JP4308815B2 - 面光源装置 - Google Patents

Description

本発明は、面光源装置に係り、特に、液晶ディスプレイの背面に設置して当該液晶ディスプレイを背面から照明するバックライトとも称する面内輝度にムラのない面光源装置に関する。

透過型の液晶ディスプレイでは、電子潜像を形成する液晶パネルの背面に面状の照明光を照射するバックライトと称する光源装置が設置される。ここでは、このようなバックライトを面光源装置と称する。この面光源装置は、反射板の上に複数の線状光源を液晶パネルの面と平行に配列し、当該線状光源からの出射光を有効利用するようにしている。なお、線状光源には、液晶パネルとの間に介在した光拡散板を設けて照明光の面内分布をなだらかにするのが一般的である。液晶パネルの上面と下面には偏光板が積層されており、面光源装置は下側の偏光板の背面に設置される。線状光源としては、冷陰極蛍光管が通常用いられる。

上記のような面光源装置に用いる反射板として特許文献１に記載の構成が既知である。特許文献１には、線状光源を長手方向に沿って背面から包み込み、第１焦点を共有し、第１焦点を含む直線の両側に第２焦点を配置した２つの半楕円を並べ、第１焦点に線状光源の管軸を置くことにより、当該線状光源の像を第２焦点に結び、あたかも３つの光源があるかのような光学系を形成したバックライト用反射鏡が記載されている。上記の半楕円とは、線状光源の軸に直交する断面が半楕円形であると言う意味である。そして、２つの半楕円を並べた形状の反射板を二連半楕円形状の反射板とも称する。
特開２００５−２４７４６号公報

特許文献１では、２つの半楕円を並べて光源からの光を正反射（又は鏡面反射）する二連半楕円形状の反射板についての記載はあるものの、２つの半楕円を接続した境界部における輝度ムラについては、考慮されていない。

そこで、本発明は、光源を囲むように、２つの半楕円を並べて凹面状にした２連半楕円形状の反射板を、入射角と反射角が等しい反射（正反射光）と、入射光の入射角に対して反射光がランダムな拡散反射を含む拡散反射材で成形した。そして、正反射光を２つの半楕円の境界部に集める構成としたことにより、輝度ムラを解消するようにした。

二つの半楕円を並べて凹面状とした二連半楕円形状の反射板の当該半楕円の第１焦点と第２焦点を当該反射板の基準面（反射板の底部）からほぼ同じ高さに配置し、光源位置を第１焦点から反射板側にずらすことで、正反射光を集める。また、二連半楕円形状の反射板の第１焦点と光源とを反射板側に寄った位置に置き、第２焦点を隣接する２つの二連半楕円形状の反射板が接続する境界部の近くに置いて、それらの位置を調節することにより、２つの二連半楕円形状の反射板の境界部への正反射光の集中を調整して液晶パネルの背面に対する照明光の面内輝度を均一化する構成とした。

本発明によると、２つの半楕円を接続する境界部における輝度ムラが解消されて均一な面光源装置が得られる。なお、本発明は、液晶ディスプレイのバックライトとして、また、透過型看板のバックライト、レントゲン写真を見るためなどの医療用バックライト、シーリングランプなどの平面照明装置の照明装置などにも適用できる。

また、前記の背景技術における特許文献１に開示されたバックライト用反射鏡を用いた面光源装置では、拡散板として指向特性をそろえるために透過率を６０％以下としているが、本発明では、透過率６５％以下の拡散板を使用することができた。拡散板の透過率が高いほど、明るい面光源が得られる。この理由は、正反射光だけでなく拡散反射光も取り入れたため、拡散板の下において指向特性がある程度そろっていたからと考えられる。

以下、図面を用いて、本発明の実施例を説明する。

図１は、本発明に係る面光源装置の実施例１を説明する線状光源と直交する方向の断面図である。この面光源装置は、冷陰極蛍光管などの線状光源１、この線状光源１を囲むような形状を有する二連半楕円形状の反射板３、当該反射板３の真上に配置された拡散板４、そして必要に応じて拡散板４上に追加される拡散フィルム５やプリズムシート６などの光学フィルム類で構成される。

図１において、二連半楕円形状の反射板３は、拡散反射を主としつつも、表面を平滑にするなどにより正反射光を増やした反射面でできている。二連半楕円形状の反射板３の線状光源１の管軸と直交する方向の断面は、１つの線状光源１に対して２つの半楕円を線状光源（冷陰極蛍光管）１に対応させ、線状光源の数だけ平行に並べた形状をしている。

