JP5161892B2 - 面光源素子およびこれを備えた画像表示装置 - Google Patents

面光源素子およびこれを備えた画像表示装置 Download PDF

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Description

本発明は、複数の1次光源を有するエッジライト方式の面光源素子と、これを用いた画像表示装置に関するものであり、特に、高い画面品位が要求される液晶ディスプレイ装置、照明看板装置等に用いられるエッジライト方式の面光源素子と、これを用いた画像表示装置に関するものである。
画像表示装置に用いられる面光源素子では、直下方式とエッジライト方式の二つの方式がある。
直下方式の面光源素子は、発光面を形成する板状部材の背面に複数の1次光源を配置するものである。この方式は、発光面の背面に光源を配置するため、大型化がしやすいという特徴を備え、液晶表示装置を備えたテレビ受信機の表示部として広く使用されている。一般的に発光面を形成する板状部材は、拡散板、プリズムシート、拡散シートなどと呼ばれる複数の光学シートにより構成されている。
一方、エッジライト方式の面光源素子は、1次光源が導光板の側面にあるため、直下方式の面光源素子に比べて薄型化を図るのに有効であるという特徴を備え、携帯用ノートパソコンやモニター等の表示部として広く使用されている。1次光源から出射した光は、PMMA(ポリメチルメタクリレート)などの透明高分子からなる透明板状の導光体内部を屈曲しつつ伝播して、該導光体に2つある主面のうちの一方である出射面から、液晶パネルに向けて出射される。また、導光体から出射された光をさらに集光させて高輝度化を図るため、プリズムシート、拡散シートと呼ばれる光学シートが使用されている。
該導光体には光利用効率を高めるために、例えば透明板状の導光体(導光板)に2つある主面のうちの一方である反射面には白色ドットの印刷が施され、面光源装置発光面における観察方向の輝度分布が均一になるように、ドットの大きさ、密度が調整されている。同様にドットサイズが100〜500μm、高さが10〜50μm程度の円盤状で、かつその天面が粗面化されているパターンが導光板の反射面に直接賦型されたものが使用されている。
また、前記印刷方式の導光体に対して、さらに光利用効率を高めたパターンを付与した導光体(特許文献1−3)も提案されている。
例えば、特許文献3には出射面および底面の少なくとも一面に断面が台形状の凹または凸状を有している導光体が記載されている。これにより入射端面より入射した光を底面に取り入れてその反射光を出射面に方向に効率よく反射させている。また、該導光体を用い出射面に形成された台形状の凸条を介して出射面より出射することで、入射端面で垂直な方向で入射された光が正面方向に近い角度で出射できる。
特開平10−282342号公報 特開2003−114432号公報 国際公開公報WO2006/013969A1
近年、テレビ向け画像表示装置は大型化、軽量化、薄型化、低消費電力化が市場から強く要求されている。
大型化には直下方式が有効である。直下方式で1次光源を狭く配置させたり、LED光源などを碁盤目上に配置させたりすることにより、画面品位を確保しつつバックライト部の薄型化を図っている。しかし光源点数の増加やそれに伴う消費電力の増加が問題となっている。また、発光面として厚さの薄い拡散板を使用しているため、当該拡散板と背面の1次光源を接近させ過ぎると光源の明暗ムラが発光面に写り込むという問題が生じるため薄型化に限界がある。
このため、薄型化に有効であるサイドエッジ方式が検討されているが、大型化すると導光板の入射端面から導光板中央までの距離が長くなり、薄型化すると導光板の入光端面から導光板内部へ入射するエネルギーが減少するため、ますます導光板中央での輝度低下を引き起こし問題となっている。
この輝度低下を補うために近年、小型で強い光束を放つLED光源等を使用するようになってきたが、まだ、必要とされる輝度に到達できていない。
本発明の目的は、液晶パネルと導光板とを結合している液晶パネル支持枠の開口寸法が導光板の寸法より小さいことを活用して、面光源素子として必要とされる当該支持枠開口領域からの出射光を高めることにより、すなわち1次光源から発せられる光量を有効な範囲、有効な観察方向に集中して出射させることにより、面光源素子を大型化または薄型化しても、観察方向を明るく照明することが可能な面光源素子を提供すること、および当該面光源素子を備えた画像表示装置を提供することである。
本件第1の発明は、導光板の側面に1次光源を少なくとも1個配置させたエッジライト方式の面光源素子であって、
当該導光板は出射面、該出射面に対向する底面、及び少なくとも一側面に設けられた1次光源から出射された光を入射させる入射端面を有し、
前記導光板の底面側には光を反射する反射手段を備え、
前記導光板の出射面側には光学シートおよび液晶パネルを支持する液晶パネル支持枠を備え、
X軸と、X軸に直交するY軸で構成されるX−Y平面の法線をZ軸として、
前記1次光源はX軸に平行に配置しており、
前記反射手段、前記導光板、光学シート、液晶パネル支持枠とは前記X−Y平面に平行に配置しており、
Z軸方向に前記反射手段、前記導光板、光学シート、液晶パネル支持枠の順に構成されており、
前記導光板の入射端面は前記X−Z平面に平行であり、前記底面にはX軸に平行な複数の凹条からなるパターンが形成されており、該複数の凹条の入射端面側にX軸に平行な斜面を有し、かつ、該斜面の前記底面に対する斜度は実質的に25度以上45度以下であり、液晶パネル支持枠の内側の開口境界のうち、X軸に平行である辺と、前記Y−Z平面との交点と、前記底面のX軸に平行な凹条からなるパターンが、入射端面からはじめて設置される点とを結ぶ直線が、Z軸とのなす角度をθとした場合、
前記底面のX軸に平行な凹条からなるパターンが、液晶パネル支持枠の開口境界から当該支持枠裏面へ入り込む距離をLとして、下記の式を満たす位置から配置されており、角度θは20°から60°であることを特徴とする面光源素子である。
