JP2013041787A - 照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】導光板を有する照明装置において隣接エリアへの光の漏れを低減しエリア内の照射強度分布を均一化させること。
【解決手段】導光板２の端部に組み込んだ光源１から出射された光を導光板２内で拡散させ導光板２の主面２１から照射する照明装置１０において、導光板の外周部２２のうち光源１に近接する部分２２０は、光源１を取り囲むとともに光源１からの出射方向Ｌ０に向って間隔が広がる略放物線形状であり、光源１を放物線の焦点位置近傍に配置した。
【選択図】図１

Description

本発明は、液晶表示装置等のバックライトとして好適な照明装置に関する。

従来の液晶表示装置等のバックライトとして、例えば特許文献１に記載されるように、光源を液晶パネルの背面側に多数配列してバックライトを構成する「直下方式」と、例えば特許文献２に記載されるように、液晶パネルの一端側もしくは両端側に光源を配置して液晶パネルを照射するようにした「サイドライト方式」の構成が知られている。また、暗い映像を表示する領域では、これを照射する光源の発光量を局所的に少なくするバックライト制御（以下、エリア調光と呼ぶ）が知られている。エリア調光によれば、液晶表示装置の省エネ化、高コントラスト化に寄与することができる。

特開２００８−１０３２００号公報 特開２００８−１０３１６２号公報

直下方式のバックライトは、液晶パネルの全面を均等に照射するためには液晶パネルと光源との距離を有る程度大きくする必要があるため薄型化には不利となる。また直下方式で装置を薄型化するためには、光源数を増やす必要あり、コストおよび消費電力が上昇してしまう。

一方、サイドライト方式のバックライトは装置の薄型化に有利であるが、上記したエリア調光を好適に行うのが困難である。エリア調光では、表示画面を複数の照射領域（エリア）に区分して各エリアの照射強度を独立にかつエリア内を均一に与えることが要求される。しかしサイドライト方式の場合、光源からの出射光を導光板を経由して液晶パネルに照射するため、導光板内での光の拡散により端面から隣接エリアに光が漏れ出してエリア内の照度分布を悪化させてしまう。以下、導光板を有するバックライトにおける照度分布の課題について説明する。

図１０は、従来のバックライトの構造の一例を示す斜視図である。バックライト１０は、シャーシ３の上に、エリアごとに配置した複数の光源１と、光源からの光を入射して図面Ｚ方向に出射する導光板２と、出射光の照度ムラを低減する配光調整シート４を有し、図示しない液晶パネルを照射する。この例では、導光板をＹ方向に複数個に分割し、１個の導光板２にＸ方向に３個の光源を取付け、各光源１に対応する３個のエリアを独立に照射する構成としている。

図１１は、導光板２をＹ方向から見た側面図（ａ）と照射光のＸ方向位置に対する照射強度分布を示す図（ｂ）である。（ａ）のように一体構造の導光板２に３個の光源１ａ〜１ｃを配置し、３個のエリア５ａ〜５ｃを担っている。（ｂ）は、中央の光源１ｂのみを発光させたときの照射強度分布を示す。エリア調光では、各エリアの照射強度を独立に制御するものであるから、光源を発光させたエリア内で所望の明るさとなり、隣接エリアには照射光が漏れ出さないことが望ましい。しかしながら（ｂ）に示すように、光源１ｂに対応するエリア４ｂのみを照射するのではなく、隣接エリア４ａ，４ｃにも光が漏れ出してしまう。またそのために、エリア４ｂ内の照射強度分布も均一性が悪化している。

本発明は、バックライトのように導光板を有する照明装置においてエリア調光を行うとき、隣接エリアへの光の漏れを低減しエリア内の照射強度分布を均一化させることを目的とする。

本発明は、導光板の端部に組み込んだ光源から出射された光を導光板内で拡散させ導光板の主面から照射する照明装置において、導光板の外周部のうち光源に近接する部分は、光源を取り囲むとともに光源からの出射方向に向って間隔が広がる略放物線形状であり、光源を放物線の焦点位置近傍に配置したことを特徴とする。

本発明によれば、隣接エリアへの光の漏れを低減し、エリア調光を好適に行える照明装置を提供することができる。

第１の実施例による照明装置を示す斜視図及び側面図である。 導光板の断面形状と照明光の光路を示す側面図である。 導光板内の照明光の光路と照射強度分布を示す図である。 第２の実施例における導光板の形状を示す平面図である。 第３の実施例における導光板の一例を示す斜視図である。 第３の実施例における導光板の他の例と照射強度分布を示す図である。 第４の実施例における導光板の一例と照射強度分布を示す図である。 第５の実施例における導光板の一例と照射強度分布を示す図である。 第６の実施例における導光板の一例と照射強度分布を示す図である。 従来のバックライトの構造の一例を示す斜視図である。 従来の導光板の側面図と照射強度分布を示す図である。