図２は、図１に示す面光源装置の一部を拡大して示す断面図である。二連半楕円形状の反射板３の第１の焦点１０と第２の焦点２１を有する第１の楕円２５と、第１の焦点１０と第２の焦点２２を有する第２の楕円２６とが、第１の焦点１０を共有している。反射板３の断面は、これらの楕円２５，２６の輪郭を、両楕円が共有する第１の焦点１０と他の２つの焦点２１，２２を含む直線で分割した２つの半楕円を並べた形状となっている。

この二連半楕円形状の反射板３は、２つの半楕円で線状光源１を長手方向背面および側面から囲み、線状光源１からの光を、拡散板４の方向に正反射及び拡散反射する。なお、参照符号４３，４３’は隣接する２つの二連半楕円形状の反射板３の境界部である。

また、拡散板４の直下に配置された複数の線状光源１は、それぞれ分割された反射板構成単位となる二連半楕円形状の反射板を構成する２つの半楕円の交点３１と共有する焦点１０とを結ぶ直線上に配置される。この線状光源１のピッチＷは、当該反射板３の深さＤ（すなわち、反射板の底面と拡散板４との間隔）より大きくすることができる。そのため、従来の平面状の反射板を用いた場合の線状光源の本数と比較して、その本数を削減することができる。

図３は、第１の焦点１０に配置した線状光源の位置を反射板側に寄った位置１１〜１４に順次ずらしたときの光線追跡図である。第１の焦点１０に光源を配置した場合の正反射光は８０で示す位置となる。そして、線状光源の位置を１１，１２，１３，１４で示す位置に少しずつ反射板側に近づくように寄せて行くことにより、それら各位置での正反射光は８１，８２，８３，８４に示した位置、すなわち２つの半楕円の境界部付近に近づくように分布させることができる。

図４は、図３に示す正反射光の位置８０〜８４をシミュレーションした拡散板上の正反射光の照度分布図である。図４の縦軸は拡散板上の最大照度を１とした場合の相対値、横軸は線状光源と直交する方向の位置の相対値であって、図２に示した線状光源と直交する方向の位置を光源から境界までの距離Ｌ＝１で除した値である。

図４において、図３で説明したように、線状光源の位置を反射板側に近づけていくことにより、正反射光は８０で示した位置から反射板の境界部付近の８４で示した位置の正反射光へと分布させることができる。これら８０〜８４で示した位置での正反射光は、いずれも縦軸上で０．１より上、すなわち拡散板上の最大照度の１０％を超えているが、これらの正反射光８０〜８４は、図３において、２つの半楕円の境界部での片側の正反射光の割合であるから、境界部での両方の正反射光を合計すると２０％を超えることになる。

図５は、拡散板上における直射光、拡散反射光、正反射光、直射光＋拡散反射光、直射光と反射光（拡散反射光と正反射光）との合計の照度分布図である。図５の縦軸と横軸は、図４と同様に、照度と光源直交方向位置の相対値である。この分布は、直射光、拡散反射光、正反射光に分けてシミュレーションした結果である。

図５において、拡散反射光は、光源真上位置がやや落ち込んでいるのを除いて、ほぼフラットな分布をしている。光源真上位置がやや落ち込んでいるのは、拡散反射光が光源の影になっているためである。また、直射光は、光源真上でもっとも明るく、その程度も拡散反射光の落ち込み以上なので、拡散反射光の光源真上での落ち込みは問題とならない。なお、直射光は、光源真上位置で最大となり、境界部で最小となって、その拡散板上における照度の相対値の差は約２０％である。

この直射光＋拡散反射光の境界部の照度の相対値の落ち込みは、最大で約２０％ある。その原因は直射光の落ち込みにある。したがって、その落ち込みを正反射光で補えばよい。すなわち、正反射光の位相は、直射光の位相とは反転し、その振幅がほぼ等しい。

図６は、この正反射光による補正量についての説明図である。図６には図５に示す直射光+拡散反射光だけを抜き出して説明する。

図６において、直射光＋拡散反射光のグラフは略正弦曲線をしており、補わなければいけない光量Ａと反対側Ｂは対称な形状をしている。したがって、Ａの面積は、一区間分の面積Ｃの約半分になる。点線で示したＣの面積は、[落ち込み量２０％×二連半楕円形状の反射板を構成する半楕円の幅]であるから、Ｃの面積おいて、Ａの面積は、[Ｃの面積の半分である１０％×二連半楕円形状の反射板を構成する半楕円の幅]となり、光源の配列ピッチが反射板の深さ、すなわち反射板の底面と拡散板４との間隔の２倍の場合は、約１０％の正反射率があればよいことが分かる。このように、正反射率を１０％としてシミュレーションした結果、直射光、拡散反射光、正反射光それぞれの合計は、ほぼフラットになっている。

