JP2003242819A - 光源装置及びこの光源装置を使用した照明装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 点発光する発光ダイオードから凹凸の施され
た導光ロッドに入射された光が直接到達しない凹凸が存
在するため、出射光強度にムラが発生し、そのムラの部
分が装置全体として無駄な部分となることにより、光源
装置及びそれを使用した照明装置の幅が大きくなってし
まっていた。 【解決手段】 点状に発光する発光ダイオードと、略直
方体形状の透明な導光ロッドとを備える光源装置におい
て、発光ダイオード１と導光ロッド２との距離Ａを０．
５ｍｍ以上とすることにより、導光ロッドへの入射光Ｌ
が直接到達する凹凸２ａの範囲を広げることが可能とな
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明に属する技術分野】本発明は、パーソナルコンピ
ュータや携帯情報端末（ＰＤＡ）などに用いられる液晶
表示装置に使用される光源装置及びこの光源装置を使用
した照明装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、パーソナルコンピュータや携帯情
報端末（ＰＤＡ）などは一層の小型化、ポータブル化が
進んでおり、画像表示装置の消費電力低減が重要な課題
となっている。このため、画像表示装置に反射型液晶表
示装置を用いる物が多数存在している。反射型液晶表示
装置は、太陽光や室内光などの外光を反射させることに
より画面の明るさを得ている。しかし、外光の少ないと
ころでは画面に十分な明るさが得られない。そこで、外
光の多いときには外光による照明の障害とならず、外光
の少ないときには画面を照明し、かつ観察者の障害とな
らないような照明装置付きの反射型液晶表示装置が要望
されており、低消費電力の発光ダイオードを光源として
用いた照明装置がいくつか発明されている。

【０００３】発光ダイオードは、白熱電球に比べ発熱が
少なく長寿命で、ＩＣなどで直接駆動できる利点を有
し、携帯電話等の小型の液晶表示装置などに照明装置と
して使用されることが現在多い。ただし、発光ダイオー
ドは、点状に発光するものであるので、この点状の光を
できるだけ効率良く利用することが重要である。特に、
発光ダイオードを携帯電話などの小型の液晶表示装置に
おいて、一つしか使用することができない場合には、そ
の点状光源の利用効率向上が必然となる。以下に、光源
として発光ダイオードを用いた、反射型液晶表示装置を
照明する従来型の照明装置について説明する。

【０００４】図３は、従来の照明装置を上面から見た概
略図であり、図４は、従来の照明装置の概略断面図であ
る。図５は、従来の照明装置における光源と導光ロッド
の概略図である。１は光源であり、点発光する光源（点
光源）として一般的には発光ダイオードが用いられる。
２は導光ロッドであり、略直方体形状の一つの側面にプ
リズム効果のある凹凸（「プリズムアレイ」とも呼ばれ
る）２ａが形成されている。３は板状導光体であり、対
向する二つの広面のうちの一つの広面に導光ロッド２と
同様のプリズム効果のある凹凸３ａが形成されている。
４は反射部材（リフレクタ）であり、発光ダイオード１
と導光ロッド２を略コ字状に覆うように配置され、発光
ダイオード１から導光ロッド２を経て板状導光体３へ光
が伝播する際に、光漏れを少なくする構造になってお
り、内面は反射率が高くなるように構成されている。例
えば、薄い金属板や、樹脂製のシートに銀、アルミなど
の反射率の高い材料を蒸着したものがある。光源装置Ｓ
Ｕは、発光ダイオード１と、発光ダイオード１から出射
される点状の光を線状に変換する導光ロッド２で構成さ
れ、照明装置ＬＵは、光源装置ＳＵと、線状の光を面状
に変換する板状導光体３と、リフレクタ４で構成され、
板状導光体３の凹凸３ａに対向する面３ｃ側に反射型液
晶パネル５を重ねて反射型液晶表示装置とする。

【０００５】導光ロッド２及び板状導光体３は、側面に
凹凸２ａ，３ａが形成されていない場合、入射された光
は導光ロッド２及び板状導光体３の内部を全反射しなが
ら伝播する屈折率構造となっている。ここで、導光ロッ
ド２及び板状導光体３の一側面に凹凸２ａ，３ａを設け
ることによって、伝播光が凹凸２ａ，３ａにおいて反射
したときに、全反射条件が崩れて凹凸２ａ，３ａに対向
する出射面２ｃ，３ｃから光が出射するようになる。

