照明装置

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【発明の名称】	照明装置
【発明者】	【氏名】宮崎靖浩
【要約】	【課題】従来の液晶表示装置の照明に用いられる照明装置は、点光源を用いた場合に、表示画面内における光強度の差（輝度ムラ）が大きく、表示画面を見る角度により、直線状の筋光に見える輝線（散乱光）が発生していた。【解決手段】本発明は、点光源１から拡がる光線からなる照明光が導光板３に入射されると、導光板３に設けられた複数列で波状の曲面又は反射平面を持つ反射面による反射により、光線は散乱され、さらに液晶表示素子面で反射して、観察面側に抜けることにより、点光源固有の表示方向への不要光を除去し表示品質を向上させる照明装置である。

【特許請求の範囲】
【請求項１】光を照射する点光源と、前記点光源からの照明光を被照明体側に反射する反射部を有する導光板と、を備える照明装置において、前記反射部を有する導光板の前記反射面が、連続した曲面を有する反射面で構成されることを特徴とする照明装置。
【請求項２】光を照射する点光源と、前記点光源からの照明光を被照明体側に反射する反射部を有する導光板と、を備える照明装置において、前記反射部を有する導光板の反射面が、異なる角度を有する連続した反射平面で構成されることを特徴とする照明装置。
【請求項３】請求項１記載の照明装置において、前記連続した曲面を有する反射段面形状が円弧状であり、その円弧が成す中心角をθ３、複数の光源の配置間隔をＰ、光源からの有効拡がり角をθ１、光源から表示有効面までの光路長をＬとした時、θ１＝θ３、Ｌ＞Ｐ／（２・tan（θ１／２））
の関係を満足するように、各パラメータを設定することを特徴とする照明装置。
【請求項４】前記導光板の有効面の達するまでの前記光源側に近い部分に形成される反射面が、前記有効面に形成される反射面に比べて、波の円弧の径を小さくし、且つ前記反射面よりも深い円弧により形成されることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。

【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、反射型液晶表示装置に搭載される点光源を用いた照明装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】一般に、文字、数字や絵柄等を表示する液晶表示装置は、周囲が暗くとも使用することができるように種々のタイプの照明装置が搭載されている。これらの照明装置は、大別すると、透過型液晶表示装置の裏側から照明するバックライト型照明装置と、反射型液晶表示装置の表側から照明するフロントライト型照明装置がある。通常の小型携帯機器は、小型軽量化や低消費電力が求められているため、表示には反射型液晶表示装置が多く利用され、必要なときに照明することができるフロントライト型照明装置が搭載されている。
【０００３】従来のフロントライト型照明装置においては、液晶表示画面の前方に導光板を配置して、横方向から導光板内に照明光を取り込み、画面全体を明るくしている。従って、画面全体を均一的な明るさとすることが望まれており、蛍光灯等の線光源を画面側面に配置して照明光を入射していた。
【０００４】しかし、蛍光灯を用いた場合、照明装置自体の厚みが増しまうという問題があり、さらなる小型薄型化、低消費電力化が望まれている小型携帯機器に対しては、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の点光源を用いることが考えられている。この点光源を用いた場合には、小型薄型化や低消費電力化が実現できる反面、点光源であるため、表示画面における光強度の差（輝度ムラ）が光源近傍とその周辺とで大きくなるという問題がある。そのため、点光源を複数配置したり、点光源と導光板の間に拡散板を配置して輝度のピークを緩和させたりと種々の試みがなされている。
【０００５】この様な問題点を解決する技術として、例えば特開２０００－１１７２３号には、棒状の導光板を点光源と導光板との間に配置し、点光源から拡がる光線を棒状導光板により線状に変換した後、導光板へ入射させる技術が開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】前述した点光源による照明装置の場合に、特開２０００－１１７２３号においては、導光板が平面状のタイプに加えて、棒状のタイプも必要となり、部品点数が増加する問題がある。また横方向から屈折させて入射させるという構成上、点光源を数個しか配置できないため、表示エリアの大きな照明装置としては輝度不足により有効でないなどの欠点がある。
