JP5556836B2

JP5556836B2 - 面光源装置

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Publication number: JP5556836B2
Application number: JP2012058722A
Authority: JP
Inventors: 剛大倉田; 宏一竹村; 和英廣田; 潤岸本; 正幸篠原
Original assignee: Omron Corp
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2012-03-15
Filing date: 2012-03-15
Publication date: 2014-07-23
Anticipated expiration: 2032-03-15
Also published as: KR20130105367A; JP2013191514A; TW201341906A; CN103307510A; US20130242613A1; US8920017B2; TWI516841B; KR101413916B1; CN103307510B

Description

本発明は面光源装置に関し、具体的には、液晶ディスプレイなどのバックライトとして用いられる面光源装置に関する。

図１Ａは、従来例の面光源装置を下面側から見た図である。図１Ｂは、従来例の面光源装置の側面図である。この面光源装置１１にあっては、導光板１３の光入射面１４に対向させて複数個の光源１２を配置している。導光板１３は、高屈折率の透明樹脂によって平板状に形成されており、光出射面１５の反対面（下面１６）には多数の球面状をした光出射パターン１７が突設されている。このような面光源装置としては、たとえば特許文献１に開示されたものがある。

図２Ａ及び図２Ｂは、図１Ａ及び図１Ｂの面光源装置１１において光出射パターン１７の最大傾斜角を小さくした場合を表している。ここで光出射パターンの最大傾斜角とは、光出射パターンの中心軸を通る断面において又は光出射パターンの中心軸を通る断面に平行な断面において、光出射パターンの表面に引いた接線の傾斜角のうち最大の傾斜角をいう。たとえば、図示のような球面状の光出射パターンの場合で言えば、光出射パターン１７の端に引いた接線の水平面に対する傾斜角である。図２Ａ及び図２Ｂに示すように光出射パターン１７の最大傾斜角が小さい場合には、光源１２から導光板１３に入った光は、光出射パターン１７によって各方向へ散乱されにくく光の混ぜ合わせ効果が小さい。そのため、光源１２の前方が明るく光り、光源１２間の領域に暗部Ｄが生じ、光源１２の近傍に輝度むらが生じる。その反面、光出射パターン１７の強度は高い。

図３Ａ及び図３Ｂは、図１Ａ及び図１Ｂの面光源装置１１において光出射パターン１７の最大傾斜角を大きくした場合を表している。図３Ａ及び図３Ｂに示すように光出射パターン１７の最大傾斜角が大きい場合には、光源１２から導光板１３に入った光は、光出射パターン１７によって各方向へ散乱されやすく光の混ぜ合わせ効果が高い。そのため、光源１２の近傍に輝度むらが生じにくい。その反面、輝度むらが目立たなくなる程度まで光出射パターン１７の最大傾斜角を大きくすると、光出射パターン１７のアスペクト比が大きくなるので強度が低下し、液晶表示装置に用いられているときに液晶表示装置の表面が指などで押されると光出射パターン１７が潰れるおそれがある。

したがって、光出射パターン１７の最大傾斜角を大きくした場合と小さくした場合では、どちらも一長一短であって、実用上問題がある。

特開平１１−２８１９７６号公報

本発明は、上記のような技術的課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、光を光出射面から出射させるための光出射パターンを導光板に形成された面光源装置において、光出射パターンの強度を低下させることなく光源の近傍における輝度むらを低減させることのできる面光源装置を提供することにある。

本発明に係る面光源装置は、光源と、前記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、前記光源は、前記光入射面に対向して複数個配置され、前記導光板は、光出射側の面とその反対面のうち少なくとも一方の面に、前記導光板内の光を前記光出射面から出射させるための光出射パターンを有し、前記光出射パターンの中心軸を通る断面で前記光出射パターンに接する接線の傾斜角のうちの最大傾斜角は、前記光入射面の近傍領域においては前記光入射面から離れるに従って減少し、前記光入射面の近傍領域から離れた領域においては前記光入射面から離れるに従って減少又は一定となり、前記光入射面の最も近くに位置する光出射パターンから前記光源の間隔に等しい距離までの間にある光出射パターンの前記最大傾斜角は、光出射パターン全体の前記最大傾斜角のうちの最小値よりも大きいことを特徴とする。

