JPH10283816A - 背面照明用導光板 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】光媒体の狭い端面から導入した光線を、光媒体
の内部で高い利得で反射させ、広い表面を均等に通過さ
せて放出し、観視点へ指向させる背面照明用導光板を提
供する。 【構成】光源に接近させて屈折機能性の対物レンズを配
置又は一体成形し、光媒体の裏面に反射機能性の条面群
を穿削又は配置した。条面群は、円錐曲面で形成され、
入射側に凹面を向けて湾曲している。対物レンズは、光
源と情報画像表示面とを共役関係とする屈折集束光学系
を構成する。条面群は、対物レンズと観視点とを共役関
係とした円錐曲面で形成して、集束光学系を構築する。 【作用】多量の光源光線を、対物レンズで端面に導入
し、複数の条面で均等に反射させ、広い表面から放出し
て、観視点へ集束させる。 【効果】導光板の放射表面に配置された非発光性画像表
示面を、強い輝度と均等な照度とで観視できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、画像表示面を背後か
ら照明するため光線を誘導する導光板に関し、特に、光
線を入射させる幅が狭い導入端面、ほぼ直角方向に光線
を反射する複数の帯状反射凹面、及び情報画像を背後か
ら照射する広い面積の放射表面を具備する導光板に係わ
る。

【０００２】

【従来の技術】非発光性（受動型）画像表示面、例えば
液晶表示板やエレクトロクロミック表示面などの情報画
像を観視するには、背後からの光線で照明する必要があ
る。背後空間を節減するために、照明機能部材は薄型に
構成し、照明のための光線は狭い面積の端面から入射さ
せ、照明機能部材内部でほぼ直角に反射させ、広い面積
の表面から放出して、情報画像表示面を背後から照明し
ている。

【０００３】従来の技術による照明機能部材は、透明性
中実材料に屈折率の異なる材料又は反射性材料を混入又
は積層し、若しくは表面に凹凸形状を設け又は反射性物
質を塗布又は貼付する手段が採択されていた。これらの
構造では、照明光線を散乱して情報表示面へ投射してい
るので、放出して散逸され、観視点へ到達する光量は少
なく、情報表示面を眺望する輝度は暗かった。情報表示
面の照度むらは周辺光量比４０％以下で、光量利用率は
２０％以下であった。

【０００４】この改善を意図して、導入端面を凸面に形
成した事例があり、照明機能部材の内部で光線をほぼ平
行に誘導して光線を授受している。しかし、導入端面の
有効面積が縮減され、光源からの入射光量が反って減少
した。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】この発明は、情報表示
面を均等に照明し、極めて明るい輝度で画像を眺望でき
る背面照明用導光板を提供するものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】すなわち、この発明は、
光導入端面に対物レンズを配置し、並びに光媒体内に設
けた反射面の形状を光源方向に凹面状に湾曲形成させ、
かつこの帯状反射凹面の間隔及び又は幅を漸変させて複
数設けるものである。

【０００７】

【作用】図１にこの発明の光学系を示す。光源２からの
光線は対物レンズ１２を通り、光媒体１０の端面１４か
ら入射し、複数の条面１６でほぼ直角方向に反射し、表
面１８から射出し、情報画面２０の背後を照明する。情
報画面２０を透過光線は観視点３０に向かう。その付近
から情報画面２０が眺望される。

【０００８】幾何光学の観点から考察すると、対物レン
ズ１２は光源２と情報画面２０とを共役関係として、光
源２からの光線を情報画面２０に集束する。入射光線を
観視点３０へ反射して指向させる条面１６は、端面１４
と観視点３０とを共役関係とする立体的な三次元円錐曲
面（球面、回転楕円面及び回転放物面を総称する）の一
部で形成される。そして、端面１４は入射瞳に相当し、
観視点３０付近に射出瞳３２を形成する。

