JP4274239B2 - 面状光源装置、表示装置及び面状照明方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば液晶表示パネルの照明用に使用して好適な面状光源装置、及びその面状光源装置を組み込んだ表示装置、並びにその光源装置に適用される面状照明方法に関する。

従来、比較的大型の画面を備えたテレビジョン受像機などに使用される、液晶表示パネル用のバックライトとしての面状光源装置は、例えば図２０及び図２１に示す構成とされている。図２１は、図２０のII−IIに沿う断面図である。ここで示したものは、いわゆる直下型と称される表示パネルの背面に直接配置されるタイプのものである。即ち、反射板１０で構成されるケース内に、複数のランプ１１を均等に配置する。反射板１０の表面は白色などとして、ランプ１１からの光を効率よく反射させる。ランプ１１としては、例えばＣＣＦＬ管（Cold Cathode Fluorescent Lighting：冷陰極蛍光ランプ）を使用する。

ランプ１１が配置された反射板１０の上には拡散板２０を配置し、その拡散板２０にランプ１１側から直接裏面に入射した光（又は反射板１０で反射して拡散板２０に入射した光）を、拡散板２０の表面から出射させる。この拡散板２０の表面から出射する光で、液晶表示パネルの裏面を照明する。拡散板２０は、透明な樹脂板に光散乱材を混ぜ込んで構成させたり、或いは、拡散板２０の表面に、拡散作用のあるシートを貼るなどして、光が拡散板２０の表面で均一な明るさとなるようにしてある。面状光源装置の発光状態を均一な明るさにすることは、表示画面の輝度を均一にする上で非常に重要である。

特許文献１には、この種のバックライト装置の一例についての開示がある。
特開平８−２２１０１３号公報

ところで、一般に液晶表示装置は全体の厚みを薄くすることが望まれている。このため、図２０に示した構成の直下型面状光源装置についても、薄型に構成させることが望まれている。図２０に示した構成の直下型面状光源装置を薄型化する場合には、拡散板２０をランプ１１に近づけた構成とすることになる。

ところが、拡散板２０をランプ１１に近づけた構成とした場合、拡散板２０だけで光を十分に拡散するのは困難になって、ランプ１１の直上が明るくなり、発光面内の輝度均一性を損なう問題があった。この対策として拡散板のランプの直上にのみ光反射手段を用いるなどランプ直上の光を減じる手段が用いられることもあるが、この場合全体の輝度を低下させるなどの問題があり、採用される例は少ない。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、この種の面状光源装置を採用した場合において、薄型化と発光輝度の均一化の両立を図ることを目的とする。

本発明は、面状に照明を行う場合において、点状又は棒状に発光する光源からの光を、導光板と接する位置の近傍を焦点位置とした略放物線を描く断面形状とした複数の凸状レンズが所定状態で表面に配置されたレンズアレイシートの裏面に入射させる。そして、そのレンズアレイシートの表面から出射される光を、導光板に入射させ、導光板の出射光で面状の照明を行うようにしたものである。

このようにしたことで、レンズアレイシートの凸状レンズと、その上に配置した導光板との作用で、光源からの光が拡散されるようになり、光源からの光を良好に拡散して、導光板から出射されるようになる。

本発明によると、レンズアレイシートの凸状レンズと、その上に配置した導光板との作用で、光源からの光が拡散されるようになり、光源からの光を良好に拡散して、導光板から出射されるようになる。従って、光源を収めた反射板から導光板までの距離を短くしても、従来とほぼ同様の光散乱特性とすることができ、光源装置の薄型化、並びにその光源装置を内蔵した表示装置の薄型化を図ることができる。

以下、本発明の一実施の形態を、図１〜図１３を参照して説明する。
図１は、本実施の形態の例による面状光源装置１００の全体構成を示す斜視図であり、図２は、図１のＩ−Ｉ線に沿う断面図である。図１及び図２に示すように、本例による面状光源装置１００は、反射板１１０が底面に配置してあり、その反射板１１０の平面部１１１の上に、複数本（ここでは５本）の棒状のランプ１０１，１０２，１０３，１０４，１０５が平行に配置してある。ここでは、各ランプ１０１〜１０５として、ＣＣＦＬ管（冷陰極蛍光ランプ）を使用した例としてあるが、ＣＣＦＬ管に限定されず、例えば熱陰極管を使用してもよい。

