JP5736957B2 - 導光板、面光源装置および表示装置 - Google Patents
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Description
本発明の導光板について説明する。本発明の導光板は、第1出光面と、上記第1出光面に対向する面である第2出光面と、上記第1出光面および上記第2出光面の間の側面のうち、少なくとも一つの上記側面に設けられた入光面とを有する本体部と、上記第1出光面および上記第2出光面上に形成され、導光方向に沿って直線状に形成された単位プリズムが導光方向と交差する方向に複数配置されてなる光学要素部とを有することを特徴とするものである。
図1は本発明の導光板の一例を示す概略斜視図である。図1に例示するように、導光板1は、第1出光面3と、第1出光面3に対向する第2出光面4と、第1出光面3および第2出光面4の間の四つの側面のうち少なくとも一つの側面に設けられた入光面6とを有する本体部2と、第1出光面3および第2出光面4上に形成され、導光方向Dに沿って直線状に形成された単位プリズム5aが導光方向Dと交差する方向に複数配置されてなる光学要素部5とを有する。
ここで、単位プリズム5aの配列方向はPとする。また、各単位プリズム5aは、柱状に形成され、その長手方向に同一の断面形状を有しており、配列方向Pに沿って隙間なく配列されている。
ここで断面形状の突出高さをHとし、底面の幅をWとする。また、上記支持部5bの高さをHLとする。なお、本体部2の厚みをtとし、導光板1の厚みをTとする。
また、導光板の板面に垂直な面内での輝度の角度分布において、導光板の板面に対する法線の方向における輝度(以下、法線方向輝度という。)を向上させるという観点から、単位プリズム5aの断面形状が略二等辺三角形形状となっており、且つ、単位プリズム5aは、断面の略二等辺三角形形状が導光板の板面に対する法線Nを中心として左右対称的となるように配置されている。
また、単位プリズム5aの断面の略二等辺三角形形状の等辺と底辺の間に位置する底角をそれぞれθaとする。
なお、導光板の板面に対する法線Nは、導光板を有する面光源装置に用いられる光学シートのシート面の法線等にも一致する。
なお、この例において、図示はしないが、本体部2は散乱粒子を有していても良い。入光面から入射する光が、散乱粒子との衝突によって屈折、反射されるため、導光板内に入射する光が直進性の高い場合、より効果的に出光面側に集光することが可能となる。
以下、本発明の導光板における各構成について順に説明する。
まず、本発明における光学要素部について説明する。本発明に用いられる光学要素部は、後述する本体部の第1出光面および第2出光面上に形成され、導光方向に沿って直線状に形成された単位プリズムが導光方向と交差する方向に複数配置されてなるものである。
光学要素部は、上記のように単位プリズムを有するため、導光方向に対して交差する方向に沿った光の成分に対して優れた集光作用を及ぼすことができる。
なお、光学要素部は、第1出光面上に形成される光学要素部と第2出光面上に形成される光学要素部とに配置される単位プリズムが同一形状を有していても良く、同一形状を有していなくても良いが、通常は同一形状の単位プリズムが使用される。
そのため、一方の出光面側から入射して他方の出光面側へ出射する光等を観察することがなく、両出光面を各々独立して表示することが可能となる。したがって、面光源装置等に利用される場合、従来使用される反射シート等の構成を要することがなく、面光源装置や表示装置等の薄型化、軽量化が可能となる。
ここで、上記底角とは、断面形状の多角形形状の底辺と、底辺と接する他の一辺との間になす角を指すものである。
また、上記「底角が等しい大きさを有する」とは両底角の大きさの差が、±5°以下の範囲内となることを指すものである。
このような頂角部分を有する略二等辺三角形形状である場合、断面形状の頂角が尖っていることに起因する導光板の傷つきを緩和する効果、および再帰反射性を一部損なうことにより、光の取り出し効率を良好とする効果が発揮されるものである。
