JP5526763B2 - 隠蔽構造体を備えた照明装置と表示装置 - Google Patents
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Description
図26乃至図28は下記特許文献1、2に記載された輝度向上フィルムを示すものである。図26は、概略で面光源182と、面光源182から出射した光を入射させる輝度向上フィルムとしてのBEF185と、液晶パネル184とが配設されている。図27に示すように、BEF185は、透明基材186上に断面三角形の単位プリズム187が一方向に周期的に配列されてなる光学フィルムである。この単位プリズム187は光の波長に比較して大きいサイズ(ピッチ)に構成されている。
さらにまた、レンズシートと液晶パネルとの間に拡散フィルムを配置した場合には、プリズムシートに起因する射出光のサイドローブを低減させることができるとともに、規則的に配列されたレンズと液晶画素との間に生じるモアレ干渉縞を防ぐことができる。
しかしながら、どのような光偏向要素であっても、規則的にまたは規則性を有する擬似不規則的に配列された反射層や構造物で形成されるため、上述のBEF185に代表されるレンズシートとの干渉(モアレ干渉縞)の問題や、光偏向面のムラが視認されるといった問題がある。その解決手段としては、導光板とレンズシートとの間に、特許文献4に示されるような拡散フィルムを使用する方法が一般的である。
ノートパソコンや携帯情報端末等に比べて、テレビ用途としての液晶表示装置においては、十分な視野角、特に水平方向に十分な視野角が必要となる。
現在、この双方の問題を解決できる光学シートは提案されていなかった。
即ち、本発明による照明装置は、光源と、光源から射出される光を入射する入射面と入射光を観察者側へ射出する射出面と入射光を射出面へ導く光偏向要素を配設した光偏向面とを備えた導光体と、導光体の射出面から出射する光を観察者側に透過すると共に光偏向要素の画像を隠蔽する隠蔽構造体とを備えた照明装置であって、
導光体は、光偏向要素が第1の方向に第1のピッチP1で配列されていると共に第1の方向と略直交する第2の方向に第2のピッチP2で配列された二次元配列構造を有しており、
隠蔽構造体は、入射光を射出する第1主面と導光体から出射した光を入射光として入射させる第2主面とを備え、第1主面には少なくとも一方向に配列された第1の線状レンズを備え、第1の線状レンズが延在する方向と光偏向要素の第1の方向とが略平行に設定され、
第1の線状レンズは、断面形状が凸曲面からなる凸レンチキュラーレンズであり、凸曲面の任意の点における接線と第1主面とのなす角は頂部から第1主面に至るにつれて大きくなり、その最大角αが以下に示す(1)式で規定されてなると共に、
光偏向要素の第1のピッチP 1 と第2のピッチP 2 との比であるP 2 /P 1 が以下の(3)式で規定されていることを特徴とする。
1.0<P 2 /P 1 <3.0 (3)
しかも、(3)式と、第1の線状レンズの延在方向と光偏向要素の第1の方向とが略平行であることによって、光偏向要素を第2の方向に線状化できてより一層隠蔽できる。
これによって、光偏向要素の第1の方向と第2の方向におけるピッチP1とP2とが不規則に配列されることになるから、導光板の射出面側に配設する隠蔽構造体や集光シートとのモアレ干渉縞を抑制することができる。
1.4<P 2 /P 1 <2.2 (4)
(4)式と、第1の線状レンズの延在方向と光偏向要素の第1の方向とが略平行であることによって、光偏向要素を第2の方向に線状化できてよりより一層隠蔽できる。
ここで(2)式は、前記第1の線状レンズの単位レンズピッチを1と正規化した際の式であり、zは前記第一の線状レンズの高さ方向の位置関数、rは前記第一の線状レンズの幅方向位置変数である。
この構成によれば、光偏向面に設けた光偏向要素の縦方向、横方向、斜め方向における光偏向要素同士の距離が大きく異なることのない一様な距離に近づくために、照射光のムラを均一化し易くなる。
本発明の構成によれば、光偏向要素で反射して隠蔽構造体に入射する光は、点光源の直上を中心に凸レンチキュラーレンズの配列方向に広がる線状光に変換させることができるから、光偏向要素の隠蔽性を一層向上できる。
或いは、線状光のピーク輝度位置が、点光源の直上に代えて、直上を外れた位置に存在しており、点光源の直上輝度をL0、ピーク輝度をL1としたとき、L1/L0が200%以下であってもよい。
この構成を採用した場合、隠蔽構造体に入射する光は、点光源の直上を中心に凸レンチキュラーレンズの配列方向に広がる線状光に変換させられ、光偏向要素の隠蔽性を向上できる。これに対し、L1/L0が200%を超えると光偏向要素からなる点光源を線状光に広げたとしても、ピーク輝度位置が非常に光って見えるから、十分な隠蔽性を発揮できない。
従って、隠蔽構造体の第1の線状レンズで光偏向要素の線状化を広げて隠蔽性を向上できると共に、第2の線状レンズが三角プリズムレンズ形状であれば正面の集光性を向上でき、凸状レンチキュラーレンズであれば光偏向要素の像の隠蔽性を更に向上できる。
また、集光シートは、少なくとも一方向に配列された第3の線状レンズを備え、第3の線状レンズの配列方向と隠蔽構造体における第1の線状レンズの配列方向とが略直交することが好ましい。
第3の線状レンズによって光の集光性を向上できると共に、視野を狭くしないようにすることができる。
第3の線状レンズと第4の線状レンズの一方または両方が三角プリズムレンズであれば、集光機能と光偏向要素の像をスプリットすることで光偏向要素の隠蔽性を向上できる。また、第3の線状レンズと第4の線状レンズの一方または両方がレンチキュラーレンズであれば、光偏向要素の像を線状化することで光偏向要素の隠蔽性を向上できる。第3の線状レンズと第4の線状レンズがレンチキュラーレンズと三角プリズムレンズの組合せであれば隠蔽性能と集光性能を同時に向上できる。
