JP4504141B2 - 面光源装置 - Google Patents

Description

本発明は、液晶表示装置等を背面から照明する面光源装置に関するものである。

透過型の液晶ディスプレイ等を背面から照明する面光源として各種方式の面光源装置が提案、実用化している。面光源装置には、主として、面光源でない光源を面光源に変換する方式によりエッジライト型と直下型とがある。
例えば、直下型では、背面より並列の発光管を用いて光を導入するようになっており、発光管とＬＣＤパネル等の表示素子との距離を適度に空け、その間に拡散板を用い、それに、光を収束させるシートを複数組み合わせて使用していた。
しかし、このような従来の方式では、必要とする光学シートの枚数が多い割に収束特性が不十分であり、それを補う為にＬＣＤパネルを改良して、斜め方向からの入射光に対しても画質を落とさない構造としていた。

また、このような従来の方式では、光の利用効率が低下する上、ＬＣＤパネルの構成も複雑となり、コスト増の要因になるという問題があった。
特に、直下型では、発光管に近接した部分であるか否か（発光管に至近の位置であるか、並列に並んだ発光管の間隙部分に至近の位置であるか）によって光強度（輝度）にムラが発生し易い。これを抑えるために発光管とＬＤＣとの間隔を大きく取ってしまうとディスプレイの厚さが厚くなってしまうという問題があった。また、ムラを抑えるために拡散を強くしたり、透過量を制限したりすると、光の使用量が低減してしまうという問題があった。

例えば、特許文献１及び２に記載の面光源装置では、遮光部分（ライティングカーテン，遮光ドット層）を設けることで均一性を維持しているが、この手法では、上述のように光の使用量が減少してしまっていた。
また、両面にレンチキュラーレンズを設けたシートを使用する方式も例えば、特許文献３で報告されているが、これは、２方向の拡散制御を行うための構成で、光を収束する機能はない。従って、発光管との位置関係によってＬＣＤの場所毎に光軸がばらつくことにより、画面を観察する位置によって明るさのムラが発生したりするという問題もあった。

さらに、特許文献４には、垂直入射光に対して主に屈折透過させるプリズムと、主に一度全反射させた後、透過させるプリズムとの組合せについて説明がなされている。この特許文献４に記載の手法では、シートに垂直に入射する光は、屈折の場合も全反射の場合も略全ての光を出射面へ出射させようとしている。しかし、特許文献４の形態では、一旦全反射してから出射する光は、比較的大きな角度で出射することから、より広い範囲に出射光が広がってしまい、出射光を必要な出射角度範囲内に集光したい場合には、用いることができないという問題があった。
特開平０５−１１９７０３号公報 特開平１１−２４２２１９号公報 特開平０６−３４７６１３号公報 特表２００２−５３５６９０号公報

本発明の課題は、出射光を必要な出射角度範囲内に集光することができ、画面を観察する位置によらずムラのない均一な照明を行うことができる面光源装置を提供することである。

本発明は、以下のような解決手段により、前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために、本発明の実施例に対応する符号を付して説明するが、これに限定されるものではない。
請求項１の発明は、線状の発光管（１１）が複数並べて配置された光源部を有した直下型の面光源装置であって、前記光源部から出射した光が入射するシートであって、シート上の位置によって前記発光管からの距離が異なることによる照度不均一を補正するように出射側に光を拡散すると共に、出射角度を所定の範囲内に揃えて出射する単位レンズ（１３１ａ，１３１ｂ）を出射面側に複数並べて配置する拡散レンズアレイシート（１３）と、前記拡散レンズアレイシートよりもさらに出射側に設けられ、前記拡散レンズアレイシートの拡散機能を補助する拡散シート（１４）と、を備え、前記単位レンズは、長軸がシート面に対して直交して連続する楕円筒の一部、又は、長軸がシート面に対して直交する回転楕円体の一部であり、いずれもシートに垂直に入射した光線が前記単位レンズ内部で全反射を起こした場合には、前記光源部側へ光線を戻すこと、を特徴とする面光源装置（１０）である。

