JP4085379B2

JP4085379B2 - 面状照明装置

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Publication number: JP4085379B2
Application number: JP2003091554A
Authority: JP
Inventors: 厚北村
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: Minebea Co Ltd
Priority date: 2003-03-28
Filing date: 2003-03-28
Publication date: 2008-05-14
Anticipated expiration: 2023-03-28
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶表示装置に用いられる面状照明装置に関し、特に点光源から出射された光を液晶表示画面に照射するのに好適な面状照明装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
液晶表示装置の補助照明装置として、板状導光板の側面に光源を配置した、所謂サイドライト型の面状照明装置が多用されている。導光板の側面に配置される光源として、導光板の横幅とほぼ一致した長さを有する蛍光管等の直線状の光源を用いることにより、導光板全体を均一に明るくすることができる。
【０００３】
しかし、携帯電話のように低消費電力化が要求される機器では、光源として発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いる必要がある。光源として点光源であるＬＥＤを用いた場合には、導光板全面に亘る輝度の均一性と輝度の向上が問題になる。かかる問題点を以下のようにして解決したものがある（例えば特許文献１参照。）。即ち、ＬＥＤが配置された導光板の入射面にＬＥＤから出射した光を導光板の横幅方向に広げるためのプリズムを設ける。又、導光板の裏面にドット状のシボ加工等の光散乱手段を施し、側面から導光板に入射した光を出射面から出射させる光路変更手段とする。この外に、更に均一性を改善するために、導光板と液晶との間に拡散板を設ける場合もある。
【０００４】
同様に、解決すべき課題をほぼ同じくする照明装置がある（例えば特許文献２参照。）。かかる照明装置は、光路変更手段としてプリズムを用いたものであって、点光源からの照明光を入射角に応じて屈折させることにより、前記照明光の出射方向及び光強度分布を変換して導光板へ出射する光学部材を具備し、前記光学部材が前記点光源と前記導光板との間に配置されている。
【０００５】
光路変更手段がプリズムと異なるものの、解決すべき課題をほぼ同じくするサイドライト型面光源装置がある（例えば特許文献３参照。）。かかるサイドライト型面光源装置は、図１２に示すように、点光源１から出射した照明光を板状部材２の端面から入射し、前記照明光を屈曲して前記板状部材の出射面より出射するサイドライト型面光源装置である。前記板状部材２は、少なくとも前記端面の前記点光源に対向する領域に、前記出射面より前記出射面と対向する面に延長する複数の溝２Ｇを有する。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１０−２９３２０２号公報
【特許文献２】
特開２００２−２６０４２７号公報
【特許文献３】
特開平１０−１９９３１６号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前記ＬＥＤのような点光源を用いた表示装置では以下のような問題点がある。即ち、点光源から出射された光を導光板の横幅方向に広げるために、例えば図１２に示すように、突起や凹みを形成して光路変更手段を実現している。かかる光路変更手段は、そのピッチ間隔を狭くしなければならず、微細加工が必要であり、製品のコストを増加する。また、図１０に示すようにＬＥＤ１から出た光ＰＲのなかには、導光板２に入射されない光もあり、出射される光の一部が有効に利用されない。
【０００８】
即ち、図１０（ａ）に示すように、ＬＥＤ１から出射される光が前記導光板２に入射される一端面２Ｃに入射する光Ｐ以外に、前記一端面２Ｃから外れる光（導光板２の厚さ方向Ｙに向かう光ＰＲ）があり、かかる光は導光板２に入射されない。又、図１０（ａ）に示すように、ＬＥＤ１と導光板２との間に空気層が存在するため前記導光板２の一端面２Ｃに向けて出射される光の中に、その端面で反射される光もある。係る現象は、光源としてＬＥＤ以外に蛍光管や、ガイドロッドなどの導光棒を用いた場合にも生じる。
【０００９】
前記空気層の存在による光の反射損失（結合損失）を補うために、図１０（ｂ）のように、ＬＥＤ１と導光板２との間を接着剤３で接合した場合には、光の反射損失（結合損失）は補われるものの、該接着剤３の屈折率によって導光板２の厚さ方向Ｙに向かう光ＰＲの光路の変更は少なく、その効果は微小であり、前記一端面２Ｃから外れる光ＰＲが発生して、出射される光の一部が有効に利用されない。そのために、ＬＥＤから出射される光の利用効率が悪く、低電力化及び照明装置の高輝度化に対して障害になっている。
