JP2012186049A - 照明装置およびそれを用いた映像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】照明装置の軽量化と輝度分布の均一化を図ること。
【解決手段】照明装置（バックライトユニット）１は、線状光源２と反射面３と出射面４を備える。反射面３と出射面４は空間を介して対向し、線状光源２は空間の端部に配置される。出射面４は、入射光の一部を透過するとともに入射光の一部を反射する半透過面とする。反射面３の断面形状は、線状光源２に近接する位置から反射面３の中央位置までの区間に照射方向に凹形状となる頂点３２２を有し、かつ頂点から反射面の先端部までの区間に変曲点３２３を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、薄型化に適した照明装置およびそれをバックライトとして用いた映像表示装置に関するものである。

近年、照明装置や、液晶表示装置に搭載されるバックライトユニットには、薄型化および高効率化が求められている。バックライトユニットとしての照明装置では、薄型化を図るためには、導光板を用いる方法が一般的である。特許文献１には、導光板を用いたエッジライト式バックライトの端一辺に冷陰極管を配置した液晶表示装置が開示されている。そして、導光板の下側には、バックライトからの光を上方に導く反射板が設置され、液晶パネルの上下には２枚の偏光板が設置される構成となっている。

特開２００５−１７３５５号公報

照明装置の薄型化のために導光板は有効であるが、１枚の導光板で照射面全体を照射する構造の照明装置では、照射面が大型になると導光板の重量が大きくなり、照明装置の軽量化の妨げとなる。また、大型の導光板の場合、光源から遠くなるにつれて照射光が暗くなる傾向にあり、輝度の均一化が困難になる。前記特許文献１には、照明装置の軽量化と輝度分布の均一化を両立させることについて考慮されていない。

上記課題に鑑み、本発明は、照明装置の軽量化と輝度分布の均一化を図ることを目的とする。

本発明は、線状光源と、該線状光源から発生された光線を反射する反射面と、該反射面と対向し照明光を照射する出射面を備える照明装置であって、前記反射面と前記出射面は空間を介して対向し、前記線状光源は前記空間の端部に配置され、前記出射面は、入射光の一部を透過するとともに入射光の一部を反射する半透過面であることを特徴とする。

また、前記反射面の断面形状は前記線状光源の長手方向に対し垂直な方向に沿って曲線形状とし、該曲線形状は、前記線状光源に近接する位置から当該反射面の中央位置までの区間に照射方向に凹形状となる頂点を有し、かつ該頂点から当該反射面の先端部までの区間に曲線の勾配の変化率がゼロとなる変曲点を有する形状であることを特徴とする。

本発明によれば、照明装置から導光板を排除した構成とすることで照明装置の軽量化と輝度分布の均一化を図ることができる。

本発明の第１の実施例に係る照明装置（バックライトユニット）の構成を示す図。 図１の照明装置の分解図。 偏光選択性の反射シート４１の半透過機能を示す光線図。 プリズムシート４３の半透過機能を示す光線図。 本発明の第２の実施例に係る照明装置の反射面３の形状を示す図。 図５の反射面の形状における光線図。 比較のために反射面を平面とした場合の光線図。 本発明の第３の実施例に係る照明装置の構成を示す図。 本発明の第４の実施例に係る映像表示装置（液晶表示装置）を示す正面図。 図９の映像表示装置の内部構成を示す図。

以下、本発明における複数の実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１と図２は、本発明の第１の実施例に係る照明装置の構成を示す図である。ここでは照明装置として、液晶表示装置に用いられるバックライトユニットを例に示す。図１はバックライトユニットを組み立てた状態、図２はバックライトユニットを分解した状態を示す図である。以下、図面内の方向を記号Ｘ，Ｙ，Ｚ方向を用いて説明する。

