JP2004241369A - 光誘導部を備えた導光板 - Google Patents

Abstract

【課題】 導光板を光源より薄く形成しても輝度の低下がなく、且つ取扱及び設置が極く容易であると共に生産性及び歩留まりを向上させることができる導光板を提供することにある。
【解決手段】 光源２０からの光を所定方向に導く導光板１０において、導光板１０の一端部側に、該導光板１０の一端部から光源２０に向けって末広がりにされ、所定の傾きαの傾斜面３１を有する光誘導部３０を一体に形成したことを特徴としている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、広告用又は照明用の面光源装置及び液晶表示装置などに用いられるバックライト用の導光板に関するものである。

一般的に、広告用又は照明用の面光源装置及び液晶表示装置などに用いられている、片側点灯方式のバックライトにおいては、光源の出射光を所定方向に導くためのアクリル樹脂等から成る導光板が設けられている。

導光板の背面には、光を該導光板の正面方向に向かわせるための反射部が形成されている。代表的な反射部を挙げると、スクリーン印刷法を利用して、光を反射する白色系の塗料をドット状に塗布してなるドット印刷されたものと、導光板の背面に一体成形により、導光板と一体に突条や溝のような凹凸を形成して反射部とするものがある。

図１０及び図１１には、従来のバックライト用の導光板１１０を示し、この導光板１１０には、一体成形式の反射部として背面に互いに直交する方向に延びる複数の断面略Ｖ字状の溝１１２が形成されている。このような導光板１１０においては、輝度を向上させると共に輝度分布を均一化するために、上記複数の溝１１２は光源１２０から遠ざかるにつれて溝１１２の間隙が徐々に小さくなるように配列されている。図１１において、光源１２０からの光は、導光板１１０内を通り、溝１１２を画定する面の内側斜面において反射してから、導光板１１０の正面から出射し、拡散フィルム１４０等に入射するようになっている（特許文献１参照）。

ところで、かかる従来のバックライトにおいては、図１１に示すように、導光板の厚さの限界が光源の外径φに拘束される平行平板型の導光板を使用しているので、広告用又は照明用の面光源装置等が大型化すればするほど導光板の厚さが厚くなって重量が重くなる問題が生じる。具体的には、輝度をさらに向上させる必要があるので、大型光源を使用するか或いは光源の本数を増加させなければならなく、このような光源からの光をすべて吸収することができるように導光板をさらに厚くしなければならないので、重量が重くなるという問題等が発生する。

かかる問題点を解決するために、導光板が光源から遠ざかるにつれて厚さが薄くなる構造のものが従来提案されている（特許文献２、３参照）。また、導光板の薄型化を図るために、導光板の両端部に光源を設けたもの（特許文献４参照）、又は光源の外周に反射部材を設けたもの（特許文献５、６参照）も従来提案されており、これらの間接的手段によって導光板の薄型化を図っている。

韓国特許公開２００２−８３８８６号公報 特開２００１−２２８４７７号公報 特開２００１−２６６６２７号等公報 特開平９−１８４９２０号公報 特開平７−２８７２２６号公報 特開２０００−２５８７６７号公報

しかしながら、これらの特許文献等に開示された従来の技術では、導光板の厚さを薄くすることには限界があるので、問題があった。例えば、小型の広告用又は照明用の面光源装置には適用することができるが、中大型の面光源装置には適用することができない。

本発明は、このような事情を背景としてなされたものであり、その目的とするところは、導光板を薄く形成しても輝度の低下がなく、且つ取扱及び設置が極めて容易であると共に生産性及び歩留まりを向上させることができる導光板を提供することにある。

かかる目的を達成するために、光源からの光を所定方向に導く本発明の光誘導部を備えた導光板は、その一端部側に、導光板の一端部から光源に向かって末広がりに開き、所定の傾きの傾斜面をもつ光誘導部を設けたことを特徴としている。

好ましくは、光誘導部の傾斜面の傾きαは、式α＜4５゜−１/２ｓｉｎ^−１(１/Ｎ)、（ここでＮは光誘導部の屈折率）を満たす傾きにされ得る。
本発明の実施の形態においては、光誘導部の傾斜面は、直線形状または複数の直線形状を組合わせた形状または曲線形状に形成され得る。

