JP2013206834A - 導光体を用いた照明ユニット及びこれを備えた表示装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】光制御要素が視認されず、射出効率を高めて画面全体を均一に明るくできる。
【解決手段】照明ユニットは光源9と導光板10を備える。導光板10は、光源9の光を入射する入射面12と、入射光を反射させる反射面14と、反射光を射出する射出面とを有する。入射面12は対向して二側面に形成され、反射面14に光制御要素11を配列する。光制御要素密度Sは、入射面12が延在する方向に直交するX方向に向けて増大する。光制御要素11の配列パターンは複数の領域に分割し、同一の領域内では、入射面の延びるY方向の配列ピッチは一定で、X方向における配列ピッチは次第に小さくなる。複数の領域間で、Y方向の光制御要素の配列ピッチは不連続に変化し、入射面12から離れる領域ほど小さい。X方向の光制御要素の配列ピッチは領域間で不連続に変化し、境界を挟んで入射面12に近い側の領域より入射面から遠い側の領域の方が大きい。
【選択図】図5
【解決手段】照明ユニットは光源9と導光板10を備える。導光板10は、光源9の光を入射する入射面12と、入射光を反射させる反射面14と、反射光を射出する射出面とを有する。入射面12は対向して二側面に形成され、反射面14に光制御要素11を配列する。光制御要素密度Sは、入射面12が延在する方向に直交するX方向に向けて増大する。光制御要素11の配列パターンは複数の領域に分割し、同一の領域内では、入射面の延びるY方向の配列ピッチは一定で、X方向における配列ピッチは次第に小さくなる。複数の領域間で、Y方向の光制御要素の配列ピッチは不連続に変化し、入射面12から離れる領域ほど小さい。X方向の光制御要素の配列ピッチは領域間で不連続に変化し、境界を挟んで入射面12に近い側の領域より入射面から遠い側の領域の方が大きい。
【選択図】図5
Description
本発明は、主に照明光路制御に用いられる導光体を有する照明ユニット及びこれを備えた表示装置に関するものである。
液晶表示装置(LCD)に代表されるフラットパネルディスプレイは、提供される情報を認識するのに必要な照明装置を内蔵しているタイプが普及している。液晶表示装置の輝度や輝度の視野角分布や空間分布は、照明装置の性能の影響を大きく受けている。従って、照明装置の輝度を高めて輝度空間分布を均一にすることは、液晶表示装置の輝度を高めると共に輝度空間分布を均一にすることに直結する。
液晶表示装置に使用される照明装置として、主に直下方式とエッジライト方式とが挙げられる。直下方式の照明装置は光源を多数配置することが可能であるため、主として20インチ以上の大型の液晶表示装置に適用されている。一方、エッジライト方式は光源の配置位置が側面に限定されるため大型の表示装置には適用できず、主としてノート型パソコン、液晶モニター、携帯情報端末等の小型の表示装置に適用されている。
しかし、最近では、照明装置用の光源として冷陰極管に替わってLED(Light Emitting Diode:発光ダイオード)が採用され始めたことにより、低消費電力化が図れ、薄型化の容易なエッジライト方式の照明装置が20インチ以上の中型または大型の液晶表示装置に採用され始めている。
一般的に、エッジライト方式は導光板と呼ばれる透光性の板の端面に光源が配置され、端面に略直交する面全体から光を射出させる。従って、液晶表示装置が大型になるにつれて表示画面全体を均一に明るく照射すること、つまり輝度むらをなくすことが難しくなる。また、光源は導光板の端面にのみ配置されるため光源の設置数に限界がある。従って、液晶表示装置が大型になるにつれて輝度を向上させることも難しくなる。
このようなエッジライト方式の照明装置において、画面全体を均一に明るくする方法として、特許文献1に記載のバックライト装置が提案されている。特許文献1では、導光板の反射面において、入射光を反射させる光制御要素を同一間隔で配列すると共に光源から離間するに従って光制御要素のサイズを増大させるか、光制御要素のサイズを変えることなく二次元方向に配列間隔を小さくすることで密度を増大させる構成が提案されている。
また、光制御要素として、導光板の反射面に例えば白色拡散反射ドットが印刷されて配設されたり、微小な凹凸が形成されたり、一方向に延在したプリズム形状等の構造物が形成されたりしている。
また、光制御要素として、導光板の反射面に例えば白色拡散反射ドットが印刷されて配設されたり、微小な凹凸が形成されたり、一方向に延在したプリズム形状等の構造物が形成されたりしている。
しかし、設置位置によって光制御要素のサイズを変更する場合、画面全体を均一に明るくするように適度な大きさでサイズを変更しなければならないため、精度良く作製することが非常に困難である。
他方、設置領域によって光制御要素の配列密度を変更する場合、密な部分と疎の部分でX−Y二方向の配列ピッチを変更しなければならない。仮に一方向のピッチをそのままにして他方向のピッチのみを変更した場合、密度は変化させていくことが出来るが、疎の部分において他方向のピッチが大きくなりすぎてしまい、光制御要素の像が観察者側からそのまま視認されてしまうという問題が生じる。また、密な部分において密度を十分にあげることが出来ず光を十分に取り出すことが出来なくなり、結果的に射出効率が低下してしまう問題が生じる。しかし、特許文献1のように、二方向のピッチを連続的に変更することは作製上困難であった。
他方、設置領域によって光制御要素の配列密度を変更する場合、密な部分と疎の部分でX−Y二方向の配列ピッチを変更しなければならない。仮に一方向のピッチをそのままにして他方向のピッチのみを変更した場合、密度は変化させていくことが出来るが、疎の部分において他方向のピッチが大きくなりすぎてしまい、光制御要素の像が観察者側からそのまま視認されてしまうという問題が生じる。また、密な部分において密度を十分にあげることが出来ず光を十分に取り出すことが出来なくなり、結果的に射出効率が低下してしまう問題が生じる。しかし、特許文献1のように、二方向のピッチを連続的に変更することは作製上困難であった。
そこで、本発明は、作製上の困難さを回避しつつ、光制御要素が観察者側からそのまま視認されることがなく、射出効率を高めて画面全体を均一に明るくできようにした照明ユニット及びこの照明ユニットを用いた表示装置を提供することを目的とする。
さらに、本発明の他の目的は、局所的な輝線や輝点または暗線や暗点が生じないようにして大きな輝度むらを生じさせない射出効率の高い照明ユニット及びこの照明ユニットを用いた表示装置を提供することを目的とする。
さらに、本発明の他の目的は、局所的な輝線や輝点または暗線や暗点が生じないようにして大きな輝度むらを生じさせない射出効率の高い照明ユニット及びこの照明ユニットを用いた表示装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を採用した。
すなわち、本発明による照明ユニットは、光源と、光源から射出される光を入射する入射面と、入射面から入射される光を反射させる反射面と、反射面に対向していて反射面で反射された光を射出する射出面とを有する導光体と、を備えた照明ユニットであって、入射面は、互いに対向する二つの面に設定されており、反射面には光制御要素が配列されており、
光制御要素が単位面積内に存在する個数を表す光制御要素密度は、入射面が延在する方向に直交する方向に向けて、最も近い入射面からの距離が増大するにつれて増大し、光制御要素の配列パターンは複数の領域に分けられており、同一の領域内においては、入射面の延在方向における光制御要素の配列ピッチは一定であり、入射面の延在方向に略直交する方向における光制御要素の配列ピッチは最も近い入射面から離れるほど小さくなるように変化し、複数の領域間において、入射面の延在方向における光制御要素の配列ピッチは不連続に変化すると共に最も近い入射面から離れる領域ほど小さくなり、入射面の延在方向に略直交する方向における光制御要素の配列ピッチは領域間で不連続に変化すると共に隣接する二つの領域の境界の前後で入射面に近い側の領域よりも入射面から遠い側の領域の方が大きいことを特徴とする。
すなわち、本発明による照明ユニットは、光源と、光源から射出される光を入射する入射面と、入射面から入射される光を反射させる反射面と、反射面に対向していて反射面で反射された光を射出する射出面とを有する導光体と、を備えた照明ユニットであって、入射面は、互いに対向する二つの面に設定されており、反射面には光制御要素が配列されており、
光制御要素が単位面積内に存在する個数を表す光制御要素密度は、入射面が延在する方向に直交する方向に向けて、最も近い入射面からの距離が増大するにつれて増大し、光制御要素の配列パターンは複数の領域に分けられており、同一の領域内においては、入射面の延在方向における光制御要素の配列ピッチは一定であり、入射面の延在方向に略直交する方向における光制御要素の配列ピッチは最も近い入射面から離れるほど小さくなるように変化し、複数の領域間において、入射面の延在方向における光制御要素の配列ピッチは不連続に変化すると共に最も近い入射面から離れる領域ほど小さくなり、入射面の延在方向に略直交する方向における光制御要素の配列ピッチは領域間で不連続に変化すると共に隣接する二つの領域の境界の前後で入射面に近い側の領域よりも入射面から遠い側の領域の方が大きいことを特徴とする。
