JP2010056089A - 反射率の高い導光体、並びに、反射率の高い導光体を有する照明装置およびディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光学効率をより一層最大化すると共に、より明るいエッジパターンの形成を低減する導光体を提供する。
【解決手段】導光基板は、光が放射される上面と、下面と、入射光が導光基板に導入される入射端面と、別の端面とを備える。上記別の端面は、導光基板中を進んで上記別の端面に入射する入射光の少なくとも一部を反射させて上記導光基板内に戻す働きをする、少なくとも１つのマイクロ構造を有している。
【選択図】図２

Description

本発明は、概して、導光体に関し、より詳細には、反射率が高く、且つ、導光体の特定の表面からの光漏れが少ない、導光体に関する。

当該技術分野では、導光体を利用した照明装置が知られている。このような照明装置では、導光体の特定の表面からの光漏れを出来る限り低減することが重要である。このような光漏れを低減することによって、照明装置の光学効率を最大化することが可能である。さらに、導光体の周りのエッジパターンがより明るくなることを回避することが可能である。エッジパターンが明るくなることを回避することは、導光体を配置した照明系にとって、特に重要なことである。

図１は、従来の導光体に基づく照明装置を示す図である。光源１０からの光は、入射端面１４を介して、導光体１２の中に結合される。光源１０からの光は、導光体１２の中を進んで、その後、導光体１２の下面１８上に形成された取り出し構造１６によって、取り出される。取り出された光２０は、導光体１２の上面２２を通って放射される。しかしながら、このような従来の照明装置では、取り出し構造１６が如何に良好に設計および製造されていても、依然として光漏れが生じ得る。図１に示すように、導光体１２の端面２６において、依然光漏れ２４が生じ、このため光学効率および輝度の均一性を継続的に低減させる。

導光体内の光漏れを低減するために以前からなされてきた試みは、導光体の表面に構造物を設けることである。例えば、特許文献１には、光源ユニットに面した入射面における光損失を回避するために導光体に設けられたマイクロ構造について記載されている。特許文献２には、放射面に多数のプリズムを有する導光体を含む表面光源について記載されている。ここでは、隣接する２つのプリズムを分離する距離は、光源から受けた光ビームの強度に応じて変動する。

米国特許出願公開第２００７／００８６２０８号明細書（公開日：２００７年４月１９日、発明者：Seoung Ho Leeら） 米国特許出願公開第２００５／０１０５２８２号明細書（公開日：２００５年５月１９日、発明者：Tai-Cherng Yuら）

このような以前からなされてきた試みは、照明装置の多くの用途に適してはいるが、依然、導光体内の光漏れをさらに低減することが、当該技術分野において強く望まれている。特に、光学効率をより一層最大化すると共に、より明るいエッジパターンの形成を低減する導光体が依然として強く望まれている。

発明の一形態に従って、導光基板を含む導光体を提供する。上記導光基板は、上面と、下面と、入射端面と、別の端面とを有し、入射光が上記入射端面を通って上記導光基板の中に導入され、光が上記上面を通って出射される。上記別の端面は、上記導光基板中を進んで上記別の端面に入射する入射光の少なくとも一部を反射させて上記導光基板内に戻す働きをする、少なくとも１つのマイクロ構造を有する。

他の一形態によれば、上記別の端面は、上記入射端面に向かい合っている。

他の一形態によれば、上記少なくとも１つのマイクロ構造は、上記別の端面に沿って連続したプリズム構造を含む。

他の一形態によれば、上記別の端面は、上記導光基板中を進んで上記別の端面に入射する入射光の少なくとも一部を反射させて、上記導光基板内に戻す働きをする複数のマイクロ構造を含む。

さらに他の一形態によれば、上記複数のマイクロ構造は、それぞれ、プリズム構造である。

さらに他の一形態によれば、上記プリズム構造の頂角は、ほぼ９０°に等しい。

さらに他の一形態によれば、上記導光体は、上記別の端面を通って漏れる入射光を反射させて上記導光基板内に戻すための、上記別の端面に隣接した鏡をさらに有する。

他の一形態によれば、上記別の端面上の複数のマイクロ構造は、反射コーティングを含まない。

他の一形態によれば、上記別の端面上の複数のマイクロ構造は、反射コーティングを含む。

さらに他の一形態によれば、上記入射端面は、先に上記別の端面によって入射端面の方に反射された入射光を反射させて導光体内に戻す働きをする、別の複数のマイクロ構造を含む。

