(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明な樹脂材料からなる導光板と、該導光板のおもて面方向へ光束を放射する光源とを備える平面照明装置であって、
前記導光板の導光板裏面のほぼ中央に凹部を設け、該凹部に発光ダイオードからなる光源を配置し、前記導光板の導光板おもて面には、断面形状が前記光源の中心を焦点とする放物線を持った曲面部が形成されており、該曲面部に反射率を調整する金属薄膜が形成されていることを特徴とする平面照明装置。
【請求項２】
前記導光板の導光板裏面には、同心円状のプリズム構造が形成されていることを特徴とする請求項１記載の平面照明装置。
【請求項３】
前記導光板の導光板おもて面側には、同心円状にプリズムが多数並んだ構造のプリズムシートが配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の平面照明装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は液晶表示装置に用いられるバックライトやフロントライト等の平面照明装置に関するものであり、さらに詳しくは携帯電話や携帯情報端末（ＰＤＡ：Personal Digital Assistant）等の携帯機器に搭載する小型の液晶表示装置を照明する平面照明装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
液晶ディスプレイは、非発光の表示素子であるため、暗い場所で見るためにバックライトやフロントライト等の平面照明装置が必要であり、平面照明装置での消費電力の低減が求められている。
特に携帯電話やＰＤＡ等の小型携帯機器の場合、消費電力は電池寿命に大きな影響を与えるため、低消費電力化が重要になっている。また、小型携帯機器はカラー化及び動画化が進んでおり、平面照明装置の高輝度化も望まれている。
【０００３】
従来の平面照明装置の構造について図６及び図７を用いて説明する。図６は従来の平面照明装置を示す側面図であり、図７は従来の平面照明装置の導光板を示す断面図である。
光源１１は、透明な樹脂材料からなる導光板１２の側面に配置されており、光源１１から出射した光束を導光板１２に導く。
導光板裏面１２ｂには、図７の拡大断面図に示すようなプリズム構造が形成されており、導光板１２に入射した光束の反射角度を調整している。ここで、プリズムのピッチは０．３ｍｍ程度であり、図７に示したプリズムの角度は誇張して示してあり、実際は２〜３度である。
【０００４】
導光板１２に入射した光束は、導光板１２の導光板おもて面１２ａと導光板裏面１２ｂ間を多重反射しながら伝播し、導光板裏面１２ｂに形成されたプリズム構造により、反射角度を調整し、導光板おもて面１２ａへの入射角度を次第に小さくする。
導光板おもて面１２ａに臨界角以下で入射し、全反射条件を満たさなくなった光束が、導光板１２の導光板おもて面１２ａから出射する。全反射角以内の光束は、全反射を繰り返し、底面のプリズムで反射することにより、徐々に導光板おもて面１２ａへの入射角度が小さくなり、最終的には光源から放射された全光束が出射する。
【０００５】
導光板１２から出射した光束は拡散シート２３により拡散され、輝度のむらを減少させ、平面照明装置における面内の輝度の均一化を図っている。
【０００６】
拡散シート２３により拡散された拡散光は、第１のプリズムシート４２と第２のプリズムシート４３に入射する。
第１のプリズムシート４２及び第２のプリズムシート４３は、頂角が９０度の三角形断面形状を持つプリズムを、平行に多数並べた構造をしており、隣り合うプリズムの境界を示す線分が、互いに直交する様に配置されている。すなわち、第１のプリズムシート４２と第２のプリズムシート４３は、互いに９０度回転した配置になっているが、構造は同一のものである。
導光板１２から出射した光束は、第１のプリズムシート４２と第２のプリズムシート４３により、平面照明装置に垂直な方向に集光され、表示に最も必要なおもて面の輝度を高めている。
【０００７】
