JP2865618B2 - 導光板および導光板アセンブリ - Google Patents

導光板および導光板アセンブリ

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JP2865618B2
JP2865618B2 JP8138204A JP13820496A JP2865618B2 JP 2865618 B2 JP2865618 B2 JP 2865618B2 JP 8138204 A JP8138204 A JP 8138204A JP 13820496 A JP13820496 A JP 13820496A JP 2865618 B2 JP2865618 B2 JP 2865618B2
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    • G02F1/1336—Illuminating devices
    • G02F1/133621—Illuminating devices providing coloured light

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、液晶表示装置など
のバックライトや発光誘導板に用いられる導光板に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】従来、液晶表示装置のバックライトに用
いられる平面照光装置として、例えば図６に示すような
ものが知られている(特開平５−１２７１５７号公報)。
この平面照光装置３１は、図６(Ａ)に示すように、上面
３２aが平坦で,下面３２bに多数の多面プリズム３３を
もつ透明アクリル樹脂からなる導光板３２と、導光板３
２の一端の辺３２cに沿って配置された冷陰極蛍光灯な
どの光源３４と、導光板３２の下面３２bに略平行に配
置された反射板３５と、導光板３２の上面３２aに平行
に間隔をあけて配置される図示しない液晶表示パネルか
らなる。上記多面プリズム３３は、底面詳細図である図
６(Ｂ)に示すように、正三角形の底面をもち,互いに直
角な３面α,β,γで囲まれる三角錐をなして導光板の下
面３２bから下方に突出し、入射光を矢印の如く全反射
するコーナーキューブの性質を有する。なお、上記正三
角形の一辺は、例えば導光板３２の寸法が18mm×9.6mm
×0.5mmの場合、0.16mmである。
【０００３】液晶表示装置を明るい場所で光源３４を用
いずに見る場合、液晶表示パネルを通して導光板３２に
上面３２aから入射する光は、図６(Ｃ)の矢印で示すよ
うに下面の多面プリズム３３で反射され、再び上面３２
aから出て液晶表示パネルを下方から照らすので、表示
が見易くなる。一方、液晶表示装置を暗い場所で光源３
４を点灯して見る場合、図６(Ａ)の矢印から分かるよう
に、光源３４から導光板３２の上面３２aに向かって入
射した光は、上面３２aで全反射し、下面３２bに向かっ
て入射した光は、多面プリズム３３で全反射し,次いで
上面３２aで一部反射し、反射板３５に向かって入射し
た光は、反射後に導光板３２に入るから、光源３４の殆
どの光が導光板３２内を全反射しながら遠方まで導かれ
るので、液晶表示パネルを下方から輝度ムラが少なく明
るく照らすことができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ところが、上記従来の
平行照光装置３１は、導光板３２の下面３２bの多面プ
リズム３３が、全面に多数あるとはいえ、その一辺が例
えば0.16mmと,光の波長に比べて相当大きいものである
うえ、各プリズムが協同することなく個別に光を全反射
するものであるため、導光板３２の輝度を全体に高めよ
うとすると、各プリズムの間の谷間にあたる箇所で乱反
射が起きて上面３２aに向かう光量が減り、照光面であ
る上面３２aに極端な明暗のコントラストが生じるとい
う問題がある。また、この平行照光装置３１を電池で駆
