(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溝の斜面を反射面とし、溝と直交する断面形状が、溝の頂点を通り導光体の出光面に垂直な直線に対して、溝の頂点より同一の高さで、かつ左右に等しくずれた位置に中心を持つ二つの円弧を有する形状で、溝の幅をＰ、斜面の曲率半径をＲ、曲率半径Ｒの中心と、溝の頂点を通り導光体の出光面に垂直な直線との傾き角度をφ０とし、曲率半径ＲはＰの２〜１０倍、φ０は１０〜４０°であることを特徴とする面発光装置である液晶表示装置におけるバックライトに用いられる導光体。
【請求項２】
直立円弧回転面体の斜面を反射面とし、直立円弧回転面体の正面垂直平面の断面形状が、直立円弧回転面体の頂点を通り導光体の出光面に垂直な直線の回転軸に対して、直立円弧回転面体の頂点より同一の高さで、かつ左右に等しくずれた位置に中心を持つ二つの円弧を有する形状で、直立円弧回転面体の直径をＰ、斜面の曲率半径をＲ、曲率半径Ｒの中心と、直立円弧回転面体の頂点を通り導光体の出光面に垂直な直線の回転軸との傾き角度をφ０とし、曲率半径ＲはＰの２〜１０倍、φ０は１０〜４０°であることを特徴とする面発光装置である液晶表示装置におけるバックライトに用いられる導光体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
この発明は、面発光装置である液晶表示装置におけるバックライトに用いられる導光体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の導光体の反射面形状は、図示しないが印刷などによる反射面、金型にエッチング処理、放電加工、ブラスト加工等による反射面があり、射出成形による反射面として、図５〜図８に示すようなＶ形状、半円筒形状、円錐形状、球面形状およびその他がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来の導光体の反射面形状において、導光体内部の光源からの光線を効率良く任意の角度に反射させる形状のものは無い。この原因は、図９および下記の数式１０に示すように、導光体内部の光線の伝播角度が入光側から光軸方向に向かって一定の角度でなく、また、光が伝播することによって導光体の各位置によって複数の伝播角度が存在するためである。そこで、この発明では、導光体のどの位置でも、任意の角度に反射する割合の高い曲面を有する形状の反射面を用いることにより均一かつ高輝度な導光体を提供することを目的とするものである。
【０００４】
光源の位置を導光板端面からの距離をＬ、導光板底面（図９Ａ面）からの距離をＨとする。
Ａ面と平行な方向を０°とし、光源からの放射角度をθ１とすると、導光板の入光側の端面はＡ面に垂直な面であるとした場合、θ１は導光板への入射角となる。導光板の入光側端面での屈折により、（２）式のように、θ１は、θ２となり、導光板内部を伝搬する。
０°＞θ１＞−９０°の場合、つまり、最初の導光板内部での全反射がＡ面で起こる場合の、全反射の起こる位置を表す式を（１）式から（４）式に示す。
（１）式は、１回目の全反射が起こる位置Ｚ１を表す。Ｚ１はθ１の関数である。従って、導光板の各位置における伝搬角度は異なる。（３）式は、２回目の全反射の起こる位置である。（４）式は、ｍ回目の全反射が起こる位置である。（４）式の第２項の距離ごとに全反射が起こることがわかる。
０°＜θ１＜９０°の場合、つまり、最初の導光板内部での全反射がＢ面で起こり次にＡ面で全反射が起こる場合の、全反射の起こる位置を表す式を（５）式から（８）式に示す。この場合でも前記と同様のことが言える。
【０００５】
【数１０】
0003716410.tif 000002
【０００６】
前記従来の導光体の反射面形状の問題点について詳細に説明すると、導光体に対して側面に光源を有するバックライトにおいて、底面に反射面を有する導光体を例に取ると、導光体内部を伝播する光線の伝播角度は、図１０に示すように、底面の各位置において異なっており、図１１に示すように、光線は底面ともう一方の面を全反射しながら伝播するため、同一伝播角度の光線は、導光体底面において離散的に存在する。また、図１２に示すように、導光体底面の同一の位置において、複数の伝播角度の光線が存在する。このような光線が、反射面に入射し、反射面の形状に対応して反射する。印刷などによる反射面、金型にエッチング処理、放電加工、ブラスト加工等を行い、射出成形を行うことによって形成される反射面は、凹凸が１〜５μｍ程度の荒れた面であり、この反射面にどのような伝播角度の光線が入射しても、反射光は拡散光となる。したがって、高輝度は望めない。
【０００７】
