JP2012134124A - 照明装置及びこれを備える液晶表示装置 - Google Patents

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範宏 出島
Naohiro Tomita
直弘 冨田
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Abstract

【課題】 光源近傍の出射面の輝度が部分的に高くなり、明るさのムラが発生することを防止する。
【解決手段】 導光板の出射面の一部に、出射面に略垂直に届いた光を、出射面に平行な方向へ傾ける偏向構造を設けることとした。実際には、出射面に対して30度以下の角度で偏向構造から出光させればよい。偏向構造は、導光板の有効発光エリアより外側の外周領域のうち、入光面側の外周領域に設けられる。これにより、入光面近傍の出射面に発生するホットスポットを観察者が視認しにくくなり、明るさムラのない液晶表示装置が実現できる。
【選択図】 図1

Description

本発明は、平面発光型の照明装置に関し、特に点光源が側面に配置されたサイドライト型照明装置及びこれを備える液晶表示装置に関する。
ノート型パーソナルコンピュータ、携帯電話、PDA、電子辞書等の携帯機器等には液晶表示装置が広く利用されている。液晶パネルは自発光型ではないため、液晶パネルの背面に平面型の照明装置が配置される。携帯機器用の照明装置では、薄型化が求められるので、側面に光源を持つサイドライト型の照明装置が用いられる。サイドライト型の照明装置の光源には、薄型化に適した発光ダイオード(LED)が使用されている。LEDは、照明装置に対して十分に小さく、点光源として扱うことができる。LED等の点光源を用いた照明装置の場合、光源近傍が周囲より明るくなる現象が発生する。このような現象を「目玉」、あるいは「ホットスポット」と称している。この「ホットスポット」が発生すると照明装置の明るさにムラが生じてしまう。そこで、「ホットスポット」を低減、解消するために、導光板の入光側端部に発光面方向に延びる複数の溝を形成して、光を乱反射させて拡散する構成が知られている(例えば、特許文献1を参照)。このような構成の照明装置を図9に模式的に示す。図9(a)は、導光板32を入光面32a側から見たときの模式図であり、図9(b)は照明装置の部分的な断面図である。図9(b)に示すように、導光板32の入光面32aに対向するようにLED31が配置されている。入光面32a側の端部の表面に、溝34が形成されている。溝34は入光面32aから導光板32の内部に向かって延びている。溝34の断面形状は、LED31から遠ざかるに従って徐々に浅くなり、溝端において深さが0となっている。発光ダイオード31から出射した光は溝34によって乱反射して導光板32の内部を拡散して進行する。図9(a)に示すように、導光板32の全幅にわたって複数の溝34が形成されている。
また、他の従来例として、入光側端部の上面に遮光シートを設置する構成が知られている。このような照明装置の構成を図10に模式的に示す。導光板2上面の光源41近傍に遮光シート8が配置され、光源41近傍の光を反射、あるいは、吸収する。さらに、従来の照明装置では、導光板2から出射する光の角度が出射面とほぼ平行である。このため、導光板2の上方に、拡散シート11や二枚のプリズムシート12、13を配置して、出射面から垂直方向に出射する光を多くしている。
特開2006−171253号公報
特許文献1の照明装置では、「ホットスポット」を防止するために、導光板表面の入光面側に発光面方向に延びる複数の溝を形成して、光を乱反射させて拡散させている。すなわち、光を拡散させているため、「ホットスポット」の低減はできても解消はできない。
一方、遮光シートを用いた構成では、「ホットスポット」を解消できるが、構成部材が増える。また、遮光シートにより、一部の光が吸収されるため、輝度が低下する。
このように、従来の構成では、「ホットスポット」を解消できず、さらに、構成部材が増え、輝度が低下する、という課題があった。
