トップ :: F 機械工学 照明 加熱 武器 爆破 :: F21 照明




【発明の名称】 導光板および平面照明装置
【発明者】 【氏名】カランタル カリル
【要約】 【課題】広い領域全体に亙って均一な照明を行うことが困難であり、反射式液晶ディスプレィに適用できない。

【解決手段】表面部１５と、裏面部１６と、これら表面部１５および裏面部１６の一端側に位置して照明ランプ１４からの照明光を導入するための入射端面部１３とを有し、観察位置と被観察物Ｏとの間に配される導光板１２であって、表面部１５および裏面部１６の少なくとも一方にランダムに突設されて入射端面部１３から導光板１２内を伝播する光を被観察物Ｏに向けて出射させるための複数の凸部２２を具え、これら複数の凸部２２の面積の合計を表面部１５あるいは裏面部１６の面積の１〜２０％の範囲内に設定し、導光板１２の裏面部１６全体から照明光束を被観察物Ｏに照射し、その観察位置から照明された被観察物Ｏを導光板１２を通して観察するようにした。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 表面部と、裏面部と、これら表面部および裏面部の一端側に位置して光源からの照明光を導入するための入射端面部とを有し、観察位置と被観察物との間に配される導光板であって、前記表面部および前記裏面部の少なくとも一方にランダムに突設されて前記入射端面部から導光板内を伝播する光を前記被観察物に向けて出射させるための複数の凸部を具え、これら複数の凸部の面積の合計は、前記表面部または前記裏面部の面積の１〜２０％の範囲内に設定されていることを特徴とする導光板。
【請求項２】 前記表面部の単位面積当たりに占める前記凸部の割合は、前記入射端面部から離れるほど大きく設定されていることを特徴とする請求項１に記載の導光板。
【請求項３】 前記表面部の単位面積当たりに占める前記凸部の割合は、前記入射端面部の長手方向に沿った表面部の幅方向両側端部が相対的に大きく設定されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の導光板。
【請求項４】 前記凸部の大きさは、１５０μm 以下であることを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の導光板。
【請求項５】 表面部と、裏面部と、これら表面部および裏面部の一端側に位置して光源からの照明光を導入するための入射端面部とを有する導光板と、この導光板の前記入射端面部に向けて照明光を投射する光源と、前記導光板の前記表面部および前記裏面部および前記入射端面部以外の部分を覆う光反射シートとを具え、観察位置と被観察物との間に配される平面照明装置であって、前記表面部および前記裏面部の少なくとも一方にランダムに突設されて前記入射端面部から導光板内を伝播する光を前記被観察物に向けて出射させるための複数の凸部を具え、これら複数の凸部の面積の合計は、前記表面部または前記裏面部の面積の１〜２０％の範囲内に設定されていることを特徴とする平面照明装置。
【請求項６】 前記表面部の単位面積当たりに占める前記凸部の割合は、前記入射端面部から離れるほど大きく設定されていることを特徴とする請求項５に記載の平面照明装置。
【請求項７】 前記表面部の単位面積当たりに占める前記凸部の割合は、前記入射端面部の長手方向に沿った表面部の幅方向両側端部が相対的に大きく設定されていることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の平面照明装置。
【請求項８】 前記凸部の大きさは、１５０μm 以下であることを特徴とする請求項５から請求項７の何れかに記載の平面照明装置。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、観察位置と被観察物との間に配されて被観察物を照明するための導光板および平面照明装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】反射式液晶ディスプレィは、一般に透過式液晶ディスプレィよりも画像のコントラストが高く、良好な画質の画像を得ることができる反面、外光による照明が必要なため、夜間や照明のない室内などでの使用ができない。このため、携帯用の小型コンピュータに搭載されるディスプレィとしては、バックライト光源を組み込むことが可能な透過式液晶ディスプレィが専ら使用されている。
