(57)【要約】【課題】  従来のライトパイプを有するサイドライト型照明装置では、ライトパイプと導光板との位置合わせが必要なために組立て時の調整に手間がかかり、また、導光板側に照明光を導くために、ライトパイプの側面にピッチ１００μｍ程度の微小プリズム群を形成しなければならず、成形コストが高くなる、という課題があった。【解決手段】  光源の光を導いて導光板で面発光する照明装置において、点光源からの光が入射する入光面と点光源の光を導光板に伝える出射部を有するライトパイプと、ライトパイプの出射部と導光板を一体的に連結する連結体を備える構成とした。【選択図】  図１
2005235759.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
点光源と、
前記点光源からの光を照射する照射面を有する導光板と、
前記点光源からの光が入射する入光面と、前記入光面から入射した光を出射する出射部を有するライトパイプと、
前記出射部と前記導光板を一体的に連結する連結体と、を備える照明装置。
【請求項２】
前記ライトパイプは、前記入光面から入射した光の方向を変えて前記出射部から出射することを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
【請求項３】
前記ライトパイプは楕円柱形状であり、前記入光面が楕円形状であることを特徴とする請求項２に記載の照明装置。
【請求項４】
前記ライトパイプの出射部は楕円柱形状の母線を含んでいることを特徴とする請求項３に記載の照明装置。
【請求項５】
前記点光源の発光中心が、前記ライトパイプの入光面を構成する楕円面が有する２つの焦点のうち少なくとも１つの焦点位置の近傍にあることを特徴とする請求項３または４に記載の照明装置。
【請求項６】
前記ライトパイプは角柱形状であり、前記入光面が矩形形状であることを特徴とする請求項２に記載の照明装置。
【請求項７】
前記連結体は、前記ライトパイプの底面と前記導光板の底面を連続的に一体化するように設けられたことを特徴とする請求項６に記載の照明装置。
【請求項８】
前記点光源の発光中心は、前記ライトパイプの入光面を構成する矩形の少なくとも一方の辺をｍ／ｎ（ｍ、ｎは１以外の互いに既約な自然数でｍ＜ｎ）に分割する位置に配置されていることを特徴とする請求項６に記載の照明装置。
【請求項９】
前記連結部の厚みが、前記点光源から遠ざかるにつれて大きくなることを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載の照明装置。
【請求項１０】
前記連結部の厚みが、前記点光源から遠ざかるにつれて直線的に大きくなっていることを特徴とする請求項９に記載の照明装置。
【請求項１１】
前記連結部の厚みが、前記点光源から遠ざかるにつれて二次関数的に大きくなっていることを特徴とする請求項９に記載の照明装置。
【請求項１２】
前記ライトパイプの入光面には、頂点が前記点光源の発光中心と一致する、内側にへこんだ形状のプリズムが形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項１１のいずれか一項に記載の照明装置。
【請求項１３】
前記導光板の底面には前記ライトパイプから遠ざかるにつれてヘイズ値が大きくなるような微小散乱構造体が形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項１２のいずれか一項に記載の照明装置。
【請求項１４】
非自発光型の表示素子と、前記表示素子を照明するために設けられた請求項１〜請求項１３のいずれか一項に記載の照明装置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、携帯電話、携帯型小型テレビ、携帯型ゲーム機、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ−Ｄｉｇｉｔａｌ−Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）、および小型ノート型パーソナルコンピュータ等に用いられる表示装置に関し、特にバックライトまたはフロントライトと呼ばれる照明装置、またはこれを備える表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子機器に用いられる表示装置では、照明用の光源として、点灯特性が良好であり発熱やノイズの少ない光源として発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ−Ｄｉｏｄｅ、以下、ＬＥＤと称す）が多用されるようになってきた。一般に、透過型カラー液晶表示装置では、白色ＬＥＤ光源を用いたバックライト照明装置で、Ｒ、Ｇ、Ｂのカラーフィルターを画素ごとに備える液晶表示素子を照明することにより、カラー画像を表示する。しかしながら、理想的な白色光を発光できる白色ＬＥＤ光源が存在しないために、より自然な色表現をするための工夫がなされてきた。
【０００３】
