JP2007027013A - 面光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 輝線の発生を抑制することができ、しかも、圧力が加わっても導光板裏面のパターンの潰れが発生しにくい面光源装置を提供する。
【解決手段】 導光板の裏面には、三角プリズム状に窪んだ偏向パターン３７と、拡散パターン３８とが形成されている。拡散パターン３８は、偏向パターン３７と連続するようにして、かつ、偏向パターン３７よりも光源に近い側に設けられている。拡散パターン３８は導光板３４の裏面を部分的に窪ませた凹部内に設けられており、拡散パターン３８は導光板の裏面から飛び出ないように形成されている。拡散パターン３８は、導光方向と直交する方向において波形を描くように高さが変化しており、導光方向では両端部を除いて均一な断面形状を有している。
【選択図】 図７

Description

本発明は、面光源装置に関し、特に液晶表示装置用のバックライトやフロントライト、リバーシブルライトとして用いられる面光源装置に関する。

（従来例１）
図１（ａ）は特許文献１に開示された液晶表示装置の構造を示す概略断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）の一部を示す拡大図である。図２は当該液晶表示装置に用いられているバックライトの概略斜視図である。

この液晶表示装置１１は、バックライト１２の表面側に液晶パネル１３を重ね合わせて構成されている。バックライト１２は、導光板１４のコーナー部に小さな光源１５を配置し、導光板１４の裏面に反射板１６を対向させたものである。導光板１４の裏面には、光源１５の置かれている位置を中心として同心の円弧上に短い三角プリズム状をした偏向パターン１７が配列されている。

しかして、光源１５を発光させると、導光板１４の光入射面から導光板１４内に入射した光源１５の光は、導光板１４の表面（光出射面１８）と裏面との間で全反射を繰り返しながら導光板１４内を放射状に伝搬する。この途中で偏向パターン１７に入射した光は、図１（ａ）及び図１（ｂ）に実線矢印で示すように、偏向パターン１７で全反射される。全反射した光は、光出射面１８から外部へほぼ垂直に出射し、裏面側から液晶パネル１３を照明する。

このような液晶表示装置１１は、光の利用効率が高いために消費電力が小さくて輝度が高いという特徴がある。また、導光板１４の光出射面１８と液晶パネル１３との間に２枚のプリズムシートを置く必要がないので、液晶表示装置１１の薄型化と低コスト化を図れる。

しかしながら、このような構造の液晶表示装置１１では、図１（ｂ）に破線矢印で示すように、偏向パターン１７の近傍において導光板１４の裏面平坦部で反射した光が偏向パターン１７に入射してそこで全反射されると、光出射面１８に垂直な方向から大きく傾いた方向へ出射される。バックライト１２を斜め方向から見ると、この光のために図２に示すように導光板１４の表面に輝線１９が発生し、液晶表示装置１１の画質が低下する。

（従来例２）
図３（ａ）は特許文献２に開示された液晶表示装置の構造を示す概略断面図、図３（ｂ）は図３（ａ）の一部を示す拡大図である。上記のような問題を解決するため、特許文献２に開示された液晶表示装置２１では、導光板１４の裏面において偏向パターン１７の光源側に三角プリズム状の凸部２２を突設している。このような凸部２２を設けていると、偏向パターン１７の光源側に入射した光は、図３（ｂ）に破線矢印で示すように、凸部２２によって全反射されて偏向パターン１７に入射する。この結果、偏向パターン１７で反射された光は、導光板１４の光出射面１８にほぼ垂直な方向へ向けて出射されて照明光として有効利用される。よって、図２に示したような輝線１９の発生が抑制され、液晶表示装置２１の画質が改善されると共に画面輝度も向上する。

しかしながら、導光板１４の裏面に三角プリズム状の凸部２２を突出させる方法では、導光板１４の裏面の反射板１６側から圧力が加わると、圧力によって凸部２２が潰れる問題が生じる。例えば、図４に示すように、液晶表示装置２１を裏返しにし、反射板１６の上から金属棒２３で押えると、凸部２２の潰れが観察される。液晶表示装置２１の組立工程や使用状態においては、液晶表示装置２１を落下させたりすることがあり、その場合に導光板１４の凸部２２が潰れる恐れがあり、凸部２２の潰れた箇所で輝度が低下したり、輝線が発生したりする心配がある。なお、図４において符号２４で示したものは拡散板である。

特許第３１５１８３０号 特願２００４−０４５２６３

本発明は上記のような技術的課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、上記のような輝線の発生を抑制することができ、しかも、圧力が加わっても導光板裏面のパターンの潰れが発生しにくい面光源装置を提供することにある。

本発明にかかる面光源装置は、光源と、光源から入射した光を導光させる導光板と、導光板の光出射面と反対側の平坦面に形成された複数の偏向パターンとを有し、前記導光板内を導光する光を前記偏向パターンで反射させることにより前記光出射面から光を出射させる面光源装置において、導光方向から入射した光を前記光出射面に垂直な方向から見て導光方向と異なる方向へ拡散させるための拡散パターンを、前記偏向パターンの光源側において前記導光板の光出射面と反対側の平坦面より飛び出ないように設けたことを特徴としている。なお、導光方向とは、導光板の光出射面に垂直な方向から見て、偏向パターン又は導光板の任意の位置と光源とを最短距離で結ぶ方向である。

本発明の面光源装置においては、導光方向から入射した光を前記光出射面に垂直な方向から見て導光方向と異なる方向へ拡散させるための拡散パターンを偏向パターンの光源側に設けている。かかる構成により、導光板の光出射面と反対側の平坦面で反射した後さらに偏向パターンで反射されて輝線となっていた光を拡散パターンによって拡散させることができる。よって、導光方向に集まって輝線となっていた光を拡散させて輝線を抑制することができる。さらに、本発明の面光源装置においては、導光板の光出射面と反対側の平坦面より飛び出ないように拡散パターンを設けているので、外力や衝撃によって拡散パターンが損傷を受ける恐れがない。

