いに対称で、光射出面18aに対して所定の角度で傾斜する2つの傾斜面(第1傾斜面18bと第2傾斜面18c)と、2つのLEDアレイ24に対向し、それらLEDアレイ24からの光が入射される2つの光入射面(第1光入射面18dと第2光入射面18e)とを有している。第1傾斜面18b及び第2傾斜面18cは、2等分線Xを境にして、光射出面18aに対し傾斜している。導光板18は、第1光入射面18d及び第2光入射面18eから中央に向かうに従って厚さが厚くなっており、中央部が最も厚く、両端部が最も薄くなっている。
つまり、導光板18は、略板状形状であり、光射出面18aが板の正面(面積の大きい面)、第1光入射面18d及び第2光入射面18eが板の側面(厚み方向の細長い面)、第1傾斜面18b及び第2傾斜面18cが板の裏面となる。
光射出面18aに対する第1傾斜面18b及び第2傾斜面18cの角度は特に限定されない。
また、第1傾斜面18b及び第2傾斜面18cには、光入射面18d及び18eと平行な方向にプリズム列が形成されている。このようなプリズム列の代わりに、プリズムに類する光学素子を規則的に形成することもできる。例えば、レンチキュラーレンズ、凹レンズ、凸レンズ、ピラミッド型など、レンズ効果を有する光学素子を導光板の傾斜面に形成することもできる。
このような導光板18は、押出成形法や射出成形法を用いて製造することができる。
T=I/I0=exp(−ρ・x)・・・(1)
ここで、xは距離、I0は入射光強度、Iは出射光強度、ρは減衰定数である。
ρ=Φ・Np・・・(2)
したがって、導光板の光軸方向の半分の長さをLGとすると、光の取り出し効率Eoutは、下記式(3)で与えられる。ここで、導光板の光軸方向の半分の長さLGは、導光板18の光入射面に垂直な方向における導光板18の一方の光入射面から導光板18の中心までの長さとなる。
また、光の取り出し効率とは、入射光に対する、導光板の光入射面から光軸方向に長さLG離間した位置に到達する光の割合であり、例えば、図2に示す導光板18の場合は、端面に入射する光に対する導光板の中心(導光板の光軸方向の半分の長さとなる位置)に到達する光の割合である。
Eout∝exp(−Φ・Np・LG)・・・(3)
Eout=exp(−Φ・Np・LG・KC)・・・(4)
この結果より、Φ・Np・LG・KCの値が大きくなると、光の取り出し効率Eoutが低くなることが分かる。光は導光板の光軸方向へ進むにつれて散乱するため、光の取り出し効率Eoutが低くなると考えられる。
ここで、Φ・Np・LG・KCの値を、大きくすると、導光板18の光射出面18aから出射する光の照度むらが顕著になるが、Φ・Np・LG・KCの値を、8.2以下とすることで、照度むらを一定以下(許容範囲内)に抑えることができる。なお、照度と輝度は略同様に扱うことができる。従って、本発明においては、輝度と照度とは、同様の傾向があると推測される。
以上より、本発明の導光板のΦ・Np・LG・KCの値は、1.1以上かつ8.2以下であるという関係を満たすのが好ましく、2.0以上かつ7.0以下であることがより好ましい。また、Φ・Np・LG・KCの値は、3.0以上であればさらに好ましく、4.7以上であれば最も好ましい。
また、補正係数KCは、0.005以上0.1以下であるのが好ましい。
まず、散乱断面積Φ、粒子密度Np、導光板の光軸方向の半分の長さLG、補正係数KCを種々の値とし、Φ・Np・LG・KCの値が異なる各導光板について、計算機シミュレーションにより光利用効率を求め、さらに、照度むらの評価を行った。ここで、照度むら[%]は、導光板の光射出面から射出される光の最大照度をIMaxとし、最小照度をIMinとし、平均照度をIAveとしたときの[(IMax−IMin)/IAve]×100とした。
測定した結果を下記表1に示す。また、表1の判定は、光利用効率が50%以上かつ照度むらが150%以下の場合を○、光利用効率が50%より小さいまたは照度むらが150%より大きいの場合を×として示す。
また、図5に、Φ・Np・LG・KCの値と光利用効率(光入射面に入射する光に対して光射出面から射出される光の割合)との関係を測定した結果を示す。
また、Kcを0.005以上とすることで、光利用効率を高くすることができ、0.1以下とすることで、導光板からの射出される光の照度むらを小さくすることができることがわかる。
このようにして種々の粒子密度の導光板について、それぞれ光射出面から射出される光の照度分布を測定した結果を図6に示す。図6は、縦軸を照度[lx]とし、横軸を導光板の一方の光入射面からの距離(導光長)[mm]とした。
図7に、算出した照度むらと粒子密度との関係を示す。図7では、縦軸を照度むら[%]とし、横軸を粒子密度[個/m3]とした。また、図7には、横軸を同様に粒子密度とし、縦軸を光利用効率[%]とした、光利用効率と粒子密度との関係も併せて示す。
ここで、Φ・Np・LG・KCを1.1以上8.2以下とすることで、光利用効率を50%以上とし、かつ、照度むらを150%以下とすることができる。照度むらを150%以下とすることで、照度むらを目立たなくすることができる。
つまり、Φ・Np・LG・KCを1.1以上8.2以下とすることで、光利用効率を一定以上とし、かつ照度むらも低減することができることがわかる。
光入射面となる第1光入射面18d、第2光入射面18eの表面粗さRaを380nmよりも小さくすることで、導光板表面の拡散反射を無視すること、つまり、導光板表面での拡散反射を防止することができ、入射効率を向上させることができる。
また、光射出面18aの表面粗さRaを380nmよりも小さくすることで、導光板表面の拡散反射透過を無視すること、つまり導光板表面での拡散反射透過を防止することができ、全反射により奥まで光を伝えることができる。
さらに、光反射面となる第1傾斜面18b、第2傾斜面18cの表面粗さRaを380nmよりも小さくすることで、拡散反射を無視すること、つまり光反射面での拡散反射を防止でき、全反射成分をより奥まで伝えることができる。
D1<D2 かつ、
27/100000<(D2−D1)/(L/2)<5/100 (A)
導光板の重量に対する混入された散乱粒子の重量の割合:Npaの範囲が
0.04%Wt<Npa<0.25%Wt
の関係を満たすのが好ましい。上記関係を満足する形状とすることで出射効率を30%以上に向上させることができる。
または、導光板は、
D1<D2 かつ、
66/100000<(D2−D1)/(L/2)<26/1000 (B)
導光板の重量に対する混入された散乱粒子の重量の割合:Npaの範囲が
0.04%Wt<Npa<0.25%Wt
の関係を満たすように改良することも好ましい。上記関係を満足する形状とすることで出射効率を40%以上に向上させることができる。
さらに、導光板は、
D1<D2 かつ、
1/1000<(D2−D1)/(L/2)<26/1000 (C)
導光板の重量に対する混入された散乱粒子の重量の割合:Npaの範囲が
0.04%Wt<Npa<0.25%Wt
の関係を満たすように改良することがさらに好ましい。上記関係を満足する形状とすることで、出射効率を50%以上に向上させることができる。
図8に示した測定結果からも、導光板の形状を27/100000<(D2−D1)/(L/2)<5/100とすることで、光利用効率を30%以上とすることができ、66/100000<(D2−D1)/(L/2)<26/1000とすることで、光利用効率を40%以上とすることができ、1/1000<(D2−D1)/(L/2)<26/1000とすることで、光利用効率を50%以上とすることができることがわかる。
