JP5531631B2 - 隠蔽構造体を備えた照明ユニット、照明装置、表示装置 - Google Patents
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Description
図16、図17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16に示す液晶表示装置200は、概略で光源182と、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17に示すように、BEF185は、透明基材186上に断面三角形状の単位プリズム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。
即ち、第一の発明は、光源と、前記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と射出する射出面と、入射光を前記射出面へと導く光偏向面とを有する導光体と、前記射出面とは反対側の面から射出する光を反射して前記導光体へと導く反射シートとを少なくとも有する面光源装置と、前記面光源装置の光射出面側に隠蔽構造体を備えてなる照明ユニットであって、前記導光体は、前記光偏向面に、該導光体に入射された光を前記射出面側へと導く光偏向要素を備え、前記光偏向要素は、第一の方向に第一のピッチP1で略等間隔に配列され、かつ前記第一の方向とは略直交する第二の方向に前記第一のピッチP1よりも大きい第二のピッチP2で略等間隔に配列してなる二次元配列の第一の光偏向要素群と第二の光偏向要素群を有し、前記第一の光偏向要素群と前記第二の光偏向要素群は、前記第一の方向に互いに前記第一のピッチP1の1/2ピッチずれて配置されているとともに前記第二の方向に互いに前記第二のピッチP2の1/2ピッチずれて配置され、前記隠蔽構造体は、第一主面と前記面光源装置の光射出面に対向する第二主面とを備えたフィルム状の部材からなり、前記第一主面には、前記第一の方向と平行な方向に延在し前記第二の方向に複数配列された第一のレンズと、前記第二の方向と平行な方向に延在し前記第一の方向に複数配列された第二のレンズが互いにクロスするように形成されてなり、さらに、前記第二のレンズを形成せずに、前記第一のレンズのみを互いに接するように配列したシートを前記面光源装置に載せたときの輝度をI1とし、前記第一のレンズを形成せずに、前記第二のレンズのみを互いに接するように配列したシートを前記面光源装置に載せたときの輝度をI2とすると、I2/I1が1.1よりも大きいことを特徴とする照明ユニットである。
ここで式2は、前記第一のレンズの単一レンズピッチを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。
図1は、本発明の第一の実施の形態における隠蔽構造体8を備える照明ユニット3、及び該照明ユニット3を具備する照明装置2、表示装置1の概略断面図であり、各部位の縮図は実際とは一致しない。
図1に示す表示装置1は、画像表示素子12と、この画像表示素子12の光入射側に臨ませて配置された照明装置2を備える。
照明装置2は、照明ユニット3と、一枚以上の光学シート9、偏光分離シート28を備える。
照明ユニット3は、面光源装置4と、隠蔽構造体8を備える。
面光源装置4は、導光板7、光源6、及び反射板5を含んで構成される。
導光板7の観察者側Fとは反対側の面には、すなわち、出射面と反対側の面には光偏向面17が形成される。光偏向面17には、光源6からの入射光を射出面側へと偏向する光偏向要素18が形成され、光偏向要素18としては、例えば白色拡散反射ドットが印刷される。また別の例としては、マイクロレンズ形状やプリズム形状等の構造物が挙げられる。
光偏向要素18は、第一の方向にP1のピッチで配列され、第二の方向にP2のピッチで配列される二次元配置とされる。ここで第一の方向、及び第二の方向は、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。
導光板7の光偏向面17に形成される光偏向要素18が第二の方向にP2のピッチで配列される。光偏向要素18によって進路を変えられた光のうち、該光偏向要素18からP2/2だけ離れた距離で導光板7の光射出面に到達し、射出される光をLとしたとき、隠蔽構造体8の第二主面への入射角度θiは、導光板の屈折率n0と厚さt、及びP2/2より求められる。
式1は、入射角θiで入射した光を正面方向に屈折させるために必要な第一のレンズ14の接線角度αを規定している。