本発明の一実施態様における拡散パターンは、前記導光板の光出射面と反対側の平坦面に形成された凹部内に設けられているので、拡散パターンが導光板の光出射面と反対側の平坦面から飛び出ることがない。

本発明の別な実施態様における拡散パターンは、その幅が前記偏向パターンの幅よりも広く、拡散パターンの幅方向の両端が偏向パターンの幅方向の両端よりも外に出ている。よって、導光板の光反射面と反対側の平坦面（特に、拡散パターンに隣接する領域）で反射された光が偏向パターンに入射しにくく、輝線を防止する効果がより高くなる。

本発明のさらに別な実施態様における拡散パターンは、少なくとも１つの凸パターン又は凹パターンによって形成されている。拡散パターンは、導光方向から入射した光を凸パターン又は凹パターンで反射させることにより光を拡散させることができる。

かかる実施態様においては、例えば拡散パターンは導光方向に垂直な面内における断面がサインカーブ状となり、導光方向においては一様な断面を有している。よって、導光方向から入射した光は拡散パターンで反射されることにより、光出射面に垂直な方向から見て導光方向から外れた方向へ拡散され、輝線に寄与しなくなる。

また、拡散パターンは導光方向に垂直な面内における断面が二等辺三角形の連続した三角波状となり、導光方向においては一様な断面を有していてもよい。この場合も、導光方向から入射した光は拡散パターンで反射されることにより、光出射面に垂直な方向から見て導光方向から外れた方向へ拡散され、輝線に寄与しなくなる。

また、拡散パターンは導光方向に垂直な面内における断面が波形状となり、導光方向においては一様な断面を有しており、導光方向に垂直な断面における波形のピッチがランダムとなっていてもよい。この場合も、導光方向から入射した光は拡散パターンで反射されることにより、光出射面に垂直な方向から見て導光方向から外れた方向へ拡散され、輝線に寄与しなくなる。さらに、拡散パターンのピッチをランダムにした場合には、拡散パターンで回折し、色分離することで生じる光出射面の色づきを小さくすることができる。

拡散パターンのピッチをランダムにする場合には、拡散パターンの導光方向に垂直な面内における断面のピッチを、最小値が１.５μｍ以上で、最大値が最小値の２倍以上とし、最小値と最大値の間における各ピッチの拡散パターンがほぼ同じ頻度で現れるようにすることが望ましい。これにより拡散パターンで回折し、色分離することで生じる光出射面の色づきを小さくすることができるので、輝線をより小さくすることができる。

更に、拡散パターンの光源側に位置する端部を、ほぼ半円錐形状をしたパターンが導光方向に直交する方向に沿って並んだ形状とすることも輝線の低減に効果がある。

また、拡散パターンの異なる形態としては、半球状もしくは半楕円球状をした複数のパターンによって構成されたものでもよく、円錐状、楕円錐状もしくは角錐状をした複数のパターンによって構成されたものでもよい。これらの形態の拡散パターンも、輝線の発生を抑えるのに効果がある。

本発明のさらに別な実施態様においては、導光方向から入射した光が前記拡散パターンにより反射される方向が、前記光出射面に垂直な方向から見て、前記導光方向に対して０°よりも大きく９０°よりも小さくなっているので、輝線の低減により効果がある。

本発明のさらに別な実施態様においては、前項導光板の光出射面と反対側の平坦面から測った前記拡散パターンの最大高さをＲmaxとし、前記導光板の光出射面と反対側の平坦面から測った前記偏向パターンの垂直方向高さをＨとするとき、前記拡散パターンの最大高さＲmaxが、
０.２μｍ≦Ｒmax≦０.５×Ｈ
を満たしている。かかる実施態様によれば、面光源装置の輝度の低下を小さくすることができる。また、拡散パターンの最大高さＲmaxが０.２μｍ以下になると、拡散パターンにより光が回折しにくくなり、輝線を抑制する効果が低下する。

本発明のさらに別な実施態様においては、前記拡散パターンの導光方向における長さが、前記偏向パターンにおける光を全反射させるための傾斜面の導光方向における長さの２倍以上となっているので、拡散パターンより光源側の光出射面と反対側の平坦面で反射した光が、偏向パターンへ入射する割合が少なくなり、輝線防止の効果がより高くなる。

本発明のさらに別な実施態様においては、前記偏向パターンの最上部に位置する稜線に沿って微小な凹凸形状を設けている。よって、偏向パターンの凹凸形状で光を拡散させることができ、偏向パターンの最上部に位置する稜線が丸味を帯びた場合に、当該稜線で反射した光によって輝線が発生するのを防止することができる。

なお、本発明の以上説明した構成要素は、可能な限り任意に組み合わせることができる。

以下、本発明の実施例を図面に従って詳細に説明する。

図５は本発明の実施例１による面光源装置の斜視図である。図５に示すように、面光源装置３１は、透明な樹脂材料からなる導光板３４のコーナー部に小さな光源３５を配置し、導光板３４の裏面に対向させて反射板３６を配置したものである。導光板３４は、例えばポリカーボネイト樹脂やポリメチルメタクリレート、ＣＯＰ（シクロオレフィンポリマー）などの透明な樹脂材料によって成形されている。導光板３４の裏面には、光源３５の位置をほぼ中心とする同心円状に、多数の微小な偏向パターン３７及び微小な拡散パターン３８が形成されている。偏向パターン３７及び拡散パターン３８は、面光源装置３１の有効出射領域でほぼ均一な輝度となるよう、光源３５の近傍では比較的小さな密度で設けられており、光源３５から遠くなるに従って次第に密度が大きくなっている。光源３５は、ＬＥＤのベアチップを透明樹脂内に封止し、さらにその光出射面を除く領域を白色樹脂で覆ったものである。また、光源３５は、図５に示す例では導光板３４内のコーナー部に嵌め込まれているが、導光板３４の外周部に配置されていてもよい。反射板３６は白色シート又は金属シートによって形成されている。なお、以下において単に導光板３４の裏面というときは、導光板３４の裏面の平坦面を指すものとする。