図9A〜図9Dは、それぞれ導光板の他の一例を示す概略断面図である。また、図10Aは、導光板の他の一例を示す概略断面図であり、図10Bは、図10Aに示す導光板の傾斜面同士の接続部周辺を拡大して示す概略断面図である。
図9Aに示す導光板202は、第1傾斜面204が、光入射面18d側の第1傾斜部206と、導光板中心側の第2傾斜部208とで構成されている。第1傾斜部206と第2傾斜部208とは、光射出面に対する傾斜角が互いに異なる角度で傾斜し、第1傾斜部206の傾斜角よりも第2傾斜部208の傾斜角の方が角度が小さい。つまり、第1傾斜面は、導光板中心に向かうに従って傾斜角が緩やかになる傾斜部で形成されている。
また、第2傾斜面204’は、第1傾斜面204と対称な形状であり、第2光入射面18e側の第1傾斜部206’と導光板中心側で第1傾斜部206’よりも傾斜角が緩やかな第2傾斜部208’とで構成されている。
このように、傾斜面の断面形状を、傾斜角の異なる複数の直線で構成される形状とし、中心側の傾斜部の傾斜角よりも光入射面側の傾斜部の傾斜角の方が大きくなる形状とすることで、光射出面の光入射面近傍部分から射出される光の輝度が高くなることを防止できる。これにより、より均一な光を光射出面から射出させることができる。
また、図9Aでは、傾斜面を2つの傾斜部で構成したが、傾斜面を構成する傾斜部の数は特に限定されず、導光板の中心に向かうに従って傾斜角が徐々に緩やかになるように配置した任意の数の傾斜部で構成することができる。
例えば、図9Bに示すように、導光板210の第1傾斜面212(第2傾斜面212’)を第1光入射面18d(第2光入射面18e)側から導光板中心に向かって、第1傾斜部214(214’)と、第1傾斜部214(214’)よりも傾斜角が緩やかな第2傾斜部216(216’)と、第2傾斜部216(216’)よりも傾斜角が緩やかな第3傾斜部218(218’)の3つの傾斜部で構成してもよい。
このように、導光板の傾斜面の光入射面との接続部に曲面部を設けR形状とし、光入射面と傾斜面とを滑らかに接続された形状とすることによっても、光射出面の光入射面近傍部分から射出する光の輝度が高くなることを防止できる。
このように傾斜面を非球面形状とすることによっても、光射出面の光入射面近傍部分から射出する光の輝度が高くなることを防止できる。
また、光の入射方向における接続部60fのR形状の端部から端部までの長さをLRとし、光射出面60aに平行な面と第1傾斜面60b(または、第2傾斜面60c)とでなす角をθとしたとき、2R1・sin(θ)≦LRを満たすのが好ましい。
LRを2R1・sin(θ)以上とすることで、中央部の輝度の低下を抑制することができ、光射出面からより均一な光を射出させることができる。
また、導光板は、3L≦R1≦500L、かつ、2R1・sin(θ)≦LR≦0.98Lを満たす形状であることがより好ましい。
このように、透明材料と可塑剤とを混合した材料で導光板を作製することで、導光板をフレキシブルにすること、つまり、柔軟性のある導光板とすることができ、導光板を種々の形状に変形させることが可能となる。従って、導光板の表面を種々の曲面に形成することができる。
これにより、例えば、導光板、または、この導光板を用いた面状照明装置を電飾(イルミネーション)関係の表示板として用いる場合に、曲率を持つ壁にも装着することが可能となり、導光板をより多くの種類、より広い使用範囲の電飾やPOP(POP広告)等に利用することができる。
本実施形態においては、好ましい形態として、導光板18の光射出側の面である光射出面18aの上に偏光分離フィルム16が導光板18と一体化して形成されている。偏光分離フィルム16は、導光板の光射出面から出射する光のうち、所定の偏光成分、例えば、p偏光成分を選択的に透過させ、それ以外の偏光成分、例えば、s偏光成分の殆どを反射させることができる。偏光分離フィルム16は、反射した光を導光板に再度入射させて、再利用することができるので、光の利用効率を高め、輝度を格段に向上させることができる。
偏光分離フィルム16は、例えば、透明樹脂に針状粒子を混錬して分散させて得られた板材を延伸させて、針状粒子を所定の方向に配向させることによって得られる。
偏光分離フィルム16は、導光板18の製造時に圧着又は融着させて一体化させるのが好ましい。これにより、導光板18の光射出面18aと偏光分離フィルム16との間に空気を介在させることなく、互いを密着させることができる。
ここでは、偏光分離フィルム16を導光板18と一体で形成したが、本発明はこれに限定されず、偏光分離フィルム16と導光板18とをそれぞれ独立に製造し、導光板18の光射出側の面に偏光分離フィルム16を貼り付けて設けても良い。
また、図示例では、偏光分離フィルム16を導光板18の光射出面の直上に設けたが、これに限定されず、拡散フィルムの上に設けることもできる。この場合、偏光分離フィルムを拡散フィルムと一体にしてもよい。
例えば、特開平6−331824号公報に記載されているような、少なくとも1偏波面に対しては、導光板の光射出面に導光板の屈折率よりも高い屈折率を有し、この偏波面に直交する偏波面に対しては導光板の平均屈折率より低い屈折率を有する複屈折性材料を用いることもできる。
また、特開平11−281975号公報に記載されているような、延伸フィルムを用いることもできる。ここで、延伸フィルムを用いる場合は、特開平11−281975号公報に記載されているように、粘着剤層あるいは接着剤層を介して、導光板の片面に貼付するのが好ましい。
また、特開平7−49496号公報に記載されているような、相対的に屈折率の大きな透明性媒質と相対的に屈折率の小さな透明性媒質とを交互に積層してなる多層構造体や、面状透明性支持体の少なくとも片方の面に、好ましくは1000nm以下の厚みを有する誘電体膜が少なくとも一層以上成膜されているもの、もしくは屈折率の異なる複数種類の透明複数種類の透明性ポリマーが積層されたものを用いることもできる。
また、特開平7−72475号公報に記載されているような、断面略W字状の透明支持体に可視光波長と同等以下の厚みを有する誘電薄膜を少なくとも一層以上設けたものからなり、所定の入射方向の近傍の光線についてp偏光成分を透過し、s偏光成分の少なくとも一部を反射する偏光分離器を用いることもできる。
また、特開2004−78234号公報に記載されているような、並んで配列された本質的に直角の2等辺の係数のプリズムの直線的な配列からなる構造化表面を有し、この構造表面と反対の平滑な表面への接面に関して略45°の角度を形成する垂直な係数の面を有する第1の材料と、本質的に第1の材料と同じ第2の材料と、少なくとも1つの材料の構造化平面上にあり、選択された光学的な厚さの高屈折率材料及び低屈折率材料の交互に重なる層からなる少なくとも1つの光学的な堆積とからなり、第1及び第2の材料は、全て光学的に接合され、単一ユニットを形成し、この単一ユニットにおいて、第1及び第2の材料の屈折率及び上記光学的堆積の複数の層の上記屈折率及び光学的厚さは、偏光された光の選択的な反射を生成するように全て選ばれて、上記光学的な堆積の一部の内部において、混合された偏光の入射光線が、s−偏光成分及びp−偏光成分に分離され、上記s−偏光成分は、上記光学的な堆積の他の部分で反射され、その部分で入射光線に平行に反射されるが、入射光と逆の方向に進み、上記p−偏光成分は、入射光線に対して平行に透過する再帰反射偏光子を用いることもできる。
また、特開昭61−262705号公報に記載されているような、A型の凸条とV型の溝を交互に設け三角波形面を形成した透明な材料の上に偏光フィルタ機能や位相差板機能を有する誘電体多層膜を設けた偏光素子を用いることもできる。
