JP2005285388A - 照明装置及びこれを備える表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 柱状レンズシートと導光板を用いた照明装置の輝度を均一で視角特性に優れたものにすること。
【解決手段】 導光板の光照射面と反対側に設けられ、特定角度範囲で入射した光を散乱するとともにそれ以外の角度で入射された光を透過する第一柱状レンズシートと、第一柱状レンズシートの背後側に設けられた反射板を備え、光源の光が入射する導光板の入射面とは反対側の面は、入射面と平行な平面を基準として所定の角度だけ傾斜している。さらに、導光板の光照射面と逆側に第一柱状レンズシート、光照射面側に第二柱状レンズシートを設け、第一柱状レンズシートの柱状レンズの傾斜角を光源側に約３０〜６０度、第二柱状レンズシートの柱状レンズの傾斜角を光源と逆側に約０〜３０度とした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、時計、携帯電話、オーディオ、電子機器等に使用される表示装置、及び表示装置に用いられる照明装置に関する。

近年、携帯機器、特に、携帯電話で用いる表示素子には小型軽量が要求されるため、液晶表示素子が多く使われている。しかし、液晶表示素子は受光型のため、暗い場所での視認性に問題がある。そこで、液晶表示素子の前面または背面に照明装置を設置することが多い。この薄型軽量を実現するため照明装置としては、光源としてＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ−Ｄｉｏｄｅ）を導光板の側面に配したサイドライト型の照明装置が多用されている。

このような液晶表示装置に対して、微細な柱状構造が面内に複数本配列され、柱状構造の柱状中央領域はそれを取り巻く外周領域に比べて屈折率が高く、厚さ方向に光を導く機能を有する柱状レンズシートである導光体シートを用いることが開示されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−３５５７６号公報（第３−５頁、第７図）

特許文献１に開示されている柱状レンズシートを用いた従来の構成では、バックライト導光板と柱状レンズシートとの間に拡散層を用いている。ところが、この拡散層がバックライトの導光特性に影響を与えてしまい、均一で高輝度な視角特性に優れた照明を行うことができないという課題を有していた。

本発明の照明装置は、透明材料で形成された平板状の導光板と、導光板の入射面へ光を入射させる光源と、導光板の光照射面と反対側に設けられ、特定角度範囲で入射した光を散乱するとともにそれ以外の角度で入射された光を透過する第一柱状レンズシートと、第一柱状レンズシートの背後側に設けられた反射板と、を備え、入射面とは反対側の面は、入射面と平行な平面を基準として所定の角度だけ傾斜している構成である。このような構成により、良好な輝度と視角特性を持った照明装置を簡便に作製することが可能となる。ここで、入射面とは反対側の面は、入射面と平行な平面を基準として約３〜１０度傾斜している。

また、第一柱状レンズシートは、周囲の領域より屈折率の高い領域が厚み方向に連続的に形成された柱状レンズが面内に複数配列されており、厚さ方向に光を導く機能を有するとともに、この柱状レンズは、第一柱状レンズシートの面に対する垂線方向を基準として光源が配置されている側に傾斜している。この柱状レンズの傾斜角を約３０〜６０度とした。

さらに、導光板の光照射面側に、周囲の領域より屈折率の高い領域が厚み方向に連続的に形成された柱状レンズが面内に複数配列されており、厚さ方向に光を導く機能を有する第二柱状レンズシートを設け、第二柱状レンズシートの柱状レンズは、シート面に対する垂線方向を基準として光源が配置されている側とは反対側に傾斜しており、第二柱状レンズシートの柱状レンズの傾斜角は、第一柱状レンズシートの柱状レンズの傾斜角よりも小さくなっている。ここで、第二柱状レンズシートの柱状レンズの傾斜角は０度より大きく３０度以下とすることが好ましい。

さらに、第一柱状レンズシートおよび第二柱状レンズシートと導光板との間の少なくとも一方に、導光板の屈折率よりも大きい屈折率の高屈折率層を設けた。第一柱状レンズシートと導光板との間に設けられた高屈折率層は、第一柱状レンズシートの柱状レンズの屈折率と略等しいことが好ましい。また、第二柱状レンズシートと導光板との間に設けられた高屈折率層は第二柱状レンズシートの柱状レンズの屈折率と略等しいことが好ましい。また、これらの高屈折率層として高屈折率接合剤を用いることができる。

さらに、第一柱状レンズシートおよび第二柱状レンズシートを構成する柱状レンズの充填密度が、光源から離間するに従って大きくした。あるいは、柱状レンズの配列を非周期的配列とした。

また、導光板の光入射面と光照射面に対して略垂直な２つの端面に、光拡散構造を形成した。

本発明の表示装置は、上述した構成の照明装置の光照射面側に非自発光型の表示素子を配置した構成である。このような構成により、良好な輝度と視角特性を持った表示装置を簡便に作製することができる。