この導光板３４は射出成形法により成形されている。すなわち、成形金型は下金型と上金型からなり、両金型間に成形用のキャビティが形成されている。下金型は光出射面３９を成形するための鏡面を備えており、上金型は偏向パターン３７及び拡散パターン３８を成形するための凹凸転写パターンを備えている。そして、成形金型のキャビティ内に溶融した樹脂材料を射出して充填し、樹脂材料を冷却することによって硬化させた後、成形金型を開いて成形品の導光板が取り出される。

図６は偏向パターン３７及び拡散パターン３８の一部を導光板３４の表面から見た様子を示す概略平面図である。図７は一組の偏向パターン３７及び拡散パターン３８を導光板内部の光源３５に近い側から見た斜視図である。図８は図６のＸ１−Ｘ１線に沿った偏向パターン３７及び拡散パターン３８の拡大断面図である。図９は図６のＸ２−Ｘ２線に沿った偏向パターン３７及び拡散パターン３８の拡大断面図である。

図６に示すように、偏向パターン３７は、光源３５（あるいは仮想光源）の位置をほぼ中心として同心円状に、互いに間隔をあけて配列されている。ただし、一つの円周上に必ずしも複数個の偏向パターン３７が位置していなければならないことはない。すなわち、各偏向パターン３７は、導光板３４の光出射面３９に垂直な方向から見たとき、その幅方向（長手方向）が光源３５と当該偏向パターン３７を結ぶ方向と直交するように配置されている。偏向パターン３７は、図７及び図８に示すように、導光板３４の裏面を三角プリズム状に窪ませることによって形成されており、光源３５に近い側に位置する光全反射面４０と光源３５から遠い側に位置する再入射面４１とを有している。

拡散パターン３８は、偏向パターン３７と連続するようにして、かつ、偏向パターン３７よりも光源３５に近い側に設けられている。拡散パターン３８は導光板３４の裏面を部分的に窪ませた凹部４２内に設けられており、拡散パターン３８は導光板３４の裏面から飛び出ないように形成されている。本発明においていう拡散パターン３８とは、光出射面３９に垂直な方向から見て、光源３５から入射した光線の大半をその光入射方向と異なる方向へ向けて反射させるような凹凸パターンである。ここで説明している実施例では、図７及び図９に示すように、拡散パターン３８は断面形状が波形、特にサインカーブに近い形状を描くように形成されている。拡散パターン３８は、導光方向（つまり、光源３５と当該拡散パターン３８を結ぶ方向に平行な方向であって、図５において破線矢印で示した方向）と直交する方向において波形を描くように高さが変化しており、導光方向では両端部を除いて均一な断面形状を有している。拡散パターン３８の一端は偏向パターン３７とつながっていて相貫体を構成している。拡散パターン３８の他端は、ほぼ半円錐形状をしたパターンが導光方向に直交する方向に沿って並んだ形状の斜面４３となっている。拡散パターン３８の幅は偏向パターン３７の幅よりも広くなっており、拡散パターン３８の両側の端は偏向パターン３７の幅方向の端よりも外に突出している。

しかして、この面光源装置３１にあっては、光源３５から光が出射されると、導光板３４内部に入射した光源３５の光は直進し、あるいは導光板３４の表面と裏面との間で全反射を繰り返しながら拡がる。そして、大部分の光は光出射面３９に垂直な方向から見たとき、ほぼ光源３５を中心として放射状に広がっていく。導光板３４内を伝搬して偏向パターン３７に達した光は、図７及び図８に実線矢印で示すように光全反射面４０で全反射された後、光出射面３９からほぼ垂直な方向へ向けて出射される。従って、面光源装置３１の前面に配置された液晶パネル等の対象物を裏面から垂直に照らすことができ、光の方向を垂直に揃えるためのプリズムシートを面光源装置３１と対象物との間に挿入する必要がない。

また、拡散パターン３８に達した光は、図７、図８及び図９に破線矢印で示すように拡散パターン３８によって左右に拡散される。よって、拡散パターン３８で反射された光、あるいは拡散パターン３８で反射されさらに光全反射面４０で反射された光は、図２に示された輝線１９の方向から外れた方向へ向けて出射され、しかもその出射方向は揃っていない。従って、この面光源装置３１によっても、従来例１（特許文献１の面光源装置）で問題となっていた輝線１９の発生を抑えることができる。しかも、従来例１と比較して面光源装置３１の正面輝度が低下する心配もない。

しかも、この拡散パターン３８は、導光板３４裏面の凹部４２内に設けられていて導光板３４の裏面から飛び出ていないので、従来例２（特許文献２の面光源装置）の凸部２２のように外部からの圧力や衝撃によって損傷する恐れがない。

なお、反射板３６は導光板３４の裏面から漏れた光を反射させて導光板３４内に再入射させる働きをしている。再入射面４１は光全反射面４０から漏れた光を捕捉して導光板３４内に再入射させる働きをしている。そして、反射板３６及び再入射面４１は、面光源装置３１の光利用効率を向上させている。

次に、実施例１における偏向パターン３７及び拡散パターン３８の最適な設計例を、図８及び図９を用いて説明する。光出射面３９からの光出射効率を良好にするためには、全反射面４０の傾斜角θ１は３１°〜５７°の範囲に定めることが望ましい。

