JPH11329039A

JPH11329039A - 面光源装置

Info

Publication number: JPH11329039A
Application number: JP11060482A
Authority: JP
Inventors: Keiji Isamoto; 圭史諫本; Masayuki Shinohara; 正幸篠原; Shigeru Aoyama; 茂青山; Ryosuke Naito; 亮介内藤
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1998-03-13
Filing date: 1999-03-08
Publication date: 1999-11-30
Anticipated expiration: 2019-03-08
Also published as: JP3932544B2

Abstract

(57)【要約】【課題】面光源装置において、導光板に設けられた光
を出射させるパターンに当たった光を、指向角を広げ、
かつ、効率良く取り出す。【解決手段】導光板１２の表面に凹凸パターン１５が
設けられ、この凹凸パターン１５を構成する反射面は、
互いに交わるプリズム１５ａからなり、その交わる面
は、その交角をほぼ２等分する平面が点光源１３を通
り、かつ導光板１２の表面に垂直になる角度で設置され
ている。導光板１２に入りパターン１５に入射した光
は、プリズム１５ａにより全反射される。このため、パ
ターン１５に当たる光のほとんど全てを取り出すことが
可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、点光源を面状に広
げる面光源装置に関し、特に、光の取り出し効率を向上
する技術に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、照明等に主に用いられる面光源装
置として、ＬＥＤ等の光源からの光を導光板に入射さ
せ、面状に広げて出射させる構成のものがあり、各種電
気機器等の液晶表示画面のバックライト光源装置として
広く用いられている。この種の導光型の面光源装置を図
１の斜視図及び図２の断面図により示す。この面光源装
置１００は、光を閉じ込めるための導光板２と、発光部
３（以下、光源という）と、反射板４とから構成されて
いる。導光板２は、ポリカーボネイト樹脂やメタクリル
樹脂等の透明で屈折率の大きな樹脂により形成されてお
り、導光板２の下面には凹凸加工や拡散反射インクのド
ット印刷等によって凹凸パターン５が形成されている。
光源３は、回路基板３ａ上に複数のＬＥＤなどのいわゆ
る点光源３ｂを実装したものであって、導光板２の側面
（光入射面７）に対向している。反射板４は、反射率の
高い、例えば、白色樹脂シートによって形成されてお
り、その両側部は、両面テープ８によって導光板２の下
面に貼り付けられている。

【０００３】しかして、図２に示すように、光源３から
出射されて光入射面７から導光板２の内部に導かれた光
ｆは、導光板２内部で全反射することによって導光板２
内部に閉じ込められる。導光板２内部の光ｆは、凹凸パ
ターン５に入射すると、拡散反射され、光出射面６へ向
けて全反射の臨界角よりも小さな角度で反射された光ｆ
が、光出射面６から外部へ取り出される。また、導光板
２下面の凹凸パターン５の存在しない箇所を透過した光
ｆは、反射板４によって反射されて、再び導光板２内部
へ戻るので、導光板２下面からの光量損失を防止するこ
とができる。

【０００４】ところで、上述したように、ＬＥＤを光源
とした導光型のバックライト面光源装置においては、Ｌ
ＥＤの出射光を導光板に結合しなければならず、また、
導光板に結合させた光を拡散パターンにより面状に広げ
ているため、制御性が必ずしも良くなく、高効率、高均
一性に限界があり、また、設計が容易でない。従来で
は、照明等インコヒーレント光を導光板に結合するため
の構成として、いわゆるベクター（方向）放射結合型の
ものが知られている。

【０００５】ベクター放射結合型のバックライトの構成
を図３（ａ）（ｂ）に示す。ＬＥＤから成る光源３は導
光板２の端面の一点に局在化されており、それを中心に
導光板２の下面には、凹凸パターン５が同心円上に配列
されている。光源３から導光板２に光結合部３ｃを経て
結合された光は放射状に広がり、凹凸パターン５によっ
て出射される。導光板２の下方には反射板４が設けられ
ている。光は光源３を中心に導光板２の中を直線的に導
光させる。これにより、出射光は、導光量と放射損失係
数との積で表すことができる。放射損失係数を導光量低
下を補うように増加させることで、均一な出射光量を得
るようにする。凹凸パターン５は、導光方向に対して垂
直な方向に一様な形状にする。これにより、パターンに
当たった光で出射されなかった光も、導光方向が変わる
ことなく直線的な導光が得られる。

