JP2007214082A - 導光板、面発光装置及び表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 導光板を用いた面発光源を液晶表示装置等へ適用する場合に、面発光源から出射される光の垂直方向への指向性を高めるために光散乱板やプリズムシートから成る光学シートを用いていた。
【解決手段】 導光板を構成する板状シートの底面に光反射用の溝を形成し、この溝の表面及び板状シートの底面に反射膜を形成することにより、導光板から出射される出射光の垂直方向への指向性を向上させた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、照明装置等に用いられる導光板、これを用いた面発光照明装置及びこの面発光照明装置を用いた非自発光型の表示装置に関する。

携帯電話等に用いられている液晶表示装置は、偏光板やカラーフィルターなどの光を吸収する部材が使用されているために、自然光による反射光のみでは暗い表示となる。そのために、液晶表示装置の背面にバックライト等の照明装置を配置し、液晶表示装置に光を照射して表示画面が見えやすいようにしている（例えば特許文献１を参照）。

液晶表示装置に用いられる照明装置１００の外観を図９に模式的に示す。図１０は、図９で示した照明装置１００の模式的な断面図であり、特に光の拡散の状態を矢印で示している。導光板１０４の背面には反射板１０５を配置し、導光板１０４の側面の一辺には光源１０６を設置している。光源１０６は発光素子を内包し、発光素子としてはＬＥＤが使用される。導光板１０４は透明材料、例えばアクリルからなり、その側面から光源１０６の光を導入する。導光板１０４の背面にはその側面から導入された光を上方へ散乱させるための粗面処理がなされ、あるいは多数の溝が形成されている。

導光板１０４の上方には導光板１０４の表面から出射された出射光を垂直方向へ向けるための光学シート１０７が配置されている。光学シート１０７は、光を散乱させるための拡散板１０３、その上に配置したＸ方向プリズムシート１０２及びＹ方向プリズムシート１０１から構成されている。

ここで、拡散板１０３は、導光板１０４から浅い角度で出射される出射光を垂直方向に散乱させることと、導光板１０４の背面に形成された溝等の散乱手段による光強度のむらを防止するために設けられている。また、Ｘ方向プリズムシート１０２は、その表面のＹ方向に鋸歯状の多数のプリズムが形成されており、主にＹ方向に角度を有する光を垂直方向へ向けるために設けてられている。同様にＹ方向プリズムシート１０１は、主にＸ方向に角度を有する光を垂直方向へ向けるために設けられている。また、反射板１０５は、導光板１０４の下方に散乱される散乱光を再び導光板１０４へ入射させ、上方へ光を導くために設けられている。

図１１は、導光板１０４の背面に形成されたＶ字溝１０８に対して横方向から光が入射したときの光の散乱方向を説明するための説明図である。図１１（ａ）はＶ字溝１０８が鋭角で形成されている場合であり、図１１（ｂ）はＶ字溝１０８’が鈍角で形成されている場合である。Ｖ字溝１０８が鋭角で形成されている場合、即ちＶ字溝１０８の一方の表面と導光板１０４の底面との間の角度θが大きい場合は（図１１（ａ））、水平方向からＶ字溝１０８の一方の表面へ入射する光は、一旦大気中へ抜けて、再び他方の表面から導光板１０４に入射する。そのために、導光板１０４の上面に対して浅い角度で入射することになる。この角度が臨界角以上に浅くなる場合には、導光板１０４の表面から出射することができない。また臨界角以上の角度で上面に達した光は、屈折率の高い導光板１０４から屈折率の低い空気へ抜けるために、スネルの法則に基づいて、導光板１０４の出射面に垂直方向からの角度ψが大きな方向、即ち上面に対して浅い角度で出射することになる。