【０００３】このような反射式液晶ディスプレィに限らず、ごく限られた領域を大がかりな照明器具を使用することなく、効率良く照明することが必要な場合がある。
【０００４】このような要求に対し、従来ではＬＥＤや豆電球を使用して被観察物を直接照明する方法が採用されてきた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】近年、画質の点で優れた反射式液晶ディスプレィを夜間や照明のない室内などでも使用できるように、透過式液晶ディスプレィに用いられるバックライト光源に匹敵する反射式液晶ディスプレィ用の小型の照明装置が望まれている。
【０００６】しかし、従来のものはＬＥＤや豆電球を使用して被観察物の側方や斜め前方から照明光を照射しているだけのため、広い領域全体に亙って均一な照明を行うことが困難であり、反射式液晶ディスプレィに適用するためには無理があった。
【０００７】しかも、観察位置と被観察物との間に照明光源が位置する場合には、照明光源が液晶パネルと干渉して被観察物全体を観察できないおそれもあった。
【０００８】
【発明の目的】本発明の目的は、観察位置と被観察物との間に配され、コンパクトで薄型の導光板およびこの導光板を組み込んだ平面照明装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明の第１の形態は、表面部と、裏面部と、これら表面部および裏面部の一端側に位置して光源からの照明光を導入するための入射端面部とを有し、観察位置と被観察物との間に配される導光板であって、前記表面部および前記裏面部の少なくとも一方にランダムに突設されて前記入射端面部から導光板内を伝播する光を前記被観察物に向けて出射させるための複数の凸部を具え、これら複数の凸部の面積の合計は、前記表面部または前記裏面部の面積の１〜２０％の範囲内に設定されていることを特徴とするものである。
【００１０】本発明によると、光源からの照明光は、導光板の入射端面部から導光板内に入射し、導光板内を全反射しながら反対側の端面部に達する。この間に、導光板内を伝播する光の一部が凸部によって被観察物に向けて出射し、導光板の裏面部とほぼ対応した断面形状の光束が被観察物に照射される。このようにして照明される被観察物は、導光板を通して観察位置から観察される。
【００１１】本発明の第２の形態は、表面部と、裏面部と、これら表面部および裏面部の一端側に位置して光源からの照明光を導入するための入射端面部とを有する導光板と、この導光板の前記入射端面部に向けて照明光を投射する光源と、前記導光板の前記表面部および前記裏面部および前記入射端面部以外の部分を覆う光反射シートとを具え、観察位置と被観察物との間に配される平面照明装置であって、前記表面部および前記裏面部の少なくとも一方にランダムに突設されて前記入射端面部から導光板内を伝播する光を前記被観察物に向けて出射させるための複数の凸部を具え、これら複数の凸部の面積の合計は、前記表面部または前記裏面部の面積の１〜２０％の範囲内に設定されていることを特徴とするものである。
【００１２】本発明によると、光源からの照明光は、導光板の入射端面部から導光板内に入射し、導光板内を全反射しながら反対側の端面部に達し、光反射シートによって再び反対側に戻る。このようにして導光板内を伝播する光の一部が凸部によって被観察物に向けて出射し、導光板の裏面部とほぼ対応した断面形状の光束が被観察物に照射され、この被観察物の照明された部分が導光板を通して観察位置から観察される。
【００１３】
【発明の実施の形態】本発明の第１および第２の形態による導光板および平面照明装置において、表面部の単位面積当たりに占める凸部の割合は、入射端面部から離れるほど大きく設定されていることが望ましい。また、表面部の単位面積当たりに占める凸部の割合は、入射端面部の長手方向に沿った表面部の幅方向両側端部が相対的に大きく設定されていることが望ましい。さらに、凸部の大きさは、１５０μm 以下であることが好ましい。
