(57)【要約】【課題】輝度が高く、輝度分布が良好で、金型の加工が容易な導光板プリズム形状を得る。【解決手段】導光板プリズムの頂線１４、谷線１５の位置を出光面１８と入光面１１に平行、頂線を含む仮想平面１６を出光面に平行、谷線１５を含む仮想平面１７と頂線を含む仮想平面１６の間隔ｄを入光面からの距離とともに大きくする。プリズムを構成する面の、出光面となす角βやγは一定である必要はなく、代わりに、プリズムの２面のなす頂角αおよびプリズムの頂点のピッチｐを一定とする。さらに入光面に対向する面１９の長さは対向しない面２０の長さに較べ、短いことが必要である。頂角αとピッチｐを一定にし、仮想平面１６と仮想平面１７の間隔ｄ、角βをパラメーターとして選ぶことにより、面光源としての輝度およびその分布を適切に設計することが出来る。また、本発明のプリズム形状とすることにより導光板整形用金型の駒作製が容易となり、製造費用の低減に寄与できる。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
面光源装置に用いられる方形の導光板であって、板の一面を出光面、対向する他面をプリズム面、１側面を入光面としたときに、プリズム面におけるプリズムの頂線および谷線は、入光面および出光面に平行であり、その頂角が一定であり、かつ各プリズムの頂線のピッチが一定であり、各プリズムの頂線を含む仮想平面が出光面に平行で、谷線を含む仮想平面が入光面から離れるにつれて出光面に近づいていくことを特徴とする導光板。
【請求項２】
上記入光面および上記出光面に垂直な断面において、上記プリズムの入光面に対向する面の長さが、入光面に対向しない面の長さに較べ短いことを特徴とする請求項１に記載の導光板。
【請求項３】
上記プリズムの入光面に対向する面の面積が、入光面に対向しない面の面積に較べ小さいことを特徴とする請求項１に記載の導光板。
【請求項４】
請求項１、２または３に記載の導光板を用いた面光源装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶表示装置用面光源装置に関し、とくにエッジライト方式の面光源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶表示装置はパソコン、テレビ、ＰＤＡ、携帯電話端末などに広く使われている。液晶表示装置の心臓部を成す液晶パネルは、光線に対するシャッター機能しか有しないため、液晶パネルを照明するための光源が必要となる。このための照明装置として、携帯機器では低消費電力、機器の薄型化に対する要求が強いため、液晶パネルにほぼ対応する大きさの導光板から成る面光源装置が用いられる。反射型液晶パネルを用い、パネルの上方、即ち、観察者側から照明する面光源装置をフロントライト、透過型液晶パネルを用い、パネルの下方から照明する面光源装置をバックライトと称し、それぞれに適した構造を有している。
【０００３】
導光板を用いた面光源装置は、一般に、楔状あるいは平行断面の透明平面板（導光板）の上面あるいは下面の一方を光の出光面、側面のひとつを入光面とし、入光面に対向して外部に線状光源を設ける。導光板の出光面に対向する面には、プリズム状、突起状あるいは窪み状等の凹凸パターンや光の拡散特性を有する物質を印刷したパターンなどが形成されている。線状光源からの光は上記透明平面板すなわち導光板に入射し、導光板内を伝播するにつれ上記パターンにより反射され、進行方向を変換され、出光面全体から液晶パネルに向かい、所期の方向に出射する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
液晶表示装置からの出射光を出来るだけ均一に、むらなくするために、前記導光板の出光面に対向する面に形成された凹凸パターンや印刷パターンは、その面内密度あるいはパターン素子の大きさを、導光板入光面からの距離によって変えている。これは入光面から離れるにつれ光の強さが拡散あるいは出光により減少するのを補償するためである。
【０００５】
