JP5867386B2

JP5867386B2 - 導光板及び面光源装置

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Publication number: JP5867386B2
Application number: JP2012283655A
Authority: JP
Inventors: 篠原　正幸; 正幸篠原; 和英廣田; 貴子石川
Original assignee: Omron Corp
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2012-12-26
Filing date: 2012-12-26
Publication date: 2016-02-24
Anticipated expiration: 2032-12-26
Also published as: JP2014127372A; US20140176875A1; US9194992B2

Description

本発明は導光板及び面光源装置に関し、具体的には、光源の高さよりも薄い導光板に光を効率よく入射させるための導光板や面光源装置などに関するものである。

近年、面光源装置を組み込むモバイル機器の薄型化に伴い、面光源装置もますます薄型化が要求されている。面光源装置を薄型化するためには、導光板の厚みを薄くすることが必要になる。しかし、平板状をした導光板の厚みを薄くできたとしても、ＬＥＤからなる光源の高さを小さくすることには限界がある。そのため、平板状をした薄い導光板を用いた場合には、光源の高さが導光板の端面（光入射端面）の厚みよりも大きくなり、導光板の光入射端面に対向させて配置した光源が導光板の上面よりも上に飛び出ることになる。こうして光源が導光板よりも上に飛び出ていると、光源から出射した光がすべて導光板の光入射端面に入らず、一部が外部へ漏れてしまって光利用効率が悪くなる。

図１は、上記のような不具合を解消することを目的とした従来の面光源装置を模式的に表した斜視図である。図１の面光源装置１１は、光源１２と導光板１３からなり、光源１２は導光板１３の光入射端面１９に対向配置されている。導光板１３は、ほぼ均一な厚みを有する導光板本体１５とくさび状をした光導入部１４を一体に成形したものである。光導入部１４の上面には傾斜面１６が形成されており、傾斜面１６には複数本のＶ溝１８からなる指向性変換パターン１７（光漏れ防止パターン）が形成されている。光導入部１４の端面（光入射端面１９）の厚みは、光源１２の高さよりも大きくなっている。このような構造の導光板を用いた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。

この面光源装置１１では、光源１２から出射した光は光入射端面１９から光導入部１４内に入射する。光導入部１４の端面（光入射端面１９）の厚みは、光源１２の高さよりも大きくなっているので、光源１２から出射した光は効率良く光導入部１４に取り込まれる。光導入部１４内に入った光は、光導入部１４の上面（傾斜面１６）又は下面で反射して導光板本体１５へ導びかれ、導光板本体１５の光出射面２０から出射される際にレンチキュラーレンズ２１で幅方向に指向特性を広げられる。

このとき傾斜面１６が平坦であると、光導入部１４内に入った光の一部は、傾斜面１６で反射されないで、傾斜面１６を透過して外部へ漏れる恐れがある。そのため、この面光源装置１１では、傾斜面１６に指向性変換パターン１７を設けることにより、傾斜面１６からの光漏れを少なくしている。すなわち、面光源装置１１では、Ｖ溝１８を傾斜面１６に設けているので、Ｖ溝１８に入射する光の入射角が大きくなってＶ溝１８で全反射され、光Ｌが傾斜面１６から漏れにくくなる。この結果、このような構造の面光源装置１１によれば、光利用効率の向上と面光源装置の薄型化とを両立させることができる。

しかし、このような面光源装置１１では、Ｖ溝１８の溝斜面に入射した光は、入射方向に対して横方向へ全反射されるので、光源１２から見て外向き斜め方向へ導光される光が増加する。そのため、光源１２から見て外向き斜め方向に輝線が発生する。このような輝線が発生していると、面光源装置１１を斜め方向から見た時に明るく光って視認性が悪くなるという問題がある。

図２は、面光源装置１１のサンプル（ただし、導光板１３の下面には、偏向パターンなどの光学的なパターンは設けていない。）において、外向き斜め方向の輝線αが発生している様子を示すシミュレーション図である。

