(57)【要約】【課題】  ＬＥＤ光源を用いた直下照明型の照明装置を実現し、薄型軽量で額縁のない照明装置とすること。【解決手段】  行列上に配置された透明な導光板の背面に複数のＬＥＤ光源を配し、導光板の光照射面には頂点をＬＥＤ光源の発光中心の直上に持ち複数に分割された光入射プリズムが形成されており、それら光入射プリズムの反射面には複数に分割された微細プリズムが形成されており、また導光板の裏面には複数の微細プリズムが形成されており、さらに導光板の光照射面側には光拡散板が配されている構造とした。【選択図】    図１
2006164625.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
照明光を照射する光照射面と、前記光照射面と対向する背面を有する導光板と、
光出射面が前記導光板の背面に向くように設けられた点光源と、
前記光照射面に形成されるとともに、その頂点を前記点光源の発光中心の直上に持ち、前記導光板の内側に凸形状の光入射プリズムと、
前記光入射プリズムを構成する面に複数個形成された、外側に凸形状のプリズム体と、を備えることを特徴とする照明装置。
【請求項２】
前記光入射プリズムの構成面と、前記導光板の光照射面に立てた垂線とのなす角度は、前記導光板内を導波する光の臨界角よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
【請求項３】
前記プリズム体は、稜線が前記導光板の光照射面と略平行で頂角が略９０度の三角柱プリズムであり、
前記三角柱プリズムの頂角に隣接し前記導光板の光照射面側に位置する斜面が、前記光入射プリズムの構成面となす角度はおよそ９０〜１３５度である請求項１または２に記載の照明装置。
【請求項４】
前記プリズム体は、前記光入射プリズム構成面上に、双曲線に沿って分散して配列されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の照明装置。
【請求項５】
前記プリズム体は、前記点光源が出射した光を前記光照射面に向けて透過する透過面を含んで構成されており、
単位面積当たりの前記透過面の面積の総和が前記点光源から照射される光強度に反比例するように形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の照明装置。
【請求項６】
前記導光板を複数個備えた請求項１〜５のいずれか一項に記載の照明装置。
【請求項７】
前記背面には、前記点光源の光が入射される入光部と、前記導光板内部を導波するために設けられた反射部が設けられた請求項１〜６のいずれか一項に記載の照明装置。
【請求項８】
前記反射部には反射プリズムが設けられた請求項７に記載の照明装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一項に記載の照明装置と、前記照明装置の照明光が照射される非自発光型の表示素子とを備えることを特徴とする表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、時計、携帯電話、オーディオ、電子機器等に使用される液晶表示装置に用いられる照明装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯機器や情報機器等には、薄型軽量という特徴をもつ液晶表示装置が広く使われている。しかし、液晶表示装置は受光型のため、明るく高精細な画像を表示させることを目的として液晶表示素子の前面または背面に照明装置を設置することが多い。
【０００３】
この液晶表示装置が本来持っている薄型軽量という特質を実現するため照明装置としては、光源としてＬＥＤ素子を導光板の側面に配したサイドライト型の照明装置が多用されている。しかしながら、サイドライト型の照明装置は、光源を導光板の側面に配するために、液晶表示装置の周縁にある非表示領域である額縁領域が広くなってしまう。この額縁領域を無くするために、光源を導光板の背面に配した直下型の照明装置が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。