【０００６】ここに、光が直線的に導光することから、
光源３の指向性制御を行う必要があり、光結合部３ｃの
形状を制御する。図４に本バックライト構成の理想的な
光源の指向性を示す。光源３から導光板２の出射領域の
端までの距離の２乗にほぼ比例する。このため、図示の
対角θａ方向に相対強度のピークが現れ、光源指向性の
補正が必要となる。そこで、図３（ｂ）に示すように、
光源結合部３ｃのレンズ作用を用いて、対角θａ方向に
光を屈折させ補正している。また、実際には、理想的な
指向性と完全に一致させることは不可能であって、光源
３からの出射方向に依存する輝度むらが発生するので、
輝度の強い方向のパターン密度を下げ、低い方向へ合わ
せることにより、均一性が得られるようにする。

【０００７】このようなバックライトのパターンの概略
構成を図５に、そのパターンに光が当たった時の様子を
図６に示す。導光板２のパターン５に当たった光源３か
らの光は、角度が変えられる。その光の中で全反射角を
越えるものだけが、導光板２から出射されるが（光線
ａ，ｃ）、その他の光は、そのまま導光を続ける（光線
ｂ）。なお、図５においては、反射板４を導光板２のパ
ターン５が設けられた側と反対側に配置したものを示し
た（従って、この構成では、光は図面上で下側に出射す
る）が、図３（ａ）と同様に、反射板４を導光板２のパ
ターン５が設けられた側に配置してもよい。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のよう
な従来のバックライト構成では、上述したように、その
まま導光を続ける光があるため、導光板のパターンに当
たって取り出せる光の取り出し効率は１００％とはなら
ない。また、ベクター放射結合方式では、パターン形状
の特性から、光源とパターンを結ぶ方向での指向角は、
導光板の全反射条件を満たさないものであるために、１
８０度に広げられるが、それと直交方向の指向角は極め
て狭いものとなる。そして、このような偏った指向性は
面光源装置としては使いづらいものとなり、例えば、こ
の面光源を使用した画像表示装置は見る角度によって面
内の輝度の不均一を生じてしまう。

【０００９】そこで、図７（ａ）（ｂ）に示すように、
導光板２の上面に拡散板９を設置することが考えられ
る。これにより、導光板２から出射した光は拡散し、指
向角を広げることができる。しかしながら、拡散板９を
設置することで、拡散板９での反射、吸収などにより効
率が落ちてしまい、高効率化の意図に反する。また、導
光板２の製造コストが高いことからも好ましくない。従
って、拡散板などを用いずに、導光板出射時に指向角が
広がっているパターンの実現が望まれる。

【００１０】ここで、凹凸パターンの一つの構成例につ
いて図８を参照して説明する。図８（ａ）に示した凹凸
パターン５は、導光板２に横向き三角柱状のドット状の
凸パターンである（奥行き寸法は微少）。このようなパ
ターン構成の場合、導光板２内の光の指向性は±４５°
以下であり、下半分Ｂの光しかパターン５に当たらな
い。このようなパターンを用いて高い輝度を出すため
に、パターン密度を上げると、図８（ｂ）に示すよう
に、隣りのパターンへの再入射が生じ、やはり取り出し
効率は落ちてしまう。よって、パターン密度を上げて
も、取り出し効率の落ちないパターンの実現が望まれて
いた。

【００１１】本発明は、上述した問題点を解決するため
になされたものであり、ベクター放射結合方式におい
て、拡散板などを用いることなく、導光板に設けられた
光を出射させるパターンに当たった光を効率良く取り出
すことが可能で、高い光出射効率が得られ、また、偏っ
た指向性でなく均一な光分布が得られる面光源装置を提
供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に請求項１の発明は、平板状の導光板と、導光板の端面
に光が入射するように設置された、導光板の幅に比べて
幅の狭い光源と、導光板内を導光する光を取り出す、導
光板の表面に設けられた凹凸パターンとからなり、凹凸
パターンを構成する反射面は、所定の角度をなして互い
に交わる面からなり、上記の交わる面は、その交角をほ
ぼ２等分する平面が光源を通り、かつ導光板の表面に垂
直になる角度で設置されている面光源装置である。