最近の代表的な方法として、蛍光体を形成した青色ＬＥＤ光源から放射された青色光によってその蛍光体を励起して緑色光から赤色光を波長変換により得て、この波長変換によって得られた光と青色光とを加法混色して擬似白色光を得ると同時に、赤色の彩度を向上させるために赤色ＬＥＤ光源を上記擬似白色光にさらに加法混色して、理想に近い白色光を得て、これを導光板に導いて液晶表示素子を照明する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。この方法を用いることによって、赤色ＬＥＤの出力調整を行うだけで容易に理想に近い白色光を得ることができ、より鮮明なカラー表示が可能な液晶表示装置を実現できるようになった。理想に近い白色光を得るためには、上記の擬似白色光および赤色光を色ずれなく効率良く混色する必要があるが、そのため蛍光体が形成された青色ＬＥＤと赤色ＬＥＤを、蛍光体を形成した第１のＬＥＤ光源と上記第２のＬＥＤ光源とをライトパイプの両端に各々配置することによってこのライトパイプ中で上記の擬似白色光と赤色光を均一に混色したりする方法が用いられている。
【０００４】
一方、バックライトやフロントライトなどの照明装置では、導光板の片端面から光源からの光が入射するように、光源が導光板の端面と対向するように配置されている。このような配置の照明装置をサイドライト型の照明装置と呼んでいる。このようにＬＥＤが配置されたサイドライト型の照明装置は、小型薄型化がしやすく光の利用効率が高いという特長がある。サイドライト型の照明装置では、均一な照明を行うために、ライトパイプを導光板の側面側に配置し、ライトパイプを介して光源からの光を導光板に導き、面発光する構成が知られている（例えば、特許文献２参照）。特許文献２にも示されているように、サイドライト型のライトパイプを用いた照明装置の導光板には、被照明物への照射光を均一にするために、表面にライトパイプの長手方向に平行に並んだ微小プリズム群が形成されている。さらにまた、ライトパイプそのものにも微小プリズム群を形成して、ライトパイプから出射する光の強度分布を均一にすると同時に、光の利用効率を向上させている。
【特許文献１】特開２００２−５７３７６号公報（第５頁、図１）
【特許文献２】特許第３３０１７５２号（第４頁−６頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来のサイドライト型のカラー液晶用照明装置、すなわちライトパイプを導光板の片側からサイドライト型に配置して照明を行う場合には、ライトパイプと導光板との位置を個別に合わせこむ必要があった。そのために組立て時の調整に手間がかかるという課題を有していた。
【０００６】
さらに、従来のライトパイプでは、導光板側に照明光を導くために、ライトパイプの側面にピッチ１００μｍ程度の微小プリズム群を形成する必要があるため、成形コストが高くなるという課題を有していた。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明の照明装置は、点光源と、点光源からの光を照射する照射面を有する導光板と、点光源からの光が入射する入光面とこの入光面から入射した光を出射する出射部とを有するライトパイプと、出射部と導光板を一体的に連結する連結体を備えている。ここで、ライトパイプは、入光面から入射した光の方向を変えて出射部から出射している。
【０００８】
さらに、ライトパイプを楕円柱形状とし、入光面を楕円形状とした。このとき、ライトパイプの出射部が楕円柱形状の母線を含んでいるようにライトパイプと導光板を連結体で一体的に接合した。このとき、点光源の発光中心が、ライトパイプの入光面を構成する楕円面の２つの焦点のうち、少なくとも１つの焦点位置の近傍になるように点光源を配置した。
【０００９】
あるいは、ライトパイプを角柱形状とし、入光面を矩形形状とした。点光源の発光中心が、ライトパイプの入光面を構成する矩形の少なくとも一方の辺をｍ／ｎ（ｍ、ｎは１以外の互いに既約な自然数でｍ＜ｎ）に分割する位置になるように点光源を配置した。さらに、ライトパイプの底面と導光板の底面を連続的に一体化するような連結体を設けた。
【００１０】
上述の連結部の厚みが、点光源から遠ざかるにつれて大きくなるように構成した。具体的には、連結部の厚みが、点光源から遠ざかるにつれて直線的に大きくなることとした。または、連結部の厚みが、点光源から遠ざかるにつれて二次関数的に大きくなることとした。
【００１１】
また、ライトパイプの入光面に、頂点が点光源の発光中心と一致する、内側にへこんだ形状のプリズムを設けた。
【００１２】
また、導光板の底面にライトパイプから遠ざかるにつれてヘイズ値が大きくなるような微小散乱構造体を設けた。
【００１３】
