JP4391511B2 - 導光板および平面照明装置 - Google Patents

Description

本発明は、側端面から導入した光を表面から放射する導光板およびこの導光板を用いた平面照明装置に関し、特に液晶表示面の照明に利用して好適なものである。

液晶ディスプレィのいわゆるバックライト光源として使用される平面照明装置は、光源ランプからの光を透明な導光板の側端面からこの導光板内に導き、導光板内での光の反射を利用して導光板の表面全域からこの光を均一に出射させるようにしたものである。平面照明装置が使用される液晶ディスプレィの特性を考慮した場合、この平面照明装置に要求される機能としては、全体として薄板状であること、および光源ランプの消費電力を極力抑えるものであることの他に、全体に亙って均一な光を出射させることが特に重要である。

このような目的のため、従来の平面照明装置は、導光板の裏面側に光反射シートを設けると共に導光板の表面側に二等辺三角柱状のプリズム面を平行に配列したプリズムシートをこれらのプリズム面の長手方向が相互に直交するように二枚重ね合わせた構造が採用される。つまり、導光板の裏面側から出射した光を光反射シートによって再び導光板内に入射させ、導光板の表面から出射した光を一対のプリズムシートによって収束させ、高輝度の照明光が得られるように配慮している。

また、導光板に入射した光の均一分散を意図して、この導光板の裏面に白色インクなどによる数百μm程度の大きさのドットを無数に印刷したものも知られている。この場合、ドットが目障りとならないように、導光板とプリズムシートとの間に光拡散シートを介在させ、導光板の表面から出射した光を光拡散シートによって分散させるようにしている。

導光板の表面から出射した光は、この導光板の構造に依存した、通常、制御不可能な指向性を持っており、その最大輝度が得られる方向と所望の視認方向とが一致しない場合がほとんどである。このため、プリズムシートを導光板の表面に単に重ねただけでは、導光板からの光がプリズム面の一方の斜面側からのみ出射した状態となり、均一な分布の光強度を得ることができない。

そこで、白色インクによるドットを導光板の裏面に印刷し、この導光板内を伝播する光を拡散させるようにしたものでは、光の吸収損失が発生する欠点を有する。しかも、これらのドットが目立たないように、光拡散シートを併用する必要があるため、この光拡散シートを通過する光のほとんどが拡散光となってしまい、輝度の低下が著しく大きくなる結果、光量の大きな明るい光源を使用しなければならない。その上、光の進行方向の制御がまったく不可能となってしまう。

また、従来のプリズムシートは、導光板からの拡散光を収束させることができるものの、導光板から出射する光は、導光板の表面に対して垂直ではなく、一般的に光源から離れる方向に傾斜している成分が多い。このため、従来のプリズムシートは、導光板の表面から出射する光を所望の方向、すなわち導光板の表面に対して垂直な方向に偏向させることができない。

さらに、従来の平面照明装置は、拡散シートの他に２枚のプリズムシートを導光板の上に重ね合わせて使用しているため、部品点数が多く、厚みを全体として薄くすることができなかった。また、拡散シートや２枚のプリズムシートでの界面反射などによる光の損失が大きく、光量の大きな明るい光源を使用する必要があり、装置全体のコンパクト化および低消費電力化を阻害する要因となる。

本発明の第１の目的は、損失が少なく、しかも高輝度の光を一様な分布で出射させることが可能な導光板を提供することにある。

また、本発明の第２の目的は、光の損失のみならず部品点数が少なく、しかもコンパクトで低消費電力化が可能な平面照明装置を提供することにある。

本発明の第１の形態は、光が出射する表面部と、この表面部の反対側に位置する平坦な裏面部と、これら表面部および裏面部の一端側に位置して当該表面部および裏面部に接続すると共に光源からの光を導入するための入射端面部と、この入射端面部の反対側に位置する反射端面部とを有し、この入射端面部から入射した光を前記表面部から出射させるための導光板であって、前記裏面部には、この裏面部から突出する複数の凸部がランダムに形成され、これら凸部は、前記反射端面部側に対して前記入射端面部側ほど前記表面部との間隔が拡がる傾斜面を有し、前記導光板を構成する材料の屈折率をｎ₁、α＝sin^-1(１/ｎ₁)、円周率をπと表した場合、前記傾斜面と前記表面部とのなす角θが{(２π/９)−(α/２)}から{(１１π/３６)−(α/２)}の範囲にあることを特徴とするものである。