本発明の面光源装置によれば、前記光出射パターンの最大傾斜角は全体的には光入射面から離れるに従って減少しているので、光入射面の近傍領域では光出射パターンの最大傾斜角が比較的大きくなっている。よって、光入射面の近傍領域では光の拡散度合いが大きくなって輝度むらが生じにくくなる。また、光入射面から離れた領域では光入射パターンの最大傾斜角が小さくなっているので、光入射パターンの強度を高くでき、光入射パターンが潰れにくくなる。
また、光出射パターンの最大傾斜角が光源の間隔（ピッチ）以内の距離で最小値に達してしまうと、光の散乱度合いが十分でなく、光入射面の近傍領域で輝度むらの抑制効果が不十分になるが、本発明の面光源装置では、光入射面の最も近くに位置する光出射パターンから光源の間隔に等しい距離までの間にある光出射パターンの最大傾斜角が、光出射パターン全体の最大傾斜角のうちの最小値よりも大きくなっているので、上記のように輝度むらの抑制効果が不十分になるのを防ぐことができる。

本発明に係る面光源装置のある実施態様は、前記光出射パターンの最大傾斜角のうち最も大きな最大傾斜角が、２５°以上４０°以下であることを特徴とする。かかる実施態様によれば、光入射面の近傍において輝度むらを軽減して、その見栄えを良好にできる。

本発明に係る面光源装置のさらに別な実施態様は、前記光出射パターンの前記最大傾斜角が、前記光入射面から離れるに従って滑らかに変化していることを特徴とする。かかる実施態様によれば、光入射パターンの変化が目立ちにくくなり、また光入射パターンが潰れにくくなるからである。

本発明に係る面光源装置のさらに別な実施態様は、前記光出射パターンが、ある位置から前記光入射面から遠い側の端までが、前記最大傾斜角が一定になっていることを特徴とする。かかる実施態様によれば、光入射面から遠い領域で光出射パターンの最大傾斜角が小さくなり過ぎないようにできる。

本発明に係る面光源装置のさらに別な実施態様は、前記導光板の前記光出射パターンが形成された面と反対面において、前記光出射パターンと対向する領域が、平滑面又は算術平均粗さが０.１μｍ以下の粗面となっていることを特徴とする。かかる実施態様によれば、光出射パターンを形成された面と反対面に光を散乱させる機能を持たせることができ、あるいは持たせないようにできる。

なお、本発明における前記課題を解決するための手段は、以上説明した構成要素を適宜組み合せた特徴を有するものであり、本発明はかかる構成要素の組合せによる多くのバリエーションを可能とするものである。

