JP2005123046A - 照明装置及びこれを用いた表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 プリズム状凹凸が平行に直線配置された導光板からの発光は輝部と暗部の縞模様となっている。一方、液晶パネルの画素電極も特定のピッチで配置されているため、その輝部と液晶パネルの画素が干渉して強いモアレが発生し、表示品位が大きく低下するという課題を解決する。
【解決手段】 プリズム状凹凸のパターンを波型にすることにより、輝度を落とさずにモアレを減少させた。さらに、出光面にドットパターンを配置し、出光面と対向する面に波型形状のプリズムパターンを形成した。これにより、輝度を落とさずにモアレを減少するとともに出光面から出射される光の均一性を向上させた。
【選択図】 図２

Description

本発明は、光源からの光を光出射面から照射する照明装置、並びに、携帯電話やＰＤＡ等に使用している非自発光型の表示装置に関する。

液晶表示パネルは、電界や電流或いは温度によって液晶分子の配列状態や相変化が起こり、液晶状態での光の干渉、散乱、回折、旋光、選択散乱、吸収などの光学的性質が変化することを動作原理としている。通常は、対向する電極間に電圧を印加して液晶層を制御することにより、液晶パネル上に表示を行う。液晶パネルは非自発光性であるため、表示を可視化するには外光やバックライトの発光を利用する必要がある。

一般的に、液晶表示装置等の非自発光型の表示装置に使用するバックライトは平面形状の発光装置であり、現在は導光体方式が主流である。バックライトの光源には、ＥＬ、ＬＥＤ、ＣＣＦＬ、等を使用している。導光体方式のバックライトでは、光源からの光が発光面を均一に照射するように、導光体の裏面に光散乱体が設けられている。光散乱体は、印刷によるパターンや、成型による溝パターン等の凹凸のパターンを持った散乱体により形成されている。このような構成のバックライトでは、光源からの光が導光体の内部を進み、光散乱体（例えば印刷ドットパターン）で散乱され、散乱された光が光拡散シートから出射する。このとき、光散乱体によって散乱された光のうち一部の光は導光体の表面から出射するが、その他の光の一部は導光体の裏面や側面に漏れることになる。この漏れ光が再度導光体に入射するように、導光体の側面と底面（発光面の反対側）に９０％以上の高い反射率を有するシート状の反射板を取り付ける光学設計がなされている（例えば、特許文献１を参照）。

カラー化や高精細化等に伴い液晶セル等の光透過率が低下する一方で、明るくて見やすい液晶表示装置が求められている。それを可能とする低消費電力で薄型・小型軽量のバックライトを提供するために、上下面の少なくとも一方にプリズム状の凹凸を周期的に配して、側面からの入射光を上下面の一方より効率よく出射するサイドライト型バックライトの導光板が提案されている（例えば、特許文献２を参照）。通常、この周期、すなわち凹凸のパターンピッチは２０〜３０μｍの範囲で一定である場合が多い。

導光板には、光源の波長域に応じて透明性を示す適宜な材料が用いられる。可視光域で透明性を示す材料として、例えばアクリル系樹脂やポリカーボネート系樹脂、エポキシ系樹脂等に代表される透明樹脂やガラスなどがあげられる。導光板は、このような材料を切削法等の適宜な方法で形成される。好ましい製造方法としては、熱可塑性樹脂を所定の形状を形成しうる金型に加熱下に押し付けて形状を転写する方法、加熱溶融させた熱可塑性樹脂あるいは熱や溶媒を介して流動化させた樹脂を所定の形状に成形しうる金型に充填する方法、熱や紫外線ないし放射線等で重合処理しうる液状樹脂を所定の形状を形成しうる型に充填ないし流延して重合処理する方法などが、量産性等の点から優れている。