また、米国特許第3610729号明細書に記載されているような、複屈折性を備える材料を種々の波長の1/4となる厚みの層にして連続的に積層させた偏光フィルムを用いることもできる。
また、米国特許第5867316号明細書に記載されているような、複屈折性を備える連続相と連続相の内部に少量の分散相とを有するポリマーにより形成された光学フィルムを用いることもできる。
また、特開2003−295183号公報に記載されているような、表面プラズモンを利用した金属薄膜を低屈折率透明媒質でサンドイッチした構成の偏光分離膜を用いることもできる。
さらに、入射面に平行なP偏光成分のみを透過し、入射面に垂直なS偏光成分を反射する表面プラズモンを利用した偏光分離膜の配置に加え、光の偏光方向を変更する、例えば直交する偏光成分の間に光学的な厚さにおいてλ/4の差を生じる僅かな複屈折性を有するλ/4位相フィルムや拡散フィルムなどの偏光方向変更膜を導光板と一体にして構成することにより、輝度をより向上させることができる。
また、特開2001−343612号公報に記載されているような直線偏光の振動方向によりヘイズの値が異なるヘイズ異方性層を用いることもできる。この場合は、さらに、導光板の光射出面と反対面に第一位相差板を貼付し、かつ導光板と反射板との間に第2位相差板を設置するのが好ましい。
また、特開平9−274108号公報に記載されているような、透明な高分子フィルムの中にこれと異なる材料からなる微小領域が一様に分散され、高分子フィルムと微小領域とは直交する直線偏光の一方に対する屈折率がほぼ同じで、該直線偏光の他方に対する屈折率が異なる偏光素子を用いることができる。
また、偏光分離フィルム16の代わりに、特開平9−134607号公報に記載されているように、導光板と反射部材(反射板)との間に、実質的に導光板の屈折率以上の第1の屈折率及び導光板の屈折率よりも小さな第2の屈折率を有し、第1の偏光状態の略全てを、第1の偏光状態に直交する第2の偏光状態から分離する異方性層を配置することでも輝度を向上させることができる。
また、特開2004−363062号公報に記載されているように、導光板の傾斜背面に、微細突起からなり、偏光分離機能を有する粗面パターンを形成することでも、輝度を向上させることができる。
また、特表平10−508151号公報に記載されているように、光導波路(導光板)に、光導波路の材料と異なる材料が充填された凹部を設け、この2つの材料の一方を屈折率がnpである等方性材料とし、他方の材料を屈折率がnoとneである異方性材料とする。ここで、屈折率に関しては、noまたはneがnpに等しいかまたは事実上等しくする。これにより、等方性材料と異方性材料間の境界面で偏光を分離させることができ、光源で照射された光の大部分を光導波路より出る前に同じ偏光方向を有する光に変えることができる。このように、特表平10−508151号公報に記載されている構成を本発明に適用することによっても輝度を向上させることができる。
また、特開平9−292530号公報に記載されているように、導光板を導光機能を有する2層以上の層で構成し、第1の層または第2の層の少なくとも一方の層を複屈折性を有する材料とし、第1の層と第2の層との間に界面を設け、界面で光が散乱または屈折または回折した光を導光板の表面から出射させることによっても輝度を向上させることができる。
反射シート22は、導光板18の傾斜面18c、18dから漏洩する光を反射して、再び導光板18に入射させるものであり、光の利用効率を向上させることができる。反射シート22は、導光板18の傾斜面18c及び18dをそれぞれ覆うように中央部で折り曲げられて形成される。
反射シート22は、導光板18の傾斜面18c、18dから漏洩する光を反射することができるものであれば、どのような材料で形成されてもよく、例えば、PETやPP(ポリプロピレン)等にフィラーを混練後延伸することによりボイドを形成して反射率を高めた樹脂シート、透明もしくは白色の樹脂シート表面にアルミ蒸着などで鏡面を形成したシート、アルミ等の金属箔もしくは金属箔を担持した樹脂シート、あるいは表面に十分な反射性を有する金属薄板により形成することができる。
拡散フィルム14は、図1に示されるように、偏光分離フィルム16と液晶パネル4との間に配置される。拡散フィルム14は、フィルム状部材に光拡散性を付与して形成される。フィルム状部材は、例えば、PET(ポリエチレンテレフタレート)、PP(ポリプロピレン)、PC(ポリカーボネート)、PMMA(ポリメチルメタクリレート)、ベンジルメタクリレート、MS樹脂、あるいはCOP(シクロオレフィンポリマー)のような光学的に透明な樹脂を材料に形成することができる。
拡散フィルム14の製造方法は特に限定されないが、例えばフィルム状部材の表面に微細凹凸加工や研磨による表面粗化を施して拡散性を付与したり、表面に光を散乱させるシリカ、酸化チタン、酸化亜鉛等の顔料や、樹脂、ガラス、ジルコニア等のビーズ類をバインダとともに塗工したり、上記顔料やビーズ類を上記透明な樹脂中に混練したりすることで形成することができる。他には、反射率が高く光の吸収が低い材料で、例えば、Ag、Alのような金属を用いて形成することもできる。
本発明において、拡散フィルム14としては、マットタイプやコーティングタイプの拡散フィルムを用いることができる。
このように拡散フィルム14を導光板18の光射出面から所定の間隔だけ離すことにより、導光板18の光射出面から射出する光が、光射出面と拡散フィルム14の間で更にミキシング(混合)される。これにより、拡散フィルム14を透過して液晶表示パネル4を照明する光の輝度を、より一層均一化することができる。
拡散フィルム14を導光板18の光射出面から所定の間隔だけ離す方法としては、例えば、拡散フィルム14と導光板18との間にスペーサを設ける方法などを用いることができる。
上記実施の形態では、赤色、緑色及び青色の3色のLED32、34及び36を用い、カップリングレンズ40により各LEDが発する光を混色し白色光を得たが、本発明はこれに限定されない。光源には、蛍光物質を用いてLEDが発する光を白色光に変換するように構成した単色のLEDを用いてもよい。例えば、単色のLEDとしてGaN系青色LEDを用いた場合には、YAG(イットリウム・アルミニウム・ガーネット)系蛍光物質を用いれば、白色光を得ることができる。
このような白色光を得ることができる光源を利用すれば、レンズを利用する必要がなくなり部材の数を削減することができる。
なお、図11A及びBに示したバックライトユニット120は、光源122を除いて、他の構成は、図1に示したバックライトユニット2と同様の構成のものである。従って、両者で同一の構成要素には同一の符号を付してその詳細な説明を省略し、以下にバックライトユニット120に特有の点を説明する。
光源122は、LEDアレイ124とカップリングレンズ126とを備え、図11Aに示すように、導光板18の第1光入射面18d及び第2光入射面18eに対向して配置されている。
LEDアレイ124は、複数のLEDチップ128が所定間隔離間して一列でヒートシンク130上に配置されている。
図12Aに、LEDアレイ124の構成の概略斜視図、図12Bに、LEDチップ128の構成の概略上面図、図12Cに、多層LEDアレイ132の構成の概略上面図、図3Dに、ヒートシンク25の一実施形態の概略側面図を示す。
LEDチップ128は、上述した蛍光物質を用いてLEDが発する光を白色光に変換するように構成した単色のLEDである。
また、ヒートシンク130は、本実施形態のように導光板18の第1光入射面及び第2光入射面に対向した面に垂直な方向における長さが、導光板18の第1光入射面及び第2光入射面に対向した面の短辺方向における長さよりも長い形状であるのが好ましい。これにより、LEDチップ128の冷却効率を高めることができる。
