JP2007123125A - 照明装置及びそれを用いた表示装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の照明装置、表示装置は、X方向と、X方向に垂直なY方向とからなる矩形状の出射面を持つ照明装置であって、前記照明装置は反射板と複数の線状光源と、出射面の表面に畝状の凸部を複数形成している板状の光制御部材と、光制御部材を保持する突起とから少なくとも構成される照明装置であって、該突起が光透過性材料からなり、突起の水平断面が円形形状で、光制御部材と接する突起先端部の直径が1mm以下であることを特徴とする。
【選択図】図1
Description
g(X)=f(X−D)+f(X)+f(X+D) (1)
としたとき、
−D/2≦X≦D/2の範囲で、
g(X)の最小値であるg(X)minと最大値であるg(X)maxの比g(X)min/g(X)maxが0.6以上であり、
Xの最小値Xminが−3.0D≦Xmin≦−0.5Dの範囲であり、最大値Xmaxが0.5D≦Xmax≦3.0Dの範囲であり(XminおよびXmaxは、f(X)の値がX=0である線状光源付近を中心に減衰していき、実質0になるときの両端の座標)、任意の凸部のX方向の断面形状が、下記の式で表される(2N+1)個の傾きの異なる領域−N〜Nからなることを特徴とする照明装置である。
Xi=i×δ (3)
αi=Tan-1(Xi/H) (4)
βi=Sin−1((1/n)sinαi) (5)
γi=Sin−1((1/n2)sinαi) (6)
ai∝f(Xi+T・tanγi)・cosΦi・cosβi/cosαi/cos(Φi−βi) (7)
Φi=Tan−1((n・sinβi)/(n・cosβi−1)) (8)
N:自然数
i:−NからNの整数
n:光制御部材の凸部の屈折率
n2:光制御部材の基材の屈折率
ai:領域iのX方向の幅
Φi:領域iの出射面に対する斜面の傾き
T:光制御部材の入射面から凸部の底部までの厚み
g(X)=f(X−D)+f(X)+f(X+D) (1)
としたとき、
−D/2≦X≦D/2の範囲で、
g(X)の最小値であるg(X)minと最大値であるg(X)maxとの比g(X)min/g(X)maxが0.6以上であることを本発明の照明装置は特徴とする。
また既に述べたとおり、出光強度の分布は、各線状光源の出光強度の分布の総和であり、観察面側の任意の位置で分布がほぼ一定となれば、輝度ムラは解消される。本発明の照明装置は正面方向への出光強度の分布を出射面内でほぼ一定とすることで、正面方向の輝度ムラを解消する。
Xi=i×δ (3)
αi=Tan-1(Xi/H) (4)
βi=Sin−1((1/n)sinαi) (5)
γi=Sin−1((1/n2)sinαi) (6)
ai∝f(Xi+T・tanγi)・cosΦi・cosβi/cosαi/cos(Φi−βi) (7)
Φi=Tan−1((n・sinβi)/(n・cosβi−1)) (8)
N:自然数
i:−NからNの整数
n:光制御部材の凸部の屈折率
n2:光制御部材の基材の屈折率
ai:領域iのX方向の幅
Φi:領域iの出射面に対する斜面の傾き
T:光制御部材の入射面から凸部底部までの厚み
ここで、α、β、γ、Φなどの角度はいずれも絶対値が90°未満で、基準線に対して右回りに成す角度を正、左回りに成す角度を負とする。
Xmin、Xmaxは、f(X)の値がX=0である線状光源付近を中心に減衰していき、実質0になるときの両端の座標である。Xmin〜Xmaxの間を等分に(2N+1)分割すると、分割した各要素の幅δは式(2)で示される。このとき任意の要素の中心座標Xiは、式(3)で示される。X=0の位置にある線状光源から座標Xiの光制御部材の入射面への入射角度は法線方向に対して式(4)で示される角度αiとなる。
そのうち、式(8)で示される出射面に対する傾きΦiの斜面に到達した光のみ正面方向に向かう。
となる。
bi=ai/cosΦi (10)
である。
ei=ai/cosΦi・cos(Φi−βi) (11)
となる。
ここで、図16に示すように凸部のX方向の幅、すなわちaiの総和をPとすると、角度αiで光制御部材2に入射して光制御部材内部を通過して凸部3に向かう光9のうち領域iに向かう光の割合はei/(P・cosβi)である。