また、明るさの均等性に優れた光出射面を形成するために、液晶パネルと導光板の間に拡散層が設けられている（例えば、特許文献３を参照）。拡散層を設けることにより、その光散乱による隣接光線の混交等に基づいてモアレの低減や明暗ムラの発生を防止することが可能となり、明るさの均等性に優れたバックライトが形成できる。
特開２００２−２４５８２７号公報（第２頁、第９図） 特開平９−１０２２０９号公報（第４〜５頁） 特許第３２８６２３９号公報

従来技術の導光板ではプリズム状凹凸が一定ピッチで配置された構造であるため、導光板からの発光は必然的に輝部と暗部の縞模様となっている。一方、液晶パネルの画素電極も特定のピッチで配置されているため、その輝部と液晶パネルの画素が干渉して強いモアレが発生し、表示品位が大きく低下する問題点があった。このモアレは、導光板におけるプリズム状凹凸のピッチを画素サイズよりも充分に小さくするか大きくすることで解決しうる。ちなみに１００μｍ×３００μｍの画素サイズに対しては、プリズム状凹凸のピッチを２０μｍ以下、又は、３ｍｍ以上とすることでモアレを解決しうる。しかしプリズム状凹凸のピッチを小さくする場合には、プリズム状凹凸を介して干渉や回折を生じやすい導光板となり、光出射率の低下や光の分散で表示品位が低下するおそれがある。また、プリズム状凹凸の微細度が増すことになるため、その高さを数μｍ以下、場合により１μｍ以下とする必要が生じ、導光板の製造が困難になると共に、プリズムの丸み等で出射特性も低下しやすくなる課題があった。一方、プリズム状凹凸のピッチを大きくする方式では、各画素への光供給のバラツキが大きくなって表示品位が著しく低下する課題がある。プリズム状凹凸のピッチを入射側面側より順次単調に小さくした導光板の提案もあるが、これは出射光強度の均一化に有効であっても、モアレの防止効果には乏しく、特に至近距離で視認した場合に強いモアレが発生した。

一方、拡散板により発光を平準化してモアレ問題を解決する公知方式の適用では、導光板の利点を減殺する難点があった。すなわち、拡散板により輝部と暗部の縞模様を平準化する方法では、その拡散特性がガウス分布的であるためモアレを解消するために広範囲の拡散性が要求される。そのため、出射光の指向性が低下して、液晶パネルの視認に有効な方向の出射光量が低減し、不必要な方向への出射光量が増大することとなり、有効利用できる光量が低下するという課題があった。また、拡散板による後方（反射）散乱等のために光利用効率が低下し、透過型と反射型のいずれの液晶表示装置でも輝度が低下するという課題もあった。

上述した課題を解決するために、本発明は、従来はプリズム状の凹凸を平行に直線配置しているのに対して、波型に配置すること及びプリズム面の対向面に六角錐もしくは八角錐のドットパターンを配置することを特徴とする面光源装置、及びその面光源装置における光出射側に表示装置を有することを特徴とする透過型又は半透過型又は反射型の表示装置のバックライトを提供するものである。

すなわち、本発明の照明装置は、光源と、入光面と出光面を有する導光体を備えるとともに、光源からの光が入光面から導光体の内部に入射し、出光面から出射する照明装置であって、導光体には波型形状のプリズムパターンが設けられている。さらに、波型形状のプリズムパターンの中心線は入光面と略平行になるように設けられている。また、複数ある波型形状のプリズムパターンのうち、隣接するプリズムパターンの間隔は入光面から離れるにつれて狭くなるように形成されている。より詳細には、Ｎ番目のプリズムパターンとＮ＋１番目のプリズムパターンの間隔Ｐ_（Ｎ）（μｍ）が、Ｐ_（Ｎ）＝αＥＸＰ（−０．０１Ｎ）+βを満たすこととした。ただし、係数α＝０．２〜０．３、係数β＝０．０２〜０．０４、Ｎ：プリズム頂角の番地、とする。

また、波型形状のプリズムパターンは導光体の出光面と対向する底面に設けられ、出光面にはドットが形成された構成とした。さらに、このドットを正６角錐または正８角錐で形成した。