この理由は、図１０が明らかにしている。図１０は光全反射面４０の傾斜角θ１（プリズム傾斜角）と光出射面３９から出射される光の輝度が最大となるピーク角度との関係を表わした図である。図１０の横軸は光全反射面４０の傾斜角θ１を表わし、縦軸は光出射面３９から出射される光の輝度が最大となるピーク角度を表わしている。このピーク角度は、導光方向を含み、かつ光出射面３９に垂直な平面内において、光出射面３９に垂直な方向から測った角度であって、光源３５から遠い側がプラスの値で、光源３５に近い側がマイナスの値となっている。面光源装置に望まれる特性としては、液晶表示装置などの用途を考慮した場合には、光出射面３９に垂直な方向から測って−２０°〜＋２０°の範囲内で良好な輝度が得られることが望ましい。そのためには、光出射面３９から出射される光のピーク角度が−２０°〜＋２０°の範囲にあればよい。図１０によれば、出射光のピーク角度を−２０°〜＋２０°の範囲に納めるためには、光全反射面４０の傾斜角θ１を３１°〜５７°の範囲にすればよいことが分かる。よって、光全反射面４０の傾斜角θ１を３１°〜５７°とすれば、面光源装置３１の出射光のピーク角度（光出射面３９に垂直な方向となす角度）が−２０°〜＋２０°となり、良好な輝度を得られることになる。

また、再入射面４１は垂直面（傾斜角９０°）に近いことが望ましいが、成形時の型抜きを容易にするために垂直面から適度に傾けている。

いま、図８に示す断面において拡散パターン３８の稜線の端を点Ｂ’とし、点Ｂ’から導光板３４の裏面へ垂直に降ろした垂線と導光板裏面との交点を点Ｂとする。従来例１において輝線１９となる光は、導光板裏面と２０°以上の角度を成して導光板３４の裏面に入射した光が、導光板裏面と光全反射面４０で全反射されることによって起きる。よって、輝線の発生を抑制するためには、図８に破線矢印で示したように、拡散パターン３８で全反射された光（拡散パターン３８を回折格子と考える場合には、０次反射光）が光全反射面４０に入射しなければよい。そのためには、点Ｂと偏向パターン３７の頂点Ｄ’とを結ぶ線分ＢＤ’が導光板裏面となす角度をθ２とするとき、θ２が２０°以下となっていればよい。

偏向パターン３７の頂点Ｄ’から導光板３４の裏面へ垂直に降ろした垂線と導光板裏面との交点をＤとするとき、光全反射面４０の導光板裏面への投影長さＷは点Ｄと光全反射面４０の下端点Ｃとの距離で表される。偏向パターン３７の垂直方向高さＨは、光全反射面４０の投影長さＷと傾斜角θ１を用いて、
Ｈ＝Ｗ・tanθ１ …（数１）
と表わされる。また、光全反射面４０の下端点Ｃと点Ｂとの距離（以下、拡散パターン３８の長さという。）をＬとすれば、
Ｈ＝（Ｗ＋Ｌ）・tanθ２ …（数２）
が得られる。よって、θ２が２０°以下という条件は、上記（数１）、（数２）から、
Ｌ ＞ Ｗ×〔（tanθ１／tan２０°）−１〕 …（数３）
となる。

光全反射面４０の傾斜角θ１が４５°の場合について考えると、偏向パターン３７の垂直方向高さＨは、光全反射面４０の投影長さＷと等しくなる。そして、上記（数３）からは、
Ｌ ＞ １.７５×Ｗ
が得られる。よって、若干の余裕を持たせれば、拡散パターン３８の長さＬを光全反射面４０の投影長さＷの約２倍以上にすればよいことが分かる。光全反射面４０の投影長さＷは通常５μｍ程度であるので、偏向パターン３７の垂直方向高さＨも５μｍ程度となり、拡散パターン３８の長さＬは１０μｍ程度以上あればよい。

これは、偏向パターン３７の幅と拡散パターン３８の幅とがほぼ等しい場合には、拡散パターン３８の導光板裏面への投影面積が光全反射面４０の導光板裏面への投影面積の約２倍以上となっていればよいというように表現することもできる。また、拡散パターン３８の面積が大きすぎると、光の拡散が大きくなってしまうため、拡散パターン３８の幅は、Ｗ＋Ｐmaxより小さいことが望ましい。

よって、この面光源装置３１においては、拡散パターン３８の長さＬを光全反射面４０の投影長さＷの約２倍以上にすることにより、２０°よりも大きな角度で拡散パターン３８に入射した光が、さらに光全反射面４０で反射されて輝線となるのを防止することができ、輝線の発生を抑制することができる。

また、図８及び図９に示すように、導光板３４の裏面の平坦部から測った拡散パターン３８の最大高さをＲmaxとするとき、拡散パターン３８の最大高さをＲmax
０.２μｍ≦Ｒmax≦０.５×Ｈ …（数４）
となるようにすることが望ましい。この理由を説明する。図１１は拡散パターン３８の最大高さＲmaxを変化させて面光源装置３１の輝度の変化を調べた結果を表わした図である。図１１の横軸は、偏向パターン３７の垂直方向高さＨに対する拡散パターン３８の最大高さＲmaxの比を表わし、縦軸は面光源装置３１の輝度比を表わしている。但し、輝度比は、拡散パターン３８を設けていない場合の輝度を１００％としている。許容される輝度の低下率は拡散パターン３８を設けていないときの２５％程度であり、図１１によればこれは Ｒmax／Ｈ≦０.５ であることが分かる。よって、
Ｒmax≦０.５Ｈ
とすればよい。