以下、本発明の複数の実施の形態について、図面を参照して説明する。各実施形態での照明装置は、液晶表示装置のバックライトを例に説明する。

図１は、第１の実施例による照明装置を示し、（ａ）は全体斜視図、（ｂ）（ｃ）は光源と導光板の組立側面図である。照明装置（バックライト）１０は、光源１、導光板２、シャーシ３、配光調整シート４を有する。ここでは１個の光源を有し１つの照射領域（エリア）を照射する最小単位の照明装置を示すが、照射対象の面積に応じてこれを複数個用いる。説明を容易にするため、図示するようにＸ，Ｙ，Ｚ方向を定める。導光板２内のＹ方向端部には光源１を取り付けている。光源１から出射された光は導光板２内を拡散して略矢印Ｌ０の方向（Ｙ方向）に進み、導光板２の主面（出射面）２１から略矢印Ｌ１の方向（Ｚ方向）に出射する。そして配光調整シート４を通過し、図示しない液晶パネルへの照射光となる。

（ａ）において、導光板２の形状はＸ，Ｙ方向には照射面積に合わせたサイズとし、Ｚ方向には薄板化させている。Ｚ方向から見た導光板２の周囲を「外周部」２２と呼ぶことにする。導光板２の外周部２２のうち、光源１に近接する部分２２０は、光源１を取り囲むような略放物線形状であり、該放物線形状は光源１の出射方向（矢印Ｌ０方向）に向って広がる（放物線のＸ方向の間隔が大きくなる）ように形成している。さらに光源１は、放物線の焦点位置近傍に配置している。このように、光源１に近接する導光板２の外周部２２０を放物線形状とすることで、光源１から発光された光が導光板２の外周部２２から漏れ出すことを抑制したことに特徴がある。

（ｂ）のように、導光板の出射面２１と反対側の面（裏面）２３には、光源１を収納する凹部２４を設けている。光源１は基板１１に搭載して保持し、（ｃ）のように導光板２の凹部２４に収納して取り付ける。光源１を収納した後、凹部２４内の隙間には樹脂等を充填して固定すれば、光の伝達効率が向上する。

図２は、導光板のＹＺ断面形状と照明光の光路を示す側面図である。（ａ）は断面形状が長方形の場合、（ｂ）は断面形状が楔形の場合である。（ｂ）の楔形では、導光板の裏面２３’は斜めにカットされた形状とし、Ｙ方向に沿って主面２１との間の厚み（Ｚ方向距離）が小さくなるようにしている。

光源１から出射した光は、矢印で示すように、導光板２内を主面（出射面）２１と裏面２３（２３’）との間で反射を繰り返しながら拡散してＹ方向に進む。裏面２３（２３’）には反射膜が形成されているので全て反射されるが、主面（出射面）２１では反射光と透過光が存在し、透過光は導光板２の外部へ出射する。このようにして、導光板２の主面２１から面状の照明光（矢印Ｌ１）がＺ方向に出射する。なお、（ｂ）の楔形断面形状とすることで、照明光のＹ方向位置の強度分布を均一化することができる。

次に、照明装置の各部の構成について説明する。
光源１には、ＬＥＤ（発光ダイオード）やＬＤ（レーザダイオード）などを利用する。ＬＥＤやＬＤの場合、発光色が異なる光源を複数組み合わせて構成してもよく、これにより発光色を調整することができる。光源１にＬＥＤを使用する場合は、基板（ＬＥＤ基板）１１に対して略垂直方向にピーク輝度を持つトップビュータイプ、または基板１１に対して略平行方向に出射するサイドビュータイプを用いる。これらは、ＬＥＤ基板の取り付け形状に合わせて適宜選択すればよい。いずれにしても、光源の主たる出射方向が導光板２の奥行き方向（Ｙ方向）となるように取り付ける。

導光板２は、ＰＭＭＡ、ポリカーボネートなどの透明な樹脂材料で成型される。導光板２の表面には、目標となる照度ムラや配光分布に応じて、微細なパターン加工、もしくは反射性を持つインクで印刷を施してもよい。例えば、出射面に小さな多角形で構成されるプリズム状の凹凸や、レンズ状の凹凸をつけてもよい。このような構成により、照度の均一性を改善することができる。さらに、上記の凹凸の分布は、場所によって密度を変化させてもよい。１次元、もしくは２次元に展開される規則的なパターンであってもよい。

