(57)【要約】【課題】  サイドライト型照明装置の薄型化を実現すること。【解決手段】  本発明の照明装置は、光源と、被照射体に照明光を照射する照明面を有する導光体と、光源からの光が入る入光面と導光体に光を伝える伝光部を有する入光体と、導光板の光照射部と反対側に設けられ、特定角度範囲で入射した光を散乱するとともにそれ以外の角度で入射された光を透過する指向性散乱層を備えている。さらに、特定角度範囲の中心角が導光板の照明面に垂直な基準線に対して光源が配置されている側に傾斜している。【選択図】    図１
2005310592.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
被照射体に照明光を照射する照明面を有する導光体と、
前記光源からの光が入る入光面と前記導光体に光を伝える伝光部を有する入光体と、
前記導光板の光照射部と反対側に設けられ、特定角度範囲で入射した光を散乱するとともにそれ以外の角度で入射された光を透過する指向性散乱層と、を備え、
前記特定角度範囲の中心角が前記導光板の照明面に垂直な基準線に対して前記光源が配置されている側に傾斜していることを特徴とする照明装置。
【請求項２】
第二の特定角度範囲で入射した光を散乱するとともにそれ以外の角度で入射された光を透過する第二の指向性散乱層が前記導光板の光照明面に設けられ、前記第二の特定角度範囲の中心角が前記導光板の照明面に垂直な基準線に対して前記光源が配置されている側の逆側に傾斜していることを特徴とする請求項２に記載の照明装置。
【請求項３】
前記入光体は、前記入光体の厚みが前記入光面側から前記伝光部側に向かって順次薄く構成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の照明装置。
【請求項４】
前記入光体は前記入光面側から順次階段状に薄く構成されて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】
前記入光体に形成されている階段状の段部は略垂直に形成されていることを特徴とする請求項４に記載の照明装置。
【請求項６】
前記導光体は、前記入光体の伝光部からの光を内部に入光する入射面と、前記入射面とは反対側の端面を有しており、前記端面は前記入射面と平行な平面を基準として所定の角度だけ傾斜していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の照明装置。
【請求項７】
前記指向性散乱層は、周囲の領域より屈折率の高い領域が厚み方向に連続的に形成された柱状構造が面内に複数配列され、厚さ方向に光を導く機能を有する柱状レンズシートであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の照明装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項に記載の照明装置と、前記照明装置の光照射面側に設けられた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表示装置、及び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、特に、携帯電話で用いる表示素子には小型軽量が要求されるため、液晶表示素子が多く用いられている。しかし、液晶表示素子は受光型のため、暗い場所での視認性に問題がある。そこで、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。この薄型軽量を実現するため照明装置としては、光源であるＬＥＤ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（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、このような液晶表示装置に、周囲の領域に比べて屈折率の高い柱状中央領域を含んだ柱状構造が面内に複数本配列され、厚さ方向に光を導く機能を有する柱状レンズシートである導光体シートを用いることが開示されている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特許第３３０１７５２号（第３頁、第１図）
【特許文献２】特開２０００−３５５７６号公報（第３−５頁、第７図）
【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、従来のサイドライト型照明装置においては、導光板の厚みをＬＥＤ光源の大きさよりも薄くすると、ＬＥＤ光源からの光を効率良く導光板内部に導くことができないために、それ以上の薄型化ができないという課題を有していた。
【０００５】