従って第一のレンズ14が多数配置された隠蔽構造体8の第2主面13b側から、略ランバート光を射出する点光源を設置したとき、隠蔽構造体8の第1主面13a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7の光偏向面17に形成される光偏向要素18であらゆる方向に進路を変更された光のうち、導光板7の光射出面より射出される光は、そ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。すなわち、例えば図2で示されたような円形の光偏向要素18の各々を点光源としてみたとき、導光板7の光射出面側に第一のレンズ14が配置された隠蔽構造体8を配し、第1主面13a側から観察すると、円形の光偏向要素18が線状に広がって見える。このとき、第一のレンズ14の第1主面13aとの接点における接線角度αが式1を満たしていると、図7に示されるように線状に広がって見える隣り合う光偏向要素18が重なるため、光偏向要素18の隠蔽性が向上する。
ここで、図8に示されるように、線状光のピーク輝度位置が、点光源の直上となる(図中実線で示される輝度分布)ような第一のレンズ14であることが望ましい。または、線状光のピーク輝度位置が、点光源の直上以外に存在した場合(図中点線で示される輝度分布)には、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%以下となる第一のレンズ14であることが望ましい。
従って、点光源の直上にピーク輝度を有するか、点光源の直上以外にピーク輝度が存在する場合は、ピーク輝度と点光源の直上輝度との比が200%以下となるように、線状に光が広がる第一のレンズ14であることが、隠蔽性を向上させるため望ましい。
ここで式2は、第一のレンズ14の単一レンズピッチを1と正規化した際の式であり、図9に示されるように、zは第一のレンズ14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の形状と定義される。ここで、微調整として、式2で定義された形状の第一のレンズ14を、レンズの高さ方向、或いは幅方向に拡大、または縮小しても良い。各係数k、1/R、A、B、Cの値が設定値に入らない場合、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は第一のレンズ14の断面詳細図である。単一レンズピッチがQ1であり、高さがH1、第1主面13aとの接角α、及び頂部フィッティング曲率半径R1で表される。ここで頂部フィッティング曲率半径R1とは、非球面形状である第一のレンズ14の頂部の曲率半径を表し、単一レンズピッチQ1に対して10%の領域における曲率半径とここでは定義する。
このとき、頂部フィッティング曲率半径R1は、単一レンズピッチQ1に対して、1/2未満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。集光性能が高まるためである。
一方で頂部の曲率半径を小さくし過ぎると、非常に単位レンズ高さH1が大きな非球面形状となり、また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R1は、単一レンズピッチQ1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H1は、単一レンズピッチQ1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隠蔽性能も低くなるためである。
つまり、隠蔽構造体8の第二のレンズ15を配列しないで第一のレンズ14のみを互いに接するように配列したシートを作製し、面光源装置4の上にこのシートを1枚だけ搭載したときの輝度をI1とし、逆に隠蔽構造体の第一のレンズ14を配列しないで第二のレンズ15のみを互いに接するように配列したシートを作製し、このシートを1枚だけ搭載した面光源装置4の輝度をI2とすると、I2/I1が1.1よりも大きいことが必要である。
上記条件を満たさない場合、つまりI2/I1が1.1以下の場合、第二のレンズ15の集光効果が足りないため、第一のレンズ14と第二のレンズ15をクロスさせたときに、第二のレンズ15による輝度上昇効果が小さくなり、第二のレンズ15を形成する必要性が失われるからである。
しかし、第二のレンズ15をプリズム形状としても、以下で説明するように、第一のレンズ14と第二のレンズ15の配列ピッチや高さを制御することで、隠蔽性を大きく悪化させること無く、輝度を上昇させることが可能になる。
光偏向要素18aは、隠蔽構造体8の第一のレンズ14により線状スポットS1aと、第二のレンズ15により点状スポットS2aに変換される。光偏向要素18bは、隠蔽構造体8の第一のレンズ14により線状スポットS1bと、第二のレンズ15により点状スポットS2bに変換される。
