JP2005135844A - Optical element and backlight device - Google Patents
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Abstract
Description
Translated fromJapanese本発明は、液晶表示装置（ＬＣＤ：Liquid Crystal Display）のバックライト装置に関し、詳しくは、バックライト装置の部品点数を大幅に削減するために用いる光学素子及び上記光学素子を備えたバックライト装置に関する。 The present invention relates to a backlight device of a liquid crystal display (LCD), and more particularly, to an optical element used for significantly reducing the number of parts of the backlight device and a backlight device including the optical element. .
液晶表示装置のバックライト装置であるバックライトユニットは、液晶表示装置を搭載する電子機器の普及に伴い、大量生産されることが求められている。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とによって形成されている。 A backlight unit, which is a backlight device of a liquid crystal display device, is required to be mass-produced with the spread of electronic devices equipped with the liquid crystal display device. The backlight unit is mainly formed by a light source and a light guide plate that guides light emitted from the light source to emit light.
光源は、蛍光管や、発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）などが用いられ、特に小型化、薄型化された電子機器に搭載する場合は、発光ダイオードが使用されることが多い。 As the light source, a fluorescent tube, a light emitting diode (LED), or the like is used. In particular, a light emitting diode is often used when the light source is mounted on a miniaturized and thin electronic device.
一般に、図１５に示すように発光ダイオードを光源とするバックライトユニット１００は、導光板８０、例えば、３個の発光ダイオード９１ａ，９１ｂ，９１ｃといった複数の発光ダイオードを有する光源９０、反射シート１０１、拡散シート１０２、第１のレンズシート１０３、第２のレンズシート１０４を備えている。 In general, as shown in FIG. 15, a
バックライトユニット１００は、導光板８０の光入射面８１に、発光ダイオード９１ａ、９１ｂ、９１ｃが所定のピッチで、光出射面９２ａ、９２ｂ、９２ｃが密着するように配置され、導光板８０の光反射面８２側に反射シート１０１が配置され、導光板８０の光出射面８３上に拡散シート１０２、第１のレンズシート１０３、第２のレンズシート１０４の順に重ねて配置され、これらがフレーム１１０、１１１内に、反射シート１０１をフレーム内面１１１Ａ側にして、収納され組み付けられて構成されている。なお、以下の説明において、発光ダイオード９１ａ，９１ｂ，９１ｃは、総称して発光ダイオード９１とも呼ぶ。 The
発光ダイオード９１から導光板８０の光入射面８１に入射した光は、導光板８０の光反射面８２と、光出射面８３との内面で全反射しながら導光される。導光板８０の光反射面８２には、入射された光を効率よく光出射面８３方向へ立ち上げるためのプリズムパターンや、ドットパターンなどが形成されており、これらのパターンによって臨界角以内で光出射面８３の内面に入射した光は、光出射面８３から出射されることになる。 Light that has entered the
光出射面８３から出射した光は、面内光量分布に非常にばらつきがあるため、拡散シート１０２に入射し均一化が計られる。 Since the light emitted from the
拡散シート１０２から出射された光は、第１のレンズシート１０３，第２のレンズシート１０４に入射され、光出射面８３の法線方向へ集光するように偏向させる。拡散シート１０２を通過した光を、第１のレンズシート１０３、第２のレンズシート１０４が集光させる光の方向成分はそれぞれ異なっている。 The light emitted from the
一方の第１のレンズシート１０３は、Ｙ方向レンズシートとも呼ばれ、図１６に、発光ダイオード９１を備えた導光板８０を、光出射面８３が正面となるように、ＸＹ座標平面上に配置させ、光の導光方向をＸ軸方向とした場合のＹ軸方向の光の成分を、光出射面８３の法線方向に集光させるレンズシートである。他方の第２のレンズシート１０４は、Ｘ方向レンズシートともよばれ、図１６に示すＸ軸方向の光の成分を、光出射面８３の法線方向に集光させるレンズシートである。 One first lens sheet 103 is also called a Y-direction lens sheet. In FIG. 16, the
このように、導光板８０の光出射面８３から出射され、拡散シート１０２を介した光を、この第１のレンズシート１０３、第２のレンズシート１０４に通過させることで、バックライトユニット１００の正面輝度を効率よく向上させることが可能となる。 In this way, the light emitted from the
なお、導光板８０の光反射面８２側に配置された反射シート１０１は、光入射面８１から入射された光が導光板８０内を全反射しながら導光する際に、光反射面８２外に飛び出した光を反射して、再び導光板８０内に戻す働きをしている。 The
電子機器の小型化及び薄型化の要請に伴い、このような電子機器に搭載する、例えば、液晶表示装置の照明に用いられるバックライトユニットも薄型化される傾向にある。しかしながら、図１５を用いて説明したようにバックライトユニット１００の部品点数は、非常に多く、中でも反射シート１０１、拡散シート１０２、第１のレンズシート１０３、第２のレンズシート１０４というようにシート類が４枚も使用されているという状況である。 With the demand for downsizing and thinning electronic devices, backlight units mounted on such electronic devices, for example, used for illumination of liquid crystal display devices tend to be thinned. However, as described with reference to FIG. 15, the number of parts of the
これらのシート類は、それぞれ０．１〜０．１５ｍｍ程度の厚さがあるため、重ね合わせると少なくとも０．４ｍｍ以上となってしまい、バックライトユニット１００の薄型化を妨げてしまうといった問題がある。 Since these sheets each have a thickness of about 0.1 to 0.15 mm, they are at least 0.4 mm or more when they are overlapped, and there is a problem that the
しかしながら、上述した、いずれのシート類が有する機能も、このように光源９０から導光板８０の光入射面８１に入射された光を導光しながら、光出射面８３から面発光させる機構のバックライトユニット１００においては、いずれも必須であり欠くことのできないものである。 However, the functions of any of the above-described sheets are back of the mechanism for emitting light from the
特に、導光板８０の光出射面８３上に積層する拡散シート１０２、第１のレンズシート１０３、第２のレンズシート１０４は、正面輝度の劇的な改善効果を期待できる反面、非常に高価な部材である。 In particular, the
具体的には、拡散シート１０２、第１のレンズシート１０３及び第２のレンズシート１０４をバックライトユニット１００に組み込んだ場合、この３枚のシートによって、バックライトユニット１００の総コストの何割かを占めてしまうことになり、高い正面輝度が必要な場合には、必然的にコストアップが求められてしまうといった問題がある。 Specifically, when the
そこで、本発明はこのような問題を解決するために案出されたものであり、バックライト装置を構成するシート類のうち拡散シート、第１の反射シート、第２の反射シートを、当該拡散シート、第１の反射シート、第２の反射シートの有する機能を損なうことなく削減するための光学素子及び上記光学素子を備えたバックライト装置を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been devised to solve such a problem, and among the sheets constituting the backlight device, the diffusion sheet, the first reflection sheet, and the second reflection sheet are used as the diffusion sheet. An object of the present invention is to provide an optical element for reducing the function of the sheet, the first reflective sheet, and the second reflective sheet without impairing the function, and a backlight device including the optical element.