動される液晶表示装置に用いると、照光面３２aに向か
う上記光量の減少を補って高輝度を得るべく、光源３４
を大電流で照らす必要があるため、電池の寿命が短くな
って、長期使用ができなくなるという問題もある。
【０００５】そこで、本発明の目的は、光の幾何光学的
性質を利用した従来のプリズムによる全反射でなく、回
折格子の微細加工や白色光源における分光などの問題か
ら今まで導光板に用いられることがなかった光の波動の
性質に基づく回折現象を利用して、従来より遥かに高
く,かつ均一な輝度を照光面全体に亘って得ることがで
き、ひいては光源の電力消費の低減による電池の長寿命
化も図ることができる導光板を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は、透明な板状体の少なくとも一端面から入
射する光源からの光を、上記板状体の裏面に設けられた
回折格子によって板状体の表面側へ回折させる導光板で
あって、上記回折格子の断面形状または単位幅における
格子部幅／非格子部幅の比の少なくとも１つが、上記導
光板の表面における輝度が増大し、かつ均一化されるよ
うに変化せしめられていることを特徴とする。
【０００７】図１に例示するように、透明な板状体から
なる導光板２の裏面２bに一例として間隔ｄで回折格子
３(刻線溝)が加工されている場合、導光板２の一端面２
cから裏面２bに向けて入射した光Ｉは、上記回折格子３
によって矢印の如く表面２aに向かって回折されるが、
入射光Ｉと回折光Ｄの間には、入射角をｉ,回折角をθ,
光の波長をλ,ｍを整数として、次式(1)が成立する。 (sinｉ−sinθ)＝±ｍ(λ／ｄ) …(1) 図中のＤ1,Ｄ2,Ｄ3は、上式(1)中のｍを夫々１,２,３と
したときの回折光の方向を示している。１次の回折光Ｄ
1は、表面２aに対する入射角が臨界角φ(例えばアクリ
ル製導光板の場合,φ＝42°)よりも大きくなるので、表
面２aで全反射されて導光板２内を遠方へ導かれ、２次,
３次の回折光Ｄ2,Ｄ3は、表面２aに対する入射角が臨界
角φよりも小さいので、表面２aから外方へ出ていく。
従って、裏面２bに対する入射角iを調整し、低次（例え
ば,ｍ＝３)の回折光が表面２aからこの表面と略直交方
向に出ていき、より低次(例えば,ｍ＝１)の回折光が導
光板内を遠方へ導かれるように、光源の波長λに対して
格子間隔ｄを適切に決めれば、導光板２の表面２aが、
これに直交する高強度の出射光と導光板内に導かれる全
反射光によって極めて明るく照らされる。なお、表面２
aに略直交する上記回折の方向と、刻線溝の溝断面にお
ける傾斜角度による入射光の全反射の方向が一致するよ
うに諸寸法を調整する、つまり溝形状をブレージング(b
lazing)化すれば最も輝度の高い照光面２aが得られる。
【０００８】本発明の回折格子による手法が、各プリズ
ムが協同することなく個別に光を全反射する従来の多面
プリズム３３(図６参照)と本質的に異なる点は、格子間
隔ｄがサブミクロンから数十ミクロン(0.1〜10μｍ)ま
でと上記プリズムの一辺0.16mmに比して1／100のオーダ
であり、多数の微細刻線溝間の隣接する平滑面が協同,
相乗して波動としての光を格段に強く回折でき、格段に
高輝度の照光面２aが得られることである。なお、この
ような回折格子をもつ導光板は、例えば、刻線溝を内面
に機械加工したり回折格子のホログラム電鋳膜を内張り
した金型による成形、あるいは導光板の裏面に刻線溝を
直接機械加工または印刷したり,印刷やホログラムによ
る膜を張り付けて作ることができる。
【０００９】請求項１の導光板２では、断面形状または
単位幅における格子部幅／非格子部幅の比の少なくとも
１つが、導光板の表面２aにおける輝度が増大し、かつ
均一化されるように変化せしめられている。即ち、導光
板２は、例えば、光源側の一端面２cから離れる,つまり
光源から届く光量が減じるにしたがって、例えば、断面
形状が正弦波から鋸歯状に,または単位幅における格子
部幅／非格子部幅の比が次第に大きくなっている。従っ
