JP2006285097A - 光収束シート、面光源装置、透過型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の課題は、光を必要な範囲にのみ収束して出射することができ、また、画面を観察する位置によらずムラのない均一な照明を行うことができる光収束シート、面光源装置、透過型表示装置を提供する。
【解決手段】単位レンズ１４１の頂部に平坦面１４１ａを形成する。この平坦面１４１ａに反射部１４２を形成し、この反射部１４２に到達する光については、反射して発光管１３側へ戻して再利用する。また、反射部１４２以外の部分からは、比較的小さな出射角度で光が出射するので、光を効率よく収束させることができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、液晶表示装置等の照明に用いられる光収束シート、面光源装置、及び、それらを用いた透過型表示装置、に関するものである。

透過型の液晶ディスプレイ等を背面から照明する面光源として各種方式の面光源装置が提案、実用化している。面光源装置には、主として、面光源でない光源を面光源に変換する方式によりエッジライト型と直下型とがある。
例えば、直下型では、背面より並列の発光管を用いて光を導入するようになっており、発光管とＬＣＤパネル等との距離を適度に空け、その間に拡散板を用い、さらに、光を収束させるシートを複数組み合わせて使用していた。
しかし、このような従来の方式では、必要とする光学シートの枚数が多い割に収束特性が不十分であり、それを補う為にＬＣＤパネルを改良して、斜め方向からの入射光に対しても画質を落とさない構造としていた。

この方式では、光の利用効率が低下する上、ＬＣＤパネルの構成も複雑となり、コスト増の要因になるという問題があった。
特に、直下型では、発光管に近接した部分であるか否か（発光管に至近の位置であるか、並列に並んだ発光管の間隙部分に至近の位置であるか）によって光強度（輝度）にムラが発生し易い。これを抑えるために発光管とＬＤＣとの間隔を大きく取ってしまうとディスプレイの厚さが厚くなってしまうという問題があった。また、ムラを抑えるために拡散を強くしたり、透過量を制限したりすると、光の使用量が低減してしまうという問題があった。

例えば、特許文献１及び２に記載の面光源装置では、遮光部分（ライティングカーテン，遮光ドット層）を設けることで均一性を維持しているが、この手法では、上述のように光の使用量が減少してしまっていた。
また、両面にレンチキュラーレンズを設けたシートを使用する方式も例えば、特許文献３で報告されているが、これは、２方向の拡散制御を行うための構成で、光を収束する機能はない。従って、発光管との位置関係によってＬＣＤの場所毎に光軸がばらつくことにより、画面を観察する位置によって明るさのムラが発生したりするという問題もあった。
特開平０５−１１９７０３号公報 特開平１１−２４２２１９号公報 特開平０６−３４７６１３号公報

本発明の課題は、光を必要な範囲にのみ収束して出射することができ、また、画面を観察する位置によらずムラのない均一な照明を行うことができる光収束シート、面光源装置、透過型表示装置を提供することである。

本発明は、以下のような解決手段により、前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために、本発明の実施例に対応する符号を付して説明するが、これに限定されるものではない。
請求項１の発明は、直下型の面光源装置に設けられ、光源（１３）から出射した光を収束させる光収束シートであって、出射側に凸状の単位レンズ（１４１，２４１）を多数並べて形成された出射側レンズ部と、前記単位レンズの頂部付近に形成され、光源からの光を反射して戻す反射部（１４２，２４２）と、を備える光収束シート（１４，２４）である。

請求項２の発明は、請求項１に記載の光収束シートにおいて、前記単位レンズの頂部付近に平坦面（１４１ａ）、及び／又は、凹面（２４１ａ）を有しており、前記反射部（１４２，２４２）は、前記平坦面、及び／又は、凹面に形成されていること、を特徴とする光収束シート（１４，２４）である。
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の光収束シートにおいて、前記単位レンズ（１４１，２４１）の頂部（１４１ａ，２４１ａ）の周囲の形状は、出射側に凸となっていること、を特徴とする光収束シート（１４，２４）である。
請求項４の発明は、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の光収束シートにおいて、前記単位レンズ（１４１，２４１）の間には、平坦形状（１４４，２４４）、凹形状、微細凹凸形状のいずれかが形成されていること、を特徴とする光収束シートである。
請求項５の発明は、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の光収束シートにおいて、光拡散作用を有した光拡散粒子が添加されていること、を特徴とする光収束シートである。

