JP5068865B2 - 光源モジュール、およびそれを備えた電子機器 - Google Patents

光源モジュール、およびそれを備えた電子機器 Download PDF

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Description

本発明は、光源モジュール、およびそれを備えた電子機器に関し、より具体的には、例えば液晶表示装置において、薄型化を図るために、光源からの光を導光板によって面状に出射させるサイドエッジ(サイドライトともいう)型導光板を備えたバックライトに用いられる光源モジュール、およびそれを備えた電子機器に関する。
近年、液晶表示装置においては、薄型化を図るために、光源からの光を導光板によって面状に出射させるサイドエッジ型導光板を備えたバックライトが多用されている。
このようなサイドエッジ型導光板として、例えば特許文献1に開示された面状照明装置がある。図11は、特許文献1の面状照明装置を示す図である。図11に示されるように、特許文献1の面状照明装置100では、導光板101の主面にプリズム状の構造体が形成されている。そして、上記主面と直交する端面111近傍にLED光源102が複数設けられている。ここで、複数のLED光源102の1つの光源102aのみを選択的点灯手段により点灯した場合、導光板101の端面111から入射した光は、導光板101の主面に設けられたプリズム状の構造体の作用により、図11の上下方向には殆ど広がることなく、図11の左方向に伝播し、帯状の照明領域103が形成される。
図12は、特許文献1の面状照明装置におけるプリズム状構造体110の構成を示す断面図である。図12に示されるように、導光板101の断面内において、プリズム面の一方の面に対して、平坦面との角度θで入射した光は、全反射されて対向するプリズム面に入射、全反射する。そして、断面角度φで平坦面に入射する。このとき、φ=θである。特許文献1の面状照明装置では、面状照明を得るため、平坦面にドット状の白色反射面等を形成し均一に照明している。
また、例えば特許文献2には、導光板における出射面と反対の面にV溝が形成された構成が開示されている。
特開2009−283383号公報(2009年12月 3日公開) 特開2009−31445号公報 (2009年 2月12日公開)
しかしながら、特許文献1の面状照明装置には、以下の問題がある。
すなわち、特許文献1の面状照明装置におけるプリズム状構造体110は、角度θが特定の角度である光に対しては、導光板内に光を閉じ込める閉じ込め効果が極めて高い。しかし、浅い角度(平坦面との角度θが小さい)で入射した光Cに対しては、閉じ込め効果を奏さない。浅い角度で入射した光Cは、直進方向(導光板の長手方向)および垂直方向(導光板の短手方向)への広がりが大きい。このため、図12に示されるように、光Cは、照明領域103から外れたプリズム面の真下方向に反射する成分が多くなる。そして、プリズム面の真下方向に反射する成分が平坦面で散乱しプリズム状構造体110から出射する。その結果、浅い角度(平坦面との角度θが小さい)で入射した光Cは、照明領域103からずれた位置から出射するおそれがある。
このように、従来の構成の導光板では、浅い角度で入射する光に対しては、本来光を出射すべき照射領域103から外れた領域から出射する。その結果、照明領域103は、光の直進方向(長手方向)と垂直な方向(短手方向)に拡がるという問題がある。
本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、光の直進方向(長手方向)と垂直な方向(短手方向)への拡がりを抑えることができる光源モジュール、およびそれを備えた電子機器を提供することにある。
本発明の光源モジュールは、上記の課題を解決するために、導光板と、上記導光板における長手方向の少なくとも一方の端面から光をそれぞれ入射させる複数の光源と、上記導光板における光の出射面と反対の面に、上記導光板の内部にて導光される光を取り出すための複数の光路変換部とを備えた光源モジュールであって、上記導光板における光の出射面に、長手方向に稜線を有する曲面で構成された曲面構造部を複数有することを特徴としている。