一方、導光板３４の屈折率を約１.５とすると、導光板３４内を導光する光の光線方向が導光板３４の裏面に対してなす角度は−４０°〜＋４０°の範囲内である。拡散パターン３８は反射型の回折格子として働くので、この角度範囲の光が拡散パターン３８で回折しないようなサイズで拡散パターン３８を作製すると、拡散パターン３８で反射した光の０次光（正反射光）が増加し、輝線が発生する原因となる。導光板裏面に対して−４０°〜＋４０°の角度で伝搬する波長が４００ｎｍまでの光を考慮すると、この光が拡散パターン３８で回折するためには、拡散パターン３８の最大高さＲmaxは０.２μｍ以上必要である。よって、拡散パターン３８の最大高さをＲmaxの下限値は０.２μｍとなり、拡散パターン３８の最大高さＲmaxの望ましい範囲は、上記（数４）のとおり、
０.２μｍ≦Ｒmax≦０.５×Ｈ
となる。

また、拡散パターン３８の凹凸の高低差は、できるだけＲmaxに近いことが望ましい。斜面４３の傾斜角度はほぼ４５°となっているので、斜面の４３の下端を点Ａとすれば、斜面４３の導光板裏面への投影長さＡＢ＝ｄは斜面４３の高さＲmaxとほぼ等しくなっている。

さらに、図９に示す拡散パターン３８のピッチ（周期）Ｐは、１.５μｍ以上とするのが望ましい。拡散パターン３８のピッチとは、図９に示すように、隣接する凸部（最高位置）間の水平距離である。拡散パターン３８で反射された光のうち０次（回折）光の割合は、図１２のように拡散パターン３８のピッチＰによって変化する。図１２から分かるように、拡散パターン３８のピッチＰが短くなるとそれに従って０次光の割合が増加する。０次光の割合が５０％以下となるようにすれば輝線を少なくすることができるから、図１２によれば拡散パターン３８のピッチＰは１.５μｍ以上にすればよいことが分かる。

次に、従来例１、従来例２及び実施例１による面光源装置の各指向特性を比較して説明する。図１３（ａ）、図１３（ｂ）及び図１３（ｃ）はそれぞれ、従来例１、従来例２及び実施例１において導光板の光出射面から出射される光の指向特性を示す図であって、色の濃い部分ほど輝度が大きいことを示している。図１３（ａ）、図１３（ｂ）及び図１３（ｃ）においては、各円の中心は導光板の光出射面に垂直な方向を表わしており、中心からの距離（半径）は光出射面に垂直な方向から測った仰角ξを表わし、円周方向の角度は導光方向を基準とした方位角ζを表わしている。

図１４は図１３で用いられている仰角ξと方位角ζの定義を説明する図である。点Ｆは導光板１４、３４の光出射面１８、３９における任意の位置を表わしており、一点鎖線ＦＧは光出射面１８、３９に立てた垂線を表わしている。太実線矢印Ｋは点Ｆから出射された光の出射方向を表わす出射方向ベクトルである。ここで垂線ＦＧと出射方向ベクトルＫとの成す角度が仰角ξである。また、点Ｇを中心とし、出射方向ベクトルＫに接し、かつ、光出射面１８、３９に平行な円Ｍを考える。光源１５、３５と点Ｆを結ぶ線分及び垂線ＦＧを含む平面を想定し、この平面と円Ｍとの２つの交点のうち導光方向（光源から遠い側）の点をＮ１、光源方向（光源に近い側）の点をＮ２とする。また、円Ｍと出射方向ベクトルＫとの接点をＱとする。そして、ＧＮ１方向から反時計回りに測ったＧＱ方向までの角度が方位角ζである。簡単に言うと、光出射面１８、３９に垂直な方向から見て、導光方向から反時計回りに測った光出射方向までの角度が方位角ζである（図１６参照）。

従来例１の場合には、図１３（ａ）に示されているように、出射光は導光方向に長く伸びており、これが輝線となっている。これに対し、従来例２及び実施例１の場合には、図１３（ｂ）（ｃ）に示されているように、出射光は中心部分（光出射面に垂直な方向の近傍）に集まっており、輝線の発生が抑えられている。

図１５は導光方向と平行な方向における従来例１（記号：◇）、従来例２（記号：□）及び実施例１（記号：●）の指向特性を表わした図である。図１５における横軸は、導光方向における光の出射角度を表わしている。導光方向における光の出射角度とは、図１６（ｂ）に示す図１６（ａ）のＸ３−Ｘ３断面のように導光方向を含み光出射面に垂直な平面内における出射角度である。これは、方位角ζが０°と１８０°のときの仰角ξと同じものである。但し、図１５では、図１６に表わしているように、方位角が１８０°のときの出射角度は仰角ξにマイナスの符号を付している。図１５の縦軸は各出射角度の方向へ出射される光の輝度を表わしている。また、図１５では輝線となる領域を示している。

図１５によれば、従来例１では、輝線となる領域における輝度が高く、そのため図２に示したような輝線１９が発生している。これに対し、実施例１では、輝線となる領域においては、従来例２と同程度まで輝度が小さくなっており、従来例２と同程度に輝線を抑制できている。また、光出射面に垂直な方向（出射角度がほぼ０°の方向）では、実施例１の輝度は従来例２に比べれば若干小さくなるが、従来例１と同程度の輝度となっている。従って、実施例１の面光源装置によれば、従来例１の面光源装置よりも正面輝度を低下させることなく、輝線による画質の低下を解消できていることが分かる。しかも、図４に示したようにして耐押圧検査を行なった結果でも、従来例２ではパターンの損傷が発生したが、従来例１と実施例１の面光源装置ではパターンの損傷は発生しなかった。

図１７は、本発明の実施例２による面光源装置において、導光板の裏面に設けられた偏向パターン３７及び拡散パターン３８の形状を示す概略斜視図である。また、図１８は拡散パターン３８の断面を表した図であって、図１７のＸ４−Ｘ４線断面図である。

実施例２では、光源３５として赤色、緑色、青色の三色のＬＥＤを内蔵したものを用いている。そして、この赤色光、緑色光及び青色光を混色させることにより白色光を生成している。