【０００６】光源装置ＳＵ及び照明装置ＬＵにおける光
の伝播は、図３、図４及び図５に示される。まず、発光
ダイオード１から出射された光は導光ロッド２の内部を
反射しながら伝播し、凹凸２ａにて反射した光が光源装
置ＳＵの出射光として出射面２ｃから出射される。次
に、光源装置ＳＵからの出射光は、板状導光体３の入光
面３ｃから入射し、板状導光体３の内部を全反射しなが
ら伝播する。伝播光が板状導光体３の一つの広面（図４
において上面）に設けられた凹凸３ａによって反射した
ときに、全反射条件が崩れて出射面３ｃから出射する。
そして、その出射光が反射型液晶パネル５を照明する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ここで、導光ロッド２
において、入光面２ｂから発光ダイオード１の光が最初
に到達する導光ロッド２の凹凸２ａまでの最短距離をＣ
とし、導光ロッド２内部での発光ダイオード１の発光の
立体角を２β（その半分はβであり、図５においてはβ
を図示している）とする。導光ロッド２の出射面２ｃか
ら出射される光の強度は、入射光Ｌが凹凸２ａに直接到
達して出射面２ｃ方向へ反射された成分と、凹凸２ａが
施されない面にて一度もしくはそれ以上反射を繰り返し
て凹凸２ａに到達して出射面２ｃ方向へ反射された成分
との和である。導光ロッド２の屈折率構造は、発光ダイ
オード１からの入射光を全反射するように設計されてい
るが、理想的な構造とすることは困難であり、反射を繰
り返すたびにその一部が導光ロッド２の外部に漏れる等
して減衰されてしまう。このため、出射面２ｃから出射
される光の強度を大きくするには、入射光Ｌが凹凸２ａ
に直接到達して出射面２ｃ方向へ反射される成分の割合
をできるだけ多くする必要がある。

【０００８】しかし、入射光Ｌのうち凹凸２ａに直接到
達する光は、入光面２ｂからの距離Ｃ以外の部分の凹凸
２ａに直接到達して反射される。したがって、少なくと
も入光面２ｂから長さＣの部分から出射される光は、そ
れ以外の部分からの光と比べて出射光強度が小さいこと
となり、導光ロッド２からの出射光強度にムラが発生す
るため、所定の均一な出射光強度を得るためには、長さ
Ｃの部分を照明としては無駄な部分とせざるを得ない。
すなわち、長さＣの分だけ光源装置ＳＵの幅が大きくな
り、同時に、照明装置ＬＵの幅も大きくせざるを得なか
った。

【０００９】そこで本発明の目的は、小型かつ出射光強
度にムラのない光源装置及びそれを使用した照明装置を
提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の請求項１記載の光源装置は、点状に発光す
る発光ダイオードと、略直方体形状の透明な導光ロッド
とを備え、上記導光ロッドの長手方向に面し、略同一面
積である四側面のうちの一つの側面には、プリズム効果
のある凹凸が施され、上記発光ダイオードは導光ロッド
の長手方向に直交する面側に配され、発光ダイオードか
ら出射される光は、導光ロッドの屈折率より低い屈折率
の物質を進んだ後に導光ロッドへ入射されることを特徴
とする。

【００１１】本発明によれば、発光ダイオードから出射
される光が、導光ロッドの屈折率より低い屈折率の物質
（例えば空気）を進んだ後に導光ロッドへ入射されるこ
とにより、従来のように発光ダイオードの出射光が全て
導光ロッドの内部を進む場合に比べて、発光ダイオード
と光が直接到達する凹凸部分との距離を小さくすること
ができる。したがって、所望の照明光を得るために必要
な導光ロッドの長さを従来よりも小さくすることが可能
である。

【００１２】本発明の請求項２記載の光源装置は、請求
項１記載の発明を前提に、前記発光ダイオードから出射
される光のうち、発光ダイオードの出射光の立体角の半
分となる角度で導光ロッドに入射される光が、導光ロッ
ドに施された凹凸のうち最も発光ダイオードに近い部分
に入射されるように、発光ダイオードと導光ロッドの距
離が保たれていることを特徴とする。

【００１３】本発明によれば、前記発光ダイオードから
出射される光のうち、発光ダイオードの出射光の立体角
の半分となる角度で導光ロッドの凹凸が施された面の方
向に入射される光が、導光ロッドに施された凹凸のうち
最も発光ダイオードに近い凹凸部分に入射されるよう
に、発光ダイオードと導光ロッドの距離を保つため、導
光ロッドへの入射光において、導光ロッドの凹凸が施さ
れた面に直接到達する光の割合を最も多くすることがで
きる。これにより、導光ロッドに施された凹凸に満遍な
く光が直接到達することとなり、したがって、導光ロッ
ドからの出射光強度がほぼ均一となり、照明として無効
な部分のない、小型かつムラのない光源装置が得られ
る。

