JP4461197B1 - 面状照明装置およびこれを備えた液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】薄型かつ省電力を両立することができるとともに、ローカルディミングなどの部分駆動方式において、輝度均一性に優れた面状照明装置を提供する。
【解決手段】面状照明装置は、複数の光源と、下面反射層と、これに対向した光拡散層と、少なくとも２層以上の導光体層、もしくは少なくとも２層以上の光の一部を透過する反射層を、光源と光拡散層の間に配置する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、光源と導光板もしくは一部の光を透過する反射膜とを備えた面状照明装置、およびこれを備えた液晶表示装置に関する。

面状照明装置は、光源から出た光を面状の放射面から放射する装置である。このような面状照明装置は、それ自体で照明装置として使用される他に、液晶表示パネルのバックライトとしても使われている。

最近の傾向として、水銀レスの観点から面状照明装置の光源は従来主流の陰極線管からＬＥＤに置き換える動きがさかんである。このようなＬＥＤ光源は点光源であるため、これを用いた面状照明装置では点光源を面光源に変換する機構が必要となる。そのため、従来技術では、装置の厚さ増大や要求される性能未達を招いていた。ここでは、液晶表示装置のバックライトユニットとして用いられる面状照明装置を例に従来技術と課題を説明する。

通常、液晶表示装置は、液晶表示パネルと、この液晶表示パネルを照明するバックライトユニットとを備えている。大型の液晶表示装置では光源を画面直下に配置した直下型のバックライトが、また、中小型の液晶表示装置では光源を画面サイドに配置して導光板で画面全域に導光するサイド型のバックライトが主流となっている。

近年、特に大型の液晶表示装置に用いられるバックライトユニットに対して、高画質・省電力、および薄型化の要求が高まっている。

高画質・省電力の技術としては、バックライトの光源が冷陰極蛍光ランプ（ＣＣＦＬ）から発光ダイオード（ＬＥＤ）に置き換わることに伴い、個々の光源の調光を行うローカルディミング技術が知られている（例えば、特許文献１）。

これは、バックライトユニットを構成するＬＥＤ光源を複数の領域に分割して、領域毎に表示画像にあわせた必要最低限の輝度を与える駆動方式である。この駆動方式を用いることにより、黒い表示画像ではバックライト漏れ光による黒劣化が無くなり高画質が得られるとともに、ＬＥＤ光源が消費する電力を抑制することができる。

薄型化については、サイド型のバックライトユニットが適しているが、ローカルディミング技術に対応することが出来ないため、高画質・省電力が達成できなかった。この問題を解決する手段として、小さなサイド型光源ユニットを多数マトリックス配置したバックライトユニットも提案されているが（例えば、特許文献２）、非対称な配光特性となり、領域境界の継ぎ目が目立ってしまう問題があった。

一方、ＬＥＤ光源を用いた直下型のバックライトユニットはローカルディミング技術に対応することができるが、点光源から出射した光を拡散板上に均一に拡げるために光源と拡散板の間に十分な空間を確保する必要があり、このために薄型化が困難であった。

この問題を解決する手段として、点光源に対向して点光源からの輝度分布に応じた反射透過膜を設置し、これにより輝度均一性を確保したバックライトユニットが提案されている（例えば、特許文献３および特許文献４）。

しかしながら、このような構成では光源真上の強い光を反射透過膜で弱めることに限界があるため、光源真上の光がある程度まで弱まる距離を確保する必要があり、薄型化としては不十分であった。

また、このような構成においては、光は反射透過膜と下側反射膜の間で反射を繰り返しながら伝播するため、反射時の光吸収損失が大きく、効率劣化を生じる問題があった。反射には、金属膜などの正反射と、屈折率界面での光散乱による拡散反射が主に用いられるが、金属膜正反射では１回の反射につき５％程度の損失、光散乱による拡散反射では１回の反射につき２％程度の損失がある。このため、これらの構成では効率劣化による光源コストの増大や消費電力増大を招いていた。

この問題を解決する従来技術として、点光源毎に反射膜で囲い込み、上側の透過反射膜で輝度均一な面光源に変換し、これを複数並べて面状照明装置を構成したものが提案されている（例えば、特許文献５）。

しかしながら、このような面状照明装置では、光源毎の独立性が高いため、幾つかの問題を生じてしまう。第一に、面状照明装置をローカルディミング駆動の液晶表示装置バックライトとして用いた場合、調光階調を変えた光源間の境界で輝度の変化がはっきりと視認されてしまう。これは反射側壁部分で輝度が急激に変化するためで、この境界ムラを目立たなくさせるにはなだらかな隣接領域へ漏れ出して減衰するようなプロファイルが必須である。第二に、ＬＥＤ光源は個々の色度や輝度のばらつきをもっており、全面に渡って均一な電力で点灯する面状照明装置においては、光源間の境界で色度あるいは輝度の急激な変化が視認されてしまう。そのため、ＬＥＤ毎の色度、輝度の選別スペックを厳しくせざるを得なくなり、製造コストが上昇する。これを回避するためにも、隣接領域への自然な漏れ出しにより色度、輝度の境界での変動をなだらかにする必要がある。

特許第２５８２６４４号 特開２００７−２９３３３９号公報 特許第３３０５４１１号 特開２００５−２８４２８３号公報 特開２００８−２７８８６号公報

ＬＥＤ光源などの点状の光源を用いた場合、面状照明装置の厚さが増大する課題がある。また、ローカルディミング技術により高画質・省電力を実現する液晶表示装置においては、用いられる面状照明装置の制約より薄型化と高画質・省電力の両立が困難である。

この発明は以上の点に鑑みなされたもので、その目的は、薄型化した面状照明装置を提供することにあり、更に、ローカルディミング技術による高画質・省電力に対応しても境界が目立つことなく、かつ、薄型化を両立することができる面状照明装置およびこれを備えた液晶表示装置を提供することにある。