て、光源からの光は、光量の多い一端面２c側で弱く回
折され、光量が少ない遠方側になるほど強く回折される
ので、導光板の表面２aは非常に均一な輝度で照らされ
る。
【００１０】請求項２に記載の導光板は、導光板の表面
側に、分光した回折光を再び乱反射によって白色化する
拡散板が設けられている。光源が種々の波長λの光を含
む白色光(図３参照)であると、上記式(1)から明らかな
ように、回折光が図２の矢印Ｒ,Ｇ,Ｂで例示するように
分光して出射する。出射する分光は、表面側に設けられ
た拡散板を通ることによって元の白色光に変えられる。
従って、光源に白色光を用いて回折を行なっても、導光
板の表面を分光しない白色光により均一かつ高輝度で照
らすことができる。
【００１１】請求項３に記載の導光板アセンブリは、上
記導光板が、複数枚重ねられてなり、輝度増大または輝
度の均一性の向上の少なくとも１つがなされている。例
えば、導光板が２枚重ねられている場合、光源から下側
の導光板に入射した光は、下側の裏面の回折格子で上方
へ回折されて上側の導光板に入り、夫々の次数の回折光
が再度、回折される。また、光源から上側の導光板に入
射した光は、請求項１で述べたと同様に回折されて表面
から出射される。従って、上側の導光板の表面は、導光
板が１枚の場合に比して、輝度の増大または輝度の均一
性の向上の少なくとも１つが図られる。
【００１２】請求項４に記載の導光板アセンブリは、上
記導光板の表面側に、分光した回折光を再び乱反射によ
って白色化する拡散板が設けられている。従って、請求
項２,３で述べたと同様の理由で、光源に白色光を用い
て回折を行なっても、導光板の表面を分光しない白色光
により均一かつ高輝度で照らすことができ、かつ導光板
が１枚の場合に比して、輝度の増大または輝度の均一性
の向上の少なくとも１つが図られる。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下、本発明を図示の実施の形態
により詳細に説明する。図２は、液晶表示装置のバック
ライトに用いられた導光板の一実施の形態を示してお
り、この液晶表示装置は、液晶表示パネル１０と、この
下部に設けられた平面照光装置１からなる。上記平面照
光装置１は、裏面２bに回折格子３が設けられた透明プ
ラスティック樹脂からなる導光板２と、この導光板２の
厚肉側端辺２cに沿って配置された光源としての冷陰極
またはセミホット電極をもつ蛍光管４と、上記導光板２
の表面２a以外と蛍光管４を囲むように覆って光を反射
するリフレクタ５と、上記導光板２の表面２a側に平行
に配置された拡散板６と、この拡散板６の表面側に平行
に配置された集光用のプリズムシート７で構成される。
【００１４】上記導光板２の裏面２bは、蛍光管４から
略水平に入射する光を全面で受け得るように表面２aに
対して0.5°〜5°の角度で傾斜するとともに、微細な刻
線溝として成形加工された回折格子３を有する。回折格
子３の格子間隔ｄは、回折の関係式(1)で既に述べたよ
うに、低次の回折光が表面２aから略垂直でかつ全反射
の方向に一致して出射するように設定される。また、回
折格子３の単位幅における格子部幅／非格子部幅の比
は、蛍光管４からの到達光量の減少に応じて回折光量が
増加するように、端辺２cから離れるに従って次第に大
きくなるように設定されている。ここで、単位幅とは、
１つの格子部幅と１つの非格子部幅との和であり、単位
区間の幅である。図２の導光板２の裏面２bには、模式
的に示された単位幅を有する１１個の区間が設けられ、
格子部幅は各区間の太線部分、非格子部幅は各区間の細
線部分で夫々示されており、端辺２cから離れるほど各
区間での太線部分の割合,つまり格子部幅が増えている
ことから、回折光量が増えることが理解できる。なお、
上記区間の数は、説明の便宜上１１個としたが、実際に
は遥かに多い数で、例えば１例では1000個程度である。
【００１５】本実施の形態では、格子部と非格子部を各