本発明によれば、良好な輝度と視角特性を有する薄型軽量の照明装置を提供できるために、これを用いた液晶表示装置の表示品質が向上するのみならず、液晶表示装置の薄型軽量化をも実現できるという効果を有する。

本発明の照明装置に関して図面を参照しながら説明する。図１は本発明の照明装置の構成を模式的に示す断面図である。導光板３の下面には接合層４を介して指向性拡散層としての第一柱状レンズシート２が接合されている。また、第一柱状レンズシート２の下側には反射板５が配置されている。ＬＥＤ光源１から出射した光は、導光板３の内部を導波し、導光板照射面である上面側から図示されていない被照明体に面状一様に照射される。被照明体として、例えば液晶表示素子を用いることによって、輝度が均一で明るい薄型の液晶表示装置とすることができる。ここで、導光板３は、アクリル系樹脂やポリカーボネート系樹脂あるいはシクロオレフィン系樹脂などの透明な高分子で作られている。図１では１つしか描画されていないが、ＬＥＤ光源１は複数個、例えば３から５個用いられるのが通常である。また、図示していないが、ＬＥＤ光源１からの光が入射する導光板３の側面（光入射面）には、入射光の導光板３内部での広がり角を制御するために微小プリズムが形成されている。この微小プリズムは図１紙面上の上下方向の稜線を持っており、広がり角は微小プリズムの頂角および高さによって制御することができる。

さらに、導光板３の光入射面とは反対側の端面はテーパを有している。より詳細には、光入射面と反対側の面は、光入射面と平行な面を基準として約３〜１０度傾斜している。あるいは、このテーパ面と導光板下面とのなす角度は、約８０〜８７度の範囲となっている。

また、導光板３において、光入射面と光照射面に略垂直な２つの側面には、光拡散構造が形成されている。この光拡散構造としては、例えば、シボ構造などを用いることができる。

また、第一柱状レンズシート２は、微細な柱状構造が面内に複数本配列され、柱状構造の中央領域はそれを取り巻く外周領域に比べて屈折率が高く形成され、厚さ方向に光を導く機能を有している。この柱状構造は柱状レンズとしての機能を有している。すなわち、屈折率が中心に向かう程連続的に大きくなっているグレイディッドインデックス型柱状レンズ、または中心部分の屈折率がそれを取り巻く外周領域の屈折率よりも高い２層構造になっているステップインデックス型柱状レンズが平面状に複数配列されているフィルム構造になっている。

グレイディッドインデックス型柱状レンズの場合においても、ステップインデックス型柱状レンズの場合においても、それらを構成する柱状レンズの光軸の方向を柱状レンズの配向方向と呼ぶことにする。第一柱状レンズシート２は、柱状レンズの配向方向が第一柱状レンズシートの面に立てた垂線の方向を基準としてＬＥＤ光源１の配置されている側に傾斜して形成されている。第一柱状レンズシートの面に立てた垂線の方向に対して配向方向がなす角度（傾斜角）約３０〜６０度の範囲内にある。

この柱状レンズシートの製造は、例えば、屈折率の異なる２種類以上の光重合性化合物からなる液状反応層に、グラデーション加工を施したフォトマスクを介して紫外線を照射することによって、光照射強度による光重合性化合物の光重合速度の違いによって屈折率の分布状態を制御することによって行う。

第一柱状レンズシート２は接合層４によって導光板３と接合されている。接合層４としては、エポキシ系接着剤やアクリル系接着剤のような通常の光学接着剤層を用いても良いが、通常のフィルム粘着剤を用いるのが簡便である。

この接合層として、図３に示すように高屈折率接合層６を用いることによって、導光板３から通常の接合層を用いる場合に比べて効率良く光を第一柱状レンズシートに伝えることが可能となり、その結果、本発明の照明装置の輝度を向上させることができる。通常の粘着剤では空気などの混合によって屈折率が低下しているために、高屈折率接合層６は接着剤または粘着剤に高屈折率高分子材料または高屈折率酸化物超微粒子を混合して得る。

図２に、導光板３の光照射面上に第二柱状レンズシート２ｂが接合層４ｂによって接合されている照明装置の断面図を模式的に示す。図面では明確ではないが、第二柱状レンズシート２ｂを構成する柱状レンズは、第二柱状レンズシート２ｂの面に立てた垂線を基準としてＬＥＤ光源が配置されている側と逆側に傾斜して配向している。その傾斜角は、第一柱状レンズシート２ａの傾斜角よりも小さく、約０〜３０度となっている（角度の符号は基準に対して反時計回り方向を正とする）。

図４に示すように、第一柱状レンズシート２ａと第二柱状レンズシート２ｂとを、導光板３に高屈折率接合層６ａと６ｂを用いて接合することによって、光利用効率を向上させることができる。この高屈折率接合層６ａと６ｂのどちらか一方を通常の接合層４にしたとしても、両方とも通常の接合層４とするよりも光利用効率は向上する。