【００１０】
前記ＬＥＤ１と導光板２との間を接着剤３で接合する以外にも、該接着剤３に替わり、従来から周知のＳＥＬＦＯＣ（登録商標）レンズを用いる場合がある。かかるＳＥＬＦＯＣレンズは、円柱状のガラス母材の屈折率分布をレンズの中心軸から外周部に向かって放射状に変化することによって通常のレンズと同様な作用をなすものである。円柱状のガラス母材を使用できることから、光通信、光計測器、光情報処理などに利用されている。しかし、前記導光板は一般的にその光入射面が矩形の平面をなしており、円筒状のＳＥＬＦＯＣレンズはこの平面を全面的に覆うのには適さない。
【００１１】
また、これ以外に従来から周知のシリンドリカルレンズがある。かかるレンズは、屈折率分布が一様な円柱状のガラス母材が、その横方向から入射される光に対してレンズ作用をなすことを利用したもので、前述の導光板のように、垂直方向のみに拡散する光を収束するのに使用できる。しかし、屈折率分布が一様なことからその収束性はあまり良くない。更に、前記シリンドリカルレンズは、拡散する光を平行に集光するために、光の入射される側が円弧状に形成されている。従って、空気層の存在による反射損失を除くためにＬＥＤの出射面とシリンドリカルレンズとの間を接着剤、その他の樹脂などで含浸させた場合、前記シリンドリカルレンズの屈折率は、ＬＥＤの出射面とシリンドルカルレンズとの間にある接着剤、その他の樹脂との相対的な屈折率となり、収束機能は著しく低下する。更に、前記シリンドリカルレンズを屈折率の高いガラスで１〜２ｍｍの太さで製造することは強度、製造技術、製造コストその他の点から、難しい。また、シリンドリカルレンズに合成樹脂などを用いた場合にはガラスに比べて低屈折率のために光の収束効率が低下し、初期の性能を達することができない。
【００１２】
前記図１２に示したような微細加工を必要としない手段として、図１３に示すように凹レンズ４０によって光を拡散する方法もあるが、該凹レンズ４０はその光を中心軸から全ての方向に拡散するので、前記導光板２に対して水平方向のみに光を拡散するのに適していない。また、前記導光板２は、該導光板２の上に配置される図示していない液晶表示装置の表示領域より大きく、図１１に示すように形成されている。即ち、導光板２の光導入部は、点光源から入射する光の均一性が悪く、携帯電話などの小型機器では通常２〜４ｍｍ程度が使用できない、所謂デッドエリア２Ａとなる。かかるデッドエリア２Ａは、光が外部に漏れないように遮蔽される。従って、液晶表示装置の表示領域に対応する導光板２の領域を２Ｂとすると、ＬＥＤ１が設けられている部分までのデッドエリア２Ａが無駄となり、この部分が機器の小型化を阻害している。
【００１３】
また、図１２、図１３から明らかなように、導光板２とＬＥＤ１との間に空隙が発生し、かかる空隙で光が反射され、ＬＥＤ１から出射される光が無駄になる。そのために、表示装置の明るさを増そうとすると点光源の消費電力が増加し、機器の低電力化の障害になる。このように、点光源を用いて画面全体を均一に照明しようとすると輝度の低下がみられ、輝度を向上しようとすると均一性が低下するという相反する問題点がある。
【００１４】
特に、近年では、ＬＥＤから出射される光の指向性についても工夫がこらされ、また、液晶（ＬＣＤ）の光拡散特性が異なるものが各種、開発されている。それに伴なって導光板の出射光に対しても各種の要求が出されるようになってきている。このような情勢に鑑み、製品を低価格化するためには、少ない種類の光制御手段により、各種の特性を有する導光板を実現し、種々の特性を有するＬＥＤや、ＬＣＤに対応できる面状照明装置を実現することが望ましい。
【００１５】
本発明は、かかる問題を解決して、点光源を用いて画面全体を均一に、あるいは高輝度に照明するのに好適な光制御手段を備える面状照明装置を提供することを目的としてなされたものである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために請求項１記載の面状照明装置では、光源からの出射光を出射面から被照明体側に導くように構成された導光板の一端面側に前記光源を配置した面状照明装置において、前記光源と該光源から出射される光が前記導光板に入射される前記一端面との間に、前記導光板の出射面と垂直及び水平な方向に屈折率分布を有するとともに、該屈折率分布内の各点における屈折率が、前記導光板の出射面と垂直及び水平な方向の両方に垂直な方向には、それぞれ均一である光制御手段を設け、前記光制御手段は、前記屈折率分布の屈折率が、前記光制御手段の中心から遠ざかるに従って、前記導光板の出射面と垂直及び水平な方向に低下または増加し、かつ、少なくとも１つの前記光源が前記光制御手段の中心に配置されているか、または、前記光制御手段の前記屈折率分布は、前記光源の数だけ繰り返し設けられた複数組の分布からなり、該複数組の分布の各々の屈折率は、該複数組の分布の各々の中心から遠ざかるに従って、前記導光板の出射面と垂直及び水平な方向に低下または増加し、かつ、複数の前記光源の各々が該複数組の分布の各々の中心に配置されていることを特徴とする。
【００２１】
請求項２記載の面状照明装置は、請求項１に記載の面状照明装置において、前記光制御手段は、該光制御手段の入射面と出射面が、前記光源の出射面と前記導光板の一端面とに前記光源から出射される光が透過可能な接着剤により互いに接着されていることを特徴とする。
