JP2007103325A - 照明装置これが備える光制御部材及びこれを用いた画像表示装置 - Google Patents
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Abstract
光源位置の調整が不要となり、ランプイメージを解消し、出射面内における輝度均一化に優れた照明装置及び画像表示装置を得る。
【解決手段】
第1光線方向制御手段の凸部41は、受光した光のY軸方向の分散を集光して出射エネルギーを正面方向に集中させ、第2光線方向制御手段凸部42は、受光した光のX軸方向の分散を集光して正面方向の出射エネルギーを平均化する。そして、任意の光源Mとその最近傍にある別の光源Nとの間の距離をD、光源Mと光制御部材4との距離をHとした場合、光源Mの位置からX軸とZ軸とに平行なX−Z平面に平行かつZ軸方向に対してα=Tan-1{(D/2)/H}の角度で発する光の全光線透過率は50%以上であり、且つ、光源X1の位置から正面方向に発する光の全光線透過率の1.05倍〜3倍である。
【選択図】図5
Description
直下方式は、光源を装置の背面に備えることから厚さが厚くなる傾向があり、このため、携帯電話やモバイルパソコンなどの薄さを要求される分野では、光源を側端に備えることで有利となるエッジライト方式が主流であった。
そこで、面光源上に複数の輝度向上のためのフィルムを配置して、光の利用効率を向上させる方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
すなわち、光量を自由に増加させることができるため、要求される高輝度が容易に得られ、また、大型化による輝度低下や輝度均一性の低下がない。さらに、光を正面に向ける導光板が不要となるため、軽量化を図ることができる。
また、他の照明装置として、例えば照明看板などでは、構成が単純であり、輝度向上のためのフィルムなどを用いることなく、容易に高輝度が得られることから、複数光源による直下方式が主流である。
大型照明装置においては、携帯電話やモバイルパソコンなどに比べて、薄型化についての要求は厳しくないため、光源と拡散板との距離を短くすることや、光学フィルムの枚数削減などで対応できる。
本発明では、第2光線方向制御手段により光拡散材の利用の回避もしくは大幅な削減を実現し、光の利用効率の向上を達成でき、さらに第1光線方向制御手段によりY方向の視野角を絞り出射エネルギーを正面方向に集中させることにより、高輝度化、特に多くの用途で有用な正面輝度の向上を達成できる。
加えてこれらの照明装置の出射側に透過型表示素子を配置することで画像表示装置を得られる。
ここで正面方向とは第2光線方向制御手段の主面の法線方向を中心とした微小立体角を意味する。
請求項1記載の発明は
X軸と、X軸に垂直なY軸とに平行なX−Y平面に平行な矩形状の出射面を持ち、
複数の線状光源と、反射板と、第1光線方向制御手段と、第2光線方向制御手段とを備える照明装置であって、
前記反射板は、前記X−Y平面に平行に配置しており、
前記線状光源は、前記X−Y平面に平行な仮想面内に、平行かつ等間隔に、配置しており、かつY軸に平行に、X軸に沿って配列しており、
前記第1光線方向制御手段と、前記第2光線方向制御手段とは、前記線状光源からの光が該第1光線方向制御手段と第2光線方向制御手段の両方に受光されるように配置しており、
前記第1光線方向制御手段は、受光した光を屈折させて光のY軸方向の分散を集光して、出射面側に通過させて出射エネルギーを正面方向に集中させ、
複数光源直下方式の照明装置では、出射する光のエネルギーは、各線状光源に対向する位置では大きく、隣接する光源同士の間に対向する位置では小さい。そこで、線状光源に対向する位置から出光する光を、光制御部材の第2光線方向制御手段での適度な反射によって弱めると共に、反射光を反射板で拡散光として、再び光制御部材に戻して出射させる。
前記第1光線方向制御手段が板状構造物にあり、
前記板状構造物が前記X−Y平面と平行に配置されており、
前記第1光線方向制御手段が前記板状構造物の出射面側の面のX軸に平行な複数の凸部からなり、該凸部の前記X−Z平面に平行な断面の輪郭線のX軸に対する斜面の傾きの最大値が30°以上かつ60°以下である。
第1光線方向制御手段を板状構造物とすることで、機械的強度が確保でき、フィルム状態で反りに伴い発生する光学特性の変化を軽減することが出来る。