請求項２の発明は、請求項１に記載の面光源装置において、前記拡散シート（１４）は、ヘイズ値が７０％以上であること、を特徴とする面光源装置（１０）である。
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の面光源装置において、前記拡散シート（１４）よりもさらに出射側に、偏光によって光を選択的に透過、及び／又は、反射を規制する偏光シート（１５）を有すること、を特徴とする面光源装置（１０）である。
請求項４の発明は、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の面光源装置において、前記単位レンズの長半径は、短半径の１．５倍から３倍の長さであること、を特徴とする面光源装置（１０）である。
請求項５の発明は、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の面光源装置において、前記拡散レンズアレイシート（１３）の出射側の面には、高さの異なる２種類の単位レンズ（１３１ａ，１３１ｂ）を並べて組み合わせたものが繰り返して配置されていること、を特徴とする面光源装置（１０）である。
請求項６の発明は、請求項５に記載の面光源装置において、前記単位レンズの短半径に対する長半径の比は、前記高さの異なる２種類の単位レンズのうち、高さの低い単位レンズ（１３１ａ）の方が高さの高い単位レンズ（１３１ｂ）よりも大きいこと、を特徴とする面光源装置である。
請求項７の発明は、請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の面光源装置において、前記拡散シート（１４）は、表面に設けられた微細な凹凸形状、又は、マイクロレンズアレイにより光の拡散を行うこと、を特徴とする面光源装置（１４）である。
請求項８の発明は、請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の面光源装置において、前記光源部から出射した光が前記拡散レンズアレイシート（１３）及び前記拡散シート（１４）を通過した後の、前記拡散シート面上における輝度のばらつきは、５％以下であること、を特徴とする面光源装置である。

本発明によれば、以下の効果を奏することができる。
（１）拡散レンズアレイシートと、拡散レンズアレイシートよりもさらに出射側に設けられ、拡散レンズアレイシートの拡散機能を補助する拡散シートとを設けたので、出射光を必要な出射角度範囲内に集光することができ、画面を観察する位置によらずムラのない均一な照明を行うことができる。

（２）拡散シートは、ヘイズ値が７０％以上であるので、拡散レンズアレイシートと組み合わせた場合に輝度ムラを完全になくすことができる。

（３）拡散シートよりもさらに出射側に、偏光によって光を選択的に透過、及び／又は、反射を規制する偏光シートを有するので、液晶表示装置に使用する場合に、光の利用効率をさらに高めることができる。

（４）単位レンズは、長軸がシート面に対して直交して連続する楕円筒の一部、又は、長軸がシート面に対して直交する回転楕円体の一部であるので、製造が容易な簡単な形状とすることができる。

（５）単位レンズの長半径は、短半径の１．５倍から３倍の長さであるので、光の収束性、蛍光管の輝度ムラ低減に最適で、かつ斜め高角度に放射する一部の光を抑えることができる。

（６）拡散レンズアレイシートの出射側の面には、高さの異なる２種類の単位レンズを並べて組み合わせたものが繰り返して配置されているので、入射角に対しての輝度特性を複数持たせることができ、様々な位置で輝度ピークを持つことができることから、ムラを低減する効果が高くなり、画面を観察する位置によらずムラのない均一な照明を行うことができる。

（７）拡散レンズアレイシートを形成する単位レンズは、いずれもシートに垂直に入射した光線が単位レンズ内部で全反射を起こした場合には、光源部側へ光線を戻すので、発光管に近い位置における輝度を適度に低減しながら、光を無駄なく利用することができる。

（８）拡散シートは、表面に設けられた微細な凹凸形状、又は、マイクロレンズアレイにより光の拡散を行うので、拡散レンズアレイシートによる輝度の均一化（蛍光管に起因する面内輝度ムラ低減）、及び、光収束の効果をさらに高めることができる。

（９）光源部から出射した光が拡散レンズアレイシート及び拡散シートを通過した後の、拡散シート面上における輝度のばらつきは、５％以下であるので、均一でムラのない照明を行うことができる。