【００１４】表面部に凸部を形成する場合、入射端面部と表面部または裏面部とそれぞれ直交する平面内において、所定曲率の円弧面を有するものであってもよい。
【００１５】裏面部に凸部を形成する場合、この凸部は、裏面部に対して垂直に投影した輪郭形状が三角形をなし、その一辺が入射端面部とほぼ平行に設定されると共に当該一辺がこれに対する頂点よりも入射端面部側に位置していることが好ましい。この場合、裏面部に対して垂直に投影した輪郭形状が三角形をなし、その一辺が入射端面部とほぼ平行に設定されると共に当該一辺に対する頂点が該一辺よりも入射端面部側に位置する第２の凸部を裏面部に複数形成するようにしてもよく、凸部と第２の凸部とを一辺を共有して一体的に形成するようにしてもよい。また、この凸部は入射端面部側ほど裏面部との間隔が狭まる傾斜面を有するものであってもよい。
【００１６】さらに、裏面部の単位面積当たりに占める凸部の割合は、入射端面部の長手方向に沿った裏面部の幅方向両側端部がその中央部よりも相対的に大きく設定されていてもよい。
【００１７】
【実施例】本発明を反射式液晶ディスプレィに応用した実施例について、図１〜図１５を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこのような実施例に限らず、これらをさらに組み合わせたり、同様な課題を内包する他の分野の技術にも応用することができる。
【００１８】本実施例による平面照明装置の断面構造を表す図１およびその分解した状態の外観を表す図２に示すように、本実施例における平面照明装置１１は、例えば反射式液晶ディスプレィなどの被観察物Ｏに近接してこれに重ね合わせるように配され、被観察物Ｏと対向する観察位置（図１では平面照明装置１１の上方）からこの平面照明装置１１を通して被観察物Ｏが観察される。
【００１９】平面照明装置１１は、矩形の板状をなす導光板１２と、この導光板１２の入射端面部１３に沿って配置される線状の照明ランプ１４と、導光板１２の入射端面部１３ならびに表面部１５および裏面部１６以外の部分を覆う光反射シート１７とを有する。また、冷陰極管などで構成される照明ランプ１４は、反射面が放物線状断面を有するリフレクタ１８で囲まれており、このリフレクタ１８からの反射光は、裏面部１６とほぼ平行に導光板１２の入射端面部１３から導光板１２内に入射するようになっている。
【００２０】本実施例では、光源として冷陰極管などによる照明ランプ１４を使用したが、一直線状に並ぶＬＥＤアレィでこれを構成することも可能である。
【００２１】本実施例における導光板１２は、透明なアクリル樹脂（ＰＭＭＡ）やポリカーボネート（ＰＣ）などで形成され、照明ランプ１４からの光を導入するための入射端面部１３と、この入射端面部１３の反対側に位置する反射端面部１９と、これら入射端面部１３および反射端面部１９の両側端に接続する一対の側端面部２０と、これら入射端面部１３および反射端面部１９および一対の側端面部２０で囲まれて観察位置側を向く表面部１５およびその反対側に位置して被観察物Ｏの観察領域の真上に位置決めされる裏面部１６とを有する。
【００２２】導光板１２の表面部１５を模式的に表す図３およびそのIV−IV矢視断面に沿った抽出拡大形状を表す図４に示すように、導光板１２の表面部１５には、所定曲率半径Ｒの円弧面２１で形成された凸部２２がランダムに配置され、これら凸部２２と被観察物Ｏ、例えば反射式液晶ディスプレィを構成する個々の液晶セルとの間でモアレ縞などが発生しないように配慮している。この凸部２２は、入射端面部１３から入射して導光板１２内を伝播する光Ｌを効率良く全反射させて裏面部１６側に導くためのものであり、個々の凸部２２を肉眼にて識別できないように、直径２ｒがそれぞれ１５０μm 以下に設定されているが、これが小さすぎることによる光の拡散の問題と製造の容易性とを考慮して１０μm 以上であることが望ましく、この範囲に納まるようにその曲率半径Ｒと表面部１５からの高さｈとを適当に設定する必要がある。一般的には、表面部１５からの凸部２２の高さｈを１〜５０μm の範囲内に納めることが望ましい。