さらに、本発明の表示装置は、非自発光型の表示素子と、表示素子を照明するために設けられた照明装置を備えており、この照明装置が、点光源と、点光源からの光を照射する照射面を有する導光板と、点光源からの光が入射する入光面と前記入光面から入射した光を出射する出射部とを有するライトパイプと、出射部と導光板を一体的に連結する連結体とを備えている。すなわち、本発明の表示装置は、非自発光型の表示素子と、表示素子を照明するための上述したいずれか一つの構成の照明装置とを備えている。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の構成による照明装置は、簡単な構造で、しかも、均一で光利用効率の高い照明装置を実現することができるという効果を有する。そして、このような構成によってライトパイプを有するサイドライト型導光板の組み付けが容易となるばかりでなく、組立て再現性も向上するため、性能と品質の安定した照明装置が安価に供給することができるようになるという効果も有する。
【発明の実施の形態】
【００１５】
本発明の照明装置は、点光源からの光が入射する入光面と点光源の光を導光板に出射する出射部を有するライトパイプを備えており、ライトパイプの出射部と導光板を連結体により一体的に接合している。このような構成によれば、ライトパイプと導光板が一体化されているので、組立て時にライトパイプと導光板を位置合わせする必要がない。また、このライトパイプは、入光面から入射した光の方向を変えて出射部から出射する機能も備えている。
【００１６】
さらに、入光面を楕円形状とする楕円柱形状でライトパイプを構成した。また、点光源の発光中心が、入光面が有する２つの楕円焦点のうち少なくとも１つの焦点位置の近傍に位置するように、光源を配置した。このような構成によって、ライトパイプの側面に微小プリズム群などの微細構造を形成することなく、効率的に一様な照射光を導光板に導くことが可能となる。また、単色の点光源を組み合わせた構成の光源を用いる場合に、ライトパイプ内の光の混色性を向上させることができるとともに、効率良く導光板へ光を出射することが可能となる。
【００１７】
あるいは、入光面を矩形形状とする角柱形状のライトパイプを用いた。さらに、連結体は、ライトパイプの底面と導光板の底面を連続的に一体化するように設けられている。また、点光源の発光中心が、入光面を構成する矩形の少なくとも一方の辺をｍ／ｎ（ｍ、ｎは１以外の互いに既約な自然数でｍ＜ｎ）に分割する位置に配置されている。このような構成とすることにより、ライトパイプ内の光の混色性を向上させることができる上に効率良く導光板に入射することが可能となる。
【００１８】
また、連結部の厚みが点光源から遠ざかるにつれて高くなるように構成した。このような構成によって、ライトパイプの側面に微小プリズム群などの微細構造を形成することなく、効率的に一様な照射光を導光板に導くことが可能となる。具体的には、連結部の厚みを点光源から遠ざかるにつれて直線的に、あるいは、二次関数的に大きくすればよい。
【００１９】
さらに、ライトパイプの入光面（入光面の形状に依らない）に頂点が点光源の発光中心と略一致する、内側にへこんだ形状のプリズムを設けた。このような構成により、従来のライトパイプに形成されていた微小プリズム群と比較してはるかに単純な構造であるにもかかわらず、光の利用効率が向上する。
【００２０】
また、導光板の底面にはライトパイプから遠ざかるにつれてヘイズ値が大きくなるような微小散乱構造体が形成されている。このような構成によれば、ライトパイプからの光を効果的に均一に液晶表示装置などの被照明物体に照明することが可能となる。
【００２１】
また、このような照明装置を非自発光型の表示素子の照明に用いることによって、明るくしかも色彩度の高い表示装置が実現できる。
【００２２】
以下に、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
【実施例１】
【００２３】
本実施例の照明装置の外観を図１に模式的に示す。図示するように、ライトパイプ１は略直方体形状をしており、直方体の短辺側を導光板側に面して配置されている。そして、ライトパイプ１の底面側の一部は導光板２の底面側の一部と連結部３を介して一体的に結合されている。また、ＬＥＤ光源４はライトパイプ１の長手方向の端面に配置されている。ライトパイプ１と連結部３および導光板２は同一の透明高分子材料で形成されている。
【００２４】
ＬＥＤ光源４から出射された光は、ライトパイプ１の中をその長手方向に伝播する。そして、この伝播光のうち臨界角以上の大きな入射角で側面に入射した光は全反射を繰り返しながら内部を伝播する。一方、臨界角よりも小さな入射角で側面に入射した光は一部が透過して導光板に入射し、残りが反射する。このような光伝播について図２を用いて説明する。図２において、まずＬＥＤ光源４から出射された光線１３に着目する。光線１３はライトパイプ１の導光板側の内壁に臨界角以上の角度で入射する光である。そのため、光線１３は導光板側の内壁で全反射し、光線１４としてライトパイプ１の内部を伝播する。このとき、光線１３のうち連結部１３に入射した光は、そのまま連結部３を通過して導光板２の内部へと照射される光線１５となる。次に、ライトパイプ１の外側の内壁に臨界角以上の角度で入射する光線１６に着目する。ＬＥＤ光源４から出射された光線１６は、ライトパイプ１の外側の内壁で全反射し、光線１７としてライトパイプの入光面と対向する面に入射する。ライトパイプ１の入光面の対向面に反射機能を持たせておけば、光はこの対向面で再び反射され、光線１８となる。光線１８は連結部３以外の導光板側の内壁に入射すると再び全反射をして内部に戻るが、連結部３に入射した場合はそのまま導光板１の内部へと照射される。
