JP2007005111A - 照明装置およびこれを用いた表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 少ないＬＥＤ光源で、良好な輝度分布を有する直下型照明装置を提供する。
【解決手段】 回路基板上に配置された複数のＬＥＤ光源と、入射面から入射したＬＥＤ光源の光を、入射面とは反対側の照射面に照明光として導く導光板を有しており、導光板には各ＬＥＤ光源からの出射光をその導光板の内部に導くための凹部が形成され、ＬＥＤ光源は凹部の開口面の近傍に配置されている。さらに、導光板の光出射面に、その導光板内部の光を面上に出射する微細プリズム構造を形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、非自発光型の表示素子を照明する照明装置、及び、電子機器に用いられる表示装置に関する。特に、携帯情報機器、携帯電話、液晶テレビ等に用いられる液晶表示装置に関する。

近年の携帯電話やモバイルコンピュータなどに用いられる表示装置には、高精彩カラー画像を低消費電力で得ることができる液晶表示装置が多く用いられている。液晶表示装置に用いられる液晶素子は非自発光型であるため、高輝度の白色ＬＥＤを光源とする照明装置を用いて液晶素子を照明している。表示素子の照明に用いられている白色ＬＥＤは、青色ＬＥＤの発光面の直前に緑色蛍光体または黄色蛍光体が分散された樹脂が設けられた構成が知られている。この構成によれば、蛍光体によって励起されて得られる緑色光または黄色光と、青色ＬＥＤの青色光とを混色させて白色光を得ることができる。

一方、ＬＥＤ光源を用いたバックライトは中型・大型液晶表示装置にも用いられつつある。ＬＥＤ光源を用いたバックライトとしては、小型液晶表示装置と同様にバックライトの側面から光を導入するサイドライト型バックライトが多用されてきたが、照明画面が大きくなるに従って用いられるＬＥＤ光源の数は数百個にもなるものが出現している。このような大量のＬＥＤ光源を用いることなく中型・大型液晶表示素子を照明するために、これら中型・大型液晶表示素子の背面から直接照明光を照射する、いわゆる直下型照明装置が考案されている。この直下型照明装置は、１つのＬＥＤ光源でより広い領域を照射するために、ＬＥＤ光源の近傍真上に光反射構造を設けて実質的に光照射領域を広げる工夫をしたものがある（例えば、特許文献１参照）。
特開平１１−１２１８０８号公報（第２、３頁、第１図）

しかしながら、従来の直下型照明装置は、光源からの光が導光板内部に効率良く導かれていなかったために、輝度分布が良くないという課題を有していた。また、ＬＥＤ光源の近傍真上に設けられた光反射構造は、ＬＥＤ光源の発光面に近過ぎて十分に照射領域を広げることができないためＬＥＤ光源の数を減らす効果が小さいという課題を有していた。

本発明は、より少ないＬＥＤ光源で、良好な輝度分布を有する直下型照明装置と液晶表示装置を実現することを目的とする。

本発明の照明装置は、回路基板上に配置された複数のＬＥＤ光源と、これらＬＥＤ光源側に配置された導光板を備えており、この導光板には各ＬＥＤ光源からの出射光をその導光板の内部に導くための凹部が形成されており、ＬＥＤ素子が凹部の開口面近傍に配置されている。さらに、導光板の光出射面にはその導光板内部の光を面上に出射するための微細プリズム構造を形成した。また、ＬＥＤ光源が配置されている近傍領域を除いて、導光板と回路基板の間に光反射板を配置した。

このような構造によって、ＬＥＤ光源からの光を導光板内部に効率的に導くことができるようになり、その結果、この照明装置を用いた表示装置の視覚特性と輝度分布を向上させることができる。略円錐体をした凹部が
また、導光板の光出射面上を多角形領域に分割すると共に微細プリズム構造をこの多角形の各辺に平行でかつ中心対称となるように形成し、凹部の中心が多角形領域の中心に一致するように構成した。そして、微細プリズム構造のピッチを多角形領域の中心から遠ざかるにつれて狭くなるように形成した。特に、多角形領域として、正三角形領域、正方形領域、または正六角形領域を用いるのが望ましい。また、略円錐体をした凹部の形状としては、略円錐体の形状を用いることができる。

