JP5003758B2 - 面光源装置及び液晶表示装置 - Google Patents
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Description
基板と点光源の厚みの和 600μm
点光源の光出射窓の高さ 300μm
プリズムシートの厚み 62μm(1枚あたり)
拡散板の厚み 55μm
導光板の厚み 300〜650μm
反射板の厚み 60μm
リムシートの厚み 55μm
図2は特開平5−53111号公報(特許文献1)に開示された液晶表示装置21の側面図である。この液晶表示装置21に用いられている面光源装置22では、蛍光管23よりも厚みの薄い導光板に蛍光管23からの光を効率よく入射させるため、導光板の厚みの薄い部分、すなわち導光板本体24の端部にテーパー部25を設けている。テーパー部25の端面は蛍光管23の直径にほぼ等しい高さを有しており、当該端面に蛍光管23が対向している。そして、テーパー部25の端面から入射した光は、テーパー部25の表裏面で全反射することにより導光板本体24へ導かれ、導光板本体24の上面から液晶パネル26へ向けて出射される。
sinα=1/n …(数式1)
(ただし、nは導光板の屈折率)
によって決まる。
θ≦90°−2α …(数式2)
となる。
θ≦45°−α …(数式3)
となる。この数式3を満たせば、B点で全反射した光は、導光板本体24のC点でも全反射する。
θ≦45°−α …(数式4)
を満たせばよいことが分かる。しかし、テーパー部25の傾斜角θが小さいと、テーパー部25の傾斜面の上端で全反射した後、導光板の下面で全反射した光が再びテーパー部25の傾斜面に入射してテーパー部25から漏れる恐れがあり、また傾斜角θが小さいとテーパー部25の長さが長くなるので、傾斜角θは数式4を満たす範囲内においてできるだけ大きいことが望ましい。従って、傾斜角θは、数式4を満たす限度でできるだけ大きい値とする。すなわち、
θ=45°−α …(数式5)
となる。
X=Tcot(α+2θ)+(T−Y)cot(α+2θ)
=(2T−Y)cot(α+2θ)
Y=Xtanθ
となる。これをX、Yについて解き、数式5を用いると、つぎの数式6、数式7のようになる。
n=1.49(アクリル樹脂の場合)
n=1.59(ポリカーボネイト樹脂の場合)
として計算すれば、最大の入射角αは数式1より、
α=42.16°(アクリル樹脂の場合)
α=38.97°(ポリカーボネイト樹脂の場合)
となる。数式3よりテーパー部25の傾斜角θは、
θ=2.84°(アクリル樹脂の場合)
θ=6.03°(ポリカーボネイト樹脂の場合)
となる。
X=7.10mm
Y=0.35mm
t=3.75mm
となる。
同様に、導光板材料がポリカーボネイト樹脂の場合には、T=4.10mm、α=38.97°(a=tanα=0.81)であるので、
X=6.11mm
Y=0.65mm
t=3.45mm
となる。
図4は上記のような計算結果をまとめたものである。
図5は特開2004−69751号公報(特許文献2)の図1に開示された面光源装置を示す斜視図である。この面光源装置31は、導光シート32の端部に円錐状をした導光部33を設け、導光部33の端面(受光部34)に対向させて点光源35を配置している。この面光源装置31でも、点光源35と導光部33の受光部34とは同程度の高さとなっており、点光源35の光を導光部33から入射させて導光シート32へ導くようにしている。
90°−(α+3θ)=39.32°
の入射角で他方の傾斜面に入射する。この入射角39.82°は全反射の臨界角(42.16°)よりも小さな角度であるから、他方の傾斜面に入射した光線Lは、図6に示すように外部へ漏れる。
図9は特開2005−285389号公報(特許文献3)に開示された面光源装置の断面図である。この面光源装置41は、光源42より厚みの薄い導光板本体43に光を効率良く入射させるため、光入射面側から順次薄くなる階段状の入光部44を導光板本体43の端部に設けている。また、入光部44の表面には、光反射板45を備えている。
D=(3・t)/tanθ
の距離に定めた位置よりも前記点光源に近い側に配置されていること特徴としている。
