JP2004079461A

JP2004079461A - 面光源装置

Info

Publication number: JP2004079461A
Application number: JP2002241680A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Yamashita; 山下　博司
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2002-08-22
Filing date: 2002-08-22
Publication date: 2004-03-11

Abstract

【構成】透光性材料からなる導光板１２の側端面１４のＬＥＤ素子１８と対向する領域に、入射光の波長を導光板１２の屈折率で割った値よりも大きなパターンピッチを有する第１凹凸パターン１６が形成されている面光源装置１０である。
【効果】導光板１２の側端面１４に形成された第１凹凸パターン１６で入射光を回折させることにより、ＬＥＤ素子１８からの光を導光板１２内に満遍なく拡散させることができるので、小型で十分な明るさを持つ面光源装置１０を得ることができる。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、面光源装置に関し、特に例えば、液晶表示パネルのバックライトまたはフロントライトなどに用いられる、点光源を使用した面光源装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来、液晶表示パネルのバックライト用面光源装置には、導光板の厚さを薄くできることから、エッジライト方式の導光板が広く利用されており、光源として、冷陰極管ランプなどの線光源が導光板の側端面に沿って取付けられていた。
【０００３】
しかし、近年携帯型装置の普及に伴い、その省電力化が望まれていることから、導光板に取付けられる光源も、冷陰極管ランプに比べて消費電力が少ないＬＥＤ（発光ダイオード）素子が注目され、実用化されている。
【０００４】
例えばＬＥＤ素子を点光源として利用した例として、平成１２年１月１４日付で出願公開された特開２０００−１１７２３号公報［Ｆ２１Ｖ８／００］に、透光性材料からなる導光板の側端面に沿って、同じく透光性材料からなる直線状の１本または２本の導光体が近接して取付けられ、その導光体の各端部にＬＥＤ素子が配置された面光源装置が開示されている。この面光源装置は、ＬＥＤ素子からの光を導光体に進入させることによって、導光体を線状光源として利用している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの面光源装置は、いずれも導光板以外に、点光源−線光源変換手段ともいうべき導光体を必要とする。このため、面光源装置が大型化してしまうという問題がある。
【０００６】
それゆえに、この発明の主たる目的は、点光源を使用しながら小型で十分な明るさが得られる、面光源装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明は、透光性材料からなる導光板の側端面に近接して配置された点光源から光が進入し、導光板の上面から光を射出する面光源装置であって、側端面上の、少なくとも点光源に対向する領域に、光の波長を導光板の屈折率で割った値よりも大きなパターンピッチを有し、回折光が生じるような第１凹凸パターンを形成した、面光源装置である。
【０００８】
【作用】
この発明の面光源装置には、導光板の入光面となる側端面上であって、少なくとも点光源に対向する領域に、入射光の波長を導光板の屈折率で割った値よりも大きなパターンピッチを有する第１凹凸パターンが形成されている。この第１凹凸パターンにより、入射光は複数の回折角を有する回折光が発生し、これらの回折光が導光板内に進入していく。このため、導光板内に光が回り込まない暗部がほとんどなくなり、輝度むらが生じない。
【０００９】
また、導光板の側端面上の、点光源に対向する領域から離れた領域に、点光源からの光の波長を導光板の屈折率で割った値よりも小さなパターンピッチを有する第２凹凸パターンがさらに形成されていることが好ましい。この場合、点光源からの光の一部は第１凹凸パターンで反射され、この反射光は周囲の反射部材でさらに反射されて、第２凹凸パターンに入射する。第２凹凸パターンは第１凹凸パターンと異なり反射防止効果が大きいので、第２凹凸パターンに入射した光の大部分は、反射されずに導光板１２に進入する。このため、導光板から射出される光量が増加するので、十分な明るさの面光源装置を得ることができる。
【００１０】
