JP2012195165A - 導光板、光源装置及び表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
装置の外に取り出される光の面内での輝度分布を均一にすることのできる導光板、光源装置及び表示装置を提供する。
【解決手段】
実施形態の導光板は、平面部と錐状体の凹部とを有する第１の面と、前記第１の面に対向する第２の面とを有し、前記凹部から入射する光を内部で伝播し、内部で拡散する光を第２の面から照射する平板状の部材を備える。前記凹部の斜面と前記平面部の法線との成す角度が、９０°から、前記光が前記部材内の前記第２の面で全反射する臨界角の２倍を減算した値よりも小さい。
【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、導光板、光源装置及び表示装置に関する。

表示装置等に用いられる光源装置としては主に、光源装置を形成する光源基板の全面に渡って複数の光源を設けることで、それぞれの光源が発する光が拡散され、装置の外へ照射される直下型のものと、導光板を備え、この導光板の端部に光源を設けることで、光源が発する光が導光板内を伝播し、導光板の一部に設けられる拡散マークに入射した光が拡散されることで、装置の外へ照射されるエッジ型のものとがある。

しかしながら、直下型の光源装置では、光源からの光の一部が直接装置の外に照射されることにより、光源の直上での輝度が強くなってしまうという問題がある。

特開２００７−１８００２２号公報

装置の外に取り出される光の面内での輝度分布を均一にすることのできる導光板、光源装置及び表示装置を提供する。

実施形態の導光板は、平面部と錐状体の凹部とを有する第１の面と、前記第１の面に対向する第２の面とを有し、前記凹部から入射する光を内部で伝播し、内部で拡散する光を第２の面から照射する平板状の部材を備える。前記凹部の斜面と前記平面部の法線との成す角度が、９０°から、前記光が前記部材内の前記第２の面で全反射する臨界角の２倍を減算した値よりも小さい。

実施形態の光源装置は、上記の導光板と、前記凹部の直下に設けられ、前記凹部から前記導光部材内に光を入射する光源とを備える。

実施形態の表示装置は、上記の光源装置を備える。

第一の実施形態に係る光源装置の断面図。 第一の実施形態に係る光源装置の導光板の構成図。 導光板内の光線の模式図。 第一の実施形態の光源装置の導光板を用いたシミュレーション結果。 第一の実施形態の光源装置の導光板を用いないシミュレーション結果。 導光板の効果を説明する図。 光線の拡散を説明する図。 光線の反射板による反射を説明する図。 光線の反射部材による反射を説明する図。 第二の実施形態に係る光源装置の断面図。 第二の実施形態に係る光源装置の導光板の構成図。 第二の実施形態に係る光源装置の上面図。 適用例の表示装置の構成図。 適用例の表示装置の概略図。

以下、発明を実施するための実施形態について説明する。

（第一の実施形態）
以下、図１乃至図１０を参照して、第一の実施形態に係る光源装置１０の構成について詳細に説明する。

図１は光源装置１０の断面図である。光源装置１０は、平板状の導光板２０と、導光板２０に対向して設けられ、開口３１を有する反射板３０と、反射板３０の開口３１に設けられる光源ユニット４０と、導光板２０の反射板３０側の面に設けられ、光を拡散するための拡散部１１とを備える。また、光源ユニット４０は、基板４１と、基板４１に設けられる光源４２と、光源４２の周囲を囲む遮光板４３とを備える。以下では、導光板２０側を上方、反射板３０側を下方として説明を行う。

導光板２０は、内部で光を伝播する面状平板である。光源４２が発する光は、導光板２０の下方側の面から入射することで、導光板２０内部を伝播する。そして、導光板２０の内部で散乱する一部の光が導光板２０の上方側の面から外部へ取り出される。この導光板２０は、例えばアクリル等の透明な材料から形成されることが好ましい。

