JP4636811B2

JP4636811B2 - 面光源装置、画像表示装置及び光束制御板

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Publication number: JP4636811B2
Application number: JP2004130751A
Authority: JP
Inventors: 真吾大川
Original assignee: Enplas Corp
Current assignee: Enplas Corp
Priority date: 2004-04-27
Filing date: 2004-04-27
Publication date: 2011-02-23
Anticipated expiration: 2024-04-27
Also published as: JP2005315924A

Description

本発明は、液晶表示パネルの背面側から面状に照明するバックライトとして使用される面光源装置、この面光源装置を照明手段として使用する画像表示装置、及びこれら面光源装置や画像表示装置を構成する光束制御板に関するものである。

従来から、パーソナルコンピュータやテレビジョン等に使用される液晶表示モニタの照明手段として、複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）を光源として使用した面光源装置が知られている。この面光源装置は、液晶表示モニタの液晶表示パネルとほぼ同形状の光束制御板の裏面に複数のＬＥＤをマトリックス状に配置し、そのＬＥＤからの光を光束制御板の裏面側から光束制御板の内部に入射させ、その光束制御板の内部に入射した光を光束制御板の裏面に対向する出射面から出射させて、その出射光によって液晶表示パネルをその背面側から面状に照明できるようになっている。

図８は、このような面光源装置１００の一部を拡大して模式的に表した断面図であり、光（Ｌ）の進行状態を示す図である。この図に示すように、従来の面光源装置１００は、ＬＥＤ１０１から発せられた光（Ｌ）がＬＥＤ１０１特有の角度範囲（指向性）で広がって光束制御板１０２の裏面１０２ａからその内部に入射し、この光束制御板１０２内に入射した光（Ｌ）が光束制御板１０２の出射面１０２ｂから出射する際に、その出射光の進行方向を光束制御板１０２の出射面１０２ｂに形成されたレンズ部１０３によって収束させるようになっている（例えば、特許文献１参照。）。

特開平８−２４８８９９号（段落番号００１１，００１２及び図１参照）。

しかしながら、図８に示すような面光源装置１００において、ＬＥＤ１０１から発せられた光（Ｌ）の光束密度は、ＬＥＤ１０１の光軸１０４から離れるにしたがって低くなっている。そのため、光束制御板１０２から出射する光（Ｌ）は、ＬＥＤ１０１の光軸１０４の直上において光束密度が高くて最も明るく、ＬＥＤ１０１の光軸１０４から離れるにしたがって同心円状に明るさが徐々に低下していき（光束密度が密から疎になっていき）、隣合うＬＥＤ１０１の中間位置近傍における輝度の低下が目立っていた。

そこで、本発明は、光源（ＬＥＤ）から発せられた光の光束密度を光軸からの距離に関わらず一定化し、光束制御板の出射面から出射する光の輝度を均一化し、照明品質を向上することを目的とする。

請求項１の発明は、光束制御板の裏面と対向するように複数の光源を配置し、この複数の光源からの光を前記光束制御板を介して前記光束制御板の前記裏面と反対側の出射面から出射させる面光源装置に関するものである。そして、この発明の面光源装置は、前記複数の光源のそれぞれに対応するように前記光束制御板の裏面に位置し、前記光束制御板を透過する前記光源からの光を前記出射面に対して均等に分配して、前記光束制御板を透過する光の光束密度を前記出射面に対して均一化する光分配機能面と、前記複数の光源のそれぞれに対応するように前記光束制御板の前記出射面に位置し、前記光束制御板の前記出射面から出射する光の進行方向を前記出射面の法線方向に向かわせる光変角機能面と、を備えている。また、この発明の面光源装置において、前記光分配機能面が、（１）前記複数の光源のそれぞれに対応する光軸を中心として同心円状に広がる複数の環状プリズム突起により形成され、（２）前記光源からの光の進行方向を前記光軸から離れる方向へ変換するようになっており、且つ、光の進行方向を前記光軸から離れる方向へ変換する程度が、前記光源からの光の出射角が大きくなるほど低減されるようになっている。また、前記光変角機能面が、前記複数の光源のそれぞれに対応する光軸を中心として同心円状に広がる複数の環状プリズム突起により形成されている。

請求項２の発明は、前記請求項１の発明に係る面光源装置と、この面光源装置からの出射光によって面状に照明される表示パネルと、を備えたことを特徴とする画像表示装置に関するものである。