本発明によれば、光偏向要素で反射する光のムラを抑制し、隠蔽構造体を透過させることで、光偏向要素の像の広がりによる線状化を図って光偏向要素を隠蔽すると共に正面の輝度を向上させることができる。そして、集光シートを更に配設した場合には、集光性も向上できて正面輝度を高くすることができる。
本発明によれば、第1の線状レンズである凸レンチキュラーレンズの延在方向と光偏向要素の第1の方向とが略平行であることによって、光偏向要素を第2の方向に広げて線状化できてより一層隠蔽できる上に、凸レンチキュラーレンズが鉛直方向に延在して配設されていることで、画像表示素子の水平方向の視野を広く確保して集光させることができる。
この場合には、第3の線状レンズによって水平方向の視野を狭くしないで集光性能を発揮できる。
この場合には、第3の線状レンズで光偏向要素の隠蔽性を高めると共に、第4の線状レンズによって水平方向の視野を狭くしないで集光性能を発揮できる。
また、画像表示素子が、画素単位での透過/遮光に応じて表示画像を規定することを特徴とする。
また、隠蔽構造体に凸レンチキュラーレンズを設けることで、その延在方向に略直交する方向の正面の視野角が狭くなるのを抑制すると共に、(1)式で規定する接触角αによって隠蔽構造体への入射光を正面方向に屈折させて正面の輝度を広く制御できる。
しかも、(3)式と、第1の線状レンズの延在方向と光偏向要素の第1の方向とが略平行であるとによって、光偏向要素を第2の方向に線状化できてより一層隠蔽できる。
図1は、本発明の第1実施形態による表示装置1を示すものである。
図1に示す表示装置1は、画像表示素子2と、この画像表示素子2の光入射側に配置された照明装置3とを備えたエッジライト方式のものである。
画像表示素子2は、1組の偏光板(偏光フィルム)5、6と、その間に挟持された液晶パネル7とで構成されている。液晶パネル7は、例えば2枚のガラス基板の間に液晶層が充填されて構成されている。
しかし、本発明ではこのような構成に限らず、導光板10の一方の端面のみに光源9を配置してもよく、或いは導光板10の4つの端面に光源9を配置してもよい。また導光板10は、図1に示すような平板形状に限定されることなく、楔形状等、適宜の形状を採用できる。
導光板10において、画像表示素子2側を向く光を射出する射出面10aと反対側の面には光偏向面11が形成されている。光偏向面11には、光源9からの入射光を射出面10a側へ反射させて偏向させる光偏向要素12が設けられている(図2参照)。光偏向要素12として、例えば図2に示すように、白色拡散反射ドットが光偏向面11に印刷されている。また光偏向要素12の別の例として、マイクロレンズ形状やプリズム形状等の構造物が光偏向面11に形成されていてもよい。
そのため、一般的なエッジライト方式の照明装置においては、光偏向要素12を隠蔽するため、そして射出光のムラを低減するために、導光板10の上に強い拡散性を有する拡散フィルム等が配設されている。しかしながら、このような拡散フィルムはほとんど集光性能を有していないため、輝度の低下を招き好ましくない。
光偏向要素12は、図に示すように、第1の方向にP1のピッチで配列され、第1の方向に直交する第2の方向にP2のピッチで配列されてなる二次元配置とされている。ここで第1の方向と第2の方向は、表示装置1の垂直視野及び水平視野に対して任意に選択することが出来る。
なお、導光板10の光偏向面11に対向する面には反射シート13が設けられている。
光偏向要素12は、図2に示す構成と同様に、第1の方向にP1のピッチで配列され、第2の方向にP2のピッチで配列された二次元配置構成であるが、任意の光偏向要素12が除去されている。除去され得る光偏向要素12は黒丸部12Aで示されている。
すなわち、除去される光偏向要素12が全くない場合には、図2に示される光偏向要素12の配列と全く同一構成になり、光偏向要素12は規則的に配列されることになる。しかし、黒丸部12Aとして任意に選択された光偏向要素12を除去することで、擬似的に不規則な配列にすることができる。任意に光偏向要素12を除去することで、導光板10の射出面10a側に配置された後述する他の光学部材である隠蔽構造体14や集光シート20等とのモアレ干渉縞を抑制することが出来る。
従って、光偏向要素12を適宜除去した領域では、第1の方向の配列ピッチはP1の整数(n)倍で設定され、第2の方向の配列ピッチはP2の整数(m)倍で設定されることが可能である。ここでn、mは1から10の範囲の任意の整数に設定される。n、mが10を超えると、偏向要素12の間隔が大きくなりすぎるため光の強度ムラとして視認され、望ましくない。
図4に示す例では、基材15の光入射面である第2主面15bにマイクロレンズ17が分散して備えられている。導光体10の光射出面10aは一般的に平坦面であるため、隠蔽構造体14の第2主面15bにマイクロレンズ17を設けることで、導光体10と隠蔽構造体14との密着を防止することが出来る。また第2主面15bを粗面化しても良く、粗面化した場合にはマイクロレンズ17を設けなくても良い。
なお、(1)式で、P1は上述した光偏向要素12が第1の方向に配列されるピッチ、P2は同じく第2の方向に配列されるピッチである。凸レンチキュラーレンズ16が延在する方向と光偏向要素12が配列される第1の方向とは略平行となるように、導光板10と凸レンチキュラーレンズ16とを配設する。
導光板10の光偏向面11において、光偏向要素12が第2の方向にP2のピッチで配列されている。光源9から導光板10に入射する入射光のうち光偏向要素12に入射する光は、光偏向要素12で反射して進路を変えられる。光偏向要素12で反射された光のうち、光偏向要素12の反射点から距離P2/2だけ離れた位置で導光板10の光射出面10aに到達して射出される光をLとしたとき、隠蔽構造体14の第2主面15bへの入射角度θiは、(1)式により、導光板10の屈折率n0と厚さtと光Lに関する距離P2/2より求められる。
