JP5425026B2 - 導光板、面状照明装置、および液晶表示装置 - Google Patents
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Description
しかしながら、直下型のバックライトユニットでは、光量分布を均一にするために、液晶表示パネルに対して垂直方向の厚みが30mm程度必要であり、これ以上の薄型化が困難である。
このような、導光板を用いたバックライトユニットとしては、透明樹脂に光を散乱させるための散乱粒子を混入させた、側面から光を入射し、表面から光を出射する板状の導光板を用いる方式のバックライトユニットが提案されている。
また、特許文献2には、光散乱導光体と、光散乱導光体の光取出面側に配置されたプリズムシートと、光散乱導光体の裏面側に配置された反射体とを備えた面光源装置が記載されている。また、特許文献3には、プリズム列状の繰り返し起伏を有する光入射面と、光拡散性を与えられた光出射面とを備えた板状の光学材料からなる光出射方向修正素子を備えた液晶ディスプレイが記載され、特許文献4には、内部に散乱能を与えられた光散乱導光体と、前記光散乱導光体の端面部から光供給を行う光供給手段とを備えた光源装置が記載されている。
また、特許文献11には、2層からなる導光板であり、第1層と第2層との境界面が端部から導光板の中央に向かうに従って、光出射面に近づく方向に傾斜した傾斜面である導光板(断面形状が二等辺三角形)が開示されている。
また、光入射面とは反対側の端部に反射部材を配置し、入射した光を多重反射させて光出射面から出射させる方法もあるが、大型化するためには導光板を厚くする必要があり、重くなり、コストも高くなる。また、光源の写りこみが生じ、輝度むら及び/または照度むらとなるという問題もある。
特許文献10に記載の面状照明装置では、確かに導光板の光出射面を凹面としているが、導光板全体に散乱粒子が均一に混合されており、光学特性上、さらに薄型化することは困難であった。また、光入射面が小さいことから導光板の重量を増加させずに光利用効率(入射効率)を向上させることができなかった。
また、本発明の他の目的は、導光板に混錬分散させる散乱粒子として、粒径が異なる粒子を混合した多分散粒子を用いた場合であっても、単分散粒子を用いた場合と比較して、光の利用効率が低下することを防止できる導光板を提供することにある。
さらに、前記合成粒子濃度を、逆バイアス濃度を用いて求め、この合成粒子濃度に応じて、前記第2層の厚さが、前記光出射面の中央部から前記光入射面に向かって薄くなるように連続的に変化し、前記光入射面付近で前記光入射面に向かって再び厚くなるように連続的に変化するのが好ましい。
また、前記光出射面と前記背面が平面形状であり、前記光出射面側の凹形を、前記導光板を前記背面側に反らせて形成するのが好ましい。
また、前記第1層と前記第2層の境界面は平面であり、前記第2層は前記光出射面と反対側に凸形となっており、さらに、前記第2層の凸形と対応する、前記光出射面側が凹形の第3層を有するのが好ましい。
あるいは、前記第1層と前記第2層との境界面が、1つの前記光入射面側の前記光出射面に凹の曲面、この光入射面とは反対側の面側の前記光出射面に平行な平行平面、および、前記凹の曲面と前記平行平面とを接合する前記光出射面に凸の曲面からなるのが好ましい。
あるいは、前記第1層と前記第2層との境界面が、1つの前記光入射面側の前記光出射面に凹の曲面、この光入射面とは反対側の面側の、前記光出射面に対して傾斜している傾斜平面、および、前記凹の曲面と前記傾斜平面とを接合する前記光出射面に凸の曲面からなることが好ましい。
あるいは、前記第1層と前記第2層との境界面が、1つの前記光入射面側の前記光出射面に凹の曲面、この光入射面とは反対側の面側の前記光出射面に凸の曲面、および、前記凹の曲面と前記凸の曲面とを接合する、前記光出射面に対して傾斜している傾斜平面からなることが好ましい。
また、前記Npoと前記Nprの範囲が、0wt%<Npo<0.15wt%、かつ、Npo<Npr<0.4wt%を満たすのが好ましい。
あるいは、前記背面が、前記光入射面から離間するにしたがって、前記光出射面から離れる方向に傾斜している面であることが好ましい。
あるいは、前記背面が、前記光入射面から離間するにしたがって、前記光出射面に近づく方向に傾斜している面であることが好ましい。
また、前記光入射面から前記光出射面の中央部に向かう、前記光入射面に垂直な方向の断面形状は、さらに、前記背面側も凹形であるのが好ましい。
また、前記光入射面が前記光出射面の対向する2つの端辺側に設けられた2つの光入射面であるのが好ましい。
また、光入射面が前記光出射面の4つの端辺側に設けられるのが好ましい。
また、前記背面から光を出射することが好ましい。
また、前記入光部の幅Lnpiが0mm<Lnpi≦20mmを満たすことが好ましい。
なお、導光板の光入射面近傍におけるホタルムラを抑制する場合には、前記入光部に分散された前記散乱粒子の粒子密度をNpiとすると、Npi>Npr、または、Npi>Npoとすることが好ましい。
あるいは、導光板の光入射面近傍における輝線ムラを抑制する場合には、前記入光部に分散された前記散乱粒子の粒子密度をNpiとすると、Npi<Npr、または、Npi<Npoとすることが好ましい。
ここで、前記導光板の前記光出射面側に、少なくとも1つのマイクロレンズシートを含む光学部材を有することが好ましい。
また、本発明によれば、光出射面側に反りにくいため、液晶パネルと導光板の間隔を縮めることができ、より薄型化することができる。
さらに、光出射面が凹形であるため、平均厚さが同じ平板の導光板に比べて、光入射面を大きくすることができ、光源からの光の入射効率を高めることができる。また、光入射面の大きさが同じであれば、平板な導光板に比べてより軽量化することができる。
図1は、本発明に係る導光板を用い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2は、図1に示した液晶表示装置のII−II線断面図である。