ここで、必要な正反射光量を一般化するために、二連半楕円形状の反射板の光源配列ピッチを変えて直射光照度分布を計算した結果を図７に示す。また、照度の落ち込み量が分かりやすいように、図７から照度の落ち込み量をグラフ化したものを図８に示す。

本実施例では、光源の配列ピッチが反射板の深さより大きい場合を対象としている。したがって、図８に示すように、光源の配列ピッチ＝反射板深さの場合の落ち込み量は４％であるから、先に説明したように、直射光の照度分布は、略正弦曲線をしているので、必要な正反射率は、その半分の２％以上となる。なお、光源の配列ピッチが反射板深さの２倍の場合には、落ち込み量は２０％であるから、必要な正反射率は、その半分の１０％となる。

図９は、試作した面光源装置の光源直交方向輝度分布図である。図９では輝度ムラを分かり易く捉えるために、光源が配置される中央±１００ｍｍの位置に対応する拡散板の平均輝度を１として表現している。この面光源装置は、反射板の深さＤ＝１８ｍｍ、光源の配列ピッチＷ＝４０ｍｍで、光源の配列ピッチ÷反射板深さ＝約２倍とした。また、反射板の形状は二連半楕円形状とし、線状光源として冷陰極蛍光管を前記第１の焦点から反射板側に約１０ｍｍ離した位置に配置した。さらに、反射板の真上に、該線状光源から近い順に、拡散板、拡散フィルム、プリズムシートからなる光学フィルムセットを重ねた。

この試作品では、反射面を鏡面にした金型を用いて拡散反射剤を添加した樹脂を射出成形して反射板を製作した。また、金型表面を通常より平滑に仕上げ、拡散反射材を添加した樹脂においても１０％近い正反射率を得ることができた。

本実施例では、反射板で正反射及び拡散反射させるから、正反射させるための反射板は高反射率反射面でなければならない。この反射板の製造法方法としては、一般的にはポリカーボネート樹脂などの熱可塑性成形樹脂に酸化チタンなどの可視光拡散反射剤を添加した樹脂材料を射出成形、押し出し成形又は圧縮成形により製造する。その時、金型表面を鏡面にしておけば、比較的容易に反射板の正反射率を大きくすることができる。また、超臨界流体を利用した微細発泡成形又は化学発泡剤による発泡成形などによって、微小空孔を分布させて成形することも可能である。

その他、板金加工などにより形状を整えた金属板に、発泡成形などによる高反射率拡散反射フィルムを貼り付けて製造することも可能である。また、板金加工された金属板の表面に酸化チタンなどの白色高反射率塗装をすることにより製造することも可能である。その場合、図１０に示すように、丸みをつけた境界部３３とすることにより、反射板全面を一体で加工することも可能である。

図１１は、本発明に係る面光源装置の実施例２を説明する線状光源と直交する方向の一部拡大断面図である。図１１は実施例１で説明した共有する第１の焦点位置１０を線状光源１の位置に寄せて下げた場合の実施例である。

本実施例において、二連半楕円形状の反射板３の線状光源１と直交する断面は、第１の焦点１０を共有する２つの楕円２５，２６の輪郭を、当該反射板３側の第１の焦点１０と拡散板４側の第２の焦点２１，２２との間において分割した２つの半楕円を並べた形状であって、当該反射板３は、第１の焦点１０に配置された線状光源１を囲み、線状光源１からの光を拡散板４に正反射及び拡散反射する。

本実施例では、第１の焦点１０と線状光源１との位置が同じなので、第２の焦点２１，２２付近へ正反射光を集中させることができる。これは、線状光源１や拡散板４、光学フィルム（拡散フィルム５やプリズムシート６）の種類によって、輝度分布が境界部にだけ落ち込む場合が考えられるからである。また、第２の焦点２１，２２の位置を調節することにより、正反射光の境界部への集中程度を調整することも可能である。

図１２は、本発明に係る面光源装置の実施例３を説明する線状光源と直交する方向の一部拡大断面図である。図１２は図１１に示す反射板１の形状を変えたものである。図１２の二連半楕円形状の反射板１は、分割された２つの半楕円の交点３１を拡散板４側に上方移動させた２つの半楕円を並べた形状である。

このような二連半楕円形状を並べた形状を金型で作ってもよいが、２つの半楕円の交点３１を移動させるのに代えて、交点３１を覆う突起部３２を反射板に設けるようにしてもよい。この突起部３２は、既に金型を作ってしまった後の正反射光の調整などに適している。