そこで、本発明では、導光板の出射面の一部に偏向構造を設けることとした。この偏向構造は、出射面に略垂直に届いた光を、出射面に平行な方向へ傾ける機能を備えている。実際には、出射面に対して30度以下の角度で出光させればよい。この偏向構造は出射面に形成される。詳しくは、導光板の有効発光エリアより外側の外周領域のうち、入光面側の外周領域に設けられる。これにより、入光面近傍の出射面に発生するホットスポットを観察者が視認しにくくなる。
また、複数の点光源が入光面に対向するように配列している場合、この偏向構造を、それぞれの点光源と一対一に対応するように形成した。このとき、点光源のない領域、すなわち、点光源と対向しない入光面に近接する出射面には偏向構造が設けられていない。
偏向構造は出射面に対して傾いた傾斜面を含んでおり、有効発光エリアの外側から出射する光のうち、該傾斜面に届いた光が出射面に平行な方向へ屈折されて出光する。
傾斜面は出射面に凸状または凹状に形成できる。このとき、入光面側の高さまたは深さが、有効発光エリア側より入光面側が大きい。傾斜面の傾きは10度以下が、高さは0.1mm以下が望ましい。
また、点光源からの光を出射面に垂直な方向の光にするために、導光板の裏面には反射体が全面に設けられている。反射体は、点光源からの光を出射面に垂直な方向に変える反射面を有し、反射面が点光源に向くように形成されている。
さらに、本発明の液晶表示装置は、前述したいずれかの構成の照明装置の出射面側に、液晶表示素子を配置することとした。
有効発光エリアより入光面側の導光板の出射面に、偏向構造を形成した。偏向構造は、この出射面に垂直に届く光を出射面と平行な方向へ偏向する機能を持っている。これにより、ムラのない照明装置および液晶表示装置が実現する。
本発明に係る照明装置の構成を模式的に示す断面図である。 実施例1の照明装置と従来の照明装置を比較する上視図である。 実施例1に係る照明装置の構成を模式的に示す斜視図である。 偏向構造の形状を示す模式図である。 反射体の形状例を示す模式図である。 実施例2に係る液晶表示装置の構成を模式的に示す断面図である。 実施例2に係る液晶表示装置の構成を模式的に示す断面図である。 実施例2に係る液晶表示装置の構成を模式的に示す断面図である。 従来の照明装置の構成を模式的に示す断面図である。 従来の照明装置の構成を模式的に示す断面図である。 反射体の配置を説明するための照明装置の模式図である。 反射体の形状例を示す模式図である。
本発明は、導光板の側面に点光源が配置されたサイドライト型の照明装置に関する。導光板は、光が入光する側面(入光面)と、照射光を出射する出射面と、出射面と対向した対向面(裏面)を備えている。この対向面には、入光面から入光した光を出射面から垂直方向へ出射させるために、反射体が設けられている。点光源は入光面に対向するように配置される。導光板には有効発光エリアが設定されており、この有効発光エリアと入光面の間の出射面に偏向構造が形成されている。すなわち、偏向構造は、出射面の外周領域のうち、入光面側の外周領域に設けられている。外周領域とは有効発光エリアの外側から側面に至るまでの領域に相当する。偏向構造は、反射体で反射された光を、出射面に平行な方向へ変えて出光する。このように、光の進行方向を特定の方向に変える機能を偏向機能という。ここで、偏向構造は、出射面に対して略垂直な方向で届いた光を、出射面に対して30度以下の光として出光させる機能を持っていればよい。したがって、ここでは、「出射面に平行な方向へ変えて」とは「出射面に対して30度以下の光として」と実質的に同一と見做すことができる。
以下、図1(a)を参照して本発明の照明装置を説明する。図1(a)は照明装置の断面構成を示す概略図である。点光源1が導光板2の入光面に対向するように設けられている。導光板は、照射光を出射する出射面3、出射面と対向した対向面4を備えている。この対向面4には、点光源1からの光を出射面から垂直方向へ出射させるために、反射体5が形成されている。出射面3の外周領域のうち、入光面側の外周領域に偏向構造6が形成されている。偏向構造6は、出射面3に対して略垂直な方向で届いた光(実質的には、反射体で反射された光)を、出射面に対して30度以下の光として出光させる。
