WO2004051140A1 - 照明装置及び液晶表示装置 - Google Patents

Description

照明装置及び液晶表示装置 技術分野

本発明は照明装置とその照明装置を用いた液晶表示装置に関する 明

背景技術

液晶表示装置は薄く て軽いので携帯書型の情報端末のディ スプレイ と して広く使用されている。 液晶表示装置は一対の基板の間に液晶 を挟持してなる液晶パネルを含み、 カラ一フィルタや偏光子が含ま れるこ ともある。 光が一対の基板と液晶を透過する透過型表示装置 と、 光が一方の基板と液晶を透過し反対側の基板で反射する反射型 表示装置とがある。 いずれも光が液晶を透過する と きに位相が変調 され、 カラーフィルタを通過し、 偏光子によって透過、 遮光される こ とで白、 黒表示となる。 複数の ドッ トが配列していることで文字 情報あるいは画像情報が形成される。

液晶自体は発光しない受光型素子であるため、 液晶単体では情報 を視認するこ とは困難である。 従って、 一般的に照明装置が液晶パ ネルと組み合わせて設けられている。 透過型の液晶表示装置では照 明装置は液晶パネルの背面側に配置され、 反射型の液晶表示装置で は照明装置は液晶パネルの液晶パネルの前面側に配置される。 反射 型の液晶パネルの場合には、 太陽光あるいは室内灯によ り光が液晶 パネルに照射されるため、 その条件下では照明装置を必要と しない 。 しかし、 光が届きにく い環境においては、 透過型の液晶パネルと 同様に反射型の液晶パネルに照明装置が必要になる。 従来、 光源と、 光源からの光を入射面から入射して長い出射面か ら出射する棒状の導光体とからなる線状の照明装置がある。 また、 光源と、 棒状の導光体と、 棒状の導光体からの光を入射面から入射 して広い出射面から出射するプレー ト状の導光体とからなる面状の 照明装置がある （例えば、 特開平 10— 260405号公報参照） 。

近年、 情報端末で使用される液晶表示装置はカラー化、 高輝度化 、 高解像度化、 といった表示品質の向上が要求され、 特に面内の明 るさ分布の均一化への要求が求められている。 しかし、 光源からの 光が棒状の導光体に入射する際に、 広い角度分布の光が棒状の導光 体に入射されるために、 棒状の導光体の出射面から出射する光の強 度分布が一様にならず、 棒状の導光体の出射面の端部付近において 明るさが低下する傾向がある。 発明の開示

本発明の目的は棒状の導光体の出射光の明るさ分布をできるだけ 均一にし、 明るさ分布が均一な照明装置及び表示品質がよく 安価な 液晶表示装置を提供するこ とを目的とする。

本発明による照明装置は、 光源と、 棒状の導光体とを備え、 該棒 状の導光体は、 該光源からの光を入射する入射面と、 複数のプリ ズ ムを有する反射面と、 該反射面の反対側の出射面とを有し、 該棒状 の導光体の該入射面における該反射面と該出射面との間の幅が該光 源の同方向の幅よ り小さいこ とを特徴とする ものである。

本発明による照明装置は、 光源と、 棒状の導光体と、 プレー ト状 の導光体とを備え、 該棒状の導光体は、 該光源からの光を入射する 入射面と、 複数のプリ ズムを有する反射面と、 該反射面の反対側の 出射面とを有し、 該プレー ト状の導光体は該棒状の導光体の出射面 からの光を入射する入射面と、 出射面とを有し、 該棒状の導光体の 該入射面における該反射面と該出射面との間の幅が該光源の同方向 の幅よ り小さいことを特徴とするものである。

この構成によれば、 棒状の導光体の入射面から入射する光の角度 分布が改善され、 棒状の導光体の端部付近の暗部が解消され、 棒状 の導光体の明るさ分布が均一になり、 明るさ分布が均一な照明装置 が得られる。

また、 本発明による液晶表示装置は、 そのような照明装置と、 液 晶パネルとを含む。 この液晶表示装置は、 明るさ分布が均一であり 表示品質がよく安価に製造できる。 図面の簡単な説明