(1)式は、入射角θiで隠蔽構造体14へ入射した光を正面方向に屈折させるために必要な凸レンチキュラーレンズ16の接線角度αを規定している。
従って、凸レンチキュラーレンズ16が多数配列された隠蔽構造体14の第2主面15b側から略ランバート光を射出する点光源を設置したと仮定して、隠蔽構造体14の第1主面15a側から点光源を観察すると、線状光源として視認される。
導光板10の光偏向面11に形成された光偏向要素12によってあらゆる方向に進路を変更される光のうち、導光板10の光射出面10aより射出される光の配光分布はランバート光とは異なるが、点光源と同義として扱うことが出来る。
ここで、図8では、凸レンチキュラーレンズ16によって第1主面15aの法線方向に屈折される光のみを図示している。図8に示されていないが、凸レンチキュラーレンズ16から出射する光は、第1主面15aに対して法線方向の光だけでなく斜め方向へ射出する光も存在する。
ここで、図8に示すように、凸レンチキュラーレンズ16から出射する線状光のピーク輝度位置が点光源9Aの直上となる、図中の実線で示す輝度分布を呈することが望ましい。そのために、そのような輝度分布を呈する凸レンチキュラーレンズ16を配設することが望ましい。
或いは、図8において、凸レンチキュラーレンズ16から出射する線状光のピーク輝度位置が、点光源の直上の両側に存在するような一点鎖線で示す輝度分布を呈するように設定してもよい。この場合には、点光源9Aの直上輝度をL0、ピーク輝度をL1としたとき、L1/L0が100%以上200%以下となるような形状の凸レンチキュラーレンズ16を配設することが望ましい。
そして、この照明装置を隠蔽構造体14の第1主面15a側から観察すると、点光源9Aが2つの点光源に分割された光の像を観察できるにすぎない。このような隠蔽構造体14では導光板10の上に配設しても光偏向要素12の隠蔽性は向上しない。
従って、点光源9Aの直上にピーク輝度を有するか、点光源の直上以外の両側にピーク輝度を有する場合には、ピーク輝度と点光源9Aの直上輝度との比が100%以上200%以下となるように、線状に光が広がる凸レンチキュラーレンズ16を形成した隠蔽構造体14が、光偏向要素12の隠蔽性を向上させるために望ましい。
ここで下記(2)式は、凸レンチキュラーレンズ16の単位レンズピッチを1と正規化した際の式である。図9に示される凸曲面は凸レンチキュラーレンズ16の単位レンズの断面形状を示すものであり、(2)式の規定を満足している。(2)式において、zは凸レンチキュラーレンズ16の高さ方向の位置関数、rは幅方向位置変数である。
図9において、斜線部が凸レンチキュラーレンズ16単体の形状である。ここで、(2)式で定義された凸レンチキュラーレンズ16の凸曲面形状を、微調整として、凸レンチキュラーレンズ16の高さ方向或いは幅方向に拡大または縮小しても良い。(2)式において、各係数k、1/R、A、B、Cの値が設定値の範囲に入らない場合には、上述したような点光源を線状化する効果が得られず、または集光効果が低くなるため望ましくない。
図10は凸レンチキュラーレンズ16の断面図である。凸レンチキュラーレンズ16のピッチがPL1であり、高さがTL1、第1主面15aとの接線Sの接線角度α、そして頂部フィッティング曲率半径がRL1で表される。
ここで、頂部フィッティング曲率半径RL1とは、非球面形状である凸レンチキュラーレンズ16の頂部の曲率半径を表す。そして、本実施形態では、頂部フィッティング曲率半径RL1は単位レンズピッチPL1に対して10%の幅領域に形成されているものであると規定する。
また、頂部フィッティング曲率半径RL1は、単位レンズピッチPL1に対して、1/2未満の長さであることが望ましい。すなわち、球面レンズに比べて頂部の曲率半径が小さくなる非球面レンズ形状であることが望ましい。これにより、集光性能が高まる。
一方で、凸レンチキュラーレンズ16の頂部の曲率半径PL1を小さくし過ぎると、単位レンズ高さTL1が非常に大きな非球面形状となり、また光偏向要素12の隠蔽性能が低下するため望ましくない。頂部フィッティング曲率半径RL1は、単位レンズピッチPL1に対して0.1以上であることが望ましい。
また単位レンズ高さTL1は、単位レンズピッチPL1に対して、0.3以上1.0未満であることが望ましい。0.3より低いと集光性能が低く、一方で1.0以上の場合、集光性能のみならず光偏向要素12の隠蔽性能も低くなるためである。
集光シート20は、図1に示すように、シート状で透光性の基材22の射出面である第1主面22a側に第3の線状レンズ23が同一方向に平行に配列されている、従来技術のBEFと略同一構成を有している。集光シート20の第1主面22aに対向する入射面は第2主面22bとされている。第2主面22bは平坦面でも良いし、粗面化された面でも良い。或いは、第2主面22bに隠蔽構造体14の第2主面15bに形成されたものと同様なマイクロレンズ17が備えられていても良いし、更に粗面化されていても良い。
第3の線状レンズ23は集光性が高いレンズであることが望ましく、例えば頂角が70度〜110度の範囲の三角プリズムレンズ23であることが望ましい。三角プリズムレンズ23の頂部は丸みを帯びても良く、丸みを帯びる範囲は、三角プリズムレンズ23の単位ピッチの20%以下であることが望ましく、10%以下であることが更には望ましい。20%を超えて丸みを帯びた場合、三角プリズムレンズ23の集光性能が大きく損なわれるためである。
湾曲プリズムレンズ23の湾曲側面としては、湾曲側面の各点における接線と、集光シート20の第1主面22aとのなす角度が20度〜70度の範囲で変化することが望ましく、更に望ましくは30度から60度の範囲である。接線と第1主面22aとの角度が20度を下回ると拡散性能と集光性能が共に弱まり、70度を超えると拡散性能は強いものの集光性能が低下する。