L=T・tanθ (1)
T :導光板の厚み(mm)
L :液晶パネル支持枠の内側の開口境界から支持枠裏面への入りこみ距離(mm)
また、第2の発明は、
上記の面光源素子であって、
前記1次光源が前記導光板の対向する2つの入射端面にそれぞれ配置されており、
前記複数の凹条が前記2つの入射端面に対して、それぞれX軸に平行な前記斜面を有することを特徴とする上記第1の発明に係る面光源素子である。
また、第3の発明は、
上記の面光源素子であって、
前記導光板の底面に形成された凹条の断面が、V字状であることを特徴とする上記第1または第2の発明に係る面光源素子である。
また、第4の発明は、
上記の面光源素子であって、
前記導光板の底面に形成された凹条の断面が、台形状であることを特徴とする上記第1または第2の発明に係る面光源素子である。
また、第5の発明は、
上記の面光源素子であって、
前記導光板の出射面にY軸に平行な複数の凸条からなるパターンが形成されていることを特徴とする上記第1〜第4のいずれか一つの発明に係る面光源素子である。
また、第6の発明は、
上記の面光源素子であって、
前記導光板の出射面に形成された凸条の断面が、台形状であることを特徴とする上記第5の発明に係る面光源素子である。
また、第7の発明は、
上記第1〜第6のいずれか一つの発明に係る面光源素子の出射面側に透過型表示素子を備えることを特徴とする画像表示装置である。
本件第1の発明の面光源素子はエッジライト方式の面光源素子であり、本発明の面光源素子が備える導光板の出射面と対向する底面の凹条は液晶パネル支持枠の開口境界から当該支持枠裏面へ入り込む距離をLとして、下記の式を満たす位置から配置されており、角度θは20°から60°であるように調整することによって、導光板中央部における輝度を向上し、かつ液晶パネル支持枠の境界での光漏れを抑制することができる機能を有している。
L=T・tanθ (1)
T :導光板の厚み(mm)
L :液晶パネル支持枠の内側の開口境界から支持枠裏面への入りこみ距離(mm)
また、上記第2の発明のように、前記1次光源が前記導光板の対向する2つの入射端面にそれぞれ配置されている場合、1つの入射端面に2本の1次光源がある場合に比べて1次光源から導光板への入射効率が向上し、かつ2つの入射端面から入射できるため同じ輝度性能を有する時は導光板の厚みを減らすことができ、面光源素子の薄型化に繋がる。また、両端に入射端面があるため、片側の入射端面から入射端面と対向する入射端面との中心線までの出射領域について面輝度分布を調整すればよいため、1つの入射端面を有する導光板に比べて面輝度分布の均一化が容易である。
また、上記第3の発明のように、前記導光板の底面に設置された凹条の断面がV字状であると、当該導光板内を導光している光の内、V字状の凹条の入射端面側の斜面に直接入射したものは全反射するため正面方向に非常に近い角度で出射させることができ、正面方向の輝度を向上できる。
また、上記第4の発明のように、前記導光板の底面に設置された凹条の断面が台形状であると、V字状と同じく正面方向の輝度が向上でき、かつ射出成形による製造法で当該導光板を作製する時に、金型との離形性に優れるため、生産効率を高めることができる。
さらに、上記第5の発明のように、前記導光板の出射面に凸条が配設されている場合、導光板の少なくとも1つの入射端面がX軸に平行に設置され、当該導光板の出射面に凸条がY軸に平行に配置され、X軸方向を水平方向に、Y軸方向を上下方向とすると、導光板の底面からの反射光が出射面に配置されている凸条により水平方向に偏向させることができるため、視野角特性を改善することができる。
特に上記第6の発明のように、出射面の凸条にX軸とZ軸からなる平面と平行な断面の形状が台形状である凸条をY軸に平行に配設した場合、当該導光板の底面に配設した凹条で反射した光の内、出射面の法線方向に近い光を台形状の上底面から出射させることで、そのまま正面方向に出射させ高い輝度を得ることができ、さらに台形状の斜面に入射した場合は水平方向に出射光を広げることができるため広い視野角特性を保持しできる機能を有している。
このように本発明の面光源素子が備える導光板は1次光源からの入射光を、出射面と対向する底面に凹条を所定の位置に配設させることにより、出射面を正面から見たときの輝度を向上することができる。さらに出射面に凸条が配設されている場合は、当該導光板からの出射光の出射方向を制御できるため、高輝度かつ視野角特性に優れた画像表示装置を提供できる。
本発明の面光源素子の一例を示す斜視図である。 本発明の画像表示装置の一例を示す側面図である。 本発明の面光源素子が備える導光板の入射端面の中点を通り、Y軸に平行な直線上の輝度の分布であって、それぞれ、(a)θが20°未満の場合の輝度分布、(b)θが60°を超える場合の輝度分布である。 本発明の面光源素子の一例を示す側面図である。 (a)支持枠開口境界から光漏れをおこすことを説明する側面図、(b)本発明の面光源素子の一例であって、支持枠境界での光漏れを抑制できることを説明する側面図である。 本発明の面光源素子が備える導光板の出射面に凸条として形成された台形状を説明する模式図である。 本発明の面光源素子の一例を示す模式図であって、それぞれ、(a)、(b)は面光源素子の中心点を通過するそれぞれX−Z断面図と、Y−Z断面図である。 本発明の実施例および比較例における面光源装置の構成を示す模式図である。 本発明の面光源素子が備える導光板の出射面に突設された台形状の凸条の表面特性を説明する図である。
発明を実施するための形態
以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。なお、以下の図面では、説明の都合上、各部の縦横の縮尺が任意に変更された模式図により説明されている。
まず、本発明の面光源素子は、透明樹脂などから形成される平板状の透明構造体である導光板、この導光板の一側面に配置された1次光源と導光板の下面に配設された反射シートとから大略構成されている。