上述の目的を達成するために、本発明に係る光学素子は、一側面を光入射面とし、上記光入射面から入射された光を一方主面である光出射面及び他方主面である光反射面とで全反射して導光し、上記光出射面から面発光させる導光板の上記光入射面に入射する光を調整する光学素子であって、光源より出射される光を入射し、入射された光のうち、上記導光板の光の導光方向に対して、放射状に広がって進む指向性を有する光を、上記導光板の上記光の導光方向と平行な方向へと進む指向性を有する光に偏向して、出射し、上記導光板の上記光入射面に入射させる光学手段を備えることを特徴とする。 In order to achieve the above-mentioned object, an optical element according to the present invention has one side as a light incident surface, and light incident from the light incident surface is a light exit surface that is one main surface and light that is the other main surface. It is an optical element that adjusts the light incident on the light incident surface of the light guide plate that is totally reflected by the reflecting surface and guided by light, and emits light from the light emitting surface, and receives the light emitted from the light source, Of the incident light, the light having directivity that spreads radially with respect to the light guide direction of the light of the light guide plate proceeds in a direction parallel to the light guide direction of the light of the light guide plate. And an optical means for deflecting and emitting the light having a property to enter the light incident surface of the light guide plate.
上述の目的を達成するために、本発明に係るバックライト装置は、一側面を光入射面とし、上記光入射面から入射された光を一方主面である光出射面及び他方主面である光反射面とで全反射して導光し、上記光出射面から面発光させる導光板と、上記導光板の上記光入射面の長手方向に所定の間隔で配列された複数の発光素子を有する光源と、上記光源の上記複数の発光素子より出射された光を入射し、上記導光板の上記光入射面への入射光として出射する光学素子と、上記導光板の上記光反射面側に配置される反射シートと、上記導光板に、上記光源と、上記光学素子と、上記反射シートとを保持するフレームとを備え、上記導光板は、上記光の入射方向をＸ軸方向とし、上記Ｘ軸方向に直交し、上記光出射面に平行な方向をＹ軸方向とし、上記Ｘ軸方向及び上記Ｙ軸方向に垂直な方向を法線方向とするとき、上記光入射面から入射された光を、上記Ｘ軸方向の傾きが上記法線方向に対してゼロに近付くように偏向して、上記光出射面から出射させる配光制御をするＸ軸方向配光制御手段を有し、上記光学素子は、上記入射された光のうち、上記導光板の光の導光方向に対して、放射状に広がって進む指向性を有する光を、上記導光板の上記光の導光方向と平行な方向へと進む指向性を有する光に偏向して、出射し、上記導光板の上記光入射面に入射させる光学手段を有することを特徴とする。 In order to achieve the above-described object, a backlight device according to the present invention has one side as a light incident surface, and light incident from the light incident surface is a light exit surface that is one main surface and the other main surface. A light guide plate that is totally reflected by the light reflecting surface and guides light from the light emitting surface, and a plurality of light emitting elements arranged at predetermined intervals in the longitudinal direction of the light incident surface of the light guide plate. A light source, an optical element that receives light emitted from the plurality of light emitting elements of the light source, and is emitted as incident light on the light incident surface of the light guide plate, and disposed on the light reflecting surface side of the light guide plate The light guide plate includes the light source, the optical element, and a frame that holds the reflection sheet. The light guide plate has an X-axis direction as the light incident direction, and the X The direction perpendicular to the axial direction and parallel to the light exit surface is the Y-axis direction. When the normal direction is the direction perpendicular to the X-axis direction and the Y-axis direction, the light incident from the light incident surface is such that the inclination in the X-axis direction approaches zero with respect to the normal direction. The X-axis direction light distribution control means for controlling the light distribution to be emitted from the light exit surface, and the optical element is a light guide direction of the light of the light guide plate out of the incident light. In contrast, light having directivity that spreads radially is deflected to light having directivity that travels in a direction parallel to the light guide direction of the light of the light guide plate, and is emitted. It has an optical means for making it incident on the light incident surface.
