JP2006031941A - 面状光源ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】 サイズを極力液晶パネルのサイズより大きくすることなく、かつ、出射面における均一な光の出射を実現することができる面状光源ユニットを提供する。
【解決手段】 面状光源ユニット１０は、導光体１と、シリンダレンズ７と、複数の白色ＬＥＤ４と、反射鏡８と、光拡散部材１１とを備える。導光体１は板状であって、光を出射する出射面２９を有する。シリンダレンズ７は、導光体１において、出射面２９と交差する方向に延びる一方端面２７に配置され、導光体１の出射面２９に対して交差する方向（たとえば導光体１の厚み方向）において光を集光する。白色ＬＥＤ４は、シリンダレンズ７を介して導光体１の一方端面２７と対向するように配置される。反射鏡８は、導光体１において、一方端面２７と反対側に位置する他方端面２８に対向するように配置される。光拡散部材１１は、導光体１において、出射面２９と反対側に位置する裏面側に配置される。
【選択図】 図２

Description

この発明は、面状光源ユニットに関し、より特定的には、バックライト機構を有する表示装置においてバックライト機構として用いられる面状光源ユニットに関する。

近年、ラップトップ型、あるいはノートブック型コンピュータや液晶テレビジョン用の表示装置として、薄型でしかも視認性の良いバックライト機構を有する液晶表示装置が用いられてきている（たとえば、特許文献１参照）。

図１２は、上記特許文献１に開示された従来のバックライト機構を構成する面状光源ユニットの斜視模式図である。図１３は、図１２の線分XIII−XIIIにおける断面模式図である。図１２および図１３を参照して、従来の面状光源ユニットを説明する。

図１２および図１３に示すように、従来の面状光源ユニット１１０は、液晶パネル１０６の背面に光指向性シート１０３を介してバックライト機構として配置されており、導光体１０１と、線状光源１０４と、光拡散反射板１０２と、光拡散部材１１１とを備える。
導光体１０１は、光を良く通過させる物質をその構成材として用いることができる。たとえば、導光体１０１の材料としてメタクリル系の樹脂あるいはポリカーボネート樹脂を用いることができる。導光体１０１の端面に対向するように、線状光源１０４が配置されている。線状光源１０４を囲むように、光反射鏡１０５が配置されている。この光反射鏡１０５は、線上光源１０４の光を効率よく導光体１０１の端面に入射させるための反射鏡である。

導光体１０１の裏面側（光の出射面と反対側の表面）には、光拡散部材１１１がドット状に配置されている。光拡散部材１１１は、例えば、導光体１０１の材質に比較して高屈折率を持ち、且つ拡散反射率が大きい顔料などを用いることができる。具体的には、このような顔料であるチタンホワイトを含んだ塗料、または印刷インキなどを光拡散部材１１１として用いることができる。また、このような光拡散部材１１１は、上記の印刷インキなどをスクリーン印刷などの方法で導光体１０１の裏面上にドット状に印刷する。なお、光拡散部材１１１を形成することに代えて、導光体１０１の裏面を粗面化する、あるいはその裏面に小孔を開ける、もしくは裏面に小突起を付与するなどの手法を用いて、導光体１０１に光拡散性を付与することができる。図１３から分かるように、光拡散部材１１１の下には光拡散反射板１０２が配置されている。この光拡散反射板１０２は、導光体１０１から出射した光を再び導光体１０１に戻し、光を効率よく使用するために用いられる。

線状光源１０４としては、蛍光管、タングステン白熱管、オプティカルロッド、ＬＥＤなどを配列したものを用いることができる。また、導光体１０１の光の出射面上には、光指向性シート１０３が配置されている。光指向性シート１０３は、透光性材料からなり、導光体１０１より出射した光を前部の液晶パネル１０６に有効な平行光として入射させる。

図１４は、線状光源１０４として複数のＬＥＤ１０４を用いた場合の面状光源ユニットを示す平面模式図である。図１４を参照して、従来の面状光源ユニットの課題を説明する。

図１４に示した従来の面状光源ユニットでは、上述のように線状光源として基板１１２上に配置された複数のＬＥＤ１０４を用いている。ＬＥＤ１０４は、はんだ付けなどの手法により基板１１２上に実装されている。図１４に示したように、線状光源として複数のＬＥＤ１０４を用いる場合、線状光源としてのムラの少ない光を放射するためには、ＬＥＤ１０４の間隔を狭くするという対応が考えられる。しかし、このような手法を採用すると、必要なＬＥＤ１０４の個数が増えるため、面状光源ユニットの製造コストや消費電力などが増大することになる。したがって、使用するＬＥＤの数は極力少ない方が好ましい。このため、指向角の相対的に大きなＬＥＤ１０４を用いて、ＬＥＤ１０４の必要数を少なくすることが考えられる。

ここで、指向角の大きなＬＥＤ１０４から出射された光線１１３は、導光体１０１の端面から導光体１０１中に入射する。光線１１３が導光体１０１に入射する際、スネルの公式に従った角度で導光体１０１中に広がる。たとえば、ＬＥＤ１０４からの光の出射角が４０°であり、導光体１０１の屈折率ｎが１．５であるとき、導光体１０１中に入射した光(光線１１３）は出射角が約２５°で広がる。このときの、導光体１０１中における水平方向での光線１１３の広がりを図１４では示している。

しかし、このように複数のＬＥＤ１０４（たとえば、複数の白色ＬＥＤ）を用いる場合、図１４に示すように、隣接するＬＥＤ１０４からの光が互いに干渉しない領域である光量不足部１１５が発生する。この結果、導光体１０１の上部表面（出射面）から出射される拡散光に局所的な明るさの濃淡が発生する（具体的には、光量不足部１１５からの光の明るさは、他の部分から出射する光の明るさより暗くなる）。