このような構成によれば、ホットスポットが発生しやすい領域、すなわち、入光面側の外周領域から出向する光は、出射面に垂直ではなく、出射面に対して浅い角度になる。そのため、観察者に届かなくなり、ホットスポットとして視認されることがない。したがって、光源近傍でも輝度ムラのない照明装置が実現できる。
また、導光板の大きさに応じて点光源が複数使用される。このとき、偏向構造を、点光源1に一対一に対応するように形成し、点光源のない位置には形成しないように構成してもよい。偏向構造は、出射面に対して傾斜した出光面を持ち、有効発光エリアの外側から出射する光のうち、該出光面に届いた光を出射面に平行な光に偏向するように形成されている。
また、偏向構造を出射面に対して傾斜した傾斜面で構成し、この傾斜面に偏向機能を持たせることができる。
以下、本発明の実施例を、図面に基づいて具体的に説明する。
実施例1の照明装置を、図1を用いて説明する。図示するように、点光源1が導光板2の側面(入光面)と対向するように配置されている。導光板2の下方には反射シート7が配置されている。導光板2は出射面3と対向面4を有する平板形状であり、対向面4の全面には反射体5が形成されている。反射体5は、点光源1から出射した光を出射面3に垂直な方向へ偏向する。また、有効発光エリア(図示しない)より入光面側の出射面3には偏向構造6が形成されている。偏向構造6の直下にも反射体5は形成されている。偏向構造6は出射面3から垂直な方向に出ようとする光を、出射面3と平行な方向へ屈折により偏向する。すなわち、有効発光エリアの外側から出射する光は偏向構造6によって、出射面3と平行な方向へ偏向されて出光する。出射面3から垂直に出射した光は、明るさに寄与するが、出射面3と平行に出射した光は明るさに寄与しない。なぜなら、出射面3と平行に出射した光は観察者には届かない。そのため、照明装置を上視した場合に、点光源1付近が明るく見える「目玉」、「ホットスポット」と呼ばれる現象は発生しない。
この偏向構造6は、導光板2の出射面3に対して傾いた傾斜面を持っている。導光板2内を導光して傾斜面に届いた光は、出射面3と平行な方向になって傾斜面から出光する。このように、偏向構造6は下方から届いた光の方向を変えて出光する傾斜面(出光面)を備えている必要がある。傾斜面は一つでも良いし、複数でも良い。
図1(a)は、複数の傾斜面が連続的に形成された偏向構造6を表している。一方、図1(b)は、一つの傾斜面で構成された偏向構造6を表している。どちらの偏向構造6でも同等の効果がある。偏向構造6の性能は、傾斜面が出射面3となす角度によって決定される。この角度を5〜10度に設定することが望ましい。10度程度が最も望ましい。
図2は、照明装置を模式的に示す上視図である。図2(a)は、従来の照明装置の上視図である。点光源1が導光板2の入光面に対向して配置されている。点光源1の近傍には周囲よりも明るく光る箇所(ホットスポット9)が発生する。図2(b)は、遮光シート8を用いた従来の照明装置の正面図である。観察者がホットスポット9を視認できないように、導光板2の上に遮光シート8が配置されている。このとき、有効発光エリア10は遮光シート8の開口よりも小さい面積である。一方、図2(c)は、本実施例の照明装置の上視図である。断面構成は図1(b)で示した形状である。図示するように、有効発光エリア10よりも外側(入光面側)に偏向構造6が形成されている。ホットスポットが発生する領域、すなわち、入光面(点光源)近傍の出射面3に偏向構造6が設けられているため、ホットスポットが発生しない。従って、遮光シート8が不要となり、さらに、有効発光エリア10を広く設定することができる。
偏向構造6の具体的な形状を図4に例示する。図4(a)は、出射面3に凸状の偏向構造6が形成された照明装置を模式的に示す部分断面図である。偏向構造6は出射面3に対して傾いた複数の傾斜面16で構成されている。各傾斜面16は光源側の方が高くなるように形成されている。ここでは、各傾斜面16は平面であり、導光板2の全幅にわたって形成されている。出射面からの傾斜面の高さHは0.01〜0.1mm程度が好ましい。また、導光板2の対向面4には図示しない反射体が分散して形成されている。点光源1から導光板2に入射した光は、反射体により出射面3に略垂直な光となって出射面3から出る。傾斜面16の下にも反射体は形成されている。そのため、傾斜面16にも出射面に略垂直な方向の光が下側から届く。この光は傾斜面16で屈折して方向が変えられる。そして、出射面とのなす角が30度以下の光となって傾斜面から出光する。