出射光を必要な出射角度範囲内に集光することができ、画面を観察する位置によらずムラのない均一な照明を行うという目的を、光学シートの枚数を増加することなく実現した。

図１は、本発明による透過型表示装置の実施例を示す図である。
なお、図１を含め、以下に示す各図は、模式的に示した図であり、各部の大きさ、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。
本実施例における透過型表示装置１０は、発光管１１，反射板１２，拡散レンズアレイシート１３，拡散シート１４，非吸収型偏光シート１５，ＬＣＤパネル１６等を備え、ＬＣＤパネル１６に形成される映像情報を発光管１１，反射板１２，拡散レンズアレイシート１３，拡散シート１４，非吸収型偏光シート１５を備える面光源装置により背面から照明する透過型液晶表示装置である。

発光管１１は、バックライトの光源部を形成する線光源であり、本実施例では、外径３ｍｍの蛍光灯を略３０ｍｍ間隔で等間隔に６本が並列に並べられている。
発光管１１の背面には、反射板１２を設けており、その設計により画面各部位への入射光照度を均一に近づけるようにしている。

図２は、拡散レンズアレイシート１３を示す斜視図である。
発光管１１及び反射板１２からなる光源部から出射した光は、拡散レンズアレイシート１３に入射する。
拡散レンズアレイシート１３は、発光管１１に至近の位置であるか否かによる画面上における輝度のムラを解消しながら、出射角度を所定の角度範囲内に収めるように光を集光する作用を有している。拡散レンズアレイシート１３は、出射側に光を拡散して出射する拡散レンズアレイ１３１が形成されている。拡散レンズアレイ１３１は、楕円筒の一部形状を有した２種類の単位レンズ１３１ａ，１３１ｂが平行に多数並べて規則的に配置されている。
拡散レンズアレイ１３１の並ぶ方向は、発光管１１の並ぶ方向と一致している（図１参照）。

図３は、拡散レンズアレイシート１３を図２中に矢印で示したＳ１−Ｓ２断面で切断した断面図である。
単位レンズ１３１ａは、図３に示した断面において、長半径（長軸の半分の長さ）が６０μｍ、短半径（短軸の半分の長さ）が２０μｍの楕円となっており、出光側へ突出している部分の幅が４０μｍとなっている。
単位レンズ１３１ｂは、図３に示した断面において、長半径が８０μｍ、短半径が４０μｍの楕円となっており、出光側へ突出している部分の幅が８０μｍとなっている。
本実施例では、単位レンズ１３１ａ，１３１ｂの楕円の長半径は、短半径の３倍（単位レンズ１３１ａ）、及び、２倍（単位レンズ１３１ｂ）となっているが、長半径は、短半径の１．５倍から３倍であることが、光の収束性、蛍光管の輝度ムラ低減に最適で、かつ斜め高角度に放射する一部の光を抑えるために望ましい。

単位レンズ１３１ａと単位レンズ１３１ｂとは、それぞれの長軸の間隔が６０μｍとなって長軸が拡散レンズアレイシート１３のシート面に対して直交しおり、この組合せを１組として、ピッチ１２０μｍ間隔で平行に並べて配置されている。なお、単位レンズ１３１ａと単位レンズ１３１ｂとの間に、平端部を設けたり、円筒面を設けたりして金型の強度を高め、金型の変形を防止してもよい。
また、拡散レンズアレイシート１３の厚さは、２ｍｍであり、屈折率Ｎ＝１．５５のＭＳ樹脂（アクリルスチレン共重合物）により形成されている。
拡散レンズアレイシート１３は、上述の形状を形成するための金型を作製し、紫外線硬化樹脂を用いて金型からレンズ形状を賦形して作製した。