【００２５】
また、ＬＥＤ光源４から出射した角度の小さい光線１９がライトパイプ１の入光面の対向面に直接入射する場合は、対向面への入射角が小さいために、ライトパイプ１の入光面とその対向面を何度か繰り返し反射した後、導光板１に照射されることになる。なお、この場合ライトパイプ１の入光面との対向面に入射する光線の入射角が小さいために、その入射光線の多くの割合がライトパイプ１の入光面との対向面を透過して外部に抜けて光損失となってしまう。このような光損失を低減するために、図示していないが、ライトパイプ１の入光面の対向面には反射機能を持たせておくことが望ましい。具体的には、ＡｇやＡｌなどの反射膜を形成する、あるいは、反射板を外付けしておく。
【００２６】
一般に、導光板２の底面または上面には導光板２に入射した光を効率良くカラー液晶表示装置などの被照射体に照射するために、微細プリズム構造や微細散乱体が形成されている。一方、図２に示すように光源が配置された照明装置においては、ライトパイプ１から導光板２への光入射角は通常の照明装置と比較して大きくなる。そのため、もし導光板２の底面または上面に微細プリズム構造が形成されていたとすると、導光板内部を伝播する光が微細プリズム構造の反射面に入射するときに、その入射角はその面に対して大きな角度となる。そのため、微小プリズム構造は導光板内部での伝播光の向きを変える作用は有しているが、微小プリズム構造によって伝播光を外部に導く作用は小さくなってしまう。従って、導光板２に従来と同様の微細プリズム構造を構成しても、本発明の照明装置においては目的とする輝度分布を得ることができない。そこで、導光板に微小プリズム構造を形成する場合は、ライトパイプ側のピッチが従来よりも細かい微小プリズム構造を形成するなどの工夫が必要となる。
【００２７】
あるいは、本発明の照明装置における導光板２の底面または上面には、微細プリズム構造ではなく、伝播光の伝播方向に依存しない微小散乱構造体を形成した。これにより、導光板の照射面の輝度分布を均一にすることができる。微小散乱構造体としては、不規則な微小凸凹構造やいわゆるシボを呼ばれる構造体を形成した。形成した微小散乱構造体としては、被照射体に一様な照明光を照射するために、ライトパイプ１から遠ざかるにつれてヘイズ値が大きくなるような微小散乱体を形成した。なお、ここでヘイズ値とは、全入射光強度に対する全散乱光強度の比のことを言う。
【００２８】
上述したように、ＬＥＤ光源４からの出射角が小さな光はライトパイプ１の間を何度も繰り返し往復した後で導光板２に入射するが、このような光はライトパイプ入光面およびその対向面への入射角度が浅いため外部に透過する成分が大きく、導光板２に入射する光の利用効率を低下させる。このＬＥＤ光源４からの出射角が小さな光に対する利用効率を向上させるために、ライトパイプの入射端面にプリズムを形成した。このプリズムについて図３を用いて説明する。図３は、光源とライトパイプを上から見た平面図であり、ライトパイプの入光面に設けられたプリズム１２を模式的に示している。図示するように、プリズム１２はライトパイプ１の入光面１１に対して内側にへこんだ形状となっている。このプリズムの頂点はＬＥＤ光源４の発光中心と略一致している。このような構成のプリズムは、ＬＥＤ光源４から出射した出射角の小さな光でも、ライトパイプ内に入射するときにはその入射角が大きくなるように作用している。したがって、ＬＥＤ光源４から出射する出射角の大きな光は、このプリズム１２を通過する必要はない。プリズム１２の頂角を小さくすればするほど、ＬＥＤ光源４からの出射光はライトパイプに入射したときに大きな広がり角を持つようになるが、プリズム１２の表面での反射率が大きくなるという課題がある。また、ライトパイプ内部での入射光の広がり角が大きくなり過ぎると、ライトパイプ内壁への光入射角が臨界角よりも小さくなるためにライトパイプ内部での伝播効率が低下する。したがって、プリズム１２の頂角をα、光のプリズム１２斜面に入射する光の入射角をθ、ライトパイプ側面内壁における臨界角をφ、ライトパイプ材料の屈折率をｎとした場合、下記の式１が満たされるようにプリズム頂角を決めるのが望ましい。
【００２９】
（式１）
φ＜π／２＋α／２−θ＋ｓｉｎ−１［（１／ｎ）ｓｉｎθ］
式１に示した条件を満たした上で、ＬＥＤ光源４からの出射光の内でどの出射角の光までプリズム４に入射させるかを決定することによってプリズム１２の高さが決まる。
【００３０】
