JP4644544B2 - 面光源装置 - Google Patents
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Description
例えば、直下型では、背面より並列の冷陰極管を用いて光を導入するようになっており、冷陰極管とLCD(Liquid Crystal Display)パネル等の透過型表示素子との距離を適度に空け、その間に拡散板を用い、さらに、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。
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。
特に、直下型では、冷陰極管に近接した部分であるか否か(冷陰極管に至近の位置であるか、並列に並んだ冷陰極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(輝度ムラ)が発生し易い。これを抑えるために冷陰極管と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。
しかし、発光色の独立したLEDを並べて使用すると、先に示した輝度ムラに加えて色ムラが発生するという問題があった。
また、LEDは、略点光源であるために、冷陰極管の場合に比べて、輝度ムラが2次元方向で発生してしまうという問題があった。
請求項1の発明は、略点光源である発光源(13,13R,13G,13B)が2次元方向に多数配列された光源部(12,13,13R,13G,13B)と、1種類又は複数種類の略楕円筒の一部である単位レンズ(141−1,141−2)を出射側に多数並べて配置したレンチキュラーレンズシート(14−1,14−2)と、を備えた面光源装置であって、前記単位レンズが並べられる方向と同一方向における前記発光源の配列される間隔をL、前記発光源と前記レンチキュラーレンズシートとの間隔をd、隣り合う前記単位レンズに挟まれた谷部における前記単位レンズのレンズ面に対する接面と前記レンチキュラーレンズシートの法線との成す角度である単位レンズ端部角度をθ、前記単位レンズを形成する素材の屈折率をnとしたときに、cos-1(n×cos(φ+θ))≦θ、φ=sin-1(sin(tan-1(L/2d))/n)の関係、又は、n×cos(φ+θ)>1、φ=sin-1(sin(tan-1(L/2d))/n)の関係を満足する面光源装置(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、前記レンチキュラーレンズシート(14−1,14−2)は、前記単位レンズの並ぶ方向が直交するように2枚重ねて配置されており、それぞれのレンチキュラーレンズシートの前記単位レンズが並べられる方向毎に、cos-1(n×cos(φ+θ))≦θ、φ=sin-1(sin(tan-1(L/2d))/n)の関係、又は、n×cos(φ+θ)>1、φ=sin-1(sin(tan-1(L/2d))/n)の関係を満足すること、を特徴とする面光源装置である。
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、前記光源部(12,13R,13G,13B)は、発光する光の色がそれぞれ異なる複数種類の発光源(13R,13G,13B)を所定の順番で並べて組み合わせられており、同一色を発光する前記発光源が並ぶ間隔の内で最も広い間隔をLcとしたときに、前記レンチキュラーレンズシート(14−1,14−2)の少なくとも1枚は、cos-1(n×cos(φ+θ))≦θ、φ=sin-1(sin(tan-1(Lc/2d))/n)の関係、又は、n×cos(φ+θ)>1、φ=sin-1(sin(tan-1(Lc/2d))/n)の関係を満足すること、を特徴とする面光源装置である。
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、前記発光源(13,13R,13G,13B)は、発光ダイオードであること、を特徴とする面光源装置である。
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、前記光源部(12,13,13R,13G,13B)には、少なくとも前記発光源の並ぶ間隔部分に拡散作用を持つ反射層(12)が形成されていること、を特徴とする面光源装置である。
請求項6の発明は、請求項1から請求項5までのいずれか1項に記載の面光源装置において、前記レンチキュラーレンズシート(14−1,14−2)に対して垂直に入射する光の反射率は、40%以上であること、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、前記レンチキュラーレンズシートは、反射効果を有する粒子が添加されているか、又は、反射効果を有する粒子により前記単位レンズの表面が覆われていること、を特徴とする面光源装置である。