図４は、拡散レンズアレイシート１３に入射した光の軌跡を示した図である。
図４から明らかなように、拡散レンズアレイシート１３に対して小さい入射角度で入射する光線は、単位レンズ１３１ａ，１３１ｂの内部で全反射した後に、その多くが光源側へ戻され、大きい入射角度で入射する光線については、光源側に戻されることなく出射することができる。拡散レンズアレイシート１３がこのような作用を有しているので、拡散レンズアレイシート１３を通過する発光管１１が発光した照明光は、発光管１１に近接した位置では、入射角度が小さいので、陰極線１３側へ戻される割合が多く、発光管１１から離れる（並列した発光管１１の間隙部分に近づく）に従い、出射する割合が多くなる。よって、拡散レンズアレイシート１３から出射する照明光は、均一化されることとなる。

図５は、本実施例における拡散レンズアレイシート１３における光の進み方を比較例と並べて示した図である。図５（ａ）は、本実施例の場合を示し、図５（ｂ）は、比較例として、同一形状のレンズアレイを並べて配置したシートの場合を示している。
レンズ頂部には、色々な方向から光が到達するが、単位レンズ間の谷部において、ある一定方向から来た光が全反射し頂部から出射すると、斜め方向へ進んでしまう（図５（ｂ）中の光線Ｌ４参照）ので、斜めから観察したときにムラに見えてしまう。

一方、本実施例の拡散レンズアレイシート１３では、図５（ａ）中の光線Ｌ１のように、小さな出射角度で出射することができ、斜めから観察したときにムラが観察されないようにすることができるとともに、光の利用効率を高めることができる。
また、高さの低い単位レンズ１３１ａから、大きな出射角度方向に光が出射したとしても、隣接する高さの高い単位レンズ１３１ｂに当たるので（図５（ａ）中の光線Ｌ２参照）、大きな出射角度方向に光が出射してしまうことを防止することができ、必要な出射角度範囲内に出射光を集光しながら、輝度ムラを防止することができる。

図６は、本実施例の拡散レンズアレイシート１３に入射する光の代表的な例について光線追跡を行った結果を示す図である。図６において、実線は、単位レンズ１３１ａに垂直入射した光線を示し、点線は、単位レンズ１３１ｂに垂直入射させた光線を示している。
単位レンズ１３１ａに垂直入射した光線の内、レンズ内部において全反射した光の一部が出射側に出射するが、隣接する単位レンズ１３１ｂに再入射して光源側へ戻されることがわかる。
さらに、本実施例では、形状の異なる単位レンズ１３１ａ，１３１ｂを並べて配置したので、入射角に対しての輝度特性を複数持たせることができ、様々な方向へ拡散することができる。したがって、拡散レンズアレイシート１３は、ムラを低減することができ、いずれの角度に対しても一定の輝度分布を維持できるような汎用性のあるシートとなっている。

ここで、背景技術として説明した特許文献４と本実施例に示した発明との差異について説明する。
特許文献４に記載の技術は、光を光源側に戻して再利用するという考えは、全く盛込まれていない。
一方、本発明では、出射光は、よりシート面に対して垂直な方向（法線方向）に集光させることが目的のひとつとしてあるので、全反射して出射する光は、この目的から外れてしまう。そこで、単位レンズ１３１ａにおいて全反射したのち一部出射する光は、隣接する単位レンズ１３１ａレンズで捕捉され、光源側へ戻され、再利用することとしている。よって本発明では出射角度の大きな広がる光は、殆ど出射せずに戻されるため、集光された光が効率よく取り出せ、さらに発光管１１が並んでいることに起因する輝度ムラ（管ムラ）を同時に軽減させることが可能である。よって、両者の技術は、レンズの使用目的、形状とも全く異なり、得られる作用及び効果も全く異なっていることが明らかである。

