JP2006253013A

JP2006253013A - 照明装置およびそれを備えた画像表示装置

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Publication number: JP2006253013A
Application number: JP2005069289A
Authority: JP
Inventors: Ikuo Onishi; 伊久雄大西
Original assignee: Kuraray Co Ltd
Current assignee: Kuraray Co Ltd
Priority date: 2005-03-11
Filing date: 2005-03-11
Publication date: 2006-09-21

Abstract

【課題】本発明は、大型で高輝度と輝度均一性が要求される照明看板装置、液晶ディスプレイ装置等に好適に用いられる直下方式の照明装置およびそれを備えた画像表示装置を得ることを目的とする。
【解決手段】上記の課題を解決する本発明は、規則的に配置した複数の略光源と、反射板と、該光源および該反射板からの光が透過する際に出射方向を制御する光制御部材と、光拡散シートとを少なくとも備える直下方式の照明装置であって、該光源が略線状であり、光入射側から光出射側に向かって反射板、光源、光制御部材、光拡散シートがこの順に配置され、該光制御部材の該光源からの光が入射する面または光が主に出射する面の少なくとも１面に該光源の長手方向と略平行な帯状の凹凸形状が周期的に形成され、該光拡散シートの光出射面に複数の凸部が形成されていることを特徴とする照明装置およびそれを備えた画像表示装置である。
【選択図】図１

Description

本発明は、光源を観察面の背面に配置する直下型照明装置およびこれを備えた画像表示装置に関するものであり、特に、大型で高輝度と輝度均一性が要求される照明看板装置、液晶ディスプレイ装置等に好適に用いられる直下方式の照明装置に関するものである。

光源を観察面の背面に配置する直下型照明装置は大型で高輝度が要求される照明装置として好適に用いられる。近年需要が伸びている大型の薄型テレビの背面照明装置としても好適に用いられる。

直下型照明装置の典型的な構成としては、観察面側に開口部を有するハウジング内に、反射部材を、ハウジングの内面を覆うか、観察面と対向するハウジング底面付近に観察面と平行に配し、その観察面側に光源を配置し、該光源は多くの場合、複数の光源を観察面と略平行に等間隔に配置し、更に観察面側の開口部付近にランプイメージを解消する目的で光拡散板を観察面と略平行に配置し、更に輝度の均一性を高めたり、出向方向を制御したりする目的で、拡散シートを配置し、正面輝度を高める目的でプリズムシートを配置する（例えば、特許文献１参照）。

拡散シートを複数枚用いる構成も、例えば、特許文献２の図７に示されるようによく知られている。

光拡散板としては、光拡散材を含有した光拡散板が広く用いられている。この方式では、良好な拡散性と光利用効率を得るために、メタクリル系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、スチレン系樹脂、塩化ビニル系樹脂等の基材樹脂に、無機微粒子や架橋有機微粒子を光拡散材として配合した光光拡散板が検討されている（例えば、特許文献３参照）。

しかし、これら光拡散材を用いる方法では光拡散材への光の吸収や、不要な方向への光の拡散のため光の利用効率が低下し省エネルギーの観点から好ましくない。そこで光拡散板表面に各種の微小な凹凸を施すことで拡散性を高めることで、光拡散材の使用量を低減する方法が、提案されている（例えば、特許文献４参照）。特に周期的な表面パターンを施すことで、光の指向性を高めた光は、拡散シートの使用枚数を低減できることから、照明装置の薄型化要求にも応えることができる（例えば、特許文献５参照）。

一方拡散シートはフィルム上に透光性微粒子を紫外線硬化樹脂などに分散してコートしたものや、表面をエンボス加工したものが、指向性、拡散性、光線透過率などの観点から望ましく用いられる。基材表面の微小突起部分が主たる拡散性を持つことが知られており、ビーズとバインダーの厚みを制御して光の拡散性を調整するための透光性微粒子のサイズや突出割合などについても検討されている（例えば、特許文献６参照）。

特開平１１−２２３８１２号公報特開２００４−１２９２４号公報特開昭５４−１５５２４４号公報特開平１０−１２３３０７号公報特開平８−３３５０４４号公報特開２００２−９９２２０号公報

