(57)【要約】【課題】点状光源と導光板とを備える面状照明装置において、狭指向性かつ輝度均一性に優れた照明光を得ることが可能な面状照明装置を提供する。【解決手段】本発明に係る面状照明装置１０は、導光板１２と、導光板１２の側端面１２ａに配置される点状光源１４とを備えており、導光板１２と点状光源１４との間に、点状光源側１２から順に、点状光源１４から出射された光の広がり角を制御する輝度分布制御レンズ１６と、輝度分布制御レンズ１６により広げられた光を平行光として導光板１２内を進行させるためのフレネルレンズ１８とが配置されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導光板と、該導光板の側端面に配置される点状光源とを備えており、前記導光板と前記点状光源との間に、前記点状光源側から順に、前記点状光源から出射された光の広がり角を制御する輝度分布制御レンズと、該輝度分布制御レンズにより広げられた光を平行光として導光板内を進行させるためのフレネルレンズとを配置した面状照明装置。
【請求項２】
前記輝度分布制御レンズには、前記点状光源が対向する箇所に厚み方向に貫通する一つの凹部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の面状照明装置。
【請求項３】
前記凹部の前記厚み方向に垂直な断面形状は半楕円であり、前記凹部の中心軸と前記点状光源の光軸とが一致することを特徴とする請求項２に記載の面状照明装置。
【請求項４】
前記フレネルレンズは、前記導光板の前記点状光源が配置される側端面に形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の面状照明装置。
【請求項５】
前記フレネルレンズは、フレネル−ＴＩＲ複合フレネルレンズであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の面状照明装置。
【請求項６】
前記導光板の少なくともいずれかの主面に、前記導光板の前記点状光源が配置される側端面の長手方向と略平向に延びる多条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から５のいずれか１項に記載の面状照明装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、面状照明装置に関し、特に、液晶表示装置のバックライトとして好適な狭指向性の面状照明装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、透過型（及び半透過型）液晶表示装置用のバックライトとして、点状光源（例えば、白色ＬＥＤ）を用いたサイドライト型の面状照明装置が広く用いられている。この種の面状照明装置は、画面と略等しい大きさの主面を有する平板状の導光板と、導光板の側端面に配置された点状光源とを備え、導光板の側端面から入射した光を、一主面から出射させることにより、画面を均一に照明するものである。
【０００３】
このような面状照明装置において、従来、点状光源から入射する光が広い角度分布を持つ場合には、導光板からの出射光も広い角度分布を持つことになり、指向性が悪いことにより十分な輝度を得にくいという問題があることが知られており、この問題に対処するため、フレネルレンズを用いた面状照明装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
特許文献１に記載された面状照明装置を図８に示す。図８に示す面状照明装置１００は、導光板１１１と、ＬＥＤ１１２と、集光体１１３とを備えており、ＬＥＤ１１２は、集光体１１３を介して導光板１１１の入光面１１１ｃに対向している。集光体１１３の、導光板１１１の入光面１１１ｃに対向する側面１１３ｃには、導光板１１１の厚み方向に延在するプリズム群からなるリニアフレネルレンズ１１４が、各ＬＥＤ１２に対応してそれぞれ設けられており、集光体１１３の側面１１３ｃと側面１１３ｄとの間の幅寸法ｄは、リニアフレネルレンズ１１４の焦点距離に略一致するように形成されている。
【０００５】