この発明の態様に係る面状照明装置は、複数の光源と、前記光源の出射側に配設され、それぞれ光の一部を透過する少なくとも２層以上の反射層と、前記光源と、最も光源に近い反射層と、の間に設けられた少なくとも１層の屈折率が１ではない導光層と、を備え、前記反射層の少なくとも１層は、前記光源の直頂部の光透過率が最も低く、光源の照射領域全域に渡って透過率が制御され、前記導光層は、一括調光される前記光源のグループの境界においても遮られることなく全面に渡って拡がっている。
この発明の他の態様に係る面状照明装置は、複数の光源と、前記光源の出射側に配設され、それぞれ屈折率が１ではない少なくとも２層の導光層と、を備えている。

上記構成によれば、高画質・省電力、かつ、薄型化を両立することができるとともに、ローカルディミング技術などの部分駆動方式において境界が目立つことなく輝度均一性に優れた面状照明装置、およびこれを備えた液晶表示装置を提供することができる。

図１は、この発明の第１の実施形態に係る面状照明装置を備えた液晶表示装置を示す分解斜視図。 図２は、前記液晶表示装置の断面図。 図３は、第１の実施形態に係る液晶表示装置における面状照明装置の反射膜の一部を示す平面図。 図４は、導光層の光散乱性による光伝播の違いを説明する図。 図５は、導光層の透過率と効率の関係を示す図。 図６は、導光層の透過率とＬＥＤ真上の相対輝度の関係を示す図。 図７は、複数の導光層による光伝播の違いを説明する図。 図８は、導光層の厚さとＬＥＤ真上の相対輝度との関係を示す図。 図９は、反射層の層数と補償可能な相対輝度との関係を示す図。 図１０は、第１の実施形態に係る液晶表示装置における面状照明装置の別の反射膜の一部を示す平面図。 図１１は、この発明の第２の実施形態に係る面状照明装置を示す断面図。 図１２は、第２の実施形態に係る面状照明装置における反射膜の一部を示す平面図。 図１３は、この発明の第３の実施形態に係る面状照明装置を示す断面図。 図１４は、第３の実施形態に係る面状照明装置における反射膜の一部を示す平面図。 図１５は、この発明の第４の実施形態に係る液晶表示装置を示す断面図。 図１６は、第４の実施形態に係る液晶表示装置における面状照明装置の反射膜の一部を示す平面図。 図１７は、この発明の第５の実施形態に係る液晶表示装置を示す断面図。 図１８は、この発明の第６の実施形態に係る液晶表示装置を示す断面図。 図１９は、この発明の第７の実施形態に係る液晶表示装置を示す断面図。 図２０は、この発明の第７の実施形態に係る別の導光層構成を示す断面図。 図２１は、この発明の第８の実施形態に係る液晶表示装置を示す断面図。 図２２は、この発明の第９の実施形態に係る液晶表示装置を示す断面図。 図２３は、この発明の第１０の実施形態に係る液晶表示装置を示す断面図。 図２４は、この発明の他の実施形態に係る面状照明装置の光源配置を概略的に示す平面図。

以下、図面を参照しながら、この発明の実施形態に係る面状照明装置を備えた液晶表示装置について詳細に説明する。実施形態では、面状照明装置を液晶表示装置のバックライトユニットとして用いているが、面状照明装置のみを照明装置として利用することもできる。

図１は、この発明の第１の実施形態に係る面状照明装置を備えた液晶表示装置を示す分解斜視図、図２は液晶表示装置の断面図である。

図１および図２に示すように、液晶表示装置は、矩形状の液晶表示パネル１０、およびこの液晶表示パネル１０の背面側に対向して配設された面状照明装置１２を備えている。液晶表示パネル１０は、矩形状のアレイ基板１５、アレイ基板１５と隙間を置いて対向配置された矩形状の対向基板１４、およびこれらアレイ基板１５と対向基板１４との間に封入された液晶層１６を備えている。面状照明装置１２は、液晶表示パネル１０のアレイ基板１５と隣接対向して設けられている。

面状照明装置１２は、矩形状の回路基板１７と、この回路基板１７の上面に形成され光を拡散反射する下面反射層１８と、下面反射層１８を介して回路基板１７上に縦横３０ｍｍ間隔で格子状に配設された多数のＬＥＤ１９と、ＬＥＤ１９の上方に配設され下面反射層１８と対向した矩形状の厚さ１ｍｍ、透過率８０％の光散乱性の第１導光層２１と、この第１導光層２１の上方に配設された矩形状の厚さ１ｍｍ、透過率８０％の光散乱性の第２導光層２２と、第２導光層２２と液晶表示パネル１０との間に配設された厚さ２ｍｍ、透過率６０％の光拡散層２５と、第１導光層２１と第２導光層２２との間に配設された第１反射層２３と、第２導光層２２と光拡散層２５との間に配設された第２反射層２４と、を備えている。下面反射層１８、第１導光層２１、第２導光層２２、第１反射層２３、第２反射層２４および光拡散層２５は、液晶表示パネル１０とほぼ等しい大きさに形成され、図示しない支持部材あるいい接着部材によって固定されている。なお、ここでの透過率は、ＪＩＳ規格Ｋ７３６１に示された測定方法によるもので、導光層の裏面から光を垂直入射させたときに前面に抜け出す光の割合である。

それぞれ点光源として機能する多数のＬＥＤ１９は、回路基板１７上に格子状に並んで実装され、回路基板１７に電気的に接続されており、第１導光層２１の下面に当接して設けられ、第１導光層２１と光学的に接続されている。