上記の構成によれば、上記導光板における光の出射面に、長手方向に稜線を有する曲面で構成された曲面構造部を複数有する。すなわち、複数の曲面構造部は、長手方向に沿って形成されている。一方、導光板の出射面と反対の面に、上記導光板の内部にて導光される光を取り出すための複数の光路変換部が形成されている。光路変換部においては導光体中を導光する光線の角度成分を変換し、長手方向及び短手方向における全反射条件を崩す光線を導光体から出射することが可能になる。曲面構造部は、その面形状が(短手方向)に対し連続的に変化した曲面を有する。それゆえ、光路変換部にて光路が変換された光のうち、出射面の長手方向で全反射条件が崩れた光については、短手方向の様々な角度成分の光線が効率的に取り出されることになる。すなわち、出射面の長手方向で全反射条件が崩れた光は、出射面の短手方向において様々な角度で入射しても、出射面で全反射せず導光板から出射する。また、光路変換部にて光路が変換された光のうち、出射面の長手方向で全反射条件が崩れていない光は、導光板から出射することなく、短手方向の光線の成分の拡がりが抑えられた状態で導光板内部を導光することになる。したがって、上記の構成によれば、光の直進方向と垂直な方向(短手方向)への拡がりを抑えることができる光源モジュールを実現することができる。
本発明の光源モジュールにおいて、上記曲面構造部の高さをHとし、上記曲面構造部同士の間隔をPとしたとき、高さH及び間隔Pは、
0.2<H/P<0.5
を満たすことが好ましい。
上記の構成によれば、上記曲面構造部は、その接線の傾きが連続的に変化している。それゆえ、出射面に様々な角度で入射する光の取り出し効果及び短手方向への光の拡がりを抑制する効果という点で有効に作用する。また、上記の構成によれば、高さH及び間隔Pは、0.2<H/P<0.5を満たすように設定されているので、曲面構造部を有する導光板を量産するに際し作製効率が向上するとともに、形状のずれに対する特性の変動を抑えることが可能になる。また、H/P(高さH及び間隔Pのアスペクト比)を0.2<H/P<0.5の範囲に設定することにより、アスペクト比に対するクロストーク量(光直進性の優劣を示す値)の変動を小さくすることができ、光源モジュールの特性変動を抑えることができる。
本発明の光源モジュールにおいて、上記光路変換部の間隔は、上記稜線の間隔よりも小さくなっていることが好ましい。
上記の構成によれば、上記光路変換部の間隔は、上記稜線の間隔よりも小さくなっているため、光の直進方向(長手方向)と垂直な方向への拡がりをさらに抑えることができる。
本発明の光源モジュールにおいて、上記複数の光源を選択的に点灯する光源制御部を備えたことが好ましい。
上記の構成によれば、上記複数の光源を選択的に点灯する光源制御部を備えている。それゆえ、例えば電子機器として液晶表示装置に適用すると、光源制御部が映像信号における1フレーム内の垂直走査に同期して映像信号に応じた領域が照明されるように、選択的に光源を一定時間点灯するとき、導光板の特定の部分のみを適切に点滅照明して動画特性を向上させることができる。
本発明の光源モジュールにおいて、上記光路変換部は、マイクロレンズであることが好ましい。
上記の構成によれば、出射面側に取り出す光の指向性を向上させることができる。
本発明の電子機器は、上記の課題を解決するために、上述の光源モジュールを備えたことを特徴としている。
本発明の光源モジュールにおいて、上記曲面構造部の高さをHとし、上記導光板の厚さをTとしたとき、上記曲面構造部の高さHは、上記導光板の厚さTの10%以下であることが好ましい。
上記の構成によれば、上記曲面構造部の高さHは、上記導光板の厚さTの10%以下であるので、曲面構造部同士の隙間からの光漏れを低減でき、光結合効率を向上させることができる。
上記の構成によれば、光の直進方向(長手方向)と垂直な方向への拡がりを抑えることができる電子機器を実現することができる。
本発明の光源モジュールは、以上のように、上記導光板における光の出射面に、長手方向に稜線を有する曲面で構成された曲面構造部を複数有する構成である。また、本発明の電子機器は、以上のように、上記記載の光源モジュールを備えた構成である。
それゆえ、光の直進方向(長手方向)と垂直な方向(短手方向)への拡がりを抑えることができるという効果を奏する。
本発明の光源モジュールの概略構成を示し、(a)は上面図であり、(b)は側面図である。 上記光源モジュールを備えた液晶表示装置の構成を示す分解斜視図である。 上記光源モジュールを備えた液晶表示装置における一部の構成を示す断面図である。 (a)は、マイクロレンズ群のうち1つのマイクロレンズの拡散イメージを示し、左側はx−z面での散乱特性を示す模式図であり、右側は、y−z面での散乱特性を示す模式図であり、(b)は、拡散材(散乱体)の拡散イメージを示し、左側はx−z面での散乱特性を示す模式図であり、右側は、y−z面での散乱特性を示す模式図である。 (a)は、曲面構造体およびマイクロレンズ群が形成された導光板の構成を示す断面図であり、(b)は、曲面構造体および散乱体が形成された導光板の構成を示す断面図である。 導光板における曲面構造体の有無と、出射面での照度分布との関係を示し、(a)は、導光板に曲面構造体がある場合における出射面上の2次元的な照度分布を示し、(b)は、導光板に曲面構造体がない場合における出射面上の2次元的な照度分布を示し、(c)は、(a)および(b)の構成について、導光板の中央部におけるY方向の照度分布を示したグラフである。 