しかしながら、従来知られている光拡散シートに関する技術からは微小突起部分の集光性能については不明確であり、特に前記周期的な表面パターンを施すことで、集光性を持たせた光制御部材と併せて用いたとき、照明装置の出光イメージに輝度ムラが発生することや、期待した集光効果が得られないことがあることが確認された。これは、光制御部材の集光機能による輝度角度分布が必ずしも一様でないためで、これまで提案されてきた拡散シートからは最適な拡散シートを選択することはできない。すなわち本発明出願に係る発明は上記の点を解決することとを課題とする。

そこで本発明者らは上記課題に鑑みて、鋭意検討し、前記周期的な表面パターンを施すことで、集光性を持たせた光拡散板の均一性、集光性をより高める拡散シートの形態を見出し、本発明に至った。すなわち光拡散シートに入工する光制御部材の出光強度の角度分布、すなわち集光特性を鑑みた拡散シートの形態を選択することで、望ましい正面輝度の向上を図ることができた。

本出願の請求項１に係る発明は、規則的に配置した複数の略光源と、反射板と、該光源および該反射板からの光が透過する際に出射方向を制御する光制御部材と、光拡散シートとを少なくとも備える直下方式の照明装置であって、該光源が略線状であり、光入射側から光出射側に向かって反射板、光源、光制御部材、光拡散シートがこの順に配置され、該光制御部材の該光源からの光が入射する面または光が主に出射する面の少なくとも１面に該光源の長手方向と略平行な帯状の凹凸形状が周期的に形成され、該光拡散シートの光出射面に複数の凸部が形成されていることを特徴とする照明装置である。

本出願の請求項２に係る発明は、前記光拡散シートが、該光拡散シートの入射面に該拡散シートの法線方向に対して２０°の角度で平行光を入射した場合の出射光角度分布が該光拡散シートの法線方向に対して角度αをなす方向にピークを生じ、かつ、α＜２０°を満足するものである請求項１に記載の照明装置である。

本出願の請求項３に係る発明は、前記光拡散シートの光出射面に形成された凸部の少なくとも一部の傾斜角度が２５°〜４５°の範囲にあることを特徴とする請求項１または２に記載の照明装置である。

本出願の請求項４に係る発明は、前記光拡散シートが、基材フィルム上に拡散ビーズを分散したバインダーを塗布したものであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の照明装置である。

本発明の請求項５に係る発明は、前記のいずれか１の照明装置上に透過型表示素子を設けたことを特徴とする画像表示装置である。

請求項１記載の発明に係る照明装置の構成により、従来の照明装置よりも高輝度な照明装置を得ることができる。

請求項２記載の発明に係る照明装置の構成により、略線状の光源と直行する方向の輝度角度分布の幅をより狭くすることができるため正面方向の輝度を向上させることができる。

請求項３記載の発明に係る照明装置の構成により、顕著に優れる集光性能が得られるため、正面方向の輝度向上をより高めることができる。

請求項４記載の発明に係る照明装置の構成により、拡散ビーズ濃度、粒径を調整することで光拡散シートの光拡散性能を調整することができ、所望の光学特性への調整が容易になる。

請求項５記載の発明に係る画像表示装置の構成によれば、照明装置上に液晶パネル等の透過型表示素子を設けたので、前記光制御部材および光拡散シートにより効率良く集光および拡散された光線が、透過型表示素子を透過し、表示された画像の視認性が向上する。

従来の多くの直下型バックライトは、規則的に配置した複数の光源の裏面に配置した反射板と光源の前面に配置したランプイメージを解消する微粒子を分散した光拡散板から構成されている。しかし、これら光拡散材を用いる方法では光拡散材への光の吸収や、不要な方向への光の拡散、拡散板反射光の反射板による光の吸収のため光の利用効率が低下するといった問題がある。そこで光拡散板の代わりにランプからの光を制御する光制御部材を用いることも可能である。光源が略直線状である場合には光制御部材は表面に光源の長手方向と平行な方向に帯状の凹凸形状を形成することで、光を効率よく制御し、輝度ムラを解消する。また同時に帯状の凹凸形状の長手方向と直行する方向の出光角度分布を制御することができるため光拡散板に対し正面方向の輝度を向上させることができる。