第1光線方向制御手段を構成する板状構造物の線状光源側の面から入射した光は光が入射する面での屈折、出射面側に設けた凸部斜面の屈折によって、入射角度よりも、その絶対値が小さい角度で出射する光が生じる。つまり出射角度分布を狭くすることが可能である。
凸部斜面の最大傾斜角度は30°〜60°にあることが好ましい。30°以下であると、正面方向へ屈折する光が減少し集光機能が低下し、60°以上であると斜め方向への出射光が増加するため同様に集光機能が低下する。
前記第1光線方向制御手段が板状構造物にあり、
前記板状構造物が前記X−Y平面と平行に配置されており、
前記第1光線方向制御手段が前記板状構造物の光が入射する側の面のX軸に平行な複数の畝状凸部からなり、該畝状凸部の前記X−Z平面に平行な断面の輪郭線のX軸に対する斜面の傾きの最大値が10°以上かつ40度以下である。
前記板状構造物の主面は前記第1光線方向制御手段のある入射面とこれに対向する出射面とからなる。
一方領域tに入射するとより法線方向から離れる角度で出射する。
第1光線方向制御手段の通過する光の角度分布の調整は凸部Wの形状を調整することで可能である。つまり好適な形状を選択することで、出射光の角度分布を狭くすることが可能である。
従って、第2光線方向制御手段の光が入射する面側にY軸方向と平行な畝状の凸部Wの形成により、X軸方向の出射光角度分布を狭くし、正面方向の輝度を高めることが出来る。
凸部W斜面の最大傾斜角度は10°〜40°にあることが好ましい。さらに20°から30°がより好ましい。
さらに凸部WのY軸方向の断面形状は頂部を通る第2光線方向制御手段の主面の法線を中心とした線対称形であることが望ましい。これによりX軸方向の出射光角度分布を0°方向を中心にプラスおよびマイナス方向で対称形にすることが出来るので、プラス方向とマイナス方向でバランスの取れた視野角特性を得ることができる。
この構成によれば、角度αで入射した光の10〜50%が出射角度−15°〜+15°で出射するので、前記光制御部材の出射面において光制御部材の正面方向、即ち、入射面の法線方向から出射する成分の割合が著しく増大する。
前記第2光線方向制御手段が板状構造物にあり、
前記板状構造物は前記線状光源に対向する平坦な入射面と、X軸に平行な複数の畝状凸部からなる前記第2光線方向制御手段が形成されている出射面とを有し、前記畝状凸部の前記X−Z平面に平行な断面の輪郭線のX軸に対する斜面の傾きθが、該板状構造物の屈折率がnであるとき、0≦|Sin−1(n・sin(θ−Sin−1((1/n)・sinα)))―θ|≦(π/12)を満たし、かつ傾きθ2がSin−1(1/n)未満である領域xを含み、該領域xは前記凸部の頂部を含み、該領域xのX軸と平行な方向成分の長さpと断面全体の輪郭線のX軸と平行な方向成分の長さPの割合が0.15〜0.80である。
前記第2光線方向制御手段が板状構造物にあり、
前記板状構造物は前記線状光源に対向する平坦な入射面と、X軸に平行な複数の畝状凸部からなる前記第2光線方向制御手段が形成されている出射面とを有し、前記畝状凸部の前記X−Z平面に平行な断面の輪郭線が、延長線の交差する角度θ3が鋭角である2つの略直線と、該2つの略直線の各一端同士を結ぶ凸状の曲線とを含む。
この構成によれば、上記凸部の輪郭線が、鋭角θの交差方向に延びる2つの略直線と、それらの各一端同士を結ぶ凸状の曲線とを有する形状であるので、前記略直線の部分と曲線の部分とでは集光効率及び拡散効率が互いに異なる。
この構成によれば、出射面に形成した稜線の直線方向が、線状光源の長手方向と平行であるので、特に線状光源の真上に進行して光制御部材に入射した光は、出射面側の凸部により一部が全反射される。
この光制御部材により正面方向の出射光分布を均一化するとともに、正面輝度を高めることができる。なお、前記光制御部材は、第1光線方向制御手段と第2光線方向制御手段とが同一の部材上に設けられたものであってもよいし、第1光線方向制御手段を備えた部材と第2光線方向制御手段を備えた部材とが、別々の部材であって、それらの組み合わせであってもよい。
この構成によれば、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、前記光制御部材により効率良く集光及び拡散された光線が、透過型表示素子を透過する。
