JP5927538B2 - 導光板および面光源装置 - Google Patents

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Description

本発明は、主に、液晶表示パネル等のバックライトユニットに使用される面光源装置に関する。
近年、液晶表示装置は、軽量、薄型、低消費電力駆動などの特徴により、その応用範囲が急速に広まっている。液晶表示装置は、一般的に、自発光装置ではないためバックライトのような別途の光源が必要である。バックライトユニットは、主に、光源と、光源から出射された光を導光して面発光させる導光板(Light Guide Plate)とにより構成される。
一般的に、バックライトユニットは、光源の位置によって直下型方式とエッジライト方式などに分類される。直下型方式によれば、導光板の直下に多数の光源、例えば冷陰極管やLED(Light Emitting Diode)が設けられ、光源から入射した光を、導光板にて拡散させ複数の光学シートを介して液晶表示装置パネルに照射する。エッジライト方式によれば、導光板の側端に光源が設けられ、光源から入射した光を導光板にて拡散させ、複数の光学シートを介して液晶表示パネルに照射する。
図34は、LEDを採用したエッジライト方式のバックライトユニットの一例を示す。
図34に示すように、導光板101の側面部には、点光源であるLED106が複数個配置されている。また、導光板101の上方には、拡散シート102が配置されており、拡散シート102は、導光板101から出射された光を広く拡散させる。さらに、拡散シート102の上方にはプリズムシート103が配置され、プリズムシート103の上方にはプリズムシート104が配置され、プリズムシート104の上方には光学シート105が配置されており、それぞれ光を視認方向に集光させることにより高輝度化を図っている。
導光板101の材料には、従来より、透明樹脂などのパネルが使用されている。導光板101は、出射面と出射面に対向する底面との間の側面に、冷陰極管や複数のLED106が並べられた点状光源などの一次光源が配置される入射面を有する。また、導光板101の底面には散乱ドットが印刷されており、このドットの大きさや密度などを調整することにより、視認方向の輝度分布が均一になるように調整される。このような構成において、一次光源から出射した光は、入射面を介して導光板101に入射し、導光板内部を通って、出射面から液晶表示部に向けて出射される。しかしながら、導光板の底面の散乱ドットの影響により、導光板101から出射された直後の光は広い角度に広がる配向分布を有するため、視認方向に光が向きにくい。
そこで、導光板101から出射された光を視認方向に集光させて高輝度化を図るため、互いに直交する2枚のプリズムシート103、プリズムシート104、および光学シート105が使用される。しかしながら、このような構成では、価格が高価なプリズムシートを2枚使用する必要があり、ユニットの構成部品点数が増え、組み立てが煩雑になるという課題があった。
そこで上記課題を解決するために、導光板の出射面や出射面に対向する底面などにプリズムを形成することにより、出射面から出射させる光を視認方向に向ける提案が多数なされているが、プリズム形状が規則的に並んで配置されると、入射面近傍に目玉(光が集まる部分、輝点)や明暗線が発生して、面光源の均一性が損なわれてしまう。また、LEDチップ1個当たりの高輝度化に伴いLEDの設置間隔は従来よりも広がっているため、LEDの指向性の影響を受けやすくなっている。
上記課題を解決するため、出射面形状に複数のプリズムを使用して、目玉・明暗線を改善する提案がなされている(例えば、特許文献1)。
図35および図36は、特許文献1に記載された導光板22の出射面形状を示す。
図35は、特許文献1の実施例1における導光板22の斜視図である。導光板22は、光源からの入射面221と、入射面221に隣接する出射面223と、を有する。出射面223は、入射面221に隣接する第1の領域223Aと、入射面221とは異なる位置にて第1の領域223Aに隣接する第2の領域223Bとで構成される。
図36は、図35に示した導光板22の上面図である。第1の領域223Aと第2の領域223Bとの境界を、入射面221に平行な架空の境界線III−IIIとする。
図35、36に示すように、出射面223の第2の領域223Bには、複数の細長いプリズムレンズ225が形成されており、プリズムレンズ225の各側面エッジは、入射面221に垂直な方向に沿って延びる。さらに、出射面223の第1の領域223Aには、規則的かつ定期的に配置された複数の細長い四面体レンズ226が形成される。
図37は、図36のIII−III線の断面図である。プリズムレンズ225は、V字突起で構成され、第2の領域223Bの全面に並べて配置されている。図37に示されるように、各V字突起は三角形断面を有する。図37に示すように、特許文献1の実施例1によれば、各三角形断面の頂角θ1は、約175°以下で設定されている。また、各三角形断面の下端の長さPは約2.0mm以下で設定されており、各プリズムレンズ225の各三角形断面の高さHも約2.0mm以下で設定されている。
また、図36において、四面体レンズ226は、入射面に平行な方向沿いに、プリズムレンズ225と対応するように並んで整列される。各四面体レンズ226は、プリズムレンズ225に面する第1の側面2261と、互いに対向する第2の側面2263および第3の側面2265と、底面(図示せず)とを有する。第1の側面2261は、図36の境界線III−IIIに位置する。また、図36に示すように、境界線III−IIIにて四面体レンズ226の第1の側面2261とプリズムレンズ225の終端が相互接続しており、各四面体レンズ226と各プリズムレンズ225がそれぞれ対応して接続する。これに伴い、プリズムレンズ225の三角形断面の頂角θ1(図37)と対応して、各第1の側面2261の頂角も約175°以下で設定されている。また、各第1の側面2261の下端の長さは約2.0mm以下で設定され、各第1の側面2261の高さHも2.0mm以下で設定されている。