また、複数のＬＥＤ１０４として３色（赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ））のＬＥＤ１０４を用いる場合、この３色のＬＥＤ１０４からの光が全て混色することにより白色の光が導光体１０１から出射される混合色出射部１２１が存在する。一方、この混合色出射部１２１よりＬＥＤ１０４側では、これらの３色のＬＥＤ１０４からの光のうちの２色の光のみが混色している、あるいは全く混色していないため白色以外の単色の光が導光体１０１から出射する非白色光出射部１１９が存在する。この結果、導光体１０１から出射される光について、色ムラが発生することになる。

このような導光体１０１から出射される光の濃淡や色ムラを改善するため、従来さまざまな技術が提案されている。たとえば、特許文献２においては、導光体１０１の背面に反射シートを配置し、当該反射シートをＬＥＤ１０４近傍において導光体１０１と部分的に接着することで、ＬＥＤ１０４近傍の導光体１０１についても均一に発光させるとしている。また、特許文献３では、異なる色のＬＥＤを垂直方向（縦）に並べて、平面的に同一位置に配置することにより、異なる色のＬＥＤ同士が導光体１０１中において同一な照明分布を示すことで、色ムラが発生しないとしている。また、特許文献４では、導光体１０１０の端面に１つまたは少数のＬＥＤを配置し、導光体１０１にＬＥＤからの入射光を左右に振り分けるとともに、一部を通過させる作用を有する穴を設けることにより、光源からの光を、効率よい光路変換により一様に広げ、線状光源のように指向性のない状態にすることで、低コストで均一な光を出射可能な面状光源ユニットを提供できるとしている。
特開平６−３４２１６１号公報 特開平９−９２８８６号公報 特開平１１−３５３９２０号公報 特開平６−３４２１６１号公報

しかし、上述した従来の技術では、図１４に示した光量不足部１１５と他の部分との濃淡の差はある程度軽減されるものの、やはり光量不足部１１５は存在しており、液晶表示装置の表示品質を高いレベルに維持するためにはこのような光量不足部１１５を液晶パネル１０６（図１３参照）とは重ならない領域に配置する必要がある。この結果、導光体１０１の幅が、少なくとも距離Ｌ１だけ液晶パネル１０６の幅より大きくなる。

さらに、ＬＥＤから広指向角で導光体１０１内部端面に入射した光は、導光体１０１と外部の空気との屈折率により決定される臨界角を超えた角度で導光体１０１の内部端面に入射することになるため、導光体１０１の端面を透過してしまう。このため、導光体１０１の出射面から出射する光の光量が低下することになっていた。

また、ＬＥＤ１０４として３色のＬＥＤ１０４を用いる場合、上述したように光量不足部１１５よりさらに広い非白色出射部１１９が形成されるため、液晶表示装置の表示品質を考えると、この非白色出射部１１９についても液晶パネル１０６と重ならない領域に配置する必要がある。この結果、導光体１０１の幅を、距離Ｌ２だけ液晶パネル１０６の幅より大きくする必要がある。

ここで、一般に液晶表示装置においては、表示面の周囲（すなわち額縁と呼ばれる部分）をできるだけ狭くすることが望まれている。このため、液晶パネル１０６の幅より導光体１０１の幅が大きくなることは好ましくない。なお、このような液晶パネル１０６のサイズより広くなる導光体１０１の部分を折り曲げた構造とすることも考えられるが、このような構造は複雑なものであり、この折り曲げ構造部においてＬＥＤからの光が外部に漏れて光の利用効率が低下するなどの問題がある。したがって、このような折り曲げ構造も現実的な対策としては不十分であると考えられる。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の目的は、そのサイズを極力液晶パネルのサイズより大きくすることなく、かつ、出射面における均一な光の出射を実現することができる面状光源ユニットを提供することである。

この発明に従った面状光源ユニットは、導光体と、レンズと、複数の光源と、反射鏡と、光拡散部材とを備える。導光体は板状であって、光を出射する出射面を有する。レンズは、導光体において、出射面と交差する方向に延びる一方端面に配置され、導光体の出射面に対して交差する方向において光を集光する。複数の光源は、レンズを介して導光体の一方端面と対向するように配置される。反射鏡は、導光体において、一方端面と反対側に位置する他方端面に対向するように配置される。光拡散部材は、導光体において、出射面と反対側に位置する他方表面側に配置される。

ここで、導光体の一方端面から、ある程度の出射角を有する光をそのまま導光体に入射させた場合、導光体の出射面に対してほぼ垂直な方向（導光体の厚み方向）に対してある角度以上で入射した光は、導光体内部での反射回数が不足し、複数の光源からの光（色）の混合が不十分な状態のまま、出射面から当該光が出射される。この結果、面状光源ユニットの出射面から出射される光にいわゆる濃淡や色ムラが発生する。

しかし、本発明に従った面状光源ユニットでは、上記レンズを配置することで、導光体の出射面と平行な方向に対する光の進行方向の角度を所定の範囲の値とすることができる。このため、導光体に入射する光が、導光体内部で、光（色）の混合が十分に行なわれるのに十分な回数だけ反射されるように、光の角度を調整することができる。この結果、複数の光源からの光を十分混合した、色ムラや濃淡の少ない均一な光を導光体の出射面から出射することができる。