D=(3・t)/tanθ
の距離に定めた位置よりも点光源に近い側に配置されているので、光導入部の傾斜面で反射された光が指向性変換パターンに複数回入射するのを防ぐことができ、指向性変換部に複数回入射することで外部へ漏れるのを防ぐことができ、光のロスを小さくすることができる。
最大入射角α=39°
テーパー部55の傾斜面57の傾斜角θ=6°
テーパー部55の長さX=0.45mm
テーパー部55の傾斜面57の高低差Y=0.05mm
導光板本体56の厚みt=0.25mm
屈折率n=1.59(ポリカーボネイト樹脂)
テーパー部55の端面の高さT=0.3mm
最大入射角α=39°
テーパー部55の傾斜面57の傾斜角θ=15°
テーパー部55の長さX=0.485mm
テーパー部55の傾斜面57の高低差Y=0.13mm
導光板本体56の厚みt=0.17mm
傾斜面57で反射した光の指向性 −66°〜−15°
傾斜面57に入射しない光の指向性 −39°〜−15°
傾斜面57に入射しなかった一部の光の指向性 −15°〜39°
であるから、これらの光を足し合わせると、テーパー部55の傾斜面57と下面58との間における指向特性S3は、−66°〜39°となる。
90°−θ−ξ>α、 すなわち、90°−θ−α>ξ …(数式9)
である。また、この傾斜面57で全反射した光が下面58に入射して下面58から漏れないための条件は、
90°−2θ−ξ>α、 すなわち、90°−2θ−α>ξ …(数式10)
となる。この数式9と数式10を比べれば、テーパー部55の下面58で光が漏れなければ、テーパー部55の傾斜面57でも光が漏れないことが分かる。
本発明の第1の実施形態を説明する。図23は本発明の第1の実施形態による面光源装置61を示す斜視図、図24はその概略断面図である。面光源装置61は、点光源62と導光板63とからなる。点光源62は、1個又は複数個のLEDを内蔵したものであって白色発光するものである。LED62bは透明封止樹脂62c内に封止され、さらに透明封止樹脂62cは正面を除いて白色樹脂62dによって覆われており、透明封止樹脂62cの白色樹脂62dから露出している正面が光出射窓62aとなっている。この点光源62は、導光板63の幅(図24の紙面奥行き方向の寸法)に比べて小さなものであり、冷陰極管が線状光源と呼ばれるのに対して点光源と称するものである。
漏れ光/入力光≦20%
とすることができ、さらに頂角φ3が110〜130°であれば、
漏れ光/入力光≦15%
とすることができる。
光導入部65の端面の厚み T=0.31mm
導光板本体64の厚み t=0.18mm
光導入部65の上面の長さ s1=2.50mm
光導入部65の長さ s2=3.19mm
傾斜面67の傾斜角 θ=15.3°
漏れ光/入力光≦2%
とすることができた。
漏れ光/入力光≦15%
とすることができ、図34(a)の場合より劣るが、光を閉じ込める効果とともにデッドスペースを小さくする効果がある。
漏れ光/入力光 ≦ 10%
に抑えることができた。
図38は本発明の第2の実施形態による面光源装置71を示す斜視図である。この面光源装置71では、指向性変換パターン68の上端側及び下端側の包絡線をそれぞれ直線状にしている。すなわち、光導入部65は、導光板63の端部の全幅にわたって形成されており、光導入部65の平面状をした傾斜面の全体に指向性変換パターン68が形成されている。ただし、指向性変換パターン68に設けられたV溝構造68aは、光出射面69に垂直な方向から見たとき、いずれも点光源62を中心として放射状に延びるように配置されている。図39(a)は指向性変換パターン68の向かって左端部分のV溝構造68aの形状を示し、図39(b)は指向性変換パターン68の中央部のV溝構造68aの形状を示し、図39(c)は指向性変換パターン68の向かって右端部分のV溝構造68aの形状を示している。
漏れ光/入力光 ≦ 10%
という結果が得られる。
図42は本発明の第3の実施形態による面光源装置81を示す斜視図である。この面光源装置81では、複数個の点光源62を備え、各点光源62に対向させて複数の光導入部65を設けている。このように複数の光導入部65を設ける場合には、隣接する指向性変換パターン68どうしが干渉しあう恐れがあるので、光導入部65どうしは5〜10mm程度の中心間ピッチで配置するのが好ましい。このような実施形態では、複数個の点光源62を用いているので、面光源装置81をより明るくできる。
