JP3843393B2

JP3843393B2 - 面状照明装置

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Publication number: JP3843393B2
Application number: JP2002368805A
Authority: JP
Inventors: 亨國持; 悟之川島; 和敏高柳; 俊紅林
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: Minebea Co Ltd
Priority date: 2002-12-19
Filing date: 2002-12-19
Publication date: 2006-11-08
Anticipated expiration: 2022-12-19
Also published as: US20040120139A1; JP2004200072A; US6955453B2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶表示装置に用いられる面状照明装置に関し、特に点光源から出射された光を液晶表示画面に照射するのに好適な面状照明装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
液晶表示装置の補助照明装置として、板状導光板の側面に光源を配置した、所謂サイドライト型の面状照明装置が多用されている。導光板の側面に配置される光源として、導光板の横幅とほぼ一致した長さを有する蛍光管等の直線状の光源を用いることにより、導光板全体を均一に明るくすることができる。
【０００３】
しかし、携帯電話のように低消費電力化が要求される機器では、光源として発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いる必要がある。光源として点光源であるＬＥＤを用いた場合には、導光板全面に亘る輝度の均一性が問題になる。かかる問題点は以下のようにして解決し、実用上問題のないレベルの均一性が達成されている（例えば特許文献１参照。）。即ち、▲１▼ＬＥＤが配置された導光板の入射面にＬＥＤから出射した光を導光板の横幅方向に広げるためのプリズムを設ける。▲２▼導光板の裏面にドット状のシボ加工等の光散乱手段を施し、側面から導光板に入射した光を出射面から出射させる光路変更手段とする。この外に、更に均一性を改善するために、導光板と液晶との間に拡散板を設ける場合もある。
【０００４】
低消費電力化が要求される一方で、照明装置の高輝度化に対する要求も強く、ＬＥＤから出射される光の利用効率の改善が望まれている。その対策の一つとして、導光板から出射される光の視野角を狭めることによる高輝度化が検討されている。その具体策として、導光板の裏に構成される光路変更手段に、前述の光を散乱させるドット状のシボ加工ではなく、光の指向性を維持したまま光を反射させるプリズム（反射平面）を用いる方法が試みられている。
【０００５】
しかし、入射面に対して平行な方向に延びるプリズムが裏面に形成された導光板にＬＥＤからの光を入射させた場合には以下のような問題がある。即ち、図５に示すように、入射面２Ｃに対して垂直方向に進行した光しか観察者側に向かって出射せず、著しく均一性の劣るものであった。これは、導光板内を前記垂直方向に広がって進行した光は、導光板の裏面に形成されたプリズムに斜めに入射して、観測者の視点（出射面垂直方向）から外れた方向に光路が変更されることから、実質的な照明光として寄与しないからである。
【０００６】
光路変更手段がプリズムと異なるものの、解決すべき課題をほぼ同じくする平面照明装置１が特許文献２に開示されている。その平面照明装置１は、図６に示すように、液晶表示装置４０の下部に順次配置される拡散板３６、導光板２、リフレクタ３５及び導光板２の端面２ｃに配置されたＬＥＤ５から構成されている。導光板２の裏面２ｂに形成されている光路変更手段は回折格子であり、導光板の表面２ａにも同様に回折格子４を設け、表面２ａ側の回折格子４は、裏面２b側の回折格子３に対して直行して形成されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開平１０−２９３２０２号公報
【特許文献２】
特開平１１−２８７９９３号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
