JP5711893B2 - 面光源装置 - Google Patents

Description

本発明は、面光源装置に関する。

従来、液晶ディスプレイを照明するバックライト等の面光源装置として、エッジライト方式のものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

図８は、このエッジライト方式の面光源装置２００を模式的に示す断面図である。
この図に示すように、面光源装置２００は、断面楔形状の導光板２１０と、導光板２１０の幅広の入光面２１０ａに沿って配設された光源２２０と、導光板２１０のテーパー面２１０ｂ上に配設された反射シート２３０と、導光板２１０の出光面２１０ｃ上に配設された下向きプリズムシート２４０と、を備えている。この面光源装置２００では、光源２２０から出射された光は、入光面２１０ａから導光板２１０内へ入射した後、当該導光板２１０内を均一に分布しつつテーパー面２１０ｂ上の反射シート２３０で反射されて、出光面２１０ｃから出射する。そして、導光板２１０から出射した光は、プリズムシート２４０のプリズム部２４０ａで集光され、液晶表示部（液晶ディスプレイ）３００へ照射される。

ここで、液晶表示部３００へ照射される光は、当該液晶表示部３００へ略垂直に入射するもの、つまり、プリズムシート２４０の出射面から略垂直に出射したものでなければ、当該液晶表示部３００を有効に照明することができない。そのため、導光板２１０の出光面２１０ｃから出射する光の出光角βは、プリズムシート２４０のプリズム部２４０ａによって略垂直方向へ集光可能な所定範囲内にあることが求められる。そして、導光板２１０のテーパー面２１０ｂと出光面２１０ｃとがなすテーパー角γは、出光角βが上記所定範囲内となるように、導光板２１０内の光を出光面２１０ｃへ反射させる所定角度となっている。

特開平７−１５９６２２号公報

ところで、近年、液晶ディスプレイに対する高精細化やヘッドアップディスプレイへの適用等の要請から、正面輝度を高くした面光源装置が求められている。
しかしながら、上記従来の面光源装置２００では、出射光の高輝度化のために高出力の光源２２０を用いると、当該光源２２０の厚さが増すことに伴って導光板２１０のテーパー角γが大きくなるため、上記所定範囲を外れた出光角βの光が多くなってしまい、正面輝度を高くすることが困難となる。

また、従来の面光源装置２００においては、光源２２０として一般にサイドビュー型のＬＥＤ（Light Emitting Diode）が用いられるのに対し、高出力の光源２２０としては、サイドビュー型よりも完全拡散に近い配光特性を有するトップビュー型のＬＥＤが用いられることが多い。そのため、光源２２０の高出力化に伴って当該トップビュー型のＬＥＤが用いられた場合には、より完全拡散に近い配光特性となることに伴って、導光板２１０内を伝播する光が鋭角に立ち上がりやすくなる、つまり出光角βが小さくなる結果、上記所定範囲を外れた出光角βの光が多くなってしまい、正面輝度を高くすることが困難となる。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、従来に比べ、正面輝度を高くすることのできる面光源装置の提供を目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、出光部が形成された出光面、及び、前記出光面の反対側に位置するとともに当該出光面に対し一方の端面から他方の端面に向かって狭搾するテーパー面を有する導光板と、
前記導光板の前記一方の端面に沿って配設された光源と、
前記導光板の前記テーパー面上に配設された反射シートと、
前記導光板の前記出光部にプリズム面を対向させた下向きプリズムシートと、
を備える面光源装置において、
前記出光部は、前記一方の端面に垂直な面内での前記出光面と前記テーパー面とのなすテーパー角が所定角度となるように、前記一方の端面に垂直な方向に沿って前記一方の端面から所定の助走距離だけ離間しており、
前記出光部から前記下向きプリズムシートへ向けて出射する光の出光角は、前記下向きプリズムシートによって当該光を前記出光面に略垂直な方向への光に集光可能な所定範囲内の角度であり、
前記テーパー角γ［°］は、以下の（１），（２）式を満たし、
前記助走距離Ｌは、以下の（２）式を満たすことを特徴とする。
ｓｉｎ（９０°−２ｍγ）＝ｎ_A／ｎ_G×ｓｉｎβ …（１）
Ｌ＝（ａ−ｂ）／ｔａｎγ−Ｌ_R …（２）
（但し、
ｍ：前記一方の端面から入射した当該一方の端面に垂直な光が前記テーパー面で反射する反射回数
ｎ_A：空気の屈折率
ｎ_G：前記導光板の屈折率
β：前記出光部から前記下向きプリズムシートへ向けて出射する光の出光角［°］
ａ：前記一方の端面での前記導光板の厚さ
ｂ：前記他方の端面での前記導光板の厚さ
Ｌ_R：前記一方の端面に垂直な方向に沿った前記出光部の長さ）