バックライトユニット１は、Ｙ方向に長軸を有する少なくとも１つ以上の線状光源２と、ＸＹ面に略平行な反射面３と出射面４を備える。反射面３と出射面４は空間を介してＺ方向に対向する。つまり、特許文献１等で用いられた従来の導光板を排除している。出射面４は、入射光の一部を透過するとともに入射光の一部を反射する半透過面としている。線状光源２から発生された光線は、反射面３と出射面４とで反射されながら、出射面４からＺ方向（図面上方向）へ出射される。

以下、各部の構成を詳細に説明する。
線状光源２には、冷陰極管（ＣＣＦＬ）、熱陰極管（ＨＣＦＬ）、外部電極管（ＥＥＦＬ）などの蛍光管を用いる。蛍光管は、一般的にガラス管の内壁に蛍光体を塗布したものに、蛍光体を励起する光線を発生させる放電を起こすためのガスを封入して構成されている。この蛍光体は、バックライトユニット１に要求される発光色に対応して調合されていても良い。例えば、カラー映像を表示するために用いられる液晶パネルに対して効果的な構成を例に挙げる。液晶表示装置に用いる液晶パネルのカラーフィルタは、所定の波長領域の光のみを透過させる機能を持つ。従って、液晶パネルに効率良く光を透過させるために、カラーフィルタの透過波長領域に、蛍光体が発する光のピークを対応させるよう、線状光源２は複数の蛍光体を用いていても良い。一般的には赤、青、緑の３波長であるが、必要に応じて、それより多くのピークを持つ発光スペクトルを有する蛍光体を用いた光源を利用しても良い。

また、線状光源２は１つの光源である必要はなく、複数のＬＥＤ光源を連ねて構成しても良い。ＬＥＤ光源は使用する蛍光体に応じたスペクトルで発光するが、この発光スペクトルは、バックライトユニットが要求される発光色に対応していることが望ましい。これは、略同じスペクトルを持つＬＥＤ光源を複数合わせて構成しても良いし、あるいは、異なる発光スペクトルを持つ数種類のＬＥＤ光源を複数組み合わせることで実現しても良い。
さらに他の方法として、レーザ光源や有機ＥＬ光源を利用して線状光源を構成しても良い。

線状光源２は、必要に応じて混色機能を有する光学部品を備えていても良いし、輝度均一化、あるいは配光分布の調整手段を有していても良い。例えば、レンズや、拡散機能を持った平板、あるいはプリズムシートなどを利用することができる。ただし、これらの構成例は、線状光源２の構成を限定するものではない。

反射面３は、線状光源２の背面（−Ｘ方向）に配置される光源背面部３１と、バックライトユニット１の底面に相当する底面部３２から構成される。これらは分割されても、また一体で成形されても良い。光源背面部３１は、線状光源２から−Ｘ方向に出射された光線を＋Ｘ方向に反射する。底面部３２は、線状光源２または出射面４から受けた光線を、出射面４側へ反射する。反射面３の材質は、加工し易いものが望ましく、鏡面仕上げされたアルミニウム、銀、スチール、チタン、あるいはその他の合金を用いて板金加工にて形成することができる。あるいは、射出成形や押し出し成形によって反射面３の形状に成形した基材の表面に、反射処理を施すことで実現することができる。基材にはＰＭＭＡ、ポリカーボネートなどの樹脂を用いることができ、またアルミニウム等の金属材でも可能である。反射処理では、金属蒸着や金属メッキ、誘電体多層膜の貼り付けなどを行う。

反射面３が金属材の場合は、反射率は高いがその金属が持つ特有の分光特性があるため、入射光に対して反射光の色が異なることがある。これに対し誘電体多層膜では、材料を選択することで、可視光領域で略一定で高い反射率とすることができる。

なお、反射面３は部分的に反射率（または透過率）を変化させても良い。そのような光学特性を実現するために、部分的に反射膜を生成（または削除）しても良いし、反射性のインク、もしくは吸収性のインクなどを用いてパターン印刷しても良い。
さらに、反射面３の一部、あるいは全体に拡散性を持たせるため、シート状の光学部品を設けても良いし、あるいは印刷を施しても良い。面粗さによる拡散機能を有していても良い。