また、特許文献２に開示されている柱状レンズシートを用いた従来の構成では、バックライト導光板と柱状レンズシートとの間隙に拡散層を用いているためにその拡散層がバックライトの導光特性に影響を与えてしまい、均一かつ高輝度で視角特性に優れた照明を行うことができないという課題を有していた。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の照明装置は、光源側から階段状に順次薄く構成されている透明な楔形入光部と薄い光照明部とを有する導光板を備えている。その楔形入光部の光源側端面を除く３側面には光反射層が形成され、また、導光板の光照明部の少なくとも一方の表面には、所定の傾斜角を持った柱状構造を有する柱状レンズシートが接合されている。このような構成によって、導光板の光照明部を１ｍｍ程度に薄くしても、光源からの光を効率良く導光板内部に導入することができ、上記課題を解決することができた。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、良好な輝度と輝度分布を有する薄型軽量の照明装置を提供できる。従って、これを用いた液晶表示装置の表示品質が向上するのみならず、液晶表示装置の薄型軽量化をも実現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、光源と、被照射体に照明光を照射する照明面を有する導光体と、光源からの光が入る入光面と導光体に光を伝える伝光部を有する入光体と、導光板の光照射部と反対側に設けられ、特定角度範囲で入射した光を散乱するとともにそれ以外の角度で入射された光を透過する指向性散乱層を備えており、特定角度範囲の中心角が導光板の照明面に垂直な基準線に対して光源が配置されている側に傾斜している。さらに、第二の特定角度範囲で入射した光を散乱するとともにそれ以外の角度で入射された光を透過する第二の指向性散乱層が前記導光板の光照明面に設けられ、第二の特定角度範囲の中心角が導光板の照明面に垂直な基準線に対して光源が配置されている側の逆側に傾斜している。ここで、入光体と導光体は一体的に形成されていても、個別に形成されていてもかまわない。
【０００９】
さらに、入光体の厚みが入光面側から伝光部側に向かって順次薄く構成されている。ここで、入光体は入光面側から順次階段状に薄く構成されている。さらに、入光体に形成されている階段状の段部は略垂直に形成されている。また、導光体は、入光体の伝光部からの光を内部に入光する入射面と、入射面とは反対側の端面を有しており、この端面は入射面と平行な平面を基準として所定の角度だけ傾斜している。
【００１０】
また、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、照明装置の光照射面側に設けられた非自発光型の表示素子とを備えることとした。
【実施例】
【００１１】
以下に本発明の照明装置に関して図面を参照しながら説明する。なお、以下には、指向性散乱層として柱状レンズシートを用いた例を説明する。柱状レンズシートとは、周囲の領域より屈折率の高い領域が厚み方向に連続的に形成された柱状構造が面内に複数配列された構造であり、厚さ方向に光を導く機能を有している。また、入光体としての楔形入光部２が導光体と一体的に形成されている。図１に本発明の照明装置の構成断面図を模式的に示す。図示するように、本発明の照明装置は、光源としてのＬＥＤ光源１、楔形入光部２と光照明部３とを有する導光板、および柱状レンズシート６を備えている。ＬＥＤ光源１から出射した光は、楔形入光部２で絞られて、導光板の光照明部３と柱状レンズシート６の内部を導波し、照明装置の光照射面である導光板の光照明部３の上面側から図示されていない被照明体に面状一様に照射される。被照明体として、液晶パネルを用いることによって、輝度が均一で明るい薄型の液晶表示装置とすることができる。
【００１２】
図１では１つしか描画されていないが、ＬＥＤ光源１は３から５個といった複数用いられるのが通常である。また、図示していないが、ＬＥＤ光源１に対向する楔形入光部２の光源側端面である光入射面には、ＬＥＤ光源１から出射した光の楔形入光部２内部での面内方向の広がり角を制御するための微小プリズムが形成されている。この微小プリズムは図１紙面内の上下方向の稜線を持っており、楔形入光部２の内部での光の広がり角は微小プリズムの頂角および高さによって制御することができる。また、図では明確に示されていないが、導光板における複数の光源が配置されている光入射面の対向面、すなわち導光板の光照明部３の光源１からの光入射端面と対向する側の端面は、光入射面と平行な面を基準にしてＬＥＤ光源側にテーパを有している。このテーパ角は３〜７度が適している。
【００１３】
本実施例では、楔形入光部２は、階段状で複数の段を有しており、光源側から導光板の照明部３に向かって順次薄くなっている。これらの段部はほぼ垂直な角度をもって形成されている。図を見やすくするため、図では段数が３段の場合を示してあるが、実際は２０〜１００段程度の段が形成されている。また、楔形入光部２の表面には光源側端面を除いて光反射層５が形成されている。この光反射層は、ＡｌやＡｇあるいはＡｇとＰｄとの化合物を１００ｎｍ以上の膜厚、望ましくは１μｍ程度の膜厚で積層して形成されている。この光反射層の形成は真空蒸着などの気相成長法や、無電解メッキと電解メッキとを組み合わせた方法で容易に行うことができる。楔形入光部２を有する導光板は、アクリル系樹脂やポリカーボネート系樹脂またはポリエチレン系樹脂あるいはシクロオレフィン系樹脂などの透明な高分子で作られている。導光板の光照明部３の裏面には、柱状レンズシート６が接合剤を用いて接合されている。この柱状レンズシートの接合方法としては、アクリル系接着剤やエポキシ系接着剤を用いても良いし、通常の粘着剤を用いても良い。導光板の光照明部３および柱状レンズシート６における光源側を除く３側面には光反射層４が形成されている。この光反射層は、ＡｌやＡｇあるいはＡｇとＰｄとの化合物を１００ｎｍ以上の膜厚、望ましくは１μｍ程度の膜厚で積層して形成されている。この光反射層の形成は真空蒸着などの気相成長法や無電解メッキと電解メッキとを組み合わせた方法で容易に行うことができる。
【００１４】
