JP4247035B2 - 面状光源 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、発光光源からの光を板状の導光板の側面より入射し、導光板で略直角方向に光路変換して出射し、導光板の出射光を、液晶表示装置の液晶セル等の被照明体に照明光として投射し、液晶表示装置の液晶セル等の被照明体の全面を照明する面状光源に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ブック型のワードプロセッサやコンピュータ、又は携帯電話機その他の携帯情報端末機器の表示装置として薄型の液晶表示装置が用いられているが、この液晶表示装置の照明のため、薄型でしかも見易い照明手段として、上記の導光板を有する面状光源が用いられている。この面状光源の発光源としては、蛍光管等の線状の光源を使用するものと、発光ダイオード等の点状の光源を複数個使用するものがあり、印加する電圧が低く消費電力が少ないところから、小型の液晶表示装置等では、複数個の発光ダイオード（以下ＬＥＤという。）を発光光源として使用することが多い。
【０００３】
そして、最近では、小型の液晶表示装置もカラー化が進むことで、より明るい照明が求められ、従来のモノクロの液晶表示装置の何倍もの明るさの照明が求められるようになった。このため、発光光源となるＬＥＤから出射する光の指向性が高いものを用い、より密度の高い導光板に取り込むことが必要となってきた。そこで、複数個のＬＥＤを発光光源として使用する面状光源では、出射光の指向性の強いＬＥＤを使用することとなるが、指向性の強いＬＥＤを使用すると、例えば特許文献１に示すように、導光板（３１）の発光源ＬＥＤ（３２）近い側（端面３１ａの側）では、複数個のＬＥＤ３２の中間位置と両端に、導光板３１の内部を伝播する光の谷間となって、光が到達しない三角形の部分Ａが生ずる。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−０８２６２５（図４）
【０００５】
図１３はこのような従来の面状光源の一例を示す図であり、図１３（ａ）は上面図、図１３（ｂ）は側面図である。図１３において、１０２は発光光源であるＬＥＤ、１０１は導光板、１０３は導光板１０１の上面１０１ａに対向して配設されたプリズムシート、１０４は導光板１０１の下面１０１ｂに近接、対向して配設された反射シートである。図１３に示すように導光板１０１は平面形状が矩形の板状をなし、プラスチック等の透光材よりなる。導光板１０１の下面１０１ｂはシボまたはドットまたはプリズムや印刷による不規則な凹凸を有し、散乱面となっている。複数のＬＥＤ１０２が導光板１０１の一側面である入光側面１０１ｃに対向して配設されている。導光板の上面１０１ａおよび入光側面１０１ｃを含む４つの側面は鏡面等の平滑な面となっている。ＬＥＤ１０２に所定の電流を流して、これを発光させるとＬＥＤ１０２の出射光は導光板１０１の前記入光側面１０２ｃを屈折により透過して導光板１０１の内部入り、その内部に広がる内部光となる。この内部光は導光板の下面１０１ｂで乱反射、上面１０１ａで全反射を繰り返しながら導光板１０１内を伝播し、その間に屈折により上面１０１ａを透過し、上方に出射する。この出射した光は前記プリズムシート１０３に入りここでプリズムの屈折作用により、図上で略垂直方向に方向が揃えられ、面状の照明光として、図示しない液晶パネル等の照明対象に向け出射する。なお、反射シート１０４は導光板の下面１０１ｂから散乱により外部に出射する光を反射して再び導光板１０１内に戻し、光の利用効率を高める役割をなす。ここで、図１３（ａ）の斜線で示す範囲Ｓは、ＬＥＤ１０２から導光板１０１に入射して導光板の入光側面１０１ｃを屈折で透過した内部光が導光板１０１の内部で存在、分布する光存在領域であり、斜線のない部分Ｓ１は前記内部光が存在しない光欠落領域である。内部光の存在しない光欠落領域Ｓ１は入光側面１０１ｃにおける最大の屈折角の屈折光を斜辺とする三角形をなしている。図１３（ｃ）に示すように例えば、ＬＥＤ１０１の発光ｓの最大出射角を５５°としたとき、ｓが入射する入光側面１０２ｃにおける最大屈折角（又は屈折の最大出射角）は略３０°となり、前記の欠落領域Ｓ１の三角形の斜辺と底辺のなす角は略６０°となる。
【０００６】
このように、導光板１０１において、内部光の存在しない領域である光欠落領域Ｓ１が、入光側面１０１ｃからかなり入りこんだ状態で存在する。従って、この導光板１０１を用いた面状光源で、液晶セル等の被照明体を照明するときはＬＥＤ１０２に近い部分（又は入光側面１ｃに近い部分）において明るい部分と暗い部分を交互に生じ、輝度が不均一となり、照明の品質が低下する。この輝度の不均一は、図１３に示す面状光源のように、薄型化と構造簡素化のため、導光板に拡散板を介することなく直接にプリズムシート（１０３）を対向させた構造においては、導光板内における輝度の分布がほとんどそのまま照明光の輝度に反映するので、この場合は特に問題となる。
【０００７】