ここで、ヒートシンクは、表面積を広くするのが好ましい。例えば、図12Dに示すように、ヒートシンク130をLEDチップ128を支持するベース部130aと、ベース部130aに連結された複数のフィン130bとで構成してもよい。
フィン130bを複数設けることで表面積を広くすることができ、かつ放熱効果を高くすることができる。これにより、LEDチップ128の冷却効率を高めることができる。
また、ヒートシンクは、空冷方式に限定されず、水冷方式も用いることができる。
なお、本実施形態では、LEDチップの支持部としてヒートシンクを用いたが、本発明はこれに限定されず、LEDチップの冷却が必要ない場合は、放熱機能を備えない板状部材を支持部として用いてもよい。
LEDチップ128を長方形形状とすることで、大光量の出力を維持しつつ、薄型な光源とすることができる。光源を薄型化することで、面状照明装置を薄型にすることができる。
ここでは、カップリングレンズとしてボールレンズを用いたが、これに限らず、LEDが発する光を平行光にすることができれば種々の部材を用いることができる。カップリングレンズには、例えば、シリンドリカルレンズ、レンチキュラ、かまぼこ型のレンズ、フレネルレンズなどを用いることもできる。
光源としてLEDアレイ24を用い、そのLEDアレイ24を導光板18の側面近傍に配置した場合には、LEDアレイ24を構成する各LEDの発熱により導光板18が変形したり、溶融する恐れがある。そこで、LEDアレイ24を導光板18の側面から離れた位置に配置し、ライトガイドを用いてLEDが発する光を導光板18に導くことにより、LEDの発熱による導光板18の変形及び溶融を防止することができる。
また、赤外LEDに赤色、緑色、青色の蛍光体を組み合わせた光源も用いることができる。このような光源としては、特開2000−347691号公報に記載されているLEDと蛍光体を組み合わせた発光装置、特開2002−43633号公報に記載されているLEDと蛍光体を組み合わせた白色発光ダイオード、特開2005−126577号公報に記載されているLEDと蛍光体を組み合わせた発光装置も用いることができる。
また、本発明は、蛍光体をLEDの発光面に配置し、白色光を射出させることに限定されず、蛍光体をLEDの発光面に配置する代わりに、導光板に蛍光体を混入することによっても、白色光を光射出面から射出させることができる。
また、蛍光体をLEDの発光面に配置するのに替えて、または加えて、蛍光体を塗布、または混入した光学シートを導光板の光射出面上に配置した構成も用いることができる。上記構成としても白色光を光射出面から射出させることができる。
なお、ヒートシンクを折り曲げた形状とし導光板の傾斜面側に配置する場合のヒートシンクの厚さ及び/または長さは、バックライトユニットの厚みを損ねない程度とするのが好ましい。ヒートシンクを、導光板の最大厚みと最小厚みよりも薄くし、傾斜面の裏面側に配置することで、導光板の傾斜面と筐体との間の空間を有効利用することができ、面状照明装置の厚みを薄くすることができる。
また、ヒートシンクの材料としては、熱伝導性の高い材料、例えば、上述したように、アルミ、銅などの金属、その他種々の材料を用いることができる。
これにより、効率よく熱を放熱することができる。
ここで、ヒートシンクと筐体とは、直接接触していることに限定されず、熱接続体を介して接触していてもよい。
プリズムシート26は、複数のプリズムを平行に配列させることにより形成される透明なシートであり、導光板18の光射出面から出射する光の集光性を高めて輝度を改善することができる。
導光板18と偏光分離フィルム16とプリズムシート26とを一体化させる方法としては、例えば、まず、偏光分離フィルム16とプリズムシート26を一体化させたシートを作製する。そして、そのシートを、導光板18の製造時に導光板18と融着又は圧着させて一体化させればよい。
偏光分離フィルム16をプリズムシート26と一体化させる方法としては、プリズムシート26と偏光分離フィルム16を個別に製造して単純に貼り合わせる方法や、偏光分離板材を連続押出機の型ロールに投入し、押し出されたプリズムシートと融着させる方法を利用することができる。しかし、これらの方法に限定されるものではない。
また、第1傾斜面18b及び第2傾斜面18cにプリズム列が形成された導光板18を備える、図1に示すバックライトユニットの偏光分離フィルム16と拡散シート14との間に、プリズムシートを配置させても良い。
また、これらプリズムシートは、そのプリズムの頂角が、偏光分離フィルム16側に向くように配置されるのが好ましい。
また、図示例ではプリズムシート26を用いたが、プリズムシート26の代わりに、プリズムに類する光学素子を規則的に配置したシートを用いることもできる。例えば、レンチキュラーレンズ、凹レンズ、凸レンズ、ピラミッド型など、レンズ効果を有する光学素子を規則的に配置したシートをプリズムシートの代わりに用いることもできる。
また、プリズムシートを用いず、拡散フィルムを複数枚用いてもよい。拡散フィルムの使用枚数は2枚以上、好ましくは3枚である。
また、拡散反射体140を導光板18の第1傾斜面18b及び第2傾斜面18cに印刷する代わりに、拡散反射体140が所定パターンで形成された薄いシートを、導光板18の第1傾斜面18b及び第2傾斜面18cと反射シート22との間に配置してもよい。なお、拡散反射体140の形状は、矩形、多角形、円形、楕円形などの任意の形状にすることができる。
ここで、拡散反射体としては、例えば、光を散乱させるシリカ、酸化チタンもしくは酸化亜鉛等の顔料、または、樹脂、ガラスもしくはジルコニア等のビーズ類などの光を散乱させるための材料をバインダとともに塗工した物や、表面に微細凹凸加工や研磨による表面粗化パターンでもよい。他には反射率が高く光の吸収が低い材料で、例えば、Ag、Alのような金属を用いることもできる。また、拡散反射体として、スクリーン印刷、オフセット印刷等で用いられる、一般的な白インクも用いることができる。一例としては、酸化チタン、酸化亜鉛、硫酸亜鉛、硫酸バリウム等を、アクリル系バインダや、ポリエステル系バインダ、塩化ビニル系バインダ等に分散したインク、酸化チタンにシリカを混合し拡散性を付与したインクを用いることができる。
なお、図14の導光板では、傾斜面に拡散反射体を配置したが、本発明は、これに限定されず、必要に応じて、光入射面以外の任意の面に配置してよい。
図15に、透過率調整部材182を配置した面状照明装置180の概略断面図を示す。
ここで、拡散フィルム14と、導光板18と、反射シート22は、図13に示した面状照明装置の拡散フィルム、導光板、反射シートと同じ機能を有するのでその詳しい説明については省略する。
光源190は、上述したLEDチップ128とヒートシンク130とからなるLEDアレイ124と同様の構成を有し、本実施形態では、LEDアレイ124が、それぞれ導光板18の第1光入射面18d及び第2光入射面18eに対向して配置されている。すなわち、それぞれのLEDアレイ124と第1光入射面18d及び第2光入射面18eとの間には、カップリングレンズ及び光混合部が配置されていない。これにより、LEDアレイ124から射出された光は、導光板18に直接入射する。
また、導光板18の光射出面18aに透過率調整部材182、拡散フィルム14、プリズムシート188が順に積層されている。ここで、プリズムシート188は、上述したプリズムシート26と同様の機能形状を有し、そのプリズムの頂角が拡散シート14と対向するように、つまり、プリズムの底辺が導光板18の光入射面18aと平行となるように配置されている。