図２に本発明の照明装置に関する他の構成の断面を模式的に示す。図２に示した構成が図１に示した構成と異なる点は、導光板の光照明部３の光照射面上に第二柱状レンズシート７が接合剤によって接合されている点である。図面では明確ではないが、第二柱状レンズシート７を構成する柱状レンズは、第二柱状レンズシート７の面に立てた垂線を基準としてＬＥＤ光源が配置されている側と逆側に傾斜して配向している。その傾斜角は、柱状レンズシート６の傾斜角よりも小さく、約０〜３０度となっている。  次に、図１と図２で用いられている柱状レンズシート６と第二柱状レンズシート７の作用に関して説明する。柱状レンズシート６と第二柱状レンズシート７は、微細な柱状構造が面内に複数本配列され、厚さ方向に光を導く機能を有している。この柱状構造は柱状レンズとしての機能を有している。すなわち、屈折率が中心に向かう程連続的に大きくなっているグレイディッドインデックス型柱状レンズ、または中心部分の屈折率がそれを取り巻く外周領域の屈折率よりも高い２層構造になっているステップインデックス型柱状レンズが平面状に複数配列されているフィルム構造になっている。
【００１５】
グレイディッドインデックス型柱状レンズの場合においても、ステップインデックス型柱状レンズの場合においても、それらを構成する柱状レンズの光軸の方向を柱状レンズの配向方向と呼ぶことにする。本最良形態で用いる柱状レンズシート６は、柱状レンズの配向方向が柱状レンズシート６の面に立てた垂線の方向を基準としてＬＥＤ光源１の配置されている側に傾斜して形成されている。柱状レンズシート６の面に立てた垂線の方向に対して配向方向がなす角度を傾斜角と呼ぶことにすると、その傾斜角は約３０〜６０度の範囲内にある。
【００１６】
この柱状レンズシート６の製造は、例えば、屈折率の異なる２種類以上の光重合性化合物からなる液状反応層に、グラデーション加工を施したフォトマスクを介して紫外線を照射することによって、光照射強度による光重合性化合物の光重合速度の違いによって屈折率の分布状態を制御することによって行う。傾斜角の制御は、照射する紫外線の方向を制御することによって容易に実現することができる。
【００１７】
次に柱状レンズシート中の光の挙動について説明する。図６はステップインデックス型柱状レンズシートを用いた場合の光の挙動を示した模式図である。図中に導光板の光照明部３の内部から第二柱状レンズシート７に入射する光の光路の１つを２２で示してある。導光板の光照明部３の中を導波している光は、接合剤９を透過した後、様々な入射角を持って第二柱状レンズシート７入射するが、入射光の多くは導光板の臨界角よりも大きな入射角を持って入射する。言いかえれば、第二柱状レンズシート７への光の入射角はほとんどが４３度よりも大きな値となっている。
【００１８】
ステップインデックス型柱状レンズは、高屈折率領域１０と低屈折率領域１１とが明確な境界を持って形成されている。導光板の光照明部３から接合剤９を介して高屈折率領域１４に入射した光は低屈折率領域１５との境界面に入射するが、柱状レンズの配向方向が光源側とは逆側に傾斜しているために、境界面への入射角は臨界角よりも大きな値となり光は全反射される。この光は高屈折率領域１０と低屈折率領域１１との境界面で繰り返し全反射して上方に導波していき、第二柱状レンズシート７の上面から出射される。第二柱状レンズシート７の上面への入射角は、柱状レンズ内の境界面で光が反射されることによって臨界角よりも小さな値となっているために外部に出射される。
【００１９】
このとき、第二柱状レンズシート７の層厚と高屈折率領域１０への光の入射角と入射位置によって第二柱状レンズシート７からの光の出射方向が定まる。この光の出射のされ方は、光が散乱出射されるのと同等である。そして、第二柱状レンズシート７の層厚が厚くなればなるほど散乱方位の偏りが大きくなるように出射する。また、高屈折率領域１０と低屈折率領域１１の屈折率差が大きいほど散乱角は大きくなる。さらに、第二柱状レンズシート７の層厚が厚くなればなるほど、また円柱半径が小さくなればなるほど、さらにシート面内での柱状レンズの個数密度が大きくなればなるほどヘイズ値は大きくなる。
【００２０】
次に、導光板の光照明部３の内部から柱状レンズシート６に入射してきた光の挙動を図７に示す。この場合、柱状レンズが光源側と逆側に傾斜しているために、図中の光路２３で示されているように、高屈折率領域１０と低屈折率領域１１の境界面に入射する光の入射角は、図６の場合に比べて小さくなる。その結果、光は境界面を透過して低屈折率領域１１に進入し柱状レンズシート６の表面で全反射して再び導光板の光照明部３に戻ってくる。
【００２１】
このとき、柱状レンズシート６から接合剤９に戻る光の方向は、反射面への光の入射角と入射位置によって変化する。すなわち、散乱して出射する。光路２３で示される光の入射角がさらに大きくなると、光は柱状レンズシートで全く散乱を受けずに、通常の透明シートと同様の作用をする。
【００２２】
このように、柱状レンズの傾斜角度によって、柱状レンズシートの表面から光が散乱照射されるか、全反射して導光板内部に散乱出射されるか、あるいは直線的に反射されるかが決まる。一般に、柱状レンズシートでは、ある角度範囲でシートに入射された光は柱状レンズ内を導波して表面から散乱出射され、その角度範囲以外の角度で入射した光は柱状レンズシート内をほぼ直線透過して、散乱を受けない。この散乱出射される光の入射角を散乱入射角、直線的に透過する光の入射角を直線透過角と呼ぶことにする。もちろん、柱状レンズシートの表面で反射された戻り光の反射角が、柱状レンズシートの散乱入射角の範囲内にあれば光は導光板内に散乱出射されるが、直線透過角の範囲内にあれば散乱を受けずに直線的に導光板内部に戻って行く。
【００２３】