第１反射層２３は、第２導光層２２の第１導光層２１側の表面上に印刷プロセスにより形成され、第２反射層２４は、光拡散層２５の第２導光層２２側の表面上に印刷プロセスにより形成されている。第１反射層２３および第２反射層２４は、図３に示すように、光の一部を透過する光透過孔２６と、光の一部を反射する反射領域２７とから構成され、ＬＥＤ１９から離れた部分（端部）に比べＬＥＤ１９の上部（中央部）の光の透過割合が小さく形成されている。すなわち、第１反射層２３および第２反射層２４において、光透過孔２６は、同ピッチの円形孔をなしており、ＬＥＤ１９から離れた部分（端部）に比べＬＥＤ１９の上部（中央部）の孔径が小さく形成されている。これにより、第１反射層２３および第２反射層２４は、ＬＥＤ１９の上部（中央部）の強い光を強く反射して、全体として面状照明装置１２の輝度の均一性が得られるように調整されている。

ここで、第１、２の反射層２３、２４の反射領域２７の反射率は７０％と低く設定している。仮に１層の反射層のみで照明装置を構成しようとすると、概略反射領域２７の反射率を９０％に設計しなければならない。このような高反射膜を安価な印刷プロセスで形成することは容易ではなく、多くは印刷膜厚さ増大等により量産性ばらつきを劣化させる。しかしながら、本実施形態では、反射層を２層に分割しているため２層重ねたときの反射領域２７の反射率を９０％とするとともに、各層の反射率は、量産ばらつきの小さい７０％程度に抑えることができる。

なお、本実施形態では２層構成としたが、反射層を３層以上にすればさらに各層の反射領域の反射率を下げることも可能である。設計的には、全層を重ねたときの反射領域の反射率が８０％以上（望ましくは９０％）であれば如何様にも設計することができる。また、印刷プロセスの観点から見れば、各層の反射領域の反射率は８０％以下であることが望ましい。

なお、第１反射層２３および第２反射層２４については、例えば、第１反射層２３は第１導光層２１の第２導光層２２側の表面上に、第２反射層２４は第２導光層２２の第１導光層２１側の表面上に設けるなどとしてもよく、第１および第２反射層２４、２５の形成位置に関しては必ずしも本実施形態に限定されるものではない。

図２に示すように、第１導光層２１および第２導光層２２は、透明な樹脂により形成された母材に、母材と屈折率の異なる材料からなる光散乱粒子２８を分散させた構成を有している。ＬＥＤ１９から出射され、第１導光層２１に入射した光の大部分は、この光散乱粒子２８により適度に反射・散乱されて第１導光層２１の内部を広く伝播し、同様に、第２導光層２２内部でさらに伝播されるとともに、第１および第２反射層２３、２４の光透過孔２６を通して、面状照明装置１２の輝度の均一性を確保した状態で前面に出射する。

図１に示すように、面状照明装置１２は、ＬＥＤ１９の点灯を制御する制御部２９を有している。この制御部２９は、回路基板１７に接続されるとともに、液晶表示装置の図示しない主制御部に接続されている。制御部２９は、液晶表示装置の主制御部から送られた映像輝度信号に基づき、ＬＥＤ１９毎に、あるいは、隣接する複数のＬＥＤ１９を１ユニットとして、この１ユニット毎に、発光量を調整する発光量調整部４２を備えている。すなわち、制御部２９は、複数のＬＥＤ１９を個別に駆動することによって、映像情報に合わせて面状照明装置１２の調光を行う。

このように構成された面状照明装置１２において、ＬＥＤ１９を点灯することにより、ＬＥＤ１９から出射された光は第１導光層２１に入光する。その光は第１および第２導光層２１、２２内を散乱し伝播した後、第２反射層２４から出射され、更に、光拡散層２５で拡散された後、液晶表示パネル１０に照射される。

上記構成の面状照明装置１２によれば、ＬＥＤ１９から光拡散層２５までの間隔を２ｍｍと従来構成に対して飛躍的に縮小することができ、かつ、効率を劣化させることなく均一な輝度分布を得ることが出来る。

更に、このように構成された面状照明装置１２において、従来発生していた課題を克服できるが、以下に詳述する。

まず、導光層２１、２２の作用効果を説明する。図４は、導光層２１、２２が透明な場合と光散乱性がある場合とでの、ＬＥＤ１９から出る光の伝播の違いを示したものである。

図４（ａ）に示すように、導光層が透明な場合、ＬＥＤ１９から出た光は上下反射膜１８、２４（又は２３）の反射を繰り返して伝播していく。この場合、正反射で５％、拡散反射で２％程度の吸収損失をともなうため効率が劣化してしまう。

一方、図４（ｂ）に示すように、本実施形態のように導光層２１、２２を光散乱性とした場合、光は導光層中の光散乱粒子２８の屈折率界面で弾性散乱して進路が曲げられ、結果的に吸収を伴う反射回数を減らして伝播する。図５は、実施形態と異なるが、厚さ２ｍｍの導光層に１層の上側反射膜を組合わせたときの導光層の透過率と効率との関係を示す図である。厚さや構成にも依存するが、光散乱性がある場合、透明（透過率１００％）に対して１０〜２０％程度の効率向上が実現できる。ただし、過度に透過率を下げるとＬＥＤ１９から出た光が導光層で散乱された結果、ＬＥＤ１９に戻って吸収される損失が増えていく。そのため、導光層のＬＥＤ側の部分は透過率を高く、ＬＥＤから遠い側の部分は透過率を低く設定し、光がＬＥＤから離れてから散乱を強くすることが望ましい。
また、光散乱性の導光層は、ＬＥＤ真上の強い光を拡散させて導光層厚さを小さくする効果ももっている。