請求項６の発明は、透過型表示部を背面から照明する面光源装置であって、複数の光源（１３）を並列に並べた光源部（１２，１３）と、請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の光収束シート（１４，２４）と、を備える面光源装置（１２，１３，１４，１５）である。
請求項７の発明は、請求項６に記載の面光源装置において、光拡散作用を有した拡散シート（１５）を少なくとも１枚有していること、を特徴とする面光源装置（１２，１３，１４，１５）である。
請求項８の発明は、請求項６又は請求項７に記載の面光源装置において、前記光収束シート（１４，２４）は、使用状態における前記透過型表示部（１１）の画面の上下方向の光を主に収束すること、を特徴とする面光源装置（１２，１３，１４，１５）である。
請求項９の発明は、請求項８に記載の面光源装置において、前記光収束シート（１４）が光を主に収束する方向と直交する方向で光を主に収束する第２の光収束シート（３４）を有すること、を特徴とする面光源装置（１２，１３，１４，３４）である。
請求項１０の発明は、透過型表示部（１１）と、請求項６から請求項９までのいずれか１項に記載の面光源装置（１２，１３，１４，１５）と、を備える透過型表示装置（１０）である。

本発明によれば、以下の効果を奏することができる。
（１）出射側に凸状の単位レンズを多数並べて形成された出射側レンズ部と、単位レンズの頂部付近に形成され、光源からの光を反射して戻す反射部とを備えるので、大きな出射角度で出射する光を反射して光源側へ戻して再利用し、小さな出射角度で出射する光を多く出射させることができる。したがって、光の利用効率を下げることなく光を必要な範囲に収束させることができる。

（２）単位レンズの頂部付近に平坦面、及び／又は、凹面を有しており、反射部は、平坦面、及び／又は、凹面に形成されているので、反射部の形成を容易に行うことができる。また、反射して戻す光の進む方向を適宜設定することができる。

（３）単位レンズの頂部の周囲の形状は、出射側に凸となっているので、出射する光の多くを出射角度の小さな光とすることができる。

（４）単位レンズの間には、平坦形状、凹形状、微細凹凸形状のいずれかが形成されているので、シート面の法線方向に進む光を適宜設定することができる。また、光収束シートを成形する成形型の強度を確保することができ、光収束シートの製造を容易に行うことができる。

（５）光拡散作用を有した光拡散粒子が添加されているので、輝度ムラを低減することができる。

（６）光拡散作用を有した拡散シートを少なくとも１枚有しているので、輝度ムラを低減することができる。

（７）光収束シートは、使用状態における透過型表示部の画面の上下方向の光を主に収束するので、垂直方向に広がる光を集めて正面輝度を高めることができる。なお、一般的な表示装置では、垂直視野角よりも水平視野角が広いことが望まれるので、そのような多くの表示装置に好適に用いることができる。

（８）光収束シートが光を主に収束する方向と直交する方向で光を主に収束する第２の光収束シートを有するので、垂直方向及び水平方向のいずれの方向についても、光の出射範囲を制御することができる。

光を必要な範囲にのみ収束して出射し、ムラのない均一な照明をするという目的を、単位レンズの頂部に反射層を形成することにより、光学シートの枚数を増加することなく実現した。

図１は、本発明による透過型表示装置の実施例１を示す図である。
なお、図１を含め、以下に示す各図は、模式的に示した図であり、各部の大きさ、形状は、理解を容易にするために、適宜誇張して示している。
本実施例における透過型表示装置１０は、ＬＣＤパネル１１，反射板１２，発光管１３，光収束シート１４，拡散シート１５等を備え、ＬＣＤパネル１１に形成される映像情報を反射板１２，発光管１３，光収束シート１４，拡散シート１５を備える面光源装置により背面から照明する透過型液晶表示装置である。

