JP2005322549A - 照明装置及びこれを用いた表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 点光源を用いた直下照明型の照明装置を実現し、薄型軽量で額縁のない照明装置とすること。
【解決手段】 透明な導光板の背面に点光源を配し、導光板の光照射面には頂点を点光源の発光中心の直上に持つ光入射プリズムが形成されており、それら光入射プリズムの反射面には複数に分割された微細プリズムが形成されており、また導光板の裏面には第二微細プリズムが形成されており、さらに導光板の光照射面側には光拡散板が設けられている。
【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、および、これ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用いられている。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。薄型軽量の表示装置を実現するための照明装置としては、光源としてＬＥＤ素子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。しかしながら、サイドライト型の照明装置は、光源を導光板の側面に配するために、液晶表示装置の周縁にある非表示領域である額縁領域が広くなってしまう。この額縁領域を無くするために、光源を導光板の背面に配した直下照明型の照明装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平８−２７１８８６号公報（第３頁、第２図）

しかしながら、従来の直下照明型の照明装置は、均一な照明を行うために光源として冷陰極管などの等方的に照明が可能な光源を用いる必要があった。したがって、指向性が高いために、発光効率が高く高輝度なＬＥＤを直下照明型の照明装置に用いることができなかった。

本発明の照明装置は、透明な導光板の背面にＬＥＤ光源を配し、導光板におけるそれらのＬＥＤ光源に対向する光照射面には、その頂点をＬＥＤ光源の発光中心の直上に持ち複数に分割された導光板の内側に凸の光入射プリズムが形成されており、それら光入射プリズムの反射面には複数に分割された外側に凸形状の微細プリズムが形成されており、また導光板の裏面には内側に凸形状の複数の微細プリズムが形成されている。さらに導光板の光照射面側に光拡散板を設けることによって、ＬＥＤ光源を用いて直下照明型の照明装置を実現することができた。その結果、本発明による照明装置は、薄型軽量であると同時に液晶表示装置の非表示部分である額縁をなくすことが可能となり上記課題を解決することができた。

本発明によれば、ＬＥＤ光源を用いて額縁のない薄型軽量の液晶表示装置を提供することができるため、これら液晶表示装置を用いた情報機器のさらなる薄型軽量化を実現できるという効果を有する。

また、ＬＥＤ光源を導光板の裏面に配することによって、ＬＥＤ光源の位置や数に関わらず照明装置を構成することができるために、携帯電話などの小型情報機器のみならず、パーソナルコンピュータや液晶テレビなどの大型液晶表示装置のための照明装置をも容易に実現することができるという効果を有する。

本発明の照明装置は、透明な導光体と、導光体の背面に設けられた点光源と、導光板の光照射面側に設けられた光拡散層を備えており、導光板の光照射面には、導光板の内側に凸形状の光入射プリズムが設けられている。そして、その頂点が点光源の発光中心に対応するように配置されている。さらに、光入射プリズムの反射面には、外側に凸形状の微細プリズムが複数個設けられており形成されており、導光板の光照射面とは反対の面に、内側に凸形状の第二微細プリズムが複数個設けられている。

さらに、光入射プリズムの反射面と、導光板の光照射面に立てた垂線とのなす角度は、導光板を導波する光の臨界角よりも大きい。あるいは、微細プリズムは、稜線が導光板の光照射面と略平行で、頂角が略９０度の三角柱プリズムであり、三角柱プリズムの頂角に隣接し前記導光板の光照射面側に位置する斜面が、光入射プリズムの反射面となす角度がおよそ９０〜１３５度である。

また、光入射プリズムを三角錐で形成した。あるいは、光入射プリズムを四角錐で構成した。このとき、微細プリズムを、四角錐の斜面である反射面上で双曲線に沿って分散して配列した。

また、第二微細プリズムは導光板内側に凸形状の三角柱プリズムであり、これら三角柱プリズムの稜線が前記点光源を中心とする同心円状に沿って分散して配列されている。さらに、微細プリズムの、同心円の中心側に向いた面が導光板の裏面に立てた垂線となす角度は４５〜７０度であり、他方の面が導光板の裏面に立てた垂線となす角度は０〜２０度である。

また、本発明の表示装置は、上述したいずれかの構成の照明装置と、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とした。

以下に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に本発明の照明装置の断面構成を模式的に示す。本発明の照明装置は、導光板２の背面に点光源としてＬＥＤ光源１が配されている。ＬＥＤ光源１の直上には、光入射プリズム３が形成されている。図示するように、ここでは光入射プリズム３は円錐で構成され、その斜面が反射面となっている。この円錐の頂点はＬＥＤ光源１の直上にある。また、この光入射プリズム３の反射面には、外側に凸形状になった微細プリズム８が分散して形成されている。一方、導光板２の光照射面と逆側である裏面には、第二微細プリズム４が形成されている。この第二微細プリズム４は導光板２の内側に凸形状に形成されている。