このような構成によれば、偏向構造が形成された領域から出る光は、出射面に対して浅い角度で出光することになるので、観察する者に届かない。すなわち、ホットスポットが生じないことになる。
図4(b)は、出射面3に凹状の偏向構造6が形成された照明装置を模式的に示す部分断面図である。凹状である以外は、図4(a)の構成と同様なので、重複する説明は省略する。ここでは、傾斜面16は光源側の深さを浅く、光源から離れるにつれて深くなるように形成されている。図示するように、出射面3からの傾斜面の深さをDとすると、深さDは0.1mm以下が好ましい。
図4(c)、図4(d)は、偏向構造6を構成する傾斜面16が曲面である照明装置を模式的に示す部分断面図である。これ以外は、図4(a)の構成と同様なので、重複する説明は省略する。いずれも偏向構造6は出射面3に凸状であるが、図4(c)では、傾斜面16は凹状の曲面で構成されている。図4(d)では、傾斜面16は凸状の曲面で構成されている。
次に、導光板2の対向面4に形成される反射体5の形状を図に基づいて説明する。反射体5は点光源1の光を出射面に垂直方向の光として届けるために重要である。図1に示したように、反射体5は対向面4に窪んだ形状で形成される。反射体5は、点光源1から出射した光を出射面3に垂直な方向の光に偏向する機能を備えている。反射体の具体的な形状を図5に示す。図5(a)は、正三角錐の反射体5を示す上視図である。反射体5は点光源1からの光を効率良く反射するために平滑な反射面5aを備えている。この反射面5aは点光源1に向けて配置されている。すなわち、三角錐を構成する3つの側面のうち、光源側に向いた側面が反射面5aである。点光源1の出射光は反射面5aで反射して方向を変え、出射面3に対して垂直な方向で出射面3から出光する。観察者はこの光により表示を視認することができる。反射面5aが対向面4と接する辺を底辺5cとすると、底辺5cが、点光源1と底辺5cの中心を結ぶ直線と垂直に交わるように構成する。これにより、反射効率が高くなる。以下、いろいろな形状の反射体を例示するが、重複する説明は適宜省略する。なお、図5で例示する反射体5では、反射面5aは対向面と接する底辺5cを含んでいる。
図5(b)及び図5(c)は、正四角錐の反射体5を表している。図5(b)は上視図であり、図5(c)は図5(b)のAB線による断面図である。図示するように、四角錐を構成する4つの側面のうち、光源側に向いた側面が反射面5aである。当然ながら、反射面5aと他の側面の底角(対向面とのなす角)は等しくなっている。
図5(d)及び図5(e)は、円錐を切り欠いた形状の反射体5を表している。ここで図5(d)は上視図であり、図5(e)は図5(d)のAB線による断面図である。図示するように、この反射体5は、円錐を円錐の稜線と同じ角度で切り欠いた形状である。そして、切断面が反射面5aとなり、反射面5aは光源側に向いている。反射体5は反射面5aと一つの側面によって構成されている。この側面は曲面5bである。当然ながら、反射面5aと曲面5bの底角は等しくなっている。側面を曲面で構成することにより、側面で反射する光が特定の方向に進むことを防げる。そのため、輝度ムラを低減できる。
図5(f)は、四角柱と円錐を組み合わせた形状の反射体5を表す上視図である。反射面5aの両側の側面は曲面5bであり、この曲面5bが円錐を構成する面の一部と同形状になっている。
また、いずれの反射体5でも反射面5aと対向面4のなす角度(すなわち、底角)は30〜60度が望ましい。出射面3から垂直に出射する光を最も多くするためには、48度で形成するのが最適である。底辺5cまたは反射体5の奥行きは、50μm以下が望ましく、20μm以下で形成されることが最も望ましい。