【００２３】導光板１２に入射した光は、この導光板１２中を進行するに連れてそのエネルギが減少するため、導光板１２の表面部１５に突設された凸部２２の割合を漸次変化させる必要がある。具体的には、裏面部１６から出射する反射光線がこの裏面部１６全体に亙って均一な輝度となるように、裏面部１６の単位面積当たりに占める凸部２２の面積割合（以下、これを占有率と記述する）は、照明ランプ１４からの光の進行方向（図１中、右方向）に沿った表面部１５の位置と凸部２２の占有率との関係を表す図５に示すように、反射端面部１９側ほど大きな占有率となるように設定されている。
【００２４】本実施例では、表面部１５に対して裏面部１６を平行に設定しているが、表面部１５と裏面部１６との間隔が入射端面部１３側に対して反射端面部１９側ほど狭くなるように、裏面部１６に対して表面部１５がほんの僅か（例えば０. ５度から１度程度）傾斜したテーパ状に成形するようにしてもよい。
【００２５】ところで、被観察物Ｏが反射式液晶ディスプレィの場合、この反射式液晶ディスプレィを構成する個々の液晶セルと凸部２２との位置関係を模式的に表す図６に示すように、液晶セルＯC の中央とその四隅とに凸部２２がそれぞれ位置するような関係を有することが有効である（実際には、モアレ縞が発生しないように、凸部２２はランダムに配置する必要がある）。この場合、液晶セルＯC の面積に対する凸部２２の面積の割合（％）は、矩形をなす液晶セルの縦横の寸法をｘ, ｙとすると、（１００・２πｒ2 ）／ｘｙで表すことができる。
【００２６】表面部１５全体に占める凸部２２の割合が多くなると、表面部１５全体がすりガラス状となって透明度が低下し、導光板１２を通しての観察が行いにくくなってしまう。逆に、凸部２２の割合が少なすぎると、被観察物Ｏ側への照明光の照射量が低下し、被観察物Ｏが暗くなってしまう。凸部２２の好ましい大きさが１０〜１５０μm であることから、液晶セルＯC の面積に対する凸部２２の面積の割合、つまり表面部１５の面積に対する凸部２２の面積の総和を表面部１５の面積の１〜２０％の範囲内に設定することが望ましい。
【００２７】上述した実施例では、凸部２２として円弧面２１を持った球面の一部で形成したが、本発明による凸部２２の他の実施例の外観を表す図７に示すように、入射端面部１３と平行な軸線を中心とする円柱面２３を持った凸部２２としたり、あるいはその円柱面２３の頂部に二点鎖線で示すような平面部２４を形成して略台形状にすることも可能であり、要するに導光板１２内を伝播する光線が表面部１５で全反射せずに観察位置側に出射するような角度にある場合、これを裏面部１６側に全反射させるような面を持った凸部２２であれば、他の如何なる形状であっても良い。
【００２８】また、これらの実施例では凸部２２を表面部１５から導光板１２の外側に突出させたが、上述した輪郭形状の凸部２２をそのまま表面部１５あるいは裏面部１６から導光板１２の内側に凹ませるように形成しても同様な効果を得ることができる。
【００２９】このように、凸部２２を表面部１５側に形成する場合には、凸部２２は基本的に全反射の機能を持たせる必要があるが、裏面部１６側に凸部を突設する場合には、導光板１２内を伝播する光線が裏面部１５で全反射するするような角度にある場合、これを裏面部１６で全反射させずにそのまま被観察物Ｏ側に出射させるような機能を持たせる必要がある。
【００３０】このような本発明による平面照明装置の他の実施例の概略構造を図８に示し、その矢視IX部を図９に抽出拡大して示し、その１つの凸部の外観を図１０に示すが、先の実施例と同一機能の部材には、これと同一符号を記すに止め、重複する説明は省略するものとする。すなわち、導光板１２の裏面部１６には、この裏面部１６に対して垂直に投影した輪郭形状が三角形をなし、一対の対称な垂直錐面２５と傾斜錐面２６とを有し、裏面部１６から二等辺三角錐状に突出する凸部２２がランダムに配置されている。この場合、傾斜錐面２６の底辺２７は、入射端面部１３とほぼ平行に設定され、この底辺２７に対して傾斜錐面２６の頂点２８を反射端面部１９側に位置させている。
