JP2008059786A - 照明装置およびこれを備える表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 良好な輝度分布と色特性を有する直下型照明装置を及びそれを用いた液晶表示装置を提供する。
【解決手段】 回路基板上に配置された光源と、微細プリズムが形成された出射面と、光源からの光を導光板内部に導くための凹部が形成された対向面とを有する導光板を備えており、凹部は大きさや形状の少なくとも一方が異なる開口面をもった複数の凹部の組み合わせで構成され、さらに光源が凹部の開口面の近傍に配置されている。また、凹部の上方には光拡散層を設けた拡散板を配置する。以上の構成により、均一な輝度分布を持つ広い発光面を省電力で実現することができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、非自発光型の表示素子を照明する照明装置、及び、電子機器に用いられる表示装置に関する。特に、携帯情報機器、携帯電話、液晶テレビ等に用いられる液晶表示装置に関する。

近年の携帯電話やモバイルコンピュータなどに用いられる表示装置には、高精彩カラー画像を低消費電力で得ることができる液晶表示装置が多く用いられている。液晶表示装置に用いられる液晶素子は非自発光型であるため、高輝度の白色ＬＥＤを光源とする照明装置を用いて液晶素子を照明している。

一方、ＬＥＤ光源を用いたバックライトは中型・大型液晶表示装置にも用いられつつある。ＬＥＤ光源を用いたバックライトとしては、小型液晶表示装置と同様にバックライトの側面から光を導入するサイドライト型バックライトが多用されてきたが、照明画面が大きくなるに従ってＬＥＤ光源の数は数百個にもなるものが出現している。このような大量のＬＥＤ光源を用いることなく中型・大型液晶表示素子を照明するために、これら中型・大型液晶表示素子の背面から直接照明光を照射する、いわゆる直下型照明装置が考案されている。この直下型照明装置は、１つのＬＥＤ光源でより広い領域を照射するために、ＬＥＤ光源の近傍真上に光拡散構造を設けて実質的に光照射領域を広げる工夫をしたものがある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−１４３６５号公報

しかしながら、従来の直下型照明装置は、ＬＥＤ光源からの幅の狭い放射光を導光板内部に効率良く分散できていないため、不均一な輝度分布が得られるという課題を有していた。また、ＬＥＤ光源の近傍真上に設けられた光拡散構造は、ＬＥＤ光源の発光面に対して距離が短くかつ狭い放射光を十分に広げるような構造になっていないため、広範囲な領域を照射することができず、多数のＬＥＤ光源を必要とするという課題を有していた。さらに、光拡散効果は主に導光板の細部形状により実現されているが、中型・大型の液晶表示素子を照明するためには、その大きさに合わせた導光板を用いる必要がある。また照明装置の重要な特徴として色成分が挙げられるが、ＬＥＤを用いた照明装置の場合は主に色再現範囲を高めるため、多色のＬＥＤを複数個組み合わせて光源として用いられる。しかし、ＬＥＤの発色は発光素子のばらつきによる影響を受けやすく、目標の色を得るのが難しい。

本発明は、良好な輝度分布と色特性を有し、かつ少ないＬＥＤ光源を用いて、中型・大型にも対応可能な直下型照明装置と液晶表示装置を実現することを目的とする。

本発明の照明装置は、回路基板上に配置されたＬＥＤ光源と、ＬＥＤ光源側に配置された導光板を備えており、導光板にはＬＥＤ光源からの出射光をその導光板の内部に分散させるための凹部が形成されており、ＬＥＤ素子が凹部の開口面近傍に配置されている。導光板の光の入出射面には、導光板内外への光の取り出し効率を上昇させるための微細プリズム構造を形成する。また、凹部は導光板の光入射面側に形成し、出射面側まで貫通する形状にすることもできる。導光板の入射面側には凹部の側面に入射しない光線成分を拡散させるため、反射と拡散を目的としたパターンを印刷した拡散板を配置する。さらに凹部の形状として、断面が円形のものや四角形の形状を用いることができる。また、導光板に形成された凹部の開口面近傍と照明目的により光が出射される面となる最終出射面を除いて、導光板を覆うように光反射素材を配置する。さらに、大型の照明装置に用いる導光板は、複数の導光板を組み合わせて構成する。