さらに他の一形態では、上記別の複数のマイクロ構造は、それぞれ、プリズム構造である。

他の一形態によれば、上記別の複数のマイクロ構造内のプリズム構造の頂角は、ほぼ９０°に等しい。

他の一形態によれば、上記入射端面は、先に上記別の端面によって、上記入射端面の方に反射された入射光を反射させて上記導光体内に戻す働きをする、別の複数のマイクロ構造を含むと共に、上記導光体は、上記別の端面を通って漏れる入射光を反射させて上記導光基板内に戻すための、上記別の端面に隣接した鏡と、上記入射端面を通って漏れる反射された入射光を反射させて上記導光基板内に戻すための、上記入射端面に隣接した別の鏡とをさらに含む。

さらに他の一形態では、上記入射端面と、上記入射端面に隣接した別の鏡との間には、１つの光源が設けられている。

さらに他の一形態では、上記導光体は、上記下面に形成された光取り出し構造をさらに含む。

他の一形態によれば、上記複数のマイクロ構造は、入射光の波長よりも長く、且つ、上記導光基板自体の寸法よりも小さい寸法を有している。

さらに他の一形態では、上記マイクロ構造の寸法は、２桁のミクロンのオーダーである。

他の一形態によれば、上記導光体は、成形された構造物である。

他の一形態に従って、光源と本明細書に記載する導光体とを備える照明装置を提供する。該導光体は、光源からの入射光が入射端面を介して導入されるように配置されている。

他の一形態に従って、導光基板を備える導光体を提供する。導光基板は、光が放射される上面と、下面と、入射光が導光基板の中に導入される入射端面とを有している。下面には、導光基板内の入射光を反射させて導光基板に戻す働きをする、複数のプリズム形の構造物が設けられている。

他の一形態では、上記複数のプリズム形の構造物は、ほぼ９０°の頂角を有している。

他の一形態によれば、上記導光体は、上記上面上の光取り出し構造をさらに含む。

他の一形態に従って、液晶表示パネルと、光源と、本明細書に記載する導光体とを備えるディスプレイ装置を提供する。

他の一形態によれば、ディスプレイ装置は、携帯電話である。

他の一形態によれば、ディスプレイ装置は、テレビである。

本発明は、上述の目的および関連する目的を実現するために、以下に詳細に説明すると共に特に特許請求の範囲において指摘する特徴を含む。以下の説明および添付の図面は、本発明の特定の具体的な実施形態を詳細に説明するものである。しかしながら、これらの実施形態は、本発明の原理を実施することが可能な様々な方法のうちのほんの数例だけを示すものである。本発明の他の対象、利点、および、新規の特徴は、以下の発明の詳細な説明を図面と共に考慮することによって明らかとなろう。

導光体を用いた従来の照明装置を概略的に示す縦断面図である。 本発明の一実施形態に係る、入射端面に向かい合った端面にマイクロプリズム構造を有する導光体を用いた照明装置を概略的に示す上面図である。 本発明の一実施形態に係る、図２の導光体を示す斜視図である。 本発明の他の一実施形態に係る、より反射率が高くなるように変形させた２つの表面を備える導光体を示す上面図である。 本発明の他の一実施形態に係るプリズム形の下面を有する導光体を示す斜視図である。 本発明の他の一実施形態に係る導光体を示す斜視図である。 本発明の他の一実施形態に係る照明装置を含むディスプレイ装置を概略的に示す図である。

（第１の実施形態）
ここで本発明を、図面を参照しながら説明する。本説明を通して、同様の部材を引用するために、同様の参照番号を用いている。

本発明によれば、照明装置内に追加部品を設けなくても、導光体内の光漏れは低減される。導光体は、成形された構造物（例えば射出成形によって成形された構造物）であってもよいし、他の低コストの製造技術によって製造されていてもよい。従って、本発明は、性能が改善された照明装置を比較的低コストで提供する。