本発明によれば、入射面の延在方向に略直交する方向における光制御要素の配列ピッチと入射面の延在方向における光制御要素の配列ピッチとの比率をある程度一定にしたまま、光制御要素密度Sを不連続に変化させることなく且つ連続的に十分大きくなるよう変化させることができる。配列ピッチの比率をある程度一定にすることで、光制御要素が観察者側からそのまま視認されるのを防ぐことができる。また、光制御要素密度Sを不連続に変化させることがないために、輝線・輝点等の発生を抑えることができる。さらに、光制御要素密度Sを連続的に十分大きくなるよう変化させることができるために、射出効率を高めて均一な輝度を得ることができる。しかも、各領域での入射面の延在方向での光制御要素の配列ピッチがそれぞれ均一であるから配列パターンが単純であって作製容易である。
また、複数の領域は、入射面の延在方向に直交する方向に分割されていることを特徴とする。
これにより、入射面に略直交する方向に対して、光制御要素の配列ピッチを入射面の延在方向とこれに直交する方向において或る程度の範囲内に収めることができるため、光制御要素が観察者側からそのまま視認されるのを防ぐことができる。また、入射面から離れた位置における光制御要素密度を大きくすることができるため、射出効率を高めることができる。
これにより、入射面に略直交する方向に対して、光制御要素の配列ピッチを入射面の延在方向とこれに直交する方向において或る程度の範囲内に収めることができるため、光制御要素が観察者側からそのまま視認されるのを防ぐことができる。また、入射面から離れた位置における光制御要素密度を大きくすることができるため、射出効率を高めることができる。
また、2つの入射面からの距離が同じとなる導光体の中心を対称軸として、反射面における光制御要素密度Sは対称に配列されていることが望ましい。
このようにすることで、得られる光学特性も対称とすることができる。
このようにすることで、得られる光学特性も対称とすることができる。
また、2つの入射面からの距離が同じとなる導光体の中心を対称軸として、反射面における光制御要素の配列パターンは対称であることが望ましい。
このようにすることで、得られる光学特性もいっそう対称とすることができる。
このようにすることで、得られる光学特性もいっそう対称とすることができる。
また、光制御要素は、二次元方向に形状を持つドット形状であることが好ましい。
光制御要素が二次元方向に形成されたドット形状であるために、二次元方向に光制御要素の配列ピッチを設定して調整することができ、照明ユニットの画面全体の輝度を調整して明るくできる。
光制御要素が二次元方向に形成されたドット形状であるために、二次元方向に光制御要素の配列ピッチを設定して調整することができ、照明ユニットの画面全体の輝度を調整して明るくできる。
また、光制御要素は、導光板の反射面の内側に凹部形状をなすことが好ましい。
光制御要素が反射面に対して内側に凹部形状をなすことで、入射面から入射する光を広い範囲に亘って効率よく拡散反射させて射出面に向けて偏向できる。
光制御要素が反射面に対して内側に凹部形状をなすことで、入射面から入射する光を広い範囲に亘って効率よく拡散反射させて射出面に向けて偏向できる。
また、光制御要素は、入射面の延在方向に略直交する方向におけるアスペクト比が0.1〜0.4であることが好ましい。
このアスペクト比H/WXは上記範囲内であると、射出面からの射出光はより正面方向に射出されると共に正面方向に対して傾斜した斜め方向に射出される。しかし、アスペクト比が0.4よりも高いと、射出面側ではなく反射面から光が射出されてしまい射出効率が低下してしまう。一方、アスペクト比が0.1よりも低いと、射出光が斜めになるだけでなく導光板から射出されない光が増大し、同様に射出効率が低下してしまう。
このアスペクト比H/WXは上記範囲内であると、射出面からの射出光はより正面方向に射出されると共に正面方向に対して傾斜した斜め方向に射出される。しかし、アスペクト比が0.4よりも高いと、射出面側ではなく反射面から光が射出されてしまい射出効率が低下してしまう。一方、アスペクト比が0.1よりも低いと、射出光が斜めになるだけでなく導光板から射出されない光が増大し、同様に射出効率が低下してしまう。
また、光制御要素は、入射面の延在方向におけるアスペクト比が0.05〜0.3であることが好ましい。
アスペクト比が0.3よりも高い場合、導光板内を伝播する光は入射面に直交する方向に進む途中で入射面が延在する方向に広げられてしまう光が多くなり、導光板の側面から射出される光量が増大し射出面から射出される光量が低減するため射出効率は低下してしまう。一方、アスペクト比が0.05よりも低い場合、光制御要素の形状は入射面の延在方向に延びてレンチキュラーレンズに近い形状となってしまうため、光制御要素が視認され易くなる欠点が生じる。
アスペクト比が0.3よりも高い場合、導光板内を伝播する光は入射面に直交する方向に進む途中で入射面が延在する方向に広げられてしまう光が多くなり、導光板の側面から射出される光量が増大し射出面から射出される光量が低減するため射出効率は低下してしまう。一方、アスペクト比が0.05よりも低い場合、光制御要素の形状は入射面の延在方向に延びてレンチキュラーレンズに近い形状となってしまうため、光制御要素が視認され易くなる欠点が生じる。
また、光制御要素密度の微分値は、最も近い入射面からの距離に応じて、導光体の長さの半分に対する割合がα%より小さい範囲において、距離に応じて単調に増大し、α%において極大値を有するαは65%≦α%≦100%の範囲内であることが好ましい。
これによって、入射面から入射する光は、入射面から離間する方向において光制御要素密度が単調に増大するために均一な輝度を得ることができ、光制御要素密度の微分値がα%において極大になるように設定したため、輝度に大きなピーク値が発生することなく分散されて均一な高輝度を得られる。
これによって、入射面から入射する光は、入射面から離間する方向において光制御要素密度が単調に増大するために均一な輝度を得ることができ、光制御要素密度の微分値がα%において極大になるように設定したため、輝度に大きなピーク値が発生することなく分散されて均一な高輝度を得られる。
また、導光板の射出面には、入射面の延在方向と略直交する方向に延在するレンチキュラーレンズが配列されていることが好ましい。
導光板の射出面にレンチキュラーレンズが配列されていると、反射面の光制御要素で反射された光が射出面から射出される際に拡散されるのを抑えて光を閉じ込める効果を発揮できて集光効果が高い。
導光板の射出面にレンチキュラーレンズが配列されていると、反射面の光制御要素で反射された光が射出面から射出される際に拡散されるのを抑えて光を閉じ込める効果を発揮できて集光効果が高い。
また、射出面の観察者方向には、拡散機能を有した光学シートが配置されていることが好ましい。
導光板の射出面側に光学シートを配設することで、反射面に配列した光制御要素を観察者方向から一層観測しにくくすることができる。
導光板の射出面側に光学シートを配設することで、反射面に配列した光制御要素を観察者方向から一層観測しにくくすることができる。
また、導光体の光学シートとは反対側に、反射面側から射出する光を反射して再度導光体へ導く反射シートをさらに備えていてもよい。
反射シートにより、導光板の反射面側から射出してしまう光を反射させて再度導光体へ導き有効利用することができて、輝度を高めることが可能となる。
反射シートにより、導光板の反射面側から射出してしまう光を反射させて再度導光体へ導き有効利用することができて、輝度を高めることが可能となる。
また、本発明による表示装置は、上述した何れかに記載された照明ユニットと、表示画像を規定する画像表示素子と、を有することを特徴とする。
本発明によれば、照明ユニットの上述した光制御要素の配列パターンによって入射面の延在方向に直交する方向に入射面からの距離に応じて単調に光制御要素密度を増大させたから、光源からの射出光を導光体の反射面に配列した光制御要素によって画像表示素子に向けて反射させて、画像表示素子の画面全体を均一に明るくでき、光制御要素が観察者側からそのまま視認されることを防いで射出効率を高めることができる。
また、画像表示素子が、画素単位での透過/遮光により画像を表示することが好ましい。
本発明によれば、照明ユニットの上述した光制御要素の配列パターンによって入射面の延在方向に直交する方向に入射面からの距離に応じて単調に光制御要素密度を増大させたから、光源からの射出光を導光体の反射面に配列した光制御要素によって画像表示素子に向けて反射させて、画像表示素子の画面全体を均一に明るくでき、光制御要素が観察者側からそのまま視認されることを防いで射出効率を高めることができる。
また、画像表示素子が、画素単位での透過/遮光により画像を表示することが好ましい。
本発明による導光体を用いた照明ユニット及び表示装置によれば、光制御要素密度を、入射面の延在方向に直交する方向に入射面からの距離に応じて単調に増大させることで、画面全体を均一に明るくすることができる。
また、導光体の反射面を複数の領域に分割し、光制御要素の配列パターンを各領域内においては連続的に、領域間においては不連続にすることで、導光体の作製上の困難さを回避できると共に、照明ユニット及び表示装置において光制御要素が観察者側からそのまま視認されることを防いで射出効率を高めることができる。
また、導光体の反射面を複数の領域に分割し、光制御要素の配列パターンを各領域内においては連続的に、領域間においては不連続にすることで、導光体の作製上の困難さを回避できると共に、照明ユニット及び表示装置において光制御要素が観察者側からそのまま視認されることを防いで射出効率を高めることができる。