一般に、表示装置1はある範囲の垂直視野と水平視野とを有することが望まれるが、特に大型の表示装置1をテレビとして用いる場合、水平視野が広いことが望まれる。三角プリズムレンズ23は集光性能が高い分、視野を狭くする。一方、凸レンチキュラーレンズ16は拡散性能と集光性能とを両立できる。そのため、凸レンチキュラーレンズ16を水平視野方向に配列することで、水平視野を極端に狭めることなく集光し、三角プリズムレンズ23を垂直視野方向に配列することで、垂直視野は狭くなるが、高い集光効果を発揮することが出来る。
1.0<P2/P1<3.0 …(3)
しかも、隠蔽構造体14の第1主面15aに形成された凸レンチキュラーレンズ16の延在方向と光偏向要素12が配置される第1の方向とが略一致することが更には望ましい。(3)式で示されるように第1の方向の配列ピッチP1より、第2の方向の配列ピッチP2が大きくなるように光偏向要素12が配設される。従って、凸レンチキュラーレンズ16の延在方向と第1の方向とが略一致することで、図7に示すように、光偏向要素12が第2の方向に延びて線状化されて観察されることになり隠蔽性が向上する。
1.4<P2/P1<2.2 …(4)
従って、光偏向要素12が配置される第1の方向が、表示装置1の垂直方向と略一致することが望ましい。そうすることで、凸レンチキュラーレンズ16はその延在方向が表示装置1の画面の垂直方向に略一致し且つ水平方向に配列されるため、水平視野を極端に狭めることなく集光することが出来る。
第1の方向の配列ピッチP1に対し、第2の方向の配列ピッチP2が大きいので、第2の方向に対して光偏向要素12を線状化する向きとなるように、凸レンチキュラーレンズ16の延在する方向を第1の方向と略一致させることが望ましい。
第3の線状レンズ23は、例えば隠蔽構造体14を構成する凸レンチキュラーレンズ16と同一形状であっても良く、または(2)式から決定される別形状の凸曲面を有するレンズであっても良い。或いは、第3の線状レンズ23は、丸みを帯びた三角プリズムレンズや頂角が100度〜120度程度の三角プリズムレンズなどを垂直方向に延在させてなることによって、視野を狭くせずに集光性能を得られるレンズとして用いることができる。
そのため、第3の線状レンズ23と凸レンチキュラーレンズ16とのピッチ比を少なくとも1:2より大きく、望ましくは1:3より大きな比とし、且つ、モアレ干渉縞が最も生じづらいピッチと設定することが望ましい。更に第3の線状レンズ23と凸レンチキュラーレンズ16とを、数度傾けて互いに交差させて配列しても良い。傾ける範囲としては0度を超えて20度以下が望ましく、更に望ましくは10度以下とする。20度を超えて傾けた場合には、表示装置1の視野分布が歪となるため望ましくない。
集光シート20を透過した光が偏光反射分離シート21を通して、画像表示素子2を透過することで、透過画像の拡散による水平方向の視野角と集光による高輝度とを確保できる。
液晶表示素子は、画素単位で光を透過/遮光して画像を表示する代表的な素子であり、他の表示素子に比べて、画像品位を高くすることができるとともに、製造コストを低減することができる。そのため、画像表示素子2は液晶表示素子であることが好ましい。
導光体10の光偏向面11に配列させた光偏向要素12の第1の方向と同一の方向に隠蔽構造体14の凸レンチキュラーレンズ16を配列したから、光偏向要素12の像は光偏向要素12の第1の方向に直交する第2の方向に拡散されて線状化されて延びるため、光偏向要素12の像を隠蔽することができて、観察者側から視認できない。しかも、光偏向要素12を隠蔽するに際し、集光機能を殆ど有さない拡散シートを配設しないでよいから、輝度の低下を来すことを抑制できる。
また、隠蔽構造体14の凸レンチキュラーレンズ16は、(1)式を満たす接線角度αを有し且つ(2)式で規定する凸曲面を有する凸レンチキュラーレンズ16を、画像表示素子2の鉛直方向に延在させて水平方向に配列させたから、水平方向の視野角を狭めることがなく、十分な視野角を発揮できる。
更に、集光シート20として、三角形プリズムレンズ23を凸レンチキュラーレンズ16に略直交する方向に配列させたから、垂直方向の視野角の広がりは抑制されるが、凸レンチキュラーレンズ16と相俟って高い輝度を発揮できる。そのため、特に中型、大型の液晶表示装置等に用いた場合に、水平方向の十分な視野角と高い輝度を確保できて好ましい。
第一の変形例における表示装置1において、光偏向面11に設けた光偏向要素12が配列された第1の方向が表示装置1の水平方向と略一致するように構成した。この場合、隠蔽構造体14を構成する凸レンチキュラーレンズ16の延在方向は光偏向要素12が配列される第2の方向と略平行であることが望ましい。
そして、集光シート20を構成する第3の線状レンズ23は隠蔽構造体14を構成する凸レンチキュラーレンズ16と略直交することが望ましい。
このような構成とすることで、表示装置1の水平視野方向を狭くすることなく、最も正面方向への輝度を向上させることができる。
従って第3の線状レンズ23は図1に示すように三角プリズムレンズ形状でも良いが、頂部に丸みを帯びることがより望ましく、または、側面が湾曲したプリズムレンズ形状であることが望ましい。最も望ましくは頂部も側面も湾曲した断面凸曲面をなすレンチキュラーレンズ形状であるが、表示装置1に必要な隠蔽性能と集光性能とから適宜選ぶことが出来る。
本実施形態による隠蔽構造体14は、第1主面15aに第1の線状レンズ16として凸レンチキュラーレンズ16を備えているが、更に第1の線状レンズ16と略直交する方向に第2の線状レンズ25を備えていても良い。これを第一の変形例として図11により説明する。
図11に示す第一変形例による隠蔽構造体14において、第2の線状レンズ25は、隣接する2つの第1の線状レンズ16の間隙を埋めるように略直交する方向に複数配列されている。第2の線状レンズ25として三角プリズムレンズが開示されている。なお、第2の線状レンズ25の第1主面15aからの高さは第1の線状レンズ16の高さより低く形成されている。