隣り合う光偏向要素18a、18bから発生する点状スポットと線状スポットが重なる場合、つまり、スポットS1aとスポットS2bもしくはスポットS1bとスポットS2aが互いに重なる場合、重なった部分が強い輝点となって隠蔽性が悪化する場合がある。また、この場合、光偏向要素18aと18bの間に光が広がらないため、第一の方向に平行な方向で明暗差が強く発生してしまうことも、隠蔽性悪化の要因となる。
点状スポットS2aとS2bが互いに重なる場合もありうるが、この場合は、光偏向要素18aと18bのちょうど中間部分で重なるため、光偏向要素18aと18bの間の明るさが高まり、逆に隠蔽性は向上する。
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、特に大型な表示装置1としてテレビ用途を挙げる際、水平視野が広いことが望まれる。三角プリズムレンズ24は集光性能が高い分、視野を狭くする。一方、第一のレンズ14は拡散性能と集光性能とを両立する。従って、第一のレンズ14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24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、高い集光効果を得ることが出来る。
画像表示素子12は、液晶表示素子であることが好ましい。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。
隠蔽構造体8の材料としてポリカーボネート樹脂を用いた。ポリカーボネート樹脂は屈折率が約1.59と高いため、より集光性能、及び拡散性能が高い隠蔽構造体8を得ることが出来る。隠蔽構造体8の第一のレンズ14、第二のレンズ15は、ポリカーボネート樹脂を用いて、押出成形により形成した。
<面光源装置の作製>
面光源装置4を以下のように作製した。
まず、4mm厚の導光板7を用意し、光源6としてLEDを、導光板7の側面4辺に設置した。導光板7の光偏向面17には、白色の反射インキを印刷法によって形成した。白色の反射インキは、光偏向面17に規則的に配置し、光源6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7中心に近づくほど大きさを大きくしたものである。白色の反射インキの配列方向は、第1の方向と表示装置1の画面垂直方向とを一致させ、第一の方向の配列ピッチP1を約1.15mm、第二の方向の配列ピッチP2を約2mmピッチとした。導光板7の光偏向面17側には反射シート5を配置し、面光源装置4が得られた。
<照明装置の作製>
照明装置2を以下のようにして作製した。
まず、面光源装置4の光射出面側に隠蔽構造体8を配置し、照明ユニット3を作製した。隠蔽構造体8は、凸レンチキュラーレンズが延在する方向と、導光板7の光偏向要素18が配列される第一の方向とを一致させた。さらに、隠蔽構造体8の上に、集光シート9としてBEF(3M社製)を、三角プリズムレンズの延在する方向と、隠蔽構造体8を構成する凸レンチキュラーレンズの延在する方向とが平行になるように配置し、更にその上に偏光分離反射シート28としてDBEF(3M社製)を配置し、照明装置2が得られた。
<輝度評価について>
以下で述べる方法で、作製した隠蔽構造体8の輝度評価を行った。
最初に、隠蔽構造体8の第一のレンズ14と同形状の凸レンチキュラーレンズが、平坦部が存在しないように配列したシートをリファレンス用シートとして別途作製した。作製方法は、隠蔽構造体8と同じく、ポリカーボネート樹脂の押し出し成型で作製した。
面光源装置4に前記リファレンス用シートを載せ、その上にBEFを三角プリズムレンズの延在する方向がリファレンス用シートのレンズが延在する方向と平行になるように配置し、さらにその上にDBEFを載せ、正面輝度の測定を行った。正面輝度の測定は、TOPCON製分光放射輝度計SR3を使用した。このとき測定された輝度値をIrefとする。
次に、面光源装置4に隠蔽構造体8を載せ、その上にBEFを三角プリズムの延在する方向が第一のレンズ14が延在する方向と平行になるように配置し、さらにその上にDBEFを載せて照明装置2を組み立て、正面輝度の測定を行った。このとき測定された輝度値をI0とする。
計算式 I0/Iref より、隠蔽構造体8の輝度比を算出した。輝度比が1.01以上の値が得られたものに関して、輝度上昇効果が○との判定を行った。輝度比がそれよりも小さい場合、測定誤差との切り分けが難しいので、輝度上昇効果は×と判定した。
<隠蔽性評価について>