図１Ａは、従来例の面光源装置を示す概略下面図である。図１Ｂは、従来例の面光源装置を示す概略側面図である。図２Ａ及び図２Ｂは、光出射パターンの最大傾斜角を小さくした従来の面光源装置を示す概略下面図及び概略側面図である。図３Ａ及び図３Ｂは、光出射パターンの最大傾斜角を大きくした従来の面光源装置を示す概略下面図及び概略側面図である。図４Ａは、本発明の実施形態１による面光源装置の概略平面図である。図４Ｂは、本発明の実施形態１による面光源装置の概略下面図である。図５Ａは、図４Ａ及び図４Ｂに示した面光源装置の概略側面図である。図５Ｂは、図５Ａに示した面光源装置の光出射パターンを拡大して示す側面図である。図５Ｃは、光出射パターンの最大傾斜角を説明するための図である。図６は、光源からの距離と光出射パターンの最大傾斜角との関係を示す図である。図７は、光出射パターンの最大傾斜角と導光板の見栄えとの関係を示す図である。図８Ａ−図８Ｄは、種々の形状の光出射パターンを示す図である。図９Ａは、最大傾斜角の大きな光出射パターンとそのプロファイルを示す図である。図９Ｂは、最大傾斜角の小さな光出射パターンとそのプロファイルを示す図である。図１０Ａは、本発明の実施形態２による面光源装置の概略平面図である。図１０Ｂは、本発明の実施形態２による面光源装置の概略下面図である。図１０Ｃは、本発明の実施形態２による面光源装置の概略側面図である。図１１Ａは、本発明の実施形態３による面光源装置の概略平面図である。図１１Ｂは、本発明の実施形態３による面光源装置の概略下面図である。図１１Ｃは、本発明の実施形態３による面光源装置の概略側面図である。図１１Ｄは、本発明の実施形態３による面光源装置の概略端面図である。図１２は、本発明の実施形態４による面光源装置の概略側面図であって、併せて裏面の２箇所を拡大して表している。

以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明する。但し、本発明は以下の実施形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々設計変更することができる。

（実施形態１）
以下、本発明の実施形態１による面光源装置３１を説明する。図４Ａは実施形態１による面光源装置３１の概略平面図であり、図４Ｂは面光源装置３１の概略下面図である。

面光源装置３１は、光源３２と導光板３３とからなる。光源３２は、１個又は複数個のＬＥＤ（チップ）を内蔵したものである。光源３２は、ＬＥＤを発光させることにより、正面の光出射窓（発光面）から白色光を出射する。

導光板３３は、上面と下面が平行な平板状となっている。導光板３３は、アクリル樹脂、ポリカーボネイト樹脂（ＰＣ）、シクロオレフィン系材料、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）などの高屈折率の透明樹脂によって一体成形される。導光板３３の上面は光出射面３５となっている。図４Ａに示すように、この実施形態では、光出射面３５は平滑な平面となっている。

導光板３３の光入射面３４は、光出射面３５と垂直な面であって、光入射面３４に対向する位置には、複数個の光源３２が一定のピッチＰで配列している。

導光板３３の下面３６には、図４Ｂに示すように、微小な多数の光出射パターン３７が密に形成されている。光出射パターン３７は、光入射面３４から離れるに従って分布密度（数密度）が次第に大きくなっており、光入射面３４の近傍では比較的小さな密度で分布し、光入射面３４から遠い側では比較的大きな密度で分布している。

図５Ａは面光源装置３１の概略側面図であり、図５Ｂは導光板３３の下面に設けられた光出射パターン３７を拡大して表している。光出射パターン３７は、図５Ｂに示す光出射パターン３７ａ、３７ｂ、３７ｃ、…のように、光入射面４側から反対側に向けて次第に形状が変化している。すなわち、光入射面３４の近傍領域では光出射パターン３７の最大傾斜角は次第に減少しており、光出射パターン３７のアスペクト比も次第に小さくなっている。光入射面３４の近傍領域から離れた領域では、光出射パターン３７の最大傾斜角は次第に減少するか一定となっており、光出射パターン３７のアスペクト比も次第に小さくなるか一定となっている。ここで、光出射パターン３７の最大傾斜角とは、光出射パターンの中心軸を通る断面において、図５Ｃに示すように光出射パターンの表面に引いた接線の傾斜角のうち最大の傾斜角αをいう。たとえば、図示のような球面状の光出射パターンの場合で言えば、光出射パターン３７の端に引いた接線ｆの水平面に対する傾斜角が最大傾斜角αとなる。