【００１４】本発明の請求項３記載の光源装置は、請求
項１又は請求項２記載の発明を前提に、上記光源装置
は、パーソナルコンピュータや携帯情報端末等に用いら
れる液晶表示装置に使用されるものであり、上記点光源
と上記導光ロッドの入射面との距離が、０．５ｍｍ以上
であることを特徴とする。

【００１５】本発明によれば、点光源と導光ロッドの入
射面との距離が、０．５ｍｍ以上であるため、パーソナ
ルコンピュータや携帯情報端末等の液晶表示装置に用い
られる導光ロッドと点光源の実装に関して、それぞれの
部品の公差や実装精度を考慮してもなお、請求項１記載
の発明による効果が確実に得られる。

【００１６】本発明の請求項４記載の照明装置は、請求
項１乃至請求項３記載の光源装置を使用し、前記導光ロ
ッドの凹凸が施された面の対向側に、透明な板状導光体
の側面が配され、上記板状導光体の対向する広面のうち
の一つの面にプリズム効果のある凹凸が施され、上記凹
凸の施された面に対向する面側に配された被照射物に向
けて、前記光源装置から入射された光を出射することを
特徴とする。

【００１７】本発明によれば、光源装置からの出射光に
ムラがないため、この光源装置の出射面に板状導光体を
配して照明装置とすることにより、板状導光体の一つの
広面に施されたプリズム効果によって出射される光にム
ラがなくなり、例えば反射型液晶パネルのような被照射
物に均一な光強度の光を照射させることができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
面を引用しながら説明する。

【００１９】図１は、本実施の形態の発光ダイオードと
導光ロッドを上面から見た図であり、図２は、本実施の
形態の照明装置を上面から見た図である。本実施の形態
の照明装置の概略断面図は、従来と同様、図４で示され
る。１は発光ダイオードであり、点発光する光源（点光
源）として一般的に用いられている。２は導光ロッドで
あり、略直方体形状の一つの側面にプリズム効果のある
凹凸２ａが形成されている。３は板状導光体であり、一
つの面に導光ロッド２と同様のプリズム効果のある凹凸
３ａが形成されている。４は反射部材（リフレクタ）で
あり、発光ダイオード１と導光ロッド２を略コ字状に覆
うように配置され、発光ダイオード１から導光ロッド２
を経て板状導光体３へ光が伝播する際に、光漏れを少な
くする構造になっており、内面は反射率が高くなるよう
に構成されている。例えば、薄い金属板や、樹脂製のシ
ートに銀、アルミなどの反射率の高い材料を蒸着したも
のがある。光源装置ＳＵは、発光ダイオード１と、発光
ダイオード１から出射される点状の光を線状に変換する
導光ロッド２で構成され、照明装置ＬＵは、光源装置Ｓ
Ｕと、線状の光を面状に変換する板状導光体３と、リフ
レクタ４で構成され、板状導光体３の凹凸３ａに対向す
る面３ｃ側に反射型液晶パネル５を重ねて反射型液晶表
示装置とする。ここで、発光ダイオード１は導光ロッド
２から０．５ｍｍ離れた位置（符号Ａで示される距離が
０．５ｍｍ）に実装されている。

【００２０】導光ロッド２及び板状導光体３は、側面に
凹凸２ａ，３ａが形成されていない場合、入射された光
は導光ロッド２及び板状導光体３の内部を全反射しなが
ら伝播する屈折率構造となっている。ここで、導光ロッ
ド２及び板状導光体３の一側面に凹凸２ａ，３ａを設け
ることによって、伝播光が凹凸２ａ，３ａにおいて反射
したときに、全反射条件が崩れて凹凸２ａ，３ａに対向
する出射面２ｃ，３ｃから光が出射するようになる。

【００２１】光源装置ＳＵ及び照明装置ＬＵにおける光
の伝播は、図１、図２及び図４に示される。まず、発光
ダイオード１から出射された光は導光ロッド２の内部を
反射しながら伝播し、凹凸２ａにて反射した光が光源装
置ＳＵの出射光として出射面２ｃから出射される。次
に、光源装置ＳＵからの出射光は、板状導光体３の入光
面３ｃから入射し、板状導光体３の内部を全反射しなが
ら伝播する。伝播光が板状導光体３の上面に設けられた
凹凸３ａによって反射したときに、全反射条件が崩れて
出射面３ｃから出射する。そして、その出射光が反射型
液晶パネル５を照明する。