ＬＣＤパネル１１は、透過型の液晶表示素子により形成された透過型表示部であって、３０インチサイズ、８００×６００ドットの表示を行うことができる。ＬＣＤパネル１１は、発光管１３の長手方向に沿った方向が、水平方向として使用され、発光管１３が並ぶ方向が、垂直方向として使用される。
発光管１３は、バックライトの光源部を形成する冷陰極管の線光源であり、本実施例では、略７５ｍｍ間隔で等間隔に６本が並列に並べられている。
発光管１３の背面には、反射板１２を設けており、その設計により画面各部位への入射光照度を均一に近づけるようにしている。
また、発光管１３とＬＣＤパネル１１との間には、光収束シート１４が設けられている。光収束シート１４を設けることにより、発光管１３に至近の位置であるか否かによる画面上における輝度のムラは、殆ど解消された状態で収束され、ＬＣＤパネル１１へ到達することとなる。
拡散シート１５は、光収束シート１４より出射側に設けられ、光収束シート１４の輝度ムラを解消する機能を補助するシートである。本実施例では、拡散シート１５は、光収束シート１４とＬＣＤパネル１１との間に配置されている。拡散シート１５は、ビーズ拡散板とも呼ばれ、内部には殆ど拡散剤を含んでおらず、表面に拡散ビーズを分散させて表面に微細な凹凸形状を形成し、この拡散ビーズの曲率に応じて出射光を拡散させる。したがって、拡散シート１５は、拡散ビーズにより拡散度合いを調整することが可能である。本実施例における拡散シート１５のヘイズ値は、８３．６％である。

図２は、光収束シート１４を示す斜視図である。
光収束シート１４は、発光管１３から出射した光を収束して出射するシートであり、出射側に凸形状となっている単位レンズ１４１が多数並べられて出射側レンズ部が形成されている。なお、単位レンズ１４１は、屈折率１．５の樹脂により形成されている。
本実施例における光収束シート１４に形成された出射側レンズ部は、同一断面形状を維持して水平方向に延在する単位レンズ１４１が、垂直方向に多数並べて配置されており、出射側レンズ部の単位レンズ１４１が並ぶ方向は、発光管１３の並ぶ方向と一致している（図１参照）。
また、単位レンズ１４１の凸形状の頂部には、反射部１４２が形成されている。

図３は、光収束シート１４を図２中に矢印で示したＳ１−Ｓ２断面で切断した断面を拡大した図である。
出射側レンズ部の単位レンズ１４１は、図３に示した断面において、長半径が０．３６ｍｍ、短半径が０．０６ｍｍの楕円を基本としており、その長軸が光収束シート１４のシート面（光収束シート１４全体としてみたときのシート面であって本実施例では、入射面１４３に平行な面）に対して直交し、ピッチｐ＝０．１ｍｍとなるように配置されている。単位レンズ１４１が並ぶ間の谷間となる部分には、入射面１４３に平行な平坦谷部１４４が幅寸法０．０１ｍｍとなるように形成されている。
単位レンズ１４１の頂部は、入射面１４３に平行な平坦面１４１ａが幅０．０４５ｍｍで形成されており、この頂部に設けられた平坦面１４１ａには、反射部１４２が形成されている。単位レンズ１４１の頂部の周りの楕円筒面は、出射側に凸となっており、平坦谷部１４４と交わる部分における光収束シート１４のシート面に対する法線との成す角度θ₁ ＝１５°、頂部の平坦面１４１ａと交わる部分における光収束シート１４のシート面に対する法線と成す角度θ₂ ＝６０°となっている。また、光収束シート１４の厚さは、２ｍｍである。