本実施形態の面光源装置３１は、上記のような構造を有しているので、図５Ａに示すように、光源３２から出射した光は、光入射面３４から導光板３３内に入射する。導光板３３に入射した光は、導光板３３の上面と下面で反射を繰り返しながら導光し、光出射パターン３７で反射した光の一部は光出射面３５から外部へ出射される。また、光出射面３５に垂直な方向から見たとき、光出射パターン３７により反射された光は、図４Ｂに示すように、横方向に散乱される。特に、光入射面３４の近傍領域では、光出射パターン３７の最大傾斜角が大きいので、光入射面３４の近傍領域で光出射パターン３７により散乱された光は導光方向を大きく曲げられる。そのため、光入射面３４の近傍領域では光の混ぜ合わせ効果が大きくなり、光入射面３４の近傍領域における輝度むらが低減され、光源３２間で暗くなるのを防ぐことができる。一方、光入射面３４の近傍領域よりも離れた領域では、光出射パターン３７の最大傾斜角が小さくなっていて光出射パターン３７のアスペクト比が小さくなっているので、面光源装置３１に圧力が加わっても光出射パターン３７が潰れにくくなっている。

また、光出射パターン３７は、光入射面３４からの距離に応じて最大傾斜角が滑らかに変化しているので、光出射パターン３７の高さに段差が生じず、光出射パターン３７高さが滑らかに変化する。よって、光出射パターン３７の高さの変化が目立ちにくく、また光出射パターン３７がより潰れにくくなる。

また、この面光源装置３１では、光入射面３４の最も近くに位置する光出射パターン３７ａからの距離ｘ（図５Ａ参照）が、光源３２のピッチＰ以下の領域では、光出射パターン３７の最大傾斜角αは、光出射パターン３７全体の最大傾斜角のうちの最小値よりも大きくなっている。すなわち、光入射面３４の最も近くに位置する光出射パターン３７ａから測って少なくとも光源３２のピッチＰの距離の間は、そこの光出射パターン３７の最大傾斜角αは最小値にならないように設計されている。光出射パターン３７の最大傾斜角αが、光源３２のピッチＰ以内の距離ｘで最小値に達してしまうと、光の散乱度合いが十分でなく、光入射面３４の近傍領域で輝度むらの抑制効果が不十分になるからである。

図６は、このようにして定めた光出射パターン３７の最大傾斜角αの変化の一例を表している。ここでは、光源３２のピッチＰは、５.５ｍｍとしている。光出射パターン３７の最大傾斜角は滑らかに変化しており、光源３２のピッチＰをはるかに超えて光源３２から２０ｍｍ程度まで滑らかに最大傾斜角αが減少している。そして、光源３２から２０ｍｍ程度よりも遠方では、光出射パターン３７の最大傾斜角αはほぼ一定となっている。

このような面光源装置によれば、光源３２の近傍では光出射パターン３７の最大傾斜角が大きいので、光を散乱させる効果が高い。そのため、図４Ｂに矢印で示すように、光入射面３４の近傍では導光板３３内に入射した光が大きく散乱され、光の混ぜ合わせ効果が高くなるため、光源３２の近傍領域で輝度むらが小さくなり、均一に発光する。一方、光源３２から遠い領域では光出射パターン３７に最大傾斜角は小さくなっているが、光出射パターン３７の密度が大きいので、光を十分に散乱させることができ、均一に発光させることができる。しかも、光源３２から離れるに従って光出射パターン３７の最大傾斜角が小さくなっていて光出射パターン３７のアスペクト比が小さいので、光出射パターン３７が圧力によってつぶれにくくなる。また、ある距離（２０μｍ程度）よりも遠くでは光出射パターン３７の最大傾斜角が一定となっているので、光入射面３４の反対側の端部において光出射パターン３７の最大傾斜角が小さくなり過ぎることがない。