本発明の光学素子は、導光板に入射させる光源からの光を、導光板の光の導光方向に対して、放射状に広がって進む指向性を有する光から、導光板の光の導光方向と平行な方向へと進む指向性を有する光に偏向して、出射し、導光板の上記光入射面に入射させる。 The optical element of the present invention is a light guide direction of light of a light guide plate from light having directivity that spreads light from a light source incident on the light guide plate in a radial direction with respect to the light guide direction of light of the light guide plate. The light is deflected to emit light having directivity that travels in a direction parallel to the light, and is incident on the light incident surface of the light guide plate.
これにより、点光源である光源から出射される光を、導光板の光入射面、全面に渡って、垂直に入射させることができるため、導光板から一定レベルの輝度以上で均一な面発光をさせることを可能とする。 As a result, light emitted from the light source, which is a point light source, can be vertically incident on the entire light incident surface of the light guide plate, so that uniform light emission from the light guide plate with a certain level of brightness or more can be achieved. It is possible to make it.
また、本発明のバックライト装置は、上記光学素子によって、導光板の光の導光方向に平行な方向へと進む指向性を有する光に偏向された光を、Ｘ軸方向配光制御手段を有する導光板に入射させることで、導光板の光出射面から出射した光に対して、Ｙ軸方向の配光制御、Ｘ軸方向の配光制御、光の拡散処理が不要となるためＸ軸方向の配光制御及びＹ軸方向の配光制御を行うレンズシート、拡散シートを用いなくとも、一定レベルの輝度以上で均一な面発光を可能とする。 Further, the backlight device of the present invention provides the X-axis direction light distribution control means for converting the light deflected by the optical element into light having directivity that travels in a direction parallel to the light guide direction of the light from the light guide plate. By making the light incident on the light guide plate having the X-axis because light distribution control in the Y-axis direction, light distribution control in the X-axis direction, and light diffusion processing are not required for the light emitted from the light exit surface of the light guide plate Even without using a lens sheet or a diffusion sheet that performs light distribution control in the direction and light distribution control in the Y-axis direction, uniform surface light emission at a certain level or higher is possible.
したがって、このようなバックライト装置は、従来では必須となっていた高額なレンズシート、拡散シートを削減できるため、装置の薄型化及び大幅なコストダウンを可能とする。 Therefore, since such a backlight device can reduce expensive lens sheets and diffusion sheets that have been essential in the past, the device can be thinned and the cost can be significantly reduced.
以下、本発明に係る光学素子及びバックライト装置の発明を実施するための最良の形態を図面を参照して詳細に説明する。 The best mode for carrying out the invention of an optical element and a backlight device according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
図１に、本発明を実施するための最良の形態として示すバックライトユニット４０を示す。バックライトユニット４０は、導光板１０と、光源部２０と、光学素子３０と、反射シート１５とが、フレーム３５，３６内に組み付けられて構成されている。 FIG. 1 shows a
導光板１０に用いられる材料としては、アクリル樹脂の他、メタクリル樹脂、スチレン樹脂、ポリカーボネート樹脂等の透明熱可塑性樹脂が用いられる。導光板１０は、一例として、透明度の高いアクリル樹脂などを材料とし射出成形される。導光板１０は、光入射面１１から入射された光を、当該導光板１０の一方主面である光反射面１２で多方向へ反射させ、反射された光を光出射面１３から均一な光として出射させる。 As a material used for the
光反射面１２には、細かい凹凸形状、例えば、プリズムパターンや、ドットパターンなどが形成されており、入射され当該導光板１０内に導光された光を効率よく光出射面１３方向へ立ち上げるような処理が施されている。 The
例えば、光反射面１２には、ｎ（ｎは、自然数）個のプリズム１２Ａｎからなるプリズムパターンが形成されており、入射され当該導光板１０内に導光された光を効率よく光出射面１３方向へ立ち上げる。この光反射面１２に形成するプリズムパターンは、導光板１０の射出成形時に形成したり、射出成形後に直接加工（ダイレクト・カット）して形成したりする。なお、このプリズムパターン１２Ａｎについては、後で詳細に説明をする。 For example, the
導光板１０は、光入射面１１から入射され、導光された光の導光方向の厚みが徐々に減少するような楔形形状をしているが、本発明は、このような楔形形状以外の形状の導光板にも適用可能である。 The
導光板１０の光源としては、図１に示す基板２３に所定の間隔で列状に配列された発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）２１ａ，２１ｂ，２１ｃを備える光源部２０が用いられる。発光ダイオード２１ａ，２１ｂ，２１ｃの光出射方向は、全て同一であり、光を出射する面をそれぞれ光出射面２２ａ，２２ｂ，２２ｃとする。なお、以下の説明においては、発光ダイオード２１ａ，２１ｂ，２１ｃを総称して発光ダイオード２１とも呼び、それぞれの光出射面２２ａ，２２ｂ，２２ｃを総称して光出射面２２とも呼ぶ。発光ダイオード２１は、例えば、チップ型発光ダイオードである。 As the light source of the