導光板内部を導光する光の経路を示す断面図であり、(a)は、導光板の出射面に曲面構造体が形成された場合(実施例)を示し、(b)は、導光板の出射面に頂角90°のプリズムが形成された場合(従来例1)を示し、(c)は、導光板の出射面に頂角5°のプリズムが形成された場合(従来例2)を示し、(d)は、(a)に示された曲面構造体20aの別の構成を示す。 導光板におけるX方向の側面形状を示す側面図であり、(a)は、曲面構造体の高さが小さい場合を示し、(b)は、曲面構造体の高さが大きい場合を示す。 上記光源モジュールにおける導光板の他の変形例を示し、(a)は、導光板の厚さTに対して高さH/間隔Pが0.4の条件で曲面構造体を形成した導光板(構成I)の概略構成を示す断面図であり、(b)は、(a)の曲面構造体において、間隔をP/2、高さをH/2とした導光板(構成II)の概略構成を示す断面図である。また、(c)は、高さH/間隔Pの比が同じであるとき、間隔Pを半分にすると光閉じ込めの効果は変わらないことを示すグラフである。 上記光源モジュールにおける導光板の他の変形例を示す平面図である。 特許文献1の面状照明装置を示す平面図である。 特許文献1の面状照明装置におけるプリズム状構造体の構成を示す断面図である。 光源モジュールにおけるバックライトブリンキングを説明するための模式図である。 曲面構造体20aにおける高さH及び間隔Pのアスペクト比H/Pと光直進性との相関関係を示すグラフである。
本発明の一実施形態について図1〜図10、図13、及び図14に基づいて説明すれば、以下のとおりである。図2は、本実施の形態の光源モジュールを備えた液晶表示装置(電子機器)の分解斜視図である。
本実施の形態の光源モジュール10を備えた電子機器としての例えば液晶表示装置1は、図2に示すように、下から順に、シャーシ2、光源モジュール10、液晶パネル3、ベゼル4にて構成されており、光源モジュール10は、反射板としての反射シート11、光源としてのLED(Light Emitting Diode:発光ダイオード)12及びLED基板13、リフレクタ14、導光板20、拡散板15、並びに光学シート群16から構成されている。尚、拡散板15、及び光学シート群16は、本発明においては存在しなくてもよい。
図3は、光源モジュール10を備えた液晶表示装置1における一部の構成を示す断面図である。上記LED12及びLED基板13、並びにリフレクタ14は、図3に示すように、導光板20の端部に設けられ、これによって、LED12からの光を導光板20における一方の端面21aに入射し、導光板20の出射面20dから拡散板15及び光学シート群16を通して、液晶パネル3に光を照射するようになっている。したがって、本実施の形態の光源モジュール10は、サイドエッジ(サイドライトともいう)方式を採用している。なお、導光板20からは出射面21d以外からの面からも光は出射するが、導光板20の出射面20d、LED12が配置される面以外の面には反射シート11が配置され、再度導光板20に入射するようになっているため、ほとんどの光は出射面21dから出射される。なお、ここでは、導光板20の長手方向をX方向とし、導光板20の法線方向をZ方向とし、X方向およびZ方向に対し垂直な方向をY方向とする。Y方向は、導光板20の長手方向(X方向)に対して、短手方向ともいえる。
図1は、本実施の形態における光源モジュール10の概略構成を示し、図1(a)は上面図であり、図1(b)は側面図である。図1(a)および(b)に示されるように、導光板20の長手方向の両端からそれぞれ光を入射させるLED12として、LEDL1〜L5、LEDR1〜R5が配置されている。LEDL1〜L5はそれぞれ、LEDR1〜R5と長手方向において対向するように配置されている。なお、図1(a)および(b)に示されていないが、光源モジュール10は、LEDL1〜L5およびLEDR1〜R5を選択的に点灯(選択点灯)する光源制御部を備えている。この光源制御部は、LEDL1〜L5およびLEDR1〜R5の全光源を点灯するように制御することもできる。
また、導光板20の出射面(上面)20dには、曲面で構成された曲面構造体20a…が形成されている。この曲面構造体20a…は、導光板20の長手方向(X方向)に沿って筋状のパターンとして形成されている。すなわち、導光板21は、光の出射面20dに、長手方向に稜線20eを有する曲面で構成された曲面構造体(曲面構造部)20aを複数有する。この曲面構造体20aは、導光板20の出射面20d自体に形成された構造体(導光板20自体に形成された構造体)であって、導光板20に導光板20とは別の部材として曲面構造部材が設けられたものではない。
なお、本実施形態では、導光板20に形成された曲面構造体20aは、導光板20の出射面に対し垂直な方向の高さをHとし、曲面構造体20a同士の間隔をPとしたとき、以下の関係、