図38は、図36のIV−IV線の断面図を示す。図38に示すように、四面体レンズ226の第2の側面2263と第3の側面2265で定義される尾根は、投影した角θ2および出射面223から相対する増加点(入射面221と第2の側面2263および第3の側面2265の尾根の線とが交わる点)を有する。特許文献1の実施例1によれば、角θ2は約85°以下で設定されている。
特許文献1では、上記の構成を採用することによって、出射面に発生する目玉・明暗線を抑制することができると提案されている。
米国特許第7431491号明細書
しかしながら、前記特許文献1の構成では、出射面において入射面と隣接する領域からプリズムが構成されているため、LEDの設置間隔が広くなると、LEDの指向性の影響により入射面近傍の出射面に明暗部が発生する。また、導光板外形寸法と有効発光領域とを等しく設定するとLEDの熱の影響によって導光板が伸縮し、安定的に有効発光領域から出射できなくなる可能性があるため、導光板外形寸法を有効発光領域よりも大きくしておくことが望ましい。そうした場合、有効発光領域の外部にプリズム形状が存在すると、その領域において本来、液晶表示装置に使用されない光が出射面へ出射してしまう。その結果、光の利用効率が下がり、必要以上に電力を消費してしまう。
また、図35の構成では、出射面223における入射面221付近の光の広がりが大きくなり、液晶画面をスクロール発光させた際に不必要な箇所に光がもれてしまう。このような光は残像として画面に映り、画面品質を落としてしまうため、分割発光性が損なわれることとなる。また出射面223側に異なる複数のプリズムを付与した場合、出射面223における特定の角度方向においては、ムラは解消されるが、プリズムの指向性によって、ある方向はムラが解消されないことがある。
したがって、本発明の目的は、上記問題を解決することにあって、出射面223において入射面221と隣接する領域が平面部分として形成されるとともに、出射面223において当該平面部分と隣接する領域は入射面に垂直に延びる一様なプリズム突起が形成されることにより、分割発光性を損なわず、かつ目玉や明暗線の発生を抑制する導光板を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
本発明の第1態様によれば、複数の点光源から出射された光が入射する入射面と、前記入射面から入射した前記光を出射する出射面と、前記出射面に対向する面であるとともに、前記入射面から入射した前記光を前記出射面に向けて伝播反射させる伝播反射面と、を有する導光板であって、
前記伝播反射面には、前記入射面に平行に延びる複数のプリズム溝が形成され、
前記出射面において前記入射面と隣接する領域にある伝播領域は、平面部分が形成され、
前記出射面において前記伝播領域と隣接する領域にある拡散伝播領域は、前記入射面に垂直に延びる複数のプリズム突起が形成され、前記プリズム突起は、上端に湾曲部を有する突起を含むことを特徴とする。
本発明の第2態様によれば、第1態様に記載の導光板において、前記プリズム突起は、前記入射面と平行方向の突起断面の上端が湾曲部にて構成されるプリズム突起と、前記入射面と平行方向の突起断面の上端が直線部にて構成されるプリズム突起とを備えることを特徴とする。
本発明の第3態様によれば、第1態様に記載の導光板において、前記プリズム突起の前記入射面と平行方向の断面形状が山形状であり、前記山形状における前記直線部の長さと前記湾曲部の長さとの割合が、
0.3≦(湾曲部の長さ)/(直線部の長さ)≦ 1.0
を満たすことを特徴とする。
本発明の第4態様によれば、第1から第3態様のいずれか1つに記載の導光板において、前記伝播反射面に形成される前記プリズム突起の高さは、前記入射面から前記導光板の中央に向かって一定もしくは連続的に増加することを特徴とする。
本発明の第5態様によれば、第1から第4態様のいずれか1つに記載の導光板において、前記プリズム突起の各プリズム尾根は、直線を含む曲線で形成されることを特徴とする。
本発明の第6態様によれば、第1から第5態様のいずれか1つに記載の導光板において、前記プリズム溝は、前記導光板の中央で溝深さを最大とし前記入射面に向かうにつれて連続的に浅く形成されることを特徴とする。
本発明の第7態様によれば、第1態様から第6態様のいずれか1つに記載の導光板と、複数の点光源と、を備えることを特徴とする。
本発明の第8態様によれば、第1態様から第6態様のいずれか1つに記載の導光板と、少なくとも1つの拡散シートと、少なくとも1枚のプリズムシートと、前記導光板からの光を制御する複数の光学シートと、前記導光板を挟んで前記拡散シートの反対側に設けられるとともに前記出射面へ光を反射させる反射シートと、LEDと、を備えることを特徴とする。
以上のように、本発明の導光板によれば、分割発光特性および、光の利用効率を損なうことなく、目玉・明暗線を抑制することができる。