透過率調整体186は、拡散反射体であればよく、例えば、光を散乱させるシリカ、酸化チタン、酸化亜鉛等の顔料もしくは樹脂やガラス、ジルコニア等のビーズ類をバインダとともに塗工した物や、表面に微細凹凸加工や研磨による表面粗化パターンでもよい。他には反射率が高く光の吸収が低い材料で、例えば、Ag、Alのような金属を用いることもできる。
また、透過率調整体186として、スクリーン印刷、オフセット印刷等で用いられる、一般的な白インクを用いることができる。一例としては、酸化チタン、酸化亜鉛、硫酸亜鉛、硫酸バリウム等を、アクリル系バインダや、ポリエステル系バインダ、塩化ビニル系バインダ等に分散したインク、酸化チタンにシリカを混合し拡散性を付与したインクを用いることができる。
ρ(x,y)=c{F(x,y)−Fmin}/(Fmax−Fmin)・・・(5)
式(5)において、Fmaxは、透過率調整部材182を備えない場合のバックライトユニット180の拡散フィルム14の光出射面から出射される光の最大輝度であり、Fminは、最小輝度である。なお、相対輝度F(x,y)は、最大輝度Fmaxを基準点(Fmax=1)としている。
ここで、cは最大密度であり、0.5≦c≦1とするのが好ましい。
また、上記式に従って透過率調整体の配置の密度設計をした際に、正面方向以外から観察した角度によっては輝度ムラが視認される場合がある。これを改善するために、算出した密度分布にさらに「均一な密度分布(バイアス密度ρb)」を追加するのが好ましい。これにより、輝度ムラを低減させ、かつ、輝度ムラの角度依存性も無くすもしくは低減させることができる。
ここで、バイアス密度ρbは、0.01〜1.50(1〜150%)とするのが好ましい。なお、配置密度が1(100%)を超える場合は、透過率調整体を2重に配置する。つまり、透過率調整体を全面に配置した上に(ρb−1)の配置密度の透過率調整体を配置する。
ここで、パターン密度ρ(x,y)とは、任意の位置(x,y)に存在する透過率調整体186の単位面積(1mm2)あたりの占有率であり、ρ(x,y)=1のとき透過率調整体186は、単位面積内の全面に配置され、ρ(x,y)=0のとき、単位面積内に全く配置されない。
本実施例では、図15に示すバックライトユニットと同様の構成のバックライトユニットを作製した。すなわち、本実施例のバックライトユニット180は、光源190と、拡散フィルム14と、導光板18と、反射フィルム22と、透過率調整部材182と、プリズムシート188とで構成される。
また、導光板18は、透明樹脂として屈折率が1.495のアクリル樹脂を、散乱粒子として屈折率が1.44のシリコーン粒子を用いたものとした。散乱粒子は、粒子径が2000nmである。この散乱粒子を透明樹脂に、散乱版面積Φが2.06×10-12m2となり、粒子密度が220000個/mm3となるように混錬分散させて形成される。
また、光源190(LEDアレイ124)と導光板18との間隙を0.1mmとした。
まず、上記バックライトユニット180をXYステージに固定し、バックライトユニット180の光出射面に垂直になるように輝度計を固定する。そして輝度計によってバックライトユニット180の光出射面の位置における輝度を測定して導光板18の光出射面の特定位置に関する輝度の情報を得る。
その後、XYステージを移動させることにより、バックライトユニット180の光出射面上の位置と輝度の関係を求めて、算出した輝度の最大輝度をFmaxとし、最小輝度をFminとする。この最大輝度Fmaxを1とし、最大輝度Fmaxに対する各位置における輝度の比率を、その位置(x,y)における相対輝度F(x,y)とした。このようにして、測定した測定結果を図16に示す。ここで、図16のグラフを縦軸は相対輝度を示し、横軸は、導光板の中央部からの距離を示す。
ここで、本実施形態では、パターン密度ρ(x,y)の分布を幅方向の0.5mm毎に算出し、算出したパターン密度ρ(x,y)に応じて、幅方向の大きさが0〜1mmの透過率調整体186を適宜配置することで透過率調整部材182を作成した。
ここで、本実施形態では、透過率調整体を全面に配置した場合、つまりパターン密度ρ(x,y)が1のとき、波長550nmでの透過率が33%である白色インクにより作成した透過率調整体182を配置した。
また、透過率調整体186は、パターン密度ρ(x、y)=1、つまり透過率調整体186を全面に配置した場合の透過率が10%以上50%以下であるのが好ましく、20%以上40%以下とすることがより好ましい。
透過率を10%以上とすることで、輝度むらを好適に低減させることができ、50%以下とすることで、平均輝度を低下させることなく、輝度むらを低減させることができる。
さらに、透過率を20%以上40%以下とすることで、上記効果をより好適に得ることができる。
また、バックライトユニットに、本実施例のような線状光源と1軸延伸形状の導光板とを用いた場合は、透過率調整体の形状を、線状光源の軸と平行な細長い帯形状としてもよい。
パターン密度に応じた透過率調整体186の配置方法としては、FMスクリーニング方式、AMコア方式等種々の方式を用いることができ、これらのうち、FMスクリーニング方式を用いるのが好ましい。FMスクリーニング方式を用いることにより、透過率調整体186を微細で均一なドットとして分散集合させて配置することができ、バックライトユニットの光射出面から、透過率調整体186の配置パターンを視認しにくくすることができる。つまり、バックライトユニットの光射出面から透過率調整体186の配置パターンが投影され、むらのある光が射出されることを防止でき、より均一な光を射出することができる。また、ドット寸法が小さくなりすぎ、透過率調整体186の形成が困難になることも防止できる。
また、透過率調整体186は、最大寸法を100μm以下とするのがさらに好ましい。最大寸法を100μm以下とすることで、寸法がより確実に肉眼の判別能以下とすることができ、実際に液晶表示装置として使用する際に、透過率調整体186の形状がバックライトユニットの光射出面に投影されて輝度むらとなることがなく、より確実に、かつ、効率よく輝度むらを低減することができる。
また、透過率調整体を透明フィルムの表面に印刷する際に、透明フィルムの網点パターンの配置領域外にアライメントマークを印刷してもよい。透明フィルムにアライメントマークを形成することで、製造時の導光板と透過率調整部材とのアライメントを容易にとることができる。
また、透過率調整部材を、透明フィルムに透過率調整体を配置することで設けたが、本発明はこれに限定されず、拡散フィルム、プリズムシート、または導光板の表面に透過率調整体を配置したものを透過率調整部材としてもよい。具体的には、拡散フィルムの導光板側の面(光の入射面)、及び、拡散フィルムの導光板側とは反対側の面(光の出射面)の少なくとも一方に透過率調整体を配置してもよい。また、プリズムシートの導光板側の面(光の入射面)、及び、プリズムシートの導光板側とは反対側の面(光の出射面)の少なくとも一方に透過率調整体を配置してもよい。さらに、導光板の光射出面に直接透過率調整体を配置してもよい。
このように、透過率調整体を拡散フィルム、プリズムシートまたは導光板の表面に設けることで、透明フィルムを使用することなく透過率調整部材を形成することができ、層構成をより簡単にすることができる。
また、透過率調整体を直接導光板の光射出面に配置することで、上記効果に加えて、面状照明装置の組み立て時に、アライメントをとることなく、導光板から射出される光の輝度むらに対して透過率調整体を正確な位置に配置することができる。
