照明装置およびそれを備える液晶表示装置

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【発明の名称】	照明装置およびそれを備える液晶表示装置
【発明者】	【氏名】増田岳志【氏名】角田行広
【要約】	【課題】指向性の高い照明光を出射できる照明装置およびそれを用いた表示装置を提供する。【解決手段】照明装置１００は、光源１０と導光板２０とを備える。導光板２０は、光源１０から出射された光を受ける第１側面２２ａと、プリズム面２４と、対向面２６とを有する。対向面２６は、第１側面２２ａにほぼ垂直な平坦な面であって、プリズム面２４は、対向面２６とのなす角αの絶対値が８０°から９０°の範囲内にある出射領域２４ａと、対向面２６とのなす角βの絶対値が１２°以下の伝搬領域２４ｂとから形成されている。

【特許請求の範囲】
【請求項１】光源と、前記光源から出射された光を受ける第１側面と、前記第１側面に対向する第２側面と、前記第１側面と第２側面との間に位置し、互いに対向する第３側面および第４側面と、前記第１、第２、第３および第４側面を介して互いに対向するプリズム面と対向面とを有する導光板と、前記対向面は、前記第１側面にほぼ垂直な平坦な面であって、前記プリズム面は、前記対向面とのなす角αの絶対値が８０°から９０°の範囲内にある出射領域と、前記対向面とのなす角βの絶対値が１２°以下の伝搬領域とから形成されている、照明装置。
【請求項２】前記出射領域と前記伝搬領域とは交互に配置されており、前記プリズム面の断面形状は凹部と凸部とが交互に配置された形状である、請求項１に記載の照明装置。
【請求項３】前記第１側面と前記第２側面とは互いに平行で、前記出射領域および前記伝搬領域は、前記対向面に対する角度が＋α°の第１出射領域と、前記対向面に対する角度が＋β°の第１伝搬領域と、前記対向面に対する角度が－α°の第２出射領域と、前記対向面に対する角度が－β°の第２伝搬領域とを有する、請求項２に記載の照明装置。
【請求項４】前記プリズム面は、前記凹部および前記凸部の稜線に垂直な方向に沿って、一定のピッチＰで前記凹部と前記凸部とを周期的に有し、前記凹部と前記凸部との高さの差ｈは、０．０２≦ｈ／Ｐ≦０．２の関係を満足する、請求項２または３のいずれかに記載の照明装置。
【請求項５】前記プリズム面は、前記凹部および前記凸部の稜線に垂直な方向に沿って、一定のピッチＰで前記凹部と前記凸部とを周期的に有し、同一周期内に含まれる前記凹部の前記稜線に垂直な方向に沿った長さＰ１と前記凸部の前記稜線に垂直な方向に沿った長さＰ２とが、０．２５≦Ｐ１／Ｐ２≦２．５の関係を満足する請求項２から４のいずれかに記載の照明装置。
【請求項６】前記第１側面に対する前記第１出射領域および第１伝搬領域の配置と、前記第２側面に対する前記第２出射領域および第２伝搬領域の配置は、互いに等価である、請求項３から５のいずれかに記載の照明装置。
【請求項７】前記導光板の前記第２側面側に設けられたさらなる光源を有する、請求項６に記載の照明装置。
【請求項８】前記凹部と前記凸部との高さの差ｈは、前記第１側面から前記第２側面に向かうにつれて大きくなっている、請求項４に記載の照明装置。
【請求項９】前記導光板の前記プリズム面および前記対向面のいずれか一方の側に反射層をさらに有する請求項１から８のいずれかに記載の照明装置。
【請求項１０】前記導光板を間に介して前記反射層に対向するように設けられた方向変換素子をさらに有する、請求項１から９のいずれかに記載の照明装置。
【請求項１１】前記方向変換素子は、前記導光板から出射された光の指向性を実質的に維持し、前記導光板から出射された光の出射方向だけを変換する、請求項１０に記載の照明装置。
【請求項１２】請求項１から９のいずれかに記載の照明装置と、前記照明装置の前記導光板の前記反射板とは反対側に設けられた液晶表示パネルとを備える液晶表示装置。
【請求項１３】前記液晶パネルの観察者側に光拡散素子をさらに有する請求項１２に記載の液晶表示装置。

【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、照明装置およびそれを用いた表示装置に関し、特に、液晶表示装置のバックライトとして好適に用いられる照明装置およびそれを用いた液晶表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】液晶表示装置（以下、「ＬＣＤ」と称する。）は、ＣＲＴ、ＰＤＰあるいはＥＬなどの自発光型の表示装置ではなく、液晶パネルを後方から照明する面状の照明装置（いわゆる、バックライト）が配置される。液晶パネルがバックライトから照射された照明光の透過光量を制御することによって画像を表示する。
【０００３】現在、ツイステッドネマティック（ＴＮ）型およびスーパーツイステッドネマティック（ＳＴＮ）型のＬＣＤが広く利用されている。しかしながら、これらのＬＣＤは、画像を見る角度（視角）によって表示品位（例えば、コントラスト比や中間調表示の輝度や色調）が変化するという問題を有している。すなわち、ＴＮ型ＬＣＤやＳＴＮ型ＬＣＤは、良好な表示を提供できる視角範囲が狭いという問題を有している。
【０００４】この問題を解決する１つの方法として、液晶表示パネルに入射するバックライトの照明光の指向性を高めるとともに、液晶表示パネルから出射される表示光の角度分布を広げる方法がある。液晶表示パネルに入射する照明光の角度分布を狭くする（すなわち指向性を高める）ことによって、ある一定の高いコントラスト比、中間調の輝度および色調を有する良好な表示が得られる。液晶表示パネルの観察者側に光学素子（例えばレンチキュラーレンズ）を設けて、液晶表示パネルから出射された表示光の角度分布を広げることによって、広い視角範囲に亘って良好な表示が実現される。
