JP4985787B2 - 面光源装置及び液晶表示装置 - Google Patents
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Description
液晶表示装置などに用いられているバックライトを薄型化するためには、光拡散シートなどの付加的なシートを省略するとともに、導光板自体の厚みを薄くすることが必要である。
±arcsin(1/1.49)=±42.2°
となる。一方、導光板12と薄膜16の界面における全反射の臨界角は、
arcsin(1.41/1.49)=71.1°
となる。この臨界角71.1°は水平方向から測ると18.9°となる。
また、プリズムシートなどの付加的なシートを省略することによって導光板の厚みを薄くするとともに付加的なシートによる光の減衰をなくし、また出射光の指向特性を狭くすることによって表示面の輝度向上を図った液晶表示装置として、特許文献2に開示されたものがある。
X>0
X≦{−2Y+(2P−W)}/(2tanα)
X≦{2Y+(2P−W)}/(2tanα)
(ただし、P:前記光源間の距離
W:前記光源の光出射窓の幅
α:導光板の屈折率をngとするとき、α=arcsin(1/ng)で表される角度)
の3式を同時に満たす領域の内部に位置していることを特徴としている。
また、本発明の第1の面光源装置にあっては、光導入部の光出射面側の面またはその反対面における前記光出射面と平行な領域においては、光源に近い側から光源より遠ざかる方向へ向けて延びた複数のパターンによって指向性変換部を構成しているので、指向性変換部によって光入射端面から光導入部に入射した光を導光基板内に閉じ込めることができる。
さらに、本発明の第1の面光源装置にあっては、導光板の光出射面に垂直な方向から見て、いずれか任意の光源の中心を通り導光板の端縁に垂直な方向にX軸を定め、導光板の端縁に沿ってY軸を定めたとき、当該光源に対応する指向性変換部が、
X>0
X≦{−2Y+(2P−W)}/(2tanα)
X≦{2Y+(2P−W)}/(2tanα)
の3式を同時に満たす領域の内部に位置しているので、それぞれの指向性変換部に、対応しない他の光源からの光が入射して反射又は透過するのを避けることができ、指向性変換部や光導入部からの光の漏れを低減することができる。
X>0
X≦{−2Y+(2P−W)}/(2tanα)
X≦{2Y+(2P−W)}/(2tanα)
(ただし、P:前記光源間の距離
W:前記光源の光出射窓の幅
α:導光板の屈折率をngとするとき、α=arcsin(1/ng)で表される角度)
の3式を同時に満たす領域の内部に位置していることを特徴としている。
また、本発明の第2の面光源装置にあっては、光導入部の光出射面側の面またはその反対面における前記光出射面と平行な領域においては、光源に近い側から光源より遠ざかる方向へ向けて延びた複数のパターンによって指向性変換部を構成しているので、指向性変換部によって光入射端面から光導入部に入射した光を導光基板内に閉じ込めることができる。
さらに、本発明の第2の面光源装置にあっては、導光板の光出射面に垂直な方向から見て、いずれか任意の光源の中心を通り導光板の端縁に垂直な方向にX軸を定め、導光板の端縁に沿ってY軸を定めたとき、当該光源に対応する指向性変換部が、
X>0
X≦{−2Y+(2P−W)}/(2tanα)
X≦{2Y+(2P−W)}/(2tanα)
の3式を同時に満たす領域の内部に位置しているので、それぞれの指向性変換部に、対応しない他の光源からの光が入射して反射又は透過するのを避けることができ、指向性変換部や光導入部からの光の漏れを低減することができる。
以下、図8〜図10を参照して本発明の実施形態1による面光源装置31の構造を説明する。図8(a)及び(b)は、それぞれ面光源装置31の表面側と裏面側の構造を示す斜視図である。図9(a)は、面光源装置31の一部破断した平面図である。図9(b)は、面光源装置31の中心を通る断面を示す図である。