【００２２】
請求項３記載の面状照明装置は、請求項１または２に記載の面状照明装置において、前記光制御手段の入射面及び出射面は、平行に形成されていることを特徴とする。
【００２３】
請求項４記載の面状照明装置は、請求項１から３の何れかに記載の面状照明装置において、前記光制御手段は、該光制御手段の入射面と出射面が、前記光源の出射面と前記導光板の一端面とに前記光源から出射される光が透過可能な接着剤により互いに接着されていることを特徴とする。
【００２４】
請求項５記載の面状照明装置は、請求項１から４の何れかに記載の面状照明装置において、前記光制御手段は、複数個の透明なガラス又は樹脂を縦横に積層して形成され、該積層された複数個のガラス又は樹脂は、前記光源から出射される光が透過可能な接着剤により互いに接着されていることを特徴とする。
【００２５】
請求項６記載の面状照明装置は、請求項１から５の何れかに記載の面状照明装置において、前記光制御手段は、その屈折率分布の包絡線が滑らかな曲線を有することを特徴とする。
【００２６】
請求項７記載の面状照明装置は、請求項５に記載の面状照明装置において、前記複数個の透明なガラス又は樹脂を接着する接着剤の屈折率は、該接着剤によって互いに接着される２個のガラス又は樹脂のうち屈折率が小さい方のガラス又は樹脂の屈折率と等しいか、それよりも大きく、かつ、他方のガラス又は樹脂の屈折率と等しいか、それよりも小さいことを特徴とする。
【００２７】
請求項１２記載の面状照明装置は、請求項１に記載の面状照明装置において、前記光源は、少なくとも１個が前記導光板の出射面と垂直及び水平な方向に屈折率分布を有する光制御手段の入射面の中心に設けられていることを特徴とする。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、図１により本発明の実施形態について説明する。本願発明は、前記機器の小型化と小電力化という課題を解決するために、図１に示すように、ＬＥＤ１と導光板２との間に、前記導光板２の出射面２Ｂに対して垂直及び水平方向に、屈折率分布を有する光制御手段４が配設されている。該光制御手段４は、図１１を用いて前述したように、導光板２のＬＥＤ１が設けられている側のデッドエリア２Ａに配設されている。ＬＥＤ１は導光板２の出射面２Ｂと水平な方向に複数個設けられている。なお、以下の説明で導光板２は、入射した光の進行方向に対して一様な厚さを有するものとして説明するが、これ以外に楔型形状であってもよく、また、出射面２Ｂ及び該出射面２Ｂに対する面２Ｄに光散乱及び拡散手段を形成してもよく、かかる光散乱及び拡散手段は、例えば特開平９−６３３３２号公報に開示されている面状光源装置と同様にして実現でき、詳細な説明を省略する。
【００２９】
図１に示すように、光制御手段４は、前記導光板２の一端面２Ｃの高さＨと略等しい高さを有すると共に、前記導光板２の出射面２Ｂと垂直及び水平方向（図１のＹ方向、Ｘ方向）に後述する屈折率分布を有する。そして前記光制御手段４は、図２に示すように、略直方体形状の複数個の透明な樹脂を垂直及び水平方向に積層して形成し、該複数個の透明な樹脂は接着剤により互いに接着されている。該接着剤及び積層された複数個の透明な樹脂は、前記ＬＥＤ１から出射される光が透過可能な後述するような材料である。前記複数個の透明な樹脂は、樹脂以外にガラスであってもよい。ガラスを用いた場合には、切断面の光学研磨が容易となり、切断面での散乱損失の発生を抑制できる。また、ガラス組成の精密制御により、屈折率の微調整が可能となり、任意の屈折率分布に対応できるという利点がある。
【００３０】
図１の実施形態では、光制御手段４は縦（垂直Ｙ方向）に８個、横（水平Ｘ方向）に１６個の透明な樹脂を使用して導光板２の一端面２Ｃの大きさに一致するように形成されているが、必ずしも導光板２の一端面２Ｃの大きさに一致するように形成する必要はなく、透明な樹脂の個数もこれ以外の数であってもよいことはいうまでもない。なお、後述するように、透明な樹脂の屈折率ｎは、導光板２の出射面２Ｂと垂直及び水平方向において、それぞれ異なり、光の進行方向に対しては、均一である。即ち、図１、図３に示す第１の実施形態では、前記導光板２の出射面２Ｂと垂直及び水平方向の屈折率ｎが当該光制御手段４の中心から対称であるとともに、その中心から遠ざかるに従って垂直及び水平方向の屈折率ｎが低下するように構成されている。
【００３１】
複数個のＬＥＤ１は、当該光制御手段４の一方の面（入射面４Ａ）に沿って所定の間隔で設けられている。かかる間隔は、後述するように、導光板２の出射面２Ｂから出射される光が図示していない液晶表示全面を均一に照明できるように予め定められた間隔である。また、図１（ｂ）に示すように、光制御手段４の入射面４Ａには複数個のＬＥＤ１の出射面１Ａが、光制御手段４の出射面４Ｂには導光板２の一端面２Ｃが、前記ＬＥＤ１から出射される光が透過可能な接着剤により、それぞれ密着して接着されている。前記導光板２の一端面２Ｃと光制御手段４の出射面４Ｂとの大きさは、ほぼ等しく形成されている。複数個のＬＥＤ１から出射された光は、当該光制御手段４の一方の面に入射し、後述するように当該光制御手段４により拡散または収束されて、導光板２の一端面２Ｃから導光板２に入射される。
