JP3918281B2 - 面光源装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、面光源装置に関する。具体的にいうと、本発明は液晶表示装置や照明装置などに用いられる面光源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
（点光源を用いた従来の面光源装置）
従来例の面光源装置１を図１の分解斜視図及び図２の断面図により示す。面光源装置１は、光を閉じ込めるための導光板２と発光部３と反射板４とから構成されている。導光板２はポリカーボネイト樹脂やメタクリル樹脂等の透明で屈折率の大きな樹脂により成形されており、導光板２の下面には凹凸加工や拡散反射インクのドット印刷等によって多数の拡散パターン５が形成されている。発光部３は、回路基板６上に複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）等のいわゆる点光源７を実装したものであって、導光板２の側面（光入射端面８）に対向している。反射板４は、反射率の高い例えば白色樹脂シートによって形成されており、両面テープ９によって両側部を導光板２の下面に貼り付けられている。
【０００３】
しかして、図２に示すように、発光部３から出射されて光入射端面８から導光板２の内部に導かれた光ｆは、導光板２内部で全反射することによって導光板２内部に閉じ込められる。導光板２内部の光ｆは拡散パターン５に入射すると拡散反射され、光出射面１０へ向けて全反射の臨界角よりも小さな角度で反射された光ｆが光出射面１０から外部へ取り出される。また、導光板２下面の拡散パターン５の存在しない箇所を透過した光ｆは、反射板４によって反射されて再び導光板２内部へ戻るので、導光板２下面からの光量損失を防止される。
【０００４】
しかし、このような面光源装置１にあっては、輝度分布を均一にするように拡散パターンを配置してあっても、図３（ａ）に示すように、点光源７の直前領域イでは導光板２が明るく光り、光入射端面８側における点光源７前方の中間領域ロでは導光板２が暗くなる。図３（ｂ）は、図３（ａ）のＣ１−Ｃ１線に沿った光入射端面８近傍での輝度の変化を示しており、発光部３の近傍では、光入射端面８と平行な方向に沿って輝度のばらつきが大きくなっており、輝度変化の比が数倍〜１０数倍に達することもある。
【０００５】
また、図３（ｃ）は、図３（ａ）のＣ２−Ｃ２線に沿った光入射端面８から遠い領域での輝度の変化を表わしている。光入射端面８から遠い側では、輝度の変化は小さく輝度の均一度は高くなっているが、両端で輝度が急激に低下している。すなわち、導光板２の光入射端面８と反対側の隅部ハが暗くなる。
【０００６】
従って、面光源装置は輝度分布の均一化が求められているにも拘らず、複数の光源を備えた面光源装置では、拡散パターンの形状や密度、拡散効果等を工夫しても、その輝度分布を均一化させることは困難であった。
【０００７】
（１つの点光源を用いた面光源装置）
一方、バックライト型の液晶表示装置は、薄くて軽量であるので、電子手帳、携帯型パソコン等の携帯情報端末や携帯電話等の携帯性の強い商品のディスプレイ装置として用いられている。このような携帯性の強い商品に用いる場合には、携帯性向上の面から、電池の長寿命化が強く要求されており、このディスプレイ装置に用いられるバックライトも低消費電力化が要求されている。
【０００８】
このためバックライトとして用いられる面光源装置の点光源（発光ダイオード）も高効率なものを使用し、使用する点光源の個数を減らすことによって低消費電力化が図られている。このような面光源装置１１は、究極的には図４に示すような１個の点光源７（発光ダイオード）を用いたものとなる。
【０００９】
しかし、このようにして点光源の数を減らしていくと、面光源装置の輝度ばらつきが大きくなり、例えば１個の点光源７を用いた面光源装置１１では、図４に示すように、点光源７の直前領域イでは輝度が非常に大きく、導光板２の四箇所の隅部ハでは輝度が低下して暗くなる。
【００１０】