面状照明装置１００では、ＬＥＤ１１２から放射状に出射された光Ｐがリニアフレネルレンズ１１４の作用によって屈折して集光され、ｘｙ面内において略平行な光Ｐ´に変換される。これによって、導光板１１１の出射面１１１ａからの出射光の、入光面１１１ｃと平行な面（ｘｚ面）内における配光分布を狭くし、狭指向性を実現することが図られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−７３４６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、図８に示した面状照明装置１００は、上述したような狭指向性が達成可能であるものの、輝度の均一性の点で改善の余地がある。すなわち、面状照明装置１００では、導光板１１１内を進行する光Ｐ’が略平行光であるため、光Ｐ’の入光面１１１ｃと平行な方向の混合が生じ難いことにより、入光面１１１ｃから入射する光の輝度分布の非均一性が、導光板１１１からの出射光の輝度分布の非均一性としてそのまま反映され易いという特性を有する。そして、白色ＬＥＤ等の点状光源は、一般に、その正面の輝度が最も高く、周辺に行くにしたがって輝度が低下するため、特に、図８に示すように入光面１１１ｃに平行な方向に複数の白色ＬＥＤ１１２を配置した場合には、導光板１１１からの出射光に、各ＬＥＤ１１２の正面方向が明るく、ＬＥＤ１１２間が暗いといった輝度ムラが顕著に顕れる可能性があるという問題がある。
【０００８】
本発明は、上記課題に鑑み、点状光源と導光板とを用いた面状照明装置において、狭指向性でかつ輝度均一性に優れた照明光を得ることが可能な面状照明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】
【０００９】
以下の発明の態様は、本発明の構成を例示するものであり、本発明の多様な構成の理解を容易にするために、項別けして説明するものである。各項は、本発明の技術的範囲を限定するものではなく、発明を実施するための最良の形態を参酌しつつ、各項の構成要素の一部を置換し、削除し、又は、さらに他の構成要素を付加したものについても、本願発明の技術的範囲に含まれ得るものである。
【００１０】
（１）導光板と、該導光板の側端面に配置される点状光源とを備えており、前記導光板と前記点状光源との間に、前記点状光源側から順に、前記点状光源から出射された光の広がり角を制御する輝度分布制御レンズと、該輝度分布制御レンズにより広げられた光を平行光として導光板内を進行させるためのフレネルレンズとを配置した面状照明装置（請求項１）。
【００１１】
（２）（１）項に記載の面状照明装置において、前記輝度分布制御レンズには、前記点状光源が対向する箇所に厚み方向に貫通する一つの凹部が形成されていることを特徴とする面状照明装置（請求項２）。
【００１２】
（３）（２）項に記載の面状照明装置において、前記凹部の前記厚み方向に垂直な断面形状は半楕円であり、前記凹部の中心軸と前記点状光源の光軸とが一致することを特徴とする面状照明装置（請求項３）。
【００１３】
（４）（１）〜（３）項に記載の面状照明装置において、前記フレネルレンズは、前記導光板の前記点状光源が配置される側端面に形成されていることを特徴とする面状照明装置（請求項４）。
【００１４】
（５）（１）〜（４）項に記載の面状照明装置において、前記フレネルレンズは、フレネル−ＴＩＲ複合フレネルレンズであることを特徴とする面状照明装置（請求項５）。
【００１５】
（６）（１）〜（５）項に記載の面状照明装置において、前記導光板の少なくともいずれかの主面に、前記導光板の前記点状光源が配置される側端面の長手方向と略平向に延びる多条のプリズムが形成されていることを特徴とする面状照明装置（請求項６）。
【発明の効果】
【００１６】
本発明は、以上のように構成したため、導光板と、導光板の側端面に配置される点状光源とを備えた面状照明装置において、狭指向性でかつ輝度均一性に優れた照明光を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１実施形態における面状照明装置の要部を示す斜視図である。
【図２】図１に示す面状照明装置の入光面付近を拡大して示す平面図である。
【図３】図１に示す面状照明装置において、フレネルレンズの作用を示す模式図である。
【図４】図１に示す面状照明装置において、出射光の指向性を示すグラフである。