バックライトユニット４０は、導光板１０の光入射面１１側に、光学素子３０を介して、光源部２０が配置され、光反射面１２側に反射シート１５が配置される。このように配置された、導光板１０、光源部２０、光学素子３０、反射シート１５は、バックライトユニット４０の筐体となるフレーム３５、フレーム３６内に反射シート１５を、フレーム３６のフレーム内面３６Ａ側にして、がたつきなどがないように組み付けられる。 In the
図２は、バックライトユニット４０が備える導光板１０、光源部２０、光学素子３０を、光の導光方向をＸ軸方向とし、光出射面１３が正面となるようにＸＹ座標平面上に配置させた図である。なお、このようにＸＹ座標平面上に導光板１０を配置した場合における、光出射面１３からの光の出射方向は、Ｚ軸方向となる。 FIG. 2 shows the
次に、導光板１０の光反射面１２に形成するプリズム１２Ａｎについて説明をする。 Next, the prism 12An formed on the
図３に、図１に示すＡＡ線において、導光板１０を切断した際の断面図を示す。図３に示すように、プリズム１２Ａｎは、断面形状が、光反射面１２側を底辺とする三角形で、上記三角形の光入射面１１側の底角が角度α＝５０〜６０°、他方の底角が角度β＝７０°〜９０°の範囲である溝を光反射面１２上に作製することで形成される。 FIG. 3 shows a cross-sectional view of the
例えば、導光板１０を射出成形する場合には、光反射面１２を形成する射出形成用金型のキャビティ内面上に断面形状が、上述したように角度α＝５０°〜６０°、角度β＝７０°〜９０°の底角を有する三角形となるような凸部を複数形成しておけばよい。 For example, when the
図１や図３では、光反射面１２に形成するプリズム１２Ａｎのピッチを固定とし、規則的に並んだプリズム１２Ａｎを示しているが、不規則に変化するようにしてもよい。また、隣り合うプリズム１２Ａｎ毎にピッチを変えることもできる。さらに、図３では、プリズム１２Ａｎの高さ、つまり、光反射面１２上に作製する溝の深さも一定にして記載しているが、本発明はこれらに限定されることなく、光出射面１３の法線方向への立ち上げを効果的に行うために、プリズム１２Ａｎのピッチや、光反射面１２に作製する溝の深さで決まるプリズム１２Ａｎの高さなどの値を全て任意に設計することができる。 1 and 3, the prisms 12An formed on the
例えば、プリズム１２Ａｎを固定的なピッチで形成する場合には、作製する溝の深さを変えて、プリズム１２Ａｎの高さを変えたり、プリズム１２Ａｎのピッチを変化させて形成する場合には、作製する溝の深さを固定にし、プリズム１２Ａｎの高さを一定にしたりすることなども可能である。 For example, when the prism 12An is formed at a fixed pitch, the depth of the groove to be manufactured is changed to change the height of the prism 12An or the pitch of the prism 12An is changed. It is also possible to fix the depth of the groove to be fixed and to make the height of the prism 12An constant.
図３に示すように、導光板１０の光入射面１１から入射された入射光Ｌ１は、プリズム１２Ａｎに入射して、プリズム１２Ａｎの斜面Ｓによって、Ｘ軸方向成分が光出射面１３の法線方向に偏向される偏向光Ｌ２、導光方向であるＸ軸方向に進む透過光Ｌ３、導光板１０外に出射する偏向光Ｌ４などに分光される。 As shown in FIG. 3, the incident light L1 incident from the
偏向光Ｌ２のＸ軸方向成分の偏向角は、射出成形時に光反射面１２上に形成される複数の溝の角度α、角度βによって決まり、図３に示すように角度α＝５０°〜６０°、角度β＝７０°〜９０°とすることで、偏向光Ｌ２のＸ軸方向成分は、光出射面１３のほぼ法線方向に偏向されることになる。透過光Ｌ３は、導光方向の後段に位置する別のプリズム１２Ａｎに入射することになる。また偏向光Ｌ４は、導光板１０外に出射されるが、バックライトユニット４０として導光板１０を構成した場合に用いられる反射シート１５によって、再び導光板１０内に戻されることになる。 The deflection angle of the component in the X-axis direction of the deflected light L2 is determined by the angles α and β of the plurality of grooves formed on the
このように、導光板１０の光反射面１２に形成するプリズムパターンによって、光入射面１１から入射され導光板１０内を導光する光のＸ軸方向成分は、配光制御され、導光板１０の光出射面１３の法線方向に偏向され立ち上げられることになる。具体的には、光出射面１３の法線を０°とすると、導光板１０内に導光された光は、例えば、角度α＝５８°、角度β＝９０°となるような溝を作製した場合に、光反射面１２に形成されたプリズム１２Ａｎによって、Ｘ軸方向におよそ０°〜２５°程度の範囲で立ち上げられることになる。 As described above, the X-axis direction component of the light incident from the
続いて、光学素子３０の機能について説明をする。ここで、光学素子３０を構成要素として加えずに、光源部２０の各発光ダイオード２１の光出射面２２を導光板１０の光入射面１１に密着するようにしてバックライトユニット４０を組み付けた場合について考える。 Subsequently, the function of the
光源部２０を構成する各発光ダイオード２１は、それぞれ点光源として機能するため、各発光ダイオード２１から出射された光は、図４に示すように、Ｙ軸方向に放射状に広がる指向性を持って導光板１０内に入射することになる。つまり、発光ダイオード２１から出射され、光入射面１１から入射された光は、導光板１０の光の導光方向に対して、放射状に広がって進む指向性を有していることになる。このようにして入射した光は、プリズム１２Ａｎによって、上述したようにＸ軸方向成分が、光出射面１３の法線方向に立ち上げられた偏向光となる。 Since each
この時、例えば、図４に示す偏向光Ｌ２ａ〜Ｌ２ｇのうち、偏向光Ｌ２ａ，Ｌ２ｂや、偏向光Ｌ２ｆ，Ｌ２ｇといった、発光ダイオード２１から広角でプリズム１２Ａｎに入射して偏向された光は、Ｘ軸方向には、光出射面１３の法線近傍の方向へと立ち上げられた成分を持っているが、Ｙ軸方向には、法線から非常に傾いた成分を持った偏向光となってしまう。 At this time, for example, among the deflected lights L2a to L2g shown in FIG. 4, the deflected lights L2a and L2b and the deflected lights L2f and L2g are incident on the prism 12An at a wide angle from the
したがって、このような偏向光が作る光出射面１３の正面輝度は、図４に示すＸ軸方向に走るライン状の領域Ｋが高くなる不均一なものとなってしまう。例えば、図５に示すように光源部２０が備える３つの発光ダイオード２１ａ，２１ｂ，２１ｃから導光板１０の光入射面１１に光を入射させ、光出射面１３を正面から見た場合には、ライン状の領域Ｋａ，Ｋｂ，Ｋｃがストライプ状に現れることになる。 Therefore, the front luminance of the