出射面４は、一部の光を入射側に反射させ、一部の光を透過して出射させる機能を持つ半透過面である。半透過面の機能を実現させるため、偏光選択性の反射面４１とプリズムシート４３を重ねて構成している。そして、両者の間には拡散シート４２を挿入している。この構成により、偏光選択性の反射面４１を出射した光線は、拡散シート４２によって輝度ムラを滑らかにし、プリズムシート４３の集光機能によってゲインを持たせ、正面輝度を向上させる効果がある。なお、出射面４の構成とＺ方向の積層順序はこれに限定するものではなく、偏光選択性の反射面４１とプリズムシート４３の一方を省略しても良く、拡散シート４２を省略してもよい。また、使用する光学シートの枚数は必要に応じて増加させても良い。

出射面４の形状は図面では矩形平面状の場合を示したが、これに限らず、円形、楕円などの閉曲線で表現される形状であっても良いし、球面の一部、円筒形などの立体的な曲面であっても良い。

次に、出射面４の半透過面としての機能を説明する。
図３は、偏光選択性の反射シート４１における半透過機能を示す光線図である。偏光選択性の反射シート４１の場合、特定の偏光方向の光４０１は透過し、それ以外の偏光方向の光４０２は反射し、半透過面として機能する。場合によっては、透過する偏光の一部を反射するように設計されたものを利用しても良い。さらには、半透過面として偏光方向に依存しないハーフミラーを利用することもできる。

図４は、プリズムシート４３における半透過機能を示す光線図である。プリズムシート４３に対して略垂直に入射する光４０３は、プリズムが持つ全反射の機能で入射側に反射される。一方、斜め方向から入射した光４０４はプリズムで屈折して、プリズムシート４３に対して光源とは反対側に透過する光と、全反射されて光源側に反射される光とに分けられ、半透過面として機能する。

このように、半透過面である出射面４に入射した光線の一部は透過し、Ｚ方向上方へ出射する。残りの光線は出射面４で反射され反射面３に向かい、その後反射面３で反射され再び出射面４に向かう。そして出射面４では、光線の一部は透過し残りの光線は反射される。これを繰り返すことで、出射面４からＺ方向に光線を出射させながら、光源２から離れたＸ方向に光線を伝播させる構造となっている。

なお、半透過面は部分的に反射率（または透過率）を変化させても良い。そのような光学特性を実現するために、部分的に反射膜を生成（または削除）しても良いし、反射性のインク、もしくは吸収性のインクなどを用いてパターン印刷しても良い。
さらに、出射面４の一部、あるいは全体に拡散性を持たせるため、シート状の光学部品を設けても良いし、あるいは印刷を施しても良い。面粗さによる拡散機能を有していても良い。

このように本実施例によれば、従来の導光板を排除しているにもかかわらず、導光板と同様に、線状光源２から出射面４のＸ方向の端部まで光線を伝播させる機能を有している。本実施例では、導光板を排除してその領域を空間としているからバックライトユニット１の軽量化が図れる。また、導光板なしで光線が伝播するので、途中の減衰がなくなり照射効率を向上させることができる。