光誘導部は導光板の一端部に一体に又は別体に設けられ得、後者の場合には光誘導部は導光板の一端部に結合される。

また、光誘導部の基端部には、導光板の一端部が挿着される挿入溝が形成され得る。

光誘導部は、導光板とは異なる材質から成り得る。

光は、その経路を最少化して進行する性質によって、二つの媒質の境界面で反射と屈折を起す。例えば、図４に示すように、空気中を進行する光がガラスに向かって入射する際、法線Ｙに対して入射角θと同じ角度θ´で反射が起こり、また法線Ｙに対して角度βで屈折が起こり、入射角θと屈折角βとは、次のような関係式を有する。
Ｎ１・ｓｉｎθ＝Ｎ２・ｓｉｎβ
（ここで、Ｎ１、Ｎ２は、各媒質の屈折率である）
また、各種の媒質の屈折率（黄色光に対して）を下記の表１に示す。

光の屈折は、ある媒質から異なる媒質に進む際、二つの媒質の境界面で進行方向を変えることである。

光学的に、光が二つの疎密な媒質の境界面で屈折する屈折率は、二つの媒質の疎密差が大きいほど且つ入射角が大きいほど大きくなる。例えば、図５に示すように、光が緻密な内部媒質から疎い外部媒質に入射する際、屈折角は常に入射角より大きくなるので、入射角が漸次大きくなってある入射角θｎ（ｆｎ点）に到ると、屈折角が９０゜になる（以下、この入射角θｎを「臨界角」とする）。これは、屈折された光が境界面に沿って進行することを意味する。光が上記臨界角θｎより大きい角度で入射する場合、光は境界面で必ず全反射されることになり、このような現象を「内部全反射」と呼ぶ。

例えば、外部媒質が空気（屈折率＝1.00029≒1.0）であれば、上述した入射角と屈折角との関係式によって、
Ｎ・sinθn＝１.０・ｓｉｎ９０゜＝１（Ｎは内部媒質の屈折率である）
θn＝ｓｉｎ^−１(１/Ｎ)
となる。これは、光繊維の原理となる。

従って、図６に示すように、光が二つの媒質の境界面に臨界角以上θn+nで入射すると、上述した光繊維の原理によって、Ａ点で内部全反射されることによって、光を内部媒質中に進行させることができる。

図６における各角度の関係は、∠ｂ、∠ｃは、全反射の原理によって∠ｂ＝∠ｃとなり、∠ａ、∠ｂ、∠ｄは、錯角又は同位角であるので、∠ａ＝∠ｂ＝∠ｄとなる。従って、∠ａ＝∠ｂ＝∠ｃ＝∠ｄとなり、錯角の原理によって、∠ｅ＝∠ｃ＋∠ｄ＝２∠ａが成立する。

また、Ａ点から内部全反射されて内部媒質中を進行する光がＢ点で内部全反射されるためには、
θm＞θn＝ｓｉｎ^−１（１/Ｎ）
の条件を満たさなければならない（図６における各角の関係参照）。
θm＋ｅ＝９０゜であるので、
θm＝90゜−ｅ＝９０゜−２ａとなり、
これを上記の条件式に代入すると、
９０゜−２ａ＞θn＝ｓｉｎ^−１(１/Ｎ)となる。
従って、∠ａ＜４５゜−１/２ｓｉｎ^−１(１/Ｎ)を満たさなければならない。

図７は、内部媒質の屈折率と内部全反射のための∠ａの最大角との関係を示すグラフであり、下記の表２は、光を内部全反射によって内部媒質中に進行させるための∠ａの最大許容角を示すものである。光を内部媒質中に進行させるためには、∠ａが表２に示した最大許容角より小さい角度とならなければならない。

なお、上記の∠ａは、本発明における光誘導部の傾斜面の傾きαに相当する。

以上のように、本発明の光誘導部を備えた導光板によれば、光源に接する導光板の一端部側に、光源からの光を内部全反射させるための所定の傾きの傾斜面を有する光誘導部を設けたので、輝度を低下させることなく、導光板を薄く形成することができる。

