JP4266837B2 - 照明装置および表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数色の発光ダイオードを光源として使用した面状の照明装置、およびそれを用いた表示装置に関するものである。

近年、液晶ディスプレイは、画素数の増加等による高精細化、および大型化が進み、表示手段として、ＣＲＴ（Ｃａｔｈｏｄｅ Ｒａｙ Ｔｕｂｅ）に遜色の無い表示デバイスとなってきた。更に、液晶ディスプレイは、ＣＲＴに比較して、薄型、軽量にできる為、ＣＲＴに代ってテレビ、あるいは各種モニタ等の映像表示機器としての用途が拡大している。

液晶ディスプレイは、ＣＲＴと異なり非自己発光型のディスプレイである為、液晶パネルを背面から一様に照らす光源（バックライト）が必要となる。現在は、多くの中・大型液晶ディスプレイは光源として冷陰極管を使用している。一方、小型ディスプレイを中心に光源として発光ダイオードを使用した液晶ディスプレイが普及している。

発光ダイオードは冷陰極管に比べ寿命が長く、水銀を使用しないため環境負荷が小さいという特徴がある。発光ダイオードを使用したバックライトは、図１８に示す様に、光源１８と液晶パネル１７の間にある程度の距離を置き、光源１８側から見た液晶パネル１７の立体角を小さくすることで比較的容易に実現できる。なお、１６は、光源１８から放射された光を液晶パネル１７の全面に放出するための拡散板である。ここで、光源１８側から見た液晶パネル１７の立体角を小さくするやり方では、バックライトの形状寸法（奥行き）が大きくなり、「ＣＲＴに比較して、ディスプレイを薄型にできる」と言う液晶ディスプレイの長所が失われてしまう。

このため、図１９に示すように、例えば、赤、緑、青の３原色の発光ダイオード７３ａ、７３ｂ及び７３ｃを複数組、配設された発光ダイオードから照射した光が、三角プリズム７６を介して、光透過率の高い（光透過率は、９２〜９３％程度以上）アクリル等を用いた導光板７２の側面に入射し、さらに、三角プリズム７４，７５を介して、導光板７１に入光する。入光した光を液晶パネル全体に一様に拡散させるサイド入光型のバックライトが採用されている（特許文献１参照）。
特開２０００−１１７０２号公報

しかしながら、サイド入光型のバックライトは、輝度を維持した大型化が困難であるという課題がある。

サイド入光型のバックライトでは、発光ダイオードの設置場所が導光板の側面に限定されるため、導光板の表面積と、設置可能な発光ダイオードの数が比例しない。導光板表面の１辺が２倍になった場合、導光板側面の厚さはそのまま、長辺は２倍となるため、設置可能な発光ダイオードの数は２倍になるのに対し、導光板の表面積は４倍になる。バックライトの輝度は表面積に反比例、発光ダイオードの数に比例するため、導光板の表面積が４倍になると、輝度は１／２になることになる。

なお、導光板の厚みを増加すれば、導光板の側面積をディスプレイの表面積に比例させることはできるが、重量・厚みとも増加し、液晶ディスプレイの薄型・軽量という長所が失われてしまう。

そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、輝度の低下を抑えながら大型化が可能な照明装置を提供することを目的とする。

本発明に係る照明装置および表示装置は、上述した課題を解決するため、以下の特徴点を備えている。

光源と、外部への光放出面を形成する平面状の光放出部材と、前記光源と前記光放出部材の間に該光放出部材に平行に配置され、該光源から放出された光線の少なくとも一部を前記光放出面に対し略垂直方向に屈曲させる平面状の光線屈曲部材と、を備え、前記光源は、前記光放出面に垂直な軸と前記光源から放射した光の光線ベクトルとのなす角度をθ、該角度θにおける光強度ｌ（θ）とすると、
∫ｌ（θ）・ｃｏｓθ・ｄθ≦∫ｌ（θ）・ｓｉｎθ・ｄθ
の関係を満たすように光を放射することを特徴とするものである。