【特許文献１】特開平８−２７１８８６（第３項、図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の直下型の照明装置では、均一な照明を行うために、光源に等方的に照明が可能な冷陰極管などの光源を用いなければならず、出射光の指向性が高いＬＥＤ素子は発光効率が高く高輝度であっても用いることができなかった。そのため、ＬＥＤ素子を用いた薄い直下型照明装置を実現することができなかった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の照明装置は、照明光を照射する光照射面と、光照射面と対向する背面を有する導光板と、光出射面が導光板の背面に向くように設けられた点光源と、光照射面に形成されるとともに、その頂点を点光源の発光中心の直上に持ち、導光板の内側に凸形状の光入射プリズムと、光入射プリズムを構成する面に複数個形成された、外側に凸形状のプリズム体と、を備えている。このような構造によって、ＬＥＤ光源等の点光源を用いて直下照明型の照明装置を実現することができた。その結果、薄型軽量であると同時に表示装置の非表示部分である額縁をなくすることが可能な照明装置が実現できた。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、ＬＥＤ光源を用いて額縁のない薄型軽量の液晶表示装置を提供することができるため、これら液晶表示装置を用いた情報機器のさらなる薄型軽量化を実現できるという効果を有する。
【０００７】
また、ＬＥＤ光源を導光板の裏面に配することによって、ＬＥＤ光源の位置や数に関わらず照明装置を構成することができるために、パーソナルコンピュータや液晶テレビなどの大型液晶表示装置のための照明装置をも容易に実現することができるという効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の照明装置は、照明光を照射する光照射面と、光照射面と対向する背面を有する導光板と、光出射面が導光板の背面に向くように設けられた点光源と、光照射面に形成されるとともに、その頂点を点光源の発光中心の直上に持ち、導光板の内側に凸形状の光入射プリズムと、光入射プリズムを構成する面に複数個形成された、外側に凸形状のプリズム体と、を備えている。さらに、光入射プリズムの構成面と、導光板の光照射面に立てた垂線とのなす角度が、導光板内を導波する光の臨界角よりも大きくなるように構成した。
【０００９】
また、プリズム体として、稜線が導光板の光照射面と略平行で頂角が略９０度の三角柱プリズムを用い、三角柱プリズムの頂角に隣接し導光板の光照射面側に位置する斜面と、光入射プリズムの構成面とのなす角度をおよそ９０〜１３５度とした。
【００１０】
さらに、プリズム体を、光入射プリズム構成面上に双曲線に沿って分散して配列することとした。プリズム体は、点光源が出射した光を前記光照射面に向けて透過する透過面を含んで構成されており、単位面積当たりの透過面の面積の総和が点光源から照射される光強度に反比例するように形成する。これにより、光入射プリズムから被照射体に照射される光の強度を一定にすることができる。
【００１１】
さらに、導光板を複数個備えることとした。具体的に、複数の導光板を平面状、行列状に隣接して配置することにより、照射面積の大きな照明装置が簡単に実現できる。すなわち、個々の小さな導光板は半導体プロセスを適用して精度よく作製することができるので大型の照明装置も高精度の輝度分布で作製できる。その結果光利用効率を著しく向上させることが可能となり、高輝度で輝度分布の均一な照射面積の大きい薄型の照明装置が実現できる。
【００１２】
また、導光板の背面には、点光源の光が入射される入光部と、導光板内部を導波するために設けられた反射部が設けられている。反射部に設けられた反射手段として反射プリズムが適しており、点光源を中心とする同心円上に設けることにより、均一な照明が可能になる。
【００１３】
さらに、本発明の表示装置は上述したいずれかの構成の照明装置と、照明装置の照明光が照射される非自発光型の表示素子とを備えている。このような構成により、表示面積の大きい表示装置であっても、高輝度で明るさの均一な、しかも薄型の表示装置が実現できる。
【実施例】
【００１４】
