JP4388388B2 - 照明装置及び表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、携帯電話、携帯型小型テレビ、携帯型ゲーム機、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ−Ｄｉｇｉｔａｌ−Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）および小型ノート型パーソナルコンピュータ等に用いられる表示装置に関し、特に、表示装置が備えるバックライトまたはフロントライトと呼ばれる照明装置に関する。

携帯電話、携帯型小型テレビ、携帯型ゲーム機、ＰＤＡ、および小型ノート型パーソナルコンピュータ等に用いられている表示装置の光源としては、冷陰極管に替わって、点灯特性が良好であり発熱やノイズの少ないＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ−Ｄｉｏｄｅ）を用いた照明装置が多用されるようになってきた。

例えば、透過型のカラー液晶表示装置では、カラーフィルターを各画素に具備する液晶表示素子を、白色光源を用いて照明することにより、カラー画像を表示する。しかしながら、理想的な白色光発光が可能なＬＥＤが存在しないために、より自然な色表現をするため様々な工夫がなされてきた。

最近の代表的な方法は、蛍光体を形成した青色ＬＥＤから放射された青色光と、蛍光体により青色光を波長変換して得られた緑色光から赤色光を加法混色して擬似白色光を得ていた。さらに、赤色の彩度を向上させるために赤色ＬＥＤを設けて、上述した擬似白色光と赤色をさらに加法混色して、理想に近い白色光を得ることが知られている（例えば、特許文献１参照）。この方法を用いることによって、赤色ＬＥＤの出力調整を行うだけで容易に理想に近い白色光を得ることができ、より鮮明なカラー表示が可能な液晶表示装置を実現できるようになった。この場合、理想に近い白色光を得るためには、擬似白色光と赤色光を色ずれなく効率良く混色する必要がある。そのため、蛍光体が形成された青色ＬＥＤと赤色ＬＥＤを、ライトパイプの両端に各々配置して、ライトパイプ中で擬似白色光と赤色光を均一に混色している。

一方、小型薄型化が容易で、かつ、光の利用効率が高いために、バックライトやフロントライトなどの照明装置としては、導光板の片端面からＬＥＤ等の光源の光を入射させるサイドライト型が多くを占めている。特に、均一な照明を行うために、上述のライトパイプをサイドライト型に配置したものがある。

このサイドライト型のライトパイプを用いた照明装置の導光板には、被照明物への照射光を均一にするために、表面にライトパイプの長手方向に平行に並んだ微小プリズム群が形成されている。さらにまた、ライトパイプそのものにも微小プリズム群を形成して、ライトパイプから出射する光の強度分布を均一にすると同時に、光の利用効率を向上させている。
特開２００２−５７３７６号公報（第５頁、図１） 特許第３３０１７５２号（第７項、図１）

しかしながら、従来のサイドライト型のカラー液晶用表示装置、すなわちライトパイプを導光板の片側からサイドライト型に配置して照明する構成では、導光板の片側で光量の偏りが大きいため、照明光強度分布の非対称性が大きくなり、均一な照明を行うのが困難であった。この光量の偏りによる照明光強度分布の補正をするために、導光板の表面に形成する微小プリズム群のピッチや頂角などをライトパイプから離れるに従って変化させて調整しなければならない。その結果、ライトパイプから最も離れた位置に形成するプリズムのピッチを２０μｍ程度以下と極めて小さくする必要が生じ、加工が困難であった。

また、特許文献１に記載されたような複数の分光スペクトルを有する光源を用いて加法混色によって白色光を得るようなカラー液晶表示装置においては、充分な混色を行わないと色むらが生じ演色性が悪くなるという課題を有していた。

また、従来のライトパイプは直方体形状をしており、ＬＥＤからの出射光は直方体端面で反射して折り返し多重反射する。この端面での反射は反射効率が悪く、結果的に光の利用効率を落としてしまうという課題を有していた。

そこで、本発明の照明装置は、少なくとも１個以上のＬＥＤ光源と、透明材料からなる導光板と、ＬＥＤ光源からの出射光を循環導波して導光板の４側面に一様に照射する循環型光パイプとを備え、循環型光パイプから光が入射する導光板の入射側面に垂直な方向の２平面のうち、少なくとも一方の面にプリズム群または微細散乱構造体群が略点対称に形成されている。さらに、これら微小プリズム群や微細散乱構造体と合わせて微細ドットパターンが形成されている。このような循環型光パイプを用いることによって、ＬＥＤからの照明光を導光板の４端面全てから入射させることができ、その結果照明光強度分布の非対称性が解消される。

さらにまた、このような循環型ライトパイプを用いることによって、ＬＥＤからの光はライトパイプ内を循環導波し、その結果従来の直方体形状のライトパイプが有する端面の正反射ロスを低減することが可能となり、光利用効率をさらに高めることができる。