【０００５】例えば、特開昭６０－２０２４６４号公報に開示されているＬＣＤ３１０は、図１５に模式的に示すように、ライトコントロールフィルム（住友スリーエム社製）とルーバーとで構成された光角度制御部材３１２によって、面状光源３１１から出射された光の指向性を高めて液晶セル３１３に入射させ、液晶セル３１３を通過した光をレンチキュラーレンズ（一方向性拡散板）３１４を用いて拡散させることによって、特定の方向にの視野角を広げている。
【０００６】なお、本願明細書においては、上記公報に記載されているレンチキュラーレンズ（狭義の光発散素子）およびすりガラス板（狭義の光拡散素子）を含む、光の配向分布を広げる機能を有する光学素子を「光拡散素子」と称することにする。
【０００７】指向性の高い照明光を出射するバックライトについても、種々の提案がなされている。
【０００８】例えば、特公平７－２７１３６号公報に開示されているバックライト３２０は、図１６（ａ）に示すように、光源３２２と、光源３２２の周囲に設けられた光源用反射シート３２３と、導光板３２４と、導光板３２４の出射面に対向する対向面側に配置された導光板用反射シート３２５と、導光板３２４の出射面側に配置されたプリズムシート３２６とを備えている。
【０００９】導光板３２４の出射面には、多数のレンズ３２４ａが形成されており、出射角（出射面法線からの角）が大きい方向へ指向性の高い光が出射される。なお、出射角を規定するための基準となる「出射面」とは、導光板の出射面（導光板の出射側の表面）の物理的な形状とは無関係に、導光板の出射面が規定する平面を指す。例えば、導光板３２４の出射面は多数のレンズ３２４ａの全ての頂点を含む平面として規定され、出射角はこの出射面の法線からの角度として規定される。
【００１０】導光板３２４の出射面に形成されたレンズ３２４ａは、曲面または多数の平面で構成される近似曲面を有している。プリズムシート３２６は、導光板３２４の出射面に対向するように配置されたプリズム面で導光板３２４から出射された光を受け、この光をプリズム面で屈折または反射することによって所望の方向に照明光を出射する。導光板３２４に形成されたレンズ３２４ａの形状によって、出射光の主出射角（出射光の強度が最も強い方向）や指向性を制御することができる。この公報には、導光板１２４からの出射光を所望の方向に屈折または反射させるプリズムシート３２６のプリズムの形状についても記載されている。
【００１１】また、特公平７－２７１３７号公報には、図１７に示すように、導光板３３４の出射面を梨地加工（粗面加工）を施すことによって出射角が大きい方向へ指向性の高い光を出射させ、プリズムシート３３６を用いて所望の方向に照明光を出射するバックライト３３０が開示されている。図１７に示したバックライト３３０の構成要素のうち、図１６（ａ）のバックライト３２０と実質的に同じ機能を有する構成要素には同じ参照符号を付し、ここではその説明を省略する。図１７中の参照符号３３４ａは梨地加工された表面を模式的に示している。
【００１２】特開平８－３０４６０７号公報に開示されているバックライトは、図１８に示すように、光源３４２と、光源用反射シート３４３と、導光板３４４と、導光板用反射シート３４５と、プリズムシート３４６とを備え、指向性の高い照明光を照射する。導光板３４４の出射面に形成された三角プリズム状の微少な突起３４４ａで光を屈折させることによって、出射角が大きい方向へ指向性の高い光が出射される。プリズムシート３４６は、上述したプリズムシート３２６と同様に機能する。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、本願発明者が検討した結果、上述した従来の照明装置では、指向性が十分に高い照明光を得ることが困難であった。
【００１４】上記特公平７－２７１３６号公報に記載されているバックライト３２０の導光板３２４から出射される光は以下の理由で指向性が低く、その結果、バックライト３２０の照明光の指向性も低い。すなわち、バックライト３２０の照明光は、サイドローブ光（意図した出射角よりも大きな出射角で出射される光、迷光とも言う。）を含む。
【００１５】光源３２２から導光板３２４の内部に入射した光のうち、レンズ３２４ａの中央部に入射した光は、レンズ３２４ａと周囲の媒体（典型的には空気）との界面で全反射され、導光板３２４の内部を伝搬する。一方、レンズ３２４ａの端部に入射した光は、レンズ３２４ａと周囲の媒体との界面で屈折して、導光板３２４の外部に出射される。このレンズ３２４ａの端部から出射された光の出射角は大きいため、図１６（ｂ）に示すように、一部が隣接するレンズ３２４ａに入射し、レンズ３２４ａの表面で出射角が小さい方向へ反射される。その結果、導光板３２４から出射される光は、広い角度範囲に分布するので、バックライト３２０から出射される照明光の指向性が低く、サイドローブ光を含む。
【００１６】また、上記特公平７－２７１３７号公報に記載されているバックライト３３０の導光板３３４は、梨地加工されたランダムな形状を有する表面３３４ａが光を拡散することを利用している。このような拡散作用を有する表面３３４ａから出射される光は、ランダムな方向に屈折および／または反射されるので、出射角の小さい方向にも出射される。その結果、バックライト３３０の照明光の指向性は低く、サイドローブ光を含むことになる。
【００１７】また、上記特開平８－３０４６０７号公報に開示されているバックライト３４０は、以下に説明する問題を有している。図１８（ｂ）を参照しながら、この問題を説明する。
【００１８】図１８（ｂ）に示したように、導光板３４４の突起３４４ａから出射された出射角の大きな光の一部は、隣接する突起３４４ａの表面で反射され、出射角の小さな方向に進行する。従って、導光板３４４からの出射光は、出射角の大きな光に出射角の小さな光を含んでいるので、この出射光の進行方向をプリズムシート３４６で変換して得られる照明光の出射角度の範囲が広く、多くのサイドローブ光を含む。
