JP5059171B2 - 光制御板、面光源装置及び透過型画像表示装置 - Google Patents
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Description
ただし、式(1)において、zB(x)=z0(x)×r(rは、0.95以上1.05以下の数である)であり、z0(x)は式(2)で表される。
(式(2)中、haは0.27wa以上且つ1.02wa以下の定数であり、kaはー0.38以上且つ0.00以下の定数である)
図1は、本発明に係る透過型画像表示装置の一実施形態の構成を模式的に示す断面図である。図1は、透過型画像表示装置を分解して示している。図2は、図1に示した透過型画像表示装置に含まれる面光源装置が有する光拡散板(光制御板)の拡大図であり、光拡散板の断面構成を示している。図2では、説明の便宜のため、隣接する2つの光源も模式的に示している。
式(3)において、zB(x)=z0(x)×r(rは、0.95以上1.05以下の数)である。z0(x)は式(4)で表される。
式(4)中、haは0.27wa以上1.02wa以下の定数であり、kaは、−0.38以上0.00以下の定数である。haは、凸状部41をz0(x)で表される形状とした場合における凸状部41の両端41a,41a間のz軸方向の最大高さに対応する。また、kaは、凸状部41のとがり方を示すパラメータである。
第1の実施形態では、凸状部41は、式(3)を満たす輪郭線z(x)を有するものとして説明した。しかしながら、凸状部41は、光源31から出力された光を、複数の凸状部41が形成された第2の面40b上に配置した検出器で測定した際に、図5に示すような強度分布50を実現するものとすることもできる。凸状部41が図5に示すような強度分布50を実現する断面形状を有するものである場合の形態について説明する。凸状部41が図3に示した特性を有するものとした点以外は第1の実施形態と同様であるため、第1の実施形態と同様の要素には同じ符号を付すものとして説明し、重複する説明は省略する。
(a)最大強度Imaxの90%〜10%にかけて強度が一次関数的に変化する線形変化領域51を有する。
(b)線形変化領域51は、強度分布上における最大強度Imaxの50%の強度(0.5Imax)の点Pに対して点対称となっている。すなわち、最大強度Imaxの50%の強度となるX軸上の位置をX0.5とすれば、P(X0.5,0.5Imax)に対して点対称となっている。
(c)最大強度Imaxの50%の強度となるX軸方向の原点Oからの距離をw1(=X0.5)とし、最大強度Imaxの90%の強度となるX軸方向の原点Oからの距離をw2とし、最大強度Imaxの10%の強度となるX軸方向の原点Oからの距離をw3としたとき、w1とw2との差の絶対値又はw1とw3との差の絶対値w4は、所定の長さl以上である。ここで、所定の長さlは、w1/10が例示され、好ましくはw1/8、更に好ましくはw1/6である。
(d)強度分布50において最大強度Imaxから裾部にかけての領域は、点P(X0.5,0.5Imax)に対して点対称である。
凸状部41の断面形状は、光線追跡法に基づくシミュレーションを利用して、所望の強度分布を得るように設計可能である。凸状部41の断面形状の決定方法の一例についてより具体的に説明する。ここでは、シミュレーションのために、次の3つの近似を採用する。
・光源31に直交する面内においてシミュレーションを実施する。
・光源31は点光源、すなわち、光源の直径は0とする。
・直接透過光のみを考慮する。
(ステップ1)図8に示すように、光源31からの距離の関数として、長方形60の直接透過光を正面方向に向けるように、長方形60が有する第2の辺60bの各出射位置での斜度をそれぞれ求める。この斜度の決定方法は、フレネルレンズの設計方法で用いられる方法と同様のものとすることができる。斜度は、第2の辺60bの単位線要素61に対して決定する。図8では、斜度を計算する過程の一部を模式的に示している。
(ステップ2)長方形60への光の入射位置での単位線要素61あたりの入射光量、透過率、出射位置での透過率を求め、各斜度に対する単位線要素61あたりの出射光量を求める。
(ステップ3)各斜度に対する単位線要素61の大きさを調整して、正面強度分布が所望の強度分布になるように決める。