上記特徴により、前記光放出面方向の光強度が大きくなるため、前記照明装置の正面方向から観察したときの明るさを改善することができる。また、前記光源から発した光は、前記光線屈曲部材に到達するまでに十分混合され、点光源や不均一な線光源を使用した場合に発生する輝度や色のムラを解消できる。

本発明は、前記光線屈曲部材による屈曲前の光線の角度θ１、屈曲後の光線の角度θ２、角度θ１およびθ２における光強度ｌ（θ１）、ｌ（θ２）とすると、前記光線屈曲部材が
∫ｌ（θ１）・ｃｏｓθ１・ｄθ１≦∫ｌ（θ２）・ｃｏｓθ２・ｄθ２
の関係を満たすように前記光源からの放射光を屈曲することを特徴とする。

上記特徴により、前記光源からの放射光を屈曲することで、前記発光面に垂直な方向から観察したときの明るさが改善され、表示装置用照明として用いたときに好適な視域を提供することができる。

本発明は、前記光源の周囲であって前記光放出部材に対し略垂直に配置され、前記光源から放出された光線の少なくとも一部を反射する第１の反射部材を備えたことを特徴とする。

上記特徴により、散乱により発生する輝度や色のムラを防ぐことができると同時に、前記光源から発した光線の角度を保存できるため該照明装置の設計が容易となる。

本発明は、前記光放出部材は、前記光源から放出された光線の少なくとも一部を拡散する機能を有する第１の拡散部材であることを特徴とする。

上記特徴により、輝度や色のムラをさらに軽減することができる。

本発明は、前記光源と前記光線屈曲部材の間に位置し、前記光源から放出された光線の少なくとも一部を拡散する第２の拡散部材を備えたことを特徴とする。

上記特徴により、前記光源から前記光放出面に近距離で到達する光線を低減し、輝度や色のムラを軽減することができる。

本発明は、前記光源と前記光線屈曲部材の間に位置し、前記光源から放出された光線の少なくとも一部を反射する第２の反射部材を備えたことを特徴とする。

上記特徴により、前記光源から前記発光面に近距離で到達する光線を低減し、輝度や色のムラを軽減することができる。

本発明は、前記光源が発光ダイオードであることを特徴とする。

上記特徴により、前記光源として発光ダイオードを用いることで、蛍光管や冷陰極管に比べ長寿命で、環境負荷の小さい照明装置を提供できる。

本発明は、前記照明装置を備えたことを特徴とする。

本発明は、前記照明装置は複数個並置され、画像信号の走査タイミングに同期させて１フレーム期間より短い時間だけ順次点灯させることを特徴とする。

上記特徴により、前記照明装置を用いた表示装置においては、軽量・薄型で、特に複数照明装置を並置した表示装置によれば、領域毎に１フレーム期間より短い時間だけ点灯することが可能であり、動画像のぼけを解消した良好な画質の表示装置を提供できる。

本発明によれば、光源から放出された光を光放出面に垂直な方向に放射することにより、輝度を向上させることができ、さらに光を混合拡散することにより、輝度や色ムラを軽減できる。従って、大型化したとき、輝度の低下を防ぐことができ、従来の照明装置に比較し、薄型軽量化が可能となる。

以下に、本発明に係る照明装置おける第１の実施形態について説明する。

図１は、発明に係る照明装置の第１の実施形態の概略構成を示す斜視図である。

まず、図１を用いて本発明に係る照明装置の第１の実施形態の概略構成について説明する。

照明装置１は、光源（以下、発光ダイオードという）２、外枠３、光放出部材（第１の拡散部材；以下、拡散板という）４、光線屈曲部材（以下、プリズムシートという）５により構成される。なお、以下の説明の便宜上、図１に示すように、照明装置１の光の放射方向をｚ軸、発光ダイオード２の配列方向をｙ軸、ｙ軸およびｚ軸に垂直な方向をｘ軸とする。なお、図１では構成を見やすくするため、外枠３、拡散板４、およびプリズムシート５の間隔を適当に空けているが、実際はこれらの間に隙間を設ける必要は無く、密接して配置できる。