色度調整フィルムを配置することで、射出される光の色を微調整することができ、演色性や色再現性を向上させることができる。これにより、光源として、演色性の低い光源を用いた場合でも演色性を向上させることができる。また、射出される光の色を微調整することができる。
本実施例では、色温度3500Kの冷陰極管(CCFL)、色温度9150KのLED素子、色温度8500KのLED素子の3つの光源を用いて、色度調整フィルムを配置していない場合と、下記表2及び表3に示した種々のインク割合の色度調整フィルムを配置し場合に射出される光の色度を測定した。
ここで、図19は、色温度3500Kの冷陰極管(CCFL)から射出され、表2及び表3に示した各種色度調整フィルムを透過した光をそれぞれ測定した結果を示したグラフであり、図20は、色温度9150KのLED素子から射出され、表2及び表3に示した各種色度調整フィルムを透過した光をそれぞれ測定した結果を示すグラフであり、図21は、色温度8500KのLED素子から射出され、表2及び表3に示した各種色度調整フィルムを透過した光をそれぞれ測定した結果を示すグラフである。
これにより、演色性や色温度再現域を向上させることができる。また、青色LEDに蛍光体を配置して白色光を射出させる場合でも、色度調整フィルムを配置することで、赤色の色再現性を向上させることができる。
また、色度調整フィルムを配置することに替えて、拡散フィルム、プリズムシート、導光板表面等に上述の白インキに各種インクを所定量混練したインクを塗布してもよい。
以下、本発明のバックライトユニットに使用できる導光板の他の構成例について説明する。
かかる形状を有する導光板28も、上述した導光板18と同様に、散乱体を含む透明樹脂を用いて形成され、導光板に含まれる散乱粒子の散乱断面積をΦ、光が入射する方向の導光板の半分の長さをLG、導光板に含まれる散乱粒子の密度(単位体積あたりの粒子数)をNp、補正係数をKCとした場合に、Φ・Np・LG・KCの値が1.1以上であり、かつ8.2以下であり、KCの値が0.005以上0.1以下であるという関係を満たしている。これにより、均一で輝度むらが少ない照明光を一対の傾斜面である第1傾斜面28a及び第2傾斜面28bから出射することができる。
なお、図22A及び図22Bに示す導光板28は、第1傾斜面28a及び第2傾斜面28bにプリズム列は形成されていないが、それら第1傾斜面28a及び第2傾斜面28bにプリズム列を形成することも可能である。また、導光板28の光射出面と反対側の面である平坦面28cにプリズム列を形成することもできる。
また、図22A及び図22Bに示される形状の導光板28をバックライトユニットに用いる場合、導光板の光射出側、すなわち、導光板28の第1傾斜面28b及び第2傾斜面28c上に偏光分離フィルムが配置される。偏光分離フィルムは、第1傾斜面28b及び第2傾斜面28cに密着して形成されてもよいし、例えば、偏光分離フィルムを透明な樹脂製の平坦な板に貼り付けて偏光分離板を作製し、偏光分離板を第1傾斜面28b及び第2傾斜面28cから所定間隔離して配置してもよい。
バックライトユニット141は、光源142と、導光板144とを有する。また、図示は省略したが、図1及び図2に示したバックライトユニット10と同様に、バックライトユニット141の導光板144の光射出面側には、拡散フィルムと、プリズムシートとが配置され、導光板144の傾斜面側(光射出面とは反対の面側)には、反射フィルム22が配置されている。
導光板144は、略矩形形状の平坦な光射出面144aと、光射出面144aの反対側に位置し、光射出面144aの一辺に平行で、光射出面144aを2等分する2等分線Xに対して互いに対称で、光射出面144aに対して所定の角度で傾斜する2つの傾斜面(第1傾斜面144bと第2傾斜面144c)と、2つのLEDアレイ124に対向し、それらLEDアレイ124からの光が入射される2つの光入射面(第1光入射面144d及び第2光入射面144e)とを有している。第1傾斜面144b及び第2傾斜面144cは、2等分線Xを境にして、光射出面144aに対し傾斜している。導光板144は、第1光入射面144d及び第2光入射面144eから中央に向かうに従って厚さが厚くなっており、中央部が最も厚く、両端部が最も薄くなっている。導光板144は、第1光入射面144d側の一部及び第2光入射面144e側の一部が、導光板144の他の部分(以下、母材146とする)とは異なる材料の低屈折率部材148で構成される。
このような導光板も、押出成形法や射出成形法を用いて製造することができる。また、母材146と低屈折率部材148とを別々に製造し、母材146に低屈折率部材148を埋め込む、または接着させて設けてもよい。
ここで、低屈折率部材148の屈折率を、Niとし、母材146の屈折率を、Nmとすると、母材146と低屈折率部材148とは、Nm>Niの関係を満たしている。
また、低屈折率部材148は、入射された光を平行光にし、かつミキシングする機能、つまりカップリングレンズ及び混合部の機能を有する。本実施形態のバックライトユニットは、低屈折率部材を設けることで、カップリングレンズ及び混合部を設けることなく、光源から射出された光をより遠い位置まで到達させることができ、かつ、均一な輝度のむらのない照明光を射出させることができる。
図25A〜図25Cは、本発明のバックライトユニットに用いることができる導光板及び光源の他の例の概略断面図を示すものである。ここで、図25A〜図25Cに示す導光板の断面形状は、いずれの位置においても同一の形状を有する。
図25Aは、断面形状が正方形となる低屈折率部材152を有する導光板151を示すのもである。図25Bは、断面形状が台形、具体的には、光入射面となる面154aと光入射面の反対側の面154bとが平行で光入射面となる面154aよりも導光板153の中央部側の面154bの方が短い台形となる低屈折率部材154を有する導光板153を示すものである。図25Cは、断面形状が三角形、具体的には、光入射面となる面が底面となり導光板155の中央部側に頂点を有する三角形となる低屈折率部材156を有する導光板155を示すものである。
低屈折率部材を上記のような形状としても、入射効率を向上させることができる。
また、低屈折率部材の形状は、上記例にも限定されず、例えば、断面形状が半円形、双曲線形、放物線となる形状等、種々の形状とすることができる。
図26に、本発明の第1の実施形態に用いることができるバックライトユニットのさらに他の一例の概略断面図を示す。ここで、バックライトユニット160は、導光板144の光入射面144c近傍に反射部材162を設けたことを除いて基本的に図24に示したバックライトユニット141と同じ構成のものである。従って、両者で同一の構成要素には同一の符号を付して、その詳細な説明を省略し、以下に、バックライトユニット160に特有の点を重点的に説明する。
反射部材162は、導光板144の光入射面近傍の光射出面144a及び傾斜面144bから漏洩する光を反射することができるものであれば、どのような材料で形成されてもよく、例えば、PETやPP(ポリプロピレン)等にフィラーを混練後延伸することによりボイドを形成して反射率を高めた樹脂シート、透明もしくは白色の樹脂シート表面にアルミ蒸着などで鏡面を形成したシート、アルミ等の金属箔もしくは金属箔を担持した樹脂シート、あるいは表面に十分な反射性を有する金属薄板により形成することができる。
図27に、複数の導光板を用いた面状照明装置の一例を示す。なお、図27では、導光板の配置を明確に示すため、導光板18、18'、18''と光源12のみを示す。
光源12は、導光板18、18'、18''の各第1光入射面、第2光入射面に対向する位置に配置されている。これにより、導光板18、18'、18''の各第1光入射面、第2光入射面には、共通の光源12から出射された光が入射する。