このように、光出射面１３から出力される光の正面輝度が、ライン状の領域で高くなってしまうような導光板１０は、液晶表示装置のバックライトユニットの導光板として十分な機能を果たすことができない。 As described above, the
導光板１０において、光出射面１３の正面輝度がライン状に高い領域が生じてしまうのは、発光ダイオード２１によって入射される光が指向性を持って、プリズム１２Ａｎに入射されるためであり、これにより、上述したように、プリズム１２Ａｎで光出射面１３のＸ軸方向では法線方向に偏向されても、Ｙ軸方向では、法線方向に偏向されない光もでてきてしまう。 In the
そこで、図１に示すように、バックライトユニット４０では、光源部２０の各発光ダイオード２１から出射される光を導光板１０の光入射面１１に入射させる前段に光学素子３０を配置し、導光板１０に入射させる光の配光制御を行っている。 Therefore, as shown in FIG. 1, in the
図１に示すように、光学素子３０は、光源部２０の各発光ダイオード２１からの光が入射される光入射面３１に対向する光出射面３２に、ｍ個のプリズム３２Ａｍ（ｍは、自然数）からなるプリズムパターンが形成されている。このプリズム３２Ａｍは、図２で示すＺ軸方向を長手方向とする三角柱形状をしている。 As shown in FIG. 1, the
光学素子３０の光出射面３２に形成されるプリズム３２Ａｍは、連続したレンズ面を、階段状にすることで、厚みのあるレンズの光学的性質を変化させることなく薄型化したフレネルレンズとなっている。 The prism 32Am formed on the
光出射面３２に形成するプリズム３２Ａｍは、光源部２０の発光ダイオード２１からＹ軸方向に放射状に広がる指向性を持って入射された光、つまり、導光板１０の光の導光方向に対して放射状に広がって進む指向性を有する光を、図６に示すように、Ｘ軸方向、つまり、導光板１０の光の導光方向と平行な方向に進む指向性を有する光に偏向するように設計される。このようなプリズム３２Ａｍを有する光学素子３０を、光源２０と、導光板１０との間に挿入し、光源２０から出射される光を光学素子３０に入射させると、導光板１０の光入射面１１には、全面に渡って、光の導光方向と平行な方向に進む指向性を有する光が光学素子３０から出射されて、入射されることになる。 The prism 32Am formed on the
これにより、導光板１０内に入射された光は、導光板１０の導光方向に対して放射状に広がって進む光を含まない。これにより、光反射面１２に形成されているプリズム１２Ａｎに入射した場合に、上述したようにＸ軸方向の成分が光出射面１３の法線方向となるように立ち上げられ、光出射面１３から出射される光の正面輝度を、光出射面１３全面に渡って均一化するようになる。 Thereby, the light incident on the
したがって、上述したように、光源２０の発光ダイオード２１から入射される光のうち、導光板１０の光の導光方向に対して放射状に広がって進む指向性を有する光を、導光板１０の光の導光方向と平行な方向に進む指向性を有する光に偏向するよう光学素子３０のプリズム３２Ａｍを設計することで、上述した図４、図５を用いて示したようにストライプ状に現れる輝線を抑制する効果がある。 Therefore, as described above, of the light incident from the
図７に、光学素子３０の光出射面３２に形成するプリズム３２Ａｍの具体的な設計値を示す。これは、図８に示すように光学素子３０のＸ軸方向の厚みを６．０ｍｍとし、光源２０の各発光ダイオード２１間のピッチを９．４ｍｍとした場合のシミュレーション結果である。 FIG. 7 shows specific design values of the prism 32Am formed on the
プリズム３２Ａｍが、発光ダイオード２１からＹ軸方向に放射状に広がる指向性を有して出射される全ての光を、Ｘ軸方向、つまり導光板１０の光の導光方向と平行に進む指向性を有する光に偏向させるためには、プリズムパターンを、発光ダイオード２１の中心からＸ軸に平行となる軸を対称軸として対称に形成する必要がある。 The prism 32Am has a directivity in which all light emitted from the
したがって、図８に示す発光ダイオード２１ｂのように、当該発光ダイオード２１ｂの中心からＸ軸方向に伸ばした対称軸に対して、上下それぞれ４．７ｍｍの幅を持つ領域ＹＯ、領域ＹＵに対称なプリズムパターンを形成することになる。図７に示す設計値は、発光ダイオード２１の中心からＸ軸方向に伸びる対称軸に対して対称に形成するプリズムパターンのうち、上側領域又は下側領域のプリズムパターンの設計値となっている。Therefore, as the light-emitting
次に、図７に示すプリズム３２Ａｍの設計値を具体的に説明する。例えば、図７に示すプリズム３２Ａｍの設計値を、図８で示した発光ダイオード２１ｂの中心からＸ軸方向に伸びる対称軸に対して上側の領域ＹＯのプリズムパターンとした場合の様子を図９に示す。Next, the design value of the prism 32Am shown in FIG. 7 will be specifically described. For example, Figure a state when the design value of the prism 32Am shown in FIG. 7, and a prism pattern of the upper region YO symmetry axes extending in the X-axis direction from the center of the light-emitting
図９に示すように、プリズム３２ＡｍをプリズムＰｘ（ｘは、自然数）とすると、図７の設計値に基づいて、Ｙ軸方向、４．７ｍｍの領域ＹＯに、０．０４７ｍｍのピッチで、プリズムＰ１〜Ｐ１００の１００個が形成されることになる。図９には、代表としてプリズムＰ１〜Ｐ４、Ｐ６８、Ｐ６９、Ｐ９９、Ｐ１００を示している。各プリズムＰｘは、図２で示したＺ軸方向を長手方向とする三角柱形状をしており、図９には底面となる三角形が示されている。底面となる三角形の頂角、例えば、プリズムＰ６８に示した頂角Ａは、プリズムＰｘで全て同じ大きさの角度であり、４８°となっている。As shown in FIG. 9, when the prism 32Am is a prism Px (x is a natural number), based on the design value of FIG. 7, the region YO in the Y-axis direction is 4.7 mm at a pitch of 0.047 mm. ,100 prisms P1 to P100 are formed. In FIG. 9, prisms P1 to P4 , P68 , P69 , P99 , and P100 are shown as representatives. Each prism Px has a triangular prism shape that the Z-axis direction shown in FIG. 2 and the longitudinal direction is shown a triangle which becomes the bottom surface in FIG. The apex angle of the triangle serving as the bottom surface, for example, the apex angle A shown in the prism P68 is an angle of the same magnitude in the prism Px and is 48 °.