まず、図11、図12を参照しながら、上記のような構造を有する面光源装置31における光の挙動とその作用効果を説明する。これらの光の挙動を実現し、その作用効果を奏するための具体的な構成や条件などについては、その後に詳述する。なお、以下においては、導光基板38の光入射端面43に垂直な方向をX方向とし、光出射面44に垂直な方向をZ方向とし、X方向及びZ方向に直交する方向をY方向とする。
±α=±arcsin(1/ng) …(数式1)
で表されるから、ng=1.59とすると、指向特性P1の指向性広がりは±α=±39.0°となる。
γ=arcsin(n1/ng) …(数式2)
であり、これは水平方向から測った角度βに換算すれば、
β=90°−γ=90°−arcsin(n1/ng) …(数式3)
となる。いま、ng=1.59、n1=1.4とすれば、β=28.3°となる。
つぎに、上記のような光の挙動と作用効果を実現するための詳細を説明する。まず、指向性変換部45の構造を説明する。
つぎに、光出射面44に形成された拡散パターン46について説明する。拡散パターン46は、導光板本体41内に導光された光を全反射させることにより、導光板本体41の下面に対する入射角が小さくなるように光路を曲げる働きをする。図10に示した拡散パターン46はダイヤ形状に窪んでいたが、拡散パターン46が凹状である場合には点光源32に近い前半部で光を反射するので、点光源32から遠い側に位置する後半部の形状はどのようなものであっても特に問題はない。一方、拡散パターン46の前半部は、光を反射させて導光板本体41から低屈折率層39へ光を透過させる必要と、導光板本体41から低屈折率層39へ透過する光の指向性広がりができるだけ狭くなるようにする必要がある。そのためには、拡散パターン46のうち点光源32に近い側に位置する前半部の傾斜角εは、0°<ε≦20°とすることが好ましい。望ましくは、この傾斜角は0°<ε≦10°であり、さらに好ましくは0°<ε≦5°である。ただし、低屈折率層39に向かって抜ける光のピーク方向は、拡散パターン46の傾斜角εと、導光基板38の屈折率と低屈折率層39の屈折率の屈折率比との組合せによって制御することができるので、最適な傾斜角εの値は導光基板38と低屈折率層39の屈折率比を考慮して決めなければならない。
図21は偏向パターン47における光の挙動を表した図である。偏向パターン47及び反射層40は、図21に光路を矢印で示すように、低屈折率層39へ入射した光を光出射面44に垂直な方向へ向けて反射させる働きをする。偏向パターン47は、断面三角形状をした棒状のパターンであって、低屈折率層39の下面に突出している。偏向パターン47は、その元になる金型を作り易いという理由から断面形状が二等辺三角形となっている。また、偏向パターン47の断面が二等辺三角形となっている場合には、点光源32と反対側にある斜面は、光源方向からの光(図21で実線矢印で示す光)を反射させて光出射面44から出射させる働きをする。図21の破線矢印は、導光基板38又は低屈折率層39の端面まで達し、その端面で反射されて戻ってきた光を表しており、光源側にある斜面は、この戻り光を反射させて光出射面44から出射させる働きをする。
図23(a)〜(c)は、実施形態1の変形例を示す。図23(a)に示す変形例では、指向性変換部45を光導入部42の下面に形成している。この場合には、光が光導入部42の下面で反射する際に指向性変換部45で指向特性が変換される。なお、指向性変換部45が光導入部42の下面に設けられている場合には、指向性変換パターン48の谷線48bが稜線48aよりも光出射面44に近い側に位置する。