【００３２】
なお、導光板２の出射面２Ｂ側には周知の図示していない、ドットパターンの形状が使用者に視認されないよう、光線を拡散する光拡散シートを設けてもよい。該拡散シートには、光拡散剤練込タイプまたはランダム凹凸加工タイプがある。このシートの厚さは限定されないが、通常１０μｍ以上、好ましくは２０〜３００μｍである。光拡散シートを構成する樹脂は透明な樹脂であれば特に限定されず、透明な樹脂としては、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリメチルメタクリレートなどが例示される。
【００３３】
前記ＬＥＤ１は、出射される光の出射面が前記光制御手段４の入射面に接するように、略平面に形成されている。なお、ＬＥＤ１から出射される光の出射面が平坦に形成されていることは、後述する光制御手段４の製造を容易にするものである。また、後述する接着剤及び複数個の透明な樹脂における、それぞれの屈折率は、前記ＬＥＤ１が発する波長により適宜選択される。
【００３４】
本願発明の理解を容易にするために、図２により光制御手段４の実施形態について説明する。光制御手段４は、図２（ａ）に示すように、複数個の直方体形状の透明な樹脂が縦、横に接着剤により互いに接着され、積層されて形成されている。なお、説明を容易にするために、図２（ａ）において光制御手段４は縦に８個、横に１６個、合計１２８個の透明な樹脂を使用して導光板２の一端面２Ｃの大きさに一致するように形成されている。また、横軸をＸ軸、縦軸をＹ軸として、その中心を原点として、前記光制御手段４のそれぞれの透明な樹脂の位置を（ｘ，ｙ）として表している。例えば、原点周辺の樹脂の位置は、４個、全て（１，１）で表され、最外周の樹脂の位置は、４個の、全て（８，４）で表されている。なお、以下に示す図２乃至図５においては、図示を容易にするために１個の直方体形状の透明な樹脂の寸法は、実際のものとは異なって図示してある。
【００３５】
前記積層された複数個の透明樹脂は、横軸（Ｘ軸）に対してはその中心から遠ざかるにしたがって屈折率が低下するように積層され、縦軸（Ｙ軸）方向に対してはその中心から遠ざかるにしたがって増加あるいは低下するように積層されている。前記それぞれの直方体形状の透明樹脂は、ＬＥＤ１から出射される光が透過可能な後述する屈折率を有する接着剤により接着され、図２（ｂ）のように複数個の光制御手段４が形成される。該複数個の光制御手段４は、破線Ｋで示される箇所で前記デッドスペース２Ａ以下の大きさ（例えば１〜４ｍｍ）に適宜その出射面と入射面が平行になるように切断され、図２（ｃ）のような光制御手段４が形成され、一つずつ用いられる。
【００３６】
前記のように形成されている光制御手段４により、その入射面４Ａに入射された光は、出射面２Ｂと水平な方向（Ｘ軸方向）及び垂直な方向（Ｙ軸方向）に拡散または収束される。その結果、光制御手段４を透過する光が拡散または収束されて出射されるので各種の出射特性を要求する面状照明装置に使用できる。前記複数個の透明な樹脂は、例えば以下のようなものである。即ち、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ゼオノア（日本ゼオン社製品名）、ノルボルネン系耐熱透明樹脂アートン（ＡＲＴＯＮ、ＪＳＲ社製品名）、ＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル）である。また、接着剤は、例えば、ＮＯＲＬＡＮＤ社製のアクリル系の紫外線硬化接着剤である。かかる樹脂と接着剤とを後述するように適宜選択して用いる。
【００３７】
以下、第１の実施形態について説明する。かかる実施形態においては、導光板２の出射面２Ｂ上には図示していない光拡散シートと、その上には周知のプリズムを設けてもよい。第１の実施形態は、前記導光板２の出射面２Ｂと垂直及び水平な方向の屈折率が当該光制御手段４の中心から上下、左右に対称であるとともに、出射面２Ｂと垂直及び水平な方向の屈折率は、その中心から遠ざかるに従ってその屈折率が低下するように形成されている。前記のように形成されている光制御手段４により、その入射面４Ａに入射された光は、出射面２Ｂと水平な方向（Ｘ軸方向）及び垂直な方向（Ｙ軸方向）に収束される。その結果、光制御手段４を透過する光が収束されて出射されるので前記導光板２の一端面に光を有効に入射できる。また、光が無駄になることが防止され、導光板の輝度を増加するように作用する。
【００３８】
図２（ｃ）の正面図である図３（ｂ）に示すように、最も屈折率の高い透明な４個の樹脂（１，１）が最も屈折率の高い接着剤で接着されている。そして、その周囲には前記樹脂（１，１）よりも屈折率の低い接着剤により、更に屈折率の低い樹脂（２，１）、（１，２）が、それぞれ４個づつ接着されている。以下同様にして、樹脂の周囲を屈折率の低い接着剤で更に屈折率の低い樹脂を順次接着して、図３（ｂ）のように積層された光制御手段４を形成する。前記複数個の樹脂の積層方法は、図３（ａ）に示すように、それぞれ縦方向に複数個の透明な樹脂を、中心の樹脂から屈折率が低下するように積層してから、横方向に積層してもよく、あるいは、図２（ａ）に示すように、それぞれ横方向に複数個の透明な樹脂を積層してから、縦方向に積層してもよい。