図５は他の構成の照明装置を模式的に示す断面図である。第一柱状レンズシート２ａと２ｂの導光板側表面には高屈折率層７ａと７ｂとが形成されており、導光板３とは通常の接合層４ａと４ｂとで接合されている。この高屈折率層７ａおよび７ｂの屈折率は導光板３の屈折率よりも大きな値となっており、柱状レンズシートを構成している微細柱状レンズの高屈折領域の屈折率と同程度またはそれよりも小さい値を持っている。高屈折率層３の層厚は１〜５μｍ程度である。高屈折率層７ａや７ｂの形成方法としては、ＣｅＯ_２やＭｇＯとＳｉＯ_２の材料混合物を真空蒸着で成膜しても良いし、シリカゾルとチタニアゾルの混合ゾルなどの屈折率を調整された混合ゾルを塗布焼成して形成しても良い。

次に柱状レンズシート中の光の振舞いについて説明する。図９はステップインデックス型柱状レンズシートを用いた場合の光の挙動を示した模式図である。また、簡単のため、図３と図４に示した高屈折率接合層６を用いた場合を説明する。図中に導光板３の内部から柱状レンズシートに入射する光の光路の１つを矢印１８で示してある。導光板３の中を導波している光は様々な入射角を持って高屈折率接合層６に入射するが、入射光の多くは導光板の臨界角よりも大きな入射角を持って入射する。高屈折率接合層６は導光板３に比べて大きな屈折率を持っているために、高屈折率接合層６への屈折角はスネルの法則に従って入射角よりも小さくなる。

ステップインデックス型柱状レンズは、高屈折率領域１４と低屈折率領域１５とが明確な境界を持って形成されている。ここで、柱状レンズ中央領域である高屈折率領域１４の屈折率は高屈折率接合層６の屈折率と等しいかまたは大きい。従って、高屈折率接合層６から高屈折率領域１４に入射した光はそのまま直進するかさらに導光板照射面の法線側に向かって屈折する。高屈折率領域１４に入射した光は低屈折率領域１５との境界面に入射するが、境界面への入射角は大きな値となっているために光は全反射される。この光は高屈折率領域１４と低屈折率領域１５との境界面で繰り返し全反射して上方に導波していき、柱状レンズシートの上面から出射される。柱状レンズシートの上面への入射角は、柱状レンズ内の境界面で光が反射されることによって臨界角よりも小さな値となっているために外部に出射される。

このとき、柱状レンズシートの層厚と高屈折率領域１４への光の入射角と入射位置によって柱状レンズシートからの光の出射方向が定まる。そして、柱状レンズシートの層厚が厚くなればなるほど散乱方位の偏りが大きくなるように出射する。また、高屈折率領域１４と低屈折率領域１５の屈折率差が大きいほど散乱角は大きくなる。さらに、柱状レンズシートの層厚が厚くなればなるほど、また円柱半径が小さくなればなるほど、さらにシート面内での柱状レンズの個数密度が大きくなればなるほどヘイズ値は大きくなる。

次に、導光板３の内部から高屈折率接合層６にさらに大きな入射角で入射してきた光が高屈折率領域１４に入射する場合を図１０に示す。この場合、図中の光路１６で示されているように、高屈折率領域１４と低屈折率領域１５との境界面に入射する光の入射角は、図９の場合に比べて小さくなる。その結果、光は境界面を透過して低屈折率領域１５に進入し柱状レンズシートの表面で全反射して再び導光板３に戻ってくる。このように、高屈折率領域１４に入射する光の角度によって、柱状レンズシートの表面から光が散乱照射されるか、全反射して再び導光板に戻ってくるかが決まる。一般に、柱状レンズシートにおいては、ある角度範囲でシートに入射された光は柱状レンズ内を導波して表面から散乱出射され、その角度範囲以外の角度で入射した光は柱状レンズシート内をほぼ直線透過して散乱を受けない。この散乱出射される光の入射角を散乱入射角、直線的に透過する光の入射角を直線透過角と呼ぶことにする。

次に、グレイディッドインデックス型柱状レンズによる柱状レンズシート中の光の振舞いを説明する。グレイディッドインデックス型柱状レンズは、柱状レンズ中心軸付近の屈折率が最大になるような分布を持った高屈折率領域を持ち、その周りを最外周部の屈折率が最小となるような分布を持った低屈折率領域で覆われているが、ステップインデックス型柱状レンズのように高屈折率領域と低屈折率領域との間には明確な境界面を持っていない。

グレイディッドインデックス型柱状レンズの内部に入射した光はより屈折率の高い方へと光路を曲げる。従って、この柱状レンズの中での光路は滑らかな曲線を示す。しかし、この場合においても、ステップインデックス型柱状レンズの場合と同様に、散乱入射角と直線透過角が存在する。すなわち、散乱入射角で入射した光は柱状レンズ内を導波して柱状レンズシートの表面から散乱出射されるが、直線透過角で入射した光はほぼ直進し柱状レンズシートの表面で全反射され再び導光板３の方に戻る。