また、本発明の表示装置は、入光面と出光面を持った導光体と光源とを有する照明装置と、導光体の出光面側に設けられた表示パネルとを備える表示装置であって、光源からの光が入光面から導光体の内部に入射し、出光面から出射するとともに、導光体には波型形状のプリズムパターンが設けられた構成である。さらに、波型形状のプリズムパターンの中心線は入光面と略平行になるように設けられている。さらに、表示パネルの表示画面を構成する画素のピッチに対して、画素の縦方向（入光面と略平行な方向）のピッチ＜プリズムパターンの波長＜２.５×画素の縦方向ピッチ、及び、画素の横方向ピッチ＜プリズムパターンの振幅＜２．５×画素の横方向ピッチ、を満たすように、プリズムパターンの波形が設定されている。

モアレの低減や明暗ムラの発生を防止して明るさの均等性に優れる照明装置が実現できる。従来のモアレ解消用拡散板では導光板から出射する光の指向性の低下や光利用効率の低下などの課題があるが、本発明の照明装置によれば、拡散範囲が狭い拡散層として形成できるため、導光板等による指向性の出射光の拡散を抑制できてその指向性を効率的に維持でき、光の有効利用効率に優れるものとすることができる。

本発明の照明装置を図面に基づいて説明する。図１は本発明の照明装置を側面から観察した模式図であり、図２は上面から観察した模式図である。図示するように、光源であるＬＥＤ３と入射側面からの入射光を上下面の一方より出射する導光体４を備えている。導光体は、一般に上面、それに対向する下面、及び上下面間の側面であり、光源から光が入射する入射側面を有している。ここで、導光体４の上面は光出射面１であり、プリズム状凹凸が設けられている。一方、光出射面１と対向する導光板４の底面２は非プリズム面である。光源のＬＥＤ３から入射した光を導光体４内で導波し、プリズムが形成された光出射面１から出光する。図２に示すように、プリズム状凹凸は波型に形成されており、この波型が繰り返して配置されている。図３に導光体に形成されたプリズムパタ−ンの平面拡大形状と表示素子の画素ピッチサイズとの関係を示す。プリズムパタ−ン６はプリズム状凹凸の凸部（又は凹部）のみを注目してプロットした曲線である。ここで、（画素の縦方向ピッチB）＜（プリズムパターンの波長D）＜（２.５×画素の縦方向ピッチB）、及び、（画素の横方向ピッチＡ）＜（プリズムパターンの振幅Ｃ）＜（２．５×画素の横方向ピッチＡ）、を満たす範囲でパターンを形成する。これにより、導光体４の高輝度特性を維持しつつ、出射光の輝部と画素との干渉によるモアレの低減を達成することができる。なお、縦方向とは、導光体４の光入射面の設定方向に対して平行な方向を意味しており、横方向とは垂直な方向を意味している。さらに、波型形状のプリズムパターンの中心線は導光板の入光面と平行になるように設けられている。図３では、一つの画素が３つのドット（ＲＧＢ）で構成された場合を例示しているが、一つのドットで一つの画素を構成している、例えば、白黒表示の非自発光型表示パネルの場合にも、上述のＡ、Ｂの寸法は一つの画素を基準とする。

さらに、導光体入光部からの光をより均一に出射させるために、プリズム状凹凸の頂点間のピッチは下記の式１に従い変化していく。入光部が広ピッチであり離れるにつれ狭ピッチ化していく。
OLE_LINK3Ｐ_（Ｎ）＝αＥＸＰ（−０．０１Ｎ）+β・・・（式１）
OLE_LINK3 ここで、係数α＝０．２〜０．３、 係数β＝０．０２〜０．０４、 Ｐ_（Ｎ）：ピッチ（μｍ）（Ｎ番目のプリズムパターンとＮ＋１番目のプリズムパターンの間隔） Ｎ：プリズム頂角の番地、αとβの値は導光体のサイズにより異なる。