拡散シート１４は、拡散レンズアレイシート１３より出射側に設けられ、拡散レンズアレイシートの拡散機能を補助するシートである。拡散シート１４は、ビーズ拡散板とも呼ばれ、内部には殆ど拡散剤を含んでおらず、表面に拡散ビーズを分散させて表面に微細な凹凸形状を形成し、この拡散ビーズの曲率に応じて出射光を拡散させる。したがって、拡散シート１４は、拡散ビーズにより拡散度合いを調整することが可能である。本実施例における拡散シート１４のヘイズ値は、８３．６％である。なお、ヘイズ値とは、くもりの度合いを示す値であり、
Ｈａｚｅ（％）＝（拡散透過率（τｄ）／全光線透過率（τＴ））×１００
により規定される。したがって、ヘイズ値は、拡散の度合いを示すこととなる。
表１に、本実施例の拡散シート１４の透過率、ヘイズ値、反射率をまとめて示す。なお、表１中のＲＴは、全光線反射率を示し、Ｒｄは、拡散反射率を示している。

本実施例と同様な構成の面光源装置では、この拡散シート１４のヘイズ値は、７０％以上とすることが、照明光の輝度を均一にするために望ましい。
なお、拡散ビーズを用いた拡散シートの代わりに、マイクロレンズアレイを使用しても構わない。この場合も上記のヘイズ値測定での値として概ね７０％以上の値を持つことが望ましい。

非吸収型偏光シート１５は、拡散シート１４とＬＣＤパネル１６との間に配置され、偏光に応じて透過反射を選択し、視野角を狭めることなく輝度を上昇させる反射型偏光性シートである。本実施例では、ＤＢＥＦ（住友スリーエム株式会社製）を使用している。
ＬＣＤパネル１６は、所謂透過型の液晶表示素子により形成されており、対角２０インチサイズの液晶テレビ用のパネルである。発光管１１の長手方向に沿った方向が、水平方向として使用され、発光管１１が並ぶ方向が、垂直方向として使用される。

ここで、本実施例の面光源装置の効果を明確に示すために、比較例を用意して、両者の輝度分布を測定した結果を示す。
図７は、比較例と本実施例の面光源装置との構成の違いを比較して示した図である。図７（ａ）は、比較例を示し、図７（ｂ）は、本実施例を示している。
比較例では、本実施例の拡散レンズアレイシート１３に相当する位置に白色散乱板１１７が配置されている。また、比較例では、拡散シート１４と非吸収型偏光シート１５との間に、輝度上昇フィルム１１８を追加で配置している。比較例に使用している輝度上昇フィルム１１８は、ＢＥＦ（住友スリーエム株式会社製）を用いている。
上記以外の比較例の構成（発光管１１，反射板１２，拡散シート１４，非吸収型偏光シート１５）は、本実施例と同一である。
上述の、図７に示した比較例の構成は、直下型のバックライトにおいて一般的に使用される形態と同等な構成となっている。

図８は、比較例と本実施例の輝度分布の測定結果を示すグラフである。図８（ａ）は、垂直方向を示し、図８（ｂ）は、水平方向を示しており、各図において、縦軸は輝度、横軸はバックライト平面に対して垂直な方向（法線方向）からの測定角度を示している。
図８のグラフに示されるように本発明の構成をとれば、比較例と比べて高効率なバックライトシステムを構築することができる。また、本実施例によれば、比較例と比べて、構成品点数を減らし、コスト低減を図ることができる。さらに、本実施例の面光源装置では、面内の輝度分布、すなわち、発光管の配列に直交する方向で、端部に位置する発光管の直上から反対側端部の発光管の真上までにおいて、輝度の変化が５％以下であった。なお、この輝度の測定は、垂直に出射する光の輝度を輝度計により測定した。
以上説明したように、本実施例によれば、ムラを低減する効果を高くしながら、不必要に大きな出射角度で出射することなく光を適度に集光し、光の利用効率を高くすることができる。

（変形例）
以上説明した実施例に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の均等の範囲内である。
（１）本実施例において、拡散レンズアレイシート１３を形成する単位レンズ（１３１ａ，１３１ｂ）は、連続する楕円筒の一部であるレンチキュラーレンズシートである例を示したが、これに限らず、例えば、回転楕円体の一部としてもよい。つまり、２次元配列の回転楕円体のマイクロレンズアレイであってもよい。