【００２２】ここで、発光ダイオード１と導光ロッド２
との距離をＡとし、導光ロッド２に入射された光が最初
に凹凸２ａに到達する部分と導光ロッド２の入光面２ｂ
までの距離をＢとし、発光ダイオード１の出射光の空気
中（屈折率は１）の立体角を２α、同様に導光ロッド２
内部における立体角を２βとする（図１においてはそれ
ぞれの立体角の半分であるα、βを図示している）。こ
こで、導光ロッド２の出射面２ｃから出射される光の強
度は、入射光Ｌが凹凸２ａに直接到達して出射面２ｃ方
向へ反射された成分と、凹凸２ａが施されない面にて一
度もしくはそれ以上反射を繰り返して凹凸２ａに到達し
て出射面２ｃ方向へ反射された成分との和である。導光
ロッド２の屈折率構造は、発光ダイオード１からの入射
光を全反射するように設計されているが、理想的な構造
とすることは困難であり、反射を繰り返すたびにその一
部が導光ロッド２の外部に漏れる等して減衰されてしま
う。本発明は、出射面２ｃから出射される光の強度を大
きくするために、この入射光Ｌが凹凸２ａに直接到達し
て出射面２ｃ方向へ反射される成分の割合をできるだけ
多くすることを実現させるものである。

【００２３】導光ロッド２は、光学特性に優れるアクリ
ル樹脂であり、屈折率は約１．４９となっている。この
とき、αとβは、導光ロッド２の入光面２ｂを界面とす
る入射角αと屈折角βの関係にあり、スネルの法則によ
り数式１を満たす。

【００２４】

【数１】

【００２５】これにより、図５に示す距離Ｃと図１に示
す距離Ａ，Ｂの関係は、数式２のようになる。

【００２６】

【数２】

【００２７】すなわち、発光ダイオード１から導光ロッ
ド２方向への距離に関して、立体角２αにて進む場合に
比べて、立体角２βで進む場合の方が屈折率の割合に応
じてより長く必要となるため、発光ダイオード１から出
射された光が、大きな立体角２αにて進むことなく全て
小さな立体角２βで進んだ後に凹凸２ａにて反射される
場合の距離Ｃに比べて、大きな立体角２αで進む場合の
距離Ａと小さな立体角２βで進む場合の距離Ｂの和（Ａ
＋Ｂ）の方が小さくなる。

【００２８】さらに、本実施の形態においては距離Ａは
０．５ｍｍであるが、立体角２βで進む距離Ｂを小さく
するために立体角２αで進む距離Ａを０．５ｍｍより大
きくすることにより、距離Ａと距離Ｂの和全体（Ａ＋
Ｂ）を小さくすることが可能である。距離Ｂを最小にす
るためには、立体角２αで進む光を、導光ロッド２に施
された凹凸２ａのうち最も発光ダイオード１に近い部分
に直接到達させるように入射させればよい。これによ
り、入射光が直接到達する凹凸２ａが導光ロッド２に施
された全ての凹凸２ａに相当することとなり、出射光強
度のムラがほとんどなくなる。

【００２９】ここで、本実施の形態の光源装置ＳＵ及び
照明装置ＬＵは、パーソナルコンピュータや携帯情報端
末等の液晶表示装置に用いられるものであり、その場合
における導光ロッド２と発光ダイオード１の実装に関し
て、それぞれの部品の公差や実装精度から、上記の様に
入射光Ｌが、導光ロッド２に施された全ての凹凸２ａに
直接到達するような距離Ａを一般的なパーソナルコンピ
ュータ及び携帯情報端末に関して実験等により検討し
た。その結果、上記の現象が確実に再現できる距離Ａ
は、約０．５ｍｍ以上であることが分かった。しかし、
距離Ａをあまりに大きくしすぎると、発光ダイオード１
からの出射光の一部が導光ロッド２の入射面２ｂからは
み出ることとなり、導光ロッド２からの出射光強度が小
さくなるばかりでなく、照明装置ＬＵの小型化が図れな
くなるため、距離Ａは０．５ｍｍより大きくとも０．５
ｍｍに近い数値であることが望ましい。また、本実施の
形態における導光ロッド２はアクリル樹脂であり、その
屈折率は約１．４９であり、距離Ａの部分は空気である
が、本発明はこれに限らず、距離Ａに相当する部分に導
光ロッド２より低い屈折率の物質を挟み込む等により、
導光ロッド２の屈折率が距離Ａの部分の屈折率より高い
ものとすれば、同様の効果を有する。また、導光ロッド
２の入光面２ｂに対抗する面にまでリフレクタ４を延伸
させたり、金属シート等を配したりして、この面の反射
率を高めることは、導光ロッド２から光が外部に漏れる
ことを防ぐために有効である。さらに、本実施の形態の
光源装置ＳＵ及び照明装置ＬＵは、反射型液晶表示装置
に使用されるものであるが、本発明はこれに限るもので
はなく、透過型もしくは半透過型液晶表示装置のバック
ライトに適用することも可能である。また、光源装置Ｓ
Ｕを従来の照明装置等における蛍光管等に置き換えるこ
とも可能である。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の光源装置
及びこの光源装置を使用した照明装置によれば、一つの
側面に凹凸が施された導光ロッドの入射面と発光ダイオ
ードの出射面との距離を所定の長さに設定して、入射光
が導光ロッドの屈折率より低い屈折率の物質（空気等）
を進んだ後に導光ロッドへ入射されることにより、入射
光が直接到達する凹凸の範囲を広げることができる。こ
れにより、光源装置の導光ロッドからの出射光強度のム
ラを少なくすることができ、従来はこのムラにより無駄
となっていた部分を少なくすることができる。したがっ
て、光源装置及びこれを使用した照明装置の出射光強度
のムラをなくし、同時に、小型化することが可能とな
る。

