(57)【要約】【課題】  側面発光型バックライト装置の導光板及びこれを採用した側面発光型バックライト装置を提供する。【解決手段】 点光源と、点光源から光が入射される入光部と光が射出される出光面とを備える導光板と、導光板の内部を進行する光の電波経路を変換させる光路変換手段とを含み、ここで入光部は、点光源と対面されるように位置され、プリズムパターンが設けられた入光面と、入光面を通過した光を反射させて水平角を小さくするものであって、入光面から光の進行方向に延びて形成され、光軸を中心に向き合うように位置される第１面及び第２面を含む側面発光型バックライトである。【選択図】図４
2004319514.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
点光源からの光が入射する入光部と、
光を射出する出光面とを含み、
前記入光部は、
前記点光源と対面するように位置し、プリズムパターンが設けられた入光面と、
前記入光面を通過した光を反射して水平角を縮めるものであって、前記入光面から光の進行方向に延設され、光軸を中心に向き合うように位置する第１面及び第２面と、
を含む側面発光型バックライト装置の導光板。
【請求項２】
前記第１面と第２面とが各々前記光軸と成す角度は互いに同一であることを特徴とする請求項１に記載の側面発光型バックライト装置の導光板。
【請求項３】
前記第１面と第２面とは前記光軸を中心として互いに対称になるように位置することを特徴とする請求項２に記載の側面発光型バックライト装置の導光板。
【請求項４】
前記プリズムパターンは、その水平断面が三角形であることを特徴とする請求項１に記載の側面発光型バックライト装置の導光板。
【請求項５】
前記プリズムパターンの頂角C3は前記点光源の半値角FWHMとの関係で、C3≧(90-FWHM)×２である関係を満足することを特徴とする請求項４に記載の側面発光型バックライト装置の導光板。
【請求項６】
前記点光源は少なくとも１つのLEDを含み、
前記プリズムパターンの頂角は90°より大きいことを特徴とする請求項４に記載の側面発光型バックライト装置の導光板。
【請求項７】
前記プリズムパターンは、その水平断面が二等辺三角形であることを特徴とする請求項４に記載の側面発光型バックライト装置の導光板。
【請求項８】
前記プリズムパターンのピッチは10〜100μmであることを特徴とする請求項４に記載の側面発光型バックライト装置の導光板。
【請求項９】
前記点光源から光が入射する入光部と、光を射出する出光面を備える導光板と、
前記導光板の内部を進行する光の電波経路を変換させる光路変換手段とを含み、
前記入光部は、
前記点光源と対面するように位置し、プリズムパターンが設けられた入光面と、
前記入光面を通過した光を反射して水平角を縮めるものであって、前記入光面から光の進行方向に延設され、光軸を中心に向き合うように位置する第１面及び第２面とを含む側面発光型バックライト装置。
【請求項１０】
前記第１面と第２面とが各々前記光軸と成す角度は互いに同一であることを特徴とする請求項９に記載の側面発光型バックライト装置。
【請求項１１】
前記第１面と第２面とは前記光軸を中心として互いに対称になるように位置されることを特徴とする請求項10に記載の側面発光型バックライト装置。
【請求項１２】
前記プリズムパターンは、その水平断面が三角形であることを特徴とする請求項９に記載の側面発光型バックライト装置。
【請求項１３】
前記プリズムパターンの頂角C3は前記点光源の半値角FWHMとの関係で、C3≧(90-FWHM)×２である関係を満足することを特徴とする請求項12に記載の側面発光型バックライト装置。
【請求項１４】
前記点光源は少なくとも１つのLEDを含み、
前記プリズムパターンの頂角は90°より大きいことを特徴とする請求項12に記載の側面発光型バックライト装置。
【請求項１５】
前記プリズムパターンは、その水平断面が二等辺三角形であることを特徴とする請求項12に記載の側面発光型バックライト装置。
【請求項１６】
前記プリズムパターンのピッチは10〜100μmであることを特徴とする請求項12に記載の側面発光型バックライト装置。
【請求項１７】
前記光路変換手段は、前記導光板の出光面とこれに対面する面のうち少なくとも一つの面に設けられるホログラムパターンを含むことを特徴とする請求項９に記載の側面発光型バックライト装置。
【請求項１８】
前記光路変換手段は、前記導光板の出光面とこれに対面する面のうち少なくとも一つの面に設けられる散乱パターンを含むことを特徴とする請求項９に記載の側面発光型バックライト装置。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はバックライト装置に係り、特に導光板(LGP：Light  Guide  Panel)と点光源とを使用する側面発光型バックライト装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶表示装置のような平面表示装置を照明するものであって、バックライト装置は光源の配置形態により、平面表示装置の真下に設けられた多数のランプが光を液晶パネルに直接照射する直下発光型と、導光板の側面側に設けられたランプが光を照射して液晶パネルに伝達する側面発光型とに分類される。