次に、図４を用いて、ライトパイプの入光面におけるＬＥＤ光源の発光点位置により光の挙動が変わることを説明する。図４（ａ）は、ＬＥＤ光源の発光点２０がライトバルブの入光面の断面中心に位置している場合を示し、図４（ｂ）は、ＬＥＤ光源の発光点２０がライトバルブの入光面における長辺の長さの２／９だけ外側の側面から離れた位置にある場合を示している。図４（ａ）の場合では、光源からの光がライトパイプの内壁で全反射を繰り返して伝播するときに、光路２１が閉ループを形成してしまい、連結部３から図示していない導光板に照射されることはない。ここでは入光面の長手方向に２つの環を持った閉ループの例を示したが、同一の配置において、図の長辺方向に４、６、８・・・といった２の倍数の環を持った閉ループも形成されることは言うまでもない。同様に、ＬＥＤ光源の発光点２０が長辺方向の長さの１／３だけ側壁面から離れた場所に位置している場合、すなわち、図４（ａ）でｍ＝１、ｎ＝３の場合は、図の入光面の長辺方向に３の倍数の環を持った閉ループが形成される。そして、ライトパイプ入光面の長辺方向に１／ｎだけ側壁面から離れた位置に発光点を配置した場合には、長辺方向にｎの倍数の環を持った循環構造が生じる。このような光の循環伝播の性質は、ライトパイプの短辺方向に１／ｎだけ側壁面から離れた位置に発光点を配置した場合にも、環のできる方向は短辺方向に変化するが同様に生じる。もちろん、図４（ａ）に示した例においても、ＬＥＤ光源からの出射光の多くは循環構造を持たずに、または持ったとしても連結部３を通過して図示していない導光板に照射される。
【００３１】
図４（ｂ）の場合には、図示した例からも推測できるように、ＬＥＤ光源からの光は壁面で反射される度に閉ループ構造から少しずつシフトして、最終的には連結部３を通過することになる。ＬＥＤ光源の発光点２０の位置が図に示したライトパイプの断面を構成する長方形の短辺または長辺またはそれらの両方のｍ／ｎ（ｍとｎとは１以外の既約な自然数でｍ＜ｎ）であれば、ＬＥＤ光源から出射した光のほとんどはライトパイプで繰り返し反射されて伝播するうちに必ず連結部３を透過して導光板に照射される。すなわち、この場合は閉ループ構造ができないのである。また、上記のｍ／ｎの値は１／ｋ（ｋは２以上の自然数）の値からずれているほど、上記の効果は大きくなる。このことは、図３に示したようにプリズムがライトパイプの入光面に形成されている場合でも成立する。
【００３２】
このようなＬＥＤ光源の発光点の配置を考慮して、本発明の照明装置では複数のＬＥＤ光源を配置することができる。図５、図６に複数のＬＥＤ光源を配置する場合の構成を示す。図５はライトパイプの両端に１つずつＬＥＤ光源を配置した場合の平面図であり、図６はライトパイプの両端に各々２つのＬＥＤ光源を配置した場合の平面図である。図５や図６に示したように、ライトパイプ１の両端の入光面にＬＥＤ光源を配置することによって、連結部３を通過して導光板２に照射される光強度分布はライトパイプの長手方向に対して対称となる。そのため、導光板による液晶表示素子など被照射体への照明をより均一にすることができる。また、ＬＥＤ光源の数を増やすことによって、連結部３を通して導光板２に導かれる光束を増やすことができ、その結果、より高輝度の照明が可能となる。もちろん、上述したように、これらのＬＥＤ光源４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄは、全てライトパイプの入光面の形状である長方形の長辺または短辺またはそれらの両方に関する長さのｍ／ｎ（ｍとｎとは互いに既約な１以外の自然数）となる場所に配置されている。具体的には、本実施例では、長辺および短辺の長さの２／９の長さだけライトパイプの壁面から離れた場所に配置した。
【００３３】
次にライトパイプと導光板を一体的に連結する連結部の長手方向の断面形状について説明する。図５で示した連結部のＡ−Ａ線での断面を図７に示す。斜線を施された部分１０が連結部の断面を示している。連結部の厚さをＬＥＤ光源から遠ざかるにつれて線型に変化させた場合を図７（ａ）に示し、連結部の厚さをＬＥＤ光源から遠ざかるにつれて二次関数的に変化させた場合を図７（ｂ）に示す。ここで説明する形状は、図５や図６に示したようにライトパイプの両端の入光面にＬＥＤ光源を配置した場合を示したものである。
【００３４】
パイプライトから出射する光はＬＥＤ光源に近い位置ほど光パワー密度が大きくなり、それらＬＥＤ光源から遠ざかるにつれて光パワー密度は小さくなって行く。従って、連結部３の厚みが一定だと、ＬＥＤ光源の近傍の連結部を通過する光強度が強く、中央部の連結部を通過する光強度は弱くなる。この結果、導光板に照射される光はライトパイプ側から導光板を見たときに中央部の光強度が弱くなり、導光板からの照明光はそれに対応して中央部が暗くなってしまう。このような問題点を解決するために、連結部３の厚さを光パワー密度が大きなＬＥＤ光源近傍では低く、光パワー密度が小さなＬＥＤ光源から離れた場所では高くした。
【００３５】
図７（ａ）では、ＬＥＤ光源の配置されているライトパイプの両入光面からライトパイプの中央部にかけて連結部３の厚みが線型に大きくなるように構成されている。連結部をこのような断面形状にすることにより、導光板に入射する光の強度が、より均一化することができ、その結果、導光板の照射面の輝度をより均一にすることが可能となる。このような連結部の構造の具体例としては、厚さ０．７ｍｍのライトパイプの場合、ライトパイプ入光面における連結部厚みが０．０２〜０．０５ｍｍ、ライトパイプ中央部における連結部厚みが０．０８〜０．２ｍｍである。この連結部の各部の厚さは導光板に形成されている微小散乱体の分布のさせ方にも依存していることは言うまでもない。