導光板は、光線透過率の高い透明樹脂から構成することができる。使用できる透明樹脂としては、例えば、メタクリル樹脂、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエステル樹脂、環状ポリオレフィン樹脂などを広く採用することができる。
導光板の一面は、出射面とされ、この出射面に対向して底面が配置されている。また、この導光板の少なくとも一側面には1次光源が配設され、この側面は入射端面とされている。
本発明において、この入射端面は、少なくとも一カ所あればよいが、複数箇所であってもよく、入射端面が一カ所である場合には、入射端面以外の側面には反射端面が形成されているのが好ましい。
入射端面が二カ所の場合の典型例は、互いに相対向する面に1次光源がある例であり、反射端面は両側面に形成される。二カ所の入射端面は、底面に形成された凹条に平行となる条件を満たすことが必要であり、出射面に凸条が形成されている場合はいずれも当該凸条に直交することが必要である。
この入射端面に向けて1次光源が配設される。このような1次光源としてはどのようなものを用いてもよいが、冷陰極管や蛍光管のような線状光源であっても良いし、またLED光源などの点状光源が多数配列されて線状となったものであってもよい。
本発明において導光板の底面と接触する側には光を反射する反射手段を備えており、当該反射手段は、導光板の底面から出射した光を、再度導光板に入射させる機能を持つ。反射率は95%以上のものが光の利用効率が高く望ましい。反射板の材質は、アルミ、銀、ステンレスなどの金属箔や、白色塗装、発泡PET(ポリエチレンテレフタレート)樹脂などが挙げられる。光の利用効率を高める為には材質の反射率が高いものが望ましい。これには銀、発泡PETなどが挙げられる。また、輝度均一性を高める為には材質は拡散反射をするものが望ましい。これには発泡PETなどが挙げられる。
本発明の面光源素子が備える導光板において、導光板の底面には、所定のピッチで形成された凹条が形成されている。これらの凹条は、断面の凹部が一方向に延びて形成される。これらの凹条の断面形状は、三角形、楔状、その他の多角形、波状、又は半楕円状などの所望の形状であってもよいが、凹条の1次光源側斜面の、底面に対する斜度は実質的に25°から45°であり、該斜面の底面に対する平均斜度は略等しい。45°以上にすると導光板の出射面の正面方向に近い角度の輝度の変化が激しくなり、拡散シートを非常に多く載せなければ暗線を解消できない。一方、25°以下にすると、住友スリーエム社製BEFシートなどの光学シートを用いたとしても正面方向への出射光を増加させることが困難となる。
ここで、底面に形成された凹条は、1次光源から離れるに従って凹条の高さが漸次高くなっていてもよい。また、1次光源から離れるに従って形状が漸次異なるように構成してもよい。このような形状が漸次異なる構成とは、例えば、断面が台形状の凹条を備える場合、台形状の上底及び下底の長さが底面に対して台形状の凹条の斜面がなす角を略一定に保った状態のまま漸次異なる場合を包含する。これらの構成によって面内の輝度の均一性を一層高めることができる。
また、図2に示すように、液晶パネルを支持し、かつバックライトの支持基板である金属フレームに固定するために「べゼル」と呼ばれる液晶パネル支持枠が設置されている。導光板は1次光源と1次光源からの光を有効に導光板の入射端面に入射させるために光源反射板(リフレクタ−)と一体になっており、支持枠の背面に配置され、バックライトの支持基板である金属フレームに固定されている。支持枠の材質には光を透過しないように着色されたポリカーボネートなどのプラスチック材料が好ましい。そして、通常、支持枠の開口領域は導光板の吸湿変化、温度による寸法変化、画像表示装置の意匠性や組み立て工程におけるハンドリング性から導光板の出射面寸法よりも小さく設定されている。
前記導光板の入射端面を前記X−Z平面に平行に配置して、前記底面にはX軸に平行な複数の凹条からなるパターンを形成するとき、
図4に示す液晶パネル支持枠の内側の開口境界のうち、X軸に平行な辺と前記Y−Z平面との交点と、前記底面のX軸に平行な凹条からなるパターンが、入射端面からはじめて設置される点とを結ぶ直線が、Z軸とのなす角度をθとした場合、角度θは20°から60°の範囲内から選択される。
図3の(a)に、θで20°未満の場合で、導光板の入射端面の中点を通り、Y軸に平行な直線に沿って出射面上の輝度を測定したときの支持枠開口領域における分布を示している。支持枠境界にて輝度が低下して暗部として視認されてしまう。また、図3の(b)に、θが60°を超えている場合で、導光板の入射端面の中点を通り、Y軸に平行な直線に沿って出射面上の輝度を測定したときの支持枠開口領域における分布を示している。支持枠境界にて輝度が高くなり光漏れが発生している。
角度θは好ましくは30°〜55°の範囲内で設定され、低角度側では導光板の中央での輝度性能を向上することができ、高角度側では液晶パネル支持枠の開口境界での輝度低下を抑制することができるため、面内の輝度の均一性を向上できる。
より好ましくは35゜〜50°の範囲内で設定され、これらの構成によって正面方向の輝度性能と面内の輝度の均一性とのバランスを一層高めることができる。
いずれの場合にも、導光板の底面と反射シートを利用して屈折した光が、出射面から所望する強度で出射されるように底面の構造を制御するためのものであり、これらの調整は互いに組み合わされてまたは他の調整手段と併用されて行われる。
特に本発明の面光源素子が備える導光板において、底面に備える凹条の断面がV字状である場合、V字状の凹条は入射端面に平行に配列しており、前記範囲にV字状の凹条を配置すると、支持枠の開口境界での光漏れが抑制でき、画面品位が改善できる。さらに、当該導光板の上に拡散シート、およびプリズムシートを載せた場合、正面方向の輝度をより高くすることができる。