凹凸パターンとしては、図６にフロントライトの例を示す。これは入光面１１および出光面１８に垂直な断面の概略図である。プリズム状パターン１０は、その頂線１４や谷線１５を入光面１１と出光面１８とに平行になるように形成されている場合が多い。この場合、密度すなわちプリズムの周期ｐを一定にして各プリズムの形状を入光面からの距離に応じて変える方法と、形状を一定として密度すなわちプリズムのピッチを入光面からの距離に応じて変える方法がある。前者の場合の方が導光板としての効率が高い。
【０００６】
図６（ａ）に示すように、プリズムの入光面に対向する面１９と出光面１８とのなす角βを全プリズムで一定とし、さらにプリズム形状も周期ｐも一定として、谷線１５を入光面からの距離と共に点線で示すように、出光面に近づけるようにプリズムパターンを作ることにより、導光板からの出射光輝度分布を一様にし、輝度を大きくすることが可能となる。この場合、各プリズムの頂線を含む仮想平面１６と各プリズムの谷線を含む仮想平面１７の間隔ｄは一定で、導光板の入光面と出光面に垂直な断面の包絡線は楔状となる。
【０００７】
一方、図６（ｂ）に示すように、頂線の高さを変えず、谷線の高さのみ入光面からの距離と共に点線で示すように、出光面に近づけるように変えると、更に輝度の向上が可能となっている。この場合もプリズムの入光面に対向する面１９と出光面１８とのなす角βは一定である。図６（ａ）に較べ図６（ｂ）の導光板の方が効率が高いのは、各プリズムの頂線を含む仮想平面１６と各プリズムの谷線を含む仮想平面１７の間隔ｄが入光面からの距離とともに大きくなるためと考えられる。図６（ｂ）の構造では、プリズム周期ｐは一定のため、入光面からの距離と共に、プリズムの入光面に対向しない面２０と出光面となす角をプリズム毎に大きくしていく必要がある。
【０００８】
導光板は一般にアクリル、ポリオレフィン、ポリカーボネート樹脂などのプラスチックを射出成形することにより作製されるが、上記後者の導光板成形用金型の作製はかなり困難である。図５は成形用金型のプリズム面を成形する駒の概略図で、入光面および出光面に垂直な断面を示す。加工装置として高精度の２軸同時可変なシェーパーを必要とする。加工は、刃を紙面に垂直に動かしながら、紙面で上方に彫り進んでいく。図に示すように、入光面に対向しない面２０と出光面との成す角γはプリズム毎に変わっていく。加工面は鏡面仕上げが必要なため、刃面で加工することが要求される。従って、プリズム毎に加工刃物３０の刃面を入光面に対向する面１９の位置と入光面に対向しない面２０の位置に矢印のようにプリズム内で変えながら加工する。刃物先端部の位置を変えずに接している刃の角度を変えることが要求され、また加工に伴う刃先の振動を抑えるためにも、刃物取り付けヘッド部は高い剛性と位置、角度設定精度が必要となっている。この方法では必然的に、金型の谷線部分、すなわち導光板では頂線部分、は刃先を傾けて複数回加工することになり、形状がだれ、面精度でも荒くなる。このように、この導光板金型の製作は高度の技術を要し、時間を要する高価なものとなっている。本発明は、上記問題点を伴わず、同等の性能を有する導光板を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の導光板は、出光面に対向する面にプリズム状パターンが、その頂線や谷線を入光面と出光面とに平行になるように形成されている。図２は入光面および出光面に垂直な断面の概略図である。図に示すように、頂線１４、谷線１５の位置は出光面１８と入光面１１に平行で、上側の点線で示す頂線を含む仮想平面１６は出光面に平行である。谷線１５を含む仮想平面１７と頂線を含む仮想平面１６の間隔ｄは入光面からの距離とともに大きくなっていく。プリズムを構成する面の、出光面となす角βやγは一定である必要はなく、代わりに、プリズムの２面のなす頂角αおよびプリズムの頂点のピッチｐが一定となっている。さらに、上記導光板は、入光面および出光面に垂直な断面において、入光面に対向する面１９の長さは対向しない面２０の長さに較べ、短いことが好ましい。また、上記プリズムの入光面に対向する面１９の面積は、入光面に対向しない面２０の面積に較べ小さいことが好ましい。