図24(a)は本発明の実施形態2による面光源装置51を示す概略断面図である。この面光源装置51では、実施形態1の面光源装置31において、低屈折率層39の下面と反射層40との間に、導光基板38の屈折率と同程度の屈折率を有する高屈折率層52を設けている。低屈折率層39は屈折率が1.4以上1.5未満の透明材料(例えば、ポリメチルメタクリレートなど)によって形成されており、均一な厚みを有していて5μm程度の厚みとなっている。高屈折率層52は、屈折率が1.5〜1.6程度の透明材料(例えば、屈折率が1.59のポリカーボネイト樹脂など)によって形成されており、10μm〜50μm程度の厚みを有している。偏向パターン47は高屈折率層52の下面に形成されており、高屈折率層52の表面に反射層40が設けられている。
図31は本発明の実施形態3による面光源装置61の斜視図である。面光源装置61は、点光源32の配置されている位置のあたりを中心とする円弧状の領域に指向性変換部45を設けた点を特徴としている。また、指向性変換パターン48はV溝状となっており、指向性変換部45の円弧状領域の中心を同じく中心として放射状に配列されている。したがって、この実施形態によれば、各指向性変換パターン48が同一形状となり、指向性変換パターン48又は指向性変換部45の設計が容易になる。なお、図31では、指向性変換部45は光出射面44よりも上に突出しているが、光出射面44よりも下に窪むように設けてもよい(図示せず)。
指向性変換効率=(目標とする指向性の範囲内の光量)÷(全体の光量)
=(全体の光量−範囲外の光量)÷(全体の光量)
である。導光効率とは、光導入部42に入射した直後の光の光量に対する導光板本体41へ伝わった光量の割合を表す。すなわち、
導光効率=(導光板本体へ伝わった光量)÷(入射した直後の光量)
である。
指向性変換効率×導光効率>0.85
であることが望ましく、そのためには、図32によれば、頂角φ>92°であればよい。また、さらに望ましくは、
指向性変換効率×導光効率>0.9
であり、そのためには、107°<φ<154°であればよい。また、指向性変換効率×導光効率の値は、頂角φ=120°のときに最大値となる。
図35は実施形態3の変形例による面光源装置66を示す斜視図である。この面光源装置66では、円弧状をした指向性変換部45を持つ光導入部42を、導光板33の端縁に沿って複数並べている。各光導入部42の光入射端面に対向する位置には、それぞれ点光源32を配置している。この面光源装置66では、複数の点光源32を用いることができるので、面光源装置66の発光輝度を高くすることができる。なお、隣接する指向性変換部45どうしが重なり合う配置となる場合には、各指向性変換部45の重なり合う部分を削除し、指向性変換部45どうしが重なり合わないようにすることが望ましい。
r2≦T/(2tanθ)
(Tは光導入部42の厚み、θは指向性変換パターンの稜線48aの傾き。)
という条件に加えてさらに制限が生じる。以下、この点について説明する。
X>0 …(数式4)
X≦{−2Y+(2P−W)}/(2tanα) …(数式5)
X≦{2Y+(2P−W)}/(2tanα) …(数式6)
の3式を同時に満たす領域内に納まっている必要がある。ここで、Pは複数の点光源32の配列ピッチ、Wは点光源32の光出射窓28の幅、α=arcsin(1/ng)であって、ngは導光基板38の屈折率である。
J1((2P−W)/(2tanα)、0)
J2((P−W)/(2tanα)、−P/2)
J3((P−W)/(2tanα)、P/2)
である。たとえば、P=6.5mm、ng=1.59、W=2mmのときには、これらの座標は、J1(6.8、0)、J2(2.78、−3.25)、J3(2.78、3.25)となる。
指向性変換部45の外周縁の半径r2は、r2>r1などの他の条件を満たす限り、上記数式7の値よりも小さくすることは可能であるので、sin2α≦(P−W)/(2P−W)の場合には、指向性変換部45の外周縁の半径r2は、上記数式7で示した値を上限値とする。よって、半径r2は、つぎの数式8を満たしていればよい。
r2={P−(W/2)}cosα …(数式9)
となる。よって、sin2α≧(P−W)/(2P−W)の場合には、指向性変換部45の外周縁の半径r2は、つぎの数式10で示す条件を満たしていればよい。