しかも、同一の領域内においては、入射面の延在方向における光制御要素の配列ピッチは一定であり、入射面の延在方向に略直交する方向における光制御要素の配列ピッチは最も近い入射面から離れるほど小さくなるように変化し、複数の領域間において、入射面の延在方向における光制御要素の配列ピッチは不連続に変化すると共に最も近い入射面から離れる領域ほど小さくなり、入射面の延在方向に略直交する方向における光制御要素の配列ピッチは領域間で不連続に変化すると共に隣接する二つの領域の境界の前後で入射面に近い側の領域よりも入射面から遠い側の領域の方が大きいので、領域境界においても光制御要素密度が不連続になることがなく、輝線・輝点を防ぐことができる。
以下に、本発明の実施形態による照明ユニットとこの照明ユニットを備えた表示装置について説明する。なお、図1から図18は模式的に示した図であり、各部の大きさや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。
図1に示す表示装置1は、画像表示パネル2と、この画像表示パネル2の光入射側に臨ませて配置された照明ユニット3とを備えている。
最も観察者側Fに配設された画像表示パネル2は、2枚の偏光板(偏光フイルム)4,5とその間に挟持された画像表示素子6とからなる。画像表示パネル2は例えば液晶表示パネルから構成され、画像表示素子6は2枚のガラス基板の間に液晶層が充填されて構成される。画像表示素子6として選択される液晶表示素子は、画素単位で光を透過/遮光して画像を表示する代表的な素子であり、他の表示素子と比べて、画像品位を高くすることができる。
図1に示す表示装置1は、画像表示パネル2と、この画像表示パネル2の光入射側に臨ませて配置された照明ユニット3とを備えている。
最も観察者側Fに配設された画像表示パネル2は、2枚の偏光板(偏光フイルム)4,5とその間に挟持された画像表示素子6とからなる。画像表示パネル2は例えば液晶表示パネルから構成され、画像表示素子6は2枚のガラス基板の間に液晶層が充填されて構成される。画像表示素子6として選択される液晶表示素子は、画素単位で光を透過/遮光して画像を表示する代表的な素子であり、他の表示素子と比べて、画像品位を高くすることができる。
画像表示パネル2は、画素単位で光を透過/遮光して画像を表示する素子であることが望ましい。画素単位で光を透過/遮光して画像を表示するものであれば、照明ユニット3により画面全体を均一に明るくできる表示装置1を得ることができる。
照明ユニット3はエッジライト型の照明装置であり、画像表示パネル2の光入射側に臨ませて配置されており、面光源部7と光学シート8とから構成される。
面光源部7は光の光路に沿って光源9と導光体をなす導光板10が設けられている。
照明ユニット3はエッジライト型の照明装置であり、画像表示パネル2の光入射側に臨ませて配置されており、面光源部7と光学シート8とから構成される。
面光源部7は光の光路に沿って光源9と導光体をなす導光板10が設けられている。
光学シート8は導光板10の光進行方向である観察者方向F側に配設されていて、拡散機能を有していると良い。導光板10と光学シート8や光学シート8と画像表示パネル2とで発生するモアレを消したり、導光板10による輝点を消したりすることができるためである。光学シート8として、例えばマイクロレンズシート18とプリズムレンズ19を積層して配列させている。マイクロレンズシート18による光拡散効果とプリズムレンズ19による集光効果を発揮することができる。
光学シート8としては、マイクロレンズシートやプリズムシートの他、表面に凹凸のある拡散シートや屈折率の異なる微粒子が混入している拡散シート、レンチキュラーレンズシート、偏光分離シートなどを設置することができる。また、光学シート8は複数枚配置してもよいし、一枚のみの配置でも良い。複数枚配置した場合には、そのうち何れか一枚に拡散機能を有していれば良い。
光学シート8としては、マイクロレンズシートやプリズムシートの他、表面に凹凸のある拡散シートや屈折率の異なる微粒子が混入している拡散シート、レンチキュラーレンズシート、偏光分離シートなどを設置することができる。また、光学シート8は複数枚配置してもよいし、一枚のみの配置でも良い。複数枚配置した場合には、そのうち何れか一枚に拡散機能を有していれば良い。
次に面光源部7について詳述する。
導光板10に対して光学シート8と反対側の背面に反射シート15が設けられている。反射シート15により、導光板10の射出面13とは対向する反射面14側から射出してしまう光を反射させて再度導光板10へ導き有効利用することができ、輝度を高めることが可能となる。
反射シート15として、例えば、(1)PETやPP等にフィラーを混練後延伸することによりボイドを形成して反射率を高めた樹脂シート、(2)透明もしくは白色の樹脂シート表面にアルミ蒸着などで鏡面を形成したシート、(3)アルミ等の金属箔もしくは金属箔を担持した樹脂シート、(4)表面に十分な反射性を有する金属薄板、などを用いてもよい。
導光板10に対して光学シート8と反対側の背面に反射シート15が設けられている。反射シート15により、導光板10の射出面13とは対向する反射面14側から射出してしまう光を反射させて再度導光板10へ導き有効利用することができ、輝度を高めることが可能となる。
反射シート15として、例えば、(1)PETやPP等にフィラーを混練後延伸することによりボイドを形成して反射率を高めた樹脂シート、(2)透明もしくは白色の樹脂シート表面にアルミ蒸着などで鏡面を形成したシート、(3)アルミ等の金属箔もしくは金属箔を担持した樹脂シート、(4)表面に十分な反射性を有する金属薄板、などを用いてもよい。
光源9として、例えば線状光源や点状光源が挙げられる。線状光源として、CCFLやHCFL、EEFL等の蛍光管が挙げられる。点状光源としてLEDが挙げられ、LEDとしては白色LEDやRGB−LED等が挙げられる。
導光板10は例えば四角形の平行平板状とされ、4つの側面12aのうち光源9が配設された対向する2つの側面12aを入射面12とし、この入射面12から入射された光を反射させる反射面14と、反射面14に対向して配設されていて反射面14での反射光を射出させる射出面13とを備えている。
光源9は互いに対向する二つの入射面12に配置されている。これにより、光源9の数を増やせるだけでなく導光距離を減らすことができるため、より高輝度を得ることが可能になる。
導光板10は例えば四角形の平行平板状とされ、4つの側面12aのうち光源9が配設された対向する2つの側面12aを入射面12とし、この入射面12から入射された光を反射させる反射面14と、反射面14に対向して配設されていて反射面14での反射光を射出させる射出面13とを備えている。
光源9は互いに対向する二つの入射面12に配置されている。これにより、光源9の数を増やせるだけでなく導光距離を減らすことができるため、より高輝度を得ることが可能になる。
図2により、導光板10に入射する光の挙動を説明する。図2(a)は、光源9を対向する2の入射面12に設けた場合、(b)は光源9を一の入射面12に設けた場合である。ここで、入射面12に直交する方向(X方向)における導光板10の長さをLとする。
図2(a)において、光源9が対向する2つの入射面12に配設された場合、導光する光は導光板10の長さLの凡そ半分まで導光すれば良い。その結果、導光距離をL/2に減らすことができ、導光板10による吸収光量を減らすことができる。
これに対し、図2(b)に示すように、1つの入射面12にのみ光源9を配置した場合、射出面13からの射出光21を均一にするために、光源9から導光板10内を導光する光20の一部は導光板10の長さLまで導光されなければならない。
さらに、図からわかるように、光源9が導光板10の一の側面12aである入射面12にのみ存在する場合には、入射面12と対向する側面12a(以下、この側面を他と区別するために符号12bで示す)から外部に抜け出てしまう光が多くなってしまう。側面12bに反射テープを貼ることで抜け出る光を再利用させることもできるが、この場合も、反射テープによる吸収が生じてしまう。
図2(a)において、光源9が対向する2つの入射面12に配設された場合、導光する光は導光板10の長さLの凡そ半分まで導光すれば良い。その結果、導光距離をL/2に減らすことができ、導光板10による吸収光量を減らすことができる。
これに対し、図2(b)に示すように、1つの入射面12にのみ光源9を配置した場合、射出面13からの射出光21を均一にするために、光源9から導光板10内を導光する光20の一部は導光板10の長さLまで導光されなければならない。
さらに、図からわかるように、光源9が導光板10の一の側面12aである入射面12にのみ存在する場合には、入射面12と対向する側面12a(以下、この側面を他と区別するために符号12bで示す)から外部に抜け出てしまう光が多くなってしまう。側面12bに反射テープを貼ることで抜け出る光を再利用させることもできるが、この場合も、反射テープによる吸収が生じてしまう。
また、導光板10内に入射する光について、入射面12から距離が遠い領域では、輝度分布を制御することが比較的難しい。導光距離が増大するほど導光板10による吸収光量も増大し、光射出面13や光反射面14に照射される回数も多くなり、僅かな特性の見積の違いやロッド差などの影響を受けやすくなってしまうためである。そのため、光源9を対向する二側面12aの入射面12に配置させることで、入射面12から距離が遠い領域を減らすことによって狙い通りの均一な輝度分布と高輝度を得やすくなる。