そして、導光板に形成した略点対称のプリズム群または微細散乱構造体群の最小ピッチを従来のものよりもおよそ３〜４倍大きくすることが可能となったために加工が容易な導光板とすることができる。

さらに、循環型光パイプの外周面には、ＬＥＤ光源からの出射光の伝播距離が外周面に沿って長くなるにつれてピッチが狭くなるように変化するプリズム群を形成したり、ヘイズ値が大きくなるように変化する微細散乱構造体群を形成したり、あるいはまた、循環型光パイプの内周面に、内周方向に沿いかつＬＥＤ光源からの出射光の伝播距離が長くなるにつれて面積濃度が小さくなるように変化する吸光性微細ドットパターンまたは反射性微細ドットパターンを形成したりする構造とした。このような構造にすることによって、循環型光パイプからの照明光強度分布をより均一なものとすることができる。

また、本発明の循環型光パイプを有する照明装置では、循環型光パイプの外周面外側および上下面外側に反射板を配置したり、導光板の裏面に反射板を配置したりする構造とした。このような構造により、循環型光パイプや導光板から外部に漏れた光を再び利用することが可能となるため、より高効率の照明が可能となる。

さらに、本発明の照明装置に用いるＬＥＤ光源として、青色の単色光を発光する第1のＬＥＤ光源と、赤色の単色光を発光する第２のＬＥＤ光源とを用い、青色の単色光から波長変換によって生成した緑色光、第１のＬＥＤ光源によって生成された青色光、第２のＬＥＤ光源からの赤色光を調合する加法混色により白色光を得る白色ＬＥＤ光源を用いた。このようにすることによって、より演色性に優れた照明装置とすることができると同時に、循環型光パイプを用いた混色を行うことによって混色性が向上して色むらを小さく抑えることが可能となる。

本発明の循環型光パイプを有する照明装置は、循環型光パイプから導光板への入射側面に垂直な方向の２平面のうち少なくとも一方の面にプリズム群または微細散乱構造体群が略点対称に形成されており、さらにこれら微小プリズム群や微細散乱構造体と合わせて微細ドットパターンが形成されている。そのため、白色光源から出射されるＲＧＢ光の加法混色が充分行えるため色むらが少ない照明が実現でき、また照明の輝度分布の良い照明が行えるために、カラー液晶表示装置の表示品質を著しく向上させることができるという効果を有する。

また、導光板に用いる微小プリズム構造の形成ピッチは、従来のサイドライト型照明装置に用いられた微小プリズムピッチの３〜４倍大きなピッチのものを用いることができるために、製造が容易になり、その結果製造コストを低減させることができる。 さらに、上述した照明装置から出射される照明光を、表示素子に照射することにより表示を行う表示装置を構成した。

以下に、本発明の照明装置を、図面を参照しながら説明する。図１〜図３は本発明の循環型光パイプを有する照明装置の基本構成を示す模式的斜視図である。図１は４個の白色ＬＥＤ光源が循環型光パイプの４コーナーに各々配置されている場合を示している。図２は２個の白色ＬＥＤ光源が対向する２コーナーに配置されている場合を示している。図３は２個の白色ＬＥＤ光源が１つのコーナーに配置されている場合を示している。

図１において、第１の白色ＬＥＤ光源３、第２の白色ＬＥＤ光源４、第３の白色ＬＥＤ光源５、第４の白色ＬＥＤ光源６から出射された光は、循環型光パイプ１の中を循環伝播される。循環型光パイプ１は矩形環状をしており、各ＬＥＤ光源から出射した光のうち、循環型光パイプ１の入射面に対して臨界角以上の大きな入射角で入射した光は全反射を繰り返しながら内部を循環伝播し、一方、臨界角よりも小さな入射角で入射した光は、内部を循環伝播しながら一部の光が循環型光パイプを通過して導光板２の内部に入射する。この循環型光パイプ１は従来の光パイプに比較して、長い光路に渡ってＲＧＢの各光を加法混色することができ、より色むらの少ない照明を実現することができる。

循環型光パイプ１の側面には微小プリズム群が形成されている。すなわち、図示するように、循環型光パイプ１の側面には第１の側面プリズム構造８や第２の側面プリズム構造が形成されている。図１では図示されていないが、第１の白色ＬＥＤ光源３と第４の白色ＬＥＤ光源６との間にある循環型光パイプ１の側面にも第１の側面プリズム構造８と同様の微小プリズム群が、第３の白色ＬＥＤ光源５と第４の白色ＬＥＤ光源６との間にある循環型光パイプ１の側面にも第２の側面プリズム構造９と同様の微小プリズム群が形成されている。