また、本発明の第２の形態は、光が出射する表面部と、この表面部の反対側に位置する平坦な裏面部と、これら表面部および裏面部の一端側に位置して当該表面部および裏面部に接続すると共に光源からの光を導入するための入射端面部とを有し、この入射端面部から入射した光を前記表面部から出射させるための導光板であって、前記裏面部には、この裏面部から突出する複数の凸部がランダムに形成され、これら凸部は、所定曲率の球面の一部にて形成され、前記導光板を構成する材料の屈折率をｎ₁、α＝sin^-1(１/ｎ₁)、円周率をπ、前記凸部の半径をｒと表した場合、前記球面の曲率半径Ｒと前記裏面部からの当該球面の突出量ｈとの関係がｈ＝Ｒ(１−cosθ₂)かつＲ＝ｒ/sinθ₂であり、θ₂が{(２π/９)−(α/２)}から{(１１π/３６)−(α/２)}の範囲にあることを特徴とするものである。

本発明の第１および第２の形態においては、入射端面部から導光板内に入射した光源からの光が導光板の裏面部に突設された凸部に達すると、その全反射条件が変わって一部が導光板の外側に出射する。

本発明の第１の形態および第２の形態による導光板において、表面部から出射する光を所定の方向に偏向させるための光偏向手段を表面部に形成することができる。

凸部は、入射端面部から離れるほど裏面部の単位面積当たりに占める割合が大きくなるように設定されていることが望ましく、凸部の大きさは、１０μmから１５０μmの範囲にあることが有効である。

光偏向手段は、入射端面部と直交する方向に延びると共に導光板の幅方向に沿って交互に配列する所定曲率半径の凹凸面を有するものであっても良いし、入射端面部と直交する方向に延びると共に導光板の幅方向に沿って配列する三角柱状のプリズム面を有するものであっても良い。

一方、本発明の第３の形態は、本発明の第１または第２の形態による導光板と、この導光板の入射端面部に向けて光を投射する光源と、前記導光板の表面部に沿って平滑な平面部と、前記導光板の入射端面部と平行な方向に延びると共にこの入射端面部と直交する方向に配列する三角柱状のプリズム面とを有し、かつ前記導光板の表面部に重ね合わされる光偏向板と、前記導光板の表面部および入射端面部以外の部分を覆う光反射シートとを具えたことを特徴とする平面照明装置にある。

本発明の第３の形態においては、入射端面部から導光板内に入射した光源からの光が導光板の裏面部に突設された凸部に達すると、その全反射条件が変わって一部が導光板の外側に出射した後、光反射シートによって再び導光板の裏面部から導光板内に導かれる。また、導光板内を伝播する光の一部は導光板の表面部から出射し、光偏向板によって所定の方向に偏向される。このようにして、導光板の表面部および入射端面部以外の部分から導光板の外側に出射した光は、光反射シートによって再び導光板内に導入され、最終的に導光板の表面部からすべて出射する。

本発明の第３の形態による平面照明装置において、導光板の表面部に、この表面部から出射する光を所定の方向に偏向させるための光偏向手段を形成することができる。また、光偏向板のプリズム面は、入射端面部側ほど平面部との間隔が拡がる第１の傾斜面と、この第１の傾斜面に続く第２の傾斜面とを交互に有し、平面部と第１の傾斜面とのなす角は、平面部と第２の傾斜面とのなす角よりも小さいことが有効である。

本発明の導光板および平面照明装置によると、反射端面部側に対して入射端面部側ほど表面部との間隔が拡がる傾斜面をそれぞれ有する複数の凸部を裏面部からランダムに突出させたので、入射端面部から導光板内に入射した光を効率よく導光板の外側に出射させることができる。