従来のＶ形状、円錐形状をなした反射面の断面形状は、反射面の斜面に曲率を持たないため、必要な反射角度に対して、１方向の伝播角度の光線しか対応しない。その例として、図１３において、伝播角θｉ１の光線を、θｒの角度に反射させる反射面の傾きをψとし、図１４において、その反射面は導光体の片面（図１４Ａ面）にあるとする。ここで導光体内に、伝播角がθｉ１で伝播する光線を光線１とし、導光体内に伝播角がθｉ１でない角度で伝播する光線を光線２とする。図１４で、光線１は、Ｚ１、Ｚ３の位置でＡ面に照射され、図１３の反射面でθｒの角度に反射する。光線２はＺ２の位置でＡ面に照射され、図１３の反射面で反射するが、反射面への入射角度がθｉ１と等しくないので、反射角度は、θｒと異なる角度に反射する。したがって、θｒの方向から見た輝度分布は、図１５のようにＺ１とＺ３の位置で、輝度（反射光強度）が強くなり、ほかの位置では、弱くなる。結果として、Ｖ溝形状、円錐形状をなした反射面では、均一な輝度分布を得ることが難しくなる。
【０００８】
従来の半円筒形状、球面形状した反射面の断面形状は、円であるため、光線のどの伝播角度にも一致する反射面を有している。その例として、図１６において、２つの異なる光線の入射角度θｉ１、θｉ２に対し、Ｐ１、Ｐ２の位置の反射面で反射した反射光は、θｒとなり同一方向に反射する。図１７において、一つの溝またはドットでの希望する反射角度の光線を光線３とすると、この反射角度に寄与している部分が少ない。球面の底では、反射面の角度が０°であるため、光線の方向を変えることがなく、また、球面の底付近では、反射面の角度が小さく、反射角度が小さくなる為、光線１のように導光板内部で、全反射を起こし、導光板から光が出ていかない。したがって、輝度に関与していない。反射面の角度が小さく、反射角度が小さいが導光板内部で全反射を起こさない場合、光線２のようになり、希望する反射角度と異なり、光の損失となる。光線４は、希望する反射角度と異なった角度に反射しているが、この反射面への入射角度が小さい領域で、光線３と等しくなる角度があるため、有効な面といえる。このように、従来の半円筒形状、球面形状した反射面は、光線のどの伝播角度にも一致する反射面を有しているが、一つ溝またはドットにおいて、希望する反射角度に寄与している部分が少なくなり、輝度の向上は難しい。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
溝の斜面を反射面とし、溝と直交する断面形状が、溝の頂点を通り導光体の出光面に垂直な直線に対して、溝の頂点より同一の高さで、かつ左右に等しくずれた位置に中心を持つ二つの円弧を有する形状で、溝の幅をＰ、斜面の曲率半径をＲ、曲率半径Ｒの中心と、溝の頂点を通り導光体の出光面に垂直な直線との傾き角度をφ０とし、曲率半径ＲはＰの２〜１０倍、φ０は１０〜４０°であることを特徴とする面発光装置である液晶表示装置におけるバックライトに用いられる導光体にある。
【００１０】
直立円弧回転面体の斜面を反射面とし、直立円弧回転面体の正面垂直平面の断面形状が、直立円弧回転面体の頂点を通り導光体の出光面に垂直な直線の回転軸に対して、直立円弧回転面体の頂点より同一の高さで、かつ左右に等しくずれた位置に中心を持つ二つの円弧を有する形状で、直立円弧回転面体の直径をＰ、斜面の曲率半径をＲ、曲率半径Ｒの中心と、直立円弧回転面体の頂点を通り導光体の出光面に垂直な直線の回転軸との傾き角度をφ０とし、曲率半径ＲはＰの２〜１０倍、φ０は１０〜４０°であることを特徴とする面発光装置である液晶表示装置におけるバックライトに用いられる導光体としてもよいものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
溝の斜面を反射面とし、溝と直交する断面形状が、溝の頂点を通り導光体の出光面に垂直な直線に対して、溝の頂点より同一の高さで、かつ左右に等しくずれた位置に中心を持つ二つの円弧を有する形状で、溝の幅をＰ、斜面の曲率半径Ｒを２Ｐ、曲率半径Ｒの中心と、溝の頂点を通り導光体の出光面に垂直な直線との傾き角度を２６°であることを特徴とする面発光装置である液晶表示装置におけるバックライトに用いられる導光体。
【００１２】
【実施例】
この発明の面発光装置である液晶表示装置におけるバックライトに用いられる導光体の実施例における導光板Ｍの溝又は直立円弧回転面体の斜面（反射面）Ｍ１の形状を説明図により説明すると、反射面の曲率Ｒの中心は、図中反射面Ｍ１の頂点（図１点０）から、水平方向（Ｘ軸）にａ、垂直方向（Ｙ軸）にｂの位置にある。
光線１、光線２は、反射面への入射角θｉで入射する光線とする。光線１が反射面にあたる位置を点Ｐ１、光線２が反射面にあたる位置を点Ｐ２とする。
反射面から反射した光線の角度は、θｒとする。ここで、θｒの角度は、導光板内部での反射角度であり、導光板Ｍの出光面Ｍ２に垂直な方向を０゜とし、θｒの符号は、垂直方向に対して時計回りに正の値、反時計回りに負の値とする。