特開２００８−１６４３２号公報

本発明の目的とするところは、上記のように光源から見て外向き斜め方向に発生する輝線を目立ちにくくすることにある。

本発明に係る導光板は、端面から入射した光を閉じ込めるための光導入部と、前記光導入部の最大厚みよりも小さな厚みで、前記光導入部と連続するように設けられていて入射した光を光出射面から外部へ出射させるようにした導光板本体とを備え、前記光導入部は、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、前記導光板本体よりも厚みの大きな部分の表面から前記導光板本体に向けて傾斜した傾斜面を有し、前記光導入部は、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、筋状のパターン素子からなる指向性変換パターンを有し、側面から見て、前記光導入部から前記導光板本体の前記光導入部に隣接する部分までの間に位置する領域に、前記指向性変換パターンによって外側斜め方向へ導かれた光の一部を内側へ向けて反射させ、その光を内側斜め方向へ導くための光反射部を設けられていることを特徴としている。

筋状のパターン素子からなる指向性変換パターンを設けられた導光板では、パターン素子で反射されることによって外向き斜め方向へ導光される光により、外向き斜め方向の輝線が生じやすい。しかし、本発明の導光板では、導光板の側面から見て光導入部から導光板本体の光導入部に隣接する部分までの間に位置する領域に、前記指向性変換パターンによって導光板の外側斜め方向へ導かれた光の一部を内側へ向けて反射させ、その光を導光板の内側斜め方向へ導くための光反射部を設けているので、パターン素子で反射されて外向き斜め方向へ導光される光の一部を光反射部で反射させて導光板の内側へ戻すことができる。よって、輝線の本数を増やすことで輝線を目立ちにくくすることができるので、外向き斜め方向に生じていた輝線を低減できる。その結果、導光板本体の光導入部近傍の領域における輝度分布を均一化することができ、導光板のデッドスペースを小さくすることができる。

前記光反射部としては、導光板の表面と裏面との間に形成された孔、たとえば貫通孔とすることができる。また、光反射部は、前記端面に垂直な方向に延びたスリット状の孔であってもよい。

本発明に係る面光源装置は、本発明に係る導光板と、前記導光板における前記光導入部の前記端面に光を送り込むための光源とを備えたことを特徴とする。本発明に係る面光源装置にあっては、本発明に係る導光板を用いているので、外向き斜め方向に生じていた輝線を低減させることができる。

本発明に係る導光板は、液晶表示装置に用いることができる。この導光板を液晶表示装置に用いれば、液晶表示装置の画面に斜め方向の輝線が発生しにくくなる。

また、本発明に係る液晶表示装置は、スマートフォンやタブレット型コンピュータ、電子ブックリーダー、電子辞書などのモバイル機器にも用いることができる。

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１は、従来の面光源装置を示す斜視図である。図２は、図１の面光源装置のサンプルにおいて、外向き斜め方向の輝線が発生している様子を示すシミュレーション図である。図３（Ａ）は、本発明の実施形態１による面光源装置を示す斜視図である。図３（Ｂ）は、図３（Ａ）の面光源装置における光の挙動を示す概略図である。図４は、図３（Ａ）の面光源装置のサンプルにおける輝度分布を示すシミュレーション図である。図５は、比較例の面光源装置における輝度分布を示すシミュレーション図である。図６（Ａ）は、図４で用いたサンプルの寸法を示す概略斜視図である。図６（Ｂ）は、図６（Ａ）のサンプルの一部破断した概略断面図である。図７（Ａ）及び図７（Ｂ）は、それぞれ異なる形状の光反射部を有する面光源装置の一部破断した平面図である。図８（Ａ）及び図８（Ｂ）は、さらに異なる形状の光反射部を有する面光源装置の一部破断した平面図である。図９（Ａ）及び図９（Ｂ）は、さらに異なる形状の光反射部を有する面光源装置の一部破断した平面図である。図１０は、本発明の実施形態２による面光源装置を示す斜視図である。図１１は、本発明に係る液晶表示装置の概略断面図である。図１２は、本発明に係るスマートフォンの概略正面図である。