【０００９】情報画面２０を眺望している観察者３２に
とって、表面１８の大きさは視野を制限し、情報画面２
０の大きさは視界を定義し、射出瞳の大きさは視域８を
確定する。情報画面２０が表面１８に接近して設置され
るので、視野の大きさは視界とほぼ同等である。視域す
なわち射出瞳の大きさは、入射瞳の大きさに比例し、そ
の倍率は端面１４から条面１６への距離と条面１６から
観視点３０までの距離の比である。

【００１０】この三次元円錐曲面は、端面１４と観視点
３０とを共役関係として、空間中に無数に形成される。
光源２が平板状の光媒体１０面上に含まれて設定される
場合、この三次元円錐曲面が光媒体１０の面に交差する
場所に、条面１６は複数設定される。もし光源２が点光
源であるとき、この条面１６は点光源を中心とした同心
円状に、又は点光源を焦点とする楕円状に描かれる。ま
た光源２が線光源であるとき、この条面１６は線光源を
焦点とした放物線を描き、入射光線に向かった凹面が形
成される。

【００１１】条面１６を照射して反射した光線は、表面
１８から情報画面２０を通過し、観視点２０へ集中投射
する。反射面４１は、それぞれ照射光線の陰影を相互に
与えないように、光源１１に対して雁行位置に設置され
る。したがって、光媒体１０の裏面には条面１６が階段
状に穿削される。光媒体１０の端面１４に入射した光線
はすべて、条面１６で有効に授受される。

【００１２】観視点３０から表面１８を眺望したときの
輝度は、表面１８単位面積当たりに設置された条数と条
面１６の有効面積との積の値に比例する。端面１４から
遠去かるに従い照度は減少するので、条面１６の設置条
数と有効面積との積を漸増させて、表面１８の輝度を均
等化する。条面１６を等間隔に設定するときは、条面１
６の高さが漸増する。条面１６の高さを一定とすると
き、条面１６の間隔は粗から密に変化させて加工する。

【００１３】

【実施例】図２の導光板６０は、管状光源５２の光線を
円柱レンズ６２を透過し、端面６４から透明中実体６０
の光媒体に受入れ、透明中実体６０の裏面に穿削したＶ
字溝の条面６６群に照射する方式を示す。条面６６群で
反射した光線は、表面６８を通過し、情報画像表示面７
０を透過し、観視点３０方向へ放出される。

【００１４】円柱レンズ６２は、曲率の弱い面を光源側
に向けて配置される。円柱レンズ６２の開口が大きいの
で、増大した受光量が得られる。円柱レンズ６２を透明
中実体６０と一体成形する加工手段は、部材の姿勢確保
と製作費用の低減には望ましい。円柱レンズ６２の入射
面には、必要に応じて微小な凹面６３が設けられ、輝度
の強い光源の近軸光線を表面６８の周辺に分散させ、照
度むらの解消に寄与する。

【００１５】条面６６群は複数の凹面状の放物線に沿っ
て、ほぼ等間隔に配置される。光源から遠去かるに従い
Ｖ字溝が深く穿削され、その条幅が広げられる。これら
条面６６群は、その傾斜角が光線の臨界角より大きく設
定され、端面６４に入射した光線を表面６８方向に全反
射させる。

【００１６】

【発明の効果】この発明を施した導光板によれば、端面
に配置された対物レンズは屈折集束光学系を構成し、光
源の光線を極めて多く授受して条面群を照射する。ま
た、凹面で形成された条面群は反射集束光学系を構成
し、入射光線のほとんどを表面から放出して、観視点を
狙って集束させる。したがって極めて明るい視野が観察
できる。射出瞳は観視点付近に形成され、その視域は十
分に広い。

【００１７】さらに、対物レンズの入射面に設けられた
微小な凹面は、屈折発散光学系を構成し、中央付近に集
中しがちな光量を周辺に分散させる。また、雁行して配
置された条面群は、照射光線を均等に授受して表面方向
に放出する。したがって、情報画像表示面に均一な輝度
を保証する。