【００１９】本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、指向性の高い照明光を出射できる照明装置およびそれを用いた表示装置を提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】本発明の照明装置は、光源と、前記光源から出射された光を受ける第１側面と、前記第１側面に対向する第２側面と、前記第１側面と第２側面との間に位置し、互いに対向する第３側面および第４側面と、前記第１、第２、第３および第４側面を介して互いに対向するプリズム面と対向面とを有する導光板と、前記対向面は、前記第１側面にほぼ垂直な平坦な面であって、前記プリズム面は、前記対向面とのなす角αの絶対値が８０°から９０°の範囲内にある出射領域と、前記対向面とのなす角βの絶対値が１２°以下の伝搬領域とから形成されており、そのことによって上記目的が達成される。
【００２１】前記出射領域と前記伝搬領域とは交互に配置されており、前記プリズム面の断面形状は凹部と凸部とが交互に配置された形状としてもよい。
【００２２】前記第１側面と前記第２側面とは互いに平行で、前記出射領域および前記伝搬領域は、前記対向面に対する角度が＋α°の第１出射領域と、前記対向面に対する角度が＋β°の第１伝搬領域と、前記対向面に対する角度が－α°の第２出射領域と、前記対向面に対する角度が－β°の第２伝搬領域とを有する構成としてもよい。
【００２３】前記プリズム面は、前記凹部および前記凸部の稜線に垂直な方向に沿って、一定のピッチＰで前記凹部と前記凸部とを周期的に有し、前記凹部と前記凸部との高さの差ｈは、０．０２≦ｈ／Ｐ≦０．２の関係を満足することが好ましい。
【００２４】前記プリズム面は、前記凹部および前記凸部の稜線に垂直な方向に沿って、一定のピッチＰで前記凹部と前記凸部とを周期的に有し、同一周期内に含まれる前記凹部の前記稜線に垂直な方向に沿った長さＰ１と前記凸部の前記稜線に垂直な方向に沿った長さＰ２とが、０．２５≦Ｐ１／Ｐ２≦２．５の関係を満足することが好ましい。
【００２５】前記第１側面に対する前記第１出射領域および第１伝搬領域の配置と、前記第２側面に対する前記第２出射領域および第２伝搬領域の配置は、互いに等価である構成としてもよい。このような構成は、前記導光板の前記第２側面側に設けられたさらなる光源を有する構成において好ましい。
【００２６】前記導光板の前記第１側面側にのみ光源を配置する構成においては、前記凹部と前記凸部との高さの差ｈは、前記第１側面から前記第２側面に向かうにつれて大きくなっている構成とすることが好ましい。
【００２７】前記導光板の前記プリズム面および前記対向面のいずれか一方の側に反射層をさらに有する構成としてもよい。
【００２８】前記導光板を間に介して前記反射層に対向するように設けられた方向変換素子をさらに有する構成としてもよい。
【００２９】前記方向変換素子は、前記導光板から出射された光の指向性を実質的に維持し、前記導光板から出射された光の出射方向だけを変換することが好ましい。
【００３０】本発明の液晶表示装置は、上記の照明装置と、上記の照明装置の前記導光板の前記反射板とは反対側に設けられた液晶表示パネルとを備え、そのことによって上記目的が達成される。
【００３１】前記液晶パネルの観察者側に光拡散素子をさらに有する構成としてもよい。
【００３２】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。
【００３３】まず、図１（ａ）および（ｂ）を参照しながら、本発明による実施形態の照明装置１００の構造と機能を説明する。図１（ａ）は照明装置１００の模式的な断面図であり、図１（ｂ）は照明装置１００の模式的な上面図である。
【００３４】図１（ａ）に示したように、照明装置１００は、光源１０と、導光板２０と、方向変換素子３０と、導光板用反射シート４０とを有している。図１（ｂ）においては、方向変換素子３０および導光板用反射シート４０を省略し、光源１０と導光板２０との相対配置を示している。図１（ａ）は、図１（ｂ）の１Ａ－１Ａ’線に沿った断面図に相当する。
【００３５】図１（ａ）および（ｂ）に示したように、導光板２０は、光源１０から出射された光を受ける第１側面２２ａと、第１側面２２ａに対向する第２側面２２ｂと、第１側面２２ａと第２側面２２ｂとの間に位置し、互いに対向する第３側面２２ｃおよび第４側面２２ｄと、これら４つの側面を介して互いに対向するプリズム面２４と対向面２６とを有している。典型的には、第１側面２２ａと第２側面２２ｂとが互いに平行で、第３側面２２ｃと第４側面２２ｄとが互いに平行である。また、第１側面２２ａおよび第２側面２２ｂと、第３側面２２ｃおよび第４側面２２ｄは互いに直交している。対向面２６は、典型的には、第１側面２２ａにほぼ垂直な平面であるが、導光板２０から出射される光の強度分布（第１側面２２ａから第２側面２２ｂに向かう方向における強度分布）を均一にするために、導光板２０の厚さが第２側面２２ｂに向かうにつれて徐々に薄くなるように、わずかに傾斜させてもよい。
【００３６】プリズム面２４は、対向面２６とのなす角αの絶対値が８０°から９０°の範囲内にある出射領域２４ａと、対向面２６とのなす角βの絶対値が１２°以下の伝搬領域２４ｂとを有しており、交互に周期的に配列された凹部２０ａと凸部２０ｂとを形成している。凹部２０ａおよび凸部２０ｂの稜線（すなわち、プリズム面２４の出射領域２４ａと伝搬領域２４ｂとが交わる線）２４ｒは、互いに平行に延びており、典型的には図１（ｂ）に示したように、第１側面２２ａおよび第２側面２２ｂと平行である。なお、液晶表示装置のバックライトととして用いる場合に、液晶表示パネルの画素配列との干渉によるモアレを防止するために、稜線２４ｒを第１側面２２ａに対して傾斜させてもよい。いずれの場合においても、第１側面２２ａから導光板２０に入射した光の主光線は、プリズム面２４の稜線２４ｒに垂直な方向に伝搬する。すなわち、図１（ａ）は、導光板２０の主光線方向に沿った断面図である。なお、図１（ａ）および（ｂ）中の矢印は主光線方向を示している。