反射部１４２は、単位レンズ１４１の頂部の平坦面１４１ａに対して、銀色インクをグラビアオフセット印刷により印刷して形成されている。反射部１４２を形成する部分を平面としていることから、不要な部分にインクがはみ出してしまうようなことなく、簡単かつ精度良く反射部１４２を形成することができる。発光管１３が発光する照明光の内で、この反射部１４２へ到達した成分は、反射して発光管側へ戻される。

図４は、光収束シート１４へ発光管側から入射する照明光の代表的なものについて示した図である。
光収束シート１４に対して大きな入射角度（シート面に対する入射角度。以下、出射角度についても同様）で入射して単位レンズ１４１の頂部の周りの楕円筒面に到達する光線Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４等は、屈折してシート面の法線方向に近い方向へ収束して出射する。
また、光線Ｌ５のように光収束シート１４に対して大きな入射角度で入射して平坦谷部１４４へ到達する光は、大きな出射角度で一度出射するが、近くの単位レンズ１４１に再び入射して発光管１３側へ戻される。
さらに、光収束シート１４に対して小さな入射角度で入射して平坦谷部１４４へ到達する光線Ｌ７のような光は、そのまま小さい出射角度で出射する。
しかし、光収束シート１４に対して大きな入射角度で入射して単位レンズ１４１の頂部に到達する光線Ｌ１や、楕円筒面により全反射して単位レンズ１４１の頂部に到達する光線Ｌ６などのような光は、反射部１４２が無いとすると大きな出射角度で出射してしまう。

このような様々な方向からの光線の追跡調査を行った結果、出射側に凸形状で形成されている単位レンズでは、大きな出射角度で出射してしまう光の多くが単位レンズの頂部付近から出射しており、一方、この頂部付近から小さな出射角度で出射する光線は少ないということが判った。
そこで、本実施例では、単位レンズ１４１の頂部に反射部１４２を形成し、この範囲から出射する光については、その全てを反射して発光管側へ戻すようにした。単位レンズ１４１の頂部に到達しない光については、その多くが小さな出射角度方向に出射し、また、反射部１４２により反射して発光管側へ戻された光についても、反射板１２等に再度反射されて単位レンズ１４１の頂部以外の位置から出射して小さな出射角度方向に出射することができる。したがって、光収束シート１４から出射する光は、大きな出射角度で出射する光が少なく、収束された光が大部分となる。

図５は、本実施例の光収束シート１４を用いた場合の輝度分布を比較例と合わせて示した図である。図５中の曲線Ａは、拡散シート１５を除いた状態における光収束シート１４の場合を示し、曲線Ｂは、比較例１の場合を示し、曲線Ｃは、比較例２の場合を示している。
比較例１としては、ビーズ拡散板を光収束シート１４に代わり使用した。
また、比較例２としては、出射側に頂角９０度のプリズム形状を多数配置した光収束効果を有する光学シートであるＢＥＦ（住友スリーエム株式会社製）を光収束シート１４に代えて使用した。
曲線Ａで示した本実施例における面光源装置では、光収束シート１４を用いたことにより、半値角≒２５°に照明光を収束することができた。
曲線Ｂで示した比較例１の場合、中央付近の輝度が他のものに比べて低く、大きな角度位置においても比較的高い輝度分布が見られている。
曲線Ｃで示した比較例２の場合、中央付近の輝度が光収束シート１４を用いた場合よりも低く、また、半値角≒３５°であり、６０°以上の部分において不要な輝度の上昇が見られた。
本実施例によれば、反射部１４２を設けたので、大きな出射角度で出射する光を発光管側へ戻して再利用することができ、光の利用効率を落とすことなく必要な範囲のみに光を収束することができる。