また底面に備える個々の凹条の、断面の斜面の平均斜度は25゜〜45°の範囲内であり、視野角特性に優れる点で好ましくは35゜〜45°の範囲内、さらに高輝度でかつ視野角特性に優れる点でより好ましくは37.5゜〜42.5°の範囲内で設定される。高さは1μm〜100μmの範囲内で設定され、モアレ低減の点で好ましくは5μm〜50μmの範囲内、さらに1次光源近傍の面輝度を均一化するために、より好ましくは5μm〜20μmの範囲内で設定される。
また底面に備える凹条の断面の形状は一定であるとき光学設計を容易にすることから望ましい。
また底面に備える凹条の断面の斜辺が直線状である場合、凹条の入射端面側のX軸に平行な斜面の底面に対する平均斜度は底面と斜面のなす断面の内角であって通常鋭角である底角の平均値となる。
以下に導光板の底面に断面がV字状の凹条が形成されている場合を一例として輝度が向上する原理と支持枠の開口境界において光漏れが抑制できる原理を記載する。
導光板の入射端面から入射した光は、導光板の底面に配置されている凹条にて正面方向に向けられ出射面から出射したり、凹条を透過して一旦導光板の底面から出て、下部に配設されている反射シートで拡散され、再度導光板に入射して出射面から出射したりする。支持枠直下に本発明で規定する範囲を越えて当該凹条が配置されていると、凹条で反射された光や、凹条から一旦出て反射シートで拡散され、再度導光板に入射して出射面方向に出射する光は、支持枠裏面で反射されて再度導光板内に返される。このことを繰り返す内にエネルギーの損失を生じてしまうため、出射効率を低下させる。
前記凹条を本発明において要求される範囲内の領域に配置すると、導光板の入射端面から入射した光は、導光板の底面と出射面との間で全反射しながら、導光板の中心方向に進むことができるため前記したエネルギー損失を免れる。そして、導光板の中央方向へ導いた光を支持枠開口領域及びその近傍において導光板の底面に配置させた凹条にて出射させる。すなわち、支持枠直下を導光している間に出射光率を低下させないため、輝度の向上が達成される。
また、図5(a)を用いて、支持枠直下に本発明で規定する範囲を越えて当該凹条が配置されている場合において、開口境界で光漏れを生じて外観が悪化する理由を説明する。液晶パネル支持枠直下に配置された凹条により導光板の入射端面から入射した光は出射面方向に進み、本来は導光板の出射面から出射する(点線矢印)。しかしながらこれらの光は支持枠裏面によって反射され、再び導光板内に戻され、導光板の底面の凹条、あるいは反射シートで再び導光板の出射面へと導かれ、この光のいくつかは支持枠開口境界から出射する(実線矢印)。このように支持枠境界では、元々導光板の底面の凹条によって出射される光に加えて、支持枠裏面があるために出射場所がずれて出射される光が重なるため、支持枠開口境界が明るくなり、光漏れとして外観を悪化させている。これに対して、図5(b)を用いて本発明による光漏れを低減できる理由を説明する。導光板の底面の凹条を支持枠の直下の入射端面側で平面を増やすことにより導光板内を導光する光の成分が増加する。この結果、前記した光漏れの要因であった支持枠直下の底面に配置された凹条による出射光が低減されるため、必要とされる出射光のみが支持枠開口境界から出射でき、光漏れによる外観悪化を防止できる。
また、前記導光板の底面に形成された凹条の断面が、台形状である場合においても、V字状と同じ原理により暗線が解消できる。
本発明においては、導光板の出射面に、所定のピッチで形成された凸条が形成されていてもよい。この凸条とは、以下に述べる台形状の凸条を含み、従来の面光源素子で用いられている凸条と実質的に同一乃至は均等なものであってもよい。
これらの凸条は、断面の凸部が一方向に延びて形成される。これらの凸条の断面形状は、三角形、楔状、その他の多角形、波状、又は半楕円状などの所望の形状であってもよい。
本発明の面光源素子が備える導光板において、出射面に備える凸条は、断面が台形状の凸条であると、視認方向である正面輝度はより高くなり、かつ視野角特性が広くなる点でより好ましい形態である。
例えば、図6に示す導光板1の表面では、その一表面1aには、符号A、B、C及びDを各頂点とする断面が台形状の凸条2と符号A'、B'、C'及びD'を各頂点とする断面が台形状の凸条2'とが離間して配設されている。
なお、本発明の面光源素子が備える導光板に係る台形状とは、図面に示すように、厳密な意味での台形状に限定されない。後述する説明により明らかなように、X−Y平面に平行な高さの異なる平面である上底と下底とを山形に連結する斜面を挟んで連続していれば、例えば、上底又は下底と斜面の連結部が曲面状であってもよい。このような曲面状の連結部を有する台形状は比較的成形が容易なため生産上有利なだけでなく、連結部の破損が起こり難いので好ましい。また上底、下底の少なくとも一部がX−Y平面に対して傾きを有していても良く、例えば上底及び又は下底がX軸方向を長手方向とする緩やかな波状であることや、微細な凹凸を有することで出光の均一性を高めることが出来る。該傾きの平均はX−Y平面に対して角度を有さないことが好ましい。また傾きが10度以下の部分が全体の50%以上を占めることが望ましい。
また複数の上底、下底はそれぞれ互いに同じX−Y平面内にあることで、効率良く光を導くことが出来るだけでなく、導光板の重心が安定する、押し出し成形などでの工業的に有利な連続生産が容易になる、などの効果がある。
次に、このような台形状の機能について、図7を用いて説明する。「上底」、「下底」の用語を用いるが、これは上下方向を意味するのではなく、説明のためである。台形状の平行な対辺のうち、短い辺を「上底」、長い辺を「下底」として説明している。まず、この図7において、直線ADの長さ(凸条2の下底の幅)をW1、直線BCの長さ(凸条2の上底2aの幅)をW2、直線AD'の長さ(凹条3の上底3aの幅)をW3、凸条2の高さ(又は凹条3の深さ)をH、直線ADと直線AB(傾斜面2b)との成す角度をa1、直線ADと直線DC(傾斜面2c)との成す角度をa2、及び直線DD'の長さをピッチPとする。ピッチPは、凸条2の下底の幅(直線ADの長さ)W1と凹条3の上底3aの幅W3の和に等しく、また、凸条2の上底2aの幅(直線BCの長さ)W2と凹条3の下底の幅(直線BC'の長さ)の和に等しい。