図６は、導光層の厚さを２ｍｍとしたときの導光層の透過率とＬＥＤ真上の相対輝度との関係を示したものである。相対輝度は設計輝度を１としており、１を超えた分は上側反射膜で補償する必要がある。導光層の透過率が下がると、上述した光散乱効果によりＬＥＤ真上の輝度が低下していく。実施形態では、導光層の総厚さ２ｍｍ、総透過率６４％であり、これによるＬＥＤ真上の相対輝度の低減効果は略１／１０である。

また、導光層を複数層重ねて設けることで、導光層表面の屈折率界面による反射伝播の効果が期待できる。図７は、導光層２１、２２が透明な場合と、屈折率が１より大きい導光層を複数重ねた場合とでの、ＬＥＤ１９から出る光の伝播の違いを示したものである。

図７（ａ）に示すように、導光層が透明な場合、ＬＥＤ１９から出た光は上下反射膜１８、２４（又は２３）の反射を繰り返して伝播していく。この場合、正反射で５％、拡散反射で２％程度の吸収損失をともなうため効率が劣化してしまう。

一方、導光層表面の屈折率界面では損失のないフレネル反射により上下方向の進む向きを変えられる光が発生する。図７（ｂ）に示すように、屈折率が１より大きい導光層を複数重ねた場合、これら導電層による光の横伝播を強めて、相対的に損失をともなう上下反射膜での反射を軽減して、効率を改善することができる。本実施形態では、導光層は２層でありこの効果はわずかであるが、層数の掛け算で効果が大きくなることと、界面形態を変えることで光線進路の制御が可能であるため、後述する実施形態ではより重要な作用となっている。

次に、複数層の反射層による作用効果を説明する。
図８は、透明な導光層で上側反射層を用いない場合のＬＥＤ真上の相対輝度と導光層の厚さ（間隔）との関係を示している。このような上側反射層のない従来構成では、相対輝度を設計値の１とするためには、ＬＥＤ配列ピッチと同等の３０ｍｍの間隔が必要である。ＬＥＤ真上の相対輝度は距離の自乗に逆比例するため、この間隔を例えば３ｍｍまで１／１０に縮小すると、相対輝度は１００倍に増大する。このとき、均一な輝度分布を得ようとすれば、反射層の透過率をＬＥＤ真上で１％としなければＬＥＤ真上で明るいムラが残ってしまう。しかしながら、量産性の高い印刷プロセスでは反射膜の厚さを数１０μｍに形成するため、２０％程度の透過が出てしまう。また、図３に示したような孔径で全面に渡ってなだらかな透過率制御をしようとすれば、ＬＥＤ真上でも小さな孔が必要となる。この最小孔径は印刷では８０μｍ程度であり、最小透過率は２０％程度に設定する必要がある。

図９は、ＬＥＤ真上の反射層の透過率を変えたときの反射層の層数と補償可能な相対輝度との関係を示したものである。
例えば、反射層の透過率を２０％と設定した場合、１層では補償可能な相対輝度は５となり、図８に示した関係より、間隔は１４ｍｍまでしか縮小することができない。第１の実施形態に示したような、２層の反射層を設けた構成では、補償可能な相対輝度は２５となり、間隔は６ｍｍまで縮小可能である。同様に、反射層を３層とした場合には、間隔は３ｍｍまで縮小可能となる。

このように、反射層を複数層とすれば、その分だけ間隔を狭くしたり、１層あたりの透過率を上げて反射回数軽減による効率向上を実現することができる。

第１の実施形態においては、２層の反射層２３，２４、および２層の導光層２１，２２を用いることで、導光層透過率を２ｍｍで６４％とし、反射層最小透過率を２０％として、結果的に効率劣化や輝度ムラを招くことなく導光層厚さを従来の３０ｍｍから２ｍｍまで縮小している。

以上のことから、第１の実施形態によれば、薄型、省電力かつ高コントラスト比を両立することができるとともに、ローカルディミング駆動において、発光領域の輝度の均一性に優れた面状照明装置が得られる。この面状照明装置を液晶表示装置に適用することにより、高コントラスト、低消費電力、かつ薄型を満たす高品質な大画面液晶表示装置を提供することができる。

なお、下面反射層１８や第１および第２反射層２３、２４の反射に関して、正反射面でも拡散反射面でもどちらでもよい。拡散反射面の場合は、正反射に比べ光の伝播効果は低くなり輝度均一性は若干劣化するが、正反射膜に比べ光の吸収は小さくなる。よって、この構造は、消費電力を重視するような製品には適する。製品の用途などにより、これらの反射様態を適宜選択すればよい。

本実施形態では、ＬＥＤ１９と第１導光層２１とは光学的に接合されているが、これは、強固な構造に出来るなどのメリットがある為であるが、特にこの構造に限定されるものではなく、ＬＥＤ１９と第１導光層２１とを光学的に分離して配置する構成としてもよい。この場合、面状照明装置の組立が容易となり、例えば、比較的小さい汎用品に適した構成となる。ＬＥＤ１９と第１導光層２１とを光学的に接合するか、分離するかは、製品の用途などにより適宜選択すればよい。

本実施形態では、第１および第２反射層２３、２４の光透過孔２６は、同ピッチで形成し孔径のグラデーションにより光透過率を制御しているが、図１０に示したように、光透過孔２６をそれぞれ同一径に形成し、配列ピッチをＬＥＤ１９から離れた部分に比べ、ＬＥＤ１９上部の方を大きくすることにより、ＬＥＤ１９直上部の光の透過率を小さくしても、同様の効果を得られる。なお、光透過孔２６の形状は、円形に限定されるものではなく、四角形や楕円形など、他の形状としてもよく、逆に反射膜２１を円形や矩形のドット状に形成して残りを光透過孔１８とした構成でもよく、形成プロセスなどを考慮して適宜選択すればよい。