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の面光源装置において、
前記光源と前記一方の端面との間に、前記光源から出射された光を前記導光板の厚さ方向へ集光させる集光レンズを備えることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の面光源装置において、
前記集光レンズは、シリンドリカルレンズであることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、導光板の出光面上に形成された出光部は、出光面とテーパー面とのなすテーパー角が所定角度となるように、導光板の一方の端面に垂直な方向に沿って当該一方の端面から所定の助走距離だけ離間している。このような助走距離を設けることにより、従来に比べて厚さが増した高出力の光源を用いた場合であっても、テーパー角を所定角度とすることができ、ひいては、出光面からの出光角をプリズムシートで略垂直方向へ集光可能な所定範囲内とすることができる。したがって、従来に比べ、正面輝度を高くすることができる。

請求項２に記載の発明によれば、光源と導光板の一方の端面との間に、光源から出射された光を導光板の厚さ方向へ集光させる集光レンズを備えるので、例えば光源としてトップビュー型のＬＥＤが用いられた場合であっても、導光板の厚さ方向に拡散する光を当該厚さ方向へ集光させてから導光板に入射させることができる。したがって、導光板内を伝播する光が厚さ方向へ鋭角に立ち上がることを抑制して、出光部からの出光角を所定範囲内とすることができ、ひいては、正面輝度を高くすることができる。

実施形態における面光源装置の斜視図である。 面光源装置の断面図である。 集光レンズの集光特性を説明するための図である。 プリズムシートを通過する光の光路を説明するための図である。 導光板内を伝播する光の光路を説明するための図である。 プリズムシートの集光特性を説明するための図である。 助走距離を変えたときの出光角と輝度の変化を示す図である。 従来の面光源装置を模式的に示す断面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。

＜面光源装置の構成＞
図１は、本実施形態における面光源装置１の斜視図であり、図２は、面光源装置１の断面図である。
これらの図に示すように、面光源装置１は、略平板状に形成されており、幅方向（図中のＺ方向）へ延在した状態で露出された透光部材３を除き、全体をハウジング２に覆われている。ハウジング２の内部には、複数の光源４，…と、断面楔形状に形成された導光板５と、透光部材３の内側を覆うように配設されたプリズムシート６とが収容されている。
この面光源装置１は、光源４，…から出射された光が導光板５へ入射して当該導光板５内を伝播した後、プリズムシート６で集光されて透光部材３から出射されるように構成されている。

光源４，…は、導光板５の両端面のうち幅広の一方の端面５ａに沿って配列されたＬＥＤであり、より詳しくは、導光板５の厚さ方向（図中のＹ方向）に沿って２段に配列されるとともに、Ｚ方向に沿って複数列が配列されている。この光源４は、発光面を導光板５の端面５ａに対向させており、導光板５の長さ方向（図中のＸ方向）に沿った光軸を有している。

また、各光源４と導光板５の端面５ａとの間には、光源４から出射された光をＹ方向へ集光させる集光レンズ７が設けられている。この集光レンズ７は、Ｚ方向に沿った円柱面を導光板５側に有するシリンドリカルレンズである。本実施形態における集光レンズ７は、例えば、図３（ａ），（ｂ）に示すような集光特性を有している。ここで、図３（ａ）は、光源４だけを正面からみたときの輝度分布と、そのＹ方向断面及びＺ方向断面での輝度分布であり、図３（ｂ）は、集光レンズ７を介して光源４を正面からみたときの輝度分布と、そのＹ方向断面及びＺ方向断面での輝度分布である。これらの図から、集光レンズ７を設けることにより、光源４からの出射光を特にＹ方向へ集光できていることが分かる。

プリズムシート６は、図２に示すように、複数のプリズム６１が形成されたプリズム面６ａを後述の導光板５の出光部Ｒに対向させた、いわゆる下向きプリズムシートである（図４参照）。このプリズムシート６は、シート端のＸ方向位置を導光板５の他方の端面５ｂに合わせた状態で、導光板５の出光面５ｃのうち端面５ｂ側の所定範囲を覆うように配設されている。

導光板５は、断面がＸ方向へ長尺な略直角三角形状に形成されたアクリル樹脂製の部材であり、両端面５ａ，５ｂに垂直な出光面５ｃと、出光面５ｃの反対側に位置するとともに当該出光面５ｃに対し端面５ａから端面５ｂに向かって狭搾するテーパー面５ｄとを有している。このうち、テーパー面５ｄ上には、全面に亘って反射シート８が配設されており、導光板５は、この反射シート８を介して支持部材２１に支持されている。