【００３６】
図７（ａ）に示したような連結部の構造は、成形型の作製が比較的簡単であるが、厳密に言えばライトパイプの中央部から導光板に照射される光強度は、ライトパイプのＬＥＤ光源近傍の光強度に比較して小さくなる。従って、図７（ａ）に示すような連結部の構造は、短いライトパイプを有する小型の照明装置か、もしくは輝度分布に対する要求が緩い照明装置に適用するのが好ましい。
【００３７】
一方、図７（ｂ）に示す連結部の構造においては、連結部の高さがライトパイプの入光面からライトパイプの中央部にかけて二次関数的に高くなっている。このような連結部構造とすることによって、ライトパイプから導光板に入射する光量分布をほぼ理想的に一様にすることができる。このことによって、導光板に形成する微小散乱体をライトパイプの長さ方向に均一にすることができ、その結果導光板の作製が容易になるばかりでなく、カラー液晶表示装置などの被照射体への照明光の輝度分布をより一様にすることができる。
【００３８】
図７（ｂ）に示した連結部の構造の具体例としては、厚さ０．７ｍｍのライトパイプの場合、ライトパイプ入光面における連結部厚みが０．０２〜０．０４ｍｍ、ライトパイプ中央部における連結部厚みが０．２〜０．３ｍｍである。
【００３９】
なお、上述の各説明では、ライトパイプの底面側の一部が導光板の底面側の一部と連結部を介して結合されている場合を示したが、ライトパイプの上面側の一部が連結部を介して導光板と結合されていても良い。
【００４０】
このような照明装置を用いてカラー液晶表示装置を照明する場合の構成について説明する。図８は、本発明によるカラー液晶表示装置の構成を模式的に示した断面図である。ＬＥＤ光源４はライトパイプ１の２つの入光面にそれぞれ１個ずつ配置されている。ＬＥＤ光源４の発光中心は、ライトパイプ１の端面からライトパイプの断面を構成する長方形の長辺長さの３／１０だけ内側に入った位置に配置されている。また、ライトパイプ１の入光面にはＬＥＤ光源４の発光中心に対応する位置に、高さ７５μｍで頂角１２０度の凹形状のプリズムが形成されている。
【００４１】
ＬＥＤ光源４から出射した光は、ライトパイプ１の内部を繰り返し反射して充分混色が行われた後、連結部３を通って導光板２に入射する。導光板２の底面には連結部３から遠ざかるにつれてヘイズ値が大きくなるような微細散乱構造体が形成されている。微細散乱構造体として、シボが例示できる。微細散乱構造体は、連結部３から導光板２に入射した光を散乱する。すなわち、入射した光の一部を反射して導光板２の上面（照射面）から出射し、残りの光を導光板２の底面から透過させる。導光板２の底面を透過した光は反射板８で反射されて、再び導光板２の内部に戻り、その後、導光板２の上面から出射する。シボに照射される光強度は、連結部３に近いほど大きくなるが、シボのヘイズ値は連結部３から遠ざかるにつれて大きくなるため、導光板２の上面から出射する光量は連結部３からの距離に関わらず一様になる。
【００４２】
このようにして導光板２から出射した光は、第２のプリズムシート７と第１のプリズムシート６を順に透過して、カラー液晶表示素子５を照射する。第１のプリズムシート６と第２のプリズムシート７は、片面に周期的な微細プリズム構造が一方向に形成されたシート状透明板である。その微細プリズムの頂角は略９０度になっているのが一般的である。また、第１のプリズムシートに形成されている微細プリズム構造の稜線と、第２のプリズムシートに形成されている微細プリズム構造の稜線とは互いに直交して配置されている。なお、ここでは２枚のプリズムシートを用いる場合を示したが、片方のプリズムシートを省略してもよいし、プリズムシートを用いなくとも良い。
【００４３】
カラー液晶素子５は、ガラスセル内で液晶を狭持したマトリックス状の画素電極間に駆動電圧を印加することによって液晶分子の配勾を制御し、その配勾を制御された液晶分子によって各画素を通過した光の偏光状態を制御する。そして、ガラスセルを直交または平行配置した偏光板で挟んでおくことによって、制御された偏光状態に応じた光強度の透過光または反射光を得て、結果的に画像を表示する。カラー液晶素子５としては、各画素１つ１つにＴＦＴ素子を形成して駆動電圧を制御するアクティブマトリックス型カラー液晶素子と、各画素を形成する透明電極に外部から直接駆動電圧を印加するパッシブマトリックス型カラー液晶素子があり、本発明の照明装置はどちらの方式のカラー液晶素子にも用いることができる。カラー液晶素子５は、カラー画像を表示するために各画素にＲ、Ｇ、Ｂに対応した特定の波長帯域を選択的に透過させるように色素または顔料を含有したカラーフィルターが特定の規則に従って所定の膜厚で形成されている。この各画素を液晶の電気光学効果を利用してＯＮ／ＯＦＦさせることによって、照明装置からの照明光がＯＮ／ＯＦＦ制御されることとなり、任意のカラー画像を表示できる。また、カラー表示装置でない場合にも本発明の照明装置を適用することができる。
【００４４】