なお、具体的には、上記頂角部分が円弧状である場合、ピッチに対して30%以下の直径の円弧を有することが好ましく、また、上記頂角部分が変形して五角形形状となる場合、頂角が100°〜140°の範囲内であることが好ましい。上述した効果を強く発揮することが可能となるからである。
上記底角が30°より小さい場合、法線方向への光の集光性が悪くなり、導光板の法線方向輝度が低下する可能性を有するからであり、また一方、底角が50°より大きい場合、導光板内での再帰反射性が小さくなるために、光源近傍からの光漏れが多くなり、輝度の面内分布が低下する可能性を有するからである。
また、単位プリズムの配列方向に沿った、単位プリズムの底面の幅(図2に示すW)としては、2μm〜500μmの範囲内であることが好ましく、特に10μm〜100μmの範囲内であることがより好ましい。
上記単位プリズムの突出高さおよび底面の幅が上記範囲より大きい場合、視認される可能性が高くなり、また、表示装置に用いられる表示パネルの画素の配列と単位プリズムの配列との干渉に起因したモアレ縞が出現する可能性が高くなるからである。また、上記範囲より小さい場合、所望の効果を発揮することができない可能性を有する。
ここで、本明細書において「略一致」とは、単位プリズムの稜線と導光方向とが、0°±5°の範囲内であることをいう。
上記のように単位プリズムを配列方向する目的としては、導光板の板面に垂直な面内での輝度の角度分布において、法線方向輝度を向上させることができるからである。そのため、高輝度で光利用効率に優れた導光板とすることができる。
光学要素部が、支持部と複数の単位プリズムとを有する場合、支持部を有していない場合に比べて導光板本体2との密着が良好であり、支持部と複数の単位プリズムとを有する場合には、導光板の製造過程において、成型された光学要素部を離型する際、ならびに、離型後の導光板の加工、取り扱い時に単位プリズムが本体部から剥離することを防ぐことができる。
また、光学要素部が複数の単位プリズムのみを有する場合、単位プリズムは本体部と一体として形成されていても良く、別体として形成されていても良い。
なお、上記樹脂材料とは、モノマーやオリゴマーの他、ポリマーを含む概念である。
このように光学要素部が単一な樹脂材料から構成されている場合には、出光面を平滑な面とすることができるので、導光板内を進む光が出光面をなす単位プリズムによる反射を繰り返して、導光板内を入光面から導光方向へと進むようになり、これにより、導光板の出光面からの出射光量の導光方向に沿った均一化を効果的に図ることができるからである。
以下に、本体部と異なる材料を用いて光学要素部を作製する方法を説明する。
その後、図3(c)に示すように、本体部2の光学要素部が形成される面33が型30の賦型面32に対面するようにして、別途準備された本体部2を型30上に位置決めして配置する。そして、ゴムロール34a、34bによって型30と本体部2上とを互いに向けて押圧しながら、ゴムロール34a、34bを作製されるべき単位プリズムの長手方向に転がすことにより、型30と本体部2との間に略均一な厚みの電離放射線硬化性樹脂31からなる層を形成する。
その後、電離放射線硬化性樹脂31からなる層を、電離放射線35を照射させることにより硬化させ、光学要素部を形成する(図3(d))。そして、本体部2上に形成された、電離放射線硬化性樹脂31の硬化物を含有する光学要素部を型30から剥がす。これにより、本体部2上に電離放射線硬化性樹脂31の硬化物を含有する光学要素部5が形成され、続いて図示はしないが、同様に対向する面にも光学要素部5が形成され、対向する賦型面に光学要素部を有する導光板1が得られる(図3(e))。
電離放射線硬化性樹脂からなる層を硬化させる際、紫外線硬化性樹脂を用いた場合には紫外線を照射することによって紫外線硬化性樹脂を硬化させることができ、また、電子線硬化性樹脂を用いた場合には電子線を照射することによって電子線硬化性樹脂を硬化させることができる。
続いて、本発明における本体部について説明する。本発明に用いられる本体部は、第1出光面と、上記第1出光面に対向する面である第2出光面と、上記第1出光面および上記第2出光面の間の側面のうち、少なくとも一つの上記側面に設けられた入光面とを有するものである。
なお、上記略方形とは、正方形や長方形等の方形の他に、角が欠けている形状や角が丸みを帯びた形状を包含するものとする。