また、実施例２においては、拡散パターン３８は断面がほぼサインカーブ状をしているが、サインカーブの隣接する凸部間の水平距離（拡散パターン３８のピッチＰ）は一定ではなく、ランダムに変化している。拡散パターン３８のピッチＰの最小値Ｐminは１.５μｍ以上となっており、拡散パターン３８のピッチＰの最大値Ｐmaxは最小値の２倍以上の寸法となっている。例えば、良好な実施例では、拡散パターン３８のピッチＰの最小値Ｐminを２.５μｍとし、拡散パターン３８のピッチＰの最大値Ｐmaxを５μｍとしている。

拡散パターン３８のピッチＰの最小値Ｐminを１.５μｍ以上としているのは、図１２において説明したように、拡散パターン３８で反射した光に含まれる０次光の割合を５０％以下にするためである。

ただし、拡散パターン３８のピッチＰがランダムであるとはいっても、ランダムに形成された拡散パターン３８の隣接する凸部間のピッチＰは、導光板内でほぼ同じ頻度で現れるように形成されている。すなわち、導光板３４全体に形成された拡散パターン３８、あるいは導光板３４の任意の一部領域に形成された拡散パターン３８を考えたとき、図１９に示すように、各ピッチＰの拡散パターン３８がたがいにほぼ同じ数（頻度）だけ含まれるようになっている。従って、拡散パターン３８による光の拡散具合が導光板３４全体でほぼ均一となり、導光板３４に輝度ムラが発生しにくくなっている。

図２０は、ランダムなピッチの拡散パターン３８を有する実施例２において、拡散パターン３８で回折反射された赤色光（Ｒ）、緑色光（Ｇ）及び青色光（Ｂ）の各出射方向における輝度を表わしている。また、図２１は、一定ピッチの拡散パターン３８を有する実施例１において、拡散パターン３８で回折反射された赤色光（Ｒ）、緑色光（Ｇ）及び青色光（Ｂ）の各出射方向における輝度を表わしている。一定ピッチの拡散パターン３８を有する面光源装置において、光源に赤色光、緑色光及び青色光からなる混色型の白色光源を用いた場合には、図２１に示すように、拡散パターン３８で反射した回折光（０次光以外の回折光）が色ずれを起こし、面光源装置の光出射面が虹のように色づいて見える。これに対し、拡散パターン３８のピッチがＰminからＰmax（≒２×Ｐmin）までばらついた実施例２の場合には、図２０に示すように、０次光以外の回折光が半減し、光出射面における色分離も小さくなり、赤色光、緑色光及び青色光の混色度合いを高めて光出射面から白色光を出射させることができる。

なお、ここで説明した最適な数値例や設計条件以外については、実施例１で説明した最適な数値例や設計条件が当てはまる。

図２２は、本発明の実施例３による面光源装置において、導光板の裏面に設けられた偏向パターン３７及び拡散パターン３８の形状を示す概略斜視図である。、図２３は拡散パターン３８の断面を表した図であって、図２２のＸ５−Ｘ５線断面図である。実施例３においては、偏向パターン３７の稜線（最も高い位置：断面における点Ｄ’）に沿って微小な凹凸パターン４４を形成している。図示例ではサインカーブ状のパターンを示しているが、異なるパターン形状であってもよい。また、凹凸パターン４４のピッチは、拡散パターン３８のピッチＰと同程度となっている。また、拡散パターン３８の最大高さをＲmaxと、凹凸パターン４４の最大高低差Ｒmax2は、
０.２μｍ≦Ｒmax＋Ｒmax2≦０.５×Ｈ …（数４）
としている。ここで、Ｈは偏向パターン３７の垂直方向高さである。

例えば実施例１のような三角プリズム状の偏向パターン３７の場合には、導光板３４の成形時に偏向パターン３７の稜線が鋭角にならず、樹脂の充填不良のために偏向パターン３７の稜線が丸味を帯びる。そのため、図２４に示すように、偏向パターン３７の稜線に入射した光は、偏向パターン３７の丸味を帯びた稜線により導光方向の垂直面内で散乱され、これが原因となって光出射面３９に輝線を発生させる。

これに対し、実施例３の場合には、偏向パターン３７の稜線に沿って凹凸パターン４４を形成しているので、偏向パターン３７の稜線に入射した光は、導光方向の垂直面内だけでなく、当該垂直面から外れた方向にも散乱する。すなわち、光出射面３９に垂直な方向から見ると、偏向パターン３７の稜線で反射する光は、導光方向に対して横方向にも散乱される。この結果、実施例３の面光源装置によれば、光出射面３９における輝線の発生をより効果的に抑制することができる。

なお、実施例１〜３においては、サインカーブ状の断面を有する拡散パターン３８について説明したが、拡散パターン３８は図２５に示すように、ほぼ二等辺三角形のパターンが連続的に繰り返した三角波状の断面を有するものでもよい。この場合も、拡散パターン３８の最大高さＲmaxは、
０.２μｍ≦Ｒmax≦０.５×Ｈ （但し、Ｈは偏向パターン３７の高さ）
とするのが望ましい。

拡散パターン３８は、導光方向に伸びた棒状のものである必要はなく、例えば図２６（ａ）（ｂ）に示すように、半球状若しくは半楕円球状などのドーム状をしたパターンがほぼ隙間無く配列されたものであってもよい。また、図２７（ａ）（ｂ）に示すように、円錐状、楕円錐状、ピラミッド状もしくは四角錐状のパターンが隙間無く配列されたものであってもよい。