また、通常第2光線方向制御手段である凸部は連続して配列するが、凸部の間に平坦部を設けてもよい。平坦部を設けることにより、金型の凸部が変形しにくい形状となるため、有利である。また、線状光源の直上での光が正面方向に出射されるため、線状光源の直上での輝度のみを上げるときに有効である。逆に、平坦部を持たない形状の場合は、凸部の斜面の傾きの角度ですべての光を制御できるため、正面方向への出光強度の分布が均一となる。
また第2光線方向制御手段が板状部材にあり、かつ第2光線方向制御手段が出射面に形成された凸部である時、該板状部材は第2光線方向制御手段と同じ材料でもよく、通常光学材料の基材として用いられる材料であれば望ましく用いることができ、通常、透光性の熱可塑性樹脂を用いる。たとえばメタアクリル樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリカーボネート樹脂、シクロオレフィン樹脂、メタアクリル−スチレン共重合樹脂、シクロオレフィン−アルケン共重合樹脂などが挙げられる。
前記第1光線方向制御手段および前記第2光線方向制御手段は、同じ構造体上に設けられていてもよいし、異なる構造体上に設けられていてもよい。
背面に配置した反射板2は線状光源1から背面に向かう光や、第1光線方向制御手段や第2光線方向制御手段で反射して背面に向かう光をさらに出射側に反射することで、光を有効に利用できるため光利用効率が高くなる。
即ち、各線状光源1位置に対向する真上領域では、線状光源1に近いため入射エネルギーが大きい一方、複数の線状光源1同士の間の位置に対向する非真上領域(各線状光源1の斜上部分)では、線状光源1から離れているため入射エネルギーは小さい。
すなわち、該入射面の法線方向に対してα=Tan-1{(D/2)/H}の角度で光が入射した場合の該光の全光線透過率R1は、該入射面に対して垂直方向に光が入射した場合の該光の全光線透過率R2の1.05倍〜3.00倍であることを特徴としている。また、該全光線透過率の割合R1/R2は1.05〜2.00倍であることが、光利用効率の観点からより好ましい。
而して、測定対象物7を透過した光は積分球5内で乱反射され、図示していないフォトマルチプライヤーに代表される検出器でその反射エネルギーを測定する。ここで、測定対象物7を図示のように設置して、角度βで平行光8を入射した場合の検出器の出力をV(β)、測定対象物7が設置されていない場合の検出器の出力をV0とすると、角度βにおける全光線透過率はV(β)/V0で得られる。
さらに、前記光制御部材4の全光線透過率は入射角度のみに依存し、光制御部材4に対する入射位置には依存しないため、複数の各線状光源と光制御部材4との位置調整が不要である。つまり、照明装置の組立時に、光制御部材4の面内方向における位置を厳密に設定する必要はない。従って、本発明の光制御部材4を大面積で作製した後、必要寸法に応じて任意の位置から切出したものを使用することができるため、照明装置の生産性を著しく向上させることができる。
該凸部42の断面形状は、X−Y平面に直交し、Y軸方向に沿って切断した場合の輪郭線から成る。即ち、輪郭線は、X−Z平面に平行な断面にある。該輪郭線は、延長線が交差する角度θが鋭角である2つの略直線(部)10と、該2つの略直線(部)10の各一端同士を結ぶ曲線(部)11とから構成され、かつ、輪郭線の頂部が凸状の曲線11である。ここで、輪郭線の頂部を構成する曲線の曲率半径は、無限大、すなわち直線であってもよい。
図15では、法線に対して角度αで入射する斜め入射光12は凸部裾部18において屈折作用により光制御部材4から略正面方向に出射させることができる。
これは次の理由による。
凸部裾部18の傾きをγ、第2光線方向制御手段への入射角度をφ1、第2光線方向制御手段を構成する部材の屈折率をnとすると図10に示す様に、第2光線方向制御手段となる凸部42の一方の裾部18から透過する光のZ軸方向に対する角度φ5は下記の通り求めることができる。
φ2=Sin−1{(sinφ1)/n}
φ3=γ−φ2
φ4=Sin−1(n×sinφ3)
φ5=φ4−γ
すなわち、φ5=Sin−1(n・sin(γ−Sin−1((1/n)・sinφ1)))―γ
例えば、線状光源間の距離Dを33mm、線状光源の中心から第2光線方向制御手段までの最短距離Hを15mm、第2光線方向制御手段を構成する部材の屈折率nを1.54とすると、52°≦γ≦69°(42°≦θ≦76°)であることが望ましい。また、57°≦γ≦68°(44°≦θ≦66°)であることがより望ましい。さらには、62°≦γ≦67°(46°≦θ≦56°)となるように、γを選択することが好適である。