プリズムシート４２，４３に広い角度範囲で光束が入射すると、プリズムによる屈折により、おもて面方向への指向特性が高まり、照明装置として要求されるおもて面の輝度を高めることが出来る。
【０００８】
ここでプリズムシート４２，４３の各プリズム間のピッチは格子形状が目視で目立たぬ様、５０μｍ以下となっている。
このため、プリズム間のピッチは、液晶ディスプレイの画素ピッチに近く、プリズムシート４２，４３による格子形状と、液晶ディスプレイの画素構造が成す格子構造の間で、モアレ縞が発生するおそれがあり、このモアレ縞発生を避けるために、プリズムシート４２，４３は互いの格子が３度程度の角度を持つように傾けて配置している。
また、導光板裏面１２ｂ側には、反射板４１を配置し、光の利用効率を向上させている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
小型携帯機器の場合、１回の充電で使用できる時間が重要であり、消費電力の低減が求められている。
液晶ディスプレイの場合、消費電力の大半は平面照明装置で消費されており、平面照明装置の高効率化による消費電力の低減が重要となっている。また、小型携帯機器はカラー化及び動画化が進んでおり、平面照明装置の高輝度化も同時に望まれている。
【００１０】
従って、光源１１からの光束を効率よく液晶ディスプレイの照明に用いることにより、平面照明装置での消費電力を低減し、電池寿命の長寿命化を図り、また同一の消費電力であれば、平面照明装置の高輝度化を達成することをが本発明の的である。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前述した目的を達成するために、本発明の平面照明装置は、下記記載の手段を採用する。
【００１２】
本発明の平面照明装置は、透明な樹脂材料からなる導光板と、該導光板のおもて面方向へ光束を放射する光源とを備える平面照明装置であって、前記導光板の導光板裏面のほぼ中央に凹部を設け、該凹部に発光ダイオードからなる光源を配置し、前記導光板の導光板おもて面には、断面形状が前記光源の中心を焦点とする放物線を持った曲面部が形成されており、該曲面部に反射率を調整する金属薄膜が形成されていることを特徴とする。
【００１３】
本発明の平面照明装置は、前記導光板の導光板裏面には、同心円状のプリズム構造が形成されていることを特徴とする。
【００１４】
本発明の平面照明装置は、前記導光板の導光板おもて面側には、同心円状にプリズムが多数並んだ構造のプリズムシートが配置されていることを特徴とする。
【００１５】
〔作用〕
平面照明装置においては、一般に、光源からの距離が離れるに従って、輝度が低下し、照明エリア全面の輝度均一化の要求から、光源から一番遠い部位の輝度により平面照明装置の輝度が制限されてしまう。
従って、平面照明装置のほぼ中心に光源を置くことにより、光源から照明エリア端部までの距離を最小にすることができ、平面照明装置の輝度の向上を行なうことができる。
【００１６】
また、従来、光源として発光ダイオードを用いる場合、発光素子をパッケージと呼ばれる耐熱性のプラスチックケースに実装し、充填樹脂で封止したチップ型発光ダイオードを導光板側面に配置し、平面照明装置を構成している。
【００１７】
これに対して本発明の平面照明装置では、発光ダイオードの発光素子自体を導光板中心に配置し、発光素子実装面以外から出射する光束全てを導光板へ導き、導光板おもて面方向に出射している。
これにより、パッケージでの損失を無くし、発光素子から放射される光束を効率良く利用でき、輝度の高い平面照明装置を提供することが出来る。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の平面照明装置における最適な実施形態を、図面を用いて説明する。
【００１９】
〔第１の実施形態：図１及び図２〕
まずはじめに、本発明の第１の実施形態における平面照明装置を図１及び図２を用いて説明する。
図１は第１の実施形態における平面照明装置を示す断面図であり、図２は第１の実施形態における平面照明装置を示す平面図である。以下、図１及び図２を交互に参照して説明する。
【００２０】