f(Xi+T・tanγi)∝ai/cosΦi・cos(Φi−βi)・cosαi/(P・cosβi)(12)
に従って、
ai∝P・f(Xi+T・tanγi)・cosΦi・cosβi/cosαi/cos(Φi−βi) (13)
となる。ここで、凸部3の幅をPとすると、aiの総和は凸部の幅Pとなるので、
Pは凸部幅であり定数となるため、
ai∝f(Xi+T・tanγi)・cosΦi・cosβi/cosαi/cos(Φi−βi) (7)
凸部は(式7)の関係を満足するような幅aiの領域iからなる形状である。周知の通り比例縮小光学系は、ほぼ同一の指向特性を示すので自由に凸部のピッチを選定することができる。
H’=H/cosθ (16)
V=U/cosθ (17)
従って
V=H・Δθ/cos2θ (18)
つまり、Vはcos2θに反比例するので、線状光源からのΔθ内の出射光の強度がθによらず一定な場合には、光制御部材への単位面積当たり入射光の強度、すなわち照度はcos2θに比例する。
図19に本発明の照明装置で光を正面に向ける原理を示す。
線状光源から、屈折率nの光制御部材2にαの角度で入光する入射光7は該光制御部材の入射面6で屈折し、光拡散板内部を通過し、さらにこの光9は出射面側の凸部3で屈折し観察面側に出射するが、このとき出射光8が正面方向に出光するのは凸部3において、傾きが望ましい角度Φである場合である。本発明では配置に基づくαの分布と入射光7の強度を考慮し、正面方向への出光強度が一定となるよう角度Φの割合を調節することで正面方向への出光強度を調節できる。
β=Sin−1(1/n・sinα) (5)’
Φ=β−ε (19)
−n・sinε=−sinω=sinΦ (ω=−Φ) (20)
式(19)および式(20)より、
−n・sin(β−Φ)=sinΦ (21)
−n・{sinΦ・cosβ−cosΦ・sinβ}=sinΦ (21)’
式(21)’の両辺をcosΦで除すると(sinΦ/cosΦ=tanΦなので)
−n{tanΦ・cosβ−sinβ}=tanΦ (21)”
これよりΦは次のように表すことができる。
Φ=Tan−1(n・sinβ)/(n・cosβ−1)) (21)'''
式(5)’、式(21)'''より
Φ=Tan−1(sinα/(n・cos(Sin−1((1/n)sinα))−1))(21)''''
本発明の照明装置は、X方向と、X方向に垂直なY方向とからなる矩形状の出射面を持つ照明装置であって、前記照明装置は反射板と複数の線状光源と、出射面の表面に畝状の凸部を複数形成している板状の光制御部材と、前記光制御部材を保持する突起とから少なくとも構成される照明装置であって、該突起が光透過性材料からなり、突起の水平断面が円形形状で、光制御部材と接する突起先端部の直径が1mm以下であることを特徴とする。
G(X)min=g(X)min+(g(X)max+g(X)min)/2×0.95 (23)
G(X)min/G(X)max
={g(X)min+(g(X)max+g(X)min)/2×0.95}/
{g(X)max+(g(X)max+g(X)min)/2×0.95} (24)
g(X)min/g(X)max≧0.65 (25)
となる。
上述のように、実際には光制御部材2への入射光のうち拡散光成分は50%以上であるため、
g(X)min/g(X)max>0.6 (26)
とすればよいことがわかる。
正面方向への出光強度の分布は、正面輝度の分布を測定することにより評価できる。正面輝度の分布は、輝度計と光制御部材の出射面側にある測定点との距離を一定に保った状態で、輝度計をX方向に等間隔ずつ移動しながら測定する。また、正面方向への出光割合は次のように行う。
まず、測定点の輝度を、角度を変えながら測定する。このとき光制御部材の主面の法線方向とX軸方向に平行な断面に沿って角度を変えていく。このとき輝度計と光制御部材の出射面側にある測定点との距離は一定に保つ。
次に、得られた角度ごとの輝度の値をエネルギーの値に変換し、光制御部材の主面の法線方向である正面方向と30度以内に出射したエネルギーの全出射エネルギーに対する割合を算出する。