このような構成によって、導光板を分割する領域ごとに光出射強度と輝度分布を制御することが可能となり、輝度分布を向上させるのみならず、より少ないＬＥＤ光源の数で効率的な照明を行うことが可能となった。

また、ＬＥＤ光源を、回路基板上に光出射面を上に向けて実装した青色ＬＥＤ素子、あるいは、青色ＬＥＤ素子と赤色ＬＥＤ素子の一対と、色変換のための蛍光体を混合し、素子を被覆するための樹脂材料で構成した。このとき、青色ＬＥＤ素子を被覆する樹脂材料には、青色光を緑色光に変換する緑色蛍光体と青色光を赤色光に変換する赤色蛍光体を混合した透光性非通水性材料を用いる。また、青色ＬＥＤ素子と赤色ＬＥＤ素子を一対に配した場合には、青色光を赤色光に変換する赤色蛍光体が不要となる。このような構成により、青色ＬＥＤ素子からの青色光と、青色光を波長変換して得られた緑色光と赤色光を加法混色して表色範囲の広い白色光を得ることが可能になる。また、緑色蛍光体と赤色蛍光体とが大気中の水分によって劣化することなく、長期間に渡って安定した色表現が可能となった。

以上説明したように本発明の照明装置は、少ないＬＥＤ光源で輝度分布が良好な照明装置を実現することができる。そのため、照明装置の省電力化にも効果がある。

本発明の照明装置は、回路基板上に配置された複数のＬＥＤ光源と、ＬＥＤ光源の入射面から入射したＬＥＤ光源の光を、入射面とは反対側の照射面に照明光として導く導光板を有し、入射面には各ＬＥＤ光源からの出射光を導光板の内部に導くための凹部が形成され、ＬＥＤ光源は凹部の開口面近傍に配置されている。図１にこの構成を模式的に示す。図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）の直線ＰＱでの断面図である。図示するように、光源２は発光面が導光板１側に向くように回路基板４上に設けられている。導光板１には光源２が設けられた位置の真上に凹部３が形成されている。このとき、光源２がこの凹部３の開口面の近傍になるように構成されている。その結果、光源２５から出射した光のほとんどが凹部３の側面に照射されて屈折し、導光板１の内部に導かれる。このようにして導光板１の内部に導かれた光は、光源２の真上の領域に照射された光を除いて、全てが導光板１内部で全反射を繰り返しながら導波する。そのため、少ない数のＬＥＤ光源でも輝度分布の均一化を図ることができる。

さらに、導光板の光出射面に微細プリズム構造を形成すると、より効果がある。また、導光板の光出射面を多角形領域に分割し、この多角形領域の中心に凹部の中心が略一致するように構成するとさらに均一度が向上する。この多角形領域のそれぞれに微細プリズム構造を形成してもよい。

あるいは、多角形領域を正多角形領域とし、微細プリズム構造がこの正多角形の各辺に平行でかつ中心対称となるように形成され、凹部の中心がこの正多角形領域の中心になるように配置する。このとき、微細プリズムのピッチを多角形領域の中心から遠ざかるにつれて狭くなるように形成しても、多角形領域の中心から遠ざかるにつれて広くなるように形成してもよい。

また、凹部の形状としては、略円錐体の形状が好ましい。さらに、凹部の側面の断面形状が凹部の内側に突き出した円弧の一部とすると、より効果がある。

本発明の表示装置は、非自発光型の表示素子と、表示素子を照明するために設けられた上述のいずれかの構成の照明装置を備えることとした。すなわち、本発明の表示装置は、上述のいずれかの構成の照明装置と、照明装置の照射面側に設けられた非自発光型の表示素子とを備えている。

