JP2021170492A - 面状照明装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】薄型化された場合であっても光の配光や輝度の均一性の調整が容易となる面状照明装置を提供すること。【解決手段】実施形態の面状照明装置は、複数の光源と、レンズアレイシートとを備える。前記複数の光源は、略格子状に2次元に配置される。前記レンズアレイシートは、前記複数の光源の出射面側に配置され、前記複数の光源に対向する面に、前記光源が並ぶ2次元の2つの方向の中間の方向に略垂直な底辺を有する略四角錐の形状の複数のプリズムが設けられる。【選択図】図5
Description
本発明は、面状照明装置に関する。
液晶表示装置のバックライト等に用いられる面状照明装置として、LED(Light Emitting Diode)等による複数の光源が2次元的に配置され、光の出射面側にレンズアレイシート(プリズムシート)等の光学シートが配置された、いわゆる直下型の面状照明装置が知られている(例えば、特許文献1〜3等を参照)。面状照明装置の発光面が矩形である場合、発光面の横方向と縦方向とに等ピッチで格子状に光源が配置されるのが一般的である。
光源が格子状に配置される場合、光源の配置の間隔から、光源が並ぶ横方向および縦方向からなる十字方向の輝度が高くなり、その間の斜め方向に暗部ができやすい傾向があるが、出射面側に配置されたレンズアレイシート等の光学シートによって輝度の均一性が調整される。レンズアレイシートは、透明な材料の表面にプリズム(凹凸)が形成され、光の配光や輝度の均一性を調整するものである。表面に設けられるプリズムには種々の形状のものがある。
しかしながら、プリズムシート等に充分な厚みが許容される場合には光の配光や輝度の均一性の調整が容易であったが、面状照明装置の薄型化の要請に応じてプリズムシート等の厚みも縮小化せざるを得ない状況にあっては、光の配光や輝度の均一性の調整が困難となってきている。すなわち、プリズムシート等が薄くなることで、プリズムシート等の表面にほぼ垂直に入射した光が横方向(プリズムシート等の表面に沿った方向)に広がるよりも垂直方向に貫通しやすくなり、光の配光や輝度の均一性の調整が困難となる。その結果、光源が並ぶ横方向および縦方向からなる十字方向の輝度が高くなるのを抑え、その間の斜め方向に暗部ができてしまうのを抑えることが困難となり、光の配光や輝度の均一性が適正でなくなってしまう。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、薄型化された場合であっても光の配光や輝度の均一性の調整が容易となる面状照明装置を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係る面状照明装置は、複数の光源と、レンズアレイシートとを備える。前記複数の光源は、略格子状に2次元に配置される。前記レンズアレイシートは、前記複数の光源の出射面側に配置され、前記複数の光源に対向する面に、前記光源が並ぶ2次元の2つの方向の中間の方向に略垂直な底辺を有する略四角錐の形状の複数のプリズムが設けられる。
本発明の一態様に係る面状照明装置は、薄型化された場合であっても光の配光や輝度の均一性の調整が容易となる。
以下、実施形態に係る面状照明装置について図面を参照して説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、図面における各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実と異なる場合がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。また、1つの実施形態や変形例に記載された内容は、原則として他の実施形態や変形例にも同様に適用される。
まず、図1〜図3を用いて、実施形態に係る面状照明装置の全体構成について説明する。図1は、実施形態に係る面状照明装置1の上面図である。図2は、実施形態に係る面状照明装置1の分解斜視図である。図3は、図1における面状照明装置1のA−A断面図である。
実施形態に係る面状照明装置1は、各種液晶表示装置のバックライトとして用いられる照明装置であって、後述の光源20が液晶表示装置の直下に配置される、いわゆる直下型の面状照明装置である。面状照明装置1の対象である液晶表示装置は、例えば、車載器である電子メータやインジケータ等であるが、かかる対象は、車載器に限らず、任意の液晶表示装置であってよい。
図1に示されるように、実施形態に係る面状照明装置1は、後述のトップフレーム11によって規定される出射領域Rを有する。面状照明装置1は、出射領域Rにより面状に発光し、上記した液晶表示装置のバックライトとして機能する。