【０００３】
側面発光型は光源として線光源と点光源とを使用できる。代表的な線光源としては両端部の電極が管内に設けられる冷陰極蛍光ランプ(CCFL：Cold  Cathode  Fluorescent  Lamp)があり、点光源としては発光ダイオード(LED：Light  Emitting  Diode)がある。CCFLは強い白色光を放出でき、高輝度と高均一度とを得ることができ、大面積化設計が可能であるという長所があるが、高周波交流信号により作動され、作動温度範囲が狭いという短所がある。LEDは輝度と均一度の面でCCFLに比べて性能が劣るが、直流信号により作動され、寿命が長く、作動温度範囲が広い。また、薄型化が可能であるという長所を有する。
【０００４】
図１は点光源を使用する従来の側面発光型バックライト装置の概略的な斜視図であり、図２は図１の側面図である。
【０００５】
図１に示すように、導光板10の側面11に点光源として３個のLED 20が設けられる。導光板10の底面13にはLED 20から入射した光を出光面12に放出するための光路変換手段としてホログラムパターン30が形成されている。
【０００６】
LED 20は導光板10の側面11に向けて光を放出する。LED 20は点光源なので光軸21を中心に水平角±90°範囲に光を放出する。この際、図３に示すように、光度の最大値Imaxの半分に該当する強度Imax/2の光が放出される水平角を半値角(FWHM：Full  Width  Half  Maximum)という。LEDの場合には普通FWHMが約45°程度になる。
【０００７】
LED 20から放出された光は、側面11を通じて導光板10に入射する。光は側面11を通過しながら屈折して水平角が小さくなる。屈折率が約1.49であるPMMA(PolyMethyl  MethAcrylate)で製作された導光板10を使用する場合に、導光板10に入射した光の水平角A1は約±42°以内になる。この場合、参照符号40で表示したLED 20の間の領域には光が入射しない。勿論、導光板10の内部で多数回の反射過程を経て40領域にも光が到達し得るものの、LED 20から直接光が入射する他の領域に比べて到達する光量が少ないため暗い領域になる。
【０００８】
このように、暗い領域が発生すると、バックライト装置により照明される平面表示装置の画面にムラができる。
【０００９】
特許文献１には点光源を使用する他の側面発光型バックライト装置が開示されている。
【特許文献１】特開2001−043717号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の技術的課題は、導光板に入射する光の水平角を拡大させて点光源の間で発生する暗い領域を除去し、再び水平角を縮小させて導光板から射出する光の輝度を向上できるように改善された導光板及びこれを採用した側面発光型バックライト装置を提供するところにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記技術的課題を達成するための本発明の側面発光型バックライト装置の導光板は、点光源と対面するように位置し、プリズムパターンが設けられた入光面と、前記入光面を通過した光を反射して水平角を小さくするものであって、前記入光面から光の進行方向に延設され、光軸を中心に向き合うように位置する第１面及び第２面とを含む。
【００１２】
また、前記技術的課題を達成するための本発明の側面発光型バックライト装置は点光源と、前記点光源から光が入射する入光部と、光を射出する出光面とを備える導光板と、前記導光板の内部を進行する光の電波経路を変換させる光路変換手段とを含み、前記入光部は、点光源と対面するように位置し、プリズムパターンが設けられた入光面と、前記入光面を通過した光を反射して水平角を小さくするものであって、前記入光面から光の進行方向に延設され、光軸を中心に向き合うように位置する第１面及び第２面とを含む。
【００１３】
ここで、 前記第１面と第２面とは前記光軸を中心として互いに対称になるように位置することが望ましい。
【００１４】
前記プリズムパターンは、その水平断面が三角形であることが望ましく、二等辺三角形であることがさらに望ましい。前記プリズムパターンのピッチは10〜100μmにできる。
【００１５】
前記プリズムパターンの頂角C3は前記点光源のFWHMとの関係で、C3≧(90-FWHM)×２である関係を満足することが望ましい。点光源としてLEDを使用する場合、前記プリズムパターンの頂角は90°より大きいことが望ましい。
【００１６】
前記光路変換手段は、前記導光板の出光面とこれに対面する面のうち少なくとも１つの面に設けられるホログラムパターンを含む構成とすることができ、散乱パターンとすることもできる。
【発明の効果】
【００１７】