本実施例の照明装置を図面に基づいて説明する。全体の概要は図１と同様である。図２に本実施例の照明装置を部分的に拡大した断面を示す。図示するように、光源２は発光面が導光板１側に向くように回路基板４上に設けられている。図示していないが、回路基板４には各光源２に電力を供給する配線が形成されており、これらの配線を外部の制御回路や電源に接続するコネクタも設けられている。詳しくは、光源２はＬＥＤ素子５とこれを被覆する透光性被覆部６で形成されている。ＬＥＤ素子５は、ワイヤーボンディングや導電ペーストなどにより回路基板４に形成されている配線に接続されている。このとき、ＬＥＤ素子５の光出射面は導光板１側に向いている。導光板１には光源２が設けられた位置の真上に凹部３が形成されている。すなわち、ＬＥＤ素子５の発光面がこの凹部３の開口面の近傍になるように構成されている。その結果、ＬＥＤ素子５から出射した光のほとんどが凹部３の側面に照射されて屈折し、導光板１の内部に導かれる。このようにして導光板１の内部に導かれた光は、光源２の真上の領域に照射された光を除いて、全てが導光板１内部で全反射を繰り返しながら導波する。このとき、ＬＥＤ素子５の発光面が導光板１に設けられた凹部３の開口面と同一平面上、すなわち、同じツラ位置にあることが望ましい。

本実施例では、凹部３は円錐体をしており、さらに、その断面形状は二等辺三角形である。この二等辺三角形の底角を６０〜８５度程度とするのが望ましい。そして、導光板１の板厚が１０ｍｍとすると、この凹部３の深さを７〜８ｍｍとするのが適している。

また、光源２は導光板１を正多角形の領域に分割したその中心に配置されている。図３には、導光板１を正六角形の領域９に分割して、その中心に光源２を配置した構成を導光板の上面から見た様子を模式的に表している。ここで、導光板１の光出射面に微細プリズム構造が形成されている。すなわち、それぞれの分割領域９には、微細プリズム構造が形成されている。図４に、微細プリズム構造の一例を示す。図示するように、微細プリズム７はその稜線が正多角形の分割領域９の一辺に平行になるように形成されており、またその分割領域の中心から離れるに従って密に形成されている。図４では中心から離れるに従って密に形成されているが、中心から離れるに従って粗に形成されても良いし、微細プリズム構造のそれぞれが等間隔で形成されても良い。本実施例では、微細プリズム７の断面形状は二等辺三角形であり、その頂角は約９０度となっている。また、その高さは１０〜１００μｍ、斜辺の長さは２０〜２００μｍとすればよい。さらに、微細プリズム７が中心から離れるに従って密に形成される場合には、分割領域９の中心部でのプリズム間ピッチは３００〜６００μｍ、分割領域９の周縁部でのピッチは３０〜１００μｍである。このピッチを中心部からの距離の関数として考えると２〜４次関数となっている。このピッチの変化率を、導光板の板厚や多角形領域の大きさに応じて最適化することによって、導光板１の光出射面からの光の出射量を調整することが可能となり、その結果、輝度が均一な照明が実現できる。

また、図２に示したように、導光板１と回路基板４の間には光源２のある部分を除いて光反射層８が配置されている。この光反射層には、導光板１から回路基板４側に漏れてきた光を反射して再び利用することによって光利用効率を向上させる作用がある。この光反射層８としては高分子フィルム上に銀や銀化合物またはアルミニウムを気相成長させて形成させたものや、樹脂バインダー中に白色顔料を混合させたものを塗布して反射層を形成したものなどを用いることができる。もちろん、この光反射層８は電気的絶縁層を介して回路基板４の表面に直接形成しても良い。回路基板４としては、通常良く用いられるガラスエポキシ基板やポリイミドフィルム基板などを用いることができる。これらの回路基板は、容易に多層配線をすることができるために、多数のＬＥＤ光源をその上に実装するのに適している。

本実施例の直下型照明装置は、用いるＬＥＤ光源の数を同サイズのサイドライト型照明装置より３０〜５０％少なくしても、ほぼ同程度の輝度と良好な輝度分布が実現できた。

次に本実施例の照明装置を図５に基づいて説明する。図５は照明装置を部分的に拡大して、模式的に示した断面図である。本実施例では、導光板１に設けられた凹部３の側面が円弧状になっている。それ以外は実施例１と同様なので詳細は省略する。この円弧形状は凹部３の内側に突き出すように形成されている。凹部の側面を円弧形状とすることによって、導光板１内に導波する光の入射角の広がりを抑えることができる。さらに、ＬＥＤ素子５からほぼ真上に出射された光も、この凹部３の側壁から入射した後、臨界角近傍の大きな角度で導光板１の光出射面に届くことになるため、ＬＥＤ素子５からの光を効率良く導光板１内部に導波させることができるようになった。さらに、導光板１の光出射面に形成された微細プリズム構造が効果的に作用して、均一で明るい輻射輝度を持った照明装置が実現できた。