導光板10は、光透過性基材上にUVや放射線硬化樹脂を用いて成形することができる。または、PET(ポリエチレンテレフタレート)、PC(ポリカーボネート)、PMMA(ポリメチルメタクリレート)、COP(シクロオレフィンポリマー)等を用いて、当該技術分野では良く知られている押し出し成形法、射出成形法、あるいは熱プレス成形法によって形成することができる。
導光板10の反射面14は、光源9からの入射光のうち直接射出面13から射出されない光を導光板10内の様々な方向に反射させて射出面13側に向かわせるための反射面である。図3に示すように、反射面14には入射光を反射させるための複数の光制御要素11が配列されている。
図3に示す導光板10において、光源9の配列方向即ち入射面12の延在方向をY方向とし、入射面12に直交する方向をX方向とする。
光制御要素11はその大きさと形状が同一であり、二次元方向に形状を持つドット形状であり、例えば図4(a)に示すように略半楕円体形状の凸部が平面状の反射面14から外側に突出して形成されている。或いは凸部形状に代えて凹部形状に形成されていてもよい。
図3に示す導光板10において、光源9の配列方向即ち入射面12の延在方向をY方向とし、入射面12に直交する方向をX方向とする。
光制御要素11はその大きさと形状が同一であり、二次元方向に形状を持つドット形状であり、例えば図4(a)に示すように略半楕円体形状の凸部が平面状の反射面14から外側に突出して形成されている。或いは凸部形状に代えて凹部形状に形成されていてもよい。
図4(b)において、略半楕円体形状の光制御要素11は底面が略楕円形状とされ、平面視で例えば入射面12の延在方向であるY方向に長軸が設けられ、入射面12の延在方向に直交する方向であるX方向に短軸が設けられている。光制御要素11の長軸の長さをWYとし、短軸の長さをWXとし、高さをHとすると、X方向におけるアスペクト比H/WXは0.1〜0.4とする。
この光制御要素11のX方向におけるアスペクト比H/WXが変わると、導光板10から射出される光の配光分布が変化する。アスペクト比H/WXが高ければ射出面13からの射出光はより正面方向に射出され、逆に低ければ射出光は正面方向に対して傾斜した斜め方向に射出される。
この光制御要素11のX方向におけるアスペクト比H/WXが変わると、導光板10から射出される光の配光分布が変化する。アスペクト比H/WXが高ければ射出面13からの射出光はより正面方向に射出され、逆に低ければ射出光は正面方向に対して傾斜した斜め方向に射出される。
図4(b)において、アスペクト比H/WXが0.4よりも高いと、射出面13側ではなく反射面14から光が射出されてしまうという欠点が生じ、また、導光板10よりも観察者側Fに配置される光学シート8で反射して再度導光板10に戻される光が多くなってしまうという欠点が生じてしまい、その結果、射出効率が低下してしまう。
一方、アスペクト比H/WXが0.1よりも低いと、射出光が斜めになるだけでなく導光板10から射出されない光が増大するという問題が生じてしまう。この場合も、同様に射出効率は低下してしまう。
一方、アスペクト比H/WXが0.1よりも低いと、射出光が斜めになるだけでなく導光板10から射出されない光が増大するという問題が生じてしまう。この場合も、同様に射出効率は低下してしまう。
また、光制御要素11のY方向におけるアスペクト比H/WYは、0.05〜0.3である。
Y方向におけるアスペクト比H/WYが変化した場合にも、導光板10から射出される光の配光分布は変化するが、それ以上に光制御要素11が視認され易くなったり、もしくは、導光板10の側面から射出される光量が変化してしまう問題が生じる。
アスペクト比が0.3よりも高い場合、導光板10内を伝播する光はX方向に進む途中でY方向に広げられてしまう光が多くなる。そのため、導光板10の側面12aから射出される光量が増大し、射出面13から射出される光量が低減するため射出効率は低下してしまう。一方、アスペクト比H/WYが0.05よりも低い場合、光制御要素11の形状は、Y方向に延在するレンチキュラーレンズに近い形状となってしまうため、光制御要素11が視認され易くなる欠点が生じる。
Y方向におけるアスペクト比H/WYが変化した場合にも、導光板10から射出される光の配光分布は変化するが、それ以上に光制御要素11が視認され易くなったり、もしくは、導光板10の側面から射出される光量が変化してしまう問題が生じる。
アスペクト比が0.3よりも高い場合、導光板10内を伝播する光はX方向に進む途中でY方向に広げられてしまう光が多くなる。そのため、導光板10の側面12aから射出される光量が増大し、射出面13から射出される光量が低減するため射出効率は低下してしまう。一方、アスペクト比H/WYが0.05よりも低い場合、光制御要素11の形状は、Y方向に延在するレンチキュラーレンズに近い形状となってしまうため、光制御要素11が視認され易くなる欠点が生じる。
図5に示す導光板10において、光制御要素11が単位面積内に配列された個数を光制御要素密度Sとした場合、導光板10全体にみて、入射面12に直交する方向Xにおいて、光制御要素密度Sは最も近い入射面12からの距離xが増大するに応じて単調に増大するように配設されている。ここで、X方向における導光板10の長さLに対して、距離xは0〜L/2までの値をとる。入射面12に近い部分では導光板10内を伝播する光量が多いため光制御要素密度Sを小さく設定し、入射面12から遠い部分では導光板10内を伝播する光量が少ないため光制御要素密度Sを大きく設定した。これによって、画面全体を均一に明るくすることができる。
また、導光板10の反射面14において、図5に示すように、光制御要素11を配設した領域は入射面12に直交するX方向に複数の領域Rj(但し、j=a,b,c,…)に分割されており、これらの各領域を一方の入射面12側から順に第1領域Ra、第2領域Rb、…とし、他方の入射面12側からも順に第1領域Ra、第2領域Rb、…とする。そして、対向する2つの入射面12からそれぞれ最も離れた領域を両者で共有する第i領域Rj(但し、i=1,2,3,…)とする。なお、図5に示す例では、便宜的に3つの領域Ra,Rb,Ra´に分割されており、一方の入射面12から第1領域Ra、第2領域Rbが配列され、他方の入射面12から第1領域Ra´が配列され、両側から第2領域Rbを共有することになる。
図5に示す各第1領域Ra、Ra´内において、入射面12の延在方向Yにおける光制御要素11の配列ピッチPyは一定であり、入射面12の延在方向に直交する方向Xにおける光制御要素11の配列ピッチPxは最も近い入射面12から離間するほど次第に小さくなるように連続的に変化して設定されている。
そして、複数の領域Rj間において、入射面12の延在方向Yにおける光制御要素11の配列ピッチPyは入射面12に近い領域では大きく設定され、入射面12から離れるに従って各領域Rjで順次小さくなるように設定されている。また、入射面12の延在方向に直交する方向Xにおける光制御要素11の配列ピッチPxは、隣接する二つの領域Rj間で不連続に変化し、境界近傍で、入射面12に近い側の領域よりも入射面12から遠い領域の方が大きくなるよう設定されている(図16参照)。
そして、複数の領域Rj間において、入射面12の延在方向Yにおける光制御要素11の配列ピッチPyは入射面12に近い領域では大きく設定され、入射面12から離れるに従って各領域Rjで順次小さくなるように設定されている。また、入射面12の延在方向に直交する方向Xにおける光制御要素11の配列ピッチPxは、隣接する二つの領域Rj間で不連続に変化し、境界近傍で、入射面12に近い側の領域よりも入射面12から遠い領域の方が大きくなるよう設定されている(図16参照)。
例えば、図5に示す導光板10の反射面14では3つの領域RaとRbとRa´に分割されている。そして、入射面12に近い第1領域Raや第1領域Ra´では、光制御要素11はY方向では一定配列ピッチPyに配列され、X方向では入射面12から離れるに従って配列ピッチPxが次第に小さくなるように設定されている。
入射面12から離れた第2領域Rbでは、光制御要素11はY方向では第1領域Raや第1領域Ra´より小さい一定配列ピッチPy(図5の例では互いに接触している)に配列され、X方向では入射面12から離れるにつれて配列ピッチPxが次第に小さくなるように設定されている。
入射面12から離れた第2領域Rbでは、光制御要素11はY方向では第1領域Raや第1領域Ra´より小さい一定配列ピッチPy(図5の例では互いに接触している)に配列され、X方向では入射面12から離れるにつれて配列ピッチPxが次第に小さくなるように設定されている。
また、第1領域Raや第1領域Ra´と第2領域Rbとの境界において、Y方向における配列ピッチPyは不連続に変化しており、配列ピッチPyは第1領域Raや第3領域Ra´より第2領域の方が小さい。しかも、第1領域Raと第2領域Rbとの境界、そして第1領域Ra´と第2領域Rbとの境界近傍において、X方向における第1領域Ra及び第1領域Ra´の配列ピッチPxを第2領域Rbの配列ピッチPxより小さく設定している。これによって、第1領域Raと第2領域Rbの境界前後、そして第1領域Ra´と第2領域Rbの境界前後において、光制御要素密度Sはほぼ変化しない。
なお、第1、第2、第1領域Ra,Rb,Ra´で、X方向の配列ピッチPxについて、各領域Ra、Rb、Ra´での最も入射面12側の配列ピッチPx同士や入射面12から最も遠い側の配列ピッチPx同士の大小関係はいずれが大きくてもよい。領域が4つ以上ある場合でも同様である。
このように各領域Rjの境界を設定することで、光制御要素密度Sを連続的に変化させることができて、輝線や輝点を生じることなく画面全体を均一に明るくすることができる。