図 1 は本発明による照明装置の 1実施例を示す図である。

図 2は本発明による照明装置の 1実施例を示す図である。

図 3は照明装置を含む反射型液晶表示装置の例を示す図である。 図 4は照明装置を含む透過型液晶表示装置の例を示す図である。 図 5は図 1 の照明装置の特徴を説明する図である。

図 6は従来の照明装置の特徴を説明する図である。

図 7は LED光源を示す斜視図である。

図 8は LED光源の光強度の分布を示す図である。

図 9は図 1 の照明装置の光強度の分布を示す図である。

図 10は図 1 の照明装置の変形例を示す図である。

図 11は棒状の導光体の厚さ とそれを通る光の明るさとの関係を示 す図である。

図 12は図 10の照明装置の光強度の分布を示す図である。

図 13は図 10の照明装置の変形例を示す図である。

図 14は図 10の照明装置の光強度の分布を示す図である。

図 15は図 10の照明装置の変形例を示す図である。 図 16は図 10の照明装置の変形例を示す図である。

図 17は図 1の照明装置の変形例を示す図である。 発明を実施するための最良の形態

以下本発明の実施例について図面を参照して説明する。

図 1は本発明による照明装置 （線状光源） の 1実施例を示す図で ある。 照明装置 10は、 LEDからなる光源 12と、 棒状の導光体 14とを 備える。 2つの LED光源 12が棒状の導光体 14の両側に配置されてい る。 棒状の導光体 14は、 光源 12からの光を入射する入射面 （端面） 16と、 複数のプリズム 18を有する反射面 （上面） 20と、 反射面 20の 反対側の出射面 （下面） 22とを有する。 図 1 においては、 3つのプ リズム 18のみが示されているが、 多数のプリズム 18が反射面 20に沿 つて連続的に配置される。

棒状の導光体 14の入射面 16における反射面 20と出射面 22との間の (出射面 22に垂直な方向の） 幅が Aで示され、 光源 12の同方向の幅 が Bで示される。 入射面 16の幅 Aが光源 12の幅 Bよ り小さくなつて いる。 逆に言えば、 光源 12の幅 Bが入射面 16の幅 Aよ り も大きレ、。 棒状の導光体 14の幅はその長さ方向に一定であり、 中央部分の幅は 入射面 16の幅 Aと等しい。 また、 棒状の導光体 14の長さは Lで示さ れ、 光源 12と棒状の導光体 14との間のギャップが で示されてい る。 プリズム 18の頂角は Θ pで示されている。 この実施例では、 全 てのプリズム 18の頂角 0 pは等しい。

照明装置 10の作動において、 光源 12から発した光は棒状の導光体 14の入射面 16に入射する。 棒状の導光体 14に入った光の一部は反射 面 20のプリズム 18のプリズム面で反射して出射面 22から出射する。 棒状の導光体 14に入った光の他の一部は出射面 22で反射し、 さ らに 反射面 20で反射して出射面 22から出射する。 図 2は本発明による照明装置 （面状光源） の 1実施例を示す図で ある。 照明装置 30は、 LED光源 12と、 棒状の導光体 14と、 プレー ト 状の導光体 32とを備える。 LED光源 12と棒状の導光体 14は図 1に示 した照明装置 10と同様の構成をもつ。 つまり、 棒状の導光体 14は、 LED光源 12からの光を入射する入射面 16と、 複数のプリズム 18を有 する反射面 20と、 反射面 20の反対側の出射面 22とを有する。 棒状の 導光体 14の入射面 16における反射面 20と出射面 22との間の幅 Aは、 光源 12の同方向の幅 Bよ り小さくなつている。 ただし、 照明装置 30 は、 図 1 に示した照明装置 10に限定されず、 後で説明する変形例の 照明装置 10と組み合わせて使用されることができる。

プレート状の導光体 32は、 棒状の導光体 14の出射面 22からの光を 入射する入射面 （端面） 34と、 出射面 （上面） 36とを有する。 プレ 一ト状の導光体 32の下面は光が通過する面である。