【００３７】光源１０から出射され導光板２０の第１側面２２ａから導光板２０内に入射した光は、導光板２０のプリズム面２４の伝搬領域２４ｂと対向面２６とに臨界角以上の角度で入射し、全反射を繰り返しながら、第２側面２２ｂに向かって伝搬する。導光板２０内に入射した光の一部は、プリズム面２４の出射領域２４ａに臨界角未満の角度で入射し、導光板２０と周囲の媒体（典型的には空気）との界面で屈折し、出射領域２４ａから出射される。図１（ａ）に例示したように、光源１０を導光板２０の第１側面２２ａ側にのみ配置した構成においては、導光板２０内を伝播する主光線は、第１側面２２ａから第２側面２２ｂに向かって、一方向にのみ伝搬するので、それぞれの凹部２０ａ（または凸部２０ｂ）の互いに対向する一対の出射領域２４ａのうちの一方だけから光が出射する。勿論、光源を導光板２０の第２側面２２ｂ側にも設けた構成においては、一対の出射領域２４ａから光が出射する。
【００３８】ここで、図２（ａ）および（ｂ）を参照しながら、本発明による照明装置１００に好適に用いられる導光板２０のプリズム面２４の構造と機能を詳細に説明する。
【００３９】出射領域２４ａは、対向面２６に対する角度αの絶対値が８０°から９０°となる平面で構成されている。ここでは、角度αが９０°の出射領域２４ａを例示する。出射領域２４ａは平面で構成されているので、出射領域２４ａに入射する平行光は、出射領域２４ａ内の位置に関係なく同じ角度で入射し、平行光は全て同様に屈折され、全て同じ出射角度で（平行光のままで）出射される。すなわち、図１６（ｂ）に示したように、出射領域が曲面で構成されている場合には、出射領域に入射する平行光の出射領域に対する入射角度は出射領域内の位置によって異なり、また、出射領域ａから出射される光の出射角度も出射領域内の位置によって異なるので、出射角度分布が広がるが、出射領域２４ａを平面とすることによって、この出射角度の広がりを防止することができる。また、角度αの絶対値が８０°から９０°の範囲（ここでは、９０°）にあるので、出射領域２４ａから出射される光の出射角は大きい。
【００４０】さらに、プリズム面２４の伝搬領域２４ｂは、対向面２６となす角度βが０°から１２°（ここでは０°、すなわち対向面２６に平行）の範囲内にあるので、図２（ｂ）に示すように、ある凸部２０ｂの出射領域２４ａから出射され光は、隣接する凸部２０ｂの出射領域２４ａの表面で反射されることなく、隣接する凸部２０ｂから再び導光板２０内に入射する。従って、図１８（ｂ）を参照しながら説明したように、出射角の小さな方向に進行する光が生成されることが無い。このようにして、導光板２０は、大きな出射角方向に、指向性の高い光を出射する。特に、隣接する出射領域２４ａが互いに平行であると、隣接する出射領域２４ａから再入射しやすい（反射され難い）。勿論、例示したように、角度αが９０°の出射領域２４ａおよび角度βが０°の伝搬領域２４ｂから形成されたプリズム面２４において、この効果が最も顕著に得られる。
【００４１】本発明による照明装置１００に好適に用いられる導光板２０の他の構造を図３（ａ）～（ｄ）を参照しながら説明する。図３（ａ）～（ｄ）は、導光板２０のプリズム面２４の他の断面形状を模式的に示している。なお、図３（ａ）～（ｄ）においては、プリズム面２４のそれぞれの領域および面は、実質的に同じ機能を有するので同じ参照符号を付して説明を省略する。
【００４２】図３（ａ）～（ｄ）においては、伝搬領域２４ｂのうち、それぞれの凹部２０ａを構成する伝搬領域２４ｂを第１伝搬領域２４ｂ１とし、凸部２０ｂを構成する伝搬領域２４ｂを第２伝搬領域２４ｂ２とする。また、出射領域２４ａのうち、それぞれの凹部２０ａの第１側面２２ａ側に位置する出射領域２４ａを第１出射領域２４ａ１とし、第２側面２２ｂ側に位置する出射領域２４ａを第２出射領域２４ａ２とする。また、第１出射領域２４ａ１と対向面とのなす角をα１、第２出射領域２４ａ２と対向面とのなす角をα２とする。さらに、第１伝搬領域２４ｂ１と対向面（不図示）との成す角をβ１、第２伝搬領域２４ｂ２と対向面とのなす角をβ２とする。いずれの角（αおよびβ）も絶対値が９０°以下角度で、第１側面２２ａを９時方向に見て、対向面を基準に時計回りを正、反時計回りを負とする。図１および図２では、α（＝α１＝α２）が９０°、β（＝β１＝β２）が０°の構成を例示したのに対し、図３（ａ）～（ｃ）には、８０°≦｜α１｜＝｜α２｜＜９０°で、且つ、｜β１｜＝｜β２｜＝０°の例を示している。
【００４３】図３に示したプリズム面２４は、図１および図２に示したプリズム面２４と同様に、第１側面２２ａ側から順に、第２伝搬領域２４ｂ２／第１出射領域２４ａ１／第１伝播領域２４ｂ１／第２出射領域２４ａ２をこの順で周期的に有している。図１に示したような第１側面２２ａ側にのみ光源１０を設けた構成において、光源１０から導光板（２０、または２０Ａおよび２０Ｂ）に入射した光は、第１出射領域２４ａ１だけから光が出射されるが、第２側面２２ｂ側に更なる光源を設けた構成においては、更なる光源から導光板に入射した光は第２出射領域２４ａ２のみから出射される。
【００４４】図３（ａ）および（ｂ）に示した導光板２０Ａおよび２０Ｂのプリズム面２４の第１出射領域２４ａ１および第２出射領域２４ａ２は、対向面に対して、８０°≦｜α１｜＝｜α２｜＜９０°の角度で傾斜しており、α１とα２とが同符号で、第１出射領域２４ａ１と第２出射領域２４ａ２とは互いに平行である。この様に、第１出射領域２４ａ１と第２出射領域２４ａ２とが互いに平行であると、第１出射領域２４ａ１から出射した光が第２出射領域２４ａで反射されること無く、導光板２０内に再び入射しやすいので、サイドローブ光の発生が抑制される。α１とα２の絶対値は等しいことが好ましいが、異なってもよい。