【００３１】本実施例における凸部２２は、入射端面部１３から入射した光Ｌの進行方向に対して直交する方向の対角線の幅、つまり傾斜錐面２６の底辺２７の長さがｗ,垂直錐面２５の底辺２９の長さがｓ, 裏面部１６からの高さがｈの三角錐状をなし、主として垂直錐面２５から照明光が出射して被観察物Ｏを照明するようになっており、上述したｗ, ｓの割合やｓ, ｈの割合は、適宜変更可能であるが、傾斜錐面２６の底辺２７の長さｗや垂直錐面２５の底辺２９の長さｓは、１〜１５０μm の範囲にあることが好ましく、裏面部１６からの高さｈが１〜５０μm の範囲にあることが好ましい。
【００３２】これら凸部２２の一対の垂直錐面２５は、反射端面１９側に向けて導光板１２内を伝播する光の一部を導光板１２の外側に出射させ、被観察物Ｏの表面に向けてそれぞれ集光状態で出射させるようになっており、これら凸部２２は集光出射機能を有している。
【００３３】裏面部１６側から見た凸部２２の平面形状を表す図１１に示すように、凸部２２内に入った光線Ｌが一対の垂直錐面２５で全反射せずにここから出射するためには、裏面部１６と平行な平面内を進行する光線Ｌを考えた場合、垂直錐面２５に対する光線Ｌの入射角をθとすると、【００３４】
【数１】θ≦sin -1（ｌ／ｎ）
を満足する必要がある。ここで、円周率をπとすると、一対の垂直錐面２５のなす角α1 は、α1 ＝２・｛（π／２）−θ｝であるから、【００３５】
【数２】α1 ≧π−２sin -1（ｌ／ｎ）
となるが、実際問題として、光線Ｌの光路を含む平面は、裏面部１６に対して傾斜しており、この平面内における一対の垂直錐面２５のなす角αは、光線Ｌと裏面部１６とのなす角をβとした時、tan α＝cos β・tan α1 であるから、【００３６】
【数３】
α≧tan -1［ cosβ・ tan｛π−２sin -1(1/n) ｝］
を満足すればよいことが判る。
【００３７】具体的には、屈折率ｎが１. ４９のアクリル樹脂を導光板１２として採用した本実施例では、αが約９５度以上である必要がある。また、実際問題として、光線Ｌの光路を含む平面は裏面部１６に対して傾斜しており、この光線Ｌと裏面部１６とのなす角をβとした場合、これが垂直錐面２５で全反射せずにここから出射するためには、【００３８】
【数４】β≦（３／２）・sin -1（ｌ／ｎ）
を満足する必要がある。ここで、β＝（３／２）・sin -1（ｌ／ｎ）の場合、本実施例における上述のαは約１３５度となるので、αが９５度から１３５度の範囲に収まるように、凸部２２を形成することが好ましい。
【００３９】従って、入射端面部１３から導光板１２内に入射して裏面部１６で全反射するような光Ｌの一部は、凸部２２に入射することにより、この凸部２２から導光板１２の外側に集光状態で出射して被観察物Ｏを照明する結果、導光板１２を通して明るい被観察物Ｏを観察することができる。
【００４０】なお、この三角錐状をなす凸部２２を表面部１５側に形成する場合、この凸部２２の向きを逆向きに設定して頂点２８が底辺２７よりも入射端面部１３側に位置するようにし、凸部に入射する光をその傾斜錐面で全反射させる必要がある。また、本実施例では、凸部２２を三角錐状に形成したが、図１２に示すように裏面部１６と平行な平面部２４を有する三角錐台状に形成してもよく、これらの垂直壁面３０を導光板１２の成形時における金型に対して抜き勾配を与えるため、裏面部１６に対する垂直面とのなす角φが０度から６０度程度となるように傾斜させてもよい。
【００４１】本発明の導光板や平面照明装置に利用可能な凸部の他の実施例の外観を図１３に抽出拡大して示すが、図１２の実施例の場合と同様に、図１〜図１１に示した実施例と同一機能の部材には、これと同一符号を記すに止め、重複する説明は省略するものとする。ただし、図中の斜線領域は、裏面部１６とそこから突出する凸部２２との接合領域を表し、矢印が光Ｌの進行方向、すなわち入射端面部１３に対して垂直な方向を示している。
【００４２】本実施例における凸部２２は、光Ｌの進行方向に対して直交する方向の横幅がｗ, 光Ｌの進行方向に沿った長さがｓ, 裏面部１６からの高さがｈの二点鎖線で示す直方体に対応する三角柱状をなし、主として反射端面部１９側を向く垂直壁面３１から光Ｌが出射して被観察物Ｏを照明するようになっている。従って、この凸部２２を図１３中の二点鎖線で示す直方体形状にしても、機能的にはほとんど変わらないので、例えば、凸部２２の別な実施例を表す図１４に示すように、金型に対して抜き勾配を与えるため、台形状にすることも可能である。また、これらの横幅ｗと長さｓとの割合や、長さｓと裏面部１６からの高さｈとの割合は、適宜変更可能であり、先の実施例と同一機能の部材には、これと同一符号を記してある。