また、導光板を薄く形成することができるので、生産性及び歩留まりが向上されると共に、導光板の重量が軽くなって扱い及び設置が極めて容易になる。

本発明の光誘導部を備えた導光板は、上述した光の内部全反射の原理を利用して構成したものであって、添付図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の光誘導部を備えた導光板を片側点灯方式のバックライトに適用した一実施の形態の構成を示す要部拡大断面図である。この実施の形態の導光板１０は、図１に示すように、背面に、光源２０からの光を正面方向に向けって反射させるための反射部としての複数の断面略Ｖ字状の溝１２が形成されている。光源２０に接する一端部側には、この一端部から上記光源２０に向かって末広がり開き、所定の傾きαの傾斜面３１を有する光誘導部３０が一体に形成されている。

そして、光誘導部３０の傾斜面３１の傾きαは、上述したように、この光誘導部３０の屈折率に応じる∠ａの最大許容角以下となっている。具体的には、式
α＜４５゜−１/２ｓｉｎ^−１(１/Ｎ)、（ここでＮは光誘導部の屈折率）
を満たす傾きとなっている。
例えば、光誘導部３０がアクリルからなる場合には、アクリルの屈折率は１．４９で（表１参照）、屈折率が１．５である場合の∠ａの最大許容角は２４．０９゜であるので（表２参照）、傾きαは約２４゜以下にすればよい。

もし、光誘導部３０の傾斜面３１の傾きαが、この光誘導部３０媒質に応じる∠ａの最大許容角より僅かに大きくなる場合には、光の一部が損失されるが、このような光誘導部を備えていない従来の導光板に比して、導光板の面積、輝度等の相互関係の面で顕著に効率的である。

一方、光誘導部３０の末広がりの端部３２の幅Ｗと導光板１０の厚さＴとの間には、次のような関係が存在する。

１．光誘導部が片側傾斜面を有する場合における末広がりの端部の最大幅
光が光誘導部を通って導光板中に進行するためには、図８ａに示した光線Ｒ２、Ｒ３のように３番目の反射点ｒ２、ｒ３が導光板の正面に位置しなければならない。光線Ｒ１のように３番目の反射点ｒ１が導光板の正面に位置しないと、片側傾斜面で屈折したり誤った方向に反射したりすることになる。従って、光誘導部の片側傾斜面と導光板の正面とが合うＤ点を３番目の反射点ｒ２とする光線Ｒ２が光誘導部の片側傾斜面で反射される反射点Ｐ２（Ｅ点）と、この反射点Ｐ２から光誘導部の底面に向く垂線に合うＧ点との間の距離が光誘導部の末広がりの端部の最大幅となる。

末広がりの端部の最大幅を求める式について、図８ｂを参照して説明する。

式（２）、（３）を式（１）代入すると、

となる。
通分して整理すると、

が得られる。

例えば、∠ｈ＝２４゜、Ｔ＝８ｍｍであると、Ｗ´＝１８．７ｍｍとなり、また、∠ｈ＝１８゜、Ｔ＝８ｍｍであると、Ｗ´＝２０．９ｍｍとなる。すなわち、∠ｈ値が少ないほど光誘導部の末広がりの端部の幅が広くなる。

２．光誘導部が両側傾斜面を有する場合における末広がりの端部の最大幅
光が光誘導部を通って導光板中に進行するためには、図９の（ａ）に示した光線Ｒ５、Ｒ６のように２番目の反射点ｒ５、ｒ６が導光板の背面に、また、光線Ｒ７のように２番目の反射点ｒ７が導光板の正面に位置しなければならない。光線Ｒ４のように２番目の反射点ｒ４が導光板の正面に位置しないと、下側傾斜面で屈折されたり誤った方向に反射したりすることになる。従って、光誘導部の下側傾斜面と導光板の背面とが合うＪ点を２番目の反射点ｒ５とする光線Ｒ５が光誘導部の上側傾斜面で反射されるＰ５点と、光誘導部の上側傾斜面と導光板の正面とが合うＩ点が２番目の反射点ｒ７とする光線Ｒ７が光誘導部の下側傾斜面で反射されるＰ７点との間の距離が光誘導部の末広がりの端部の最大幅となる。