次に、グレイディッドインデックス型柱状レンズによる柱状レンズシート中の光の振舞いを説明する。グレイディッドインデックス型柱状レンズは、柱状レンズ中心軸付近の屈折率が最大になるような分布を持った高屈折率領域を持ち、その周りを最外周部の屈折率が最小となるような分布を持った低屈折率領域で覆われているが、ステップインデックス型柱状レンズのように高屈折率領域と低屈折率領域との間には明確な境界面を持っていない。
【００２４】
グレイディッドインデックス型柱状レンズの内部に入射した光はより屈折率の高い方へと光路を曲げる。従って、この柱状レンズの中での光路は滑らかな曲線を示す。しかし、この場合においても、ステップインデックス型柱状レンズの場合と同様に、散乱入射角と直線透過角が存在する。すなわち、散乱入射角で入射した光は柱状レンズ内を導波して柱状レンズシートの表面から散乱出射されるが、直線透過角で入射した光はほぼ直進し柱状レンズシートの表面で全反射され再び導光板の方に戻る。このとき、戻り光が柱状レンズシートの散乱入射角の範囲内にあれば光は導光板内に散乱出射されるが、直線透過角の範囲内にあれば散乱を受けずに直線的に導光板内部に戻って行く。
【００２５】
このときもステップインデックス型柱状レンズシートの場合と同様に、柱状レンズシートの層厚と柱状レンズへの光の入射角と入射位置によって柱状レンズシートからの光の出射方向が定まる。そして、柱状レンズシートの層厚が厚くなればなるほど散乱方位の偏りが大きくなるように出射する。また、高屈折率領域と低屈折率領域によって形成される屈折率の変化量が大きいほど散乱角は大きくなる。さらに、柱状レンズシートの層厚が厚くなればなるほど、また円柱半径が小さくなればなるほど、さらにシート面内での柱状レンズの個数密度が大きくなればなるほどヘイズ値は大きくなる。
【００２６】
また、ステップインデックス型柱状レンズシートやグレイディッドインデックス型柱状レンズシートに関わらず、高屈折率領域と低屈折率領域との屈折率差あるいは屈折率変化量を調節することによって、散乱入射角は４５度程度以下の任意の角度とすることができる。ここで、導光板の光照明部３の内部を伝播する光の多くは内部で光が効率良く全反射して伝播するように、導光板の表面への入射角が約４３度以上の傾斜した角度になっている。また、この導光板内の導波光の入射角はＬＥＤ光源側に傾斜した角度を持った成分が多くなる。一方、柱状レンズシートは散乱入射角で入射した特定の光のみに対して散乱作用をし、それ以外の入射角度で入射した光に対しては通常の透明シートに対するのと同様に直線的に透過する。
【００２７】
本発明の照明装置においては、柱状レンズシート６を構成する柱状レンズをＬＥＤ光源側に傾斜させて構成し、第二柱状レンズシート７をＬＥＤ光源側と逆側に傾斜することによって、導光板内で伝播する光を効率良く柱状レンズシートで散乱させるようにしてある。具体的には、柱状レンズシート６の出射面に立てた法線に対して、柱状レンズの傾斜角をＬＥＤ光源側に約３０〜６０度傾斜させて構成してある。第二柱状レンズシート７の出射面に立てた法線に対して、柱状レンズの傾斜角をＬＥＤ光源とは反対側に約０〜３０度傾斜させて構成してある。
【００２８】
柱状レンズシート６にＬＥＤ光源側から入射する光は、図７の光路２３と同様の光路となる。従って、柱状レンズシート６にＬＥＤ光源側から入射した光は、柱状レンズシート６の表面で反射され、柱状レンズシート６から導光板側に出射する。このとき、柱状レンズの傾斜角は３０〜６０度であり、散乱入射角は１０〜４５度とすることができるために、適切な傾斜角と散乱入射角の第一柱状レンズシートを用いることによって、裏面からの反射光を０〜１００％の割合で導光板側に散乱出射させることができる。この散乱光が導光板の照射面に入射する光の入射角は、−１５〜４５度であるために、ほとんどの光をスネルの法則に従って導光板の照射面から出射させることができる。
【００２９】
また、第二柱状レンズシート７にＬＥＤ光源側から入射する光は図６の光路２２と同様である。このとき、ＬＥＤ光源から導光板内を伝播して直接入射した光の入射角は約４３度以上であり、一方、第二柱状レンズシート７を構成する柱状レンズの傾斜角は０〜３０度である。そのため、第二柱状レンズシート７の傾斜角を３０度、散乱入射角を４５度と大きく設定しても、約３０％程度の光は表面で全反射して導光板側に戻る。一方、上記のように、柱状レンズシート６の裏面で反射されて散乱出射された光は、第二柱状レンズシート７に入射角約−１５〜４５度の範囲内で入射することになる。従って、柱状レンズシート６と第二柱状レンズシート７の傾斜角と散乱入射角を適切に選択すれば、この散乱光はほぼ１００％近く第二柱状レンズシート７から散乱出射させることができる。
【００３０】
本発明の照明装置においては、柱状レンズのレンズ径が、１μｍ〜２５０μｍ、レンズ高さ（柱状レンズシート層厚）が１０μｍ〜２００μｍの柱状レンズシートを用いることができる。しかしながら、製造歩留まりや光利用効率あるいはハンドリングのし易さなどを考慮すると、レンズ径は５μｍ〜１００μｍ、レンズ高さは２０μｍ〜８０μｍとするのが好ましい。また、柱状レンズの屈折率差は０．０１〜０．０５のものを用いることができる。さらに柱状レンズの傾斜角は１０〜６０度のものが利用できる。
【００３１】
このように、本発明の照明装置は、上記の傾斜角を持った柱状レンズシートを用いることによって導光板表面または裏面にプリズムなどの微細反射構造体を形成することなく、効率良くＬＥＤ光源からの光を照射面側から出射させることができる。そのため、製造が容易になり、低コストで製品を作ることができる。