図 3は照明装置 30を含む反射型液晶表示装置の例を示す図である 。 液晶表示装置 40は照明装置 30と、 反射型液晶パネル 42とを含む。 照明装置 30は図 2に示したもの及びその変形例の特徴を含む。 反射 型液晶パネル 42は一対の基板の間に液晶を挟持してなり、 一方の基 板に反射層が設けられている （例えば、 画素電極が反射材料で作ら れる） 。 反射型液晶パネル 42はカラーフィルタや偏光子を備えるこ とができる。 図 3においては、 反射型液晶パネル 42は照明装置 30の プレート状の導光体 32の下側に配置される。

光源 12から発した光は棒状の導光体 14の入射面 16に入射し、 棒状 の導光体 14を通って出射面 22から出射する。 棒状の導光体 14の出射 面 22を出た光はプレー ト状の導光体 32の入射面 34に入射し、 プレー ト状の導光体 32を通って出射面 36から出る。 つま り、 図 3に矢印で 示されるよ うに、 光は、 プレー ト状の導光体 32に入射した後、 上面 (出射面 36と同じ） で反射して下面を通過し、 反射型液晶パネル 42 に向かう。 光は液晶を透過した後で反射層で反射して再度液晶を透 過し、 プレー ト状の導光体 32の下面に入射し、 プレー ト状の導光体 32を通って出射面 36から出射する。

図 4は照明装置 30を含む透過型液晶表示装置の例を示す図である 。 液晶表示装置 50は照明装置 30と、 透過型液晶パネル 52とを含む。 照明装置 30は図 2に示したもの及びその変形例の特徴を含む。 透過 型液晶パネル 52は一対の基板の間に液晶を挟持してなり、 光は一対 の基板を透過する。 透過型液晶パネル 52は力ラーフィルタや偏光子 を備えることができる。 図 4においては、 透過型液晶パネル 52は照 明装置 30のプレー ト状の導光体 32の上側に配置される。

光源 12から発した光は棒状の導光体 14の入射面 16に入射し、 棒状 の導光体 14を通って出射面 22から出射する。 棒状の導光体 14の出射 面 22を出た光はプレート状の導光体 32の入射面 34に入射し、 プレー ト状の導光体 32を通って出射面 36から出る。 プレー ト状の導光体 32 の出射面 36を出た光は透過型液晶パネル 52を透過する。

図 7は LED光源 12を示す斜視図である。 LED光源 12は電極 12 a , 12 bを取り付けた半導体を含み、 その半導体は透明又は白濁した樹 脂 12 cで覆われ、 さらに封止樹脂 12 dで封止されてパッケージとさ れる。 電極 12 a， 12 bで生じる発光は樹脂 12 cによって散乱されて 外部へ出射する。 従って、 樹脂 12 cの部分が LED光源 12の発光領域 となる。 LED光源 12の幅 Aは発光領域の幅とみなすこ とができる。 図 8は LED光源 12の光強度の分布を示す図である。 LED光源 12の 光強度は中央部分で高く、 端部で低い。 従って、 LED光源 12の中央 部分から発した光は有効に利用できるが、 LED光源 12の端部から発 した光はあま り利用できない。

図 5は図 1の照明装置 10の特徴を説明する図である。 図 1及び図 5において、 上記したよ うに、 棒状の導光体 14の入射面 16における 反射面 20と出射面 22との間の幅 Aは、 LED光源 12の同方向の幅 Bよ り小さ く なつている。 ここで、 棒状の導光体 14の端部付近のプリズ ム 18に向かう よ うに、 LED光源 12から棒状の導光体 14の入射面 16に 入射する光 Loに着目する と、 その光 Loの入射面 16における入射角は 比較的に小さい第 1 の値になる。

図 6 は従来の照明装置 10 Aの特徴を説明する図である。 便宜的に 図 5の要素と対応する要素には同じ参照番号をつけてある。 従来の 照明装置 10 Aにおいては、 棒状の導光体 14の入射面 16における反射 面 20と出射面 22との間の幅 Aは、 LED光源 12の同方向の幅 Bよ り大 き くなつている。 ここで、 棒状の導光体 14の端部付近のプリズム 18 に向かう よ うに、 LED光源 12から棒状の導光体 14の入射面 16に入射 する光 Loに着目する と、 その光 Loの入射面 16における入射角は比較 的に大きい第 2の値になる。