発光ダイオード２は本照明装置の光源であり、赤、緑、青のいずれかの単色で発光するサイドエミッタ型の発光ダイオードの集合である。これら赤、緑及び青の単色光は、照射された後、混合されて、白色光となって光放出面から外部に照射される。なお、最近、白色光を発光する発光ダイオードも開発されており、このような白色発光ダイオードを使用してもよい。従来の砲弾型あるいはチップタイプの発光ダイオードは、図２のように、素子の垂直方向即ちｚ軸方向に放射光のピークを持つ。これに対し、サイドエミッタ型発光ダイオードは、図３のように、素子の水平方向即ちｚ軸に垂直な方向に放射光のピークを持つ。サイドエミッタ型発光ダイオードはｚ軸方向から見ると、同心円状に、ｘｙ軸平面のどの方向にもほぼ一定の強度で光が放射される。

外枠３は、発光ダイオード２を収容する筐体である。内面に反射材料を使用した内壁（第１の反射手段）２０により発光ダイオード２の放射光を反射することで、主にｘ軸方向の光の混合を促進する。

拡散板４は、本照明装置１の光放射面に用い、照明装置１の放射光を拡散することで、輝度および色のムラを緩和する。
プリズムシート５は、ｘ軸とのなす角が小さい光をｚ軸方向に屈曲させる。

次に、図４により本照明装置１の内部での光の混合および外部への光放出の仕組みについて説明する。

図４は、本発明に係る照明装置の断面図である。図４に示すように、サイドエミッタ型発光ダイオード２から放射された光は、外枠３の内壁２０により反射され、プリズムシート５により進行方向をｚ軸方向に曲げられ、拡散板４を通過して外部に放出される。本照明装置１によれば、発光ダイオード２から放射された光線が拡散板４を通過して照明装置１の外部に放射されるまでに、照明装置１内部で長い距離を伝播している。このように長い距離を伝播することで、図４の奥行き方向であるｙ軸方向に光が混合され、輝度・色のムラを低減することができる。

逆に、発光ダイオード２からの放射光にｚ軸方向の進行成分が多いと、図５に示すように、照明装置１の内部での伝播距離は短くなり、ｙ軸方向へ光が十分混合されなくなる。

光を十分混合し、輝度・色のムラを低減する為には、照明装置１の内部で適度に長い距離を伝播させることが望ましい。このためには、発光ダイオード２からプリズムシート５まで光が伝播する間、ｚ軸方向の光強度が小さく、ｘｙ平面方向の光強度が大きくなるようにすればよい。

図６は、照明装置内部の光線ベクトルとｚ軸との関係を示す照明装置の断面図である。

ｘｙ軸平面方向の光強度を大きくするための条件は、次のように考えられる。発光ダイオード２から放射される任意の光線ベクトルをＬとする。この光線ベクトルＬの光強度は、Ｌの長さｌで表される。

任意の光線ベクトルＬのｚ軸方向の光強度ｐｚは式（１）により表される。

ｐｚ＝ｌ（θ）・ｃｏｓθ （１）

ここで、θは任意の光線ベクトルＬとｚ軸のなす角である。Ｌ、ｌ、θの関係を図６に示す。また、ｘｙ平面方向の光強度ｐｘｙは、下記に記載の式（２）により表される。

ｐｘｙ＝ｌ（θ）・ｓｉｎθ （２）

よって、発光ダイオード２の放射光の、ｚ軸方向の光強度Ｐｚおよびｘｙ平面方向の光強度Ｐｘｙは、それぞれ下記に記載の式（３）および（４）で示される。なお、光線ベクトルＬの光強度ｌは、θの関数である。