図８では省略されているが、図中の各要素を支持すると同時に、導光板２の側面からの漏れ光を効率良く反射して導光板２の内部に戻すために高い反射率を持った材料で構成された筐体が設けられており、ライトパイプ１の上面には、カラー液晶表示素子５への迷光を遮断するための遮光板が配置されている。この筐体を形成する材料としては、高分子材料中に白色顔料を混合したものや、反射率の高いアルミニウムなどの金属が用いられる。
【００４５】
このようにして構成された照明装置は、照明光の二次元輝度分布は最小輝度と最大輝度との比が７０％以上の良好な輝度分布を有しており、総照射光とＬＥＤ光源からの出射光とのエネルギー値の比が５５〜６５％という高い光利用効率を有する照明装置となった。
【実施例２】
【００４６】
本実施例の照明装置の外観を図１０に模式的に示す。図示するように、本実施例のライトパイプは楕円柱形状をしており、光源からの光が入射する入光面の形状が楕円である。そして、ライトパイプ１は、この楕円柱形状の母線を含んだ部分で連結部３により導光板２と結合されている。また、ＬＥＤ光源４はライトパイプの長手方向の端面に位置する入光面に配置されている。ライトパイプ１と連結部３および導光板２は同一の透明高分子材料で形成されている。図１０では導光板２の厚みが連結部３の厚みより厚い場合を示しているが、導光板の厚みを連結部の厚みと同等にすることも可能である。
【００４７】
次に、図１１を用いてライトパイプ１の入光面に対してＬＥＤ光源４の発光点位置をどのように設定するかを説明する。図１１において、ライトパイプ１は連結部３を介して図示していない導光板と連結されている。図示するように、ライトパイプ１の入光面の形状は楕円形をしており、この楕円は第１焦点３０と第２焦点３１を持っている。そして、ＬＥＤ光源４は発光点の中心位置が第１焦点３０と一致するように配置されている。複数のＬＥＤ光源を用いる場合には、それぞれの発光点中心が第１焦点３０と第２焦点３１に存在していても良い。また、ＬＥＤ光源の発光中心は厳密に楕円の焦点に一致している必要はなく、焦点の近傍にあれば良い。
【００４８】
図１１を用いて、ＬＥＤ光源から出射された光が第１焦点２０に入射される場合を考える。このとき、楕円のどちらか一方の焦点を通過した光は、ライトパイプ１の側面で全反射された後、必ずもう一方の焦点を通過する。具体的に説明すると、ＬＥＤ光源から第１焦点３０を通ってライトパイプに入射した光は、光線３２のようにライトパイプ１の側壁で全反射した後、光線３３として第２焦点３１を通過する。光線３３は再びライトパイプの側壁で全反射し、光線３４として再び第１焦点３０を通過する。光線３４はライトパイプ１の側壁で全反射されて再び第２焦点３１を通過し、連結部３を通りぬけて導光板２に向かう。ここでは第１焦点３０を通過する光線について説明したが、第1焦点３０の近傍を通過した光線はライトパイプ１の側壁で全反射されて必ず第２焦点３１の近傍を通過する。そして、第２焦点３１の近傍を通過した光線はライトパイプ１の側壁で全反射されて必ず第１焦点３０の近傍を通過する。従って、このＬＥＤ光源の発光中心を楕円の第１焦点３０の近傍に来るように配置すれば、ＬＥＤ光源から出射された光の大部分は上述したように第１焦点３０と第２焦点３１の近傍を繰り返し通過した後、連結部３を通過して導光板２の内部に入ることになる。
【００４９】
本実施例のような楕円柱形状のライトパイプでも、ライトパイプ内の光の伝播については、図２を用いて実施例１で説明した内容と同様なので説明は省略する。また、照明装置の照射面の輝度分布を均一化するために、導光板２の底面または上面に伝播光の伝播方向に依存しない微小散乱構造体を形成する点についても実施例１で説明した内容と同様である。また、ライトパイプの入光面にプリズムを形成する点、複数のＬＥＤ光源を配置する点についても、図３、図５〜図７を用いて実施例１で説明した内容と同様である。
【００５０】
このような照明装置を用いた液晶表示装置の構成について説明する。図１２に、カラー液晶表示装置の断面構成を例示した模式図である。ＬＥＤ光源４は、ライトパイプ１の両入光面に１個ずつ配置されている。ＬＥＤ光源４の発光中心は、ライトパイプ１の端面からライトパイプの入光面を構成する楕円形の第１焦点の位置にある。また、ライトパイプ１の入光面にはＬＥＤ光源４の発光中心に対応する位置に、高さ７５μｍで頂角１２０度の凹形状の二等辺プリズムがライトパイプの入光面に対して垂直に形成されている。
【００５１】
ＬＥＤ光源４から出射した光は、ライトパイプ１の内部を繰り返し反射して充分混色が行われた後、連結部３を通って導光板２に入射する。導光板２の底面には連結部３から遠ざかるにつれてヘイズ値が大きくなるような微細散乱構造体が形成されている。その他、このような構成による作用効果や、構成要素の詳細、アレンジについて実施例1と同様なので説明は省略する。
【００５２】
上述の各実施例で用いられるＬＥＤ光源４は、単色光ＬＥＤ光源でも良いし、白色ＬＥＤ光源でも良い。一般に、白色ＬＥＤ光源としては、青色の単色光を発光するＬＥＤ光源から出射される青色光を蛍光体に照射することによって得られる緑色〜赤色光を元の青色光と混色させて擬似白色光を得る擬似白色ＬＥＤ光源が良く知られている。