循環型光パイプ１の入射面から入射した光のうち、微小プリズム群を伝播して入射面と対向する面に届いた光は、その対向面への入射角が臨界角よりも小さくなるため、一部の光はこの対向面を透過して外部に洩れ、残りの光は光路が偏向されて循環型光パイプ１の内部に戻る。このとき、内部に戻った光は、微小プリズム群が形成されていない導光板２側側面に入射するときに臨界角よりも小さな角度で入射するため、その一部は導光板２の側面に出射される。

循環型光パイプ１の側面から漏れた光は、本発明の照明装置を支持するための図示されていない筐体表面で反射されて再び循環型光パイプ１の内部に戻る。このような戻り光の多くは微小プリズム群が形成されていない導光板２側側面に入射するときに臨界角よりも小さな角度で入射するため、その一部は導光板２の側面に出射される。

循環型光パイプ１の材料としては、透明な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を用いることができる。

微小プリズムの形状の実施形態としては、高さが２０〜１００μｍ、ピッチが２０〜２００μｍ、頂角が８０〜１００°の二等辺三角柱を用いることができる。また、別の実施形態としては、高さが２０〜１００μｍ、ピッチが２０〜２００μｍ、１つの頂角が４０〜７０°の直角三角柱を用いることができる。これらの微小プリズム群は前記形状の微小プリズムが充填配列または２０〜１００μｍの平面で間隔を空けて配列されている。

また、導光板２に入射する光強度分布を一様にするために、微小プリズム群のピッチは等ピッチではなくて、白色ＬＥＤ光源から離れるにつれてピッチが小さくなるように作製される。図１に示した構成では、４個の白色ＬＥＤ光源が対象に配置されているために、第１の側面プリズム構造８と第２の側面プリズム構造９は同様の規則によって微小プリズム群のピッチが変化するように形成されている。この場合に形成される微小プリズム群の詳細を図５に示す。なお、図５では、図１と同様の作用を有する要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。

図５は、図1で示した構成の循環型光パイプの側面に形成されている側面プリズム構造の一例を示す模式図である。図示するように、循環型光パイプ１は導光板支持部１４で導光板を支持している。この導光板支持部１４は循環型光パイプ１の内周面コーナーに設けられたR面またはC面によって、導光板２の４つの頂点を嵌め合いで支持している。このような構成によれば、循環型光パイプ１と導光板２との間に均一な空気層が形成できるため、循環型光パイプ１の中でＬＥＤからの光を全反射によって効率良く循環させることが可能になる。

このような構成では、第１の白色ＬＥＤ光源３と第２の白色ＬＥＤ光源４から出射された光は循環型光パイプ１の内面で反射されながら、主に図中の時計回りに循環伝播する。そして、循環型光パイプ１を時計回りに進むにつれて側面プリズム構造９のピッチが小さくなるような微小プリズム群が形成されている。この微小プリズム群のピッチは、各プリズムの頂角や高さが一定である場合には、循環型光パイプ１の一端面からの距離の二次関数に逆比例した関数で変化していくようにするのが望ましい。また、例えば、循環型光パイプ２の一端面からの距離に対して各プリズムの高さを一次関数で順次変化させる場合には、微小プリズム群のピッチを循環型光パイプ２の一端面からの距離の一次関数に逆比例した関数として定義することもできる。一般的な表現をすれば、微小プリズムの斜面のなす面積が任意の白色ＬＥＤ光源からの距離の一次関数になるように、これら微小プリズム群のピッチを決めれば良いことがわかる。これら一次関数や二次関数の係数は、循環型光パイプ１を構成する材料の光学常数や形状に依存するため、構造設計に依存している。

図５に示した側面プリズム構造９は、二等辺三角柱の集合体となっている。これは、各ＬＥＤ光源から出射された光の内、端面で反射されて反時計回りに戻ってくる戻り光も効率良く導光板２に照射するためである。第２の白色ＬＥＤ光源４から出射した光の一部は循環型光パイプ１を時計回りに伝播し、第１の白色ＬＥＤ光源３近傍にある第１の白色ＬＥＤ４と対向する面で反射されて反時計回りの方向に戻って伝播される。これが上記に説明した戻り光である。