(1)cos-1(n×cos(φ+θ))≦θ、φ=sin-1(sin(tan-1(L/2d))/n)の関係、又は、n×cos(φ+θ)>1、φ=sin-1(sin(tan-1(L/2d))/n)の関係を満足するので、発光源が点光源であっても、輝度ムラを防止できる。
(2)レンチキュラーレンズシートは、単位レンズの並ぶ方向が直交するように2枚重ねて配置されており、それぞれのレンチキュラーレンズシートの単位レンズが並べられる方向毎に、cos-1(n×cos(φ+θ))≦θ、φ=sin-1(sin(tan-1(L/2d))/n)の関係、又は、n×cos(φ+θ)>1、φ=sin-1(sin(tan-1(L/2d))/n)の関係を満足するので、発光源が点光源であっても、互いに直交する2つの方向で輝度ムラを防止できる。
(3)同一色を発光する発光源が並ぶ間隔の内で最も広い間隔をLcとしたときに、レンチキュラーレンズシートの少なくとも1枚は、cos-1(n×cos(φ+θ))≦θ、φ=sin-1(sin(tan-1(Lc/2d))/n)の関係、又は、n×cos(φ+θ)>1、φ=sin-1(sin(tan-1(Lc/2d))/n)
の関係を満足するので、発光する光の色がそれぞれ異なる複数種類の発光源を用いても、輝度ムラに加えて色ムラを防止できる。したがって、発色を任意に調整可能であって、輝度ムラ及び色ムラのない高品位な面光源とすることができる。
(4)発光源は、発光ダイオードであるので、色再現性が向上し、水銀を使用せず、また、発光源の寿命を長くすることができる。そして、発光ダイオードを用いる場合に最も効率が良いRGB三色別個の発光ダイオードを用いた場合であっても、発生しやすい色ムラを防止できる。
(5)光源部には、少なくとも発光源の並ぶ間隔部分に拡散作用を持つ反射層が形成されているので、レンチキュラーレンズシートから反射して戻ってきた光を拡散反射してレンチキュラーレンズシートに最初とは異なる入射角度及び入射位置で再入射させることができ、輝度ムラ及び色ムラの低減作用をより高めることができる。
(6)レンチキュラーレンズシートに対して垂直に入射する光の反射率は、40%以上であるので、輝度ムラ及び色ムラの低減効果を高めることができる。
(7)レンチキュラーレンズシートは、反射効果を有する粒子が添加されているか、又は、反射効果を有する粒子により単位レンズの表面が覆われているので、所望の反射率を容易に得ることができ、輝度ムラ防止作用、及び、色ムラ防止作用の強さを容易に設定できる。
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。
実施例1における透過型表示装置10は、LCDパネル11と、反射板12,発光源13,レンチキュラーレンズシート14−1,レンチキュラーレンズシート14−2,反射型偏光性シート15等を備え、LCDパネル11に形成される映像情報を背面から照明して表示する透過型液晶表示装置である。なお、透過型表示装置10を背面から照明する面光源装置としては、反射板12,発光源13,レンチキュラーレンズシート14−1,レンチキュラーレンズシート14−2,反射型偏光性シート15が該当している。
発光源13は、バックライトの光源部を形成する点光源である。本実施例における発光源13は、略白色の光を点光源として発光する白色発光の発光ダイオードである。また、発光源13は、L=50mmで2次元方向に格子状に並べられている。発光源13の背面には、反射板12が設けられている。
反射板12は、発光源13のレンチキュラーレンズシート14−1とは反対側(背面側)の全面にわたって設けられており、背面側へ進む照明光を拡散反射してレンチキュラーレンズシート14−1方向(出射方向)へ向かわせ、入射光照度を均一に近付ける働きを持つ反射層である。
反射型偏光性シート15は、LCDパネル11とレンチキュラーレンズシート14−2との間に配置され、視野角を狭めることなく輝度を上昇させる偏光分離シートである。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。
レンチキュラーレンズシート14−1は、発光源13から出射した光の輝度ムラを低減させて均一化するレンチキュラーレンズシートであり、出射側に光を収束して出射する単位レンズ141−1が形成されている。単位レンズ141−1は、連続する楕円筒の一部の形状となっており、レンチキュラーレンズシート14−1の出射側表面は、この単位レンズ141−1が平行に多数並べて配置されてレンチキュラーレンズ面となっている。単位レンズ141−1の並ぶ方向は、スクリーンの垂直方向となっている。
本実施例のレンチキュラーレンズシート14−1は、屈折率1.49の透明なPMMA(アクリル樹脂)を用いた押し出し成型により形成されている。なお、レンチキュラーレンズシート14−1は、PMMAに限らず、光透過性の有る他の熱可塑性樹脂を適宜選択して使用してもよいし、UV硬化樹脂を用いたUV成型と呼ばれる方法により作製してもよい。