一方、図１１（ｂ）に示すようにＶ字溝１０８’が鈍角で形成されている場合には、Ｖ字溝１０８’の一方の表面に入射した光は全反射されて上方へ向かう。Ｖ字溝１０８’の側面と導光板１０４の底面との角度をθ’とすれば、水平方向から入射した光は２θ’の方向へ全反射され、導光板１０４の上面に対しても２θ’の角度で入射する。導光板１０４としてアクリルを使用する場合には、アクリルの屈折率は１．４９である。この場合、導光板１０４の上面において全反射する角度は２θ’＝４８°である。従って、２θ’≦４８°の場合には全反射して外部へ光を取り出すことができない。また、２θ’≧４８°の場合に導光板１０４の外部へ取り出すことができるが、屈折率の高い導光板１０４から屈折率の低い大気へ抜けるものであるため、垂直方向からの角度ψ’は大きくなる、即ち浅い角度で出射することになる。

このように、単に背面に溝等からなる散乱機構を備えた導光板１０４では、導光板１０４の表面で全反射を繰り返して外部へ出射することができない光が多くなると共に、表面から出射する光はその角度ψ又はψ’が大きくなる。液晶表示素子へ適用しようとする場合には垂直方向の指向性の高い光が必要である。従来公知の導光板１０４では、この角度ψ又はψ’を小さくするために、拡散板１０３、Ｘ方向プリズムシート１０２、Ｙ方向プリズムシート１０１から成る光学シート１０７を設ける必要があった。
特開２００４−３２７０７７号公報

しかしながら、光学シートを設けることは液晶表示装置のコスト高となると共に、装置全体の重量を重くし、厚さが厚くなるという課題を有していた。また、導光板の背面に反射板を設置する際に組み立て誤差が生じやすく、特に導光板と反射板との隙間の誤差は、上方に出射される出射光の特性を変動させ、例えば、隙間の不均一性は出射光強度や色彩のむらを生じさせる、という課題があった。

本発明は、上記の課題を解決するために、側面より光を入射し、底面に光を反射する反射機構を備え、上面より前記入射した光を出射する板状シートからなる導光板において、前記反射機構は、前記底面に形成された複数の溝と、前記複数の溝の表面及び前記底面に形成された反射膜とからなることを特徴とする導光板とした。

すなわち、本発明の導光板は、光を反射する反射機構を底面に備え、側面より入射した光を上面より出射する導光板であって、反射機構は、底面に形成された複数の溝と、複数の溝の表面及び底面に形成された反射膜を備えている。

さらに、本発明の面発光装置は、上述の構成の導光板と、導光板の側面に設置した光源を備えている。さらに、本発明の表示装置は、上述した構成の面発光装置と、面発光装置により照明される非自発光型の表示素子を備えている。

導光板の背面に複数の溝を設け、当該溝の表面と導光板の底面に反射膜を形成することにより、導光板の表面から出射される光の垂直方向への指向性を高くすることができ、拡散板やプリズムシート等からなる光学シートを必要としないでこの光学シートを用いた場合と同等の出射光の指向性を得ることができる、という利点を有する。

また、導光板と別体の反射板を必要としないので、導光板と反射板との組み立て誤差の問題も生じない、という利点を有する。

以下、本発明の実施の形態について説明する。

本発明の導光板は、光を透過する板状シートと、その底面に形成した反射機構を備えている。反射機構は、板状シートに複数の溝を形成し、更にこの溝の表面及び板状シートの底面に反射膜を形成している。板状シートには、例えばガラス、アクリル、ポリカーボネイト等の透明材料を用いることができる。底面に対する複数の溝は、研削加工、サンドブラスト、エッチング、金型を用いた射出成形加工等により形成することができる。板状シートの底面及び複数の溝の表面に形成する反射膜は、金属の蒸着や白色顔料を混入した樹脂を塗布して形成することができる。

この様に、板状シートの底面に溝を形成し、この溝の表面及び板状シートの底面に反射膜を形成することにより、導光板と別体で反射板を設ける必要が無くなり、反射板と導光板の位置合わせが不要となり、位置合わせ誤差による表面からの出射光のむらを防止することができる。また、出射光の垂直方向への指向性を高くすることができる。

また、板状シートの底面に形成する溝は、その深さを２μｍから１００μｍとし、ピッチが５０μｍ〜５００μｍで周期的に形成されている。形成するピッチは、より好ましくは１００μｍ〜５００μｍとする。これにより、導光板からの光の出射光量の均一化を図ることができる。