漏れ光/入力光 ≦ 5%
という効率が実現される。
図44は本発明の第4の実施形態による面光源装置91を示す概略断面図である。この実施形態では、光導入部65の傾斜面67をパターンのない平坦面としている。一方、導光板63の傾斜面67が設けられている面と反対側において、かつ、傾斜面67よりも点光源62に近い位置において、光導入部65に断面三角形状の凹部92を設け、凹部92の斜面にV溝構造68aが配列した指向性変換パターン68を設けている。
漏れ光/入力光 ≦ 2%
とすることができ、面光源装置81を薄型化することができる。ただし、このような実施形態では、指向性変換パターン68が光源側にあり、光源から遠い方向に傾斜面67が設けられるので、第1の実施形態に比べるとデッドスペースが広くなる。
漏れ光/入力光 ≦ 10%
となる。
D=(3・t)/tanθ …(数式11)
図51は本発明の第5の実施形態による面光源装置96を示す概略平面図である。この実施形態では、導光板本体64のコーナー部を斜めにカットし、このカットした端部の縁に沿って直線状に光導入部65を形成している。この光導入部65の傾斜面67には、放射状に配列された複数のV溝構造68aによって指向性変換パターン68を形成している。
図52は本発明の第6の実施形態による面光源装置97を示す斜視図である。この実施形態では、導光板本体64の一端辺に沿って直線状に光導入部65を設けてある。光導入部65の光入射端面66に対向する位置には、点光源62とくさび状導光体99を用いた線状光源98が配置されている。この線状光源98は、透明樹脂からなるくさび状導光体99の入射面102に対向させて点光源62を配置し、くさび状導光体99の出射面103に対向させてプリズムシート101を設け、その反対面に対向させて正反射板100を配置したものである。
図53(a)〜(h)は導光板63のその他の形状を表している。図53(a)に示す導光板63では、光導入部65の上面に平坦部分がなく、傾斜面67のみによって構成されている。
これまでの実施形態においては、ほぼ厳密な構造によって導光板からの光の漏れをなくす方法を考えてきたが、以下においてはより一般化した原理について説明する。すなわち、指向性変換パターン68で反射された光の指向性を光源方向(点光源62の中心と結ぶ方向)に対して直交する方向に広げれば(つまり、縦方向の指向性を横方向に広げれば)、傾斜面67又はその近傍における光の漏れを小さくできる。この原理を以下において説明する。
つぎに、反射させた光の指向性を光源方向(点光源62の中心と結ぶ方向)に対して直交する方向に広げることのできる指向性変換パターン68を平均傾斜角の概念と関連付けることを考える。
θx*=Σ|θxi×ΔXi|/Σ|ΔXi| …(数式12)
但し、Σはiに関する総和であって、絶対値について総和を求める。
θy*=Σ|θyj×ΔYj|/Σ|ΔYj| …(数式13)
但し、Σはjに関する総和であって、絶対値について総和を求める。
光源方向に直交する方向の平均傾斜角θy* > 光源方向の平均傾斜角θx*
…(数式14)
ということになる。
光源方向Fの平均傾斜角: 0°
となる。また、光源方向に直交する方向に走査したときの平均傾斜角θy*を求めると、
光源方向と直交する方向Gの平均傾斜角(中央): 30.8°
光源方向と直交する方向G’の平均傾斜角(点光源側へ50μm): 30.9°
光源方向と直交する方向G”の平均傾斜角(遠い側へ50μm): 30.7°
となる。各平均傾斜角θx*、θy*の計算は、光源方向においても、光源方向と直交する方向においても、光源方向と直交する方向の2周期分の長さで行った。よって、光源方向と直交する方向では、3つの値のうち最も高い30.9°を光源と直交する方向の平均傾斜角θy*とする。よって、この場合には、光源方向と直交する方向の平均傾斜角θy*>光源方向の平均傾斜θx*を満足していることが分かる。
光源方向Fの平均傾斜角: 16.6°