0.2<H/P<0.5
を満たす構成になっていることが好ましい。すなわち、H/P(高さH及び間隔Pのアスペクト比)は、0.2〜0.5の範囲であることが好ましい。より好ましくは、アスペクト比H/Pは、0.3〜0.4の範囲である。アスペクト比H/Pを0.2〜0.5の範囲に設定することにより、アスペクト比に対するクロストーク量(光直進性の優劣を示す値)の変動を小さくすることができ、光源モジュールの特性変動を抑えることができる。
図14は、高さH及び間隔Pのアスペクト比H/Pと光直進性との相関関係を示すグラフである。図14のグラフでは、光直進性の優劣を示すパラメータとして(互いに隣接するLED間における出射光の)クロストーク量(%)を採用している。このクロストーク量が小さいほど、光直進性が高くなる。また、図14に示されるグラフは、長手方向の長さ60インチ、厚み3mmの導光板20を用いた結果である。
図14に示されるように、アスペクト比が小さくなるに従い、クロストーク量が大きくなっている。すなわち、光直進性は、アスペクト比が小さくなるに従い低下している。アスペクト比H/P≧0.2である場合、アスペクト比に対しクロストーク量の変動が大きく、かつクロストーク量自体が比較的大きくなっている。一方、0.2<アスペクト比H/P<0.5である場合、アスペクト比に対するクロストーク量(光直進性)の変動が比較的小さく、かつクロストーク量自体が小さくなっている。
以上のことから、曲面構造体20aにおけるアスペクト比H/Pは、
0.2<H/P<0.5
を満たす構成になっていることが好ましいことがわかる。アスペクト比が0.2〜0.5の範囲内であれば、光直進性の変動を小さくすることができる。また、曲面構造体20aの形状にずれがあった場合でも、光直進性が大きく変動することがない。なお、アスペクト比H/P=0.5である場合、曲面構造体20aの形状は半円筒形状に相当する。
また、図1(b)に示されるように、導光板20における曲面構造体20aと反対側の下面20c(出射面20dと反対の面;裏面)には、光路変換部として、マイクロレンズ群20bが形成されている。
マイクロレンズ群20bは、導光板20にて導光される光を取り出すレンズ群である。すなわち、マイクロレンズ群20bは、導光板20の内部にて導光される光の光路を変換させ、出射面20d側に取り出す。マイクロレンズ群20bは、導光板20の出射面20dから出射される光が均一になるように形成されている。マイクロレンズ群20bを構成するマイクロレンズは、同一の間隔で配置されている。マイクロレンズの間隔は、曲面構造体20aの間隔Pよりも小さくなっており、具体的には85μmである。
本実施の形態においては、光路変換部は、マイクロレンズ群20bであったが、この構成に限定されず、導光板20の内部にて導光される光の光路を変換させるものであればよい。例えば、光路変換部は、導光板20の内部にて導光される光を散乱(拡散)させる散乱体であってもよい。この場合、光路変換部は、導光板20の下面20cに白色パターンの散乱体が点在した構成になる。しかし、散乱体の形状は点状に限定されず、線状の白色パターン、または、プリズム等から形成することもできる。白色パターンの散乱体は、例えば、スクリーン印刷等によって形成することができる。また、プリズム形状の散乱体は、押し出し成形、射出成形、プレス加工等により形成することができる。なお、本実施の形態においては、光路変換部は、出射面20d側に取り出す光の指向性を確保する上で、マイクロレンズ群20bであることが好ましい。
ここで、本実施例におけるマイクロレンズについて言及する。
ここでいうマイクロレンズとは、導光板20上に導光板20の屈折率とほぼ同じ屈折率を有する樹脂により形成される構造物である。本実施例に示すマイクロレンズにおいては、インクジェット装置により導光板20に塗布を行い、UV硬化を行うことで形成することができる。インクジェット装置により塗布を行うことで、高い位置精度と細かい塗布が可能であり、広い狭い関係なく均一なパターン印刷が可能である。本実施例においては、マイクロレンズの単体の径は、0μm(マイクロレンズ塗布無しの場合に相当)および約30〜70μmの範囲で制御を行い、ピッチは85μmとしている。
なお、マイクロレンズの屈折率は導光板材料の屈折率と同じであることが理想であるが、導光板材料の屈折率±10%の範囲で取り出す光の指向向性確保に問題の無い結果が得られ、導光板材料の屈折率±3%で不要な散乱の殆ど無い良好な結果が得られることを確認している。
一方で、導光板20における光路変換部としては、拡散材を含有したインクの印刷によるもの(散乱体)もある。一般的に、散乱体は、マスクを用いたスクリーン印刷により形成が可能であるが、マイクロレンズと同程度まで一つ一つのパターンをあまり小さくすることはできない。