このときもステップインデックス型柱状レンズシートの場合と同様に、柱状レンズシートの層厚と柱状レンズへの光の入射角と入射位置によって柱状レンズシートからの光の出射方向が定まる。そして、柱状レンズシートの層厚が厚くなればなるほど散乱方位の偏りが大きくなるように出射する。また、高屈折率領域と低屈折率領域によって形成される屈折率の変化量が大きいほど散乱角は大きくなる。さらに、柱状レンズシートの層厚が厚くなればなるほど、また円柱半径が小さくなればなるほど、さらにシート面内での柱状レンズの個数密度が大きくなればなるほどヘイズ値は大きくなる。

また、ステップインデックス型柱状レンズシートやグレイディッドインデックス型柱状レンズシートに関わらず、高屈折率領域と低屈折率領域との屈折率差あるいは屈折率変化量を調節することによって、散乱入射角は４５度程度以下の任意の角度とすることができる。ここで、導光板３の内部を伝播する光の多くは内部で光が効率良く全反射して伝播するように、高屈折率接合層６への入射角が約４３度以上の傾斜した角度になっている。また、この導光板内の導波光入射角はＬＥＤ光源側に傾斜した角度を持った成分が多くなる。

一方、柱状レンズシートは散乱入射角で入射した特定の光のみに対して散乱作用をし、それ以外の入射角度で入射した光に対しては通常の透明シートに対するのと同様に直線的に透過する。

本発明の照明装置においては、第一柱状レンズシートを構成する柱状レンズをＬＥＤ光源側に傾斜させて構成し、第二柱状レンズシートをＬＥＤ光源側と逆側に傾斜することによって、導光板内で伝播する光を効率良く柱状レンズシートで散乱させるようにしてある。具体的には、第一柱状レンズシートの出射面に立てた法線に対して、柱状レンズの配向角をＬＥＤ光源側に約３０〜６０度傾斜させて構成してある。第二柱状レンズシートの出射面に立てた法線に対して、柱状レンズの配向角をＬＥＤ光源とは反対側に約０〜３０度傾斜させて構成してある。

第一柱状レンズシートにＬＥＤ光源側から入射する光は、図１０の光路１６と同様の光路となる。従って、第一柱状レンズシートにＬＥＤ光源側から入射した光は、第一レンズシートの表面で反射され、第一柱状レンズシートから導光板側に出射する。このとき、柱状レンズの傾斜角は３０〜６０度であり、散乱入射角は１０〜４５度とすることができるために、適切な傾斜角と散乱入射角の第一柱状レンズシートを用いることによって、裏面からの反射光を０〜１００％の割合で導光板側に散乱出射させることができる。この散乱光が導光板の照射面に入射する光の入射角は、−１５〜４５度であるために、ほとんどの光をスネルの法則に従って導光板の照射面から出射させることができる。

また、第二柱状レンズシートにＬＥＤ光源側から入射する光は図９の光路１２と同様である。このとき、ＬＥＤ光源から導光板内を伝播して直接入射した光の入射角は約４３度以上であり、一方、第二柱状レンズシートを構成する柱状レンズの傾斜角は０〜３０度である。そのため、第二柱状レンズシートの傾斜角を３０度、散乱入射角を４５度と大きく設定しても、約３０％程度の光は表面で全反射して導光板側に戻る。一方、上記のように、第一柱状レンズシートの裏面で反射されて散乱出射された光は、第二柱状レンズシートに入射角約−１５〜４５度の範囲内で入射することになる。従って、第一柱状レンズシートと第二柱状レンズシートの傾斜角と散乱入射角を適切に洗濯すれば、この散乱光はほぼ１００％第一柱状レンズシートから散乱出射させることができる。

本発明の照明装置においては、柱状レンズのレンズ径が、１μｍ〜２５０μｍ、レンズ高さ（柱状レンズシート層厚）が１０μｍ〜２００μｍの柱状レンズアレイシートを用いることができる。しかしながら、製造歩留まりや光利用効率あるいはハンドリングのし易さなどを考慮すると、レンズ径は５μｍ〜１００μｍ、レンズ高さは２０μｍ〜８０μｍとするのが好ましい。また、柱状レンズの屈折率差は０．０１〜０．０５のものを用いることができる。さらに柱状レンズの配向角は１０〜６０度のものが利用できる。

このように、本発明の照明装置は、導光板表面または裏面にプリズムなどの微細反射構造体を形成することなく、効率良くＬＥＤ光源からの光を照射面側から出射させることができる。そのため、製造が容易になり、低コストで製品を作ることができる。

図６に本発明の照明装置を用いた液晶表示装置における光路の１例を説明する。本最良実施形態による液晶表示装置は、図３に示した本発明の照明装置に液晶パネル８を配して構成されている。また、照明装置内部を伝播する光の光路を、いくつかの場合に分けて矢印１０，１１および１２で示してある。