また、図27には図示してないが、拡散フィルム、プリズムシートも、光源と同様に、複数の導光板により形成された光射出面を1つの拡散フィルム、プリズムシートで覆うようにするのが好ましい。
図28A〜図28Cは、面状照明装置の他の実施例を示す図であり、図28Aは、面状照明装置300の概略斜視図であり、図28Bは、面状照明装置300の側面図であり、図28Cは、面状照明装置300を長手方向の断面を示す概略断面図である。
面状照明装置300は、光源302と、導光板304と、拡散フィルム306と、アクリルパイプ308と、反射フィルム310とを有する。
導光板304は、図28Bに示すように、光源302から射出された光の入射方向に垂直な断面において、光射出面が円形に形成され、外周が光射出面となる中空の円筒形状を有する。また、導光板304は、図28Cに示すように、円筒の上面及び下面に相当する光入射面(円筒形状の軸方向における端部)から中央に向かうに従って厚みが厚くなっており、中央部の厚みが最も厚く、両端部の厚みが最も薄くなっている。つまり、光源302から射出された光の入射方向に平行な方向における導光板304の断面形状は、上述した導光板18等と同様の形状、つまり、光の入射方向において、光入射面から離れるに従って厚みが厚くなる形状である。
アクリルパイプ308は、中空の円筒形状であり、拡散フィルム306の外周に配置されている。また、アクリルパイプ308は、透明樹脂で形成されている。
反射フィルム310は、導光板304の傾斜面側、つまり、円筒形状の導光板304の内面側に配置されている。
つまり、面状照明装置300は、内側から円筒形状の反射フィルム310、導光板304、拡散フィルム306、アクリルパイプ308の順で積層されている。
ここで、面状照明装置300は、外形形状が円筒形状であることを除いて、各種の構成は、上述した面状照明装置と同様であるので、形状、材質等の詳細な説明は、省略する。
面状照明装置300は、円筒の外周面が光射出面あり、外周面の全面から光が射出される。これにより、360度の全方位に光を射出することができ、蛍光灯と同様に用いることができる。
このように、本発明の面状照明装置は、照明装置として用いられている棒状の蛍光灯と同様の棒状とすることもでき、蛍光灯と同様の用途に用いることもできる。
なお、本実施形態では、導光板の光射出面に拡散フィルムのみを配置したが、上述した面状照明装置と同様の各種光学部材を配置することで、上述と同様の効果を得ることができる。
図29は、面状照明装置のさらに他の実施例を示す図であり、図29Aは、面状照明装置320の概略側面図であり、図29Bは、面状照明装置320を長手方向の断面を示す概略断面図である。
図29A及び図29Bに示すように、面状照明装置320は、光源322と、導光板324と、反射フィルム326とを有する。また、図示は省略したが、導光板324の外周面には、面状照明装置300と同様に、拡散フィルム及びアクリルパイプが配置されている。
面状照明装置320は、光源322から射出された光の入射方向に垂直な断面が、円形の面状照明装置300を半分した半円筒形状に形成されている。つまり、光源322、導光板324及び反射フィルム326が半円筒形状に形成されている。
このようなを半円筒形状の面状照明装置も好適に用いることができる。例えば、蛍光灯と同様に室内照明として天井に配置する場合は、半円筒形状とすることで、天井側に光を照射することなく、室内を明るくすることができる。これにより、効率よく室内を照明することができる。
図30、図31及び図32は、それぞれ面状照明装置をリング状にした形状の一例を示す概略正面図である。
図30に示す面状照明装置330は、8つの光源332と、4つの導光板334とを有する。
導光板332は、外周面が光射出面となる円筒形状であり、端面から中央部に向かうに従ってその厚みが厚くなる形状である。また、導光板334は、端面から端面までの円筒の中心線が90度の円弧となる曲管である。
この導光板332は、その端面が隣接する導光板332の端面と向かい合うように配置され、連結された4つの導光板332が、1つのリング形状となる。
また、導光板334の端面には、ぞれぞれ光源332が配置されている。
また、導光板の円筒形状の中心線の円弧の角度を設定することで、任意の数の導光板でリング状にすることができる。
また、面状照明装置は、棒状や、リング状に限定されず、種々の形状とすることができる。
導光板354に溝354aを形成することで、導光板354の内面側に、反射フィルム346を簡単に配置することができる。
第2実施形態では、図33A及び図33Bに示す導光部材を用いて面状照明装置を構成する。図33Aは、第2実施形態に係る導光部材と、その導光部材に光を入射させるために用いられる光源の一部の模式的平面図を示し、図33Bは、図33Aに示した導光部材のB−B線における模式的断面図である。
ここで、ケース94内に収容されている複数の光ファイバ92は、互いの側面同士を接着剤等により接着することによって形成されることができる。また、可撓性を有する透明樹脂材料を、積層されて配置された複数の光ファイバの隙間に充填させることによって、光ファイバ同士を接着させても良い。光を奥まで進入させるためには、互いに接する光ファイバの隙間に空気層が介在するのが好ましく、このような空気層を介在させることにより、薄い導光部材として利用したときに輝度むらの発生が一層抑制される。
クラッド部は重合体からなり、コア部の屈折率より低い屈折率を有するのが好ましく、また、点状光源で発せられる光に対して透過性を有するのが好ましい。
コア部は、重合体からなり、点状光源で発せられる光に対して透過性を有する材料を用い、光を散乱させる散乱粒子を含有する。
光ファイバ92に含まれる散乱粒子の散乱断面積をΦ、光が入射する方向の光ファイバの半分の長さをLG、光ファイバに含まれる散乱粒子の密度(単位体積あたりの粒子数)をNp、補正係数をKCとした場合に、Φ・Np・LG・KCの値が1.1以上であり、かつ8.2以下であり、0.005≦Kc≦0.1であるという関係を満たしている。光ファイバは、このような関係を満たす散乱粒子を含んでいるので、均一で輝度むらが少ない照明光を側面から出射することができる。
また、光ファイバを構成する樹脂材料に、上述した可塑剤を添加することもできる。これにより、光ファイバの柔軟性が高められ、フレキシブルな導光部材を実現することができる。
ここでは、個々の色のLEDが配置されたLEDアレイ84とカップリングレンズ88とを用いて光源82を構成し、各色のLEDをそれぞれの光ファイバ92の端面に配置したが、このような構成に限定されず、白色LEDとカップリングレンズとを用いて光源を構成し、白色LEDを光ファイバの端面に配置してもよい。
また、赤、青、緑のいずれかの色のみのLEDを用いて、単色の照明として利用してもよい。
図32に示されるバックライトユニット100を構成する反射シート102、プリズムシート104、106、拡散シート108は、上記第1の実施形態のバックライトユニットと同様のものを用いることができる。また、図32では、光源を図示していないが、光源は、導光部材90の紙面手前側と奥側に配置される。
このように光ファイバ92を積層して構成された導光部材90は可撓性を有するため、このような導光部材を用いたバックライトユニット100を電飾(イルミネーション)関係の表示板として用いる場合に、曲率を持つ壁にも装着することが可能となり、導光板をより多くの種類、より広い使用範囲の電飾やPOP(POP広告)等に利用することができる。
4 液晶表示パネル
6 駆動ユニット
10 液晶表示装置