前記ＬＥＤのような点光源を用いた表示装置では以下のような問題点がある。即ち、表示装置がカラーの場合には光源は白色光であることが要求されるが、実用的なＬＥＤは単色光である。そのために、青色で発光するＬＥＤの前面に蛍光体を配設し、白色光に変換しているのが一般的である。一方、特許文献２に開示されている技術は、導光板の表面に回折格子を配設し、これにより導光板の表面全体を均一に拡散するものである。一般的に、白色光は回折格子によって分光されることから、導光板の表面全体が着色されて拡散されるのを防止するために前記回折格子に適した拡散板３６が必要である。また、かかる回折格子は格子間隔が数μｍと小さく高い精度及び（導光板）転写技術が要求される。
【０００９】
本発明は、かかる問題を解決して、点光源を用いて画面全体を高輝度かつ均一に照明するのに好適な光拡散手段を備える面状照明装置を提供することを目的としてなされたものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために請求項１記載の面状照明装置では、点光源からの出射光を出射面から被照明体側に導くように構成された導光板の一側面に１つ以上の前記点光源を配置した面状照明装置において、前記導光板の出射面と相対する側の面には、前記点光源を配置した一側面と平行した方向に延長する斜面の組み合わせからなる光路変更手段が形成され、前記導光板の出射面には、前記点光源を配置した一側面と直交する方向に延長し、かつ、前記点光源から導光板内に入射された光を前記導光板の出射面とそれに相対する側の面との間で反射を繰返して行なわせて前記入射面と平行な方向に分散させる複数種類からなる光拡散手段が繰り返し形成され、前記光拡散手段は、円弧形状のバイトを用いて切削深さを溝毎に変えながら溝加工が施された金型によって形成されることにより、導光板の仮想主平面に対する接線角度の最大値がそれぞれ異なる複数種類の断面円弧形状を有し、前記接線角度の最大値は、１０度乃至５０度であることを特徴とする。
【００１１】
請求項２記載の面状照明装置では、請求項１に記載の面状照明装置において、前記光拡散手段は、それぞれの出射面には当該光拡散手段が形成されている方向に複数本の溝による粗面が形成されていることを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１により本発明の実施形態について説明する。この面状照明装置１０は、反射部１１、導光板１２、光学部材１３が順次積層して形成されており、導光板１２の入射面１２Ａに点光源（ＬＥＤ）７が配置されている。なお、図１における導光板１２に形成されている後述する光拡散手段は、図２に示す第１の実施形態の一例である。反射部１１は、ＬＥＤ７から出射される出射光に対して高い反射率を示すように、例えば銀を蒸着した正反射部材でなるシート材が適用され、これにより導光板１２の裏面（斜面）１２Ｂより漏れ出す光を効率良く導光板１２の内部に戻し、出射光の利用効率を向上する。該導光板１２は、例えば透明の樹脂で楔型断面形状に形成される。これにより導光板１２は、入射面１２Ａより入射した出射光を裏面１２Ｂと出射面１２Ｃとの間を繰り返し反射して伝搬させ、このとき一部を出射面１２Ｃから出射する。
【００１９】
さらに導光板１２は、矢印Ｃにより部分的に入射面１２Ａ側を拡大して示すように、出射面１２Ｃには複数種類の光拡散手段が繰り返し形成されている。ここでこの光拡散手段は、後述するように、入射面１２Ａと直交する方向に延長する１対の斜面１２Ｅ、１２Ｆを有し、この実施の形態ではこの１対の斜面１２Ｅ、１２Ｆにより、各光拡散手段が断面三角形形状に形成されている。これにより導光板１２は、これら斜面１２Ｅ、１２Ｆにより光を屈折又は反射し、光が導光板から外部に出射する場合にはその出射光の指向性を補正して光が拡散するようになされている。なお、前記導光板１２の形状は楔型断面形状以外に長方形断面形状であっても良い。また、ＬＥＤ７は単色光でも良く、あるいは白色光でも良い。
【００２０】