前述したように、本発明に係る側面発光型バックライト装置の導光板及びこれを採用した側面発光型バックライト装置によると、次のような効果を得ることができる。
【００１８】
第１に、プリズムパターンを用いて導光板に入射する光の水平角を拡大させることにより暗い領域の発生を防止できる。
【００１９】
第２に、プリズムパターンと第１面と第２面とのコリメーティング作用により導光板の内部に伝播する光の水平角を縮めることにより出光面で均一な輝度分布を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、添付した図面に基づき本発明に係る望ましい実施例を詳細に説明する。
【００２１】
図４は本発明に係る側面発光型バックライト装置の一実施例を示した斜視図であり、図５は図４に示された入光部120を詳細に示した斜視図である。
【００２２】
図４と図５とを見れば、平板状の導光板100が示されており、導光板100の仮想の側面101に沿って3個のLED 110が配列されている。導光板100の下方には光路変換手段130が設けられる。
【００２３】
LED 110は点光源の一例として、光軸112を中心に水平角±90°範囲に光を放出する。この際、図３に示されているように、光度の最大値Imaxの半分に該当する強度Imax/2の光が放出される水平角をFWHMという。LED 110の場合には普通FWHMが約45°程度になる。
【００２４】
導光板100は光を透過させ得る透光性材料で製作されるが、主に屈折率が1.49、比重が1.19程度であるアクリル系透明樹脂が使用され、軽量化のため比重が1.0であるオレフィン系透明性樹脂を使用することも可能である。本実施例の導光板100はPMMAで製作される。導光板100の厚さは普通1〜3mm程度であり、重量を減らすため光が入射する側面101から遠くなる程厚さが次第に薄くなる楔型を使用することもできる。導光板100の大きさは平面画像表示装置(図示せず)、例えばLCD(liquid  crystal  display)の大きさに左右される。
【００２５】
導光板100の側面101には各LEDに対応して3個の入光部120が設けられる。入光部120はLED 110から放出された光が入射し得るようにLED 110と対面する入光面121と、入光面121から光の進行方向に延びた第１面122及び第２面123を備える。第１面122と第２面123とは光軸112を中心に互いに向き合うように位置される。図３に示したようにLED 110から放出される光度は水平角0°を中心に対称をなすため、第１面122と第２面123とは光軸112を中心として対称になり、第１面122と第２面123とが各々光軸112となす角度C1,C2は互いに同一であることが望ましい。但し、これにより本発明の範囲が限定されるものではない。第１面122と第２面123とが各々光軸112と成す角度 C1,C2は窮極的に出光面102で所望の出光分布を得るため適切に選択されうる。
【００２６】
入光面121にはプリズムパターン124が設けられる。図５を見れば、入光面121に沿ってその平面状即ち、導光板100の上面102に平行な断面が三角形であるプリズムパターン124が示されている。プリズムパターン124の頂角 C３は90°以上であることが望ましく、上面102に平行な断面は二等辺三角形であることが望ましい。プリズムパターン124のピッチPは10〜100μm 程度にすることができ、50μm 程度であることが望ましい。このような構成とすることで、出光面における輝線の発生を防止し均一な強度分布を得ることが可能となる。
【００２７】
光を出射する出光面は導光板100の上面102と下面103のうちいずれか１つの面になる。便宜上、本実施例では上面102が出光面であるとし、以下では上面102を出光面102と称する。
【００２８】
光が出光面102に出射されるためには、出光面102に入射する光が出光面102に垂直な法線と成す角度(以下では“入射角”という)が臨界角より小さくなければならない。従って、導光板100に入射した光の中で入射角が臨界角より小さい光は出光面102を透過して放出され、残りは全反射されて導光板100の内部に伝播される。ところで、導光板100に入射した光の中で一旦、一回全反射された光はその入射角が変わらない限り導光板100を抜けることができない。
【００２９】
光路変換手段130は散乱、回折等により光の進路を変換させて入射角を変換させる。それにより、経路が変換された光の中で出光面102に対する入射角が臨界角より小さい光は出光面102を透過して抜け、残りの光は反射される。反射された光は再び光路変換手段130によりその進路が変換されて出光面102に入射する過程を反復する。
【００３０】