また、導光板２の裏面２３には反射シートを設けてもよい。これにより、出射光の照度均一性を確保し出射効率を改善できる。使用する反射シートは、鏡面ミラーや拡散反射シートが適する。鏡面ミラーでは配光分布にピークを持たせやすくなり、拡散反射シートでは、配光分布が広く出射効率が改善される。所望の性能に応じて使い分ければよい。

光源１を組み込んだ導光板２の裏側には、バックライトの機械強度を保持するためにシャーシ３を取り付ける。シャーシ３の材質は、アルミニウムや鉄、合金などの金属、またはＰＥＴなどのプラスチック材料などから、必要な剛性、強度に応じて選択する。

配光調整シート４は、例えば拡散性の材質からなるシートを用いる。これにより、照明装置の発光面における照度ムラを低減し、高品位な発光状態を実現できる。目的に応じて、プリズムシートなどの輝度向上フィルムや、さらに拡散性を増すために拡散板などの厚みを持たせた光学部材を組み合わせて構成してもよい。

本実施例の照明装置は、例えば、液晶表示装置のバックライトとして使用する場合、光源１の発光量をコントロールするための発光制御手段と接続して用いる。これにより、暗い映像を表現する際には照射対象となるエリアの発光量を小さくする（もしくは点灯させない）などのエリア調光制御を行う。

次に、本実施例の照明装置における隣接エリアへの照射光の漏れ出し抑制効果を説明する。

図３は、導光板内の照明光のＸＹ面内光路と照射強度分布を示す図である。（ａ）は本実施例の導光板における光路、（ｂ）は比較のために従来例の導光板における光路を示す。従来例では、導光板の外周部は光源１の近傍でも矩形状としている。（ｃ）は両者の導光板のＡ−Ａ’位置における照射強度分布（Ｘ方向位置）を比較したものである。

光源１から出射された光のうち斜め方向に向かう光Ｌは、導光板２の外周部２２で反射しながらＹ方向に進む。その際、外周部２２に衝突した光は全て反射されるのではなく、外周部２２への入射角が小さい光（すなわち、外周部２２へ垂直に近い角度で入射する光）は、外周部２２を透過し導光板２の外部へ漏れ出すことになる。従来構造（ｂ）では外周部２２全体が矩形となっているので、光源１に近接する外周部２２での入射角は小さくなり、破線の矢印Ｌ’で示すような漏れ光が発生する。

これに対し本実施例（ａ）では、光源１に近接する導光板２の外周部２２０を略放物線形状とし、また光源１を放物線の焦点位置近傍に配置している。そのために、光源１から出射された光Ｌは光源１に近接する外周部２２０での入射角が大きくなり、外部への漏れ光は発生しない、または大幅に低減する。さらに光源１を放物線の焦点位置近傍に配置したので、外周部２２０での反射光はＹ方向と平行に進み、外周部２２に再度衝突することがなく遠くまで伝播することができる。

以上の結果、導光板の主面２１から出射する照射強度分布は、（ｃ）に示すようになる。従来例では導光板２の幅Ｗから外部（隣接エリア）への漏れ出しが大きかったのに対し、本実施例では漏れ出しが少なく急峻な分布となり、照明装置における好適なエリア調光を実現できる。

第２の実施例は、導光板の光源に近接する外周部を放物線形状でなく、曲線形状としたものである。

図４は、第２の実施例における導光板の形状を示す平面図である。導光板２の光源１に近接する外周部２２０の形状を曲線形状（例えば円または楕円の一部形状）とした。この場合の曲線形状は、光源１からの出射光が外周部２２０で全反射する条件から次のように定める。

導光板の屈折率をｎとしたとき、入射面で全反射が起きるための臨界角θｃ＝ａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）を求める。そして、光源１からの出射光が外周部２２０に入射する角度θが臨界角θｃ以上となるように曲線形状の傾斜角を定める。具体的には、少なくとも入射角θ＝臨界角θｃとなるＹ方向位置（臨界位置）Ｐｃを起点に光源１側に向って曲線形状とすればよい。なお、この場合の外周部２２０による反射光は、必ずしも側面に平行なＹ方向に進むとは限らない。

本実施例の構造によっても、光源１から出射された光は外周部２２０で全反射するので、導光板２の外部への漏れ光は発生しない、または大幅に低減する。本実施例では外周部の形状として放物線以外の曲線形状を許容するので、導光板の製造が容易になる。