単位幅の左右に２分して設けたが、両者を１つの単位幅
中に交互に設けてその単位幅に特定の格子部幅／非格子
部幅の比が得られるようにしてもよい。また、格子部幅
／非格子部幅の比は、必ずしも図２のように端辺２cか
ら離れるにつれて漸増させる必要はなく、表面の高輝度
で均一な照明が得られる限り、任意に変化させることが
できる。本実施の形態では、回折格子３は、格子間隔ｄ
が数μｍで,内面に刻線溝を機械加工した金型を用いて
導光板と同時に成形されるが、本発明の回折格子は、間
隔ｄが0.1〜10μｍ、回折格子のホログラム膜を内挿し
たインモールド成形、導光板裏面への刻線溝の機械加
工、または導光板裏面への印刷やホログラムによる回折
格子膜の張付けによっても作成することができる。
【００１６】上記構成の導光板２をもつ平面照光装置１
は、次のように液晶表示パネル１０を照らす。蛍光管４
から出た白色光は、端辺２cから略水平に導光板２に入
り、0.5°〜5°の角度で傾斜する裏面２bの全面に当た
り、この全面に設けられた回折格子３の多数の刻線溝間
の隣接する平滑面の協同によって回折され、強度の低次
(例えば１〜３次)回折光が図中の矢印の如く導光板２の
表面２aから略垂直に出射される。つまり、回折格子３
は、1/100のオーダで微細かつ多数の刻線溝が協同,相乗
して作用するので、一辺が0.16mmと大きく,隣と協同せ
ずに個別に光を単に幾何光学的に光粒子の和として全反
射する従来の三角錐プリズム３３(図６参照)による場合
よりも格段に高強度の出射光が得られるのである。ここ
で、回折格子３の単位幅における格子部幅／非格子部
幅,つまり格子の回折効率(回折光強度の入射光強度に対
する比)が、蛍光管４側の端辺２cから離れるに従って大
きくなっているので、光源から離れるに伴う光量減に見
合って回折光量が増加する。従って、照光面になる導光
板２の表面２aは、高輝度でかつ非常に均一に照らされ
ることになる。尚、この拡散板６は、回折による偏光を
元に戻すのにも有効である。
【００１７】ところで、蛍光管４から出る白色光は、図
３に示すように青(B),緑(G),赤(R)にピークをもつスペ
クトル分布を有するので、回折光は、既述の回折の関係
式（1)により図２中の矢印Ｒ,Ｇ,Ｂの如く分光するが、
前面に配置された拡散板６を通ることによって元の白色
光に変わり、次いで前面に配置されたプリズムシート７
で集光されて出ていくので、液晶表示パネル１０を分光
のない白色光で高輝度しかも均一に下方から照らすこと
ができる。さらに、導光板２の表面以外と蛍光管４をリ
フレクタ５で覆っているので、蛍光管４の光を殆ど総て
導光板２に入射させることができるので、液晶表示パネ
ル１０を一層高輝度に照らすことができる。
【００１８】微細加工技術でパターンを刻線した金型を
用いてｄ＝３μｍの回折格子をもつ導光板を製造し、光
源側端辺から100mmの位置での表面輝度を、従来の100μ
ｍ程度の印刷パターンをもつ導光板の同様の表面輝度と
比較した。その結果、前者は後者の２倍も明るいことが
判明した。従って、上記導光板２を電池で駆動される液
晶表示装置に用いれば、少ない電力消費の光源４によっ
て高輝度のバックライトが得られるから、電池の寿命を
倍増できる。また、上記導光板２を電池で駆動される液
晶テレビに適用すれば、従来電力消費の点から不可能で
あった明るい屋外での利用が可能になる。
【００１９】図４は、導光板２の表面２aにおける輝度,
つまり回折光の強度と、回折格子３の格子間隔および断
面形状の周知の関係を模式的に示している。但し、図４
では、光は上述のように導光板の端面から板内に入射す
るのでなく、導光板に略垂直に入射している。なお、こ
の図は、Ｔ.Ｋ.ゲイロード(T.K.Gaylord)氏が、今年３
月に米国ジョージア工科大学で開かれた回折光学共同研
究会において発表したものである。格子間隔が広いと、
図４(Ａ)の如く、高次数(回折の関係式(1)のｍ参照)ま
で回折が生じるが、各次数の回折効率は低い一方、格子
間隔が狭いと、図４(Ｂ)の如く、特定の次数でしか回折