請求項３の発明は、裏面に対向するように配置された複数の光源からの光を前記裏面から内部に入射させた後、その入射した光を出射面から出射し、その出射光を被照明体に照射するようになっている光束制御板に関するものである。この本発明の光束制御板は、前記複数の光源のそれぞれに対応するように、前記裏面に光分配機能面を配置する一方、前記出射面に光変角機能面を配置している。そして、前記光分配機能面は、前記光源からの光を前記出射面に対して均等に分配して、前記光源からの光の光束密度を前記出射面に対して均一化するようになっている。また、前記光変角機能面は、前記出射面から出射する光の進行方向を前記出射面の法線方向に向かわせるようになっている。また、この発明の光束制御部材において、前記光分配機能面が、（１）前記複数の光源のそれぞれに対応する光軸を中心として同心円状に広がる複数の環状プリズム突起により形成され、（２）前記光源からの光の進行方向を前記光軸から離れる方向へ変換するようになっており、且つ、光の進行方向を前記光軸から離れる方向へ変換する程度が、前記光源からの光の出射角が大きくなるほど低減されるようになっている。また、前記光変角機能面が、前記複数の光源のそれぞれに対応する光軸を中心として同心円状に広がる複数の環状プリズム突起により形成されている。

本発明に係る面光源装置は、光源から発せられた光を光束制御板の裏面の光分配機能面及び光束制御板の出射面の光変角機能面を通過させることにより、光束制御板から出射される光の光束密度を一様化し、光の輝度を均一化することができる。したがって、本発明に係る面光源装置は、照明輝度が均質な面状照明が可能となる。

また、本発明に係る画像表示装置は、照明輝度が均質化された面状照明を可能にする面光源装置によって表示パネルを照明するようになっているため、表示画像の視認性を高めることが可能になる。

以下、本発明に係る面光源装置及び画像表示装置の最良の実施の形態を図面に基づいて説明する。

［面光源装置の概略構成］
図１〜図２は、本実施の形態に係る面光源装置１を示すものである。なお、図１（ａ）は面光源装置１の平面図であり、図１（ｂ）はその平面図の一部（Ｐで示した部分）を拡大したものである。図２は、面光源装置１の概略を示す断面図であり、図１（ｂ）のＡ−Ａ線に沿って切断して示す断面図である。

これらの図に示すように、本実施の形態の面光源装置１は、平面形状が略矩形形状の板状の光束制御板２と、この光束制御板２の裏面２ａ側にほぼ等間隔に複数配置された点状光源としての発光ダイオード（ＬＥＤ）３と、を備えている。

このうち、光束制御板２は、例えば、ＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル）、ＰＣ（ポリカーボネート）等の透明樹脂材料や透明なガラスで薄板状に形成されている。

そして、光束制御板２の裏面２ａには、ＬＥＤ３の光軸４を中心として同心円状に広がる複数の環状プリズム突起からなる第１フレネルレンズ５がＬＥＤ３に対向するようにマトリックス状に形成されている。この第１フレネルレンズ５は、ＬＥＤ３から発せられた光（Ｌ）が光束制御板２の裏面２ａから光束制御板２の内部に入射する際に、光軸４近傍の光（Ｌ）を光軸４から離れる方向に屈折させ、光軸４から離れた位置の光（Ｌ）を光軸４寄りに屈折させて、光束制御板２の裏面２ａから出射面２ｂまで伝播した光（Ｌ）の光束密度を均一化する光分配機能面として作用する。

このように、第１フレネルレンズ５は、光軸４近傍の光束密度の高い範囲の光を光軸４から離れた位置の光束密度の低い範囲の光側に分配するものであるが、出射面に対する光束密度の均一化を図るため、光軸４近傍の光束密度の高い範囲では光の分配機能を高くし、光軸４から離れて光束密度が漸減する範囲にあっては、光の分配機能をその光束密度の低下傾向に応じて低減させるようになっている。

また、この光束制御板２の出射面２ｂには、各ＬＥＤ３の光軸４を中心として同心円状に広がる複数の環状プリズム突起からなる第２フレネルレンズ６がＬＥＤ３に対応するように形成されている。この第２フレネルレンズ６は、光束制御板２の出射面２ｂから出射する光（Ｌ）の進行方向を出射面２ｂに直交する法線方向に向かうように、光（Ｌ）の進行方向を変更する光変角機能面として作用する。