反射板１１０の内面は、白色などで塗装してあり、各ランプ１０１〜１０５からの光を効率よく反射させる構成としてある。反射板１１０の端部は傾斜部１１２としてあり、その傾斜部１１２の上端部１１３が、レンズアレイシート１２０と接する構成としてある。なお、図１などでは、ランプ１０１〜１０５の長手方向の反射板１１０の端部は、内部構成を示すために開口させてあるが、実際には何らかの部材で蓋をしてある。反射板１１０は、例えば、発泡されたポリエチレンテレフタレートが使用される。

反射板１１０の上部に配置されるレンズアレイシート１２０は、反射板１１０側（図では下側）の面１２４（裏面：図３参照）は、平面状に構成させてあり、表面側には、凸状レンズであるレンズ突起部１２１が複数配置してある。さらに、レンズアレイシート１２０の表面に、導光板１３０を配置する。導光板１３０は、表面と裏面の双方が平面状であり、厚さが均一な透明部材である。図２では、導光板１３０の表面に配置される表示パネル１９０を仮想線で示してある。このように、導光板１３０の表面からの光で、表示パネル１９０の背面を照明し、表示パネル１９０に表示される像を照らす処理が行われる。表示パネル１９０は、例えば液晶表示パネルが使用される。

レンズアレイシート１２０と導光板１３０は、透明性を有する材料で構成され、例えば、ポリカーボネイト、ガラス、アクリルなどの可視光の領域で透明である素材であれば、何れの素材を使用してもよい。

図３は、レンズアレイシート１２０と導光板１３０の一部を分解して示す拡大図である。本例のレンズアレイシート１２０上に配置されたレンズ突起部１２１は、断面が凸形状（ほぼ三角形状）の直線状の突条として構成させてあり、その直線状のレンズ突起部１２１を、平行に複数本連続して配置した形状としてある。

それぞれのレンズ突起部１２１は、両脇が曲面部１２２としてあり、その曲面部１２２で挟まれた上部が平面部１２３となっている。曲面部１２２は、ここでは放物線を描く曲面としてあり、その放物線の曲面で反射した光が交差する焦点位置Ｆ（図４）は、平面部１２３の近傍となるようにしてある。但し、曲面部１２２の断面形状として、完全な放物線である必要はなく、焦点位置がある程度の範囲内になる略放物線の曲面形状としたり、放物線に類似した曲面形状や、双曲線で表される曲面形状、単なる楕円形状、直線と曲面との組み合わせなど、種々の形状が適用可能である。放物線の曲面形状の場合には、反射光の焦点位置が定まるが、形状によっては焦点がないものもある。

レンズアレイシート１２０のレンズ突起部１２１の平面部１２３は、導光板１３０の裏面と光学的に密着される。レンズアレイシート１２０と導光板１３０との密着手段としては、例えば透光性の粘着材によるもの、紫外線硬化樹脂によるものなど、何れの構成でもよいが、光学的に密着していることが重要である。この光学的に密着している状態とは、光路に影響を及ぼすような隙間などがない状態で、密着している状態である。

図４に示すように、レンズ突起部１２１を配置する間隔（ピッチ）をＷ１、レンズ突起部１２１の上部の平面部１２３の幅をＷ２としたとき、間隔Ｗ１は例えば０．２ｍｍ〜０．３ｍｍ程度とし、平面部１２３の幅Ｗ２は例えば０．０２ｍｍ〜０．００５ｍｍ程度とする。各図に記載されたレンズアレイシート１２０のレンズ突起部１２１は、説明のためにこれよりも大きなサイズで記載してある。なお、各ランプ１０１〜１０５の配置間隔は、例えば２０ｍｍから３０ｍｍ程度とする。また、放物線状の曲面部１２２で形成される焦点Ｆ（図４）は、平面部１２３から［間隔Ｗ１×０．１］の距離以内となるようにするのが好ましい。レンズ突起部１２１が配置された上面とは反対側の裏面部１２４は平面状である。