第３の実施例は、１つの導光板の中に複数の光源を備え、各光源はそれぞれ対応するエリアを独立に照射する構成である。そして、各光源に近接する導光板の外周部を実施例１または実施例２に示した形状としている。

図５は、第３の実施例における導光板の一例を示す斜視図である。この例では、１個の導光板２の中にＸ方向に２個の光源１ａ，１ｂを配設し、各光源はそれぞれエリア５ａ，５ｂを独立に照射する構成としている。破線は各エリアの境界を示すが、導光板２は連続に繋がっている。この例では、導光板２の外周部２２は、各光源１ａ，１ｂに近接する部分２２０ａ，２２０ｂが光源を取り囲む略放物線形状であり、該放物線は光源１ａ，１ｂからの出射方向（Ｙ方向）に向って広がるように形成している。さらに光源１ａ，１ｂを、それぞれの放物線の焦点位置近傍に配置している。

図６は、第３の実施例における導光板の他の例を示し、（ａ）は導光板の形状を示す平面図、（ｂ）（ｃ）は照射強度分布を示す図である。この例では（ａ）のように、１個の導光板２の中にＸ方向に３個の光源１ａ，１ｂ，１ｃを配設し、各光源はそれぞれエリア５ａ，５ｂ，５ｃを独立に照射する構成としている。この場合も導光板２の外周部２２は、各光源１ａ，１ｂ，１ｃに近接する部分２２０ａ，２２０ｂ，２２０ｃを光源を取り囲む略放物線形状としている。

（ｂ）は、光源１ｂのみを発光させたときの照射強度分布である。光源１ｂにて発光された光のうち斜め方向に向かう光は、略放物線形状の外周部２２０ｂにて反射される結果、ほぼＹ方向と平行に進む。つまり、光源１ｂから出射された光のほとんどが奥行き方向に進行するため、隣接エリア５ａ，５ｃに漏れ出す光を低減することができる。

（ｃ）は、全ての光源１ａ，１ｂ，１ｃを発光させたときの照射強度分布である。導光板２の全エリア５ａ，５ｂ，５ｃで照射されるが、各エリア内を均一に照射でき、また導光板２の外側に漏れる光は少なくなる。

以上より、複数の光源を取り付けた同一の導光板２を用いても、各光源の発光を独立に制御する際にエリア間の干渉を少なくし、各エリアの照射強度を個別に制御することができる。これより、照射領域を細分化して、各領域を独立に制御する照明装置を実現できる。

上記実施例の構成は一例であって、取り付ける光源の個数、あるいはエリアの数は任意である。また、各光源に近接する導光板の外周部を実施例２で示した曲線形状としてもよいことは言うまでもない。

第４の実施例は、１つの導光板の中に複数の光源を備え、複数の光源で１つのエリアを照射する構成である。

図７は、第４の実施例における導光板の一例を示し、（ａ）は導光板の形状を示す平面図、（ｂ）は照射強度分布を示す図である。

この例では（ａ）のように、１個の導光板２にＸ方向に３個の光源１ａ，１ｂ，１ｃを配設し、３個の光源は同時に発光して１つのエリア５ｕを照射する構成としている。この場合の導光板２の外周部２２は、外側に配置された２個の光源１ａ，１ｃに近接する外側の部分２２０ａ’，２２０ｃ’を略放物線形状としているが、他の外周部は平坦形状である。

（ｂ）は、３個の光源１ａ，１ｂ，１ｃを発光させたときの照射強度分布である。外側の光源１ａ，１ｃからの出射光については、外周部２２０ａ’，２２０ｃ’の放物線形状の作用により反射光はＹ方向に進行し、導光板２の外周部２２からの漏れ光が低減する。一方中央の光源１ｂからの出射光は、外周部２２０ａ’，２２０ｃ’の放物線形状の影響を受けず、光源１ａ，１ｃからの出射光と混合されることにより、エリア５ｕの内部での強度分布が均一化される。

本実施例によれば、導光板２全体を照射領域の単位エリアとして用いる照明装置において、１つのエリアに複数の光源を配設することで、エリア内の照度ムラを低減する効果がある。

第５の実施例は、前記実施例４（図７）に示した導光板を複数個連結したものである。

図８は、第５の実施例における導光板の一例を示し、（ａ）は導光板の形状を示す平面図、（ｂ）は照射強度分布を示す図である。

この例では（ａ）のように、３個の導光板２ｕ，２ｖ，２ｗをＸ方向に連結し、各導光板２ｕ，２ｖ，２ｗはそれぞれ３個ずつ光源１ａ，１ｂ，・・・１ｉを有し、各導光板をそれぞれエリア５ｕ，５ｖ，５ｗに対応させた構成である。この場合の各導光板２ｕ，２ｖ，２ｗの外周部２２は、図７と同様に、光源側の部分２２０を略放物線形状としている。