上記のようにして決定した断面形状を有する凸状部41に基づいて光拡散板40を製造する。光拡散板40は、例えば透明材料から削り出す方法により製造することができる。また、透明材料として透明樹脂材料を用いる場合は、例えば射出成形法、押出成型法、プレス成形法、フォトポリマー法などの方法により製造することができる。
次に、図12〜図39を参照して図1に示した光拡散板40が有する凸状部41の形状の他の例について説明する。図12、図18、図24、図26、図28、図30、図32、図34、図36、及び図38に示した凸状部41をそれぞれ凸状部41A〜41Jと称する。各凸状部41A〜41Jの説明において、凸状部41A〜41Jの断面形状以外は、第1の実施形態と同様であるため、前述したように、第1の実施形態と同様の要素には同じ符号を付すものとし、相違点である断面形状について説明する。また、以下の説明では、図3の場合と同様に設定した局所的なxz座標系を用いて説明する。xz座標系を構成するx軸は複数の凸状部41の配列方向(第2の方向)に平行な軸線であり、z軸は板厚方向(第1及び第2の方向に直交する方向)に平行な軸線である。
図12は凸状部の延在方向に直交する断面形状の一例を示す図面であり、一つの凸状部を拡大して示している。
ただし、上記式(5)において、
式(6)中、waは凸状部41のx軸方向の長さである。また、haは0.4825wa≦ha≦0.521waの範囲から選択される定数であり、kaは−0.232≦ka≦−0.227の範囲から選択される定数である。ha,kaの一例は、ha=0.521wa、ka=−0.227である。haは、凸状部41Aをz0(x)で表される形状とした場合における凸状部41Aの両端41a,41a間のz軸方向の最大高さに対応する。また、kaは、凸状部41Aのとがり方を示すパラメータである。ha及びkaが、前述したような最大高さであること及びとがり方を示すパラメータであることは、後述する凸状部41B〜41Jにおいても同様である。図12では、ha=0.521wa、ka=−0.227の場合であって、式(5)を満たす範囲内でz0(x)をz方向に所定倍(例えば1倍)だけ伸縮した形状を例示している。この場合、頂部41bがz軸上に位置しており、z軸に対して対称な輪郭線を有する。
図18は、凸状部の延在方向に直交する断面形状の他の例を示す図面であり、一つの凸状部を拡大して示している。凸状部41Bの形状は、式(5)におけるha及びkaの範囲が、凸状部41Aの範囲と異なる点以外は、凸状部41Aの形状と同様である。この相違点を中心に説明する。
図24は、凸状部の延在方向に直交する断面形状の他の例を示す図面であり、一つの凸状部を拡大して示している。凸状部41Cの形状は、式(6)におけるha及びkaが、凸状部41Aと異なる点以外は、凸状部41Aの形状と同様である。この相違点を中心に説明する。
図26は、凸状部の延在方向に直交する断面形状の他の例を示す図面であり、一つの凸状部を拡大して示している。凸状部41Cの形状は、式(6)におけるha及びkaが、凸状部41Aと異なる点以外は、凸状部41Aの形状と同様である。この相違点を中心に説明する。
図28は、凸状部の延在方向に直交する断面形状の他の例を示す図面であり、一つの凸状部を拡大して示している。凸状部41Eの形状は、式(6)におけるha及びkaが、凸状部41Aと異なる点以外は、凸状部41Aの形状と同様である。この相違点を中心に説明する。
図30は、凸状部の延在方向に直交する断面形状の他の例を示す図面であり、一つの凸状部を拡大して示している。凸状部41Fの形状は、式(6)におけるha及びkaが、凸状部41Aと異なる点以外は、凸状部41Aの形状と同様である。この相違点を中心に説明する。
図32は、凸状部の延在方向に直交する断面形状の他の例を示す図面であり、一つの凸状部を拡大して示している。凸状部41Gの形状は、式(6)におけるha及びkaが、凸状部41Aの範囲と異なる点以外は、凸状部41Aの形状と同様である。この相違点を中心に説明する。
図34は、凸状部の延在方向に直交する断面形状の他の例を示す図面であり、一つの凸状部を拡大して示している。凸状部41Hの形状は、式(6)におけるha及びkaが、凸状部41Aと異なる点以外は、凸状部41Aの形状と同様である。この相違点を中心に説明する。
