(57)【要約】【課題】  周期の短いパルス駆動を行った場合でも、モード分散によるパルス波形の変型の影響を受けることなく光を導光板の奥へと伝播することができる照明装置、及び、照明装置を用いた液晶表示装置を提供する。【解決手段】  光源１１から出射された光を側端面から入射して上端面から光を出射する導光板１２を備え、導光板１２の厚さ方向での中央部の屈折率を高くし、中央部から上端面、及び、中央部から下端面へと屈折率を漸減させた。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、前記光源から出射された光を側端面から入射して上端面から光を出射する導光板とを備える照明装置において、
前記導光板は、厚さ方向での中央部の屈折率が高く、中央部から上端面、及び、中央部から下端面へと屈折率が漸減していることを特徴とする照明装置。
【請求項２】
前記導光板の厚み方向における屈折率の分布形状が２乗分布の形状であ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】
前記導光板の厚み方向における屈折率の分布形状が半円形の形状と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４】
前記導光板は、異なる屈折率を持つ複数の層が積層された多層構造であることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載された構成の照明装置と、前記照明装置の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、照明装置、及び、照明装置を用いた表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、液晶表示装置においては、透過表示を行うために液晶パネルの背面に照明装置ユニットが設けられている。一般的に、照明装置である照明装置ユニットは、ＬＥＤ等を光源として有している。光源から出射された光は、一様に液晶表示素子の背面に照射する導光板と、導光板から出射された光を拡散するシートとを備えている。
【０００３】
光源から導光板に入射された光は、導光板の上端面側である出射面と、下端面である反射面との間で反射を繰り返した後、出射面から外部へと光を出射する。近年、照明装置の軽量化や発光効率の向上などの観点から、導光板の形状を光源から遠ざかるにつれ板厚が減少する、楔形の断面形状をなすものが多く用いられている（例えば、特許文献１、２を参照）。
【０００４】
図６に、従来の液晶表示装置の側面図を示す。図６に示すように、照明装置２０は、ＬＥＤ等を光源２１として有している。光源２１の側方には、アクリル樹脂等の透明樹脂で形成された導光板２２が配置されている。この導光板２２の下端面には、導光板の内部に入射された光を散乱させる楔状の溝部２３が設けられている。導光板２２の下部には、光を反射する反射シート２４が配置されている。導光板２２の上部には、光を拡散させる拡散シート２５が配置されている。拡散シート２５の上部には、拡散した光を液晶表示素子に対し垂直な方向に指向させる下プリズムシート２６、及び、上プリズムシート２７が配置されている。上プリズムシート２７の上部には、液晶表示素子２８が配置されている。
【０００５】
光源２１から出射された光は、導光板２２の内部に入射面２２ａから入射される。導光板２２の内部に入射された光は溝部２３で拡散され、拡散された光（図６中Ｇで示す）の一部が出射面２２ｃから出射され、他の一部は導光板下方へ出射された後、反射シートで反射されて再び導光板の内部に入射し、その後、導光板２２の出射面２２ｃから出射される。出射面２２ｃから出射された光は拡散シート２５、下プリズムシート２６、及び、上プリズムシート２７を透過して液晶表示素子２８に照射（図６中Ｈで示す）される構成となっている。
【特許文献１】特開平８−３１３７３２号公報
【特許文献２】特開平１０−７３８２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
導光板２２の内部を伝播する光は、導光板２２の板厚と光源から出射される光の波長との関係からシングルモード伝播ではなく、直進光から導光板２２の上端面と下端面との間を複数回反射しながら伝播する光まで多種多様な光が存在するマルチモード伝播である。従来の照明装置の構成では、導光板２２の側方から見た断面での屈折率は一様になっているため、導光板２２の上端面、及び、下端面での反射の回数が少ない光は、反射回数の多い光に比べ、導光板２２の入射面２２ａと対面する側端面２２ｂへ早く到達するモード分散が発生してしまう。
