JP5486504B2 - 面光源素子およびこれを備えた画像表示装置 - Google Patents
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Description
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一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。
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板が記載されている。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ため、プリズムシートを省略することができる。
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一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1枚または複数の光学シートを備え、
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、
前記一次光源は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、光学シートの順に構成されており、
当該光学シートのうち、少なくとも1枚のプリズムシートを備えており、
前記導光板の出射面に最も近いプリズムシートの出射面に凸条プリズムを有しており、該凸条プリズムはその長手方向をX軸に平行に配置しており、
前記導光板の入射端面はX−Z平面に平行であり、前記導光板の出射面にはY軸に平行な断面形状が台形状の凸条からなるパターンが複数形成されており、
前記導光板の底面にはX軸に平行な断面形状がV字状の凹条からなるパターンが複数形成されており、該複数の凹条の入射端面側にX軸に平行な斜面を有し、
該斜面の前記導光板の底面に対する斜度Rを下記の式を満たす角度の範囲に設定して、
前記入射端面から前記導光板内に入射された光を前記底面の前記斜面で出射面側に反射させて、出射面から出射される光を、Z軸方向を出射角0度としたときにY−Z平面において、前記プリズムシートに対する入射角のピークが±25度〜±40度の範囲内になるようにして前記プリズムシートに入射させることを特徴とする面光源素子である。
R≦[π/2−sin−1〔{sin(θMIN)}/nLGP〕]/2 (1)
≦{π/2−sin−1(0.422/nLGP)}/2 (2)
R≧θc−sin−1{(sinθMAX)/nLGP} (3)
≧sin−1(1/nLGP)−sin−1(0.643/nLGP) (4)
R:前記導光板の底面に対する平均斜度(ラジアン)
θMIN :前記導光板の出射面に最も近いプリズムシートを透過後、正面近傍方向に出射させるために必要な入射角度の最小値であり、通常0.436ラジアンである。(25度)
θMAX :前記導光板の出射面に最も近いプリズムシートを透過後、正面方向に出射する光を増加させるために必要な入射角度の最大値であり、通常0.698ラジアンである。(40度)
nLGP:前記導光板の基材の屈折率
θc:前記導光板の基材の全反射臨界角である{sin−1(1/nLGP)}。
上記の面光源素子であって、
前記一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面光源素子である。
面光源素子の光学シートの構成が、導光板の出射面の上から、拡散シート、プリズムシート、拡散シートである場合、当該導光板から出射された光は、まず、導光板の上方の拡散シートによって、出射光の角度依存性が緩やかになるためギラツキ感が緩和させて画面品位が向上すると共に、その上方に配設されたプリズムシートの底面から入射して出射面のプリズムにより正面方向に偏向される入射光成分を増加することができるため正面方向の輝度を向上することができる。さらに上方の拡散シートは拡散性能が弱く設定されたものを用いることにより、プリズムシートのプリズム頂角の磨耗や破損を防ぐことができるため画面品位を向上することができる。
面光源素子の光学シートの構成が、導光板の出射面の上から、拡散シート、プリズムシート、反射型偏光フィルムである場合、導光板から出射された光は、プリズムシートから出射するまでは請求項3と同様の効果を有し、プリズムシートの上方に配設された反射型偏光フィルムは、下方から当該偏光フィルムに入射する光を偏光分離して、液晶表示素子の偏光フィルムを透過しない偏光光を反射させて、下方へ戻すことにより、その偏光光を再利用できるようにする機能を有するため、当該面光源素子の上方に液晶表示素子を配設した場合、より正面方向の輝度を向上することができる。
2:凸条
3:凹条
4:一次光源
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
5c:鏡面反射シート
6:出射面
7:底面
8:入射端面(側面)
8a:反入射端面(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
式会社製の商品名BEFIIIはPETフィルムの上に2P樹脂にて頂角がおよそ90度、高さがおよそ0.025mmの凸条を高さ方向に微小変動させることにより、当該シートに入射した光を散らす効果があるため、画面品位が向上する。
R≧θc−sin−1{(sinθMAX)/nLGP} (3)
ここで、
R :前記導光板の底面に対する平均斜度(ラジアン)
θMIN :前記導光板の出射面に最も近いプリズムシートを透過後、正面近傍方向に出射させるために必要な入射角度の最小値であり、通常0.436ラジアンである。(25度)
θMAX :前記導光板の出射面に最も近いプリズムシートを透過後、正面方向に出射する光を増加させるために必要な入射角度の最大値であり、通常0.698ラジアンである。(40度)
nLGP:前記導光板の基材の屈折率
θc:前記導光板の基材の全反射臨界角である{sin−1(1/nLGP)}。
である。
R≦[π/2−sin−1〔{sin(0.436)}/nLGP〕]/2
≦{π/2−sin−1(0.422/nLGP)}/2 (2)
となる。
R≧θc−sin−1{(0.698)/nLGP}
≧sin−1(1/nLGP)−sin−1(0.643/nLGP) (4)
となる。上記と同様に基材がアクリル樹脂の場合は、屈折率nLGPが1.49であるため、式(4)の右辺は16.6度になる。導光板の底面に対する平均斜度を16.6度より小さくするとプリズムシートに対して40度以上で入射する光の割合が大きくなるため、プリズムによって正面方向に偏向させることが困難になってくる。
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V字状の凹条にて所定の方向に反射されて出射面から出射したり、V字状の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が、導光板の上の光学シートを透過後、正面方向に出射する光は前者のV字状の凹条にて所定の方向に反射されたものが主たるものである。
当該面光源素子が備えるプリズムシートを透過後に正面方向に向けるには、導光板の出射面からおおむね25度から30度方向に多く出射するのが望ましく、前記V字状の凹条の底面に対する斜度を本発明において要求される範囲内である当該導光板の底面に対する斜度にした場合、導光板の出射面からおおむね25度から30度方向に多く出射するケースは上(入射角αが正)からV字状の凹条の斜面に入射する。
図10に示すようにV字状の凹条の斜面に入射する領域WをV字状の凹条の高さHで規格化すると式(5)となる。