【００１８】したがってこの導光板は、入射端面が狭い
にもかかわらず、広い表面から極めて強い照度で光線を
放出し、かつ均等な光量で情報表示面を照射する。観視
点付近の広い範囲に形成された視域から明るい輝度の表
示面を眺望することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】導光板の光学系の説明図である。

【図２】この発明の導光板を示す模式斜視図である。

【符号の説明】

２、５２ 光源 １２、６２ 対物レンズ １０、６０ 光媒体 ２０、７０ 情報画像表示面 ３０ 観視点

【手続補正書】

【提出日】平成９年４月１７日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】請求項１

【補正方法】変更

【補正内容】

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】請求項２

【補正方法】変更

【補正内容】

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１０

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１０】 この三次元円錐曲面は、端面１４と観視
点３０とを共役関係として、空間中に無数に形成され
る。光源２が平板状の光媒体１０面上に含まれて設定さ
れる場合、この三次元円錐曲面が光媒体１０の面に交差
する場所に、条面１６は複数設定される。この条面１６
は、同心円状に、若しくは導入端面１４と観視点３０と
を焦点とする楕円状に又はこれに近似させた軸外し円弧
状に描かれる。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１５

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１５】 条面６６群は複数の凹面状の円錐曲線に
沿って、ほぼ等間隔に配置される。光源から遠去かるに
従いＶ字溝が深く穿削され、その条幅が広げられる。こ
れら条面６６群は、その傾斜角が光線の臨界角より大き
く設定され、端面６４に入射した光線を表面６８方向に
全反射させる。 ─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成９年１０月３日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正内容】

【書類名】 明細書

【発明の名称】 背面照明用導光板

【特許請求の範囲】

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、画像表示面を背後か
ら照明するため光線を誘導する導光板に関し、特に、光
線を入射させる導入端面、ほぼ直角方向に光線を反射す
る裏面及び光線を放出する表面で構成された導光板に係
わる。

【０００２】

【従来の技術】非発光性（受動型）画像表示面、例えば
液晶表示板やエレクトロクロミック表示面などの情報画
像を観視するには、その背後から照明する必要がある。
背後空間を節減するために、照明機能部材としての光媒
体は薄型に構成する。照明のための光線は幅の狭い端面
から入射させ、光媒体内部でほぼ直角に反射させ、広い
面積の表面から放出して、画像表示面を背後から照明し
ている。

【０００３】従来の技術による光媒体は、透明性合成樹
脂の中実材料に屈折率の異なる材料又は反射性材料を混
入又は積層し、若しくは裏面に凹凸形状を設け又は反射
性物質を塗布又は貼付する手段を採択していた。これら
の構造では、入射光線が画像表示面へ照射するまで散逸
され、観視点へ到達する光量は少なく、画像表示面を眺
望する輝度は暗かった。

【０００４】従来技術による導光板は、光量利用率は２
０％以下であり、画像表示面の照度むらは周辺光量比４
０％以下であった。したがって、導光板の表裏両面側に
光線矯正用の各種シートを重塁する必要があり、厚さが
嵩張り画像表示面の背後に装着するのが難儀であった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】この発明は、画像表示
面を均等に照明し、極めて明るい輝度で画像を眺望でき
る背面照明用導光板を提供するものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】すなわち、この発明は、
光線を観察者の眼の位置に誘導するために、導入端面に
対物レンズを配置し、並びに光媒体内に設けた反射面の
形状を光源方向に凹面状に湾曲形成させ、かつこの帯状
反射凹面の傾斜角度を順次に変化させているものであ
る。さらに、光媒体の表面からの光線を均等に配分して
光媒体の表面での輝度分布を均等にするために、この帯
状反射面の間隔及び又は幅を漸変させて複数設け、並び
に導入端面の一部に光線を発散させる機能素子を配置又
は形成しておくものである。