12、122、142、190 光源
14 拡散フィルム
16 偏光分離フィルム
18、28、38、144、151、153、155 導光板
18a 光射出面
18b 第1傾斜面
18c 第2傾斜面
18d 第1光入射面
18e 第2光入射面
20A、20B 光混合部
22 反射シート
24 LEDアレイ
26、188 プリズムシート
28a 第1傾斜面
28b 第2傾斜面
28c 平坦面
28d 第1光入射面
38a 第1傾斜面
38b 第2傾斜面
38c 第3傾斜面
38d 第4傾斜面
82 光源
84 LEDアレイ
86 LED
88、126 カップリングレンズ
90 導光部材
90a 光射出面
92 光ファイバ
94 ケース
100 バックライトユニット
102 反射シート
104、106 プリズムシート
108 拡散シート
124 LEDアレイ
128 LEDチップ
130 ヒートシンク
132 多層LEDアレイ
140 拡散反射体
146 母材
148、152、154、156 低屈折率部材
162 反射部材
182 透過率調整部材
184 透明フィルム
186 透過率調整体
Claims (22)
- 所定間隔離間して配置される第1光源及び第2光源と、
前記第1光源及び前記第2光源の間に配置される導光板と、
前記導光板に対応して、網点パターンで配置される透過率調整体とを備え、
前記導光板は、光射出面と、前記第1光源に対向し、前記光射出面の一辺を含む第1光入射面と、前記第2光源に対向し前記一辺の対辺を含む第2光入射面と、前記第1光入射面および前記第2光入射面から中央に向かうに従って厚みが厚くなるように前記光射出面に対向してそれぞれ所定角度で傾斜する第1傾斜面および第2傾斜面、並びに前記第1傾斜面と前記第2傾斜面との間を滑らかに接続し、輝線及び/又は暗線等の発生を防止するための中央の曲面からなる背面とを有し、
前記透過率調整体は、前記導光板の前記光射出面側に配置され、所定領域全面に配置した場合の透過率が10%以上50%以下であり、
前記導光板は、その内部に、前記第1及び第2光入射面から入射して前記内部を伝搬する光を散乱して、入射方向に対して直交する方向の前記光射出面に向かわせ、かつ下記式(1)を満たす散乱粒子を含むことを特徴とする面状照明装置。
1.1≦Φ・N p ・L G ・K C ≦8.2 ・・・(1)
(但し、前記散乱粒子の散乱断面積をΦ、前記導光板の光の入射方向の半分の長さをL G 、前記散乱粒子の密度をN p 、補正係数をK C とし、K C を0.005以上0.1以下とする) - 前記透過率調整体の所定位置(x,y)でのパターン密度をρ(x,y)とし、
前記透過率調整体を含まない場合の前記面状照明装置の前記光射出面から出射される光の最大輝度Fmaxを1とし、前記光射出面の所定位置(x,y)から出射される光の前記最大輝度Fmaxに対する相対輝度をF(x,y)とすると、
前記相対輝度F(x,y)と前記パターン密度ρ(x,y)との関係が下記式、
ρ(x,y)=c{F(x,y)−Fmin}/(Fmax−Fmin)
(式中、cは、0.5≦c≦1を満たし、Fminは、相対輝度F(x,
y)の最小輝度である)
を満足する請求項1に記載の面状照明装置。 - 前記透過率調整体は、フィルム状の透明部材の表面に配置される請求項1または2に記載の面状照明装置。
- 前記透過率調整体は、FMスクリーニングによって前記透明部材の表面に配置される請求項3に記載の面状照明装置。
- 前記透明部材は、透明フィルム、導光板、拡散フィルムまたはプリズムシートである請求項3または4に記載の面状照明装置。
- 前記透過率調整体は、寸法が500μm以下であり、所定のパターン密度分布で配置されている請求項1〜5のいずれかに記載の面状照明装置。
- さらに、前記透過率調整体の光出面側に、光学部材が配置されている請求項1〜6のいずれかに記載の面状照明装置。
- 前記導光板の前記光射出面は、外形が矩形状である請求項1〜7のいずれかに記載の面状照明装置。
- 所定の偏光成分を選択的に透過させ、それ以外の偏光成分を反射させる偏光分離フィルムが前記導光板の前記光射出面上に、前記導光板と一体に形成されている請求項8に記載の面状照明装置。
- 前記導光板の前記光射出面が、前記光射出面の前記一辺に平行な前記光射出面の2等分線に対して互いに対称に傾斜する第3傾斜面と第4傾斜面とによって形成されている請求項8に記載の面状照明装置。
- 前記第1光源及び第2光源は共に、赤色発光ダイオード、緑色発光ダイオード及び青色発光ダイオードを備えるRGB−LEDを複数個、一列に並んで配置させたLEDアレイと、前記赤色発光ダイオード、前記緑色発光ダイオード及び前記青色発光ダイオードの光射出側に対応してそれぞれ配置される複数のレンズとを用いて構成されている請求項1〜10のいずれか1項に記載の面状照明装置。
- 前記複数のレンズのそれぞれは、球状の透明なボールレンズである請求項11に記載の面状照明装置。
- 前記第1光源及び前記第2光源は共に、複数のLEDチップと、一列に並んだ前記LEDチップを支持する支持部とを有するLEDアレイであり、
前記LEDチップの前記導光板の前記光出射面に垂直な方向の長さをaとし、前記LEDチップの配列方向における長さをbとし、前記LEDチップの配置間隔をpとしたときに、p>b>aの関係を満足する請求項1〜12のいずれか1項に記載の面状照明装置。 - 前記第1光源及び前記第2光源は共に、前記LEDアレイを2つ以上有し、
機械的接合方法及び化学的接合方法の少なくとも一方を用い、前記LEDアレイの前記LEDチップと他の前記LEDアレイの前記LEDチップとの間隔を所定距離離間させて積層させた構成を有する請求項11〜13のいずれか1項に記載の面状照明装置。 - 前記導光板を2つ以上有し、
前記導光板の前記光射出面の一辺と前記光入射面の一辺を含む面と、他の前記導光板の前記光射出面の一辺と前記入射面の一辺を含む面とが隣接して配置されている請求項1〜14のいずれか1項に記載の面状照明装置。 - 前記導光板は、前記第1光入射面及び前記第2光入射面を除く面の少なくとも一面に複数の拡散反射体が配置されている請求項1〜15のいずれか1項に記載の面状照明装置。
- 前記導光板の前記第1傾斜面及び前記第2傾斜面側に、複数の拡散反射体が配置されている請求項1〜15のいずれか1項に記載の面状照明装置。
- 前記拡散反射体は、前記第1傾斜面及び前記第2傾斜面に配置される請求項16または17に記載の面状照明装置。
- 前記導光板の前記第1傾斜面及び前記第2傾斜面に対向して配置される反射シートを有し、
前記拡散反射体は、前記導光板と前記反射シートとの間に配置されたフィルム状の透明部材に配置されている請求項17に記載の面状照明装置。 - 前記拡散反射体は、前記第1光入射面及び前記第2光入射面から離れるに従って、密に配置されている請求項16〜19のいずれか1項に記載の面状照明装置。
- 前記導光板は、前記第1光入射面側の一部及び前記第2光入射面側の一部が、他の部分とは異なる材料で形成されており、前記第1光入射面側の一部及び前記第2光入射面側の一部の材料の屈折率をNmとし、他の部分の材料の屈折率をNiとしたときに、Nm>Niの関係を満足する請求項1〜20のいずれか1項に記載の面状照明装置。
- さらに、前記導光板の、前記第1光入射面近傍の前記光射出面、前記第1光入射面近傍の前記第1傾斜面、前記第2光入射面近傍の前記光射出面、及び前記第2光入射面近傍の前記第2傾斜面にそれぞれ配置された反射素材を有する請求項1〜21のいずれか1項に記載の面状照明装置。
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