JP2005310594A - 照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 サイドライト型照明装置における光利用効率を向上させ、高輝度な薄型軽量の照明装置を実現すること。
【解決手段】 光源と前記導光板の光入射面との間隙に、所定の入射角の光を散乱し、それ以外の光を透過する指向性散乱シートを配し、この指向性散乱シートとして柱状レンズシートを用いた。
【選択図】 図１

Description

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液晶表示装置に用いられる照明装置に関する。

近年、携帯機器や情報機器等には、薄型軽量という特徴をもつ液晶表示装置が広く使われている。しかし、液晶表示装置は受光型のため、明るく高精細な画像を表示させることを目的として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。

この液晶表示装置が本来持っている薄型軽量という特質を実現するため照明装置としては、光源として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（特許文献１）。
特許第３３０１７５２号（第３頁、第１図）

しかしながら、サイドライト型の照明装置は、導光板の内部を多重反射して導波する光をプリズムなどによって制御して外部に漏らすことによって照明を行うために、最も発光輝度が高い光源からの放射角が小さな光は、多重反射回数が少なく導光板端面から抜けてしまうなど利用効率が低いという課題を有していた。

本発明の照明装置は、光源と前記導光板の光入射面との間隙に、所定の入射角の光を散乱し、それ以外の光を透過する指向性散乱シートを配することによって、光源からの出射角が小さな光を散乱させて導光板内部に導入することができ、光利用効率の高い照明装置とすることができた。

本発明によれば、簡単な構造で高輝度の薄型軽量の液晶表示装置を提供することができるため、これら液晶表示装置を用いた情報機器のさらなる高輝度化と姿軽量化を実現できるという効果を有する。

本発明の照明装置は、光源と、透明な導光板と、前記導光板の光入射面と前記光源との間に、所定の入射角の光を散乱しそれ以外の光を透過する指向性散乱層を備えている。

ここで、指向性散乱層として、微細な柱状構造が面内に複数本配列され、前記柱状構造の柱状中央領域はそれを取り巻く外周領域に比べて屈折率が高く形成され、厚さ方向に光を導く機能を有している柱状レンズシートを用いることとした。さらに、この柱状レンズシートを構成する柱状構造が、当該柱状レンズシート面内で略垂直に配向しているように設定した。ここで、柱状レンズシートの散乱角を略１０〜４５度とした。

また、導光板の光入射面には、導光板の光照射面に略垂直な方向の稜線を有するプリズムを形成することとした。また、レンズシートを導光板の光入射面に接合して形成した。

以下に本発明の照明装置の実施例に関して図面を参照しながら説明する。図１に本実施例の照明装置の断面図を模式的に示す。導光板２の光入射端面側には、光源１が配置されている。また、光入射面には指向性散乱シートとしての柱状レンズシート３が配されている。光源１としては冷陰極管やＬＥＤ光源を用いることができるが、発光効率が高く小型化に適したＬＥＤ光源を用いるのが好ましい。このＬＥＤ光源としては、青色ＬＥＤ光源からの青色光を黄色蛍光体で波長変換して緑色光を得て、それと元の青色光との混色で白色光を得るいわゆる白色ＬＥＤ光源を用いるのが望ましい。また、この白色ＬＥＤ光源と赤色ＬＥＤ光源を併用して、混色光をより白色に近づけたものが望ましい。また、図では光源１は１つしか描かれていないが、光源１としては３〜５個配されているのが通常である。

導光板２は透明高分子材料で形成されている。具体的にはアクリル系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、シクロオレフィン系樹脂などの高分子材料で形成されている。これらの材料を用いて射出成形することによって導光板２は容易に製造することができる。また、柱状レンズシート２は、微細な柱状構造が面内に複数本配列され、柱状構造の柱状中央領域はそれを取り巻く外周領域に比べて屈折率が高く形成され、厚さ方向に光を導く機能を有している。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。この柱状レンズシートの製造は、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。

図２に本発明の照明装置に関する別の構成を示す。図２が図１と異なっている点は、柱状レンズシート３が導光板２の光入射面に接合されている点である。このように、柱状レンズシート３を導光板２の光照射面に接合することによって、照明装置に機械的な力が作用したとしても、柱状レンズシート３と導光板２との位置が固定されるために安定した特性を得ることが可能となる。また、柱状レンズシート３と導光板２の入射面での反射率を少なくすることができるために、光利用効率が向上する。

図１と図２において、光源１から出射された光の内、放射角が小さな成分は柱状レンズシート３で散乱され、放射角が大きな成分は柱状レンズシート３を直線的に透過して、導光板２の内部で多重反射を繰り返しながら伝播する。導光板２の光照射面またはその対向面にはプリズム群や微細散乱構造体などの凹凸が所定の規則で構成されており、この内部で多重反射している光を光照射面方向に均一に偏向させて面状に照明を行う。