また、導光体の他方端面に反射鏡を配置することで、導光体の他方端面から出射した光を、反射鏡により反射させることによって、再度導光体に入射させることができる。この結果、導光体の他方端面から出射した光を導光体内部での光の混合および出射面からの光の出射に利用できる。したがって、出射面から出射する光の均一性および光量を向上させることができる。

また、導光体の出射面から出射する光の均一性を向上させることができるため、従来のような光量不足部がほとんど解消される。そのため、本発明による面状光源ユニットを液晶表示装置に適用する場合、従来のように光量不足部を液晶パネルと重ならない位置に配置する必要が無い（つまり、面状光源ユニットのほぼ全面を液晶パネルへ光を供給するためのバックライトとして利用できる）。したがって、液晶表示装置におけるいわゆる額縁部（液晶表示部の周囲の部分）のサイズを小さくできる。

上記面状光源ユニットにおいて、レンズから出射して導光体に入射する光の進行方向が導光体の出射面とほぼ平行な方向および導光体の内部で集束する方向のいずれか一方を含むように、レンズの特性は決定されていることが好ましい。

この場合、導光体に入射する光が、光（色）の混合が十分に行なわれるのに必要な回数だけ導光体内部で確実に反射されるようにすることができる。なお、ここで導光体１の出射面とほぼ平行な方向とは、出射面の延びる方向に対する傾斜角が±１０°以下、より好ましくは±５°以下となっている方向を言う。

上記面状光源ユニットにおいて、レンズは、凸レンズおよびフレネルレンズのいずれか一方であってもよい。

この場合、一般的な凸レンズまたはフレネルレンズを用いることで、特殊なレンズを用いることなく本発明による面状光源ユニットを容易に製造できる。

また、レンズとして厚みの相対的に小さなフレネルレンズを用いれば、面状光源ユニットを用いた液晶表示装置における表示面の周囲を容易に小さくすることができる。

上記面状光源ユニットにおいて、レンズは、導光体の内部で集束するように光を出射することが好ましい。上記面状光源ユニットにおいて、レンズにより光が集束された焦点の位置と導光体の一方端面との間の距離は、複数の光源からの光が互いに干渉することなく導光体の出射面から放出される領域の幅より大きいことが好ましい。

この場合、焦点の位置と導光体の一方端面との間の距離が小さすぎて（レンズの焦点距離が小さすぎて）導光体内部側面に対する光の入射角度が大きくなり、結果的に導光体内部での光の反射回数が不足するといった現象の発生確率を低減できる。この結果、光の反射回数が不足することにより、導光体の出射面から出射する光の均一性が低下する可能性を低減できる。

上記面状光源ユニットにおいて、反射鏡は、導光体の出射面に対して交差する方向（たとえば、出射面に対して実質的に垂直な方向）における中央部が、導光体の他方端面から突出ように折り曲げられていることが好ましい。反射鏡の折り曲げられた部分の折り曲げ角度θは、出射面に平行な方向に対する、レンズから導光体への光の入射角をθ_１としたときに、 ９０°＋θ₁＜θ＜１２０°＋２×θ₁／３ という関係式を満足するように、反射鏡は構成されていることが好ましい。

この場合、反射鏡で反射された光を、効率的に導光体へ再入射させることができる。

上記面状光源ユニットにおいて、レンズは導光体と一体成形されていてもよい。

この場合、別部品としてレンズを用意する必要が無いため、面状光源ユニットの部品点数を削減できる。この結果、面状光源ユニットの製造コストを低減できる。

上記面状光源ユニットにおいて、光源は、白色のＬＥＤ、または赤色、緑色、青色からなる３色のＬＥＤの組合せのいずれかであってもよい。

この場合、白色の光を出射面から出射させる面状光源ユニットを実現できる。

また、赤色、緑色、青色からなる３色のＬＥＤの組合せを用いれば、白色のＬＥＤによる光では輝度が不十分であるような場合に、それぞれ高輝度の３色のＬＥＤを用いることにより、十分な輝度の光を容易に得ることができる。

このように、本発明によれば、レンズや反射鏡を配置することにより、導光体に入射する光が、導光体内部で、光（色）の混合が十分に行なわれるのに必要な回数だけ、導光体に入射した光を反射させることができるので、色ムラなどの無い均一な光を出射面から出射する面状光源ユニットを実現できる。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。

図１は、本発明による面状光源ユニットの平面模式図である。図２は、図１に示した線分II−IIにおける断面模式図である。図３は、図１に示した線分II−IIにおける断面の他の例を示す断面模式図である。図１〜図３を参照して、本発明による面状光源ユニット１０を説明する。

図１に示すように、本発明による面状光源ユニット１０は、光源である複数の白色ＬＥＤ４、シリンダレンズ７、導光体１、反射鏡８および光拡散部材１１を備える。複数の白色ＬＥＤ４は、基板１２上に直線状に整列した状態で配置されている。白色ＬＥＤ４と対向するように、図２および図３に示すように導光体１が配置されている。導光体１は板状の外形を有しており、白色ＬＥＤ４は板状の導光体１の相対的に小さな表面積を有する側面（一方端面２７）と対向する位置に配置されている。つまり、複数の白色ＬＥＤ４は、導光体１の一方端面２７に沿って配置されている。導光体１と白色ＬＥＤ４との間には、導光体１の側面に対向するようにシリンダレンズ７が配置されている。

また、導光体１においてシリンダレンズ７と対向する側面（一方端面２７）と反対側に位置する側面（他方端面２８）側には、図２または図３に示すような断面形状の反射鏡８が配置されている。また、導光体１における上部表面である光の出射面２９（図２参照）とは反対側に位置する表面（下部表面または裏面）には、複数の光拡散部材１１が配置されている。なお、隣接する光拡散部材１１の間の距離は、白色ＬＥＤ４から離れるに従って大きくなるように設定されている。

