JPH10125123A - バックライト - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 液晶パネル等に用いられるバックライトから
の射出光の不要な方向への光の損失を低減し、輝度を向
上させる。 【解決手段】 導光体３の底面３ｃに、四角錐状の複数
のくぼみ４を形成し、導光体の出射面３ｂに対向するよ
うに、各くぼみ４に１対１に対応するレンズ部分７ａを
有するレンズアレイ７を配置する。レンズ部分７ａの焦
点をくぼみ４の斜面４ａに位置させることにより、くぼ
み４の斜面により反射され、導光体３の出射面３ｂから
出射光をほぼ平行に出射させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明に属する技術分野】本発明は、液晶ディスプレイ
装置等に用いられるバックライトに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】バックライトは、ノート型パソコンや携
帯端末等の液晶ディスプレイ装置等の光源として用いら
れ、高輝度化及び低消費電力化が要求されている。例え
ば、特開平５−１２７１５９に示された従来のバックラ
イトについて、その断面構成を概略的に示す図５を参照
しつつ説明する。

【０００３】図５に示すように、従来のバックライト
は、導光体３１、光拡散シート３２、導光体裏面反射シ
ート３３、線状光源３４、反射板３５、光拡散物質３
６、プリズムシート３７等で構成されている。この方式
では、線状光源３４からの出射光を、導光体３１により
面状に広げ、光拡散シート３２により光線の放射分布を
整え、プリズムシート３７により光線の方位を導光体３
１の面の法線方向となるように調整している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の方式では、バックライトより射出される光の放射角
が広く、不要な方向への光の損失が生じるという問題点
を有していた。本発明は上記従来例の問題点を解決する
ためになされたものであり、輝度が高く、消費電力の少
ないバックライトを提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明のバックライトは、線状光源と；前記線状光
源に対向する入射面、前記入射面に略直交する出射面及
び前記出射面に対向し複数のくぼみが設けられた反射面
を有し、前記くぼみの斜面により入射光を反射させ、前
記出射面から出射させる導光体と；前記導光体の出射面
に対向するように設けられ、前記導光体のくぼみとそれ
ぞれ１対１に対応するレンズ部分を有し、前記各レンズ
部分の焦点が前記くぼみの斜面に位置し、前記導光体か
ら出射される光を略平行光化するレンズアレイとを具備
する。

【０００６】上記構成において、前記レンズアレイは、
前記レンズ部分の凸面が前記導光体の出射面と対向する
ように配置されていることが好ましい。また、前記導光
体のくぼみの頂角をα、前記導光体の屈折率をｎとし
て、前記（数１）を満足することが好ましい。

【０００７】さらに、前記レンズアレイの焦点距離を
ｆ、前記導光体のくぼみの頂角をα、くぼみの配列のピ
ッチをｐとして、前記（数２）を満足することが好まし
い。

【０００８】さらに、前記導光体の出射面と反射面との
距離が前記入射面から遠ざかるにつれて近くなるよう
に、前記反射面が傾斜していることが好ましい。また
は、複数の線状光源を前記導光体の少なくとも２以上の
端面に対向させたことが好ましい。

【０００９】または、前記くぼみの間隔を、前記線状光
源に近い側ほど荒く、遠ざかるに従って細かくしたこと
が好ましい。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明のバックライトの一
実施形態について、図面を参照しつつ説明する。図１
は、本発明のバックライトの一実施形態の構成を模式的
に示す断面図である。図１に示すように、本発明のバッ
クライトは、紙面に垂直な方向に配置された線状光源１
と、線状光源１からの出力光を第１の所定方向（例え
ば、図中右方向）に伝播させると共に、第２の所定方向
（例えば、図中上方向）に出力させる導光体３と、導光
体３の入射面３ａに対向する部分を除いて線状光源１の
周囲に設けられた反射鏡２と、導光体３の底面（反射
面）３ｃに対向するように設けられた反射体６と、導光
体３の上面（出射面）３ｂに対向するように設けられた
レンズアレイ７等で構成されている。