【０００７】
また、液晶表示装置は照度を下げて使用する場合がある。この場合、光源をパルス駆動して照度を下げる方法がよく知られているが、従来の照明装置ではモード分散により、パルス波形が導光板２２の光源２１から離れた部分（図６中、右側の部分）で鈍ってしまい、導光板２２の光源２１に近い部分（図６中、左側の部分）と光源から遠い部分とで輝度ムラが発生してしまうという問題があった。
【０００８】
このため、従来は、パルス駆動の周期を長くしてモード分散によるパルス波形の変型を受けても影響を最小限に抑え、導光板の光源に近い部分と光源から遠い部分との輝度ムラを視認しにくくする方法が採用されていたが、パルス周期を長くすると、消費電流を多くすることにつながり、パルス駆動時の消費電流が増大してしまうという問題があった。
【０００９】
このことから、本発明は、周期の短いパルス駆動を行った場合でも、モード分散によるパルス波形の変型の影響を受けることなく光を導光板の奥へと伝播することができる照明装置、及び、照明装置を用いた液晶表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
そこで、本発明の照明装置は、光源から出射された光を側端面から入射して上端面から光を出射する導光板を備え、導光板の厚さ方向での中央部の屈折率を高くし、中央部から上端面、及び、中央部から下端面へと屈折率を漸減させている。これにより、導光板の中央部よりも上端面、及び、下端面を伝わる光の速度を速くすることができ、導光板の中央部を直進する光と、導光板の上端面と下端面との間を複数回反射する光とを、光源から離れた導光板の側端面に同時に到達させることができる。このため、出射する光の均斉度が高い照明装置を実現することができる。
【００１１】
さらに、導光板の中央部を直進する光と、導光板の内部を蛇足伝播する光とを、光源から離れた導光板の側端面に同時に到達させることとした。あるいは、導光板の中央部を直進する光と、導光板の内部を蛇足伝播する光と、導光板の上端面と下端面との間を反射する光とを、光源から離れた導光板の側端面に同時に到達させることとした。
【００１２】
また、導光板の屈折率の形状を２乗分布の形状、あるいは半円形の形状とすることとした。さらに、導光板から出射された光を導光板の上端面に対し垂直な方向に指向させるプリズムシートを備えることとした。
【００１３】
このように、本発明に係る照明装置、及び、照明装置を用いた表示装置は、導光板の屈折率形状を中央部から導光板の上端面、及び、下端面にかけて２乗分布をなす構造とし、屈折率が上端面、及び、下端面側に行くほど低くなるよう設定した。このような屈折率形状は、一般的に、グレーディド・インデックス形状として知られている。また、この屈折率形状は半円形の形状とすることもできる。また、これ以外の屈折率形状を用いることも可能である。
【発明の効果】
【００１４】
このように、本発明によれば、出射する光の均斉度が高い照明装置、及び、表示素子の正面側での輝度が高く、また均一な表示装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明は、光源から出射された光を側端面から入射して上端面から光を出射する導光板を備える照明装置に関し、導光板は、厚さ方向での中央部の屈折率が高く、中央部から上端面、及び、中央部から下端面へと屈折率が漸減するように構成されている。導光板の厚み方向における屈折率の分布形状として、２乗分布の形状、または、半円形の形状とすることとした。また、導光板を、異なる屈折率を持つ複数の層が積層された多層構造で形成した。
【００１６】
さらに、上述したいずれかの構成の照明装置の照射面側に非自発光型の表示素子を設けた表示装置とした。
【００１７】
このように、本発明によれば、導光板の屈折率を中央部から導光板の上端面、及び、下端面にかけて漸減するように構成されているので、周期の短いパルス駆動を行った場合であってもモード分散による波形の変型が起こらず、導光板の光源側の部分と光源から遠い部分とで輝度ムラが発生することがない。このため、均斉度の高い光源、及び、光源を用いた液晶表示装置を提供することができる。
【００１８】
また、導光板の内部の屈折率の高低差の設定と分布形状の変更することにより、導光板の内部を伝播する光の反射回数と周期を制御することができる。このため、光を出射させる位置を容易に設定することができる。