ＬＥＤ３は、その光軸４が光束制御板２の裏面２ａに直交するように配置されており、隣合う他のＬＥＤ３との間隔が等間隔となるように配置されている。しかも、本実施の形態においては、一つのＬＥＤ３の周囲に６０度の間隔で合計６個のＬＥＤ３が隣合うように配置されており、それぞれのＬＥＤ３の照明領域が略六角形形状となるように構成されている。

このような構成の本実施の形態の面光源装置１において、一般に、ＬＥＤ３から出射する光は光軸４を中心に放射状に広がり、光軸４上で最大光束密度を示すとともに、光軸４から離れるにしたがって光束密度が低下していく。また、従来例として示したもののように、光束制御板２の裏面２ａが平面であると、ＬＥＤ４からの光は当該平面を透過して光束制御板２内に入射する際に、スネルの法則に従って光軸４寄りに屈折してＬＥＤ３の直上領域に向かって集中する傾向にある（図８参照）。

図８に示した従来例は、このような光束分布で出射面１０２ｂに到達した光（Ｌ）の進行方向をそのまま正面方向（出射面１０２ｂの法線方向）に変換しているに過ぎず、それ故、出射面１０２ｂにおけるＬＥＤ１０１の直上領域での輝度が、他の部位に比べてより高くなり易いという不具合がある。

これに対して、図２に示した本実施の形態の面光源装置１は、ＬＥＤ３からの光が光束制御板２の裏面２ａを透過する際に、ＬＥＤ３から出射した光の光軸４に対する角度（出射方向）に応じて、その進行方向を任意に変換する光分配機能面としての第１フレネルレンズ５を当該裏面２ａに形成することで、光束制御板２の出射面２ｂに到達する光の光束分布を制御し、出射面２ｂにおける輝度の均一化を図ろうとするものである。

即ち、光束密度の高いＬＥＤ３の直上領域（光軸４近傍の領域）にあっては、光束制御板２に入射した光が上記従来例とは逆に、光軸４から離れる方向に進行方向を変えるようにし、これによって光軸４近傍での光束密度を相対的に低減せしめ、その一方で、光軸４から離れた光束密度の低い領域にあっては、当該領域における光が集まるように光の進行方向を変換して他の領域と同等の光束密度となるようにすることで、出射面２ｂに到達する光の光束分布を制御する。

より具体的な例を挙げて説明すると、第１フレネルレンズ５は、例えば、次のような機能を備えた面として形成される。尚、以下の説明において、ＬＥＤ３からの光の出射方向と光軸４とがなす角度（光源からの光の出射角）をθで表し、当該出射光が光軸４寄りに方向転換される場合、その方向を＋（プラス）で表し、当該出射光が光軸４から離れる方向に転換される場合、その方向を−（マイナス）で表すとする。

即ち、図２において、第１フレネルレンズ５は、この第１フレネルレンズ５を透過する光のうち、θが一定以下の値を示すＬＥＤ３の直上領域に出射する光の進行方向を−（マイナス）方向に変換するとともに、θが大きくなるにつれて、その進行方向を変換する程度が低減していくようになっている。そして、この第１フレネルレンズ５が形成されていない光束制御板２の裏面２ａは、スネルの法則によって光の進行方向が定まる平面となっている。

なお、第１フレネルレンズ５は、図２に示す態様に限られず、例えば、以下のようにすることができる。

先ず、図３に示す第１例としての第１フレネルレンズ５は、この第１フレネルレンズ５を透過する光のうち、θが一定以下の値を示すＬＥＤ３の直上領域に出射する光の進行方向を−（マイナス）方向に変換するとともに、θが大きくなるにつれて、その進行方向を変換する程度が低減していくようになっている。一方、第１フレネルレンズ５を透過する光のうち、θが所定の値を超える光に対しては、当該値を境にその変換方向が−（マイナス）方向から＋（プラス）方向に逆転するとともに、θが大きくなるにつれて進行方向を変換する程度が増加するようになっている。

次に、図４に示す第２例としての第１フレネルレンズ５は、この第１フレネルレンズ５を透過する光のうち、θが一定以下の値を示すＬＥＤ３の直上領域に出射する光の進行方向を−（マイナス）方向に変換するとともに、θが大きくなるにつれて、その進行方向を変換する程度が低減していくようになっている。そして、この第１フレネルレンズ５は、θが所定値近傍の光に対しては、光の進行方向がスネルの法則のみで決定されるような平面部分を形成してある。また、この第１フレネルレンズ５は、第１フレネルレンズ５を透過する光のうち、θが所定値近傍を超える光に対しては、光の変換方向が−（マイナス）方向から＋（プラス）方向に逆転するとともに、θが大きくなるにつれて進行方向を変換する程度が増加するようになっている。