このような面状光源ユニット１０は、図４に示すようにたとえば液晶表示装置２０のバックライトとして用いられる。図４は、本発明による面状光源ユニットを適用した液晶表示装置を示す断面模式図である。図４に示すように、本発明による面状光源ユニット１０を適用した液晶表示装置２０は、面状光源ユニット１０の出射面２９（上部表面）上に液晶パネル６を配置した構造となっている。液晶パネル６としては、たとえば透過型の液晶パネルを用いることができる。

次に、図１〜図３に示した面状光源ユニット１０において出射面から光を出射する場合の動作を簡単に説明する。

図１〜図３に示すように、シリンダレンズ７は水平方向（図１において紙面に平行な方向）においてレンズの曲率を有していない。そのため、水平方向については、シリンダレンズ７が存在しない場合と同様に個々の白色ＬＥＤ４から放射状に広がるように、白色ＬＥＤ４から出射された光線１３は進む。つまり、光線１３は、導光体１の内部で白色ＬＥＤ４を中心として広がるように進んでいく。広がった光線１３は、反射鏡８に向かって直進する光と、導光体１の側部端面（たとえば出射面２９や裏面と交差する方向に延びる端面であって、導光体１の一方端面２７と他方端面２８とをつなぐ２つの端面）に向かう光とを含む。導光体１の側部端面に向かう光は、導光体１の側部端面（の内周側）において反射し、その進行方向を変えることになる。そして、光線１３のいずれの成分も、最終的に導光体１の他方端面２８から出射して反射鏡８に入手する。当該光線１３は反射鏡８において反射され、その大部分が再び導光体１に入射する。

また、図２および図３に示すように、導光体１の垂直方向においては、シリンダレンズ７が存在することにより、白色ＬＥＤ４から出射した光はシリンダレンズ７の曲率によりその進行方向が変更される。このため、シリンダレンズ７が存在しない場合よりも導光体１へと入射する光の光量は多くなる。そして、入射した光は、図２および図３に示すように導光体１の側面(上部表面および下部表面）に反射されながら最終的にその一部が反射鏡８にまで到達し、反射鏡８において反射され再度導光体１へと入射する。そして、導光体１の裏面側に設置された光拡散部材１１において散乱されることにより、導光体１の出射面２９（上部表面）から出射される。

なお、図２および図３は、それぞれシリンダレンズ７の曲率が異なる場合について、光線１３の軌跡を示したものである。すなわち、図２は、シリンダレンズ７からの出射光がほぼ水平な方向（導光体１の出射面である上部表面にほぼ平行な方向）に光線１３が進む場合の、光線１３の軌跡を示している。一方、図３は、シリンダレンズ７の曲率が図２に示したシリンダレンズ７の曲率より大きい場合であって、シリンダレンズ７から出射した光線１３が所定の距離で集束する場合の、光線１３の軌跡を示している。

ここで、白色ＬＥＤ４としては、フリップチップ構造の高輝度ＬＥＤに代表されるような、微細な面光源を用いる。そのため、完全な平行光とする、あるいは１つの点（焦点）に集束するということが困難である。そこで、本発明においては、光束の広がりを最小限にした光線１３を得ることを１つの目的としている。したがって、図２および図３に示したいずれの態様であってもよく、また、図２および図３に示した光線１３の軌跡の両方を混合したような態様となるように、面状光源ユニット１０を構成してもよい。

なお、図２に示したように、光線１３が小さな広がりのある光（導光体１の出射面２９にほぼ平行な平行光）である場合では、光の広がりによりシリンダレンズ７の半値角における光線１３が導光体１の側面（上部表面または下部表面）に入射−反射する位置３０から、導光体１の端部までの距離Ｄ１が、図５に示した距離Ｌ１より大きくなるように構成された（所定の半値角を有する）シリンダレンズ７を用いることが好ましい。ここで、図５は、シリンダレンズの特性を説明するための液晶表示装置の平面模式図であって、液晶表示装置の面状光源ユニットを構成する導光体１に、シリンダレンズを介することなく白色ＬＥＤ４からの光が直接入射している場合を示している。図５では、複数の白色ＬＥＤ４を所定の間隔だけ離れた状態で配置している。

このとき、図５に示すように、それぞれの白色ＬＥＤ４から出射した光は、白色ＬＥＤ４を中心として広がりながら導光体１の内部に入射する。そして、図５の白色ＬＥＤ４の間に位置する領域には、導光体１において出射面から出射する光の光量が相対的に少ない光量不足部１５が形成される。つまり、この光量不足部１５は、シリンダレンズ７（図１参照）や反射鏡８が存在しない場合に白色ＬＥＤ４からの光が十分届かない領域であって、導光体１の出射面における当該部分から出射される光の光量は、導光体１における他の出射面の部分から出射される光の光量よりも少なくなっている。そして、上述した距離Ｌ１は、この光量不足部１５の存在する部分の幅に対応する。

また、図３に示すように、シリンダレンズ７の曲率が比較的大きく、シリンダレンズ７から出射した（半値角における）光がある焦点距離でほぼ集束するような集束光である場合には、シリンダレンズ７から出射した光が集束する位置（焦点）の位置３１から導光体１の端部までの距離Ｄ２が、やはり上述した距離Ｌ１よりも大きくなるようにシリンダレンズ７の曲率などの特性を決定する。このようにすれば、導光体１の出射面からその全面に渡ってほぼ均一な光を出射することができる。

