JP7406582B2 - 面状照明装置 - Google Patents

Description

本発明は、面状照明装置に関する。

自動車のウインドウシールド等を利用したヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）が知られている（例えば、特許文献１、２等を参照）。このようなヘッドアップディスプレイの光源ユニットは、太陽光に晒されるウインドウシールドの近くに設置されるものであるため、太陽光による熱や迷光への対策がなされる場合が多い。

例えば、ヘッドアップディスプレイのバックライトとして用いられる面状照明装置には、その出射面側に液晶パネルが配置され、その後段には１または複数のミラーが設けられ、ウインドウシールドに投影が行われる。そのため、自動車の外部からウインドウシールドおよびミラーを通して侵入した太陽光の熱により液晶パネルや面状照明装置が劣化したり、迷光が表示に悪影響を与えたりする。

そのための対策として、面状照明装置から初段のミラーに向かう主たる光軸に対し、液晶パネルが初段のミラーと同方向に傾斜するように配置されることが多い。液晶パネルが傾斜した状態で配置されることで、投影時とは逆方向に侵入してきた太陽光が液晶パネルの表面で反射しやすくなり、液晶パネルや面状照明装置の内部への太陽光の侵入が阻止されることで、熱や迷光による問題が軽減される。

特開２０１８－８３５９３号公報 特開２０１９－６１１２８号公報

上記の液晶パネルの傾斜は、ローカルディミングに対応していない面状照明装置については特に問題がなかったが、ローカルディミングに対応した面状照明装置にあっては、コントラストや輝度均一性を低下させる新たな問題の原因となる。ローカルディミングは、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）等の光源を２次元に配置した直下型の面状照明装置において、個々の光源の光量を制御することで、同一画面内の異なるエリアのコントラスト比を大幅に高める技術である。

すなわち、この種の面状照明装置では、後段の一部のミラーとして用いられる凹面鏡により光が収束されても周縁の視認性が低下しないよう、外側に開いた配光特性が与えられることが多い。そのため、面状照明装置の主たる光軸に対して液晶パネルが傾斜して配置されることで、外側に開いた配光特性を与えるためのフィールドレンズと液晶パネルとの間に光学距離の差が生じてしまう。この光学距離の差により、ローカルディミングのゾーンエリア（ディミングゾーン）をはみだす光が発生してしまい、コントラストや輝度均一性を低下させてしまう。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、コントラストや輝度均一性を向上させることのできる面状照明装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係る面状照明装置は、複数の光源と、コンデンサレンズと、フィールドレンズと、リフレクタとを備える。前記複数の光源は、基板上に２次元に配置され、個々の発光が個別に制御されてローカルディミングが可能である。前記リフレクタは、前記基板の出射側に配置され、前記複数の光源の個々を囲む反射面を有する。前記コンデンサレンズは、前記光源の出射側に、前記基板に対して平行に配置され、前記光源から出射する光を略平行光に収束させる。前記フィールドレンズは、前記コンデンサレンズの出射側に配置され、前記基板に平行な面内の直交する少なくとも一方の方向に傾斜して配置され、前記コンデンサレンズから入射する光を外側に広げる複数のリニアプリズムが平板のいずれかの主平面に形成され、外付けされる液晶パネルとの間に均一の光学距離が確保される。

本発明の一態様に係る面状照明装置は、コントラストや輝度均一性を向上させることができる。

図１は、ヘッドアップディスプレイシステムの構成例を示す図である。 図２は、液晶パネルが装着された面状照明装置の平面図である。 図３は、図２のＡ－Ａ断面図である。 図４は、図２のＢ－Ｂ断面図である。 図５は、水平方向（Ｘ軸方向）の配光の例を示す図である。 図６は、垂直方向（Ｙ軸方向）の配光の例を示す図である。 図７は、比較例＃１の面状照明装置および液晶パネルの構成例および垂直方向（Ｙ軸方向）の配光の例を示す図である。 図８は、比較例＃２の面状照明装置および液晶パネルの構成例および垂直方向（Ｙ軸方向）の配光の例を示す図である。