本実施形態では、第１および第２反射層２３、２４の光透過孔２６の孔径にグラデーションをつけて各箇所の光透過率を制御しているが、通常、ＬＥＤ１９から離れた部分（端部）の透過率を大きくすると効率を向上できる。ただし、我々の解析では、１層の反射層の端部の透過率が６０％以上となると、効率はほとんど変化しなくなる。よって、１層の反射層の端部の透過率は６０％以上とすることが好ましい。

本実施形態では、反射層は第１および第２反射層２３、２４の２層により構成しているが、特にこの構造に限定されるものではなく、反射層を３層以上で構成することにより、さらに薄い面状照明装置を実現できる。

なお、前述したように、導光層における光拡散粒子の密度分布は、ＬＥＤ１９側に比べ液晶表示パネル１０側の方が大きくなるように形成した方が好ましい。従って、複数の導光層の透過率をＬＥＤ１９側からＴ１、Ｔ２、Ｔ３・・・Ｔｎとすると、このうち２層の透過率Ｔｊ，Ｔｋにおいて、
Ｔｊ ≧ Ｔｋ （ｊ≦ｋ）
とする構成により、面状照明装置１２の効率を向上でき、望ましくは、
Ｔｉ−１ ≧ Ｔｉ （ｉ＝２、３、４・・・ｎ）
とすれば更に効率が向上できる。

また、同様に、反射層についても上述した作用効果が得られる。よって、複数の反射層の透過率をＬＥＤ１９側からＴ１、Ｔ２、Ｔ３・・・Ｔｎとすると、このうち２層の透過率Ｔｊ，Ｔｋにおいて、
Ｔｊ ≧ Ｔｋ （ｊ≦ｋ）
とする構成により面状照明装置１２の効率を向上でき、望ましくは、
Ｔｉ−１ ≧ Ｔｉ （ｉ＝２、３、４・・・ｎ）
とすれば更に効率が向上できる。

次に、この発明の他の実施形態に係る面状照明装置について説明する。図１１は、第２の実施形態に係る面状照明装置を示す断面図である。

第２の実施形態によれば、面状照明装置は、第１および第２導光層としての２枚の透明フィルム１１１、１１２と、これら透明フィルムの両面に印刷形成された反射層１２１、１２２、１２３、１２４とを備えている。面状照明装置の他の構成は、前述した第１の実施形態と同一であり、同一部分には同一の参照符号を付している。

ＬＥＤ１９から光拡散層２５までの間隔は、第１の実施形態と同じ２ｍｍである。透明フィルム１１１，１１２は、図示しない接着部材により光拡散層２５と接着固定されている。反射層１２１，１２２，１２３，１２４は、ＬＥＤ１９真上でそれぞれ最小透過率２０％程度に設定され、４層積層されることでＬＥＤ真上の強い光を補償して均一な面状光源を形成している。

図１２は、この反射層１２１、１２２、１２３、１２４の反射部２７と透過部２６のパターンを示したものである。
ＬＥＤ１９に対向して設けられた透明フィルム１１１の両面に形成された反射層１２１，１２２では、図１２（ａ）、（ｂ）に示すように、ＬＥＤ真上のみの小さい領域に反射部２７をベタ塗りパターンとすることで、輝度均一性を重視するとともに平均透過率を高めに設定して効率改善に寄与させている。ＬＥＤ１９に最も近い反射層１２１の反射部２７は、例えば、小径の円形に形成され、反対側の反射層１２２の反射部２７は、反射層１２１の反射部２７よりも大径で、反射層１２１の反射部２７と同芯の円形に形成されている。

透明フィルム１１１と光拡散層２５との間に設けられた透明フィルム１１２の両面に形成された反射層１２３、１２４では、図１２（ｃ）、（ｄ）に示すように、反射部２７は、面状光源としての均一性を重視した領域全面に渡るパターンとしている。反射層１２３、１２４のモアレを回避するため、反射部２７はストライプ構造とし、一方の反射層１２２の反射部２７は、他方の反射層１２３の反射部２７と直交するように配置している。

このように反射層１２１，１２２、１２３，１２４を積層することで、各層間で繰り返し周波数が近くなることを避けてモアレを回避することができる。また、印刷などの量産性の高いプロセスにより形成され、反射部である程度透過するような膜でも十分に輝度ムラを補償することができ、かつ、効率の劣化も回避することができる。

次に、この発明の第３の実施形態に係る面状照明装置について説明する。図１３は、第３の実施形態に係る面状照明装置を示す断面図である。
第３の実施形態によれば、面状照明装置１２は、０．５ｍｍの回路基板１７と、回路基板上に形成された下面反射層１８と、下面反射層を介して回路基板１７上に実装された多数のＬＥＤ１９と、ＬＥＤ１９に対向して設けられた導光層と、導光層と液晶表示パネル１０との間に設けられた光拡散層２５と、を備えている。導光層は、複数、例えば、５枚の厚さ０．２５ｍｍの光散乱性フィルム１１１、１１２、１１３、１１４、１１５を積層して構成されている。光散乱性フィルム１１１〜１１５のいずれかに、ＬＥＤ１９側に位置する第１反射層１２１、および、この第１反射層よりも光拡散層２５側に位置する第２反射層１２２が印刷形成されている。

光の一部を反射する第２反射層１２２は、図１４に示す細密ピッチの一定透過率パターンを有し、光の一部を反射する第１反射層１２１のパターンピッチずれに起因するムラを緩和する。これにより、光拡散層２５を０．５ｍｍとしても、第１反射層１２１のピッチパターンムラが目立たない構成としている。

導光層は光散乱性を有する他に、光散乱性フィルム１１１〜１１５の積層界面に図示できない空気層があり、これにより光を反射伝播することで第１および第２反射層１２１，１２２の２層でもＬＥＤピッチの輝度ムラを補償することができる。