導光板１２のほぼ中心に凹部１２ｄを設け、その凹部１２ｄに光源１１が配置されている。
光源１１は発光ダイオード等からなり、フレキシブルプリント基板２２に半田付けにより実装されており、フレキシブルプリント基板２２と導光板１２は互いに位置決めされている。
【００２１】
導光板１２には、導光板裏面１２ｂに図１及び図２に示すような同心円状のプリズム構造が形成されている。
ここで、プリズムのピッチは０．３ｍｍ程度であり、図では分かりやすい様に誇張して書いてある。
【００２２】
また、導光板１２の導光板おもて面１２ａには、その断面形状が光源１１の中心を焦点とする放物線を持った曲面部１２ｃが形成されている。
さらにまた、導光板おもて面１２ａ側には、拡散シート２３及びプリズムシート１３が配置されている。
ここで、第１の実施形態の平面照明装置は、前述の従来例と同様の原理で光束を出射する照明装置であり、従来例のプリズムシート４２、４３は直線状のプリズム構成であったのに対し、第１の実施形態では同心円状に構成されたプリズムを採用している。
【００２３】
光源１１から出射した光束は、導光板１２に導かれ、導光板裏面１２ｂに形成された同心円状のプリズム形状により反射され、導光板おもて面１２ａへの入射角度が次第に小さくなり、全反射条件を越えた光束から順次出射する。
【００２４】
導光板裏面１２ｂに形成されるプリズム形状は、光源１１を中心とする同心円状の円弧に沿って形成され、その反射面が円弧に沿った面に形成されている。
【００２５】
導光板１２には、導光板おもて面１２ａ側の光源１１の真上の部分に、光源１１をほぼ焦点とする放物線状の断面を持った曲面部１２ｃが形成されている。
この曲面部１２ｃは、光源１１から上方に出射した光束を反射させ、側方の導光板１２に導くようにして、導光板中心の輝度が周辺部に比較して高くなることを避け、反射光を導光板周辺部の輝度向上に用いている。
【００２６】
一般的に、液晶ディスプレイは薄型化が要求されており、特に小型携帯機器に用いる液晶ディスプレイの薄型化への要求は高く、平面照明装置の厚さの制限は厳しい。
薄型の導光板１２に形成できる曲線では、光源１１から出射した光束の曲面部１２ｃへの入射角度を大きくとれず、導光板１２と空気の界面での反射率では十分な値が得られず、光源１１近傍で上方へ出射する光束の割合が多くなり、中心輝度が高くなる傾向がある。これを避けるため、曲面部１２ｃにアルミニウムやクローム等の金属薄膜を形成し、この金属薄膜のパターン形状及び膜厚により反射率を調整し、全面の輝度の均斉度を高めている。
【００２７】
導光板１２から出射する光束は、中心から周辺部へ向かって放射状に出射し、図１において、導光板おもて面１２ａと２０度から３０度の角度を持っている。
【００２８】
導光板１２から出射した光束は、拡散シート２３により拡散され、指向特性の無い一様な光束に変換される。
拡散シート２３により拡散された拡散光は、プリズムシート１３に入射し、平面照明装置のおもて面方向への指向特性を持った光束に変換され、おもて面方向の輝度を高くすることができる。
【００２９】
ここで、プリズムシート１３は、頂角が９０度、ピッチが５０μｍで同心円状にプリズムが多数並んだ構造であり、直線的なプリズムが多数並んだ従来例のプリズムシート４２、４３とは異なる構造を持っている。
図１ではプリズムサイズを分かりやすい様に拡大して表記しているが、実際のプリズムは５０μｍピッチ以下であり、同心円形状が肉眼で識別できず、ほぼ一様に見られるようなピッチであることが望ましい。
【００３０】
以上、平面照明装置としての構成を説明してきたが、光源１１と導光板１２以外の構成材料に関わらず、光源１１を導光板１２のほぼ中心に配置することが重要であり、導光板１２上部に配置する構成部材としては、拡散シート２３とプリズムシート１３の組み合わせが唯一のものではない。
【００３１】
例えば、図１に示すプリズムシート１３を２枚重ねることにより、導光板おもて面１２ａから出射し、導光板おもて面１２ａと２０度から３０度の角度を持った光束を、プリズムでの屈折により、平面照明装置に垂直な方向、すなわちおもて面方向へ偏向することも可能である。