しかしながら、隠蔽構造体16の基材15における第1主面15aの面積に対して第2の線状レンズ25が占める割合が多くなると、第1の線状レンズ16による隠蔽性が低下する。従って、本実施形態による表示装置1に必要な隠蔽性能と集光性能とから第1の線状レンズ16と第2の線状レンズ25の占有比率を適宜選定する必要がある。第1主面15aの面積に対して第2の線状レンズ25が占める割合は、望ましくは60%以下、更に望ましくは30%以下である。
この隠蔽構造体14は、第一変形例と同様に隣接する2つの第1の線状レンズ16(凸レンチキュラーレンズ)の間隙を埋めるように略直交する方向に第2の線状レンズ26が複数配列されている。第2の線状レンズ26は断面凸曲面をなすレンチキュラーレンズ形状とされている。
本第二変形例によれば、導光体10の光偏向面11に形成される光偏向要素12を、第1の線状レンズ16によって第2の方向へ線状化させ、第2の線状レンズ26によって第1の方向へ線状化させることができて、隠蔽性が更に向上する。
第2の線状レンズ26によるレンチキュラーレンズ26は、第1の線状レンズ16と同形状でも良く、または第1の線状レンズ16と相似形である比較的小さいレンズ形状でも良い。または、第1の線状レンズ16と全く異なるレンズ形状でも良いが、(1)式において光偏向要素12の第2の方向のピッチP2を第1の方向のピッチP1に置き換えた際に求められる接線角度α以上の接角を有することが望ましい。
図13に示す隠蔽構造体14において、隣接する第1の線状レンズ16の間隙に略半球体形状の複数のマイクロレンズ27が配設されている。或いは、図14に示す第四変形例のように、凸レンチキュラーレンズ16からなる第1の線状レンズ16が互いに密接して同一方向に配列されており、これら第1の線状レンズ16、16間の谷間を覆うようにマイクロレンズ28が形成されていてもよい。
これらマイクロレンズ27,28は凸曲面の全方位に光を拡散し、また全方位の光を集光する特徴を有する。
隠蔽構造体14が第1の線状レンズ16とマイクロレンズ27、28とを組み合わせた構成である場合、特に図14で示す第四変形例のように、第1の線状レンズ16を部分的に覆う形でマイクロレンズ28が形成された構成を採用することが好ましい。この構成によれば、隠蔽性と集光性という光学特性を得られるだけでなく、ドット状に配置されるマイクロレンズ28によって耐擦性も向上するためである。
すなわち、第1の実施形態において、導光板10の上に隠蔽構造体14を配設し、その上に集光シート20及び偏光分離反射シート21を配設した照明装置3について述べたが、本発明はこのような構成に限定されない。特に隠蔽構造体14において、第1の線状レンズ16に加えてこれに直交する方向に第2の線状レンズ25を配設することで、隠蔽性および集光性が高まる。
このように、第2の線状レンズ25を加えることで集光シート20を省略することも出来る。或いは、偏光分離反射シート21を省略するか一般的な拡散シートと置き換えることも出来る。
また、導光板10の一般例として、導光板10は透明板であって光射出面10aが略平坦である場合について説明したが、導光板10の効率向上、またはムラ消しを目的として、例えば導光板10の内部に拡散粒子を分散配置したり、または光射出面10aに凹凸形状を付与することは、本発明の主旨から外れるものではない。
そして、隠蔽構造体14は、これらの材質を用いて当該技術分野で良く知られている押出成形法、射出成型法、あるいは熱プレス成型法によって一体で形成される。または、上記成形法によって透光性の基材15を成形し、各々のレンズをUV硬化樹脂または放射線硬化樹脂を用いて、UV硬化法または放射線硬化法によって成形しても良い。集光シート20も隠蔽構造体14と同様の製法で作製することが出来る。
図15は本発明の第二実施形態に係る表示装置1の断面模式図である。本第二実施形態による表示装置30は画像表示素子2と照明装置31とで構成されている。
照明装置31において、光源9,導光板10、隠蔽構造体14は上述した第一実施形態と同一のものであり、集光シート32において相違する。照明装置31に配設された集光シート32は透光性の基材22の第1主面22aに、第3の線状レンズ33とこの第3の線状レンズ33に略直交する方向に形成された第4の線状レンズ34とを備える。
図17に示すように、台形プリズムレンズ33と三角プリズムレンズ34とは略直交して配設されているが、両レンズ33,34の交差角度範囲として90度に限定されることなく、70度〜110度の範囲で選択できる。この角度範囲外の角度となった場合には、表示装置30の視野角特性が斜め方向に歪となるため望ましくない。
また、台形プリズムレンズ33の頂部幅L3は、所望の光学特性に合わせて任意に選択できる。頂部幅L3を小さくすると台形プリズムレンズ33の光学性能が強まり、逆に頂部幅L3を大きくすると三角プリズムレンズ34の光学性能が強くなる。表示装置30が求める光学特性に合わせて、また隠蔽構造体14などの他の光学シートとの組み合わせによる効果も合わせて、適宜選択できる。
そして台形プリズムレンズ33の単位ピッチPL3と三角プリズムレンズ25の単位ピッチPL4との比は、
0.05≦PL4/PL3≦2.0 …(5)
であることが望ましい。
また、三角プリズムレンズ34のピッチPL4が、台形プリズムレンズ33のピッチPL3より小さい場合には、輝度及び半値角は問題ないが、例えば三角プリズムレンズ34のピッチPL4を20μmとしたとき、PL4/PL3が0.05であるとき、台形プリズムレンズ33のピッチPL3は400μmとなる。台形プリズムレンズ33のピッチPL3が大きくなりすぎると、画像表示素子2の周期構造と台形プリズムレンズ33の周期構造との間でモアレ干渉縞が生じやすくなるため、望ましくない。