【０００７】また、点光源特有の問題点としては、特開平１０－１８８６３６号にて述べられている。この公報には、記載される問題点を解決するものとして、導光板の反射面に多数の円柱状突起を形成して、点光源からの入射光を拡散させて、連続的な輝線の発生を抑制して、均一な照明を実現する照明装置が提案されている。この技術は、直線状の筋光に見える輝線（散乱光）の発生を抑制する点で効果を有しているが、円柱状突起が離散的に配置されるため、表示体への照明光が不均一となり、さらに表示体への反射効率上不利なため突起形状の大型化を伴い、表示品質の向上が難しい。
【０００８】そこで本発明は、構成する部品点数の増加を抑制し、連続した曲面又は反射角を有する反射面を有する導光板により、点光源固有の表示方向への散乱を除去して均一な明るさの表示画面にすることで表示品質が向上された照明装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【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、光を照射する点光源と、前記点光源からの照明光を被照明体側に反射する反射部を有する導光板とを備える照明装置において、前記反射部を有する導光板の前記反射面が、連続した曲面を有する反射面で構成される照明装置を提供する。
【００１０】以上のような構成の照明装置は、点光源から拡がる光線からなる照明光が導光板に入射されると、導光板に設けられた複数列で波状の曲面又は反射平面を持つ反射面により反射されて光線は散乱され、さらに液晶表示素子面で反射して、観察面側に均一的に抜けることにより、点光源固有の表示方向への不要光が除去され、表示画面が均一の明るさとなる。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。本発明は、導光板に設けられた微小な反射面を、曲面又は、連続的に角度の異なる狭幅の反射面を繋ぎ合わせた多面反射面に形成することにより、点光源から拡がった光を導光板に入射させた場合でも、直線の筋状に見える輝線を平面的に拡げることで輝線を実質的に見えなくし、且つ表示画面を均一的な明るさにする照明装置である。
【００１２】図１には、本発明の照明装置における第１の実施形態に係る構成例を示して説明する。図１（ａ）に示す照明装置は、観察者が観察する表示画面側（上方向）から見た構成を示しており、液晶表示素子４上に配置された導光板３と、この導光板３からある距離だけ離れて並列に配置される点光源１となる例えば、２個の発光ダイオード（ＬＥＤ）１ａ，１ｂと、これらの点光源１を直線上に並べて収納し、導光板３へ光線を拡がるように放射するコ字型の筐体２とで構成される。図１（ｂ）は、図１（ａ）における線分Ａ－Ａ’の断面構成を示す図である。
【００１３】この例では、説明の簡易化のために２つの点光源を備える照明素子を例として説明しているが、勿論これに限定されるものではなく、これらの点光源の個数は、要求される輝度値と消費電力を考慮した任意の個数となる。これらの照明素子は、電気的接続を介して図示しない駆動回路により駆動されて発光する。図中の矢印は、それぞれの光線の進行方向を示している。この筐体２内は、点光源１からの拡がりを持った照明光を効率よく導光板３へ入射させるための反射板としても機能し、その内部表面上にアルミニウムやステンレス又は白色テフロン（登録商標）、硫酸バリウム、酸化マグネシウムなどの粉末等からなる高反射率部材が設けられている。また、これらの光反射部材は、シート状に形成して筐体２内壁へ貼り付けてもよい。
【００１４】点光源１から出射した拡がりを持った光線は、拡がり角に応じて反射板の面で反射され、導光板３の入口面から入射する。導光板３へ入射した光線は全反射を繰り返して、点光源１から遠い側へ伝搬していく。図１（ａ）に示す斜線のエリアは、下方に液晶表示素子４が配置された液晶表示に用いる有効エリア（表示画面）であり、隣り合った点光源同士からの有効拡がり角方向の光線は、この有効エリアよりも手前の点光源側で重なる（矢印Ｂ）ように配置されている。また、媒質の屈折率は、一定として作図してあり、実際に必要となる光学的寸法を前提としている。