以下、実施形態に係る面状照明装置について図面を参照して説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、図面における各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実と異なる場合がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。また、１つの実施形態や変形例に記載された内容は、原則として他の実施形態や変形例にも同様に適用される。

図１は、ヘッドアップディスプレイシステム１００の構成例を示す図である。図１において、自動車に搭載されるヘッドアップディスプレイシステム１００の場合、自動車の進行方向は図における左方向（Ｙ軸の正方向）である。

図１において、面状照明装置１の出射光は液晶パネル１０１を通過した後（Ｌ１）、ミラー１０２により反射され（Ｌ２）、凹面鏡１０３に導かれる。凹面鏡１０３から反射された光（Ｌ３）は、自動車のウインドウシールド１０４に照射され、その反射光（Ｌ４）が運転者等のアイボックス（視野）ＥＢに入り、液晶パネル１０１において表示された画像が虚像として認識される。なお、Ｘ軸方向に併記されている「Ｈ（水平方向）」と、Ｙ軸方向に併記されている「Ｖ（垂直方向）」は、アイボックスＥＢから見た虚像の水平方向と垂直方向である。

また、面状照明装置１から初段のミラー１０２に向かう主たる光軸（Ｌ１）に対し、液晶パネル１０１はミラー１０２と同方向に傾斜するように配置されている。液晶パネル１０１が傾斜した状態で配置されることで、ウインドウシールド１０４の上方から照射される太陽光がウインドウシールド１０４、凹面鏡１０３およびミラー１０２を通して液晶パネル１０１に侵入してきた場合に、太陽光が液晶パネル１０１の表面で反射しやすくなる。これにより、液晶パネル１０１や面状照明装置１の内部への太陽光の侵入が阻止されることで、熱や迷光による問題が軽減される。

なお、図１におけるヘッドアップディスプレイシステム１００の構成要素や配置は一例であり、面状照明装置１の光軸が水平方向に設定される場合もあるし、枚数を含めてミラーの構成が異なる場合もある。

図２は、液晶パネル１０１が装着された面状照明装置１の平面図である。便宜上、面状照明装置１の底面がＸ－Ｙ平面内にあり、面状照明装置１の厚み方向をＺ方向としている。また、ウインドウシールド１０４に反射されて利用者から見える使用状態においては、既に図１において示されたように、Ｘ軸方向が水平方向（Ｈ）に対応し、Ｙ軸方向が垂直方向（Ｖ）に対応する。なお、以下では、ウインドウシールド１０４に反射されて利用者から見える使用状態における水平方向と垂直方向を単に「水平方向」と「垂直方向」と記載する場合がある。

図２において、面状照明装置１は、平面形状が略長方形状の外形を有しており、出射面には液晶パネル１０１が配置されている。液晶パネル１０１の周囲は額縁部１０１ｂとなっており、その内側が表示エリア１０１ａとなっている。

図３は、図２のＡ－Ａ断面図である。図４は、図２のＢ－Ｂ断面図である。図３および図４において、面状照明装置１は底のある箱状のフレーム２を有している。フレーム２の底部には、放熱性に優れたアルミニウム等により形成される基板３が配置されている。基板３の上には、適宜に絶縁が施された上で、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）等による複数の光源４が格子状に２次元に配置されている。個々の光源４は個別に駆動が行われ、個別に発光が制御されて、いわゆるローカルディミングに対応している。

基板３の光源４が配置される出射側には、複数の光源４の個々を囲む４つの反射面５ａ、５ｂを有するリフレクタ５が配置されている。リフレクタ５は、樹脂等により形成されている。リフレクタ５は光源４から浮いた状態に配置される場合もある。リフレクタ５は省略される場合もある。