【００３２】
次に、柱状レンズシート６と第二柱状レンズシート７を構成する柱状レンズの充填密度について説明する。上記のように本発明に用いた柱状レンズシートは導光板内を伝播する光を効率良く散乱出射するために、柱状レンズシートを構成する柱状レンズの充填密度をシート内で一様に配置すると、ＬＥＤ光源側の輝度が大きくなりすぎて輝度分布が悪くなってしまう。
【００３３】
このような柱状レンズシートの特徴を用いて、本発明の照明装置においては、導光板のＬＥＤ光源に近い側の柱状レンズ充填密度よりも遠い側の柱状レンズ充填密度の方が大きくなるように形成された柱状レンズシートを用いた。このようにすることによって、柱状レンズ充填密度が一様な柱状レンズシートを用いた場合よりもＬＥＤ光源からの光を均一に被照明体に照射することができる。第二柱状レンズシート７を用いる場合は、柱状レンズシート６との関係が複雑になるために、柱状レンズシート６を構成する柱状レンズの充填密度を変化させ、第二柱状レンズシート７を構成する柱状レンズの充填密度を一様とするのが良い。
【００３４】
図９に柱状レンズシート６の柱状レンズ充填密度を変化させた構成例を示す。図示するように、本発明の照明装置を柱状レンズシート６側から見た平面図であり、ＬＥＤ光源１ａ、１ｂ、１ｃが導光板の光入射側端面に３個配置されている。柱状レンズシート６には柱状レンズ１４が充填して複数配列されている。ＬＥＤ光源側の柱状レンズのレンズ径がＬＥＤ光源から離れるに従って小さくなるように配列することによって、柱状レンズの充填密度を変化させている。図を見やすくするように誇張されて描かれているが、柱状レンズ径は、およそ５μｍ〜１００μｍまでの大きさで分布しており、その値は導光板サイズや図示されていない導光板の屈折率、および柱状レンズの層厚や屈折率によって最適値は変化する。また、柱状レンズシート６面内での配列はモアレ縞の発生を防ぐために、周期性を除去した配列になっている。
【００３５】
図１０に柱状レンズシートの柱状レンズ充填密度を変化させた他の構成例を示す。この構成では、ＬＥＤ光源１ａ、１ｂ、１ｃから離れるに従って柱状レンズの配置されている列密度を変化させて充填密度が変わるように配列されている。具体的には柱状レンズはＬＥＤ光源の配列方向に一列に並んだ列単位で配列されており、この列密度がＬＥＤ光源に近い側は疎に、ＬＥＤ光源から離れるに従って密になっている。本実施例では、ＬＥＤ光源から離れるに従って列間の距離が二次関数的に狭くなるように配列してある。
【００３６】
充填密度の変化のさせ方は、図１０に示した以外にも、柱状レンズの列間隔を一定にしておき、列内での柱状レンズの配列密度を列がＬＥＤ光源に近くなるほど疎になるようにしてもよいし、これと図９に示した方法を併用しても良い。
【００３７】
図１０に示す構成では列中の柱状レンズは全て同じ径で、同じ屈折率差を持っている。しかし、ＬＥＤ光源１ａ、１ｂ、１ｃ方向の輝度分布を調節するために、列の内部で光強度の弱い領域の柱状レンズの充填密度が大きくなるように柱状レンズ径を列内で変化させてもよい。このようにすることによって、照明装置全体での輝度分布を向上させることができるばかりでなく、ＬＥＤ光源方向のモワレ縞の発生を防ぐことができる。
【００３８】
図１１に本発明で用いた柱状レンズシートの光透過特性を示す。図１１において、横軸は柱状レンズシートへの光の入射角、縦軸は各入射角に対する光透過強度を表している。図中で傾斜角が０度における柱状レンズシートの特性を曲線２４に、傾斜角がα度の場合における柱状レンズシートの特性を曲線２５に表している。ただし、測定雰囲気は大気中であり、柱状レンズシート単体で評価した場合を示してある。
【００３９】
特性曲線２４の場合は、柱状レンズシートは角度±βで光強度がほぼゼロになっていることがわかる。入射角が−β〜βの範囲内では光は散乱透過され、入射角の絶対値がβ以上の範囲内では光は散乱されずに直線的に透過する。すなわち、βは散乱入射角である。
【００４０】
一方、柱状レンズの傾斜角をα度だけ傾けた場合の特性曲線２５は、傾斜角が０度の場合に比べて、散乱入射角がそのままα度だけずれた位置にシフトする。そのとき、散乱入射角の範囲はほとんど変化なく、α−β〜α＋βの範囲内にシフトするだけである。従って、図１１の特性曲線２５においては、角度αで入射した光は透過時に散乱を受けるが角度−αで入射した光は散乱を受けずに直線的に透過する。すなわち、この柱状レンズシートを導光板に接合したとき、角度−αで入射した光は柱状レンズシートの出射面で全反射して再び導光板の方に戻って行く。
【００４１】
図１１において、傾斜角が０度である特性曲線２４の場合を考える。このとき、導光板からβ〜−βの角度で入射した照明光は、柱状レンズ内を伝播して表面から散乱照射される。また、γをβよりも大きいが臨界角よりも小さな角度であるとすると、入射角γで入射した光は柱状レンズシートの表面でフレネル反射を受けて、一部は表面から散乱を受けずに照射される。しかし、γをβと臨界角よりも大きな角度とすると、入射角γで入射した光は柱状レンズシートの出射面で全反射して再び導光板内部に戻るため、照明に寄与することはない。また、導光板内部を伝播する光の多くは約４３度以上の大きな入射角を持って柱状レンズシートに入射するため、これを効率良く利用するためには柱状レンズシートに視角特性に適した傾斜角を与え、それに整合した散乱入射角のものを用いなければならない。
【００４２】