なお、第1、第2、第1領域Ra,Rb,Ra´で、X方向の配列ピッチPxについて、各領域Ra、Rb、Ra´での最も入射面12側の配列ピッチPx同士や入射面12から最も遠い側の配列ピッチPx同士の大小関係はいずれが大きくてもよい。領域が4つ以上ある場合でも同様である。
このように各領域Rjの境界を設定することで、光制御要素密度Sを連続的に変化させることができて、輝線や輝点を生じることなく画面全体を均一に明るくすることができる。
また、入射面12からの距離xが導光板10の長さLの半分L/2となる位置を対称軸として、光制御要素密度Sは対称であることが望ましい。さらに、第1領域Raと第1領域Ra´のように対称となる2つの領域においては、入射面12の延在方向Yにおける配列ピッチPyも一致することが望ましい。つまり、第1領域Raと第1領域Ra´が同じ配列パターンであるということである。このようにすることで、得られる光学特性も対称とすることができるためである。
なお、入射面12から入射されて導光板10内を伝播する光は、反射面14において光制御要素11によって反射・拡散されて射出面13から射出される。そのため、観察者F側から見ると、光制御要素11は明るく見え、それ以外の反射面14は暗く見えてしまう。隣り合う光制御要素11間の距離が狭い場合には明るい部分が重なり合い、視認されることはないが、光制御要素11間の距離が広くなってしまうと明暗が交互に視認されやすくなってしまう。
ここで、図6(a)、(b)は同じ光制御要素密度Sで配列パターンが異なる二種の光制御要素11の配列構造を示すものである。図6(a)は光制御要素11のY方向とX方向の間隔を同程度に設定したものであり、図6(b)は光制御要素11のY方向を小さく設定し、X方向の間隔を大きく設定したものである。これらの場合、図6(b)の方が図6(a)より光制御要素11の間隔がX方向に大きく開いて設定されているため、光制御要素11の像が視認されやすいことが容易に理解できる。面光源部7の観察者側Fに光学シート8を配置したとしても同様である。
ここで、図6(a)、(b)は同じ光制御要素密度Sで配列パターンが異なる二種の光制御要素11の配列構造を示すものである。図6(a)は光制御要素11のY方向とX方向の間隔を同程度に設定したものであり、図6(b)は光制御要素11のY方向を小さく設定し、X方向の間隔を大きく設定したものである。これらの場合、図6(b)の方が図6(a)より光制御要素11の間隔がX方向に大きく開いて設定されているため、光制御要素11の像が視認されやすいことが容易に理解できる。面光源部7の観察者側Fに光学シート8を配置したとしても同様である。
図5において、入射面12付近の第1領域Raや第1領域Ra´では、光制御要素11のY方向における配列ピッチPyとX方向における配列ピッチPxをともに大きく広げているため、光制御要素11の観察者側Fからの視認性を下げることができている。光制御要素11の視認性は、光制御要素密度Sが同じ値であれば、配列ピッチPxとPyのどちらか一方が大きく他方が小さい場合よりも、配列ピッチPxとPy両方が同程度の値になっていた方が、満遍なく配置されることになるため視認しにくくなる。
また、入射面12から遠い側においては、Y方向における配列ピッチPyとX方向における配列ピッチPxともに小さな値に設定しているため、光制御要素密度Sを大きくすることができる。図5に示す反射面14の第2領域Rbにおける距離x=L/2付近では、光制御要素11をX,Y方向にほぼ隙間なく最密に配列したため、導光板10内を入射面12から距離x=L/2付近まで伝播してきた光の多くを反射させて射出させることが出来る。そのため、光源9から離れて光量が低下しても射出効率を高めることができる。
ここで、光制御要素密度Sの算出の範囲について述べる。光制御要素密度Sを微小な範囲にとってしまうと密度Sの設定位置によって異なる密度Sになる可能性があるし、逆に光制御要素密度Sを広大な範囲にとってしまうと多くの密度Sはその設定位置によらず平均化されてしまう。
例えば、図7に、光制御要素11のY方向の配列をnとして、n番目の光制御要素密度S(n)の模式図を示す。本実施形態では、同一領域内においてY方向では配列ピッチPyは一定であるため光制御要素密度Sは一定であり、この密度Sを算出する範囲はY方向の長さに依存しない。他方、X方向では配列ピッチPxは同一領域内で入射面12から離れるに従って小さくなる。つまり、図7の二点鎖線に囲まれた範囲によって光制御要素密度Sが決定される。
例えば、図7に、光制御要素11のY方向の配列をnとして、n番目の光制御要素密度S(n)の模式図を示す。本実施形態では、同一領域内においてY方向では配列ピッチPyは一定であるため光制御要素密度Sは一定であり、この密度Sを算出する範囲はY方向の長さに依存しない。他方、X方向では配列ピッチPxは同一領域内で入射面12から離れるに従って小さくなる。つまり、図7の二点鎖線に囲まれた範囲によって光制御要素密度Sが決定される。
なお、光制御要素11のX−Y方向の配列パターンについて、本実施形態による導光板10では、図8(a)に示すように光制御要素11のY方向の列を配列ピッチPyの1/2ずつY方向に交互にずらしてX方向に配列させた。しかし、光制御要素11の配列パターンはこれに限定されものではない。例えば、図8(b)に示すように光制御要素11をY方向にずらすことなく整列させて配列させてもよい。或いは、図8(c)に示すように光制御要素11をY方向に少しずつずらせて配列させてもよい。
また図8(d)に示すように、光制御要素11のY方向のずれをランダムに設定してもよい。むしろ、導光板10の射出面13側に設置される他のレンズや光学シート8のことを考慮に入れると、Y方向に配列された光制御要素11について隣の光制御要素11とのずれがランダムになっている方がモアレを生じることがないために好ましい。
また図8(d)に示すように、光制御要素11のY方向のずれをランダムに設定してもよい。むしろ、導光板10の射出面13側に設置される他のレンズや光学シート8のことを考慮に入れると、Y方向に配列された光制御要素11について隣の光制御要素11とのずれがランダムになっている方がモアレを生じることがないために好ましい。
次に導光板10の反射面14に配列された光制御要素11の密度Sと輝度との関係について図5、図9乃至図11によって説明する。
図5(a)に示す導光板10の反射面14における光制御要素11の配列パターンにおいて、同図(b)に示すように、入射面12からのX方向の距離xが導光板10の長さLの半分L/2になるまで、光制御要素密度Sは距離xの増大に応じて単調に増大することが望ましい。図9に、反射面14における光制御要素11の配列パターンについての入射面12からの距離xの導光板長さの半分L/2に対する光制御要素密度Sの増大割合の関係を示す。
図5(a)に示す導光板10の反射面14における光制御要素11の配列パターンにおいて、同図(b)に示すように、入射面12からのX方向の距離xが導光板10の長さLの半分L/2になるまで、光制御要素密度Sは距離xの増大に応じて単調に増大することが望ましい。図9に、反射面14における光制御要素11の配列パターンについての入射面12からの距離xの導光板長さの半分L/2に対する光制御要素密度Sの増大割合の関係を示す。
さらに、光制御要素密度Sの微分値をdS(n)/dnとして、距離xの導光板長さ半分L/2に対する光制御要素密度Sの微分値dS(n)/dnの割合の関係について図10に示す。
微分値dS(n)/dnは、最も近い入射面12からの距離xに応じて、導光板10の長さの半分L/2に対する割合が特定の値α%(=2x/L)より小さい範囲において距離に応じて単調に増大し、α%に到達する点で極大値を有することが望ましい。このとき、αは65%≦α%≦100%の範囲内であることが望ましい。
微分値dS(n)/dnは、最も近い入射面12からの距離xに応じて、導光板10の長さの半分L/2に対する割合が特定の値α%(=2x/L)より小さい範囲において距離に応じて単調に増大し、α%に到達する点で極大値を有することが望ましい。このとき、αは65%≦α%≦100%の範囲内であることが望ましい。
極大値となる距離xのL/2に対する割合αが65%以下である場合には、輝度分布は均一にすることができても、十分な輝度を得ることができない。
すなわち、光制御要素密度Sの微分値dS(n)/dnが距離xに応じて単調増大する領域でなくなる位置、即ちαを越える位置について、導光体長さの半分L/2に対するαの位置と輝度との関係として示すと、図11に示すグラフのようになる。
図11のグラフは、導光体長さの半分L/2に対する距離xの割合であるα(%)が、x=L/2の位置にある場合の輝度を100%として、αが入射面12に近づくよう距離xを変化させた時の輝度比を示すグラフである。図11はOptical Research Associates社製照明設計解析ソフトウェアLightToolsによりシミュレーションした結果を黒丸で示し、黒丸を線形近似した結果を灰色実線にて示している。
図11から、割合αと輝度には、直線に近い関係があることがわかる。図11において、割合αが小さくなるほど輝度は低くなり、65%を下回ると輝度の低下率は5%以上になってしまう。そこで、割合αの下限値として65%とした。
すなわち、光制御要素密度Sの微分値dS(n)/dnが距離xに応じて単調増大する領域でなくなる位置、即ちαを越える位置について、導光体長さの半分L/2に対するαの位置と輝度との関係として示すと、図11に示すグラフのようになる。