ここで略直線状の光源としては冷陰極管に代表されるの棒状光源、ＬＥＤなどの点状光源を直線状に配置した光源などが挙げられる。

しかしながら従来の光制御部材の主目的は輝度ムラ解消であるために、集光能力という観点からはプリズムシートなどに比べて低いものであった。このため、十分な正面輝度や望ましい輝度角度分布を得ることができない場合があった。

そこで、本発明者等が鋭意研究の結果得られた本発明は、規則的に配置した複数の略光源と、反射板と、該光源および該反射板からの光が透過する際に出射方向を制御する光制御部材と、光拡散シートとを少なくとも備える直下方式の照明装置であって、該光源が略線状であり、光入射側から光出射側に向かって反射板、光源、光制御部材、光拡散シートがこの順に配置され、該光制御部材の該光源からの光が入射する面または光が主に出射する面の少なくとも１面に該光源の長手方向と略平行な帯状の凹凸形状が周期的に形成され、該光拡散シートの光出射面に複数の凸部が形成されていることを特徴とするものであり、このことにより、面内均一で高輝度な照明装置を得ることができた。

すなわち上記の照明装置において、光制御部材の略線状光源の長手方向と直交する方向に出射する出射光強度の角度分布は、例えば図６に示すように、該光制御部材の正面方向を最大値としてなだらかに低下するような分布ではなく、図５に示すような該光制御部材の正面付近の狭い角度、例えば正面方向と−２０°〜＋２０°を成す角度で最大値に近い出射光強度を示し、それよりも広い角度でなだらかに低下するような分布を示す。

また、近年、テレビなどで、ますます高まっている正面輝度の向上と、省エネルギーといった要求に応えるに、更に集光を高め、強い輝度を示す範囲を更に正面輝度をさらに向上することが望まれており、そのためには正面方向すなわち光拡散シートの法線方向と２０°付近に出光する光を集光することで、図６のような山型の輝度角度分布になり、望ましい正面輝度が得られることが見出された。すなわち、光拡散シートの入射面に該光拡散シートの法線方向に対して２０°の方向から平行光が入射した場合に、その出射光の輝度角度分布が２０°よりも小さい角度にピークを生じることが望ましいことを見出した。

例えば光拡散シート出射面に形成した凸部の屈折率を１．５４とした場合、光拡散シートの法線方向に対して２０°方向から入射した光は、凸部の斜面の傾きが３４°である場合に正面方向へ出射する。つまり該凸部の傾きの一部が３４°を含む範囲に設定されていることで、光拡散シートの法線方向に対して２０°の方向から入射した光は略正面方向に出射させることができる。

さらに凸部に対し平行光が入射した場合に、角度分布の幅がある範囲で出射することが望ましい。ある特定の角度のみを有する場合には複数の離散的な角度に光を出射することになるため凸部は略曲面状であることが好適である。

また、本発明に係る構成での光制御部材は、略線状の光源の長手方向に対しては光の出射角度を制御していない。つまり制御していない一方向には広い出射角度特性を持っている。テレビ用途などでは上下に比べて左右の出射角度を広くすることがしばしば望まれることから好ましい特性であるが、ＰＣモニターなどの用途では広い出射角度特性の重要性が低く、正面輝度の重要性が比較的強く望まれる場合があり、この場合には、左右方向にも出射角度を絞り、正面輝度をより高めることが望まれる。光拡散シートの出射側表面の凸部は略線状光源の長手方向の傾きを好適な範囲とすることで該方向の視野角も狭くすることができる。例えば、上記と同様に光拡散シート出射面に形成した凸部の屈折率を１．５４とした場合、光拡散シートの法線方向に対する入射角度が上記した２０°より広い角度である４０°である場合、光を正面方向に向ける傾斜角度は５８°である。つまり、凸部の一部の傾斜角度は５８°を含むことが望ましい。

異方性が実質ない光拡散シートは製造や入手が比較的容易なことから、本発明においても好ましく用いることができるが、この場合、光拡散シートの凸部の形状に応じて平面上の全方向、すなわち光源の長手方向についても垂直方向についても出射光の方向が変化するが、光源と垂直な方向については光制御部材によってあらかじめ光線方向が制御されているので、光源の長手方向とでは前記したように制御特性が異なることとなる。したがってここで述べた特性の違いを考慮しつつ凸部の形状を選択することで、照明装置の左右、上下の出光角度分布をそれぞれ望まれる範囲に調節することができる。