また、本発明における面状光源ユニット１０においては、図１〜図３に示すように、白色ＬＥＤ４が配置された側とは反対側の導光体１の端面（他方端面２８）に対向するように、反射鏡８が設置されている。発明者は、この反射鏡８の折曲げ角θ（図６参照）について適切な数値範囲があることを見出した。以下、図６を参照しながら具体的に説明する。図６は、本発明による面状光源ユニットを構成する反射鏡の折曲げ角に関する説明を行なうための断面模式図である。

図６に示すように、白色ＬＥＤ４（図２参照）から出射した光線１３は、シリンダレンズ７を介して導光体１の端面に入射する。このとき、入射した光線１３はスネルの法則に従って屈折する。導光体１に入射した光線１３は導光体１の内部で広がる。広がった光線１３のうち、一部は反射鏡８側の他方端面２８へ直進し、またその一部は導光体１の側面(上部表面または下部表面）に入射する。下部表面に入射した光線１３の一部は、上述したように光拡散部材１１に入射して散乱反射され、拡散光となって導光体１の出射面２９（上部表面）から出射する。また、光拡散部材１１が配置されていない部分では、相互反射を繰返し、上述した他方端面２８へ直進する光線１３の成分とともに、最終的に反射鏡８に入射する。そして、この反射鏡８で光線１３は反射され再び導光体１に入射する。

反射鏡８における光線１３の挙動は、以下のようなものである。すなわち、図６に示すように、反射鏡８側の導光体１の端面から出射した光線１３ａ〜１３ｃは、スネルの法則に従ってシリンダレンズ７の出射角θ₁と同じ角度θ₁で導光体１の端面から出射される。そして、この出射した光線１３ａ〜１３ｃは、それぞれ反射鏡８において反射される。なお、反射鏡８は中心線２５を中心に対称な形状となっている。中心線２５は、導光体１の厚み方向の中心を通り、出射面２９と平行な方向に延びる。また、図６に示した光線１３ａ〜１３ｃは代表的な光であって、シリンダレンズ７の下側から導光体１に入射する光線（シリンダレンズの出射角が−θ₁である場合の光線）も、反射鏡８の中心線２５を対称に線対称な挙動を示す。そして、反射鏡８で反射される光線１３ａ〜１３ｃをより効率的に導光体１へ再び入射させるためには、以下のような条件を反射鏡８が有していることが好ましい。

以下、説明のために反射鏡８の反射面と導光体１の端面とのなす角度を反射鏡角θ₂と規定する。そして、上述のように光線１３ａ〜１３ｃがより効率的に導光体１へと再び入射するためには、まず第１に反射鏡８の反射面における当該光線１３ａ〜１３ｃの反射回数を少なくすることにより、反射損失を最小限にすることが必要である。すなわち、光線１３ｂのように反射鏡８において複数回反射した場合には、反射鏡８において１回だけ反射された光線１３ａに比べて反射鏡８における反射の際の反射損失が多くなってしまうという問題がある。そこで、反射鏡８での光の反射回数を少なくする（光線１３ｂのように反射鏡８において２回反射されることを防止する）ことを考える。具体的には、反射鏡８で１回反射した光が反射鏡８の反射面と平行な方向あるいは導光体１側に向かう方向へと反射されればよい。

より具体的には、図６に示した角度θ₃が角度θ₂よりも大きくなることが必要である。そして、この角度θ₃は９０°−（２×θ₂＋θ₁）という式で表わすことができる。つまり、入射光（導光体１に入射する光線１３）の角度θ₁（指向角）と角度θ₂との間に、９０°−（２×θ₂＋θ₁）＞θ₂という関係が成立すればよい。この式を整理すると、θ₂＜３０°−θ₁／３となる。

また、導光体１の出射面からより効率的に光を出射させるためには、第２の条件として、導光体１に入射した光が導光体１の上部表面および下部表面で反射する回数をより多くする（相互反射回数を多くする）ことが必要である。このように導光体１の内部において、反射鏡８で反射されて再度導光体１に入射した光が、導光体１の上部表面および下部表面で反射を繰返すためには、上述した角度θ₃が０°より大きくなることが必要である。具体的には、９０°−（２×θ₂＋θ₁）＞０という式を満たすことが必要である。この式を整理すると、θ₂＜４５°−θ₁／２という式になる。

そして、上述したそれぞれの関係式において、指向角である角度θ₁を近似的に０°とした場合には、反射鏡角θ₂は３０°＜θ₂＜４５°となる。この結果、上述したような条件を満足する反射鏡８の折曲げ角θの範囲としては、９０°＜θ＜１２０°となる。

このような折曲げ角θを有する反射鏡８を配置することで、反射鏡８からの反射光をより効果的に導光体１へと再び入射させることができる。そして、導光体１の裏面側においては、上述したように光拡散部材１１が配置されている。光拡散部材１１は点状光源である白色ＬＥＤ４側に向かうにつれて密には配置され、反射鏡８側に行くほど疎になるような配置（グラデーションされた配置）となっている。このような配置の光拡散部材１１に光線１３（図２参照）が入射して散乱反射されることにより、導光体１の出射面全体が均一に明るくなるように光線１３が拡散する。つまり、あたかも反射鏡８側に光源が存在するかのように見え、結果的に導光体１の出射面において均一な輝度を得ることができる。