【００３９】
前述した光制御手段４の樹脂の決定方法について以下、図６、図７を用いて説明する。まず、図３に示した、垂直（座標（１，ｙ））方向の樹脂を積層する場合について説明する（ｙは、１〜４の整数である。）。説明の簡略化のため、座標（１，ｙ）にある樹脂をそれぞれ樹脂Ｆｙとする。図６において縦軸は樹脂の屈折率ｎ、横軸は光制御手段４の入射面４Ａの中心からの距離ｒである。また、符号イ〜リに示すパラメータは、屈折率分布定数Ａ^1/2であって、符号イからリの屈折率分布定数Ａ^1/2は、それぞれ、０．１、０．２、０．３、０．４、０．５、０．６、０．７、０．８、０．９である。
【００４０】
まず、図１に示したように、前記導光板２のデッドエリアから光制御手段４の長さＬＧが大略決定される。例えば、通常の携帯電話用の場合、ＨＧ＝１．０ｍｍ、ＬＧ＝１．５ｍｍなどである。屈折率分布を有する材料の光線追跡のシミュレーションでは、図７に示すように、屈折率分布定数Ａ^1/2＝０．９の場合（図７（ａ））にはＬＧ＝１．５ｍｍで光制御手段４内の光が収束されることがわかる。一方、屈折率分布定数Ａ^1/2＝０．８の場合（図７（ｂ））にはＨＧ＝１．０ｍｍでは光制御手段４内の光が収束されず、更に大きいＨＧが必要である。従って、例えば、ＨＧ＝１ｍｍ、ＬＧ＝１．５ｍｍの場合には、屈折率分布定数Ａ^1/2＝０．９が好ましく、この時には光制御手段４内の光が収束されて出射されるので前記導光板２の一端面に光を有効に入射できる。
【００４１】
例えば、樹脂Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４の屈折率ｎと厚さｔ（ｍｍ）は、それぞれ１．６０、１．５６、１．５０、１．４２及び０．１３、０．１、０．１、０．１２であり、前記各接着剤Ｕ１〜Ｕ５の屈折率ｎは、それぞれ１．６０、１．５６、１．５０、１．４５、１．４２である。またそれぞれの厚みｔ（ｍｍ）は、０．０１ｍｍである。これらは、図６に示した前記屈折率分布定数Ａ^1/2＝０．９に相当する屈折率分布曲線から、次のようにして決定して行く。
【００４２】
即ち、前述したように、最外層にある樹脂の屈折率ｎを最も小さくする。かかる樹脂として、樹脂Ｆ４が決定される。そして、滑らかな収束特性を得るように、４乃至５種類の樹脂（本例では４種類。）を使用して光制御手段４の高さＨＧが１．０ｍｍ程度になるように樹脂と接着剤の屈折率ｎと、その厚みｔを逐次、定めて行く。例えば、樹脂Ｆ４の屈折率ｎが１．４２、その厚みを０．１２ｍｍ程度とすると、光制御手段４の中心からの距離ｒは、０．３７ｍｍ残される。図６よりｒ＝０．３７ｍｍ以下では、樹脂の屈折率ｎは、１．４９以上が必要であるので、屈折率ｎが１．５０の樹脂Ｆ３が決定される。又、接着剤は、前述のように定められた樹脂の屈折率に応じて適宜決定される。例えば、樹脂Ｆ４と樹脂Ｆ３とを接着する接着剤は、樹脂Ｆ４と樹脂Ｆ３の屈折率との間の屈折率、即ちｎ＝１．４２〜１．５０の間の屈折率が必要であるので、屈折率ｎが１．４５の接着剤Ｕ４が選択される。その厚みは樹脂の接着強度と互いの屈折率を考慮して０．０１ｍｍ程度が好ましい。
【００４３】
以下同様にして、樹脂とその厚さを決定して行き、例えばそれぞれを以下のようにする。即ち、樹脂は、光制御手段４の中心から対称にＦ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４とし、その厚さｔ（ｍｍ）は、それぞれｔ＝０．１３、ｔ＝０．１、ｔ＝０．１、ｔ＝０．１２である。又、接着剤は中心をＵ１とし、光制御手段４の中心からＵ１、Ｕ２、Ｕ３、Ｕ４、Ｕ５、とし、その厚さｔ（ｍｍ）は、Ｕ１を０．０２ｍｍとし、その他は全て０．０１ｍｍである。同様にして、光制御手段４の高さＨＧ及び長さＬＧを、それぞれ１．０ｍｍ及び１．５ｍｍ以上にできる場合には、屈折率分布定数Ａ^1/2は０．９以下にすることが望ましい。図６より明らかなように、屈折率分布定数Ａ^1/2が小さいほど、屈折率の変化幅が小さくなるが、光制御手段４中に入射した光は図７（ｂ）乃至（ｄ）に示すように収束しづらくなる。しかし、光制御手段４の高さＨＧ及び長さＬＧを大きくすることにより、その範囲内で収束させることができる。屈折率の変化幅を小さくできるということは、少ない種類の樹脂を用いて実現できることを意味し、光制御手段４の価格を低減できる。又、図６に示したように屈折率変化が滑らかになる結果、光制御手段４の中を通過する光の屈折も滑らかになり、良好な収束特性をもたらす。
【００４４】
次に、図３に示した、水平（座標（ｘ，１））方向の樹脂を積層する場合について説明する（ｘは、１〜８の整数である。）。前記Ｙ軸方向と異なる点は、光制御手段４の入射面４Ａに対してＬＥＤ１が複数個（図１では３個）あることと、積層された大きさが導光板２の幅Ｗと同一であり前記Ｙ軸方向より大きいことである。例えば、導光板２の幅Ｗを３０ｍｍ、積層数１６とすると、１個の樹脂は約１．９ｍｍ平均の厚みとなりＹ軸方向に比べて約１桁厚い。また、ＬＥＤ１が複数個あることにより、各ＬＥＤ１から出射された光が屈折率の異なる場所に入射されるので、該入射光に対する樹脂の作用が異なる。即ち、光制御手段４の中心に設けられるＬＥＤ１に対しては、光の収束が左右均等に作用し、光制御手段４の中心から外れて設けられるＬＥＤ１に対しては、光の収束が左右で異なる。このように、ＬＥＤ１の設けられる位置により収束の度合いが異なるが、座標（１，１）の樹脂から遠ざかるに従って屈折率が低下するように積層されている点は、Ｙ軸方向の積層順と同一であり、樹脂と接着剤の屈折率ｎと、その厚みｔの決定方法も基本的には同一であり、その説明を省略する。