光路変換手段130としては、例えば、光を散乱させる散乱パターン、光を回折させるホログラムパターン等が使用されうる。光路変換手段130は出光面102またはそれと向き合う下面103または２つの面102,103いずれにも設けられ得る。本実施例では光路変換手段130として図４に示されたように回折格子が入光面121に並んで配列されたホログラムパターンを使用する。ホログラムパターンは周期が2μm 以下であることが望ましく、例えば周期0.4μm 、深さ0.2μm 程度に形成されうる。550nmの波長を有する光を使用する場合、ホログラムパターンの周期を0.4μmにすることで、光がほぼ垂直に回折されることとなる。また、ホログラムパターンの深さは、ホログラムパターンで回折されて出射する光の光量と関係しており、この深さを0.2μmにした場合に、ホログラムパターンに入射する光量とホログラムパターンから出射する光量との比を良好な値に維持することができる。
【００３１】
さて、図４と図５とに示された実施例による作用効果を説明する。
【００３２】
LED 110から放出された光は入光面121に設けられたプリズムパターン124に入射される。
【００３３】
図６はプリズムパターン124の作用を示す図面である。図６を見れば、光軸112と並んだ線L4と角度E1,E2,E3を成す3個の光L1,L2,L3がプリズムパターン124の斜面125に入射される。E1,E2,E3は光L1,L2,L3の水平角である。
【００３４】
先ず、光L1を見れば、斜面125に垂直に入射するものであって、屈折されず斜面125を透過する。この際、入射光L1と透過光L1’の水平角E1は90−C3/2になる。次に、水平角E2＜E1である入射光L2と水平角E3＞E1である入射光L3とを見れば、斜面125を透過しながら、斜面125に垂直な線L1’側に屈折する。これは、PMMAで製作された導光板100の屈折率n2=1.49が外部媒質、例えば空気の屈折率n1=1より大きいからである。従って、水平角 E1=90−C3/2である入射光L1を基点に水平角 E2＜E1である入射光L2は透過光L2’の水平角が大きくなり、水平角 E3＞E1である入射光L3は透過光L3’の水平角が小さくなる。
【００３５】
前述したように点光源として一般に使用されるLED 110の水平角は約±90°であり、FWHMは約45°である。従って、プリズムパターン124の頂角C3を90°とすることが望ましい。それにより、プリズムパターン124に対する入射角がFWHMより小さいか、同じ光がプリズムパターン124を通過した後にとり得る最大水平角もFWHMと同一になる。透過光L3’の最大水平角は約±73°程度になる。
【００３６】
また、プリズムパターン124の頂角C3を90°より大きく、例えばC3=120°とすれば、プリズムパターン124に対する入射水平角が30°以内である光は透過光の水平角が大きくなり残りは透過光の水平角が小さくなる。即ち、水平角がFWHM範囲以内である30-45°範囲の入射光もプリズムパターン124を通過しながら、水平角が小さくなるコリメーティング効果を得ることができる。この際、透過光L3’の最大水平角は約±65.5°程度になる。
【００３７】
従って、点光源としてLED 110を使用する場合には、プリズムパターン124の頂角C3は90°より大きいことが望ましい。
【００３８】
プリズムパターン124の頂角C3を点光源のFWHMとの関係で整理して見れば、C3≧(90-FWHM)×２である関係を満足するように決定することが望ましい。それにより、プリズムパターン124に対する入射水平角がFWHMより小さい光に対して部分的には水平角を拡大し、部分的には水平角を小さくするコリメーティング効果も共に得ることができる。
【００３９】
図１に示された従来のバックライト装置の場合に、側面11を透過して導光板10に入射する光の最大水平角が約±42°程度である。しかし、本実施例でのように、入光面121にプリズムパターン124を設けることにより、入光面121を透過した光の最大水平角が±42°以上になるようにでき、これにより暗い領域の発生を防止できる。
【００４０】
図７は第１面122と第２面123の作用を示す図面である。
【００４１】
図７を見れば、入光面121を通じて入射した光は導光板100の内部に伝播する。第１面122と第２面123とは導光板100と外部媒質、即ち空気との境界面になる。第１面122と第２面123に入射する光の中で入射角が臨界角より大きい光は反射される。第１面122と第２面123とは光軸112に対して傾斜しているため、第１面122と第２面123とで反射された光はその水平角が小さくなる。即ち、第１面122と第２面123とは導光板100の内部で光の水平角を小さくするコリメーティング手段として作用する。
【００４２】
前述したように、プリズムパターン124の頂角C3が90°である場合に、プリズムパターン124を通過して導光板100に入射した光の最大水平角が73°である。水平角が73°である光が第１面122と第２面123とで全反射されるためには、第１面122と第２面123とに対する入射角が42°より大きくなければならない。こうした条件を充足させるためには、第１面122と第２面123とが光軸112と成す角度C1,C2は約25°未満になれば良い。プリズムパターン124の頂角C3が90°より大きくなれば、第１面122と第２面123とが光軸112と成す角度C1,C2は25°よりさらに小さくなる。
【００４３】