図７で示す設計値の１つであるθは、図９のプリズムＰ６８に示すように、プリズムＰｘの底面となる三角形の底角のうちの１つを示している。上述したように頂角が一定であることから、この底角θを可変させることで、プリズムの形状が決定されることになる。なお、図９で示す、発光ダイオード２１ｂの中心からＸ軸方向に伸びる対称軸に対して下側の領域ＹＵには、領域ＹＯと対称のプリズムパターンが形成されることになる。Θ is one of the design values shown in FIG. 7, as shown in the prism P68 in FIG. 9 shows one of the base angles of the triangle which is a bottom surface of the prism Px. Since the apex angle is constant as described above, the prism shape is determined by varying the base angle θ. Incidentally, it is shown in Figure 9, the lower region YU with respect to the central X-axis symmetry axis extending in the direction from the light-emitting
このようにして光学素子３０には、各発光ダイオード２１の中心からＸ軸方向に伸びる対称軸と対称に、例えば、図７に示した設計値に基づいてプリズム３２Ａｍを形成することで、発光ダイオード２１から入射された、導光板１０の光の導光方向に対して放射状に広がって進む指向性を有する光を、導光板１０の光の導光方向と平行な方向へと進む指向性を有する光に偏向することができる。 Thus, the
光学素子３０を形成する材料としては、光源２０から入射した光を全反射させて、効率よく導光するために、屈折率が１．４４〜１．４５を下限とし、これ以上の屈折率値を有する材料が選択されることになる。例えば、導光板１０を形成する際にも使用されるアクリル樹脂は、屈折率が１．４９であり、射出成形可能な材料でもある。光学素子３０は、光出射面３２にプリズム３２Ａｍを形成する必要があるため、射出成形が可能な、このアクリル樹脂を用いれば、容易にプリズム３２Ａｍが形成できるため、低コストで大量生産が可能となる。 As a material for forming the
次に、光学素子３０による効果を検証するため、図７に示す設計値に基づいてプリズム３２Ａｍを形成した光学素子３０を用いた場合の導光板１０の正面輝度をシミュレーションにより算出した。発光ダイオード２１ａ，２１ｂ，２１ｃとしては、日亜化学社製、白色発光ダイオード（ＮＳＣＷ−２１５シリーズ）を用い、１５ｍＡの電流を印加するものとする。 Next, in order to verify the effect of the
図１０に、シミュレーション結果として、導光板１０の光出射面１３の輝度分布を示す。図１０に示すように、光出射面１３の輝度分布は、５０００ｃｄ／ｍ２程度の輝度となる領域Ｇ１、４０００ｃｄ／ｍ２程度の輝度となる領域Ｇ２、３０００ｃｄ／ｍ２程度の輝度となる領域Ｇ３という３つの異なる輝度領域が現れた分布となる。領域Ｇ１は、各発光ダイオード２１から出射された光のうちＸ軸方向と平行に出射された光が到達した領域であり、領域Ｇ２は、発光ダイオード２１から出射された光のうちＹ軸方向にやや拡散した光が光学素子３０で偏向されて到達した領域であり、領域Ｇ３は、発光ダイオード２１から出射された光のうち、領域Ｇ２に到達した光よりもさらに、Ｙ軸方向に拡散した光が光学素子３０で偏向されて到達した領域である。FIG. 10 shows the luminance distribution of the
図１０に示すように、光出射面３２にプリズム３２Ａｍが形成された光学素子３０を用いると、導光板１０の光出射面１３から出射される光による正面輝度は、輝度の異なる領域（領域Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３）が生じるが、導光板１０の光出射面１３全面に渡って、平均して３０００ｃｄ／ｍ２の輝度を獲得することが可能となる。この正面輝度の向上は、光学素子３０のプリズム３２Ａｍによって、導光板１０の光の導光方向に対して放射状に進む指向性を有する光が、導光板１０の光の導光方向と平行な方向へと進む指向性を有する光となったことで、導光板１０の側面からの出射損失が大幅に軽減した結果であると考えられ、光の利用効率が非常に高くなっていることを示している。As shown in FIG. 10, when an
このように、光学素子３０を用いることで、図４，５を用いて説明をしたような、ストライプ状の輝線として現れる輝度ムラが抑制されていることが分かる。例えば、上述したように、光反射面１２に、断面形状が光反射面１２側を底辺とする三角形で、上記三角形の光入射面１１側の底角が角度α＝５０°〜６０°、他方の底角が角度β＝７０°〜９０°となる溝を複数作製して、プリズム１２Ａｎを光反射面１２上に形成すると、Ｘ軸方向の光の立ち上げが効果的に行われ、ストライプ状の輝線が際立って出現することになるため、光学素子３０を用いると特に有効となる。 Thus, it can be seen that the use of the
また、光反射面１２に、断面形状が、従来の技術として一般に用いられている角度α＝角度β＝４５°の三角形となる複数の溝を形成した場合にも、光学素子３０を用いることで、点光源である発光ダイオード２１を用いた場合にストライプ状の輝線として現れる輝度ムラを抑制することができる。 Even when a plurality of grooves whose cross-sectional shape is a triangle having an angle α = angle β = 45 °, which is generally used as a conventional technique, is formed on the
図１０に示した領域Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３の輝度分布の相違は、図１１に示すように発光ダイオード２１の光出射面２２と接触する光学素子３０の光入射面３１上に、拡散プリズムとしてシリンドリカルレンズ３１Ａｓ（Ｓは、自然数）を複数個形成し、光学素子３０に入射する光を拡散させることで制御することができる。発光ダイオード２１から出射され、シリンドリカルレンズ３１Ａｓを介して光学素子３０内を導光される光は、Ｙ軸方向へ広がる指向性を有しつつ拡散されてプリズム３２Ａｍに入射される。したがって、シリンドリカルレンズ３１Ａｓ及びプリズム３２Ａｍを介して、導光板１０の光入射面１１に入射される光は、導光板１０の光入射面１１全面に渡って均一に拡散され、且つ、導光板１０の光の導光方向と平行な方向に進む指向性を有するように偏向された光となっている。これにより、導光板１０の光出射面１３から出射される光の輝度分布を、高輝度且つ均一にすることができる。 The difference in luminance distribution between the regions G1, G2, and G3 shown in FIG. 10 is that a cylindrical prism as a diffusion prism is formed on the
