JP7097831B2 - 表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、表示装置に関する。

特許文献１には、発光ダイオードをマトリクス状に配列し、発光ダイオードを発光させて画像を表示する表示装置が開示されている。この表示装置は、基板に配列された発光ダイオードからの光束を収束させるレンズを備えている。このレンズは、上下方向の光束の収束性が左右方向の光束の収束性よりも高くなっている。これにより、左右方向では表示される画像を視認することができる角度を広くしつつ、上下方向では光束をより強く収束させて、画像の輝度を高くする。この結果、表示装置は、屋外に設置された場合に、多くの観察者から画像を視認し易いディスプレイとなる。

特開平６―１０４４８８号公報

特許文献１には、発光色が異なる発光素子が内蔵された発光ダイオードを用いた表示装置も開示されている。この表示装置では、いずれかの発光素子の位置は、レンズの光軸からずれる。例えば、発光色が異なる発光素子が左右方向に配列されていた場合には、いずれかの発光素子の位置は、レンズの光軸に対して左右方向にずれる。

上記特許文献１に開示された表示装置において、画像の輝度をさらに高めるには、レンズの左右方向の収束性を強くする必要がある。しかしながら、レンズの左右方向の収束性を強くすれば、レンズの光軸に対する発光素子の左右方向の位置ずれにより、レンズから射出される各色の光束の左右方向の射出角度のずれが大きくなる。各色の光束の左右方向の射出角度のずれは、左右方向の角度に応じて各色の光束の混色状態が変化する現象を引き起こす。この現象を、一般にカラーシフトと呼ぶ。カラーシフトにより、見る角度によっては、画像は意図した表示色とは異なる色で視認される。

画像として表示される情報は、図形又は文字だけではなく、色によって表現される場合もある。特に、警告又は注意喚起を目的とする情報は、色で表現することが定着している。したがって、表示装置でこのような情報を表示する場合には、角度によらず、色を正確に表示できるようにすることが求められる。

本発明は、上記実情の下になされたものであり、カラーシフトを抑制しつつ、表示される画像の輝度を高めることができる表示装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る表示装置は、発光色が異なる発光素子が一列に配列された発光ダイオードと、発光ダイオードが、二次元配列されて実装される基板と、発光ダイオードと一対一で形成され、発光素子からの光束を収束させるレンズと、を備える。隣接する発光ダイオード同士では、発光素子の発光色の配列順が逆となり、レンズでは、発光ダイオードにおける発光素子の配列方向に沿った収束性が、画面に平行な方向であって、配列方向に垂直な方向に沿った収束性よりも低くなっている。レンズにおいて、配列方向に関する焦点距離が、配列方向に垂直な方向に関する焦点距離よりも長くなっており、配列方向に関する入射面の形状が、配列方向に垂直な方向に関する形状よりも凹んだ形状となっている。

本発明に係る表示装置によれば、隣接する発光ダイオード同士で、各色の光束の輝度分布の偏りを相殺することができるので、カラーシフトを抑制しつつ、画像の輝度を高めることができる。

本発明の実施の形態１に係る表示装置の構成を示す斜視図 発光ダイオードの構成を示す斜視図 図２Ａのａ－ａ線断面図 図２Ａのｂ－ｂ線断面図 光源モジュールの一部の拡大図 図３のＡ－Ａ線断面図 図３のＢ－Ｂ線断面図 図３のＡ－Ａ線断面における光路図 図３のＢ－Ｂ線断面における第１の光路図 図３のＢ－Ｂ線断面における第２の光路図 図３のＢ－Ｂ線断面における第３の光路図 図３のＢ－Ｂ線断面における主光線の光路図 図３のＡ－Ａ線方向のレンズの射出光の輝度分布を示す図 図３のＢ－Ｂ線方向のレンズの射出光の輝度分布を示す図 図３のＢ－Ｂ線断面に沿って隣接する発光ダイオード同士の各色の光束の進行方向を示す図 図３のＢ－Ｂ線方向における平均化された輝度分布を示す図 図３のＢ－Ｂ線方向に関するレンズの焦点距離を短くした場合の１つの発光ダイオードでの輝度分布を示す図 図３のＢ－Ｂ線方向に関するレンズの焦点距離を短くした場合の表示装置全体での輝度分布を示す図 本発明の実施の形態２に係る表示装置における、図３のＡ－Ａ線断面に関する光路図 本発明の実施の形態２に係る表示装置における、図３のＢ－Ｂ線断面に関する光路図 本発明の実施の形態３に係る表示装置における、図３のＡ－Ａ線断面に関する光路図 本発明の実施の形態３に係る表示装置における、図３のＢ－Ｂ線断面に関する光路図 本発明の実施の形態４に係る表示装置における、図３のＡ－Ａ線断面に関する光路図 本発明の実施の形態４に係る表示装置における、図３のＢ－Ｂ線断面に関する光路図

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。各図面においては、同一または同等の部分に同一の符号を付している。

実施の形態１．
まず、本発明の実施の形態１について説明する。
＜全体構成の説明＞
図１に示すように、表示装置１００は、表示される画像の画素となる光源を有する光源モジュール１と、光源モジュール１上に配置されるマトリクスレンズ２と、マトリクスレンズ２上に設置される遮光ルーバー３と、を備える。

図１では、光源モジュール１と、マトリクスレンズ２と、遮光ルーバー３とがそれぞれ分離された状態で図示されている。実際には、光源モジュール１、マトリクスレンズ２及び遮光ルーバー３は、互いに積層され、近接して配置される。