ＬＥＤ光源１から出射された光は、導光板３の内部に入った後高屈折率接合層６との界面に入射した後、第一柱状レンズシート２に入射する。この入射光は第一柱状レンズシート２に入射する光は直線透過角で入射することになるため、そのまま第一柱状レンズシートの裏面で反射される。このとき、柱状レンズシートの散乱入射角の範囲内で光が反射すると、その光は柱状レンズ内を導波して表面から散乱放出される。

導光板３に戻った散乱光の内、光照射面への入射角が約４３以下の成分は、導光板３の光照射面でフレネル反射を受け、一部は光路１０で示したように被照射対である液晶パネル８を背後から照射する。

また、散乱光の内、光照射面でフレネル反射を受け反射された光は再び導光板３の内部に戻り、第一柱状レンズシート２の裏面に達する。この第一柱状レンズシートの裏面に達した光は再びフレネル反射を受け、一部が透過し反射板５で反射されて第一柱状レンズシートに裏面から再入射する。この再入射光は第一柱状レンズシートで再び導光板３の内部に散乱出射され、その一部は光路１１で示すように液晶パネル８を裏面から照射する。

一方、柱状レンズシートの散乱入射角以上の角度で反射した光は、光路１２で示すように、そのまま柱状レンズシート２を直線的に透過して、再び高屈折率層７と接合層５とを順に透過して導光板３の内部に戻る。この導光板内部に戻った光は、通常の平面透明基板内を導波するのと同様にして、内部で複数回全反射を繰り返して、光入射面との対向面に入射する。

光入射面との対向面で反射した光の光路の１例を図７に示す。光入射面との対向面は上記テーパを有しているために、反射光はその分だけ偏向されて導光板３の内部に戻る。そのため、その戻り光は図６で示されている対向面への入射光１２よりも大きな入射角で導光板３の照射面に入り、さらに反射されて第一柱状レンズシート２に戻ってくる。この光の一部は第一柱状レンズシート２の散乱入射角で入射するため、第一柱状レンズシート２を透過した光は反射版５に対して散乱出射する。その散乱角によって、一部の光は反射板５で反射された後、第一柱状レンズシート２を透過し光路１７で示されるように導光板３の表面から液晶パネル８を照射する。また、残りの光は反射板５で反射された後、第一柱状レンズシート２を透過し光路１３で示されるように導光板３の内面で全反射して再び導光板３の内部に戻る。

以上説明したような、導光板３の内部での様々な光路が存在する結果、図３で示された本発明の照明装置は効率の良い照明を行うことができる。

次に、図４で示されるような柱状レンズシートを２枚有する本発明の照明装置における光路の１例を図８に示す。図８が図６と異なっている点は、第一柱状レンズシート２ａ側から第二柱状レンズシート２ｂに入射した光が、第二柱状レンズシート２ｂの散乱入射角の範囲にある場合は、第二柱状レンズシート２ｂの表面からその傾斜角を中心として散乱入射角の範囲内に制御された光が液晶パネル８に対して散乱照射される点である。このことによって、この液晶表示装置は図３で示された液晶表示装置よりも視角特性に優れた画像表示を実現することができる。

このようにして柱状レンズシートを１枚用いる場合も、２枚用いる場合も、柱状レンズシートの表面から照射された光は、拡散されているためにより均一な照明となる上に、散乱入射角によって規制される指向性のために効率的に液晶パネルを照射することができ、視角特性に優れ、均一で明るい照明装置とすることができる。

次に、柱状レンズシートを構成する柱状レンズの充填密度について説明する。上記のように本発明に用いた柱状レンズシートは導光板内を伝播する光を効率良く散乱出射するために、柱状レンズシートを構成する柱状レンズの充填密度をシート内で一様に配置すると、ＬＥＤ光源側の輝度が大きくなりすぎて輝度分布が悪くなってしまう。

このような、柱状レンズシートの特徴を用いて、本発明の照明装置においては、導光板のＬＥＤ光源に近い側の柱状レンズ充填密度よりも遠い側の柱状レンズ充填密度の方が大きくなるように形成して得た柱状レンズシートを用いた。このようにすることによって、柱状レンズ充填密度が一様な柱状レンズシートを用いた場合よりもＬＥＤ光源からの光を均一に被照明体に照射することができる。

図１１に柱状レンズシートの柱状レンズ充填密度を変化させた構成の１例を示す。この図は、本発明の照明装置を柱状レンズシート側から見た平面図であり、３個のＬＥＤ光源１ａ、１ｂ、１ｃが導光板側面に配置されている。柱状レンズシート２０には柱状レンズ２１が充填して複数配列されている。ここではＬＥＤ光源側の柱状レンズのレンズ径がＬＥＤ光源から離れるに従って小さくなるように配列することによって、柱状レンズの充填密度を変化させている。図を見やすくするように誇張して描かれているが、柱状レンズ径は、およそ５μｍ〜１００μｍまでの大きさで分布しており、その値は導光板サイズや図示されていない導光板や高屈折率層の屈折率、および柱状レンズの層厚や屈折率によって最適値は変化する。また、柱状レンズシート２０面内での配列はモアレ縞の発生を防ぐために、周期性を除去した配列になっている。