Ｐｚ＝∫ｌ（θ）・ｃｏｓθ・ｄθ （３）

Ｐｘｙ＝∫ｌ（θ）・ｓｉｎθ・ｄθ （４）

上記式（３）および（４）より、ｘｙ平面方向の光強度Ｐｘｙがｚ軸方向の光強度Ｐｚ以上となる条件、即ちＰｚ≦Ｐｘｙとなる条件は、不等式（５）で表される。

∫ｌ（θ）・ｃｏｓθ・ｄθ≦∫ｌ（θ）・ｓｉｎθ・ｄθ （５）

さらに、本発明では、プリズムシート５を拡散板４の下面に配置することにより、発光ダイオード２の放射光のうち、θが大きいために拡散板４により反射され照明装置１外部に取り出せなかった光を有効に活用できる。

図７に、プリズムシート５を配置しない場合の光線軌跡を示す。発光ダイオード２から放射された任意の光線ｌｓは、ｚ軸とのなす角θで拡散板４に入射する。しかし、拡散板４と光線ｌｓのなす角φが小さいと、図７に示すように、拡散板４の表面での反射が大きくなり、照明装置１の外部に十分な光を取り出すことができなくなる。

本発明における光源指向特性の条件である式（５）によれば、θは４５°以上、９０°に近いことが望ましい。しかし、θを前記の値に最適化する程φが小さくなり、外部に光線を取り出せなくなるという問題が発生することとなる。

本発明においては、プリズムシート５を拡散板４の下面に配置することで、上記問題を解消している。プリズムシート５は、拡大すると図８に示すような鋸歯状の凹凸を持っている。なお、本図８はわかりやすいように拡散板４に比べプリズムシート５を拡大して描画しており、実際の大きさとは異なる。この凹凸に光線ｌｓが入射すると、プリズムシート５の内部で反射され、図８に示すようにｚ軸方向に進行方向が変えられる。

本実施例では、図８のような鋸歯状のプリズムシート５を例として説明したが、下記に記載の式（６）を満たすような光線屈曲部材であれば、どのような形態でもよい。

∫ｌ（θ１）・ｃｏｓθ１・ｄθ１≦∫ｌ（θ２）・ｃｏｓθ２・ｄθ２ （６）

ここで、θ１は、プリズムシート５に入射する光線とｚ軸のなす角、θ２はプリズムシート５を透過した光線とｚ軸のなす角である。

なお、拡散板４がない場合であっても、式（６）の特性を有する光線屈曲部材であるプリズムシート５を配置することでｚ軸方向の光強度が大きくなるため、照明装置１の正面方向から観察したときの明るさが改善される。

また、本実施形態によれば、照明装置１の発光面に略垂直に外枠３の内壁を設けている。前記内壁は反射材料を使用しており、発光ダイオード２の放射光を鏡面反射して折り返す。これにより、光線の角度および光強度を保存しながら照明装置１全体の大きさを制限することができる。

上述した実施例では、サイドエミッタ型発光ダイオード２からｚ軸方向への放射光がほとんどないものとして説明した。しかし、サイドエミッタ型発光ダイオードは、ｚ軸方向への放射光を微量ながら含むものもあり、輝度および色の均一性に影響を及ぼす場合がある。そこで、この問題を解決するため、発光ダイオード２とプリズムシート５の間に、拡散シート（第２の拡散手段）６を配置した構成を図９に示す。

発光ダイオード２からｚ軸方向に放射された光は、拡散シート６により拡散される。拡散により、図１０に示すように、発光ダイオード２からｚ軸方向に直行する光が緩和されるため、輝度・色のムラを防ぐことができる。