この実施形態では基板も含めた全ての部材が薄く形成され、積層されていることにより、柔軟性がある。これにより、湾曲した曲面にも対応する面状照明装置とすることができる。

次に、この発明の第４の実施形態に係る面状照明装置について説明する。図１５は、第４の実施形態に係る液晶表示装置を示す断面図である。
第４の実施形態によれば、第２導光層２２のＬＥＤ１９側に設けられた第１反射層３２は、全て同じ孔径を有する光透過孔３１を有している。液晶表示装置の他の構成は、前述した第１の実施形態と同一であり、同一の部分には同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略する。

図１６は、第１反射層３２の一部を拡大した平面図を示す。第１反射層３２は、全て同じ孔径を有する円形の光透過孔３１と、光を反射する反射領域２７とから構成されている。これにより、ＬＥＤ１９上の輝度を大幅に低減することができ、第２反射層２４により輝度の不均一性が補償される。ただし、この場合、輝度均一補正の効果が弱まるため、もともと輝度ムラが小さい場合、例えば、ＬＥＤ１９の間隔が比較的小さい場合などに適用可能であり、反射層の形成プロセスが容易になる、第１反射層３２と第２反射層２４のアライメント補正が不要になるなどのメリットがある。さらに、ＬＥＤ１９の間隔が非常に小さい場合など、２層共に全て同じ孔径を有する光透過孔３１を形成した構成としてもよいことは言うまでもない。

本実施形態では、第１反射層３２を、光の一部を透過する光透過孔３１と光の一部を反射する反射領域２７とに分離した構成としているが、特にこのように分離した構造に限定されるものではなく、全面に光の一部を透過する反射膜としてもよい。ただし、このような構成とした場合には、反射効果が大きく輝度が全体的に低くなるというデメリットがあるが、反射層の形成プロセスが格段に容易になるなどのメリットがあり、比較的安価な製品に適用できる。

光透過孔と反射領域に分けた反射膜形成プロセスとしては、実施形態で説明した印刷プロセスの他にフォトリソグラフィ法、あるいは蒸着でも形成することができる。また、均一パターンの反射膜形成プロセスとしては、例えば金属材料を薄く蒸着したり、異なる透明樹脂を適切厚さで蒸着して屈折率界面での反射を利用したりする蒸着プロセスが代表的である。いずれにおいても、反射層の層数を増やすことにより各層の反射率を相対的に下げることが可能であり、かつ、全層重ね合わせたときの高い反射率要求にも答えることができる。

次に、この発明の第５の実施形態に係る液晶表示装置について説明する。図１７は、第５の実施形態に係る液晶表示装置を示す断面図である。

第５の実施形態によれば、第１反射層３３は、第１および第２導光層２１、２２間に独立した反射シートして形成され、同様に、第２反射層３４は、第２導光層２２と光拡散層２５との間に、独立した反射シートとして設けられている。液晶表示装置の他の構成は、前述した第１の実施形態と同一であり、同一の部分には同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略する。

さらに、本実施形態においては、反射領域２７は光を正反射する反射面を有している。通常、第１の実施形態のように、導光体上に直接的に膜を形成するようプロセスにおいては、安価に表面に凹凸のない鏡面を形成することは困難であり、通常は拡散反射面が用いられる。一方、本実施例のような場合には、鏡面反射を有するシートに孔明け加工を施すことにより、比較的安価に製造可能となる。

上記のように構成された面状照明装置１２によれば、第１の実施形態と同様に全面にわたって均一な輝度分布を得ることができるが、反射面に拡散反射ではなく正反射を用いていることから、光の伝播効果がより強まるため、輝度の均一性が向上する。

次に、この発明の第６の実施形態に係る面状照明装置を備えた液晶表示装置について説明する。図１８は、第６の実施形態に係る液晶表示装置を示す断面図である。

第６の実施形態によれば、導光層は３層の導光層１１１，１１２，１１３を積層して構成されている。同じ導光層内の光散乱粒子は同じ密度に形成されているが、各層間の光散乱粒子の密度は異なっている。すなわち、液晶表示パネル１０側の導光層１１３の光散乱粒子の密度が最も高く、導光層１１２，１１１の順で、光散乱粒子の密度が低くなっている。３層の導光層１１１，１１２，１１３の光の透過率をＬＥＤ２２側からＴ１、Ｔ２、Ｔ３・・・Ｔｎとすると、導光層は、Ｔｉ−１ ≧ Ｔｉ （ｉ＝２、３、４・・・ｎ）の関係を満たすように形成されている。

上記は最も望ましい透過率設定であるが、完全にこの規則に従わなくてもよく、少なくとも２つの層で光源側の方が透過率が高い設定であれば改善効果が得られる。
液晶表示装置の他の構成は、前述した第１の実施形態と同一であり、同一の部分には同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略する。

上記のように構成された面状照明装置１２によれば、ＬＥＤ２２面近くの光散乱粒子２８の密度は低く、一方、ＬＥＤ２２面から離れたところの光散乱粒子２８の密度は高くなっている。よって、ＬＥＤ２２面上での損失が少なく、効率よく光を拡散できる。その他、第６の実施形態においても、前述した実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
なお、導光層の層数は、３層に限定されるものではなく、２層あるいは４層以上としてもよく、特にある層数に限定されることはない。

次に、この発明の第７の実施形態に係る面状照明装置について説明する。
図１９は、第７の実施形態に係る液晶表示装置を示す断面図である。
第７の実施形態によれば、面状照明装置１２の導光層は２層１１１，１１２で構成されている。同じ層内の光散乱粒子は同じ密度に形成されているが、液晶表示パネル１０側の導光層１１２の光散乱粒子の密度がＬＥＤ２２側の導光層１１１よりも高く設定されている。また、液晶表示パネル１０側の導光層１１２は、ＬＥＤ２２上部のみに部分的に形成されている。面状照明装置１２および液晶表示装置の他の構成は、前述した第１の実施形態と同一であり、同一の部分には同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略する。