本体部の厚みが上記範囲より厚い場合、本発明の導光板を用いた、面光源装置や表示装置等の薄型化、軽量化が困難となる可能性や、また導光板内に入射した光が、入光面と反対側の端面から抜けてしまい、出光面からの出射光量が減少する可能性を有するからである。また一方、上記範囲より薄い場合、光源の大きさ等に応じて、導光板内に入射する光が減少する、すなわち出光面からの出射光量が減じてしまうため、輝度が低下する可能性を有するからである。
なお、上記樹脂材料とは、上述した光学要素部で用いられた樹脂材料と同様に、モノマーやオリゴマーの他、ポリマーを含む概念であり、上述した光学要素部と同一の材料を用いても良い。
本体部内を進行する光が、上記散乱粒子に衝突し、屈折または反射されることから光の進行方向を変化させることが可能となり、出光面から光を均一に出射することが可能となるからである。
なお、上記平均粒径は、溶液中の散乱粒子を動的光散乱法で測定し、粒径分布を累積分布で表したときの50%粒子径(d50 メジアン径)を意味する。上記平均粒径は、日機装株式会社製のMicrotrac粒度分析計を用いて測定することができる。
散乱粒子としては、無機系粒子、有機系粒子のいずれも用いることができる。具体的には、無機系粒子としては、シリカ(二酸化珪素)、アルミナ(酸化アルミニウム)、ジルコニア(二酸化ジルコニウム)等の粒子が挙げられる。また、有機系粒子としては、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、シリコーン樹脂等の粒子が挙げられる。これらの粒子は、1種単独で用いても良く、2種以上を組み合わせて用いても良い。
散乱粒子の含有量が上記範囲より高い場合、多くの光が散乱されてしまうので、出射光量の導光方向に沿った分布が不均一となり、中央部分の法線方向輝度が低下する恐れがある。一方、上記範囲より低い場合、入光面に対向する面からの漏れ光が多くなりことから、光利用効率が低下し、中央部分の法線方向輝度が低下する可能性がある。
本発明に用いられる本体部においては、上記散乱粒子の平均粒径、密度、屈折率等を調節することにより、出光面からの出射光量を導光方向に沿って均一化させることができる。
なお、上記平均透過率は、紫外線分光光度計(UV−3100PC、島津製作所株式会社製)を用い、室温、大気中で測定した値である。
具体的に、上述した押出成形法は、上述したベース樹脂となる熱可塑性樹脂中に散乱粒子を分散させて、散乱粒子を含む熱可塑性樹脂を押出成型することによって、本体部を作製することができる。
本発明の導光板の厚み(図2(a)、(b)に示すT)としては、通常、0.1mm〜10mmの範囲内であることが好ましく、なかでも0.5mm〜5mmの範囲内であることがより好ましい。
本体部の厚みが上記範囲より厚い場合、本発明の導光板を用いた、面光源装置や表示装置等の薄型化、軽量化が困難となる可能性や、また導光板内に入射した光が入光面の反対側の端面から抜けてしまい、出光面からの出射光量が減少する可能性を有するからである。また一方、上記範囲より薄い場合、光源等の大きさ等に応じて、導光板内に入射する光が減少する、すなわち出光面からの出射光量が減じてしまうため、輝度が低下する可能性を有するからである。
本発明の面光源装置について説明する。本発明の面光源装置は、上述した導光板と、上記導光板の上記入光面に設置された光源と、上記導光板の上記第1出光面および上記第2出光面に各々対向するように配置された光学シートと、を有することを特徴とするものである。
導光板1は、図1または図2に例示される導光板1と同様である。光源11は、入光面6および導光板1の板面と平行な方向に並べて配列された多数のLEDによって構成されており、また通常、入光面6と対向する面にも同様に配置される。拡散シート12は、第1出光面3および第2出光面4側から出射される光を拡散して、面光源装置10から出射する光の輝度むらを低減させることができる。