リフレクタ５の出射側には、集光を行うためのコンデンサレンズ６が基板３に平行に配置されている。コンデンサレンズ６の図における下側の入射側の面には、図３に示されるように、レンズの凹凸面を構成する溝が一の方向（図の奥行方向（Ｙ軸方向））に延びるリニアフレネルレンズ６ａが形成されている。また、コンデンサレンズ６の図における上側の出射側の面には、図４に示されるように、レンズの凹凸面を構成する溝が下側の面の一の方向と直交する方向（図の左右方向（Ｘ軸方向））に延びるリニアフレネルレンズ６ｂが形成されている。リニアフレネルレンズ６ａ、６ｂは、それぞれシリンダ状の凸レンズをフレネルレンズとしたプリズム構造を有しており、直下に配置される光源４のピッチに合わせて溝が周期的に形成されており、隣り合うセグメント間のセグメント境界において、プリズムの角度が反転している。円環状のフレネルレンズに比して製造が容易となる。

コンデンサレンズ６の出射側には、配光を広げるためのフィールドレンズ７が配置されている。フィールドレンズ７の図における下側の面には、図３に示されるように、レンズの凹凸面を構成する溝が一の方向（図の奥行方向（Ｙ軸方向））に延びるレンチキュラーレンズ７ａが形成されている。フィールドレンズ７の図における上側の面には、図４に示されるように、レンズの凹凸面を構成する溝が下側の面の一の方向と直交する方向（図の左右方向（Ｘ軸方向））に延びるレンチキュラーレンズ７ｂが形成されている。レンチキュラーレンズ７ａ、７ｂは、かまぼこ状の断面のプリズム形状を有しており、入射した光を広げる。拡散板は光を全方向に広げてしまい、効率の低下を招くが、レンチキュラーレンズ７ａ、７ｂは配光の広がりを断面形状により必要な範囲内に調整することが可能であり、光効率の低下を招かないため有利である。

フィールドレンズ７の出射側には、配光を外側に広げるためのフィールドレンズ８が配置されている。配光を広げるのは、ヘッドアップディスプレイシステム１００（図１）に含まれる凹面鏡１０３により光が収束されても、周縁の視認性が低下しないよう、外側に開いた配光特性を与えるためである。フィールドレンズ８は、図３に示されるように、Ｘ軸方向（水平方向）については傾斜しておらず、基板３、コンデンサレンズ６およびフィールドレンズ７と平行に配置されている。また、フィールドレンズ８は、図４に示されるように、Ｙ軸方向（垂直方向）については、基板３、コンデンサレンズ６およびフィールドレンズ７に対して傾斜して配置されている。

フィールドレンズ８の図における下側の面には、図３に示されるように、レンズの凹凸面を構成する溝が一の方向（図の奥行方向（Ｙ軸方向））に延びるリニアプリズム８ａが形成されている。フィールドレンズ８の図における上側の面には、図４に示されるように、レンズの凹凸面を構成する溝が下側の面の一の方向と直交する方向（図の左右方向（Ｘ軸方向））に延びるリニアプリズム８ｂが形成されている。リニアプリズム８ａ、８ｂは、全幅の中央部分を通過する光はＺ軸方向に直進させ、外側に行くにつれて場所ごとの光軸を外側に向けるものである。なお、全幅の中央部分を通過する光についても、Ｚ軸方向から傾斜するものとしてもよい。

フィールドレンズ８の出射側には、装着される液晶パネル１０１の特性に合わせた光学シート９が、フィールドレンズ８に平行に配置されている。光学シート９としては、偏光反射シートや拡散シートが用いられる。光学シート９の厚さは、例えば、０．４ｍｍ程度である。

光学シート９の出射側には、投影する画像を形成するための液晶パネル１０１が光学シート９およびフィールドレンズ８に平行に配置されている。ここで重要なのは、フィールドレンズ８と液晶パネル１０１との間に均一の光学距離が確保されることである。また、フィールドレンズ８と液晶パネル１０１の両者が近接していることも重要である。フィールドレンズ８と液晶パネル１０１との距離が小さいほど隣のディミングゾーンに広がる光を少なくすることができ、光の損失が少なくなり、コントラストが向上する。フィールドレンズ８と液晶パネル１０１との距離はゼロ（実質的に隙間がない状態での近接）でもよいが、光学特性と、光学シート９が設けられる場合のその厚さ、各光学部材の位置決め機構の厚さ等を考慮すると、３ｍｍ以下が好ましく、より好ましくは２ｍｍ以下である。なお、フィールドレンズ８と液晶パネル１０１との距離が３ｍｍ以下に近接していれば、必ずしもフィールドレンズ８と液晶パネル１０１とが平行に配置されていなくてもよい。