本実施の形態では、図１の左右方向をＸ軸方向とし、上下方向をＹ軸方向とし、光源モジュール１、マトリクスレンズ２及び遮光ルーバー３の積層方向をＺ軸方向とする。表示装置１００では、＋Ｚ方向に向けて画像が表示される。観察者は、＋Ｚ側からその画面を観察する。このため、Ｚ軸方向を前後方向とする。

光源モジュール１は、光源モジュール１の基板である電子基板４と、光源である発光ダイオード５と、を備える。電子基板４は、矩形平板状の基板である。電子基板４の四辺のうち上辺及び下辺はＸ軸方向に沿って延びており、左辺と右辺はＹ軸方向に沿って延びている。

発光ダイオード５は、電子基板４の＋Ｚ面にマトリクス状に二次元配列されて実装されている。この発光ダイオード５の配列により、画像を表示する画面が形成される。電子基板４には、発光ダイオード５を駆動する駆動回路が形成されている。駆動回路は、上位装置から入力される画像情報に従って発光ダイオード５を駆動し、発光ダイオード５が画素として発光することにより画像が形成される。

マトリクスレンズ２は、全体として外形が光源モジュール１と同じ矩形平板状の透明の部材である。マトリクスレンズ２には、レンズ１０ａが設けられている。マトリクスレンズ２は、マトリクス状に二次元配列されたレンズ１０ａを一体成型したものである。レンズ１０ａは、電子基板４に実装された発光ダイオード５に一対一で対応する位置に設けられている。レンズ１０ａは、発光ダイオード５から出射した光を収束させる。

遮光ルーバー３には、レンズ１０ａから射出される光束を通す開口１１が設けられている。開口１１は、マトリクスレンズ２のレンズ１０ａに一対一で対応した位置に設けられている。開口１１には、レンズ１０ａがはめ込まれる。

開口１１の周囲には、マトリクスレンズ２に日射又は照明光が入射するのを防ぐための遮光部１２、１３が設けられている。遮光部１２は、開口１１の左右に設けられており、遮光部１３は、開口１１の上下に設けられている。

遮光部１２、１３は、光源モジュール１及びマトリクスレンズ２に外光が入射するのを防止する。さらに、遮光部１２、１３は、レンズ１０ａ及びその周囲から外部へ不要な光が射出されるのを防止する。遮光部１２、１３により、レンズ１０ａから射出される光束が進む方向は一定の角度範囲に制限される。この角度範囲を視野角という。

＜各構成要素の詳細＞
表示装置１００の構成要素について、より詳細に説明する。まず、光源モジュール１の発光ダイオード５について説明する。

図２Ａに示すように、発光ダイオード５は、一般的に３ｉｎ１ＬＥＤ（Light Emitting Diode）と呼ばれる表面実装型デバイスである。発光ダイオード５は、発光色が異なる発光素子５ａ、５ｂ、５ｃと、発光素子５ａ、５ｂ、５ｃが実装されるパッケージ６と、パッケージ６内の発光素子５ａ、５ｂ、５ｃを封止する封止部材７と、を備える。発光素子５ａは赤色光を発し、発光素子５ｂは青色光を発し、発光素子５ｃは緑色光を発する。

パッケージ６には、底面が平らな凹部が設けられており、凹部に発光素子５ａ、５ｂ、５ｃが実装されている。発光素子５ａ、５ｂ、５ｃは、パッケージ６内において、一列に離間して配列されている。本実施の形態では、発光素子５ａ、５ｂ、５ｃの配列方向をｂ－ｂ線方向とし、画面に平行な方向であって、ｂ－ｂ線方向に垂直な方向をａ－ａ線方向とする。

封止部材７は、透明の樹脂で形成されており、発光ダイオード５の光学系を構成する。図２Ｂ及び図２Ｃに示すように、発光ダイオード５の封止部材７の光軸をＣとする。封止部材７は、平板状となっているため、発光ダイオード５内の発光素子５ａ、５ｂ、５ｃから射出される光束の主光線は、電子基板４の法線方向に進む。

図２Ｂに示すように、ａ－ａ線方向に関して、発光素子５ａ、５ｂ、５ｃの位置は、光軸Ｃと同じである。図２Ｃに示すように、発光素子５ｂは、発光ダイオード５の光軸Ｃ上に配置されており、発光素子５ａ、５ｃは、光軸Ｃ外に配置されている。

図３に示すように、発光ダイオード５は、発光素子５ａ、５ｂ、５ｃがＹ軸方向、すなわち上下方向に一列に配列されるように実装される。なお、図３では、発光素子５ａ、５ｂ、５ｃをそれぞれ区別するため、発光素子５ａを横線のハッチングで示し、発光素子５ｂを無地で示し、発光素子５ｃを縦のハッチングで示している。

隣接する発光ダイオード５同士では、発光素子５ａ、５ｂ、５ｃの発光色の配列順が逆となっている。例えば、図３において、中央の発光ダイオード５では、上から発光素子５ａ、５ｂ、５ｃの順に並んでいる一方、その左右上下の発光ダイオード５では、上から発光素子５ｃ、５ｂ、５ａの順に並んでいる。この発光色の配列順は、隣接する発光ダイオード５同士を、互いに光軸Ｃを中心に１８０度反転して実装することで実現される。

図４Ａ及び図４Ｂに示すように、発光ダイオード５の光軸Ｃは、レンズ１０ａの光軸ＡＸと一致している。以下では、光軸ＡＸ及び光軸Ｃを単に、光軸ＡＸと表す。なお、図４Ａ及び図４Ｂでは、マトリクスレンズ２及び遮光ルーバー３の断面も示されており、表示装置１００全体の断面が示されている。