また、導光板の表面部に光偏向手段を形成した場合、導光板の表面部から導光板の外側に出射する光を所定の方向に偏向させることができる。

本発明による平面照明装置において、光導光板の平面部と光偏向板の第１の傾斜面とのなす角を、平面部と第２の傾斜面とのなす角よりも小さく設定した場合、第２の傾斜面よりも第１の傾斜面による光の屈折作用が大きく働き、全体として第１の傾斜面における平面部との間隔が拡がる方向への光の偏向作用をより強く持たせることができる。

一方、導光板の裏面部に突設した凸部を、入射端面部から離れるほど裏面部の単位面積当たりに占める割合が大きくなるように設定した場合には、出射光の輝度分布を均一にすることができる上、凸部の大きさを１０〜１５０μmにしたことによって、凸部の目立たない良好な導光板を得ることができ、光拡散シートを併用する必要がなくなる。

また、導光板の表面部に光偏向手段を一体的に形成した場合には、従来使用していたプリズムシートをさらに省略することが可能となり、光の損失や消費電力が少なく、しかもより薄型の平面照明装置を得ることができる。

本発明による平面照明装置の一実施形態について、図１〜図１０を参照しながら詳細に説明する。

本実施形態による平面照明装置の断面構造を表す図１およびその分解した状態の外観を表す図２に示すように、本実施形態における平面照明装置１１は、矩形の板状をなす導光板１２と、この導光板１２の入射端面部１３に沿って配置される線状の光源ランプ１４と、導光板１２の表面部１５に重ね合わされる光偏向板１６と、導光板１２の入射端面部１３および表面部１５以外の部分を覆う光反射シート１７とを有する。また、冷陰極管や複数のＬＥＤにて構成される光源ランプ１４は、放物線状断面のリフレクタ１８で囲まれており、このリフレクタ１８からの反射光は、表面部１５とほぼ平行に導光板１２の入射端面部１３から導光板１２内に入射するようになっている。

本実施形態における導光板１２は、屈折率が１.４９の透明なアクリル樹脂（ＰＭＭＡ）にて形成され、光源ランプ１４からの光を導入するための入射端面部１３と、この入射端面部１３の反対側に位置する反射端面部１９と、これら入射端面部１３および反射端面部１９の両側端に接続する一対の側端面部２０と、これら入射端面部１３および反射端面部１９および側端面部２０で囲まれて入射端面部１３から入射した光を出射させるための表面部１５および裏面部２１とを有する。表面部１５と反対側に位置する裏面部２１は、表面部１５と裏面部２１との間隔が入射端面部１３側に対して反射端面部１９側ほど狭くなるように、表面部１５に対して０.５度から１度程度傾斜したテーパ状となっている。

導光板１２の裏面部２１を模式的に表す図３およびそのIV−IV矢視断面に沿った抽出拡大形状を表す図４およびそのＶ−Ｖ矢視断面に沿った抽出拡大形状を表す図５およびその矢視VI部を拡大した図６に示すように、導光板１２の裏面部２１には、入射端面部１３側ほど表面部１５との間隔が拡がる傾斜面２２を有する三角柱状をなす矩形の凸部２３がランダムに配置され、これら凸部２３と表面部１５に形成される後述する凹凸面２４および光偏向板１６との間でモアレ縞などが発生しないように配慮している。この凸部２３は、入射端面部１３から入射して導光板１２内を伝播する光を効率良く全反射させて表面部１５側に導くためのものであり、個々の凸部２３を肉眼にて識別できないように、それぞれ一辺が１５０μm以下の大きさに設定されているが、これが小さすぎることによる光の拡散の問題と製造の容易性とを考慮して１０μm以上であることが望ましい。

このように、凸部２３の大きさを１０〜１５０μmの範囲に設定することにより、従来のような光拡散シートを使用する必要がなくなり、光の進行方向を比較的容易に制御することが可能となる。

ところで、導光板１２に入射した光線は、導光板１２の屈折率ｎに応じて
０≦｜α｜≦sin^-1(１/ｎ)
を満たす入射角αの範囲で進行する。また、導光板１２の内部を表面部１５と平行な方向に対して入射角αで伝搬する入射光線Ｌ_Iが表面部１５と平行な方向に対して傾斜角がθの傾斜面２２に対して全反射を生じさせるためには、導光板１２の屈折率をｎ（＝１.４９）、その臨界角をφ、円周率をπとすると、
θ≦(π/２)−α−φ
である必要がある。ただし、sinφ＝１/ｎであり、本実施形態の如きアクリル樹脂を用いた導光板１２の場合、臨界角φは約４２°となる。