図６は本実施例の照明装置を上面から見た模式図である。図６に示すように、本実施例では分割領域９は正方形をしている。光源２はこの正方形分割領域の中心部に配されている。このように分割を行うことによって、領域を無駄なく分割することができる。ここでは、実施例１と同様に、分割領域に微細プリズム構造が形成されている。微細プリズム７の稜線の方向は、正方形の各辺に平行に形成されており、正方形の中心から辺に向かうに従って密に形成されている。

図７は本実施例の照明装置を上面から見た模式図である。図７に示すように、本実施例では分割領域９は正三角形をしており、交互に配置されている。光源２はこの正三角形分割領域の中心部に配されている。このように分割を行うことによって、より緻密な領域分割が可能であり、輝度を向上させることができる。ここでは、実施例１と同様に、分割領域に微細プリズム構造が形成されている。微細プリズム７の稜線の方向は、正三角形の各辺に平行に形成されている。

図８は本実施例の照明装置を上面から見た模式図である。図８に示すように、本実施例では分割領域９は二等辺三角形をなし、交互に配置されている。光源２はこの二等辺三角形分割領域の重心近傍に対応するように配置されている。

上述した各実施例では、図２に示したように、透光性被覆部６で被覆されたＬＥＤ素子５は１つだけ描かれているが、複数のＬＥＤ素子を透光性被覆部６によって被覆しても良い。特に、赤色ＬＥＤ光源、緑色ＬＥＤ光源、および青色ＬＥＤ光源からの光を加法混色して白色光を得る場合は、これら３つのＬＥＤ素子を近接して配するのが通常であり、これら３光源を一緒に透光性被覆部６で被覆する。図９に、複数のＬＥＤ素子で光源を構成した場合を拡大して模式的に示す。図示するように、凹部３には青色ＬＥＤ光源１０と赤色ＬＥＤ光源１１が一対になって配されており、それぞれの光源からの出射光は凹部３によって導光板内部に導波される。

一方、ＬＥＤ光源として青色ＬＥＤ光源を用い、透光性被覆部６の内部に青色光を緑色光に変換する緑色蛍光体粒子と、青色光を赤色光に変換する赤色蛍光体粒子を所定の割合で混合したものを用いても白色光を得ることができる。このような蛍光体としては、アルカリ土類金属の硫化物またはセレン化物に希土類元素をドープしたものや、イットリウムアルミニウムガーネットに希土類元素をドープしたものなど多くのものが知られている。ここで、アルカリ土類金属の硫化物やセレン化物は大気中の水分によって蛍光特性が劣化するものが多いために、透光性被覆部６の材料としてはシリコン樹脂やフッ化物樹脂などの非通水性材料を用いるのが望ましい。

また、導光板１に用いる透明材料としては、アクリル樹脂やポリカーボネート樹脂あるいはシクロオレフィン系樹脂などが適している。

図１０は本実施例の液晶表示装置の構成を模式的に示す斜視図である。図示するようにこの液晶表示装置は、上述の各実施例等で説明した構成の照明装置１２を用いて液晶素子１５を照明する構成である。照明装置１２と液晶素子の間には、拡散シート１３とプリズムシート１４が配置されている。照明装置１２の回路基板には、回路基板上のＬＥＤ光源に電力を供給するためのコネクタケーブル１６が配されている。また、液晶素子１５にはこれに画像信号と電力を供給するコネクタケーブル１７が配されている。

照明装置１２から照射された光は、拡散シート１３で拡散されてより均一な光となり、プリズムシート１４に入射する。プリズムシート１４は、略直角の頂角を持った平行な稜線を持ったプリズム群が形成された透明なシートであり、稜線に垂直な方向の光成分をより垂直にそろえる機能をする。図１０ではプリズムシート１４は１枚だけが図示されているが、互いに直交した稜線を持った２枚のプリズムシートを配しても良い。また、照明装置１２の出射光が照明装置１２から垂直に出射する場合には、プリズムシート１４を省略することもできる。また、拡散シート１３を省略した構成で使用することも可能である。さらに、照明装置１２の裏面に光反射層を形成する場合は、照明装置１２と液晶素子１５との間隙に選択反射偏光子を配することによって、光利用効率を向上させることが可能である。液晶素子１５としては単純マトリックス型液晶素子でも、アクティブマトリックス型液晶素子でもどちらでも用いることができる。図１０には実施例３で説明した分割領域が正方形のものを図示したが、他の実施例で説明した分割領域であっても構わないことは言うまでもない。