【００４５】一方、図３（ｃ）および（ｄ）に示した導光板２０Ｃおよび２０Ｄのプリズム面２４の第１出射領域２４ａ１は、対向面に対して８０°≦｜α１｜＝｜α２｜＜９０°の角度で傾斜しており、α１とα２とは異符号である。第１出射領域２４ａ１と第２出射領域２４ａ２とは平行では無いので、第１出射領域２４ａ１から出射された光は、図３（ａ）および（ｂ）に示した導光板２０Ａや２０Ｂよりも、第２出射領域２４ａ２に入射し難いが、８０°≦｜α１｜、｜α２｜＜９０°の関係を満足する限り、第１出射領域２４ａ１から出射された光が第２出射領域２４ａ２で反射されることを十分に抑制することができる。α１とα２の絶対値は異なってもよい。
【００４６】次に、図４を参照しながら、本発明による照明装置１００に好適に用いられる導光板２０のさらに他の構造を説明する。
【００４７】これまでは、図１～図３を参照しながら、第１出射領域／第１伝搬領域／第２出射領域／第２伝搬領域が交互に形成されたプリズム面２４の例を説明したが、光源１０を第１側面２２ａ側に配置する構成においては、第２出射領域２４ａ２は実質的に出射領域として機能しないので、不要である。そこで、図４（ａ）～（ｄ）に示したように、出射領域２４ａと傾斜した伝搬領域２４ｂ’とから構成される導光板２０Ｅを用いることもできる。図４（ａ）および（ｂ）は、導光板２０Ｅのプリズム面２４を模式的に示している。
【００４８】導光板２０Ｅのプリズム面２４は、対向面（不図示）と９０°の角度αをなす出射領域２４ａと、対向面（不図示）に対して０＜β＜１２°の角度で傾斜した伝搬面２４ｂ’とから構成されている。第２出射面（第２側面２２ｂ側から入射した光を出射する機能を備える面）を有しない構成においては、プリズム面２４の最も高い位置と最も低い位置との差を凹凸の高さｈとし、最も低い位置からの高さがｈ／２である平面を基準面（図４中に出射領域２４ａと交差する点線で示す。）として、プリズム面２４のうち、この基準面よりも低い領域を凹部２０ａとし、高い領域を凸部２０ｂとする。また、上記の例と同様に、凹部２０ａを構成する伝搬領域２４ｂ’を第１伝搬領域２４ｂ’１とし、凸部２０ｂを構成する伝搬領域２４ｂ’を第２伝搬領域２４ｂ’２とする。この様に構成されたプリズム面２４は、第１側面２２ａ側から順に、第２伝搬領域２４ｂ’２／出射領域２４ａ／第１伝搬領域２４ｂ’１／を周期的に有している。第１伝搬領域２４ｂ’１と第２伝搬領域２４ｂ’２とは連続している。
【００４９】このようなプリズム面２４では、図４（ｂ）に示したように、出射領域２４ａから出射された光は傾斜した伝搬領域２４ｂに入射するが、伝搬領域２４ｂ’に対する入射角は非常に大きい（臨界角以上）ので、伝搬領域２４ｂ’の表面で反射されるが、伝搬領域２４ｂ’の対向面に対する角度はさほど大きくないので、出射角が大きく変化することなく、導光板２０Ｅから出射される。従って、導光板２０Ｅから出射される光は、従来よりも指向性が高く、且つ、サイドローブ光を殆ど含まない。
【００５０】勿論、出射領域２４ａと対向面とが成す角αは、９０°に限られず、図４（ｃ）および（ｄ）にそれぞれ示す導光板２０Ｆおよび２０Ｇのように、８０°≦｜α｜＜９０°であれば、αの符号は正でも負でもよい。但し、第１伝搬領域２４ｂ’１と第２伝搬領域２４ｂ’２との間に第２出射領域を有しない構成においては、βは必ず正である。
【００５１】本発明の照明装置の導光板として好適に用いられる更に他のプリズム面２４の構造を図５（ａ）～（ｊ）に示す。図５（ａ）～（ｊ）に示したプリズム面はいずれも、対向面（不図示）に対して、８０°≦｜α１｜、｜α２｜≦９０°の角度α１およびα２をなす第１出射領域２４ａ１および第２出射領域２４ａ２と、対向面に対して、０°≦｜β１｜、｜β２｜≦１２°の角度β１およびβ２をなす第１伝搬領域２４ｂ１および第２伝搬領域２４ｂ２とを有している。図５（ａ）～図５（ｅ）はβ１およびβ２が正の構造を、図５（ｆ）～図５（ｊ）はβ１が正でβ２が負の構造をそれぞれ示している。いずれも、｜α１｜＝｜α２｜、｜β１｜＝｜β２｜の場合を例示しているが、｜α１｜≠｜α２｜、｜β１｜≠｜β２｜であってもよい。また、図５（ａ）～（ｊ）に示した断面形状と紙面に対して鏡像の関係にある断面形状のプリズム面を用いることもできる。
【００５２】なお、導光板２０をプラスチック成型技術を用いて製造する場合には、成型の容易な断面形状のプリズム面２４を有する導光板２０が好ましく、例えば、図５（ｅ）や（ｊ）に示した断面形状を有するプリズム面２４は好ましくない。
【００５３】上述したように、本発明による照明装置１００の導光板２０のプリズム面２４は種々の断面形状を有し得る。上述したように、プリズム面２４は、対向面２６とのなす角αの絶対値が８０°から９０°の範囲内にある出射領域２４ａと、対向面２６とのなす角βの絶対値が１２°以下の伝搬領域２４ｂとを有するので、従来の導光板よりもサイドローブ光が少なく、指向性の高い光を出射することができる。
【００５４】典型的には、出射領域２４ａと伝搬領域２４ｂとは交互に配置されており、プリズム面２４の断面形状は凹部２０ａと凸部２０ｂとが交互に配置された形状である。
【００５５】導光板２０に入射した光の主光線は、凹部２０ａと凸部２０ｂとの稜線に垂直な方向に伝搬する。第１側面２２ａ側だけでなく、第２側面２２ｂ側にも光源を配置する構成を採用する場合には、特に、第１側面２２ａと第２側面２２ｂとは互いに平行で、出射領域２４ａおよび伝搬領域２４ｂは、対向面２６に対する角度が＋α°の第１出射領域２４ａ１と、対向面２６に対する角度が＋β°の第１伝搬領域２４ｂ１と、対向面２６に対する角度が－α°の第２出射領域２４ａ２と、対向面に対する角度が－β°の第２伝搬領域２４ｂ２とを有することが好ましい。さらに、第１側面２２ａに対する第１出射領域２４ａ１および第１伝搬領域２４ｂ１の配置と、第２側面２２ｂに対する第２出射領域２４ａ２および第２伝搬領域２４ｂ２の配置は互いに等価とすることによって、第１側面２２ａから第２側面２２ｂに亘る領域における出射光の強度分布を均一にできる。