頂角αとピッチｐを一定にし、仮想平面１６と仮想平面１７の間隔ｄ、角βをパラメーターとして選ぶことにより、面光源としての輝度およびその分布を適切に設計することが出来る。また、本発明のプリズム形状とすることにより導光板整形用金型の駒作製が容易となり、製造費用の低減に寄与できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は本発明によるプリズムパターンを有するフロントライト型面光源装置を用いた液晶表示装置の１例である。図１（ａ）は横から見た模式図、図１（ｂ）は上から見た模式図である。ライトバー９の両端に白色発光ダイオード（ＬＥＤ）２が取り付けられており、ＬＥＤからの点線で示される光線はライトバー壁面で全反射を繰り返しながら進む。図中には表示していないが、ライトバーの、導光板１の入光面１１に接する面と反対側の面１２にはプリズム状の凹凸が刻まれており、このプリズムにより光線は導光板方向に進行方向を変えられ、導光板１に入射する。ライトバーは全体として線状光源となっている。
【００１１】
導光板１の出光面１８の反対側の面には本発明によるプリズム１０が形成されている。導光板の出光面には反射防止膜３がコートされている。導光板を偏光板に貼り付けず、単体として使用する場合、反射防止膜は視認性保持のために必ず付ける必要がある。入光面１１から導光板内に入った光線は点線で示すように、全反射を繰り返しながら導光板内を進み、プリズム１０に当たって方向を変えられ、液晶ユニット１３に向かう。液晶ユニット１３と導光板の間には、偏光板４、位相補償板５があり、導光板からの光線は直線偏光にされ、位相補償された後に液晶ユニットに入射する。液晶ユニットは反射型であり、透明平板６と８の間に液晶７が封じられている。各透明平板には画素に分割された電極が対応して形成され、上側透明平板６では透明電極となっている。下側の透明平板８の電極は鏡面として機能させるために反射率の高い物質を使用している。
【００１２】
ＴＦＴ型の液晶ユニットの場合、通常は電極間に電圧を印加しない状態、すなわち無信号状態のとき、観察者から見て液晶表示装置の画面が明るくなるように設定されている。表示する信号があるときは、信号に対応する各電極間に電圧を印加して液晶の光学的異方性を変化させ、液晶ユニットを通過、反射して偏光板に戻った光線の偏光方向を液晶ユニットに入射した光線の偏光方向に対し、回転させる。この光線の偏光面回転量に応じて偏光板通過光の強さが変わり、観察者には明暗の画像として認識される。カラーを表示する場合は、液晶の画素毎に３原色に対応する色フィルターを設け、色に応じて各フィルターを通過する光線の液晶画素の偏光面を回転させている。
【００１３】
観察者が見て液晶表示装置の像を明るく感じるためには、まず導光板出光面から高い輝度、方向のそろった均一性の良好な光線を液晶ユニットに向けて出射する必要がある。本発明によるプリズム頂角一定、プリズムピッチ一定、プリズム頂線１４、谷線１５の位置が出光面に平行、各プリズム頂線を含む仮想平面１６が出光面に平行な面をなし、各谷線を含む仮想平面１７が入光面からの距離とともに出光面１８に近づくプリズムパターンを備えた導光板を用いることにより、後に述べる金型加工の精度が高いこと、プリズム形状設計の自由度もあるため、高い輝度と均一な輝度分布面光源を得ることが出来る。
【００１４】
図２は本発明による導光板の一例である。導光板１の厚みは０．７ｍｍから１．０ｍｍの平行平板であり、携帯機器の薄型化により、薄いものの採用が増えている。プリズム頂線のピッチｐは０．０５ｍｍから０．２５ｍｍ程度であり、液晶の画素ピッチ、色フィルターピッチに依存し、画面にモアレパターンが出ないように選ばれる。各プリズム頂線を含む仮想平面１６と入光面１１に対向しない面２０とのなす角γは０．８度から１０度の範囲で、プリズムが入光面から離れるにつれ、大きくなる。入光面に対抗する面１９と仮想平面１６とのなす角βは導光板内で一定ではなく、プリズムが入光面から離れるにつれ小さくなる。