従って、面光源装置、特に液晶表示装置のバックライトとして用いられる面光源装置にあっては、使用する点光源の数をできるだけ少なく、しかも輝度分布の均一性をできるだけ高くすることが求められている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
（先行技術例）
そこで、本発明の発明者らは、使用する点光源の数をできるだけ少なくし、しかも輝度分布の均一性を高くすることができる面光源装置の構造を提案している（以下、これを先行技術例という）。この面光源装置２１は、例えば図５に示すように、導光板２２の一方端面（光入射端面２３）の中央部にＬＥＤ等の点光源２４を配置し、光出射面２５における輝度を均一化するために多数の拡散パターン２６を導光板２２の下面に設けている。これらの拡散パターン２６は、点光源２１を中心として導光板２４の下面全面に放射状に配列されており、点光源２４を中心とする円周方向には光拡散作用を有していない。
【００１２】
また、各拡散パターン２６どうしは点光源２４からの距離が遠くなるにつれてピッチが短くなっており、点光源２４から離れるに従って拡散パターン密度が次第に大きくなっている。これは、点光源２４から遠くなるに従って、徐々に光出射面２５から光が出て点光源２４から到達する光の量が少なくなることと、点光源２４から離れるに従って光の拡がりが大きくなって光が弱くなるので、光が光出射面２５へ向けて反射される確率が距離とともに大きくなるようにし、これによって輝度が均一な面光源装置２１を実現している。
【００１３】
しかしながら、このように１つの小さな（あるいは、１箇所に集中された）点光源２４だけを用いた面光源装置２１にあっては、点光源２４から出射され導光板２２内に導入された光が導光板２２中を伝搬する時の光強度に応じて拡散パターン２６の密度が設計されているので、図５及び図６に示すように、設計時よりも大きな光強度の光ｆが導光板２２の端面まで達して全反射すると、全反射して導光板２２内へ戻った光ｆが再び拡散パターン２６で拡散され、端面の近傍で光出射面２５から出射される。このため、面光源装置２１の輝度分布が不均一となり、特に導光板２２の縁や隅が明るく光るという問題があった。なお、図において、２７は液晶表示パネル、２８は反射シートである。
【００１４】
本発明は叙上の従来例の欠点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、導光板内の光が導光板の縁で全反射することにより生じる、輝度分布の不均一を抑制することにある。
【００１９】
【発明の開示】
請求項１に記載の面光源装置は、光入射面より導入された光を閉じ込め、面状に広げて光出射面から出射させる導光板と、当該導光板の光出射面と反対側の面に形成された拡散パターンと、前記光入射面から導光板内に光を入射させるための、光入射面の幅と比較して小さな光源とを備えた面光源装置において、前記導光板のうち、光源として使用される光を出射する有効領域の外側に位置する非有効領域であって、前記光入射面から遠い側の隅部に、前記光源と結ぶ方向に垂直な第１の面と、前記光源と結ぶ方向に平行な第２の面を形成し、前記第１の面から導光板外部へ光を透過させることを特徴としている。
【００２０】
この面光源装置にあっては、非有効領域である、光入射面から遠い側の隅部に設けられた第１の面へ到達した光は当該第１の面を透過して非有効領域から外部へ出るので、光が非有効領域から再び有効領域へ戻るのを防止でき、輝度分布が不均一になるのを抑制することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
図７は本発明の一実施形態による面光源装置４１を示す分解斜視図であって、導光板４２と発光部４３と反射板４４とから構成されている。導光板４２はポリカーボネイト樹脂やメタクリル樹脂等の屈折率の大きな透明樹脂材料によって成形されており、導光板４２の上面が光出射面４５となっており、下面には多数の拡散パターン４６が凹設されている。この導光板４２の下面両側部には、溝状をした反射板保持部４７が設けられており、導光板４２の光入射端面４８と反対側の端面には、下方へ向けてストッパー４９が垂下されている。