−N〜Nの領域がX軸の位置座標の順に並んでいる場合、通常は凸部の形状は変曲点をもたない形状となり、凸部全体が略凸状を成す。このような形状の場合、通常、光が所望の凸部上の領域に到達する前に別の凸部上の領域に到達して反射や屈折によって光線の方向が変化することがなく、光線方向の制御が容易となり有利である。
光拡散手段としては板状部材の主面にシボやエンボスなどのランダムな凹凸を設ける方法、少量の光拡散材を構造物の内部に分散する方法、拡散シートを光制御部材の入射側および/または出射側に設ける方法、あるいはこれらを組み合わせた方法が挙げられる。
本発明の実施例において用いた照明装置の構成を以下に示す。
本発明において好ましい態様の一例の照明装置として、市販の液晶表示装置(ソニー株式会社製 商品名KDL−L32HVX)に搭載されるバックライトユニットの基本構造を用いて評価した。前記バックライトユニットの構成を図1に沿って説明する。X方向の長さ438mm、Y方向の長さ758mm、X方向とY方向に垂直な厚さ方向の長さ19mmの開口部を持つ直方体状のハウジング中に、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、出射側にX方向の長さ714mm、Y方向の長さ398mmの反射板4が配置されていた。
次に前記反射板の出射側に3mmの間隔をおいて、該反射板と平行に線状光源を配置されていた。線状光源1は、直径3mm、長さ700mmの16本の冷陰極管であり、X方向に沿ってY方向に平行に21.5mmずつの間隔での配置であった。
線状光源1の中心から光制御部材2までのHは14.5mm、隣接する線状光源1の中心同士の距離Dは25.0mmであった。
実施例において用いる本発明に係る光制御部材は、線状光源と対向する光制御部材の入射面側に平坦である面が形成され、出射面側に請求項1記載の式(2)から(8)より導かれる畝状の凸部が形成されることを特徴とするものであり、前記光制御部材は以下のようにして作製した。
(a)突起による影については、目視での評価を行い、その結果を表1に示した。
(b)照明装置の明るさを示す正面輝度については、色彩輝度計(株式会社トプコン社製BM−5)により測定し、その結果を表1に示した。
前記液晶表示装置(ソニー株式会社製 商品名KDL−L32HVX)に搭載されるバックライトユニット付属の突起に代え、アクリル樹脂(株式会社クラレ製 商品名“パラグラス”透明板6mmt)を使用して、図14(a)に示す水平断面形状が円形の径3mm、先端径1mmφの突起を旋盤により切削加工し作製したものを、前記照明装置に両面テープを用いて貼り付け固定した。取り付け位置は、図4に示すように、線状光源の中間位置とした。
光制御部材(B−1)と組み合わせた時、突起と光制御部材の接する位置に、突起に起因する影は視認できなかった。また、表1に示すように測定輝度は高い値であり、輝度ムラの改良効果も良好であった。
実施例1の突起を用い、光制御部材(B−2)と組み合わせて、実施例1と同様に評価した。突起と光制御部材の接する位置に突起に起因する影は、実施例1と同様に視認できなかった。また、表1に示すように測定輝度も比較的は高い値であり、輝度ムラの改良効果も良好であった。
前記液晶表示装置(ソニー株式会社製 商品名KDL−L32HVX)に搭載されるバックライトユニット付属の突起(白色不透明:形状は実施例1と同じ)を用いて、光制御部材(B−1)を組み合わせて評価を行った。その結果、突起と光制御部材の接する位置に、突起に起因する影が明瞭に発生していた。
比較例1の突起を用い、光制御部材(B−3)と組み合わせた。光制御部材(B−3)は、比較例1の光制御部材(B−1)に比べ光拡散性微粒子を多量に含有するため、突起と光制御部材とが接する位置に、突起に起因する影は視認できなかったが、表1に示すように測定輝度は低い値となった。すなわち、輝度と画質とのバランスが取れていないといえる。
前記液晶表示装置(ソニー株式会社製 商品名KDL−L32HVX)に搭載されるバックライトユニット付属の突起に代え、アクリル樹脂(株式会社クラレ製 商品名“パラグラス”透明板6mmt)を使用して、図14(b)に示すような水平断面の形状が円形で先端径3mmφの突起を旋盤により切削加工し作製したものを、前記照明装置に両面テープを用いて貼り付け固定した。取り付け位置は、図4に示すように、線状光源の中間位置とした。