そこで、このような欠点を改善するため、例えば、特許文献２に示すように、導光板（１）のＬＥＤ（２）に対向する入光側面（１ｃ）に複数のプリズム（１ｃ１）を形成した面状光源が知られている。これによれば、プリズムの斜面におけるＬＥＤの光線の入射角を小さくできるので、ＬＥＤの光線の導光板入射時の屈折による曲がりを少なくし、照明の暗い部分の面積を縮小し、照明の輝度ムラを改善することが期待された。
【０００８】
【特許文献２】
特開２００２−１９６１５１（図１、図２）
【０００９】
図１４はこのようなプリズムを設けた導光板を有する従来の面状光源を示す図であり、図１４（ａ）は上面図、図１４（ｂ）は側面図である。図１４において１０１ｐは導光板１０１の入光側面１０１ｃに設けた複数のプリズムである。その他の構成は図１３に示す面状光源と同様である。図１４（ｃ）は図１４（ａ）のＬＥＤ１０２付近の拡大図である。図１４（ｃ）に示すプリズム１０１ｐの頂角αはこの例においては６０°以下となっている。このとき、ＬＥＤ１０１から最大出射角５５゜で出射した光線ｓは、プリズム１０１ｐの斜面に対し法線よりも上側で入射し、屈折により外側に折れ曲がり、透過光ｓｐの入光側面１０１ｃに対する出射角は５５°以上となる。図に示す例においては略６０°となっている。（プリズム１０１ｐの頂角αが７０°のときは、前記の光線ｓのプリズムに対する入射角は０°となり光線は折れ曲がることなく直進し、透過光ｓｐの出射角は５５°となるが、αが７０°以下となる屈折光は外側に折れ曲がり、透過光ｓｐの出射角は５５°を超え、αが６０°以下となると出射角は６０°に近づいてくる。）すなわちこの透過光ｓｐの入光側面１０２ｃを基準とした最大出射角は略６０゜となり、図１３（ｃ）に示したプリズムのない場合の最大出射角（略３０゜）よりも大となる。
【００１０】
最大出射角が小さいと、図１３（ａ）に示すように光欠落領域Ｓ１の三角形の斜面の勾配が急となって、光欠落領域Ｓ１の導光１０２内への入り込みが深くなる。反対に、最大出射角が大きいと、図１４（ａ）に示すように光欠落領域Ｓ１の三角形の斜面の勾配が緩やかになって、光欠落領域Ｓ１の導光１０２内への入り込みが浅くなる。この光欠落領域Ｓ１の入り込みが浅くなるほど、導光板における輝度の均一性が向上する。ここで、プリズム（１０１ｐ）の頂角を小さくし、プリズムの斜面の傾斜角を上げて行くに従って、導光板１０１内部における最大出射角がさらに大となり、光欠落領域（Ｓ１）の入り込みを更に浅くすることができる。よって、かかるプリズムにおいて頂角を適切に選定することにより、欠落領域Ｓ１の導光板１０１内への入り込みを浅くし、導光板における内部光の輝度の均一性を向上し、これにより、照明光の輝度の均一性を向上させることができる。ここで、図１５は個々のプリズム透過光が集まってなす集合光束を示す図である。図１５において、ＳＫは図１４に示した前記の各プリズム１０１ｐの透過光ｓｐがＬＥＤ１０２ごとに複数個、集合してなる集合光束である。そして、図１６（ａ）は導光板１０１内における集合光束ＳＫの分布を示す図である。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
入光側面に複数のプリズムを有する導光板を用いた上記の面状光源においても、以下のような問題がある。▲１▼上記したように、各プリズム１０１ｐを透過した、ＬＥＤからの光は複数のプリズムを透過して複数の透過光ｓｐとより、これが集合して集合光束ＳＫが構成されるが、このような集合光束ＳＫは、図１６（ａ）に示すように各ＬＥＤ１０２から発して、八の字形に左右（図面上では上下）分かれて導光板１０１内を進行し分布する。この集合光束ＳＫにおいて、前記の個別のプリズムの透過光（ｓｐ）同士の間隔（図１５のｗ）が狭くなると、この集合光束ＳＫはまとまった一体の光線として認識され輝線として目立つようになる。▲２▼この集合光束（ＳＫ）の周辺（集合光束間の隙間）には暗い部分を生じやすい。
すなわち、図１５に示すように、最大出射角が大となり、これに対応して入光側面１０１ｃに対する最小傾斜角が小さくなってくると、複数のプリズム１０１ｐによりそれぞれ屈折された透過光ｓｐの光線ついて、隣り合う光線同士の間隙Ｗが小さくなり、肉眼では間隙が識別できなくなる場合を生じ、複数の光束がまとまって見える場合がある。
【００１２】
そして、このような場合には、図１６（ａ）に示すように、導光板１０１全体としては、各ＬＥＤ１０２から発して左右（図上では上下）に開く八の字形の集合光束ＳＫ内の個々のプリズム透過光ｓｐ（図１５参照）が識別できず、集合光束ＳＫが一体の光線として視認され輝線として目立つようになる。次に、集合光束ＳＫが一体として認識されるか否かにかかわらず、図１６（ａ）に示すように集合光束ＳＫ同士の間に隙間領域Ｒを生じ、この部分において輝度が低下する傾向にある。図１６（ｂ）はそれぞれ、図１６（ａ）のＡ−Ａ断面およびＢ―Ｂ断面に沿って測定した輝度の分布を示す図である。これによれば前記の輝線隙間領Ｒにおいて、輝度の低下が見られるが、Ｂ−Ｂ断面において特に顕著な低下が見られる。