ここで、導光体１の裏面側に拡散反射率の高い光拡散物質を部分的に塗布することにより光拡散部材１１を構成してもよいが、光線１３を拡散させる手法としては他の手法を用いてもよい。たとえば、導光体１の側面（裏面）を粗面化する、あるいは裏面に小さな穴を形成する、あるいは側面に小突起を形成するといったような手法を用いることにより、光線１３を散乱反射させてもよい。また、特に図示していないが、光拡散部材１１が配置された導光体１の裏面の下部には、導光体１において散乱反射して裏面側に透過した光などを反射して、再び導光体１に入射させるための光拡散反射板を設けておくことが好ましい。

図７は、本発明による面状光源ユニットの第１の変形例を示す平面模式図である。図７を参照して、本発明による面状光源ユニットの第１の変形例を説明する。

図７に示した面状光源ユニット１０は、基本的には図１〜図３に示した面状光源ユニット１０と同様の構造を備えるが、光源の種類が異なる。すなわち、図７に示した面状光源ユニット１０は、３色のＬＥＤ１７ａ、１７ｂ、１６、１８を備える。ＬＥＤ１６は赤色の光を出射するＬＥＤ（赤色ＬＥＤ）である。ＬＥＤ１７ａ、１７ｂは緑色の光を出射するＬＥＤ（緑色ＬＥＤ）である。ＬＥＤ１８は、青色の光を出射するＬＥＤ（青色ＬＥＤ）である。このような３色のＬＥＤを配置して、それぞれのＬＥＤ１６、１７ａ、１７ｂ、１８から出射した光を混合することにより白色の光を得ることができる。

また、図１〜図３に示した面状光源ユニットにおいては、シリンダレンズ７の特性に関して、図２、図３に示した距離Ｄ１、Ｄ２に関する基準値である距離Ｌ１として、光量不足部１５（図５参照）の幅Ｌ１（図５参照）を用いたが、図７に示すような３色のＬＥＤ１６、１７ａ、１７ｂ、１８を用いる場合には、この基準値としての距離Ｌ１は図８に示すように３色のＬＥＤ１６〜１８からのそれぞれの光が完全に混合される領域が導光体１の全面となる位置までの距離を採用することが好ましい。なお、図８は、図７に示した面状光源ユニットを構成するシリンダレンズ７の特性を説明するための模式図である。また、図９は、図８に示した面状光源ユニットの断面模式図である。

図８に示すように、３色のＬＥＤ１６〜１８から出射した光は、このＬＥＤ１６〜１８からある程度離れた部分でそれぞれの光が完全に混合した状態となる。このような領域（混合色出射部２１）では、白色の光（混合色光２３（図９参照））が導光体１の出射面から出射される。また、ＬＥＤ１６〜１８により近い部分では、十分に光の混合が行われないため、ＬＥＤ１６〜１８からのそれぞれの光または十分混色されていない光（単色光２２（図９参照））が導光体１の出射面から出射する。このような単色光２２が出射する部分を非白色光出射部１９と呼ぶ。そして、このような３色のＬＥＤ１６〜１８を用いた場合における基準値としての距離Ｌ１は、非白色光出射部１９の幅（図８における距離Ｌ１）を採用することになる。図９に示すように、非白色光出射部１９からは単色光２２が出射され、混合色出射部２１（図８参照）からは混合色光２３（すなわち白色の光線）が出射される。このような構成においても、図１〜図３に示した面状光源ユニットと同様に導光体１から光を効率よくかつ均一に出射することができる。

図１０は、図１〜図３に示した本発明による面状光源ユニットの第２の変形例を示す断面模式図である。図１０を参照して、本発明による面状光源ユニットの第２の変形例を説明する。

図１０に示した面状光源ユニット１０は、基本的には図１〜図３に示した面状光源ユニット１０と同様の構造を備えるが、独立したシリンダレンズ７を配置するのではなく、導光体１を部分的に加工することにより凸レンズ部９を形成している点が異なる。このような凸レンズ部９を導光体１の端部に形成し、白色ＬＥＤ４と対向するように配置しても、図１〜図３に示した面状光源ユニット１０と同様の効果を得ることができる。また、図１〜図３に示した別部品であるシリンダレンズ７を用いる場合より、レンズ部分の占める体積を小さくできるので、面状光源ユニット１０の小型化を図ることができる。さらに、導光体１とレンズとが一体になっているので、面状光源ユニット１０の部品点数を図１〜図３に示した面状光源ユニット１０の部品点数より削減することができるので、面状光源ユニットの製造コストを削減できる。

図１１は、図１〜図３に示した本発明による面状光源ユニットの第３の変形例を示す断面模式図である。図１１を参照して、本発明による面状光源ユニットの第３の変形例を説明する。

図１１に示した面状光源ユニット１０は、基本的には図１０に示した面状光源ユニット１０と同様の構造を備えるが、導光体１の端部に凸レンズ部９ではなくフレネルレンズ部１４が形成されている点が異なる。このように、階段状に屈折角が異なるフレネルレンズ部１４を導光体１の端部に形成しても、図１０に示した面状光源ユニットと同様の効果を得ることができる。さらに、フレネルレンズ部１４は図１０に示した凸レンズ部９よりその厚みが薄いため、面状光源ユニット１０の更なる小型化を図ることができる。なお、図１０に示した凸レンズ部９および図１１に示したフレネルレンズ部１４は、それぞれ加工性から適宜選択することができる。