図５は、水平方向（Ｘ軸方向）の配光の例を示す図である。図５において、光源４から出射した光Ｌ１１は、コンデンサレンズ６（下面のリニアフレネルレンズ６ａ）によって略平行光に収束されて光Ｌ１２となる。光Ｌ１２はフィールドレンズ７（下面のレンチキュラーレンズ７ａ）により光軸はそのままで配光が広げられ、光Ｌ１３となる。光Ｌ１３はフィールドレンズ８（下面のリニアプリズム８ａ）により場所ごとの光軸が外側に傾けられ、配光が外側に広げられ、光学シート９および液晶パネル１０１を通過する光Ｌ１４となる。

図６は、垂直方向（Ｙ軸方向）の配光の例を示す図である。図６において、光源４から出射した光Ｌ２１は、コンデンサレンズ６（上面のリニアフレネルレンズ６ｂ）によって略平行光に収束されて光Ｌ２２となる。光Ｌ２２はフィールドレンズ７（上面のレンチキュラーレンズ７ｂ）により光軸はそのままで配光が広げられ、光Ｌ２３となる。光Ｌ２３はフィールドレンズ８（上面のリニアプリズム８ｂ）により場所ごとの光軸が外側に傾けられ、配光が外側に広げられ、光学シート９および液晶パネル１０１を通過する光Ｌ２４となる。

図７は、比較例＃１の面状照明装置１’および液晶パネル１０１’の構成例および垂直方向（Ｙ軸方向）の配光の例を示す図である。図７において、比較例＃１の面状照明装置１’は、ローカルディミングに対応していない。すなわち、フレーム２’には底部側から基板３’、光源４’、リフレクタ５’、コンデンサレンズ６’、フィールドレンズ８’、光学シート９’および液晶パネル１０１’が順に配置されているが、少数の光源４’により全体がカバーされるようになっている。そのため、ローカルディミングにおけるゾーンエリアという概念はなく、フィールドレンズ８’と液晶パネル１０１’との間の光学距離が均一でなくても、ディミングゾーンについての問題はない。ただし、光学距離が最も大きい方の端部側（図７の左端）では、光線がフレーム２’に入射してしまうため、光の損失が生じる。

図８は、比較例＃２の面状照明装置１”および液晶パネル１０１”の構成例および垂直方向（Ｙ軸方向）の配光の例を示す図である。図８において、比較例＃２の面状照明装置１”は、ローカルディミングに対応している。フレーム２”には底部側から基板３”、光源４”、リフレクタ５”、コンデンサレンズ６”、フィールドレンズ７”、フィールドレンズ８”、光学シート９”および液晶パネル１０１”が順に配置されている。ただし、フィールドレンズ８”は基板３”、コンデンサレンズ６”およびフィールドレンズ７”に平行に配置されている。

そのため、各光源４”に対応する、縦方向に延びる２点鎖線で囲まれたローカルディミングのゾーンエリアをはみだす光が発生してしまう。例えば、図８中の光Ｌ１”、Ｌ２”等が、ローカルディミングのゾーンエリアをはみだした光である。このような光によりコントラストや輝度均一性を低下させてしまう。すなわち、隣のゾーンエリアにはみ出した光により、その隣のゾーンエリアがオフ（光量ゼロ）であった場合には不要な光を与えてしまい、また、はみ出す元のゾーンエリアについても光量が不足し、全体としてコントラストや輝度均一性を低下させてしまう。