図4(a)は、マイクロレンズ群20bのうち1つのマイクロレンズ20b1の拡散イメージを示し、左側はx−z面での散乱特性を示す模式図であり、右側は、y−z面での散乱特性を示す模式図である。また、図4(b)は、拡散材(散乱体)の拡散イメージを示し、左側はx−z面での散乱特性を示す模式図であり、右側は、y−z面での散乱特性を示す模式図である。
光路変換部としてのマイクロレンズ20b1は、導光板20との屈折率が同じであるために、マイクロレンズ面での屈折と反射により光路変換がなされる。よって、図4(a)に示されるように、マイクロレンズ20b1により光路変換された光は、光線の進行方向(図中X方向)および進行方向に対して垂直な方向(図中Y方向)において変動が少なく、z方向での角度変換による光路変換が主となる。そのため、光路変換部としてのマイクロレンズ20b1は、光線の指向性は保たれることになり、導光板20内における光線の直進性を向上させることが可能である。
一方で、拡散材を含有したインクによるパターン(散乱体)においては、拡散材による光線の乱反射による光路変換のため、光路変換後の光線は、マイクロレンズ20b1と比較すると広い範囲の角度に散乱される確率が高くなる。しかし、導光板20の光出射面に形成された曲面構造体20aによる効果によって、短手方向の光を閉じ込める効果は、マイクロレンズと比較して劣るわけではない。
また、図5(a)は、曲面構造体20aおよびマイクロレンズ群20bが形成された導光板20の構成を示す断面図である。また、図5(b)は、曲面構造体20aおよび散乱体20fが形成された導光板20の構成を示す断面図である。
上述のように、散乱体20fは、マイクロレンズ20b1と同程度まで一つ一つのパターンをあまり小さくすることはできない。それゆえ、図5(b)に示されるように、光路変換部として散乱体20fを形成した場合、曲面構造体20aの大きさによっては、散乱体20fが曲面構造体20aよりも大きくなることがある。
このように、本実施の形態の光源モジュールにおいて、導光板20は、下面20cに光を出射面20d側へ取り出すためのマイクロレンズ群20bが形成され、出射面20dに曲面構造体20aが形成された構成である。この構成によれば、マイクロレンズ群20bにより導光板20の出射面20d側に取り出される光の指向性を確保しつつ、曲面構造体20aにより短手方向(Y方向)の光の拡がりを抑えることができる。それゆえ、導光板20内部での光直進性を向上させることができる。
図6は、導光板20における曲面構造体20aの有無と、出射面での照度分布との関係を示すグラフである。図6(a)は、導光板20に曲面構造体20aがある場合における出射面20d(XY平面)上の2次元的な照度分布を示し、図6(b)は、導光板20に曲面構造体20aがない場合における出射面20d(XY平面)上の2次元的な照度分布を示し、図6(c)は、図6(a)および図6(b)の構成について、導光板の中央部におけるY方向の照度分布を示す。なお、図6(a)〜(c)においては、図1(a)および(b)におけるLEDL3およびLEDR3を選択的に点灯している。
図6(a)および(c)に示されるように、導光板20の出射面20dに曲面構造体20aが形成されている場合、LEDL3およびLEDR3からの出射光は、曲面構造体20aの効果により、短手方向(Y方向)に拡がることなく、導光板20内を導光していることが分かる。そして、導光板20内部を導光している光は、マイクロレンズ群20bにより出射面20d側に取り出されている。すなわち、LEDL3およびLEDR3を選択的に点灯することで、導光板20の出射面20dにおける特定の照射領域(LEDL3およびLEDR3に対応した領域)から光が出射している。
一方、図6(b)および(c)に示されるように、導光板20の出射面20dに曲面構造体20aが形成されていない場合、LEDL3およびLEDR3からの出射光は、短手方向(Y方向)に拡がってしまい、導光板20の出射面20d全面から光が出射していることが分かる。すなわち、LEDL3およびLEDR3を選択的に点灯しても、出射面20dの特定の領域から光が出射しない。
このように本実施の形態の光源モジュールによれば、LEDL1〜L5およびLEDR1〜R5のうち点灯するLEDを選択することで、導光板20の出射面20dにおける、選択したLEDに対応した領域から精度良く光を出射する(取り出す)ことが可能になる。すなわち、点灯するLEDを選択することで、導光板20の出射面20dでの光の照射領域を制御することができる。