【００１３】この構成においては、凹凸パターンを構成
する反射面が所定の角度をなして互いに交わる面から成
り（例えば、プリズム）、光源から直接プリズムに入る
光はプリズムにほぼ垂直に入射することになり、プリズ
ムに垂直に入射した光は逆方向に全反射されるが、この
ような場合は、ごくまれである。プリズムの垂直方向か
ら少しずれるだけでも、光は、互いに交わる一方の面に
反射して斜め前方の他方の面に当たって反射し、全体と
してひとひねりした後、導光板から出射される。したが
って、ほとんど全ての光は、プリズムでひとひねりさ
れ、斜め上方に進み、導光板から出射するようになる。
これにより、パターンに当たる光をほとんど全て取り出
せる可能性が高まる。

【００１４】また、上記において、凹凸パターンを構成
する、上記の交わる面以外の面は、該交わる面の交角を
２等分する面に、垂直または平行であることが望まし
い。また、上記の交わる面が、周期的に設けられている
ことが望ましい。また、上記凸パターンは、上記の交わ
る面の交線と、導光板の表面の角度が、２２．５°乃至
４５°であることが望ましい。また、上記凹パターン
は、上記の交わる面の交線と、導光板の表面の角度が、
４５°であることが望ましい。また、上記所定の角度
は、７５°乃至１０５°であることが望ましい。また、
本発明は、上記記載の面光源装置に用いられる導光板で
ある。また、本発明は、上記記載の面光源装置を用いて
画像を表示する画像表示装置である。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明を具体化した一実施
形態を図面を参照して説明する。図９は本実施形態によ
る面光源装置の外観図である。この面光源装置は、主と
して各種電気機器等の液晶表示画面のバックライトとし
て使用される。面光源装置１１は、光を閉じ込めて導光
させる矩形平板状の透明媒体である導光板１２と、この
導光板１２の端面から光が入射するように設置された点
光源１３と、導光板１２の非出射面側（図では下面）の
平板上に設けられたシート又は薄板状の反射板１４と、
導光板１２の平板上の一面に設けられた光出射用の凹凸
パターン１５（この構成が従来とは相違する。詳細構成
は後述）とから構成される。反射板１４は必ずしも必要
でない。点光源１３としては、導光板１２の幅寸法に比
べて十分に幅の狭いＬＥＤモジュール等を用いる。この
導光板１２から光を取り出す機構は、基本的には上述の
従来技術で説明したものと同等であり、点光源１３から
導光板１２内に導入された光は、導光板１２内で全反射
され、混ぜ合わされてパターン１５により外部へ取り出
される。なお、導光板１２の厚みは、１ｍｍ程度のもの
を用いる。

【００１６】光出射用の凹凸パターン１５の第１実施形
態による構成を図１０に示す。ここに示すパターン１５
は、ドット状の凸パターンであり、出射輝度の均一化の
ために導光板１２の一平面に点光源１３から遠くなる
程、密度を高めて配置される。なお、図示していない
が、凹パターンでもよい。パターン１５の一つを同図
（ｂ）（ｃ）に示す。凸パターン１５は横向き三角柱形
状であり、これを構成する一つの反射面をプリズム形状
としたものである。プリズム形状とは、互いにほぼ直交
する面を繰り返し周期的に並んで設けたものであり、こ
こでは、直角なプリズム１５ａを構成している。プリズ
ム１５ａの直交する面は、その交角（頂角）をほぼ２等
分する平面が点光源１３を通り、かつ導光板１２の表面
に垂直になる角度で設置されている。凸パターン１５の
プリズム１５ａ以外の側面１５ｂ，１５ｃは、プリズム
１５ａの交角を２等分する面に、垂直または平行であ
る。

【００１７】具体的には、凸パターン１５は、光源側の
面が導光板１２の表面に対して４５°の角度を持つ面で
あり、光源から遠い側の面がプリズム１５ａとされ、そ
の導光板表面とのなす角度は、３３．７５°とする。凸
パターン１５の上面１５ｄは、導光板１２の表面と同一
面を示す。凸パターン１５の光源からの光に直交する方
向の幅は、５０〜１００μｍ、光源からの光の方向の寸
法は、１５０μｍ、高さが５０μｍ程度とする。なお、
両側面１５ｃは、点光源１３からの放射光が当たらず、
導光板１２表面に垂直な面、角度に設定されている。