プリズムシート13は単位プリズム13aを有しており、単位プリズム13aの断面形状は導光板1側へ向けて頂部が突出する三角形形状である。単位プリズム13aの長手方向は、導光方向Dと交差する方向(図6および図7で説明する導光方向Dと直交する方向)となっている。また、導光板1をなす材料と空気との屈折率差に起因し、導光板1の第1出光面3および第2出光面4から出射する光の導光方向成分の出射角度(出射光の導光方向成分と導光板1の板面への法線Nとがなす角度)θeは、特定の角度範囲内(例えば、65°〜85°)に偏る傾向がある。
しかしながら、導光板が出光面上に光学要素部を有する場合には、光学要素部が、導光方向と交差する方向、特に導光方向と直交する方向に配列された複数の単位プリズムを有するので、導光方向に対して交差する方向に沿った光の成分に対し、効果的に光学的作用を及ぼすことができる。
本発明に用いられる光学シートは、導光板の第1出光面および第2出光面に各々対向するように配置されるものである。光学シートは、導光板の各出光面から出射した光が、光学シートの入光面側から入射した光の進行方向を変化させて、出光面側から出射させ、法線方向輝度を向上させるための部材である。
このような光学シートとしては、面光源装置に用いられる一般的なものを用いることができ、具体的には、プリズムシート、拡散シート等が挙げられる。中でも、面光源装置から出射する光に指向性を付与できる点からプリズムシートであることが好ましい。
以下、本発明に用いられるプリズムシート、拡散シートについて説明する。
本発明におけるプリズムシートについて説明する。本発明に用いられるプリズムシートは、複数の単位プリズムを有し、上述した導光板の第1出光面および第2出光面に対向するように配置されるものである。プリズムシートは、入光面側から入射した光の進行方向を変化させて出光面側から出射させ、法線方向輝度を向上させることができる。
本発明の導光板から出射される光は、出射光の角度分布が狭いため、プリズム面を導光板と対向するように配置したプリズムシートを用いることにより、法線方向に非常に高く集光した光を偏向することが可能となる。
また、プリズム内に入射された光は、もう一方のプリズム面である反射面(図7に示すY)で全反射されて、プリズムシートの基材方向に偏向し、且つ法線方向に集光されて出射される。
具体的には、導光板からの出射光の角度が70°の場合、プリズムの入射面の角度がプリズムシートのシート面の法線方向(図7に示すN)と成す角度(図7に示すθf)は、20°が最適となる。
ここで、指向性とは、面光源装置に用いられる導光板の板面の法線方向とは異なる方向に集中的に光を出射させることができる特性をいう。
このような指向性を付与できる、すなわち法線方向と異なる特定の方向に集中的に光を出射させるプリズムシートとしては、上記プリズムシートの反射面と、上記プリズムシートのシート面の法線方向とが成す角度を、所望の指向性を付与する程度変化させる方法を挙げることができる。
すなわち、所望の出射光と法線とが成す角度と同程度、上記プリズムシートの反射面と、上記プリズムシートのシート面の法線方向とが成す角度を変化させることにより、指向性を付与することができる。
また、図示はしないが、入光面が対向する2面等の複数配置される場合、各入光面から入射する光が必ずしもプリズムの入光面と直交する角度で入射していなくても良い。
これは一方の入光面から見て入射面となるプリズム面が、他方の入光面から見て反射面となるため、各入光面から入射する光に対して適切に制御することが大変困難となるからである。そのため、一部反射されない光も存在するが、入光面を複数設けていることから出射光量も確保できると考えられる。
そのため、法線方向とは異なる方向に対して、出射光の輝度を向上させることができることから、光の利用効率がより高い面光源装置とすることが可能である。また、表示装置に応用した際に設置場所等の選択可能性に優れた面光源装置とすることができる。
上記プリズムシートとしては、裏面に上記マット層、上記拡散層等を設けることにより、傷や異物を隠蔽する効果や、他の光学シートやパネルとの光学密着を防止する効果を得ることができる。
本発明における拡散シートについて説明する。本発明に用いられる拡散シートとしては、上述した導光板の第1出光面および第2出光面に対向するように配置されることを特徴とするものである。上記両出光面上から出射される光を拡散して、面光源装置における輝度のむらを低減させることが可能となる。また、上記プリズムシートと同様に、法線方向輝度を向上させることも可能となる。拡散シートは、1枚で用いても良く、2枚以上を積層して用いても良い。