W/H=sin(R+α)/sin(R) (5)
W/Hが大きい方がより多くの光を導光板の出射面から所望するθ方向に出射できる。上記式(5)よりαが正、すなわち、上からのV字状の凹条の斜面に入射する方が、W/Hが大きくなり、より多くの光を所望するθ方向に出射できることがわかる。
例えば、図3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。
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。
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。
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。
出射面側のスタンパ(以下スタンパ1)はステンレス鋼製の鏡面スタンパを使用した。一方、高さ0.007mmで頂角が130度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2)は、直接金型入れ子にダイヤモンドバイトで頂角130度、高さ0.007mm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1及びスタンパ2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40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900×511×4mmであった。当該導光板は、出射面が鏡面であり、底面にはV字状の凹条が高さ0.007mm、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Rは25度であり、V字状の凹条のピッチは入射端面側0.430mmから中央部0.196mmまで漸次緩やかに減少するように変化させた。
そして、導光体の底面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を結合させた。このようにして形成した図5に示すバックライト装置において、安定化電源装置から24V、5A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、支持枠12の開口領域の内寸885×497mmに対して図6に示す位置の9点を測定した。輝度測定による評価は、9点の平均輝度を用いた。この結果、面内平均輝度は8519cd/m2であった。
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度から+35度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度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3)を作製した。
高さ0.007mmで頂角が130度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4)は、直接金型入れ子にダイヤモンドバイトで頂角130度、高さ0.007mm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3及びスタンパ4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40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900×511×4mmであった。
高さ0.007mmで頂角が120度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5)は、直接金型入れ子にダイヤモンドバイトで頂角120度、高さ0.007mm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。
これらの実施例2で使用したスタンパ3及びスタンパ5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40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900×511×4mmであった。当該導光板は、出射面が鏡面であり、底面にはV字状の凹条が高さ0.007mm、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Rは30度であり、V字状の凹条のピッチは入射端面側0.446mmから中央部0.179mmまで漸次緩やかに減少するように変化させた。当該導光板を実施例1と同様に図5に示すバックライト装置に組み込んで輝度測定を実施した。面内平均輝度は8943cd/m2であった。
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140度、高さ0.007mm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0.007mmで頂角が140度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10を作製した。
実施例1で作製したスタンパ1と同じ作製工程を経て、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度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6)を作製した。
高さ0.005mmで頂角が130度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7)は、直接金型入れ子にダイヤモンドバイトで頂角130度、高さ0.005mm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6及びスタンパ7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46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1040×598×4mmであった。
また、導光体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、導光体の底面7には反射シート5(東レ株式会社製:型番E6SL)を配設し、反入光端面8aには鏡面反射タイプの反射シート(恵和株式会社製:型番レイラーNR3)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を結合させた。
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125度、高さ0.007mm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0.007mmで頂角が125度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13を作製した。
実施例5と同様に、直接金型入れ子にダイヤモンドバイトで頂角125度、高さ0.005mm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0.005mmで頂角が125度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14を作製した。