【００５６】なお、導光体２０から十分な量の光を出射させるためには、導光板２０に交互に形成された凹部２０ａおよび凸部２０ｂのピッチＰ（稜線２４ｒに垂直な方向におけるピッチ）と、凹部２０ａと凸部２０ｂとの高さの差ｈ（同一周期内の凸部２０ｂの最高点と凹部２０ａの最低点との高さの差とする。単に「凹凸の高さ」ということもある。）とが、０．０２≦ｈ／Ｐ≦０．２の関係を満足することが好ましい。また、プリズム面２４は、同一周期（ピッチＰ）内に含まれる凹部２０ａの稜線２４ｒに垂直な方向に沿った長さＰ１と凸部２０ｂの稜線２４ｒに垂直な方向に沿った長さＰ２とが、０．２５≦Ｐ１／Ｐ２≦２．５の関係を満足することが、導光体２０から十分な量の光を出射させるために好ましい。
【００５７】さらに、第１側面２２ａ側に設けられた光源の光を導光体２０から均一な強度分布で出射させるためには、凹部２０ａと凸部２０ｂとの高さの差ｈを第１側面２２ａから第２側面２２ｂに向かうに連れて大きくすることが好ましい。勿論、第１側面２２ａ側と第２側面２２ｂ側の両方に光源を配置する構成においては、凹部２０ａと凸部２０ｂとの高さの差ｈが、導光板２０の第１側面２２ａと第２側面２２ｂとの間の中央で最も大きくなる構造の導光板２０を用いることが好ましい。
【００５８】次に、再び図１（ａ）を参照しながら、照明装置１００が有する方向変換素子３０の構造と機能を説明する。照明装置１００が有する方向変換素子３０は、導光板２０から出射された指向性の高い光の進行方向を変換する。勿論、導光板２０から出射された光の方向を変換する必要がない用途に用いる場合には、方向変換素子３０を省略することができる。後に例示するように、照明装置１００を液晶表示装置のバックライトとして用いる場合などでは、照明装置１００から出射される光は、出射面の法線方向で最も強度が強いことが好ましく、そのために方向変換素子３０を用いる。
【００５９】この方向変換素子３０は、高い指向性を維持しつつ、光の方向だけを変換する。方向変換素子３０としては、例えば、断面が三角のプリズム３０ｂを平行に配列した構成を備えるプリズムシートを用いることができる。プリズムシートのプリズム面（凹凸が形成されている方の面）３０ａが、導光板２０から出射された光を受けるように配置されている。プリズムシートの稜線は、導光板２０の凹凸の角の線と平行に配置される。プリズム面３０ａに形成される凹凸の形状を変更することによって、出射角を制御することができる。導光板２０から出射される光の出射方向および最終的に出射する方向（照明装置１００の出射方向）に応じて適宜設定すればよい。また、プリズムシートのプリズム面３０ａを観察者側に配置してもよい。
【００６０】導光板２０の対向面２６側には、導光板２０からより効率よく光が出射されるように導光板用反射シート４０を配置することが好ましい。導光板用反射シート４０は、サイドローブ光（迷光）の発生を抑制するために正反射シート（鏡面反射シート）であることが好ましい。なお、対向面２６と周囲の媒体との界面で十分な反射率が得られる場合には、導光板用反射シート４０を省略しても良い。
【００６１】上述した照明装置１００は、サイドローブ光が少なく、指向性の高い照明光を出射するので、液晶表示装置のバックライトとして好適に用いられる。特に、液晶表示パネルの前面（観察者側）に光拡散素子を設けた構成と組み合わせることによって、高品位の表示が可能な、広視野角の液晶表示装置を実現することができる。
【００６２】本発明による他の照明装置１１０を図６を参照しながら説明する。図６に示した照明装置１１０は、２つの光源１０ａおよび１０ｂを有する点および導光板２０の対向面２６を出射面とし、対向面２６側に方向変換素子３０が配置され、プリズム面２４側に導光板用反射シート４０が配置されている点において、図１（ａ）および（ｂ）に示した照明装置１００と異なっている。照明装置１１０の各構成要素は照明装置１００の対応する構成要素と実質的に同じ機能を有するので、共通の参照符号を付し、その説明を省略する。照明装置１１０も照明装置１００と同様に、サイドローブ光の少ない、指向性の高い照明光を出射することができる。
【００６３】以下に、本発明による液晶表示装置の実施形態を説明する。本発明による液晶表示装置は、以下に例示する照明装置に限られず、上述した照明装置を広く用いることができる。
【００６４】（実施形態１）実施形態１の液晶表示装置２００の断面構造を図７に模式的に示す。
【００６５】図７に示したように、液晶表示装置２００は、液晶パネル１４０と、液晶パネル１４０の背面に配置された上述の照明装置１００とを有している。液晶表示装置２００は、液晶パネル１４０の観察者側にさらに光拡散素子５０を有している。
【００６６】照明装置１００の光源１０として冷陰極管を使用し、光源１０から出射された光を効率良く導光板２０の第１側面２２ａに入射させるために、光源用反射シート１４を光源１０の外周に設けてある。導光板２０としては、ここでは、図３（ｃ）に示した断面形状を有する導光板２０を用いる。
【００６７】凹凸のピッチＰと高さｈの関係が導光板２０からの出射光の強度分布に及ぼす影響を図８（ａ）および（ｂ）を参照しながら説明する。プリズム面２４の断面形状は、β１＝β２＝０°として、｜α１｜＝｜α２｜は７５°～９０°の範囲で検討した。典型的な結果を図８に示す。
【００６８】図８（ａ）から分かるように、ｈ／Ｐ＝０．０５のときに出射光量（相対輝度）が最大であり、ｈ／Ｐが小さくなるに従って出射光量が減少していき、ｈ／Ｐ＝０．０２では出射光輝度のピーク値がｈ／Ｐ＝０．０５のときの８０％以下となってしまう。また、図８（ｂ）から分かるように、ｈ／Ｐが０．０５より大きくなっても出射光量は減少し、ｈ／Ｐ＝０．２では出射光輝度のピーク値がｈ／Ｐ＝０．０５のときの８０％程度となってしまう。従って、約８０％以上の出射光量を得るためには、凹凸のピッチＰと高さｈは、０．０２≦ｈ／Ｐ≦０．２の関係を満足することが好ましい。