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）
図３（Ａ）及び図３（Ｂ）を参照して本発明の実施形態１による面光源装置の構造を説明する。図３（Ａ）は、本発明の実施形態１による面光源装置３１の斜視図である。図３（Ｂ）は、面光源装置３１における光の挙動を模式的に表した概略斜視図である。

面光源装置３１は、光源３２と導光板３３からなる。光源３２は、１個又は複数個のＬＥＤを内蔵しており、正面の光出射窓から白色光を出射する。この光源３２は、点光源と呼ばれることがある。

導光板３３は、導光板本体３５の端部に光導入部３４を設けたものである。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成形されている。

光導入部３４はくさび状をしており、導光板本体側へ向けて次第に厚みが薄くなっている。すなわち、光導入部３４の上面のうち光入射端面側の端部は水平面４２となっており、水平面４２の端から導光板本体３５の端にかけて傾斜面３６が形成されている。傾斜面３６は、導光板３３の一方側面から他方側面まで帯状に延びており、水平面４２の端から導光板本体３５の端へ向けて下り傾斜している。

傾斜面３６には、指向性変換パターン３７が形成されている。指向性変換パターン３７は、Ｖ溝状をした複数のパターン素子３８によって構成されている。各パターン素子３８は、垂直上方（光出射面４０に垂直な方向）から見て光入射端面３９に垂直な方向（以下、光軸方向という。）へ延びており、互いに平行となるようにして傾斜面３６の幅方向に配列されている。

導光板本体３５は表面と裏面が平行な平板状をしている。導光板本体３５は、ほぼ均一な厚みを有しており、導光板本体３５の厚みは光導入部３４の最大厚みよりも薄くなっている。導光板本体３５は導光板３３の大部分の面積を占めている。導光板本体３５の光出射面４０と反対面には、プリズム状パターン、サンドブラスト加工、拡散インク、回折格子パターンなどからなる光出射手段４５（図１１を参照）が形成されている。

導光板本体３５の上面のうち光導入部３４に隣接する狭い部分は平坦面４３となっており、平坦面４３を除く部分が光出射面４０となっている。光出射面４０には、光出射面４０から出射する光の指向特性を幅方向に広げるためのレンチキュラーレンズ４１が設けられている。レンチキュラーレンズ４１は、光軸方向に延びており、光出射面４０の幅方向に沿って配列されている。なお、平坦面４３はなくてもよい。

導光板３３には、光軸方向に延びたスリット状をした一対の光反射部４４が設けられている。光反射部４４は導光板３３の上面から下面まで貫通した孔（空洞）である。光反射部４４は、光導入部３４の指向性変換パターン３７を設けられた領域から導光板本体３５のレンチキュラーレンズ４１を設けられた領域まで延びている。ただし、光反射部４４は、均一に発光して液晶パネルなどを照明するために用いられる有効照明領域には入り込まないようにすることが望ましい。

しかして、この面光源装置３１にあっては、光源３２から出射した光は、光入射端面３９から光導入部３４内に入射し、光導入部３４の上面と下面で反射され、あるいは光導入部３４を通過して厚みの薄い導光板本体３５へ導びかれる。そして、導光板本体３５へ導かれた光は、導光板本体３５の上面と下面で反射しながら導光板本体３５内を導光する。この導光途中において光出射手段４５に入射した光は、光出射手段４５で反射されて光出射面４０から出射され、光出射面４０を均一に発光させる。

また、光導入部３４内で傾斜面３６に入射した光は、指向性変換パターン３７の溝斜面で全反射されることにより、光導入部３４の下面で反射した後で導光板３３の上面に入射する際の入射角が大きくなって、導光板３３の上面から漏れにくくなる。しかし、指向性変換パターン３７の溝斜面で全反射する光は、垂直上方から見ると、入射方向に対して横方向へ曲げられるので、光源３２から見て斜め方向へ導光される。そのため、従来の面光源装置では、外側斜め方向の輝線α（図２参照）が発生する原因となっていた。