【００４３】次に、図８〜図１１に示した凸部２２の形状に対応した第２の凸部を有する本発明の他の実施例の外観を図１５に示すが、先の実施例と同一機能の部材にはこれと同一符号を記すに止め、重複する説明は省略するものとする。すなわち、本実施例における凸部３２（以下、便宜上、第１の凸部３２と呼称する）および第２の凸部３３は、導光板１２の裏面部１５（図８参照）から外方にそれぞれ突出するように形成されており、第１の凸部３２が図８〜図１１に示した実施例の凸部２２に対応している。第２の凸部３３は、第１の凸部３２の傾斜錐面２６の底辺２７と接して向かい合うように組み合わされ、これらは裏面部１６に対して垂直な投影形状が全体として菱形をなす。この第２の凸部３３は、入射端面部１３（図８参照）とほぼ平行に設定された第１の凸部３２の傾斜錐面２６の底辺２７、つまり第２の凸部３３の傾斜錐面３４の底辺２７に対する頂点３５がこの底辺２７よりも入射端面部１３側に位置しており、一対の対称な垂直錐面３６をさらに有する二等辺三角錐である。本実施例では、第１の凸部３２と第２の凸部３３とが底辺２７を対称軸とする鏡像関係に設定されており、この場合、第１の凸部３２の垂直錐面２５の底辺２９の長さに対して他方の垂直錐面３６の底面３７の長さが異なっていてもよく、傾斜錐面２６, ３６の底辺２７に対して直交する対角線Ｃに関して対称であることが望ましい。
【００４４】第２の凸部３３は、反射端面部１９（図１参照）側から入射端面部１３側へ導光板１２内を戻る光を裏面部１６側へ全反射するのに主として機能するものである。
【００４５】上述した実施例では、第１の凸部３２と第２の凸部３３とを組み合わせた形状に設定したが、第２の凸部３３を第１の凸部３２と離して別々に配置し、この第１の凸部３２の分布状態に対して異なる分布状態、例えば入射端面部１３側ほど多くなるように配置することも可能であり、これによって反射端面部１９側から戻る光も、より均一に導光板１２の裏面部１６側に全反射させて被観察物Ｏを効率よく照明することができる。
【００４６】なお、上述した凸部を表面部１５および裏面部１６共にそれぞれ形成することも可能であるが、これら凸部の面積の総和は、表面部１５および裏面部１６の何れか一方の面積に対して１〜２０％の範囲内に設定することが望ましい。
【００４７】
【発明の効果】本発明によると、導光板の表面部および裏面部の少なくとも一方にランダムに形成されて入射端面部から導光板内を伝播する光を被観察物側に向けて出射させるための複数の凸部を設け、これら複数の凸部の面積の合計を表面部または裏面部の面積の１〜２０％の範囲内に設定したので、導光板の裏面部から出射する照明光束が被観察物に照射され、この被観察物の照明された部分が導光板を通して観察位置から観察することができ、反射式液晶ディスプレィ用のコンパクトで薄型の照明装置としても利用することができる。
【００４８】また、表面部の単位面積当たりに占める凸部の割合を入射端面部から離れるほど大きく設定した場合や、表面部の単位面積当たりに占める凸部の割合を、入射端面部の長手方向に沿った表面部の幅方向両側端部が相対的に大きくなるように設定した場合には、導光板の裏面部から照射される光量が導光板の裏面部全域に亙って均一化され、照度むらのない照明光を得ることができる。
【００４９】さらに、凸部の大きさを１５０μｍ以下にした場合には、観察位置から導光板を通して被観察物を観察する場合、凸部の存在を気にすることなく観察することができる。
【出願人】 【識別番号】３９１０１３９５５
【氏名又は名称】日本デンヨー株式会社
【出願日】 平成１０年（１９９８）５月２７日
【代理人】 【弁理士】
【氏名又は名称】谷 義一 （外３名）
【公開番号】 特開平１１−２５０７１３
【公開日】 平成１１年（１９９９）９月１７日
【出願番号】 特願平１０−１４６３５４