また、上記光拡散粒子の含有量としては、特に限定されるものではなく、適宜調節して用いれば良い。
本発明における光源について説明する。本発明に用いられる光源は、上述した導光板の入光面に配置されるものである。
上記光源が白色発光するLEDである場合、光源の数が少なくとも均一な白色とすることができる。また、光源がそれぞれ、光の三原色に近い色の発光を行う3種類のLEDである場合、これら3種類のLEDがそれぞれ独立して配置されることにより白色の照明光が出射されるので、色バランス調整を容易に行うことができ、表示部の品位を高め、画像をより美しく見せることができる。
上記光源が複数のLEDが配列されたものである場合、LEDのピッチは、入光面の幅、光学要素部の単位プリズムや光学シートの単位プリズムのピッチ等に応じて適宜調節すれば良い。
本発明の面光源装置としては、上述した構成の他に、必要に応じて他の構成を有していても良い。例えば、反射フィルム等を挙げることができ、また液晶表示装置を用いる場合には、偏光反射シートを用いることができる。
このような反射フィルムとしては、白PET等の拡散反射フィルムあるいはアルミニウム、銀等の金属を蒸着したフィルム等を用いることができる。
偏光反射シートとしては、液晶表示装置に用いられている一般的なものを使用することができる。偏光反射シートとして市販品を用いても良く、例えば住友スリーエム株式会社製のDBEFシリーズを用いることができる。
本発明の表示装置について説明する。本発明の表示装置は、上述した面光源装置と、上記面光源装置の上記光学シート側に配置された表示パネルとを有することを特徴とするものである。
以下、本発明の表示装置における他の構成について説明する。
<導光板作製>
導光板は、本体部と、本体部上下に形成された光学要素部と、を有するようにした。
光学要素部は、断面形状が略二等辺三角形形状の単位プリズムを隙間なく配列されたものとした。この光学要素部は、ウレタンアクリレート系紫外線硬化型樹脂(屈折率1.50)を硬化させて作製した。
なお、光学要素部の形状としては、以下の条件を満たすものである。
単位プリズムの断面形状:二等辺三角形形状
単位プリズムの突出高さ:29μm
単位プリズムの底面の幅:0.1mm
単位プリズムの断面形状の底角:30°
光学要素部の支持部高さ:20μm
導光板は、対向する一対の側面がそれぞれ入光面をなすようにした。すなわち、一対の側面に対向して、それぞれ、後述する光源が配置されるようにした。
導光板の寸法としては、入光面から入光面に対向する面までの導光方向に沿った距離を2000mmとし、入光面の長手方向に沿った距離を1000mmとした。また、導光板の厚みとしては4.3mmとした。
上述した導光板と、光源と、プリズムシートとが、図5〜図7に示すような位置関係で配置された面光源装置を準備した。
発光部のサイズが幅20mm、高さ2mmである多数のLEDチップを、各LEDチップの2mmの辺が導光板の厚み方向と平行となるようにして、50mmのピッチで入光面の長手方向に並べることによって、光源を構成した。上述したように導光板には二つの入光面が設けられており、LEDチップを多数配列してなる上記光源を、各入光面に対向するようにしてそれぞれ設けた。二つの光源は、導光板の対応する入光面との間に0.8mmの隙間が形成されるようにして配置した。
導光板の各出光面に対向するようにして、プリズムシートを配置した。プリズムシートは、厚さ125μmのポリエステルフィルム上に、アクリル系紫外線硬化性樹脂から複数の単位プリズムを形成して作製した。単位プリズムは、その長手方向に直交する断面において、頂角が66°の二等辺三角形形状を有するようにした。このプリズムシートは、単位プリズムが導光板へ向けて突出し、且つ、単位プリズムの配列方向が導光板の導光方向と平行になるようにして、配置した。
また、上記プリズムシートとしては、ヘイズが30になるように調整され、単位プリズム面の反対面に、マット層を形成したものを用いた。このマット層は、ポリエステル樹脂に粒径5μmのアクリルビーズが含有されたインキをコーティングしたものである。