図36は、凸状部の延在方向に直交する断面形状の他の例を示す図面であり、一つの凸状部を拡大して示している。凸状部41Iの形状は、式(6)におけるha及びkaが、凸状部41Aと異なる点以外は、凸状部41Aの形状と同様である。この相違点を中心に説明する。
図38は、凸状部の延在方向に直交する断面形状の他の例を示す図面であり、一つの凸状部を拡大して示している。凸状部41Jの形状は、式(6)におけるha及びkaが、凸状部41Aと異なる点以外は、凸状部41Aの形状と同様である。この相違点を中心に説明する。
実施例1〜12及び比較例1を参照して光拡散板(光制御板)について具体的に説明する。以下の実施例1〜12及び比較例1の説明では、説明の便宜のため、凸状部は、凸状部41と称し、上記第1の実施形態の要素に対応する要素には同じ符号を付すものとする。
図40は、シミュレーションモデルを示す模式図である。図40に示すように、シミュレーションでは、2つの光源31,31上に光拡散板40を配置し、光源31,31から出力され光拡散板40を通過した光の強度を観測するとした。シミュレーションのために、3つの近似、すなわち、(i)光源31に直交する面内においてシミュレーションを実施すること、(ii)光源31は点光源、すなわち、光源の直径は0とすること、及び、(iii)直接透過光のみを考慮すること、を採用して、光線追跡法でシミュレーションを行った。説明の便宜のため、図40に示した2つの光源31,31をそれぞれ光源31A,光源31Bと称す。このシミュレーション方法は、後述する実施例14〜17におけるシミュレーション方法の場合と、第1の面40aの単位長さあたりに入射する光量の計算方法が異なる点以外は同じである。
上記シミュレーションモデルを利用して、実施例1〜12及び比較例1に対して次のシミュレーションAを実施した。
周期境界条件を設けることによって、複数の光源31から出力された光による、隣接する2の光源31A,31B上の領域における強度分布を計算した。このシミュレーション3の結果では、隣接する2つの光源31A,31Bの間上の領域における計算結果を示している。このシミュレーションAでは、距離Lを45mmとする一方、距離Dを変化させることで、異なるL/Dに対して強度分布を求めた。そして、異なるL/Dに対して正面方向(θ=0)の場合の強度均斉度(%)を算出した。強度均斉度(%)は「(最小強度)/(最大強度)×100」として算出した。なお、ある観測角θに対する強度は輝度に対応するため、ある観測角θに対する強度分布に基づいた強度均斉度は輝度均斉度に対応する。
実施例1ではL/D=2.17、
実施例2ではL/D=2.5、
実施例3ではL/D=3.15,3.2、
実施例4ではL/D=3.7,3.75、
実施例5ではL/D=2.0、
実施例6ではL/D=3.2,3.3、
実施例7,8ではL/D=3.2
実施例9〜11ではL/D=3.0、及び、
実施例12ではL/D=2.5
のときに90%以上という高い正面方向の強度均斉度(輝度均斉度)を実現できている。
光拡散板40の屈折率を1.49とし、厚さd1を2.25とした点以外は、実施例1〜12の場合と同様に凸状部41を設計して実施例13を実施した。実施例13では、wa=400μmとしている。図41〜図52に対応する実施例13における設計段階での設計データは図54の図表に示す通りである。実施例13の凸状部41の設計における光源31A(又は光源31B)と光拡散板40との間の所定の距離としての距離Dは、L=45mmとしたときに、L/Dが4.00になるように設定している。実施例13においてもこれらの設計データに実施例1〜12の場合と同様に所定の補間処理を実施している。実施例13においても、凸状部41の断面形状は、式(4)又は式(6)に示されているz0(x)において、ha=0.9752wa及びka=−0.212としたものに対応する。なお、waは上記のように400μmである。実施例13のシミュレーション結果は表の通りである。
次に、実施例14〜17及び比較例2を参照して光拡散板(光制御板)について具体的に説明する。以下の実施例14〜17及び比較例2の説明では、説明の便宜のため、上記第1の実施形態の要素に対応する要素には同じ符号を付すものとする。