この点、上記の実施形態にあっては、図６に示されるように、フィールドレンズ８と液晶パネル１０１との間に均一の光学距離が確保されているため、ローカルディミングのゾーンエリアをはみだす光の発生が抑制され、コントラストや輝度均一性の低下を防止し、コントラストや輝度均一性を向上させることができる。また、フィールドレンズ８と液晶パネル１０１とが近接していることにより、それらの効果がより有効に発揮される。なお、本実施形態は、ローカルディミング対応ではない通常のバックライトにも適用することができ、一定の効果を発揮する。すなわち、図７のローカルディミングに対応していない面状照明装置１’の場合、光学距離が最も大きい方の端部側（図７の左端）では、光線がフレーム２’に入射してしまうため、光の損失が生じるが、本実施形態の構成を適用することで、端部における光の損失を防止することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

以上のように、実施形態に係る面状照明装置は基板上に２次元に配置され、個々に発光が制御される複数の光源と、光源の出射側に、基板に対して平行に配置され、光源から出射する光を略平行光に収束させるコンデンサレンズと、コンデンサレンズの出射側に配置され、基板に平行な面内の直交する少なくとも一方の方向に傾斜して配置され、コンデンサレンズから入射する光を外側に広げ、外付けされる液晶パネルとの間に均一の光学距離が確保されるフィールドレンズと、を備える。これにより、コントラストや輝度均一性を向上させることができる。すなわち、フィールドレンズがコンデンサレンズから入射する光を外側に広げても、フィールドレンズと液晶パネルとの間に均一の光学距離が確保されるため、ローカルディミングのゾーンエリアをはみだす光の発生を抑制することができ、コントラストや輝度均一性の低下を防止することができる。なお、本実施形態は、ローカルディミング対応ではない通常のバックライトにも適用することができ、一定の効果を発揮する。

また、フィールドレンズは、液晶パネルと近接して設けられる。これにより、フィールドレンズにより隣のディミングゾーンに広がる光を少なくすることができ、光の損失が少なくなり、コントラストが向上する。

また、コンデンサレンズは、入射側と出射側とに凹凸を形成する溝の方向が直交するリニアフレネルレンズが形成され、フィールドレンズは、入射側と出射側とに凹凸を形成する溝の方向が直交するリニアプリズムが形成される。これにより、コンデンサレンズが容易に実現可能である。

また、コンデンサレンズとフィールドレンズとの間に、基板に平行に設けられる、他のフィールドレンズを備え、他のフィールドレンズは、入射側と出射側とに凹凸を形成する溝の方向が直交するレンチキュラーレンズが形成される。これにより、拡散板による場合のような光効率の低下を招くことなく、輝度均一性を向上させることができる。

また、基板の出射側に配置され、光源を囲む反射面を有するリフレクタを備える。これにより、光源から基板側へ漏れる光が無駄にならず、光効率が高められる。

また、傾斜して配置されたフィールドレンズの出射側に配置される、偏光反射シートまたは拡散シートによる光学シートを備える。これにより、外付けされる液晶パネルに応じた光学特性の実現が容易となる。

また、光軸に対して傾斜して配置される液晶パネルを照明する面状照明装置であって、基板上に２次元に配置され、個々に発光が制御される複数の光源と、光源の出射側に、光源から出射する光を略平行光に収束させるコンデンサレンズと、コンデンサレンズの出射側に配置され、コンデンサレンズから入射する光を外側に広げるフィールドレンズと、を備え、フィールドレンズは、外付けされる液晶パネルに平行かつ近接して配置される。これにより、コントラストや輝度均一性を向上させることができる。

また、光軸に対して傾斜して配置される液晶パネルを照明する面状照明装置であって、基板上に２次元に配置され、個々に発光が制御される複数の光源と、光源の出射側に、光源から出射する光を略平行光に収束させるコンデンサレンズと、コンデンサレンズの出射側に配置され、コンデンサレンズから入射する光を外側に広げるフィールドレンズと、を備え、フィールドレンズは、外付けされる液晶パネルに近接して配置される。これにより、コントラストや輝度均一性を向上させることができる。