循環型光パイプ１を時計回りに伝播する光の光路について説明する。白色ＬＥＤ光源１から出射した光の一部は矢印１５ａに示すように循環型光パイプ１の内周面に入射する。白色ＬＥＤ光源４から入射するほとんどの光は、矢印１５ａに示す光のように、臨界角よりも大きな角度で入射するため、内周面で全反射して矢印１５ｂで示される光路をとり、側面プリズム構造９の１つの微小プリズム斜面に入射する。矢印１５ｂで示される光は入射角が臨界角よりも小さくなるために、一部は矢印１５ｃで示される光として反射され、残りの光は矢印１５ｄで示される光のように微小プリズム斜面を透過する。矢印１５ｃで示される光は再び循環型光パイプの内周面に入射されるが、微小プリズムの斜面で反射されたときに入射角が変化し、臨界角よりも小さな角度で入射することとなる。そのため、内周面に入射した光１５ｃは、一部は透過して導光板２の方向に出射され、残りは再び反射されて循環型光パイプ１の内部に戻る。循環型光パイプ１と導光板２との間にはわずかに隙間があいている。この隙間の大きさは、０．０５〜０．２ｍｍ程度であり、循環型光パイプ１の内周部角にある導光板支持部１４に形成されたＲ面の半径の大きさ、またはＣ面の大きさによって決定される。循環型光パイプ１を透過した光１５ｃは、このわずかな隙間で若干光路がずれるが、その一部が導光板２の内部へと透過していく。また、循環型光パイプ１の微小プリズム斜面から透過した光１５ｄは、図示していない外部に設けられた支持枠や反射板によって反射され、再び循環型光パイプ１の内部へと戻り、照明光として利用される。同様に、反時計回りに伝播する戻り光に対しても以上説明したような光路をとる。

このように、図５の構成における循環型光パイプ１の側面プリズム構造は、循環型光パイプ１の外周面全ての面に対して同一の微細プリズム構造が形成されている。また、側面プリズム構造において、各微小プリズム間に設けられている隙間平面部は、微小プリズム群のピッチを調整するだけでなく、この平面部に入射してきた光を効率良く全反射して内部循環させる作用を有している。

次に、図３で示した構成の循環型光パイプの側面に形成されている側面プリズム構造の一例を図6に模式的に示す。なお、図１及び図５と同様の作用を有する要素には同一の符号を付し、その説明は適宜省略する。図６で示した循環型光パイプ１の内部を光が循環伝播する様子を図３と合わせて説明する。まず、白色ＬＥＤ光源３から出射される光に着目する。白色ＬＥＤ光源３から出射された光は、第１のコーナープリズム１０、第２のコーナープリズム１１、第３のコーナープリズム１２で順に反射しながら循環型光パイプ１を時計回りに伝播する。そして、白色ＬＥＤ光源４に面した位置まで伝播すると、一部はそのまま時計回りに伝播するが、残りは白色ＬＥＤ光源４面する循環型光パイプ面で反射して反時計回りの戻り光となり、もと来た光路をたどって逆周りに伝播する。一方、白色ＬＥＤ光源４から出射された光は、第３のコーナープリズム１２、第２のコーナープリズム１１、第１のコーナープリズム１０で順に反射されながら循環型光パイプ１を反時計回りに伝播する。そして、白色ＬＥＤ光源３に面する位置まで伝播すると、一部はそのまま時計回りに伝播するが、残りは反射されて反時計回りの戻り光となり、もと来た光路をたどって逆周りに伝播していく。この構造は、端面反射による戻り光を最小に抑えた循環構造となっている。このような構成では、時計回りの伝播光と反時計回りの伝播光が両方存在する。そして、循環型光パイプ１において、白色ＬＥＤ光源３から第１のコーナープリズム１０、第２のコーナープリズム１１までの領域は時計回りの伝播光が支配的であり、白色ＬＥＤ光源４から第３のコーナープリズム１２、第２のコーナープリズム１１までの領域は反時計回りの伝播光が支配的となる。しかし、各領域には双方向に伝播する光が存在するために二等辺三角柱の集合からなる間隙を有する微小プリズム群を側面プリズム構造として形成することができる。また、厳密には時計回り光が支配的な領域と、反時計回り光が支配的な領域があるために、各々支配的な光の伝播方向に面する側のプリズム斜面の面積がより大きくなるような非対称三角柱からなる間隙を有する微小プリズム群を側面プリズム構造として形成してもよい。

時計回り光と反時計回り光のパワー密度は、各々の光が支配的な領域において、各白色ＬＥＤ光源からの距離の二乗に反比例して弱くなる。従って、図６において側面プリズム構造９の各微小プリズムの頂角と高さが一定の場合は、時計回り光が支配的な領域においては白色ＬＥＤ光源３からの距離が遠くなるにつれて小さくなり、反時計回り光が支配的な領域においては白色ＬＥＤ光源４からの距離が遠くなるにつれて小さくなるように微小プリズム群のピッチが形成されている。具体的には、白色ＬＥＤ光源３から第１のコーナープリズム１０、第２のコーナープリズム１１に至るまでに循環型光パイプ１の側面に形成されている微小プリズム群のピッチは、白色ＬＥＤ光源３からの距離の二次関数に反比例するように形成されている。また例えば、白色ＬＥＤ光源３からの距離に対して各プリズムの高さを一次関数で順次増加させる場合には、微小プリズム群のピッチを白色ＬＥＤ光源３からの距離の一次関数に逆比例した関数として定義することもできる。