また、さらに第１凹凸パターンを構成する基本パターンが、導光板の厚さ方向の中心線に対して線対称であることが好ましい。この場合、第１凹凸パターンによって回折された光は、導光板内で各中心線に対してそれぞれ対称に拡がるので、輝度むらが生じない。
【００１１】
この発明のある実施例では、面光源装置の側端面に形成されている第１凹凸パターンおよび第２凹凸パターンはいずれも導光板の厚さ方向に延びた断面が三角形の形状である。
【００１２】
【発明の効果】
この発明によれば、導光板の側端面に形成された第１凹凸パターンで入射光を回折させることにより、点光源からの光を導光板内に満遍なく拡散させることができるので、小型で十分な明るさを持つ面光源装置を得ることができる。
【００１３】
この発明の上述の目的，その他の目的，特徴および利点は、図面を参照して行う以下の実施例の詳細な説明から一層明らかとなろう。
【００１４】
【実施例】
（第１実施例）
図１を参照して、第１実施例の面光源装置１０は、導光板１２、ＬＥＤユニット２０、リフレクタ２２、および格納容器２４を含む。
【００１５】
導光板１２の材料は、光を効率よく通過させる透光性材料の中から選択され、通常はアクリル樹脂またはポリカーボネイト樹脂が用いられる。また、導光板１２の形状は、図１に示すように、軽量化を図るため、ＬＥＤユニット２０が配置される側端面１４から遠ざかるにしたがって、その板厚が徐々に薄くなる、いわゆる楔形に成形されているが、これに限られず、例えば略直方体形状であってもよい。
【００１６】
導光板１２の入光面となる側端面１４に近接して、３個の白色ＬＥＤ素子１８が一定の間隔で、直線状に実装されたＬＥＤユニット２０が配置されている。この白色ＬＥＤ素子１８は、例えばＧａＩｎＮ系の青色ＬＥＤチップからの光をケース内面に塗布したＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）系の蛍光物質を用いて白色光に変換する素子である。その発光スペクトル分布は、図２に示すように、波長の分布範囲は約４２０ｎｍ〜約７６０ｎｍで、青色ＬＥＤチップからの波長約４６０ｎｍの光が最も強度が強く、次にＹＡＧからの波長約５７０ｎｍの光が強い。
【００１７】
また、ＬＥＤユニット２０および導光板１２の入光面となる側端面１４を囲むようにリフレクタ２２が設けられている。リフレクタ２２は、金属板を曲げ加工したもので、光が反射しやすいようにその内面が鏡面加工されたり、あるいは白い塗料で塗装されたりしている。このようなリフレクタ２２で囲むことによって、ＬＥＤ素子１８から射出された光のうち導光板１２の入光面で反射された光も、リフレクタ２２の内面で反射されて、再び導光板１２の入光面に向かうようにすることができる。
【００１８】
さらに、導光板１２とリフレクタ２２は、導光板１２の上面に対応する位置に開口部を有する格納容器２４に入れられている。この格納容器２４も、光が反射しやすいようにその内面が鏡面加工され、あるいは白い塗料で塗装されているので、ＬＥＤ素子１８からの光はリフレクタ２２の側面から漏れることなく導光板１２に進入し、導光板１２に進入した光はその底面および側面で反射を繰り返しながら、導光板１２の上面から図示しない液晶パネルの照明光として外部に射出される。
【００１９】
次に、図３に示すように、３個のＬＥＤ素子１８が直線状に実装されたＬＥＤユニット２０が、導光板１２の入光面となる側端面１４に沿って近接して配置されている場合、ＬＥＤ素子１８からの光は導光板１２に進入した後、導光板１２内に拡がる。このとき、導光板１２の側端面１４は平面であるので、導光板１２内の斜線で示す暗部には光が回り込まない。このため、この導光板を使用した面光源装置には、輝度むらが生じる。
【００２０】
このような暗部をなくすために、導光板１２の入光面である側端面１４に±１次以上の高次の回折光が生じるような凹凸パターン（第１凹凸パターン）１６を形成する必要がある。すなわち、この第１凹凸パターン１６は、そのピッチ（周期）が、使用する光源の波長を導光板１２の材料の屈折率で割った値よりも大きくなるようにする必要がある。この第１凹凸パターン１６に光が入射すると、光は回折角が異なる複数の回折光に回折されて導光板１２に進入し、図３に示す暗部にも回り込むので、輝度むらをなくすることができる。
【００２１】
このような第１凹凸パターン１６としては、導光板１２の厚さ方向に延びた、断面が図４（ａ）に示す三角形の形状１６ａが考えられる。この第１凹凸パターン１６は、その基本パターンである三角形ごとに、中心線に対して左右対称（線対称）であることが好ましい。これは、もし第１凹凸パターン１６の基本パターンが左右対称になっていなければ、導光板１２内に拡がる光も左右対称にはならないので、輝度むらが生じるからである。