図２８は導光板３４の一側面の中央部に光源３５を配置した面光源装置５１を示す斜視図である。実施例１では導光板３４のコーナー部に光源３５を配置したが、図２８に示すように導光板３４の一側面の中央部に光源３５を配置してもよい。この場合も、導光方向は光源３５と偏向パターン３７とを結ぶ方向となり、各偏向パターン３７はその幅方向が導光方向とほぼ直交するように配置されており、拡散パターン３８は導光方向と直交する方向に沿って断面形状（パターン）が変化する。

図２９は導光板３４の一側面に沿って光源３５を配置した実施例４による面光源装置５２を示す斜視図である。この面光源装置５２にあっては、導光板３４の一側面のほぼ全長にわたって棒状をした光源３５（線状光源）を配置している。導光板３４の裏面には偏向パターン３７と拡散パターン３８が形成されている。

ここで、導光方向について説明する。導光方向とは、各偏向パターン３７と光源３５とを最短距離で結ぶ方向であって、この面光源装置５２では図２９において破線矢印で示す方向、すなわち光出射面３９に垂直な方向から見て、光源３５の長手方向に直交する方向である。図５に示した小さな光源３５（点光源）の場合には、各偏向パターン３７と光源３５を結ぶ方向を導光方向としたが、「導光方向とは、各偏向パターン３７と光源３５とを最短距離で結ぶ方向」であるという新たな定義は前者の定義を拡張したものであって、前者の定義を含んでいる。

偏向パターン３７は、導光方向に沿った断面では断面三角形状に形成されており、導光方向と直交する方向に沿って一様な断面で伸びている。また、導光板３４の長さ方向のピッチは、光源３５から遠くなるに従って短くなっている。

拡散パターン３８は各偏向パターン３７の光源３５側に配置されており、導光方向と直交する方向ではサインカーブ状に断面パターンが変化し、導光方向と平行な方向には一様な断面で伸びている。

図３０は本発明の実施例５にかかる面光源装置３２を備えた液晶表示装置６１を示す斜視図である。図３１は当該液晶表示装置６１の概略断面図である。すなわち、面光源装置３２の前面側に液晶パネル３３を配置している。このような液晶表示装置６１にあっては、プリズムパネル等と用いなくても、面光源装置３２により液晶パネル３３を裏面から垂直に照明することができる。そして、本発明にかかる面光源装置３２を用いることで、液晶表示装置６１に輝線が発生せず、画面の視認性が良好になる。しかも、拡散パターン３８が外力や衝撃によって破損する恐れもない。

なお、面光源装置３２と液晶パネル３３との間には、必要に応じて図３２に示すように、拡散板６３を挟みこんでもよい。

また、光出射面３９から出射される光の、光出射面３９に垂直な方向からの傾きが大きいような場合には、図３３に示すように、面光源装置３２と液晶パネル３３との間にプリズムシート６４を挟みこんで、出射光を垂直方向に向けるようにしてもよい。

図示しないが、液晶表示装置としては、観察者と反対側（裏面側）から液晶パネルを照明するバックライト方式のものに限らず、観察者側（前面側）から液晶パネルを照明するフロントライト方式のものであってもよい。また、１枚の面光源装置と１枚の液晶パネルにより両面から画像を観察可能にしたリバーシブルライトであってもよい。

図３４は本発明の液晶表示装置の使用例を示す図である。図３４は折り畳み型の携帯電話７１を表わしている。携帯電話７１は、操作部７２と表示部７３からなる。操作部７２には、テンキー等の操作キー７７とマイク７６が設けられている。表示部７３には、液晶表示装置７４とスピーカ７５が設けられている。液晶表示装置７４は光源がどの方向に位置するように組み込まれていても差し支えない。また、液晶表示装置７４は両面表示型でもよい。この携帯電話７１では、輝線が発生しないので画面が見易くなる。

また、応用例としては、携帯電話に限らず、ＰＤＡ、デジタルスチールカメラ、ゲーム機器など広い用途に使用することができる。

図１（ａ）は、従来例１の液晶表示装置の構造を示す概略断面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）の一部を示す拡大図である。 図２は、従来例１の液晶表示装置に用いられているバックライトの概略斜視図である。 図３（ａ）は、従来例２の液晶表示装置の構造を示す概略断面図、図３（ｂ）は、図３（ａ）の一部を示す拡大図である。 図４は、液晶表示装置の導光板裏面に形成された凸部の潰れを観察する方法を説明する概略図である。 図５は、本発明の実施例１による面光源装置の斜視図である。 図６は、偏向パターン及び拡散パターンの一部を導光板の表面側から見た様子を示す概略平面図である。 図７は、一組の偏向パターン及び拡散パターンを導光板内部の光源に近い側から見た斜視図である。 図８は、図６のＸ１−Ｘ１線に沿った偏向パターン及び拡散パターンの拡大断面図である。 図９は、図６のＸ２−Ｘ２線に沿った偏向パターン及び拡散パターンの拡大断面図である。 図１０は、光全反射面の傾斜角θ１（プリズム傾斜角）と光出射面から出射される光の輝度が最大となるピーク角度との関係を表わした図である。 図１１は、拡散パターンの最大高さＲmaxを変化させて面光源装置の輝度の変化を調べた結果を表わした図である。 図１２は、拡散パターンのピッチＰと拡散パターンで反射された光に含まれる０次光の割合との関係を示す図である。 図１３（ａ）、図１３（ｂ）及び図１３（ｃ）はそれぞれ、従来例１、従来例２及び実施例１において導光板の光出射面から出射される光の指向特性を示す図である。 図１４は、図１３で用いられている仰角ξと方位角ζの定義を説明する図である。 図１５は、導光方向と平行な方向における従来例１、従来例２及び実施例１の指向特性を表わした図である。 図１６（ａ）（ｂ）は、図１５で用いられている出射角度を説明する図であって、図１６（ｂ）は図１６（ａ）のＸ３−Ｘ３線断面図である。 図１７は、本発明の実施例２による面光源装置において、導光板の裏面に設けられた偏向パターン及び拡散パターンの形状を示す概略斜視図である。 図１８は、図１７のＸ４−Ｘ４線断面図である。 図１９は拡散パターンのピッチと頻度との関係を表わした図である。 図２０は、実施例２において、拡散パターンで回折反射された赤色光（Ｒ）、緑色光（Ｇ）及び青色光（Ｂ）の各出射方向における輝度を表わした図である。 図２１は、実施例１において、拡散パターン３８で回折反射された赤色光（Ｒ）、緑色光（Ｇ）及び青色光（Ｂ）の各出射方向における輝度を表わした図である。 図２２は、本発明の実施例３による面光源装置において、導光板の裏面に設けられた偏向パターン及び拡散パターンの形状を示す概略斜視図である。 図２３は、図２２のＸ５−Ｘ５線断面図である。 図２４は、偏向パターンの稜線で散乱した光によって輝線が発生する様子を説明する概略断面図である。 図２５は、拡散パターンの異なるパターン形状を示す断面図である。 図２６（ａ）は拡散パターンのさらに異なるパターン形状を示す断面図、図２６（ｂ）はその平面図である。 図２７（ａ）は拡散パターンのさらに異なるパターン形状を示す断面図、図２７（ｂ）はその平面図である。 図２８は、面光源装置の変形例を説明する斜視図である。 図２９は、本発明の実施例４による面光源装置の斜視図である。 図３０は、本発明の実施例５にかかる液晶表示装置を示す斜視図である。 図３１は、実施例５の液晶表示装置の概略断面図である。 図３２は、面光源装置と液晶パネルの間に拡散板を備えた面光源装置の概略断面図である。 図３３は、面光源装置と液晶パネルの間にプリズムシートを備えた面光源装置の概略断面図である。 図３４は、本発明の実施例６による携帯電話を示す図である。