【００１９】
また、導光板の内部を伝播する光は、側面から見た断面において正弦波形の形状に近く、導光板の内部、特に中央部付近に光線が収束される傾向が強くなるため、薄型導光板への適用に際して光線状態の整合性がよく、光取り出し効率を高くすることができる。さらに、導光板の光が通らなくなった部分は不要となるため、この分、導光板の板厚を薄くすることができる。このため、昨今の薄型化が進む液晶表示装置の輝度改善、及び、薄型化を実現することができる。
【実施例１】
【００２０】
以下、本実施例に係る照明装置、及び、これを用いた液晶表示装置の構成の概要について説明する。図１は、本実施例の液晶表示装置の構成を模式的に示す断面図である。図示するように、照明装置１０には光源であるＬＥＤ１１が設置されている。本実施例では、光源としてＬＥＤ１１を用いたが、冷陰極管等を用いてもよい。ＬＥＤ１１の側方（図中の右側）には、ＬＥＤ１１から出射された光が入射される導光板１２が設置されている。この導光板１２は、板厚がＬＥＤ１１に近い部分（図中、左側の部分）から遠ざかるにつれて薄くなっており、側方から見た断面の形状が楔形をなしている。また、導光板１２の下端面には、ＬＥＤ１１から入射された光を反射する楔状の溝部１３が形成されている。また、言い換えれば、この溝部１３は、導光板１２内から見た場合には、溝部であるが、導光板の外部から見た場合には、凸部をなしている。導光板１２の上部には、導光板１２から出射された光を液晶表示素子１４の表面に対し垂直な方向に指向して出射させるプリズムシート１５が配置されている。このプリズムシート１５の下端面には、ＬＥＤ１１が設置されている側の辺と平行の方向に、複数のプリズム１６が列状に設けられている。プリズムシート１５の上部には液晶表示素子１４が配置されている。導光板１２の入射面１２ａから入射された光は導光板の下端面の溝部で反射（図１にＨで示す）されて、導光板１２の上端面の出射面１２ｃから出射される。導光板１２から出射された光はプリズムシート１５で液晶素子の表面に対して垂直な方向に指向される（図１にＩで示す）。
【００２１】
以下、導光板の構造について図２及び図３を用いて詳細に説明する。図２は、２乗分布の屈折率形状を有する導光板を説明する模式図であり、図３は、半円形の屈折率形状を有する導光板を説明する模式図である。図２の（ｂ）に示すように、導光板１２は厚さ方向（図２中、上下方向）の中央部から導光板１２の上端面、及び、下端面に向けて屈折率が２乗分布をなす構造になっている。ここで、導光板１２の中央部の屈折率を最も高くし、上端面、及び、下端面に行にしたがい屈折率が低くなるように設定する。すなわち、導光板の厚さ方向での中央部の屈折率を高くし、中央部から上端面、及び、中央部から下端面へと屈折率を漸減させるようにした。このような導光板１２の構造は、グレーディド・インデックス形状として知られている。本実施例では、図２の（ｂ）に示すように、中央部の層の屈折率ｎ１を１．５３と設定した。
【００２２】
図２の（ａ）に示すように、導光板１２は異なった複数の屈折率を有する層からなる。ここで、各層の屈折率ｎ（ｒ）は、導光板１２の中央にある層の屈折率をｎ１とし、導光板の中央から各層までの距離をｒとし、２乗分布の程度を表す定数をｇとすると、次式により求めることができる。
【００２３】
【数１】
2007227287.tif 000003
【００２４】
また、上記数１により、中央の層からｘ番目の層（図２（ａ）参照）の屈折率ｎ（ｘ）は、次式により求めることができる。
【００２５】
【数２】
2007227287.tif 000004
【００２６】
ここでは、屈折率形状として２乗分布を用いたが、図３の（ａ）に示す導光板１２の屈折率を（ｂ）に示すような半円形の形状としてもよい。このように、本実施形態では屈折率形状として２乗分布、及び、半円形としたが、これ以外の形状とすることも可能である。
【００２７】
ここで、導光板１２に入射される光の入射条件について説明する。導光板に入射される光の最大入射範囲２θｍａｘを図５に示す。図示するように、導光板１２に入射される光の最大入射範囲２θｍａｘは、導光板１２の中央にある層の屈折率をｎ１とし、導光板１２の中央から各層までの距離をｒとし、導光板１２の臨界角をθｃとすると、次式により求めることができる。
【００２８】
【数３】
2007227287.tif 000005
【００２９】