反射板３０は、光を反射（鏡面反射または拡散反射）する材料から形成される面状平板である。反射板３０は、開口３１を有しており、この開口３１には、後述の光源ユニット４０が設けられる。光源ユニット４０の光源４２が発する光は、この開口３１を抜けて、上方側の導光板２０へ照射される。

光源ユニット４０は、基板４１を備え、この基板４１にはLEDなどの光源４２が設けられる。また、基板４１の外周には、光源４２の周囲を囲む遮光板４３が設けられており、この遮光板４３は、反射板３０が有する開口３１の内周に接するように形成される。

この遮光板４３により、光源４２が発する光が周囲に漏れることを防ぎ、光を開口４１を通して上方側へ照射することができる。遮光板４３は、光を反射する反射板３０と同様の材料から形成されてもよい。

拡散部１１は、導光板２０の下方側の面に設けられ、例えば白インクを塗布するシルク印刷や、切込みなどにより形成されている。この拡散部１１に入射する光は、拡散することで導光板２０の上方側の外部へ照射される。

この拡散部１１は、光源４２に近い領域では疎に、光源４２から離れるに従い徐々に密に配置することで、導光板２０を抜ける光の輝度分布が、導光板２０の全面に渡りほぼ一様となるように適切に配置される。詳細な配置位置については、光源４２の強度や設置位置を基に予め定めることができる。

本実施形態の光源装置１０では、導光板２０の直下の全面にではなく、予め定める光源装置１０として必要な輝度を達成するために必要最低限の領域に部分的に光源ユニット４０を設けている。そのため、この光源ユニット４０以外のところでは筐体を薄くすることが可能となり、装置の大部分を薄型化することができる。また、導光板２０の側面に光源４２を設ける必要がないため、筐体の額縁を薄くすることができる。

以下、図２を参照して、導光板２０の構成について詳細に説明する。

図２（a）は導光板２０の上面図、（b）は導光板２０の側面図である。

導光板２０は、端部が頂角９０°の山形（上方側の側面を２５a、下方側の側面を２５bとする）に加工されている。この端部の側面２５a及び２５bには、例えば銀箔などの反射部材２５a及び２５bが貼り付けられており、反射面が形成されている。

導光板２０の下方側の面は、４箇所の四角錐の凹部が適切な間隔、向きで近接して配置されている領域（以下、光入射領域２２）を４箇所有している。この光入射領域の直下には、光源ユニット４０が配置されている。

また、光源ユニット４０の光源４２が発する光が、光入射領域２２の凹部からのみ入射し、平面部からは入射しないように、上記の平面部には光を反射する遮光部２４が設けられている。光源４２からの光が凹部以外の部分に照射されると、光源ユニット４０の内部で反射し、凹部に集中的に照射される。

このとき、４つの凹部のうちの１つから導光板２０内に入射した光が、他の凹部の側面に当たると、光が散乱して導光板外に漏れ出す可能性がある。そのため、これら４つの凹部は互いの干渉を充分小さくするために、図２に示すように、最近の凹部同士は底面を形成する四角形の辺を対向させずに、底面の頂点を向かい合わせて配置する。なお、この底面の頂点は底面の中心同士を結ぶ直線上に位置し、凹部の四角推の頂点を固定とする際に、底面の頂点間の距離が最小となるように配置されている。

なお、ここでは、四角錐の凹部を例に説明を行っているが、この凹部としては、錐状体であればよく、四角錐以外の多角錐または円錐を用いることも可能である。また、光入射領域２２は、１種類あるいは複数種類の多角錐または円錐の凹部の組み合わせから形成されるものであってもよい。

また、導光板２０の端部としては、山形ではなく平坦な側面であってもよい。この際、上記の山形の場合と同様にして銀箔や白色シールなどにより反射面を形成する。

本実施形態の導光板２０では、上記の光入射領域２２を形成する四角錐の斜面から導光板２０内へ入射する理論上ほぼ全ての光は、導光板２０の内部を、全反射を繰り返しながら伝播する。これにより、部分的に設けられる光入射領域２２から導光板２０内へ入射する光が、導光板２０内の全体に渡って伝播する。