単位レンズ141−1は、図3に示した断面において、長半径が0.12mm、短半径が0.06mmの楕円となっており、その長軸がレンチキュラーレンズシート14−1のシート面に対して直交し、ピッチ0.1mmとなるように配置されている。また、レンチキュラーレンズシート14−1の厚さは、1mmであり、単位レンズ141−1の間には、平端部142−1が設けられている。この平端部142−1は、幅0.01mmとなっている。
レンチキュラーレンズシート14−1は、単位レンズ141−1が形成されていることにより、レンチキュラーレンズシート14−1に対して垂直に入射する光の50%を反射して戻す。これは、発光源13の真上が明るくなりすぎることを防ぐとともに、反射して戻った光を反射板12により拡散反射して発光源13から離れた位置に再入射させ、輝度ムラを防止する作用を得るためである。
なお、レンチキュラーレンズシートに対して垂直に光が入射する場合に、その反射率は、40%以上とすることが、輝度ムラ防止の効果を得るためには望ましい。
面光源装置における輝度ムラは、発光源13の真上付近が明るく、発光源13から最も遠い位置、すなわち隣り合う発光源13の中間位置の真上付近が暗くなることが多い。レンチキュラーレンズシート14−1の単位レンズ141−1は、発光源13の真上付近では、略垂直に入射する光を全反射して光源側に戻す作用を有しており(図4中の光線A参照)、発光源13の真上付近が明るくなることを抑えている。しかし、それだけでは、輝度ムラを完全に無くすことは困難である。より輝度ムラを無くすためには、発光源13同士の中間位置付近に到達する光を効率よく正面方向(出射角度0度方向)に近い方向で出射させ、発光源13の中間位置の真上付近から出射して観察者へ到達する光を増加させることが必要である。
発光源の並ぶ間隔をL、発光源とレンチキュラーレンズシートとの距離をdとする。図4中に示すように発光源13Aから発光源13Bに近寄るような方向へ進んで直接レンチキュラーレンズシート14−1へ入射する光線Bを考える。
cos-1(n×cos(φ+θ))≦θ ・・・式(1)
φ=sin-1(sin(tan-1(L/2d))/n) ・・・式(2)
なお、nは、単位レンズ14−1を形成する素材の屈折率であり、φは、光線Bがレンチキュラーレンズシート14−1に入射するときの屈折角である。
本実施例では、L=50mm,d=40mm,n=1.49であるから、φ=21°となる。またθ=30°であり、上記関係式を満足している。
レンチキュラーレンズシート14−2は、レンチキュラーレンズシート14−1よりも発光源13からの距離が離れている。したがって、上述の式(2)におけるdがレンチキュラーレンズシート14−1よりも大きく、41mmとなっているが、レンチキュラーレンズシート14−1の場合と同様に、式(1)及び式(2)を満足している。
したがって、輝度ムラのない均一な照明光としながらも、不要な方向への出射を抑えて観察方向へ照明光を向けることができる。
また、レンチキュラーレンズシート14−1とレンチキュラーレンズシート14−2とを直交させて配置したので、水平方向及び垂直方向ともに光を制御することができ、輝度ムラを抑える効果をさらに高め、かつ、正面輝度を高めることができる。
実施例2は、実施例1の発光源のみを変更した形態であるので、前述した実施例1と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を付して、重複する説明を適宜省略する。
実施例2の光源部には、3種類の発光源、すなわち青色の発光を行う青色発光源13B、緑色の発光を行う緑色発光源13G、赤色の発光を行う赤色発光源13Rが規則正しく配列されている。その配列順序は、水平方向において図5の左側から赤色発光源13R,緑色発光源13G,青色発光源13B,緑色発光源13G,赤色発光源13R,・・・と並んでいる。そして垂直方向に一段下がった位置では、赤色発光源13Rの下(図5中における下方、以下同じ)に青色発光源13Bが、青色発光源13Bの下に赤色発光源13Rが位置するように配列されている。なお、水平方向及び垂直方向において各発光源が並んでいる間隔L0は、いずれも12.5mm間隔で等しい。
同様に、垂直方向において、同一色の赤色発光源13Rが並ぶ間隔LVR=2×L0=50mmであり、同じく緑色発光源13Gが並ぶ間隔LVG=L0=12.5mm、青色発光源13Bが並ぶ間隔LVB=2×L0=25mmである。なお、上述した発光源の配列は、実施例2で採用した一例に過ぎず、どの様な配列順序であってもよい。
cos-1(n×cos(φ+θ))≦θ ・・・式(3)
φ=sin-1(sin(tan-1(Lc/2d))/n) ・・・式(4)
なお、各発光源13R,13G,13Bとレンチキュラーレンズシート14−2との間には、レンチキュラーレンズシート14−1が存在するが、水平方向の光の進路に対しては、レンチキュラーレンズシート14−1は大きな偏向作用を及ぼさないので、レンチキュラーレンズシート14−2についてのみ検討すればよい。