【００１３】
このように、導光板にプリズムを設けた従来の面状光源においては、プリズム１０１ｐの存在により光欠落領域Ｓ１の導光板１０２内部への入り込みは浅くなり、この点では有利となったものの、導光板１０１内で上記したような集合光束の輝線の目立ちを生ずることがあり、又、導光板内部において輝度の均一性が低下するという問題を生ずる。なお、図１４に示すような拡散板を有しない構成の面状光源においては導光板内の内部光の輝度の分布や輝線の発生がそのまま照明光の品質に反映されるため、特に問題は大きい。すなわち、参考図である図１７に示すような面状光源においては導光板１０１の上方に拡散シート１０５を対向配置し、更にその上方にプリズムシート１０３を配置した構成となっており、この場合は導光板１０１の内部光の輝線や輝度の分布が拡散シート１０５の作用により、ある程度ならされた形で照明光に反映される。しかし、すでに説明した図１４に示す面状光源のように、薄型化と簡素化を目的として、導光板（１０２）の上方に拡散シートを介することなく、プリズムシート（１０３）を対向配設した構成の面状光源においては、前記の輝線の目立ちや輝度の低下する部分（図１６（ａ）のＲ）がそのまま照明光に反映されやすく、このため、これらが直接に照明の品質の低下をもたらすこととなる。
そこで、本発明は複数のプリズムを設けた導光板を有する面状光源において発生することのある上記の２つの問題を改善し、面状光源の照明の品質を向上することを課題とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、その第１の手段として、本発明は、板状の透光材よりなり、下面に反射手段を備えた導光板と、その導光板の側方に配した発光光源を有する面状光源であって、前記発光光源からの光が入光する前記導光板の入光側面に複数のプリズムを設けた面状光源において、プリズムの頂角をα、プリズムのピッチをＰ、プリズムの高さをｈ、発光光源からの光の実質的な最大射出角をθ０、導光板の屈折率をｎとしたとき、
｛Ｐ−２ｈ×ｔａｎ（α／２）｝×ｃｏｓ｛θ２＋９０°−（α／２）｝＞０．０８７ｍｍ
（但し、θ２＝ｓｉｎ^−１［｛ｓｉｎ（θ０−９０°＋（α／２））｝／ｎ］）
の関係が成立するプリズムを有する導光板を備えたことを特徴とする。
【００１６】
上記の課題を解決するために、その第２の手段として、本発明は、板状の透光材よりなり、下面に反射手段を備えた導光板と、その導光板の側方に配した発光光源を有する面状光源であって、前記発光光源からの光が入光する前記導光板の入光側面に頂角の異なる複数種類のプリズムを設けた面状光源において、頂角の異なる複数種類のプリズムのうち少なくとも１種類のプリズムにつき、プリズムの頂角をα、プリズムのピッチをＰ、プリズムの高さをｈ、発光光源からの光の実質的な最大射出角をθ０、導光板の屈折率をｎとしたとき、
｛Ｐ−２ｈ×ｔａｎ（α／２）｝×ｃｏｓ｛θ２＋９０°−（α／２）｝＞０．０８７ｍｍ
（但し、θ２＝ｓｉｎ^−１［｛ｓｉｎ（θ０−９０°＋（α／２））｝／ｎ］）
の関係が成立することを特徴とする。
【００１７】
上記の課題を解決するために、その第３の手段として、本発明は、前記第２の手段において、頂角の異なる複数種類のプリズムの作用によりそれぞれに発生する光源の明部と暗部とが互いに補完しあって、全体的に照明光の明暗の差が緩和されることを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に、図面に基づいて本発明の第１実施形態に係る面状光源について説明する。
図１は本第１実施形態に係る面状光源の構成を示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図である。図１に示す面状光源は、導光板１と、発光光源として３個のＬＥＤ２と、プリズムシート３と反射シート４を有している。プリズムシート３は導光板１の上面１ａに対向する位置に配され、反射シート４は導光板１の下面１ｂに近接、対向して配されている。導光板１は透光性を有するプラスチック材等よりなり、板状で略直方体形状をしており、その上面１ａは鏡面仕上げ等の滑らかな面とであり、光出射面となっている。上面１ａと対向する下面１ｂには、前記ＬＥＤ２から導光板１内に入った光を前記上面１ａに向けて反射させるための手段として、シボ又はドット又は不規則なプリズム又は印刷による不規則な凹凸を備えた散乱面が形成されている。１ｃは導光板１の入光側面であり、ここに第１プリズム１ｐ１および第２プリズム１ｐ２が形成されている。この入光側面１ｃに対向して、３個のＬＥＤ２が近接して配置されている。導光板１の入光側面１ｃを含む４つの面の表面は鏡面仕上げ等の滑らかな面となっている。
【００１９】
図２は図１（ａ）のＬＥＤ２の付近の拡大図である。図２に示すように、導光板１の入光側面１ｃには頂角がα１である第１プリズム１ｐ１と、頂角がα２である第２プリズム１ｐ２が形成され互いに１つおきに隣り合うように配列されている。ここで第１プリズム１ｐ１の頂角α１は、第２プリズム１ｐ２の頂角α２よりも小となっている。