光源の周辺と導光板の端面に、厚さ250μmの白色ポリエステルフィルムからなる反射フィルムを、配置した。
<導光板作製>
光学要素部の形成条件を以下の条件とした以外は、実施例1と同様に導光板を作製した。
プリズム断面形状:頂角部分が変形した五角形形状(頂角部分の幅:20μm、頂角:140°)
単位プリズムの突出高さ:44μm
単位プリズムの底面の幅:0.1mm
単位プリズムの断面形状の底角:45°
支持部の高さ:20μm
上述した導光板を用いて、実施例1と同様に面光源装置を作製した。
<導光板作製>
光学要素部における単位プリズムの断面形状を底角50°の二等辺三角形形状とすること以外、実施例1と同様に導光板を作製した。
上述した導光板を用いて、実施例1と同様に面光源装置を作製した。
<導光板作製>
光学要素部における単位プリズムの断面形状を底角25°の二等辺三角形形状とすること以外、実施例1と同様に導光板を作製した。
上述した導光板を用いて、実施例1と同様に面光源装置を作製した。
<導光板作製>
本体部に散乱粒子を入れない以外は、実施例1と同様に導光板を形成した。
<面光源装置>
上述した導光板を用いて、実施例1と同様に、面光源装置を作製した。
実施例1〜5で作製した面光源装置において、光源が点灯している状態で、当該面光源装置の発光面から導光板の法線方向に沿って1m離間した位置から、輝度計BM−7(TOPCON社製)を用いて、各面光源装置の両面の面光源内の15点の輝度分布を測定し、平均法線方向輝度(以下、単に平均輝度として説明する場合がある。)を算出した。
また、それらの輝度分布の最大点および最小点の法線方向輝度をそれぞれ最大輝度、最小輝度とした。
さらに、下記式1により面内輝度均一性を算出した。その結果を表1に示した。
2 … 本体部
3 … 第1出光面
4 … 第2出光面
5 … 光学要素部
5a … 単位プリズム
5b … 支持部
6 … 入光面
7 … 散乱粒子
8 … 導光板形成用樹脂
10… 面光源装置
11 … 光源
12 … 拡散シート
13 … プリズムシート
20 … 表示装置
21 … 表示パネル
22 … 液晶セル
23 … 上偏光板
24 … 下偏光板
25 … 観察者
26 … 出射光
30 … 光学要素部形成用型
31 … 電離放射線硬化性樹脂
32 … 光学要素部形成用型30の賦型面
33 … 光学要素部が形成される面
34a、34b … ゴムロール
35 … 電離放射線
L1〜L4 … 光の進行方向
L11〜L14 … 光の進行方向
Claims (6)
- 第1出光面と、前記第1出光面に対向する面である第2出光面と、前記第1出光面および前記第2出光面の間の側面のうち、少なくとも一つの前記側面に設けられた入光面とを有する本体部と、
前記第1出光面および前記第2出光面上に形成され、導光方向に沿って直線状に形成された単位プリズムが導光方向と交差する方向に複数配置されてなる光学要素部と
を有する導光板であって、
前記第1出光面上に形成される前記光学要素部と、前記第2出光面上に形成される前記光学要素部とにおける前記単位プリズムの形状が同一であることを特徴とする導光板。 - 前記単位プリズムの断面形状が、30°〜50°の範囲内である底角を有する略二等辺三角形形状であることを特徴とする請求項1に記載の導光板。
- 前記本体部内に、光散乱粒子が含有されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の導光板。
- 請求項1から請求項3までのいずれかの請求項に記載の導光板と、
前記導光板の前記入光面に設置された光源と、
前記導光板の前記第1出光面および前記第2出光面に各々対向するように配置された光学シートと、
を有することを特徴とする面光源装置。 - 前記導光板の出光面から出射される照射光が指向性を有することを特徴とする請求項4に記載の面光源装置。
- 請求項4または請求項5に記載の面光源装置と、
前記面光源装置の前記光学シート側に配置された表示パネルと、を有することを特徴とする表示装置。
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