本発明の実施の形態1にかかる面光源装置の模式断面図 本発明の実施の形態1にかかる導光板の斜視図 本発明の実施の形態1にかかる導光板のA部の斜視図 本発明の実施の形態1にかかる導光板の伝播反射面における断面図 本発明の実施の形態1にかかる導光板のY1−Y1断面におけるバックライトユニットから出射された光の輝度分布図 一般的な導光板におけるLED設置ピッチが広くなることに起因し発生する暗部発生箇所の概図 導光板の入射面付近を出射面側から見た上面図 A23部の拡大詳細図 本発明の実施の形態1にかかる導光板のA部の上面図 本発明の実施の形態1にかかる導光板のY2−Y2線の断面図 本発明の実施の形態1にかかる導光板のX1−X1線の断面図 本発明の実施の形態1にかかる出射面にプリズム突起が形成されない導光板の光路図 本発明の実施の形態1にかかる出射面にプリズム突起が形成されない導光板の目玉・明暗線発生位置を示す上面図 本発明の実施の形態1にかかる出射面の有効発光領域の全面にプリズム突起が形成される導光板の光路図 本発明の実施の形態1にかかる出射面の有効発光領域の全面に一様な直線部を有するプリズム突起が形成される導光板の目玉・明暗線発生位置を示す上面図 本発明の実施の形態1にかかる出射面の有効発光領域にプリズム突起がある部分とない部分の両方が存在する導光板の上面図 本発明の実施の形態1にかかる出射面の有効発光領域にプリズム突起がある部分とない部分の両方が存在する導光板の光路図 本発明の実施の形態1にかかる出射面の有効発光領域にプリズム突起がある部分とない部分の両方が存在する導光板のX−X断面図 出射面611の有効発光領域に、プリズム突起がある部分とない部分の両方が存在する場合と本発明の実施の形態1にかかる出射面の有効発光領域にプリズム突起がある部分とない部分の両方が存在する導光板の輝度分布比較図 本発明の実施の形態1にかかる導光板の出射面形状の差異による輝度分布および入光部近傍断面の輝度グラフ比較図 本発明の実施の形態1にかかる出射面の有効発光領域の全面に、上端にある割合の湾曲部R(直線部Sの長さ:湾曲部Rの長さ=1:0.6)を付与した一様なプリズム突起が存在する導光板の試作結果図 本発明の実施の形態2にかかる導光板の斜視図 本発明の実施の形態2にかかる導光板のB部の斜視図 本発明の実施の形態2にかかる導光板のB部の上面図 本発明の実施の形態2にかかる導光板のY3−Y3線における断面図 本発明の実施の形態2にかかる導光板のY4−Y4線における断面図 本発明の実施の形態2にかかる導光板のX2−X2線における断面図 本発明の実施の形態1の変形例にかかる導光板の斜視図 本発明の実施の形態1の変形例にかかる導光板の上面図 本発明の実施の形態1の変形例にかかる導光板のY5−Y5線における断面図 本発明の実施の形態2の変形例にかかる導光板の斜視図 本発明の実施の形態2の変形例にかかる導光板の上面図 本発明の実施の形態2の変形例にかかる導光板のY6−Y6線における断面図 LEDを採用したエッジライト方式のバックライトユニットの斜視図 従来例にかかる導光板の斜視図 従来例にかかる導光板の上面図 従来例にかかる導光板のIII−III断面図 従来例にかかる導光板のIV−IV断面図
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
(実施の形態1)
本発明の実施の形態1について、図1〜図21を参照しながら説明する。図1は、実施の形態1にかかる面光源装置を示す断面図である。図1に示すように、面光源装置は、導光板1と、拡散シート2と、プリズムシート3と、光学シート4と、反射シート5と、LED6と、を備える。導光板1は、透明樹脂(例えば、アクリル系樹脂、ポリカーボネート)等を材料として形成されている。導光板1の上方には、導光板1の上面から出射される光を拡散させる拡散シート2が設けられる。拡散シート2は、透明な樹脂などのシートの内部に屈折率の異なる材料を分散させるか、透明なシートの上に透明な球状の材料を分散させるか、若しくは透明なシートの表面に凹凸を形成することによって構成される。拡散シート2から出射される光は、広い角度に広がった配向分布を有するため、視認方向に向いていないものが多い。
そこで、拡散シート2から出射された光を視認方向に集光させて高輝度化を図るため、拡散シート2の上方にプリズムシート3(指向性シート)が設けられており、さらに高輝度化を図るために、プリズムシート3の上方に光学シート4が設けられている。
反射シート5は、導光板1の下面および後述する点状光源のLED6を覆うようにして配置され、光を導光板1の出射面11の方向に反射させる。反射シート5は例えば、透明な樹脂シートの内部に数μm〜数10μm程度の気泡を密に分散させるか、樹脂シート、金属板等に銀、アルミなどの反射率の高い材料を蒸着することによって構成されている。
LED6は点状光源であり、図1に示すように、導光板1の短辺側の側面近傍にそれぞれ複数個並べて設けられている。実施の形態1においては、片側で72個、両側で144個のLED6を導光板短辺側側面に略平行かつ並列で等間隔に配置している。また、導光板1の厚み方向の中心とLED6の厚み方向の中心は一致するようにしている。
(導光板1の詳細について)
次に、導光板1の形状の詳細について、図2から図18を用いて説明する。
図2は、導光板1の外観を示す。図2に示すように、導光板1は、略直方体形状に形成され、図1に示されるLED6から出射された光が入射する入射面10と、入射面10から入射した光を出射する出射面11と、出射面11に対向する面であるとともに、入射面10から入射した光を出射面11に向けて伝播反射させる伝播反射面12と、これらの面に隣接する側面13とを備える。これらの面は全て、光学平面に仕上げられている。図2に示すように、入射面10に平行で側面13に垂直な方向をX方向、入射面10に垂直で側面13に平行な方向をY方向、入射面10に平行で出射面11に垂直な方向をZ方向とする。
図2のA部の詳細を図3にて説明する。図3に示すように、伝播反射面12には、入射面10に略平行で、X方向に延びるプリズム溝12aが複数配置されている。プリズム溝12aを入射面10に垂直な平面で見たときの断面は略V字形状もしくは略台形形状である。また、プリズム溝12aの深さは、導光板1の中央で最大とし入射面10に向かうにつれて連続的に浅くなるように構成されている。実施の形態1においては、プリズムピッチを500μm、プリズム溝12aの深さを4μmから70μmの範囲で定義している。なおプリズム形状、プリズムピッチ、プリズム深さは、出射面の輝度分布や視野角特性といった光学特性に応じて、適宜変化させる。