以下に本発明の照明装置の実施例を、図面を参照しながら説明する。図１に本実施例の照明装置の平面図を模式的に示す。図示するように、本実施例では、筐体５の内側に複数の導光板２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄが行列状に配置されている。ここでは、簡単のために２×２の行列配置の場合を示してあるが、さらに多くの導光板を行列状に配置しても良い。これら各導光板の背面に点光源としてＬＥＤ光源１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄが配置されている。これら各ＬＥＤ光源の直上には、光入射プリズム３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄが形成されている。本実施例では、これら光入射プリズム３は４つの斜面で構成される反射面を持っている。これらの反射面は、ＬＥＤ光源１の直上で交叉している。すなわち、光入射プリズム３の反射面は４つの斜面に分割されており、光入射プリズム３の反射面は四角錐を形成している。ＬＥＤ光源１はこの四角錐の頂点の位置にその光出射中心が来るように配置されている。この光入射プリズム３の分割の仕方は、図１で示した４分割以外にも、２分割や６分割あるいは８分割など、より多くの数に分割しても良い。
【００１５】
一方、各導光板の光照射面と逆側である裏面には、反射プリズム４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄが形成されている。これらの反射プリズムは各ＬＥＤ光源を中心とする同心円に沿って配置されている。各導光板は透明高分子材料で形成されている。具体的にはアクリル系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、シクロオレフィン系樹脂などの高分子材料で形成されている。これらの材料を射出成形することによって導光板２を容易に製造することができる。これら行列状に配置された導光板は筐体５によって支持されている。この筐体５は通常の高分子構造材料で成形されている。また、筐体５に面する各導光板と筐体５との間には、光反射手段としての反射板６が配されている。
【００１６】
図２に本実施例の照明装置の部分断面を示す。図２に示すように、導光板２の裏面に形成されている微細プリズム４は、導光板２の内側に凸形状に形成されている。本実施例では、この反射プリズム４は三角柱プリズムである。三角柱プリズムの稜線は、図１に示す同心円の接線方向を向いている。この三角柱プリズムの同心円に対する中心側の斜面と導光板２の裏面に立てた垂線とのなす角度は４５〜７０度であり、同心円の外側に向いた斜面と導光板２の裏面に立てた垂線とのなす角度は０〜２０度となっている。
【００１７】
導光板２の裏面には反射板７が配置されており、この反射板７のＬＥＤ光源１に対応する位置には開口部が設けられている。ＬＥＤ光源１への電流の供給は、基板１０に配線された回路線によって行われる。また、光入射プリズム３の反射面には、外側に凸形状になったプリズム体８が分散して形成されている。
【００１８】
図５に光入射プリズム３の反射面に形成されているプリズム体８を示す。紙面の右下側にＬＥＤ光源１が配置されている。このプリズム体は、稜線を挟む２面８ｂ、８ｃとその側面８ａとから構成されている。この図に示すように、プリズム体８は、分散して配置されており、必ずしも一列に繋がって配列されているわけではない。これらのプリズム体８は、導光板２における光照射面側の斜面８ｂの面積を単位面積当たり総和したとき、その総和面積がその部分に照射されるＬＥＤ光源１からの光強度に反比例するように形成されている。これらのプリズム体８に対する寸法の１例として、高さは１〜２０μｍであり、長さは５〜５０μｍである。もちろん、上記の条件が満たされておれば、これ以外の寸法でも構わない。しかしながら、プリズム高さを高くし過ぎると輝点が生じてしまうために好ましくなく、注意が必要である。本実施例では、このプリズム体８は、頂角が略９０度の三角柱プリズムであり、その三角柱プリズムの頂角に隣接し導光板２の光照射面側に位置する斜面が、光入射プリズム３の反射面となす角度はおよそ９０〜１３５度である。この斜面の角度をこの範囲内に設定することで、光入射プリズム３の領域から照射される光を導光板２の光照射面に対してほぼ垂直にすることができる。このようなプリズムの加工は、半導体プロセスを応用して加工された射出成形金型を用いることによって容易に行うことができる。