また、板状シートの底面に形成する溝はＶ字状の溝からなり、板状シートの底面とＶ字状の溝の一方の面との角度をθ_１、他方の面との角度をθ_２とした場合に、２５°≦θ_１≦４５°及び７０°≦θ_２≦９０°とする。これにより、板状シートの上面から出射する出射光の角度を垂直方向へ集光させることができる。その結果、この導光板を液晶表示装置へ適用する場合に、拡散板やプリズムシート等からなる光学シートを必要としない、という利点を有する。

また、反射膜として、アルミニュウム、銀等を用いた金属薄膜、又は、白色顔料及び／又は金属を混入した樹脂膜とする。アルミニュウムや銀は、蒸着法により形成することができる。アルミニュウムや銀は反射率が高いので特に好ましい。これにより、入射光を効率よく上方へ出射することができる。また、反射膜として、蒸着法により金属膜を形成する他に無電解メッキ法により形成することができる。また、白色顔料や金属を混入した樹脂を印刷により形成することができる。

また、板状シートの底面に形成する溝の方向を、光源から光が入射する入射面に対して略平行方向とする。板状シートの側面から入射した光は、上面と底面との間で全反射を繰り返して進む。従って、この光が進行する方向と略直交する方向に溝を形成することにより、板状シートの上面へ反射させる反射効率を向上させることができる。

また、板状シートの底面に形成する溝は、光源から光が入射する入射面に対して略平行方向を有し、その溝は所定の長さを有するようにした。これにより、一方の側面から入射した入射光を反対側の他方の側面の方向へより多く導くことができる。その結果、一方の側面から入射した入射光を板状シート全面に拡散させることができる。そのために、上面から出射する出射光強度の均一化を図ることができる。

また、板状シートの底面に形成する溝は、光が入射する側面の入射点を中心として略同心円状に形成する。これにより、板状シートの上面と底面との間を全反射して進む光の進行方向に対して溝の方向とが略直交する方向となり、同心円状の溝の位置に依存しない均一の散乱光を得ることができる。

また、上述した構成の導光板の側面に光源を設置して面発光装置とした。光源には、ＬＥＤや蛍光管を用いることができる。これにより、反射板や光学シートを使用しないで板状シートの上面から出射する出射光の垂直方向への指向性を高めた、軽量できわめて薄い面発光装置を得ることができる。

また、上述した構成の面発光装置を用いて非自発光型の表示素子が照明される表示装置とした。表示素子としては、単純マトリクス方式の液晶表示素子、アクティブマトリクス方式の液晶表示素子、あるいは、フィールドシーケンシャル方式の液晶表示素子を用いることができる。特に、軽薄短小型が求められる携帯機器用の液晶表示装置、車載用の液晶表示装置等へ適用することができる。

以下、本発明の実施例について、図面を用いて詳細に説明する。

図１は、本実施例の導光板１の模式的断面図である。板状シート２の底面には反射機構として、複数の溝５と反射膜３を備えている。溝５は金型を用いた射出成形加工により形成した。板状シート２の底面の他に、Ｖ字状の溝５の表面にも反射膜３を形成している。板状シート２にはアクリル板を用いている。アクリル板の他に、ポリカーボネイト、ガラス、塩化ビニール等の透明なシートを使用できる。さらに、反射膜３をアルミニュウムの真空蒸着により形成した。アルミニュウムの他に、他の金属膜、例えば銀や白金等を用いることができる。また、金属膜の他に、白色顔料を混入した樹脂を塗布した反射膜３とすることができる。

そして、導光板１は、その側面に配置した光源４から光を導入する。光源４は、導光板１の一つの側面に配置することの他に、その反対側の側面や、その他の側面に配置することができる。光源４を配置していない板状シート２の側面には、反射板や反射膜を設置して導光板１外へ光が漏洩することを防止し、光の利用効率を向上させる。

また、本実施例においては、溝５をＶ字状の形状としたが、これに限定されるものではなく、板状シート２の上面から出射する出射光の垂直方向への指向性を高めることができるものであれば、例えば、Ｕ字溝やＳＩＮカーブ等の溝とすることもできる。