隠蔽性の評価は、照明装置2を目視で見たときに、白色の反射インキが視認されるかどうか確認し、視認された場合は×、視認されない場合は○とした。
第一のレンズ14として凸レンチキュラーレンズを形成した。さらに、第一のレンズ14の間には、第一のレンズ14よりも高さの低い第二のレンズ15を直交するように配列した。
凸レンチキュラーレンズは、式2から定義し、単位ピッチQ1を100μm、配列ピッチQ1+Δ1を105μm(Δ1/Q1≒0.05)、頂部フィッティング曲率半径R1が40μm、単位レンズ高さH1が40μmとした。
さらに、第一のレンズ14の間には、第一のレンズ14よりも高さの低い第二のレンズ15を直交するように配列した。第二のレンズ15は、単位ピッチQ2が20μm、配列ピッチQ2+Δ2が20μm(Δ2=0)、頂角が90°のプリズムとした。
第一のレンズ14の配列ピッチQ1+Δ1を111μm(Δ1/Q1≒0.1)に変更し、その他のパラメータは実施例1と同様の隠蔽構造体8を作製した。
第一のレンズ14の配列ピッチQ1+Δ1を125μm(Δ1/Q1=0.2)に変更し、その他のパラメータは実施例1と同様の隠蔽構造体8を作製した。
第一のレンズ14の配列ピッチQ1+Δ1を102μm(Δ1/Q1≒0.02)に変更し、その他のパラメータは実施例1と同様の隠蔽構造体8を作製した。
第一のレンズ14の配列ピッチQ1+Δ1を142μm(Δ1/Q1≒0.3)に変更し、その他のパラメータは実施例1と同様の隠蔽構造体8を作製した。
隠蔽構造体8の第1主面13aに、第二のレンズ15として、単位ピッチQ2が20μm、配列ピッチQ2+Δ2が60μm(Δ2/Q2≒0.67)、頂角が90°のプリズムを形成した。
さらに、第二のレンズ15の間には、第二のレンズ15よりも高さの低い第一のレンズ14を直交するように配列した。
第一のレンズ14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は、式2から定義し、単位ピッチQ1が20μm、配列ピッチQ1+Δ1が20μm、頂部フィッティング曲率半径R1が8μm、単位レンズ高さH1が8μmとした。
第二のレンズ15の配列ピッチQ2+Δ2を100μm(Δ2/Q2=0.8)に変更し、その他のパラメータは実施例4と同様の隠蔽構造体8を作製した。
第二のレンズ15の配列ピッチQ2+Δ2を40μm(Δ2/Q2=0.5)に変更し、その他のパラメータは実施例4と同様の隠蔽構造体8を作製した。
第二のレンズ15の配列ピッチQ2+Δ2を120μm(Δ2/Q2=0.83)に変更し、その他のパラメータは実施例4と同様の隠蔽構造体8を作製した。
第一のレンズ14が配列したシート(リファレンス用シート)と、第二のレンズ15(頂角90°のプリズム)が配列したシートを、それぞれ用意した。それらのシートを面光源装置4の上に配置し、正面輝度を測定した。
第一のレンズ14を配列したシートの輝度をI1、第二のレンズ15を配列したシートの輝度をI2とすると、測定の結果、I2/I1 は1.20となり、第二のレンズ15の集光能力が、第一のレンズ14の集光能力と比べて十分に高いことが確認できた。
隠蔽構造体8の第一主面13aに、第一のレンズ14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は、式2から定義し、単位ピッチQ1を100μm、配列ピッチQ1+Δ1を105μm(Δ1/Q1≒0.05)、頂部フィッティング曲率半径R1が40μm、単位レンズ高さH1が40μmとした。
さらに、第一のレンズ14の間には、第一のレンズ14よりも高さの低い第二のレンズ15を直交するように配列した。第二のレンズ15は、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は、式2から定義し、単位ピッチQ2を40μm、配列ピッチQ2+Δ2を40μm(Δ2=0μm)、頂部フィッティング曲率半径R2が7μm、単位レンズ高さH2が22μmとした。
第一のレンズ14の配列ピッチQ1+Δ1を111μm(Δ1/Q1≒0.1)に変更し、その他のパラメータは実施例6と同様の隠蔽構造体8を作製した。
第一のレンズ14の配列ピッチQ1+Δ1を125μm(Δ1/Q1=0.2)に変更し、その他のパラメータは実施例6と同様の隠蔽構造体8を作製した。
第一のレンズ14の配列ピッチQ1+Δ1を102μm(Δ1/Q1≒0.02)に変更し、その他のパラメータは実施例6と同様の隠蔽構造体8を作製した。
第一のレンズ14の配列ピッチQ1+Δ1を142μm(Δ1/Q1≒0.3)に変更し、その他のパラメータは実施例6と同様の隠蔽構造体8を作製した。