が生じないが、その回折効率は高い。次に、断面形状
が、ホログラム回折格子に良くみられるように図４(Ｃ)
の如き正弦波の場合は、回折効率が低く、機械加工の回
折格子に良くみられるように図４(Ｄ)の如き鋸歯状の場
合は、入射光の全反射の方向を回折光の方向に一致させ
て既述のブレーズ格子を作ることができて回折効率が高
く、バイナリ回折格子といわれる図４(Ｅ)の如きステッ
プ状の場合は、回折効率が低くなる。さらに、図２で述
べたように、導光板の単位幅における非格子(非刻線溝)
部幅に対する格子部幅の比が増,減すれば、回折格子の
面積が増,減するので、回折効率は増,減する。従って、
上記実施の形態では、回折格子３の単位幅における格子
部幅／非格子部幅の比を導光板の長手方向に沿って変化
させて導光板の表面２aの輝度を均一化したが、回折格
子の断面形状を同様に変化させることによって輝度の均
一化を図ることもできる。
【００２０】図５は、請求項４に記載の導光板をもつ平
面照光装置１１の断面図である。この平面照光装置１１
は、表面と裏面が平行な２枚の導光板１２,１３を上下
に重ねるとともに、集光用のプリズムシートを省略した
点のみが図２で述べた装置と異なるので、図２と同じ部
材には同一番号を付して説明を省略する。表裏面が平行
な導光板１２,１３を用いたのは、重ねたときに矩形断
面になって安定性を維持させるためであり、各導光板の
裏面１２b,１３bには、図２と同様の光源側の端辺１２
c,１３cから離れるに伴って単位幅における格子部幅／
非格子部幅が大きくなる回折格子３が刻まれている。
【００２１】上記平面照光装置１１は、その表面側に図
２と同様に配置される図示しない液晶表面パネルを次の
ように照らす。蛍光管４から出て下側の導光板１３に入
射した光は、裏面１３bの回折格子３で図中の矢印の如
く上方へ回折されて上側の導光板１２に入り、この導光
板１２に略垂直な光は、表面１２aからそのまま出射さ
れ、導光板１２に斜交する光は、その裏面１２bの回折
格子３で回折されて同じく表面１２aから出射する。ま
た、蛍光管４から出て上側の導光板１２に入射した光
は、裏面１２bの回折格子３で上述と同様に回折されて
表面１２aから出射する。単位幅における格子部幅／非
格子部幅が変化する上記回折格子３による輝度均一化の
作用、出射する分光を白色光に戻す拡散板６の作用、お
よびリフレクタ５の反射作用は、既述のとおりである。
従って、拡散板６を経て出射される回折光により、液晶
表示パネルは、10％の輝度偏差（＝(最大輝度−最小輝
度)／平均輝度；従来は20％)という均一性でもって導光
板が１枚の場合の略１.５倍の輝度で均一に照らされる
ことになる。なお、この事実は、測定により確かめられ
ている。
【００２２】上記実施の形態では、照光面以外の方向に
向かう光を反射するリフレクタ５と、拡散板を経た出射
光を集光するプリズムシートを備えたので、照光面の輝
度をより高めることができるという利点がある。なお、
蛍光管４などの光源は、照光面の輝度を高めるべく上記
実施の形態と異なり導光板の両端辺に配置してもよく、
また、導光板を３枚以上重ねることもできる。また、拡
散板を省略した場合でも、光源に分光の虞れのない単色
光を用いれば同様の作用,効果を得ることができる。さ
らに、本発明の導光板は、上述の液晶表示装置のみなら
ず、ビル内の天井等に見られる,一端面に蛍光管をもち
表面に非常口のマークを印刷した発光誘導板などにも好
適に用いることができる。
【００２３】
【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明の
請求項１に記載の導光板は、少なくとも一端面から光源
からの光が入射する透明な板状体の裏面に設けられた回
折格子の断面形状または単位幅における格子部幅／非格
子部幅の比の少なくとも１つが、上記導光板の表面にお
ける輝度が増大し、かつ均一化されるように変化せしめ
られているので、光の波長に比べて寸法が大きく互いに