以上のような第１フレネルレンズ５の具体的形状（上記θの各値や、進行方向を変換する程度等）は、用いるＬＥＤ３の出射特性や、その配置、光束制御板２の寸法等により適宜設計されるが、出射面２ｂに到達した光が光変角機能面としての第２フレネルレンズ６によって正面方向（出射面２ｂの法線方向）に方向制御された後の当該出射面２ｂにおける輝度が均一となるように、光束制御板２内部での光束制御ができれば、特定形状に限定されるものではない。

図５は、このような面光源装置１に係る光束制御板２の出射面２ｂ側から見た図であり、隣り合うＬＥＤ３同士の光が重なり合う状態を示すものである。このように、本実施の形態において、ＬＥＤ３の特性上において光束密度が低くなる光軸４から離れた部分（斜線部分７）であって、第１フレネルレンズ５によって光束密度を補正しても低くなりがちな部分の光は、隣り合うＬＥＤ３の光と重なり合って、光軸４近傍の光の光束密度とほぼ同様の光束密度となり、光束制御板２から出射する光の光束密度が出射面２ｂのほぼ全域にわたり均一化する。

以上のように、本実施の形態に係る面光源装置１は、ＬＥＤ３から発せられた光（Ｌ）を光束制御板２の裏面２ａの第１フレネルレンズ５及び光束制御板２の出射面２ｂの第２フレネルレンズ６を通過させることにより、光束制御板２から出射される光（Ｌ）の光束密度を一様化し、光（Ｌ）の輝度を均一化することができる。したがって、本実施の形態に係る面光源装置１は、照明品質の高品質化が可能となる。

なお、本実施の形態は、一つのＬＥＤ３の周囲に等間隔に６個のＬＥＤ３を配置する態様を例示したが、これに限られず、例えば、一つのＬＥＤ３の周囲に等間隔（９０度の角度間隔）に４個のＬＥＤ３を配置するようにしてもよい。

また、本実施の形態において、直線上に位置する複数のＬＥＤ３の代わりに蛍光ランプを使用するようにしてもよい。

また、本実施の形態において、一枚の光束制御板２の裏面２ａに第１フレネルレンズ５を形成し、光束制御板２の出射面２ｂに第２フレネルレンズ６を形成する態様を例示したが、これに限られず、裏面に第１フレネルレンズを形成した第１光束制御板と、出射面に第２フレネルレンズを形成した第２光束制御板とを使用し、これら第１光束制御板と第２光束制御板を所定の間隔だけ離して配置するようにしてもよい。これにより、ＬＥＤ３からの光は、第１光束制御板を透過した後、第２光束制御板を透過して出射し、被照明体への照明光として利用される。このようにすれば、第１光束制御板と第２光束制御板との間に空間を生じさせることができる分だけ、面光源装置１の重量を軽減することができる。

［画像表示装置］
図６は、上述の面光源装置１をバックライトとして使用した画像表示装置としての液晶表示装置８である。この液晶表示装置８は、光束制御板２の出射面２ｂに対向するように、被照明体としての液晶表示パネル（表示パネル）１０が配置されており、面光源装置１の光束制御板２の出射面２ｂから出射される面状の照明光によって液晶表示パネル１０が均一に照明される。その結果、本実施の形態に係る画像表示装置８は、液晶表示パネル１０によって表示される画像が見やすくなり、画像表示品質が向上する。

なお、図６に示す本実施の形態の画像表示装置８は、面光源装置１の光束制御板２から出射する光で液晶表示パネル１０を直接的に照明するように構成されているが、このような態様に限れらず、光透過性に優れたＰＭＭＡやＰＣ等によって形成された光拡散シート，プリズムシート等の光制御部材１１を光束制御板２と液晶表示パネル１０の間に配置し、面光源装置１から出射したＬＥＤ３（図２参照）からの光を拡散させるか又は進行方向角度を変更し、液晶表示パネル１０を照明する光の状態を適宜変更するようにしてもよい。