【００１５】また導光板３の材料は、例えばアクリル、ポリカーボネート若しくは、ポリオレフィン系の材料からなり、屈折率１．５前後の値を有している。導光板３内に入射された光線のうち臨界角以上の入射角を持つ光線は、平坦部３ｃ及びその対向する面３ｂを全反射しながら、導光板内を伝搬する。前記臨界角は、材料の屈折率からｓｉｎ（１／１．５）で求められ、約４２度となる。そして、導光板３内を伝搬する臨界角以上の入射角を持った光線は、その一部が微小な反射面３ａで液晶表示素子４へ向けて反射され、液晶の反射率に従って再度観察者側へ反射し、再び導光板を透過することにより、液晶で表示された画像が観察される。次に、本発明の特徴とする図１（ａ）に示す導光板３の表面に形成されている微小な反射面３ａについて説明する。まず、反射面３ａが行う作用を明確にするために、図２（ｂ）を用いて、本発明が解決する問題点について説明する。前述したように、点光源１から出射された拡がりを持った光線は、導光板３内の上下面で全反射を繰り返しながら伝搬していくが、その中で、液晶表示素子４側に反射することなく直接観察者の方向へ進む光線がある。この光線は、液晶表示素子４からの表示情報を含んでいないため、観察者にとっては不要光となり、表示コントラストを低下させる原因ともなっている。
【００１６】この不要光は、光線の経路として２種類あり、１つ目は光線ａに示すように導光板３表面に設けられた反射面３ａを反射せずに透過してしまう経路である。これは、反射面３ａでの入射角が臨界角より小さい光線において生ずる。この光線ａの導光板３からの出射方向は、表示画面（平坦部３ｃと平行な面）に対して垂直な方向から４５度から９０度の方向へ傾いた成分を持つことが多い。従って、一般的な観察姿勢である、表示画面に垂直な方向から観察者が見た場合には、それほど悪影響を与えてはいない。光線ａに向かう斜め方向から表示画面を観察した場合に表示品質低下の原因となる。
【００１７】これに対し、導光板３上側の反射面３ａで反射し、一旦液晶表示素子４側へ向かった光線が、導光板下側の境界面３ｂで僅かに反射し、液晶表示素子４を反射することなく表示画面に対し垂直な方向へ向かう光線ｂが存在する。表示品質低下の原因となるこの光線ｂをなるべく減らすために、導光板３の液晶側の境界面３ｂに反射防止処理を施すことが一般的に行われている。しかし、これら光線ｂと表示情報を含んだ光線ｃの比率は、反射防止処理後の反射率Ｒ１と液晶面の反射率Ｒ２との比率で一意的に決まり、液晶面の散乱も考慮し、係数Ｋ＝正反射／全反射とすると、不要光のコントラストは以下の式で表される。
Ｒ１／（Ｒ１＋２×Ｋ×Ｒ２） …（１）
この式（１）れによれば、液晶表示素子４の反射散乱度が大きいほど不要光コントラストが大きくなり、視認性が悪化することになる。通常の外光照明下では液晶表示素子４の視野角が大きいほど優れているとされるため、不要光コントラストとしては大きくなる方向となる。従って液晶表示素子の視野角特性向上に従い、さらなる不要光除去が求められる。
【００１８】さらに、この不要光の観察者へ向かう方向について説明する。図２（ｂ）の光線ｂに示す通り、導光板３の反射面３ａで反射した光線は、一旦、液晶表示素子４へ向かう。ここで反射面における光線がｘ方向の成分を持っておらずｙ－ｚ平面内にあれば、液晶表示素子４へ向かい導光板３の下側面で一部反射し再び上に向かう光線も同じｙ－ｚ平面内にある。従って、観察者から不要光として認識できる観察角度も前記光線と同じｙ－ｚ平面内である。
【００１９】これに対し、図３に示す光線群ｅは、反射面での方向成分としてｘ方向の成分を持っているため、導光板下側面で反射後上方へ向かう場合もｘ成分をもった斜め方向へと向かう。従って観察者は導光板垂直方向からみてもこの光線は観察されず、光線のｘ成分の方向と平行となるまで視点を傾けたときに観察される。つまり導光板３の真上から見たときには、光線群ｄが、斜めから見たときには光線群ｅがそれぞれ直線上の散乱光として観察され、視認性低下の原因となる。これを解決する手段として、図２（ａ）に示すように、反射面３ａを曲線とした場合、導光板真上垂直方向から観察した場合、反射面の接線ｆ～ｉが光線と垂直となる場所をそれぞれ２次光源とした不要光が観察される。従って、図３に示すように反射面が直線の場合には、光線群ｄのみの直線上であった不要光が、図２（ａ）では様々な方向を持つ光線を発生源とするため面状に観察され、線上輝線の視認性としては光源に蛍光管のような線状のものを用いた場合と同等にまで改善できる。