本発明の面光源素子が備える導光板の出射面においては、凸条2の断面形状を台形状にして凸条2に適宜の幅W2を設けることにより、入射端面から入射した導光光を導光板の中央へと導く役目を担いつつ、出射面から出射される輝度分布の中で出射面に直交する正面方向の輝度を高めている。
また、本発明の面光源素子が備える導光板の出射面において、凹条3の断面形状を台形状にして凹条3に所望の幅W3を設けることにより、前述のW2と同様に入射端面から入射した光を導光板内部をY軸方向に沿って導く役目を担いつつ、出射面から出射される輝度分布の中で出射面に直交する正面方向の輝度を高めている。この幅W2が狭すぎて傾斜面2b、2cの寄与が大きくなりすぎると、鉛直方向の輝度を高める効果を十分に発揮することが困難となる。また、この幅W3が狭すぎて傾斜面2b、2cの寄与が大きくなりすぎても、鉛直方向の輝度を高める効果を十分に発揮することが困難となる。また、これに対して、幅W2及び又は幅W3を傾斜面2b、2cに対して相対的に広く設定しすぎると、傾斜面2b、2cの寄与が相対的に少なくなり、鉛直方向の輝度の向上は図れるが視野角は狭くなり、出射面に凸条の周期的なパターンを設けて、指向性シートを極力省略し、かつ、鉛直方向の輝度を低減させずに視野角を確保できるという課題を十分に満たせなくなる。
本発明の面光源素子が備える導光板の出射面において凸条2又は凹条3の形状及び大きさ並びにピッチPは、導光板1の大きさ、面光源素子の表示性能及び仕様等との関係を考慮して決定される。これにより、導光板の出射面から出射される光の輝度を適度に保ち、かつ、適切な視野角を得ることができる。
このような凸条2(又は凹条3)の一般的な高さHは、1μm〜100μmの範囲内から選択され、より好ましい高さHは5μm〜50μm、最も好ましい高さHは10μm〜30μmの範囲内から選択される。また、一般的な傾斜角a1及び傾斜角a2は、それぞれ15〜70°の範囲内から選択され、より好ましい傾斜角a1及び傾斜角a2はそれぞれ15゜〜60°の範囲内から選択される。特に視野角特性を重視する場合は15°〜35°、輝度特性を重視する場合は35°〜60°が最も好ましい範囲内として選択される。また、一般的な下底の幅W1は10μm〜500μmの範囲内、より好ましくは15μm〜270μmの範囲内、最も好ましくは15μm〜180μmの範囲内から選択される。また、上底の幅W2は1μm〜500μmの範囲内から選択され、より好ましい幅W2は1μm〜100μmの範囲内、最も好ましくは5μm〜50μmの範囲内から選択される。また、一般的な幅W3は0.1μm〜500μmの範囲内から選択され、より好ましい幅W3は0.1μm〜300μmの範囲内、最も好ましくは1μm〜150μmの範囲内から選択される。
また、本発明の面光源素子が備える導光板の出射面の好ましい態様においては、導光板1の出射面が幅W1,W2,W3とがピッチPとの関係で、特定の比率を保って形成されている台形状のパターンを有することにより特徴付けられる。すなわち、本発明の面光源素子が備える導光板1の出射面では、これらの凸条2に形成された上底の幅W2に対する凹条3に形成された上底の幅W3の比W3/W2は、0.01〜200の範囲内が好ましく、より好ましくは0.02〜100の範囲内、最も好ましくは0.1〜10の範囲内にある。また、(W2+W3)に対する(P−W2−W3)の比は、0.04〜400の範囲内が好ましく、より好ましくは0.2〜200の範囲内、最も好ましくは0.3〜150の範囲内である。
本発明の面光源素子が備える導光板の出射面においては、W2に対するW3の比をこれらの範囲内に保つことにより、導光板1の出射面から出射される光の輝度を適度に保ち、かつ、適切な視野角を得るための条件設定が容易となる。ここで、W2に対するW3の比が0.1〜10の範囲であると、鉛直方向の輝度の向上が図れるため指向性シートを省略することができる。
また、(W2+W3)に対する(P−W2−W3)の比が、0.3〜150の範囲であると、鉛直方向の輝度の低下を抑制しつつ視野角特性を確保することができるので、指向性シートを省略することが可能となる。このような台形状のパターンは、表面が鏡面であってもよいが、適宜粗面化されて拡散面としてもよい。粗面化させることにより、液晶表示装置における表面のギラツキを抑えることができる。また、場合によっては、矩形状の導光板のコーナー部を斜めから視認した時に生じる暗線状のラインの発生を防止することができる。これにより得られる液晶表示装置は、表面品位が優れたものとなる。このような粗面化は、例えば、JIS B0601に基づく算術平均粗さRaが0.1μm〜10μmの範囲内であることが好ましく、更に好ましくは、0.15μm〜5μmの範囲内であり、特に好ましくは0.2μm〜2μmの範囲内である。また、このような粗面化は、図9(b)に示すように、凸条2の上底(天頂面)2aだけでもよいが、図9(d)に示すように、傾斜面2bと天頂面2aとの双方にあってもよい(全面拡散面)。また、図9(c)に示すように、側面部(傾斜面2b)のみにあってもよい。さらに、この粗面化は、凹条3の上底(天頂面)3aにあってもよい。表面を粗面化することにより拡散面が形成され、これにより出射される光は、いずれの場合にも表面品位の向上が期待される。
次に、このような導光板1を用いた面光源素子の一例について、図1及び図7を参照しつつ説明する。
これらの面光源素子10は、アクリル樹脂などの透明樹脂などから形成される平板状の透明構造体である導光板1、この導光板1の一側面に配置された発光ユニット4a及び導光板1の下面に配設された反射シート5とから大略構成されている。この導光板1の上面には、光を出射する出射面6が形成され、この出射面6に対向して底面7が形成されている。