図11のグラフは、導光体長さの半分L/2に対する距離xの割合であるα(%)が、x=L/2の位置にある場合の輝度を100%として、αが入射面12に近づくよう距離xを変化させた時の輝度比を示すグラフである。図11はOptical Research Associates社製照明設計解析ソフトウェアLightToolsによりシミュレーションした結果を黒丸で示し、黒丸を線形近似した結果を灰色実線にて示している。
図11から、割合αと輝度には、直線に近い関係があることがわかる。図11において、割合αが小さくなるほど輝度は低くなり、65%を下回ると輝度の低下率は5%以上になってしまう。そこで、割合αの下限値として65%とした。
また、微分値dS(n)/dnが距離xに応じて単調に増大するということは、光制御要素密度Sが距離xに応じて単調に増大し且つその増大幅も距離xに応じて単調に増大するということである。つまり、図9に示すように、距離xが大きいほど光制御要素密度Sの変化率が大きくなるということである。
そのため、微分値dS(n)/dnの極大値となる距離は大きいほど、光制御要素密度Sを大きくすることができ、導光する光の多くを導光板10から射出させることができる。その値αが小さいということは、距離xが小さい(つまり、光制御要素密度Sがまだ小さい)領域において、光制御要素密度Sの増加量が小さくなっていくということなので、光制御要素11が十分に配置されず、導光する光を十分に射出することができない。
そのため、微分値dS(n)/dnの極大値となる距離は大きいほど、光制御要素密度Sを大きくすることができ、導光する光の多くを導光板10から射出させることができる。その値αが小さいということは、距離xが小さい(つまり、光制御要素密度Sがまだ小さい)領域において、光制御要素密度Sの増加量が小さくなっていくということなので、光制御要素11が十分に配置されず、導光する光を十分に射出することができない。
上述した図9、10は、上述した反射面14の光制御要素11の配列パターンにおける光制御要素密度Sとその微分値dS(n)/dnと、入射面12からの距離xの導光板長さの半分L/2に対する割合との関係について示すものである。これらは本実施形態を満たす一例である。
上述のように本実施形態による導光板10を用いた照明ユニット3及びこれを備えた表示装置1によれば、光制御要素密度Sを、導光板10の入射面12の延在方向に直交するX方向に入射面12からの距離xに応じて単調に増大させることで、画面全体を均一に明るくすることができる。
また、照明ユニット3の有効照射範囲を、反射面14において複数の領域に分割し、光制御要素11の配列パターンを各領域内においては連続的に且つ領域間においては不連続にすることで、導光板10の作製上の困難さを回避できると共に、照明ユニット3及び表示装置1において光制御要素11が観察者側からそのまま視認されることを防いで射出効率を高めることができる。
また、照明ユニット3の有効照射範囲を、反射面14において複数の領域に分割し、光制御要素11の配列パターンを各領域内においては連続的に且つ領域間においては不連続にすることで、導光板10の作製上の困難さを回避できると共に、照明ユニット3及び表示装置1において光制御要素11が観察者側からそのまま視認されることを防いで射出効率を高めることができる。
しかも、光制御要素11の配列パターンは、同一の領域内においては、入射面12の延在方向における光制御要素11の配列ピッチPyは一定であり、入射面12の延在方向に略直交する方向における光制御要素11の配列ピッチPxは最も近い入射面12から離れるほど小さくなるように変化し、かつ、複数の領域間において、配列ピッチPyは不連続に変化すると共に最も近い入射面12から離れる領域ほど小さくなり、配列ピッチPxは領域間で不連続に変化すると共に隣接する二つの領域の境界の前後で入射面12に近い側の領域よりも入射面から遠い側の前記領域の方が大きい。
こうすることで、ある程度、配列ピッチPxとPyの比率を一定にしたまま、光制御要素密度Sを不連続に変化させることなく、且つ連続的に大きくなるよう変化させることができる。配列ピッチPxとPyの比率を一定にすることができるため、光制御要素11の観察者側Fからの視認性を下げることができる。また、光制御要素密度Sを十分に大きくすることも可能になるため、射出効率を高めることが出来る。さらに、光制御要素密度Sが不連続に変化することがないため、輝線・輝点等の発生も抑えつつ、画面全体を均一に明るくすることができる。
こうすることで、ある程度、配列ピッチPxとPyの比率を一定にしたまま、光制御要素密度Sを不連続に変化させることなく、且つ連続的に大きくなるよう変化させることができる。配列ピッチPxとPyの比率を一定にすることができるため、光制御要素11の観察者側Fからの視認性を下げることができる。また、光制御要素密度Sを十分に大きくすることも可能になるため、射出効率を高めることが出来る。さらに、光制御要素密度Sが不連続に変化することがないため、輝線・輝点等の発生も抑えつつ、画面全体を均一に明るくすることができる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で適宜変更や置換等が可能である。以下、本発明の変形例について説明するが、上述した実施形態による照明ユニット3及び表示装置1と同一または同様な部品や部分等には同一の符号を用いて説明する。
例えば、導光板10における入射面12に光取り込み構造物が賦形されていたり、ランダムな構造物が賦形されていても、本発明の効果を得ることはできる。
例えば、導光板10における入射面12に光取り込み構造物が賦形されていたり、ランダムな構造物が賦形されていても、本発明の効果を得ることはできる。
また、上述の実施形態では、導光板10に設けた光制御要素11は、反射面14から外側に突出する略半楕円体形状の凸部形状として形成したが、これに代えて反射面14内に凹部として形成されていてもよい。変形例による光制御要素11は凹部形状または凸部形状でもよく、例えば図12(a)に示す略半球状の光制御要素11a、同図(b)に示すように略半楕円体形状または半球状で頂部を平面状に切除した光制御要素11b等を採用することができる。
また、図12(c)に示すように、凹部形状または凸部形状で略四角錐形状の光制御要素11c、同図(d)に示すように、略四角錐形状で頂部が曲面形状とされた光制御要素11d、同図(e)に示すように、長円の半楕円体形状の光制御要素11e等を適宜採用できる。
光制御要素11は、上記した以外の図に示さない適宜形状であってもよく、ドット形状であればよい。また、綺麗な湾曲面でなく細かい凹凸がついた形状であっても、光制御要素11として適用することができ、上記効果を得ることが出来る。
ただし、光制御要素11は、一方向に延在したレンチキュラーレンズ形状の場合にはX−Y方向のピッチを設けることが出来ないため、好ましくない。また、上述した実施形態では、各光制御要素11はサイズと形状が同一であるとしたが、互いに異なっていてもよい。
また、図12(c)に示すように、凹部形状または凸部形状で略四角錐形状の光制御要素11c、同図(d)に示すように、略四角錐形状で頂部が曲面形状とされた光制御要素11d、同図(e)に示すように、長円の半楕円体形状の光制御要素11e等を適宜採用できる。
光制御要素11は、上記した以外の図に示さない適宜形状であってもよく、ドット形状であればよい。また、綺麗な湾曲面でなく細かい凹凸がついた形状であっても、光制御要素11として適用することができ、上記効果を得ることが出来る。
ただし、光制御要素11は、一方向に延在したレンチキュラーレンズ形状の場合にはX−Y方向のピッチを設けることが出来ないため、好ましくない。また、上述した実施形態では、各光制御要素11はサイズと形状が同一であるとしたが、互いに異なっていてもよい。
また、光制御要素11は、上述した各種形状に関連して、導光板10の外側から見て凹部形状であることが好ましい。凹部形状の光制御要素11では、凸部形状に比較して導光板10内を伝播する光が光制御要素11に入射しやすいので効率よく光を反射させて対向する射出面13から射出させることができるためである。これにより、さらに射出効率を高めることが出来る。
この点について、図13に示す導光板10の部分断面図により詳しく説明する。図13(a)において、光制御要素11が略半楕円体形状の凹部として反射面14の内側に形状されている場合、入射面12からの入射光が広い範囲(図中A)に亘って入射しやすく効率よく反射させて射出効率を高めることが出来る。これに対し、同図(b)では、光制御要素11が反射面14から外側に突出する凸部形状である場合、入射面12からの入射光が入射する光制御要素11の範囲(図中B)が凹部形状の場合よりも小さい(A>B)。
図14は光制御要素11を凹部に形成した例を示すものであり、同図(b)に示すようにアスペクト比H/WXが高ければ射出面13からの射出光はより正面方向に射出され、逆に(a)に示すようにアスペクト比H/WXが低ければ射出光は正面方向に対して傾斜した斜め方向に射出される。ただし、アスペクト比が異なっていても、レンズ高さHが同じであれば、図14(a)、(b)に示すように、入射面12からの入射光が光制御要素11に照射される範囲(図中C、D)はほぼ同じである。
また、図15は導光板10の変形例を示すものである。図15において、導光板10の射出面13には、入射面12の延在方向と直交するX方向に延在するレンチキュラーレンズ16が入射面12の延在方向に配列されている。これにより、導光板10に入射した光が射出面13から射出される際、入射面12の延在方向に拡散することを防ぐことができる。そのため、光の拡散を抑制してある程度閉じ込めることができる。なお、図15は、導光板10の一部分のみを示した図であるため、一方の入射面12に配列した光源9のみを示し、対向する入射面12に配列した光源9は省略されている。