図１２に柱状レンズシートの柱状レンズ充填密度を変化させた構成の照明装置を示す。ここでは、ＬＥＤ光源１ａ、１ｂ、１ｃから離れるに従って柱状レンズの配置されている列密度を変化させて充填密度が変わるように配列されている。具体的には柱状レンズはＬＥＤ光源の配列方向に一列に並んだ列単位で配列されており、この列密度がＬＥＤ光源に近い側は密に、ＬＥＤ光源から離れるに従って疎になっている。また、ＬＥＤ光源から離れるに従って列間の距離が二次関数的に狭くなるように配列してある。

充填密度の変化のさせ方は、図１２に示した以外にも、柱状レンズの列間隔を一定にしておき、列内での柱状レンズの配列密度を列がＬＥＤ光源に近くなるほど疎になるようにしてもよいし、これと図１２に示した方法を併用しても良い。

図１２に示す構成では列中の柱状レンズは全て同じ径で、同じ屈折率差を持っている。しかし、ＬＥＤ光源１ａ、１ｂ、１ｃ方向の輝度分布を調節するために、列の内部で光強度の弱い領域の柱状レンズの充填密度が大きくなるように柱状レンズ径を列内で変化させてもよい。このようにすることによって、照明装置全体での輝度分布を向上させることができるばかりでなく、ＬＥＤ光源方向のモワレ縞の発生を防ぐことができる。

図１３に本発明で用いた柱状レンズシートの光透過特性を示す。図１３において、横軸は柱状レンズシートへの光の入射角、縦軸は各入射角に対する光透過強度を表している。図中で２２は傾斜角が０度における柱状レンズシートの特性、２３は傾斜角がα度の場合における柱状レンズシートの特性を表している。ただし、測定雰囲気は大気中であり、柱状レンズシート単体で評価した場合を示してある。

特性２２の場合は、柱状レンズシートは角度±βで光強度がほぼゼロになっていることがわかる。入射角が−β〜βの範囲内では光は散乱透過され、入射角の絶対値がβ以上の範囲内では光は散乱されずに直進透過する。すなわち、βは散乱入射角である。

一方、柱状レンズの配向方向をα度だけ傾けた場合の特性２３は、傾斜角が０度の場合に比べて、散乱入射角がそのままα度だけずれた位置にシフトする。そのとき、散乱入射角の範囲はほとんど変化なく、α−β〜α＋βの範囲内にシフトするだけである。従って、図１３の特性２３においては、角度αで入射した光は透過時に散乱を受けるが角度−αで入射した光は散乱を受けずに直線透過する。すなわち、この柱状レンズシートを導光板に貼り付けたとき、角度−αで入射した光は柱状レンズシートの出射面で全反射して再び導光板の方に戻って行く。

図１３において、傾斜角が０度である２２の場合を考える。このとき、導光板からβ〜−βの角度で入射した照明光は、柱状レンズ内を伝播して表面から散乱照射される。また、γをβよりも大きいが臨界角よりも小さな角度であるとすると、入射角γで入射した光は柱状レンズシートの表面でフレネル反射を受けて、一部は表面から散乱を受けずに照射される。しかし、γをβと臨界角よりも大きな角度とすると、入射角γで入射した光は柱状レンズシートの出射面で全反射して再び導光板内部に戻り照明に寄与することはない。また、導光板内部を伝播する光の多くは約４３度以上の大きな入射角を持って柱状レンズシートに入射するため、これを効率良く利用するためには柱状レンズシートに視角特性に適した傾斜角を与え、それに整合した散乱入射角のものを用いなければならない。

次に、配向方向がαだけ傾いた柱状レンズシートを用いた２３の場合を考える。まず、入射角α−β〜α＋βの入射角度範囲で導光板から入射した光は散乱して出射される。また、それ以外の入射角度範囲で導光板から入射した光は、柱状レンズシートの表面で全反射されて再び導光板内部に戻って行く。

βの値は、柱状レンズアレイシートの層厚、柱状レンズの口径、あるいは柱状レンズの屈折率差などを調整することによって、１０〜４５度程度までの任意の値に制御することができる。

また、傾斜角αの値は、製造時の光照射角度を傾斜させることによって、０〜７０度程度の任意の角度に設定することができる。従って、導光板から約４３度の入射角を持った照明光が入射した場合に、αの値を３５〜７０度とすることによって導光板を導波している光を柱状レンズシートの表面から出射させることができる。ただし、αの値を大きくし過ぎると、出射光の傾きが大きくなり過ぎ、例えば本発明の照明装置を液晶表示装置に適用すると視認性が悪くなるために、αとして大きくても３０〜６０度程度にするのが望ましい。