次に、傾斜角がαだけ傾いた柱状レンズシートを用いた特性曲線２５の場合を考える。まず、入射角α−β〜α＋βの入射角度範囲で導光板から入射した光は散乱して出射される。また、それ以外の入射角度範囲で導光板から入射した光は、傾斜角０度の場合と同様にして、柱状レンズシートの表面で反射されて再び導光板内部に戻って行く。βの値は、柱状レンズアレイシートの層厚、柱状レンズの口径、あるいは柱状レンズの屈折率差などを調整することによって、１０〜４５度程度までの任意の値に制御することができる。
【００４３】
また、傾斜角αの値は、製造時の光照射角度を傾斜させることによって、０〜７０度程度の任意の角度に設定することができる。従って、導光板から約４３度の入射角を持った照明光が入射した場合に、αの値を３５〜７０度とすることによって導光板を導波している光を柱状レンズシートの表面から出射させることができる。ただし、αの値を大きくし過ぎると、出射光の傾きが大きくなり過ぎ、例えば本発明の照明装置を液晶表示装置に適用すると視認性が悪くなるために、αとして大きくても３０〜６０度程度にするのが望ましい。
【００４４】
導光板３は、厚み１ｍｍ程度に薄く形作られているために、内部を導波する光が導光板の内面で反射される回数は、通常の５〜１０ｍｍ程度の厚みを有する導光板に比較しておよそ５〜１０倍程度多くなるために、上記柱状レンズシートを構成する柱状レンズの形成密度は、通常の導光板に用いる場合のおよそ１／１０〜１／５程度で良い。また、このことにより、照明光の輝度分布は通常の導光板厚みをもった照明装置よりも著しく改善される。
【００４５】
図３に本発明の薄型照明装置に関する別の断面構成例を模式的に示す。ここでは、柱状レンズシート６の表面に光反射層８が形成されている。このように、柱状レンズシート６の表面に光反射層８を形成することによって、柱状レンズシートの裏面から抜けようとする光を効率良く光照射面すなわち導光板の光照明部３の表面側、すなわち光照射面に戻すことができる。このような光は、柱状レンズシートから散乱出射される光成分に起因するものである。
【００４６】
図４に他の形状の楔形入光部を有する構成例の断面図を模式的に示す。図４で示す楔形入光部２は、上面だけに段が形成されており、光入射端から離れるに従って細くなった楔形をしている。各段の高さには制限がないが、段の高さはできる限り低くするのが望ましい。具体的には、各段の高さは５０〜１０００μｍの範囲で任意に設定できる。このような構造にすることによって、楔形入光部２の長さが図１や図２で示したものよりも長くなるが、楔形入光部２を含めた導光板の底面を平坦にすることができるために、照明配置がし易くなるという長所を持っている。
【００４７】
図４で示した楔形入光部２の内部における光の挙動を図５に示す。図５には、楔形入光部２内における光路の一例を２０と２１で示してある。図５において、光源から出た光は楔形入光部２の光入射端面から楔形入光部２に入る。まず、光路２０で示されている光は光入光部の上面に形成された光反射層４で反射されて直接楔形入光部２から導光板の光照明部３に入る。一方、光路２１で示される光は、段部に形成された光反射層４で反射されて一度光入射端面側に戻るが、再び光入射端面で反射されて導光板の光照明部３に入る。ここに示したように、本発明に用いられている楔形入光部２は、垂直な段部で形成されているために、内部で繰り返し光反射を受けても楔形入光部２の側面や上下面への入射角は変化しない。すなわち、光源１からの出射角を実質的に変更させることなく、導光板の光照明部３に導くことができる。
【００４８】
もし、通常の滑らかなテーパを持った楔形入光部やテーパを有する段部を持った楔形入光部を用いたとすると、そのテーパで反射された光は結果的に光源からの出射角よりも大きな出射角を持った光と同等となり、導光板の光照明部３の内部に入った後、直ちに外部に漏れ出してしまうために微細反射構造体の形成にはさらに高次の変化を持たせて照明輝度分布が光源側に偏らないようにすることが重要である。
【００４９】
導光板の光照明部３内部における光の挙動に関しては、柱状レンズシートの作用で説明したように、光は導光板の光照明部３内で多重反射を繰り返し、柱状レンズシートを構成する柱状レンズの散乱入射角よりも小さな入射角で柱状レンズシートに入った光は散乱される。この散乱光は所定の散乱角を持って光照射面から散乱出射する。
【００５０】
図８に本発明の液晶表示装置の断面構成を模式的に示す。図８で用いた照明装置は、図４で示した構成と同様のものであり、柱状レンズシート６の裏面には光反射層８が形成されている。液晶パネル１２としては、ＴＦＴ素子を用いたアクチブマトリックス型液晶表示パネルでも、パッシブマトリックス型液晶パネルでも、どちらの型の液晶パネルでも用いることができる。液晶パネル１２と照明装置との間隙には、プリズムシート１３が設けられている。このプリズムシートは、導光板の光照明部３側に対向して凹凸を有し、稜線を図８の紙面に垂直な方向に持つ微細なプリズムが規則正しく形成された透明なシートである。このような、プリズムシート７を照明装置と液晶パネルとの間に配することによって、照明光を液晶パネル１２の面に効率良く垂直に入射させることができるために、液晶表示装置の輝度を高めることができる。図８から分かるように、本発明の薄型照明装置は導光板の光照明部を薄く構成することができるために、その結果液晶表示装置そのものの薄型化が可能となる。
【００５１】