【００２０】
上記の構成において、図示しない駆動回路よりＬＥＤ２に所定の電流が供給されると、ＬＥＤ２は所定の色、例えば略白色の光を発光、出射する。ＬＥＤ２からの光は前記入光側面１ｃから導光板１に入り、図１（ｂ）に示す上面１ａで全反射、下面１ｂで乱反射を繰り返しながら導光板の内部を広く伝播し、その間に上面１ａを屈折により透過した光が上面１ａからプリズムシート３に向けて出射する。導光板１からプリズムシート３に入射した光は、その方向が略垂直方向に整えられて、照明光として外部に出射する。ここで、反射シート４は導光板１の下面１ｂから散乱によって下側に出射した光を反射させて再度、導光板１内に戻し、光の利用効率を高める作用をする。
【００２１】
上記の照明光を発生する過程において、図２に示すように、ＬＥＤ２から所定の出射角（例えば５５°）で発し、入光側面１ｃの第１プリズム１ｐ１および第２プリズム１ｐ２に達した入射光ｓは、それぞれ、プリズム面で屈折されて透過光ｓｐ１及びｓｐ２となって、導光板１内を進行する。ここで、水平方向の面１ｃにおける第１プリズム１ｐ１の透過光ｓｐ１の出射角をφ１、第２プリズム１ｐ２の透過光ｓｐ２の出射角をφ２とすると、φ１＞φ２の関係がある。これは後に詳述するように、プリズムの頂角が小さくなるほど出射角（φ）は大となる関係があるからである。ここで、図１（ａ）において、Ｓは導光板１における内部光の存在する光存在領域、Ｓ１は内部光の存在しない光欠落領域である。この三角形をなす光欠落領域Ｓ１の斜辺の角度は前記の第1プリズム１ｐ１を透過した透過光ｓｐ１（又は内部光）の出射角φ１の最大値に等しい。そして、φ１の最大値が大となるほど、欠落領域Ｓ１の導光板１の内部への入り込みは浅くなる傾向にある。
【００２２】
次に、プリズムの角度とその透過光の導光板１内部への出射角の関係につき検討する。ここで、一般に、図３に示すようにプリズムｐの傾射角をβとし、プリズムの頂角をαとすると β＝９０°―（α／２） となる。ＬＥＤ２からの光線ｓの出射角すなわち、水平方向１ｃに対する入射角をθ０とし、プリズム面に対する入射角をθ１とすると、
θ１＝θ０―（９０°―（α／２））＝θ０―β・・・・（１）
（（∵α／２＝９０°―θ０＋θ１））
となる。プリズム面における屈折光による出射角をθ２、導光板１の屈折率をｎとすると、スネルの法則により、
θ２＝ｓｉｎ^−１［（ｓｉｎθ１）／ｎ］
＝ｓｉｎ^−１［｛ｓｉｎ（θ０―９０°＋（α／２））｝／ｎ］
＝ｓｉｎ^−１［（ｓｉｎ（θ０―β）／ｎ）・・・・（２）
となる。θ２は透過光ｓｐのプリズム面の法線となす角であるが、透過光ｓｐの水平方向１ｃを基準とする出射角をφとすると
φ＝θ２＋β＝θ２＋９０°―（α／２）・・・（３）
となる。
【００２３】
今、ＬＥＤ２を発する光線ｓの出射角θ０が θ０＝５５°、導光板１の屈折率がｎ＝１．５８５ の場合につき、プリズムの傾斜角βまたは頂角αを変化させて、前記の（１）、（２）、（３）式を用いて、出射角φを計算により求めた結果を、図４に示す。図４に示すように、プリズムの傾斜角βを増加させ、頂角αを減少させて行くに従がって、透過光（又は内部光）ｓｐの前記出射角φは略３０゜から略７０゜まで単調に増大する。本第１実施形態においては、図２に示すように前記の第１プリズム１ｐ１と第２プリズム１ｐ２の２種類のプリズムを用いるのであるが、第１プリズム１ｐ１としてその透過光ｓｐ１の出射角φを大きくするために頂角αが小さめものを選択し、第２プリズム１ｐ２としてはその透過光ｓｐ２の出射角φを小さくするため頂角αが大きめもの（ただし、１８０°よりは十分小さいもの）を選択する。ここで、第１プリズムと１ｐ１して出射角φが大きくなる頂角αを選択するのは、図１に示す光欠落領域Ｓ１の導光板１内部への入り込みを浅くするためであり、第２プリズム１ｐ２として出射角φが小さくなる頂角αを選択するのは、第１プリズム１ｐ１の透過光ｓｐ１の存在しない部分を、φの比較的小さい第２プリズム１ｐ２の透過光ｓｐ２により補完するためである。
【００２４】
図５は、本第１実施形態において上記の透過光（ｓｐ１、ｓｐ２）同士の補完の状態の一例を示す図である。図５において、ＳＫ１は、図２に示す第１プリズム１ｐ１ごとの透過光束ｓｐ１が複数個集合して構成される集合光束であり、ＳＫ２は、図２に示す第２プリズム１ｐ２ごとの透過光束ｓｐ２が複数個集合して構成される集合光束である。図５に示すように集合光束ＳＫ１とＳＫ２は導光板１内において共にＬＥＤ２を起点として八の字形に左右（図上では上下）に開いて伸びている。そしてＳＫ１の出射角はＳＫ１の出射角よりも大となっている。これにより、集合光束ＳＫ１とＳＫ１の隙間で、従来暗部とされていた領域（図１６（ａ）参照）Ｒに、集合光束ＳＫ２が入りこみ、隙間を補完している。この結果、本第１実施形態においては従来よりも導光板１の内部における輝度の均一性が向上する。なお、この点については後に更に詳しく説明する。
【００２５】