図７は、光出射パターン３７の最大傾斜角のうち最も大きな最大傾斜角と見栄えとの関係を表している。図７の横軸は、光出射パターン３７の最大傾斜角のうち最も大きな最大傾斜角、すなわち最も光入射面３４に近い光出射パターン３７（３７ａ）の最大傾斜角を表す。また、図７の縦軸は、光源３２の近傍領域における見栄えの良さ（輝度むらの少なさ）を複数人の視覚によって評価したものである。この結果、図７における水平線Ｋよりも上であれば商品として十分な見栄えが確保され、水平線Ｋよりも下であれば問題ありと評価された。したがって、光出射パターン３７の最大傾斜角のうち最も大きな最大傾斜角は、図７によれば２５°以上４０°以下であればよいことがわかった。最も大きな最大傾斜角が２５°よりも小さいと光の混ぜ合わせ効果が低いので光源間が暗くなり、また最も大きな最大傾斜角が４０°よりも大きいと逆に光源間が明るくなり、いずれも見栄えが悪くなるためである。

図５では球面状の光出射パターン３７を示しているが、光出射パターン３７は球面状のものに限らない。たとえば、図８Ａは、円錐状の光出射パターン３７のうち、最大傾斜角の大きな光出射パターン３７ａと、最大傾斜角の小さなある光出射パターン３７ｆを表している。図８Ｂは、先端が丸くなった略円錐状の光出射パターン３７のうち、最大傾斜角の大きな光出射パターン３７ａと、最大傾斜角の小さなある光出射パターン３７ｆを表している。図８Ｃは、四角錐状の光出射パターン３７のうち、最大傾斜角の大きな光出射パターン３７ａと、最大傾斜角の小さなある光出射パターン３７ｆを表している。図８Ｄは楕円面状の光出射パターン３７のうち、最大傾斜角の大きな光出射パターン３７ａと、最大傾斜角の小さなある光出射パターン３７ｆを表している。

図９Ａは、実際に作製された光出射パターン３７のうち、光入射面３４の近傍領域にある最大傾斜角の大きな光出射パターンの顕微鏡写真とその断面のプロファイル（縦横の目盛の単位はμｍ）を表わす。図９Ｂは、実際に作製された光出射パターン３７のうち、光入射面３４から十分に離れた領域にある最大傾斜角の小さな光出射パターンの顕微鏡写真とその断面のプロファイル（縦横の目盛の単位はμｍ）を表わす。

（実施形態２）
図１０Ａは、本発明の実施形態２による面光源装置４１の概略平面図である。図１０Ｂは、面光源装置４１の概略下面図である。図１０Ｃは、面光源装置４１の概略側面図である。実施形態２の面光源装置４１では、光出射面３５が算術平均粗さ（Ｒａ）が０.１μｍ以下の粗面４２となっている。他の構成については、実施形態１の面光源装置３１と同様であるので、他の構成要素については、実施形態１と同じ番号を引用することによって説明を省略する（他の実施形態においても同様）。

この実施形態では、光出射面３５が粗面４２となっているので、光出射面３５から出射される光を拡散させて指向特性を広げることができる。算術平均粗さ（Ｒａ）が０.１μｍ以下という制限は、粗面４２による拡散が大きくなりすぎて、正面輝度が低くなりすぎないようにするためである。また、この実施形態によれば、光出射面３５の上に拡散シートを重ねる必要がなくなるので、面光源装置４１を薄くできるとともに、コストダウンを図ることができる。

（実施形態３）
図１１Ａは、本発明の実施形態３による面光源装置４６の概略平面図である。図１１Ｂは、面光源装置４６の概略下面図である。図１１Ｃは、面光源装置４６の概略側面図である。図１１Ｄは、面光源装置４６の概略端面図である。

実施形態３の面光源装置４６では、導光板３３の光出射面３５にレンチキュラーレンズ４７を形成している。レンチキュラーレンズ４７は、光入射面３４と垂直な方向にレンズ面が延在し、幅方向に沿ってレンズ面が並んでいる。このようなレンチキュラーレンズ４７を設けることにより、光出射面３５から出射する光の指向特性を導光板３３の幅方向に広げることができる。