導光板５の出光面５ｃのうち、プリズムシート６に対向する部分は、当該プリズムシート６と透光部材３とを通じて外部へ光を出射させる出光部Ｒとなっている。この出光部Ｒは、Ｘ方向に沿って端面５ａから所定の助走距離Ｌだけ離間している。当該助走距離Ｌは、後述するように、端面５ａに垂直な面内（Ｘ−Ｙ平面内）での出光面５ｃとテーパー面５ｄとのなすテーパー角γが所定角度となるように設定される。また、出光面５ｃのうちの助走距離Ｌの範囲に対向するハウジング２の内面、つまり、出光面５ｃに対向する面のうちプリズムシート６に覆われていない部分には、出光面５ｃから出射した光を当該出光面５ｃへ再入射させるための反射シート９が貼付されている。

導光板５のテーパー面５ｄは、Ｘ−Ｙ平面内で出光面５ｃに対してテーパー角γをなすように形成されている。具体的には、テーパー角γ［°］は、以下の（１）式を満たす値として設定される。
ｓｉｎ（９０°−２ｍγ）＝ｎ_A／ｎ_G×ｓｉｎβ …（１）
但し、
ｍ：端面５ａから入射したＸ方向に沿った光がテーパー面５ｄで反射する反射回数
ｎ_A：空気の屈折率
ｎ_G：導光板５の屈折率
β：出光部Ｒからプリズムシート６へ向けて出射する光の出光角［°］
である。

ここで、上記（１）式によるテーパー角γの算出方法を、図４及び図５を用いて具体的に説明する。
まず、図４に示すように、プリズムシート６から出射する光は、透光部材３上に配置される液晶表示部（図示せず）を有効に照明するために、Ｙ方向に沿った光線Ａであることが最も望ましい。このことから、スネルの法則により、空気及び導光板５の各屈折率ｎ_A，ｎ_Gとプリズム６１の頂角αとを用いて、光線Ａがプリズムシート６へ入射する角度、すなわち、出光部Ｒから出射する出光角βが求められる。
そして、図５（ａ）に示すように、光線Ａを光源４から導光板５へ入射するピーク光（Ｘ方向の光）として、求めた出光角βが得られるような、テーパー面５ｄ（反射シート８）で反射する反射回数ｍ（図では５回）とテーパー角γとの組合せが上記（１）式から求められる。こうしてテーパー角γを算出することができる。

テーパー角γが算出されると、上述した助走距離Ｌは、図２に示すように、導光板５の形状に基づいて、以下の（２）式を満たす値として算出することができる。
Ｌ＝（ａ−ｂ）／ｔａｎγ−Ｌ_R …（２）
但し、
ａ：端面５ａでの導光板５の厚さ
ｂ：端面５ｂでの導光板５の厚さ
Ｌ_R：Ｘ方向に沿った出光部Ｒの長さ
である。厚さａは、光源４の決定により設定され、厚さｂは、端面５ｂがＸ方向に沿った光を極力反射しないように小さく（例えば、１ｍｍ以下に）設定され、出光部Ｒの長さＬ_Rは、必要な出射光量等から設定される。

但し、プリズムシート６から出射する光は、Ｙ方向に沿った光線Ａに限定されず、当該光線Ａから少なくとも所定の範囲内（例えば、±１０°；図４の光線Ｂと光線Ｃとの間）にあるものが液晶表示部に対して有効とされる。そのため、高輝度化を図るためには、これらの光線Ｂ，Ｃが光源４から導光板５へ入射するときに、Ｘ方向へ対してどのような角度で入射するか、つまり、どの程度の入射角の範囲にある光がプリズムシート６から有効なものとして出射するかを考慮する必要がある。したがって、光線Ｂ，Ｃについても、光線Ａと同様に各出光角βを求め、図５（ｂ），（ｃ）に示すように、当該各出光角βが得られるときの導光板５への入射角δを算出する。この入射角δは、集光レンズ７によってＹ方向へ集光される範囲内にあればよいが、Ｘ方向に対して±１０°の範囲内であることが好ましい。

このように、プリズムシート６からの出射光の範囲を考慮しつつ、上記の助走距離Ｌを設けることにより、図６（ａ），（ｂ）に示すように、プリズムシート６から出射する光をＹ方向へ好適に集光させることができる。ここで、図６（ａ）は、導光板５の出光部ＲをＹ方向からみたときの輝度分布と、そのＸ−Ｙ平面での輝度分布の例であり、図６（ｂ）は、プリズムシート６の出射面をＹ方向からみたときの輝度分布と、そのＸ−Ｙ平面又はＹ−Ｚ平面での輝度分布の例である。これらの図より、出光部Ｒにおいて６０°付近に分布した出光角βの光が、プリズムシート６の出射面では略Ｙ方向に沿った出射光に好適に集光されていることが分かる。