しかしながら、第3の線状レンズ33を構成する単位レンズのピッチPL3を小さくすると、第4の線状レンズ34を構成する単位レンズのピッチPL4が小さくなり過ぎてしまうため、望ましくない。従って、PL4/PL3は0.05以上であることが望ましい。
0.05≦PL4/PL3≦1.4 …(6)
の範囲であることが望ましい。更に望ましくは、
0.05≦PL4/PL3≦1.0 …(7)
の範囲である。三角プリズムレンズ34は台形プリズムレンズ33の頂部に形成されるため、三角プリズムレンズ33の単位ピッチPL4は台形プリズムレンズ33の単位ピッチPL3と同等か、それ以下であることが望ましい。
一般に三角プリズムレンズ形状は、1つの点光源の光を2つにスプリットすることが知られている。本実施形態による集光シート32は、第3の線状レンズ33として台形プリズムレンズ33を備え、第4の線状レンズ34として三角プリズムレンズ34が台形プリズムレンズ33の頂部に複数配列して形成された構造を有している。従って、台形プリズムレンズ33によるスプリット効果と三角プリズムレンズ34によるスプリット効果とによって、1つの点光源(光偏向要素12)の光を4方向にスプリットする効果を発揮できる。
一方、導光板10の光射出面側に配設された隠蔽構造体14によって、導光板10の光偏向面11に形成された光偏向要素12の像を線状化することで隠蔽性を向上させ、更に上述した台形プリズムレンズ33及び三角プリズムレンズ34からなる二次元配置プリズムレンズ構成を備えた集光シート32によって4方向へ光即ち光偏向要素12の像をスプリットすることで、隠蔽性が更に向上する。
図18は第一変形例による集光シート32を示すものであり、第3の線状レンズ36が三角プリズムレンズであり、第4の線状レンズ37も三角プリズムレンズであり、2種の線状レンズ36,37が同じ高さで略直交して形成される。この構成によって第3及び第4の線状レンズ36、37で仕切る空間に逆ピラミッド形状の凹型38が形成される。
しかも、第4の線状レンズ41は第3の線状レンズ40の高さより低く形成されている。しかし、本変形例では、このような構成に限定されることなく、例えば第3の線状レンズ40と第4の線状レンズ41とが同じ高さに形成されていても良い。
このような構成を採用すれば、隠蔽構造体14の第1の線状レンズ16が、導光板10の光偏向面11に形成された光偏向要素12の像を第2の方向へ引き延ばして線状化し、集光シート32の第3の線状レンズ45が、光偏向要素12の像を第1の方向へ引き延ばして線状化するから、光偏向要素12の隠蔽性を高めることができる。
そして集光シート32に形成された第4の線状レンズ46が三角プリズムレンズであるため集光性能も高まるから望ましい。
この集光シート32では、第3の線状レンズ48は断面略三角形をなす三角プリズムレンズであり、第4の線状レンズ49は断面半円または半楕円のような凸曲面をなすレンチキュラーレンズである。第3の線状レンズ48は第4の線状レンズ49と略直交する方向に配列されている。しかも第4の線状レンズ49は第3の線状レンズ48よりも高さが低い上に第3の線状レンズ48の延在方向に複数平行に配列されて構成されている。
この場合にも、第四変形例による集光シート32を備えた表示装置1と同様に、隠蔽構造体14の第1の線状レンズ16と集光シート32の第4の線状レンズ49とが略直交する方向に配設される。これによって光偏向要素12の像を第1及び第2の方向へ引き延ばして線状化するから、光偏向要素12の隠蔽性を高める。
なお、表示装置1が求める配光視野特性によっては、隠蔽構造体14に設けた第1の線状レンズ16と集光シート32に設けた第3の線状レンズ48とを略直交する方向に配置しても良い。
図23に示す集光シート32は、最も隠蔽性が高まる構造を示す。すなわち、集光シート32において、基材22の第1主面22a上に、互いに直交する方向に配設された第3の線状レンズ51と第4の線状レンズ52は共に断面が凸曲面をなすレンチキュラーレンズ形状を形成している。そして、第4の線状レンズ52は第3の線状レンズ51より高さが低く且つ第3の線状レンズ51の延在方向に配列されている。
この構成によって、第二実施形態による表示装置1において、導光板10の光偏向面11に形成された光偏向要素12の像を第1及び第2の方向にそれぞれ線状化し、隠蔽性を非常に高めることができる。このような構成は、導光板10の厚みtを薄くしたい場合、または光偏向要素12の配列間隔を広く取りたい場合に有用である。
図24に示す集光シート32は、第3の線状レンズ54を断面が凸曲面をなすレンチキュラーレンズ形状に形成し、基材22の第1主面22aに互いに密接して平行に配列されている。そして、隣接する第3の線状レンズ54、第3の線状レンズ54間の谷間を覆うようにマイクロレンズ55が分散して配設された構成を有している。
本第七変形例による集光シート32を備えた、第二実施形態による表示装置1によれば、マイクロレンズ55によって全方位への拡散性を高めると共に、第3の線状レンズ54によって光偏向要素12の第2の方向への線状化を行える。
また、第3の線状レンズ54が三角プリズムレンズ形状の場合でも、生じるサイドローブを低減させることができる。
集光シート32の第1主面22aの面積に対して、マイクロレンズ55の占める割合は3%以上が望ましく、特に第3の線状レンズ55によるサイドローブを無くすには25%以上、好ましくは35%以上備えている。
(実施例1)
実施例1による表示装置1を以下のように作製した。
まず4mm厚の四角形板状の導光板10を用意し、光源9としてLEDを用いて導光板10の4辺の各端面にそれぞれ設置した。導光板10の光偏向面11には、白色の反射インキからなる光偏向要素12を印刷法によって円に形成した。白色反射インキの光偏向要素12は、光偏向面11に規則的に分散して配置し、光源9が設置されている端面に近い位置ほど大きさを小さくし、導光板10の中心に近づくほど大きさを大きくして形成した。