【００２２】
なお、第１凹凸パターン１６の断面形状は、図４（ａ）に示す三角形の形状１６ａに限定されるものではなく、例えば、図４（ｂ）に示す三角形で、底面が平坦な形状１６ｂ、図４（ｃ）に示す矩形形状１６ｃ、図４（ｄ）に示す台形形状１６ｄなどの形状でもよい。
【００２３】
次に、第１凹凸パターン１６が形成されている導光板１２の側端面１４に光が入射する場合に、入射角と回折角との関係について計算した結果を図５に示す。ここで、導光板１２はアクリル樹脂からなり、ＬＥＤ素子１８の光の波長を４６０ｎｍの単色光とする。また、第１凹凸パターン１６のピッチを３μｍとする。なお、第１凹凸パターン１６の形状は回折角の計算結果に影響を与えない。
【００２４】
図５において、斜線が施された領域は、導光板１２の側端面１４に第１凹凸パターン１６が形成されていないときに、光が回り込まない暗部を表している。図５からわかるように、ＬＥＤ素子１８からの光が導光板１２に進入するときの入射角を０度、２０度、３４度としたとき、回折角はそれぞれ３８度、５７度、８３度となる。特に、入射角が３４度の場合には回折角も８３度となることから、回折光はほぼ導光板１２の入光面１４に平行に近くなるまで回折され、暗部はほとんどなくなることがわかる。
【００２５】
また、パターンピッチが０．５μｍ、１μｍ、２μｍ、３μｍの第１凹凸パターン１６に光を入射させた場合、ピッチ０．５μｍで回折された１次光、ピッチ１μｍで回折された２次光、ピッチ２μｍで回折された４次光、ピッチ３μｍで回折された６次光の回折角は同じ角度となる。
【００２６】
さらに、入射角を３４度よりも大きくすると、回折角が９０度を超えるような回折光は発生しなくなってしまう。例えば、パターンピッチが３μｍで、入射角が３５度の場合、５次光までの回折光は発生するが、６次光は発生しない。
【００２７】
次に、図６〜図９に第１凹凸パターン１６のピッチが０．５μｍ、１μｍ、２μｍ、３μｍの場合について、そのアスペクト比（凸部の高さ／パターンピッチ）と回折効率の関係を示している。回折効率は、導光板１２の側端面１４に形成されている第１凹凸パターン１６の形状に依存し、この場合の第１凹凸パターン１６は導光板１２の厚さ方向に延びる、断面が三角形の形状とする。また、入光面となる側端面１４への光の入射角は０度とし、導光板１２はアクリル樹脂からなるものとする。また、図２のＬＥＤ素子１８の発光スペクトル分布からわかるように、波長４６０ｎｍのときの光強度が最も強いことから、この波長で回折効率を計算しても白色光の場合の回折効率との誤差は小さいと考えられるので、計算の都合上、入射光の波長を４６０ｎｍとする。
【００２８】
これらの図６〜図９で、各アスペクト比に対する回折効率を表しているが、この回折効率は回折光の光量とほぼ等しいと考えられるので、導光板１２の暗部をなくすためには、複数の回折光が発生し、しかもそれらの回折光の回折効率が高くなるように第１凹凸パターン１６のアスペクト比を選ぶ必要がある。
【００２９】
また、導光板１２は金型を用いてアクリル樹脂を射出成形することにより成形されるので、金型が作りやすいように第１凹凸パターン１６のアスペクト比があまり大きくないような形状とする必要がある。
【００３０】
次に、これらの点を考慮して、実際に使用可能な第１凹凸パターン１６のアスペクト比を検討する。パターンピッチが０．５μｍの場合、図６からわかるように、アスペクト比が２以上になると、ほとんど０次光だけになってしまうので、暗部に回折光が回り込まなくなる。このため、導光板１２の入光面１４に形成する第１凹凸パターン１６のアスペクト比を１〜２にする必要がある。
【００３１】
パターンピッチが１μｍの場合、図７からわかるように、アスペクト比が１．２付近で０次光、１次光、２次光の回折効率がほぼ等しくなっているため、これらの回折光の光量はほぼ等しいことがわかる。また、０次光と２次光を利用するならばアスペクト比が１．６付近となるように、０次光と１次光を利用するならばアスペクト比が２．８付近または４．５付近となるように形成すればよいが、アスペクト比が４．５の場合は金型の成形が難しい。
【００３２】
パターンピッチが２μｍの場合は、図８からわかるように、アスペクト比が１．３付近で０次光、３次光、４次光、６次光が、また２．０付近で０次光、１次光、４次光の回折効率が大きくなっていることがわかる。また、０次光と４次光を利用するためには、アスペクト比が１．８付近となるように形成すればよい。
【００３３】
パターンピッチが３μｍの場合は、図９からわかるように、アスペクト比が１．５から１．８付近で０次光、３次光、６次光、７次光の回折効率が大きくなっていることがわかる。
【００３４】