ここで、導光板２は透明高分子材料で形成されている。具体的にはアクリル系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、シクロオレフィン系樹脂などの高分子材料で形成されている。これらの材料を用いた射出成形によって導光板２は容易に製造できる。この導光板２は、高分子構造材料等で成形された筐体５によって支持されている。また、導光板２と筐体５との間には、光反射手段としての底面側の反射板６と側面側の反射板７が設けられている。底面側の反射板７にはＬＥＤ光源１を露出するための穴が開口されている。ＬＥＤ光源１への電流の供給は、ＦＰＣ基板１０に配線された回路線によって行われる。さらに、導光板２からの照射光をより一様にするために、動向板の照射面側に拡散板９が配置されているの拡散板９を配置することによって、光入射プリズム３の外周や頂点に発生する輝点の影響を少なくすることもできる。

導光板２の裏面に形成されている第二微細プリズム４の配置を図２に示す。図２に示すように、第二微細プリズム４はＬＥＤ光源１を中心とする同心円状に配置されている。ここでは、この第二微細プリズム４に三角柱プリズムを用いた。この三角柱プリズムの稜線は、同心円の接線方向を向いている。この三角柱プリズムの同心円に対する中心側の斜面と導光板２の裏面に立てた垂線とのなす角度は４５〜７０度であり、同心円の外側に向いた斜面と導光板２の裏面に立てた垂線とのなす角度は０〜２０度となっている。この形状は図１に示されている形状と略同様である。

図６に光入射プリズム３の反射面に形成されている微細プリズム８を示す。紙面の右下側にＬＥＤ光源１が配置されている。図示するように、微細プリズム８は分散して配置されており、必ずしも一列に繋がって配列されているわけではない。これらの微細プリズム８は、導光板２における光照射面側の斜面８ｂの面積を単位面積当たり総和したとき、その総和面積がその部分に照射されるＬＥＤ光源１からの光強度に反比例するように形成されている。これらの微細プリズム８に対する寸法の１例として、高さは１〜１０μｍであり、長さは５〜５０μｍである。もちろん、上記の条件が満たされておれば、これ以外の寸法でも構わない。しかしながら、プリズム高さを高くし過ぎると輝点が生じてしまうために好ましくなく、注意が必要である。

また、ここでは微細プリズム８として、頂角が略９０度の三角柱プリズムを用いた。その三角柱プリズムの頂角に隣接し導光板２の光照射面側に位置する斜面が、光入射プリズム３の反射面となす角度はおよそ９０〜１３５度である。この斜面の角度をこの範囲内に設定することで、光入射プリズム３の領域から照射される光を導光板２の光出射面に対してほぼ垂直にすることができる。なお、図１は図２におけるＡＡ´で示されている破線に沿った断面図に対応する。

一方、図３に示す構成においては、光入射プリズム３は４分割して構成されている。すなわち、光入射プリズム３の反射面は四角錐を形成している。ＬＥＤ光源１はこの四角錐の頂点の位置にその光出射中心が来るように配置されている。この光入射プリズム３の分割の仕方は、４分割以外にも、２分割や６分割あるいは８分割など、より多くの数に分割しても良い。このとき、光入射プリズム３の反射上で微細プリズム８が配列している状態を図４に示す。図示するように、微細プリズム８は光入射プリズム３における反射面上で双曲線に沿って配列されている。しかし、その配列は必ずしも厳密に双曲線上に一列に並べる必要はない。

ＬＥＤ光源１から出射した光において、その出射角が等しい光が光入射プリズム３の反射面と交差する曲線は双曲線となる。また、ＬＥＤ光源１から出射する光で出射角が等しいものの光強度は等しい。従って、反射面の同一双曲線上に配列されている微細プリズム８に入射する光強度は等しくなる。また、一般にＬＥＤ光源１はその光出射角に依存した光強度分布を持っている。ゆえに、この双曲線上の微細プリズム8における導光板２の光出射面側の斜面の面積密度がＬＥＤ光源１の出射強度分布に反比例するように微細プリズム８を配列させることによって、一様な強度分布の光を光入射プリズム３の上面に取り出すことができる。