となる。また、光源方向に直交する方向に走査したときの平均傾斜角θy*を求めると、
光源方向と直交する方向Gの平均傾斜角(中央): 27.1°
光源方向と直交する方向G’の平均傾斜角(点光源側へ50μm): 27.1°
光源方向と直交する方向G”の平均傾斜角(遠い側へ50μm): 27.1°
となる。各平均傾斜角の計算は、光源方向においても、光源方向と直交する方向においても、光源方向と直交する方向の2周期分の長さで行った。よって、光源方向と直交する方向では、3つの値のうち最も高い27.1°を光源と直交する方向の平均傾斜角θy*とする。よって、この場合にも、光源方向と直交する方向の平均傾斜角θy*>光源方向の平均傾斜θx*を満足していることが分かる。
つぎに、反射させた光の指向性を光源方向(点光源62の中心と結ぶ方向)に対して直交する方向に広げることのできる指向性変換パターン68を凹凸具合もしくは凹凸の数の概念と関連付ける。指向性変換パターン68を構成する凹部及び/又は凸部が周期的に繰り返されている場合には、光源方向における凹凸具合と光源に直交する方向における凹凸具合を比較することができる。ここでいう凹凸具合とは、所定の距離(例えば、パターンの2周期分の長さ)に含まれる凹部及び/又は凸部の数である。
つぎに、凸凹構造68bの延在方向の角度範囲(傾き)について述べる。指向性変換パターン68の各凸凹構造68bが点光源62を中心として放射状に配列している場合には、各凸凹構造68bの延在方向は光源方向と平行となっている。しかし、凸凹構造68bは、図76に示すように、光源方向から傾けて配置されていてもよい。ただし、指向性変換パターン68の延在方向Jは、光源方向Fに対する角度νがいずれの方向でも20°以内(つまり、±20°以内)であることが望ましい。ここで、延在方向Jとは、凸凹構造68bの断面形状が変化しない方向、あるいは長手方向である。なお、凸凹構造68bにより凸凹が変化する方向は周期的であってもよいし、周期的でなくてもよい。
また、図78に示すように、導光板63の上面から見て指向性変換パターン68の凸凹構造68bが一方向に延びているとき、凸凹構造68bの平面視におけるアスペクト比、すなわち指向性変換パターン68の断面が変化しない方向もしくは長手方向(縦方向=延在方向J)の長さM2に対する、縦方向に直交する方向であって断面が変化する方向もしくは短手方向(横方向)の長さM1の比M1/M2が、0.5倍以下であることが望ましい。ここで、図28に示すようにピッチp1とp2の長さが異なるような場合には、ピッチp1とp2の平均を長さM1と考えればよい。
また、図80(a)に示すように、導光板63の光入射端面66に対して一方向に延びた指向性変換パターン68が、ある有限の領域において繰り返し配置されている場合、その領域は点光源62の発光中心から見て80°の広がりの範囲内にあることが望ましい。このように点光源62の発光中心から見たパターンの広がりの範囲をパターン広がり角度μというものとする。なお、このパターンの広がりの範囲は、点光源62の正面方向に関してほぼ対称であること好ましく、つまり正面方向から±40°以内の広がりであることが好ましい。
図82は本発明の第8の実施形態による面光源装置111を示す一部破断した斜視図、図83は面光源装置111の一部破断した平面図、図84(a)は図82のe1部拡大図、図84(b)は図82のe2部拡大図である。
M1/M2=0.5
となっている。アスペクト比が0.5以下であれば、効率改善効果が認められたから、この実施形態では、効率改善効果を奏しうる。
光源方向Fの平均傾斜角: 14.6°
となる。また、光源方向に直交する方向に走査したときの平均傾斜角θy*を求めると、
光源方向と直交する方向Gの平均傾斜角(中央): 30.8°
光源方向と直交する方向G’の平均傾斜角(点光源側へ50μm): 30.7°
光源方向と直交する方向G”の平均傾斜角(遠い側へ50μm): 28.4°
となる。各平均傾斜角の計算は、光源方向においても、光源方向と直交する方向においても、光源方向と直交する方向の2周期分の長さで行った。よって、光源方向と直交する方向では、3つの値のうち最も高い30.8°を光源と直交する方向の平均傾斜角とする。よって、この場合にも、光源方向と直交する方向の平均傾斜角θy*>光源方向の平均傾斜θx*を満足していることが分かる。