また、プリズム状凹凸は導光体の上下の面いずれに形成しても輝度上昇の効果がある。下面にプリズム状凹凸を形成する場合には、上面にシボ加工でドットを形成して上面に拡散機能を持たせることにより、輝度の均一性を向上することも可能である。

以下に、非自発光型の表示素子として液晶パネルを用いた実施例を図面に基づいて説明する。

図４に本実施例の表示装置の概略側面図を示す。液晶パネル９は、電極パターンが形成された一対の透明基板をパターン面が互いに対向するように配置された構成であり、基板間の間隙に液晶が設けられ、また、上下には偏光板等の光学フィルムが設けられている。液晶パネル９の下側に導光体４が配置され、ＬＥＤ３からの光を導波し、光出射面１から出光する。導光体４の光出射面１はプリズムが形成されたプリズム面１であり、一方、光出射面１と対向する導光板４の底面２はフラットな形状で、非プリズム面である。さらに、反射シート７が導光体４の下側に配置されている。これにより、光の漏れが防止され、光の利用効率の上昇に寄与する。

図５に本実施例の液晶パネル９のドットパターン１０と、導光体の波型プリズムの正面拡大形状８との関係を示す。液晶パネルのドットピッチは縦方向が１５０μｍである。波型プリズムの波長は３００μｍであり、図３に示す（ドット縦ピッチＢ）＜（プリズムの波長Ｄ）＜（２.５×ドット縦ピッチＢ）の範囲内に収まる。横方向のドットピッチは１２０μｍであり、波型プリズムの振幅は２４０μｍとすると、図３の（ドット横ピッチＡ）＜（プリズムの振幅Ｃ）＜（２．５×ドット横ピッチＡ）の範囲内となる。本実施例では液晶パネル９の有効表示エリアは２インチである。

図１０はプリズム状凹凸が導光体４の上面に凸形状に設けられた場合のプリズムの断面拡大図である。プリズム形状は二等辺三角形の突起であり、高さＨは５μｍで、頂角１８は１２０°であり、底角１９、２０は等しく３０°である。

図１１はプリズム状凹凸が導光体４の上面に凹形状に設けられた場合のプリズムの断面拡大図である。プリズム形状は断面が二等辺三角形の溝であり、深さＨは５μｍで、頂角１８は１２０°であり、底角１９、２０は等しく３０°である。

このように、波型のプリズムパターンを持つプリズム状凹凸を導光体に形成することにより、ＬＥＤ３からの光は、反射シート７と導光体４の間で反射と回折を繰り返して、導光体の上面から出光する。プリズムパターン形状が波型であるので、液晶パネルのドットと干渉することはなく、モアレの発生を防止できる。

また、プリズム頂角間のピッチＰを前述の式１に従って変化させると、出射面の輝度分布がより均一になる。本実施例では、液晶パネルの有効表示エリアにあわせて導光体を２インチとした。そのため、αの値は０．２２、βの値は０．０３程度とすることが望ましい。

本実施例の表示装置を図６〜図９に基づいて説明する。図６は本実施例の表示装置の構成を模式的に示す側面図である。液晶パネル９の下側には導光体１４が配置されている。導光体１４の出光面１１にはドットが形成され、出光面１１と対向する底面１２には、実施例１と同様のプリズム状凹凸が形成されているＬＥＤ３からの光は導光体１４により導波されて出光面１１から出射する。反射シート７を導光体１４の下側に配置することで、導光体の底面側に漏れた光が再度導光体に入射することになるので光の漏れが防止され、光の利用効率が上昇する。

次に、導光体１４の出光面１１に形成されるドットに関して詳細に説明する。図７は導光体を出光面１１側から見たの模式的な平面図である。出光面１１にはドット１３が形成されている。図８に、ドット１３の形状を正６角錐とした例を示す。図８（ａ）は正６角錐のドット１５を上方から見た模式図であり、図８（ｂ）は側面側から見た模式図である。正６角錐の幅と高さは２０〜５０μｍの範囲内である。図９に、ドット１３の形状を正８角錐とした例を示す。図９（ａ）は正８角錐のドット１６を上方から見た模式図であり、図９（ｂ）は側面側から見た模式図である。正８角錐の幅と高さは２０〜５０μｍの範囲内である。