また、図９の拡散シート６を、反射シート（第２の反射部材）としてもよい。図１１に反射シートを入れた構成を示す斜視図を、図１２に断面図を示す。図１２に示すように、反射シート８により発光ダイオード２からｚ軸方向へ直行する光線は遮断され、発光ダイオード２あるいは外枠３の底面部に反射される。反射された光線は、外枠３内部で内面反射を繰り返した後、照明装置９の外部に放射される。

本実施例では、発光ダイオード２としてサイドエミッタ型の発光ダイオードを配置する場合について説明してきたが、式（５）を満たすような配置をすれば、砲弾型あるいはチップタイプの発光ダイオードも使用可能である。例えば、図１３および図１４に示すように、砲弾型の発光ダイオード１１を発光面に対し横向きに配置しても良い。

また、上述した例では、簡単の為発光ダイオード２が１列の場合を例として説明したが、図１５のように同じ外枠内に複数列配置してもよい。配置する発光ダイオードの数を増やすことで、明るさを増すことができる。

さらに、図１６に示すように、前述した照明装置を複数連結して１つの照明装置としてもよい。図１６では、図９に示した照明装置を連結した場合を示しているが、他の図１、図１１、図１３、図１５に示した照明装置を連結してもよい。図１６のような構成によれば、エリア毎で照明のオン・オフを切り替えられ、好みに応じた柔軟な照明が可能となる。

次に、本発明に係る表示装置おける第２の実施形態について説明する。

図１７は、本発明に係る表示装置おける第２の実施形態の概略構成を示す。表示装置１５は、図９に示した本発明に係る照明装置１３および液晶パネル１４より構成される。なお、液晶パネル１４の駆動を制御するための制御手段やフレーム等は図１７では省略している。

図１７の照明装置１３は、照明装置１３ａ、１３ｂ、１３ｃの３つの照明装置１３を並置した構成例を示している。また、３つの照明装置１３ａ、１３ｂ、１３ｃを液晶パネル１４の各エリア毎に独立に点滅制御することが可能である。

一般に液晶表示装置は、「ホールド型表示装置」と呼ばれ、入力映像信号が与えられると、フレーム周期で各画素値をホールドし、映像を表示する。液晶パネルの背後に配置された背面光源は、表示中点灯状態を維持している。こうして、ホールド型表示装置は、映像を表示したとき各画素の表示輝度が映像の１フレーム期間中ほぼ一定となる。しかし、このホールド型表示装置は、動画を表示するとき、画像がぼけてみえるという欠点がある。

これに対し、ＣＲＴなどのインパルス型表示装置がある。ＣＲＴは、電子ビームにより、１フレーム期間に対して十分短い時間だけ蛍光面を点発光させ、この点発光を順次走査することにより、目の残存効果を利用して１フレームの映像を表示している。このようなインパルス型表示装置では、動画像ぼけの欠点はない。

そこで、ホールド型表示装置である液晶表示装置を、インパルス型に近い表示をさせて、動画像ぼけを低減する方法がある。これは、液晶パネルに入力画像信号に応じて画素値を書き込む走査タイミングに同期させて、図１７に示す並置した照明装置１３ａ，１３ｂ，１３ｃを１フレーム中に１／３フレーム期間以下の時間だけ順次点灯させるというものである。こうして、インパルス型に近い表示をさせることにより、動画像ぼけを改善できる。