このような構成によって、ＬＥＤ光源が照射する領域を把握することができ、ＬＥＤ光源からの光を導光板内部に効率的に導くことができるようになり、光出射強度と輝度分布を制御することが可能となる。これにより輝度分布を向上させるのみならず、より少ないＬＥＤ光源の数で効率的な照明を行うことが可能となった。また、大サイズの照明装置に用いる場合も、大型の成型機により同じサイズの導光板を成形する必要はなく、通常の成型機により作製された小型導光板を組み合わせた導光板により、同等の性能を持つ照明装置を得ることができた。

またＬＥＤ光源からの光を変換する機能を有する色変換材をＬＥＤ直上の凹部や導光板出射面側に配置する。色変換材は主に蛍光体を用い、形態としては蛍光体を印刷したフィルムや、樹脂に混入させて硬化させたブロック形状などが用いられる。

以上のような構成によって、ＬＥＤ光源からの光が不足する色成分を補うことができ、または微妙な色のずれを修正することができ、かつ色再現範囲も従来の白色ＬＥＤを使用したものと比較した向上させることができた。

以上のように本発明によれば、良好な輝度分布と色特性を有する直下型照明装置が実現できるとともに、照明装置の省電力化が図れる。

本発明の照明装置は、回路基板上に配置された光源と、微細プリズムが形成された出射面と、光源からの光を導光板内部に導くための凹部が形成された対向面とを有する導光板と、導光板の出射面側に設けられた、光反射層を有する拡散板を備えている。そして、凹部は大きさや形状の少なくとも一方が異なる開口面をもった複数の凹部の組み合わせで構成されており、さらに光源が凹部の開口面の近傍に配置されている。このような構成によれば、光源からの光を導光板内部に効率的に導くことができるようになり、光源が照明できる領域を広くすることができるとともに、出射面の輝度分布を制御することができる。

さらに、光反射層を凹部の直上に位置するように設けることにより、出射面の輝度分布が均一化する。また、凹部が導光板の出射面側まで貫通するように構成すると、輝度が向上することとなる。

また、上述の光源と導光板で構成される一つのユニットを複数個配列して照明装置を構成した。このような構成によれば、大型の照明装置が小さいサイズの導光板を用いることで実現できる。すなわち、大きい導光板を成形する必要がないので、成形可能な小型の導光板の組み合わせで容易に大型の照明装置を実現できる。さらに、ユニットを矩形状に構成し、格子状に配列することとした。このような構成によれば、全体の矩形化が容易であると同時に輝度分布の制御も容易になる。

さらに、特定の波長域の光を発光する光源を用いるとともに、入力した光を異なる波長域の光に変換する色変換材を導光板の凹部に設ける構成とした。これにより、色再現範囲の調整が容易となる。特に、光源を複数個用いる場合には、光源自体に色バラツキがあっても色変換材で補正することが可能になり、色度の均一化が可能になる。ここで、色変換材をブロック形状とし、凹部に挿入することも可能である。さらに、導光板の出射面側にフィルム形状の第二の色変換材を設ける構成とした。また、導光板の出射面側に、フィルム形状の第二の色変換材を設ける構成とした。第二の色変換材により変換された光と、色変換材により変換された光の色とが異なるように構成し、光源の光と合成することで色再現範囲の広い照明装置が実現できる。

また、本発明の表示装置は、非自発光型の表示素子と、表示素子を照明するために設けられた上述のいずれかの構成の照明装置を備えることとした。すなわち、本発明の表示装置は、上述のいずれかの構成の照明装置と、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ている。