図４Ａに示すように、Ａ－Ａ線断面においては、レンズ１０ａ内を光軸ＡＸと平行に進む光線ＩＬは、レンズ１０ａの光射出面４２で屈折し、後側焦点ＦＰＡ１で光軸ＡＸと交差する。レンズ１０ａの後側主点Ｈ１から後側焦点ＦＰＡ１までの距離が、レンズ１０ａの焦点距離ＦＬ１である。

図４Ｂに示すように、Ｂ－Ｂ線断面においては、レンズ１０ａ内を光軸ＡＸと平行に進む光線ＩＬは、レンズ１０ａの光射出面４２で屈折して、後側焦点ＦＰＢ１で光軸ＡＸと交差する。レンズ１０ａの後側主点Ｈ１から後側焦点ＦＰＢ１までの距離が、レンズ１０ａの焦点距離ＦＬ２である。

図４Ａ及び図４Ｂを比較するとわかるように、レンズ１０ａの光射出面４２の形状は、互いに直交するＡ－Ａ線断面とＢ－Ｂ線断面とで異なっている。この形状の違いにより、それぞれの断面における焦点距離ＦＬ１、ＦＬ２が異なるようになる。より具体的には、レンズ１０ａでは、発光ダイオード５の発光素子５ａ、５ｂ、５ｃの配列方向に沿ったＢ－Ｂ線断面に関する焦点距離ＦＬ２が、発光素子５ａ、５ｂ、５ｃの配列方向に直交する方向に沿ったＡ－Ａ線断面に関する焦点距離ＦＬ１よりも長くなっている。これにより、レンズ１０ａの収束性は、Ａ－Ａ線方向がＢ－Ｂ線方向よりも強くなっている。ここで、収束性とは、光束を収束させる性能を示す。収束性が高いとは、物点から屈折光学系に入射した光線が光学系内部で屈折した場合に、その光線が、光軸ＡＸにより近づく方向に進むことを意味する。

続いて、本実施の形態１に係る表示装置１００の動作及び作用について説明する。図５に示すように、Ａ－Ａ線断面では、発光素子５ｂから射出された光束は、放射状に発散する発散光となって進んで行く。

図５では、その発散光のうち、主光線を光線ＩＬ１とし、主光線以外の光線を光線ＩＬ２、ＩＬ３として示している。主光線としての光線ＩＬ１は、光軸ＡＸ上を進み、光線ＩＬ２、ＩＬ３は、光軸ＡＸを中心に互いに線対称となるように広がって進む。光線ＩＬ１、ＩＬ２、ＩＬ３は、レンズ１０ａを透過する。この際、光線ＩＬ１は、入射面４１に垂直に入射しているため、そのまま光軸ＡＸ上を進む。一方、発光素子５ｂから射出された光線ＩＬ２、ＩＬ３は、レンズ１０ａの作用を受けて屈折する。

図５に示すように、光線ＩＬ２は、レンズ１０ａなしでは点線で示す方向に進むところ、レンズ１０ａにより光軸ＡＸに近づく方向に屈折する。また、光線ＩＬ３は、レンズ１０ａなしでは点線で示す方向に進むところ、レンズ１０ａにより光軸ＡＸに近づく方向に屈折する。このように、発光素子５ｂから射出された光束は、レンズ１０ａにより収束する。レンズ１０ａの収束作用により、この光束で形成される画像の輝度を高くすることができる。Ａ－Ａ線方向については、発光素子５ａ、５ｃから射出された光線ＩＬ１、ＩＬ２、ＩＬ３の進み方も、上述の発光素子５ｂから射出された光線ＩＬ１、ＩＬ２、ＩＬ３の進み方と同じである。

図６Ａに示すように、Ｂ－Ｂ線断面では、発光素子５ｂから射出された光束は、放射状に発散する発散光となって進んで行く。図６Ａでは、その発散光のうち、主光線を光線ＩＬ１とし、主光線以外の光線を光線ＩＬ２、ＩＬ３として示している。

主光線としての光線ＩＬ１は、光軸ＡＸ上を進み、光線ＩＬ２、ＩＬ３は、光軸ＡＸを中心に互いに線対称となるように広がって進む。光線ＩＬ１、ＩＬ２、ＩＬ３は、レンズ１０ａの入射面４１に入射する。入射した光は、レンズ１０ａの作用を受けて屈折し、レンズ１０ａの光射出面４２から射出される。

光線ＩＬ２は、レンズ１０ａなしでは点線で示す方向に進むところ、レンズ１０ａにより点線よりも光軸ＡＸに近づく方向に屈折して進む。光線ＩＬ３は、レンズ１０ａなしでは点線で示す方向に進むところ、レンズ１０ａにより点線よりも光軸ＡＸに近づく方向に屈折して進む。

このように、Ｂ－Ｂ線断面において、発光素子５ｂから射出された発散光は、レンズ１０ａにより収束する。この収束作用により、発散光により形成される画像の輝度が高くなる。ただし、図６ＡのＢ－Ｂ線断面に関する光束の収束性は、図５に示すＡ－Ａ線断面に関する光束の収束性よりも低くなっている。

また、図６Ｂに示すように、Ｂ－Ｂ線断面において、発光素子５ａから射出された光束も放射状に発散する発散光となって進み、レンズ１０ａにより屈折し収束する。ただし、発光素子５ａは光軸ＡＸ上にないため、発光素子５ａから射出された主光線としての光線ＩＬ１は、レンズ１０ａの光射出面４２から射出された後、レンズ１０ａの光軸Ｃと角度－αをなす方向に進行する。角度－αの大きさは、図４Ｂに示すレンズ１０ａの焦点距離ＦＬ１に依存し、焦点距離ＦＬ１が長いほど角度－αは０に近づく。