実施例5と同様に、直接金型入れ子にダイヤモンドバイトで頂角140度、高さ0.005mm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0.005mmで頂角が140度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15を作製した。
この比較例は実施例1に用いた導光板の底面に設けられたV字状の凹条の平均斜度Rが40度の場合である。
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度、高さ0.007mm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0.007mmで頂角が100度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8を作製した。
この比較例は実施例2に用いた導光板の底面に設けられたV字状の凹条の平均斜度を40度にした場合である。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度、高さ0.020mm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0.020mmで頂角が100度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9を作製した。
この比較例は実施例2に用いた導光板の底面に設けられたV字状の凹条の平均斜度が15度の場合である。
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150度、高さ0.007mm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0.007mmで頂角が150度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11を作製した。
この比較例は実施例5に用いた導光板の底面に設けられたV字状の凹条の平均斜度が40度の場合である。
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度、高さ0.005mm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0.005mmで頂角が100度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12を作製した。
これらのスタンパ6及びスタンパ12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46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1040×598×4mmであった。
当該導光板を実施例5と同様に図7に示すバックライト装置に組み込んで輝度を測定したところ面内平均輝度は7484cd/m2であった。実施例5の導光板と比較して、面内平均輝度で6%低下していた。
この比較例は、PMMA製の平板(板厚4mm)の底面に印刷ドットを付与して導光板を作製し、実施例1のバックライトに組み込んだ場合である。
導光板の底面には入光端面から遠ざかるほど密になるように粗密を付けた白色印刷ドットを設け(導光板中央部でドット密度大)、輝度分布を所定の分布にした。
この比較例は、比較例5と同様、PMMA製の(板厚4mm)の底面に印刷ドットを付与して導光板を作製し、実施例5のバックライトに組み込んだ場合である。当該印刷導光板の底面には入光端面から遠ざかるほど密になるように粗密を付けた白色印刷ドットを設け、輝度分布を所定の分布にした。
当該導光板を実施例5と同様に図7に示すバックライト装置に組み込んで輝度を測定したところ面内平均輝度は7568cd/m2であった。実施例5の導光板と比較して、面内平均輝度で5%低下していた。
この比較例は実施例5に用いた導光板の底面に設けられたV字状の凹条の平均斜度が15度の場合である。
実施例5と同様に、直接金型入れ子にダイヤモンドバイトで頂角150度、高さ0.005mm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0.005mmで頂角が150度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16を作製した。
これらのスタンパ6及びスタンパ16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46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1040×598×4mmであった。
当該導光板を実施例5と同様に図7に示すバックライト装置に組み込んで輝度を測定したところ面内平均輝度は7572cd/m2であった。実施例5の導光板と比較して、面内平均輝度で5%低下していた。
この比較例は実施例2に用いた導光板の出射面上に設けられた光学シートを拡散シート2枚にした場合である。
Claims (5)
- 導光板の側面に一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一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1枚または複数の光学シートを備え、
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、
前記一次光源は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、光学シートの順に構成されており、
当該光学シートのうち、少なくとも1枚のプリズムシートを備えており、
前記導光板の出射面に最も近いプリズムシートの出射面に凸条プリズムを有しており、該凸条プリズムはその長手方向をX軸に平行に配置しており、
前記導光板の入射端面はX−Z平面に平行であり、前記導光板の出射面にはY軸に平行な断面形状が台形状の凸条からなるパターンが複数形成されており、
前記導光板の底面にはX軸に平行な断面形状がV字状の凹条からなるパターンが複数形成されており、該複数の凹条の入射端面側にX軸に平行な斜面を有し、
該斜面の前記導光板の底面に対する斜度Rを下記の式を満たす角度の範囲に設定して、
前記入射端面から前記導光板内に入射された光を前記底面の前記斜面で出射面側に反射させて、出射面から出射される光を、Z軸方向を出射角0度としたときにY−Z平面において、前記プリズムシートに対する入射角のピークが±25度〜±40度の範囲内になるようにして前記プリズムシートに入射させることを特徴とする面光源素子。
R≦{π/2−sin−1(0.422/nLGP)}/2
R≧sin−1(1/nLGP)−sin−1(0.643/nLGP)
R:前記導光板の底面に対する平均斜度(ラジアン)
nLGP:前記導光板の基材の屈折率 - 前記一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。
- 前記光学シートが、導光板の出射面の上から、拡散シート、前記プリズムシート、拡散シートの順に設けられたものであることを特徴とする請求項1又は2に記載の面光源素子。
- 前記光学シートが、導光板の出射面の上から、拡散シート、前記プリズムシート、反射型偏光フィルムの順に設けられたものであることを特徴とする請求項1又は2に記載の面光源素子。
- 請求項1〜4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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