次に柱状レンズシート３中の光の振舞いについて説明する。図５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。図中に光源１から柱状レンズシート３に入射する光の代表的な光路を矢印２２、２３、２４で示してある。光源１からの光は様々な入射角を持って柱状レンズシート３に入射し、その範囲は０度からおよそ９０度の成分を有している。ステップインデックス型柱状レンズシートは、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。

まず、矢印２２で示されている光について説明する。この光は柱状レンズシート３の面に対する入射角が小さな場合を示している。光源１から柱状レンズシート３に入射した光はスネルの法則に従って導光板の光入射面の法線側に向かって屈折する。高屈折率領域１０に入射した光は低屈折率領域１１との境界面に入射するが、境界面への入射角は臨界角よりも大きな値となっているために境界面で全反射される。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反射して導光板の光入射面側に導波していき、柱状レンズシートの導光板側の面から出射される。

このとき、柱状レンズシート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柱状レンズシートからの光の出射方向が定まる。例えば、矢印２３で示される光は、矢印２２で示される光と同じ入射角であるが、入射位置が異なる場合を示している。図５では、矢印２３で示される光は高屈折率領域１０と低屈折率領域１１との境界面で反射されずに直接導光板側の面に入射する場合が示されている。この光は矢印２２で示される光と異なった入射角で導光板側の面に入射するために、柱状レンズシートから出射される角度が矢印２２で示された光と全く異なっている。柱状レンズシートの層厚が厚くなると境界面での反射回数が増加するために入射位置による出射角の相違はさらに顕著になる。また、グレイディッドインデックス型の柱状レンズシートでは、柱状レンズ内での光の伝播が屈折率の高い方に連続的に曲がろうとするために、出射角度はある角度範囲内で一様な分布を持つようになる。このように、柱状レンズシートに対する入射角がある範囲内にある光は、あたかも散乱されるかのように振舞う。

そして、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。そして、その散乱角はある特定の範囲内に限定される。そのため、柱状レンズシートは指向性散乱シートとして振舞う。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。

本実施例の照明装置においては、柱状レンズのレンズ径が、０．２μｍ〜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０．５μｍ〜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。

次に、光源１から高屈折率領域１０にさらに大きな入射角で入射してきた光の挙動を矢印２３で示す。この場合、高屈折率領域１０と低屈折率領域１１との境界面に入射する光の入射角は、矢印２２で示される光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側に透過し、あたかも柱状レンズが形成されていない透明シートを透過するかのようにして反対側の面から出射される。

このように、高屈折率領域１０に入射する光の角度によって、反対側の面から出射される光が散乱されるか、直線的に透過するかが決まる。柱状レンズシートに入射した光が散乱される角度範囲を散乱入射角、直線的に透過する角度範囲を直線透過角と呼ぶことにする。

次に、グレイディッドインデックス型柱状レンズシート中の光の振舞いを示す。グレイディッドインデックス型柱状レンズは、柱状中央付近に高屈折率領域を持ち、その外周が低屈折率領域となっているが、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。

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柱状レンズシートで散乱を受けずに透過する。

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特定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小さ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傾きが大きいほど散乱角は大きくなる。

図６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６において、横軸は柱状レンズシートへの入射角、縦軸は各入射角に対する光透過強度を表している。ただし、測定は透明なガラス基板に柱状レンズシートを貼り付けて大気中で行った。図６から分かるように、柱状レンズシートは角度α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−α〜αの範囲内では光は透過後散乱され、入射角の絶対値がα以上の範囲内では光は散乱されずに直進透過する。すなわち、αは散乱入射角の上限を示している。

αの値としては、柱状レンズシートの層厚、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。すなわち、柱状レンズシートに１０〜４５度の散乱入射角以下で入射してきた光を、１０〜４５度の散乱角を持って散乱させることができる。このようにすることによって、光源から出射された光の内、放射角が小さな成分の広がり角を大きくして導光板２の内部で充分な回数多重反射させて効率良く利用することができるようになる。また、散乱入射角以上の光で入射してきた成分に関しては、光は直線的に透過するため従来の照明装置と同様の効果をもたらすことが可能となる。導光板内で光を効果的に多重反射させるためには、散乱入射角ができるだけ大きな値のものを用いるのが良い。

また、導光板２の光入射面に、導光板２の光照射面に対して略垂直な方向に稜線を持ったプリズムが形成することもできる。このプリズムは頂角がおよそ９０〜１３５度であり、高さが１００〜２００μｍの表面に凸形状のプリズムであり、光源１からの光を光入射面の長手方向に広げて導光板２の内部に均一に光が導波する作用を有している。