また、図3(A)は、図2に示した面状照明装置(以下「バックライトユニット」ともいう。)のIII−III線矢視図であり、図3(B)は、(A)のB−B線断面図である。
駆動ユニット14は、液晶表示パネル12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12を透過する光の透過率を制御する。
以下、バックライトユニット20を構成する各構成部品について説明する。
図4(A)は、図1および図2に示すバックライトユニット20の光源28の概略構成を示す概略斜視図であり、図4(B)は、図4(A)に示す光源28の1つのLEDチップのみを拡大して示す概略斜視図である。
図4(A)に示すように、光源28は、複数の発光ダイオードのチップ(以下「LEDチップ」という)50と、光源支持部52とを有する。
つまり、LEDチップ50の発光ダイオードの表面から出射された青色光が蛍光物質を透過すると、蛍光物質が蛍光する。これにより、LEDチップ50からは、発光ダイオードが出射した青色光と、蛍光物質が蛍光して出射された光とにより白色光が生成され、出射される。
ここで、LEDチップ50としては、GaN系発光ダイオード、InGaN系発光ダイオード等の表面にYAG(イットリウム・アルミニウム・ガーネット)系蛍光物質を塗布したチップが例示される。
光源支持部52は、導光板30の光入射面(30c、30d)に対向する面となる側面に、複数のLEDチップ50を、互いに所定間隔離間した状態で支持している。具体的には、光源28を構成する複数のLEDチップ50は、後述する導光板30の第1光入射面30cまたは第2光入射面30dの長手方向に沿って、言い換えれば、光出射面30aと第1光入射面30cとが交わる線と平行に、または、光出射面30aと第2光入射面30dとが交わる線と平行に、アレイ状に配列され、光源支持部52上に固定されている。
光源支持部52は、銅やアルミニウム等の熱伝導性の良い金属で形成されており、LEDチップ50から発生する熱を吸収し、外部に放散させるヒートシンクとしての機能も有する。なお、光源支持部52には、表面積を広くし、かつ、放熱効果を高くすることができるフィンを設けても、熱を放熱部材に伝熱するヒートパイプを設けてもよい。
LEDチップ50を長方形形状とすることにより、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28を薄型化することにより、バックライトユニットを薄型にすることができる。また、LEDチップの配置個数を少なくすることができる。
図5は、導光板の形状を示す概略斜視図である。
導光板30は、図2、図3および図5に示すように、長方形形状の光出射面30aと、この光出射面30aの長辺側の両端面に、光出射面30aに対してほぼ垂直に形成された2つの光入射面(第1光入射面30cと第2光入射面30d)と、光出射面30aの反対側、つまり、導光板30の背面側に位置し平面である背面30bとを有している。
導光板30は、第1光入射面30cおよび第2光入射面30dから導光板の(光出射面30aの)中央に向かうに従って厚さが薄くなっており、中央部の2等分線αに対応する部分で最も薄く、両端部の2つの光入射面(第1光入射面30cと第2光入射面30d)で最も厚くなる凹形となっている。すなわち、光出射面30aの短辺の中心を結ぶ2等分線α(図1、図3参照)を中心軸として互いに対称な、光出射面30aが凹んでいる凹形となっている。
つまり、第1光入射面30cと第2光入射面30dとを結ぶ、それぞれの光入射面に垂直な線で導光板の厚み方向に切断したときの切断面が、当該垂直な線の中点を通る当該垂直な線と切断面において直角をなす線(切断面において当該垂直な線の中点を通るそれぞれの光入射面と平行な線)を中心として線対称な、光出射面30aが凹んでいる凹形となっている。
このようにバックライトユニット20は、2つの光源28が、導光板30をはさみこむように配置されている。つまり、所定間隔離間して、向い合って配置された2つの光源28の間に導光板30が配置されている。
第1層60は、光出射面30aと、第1光入射面30cおよび第2光入射面30dと、境界面zとで囲まれた断面の領域であり、第2層62は、第1層の背面30b側に隣接する層であり、境界面zと背面30bとで囲まれた断面の領域である。
なお、凹形の曲率半径Rは、光学的特性と機械的特性(強度)のバランスから、35000mm〜1850000mmの範囲が好ましく、凹み量dは、0.1mm〜0.6mmの範囲が好ましい。ここで、各画面サイズにおける光入射面30c、30d間の長さ、凹み量d、曲率半径R、凹形の円弧の弦長の例を表1に示す。また、凹形は、円だけでなく楕円の円弧や、円と楕円を組み合わせた円弧であってもよいし、光出射面30aの中央部は円弧を用い、第1光入射面30cおよび第2光入射面30dへとテーパをかけて接続するようにしてもよい。
この第1層60の散乱粒子の粒子濃度をNpoとし、第2層62の散乱粒子の粒子濃度をNprとすると、NpoとNprとの関係は、Npo<Nprとなる。つまり、導光板30は、光出射面30a側の第1層よりも、背面30b側の第2層の方が散乱粒子の粒子濃度が高い。
導光板30の内部の領域ごとに異なる粒子濃度で散乱粒子を含有させることによって、輝度分布(照度分布)が中高で輝度むら及び照度むらの少ない照明光を光出射面30aから出射することができる。このような導光板30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。
ここで、本発明の導光板においては、輝度分布と照度分布、輝度むらと照度むらは、基本的に同様の傾向となる。つまり、輝度むらが発生している部分には同様の照度むらが生じ、輝度分布と照度分布は同様の傾向となる。
通常、導光板に混錬分散させる散乱粒子としては、多分散粒子を用いるよりも、粒径が均一な単分散粒子を用いる方が、導光板内部での光の散乱が均一になり、光の利用効率が向上できる点や色むらが発生しにくい点で好ましい。しかしながら、単分散粒子を得るためには、粒子を分級する必要があり、コストアップの要因となる。