【００１９】
図３に光入射プリズム３の反射面上でプリズム体８が配列している状態を示す。プリズム体８は、図３に示されるように光入射プリズム３における反射面上で双曲線に沿って配列されている。しかし、その配列は必ずしも厳密に双曲線上に一列に並べる必要はなく、図５に示すように若干双曲線からはずれて分散した状態である方が好ましい。ＬＥＤ光源１から出射する光のうち、出射角が等しい光の強度は等しい。また、出射角の等しい光が光入射プリズム３の反射面と交差する部位をプロットすると双曲線となる。従って、光入射プリズム３における反射面上の同一双曲線上に配列されているプリズム体８に入射する光強度は等しくなる。また、一般にＬＥＤ光源１はその光出射角に依存した光強度分布を持っている。ゆえに、この双曲線上におけるプリズム体８の、被照射体側に面する斜面の面積密度がＬＥＤ光源１の出射強度分布に反比例するように、これらのプリズム体８を配列させることによって一様な強度分布の光を光入射プリズム３の上面に取り出すことができる。
【００２０】
図３の破線ＢＢ´に沿った断面を図４に示す。ただし、図面を見やすくするために光入射プリズム３の反射面上に形成されるプリズム体８は１つだけしか描かれていない。ＬＥＤ光源１から出射した光の１例を図４では光路２０で示してある。この光路２０は導光板２に屈折して入射した後、導光板２の光照射面に直接入射している。この導光板２の光照射面への入射角をχとする。一方、光入射プリズム３が導光板２の光照射面に立てた垂線となす角度をθとする。このとき、θがＬＥＤ光源１からの光に対して全反射条件を満足する臨界角よりも大きな値となっている場合は、図４の光路２０に示すようにＬＥＤ光源１から直接導光板２の光照射面に入射する光は全て臨界角よりも大きな入射角を持つことになり、この光照射面で全反射されて導光板２の内部を繰り返し反射して導波する。この臨界角は導光板２を形成する材料の屈折率と用いる光の波長に依存するが、おおよそ４３度程度の値である。また、光入射プリズム３のプリズム体８以外の反射面に入射した光２１も、その反射面に対して臨界角以上の入射角で入射するために全反射して導光板２の内部に導波する。
【００２１】
一方、プリズム体８を構成する斜面のうち、導光板２の光照射面側の斜面に入射した光２２は、その入射角が臨界角以下となるために、その斜面を透過して被照射体を照射することとなる。このようにプリズム体８を透過する光の強度は、プリズム体８における光照射面側に面した斜面の面積に比例することになる。従って、この光入射プリズム３から被照射体に照射される光の強度を一定にするためには、プリズム体８における導光板２の光照射面側に面した斜面の面積がＬＥＤ光源１からそこに入射してくる光強度に反比例するようにしなければならない。
【００２２】
図６に本発明の照明装置の導光板内部における光路の一例を示す。まず、光路２３の場合を説明する。ＬＥＤ光源１から出射した光は導光板２に入った後、光入射プリズム３の反射面で全反射された後、導光板２の光照射面で再び全反射され、導光板２の裏面に形成されている反射プリズム４に入射する。この反射プリズム４は入射光を導光板２の光照射面側に反射する。この反射光は反射プリズムにより偏向を受けているために、導光板２の光照射面に臨界角以下の光となって入射し、表面から被照射体に向かって出射される。
【００２３】
次に光路２５の場合を説明する。この場合、ＬＥＤ光源１から出射した光は、導光板２に入った後、光入射プリズム３の反射面に形成されている微細プリズム８の光照射面側に面した斜面を透過してそのまま被照射体に向けて出射される。
【００２４】
一方、光路２４の場合、ＬＥＤ光源１から出射された光は、導光板２の光出射面に直接入射して全反射され、導光板２の裏面に形成された反射プリズム４に入射する。この反射プリズム４は入射光を導光板２の光照射面側に反射する。この反射光は反射プリズムにより偏向を受けているために、導光板２の光照射面に臨界角以下の光となって入射し、表面から被照射体に向かって出射される。
【００２５】