【図５】図１に示す面状照明装置において、出射光の輝度均一性を示すグラフである。
【図６】本発明の第２実施形態における面状照明装置の要部を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は一部を拡大して示す側面図である。
【図７】本発明に係る面状照明装置の変形例の要部を示す平面図である。
【図８】従来の狭指向性面状照明装置の一例を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。尚、面状照明装置の全体または部分を示す各図（図１〜図３、図６、図７）は、いずれも説明のために特徴を強調して示す模式図であって、図示された各部分の相対的な寸法は、必ずしも実際の縮尺を反映するものではない。
【００１９】
図１は、本発明の一実施形態における面状照明装置の要部を示す斜視図である。
図１に示す面状照明装置１０は、透過型（または半透過型）液晶表示装置のバックライトとして好適に適用されるものであり、導光板１２と、３個の点状光源１４と、各点状光源１４と導光板１２の一側端面１２ａとの間にそれぞれ配置された３個の輝度分布制御レンズ１６とを備えており、各点状光源１４は、それぞれ対応する輝度分布制御レンズ１６を介して導光板１２の一側端面１２ａ（以下、入光面ともいう）に配置される。
【００２０】
本実施形態において、点状光源１４は、例えば白色発光ダイオードからなる。また、導光板１２は、メタクリル樹脂やポリカーボネート樹脂等の透明樹脂材料を成形してなる板状の導光体であり、その一主面を出射面１２ｂとし、出射面１２ｂに対向する主面を反射面１２ｃとするように構成され、入光面１２ａを通じて導光板１２の内部へと入射した光を、出射面１２ｂと反射面１２ｃとの間で全反射を繰返しつつ導光板１２内を伝播させ、その過程で、伝播光を出射面１２ａから均一に出射させることにより、液晶パネル等の被照明体を照らすものである。
【００２１】
さらに、面状照明装置１０において、導光板１２の入光面１２ａには、フレネルレンズ１８が形成されており、面状照明装置１０は、点状光源１４側から順に、輝度分布制御レンズ１６と、フレネルレンズ１８とを配置した構成を有している。尚、図１では、フレネルレンズ１８は、導光板１１の厚み方向（ｚ方向）に延びる複数の実線の配列として模式的に示されており、その詳細な構成については後述する。
【００２２】
ここで、面状照明装置１０は、導光板１２の出射面１２ｂ側に、所謂プリズムシート等の光学シート類を積層配置するものであってもよい。さらに、導光板１２の反射面１２ｃには、反射面１２ｃに入射した光の一部を反射して、臨界角以下の入射角でもって出射面１２ｂに入射させるための拡散反射手段または正反射手段が設けられているものであってもよく、さらに、導光板１２の反射面１２ｃ側に、漏れ光を反射するための反射部材が配置されるものであってもよい。面状照明装置１０では、これらの構成要素として、いずれも周知のものを使用することができるため、その図示及び説明は省略する。
【００２３】
次に、図２及び図３を参照して、本実施形態における輝度分布制御レンズ１６及びフレネルレンズ１８の構成及び作用について詳述する。
面状照明装置１０において、フレネルレンズ１８は、導光板１２の厚み方向（ｚ方向）に延在する複数の単位プリズムを、入光面１２ａの長手方向（ｘ方向）に配列することにより、所謂フレネル−ＴＩＲ複合フレネルレンズとして構成されている。
【００２４】
具体的には、フレネルレンズ１８において、その光軸ｑから所定の範囲内（図２に示す領域Ａ。以下、光軸近傍領域ともいう）は、個々の単位プリズムの屈折面の集合により一枚の円筒型レンズの曲面を実現するリニアフレネルレンズとして構成され、そのような円筒型レンズと同様の集光作用を有するものである。一方、フレネルレンズ１８において、光軸近傍領域Ａの外側の周辺領域（図２に示す領域Ｂ）は、単位プリズムが有する反射面により単位プリズム内に入射した光を内部全反射（Total Internal Reflection：ＴＩＲ)することによって、入射光の光路を変換し、集光作用を発揮するＴＩＲレンズとして構成される。
【００２５】