次に、図２で示した構成の循環型光パイプの側面に形成されている側面プリズム構造の一例を図７に模式的に示す。なお、図１及び図５と同様の作用を有する要素には同一の符号を付し、その説明は適宜省略する。

図７で示した循環型光パイプ１の内部を光が循環伝播する様子を図２と合わせて説明する。まず、白色ＬＥＤ光源３から出射される光に着目する。白色ＬＥＤ光源３から出射された光は、第１のコーナープリズム１０で反射されて循環型光パイプ１を時計回りに伝播する。そして、白色ＬＥＤ光源４の位置まで伝播すると、一部はそのまま時計回りに伝播するが、残りは白色ＬＥＤ光源４に対向した面に垂直な面で反射されて反時計回りの戻り光となり、もと来た光路をたどって逆周りに伝播していく。一方、白色ＬＥＤ光源４から出射された光は第２のコーナープリズム１１で反射されて循環型光パイプ１を反時計回りに伝播する。そして、白色ＬＥＤ光源３の位置まで伝播すると、一部はそのまま時計回りに伝播するが、残りは白色ＬＥＤ光源３に対向した面に垂直な面で反射されて反時計回りの戻り光となり、もと来た光路をたどって逆周りに伝播していく。この構造の端面反射による戻り光の影響は、図１で示した構成と図３で示した構成の中間となっている。

このように図２、７に示す構成では、時計回りの伝播光と反時計回りの伝播光が両方存在するが、全体的に時計回りに伝播する光の方が支配的である。特に、循環型光パイプ１において、白色ＬＥＤ光源３から第１のコーナープリズム１０までの領域は時計回りの伝播光が支配的であり、白色ＬＥＤ光源４から第２のコーナープリズム１１までの領域も時計回りの伝播光が支配的となる。従って、図７に示すように、白色ＬＥＤ光源３から第１のコーナープリズム１０までの領域のように時計回りに伝播する光が支配的な領域では、直角三角柱の集合体である微小プリズム群を側面プリズム構造８として形成するのが望ましい。このとき、直角三角柱の斜面が光の伝播方向の反対側に面するように配置する。そのときの光の一部が伝播する様子を次に説明する。

図７において、白色ＬＥＤ光源３から出射された光の一部は矢印１５ａに示すように循環型光パイプの内周面に入射し、全反射して矢印１５ｂに示す光になる。全反射した光は、側面プリズム構造８の微小プリズムの直角面の一つに入射する。その直角面で反射した光のうち、一部は微小プリズムの斜面で反射されて矢印１５ｃで示すように導光板２に入射し、他の光は微小プリズムの斜面を透過して矢印１５ｄのように循環型光パイプ１の側面に漏れ出てしまう。図７に示す例では、矢印１５ｄに示すように漏れ出た光は再び隣の微小プリズムの直角面から循環型光パイプ１の内部に入り、さらにその微小プリズムの斜面で反射されて導光板１の方向に反射される。もちろん、矢印１５ｂで示される光の入射角によっては、循環型光パイプ１の微小プリズム斜面から透過した光１５ｄは、図示していない外部に設けられた取り付け枠や反射板によって反射され、再び循環型光パイプ１の内部へと戻り、照明光として利用される場合もある。

時計回りと反時計回りの双方向に伝播する光が存在する領域においては、図５と図６とに示したような二等辺三角柱の集合からなる間隙を有する微小プリズム群を側面プリズム構造として形成することができる。また、支配的な光の伝播方向に面する側のプリズム斜面の面積がより大きくなるような非対称三角柱からなる間隙を有する微小プリズム群を側面プリズム構造として形成してもよい。

時計回り光と反時計回り光のパワー密度は、各々の光が支配的な領域において、各白色ＬＥＤ光源からの距離の二乗に反比例して弱くなる。従って、図７において側面プリズム構造８の各微小プリズムの頂角と高さが一定の場合は、時計回り光が支配的な領域においては白色ＬＥＤ光源３や白色ＬＥＤ光源４からの距離が遠くなるにつれて小さくなるように微小プリズム群のピッチが形成されている。

具体的には、図２において、白色ＬＥＤ光源３から第１のコーナープリズム１０を経て白色ＬＥＤ光源４に至るまでの領域に対して循環型光パイプ１の側面に形成されている微小プリズム群のピッチは、白色ＬＥＤ光源３からの距離の二次関数に反比例するように形成されている。また、白色ＬＥＤ光源４から第２のコーナープリズム１１を経て白色ＬＥＤ光源３に至るまでの領域に対して循環型光パイプ１の側面に形成されている微小プリズム群のピッチは、白色ＬＥＤ光源４からの距離の二次関数に反比例するように形成されている。また例えば、白色ＬＥＤ光源３からの距離に対して各プリズムの高さを一次関数で順次増加させる場合には、微小プリズム群のピッチを白色ＬＥＤ光源３からの距離の一次関数に逆比例した関数として定義することもできる。