これに対し、面光源装置３１では、導光板３３に光線反射部４４を設けているので、図３（Ｂ）に示すように、外側斜め方向へ導光された光Ｌは光線反射部４４により反射されて導光板３３の内側へ戻される。この結果、新たな輝線が発生し、輝線の本数が増えることで斜め外向きの輝線を目立ちにくくすることができる。

図４は、本発明の実施形態１による面光源装置における導光板表面の輝度分布を表している。これは図６のようなサンプルを想定し、シミュレーションにより輝度分布を求めたものである。図６に示す面光源装置のサンプルのデータは、次の通りである。
光源３２の光出射窓の幅ｗ：２.４ｍｍ
導光板３３の幅Ｗ：５.１ｍｍ
光導入部３４の最大厚みＴ：０.４ｍｍ
導光板本体３５の厚みｔ：０.２３ｍｍ
入射端面３９からレンチキュラーレンズ４１の端までの距離Ｄ１：２.０ｍｍ
傾斜面３６の下端からレンチキュラーレンズ４１の端までの距離Ｄ２：０.５ｍｍ
光線反射部４４の長さＳ：２.０ｍｍ
光入射端面３９から光線反射部４４までの距離Ｄ３：１.０ｍｍ
光線反射部４４どうしの間隔Ｐ：３.０ｍｍ
レンチキュラーレンズ４１のピッチ：２０μｍ
レンチキュラーレンズ４１の表面の曲率半径：７５μｍ
また、シミュレーション用のサンプルでは、導光板３３の下面には光出射手段は設けていない。

図２に示した従来例のシミュレーションも図６と同様なサンプルを用いている。すなわち、図６のサンプルから光線反射部４４を除いたものである。また、図５は、導光板本体５５の端部の光導入部と隣接する領域に、導光板本体５５に入射する光の指向特性を光軸方向に近づけるための指向性変換パターン（特願２０１２−５９４１９に開示された面光源装置）を設け、光入射端面に対向させて光源５２を配置した面光源装置５１（比較例）のサンプルである。この比較例のサンプルも、図６とほぼ同様なサンプルを用いている。

図２、図４及び図５を比較すると、図４の実施形態１のサンプルと図５の比較例のサンプルでは、斜め方向の輝線が改善されていることが分かる。

また、図２の従来例のサンプルでは、デッドスペース（輝度が不均一であるために光源として使用できない領域）の長さＤＳが２.５ｍｍ、光利用効率が９６.６％である。図４の実施形態１のサンプルでは、デッドスペースの長さＤＳが２.５ｍｍ、光利用効率が９６.３％である。図５の比較例のサンプルでは、デッドスペースの長さＤＳが３.０ｍｍ、光利用効率が９６.１％である。よって、比較例では、従来例よりもデッドスペースが長くなっている。これは、導光板本体の端に、指向特性を光軸方向に近づけるための指向性変換パターンを設けるための領域が必要になるためである。これに対し、実施形態１では、デッドスペースは従来例と変わらず、比較例よりも短くなる。

図２、図４、図５は、導光板の裏面に偏向パターンなどの光出射手段を設けていないサンプルである。そのため図２、図４、図５のいずれでも、光出射面から光が出射されず、光出射面が暗くなっている。図２の従来例のサンプルでは、斜め方向の輝線が存在するため、導光板の下面に光出射手段を設けたとしてもデッドスペースの長さＤＳはそれほど短くならない。これに対し、図４の実施形態１のサンプルでは、斜め方向の輝線が目立ちにくくなっているので、導光板の裏面に光出射手段を設け、光出射手段の分布等を調整することによって輝度分布を均一化することによりデッドスペースの長さＤＳを比較的短くすることができる。よって、最終の商品形態においては、本発明の実施形態１の面光源装置は、デッドスペースの点でも有利である。

（変形例）
実施形態１では、スリット状の光反射部４４を示したが、光反射部４４の配置や形状は適宜変更することができる。たとえば、実施形態１では、スリット状をした２つの光反射部４４を設けていたが、図７（Ａ）に示すように、３つ以上の光反射部４４を設けてもよい。また、図７（Ｂ）に示すように、各光反射部４４を光入射端面３９に垂直な方向にずらせて配置してもよい。