その結果、I2/I1は1.11が得られ、第二のレンズ15の集光能力が第一のレンズ14の集光能力よりも十分高いことが確認できた。
4…面光源装置、5…反射板、6…光源、7…導光板、8…隠蔽構造体、9…集光シート、10…偏光板、11…液晶、12…画像表示素子、13…基材、13a…第一主面、
13b…第二主面、14…第一のレンズ、15…第二のレンズ、17…光偏向面、
18…光偏向要素、23…基材、24…線状レンズ、28…偏光分離シート、
Q1…第一のレンズの単位ピッチ、Δ1…第一のレンズの間隙、
Q1+Δ1…第一のレンズの配列ピッチ、
Q2…第二のレンズの単位ピッチ、Δ2…第二のレンズの間隙、
Q2+Δ2…第二のレンズの配列ピッチ、
S1a、S1b…第一のレンズによる線状スポット、
S2a、S2b…第二のレンズによる点状スポット
Claims (15)
- 光源と、前記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と射出する射出面と、入射光を前記射出面へと導く光偏向面とを有する導光体と、前記射出面とは反対側の面から射出する光を反射して前記導光体へと導く反射シートとを少なくとも有する面光源装置と、前記面光源装置の光射出面側に隠蔽構造体を備えてなる照明ユニットであって、
前記導光体は、前記光偏向面に、該導光体に入射された光を前記射出面側へと導く光偏向要素を備え、
前記光偏向要素は、第一の方向に第一のピッチP1で略等間隔に配列され、かつ前記第一の方向とは略直交する第二の方向に前記第一のピッチP1よりも大きい第二のピッチP2で略等間隔に配列してなる二次元配列の第一の光偏向要素群と第二の光偏向要素群を有し、前記第一の光偏向要素群と前記第二の光偏向要素群は、前記第一の方向に互いに前記第一のピッチP1の1/2ピッチずれて配置されているとともに前記第二の方向に互いに前記第二のピッチP2の1/2ピッチずれて配置され、
前記隠蔽構造体は、第一主面と前記面光源装置の光射出面に対向する第二主面とを備えたフィルム状の部材からなり、
前記第一主面には、前記第一の方向と平行な方向に延在し前記第二の方向に複数配列された第一のレンズと、前記第二の方向と平行な方向に延在し前記第一の方向に複数配列された第二のレンズが互いにクロスするように形成されてなり、さらに、
前記第二のレンズを形成せずに、前記第一のレンズのみを互いに接するように配列したシートを前記面光源装置に載せたときの輝度をI1とし、
前記第一のレンズを形成せずに、前記第二のレンズのみを互いに接するように配列したシートを前記面光源装置に載せたときの輝度をI2とすると、I2/I1が1.1よりも大きい、
ことを特徴とする照明ユニット。 - 前記第一のレンズは、断面形状が先端に丸みを帯び、湾曲側面を有する凸レンチキュラーレンズ形状であることを特徴とする請求項1に記載の照明ユニット。
- 前記第二のレンズの断面形状がプリズム形状であることを特徴とする請求項1または2に記載の照明ユニット。
- 前記隠蔽構造体の前記第二主面側に、
1点から略ランバート光を射出する点光源を、該射出光の主軸と該第二主面の法線方向とが略一致するよう配置し、
前記第二主面より入射し、前記第一主面より該第一主面の法線方向に射出される光は、前記第一のレンズの配列方向へ広がる第一の光と、前記第二のレンズの配列方向へ広がる第二の光に変換され、
前記第一の光において、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200%以下であることを特徴とする請求項1〜7に何れか1項記載の照明ユニット。 - 前記第二のレンズの断面形状が、複数の直線部の組み合わせからなる多角形プリズムであることを特徴とする、請求項1〜9に何れか1項記載の照明ユニット。
- 前記第二のレンズが、傾斜角の異なる三角プリズムの組み合わせからなることを特徴とする、請求項1〜9に何れか1項記載の照明ユニット。
- 前記第二のレンズが、任意の点での傾斜角が4°以上46°以下、もしくは、52°以上72°以下となるような、レンチキュラーレンズ、三角プリズム、多角形プリズム、もしくはそれらの組み合わせからなることを特徴とする、請求項1〜9に何れか1項記載の照明ユニット。
- 請求項1〜12の何れかに記載の照明ユニットと、さらに一枚以上の集光シート、もしくは偏光分離シート、もしくはその両方を備えることを特徴とする照明装置。
- 請求項13に記載の照明装置と、
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14に記載の表示装置。
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