また、フィールドレンズは、液晶パネルとの間隔が３ｍｍ以下に近接する。これにより、有効な効果を期待することができる。

また、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。

１ 面状照明装置，２ フレーム，３ 基板，４ 光源，５ リフレクタ，５ａ、５ｂ 反射面，６ コンデンサレンズ，６ａ、６ｂ リニアフレネルレンズ，７ フィールドレンズ，７ａ、７ｂ レンチキュラーレンズ，８ フィールドレンズ，８ａ、８ｂ リニアプリズム，９ 光学シート，１００ ヘッドアップディスプレイシステム，１０１ 液晶パネル，１０１ａ 表示エリア，１０１ｂ 額縁部，１０２ ミラー，１０３ 凹面鏡，１０４ ウインドウシールド，ＥＢ アイボックス

Claims (8)

1. 基板上に２次元に配置され、個々の発光が個別に制御されてローカルディミングが可能な複数の光源と、
   前記基板の出射側に配置され、前記複数の光源の個々を囲む反射面を有するリフレクタと、
   前記光源の出射側に、前記基板に対して平行に配置され、前記光源から出射する光を略平行光に収束させるコンデンサレンズと、
   前記コンデンサレンズの出射側に配置され、前記基板に平行な面内の直交する少なくとも一方の方向に傾斜して配置され、前記コンデンサレンズから入射する光を外側に広げる複数のリニアプリズムが平板のいずれかの主平面に形成され、外付けされる液晶パネルとの間に均一の光学距離が確保されるフィールドレンズと、
   を備える面状照明装置。
2. 前記フィールドレンズは、前記液晶パネルと近接して設けられる、
   請求項１に記載の面状照明装置。
3. 前記コンデンサレンズは、入射側と出射側とに凹凸を形成する溝の方向が直交するリニアフレネルレンズが形成され、
   前記フィールドレンズは、入射側と出射側とに凹凸を形成する溝の方向が直交するリニアプリズムが形成される、
   請求項１または２に記載の面状照明装置。
4. 前記コンデンサレンズと前記フィールドレンズとの間に、前記基板に平行に設けられる、他のフィールドレンズを備え、
   前記他のフィールドレンズは、入射側と出射側とに凹凸を形成する溝の方向が直交するレンチキュラーレンズが形成される、
   請求項１～３のいずれか一つに記載の面状照明装置。
5. 前記傾斜して配置されたフィールドレンズの出射側に配置される、偏光反射シートまたは拡散シートによる光学シートを備える、
   請求項１～４のいずれか一つに記載の面状照明装置。
6. 光軸に対して傾斜して配置される液晶パネルを照明する面状照明装置であって、
   基板上に２次元に配置され、個々の発光が個別に制御されてローカルディミングが可能な複数の光源と、
   前記基板の出射側に配置され、前記複数の光源の個々を囲む反射面を有するリフレクタと、
   前記光源の出射側に、前記光源から出射する光を略平行光に収束させるコンデンサレンズと、
   前記コンデンサレンズの出射側に配置され、前記コンデンサレンズから入射する光を外側に広げる複数のリニアプリズムが平板のいずれかの主平面に形成されるフィールドレンズと、
   を備え、
   前記フィールドレンズは、外付けされる前記液晶パネルに平行かつ近接して配置される、
   面状照明装置。
7. 光軸に対して傾斜して配置される液晶パネルを照明する面状照明装置であって、
   基板上に２次元に配置され、個々の発光が個別に制御されてローカルディミングが可能な複数の光源と、
   前記基板の出射側に配置され、前記複数の光源の個々を囲む反射面を有するリフレクタと、
   前記光源の出射側に、前記光源から出射する光を略平行光に収束させるコンデンサレンズと、
   前記コンデンサレンズの出射側に配置され、前記コンデンサレンズから入射する光を外側に広げる複数のリニアプリズムが平板のいずれかの主平面に形成されるフィールドレンズと、
   を備え、
   前記フィールドレンズは、外付けされる前記液晶パネルに近接して配置される、
   面状照明装置。
8. 前記フィールドレンズは、前記液晶パネルとの間隔が３ｍｍ以下に近接する、
   請求項６または７に記載の面状照明装置。
   

Images