そして、点状光源１４は、フレネルレンズ１８の焦点位置に配置される。尚、点状光源１４は、実際には有限の大きさを持つものであるため、具体的な応用場面における点状光源１４の位置は、使用する点状光源１４（例えば、白色発光ダイオード）の幾何学的及び光学的な特性に応じて、点状光源１４からの出射光の配光分布が、フレネルレンズ１８の焦点位置に置かれた理想的な点光源からの配光分布にできるだけ近い状態となるように、適宜決定されるものである。
例えば、点状光源１４は、その光軸（通常、出射面１４ａからの出射光の配光分布の中心軸）と、フレネルレンズ１８の光軸ｑとが一致し、点状光源１４の所定の基準面との距離ｄが、フレネルレンズ１４の焦点距離に一致するように配置される。図２には、そのような配置の一例として、点状光源１４の光軸がその幾何学的中心軸と一致し、また、上記基準面が出射面１４ａである場合の例が示されている。
【００２６】
また、フレネルレンズ１８と点状光源１４との間に位置する輝度分布制御レンズ１６は、半円筒状のシリンドリカルレンズの平面部２５に、厚み方向（円筒の中心軸方向）に貫通する一つの凹部２２を設けてなり、本実施形態において、この凹部２２は、厚み方向に垂直な断面形状が半楕円形となるように形成されている。そして、輝度分布制御レンズ１６は、円筒面２３を導光板１２側に（したがって、平面部２５を点状光源１４側に）向け、かつ、その厚み方向が導光板１２の厚み方向（ｚ方向）と一致するとともに、凹部２２の中心軸（図２の例では、楕円の長軸）と点状光源１４の光軸（したがって、フレネルレンズ１８の光軸ｑ）とが一致するように配置される。
【００２７】
尚、図１には、導光板１２の入光面１２ａの各点状光源１４に対向する箇所に、それぞれのフレネルレンズ１８が局在して形成される態様が示されているが、それぞれのフレネルレンズ１８は連続するように設けられるものであってもよく、さらに、そのような連続するフレネルレンズ１８は、導光板１２の入光面１２ａの全面に形成されるものであってもよい。
【００２８】
以上のような配置構成により、点状光源１４から出射された光は、図２に典型的な光路をＰ１、Ｐ２として示すように、輝度分布制御レンズ１６に入射して、輝度分布制御レンズ１６の厚み方向（したがって、導光板の厚み方向（ｚ方向））に垂直な平面内における広がり角を増大させて伝播し、次いで、フレネルレンズ１８に入射して、導光板１２厚み方向に垂直な平面（ｘｙ平面）内における平行光Ｐ１’、Ｐ２’として、導光板１２内を進行する。
【００２９】
その際、本実施形態におけるフレネルレンズ１８は、上述したようなフレネル−ＴＩＲ複合フレネルレンズとして構成されているため、光軸近傍領域Ａに到達した光Ｐ１は、主として、図３（ａ）に示すように屈折面１８ａによる屈折作用によりその光路が変換され、周辺領域Ｂに到達した光Ｐ２は、主として、図３（ｂ）に示すように反射面１８ｂによる内部全反射によってその光路が変換される。
【００３０】
面状照明装置１０では、フレネルレンズ１８の作用によって、導光板１２の出射面１２ｂから出射する出射光（被照明体を照らす照明光）について、入光面１２ａの長手方向に平行な方向の（すなわち、ｘｚ平面内における）配光分布を狭くすることが可能となる。例えば、導光板１２の出射面１２ｂ側に通常のプリズムシートを配置した、フレネルレンズ１８を有しない面状照明装置において、ｘｚ平面内における配光分布の半値幅が４０°程度である場合、同様の面状照明装置にフレネルレンズ１８を設けることにより、その半値幅を２０°程度にまで狭めることができる。
【００３１】
また、面状照明装置１０における輝度分布制御レンズ１６の作用効果を、図４及び図５を参照して説明すれば、次の通りである。ここで、図４は、ｘｚ平面内における出射光の指向性を示すグラフであり、横軸は、出射光強度のピーク値をとる方向からの角度、縦軸は、出射光のピーク値に対する相対強度である。また、図５は、出射光の輝度均一性を示すグラフであり、横軸は、３個配置された点状光源１４のうち、中心に置かれた点状光源からの入光面１２ａの長手方向（すなわち、点状光源１４の配列のピッチ方向）に沿った距離、縦軸は、出射光のピーク値に対する相対強度である。
また、図４及び図５のいずれについても、フレネルレンズ１８を有する面状照明装置において、輝度分布制御レンズ１６がある場合とない場合の、それぞれのグラフが示されている。
【００３２】