(シミュレーション1)
第1の面40aから所定の距離Dの位置に配置した一つの光源31Aから出力された光に対する正面方向の強度分布を計算した。
(シミュレーション2)
第1の面40aから100mmの位置に配置した一つの光源31Aから出力された光に対する正面方向の強度分布を計算した。
(シミュレーション3)
シミュレーションAの場合と同様にして異なるL/Dに対して強度分布を求めた。シミュレーション3では、正面方向に対して観測角θの方向から光を観測した場合の強度分布も計算した。そして、異なるL/D及び異なる観測角θに対して強度均斉度(%)を算出した。
実施例14〜17では、光源31A(又は光源31B)と光拡散板40との間の距離Dを所定の距離に設定し、所望の強度分布となるように凸状部41の断面形状を設計した。所定の距離は、実施例14ではD=13.82mm、実施例15では、D=12mm、実施例16ではD=9.375mm、実施例17では、D=8.0mmである。
以下、実施例14〜17及び比較例2のシミュレーション1〜3のシミュレーション結果について説明する。シミュレーション結果の説明において、凸状部41の配列方向、すなわち、第2の方向は、第2の実施形態の場合と同様にX軸方向と称す。
図56は、比較例2におけるシミュレーション1の結果を示す図面である。図56では、D=12(mm)とした場合の、光源31Aからの光に対する正面方向強度分布を示している。図56の横軸はX軸方向での光源31Aに対する位置を示しており、縦軸は強度(任意単位)を示している。図57は、比較例2におけるシミュレーション2の結果を示す図面である。図57の横軸はX軸方向での光源31Aに対する位置を示しており、縦軸は最大強度で規格化した規格化強度を示している。
また、図58(a)〜図58(c)は、比較例2におけるシミュレーション3の結果に基づく強度分布を示す図面である。図58(a)は、L/D=3.5の場合において、光源31Aを基準とした位置と観測角θとに対する強度分布を示している。図58(b)は、L/D=3.75の場合において、光源31Aを基準とした位置と観測角θとに対する強度分布を示している。図58(c)は、L/D=4.0の場合において、光源31Aを基準とした位置と観測角θとに対する強度分布を示している。
図59は、実施例14におけるシミュレーション1の結果を示す図面である。図59では、D=13.82(mm)とした場合の、光源31Aからの光に対する正面方向強度分布を示している。図59の横軸は、X軸方向での光源31Aに対する位置を示しており、縦軸は強度(任意単位)を示している。図60は、実施例1におけるシミュレーション2の結果を示す図面である。図60の横軸は、X軸方向での光源31Aに対する位置を示しており、縦軸は図57の場合と同様に規格化強度を示している。
図62は、実施例15におけるシミュレーション1の結果を示す図面である。図62では、D=12(mm)とした場合の、光源31Aからの光に対する正面方向強度分布を示している。図62の横軸はX軸方向での光源31Aに対する位置を示しており、縦軸は強度(任意単位)を示している。図63は、実施例15におけるシミュレーション2の結果を示す図面である。図63の横軸はX軸方向での光源31Aに対する位置を示しており、縦軸は最大強度で規格化した規格化強度を示している。
図65は、実施例16におけるシミュレーション1の結果を示す図面である。図65では、D=9.375(mm)とした場合の、光源31Aからの光に対する正面方向強度分布を示している。図65の横軸はX軸方向での光源31Aに対する位置を示しており、縦軸は強度(任意単位)を示している。図66は、実施例16におけるシミュレーション2の結果を示す図面である。図66の横軸はX軸方向での光源31Aに対する位置を示しており、縦軸は最大強度で規格化した規格化強度を示している。
図68は、実施例17におけるシミュレーション1の結果を示す図面である。図68では、D=8.0(mm)とした場合の、光源31Aからの光に対する正面方向強度分布を示している。図68の横軸は、X軸方向での光源31Aに対する位置を示しており、縦軸は強度(任意単位)を示している。図68は、実施例4におけるシミュレーション2の結果を示す図面である。図68の横軸はX軸方向での光源31Aに対する位置を示しており、縦軸は最大強度で規格化した規格化強度を示している。