上記末広がりの端部の最大幅を求める式について、図９の（ｂ）を参照して説明する。

となる。

結局、光誘導部が両側傾斜面を有する場合における光誘導部の末広がりの端部の最大幅（Ｗ゛）を求める式は、上述した光誘導部が片側傾斜面を有する場合における光誘導部の末広がりの端部の最大幅（Ｗ´）を求める式に等しくなる。従って、上記した二つの光誘導部のいずれを選択しても結果値は同じである。

図２は、本発明の光誘導部を備えた導光板１０の各種の変形例を示す要部断面図である。

光誘導部３０の傾斜面３１は、図２の（ａ）に示す直線形状、又は、図２の（ｂ）に示す複数の直線を組合わせた形状、又は、図２の（ｃ）に示す曲線形状に設けてもよい。

また、上記光誘導部３０は、図２の（ｄ）に示すように、上記導光板１０と別体に形成して結合する構成、即ち、光誘導部３０を光源２０と導光板１０との間に介在する構成にしてもよい。この場合、光誘導部３０と導光板１０との容易な結合のために、上記光誘導部３０の基端部３３に、上記導光板１０の一端部が挿着される挿入溝３３ａを形成するのが好ましい。

また、上記光誘導部３０は、上記導光板１０とは異なる材質からなってもよい。

上述した実施の形態では、本発明を片側点灯方式のバックライトに適用した例について説明したが、図３に示すように、本発明を両側点灯方式のバックライトにも適用できることはいうまでもない。

本発明の光誘導部を備えた導光板が適用された片側点灯方式のバックライトを示す要部拡大断面図である。 本発明の光誘導部を備えた導光板の各種の変形例を示す要部断面図である。 本発明の光誘導部を備えた導光板が適用された両側点灯方式のバックライトを示す概略断面図である。 光の反射及び屈折を説明する図である。 光の全反射を説明する図である。 光の全反射角の関係を説明する図である。 内部媒質の屈折率と内部全反射のための∠ａの最大角との関係を示すグラフである。 光誘導部が片側傾斜面を有する場合における末広がりの端部の最大幅と導光板の厚さとの関係を説明する図である。 光誘導部が両側傾斜面を有する場合における末広がりの端部の最大幅と導光板の厚さとの関係を説明する図である。 従来の導光板が適用されたバックライトを示す背面図である。 図１０のＡ−Ａ線による要部拡大断面図である。

符号の説明

１０…導光板
１２…Ｖ溝（反射部）
２０…光源
３０…光誘導部
３１…傾斜面
３２…末広がりの端部
３３…基端部
３３ａ…挿入溝
Ｔ…導光板の厚さ
Ｗ…末広がりの端部の幅
α…傾斜面の傾き

Claims (7)

1. 光源からの光を所定方向に導く導光板において、
   上記導光板の一端部側に、該導光板の一端部から上記光源に向かって末広がりに開き、所定の傾きの傾斜面をもつ光誘導部を設けたことを特徴とする光誘導部を備えた導光板。
2. 上記光誘導部の傾斜面の傾きαが、式
   α＜４５゜−１/２ｓｉｎ^−１(１/Ｎ)、（ここでＮは光誘導部の屈折率）
   を満たす傾きとなっていることを特徴とする請求項１記載の光誘導部を備えた導光板。
3. 上記光誘導部の傾斜面が、直線形状または複数の直線を組合わせた形状または曲線形状に形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の光誘導部を備えた導光板。
4. 上記光誘導部が導光板の一端部に一体に設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の光誘導部を備えた導光板。
5. 上記光誘導部が導光板と別体に設けられ、導光板の一端部に決されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の光誘導部を備えた導光板。
6. 上記光誘導部の基端部には、上記導光板の一端部が挿着される挿入溝を形成していることを特徴とする請求項５記載の光誘導部を備えた導光板。
7. 上記光誘導部が、上記導光板とは異なる材質からなることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項記載の光誘導部を備えた導光板。
   
   

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