ここで、反射体5の配置について図11を用いて説明する。図11は照明装置を模式的に示す上視図である。多数の反射体5が導光板2の裏面(対向面)に形成されている。図11では、全ての反射体5の形状は同一である。実際には、反射体は導光板2の対向面4に窪んで形成されている。図示するように、複数の点光源1が導光板2の入光面に対向するように配置されている。反射体5が導光板2の対向面4と接する底辺5cは、いずれかの点光源1とその反射体5を結ぶ直線と垂直になっている。そのため、これ以外の点光源1からの光は曲面5bに入射する。曲面5bでは光は特定の方向に反射されない。したがって、曲面で反射した光は散乱光となり、観察者に輝点として視認させることがない。このように、点光源1aに向けて配置された反射体と点光源1bに向けて配置された反射体が混在している。
図12に、上視形状が楕円(ここでは、円も楕円の一形態と見做す)の反射体5を例示する。この反射体5は、底辺5cを持たない点で図5に示した反射体5と異なっている。そのため、重複する説明は適宜省略する。
図12(a)、図12(b)に半球を切り欠いた形状の反射体5を示す。図12(a)は上視図であり、図12(b)は図12(a)のAB線での断面図である。図12(c)、図12(d)に円錐を切り欠いた形状の反射体5を示す。図12(c)は上視図であり、図12(d)は図12(c)のAB線での断面図である。図12(e)、図12(f)に円錐を切り欠いた形状の反射体5を示す。図12(e)は上視図であり、図12(f)は図12(e)のAB線での断面図である。図12に示すように、これらの反射体5は反射面5aと一つの曲面5bで構成されている。また、図5で示した反射体5と同様に、反射面は点光源1に向くように形成されている。すなわち、図12(b)に示すように、反射面5aの法線5dを、出射面3に垂直なベクトル5eと平行なベクトル5fに分解したとき、ベクトル5fは点光源1と反射体5を結ぶ直線に平行となる。
なお、点光源1としてLEDを使用することができる。また、導光板2の材質として、アクリル(PMMA)、ポリカーボネート、シクロオレフィンポリマー等の透光性プラスチック材料やガラスを使用することができる。反射体5と偏向構造6は、導光板2を射出成形によって作製する際に同時に形成することができる。したがって、導光板2と反射体5と偏向構造6は一体的に形成される。
図3は、本実施例に係る照明装置を模式的に示す斜視図である。本実施例では偏向構造6が点光源1に対して、一対一の関係で形成されている。すなわち、導光板の全幅にわたって偏向構造6が設けられておらず、点光源1から離れた位置には偏向構造6が形成されていない。このように、ホットスポットの発生し易い領域のみに偏向構造6を形成することにより、点光源1の近傍の光を選択的に出射面3に平行方向の光に偏向して出射させることができる。これ以外は、実施例1の構成と同様なので、重複する説明は省略する。
図3(a)に示す照明装置では、凸形状の偏向構造6が点光源1と対向する位置の出射面3に設けられている。偏向構造6を構成する傾斜面は矩形である。図3(b)に示す照明装置では、偏向構造6を構成する傾斜面は階段形状になっており、隣接する偏向構造が点光源1から遠い部分で繋がっている。図3(c)に示す照明装置では、偏向構造6を構成する傾斜面は扇形である。ここでは、隣接する扇型の偏向構造6は分断しているが、光源間の距離や輝度等によっては、接触するように構成されることもある。
図3に示した照明装置では凸状の偏向構造6を用いているので、偏向構造6の高さが点光源1側で高く、点光源1から離れた位置で低くなるように形成されている。すなわち、偏向構造6の傾斜面の高さが点光源に近いほど高くなっている。しかしながら、凹状の偏向構造6を用いることもできる。凹形状の偏向構造では、点光源1側の深さを浅く、点光源1から離れた位置の深さを深く形成すれば良い。いずれにしろ、偏向構造の形状は例示した形状に限定されるものではなく、偏向構造6に導光板2内から略垂直に入射した光が、出射面と平行な方向へ傾いて出光する(すなわち、偏向する)形状であれば良い。
本実施例では、実施例1、2で説明した構成の照明装置を用いた液晶表示装置を説明する。そのため、照明装置についての詳細な説明は省略する。
図6は、液晶表示装置の断面構成を示す模式図である。照明装置の出射面の上方に液晶表示素子14が配置されている。図示するように、導光板2と液晶表示素子14の間には拡散シート11が配置される。液晶表示素子14は、液晶パネルと、その上下面に貼り付けられた偏光板を備えている。液晶パネルは、2枚のガラス基板をシール材により間隙を持って接合されており、その間隙に液晶が封入されている。