上記のように構成された面状照明装置１２によれば、第１の実施形態と同様に、導光層１１１，１１２において、ＬＥＤ２２面近くの層１１１の光散乱粒子の密度は低く、ＬＥＤ２２面から離れた層１１２の光散乱粒子の密度は高くなっている。よって、第６の実施形態と同様に、ＬＥＤ２２面上での光の損失が少なく、効率よく光を拡散することができる。また、本構成によれば、輝度が高いＬＥＤ２２直頂部の光を効率よく拡散できるため、特に、上面への出射が強いＬＥＤ２２を使用する場合などに有効な手段となる。

第７の実施形態では、光散乱粒子の密度が高い導光層１１２は光散乱粒子の密度が低い導光層１１１の上部に形成された構成としているが、図２０に示すように、光散乱粒子の密度が低い導光層１１１の上側内部に、光散乱粒子の密度が高い導光層１１２を埋め込み形成する構造としてもよい。この構成においても、上記第７の実施形態と同様の効果が得られ、より薄い液晶表示装置を提供することが出来る。

次に、この発明の第８の実施形態に係る液晶表示装置について説明する。図２１は、第８の実施形態に係る液晶表示装置を示す断面図である。
第８の実施形態によれば、第１導光層２１および第２導光層２２内部には光散乱粒子２８は分散されておらず、さらに、第２導光層２２は楔形状をなしている。また、第１反射層２３は、第１導光層２２の液晶表示パネル１０側の表面上に形成されている。第８の実施形態において、液晶表示装置の他の構成は、前述した第１の実施形態と同一であり、同一の部分には同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略する。

第８の実施形態によれば、第１導光層２１においては、上面に形成された第１反射層２３により内部を伝播する光は拡散反射される。一方、第２導光層２２は楔形状に形成されているため、第２導光層２２において、入射した光は反射のたびに角度が変わることにより、導光層内部を伝播する光は拡散されることとなる。従って、これらの効果と第１および第２反射層２３、２４により、面状照明装置１２の全面にわたって均一な輝度分布を得ることが出来る。

次に、この発明の第９の実施形態に係る液晶表示装置について説明する。図２２は、第９の実施形態に係る液晶表示装置を示す断面図である。
第９の実施形態によれば、面状照明装置１２の導光部は、ＬＥＤ１９側から第１導光層３７、第２導光層３８、第３導光層３９および第１反射層４０により構成され、これら３層の導光層３７、３８、３９のＬＥＤ１９側界面には略半球状の凸部４１が多数形成されている。第９の実施形態において、液晶表示装置の他の構成は、前述した第１の実施形態と同一であり、同一の部分には同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略する。

第９の実施形態によれば、３層の導光層３７、３８、３９は、上述したようにその界面には凸部４１が形成されているため、内部を伝播する光は拡散反射される。一方、反射層は２層から１層に減っているが、その分、導光層の層数が増えているため、これら導光層３７、３８、３９の界面では空気との屈折率差により光が反射される。従って、ＬＥＤ１９中央部の輝度を低減できる。すなわち、これらの効果と第１反射層２３とにより、面状照明装置１２の全面にわたって均一な輝度分布を得ることが出来る。

なお、本実施形態において、凸部４１は球形状をなしているが、光の反射方向を変える事が目的で設けられているため、その形状や出っ張り方向にこだわるものではなく、例えば、円錐形状や角錐形状でもよく、また凹状としてもよい。更に、凹凸の複合型でもよく、また、不均一な配置としてもよく、形成する面は上面や両面でもよく、加工のし易さや光の拡散度合いなどに応じて適宜選択すればよい。

本実施形態によれば、界面に凸部４１を設けた構成としているが、上述した光散乱粒子を分散させた構造や楔型形状にした構造でも良く、特にこの構成に限定されるものではない。また、導光層の層数は、３層に限定されるものではなく、４層以上としてもよく、特にある層数に限定されることはない。

次に、この発明の第１０の実施形態に係る面状照明装置について説明する。図２３は、第１０の実施形態に係る面状照明装置を示す断面図である。
第１０の実施形態によれば、面状照明装置１２を構成する導光層、反射層および光拡散層は、すべてフィルム化している。導光層１１１，１１２，１１３と反射層１２１，１２２，１２３はいずれも３層で構成され、ＬＥＤ１９側に位置する下層では、ＬＥＤ１９に対して局所的に光を屈折散乱させる導光層１１１と局所的に光を反射させる反射層１２１とが配置され、中間層には、全面に光を拡げるプリズム付導光層１１２と全面での輝度補償を行う図３に示したパターンの反射層１２２とが配置されている。上層には、光散乱性を強めた導光層１１３と図１４に示した均一細密ピッチの反射層１２３とが配置されている。反射層１２３の上には、最も光散乱性を強めた光拡散フィルム１１４と、さらにその上に、配光を前面に集中させるプリズムフィルム１１５が配置されている。
これにより、面状照明装置１２としてフィルム積層による柔軟性を保持しつつ、薄型化、効率改善、ＬＥＤピッチ輝度ムラ補償の全てを効率的に行う構成としている。

上記種々の実施形態で説明したように、面状照明装置における第１反射層の配設位置は特に限定されるものでなく、各導光層の厚さや透過率などにより適宜選択すればよく、例えば、第１反射層と第２反射層とを隣接配置した構成としてもよい。