そこで、本実施形態においては、上記のように斜面に入射する理論上全ての光が、導光板２０内で全反射するための条件として、光入射領域２２を形成する四角推の凹部の頂角に規定を設けていることを特徴とする。

以下、図３に示す光線の模式図を参照して、凹部の頂角の規定について詳細に説明する。なお、ここでは、導光板２０を構成する材料の屈折率をn、凹部の斜面と導光板２０の面に垂直な法線との成す角度、すなわち凹部の頂角の1/2の角度をθw、導光板２０内から空気中へ入射される光線が、導光板２０内において全反射する際の臨界角をθcとする。

なお、空気の屈折率を１とすると、上記の臨界角θcは、スネルの法則より次式で与えられる。ただし、arcsinは逆正弦関数を表している。

θc=arcsin(1/n) ・・・（数１）
光源４２が発して、凹部の斜面から導光板２０内に入射する光線の屈折角θ1（斜面の法線と屈折光の成す角度）と、導光板２０内における入射角θ2（導光板２０の法線と入射光の成す角度）と、上記θwとの関係は、次式で表される。

θ1+θ2＋θw=90° ・・・（数２）
また、凹部の斜面と平行に入射する光線は、上記スネルの法則により導光板２０内において屈折角θcで屈折することがわかる。したがって、凹部の斜面から導光板２０内に入射する光線は、斜面の法線に対して、必ず臨界角θc以下の屈折角で屈折する。これにより、屈折角θ1と臨界角θcとの関係としては、次式の条件が成り立つ。

θ1<θc ・・・（数３）
さらに、導光板２０内から空気中へ入射される光線が全反射するための条件として、入射角θ2と臨界角θcとは、次式の関係を満たす必要がある。

θ2>θc ・・・（数４）
上記の（数２）乃至（数４）により、凹部の斜面から導光板２０内に入射する光線が、導光板２０内において全反射するためには、凹部の斜面と導光板２０の面に垂直な法線との成す角度θwが次式（以下、規定）を満たせば良いことがわかる。

θw<90°−2θc ・・・（数５）
したがって、本実施形態においては、凹部の斜面と導光板２０の面に垂直な法線との成す角度が、上記の規定に基づき、90°から、導光板２０の内部から外部へ入射する光線が全反射する臨界角の２倍を減算した値よりも小さくなるように凹部を形成する。

（数５）の規定を満たして光入射領域２２の凹部を形成することで、この光入射領域２２から導光板２０内へ入射される理論上ほぼ全ての光は、導光板２０内において全反射して伝播する。

その結果、光源４２が発する光が直接導光板２０の外部へ照射されることがないため、光源４２の直上での輝度を低減することができる。このため、従来光源４２の直上の輝度を低減する目的で用いられてきた拡散板などを設ける必要がなくなるためにその分装置の薄型化が可能となる。

ここで、導光板２０の材料として、例えば屈折率1.49のアクリルを用いる際には、（数１）より、臨界角θcは42.15°と算出できる。したがって、このとき、（数５）で表される規定により、導光板２０内に入射する理論上全ての光が、導光板２０内部を全反射により伝播するためには、θwが5.689°より小さければよいことがわかる。

すなわち、屈折率1.49のアクリルを用いる際に、角度θwが5.689°よりも小さい角錐の凹部から光入射領域２２を形成することで、この光入射領域２２から導光板２０内に入射する理論上全ての光が、導光板２０内部で全反射する。

一方で、屈折率1.49のアクリルを用いる際に、上記の角度θwが5.689°よりも大きい角錐の凹部から光入射領域２２を形成する場合には、この光入射領域２２から入射する全ての光が導光板２２内部において全反射することはなく、一部の光が全反射し、その他の光は直接導光板２０外へと照射される。