図１、図２では、バックライトユニットの構成を示したものであり、これに筐体、電源装置、制御装置等を組み合わせることで任意用途の照明装置として使用することができる。

本発明の第２の実施例を、図５〜図７を用いて説明する。実施例２では、実施例１における反射面３の断面形状を曲線としたことに特徴がある。

図５は、図２で示したバックライトユニット１の反射面３のうち、出射面４と対向する底面部３２のＸ方向断面形状を示す図である。底面部３２の断面形状は、線状光源２の長手方向（Ｙ方向）に対し垂直なＸ方向に沿って、直線ではなく曲線形状とした。その曲線形状とは、線状光源２に近接する端部（起点）３２１からＸ方向中央位置３２０までの区間に照射方向（Ｚ方向）に凹形状となる頂点３２２を有し、かつ該頂点３２２からＸ方向先端部３２４までの区間に変曲点３２３を有する形状である。変曲点３２３では、曲線の勾配の変化率（ｄ^２Ｚ／ｄＸ^２）がゼロ（０）となる。このような曲線形状は、例えば３次曲線や円弧を組み合わせたもので近似できる。なお、頂点３２２と変曲点３２３はそれぞれ複数個有しても良く、その場合は３次曲線や円弧を繋ぎ合わせることで近似できる。図５に示す反射面３の断面形状はあくまでも一例であって、バックライトユニット１の構造や線状光源２の数と配置に合わせて適宜決定する。例えば２個の線状光源２を反射面３の両端に設けるような場合は、図５のような反射面３の断面形状を向い合わせるように接続して、Ｘ方向中央位置３２０に関し対称な形状とすれば良い。

図６は、図５の反射面の形状における光線図を示す。線状光源２から出射した光線のうち、端部３２１から頂点３２２までの領域ａで反射した光線は、頂点３２２よりもＸ方向遠方で密になるように反射する。すなわち、端部３２１近傍の輝度を抑制し、頂点３２２よりも遠方での輝度を増加させる。また、頂点３２２から変曲点３２３までの領域ｂで反射した光線は、そのまま対応する出射面４側に反射するため、Ｘ方向中央部の輝度を維持する。一方、変曲点３２３から先端部３２４までの領域ｃで反射した光線は、出射面４のＸ方向端部側へ発散し、端部での輝度を増加させる。その結果、それぞれの領域ａ，ｂ，ｃで反射した光線が重なり合い、出射面４の輝度分布は線状光源２近傍からＸ方向端部に渡り、より均一化させることができる。

なお、液晶表示装置などのバックライトユニットとして使用する場合は、画面中央部の画質がより重要であるから画面周辺よりも画面中央部の輝度を高める分布が望ましい。そのような用途に対しては、反射面の形状に補正を加えて、出射面両端部での光線密度を抑制しその分出射面中央部での光線密度を増加させる形状にするのが良い。これにより、画面中央部で輝度ピークを持ち電力効率にも優れたバックライトユニットを実現できる。

図７は、比較のために反射面を平面とした場合の光線図を示す。線状光源２から出射した光線は、反射面の底面部３２’と出射面４’との間で反射、透過を繰り返すだけで、Ｘ方向の光線密度はほぼ一定である。よって、出射面４’の輝度分布は線状光源２近傍では高く、線状光源２から遠ざかるにつれて低くなってしまう。このように反射面が平面の場合は、出射面４’の輝度分布を均一にすることは困難である。さらには、出射面中央部の光線密度を高めて画面中央部に輝度ピークを持たせることも困難である。

本実施例によれば、反射面の底面部をその断面形状が曲線形状となるようにしたので、出射面４の輝度分布は線状光源２近傍からＸ方向端部に渡り、より均一化することができる。

図８は、本発明の第３の実施例に係る照明装置の構成を示す図である。実施例３では、実施例１（図２）における線状光源２の構成を変更したものである。

線状光源２には出射方向を規制する開口部２０を設けている。開口部２０の大きさ（開口角度）は線状光源２の周囲の略１８０°区間としており、開口部２０の方向は反射面３の底面部３２側に向けられている（矢印２１で示す）。開口部２０を底面側に向けることで、線状光源２から直接線状光源２近傍の出射面４に向う光線を遮蔽する。これにより線状光源２近傍の光線密度が過大になることを抑え、バックライトユニットの輝度を均一化させることが可能である。

本発明の第４の実施例を図９と図１０を用いて説明する。実施例４では、実施例１から実施例３に示したいずれかのバックライトユニットを搭載した映像表示装置について述べる。