図89に示すように複数個の点光源62を用いる場合には、各点光源62に対応させてその前方の領域にそれぞれ指向性変換パターン68を設ける。しかし、隣どうしの点光源62や指向性変換パターン68が接近し、ある点光源62から出射した光が隣の点光源62の前方に位置する指向性変換パターン68に入射すると、そこから光が漏れてロス光となり易い。従って、このようなロス光を防止するためには、点光源62どうしの中心間距離Dcを、
Dc ≧ (ζ1+ζ2)×tanφ
となるようにすることが望ましい。ここで、2φは点光源62から出射される光の実質的な広がりであって、例えばφ=30°とすればよい。また、ζ1は点光源62から指向性変換パターン68の設けられている領域の点光源62に近い側の端までの距離、ζ2は点光源62から指向性変換パターン68の設けられている領域の点光源62から遠い側の端までの距離である。あとは、形状の作りやすさと求める効率から指向性変換パターン68を適宜設計すればよい。
図91は、本発明の面光源装置(例えば、第1の実施形態の面光源装置61)を用いた液晶表示装置121の概略断面図である。この液晶表示装置121は、導光板63の光出射面側に対向させて拡散板124、プリズムシート123及び液晶パネル122を重ねてあり、導光板63の裏面側に反射シート125を配置している。このような液晶表示装置121によれば、本発明の面光源装置の特徴を生かすことができ、液晶表示装置121の光利用効率を向上させて画面を見やすくできると共に液晶表示装置121の薄型化を図ることができる。
52 導光板
53 光入射端面
54 光出射面
55 テーパー部
56 導光板本体
57 傾斜面
58 下面
61 面光源装置
62 点光源
62a 光出射窓
63 導光板
64 導光板本体
65 光導入部
66 光入射端面
67 傾斜面
68 指向性変換パターン
68a V溝構造
68b 凹凸構造
69 光出射面
70 光出射手段
71 面光源装置
81 面光源装置
92 凹部
93 反射板
98 線状光源
121 液晶表示装置
Claims (10)
- 点光源と、前記点光源の光を光入射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、
前記点光源は、前記導光板の光入射面と対向する位置に設けられ、
前記導光板は、光入射面から入射した点光源からの光を閉じ込めるための光導入部と、前記光導入部の最大の厚みよりも小さな厚みで、前記光導入部と連続するように設けられていて閉じ込めた光を光出射手段によって光出射面から外部へ出射させるようにした導光板本体とを備え、
前記光導入部は、前記導光板本体よりも厚みの大きな部分の表面から前記導光板本体の表面の端に向けて傾斜した傾斜面を、前記導光板の光出射側の面またはその反対面に有し、
前記導光板は、前記光導入部に入射した光の前記導光板の厚み方向における指向性広がりを導光板の面方向と平行な方向に向けて傾いた指向特性に変換させるための指向性変換パターンを、前記光導入部に形成された傾斜面の少なくとも一部に設けられていることを特徴とする面光源装置。 - 点光源と、前記点光源の光を光入射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、
前記点光源は、前記導光板の光入射面と対向する位置に設けられ、
前記導光板は、光入射面から入射した点光源からの光を閉じ込めるための光導入部と、前記光導入部の最大の厚みよりも小さな厚みで、前記光導入部と連続するように設けられていて閉じ込めた光を光出射手段によって光出射面から外部へ出射させるようにした導光板本体とを備え、
前記光導入部は、前記導光板本体よりも厚みの大きな部分の表面から前記導光板本体の表面の端に向けて傾斜した傾斜面を、前記導光板の光出射側の面またはその反対面に有し、