次に、角錐の頂角を規定したことによる効果をシミュレーションにより示す。図４は（数５）の規定を設けた場合、図５は（数５）の規定を設けていない場合でのシミュレーション結果である。なお、図４（a）及び図５（a）は、導光板２０内での光線の様子を示すシミュレーション結果、図４（b）及び図５（b）は光源４２の直上の10mm×10mmの範囲での光の漏れを示すシミュレーション結果である。

ここでは、屈折率 1.49、厚さが 2.4mm で、大きさ30cm 角のアクリル板を想定し、この中央部に四角推の凹部を設けて、ここから光源４２の光を入射した。凹部の底辺は 0.4mm角の正方形とし、凹部の深さを変えることで頂角を調整する。

頂角 2θw=11.36°（深さ 2.01mm）の場合には、図４に示す通り導光板１０からの光漏れは完全に０であることがわかる。

これに対し、頂角2θw=30°（深さは 0.746mm）の場合には、図５に示すように、光源直上の狭い領域内で光が漏れていることがわかる。また同時にこの光の漏れは、入射した光量のおよそ9.7% に相当するという結果が得られた。

前者のように、光の漏れ出し分が０であれば、拡散部１１を適切に配置することにより、導光板を均一に発光させることができる。これに対し、光源直上の狭い領域に光が漏れている場合には、拡散部１１の配置によって輝度分布を修正することは困難であり、その部分だけ明るく輝く目障りな輝点が現れることになる。

したがって、（数５）により角度θwに規定を設ける本実施形態の導光板２０を用いることで、ほぼ全ての光が導光板２０の内部で全反射をすることになるため、角度θwに規定を設けない例に比べ顕著な効果がある。

また、光入射領域２２は、複数の角錐の凹部を配置することで形成している。例えば、図６（a）に示すように、１箇所の凹部から光入射領域２２を形成する場合、光入射領域２２、すなわち凹部の幅を2b、高さをh1とすると、上記の規定より算出されるθwを用いることで、凹部の高さは、h1=b/(tanθw)と表すことができる。

一方で、図６（b）に示すように、本実施形態のように２箇所（幅方向）の凹部及び平面部から光入射領域２２を形成する場合には、光入射領域２２の幅を2b、凹部の高さをh2、平面部の幅を2lとすると、上記θwを用いることで、凹部の高さは、h2=(b-l)/(2tanθw)と表すことができる。

ここで、例えば平面部の幅2lを光入射領域２２の幅の半分、すなわちbとして（数７）に代入すると高さは、h2=b/(4tanθw)となり、１箇所の凹部から形成する場合に比べて凹部の高さを1/4に抑えた場合であっても、（数５）の規定を満たすことがわかる。

以上より、上記の規定により算出される同一の頂角を有する角錐の凹部を用いて、同一幅の光入射領域２２を形成する際、複数の凹部で形成することで、１箇所の凹部の高さを低くすることができる。

したがって、光源４２のサイズが限定されるような場合にあっては、本実施形態のように複数の凹部から光入射領域２２を形成することによって、１箇所の凹部の高さを抑えることで、導光板２２自体の厚さを薄くすることが可能となる。

以下、図７乃至図８を参照して、本実施形態に係る光源装置の機能について詳細に説明する。

光源４２が発する光は、光入射領域２２に形成される角錐の凹部の斜面から導光板２０に入射する。本実施形態においては、上記の通り、凹部の斜面と導光板２０の面に垂直な法線との成す角度θwには数５に示される規定を設けているために、導光板２０に入射する光は、全反射を繰り返しながら導光板２０内を伝播する。

このとき、導光板２０内を全反射して伝播する光線の一部は、導光板２０の下方側に設けられる拡散部１１に入射する。そして、この拡散部１１により拡散され、臨界角θcよりも小さい角度で導光板２０内の上方側の面に入射する一部の光線は、全反射することなく導光板２０外へ照射される(図７中の光線A)。