r2≦{P−(W/2)}cosα …(数式10)
図39は、本発明の実施形態4による面光源装置71を示す斜視図である。この面光源装置71は、導光基板38の幅とほぼ等しい長さを有する棒状光源72を用いたものである。棒状光源72は、LEDを用いた点光源73、透明なくさび状導光体74、およびプリズムシート75によって構成されている。点光源73は、くさび状導光体74の厚みの大きな側の端面に対向している。点光源73から出射された光は、端面からくさび状導光体74内に入り、くさび状導光体74の前面と背面で全反射を繰り返しながら先端方向へ導光される。くさび状導光体74を導光する光は、くさび状導光体74の前面から全長にわたって斜め方向へ出射する。斜め方向に出射された光は、プリズムシート75と通過することによって光路を曲げられ、導光板33の光入射端面43に対してほぼ垂直な方向へ出射する。なお、くさび状導光体74の背後に設けた反射シート76は、くさび状導光体74の裏面から漏れた光を反射してくさび状導光体74に再入射させるものである。
図40(a)は、本発明の実施形態5による面光源装置81を示す斜視図である。この面光源装置81では、導光基板38の上面に表面側低屈折層85を設けている。表面側低屈折層85は低屈折率層39と同じく導光基板38よりも屈折率の低い透明材料(低屈折率層39と同じ屈折率の同材料でよい。)により形成されており、厚みは3〜5μm程度となっている。拡散パターン46内は表面側低屈折層85で埋められていてもよいが、シート状の表面側低屈折層85を用いることで拡散パターン46内に空気層が残るようにすることが好ましい。また、表面側低屈折層85の上面には、拡散板やプリズムシートなどの光学シートを重ねてもよい。なお、実施形態5でも、表面側低屈折層85と低屈折率層39及び反射層40の一方又は双方、特に低屈折率層39及び40を導光基板38の端面まで延ばしてもよい。
図42は、本発明の実施形態6による液晶表示装置91を示す斜視図である。この液晶装置は、本発明にかかる面光源装置の上に直接液晶パネル92を載置して一体化している。表面側低屈折層85として透明接着樹脂(接続層)を用いれば、導光基板38を液晶パネル92の下面に接着して一体化することができ、薄い面光源装置の場合でも、反りが発生するのを防ぐことができる。また、表面側低屈折層85の厚み分だけ、点光源32の上面を導光基板38の上面から突出させているので、導光基板38の上面に表面側低屈折層85で接着された液晶パネル92の下面が点光源32の上面に乗り、液晶パネル92が安定する。
32 点光源
33 導光板
38 導光基板
39 低屈折率層
40 反射層
41 導光板本体
42 光導入部
43 光入射端面
44 光出射面
45 指向性変換部
46 拡散パターン
47 偏向パターン
48 指向性変換パターン
52 高屈折率層
72 棒状光源
85 表面側低屈折層
92 液晶パネル
Claims (3)
- 光源と、前記光源と対向する位置に設けられていて前記光源の光を光入射端面から導入して光出射面から外部へ出射させる導光板とを備えた面光源装置であって、
前記導光板の端縁に沿って複数個の前記光源が配置され、
前記導光板は、透光性材料からなる導光基板と、前記導光基板の前記光出射面と反対側の面に密着した、前記導光基板よりも低屈折率の低屈折率層と、前記低屈折率層の前記光出射面と反対側の面に密着した反射層とを備え、
前記導光基板は、前記光源と対向する位置に設けられた光導入部と、前記光導入部から導光された光を外部へ出射する前記光出射面を備えた導光板本体とを一体として構成され、
前記光導入部の光出射側の面又はその反対側の面における前記光出射面と平行な領域には、前記光源に近い側から前記光源より遠ざかる方向へ向けて延びた複数のパターンによって、前記光入射端面から前記光導入部に入射した光を前記導光基板内に閉じ込めるための指向性変換部が設けられ、