次に、このように構成されるレンズアレイシート１２０の裏面（下面）側から入射した光の光路の概要を、図４を参照して説明する。まず、図４に示すように、ランプから放出された光の中で真上に放出されて、レンズアレイシート１２０の裏面に、直交状態で入射する光Ａは、多くの割合でレンズアレイのレンズ表面に到達する。この際、空気とレンズアレイ材質の屈折率差によって反射が生じる。光Ａの反射光は、レンズ突起部１２１の焦点Ｆを通過後、導光板１３０の上面１３２に到達する。ここでこの光の角度が適切に設定されていれば、導光板１３０の上面１３２で光は全反射される。導光板１３０の上面１３２で反射された光は、導光板１３０の上面１３２と下面１３１が平行であるため、下面１３１でも全反射され、結果として導光板１３０内を伝播することとなる。導光板１３０内を伝播する光は、レンズアレイシート１２０と導光板１３０との接着面や、レンズアレイ表面などと光学的に相互作用し、全反射条件が崩れる位置で反射することによって、導光板１３０の外に放出される。この導光板１３０の外への放出は、導光板１３０の上面１３２から出射されることで、表示パネルを照らす照明光となるが、導光板１３０の下面１３１から出射される光も存在する。この導光板１３０の下面１３１から出射される光は、レンズアレイシート１２０を介して反射板１１０側に出射されて、その反射板１１０で反射されて、再度レンズアレイシート１２０に入射する処理が行われ、最終的には、全ての光が導光板１３０の上面１３２から出射されるようになる。

なお、導光板１３０の上面１３２や下面１３１で光が反射する条件としては、上面１３２や下面１３１に対する光の入射角が、或る特定の角度以下（例えば４３°以下）である場合に反射し、その角度を超えて９０°までの範囲の場合には、反射せずにそのまま出射する。この反射する特定角度は、導光板１３０を構成する素材により決まる。また、導光板１３０の端面１３３（図１）では、入射角度にかかわらず、入射した光をそのまま反射させるような処理を施すことで、光の端面からの出射を防ぐことができる。

このように作用することから、本例の構成によると、ランプから真上に生じる光の一部を導光板１３０内で伝播させることによって異なる位置で放出させることが出来る。導光板１３０内での平均的な伝播距離や垂直に入射する光の中で導光成分となる光の割合などは、面状光源装置１００の各部のサイズやランプ配置により異なるため、レンズ突起部１２１の詳細な形状や、レンズ突起部１２１の平面部１２３と導光板１３０との接着面積などは、適宜検討されうるものである。

一方、図４に示すように、ランプから斜めに放出される光Ｂが、レンズアレイシート１２０のレンズ突起部１２１の表面に到達した場合は、入射角やレンズの位置などにより様々な方向に光が曲げられる。この結果、ランプから斜めに放出された光に対して、導光板１３０は光拡散を行うものとして機能する。

ここで、レンズアレイシート１２０と導光板１３０とを接合したものに、様々な角度で光を入射した状態をシミュレーションした例を、図５〜図１２に示す。なお、図５〜図１２に示した角度は、平板状のレンズアレイシート１２０に対して垂直に入射した光を０°としてあり、その垂直状態からのずれの角度で示してある。また、それぞれの図での入射光（後述するＬ０、Ｌ１０、Ｌ２０、Ｌ４５）は、１つのレンズ突起部１２１のピッチの幅で入射した光としてある。

図５は、レンズアレイシート１２０に対して０°の角度で入射した光Ｌ０の反射状態を示した図である。図６は、図５の中心部を拡大して示した図である。この図５及び図６から判るように、レンズ突起部１２１の平面部１２３に直進した光は、そのまま導光板１３０内を直進して、導光板１３０の表面１３２から出力される。そして、レンズ突起部１２１の曲面部１２２に当たった光は、その曲面部１２２で反射して、焦点位置（又はその近傍）を通過して導光板１３０内に入射するようになる。