【００１１】図２は、図１に示すバックライトの導光体
３構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面
断面図、（ｃ）は側部断面図である。導光体３は、例え
ば石英、ガラス、アクリル系樹脂やポリカーボネート等
の透明樹脂等を材料とした平板である。ここでは、導光
体３の屈折率を１．５とする。導光体３の底面３ｃに
は、一定のピッチＰで四角錐状の複数のくぼみ４がマト
リクス状に配置されている（四角錐の頂角をαとす
る）。

【００１２】図３は、図１に示すバックライトのレンズ
アレイ７構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）
は正面断面図、（ｃ）は側部断面図である。レンズアレ
イ７は、導光体３の上面３ｂに対向するように配置さ
れ、レンズアレイ７の各レンズ部分７ａの凸面７ｂがそ
れぞれ導光体３の底面３ｃに形成されたくぼみ４と対向
するように形成されている。レンズアレイ７の各レンズ
部分７ａは凸レンズの作用を有し、１つのくぼみ４に対
してそれぞれ１つのレンズ部分が対応する。レンズ部分
７ａの焦点位置は、くぼみ４の光源側の斜面４ａの中央
となるように設定されている。

【００１３】反射体６は、例えば反射シート等であり、
導光体３のくぼみ４が形成された面対向する面は拡散性
を有し、かつ、反射率が高くなるように設定されてい
る。線状光源１としては、蛍光灯、白熱灯、ＬＥＤを並
べたもの等を用いることができる。反射鏡２の線状光源
１に面した部分には、銀やアルミ等の反射率の高い物質
が蒸着され、高反射率化されている。

【００１４】以上のように構成された本発明のバックラ
イトの一実施形態について、図４を用いてその動作を説
明する。まず、導光体３に入射した光が導光体３と空気
との界面で全反射され、導光体３の内部を伝播すること
を説明する。図１に示すように、線状光源１からの出射
光は、導光体３に直接入射するか又は反射鏡２により反
射されて導光体３の入射面３ａに入射する。導光体３の
入射面３ａへの入射角をη₁、射出角をη₂とすると、導
光体３の屈折率をｎとして、スネルの法則より、以下の
式（１）のようになる。

【００１５】

【数３】 ｓｉｎ（η₁）＝ｎ×ｓｉｎ（η₂） ・・・（１）

【００１６】ここで、η₂ の最大値η_2maxを求めると、
以下の式（２）のようになる。例えば、屈折率ｎが１．
５のときは、η_2max ＝４１．８゜となる。

【００１７】

【数４】 η_2max＝ｓｉｎ^-1（１／ｎ） ・・・（２）

【００１８】次に、導光体３の内部において、上下面へ
の入射角η₃＝９０゜−η₂とする。ここで、導光体３と
空気との界面での全反射条件は、スネルの法則より、以
下の式（３）のようになる。

【００１９】

【数５】 η₃＞ｓｉｎ^-1（１／ｎ） ・・・（３）

【００２０】一方、η₃の最小値η_3minは、以下の式
（４）で表されるので、

【００２１】

【数６】 η_3min＝９０゜−ｓｉｎ^-1（１／ｎ） ・・・（４）

【００２２】導光体３内で光が全反射で光が伝播するた
めの屈折率ｎの条件を求めると、以下の式（５）のよう
になる。

【００２３】

【数７】 ｎ＞１／ｓｉｎ（４５゜）＝√２≒１．４１４ ・・・（５）

【００２４】導光体３の屈折率ｎを１．５としたので、
この条件を満足する。従って、入射光は、導光体３と空
気との界面で全反射を繰り返しながら導光体３の内部を
伝播する。

【００２５】次に、導光体３の底面３ｃ形成されたくぼ
み４により、入射光が導光体３の上面３ｂに対してほぼ
垂直な方向に射出されることについて説明する。図４に
示すように、導光体３の底面３ｃにおいて、平坦部で全
反射された光の一部は、くぼみ４の斜面４ａに入射す
る。くぼみ４は頂角がαであるので、斜面４ａの傾きβ
は、β＝９０゜−α／２である。斜面４ａへの入射角η
₄ は、以下の式（６）で与えられる。

