JP4671343B2 - 照明装置 - Google Patents

Description

本発明は、液晶表示装置等の受光型表示装置のバックライトやフロントライトとして用いられる照明装置に関し、特に携帯電話、ＰＤＡ等の小型液晶ディスプレイの照明装置に関する。

近来、蛍光表示管に比べ、寿命が長い、照明装置光の色度調整が容易等の利点があるため発光ダイオード（以下ＬＥＤと略記する）を光源とした照明装置が用いられ始めている。
図３は発光ダイオード（以下ＬＥＤと略記する）を用いたサイドライト型照明装置をバックライトとして用いた場合の従来例を示す図で、（ａ）が平面図、（ｂ）が側面図である。
図３における照明装置は、複数のＬＥＤ光源６０−１，２，３，４を略直方体の導光板６８の側面に配置し、該ＬＥＤ光源６０−１，２，３，４の出射光が導光板６８に入射する。導光板６８にはマイクロプリズム、すなわちグルーブが形成され、該マイクロプリズムの頂点を結んだ稜線は図３（ａ）に点線群７０で示したように複数のＬＥＤ光源６０−１，２，３，４が配置された側面に平行とされていた。
断面構造は図３（ｂ）に示すように、導光板６８の下面に反射シート８０が、上面にプリズムシート７８が配置され、導光板６８、反射シート８０、プリズムシート７８がホルダー７６に収納され、上部に置かれる液晶表示装置等の受光型表示装置を照明する構造となっていた。

ＬＥＤ光源６０−１，２，３，４から入射された光は導光板６８内で導光板６８上面と導光板６８下面に設けられたマイクロプリズムの面とで屈折を繰り返して伝播される。該伝播を繰り返すうちに、光の進行方向と導光板６８上面とがなす角度が臨界角よりも小さくなり、導光板６８上面から光が出射する。導光板６８下面に出射されてしまって光は反射シート８０で反射されて導光板６８に戻される。導光板６８から出射した光は、プリズムシート７８によって屈曲され表示装置側へと導かれる。
なお以下の図において、同様の部材には同様の番号を付している。

しかしこのようなサイドライト型照明装置には問題がある。それはＬＥＤ光源６０−１，２，３，４からはそれぞれの光源で規定されたいろいろな方向に光が出射されるが、例えば図３（ａ）に示すように、ＬＥＤ光源６０−３から出射された光７４はグルーブの稜線７０と直交する方向７２に対してαなる角度を有してしまい直交しないということである。
この状況を図４、５を用いてさらに説明する。
図４は図３（ａ）の導光板６８とＬＥＤ光源６０−１，２，３，４の図にＬＥＤ光源６０−２，３から出射される光線の軌跡を書き加えた図である。
点光源であるＬＥＤ光源６０−１，２，３，４の出射光は、光源間に暗部を作らないためにはある程度広角にする必要がある。また導光板に入射した光は、グルーブで反射する度に導光板の幅方向へ広がる方向に屈折される。その結果グルーブの稜線７０と概ね直交する出射光８２，８４とグルーブの稜線７０に対して直交しない光８６，８８とに分かれ、直交しない光の方が多くなってしまう。
このように光軸と稜線パターンとが直交しない光が多くなるとグルーブ部で光が散乱してしまった状態に近くなり、グルーブ部で屈折して導光板６８の上面に出射される光のうち導光板６８の面に対して垂直でない光成分が多くなってしまう。そのため照明装置の照明光の指向性が悪くなってしまい照明装置の輝度を高めることが出来ないという問題がある。