以下、図７及びその拡大図の図８は、レンズアレイシート１２０に対して１０°の角度で入射した光Ｌ１０の反射状態を示し、図９及びその拡大図の図１０は、レンズアレイシート１２０に対して２０°の角度で入射した光Ｌ２０の反射状態を示し、図１１及びその拡大図の図１２は、レンズアレイシート１２０に対して４５°の角度で入射した光Ｌ４５の反射状態を示す。これらの図から判るように、入射角度が大きくなくに従って反射状態が変化し、導光板１３０の表面１３２から出力される光が多くなっている。

このようにしてレンズアレイシート１２０と導光板１３０との組み合わせで、拡散板として機能することから、ランプの真上の明るい部分の明るさを緩和することができる。従って、反射板１１０から導光板１３０までの厚みを従来よりも薄型化しても、従来と同様の輝度分布とすることができる。

図１３は、本実施の形態の構成で作成した面状光源装置１００の相対輝度の分布を、従来構成の面状光源装置（図２０の例）の相対輝度の分布と比較したものである。図１３で破線で示したものは、従来構成の面状光源装置の輝度分布である。この破線の従来構成の輝度分布は、変化が少なくほぼ均一な輝度分布特性である。この従来構成の面状光源装置を、そのままの構成で薄型化した場合には、図１３に仮想線（二点鎖線）で示したように、輝度が位置によって大きく変動してしまい、表示パネル用のバックライトとして適さないものになってしまう。

ここで、仮想線で示した厚みと同じ薄型化を行った上で、図１に示した本実施の形態の構成のレンズアレイシート１２０と導光板１３０を配置した場合には、図１３に実線で示す輝度分布とすることができる。この実線で示す輝度分布は、従来の厚さが厚い面状光源装置の輝度分布とほぼ等しい分布であり、表示パネル用のバックライトとして適した良好な特性となる。従って、従来の面状光源装置より薄型化しても、従来と同様の輝度分布とすることができる。

なお、上述した実施の形態では、導光板１３０は平板状の透明板としたが、光の散乱作用を有する部材として構成してもよい。例えば、図１４に示すように、導光板１３０′の表面を拡散作用部１３４としてもよい。裏面１３１については平面状のままとする。表面の拡散作用部１３４は、例えば、表面に微小な凹凸を設けるなどの構成が適用可能である。また、導光板そのものに拡散作用を持たせるのではなく、導光板１３０の表面に、別の拡散作用を有する樹脂シートを貼り付けるようにしてもよい。

また、上述した実施の形態では、レンズアレイシート１２０上のレンズ突起部１２１は、図３などに示すようにレンズアレイシート１２０に隙間なく連続して配置するようにしたが、ある程度の隙間を空けて配置するようにしてもよい。さらに、その隙間を、位置に応じて変化させるようにしてもよい。
図１５は、この場合の例を断面で示したものである。この例でのレンズアレイシート１２０′は、ランプ１０１〜１０４が配置された真上の位置については、レンズ突起部１２１を隙間なく連続して配置し、ランプの真上から離れるに従って、レンズ突起部１２１の配置間隔を空けるようにしてある。このようにすることで、ランプの真上の位置では、レンズ突起部１２１を使用した拡散作用が大きく作用し、ランプの真上から外れた位置では、拡散作用が弱くなり、より輝度分布の均等化に貢献する。

また、上述した実施の形態では、光源として棒状に発光するＣＣＦＬ管を使用した例としたが、その他の形状の光源を使用してもよい。例えば、棒状の光源の場合でも、蛍光管をＵ字状に曲げた形状のものを使用してもよい。或いは、発光ダイオード（ＬＥＤ）などの点状に発光する光源を使用してもよい（ここでの点状光源とは、棒状の光源と比較して点状と述べたものであり、いわゆる点光源を指しているのではない）。
この発光ダイオードなどの点状光源を使用した場合には、レンズアレイシートに配置するレンズ突起の形状や配置状態を、点状光源に適したものとするのが好ましい。