この場合、拡散シート２３は不要となり、拡散シート２３による損失の無い高輝度な照明装置が達成できる。
【００３２】
さらに、頂角６０度の同心円状のプリズムシート１３を用いれば、プリズム頂部を下側、すなわち導光板１２側に向けることにより、プリズムの斜面の反射を用い、光束をおもて面方向へ偏向することも可能で、この場合、プリズムシートは１枚で済み、構成がさらに単純になり、薄型化及びコスト低減に効果がある。
【００３３】
〔第２の実施形態：図３、図４、及び図５〕
次に本発明の第２の実施形態における平面照明装置を、図３、図４、及び図５を用いて説明する。
図３は第２の実施形態における平面照明装置を示す断面図であり、図４は第２の実施形態における平面照明装置を示す平面図であり、図５は第２の実施形態における平面照明装置の光学素子を説明する図面である。以下、図３、図４、及び図５を交互に参照して説明する。
【００３４】
第２の実施形態における平面照明装置も、第１の実施形態と同様、光源２１は導光板１２のほぼ中心に形成した凹部１２ｄに配置してある。
光源２１として、発光ダイオードを用いている。
【００３５】
光源２１として用いる発光ダイオードについて図８を用いて簡単に説明する。表面実装型の場合、発光ダイオードは、発光素子６３を電極６２ａ、６２ｂを設けたパッケージ６１に実装し、充填樹脂６４を充填した形で流通している。
ここで、パッケージ６１は不透明な耐熱性の樹脂材料からなり、発光素子６３からパッケージ６１方向へ発光した光束は吸収による損失がある。
【００３６】
平面照明装置に良く用いられる白色発光ダイオードの場合、青色の発光素子を用い、青色を吸収し黄色を発光する蛍光物質を充填樹脂６４に混入し、青と黄の両光を発光することによりパッケージ全体として白色を得ている。
一般に、発光素子６３はＧａＮ系の高輝度タイプであり、サファイア基板上に有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）で形成された素子である。また、一般に光源の配光特性は正面方向への指向特性を持っている。
【００３７】
従来は、光源２１として、パッケージ化された表面実装型の発光ダイオードを使用し、導光板１２の側面に配置しているが、本実施形態では、発光素子６３をフレキシブルプリント基板２２に直接半田付けにより実装している。
すなわち、本実施形態の光源２１として用いる発光ダイオードは、図８に示すパッケージ６１と充填樹脂６４が無い。
【００３８】
発光素子６３は、透明なサファイア基板上に発光層が形成されているため、擬似的に素子全体が発光し、ほぼ一様な配光特性を持つ光源が得られる。
従って、発光ダイオードからなる光源２１を導光板１２のほぼ中心に配置することにより、発光素子６３から放射される光束を効率良く導光板１２に導くことが出来る。
【００３９】
導光板１２には、導光板裏面１２ｂに微少なプリズム形状、又はレンズ形状の凹部からなる光学素子２４が配置されており、導光板１２に導かれた光束は、その導光板裏面１２ｂに形成された光学素子２４により反射される。
光学素子２４の反射面が、光学素子２４から光源２１を望む方向と直交する向きに配置したとき、全ての光学素子２４からの反射光の総和を考えると、配光特性は、おもて面方向に指向性を持ち、おもて面方向に輝度の高い平面照明装置が得られる。
【００４０】
導光板裏面１２ｂに形成される光学素子２４は、発光ダイオードからなる光源２１を中心とする同心円状の円弧に沿って形成され、その反射面が円弧に沿った向きに形成される。
個々の光学素子２４の１例を図５に示す。
【００４１】
図５（ａ）は導光板裏面１２ｂに形成された光学素子２４を示す平面図であり図５（ｂ）は光学素子２４を示す断面図である。
図５では光学素子２４を同一半径の同心円上に並列配置し、さらに導光板裏面１２ｂに対して、プリズム状の凹部が形成されているが、光学素子２４断面は、その反射面が光学素子２４から光源２１を望む方向と直交していればよく、必ずしも平面である必要は無い。従って、光学素子２４の断面形状は、レンズ状の円弧でも構わない。また、光学素子２４の向きさえ考慮すれば、それぞれの光学素子２４を同一半径の同心円上に並列配置する必要は無い。