【０００７】

【作用】図１にこの発明の光学系を示す。光媒体１０の
光軸を含む平面の方向をＸ軸、表面１８に含まれＸ軸に
直角な方向をＹ軸として座標を設定する。光源２からの
光線は、対物レンズ１２を通ってほぼ平行に整形され、
光媒体１０の端面１４から入射し、複数の条面１６でほ
ぼ直角方向に反射し、表面１８から射出し、画像表示面
２０の背後を照明する。画像表示面２０を透過した光線
は観視点３０に向かう。観視点３０の付近から画像表示
面２０が眺望される。

【０００８】光媒体の屈折率ｎ、光源２から条面１６ま
での距離ｓ及び条面１６から観視点３０までの距離ｓ’
を設定して、幾何光学の観点からこの光学系を考察す
る。

【０００９】Ｘ軸に沿った光線指向性について、対物レ
ンズ１２及び反射条面１６は、光源２と観視点３２とを
共役関係として、光源２からの光線を観視点３０に集束
する。対物レンズ１２は、入射光線を平行に偏向する機
能を発揮する。並びに、端面１４から中央付近を経て先
端周辺にわたって条面１６の傾斜角は漸増し、端面１４
で反射した光線は、表面１８で入射角ｉから屈折角
ｉ’＝ｎｉに変化して、観視点３０に指向する。

【００１０】Ｙ軸に沿った光線の指向性については、入
射光線を観視点３０へ反射して指向させる条面１６が、
光源２と観視点３０とを共役関係とする立体的な三次元
円錐曲面（球面、回転楕円面及び回転放物面を総称す
る）の一部で形成される。湾曲する条面１６の曲率半径
ｒは、幾何光学理論式：２ｎ／ｒ＝ｎ／ｓ＋１／ｓ’で
求められる。発明者が実施した多量の実験結果は、この
式の妥当性を確認した。

【００１１】画像表示面２０を眺望している観察者にと
って、端面１４は入射瞳を形成し、表面１８の大きさは
視野を制限し、情報画面２０の大きさは視界を定義し、
射出瞳３２の大きさは視域８を確定する。画像表示面２
０が表面１８に接近して設置されるので、視野の大きさ
は視界とほぼ同等である。光源２が端面１４付近に配置
され、射出瞳３２の大きさは、光源２から条面１６への
距離と条面１６から観視点３０までの距離の比で拡大さ
れる。

【００１２】次に、Ｘ軸における輝度分布を考察する。
条面１６は、それぞれ照射光線の陰影を相互に与えない
ように、光源２に対して雁行位置に設置される。したが
って、光媒体１０の裏面には条面１６が階段状に穿削さ
れる。光媒体１０の端面１４に入射した光線はすべて、
条面１６で有効に授受される。観視点３０から表面１８
を眺望したときの輝度は、表面１８単位面積当たりに設
置された条数と条面１６の有効面積との積の値に比例す
る。裏面１６の照度Ｅは光源２から遠去かる距離ｘに応
じて式：Ｅ＝ａｘ^ｍ （ａ及びｍは定数）にしたがって
減衰するので、条面１６の設置条数と有効面積との積の
値を端面１４から先端にわたって漸増させ、表面１８の
輝度を均等化する。条面１６を等間隔に設定するとき
は、裏面の基準平面から条面１６の谷底までの深さｚ
を、式：ｄｚ／ｄｘ＝Ｅ＝一定 にしたがって順次に深
く設定する。条面１６の深さを一定とするとき、条面１
６の間隔は式：ｄｘ／ｄｚ＝１／Ｅ＝一定 にしたがい
粗から密に変化させて加工する。

【００１３】

【実施例】図２の導光板６０は、管状光源５２の光線を
円柱レンズ６２を透過し、端面６４から透明中実体６０
の光媒体に受入れ、透明中実体６０の裏面に穿削したＶ
字溝の条面６６群に照射する方式を示す。条面６６群で
反射した光線は、表面６８を通過し、画像表示面７０を
透過し、観視点３０方向へ放出される。