本実施例では、水平方向においては、各発光源13R,13G,13Bとレンチキュラーレンズシート14−2との関係が、Lc=LHR(=LHB)として式(3)及び式(4)を満足すれば水平方向の色ムラ及び輝度ムラを防止できる。
実施例2では、水平方向において、Lc=50mm,d=41mm,n=1.49であるから、φ=20°となる。またθ=30°であり、上記関係式を満足している。
実施例2では、垂直方向において、Lc=25mm,d=40mm,n=1.49であるから、φ=12°となる。またθ=30°である。これらの値を式(3)に代入すると(n×cos(φ+θ))部分が1以上となり計算不能となるが、その場合には、単位レンズ141−1に挟まれた谷部のレンズ面において光が全反射するので、その部分よりも傾斜の少ないレンズ面では、レンチキュラーレンズシート14−1の法線方向に近い角度で出射することとなり、色ムラ及び輝度ムラの防止効果を得ることができ、式(3)及び式(4)を満足することと同等の効果を得られる。
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)各実施例において、レンチキュラーレンズシート14−1,14−2は、1種類の単位レンズ141−1,141−2が出射側に並べられている例を示したが、これに限らず、例えば、複数種類の単位レンズを組み合わせて出射側に配置してもよい。
11 LCDパネル
12 反射板
13,13R,13G,13B 発光源
14−1,14−2 レンチキュラーレンズシート
141−1,141−2 単位レンズ
15 反射型偏光性シート
Claims (7)
- 略点光源である発光源が2次元方向に多数配列された光源部と、
1種類又は複数種類の略楕円筒の一部である単位レンズを出射側に多数並べて配置したレンチキュラーレンズシートと、
を備えた面光源装置であって、
前記単位レンズが並べられる方向と同一方向における前記発光源の配列される間隔をL、前記発光源と前記レンチキュラーレンズシートとの間隔をd、隣り合う前記単位レンズに挟まれた谷部における前記単位レンズのレンズ面に対する接面と前記レンチキュラーレンズシートの法線との成す角度である単位レンズ端部角度をθ、前記単位レンズを形成する素材の屈折率をnとしたときに、
cos-1(n×cos(φ+θ))≦θ
φ=sin-1(sin(tan-1(L/2d))/n)
の関係、又は、
n×cos(φ+θ)>1
φ=sin-1(sin(tan-1(L/2d))/n)
の関係を満足する面光源装置。 - 請求項1に記載の面光源装置において、
前記レンチキュラーレンズシートは、前記単位レンズの並ぶ方向が直交するように2枚重ねて配置されており、それぞれのレンチキュラーレンズシートの前記単位レンズが並べられる方向毎に、
cos-1(n×cos(φ+θ))≦θ
φ=sin-1(sin(tan-1(L/2d))/n)
の関係、又は、
n×cos(φ+θ)>1
φ=sin-1(sin(tan-1(L/2d))/n)
の関係を満足すること、
を特徴とする面光源装置。 - 請求項1又は請求項2に記載の面光源装置において、
前記光源部は、発光する光の色がそれぞれ異なる複数種類の発光源を所定の順番で並べて組み合わせられており、
同一色を発光する前記発光源が並ぶ間隔の内で最も広い間隔をLcとしたときに、前記レンチキュラーレンズシートの少なくとも1枚は、
cos-1(n×cos(φ+θ))≦θ
φ=sin-1(sin(tan-1(Lc/2d))/n)
の関係、又は、
n×cos(φ+θ)>1
φ=sin-1(sin(tan-1(Lc/2d))/n)
の関係を満足すること、
を特徴とする面光源装置。 - 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、
前記発光源は、発光ダイオードであること、
を特徴とする面光源装置。 - 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、
前記光源部には、少なくとも前記発光源の並ぶ間隔部分に拡散作用を持つ反射層が形成されていること、
を特徴とする面光源装置。 - 請求項1から請求項5までのいずれか1項に記載の面光源装置において、
前記レンチキュラーレンズシートに対して垂直に入射する光の反射率は、40%以上であること、
を特徴とする面光源装置。 - 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、
前記レンチキュラーレンズシートは、反射効果を有する粒子が添加されているか、又は、反射効果を有する粒子により前記単位レンズの表面が覆われていること、
を特徴とする面光源装置。
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