【００２６】

【数８】 η_t＝β−η₂ η₄＝９０゜−η_t ・・・（６）

【００２７】ここで、くぼみ４の斜面４ａでの全反射の
条件を求めると、以下の式（７）のようになる。

【００２８】

【数９】 η₄＞ｓｉｎ^-1（１／ｎ） ・・・（７）

【００２９】くぼみ４の斜面４ａで全反射した光線は、
次に導光体３の上面３ｂに入射する。入射角η₆は、以
下の式（８）で与えられる。

【００３０】

【数１０】 η₆＝−９０゜＋α＋η₂ ・・・（８）

【００３１】なお、導光体３０からの射出角η₇は、ス
ネルの法則より、以下の式（９）のようになる。

【００３２】

【数１１】 ｎ・ｓｉｎ（η₆）＝ｓｉｎ（η₇） η₇＝ｓｉｎ^-1｛ｎ×ｓｉｎ（α＋η₂−９０゜）｝ ・・・（９）

【００３３】上記式（１）から（８）を用い、η₆の範
囲を求めると、以下の式（１０）で与えられる。

【００３４】

【数１２】 ｓｉｎ^-1（１／ｎ）＋α／２−９０゜＜η₆＜ｓｉｎ^-1（１／ｎ）＋α−９０゜ ・・・（１０）

【００３５】ここで、η₆ の範囲の中心η_6cntを求める
と、以下の式（１１）のようになる。

【００３６】

【数１３】 η_6cnt＝｛（ｓｉｎ^-1（１／ｎ）＋α／２−９０゜） ＋ （ｓｉｎ^-1（１／ｎ）＋α−９０゜）｝／２ ＝ｓｉｎ^-1（１／ｎ）＋３α／４−９０゜ ・・・（１１）

【００３７】くぼみ４の斜面４ａからの光の放射分布
が、導光体３の上面３ｂ及び底面３ｃに対してほぼ垂直
となるようにするには、η₆の範囲の中心が０となるよ
うな、くぼみ４の頂角αを設定すればよい。すなわち、
η_6cnt＝０として、αを求めると、以下の式（１２）の
ようになる。

【００３８】

【数１４】 α＝（９０゜−ｓｉｎ^-1（１／ｎ））×１．３３３ ・・・（１２）

【００３９】このとき、η₆の範囲、すなわち、くぼみ
４の斜面４ａから出射された光の導光体３内での広がり
角γは、式（１３）で与えられる。例えば、ｎ＝１．５
のとき、α＝６４．２゜となり、このときの、広がり角
γは、±１６゜となる。

【００４０】

【数１５】 γ＝±｛（ｓｉｎ^-1（１／ｎ）＋α−９０゜） − （ｓｉｎ^-1（１／ｎ）＋α／２−９０゜）｝／２ ＝±α／４ ・・・（１３）

【００４１】導光体３の上面３ｂから射出した光は、レ
ンズアレイ７に入射する。レンズアレイ７の各レンズ部
分７ａの焦点位置は、くぼみ４の斜面４ａの中央である
ので、導光体３からの射出光は、レンズアレイ７の各レ
ンズ部分７ａによりほぼ平行光化される。各くぼみ４に
対してレンズ部分７ａが１対１に対応するので、導光体
３の上面３ｂからの射出光は、ほぼ平行な光として、射
出されることになる。

【００４２】なお、式（１２）に示すように、くぼみ４
からの射出光の広がり角γに制限があるので、レンズア
レイ７の各レンズ部分７ａにおいて、射出瞳の全面から
光を射出させるためには、レンズ部分７ａの焦点距離を
ｆ、くぼみ４のピッチをｐとして、少なくとも、ｐ／２
＜ｆ×ｔａｎ（α／４）の条件を満足させる必要があ
る。しかし、ｐを小さくすると、くぼみ４からの射出光
が、隣接するレンズ部分に入射することになり、導光体
の正面に射出する光量が低下する。従って、くぼみ４か
らの放射角γの半分以上を導光体３３の正面方向に射出
させるための条件を求めると、以下の式（１４）のよう
になる。例えば、α＝６４゜、ｆ＝４ｍｍのとき、１．
１＜ｐ＜２．２ｍｍとなる。