上述した各構成において、導光板における光入射面との対向面の形状は、必ずしも平面である必要はなく曲面であっても良い。また、その対向面全面が傾斜している必要もない。少なくとも部分的に傾斜している領域があれば輝度を上昇させる効果を有する。さらに、その対向面は断面がくの字形や逆くの字形になっていても良いことは言うまでもない。そして、テーパの傾斜方向は上記のように光源側になっていなければならないことはなく、光源と逆側に傾斜していても良い。

以下に、本発明の実施例を具体的に説明する。

図１に示す構成の照明装置を作製した。３５ｍｍ×４３ｍｍ×０．７ｍｍのアクリル性導光板の表面に通常の粘着剤を用いて柱状レンズシートを貼り付けた。その導光板のサイドに３本のＬＥＤ光源を配置した。また、ＬＥＤ光源が配置されている側と反対側の導光板端面のテーパ角は７度とした。柱状レンズシートには、散乱入射角３０度のグレイディッドインデックス型柱状レンズを一様に配列したものを用いた。また、柱状レンズシートの厚みは７０μｍ、柱状レンズ径は３０μｍとした。貼り付ける柱状レンズシートの傾斜角として０度、１５度、３０度、６０度の４種類のものを用いた。

ＬＥＤ光源を点灯した時に、作製した導光板から出射される光の出射角と輝度との関係を測定し図１４に示した。図１４では、散乱入射角０度の柱状レンズシートを用いた場合の結果を曲線２４に、散乱入射角１５度の柱状レンズシートを用いた場合の結果を曲線２５に、散乱入射角３０度の柱状レンズシートを用いた場合の結果を曲線２６に、散乱入射角６０度の柱状レンズシートを用いた場合の結果を曲線２７に示してある。この結果から分かるように、配向角０度の柱状レンズシートを用いた場合は、シート表面からほとんど光が出射されていない。また、配向角が大きくなるほどシート表面から出射される光強度の最大値は大きくなっている。さらに、出射光量は傾斜角６０度の場合が最大となった。これは、柱状レンズシートに入射する光は全反射角である約４３度以上のものがほとんどであるためと考えられる。従って、傾斜角０度の柱状レンズシートに入射する光は、全て散乱入射角よりも大きくなって外部に出射しないことになる。一方、散乱入射角が３０度以上の柱状レンズシートに関しては入射光に散乱入射角以内の成分が含まれてくるために、外部への出射光が増えている。

この実施例から、図１に示すように柱状レンズシートを１枚だけ用いる場合は、柱状レンズシートの傾斜角を約３０〜６０度にするのが良いことが確認できた。

図２に示す本発明の照明装置を作製した。３５ｍｍ×４３ｍｍ×０．７ｍｍのアクリル性導光板の表面に通常の粘着剤を用いて第一柱状レンズシートと第二柱状レンズシートを貼り付けた。その導光板のサイドに３本のＬＥＤ光源を配置した。また、ＬＥＤ光源が配置されている側と反対側の導光板端面のテーパ角は３度とした。第一柱状レンズシートと第二柱状レンズシートとしては、散乱入射角３０度のグレイディッドインデックス型柱状レンズを一様に配列したものを用いた。また、柱状レンズシートの厚みは７０μｍ、柱状レンズ径としては３０μｍのものを用いた。また、第一柱状レンズシートの傾斜角は３０度とし、第二柱状レンズシートの傾斜角として０度、１５度、３０度、６０度の４種類のものを用いた。

ＬＥＤ光源を点灯した時に、作製した導光板から出射される光の出射角と輝度との関係を測定し図１５に示した。図１５では、散乱入射角０度の第二柱状レンズシートを用いた場合の結果を曲線２８に、散乱入射角１５度の第二柱状レンズシートを用いた場合の結果を曲線２９に、散乱入射角３０度の第二柱状レンズシートを用いた場合の結果を曲線３０に、散乱入射角６０度の第二柱状レンズシートを用いた場合の結果を曲線３１に示してある。図１５から明らかなように、第二柱状レンズシートの傾斜角が１５度と３０度の場合に大きな輝度が得られている。すなわち、第一柱状レンズシートの傾斜角が３０度の場合は、第二柱状レンズシートの傾斜角が０〜３０度であれば視角特性に適した散乱角で明るい照明が可能であることが分かる。

実施例２と同じ構成で第一柱状レンズシートの傾斜角が６０度のものを作成した。その結果を図１６に示す。図１６において、散乱入射角０度の第二柱状レンズシートを用いた場合の結果を曲線３２に、散乱入射角１５度の第二柱状レンズシートを用いた場合の結果を曲線３３に、散乱入射角３０度の第二柱状レンズシートを用いた場合の結果を曲線３４に、散乱入射角６０度の第二柱状レンズシートを用いた場合の結果を曲線３５に示してある。図１６から第二柱状レンズシートの傾斜角が３０〜６０度の場合に輝度が高くなることが分かった。しかしながら、第二柱状レンズシートの傾斜角を３０度よりも大きくすると視角特性が悪くなるため、第二柱状レンズシートの傾斜角は、３０度程度で用いるのが好ましい。