【００２０】この曲面反射面の一例としては、図２（ｃ）に示すように、円の一部を連続的に繋げた曲面として構成される。この例では、波の円周角（中心角）θ３を持つ円弧を反転して繋げて曲面反射面３ｄとしてある。これを１周期として連続した曲面を形成する事により反射面への入射光線ｊはｘ成分の角度が０度±θ３／２度の範囲で真上に向かって反射する。同様に導光板上方斜めへ向かう成分も円弧への入射成分の範囲に従った角度範囲の光線が斜め方向へ反射され、面状の不要光として観察される。この円弧の連続で成る曲面の周期及び円の半径は、小さいほど目視認識しにくく、つまり表示品質としては高くすることができる。
【００２１】例えば、液晶のピッチを２００μｍとした場合は、曲面の周期をほぼ同程度、半径を５０μｍ程度以下にすることが望ましい。このようにして、ある観察方向から特定の直線上の輝線が観察されることはなくなり、どの方向から見ても平面状の不要光として認識されるため、蛍光管のような線状光源と同等の視認性を得ることが可能となる。この円周角θ３の角度は、点光源の指向角特性や光源同士の間隔、点光源と導光板有効エリアとの距離などを考慮した上で、視認性向上を目的として適切に設定される。つまり、波の円周角と導光板内での光源拡がり角の関係をある条件を満たすようにする。
【００２２】一例としては、円周角を導光板３内での光源拡がり角と等しくする。例えば、導光板面に垂直な方向の半値全角が６０度、平行な方向が１２０度の指向特性を有する点発光源（ＬＥＤ）の場合、導光板端面から入射して全光線が閉じ込められた状態では、水平方向の半値全角は約５０度となる（但し、導光板３の屈折率を１．５とした場合）。
【００２３】従って、円周角も５０度であるとすれば、強度が半値以上の光線だけが反射面で点光源側へ反射され、光源面での反射光の指向特性としては、狭く設定できる。但し、導光板３の光源入り口付近では、隣り合う点光源の強度半値光線が重なる距離より光源側のエリアでは、導光板の点光源側の反射によるスジ散乱は十分除去することができない。従って、この場合は円周角θ３を５０度より広めに設定することにより、光源に近いエリアでのスジ散乱の除去(平面化)に有利となる。このように、有効面と光源レイアウトを考慮して、最適な円周角を設定することができる。
【００２４】次に図４（ａ）は、一例として間隔Ｐで有効拡がり角θ１の２つの点光源と、有効拡がり角θ１の光線が隣り合う点光源同士で重なる点と光源からの距離Ｌ’と、点光源から絵表示有効エリアまでの距離Ｌを示した図である。ここでは説明を分かり易くするために、媒質中の屈折率は一定としてあり、各値も屈折率を考慮した上での光学的な値として示してある。
【００２５】図４（ｂ）には、光源の有効拡がり角θ２を、拡がり角０度方向の光線強度を１とした時に強度０．５となる方向の角度範囲として示した図である。このθ２を有効拡がり角θ１として考え、θ１＝θ２とすると、前述した上方向への不要光は点光源からの距離Ｌ'の点で隣り合う光線が重なり、合計して強度１となる。従って、上方向から観察したときの面上不要光は不連続な線状輝線ではなく、不要光強度ムラのない面状光として認識され、蛍光管による線光源並の視認性が得られることになる。また、この距離Ｌ’を有効エリアから光源までの距離Ｌより小さくなるよう、全体構成を配置することにより、光源に近い側でも不要光のムラを無くすことができる。これを式で表すと以下のようになる。
θ１＝θ２＝θ３ …（２）
Ｌ＞Ｐ／（２・tan（θ１／２）） …（３）
以上のことから本実施形態の照明装置によれば、点光源から拡がる照明光を被照明体側に反射する連続した曲面を有する反射面を有する導光板及び、光源間隔Ｐ、光源の有効拡がり角θ１，θ１の光線が隣り合う光源同士で重なる点と光源からの距離Ｌ'、光源から液晶表示有効エリアまでの距離Ｌ、曲面を成す円の一部の中心角θ３をそれぞれ適切に設定することにより、散乱光による輝線を防止して液晶表示素子を均一的に照明することができる。なお、反射面の曲面形状は、円弧に限定されるものではなく、光源の強度分布関数や表示画面の観察角度を変えたときの視認特性を考慮して、例えば２次関数形状や放物形状など任意に設定することも可能である。
【００２６】図５には、第２の実施形態に係る導光板３の反射面３ａの形状の構成例を示して説明する。この実施形態は、前述した第１の実施形態における導光板３の反射面３ａの曲面の半径を同一にしたまま周期を１／２として形成した反射面３ｅの一例である。この形態における反射面３ｅでは、隣り合う円弧が反転されずにそのまま並列される。これにより円弧の半径を小さくすることなく、肉視で問題となる反射面部の幅Ｗを半分に小さくすることが可能となる。