また、裏面部２１にて全反射した反射光線ＬOが導光板１２の表面部１５より外部へ出射するためには、
θ≧{(π/２)−α−φ}/２
を満たす必要がある。つまり、導光板１２内を伝搬する光を外部へ有効に取り出すためには、凸部２３の傾斜面２２の傾斜角θが
−π/３６≦θ−(π/４)＋(α/２)≦π/１８
を満足する必要がある。

なお、導光板１２の外側に出射する反射光線のエネルギは、光反射シート１７が存在しない場合、図７に示すように入射角αが０度の時に最大となり、入射角αが大きくなるに従って次第に小さくなり、そして約４２度以上でほぼ０となるが、傾斜面２２などの界面反射や吸収などによる損失があるものの、光反射シート１７の存在によって最終的に表面部１５から導光板１２の外側にすべて出射する。

このように、入射光線Ｌ_Iが凸部２３の傾斜面２２で全反射し、かつ反射光線Ｌ_Oが表面部１５で全反射せずにこの表面部１５から導光板１２の外側に出射するためには、入射角αと傾斜角θとが図７に示した斜線領域内に存在する必要がある。屈折率ｎが１.４９のアクリル樹脂を使用した本実施形態におけるこのような条件を満足する傾斜角θは、約２４度から約４８度の範囲内にあり、この場合の入射角αは０度から約２４度となる。

つまり、入射角αが２４度以下の入射光線は、凸部２３の傾斜面２２にてすべて全反射して表面部１５側へ伝播する。また、入射角αが２４度を越えた入射光線Ｌ_Iの大部分は、凸部２３から導光板１２の外側に出射するが、光反射シート１７によって再び導光板１２内に入射し、最終的に表面部１５から導光板１２の外側に出射する。さらに、入射角αが２４度を越えた入射光線の一部は、凸部２３の傾斜面２２で界面反射を起こして表面部１５側へ伝播し、導光板１２の外側に出射する。

導光板１２に入射した光は、この導光板１２中を進行するに連れてそのエネルギが減少するため、導光板１２の裏面部２１に突設された凸部２３の占有率を漸次変化させる必要がある。具体的には表面部１５から出射する反射光線がこの表面部１５全体に亙って均一な輝度となるように、裏面部２１の単位面積当たりに占める凸部２３の面積割合（以下、これを占有率と記述する）は、光源ランプ１４からの光の進行方向（図１中、右方向）に沿った裏面部２１の位置と凸部２３の占有率との関係を表す図８に示すように、反射端面部１９側ほど大きな占有率となるように設定されている。

この場合、導光板１２の入射端面部１３に近接する表面部１５は、光源ランプ１４からの光が直接透過して輝度が高くなる傾向を有するため、入射端面部１３に近接する裏面部２１における凸部２３の占有率をこれに続く部分よりも小さめに設定している。同様に、導光板１２の反射端面部１９に近接する表面部１５は、反射端面部１９からの反射光が透過して輝度が高くなる傾向を有するため、反射端面部１９に近接する裏面部２１における凸部２３の占有率をこれに続く部分よりも小さめに設定している。

なお、本実施形態では凸部２３の占有率の最大値を約７０％程度に設定しているが、これをほぼ１００％に設定することも当然可能である。

導光板１２の表面部１５には、入射端面部１３と直交する方向（図１中、左右方向）に延びると共に導光板１２の幅方向に沿って配列して波形をなす所定曲率半径の凹凸面２４,２５が形成されている。凹面２４は、表面部１５から出射する光を拡散する一方、凸面２５は、表面部１５から出射する光を収束させ、これによってより均一な輝度分布が得られるように配慮している。隣接する凹面２４および凸面２５のそれぞれの間隔は、３０〜１００μm程度に設定することが望ましく、凹面２４と凸面２５との高さの差は１０〜４５μm程度が望ましい。