実施例２と実施例３から、図２に示す構成の照明装置では、第一柱状レンズシートの傾斜角が約３０〜６０度のとき、第二柱状レンズシートの傾斜角を約０〜３０度とすることによって、これを液晶表示装置に適用する場合、視角特性に優れた明るい照明装置となることが分かった。

本発明による照明装置を模式的に示す断面図である。 本発明による照明装置を模式的に示す断面図である。 本発明による照明装置を模式的に示す断面図である。 本発明による照明装置を模式的に示す断面図である。 本発明による照明装置を模式的に示す断面図である。 本発明の照明装置内における光路の１例を模式的に示す断面図である。 本発明の照明装置内における光路の１例を模式的に示す断面図である。 本発明の照明装置内における光路の１例を模式的に示す断面図である。 本発明で用いた柱状レンズシート内での光路の一例を示す説明図である。 本発明で用いた柱状レンズシート内での光路の一例を示す説明図である。 本発明で用いた柱状レンズシート面内での柱状レンズの配列の一例を示した模式的平面図である。 本発明で用いた柱状レンズシート面内での柱状レンズの配列の一例を示した模式的平面図である。 本発明で用いた柱状レンズシートの特性を表すグラフである 本発明の照明装置の特性を示すグラフである。 本発明の照明装置の特性を示すグラフである。 本発明の照明装置の特性を示すグラフである。

符号の説明

１、１ａ、１ｂ、１ｃ ＬＥＤ光源
２、２ａ 第一柱状レンズシート
２ｂ 第二柱状レンズシート
３ 導光板
４、４ａ、４ｂ 接合層
５ 反射板
６、６ａ、６ｂ 高屈折率接合層
７ａ、７ｂ 高屈折率層
１４ 高屈折率領域
１５ 低屈折率領域

Claims (10)

1. 透明材料で形成された平板状の導光板と、
   前記導光板の入射面へ光を入射させる光源と、
   前記導光板の光照射面と反対側に設けられ、特定角度範囲で入射した光を散乱するとともにそれ以外の角度で入射された光を透過する第一柱状レンズシートと、
   前記第一柱状レンズシートの背後側に設けられた反射板と、を備えるとともに、
   前記導光板の前記入射面とは反対側の面は、前記入射面と平行な平面を基準として所定の角度だけ傾斜していることを特徴とする照明装置。
2. 前記入射面とは反対側の面は、前記入射面と平行な平面を基準として約３〜１０度傾斜していることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
3. 前記第一柱状レンズシートは、周囲の領域より屈折率の高い領域が厚み方向に連続的に形成された柱状レンズが面内に複数配列されており、厚さ方向に光を導く機能を有するとともに、前記柱状レンズは、前記第一柱状レンズシートの面に対する垂線方向を基準として前記光源が配置されている側に傾斜していることを特徴とする請求項１または２に記載の照明装置。
4. 前記柱状レンズの傾斜角は約３０〜６０度であることを特徴とする請求項３に記載の照明装置。
5. 前記導光板の光照射面側に、周囲の領域より屈折率の高い領域が厚み方向に連続的に形成された柱状レンズが面内に複数配列されており、厚さ方向に光を導く機能を有する第二柱状レンズシートが設けられ、前記第二柱状レンズシートの柱状レンズは、前記第二柱状レンズシートの面に対する垂線方向を基準として前記光源が配置されている側とは反対側に傾斜しており、前記第二柱状レンズシートの柱状レンズの傾斜角は、前記第一柱状レンズシートの柱状レンズの傾斜角よりも小さいことを特徴とする請求項３または４に記載の照明装置。
6. 前記第一柱状レンズシートおよび前記第二柱状レンズシートと前記導光板との間の少なくとも一方に、前記導光板の屈折率よりも大きい屈折率の高屈折率層を設けることを特徴とする請求項５に記載の照明装置。
7. 前記第一柱状レンズシートと前記導光板との間に設けられた前記高屈折率層は、前記第一柱状レンズシートの柱状レンズの屈折率と略等しいことを特徴とする請求項６に記載の照明装置。
8. 前記第二柱状レンズシートと前記導光板との間に設けられた前記高屈折率層は、前記第二柱状レンズシートの柱状レンズの屈折率と略等しいことを特徴とする請求項６に記載の照明装置。
9. 前記導光板の光入射面と光照射面に対して略垂直な２つの端面には、光拡散構造が形成されていることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の照明装置。
10. 請求項１から７のいずれか一項に記載の照明装置と、前記照明装置の光照射面側に設けられた非自発光型の表示素子とを備えることを特徴とする表示装置。

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