さらに、照明装置の正面輝度および輝度角度分布は、光拡散シートの光拡散性能、つまり凸部の傾斜の度合いにより調整することが可能である。凸部の傾斜の度合いは、基材フィルム上に拡散ビーズを分散したバインダーを塗布した光拡散シートでは、拡散ビーズの濃度、粒径を選択することで調整可能である。

本発明の照明装置で用いる光制御部材における出射光の角度分布は、略線状の光源および光制御部材の帯状凹凸形状の長手方向と直交する方向において、ある程度正面付近に集光されていることから、前記光拡散シートの入射面から入射して該光拡散シートの内部で光出射面に形成された凸部の４５°より大きい傾斜角度を持つ部位に当たった光は、全反射して、斜め方向に出向されたり、入射側に反射したりしやすく、すなわちこれらの光の多くは望ましい正面付近への出光とならない。

一方、前記光拡散シートの入射面から入射して該光拡散シートの内部で光出射面に形成された凸部の２５°より小さい傾斜角度を持つ部位に当たった光は、効率良く透過し、特に、光制御部材から出射して正面付近に集光されている光をほとんど損失することなく、正面付近に出光するが、集光能力が低いため、正面輝度を高める上で最も重要な、該光拡散シートの法線方向と２０°をなす角度で入光した光を正面付近に向ける機能は低い。

そこで、略線状の光源と直交する方向における輝度角度分布を効率良く絞り、正面輝度を高めるためには、前記光拡散シートの光出射面に形成された凸部の少なくとも一部の傾斜角度が２５°から４５°の範囲にある部分の割合は、光制御部材表面の帯状凹凸形状の長手方向と直交する方向の、光拡散シートの断面における、出射面から該光拡散シートと平行な仮想面である観察面への射影の長さとして、出射面全体の占める長さに対して、１０％〜６０％の割合であることが望ましい。また２０％〜４５％の割合であることが更に望ましく、３０％〜３５％の割合であることが最も望ましい。

また同様に前記光拡散シートの光出射面に形成された凸部の少なくとも一部の傾斜角度が４５°を超える範囲にある部分の割合は、１０％以下であることが望ましく、５％以下であることが更に望ましい。

以下、本発明の一実施の形態を図１から８に従って説明する。

図１に示すように、光入射側から光出射側に向かって反射板２、冷陰極管である複数の光源１、光制御部材３、および光拡散シート４がこの順序で配置した。光源１は２５ｍｍ間隔で配置し、該光源１から１５ｍｍの距離に光制御部材を設けた。該光制御部材３は規則的な複数の帯状の凹凸形状を有しており、該凹凸形状が光源１の長手方向と平行で、かつ、光出射側に向くように、光制御部材３を配置した。

前記光制御部材は以下のようにして作成した。
まず、断面形状が

で表される帯状の溝をもつ雌型を切削加工により作製した。ここでｘは単位形状の中心からの距離を表す。また上記ｋの場合は楕円形状を表す。１つの溝の幅は０．３ｍｍとした。つまり−０．１５≦ｘ≦０．１５（ｍｍ）である。また該溝は０．３ｍｍ周期で配置した。次に金型から、紫外線硬化樹脂でポリカーボネートフィルム表面上に凸形状を形成した。さらにこのポリカーボネートフィルムの凹凸を形成していない面を厚さ２ｍｍの透明なアクリル板に貼り合わせ、光制御部材を得た。

光拡散シートとしては株式会社きもと製の１００ＤＸ２を用いた。該凸部の傾斜角度は０°から４５°の範囲に分布していた。厚さ方向断面の光拡散シートと平行な仮想面への射影の長さとして、傾斜角度２５°から４５°範囲は３２％であった。