本実施例の照明装置の構成を図１に模式的に示す。図１（ａ）は導光板の凹部の配置を表した平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）の直線ＰＱでの照明装置の断面図で、導光板の凹部と光源３の関係を表している。図示するように、光源３は発光面が導光板２側に向くように回路基板４上に設けられている。導光板２には光源３が設けられた位置の真上に凹部１が形成されている。図２は照明装置を部分的に拡大した断面を示している。このとき、光源３からの出射光がこの凹部１を照射するように構成されている。その結果、光源３から出射した光のうち凹部１の側面に照射された光は屈折し、導光板２の内部に導かれる。また凹部１の上部に照射された光は面に対する入射角が小さいため、屈折による効果は少なくそのまま導光板上面へ出射されてしまう。これを防ぐため導光板２上部に拡散板９を配置し、導光板２からの出射光を拡散させる。さらに拡散板に光反射層７を凹部１の上方に印刷することにより、凹部１の上方より直接出射してしまう光成分を導光板２の内部に戻し、更なる均一化を図ることができる。光源３より出射された光は、以上のような構成により均一化された輝度分布を得ることができ、面光源としての利用が可能となる。

さらに、導光板２の光源３が配置される側と反対の面である光出射面に微細プリズム構造８を形成すると、光線取り出しが効率的に行なわれるので明るさが向上するとともに、微細プリズムによる拡散効果により輝度分布が均一化するという効果が得られる。この微細プリズム構造は導光板２の各辺に平行な場合やある角度を持たせて形成され、これらの微細プリズムの交点が凹部１の中心に略一致するように構成すると、輝度分布の均一性が向上する。この微細プリズムのピッチは一定である場合や凹部１上方では密にして、凹部１から離れるに従って疎になるという構成にすることにより、光線の取り出し効率を調整することができる。

また、凹部１の形状は、光源３を格納するための凹部と光源３から出射された光を屈折効果により導光板２内部に導くための凹部の二段構造になっている。この形状を用いることにより、光源３を格納する効果と屈折による光拡散効果を得ることができ、また色変換材を容易に配置することができるようになる。

本実施例の照明装置を図面に基づいて説明する。全体の概要は図１と同様である。図２に本実施例の照明装置を部分的に拡大した断面を示す。図示するように、光源３は発光面が導光板２側に向くように回路基板４上に設けられている。図示していないが、回路基板４には各光源に電力を供給する配線が形成されており、これらの配線を外部の制御回路や電源に接続するコネクタも設けられている。光源の形態のひとつとして、光源３はＬＥＤ素子とこれを被覆する透光性被覆部で形成する形態がある。ＬＥＤ素子は、ワイヤーボンディングや導電ペーストなどにより回路基板４に形成されている配線に接続されている。別の形態としては、直下型のＬＥＤパッケージを設置する方法が挙げられる。このとき、ＬＥＤ素子の光出射面は導光板２側に向いている。導光板２は光透過性の良い透明樹脂で構成されている。導光板２には光源３が設けられた位置の真上に凹部１が形成されている。すなわち、ＬＥＤ素子の発光面がこの凹部１の開口面の近傍になるように構成されている。その結果、ＬＥＤ素子から出射した光のほとんどが凹部１に照射されて透過・屈折し、導光板２の内部に導かれる。内部に入射した光は導光板２の内部で全反射を繰り返す。このようにして導光板２の内部に導かれた光は、光源３の真上の領域に照射された光を除いて、全てが導光板２の内部で全反射を繰り返しながら導波する。このとき、ＬＥＤ素子の発光面が導光板２に設けられた凹部１の開口面と同一平面上、すなわち、同じツラ位置にあることが望ましい。

本実施例では、凹部１は二段構造をしており、光源３を導光板内部に格納する下段の凹部と光源３からの光を導光板２内部に導くための上段の凹部で構成される。一般的なＬＥＤ光源は光を放射状に出すため、凹部底面の形状はそれに合わせて円形を用いるのが望ましい。ただし、光源３を格納する下段の凹部については、円形ではなく矩形を用いても構わない。凹部形状の寸法は光源３が納まる大きさに形成し、かつ小さくする方が良い。導光板２の板厚を４ｍｍとすると、凹部全体の高さは３ｍｍとするのが適している。上段・下段の凹部の寸法は、用いる光源３の大きさにより定められる。