これに対して、本発明においては、導光板30の内部の領域ごとに異なる粒子濃度で散乱粒子を含有させることによって、粒径が異なる粒子を混合した多分散粒子を用いた場合であっても、光の利用効率が低下することを防止できる。そのため、散乱粒子を分級する必要がなく、コストの低減を図ることができる。
なお、本発明においては、粒度分布が、単分散粒子とは、標準偏差をσとしたとき、粒子径の分布が、中心粒子径に対し、3σ値が、±0.5μmの範囲内に収まるガウス型の分布を満たすものを単分散粒子とし、それ以外のものを多分散粒子とする。
ここで、光の取り出し効率E、すなわち、入射光の強度I0と、出射光の強度Iとの比は、散乱粒子の散乱断面積をΦ、粒子密度をNp、導光板の奥行き方向の長さをLg、補正係数をKcとすると、
E=I/I0∝EXP(−Φ・Np・Lg・Kc)
である。また、多分散粒子の場合には、i番目の粒子に対応した散乱断面積をΦi、粒子密度をNpiとすると、
E=I/I0∝EXP(−(ΣΦi・Npi)・Lg・Kc)
と表すことができる。すなわち、光の取り出し効率Eは、散乱断面積Φに比例する。
散乱断面積は、散乱粒子の粒径と、入射する光の波長とに依存する。そのため、光の波長ごとに、散乱断面積が異なり、取り出し効率が異なってくる。光の波長ごとに取り出し効率が異なると、出射光に色むらが生じてしまう。
例えば、赤色(R)、緑色(G)、および青色(B)の光うち、青色(B)の波長の光が散乱されやすい場合は、導光板の光出射面から出射される出射光は、光入射面近傍の領域では、青みがかった光となってしまう。そのため、導光板に混錬分散される散乱粒子による赤色(R)、緑色(G)、および青色(B)の各波長における散乱断面積の比が、小さいほど色むらを低減することができ、好ましい。
図6に示すように、多分散粒子であっても、RGB各波長における散乱断面積の比が、単分散粒子の場合よりも小さいことがわかる。これにより、出射光の色むらの程度も、単分散粒子と同等以下に低減することができる。
つまり、第1層60の散乱粒子の粒子濃度Npoと、第2層62の散乱粒子の粒子濃度Nprとの関係を、本実施形態のようにNpo<Nprとすることで、光入射面30c、30dから導光板の中心に向かって離間するにしたがって(2つの光入射面間の中心に向って)、次第に、散乱粒子の合成粒子濃度が高くなるので、光入射面30c、30dから離間するにしたがって、散乱粒子の作用によって光出射面30aに向けて反射される光が増加し、その結果、好適な割合で照度分布を中高にすることができる。すなわち、光入射面と垂直な方向(奥行き方向)に散乱粒子の濃度分布を付与した平板導光板と類似の効果を発現することができ、しかも、境界面zの形状を調整することで、輝度分布(散乱粒子の濃度分布)も任意に設定することができ、効率を最大限に向上できる。
導光板30の第1層60と第2層62とが上記関係を満たすことで、導光板30は、粒子濃度が低い第1層60では、入射した光をあまり散乱せずに導光板30の奥(中央)まで導光することができ、導光板の中央に近づくにつれて、粒子濃度が高い第2層により光を散乱して、光出射面30aから出射する光の量を増やすことができる。つまり、より光の利用効率を高めつつ、好適な割合で照度分布を中高にすることができる。
ここで、粒子濃度[wt%]とは、母材の重量に対する散乱粒子の重量の割合である。
導光板30の第1層60と第2層62とが上記関係を満たすことでも、より光の利用効率を高めつつ、好適な割合で照度分布を中高にすることができる。
導光板を厚さ1mm以下のフィルム状の導光シートとした場合でも、2層の導光板とすることで、より光の利用効率を高めつつ、好適な割合で照度分布を中高にすることができる。
光学部材ユニット32は、導光板30の光出射面30aから出射された照明光をより輝度むら及び照度むらのない光にして、照明装置本体24の光出射面24aから出射するためのもので、図2に示すように、導光板30の光出射面30aから出射する照明光を拡散して輝度むら及び照度むらを低減する拡散シート32aと、光入射面30c,30dと光出射面30aとの接線と平行なマイクロプリズム列が形成されたプリズムシート32bと、プリズムシート32bから出射する照明光を拡散して輝度むら及び照度むらを低減する拡散シート32cとを有する。
例えば、光学部材として、上述の拡散シート及びプリズムシートに、加えてまたは代えて、拡散反射体からなる多数の透過率調整体を輝度むら及び照度むらに応じて配置した透過率調整部材も用いることもできる。また、光学部材ユニットを、プリズムシートおよび拡散シートを各1枚ずつ用いるか、あるいは、拡散シートのみを2枚用いて、2層構成としてもよい。
例えば、図8(A)に示す光学部材ユニット170のように、光入射面30c,30dと光出射面30aとの接線と平行なマイクロレンズ列が形成されたマイクロレンズシート170aと、プリズムシート32bと、マイクロレンズシート170cとを有する構成としてもよい。
或いは、図8(B)に示す光学部材ユニット180のように、マイクロレンズシート170aと、プリズムシート32bと、拡散シート32cとを有する構成としてもよい。
光学部材ユニットを少なくとも1つのマイクロレンズシートを含む構成とし、散乱粒子を含む導光板と組み合わせることにより、バックライトユニットの正面輝度が向上し、光利用効率が向上する。
これに対して、散乱粒子を含む導光板と組み合わせる光学部材ユニットを、少なくとも1つのマイクロレンズシートを含む構成とすることにより、正面以外の方向に出射する光が、正面方向に導かれ、正面輝度が向上する。
反射板34は、導光板30の背面30bから漏洩する光を反射して、再び導光板30に入射させるために設けられており、光の利用効率を向上させることができる。反射板34は、導光板30の背面30bに対応した形状で、背面30bを覆うように形成される。本実施形態では、図2に示すように、導光板30の背面30bが平面、つまり断面が直線形状に形成されているので、反射板34もこれに補形する形状に形成されている。
このように、上部誘導反射板36を配置することで、光源28から出射された光が導光板30に入射することなく、光出射面30a側に漏れ出すことを防止できる。
これにより、光源28から出射された光を効率よく導光板30の第1光入射面30cおよび第2光入射面30dに入射させることができ、光利用効率を向上させることができる。