図4は、伝播反射面12での概光路図を示す。図4に示すように、プリズム溝12aを設けることにより、光がプリズム溝12aに当たって光の伝播反射方向を変化させることができる。そして、上述のようにプリズム溝12aの深さを(Y方向において)増減させることによって、プリズム溝12aに形成される斜面の面積を増減させ、出射面11側に伝播反射させる光量を変化させることができる。また、必要な光学仕様に応じて、プリズム角度θ1、θ2を適宜変化させることによって、出射面における光の出射角度を変えることが可能となる。
図5は、図2のY1−Y1線の断面における、バックライトユニットから出射される光の輝度分布を示す。プリズム溝12aの深さを導光板1の中央部では深くし入射面10付近では浅く設定しているため、図5に示されるように、導光板1の中央部ほど輝度が高くなっている。このように、プリズム溝の形状を調節することにより、出射される光の輝度分布を変化させることができる。
図3に示すように、出射面11には、入射面10と隣接し、入射した光を拡散させながら伝播させる伝播領域11aと、Y方向にて伝播領域11aと隣接し、伝播された光を拡散させながら伝播する拡散伝播補助領域11bと、Y方向にて拡散伝播補助領域11bと隣接し、伝播された光を拡散させながら伝播する拡散伝播領域11cとが形成されている。
伝播領域11aは、プリズム突起を有さず、光学平面に仕上げられた平面で構成され、表面粗さはRt=0.03以下で定義されている。伝播領域11aにはプリズム突起が存在しないため、伝播領域11aでは、ほとんどの光が全反射して、拡散伝播補助領域11bおよび11cへ伝播する。このように、伝播領域11aにおいては、入射光量に対する視認方向への出射光量が少なくなるため、視認方向への出射光量は伝播領域11aを除く2つの領域(拡散伝播補助領域11b、拡散伝播領域11c)によって定まる。
ここで、従来の導光板において、LED設置ピッチが広くなることに起因して発生する暗部発生箇所の概略図を図6に示す。図6に示すように、LED6の設置間隔L1が広くなると導光板101の出射面11において入射面10付近に暗部A2が発生しやすい。本実施の形態1では、このような暗部A2の発生を防止するために、図3に示した出射面11において入射面10に隣接する領域に伝播領域11aを設けている。伝播領域11aを設けることにより、光源からの熱によって導光板1が伸縮する影響を有効発光領域(本実施の形態1では拡散伝播領域11c)に与えないようにすることができ、さらに、LED配置位置および指向特性に依存して発生する暗部A2を有効発光領域外である伝播領域11aに収めることができる。
次に、伝播領域11aの範囲の設定について詳細に説明する。図7は、導光板1の入射面10付近を出射面11側から見たときにLED6から出た光の光路を示す。図7において、線RはLED6の指向特性の半値角から出射された光線である。ここで、出射面11において線Rと入射面10によって囲まれた領域である交差部A22は、図6で示された暗部A2に含まれ、LED6の配置位置および指向特性に依存して発生する。図7に示すように、LED設置ピッチLp、LED単体の幅Lw、およびLEDの指向性によって、交差部A22および暗部A2の範囲は変化する。
図8は、A23部の拡大詳細図を示す。図7、8に示すように、LED6から導光板1への入射角をθi、屈折角をθr、LED6から導光板1までの間の屈折率をn1、導光板1内の屈折率をn2、LED6から入射面10までの距離をLd1、入射面10から交差部A22までの距離(暗部発生距離)をLdとすると、スネルの法則から、以下の式が導かれる。
この式を展開すると、さらに以下の式が導かれる。
この式から分かるように、伝播領域11aの範囲は、暗部発生距離Ldを目安に設定すればよい。
図3に示すように、拡散伝播領域11cにはプリズム突起が形成されている。導光板1を上方(Z方向)から見たとき、プリズム突起は、入射面10に垂直な方向(Y方向)に延びるとともに、伝播反射面12に形成されたプリズム溝12aと略直交する方向に延びるように形成される。
図9は、図2のA部における導光板1の上面図を示す。図9に示すように、拡散伝播補助領域11bに形成されるプリズムの尾根11b1、拡散伝播領域11cに形成されるプリズムの尾根11c1は相互に接続しており、連続した尾根が形成されている。
導光板1の形状を異なる角度から見るため、図10に、図9のY2−Y2線における導光板1の断面図を示し、図11に、図9のX1−X1線における導光板1の断面図を示す。図10において、H1は拡散伝播領域11cのプリズム高さであり、またθ3は拡散伝播補助領域L11bの傾きである。
図11に示すように、プリズムの延在方向と垂直な断面(入射面10と平行方向の突起断面)において、図9に示した拡散伝播領域11cに形成されるすべてのプリズムの上端は直線形状ではなく、プリズムの斜面長さに対して、ある一定割合の湾曲部R(上方に凸状)が付与されている。またθ4は、拡散伝播補助領域11bおよび拡散伝播領域11cに形成されるプリズムの頂角を示す。
図11において破線部が湾曲部Rを示しており、湾曲部Rとプリズムの直線部S(直線部S1およびS2)は接線で結ばれるように形成されている。
(出射面にプリズム突起が形成されない場合)
図12は、出射面411がプリズム突起の形成されない平面として構成される場合において、導光板401を入射面410に平行な断面(XZ断面)で見たときの光路概略図を示す。
図12に示すように、出射面411にプリズム突起が形成されない場合、LED6から入射した光は入射面410を通じて導光板401に入り、導光板401内で反射・屈折を繰り返した後、正面方向に対して広がりを持った状態で出射面411から出射される。分割発光させた際には、この光の広がりによって不要な範囲にまで光が出射してしまい、光の特性を悪化させる要因となっている。この結果として導光板401の出射面411に生じる現象について、出射面411の上方(Z方向)から見た図を図13に示す。
図13は、出射面411全体が平面部分として形成され、プリズム突起が形成されない場合において、出射面411に発生する目玉A3・明線A4を示す。