なお、本発明の照明装置上に透過型の表示素子を設けることで、表示面における輝度均一性に優れる画像表示装置を容易に得ることが出来る。
第1光線方向制御手段および第2光線方向制御手段が同一の板状構造物にある場合は、先ず、第1光線方向制御手段もしくは第2光線方向制御手段を形成した板状構造物を作製した後、その反対面に第1光線方向制御手段もしくは第2光線方向制御手段を2P成形などにより形成することで得ることが出来る。
さらには、第1光線方向制御手段の雌型、第2光線方向制御手段の雌型を用意し射出成形などにより同時に成形することも可能である。
さらには、雌型を用意し射出成形などにより成形することも可能である。
第2光線方向制御手段の出射面側に光拡散機能を有する光拡散シートを設けても良い。光拡散シートによる拡散によりより均一な正面輝度分布を得ることができる。
この際の微粒子の屈折率と第1光線方向制御手段を構成する凸部3との屈折率差は0.1以下であることが望ましい。さらには0.05以下であることがより好適である。0.1より大きくなると屈折率差による散乱作用により集光機能が低下するためである。
まず図示していないY軸方向の長さ458mm、X軸方向の長さ730mm、Y軸方向とX軸方向に垂直な厚さ方向の長さ35mmで、出射側にY軸方向の長さ698mm、X軸方向の長さ416mmの矩形の開口部を持つ直方体状の白色のABS樹脂製のハウジングを用意する。
次に前記ハウジングの出射側の開口部に対向する位置にある底部を覆うように、発泡ペット樹脂からなる反射率95%の反射板2を配置する。
実施例1〜5および比較例1では、線状光源1の中心から第2光線方向制御手段までのHは15.5mm、隣接する線状光源1の中心同士の距離Dは25mmであり、前記角度αは39°である。実施例6〜9および比較例2では、線状光源1の中心から第2光線方向制御手段までのHは15mm、隣接する線状光源1の中心同士の距離Dは33mmであり、前記角度αは48°である。
光拡散材を含有する成型板は次のようにして作成する。
他の実施例で光制御部材の作成に用いる透明樹脂板の材料と同じメタクリル酸メチル−スチレン共重合体樹脂のペレットと、光拡散材と、紫線吸収剤である2−(5−メチル−2ヒドロキシフェニル)ベンゾトリアゾール0.1質量%とをヘンシェルミキサーで混合後、押出機を用いて溶融混練し、押出樹脂温度200℃にて、幅1000mm、厚み2mmの成型板を作製する。これを切削することで、縦436mm、横707mmとする。
まず、第1光線方向制御手段を反転した雌型を切削加工によって幅約0.1mmの表1に記載した断面形状の溝状の凹部を平行に連続して作製する。これと直行する方向に第2光線方向制御手段を反転した雌型を切削加工によって幅約0.3mmの表1に記載した断面形状の溝状の凹部を連続して作製する。屈折率1.55の紫外線硬化樹脂を前記金型の切削面に塗布し、その上にメタクリル酸メチル−スチレン共重合体である屈折率1.549の縦436mm、横707mm、厚さ0.1mmの透明樹脂フィルムを重ね、該透明樹脂フィルムの上から紫外線を照射して前記紫外線硬化樹脂を硬化させた。その後厚さ2mmの透明なアクリル板表面に粘着剤を介して上記第1光線方向制御手段および第2光線方向制御手段を同一面上に形成したフィルムを光学的に密着させた。
表1に各実施例および各比較例の構成と輝度測定の結果を示す。
また、偏光分離フィルム23が右回りおよび左回りの円偏光を分離する場合には、偏光分離フィルム23の出射面に1/4波長板を重ね合わせ、1/4波長板透過後に直線偏光に変換し、その直線偏光方向が、液晶パネル入射面の偏光分離フィルム23の透過軸と一致する方向になればよい。
尚、本発明は、本発明の精神を逸脱しない限り種々の改変を為すことができ、そして、本発明が該改変されたものに及ぶことは当然である。
2 反射板
4 光制御部材
41 凸部(第1光線方向制御手段)
42 凸部(第2光線方向制御手段)
5 積分球
6 開口部
7 測定対象物
8 平行光
9 凸部
10 略直線(部)
11 曲線(部)
12 斜め入射光
13 垂直入射光
14 入射光
15 入射面
16 反射光
18 凸部裾部
19 凸部頂部
20 光拡散板
20a 開口部