また、直下型である面状照明装置1は、後述の複数の光源20それぞれを個別に制御することによって、出射領域Rの輝度を部分的に調整する、いわゆるローカルディミングに対応可能である。
また、図1に示されるように、実施形態に係る面状照明装置1は、コネクタCを有する。コネクタCは、例えば、電源配線や信号配線等が接続される。すなわち、実施形態に係る面状照明装置1には、コネクタCを介して電源や信号が供給される。
また、図2および図3に示されるように、実施形態に係る面状照明装置1は、基板2と、リフレクタ3と、レンズアレイシート(レンズシート)4と、スペーサ5と、拡散シート6と、フレーム10と、光源20と、光学シート70とを備える。
フレーム10は、剛性が大きい、例えば、ステンレス製の板金フレームである。フレーム10は、トップフレーム11と、ボトムフレーム12とを備え、基板2、リフレクタ3、レンズアレイシート4、スペーサ5、拡散シート6、光源20および光学シート70等といった面状照明装置1の各部を収容する。
トップフレーム11は、ボトムフレーム12に対してZ軸正方向側である光の出射方向側に配置され、フレーム10における蓋として機能する。また、トップフレーム11は、天板11aと、側壁11bとにより構成される。天板11aは、上面視(Z軸正方向から見た状態)で中央部に開口部が形成され、かかる開口部により上記した出射領域Rが規定される。側壁11bは、天板11aの周端部(開口部と反対側)と連続し、後述のボトムフレーム12の側壁12bに沿って延在する。
ボトムフレーム12は、トップフレーム11に対してZ軸負方向側に配置され、フレーム10における土台として機能する。また、ボトムフレーム12は、底部12aと、側壁12bとにより構成される。底部12aは、上面視で矩形状であり、面状照明装置1の上面視形状を規定する。側壁12bは、底部12aの周縁と連続し、トップフレーム11の側壁11bに沿って延在する。
基板2は、例えば、エポキシ樹脂またはPI(ポリイミド)からなる回路基板であり、例えば、フレキシブル基板(FPC:Flexible Printed Circuit)を採用可能である。
光源20は、点状の光源であり、例えば、LED(Light Emitting Diode)を採用可能である。光源20として、例えば、パッケージタイプのLEDや、チップタイプのLEDを用いることができるが、これに限定されない。光源20としてチップタイプのLEDを用いる場合は、蛍光体シートなどの波長変換部材と組み合わせてもよい。なお、光源20は、LEDに限定されるものではなく、任意の発光部材を採用可能である。また、複数の光源20は、基板2に対して所定の配列で実装される。
リフレクタ3は、基板2上に配置され、基板2に実装される各光源20に対応する位置に光源20が配置される孔が形成される。リフレクタ3は、例えば、白色の樹脂等で形成され、光反射機能を有する。具体的には、リフレクタ3は、レンズアレイシート4に一度入射した光源20の光が、光源20側へ漏れて戻ってきた場合に、戻ってきた光を再度レンズアレイシート4に向かって反射する。これにより、面状照明装置1としての出射効率を向上させることができる。
レンズアレイシート4は、光源20から出射した光の配光制御を行う。具体的には、光源20から出射した光が、レンズアレイシート4で屈折し広がって出射される。レンズアレイシート4は、例えば、PMMA(ポリメチルメタクリレート)、ポリカーボネート、PET(ポリエチレンテレフタレート)、シリコーン等の材料からなる板状の部材で、基板2に配置された複数の光源20を一体的に覆う。
また、レンズアレイシート4は、2つの主面41a、41bを有する。一方の主面41aは、光源20と対向する面であって、光源20の光が入射する入射面(以下、入射面41a)である。他方の主面41bは、入射面41aの裏面であって、入射面41aから入射した光を出射する出射面(以下、出射面41b)である。また、図3に示されるように、入射面41aには、微細な凹凸形状の光学素子(プリズム)40が形成されるが、かかる点については後述する。
スペーサ5は、例えば、上面視ロ字状で構成される。また、スペーサ5は、ボトムフレーム12の側壁12bに沿うとともに、レンズアレイシート4と拡散シート6との間に配置され、レンズアレイシート4と拡散シート6との間隔を一定に保持する。スペーサ5は、面状照明装置1の長手方向(X軸方向)に沿って拡散シート6を下面側から押圧し、かかる長手方向に沿ってレンズアレイシート4を上面側から押圧する。
具体的には、スペーサ5は、レンズアレイシート4における出射面41bの周縁をZ軸負方向側である光源20へ向かって押圧する。また、スペーサ5は、後述の拡散シート6の周縁をZ軸正方向側である光の出射方向側へ向かって押圧する。これにより、レンズアレイシート4および拡散シート6の間が一定の間隔で保持されるため、レンズアレイシート4からの出射光の輝度を均一化できる。