すなわち、 棒状の導光体 14の幅 Aと光源 12の幅 B との関係から、 図 5における入射面 16への光 Loの入射角 （第 1 の値） は図 6におけ る入射面 16への光 Loの入射角 （第 2の値） よ り小さ く なる （第 1 の 値く第 2の値） 。 光が入射面 16に入射するときに、 一部の光が屈折 を伴って棒状の導光体 14の内部に入り、 一部の光が入射面 16で反射 して棒状の導光体 14の内部に入らない。 入射面 16への入射角が小さ いほど入射面 16で反射する光の割合が小さ く 、 棒状の導光体 14へ入 る光の量が多く なる。

従って、 図 5において入射面 16へ入射した光 Loが棒状の導光体 14 を通ってその端部付近のプリ ズム 18のプリズム面で反射し、 出射面 22から出射する ときの光量は、 図 6において同様に入射面 16へ入射 した光 Loが棒状の導光体 14を通ってその端部付近のプリ ズム 18のプ リ ズム面で反射し、 出射面 22から出射するときの光量よ り も大きい 図 9は本発明の照明装置 10の光強度の分布を示す図である。 図 5 及び図 6を参照して説明したよ うに、 本発明によれば、 棒状の導光 体 14の端部付近の出射光の明るさが高く なる。 棒状の導光体 14の中 央付近の出射光の明るさが高いのは言う までもない。 よって、 棒状 の導光体 14の端部付近の暗部の発生が解消される。

従来は光源 12の棒状の導光体 14に対する位置ずれマージンを確保 するために図 6に示すように棒状の導光体 14の入射面 16の幅 Aは L ED光源 12の幅 Bよ り大きく している。 また、 棒状の導光体 14の入射 面 16の幅 Aを LED光源 12の幅 Bよ り大きくすると、 LED光源 12の発 光領域の端部から発した光も棒状の導光体 14の入射面 16に取り込む ことができるので有利と思われていた。 しかし、 図 8を参照して説 明したように、 LED光源 12の発光領域の端部から発する光の量は少 なく、 多くの光は LED光源 12の中央から発するので、 本発明のよ う に、 棒状の導光体 14の入射面 16の幅 Aを LED光源 12の幅 Bよ り小さ く しても、 棒状の導光体 14に入る光の量はあまり変らないことが分 かった。

図 2の照明装置 30は図 1 の照明装置 10の光強度分布の影響を受け るものであるから、 図 2の照明装置 30の光強度分布は図 1の照明装 置 10の光強度分布の改善により改善される。 同様に、 図 3及び図 4 の液晶表示装置 40， 50は図 1の照明装置 10の光強度分布の影響を受 けるものであるから、 図 3及び図 4の液晶表示装置 40， 50の光強度 分布も改善される。

図 1 の照明装置 10及び図 2の照明装置 30を画面サイズが 1イ ンチ 、 画面幅が 17. 5mmの液晶表示装置に適用された。 例において、 棒状 の導光体 14の長さ Lは 18. 5mm、 棒状の導光体 14の幅 Aは 1. 7mmであ る。 LED光源 12の幅 Bは 2 mmである。 LED光源 12と棒状の導光体 14 との間のギャップ Δ Lはほとんど 0である。 プリズム 18の数は 122 、 プリ ズムピッチは 0. 15mm、 プリ ズム 18の頂角 0 pは 105. 5度であ る。 棒状の導光体 14の屈折率は 1. 51である。

図 10は図 1 の照明装置 10の変形例を示す図である。 図 10の照明装 置 10は図 1 の照明装置 10と基本的に類似している。 図 10においては 、 棒状の導光体 14の中央部における反射面 20と出射面 22との間の幅 Cは棒状の導光体 14の端部における反射面 20と出射面 22との間の幅 Aと異なる。 棒状の導光体 14の反射面 20の中央の部分は出射面 22と 平行に延び、 棒状の導光体 14の反射面 20の中央の部分の両側の部分 はテーパーをつけて延び、 棒状の導光体 14の端部の入射面 18におい て幅 Aとなる。