ここで、上部誘導反射板36および下部誘導反射板38としては、上述した反射板34に用いる各種材料を用いることができる。
下部誘導反射板38を設けることで、光源28から出射された光が導光板30に入射することなく、導光板30の背面30b側に漏れ出すことを防止できる。
これにより、光源28から出射された光を効率よく導光板30の第1光入射面30cおよび第2光入射面30dに入射させることができ、光利用効率を向上させることができる。
なお、本実施形態では、反射板34と下部誘導反射板38とを連結させたが、これに限定されず、それぞれを別々の部材としてもよい。
また、本実施形態では、上部誘導反射板36を導光板30と拡散シート32aとの間に配置したが、上部誘導反射板36の配置位置はこれに限定されず、光学部材ユニット32を構成するシート状部材の間に配置してもよく、光学部材ユニット32と上部筐体44との間に配置してもよい。
図2に示すように、筐体26は、照明装置本体24を収納して支持し、かつその光出射面24a側と導光板30の背面30b側とから挟み込み、固定するものであり、下部筐体42と上部筐体44と折返部材46と支持部材48とを有する。
上部筐体44は、図2に示すように、照明装置本体24及び下部筐体42の上方(光出射面側)から、照明装置本体24およびこれが収納された下部筐体42をその4方の側面部も覆うように被せられて配置されている。
折返部材46は、図2に示すように、下部筐体42の側面と上部筐体44の側面との間に嵌挿され、U字形状の一方の平行部の外側面が下部筐体42の側面部と連結され、他方の平行部の外側面が上部筐体44の側面と連結されている。
ここで、下部筐体42と折返部材46との接合方法、折返部材46と上部筐体44との接合方法としては、ボルトおよびナット等を用いる方法、接着剤を用いる方法等種々の公知の方法を用いることができる。
なお、筐体の上部筐体、下部筐体及び折返部材には、金属、樹脂等の種々の材料を用いることができる。なお、材料としては、軽量で高強度の材料を用いることが好ましい。
また、本実施形態では、折返部材を別部材としたが、上部筐体または下部筐体と一体にして形成してもよい。また、折返部材を設けない構成としてもよい。
支持部材48は、図2に示すように、反射板34と下部筐体42との間、より具体的には、導光板30の背面30bの第1光入射面30c側の端部および第2光入射面30d側の端部に対応する位置の反射板34と下部筐体42との間に配置され、導光板30及び反射板34を下部筐体42に固定し、支持する。
支持部材48により反射板34を支持することで、導光板30と反射板34とを密着させることができる。さらに、導光板30及び反射板34を、下部筐体42の所定位置に固定することができる。
また、配置位置も特に限定されず、反射板と下部筐体との間の任意の位置に配置することができるが、導光板を安定して保持するために、導光板の端部側、つまり、本実施形態では、第1光入射面30c近傍、第2光入射面30d近傍に配置することが好ましい。
また、支持部材を反射板と下部筐体とで形成される空間の全域を埋める形状とし、つまり、反射板側の面を反射板に沿った形状とし、下部筐体側の面を下部筐体に沿った形状としてもよい。このように、支持部材により反射板の全面を支持する場合は、導光板と反射板とが離れることを確実に防止することができ、反射板を反射した光により輝度むら及び照度むらが生じることを防止することができる。
バックライトユニット20は、導光板30の両端にそれぞれ配置された光源28から出射された光が導光板30の光入射面(第1光入射面30c及び第2光入射面30d)に入射する。それぞれの面から入射した光は、導光板30の内部に含まれる散乱体によって散乱されつつ、導光板30内部を通過し、直接、または背面30bで反射した後、光出射面30aから出射する。このとき、背面から漏出した一部の光は、反射板34によって反射され再び導光板30の内部に入射する。
このようにして、導光板30の光出射面30aから出射された光は、光学部材32を透過し、照明装置本体24の光出射面24aから出射され、液晶表示パネル12を照明する。
液晶表示パネル12は、駆動ユニット14により、位置に応じて光の透過率を制御することで、液晶表示パネル12の表面上に文字、図形、画像などを表示する。
本実施例では、1層の導光板(光出射面が平面であり、背面が背面方向に凸となっている形状:図31参照)と2層および3層の導光板について、計算機シミュレーションにより、出射される光の規格化された照度分布を求めた。
また、シミュレーションにおいて、導光板の透明樹脂の材料はPMMA、散乱粒子の材料はシリコーンとしてモデル化した。また、単分散粒子と多分散粒子とを比較した実施例7を除いて、シミュレーションの際の散乱粒子は、多分散散粒子として計算を行なった。
実施例1として、画面サイズが42インチに対応する導光板30を用いた。具体的には、第1光入射面30cから第2光入射面30dまでの長さを545mmとし、2等分線αにおける光出射面30aから背面30bまでの長さ、つまり、厚さの最も薄い部分の厚みDを2.56mmとし、第1光入射面30c及び第2光入射面30dの厚み、つまり厚さの最も厚い部分の厚みを3.0mmとし、第1層60の2等分線αにおける光出射面30aから境界面zまでの長さ、つまり、第1層60の厚さが最も薄い部分の、第1層60の厚みD1を2.12mmとし、第2層62の2等分線αにおける境界面zから背面30bまでの長さ、つまり、第2層62の厚さが最も厚い部分の、第2層62の厚みD2を0.44mmとし、光出射面30aの曲率半径Rを75000mm、凹み量dを0.44mmとした導光板を用いた。また、導光板に混練分散させる散乱粒子の粒径は4.5μmとした。
測定した照度の結果を下記表2に示し、規格化照度分布を図9に示す。ここで、図9では、縦軸を規格化照度とし、横軸を導光板中央からの距離[mm]とし、実施例11を細い実線で示し、実施例12を破線で示し、比較例11を太い実線で示す。
図11に、40インチの画面サイズに対応する各種形状の導光板における、光源であるLEDのサイズによる入射効率の変化を示す。