協同することなく個別に光を幾何光学的に全反射する従
来の導光板裏面のプリズムと異なり、ミクロン単位の互
いに隣接する微細な格子が協同,相乗して波動としての
光を格段に強く回折できるうえ、上記一端面から離れて
光源から届く光量が減じるほど、光をより強く回折する
ように上記断面形状または単位幅における格子部幅／非
格子部幅の比が調整されているので、導光板の表面は高
輝度で非常に均一に照らされる。従って、この導光板を
電池で駆動される液晶表示装置,液晶テレビ,非常口を表
示する発光誘導板などに適用すれば、従来に比して格段
に少ない消費電力で明るく均一な照明を得ることがで
き、光源および電池の寿命を延ばし、長期使用を可能に
することができる。
【００２４】本発明の請求項２に記載の導光板は、導光
板の表面側に分光した回折光を再び乱反射によって白色
化する拡散板が設けられているので、光源が白色光であ
っても回折で分光した光を再び白色光に戻すことがで
き、白色光による照明を可能にできる。本発明の請求項
３に記載の導光板アセンブリは、上記導光板が複数枚重
ねられてなるので、１枚の導光板の場合に比して、同じ
光源でもって輝度の増大または輝度の均一性の向上の少
なくとも１つがなされる。本発明の請求項４に記載の導
光板アセンブリは、上記導光板の表面側に、分光した回
折光を再び乱反射によって白色化する拡散板が設けられ
ているので、白色光の光源による照明が可能になるとと
もに、１枚の導光板の場合に比して、同じ光源でもって
輝度の増大または輝度の均一性の向上の少なくとも１つ
がなされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 導光板の裏面に設けられた回折格子による光
の回折を原理的に示す模式図である。
【図２】 液晶表示装置の平面照光装置に用いられた本
発明による導光板の一実施の形態を示す断面図である。
【図３】 図２の光源から発せられる白色光のスペクト
ル分布を示す図である。
【図４】 回折光の強度と回折格子の格子間隔および断
面形状の関係を示す模式図である。
【図５】 本発明の請求項２に記載の導光板の一実施の
形態を有する平面照光装置の断面図である。
【図６】 従来の平面照光装置を示す断面図である。
【符号の説明】
１,１１…平面照光装置、２,１２,１３…導光板、２a,
１２a,１３a…表面、２b,１２b,１３b…裏面、２c,１２
c,１３c…端辺、３…回折格子、４…蛍光管、５…リフ
レクタ、６…拡散板、７…プリズムシート、１０…液晶
表示パネル。

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 透明な板状体の少なくとも一端面から入
    射する光源からの光を、上記板状体の裏面に設けられた
    回折格子によって板状体の表面側へ回折させる導光板で
    あって、 上記回折格子の断面形状または単位幅における格子部幅
    ／非格子部幅の比の少なくとも１つが、上記導光板の表
    面における輝度が増大し、かつ均一化されるように変化
    せしめられていることを特徴とする導光板。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載の導光板において、上記
    導光板の表面側に、分光した回折光を再び乱反射によっ
    て白色化する拡散板が設けられていることを特徴とする
    導光板。
  3. 【請求項３】 請求項１に記載の導光板が、複数枚重ね
    られてなり、輝度増大または輝度の均一性の向上の少な
    くとも１つがなされたことを特徴とする導光板アセンブ
    リ。
  4. 【請求項４】 請求項３に記載の導光板において、上記
    導光板の表面側に、分光した回折光を再び乱反射によっ
    て白色化する拡散板が設けられていることを特徴とする
    導光板アセンブリ。
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