【００２２】
発光部４３にあっては、反射率の高い白色樹脂からなる外装ケース５０内に点光源５１を構成する発光ダイオードチップ（ＬＥＤチップ）が納められている。点光源実装位置においては、外装ケース５０が開口されており、この開口内に透明樹脂５２を成形して点光源５１を封止している。
【００２３】
導光板４２の光入射端面４８からは一対の弾性片５３が一体成形により突設されており、両弾性片５３の先端部内面には係合爪５４が突出している。一方、外装ケース５０の両側面には、弾性片５３がぴったりと納まるような側面溝５５が凹設されている。しかして、発光部４３は弾性片５３を側面溝５５に納めるようにして弾性片５３間に挟持されており、弾性片５３の係合爪５４を背面に係合することによって脱落しないよう保持されている。
【００２４】
また、導光板４２の光入射端面４８の中央には、光結合凹部５６が形成されている。発光部４３においては、外装ケース５０の開口の上縁及び下縁からは、導光板４２の光結合凹部５６にはまり込むよう光結合凹部５６と合致した形状の光反射壁５７が延出している。導光板４２の光入射端面４８には、発光部４３が対向配置され、光結合凹部５６に発光部４３の光反射壁５７及びその間の透明樹脂５２がはまり込む。
【００２５】
ここで、光結合凹部５６は、点光源５１から出射されて導光板４２内部へ導かれた光の屈折方向を光学的に制御するものであって、点光源５１を中心とする各方位における導光板面積に比例した光量の光を各方位へ分配すると共に導光板４２の四隅にも光が届くようにしている。
【００２６】
反射板４４は表面反射率の高い材料によって形成されており、例えば硬質もしくは比較的軟質の白色プラスチックシートによって形成されている。この反射板４４は、両側部を反射板保持部４７に差し込んで導光板４２下面に保持される。
【００２７】
導光板４２の下面に設けられている拡散パターン４６の配置を図８に示す。導光板４２は、有効領域５８と非有効領域５９とに分けることができる。有効領域５８とは、図９に示すように、面光源装置４１の上に実装される液晶表示パネル６０の画像表示領域６１（画面）に対応する部分であって、ここから出射された光は液晶表示パネル６０の画像表示領域６１を透過して画像表示のために用いられる。これに対し、非有効領域５９とは、液晶表示パネル６０の画像表示領域６１外、例えば枠部分６２に対応する部分であって、ここから出射された光は液晶表示パネル６０の画像表示面６１を透過しない。
【００２８】
有効領域５８においては、各拡散パターン４６はかまぼこ形に凹設されたものであり、点光源５１を中心として放射状に配列されている。また、いずれの拡散パターン４６も長さ方向が点光源５１と結ぶ方向に対して９０°の角度をなすように配置されており、点光源５１を中心とする円周方向には拡散作用を有していない。しかも、拡散パターン４６のパターン密度は、導光板４２の輝度分布が均一となるように、点光源５１から遠い側では拡散パターン密度が大きくなっており、点光源５１に近づくにつれて拡散パターン密度が徐々に小さくなっている。
【００２９】
一方、非有効領域５９においては、導光板４２の下面全体に凹凸パターン（例えば、１０μｍ程度の大きさ）からなる散乱パターン６３を設けている。この散乱パターン６３のパターン密度はできるだけ高くしておくことが望ましい。
【００３０】
しかして、図９に示すように、有効領域５８を伝搬する光は、有効領域５８では拡散パターン４６で拡散されることによって光出射面４５から均等に出射され、有効領域５８から非有効領域５９に入った光ｆは、非有効領域５９の散乱パターン６３によって強く散乱される。したがって、非有効領域５９の光が導光板４２で全反射して有効領域５８へ戻るのを防止し、面光源装置４１の輝度分布をより均一化することができる。
【００３１】
なお、非有効領域５９の散乱パターン６３は任意のものでよく、導光板４２の下面に凹設した凹凸パターンや溝、拡散反射インクの印刷層、あるいは図１０の散乱パターン６３のようにシボ加工など散乱が起きるものであればよい。
【００３２】
（第２の実施形態）