また、光反射部４４は、図８（Ａ）のような円形の孔でもよく、図８（Ｂ）のような三角形の孔でもよく、図９（Ａ）のような楕円形の孔でもよく、図９（Ｂ）のような矩形の孔でもよい。

なお、光反射部４４は、導光板３３を貫通している必要はなく、部分的につながっていても差し支えない。

（実施形態２）
図１０は、本発明の実施形態２による面光源装置７１を示す斜視図である。この面光源装置７１では、１枚の導光板３３に対して複数個の光源３２が用いられている。すなわち、導光板３３の光入射端面３９に対向させて、複数個の光源３２が一定ピッチ毎に配置されている。このような実施形態によれば、大面積の照明領域を有する面光源装置を作製することができる。なお、面光源装置７１の基本となる導光板構造は、実施形態１又はその変形例のいずれの導光板であってもよい。

（実施形態３）
図１１は、本発明の面光源装置（たとえば実施形態１の面光源装置３１）を用いた液晶表示装置８１の概略断面図である。この液晶表示装置８１は、導光板３３の光出射面側に対向させて拡散板８２、プリズムシート８３及び液晶パネル８４を重ねてあり、導光板３３の裏面側に反射シート８５を配置している。このような液晶表示装置８１によれば、本発明の面光源装置の特徴を生かすことができ、液晶表示装置８１の画像品質を向上させることができる。

（実施形態４）
図１２は、本発明の面光源装置又は液晶表示装置を用いたモバイル機器、すなわちスマートフォン９１の平面図であって、正面にはタッチパネル付き液晶表示装置９２を備えている。このようなスマートフォン９１に本発明の面光源装置を用いれば、画面を斜め方向から見た時に画面が明るく光りにくく、画面の視認性が向上して画像品質が良好になる。また、本発明の面光源装置はスマートフォンなどの携帯電話以外にも、タブレット型コンピュータ、電子辞書、電子ブックリーダーなどのモバイル機器にも適用できる。

３１、６１、６２、６３、６４、６５、６６、７１面光源装置
３２光源
３３導光板
３４光導入部
３５導光板本体
３６傾斜面
３７指向性変換パターン
３８パターン素子
４４光線反射部
８１液晶表示装置
スマートフォン９１

Claims

端面から入射した光を閉じ込めるための光導入部と、
前記光導入部の最大厚みよりも小さな厚みで、前記光導入部と連続するように設けられていて入射した光を光出射面から外部へ出射させるようにした導光板本体とを備え、
前記光導入部は、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、前記導光板本体よりも厚みの大きな部分の表面から前記導光板本体に向けて傾斜した傾斜面を有し、
前記光導入部は、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、筋状のパターン素子からなる指向性変換パターンを有し、
側面から見て、前記光導入部から前記導光板本体の前記光導入部に隣接する部分までの間に位置する領域に、前記指向性変換パターンによって外側斜め方向へ導かれた光の一部を内側へ向けて反射させ、その光を内側斜め方向へ導くための光反射部を設けられていることを特徴とする導光板。
前記光反射部は、前記端面に垂直な方向に延びたスリット状の孔であることを特徴とする、請求項１に記載の導光板。
前記光反射部は、表面と裏面との間に形成された孔であることを特徴とする、請求項１に記載の導光板。
前記光反射部は、貫通孔であることを特徴とする、請求項３に記載の導光板。
請求項１から４のいずれか１項に記載した導光板と、
前記導光板における前記光導入部の前記端面に光を送り込むための光源と、
を備えた面光源装置。
請求項１から４のいずれか１項に記載した導光板と、
前記導光板における前記光導入部の前記端面に光を送り込むための光源と、
前記導光板の前記光出射面に対向させて配置した液晶パネルと、
を備えた液晶表示装置。
請求項６に記載した液晶表示装置を備えたモバイル機器。