光線ＩＬ２は、レンズ１０ａなしでは、点線で示す方向に進むところ、レンズ１０ａにより、点線よりも光軸ＡＸに近づく方向に屈折して進む。光線ＩＬ３は、レンズ１０ａなしでは点線で示す方向に進むところ、レンズ１０ａにより、点線よりも光軸ＡＸに近づく方向に屈折して進む。このように、発光素子５ａから射出された発散光は、レンズ１０ａにより収束する。この収束作用により、発散光により形成される画像の輝度が高くなる。ただし、図６ＢのＢ－Ｂ線方向に関する収束性は、図５に示すＡ－Ａ線断面に関する光束の収束性よりも低くなっている。

さらに、図６Ｃに示すように、Ｂ－Ｂ線断面において、発光素子５ｃから射出された光束も放射状に発散する発散光となって進み、レンズ１０ａにより屈折して収束する。ただし、発光素子５ｃは光軸ＡＸ上にないため、主光線としての光線ＩＬ１は、レンズ１０ａから射出された後、レンズ１０ａの光軸Ｃに対して角度＋αをなす方向に進行する。角度＋αは、レンズ１０ａの焦点距離ＦＬ２に依存し、焦点距離ＦＬ２が長いほど角度＋αは０に近づく。

また、光線ＩＬ２は、レンズ１０ａなしでは、点線で示す方向に進むところ、レンズ１０ａにより点線よりも光軸ＡＸに近づく方向に屈折して進む。光線ＩＬ３は、レンズ１０ａなしでは点線で示す方向に進むところ、レンズ１０ａにより点線よりも光軸ＡＸに近づく方向に屈折して進む。このように、発光素子５ｃから射出された発散光は、レンズ１０ａにより収束する。この収束作用により、発散光により形成される画像の輝度が高くなる。ただし、図６ＣのＢ－Ｂ線方向に関する収束性は、図５に示すＡ－Ａ線断面に関する光束の収束性よりも低くなっている。

図７に示すように、Ｂ－Ｂ線方向に発光素子５ａ、５ｂ、５ｃが配列されている場合、Ｂ－Ｂ線断面において、レンズ１０ａの光軸ＡＸ上にある発光素子５ｂから射出された光束は、光軸ＡＸ上を進む。レンズ１０ａの光軸ＡＸ上にない発光素子５ａ、５ｃから射出された光束は、レンズ１０ａで屈折し、主光線としての光線ＩＬ１は、光軸ＡＸから離れるように進行する。

図８Ａに示すように、Ａ－Ａ線方向に関して発光素子５ａ、５ｂ、５ｃから射出される光束の光軸ＡＸからの角度に対する輝度分布は、太い実線のようになる。図８Ａにおいて、横軸は、レンズ１０ａの光軸ＡＸからの角度［°］を示し、縦軸は、その角度［°］から見たときの光束の輝度［ｃｄ／ｍ^２］を示している。図８Ａ以降の輝度分布では、横軸、縦軸の単位は、図８Ａと同じである。Ａ－Ａ線方向では、発光素子５ａ、５ｂ、５ｃから射出された光束は、揃った状態で収束している。このため、光軸ＡＸ上にある発光素子５ａ、５ｂ、５ｃから射出された光束の輝度分布は、ほぼ一致しており、光軸ＡＸに対して線対称となる。

図８Ａでは、レンズ１０ａを除いた場合の発光素子５ａ、５ｂ、５ｃから射出された光束の輝度分布も細い実線で示している。太い実線と細い実線とを比較すると、レンズ１０ａにより、光束の輝度が高められていることがわかる。また、発光素子５ａ、５ｂ、５ｃの輝度分布が揃っているため、カラーシフトもほとんど生じていない。

図８Ｂに示すように、図３のＢ－Ｂ線方向のレンズ１０ａの射出光の輝度分布は、太い実線に示すようになる。Ｂ－Ｂ線方向では、光軸ＡＸ上にある発光素子５ｂから射出された光束の輝度分布は、光軸ＡＸに対して線対称となる。

図８Ｂでは、レンズ１０ａを除いた場合の発光素子５ｂから射出された光束の輝度分布も細い実線で示している。太い実線と細い実線とを比較すると、レンズ１０ａにより、発光素子５ｂから射出される光束の輝度が高められていることがわかる。

なお、図８ＢのＢ－Ｂ線方向における発光素子５ａ、５ｂ、５ｃから射出される光束の輝度分布の角度範囲は、図８ＡのＡ－Ａ線方向の輝度分布の角度範囲よりも広がっている。Ｂ－Ｂ線方向の輝度分布の角度範囲が、Ａ－Ａ線方向の輝度分布より広がっているのは、図４Ａ及び図４Ｂに示すように、レンズ１０ａにおいて、Ｂ－Ｂ線断面に関する焦点距離ＦＬ２の方が、Ａ－Ａ線断面に関する焦点距離ＦＬ１よりも長いためである。言い換えると、Ｂ－Ｂ線方向に沿ったレンズ１０ａによる光束の収束性が、Ａ－Ａ線方向に沿ったレンズ１０ｂによる光束の収束性よりも低いためである。

図８Ｂに示すように、発光素子５ａ、５ｃから射出された光の輝度分布は、それぞれ発光素子５ｂの輝度分布を、角度±αの近傍にピークを持つように変形させたような分布となっている。このように、Ｂ－Ｂ線方向では、発光素子５ａ、５ｂ、５ｃの光束の輝度分布が互いに大きく異なっているため、一組の発光ダイオード５及びレンズ１０ａのみでは、左右方向にカラーシフトが生じる。