【００６９】次に、プリズム面２４の断面形状をβ１＝β２＝０°として、｜α｜（＝｜α１｜＝｜α２｜）を変化させて、出射光量に対する影響を検討した結果を図９に示す。
【００７０】図９から分かるように、α＝９０°のときに出射光量が最も多く、αの絶対値が大きくなるに従って出射光量が減少し、出射角が負の方向にサイドローブ光が発生する。例えば、｜α｜＝８０°では、出射光量の最大値はα＝９０°のときの８０％程度あるが、｜α｜＝７５°では、出射光量の最大値はα＝９０°のときの約７０％程度まで低下し、出射角が－３０°～－６０°付近で迷光が発生している。従って、約８０％の出射光量を得るためには、出射領域２４ａが対向面２６となす角αの絶対値｜α｜は、８０°≦｜α｜≦９０°の範囲内にあることが好ましい。なお、ここでは角度β（＝β１＝β２）＝０°としたが、角度βの絶対値が１２°であればよい。但し、プリズムの断面形状によらず、角度βの絶対値が大きくなるとサイドローブ光が増える傾向があるので、サイドローブ光を減少させるためには、角度βの絶対値は５°以下がさらに好ましく、０°であることが最も好ましい。
【００７１】次に、図１０（ａ）および（ｂ）を参照しながら、一周期内の凹部２０ａの幅Ｐ１と凸部２０ｂの幅Ｐ２の比Ｐ１／Ｐ２の出射光量に対する影響を説明する。
【００７２】まず、図１０（ａ）からわかるように、０．２５≦Ｐ１／Ｐ２≦１の関係を満足すれば、出射光量の最大値および出射光量の角度依存性はほとんど変化しない。しかしながら、Ｐ１／Ｐ２が０．２５より小さくなると出射光量は減少し、Ｐ１／Ｐ２＝０．１のときには、出射光量の最大値は、Ｐ１／Ｐ２＝０．２５のときの約８０％以下となる。
【００７３】また、図１０（ｂ）から分かるように、Ｐ１／Ｐ２が１より大きくなると、出射光量の最大値は減少し、Ｐ１／Ｐ２＝２．５では、出射光量の最大値はＰ１／Ｐ２＝１のときの約８０％以上あるが、Ｐ１／Ｐ２＝４では、出射光量の最大値はＰ１／Ｐ２＝１のときの７０％程度となる。
【００７４】以上のことから、８０％程度の出射光量を得るためには、凹部２０ａの幅Ｐ１と凸部２０ｂの幅Ｐ２との比Ｐ１／Ｐ２は、０．２５≦Ｐ１／Ｐ２≦２．５の範囲内にあることが好ましい。
【００７５】実施形態１の液晶表示装置２００に用いる照明装置１００の導光板２０を、プリズム面２４の凹凸形状が上記の条件を満足するように設計した。具体的には各パラメータを以下の様に設定した。
【００７６】β＝０°α＝９０°ｈ／Ｐ＝０．０５Ｐ１／Ｐ２＝１さらに、具体的には、導光板２０のサイズを２１０ｍｍ×１５５ｍｍ×４ｍｍ（厚さ）で、Ｐ＝５００μｍとする。また、凹凸の高さｈは、第１側面２２ａに最も近い凹凸のｈ（ｈの最大値）を２５μｍとし、第２側面２２ｂに向かって徐々に大きく設定し、出射光量の分布が一定となるようにした。但し、第２側面２２ｂに最も近い凹凸の高さｈ（ｈの最小値）がｈ／Ｐ≧０．０２となるようにした。このように、凹凸の高さｈに傾斜を持たせる場合にも、全てのｈに対して、０．０２≦ｈ／Ｐ≦０．２の関係を満足することが好ましい。
【００７７】また、導光板２０は、ポリメチルメタクリレートを射出成形することによって作製した。導光板２０の対向面２６には、導光板２０からより効率よく光が出射されるように導光板用反射シート５０を配置した。導光板用反射シート５０には迷光の発生を抑制するために正反射シートを用いた。
【００７８】方向変換素子３０には、多数のプリズム３０ｂがそれぞれの稜線が互いに平行になるように配列されたプリズムシート（例えば、住友スリーエム（株）製の「ＴＲＡＦＩＩ」）を使用した。ここでは、プリズム面３０ａを導光板２０側に配置した。なお、ＴＲＡＦＩＩはアクリル系樹脂で形成されている。
【００７９】図１１に断面構造を模式的に示したように、この方向変換素子３０が有する複数のプリズム３０ｂのそれぞれは、頂角が７０°の二等辺三角形のプリズムである。導光板２０のプリズム面２４の出射領域２４ｂから主として約８０°の出射角で出射された光は、方向変換素子３０のプリズム３０ｂに入射し、プリズム３０ｂと周囲の媒体（ここでは空気）との界面で屈折し、プリズム３０ｂ内を伝搬し、プリズム３０ｂと空気との界面で反射され、プリズムシート３０の対向面（平面）３０ｃから、約０°の出射角で出射される。このように、方向変換素子３０は、導光板２０から出射された出射角の大きな光の指向性を維持したままで、その進行方向だけを変換する。
【００８０】この照明装置１００から出射された照明光の強度（相対輝度）の角度分布を図１２に示す。図１２から分かるように、照明装置１００から出射された照明光は、出射角が０°付近に強度のピークを有し、半値角（強度が最大強度の半分になる出射角度と最大強度を与える出射角度との差）は１０°程度であり、指向性が高い。また、出射角が大きな方向へのサイドローブ光が少ない。これは、導光板２０が、出射角が大きい方向に指向性の高い光を出射しており、且つ、サイドローブ光の原因となる小さい出射角の方向へは、ほとんど光を出射していないからである。
【００８１】この照明装置１００と、公知の透過型液晶パネル１４０と、光拡散素子５０とを組み合わせた液晶表示装置２００は、高品位の表示が可能で、広い視野角特性を有していた。なお、光拡散素子５０としては、例えばレンチキュラーレンズを用いることができる。また、光拡散素子５０を省略すれば、視野角は狭いものの、非常に明るい液晶表示装置が得られる。