また、光源３は格子状に配置され、凹部１も同様に形成されている。また、微細プリズム構造が導光板２の出射面に形成されている。この微細プリズム８はその稜線が、図３や図４のように、格子状に配置された凹部１（もしくは光源３）を結ぶ各線に平行になるように通常形成されている。これらの微細プリズム構造は、凹部１（もしくは光源３）上方の点で交点を結んで、ある凹部からその隣の凹部までを結ぶ線上を一つの領域として、その領域内に存在する微細プリズム８のピッチを一定もしくは変化させたものを各領域に適用することができる。通常、領域内の微細プリズム８は図２のようにｐ０＝一定の等間隔のピッチで形成されるが、図５のようにｐ１＜ｐ２となるように凹部１上方付近を疎に形成し、そこから離れるに従い密に形成していくという形も可能である。また、通常は本実施例では、微細プリズム８の断面形状は二等辺三角形であり、その頂角は約９０度となっている。また、その高さは１０〜１００μｍ、斜辺の長さは２０〜２００μｍとすればよい。さらに、微細プリズム８がＬＥＤ上方から離れるに従って疎に形成される場合は、密な部分はプリズム間ピッチを３０〜１００μｍにし、疎な部分は３００〜６００μｍ、とする。このピッチを中心部からの距離の関数として考えると２〜４次関数となっている。このピッチの変化率を、導光板２の板厚の大きさや凹部間の配置などに応じて最適化することによって、導光板２の光出射面からの光の出射量を調整することが可能となり、その結果、輝度が均一な照明が実現できた。

また、図２に示したように、導光板から出射される光をより均一にするために導光板２の出射面側に拡散板９を設置する。拡散板９に用いるものとしては、アクリル系やポリスチレン系などの樹脂に白色顔料を混ぜたものなどが挙げられ、ヘイズ値は７０〜９０％程度のものが望ましい。さらに凹部１の上方から導光板２内部を導波することなく出射される光を、再び導光板２内部に戻すために凹部１の上方に相当する拡散板９の位置に光反射層７を形成する。この光反射層７は凹部１の上方より出射された光を再び導光板２の内部に戻す効果がある。光反射層７は銀や銀化合物またはアルミニウムを気相成長させて形成させたものや、ミラーインクのような反射効果を持つインクをスクリーン印刷などにより拡散板７に形成する方法がある。さらに光反射層７に拡散効果を持たせることにより、均一な光を得る効果が期待できる。この場合、樹脂バインダー中に白色顔料を混合させたインクをスクリーン印刷などにより拡散板７に形成する方法が適当である。この光反射層７の形状は、凹部１の上面の形状と同じものが望ましい。本実施例では、凹部１の上面は円形を用いているので、光反射層７も円形とする。光反射層７の大きさは凹部１の上部から出射する光を反射させるため、凹部１より大きくする必要がある。

回路基板４としては、通常良く用いられるガラスエポキシ基板やポリイミドフィルム基板などを用いることができる。これらの回路基板６は、容易に多層配線をすることができるために、多数のＬＥＤ光源をその上に実装するのに適している。

本実施例の直下型照明装置は、用いるＬＥＤ光源の数を同サイズのサイドライト型照明装置より３０〜５０％少なくしても、ほぼ同程度の輝度と良好な輝度分布が実現できた。

次に本実施例の照明装置を図に基づいて説明する。図６（ａ）は照明装置の概要を模式的に示した上面図であり、図６（ｂ）はその断面図である。本実施例では、導光板２が複数個の単位導光板６により構成されている。導光板２を構成する導光板の形状は、図２に示した形状と同じである。実施例１では、図２を照明装置の一部分を拡大したものとして用いたが、本実施例では図７は導光板２を構成する一つの単位導光板６を表している。この単位導光板６は、凹部１・微細プリズム８・光反射層７ともに実施例１と同じ構成のものを使用することができる。図７の単位導光板６は凹部１もしくは光源３を一個含んだ構成であるが、最終的に必要とする照明装置のサイズが大きくなる場合は、組み立て作業の時間が必要となるため、凹部１と光源３を２以上含んだ構成としてより大きな単位導光板を用いることが望ましい。本実施例においては、凹部を一個含んだ単位導光板６の大きさは３０ｍｍ〜５０ｍｍの正方形であり、凹部を四個含んだより大きな単位導光板は１２０ｍｍ〜２００ｍｍの正方形とする。凹部４円錐形状の場合よりさらに均一な照明装置を実現できる。その他については実施例１と同じ構成なので、省略する。