【００１８】本実施形態による照明の光源は、点光源で
あり、導光板との結合方式も従来技術で説明したよう
な、ベクター結合構成であるため、パターン１５に入射
する光は、点光源１３から真っ直ぐに来る光である。図
１１（ａ），（ｂ）に示すように、プリズム１５ａに垂
直に光が入射した場合、その光は逆方向に反射される。
また、図１２（ａ）（ｂ）に示すように、プリズム１５
ａが傾いている場合でも、上から見た時に傾いていない
角度のものであれば、全反射角を保っているため、入射
光を反射する。この原理より、パターン１５のプリズム
１５ａ面は全反射を生じさせる。

【００１９】また、プリズム１５ａは、図１３（ａ）に
示すように、入射光が確実に２回反射できるだけの長さ
を有するものであること、又は、ピッチが十分小さいも
のであることが望ましい。図１３（ｂ）に示すように、
プリズム１５ａが短いものである場合には、２回目の反
射をしない場合が起こり、不都合である。２回反射の条
件さえ満足すれば、プリズムは複数個ある必要はなく、
図１３（ｃ）に示すように、１個でもよい。

【００２０】また、導光板１２内を導光する光は、点光
源１３からの放射光に対して、４５°の角度で広がって
いる。従って、図１４に示すように、パターン１５の光
源側の面の角度が、４５°以上になっていることによ
り、導波光に影響を及ぼさなくなる。

【００２１】以上のように、パターン１５の一つの反射
面をプリズム１５ａとすることで、パターン１５に当た
る光は全て取り出すことができるようになる。プリズム
１５ａと導光板１２の表面角度は、図１５（ａ）に示す
ように、３３．７５°程度であれば、導光板１２に対し
て垂直な軸を中心に光が広がる。全ての光を出射する目
的のみであれば、図１５（ｂ）（ｃ）に示すように、プ
リズム１５ａと導光板１２表面の角度は、２２．５°〜
４５°であればよい。このようにして、交角を二等分す
る面での指向性は狭くなる。図１５（ａ）に示したよう
な構成では、導光板出射後の指向性は、おおよそ７０度
となる。

【００２２】第２実施形態によるパターン構成を図１
６、図１７に示す。上記ではパターン１５として、凸パ
ターンを示したが、図１６に示すように、凹パターンで
も構わない。この場合、全ての光を取り出すためには、
プリズム１５ｅが、導光板１２表面に対して、ほぼ４５
°であればよい。このような角度であることが望ましい
のは、第１実施形態とは異なり、パターンが付いている
側の導光板表面１５ｆからの反射光もプリズム１５ｅに
入射するためである。また、図１８に示すように、凸と
凹が併さったパターン１５でも構わない。

【００２３】図１８乃至図２０はパターンのプリズムの
変形例を示す。いずれも指向角の広角化を図るものであ
る。プリズムの互いに交わり合う面のなす交角が直角な
らば、光源から出射された、交角を２等分する面とほぼ
平行な光は、２回の全反射により再び交角を２等分する
面と平行になる。従って、指向角は広がらない。ところ
が、図１８に示すように、プリズム頂角（θ）を９０度
より大きく、又は、図１９に示すように、９０°未満に
することによって、上記の光源は交角を２等分する面と
は平行にならない。導光板の材質をアクリルとすると、
全反射の臨界角は４２°となり、この条件からプリズム
頂角は８８°乃至９３°が望ましい。しかしながら、頂
角が７５°乃至１０５°程度であれば、大部分の光は反
射するので、実用上問題はない。なお、プリズム頂角を
大きくすると、出射光の指向角が広くなる。

【００２４】また、プリズムの頂角の大きさで偏向され
る光の角度が決まるので、図２０に示すように、パター
ンのプリズム頂角（θ１，θ２，θ３，…）が種々異な
った値を持つものとすることが望ましい。この構成によ
り、導光板を出射する光は交角を２等分する面の法線方
向にも指向角を有するものとなる。

【００２５】さらにまた、様々な偏向角を実現するため
に、図２１に示すように、プリズムを構成する面の交角
が連続的に変化する曲面形状であってもよい。これによ
り、一つのプリズム部で指向角を広げることができる。
また、図２２に示すように、プリズム１５ａの２つの面
が連続的に変化する面とされていてもよい。また、図２
３に示すように、プリズムを構成する面の少なくとも１
つに拡散パターンｐを加工したものであってもよい。こ
の拡散パターンｐは不完全拡散反射をするようなパター
ンであって、入射光の多くを正反射させる特性を持つも
のが望ましい。これにより、プリズム部を反射した光は
指向角の広がった光となる。