また、図７に示すように、上記の計算方法によって算出された最適な助走距離Ｌよりも長い助走距離Ｌ_LONGを設けた場合には、プリズムシート６からの出射光の輝度が低下する。一方、助走距離Ｌよりも短い助走距離Ｌ_SHORTを設けた場合には、出光角βのピーク値が最適値からずれてしまうことに加え、全体的に出光角βの幅が広くなりプリズムシート６によって好適に集光されない光が増えてしまう。

＜作用・効果＞
以上の面光源装置１によれば、導光板５の出光面５ｃ上に形成された出光部Ｒは、出光面５ｃとテーパー面５ｄとのなすテーパー角γが所定角度となるように、Ｘ方向に沿って端面５ａから所定の助走距離Ｌだけ離間している。このような助走距離Ｌを設けることにより、従来に比べて厚さが増した高出力の光源４を用いた場合であっても、テーパー角γを所定角度とすることができ、ひいては、出光面５ｃからの出光角βをプリズムシート６で略Ｙ方向へ集光可能な所定範囲内とすることができる。したがって、従来に比べ、正面輝度を高くすることができる。

また、光源４と導光板５の端面５ａとの間に、光源４から出射された光をＹ方向へ集光させる集光レンズ７を備えるので、例えば光源４としてトップビュー型のＬＥＤが用いられた場合であっても、Ｙ方向に拡散する光を当該Ｙ方向へ集光させてから導光板５に入射させることができる。したがって、導光板５内を伝播する光がＹ方向へ鋭角に立ち上がることを抑制して、出光部Ｒからの出光角βを所定範囲内とすることができ、ひいては、正面輝度を高くすることができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定して解釈されるべきではなく、適宜変更・改良が可能であることはもちろんである。

１ 面光源装置
４ 光源
５ 導光板
５ａ 端面（一方の端面）
５ｂ 端面（他方の端面）
５ｃ 出光面
５ｄ テーパー面
６ プリズムシート
６ａ プリズム面
７ 集光レンズ
８ 反射シート
Ｌ 助走距離
Ｒ 出光部
α 頂角
β 出光角
γ テーパー角

Claims (3)

1. 出光部が形成された出光面、及び、前記出光面の反対側に位置するとともに当該出光面に対し一方の端面から他方の端面に向かって狭搾するテーパー面を有する導光板と、
   前記導光板の前記一方の端面に沿って配設された光源と、
   前記導光板の前記テーパー面上に配設された反射シートと、
   前記導光板の前記出光部にプリズム面を対向させた下向きプリズムシートと、
   を備える面光源装置において、
   前記出光部は、前記一方の端面に垂直な面内での前記出光面と前記テーパー面とのなすテーパー角が所定角度となるように、前記一方の端面に垂直な方向に沿って前記一方の端面から所定の助走距離だけ離間しており、
   前記出光部から前記下向きプリズムシートへ向けて出射する光の出光角は、前記下向きプリズムシートによって当該光を前記出光面に略垂直な方向への光に集光可能な所定範囲内の角度であり、
   前記テーパー角γ［°］は、以下の（１），（２）式を満たし、
   前記助走距離Ｌは、以下の（２）式を満たすことを特徴とする面光源装置。
   ｓｉｎ（９０°−２ｍγ）＝ｎ_A／ｎ_G×ｓｉｎβ …（１）
   Ｌ＝（ａ−ｂ）／ｔａｎγ−Ｌ_R …（２）
   （但し、
   ｍ：前記一方の端面から入射した当該一方の端面に垂直な光が前記テーパー面で反射する反射回数
   ｎ_A：空気の屈折率
   ｎ_G：前記導光板の屈折率
   β：前記出光部から前記下向きプリズムシートへ向けて出射する光の出光角［°］
   ａ：前記一方の端面での前記導光板の厚さ
   ｂ：前記他方の端面での前記導光板の厚さ
   Ｌ_R：前記一方の端面に垂直な方向に沿った前記出光部の長さ）
2. 前記光源と前記一方の端面との間に、前記光源から出射された光を前記導光板の厚さ方向へ集光させる集光レンズを備えることを特徴とする請求項１に記載の面光源装置。
3. 前記集光レンズは、シリンドリカルレンズであることを特徴とする請求項２に記載の面光源装置。