図2に示す導光板30と同様の形状で画面サイズのみ40インチに変更した、光入射面の厚さ、すなわち、光出射面に略垂直な方向の光入射面の厚さが2.62mmである、2層の導光板の実施例101について入射効率を測定した。また、比較例101として、光入射面の厚さが1.50mmである、均一の粒子濃度とした図31に示す形状の1層の導光板と、比較例102として、光入射面の厚さが1.96mmである、図32に示す形状の粒子濃度の異なる2層からなる導光板108と、比較例103として、光入射面の厚さが2.29mmである、平板形状で粒子濃度の異なる2層からなる導光板とについて、入射効率を測定した。なお、LEDの発光面と導光板の光入射面との距離は0.2mmである。
図11では、縦軸を規格化した効率とし、横軸をLEDの発光面の寸法とし、実施例101を黒三角、比較例101を黒菱形、比較例102を黒四角、比較例103をアスタリスクで示す。
また、平均厚さが同じ平板導光板と比べても、光入射面を大きくとることができるため、光の入射効率を高くすることができ、導光板を軽くすることができる。さらに、照度分布を中高にすることができる。
実施例2として、外形が実施例1と同様の形状で画面サイズが46インチの導光板で、図12に示すように、第1層60と第2層62との境界面zが、2等分線αにおける光出射面30a(つまり光出射面の中央部)から、第1光入射面30cおよび第2光入射面30dに向かって第2層62が薄くなるように連続的に変化し、さらに、第1光入射面30cおよび第2光入射面30d付近で光出射面30a側に向かって再び厚くなるように連続的に変化させた導光板80を用いた。その際、逆バイアス濃度を用いて合成粒子濃度を求めて、求めた合成粒子濃度に応じて、第1層60および第2層62の厚さ(境界面zの形状)を求めた。
すなわち、合成粒子濃度のプロファイルは、導光板30の中央で極大値を持ち、その両側、図示例では、中央から光入射面(30dおよび30e)までの距離の約2/3の位置で極小値を持つように変化する曲線である。
逆バイアス濃度を求めるには、まず、粒子が無い状態で導光板から出射する照度分布(輝度分布)を求める。その際、特に厚みが中央部に向かって薄くなる場合、中央部が凹状となる照度分布(輝度分布)が求められる。次に、この照度分布の、フラットな分布からの差分を求め、導光板の奥行き方向の各単位体積毎に定数を掛けて、各単位体積毎の粒子濃度を求め、逆バイアス濃度とする。この逆バイアス濃度から2層導光板の断面形状を求める。さらに、平板2層導光板から求めた所望の中高分布となる粒子濃度分布を求め、2層導光板の断面形状に換算する。最後に、逆バイアス濃度分布から求めた2層断面形状と平板から求めた2層断面形状を加えて、所望の2層断面形状を求める。
境界面zを形成する凹形および凸形の曲面は、光入射面の長手方向に垂直な断面において、円または楕円の一部で表される曲線であってもよいし、2次曲線、あるいは、多項式で表される曲線であってもよいし、これらを組み合わせた曲線であってもよい。
実施例3として、図12に示す導光板80において、画面サイズが32インチの導光板で、境界面zの凹形および凸形の曲面の曲率半径Ry1、Ry2と、第1層60および第2層62の粒子濃度とを変えて、測定を行なった。
具体的には、実施例3として、第1光入射面30cから第2光入射面までの長さを413mmとし、第1光入射面30c及び第2光入射面30dの厚み、つまり厚さの最も厚い部分の厚みD2を3mmとし、凹み量dを0.5mmとし、光出射面30aの曲率半径を42500mmとし、第1光入射面での第2層62の厚みD3を0.5mmとし、第2層62の厚さが最も薄い部分の厚みD4を0.48mmとし、第2層62の厚さが最も厚い部分の厚みD5を1.0mmとした導光板を用いた。また、導光板に混練分散させる散乱粒子の粒径は、4.5μmとした。
実施例4として、図12に示す導光板80において、画面サイズが65インチの導光板で、境界面zの凹形および凸形の曲面の曲率半径Ry1、Ry2と、第1層60および第2層62の粒子濃度とを変えて、測定を行なった。
具体的には、実施例4として、第1光入射面30cから第2光入射面までの長さを830mmとし、第1光入射面30c及び第2光入射面30dの厚み、つまり厚さの最も厚い部分の厚みD2を1mmとし、凹み量dを0.2mmとし、光出射面30aの曲率半径を165000mmとし、第1光入射面での第2層62の厚みD3を0.18mmとし、第2層62の厚さが最も薄い部分の厚みD4を0.16mmとし、第2層62の厚さが最も厚い部分の厚みD5を0.35mmとした導光板を用いた。また、導光板に混練分散させる散乱粒子の粒径は、4.5μmとした。
実施例5として、外形が実施例1と同じ導光板で、粒子濃度が異なる層を3層とした導光板82を用いた。導光板82は、図16に示すように、第1層60と、第2層62と、第3層64a,64bとから構成される。
導光板82は、第1層60と第2層62との境界面zが平面であり、第2層62と第3層64a,64bとの境界面yが光出射面30aと同じ凹形となっている。つまり、第3層64a,64bが第1光入射面30cおよび第2光入射面30dから中央に向かうに従って厚さが薄くなっており、中央部の2等分線αに対応する部分で最も薄く、両端部の2つの光入射面(第1光入射面30cと第2光入射面30d)で最も厚くなっている。
実施例6として、図18に示すような背面側が光出射面側と同じ形状をした、画面サイズが42インチに対応する導光板90を用いた。導光板の光出射面側と背面側を同じ形状(光出射面側に凹形)とすることで、重ね合わせて加工することができる。また、導光板90の第1層と第2層の境界面zは、平面となっている。
図18に示す導光板90は、第1光入射面30cから第2光入射面30dまでの長さを545mmとし、2等分線αにおける光出射面30aから背面30bまでの長さ(中央部分の厚み)を2.5mmとし、第1光入射面30c及び第2光入射面30dの厚みを2mmとし、第1層60の2等分線αにおける光出射面30aから境界面zまでの長さ、つまり、第1層60の厚さが最も薄い部分の、第1層60の厚みD1を1.56mmとし、第2層62の2等分線αにおける境界面zから背面30eまでの長さ、つまり、第2層62の厚さが最も厚い部分の、第2層62の厚みD2を0.5mmとし、光出射面30aおよび背面30eの曲率半径Rを75000mmとし、凹み量dを0.44mmとした導光板を用いた。また、導光板に混練分散させる散乱粒子の粒径は4.5μmとした。