なお、スペーサ5は、例えば、硬質部材、弾性部材等を採用可能であるが、レンズアレイシート4および拡散シート6の間を一定の間隔で保持できれば、材質や物性等は特に限定されない。あるいは、スペーサ5を、白色の樹脂材料等で構成することで、光反射機能をさらに有するようにしてもよい。また、スペーサ5は、上面視ロ字状で構成される場合を一例として示したが、これに限定されない。
拡散シート6は、例えば、樹脂等の材料で構成され、レンズアレイシート4から出射された光源20の光を拡散する。拡散シート6は、レンズアレイシート4から出た光を拡散して、Z軸正方向側である光の出射方向へ向けて出射する。すなわち、レンズアレイシート4から出射した光は、拡散シート6によって拡散され、光学シート70へ導かれる。
光学シート70は、拡散シート6から出射された光に対して均一化や集光化等といった配光制御等の光学的な調整を行う部材である。例えば、光学シート70は、プリズムシートとも称される部材であって、Z軸正方向側である光の出射方向側の主面において、断面視形状が三角形のプリズムが形成される。また、図2および図3に示されるように、例えば、光学シート70は、第1シート71および第2シート72の2枚のシートにより構成される。
例えば、第1シート71は、プリズムシート(例えば、3M社製のBrightness Enhancement Film)であり、第2シート72は、反射型偏光シート(例えば、3M社製のDual Brightness Enhancement Film)であるが、面状照明装置1に求められる発光態様によって任意に変更することが可能である。また、光学シート70は、例えば、接着剤や両面テープ等の接着部材によって拡散シート6の出射面に固定される。
また、図2および図3に示される面状照明装置1の構成は、一例であって、例えば、トップフレーム11の天板11aと光学シート70との間に、例えば、ゴムやスポンジ等といった弾性部材を設けてもよい。かかる弾性部材は、トップフレーム11の天板11a側から光学シート70を介して拡散シート6を押圧する。これにより、面状照明装置1に振動が生じた場合、かかる振動を弾性部材が吸収するため、振動による拡散シート6の位置ずれを防ぐことができる。
ところで、一般の直下型の面状照明装置において、上記のようにして複数の光源を基板に配置するとともに、各光源の直上にレンズをそれぞれ配置した場合、光源とレンズとのアライメント(位置決め)を取ることが困難になることがある。例えば、基板に多数の光源を配置した場合、光源とレンズとのアライメントを取ることが難しくなる。このため、一般的な直下型の面状照明装置では、複数の光源を基板に敷き詰めて配置する場合に、光源とレンズとの位置ずれが起きると輝度の均一性が低下するおそれがあった。
この点、レンズアレイシート4の入射面41aに光学素子40が形成される。具体的には、レンズアレイシート4は、入射面41aにおいて、光源20から離れる方向(Z軸正方向)に所定の形状の凹凸を有する光学素子40を有する。これにより、複数の光源20が配置された基板2に対して、光源20と対向する入射面41aに光源20のピッチよりも小さいピッチで配置された複数の所定の形状の凹凸が形成された光学素子40を有するレンズアレイシート4で一体的に覆うことで、基板2に光源20を多数配置した場合でもアライメントをすることなく、発光面の輝度の均一化を可能にする。
このように、複数の光源20が配置された基板2に対して、光源20のピッチよりも小さいピッチで配置された光学素子40が形成されるレンズアレイシート4で一体的に覆うことにより、光源20とレンズアレイシート4とのアライメントを必要としない。これにより、光源20とレンズアレイシート4との位置ずれを実質的に無効化できるため、輝度の均一性を向上させることができる。
図4は、光源20の配置例を示す図である。図4において、基板2上には複数の光源20が格子状(矩形状、マトリクス状)に配置されている。なお、本実施形態に係る面状照明装置1では、各光源20に対応する発光領域ごとに輝度を調整する、いわゆるローカルディミング(エリア発光)を行うことができる。
図5は、レンズアレイシート4を出射面側から見た図である。図5において、格子状に配置された複数の光源20の上に配置されたレンズアレイシート4には、光源20の出射面側に複数(多数)のプリズム41cが設けられている。プリズム41cは、略四角錐の形状を有しており、光源20が並ぶ2次元上の縦横の2つの方向の中間の方向(光源20が等間隔の格子状に配置されている場合には縦横に対して45°の方向)に略垂直な底辺を有する。なお、図では、光源20の間隔に対してプリズム41cの一辺の寸法が数分の1程度に描かれているが、実際は、光源20の間隔に対してプリズム41cの一辺の寸法は100分の1程度となる。