図８は図１に示された従来のバックライト装置の出光分布をシミュレーションした結果を示したグラフである。図９〜図11はプリズムパターン124の頂角C3の変化による出光分布をシミュレーションした結果を示したグラフである。図９〜図11はプリズムパターン124の頂角C3が各々145°、125°、100°である場合である。このシミュレーション結果は光路変換手段130を備えない場合のシミュレーション結果である。
【００４４】
図８〜図11に示されたグラフで“vertical  angle”と“horizontal  angle”とは各々垂直角と水平角とによる出光分布を示す。
【００４５】
図８の場合、総光速は79.74、単位立体角当たりの光速は29.1、FWHMは55°である。図９の場合、総光速は79.1、単位立体角当たりの光速は51、FWHMは28°である。図10の場合、総光速は78.1、単位立体角当たりの光速は53.6、FWHMは22°である。図11の場合、総光速は77.0、単位立体角当たりの光速は51、FWHMは22°である。
【００４６】
前記のシミュレーション結果を検討して見れば、本実施例によるバックライト装置は従来のバックライト装置に比べて総光速の変化は微少であるが、単位立体角当たりの光速は顕著に速くなり、FWHMが顕著に小さくなったことが分かる。このような結果は導光板100の内部を伝播する光の水平角分布が顕著に縮まったことを意味する。従って、光路変換手段130の効率も向上し、出光面102で均一な輝度分布を得ることができる。光路変換手段130として散乱パターンを使用する場合にも類似した効果を得ることができる。
【００４７】
前述したように、入光面121にプリズムパターン124を備えることにより、導光板100に入射する光の水平角を拡大させて導光板100のLED 110に隣接した領域Eにまで直接光を到達することができる。即ち、図１に示されたように暗い領域40が発生することを防止できる。
【００４８】
また、光路変換手段130の一例であるホログラムパターンは一定した方向性を有して形成される。ホログラムパターンは前述したように回折格子構造として光がホログラムパターンに90°角度で入射する時に最も高い効率で光を回折させて放出する。また、ホログラムパターンに入射する光の入射水平角分布が小さい程、出光面102で均一な輝度分布を得ることができる。本実施例によると、第１面122と第２面123とが導光板100の内部を伝播する光をコリメーティングさせて水平角を小さくすることにより、ホログラムパターンの効率を向上させることができ、出光面102で均一な輝度分布を得ることができる。
【００４９】
本発明は前記に説明され、図面に例示されたことにより限定されるものではなく、次に記載される特許請求の範囲内でより多くの変形及び変容例が可能なことは勿論である。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明の側面発光型バックライト装置の導光板及びこれを採用した側面発光型バックライト装置は、例えば液晶表示装置のような平面表示装置に効果的に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】点光源を使用する従来の側面発光型バックライト装置の概略的な斜視図である。
【図２】図１の側面図である。
【図３】LEDの水平角を示すグラフである。
【図４】本発明に係る側面発光型バックライト装置の一実施例を示した斜視図である。
【図５】図４に示された入光部を詳細に示した斜視図である。
【図６】プリズムパターンの作用を示す図面である。
【図７】第１面と第２面の作用を示す図面である。
【図８】図１に示された従来のバックライト装置の出光分布をシミュレーションした結果を示したグラフである。
【図９】プリズムパターンの頂角の変化による出光分布をシミュレーションした結果を示したグラフである。
【図１０】プリズムパターンの頂角の変化による出光分布をシミュレーションした結果を示したグラフである。
【図１１】プリズムパターンの頂角の変化による出光分布をシミュレーションした結果を示したグラフである。
【符号の説明】
【００５２】
１００    導光板
１０１    仮想の側面
１０２    上面
１０３    下面
１１０    LED
１１２    光軸
１２０    入光部
１２１    入光面
１２２    第１面
１２３    第２面
１２４    プリズムパターン
１３０    光路変換手段
【図１】
2004319514.tif 000003
【図２】
2004319514.tif 000004
【図３】
2004319514.tif 000005
【図４】
2004319514.tif 000006
【図５】
2004319514.tif 000007
【図６】
2004319514.tif 000008
【図７】
2004319514.tif 000009
【図８】
2004319514.tif 000010
【図９】
2004319514.tif 000011
【図１０】
2004319514.tif 000012
【図１１】
2004319514.tif 000013