さらにこの実施の形態において導光板１２は、１対の斜面１２Ｅ、１２Ｆが出射面に対して等しい傾きに形成され、斜面１２Ｅ及び１２Ｆの成す角α１が約１５０度に選定されるようになされているが、これ以外であってもよい。例えば、１対の斜面１２Ｅ、１２Ｆが出射面に対して異なる傾きであってもよく、また、斜面１２Ｅ及び１２Ｆの成す角α１が約１５０度以外であってもよい。この頂角α１は、５０度〜１６０度の範囲で適宜選定して実用に供する特性を得ることができるが、好ましくは１３０度〜１６０度の範囲である。何れも点光源の数、液晶表示装置の大きさ、画素数などによって適宜決定する。さらに導光板１２において、斜面１２Ｅ、１２Ｆを有する光拡散手段は、例えばこのサイドライト型面状照明装置１０が適用される液晶表示装置の画素周期に比して好ましくは１／４以上小さな繰り返しピッチＷ１により形成され、例えば７０μｍ〜２００μｍである。
【００２１】
同様に、導光板１２の裏面（斜面）１２Ｂには、矢印Ｅにより部分的に側面を拡大して示すように、入射面１２Ａと平行な方向に延長する１対の斜面３０Ａ、３０Ｂが形成され、該１対の斜面３０Ａ、３０Ｂにより三角形が形成される。そして入射面１２Ａから入射する光Ｐを出射面１２Ｃ側に反射する。かかる斜面の構造は、従来から周知の導光板１２の裏面構造と同一であるが、その斜面の傾斜角度は、導光板１２の出射面１２Ｃから出射させる光の所望の角度に対応して適宜決定されるものである。
【００２２】
光学部材１３は、導光板１２側にプリズム面が形成された片面プリズムシートが適用される。この光学部材１３は、矢印Ｄにより部分的に側面を拡大して示すように、出射面１２Ｃ側の面に、入射面１２Ａと直交する方向に、断面形状が三角形の微小なプリズムが繰り返し形成されている。このプリズムは、導光板１２の入射面１２Ａと平行に延長する１対の斜面１３Ａ、１３Ｂを有し、この実施の形態ではこの１対の斜面１３Ａ、１３Ｂにより、断面三角形形状が形成されている。
【００２３】
これにより光学部材１３は、導光板１２における各光拡散手段の繰り返し方向と直交する方向に、プリズムが繰り返し形成され、このプリズムにより導光板１２より楔型先端方向に傾いて出射された出射光を、入射面１２Ａ側の斜面１３Ａにより内部に導き、斜面１３Ａと対を形成する斜面１３Ｂにより反射して出射面１２Ｃの正面方向に出射する。これにより光学部材１３は、入射面１２Ａと直交する面内において、出射光の指向性を補正する。さらにこの実施の形態において光学部材１３は、１対の斜面１３Ａ、１３Ｂが出射面に対して等しい傾きに形成され、斜面１３Ａ及び１３Ｂの成す角α２が約６０度に選定されるようになされている。なおこの頂角α２は、３０度〜７０度の範囲で適宜選定して実用に供する特性を得ることができるが、好ましくは５０度〜７０度、より好ましくは６０度〜７０度の範囲である。さらに光学部材１３において、これらプリズムは、例えばこのサイドライト型面状照明装置１０が適用される液晶表示装置の画素周期に比して１／４以上小さな繰り返しピッチＷ１により形成され、例えば７０μｍ〜２００μｍである。
【００２４】
次に図２により導光板１２に形成された光拡散手段の第１の実施形態について説明する。導光板１２の出射面１２Ｃ側に導光板１２の入射面と直交する方向に延長する斜面１２Ｅ及び１２Ｆにより断面三角形状に形成されている。前記一対の斜面がなす三角形の角度α１は、それぞれ等しい角度を有する。斜面１２Ｅ及び１２Ｆの互いに隣り合う斜面との間の距離Ｌは０であってもよく、あるいは、三角形状間のピッチＰに応じて適宜定めてもよい。また、それぞれの斜面１２Ｅ及び１２Ｆには当該光拡散手段が形成されている方向に複数本の溝Ｂによる粗面（一軸性を有するスジ状の溝）が形成されている。即ち、図２の符号Ａで囲む部分の拡大図、図２（ｂ）に示すように、溝Ｂが複数本形成されている。該溝Ｂは、入射面と直交する方向に延長する斜面１２Ｅ及び１２Ｆに平行な方向に直線状に形成されている。
【００２５】
かかる溝Ｂは斜面１２Ｅ及び１２Ｆの全面に設けられていると共に、その溝の深さ及び幅は以下のようである。例えばＪＩＳＢ０６０１−１９８２で定められている平均表面粗さのうち、中心線平均粗さＲａで表した場合、中心線平均粗さＲａは、好ましくはＲａ＝０．１〜１．０μｍである。前記中心線平均粗さＲａの値は、導光板１２の大きさ、点光源の数、液晶表示装置の画素の大きさなどで適宜、定める。かかる溝Ｂは例えば、以下のようにして形成される。即ち、導光板１２を成形する金型に、その先端部の加工面が前記中心線平均粗さＲａであるバイトにより溝を刻み、該溝の刻まれた金型により導光板１２を成形することにより複数の溝が形成される。
【００２６】