図6は、レンズアレイシート4の光源20と対向する面に設けられるプリズム41cの拡大図であり、図7は、図6におけるB−B断面図である。図6および図7において、プリズム41cは平面視でひし形をしており、断面で光源20側に三角形の頂点が突き出すものとなっている。プリズム41cの凹凸が光源20の出射面側に配置されることで、光源20から出射した光がいち早くプリズム41cに導かれるため効率の向上が期待されるとともに、色分れ(出射面側にプリズムがある場合に、色が波長ごとに分離する現象が生じやすい)を防止することができる。
上述した図5は光源20が縦横に等間隔に格子状に配置された場合についてであったが、格子状であっても縦横に等間隔とならない場合もある。図8は、格子状であっても縦横に等間隔とならない場合に、レンズアレイシート4を出射面側から見た図である。図9は、図8におけるプリズム41cの拡大図である。図10は、図9におけるB−B断面図である。
図8〜図10において、縦横に等間隔でなく格子状に配置された複数の光源20の上に配置されたレンズアレイシート4には、光源20の出射面側に複数(多数)のプリズム41cが設けられている。プリズム41cは、変形した略四角錐の形状をしており、光源20が並ぶ2次元上の縦横の2つの方向の中間の方向(光源20が配置される格子の対角線の方向)に略垂直な底辺を有する。なお、縦の間隔より横の間隔が長い場合について図示したが、横の間隔より縦の間隔が長い場合であってもよい。
図11は、光源20の他の配置例を示す図である。図11において、基板2上には複数の光源20が千鳥状に配置されている。これは、各光源20の中心に着目すれば、図4に示された格子状の配置が筐体(フレーム)に対して斜めになったものと考えることができる。
図12は、レンズアレイシート4を出射面側から見た図である。図12において、千鳥状に配置された複数の光源20の上に配置されたレンズアレイシート4には、光源20の出射面側に複数(多数)のプリズム41cが設けられている。プリズム41cは、略四角錐の形状を有しており、光源20が並ぶ2次元上の縦横の2つの方向の中間の方向(光源20が等間隔の千鳥状に配置されている場合には縦横の方向)に略垂直な底辺を有する。
図13は、図12におけるプリズム41cの拡大図であり、図14は、図13におけるB−B断面図である。図13および図14において、プリズム41cは平面視で略正方形をしており、断面で光源20側に三角形の頂点が突き出すものとなっている。
上述した図11は光源20が縦横に等間隔に千鳥状に配置された場合についてであったが、千鳥状であっても縦横に等間隔とならない場合もある。
図15は、千鳥状であっても縦横に等間隔とならない場合に、レンズアレイシート4を出射面側から見た図である。図16は、図15におけるプリズム41cの拡大図である。図17は、図16におけるB−B断面図である。
図15〜図17において、縦横に等間隔でなく千鳥状に配置された複数の光源20の上に配置されたレンズアレイシート4には、光源20の出射面側に複数(多数)のプリズム41cが設けられている。プリズム41cは、略長方形状の形状をしており、光源20が斜め方向に並ぶ2次元上の2つの方向の中間の方向(縦横の方向)に略垂直な底辺を有する。なお、縦の間隔より横の間隔が長い場合について図示したが、横の間隔より縦の間隔が長い場合であってもよい。
図18は、比較例におけるレンズアレイシート4’を出射面側から見た図である。図19は、図18におけるプリズム41c’の拡大図である。図20は、図19におけるB−B断面図である。
図18〜図20において、比較例では、複数の光源20の上に配置されたレンズアレイシート4’には、光源の出射面側に複数(多数)のプリズム41c’が設けられている。プリズム41c’は、略六角錐の形状を有している。なお、レンズアレイシート4’の下の光源の配置は、図5と同様である。
図21は、シミュレーション上の光源20の配置の例を示す図であり、縦横に3個ずつ(3×3)の計9個の光源20が配置されるものとしている。
図22A〜図22Dは、図5〜図7の実施形態のように、プリズム41cが縦横方向に対して45°傾けられた略四角錐(平面四でひし形)の場合において、レンズアレイシート4の厚みを種々に変えた場合の輝度分布を示している。より詳しくは、図22Aは、実施形態によるひし形で厚み1.0mmの場合の輝度分布の例を示す図である。図22Bは、実施形態によるひし形で厚み0.8mmの場合の輝度分布の例を示す図である。図22Cは、実施形態によるひし形で厚み0.6mmの場合の輝度分布の例を示す図である。図22Dは、実施形態によるひし形で厚み0.4mmの場合の輝度分布の例を示す図である。