まずは、入射面410近傍の領域に発生する目玉A3について説明する。図12に示すように、出射面411においてLED6の正面方向(Y方向)に近いほど、光の入射角が小さくなる傾向があり、光が取り出されやすい。一方で、LED6の正面方向から離れるほど、入射角が大きくなって光が全反射するため、光が取り出されにくくなる。したがって、図13に示すように、出射面411における入射面410近傍の領域では、LED6の正面方向に集中して光が取り出されることにより、周囲よりも明るい部分である目玉A3が生じる。
一方で、入射面410からある程度の距離においては、LED6の指向性の影響により光の強さに不均衡が生じることに起因して、光が強くなるLED6の正面方向に明線A4が発生する。なお、さらにある程度の距離になると他のLEDから出射される光の影響を受けて光の強さが平均化されるため、明線A4は消えていく。このように、目玉A3および明線A4は、LED6の指向性に大きく依存して発生するものであり、いずれも出射面411全体にプリズム突起が形成されない場合にはLED6の正面方向に発生する。また、LED設置ピッチが広くなったり、LED1つ当たりの全光束が高くなるに連れて、目玉A3・明線A4の領域とその周囲の領域との明暗差はさらに大きくなる。
(出射面の有効発光領域の全面に一様な直線部Sを有するプリズム突起が形成される場合)
一方、図14は、出射面511の有効発光領域の全面にプリズム突起が形成される場合(有効発光領域に平面部分が存在しない場合)において、導光板501を入射面510に平行な断面(XZ断面)で見たときの光路概略図を示す。
図14に示すように、プリズム突起が出射面511の有効発光領域の全面に形成される場合において、LED6から入射した光は入射面510を通じて導光板501内部に入って反射・屈折を繰り返し、その多くが出射面511の正面方向に集光された状態にて出射面511から出射される。したがって、出射面511にプリズム突起が形成されない場合に比べて、分割発光させた際に不要な範囲への出射光量が減り、光の直進性が向上し、分割発光特性が向上する。しかしながら、このような場合においても、上述したような目玉・明暗線が発生する。
図15は、プリズム突起が出射面511の有効発光領域の全体に形成される場合に発生する目玉A5、明線A6を示す。このような一様に直線部Sを有するプリズム突起が形成される場合には、プリズム突起が形成されない場合と異なり、図15に示すように、LED6の正面方向に近い箇所(上述のA3部に相当)では光が全反射し、LED6の正面方向から離れたA5部では光は全反射せずに出射面から取り出される。したがって、目玉A5は、図15に示すようにLED6の正面方向からずれた位置にて発生する。一方で、明線A6は、プリズム突起の有無を問わず、LED6の正面方向に発生する。LED設置ピッチが広くなったり、LED1つ当たりの全光束が高くなるに連れて、目玉A5・明線A6の領域とその周囲の領域との明暗差はさらに大きくなる。
(出射面の有効発光領域に、プリズム突起がある部分とない部分の両方が存在する場合)
図16に示すように、導光板601において、第2拡散伝播領域611dには、平面部分は存在せずプリズム突起のみが存在するが、拡散伝播補助領域611bおよび第1拡散伝播領域611cには、プリズム突起がある部分とない部分(平面部分)の両方が存在し、それぞれの部分はX方向において交互に形成されている。
図17は、拡散伝播補助領域611bおよび第1拡散伝播領域611cを入射面610に平行な断面(XZ断面)で見たときの光路概略図を示す。拡散伝播補助領域611bおよび第1拡散伝播領域611cでは、プリズム突起が形成されていることにより、プリズム突起が形成されない場合に比べて光の直進性が向上し、分割発光特性が向上する。
また、目玉・明暗線は光の強弱によって視認されるものであり、目玉の発生位置はプリズム突起の有無によって異なる。したがって、拡散伝播補助領域611bおよび第1拡散伝播領域611cに形成されるプリズム突起の高さをある範囲から滑らかに変化させることにより、プリズム突起の斜面の角度を変化させて光の出射方向を制御し、光の強さの均一化を図る。こうすることにより、目玉・明暗線の発生を防止することができる。
具体的には、図18において、拡散伝播補助領域611bおよび第1拡散伝播領域611cのプリズム高さを入射面610から遠くなるほど(Y方向において)増加させており(図18においては、高さH3から高さH4へ増加)、第2拡散伝播領域611dのプリズム高さは一定としている。また拡散伝播補助領域611bでは領域長さL611bを、拡散性に応じて適宜変化させるとともに、加工するバイト形状によって適宜変化させる。その結果、L611bと高さH3によって、傾きθ5は決まる。
しかしながら、上記のプリズム構成では有効発光領域に存在する複数のプリズムの影響によって、正面方向からの視認性は改善されるものの、角度方向からの視認性まで改善することができない。図19に、前述のプリズム構成における導光板上での視認性確認結果と、実施の形態1における導光板上での視認性確認結果を示す。図19(A)は、図16に示した出射面611の有効発光領域に、プリズム突起がある部分とない部分の両方が存在する場合の導光板上での輝度分布を示し、また図19(B)は、図3に示した出射面11の有効発光領域の全面に、上端にある割合の湾曲部を付与した一様なプリズム突起が形成される場合の導光板上での輝度分布を示す。