次に、図１に示す本発明の照明装置に置ける光路の１例を説明する。ＬＥＤ光源１から出射された光は、楔形入光部２内で繰り返し反射された後、導光板の照明部３の内部に入り柱状レンズシート６に入射する。図７で示したように、この入射光は柱状レンズシート６に直線透過角で入射することになるため、そのまま柱状レンズシート６の裏面で反射される。このとき、柱状レンズシートの散乱入射角の範囲内で光が反射すると、その光は柱状レンズ内を導波して表面から散乱放出される。導光板の光照明部３に戻った散乱光のうち、光照射面への入射角が約４３以下の成分は、導光板の光照明部３の光照射面でフレネル反射を受け、一部は被照射体である液晶パネルを背面から照射する。また、散乱光のうち、光照射面でフレネル反射を受け反射された光は、再び導光板の光照明部３の内部に戻り、柱状レンズシート６の裏面に達する。この柱状レンズシート６の裏面に達した光は臨界角よりも小さな角度で入射するため、再びフレネル反射を受けて一部が透過する。光反射板が柱状レンズシート６に対向して配置されていれば、その光反射板で反射されて柱状レンズシート６に裏面から再入射する。また、柱状レンズシート６の裏面に光反射層が形成されていれば、その光はそのまま光反射層で反射されて柱状レンズシート６に再入射する。この再入射光は、柱状レンズシート６で再び導光板の光照明部３の内部に散乱出射され、その一部は液晶パネルを裏面から照射する。
【００５２】
一方、柱状レンズシート６の裏面で、散乱入射角以上の角度で反射した光は、そのまま柱状レンズシート６を直線的に透過して、再び導光板の光照明部３の内部に戻る。この導光板内部に戻った光は、通常の平面透明基板内を導波するのと同様にして、内部で複数回全反射を繰り返して、光入射面との対向面に入射する。
【００５３】
光入射面との対向面は３〜７度のテーパを有しているために、反射光はその分だけ偏向されて導光板の光照明部３の内部に戻る。そのため、その戻り光は入射光よりも大きな入射角で導光板の光照明部３の照射面に入り、さらに反射されて柱状レンズシート６に戻ってくる。この光の一部は柱状レンズシート６の散乱入射角で入射するため、柱状レンズシート６を透過した光は柱状レンズシート６の裏面で散乱反射する。その散乱光は、柱状レンズシート６を透過し、導光板の光照明部３の表面から液晶パネルを照射する。また、残りの直線透過角で入射した光は柱状レンズシート６の裏面で反射された後、柱状レンズシート６を透過し、導光板の光照明部３の内面で全反射して再び導光板の光照明部３の内部で反射を繰り返す。
【００５４】
以上説明したような導光板の光照明部３の内部での様々な光路が存在する結果、図１で示された本発明の照明装置は効率の良い照明を行うことができる。
【００５５】
次に、図４で示されるような柱状レンズシートを２枚有する本発明の薄型照明装置における光路について説明する。図４の構成の照明装置における光路が図１の構成の照明装置における光路と異なっている点は、柱状レンズシート６側から第二柱状レンズシート７に入射した光が、第二柱状レンズシート７の散乱入射角の範囲にある場合は、第二柱状レンズシート７の表面からその傾斜角を中心として散乱入射角の範囲内に制御された光が液晶パネルに対して散乱照射される点である。このことによって、この液晶表示装置は図１で示された液晶表示装置よりも視角特性に優れた画像表示を実現することができる。
【００５６】
このようにして柱状レンズシートを１枚用いる場合も、２枚用いる場合も、柱状レンズシートの表面から照射された光は、拡散されているためにより均一な照明となる上に、散乱入射角によって規制される指向性のために効率的に液晶パネルを照射することができ、視角特性に優れ、均一で明るい照明装置とすることができる。
【００５７】
以下に、本発明の具体例を説明する。
（具体例１）
図１で示した構造の照明装置を以下のように作製した。楔形入光部２の光源側の厚みが７ｍｍで、幅が３５ｍｍのものをアクリル樹脂で成形して用いた。導光板の光照明部３の厚みは１ｍｍとし、長さは４０ｍｍとした。この楔形入光部２の表面にはアルミニウムを約１μｍの厚さで蒸着した。また、楔形入光部の各段部の高さは全て８０μｍとし、段数は片側３７段ずつとした。導光板の光照明部３の上下面を除く３側面にはアルミニウム光反射層を約１μｍだけ蒸着で形成した。光源としては、白色ＬＥＤ光源を３個用いた。柱状レンズシートとしては、散乱入射角３０度のグレイディッドインデックス型柱状レンズを一様に配列したものを用いた。また、柱状レンズシートの厚みは７０μｍ、柱状レンズ径としては３０μｍのものを用いた。貼り付ける柱状レンズシートの傾斜角として０度、１５度、３０度、６０度の４種類のものを用いた。
【００５８】
ＬＥＤ光源を点灯した時に、作製した導光板から出射される光の出射角と輝度との関係を測定し図１２に示した。図１２では、散乱入射角０度の柱状レンズシートを用いた場合の結果を曲線２６に、散乱入射角１５度の柱状レンズシートを用いた場合の結果を曲線２７に、散乱入射角３０度の柱状レンズシートを用いた場合の結果を曲線２８に、散乱入射角６０度の柱状レンズシートを用いた場合の結果を曲線２９に示してある。この結果から分かるように、配向角０度の柱状レンズシートを用いた場合は、シート表面からほとんど光が出射されていない。また、配向角が大きくなるほどシート表面から出射される光強度の最大値は大きくなっている。さらに、出射光量は傾斜角６０度の場合が最大となった。これは、柱状レンズシートに入射する光は全反射角である約４３度以上のものがほとんどであるためと考えられる。従って、傾斜角０度の柱状レンズシートに入射する光は、全て散乱入射角よりも大きくなって外部に出射しないことになる。一方、散乱入射角が３０度以上の柱状レンズシートに関しては、入射光に散乱入射角以内の成分が含まれてくるために、外部への出射光が増えている。
【００５９】