この状況をグラフに表したのが図５である。
図５（ａ）は図３に示したような従来の照明装置の光学特性を表したグラフで、図５（ｂ）は座標軸を説明する図である。
図５（ｂ）に示すように、座標軸は導光板６８の平面の縦方向をＸ軸、横方向をＺ軸、導光板６８上面に垂直な方向で、Ｘ軸およびＺ軸と直交する軸をＹ軸とする。かつ導光板６８から照明光が出射される方向Ｙ’とＹ軸とが成す角を光放射角度θとする。
このように座標軸を定めて従来の照明装置の光学特性をグラフ化すると図５（ａ）のようになる。
図５（ａ）における横軸は光放射角度θで、縦軸は光強度の相対値であり、図の点線の太線９０はＸ−Ｙ平面における照明光の方向と照明光の強度の関係、実線の太線９２はＺ−Ｙ平面における照明光の方向と照明光の強度の関係を示している。したがって横軸がθ＝０の点は導光板６８と直交する方向の照明光強度を示しており、θ＝９０の点は導光板６８の面と平行な方向の照明光強度を示している。
図５（ａ）のグラフが示すように従来の照明装置はＸ−Ｙ平面での特性９０、Ｚ−Ｙ平面での特性９２ともに、導光板６８の表面に対して垂直な方向の光が最も強いものの、例えば垂直方向から３０°の角度の光もＸ−Ｙ平面で垂直方向光の４０％程度、Ｚ−Ｙ平面で垂直方向光の１０％程度の光強度を有しており、特に幅方向であるＸ−Ｙ平面での指向性が広くなってしまい照明装置としての光の指向性が不十分であった。

図６は照明装置の特性を説明するために設けた参考図で、図５と同様の座標軸を用いている。
図６（ａ）は理想的な指向性を有した場合の特性を示しており、Ｘ−Ｙ平面での特性、Ｚ−Ｙ平面での特性ともに実線の太線９４で示したように、すべての光がθ＝０である導光板の面に対して垂直な方向となっている。
図６（ｂ）は全く指向性がない場合の特性で、Ｘ−Ｙ平面での特性Ｚ−Ｙ平面での特性ともに、実線の太線９６で示したように導光板の面に対する各角度での光強度が一定となってしまっている。
本発明は図６（ａ）に示した特性９４に近い特性を持った照明装置を実現することを目的としている。

ＬＥＤ光源を用いた照明装置の照明光の指向性を改良するため、ＬＥＤ光源を導光板のコーナー部近傍に置き、グルーブの稜線を該ＬＥＤ光源を中心とした同心円状とするという提案はある（例えば特許文献１参照）。
この提案は照明装置の指向性を改良するため優れたものであるが、照明装置の輝度を上昇させるためには導光板のコーナー部に１つのＬＥＤ光源を設ける必要が生じ、このような１つのＬＥＤ光源をもとに導光板からの出射光を導光板の面全体にわたって一様にするのはきわめて困難であった。また製造上の余裕度もきわめて小さなものになってしまっていた。

特開２００１−１４３５１２

解決しようとする課題は、指向性が高く、かつ高輝度化、照明光の均一化が容易な製造しやすい照明装置を提供することである。

本発明の照明装置は、点光源としての発光ダイオードと、該発光ダイオードの光源光を伝播する導光板を有していて、該導光板は上面より見た時概略長方形を成す直方体形状を有すると共に、前記導光板の下面にはグルーブが設けられた照明装置において、前記発光ダイオードは長方形形状の前記導光板の対角近傍に配置されており、また、導光板は前記対角に配置された前記発光ダイオード近傍を結ぶ線によって上下の部分に分割されているものであって、該分割されたそれぞれの部分の導光板上の前記グルーブは前記各部分に属する前記発光ダイオードの出射光が前記導光板に進行する方向とほぼ直交する稜線を持つと共に、該稜線は各々の前記発光ダイオードの光源に対しほぼ同心円状に構成されていることを特徴とする。

また本発明の照明装置は、前記分割されたそれぞれの部分の導光板上の前記グルーブの稜線が、前記発光ダイオード近傍を結ぶ線近傍で交わっていることを特徴とする。

本発明の照明装置は、ＬＥＤ光源で発光し導光板に入射した光がほぼ垂直上方に反射するため、導光板の幅方向への出射光の広がりを抑制出来、照明装置光の幅方向の指向性を狭くすることが出来る。そのため照明装置の高輝度化、高品位化が可能となる。またＬＥＤ光源を導光板の対角に配置したため、照明光の均一化が容易で製造しやすい照明装置を実現出来る。