図７は、本発明の実施例１に係る面光源装置１を示すものである。この実施例１に係る面光源装置１の光束制御板２は、隣り合うＬＥＤ３，３間のほぼ中間部分に位置する裏面２ａの所定範囲１２を遮光加工（遮光皮膜を形成）する等の適宜手段を採用して、隣り合うＬＥＤ３，３の光が重なり合う部分の光量を調整することにより、輝線等の異常発光を生じるのを効果的に防止することができ、前記実施の形態の効果と相俟って、より一層均一で高品質の照明光の出射が可能になる。

この発明に係る面光源装置は、テレビモニターやパーソナルコンピュータのモニターのバックライトとして使用したり、室内表示灯や各種照明などの用途に広く使用することができる。

本発明の実施の形態に係る面光源装置を示すものであり、（ａ）は面光源装置１の平面図であり、（ｂ）はその平面図の一部（Ｐで示した部分）を拡大したものである。図２は、面光源装置の概略を示す断面図であり、図１（ｂ）のＡ−Ａ線に沿って切断して示す断面図である。第１フレネルレンズの変形例のうちの第１例を示す図であり、図２に対応する図である。第１フレネルレンズの変形例のうちの第２例を示す図であり、図２に対応する図である。光束制御板２の出射面２ｂ側から見た図であり、隣り合うＬＥＤ３同士の光が重なり合う状態を示すものである。本実施の形態の面光源装置をバックライトとして使用した画像表示装置としての液晶表示装置を示す部分的縦断面図であり、図２に対応する図である。本発明の変形例を示す面光源装置の部分的縦断面図であり、図２に対応する図である。従来の面光源装置を示す部分的縦断面図である。

符号の説明

１……面光源装置、２……光束制御板、３……ＬＥＤ、５……第１フレネルレンズ（光分配機能面）、６……第２フレネルレンズ（光変角機能面）、８……液晶表示装置（画像表示装置）、１０……液晶表示パネル（被照明体、表示パネル）

Claims

光束制御板の裏面と対向するように複数の光源を配置し、この複数の光源からの光を前記光束制御板を介して前記光束制御板の前記裏面と反対側の出射面から出射させる面光源装置において、
前記複数の光源のそれぞれに対応するように前記光束制御板の裏面に位置し、前記光束制御板を透過する前記光源からの光を前記出射面に対して均等に分配して、前記光束制御板を透過する前記光源からの光の光束密度を前記出射面に対して均一化する光分配機能面と、
前記複数の光源のそれぞれに対応するように前記光束制御板の前記出射面に位置し、前記光束制御板の前記出射面から出射する光の進行方向を出射面の法線方向に向かわせる光変角機能面と、を備え、
前記光分配機能面は、
（１）前記複数の光源のそれぞれに対応する光軸を中心として同心円状に広がる複数の環状プリズム突起により形成され、
（２）前記光源からの光の進行方向を前記光軸から離れる方向へ変換するようになっており、且つ、光の進行方向を前記光軸から離れる方向へ変換する程度が、前記光源からの光の出射角が大きくなるほど低減されるようになっており、
前記光変角機能面は、前記複数の光源のそれぞれに対応する光軸を中心として同心円状に広がる複数の環状プリズム突起により形成された、
ことを特徴とする面光源装置。
前記請求項１に記載の面光源装置と、この面光源装置からの出射光によって面状に照明される表示パネルと、を備えたことを特徴とする画像表示装置。
裏面に対向するように配置された複数の光源からの光を前記裏面から内部に入射させた後、その入射した光を出射面から出射し、その出射光を被照明体に照射するようになっている光束制御板において、
前記複数の光源のそれぞれに対応するように、前記裏面に光分配機能面を配置する一方、前記出射面に光変角機能面を配置し、
前記光分配機能面は、前記光源からの光を前記出射面に対して均等に分配して、前記光源からの光の光束密度を前記出射面に対して均一化し、
前記光変角機能面は、前記出射面から出射する光の進行方向を前記出射面の法線方向に向かわせ、
前記光分配機能面が、
（１）前記複数の光源のそれぞれに対応する光軸を中心として同心円状に広がる複数の環状プリズム突起により形成され、
（２）前記光源からの光の進行方向を前記光軸から離れる方向へ変換するようになっており、且つ、光の進行方向を前記光軸から離れる方向へ変換する程度が、前記光源からの光の出射角が大きくなるほど低減されるようになっており、
前記光変角機能面が、前記複数の光源のそれぞれに対応する光軸を中心として同心円状に広がる複数の環状プリズム突起により形成された、
ことを特徴とする光束制御板。