一方、図23A〜図23Dは、図18〜図20の比較例のように、プリズム41c’が略六角錐の場合において、レンズアレイシート4’の厚みを種々に変えた場合の輝度分布を示している。より詳しくは、図23Aは、比較例による六角で厚み1.0mmの場合の輝度分布の例を示す図である。図23Bは、比較例による六角で厚み0.8mmの場合の輝度分布の例を示す図である。図23Cは、比較例による六角で厚み0.6mmの場合の輝度分布の例を示す図である。図23Dは、比較例による六角で厚み0.4mmの場合の輝度分布の例を示す図である。
例えば、図23Dに示される厚みが0.4mmの場合の比較例では十字方向に対して斜めの方向に暗部が発生しているが、図22Dに示される同じ厚み0.4mmの実施形態では十字方向に対して斜めの方向に暗部が発生しておらず、輝度の均一性が向上していることがわかる。これは、十字方向に対して斜めの方向に略垂直な面を有するプリズム41cにより光量が補われることによる。
また、略六角錐のプリズムを有する比較例に対して、略四角錐のプリズムを有する実施形態では、金型等の製造が容易となり、レンズアレイシート4の製造が容易かつ安価に行えるという利点もある。
図5〜図7の実施形態について比較例に対する優位な効果を説明したが、他の実施形態についても、レンズアレイシート4のプリズム41cは暗部が発生する方向に対する輝度を補う面を有しているため、同様に輝度の均一性を向上させる効果がある。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記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限りにおいて種々の変更が可能である。
以上のように、実施形態に係る面状照明装置は、略格子状に2次元に配置された複数の光源と、複数の光源の出射面側に配置され、複数の光源に対向する面に、光源が並ぶ2次元の2つの方向の中間の方向に略垂直な底辺を有する略四角錐の形状の複数のプリズムが設けられたレンズアレイシートとを備える。これにより、薄型化された場合であっても光の配光や輝度の均一性の調整が容易となる。また、プリズムが光源の出射面側に配置されることで、光源から出射した光がいち早くプリズムに導かれるため効率の向上が期待されるとともに、色分れを防止することができる。
また、光源が並ぶ2次元の2つの方向における隣接する光源の間隔は同じである。これにより、光源の配置の設計に自由度を与えることができる。
また、光源が並ぶ2次元の2つの方向における隣接する光源の間隔は異なる。これにより、光源の配置の設計に自由度を与えることができる。
また、光源が並ぶ2次元の2つの方向は、筐体の長手方向と短手方向とに一致する。これにより、光源の配置の設計に自由度を与えることができる。
また、光源が並ぶ2次元の2つの方向は、筐体の長手方向と短手方向とに所定の角度をなす。これにより、光源の配置の設計に自由度を与えることができる。
また、プリズムの凹凸のピッチは、複数の光源が配置されるピッチよりも小さい。これにより、複数の光源が配置された基板に対してレンズアレイシートを正確にアライメントしなくても輝度の均一性を向上させることができる。
また、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。
1 面状照明装置,10 フレーム,11 トップフレーム,12 ボトムフレーム,2 基板,3 リフレクタ,4 レンズアレイシート,40 光学素子,41c プリズム,5 スペーサ,6 拡散シート
Claims (6)
- 略格子状に2次元に配置された複数の光源と、
前記複数の光源の出射面側に配置され、前記複数の光源に対向する面に、前記光源が並ぶ2次元の2つの方向の中間の方向に略垂直な底辺を有する略四角錐の形状の複数のプリズムが設けられたレンズアレイシートと、
を備える面状照明装置。 - 前記光源が並ぶ2次元の2つの方向における隣接する前記光源の間隔は同じである、
請求項1に記載の面状照明装置。 - 前記光源が並ぶ2次元の2つの方向における隣接する前記光源の間隔は異なる、
請求項1に記載の面状照明装置。 - 前記光源が並ぶ2次元の2つの方向は、筐体の長手方向と短手方向とに一致する、
請求項1〜3のいずれか一つに記載の面状照明装置。 - 前記光源が並ぶ2次元の2つの方向は、筐体の長手方向と短手方向とに所定の角度をなす、
請求項1〜3のいずれか一つに記載の面状照明装置。 - 前記プリズムの凹凸のピッチは、前記複数の光源が配置されるピッチよりも小さい、
請求項1〜5のいずれか一つに記載の面状照明装置。
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