図１で、光線の入射角がθｉで入射しているとき、点０から点Ｐ１の位置では、左斜面の影になっており、反射面に光線があたらず反射光が得られない。入射角θｉで入射する光線は、この形状においてＰ１からＰ２の位置で反射が起こる。
ここで、光線１が反射面にあたる位置（図１点Ｐ１）での傾きをφ１、その反射光の反射角度をθｒ１、光線２が反射面にあたる位置（図１点Ｐ２）での傾きをφ２、その反射光の反射角度をθｒ２とすると、入射角θｉで入射する光線は、反射面においてθｒ１からθｒ２の間の角度に反射する。
以後、入射角θｉに対する反射角θｒ１とθｒ２の導出方法を示し、角度計算を行い、Ｖ形状、円形状（半円筒形状、球面形状）、本発明の形状を比較する。
【００１３】
入射角θｉに対する反射角θｒの関係を表す計算式を以下に示す。
図１の反射面の形状を表す式は、数式１となる。
【００１４】
【数１】
0003716410.tif 000003
【００１５】
また、反射面の底での斜面の傾きを、φ０とすると、数式２となる。
【００１６】
【数２】
0003716410.tif 000004
【００１７】
反射面の各位置における斜面の傾きを、φとすると、数式３となる。
【００１８】
【数３】
0003716410.tif 000005
【００１９】
入射角θｉに対する反射角θｒの関係は、数式４となる。
【００２０】
【数４】
0003716410.tif 000006
【００２１】
ここで、左斜面の影になる部分との境界点Ｐ１の座標を求める。
光線１は、数式５で表される点Ａを通り、傾きがθｉである直線なので、数式６となる。
【００２２】
【数５】
0003716410.tif 000007
【００２３】
【数６】
0003716410.tif 000008
【００２４】
反射面の形状を表す式は、前記数式１であるので、数式７とおく。
【００２５】
【数７】
0003716410.tif 000009
【００２６】
点Ｐ１は、式ｆ１と式ｆ２との交点であるので、数式８を満たす時のＸ、Ｙの値が点Ｐ１の座標となる。
【００２７】
【数８】
0003716410.tif 000010
【００２８】
求めた点Ｐ１の座標を、前記数式３、数式４に代入することにより、点Ｐ１での反射角度θｒ１を計算できる。
【００２９】
光線２は、数式９で表される点Ｐ２を通るので、点Ｐ２での反射角度θｒ２は、この座標を用いて、点Ｐ１と同様に計算できる。
【００３０】
【数９】
0003716410.tif 000011
【００３１】
ここで、以下の条件を考える。
Ｒを溝幅Ｐに対して１０００倍とおくと、反射面は、ほぼ直線となる。したがって、反射面の傾きが４０°であるＶ形状を表す条件は、以下のようになる。
条件１．  φ０＝４０°  Ｒ＝１０００Ｐ
円形状で、反射面の最大斜度を４５°とすると、Ｒは溝幅Ｐの１／√２となる。
したがって、以下の条件となる。
条件２．  φ０＝０°    Ｒ＝Ｐ／√２
この発明の形状の例として、以下の条件をあげる。
条件３．  φ０＝２６°  Ｒ＝２Ｐ
以上の条件における計算結果を図２、図３、図４に示す。
図２、図３、図４において、左軸は、反射角度を表す。右軸は、θｒ１とθｒ２との差、反射角度の開きを表す。
【００３２】
図２は、条件１における反射角度及び反射角度の開きを示す。
反射面の傾斜に曲率を持たない為、各入射角度に対してθｒ１とθｒ２は等しくなり、反射角度の開きは、０°となっている。ここで、反射角度０°の反射光を希望すると仮定した場合、同図で、反射角度０°に着目すると、入射角度θｉが１０°では、希望する角度０°に一致するが、それ以外の入射角度では、一致しないことが分かる。このことから、Ｖ形状を持つ反射面からの反射光は、指向性が鋭い特徴をもつことがわかる。前記したように導光板内部での光線の伝播角度（反射面への入射角度）は、各位置で異なっており、全反射を起こしながら、伝播しているため、同一角度の光線は、離散的に存在する。反射光の指向性が鋭い特徴をもつＶ形状を反射面に使用した場合、導光板内部で離散的に存在するある特定の入射角度に対して、効率の高い反射を起こす為、反射光は、離散的に強く反射される。結果として、入光側から縞状の明るい線が見える分布になり、均一性が低下する。
【００３３】
図３は、条件２における反射角度及び反射角度の開きを示す。
上記と同様に、反射角度０°の反射光を希望すると仮定した場合、同図で、反射角度０°に着目すると、すべての入射角度に対して、希望する角度に一致する。しかし、入射角度５°で反射角度の開きが２０°、入射角度１７．５°で反射角度の開きが７０°となり、入射角度が大きくなるに従い、反射角度の開きが大きくなっている。すなわち、入射角度が大きくなるに従い、光が拡散しているといえる。
【００３４】
図４は、条件３における反射角度及び反射角度の開きを示す。