図２を参照する。この図には、本発明の典型的な一実施形態に係る照明装置３０が示されている。図１の従来の照明装置と共通する部品には、共通の参照番号が付されている。照明装置３０は、本発明に係る導光体３２と、１つまたは複数の光源１０とを含み、光源１０の出力部は、導光体３２の中に結合されていてよい。光源１０は、従来の任意の種類の光源であってよく、その詳細は、本発明と密接に関連するものではない。

導光体３２は、例えば、一般的な長方形の基板の形をしており、導光体を製造するために用いられる従来の材料（例えば、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、塩化ビニル樹脂等といった透明性の高い合成樹脂）から構成されていてよい。より一般的にいうと、導光体３２は、光が低吸収率で内部を進行可能な光学的に透明な媒体から構成されていると共に、通常はその少なくとも１つの表面に、該媒体から光を取り出すために形成された取り出し構造が設置されており、そのため、導光体は発光体のように機能する。本明細書に記載するマイクロ構造を含む導光体全体の表面の特性は、当然ながら、光学的に滑らかでなければならない。上述のように、導光体３２は、射出成形等のような低コストの製造技術を用いて製造され得る。

導光体３２は入射端面１４を含む。光源１０は、該入射端面１４を介して、光を導光体３２の中に導入させる。さらに、導光体３２は、入射端面１４に向かい合った端面２６において、導光体３２の内部に全反射（ＴＩＲ：total-internal-reflection）を誘発するマイクロ構造３４を含む。例えば、マイクロ構造３４は、端面２６上に形成されるほぼ９０度（°）の頂角を有するマイクロプリズム構造を有していてよい。あるいは、ＴＩＲを誘発する他の種類のマイクロ構造３４を用いてもよく、これが本発明の範囲から逸脱するものでないことは、当業者には明らかであろう。

具体的には、本発明は、導光体の表面にある種の構造物を配置することによってＴＩＲの可能性を増大させることができるという事実を利用するものである。端面２６上にマイクロ構造３４を設けることによって、光を反射させて導光体の中に戻すことを増大させる。従って、導光体３２から漏れる光量は低減される。マイクロ構造３４は、入射端面１４に向かい合った端面２６に形成されることが好ましいが、マイクロ構造３４は、側面の端面３６に含まれていてもよく、これは本発明の範囲から逸脱するものでない。

ガラスおよびプラスチックといった最も透明な光学材料は、空気界面においてＴＩＲを生じさせるために、約４２°の臨界角を有している。これは、このような材料が、典型的には約１．５の屈折率を有しているからである。マイクロプリズム構造３４の頂角は好ましくはほぼ９０°であるか、または、各側面が４５°であるため、端面１４からの光は、プリズムの側面に４２°よりも大きな角度で入射し、従ってＴＩＲが生じやすい傾向にある。より高い屈折率（例えば、＞１．５）を有する光学材料から成る導光体３２の場合、頂角は、９０°よりもわずかに大きくてよいが、大部分の光媒体の場合、プリズム構造物の頂角は１１０°よりも大きくなってはいけない。従って、マイクロプリズム構造の頂角は、ほぼ９０°、つまり８５°〜１１０°の、導光体３２を形成している特定の光学材料に応じた特定の値であるであることが好ましい。

図３は、導光体３２を三次元に示した図である。光源１０からの光は、上述のように、入射端面１４を介して導光体の中に導入される。この光は導光体３２中を進む。下面１８には、従来の光取り出し構造（図示しない）が形成されており、導光体３２内を進む光を、要望どおりに、導光体３２から取り出して、上面２２から放射させる。取り出されていない導光体３２内の光は、最初に、端面２６のマイクロ構造３４（例えばマイクロプリズム）の表面に衝突する。マイクロ構造３４が全反射する特性を有しているため、ＴＩＲが起こる可能性が高い。ＴＩＲが生じれば、光は反射して導光体３２に戻り、光の損失は生じない。マイクロ構造３４を有していない平坦な端面２６と比べると、光漏れを例えば４０％まで低減することができる。

マイクロ構造３４上に塗布を行う工程は必要ないことに留意されたい。例えば、必ずしも、端面２６上に反射コーティングを形成しなくてもよい。それでも尚、端面２６から漏れる光量を低減することが可能である。