符号の説明

３１ 面光源装置
３２ 面光源装置
３３ 液晶パネル
３４ 導光板
３５ 光源
３６ 反射板
３７ 偏向パターン
３８ 拡散パターン
３９ 光出射面
４０ 光全反射面
４１ 再入射面
４２ 凹部
４３ 斜面
４４ 凹凸パターン
５１ 面光源装置
５２ 面光源装置
７１ 携帯電話

Claims (15)

1. 光源と、光源から入射した光を導光させる導光板と、導光板の光出射面と反対側の平坦面に形成された複数の偏向パターンとを有し、前記導光板内を導光する光を前記偏向パターンで反射させることにより前記光出射面から光を出射させる面光源装置において、
   導光方向から入射した光を前記光出射面に垂直な方向から見て導光方向と異なる方向へ拡散させるための拡散パターンを、前記偏向パターンの光源側において前記導光板の光出射面と反対側の平坦面より飛び出ないように設けたことを特徴とする面光源装置。
2. 前記拡散パターンは、前記導光板の光出射面と反対側の平坦面に形成された凹部内に設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の面光源装置。
3. 前記拡散パターンの幅は前記偏向パターンの幅よりも広く、拡散パターンの幅方向の両端が偏向パターンの幅方向の両端よりも外に出ていることを特徴とする、請求項１に記載の面光源装置。
4. 前記拡散パターンは、少なくとも１つの凸パターン又は凹パターンによって形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の面光源装置。
5. 前記拡散パターンは、導光方向に垂直な面内における断面がサインカーブ状となり、導光方向においては一様な断面を有していることを特徴とする、請求項４に記載の面光源装置。
6. 前記拡散パターンは、導光方向に垂直な面内における断面が二等辺三角形の連続した三角波状となり、導光方向においては一様な断面を有していることを特徴とする、請求項４に記載の面光源装置。
7. 前記拡散パターンは、導光方向に垂直な面内における断面が波形状となり、導光方向においては一様な断面を有しており、導光方向に垂直な断面における波形のピッチがランダムとなっていることを特徴とする、請求項４に記載の面光源装置。
8. 前記拡散パターンの導光方向に垂直な面内における断面のピッチは、最小値が１.５μｍ以上で、最大値が最小値の２倍以上となっており、最小値と最大値の間における各ピッチの拡散パターンがほぼ同じ頻度で設けられていることを特徴とする、請求項７に記載の面光源装置。
9. 前記拡散パターンの光源側に位置する端部は、ほぼ半円錐形状をしたパターンが導光方向に直交する方向に沿って並んだ形状となっていることを特徴とする、請求項５、６又は７に記載の面光源装置。
10. 前記拡散パターンは、半球状もしくは半楕円球状をした複数のパターンによって構成されていることを特徴とする、請求項４に記載の面光源装置。
11. 前記拡散パターンは、円錐状、楕円錐状もしくは角錐状をした複数のパターンによって構成されていることを特徴とする、請求項４に記載の面光源装置。
12. 導光方向から入射した光が前記拡散パターンにより反射される方向は、前記光出射面に垂直な方向から見て、前記導光方向に対して０°よりも大きく９０°よりも小さいことを特徴とする、請求項１に記載の面光源装置。
13. 前項導光板の光出射面と反対側の平坦面から測った前記拡散パターンの最大高さをＲmaxとし、前記導光板の光出射面と反対側の平坦面から測った前記偏向パターンの垂直方向高さをＨとするとき、前記拡散パターンの最大高さＲmaxが、
    ０.２μｍ≦Ｒmax≦０.５×Ｈ
    を満たすことを特徴とする、請求項１に記載の面光源装置。
14. 前記拡散パターンの導光方向における長さが、前記偏向パターンにおける光を全反射させるための傾斜面の導光方向における長さの２倍以上となっていることを特徴とする、請求項１に記載の面光源装置。
15. 前記偏向パターンの最上部に位置する稜線に沿って微小な凹凸形状を設けたことを特徴とする、請求項１に記載の面光源装置。

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