まず、図４から、輝度分布制御レンズ１６がある場合の配光分布と、ない場合の配光分布について、それぞれの広がりに大きな違いはなく、輝度分布制御レンズ１６は、フレネルレンズ１８により達成される狭指向性に影響を及ぼさないことが分かる。一方、図５から、輝度制御分布レンズ１６がない場合には、点状光源の配置位置に対応するピーク値（図５に矢印Ｃで示す）の間に、大幅に強度が低下する暗部が存在し、顕著な輝度ムラが発生するが、輝度制御分布レンズ１６がある場合には、そのような暗部が存在せず、輝度が均一化されることが分かる。
【００３３】
このように、本実施形態における面状照明装置１０では、狭指向性でかつ輝度均一性に優れた照明光を得ることが可能となる。その際、フレネルレンズ１８をフレネル−ＴＩＲ複合フレネルレンズとしたことによって、単純なフレネルレンズと比較して周辺領域Ｂの透過率を向上させることが可能となり、照明光の輝度をより効果的に均一化することが可能となる。
【００３４】
尚、面状照明装置１０において、フレネルレンズ１８の光軸近傍領域Ａ及び周辺領域Ｂの範囲、及び、輝度制御分布レンズ１６の形状並びにその凹部２２の形状は、上述した作用効果を奏する限り、使用する点状光源１４の幾何学的・光学的特性等に応じて、適切に決定されるものである。
【００３５】
次に、図６を参照して、本発明の第２実施形態における面状照明装置３０について説明する。但し、図１に示す面状照明装置１０と同一の構成要素には同一の符号を付し、重複する部分の説明は適宜省略して、主として面状照明装置１０との相違点について説明する。
本実施形態における面状照明装置３０は、その導光板２２の反射面２２ｃに、導光板２２の入光面２２ａの長手方向（ｘ方向）と略平向に延びる多条のプリズム２４（図６（ａ）に、ｘ方向に延びる複数の破線の配列として模式的に示す）が形成されている点で、面状照明装置１０と相違するものである。
【００３６】
面状照明装置３０のこの構成は、導光板２２に入射した光が、出射面２２ｂと反射面２２ｃとの間で反射を繰り返す過程で、ｙｚ平面内における方向が僅かに拡散されるため、ｙｚ平面内における輝度ムラを解消するために有利な構成である。ここで、多条のプリズム２４の具体的形状は、出射光の狭指向性とのバランスを勘案の上、適切に決定されるものであるが、例えば、図６（ｂ）の側面拡大図に示すように、各プリズム２４を断面円筒型のプリズムとするものであってもよい。また、面状照明装置３０において、多条のプリズム２４は、導光板２２の出射面２２ｂに形成されるものであってもよく、あるいは、出射面２２ｂと反射面２２ｃの両方に形成されるものであってもよい。
【００３７】
以上、本発明を好ましい実施形態に基づいて説明してきたが、本発明に係る面状照明装置は、上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上述した実施形態において、フレネルレンズ１８は、導光板１２、２２の入光面１２ａ、２２ａに導光板１２、２２と一体に形成されるものとしたが、フレネルレンズ１８は、導光板１２、２２と別体に形成されて、輝度分布制御レンズ１６と導光板１２、２２の入光面１２ａ、２２ａとの間に配置されるものであってもよい。
【００３８】
また、図７に示す面状照明装置４０のように、輝度分布制御レンズ３２は、各ＬＥＤ１４毎に設けられた凹部３４を有する一体の角柱として形成されるものであってもよい。この場合、輝度分布制御レンズ１６をＬＥＤレンズ毎に設ける場合と比較して、輝度分布制御レンズ１６間の隙間に入射して損失光となる光がないため、光の利用効率を向上させることができる。
【符号の説明】
【００３９】
１２，２２：導光板、１２ａ，２２ａ：入光面、１４：点状光源、１６，３２:輝度分布制御レンズ、１８：フレネルレンズ（フレネル−ＴＩＲ複合フレネルレンズ）、２２：凹部、２４：多条のプリズム
【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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【図７】
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【図８】
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