ところで、液晶表示装置1においては、CRT(Cathode-Ray Tube:陰極線管)表示装置と比較して、動画のボヤケという問題点がある。すなわち、CRT表示装置においては、あるフレームにおける画素の発光期間と、次のフレームにおけるこの画素の発光期間との間に、この画素が発光しない非発光期間があるため、残像感が少ない。これに対して、液晶表示装置1の表示方式はこのような非発光期間がない「ホールド型」であるため、残像感が生じ、この残像感が使用者に動画のボヤケとして認識される。
そこで、バックライト型の液晶表示装置1においては、バックライトである光源モジュール10を分割し、液晶パネル3に映像信号を印加するタイミングに同期して順次消灯することにより、画像表示と画像表示との間に黒表示を挿入する技術であるバックライトブリンキングが提案されている。これにより、疑似インパルス型の表示を実現し、残像感を抑え、消費電力を低減することができる。
図13を参照して、バックライトブリンキングについて説明する。図13は、光源モジュール10におけるバックライトブリンキングを説明するための模式図である。図13に示されるように、光源モジュール10は、光源制御部23を備えている。このような光源モジュール10を備えた液晶表示装置1は、映像信号における1フレーム内の垂直走査に同期して、映像信号に応じた領域が照明されるように、光源制御部23によって、選択的にLEDを一定時間点灯することができる。それゆえ、導光板20の特定の部分のみを適切に点滅照明して動画特性を向上させることができる。
具体的なバックライトブリンキング動作として、図13に示すような、画面をスキャンフレーム22a、22b、22c、22d、及び22eの5フレームに分割した場合における動作について説明する。図13に示される構成では、スキャンフレーム22a〜22eの各フレームに対応して、導光板20の長手方向両端に位置するLED12についても5ブロックに分かれる。LED12における5ブロックはそれぞれ、L1〜L5のうち対応するスキャンフレームの長手方向左側に配されたLEDと、R1〜R5のうち対応するスキャンフレームの長手方向右側に配されたLEDとから構成されている。例えば、スキャンフレーム22dに対応するLED12のブロックは、L3及びL4から構成されている。例えばスキャンフレーム22cを選択的に点灯させる場合、光源モジュール10の光源制御部23は、LED12におけるL3及びR3を選択的に点灯させる。これにより、液晶表示装置1において、映像信号の1フレーム内の垂直走査に同期して、各フレームを選択点灯させることが可能になり、動画特性を向上させることができる。
次に、曲面構造体20aの効果について、図7(a)〜(d)を参照して説明する。図7は、導光板内部を導光する光の短手方向の経路示す断面図であり、図7(a)は、導光板20の出射面に曲面構造体20aが形成された場合(実施例)を示し、図7(b)は、導光板20の出射面に頂角90°のプリズムが形成された場合(従来例1)を示し、図7(c)は、導光板20の出射面に頂角5°のプリズムが形成された場合(従来例2)を示し、図7(d)は、図7(a)に示された曲面構造体20aの別の構成を示す。なお、図7(a)に示された曲面構造体20aは、高さHと間隔Pとの比率H/Pが0.4となっている。
導光板内部を様々な角度で導光する光を、効率的に出射面で出射させるためには、光が出射面で全反射するか否かが重要である。導光板は、出射面に入射してくる光に対し全反射する光が多ければ多いほど、出射面からの光の出射効率が低下する。一方、出射面に入射してくる光に対し全反射する光が少なければ、出射面からの光の出射効率が増加する。すなわち、導光板内部の光を効率的に出射面で出射させるためには、出射面に様々な角度で入射する光に対し全反射する条件を崩すことが重要になる。本来は、導光板内の光について、X方向(長手方向)およびY方向(短手方向)の2成分の全反射条件を考慮する必要があるが、図7(a)〜(d)においては、Y方向成分だけを考慮し、X方向の成分については全反射条件が崩された角度であるとしている。
図7(a)に示される曲面構造体20aは、その面形状が(短手方向に対し)連続的に変化しているので、出射面に様々な角度で入射する光の取り出しに有効に作用している。それゆえ、図7(a)に示されるように、短手方向に対し垂直に立ち上がった垂直光Aから浅い角度で導光する光Cまで、様々な入射角度に対して効率的に光を取り出し、出射面から光を出射させることができる。また、浅い角度で導光する光Cは、水平に近い面に入射すると全反射しやすい(全反射条件を崩しにくい)。しかし、図7(a)に示された形状においては、水平に近い面は半円筒の上部に形成されており、光Cが照射されにくい部分に位置している。それゆえ、浅い角度で導光する光Cは、短手方向に対し傾斜した面に照射されるため、全反射条件が崩れやすい。