次に、本第１実施形態において配慮したプリズムの寸法とプリズムのピッチ間隔につき説明する。このような配慮は、すでに従来例で説明したように（図１５参照）、個々のプリズムにより屈折されて生じた光線同士の間隔が狭くなって全体がまとまった光線として視認されることがあるという不都合をなくすために行うものである。以下に、プリズムの高さおよびピッチをどのようにすべきかにつき説明する。図６は１個のプリズムｐに入射した光線の屈折後の光線の幅を示す図である。図６において、ｈはプリズムを高さ、αを頂角とする。ＬＥＤ２からθ０の方向に発した光はプリズムの斜面にθ１で入射するが、その後スネルの法則によりθ２の方向に屈折され、導光板（図示しない）の中を進む。このθ２でプリズムの斜面を出射した光がそのまま導光板の有効発光エリアに進むためには、プリズム底辺部分を通過しなければならない。そこで、プリズムの付け根からθ２方向の光を逆にたどると、入射面の高さｈ´のところで入射していることがわかる。
【００２６】
ちなみに、このｈ´を求めると、
ｈ´＝２ｈ×ｔａｎ（α／２）／｛ｔａｎ（α／２）＋ｔａｎ（α／２＋θ２）｝
となる。（∵ａ＝ｈ´×ｔａｎ（α／２＋θ１２） ｂ＝ｈ´×ｔａｎ（α／２）
ａ＋ｂ＝２ｈ×ｔａｎ（α／２））
ここで、プリズムｐの底辺の幅をＷｐとすると、
Ｗｐ＝２ｈ×ｔａｎ（α／２）・・・・（４）
次に、プリズムを通過して導光板内部に入りこむ光の幅Ｗは、
Ｗ＝Ｗｐ×ｓｉｎ(９０°―φ)＝Ｗｐ×ｃｏｓφ
となるが、この式に（４）式を代入すれば、
Ｗ＝２ｈ×ｔａｎ（α／２）×ｃｏｓφ
となる。
【００２７】
次に、図７示すようにプリズムｐがある間隔で設けられているとき、プリズムのピッチをＰとすると、プリズムのないフラットの部分の幅Ｗｆは（４）式も考慮して
Ｗｆ＝Ｐ−Ｗｐ＝Ｐ−２ｈ×ｔａｎ（α／２）・・・・（５）
である。ここで、のプリズムで屈折された光はフラット部分では存在しないので、プリズムを通った光は、図７のようにＷｎの間隔が空くことになる。この間隔を求めると、
Ｗｎ＝Ｗｆ×ｓｉｎ（９０°―φ）＝Ｗｆ×ｃｏｓφ
となる。ここに、（３）、（５）式を代入すれば、
Ｗｎ＝｛Ｐ−２ｈ×ｔａｎ（α／２）｝×ｃｏｓ（θ２＋９０°―（α／２））・・（６）
となる。
但し、θ２は（２）式で現される。すなわち、
θ２＝ｓｉｎ^−１［｛ｓｉｎ（θ０―９０°＋（α／２））｝／ｎ］
【００２８】
一例として、従来のプリズムの寸法およびピッチ間隔を引用して、（６）式を用いて各プリズムの透過光同士の間隔Ｗｎを計算する。ここで、プリズムの頂角αを９０°、高さｈを ｈ＝０．３３ ピッチ間隔Ｐを Ｐ＝０．１８ とすると、θ０＝５５°、ｎ＝１．５８５ として（６）式を用いて計算すると、
Ｗｎ＝｛０．１８−２×０．０３×ｔａｎ４５°｝×ｃｏｓ（４５°＋６．３°）
＝０．１２×０．６２＝０．０７４ｍｍ
となる。
【００２９】
ところで、図７に示すプリズムの透過光同士の間隔Ｗｎの値は実際にどの程度必要であるかを検討する。一般的に視力が１．０である人の目の分解能は１´（＝１／６０°）と言われている。又、携帯電話やＰＤＡなどの小型デイスプレイを見るときのデイスプレイと人の目の距離はおよそ３００ｍｍであり、そのときの人の目の認識できる間隔は
３００×ｔａｎ（１／６０）＝０．０８７ｍｍ であるから、前述した寸法のプリズムの場合の各プリズムの透過光の同士の間隔が０．０７４ｍｍと認識限度以下となるため、その各プリズムの透過光を１本１本を分割して認識することができず、集合光束としては、太くまとまった１本の線に見えてしまう。バックライトとして見た場合、ＬＥＤに近い側で、左右に分かれた集合光束が輝線として目立たないようにするためには、各プリズムにより屈折された光が上記のまとまって見えないようにすることが重要である。そのためには、上記のＷｎの値を認識限度である０．０８７ｍｍ以上にすることが必要である。ただし、上記に述べた計算は、出射光の方向θ１を１つに特定して計算したものであり、実際には種々の方向の出射光がプリズムで屈折されて内部光となるので、この計算はあくまでも目安であり、実際の数値は最終的には実験で求める。いずれにしても、従来は、光線の間隔Ｗｎに関してかかる認識限度を考慮しないで、プリズム列の寸法を設定していたので、間隔Ｗｎが認識限度以下となり、複数の光線が太くまとまって輝線として目立つことが少なくなかった。
【００３０】
次に、本第１実施形態において採用した、上記の光線の間隔Ｗｎが認識限度以上となり、個々の光束が識別できる条件を満たしたプリズムの寸法と配列の具体例につき説明する。図８はこの具体例を示す図である。 図８（ａ）に示すようにＬＥＤ２と対向して、第１プリズム１ｐ１と第２プリズム１ｐ２が互い１つおきに配列されている。ここで、図８（ｂ）に示すように、第１のプリズム１ｐ１の頂角αを６０°、高さｈを０．０３ｍｍ、第２のプリズム１ｐ２の頂角αを１３０°とする。この条件において、第１プリズムに１ｐ１について、線間距離Ｗｎを識別限度０．０８７ｍｍを超える値０．１ｍｍとなるためのピッチＰを求める。このために、（６）式を変形し、