光偏向要素12の配列方向は、第1の方向と表示装置1の観察用の画面垂直方向(鉛直方向)とを一致させ、第1の方向の配列ピッチP1を約1.35mm、第1の方向に直交する第2の方向の配列ピッチP2を約2.4mmとした。また導光板10の光偏向面11側に反射シート13を配設した。
ポリカーボネート樹脂を用いて、押出成形により第1主面15aに、第1の線状レンズ16として凸レンチキュラーレンズを形成した。凸レンチキュラーレンズ16は(2)式に規定されており、図10に示す単位ピッチPL1を100μm、頂部フィッティング曲率半径RL1を35μm、単位レンズ高さTL1を43μmとした。
凸レンチキュラーレンズ16が延在する方向と光偏向要素12が配列される第1の方向とを一致させ、これらが表示装置1の画面垂直方向に延びるように隠蔽構造体14を導光板10の上に配設した。
また集光シート20として図1に示す第一実施形態に基づいて製作した。集光シート20としてBEF(3M社製)を用い、第3の線状レンズ23を構成する三角プリズムレンズの延在する方向と、隠蔽構造体14に配列した第1線状レンズ16である凸レンチキュラーレンズ16の延在する方向とが直交するように配置し、更に偏光分離反射シート21としてDBEF(3M社製)を配設して、照明装置3を製作した。
このようにして得られた照明装置3の上方に画像表示素子2として液晶パネル7を配設することで表示装置1を製作した。
(実施例2)
実施例2による表示装置1を以下のように作製した。
まず4mm厚の導光板10を用意し、光源9としてLEDを用いて導光板10の4辺の各端面に設置した。導光板10の光偏向面11には、光偏向要素12として白色の反射インキを印刷法によって形成した。光偏向要素12は、光偏向面11に規則的に配列し、光源9が設置されている端面に近いほど大きさを小さく、導光板10の中心に近づくほど大きさを大きくした。光偏向要素12の配列方向は、第1の方向を表示装置1の画面水平方向に一致させ、第1の方向の配列ピッチP1を約1.35mm、第2の方向の配列ピッチP2を約2.4mmピッチとした。また導光板10の光偏向面11側に反射シート13を配置した。
一方で、隠蔽構造体14の第2主面15bには、直径が100μm、高さが20μmの複数のマイクロレンズ17を、第2主面15bの面積に対して平面視で4%程度となるようにランダムに分散配置した。凸レンチキュラーレンズ16が延在する方向と、光偏向要素12が配列される第1の方向とを一致させ、すなわち表示装置1の画面水平方向に一致させて隠蔽構造体14を導光板10の上に配置した。
台形プリズムレンズ33と直交する方向に三角プリズムレンズ34を配置し、台形プリズムレンズ33の単位ピッチPL3を70μm、三角プリズムレンズ34の単位ピッチPL4を25μmとした。集光シート32の台形プリズムレンズ33と隠蔽構造体14の凸レンチキュラーレンズ16とを略直交するように配置した。
更に偏光分離反射シート21としてDBEF(3M社製)を配設して、照明装置3を製作した。
このようにして得られた照明装置3の上方に画像表示素子2として液晶パネルを配置することで表示装置1を製作した。
(実施例3)
まず4mm厚の導光板10を用意し、光源9としてLEDを用い、導光板10の4辺の端面にそれぞれ設置した。導光板10の光偏向面11には、白色の反射インキを印刷法によって光偏向要素12として形成した。光偏向要素12は、光偏向面11に規則的に分散配置し、光源9が設置されている端面に近いほど大きさを小さく、導光板10中心に近づくほど大きさを大きくした。光偏向要素12の配列方向は、第1の方向と表示装置1の画面水平方向とを一致させ、第1の方向の配列ピッチP1を約1.35mm、第2の方向の配列ピッチP2を約2.4mmピッチとした。また導光板10の光偏向面11側に反射シート13を配置した。
このような複数の凸レンチキュラーレンズ16を各々40μm離間して平行に配設し、その間隙に三角プリズムレンズ25を凸レンチキュラーレンズ16と直交する方向に配列した。三角プリズムレンズ25は、ピッチが20μm、高さが10μmであった。
集光シート20の材料としてポリカーボネート樹脂を用いて、押出成形により第1主面22aに、第3の線状レンズ23として図1に示す三角形プリズムの側面を湾曲側面とした湾曲プリズムレンズを形成した。湾曲プリズムレンズは、湾曲側面の各点における接線と、第1主面22aとのなす角度が、約30度から60度の範囲で変化する形状に設計した。単位ピッチPL3を30μmとした。集光シート20の湾曲プリズムレンズと隠蔽構造体14の凸レンチキュラーレンズ16とが略平行となるように配置した。
更に偏光分離反射シート21としてDBEF(3M社製)を準備し、照明装置3を製作した。
このようにして得られた照明装置3の上方に画像表示素子2として液晶パネルを配置することで表示装置1を製作した。
また比較例4として、実施例1の構成に対して、隠蔽構造体14に代えて、図27に示すBEF185(3M社製)を三角プリズムレンズ187の延在方向と、集光シート20であるBEF(3M社製)の三角プリズムレンズとが直交する方向となるよう配置した。
また比較例5として、実施例2の構成に対して、二次元レンズからなる集光シート20を除去して、図27に示すBEF185(3M社製)の三角プリズム187と隠蔽構造体14の凸レンチキュラーレンズ16とが直交するように配置した。
評価には正面輝度の測定に、分光放射輝度計としてSR−3A(トプコン社製)を使用し、垂直及び水平半値角の測定にはEZContrast(ELDIM社製)を使用した。隠蔽性の評価は目視によって行った。
実施例3は、比較例3と比べて輝度が約8%向上し、且つ隠蔽性についても問題なかった。比較例3と比べて水平半値角が若干狭くなるも、表示装置1として問題のないレベルであった。
2 画像表示素子
3、31 照明装置
5、6 偏光板
7 液晶パネル
9 光源
9A 点光源
10 導光板
10a 導光板の射出面
11 光偏向面
12 光偏向要素
13 反射シート