図４におけるＢＢ´で示した破線に沿った断面図を図５に示す。ここでは、図面を見やすくするために光入射プリズム３の反射面上に形成されている微細プリズム８は１つだけしか描かれていない。図５において、ＬＥＤ光源１から出射した光の光路の１例を光路２３で示してある。この光路２３は導光板２に屈折して入射した後、導光板２の光出射面に直接入射している。この導光板２の光出射面への入射角をχとする。一方、光入射プリズム３が導光板２の光出射面に立てた垂線となす角度をθとする。このとき、θがＬＥＤ光源１からの光に対して全反射条件を満足する臨界角よりも大きな値となっている場合は、図５の光路２３に示すようにＬＥＤ光源１から直接導光板２の光出射面に入射する光は全て臨界角よりも大きな入射角を持つことになり、この光出射面で全反射されて導光板２の内部を繰り返し反射して導波する。この臨界角は導光板２を形成する材料の屈折率と用いる光の波長に依存するが、およそ４３度程度の値である。また、光路２４で示すように、光入射プリズム３の微細プリズム３以外の反射面に入射した光も、その反射面に対して臨界角以上の入射角で入射するために全反射して導光板２の内部に導波する。

一方、光路２５で示すように微細プリズム８の導光板２の光出射面側の面に入射した光は、その入射角が臨界角以下となるために、その面を透過して被照射体を照射する。このように微細プリズム８を透過する光の強度は、微細プリズム８における導光板２の光照射面側の斜面の面積に比例することになる。従って上述したように、この光入射プリズム３から被照射体に照射される光の強度を一定にするためには、微細プリズム８における導光板２の光照射面側の斜面の面積がＬＥＤ光源１からそこに入射してくる光強度に反比例ようにしなければならない。

図３を用いて本発明の照明装置内部における光路の一例を示す。まず、光路２０の場合を説明する。ＬＥＤ光源１から出射した光は導光板２に入った後、光入射プリズム３の反射面で全反射された後、導光板２の光出射面で再び全反射され、導光板２の裏面に形成されている微細プリズム４に入射する。この微細プリズム４は入射光の光路を偏向して導光板２の光照射面側に反射する。この反射光は偏向を受けているために、導光板２の光照射面に臨界角以下の光となって入射し、表面から被照射体に向かって出射される。次に光路２１の場合を説明する。ＬＥＤ光源１から出射した光は、導光板２に入った後、光入射プリズム３の反射面に形成されている微細プリズム８の光出射面側の斜面を透過してそのまま被照射体に向けて出射される。一方、光路２２で示される場合においては、光はＬＥＤ光源１から出射された後、導光板２の光出射面に直接入射して全反射され、導光板２の裏面に形成された微細プリズム４で偏向を受けて反射され、導光板２の光出射面から被照射体に向けて出射される。導光板２の内部で光は多重反射を繰り返すと同時に、何度も偏向を受けるために、多くの光が導光板２の裏面や側面から抜けてしまう。これらの光を再利用して効率良く用いるために導光板２の裏面外側や側面外側に光反射板６や７が配置されており、これらの光を反射して再び導光板２の内部に戻す役割を果たしている。

また、導光板２の裏面に形成されている微細プリズム４は、ＬＥＤ光源１を中心とする同心円の外側にいくにしたがって反射面の総面積が大きくなるように配置されている。具体的には、これら微細プリズム４の高さ、長さ、またはその両方が順次大きくなるように形成されている。あるいは、個々の微細プリズム４の寸法は一定であるが、配列密度が順次大きくなるように形成されている。このようにすることによって、導光板２の光照射面からの出射光強度が一様になる。さらに、拡散板９は導光板２からの照射光をより一様にすることを目的として配置されている。この拡散板９を配置することによって、光入射プリズム３の外周や頂点に発生する輝点の影響を少なくすることもできる。

以上では、ＬＥＤ光源が１つの場合を例に説明したが、ＬＥＤ光源は必ずしも１つである必要はない。特に、高い輝度を必要とする場合や、大型液晶表示装置などの場合は、ＬＥＤ光源を複数用いる必要がある。この場合、図１に示す構成において、ＬＥＤ光源１に隣接して他のＬＥＤ光源を複数隣接して配置しても良い。

図７は、導光板２の光照射面に複数の光入射プリズムを形成して、各光入射プリズムに対応するように複数のＬＥＤ光源を配置した構成を模式的に示す平面図である。図示するように、導光板２の光出射面には、光入射プリズム３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅが等間隔に形成されている。これら光入射プリズムの背面の中心にはＬＥＤ光源１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅが配置されている。また、導光板２の裏面には微細プリズム４が各光入射プリズムを中心とした同心円上に配置されている。そして、図では省略されているが、各光入射プリズムの反射面上には双曲線に沿って配列された微細プリズムが形成されている。このように、複数の光源を導光板２の面内に配置することによって、高輝度な大型照明装置を構成することが可能となる。