Ｐ＝Ｗｎ／ｃｏｓ（θ２＋９０°―（α／２））＋２ｈ×ｔａｎ（α／２）・・・（７）
とし、（７）式に上記の第１プリズム１ｐ１の頂角 α＝６０° 高さ ｈ＝０．０３ｍｍ と目標の線間距離 Ｗｎ＝０．１ｍｍ を入れて計算する。なおこのとき、
ｎ＝１．５８５ θ０＝５５° として、（２）式よりθ２を求める。この結果、
Ｐ＝０．２１７ ｍｍ となる。このとき、プリズムの底辺の幅をＷｐは（４）式より
Ｗｐ＝２ｈ×ｔａｎ（α／２）
であり、第１プリズム１ｐ１同士の間隙は（７）式を考慮して、
Ｐ−Ｗｐ＝Ｗｎ／ｃｏｓ（θ２＋９０°―（α／２））
であり、この間隙の値は０．１８３ｍｍとなっている。
【００３１】
次に、この間隙いっぱいに設ける第２プリズム１ｐ２の高さｈを計算する。
（４）式すなわち Ｗｐ＝２ｈ×ｔａｎ（α／２） においてＷｐ＝０．１８３ｍｍ α＝1３０° とすることにより、 ｈ＝０．０４２ｍｍとなる。
このようにして決めた図８（ｂ）に示す寸法のプリズム１ｐ１及び１ｐ２の透過光ｓｐ１、ｓｐ２の状態を図８（ａ）に示す。ここで、透過光ｓｐ１の出射角５７°および透過光ｓｐ２の出射角４４°はそれぞれ、α＝６０° 、α＝１３０° を（３）式に入れてφよりより求めた値である。第１プリズム１ｐ１の透過光ｓ１ｐ同士の間隔は当然０．１ｍｍとなって識別限界以上となるが、第２プリズム１ｐ２の透過光ｓ２ｐ同士の間隔Ｗｎ２は必ずしも識別限界以上となるとは限らない。しかし、このような場合でも、その透過光ｓ２ｐの出射角は４４°で、比較的小さいので、輝線として目立ちにくく実害はない。
【００３２】
次に、第１プリズム１ｐ１同士の間隔を上記の０．１８３ｍｍに固定したまま、第１プリズムの高さを上げてゆくと、第１プリズムの透過光ｓ１ｐの幅をひろげ、その透過光の光量を上げて行くことができる。この例を図９に示す。図９（ｂ）に示すように、第１プリズム１ｐ１の頂角αはそのまま（６０°）とし、高さｈを０．０８ｍｍとすると、図９（ａ）に示すように、線間距離Ｗｎは０．１ｍｍを確保した状態で、第１プリズム１ｐ１の透過光ｓ１ｐの幅を図８の場合よりも広げることができる。この場合、第２プリズム１ｐ２の透過光ｓｐ２の幅は、図８の場合よりも、減少する。これは、第１プリズム１ｐ１の高さが高くなったために、ＬＥＤ１に対する出射角がθ０（５５°）の入射光ｓのうち、第１プリズム１ｐ１に遮られるものが増え、第２プリズム１ｐ２における入射範囲が減少するためである。このように、第１プリズムの高さを適切に選定することにより、第１プリズムの透過光ｓ１ｐの幅と第２プリズムの透過光ｓ２ｐの幅を調節し、これらの透過光の輝度のバランスをとり、導光板（１）の輝度の均一化を更に向上させることができる。
【００３３】
次に、図１０は図９に示した寸法のプリズムを用いた導光板１における内部光の分布状態を示す図である（ＬＥＤ２に近い部分に限定して示す。）。ここで、図１０（ａ）は第１プリズム１ｐ１の透過光ｓｐ１の分布状態を示し、図１０（ｂ）は第２プリズム
の１ｐ２透過光ｓｐ２の分布状態を示し、図１０（ｃ）は前記透過光ｓｐ１とｓｐ２が混在した実際の状態を示す。図１０（ａ）に示すように、透過光ｓｐ１は個々の第１プリズム１ｐ１から左右（図では上下方向）に八の字に分かれて導光板１内を進行する。そして１つのＬＥＤ２からの入射光に対応して複数本（ここでは４本）の透過光ｓｐ１よりなる集合光束ＳＫ１が左右に八の字に分かれて進行する。この集合光束ＳＫ１は図５に示すＳＫ１に相当するものである。ここで、集合光束ＳＫ１を構成する各透過光ｓｐ１の光束同士の間隔は０．１ｍｍとなっており、前記の識別限界値以上となっているので、個々別別の光束として認識でき、集合光束ＳＫ１全体をまとまった太い１本の輝線として認識することはない。よって、輝線の目立ちはなくなる。なお透過光のｓｐ１および内部光束ＳＫ１の導光板１内部への出射角は５７°である（図９参照）。
【００３４】
図１０（ｂ）に示すように、透過光ｓｐ２は個々の第２プリズム１ｐ２から左右（図では上下方向）に八の字に分かれて導光板１内を進行する。そして１つのＬＥＤ２からの入射光に対応して複数本（ここでは４本）の透過光ｓｐ２よりなる集合光束ＳＫ２が左右に分かれ進行する。（ちなみに、この場合透過光ｓｐ２同士の間隔は図９のＷｎ２に示すように０．１ｍｍよりも大となっている。）この集合光束ＳＫ２は図５に示すＳＫ２に相当するものである。なお透過光ｓｐ２および集合光束ＳＫ２の導光板１内部への出射角は４４°である（図９参照）。次に、図１０（ｃ）においては、第１プリズム１ｐ１の透過光ｓｐ１と第２プリズム１ｐ２の透過光ｓｐ２の分布状態が共に示されている。これによれば、透過光ｓｐ１のまとまり（前記ＳＫ１に相当）が存在しない領域（図５のＲに相当する部分）に第２プリズム１ｐ２の透過光がｓｐ２が入りこみ、この部分を補完している。図５（ｂ）は図９に示すプリズムを使用した場合の図５（ａ）のＡ−Ａ断面およびＢ−Ｂ断面における輝度の分布を示す図である。これによれば、Ｒ部分おける輝度の落ち込みがなくなり、従来よりも輝度の均一性が向上することがわかる（図１６参照）。