14 隠蔽構造体
15 基材
15a 第1主面
15b 第2主面
16 第1の線状レンズ、凸レンチキュラーレンズ
17 マイクロレンズ
20、32 集光シート
21 偏光分離反射シート
22 基材
22a 第1主面
22b 第2主面
23、36、40、48 第3の線状レンズ、三角プリズムレンズ
25 第2の線状レンズ、三角プリズムレンズ
26 第2の線状レンズ、レンチキュラーレンズ
27,28、55 マイクロレンズ
33 第3の線状レンズ、台形プリズムレンズ
34,37,41、46 第4の線状レンズ、三角プリズムレンズ
36,40,48 第3の線状レンズ、三角プリズムレンズ
38 凹型
43 凸レンズ
45、51、54 第3の線状レンズ、レンチキュラーレンズ
49、52 第4の線状レンズ、レンチキュラーレンズ
Claims (17)
- 光源と、該光源から射出される光を入射する入射面と入射光を観察者側へ射出する射出面と入射光を前記射出面へ導く光偏向要素を配設した光偏向面とを備えた導光体と、該導光体の射出面から出射する光を観察者側に透過すると共に前記光偏向要素の画像を隠蔽する隠蔽構造体とを備えた照明装置であって、
前記導光体は、前記光偏向要素が第1の方向に第1のピッチP1で配列されていると共に前記第1の方向と略直交する第2の方向に第2のピッチP2で配列された二次元配列構造を有しており、
前記隠蔽構造体は、入射光を射出する第1主面と前記導光体から出射した光を入射光として入射させる第2主面とを備え、前記第1主面には少なくとも一方向に配列された第1の線状レンズを備え、該第1の線状レンズが延在する方向と前記光偏向要素の第1の方向とが略平行に設定され、
前記第1の線状レンズは、断面形状が凸曲面からなる凸レンチキュラーレンズであり、前記凸曲面の任意の点における接線と前記第1主面とのなす角は頂部から第1主面に至るにつれて大きくなり、その最大角αが以下に示す(1)式で規定されてなると共に、
前記光偏向要素の第1のピッチP 1 と第2のピッチP 2 との比であるP 2 /P 1 が以下の(3)式で規定されていることを特徴とする照明装置。
1.0<P2/P1<3.0 (3)
t:導光体の厚み
n1:第1の線状レンズの屈折率
θi:隠蔽構造体へ入射する光の入射角 - 前記光偏向要素は、前記第1の方向に前記第1のピッチP1のn倍で配列され、前記第1の方向と略直交する前記第2の方向に前記第2のピッチP2のm倍で配列してなる二次元配列で配置され、
nとmは1から10の整数のいずれかをランダムに選択してなることを特徴とする請求項1に記載された照明装置。 - 前記第1のピッチP1と第2のピッチP2との比であるP2/P1が以下の(4)式によって規定されてなることを特徴とする請求項1または2に記載された照明装置。
1.4<P2/P1<2.2 (4) - 前記光偏向要素は、近接する3点の該光偏向要素を結んで描かれる三角形が略正三角形となる六方配置または六方配置から任意の光偏向要素を除去してなる配置を構成していることを特徴とする請求項1から4の何れか1項に記載された照明装置。
- 前記隠蔽構造体の第2主面側に、
1点から略ランバート光を射出する点光源を、その射出光の主軸と前記第2主面の法線方向とが略一致するよう配置した際に、
前記第2主面より入射して前記第1主面より該第1主面の法線方向に射出される光は、前記点光源の直上を中心に、前記第1の線状レンズの配列方向に広がる線状光に変換され、
前記線状光のピーク輝度位置が前記点光源の直上にあるように前記隠蔽構造体を備えたことを特徴とする請求項1から5の何れか1項に記載された照明装置。 - 前記線状光のピーク輝度位置が、前記点光源の直上に代えて、直上を外れた位置に存在しており、
前記点光源の直上輝度をL0、ピーク輝度をL1としたとき、L1/L0が100%以上で200%以下であることを特徴とする請求項6に記載された照明装置。 - 前記隠蔽構造体は、第1の線状レンズと略直交して配列される第2の線状レンズを備えることを特徴とする請求項1から7の何れか1項に記載された照明装置。
- 前記隠蔽構造体の第1主面側に、集光シートを配置したことを特徴とする請求項1から8の何れか1項に記載された照明装置。
- 前記集光シートは、少なくとも一方向に配列された第3の線状レンズを備え、
前記第3の線状レンズの配列方向と前記隠蔽構造体における第1の線状レンズの配列方向とが略直交することを特徴とする請求項9に記載された照明装置。 - 前記集光シートは、前記第3の線状レンズと略直交する第4の線状レンズを更に備えることを特徴とする請求項9または10に記載された照明装置。
- 請求項1から11の何れか1項に記載された前記照明装置と、
該照明装置から射出する光が入射する側に配設されていて表示画像を規定する画像表示素子と、
を有することを特徴とする表示装置。 - 前記隠蔽構造体の第1の線状レンズが前記画像表示素子の鉛直方向に延在して配設されていることを特徴とする請求項12に記載された表示装置。
- 前記隠蔽構造体の第1の線状レンズが前記画像表示素子の水平方向に延在して配設されている場合、前記集光レンズの第3の線状レンズが前記画像表示素子の鉛直方向に延在して配設されていることを特徴とする請求項12に記載された表示装置。
- 前記隠蔽構造体の第1の線状レンズが前記画像表示素子の水平方向に延在して配設されている場合、前記集光レンズの第4の線状レンズが前記画像表示素子の鉛直方向に延在して配設されていることを特徴とする請求項12に記載された表示装置。
- 前記照明装置と前記画像表示素子との間に、偏光分離反射シートを配設したことを特徴とする請求項12から15のいずれか1項に記載された表示装置。
- 前記表示素子が、画素単位での透過/遮光に応じて表示画像を規定することを特徴とする請求項12から16のいずれか1項に記載された表示装置。
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