以下、このような構成の導光板の作用について説明する。図４に、本発明の導光板と従来の導光板とを比較した。はじめに、従来の屈折率が単一の導光板２２の内部を伝播する光の光路について説明する。図４（ａ）に示すように、ＬＥＤ２１から入射した光には、導光板２２の厚さ方向での中央部を直進する光（図４中Ａで示す）や、導光板２２の上端面、及び、下端面との間を複数回反射して進行する光（図４中Ｂで示す）などがある。すなわち、中央部を直進する光Ａから導光板２２の上端面と下端面との間を複数回反射しながら伝播する光Ｂまで多種多様な光が存在するマルチモード伝播である。複数回反射して進行する光Ｂは、直進する光Ａに比べ、実際の光路長がより長くなる。このため、導光板２２の入射面２２aから、入射面２２ａと対面する側端面２２ｂへは、直進する光Ａの方が早く到達することとなる。このような場合、導光板２２のＬＥＤ２１に近い部分（図４中、左側の部分）と遠い部分（図４中、右側の部分）とで、パルス波形が変型してしまう。すなわち、導光板２２のＬＥＤ２１から遠い部分で、モード分散が発生してしまう。
【００３０】
次に、本実施例に係る複数の屈折率を有する導光板の内部を伝播する光の光路について説明する。図４（ｂ）に示すように、導光板１２の上端面、及び、下端面との間を複数回反射する光（図４中Ｄで示す）は、各層の境界面で光が屈折させられることにより、正弦波形に近い形状となり蛇足伝播する。このため図４（ａ）に示す従来の導光板２２と比べて、上端面、及び、下端面との間を複数回反射する光Ｄの実光路長が短くなる。
【００３１】
また、中央部の屈折率は上端面、及び、下端面よりも高く設定されているため、中央部を直進する光（図４中Ｃで示す）の実光路長が長くなる。このため、中央を直進する光Ｃと複数回反射する光Ｄとを、入射面１２ａと対面する側端面１２ｂに、同時に到達させることができる。これにより、周期の短いパルス駆動を行った場合であってもモード分散による波形の変型が起こらなくなる。さらに、図４（ｂ）で示した導光板よりも異なる屈折率を有する層の数を増やして行った場合を図４（ｃ）に示す。図４（ｃ）に示すように、導光板１２の上端面、及び、下端面との間を複数回反射して伝播していた光は、導光板の上端面、及び、下端面に達することなく反射する蛇足伝播する光（図４中Ｆで示す）となる。このため、導光板１２の光が通らなくなった部分（図４中ｄで示す）は不要となるため、この分、導光板１２の板厚を薄くすることができる。
【００３２】
このように、本発明によれば、導光板１２の屈折率形状を中央部から導光板１２の上端面、及び、下端面にかけて２乗分布、又は、半円形状をなす構造としたことで、周期の短いパルス駆動を行った場合であってもモード分散による波形の変型が起こらないため、導光板１２の光源側の部分と光源１１から遠い部分とで輝度ムラが発生することがない。このため、輝度や均斉度の高い照明装置、及び、照明装置を用いた液晶表示装置を提供することができる。
【００３３】
また、導光板１２の内部の屈折率の高低差の設定と分布形状の変更することにより、導光板１２の内部を伝播する光の反射回数と周期を制御することができる。このため、光を出射させる位置を容易に設定することができる。
【００３４】
また、導光板１２の内部を伝播する光は、側面から見た断面において正弦波形の形状に近く、導光板１２の内部、特に中央部付近に光線が収束される傾向が強くなるため、薄型導光板１２への適用に際して光線状態の整合性がよく、光取り出し効率を高くすることができる。さらに、導光板１２の光が通らなくなった部分は不要となるため、この分、導光板１２の板厚を薄くすることができる。このため、昨今の薄型化が進む液晶表示装置の輝度改善、及び、薄型化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明に係る液晶表示装置を模式的に示す断面図である。
【図２】本発明に用いられる２乗分布の屈折率形状を有する導光板の模式図である。
【図３】本発明に用いられる半円形の屈折率形状を有する導光板の模式図である。
【図４】本発明に係る導光板と従来の導光板とを比較した図である。
【図５】導光板に入射される光の最大入射範囲を示した図である。
【図６】従来の液晶表示装置の側面図である。
【符号の説明】
【００３６】
１０  照明装置
１１  ＬＥＤ（光源）
１２  導光板
１３  溝部
１４  液晶表示素子
１５  プリズムシート
１６  プリズム
【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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