また、本実施例の照明装置は、図１に示すように、導光板が行列状に配置されているため、光路２６に示すように隣接する導光板から入射してくる光も存在する。このように、他の導光板からの光が複数の導光板に渡って導波するために、照明装置全体としての輝度分布が向上する。光は導光板２の内部で多重反射を繰り返すたびに何度も偏向を受けるため、多くの光が導光板２の裏面や側面から抜けてしまう。これらの光を再利用するために導光板２の裏面、側面に光反射板６、７が配置されており、これらの光を反射して再び導光板２の内部に戻している。
【００２６】
また、導光板２の裏面に形成されている反射プリズム４は、ＬＥＤ光源１を中心とする同心円の外側にいくにしたがって反射面の面積密度が大きくなるように配置されている。具体的には、これら反射プリズム４の高さ、長さ、またはその両方が順次大きくなるように形成されている。あるいは、個々の反射プリズム４の寸法は一定であるが、配列密度が順次大きくなるように形成されている。このようにすることによって、導光板２の光照射面からの出射光強度が一様になる。さらに、拡散板９は導光板２からの照射光をより一様にすることを目的として配置されている。この拡散板９を配置することによって、光入射プリズム３の外周や頂点に発生する輝点の影響を少なくすることもできる。また、従来のサイドライト型の照明装置でＬＥＤ光源を配置するために必要な照明装置周縁の不要部分（いわゆる、額縁）が筺体部分を除いて不要となることがわかる。
【００２７】
以下に、本発明の具体例を説明する。
（具体例）
図１に示した照明装置を以下のように作製した。行列状に配置した各導光板の寸法を３５ｍｍ×４３ｍｍ×０．６ｍｍとし、中心部に導光板の光出射部に立てた垂線となす角度が５０度の４分割した反射面を持つ光入射プリズムを形成した。この光入射プリズムの頂角の深さを０．５ｍｍとし、１パッケージの中に２チップ入った白色ＬＥＤ光源を用い、導光板の裏面にほぼ密着して光入射プリズムの頂角の位置に配した。光入射プリズムの反射面に形成したプリズム体８は全て同じ形状とした。すなわち、頂角が９０度、導光板の光照射面側の斜面が光入射プリズムの反射面となす角度が１００度、高さが５μｍ、稜線方向の長さが１０μｍのプリズム体とした。これらのプリズム体は、ＬＥＤ光源からの光照射強度に反比例するように個数を調整して光入射プリズムの反射面の双曲線上近傍に配列されている。
【００２８】
また、導光板の裏面には反射プリズムをＬＥＤ光源が中心になるようにして同心円上に配列した。これらの反射プリズムの形状は全て同一とし、高さ６０μｍ、導光板の裏面に立てた垂線と上記同心円の中心側の面がなす角度は７０度、他方の面が前記導光板の裏面に立てた垂線となす角度は１０度とした。また、反射プリズムの稜線方向の長さは２０μｍとした。また、同心円のピッチは５０μｍとした。この反射プリズムの数が円の中心から離れるに従って、同心円のピッチ本数の4乗に比例するように配列した。このような導光板を１０×１０枚行列状に配置して、１８型相当の液晶表示装置用の照明装置とした。また、拡散板としてはヘイズ値９０％のビーズ拡散シートを用いた。
【００２９】
以上の構成によって、最大輝度３０００Ｃｄ／ｍ２で、照明面全面に渡っての輝度分布が７５％と良好で均一な明るい照明装置が得られた。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明による照明装置を模式的に示す平面図である。
【図２】本発明による照明装置を模式的に示す断面図である。
【図３】本発明による照明装置の光入射プリズム内に設けられるプリズム体の配列を示す模式図である。
【図４】導光板内における光路を模式的に示す断面図である。
【図５】プリズム体の構成例を模式的に示す斜視図である。
【図６】本発明による照明装置における光路を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００３１】
１  ＬＥＤ光源
２  導光板
３  光入射プリズム
４  反射プリズム
５  筺体
６、７  光反射層
８  プリズム体
９  拡散板
【図１】
2006164625.tif 000003
【図２】
2006164625.tif 000004
【図３】
2006164625.tif 000005
【図４】
2006164625.tif 000006
【図５】
2006164625.tif 000007
【図６】
2006164625.tif 000008