前記光偏向板１６の側面形状を表す図９に示すように、本実施形態における光偏向板１６は、透明なアクリル樹脂にて形成され、導光板１２の表面部１５と対向する平滑な平面部２６と、導光板１２の入射端面部１３と平行な方向に延びると共に入射端面部１３と直交する方向に配列する三角柱状のプリズム面２７とを有する。このプリズム面２７は、導光板１２の入射端面部１３側ほど平面部２６との間隔が拡がる第１の傾斜面２８と、この第１の傾斜面２８に続く第２の傾斜面２９とを交互に有し、平面部２６と第１の傾斜面２８とのなす角δ_１は、平面部２６と第２の傾斜面２９とのなす角δ_２よりも小さく、例えばδ₁を（２８±３）度に設定し、δ₂を（６２±３）度に設定している。

前述した光反射シート１７は、導光板１２の反射端面部１９と一対の側端面部２０と裏面部２１とを覆い、これらから出射する光を再び導光板１２内に反射させて導光板１２の表面部１５から出射させるためのものであり、内面側がアルミニウム蒸着による鏡面加工が施されている。

上述した実施形態では、導光板１２の表面部１５に所定曲率半径の凹凸面２４,２５を波形に形成したが、頂角が９５〜１０５度程度の二等辺三角柱状のプリズム面を連続的に形成するようにしても良い。また、凸部２３として三角柱状のものを採用したが、所定曲率半径の球面の一部にて形成された形状を採用することも可能である。

このような本発明による導光板１２の他の実施形態の概略構造を表す図１０に示すが、先の実施形態と同一機能の部分には、これと同一符号を記すに止め、重複する説明は省略するものとする。すなわち、導光板１２の裏面部２１には、所定曲率半径の球面３０の一部にて形成された凸部３１がランダムに配置され、これら凸部３１と表面部１５に形成される凹凸面２４および光偏向板１６との間でモアレ縞などが発生しないように配慮している。この凸部３１は、入射端面部１３から入射して導光板１２内を伝播する光を効率良く全反射させて表面部１５側に導くためのものであり、個々の凸部３１を肉眼にて識別できないように、それぞれ１５０μm以下の直径に設定されているが、これが小さすぎることによる光の拡散の問題と製造の容易性とを考慮して１０μm以上であることが望ましい。

このように、凸部２３の大きさを１０〜１５０μmの範囲に設定することにより、従来のような光拡散シートを使用する必要がなくなり、光の進行方向を比較的容易に制御することが可能となる。

ここで、導光板１２を構成する材料の屈折率をｎ、α＝sin^-1(１/ｎ)、円周率をπ、凸部３１の半径をｒと表した場合、球面３０の曲率半径Ｒと裏面部２１からの当該球面３０の突出量ｈとの関係がｈ＝Ｒ(１−cosθ₂)かつＲ＝ｒ/sinθ₂であり、θ₂が{(２π/９)−(α/２)}から{(１１π/３６)−(α/２)}の範囲となるように設計することにより、先の傾斜面２２を有する凸部２３と同様な効果による全反射を利用した効率の良い導光板１２を得ることができる。

本発明による平面照明装置の一実施形態の概略構造を表す断面図である。 図１に示した実施形態の分解斜視図である。 図１に示した実施形態における導光板の裏面部の外観を表す底面図である。 図３中のIV−IV矢視に沿った拡大断面図である。 図４中のＶ−Ｖ矢視断面図である。 図５中の矢視VI部の抽出拡大図である。 凸部に入射する入射光線の入射角αと、凸部の傾斜面の傾斜角θおよび光エネルギとの関係を表すグラフである。 入射端面部から反射端面部に至る導光板の裏面部と、その単位面積当たりの凸部の占有率との関係を表すグラフである。 図１に示した実施形態における光偏向板の側面形状を表す抽出拡大図である。 本発明による導光板の他の実施形態における主要部の断面図である。

符号の説明

１１ 平面照明装置
１２ 導光板
１３ 入射端面部
１４ 光源ランプ
１５ 表面部
１６ 光偏向板
１７ 光反射シート
１８ リフレクタ
１９ 反射端面部
２０ 側端面部
２１ 裏面部
２２ 傾斜面
２３ 凸部
２４ 凹面
２５ 凸面
２６ 平面部
２７ プリズム面
２８ 第１の傾斜面
２９ 第２の傾斜面
３０ 球面
３１ 凸部
Ｌ_I 入射光線
Ｌ_O 反射光線
α 入射光線の入射角
θ 傾斜面の傾斜角