以上のような構成により、導光板の成形が難しい１９インチ以上の照明装置を、導光板を用いて実現することができた。

次に本実施例の照明装置を図に基づいて説明する。図８は照明装置の断面図を表している。図８では、拡散板９の上方出射面側に色変換シート１０を二枚設置している。また図９では、拡散板９の上方出射面側に色変換シート１０を一枚、凹部１の段差部分に色変換ブロック１１を設置している。ただし、各種色変換材からの発する色を効率よく混色させる場合は、色変換シート１０を拡散板９の下方入射面側に設置するのが望ましい。これらは光源３からの色変換を目的として用いられる。実施例１に記載した内容は、白色照明装置の光源として白色ＬＥＤを用いることを想定しているが、本実施例においては光源３から発せられる光を励起光とする色変換材を用いる。光源３に青色ＬＥＤ光源を用いた場合、使用する色変換材は青色光を緑色に変換する緑色蛍光体と、青色光を赤色光に変換する赤色蛍光体である。これらの２種類の色変換材により、青色光は白色光に変換され色再現範囲の広い照明装置が得られる。このような蛍光体としては、アルカリ土類金属の硫化物またはセレン化物に希土類元素をドープしたものや、イットリウムアルミニウムガーネットに希土類元素をドープしたものなど多くのものが知られている。ここで、アルカリ土類金属の硫化物やセレン化物は大気中の水分によって蛍光特性が劣化するものが多いために、色変換シート１０や色変換ブロック１１を作成する場合は、蛍光体を封入する材料として、シリコン樹脂やフッ化物樹脂、エポキシ樹脂などの非通水性材料を用いるのが望ましい。また、色変換シート１０は非通水性・非透湿性のあるフィルムを用いる必要がある。この耐水耐湿フィルムの種類としては、アルミナ蒸着コートを施したＰＥＴフィルムや多層コートを施したＰＥＴフィルムなどが挙げられる。通常は色変換材を上記樹脂に混入して、フィルムの片側に印刷したものを用いるが、更に耐水性・耐湿性を高めるためにフィルムをラミネートする方法が挙げられる。ラミネートの方法としては、ホットメルト剤や光学粘着によりフィルム同士を貼り合せるのが望ましい。

以上のような色変換材の種類と使用形態により、白色ＬＥＤよりも色再現性に優れた照明装置を実現することができた。

次に本実施例の照明装置を図に基づいて説明する。図１０〜図１１は照明装置を部分的に拡大して、模式的に示した断面図である。本実施例では、導光板２に設けられた凹部１の形状が実施例１と異なり、貫通穴となっている点である。それ以外は実施例１と同様なので詳細は省略する。図１０では凹部１の上段凹部が導光板２の出射面側まで貫通している。貫通させることにより、凹部上方での光の屈折がなくなり、より多くの光を導光板内部に導くことができる。図１１では凹部１の上段凹部が下段凹部よりも大きな穴径をしており、その上段凹部は出射面側まで貫通している。こちらも同様に導光板内部への光の導くことができ、また凹部内部に色変換ブロック１１を設置する場合、下段凹部の高さを調整することにより任意の高さに配置することができる。色変換ブロック１１はＬＥＤ光源からの熱により劣化するため、ＬＥＤ光源と色変換ブロック１１の間に隙間を設けることにより色変換材の寿命を伸ばすことができる。図１１の下段凹部の高さは、ＬＥＤ光源の高さに約１ｍｍ足したものが望ましい。貫通穴とすることにより、さらに均一で高輝度な直下型照明装置が実現できた。

図１２は本実施例の液晶表示装置の構成を模式的に示す斜視図である。図示するようにこの液晶表示装置は、上述の各実施例等で説明した構成の照明装置を用いて液晶素子を照明する構成である。照明装置２０と液晶素子２３の間には、拡散シート２１とプリズムシート２２が配置されている。照明装置２０の回路基板には、回路基板上のＬＥＤ光源に電力を供給するためのコネクタケーブル２４が配されている。また、液晶素子２３にはこれに画像信号と電力を供給するコネクタケーブル２５が配されている。