一方、導光板20の出射面に頂角90°のプリズムが形成された場合、図7(b)に示されるように垂直光Aは、全反射条件を崩さず戻り光となってしまう。また、浅い角度で導光する光Cについては、全反射条件が崩れ一旦出射面から出射する。しかし、再度隣のプリズムに入射してしまい導光板内に戻ってしまう。また、導光板20の出射面に頂角5°のプリズムが形成された場合、図7(c)に示されるように、垂直光Aおよび浅い角度で導光する光Cはともに、全反射条件が崩れ出射面から出射される。しかし、これらの光が隣のプリズムに再入射する確率が増加する。よって、図7(b)および(c)のように導光板20の出射面にプリズムが形成された場合、導光板内に光を閉じ込めるため、導光板から光を出射させる効率が低下してしまう。
また、本実施の形態の光源モジュール10においては、光路変換部としてのマイクロレンズ群20aが、導光板20の内部にて導光される光の光路を変換させ、出射面20d側に取り出す。マイクロレンズ群20aは、図7(a)に示される垂直光Aを効率的に誘起するため、曲面構造体20aによる効果がさらに向上する。一方、図7(b)および(c)のように導光板20の出射面にプリズムが形成された場合、逆効果になり、効率的に導光板から光を出射させることができない。
図7(a)に示された曲面構造体20aは、導光板20の出射面に対し突出した凸シリンダ面を有する構造であった。これに対し、図7(d)に示された曲面構造体20aは、導光板20の出射面に対し窪んだ凹シリンダ面を有する構造である。図7(d)に示された構成においては、垂直光Aが全反射により戻り光になることがない。このため、図7(d)に示された曲面構造体20aは、図7(b)及び(c)に示された構成と比較して、効率的に導光板から光を出射させることが可能である。
また、導光板の厚さが同じである場合、図7(a)に示された形状は、プリズム形状よりも断面積を確保しやすい。それゆえ、導光板20の出射面に曲面構造体20aが形成された構成では、LEDからの光の入射面での光結合効率が高く、光漏れが起きにくい。
また、本実施の形態の光源モジュール10をバックライト等の面状照明として用いた場合、導光板20真上に各種光学シートが配置されることが一般的である。それゆえ、導光板20の出射面がプリズムのような鋭利な形状であると、こすれ等により光学シートが傷つくおそれがある。これに対し、導光板20の出射面に曲面構造体20aが形成されている場合、こすれ等により光学シートが傷つくおそれがない。
次に、曲面構造体20aの形状について、さらに詳細に説明する。これまで、曲面構造体20aの形状が凸シリンダ形状である場合について説明したが、曲面構造体20aの形状は、長手方向(X方向)に垂直な断面形状が円弧を含んでいればよく、断面形状の一部が直線であってもよい。このような形状は、導光板20をプレス加工することにより形成することができる。
次に、曲面構造体20aの高さHと、導光板20の光入射面での光結合効率との関係について説明する。図8は、導光板20におけるX方向の側面形状を示す側面図であり、図8(a)は、曲面構造体20aの高さHが小さい場合を示し、図8(b)は、曲面構造体20aの高さHが大きい場合を示す。なお、図8(a)および(b)においては、曲面構造体20aの間隔P、および導光板20の厚さTは同一としている。
本実施の形態においては、LEDからの光は、導光板20の長手方向の側面に入射することになる。図8(b)に示されるように、光の入射面形状(導光板20におけるX方向の側面形状)において曲面構造体20aの高さHが大きい場合、入射面積が小さくなるため、隙間(図8(b)では斜線部)から光が漏れてしまい、光結合効率が低下する。一方、図8(a)に示されるように、光の入射面形状(導光板20におけるX方向の側面形状)において曲面構造体20aの高さHが小さい場合、入射面積が大きくなり、隙間からの光漏れを低減でき光結合効率を向上させることができる。
よって、光入射面における光結合効率および光漏れは、曲面構造体20aの高さHが大きければ大きいほど低下する。近似的には、曲面構造体20aの高さHが2倍になると、光漏れ量が2倍になり、光結合効率のロスも2倍になる。
光入射面における光結合効率および光漏れを考慮すると、曲面構造体20aの高さHは、導光板20の厚さTの10%以下であることが好ましい。曲面構造体20aの高さHが導光板20の厚さTの10%を超えた場合、結合効率の低下が大きくなってしまう(光漏れが入射光の5%程度になる)ため、好ましくない。また、導光板20の厚さTが小さくなると、高さHが厚さTの5%以上でないと曲面構造体20aを作製することができないおそれがある。すなわち、導光板20が薄くなると、曲面構造体20aの高さHの範囲が厚さTの5%以下では、曲面構造体20aの作製が困難である。それゆえ、曲面構造体20aの現実的な寸法を考慮すると、曲面構造体20aの高さHは、導光板20の厚さTの5%以上10%以下であることがなお好ましい。また、具体的な寸法としては、例えば、導光板20の厚さTが4.2mmであり、面構造体20aの高さHが0.2mmである。ただし、曲面構造体20aについて、間隔Pを一定とし、高さHを小さくすると、導光板20内に光を閉じ込める閉じ込め効果が低減する。