点光源としてのＬＥＤ１９は、白色のものでも、単色のものでも適用可能であり、ＬＥＤ１９の種類に関して限定を受けるものではない。例えば、単色のＬＥＤでカラー表示を行う場合には、図２４に示すように、赤（Ｒｅｄ）、青（Ｂｌｕｅ）、緑（Ｇｒｅｅｎ）を発光する３つのＬＥＤ１９を隣り合わせて配置することにより、色ずれのない均一な輝度分布を得ることができる。

通常の液晶表示パネル１０は平面であるため、上述した面状照明装置１２はこれに合わせ全て平面構造としていたが、本発明の面状照明装置は特に平面構造にのみ適用される訳ではなく、薄い層を重ねた構成である事から寧ろフレキシブル性を有している。従って、面状照明装置は、全体的に湾曲した構造や、一部が湾曲した構造などにも適用可能である。

この発明は上述した実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化可能である。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
（１４）複数の光源と、前記光源の出射側に配設され、それぞれ屈折率が１ではない少なくとも２層以上の導光層と、を備える面状照明装置。
（１５）前記導光層の少なくとも１層は、光散乱性を有している（１４）に記載の面状照明装置。
（１６）前記光散乱性は、前記導光層内に拡散され前記導光層の母材の屈折率と異なる材料、あるいは気泡による光散乱効果である（１５）に記載の面状照明装置。
（１７）前記導光層の少なくとも１層は、界面に凹凸の形状を有している（１４）に記載の面状照明装置。
（１８）前記界面の凸凹は、前記光源の直頂部の近傍にプリズム性をもつ凸凹、あるいは、前記光源の照射領域全域にわたって均一なプリズム性をもつ凸凹である（１７）に記載の面状照明装置。
（１９）前記導光層の少なくとも２層は、前記光源に近い側の導光層の平均透過率が前記光源から遠い側の導光層の平均透過率よりも高く設定されている（１４）に記載の面状照明装置。
（２０）前記光源に最も近い導光層は、前記光源に光学的に接合されている（１４）に記載の面状照明装置。
（２１）液晶表示パネルと、前記液晶表示パネルの背面に対向して配置され、前記液晶表示パネルに光を照射する（１４）ないし（２０）のいずれか１つに記載の面状照明装置と、を備えた液晶表示装置。

１０…液晶表示パネル、１２…面状照明装置、１７…回路基板、
１８…下面反射層、１９…ＬＥＤ、２１、３７…第１導光層、
２２、３８…第２導光層、３９…第３導光層、
２３、３２，３３，４２…第１反射層、２４、３４、４０、４３…第２反射層、
２５…光拡散層、２６、３１…光透過孔、２７、４５…反射領域、
２８…光散乱粒子、２９…制御部、３０…発光量調整部、４１…凸部、
４４…光透過領域、

Claims (17)

1. 複数の光源と、前記光源の出射側に配設され、それぞれ光の一部を透過する少なくとも２層以上の反射層と、
   前記光源と、最も光源に近い反射層と、の間に設けられた少なくとも１層の屈折率が１ではない導光層と、を備え、
   前記反射層の少なくとも１層は、前記光源の直頂部の光透過率が最も低く、光源の照射領域全域に渡って透過率が制御され、
   前記導光層は、一括調光される前記光源のグループの境界においても遮られることなく全面に渡って拡がっている面照明装置。
2. 前記反射層の少なくとも１層は、前記光源の直頂部の近傍に部分的に光透過率が制御された領域を有している請求項１に記載の面状照明装置。
3. 前記反射層の少なくとも１層は、前記光源の照射領域全域に渡って略均一に光透過率が制御されている請求項１に記載の面状照明装置。
4. 前記２層以上の反射層を全層重ねたときの反射率は、８０％以上である請求項１に記載の面状照明装置。
5. 前記反射層の少なくとも１層の反射率は、８０％以下である請求項１に記載の面状照明装置。
6. 前記反射層の少なくとも２層は、前記光源に近い側の反射層の平均透過率が前記光源に遠い側の反射層の平均透過率よりも高く設定されている請求項１に記載の面状照明装置。
7. 前記反射層の少なくとも１層は、印刷、フォトリソグライフィプロセス、あるいは蒸着により形成されている請求項１に記載の面状照明装置。
8. 前記光源に最も近い前記反射層は、前記光源に隙間をおいて対向している請求項１に記載の面状照明装置。
9. 前記反射層の少なくとも２層は、互いに隣接配置されている請求項１に記載の面状照明装置。
10. 前記反射層の少なくとも１層は、前記光源から最も遠い領域の光透過率が６０％以上である請求項１に記載の面状照明装置。
11. 前記反射層の少なくとも１層は、光を反射する反射部と光を透過する光透過部とを有し、反射部は、部分的な周期を持たないパターン、ストライプ状の１次元しか周期をもたないパターン、あるいは、ランダムに変えた周期をもつパターンに形成されている請求項１に記載の面状照明装置。
12. 前記１つの光源が形成する輝度プロファイルは、隣接する前記光源あるいは一括調光される複数の光源グループの境界においてもなだらかに輝度が減衰し、隣接する領域に拡がっていることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の面照明装置。
13. 光拡散層を更に備えた請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の面照明装置。
14. 前記光源は点状の光源であることを特徴とする請求項１ないし１３のいずれか１項に記載の面照明装置。
15. 一部分もしくは全面にわたり湾曲部を有している請求項１ないし１４のいずれか１項に記載の面状照明装置。
16. 外部信号に基づき、前記点光源の発光量を、前記点光源毎、もしくは隣接する複数の点光源を１ユニットとするユニット毎に部分調整する発光量調整部を備えている請求項１４に記載の面状照明装置。
17. 液晶表示パネルと、
    前記液晶表示パネルの背面に対向して配置され、前記液晶表示パネルに光を照射する請求項１ないし１６のいずれか１項に記載の面状照明装置と、
    を備えた液晶表示装置。

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