【００５３】
しかしながら、ＬＥＤ光源４としては、青色の単色光を発光する第一ＬＥＤ光源と、赤色の単色光を発光する第二ＬＥＤ光源とを備え、青色の単色光と、赤色の単色光と、青色の単色光から蛍光体による波長変換によって生成した緑色光とを加法混色して白色光を得る白色ＬＥＤ光源を用いるのが好ましい。この白色ＬＥＤ光源は、上述の擬似白色ＬＥＤ光源に不足していた赤色スペクトル強度を第二ＬＥＤ光源からの赤色光によって補っているために、より良い演色性が得られる。また、このような白色ＬＥＤ光源からの光を上述の各実施例のライトパイプ１に通すことによって、光の混色を充分に行うことができる。
【００５４】
このような構成の白色ＬＥＤ光源を図９に模式的に示す。図示するように、第一の青色ＬＥＤ光源１００、第二の青色ＬＥＤ光源１０１はＩｎＧａＮ系またはＧａＮ系等の材料で形成された青色光を発光するＬＥＤ光源であり、赤色ＬＥＤ光源１０４はＧａＰ系またはＧａＡｌＡｓ系混晶系等の材料で形成された赤色光を発光するＬＥＤ光源である。この第一の青色ＬＥＤ光源１００、第二の青色ＬＥＤ光源１０１の発光波長は具体的には４３０〜４７０ｎｍの範囲にあり、赤色ＬＥＤ光源１０４の発光波長は具体的には６１０〜６７０ｎｍの範囲にある。第一の青色ＬＥＤ光源１００から出射される青色光を波長変換して緑色光を得るために、第一の青色ＬＥＤ光源１００の出射面には青色光を受けて青色光および緑色光を励起する第一の蛍光体層１０２が設けられている。同様に、第二の青色ＬＥＤ光源１０１の出射面には第二の蛍光体層１０３が設けられている。この蛍光体を形成する材料には、ＹＡＧ（Ｙｔｔｒｉｕｍ−Ａｌｍｉｎｉｕｍ−Ｇａｒｎｅｔ）蛍光体、またはＴｂ、Ｃｅ、ＥｕおよびＭｎなどの添加物元素を発光中心とした酸化物などがある。このような蛍光体は、赤色光の出射効率を向上させるために、赤色ＬＥＤ光源１０４の上には設けられていない。集光レンズ１０７は、アクリルやポリカーボネートなどの透明な高分子樹脂モールドで形成されており、各ＬＥＤ光源から出射された光を目的とする出射角度に集光する作用を有している。また、反射板１０６は集光レンズ１０７の内面で反射された戻り光などを効率的に前方に出射するために形成されている。図示するように、第一の青色ＬＥＤ光源１００と第二の青色ＬＥＤ光源１０１と赤色ＬＥＤ光源１０４とを近接して形成することにより、より均一な加法混色が可能となり、色むらを低減させることができる。このようにして得られた発光スペクトルは、赤色、緑色、青色の広い領域のスペクトルをカバーしており、赤色ＬＥＤ光源を用いずに蛍光体を有する青色ＬＥＤ光源だけを用いた場合に比べて高い演色性を持っている。また、第一の青色ＬＥＤ光源１００、第二の青色ＬＥＤ光源１０１、赤色ＬＥＤ光源１０４の出力を独立に調節して、色バランスを取ることができるという特徴をも有している。
【００５５】
また、上述した各実施例の、ライトパイプと連結部３および導光板２を構成する透明高分子材料としては、アクリル、ポリカーボネート、シクロオレフィン系樹脂などの高分子材料が例示できる。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
簡単な構造を用いて均一で光利用効率の高い照明装置を実現することができるので、携帯電話、携帯型小型テレビ、携帯型ゲーム機、ＰＤＡ、および小型ノート型パーソナルコンピュータ等の小型携帯情報機器の小型・高輝度化にも適応できる。また、演色性の良いカラー液晶表示装置を実現することができるので、カラー液晶表示装置の高彩度化にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の照明装置を模式的に示す外観図である。
【図２】ライトパイプ内での光伝播の様子を模式的に示す平面図である。
【図３】ライトパイプの入光面に構成したプリズムを模式的に示す平面図である。
【図４】ライトパイプの入光面における光源の発光点位置と光の挙動との関係を説明する断面図である。
【図５】ライトパイプの両端にＬＥＤを１つずつ配置した場合の平面図である。
【図６】ライトパイプの両端にＬＥＤ光源を２つずつ配置した場合の平面図である。
【図７】ライトパイプと導光板の連結部を示した断面図である。
【図８】本発明の照明装置を用いた表示装置の断面構成を示す模式図である。
【図９】白色ＬＥＤ光源の構成を模式的に示す断面図である。
【図１０】本発明の照明装置を模式的に示す外観図である。
【図１１】ライトパイプの入光面における光源の発光点位置と光の挙動との関係を説明する断面図である。
【図１２】本発明の照明装置を用いた表示装置の断面構成を示す模式図である。
【符号の説明】
【００５８】
１  ライトパイプ
２  導光板
３  連結部
４  ＬＥＤ光源
５  液晶表示素子
６  第１のプリズムシート
７  第２のプリズムシート
８  反射板
１１  ライトパイプの入光面
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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