このような、光学素子３０を備えるバックライト装置４０は、光源部２０が有する各発光ダイオード２１から出射された光を、光学素子３０でＸ軸に平行な指向性を有する光に偏向することでＹ軸方向の配光制御をして、導光板１０の光入射面１１から入射させる。導光板１０に入射した光は、光反射面１２、反射シート１５で反射して、光出射面１３から出射される。このとき、導光板１０内の光反射面１２では、プリズム１２Ａｎに入射した光のＸ軸方向成分が配光制御され、光反射面１３の法線方向に立ち上げられて集光される。 Such a
したがって、導光板１０内では、光学素子３０によってＹ軸方向の配光制御がなされた光が、導光板１０内でプリズム１２ＡｎによってＸ軸方向へ立ち上げられながら導光されると共に、光出射面１３から出射されることになる。光出射面１３から出射された光は、フレーム３５に開口された開口部３５Ａから、例えば、液晶表示装置などに照射される。 Therefore, in the
このように、バックライトユニット４０は、例えば、従来の技術で示したバックライトユニット１００が有する、拡散シート１０２、Ｙ軸方向の光の成分を光出射面８３の法線方向へ集光する第１のレンズシート１０３、Ｘ軸方向の光の成分を光出射面８３の法線方向へ集光する第２のレンズシート１０４が不要となるため、大幅なコストダウン及び当該バックライトユニット４０を薄型化することができる。 Thus, for example, the
これは、光学素子３０の光出射面３２に形成するプリズム３２Ａｍのプリズムパターンを、Ｙ軸方向へ広がる指向性のある光を、Ｘ軸方向に平行な光に偏向、つまり導光板１０の光の導光方向と平行な方向に進む指向性を有する光に偏向してＹ軸方向の配光制御をするように設計し、さらには、導光板１０の光反射面１２にプリズム１２Ａｎを形成するために作製する溝の断面形状を、光反射面１２側を底辺とし、光入射面１１側の底角が角度α＝５０°〜６０°、他方の底角が角度β＝７０°〜９０°である三角形となるように、適切に設計し配光制御をすることで、レンズシートを用いた場合と同じ程度の正面輝度を得られるほど十分となるからである。これにより、バックライトユニット４０は、光出射面１３全面に渡って、十分な正面輝度を獲得することができる。 This is because the prism pattern of the prism 32Am formed on the
光反射面１２に形成されるプリズムパターンは、プリズム１２Ａｎ以外の形状であってもよく、本発明はこのプリズムパターンに限定されるものではない。 The prism pattern formed on the
例えば、断面形状が三角形である溝を作製することで光反射面１２上にプリズム１２Ａｎを形成する場合には、角度α、角度βの値を、角度α＝５０°〜６０°、角度β＝７０°〜９０°以外の値に変更してプリズムパターンを形成してもよい。また、以下に示すような断面形状の溝を作製することで形成したプリズムパターンなどを用いてもよい。 For example, in the case where the prism 12An is formed on the
例えば、光反射面１２に作製する溝の断面形状を図１２に示すように、ラウンドを持たせた台形のような断面形状４５としたり、図１３に示すように２つの三角形からなる断面形状４６としたり、図１４に示すように一辺が任意の凹凸を有する台形のような断面形状４７とすることで形成されたプリズムパターンなども用いてもよい。 For example, the cross-sectional shape of the groove formed in the
さらに、また、光学素子３０を用いてバックライトユニットを構成した場合であっても、従来の技術で説明した拡散シート１０２、第１のレンズシート１０３、第２のレンズシート１０４といったシート類を適宜用いて導光板の光出射面から出射された出射光を整えるようにしてもかまわない。 Furthermore, even when a backlight unit is configured using the
１０ 導光板、１１ 光入射面、１２ 光反射面、１２Ａｎ（ｎは、自然数） プリズム、１３ 光出射面、２０ 光源部、３０ 光学素子、３１ 光入射面、３２ 光出射面、３２Ａｍ（ｍは、自然数） プリズム、４０ バックライトユニット
DESCRIPTION OF
Claims (9)
Translated fromJapanese光源より出射される光を入射し、入射された光のうち、上記導光板の光の導光方向に対して、放射状に広がって進む指向性を有する光を、上記導光板の上記光の導光方向と平行な方向へと進む指向性を有する光に偏向して、出射し、上記導光板の上記光入射面に入射させる光学手段を備えること
を特徴とする光学素子。One side is a light incident surface, and the light incident from the light incident surface is totally reflected by the light exit surface as one main surface and the light reflection surface as the other main surface, and guided from the light exit surface. An optical element that adjusts light incident on the light incident surface of the light guide plate that emits light,
The light emitted from the light source is incident. Of the incident light, the light having directivity that spreads radially with respect to the light guide direction of the light of the light guide plate is guided by the light of the light guide plate. An optical element comprising: an optical unit that deflects and emits light having directivity that travels in a direction parallel to the light direction and enters the light incident surface of the light guide plate.