図３は角度θで光拡散シートに入射した光が正面付近に集光する様子を示す図である。該光拡散シートの法線方向と２０°をなす方向から平行光を入射した時の出射光の角度分布を図４に示す。入射エネルギーは図示していないが２０°を中心とする単峰性の強いピークとなるが、光拡散シートを通すことで１５°付近にピークを持つ新たなピークが形成され、顕著な２０°付近の入射エネルギーは正面付近に拡散された。生じる２０°未満のピークの高さは変曲点で判断できるが、２０°付近のピークの半分以上であることが好ましい。また３／４以上であることが更に好ましく、最大ピークとなることが最も好ましい。

まず比較のため、光拡散シートを外して、光源の長手方向と直行する方向の輝度角度分布を測定した。この結果を図５に示す。正面輝度は７３００ｃｄ／ｍ^２であった。

図７は本発明で用いることができる光拡散シート４の断面図の例である。基材フィルム６の上にバインダー７に分散した微粒子を塗布している。このように表面は２５°から４５°を含むなだらかな角度を形成しているため、輝度ムラがなく正面輝度が高い照明装置を得ることができる。

本発明の実施例として、前記光制御部材の上に、前記光拡散シートをビーズが形成する凸部が出射側を向くように載せて同様の評価をした結果を図６に示す。このように望ましい山型の輝度角度分布が得られ、正面輝度の絶対値も８２００ｃｄ／ｍ^２であり、光拡散シートを配置する前と比較して１２％向上した。

本実施例では光拡散シートを１枚使用した例のみを示したが、２枚以上の複数枚用いることも可能である。この場合には同一の光拡散シートではなく、光拡散性能の異なる光拡散シートを用いても良い。

図８は透過型表示素子を光拡散シート上に設けた場合の画像表示装置の構成例である。ここでは液晶パネル２４を光拡散シート４の上に設けている。

上記の実施例では略線状の光源として冷陰極管を用いたが、本発明においてはそれに替えて図２で示されるような、点光源５を複数、略直線上に並べて略線状の光源としたものを使用することもできる。この構成では点状光源の配線を容易にすることができる。

＜比較例１＞
上記実施例の構成で微粒子を基材内部にのみ配合した表面が平滑な光拡散シートを用いた。このとき、冷陰極管と直行する方向の輝度角度分布を測定した。この結果、正面輝度は低下し、７０００ｃｄ／ｍ^２となった。

本発明の一実施の形態に照明装置を示す図である。複数の点光源を略直線上に並べて略線状光源とした場合の略線状光源の図である。角度θで光拡散シートに入射した光が正面付近に集光する様子を示す図である。光拡散シートの法線方向と２０°をなす方向から平行光を入射した時の出射光の角度分布である。本発明の照明装置の光制御部材を出射した光の輝度角度分布の例である。本発明の照明装置の光拡散シートを出射した光の輝度角度分布の例である。本発明で用いる光拡散シートの一例の断面図である。本発明の一実施の形態に画像表示装置を示す図である。

符号の説明

１光源
２反射板
３光制御部材
４光拡散シート
５点状光源
６基材フィルム
７バインダー
２４液晶パネル

Claims

規則的に配置した複数の略光源と、反射板と、該光源および該反射板からの光が透過する際に出射方向を制御する光制御部材と、光拡散シートとを少なくとも備える直下方式の照明装置であって、該光源が略線状であり、光入射側から光出射側に向かって反射板、光源、光制御部材、光拡散シートがこの順に配置され、該光制御部材の該光源からの光が入射する面または光が主に出射する面の少なくとも１面に該光源の長手方向と略平行な帯状の凹凸形状が周期的に形成され、該光拡散シートの光出射面に複数の凸部が形成されていることを特徴とする照明装置。
前記光拡散シートが、該光拡散シートの入射面に該拡散シートの法線方向に対して２０°の角度で平行光を入射した場合の出射光角度分布が該光拡散シートの法線方向に対して角度αをなす方向にピークを生じ、かつ、α＜２０°を満足するものである請求項１に記載の照明装置。
前記光拡散シートの光出射面に形成された凸部の少なくとも一部の傾斜角度が２５°〜４５°の範囲にあ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。
前記光拡散シートが、基材フィルム上に拡散ビーズを分散したバインダーを塗布したものであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の照明装置。
請求項１から４のいずれか１項に記載の照明装置上に透過型表示素子を設けたことを特徴とする画像表示装置。