任意の導光体の種類の照明装置では、光源１０は、コストおよび組立の面から、特に少数個であることが好ましい。しかしこの低コストの解決方法の欠点は、「ホットスポット」と呼ばれることが多い輝度の均一性の低下である。１つの解決方法は、導光体の内側を光が行ったり来たりして循環し、照明装置が、事実上、導光体の両端に設けられた光源を備える多重光源システムとなることである。このような方法は、取り出し構造１６の設計を極めて容易にする。その結果、製造コストも低減される。

従って、端面２６における反射率をさらに増大させて、これによって光漏れを低減するために、端面２６には反射コーティングが含まれていてもよい。例えば銀メッキが、端面２６上のマイクロ構造３４の外面に施されていてもよい。

ＴＩＲが導光体３２の端面において生じない限り、光が反射するたびに光損失が生じる。光損失が生じることは、上述した多重反射構成にとっては問題が大きい。従って図４は、上述のマイクロ構造を高反射率の鏡と併せて用いる、本発明の一実施形態を示す図である。本実施形態では、導光体３２’は、端面２６および入射端面１４の両方にマイクロ構造３４を含む。さらに、照明装置３０’は、端面１４、２６の反射率を増大させるための高反射率の鏡３８を含む。

より詳細にいうと、照明装置３０’は、端面２６に隣接する、高反射率の鏡３８を含む。全ての入射角においてＴＩＲが確実に生じるわけではないので、端面２６上のマイクロ構造３４が光漏れを完全に除去しない限り、端面２６から漏れる光は、鏡３８によって反射されて導光体３２’の中に戻る。入射端面１４に隣接して、別の高反射率の鏡３８が設けられており、入射端面１４と別の高反射率の鏡３８と間には、光源１０が設けられている。これらの鏡３８は、光学的に平坦であることが好ましい。そうでなければ、漏れた光は、導光体３２’に効果的に反射されずに、散乱されてしまう。

先の実施形態と同様に、光源１０からの光は、入射端面１４を通って導入され、導光体３２’中を進む。端面２６上のマイクロ構造３４は、上述のように、端面２６に入射した光を導光体３２’の方に反射させる。しかしながら、マイクロ構造３４が全ての光を反射することが出来ず、一部が端面２６から漏れてしまう場合、鏡３８は、漏れた光を反射させて、端面２６を介して導光体３２’の中に戻すように機能する。

端面２６上のマイクロ構造３４とマイクロ構造３４に隣接した鏡３８とによって反射された光は、入射端面１４の方に進んで、端面１４上のマイクロ構造３４に戻る。この端面１４上のマイクロ構造３４は、端面２６上に形成されたマイクロ構造３４と同様に、光を導光体３２’の方に反射して戻すように設計されている。それでも尚反射されず入射端面１４から漏れる光は、入射端面１４に隣接する鏡６によって反射されて、導光体３２’の中に戻る。

結果的に導光体３２’内の光は、図４の実施形態では、極めて長い時間進むか、または、許容される量の損失を伴って複数回反射され得る。

図５は、本発明の他の一実施形態に係る導光体５２を含む照明装置５０を示す図である。本実施形態では、導光体５２の下面１８は、プリズム形の素子５４を含む。素子５４は、ほぼ９０°の頂角を有していると共に、導光体５２の長さに亘って延びていることが好ましい。上面２２上には光取り出し構造５６が形成されている。光取り出し構造５６を慎重に形成することによって、光源１０から導光体５２内に導入された光の９０％以上は上方に向かい、上面２２から放射される。残りの光は、プリズム形の素子５４を有する下面１８に衝突する。下面１８においてＴＩＲが生じると、光は再び導光体から取り出される。従って、バックライトシステムにおいて通常用いられる反射シートは省いてもよいし、または、該反射シートを上記素子５４と組み合わせて用いて、光学効率を上昇させてもよい。取り出し構造は、直線である必要はないが、同一の形状（または同一の角度α）を有する多数の小さな離散構造であってもよいし、または、上述の目的に適した、異なる形状を有する多数の小さな離散構造であってよいことに留意されたい。図５に示した典型的な実施形態では、角度αは、導光体媒体の屈折率によって決定される臨界角（例えばガラスの場合ほぼ４２°）よりも少し大きい。