図１６及び図１７は、発光ダイオードを光源として使用した面状光源装置の例を示したものである。図１７は、図１６の装置を分解して示す図である。この例では、図１７に示したように、反射板１１０の上に、４箇所に発光ダイオードで構成される光源２１１を配置した例である。レンズアレイシート２２０としては、各光源２１１の真上の位置を中心として、同心円状に円形のレンズ突起部２２１を複数連続して配置した形状としてある。各レンズ突起部２２１の断面形状としては、図４などに示したレンズアレイシート１２０のレンズ突起部１２１と同じ断面形状（即ち曲面部１２２と平面部１２３を有する形状）でよい。レンズアレイシート２２０の上に配置する導光板１３０については、既に説明した導光板１３０と同じ構成とする。

この図１６及び図１７に示した構成としたことで、各光源２１１の真上に近い位置での拡散を強く行うことができ、導光板１３０からの出射光の輝度分布を良好に均一化できるようになり、発光ダイオードの如き点状の光源を使用した面状光源装置の薄型化が図れる。この図１６例の場合についても、図１５の例と同様に、光源からの距離が離れるに従って、円形のレンズ突起部２２１を配置する間隔を空けるようにしてもよい。また、図１６の例では、光源２１１から離れた位置には、レンズ突起部２２１を設けない構成としたが、レンズアレイシート２２０の表面全体に、円形のレンズ突起部２２１を配置するようにしてもよい。但し、表面全体に配置した構成とした場合には、周辺部のレンズ突起部２２１は環状にはならない。

さらに、レンズアレイシート上のレンズ突起部として、円錐状に突出した形状のものを、複数配置するようにしてもよい。
図１８は、この場合の構成例を示した図である。この図１８例の場合にも、反射板１１０の上に、４箇所に発光ダイオードで構成される光源２１１を配置した例としてある。レンズアレイシート３２０としては、円錐状のレンズ突起部３２１を、縦横マトリクス状に連続して配置した形状としてある。各レンズ突起部３２１の断面形状としては、図４などに示したレンズアレイシート１２０のレンズ突起部１２１と同じ断面形状（即ち曲面部１２２と平面部１２３を有する形状）でよい。但し円錐形状であるので、どの方向の断面も同じ形状で、曲面部１２２に相当する面は環状形状であり、平面部１２３も円形である。レンズアレイシート２２０の上に配置する導光板１３０については、既に説明した導光板１３０と同じ構成とする。

このような形状とすることでも、レンズアレイシート３２０と導光板１３０との作用で効率良く入射光を拡散することができ、面状光源装置の薄型化が図れる。

なお、この図１８に示したレンズ突起部３２１を配置する構成とした場合にも、光源２１１の真上に相当する位置では、隙間なく連続してレンズ突起部３２１を配置し、光源２１１の真上から離れた位置では、間隔をある程度空けてレンズ突起部３２１を配置するようにしてもよい。
図１９は、この場合の構成例を示した図である。この図１９例のレンズアレイシート３２０′は、円錐形状のレンズ突起部３２１の配置状態として、光源２１１の真上に相当する位置では、隙間なく連続してレンズ突起部３２１を配置してある。そして、光源２１１の真上から離れた位置では、間隔を空けてレンズ突起部３２１を配置する構成としてある。この図１９に示すように配置間隔を変えることで、より光の散乱状態を均一化することができる。

本発明の一実施の形態による全体構成例を示した斜視図である。 図１のＩ−Ｉ線に沿う断面図である。 図１例の光源装置の要部の分解拡大図である。 図１例の構成での光路の概要を示す説明図である。 図１例の構成で、０°でレンズアレイシートに入射した光路の例を示す説明図である。 図５の要部を拡大して示す説明図である。 図１例の構成で、１０°でレンズアレイシートに入射した光路の例を示す説明図である。 図７の要部を拡大して示す説明図である。 図１例の構成で、２０°でレンズアレイシートに入射した光路の例を示す説明図である。 図９の要部を拡大して示す説明図である。 図１例の構成で、４５°でレンズアレイシートに入射した光路の例を示す説明図である。 図１１の要部を拡大して示す説明図である。 本発明の一実施の形態による輝度分布例を示す特性図である。 本発明の他の実施の形態による構成例（導光板表面を加工した例）を示した部分断面図である。 本発明の他の実施の形態による構成例（レンズ突起部を不均等に配置した例）を示した断面図である。 本発明の他の実施の形態による構成例（点光源を使用した例）を示した断面図である。 図１６例の構成の光源装置の分解斜視図である。 本発明の他の実施の形態による構成例（円形レンズを使用した例）を示した斜視図である。 本発明の他の実施の形態による構成例（円形レンズを使用した他の例）を示した斜視図である。 従来の直下型面状光源装置の構成例を示した斜視図である。 図１のII−II線に沿う断面図である。