【００３１】さらに、導光ロッドへの入射角が発光ダイ
オードの出射光の立体角の半分となる光が、導光ロッド
に施された凹凸のうち最も発光ダイオードに近い部分に
入射されるように、発光ダイオードと導光ロッドの距離
を０．５ｍｍ以上に保つことにより、導光ロッドに施さ
れた全ての凹凸に対してムラなく入射光が直接到達する
ため、導光ロッドの出射光強度をほぼ均一とすることが
できる。したがって、光源装置の出射光強度のムラがさ
らに小さく、また、さらに小型の光源装置及びそれを使
用した照明装置を得ることが可能となる。

【００３２】

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施の形態の発光ダイオードと導光ロッドを
上面から見た概略図

【図２】本実施の形態の照明装置を上面から見た概略図

【図３】従来の照明装置を上面から見た概略図

【図４】従来の照明装置の概略断面図

【図５】従来の照明装置における発光ダイオードと導光
ロッドの概略図

【符号の説明】

１ 発光ダイオード（点光源） ２ 導光ロッド ２ａ 凹凸 ２ｂ 入光面 ２ｃ 出射面 ２ｄ 導光ロッドの長さ ３ 板状導光体 ３ａ 凹凸 ３ｂ 入光面 ３ｃ 出射面 ４ リフレクタ ５ 反射型液晶パネル Ａ 発光ダイオードと導光ロッドの距離 Ｂ 導光ロッドに入射された光が最初に到達する凹
凸と入光面までの距離 Ｃ 導光ロッドに入射された光が最初に到達する凹
凸と入光面までの距離 α 発光ダイオードの空気中における立体角の半分 β 発光ダイオードの導光ロッド中における立体角
の半分 Ｌ 導光ロッドへの入射光

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 点状に発光する発光ダイオードと、略直
   方体形状の透明な導光ロッドとを備え、 上記導光ロッドの長手方向に面し、略同一面積である四
   側面のうちの一つの側面には、プリズム効果のある凹凸
   が施され、上記発光ダイオードは導光ロッドの長手方向
   に直交する面側に配され、発光ダイオードから出射され
   る光は、導光ロッドの屈折率より低い屈折率の物質を進
   んだ後に導光ロッドへ入射されることを特徴とする光源
   装置。
2. 【請求項２】 前記発光ダイオードから出射される光の
   うち、発光ダイオードの出射光の立体角の半分となる角
   度で導光ロッドの凹凸が施された面の方向に入射される
   光が、導光ロッドに施された凹凸のうち最も発光ダイオ
   ードに近い凹凸部分に入射されるように、発光ダイオー
   ドと導光ロッドの距離が保たれていることを特徴とする
   請求項１記載の光源装置。
3. 【請求項３】 上記光源装置は、パーソナルコンピュー
   タや携帯情報端末等に用いられる液晶表示装置に使用さ
   れるものであり、前記発光ダイオードと導光ロッドの入
   射面との距離が０．５ｍｍ以上であることを特徴とする
   請求項１又は請求項２記載の光源装置。
4. 【請求項４】 前記導光ロッドの凹凸が施された面の対
   向側に、透明な板状導光体の側面が配され、上記板状導
   光体の対向する広面のうちの一つの面にプリズム効果の
   ある凹凸が施され、上記凹凸の施された面に対向する面
   側に配された被照射物に向けて、前記光源装置から入射
   された光を出射することを特徴とする請求項１乃至請求
   項３のいずれかに記載された光源装置を使用した照明装
   置。