光制御部材(B−1)と組み合わせた時、突起と光制御部材の接する位置に、突起に起因する影が明瞭に確認された。すなわち、突起の先端径が1mmφを越えたものであると、画質に悪影響があることが判る。
D:隣接する線状光源の中心間の距離
H:線状光源の中心と光制御部材の入射面との距離
f(X):線状光源の配列方向Xと照明装置の任意の1本の線状光源からの光の光制御部材の凸部から出射する正面方向への出光強度との分布の関数
N:自然数
n:光制御部材の凸部の屈折率
n2:光制御部材の基材の屈折率
Xmax:f(X)が0となるときの正方向のX座標
Xmin:f(X)が0となるときの負方向のX座標
g(X):f(X−D)+f(X)+f(X+D); 線状光源の配列方向Xと、隣接する3本の線状光源からの光の光制御部材の凸部から出射する正面方向への出光強度との分布の関数
g(X)min:Xmin〜Xmax間のg(X)の最小値
g(X)max:Xmin〜Xmax間のg(X)の最大値
δ:δ=(Xmax−Xmin)/(2N+1)を満たす微小区間
Φi:凸部の領域iの出射面に対する斜面の傾き
Xi:Xmin〜Xmax間を(2N+1)等分したときの各要素のX座標の中心値
ai:凸部の領域iのX方向の幅
T:光制御部材の入射面から凸部の底部までの厚み
αi:X方向と光制御部材の主面の法線方向に平行な断面内における、線状光源から入射面に入射して光制御部材内部を通って領域iから出射する光の、線状光源からの光線方向が入射面の法線に対して成す角度
βi:X方向と光制御部材の主面の法線方向に平行な断面内における、線状光源から入射面に入射して光制御部材内部を通って領域iから出射する光の、光制御部材の凸部内部での光線方向が、入射面の法線に対して成す角度
γi:X方向と光制御部材の主面の法線方向に平行な断面内における、線状光源から入射面に入射して光制御部材内部を通って領域iから出射する光の、光制御部材の基材内部での光線方向が、入射面の法線に対して成す角度
bi:X方向と光制御部材の主面の法線方向に平行な断面内における、領域iの斜面の長さ
ei:X方向と光制御部材の主面の法線方向に平行な断面内における、法線方向光源から入射面に入射して光制御部材内部を通って領域iから出射する光の、光制御部材内部での光線方向に垂直な方向への領域iの斜面の射影の長さ
ξi:X方向と光制御部材の主面の法線方向に平行な断面内における、領域iの斜面の角度が、光制御部材の凸部内部での光線方向と垂直な角度に対して成す角度
θ:X方向と光制御部材の主面の法線方向に平行な断面内における、線状光源から入射面に入射して光制御部材内部を通って出射面から出射する光の、線状光源からの光線方向が、入射面の法線に対して成す入射角度
Δθ:X方向と光制御部材の主面の法線方向に平行な断面内における、入射角度θの光を中心にした微小範囲が線状光源の中心と成す角度
H’:X方向と光制御部材の主面の法線方向に平行な断面内における、線状光源から角度(θ−Δθ)で出射した光が通る光制御部材の入射面上の点と、線状光源の中心とを結ぶ軌道を、線状光源と角度θで出射した光が通る軌道上に射影に長さ(線状光源から角度θ
で出射した光が通る光制御部材の入射面上の点と線状光源の中心との距離にほぼ等しい)
V:X方向と光制御部材の主面の法線方向に平行な断面内における、線状光源からの入射角度θを中心とするΔθの光が通過する光制御部材の入射面上の領域の長さ
U:X方向と光制御部材の主面の法線方向に平行な断面内における、線状光源からの入射角度θを中心とするΔθの光が通過する光制御部材の入射面上の領域の長さVの線分の、入射角度θに垂直な角度への射影
α:X方向と光制御部材の主面の法線方向に平行な断面内における、光制御部材に入射する光が、入射面の法線に対して成す入射角度
β:X方向と光制御部材の主面の法線方向に平行な断面内における、線状光源から入射面に入射して光制御部材内部を通って凸部から出射する光の、光制御部材の凸部内部での光線方向が、入射面の法線に対して成す角度
γ:X方向と光制御部材の主面の法線方向に平行な断面内における、線状光源から入射面に入射して光制御部材内部を通って凸部から出射する光の、光制御部材の基材内部での光線方向が、入射面の法線に対して成す角度
ε:X方向と光制御部材の主面の法線方向に平行な断面内における、線状光源から入射面に入射して光制御部材内部を通って凸部から出射する光の、光制御部材内部での光線方向が、通過する凸部の斜面の法線に対して成す角度