前記導光板は、前記光導入部に入射した光の前記導光板の厚み方向における指向性広がりを導光板の面方向と平行な方向に向けて傾いた指向特性に変換させるための指向性変換パターンを、前記導光板の前記傾斜面が形成されている面と反対面において、前記光導入部と前記光導入部に隣接する前記導光板本体の隣接領域との併合した領域のうちの少なくとも一部に設けられていることを特徴とする面光源装置。 - 点光源と、前記点光源の光を光入射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、
前記点光源は、前記導光板の光入射面と対向する位置に設けられ、
前記導光板は、光入射面から入射した点光源からの光を閉じ込めるための光導入部と、前記光導入部の最大の厚みよりも小さな厚みで、前記光導入部と連続するように設けられていて閉じ込めた光を光出射手段によって光出射面から外部へ出射させるようにした導光板本体とを備え、
前記光導入部は、前記導光板本体よりも厚みの大きな部分の表面から前記導光板本体の表面の端に向けて傾斜した傾斜面を、前記導光板の光出射側の面またはその反対面に有し、
前記導光板は、前記光導入部に入射した光の前記導光板の厚み方向における指向性広がりを導光板の面方向と平行な方向に向けて傾いた指向特性に変換させるための指向性変換パターンを、前記導光板の前記傾斜面が形成されている面と反対面において、前記傾斜面で全反射された光が前記光出射面と反対側の面で2回目に全反射される位置よりも前記点光源に近い側の領域に設けられていることを特徴とする面光源装置。 - 点光源と、前記点光源の光を光入射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、
前記点光源は、前記導光板の光入射面と対向する位置に設けられ、
前記導光板は、光入射面から入射した点光源からの光を閉じ込めるための光導入部と、前記光導入部の最大の厚みよりも小さな厚みで、前記光導入部と連続するように設けられていて閉じ込めた光を光出射手段によって光出射面から外部へ出射させるようにした導光板本体とを備え、
前記光導入部は、前記導光板本体よりも厚みの大きな部分の表面から前記導光板本体の表面の端に向けて傾斜した傾斜面を、前記導光板の光出射側の面またはその反対面に有し、
前記導光板は、前記光導入部に入射した光の前記導光板の厚み方向における指向性広がりを導光板の面方向と平行な方向に向けて傾いた指向特性に変換させるための指向性変換パターンを、前記導光板の前記傾斜面が形成されている面と反対面に形成されており、
前記導光板本体の厚みをtとし、前記傾斜面の傾斜角をθとするとき、前記指向性変換パターンは、前記傾斜面の前記導光板本体側の縁と対向する位置から、前記導光板本体内へ向けて
D=(3・t)/tanθ
の距離に定めた位置よりも前記点光源に近い側に配置されていること特徴とする面光源装置。 - 前記指向性変換パターンは、複数のV溝構造によって構成されていることを特徴とする、請求項1から4のうちいずれか1項に記載の面光源装置。
- 前記指向性変換パターンは、前記導光板の光出射面に垂直な方向から見たときに円弧状の領域に形成されていることを特徴とする、請求項1から4のうちいずれか1項に記載の面光源装置。
- 隣接する前記V溝構造どうしの間に形成される山部の頂角が、100°以上140°以下であることを特徴とする、請求項5に記載の面光源装置。
- 前記指向性変換パターンの前記点光源に近い側の縁のうえの任意の点から前記点光源の光出射窓の一方の端に延ばした方向と、当該任意の点から当該光出射窓の中央に延ばした方向とのなす角度が30°以下であり、
かつ、前記指向性変換パターンの前記点光源に近い側の縁のうえの任意の点から前記点光源の光出射窓の他方の端に延ばした方向と、当該任意の点から当該光出射窓の中央に延ばした方向とのなす角度が30°以下であることを特徴とする、請求項1から4のうちいずれか1項に記載の面光源装置。 - 前記指向性変換パターンを構成する凹部及び/又は凸部の平面視における縦横のアスペクト比が0.5以下であることを特徴とする、請求項1から4のうちいずれか1項に記載の面光源装置。
- 請求項1から9のうちいずれか1項に記載された面光源装置と、液晶パネルとを備えた液晶表示装置。
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