また、第一の実施形態で説明した他の照明装置を照明装置１３に変えて並置して使用することも可能である。

発明に係る照明装置の第１の実施形態の概略構成を示す斜視図である。 砲弾型・チップタイプ発光ダイオードの放射光指向特性の一例を示した図である。 サイドエミッタ型発光ダイオードの放射光指向特性の一例を示した図である。 本発明に係る照明装置の断面図である。 本発明に係る照明装置において、ｚ軸方向の光線が多い場合を示す断面図である。 照明装置内部の光線ベクトルとｚ軸との関係を示す照明装置の断面図である。 プリズムシート５を配置しない場合の光線軌跡を示す説明図である。 プリズムシート５により光線が屈曲され、拡散板４を透過する様子を示す説明図である。 発光ダイオード２上に拡散シート６を配置する構成とした照明装置を示す斜視図である。 発光ダイオード２上に拡散シート６を配置する構成とした照明装置の断面図である。 発光ダイオード２上に反射板８を配置する構成とした照明装置を示す斜視図である。 発光ダイオード２上に反射板８を配置する構成とした照明装置の断面図である。 砲弾型発光ダイオードを使用する構成とした照明装置を示す斜視図である。 砲弾型発光ダイオードを使用する構成とした照明装置の断面図である。 １つの外枠内に複数列の発光ダイオードを配置した場合の照明装置の構成を示す斜視図である。 図９に示す照明装置を複数連結して配置した場合の照明装置の構成を示す斜視図である。 本発明による表示装置の概略構成を示す斜視図である。 従来技術における発光ダイオードを使用したバックライトを光源と液晶パネルの間にある程度の距離を置いた一例を示す図である。 従来技術における発光ダイオードを採用したサイド入光型のバックライトを用いた照明装置の構成例を示す斜視図である。

符号の説明

１ 照明装置
２ 発光ダイオード
３ 外枠
４ 拡散板
５ プリズムシート
６ 拡散シート
７ 照明装置
８ 反射板
９ 照明装置
１０ 照明装置
１１ 発光ダイオード
１２ 照明装置
１３ 照明装置
１４ 液晶パネル
１５ 表示装置
１６ 拡散板
１７ 液晶パネル
１８ 光源
２０ 内壁
７１、７２ 導光板
７３ａ 赤光源
７３ｂ 緑光源
７３ｃ 青光源
７４〜７６ 三角プリズム

Claims (9)

1. 光源と、
   外部への光放出面を形成する平面状の光放出部材と、
   前記光源と前記光放出部材の間に該光放出部材に平行に配置され、該光源から放出された光線の少なくとも一部を前記光放出面に対し略垂直方向に屈曲させる平面状の光線屈曲部材と、
   を備え、
   前記光源は、前記光放出面に垂直な軸と前記光源から放射した光の光線ベクトルとのなす角度をθ、該角度θにおける光強度ｌ（θ）とすると、
   ∫ｌ（θ）・ｃｏｓθ・ｄθ≦∫ｌ（θ）・ｓｉｎθ・ｄθ
   の関係を満たすように光を放射することを特徴とする照明装置。
2. 前記光線屈曲部材による屈曲前の光線の角度θ１、屈曲後の光線の角度θ２、角度θ１およびθ２における光強度ｌ（θ１）、ｌ（θ２）とすると、前記光線屈曲部材は、
   ∫ｌ（θ１）・ｃｏｓθ１・ｄθ１≦∫ｌ（θ２）・ｃｏｓθ２・ｄθ２
   の関係を満たすように前記光源からの放射光を屈曲することを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
3. 前記光源の周囲であって前記光放出部材に対し略垂直に配置され、前記光源から放出された光線の少なくとも一部を反射する第１の反射部材を備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の照明装置。
4. 前記光放出部材は、前記光源から放出された光線の少なくとも一部を拡散する機能を有する第１の拡散部材であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の照明装置。
5. 前記光源と前記光線屈曲部材の間に位置し、前記光源から放出された光線の少なくとも一部を拡散する第２の拡散部材を備えたことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の照明装置。
6. 前記光源と前記光線屈曲部材の間に位置し、前記光源から放出された光線の少なくとも一部を反射する第２の反射部材を備えたことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の照明装置。
7. 前記光源が発光ダイオードであることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の照明装置。
8. 請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の照明装置を備えたことを特徴とする表示装置。
9. 前記照明装置は複数個並置され、画像信号の走査タイミングに同期させて１フレーム期間より短い時間だけ順次点灯させることを特徴とする請求項８に記載の表示装置。

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