図１１は本発明の別な実施形態による面光源装置７１に用いられている導光板４２の一部破断した断面図である。この実施形態では、非有効領域５９において導光板４２の上面及び下面にそれぞれ散乱パターン６３を設けている。従って、有効領域５８から非有効領域５９に入った光は、非有効領域５９の上面及び下面の両散乱パターン６３によって散乱されるので、全反射した光が導光板４２の有効領域５８へ再び戻って輝度分布を不均一にするのをより有効に防止できる。
【００３３】
（第３の実施形態）
図１２は本発明のさらに別な実施形態による面光源装置７２に用いられている導光板４２の一部破断した断面図である。この実施形態においては、非有効領域５９において、導光板４２中に散乱物質７３を分散させている。散乱物質７３は、導光板材料と屈折率の異なる樹脂粉や樹脂ビーズ、金属粉などであって、できるだけ細かなもの（１０μｍ程度）を高密度で分散させるのが望ましい。
【００３４】
こうして非有効領域５９に散乱物質７３を分散させてあると、有効領域５８から非有効領域５９に入った光ｆは、散乱物質により散乱され、導光板４２の端面で全反射して有効領域５８へ戻るのを抑制され、輝度分布の不均一を防止できる。
【００３５】
（第４の実施形態）
図１３は本発明のさらに別な実施形態による面光源装置７４に用いられている導光板４２の一部破断した断面図である。この実施形態においては、導光板４２の光入射端面４８を除く端面（外周３面）に凹凸パターンやシボ加工からなる散乱パターン７５を形成している。この散乱パターン７５もパターン密度ができるだけ高いことが望ましい。導光板４２の端面に散乱パターン７５を設けてあると、非有効領域５９に到達した光は、その端面で全反射されることなく散乱されるので、再び光が有効領域５８に戻って輝度不均一の原因となるのを防止される。
【００３６】
（第５の実施形態）
図１４は本発明のさらに別な実施形態による面光源装置に用いられている導光板４２の形状を示す斜視図である。この実施形態にあっては、導光板４２の光入射端面４８から遠い側の隅部を、非有効領域内において斜めにカットして面取り部７６を形成している。この面取り部７６は、矩形の導光板４２の場合に、点光源５１の光が入射する角度が全反射の臨界角よりも大きくて光が全反射する端面領域を斜めにカットして形成している。点光源５１から出た光ｆは、拡散パターン４６によって円周方向へは拡散されないから、有効領域５８から非有効領域５９へ入った光ｆが導光板４２の端面で全反射して有効領域５８へ戻り易い部分は、点光源５１から遠い側の隅部である（図５参照）。この実施形態では、この隅部を斜めにカットしているので、隅部に入射した光ｆは、導光板４２の端面で全反射することなく、面取り部７６から導光板４２の外部へ抜ける。よって、有効領域５８へ再び戻って輝度分布が不均一になるのを防止できる。
【００３７】
なお、面取り部７６の角度は、点光源５１から出た光が（平面視で）面取り部７６に垂直に入射するようなカット角とするのがよい。
【００３８】
（第６の実施形態）
導光板４２の長さと幅のうち、一方が他方よりも長い場合（縦長の場合、横長の場合）には、端面に入射する光の入射角が全反射の臨界角よりも大きくなって全反射する領域が長くなるので、図１４のように、ここを斜めカットすると有効領域５８までがカットされる恐れがある。
【００３９】
図１５に示す導光板４２は、このような場合に有効な実施形態であって、導光板４２端面の全反射の起きる領域を区分的に斜めカットし、この領域を点光源５１と結ぶ方向に垂直な複数の面７７と、点光源５１と結ぶ方向に平行な面７８とから構成している。したがって、導光板４２が縦長の場合や横長の場合でも、カット領域が有効領域５８に入り込まないようにして導光板４２端面における光の全反射を防止することができる。
【００４２】
（第７の実施形態）
図１６は本発明のさらに別な実施形態による面光源装置８１に用いられている導光板４２の形状を示す斜視図である。この実施形態にあっては、導光板４２の非有効領域５９において、黒色樹脂等の光吸収性の高い樹脂で形成された光吸収層８２によって導光板４２の上面、下面及び外周端面を被覆している。よって、有効領域５８から非有効領域５９へ入った光は、光吸収層８２で吸収され、有効領域５８へ再度戻るのを防ぐことができる。