照明装置２０から照射された光は、拡散シート２１で拡散されてより均一な光となり、プリズムシート２２に入射する。プリズムシート２２は、略直角の頂角を持った平行な稜線を持ったプリズム群が形成された透明なシートであり、稜線に垂直な方向の光成分をより垂直にそろえる機能をする。図１２ではプリズムシート２２は１枚だけが図示されているが、互いに直交した稜線を持った２枚のプリズムシートを配しても良い。また、照明装置の出射光が照明装置２０から垂直に出射する場合には、プリズムシート２２を省略することもできる。また、拡散シート２１を省略した構成で使用することも可能である。さらに、照明装置２０の裏面に光反射層を形成する場合は、照明装置２０と液晶素子２３との間隙に選択反射偏光子を配することによって、光利用効率を向上させることが可能である。液晶素子２３としては単純マトリックス型液晶素子でも、アクティブマトリックス型液晶素子でもどちらでも用いることができる。

以上のような構成の液晶表示装置は、より少ないＬＥＤ光源で均一な明るい画像を表示することができる。

上述した各実施例では、導光板２に透明材料を用いている。用いられる透明材料としては、アクリル樹脂（屈折率＝約１．５）やポリカーボネート樹脂（屈折率＝約１．６）あるいはシクロオレフィン系樹脂（屈折率＝約１．５）などが適している。

本発明による照明装置の構成を示す模式図である。 本発明による照明装置を部分的に拡大した断面図である。 照明装置に形成した微細プリズムを示す模式的平面図である。 照明装置に形成した微細プリズムを示す模式的平面図である。 本発明による照明装置を部分的に拡大した断面図である。 本発明による照明装置の構成を示す模式図である。 本発明による照明装置を部分的に拡大した断面図である。 本発明による照明装置の構成を示す模式的断面図である。 本発明による照明装置の構成を示す模式的断面図である。 導光体に形成された凹部を部分的に拡大した模式的断面図である。 導光体に形成された凹部を部分的に拡大した模式的断面図である。 本発明による液晶表示装置の構成を模式的に示す斜視図である。

符号の説明

１ 凹部
２ 導光板
３ 光源
４ 回路基板
６ 単位導光板
７ 光反射層
８ 微細プリズム構造
９ 拡散板
１０ 色変換シート
１１ 色変換ブロック
２０ 照明装置
２１ 拡散シート
２２ プリズムシート
２３ 液晶素子
２４、２５ コネクタケーブル

Claims (12)

1. 回路基板上に配置された光源と、
   微細プリズムが形成された出射面と、前記光源からの光を導光板内部に導くための凹部が形成された対向面とを有する導光板と、
   前記導光板の出射面側に設けられた、光反射層を有する拡散板と、を備え、
   前記凹部は大きさや形状の少なくとも一方が異なる開口面をもった複数の凹部の組み合わせで構成されており、前記光源は前記凹部の開口面の近傍に配置されたことを特徴とする照明装置。
2. 前記光反射層が前記凹部の直上に位置するように設けられたことを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
3. 前記凹部が前記導光板の出射面側まで貫通していることを特徴とする請求項１または２に記載の照明装置。
4. 前記光源と前記導光板が一つのユニットとして構成され、前記ユニットが複数個配列されることにより照明装置が構成されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の照明装置。
5. 前記ユニットが格子状に配列されたことを特徴とする請求項４に記載の照明装置。
6. 前記光源が複数個設けられるとともに、前記複数の光源の配列方向に対して平行に前記微細プリズムが形成されたことを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
7. 前記微細プリズムのピッチが、前記凹部の真上部分は疎であり凹部から離れるに従い密となるように配置されていることを特徴とする請求項６に記載の照明装置。
8. 前記光源が特定の波長域の光を発光するとともに、入力した光を異なる波長域の光に変換する色変換材が前記導光板の凹部に設けられたことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の照明装置。
9. 前記色変換材がブロック形状であることを特徴とする請求項８に記載の照明装置。
10. 前記導光板の出射面側に、フィルム形状の第二の色変換材が設けられたことを特徴とする請求項９に記載の照明装置。
11. 前記第二の色変換材により変換された光の色が、前記色変換材により変換された光の色と異なることを特徴とする請求項１０に記載の照明装置。
12. 請求項１〜１１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を備えることを特徴とする表示装置。

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