本実施例では、実施例２と同様に第２の焦点２１，２２の位置調節だけでなく、二連半楕円形状の反射板の形状を変えることで、正反射光の分布を調整することが可能である。

図１３は、本発明に係る面光源装置の実施例４を説明する線状光源と直交する方向の一部拡大断面図である。図１３では、第１の焦点位置を２つの半楕円で共有せずに、線状光源１の位置から左右に離してある。

図１３において、二連半楕円形状の反射板３の線状光源１と直交する断面は、２つの楕円２５，２６が交差し、第１の楕円２５の第１の焦点１０'と第２の焦点２１を含む直線と、第２の楕円２６の第１の焦点１０"と第２の焦点２２を含む直線との交点が、反射板３側に位置した各楕円２５，２６の輪郭を、各楕円２５，２６の反射板３側の焦点１０'，１０"を含む直線で分割した２つの半楕円を並べた形状である。また、この反射板３は、各楕円２５，２６の反射板３側の焦点１０'，１０"を結ぶ直線上の中間に配置された線状光源１を囲み、線状光源１からの光を拡散板４に正反射及び拡散反射する。

本実施例では、図１３に示す正反射光線の矢印からみて分るように、二連半楕円形状の反射板を構成する２つの半楕円の隣接する２つの半楕円の区間へ行く光が増えるという特徴がある。この隣の区間から来る光は、線状光源１からの直射光と反対向きなので、指向特性の対称性アップに貢献する。

図１４は、本発明に係る面光源装置の実施例５を説明する線状光源と直交する方向の一部拡大断面図である。図１４は図１３に示す線状光源１の位置を変えたものである。

図１４において、線状光源１は、第１の楕円２５の焦点１０’，２１を含む直線と、第２の楕円２６の焦点１０”，２２を含む直線との交点に配置され、二連半楕円形状の反射板３は、この線状光源１を囲んでいる。

本実施例では、光源位置を反射板に近づけているので、二連半楕円形状の反射板を構成する２つの半楕円の隣接する２つの半楕円の区間へ行く光がさらに増える。

以上説明したように、二連半楕円形状の反射板は、第１第２の焦点位置と楕円の大きさによって、反射板の深さが変わってくる。実際の設計においては、求められる光源の配列ピッチと反射板の深さ、正反射光の分布に応じて、適宜選択すればよい。

本発明に係る面光源装置の線状光源と直交する方向の断面図である。 図１に示す面光源装置の一部拡大断面図である。 線状光源の位置をずらしたときの光線追跡図である。 図３に示す拡散板上の正反射光の照度分布図である。 拡散板上の照度分布図である。 拡散板上の直射光+拡散反射光の照度分布図である。 ２連半楕円反射板の直射光照度分布図である。 ２連半楕円反射板の直射光の落ち込み量と光源ピッチの関係グラフである。 光源直交方向輝度分布図である。 板金加工反射板を用いた面光源装置の光源直交方向断面図である。 実施例２の面光源装置の光源直交方向断面図である。 実施例３の面光源装置の光源直交方向断面図である。 実施例４の面光源装置の光源直交方向断面図である。 実施例５の面光源装置の光源直交方向断面図である。

符号の説明

１・・・線状光源、３・・・反射板、４・・・拡散板、５・・・拡散フィルム、６・・・プリズムシート、１０，１０’，１０”・・・第１の焦点、１１〜１４・・・線状光源の位置、２１,２２・・・第２の焦点、２５・・・第１の楕円、２６・・・第２の楕円、３１・・・２つの半楕円の交点、３２・・・突起部、３３・・・丸みをつけた境界部、８０〜８４・・・正反射光、４３,４３’・・・境界部。

Claims (16)