【００４３】
しかし、光吸収層を導光板４２の縁に取り付ける際、光吸収層８２や導光板４２の製造誤差等によって光吸収層８２の端と導光板４２との間に空気層（隙間）８２ｃが生じると、この空気層で有効領域５８へ向けて光が反射される恐れがある。そこで、図１７に示した面光源装置８３では、非有効領域５９で導光板４２の縁を被覆している光吸収層８２のうち、上面側の辺８２ａと下面側の辺８２ｂの長さを異ならせている。例えば、上面側の辺８２ａを下面側の辺８２ｂよりも短くしておけば、上面側の辺８２ａで生じた空気層８２ｃで反射された光ｆは、下面側の辺８２ｂで吸収される。よって、光吸収層８２の短い側の辺８２ａで空気層８２ｃが生じるよう、短い側の辺８２ａが設計値よりも多少短い公差を持つように製造すれば、光吸収層８２と導光板４２の縁との間に空気層８２ｃが生じた場合にも、光が有効領域５８へ戻りにくくすることができる。
【００４４】
また、樹脂製の光吸収層８２に代え、図１８に示す面光源装置８４のように、非有効領域５９において、導光板４２の外周面に黒色テープ等の光吸収性テープ８５を貼るようにすれば、簡易な構成により光を吸収して有効領域５８へ全反射するのを防止できる。あるいは、図１９に示す面光源装置８６のように、非有効領域５９において、導光板４２の外周面に黒色塗料等の光吸収性の高い塗料８７を塗っても同様である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来例の面光源装置を示す分解斜視図である。
【図２】 同上の面光源装置の概略断面図である。
【図３】 （ａ）は同上の面光源装置の問題点を説明する図、（ｂ）は（ａ）のＣ１−Ｃ１線に沿った輝度の変化を示す図、（ｃ）は（ａ）のＣ２−Ｃ２線に沿った輝度の変化を示す図である。
【図４】 １個の点光源を用いた面光源装置を示す図である。
【図５】 先行技術例に用いられている導光板の拡散パターンを示す図である。
【図６】 同上の先行技術例における問題点を説明する図である。
【図７】 本発明の一実施形態による面光源装置を示す分解斜視図である。
【図８】 同上の面光源装置に用いられている導光板の下面に設けられた拡散パターンを示す図である。
【図９】 同上の実施形態による面光源装置の作用説明図である。
【図１０】 本発明の別な実施形態による面光源装置を示す一部破断した断面図である。
【図１１】 本発明のさらに別な実施形態による面光源装置を示す一部破断した断面図である。
【図１２】 本発明のさらに別な実施形態による面光源装置を示す一部破断した断面図である。
【図１３】 本発明のさらに別な実施形態による面光源装置を示す一部破断した断面図である。
【図１４】 本発明のさらに別な実施形態による面光源装置に使用される導光板を示す斜視図である。
【図１５】 本発明のさらに別な実施形態による面光源装置に使用される導光板を示す斜視図である。
【図１６】 本発明のさらに別な実施形態による面光源装置を示す一部破断した断面図である。
【図１７】 本発明のさらに別な実施形態による面光源装置を示す一部破断した断面図である。
【図１８】 本発明のさらに別な実施形態による面光源装置を示す一部破断した断面図である。
【図１９】 本発明のさらに別な実施形態による面光源装置を示す一部破断した断面図である。

Claims (1)

1. 光入射面より導入された光を閉じ込め、面状に広げて光出射面から出射させる導光板と、当該導光板の光出射面と反対側の面に形成された拡散パターンと、前記光入射面から導光板内に光を入射させるための、光入射面の幅と比較して小さな光源とを備えた面光源装置において、
   前記導光板のうち、光源として使用される光を出射する有効領域の外側に位置する非有効領域であって、前記光入射面から遠い側の隅部に、前記光源と結ぶ方向に垂直な第１の面と、前記光源と結ぶ方向に平行な第２の面を形成し、前記第１の面から導光板外部へ光を透過させることを特徴とする面光源装置。

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