【００３５】
このように、本第１実施形態の面状光源によれば、導光板１の入光側面に頂角の小さな第１プリズム１ｐ１と頂角の大きい第２プリズム１ｐ２を設け、第１プリズムのピッチＰ等の寸法を所定の条件を満足するように設定することにより、▲１▼個々の第１プリズム１ｐ１がＬＥＤ２からの入光を屈折してなる透過光ｓｐ１同士の間隔を所定の識別値以上として、前記集合光束（ＳＫ１）の輝線の目立ちをなくすことができる。▲２▼個々の第２プリズム１ｐ２がＬＥＤ２からの入光を屈折してなる透過光ｓｐ２により、導光板１内において、前記第１プリズム１ｐ１の透過光ｓｐ１の集合光束（ＳＫ１）の隙間を補完し、輝度の均一性を向上させることができる。このようにして、本第１実施形態は、導光板１内部において輝線の発生の防止、輝度の均一性の向上がなされるので、図１７の参考例に示すような拡散シート１０５を有しない図１に示すような簡素化された面状光源で、導光板の輝度の品質が直接的に照明光の品質に反映されるものにおいても、十分な照明光の品質を確保することができる。なお本第１実施形態においては頂角の異なる２種類のプリズムを導光板に設けたが、本発明はこれに限らず、頂角の異なる３種類以上のプリズムを導光板に設けることによっても同様の効果を得ることができる。
【００３６】
本発明の第２実施形態として、図９に示したプリズムの配列とは異なるプリズムの配列を有する導光板を有する面状光源につき、図面を用いて説明する。図１１は本第２実施形態に係る面状光源を示す図であり、図１１（ａ）はＬＥＤ２の付近を示す拡大図、図１１（ｂ）その導光板１おける導光板のプリズムの形状、配列の寸法を示す図である。なお、本第２実施形態の他の部分の構成は図１に示した第１実施形態と同様である。本第２実施形態においては、第１プリズム１ｐ１は２個ずつまとめて配置され第２プリズムは１個又は複数個まとめて配置されている。図１１（ｂ）に示す例においては、第１プリズム１ｐ１の頂角は６０°、高さｈは０．０８ｍｍ、であり、２個の第１プリズム１ｐ１が幅０．１８３のフラット部１ｆを空けて配列している。
【００３７】
その２個の第１プリズム１ｐ１の外側に１個の第２プリズム１ｐ２が接続して配置されている。第２プリズムの高さｈは０．０６ｍｍその頂角は１３０°であり、その幅は０．２５７ｍｍである。すなわち、第１プリズム同士の間隔でみれば０．１８３ｍｍと０．２５７ｍｍとなっている。図１１（ａ）に示すように、第１プリズム１ｐ１透過光ｓ１ｐ、第２プリズムの透過光ｓ２ｐのほかに、第１プリズム１ｐ１間のフラット部１ｆの透過光ｓ１ｆ（この出射角は頂角１８０°として式（３）より求めれば３１°となる。）が生じ、これら３種類の透過光のバランスが取れる場合には互いに補完しあって、導光板（１）全体における輝度の均一性が更に向上する。この場合、第１プリズム１ｐ１の透過光ｓｐ１同士の間隔はプリズム１ｐ１同士の間隔に応じて長い場合と短い場合があるが、短い場合でも０．１ｍｍとなっており、個々の識別が可能であり、輝線の目立ちが回避される。なお、図１０（ｂ）の例においては、２個の連続した第１プリズム１ｐ１の間に１個の第２プリズム１ｐ２が配置されているが、この代わりに、１１（ｃ）に示すように２個の連続した第１プリズム１ｐ１間に２個の連続した第２プリズム１ｐ２を配列してもよい。このように、第１プリズムと第２プリズムを複数個ずつ交互に配列することも可能である。
【００３８】
以上に説明した、第１実施形態および第２実施形態においては第１プリズム１ｐ１の頂角は６０°、第２プリズム１ｐ２の頂角は１３０°の場合につき説明したが、本発明はこれらの数値に限らず、比較的大きな頂角の第１プリズムと比較的小さな頂角の第２プリズムを用い、第１プリズムに関してはその透過光の間隙Ｗｎ（（６）式参照）が、識別限度０．０８７ｍｍを十分に超えるように、配慮して第１プリズムの高さ（ｈ）とピッチ（Ｐ）を選定することにより、輝線の目立ちをなくし、輝度の均一性を向上させる点に関し同様の効果をあげることができる。
【００３９】
以下に本発明の第３実施形態につき、図面を用いて説明する。図１２は本第３実施形態に係る面状光源のＬＥＤ２の付近を示す拡大図である。なお、本第２実施形態の他の部分の構成は図１、に示した第１実施形態と同様である。 図１２に示すように、本第３実施形態においては１種類のプリズム１ｐのみが導光板１の側面に整列している。そして、このプリズム１ｐの頂角（α）高さ（ｈ）およびピッチ（Ｐ）は図９に示したプリズム配列の第１プリズム１ｐ１と同様であり、α＝６０°、ｈ＝０．０８ｍｍ、Ｐ＝０．２５７ｍｍとなっているが、プリズム１ｐ同士の間隔（０．１８３ｍｍ）の部分がフラット部１ｆとなっている。ＬＥＤ２からの入射光ｓがプリズム１ｐを屈折により透過し、透過光ｓｐを生じ、フラット部１ｆを屈折により透過することにより透過光ｓｆを生ずる。ここで、透過光ｓｐ、ｓｆの出射角はすでに説明した原理によりそれぞれ、５７°および３１°である。又透過光ｓｐ同士の間隔はすでに説明した原理により、０．１ｍｍである。