前記導光板本体の前記光出射面側には、導光板本体内の光を反射させて導光板本体の前記光出射面と反対側の面から前記低屈折率層へ漏れさせるための光制御パターンが形成され、
前記低屈折率層と前記反射層との界面又は前記反射層の前記界面と反対側の面には、前記低屈折率層へ漏れた光を反射させて前記光出射面から出射させるための光出射手段が形成され、
前記導光板の光出射面に垂直な方向から見て、いずれか任意の光源の中心を通り前記導光板の端縁に垂直な方向にX軸を定め、前記導光板の端縁に沿ってY軸を定めたとき、当該光源に対応する指向性変換部は、
X>0
X≦{−2Y+(2P−W)}/(2tanα)
X≦{2Y+(2P−W)}/(2tanα)
(ただし、P:前記光源間の距離
W:前記光源の光出射窓の幅
α:導光板の屈折率をngとするとき、α=arcsin(1/ng)で表される角度)
の3式を同時に満たす領域の内部に位置していることを特徴とする面光源装置。 - 光源と、前記光源と対向する位置に設けられていて前記光源の光を光入射端面から導入して光出射面から外部へ出射させる導光板とを備えた面光源装置であって、
前記導光板の端縁に沿って複数個の前記光源が配置され、
前記導光板は、透光性材料からなる導光基板と、前記導光基板の前記光出射面と反対側の面に密着した、前記導光基板よりも低屈折率の低屈折率層と、前記低屈折率層の前記光出射面と反対側の面に密着した、前記低屈折率層よりも高屈折率の高屈折率層と、前記高屈折率層の前記光出射面と反対側の面に密着した反射層とを備え、
前記導光基板は、前記光源と対向する位置に設けられた光導入部と、前記光導入部から導光された光を外部へ出射する前記光出射面を備えた導光板本体とを一体として構成され、
前記光導入部の光出射側の面又はその反対側の面における前記光出射面と平行な領域には、前記光源に近い側から前記光源より遠ざかる方向へ向けて延びた複数のパターンによって、前記光入射端面から前記光導入部に入射した光を前記導光基板内に閉じ込めるための指向性変換部が設けられ、
前記導光板本体の前記光出射面側には、導光板本体内の光を反射させて導光板本体の前記光出射面と反対側の面から前記低屈折率層側へ漏れさせるための光制御パターンが形成され、
前記高屈折率層と前記反射層との界面又は前記反射層の前記界面と反対側の面には、前記高屈折率層へ漏れた光を反射させて前記光出射面から出射させるための光出射手段が形成され、
前記導光板の光出射面に垂直な方向から見て、いずれか任意の光源の中心を通り前記導光板の端縁に垂直な方向にX軸を定め、前記導光板の端縁に沿ってY軸を定めたとき、当該光源に対応する指向性変換部は、
X>0
X≦{−2Y+(2P−W)}/(2tanα)
X≦{2Y+(2P−W)}/(2tanα)
(ただし、P:前記光源間の距離
W:前記光源の光出射窓の幅
α:導光板の屈折率をngとするとき、α=arcsin(1/ng)で表される角度)
の3式を同時に満たす領域の内部に位置していることを特徴とする面光源装置。 - 請求項1または2に記載した面光源装置と、液晶パネルと、少なくとも前記面光源装置の前記導光板本体と前記液晶パネルとの間に介在して前記導光板本体を前記液晶パネルに密着させる少なくとも1層の接続層とからなる液晶表示装置において、
前記各接続層のいずれかの屈折率が、前記導光板本体の屈折率よりも低いことを特徴とする液晶表示装置。
Priority Applications (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2010004470A JP4985787B2 (ja) | 2010-01-12 | 2010-01-12 | 面光源装置及び液晶表示装置 |
KR1020100134246A KR101312778B1 (ko) | 2010-01-12 | 2010-12-24 | 면광원 장치 및 액정 표시 장치 |
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