図９に示すように、カラーシフトを改善するために、隣接する発光ダイオード５同士は、光軸ＡＸに関して１８０度回転した向きで配置されている。このようにすれば、隣接する発光ダイオード５同士で、射出される光束の進み方および光束の輝度分布も１８０度反転する。

隣接する発光ダイオード５を１８０°逆向きとすることにより、発光ダイオード５における発光素子５ａ、５ｂ、５ｃの並ぶ順番、すなわち配色順が逆となる。このため、表示装置１００全体では、図１０に示すように、発光素子５ａ、５ｃから射出された光束の輝度分布は、その偏りが相殺されて平均化され、発光素子５ｂから射出された光束の輝度分布に近似するようになる。これにより、カラーシフトが低減される。

ここで、各色の輝度分布の平均化によりカラーシフトを良好に改善することができるのは、図４Ａ及び図４Ｂに示すように、Ａ－Ａ線方向に関する焦点距離ＦＬ１よりも、Ｂ－Ｂ線方向に関する焦点距離ＦＬ２を長くしている場合である。Ｂ－Ｂ線方向に関する焦点距離ＦＬ２を短くすると、レンズ１０ａで屈折する主光線としての光線ＩＬ１の光軸ＡＸからの角度α、－αが大きくなる。

Ｂ－Ｂ線方向の焦点距離ＦＬ２を短くして、光線ＩＬ１の光軸ＡＸからの角度αを大きくした場合には、図１１に示すように、光軸ＡＸ上にない発光素子５ａ、５ｃから射出された光束の輝度分布の偏り度合いが大きくなりすぎる。偏り度合いが大きくなりすぎると、図１２に示すように、表示装置１００全体での各色の輝度分布にも偏りが残ってカラーシフトを改善することが困難になるうえ、光軸ＡＸ上の輝度が低くなり、表示される輝度を高めることも困難になる。

また、Ａ－Ａ線方向の焦点距離ＦＬ１自体を非常に長くすれば、Ｂ－Ｂ線方向の焦点距離ＦＬ２を焦点距離ＦＬ１より短くしてもカラーシフトを小さく抑制することができる。しかしながら、Ａ－Ａ線方向の収束性が低いため、表示される画像の輝度を高めるのが困難になる。Ａ－Ａ線方向の焦点距離ＦＬ１及びＢ－Ｂ線方向の焦点距離ＦＬ２は、輝度の高さ及びカラーシフトの抑制が適切に行われるように設定されるのが望ましい。

次に、より望ましいレンズの形状について説明する。上記実施の形態１では、発光素子５ａ、５ｂ、５ｃとレンズ１０ａとの間の距離は同じであった。そこで、以下の実施の形態では、レンズの入射面４１および光射出面４２の凹凸の組合せを最適化することによって、レンズの前側焦点を移動させ、レンズから射出される光束の指向性を上げながら、カラーシフトの少ない良好な画像特性が得られる表示装置１００が得られる。

実施の形態２．
本発明の実施の形態２について説明する。図１３Ａ及び図１３Ｂに示すように、本実施の形態に係る表示装置１００は、レンズ１０ａの代わりに、レンズ１０ｂを備えている点が、上記実施の形態１に係る表示装置１００と異なる。

レンズ１０ｂは、図１３Ａに示すように、入射面４１のＡ－Ａ線方向に沿った面形状を平面とし、図１３Ｂに示すように、入射面４１のＢ－Ｂ線方向に沿った面形状を凹曲面としている。すなわち、本実施の形態では、発光素子５ａ、５ｂ、５ｃからの光束を入射するレンズ１０ａの入射面４１が、発光素子５ａ、５ｂ、５ｃの配列方向に関して凹曲面となっている。

レンズ１０ｂの焦点距離ＦＬ１、ＦＬ２は、上記実施の形態１に係るレンズ１０ａと同じである。レンズ１０ｂは、焦点距離ＦＬ１、ＦＬ２を一定に保ちつつ、レンズ１０ａから入射面４１の面形状を変形したものである。なお、焦点距離ＦＬ１、ＦＬ２を固定しつつ、入射面４１の面形状を変形した場合、光射出面４２もそれに合わせて変形する。

図１３Ａには、レンズ１０ｂのＡ－Ａ線方向に関する後側主点Ｈ１、後側焦点ＦＰＡ１、前側主点Ｈ２及び前側焦点ＦＰＡ２が示されている。前側主点Ｈ２と、前側焦点ＦＰＡ２との距離が、焦点距離ＦＬ１となる。また、図１３Ｂには、レンズ１０ｂのＢ－Ｂ線方向に関する後側主点Ｈ１、後側焦点ＦＰＢ１、前側主点Ｈ２及び前側焦点ＦＰＢ２が示されている。前側主点Ｈ２と、前側焦点ＦＰＢ２との距離が、焦点距離ＦＬ２となる。