【００４５】
また、複数個のＬＥＤ１の位置は、当該、複数個のＬＥＤ１の配光特性、及び導光板２の出射面２Ｂに設けられている図示していない周知のプリズム及びＬＥＤの拡散特性により適宜、決定する。以下、同様にして座標（ｘ，２）の層の樹脂についても決定される。かかる場合、座標（１，ｙ）の樹脂の決定で前述したように、座標（ｘ，２）の層の屈折率は、座標（ｘ，１）の層の屈折率よりも低くなるように形成されている。同様に、座標（ｘ，ｙ）の層屈折率は、座標（ｘ，ｙ−１）の層の屈折率よりも低くなるように順次、決定して行く。
【００４６】
次に、図４により光制御手段４の第２の実施形態について説明する。前記第１の実施形態との差異は、以下の点である。即ち、積層された複数個の透明樹脂は、導光板２の出射面２Ｂと垂直及び水平な方向の屈折率が当該光制御手段４の中心から上下、左右に対称であり、出射面２Ｂと垂直な方向（Ｙ軸方向）の屈折率は、その中心から遠ざかるに従ってその屈折率が低下するが、出射面２Ｂと水平な方向（Ｘ軸方向）の屈折率は、その中心から遠ざかるに従ってその屈折率が増加するように形成されている。また、導光板２の出射面２Ｂには、図示していない光拡散シートと、その上には周知のプリズムであるＢＥＦ（Brightness Enhancement Fim）フィルムを積層してもよい。前記ＢＥＦフィルムは、透過性に優れたポリエステル、アクリル樹脂などの表面にプリズムパターンを精密形成した光学フィルムで、微細なプリズム構造が並ぶフィルターをバックライトの前に入れることで、同じバックライトの光量でも正面方向の輝度が向上するものである。該プリズム構造が９０度交叉する方向に２枚重ね合わせ積層して形成するようにしてもよい。プリズム構造が９０度交叉する方向にフィルムを２枚重ね合わせることで、性能が向上し、ウェットアウト（画面のにじみ）を解消し、リフレクティブモアレ（光った部分と光を拡散する部分の縞模様）を抑制する作用をなす。
【００４７】
前記のように形成されている光制御手段４により、その入射面４Ａに入射された光は、出射面２Ｂと水平な方向（Ｘ軸方向）に拡散され、出射面２Ｂと垂直な方向（Ｙ軸方向）には収束される。その結果、光制御手段４を透過する垂直方向の光が収束されて出射されるので前記導光板２の一端面に光を有効に入射できる。また、光制御手段４を透過する出射面２Ｂと水平な方向（Ｘ軸方向）の光が拡散されて出射されるので、ＢＥＦフィルムのプリズム構造と作用して導光板の輝度を均一にする作用をなす。
【００４８】
前述した光制御手段４の樹脂の決定方法について以下、図８、図９を用いて出射面２Ｂと水平な方向（Ｘ軸方向）に樹脂を積層する場合の樹脂の決定方法について説明する。なお、出射面２Ｂと垂直な方向（Ｙ軸方向）については、前記第１の実施形態における出射面２Ｂと垂直な方向（Ｙ軸方向）に樹脂を積層する場合の樹脂の決定方法と同一であるので、その説明を省略する。
【００４９】
まず、図４に示した、座標（ｘ，１）の樹脂を積層する場合について図８、図９を用いて説明する（ｘは、１〜８の整数である。）。説明の簡略化のため、座標（ｘ，１）にある樹脂をそれぞれ樹脂Ｆｘとする。かかる決定方法は、前記図３で説明した第１の実施形態における水平方向の樹脂の決定方法と、水平方向の屈折率分布の変化方向が逆（即ち、第２の実施形態は、中心から左右に向かって屈折率が増加している）である点を除き、他の点は、同一である。図８において、縦軸は樹脂の屈折率ｎ、横軸は光制御手段４の中心からの距離Ｗである。また、符号イ〜リに示すパラメータは、屈折率分布定数Ａ^1/2であって、符号イからリの屈折率分布定数Ａ^1/2は、それぞれ、０．１、０．２、０．３、０．４、０．５、０．６、０．７、０．８、０．９である。
【００５０】
図１に示したように、前記導光板２の一端面の幅Ｗと、デッドエリアとから光制御手段４の高さＨＧ幅Ｗが大略決定される。例えば、通常の携帯電話用の場合、ＨＧ＝１．０ｍｍ、Ｗ＝３０ｍｍなどであり、以下この値を用いて説明する。図９に示すように、屈折率分布定数Ａ^1/2の大きさによって光制御手段４内の光が拡散される様子が異なり、屈折率分布定数Ａ^1/2が大きいほど（Ａ１＞Ａ２＞Ａ３＞Ａ４）拡散される。
【００５１】
屈折率分布定数Ａ^1/2は、大きすぎると導光板２に入射する前に水平方向（Ｘ方向）に広がりすぎて光が導光板２に有効に入射されない。一方、小さすぎると導光板２に入射しても水平方向（Ｘ方向）に広がらず、導光板２全体を均一に明るくすることができない。導光板２の幅、高さ及び長さを考慮して樹脂と接着剤の厚さと屈折率を以下のようにして決定する。
【００５２】
例えば、使用する樹脂を８種類とし、各樹脂Ｆ８、Ｆ７、Ｆ６、Ｆ５、Ｆ４、Ｆ３、Ｆ２、Ｆ１の屈折率ｎを、それぞれ１．５６、１．５４、１．５２、１．５０、１．４８、１．４６、１．４４、１．４２とし、又、前記各接着剤Ｕ８〜Ｕ１の屈折率ｎを、それぞれ１．５５、１．５３、１．５１、１．４９、１．４７、１．４５、１．４３、１．４１とした場合について説明する。なお、これ以外の屈折率の樹脂、接着剤を用いてもよく、また使用する樹脂、接着剤の数を変化してもよい。