実施例２は、実施例１の光収束シート１４を改良した光収束シート２４を用いている他は、実施例１と同一である。よって、前述した実施例１と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を付して、重複する説明を適宜省略する。
図６は、実施例２における光収束シート２４を実施例１の図３と同様な断面により示した図である。
光収束シート２４は、実施例１の光収束シート１４と同様に、出射側に凸形状となっている単位レンズ２４１が多数並べられて出射側レンズ部が形成されている。また、単位レンズ２４１を形成する樹脂も、実施例１と同様に屈折率１．５の樹脂により形成されている。
実施例２における光収束シート２４に形成された出射側レンズ部は、実施例１と同様に同一断面形状を維持して水平方向に延在する単位レンズ２４１が、垂直方向に多数並べて配置されており、出射側レンズ部の単位レンズ２４１が並ぶ方向は、発光管１３の並ぶ方向と一致している。
また、単位レンズ２４１の凸形状の頂部には、反射部２４２が形成されている。

出射側レンズ部の単位レンズ２４１は、図６に示した断面において、長半径が０．３６ｍｍ、短半径が０．０６ｍｍの楕円を基本としており、その長軸が光収束シート２４のシート面に対して直交し、ピッチｐ＝０．１２ｍｍとなるように配置されている。単位レンズ２４１が並ぶ間の谷間となる部分には、入射面２４３に平行な平坦谷部２４４が幅０．０２ｍｍで形成されている。
単位レンズ２４１の頂部は、実施例１とは異なり半径０．２ｍｍの曲面である凹面２４１ａが幅０．０５５ｍｍで形成されており、この凹面２４１ａには、反射部２４２が形成されている。単位レンズ２４１の頂部の周りの楕円筒面は、出射側に凸となっている。また、光収束シート２４の厚さは、２ｍｍである。

反射部２４２は、単位レンズ２４１の頂部の凹面２４１ａに対して、銀色インクをグラビアオフセット印刷により印刷して形成されている。発光管１３が発光する照明光の内で、この反射部２４２へ到達した成分は、実施例１と同様に反射して発光管側へ戻される。ただし、反射部２４２は、凹面２４１ａに形成されているので、発光管側から反射面としてみると凸面鏡として作用する。したがって、発光管１３側へ反射する光の進む方向を拡散させる（広げる）作用を有しており、再利用される光が一方向に集中することを防止し、再利用されるときに必要な方向へ出射する光をより多くすることができる。
本実施例における面光源装置では、反射部の形状を改良した光収束シート２４を用いたことにより、半値角≒１８°に照明光を収束することができ、実施例１よりもさらに高い収束性を得ることができた。

実施例３は、実施例１の光収束シート１４を複数枚使用した他は、実施例１と同一である。よって、前述した実施例１と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を付して、重複する説明を適宜省略する。
図７は、実施例３における透過型表示装置を示す図である。
透過型表示装置３０では、拡散シート１５の代わりに、第２の光収束シート３４を配置している。
第２の光収束シート３４は、光収束シート１４と同一形状の出射側レンズ部を有している。ただし、第２の光収束シート３４は、単位レンズの配列方向が光収束シート１４の単位レンズ１４１の配列方向と直交するように配置されている。したがって、第２の光収束シート３４は、光収束シート１４が光を主に収束する方向（垂直方向）と直交する方向（水平方向）で光を収束するようになっている。
本実施例では、拡散シート１５に代わり、第２の光収束シート３４を用いたので、垂直方向及び水平方向のいずれの方向についても、光の出射範囲を制御することができる。

（変形例）
以上説明した実施例に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の均等の範囲内である。
（１）各実施例において、反射部は、銀色のインクを印刷することにより形成されている例を示したが、これに限らず、例えば、白色のインクを用いてもよい。また、グラビアオフセット印刷に限らず、スクリーン印刷により形成してもよいし、印刷に限らず、転写、蒸着等、他の方法により反射部を形成してもよい。

（２）各実施例において、反射部は、単位レンズの頂部に設けられた平坦面、又は、凹面に形成された例を示したが、これに限らず、例えば、図８（ａ）に示すように単位レンズ４４１の基本的な形状である楕円筒面のままの形状の上に反射部を形成してもよいし、図８（ｂ）に示すように単位レンズ５４１の頂部に一段突出した高い平坦面としてもよい。図８（ｂ）のような形態とすれば、反射部の形成をさらに簡単にすることができる。さらに、これらの表面を微細凹凸面としてもよい。