図５、６、７に示した構成では、循環型光パイプ１の側面に微小プリズム群を形成して、循環型光パイプ１内部の循環光を均一に導光板２に導く手段を説明したが、このような微小プリズム群を用いなくても、循環型光パイプ１の側面に微細散乱構造体を形成することによって同様の効果を得ることができる。この微細散乱構造体とは表面に無秩序な形状で形成された約１００μｍ程度以下の高さ、または、深さを持つ離散的凸凹構造体のことを言う。無秩序な形状とは、離散的凸凹構造体の一つ一つの形が無秩序であっても良いし、半球や円柱や四角柱や三角柱等の特定の形をもった離散的凸凹構造体が無秩序な配列で配置されているものであっても良い。

このような微細散乱構造体に光が入射すると、その表面で反射したり、その領域を透過したりするときに、これら反射光や透過光の大部分の光路が偏向して循環型光パイプ内部の全反射による伝播構造から逃れて導光板や循環型光パイプの外部に漏れて導光板照明光として利用することができるようになる。このような偏向の向きは、上述のように、微細散乱構造体の形状が無秩序なために無秩序となる。すなわち、伝播光はこの微細散乱構造体によって散乱されるのである。

循環型光パイプ側面の平面上に形成された微細散乱構造体は、入射光を偏向する。一方、この微細散乱構造体の間隙に存在する平面に入射した光は通常通り全反射して循環型光パイプ内部を循環伝播する。このとき、ある領域に対する入射光強度の内で散乱されて反射または透過する光強度の割合を百分率で表現したものをヘイズ値と言うことにすると、ヘイズ値は循環型光パイプ側面に形成されている微細散乱構造体の面積密度とその散乱構造体の大きさや形状で決定することができる。

図５、６、７において、側面プリズム構造体８、９の代わりに微細散乱構造体を形成して均一な照射光を導光板２に導くには、微小プリズム構造体のピッチが大きくなる方向と同じ方向に順次ヘイズ値が大きくなるような微細散乱構造体を形成すれば良い。すなわち、どれか１つの白色ＬＥＤ光源に着目した場合に、その白色ＬＥＤ光源から出射される循環光の循環方向に向かってその白色ＬＥＤ光源から遠ざかるに従ってヘイズ値が大きくなるように微細散乱構造体を形成すれば良い。

さらに厳密に導光板２への照射光を制御したい場合は、循環型光パイプの外周部に微小プリズム構造や微細散乱構造体を形成した上で、循環型光パイプの内側側面に微細ドットパターンを形成して制御するのが望ましい。この微細ドットパターンの例としては、直径１００〜２０μｍ程度の円形ドットパターンを印刷で形成する。この微細ドットパターンは黒色顔料などで形成された吸光性の印刷パターンであって、過剰に導光板２に入射する光を制限して均一な光照射を行うものである。

二次関数で設計した側面プリズム構造８や９のピッチが２０μｍ以下となって製造が困難になるような場合は、白色ＬＥＤからの最遠部のピッチを２０μｍ以上に設定しておき、循環型光パイプ１の内周部に微細ドットパターンを形成することによって導光板２への照射光の均一化をはかることができる。この最小部のピッチは微細ドットパターンの形成の仕方によって、５０μｍ程度の大きさにすることができる。このような構成においては、微細ドットパターンは、どれか１つの白色ＬＥＤ光源に着目した場合に、その白色ＬＥＤ光源から出射される循環光の循環方向に向かってその白色ＬＥＤ光源から遠ざかるに従って微細ドットパターンの面積濃度が小さくなるように微細散乱構造体を形成すれば良い。

ここでは、循環型光パイプ１の内周面に形成する微細ドットパターンとして吸光性の微細ドットパターンを用いた構成を説明したが、この微細ドットパターンはアルミニウムや銀などからなる金属薄膜などの反射性の微細ドットパターンを形成しても良いことは言うまでもない。以上のようにして白色ＬＥＤ光源から出射された光は、循環型光パイプを介して導光板の四方から均一に入射される。