図1は本発明の面光源素子の一例の斜視図である。ここで、図1の面光源素子10では、導光板1の一側面に、発光ユニット4aが配設され、この側面は入射端面8とされている。1つの入射端面に配置される複数の発光ユニット4aは1次光源4としてまとめられる。また、この入射端面8に交差する両側面は反射端面8bとされ、入射端面8に対向する面は反射端面8aとされている。
また、図7の面光源素子は、導光板の対向する二つの側面に1次光源を配設した本発明の面光源素子の例で大型の液晶画像表示装置を表示させるためのものである。図7(a)、(b)は面光源素子の中心点を通過するそれぞれX−Z断面図と、Y−Z断面図である。
出射面6と底面7との両側面に、光源リフレクター11内に発光ユニット4aが配設されている。発光ユニット4aから導光板1内へ入射させる光量を十分に確保するために厚みの厚い導光板1が用いられる。これにより、これらの発光ユニット4aが配設された両側面は入射端面8とされ、この入射端面8に交差する両側面は反射端面8bとされている。また、図7の面光源素子では、出射面6の上方に拡散シート5aが配設されている。導光板の上に拡散シートを配設することで、面光源素子の出射光を適度に均一化し画面品位を高めることができる。また適当な拡散シートを選択することで正面輝度も一層高めることができる。
上記図1及び図7のいずれの面光源素子においても、出射面6には、断面が台形状の凸条2とこの凸条2の台形状とは上下が逆転した台形状の凹条3とが交互に配列されている。これらの凸条2及び凹条3は、上述の図6により説明した表面1aと実質的に同一であるので詳細な説明は省略する。これにより、この出射面6には、入射端面8と直交する断面が台形状の凸条および凹条が複数配置される。一方、底面7には、断面がV字状の凹条9が入射端面8に平行に配列している。このV字状の凹条9のピッチを漸次調整することにより、出射面から出射される光の光量分布を調整できる。
つぎに、このように構成された面光源素子10について説明する。
発光ユニット4aの光は導光板1の入射端面8から導光板1内に入射し、出射面6及び底面7間で全反射を繰り返しつつ縦方向に伝播していく。そして、この光の一部は底面7に形成されたV字状の凹条9及び反射シート5により出射面6に向けて導かれ、出射面6に形成された断面が台形状のプリズム(凸条2及び凹条3)により集光され、所望する視野角内に出射される。
このように、出射面6に断面が台形状のプリズムを形成することにより、出射面6にV溝のプリズムを形成する場合に比べて鉛直方向の輝度低下が抑えられると共に視野角が拡大する。
また、本発明の画像表示装置は、面光源素子の正面方向に透過型の表示装置を配置することによって構成され、高輝度で、輝度均一性が高いことから明るく、暗線による画像品位を低下させることなく高品位な画像を表示できる。ここで本発明の画像表示装置とは、面光源素子と表示素子を組み合わせた表示モジュール、更には、この表示モジュールを用いた少なくとも画像表示機能を有する機器であり、パソコンモニターやテレビ等を含む。
以下、実施例により本発明の効果を具体的に説明する。
<実施例1>
出射面側のスタンパ(以下スタンパI)はSUS製の鏡面スタンパを使用した。一方、高さ0.02mmで頂角が100°のプリズムパターンを所定の間隔で配列させた底面側のスタンパ(以下スタンパII)は、直接金型入れ子にダイヤモンドバイトで頂角100°、高さ0.02mmのV字状の凹条を切削加工で作製し、この切削入れ子から直接電鋳を行い、ニッケル電鋳層を形成し、この原盤を剥離して作製した。
これらのスタンパI及びスタンパIIを転写型として射出成形機の金型固定側キャビティ
と金型可動側キャビティに組み込み、射出成形法にて32インチ液晶テレビ用の微細構造を持つ導光板を得た。得られた導光板の外寸は横×縦×高さが707×420×4.5mmとした。当該導光板は、出射面が鏡面であり、底面にはV字状のプリズムパターン(高さ0.02mm、平均底角にあたる凹条の入射端面側のX軸に平行な斜面の底面に対する平均斜度40°)が配置されている。該プリズムパターンは、導光板の入射端面より10.3mmの位置から、ピッチが入射端面側0.848mmから中央部0.371mmまで漸次緩やかに減少するように変化させて配置された。
発光ユニットとしてサンケン電気株式会社製の型番SEP8WA2001のマルチチップLEDモジュール(外寸13.7mm、発光長11.4mm)を用いた。1次光源を形成するために52個の発光ユニットを等間隔(13.9mm)で配置させて、当該導光板の横方向の端面を入射端面とし、この入射端面をX軸に平行に配置させ、この対向する2つの入射端面に沿って、1次光源を配置させた。この発光ユニットは対向する2つの入射端面に配置されるため、計2×52=104個用いた。
また、導光板の出射面上には拡散シート(株式会社ツジデン製:型番D121UZ)を1枚配置し、さらに輝度上昇フィルム(住友スリーエム株式会社製:型番BEFIII−90/50T−7)をそのプリズムの長辺がX軸と平行になるように配置し、さらにその上に拡散シート(恵和株式会社製:型番PBS072H)を配置した。そして、導光板の底面7及び反射端面8bには反射シート5(東レ株式会社製:型番E6SL)を配設し、これらの部材を金属フレ−ムに収納させた。
そして、この上からポリスチレン製の支持枠にて背面の金属フレームに結合させた。当該支持枠の開口部内寸は横×縦が698×393mmであり、導光板の端面からの遮蔽長は横が4.5mm、縦が13.5mmでる。従って、導光板の底面のプリズムパターンは支持開口境界から3.2mmだけ支持枠直下側に入り込んでおり、角度θは35°である。
このようにして形成した図8に示すバックライト装置において、各発光ユニットに対して低電流回路から25mAの電流を印加して輝度性能を測定した。輝度測定は輝度計(株式会社トプコン製:TOPCON BM−7)を用い、バックライト装置の中心輝度を測定した。
また、画面品位は目視にて評価した。評価項目には支持体開口境界における光漏れと暗部が問題になるかどうかが含まれる。
この結果、中心輝度が11085cd/m2であり、支持体開口境界での画面品位は良好であり、正面方向、斜めから見たときの暗部および光漏れは発生していなかった。