（３）各実施例において、単位レンズ１４１，２４１の間には、平坦谷部１４４，２４４が形成されている例を示したが、これに限らず、例えば、凹形状、微細凹凸形状を形成してもよいし、単位レンズを接近させてこれらの形状を設けないようにしてもよい。

（４）各実施例において、単位レンズ１４１，２４２を形成する樹脂中に、光拡散作用を有した光拡散粒子を添加して拡散効果を付与してもよい。

（５）実施例１及び実施例２において、拡散シートを光収束シートよりも出射側に配置した例を示したが、これに限らず、例えば、光収束シートよりも光源側に配置してもよいし、光収束シートの両側に配置してもよい。

（６）実施例３において、拡散シート１５の代わりに第２の光収束シート３４を配置した例を示したが、これに限らず、例えば、第２の光収束シート３４とＬＣＤパネル１１との間や、光収束シート１４よりも光源側など任意の位置に拡散シート１５を設けてもよい。

本発明による透過型表示装置の実施例１を示す図である。 光収束シート１４を示す斜視図である。 光収束シート１４を図２中に矢印で示したＳ１−Ｓ２断面で切断した断面を拡大した図である。 光収束シート１４へ発光管側から入射する照明光の代表的なものについて示した図である。 本実施例の光収束シート１４を用いた場合の輝度分布を比較例と合わせて示した図である。 実施例２における光収束シート２４を実施例１と同様な断面により示した図である。 実施例３における透過型表示装置を示す図である。 変形例を示す図である。

符号の説明

１０ 透過型表示装置
１１ ＬＣＤパネル
１２ 反射板
１３ 発光管
１４，２４ 光収束シート
１４１，２４１ 単位レンズ
１４１ａ 平坦面
２４１ａ 凹面
１４２，２４２ 反射部
１４３，２４３ 入射面
１４４，２４４ 平坦谷部

Claims (10)

1. 直下型の面光源装置に設けられ、光源から出射した光を収束させる光収束シートであって、
   出射側に凸状の単位レンズを多数並べて形成された出射側レンズ部と、
   前記単位レンズの頂部付近に形成され、光源からの光を反射して戻す反射部と、
   を備える光収束シート。
2. 請求項１に記載の光収束シートにおいて、
   前記単位レンズの頂部付近に平坦面、及び／又は、凹面を有しており、
   前記反射部は、前記平坦面、及び／又は、凹面に形成されていること、
   を特徴とする光収束シート。
3. 請求項１又は請求項２に記載の光収束シートにおいて、
   前記単位レンズの頂部の周囲の形状は、出射側に凸となっていること、
   を特徴とする光収束シート。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の光収束シートにおいて、
   前記単位レンズの間には、平坦形状、凹形状、微細凹凸形状のいずれかが形成されていること、
   を特徴とする光収束シート。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の光収束シートにおいて、
   光拡散作用を有した光拡散粒子が添加されていること、
   を特徴とする光収束シート。
6. 透過型表示部を背面から照明する面光源装置であって、
   複数の光源を並列に並べた光源部と、
   請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の光収束シートと、
   を備える面光源装置。
7. 請求項６に記載の面光源装置において、
   光拡散作用を有した拡散シートを少なくとも１枚有していること、
   を特徴とする面光源装置。
8. 請求項６又は請求項７に記載の面光源装置において、
   前記光収束シートは、使用状態における前記透過型表示部の画面の上下方向の光を主に収束すること、
   を特徴とする面光源装置。
9. 請求項８に記載の面光源装置において、
   前記光収束シートが光を主に収束する方向と直交する方向で光を主に収束する第２の光収束シートを有すること、
   を特徴とする面光源装置。
10. 透過型表示部と、
    請求項６から請求項９までのいずれか１項に記載の面光源装置と、
    を備える透過型表示装置。
    

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