以上の構成において、ＬＥＤ７から出射された光は、入射面１２Ａより導光板１２の内部に入射し、裏面１２Ｂと出射面１２Ｃとの間で反射を繰り返して導光板１２を伝搬する。このとき、導光板１２を伝搬する光は、出射面１２Ｃに形成された斜面１２Ｅ及び１２Ｆにより進路を変更される。また、斜面１２Ｂで反射する毎に出射面１２Ｃに対する入射角が低下し、出射面１２Ｃに対して臨界角以下の成分が出射面１２Ｃより出射される。また、導光板１２を伝搬する光が出射面１２Ｃから出射する際、出射面１２Ｃに形成された斜面１２Ｅ及び１２Ｆにより、入射面に対して平行な方向（横方向）における出射角が変更され、概ね出射面に対して垂直方向に出射させることができる。なお、斜面１２Ｂより漏れだした光は、反射部１１により再度導光板１２内に戻され、照明光として有効に利用される。
【００２７】
ところで、出射面１２Ｃに形成された斜面１２Ｅ及び１２Ｆに１軸方向に延びる粗面化処理が施されていない場合であっても、出射面全体に亘る出射光の均一性がある程度改善できるものである。しかし、ＬＥＤ７を中心として八の字状に広がる輝線が視認されるなど、均一性か不充分であった。高輝度を維持したままこの基線を消失させ均一性を改善するには、斜面１２Ｅ及び１２Ｆと同じ方向に延びる一軸の粗面化処理が有効であることがわかった。即ち、導光板１２を伝搬する光が出射面１２Ｃにより出射する際に、斜面１２Ｅ及び１２Ｆ形成された粗面によって、入射面に対して平行方向の出射角を分散させることができる。詳しく説明すれば、図２（ｂ）に模式的に示すように、導光板１２の内部を伝搬する光Ｐ１は、斜面１２Ｅ及び１２Ｆに形成された複数本のスジ状の溝に対する入射角により出射方向がそれぞれ横方向に変えられる。例えば、点Ｊに入射した光Ｐ１は出射光Ｐ２の方向に、点Ｋに入射した光P１は出射光Ｐ３の方向に、それぞれ向きを変えて出射する。このようにして、出射光の指向性が緩和され、均一性が改善される。なお、入射面に対して垂直方向に関しては、光は平滑な面に入射した場合と同様に振舞うことになることから、出射光の指向性は乱れることはなく、高輝度を維持することができる。
【００２８】
なお、図２の実施形態において、前記光拡散手段は導光板１２の出射面１２Ｃ側に形成されている斜面１２Ｅ及び１２Ｆに溝Ｂを形成せず、形成されている断面三角形状の角度α１をそれぞれ異ならしめてもよい。かかる場合には、前記角度α１の相違によって前記溝Ｂと同様な作用がなされ、三角形状、即ちα１の違いにより横方向に拡散される光の方向が異なる。そのため、その方向には指向性が緩和され、導光板１２から略均一に出射されて液晶表示画面を均一に照射する。又、前記断面三角形状は、例えば図２（ａ）において示すα１が、それぞれ異なる３つの三角形状を１組とし、同様な形状を繰り返してもよく、また、前記１組の三角形状の数を変えてもよい。
【００２９】
更に又、前記断面三角形状の角度α１がそれぞれ異なっている場合においても、前記それぞれの斜面１２Ｅ及び１２Ｆに当該光拡散手段が形成されている方向に複数本の溝Ｂによる粗面を形成してもよい。かかる場合には、前記三角形状の角度α１の相違による効果と、溝Ｂによる効果が相乗効果として現れ、出射光は更に指向性が少なく、導光板１２から略均一に出射されて液晶表示画面を更に均一に照射する。
【００３０】
次に図３により導光板１２に形成された光拡散手段の第２の実施形態について説明する。導光板１２の出射面１２Ｃ側は、点光源からの出射光が入射される入射面と直交する方向に延長して断面が円弧形状Ｒｎ（ｎは整数）に形成されている。円弧形状に形成されている面には溝Ｂを形成せず、円弧形状Ｒｎは、導光板１２の仮想主平面に対する接線角度α（図３（ｃ）参照）がそれぞれ異なる複数種類の断面円弧形状である。前記接線角度αは、好ましくは１０度乃至５０度である。かかる場合には、前記接線角度αの相違によって前記第１の実施形態で述べた溝Ｂと同様な作用がなされ、円弧形状Ｒｎ、即ち接線角度αの違いにより横方向に拡散される光の方向が異なる。そのため、その方向には指向性が少なく、導光板１２から略均一に出射されて液晶表示画面を均一に照射する。
【００３１】
又、前記円弧形状Ｒｎは、例えば図３（ａ）において示すＲ１、Ｒ２、Ｒ３がそれぞれ異なる接線角度αを有し、かかる円弧形状Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３を１組として同様な形状を繰り返してもよく、また、前記１組の円弧形状Ｒｎの数を変えてもよい。かかる円弧形状は、例えば、導光板１２を成形する金型に先端部円弧形状のバイトを用いて切削深さを溝毎に変えながら溝加工を施すことにより接線角度αが異なる任意の円弧形状が容易に形成される。