さらに、図２や図７から明らかなように、従来のサイドライト型の照明装置でＬＥＤ光源の配置に伴って必要となる照明装置周縁の不要部分である額縁が筺体部分を除いて不要となることがわかる。

以下に、本発明の具体例を説明する。
（具体例）
図３、４を用いて説明した構成の照明装置を以下のように作製した。導光板の寸法としては、３５ｍｍ×４３ｍｍ×０．６ｍｍであり、中心部に導光板の光出射部に立てた垂線となす角度が５０度の４分割した反射面を持つ光入射プリズムを形成した。この光反射プリズムの頂角の深さは０．５ｍｍであり、ＬＥＤ光源は１パッケージの中に２チップ入った白色ＬＥＤ光源を用い、導光板の裏面にほぼ密着して光入射プリズムの頂角の位置に配した。光入射プリズムの反射面に形成した微細プリズム８は、全て同じ形状とした。すなわち、頂角を９０度、導光板の光照射面側の斜面が光入射プリズムの反射面となす角度を１００度、高さを５μｍ、稜線方向の長さを１０μｍとした。そして、これらの微細プリズムは光入射プリズムの反射面上で、ＬＥＤ光源からの光照射強度に反比例するように個数を調整して双曲線上近傍に配列した。また、導光板の裏面には微細プリズムをＬＥＤ光源が中心になるようにして同心円上に配列した。これらの微細プリズムの形状は全て同一とし、高さを６０μｍ、導光板の裏面に立てた垂線と上記同心円の中心側の面がなす角度を７０度、他方の面が前記導光板の裏面に立てた垂線となす角度を１０度とした。また、微細プリズムの稜線方向の長さを２０μｍ、同心円のピッチを５０μｍとした。この微細プリズムの数が円の中心から離れるに従って、同心円のピッチ本数の4乗に比例するように配列した。また、拡散板にはヘイズ値９０％のビーズ拡散シートを用いた。このような構成によって、最大輝度３０００Ｃｄ／ｍ２で、照明面全面に渡っての輝度分布が７５％と良好な均一で明るい照明が得られた。

本発明による照明装置の構成を模式的に示す断面図である。 本発明による照明装置の構成を模式的に示す平面図である。 本発明による照明装置の光路の１例を模式的に示す断面図である。 本発明による照明装置に用いた光入射プリズム内の微細プリズムの配列を模式的に示す平面図である。 本発明による照明装置の光入射プリズムにおける光路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微細プリズムの１例を模式的に示す斜視図である。 本発明による照明装置の他の構成例を模式的に示す平面図である。

符号の説明

１ ＬＥＤ光源
２ 導光板
３ 光入射プリズム
４ 微細プリズム
５ 筺体
６、７ 光反射層
８ 微細プリズム
９ 拡散板

Claims (9)

1. 透明な導光体と、前記導光体の背面に設けられた点光源と、前記導光板の光照射面側に設けられた光拡散層と、を備える照明装置であって、
   前記導光板の光照射面には、前記導光板の内側に凸形状の光入射プリズムが、その頂点が前記点光源の発光中心に対応するように設けられ、
   前記光入射プリズムの反射面には、外側に凸形状の微細プリズムが複数個設けられており形成されており、
   前記導光板の光照射面とは反対の面に、内側に凸形状の第二微細プリズムが複数個設けられたことを特徴とする照明装置。
2. 前記光入射プリズムの反射面と、前記導光板の光照射面に立てた垂線とのなす角度は、前記導光板を導波する光の臨界角よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
3. 前記微細プリズムは、稜線が前記導光板の光照射面と略平行で、頂角が略９０度の三角柱プリズムであり、
   前記三角柱プリズムの頂角に隣接し前記導光板の光照射面側に位置する斜面が、前記光入射プリズムの反射面となす角度がおよそ９０〜１３５度であ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. 前記光入射プリズムが三角錐であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の照明装置。
5. 前記光入射プリズムが四角錐であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の照明装置。
6. 前記微細プリズムは、前記反射面上で双曲線に沿って分散して配列されていることを特徴とする請求項５に記載の照明装置。
7. 前記第二微細プリズムは導光板内側に凸形状の三角柱プリズムであり、これら三角柱プリズムの稜線が前記点光源を中心とする同心円状に沿って分散して配列されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の照明装置。
8. 前記微細プリズムの、前記同心円の中心側に向いた面が前記導光板の裏面に立てた垂線となす角度は４５〜７０度であり、他方の面が前記導光板の裏面に立てた垂線となす角度は０〜２０度であることを特徴とする請求項７に記載の照明装置。
9. 請求項１〜８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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