【００４０】
本第３実施形態においては、プリズムは１種類であり、図５に示すＲ部の補完はできず、導光板の輝度を十分に均一にすることはできないものの、個々のプリズム１ｐの透過光のｓｐの間隔が０．１ｍｍとなり、識別限界値を超えるように配慮されてプリズム列が構成されているため、従来生ずることのあった八の字形に開いた集合光束の輝線の目立ちがなくなり、照明の品質が向上する。なお、この例の数値に限らず、１種類のプリズムを用いプリズムの透過光の間隙Ｗｎ（（６）式参照）が、識別限度０．０８７ｍｍを十分に超えるように、配慮してプリズムの頂角（α）、高さ（ｈ）とピッチ（Ｐ）を選定することにより、輝線の目立ちをなくす効果が得られる。
【００４１】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、導光板と発光源としてのＬＥＤを有し、導光板のＬＥＤと対向する受光面にプリズムを形成してなる面状光源において、個々のプリズムの透過光の間隔を所定値以上に確保することにより、導光板に発生する輝線の目立ちをなくすこと及び複数の種類のプリズムを用いて、プリズム透過光が存在しない領域を補完し合い、導光板の輝度の均一化を向上し、これにより照明光の品質を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る面状光源を示す図である。
【図２】図１に示す面状光源のＬＥＤの付近を示す拡大図である。
【図３】図１に示す面状光源におけるプリズムの透過光の方向を示す図である。
【図４】図３にプリズムの透過光の角度を計算で求めた結果を示す線図である。
【図５】図１に示す面状光源の導光板における集合光束の分布を示す図である。
【図６】図６に示す面状光源のプリズムの透過光の幅を示す図である。
【図７】図６に示す面状光源の個々のプリズムの透過光の間の間隔を示す図である。
【図８】図１に示す面状光源の導光板における個々のプリズムの寸法、配列およびその透過光の１例を示す図である。
【図９】図１に示す面状光源の導光板における個々のプリズムの寸法およびその透過光の他の例を示す図である。
【図１０】図１に示す面状光源において、図９に示すプリズムの寸法および配列を適用した場合の導光板におけるプリズム透過光の分布を示す図である。
【図１１】本発明の第２実施形態の面状光源におけるプリズムの配列およびその透過光を示す図である。
【図１２】本発明の第３実施形態の面状光源におけるプリズムの配列およびその透過光を示す図である。
【図１３】従来の面状光源を示す図である。
【図１４】従来の面状光源を示す図である。
【図１５】図１４に示す面状光源における個々のプリズムの透過光を示す図である。
【図１６】図１４に示す面状光源の導光板における集合光束の分布を示す図である。
【図１７】従来の面状光源を示す図である。
【符号の説明】
１ 導光板
１ａ 上面
１ｂ 下面
１ｆ フラット部
１ｃ 入光側面
１ｐ１ 第１プリズム
１ｐ２ 第２プリズム
２ ＬＥＤ
３ プリズムシート
４ 反射シート
Ｓ 光存在領域
Ｓ１ 光欠落領域
ＳＫ１、ＳＫ２ 集合光束
ｓｐ、ｓｐ１、ｓｐ２ 透過光
α、α１、α２ 頂角
β 傾斜角
φ、φ１、φ２ 出射角

Claims (3)

1. 板状の透光材よりなり、下面に反射手段を備えた導光板と、その導光板の側方に配した発光光源を有する面状光源であって、前記発光光源からの光が入光する前記導光板の入光側面に複数のプリズムを設けた面状光源において、プリズムの頂角をα、プリズムのピッチをＰ、プリズムの高さをｈ、発光光源からの光の実質的な最大射出角をθ０、導光板の屈折率をｎとしたとき、
   ｛Ｐ−２ｈ×ｔａｎ（α／２）｝×ｃｏｓ｛θ２＋９０°−（α／２）｝＞０．０８７ｍｍ
   （但し、θ２＝ｓｉｎ^−１［｛ｓｉｎ（θ０−９０°＋（α／２））｝／ｎ］）
   の関係が成立するプリズムを有する導光板を備えたことを特徴とする面状光源。
2. 板状の透光材よりなり、下面に反射手段を備えた導光板と、その導光板の側方に配した発光光源を有する面状光源であって、前記発光光源からの光が入光する前記導光板の入光側面に頂角の異なる複数種類のプリズムを設けた面状光源において、頂角の異なる複数種類のプリズムのうち少なくとも１種類のプリズムにつき、プリズムの頂角をα、プリズムのピッチをＰ、プリズムの高さをｈ、発光光源からの光の実質的な最大射出角をθ０、導光板の屈折率をｎとしたとき、
   ｛Ｐ−２ｈ×ｔａｎ（α／２）｝×ｃｏｓ｛θ２＋９０°−（α／２）｝＞０．０８７ｍｍ
   （但し、θ２＝ｓｉｎ^−１［｛ｓｉｎ（θ０−９０°＋（α／２））｝／ｎ］）
   の関係が成立することを特徴とする面状光源。
3. 頂角の異なる複数種類のプリズムの作用によりそれぞれに発生する光源の明部と暗部とが互いに補完しあって、全体的に照明光の明暗の差が緩和されることを特徴とする請求項１又は２に記載の面状光源。

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