循環型光パイプ１に形成された側面プリズム構造または微細散乱構造体の形成法や、白色ＬＥＤ光源の配置にかかわらず、図１、２、３に示すように、導光板２の底面には内部に伝播された光を均一にカラー液晶素子に照射するために微小プリズム群や微細散乱構造体や微細ドットパターンが略点対象に形成されている。図４は、本発明の循環型光パイプを有する表示装置を模式的に示す断面図である。なお、図４では、図１、２、３と同様の機能をする要素には同一の番号を付し、その説明は適宜省略する。図示するように、導光板２と循環型光パイプ１及びカラー液晶表示素子１３は互いに間隙を開けて配置されており、導光板２のカラー液晶表示素子１３に向き合う反対側の面（裏面）には、点対称プリズム構造７が形成されている。点対称プリズム構造７は、導光板２の中心に向かうに従ってピッチが小さくなる微小な二等辺三角柱環の集合からなる微小プリズム群である。その寸法は、高さが２０〜１００μｍ、頂角の大きさが８０〜１００度、ピッチが６０〜２００μｍとなっている。プリズムピッチは、循環型光パイプ２の側面に形成されている微小プリズム群と同様に導光板２の側面からの距離の二乗の関数で小さくなっている。しかしながら、そのピッチが小さくなっていく領域の長さは通常の導光板の場合に比較して半分になっているために、ピッチの最小値は通常の導光板に形成されるプリズムピッチの最小値の約３〜４倍大きな値となっている。そのため、通常の導光板に形成されるプリズムよりも成形加工が容易になる利点を有している。

導光板２内部を伝播する光は、点対称プリズム構造７によって偏向され、一部は直接、他の一部は一度導光板裏面に漏れ出た後、図示していない反射板や白色支持枠によって反射されて再び導光板２の内部に戻ってから、カラー液晶表示装置１３を照明する。その光線の光路は循環型光パイプ１の側面に形成された微小プリズム群の場合と同様であるために説明を省略する。

このようにして得られたカラー液晶表示素子１３への照明光は、循環型光パイプ１からの入射光が導光板２の４方から対称に来るために均一性が良く、従来のサイドライト型バックライトに比較してより均一な照明光とすることができた。

図１０に点対称プリズム構造の形成パターンを模式的に示す。図１０（ａ）は、導光板２の中心を共有する同心円形状に形成された点対称プリズム構造を示し、図１０（ｂ）は、導光板２の中心を共有する同心矩形形状に形成された点対称プリズム構造を示している。ただし、図１０（ｂ）に示した同心矩形形状はモアレを最小にするために各頂点の位置をＲ形状にしてある。点対称プリズム構造７は、ここに示した以外にも、同心楕円形状としても良いし、略点対称であればそれ以外の形状でも良い。また、点対称プリズム構造の対象中心は、導光板２の対称中心と一致していなくても良い。

また、導光板２の裏面に形成する点対称プリズム構造の代わりに、微細散乱構造体を形成しても良い。微細散乱構造体を形成する場合には、導光板の中心に向かうに従ってヘイズ値が大きくなるような微細散乱構造体を形成する。また、微細散乱構造体による照射光の分布補正をするために、さらに微細ドットパターンを形成する場合には、導光板の中心に向かうに従って、面積濃度が小さくなるように微細ドットパターンを形成すればよい。従って、このようにして形成した微細散乱構造体や微細ドットパターンは、略点対称な特性分布を持つように形成されることになる。

また、導光板２の底面外側および循環型光パイプ１の底面外側と側面外側には図示されていない支持枠が配置されている。この支持枠は循環型光パイプや導光板さらにはカラー液晶表示装置を固定保持するだけではなく、循環型光パイプや導光板から外部に漏れた光を反射してそれらの内部に戻す役割を有している。そのため、この支持枠は反射率の高い白色顔料などを混合した高分子材料で形成されている。

そして、循環型光パイプや導光板から外部に漏れた光を、さらに効率良くこれらの内部に戻すために、これらの外部に反射板を備えた構造を図８に示す。光パイプ反射板１７は、循環型光パイプ１の側面全面を覆うように形成されており、循環型光パイプ１の側面や上下面から漏れた光を再び循環型光パイプ１の内部に戻して導光板１に照射する作用を有する。また、底面反射板１６は導光板２の底面から漏れた光を再び導光板２の内部に戻し、カラー液晶表示素子１３を照明する作用を有する。光パイプ反射板１７は循環型光パイプの上面を覆う反射板と側面および底面を覆う反射板に分離して構成するのが容易である。この循環型光パイプの側面と底面を覆う反射板と底面反射板１６とを一体化して構成することも可能である。このように反射板を周囲に配置することによって、光の利用効率を向上させることができる。

なお、上述の説明や各図では、簡略化のため各光源は１つにまとめて説明されているが、青色の単色光を発光する第1のＬＥＤ光源と、赤色の単色光を発光する第２のＬＥＤ光源とを用い、青色の単色光から蛍光体による波長変換によって生成された緑色光、第１のＬＥＤ光源の青色光、及び、第２のＬＥＤ光源の赤色光とを調合する加法混色により白色光を得る白色ＬＥＤ光源である。このような白色ＬＥＤ光源の実施例を図9に模式的に断面図を示す。図９において、２０は第１の蛍光体層、２１は第２の蛍光体層、２３は台、である。