を特徴とする請求項１記載の光学素子。2. The optical element according to claim 1, wherein the optical means is a Fresnel lens including a plurality of prisms formed in a longitudinal direction of a light exit surface of the optical element in contact with the light incident surface of the light guide plate. .
を特徴とする請求項１記載の光学素子。The optical element according to claim 1, further comprising a diffusion prism that diffuses incident light on a light incident surface of the optical element on which light from the light source is incident.
上記導光板の上記光入射面の長手方向に所定の間隔で配列された複数の発光素子を有する光源と、
上記光源の上記複数の発光素子より出射された光を入射し、上記導光板の上記光入射面への入射光として出射する光学素子と、
上記導光板の上記光反射面側に配置される反射シートと、
上記導光板に、上記光源と、上記光学素子と、上記反射シートとを保持するフレームとを備え、
上記導光板は、上記光の入射方向をＸ軸方向とし、上記Ｘ軸方向に直交して上記光出射面に平行な方向をＹ軸方向とし、上記Ｘ軸方向及び上記Ｙ軸方向に垂直な方向を法線方向とするとき、上記光入射面から入射された光を、上記Ｘ軸方向の傾きが上記法線方向に対してゼロに近付くように偏向して、上記光出射面から出射させる配光制御をするＸ軸方向配光制御手段を有し、
上記光学素子は、上記入射された光のうち、上記導光板の光の導光方向に対して、放射状に広がって進む指向性を有する光を、上記導光板の上記光の導光方向と平行な方向へと進む指向性を有する光に偏向して、出射し、上記導光板の上記光入射面に入射させる光学手段を有すること
を特徴とするバックライト装置。One side is a light incident surface, and the light incident from the light incident surface is totally reflected by the light exit surface as one main surface and the light reflection surface as the other main surface, and guided from the light exit surface. A light guide plate for surface emission;
A light source having a plurality of light emitting elements arranged at predetermined intervals in the longitudinal direction of the light incident surface of the light guide plate;
An optical element that receives light emitted from the plurality of light emitting elements of the light source and emits light as incident light on the light incident surface of the light guide plate;
A reflective sheet disposed on the light reflecting surface side of the light guide plate;
The light guide plate includes the light source, the optical element, and a frame that holds the reflection sheet.
The light guide plate has an incident direction of the light as an X-axis direction, a direction perpendicular to the X-axis direction and parallel to the light emitting surface as a Y-axis direction, and perpendicular to the X-axis direction and the Y-axis direction. When the direction is the normal direction, the light incident from the light incident surface is deflected so that the inclination in the X-axis direction approaches zero with respect to the normal direction, and is emitted from the light emitting surface. X-axis direction light distribution control means for performing light distribution control,
The optical element emits light having directivity that spreads radially in the light guide direction of the light of the light guide plate among the incident light and is parallel to the light guide direction of the light of the light guide plate. A backlight device comprising: an optical unit that deflects and emits light having directivity that travels in any direction, and causes the light to enter the light incident surface of the light guide plate.
を特徴とする請求項４記載のバックライト装置。The optical means of the optical element is a Fresnel lens composed of a plurality of prisms formed in the longitudinal direction of the light emitting surface of the optical element in contact with the light incident surface of the light guide plate. The backlight device described.
を特徴とする請求項４記載のバックライト装置。The backlight device according to claim 4, wherein the optical element has a diffusion prism that diffuses incident light on a light incident surface of the optical element on which light from the light source is incident.
を特徴とする請求項４記載のバックライト装置。The X-axis direction light distribution control means of the light guide plate is a plurality of prisms formed in the X-axis direction on the light reflecting surface and having a longitudinal direction in the Y-axis direction. 4. The backlight device according to 4.
上記溝は、当該溝の断面形状が上記光反射面側を底辺とする三角形で、上記三角形の上記光入射面側の底角αがα＝５０°〜６０°、他方の底角βがβ＝７０°〜９０°の角度であること
を特徴とする請求項７記載のバックライト装置。The prism is formed by forming a plurality of grooves having a predetermined shape with the Y-axis direction as a longitudinal direction on the light reflecting surface in the X-axis direction,
The groove has a triangular cross-sectional shape with the light reflecting surface side as the base, the base angle α of the triangle on the light incident surface side is α = 50 ° to 60 °, and the other base angle β is β The backlight device according to claim 7, wherein the angle is 70 ° to 90 °.
を特徴とする請求項４記載のバックライト装置。
The backlight device according to claim 4, wherein the plurality of light emitting elements included in the light source are light emitting diodes (LEDs).
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