22 光拡散フィルムシート(拡散板)
23 偏光分離フィルム
24 液晶パネル(透過型表示素子)
Claims (8)
- X軸と、X軸に垂直なY軸とに平行なX−Y平面に平行な矩形状の出射面を持ち、規則的に配置した複数の線状光源と、反射板と、前記線状光源及び前記反射板からの光が透過する際に出射方向を制御する第1光線方向制御手段及び第2光線方向制御手段とを少なくとも備える直下方式の照明装置であって、
前記反射板は、前記X−Y平面に平行に配置しており、
前記線状光源は、前記反射板よりも正面側に配置され、前記X−Y平面に平行な仮想面内に、Y軸に平行かつX軸に沿って等間隔に配列されて配置しており、
前記第1光線方向制御手段と、前記第2光線方向制御手段とは、前記線状光源よりも正面側に配置され、前記線状光源からの光が該第1光線方向制御手段と第2光線方向制御手段の両方に受光されるように配置しており、
前記第1光線方向制御手段は、受光した光を屈折させて光のY軸方向の分散を集光して、出射面側に通過させて出射エネルギーを正面方向に集中させ、
前記第2光線方向制御手段は、受光した光を屈折させて光のX軸方向の分散を集光して、出射面側に通過させて正面方向の出射エネルギーを平均化し、
任意の線状光源Mとその最近傍にある別の線状光源Nとの間の距離をD、該線状光源Mと前記第2光線方向制御手段との距離をHとした場合、前記線状光源Mの位置から前記X軸とZ軸とに平行なX−Z平面に平行かつZ軸に対してα=Tan-1{(D/2)/H}の角度で発する光が前記出射面から出光する割合である全光線透過率が50%以上であり、且つ、該全光線透過率が、前記線状光源Mの位置から正面方向に発する光の全光線透過率の1.05倍〜3倍であることを特徴とする照明装置。 - 前記第1光線方向制御手段が板状構造物にあり、
前記板状構造物が前記X−Y平面と平行に配置されており、
前記第1光線方向制御手段が前記板状構造物の出射面側の面のX軸に平行な複数の凸部からなり、該凸部の前記X−Z平面に平行な断面の輪郭線のX軸に対する斜面の傾きの最大値が30°以上かつ60°以下であることを特徴とする請求項1に記載の照明装置。 - 前記第1光線方向制御手段が板状構造物にあり、
前記板状構造物が前記線状光源が配置される仮想平面と平行に配置されており、
前記第1光線方向制御手段が前記板状構造物の光が入射する側の面のX軸に平行な複数の畝状凸部からなり、該畝状凸部の前記X−Z平面に平行な断面の輪郭線のX軸に対する斜面の傾きの最大値が10°以上かつ40度以下であることを特徴とする請求項1に記載の照明装置。 - 前記線状光源Mの位置から前記X軸とZ軸とに平行なX−Z平面に平行かつZ軸に対して角度αで発する光の10〜50%は、前記方向と成す角度が−15°〜+15°の範囲で出射することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の照明装置。
- 前記第2光線方向制御手段が板状構造物にあり、
前記板状構造物は前記線状光源に対向する平坦な入射面と、X軸に平行な複数の畝状凸部からなる前記第2光線方向制御手段が形成されている出射面とを有し、前記畝状凸部の前記X−Z平面に平行な断面の輪郭線のX軸に対する斜面の傾きθが、該板状構造物の屈折率がnであるとき、0≦|Sin−1(n・sin(θ−Sin−1((1/n)・sinα)))―θ|≦(π/12)を満たし、かつ傾きθ2がSin−1(1/n)未満である領域xを含み、該領域xは前記凸部の頂部を含み、該領域xのX軸と平行な方向成分の長さpと断面全体の輪郭線のX軸と平行な方向成分の長さPの割合が0.15〜0.80であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の照明装置 - 第1光線方向制御手段と前記第2光線方向制御手段とが同じ板状構造物にあることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の照明装置。
- 請求項1〜7のいずれかに記載の照明装置が備える第1光線方向制御手段および第2光線方向制御手段よりなる光制御部材。
- 請求1〜7に記載の上記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。
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