図９において、第１の青色ＬＥＤ光源１８、第２の青色ＬＥＤ光源１９はＩｎＧａＮ系またはＧａＮ系等の材料で形成された青色光を発光するＬＥＤであり、上記赤色ＬＥＤ光源２２はＧａＰ系またはＧａＡｌＡｓ系混晶系等の材料で形成された赤色光を発光するＬＥＤである。この第１の青色ＬＥＤ光源１８および第２の青色ＬＥＤ光源１９の発光波長は具体的には４３０〜４７０ｎｍの範囲にあり、赤色ＬＥＤ光源２２の発光波長は具体的には６１０〜６７０ｎｍの範囲にある。

第１の青色ＬＥＤ光源１８及び第２の青色ＬＥＤ光源１９から出射される青色光を波長変換して緑色光を得るために、これらのＬＥＤの出射面には青色光を受けて青色光および緑色光を励起する蛍光体が積層形成されている。この蛍光体を形成する材料としては、ＹＡＧ（Ｙｔｔｒｉｕｍ−Ａｌｍｉｎｉｕｍ−Ｇａｒｎｅｔ）蛍光体、またはＴｂ、Ｃｅ、Ｅｕ及びＭｎなどの添加物元素を発光中心とした酸化物などがある。このような蛍光体は赤色光の出射効率を向上させるために、赤色ＬＥＤ光源２２の上には積層されていない。集光レンズ２５は、アクリルやポリカーボネートなどの透明な高分子樹脂モールドで形成されており、上記各ＬＥＤ光源から出射された光を目的とする出射角度に集光する作用を有している。また、反射板２４は集光レンズ２５の内面で反射された戻り光などを効率的に前方に出射するために形成されている。図９に示すように、第１の青色ＬＥＤ光源１８と第2の青色ＬＥＤ光源１９と赤色ＬＥＤ光源２２とを近接されて形成することにより、より均一な加法混色が可能となり、色むらを軽減させることができるのである。

このようにして得られた発光スペクトルは、赤色、緑色、青色の広い領域のスペクトルをカバーしており、赤色ＬＥＤを用いずに蛍光体を有する青色ＬＥＤだけを用いた場合に比べて高い演色性を持っている。また、上記第１の青色ＬＥＤ光源１８、第２の青色ＬＥＤ光源１９、赤色ＬＥＤ光源２２の出力を独立に調節して、色バランスを取ることができるという特徴をも有している。

本発明の照明装置の基本構成を模式的に示す斜視図である。 本発明の照明装置の基本構成を模式的に示す斜視図である。 本発明の照明装置の基本構成を模式的に示す斜視図である。 本発明による表示装置を模式的に示す断面図である。 循環型光パイプの側面に形成される側面プリズム構造を示す模式図である。 循環型光パイプの側面に形成された側面プリズム構造を示す模式図である。 循環型光パイプの側面に形成された側面プリズム構造を示す模式図である。 本発明の表示装置を模式的に示す断面図である。 本発明に用いた白色ＬＥＤ光源の構成を模式的に示す断面図である。 点対称プリズム構造の形成パターンを示す模式図である。

符号の説明

１ 循環型光パイプ
２ 導光板
３ 第１の白色ＬＥＤ光源
４ 第２の白色ＬＥＤ光源
５ 第３の白色ＬＥＤ光源
６ 第４の白色ＬＥＤ光源
７ 点対称プリズム構造
８ 第１の側面プリズム構造
９ 第２の側面プリズム構造
１０ 第１のコーナープリズム
１１ 第２のコーナープリズム
１２ 第３のコーナープリズム
１３ カラー液晶表示装置
１４ 導光板支持部
１５ａ〜１５ｄ 光路を示す矢印
１６ 底面反射板
１７ 光パイプ反射板

Claims (2)

1. ＬＥＤ光源と、
   前記ＬＥＤ光源からの出射光を循環導波する循環型光パイプと、
   前記循環型光パイプからの光を入射する入射面を４側面に有する導光板と、を備え、
   前記４側面に垂直な方向の２平面のうち、少なくとも一方の面に微小プリズム群が略点対称に形成され、
   前記微小プリズム群の微小プリズムの形状が、高さ２０μｍ〜１００μｍの二等辺三角柱または直角三角柱の凸形状で、
   前記微小プリズム群のピッチは、略点対称の中心に向かうにつれて狭くなっており、
   前記微小プリズム群の最小ピッチが、２０μｍ以上であることを特徴とする照明装置。
2. 請求項１に記載の照明装置から出射される照明光を、表示素子に照射することにより表示を行うことを特徴とする表示装置。

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