【００８２】上記の例では、方向変換素子３０のプリズム面３０ａを導光板２０側に配置したが、方向変換素子３０の対向面３０ｃを導光板２０側に配置すると、約３５°の出射角に最大強度を有する照明光を得ることができる。方向変換素子３０の構造は上記の例に限られず、用途に応じて適宜変更される。導光板２０から出射される光の角度、導光板２０の屈折率、周囲の媒体の屈折率、方向変換素子３０の屈折率、所望の出射角などを考慮して、種々の形状のプリズムシートを用いることができる。
【００８３】（実施形態２）実施形態２の液晶表示装置２１０の断面構造を図１３に模式的に示す。
【００８４】図１３に示したように、液晶表示装置２１０は、液晶パネル１４０と、液晶パネル１４０の背面に配置された上述の照明装置１１０とを有している。液晶表示装置２００は、液晶パネル１４０の観察者側にさらに光拡散素子５０を有している。
【００８５】照明装置１１０の光源１０ａおよび１０ｂとして冷陰極管を使用し、光源１０ａおよび１０ｂから出射された光を効率良く導光板２０の第１側面２２ａおよび第２側面２ｂにそれぞれ入射させるために、光源用反射シート１４ａおよび１４ｂをそれぞれ光源１０ａおよび１０ｂの外周に設けてある。導光板２０としては、実施形態１と同様に、図３（ｃ）に示した断面形状を有する導光板２０を用いる。
【００８６】実施形態２の液晶表示装置２１０に用いた照明装置１１０についても、実施形態１の液晶表示装置２００に用いた照明装置１００について説明したのと同様に、凹凸の高さｈと凹凸のピッチＰとが０．０２≦ｈ／Ｐ≦０．２の関係を満足することが好ましい。また、凹部の幅Ｐ１と凸部の幅Ｐ２との比Ｐ１／Ｐ２は０．２５≦Ｐ１／Ｐ２≦２．５の関係を満足することが好ましく、角度αの絶対値｜α｜は８０°≦｜α｜≦９０°の範囲内に、角度の絶対値｜β｜は０°≦｜β｜≦１２°の範囲内にあることが好ましい。さらに、一周期内の凹部２０ａの幅Ｐ１と凸部２０ｂの幅Ｐ２の比Ｐ１／Ｐ２は０．２５≦Ｐ１／Ｐ２≦２．５の範囲内にあることが好ましい。
【００８７】実施形態２の液晶表示装置２１０に用いる照明装置１１０の導光板２０を、プリズム面２４の凹凸形状が上記の条件を満足するように設計した。具体的には各パラメータを以下の様に設定した。
【００８８】β＝０°α＝９０°ｈ／Ｐ＝０．０５Ｐ１／Ｐ２＝１さらに、具体的には、導光板２０のサイズを４２０ｍｍ×３１５ｍｍ×８ｍｍ（厚さ）で、Ｐ＝１０００μｍとする。また、凹凸の高さｈは、第１側面２２ａおよび第２側面２２ｂに最も近い凹凸のｈ（ｈの最大値）を５０μｍとし、導光板２０の中央に向かって徐々に大きく設定し、出射光量の分布が一定となるようにした。但し、中央（第１側面２２ａと第２側面２２ｂとの丁度真中）に位置する凹凸の高さｈ（ｈの最小値）がｈ／Ｐ≧０．０２となるようにした。このように、凹凸の高さｈに傾斜を持たせる場合にも、全てのｈに対して、０．０２≦ｈ／Ｐ≦０．２の関係を満足することが好ましい。
【００８９】また、導光板２０は、ポリメチルメタクリレートの板を熱プレス成形することによって作製した。導光板２０の対向面２６には、導光板２０からより効率よく光が出射されるように導光板用反射シート５０を配置した。導光板用反射シート５０には迷光の発生を抑制するために正反射シートを用いた。
【００９０】方向変換素子３０には、実施形態１の液晶表示装置１００と同様に、プリズムシート（例えば、住友スリーエム（株）製の「ＴＲＡＦＩＩ」）を使用した。ここでも、プリズム面３０ａを導光板２０側に配置した。なお、方向変換素子３０の種類や配置を適宜変更できるのは、実施形態１の液晶表示装置２００と同様である。
【００９１】図１４に、導光体２０から出射された光の強度（相対輝度）の角度分布および照明装置１１０から出射された照明光の強度（相対輝度）の角度分布を示す。図１４から分かるように、導光体２０から出射された光は、出射角が±７５°付近に強度のピークを有している。導光体２０から出射された光の進行方向が方向変換素子３０によって変換された、照明装置１１０からの照明光は、出射角が０°付近に強度のピークを有し、半値角は１０°程度であり、指向性が高い。また、出射角が大きな方向へのサイドローブ光が少ない。
【００９２】このように、小さい出射角の光をほとんど出射せず、出射角が大きい方向に指向性の高い光を出射する導光板２０と、光の指向性を維持したまま進行方向だけを変換する方向変換素子３０とを組み合わせることによって、サイドローブ光が少なく、指向性の高い照明光を得ることができる。
【００９３】この照明装置１１０と、公知の透過型液晶パネル１４０と、光拡散素子５０とを組み合わせた液晶表示装置２１０は、高品位の表示が可能で、広い視野角特性を有していた。なお、光拡散素子５０としては、例えばレンチキュラーレンズを用いることができる。また、光拡散素子５０を省略すれば、視野角は狭いものの、非常に明るい液晶表示装置が得られる。
【００９４】
【発明の効果】本発明によれば、指向性の高い照明光を出射できる照明装置が提供される。導光板に形成された凹凸を適切に設計することで、導光板から光が効率よく出射し、かつ狭い角度範囲内で光が出射するため、明るく、指向性の高い照明光を出射できる照明装置を実現できる。この導光板と方向変換素子と組み合わせることによって、照明光の出射方向を任意に制御でき、所望の方向に指向性が高く、サイドローブ光の小さい照明光を得ることができる。
【００９５】本発明の照明装置を液晶表示素子のバックライトとして用いることによって、明るい液晶表示装置が実現できる。さらに、前面に光拡散素子を備えた液晶パネルと組み合わせることによって、高品位の表示が可能で、広い視野角特性を有する液晶表示装置を実現できる。

【出願人】	【識別番号】０００００５０４９【氏名又は名称】シャープ株式会社
【出願日】	平成１２年９月２９日（２０００．９．２９）
【代理人】	【識別番号】１０００７７９３１【弁理士】【氏名又は名称】前田弘（外２名）
【公開番号】	特開２００２－１０９９２５（Ｐ２００２－１０９９２５Ａ）
【公開日】	平成１４年４月１２日（２００２．４．１２）
【出願番号】	特願２０００－２９９２１３（Ｐ２０００－２９９２１３）