（ｂ）は、中央の導光板２ｖに属する３個の光源１ｄ，１ｅ，１ｆを発光させたときの照射強度分布である。各導光板２の外周部２２０を略放物線形状としているため、導光板２の連結部では、導光板２ｖから隣接する導光板２ｕ，２ｗ（隣接エリア５ｕ，５ｗ）に漏れる光を抑えることができ、かつエリア５ｖ内における強度分布が均一化される。

本実施例によれば、導光板を複数個連結することで、エリア内の照度ムラを低減するとともに、エリア調光を好適に実現することができる。なお、複数の導光板を連結する方向はＸ方向だけでなく、ＸＹ面内に２次元状に配置できることは言うまでもない。

第６の実施例は、前記実施例５（図８）に示した各導光板の連結部を一体化したものである。

図９は、第６の実施例における導光板の一例を示し、（ａ）は導光板の形状を示す平面図、（ｂ）は照射強度分布を示す図である。

この例では（ａ）のように、図８における３個の導光板の連結部を一体化して１つの導光板２としたもので、３つのエリア５ｕ，５ｖ，５ｗと各エリアに属する３個ずつ光源１ａ，１ｂ，・・・１ｉを有する構成である。この場合の一体化した導光板２の外周部２２は、図８と同様に、エリアごとに光源側の部分２２０を略放物線形状としている。

（ｂ）は、中央のエリア５ｖに属する３個の光源１ｄ，１ｅ，１ｆを発光させたときの照射強度分布である。各エリアの境界では、その外周部を放物線形状としているため、エリア５ｖから隣接するエリア５ｕ，５ｗに漏れる光を抑えることができ、かつエリア５ｖ内における強度分布が均一化される。

本実施例によれば、一度の射出成型で複数のエリアを有する導光板２を製造することができ、かつ照明装置を組み立てる際の取り付け工数を削減できるので、装置の低コスト化を図ることができる。

本発明は上記した各実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成で置き換えたり、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えたりすることも可能である。

さらに、上記各実施例で述べた照明装置に、液晶パネルなどの映像表示素子、発光制御部、映像処理部、それらの制御機能の整合性をとる信号処理部を追加することで、映像表示装置を実現できる。また、上記各実施例では液晶表示装置のバックライトとして用いる照明装置を例に挙げたが、照射領域を分割してエリア調光を行う用途の照明装置として広く適用できる。

１…光源、
２…導光板、
３…シャーシ、
４…配光調整シート、
５…エリア、
１０…照明装置（バックライト）、
２１…主面（出射面）、
２２…外周部、
２３…裏面、
２２０…光源に近接した外周部。

Claims (6)

1. 導光板の端部に組み込んだ光源から出射された光を該導光板内で拡散させ該導光板の主面から照射する照明装置において、
   前記導光板の外周部のうち前記光源に近接する部分は、前記光源を取り囲むとともに前記光源からの出射方向に向って間隔が広がる略放物線形状であり、
   前記光源を前記放物線の焦点位置近傍に配置したことを特徴とする照明装置。
2. 導光板の端部に組み込んだ光源から出射された光を該導光板内で拡散させ該導光板の主面から照射する照明装置において、
   前記導光板の外周部のうち前記光源に近接する部分は、前記光源を取り囲むとともに前記光源からの出射方向に向って間隔が広がる曲線形状であり、
   該曲線形状は、前記光源からの出射光が前記外周部で全反射する傾斜角としたことを特徴とする照明装置。
3. 請求項１または２に記載の照明装置において、
   前記導光板の主面を複数の照射領域に区分し、
   前記光源として各照射領域を個別に照射する複数の光源を配置し、
   前記導光板の外周部のうち前記光源に近接する部分を、各照射領域ごとに、前記略放物線形状または前記曲線形状としたことを特徴とする照明装置。
4. 請求項１または２に記載の照明装置において、
   前記光源として前記導光板に複数の光源を配置し、
   前記導光板の外周部のうち、前記複数の光源の中で最も外側の光源に近接する部分を、前記略放物線形状または前記曲線形状としたことを特徴とする照明装置。
5. 請求項４に記載の照明装置において、
   前記複数の光源を配置した前記導光板を複数個連結したことを特徴とする照明装置。
6. 請求項５に記載の照明装置において、
   前記複数の導光板の連結部を一体化したことを特徴とする照明装置。

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