図６は、本発明のさらなる他の一実施形態に係る導光体６２を含む照明装置６０を示す図である。本実施形態は、上述の図３の実施形態と類似しているが、複数のマイクロ構造３４が、単一の、プリズムといったマイクロ構造６４に置き換えられている点が相違している。例えば、プリズム６４は、図３の実施形態における各マイクロプリズム３４の方向に対して９０°回転しており、端面２６に沿って延びている。プリズム６４の頂角は、ここでも、マイクロプリズム構造３４に関連して説明した理由と同じ理由で、例えばほぼ９０°に等しい。従ってここでも、プリズム６４は、導光体中を進んで端面２６に入射する入射光の少なくとも一部を反射させて、導光体内に戻す働きをする。

上記マイクロ構造の寸法は、該マイクロ構造が波長のオーダーと同じくらい小さく、且つ、導光体自体よりも大きくない限り、問題は大きくない。上述の改善案を実現するには、典型的には、２桁のミクロン、好ましくは２０ミクロンから１００ミクロンまでの寸法が好適であり、この寸法は、射出成形工程を用いて実現可能である。また、ここに示したプリズム構造は、鋭い縁線を含むが、このような縁線は、例えば、製造技術の結果わずかに丸みを帯びていてもよいことは明らかであろう。それでも尚、このような構造は本発明の範囲内にあることは当然であろう。

添付の図面の図７は、本発明の他の一形態に係るディスプレイ装置７０を示す図である。ディスプレイ装置７０には、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）７２が組み込まれている。液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）７２は、本明細書に記載する任意の実施形態に係る照明装置（例えば照明装置３０、３０’、５０、６０）を含む。ディスプレイ装置７０は、ディスプレイ７２を組み込むことが可能な任意の種類の装置、例えば携帯電話、ＰＤＡ、テレビ等であってよい。ディスプレイ装置７０にはさらに、必要に応じて、ディスプレイドライバ、携帯電話送受信機、テレビ受像機等といった機能回路（図示しない）が組み込まれている。ディスプレイ７２は、ＬＣＤパネル７４の形の平坦な透過型空間光変調器（ＳＬＭ）を含む。ＬＣＤパネル７４は、例えば、その下面および上面に、入力および出力偏光子７６を有している。光源１０（例えばＬＥＤまたはレーザー）は、光を放射し、該光は、本明細書に記載する任意の実施形態に係る導光体（例えば導光体３２、３２’、５２、６２）の中に結合される。光源１０からの光は、本明細書に記載するように、全反射（ＴＩＲ）によって、導光体を介してディスプレイ７２の背面を越えて散布される。光は導光体から下方および上方に取り出され得るので、反射フィルム７８を導光体の真下に配置して、照明装置の効率を向上させることが可能である。例えば、導光体とＬＣＤパネル７４との間に光学フィルム８０−８４が配置されていてもよく、これによって、ディスプレイ領域中の照度をより良好に均一にすることを提供すると共に、所定の視野角の範囲内での輝度を上昇させる。これらのフィルム８０−８４は、典型的には、バックライトの中心の輝度を向上させる散光層およびプリズムフィルムを含む。これらのフィルムの形状は、従来技術において公知であり、ここではさらに説明しない。

従って、本発明は、光学効率をより一層最大化すると共に、明るいエッジパターンの形成を低減する、導光体内の光漏れが低減されたディスプレイ装置、例えば携帯電話、ＰＤＡ、またはテレビを提供する。

好ましい特定の実施形態を参照しながら、本発明を図解してきたが、本明細書を読み理解したならば、同等の形態および変形例が存在することは、当業者には明らかであろう。本発明は、このような同様の形態および変形例の全てを含むと共に、次の特許請求の範囲によってのみ制限されるものである。

Claims (25)