Claims (10)

1. 光が出射する表面部と、この表面部の反対側に位置する平坦な裏面部と、これら表面部および裏面部の一端側に位置して当該表面部および裏面部に接続すると共に光源からの光を導入するための入射端面部と、この入射端面部の反対側に位置する反射端面部とを有し、この入射端面部から入射した光を前記表面部から出射させるための導光板であって、
   前記裏面部には、この裏面部から突出する複数の凸部がランダムに形成され、これら凸部は、前記反射端面部側に対して前記入射端面部側ほど前記表面部との間隔が拡がる傾斜面を有し、
   前記導光板を構成する材料の屈折率をｎ1、α＝sin^-1(１/ｎ₁)、円周率をπと表した場合、前記傾斜面と前記表面部とのなす角θが{(２π/９)−(α/２)}から{(１１π/３６)−(α/２)}の範囲にあることを特徴とする導光板。
2. 光が出射する表面部と、この表面部の反対側に位置する平坦な裏面部と、これら表面部および裏面部の一端側に位置して当該表面部および裏面部に接続すると共に光源からの光を導入するための入射端面部とを有し、この入射端面部から入射した光を前記表面部から出射させるための導光板であって、
   前記裏面部には、この裏面部から突出する複数の凸部がランダムに形成され、これら凸部は、所定曲率の球面の一部にて形成され、
   前記導光板を構成する材料の屈折率をｎ1、α＝sin^-1(１/ｎ₁)、円周率をπ、前記凸部の半径をｒと表した場合、前記球面の曲率半径Ｒと前記裏面部からの当該球面の突出量ｈとの関係がｈ＝Ｒ(１−cosθ₂)かつＲ＝ｒ/sinθ₂であり、θ₂が{(２π/９)−(α/２)}から{(１１π/３６)−(α/２)}の範囲にあることを特徴とする導光板。
3. 前記表面部には、この表面部から出射する光を所定の方向に偏向させるための光偏向手段が形成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。
4. 前記凸部は、前記入射端面部から離れるほど前記裏面部の単位面積当たりに占める割合が大きくなるように設定されていることを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の導光板。
5. 前記凸部の大きさは、１０μmから１５０μmの範囲にあることを特徴とする請求項１から請求項４の何れかに記載の導光板。
6. 前記光偏向手段は、前記入射端面部と直交する方向に延びると共に前記導光板の幅方向に沿って交互に配列する所定曲率半径の凹凸面を有することを特徴とする請求項１から請求項５の何れかに記載の導光板。
7. 前記光偏向手段は、前記入射端面部と直交する方向に延びると共に前記導光板の幅方向に沿って配列する三角柱状のプリズム面を有することを特徴とする請求項１から請求項５の何れかに記載の導光板。
8. 請求項１から請求項７の何れかに記載の導光板と、
   この導光板の入射端面部に向けて光を投射する光源と、
   前記導光板の表面部に沿って平滑な平面部と、前記導光板の入射端面部と平行な方向に延びると共にこの入射端面部と直交する方向に配列する三角柱状のプリズム面とを有し、かつ前記導光板の表面部に重ね合わされる光偏向板と、
   前記導光板の表面部および入射端面部以外の部分を覆う光反射シートと
   を具えたことを特徴とする平面照明装置。
9. 前記導光板の前記表面部には、この表面部から出射する光を所定の方向に偏向させるための光偏向手段が形成されていることを特徴とする請求項８に記載の平面照明装置。
10. 前記光偏向板の前記プリズム面は、前記入射端面部側ほど前記平面部との間隔が拡がる第１の傾斜面と、この第１の傾斜面に続く第２の傾斜面とを交互に有し、前記平面部と前記第１の傾斜面とのなす角は、前記平面部と前記第２の傾斜面とのなす角よりも小さいことを特徴とする請求項８または請求項９に記載の平面照明装置。

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