上述した本発明に従った面状光源ユニット１０の特徴的な構成を要約すれば、面状光源ユニット１０は、導光体１と、レンズとしてのシリンダレンズ７（または凸レンズ部９、あるいはフレネルレンズ部１４）と、複数の光源としての白色ＬＥＤ４または３色のＬＥＤ１６、１７ａ、１７ｂ、１８と、反射鏡８と、光拡散部材１１とを備える。導光体１は板状であって、光を出射する出射面（上部表面）を有する。シリンダレンズ７は、導光体１において、出射面と交差する方向に延びる一方端面２７に配置され、導光体１の出射面２９に対して交差する方向（たとえば導光体１の厚み方向）において光を集光する。白色ＬＥＤ４または３色のＬＥＤ１６、１７ａ、１７ｂ、１８は、シリンダレンズ７を介して導光体１の一方端面２７と対向するように配置される。反射鏡８は、導光体１において、一方端面２７と反対側に位置する他方端面２８に対向するように配置される。光拡散部材１１は、導光体１において、出射面２９と反対側に位置する他方表面側（裏面側）に配置される。

ここで、導光体１の一方端面２７（シリンダレンズ７などが配置された側の端面）から、ある程度の出射角を有する光線１３をそのまま導光体１に入射させた場合、導光体１の出射面２９（上部表面）に対してほぼ垂直な方向（導光体１の厚み方向）に対してある角度以上で入射した光線１３は、導光体１内部での反射回数が不足し、複数の点状光源としての白色ＬＥＤ４または３色のＬＥＤ１６、１７ａ、１７ｂ、１８からの光（色）の混合が不十分な状態となる。そして、このように色の混合が不十分であるとき、面状光源ユニット１０の出射面から出射される光線１３にいわゆる濃淡や色ムラが発生する。

しかし、本発明に従った面状光源ユニット１０では、上記シリンダレンズ７などを配置することで、導光体１の出射面２９と平行な方向に対する光線１３の進行方向の角度を所定の範囲の値とすることができる。このため、導光体１に入射する光線１３が、導光体１内部で、光（色）の混合が十分に行なわれるのに必要な回数だけ反射されるように、光線１３の角度（光線１３の導光体１に対する入射角）を調整することができる。この結果、複数のＬＥＤ４または３色のＬＥＤ１６、１７ａ、１７ｂ、１８からの光を十分混合した、色ムラや濃淡の少ない均一な光を導光体１の出射面から出射することができる。

また、導光体１の他方端面２８側に反射鏡８を配置することで、導光体１の他方端面２８から出射した光線１３を、反射鏡８により反射させることによって、再度導光体１に入射させることができる。この結果、導光体１の他方端面２８から出射した後再び導光体１に入射した光を導光体１内部での光の混合および出射面２９からの光の出射に利用できる。したがって、出射面２９から出射する光の均一性および光量を向上させることができる。

また、導光体１の出射面２９から出射する光の均一性を向上させることができるため、従来のような光量不足部１１５（図１４参照）がほとんど解消される。そのため、本発明による面状光源ユニット１０を図４に示すように液晶表示装置２０に適用する場合、従来のように光量不足部１１５を液晶パネル６と重ならない位置に配置する必要が無い（つまり、面状光源ユニット１０の導光体１のほぼ全面を、液晶パネル６へ光を供給するためのバックライトとして利用できる）。したがって、液晶表示装置２０におけるいわゆる額縁部（液晶表示部の周囲の部分）のサイズを小さくできる。

上記面状光源ユニット１０において、シリンダレンズ７から出射して導光体１に入射する光の進行方向は、図２に示すように導光体１の出射面２９とほぼ平行な方向および図３に示すように導光体１の内部で集束する方向のいずれか一方を含むように、シリンダレンズ７の特性が決定されていることが好ましい。

この場合、導光体１に入射する光が、光（色）の混合が十分に行なわれるのに必要な回数だけ導光体１内部で確実に反射されるようにすることができる。なお、ここで導光体１の出射面２９とほぼ平行な方向とは、出射面２９の延びる方向に対する傾斜角が±１０°以下、より好ましくは±５°以下となっている方向を言う。

上記面状光源ユニット１０において、レンズは、図１０に示した凸レンズ部９のような凸レンズおよび図１１に示したフレネルレンズ部１４のようなフレネルレンズのいずれか一方であってもよい。この場合、一般的な凸レンズまたはフレネルレンズを用いることで、特殊なレンズを用いることなく本発明による面状光源ユニット１０を容易に製造できる。

また、レンズとして厚みの相対的に小さなフレネルレンズ部１４を用いれば、面状光源ユニット１０を用いた液晶表示装置における表示面の周囲（額縁部）を容易に小さくすることができる。

上記面状光源ユニット１０において、レンズの例としてのシリンダレンズ７は、図３に示すように導光体１の内部で集束するように光線１３を出射することが好ましい。図３に示すように、上記面状光源ユニット１０において、シリンダレンズ７により光線１３が集束された焦点の位置３１と導光体１の一方端面２７との間の距離Ｄ２は、複数の光源としての白色ＬＥＤ４からの光が互いに干渉することなく導光体１の出射面２９から放出される領域（つまり図５に示した光量不足部１５）の幅Ｌ１より大きいことが好ましい。

この場合、焦点の位置３１と導光体１の一方端面２７との間の距離Ｄ２が小さすぎて（シリンダレンズ７の焦点距離が小さすぎて）導光体１内部の側面に対する光線１３の入射角度が大きくなり、結果的に導光体１内部での光線１３の反射回数が不足するといった事態の発生確率を低減できる。この結果、導光体１内部での光線１３の反射回数が不足することにより、導光体１の出射面２９から出射する光の均一性が低下する可能性を低減できる。