比較例2では、シミュレーション1,2の結果に示したように、一つの光源31Aに対する強度分布が線形変化領域51を有しない。これに対して、実施例14〜17では、シミュレーション1,2の結果に示したように、一つの光源31Aに対する強度分布が線形変化領域51を有する。更に、実施例14〜17及び比較例2のそれぞれにおけるシミュレーション1,2の結果の比較から理解できるように、光源31Aと光拡散板40との間の距離が変わっても、強度分布は同様の特性を有する。従って、光拡散板40から例えば100mm離れた位置に光源31を配置して測定した強度分布が一定の条件(例えば、条件(a),(b))を満たしている場合、光拡散板40に対して所定の距離Dで配置された一つの光源31Aに対する強度分布も同様の条件を満たすものとなる。従って、光拡散板40から100mm離して光源31Aを配置して、凸状部41Aの形状を検査してもよいことが分かる。
Claims (11)
- 第1の面から入射した光が前記第1の面と反対側に位置する第2の面から出射可能な光制御板であって、
第1の方向に延在すると共に、前記第1の方向に直交する第2の方向に並列配置された複数の凸状部が前記第2の面に形成されており、
前記凸状部の前記第1の方向に直交する断面において、当該凸状部の前記第2の方向に対する両端をとおる軸線をx軸とし、前記x軸上において前記両端の中心をとおり前記x軸に直交する軸線をz軸とし、前記凸状部のx軸方向の長さをwaとしたとき、
前記断面において前記凸状部の輪郭形状が、−0.475wa≦x≦0.475waの範囲において、式(1)を満たすz(x)で表される、
光制御板。
ただし、式(1)において、zB(x)=z0(x)×r(rは、0.95以上1.05以下の定数である)であり、z0(x)は式(2)で表される。
(式(2)中、haは0.27wa以上且つ1.02wa以下の定数であり、kaはー0.38以上且つ0.00以下の定数である) - 前記凸状部の屈折率が1.48以上且つ1.62以下である、請求項1記載の光制御板。
- 前記凸状部の屈折率が1.48以上且つ1.50未満であり、
前記haが0.34wa以上且つ1.02wa以下であり
前記kaが−0.38以上且つ−0.06以下である、請求項1記載の光制御板。 - 前記凸状部の屈折率が1.50以上且つ1.52未満であり、
前記haが0.33wa以上且つ0.99wa以下であり
前記kaが−0.35以上且つ−0.06以下である、請求項1記載の光制御板。 - 前記凸状部の屈折率が1.52以上且つ1.54未満であり、
前記haが0.31wa以上且つ0.98wa以下であり
前記kaが−0.33以上且つ−0.05以下である、請求項1記載の光制御板。 - 前記凸状部の屈折率が1.54以上且つ1.56未満であり、
前記haが0.30wa以上且つ0.96wa以下であり
前記kaが−0.30以上且つ−0.05以下である、請求項1記載の光制御板。 - 前記凸状部の屈折率が1.56以上且つ1.58未満であり、
前記haが0.29wa以上且つ0.94wa以下であり
前記kaが−0.29以上且つ−0.03以下である、請求項1記載の光制御板。 - 前記凸状部の屈折率が1.58以上且つ1.60未満であり、
前記haが0.28wa以上且つ0.92wa以下であり
前記kaが−0.27以上且つ−0.02以下である、請求項1記載の光制御板。 - 前記凸状部の屈折率が1.60以上且つ1.62以下であり、
前記haが0.27wa以上且つ0.87wa以下であり
前記kaが−0.27以上且つ0.00以下である、請求項1記載の光制御板。 - 請求項1〜9の何れか一項に記載の光制御板と、
互いに離間して配置されており、前記光制御板の前記第1の面に光を供給する複数の光源と、を備える、
面光源装置。 - 請求項1〜9の何れか一項に記載の光制御板と、
互いに離間して配置されており、前記光制御板の前記第1の面に光を供給する複数の光源と、
複数の前記光源から出力され前記光制御板を通過した光によって照明されて画像を表示する透過型画像表示部と、
を備える、
透過型画像表示装置。
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