本実施例においては、ＬＥＤ３から出射した光は導光体１４の下面の波型プリズムと反射シート７の間で反射と回折を繰り返し、導光体１４の上面であるドット加工面から出光する。ドット加工面を介すことにより拡散効果を持たせることができ、面全体の光均一性が向上する。さらに、ドット形状を円錐やドーム形状ではなく６角錐、もしくは８角錐とすることにより、光の制御性を増すと共に金型加工用の掘り込みバイトの加工安定性を得ることができる。

均一な発光面をもつ薄型の照明装置が容易に実現できるので、携帯電話やＰＤＡ等の電子機器に用いられている非自発光型の表示装置に適応できる。

本発明の照明装置の概略構成を模式的に示す側面図である。 本発明の照明装置の概略構成を模式的に示す平面図である。 本発明による照明装置の導光体の波型プリズムと表示素子のドットサイズとの関係を説明する模式図である。 本発明による表示装置の概略構成を模式的に示す側面図である。 本発明の表示装置で用いた導光体の波型プリズムと表示素子のドットサイズの関係を説明する模式図である。 本発明による実施例２の表示装置の概略構成を模式的に示す側面図である。 本発明による実施例２の導光体のドット面を示す平面図である。 本発明による実施例２の導光体のドット形状を示す拡大平面図と側面図である。 本発明による実施例２の導光体のドット形状を示す拡大平面図と側面図である。 上面凸状のプリズムが形成された導光体を示す拡大側面図である。 上面に凹状のプリズムが形成された導光体を示す拡大側面図である。

符号の説明

１ 導光体の光出射面
２ 導光体の底面
３ ＬＥＤ
４ 導光体
５ 横方向の画素ピッチＡ、縦方向の画素ピッチＢのドットパターン
６ 波型のプリズムパターンの平面拡大形状
７ 反射シート
９ 液晶パネル
１１ 導光体の出光面
１２ 導光体の底面

Claims (8)

1. 光源と、入光面と出光面を有する導光体を備えるとともに、前記光源からの光が前記入光面から前記導光体の内部に入射し、前記出光面から出射する照明装置であって、前記導光体には波型形状のプリズムパターンが設けられたことを特徴とする照明装置。
2. 前記波型形状のプリズムパターンの中心線が前記入光面と略平行に配置されたことを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
3. 前記波型形状のプリズムパターンのうち、隣接するプリズムパターンの間隔が、前記入光面から離れるにつれて狭くなることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
4. 前記波型形状のプリズムパターンにおいて、Ｎ番目のプリズムパターンとＮ＋１番目のプリズムパターンの間隔Ｐ_（Ｎ）（μｍ）が、
   Ｐ_（Ｎ）＝αＥＸＰ（−０．０１Ｎ）+β （ここで、係数α＝０．２〜０．３、係数β＝０．０２〜０．０４、Ｎ：プリズム頂角の番地）を満たすことを特徴とする請求項３に記載の照明装置。
5. 前記波型形状のプリズムパターンが前記導光体の出光面と対向する底面に設けられ、前記出光面にはドットが形成されたことを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の照明装置。
6. 前記ドットが正６角錐または正８角錐であることを特徴とする請求項５に記載の照明装置。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の照明装置と、前記導光体の出光面側に設けられた表示パネルとを備えることを特徴とする表示装置。
8. 前記表示パネルの表示画面を構成する画素のピッチに対して、前記プリズムパターンの波形が、（画素の縦方向ピッチ）＜（プリズムパターンの波長）＜（２.５×画素の縦方向ピッチ）、及び、（画素の横方向ピッチ）＜（プリズムパターンの振幅）＜（２．５×画素の横方向ピッチ）、を満たすことを特徴とする請求項７に記載の表示装置。

Images