上記面状光源ユニット１０において、反射鏡８は、導光体１の出射面２９に対して交差する方向（たとえば、出射面２９に対して実質的に垂直な方向）における中央部が、導光体１の他方端面２８から突出ように（反射鏡８の中央部が他方端面２８から遠ざかる凸形状となるように）折り曲げられていることが好ましい。反射鏡８の折り曲げられた部分の折り曲げ角度θ（図６参照）は、出射面２９に平行な方向に対する、シリンダレンズ７から導光体１への光の入射角をθ_１としたときに、 ９０°＋θ₁＜θ＜１２０°＋２×θ₁／３ という関係式を満足するように、反射鏡８は構成されていることが好ましい。また、上記入射角θ_１を実質的に０°と近似できる場合、９０°＜θ＜１２０° という関係式を満足するように、反射鏡８は構成されていてもよい。この場合、反射鏡８で反射された光を、効率的に導光体１へ再入射させることができる。

上記面状光源ユニット１０において、図１０または図１１に示すようにレンズとしての凸レンズ部９またはフレネルレンズ部１４は導光体１と一体成形されていてもよい。この場合、別部品としてレンズを用意する必要が無いため、面状光源ユニット１０の部品点数を削減できる。この結果、面状光源ユニット１０の製造コストを低減できる。

上記面状光源ユニットにおいて、光源は、図１などに示した白色ＬＥＤ４、または図７に示すような赤色、緑色、青色からなる３色のＬＥＤ１６、１７ａ、１７ｂ、１８の組合せのいずれかであってもよい。この場合、白色の光を出射面２９から出射させる面状光源ユニット１０を実現できる。また、赤色、緑色、青色からなる３色のＬＥＤ１６、１７ａ、１７ｂ、１８の組合せを用いれば、白色ＬＥＤ４による光では輝度が不十分であるような場合に、それぞれ高輝度の３色のＬＥＤ１６、１７ａ、１７ｂ、１８を用いることにより、十分な輝度の光を容易に得ることができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明による面状光源ユニットの平面模式図である。 図１に示した線分II−IIにおける断面模式図である。 図１に示した線分II−IIにおける断面の他の例を示す断面模式図である。 本発明による面状光源ユニットを適用した液晶表示装置を示す断面模式図である。 シリンダレンズの特性を説明するための液晶表示装置の平面模式図である。 本発明による面状光源ユニットを構成する反射鏡の折曲げ角に関する説明を行なうための断面模式図である。 本発明による面状光源ユニットの第１の変形例を示す平面模式図である。 図７に示した面状光源ユニットを構成するシリンダレンズ７の特性を説明するための模式図である。 図８に示した面状光源ユニットの断面模式図である。 図１〜図３に示した本発明による面状光源ユニットの第２の変形例を示す断面模式図である。 図１〜図３に示した本発明による面状光源ユニットの第３の変形例を示す断面模式図である。 従来のバックライト機構を構成する面状光源ユニットの斜視模式図である。 図１２の線分XIII−XIIIにおける断面模式図である。 線状光源として複数のＬＥＤを用いた場合の面状光源ユニットを示す平面模式図である。

符号の説明

１ 導光体、４ 白色ＬＥＤ、６ 液晶パネル、７ シリンダレンズ、８ 反射鏡、９ 凸レンズ部、１０ 面状光源ユニット、１１ 光拡散部材、１２ 基板、１３，１３ａ〜１３ｃ 光線、１４ フレネルレンズ部、１５ 光量不足部、１６、１７ａ、１７ｂ、１８ ＬＥＤ、１９ 非白色光出射部、２０ 液晶表示装置、２１ 混合色出射部、２２ 単色光、２３ 混合色光、２５ 中心線、２７ 一方端面、２８ 他方端面、２９ 出射面、３０，３１ 位置。

Claims (7)

1. 板状であって、光を出射する出射面を有する導光体と、
   前記導光体において、前記出射面と交差する方向に延びる一方端面に配置され、前記出射面と交差する方向において光を集光するレンズと、
   前記レンズを介して前記導光体の一方端面と対向するように配置される複数の光源と、
   前記導光体において、前記一方端面と反対側に位置する他方端面に対向するように配置される反射鏡と、
   前記導光体において、前記出射面と反対側に位置する他方表面側に配置された光拡散部材とを備える、面状光源ユニット。
2. 前記レンズから出射して前記導光体に入射する光の進行方向は、前記導光体の出射面とほぼ平行な方向および前記導光体の内部で集束する方向のいずれか一方を含むように、前記レンズの特性が決定されている、請求項１に記載の面状光源ユニット。
3. 前記レンズは、凸レンズおよびフレネルレンズのいずれか一方である、請求項１または２に記載の面状光源ユニット。
4. 前記レンズは、前記導光体の内部で集束するように光を出射し、
   前記レンズにより光が集束された焦点の位置と前記導光体の前記一方端面との間の距離は、前記複数の光源からの光が互いに干渉することなく前記導光体の出射面から放出される領域の幅より大きい、請求項１〜３のいずれか１項に記載の面状光源ユニット。
5. 前記反射鏡は、前記導光体の前記出射面に対して交差する方向における中央部が、前記導光体の前記他方端面から突出ように折り曲げられており、
   前記反射鏡の折り曲げられた部分の折り曲げ角度θは、前記出射面に平行な方向に対する、前記レンズから前記導光体への光の入射角をθ_１としたときに、
   ９０°＋θ₁＜θ＜１２０°＋２×θ₁／３
   という関係式を満足するように、前記反射鏡は構成されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の面状光源ユニット。
6. 前記レンズは、前記導光体と一体成形されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の面状光源ユニット。
7. 前記光源は、白色のＬＥＤ、または赤色、緑色、青色からなる３色のＬＥＤの組合せのいずれかである、請求項１〜６のいずれか１項に記載の面状光源ユニット。

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