本実施形態においては、拡散部１１は、上述の通り予め適切に配置されているために、この拡散部１１により拡散され、導光板２０の上方側の面から外部へ照射される光の、面内における輝度分布はほぼ均一になる。

また、導光板２０の下方側には、反射板３０が導光板２０と対向して配置されている。上記の拡散部１１に入射する光線の一部は、導光板２０の上方側ではなく、下方側の面に入射し、導光板２０の外部へ照射される。

このようにして、導光板２０の下方側の面から外部へ照射される光線は、下方側に設けられる反射板３０により導光板２０側へ反射され、導光板２０内へ入射する。そして、導光板２０の上方側の面に、臨界角θcよりも小さな角度で入射する一部の光は、導光板２０の上方側の面から外部へ照射される（図８中の光線B）。

これにより、導光板２０の下方側へ漏れる光を、反射板３０により上方側へ反射することで、光のロスを低減することができるために、光源４２が発する光を有効的に活用することが可能になる。

また、導光板２０は、前述の通り端部が頂角９０°の山形に加工されている。導光板２０内を全反射して伝播する光線の一部は、途中の拡散部１１に入射することなく、端部の側面２５aあるいは２５bまで到達する。

このとき、端部にまで到達し側面２５aに入射する光線は、反射部材２６aにより全反射され側面２５bへ向かう。さらに、側面２５aから側面２５bに入射する光線は、反射部材２６bにより上記の側面２５aに入射する光線と平行な方向に全反射される（図９中の光線C）。

同様に、端部にまで到達し側面２５bに入射する光線は、反射部材２６bにより全反射され側面２５aに向かう。そして、側面２５bから側面２５aに入射する光線は、反射部材２６aにより上記の側面２５bに入射する光線と平行な方向に全反射される。

したがって、上記のように反射部材２６a及び２６bによる２回の全反射の後に、導光板２０の上方側あるいは下方側の面に入射する光は、この状態においても（数４）で表される全反射の条件を満たしていることになる。

これにより、拡散部１１により拡散されずに導光板２０の端部にまで到達する光を再度利用することができるため、光を有効的に活用することが可能となる。

本実施形態の光源装置１０によれば、装置の薄型化が可能となると共に、導光板１０の光入射領域２２を形成する凹部に角度規定を設けることで、光源４２の直上での輝度を低減することができる。

なお、本実施形態において、光入射領域２２の凹部が「錐状体である」とは、頂角部分を平らにする錐台形状であることも含まれる。すなわち、斜面の傾斜角が（数５）の規定を設けていればよい。ただし、この際には、錐台の平面部を吸収材で黒く塗りつぶしたり、アルミ蒸着などにより反射面を形成する。

（第二の実施形態）
以下、図１０乃至図１３を参照して、第二の実施形態に係る光源装置５０について詳細に説明する。なお、第一の実施形態と同一の構成については同一の符号を付すことで、その説明を省略する。

図１０は光源装置５０の断面図である。光源装置５０は、第一の実施形態と同様に、導光板６０と、反射板３０と、光源ユニット４０と、拡散部１１とを備える。光源装置５０と第一の実施形態の光源装置１０とは導光板６０に違いがある。

図１１（a）は導光板５０の上面図、（b）は導光板５０の側面図である。第一の実施形態の光源装置１０の導光板２０では、光入射領域２２は角錐の凹部から形成されていた。それに対し、導光板６０の光入射領域６２は、図１１（a）に示すように、短辺方向に平行して延伸する２箇所の凹溝から形成されている。また、図１１（b）に示すように、この凹溝の断面は三角形状であり、本実施形態においては、この凹溝の斜面と導光板５０の面に垂直な法線の成す角度が（数５）の規定を満たしている。

これにより、第一の実施形態と同様に、この光入射領域２２から入射する光のほぼ全ては導光板５０内で全反射する。そして、導光板５０内を伝播する一部の光が拡散部１１により拡散されることで、導光板２０の上方側の面から外部へ照射される光の、面内における輝度分布はほぼ均一になる。