上記と同様に、反射角度０°の反射光を希望すると仮定した場合、同図で、反射角度０°に着目すると、すべての入射角度に対して、希望する角度に一致する。
また、円形状の条件と同様に、入射角度が大きくなるに従い、反射角度の開きが大きくなっている。しかし、入射角度５°で反射角度の開きが６°、入射角度１７．５°で反射角度の開きが２０°となっており、入射角度に対する反射角度の開きの度合は小さくなっている。
【００３５】
この結果から、Ｖ形状と比較して、入射角度に対する反射角度の依存が少なく、また、円形状と比較して、反射角度の開きが小さいことから、効率よく均一な反射を得られるこの発明の形状が有利であることが分かる。
【００３６】
実際の導光体においては、均一な面発光を構成するため、光源と対応する一側面から、前記断面形状の反射面を有する溝を、一定の間隔または所要間隔毎に、導光体の幅一杯を連続的または所要の長さを破線的に配置し、溝の斜面の曲率及び深さを同一または所要に変えて形成するものである。前記断面形状の反射面を有する直立円弧回転面体形状（ドット形状）についても、その位置、斜面の曲率、径の大きさ及び深さは、前記溝と同様に、同一または所要に変えて形成されるものである。
【００３８】
【発明の効果】
この発明の導光体は、以上説明した断面形状の反射面にすることにより、従来の方式では行なわれていなかったドットまたは溝の反射面の反射効率の高効率化を行い、均一かつ高輝度の導光体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の実施例における溝の斜面または直立円弧回転面体の斜面の反射面形状を解説する説明図である。
【図２】  従来のＶ形状の反射面の条件１の計算結果を示すグラフ図である。
【図３】  従来の球面形状の反射面の条件２の計算結果を示すグラフ図である。
【図４】  この発明の実施例の反射面形状の条件３の計算結果を示すグラフ図である。
【図５】  従来のＶ形状の谷形反射面ａとＶ形状の山形反射面を示す説明斜視図である。
【図６】  従来の半円筒形状の谷形反射面ａと半円筒形状の山形反射面を示す説明斜視図である。
【図７】  従来の円錐形状の円錐谷形反射面ａと円錐形状の円錐山形反射面を示す説明斜視図である。
【図８】  従来の球面形状の球面谷形反射面ａと球面形状の球面山形反射面を示す説明斜視図である。
【図９】  導光体内部の光線の伝播角度が入光側から光軸方向に向かって一定の角度でなく、また、光が伝播することによって導光体の各位置によって複数の伝播角度が存在することを説明する説明図である。
【図１０】  導光体内部を伝播する光線の伝播角度を説明する説明図である。
【図１１】  導光体内部を伝播する光線は、底面ともう一方の面を全反射しながら伝播することを説明する説明図である。
【図１２】  同一の位置において、複数の伝播角度が存在することを説明する説明図である。
【図１３】  導光体において、光線の伝播角を、所要の角度に反射させる傾き角度を持つＶ形状のパターンを片面に有する導光体を示す説明図である。
【図１４】  光線が異なる位置で一面に照射されることを説明する説明図である。
【図１５】  所要角度の方向から見た輝度分布が異なる位置で、輝度が異なることを説明する説明図である。
【図１６】  半円筒形状、球面形状した反射面が、光線のどの伝播角度にも一致する反射面を有していることを説明する説明図である。
【図１７】  一つの溝またはドットにおいて、光線を希望する反射角度に寄与している部分が少ないことを説明する説明図である。
【符号の説明】
Ｍ  導光体
Ｍ１  反射面
Ｍ２  出光面
Ｒ  反射面の曲率
Ｒ１  反射面曲率の中心
【図１】
0003716410.tif 000012
【図２】
0003716410.tif 000013
【図３】
0003716410.tif 000014
【図４】
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【図５】
0003716410.tif 000016
【図６】
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【図７】
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【図８】
0003716410.tif 000019
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
0003716410.tif 000026
【図１６】
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【図１７】
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