上述した技術を応用することで、照明ユニット3の画面の一部分を明るくしたり暗くしたりするローカルディミングが可能となる。また、これを利用して、順番に明るさを変化させるスキャニングもできるようになる。さらに、入射面12の延在方向に対して視野角分布を集光することができるため、輝度を向上させることもできる。
上述した技術を応用することで、照明ユニット3の画面の一部分を明るくしたり暗くしたりするローカルディミングが可能となる。また、これを利用して、順番に明るさを変化させるスキャニングもできるようになる。さらに、入射面12の延在方向に対して視野角分布を集光することができるため、輝度を向上させることもできる。
導光板10の入射面12にレンチキュラーレンズ16を配列させることで得られる上述した光閉じ込め効果は、光制御要素11がX−Y方向の二次元方向に配列構成を持つドット形状であることから、より高い効果を得ることができる。
ところで、上述したようにY方向のアスペクト比H/WYが高い場合、導光板10を伝播する光はX方向に進む途中でY方向に広げられてしまう光が多くなる。アスペクト比H/WYが小さい場合にもそのような光拡散特性は少なからず生じる。
しかし、導光板10の射出面13にレンチキュラーレンズ16が配列されていると、光の閉じ込め効果があるため、Y方向への拡散効果を抑えることができる。その結果として、レンチキュラーレンズ16による光の閉じ込め効果は拡大され、導光板10の側面12aから射出される光量をより抑えることができる。
なお、照明ユニット3には光学シート8が配置されていなくてもよい。
ところで、上述したようにY方向のアスペクト比H/WYが高い場合、導光板10を伝播する光はX方向に進む途中でY方向に広げられてしまう光が多くなる。アスペクト比H/WYが小さい場合にもそのような光拡散特性は少なからず生じる。
しかし、導光板10の射出面13にレンチキュラーレンズ16が配列されていると、光の閉じ込め効果があるため、Y方向への拡散効果を抑えることができる。その結果として、レンチキュラーレンズ16による光の閉じ込め効果は拡大され、導光板10の側面12aから射出される光量をより抑えることができる。
なお、照明ユニット3には光学シート8が配置されていなくてもよい。
以上、本発明の実施形態による照明ユニット3及びこれを備えた表示装置1について説明したが、照明ユニット3は表示装置1のみに適用されるものではない。
以下、本発明の実施例について詳細に説明するが、本発明は以下の実施例のみに限定されるものではないことはいうまでもない。
以下、本発明の実施例について詳細に説明するが、本発明は以下の実施例のみに限定されるものではないことはいうまでもない。
(実施例)
実施例の試験で用いる導光板10は長方形平板状のアクリル製のものを用い、長さLを900mm、厚みを3mmとした。導光板10の反射面14に配列する光制御要素11は図4に示す略半楕円体形状で凹部形状をなすドットレンズとした。光制御要素11は高さH=20um、幅WX=100um、幅WY=200umとした。
照明ユニット3は、導光板10の対向する2辺の側面12aをそれぞれ入射面12とし、これらに対面させる光源9として白色LEDを用いた。導光板10の反射面14と対向する裏面側には反射シート15を配設し、導光板10の射出面13と対向する光出射側には光学シート8としてマイクロレンズシート18を配置した。
これらの構成は実施例1、比較例1,2で共通である。
実施例の試験で用いる導光板10は長方形平板状のアクリル製のものを用い、長さLを900mm、厚みを3mmとした。導光板10の反射面14に配列する光制御要素11は図4に示す略半楕円体形状で凹部形状をなすドットレンズとした。光制御要素11は高さH=20um、幅WX=100um、幅WY=200umとした。
照明ユニット3は、導光板10の対向する2辺の側面12aをそれぞれ入射面12とし、これらに対面させる光源9として白色LEDを用いた。導光板10の反射面14と対向する裏面側には反射シート15を配設し、導光板10の射出面13と対向する光出射側には光学シート8としてマイクロレンズシート18を配置した。
これらの構成は実施例1、比較例1,2で共通である。
そして、実施例1として、上述した導光板10における反射面14について、光制御要素11の配列構成を、図5に示す本実施形態による導光板10と同様に、一方の入射面12から離間する方向に向かって第1領域Ra〜第5領域Reを区分けして形成し、対向する他方の入射面12から離間する方向にも第1領域Ra〜第5領域Reを区分けして形成した。つまり、光制御要素11の2種類の領域は第5領域Reを共通にしてこれを中心に対称形として5種類の配列パターンで、のべ9個の領域に分割して形成した。
つまり、図5における領域Ra´を第1領域Raと同一の領域Raとして、領域数を増やした構成に相当する。そして、第1領域Ra〜第5領域Reにおける光制御要素11の配列パターンの法則は本実施形態による配列パターンを満たすものである。
配列ピッチPy,Pxと各領域Ra〜Reとの関係を図で示すと図16のように変化する。光制御要素11は、第1領域Ra〜第5領域Reにおける各領域において、Y方向の配列ピッチPyは各領域内で同一で、第1領域Ra〜第5領域Reで次第に小さく設定され、X方向の配列ピッチPxは各領域内で入射面12から離間する方向に次第に小さくなると共に、各領域の境界を越えるとその境界を超える前の領域の境界付近よりも不連続に増大するように構成した。
つまり、図5における領域Ra´を第1領域Raと同一の領域Raとして、領域数を増やした構成に相当する。そして、第1領域Ra〜第5領域Reにおける光制御要素11の配列パターンの法則は本実施形態による配列パターンを満たすものである。
配列ピッチPy,Pxと各領域Ra〜Reとの関係を図で示すと図16のように変化する。光制御要素11は、第1領域Ra〜第5領域Reにおける各領域において、Y方向の配列ピッチPyは各領域内で同一で、第1領域Ra〜第5領域Reで次第に小さく設定され、X方向の配列ピッチPxは各領域内で入射面12から離間する方向に次第に小さくなると共に、各領域の境界を越えるとその境界を超える前の領域の境界付近よりも不連続に増大するように構成した。
また、比較例1、2は、図17や図18のように反射面14の領域を分割しない導光板10を用意した。
図17に示す比較例1では、光制御要素11のY方向における配列ピッチPyは全域において光制御要素11のY方向の幅WYと同じに設定し、X方向における配列ピッチPxは光制御要素密度Sが実施例1と同じになるように設定した。そのため、配列ピッチPxは、対向する2つの入射面12から距離L/2に至るまでそれぞれ入射面12から離間するに従って次第に小さくなる。
図17に示す比較例1では、光制御要素11のY方向における配列ピッチPyは全域において光制御要素11のY方向の幅WYと同じに設定し、X方向における配列ピッチPxは光制御要素密度Sが実施例1と同じになるように設定した。そのため、配列ピッチPxは、対向する2つの入射面12から距離L/2に至るまでそれぞれ入射面12から離間するに従って次第に小さくなる。
図18に示す比較例2では、同図(a)に示すように、配列ピッチPyは全域において光制御要素11の幅WXの4倍の長さに設定し、光制御要素密度Sは入射面12からの距離xが導光板10の長さの半分L/2に対して50%以下までの範囲において実施例1と同じになるように、X方向における配列ピッチPxを次第に小さくした。反射面14における入射面12から長さL/2の50%を超える範囲では、入射面12からの距離xが大きくなって長さL/2に近づくほど、この配置における最大の光制御要素密度Sに次第に近づくよう滑らかな上昇曲線を描く関数となるように光制御要素11を配列した。
そのため、図18(b)に示すように、光制御要素11はX方向における配列ピッチPxが入射面12から距離L/2に至るまで次第に小さくなるように配列した。
そのため、図18(b)に示すように、光制御要素11はX方向における配列ピッチPxが入射面12から距離L/2に至るまで次第に小さくなるように配列した。
これら実施例1、比較例1、2において、照明ユニット3の画面中心輝度、画面輝度分布、光制御要素11の視認性の確認を行った。画面中心輝度はトプコン製の分光放射輝度計SR−3Aにて測定し、輝度空間分布はサイバネット製の空間輝度計ProMetric(PM―1200)によって測定した。光制御要素11の視認性は目視で評価を行った。
実施例1、比較例1、2の評価結果を表1に示す。
実施例1、比較例1、2の評価結果を表1に示す。
画面中心輝度は、実施例1と比較例1とで1.00と同じ値であったが、比較例2は0.84と小さな値となった。
画面輝度分布を見ると、実施例1と比較例1、2はどれも良好に設定することができた。
光制御要素11の視認性について目視確認で検査すると、実施例1では全範囲において光制御要素11が確認されず良好であった。比較例1,2は光制御要素11が視認されたため、NGであった。比較例1に関しては、(距離x)/(導光板10の長さの半分L/2)が0〜60%付近まで光制御要素11が視認され全くNGであった。比較例2も0〜15%付近まで光制御要素11が視認されてしまった。
画面輝度分布を見ると、実施例1と比較例1、2はどれも良好に設定することができた。