このことから、図１に示すように柱状レンズシートを１枚だけ用いる場合は、柱状レンズシートの傾斜角を約３０〜６０度にするのが良いことが確認できた。このようにして作製した薄型照明装置の輝度を測定したところ、１８００〜２３００ｃｄ／ｍ２の値が得られ、通常のサイドライト型照明装置と同等の性能が得られた。また、照明装置の照明部の厚みを１ｍｍと薄くすることができ、従来の１／７の厚みにすることができた。
（具体例２）
図４で示した照明装置を以下の通り作製した。光入光部２の段数は全て高さ８０μｍで７４段とした。導光板の光照明部３としては、具体例１と同様のものを用いた。また、導光板の裏面に光反射板６として反射面を鏡面にしたアルミニウム板を用いた。さらに、光源としては、白色ＬＥＤ光源を３個用いた。また、ＬＥＤ光源が配置されている側と反対側の導光板端面のテーパ角は３度とした。柱状レンズシート６と第二柱状レンズシート７としては、散乱入射角３０度のグレイディッドインデックス型柱状レンズを一様に配列したものを用いた。また、これらの柱状レンズシートの厚みを７０μｍ、柱状レンズ径を３０μｍとした。また、柱状レンズシート６の傾斜角は３０度とし、第二柱状レンズシート７の傾斜角として０度、１５度、３０度、６０度の４種類のものを用いた。
【００６０】
ＬＥＤ光源を点灯した時に、作製した導光板から出射される光の出射角と輝度との関係を測定し図１３に示した。図１３では、散乱入射角０度の第二柱状レンズシートを用いた場合の結果を曲線３０に、散乱入射角１５度の第二柱状レンズシートを用いた場合の結果を曲線３１に、散乱入射角３０度の第二柱状レンズシートを用いた場合の結果を曲線３２に、散乱入射角６０度の第二柱状レンズシートを用いた場合の結果を曲線３３に示す。図１３から明らかなように、第二柱状レンズシートの傾斜角が１５度と３０度の場合に大きな輝度が得られている。すなわち、柱状レンズシート６の傾斜角が３０度の場合は、第二柱状レンズシート７の傾斜角が０〜３０度であれば視角特性に適した散乱角で明るい照明が可能であることが分かる。この薄型照明装置の輝度を測定したところ、１８００〜２１００Ｃｄ／ｍ２の輝度が得られた。
（具体例３）
具体例２と同じ構成で柱状レンズシート６の傾斜角が６０度のものを作成した。その結果を図１４に示す。図１４において、散乱入射角０度の第二柱状レンズシートを用いた場合を曲線３４に、散乱入射角１５度の第二柱状レンズシートを用いた場合を曲線３５に、散乱入射角３０度の第二柱状レンズシートを用いた場合を曲線３６に、散乱入射角６０度の第二柱状レンズシートを用いた場合を曲線３７に示してある。図１４から第二柱状レンズシートの傾斜角が３０〜６０度の場合に輝度が高くなることが分かった。ただし、第二柱状レンズシートの傾斜角を３０度よりも大きくすると視角特性が悪くなるため、第二柱状レンズシートの傾斜角は、３０度程度で用いるのが好ましい。
【００６１】
上述した具体例２と３から、図４に示す構成の照明装置では、柱状レンズシート６の傾斜角を約３０〜６０度とするとき、第二柱状レンズシート７の傾斜角を約０〜３０度とすることによって、視角特性に優れた明るい照明装置が実現できることが分かった。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明による照明装置を模式的に示す断面図である。
【図２】本発明による照明装置の構成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構成例を模式的に示す断面図である。
【図４】本発明による照明装置の構成例を模式的に示す断面図である。
【図５】楔形入光部内の光路の１例を模式的に示す断面図である。
【図６】本発明で用いた柱状レンズシート内での光路の一例を示す説明図である。
【図７】本発明で用いた柱状レンズシート内での光路の一例を示す説明図である。
【図８】本発明の薄型照明装置を用いた液晶表示装置を模式的に示す断面図である。
【図９】本発明で用いた柱状レンズシートの柱状レンズ配列例を模式的に示す平面図である。
【図１０】本発明で用いた柱状レンズシートの柱状レンズ配列例を模式的に示す平面図である。
【図１１】本発明で用いた柱状レンズシートの特性を表すグラフである
【図１２】本発明の照明装置の輝度特性を示すグラフである。
【図１３】本発明の照明装置の輝度特性を示すグラフである。
【図１４】本発明の照明装置の輝度特性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６３】
１  ＬＥＤ光源
２  楔形入光部
３  導光板の光照明部
４、５  光反射層
６  柱状レンズシート
７  第二柱状レンズシート
８  光反射層
９  接合剤
１０  高屈折率領域
１１  低屈折率領域
【図１】
2005310592.tif 000003
【図２】
2005310592.tif 000004
【図３】
2005310592.tif 000005
【図４】
2005310592.tif 000006
【図５】
2005310592.tif 000007
【図６】
2005310592.tif 000008
【図７】
2005310592.tif 000009
【図８】
2005310592.tif 000010
【図９】
2005310592.tif 000011
【図１０】
2005310592.tif 000012
【図１１】
2005310592.tif 000013
【図１２】
2005310592.tif 000014
【図１３】
2005310592.tif 000015
【図１４】
2005310592.tif 000016