<実施例2>
清浄なガラスに東京応化工業株式会社製ネガ型フォトレジスト(CA3000)を塗布し、110℃のホットプレートにて2分間暖めた後に室温まで冷却した。そのガラス基板と所定の間隔でスリットを設けたフォトマスクを密着させ、−35°から+35°まで一定の速度で回転させ、その間にUV光を1400mJ照射した。フォトマスクを剥離後、その基板を現像した。得られた原盤を常法に従って、表面にニッケル導電化膜を成膜し、このニッケル導電化膜に電鋳用金属としてニッケルを電鋳してニッケル電鋳層を形成した。さらに、ニッケル導電化膜から原盤を剥離して、高さ0.01mmで頂上部分に幅約0.01mmの平坦部を持つ、傾斜角が55°の台形状パターンを賦型した出射面側のスタンパ(以下スタンパIII)を作製した。
一方、高さ0.02mmで頂角が100°のプリズムパターンを所定の間隔で配列させた底面側のスタンパ(以下スタンパIV)は、直接金型入れ子にダイヤモンドバイトで頂角100°、高さ0.02mmのV字状の凹条を切削加工で作製し、この切削入れ子から直接電鋳を行い、ニッケル電鋳層を形成し、この原盤を剥離して作製した。
これらのスタンパIIIおよびスタンパIVを転写型として、射出成形機の金型固定側キャビティと金型可動側キャビティに組み込み、射出成形法にて32インチ液晶テレビ用の微細構造を持つ導光板を得た。導光板の外寸は横×縦×高さを707×420×4.5mmとした。
得られた導光板は、断面形状が台形状である凸条が離間して配設された出射面と断面形状がV字状である凹条が所定のピッチにて配設された底面とを備えている。この出射面の台形状の凸状は、高さHが0.01mm、天頂部幅W2が0.01mm、底面幅W1が0.024mmであり、底面のV字状であるプリズムパターンの高さは0.02mm、平均底角にあたる凹条の入射端面側のX軸に平行な斜面の底面に対する平均斜度は40°である。該プリズムパターンは、導光板の入射端面より10.3mmの位置から、ピッチが入射端面側0.812mmから中央部0.287mmまで漸次緩やかに減少するように変化させて配置された。
当該導光板を実施例1と同様に図8に示すバックライト装置に組み込んだ。導光板の底面のプリズムパターンは支持枠開口境界から3.2mmだけ支持枠直下側に入り込んでおり、角度θは35°である。
実施例1と同様に中心輝度測定および目視評価を実施した。その結果、中心輝度は11668cd/mであり、支持体開口境界での画面品位は良好であり、正面方向、斜めから見たときの暗部および光漏れは発生していなかった。
<比較例1>
この比較例は実施例1に用いた導光板において底面のV字状の凹条をθが71°となるよう配置にした場合である。
実施例1と同様に、直接金型入れ子にダイヤモンドバイトで頂角100°、高さ0.02mmのV字状の凹条を切削加工で作製し、この切削入れ子から直接電鋳を行い、ニッケル電鋳層を形成した。原盤を剥離して、高さ0.02mmで頂角が100°のプリズムパターンを所定の間隔で配列させて賦型した底面側のスタンパVを作製した。
実施例1で使用したスタンパIとスタンパVを転写型として射出成形機の金型固定側キャビティと金型可動側キャビティに組み込み、射出成形法にて32インチ液晶テレビ用の微細構造を持つ導光板を得た。導光板の外寸は横×縦×高さが707×420×4.5mmでとした。
当該導光板は、出射面が鏡面であり、底面には断面形状がV字状である前記プリズムパターンが導光板の入射端面から配設されるように調整してある。導光板の底面のプリズムパターンは高さが0.02mm、平均底角にあたる凹条の入射端面側のX軸に平行な斜面の底面に対する平均斜度が40°である。該プリズムパターンは、導光板の入射端面より0.4mmの位置から、ピッチが、入射端面側0.848mmから中央部0.371mmまで漸次緩やかに減少するように変化させて配置された。
当該導光板を実施例1と同様に図8に示すバックライト装置に組み込んだ。従って、導光板の底面のプリズムパターンは、支持枠の開口境界から13.1mmだけ支持枠直下側に入り込んでおり、角度θは71°である。
実施例1と同様に、中心輝度測定および目視評価を実施した。その結果中心輝度は10464cd/mであり、支持体開口境界において正面方向、斜めから見たときに光漏れが発生して画面品位が低下していた。
<比較例2>
この比較例は実施例2に用いた導光板において底面のV字状の凹条をθが71°となるように配置した場合である。実施例1と同様に、直接金型入れ子にダイヤモンドバイトで頂角100°、高さ0.02mmのV字状の凹条を切削加工で作製し、この切削入れ子から直接電鋳を行い、ニッケル電鋳層を形成した。原盤を剥離して、高さ0.02mmで頂角が100°のプリズムパターンを所定の間隔で配列させて賦型した底面側のスタンパVIを作製した。
実施例2で使用した出射面側の断面が台形状の凸条パターンであるスタンパIIIとスタンパVIを転写型として射出成形機の金型固定側キャビティと金型可動側キャビティに組み込み、射出成形法にて32インチ液晶テレビ用の微細構造を持つ導光板5を得た。導光板の外寸は横×縦×高さを707×420×4.5mmでとした。
得られた導光板は、断面形状が台形状である凸条が離間して配設された出射面と断面形状がV字状である前記プリズムパターンが導光板の入射端面から配設されるように調整してある。この出射面の台形状の凸状は、高さHが0.01mm、天頂部幅W2が0.01mm、底面幅W1が0.024mmであり、底面のプリズムパターンは、高さが0.02mm、平均底角にあたる凹条の入射端面側のX軸に平行な斜面の底面に対する平均斜度が40°である。該プリズムパターンは、導光板の入射端面より0.4mmの位置から、ピッチが、入射端面側0.853mmから中央部0.301mmまで漸次緩やかに減少するように変化させて配置された。
当該導光板を実施例1と同様に図8に示すバックライト装置に組み込んだ。従って、導光板の底面のプリズムパターンは、支持枠の開口境界から13.1mmだけ支持枠直下側に入り込んでおり、角度θは71°である。