角βが導光板内で４０度から４５度の範囲に収まるのが適当である。一定の頂角αおよびプリズムの頂線と谷線の間隔ｄは、角βが前記範囲に収まるように、かつ輝度が高く、その分布も良好なように選ばれる。頂角αは１２５度から１４５度、間隔ｄは導光板内での変化も含めて０．００１ｍｍから０．０３ｍｍが適当である。良好な輝度分布を得るためには、ピッチｐを小さく選ぶと、間隔ｄも小さい値を選ぶ必要がある。導光板の材質は、透明で屈折率が大きいものが、高い輝度をもたらす。全反射の臨界角が小さくなるためである。しかし、屈折率と透明性すなわち導光板の寿命は両立しないことが多いので、用途によって選ぶ必要がある。
【００１５】
図３は本発明による導光板を用いた３．５インチサイズＰＤＡ用フロントライトユニットを反射型液晶ユニットに組み込んだ時の輝度実測値である。導光板の有効部分の大きさは、縦７４．６ｍｍ、横５６．７ｍｍで厚さ０．８ｍｍの平板である。光源は白色ＬＥＤを４個使用し、ライトバーの両端に２個づつ配置している。導光板プリズムは、周期ｐを０．２２ｍｍ、プリズム頂角αを１３４度、入光面に対抗する面１９と仮想平面１６とのなす角βを４５度から４３度、プリズムの頂線と谷線の間隔ｄを０．００４ｍｍから０．０１１ｍｍとした。
【００１６】
液晶パネルを白色表示として、輝度計を、視野角１度、液晶パネルの中心から上方に距離３５ｃｍに設定して、液晶パネルからの反射光輝度を測定した。輝度最小値／最大値＝０．７３、平均輝度３７ｎｉｔ、中心位置輝度４３ｎｉｔの値が得られており、値、分布ともに極めて良好な結果が得られている。
【００１７】
図４は本発明の導光板を成形するための金型の駒４１の入光面および出光面に垂直な断面を示す。図に示すように、導光板のプリズム頂角に対応する部分は、駒では谷角であり、谷角αは各プリズムで一定である。谷角が一定であるために、この谷角と同じ刃先角度の刃物３１を使用することで、プリズム面２面を同時に刃面で加工することが出来る。谷線１４の間隔ｐを一定に保って、図２のプリズムを成形した時に頂線と谷線を含む仮想平面１６，１７の間隔を入光面から離れるにつれて大きくするためには、図４の刃先端を、間隔ｐを保ってプリズム毎に図の矢印の方向に少しずつ刃物の角度を変え、点線で示す一定の深さまで切り込めばよい。従って、金型の谷線近傍の形状は刃先とほぼ同じとなり、面も鏡面に仕上げることが出来、散乱などによる所期以外の方向への光の散逸を低減出来る。また、加工時間も短縮される。
【００１８】
以上、フロントライトに絞って述べたが、本発明はバックライトにも応用可能である。その場合はプリズムの頂線は導光板の外側に面すると考える。また、平行平板について述べたが、楔状断面板についても適用可能である。導光板側面をシボ加工し拡散面にすることで均一性の向上をはかることも可能である。
【００１９】
【発明の効果】
本発明によるプリズムパターンを有する導光板は、これまで説明してきたように、その金型駒の製作がより容易であり、従ってより低コストで作製できる。これを用いた面光源装置は輝度が高く、輝度分布の良好な特性を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を用いた液晶表示装置の概略図である。
【図２】本発明の導光板の概略の断面図である。
【図３】本発明の導光板を用いた面光源を液晶ユニットに組み込んで測定した表示画面上の輝度分布である。
【図４】本発明の導光板を成形するための金型の駒を加工する説明図である。
【図５】従来の導光板を成形するための金型の駒を加工する説明図である。
【図６】従来の導光板の概略の断面図である。
【符号の説明】
１　導光板
２　ＬＥＤ
３　反射防止膜
１０　プリズム
１１　入光面
１４　頂線
１５　谷線
１８　出光面
１９　入光面に対向する面
２０　入光面に対向しない面
３０、３１　刃物
４１　駒
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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