（実施形態４）
図１２は、本発明の実施形態４による面光源装置５１を示す概略側面図である。実施形態４の面光源装置５１においては、薄板状をした導光板本体５２と連続させるようにして、導光板本体５２の端面に光導入部５３を設けたものが導光板３３となっている。

光導入部５３は、導光板３３のうちで厚みの厚い略くさび状の部分であって、その端面である光入射面３４に対向させて光源３２が配置される。光導入部５３の端面の厚みは光源３２の光出射窓の高さと等しいか、それよりも厚くなっている。

光導入部５３の上面（光出射面３５と同じ側の面）には、傾斜面５４が形成されている。傾斜面５４は、光入射面３４の近傍の最大厚みの部分から導光板本体５２の端へ向けて傾斜している。傾斜面５４は、導光板３３の一方側端から他方側端まで帯状に延びている。

このような面光源装置５１によれば、光導入部５３の端面の厚みが、光源３２の光出射窓の高さと等しいか、それよりも厚くなっているので、光源３２から出射された光は効率よく光入射面３４から光導入部５３内に入射し、面光源装置５１の光利用効率が高くなる。さらに、厚みの大きな光導入部５３に入射した光は、光導入部５３の傾斜面５４と下面で反射して厚みの薄い導光板本体５２へ導かれ、導光板本体５２の光出射面３５から出射される。よって、この実施形態では、面光源装置５１（導光板本体５２）の薄型化を図るとともに光の利用効率を高める事ができる。

また、この実施形態では、導光板本体５２の下面には光出射パターン３７が形成されており、光導入部５３の下面には密着防止パターン５５が形成されている。光出射パターン３７と密着防止パターン５５は同じ形状であってもよいが、光出射パターン３７は光導入部側の端部で面積比率が約０.５％であるのに対し、密着防止パターン５５は面積比率が約０.１％となっている。光導入部５３に密着防止パターン５５を設けることで光導入部５３だけが下の部材（たとえば、反射シートなど）に密着するのを防ぐことができ、また密着防止パターン５５の面積比率を光出射パターン３７の面積比率より小さくすることで、密着防止パターン５５で反射して光導入部５３から漏れる光を少なくしている。

３１、４１、４６面光源装置
３２光源
３３導光板
３４光入射面
３５光出射面
３６下面
３７、３７ａ、３７ｂ、３７ｃ光出射パターン

Claims

光源と、前記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、
前記光源は、前記光入射面に対向して複数個配置され、
前記導光板は、光出射側の面とその反対面のうち少なくとも一方の面に、前記導光板内の光を前記光出射面から出射させるための光出射パターンを有し、
前記光出射パターンの中心軸を通る断面で前記光出射パターンに接する接線の傾斜角のうちの最大傾斜角は、前記光入射面の近傍領域においては前記光入射面から離れるに従って減少し、前記光入射面の近傍領域から離れた領域においては前記光入射面から離れるに従って減少又は一定となり、
前記光入射面の最も近くに位置する光出射パターンから前記光源の間隔に等しい距離までの間にある光出射パターンの前記最大傾斜角は、光出射パターン全体の前記最大傾斜角のうちの最小値よりも大きいことを特徴とする面光源装置。
前記光出射パターンの最大傾斜角のうち最も大きな最大傾斜角は、２５°以上４０°以下であることを特徴とする、請求項１に記載の面光源装置。
前記光出射パターンの前記最大傾斜角は、前記光入射面から離れるに従って滑らかに変化していることを特徴とする、請求項１に記載の面光源装置。
前記光出射パターンは、ある位置から前記光入射面から遠い側の端までは、前記最大傾斜角が一定になっていることを特徴とする、請求項１に記載の面光源装置。
前記導光板の前記光出射パターンが形成された面と反対面において、前記光出射パターンと対向する領域は、平滑面又は算術平均粗さが０.１μｍ以下の粗面となっていることを特徴とする、請求項１に記載の面光源装置。