また、本実施形態においては、光源ユニット４０は光入射領域６２に沿って複数配置されている。光源ユニット４０が有する光源４２の点灯あるいは光量は、光源ユニット４０毎に独立して制御することができる。

ここでは、図１２に示すように、２列の光入射領域６２に対して、それぞれ４つの光源ユニット４０を配置している。このように、凹溝を短辺方向に配置した場合、光源ユニット４０からの光は主として長辺方向に広がり、遠くでは減衰する。全ての光源ユニット４０を点灯すると光源装置５０全体が均一に光るようになっている。また、光源ユニット４０のうち、例えば一つのみ（図１２の左の列の上から２番目）を点灯させたときの発光領域は、図１２の斜線で示す領域となる。

したがって、このように２列に光源ユニット４０を配置することにより、８つの領域を独立に点灯を制御することが可能となる。これにより、画面の暗い部分に位置する光源ユニット４０の光源４２の輝度を落とすことが可能となり、コントラスト比の向上や消費電力の低減などの効果が得られる。

（適用例）
図１３は、第一の実施形態の光源装置１０を適用した表示装置１００の構成図である。

表示装置１００は、光源装置１０からの光を画像として表示させる液晶パネル１１０を光源装置１０の上方に備える。液晶パネル１１０及び光源装置１０は筐体１２０により外装されている。

図１４は、表示装置１００にさらに支柱１３０を設ける場合の概略図である。この支柱は、点線で示す光入射領域２２と一致するように配置する。これにより、支柱部分以外の領域において薄型化が可能となる。

以上説明した少なくとも１つの実施形態の光源装置によれば、装置の外に照射される光の面内における輝度分布を均一にすることができる。

これら実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、様々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同時に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０、５０・・・光源装置
１１・・・拡散部
２０、６０・・・導光板
２１、６１・・・導光部材
２２、６２・・・光入射領域
２３、６３・・・凹部
２４、６４・・・遮光部
２５・・・側面
２６・・・反射部材
３０・・・反射板
４０・・・光源ユニット
４１・・・基板
４２・・・光源
４３・・・遮光板
１００・・・表示装置
１１０・・・液晶パネル
１２０・・・筐体
１３０・・・支柱

Claims (9)

1. 平面部と錐状体の凹部とを有する第１の面と、前記第１の面に対向する第２の面とを有し、前記凹部から入射する光を内部で伝播し、内部で拡散する光を第２の面から照射する平板状の部材を備え、
   前記凹部の斜面と前記平面部の法線との成す角度が、９０°から、前記光が前記部材内の前記第２の面で全反射する臨界角の２倍を減算した値よりも小さい導光板。
2. 前記錐状体は角推であり、前記凹部が、前記第１の面の少なくとも一部の領域に複数設けられる請求項１記載の導光板。
3. 最近で隣接する少なくとも２つの前記凹部は、前記凹部の底面の中心を結ぶ直線上でそれぞれ前記底面の頂点を向かい合わせて設けられる請求項２記載の導光板。
4. 前記凹部は、前記第１の面内の一方向に底面を延伸させ、隣接する少なくとも２つの前記凹部は、前記第１の面内で前記底面を互いに平行して設けられる請求項２記載の導光板。
5. 前記平面部には、光を遮断する遮光部材を設ける請求項１乃至４いずれか１項記載の導光板。
6. 前記部材が、頂角９０°の山形の端部を有し、前記端部には、光を反射する反射部材を設ける請求項１乃至５いずれか１項記載の導光板。
7. 請求項１乃至６いずれか１項に記載の導光板と、
   前記凹部の直下に設けられ、前記凹部から前記導光部材内に光を入射する光源と、
   を備える光源装置。
8. 前記光源の周囲を囲い、光を前記凹部に向けて反射する反射部材をさらに備える請求項７記載の光源装置。
9. 請求項７または８記載の光源装置を備える表示装置。