【００３２】
更に又、前記それぞれの円弧形状の出射面に、当該光拡散手段が形成されている方向に図３（ｂ）に示すような複数本の溝Ｂによる粗面を形成してもよい。かかる場合には、前記円弧形状の相違による効果と、溝Ｂによる効果が相乗効果として現れ、出射光は更に指向性が少なく、導光板１２から略均一に出射されて液晶表示画面を更に均一に照射する。前記溝Ｂは第１の実施形態と同様にして形成できる。
【００３３】
次に図４により導光板１２に形成された光拡散手段の第３の実施形態について説明する。導光板１２の出射面１２Ｃ側は、点光源からの出射光が入射される入射面と直交する方向に延長して断面が多角形状に形成されている。かかる場合には、光が入射する傾斜角度（θ１、θ２、……）の相違によって前記第１の実施形態で述べた溝Ｂと同様な作用がなされ、傾斜角度の違いにより横方向に拡散される光の方向が異なる。そのため、その方向には指向性が少なく、導光板１２から略均一に出射されて液晶表示画面を均一に照射する。
【００３４】
又、傾斜角度は、例えば図４に示されるようにＢ１、Ｂ２、Ｂ３がそれぞれ異なる多角形であって、かかる多角形Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３を１組として同様な形状を繰り返してもよく、また、前記１組のＢ１、Ｂ２、Ｂ３の数を変えてもよい。
【００３５】
更に又、前記それぞれの多角形の出射面に当該光拡散手段が形成されている方向に第１の実施形態で示した複数本の溝Ｂによる粗面を形成してもよい。かかる場合には、前記多角形形状の相違による効果と、溝Ｂによる効果が相乗効果として現れ、出射光は更に指向性が少なく、導光板１２から略均一に出射されて液晶表示画面を更に均一に照射する。以上の実施形態では何れも光拡散手段を凸状に形成した場合について説明したが、それとは逆に凹状に形成したとしても同様の効果が得られるものである。
【００３６】
【発明の効果】
本発明の面状照明装置によれば、直線状の光拡散手段の形状、あるいは出射面の一方向の表面粗さを変化することによって、点光源でありながら高輝度を維持しつつ画面全体を均一に照明する面状照明装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態のサイドライト型面状照明装置を示す分解斜視図である。
【図２】本発明における導光板に形成された光拡散手段の第１の実施形態を示す一部断面図（図２ａ）、符号Ａで囲む部分の拡大図（図２ｂ）である。
【図３】本発明における導光板に形成された光拡散手段の第２の実施形態を示す一部断面図（図３ａ）、符号Ａで囲む部分の拡大図（図３ｂ）、断面円弧形状の説明図（図３ｃ）である。
【図４】本発明における導光板に形成された光拡散手段の第３の実施形態を示す一部断面図である。
【図５】従来の点光源を用いた面状照明装置の導光板表面の配光図である。
【図６】従来の点光源を用いた面状照明装置の分解斜視図である。
【符号の説明】
２、１２導光板
５、７点光源（ＬＥＤ）
１０面状照明装置
１１反射部
１２Ａ入射面
１２Ｃ出射面
１２Ｅ、１２Ｆ、１３Ａ、１３Ｂ斜面
１３光学部材
２０三角形

Claims

点光源からの出射光を出射面から被照明体側に導くように構成された導光板の一側面に１つ以上の前記点光源を配置した面状照明装置において、
前記導光板の出射面と相対する側の面には、前記点光源を配置した一側面と平行した方向に延長する斜面の組み合わせからなる光路変更手段が形成され、前記導光板の出射面には、前記点光源を配置した一側面と直交する方向に延長し、かつ、前記点光源から導光板内に入射された光を前記導光板の出射面とそれに相対する側の面との間で反射を繰返して行なわせて前記入射面と平行な方向に分散させる複数種類からなる光拡散手段が繰り返し形成され、
前記光拡散手段は、円弧形状のバイトを用いて切削深さを溝毎に変えながら溝加工が施された金型によって形成されることにより、導光板の仮想主平面に対する接線角度の最大値がそれぞれ異なる複数種類の断面円弧形状を有し、
前記接線角度の最大値は、１０度乃至５０度であることを特徴とする面状照明装置。
前記光拡散手段は、それぞれの出射面には当該光拡散手段が形成されている方向に複数本の溝による粗面が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の面状照明装置。