図 11は棒状の導光体の厚さ とそれを通る光の明るさ との関係を示 す図である。 棒状の導光体 14を通る光の明るさは、 棒状の導光体 14 の幅 （厚さ） が大きい領域に 1つのピークをもち、 そして棒状の導 光体 14の幅 （厚さ） が小さい領域にも う 1つのピークをもつ。

図 12は図 10の照明装置の光強度の分布を示す図である。 光強度は 、 棒状の導光体 14の幅 （厚さ） の大きい中央部分で高く 、 そして、 棒状の導光体 14の幅 （厚さ） の小さい端部部分でも高い。 このよ う にして、 棒状の導光体 14の全体にわたって十分な明る さを提供する ことができる。

図 10の照明装置 10及び図 2の照明装置 30を画面サイズが 1イ ンチ 、 画面幅が 17. 5mmの液晶表示装置に適用された。 例において、 棒状 の導光体 14の長さ Lは 18. 5mm、 棒状の導光体 14の入射面 18における 幅 Aは 1. 7mm、 棒状の導光体 14の中央における幅 Cは 3. Ommである 。 LED光源 12の幅 Bは 2 mmである。 LED光源 12と棒状の導光体 14と の間のギャ ップ△ Lはほとんど 0である。 プリ ズム 18の数は 122、 プリ ズムピッチは 0. 15mm, プリ ズム 18の頂角 0 pは 112. 8度である 。 棒状の導光体 14の屈折率は 1. 51である。 図 13は図 10の照明装置 10の変形例を示す図である。 図 13の照明装 置 10は図 10の照明装置 10と基本的に類似している。 図 13においては 、 棒状の導光体 14の中央部における反射面 20と出射面 22との間の幅 Cは棒状の導光体 14の端部における反射面 20と出射面 22との間の幅 Aと異なる。 棒状の導光体 14の反射面 20の中央の部分は出射面 22と 平行に延び、 棒状の導光体 14の反射面 20の中央の部分の両側の部分 はテーパーをつけて延び、 棒状の導光体 14の端部の入射面 18におい て幅 Aとなる。 さ らに、 反射面 20のプリ ズム 18が、 光が出射面 22か らほぼ垂直に出射するよ うに形成されている。 好ましく は、 光が出 射面 22から出射面 22に対する法線に対して土 3度以内の角度分布で 出射するようになっている。 プリズム 18は、 下記の関係から得られ る。

プリズム 18の頂角 Θ pは一定とし、 出射面 22に対する法線に対す るプリズム 18の中心線の傾きを Θ ( n ) で表してある。 nは入射面 18側からとったプリズム 18の番号である。 Xを入射面 18から反対側 の端面の方向にと り、 t を出射面 22から反射面 20の方向にとる。 X ( n ) は n個目のプリズム 18の X方向の位置を示し、 t ( n ) は n 個目のプリズム 18の t方向の位置を示す。 プリズム 18の傾き 0 ( n ) は下記の関係から得られる。 （下記の関係は、 入射面 18から棒状 の導光体 14の中心までを表している。 ）

0 _Q = tan— l((AL+L/2)バ C + A/2))/2 … （ 1 ) n <40

0 (n)= 0。—（tan— 1((AL + X(n))バ t(n)— A/2))/2) … （ 2 ) n ≤61

Θ (n)= 0 _Q _ (tan - l((AL + X(n))/(t(n) + A/2))/2) … （ 3 ) 図 14は図 13の照明装置の光強度の分布を示す図である。 図 14に示 されるよ うに、 LED光源 12から入射した光を棒状の導光体 14の出射 面 22からほぼ垂直で出射するよ うにすることによ り、 光強度はほぼ 一定で分布するようになる。

なお、 式 （ 2 ) において、 Θ ( n ) が物理的に構成不可能なほど 傾く場合がある。 例えば、 プリズム番号 1から 10までが物理的に製 造不可能であつた場合、 プリズム番号 1から 10はプリズム番号 11の X ( n ) 及び t ( n ) を用いて構成してもよいことは言うまでもな レ、。