符号の説明

１００…面状光源装置、１０１〜１０５…ランプ、１１０…反射板、１２０，１２０′…レンズアレイシート、１２１…レンズ突起部、１２２…曲面部、１２３…平面部、１３０，１３０′…導光板、１３４…拡散作用部、１９０…表示パネル、２１１…光源、２２０…レンズアレイシート、２２１…レンズ突起部、３２０…レンズアレイシート、３２１…レンズ突起部

Claims (9)

1. 点状又は棒状に発光する光源と、
   前記光源からの光を一方に反射させる反射板と、
   前記光源からの光及び前記反射板で反射した光が入射し、その入射光の出射部に複数の凸状レンズが所定状態で配置されたレンズアレイシートと、
   前記レンズアレイシートの出射部の上に配置された導光板とを備え、
   前記レンズアレイシート上の凸状レンズは、前記導光板と接する位置の近傍を焦点位置とした略放物線を描く断面形状である
   面状光源装置。
2. 請求項１記載の面状光源装置において、
   前記レンズアレイシート上のそれぞれが略放物線を描く断面形状である複数の凸状レンズの頂点に、前記導光板と接する平面部を備えた
   面状光源装置。
3. 請求項１記載の面状光源装置において、
   前記光源として棒状に発光するものとし、
   前記レンズアレイシート上のそれぞれが略放物線を描く断面形状である複数の凸状レンズは、前記棒状の光源の配置状態とほぼ平行な直線状に配置したレンズである
   面状光源装置。
4. 請求項１記載の面状光源装置において、
   前記光源として点状に発光するものとし、
   前記レンズアレイシート上のそれぞれが略放物線を描く断面形状である複数の凸状レンズは、前記点状の光源の配置位置を中心としてほぼ同心円状に複数配置したレンズである
   面状光源装置。
5. 請求項１記載の面状光源装置において、
   前記レンズアレイシート上の複数の凸状レンズは、それぞれが略放物線を描く断面形状で円形に凸状となったレンズであり、所定間隔で二次元的に前記レンズアレイシート上に配置した
   面状光源装置。
6. 請求項１記載の面状光源装置において、
   前記レンズアレイシート上のそれぞれが略放物線を描く断面形状である複数の凸状レンズは、前記光源の配置位置から離れるに従って、配置間隔を離すようにした
   面状光源装置。
7. 請求項１記載の面状光源装置において、
   前記導光板の表面に、光散乱部を設けた
   面状光源装置。
8. 表示パネルと、前記表示パネルの背面に配置された面状光源部とを備えた表示装置において、
   前記面状光源部として、
   点状又は棒状に発光する光源と、
   前記光源からの光を一方に反射させる反射板と、
   前記光源からの光及び前記反射板で反射した光が入射し、その入射光の出射部に複数の凸状レンズが所定状態で配置されたレンズアレイシートと、
   前記レンズアレイシートの出射部の上に配置された導光板とを備え、
   前記レンズアレイシート上の凸状レンズは、前記導光板と接する位置の近傍を焦点位置とした略放物線を描く断面形状とし、
   前記導光板から出射される光を前記表示パネルの背面に入射させる
   表示装置。
9. 面状に照明を行う面状照明方法において、
   点状又は棒状に発光する光源からの光を、複数の凸状レンズが所定状態で表面に配置されたレンズアレイシートの裏面に入射させ、
   前記レンズアレイシートの表面から出射される光を、導光板に入射させ、
   前記導光板の出射光で前記面状の照明を行うと共に、
   前記レンズアレイシート上の凸状レンズを、前記導光板と接する位置の近傍を焦点位置とした略放物線を描く断面形状とした
   面状照明方法。

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