レンズ１０ｂは、図１３Ａ及び図１３Ｂに示すように、Ａ－Ａ線方向の焦点距離ＦＬ１よりもＢ－Ｂ線方向の焦点距離ＦＬ２のほうが長くなっており、前側焦点ＦＰＡ２よりも前側焦点ＦＰＢ２の方がレンズ１０ｂから遠い位置にある。また、発光素子５ａ、５ｂ、５ｃは、光軸ＡＸの方向に関して、レンズ１０ｂの前側焦点ＦＰＢ２とレンズ１０ｂとの間に位置している。このため、発光素子５ｂから発せられ、レンズ１０ｂから射出される光束は、拡散光となる。すなわち、Ｂ－Ｂ線方向においては、レンズ１０ｂにおいても、Ｂ－Ｂ線方向の焦点距離ＦＬ２が長いことによる収束性の低さに加え、発光素子５ａ、５ｂ、５ｃとレンズ１０ｂとの間の距離の近さのため、その光射出面４２から射出される光束の指向性が低くなっており、収束性がさらに低下する。

図１３Ｂに示すように、レンズ１０ｂでは、入射面４１がＢ－Ｂ線方向に沿って凹曲面となっているため、後側主点Ｈ１、前側主点Ｈ２は、上記実施の形態１のレンズ１０ａと比べて光束の進行方向にシフトする。焦点距離ＦＬ２は入射面４１が平面であるレンズ１０ａと同じであるため、前側焦点ＦＰＢ２、後側焦点ＦＰＢ１も光束の進行方向にシフトする。これにより、前側焦点ＦＰＢ２とレンズ１０ｂの凹曲面のレンズ頂点までの距離、すなわちバックフォーカスＢＦ２はレンズ１０ａのバックフォーカスよりも短くなり、前側焦点ＦＰＢ２は、発光素子５ａ、５ｂ、５ｃに近づく。

図１３Ｂに示すように、前側焦点ＦＰＢ２が発光素子５ａ、５ｂ、５ｃに近づけば、例えば発光素子５ｂから射出される光線ＩＬ２、ＩＬ３は、レンズ１０ｂを経た後、光軸ＡＸに近づくようになる。図１３Ｂでは、レンズ１０ｂによる光線ＩＬ２、ＩＬ３の光路が実線で示され、レンズ１０ａによる光線ＩＬ２、ＩＬ３の光路が点線で示されている。図１３Ｂに示すように、レンズ１０ｃによる光線ＩＬ２、ＩＬ３の光路が光軸ＡＸに近づいており、より収束性が高まっているのがわかる。このことは、発光素子５ａ、５ｃから射出される光線ＩＬ２、ＩＬ３についても同様である。

このように、本実施の形態によれば、Ｂ－Ｂ線方向に関するレンズ１０ｂによる収束性を高め、指向性の高い射出光を得ることができる。この結果、画像の輝度をさらに高めることができる。また、本実施の形態では、Ｂ－Ｂ線断面に関するレンズ１０ｂの焦点距離ＦＬ２はレンズ１０ａと同じである。このため、Ｂ－Ｂ線断面の光軸ＡＸ上にない発光素子５ａ、５ｃから射出される主光線としての光線ＩＬ１の光軸ＡＸに対する角度αはレンズ１０ａのときと同じである。したがって、レンズ１０ｂにより、カラーシフトを増大させることはない。以上述べたように、本実施の形態によれば、レンズ１０ｂの入射面４１を凹曲面化することによって、カラーシフトを抑えつつ、画像の輝度をさらに高めることができる。

なお、本実施の形態では、レンズ１０ｂの入射面４１において、Ｂ－Ｂ線方向に関する面形状を凹曲面としたが、Ａ－Ａ線方向に関する面形状を凹曲面としてもよい。この場合には、入射面４１のＢ－Ｂ線方向の凹曲面の曲率をＡ－Ａ線方向の凹曲面の曲率よりも大きくすることによって、レンズ１０ｂと同様の効果を得ることができる。

実施の形態３．
次に、本発明の実施の形態３について説明する。本実施の形態に係る表示装置１００は、レンズ１０ａの代わりに、レンズ１０ｃを備えている点が、上記実施の形態１に係る表示装置１００と異なる。

レンズ１０ｃは、図１４Ａに示すように、入射面４１のＡ－Ａ線方向に沿った面形状を凸曲面とし、図１４Ｂに示すように、入射面４１のＢ－Ｂ線方向に沿った面形状を平面としている。すなわち、本実施の形態では、発光素子５ａ、５ｂ、５ｃからの光束を入射するレンズ１０ｂの入射面の直交方向に沿った面形状が、凸曲面である。

レンズ１０ｃの焦点距離ＦＬ１、ＦＬ２は、上記実施の形態１に係るレンズ１０ａと同じである。レンズ１０ｃは、焦点距離ＦＬ１、ＦＬ２を一定に保ちつつ、レンズ１０ａに対して入射面４１の形状を変形したものである。なお、焦点距離ＦＬ１、ＦＬ２を固定しつつ、入射面４１の形状を変形した場合、光射出面４２もそれに合わせて変形する。

レンズ１０ｃは、図１４Ａ及び図１４Ｂに示すように、Ａ－Ａ線方向の焦点距離ＦＬ１よりもＢ－Ｂ線方向の焦点距離ＦＬ２のほうが長くなっており、前側焦点ＦＰＡ２よりも前側焦点ＦＰＢ２の方がレンズ１０ｂから遠い位置にある。また、発光素子５ａ、５ｂ、５ｃは、光軸ＡＸの方向に関して、レンズ１０ｃの前側焦点ＦＰＢ２とレンズ１０ｃとの間に位置している。このため、発光素子５ｂから発せられ、レンズ１０ｃから射出される光束は、拡散光となる。すなわち、レンズ１０ｃにおいても、Ｂ－Ｂ線方向の焦点距離ＦＬ２が長いことによる収束性の低さに加え、発光素子５ａ、５ｂ、５ｃとレンズ１０ｃとの間の距離の近さのため、その光射出面４２から射出される光束の指向性が低くなって、収束性がさらに低下する。