点光源と該光源光を伝播する導光板を有する照明装置において、前記導光板を概略長方形形状としてグルーブを設け、前記光源を発光ダイオードとし、かつ前記導光板の対角に配置し、該グルーブは前記発光ダイオードの出射光が前記導光板に入射後に進行する方向とほぼ直交するような稜線を持つよう構成した。
また前記導光板を前記対角に配置された発光ダイオード近傍を結ぶ線によって上下の部分に分割し、分割されたそれぞれの部分の導光板上の前記グルーブは、該部分に属する前記発光ダイオードの出射光が進行する方向とほぼ直交するような稜線を持つよう構成した。

図１は本発明による照明装置の実施例でバックライトタイプで構成した例を示している。図１（ａ）が照明装置からプリズムシートを除いた平面図、すなわち図５（ｂ）で説明したＸ−Ｚ面の図、（ｂ）が断面図、すなわち図５（ｂ）で説明したＹ−Ｚ面の図、（ｃ）が導光板の断面図である。
図１（ａ）における本発明の照明装置は、略直方体の導光板１０の対角のコーナー付近に点光源であるＬＥＤ光源１２，１４が配置され、該ＬＥＤ光源１２，１４の出射光が導光板６８に入射する。
導光板１０にはマイクロプリズム、すなわちグルーブが形成されており、また対角に配置された発光ダイオード１２，１４近傍を結ぶ線１６によって上の部分１８と下の部分２０とに分割されている。該マイクロプリズムの頂点を結んだ稜線は図１（ａ）に点線群２２，２４で示したように、２つのＬＥＤ光源１２，１４に対して、ほぼＬＥＤ光源を中心とする同心円状となっている。したがって分割されたそれぞれの部分１８，２０の導光板上のグルーブ２２，２４は、該それぞれの部分に属する前記発光ダイオード１２，１４の出射光が進行する方向とほぼ直交するような稜線となっている。

断面構造は図１（ｂ）に示すように、導光板１０の下面に反射シート３４が、上面にプリズムシート３２が配置され、導光板１０、反射シート３４、プリズムシート３２がホルダー３０に収納され、上部に置かれる液晶表示装置等の受光型表示装置を照明する構造となっている。

図１（ｃ）は導光板１０の断面図で、該導光板１０の下面にはマイクロプリズムが形成されてグルーブを構成している。該マイクロプリズムの最凹部３８と最凸部３６とが前記稜線で、該最凹部３８と最凸部３６とは近接しているため、図１（ａ）では１本の点線で描いている。

図２は本発明による照明装置の効果を説明する図で、図２（ａ）はＬＥＤ光源の出射光とマイクロプリズムの稜線とのなす角度を説明する平面図、図２（ｂ）は光学特性を表したグラフである。
図２（ａ）において、ＬＥＤ光源１２から入射された光４０，４２，４４及びＬＥＤ光源１４から入射された光４６，４８，５０は導光板１０内で導光板１０上面と、導光板１０下面に設けられたマイクロプリズムの面とで屈折を繰り返して伝播される。
該伝播を繰り返すうちに、光の進行方向と導光板１０上面とがなす角度が臨界角よりも小さくなり、導光板１０上面から光が出射する。この伝搬を繰り返す時、光４０，４２，４４の進行方向とマイクロプリズムの稜線２２及び光４６，４８，５０の進行方向とマイクロプリズムの稜線２４とがほぼ直交しているためマイクロプリズム部で光が散乱してしまう状態が著しく減少し、導光板１０の上面に対して従来よりもより垂直な方向に光が出射される。導光板１０下面に出射されてしまって光は反射シート３４で反射されて導光板１０に戻される。導光板１０から出射した光は、プリズムシート３２によってさらに導光板１０の上面に対して垂直に近い方向に屈曲され、照明装置上面に置かれる表示装置側へと導かれる。