この導光板２の光照射面に形成されたプリズムは、光源１が同様の作用を有するレンズを具備している場合は必ずしも必要とは限らない。

図３に本発明の照明装置の光入射面における光の挙動について説明する断面図を模式的に示す。図３では、光源１からの放射角が小さな光の光路を矢印２０で、放射角が大きな光の光路を矢印２１で示してある。上記のように、光源１からの放射角が小さな光２０は、柱状レンズシート３に散乱入射角の範囲内で入射するために、導光板２の内部に散乱入射する。この散乱角は４５度以下となっているために、図２に示すように柱状レンズシート３が導光板２に接合されている場合においても、導光板の光照射面およびその対向面に対して臨界角以上の入射角で入射し、内部で効率良く多重反射される。

一方、光源１からの放射角が大きな光２１は、導光板入射面から通常の導光板の場合と同様にスネルの法則に従って入射するために、従来の導光板におけるのと同様に内部で多重反射される。

図４に本発明の照明装置を用いた液晶表示装置の一般的構成について説明した断面図を模式的に示す。本発明の照明装置は、導光板２の光入射面に柱状レンズシート３を配することを除いて、通常のサイドライト型照明装置と同様の構成を取ることができる。導光板２の光照射面またはその対向面には内部で多重反射して導波する光の光路を偏向して光照射面から取り出すためのプリズム構造や微細散乱構造体が形成されている。そして、導光板２の光照射面側の真上にはプリズムシート９を介して液晶パネル７が配されている。また、光源１や導光板２などを支持するための筺体６と導光板２との間隙には、導光板２から外部に漏れ出した光を再び導光板２の内部にもどして再利用するための反射板４と５が配されている。これらの反射板４と５は、筺体６を形成する材料として反射率の高い白色高分子材料を用いる場合には省略される場合もある。

プリズムシート９は導光板２側に形成され稜線を導光板２の光入射面に略並行に形成されたプリズム群を表面に形成した透明シートであり、導光板２からの光を液晶パネル２側に垂直に上げて効率良く用いるためのものである。図ではプリズムシート９は１枚しか描かれていないが、互いに直行したプリズム稜線を持ったものを２枚重ねて用いても良い。

また、導光板２とプリズムシート９との間隙に拡散板を配しても良い。

以下に、本発明の具体例を説明する。
（具体例）
図１に示す照明装置を作製した。導光板の寸法としては、３５ｍｍ×４３ｍｍ×０．６ｍｍとした。光源として白色ＬＥＤ光源を導光板の光入射面に３個配列した。また、導光板の光入射面には柱状レンズの配向方向が面内にほぼ垂直で、散乱角が４５度の柱状レンズシートを配した。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。導光板２の光照射面との対向面には稜線が光源の配列方向に垂直に形成されたプリズムを形成した。このプリズムの頂角は９０度であり、光源側の仰角は３０度とした。さらに、プリズムのピッチを光源側から二次関数的に変化させ、光源側のピッチを２５０μｍ、光源との対向側端部におけるピッチを２０μｍとした。また、比較用として同様の構成で導光板の光入射面に柱状レンズシートを配しない通常の照明装置を用意した。これらの照明装置の輝度を測定したところ、本発明による照明装置の最大輝度は通常の照明装置に比較して約１２％大きくなることが分かった。

本発明による照明装置を模式的に示す断面図である。 本発明による照明装置を模式的に示す断面図である。 本発明による照明装置の光路の１例を模式的に示す断面図である。 本発明による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。 本発明に用いた柱状レンズシート内での光路を模式的に示す断面図である。 本発明に用いた柱状レンズシートの光透過特性を示すグラフである。

符号の説明

１ ＬＥＤ光源
２ 導光板
３ 柱状レンズシート
４、５ 反射板
６ 筺体
７ 液晶パネル
８ プリズムシート
１０ 高屈折率層
１１ 低屈折率層

Claims (5)

1. 光源と、透明な導光板と、前記導光板の光入射面と前記光源との間に、所定の入射角の光を散乱し、それ以外の光を透過する指向性散乱層と、を備えることを特徴とする照明装置。
2. 前記指向性散乱層は、微細な柱状構造が面内に複数本配列され、前記柱状構造の柱状中央領域はそれを取り巻く外周領域に比べて屈折率が高く形成され、厚さ方向に光を導く機能を有している柱状レンズシートであることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
3. 前記柱状レンズシートを構成する柱状構造が、当該柱状レンズシート面内で略垂直に配向していることを特徴とする請求項２に記載の照明装置。
4. 前記柱状レンズシートの散乱角が略１０〜４５度であることを特徴とする請求項２または３に記載の照明装置。
5. 前記導光板の光入射面には、前記導光板の光照射面に略垂直な方向の稜線を有するプリズムが形成されたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の照明装置。

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