1. 導光基板を含む導光体であって、
   上記導光基板は、
   上面と、
   下面と、
   入射端面と、
   別の端面とを有し、
   入射光が上記入射端面を通って上記導光基板の中に導入され、光が上記上面を通って出射され、
   上記別の端面は、上記導光基板中を進んで上記別の端面に入射する入射光の少なくとも一部を反射させて上記導光基板内に戻す働きをする、少なくとも１つのマイクロ構造を有する、導光体。
2. 上記別の端面は、上記入射端面に向かい合っている、請求項１に記載の導光体。
3. 上記少なくとも１つのマイクロ構造は、上記別の端面に沿って連続したプリズム構造を含む、請求項１に記載の導光体。
4. 上記別の端面は、上記導光基板中を進んで上記別の端面に入射する入射光の少なくとも一部を反射させて上記導光基板内に戻す働きをする、複数のマイクロ構造を含む、請求項１に記載の導光体。
5. 上記複数のマイクロ構造は、それぞれ、プリズム構造である、請求項４に記載の導光体。
6. 上記プリズム構造の頂角は、ほぼ９０°に等しい、請求項５に記載の導光体。
7. 上記別の端面を通って漏れる入射光を反射させて上記導光基板内に戻すための、上記別の端面に隣接した鏡をさらに有する、請求項１に記載の導光体。
8. 上記別の端面上の複数のマイクロ構造は、反射コーティングを含まない、請求項４に記載の導光体。
9. 上記別の端面上の複数のマイクロ構造は、反射コーティングを含む、請求項４に記載の導光体。
10. 上記入射端面は、先に上記別の端面によって上記入射端面の方に反射された入射光を反射させて上記導光体内に戻す、別の複数のマイクロ構造を含む、請求項４に記載の導光体。
11. 上記別の複数のマイクロ構造は、それぞれ、プリズム構造である、請求項１０に記載の導光体。
12. 上記別の複数のマイクロ構造内のプリズム構造の頂角は、ほぼ９０°に等しい、請求項１１に記載の導光体。
13. 上記入射端面は、先に上記別の端面によって上記入射端面の方に反射された入射光を反射させて上記導光体内に戻す働きをする、別の複数のマイクロ構造を含むと共に、
    上記別の端面を通って漏れる入射光を反射させて上記導光基板内に戻すための、上記別の端面に隣接した鏡と、上記入射端面を通って漏れる反射された入射光を反射させて上記導光基板内に戻すための、上記入射端面に隣接した別の鏡とをさらに含む、請求項４に記載の導光体。
14. 上記入射端面と、上記入射端面に隣接した別の鏡との間に配置された１つの光源をさらに含む、請求項１３に記載の導光体。
15. 上記下面上に形成された光取り出し構造をさらに含む、請求項１に記載の導光体。
16. 上記複数のマイクロ構造は、上記入射光の波長よりも大きく、且つ、上記導光基板自体の寸法よりも小さい寸法を有する、請求項１に記載の導光体。
17. 上記マイクロ構造の寸法は、２桁のミクロンのオーダーである、請求項１６に記載の導光体。
18. 上記導光体は、成形された構造物である、請求項１に記載の導光体。
19. 光源と、
    上記光源からの入射光が上記入射端面を通って導入されるように配置された、請求項１に記載の導光体とを備える、照明装置。
20. 導光基板を含む導光体であって、
    上記導光基板は、
    上面と、
    下面と、
    入射端面とを有し、
    入射光が上記入射端面を通って上記導光基板の中に導入され、光が上記上面を通って出射され、
    上記下面は、上記導光基板内の入射光を反射させて上記導光基板の方に戻す働きをする、複数のプリズム形の構造物を有する、導光体。
21. 上記複数のプリズム形の構造物は、ほぼ９０°の頂角を有している、請求項２０に記載の導光体。
22. 上記上面上に光取り出し構造をさらに含む、請求項２０に記載の導光体。
23. 液晶表示パネルと、
    光源と、
    上記光源からの入射光が、上記入射端面を通って導入されるように配置された、請求項１〜１３、１７〜１８、および、２０〜２１のうちのいずれか１項に記載の導光体とを備える、ディスプレイ装置。
24. 上記ディスプレイ装置は、携帯電話である、請求項２３に記載のディスプレイ装置。
25. 上記ディスプレイ装置は、テレビである、請求項２３に記載のディスプレイ装置。

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