図19(A)に示すように、図16に示した出射面611の有効発光領域に、プリズム突起がある部分とない部分の両方が存在する場合(図17)において、θが0°に近い正面方向では視認性に大きな問題はないが、θが60°以上の角度方向においては、視認性が悪化していることがわかる。具体的には、θが60°以上の角度方向において、入光部近傍(図示上方)は輝線ムラが発生しているのに対して、入光部から離れていくと急激に明るさが変化している。これは、第1拡散伝播領域611cのプリズムによって光の伝播方向が変化して、第2拡散伝播領域611dでの光の伝播方向と差異が生じているためである。以上のことから、有効発光領域内に複数のプリズムを用いて、分割発光性を維持しつつ、目玉・輝線ムラを完全に消すことは難しい。このような輝度ムラの変化は、拡散伝播補助領域611bおよび第1拡散伝播領域611cのプリズム面によって変化する。すなわち、第1拡散伝播領域611cのプリズム面の3次元的な角度や、LEDの指向性、導光板の屈折率によって変化する。
(出射面11の有効発光領域の全面に、上端にある割合の湾曲部を付与した一様なプリズム突起が形成される場合)
図9に示すように、導光板1において、拡散伝播領域11cには、平面部分は存在せずプリズム突起のみが存在する。また拡散伝播補助領域11bは有効発光領域外に形成されている。図11に示す湾曲部Rの断面形状を有する場合における光路は、図14に示した出射状態から、湾曲部Rの湾曲形状によって光が分散される。よって、図13や図15に示したような特定方向に光が集中して出射されることに起因する目玉や輝線・暗線は発生しにくくなる。また図19(B)に示すように、上述したプリズム構成における導光板上での視認性においては、正面方向では視認性に大きな問題はなく、θが60°以上の角度方向においても視認性が悪化していないことが分かる。これは、プリズムの直線部Sに分割発光性を確保する機能を持たせるとともに、プリズム上端の湾曲部Rに入光部の目玉・輝線ムラを解消させる機能を持たせることによって、分割発光性を維持しつつ、目玉・輝線ムラを解消することができるためである。
具体的には、図10において、拡散伝播補助領域11bのプリズム高さを入射面10から遠くなるほど(Y方向において)増加させており、拡散伝播領域11cのプリズム高さは一定としている。実施の形態1においては、拡散伝播領域11cの高さH1を32.5μmとし、上端の湾曲部Rの半径を20μmとしている。また、L11a、L11b、L11cの長さは、L11b<L11a<L11cの関係を満足する。プリズム上端の湾曲部Rは、主に出射面11の目玉・明暗線の発生を防止する役割を持ち、直線部Sは、主に導光板1の視野角特性を制御する役割を持つ。
L11a、L11b、L11cの役割について、さらに詳細に説明する。L11aは、LED設置ピッチおよびLEDの指向性に起因する目玉の発生や光源からの熱の影響による導光板の伸縮を防ぐ役割を持つ。L11bは、目玉の発生を抑制するためにL11cの補助をする役割を持ち、LEDの指向性が強い場合に、より有効である。L11cは、プリズム上端に湾曲部Rが形成されていることにより、目玉・明暗線を抑制するだけでなく、目玉・明暗線が発生しない範囲の光の出射方向を正面方向に集光させることができる。
実施の形態1においては、L11bの傾きθ3は3°に設定されている。L11a、L11bの長さはそれぞれ、約2mm、約0.7mmとしている。また、LED設置ピッチが短いほどL11aの長さを短くすることができ、LED設置ピッチが長いほどL11aの長さを長くする。H1、L11b、L11cの長さについても、LED設置ピッチおよびLED1個当たりの有する全光束によって適宜変化させる。また、図11に示すように、出射面11のプリズム形状の配置ピッチPは65μm、頂角θ4は約90°としている。これらの数値も、必要とされる光学特性に応じて適宜変化させる。
(プリズム突起を構成する直線部Sと湾曲部Rの割合)
ここで、プリズム突起を構成する直線部Sと湾曲部Rの割合について説明する。図20(C)−(F)は、特定のLEDを発光させることにより、特定の分割発光範囲を分割発光させた場合の、入光部近傍における導光板上の輝度分布(上方視)、断面輝度グラフ(A−A断面、B−B断面、C−C断面、D−D断面)、および特性評価を示す。
図20(C)は、一様な直線部Sを有するプリズム突起が形成される場合を示し、図20(D)は、出射面11のプリズムにおいて直線部Sの長さ:湾曲部Rの長さの比率を1:0.6にした場合を示し、図20(E)は、出射面11のプリズムにおいて直線部Sの長さ:湾曲部Rの長さの比率を1:0.3にした場合を示し、図20(F)は、出射面11のプリズムにおいて直線部Sの長さ:湾曲部Rの長さの比率を1:1にした場合を示す。なお断面輝度グラフにおいて、X軸は、導光板の側面からの距離(mm)を表すとともに、Y軸は、正面側から測定した正面輝度(cd/m2)を表す。
図20(C)は、出射面側の有効発光領域の全面に図14に示すような一様な直線部Sを有するプリズム突起が形成される場合における導光板上での輝度分布図の確認結果である。図20(C)に示すように、入光部近傍(図示左側)に輝度差が大きく現れていることがわかる。また断面A−Aの輝度グラフを確認すると、発光面における暗部の輝度bbに対する明部の輝度aaの差が4〜5倍程度であることがわかる。この影響によって目玉が視認される。同様に、図20(D)は、有効発光領域の全面に、図11に示すような上端にある割合の湾曲部Rを付与した一様なプリズム突起が形成される場合における、導光板上での輝度分布図および断面B−Bの輝度グラフである。図20(D)に示すように、入光部近傍において、前述の輝度差が1.5〜2倍程度緩和されていることが分かる。実施の形態1では、直線:Rの割合を1:0.6としている。
また、この時の導光板の試作結果を図21に示す。図21(A)は、導光板上での発光写真であり、図21(B)は、導光板上に拡散シートを置いた状態での発光写真であり、図21(C)は、導光板上に拡散シートとプリズムシートを置いた状態での発光写真であり、図21(D)は、導光板上に拡散シートとプリズムシートと光学シートを置いた状態での写真である。また評価方向は、出射面に対して鉛直方向を0度として、0度と70度方向から確認している。図21(D)に示すように、すべての光学シートを組み合わせた状態で目玉・輝線が解消されていることが分かる。