【００２７】次に図６には、第３の実施形態に係る導光板３の反射面３ａの形状の構成例を示して説明する。この実施形態は、前述した第１の実施形態の曲面部分に替わって、連続するように反射角度の異なっていく狭幅の平面が波形状に繋がれた多面の反射面３ｆからなっている。この反射面３ｆの面数は、製作精度により任意に設定可能であり、面数が多いほど視認性が向上する。この構成により、製作上直線しか加工できない場合に、曲面に近い性能を得ることが可能となる。
【００２８】次に図７には、第４の実施形態に係る導光板３の反射面３ａの形状の構成例を示して説明する。この実施形態は、導光板３の有効面（斜線部分）に達するまでの点光源側に近い部分に形成される反射面３ｇを形成した例である。この反射面３ｇは、有効面に形成される３ａに比べて、波の半径を小さくし、且つ反射面の円弧を深く形成している。このような反射面３ｇを設けることにより、有効面に光線が到達する前にさらに光線を拡散させることができる。
【００２９】以上詳述したように前述した各実施形態の照明装置によれば、点光源から拡がる光線からなる照明光が導光板に入射されると、導光板に設けられた複数列で波状の曲面又は反射平面を持つ反射面による反射により、光線は散乱され、さらに液晶表示素子面で反射して、観察面側に抜けることにより、点光源固有の表示方向への不要光を除去し表示品質を向上させることができる。また、従来の技術に比べて別途散乱用の構成部位を必要とせず、部品点数を増やすことなく実現できる。
【００３０】尚、本発明は、これらの実施形態に制限されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内において種々の変形を行うことができる。例えば、波形状の反射面を複数列に並べた際に、前述した実施形態では、反射面の波の山と谷が揃うように配列して反射面と反射面との間隔（ピッチ）が一定となるように配列しているが、隣接する反射面とはあるずれを持たせて配列させてもよい。また表示画面の大きさにより、照明光が向こう端まで届きにくい場合には、点光源に近い側の反射面から遠い側の反射面への波の半径と反射面の円弧の深さが徐々に変化するようにしてもよい。例えば、点光源に近い側の反射面から遠い側の反射面へ波の半径が大きくなっていき、円弧の導光板厚み方向の深さが深くなっていく。
【００３１】また、本実施形態では、導光板の一方の側に照明装置を配置したが、両方の側に照明装置を配置してもよい。さらに、本実施形態は矩形の表示画面を対象として、照明装置を配置しているがこれ以外の形状の表示画面においても、同様な反射面を持つ導光板を用いることにより、同等の効果を得ることが容易にできる。また、波形状の包絡線が直線ではなく、光源の配置や導光板の外形形状に応じて曲線や円状であってもよい。以上の実施形態について説明したが、本明細書には以下のような発明も含まれている。
【００３２】（１）光を照射する点光源と、前記点光源から拡がる照明光を被照明体側に反射する複数列に配列された反射面を有する導光板と、を備える照明装置において、前記各反射面が波状の曲面により形成されていることを特徴とする照明装置。
【００３３】（２）光を照射する点光源と、前記点光源から拡がる照明光を被照明体側に反射する複数列に配列された反射面を有する導光板と、を備える照明装置において、前記各反射面が、連続的に角度が変化する反射面が波形状に連結して形成されることを特徴とする照明装置。
【００３４】
【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、構成する部品点数を増加を抑制し、連続した曲面又は反射角を有する反射面を有する導光板により、点光源固有の表示方向への散乱を除去して均一な明るさの表示画面にすることで表示品質が向上された照明装置を提供することができる。

【出願人】	【識別番号】００００００３７６【氏名又は名称】オリンパス光学工業株式会社
【出願日】	平成１３年５月２５日（２００１．５．２５）
【代理人】	【識別番号】１０００５８４７９【弁理士】【氏名又は名称】鈴江武彦（外４名）
【公開番号】	特開２００２－３５２６１４（Ｐ２００２－３５２６１４Ａ）
【公開日】	平成１４年１２月６日（２００２．１２．６）
【出願番号】	特願２００１－１５７５９７（Ｐ２００１－１５７５９７）