【００４３】

【数１６】 ｆ×ｔａｎ（α／８）＜ｐ／２＜ｆ×ｔａｎ（α／４） ２ｆ×ｔａｎ（α／８）＜ｐ＜２ｆ×ｔａｎ（α／４） ・・・（１４）

【００４４】以上のように、導光体３からの射出光をレ
ンズアレイ７により放射角の小さい光、すなわち平行光
に近い光として射出させることにより、不要な方向へ放
射される光の損失を低減することができ、本発明のバッ
クライトを正面から見たときの輝度を従来のものよりも
大幅に向上させることができる。

【００４５】なお、上記実施形態では、導光体３を平行
平板としたが、軽量化及び光の利用効率を向上させるた
めに、入射面３ａからその反対側の面３ｄにかけて厚さ
が徐々に薄くなるように、導光体３の底面３ｃを直線状
又は円弧状に傾斜させてもよい。また、導光体３の上下
面３ｂ，３ｃと入射面３ａとのなす角を９０度とした
が、入射面３ａから入射する光が、導光体３の内部で全
反射する条件を満たしている限り、９０度以外の角度を
持たせてもよい。さらに、入射面３ａが曲面であっても
よい。さらに、くぼみ４の四角錐の先端を丸めてもよ
い。

【００４６】さらに、上記実施形態では、１つの線状光
源を用いたが、輝度を向上させるために複数の線状光源
を導光体３の各端面３ａ，３ｄ等に配置してもよい。ま
た、導光体３の材料の屈折率を１．５としたが、１．４
１以上の値であれば、他の値の材料を用いても良い。ま
た、導光体３に形成したくぼみ４の形状を四角錐とした
が、多角錘、円錐、断面が楕円のくぼみであってもよ
い。また、導光体３にくぼみ４を等間隔で形成したが、
線状光源１に近い側の間隔を荒く、遠ざかるにしたが
い、細かくすることにより、バックライトの面の明るさ
を均一にすることができる。

【００４７】また、上記実施形態では、η_6cntが０とな
るように、くぼみ４の頂角αを決めたが、一般的には、
η_6cntが±１０゜ずれても影響はほとんどない。このと
き、

【００４８】

【数１７】 η_6cnt＝ｓｉｎ^-1（１／ｎ）＋３α／４−９０゜＝±１０゜

【００４９】とすると、αは、

【００５０】

【数１８】 α＝（９０゜±１０゜−ｓｉｎ^-1（１／ｎ））×１．３３３

【００５１】となればよい。すなわち、αは以下の条件
を満たせばよい。

【００５２】

【数１９】 （８０゜−ｓｉｎ^-1（１／ｎ））×１．３３３＜ α＜（１００゜−ｓｉｎ^-1（１／ｎ））×１．３３３

【００５３】

【発明の効果】以上のように、本発明のバックライトに
よれば、線状光源と；線状光源に対向する入射面、入射
面に略直交する出射面及び出射面に対向し複数のくぼみ
が設けられた反射面を有し、くぼみの斜面により入射光
を反射させ、出射面から出射させる導光体と；導光体の
出射面に対向するように設けられ、導光体のくぼみとそ
れぞれ１対１に対応するレンズ部分を有し、各レンズ部
分の焦点がくぼみの斜面に位置し、導光体から出射され
る光を略平行光化するレンズアレイとを具備する。

【００５４】すなわち、線状光源から出射され導光体に
入射した光は、導光体中を空気との界面において全反射
を繰り返しながら所定の方向に伝播される。そのうち、
くぼみの斜面に入射した光は、くぼみの斜面で全反射さ
れ、導光体の出射面から出射される。各くぼみに対向す
るレンズアレイは、例えば、レンズ部分の凸面が導光体
の出射面と対向するように配置されており、そのレンズ
部の焦点がくぼみの斜面にあるため、くぼみの斜面で反
射された光は、ほぼ平行な光としてバックライトから出
射される。その結果、不要な方向へ放射される光の損失
を低減することができ、本発明のバックライトを正面か
ら見たときの輝度を従来のものよりも大幅に向上させる
ことができる。