図7及び図8は、上述の液晶表示装置を筺体22に組み込んだ状態を模式的に示す断面図である。筐体に組み込んで固定することにより表示品位や強度が確保される。図7に示す液晶表示装置では、照明装置は筐体22に収納され、液晶表示素子14は筐体22のフック23によって固定される。筐体22は、ポリカードネートなどの樹脂を用いて、射出成形によって形成される。筐体22の材料には、導光板2からの漏れ光を反射させて再利用するために、反射率の高い白色樹脂が適している。図8に示す液晶表示装置では、照明装置は筐体22によって保持されており、液晶表示素子14は筐体22の勘合機構24と上フレーム25の勘合機構26によって固定される。上フレーム25に、ステンレス材やアルミニウム材などの金属板を用いる。上フレーム25に金属材料を使用すれば、板金加工によって容易に形成できるだけでなく、静電気が帯電しにくくなる。そのため、静電気破壊による故障を防ぐことができる。
輝度ムラの小さい照明装置なので、透過型の表示装置に適応できる。
1 点光源
2 導光板
3 出射面
4 対向面
5 反射体
5a 反射面
5b 曲面
5c 底辺
5d 法線
5e ベクトル
5f ベクトル
6 偏向構造
7 反射シート
8 遮光シート
9 ホットスポット
10 有効発光エリア
11 拡散シート
12 プリズムシート
13 プリズムシート
14 液晶表示パネル
16 傾斜面
22 筐体
23 フック
24、26 勘合機構
25 上フレーム
31 LED
32 導光板
32a 入光面
33 出射面
34 溝

Claims (9)

  1. 側面から入射した光を導光して出射面から照射する導光板と、前記側面に対向して配置された点光源を備える照明装置において、
    前記導光板は、入光面として機能する前記側面と、前記出射面と、前記出射面と対向する対向面を持ち、
    前記対向面には、前記入光面から入光する光を前記出射面から垂直方向へ出射させるための反射体が形成され、
    前記出射面の外周領域のうち、前記入光面側の外周領域に偏向構造が形成され、
    前記偏向構造は、前記出射面に対して略垂直な方向で前記反射体から届いた光を、前記出射面に対して30度以下の光として出光させることを特徴とする照明装置。
  2. 前記点光源は複数個配列されており、前記点光源のそれぞれに対して、前記偏向構造が一対一に対応するように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. 前記偏向構造は前記出射面に対して傾斜した傾斜面を持ち、前記傾斜面に前記導光板の内部から届いた光が、前記出射面に平行な方向へ変えて前記傾斜面から出光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. 前記傾斜面は、前記出射面に凸状に形成されており、前記傾斜面の高さが、前記入光面側ほど高いことを特徴とする請求項3に記載の照明装置。
  5. 前記傾斜面は、前記出射面に凹状に形成されており、前記傾斜面の深さが、前記入光面側ほど深いことを特徴とする請求項3に記載の照明装置。
  6. 前記反射体は、前記点光源からの光を前記出射面に垂直な方向に変える反射面を有し、前記反射面が前記対向面と接する底辺は、前記点光源の中心と前記底辺の中心を結ぶ直線と、直交するように形成されたことを特徴とする請求項1〜4に記載の照明装置。
  7. 前記反射体は、前記点光源からの光を前記出射面に垂直な方向に変える反射面を有し、前記反射面が前記点光源に向くように形成されたことを特徴とする請求項1〜4に記載の照明装置。
  8. 前記反射体は、前記反射面と一つの曲面で構成された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1項に記載された構成の照明装置と、前記照明装置の出射面の側に設けられた液晶表示素子と、を備えることを特徴とする液晶表示装置。
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