なお、光出射面側と背面側の曲率半径Rは、重ね合わせて加工することができれば異なっていてもよい。また、光出射面側と背面側の曲率半径Rが異なっていても、ツバ65,66の背面側の面を、背面30eの2等分線αと交差する部分、つまり、最も背面側に凸となっている部分よりも背面側まで延長するか、あるいはスペーサを挟むことで、重ね合わせたときにツバ同士が接触、またはスペーサを介して接触し、安定して重ね合わせて加工することができる。また、背面側の曲率半径を、光出射面側の曲率半径よりも小さくすることで、つまり、背面がより背面側に凸となることで、逆楔形の導光板と同様の効果も得ることができる。
また、平均厚さが同じ平板導光板と比べても、光入射面を大きくとることができるため、光の入射効率を高くすることができ、導光板を軽くすることができる。さらに、照度分布を中高にすることができる。
さらに、第3層を設けることによっても、光入射面付近における照度が向上し、つまり照度低下を抑制し、入光部むらを小さくできることがわかる。
また、光出射面側と背面側を同じ形状(光出射面側に凹形、つまり出射面が凹形で背面が凸形)とすることで、加工時に重ね合わせることができ、複数枚の導光板をまとめて端面の切断および研磨をすることにより、端面加工時のコストを大幅に下げることができる。
また、上記実施例5の変形例として、図23に示すように、実施例2と実施例5とを組み合わせて3層の導光板とし、実施例5の導光板82の境界面yが、2等分線αにおける光出射面30a(つまり光出射面の中央部)から、第1光入射面30cおよび第2光入射面30dに向かって第2層62が薄くなるように連続的に変化し、さらに、第1光入射面30cおよび第2光入射面30d付近で背面30b側に向かって再び厚くなるように連続的に変化する(つまり、第2層62(中間層)が背面30b側に対して凹凸になっている)とし、合成粒子濃度を逆バイアス濃度を用いて最適化した濃度とした導光板86としてもよい。
このとき、3層の粒子濃度の関係は、第1層60≦第3層64a,64b<第2層62の関係を満たすようにするのがよく、第1層60は粒子濃度が0wt%とするのがよい。また、第1層60と第2層62との境界面zは、平面か光出射面と同方向に凹形とするのがよい。
このように、3層とすることで、輝度分布(照度分布)の微調整を容易にすることができる。
(実施例7)
実施例7として、画面サイズが40インチに対応する、図22に示す導光板84を用いた。具体的には、第1光入射面30cから第2光入射面30dまでの長さを545mmとし、導光板の厚さを1.5mmとし、第1層60の2等分線αにおける厚さ、つまり、第1層60の厚さが最も薄い部分の厚みを0.15mmとし、第1層60の厚さが最も厚い部分の厚みを0.5mmとし、第1層60の光入射面での厚みを0.2mmとし、境界面zの凹形の曲面の曲率半径Ry1を、25,000mmとし、凸形の曲面の曲率半径Rz2を、150,000mmとし、第1層60の粒子濃度Npoを0.02wt%とし、第2層62の粒子濃度Nprを0.16wt%とした導光板を用いた。
上記の導光板において、図7(A)に示す散乱粒子の粒径の分布を有する多分散粒子を混錬分散した実施例71と、図7(B)に示す散乱粒子の粒径の分布を有する多分散粒子を混錬分散した実施例72とについて照度分布を測定した。
また、比較例として、上記の導光板において、散乱粒子の平均粒径が4.5μmの単分散粒子を混錬分散した比較例71と、散乱粒子の平均粒径が3.0μmの単分散粒子を混錬分散した比較例72とについて照度分布を測定した。
なお、本実施例においては、入射する光は、単波長の光を用いた。実施例71と比較例71とには、波長555nmの光を用い、実施例72と比較例72とには、波長450nmの光を用いた。
このように、本発明においては、導光板の内部の領域ごとに異なる粒子濃度で散乱粒子を含有させることによって、粒径が異なる粒子を混合した多分散粒子を用いた場合であっても、光の利用効率が低下することを防止できる。
また、片面入射とする場合には、境界面zの形状が非対称な導光板としてもよい。例えば、1つの光入射面を有し、光出射面の2等分線よりも光入射面から遠い位置で導光板の第2層の厚さが最大になるような、第2層の形状が非対称な導光板でもよい。
また、導光板122は、光出射面30a側の第1層60と背面30b側の第2層とにより形成されている。第1層60と第2層62との境界面zは、第1光入射面30cの長手方向に垂直な断面で見た際に、第1光入射面30cから側面122dに向かって、一旦、第2層62が薄くなるように変化した後、第2層62が厚くなるように変化し、再び第2層62が薄くなるように連続的に変化している。すなわち、境界面zは、第1光入射面30c側では、光出射面30aに向かって凹の曲面であり、側面122d側では、光出射面30aに向かって凸の曲面である。
すなわち、合成粒子濃度の濃度プロファイルは、第1光入射面30c側において極小値を持ち、側面122d側において極大値を持つように変化する曲線である。
また、導光板132は、光出射面30a側の第1層60と背面30b側の第2層とにより形成されている。第1層60と第2層62との境界面zは、第1光入射面30cの長手方向に垂直な断面で見た際に、第1光入射面30cから側面122dに向かって、一旦、第2層62が薄くなるように変化した後、第2層62が厚くなるように変化し、その後第2層62の厚さが一定となるように連続的に変化している。すなわち、境界面zは、第1光入射面30c側では、光出射面30aに向かって凹の曲面であり、導光板中央部では、光出射面30aに向かって凸の曲面であり、凸の曲面の頂点から、側面122d側では、光出射面30aに平行な平面である。
また、平均厚さが同じ平板導光板と比べても、光入射面を大きくとることができるため、光の入射効率を高くすることができ、導光板を軽くすることができる。