【００５５】また、導光体のくぼみの頂角をα、導光体
の屈折率をｎとして、上記式（１２）を満足することに
より、くぼみの斜面からの光の放射分布を導光体の出射
面に対してほぼ垂直にすることができる。

【００５６】また、レンズアレイの焦点距離をｆ、導光
体のくぼみの頂角をα、くぼみの配列のピッチをｐとし
て、上記式（１４）を満足することにより、くぼみの斜
面からの出射光の広がり角γの半分以上を導光体の出射
面方向に出射させることができる。

【００５７】また、導光体の出射面と反射面との距離
を、入射面から遠ざかるにつれて近くなるように、反射
面を傾斜させることにより、導光体の容積を小さくする
ことができ、計量化を図ることができると共に、光の利
用効率を向上させ、輝度を高くすることができる。

【００５８】また、複数の線状光源を導光体の少なくと
も２以上の端面に対向させることにより、輝度を向上さ
せることができると共に、輝度分布を均一にすることが
できる。または、くぼみの間隔を、線状光源に近い側ほ
ど荒く、遠ざかるに従って細かくしても、輝度分布を均
一にすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例本発明のバックライトの一実
施形態の構成を模式的に示す断面図

【図２】図１に示すバックライトの導光体３構成を示す
図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面断面図、
（ｃ）は側部断面図

【図３】図１に示すバックライトのレンズアレイ７構成
を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面断面
図、（ｃ）は側部断面図

【図４】図１に示す本発明のバックライトにおける導光
体内での光路図

【図５】従来のバックライトの概略構成を示す図

【符号の説明】

１ 光源 ２ 反射鏡板 ３ 導光体 ４ くぼみ ６ 反射体 ７ レンズアレイ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 伊藤 正弥 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 高田 和政 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 線状光源と、 前記線状光源に対向する入射面、前記入射面に略直交す
   る出射面及び前記出射面に対向し複数のくぼみが設けら
   れた反射面を有し、前記くぼみの斜面により入射光を反
   射させ、前記出射面から出射させる導光体と、 前記導光体の出射面に対向するように設けられ、前記導
   光体のくぼみとそれぞれ１対１に対応するレンズ部分を
   有し、前記各レンズ部分の焦点が前記くぼみの斜面に位
   置し、前記導光体から出射される光を略平行光化するレ
   ンズアレイとを具備するバックライト。
2. 【請求項２】 前記レンズアレイは、前記レンズ部分の
   凸面が前記導光体の出射面と対向するように配置されて
   いる請求項１記載のバックライト。
3. 【請求項３】 前記導光体のくぼみの頂角をα、前記導
   光体の屈折率をｎとして、 【数１】 α＝（９０゜−ｓｉｎ^-1（１／ｎ））×１．３３３ を満足する請求項１又は２記載のバックライト。
4. 【請求項４】 前記レンズアレイの焦点距離をｆ、前記
   導光体のくぼみの頂角をα、くぼみの配列のピッチをｐ
   として、 【数２】 ２ｆ×ｔａｎ（α／８）＜ｐ＜２ｆ×ｔａｎ（α／４） を満足する請求項１から３のいずれかに記載のバックラ
   イト。
5. 【請求項５】 前記導光体の出射面と反射面との距離が
   前記入射面から遠ざかるにつれて近くなるように、前記
   反射面が傾斜している請求項１から４のいずれかに記載
   のバックライト。
6. 【請求項６】 複数の線状光源を前記導光体の少なくと
   も２以上の端面に対向させた請求項１から４のいずれか
   に記載のバックライト。
7. 【請求項７】 前記くぼみの間隔を、前記線状光源に近
   い側ほど荒く、遠ざかるに従って細かくした請求項１か
   ら４のいずれかに記載のバックライト。