一方で、図20(E)は、直線部Sの長さ:湾曲部Rの長さの割合を1:0.3にした場合の輝度分布図および断面C−Cの輝度グラフである。図20(F)は、直線部Sの長さ:湾曲部Rの長さの割合を1:1にした場合の輝度分布図および断面D−Dの輝度グラフである。
図20に示す結果より、プリズムにおける直線部Sの長さ:湾曲部Rの長さの比率を変化させることによって、輝度差の度合いが変化していることが分かる。この変化量を、導光板上に設置する光学シートの特性に応じて適宜変更すればよい。より具体的には、導光板上での輝度の振幅差を小さくすることで目玉ムラが改善されるが、湾曲部Rの長さが過剰に大きくなると、分割発光性が悪化してしまう。そこで、プリズム突起の入射面と平行方向の断面形状が山形状(上方に凸状)であり、山形状における直線部Sの長さと湾曲部Rの長さとの割合が、
0.3≦(湾曲部Rの長さ)/(直線部Sの長さ)≦ 1.0
を満足すると、分割発光性の確保と目玉・輝線ムラの解消を両立するにあたって好ましいといえる。
以上のように、本実施の形態1にかかる導光板1によれば、平面部分である伝播領域11aは、光源からの熱による導光板の伸縮による、有効発光領域に与える影響を抑制する。また、拡散伝播補助領域11bおよび拡散伝播領域11cは、上端に湾曲部Rを有するプリズム突起が一様に形成されていることにより、出射光を均一化して目玉・明暗線の発生を抑制するとともに、光の出射方向を正面方向に集光させる。このように各プリズム突起を設定することによって、分割発光性および光の利用効率を損なうことなく、目玉・明暗線を抑制することができる。
(実施の形態2)
本発明の実施の形態2にかかる面状光源装置について、図22〜図27を参照しながら説明する。
本実施の形態2にかかる面状光源装置は、実施の形態1にかかる面状光源装置(図2)と比較して、導光板1の出射面11の形状のみが異なり、その他の構成は上記実施の形態1と同様である。具体的には、プリズム突起のグループを2つ設け、そのグループの配置割合をLED設置ピッチおよびLED1つ当たりの有する全光束によって変化させるというものである。図22は、本実施の形態2にかかる導光板21を示し、図23、24はそれぞれ、図22のB部における導光板21の斜視図および上面図である。図22において、出射面31は入射面10から入射した光を出射する面である。
図23に示すように、2つのグループのプリズム突起とは、導光板21からの光の出射方向を制御する役割を有する、拡散伝播補助領域31bと拡散伝播領域31cとを含むプリズム突起グループG1と、拡散伝播補助領域31eと拡散伝播領域31fとを含むプリズム突起グループG2である。これらプリズム突起グループG1、G2の配置割合を変化させることによって、局所的に光の出射方向変化させることができ、分割発光特性の向上および目玉・明暗線の抑制が可能となる。プリズム突起についての詳細な説明は後述する。
図24に示すように、プリズム突起グループG1において、拡散伝播補助領域31bに形成されるプリズムの尾根31b1および拡散伝播領域31cに形成されるプリズムの尾根31c1は相互に接続している。同様に、プリズム突起グループG2において、拡散伝播補助領域31eに形成されるプリズムの架空の尾根31e1および拡散伝播領域31fに形成されるプリズムの架空の尾根31f1も相互に接続している。
図25は、図24のY3−Y3線の断面図(プリズム突起グループG1)、図26は、図24のY4−Y4線の断面図(プリズム突起グループG2)を示す。図27は、図24のX2−X2線の断面図を示す。
図27において、プリズム突起グループG1は、上端に直線形状を有するプリズム突起であり、プリズム突起グループG2は、円形状断面(上端に湾曲部)を有するプリズム形状である。プリズム突起グループG1のプリズムは、分割発光性を確保する役割を持ち、プリズム突起グループG2のプリズムは、目玉・輝線を抑制する役割を持つ。その理由は、プリズム突起グループG1のプリズム(直線形状)が特定方向に光を向ける効果を有し、プリズム突起グループG2のプリズム(R形状)が不特定方向に光を分散させる効果を有するためである。
図25を用いて、プリズム突起グループG1のプリズム突起形状について説明する。図25に示すように、拡散伝播補助領域31bのプリズム高さは入射面30から遠くなるほど(Y方向において)増加させており、その傾きθ6によって拡散伝播補助領域L31の長さL31bが決まる。また拡散伝播領域31cのプリズム高さH5は一定としている。実施の形態2においては、図25に示すL31a、L31b、L31cの長さは、L31b≦L31a<L31cの関係を満足する。L31bは、主に入射面の光の拡散伝播を補助する役割を持ち、L31cは、主に導光板の視野角特性を制御する役割を持つ。具体的な作用については、上記実施の形態1で示したものと同様である。
次に、図26を用いてプリズム突起グループG2のプリズム突起形状について説明する。図26に示すように、拡散伝播補助領域31eのプリズム高さを入射面30から遠くなるほど増加させており、その傾きθ7によって拡散伝播補助領域31eの長さL31eが決まる。また拡散伝播領域31fのプリズム高さH6は一定としている。実施の形態2においては、図26に示すL31a、L31e、L31fの長さは、L31e≦L31a<L31fの関係を満足する。L31e、L31fは、主に入射面の目玉・明暗線を制御する役割を持つ。
図25に示す断面形状を有するプリズム突起グループG1と図26に示す断面形状を有するプリズム突起グループG2の配置する割合(図23では1:1)や、プリズム突起グループG1のプリズム高さH5、プリズム突起グループG2のプリズム高さH6は、LED設置ピッチおよびLED1個当たりが有する全光束の変化によって適宜変化させる。そうすることによって、光の強度の均一化を一層図ることができ、分割発光特性および光の利用効率を損なうことなく、目玉・明暗線を抑制することができる。