（２）本実施例において、拡散レンズアレイシート１３の入射側は、平面である例を示したが、これに限らず、例えば、さらなる光の拡散作用を与えるために、エンボス加工等により微細凹凸形状を形成してもよい。

（３）本実施例において、拡散レンズアレイシート１３の支持形態については、特に言及していないが、一般的に行われるようにシートの外周のみを支持してもよいし、光源側にスペーサを設けてもよい。

（４）本実施例において、拡散レンズアレイシート１３、拡散シート１４、非吸収型偏光シート１５を組み合わせて面光源装置とした例を示したが、これに限らず、例えば、非吸収型偏光シート１５を省略してもよいし、これら以外の各種光学シートと拡散レンズアレイシート１３とを組み合わせて面光源装置を形成してもよい。

本発明による透過型表示装置の実施例を示す図である。 拡散レンズアレイシート１３を示す斜視図である。 拡散レンズアレイシート１３を図２中に矢印で示したＳ１−Ｓ２断面で切断した断面図である。 拡散レンズアレイシート１３に入射した光の軌跡を示した図である。 本実施例における拡散レンズアレイシート１３における光の進み方を比較例と並べて示した図である。 本実施例の拡散レンズアレイシート１３に入射する光の代表的な例について光線追跡を行った結果を示す図である。 比較例と本実施例の面光源装置との構成の違いを比較して示した図である。 比較例と本実施例の輝度分布の測定結果を示すグラフである。

符号の説明

１０ 透過型表示装置
１１ 発光管
１２ 反射板
１３ 拡散レンズアレイシート
１４ 拡散シート
１５ 反射型偏光性シート
１６ ＬＣＤパネル
１３１ａ，１３１ｂ 単位レンズ

Claims (8)

1. 線状の発光管が複数並べて配置された光源部を有した直下型の面光源装置であって、
   前記光源部から出射した光が入射するシートであって、シート上の位置によって前記発光管からの距離が異なることによる照度不均一を補正するように出射側に光を拡散すると共に、出射角度を所定の範囲内に揃えて出射する単位レンズを出射面側に複数並べて配置する拡散レンズアレイシートと、
   前記拡散レンズアレイシートよりもさらに出射側に設けられ、前記拡散レンズアレイシートの拡散機能を補助する拡散シートと、
   を備え、
   前記単位レンズは、
   長軸がシート面に対して直交して連続する楕円筒の一部、又は、長軸がシート面に対して直交する回転楕円体の一部であり、
   いずれもシートに垂直に入射した光線が前記単位レンズ内部で全反射を起こした場合には、前記光源部側へ光線を戻すこと、
   を特徴とする面光源装置。
2. 請求項１に記載の面光源装置において、
   前記拡散シートは、ヘイズ値が７０％以上であること、
   を特徴とする面光源装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の面光源装置において、
   前記拡散シートよりもさらに出射側に、偏光によって光を選択的に透過、及び／又は、反射を規制する偏光シートを有すること、
   を特徴とする面光源装置。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の面光源装置において、
   前記単位レンズの長半径は、短半径の１．５倍から３倍の長さであること、
   を特徴とする面光源装置。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の面光源装置において、
   前記拡散レンズアレイシートの出射側の面には、高さの異なる２種類の単位レンズを並べて組み合わせたものが繰り返して配置されていること、
   を特徴とする面光源装置。
6. 請求項５に記載の面光源装置において、
   前記単位レンズの短半径に対する長半径の比は、前記高さの異なる２種類の単位レンズのうち、高さの低い単位レンズの方が高さの高い単位レンズよりも大きいこと、
   を特徴とする面光源装置。
7. 請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の面光源装置において、
   前記拡散シートは、表面に設けられた微細な凹凸形状、又は、マイクロレンズアレイにより光の拡散を行うこと、
   を特徴とする面光源装置。
8. 請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の面光源装置において、
   前記光源部から出射した光が前記拡散レンズアレイシート及び前記拡散シートを通過した後の、前記拡散シート面上における輝度のばらつきは、５％以下であること、
   を特徴とする面光源装置。

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