図 15は図 10の照明装置 10の変形例を示す図である。 図 15の照明装 置 10は図 10の照明装置 10と基本的に類似している。 図 15においては 、 LED光源 12の中心を棒状の導光体 14の入射面 18の中心から Dだけ 出射面 22側にずらしている。 この構成とすることで、 棒状の導光体 14の中央部分の明るさをよ り明るくすることができ、 よって全面に わたって明るくすることが可能となる。 なお、 LED光源 12の中心を 棒状の導光体 14の反射面 20側に移動させた場合には、 端部が明るく なり、 中央部分が若干暗くなる。 どちらにずらすかは、 ユーザ一の 好みに合わせて選択するのが好ましいのは言うまでもない。

図 16は図 10の照明装置 10の変形例を示す図である。 図 16の照明装 置 10は図 10の照明装置 10と基本的に類似している。 図 10においては 、 棒状の導光体 14の反射面 20は直線部分からなる凸面で構成されて いる。 図 16においては、 棒状の導光体 14の反射面 20は滑らかな曲線 からなる凸面で構成されている。 このよ うに、 棒状の導光体 14の反 射面 20は滑らかな曲線からなる凸面で構成しても、 図 10の照明装置 10と同様の効果が得られる。 図 10の場合、 2つの直線の接続部の角 部が表示にあらわれることがあるが、 図 16のよ うに滑らかな曲線に すればそのよ うなことがない。

図 17は図 1 の照明装置 10の変形例を示す図である。 図 17の照明装 置 10は図 1 の照明装置 10と基本的に類似している。 図 17においては 、 棒状の導光体の反射面 20に反射コー トを施さず、 アルミ ニウムの 膜などの反射要素をホルダに配置している。 反射面 20に反射コー ト を施さなく と も、 LED電源 12の中心位置から光を所望の角度にして 出射できる。 ただし、 反射面 20に蒸着などによ り反射膜を形成して もよい。

以上説明したよ うに、 本発明によれば、 導光体の端部の明るさが 改善され、 光強度分布がよ り均一な照明装置を得るこ とが可能にな る。 また、 この照明装置と液晶パネルとを組み合わせるこ とで、 面 内の分布が均一な液晶表示装置を得るこ とが可能になる。

Claims

1 . 光源と、 棒状の導光体とを備え、 該棒状の導光体は、 該光源 からの光を入射する入射面と、 複数のプリズムを有する反射面と、 該反射面の反対側の出射面とを有し、 該棒状の導光体の該入射面に おける該反射面と該出射面との間の幅が該光源の同方向の幅よ り小

一 -青

さいこ とを特徴とする照明装置。

2 . 光源と、 棒状の導光体と、 プレー ト状の導光体とを備え、 該 棒状の導光体は、 該光源からの光を入射する入射面と、 複数のプリ ズムを有する反射面と、 該反射面の反対側の出射面とを有し、 該プ レー ト状の導光体は該棒状の導光体の出射囲面からの光を入射する入 射面と、 出射面とを有し、 該棒状の導光体の該入射面における該反 射面と該出射面との間の幅が該光源の同方向の幅よ り小さいこ とを 特徴とする照明装置。

3 . 該棒状の導光体の中央部における該反射面と該出射面との間 の幅は該棒状の導光体の端部における該反射面と該出射面との間の 幅と異なるこ とを特徴とする請求項 1又は 2 に記載の照明装置。

4 . 該棒状の導光体の該反射面は概略滑らかな曲線で構成される ことを特徴とする請求項 1 から 3のいずれかに記載の照明装置。

5 . 該棒状の導光体の該反射面の該複数のプリ ズムは光が該出射 面からほぼ垂直に出射するように形成されているこ とを特徴とする 請求項 1 から 4のいずれかに記載の照明装置。

6 . 該光源は該棒状の導光体の入射面の中心からずらして配置さ れるこ とを特徴とする請求項 1 から 5のいずれかに記載の照明装置

7 . 該光源は該棒状の導光体の入射面の中心から該出射面側にず らして配置されるこ とを特徴とする請求項 6 に記載の照明装置。

8 . 該反射面には反射手段が設けられるこ とを特徴とする請求項 1 から 7のいずれかに記載の照明装置。

9 . 該反射手段は一体構成であるこ とを特徴とする請求項 8に記 載の照明装置。

10. 液晶パネルと、 請求項 1 から 9のいずれかに記載の照明装置 とを備えたこ とを特徴とする液晶表示装置。