【００５３】
図８より、前記屈折率分布定数Ａ^1/2を満足する樹脂と接着剤の屈折率ｎと、その厚みｔを以下のようにして決定して行く。即ち、前述したように、最外層にある樹脂Ｆ８の屈折率ｎを最も大きくする。そして、滑らかな拡散特性を得るように、光制御手段４の幅Ｗが３０ｍｍ程度になるように樹脂と接着剤の屈折率ｎと、その厚みｔを逐次、定めて行く。例えば、座標（１，１）の樹脂Ｆ１の屈折率ｎが１．４２、その厚みを２ｍｍ程度とすると、図８の符号リで示す屈折率分布特性の場合、光制御手段４の中心からの距離Ｗ＝２ｍｍ以上では、樹脂の屈折率ｎは、１．４２以上が必要であるので、屈折率ｎが１．４４の樹脂Ｆ２が決定される。
【００５４】
又、接着剤は、前述のように定められた樹脂の屈折率に応じて適宜、決定される。例えば、樹脂Ｆ１と樹脂Ｆ２とを接着する接着剤は、樹脂Ｆ１と樹脂Ｆ２の屈折率との間の屈折率、即ちｎ＝１．４２〜１．４４の間の屈折率が必要であるので、屈折率ｎが１．４３の接着剤Ｕ１が選択される。その厚みは樹脂の接着強度と互いの屈折率を考慮して０．０１ｍｍ程度が好ましい。以下同様にして、座標（１，８）までの樹脂とその厚さを決定して行く。座標（ｘ，１）の層の樹脂が決定されると、同様にして座標（ｘ，２）の層の樹脂について決定する。かかる場合、前述したように、垂直方向の屈折率の変化は、中心から離れるに従って低くなるように決定されているので、座標（ｘ，２）の層の屈折率は、座標（ｘ，１）の層の屈折率よりも低くなるように形成されている。同様に、座標（ｘ，ｙ）の層の屈折率は、座標（ｘ，ｙ−１）の層の屈折率よりも低くなるように順次、決定して行く。
【００５５】
次に、図５により光制御手段４の第３の実施形態について説明する。前記第２の実施形態との差異は、以下の点である。即ち、積層された複数個の透明樹脂は、導光板２の出射面２Ｂと垂直及び水平な方向の屈折率が当該光制御手段４の中心から上下、左右に対称であるが、出射面２Ｂと垂直な方向（Ｙ軸方向）の屈折率および出射面２Ｂと水平な方向（Ｘ軸方向）の屈折率は、それぞれ、その中心から遠ざかるに従って屈折率が増加するように形成されている。即ち、第３の実施形態は、垂直方向の屈折率の変化が、前記第２の実施形態における垂直方向の屈折率の変化と逆になっている。
【００５６】
前記のように形成されている光制御手段４により、その入射面４Ａに入射された光は、出射面２Ｂと水平な方向（Ｘ軸方向）及び出射面２Ｂと垂直な方向（Ｙ軸方向）に拡散され、光制御手段４を透過する水平、垂直方向の光が拡散されて出射される。このような光制御手段４は、導光板２の出射面２Ｂ上に図示していない光拡散シートと周知のＢＥＦフィルムをプリズム構造が９０度交叉する方向に２枚重ね合わせ積層して形成した面状照明装置などに適用される。前記ＢＥＦフィルムを用いた場合、正面方向の輝度が向上すると共に、ウェットアウト（画面のにじみ）を解消し、リフレクティブモアレ（光った部分と光を拡散する部分の縞模様）を抑制する作用をなす。このようなＢＥＦフィルムを使用する場合、導光板２から出射される光は、一方向を有する光ではなく、拡散された光であることが好ましい。また、ＢＥＦフィルム以外にも、導光板上に備えられＬＣＤ表示装置の拡散特性にも同様な拡散光が望ましいものもある。
【００５７】
前記第３の実施形態での光制御手段４の樹脂の決定方法について説明する。出射面２Ｂと水平な方向（Ｘ軸方向）については、前記第２の実施形態における出射面２Ｂと水平な方向（Ｘ軸方向）に樹脂を積層する場合の樹脂の決定方法と同一である。また、出射面２Ｂと垂直な方向（Ｙ軸方向）に樹脂を積層する場合の樹脂の決定方法についても樹脂の数およひその大きさが異なるが、樹脂の決定方法は、前記第２の実施形態における出射面２Ｂと水平な方向（Ｘ軸方向）に樹脂を積層する場合と同一である。導光板２の出射面２Ｂと垂直及び水平な方向の屈折率が当該光制御手段４の中心から上下、左右に対称であり、出射面２Ｂと垂直な方向（Ｙ軸方向）の屈折率および出射面２Ｂと水平な方向（Ｘ軸方向）の屈折率が、それぞれ、その中心から遠ざかるに従って増加するように形成されていれば、水平方向、あるいは垂直方向のいずれの方向から決定してもよい。
【００５８】
光制御手段４は、前記第１乃至第３の実施形態において説明した方法により、導光板２の出射面２Ｂと垂直な方向（Ｙ軸方向）の屈折率を増加させ、水平な方向（Ｘ軸方向）の屈折率を低下させた構成とすることも可能である。又、前記第１乃至第３の実施形態では、光制御手段４の屈折率分布の数が左右に１組である。これ以外に、屈折率分布の数をＬＥＤ１の数だけ（例えば３組）繰り返し設けてもよい。かかる場合、各組の分布状態は同一であってもよく、あるいはＬＥＤ１の発光特性、導光板２および反射シート、プリズム、ＢＥＦフィルムなどの特性に合わせて、異ならせてもよい。そして各組の中心にＬＥＤ１を各々配置する。更に、前記繰り返される光制御手段４の異なる屈折率分布の組みは、前記第１の実施形態乃至第３の実施形態を、それぞれ組み合わせて用いてもよい。本発明に係る光制御手段４であれば、光制御手段４を構成する各透明体の選択と配列を調整することにより、直交する２軸方向に対して任意の屈折率分布を実現することができる。