なお、導光板１０の分割されたそれぞれの部分１８，２０上のグルーブの稜線２２，２４は、発光ダイオード１２，１４近傍を結ぶ線１６近傍で交わっている。このように構成したことにより発光ダイオード１２，１４近傍を結ぶ線１６近傍で輝度ムラを生じることを防ぐことが出来ている。

このように構成したため本発明による照明装置の光学特性は図２（ｂ）に示したようになる。
なお、座標軸は図５（ｂ）で説明したものと同様である。
図２（ｂ）における横軸は光放射角度θで、縦軸は光強度の相対値であり、図の点線の太線５２はＸ−Ｙ平面における照明光の方向と照明光の強度の関係、実線の太線５４はＺ−Ｙ平面における照明光の方向と照明光の強度の関係を示している。したがって横軸がθ＝０の点は導光板６８と直交する方向の照明光強度を示しており、θ＝９０の点は導光板６８の面と平行な方向の照明光強度を示している。
図２（ｂ）のグラフが示すように本発明の照明装置はＸ−Ｙ平面での特性５２、Ｚ−Ｙ平面での特性５４ともに、従来に比べ導光板１０の表面に対して垂直な方向に光が集光されている。例えば垂直方向から３０°の角度の光は、Ｘ−Ｙ平面で垂直方向光の１０％程度、Ｚ−Ｙ平面では垂直方向光の数％程度の光強度となっており、特に幅方向であるＸ−Ｙ平面での指向性が狭くなって照明装置としての光の指向性が向上している。

光源のＬＥＤは必要な明るさに応じて例えばＬＥＤのチップ数を設定すればよいが、本発明の照明装置においては光源のＬＥＤが導光板の対角に分けて配置してあるため、光源を一カ所に置く場合に比べ、１つのＬＥＤ光源のチップ数は半分以下で良く、照明装置の高輝度化、高品位化が容易となっている。また導光板の面全体の輝度の均一化も容易となっている。
さらに光源を分散配置したため製造、組み立て条件によるバラツキを押さえることが出来、光源を一カ所に配置した場合に比べ製造しやすい照明装置を実現出来ている。

なお本実施例は本発明による照明装置をバックライトとして用いた例を示したが、フロントライトとして用いることも通常の技術で可能なことは勿論である。

本発明による照明装置の実施例である。 本発明による照明装置の効果を説明する図である。 発光ダイオード光源を用いたサイドライト型照明装置の従来例を示す図である。 図３（ａ）にＬＥＤ光源から出射される光線の軌跡を書き加えた図である。 従来の照明装置の光学特性を表したグラフである。 照明装置の特性を説明するために設けた参考図である。

符号の説明

１０ 導光板
１８ 導光板上部分
２０ 導光板下部分
１２，１４ 発光ダイオード
２２，２４ グルーブの稜線
１６ 発光ダイオード近傍を結ぶ線
４０，４２，４４，４６，４８，５０ 発光ダイオードの出射光

Claims (2)

1. 点光源としての発光ダイオードと、該発光ダイオードの光源光を伝播する導光板を有していて、該導光板は上面より見た時概略長方形を成す直方体形状を有すると共に、前記導光板の下面にはグルーブが設けられた照明装置において、
   前記発光ダイオードは長方形形状の前記導光板の対角近傍に配置されており、また、導光板は前記対角に配置された前記発光ダイオード近傍を結ぶ線によって上下の部分に分割されているものであって、該分割されたそれぞれの部分の導光板上の前記グルーブは前記各部分に属する前記発光ダイオードの出射光が前記導光板に進行する方向とほぼ直交する稜線を持つと共に、該稜線は各々の前記発光ダイオードの光源に対しほぼ同心円状に構成されていることを特徴とする照明装置。
2. 前記分割されたそれぞれの部分の導光板上の前記グルーブの稜線は、前記発光ダイオード近傍を結ぶ線近傍で交わっていることを特徴とする請求項１記載の照明装置。
   

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