【００４２】
すなわち、光学素子２４の位置を規定するのは、光学素子２４の密度分布だけであり、後は片寄なく一様に配置すれば良い。
【００４３】
一般に点光源から出射した光束の場合、距離ｒの点での照度はｒ2に反比例する逆２乗の法則が成り立つ。
平面照明装置にあてはめて考えると、照明光強度の配光特性が距離ｒに関らず同一であるとすれば、照明装置の輝度にも逆２乗の法則が近似的に成り立つ。
【００４４】
素子密度として、ある導光板平面内における光学素子２４の占める割合としたとき、導光板裏面１２ｂの素子密度を変え、その点を導光する光束量に対する出射光束量を計測すると、素子密度が５０％程度までは、ほぼ線形に出射光束量が増加し、その後飽和する傾向がある。
従って、素子密度を、距離の２乗に比例して高くする事により、ほぼ均一な輝度が得られる。このとき、導光板１２の光源１１から最も遠い部位での素子密度を５０％程度にするのが望ましい。
【００４５】
導光板１２には、光源２１の真上の部分に、光源２１をほぼ焦点とする放物線状の断面を持った曲面部１２ｃが形成されており、光源２１から導光板おもて面１２ａの上方に出射した光束を反射させ、側方の導光板１２に導くようにして、導光板中心の輝度が周辺部に比較して高くなることを避け、反射光を導光板周辺部の輝度向上に用いている。
【００４６】
なお、以上説明した第１及び第２の実施形態において、導光板１２に凹部１２ｄを設け、その凹部１２ｄに光源１１、２１を配置したが、凹部１２ｄを形成せず、導光板裏面１２ｂに光源１１、２１を配置しても良い。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように、導光板のほぼ中央の凹部に、指向特性の無い一様な配光特性を持った光源を配置することにより、光源から導光板への導光効率が高くなる。
また、照明エリア内の輝度を均一化する要求から、照明エリア端部、光源から最も遠い部位の輝度により、照明装置全体の輝度が制限されている。従来、光源は導光板の側面に配置されており、これを導光板中心に配置する事により、光源から導光板端部までの距離を半分にでき、結果的に導光板の輝度を向上する事ができる。
【００４８】
また、光源として、パッケージに実装されない発光素子を単体で使用することにより、パッケージでの損失が無くなり、発光ダイオードが出射する光束の光利用効率が高くなる。
また、パッケージに実装されていないため、発光ダイオードの厚みは非常に薄くでき、平面照明装置全体の薄型化にも貢献できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態における平面照明装置を説明する断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態における平面照明装置を説明する平面図である。
【図３】本発明の第２の実施形態における平面照明装置を説明する断面図である。
【図４】本発明の第２の実施形態における平面照明装置を説明する平面図である。
【図５】本発明の第２の実施形態における平面照明装置の導光板の裏面に形成される光学素子を説明する図面である。
【図６】従来の照明装置を説明する側面図である。
【図７】従来の照明装置の導光板裏面に形成されるプリズム形状を説明する図である。
【図８】従来技術の発光ダイオードを説明するための図面である。
【符号の説明】
１１  光源
１２  導光板
１２ａ  導光板おもて面
１２ｂ  導光板裏面
１２ｃ  曲面部
１２ｄ  凹部
１３  プリズムシート
２１  光源
２２  フレキシブルプリント基板
２３  拡散シート
２４  光学素子
４１  反射板
４２  プリズムシート
４３  プリズムシート
６１  パッケージ
６２ａ  電極
６２ｂ  電極
６３  発光素子
６４  充填樹脂
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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