図２は、Ｖ字状の溝５の形状及び光の反射について説明するための導光板１の部分断面図である。同一の符号は同一の機能又は部材を表す。板状シート２の内部においては、光源４から入射した光が直進し、あるいは上面又は底面において全反射を繰り返して進行する。そして、Ｖ字状の溝５の傾斜面に光が到達しても、光が大気中へ抜けることが無い。そのために、Ｖ字状の溝５の一方の傾斜面に入射した光が一旦大気中へ出射し、他方の傾斜面から再び入射する従来公知の図１１（ａ）と比較し、傾斜面により反射される反射光は、垂直方向への指向性がより強くなる。

溝５の深さは２μｍ〜１００μｍとするのが好ましい。また、隣り合う溝５との距離、又はピッチは５０μｍ〜５００μｍとするのが好ましい。また、より好ましくはピッチを１００μｍ〜５００μｍとする。また、溝５がＶ字状であって、光の入射する側の傾斜面と板状シートの底面との間の角度をθ_１とし、他方の傾斜面の角度をθ_２とした場合に、２５°≦θ_１≦４５°及び７０°≦θ_２≦９０°の範囲に入るＶ字状の溝５とするのが好ましい。

Ｖ字状の溝５の一方の角度θ_１ を２５°以上とした場合、例えば水平に入射した光はＶ字状の溝５により２θ_１ ＝５０°以上の角度で反射され、板状シート２の上面にはその垂直な方向に対してπ／２−２θ_１ ＝４０°以下の角度で進入することになる。板状シート２にアクリルを使用した場合、全反射を起こす臨界角は板状シート２の上面に垂直な方向に対し４８°である。従って、Ｖ字状の溝５の一方の角度θ_１ を２５°以上とすることにより、溝５で反射された光は上面に垂直な方向に対し角度４０°以下となり、板状シート２の上面において全反射されること無く外部へ出射させることができる。Ｖ字状の溝５の角度θ_１ を４５°以下とすることにより、水平に入射した光を垂直方向へ反射させることができる。

また、Ｖ字状の溝５の一方の表面の角度θ_２ を、７０°≦θ_２ ≦９０°としたが、これは、主に金型射出成形加工時において、板状シート２を金型から容易に抜きやすくするためと、溝５の幅を小さくして隣り合う溝間の距離を小さくすることができるようにするためである。

図３、図４、図５、図６及び図７は、溝５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ及び５ｅの形成について説明するための導光板１の上面図である。図３において、光源４、４’からの光が板状シート２の下部側面から導入される。光が入射する下部の側面と平行して複数の溝５ａを形成している。溝５ａを光が進行する方向と直角方向に形成することにより、溝５ａによる板状シート２の上面へ反射させる反射効率を高めることができるからである。また、図４においては、溝５ｂを、光が入射する下部側面と平行して複数形成すると共に、溝５ｂの長さ方向に対して所定の長さの破線状の形状とした。これにより、光源４、４’から入射した光を、板状シート２の全面に分散させ、板状シートの上面から出射する出射光の面内均一性を向上させることができる。

図３及び図４において、複数の溝５ａ及び５ｂの間隔を５０μｍ〜５００μｍとした。１００μｍ〜５００μｍとすると、より好ましい。

図５において、光源４、４’近傍の溝５ｃの間隔を広くし、光源４、４’から離れるに従いその間隔を小さくする。即ち、破線状に形成した溝５の形成密度を、光源４、４’から離れるに従い高密度とした。光源４、４’近傍においては板状シート２の内部を進行する光の強度が強く、光源４、４’から離れるに従い、その強度が弱くなる。従って、均一な面発光とするために、このような溝５の密度分布とした。

図６においては、光源４、４’から光が入射する入射点を中心として、同心円状に所定の長さの溝５ｄを形成している。これにより、溝５ｄは光源４、４’からの入射光線に対して直角方向を向くことになり、半径が同一の場合、溝５ｄから反射される反射強度の均一性を高めることができる。また、隣り合う溝５ｄの間隔は５０μｍ〜５００μｍとし、より好ましくは、１００μｍ〜５００μｍとする。