【００２６】なお、本発明は上記実施形態の構成に限ら
れず種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態で
は、バックライトとして使用されるものを示したが、本
面光源装置を用いて画像を表示する画像表示装置として
構成してもよい。

【００２７】

【発明の効果】以上のように本発明に係る面光源装置に
よれば、導光板の表面に設けられた光を出射させる凹凸
パターンを構成する反射面が所定の角度をなして互いに
交わる面（プリズム面という）から成り、ほとんど全て
の光は、プリズムでひとひねりされ、斜め上方に進み、
導光板から出射するようになる。これにより、パターン
に当たる光をほとんど全て取り出せる可能性が高まる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の面光源装置の斜視図である。

【図２】同装置の断面図である。

【図３】（ａ）はベクター放射結合型のバックライト構
成の斜視図、（ｂ）は光源からの光結合部を示し、
（ａ）のＡ部の拡大図である。

【図４】バックライト構成の理想的な光源の指向性を示
す特性図である。

【図５】従来のバックライトのパターンの概略構成図で
ある。

【図６】そのパターンに光が当たった時の様子を示す図
である。

【図７】（ａ）（ｂ）は従来のバックライトの問題を解
決するための一つの構成を説明する図である。

【図８】（ａ）（ｂ）はバックライトの問題を説明する
図である。

【図９】第１の実施形態による面光源装置の外観図であ
る。

【図１０】（ａ）は同面光源装置の側面図、（ｂ）は同
装置における光出射用の凹凸パターンを示し、（ａ）の
Ｃ部の拡大透視斜視図、（ｃ）は横断面図である。

【図１１】（ａ）はプリズムに垂直に光が入射した場合
の上から見た図、（ｂ）は横から見た図である。

【図１２】（ａ）はプリズムに斜めに光が入射した場合
の上から見た図、（ｂ）は横から見た図である。

【図１３】（ａ）はプリズムが長い場合の図、（ｂ）は
プリズムが短い場合の図である。

【図１４】導光板内の光の指向性分布とパターンとを示
す図である。

【図１５】（ａ）（ｂ）（ｃ）はそれぞれ各種パターン
形状の場合の光の出射作用を示す図である。

【図１６】（ａ）は第２実施形態によるパターン形状の
場合の作用を示す図、（ｂ）は同パターンを透視して示
した斜視図である。

【図１７】パターンの他の構成例を示す図である。

【図１８】パターンのプリズムの構成例を示す図であ
る。

【図１９】パターンのプリズムの構成例を示す図であ
る。

【図２０】パターンのプリズムの構成例を示す図であ
る。

【図２１】パターンのプリズムの構成例を示す図であ
る。

【図２２】パターンのプリズムの構成例を示す図であ
る。

【図２３】パターンのプリズムの構成例を示す図であ
る。

【符号の説明】

１１面光源装置１２導光板１３点光源１５凹凸パターン１５ａ，１５ｅプリズム１５ｂ，１５ｃ側面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者内藤亮介京都府京都市右京区花園土堂町10番地オムロン株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】平板状の導光板と、上記導光板の端面に光が入射するように設置された、導
光板の幅に比べて幅の狭い光源と、上記導光板内を導光する光を取り出す、導光板の表面に
設けられた凹凸パターンとからなり、上記凹凸パターンを構成する反射面は、所定の角度をな
して互いに交わる面からなり、上記の交わる面は、その交角をほぼ２等分する平面が上
記光源を通り、かつ導光板の表面に垂直になる角度で設
置されていることを特徴とする面光源装置。
【請求項２】上記凹凸パターンを構成する、上記の交
わる面以外の面は、該交わる面の交角を２等分する面
に、垂直または平行であることを特徴とする請求項１記
載の面光源装置。
【請求項３】上記の交わる面が、周期的に設けられて
いることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の面
光源装置。
【請求項４】上記凸パターンは、上記の交わる面の交
線と、上記導光板の表面の角度が、２２．５°乃至４５
°であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいず
れかに記載の面光源装置。
【請求項５】上記凹パターンは、上記の交わる面の交
線と、上記導光板の表面の角度が、４５°であることを
特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の面
光源装置。
【請求項６】上記所定の角度は、７５°乃至１０５°
であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれ
かに記載の面光源装置。
【請求項７】請求項１乃至請求項６のいずれかに記載
の面光源装置に用いられる導光板。
【請求項８】請求項１乃至請求項６のいずれかに記載
の面光源装置を用いて画像を表示することを特徴とした
画像表示装置。