このように、第１凹凸パターン１６のピッチが大きくなれば、より高次の回折光が発生することがわかる。しかし、パターンピッチを大きくして多くの高次回折光を発生させても、０次回折光の回折効率が大きくなるだけで、±１次以上の回折光の回折効率はあまり大きくならず、暗部に回りこむ光の光量が少ないため、導光板１２の輝度むらの改善にはあまり役立たない。このため、パターンピッチは実用上３μｍ以下が好ましい。
【００３５】
（第２実施例）
図１０を参照して、第２実施例の面光源装置１０について説明する。この実施例は、第１実施例の場合に比べて、導光板１２の側端面１４に２種類のパターンピッチを有する凹凸パターンが形成されている点を除いて、第１実施例の場合と同一である。したがって、以下の説明では第１実施例と異なる点について説明し、同じ点についての説明は省略する。
【００３６】
すなわち、この実施例では、ＬＥＤ素子１８と対向する入光面となる側端面１４に、第１実施例の場合と同様に、そのパターンピッチを入光面１４の波長を導光板１２の材料の屈折率で割った値よりも大きくした凹凸パターン（第１凹凸パターン）１６が形成されており、この第１凹凸パターン１６によって±１次以上の高次の回折光が発生する。一方、ＬＥＤ素子１８と対向しない側端面１４には、この実施例では第１凹凸パターン１６に挟まれた領域に、そのパターンピッチが入光面１４の波長を導光板１２の材料の屈折率で割った値よりも小さくした凹凸パターン（第２凹凸パターン）２６が形成されている。この第２凹凸パターン２６は、０次回折格子であるので、入射光に対して反射防止効果を有している。
【００３７】
ＬＥＤ素子１８から射出された光は、第１凹凸パターン１６に入射するが、ここで入射光の約４％程度が反射される。この反射された光は、リフレクタ２２の内面でさらに反射されて、第２凹凸パターン２６に入射すると、その反射防止効果により、入射光の大部分は反射されずに導光板１２に進入する。
【００３８】
この結果、ＬＥＤ素子１８から導光板１２に進入できない光を低減することができる。つまり、導光板１２に進入する光量がより増加するので、より明るい面光源装置を提供することができる。
【００３９】
なお、図１０に示す第１凹凸パターン１６と第２凹凸パターン２６の形状はいずれも断面形状が三角形のものであるが、パターンピッチが上述のそれぞれの条件を満たしていれば、両者は必ずしも同じ形状である必要はない。
【００４０】
また、具体的なパターンピッチとして、第１凹凸パターン１６のピッチは、第１実施例の場合と同じく約２〜３μｍが好ましく、第２凹凸パターン２６のピッチは、ＬＥＤ素子１８の波長を最も短い４２０ｎｍを考慮すると、導光板１２の材料がアクリル樹脂とした場合に、２８０ｎｍよりも小さくすればよいことがわかる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１実施例を示す図解図である。
【図２】ＬＥＤ素子の発光スペクトル分布である。
【図３】導光板の入光面が平面の場合の光の進入を示す図解図である。
【図４】第１凹凸パターンの断面形状を示す図解図である。
【図５】図１実施例における入射角と回折角の関係を示す図解図である。
【図６】図１実施例におけるパターンピッチ０．５μｍの場合の回折効率を示すグラフである。
【図７】図１実施例におけるパターンピッチ１μｍの場合の回折効率を示すグラフである。
【図８】図１実施例におけるパターンピッチ２μｍの場合の回折効率を示すグラフである。
【図９】図１実施例におけるパターンピッチ３μｍの場合の回折効率を示すグラフである。
【図１０】この発明の第２実施例を示す図解図である。
【符号の説明】
１０…面光源装置
１２…導光板
１４…側端面
１６…第１凹凸パターン
１８…ＬＥＤ素子
２０…ＬＥＤユニット
２２…リフレクタ
２４…格納容器
２６…第２凹凸パターン

Claims

透光性材料からなる導光板の側端面に近接して配置された点光源から光が進入し、前記導光板の上面から光を射出する面光源装置であって、
前記側端面上の、少なくとも前記点光源に対向する領域に、前記光の波長を前記導光板の屈折率で割った値よりも大きなパターンピッチを有し、回折光が生じるような第１凹凸パターンを形成した、面光源装置。
前記側端面上の、前記点光源に対向する領域から離れた領域に、前記光の波長を前記導光板の屈折率で割った値よりも小さなパターンピッチを有する第２凹凸パターンをさらに形成した、請求項１記載の面光源装置。
前記第１凹凸パターンを構成する基本パターンが、前記導光板の厚さ方向の中心線に対して線対称である、請求項１または２記載の面光源装置。
前記第１凹凸パターンおよび第２凹凸パターンはいずれも前記導光板の厚さ方向に延びた断面形状が三角形である、請求項１ないし３記載の面光源装置。