Rz1およびRz2を上記範囲とすることにより、より好適に光の照度分布を中高にすることができる。
Rx1およびRx2を上記範囲とすることにより、より好適に光の照度分布を中高にすることができる。
実施例81として、画面サイズが46インチに対応する導光板120を用いた。具体的には、第1光入射面30cから側面122dまでの長さを592mmとし、2等分線αにおける光出射面30aから背面30bまでの長さ、つまり、厚さの最も薄い部分の厚みD1を0.8mmとし、第1光入射面30c及び側面122dの厚み、つまり厚さの最も厚い部分の厚みD2を1.0mmとし、第1光入射面での第2層62の厚みD3を0.21mmとし、第2層62の厚さが最も薄い部分の厚みD4を0.17mmとし、第2層62の厚さが最も厚い部分の厚みD5を0.5mmとし、光出射面30aの曲率半径Rを87500mm、凹み量dを0.2mmとし、境界面zの凹形の曲面の曲率半径Rz1を、35000mmとし、凸形の曲面の曲率半径Rz2を、55000mmとした導光板を用いた。また、導光板に混練分散させる散乱粒子の粒径は4.5μmとし、第1層60には散乱粒子を分散せず(Npo=0)、第2層62の粒子濃度Nprを0.065wt%とした。
また、比較例81として、図31に示す形状の1層の導光板の2辺から光を入射して輝度分布を測定した。なお、導光板の中央部の厚みを3.5mm、光入射面の厚みを2mmとし、粒子濃度を0.05wt%として測定した。
図26に示すように、片面入射とした場合であっても、境界面zが凹凸形状をした、実施例81の導光板は、比較例81の導光板と比較して、中央輝度が向上して、中高な照度分布とすることができる。
実施例91として、画面サイズが57インチに対応する導光板130を用いた。具体的には、第1光入射面30cから側面122dまでの長さを730mmとし、2等分線αにおける光出射面30aから背面30bまでの長さ、つまり、厚さの最も薄い部分の厚みD1を0.8mmとし、第1光入射面30c及び側面122dの厚み、つまり厚さの最も厚い部分の厚みD2を1.0mmとし、第1光入射面での第2層62の厚みD3を0.19mmとし、第2層62の厚さが最も薄い部分の厚みD4を0.15mmとし、第2層62の厚さが最も厚い部分の厚みD5を0.31mmとし、光出射面30aの曲率半径Rを135000mm、凹み量dを0.2mmとし、境界面zの凹形の曲面の曲率半径Rx1を、100000mmとした導光板を用いた。また、導光板に混練分散させる散乱粒子の粒径は4.5μmとし、第1層60には散乱粒子を分散せず(Npo=0)、第2層62の粒子濃度Nprを0.06wt%とした。
また、比較例91として、図31に示す形状の1層の導光板の2辺から光を入射して輝度分布を測定した。なお、導光板の中央部の厚みを3.5mm、光入射面の厚みを2mmとし、粒子濃度を0.05wt%として測定した。
また、図25(B)および(D)に示す導光板においては、第1層60と第2層62との境界面zは、第1光入射面30c側では、光出射面に向かって凹の曲面であり、導光板中央部では、光出射面に向かって凸の曲面であり、凸の曲面の頂点から側面122d側では、光出射面に平行な平面としたが、本発明は、これに限定はされず、光出射面に向かって、凹の曲面、凸の曲面、光出射面に平行な平面、および、光出射面に対して傾斜した平面を複数、組み合わせて構成してもよい。
図28に示すバックライトユニット160は、導光板162および導光板162の第1光入射面30cに対面して配置される光源28とを有する。
また、導光板162は、光出射面30h側の第1層164と背面162b側の第2層166とにより形成されている。第1層164は、第2層166よりも散乱粒子の粒子濃度が高い。
実施例10として、図28に示す形状をした、画面サイズが40インチに対応する導光板162を用いた。具体的には、第1光入射面30cから側面122dまでの長さを500mmとし、第1層164と第2層166との境界面zを、光入射面30c側の光出射面30hに凸な曲面、側面122d側の光出射面30hに凹な曲面、および、これら凸な曲面と凹な曲面とを滑らかに接続する平面で構成し、導光板に混錬分散させる散乱粒子の粒径を4.5μmとし、第2層166の散乱粒子の粒子濃度を0wt%とした導光板を用いた。また、光源28に用いるLEDチップ50の発光面の寸法は、縦方向長さa=1.5mm、横方向長さb=2.6mmとし、LEDチップ50と、導光板162の光入射面30cとの間の間隙を0.2mmとした。
ここで、図29は、光入射面30cからの距離と、第1層164の厚みとの関係を示すグラフである。第1層164の厚みは、より具体的には、図29に示す形状とした。
また、光入射面30cおよび側面122dの厚みを共に1.5mmとした実施例106と、光入射面30cおよび側面122dの厚みを共に2mmとした実施例107とについても同様に照度分布を測定した。
また、比較例101として、図31に示す形状で、光入射面での厚さを2mmとし、中央部での厚さを3.5mmとし、粒子濃度を0.05wt%とした導光板で、両面から光を入射した場合について照度分布を測定した。
図30(A)および(B)に示すように、片面入射とした場合であっても、境界面zを、光出射面に凹な曲面、凸な曲面、光入射面に対して平行な平面、および光入射面に対して傾斜した平面を組み合わせた形状とし、背面を傾斜面とすることで、導光板内に混錬分散する散乱粒子の粒子濃度の分布をより好適な分布とし、合成粒子濃度をより好適な分布とすることができ、中高な照度分布とすることができるので、比較例101の両面入射の導光板と比較しても、中央輝度が向上して、中高な照度分布とすることができる。
また、光出射面のみならず背面側から光を出射してもよい。
12 液晶表示パネル
14 駆動ユニット
20、120、130、140、150、160 バックライトユニット(面状照明装置)
24 照明装置本体
24a、30a、30h 光出射面
26 筐体
28 光源
30、80、82、84、86、90、92、122、132、142、152、162 導光板