【００１４】円柱レンズ６２は、曲率の弱い面を光源側
に向けて配置される。円柱レンズ６２の開口が大きいの
で、増大した受光量が得られる。円柱レンズ６２を透明
中実体６０と一体成形する加工手段は、部材の姿勢確保
と製作費用の低減には望ましい。円柱レンズ６２の入射
面には、必要に応じて微小な凹面６３又は散乱粗面が設
けられ、光源の近軸光線を表面６８の周辺に分散させ、
照度むらの解消に寄与する。

【００１５】条面６６群は複数の凹面状の円錐曲線に沿
って、光源５２付近を中心とした同心円状に、ほぼ等間
隔に配置される。端面６４からの入射光線は、条面６６
群で反射し、表面６８から放出され、情報画像表示面７
０を透過し、観視点３０方向へ収束する。

【００１６】光源から遠去かるに従い、Ｖ字溝は深く穿
削され、その条幅が広げられる。これら条面６６群の面
は、その傾斜角が約４５°に設定されて光線の臨界角よ
り大きく設定され、端面６４に入射した光線を各条面６
６で表面６８方向へ全反射させる。並びに、Ｖ字溝の頂
角は約１３０゜に設定され、背面を形成する。端面６４
から入射しながら条面６６を直射しなかった光線は、表
面６８で多重反射した後この背面で反射され、隣接する
条面６６へ照射して、表面６８から有効に放出される。

【００１７】表面６８には微細な凹凸粗面を施して光線
を散乱させる手段は、条面６６の線条の陰影を消失さ
せ、また射出瞳３２の面積を拡大する作用があり、観察
者の観察作業を利便にする。

【００１８】

【発明の効果】この発明を施した導光板によれば、端面
に配置された対物レンズは屈折集束光学系を構成し、光
源の光線を極めて多く授受して条面群へ誘導する。ま
た、凹面で形成された条面群は反射集束光学系を構成
し、入射光線のほとんどを表面から放出して、観視点を
狙って集束させる。したがって極めて明るい視野が観察
できる。射出瞳は観視点付近に形成され、その視域は十
分に広い。

【００１９】さらに、対物レンズの入射面に設けられた
微小な凹面又は散乱粗面は屈折発散光学系を構成し、中
央付近に集中しがちな光量を周辺に分散させる。また、
漸増した深さで配置された条面群は、入射光線を均等に
授受して表面方向に放出する。したがって、情報画像表
示面に均一な輝度を保証する。

【００２０】この導光板は、光線の指向性と輝度の均等
性により画像を鮮明に観察することができるとともに、
従来導光板の表裏側に積層していた光線矯正用の各種シ
ートを減数又は省略することができる。画像表示板の背
面照明素子として、薄型に設計できるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】 導光板の光学系の説明図である。

【図２】 この発明の導光板を示す模式斜視図である。

【符号の説明】 ２、５２ 光源 １２、６２ 対物レンズ １０、６０ 光媒体 ２０、７０ 画像表示面 ３０ 観視点

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 導入端面からの入射光線を反射して表面
   から射出せしめる光媒体において、表面のほぼ法線上に
   設定した観視点と光源とを共役関係とする複数の三次元
   円錐曲面が光媒体の面と交差する場所に、帯条状反射凹
   面を形成したことを特徴とする背面照明用導光板。
2. 【請求項２】 線状の光源を用い、上記帯状反射凹面を
   放物面又はその近似形状面で構成したことを特徴とする
   請求項１の背面照明用導光板。
3. 【請求項３】 上記帯状反射凹面が複数条で構成され、
   その間隔又は幅がそれぞれ異なることを特徴とする請求
   項１の背面照明用導光板。
4. 【請求項４】 導入端面の付近に集束性光学素子を設置
   又は形成したことを特徴とする請求項１の背面照明用導
   光板。
5. 【請求項５】 導入端面の中央付近に発散性光学素子を
   設置又は形成したことを特徴とする請求項１の背面照明
   用導光板。