【００５９】
【発明の効果】
本願発明によれば、ＬＥＤから垂直方向に出た光は、縦、横に屈折率分布を有する光制御手段により縦、横に収束あるいは拡散する。そのため、導光板に付属して用いられる拡散シート、プリズム、ＢＥＦフィルム、あるいはＬＣＤの拡散特性に合わせた光の拡散、収束特性を得ることができ、少ない種類の光制御手段により各種の面状照明装置を実現でき、製品を低価格化する効果がある。
【００６０】
また、制御手段は、複数個の透明な樹脂又はガラスを積層して形成しており、ＬＥＤ、光制御手段及び導光板それぞれの入射面と出射面とに特別な加工が必要でなく、製品のコストを低減する。また、前記光制御手段は、デッドエリアに配設され、機器の小型化を図れる。
【００６１】
更に、ＬＥＤ、光制御手段及び導光板それぞれの入射面と出射面とは接着剤によって接着され、その間に空隙が発生しない。そのために、かかる空隙で光が反射されることがなく、ＬＥＤ１から出射される光が無駄になることがない。その結果、光を発生する電力が無駄に消費されることがなくなり、面状照明装置の小電力化が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における面状照明装置の分解斜視図（ａ）と組立斜視図（ｂ）である。
【図２】本発明における光制御手段の分解説明図（ａ）と、複数個の光制御手段の完成図（ｂ）と１個の光制御手段の完成図（ｃ）である。
【図３】本発明における光制御手段の第１の実施形態を説明する分解説明図（ａ）と正面図（ｂ）である。
【図４】本発明における光制御手段の第２の実施形態を説明する分解説明図（ａ）と正面図（ｂ）である。
【図５】本発明における光制御手段の第３の実施形態を説明する分解説明図（ａ）と正面図（ｂ）である。
【図６】本発明の光制御手段において、光が収束する場合の屈折率分布特性の一例である。
【図７】本発明の第１の実施形態における光制御手段の側面光線追跡図である。
【図８】本発明の光制御手段において、光が発散する場合の屈折率分布特性の一例である。
【図９】本発明の第２の実施形態における光制御手段の上面光線追跡図である。
【図１０】従来の点光源を用いた面光源装置の説明図である。
【図１１】従来の点光源を用いた面光源装置の説明図である。
【図１２】従来の点光源を用いた他の面光源装置の説明図である。
【図１３】従来の点光源を用いた他の面光源装置の説明図である。
【符号の説明】
１ＬＥＤ
２導光板
２Ｂ導光板の出射面
２Ｃ導光板の一端面
３接着剤
４光制御手段

Claims

光源からの出射光を出射面から被照明体側に導くように構成された導光板の一端面側に前記光源を配置した面状照明装置において、前記光源と該光源から出射される光が前記導光板に入射される前記一端面との間に、前記導光板の出射面と垂直及び水平な方向に屈折率分布を有するとともに、該屈折率分布内の各点における屈折率が、前記導光板の出射面と垂直及び水平な方向の両方に垂直な方向には、それぞれ均一である光制御手段を設け、
前記光制御手段は、前記屈折率分布の屈折率が、前記光制御手段の中心から遠ざかるに従って、前記導光板の出射面と垂直及び水平な方向に低下または増加し、かつ、少なくとも１つの前記光源が前記光制御手段の中心に配置されているか、または、前記光制御手段の前記屈折率分布は、前記光源の数だけ繰り返し設けられた複数組の分布からなり、該複数組の分布の各々の屈折率は、該複数組の分布の各々の中心から遠ざかるに従って、前記導光板の出射面と垂直及び水平な方向に低下または増加し、かつ、複数の前記光源の各々が該複数組の分布の各々の中心に配置されていることを特徴とする面状照明装置。
前記光制御手段は、前記光が入射される前記導光板の前記一端面の高さと略等しい高さを有することを特徴とする請求項１に記載の面状照明装置。
前記光制御手段の入射面及び出射面は、平行に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の面状照明装置。
前記光制御手段は、該光制御手段の入射面と出射面が、前記光源の出射面と前記導光板の前記一端面とに前記光源から出射される光が透過可能な接着剤により互いに接着されていることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の面状照明装置。
前記光制御手段は、複数個の透明なガラス又は樹脂を縦横に積層して形成され、該積層された複数個のガラス又は樹脂は、前記光源から出射される光が透過可能な接着剤により互いに接着されていることを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の面状照明装置。
前記光制御手段は、その屈折率分布の包絡線が滑らかな曲線を有することを特徴とする請求項１から５の何れかに記載の面状照明装置。
前記複数個の透明なガラス又は樹脂を接着する接着剤の屈折率は、該接着剤によって互いに接着される２個のガラス又は樹脂のうち屈折率が小さい方のガラス又は樹脂の屈折率と等しいか、それよりも大きく、かつ、他方のガラス又は樹脂の屈折率と等しいか、それよりも小さいことを特徴とする請求項５に記載の面状照明装置。