また、曲面構造体20aの形状は変えずに間隔Pを細かくしていくことで、光直進性を維持したまま、導光板の断面積を確保することが可能である。図9(a)は、導光板20の厚さTに対して高さH/間隔Pが0.4の条件で曲面構造体20aを形成した導光板20(構成I)の概略構成を示す断面図であり、図9(b)は、図9(a)の曲面構造体20aのおいて、ピッチをP/2、高さをH/2とした導光板20(構成II)の概略構成を示す断面図である。図9(a)および(b)に示されるように、高さh/間隔Pの比が同じであるとき、間隔Pを半分にすると光閉じ込めの効果は変わらないが、曲面構造体20a同士の隙間は1/2になる。図9(c)は、高さH/間隔Pの比が同じであるとき、間隔Pを半分にすると光閉じ込めの効果は変わらないことを示すグラフである。なお、図9(c)では、構成Iとして、曲面構造体20aの間隔P=0.4mm、曲面構造体20aの高さH=0.16mm、導光板20の厚さT=4.2mmの導光板を用いている。また、構成IIとして、曲面構造体20aの間隔P=0.2mm、曲面構造体20aの高さh=0.08mm、導光板20の厚さT=4.2mmの導光板を用いている。構成Iと構成IIとは、曲面構造体20aにおける半円筒形状が相似的に1/2になっている。
図9(c)に示されるように、構成Iと構成IIとの間で、光直進性に関してはなんら変化することないことがわかる。それゆえ構成Iに対して間隔Pを小さくし構成IIとすることで、光漏れ量を半減し、光結合ロスも半減することが可能である。また、間隔Pを細かくすることで、長手方向に伸びている曲面構造を視認しにくくする効果もある。
また、上述の説明では、1枚の導光板20を備えた構成について説明したが、本実施の形態の光源モジュール10は、この構成に限定されない。図10に示されるように、バックライトブリンキングを行うために、導光板20を複数の導光体21…にて分割して構成し、これら複数の導光体21…を、長手方向に対して並列にそれぞれ隙間22を有して配設した構成であってもよい。この場合、LED12は、各導光体21における長手方向の一方の端面21aから光をそれぞれ入射させるようになっている。尚、必ずしも一方の端面21aに限らず、長手方向の他方の端面から入射させてもよく、さらに、一方の端面21a及び他方の端面の両方から光を入射させてもよい。すなわち、本発明では、少なくとも一方の端面21aから光を入射させれば足りる。
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
本発明は、光源からの光を導光板によって面状に出射させるサイドエッジ(サイドライトともいう)型導光板を備えた光源モジュール、およびそれを備えた電子機器に関するものであり、例えば、バックライト等の光源モジュール及び液晶表示装置等の電子機器に適用可能である。
1 液晶表示装置(電子機器)
10 光源モジュール
12 LED(光源)
20 導光板
20a 曲面構造体(曲面構造部)
20b マイクロレンズ群(光路変換部)
20c 下面
20d 出射面
20e 稜線
21a 端面
22a〜22e スキャンフレーム
23 光源制御部

Claims (4)

  1. 導光板と、
    上記導光板における長手方向の少なくとも一方の端面から光をそれぞれ入射させる複数の光源と、
    上記導光板における光の出射面と反対の面に、上記導光板の内部にて導光される光を取り出すための複数の光路変換部とを備えた光源モジュールであって、
    上記導光板における光の出射面に、長手方向に稜線を有する曲面で構成された曲面構造部を複数有し、上記曲面構造部の高さをHとし、上記曲面構造部同士の間隔をPとしたとき、高さH及び間隔Pは、
    0.2<H/P<0.5
    を満たすとともに、
    上記光路変換部は、マイクロレンズであり、該マイクロレンズの間隔は、上記稜線の間隔よりも小さくなっており、
    上記導光板の厚さをTとしたとき、
    上記曲面構造部の高さHは、上記導光板の厚さTの10%以下であることを特徴とする光源モジュール。
  2. 上記複数の光源を選択的に点灯する光源制御部を備えたことを特徴とする請求項1に記載の光源モジュール。
  3. 上記導光板は、複数の導光体にて分割して構成されており、上記複数の導光体は、長手方向に並列にそれぞれ隙間を有して配されていることを特徴とする請求項1または2に記載の光源モジュール。
  4. 請求項1〜の何れか1項に記載の光源モジュールを備えたことを特徴とする電子機器。
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