図９は、本実施例に係る映像表示装置として液晶表示装置７の例を示す正面図である。また図１０は、図９の液晶表示装置７の内部構成を示す図であり、ここでは実施例１に示したバックライトユニット１を搭載した場合を示す。液晶表示装置７は、液晶表示素子（液晶パネル）５と該液晶表示素子５を照射するバックライトユニット１を筐体６に取り付け、さらに図示しない映像信号処理部、液晶素子駆動部、電源等を組み込んで構成される。

液晶表示素子５は、入力された駆動信号に対応した映像を表示する。すなわち、バックライトユニット１から入射した光線のうち所定の方向の偏光を液晶に入射させ、駆動信号に対応して液晶が動作して偏光を曲げ、出射させる。液晶からの出射光はカラーフィルタを通過させることで、カラー映像を表示することもできる。カラーフィルタは、赤、青、緑の３色のほかに、黄色、マゼンダなどを加えて３色以上を透過させるフィルタを用いることもできる。

本実施例の液晶表示装置７は、薄型で軽量化されたバックライト１を搭載しているので、表示装置としても薄型で軽量化されたものとなる。また、バックライト１の輝度分布が均一であり、画面内で均一な明るさの映像を表示する。さらには、実施例２で述べたように出射面中央部の輝度を高めたバックライトを用いることにより、表示画面は画面周辺部よりも画面中央部での映像の輝度を向上させ視聴者に見やすく電力効率の優れた液晶表示装置を提供することができる。

なお、バックライトユニット１における線状光源２は、表示画面の上下、左右のいずれの位置に配置しても良く、また、線状光源２を複数個配置しても良い。さらに、１枚の液晶表示素子５に対し複数個のバックライトユニット１をマトリクス状に配列した構成でも良い。その場合、映像信号の画面内分布に応じて各バックライトユニットの発光を独立に制御するエリア制御を行うことで、電力効率をさらに改善することができる。

以上、本発明に係るいくつかの実施例を説明したが、本発明はこれらの実施例だけに限定されるものではない。本発明には、各実施例の要素を組み合わせた種々の構成が含まれることは言うまでもない。

１…バックライトユニット（照明装置）、
２…線状光源、
２０…開口部、
３…反射面、
３１…反射面の背面部、
３２…反射面の底面部、
３２２…反射面の断面の頂点、
３２３…反射面の断面の変曲点、
４…出射面、
４１…偏光選択性の反射面、
４２…拡散シート、
４３…プリズムシート、
５…液晶表示素子（液晶パネル）、
６…筐体、
７…液晶表示装置（映像表示装置）。

Claims (5)

1. 線状光源と、該線状光源から発生された光線を反射する反射面と、該反射面と対向し照明光を照射する出射面を備える照明装置であって、
   前記反射面と前記出射面は空間を介して対向し、
   前記線状光源は前記空間の端部に配置され、
   前記出射面は、入射光の一部を透過するとともに入射光の一部を反射する半透過面であることを特徴とする照明装置。
2. 請求項１に記載の照明装置であって、
   前記反射面の断面形状は前記線状光源の長手方向に対し垂直な方向に沿って曲線形状とし、
   該曲線形状は、前記線状光源に近接する位置から当該反射面の中央位置までの区間に照射方向に凹形状となる頂点を有し、かつ該頂点から当該反射面の先端部までの区間に曲線の勾配の変化率がゼロとなる変曲点を有する形状であることを特徴とする照明装置。
3. 請求項１または２に記載の照明装置であって、
   前記線状光源には発生した光線の出射方向を規制する開口部を設け、
   該開口部は前記反射面方向に向けられ前記出射面に向う光線を遮蔽することを特徴とする照明装置。
4. 映像を表示する液晶表示素子と、
   該液晶表示素子を照射するバックライトユニットとして請求項１ないし３のいずれか１項に記載された照明装置を用いたことを特徴とする映像表示装置。
5. 請求項４に記載の映像表示装置であって、
   前記バックライトは前記出射面の中央部の輝度を高めた輝度分布とし、
   前記液晶表示素子による表示画面は、画面周辺部よりも画面中央部での映像の輝度を高くしたことを特徴とする映像表示装置。

Images