ω:X方向と光制御部材の主面の法線方向に平行な断面内における、線状光源から入射面に入射して光制御部材内部を通って凸部から出射する光の、凸部から出射する光線の方向が、通過する凸部の斜面の法線に対して成す角度
P:X方向と光制御部材の主面の法線方向に平行な断面内における、凸部の幅Δαi:座標Xiより線状光源の直径を見込む角度
Claims (5)
- X方向と、X方向に垂直なY方向とからなる矩形状の出射面を持ち、反射板と、複数の線状光源と、板状の光制御部材と、前記光制御部材と接して該光制御部材を保持する突起とを少なくとも備える照明装置であって、前記反射板は前記X方向およびY方向に平行に配置しており、前記線状光源は前記反射板の出射面側の前記X方向およびY方向に平行な1つの仮想平面内に配置しており、かつ、該線状光源は長手方向がY方向に平行に配置しており、かつ、X方向に沿って等間隔に配列しており、前記光制御部材は前記配列した線状光源の出射面側に配置し、該光制御部材の主面は、線状光源に対向し該線状光源からの光を受光する入射面と前記入射面に受光した光を出光する出射面とからなり、かつ、該主面は線状光源が配列している前記仮想平面と平行であり、前記出射面は表面に畝状の凸部を複数形成しており、該凸部は頂部にあたる畝状の稜線がY方向に平行に形成されており、かつ、X方向に沿って配列しており、前記突起が光透過性材料からなり、突起の水平断面が円形形状であって、光制御部材と接する突起先端部の直径が1mm以下であり、前記線状光源の中心間の距離をD、任意の前記線状光源の中心と前記光制御部材との距離をH、該線状光源から光制御部材に入光した光の、X方向の位置座標X(光源位置をX=0とする)における出射面の法線方向への出光強度を表した関数をf(X)とし、
g(X)=f(X−D)+f(X)+f(X+D) (1)
としたとき、
−D/2≦X≦D/2の範囲で、
g(X)の最小値であるg(X)minと最大値であるg(X)maxの比g(X)min/g(X)maxが0.6以上であり、
Xの最小値Xminが−3.0D≦Xmin≦−0.5Dの範囲であり、最大値Xmaxが0.5D≦Xmax≦3.0Dの範囲であり(XminおよびXmaxは、f(X)の値がX=0である線状光源付近を中心に減衰していき、実質0になるときの両端の座標)、任意の凸部のX方向の断面形状が、下記の式で表される(2N+1)個の傾きの異なる領域−N〜Nからなることを特徴とする照明装置。
δ=(Xmax−Xmin)/(2N+1) (2)
Xi=i×δ (3)
αi=Tan-1(Xi/H) (4)
βi=Sin−1((1/n)sinαi) (5)
γi=Sin−1((1/n2)sinαi) (6)
ai∝f(Xi+T・tanγi)・cosΦi・cosβi/cosαi/cos(Φi−βi) (7)
Φi=Tan−1((n・sinβi)/(n・cosβi−1)) (8)
N:自然数
i:−NからNの整数
n:光制御部材の凸部の屈折率
n2:光制御部材の基材の屈折率
ai:領域iのX方向の幅
Φi:領域iの出射面に対する斜面の傾き
T:光制御部材の入射面から凸部の底部までの厚み - 上記光制御部材の凸部のX方向の断面形状を表す領域−N〜NがX軸の位置座標の順に並んでいることを特徴とする請求項1に記載の照明装置。
- 上記光制御部材の凸部のX方向の断面形状が、該凸部を成す(2N+1)個の傾きの異なる領域のうち少なくとも1組の隣接する2つの領域の形状を曲線で近似した形状で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。
- X方向と上記光制御部材の主面の法線方向に平行な断面内において、出射面の法線方向に対して30度以内の角度を成す範囲に出光する光の割合が全出光の50%以上であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項記載の照明装置。
- 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表示装置。
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