図７においては、光源４、４’から光が入射する入射点を中心として同心円状であり、かつ、隣り合う溝５ｅの間隔を、光源４、４’近傍では大きく、光源４、４’から離れるに従い小さく形成している。即ち、光源４、４’の近傍においては溝５ｅの形成密度を低下させ、光源４、４’から離れるに従い溝５ｅの形成密度を高くする。これにより、板状シート２からの出射光の均一性をより向上させることができる。

図８は、本実施の形態にかかる導光板１を用いた面発光源１２、及び、この面発光源１２を用いた液晶表示装置１０を表す部分断面図である。同一の符号は同一の機能又は構成部分を表す。面発光源１２は、底面にＶ字状の溝５を形成した板状シート２と、このＶ字状の溝５の表面及び板状シート２の底面に形成した反射膜３とからなる導光板１と、この導光板１の側面に設けた光源４とから構成されている。光源４の発光源としてＬＥＤを使用している。発光源としてＬＥＤの他に蛍光管を使用することができる。

液晶表示装置１０は、上記面発光源１２の上に液晶表示素子１１を配置して構成されている。液晶表示素子１１と面発光源１２との間には光学シートを設けていない。本実施の形態に係る面発光源１２は、出射光の垂直方向への指向性が高いので、光学シートを設ける必要が無い。液晶表示素子１１は、液晶層１５を２枚の透明基板１４と１６で挟み、更に２枚の偏光板１３と１７により挟まれた構造を有する。この液晶表示素子１１として、２枚の透明基板１４及び１６の内面に多数の電極をマトリックス状に設けた単純マトリックス型液晶表示素子や、一方の透明基板の内面に多数のＴＦＴと画素電極を形成したＴＦＴ型液晶表示素子や、フィールドシーケンシャル方式液晶表示素子を使用することができる。フィールドシーケンシャル方式液晶表示素子を使用する場合には、面発光源１２の光源４は、赤色、緑色、青色を発光するＬＥＤを内蔵する。

本実施の形態に係る導光板を表す模式的断面図である。 本実施の形態に係る導光板の溝の形状及び光の反射を説明するための断面図である。 本実施の形態に係る導光板を表す上面図である。 本実施の形態に係る導光板を表す上面図である。 本実施の形態に係る導光板を表す上面図である。 本実施の形態に係る導光板を表す上面図である。 本実施の形態に係る導光板を表す上面図である。 本実施の形態に係る面発光源及びこれを用いた液晶表示装置を表す部分断面図である。 従来公知の照明装置を表す模式的斜視図である。 従来公知の照明装置を表す断面図である。 従来公知の導光板の溝の形状及び光の進む状態を説明するための断面図である。

符号の説明

１ 導光板
２ 板状シート
３ 反射膜
４、４’ 光源
５ 溝
１０ 液晶表示装置
１１ 液晶表示素子
１２ 面発光源

Claims (9)

1. 光を反射する反射機構を底面に備え、側面より入射した光を上面より出射する導光板であって、
   前記反射機構は、前記底面に形成された複数の溝と、前記複数の溝の表面及び前記底面に形成された反射膜を備えることを特徴とする導光板。
2. 前記溝は、深さが２μｍ〜１００μｍであり、ピッチが５０μｍ〜５００μｍで周期的に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の導光板。
3. 前記溝はＶ字形状を有し、前記底面と前記Ｖ字形状の一方の傾斜面とが成す角度をθ_１と、前記底面と前記Ｖ字形状の他方の傾斜面とが成す角度をθ_２とすると、２５°≦θ_１≦４５°及び７０°≦θ_２≦９０°であることを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかに記載の導光板。
4. 前記反射膜は、金属膜、又は、白色顔料又は金属を混入した樹脂膜からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の導光板。
5. 前記溝は、前記光を入射する側面に略平行な方向に形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の導光板。
6. 前記溝は、前記光が入射する側面に平行な方向に所定の長さで複数形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の導光板。
7. 前記溝は、前記光が入射する側面の入射点を中心にして、略同心円状に形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の導光板。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載された構成の導光板と、前記導光板の側面に設置した光源を備える面発光装置。
9. 請求項８に記載された構成の面発光装置と、前記面発光装置により照明される非自発光型の表示素子を備える表示装置。

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