図１４Ａに示すように、レンズ１０ｃは、入射面４１のＡ－Ａ線方向に沿った面形状が凸曲面となっているため、後側主点Ｈ１、前側主点Ｈ２は、上記実施の形態１のレンズ１０ａと比べて光束の進行方向の反対側にシフトする。これに伴い、焦点距離ＦＬ１が同じで入射面４１が平面であるレンズ１０ａと比較すると、前側焦点ＦＰＡ２、後側焦点ＦＰＡ１は光束の進行方向の反対側にシフトする。これにより、前側焦点ＦＰＡ２とレンズ１０ｃの凸曲面のレンズ頂点までの距離、すなわちバックフォーカスＢＦ１は図４Ａに示すレンズ１０ａのバックフォーカスＢＦ１よりも長くなる。

この場合、収束性を高めるために、レンズ１０ｃを発光素子５ａ、５ｂ、５ｃから遠ざけて配置することができる。発光素子５ａ、５ｂ、５ｃをレンズ１０ｃから遠ざけて配置すると、発光素子５ａ、５ｂ、５ｃの位置を、Ｂ－Ｂ線方向の前側焦点ＦＰＢ２に近づけることができる。これにより、Ｂ－Ｂ線方向の収束性もより高くすることができる。

図１４Ｂでは、Ｂ－Ｂ線断面におけるレンズ１０ｃによる光線ＩＬ２、ＩＬ３の光路が実線で示され、上記実施の形態１に係るレンズ１０ａによる光線ＩＬ２、ＩＬ３の光路が点線で示されている。図１４Ｂに示すように、レンズ１０ｃによる光線ＩＬ２、ＩＬ３の光路の方が光軸ＡＸに近づいており、より収束性が高まっているのがわかる。このように、本実施の形態によれば、焦点距離ＦＬ１、ＦＬ２を一定に保ちつつ、光束の収束性を高め、より指向性の高い射出光を得ることができるようになる。この結果、カラーシフトを発生させることなく、表示される画像の輝度をさらに高めることができる。

実施の形態４．
次に、本発明の実施の形態４について説明する。図１５Ａ及び図１５Ｂに示すように、本実施の形態に係る表示装置１００は、レンズ１０ａの代わりに、レンズ１０ｄを備えている点が、上記実施の形態１に係る表示装置１００と異なる。

レンズ１０ｄは、図１５Ａに示すように、入射面４１のＡ－Ａ線方向に沿った面形状を凸曲面とし、図１５Ｂに示すように、入射面４１のＢ－Ｂ線方向に沿った面形状を凹曲面としている。すなわち、本実施の形態では、発光素子５ａ、５ｂ、５ｃからの光束を入射するレンズ１０ａの入射面４１の面形状は、発光素子５ａ、５ｂ、５ｃの配列方向に関して凹曲面となっており、発光素子５ａ、５ｂ、５ｃの配列方向の直交方向に関して凸曲面となっている。

レンズ１０ｄの焦点距離ＦＬ１、ＦＬ２は、上記実施の形態１に係るレンズ１０ａと同じである。レンズ１０ｄは、焦点距離ＦＬ１、ＦＬ２を一定に保ちつつ、レンズ１０ａに対して入射面４１の形状を変形したものである。なお、焦点距離ＦＬ１、ＦＬ２を固定しつつ、入射面４１の形状を変形した場合、光射出面４２もそれに合わせて変形する。

レンズ１０ａをレンズ１０ｄに代えることによって、上記実施の形態２、３と同様に、発光素子５ａ、５ｂ、５ｃの位置を、Ｂ－Ｂ線方向の前側焦点ＦＰＢ２に近づけることができる。具体的には、レンズ１０ｄの入射面４１のＢ－Ｂ線方向に沿った面形状を凹曲面とすることにより、図１５Ｂに示すバックフォーカスＢＦ２を短くして、Ｂ－Ｂ線方向に関するＩＬ２、ＩＬ３を光軸ＡＸに近づく方向に屈折させる。さらに、レンズ１０ｄの入射面４１のＡ－Ａ線方向に沿った面形状を凸曲面とすることにより、Ｂ－Ｂ線方向に関するＩＬ２、ＩＬ３をさらに光軸ＡＸに近づく方向に屈折させる。これにより、レンズ１０ｄによる光束の収束性をさらに高めることができる。

図１５Ｂでは、発光素子５ｂから発せられる光線ＩＬ２、ＩＬ３の光路が示されている。レンズ１０ｄによる光線ＩＬ２、ＩＬ３の光路は実線で示され、レンズ１０ｄによる光線ＩＬ２、ＩＬ３の光路は一点鎖線で示され、レンズ１０ｃによる光線ＩＬ２、ＩＬ３の光路は点線で示されている。図１５Ｂに示すように、レンズ１０ｄによる光線ＩＬ２、ＩＬ３の光路の方がレンズ１０ｂ、１０ｃよりも光軸ＡＸに近づいており、光束の収束性がより高まっているのがわかる。その結果、カラーシフトを抑えつつ画像の輝度をさらに高めることができる。

以上詳細に説明したように、上記各実施の形態によれば、隣接する発光ダイオード５同士で、各色の光束の輝度分布の偏りを相殺することができるので、カラーシフトを抑制しつつ、画像の輝度を高めることができる。

なお、上記各実施の形態によれば、隣接する発光ダイオード５同士を１８０度逆にして電子基板４に実装したが、本発明はこれには限られない。発光素子の発光色の配列順が逆である２種類の発光ダイオードを隣接する発光ダイオードとして交互に配列するようにしてもよい。