光制御要素11の視認性について目視確認で検査すると、実施例1では全範囲において光制御要素11が確認されず良好であった。比較例1,2は光制御要素11が視認されたため、NGであった。比較例1に関しては、(距離x)/(導光板10の長さの半分L/2)が0〜60%付近まで光制御要素11が視認され全くNGであった。比較例2も0〜15%付近まで光制御要素11が視認されてしまった。
(実施例2)
実施例2として、長方形板状をなす導光板10の厚み=2mm、長さL=500mmとして、光制御要素11のX方向、Y方向のアスペクト比H/WX、H/WYを様々に変化させた導光板10を多数用意し、正面輝度と光制御要素11の視認性によって良好なアスペクト比の範囲を試験した。
光制御要素11の高さH=20umと一定にし、光制御要素11の密度Sは1.6個/mm2と一定にした。光制御要素11のX方向における配列ピッチPxに関する間隙について(配列ピッチPx−幅WX)=0.6mmで固定し、配列ピッチPyを光制御要素密度S=1.6となるように変更した。
それ以外は、基本的に実施例1と同様に設定したが、光学シート8はマイクロレンズシート18とプリズムシート19の構成にした。
実施例2として、長方形板状をなす導光板10の厚み=2mm、長さL=500mmとして、光制御要素11のX方向、Y方向のアスペクト比H/WX、H/WYを様々に変化させた導光板10を多数用意し、正面輝度と光制御要素11の視認性によって良好なアスペクト比の範囲を試験した。
光制御要素11の高さH=20umと一定にし、光制御要素11の密度Sは1.6個/mm2と一定にした。光制御要素11のX方向における配列ピッチPxに関する間隙について(配列ピッチPx−幅WX)=0.6mmで固定し、配列ピッチPyを光制御要素密度S=1.6となるように変更した。
それ以外は、基本的に実施例1と同様に設定したが、光学シート8はマイクロレンズシート18とプリズムシート19の構成にした。
アスペクト比H/WXを変化させた場合、アスペクト比H/WY=0.1に固定した。アスペクト比H/WYを変化させた場合には、アスペクト比H/WX=0.3に固定した。
上述した導光板10において、光制御要素密度Sは最も小さな値となるように設定した。つまり、最も光制御要素11の密度Sが小さく光制御要素11が最も視認されやすい条件である。(配列ピッチPx−幅WX)が0.6mmを超えると、どのような形状であっても光制御要素11が視認されてしまう長さであるから、上述のように0.6mmに固定した。
上述した導光板10において、光制御要素密度Sは最も小さな値となるように設定した。つまり、最も光制御要素11の密度Sが小さく光制御要素11が最も視認されやすい条件である。(配列ピッチPx−幅WX)が0.6mmを超えると、どのような形状であっても光制御要素11が視認されてしまう長さであるから、上述のように0.6mmに固定した。
以上の条件下で、画面正面輝度の測定と、光制御要素11の視認性の試験を行った。画面正面輝度はトプコン製の分光放射輝度計SR−3Aによって測定し、光制御要素11の視認性は目視にて評価を行った。
試験結果を表2に示す。
試験結果を表2に示す。
まず、視認性について試験した。実施例2として、光制御要素11のアスペクト比H/WYを0.1に固定し、幅WXを変化させてアスペクト比H/WXを表2に示すように変化させた場合、いずれの場合も測定光制御要素11は視認できなかった。また、アスペクト比H/WXを0.3に固定し、幅WYを変化させてアスペクト比H/WYを表2に示すように変化させた場合、測定光制御要素11はH/WY=0.03で確認され、それ以外では確認できなかった。
また、正面輝度について、アスペクト比H/WX、H/WYを様々変更したときの最大値を1.00とした。幅WXを可変にした場合、X方向に関しては、アスペクト比H/WX=0.3の場合が最も輝度が高くこのときの輝度を1.00とした。アスペクト比H/WXが0.3からずれるほど輝度が低下している。アスペクト比H/WX=0.3の輝度(1.00)を基準として、正面輝度の許容可能な低下範囲を5%以内に設定すると、アスペクト比H/WXが0.1〜0.4の範囲が許容範囲となる。
一方、幅WYを可変にした場合、Y方向に関しては、アスペクト比H/WYが大きくなるほど輝度が低下していく。アスペクト比H/WYが0.03〜0.1の広範囲において最も輝度が高く、この値を1.00とし、これを基準としてY方向について許容可能な低下範囲を3%以内に設定すると、アスペクト比H/WY=0.03〜0.3までが許容範囲となる。
そのため、輝度と視認性を考慮すると、アスペクト比H/WXは0.1〜0.4の範囲、アスペクト比H/WYは0.05〜0.3の範囲が良好な結果を得られる範囲であることを確認できる。
そのため、輝度と視認性を考慮すると、アスペクト比H/WXは0.1〜0.4の範囲、アスペクト比H/WYは0.05〜0.3の範囲が良好な結果を得られる範囲であることを確認できる。
1 表示装置
2 画像表示パネル
3 照明ユニット
6 画像表示素子
7 面光源部
8 光学シート
9 光源
10 導光板
11 光制御要素
12 入射面
13 射出面
14 反射面
15 反射シート
16 レンチキュラーレンズ
18 マイクロレンズシート
19 プリズムシート
2 画像表示パネル
3 照明ユニット
6 画像表示素子
7 面光源部
8 光学シート
9 光源
10 導光板
11 光制御要素
12 入射面
13 射出面
14 反射面
15 反射シート
16 レンチキュラーレンズ
18 マイクロレンズシート
19 プリズムシート
Claims (14)
- 光源と、
前記光源から射出される光を入射する入射面と、前記入射面から入射される光を反射させる反射面と、該反射面に対向していて前記反射面で反射された光を射出する射出面とを有する導光体と、
を備えた照明ユニットであって、
前記入射面は、互いに対向する二つの面に設定されており、
前記反射面には光制御要素が配列されており、
前記光制御要素が単位面積内に存在する個数を表す光制御要素密度は、前記入射面が延在する方向に直交する方向に向けて、最も近い前記入射面からの距離が増大するにつれて増大し、
前記光制御要素の配列パターンは複数の領域に分けられており、
同一の前記領域内においては、前記入射面の延在方向における前記光制御要素の配列ピッチは一定であり、前記入射面の延在方向に略直交する方向における前記光制御要素の配列ピッチは最も近い前記入射面から離れるほど小さくなるように変化し、
前記複数の領域間において、前記入射面の延在方向における前記光制御要素の配列ピッチは不連続に変化すると共に最も近い前記入射面から離れる前記領域ほど小さくなり、前記入射面の延在方向に略直交する方向における前記光制御要素の配列ピッチは前記領域間で不連続に変化すると共に隣接する二つの領域の境界の前後で前記入射面に近い側の前記領域よりも前記入射面から遠い側の前記領域の方が大きいことを特徴とする照明ユニット。 - 前記複数の領域は、前記入射面の延在方向に直交する方向に分割されていることを特徴とする請求項1に記載された照明ユニット。
- 前記2つの入射面からの距離が同じとなる導光体の中心を対称軸として、前記反射面における光制御要素密度Sは対称に配列されていることを特徴とする請求項1または2に記載された照明ユニット。
- 前記2つの入射面からの距離が同じとなる導光体の中心を対称軸として、前記反射面における光制御要素の配列パターンは対称であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載された照明ユニット。
- 前記光制御要素は、二次元方向に形状を持つドット形状であることを特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載された照明ユニット。
- 前記光制御要素は、前記導光板の反射面の内側に凹部形状をなすことを特徴とする請求項1〜5の何れか1項に記載された照明ユニット。
- 前記光制御要素は、前記入射面の延在方向に略直交する方向におけるアスペクト比が0.1〜0.4であることを特徴とする請求項1〜6の何れか1項に記載された照明ユニット。
- 前記光制御要素は、前記入射面の延在方向におけるアスペクト比が0.05〜0.3であることを特徴とする請求項1〜7の何れか1項に記載された照明ユニット。
- 前記光制御要素密度の微分値は、最も近い前記入射面からの距離に応じて、前記導光体の長さの半分に対する長さの割合がα%より小さい範囲において、前記距離に応じて単調に増大し、α%において極大値を有するαは65%≦α%≦00%の範囲内であることを特徴とする請求項1〜8の何れか1項に記載された照明ユニット。
- 前記導光板の射出面には、前記入射面の延在方向と略直交する方向に延在するレンチキュラーレンズが配列されていることを特徴とする請求項1〜9の何れか1項に記載された照明ユニット。
- 前記導光板の射出面の観察者方向には、拡散機能を有した光学シートが配置されていることを特徴とする請求項1〜10の何れか1項に記載された照明ユニット。
- 前記導光体の前記光学シートとは反対側に、前記反射面側から射出する光を反射して再度前記導光体へ導く反射シートをさらに備えていることを特徴とする請求項1〜11の何れか1項に記載された照明ユニット。
- 請求項1〜12の何れか1項に記載された照明ユニットと、
表示画像を規定する画像表示素子と、
を有することを特徴とする表示装置。 - 前記画像表示素子が、画素単位での透過/遮光により画像を表示することを特徴とする請求項13に記載された表示装置。
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-
2012
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