1. 拡散板の直下に配置された複数の線状光源と前記線状光源からの光を反射する反射板とからなる面光源装置において、
   前記反射板の前記線状光源の長手方向と直交する断面が、一つの焦点を共有する第１の楕円と第２の楕円の輪郭を、該共有する焦点と他の２つの焦点を結ぶ直線で分割した二連半楕円形状を前記長手方向と直交する方向に前記線状光源の数だけ複数並べた形状を有し、
   前記光源のそれぞれは、前記二連半楕円形状を構成する２つの半楕円の交点と前記共有する焦点との間に配置され、対応する前記二連半楕円形状の輪郭内でその長手方向背面および側面から囲まれており、
   前記反射板は、前記線状光源からの光を前記拡散板の方向に正反射及び拡散反射することを特徴とする面光源装置。
2. 前記線状光源は、前記分割された２つの半楕円の交点と前記共有する焦点とを結ぶ直線上に配置されることを特徴とする請求項１に記載の面光源装置。
3. 前記拡散板に照射される線状光源からの直射光の光量分布曲線と反射板からの正反射光の光量分布曲線との位相は反転しており、かつ、前記直射光と前記正反射光の振幅がほぼ等しいことを特徴とする請求項２に記載の面光源装置。
4. 前記反射板の正反射率を２％以上から１０％程度としたことを特徴とする請求項３に記載の面光源装置。
5. 前記線状光源の配列ピッチが前記反射板の前記線状光源の長手方向と直交する方向の深さより大きいことを特徴とする請求項３に記載の面光源装置。
6. 前記反射板が、ポリカーボネート樹脂などの熱可塑性樹脂に酸化チタンを好適とする可視光拡散反射剤を添加した樹脂材料を射出成形、押し出し成形又は圧縮成形の何れかで製造されたものであることを特徴とする請求項１に記載の面光源装置。
7. 前記反射板が、超臨界流体を利用した微細発泡成形又は化学発泡剤による発泡成形により製造されたものであることを特徴とする請求項１に記載の面光源装置。
8. 前記反射板が、板金加工された金属板に拡散反射フィルムを貼り付けて製造されたものであることを特徴とする請求項１に記載の面光源装置。
9. 前記反射板が、板金加工された金属板の表面に酸化チタンを好適とする白色高反射率塗装をすることにより製造されたものであることを特徴とする請求項１に記載の面光源装置。
10. 前記２つの半楕円の境界部は、丸みをつけた境界部であることを特徴とする請求項８又は９に記載の面光源装置。
11. 拡散板の直下に配置された複数の線状光源と前記線状光源からの光を反射する反射板とからなる面光源装置において、
    前記反射板の前記線状光源の長手方向と直交する断面は、第１の楕円と第２の楕円の各第１の焦点を前記線状光源の位置で共有し、各第２の焦点が前記線状光源よりも前記拡散板側にある第1の楕円と第２の楕円の２つの楕円の輪郭を、前記反射板側の第1の焦点と前記拡散板側の第２の焦点との間において分割した２つの半楕円を並べた形状を有し、
    前記線状光源のそれぞれは、各対応する前記二連半楕円形状の輪郭内で前記共有する各第１の焦点の位置にあって、その長手方向背面および側面から前記反射板で囲まれており、
    前記反射板は、前記線状光源からの光を前記拡散板の方向に正反射及び拡散反射することを特徴とする面光源装置。
12. 前記反射板は、当該反射板を形成する前記分割された２つの半楕円の交点を前記線状光源側寄りに移動させた形状を有することを特徴とする請求項１１に記載の面光源装置。
13. 前記反射板は、前記分割された２つの半楕円の交点を覆う突起部を有することを特徴とする請求項１１に記載の面光源装置。
14. 拡散板の直下に配置された複数の線状光源と前記線状光源からの光を反射する反射板とからなる面光源装置において、
    前記反射板の前記線状光源の長手方向と直交する断面は、第１の楕円と第２の楕円が交差し、前記第１の楕円の第１の焦点と第２の焦点を含む直線と前記第２の楕円の第１の焦点と第２の焦点を含む直線との交点は前記線状光源よりも前記反射板側にあり、前記反射板側に位置した前記第１の楕円と第２の楕円の輪郭を、該第１の楕円と第２の楕円の前記反射板側の各第１の焦点を含む直線で分割した２つの半楕円を並べた二連半楕円形状を有し、
    前記線状光源のそれぞれは、各対応する前記二連半楕円形状の輪郭内で前記第１の楕円の第１の焦点と前記第２の楕円の第１の焦点を結ぶ直線上と前記分割された２つの半楕円の交点との間にあって、その長手方向背面および側面から前記反射板で囲まれており、
    前記反射板は、前記線状光源からの光を前記拡散板の方向に正反射及び拡散反射することを特徴とする面光源装置。
15. 前記線状光源のそれぞれは、前記第１の楕円の第１の焦点と第２の楕円の第１の焦点を含む直線上で、前記第１の楕円の第１の焦点と前記第２の楕円の第１の焦点の中間に配置されていることを特徴とする請求項１４に記載の面光源装置。
16. 前記線状光源のそれぞれは、前記第１の楕円の第１の焦点と第２の焦点を含む直線と第２の楕円の第１の焦点と第２の焦点を含む直線の交差位置に配置されていることを特徴とする請求項１４に記載の面光源装置。