実施例1と同様に、中心輝度測定および目視評価を実施した。その結果中心輝度は11000cd/mであり、支持体開口境界において正面方向、斜めから見たときに光漏れが発生して画面品位が低下していた。
<比較例3>
この比較例は実施例2に用いた導光板において底面のV字状の凹条をθが6°となるように配置した場合である。実施例1と同様に、直接金型入れ子にダイヤモンドバイトで頂角100°、高さ0.02mmのV字状の凹条を切削加工で作製し、この切削入れ子から直接電鋳を行い、ニッケル電鋳層を形成した。原盤を剥離して、高さ0.02mmで頂角が100°のプリズムパターンを所定の間隔で配列させて賦型した底面側のスタンパIXを作製した。
実施例2で使用した出射面側の断面が台形状の凸条パターンであるスタンパIIIとスタンパIXを転写型として射出成形機の金型固定側キャビティと金型可動側キャビティに組み込み、射出成形法にて32インチ液晶テレビ用の微細構造を持つ導光板を得た。導光板の外寸は横×縦×高さを707×420×4.5mmとした。
得られた導光板は、断面形状が台形状である凸条が離間して配設された出射面と断面形状がV字状である凹条が所定のピッチにて配設された底面とを備えている。この出射面の台形状の凸状は、高さHが0.01mm、天頂部幅W2が0.01mm、底面幅W1が0.024mmであり、底面のV字状であるプリズムパターンは高さが0.02mm、平均底角にあたる凹条の入射端面側のX軸に平行な斜面の底面に対する平均斜度が40°である。該プリズムパターンは、導光板の入射端面より12.3mmの位置から、ピッチが入射端面側0.804mmから中央部0.283mmまで漸次緩やかに減少するように変化させて配置された。
当該導光板を実施例1と同様に図8に示すバックライト装置に組み込んだ。従って、導光板の底面のプリズムパターンは、支持枠の開口境界から1.2mmだけ支持枠直下側へ入り込んでおり、角度θは15°である。
実施例1と同様に、中心輝度測定および目視評価を実施した。その結果中心輝度は10863cd/mであり、支持体開口境界において正面方向、斜めから見たときに輝度が極端に低下して暗部としてはっきりと視認された。
本発明の面光源素子が備える導光板を用いれば、画面品位を低下させる液晶パネル支持枠境界の光漏れや暗部を抑制または解消でき、かつ高輝度化できるので、面光源素子に好適に用いることができる。また、本発明の面光源素子は、エッジライト式であるので、液晶表示パネルを装着したテレビ装置に限定されずに、ノートパソコン、モニター、照明公告、交通標識などの薄型の各種画像表示装置への応用が期待される。
符号の説明
1:導光板
2:凸条
3:凹条
4:1次光源
4a:発光ユニット
5:反射シート
5a:拡散シート
5b:プリズムシート
6:出射面
7:底面
8:入射端面(側面)
8a:反射端面(側面)
8b:反射端面(側面)
9:V字状凹条
10:面光源素子
11:光源リフレクター
12:支持枠
13:金属フレーム
14:液晶パネル
15:光学シート

Claims (7)

  1. 導光板の側面に1次光源を少なくとも1個配置させたエッジライト方式の面光源素子であって、
    当該導光板は出射面、該出射面に対向する底面、及び少なくとも一側面に設けられた1次光源から出射された光を入射させる入射端面を有し、
    前記導光板の底面側には光を反射する反射手段を備え、
    前記導光板の出射面側には光学シートおよび液晶パネルを支持する液晶パネル支持枠を備え、
    X軸と、X軸に直交するY軸で構成されるX−Y平面の法線をZ軸として、
    前記1次光源はX軸に平行に配置しており、
    前記反射手段、前記導光板、光学シート、液晶パネル支持枠とは前記X−Y平面に平行に配置しており、
    Z軸方向に前記反射手段、前記導光板、光学シート、液晶パネル支持枠の順に構成されており、
    前記導光板の入射端面は前記X−Z平面に平行であり、前記底面にはX軸に平行な複数の凹条からなるパターンが形成されており、該複数の凹条の入射端面側にX軸に平行な斜面を有し、かつ、該斜面の前記底面に対する斜度は実質的に25度以上45度以下であり、液晶パネル支持枠の内側の開口境界のうち、X軸に平行である辺と、前記Y−Z平面との交点と、前記底面のX軸に平行な凹条からなるパターンが、入射端面からはじめて設置される点とを結ぶ直線が、Z軸とのなす角度をθとした場合、
    前記底面のX軸に平行な凹条からなるパターンが、液晶パネル支持枠の開口境界から当該支持枠裏面へ入り込む距離をLとして、下記の式を満たす位置から配置されており、角度θは20°から60°であることを特徴とする面光源素子。
    L=T・tanθ
    T :導光板の厚み(mm)
    L :液晶パネル支持枠の内側の開口境界から支持枠裏面への入りこみ距離(mm)
  2. 前記1次光源が前記導光板の対向する2つの入射端面にそれぞれ配置されており、前記複数の凹条が前記2つの入射端面に対して、それぞれX軸に平行な前記斜面を有することを特徴とする請求項1に記載の面光源素子。
  3. 前記導光板の底面に形成された凹条の断面が、V字状であることを特徴とする請求項1または2に記載の面光源素子。
  4. 前記導光板の底面に形成された凹条の断面が、台形状であることを特徴とする請求項1または2に記載の面光源素子。
  5. 前記導光板の出射面にY軸に平行な複数の凸条からなるパターンが形成されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の面光源素子。
  6. 前記導光板の出射面に形成された凸条の断面が、台形状であることを特徴とする請求項5に記載の面光源素子。
  7. 請求項1〜6のいずれか1項に記載の面光源素子の出射面側に透過型表示素子を備えることを特徴とする画像表示装置。
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