また、上記各実施の形態では、赤色の発光素子５ａ、青色の発光素子５ｂ、緑色の発光素子５ｃに順に並ぶ発光ダイオードを用いた。しかしながら、本発明はこれには限られない。赤、緑、青の順であってもよいし、青、赤、緑の順であってもよい。また、発光ダイオード５における発光素子の数は、２つでもよいし、４つ以上であってもよい。

なお、上記各実施の形態では、発光素子５ａ、５ｂ、５ｃの配列方向をＹ軸方向としたが、本発明はこれには限られない。発光素子５ａ、５ｂ、５ｃの配列方向をＸ軸方向としてもよいし、Ｘ軸方向及びＹ軸方向と交差する方向としてもよい。発光素子５ａ、５ｂ、５ｃの配列方向は、左右方向の視野角を広げるか、上下方向の視野角を広げるかによって決定することができる。この場合でも、用いるレンズについて、発光素子５ａ、５ｂ、５ｃの配列方向に沿った光束の収束性が、配列方向の直交方向に沿った光束の収束性よりも低く設定されていればよい。

また、上記各実施の形態では、レンズ１０ａ～１０ｄがマトリクス状に配列されたマトリクスレンズ２を備えることとした。しかしながら、本発明はこれには限られない。レンズ１０ａ～１０ｄを個別に発光ダイオード５にそれぞれ取り付けるようにしてもよい。

また、上記各実施の形態では、マトリクスレンズ２の外縁部を箱状に成形して、光源モジュール１とマトリクスレンズ２との間を密閉することにより、光源モジュール１への水の浸入又は塵の侵入を防止することができる。

上記各実施の形態に係る表示装置１００は、特定の情報を表示する装置として用いることができる。例えば、高速道路に用いられる道路交通情報の表示装置である。特定の情報表示用の装置の中には、情報を伝達する必要がある角度範囲が限定され、左右又は上下に広い視野角を必要としないものも多い。このような場合には、レンズ１０ａによるＡ－Ａ線方向又はＢ－Ｂ線方向の光束の収束性を高めて、画像の輝度を可能な限り高くすることが可能である。

情報表示用の表示装置では、点灯時間が長いため、消費電力が問題となる。特に近年の省エネルギー化の社会の流れにおいて、消費電力を低減することが急務となっている。上記各実施の形態に係る表示装置１００は、発光ダイオード５から射出される光の強度を上げることなく、発光ダイオード５から射出される光を収束させて、画像の輝度を高くしている。これにより、消費電力の増大を防ぐことができる。

また、上記各実施の形態では、遮光部１２、１３は、開口１１の上側と下側、もしくは左側と右側で形状が同じであったが、本発明はこれには限られない。遮光部１２、１３は、開口１１の上側と下側、もしくは左側と右側で形状が異なっていてもよい。

また、開口１１に対する遮光部１２、１３の形成位置が異なってもよい。また、日射又は照明の影響を無視できる場合には、遮光部１２、１３の全部又は一部を省略したり、遮光部１２、１３の前方向への突出する長さを短くしたりするようにしてもよい。また、観察者が見る方向が特定の角度範囲に限定されている場合にも、遮光部１２、１３の全部又は一部を省略したり、遮光部１２、１３の形状を調整したりすることができる。

この発明は、この発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この発明を説明するためのものであり、この発明の範囲を限定するものではない。すなわち、この発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。

１ 光源モジュール、２ マトリクスレンズ、３ 遮光ルーバー、４ 電子基板、５ 発光ダイオード、５ａ，５ｂ，５ｃ 発光素子、６ パッケージ、７ 封止部材、１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ レンズ、１１ 開口、１２，１３ 遮光部、４１ 入射面、４２ 光射出面、１００ 表示装置、ＢＦ１，ＢＦ２ バックフォーカス、Ｃ、ＡＸ 光軸、ＦＰＡ１，ＦＰＢ１ 後側焦点、ＦＰＡ２，ＦＰＢ２ 前側焦点、ＦＬ１，ＦＬ２ 焦点距離、Ｈ１ 後側主点、Ｈ２ 前側主点、ＩＬ，ＩＬ１，ＩＬ２，ＩＬ３ 光線

Claims (4)

1. 発光色が異なる発光素子が一列に配列された発光ダイオードと、
   前記発光ダイオードが、二次元配列されて実装される基板と、
   前記発光ダイオードと一対一で形成され、前記発光素子からの光束を収束させるレンズと、
   を備え、
   隣接する前記発光ダイオード同士では、前記発光素子の前記発光色の配列順が逆となり、
   前記レンズでは、前記発光ダイオードにおける前記発光素子の配列方向に沿った収束性が、画面に平行な方向であって、前記配列方向に垂直な方向に沿った収束性よりも低くなっており、
   前記レンズにおいて、前記配列方向に関する焦点距離が、前記配列方向に垂直な方向に関する焦点距離よりも長くなっており、前記配列方向に関する入射面の形状が、前記配列方向に垂直な方向に関する形状よりも凹んだ形状となっている、
   表示装置。
2. 前記発光素子からの光束を入射する前記レンズの入射面の前記配列方向に沿った面形状が、凹曲面である、
   請求項１に記載の表示装置。
3. 前記発光素子からの光束を入射する前記レンズの入射面の前記配列方向に垂直な方向に沿った面形状が、凸曲面である、
   請求項１に記載の表示装置。
4. 前記レンズから射出される光束を通す開口が設けられた遮光ルーバーを備える、
   請求項１から３のいずれか一項に記載に表示装置。

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