以上のように本発明によれば、実施の形態1と同様にエッジライト式バックライトにおいて、使用するLEDの個数およびLED設置ピッチに応じて出射面形状を変化させることにより、光の利用効率を損なうことなく、LEDの配置間隔に依存せずに、必要最小限のLED個数で分割発光性を損なわず、省電力でLEDから光を効率よく取り出すことができる。さらに、目玉・明暗線をなくすことにより、均一性を損なわない導光板を実現することができる。また、分割発光性においては、導光板の短手方向の不要エリアへの光モレ量を低減することができる。
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施できる。例えば、前述の実施の形態1、2において、拡散伝播補助領域11b、31bがない構成を採用しても良い。
図28、29は、上記実施の形態1について拡散伝播補助領域11bがない場合の変形例にかかる導光板41の斜視図および上面図であり、図30は、図29のY5−Y5線における導光板41の断面図である。また、図29のX3−X3線における導光板41の断面図は、上記実施の形態1にかかる図11と同じである。
さらに、図31、32は、上記実施の形態2について拡散伝播補助領域31bがない場合の変形例にかかる導光板61の斜視図および上面図であり、図33は、図32のY6−Y6、Y7−Y7線における導光板61の断面図である。同様に、図32のX4−X4線における導光板61の断面図は、上記実施の形態2にかかる図27と同じである。
上記変形例は、拡散伝播補助領域11b、31bがないという点以外は上記実施の形態1、2と同様であるため、各構成要素の詳細な説明については省略する。有効発光領域外に配置される拡散伝播補助領域11b、31bは、有効発光領域に対して微小な範囲であり、導光板1、21の品質に大きく影響を与えるものではないが、拡散伝播補助領域11b、31bを形成しない構成とすることにより、拡散伝播補助領域11b、31bにて生じる微小な光のロスを防止することができる。
また、上記実施の形態および変形例では、YZ断面で見たときにプリズム突起の上端形状が円弧状に形成される場合について説明したが、楕円を含む曲線として形成される場合であっても良い。また、入射面に平行な断面におけるプリズム突起の断面形状がV字形状である場合について説明したが、その他様々な形状を採用しても良い。
また、図中に示した光路や各構成要素の縮尺等は、説明のために模式的に表されており実際の光路や縮尺等とは一致しない。
なお、上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
液晶テレビ、タブレット端末、ノートパソコン等のバックライト、照明装置の発光装置
1 導光板
2 拡散シート
3 プリズムシート
4 光学シート
5 反射シート
6 LED
10、30 入射面
11、31 出射面
12、32 伝播反射面
11a、31a 伝播領域
11b、31b 拡散伝播補助領域
11c、31c 拡散伝播領域

Claims (8)

  1. 複数の点光源から出射された光が入射する入射面と、前記入射面から入射した前記光を出射する出射面と、前記出射面に対向する面であるとともに、前記入射面から入射した前記光を前記出射面に向けて伝播反射させる伝播反射面と、を有する導光板であって、
    前記伝播反射面には、前記入射面に平行に延びる複数のプリズム溝が形成され、
    前記出射面において前記入射面と隣接する領域にある伝播領域は、平面部分が形成され、
    前記出射面において前記伝播領域と隣接する領域にある拡散伝播補助領域は、前記入射面に垂直に延びる複数の第1プリズム突起が形成され、
    前記出射面において前記拡散伝播補助領域と隣接し、前記導光板の中央側にある第1拡散伝播領域は、前記入射面に垂直に延びる複数の第2プリズム突起が形成され、
    前記出射面において前記第1拡散伝播領域と隣接し、前記導光板の中央側にある第2拡散伝播領域は、前記入射面に垂直に延びる複数の第3プリズム突起が形成され、
    前記複数の第1、第2、第3プリズム突起の尾根は連続して形成され、
    前記複数の第1プリズム突起の尾根の傾斜と前記複数の第2プリズム突起の尾根の傾斜とが変化する導光板。
  2. 第1,2,3プリズム突起は、上端に湾曲部を有する請求項1記載の導光板。
  3. 拡散伝播補助領域は、有効発光領域外に位置する請求項1または2記載の導光板。
  4. 前記第1〜第3プリズム突起は、前記入射面と平行方向の突起断面の上端が湾曲部にて構成されるプリズム突起と、前記入射面と平行方向の突起断面の上端が直線部にて構成されるプリズム突起とを備える、請求項1〜3のずれか1つに記載の導光板。
  5. 前記第1〜第3プリズム突起の前記入射面と平行方向の断面形状が山形状であり、
    前記山形状における直線部の長さと前記湾曲部の長さとの割合が、
    0.3≦(湾曲部の長さ)/(直線部の長さ)≦ 1.0
    を満たす請求項1〜4のずれか1つに記載の導光板。
  6. 前記プリズム溝は、前記導光板の中央で溝深さを最大とし前記入射面に向かうにつれて連続的に浅く形成される、請求項1から5のいずれか1つに記載の導光板。
  7. 請求項1から6のいずれか1つに記載の導光板と、複数の点光源と、を備え、前記点光源は、前記導光板の前記入射面に配置され、前記平面部分の前記導光板の厚み以内に配置されている、バックライトユニット。
  8. 請求項1から6のいずれか1つに記載の導光板と、少なくとも1つの拡散シートと、少なくとも1枚のプリズムシートと、前記導光板からの光を制御する複数の光学シートと、前記導光板を挟んで前記拡散シートの反対側に設けられるとともに前記出射面へ光を反射させる反射シートと、LEDと、を備える、面光源装置。
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