以上のような構成の液晶表示装置は、より少ないＬＥＤ光源で明るい画像を表示することができる。

本発明による照明装置の構成を示す模式図である。 本発明による照明装置の構成を部分的に拡大した断面図である。 本発明による照明装置の構成を示す模式的平面図である。 本発明の照明装置の分割領域を拡大して示す模式図である。 本発明による照明装置の構成を部分的に拡大した断面図である。 本発明による照明装置の構成を示す模式的平面図である。 本発明による照明装置の構成を示す模式的平面図である。 本発明による照明装置の構成を示す模式的平面図である。 本発明による照明装置を部分的に拡大して示した断面図である。 本発明による液晶表示装置の構成を模式的に示す斜視図である。

符号の説明

１ 導光板
２ 光源
３ 凹部
４ 回路基板
５ ＬＥＤ素子
６ 透光性被覆部
７ 微細プリズム構造
８ 光反射層
９ 分割領域
１２ 照明装置
１３ 拡散シート
１４ プリズムシート
１５ 液晶素子
１６、１７ コネクタケーブル

Claims (14)

1. 回路基板上に配置された複数のＬＥＤ光源と、前記ＬＥＤ光源からの光を入射面から入射し、照明光として照射面に導く導光板とを有する照明装置において、
   前記入射面は前記照射面の反対側に位置し、前記入射面には各ＬＥＤ光源からの出射光を導光板の内部に導くための凹部が形成されており、
   前記ＬＥＤ光源は前記凹部の開口面近傍に配置されたことを特徴とする照明装置。
2. 前記導光板の光出射面に微細プリズム構造が形成されたことを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
3. 前記導光板の光出射面は多角形領域に分割されており、前記凹部の中心が前記多角形領域の中心に略一致す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. 前記導光板の光出射面は多角形領域に分割されており、前記多角形領域のそれぞれに微細プリズム構造を備えることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
5. 前記多角形領域が正多角形領域であり、前記微細プリズム構造はこの正多角形の各辺に平行でかつ中心対称となるように形成され、前記凹部の中心が前記正多角形領域の中心になるように配置されたことを特徴とする請求項４に記載の照明装置。
6. 前記微細プリズム構造を構成する微細プリズムのピッチが前記多角形領域の中心から遠ざかるにつれて狭くなるように形成されたことを特徴とする請求項５に記載の照明装置。
7. 前記微細プリズム構造を構成する微細プリズムのピッチが前記多角形領域の中心から遠ざかるにつれて広くなるように形成されたことを特徴とする請求項５に記載の照明装置。
8. 前記凹部が略円錐体の形状であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の照明装置。
9. 前記凹部の側面の断面形状が前記凹部の内側に突き出した円弧の一部となっていることを特徴とする請求項８に記載の照明装置。
10. 前記ＬＥＤ光源が配置されている近傍領域を除いて、前記導光板と前記回路基板の間に光反射板が設けられたことを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の照明装置。
11. 前記ＬＥＤ光源は、前記回路基板上に光出射面を上に向けて実装された青色ＬＥＤ素子と、前記青色ＬＥＤ素子を覆う透光性被覆部を備え、
    前記透光性被覆部が、青色光を緑色光に変換する緑色蛍光体と、青色光を赤色光に変換する赤色蛍光体とが混合された透光性非通水性材料で構成されたことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の照明装置。
12. 前記ＬＥＤ光源は、前記回路基板上に光出射面を上に向けて実装された青色ＬＥＤ素子と赤色ＬＥＤ素子と、前記青色ＬＥＤ素子と前記赤色ＬＥＤ素子を覆う透光性被覆部を備え、
    前記透光性被覆部が、青色光を緑色光に変換する緑色蛍光体が混合された透光性非通水性材料で構成されたことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の照明装置。
13. 前記透光性被覆部が半球状に形成されたことを特徴とする請求項１１または１２に記載の照明装置。
14. 請求項１〜１３のいずれかに記載された構成の照明装置と、前記照明装置の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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