30b、30b’、30e、162b 背面
30c、30f 第1光入射面
30d、30g 第2光入射面
32、170、180 光学部材ユニット
32a、32c 拡散シート
32b プリズムシート
34 反射板
36 上部誘導反射板
38 下部誘導反射板
42 下部筐体
44 上部筐体
46 折返部材
48 支持部材
49 電源収納部
50 LEDチップ
52 光源支持部
58 発光面
60、94、164 第1層
62、96、166 第2層
64a、64b 第3層
122d 側面
170a、170c マイクロレンズシート
α 2等分線
y、z 境界面
Claims (24)
- 矩形状の光出射面と、前記光出射面の端辺側に設けられ、前記光出射面に略平行な方向に進行する光を入射する少なくとも1つの光入射面と、前記光出射面とは反対側の背面とを有し、内部に散乱粒子が分散された導光板であって、
前記散乱粒子は、粒径が異なる粒子を混合した多分散粒子であり、
前記導光板は、前記光出射面に略垂直な方向に重なった、前記散乱粒子の粒子濃度が異なる2つ以上の層を有し、
前記2つ以上の層は、少なくとも前記粒子濃度がNpoである前記光出射面側の第1層と、前記粒子濃度がNprであり前記第1層よりも前記背面側に位置する第2層とを含み、前記Npoと前記Nprとの関係が、Npo<Nprを満たし、
前記光入射面から前記光出射面の中央部に向かう、前記光入射面に垂直な方向の断面形状は、前記光出射面側が凹形であり、
前記第1層と前記第2層の、前記光出射面に略垂直な方向の厚さを変化させることで、前記導光板のそれぞれの部分における合成粒子濃度を変化させることを特徴とする導光板。 - 前記光入射面から前記光出射面の中央部に向かう、前記光入射面に垂直な方向の断面において、前記第1層と前記第2層との境界面が、前記光出射面の中央部で前記光出射面に向かって凸形となっていることを特徴とする請求項1に記載の導光板。
- さらに、前記合成粒子濃度を、逆バイアス濃度を用いて求め、この合成粒子濃度に応じて、前記第2層の厚さが、前記光出射面の中央部から前記光入射面に向かって薄くなるように連続的に変化し、前記光入射面付近で前記光入射面に向かって再び厚くなるように連続的に変化することを特徴とする請求項2に記載の導光板。
- 前記光出射面と前記背面が平面形状であり、前記光出射面側の凹形を、前記導光板を前記背面側に反らせて形成することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の導光板。
- 前記第2層の厚さが前記光出射面の中央部で最も厚いことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の導光板。
- 前記第1層と前記第2層の境界面は平面であり、前記第2層は前記光出射面と反対側に凸形となっており、
さらに、前記第2層の凸形と対応する、前記光出射面側が凹形の第3層を有することを特徴とする請求項1に記載の導光板。 - 前記第1層と前記第2層との境界面が、1つの前記光入射面側の前記光出射面に凹の曲面と、この光入射面とは反対側の面側の前記光出射面に凸の曲面とを接合した面であることを特徴とする請求項1に記載の導光板。
- 前記第1層と前記第2層との境界面が、1つの前記光入射面側の前記光出射面に凹の曲面、この光入射面とは反対側の面側の、前記光出射面に平行な平行平面、および、前記凹の曲面と前記平行平面とを接合する前記光出射面に凸の曲面からなることを特徴とする請求項1に記載の導光板。
- 前記第1層と前記第2層との境界面が、1つの前記光入射面側の前記光出射面に凹の曲面、この光入射面とは反対側の面側の、前記光出射面に対して傾斜している傾斜平面、および、前記凹の曲面と前記傾斜平面とを接合する前記光出射面に凸の曲面からなることを特徴とする請求項1に記載の導光板。
- 前記第1層と前記第2層との境界面が、1つの前記光入射面側の前記光出射面に凹の曲面、この光入射面とは反対側の面側の前記光出射面に凸の曲面、および、前記凹の曲面と前記凸の曲面とを接合する、前記光出射面に対して傾斜している傾斜平面からなることを特徴とする請求項1に記載の導光板。
- 前記Npoと前記Nprの範囲が、Npo=0wt%、0.01wt%<Npr<0.4wt%を満たす請求項1〜10のいずれかに記載の導光板。
- 前記Npoと前記Nprの範囲が、0wt%<Npo<0.15wt%、かつ、Npo<Npr<0.4wt%を満たす請求項1〜10のいずれかに記載の導光板。
- 前記背面が、前記光出射面に平行な平面であることを特徴とする請求項1〜12のいずれかに記載の導光板。
- 前記背面が、前記光入射面から離間するにしたがって、前記光出射面から離れる方向に傾斜している面であることを特徴とする請求項1〜12のいずれかに記載の導光板。
- 前記背面が、前記光入射面から離間するにしたがって、前記光出射面に近づく方向に傾斜している面であることを特徴とする請求項1〜12のいずれかに記載の導光板。
- 前記光入射面から前記光出射面の中央部に向かう、前記光入射面に垂直な方向の断面形状は、さらに、前記背面側も凹形であることを特徴とする請求項1〜15のいずれかに記載の導光板。
- 前記光入射面が前記光出射面の長辺に設けられた請求項1〜16のいずれかに記載の導光板。
- 前記光入射面が前記光出射面の1つの端辺側に設けられた請求項1〜17のいずれかに記載の導光板。
- 前記光入射面が前記光出射面の対向する2つの端辺側に設けられた2つの光入射面である請求項1〜17のいずれかに記載の導光板。
- 前記光入射面が前記光出射面の4つの端辺側に設けられた請求項1〜17のいずれかに記載の導光板。
- 前記背面から光を出射する請求項1〜20のいずれかに記載の導光板。
- 請求項1〜21のいずれかに記載の導光板を有することを特徴とする面状照明装置。
- 前記導光板の前記光出射面側に、少なくとも1つのマイクロレンズシートを含む光学部材を有する請求項22に記載の面状照明装置。
- 請求項22または23に記載の面状照明装置を有することを特徴とする液晶表示装置。
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