KR20220028117A - 면 형상 조명 장치 - Google Patents

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미네베아미츠미 가부시키가이샤
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Abstract

실시형태의 면 형상 조명 장치(1)는, 기판(2)과, 제 1 리니어 프레넬 렌즈(5, 5a)와, 제 2 리니어 프레넬 렌즈(5, 5b)를 구비한다. 상기 기판(2)은, 복수의 광원(3)이 격자 형상으로 2차원으로 배치된다. 상기 제 1 리니어 프레넬 렌즈(5, 5a)는, 상기 복수의 광원(3)의 출사측에 배치되고, 렌즈의 요철면을 구성하는 홈(5c)이 일방향으로 연장된다. 상기 제 2 리니어 프레넬 렌즈(5, 5b)는, 상기 제 1 리니어 프레넬 렌즈(5, 5a)의 출사측에 배치되고, 렌즈의 요철면을 구성하는 홈(5d)이 상기 일방향과 직교하는 방향으로 연장된다.

Description

면 형상 조명 장치
본 발명은, 면 형상 조명 장치에 관한 것이다.
헤드업 디스플레이(HUD) 등의 백라이트로서 이용되는 면 형상 조명 장치에는, 고휘도, 고콘트라스트, 고휘도 균일성, 저소비전력, 박형(薄型), 로컬 디밍 대응이라는 성능·기능이 요구된다. 특히, 표시 화면을 사용자가 직접적으로 보는 클러스터나 CID(Center Information Display) 등의 디스플레이에 비해, 헤드업 디스플레이의 백라이트에서는 100배 정도의 고휘도의 것이 요구되기 때문에, 고휘도의 실현은 중요하다.
한편, 헤드업 디스플레이용의 직하형(直下型)의 백라이트가 몇 개의 문헌에 개시되어 있다(예를 들면, 특허문헌 1∼5 등을 참조).
일본공개특허 특개2009-169399호 공보 일본공개특허 특개2019-20704호 공보 일본공개특허 특개2007-87792호 공보 일본공개특허 특개2012-203176호 공보 일본공개특허 특개2016-218391호 공보
그러나, 전술의 고휘도, 고콘트라스트, 고휘도 균일성, 저소비전력, 박형, 로컬 디밍 대응이라는 성능·기능의 몇 가지를 동시에 충족시키는 것은 곤란했다.
본 발명은, 상기를 감안하여 이루어진 것으로서, 고휘도, 고콘트라스트, 고휘도 균일성, 저소비전력, 박형, 로컬 디밍 대응이라는 성능·기능의 몇 가지를 동시에 충족시킬 수 있는 면 형상 조명 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 과제를 해결하고, 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 양태에 관련되는 면 형상 조명 장치는, 기판과, 제 1 리니어 프레넬 렌즈와, 제 2 리니어 프레넬 렌즈를 구비한다. 상기 기판은, 복수의 광원이 격자 형상으로 2차원으로 배치된다. 상기 제 1 리니어 프레넬 렌즈는, 상기 복수의 광원의 출사측에 배치되고, 렌즈의 요철면을 구성하는 홈이 일방향으로 연장된다. 상기 제 2 리니어 프레넬 렌즈는, 상기 제 1 리니어 프레넬 렌즈의 출사측에 배치되고, 렌즈의 요철면을 구성하는 홈이 상기 일방향과 직교하는 방향으로 연장된다.
본 발명의 일 양태에 관련되는 면 형상 조명 장치는, 고휘도, 고콘트라스트, 고휘도 균일성, 저소비전력, 박형, 로컬 디밍 대응이라는 성능·기능의 몇 가지를 동시에 충족시킬 수 있다.
도 1은, 헤드업 디스플레이 시스템의 구성례를 나타내는 도이다.
도 2는, 제 1 실시형태에 관련되는 면 형상 조명 장치(1)의 정면도이다.
도 3은, 면 형상 조명 장치의 도 2에 있어서의 A-A 단면도이다.
도 4는, 콘덴서 렌즈의 양면에 실시된 홈의 개략도이다.
도 5는, 콘덴서 렌즈의 입사측의 단면 구성의 예를 나타내는 도이다.
도 6은, 면 형상 조명 장치의 다른 구성례를 나타내는 A-A 단면도이다.
도 7은, 콘덴서 렌즈의 각각의 편면에 실시된 홈의 개략도이다.
도 8a는, 콘덴서 렌즈에 의한 수평 방향의 광선의 굴절의 모습을 나타내는 도이다.
도 8b는, 수평 방향의 광의 광도의 지향 특성의 예를 나타내는 도이다.
도 9a는, 콘덴서 렌즈에 의한 수직 방향의 광선의 굴절의 모습을 나타내는 도이다.
도 9b는, 수직 방향의 광의 광도의 지향 특성의 예를 나타내는 도이다.
도 10은, 필드 렌즈의 입사측의 단면 구성의 예를 나타내는 도이다.
도 11은, 필드 렌즈에 의한 수평 방향의 광선의 굴절의 모습을 나타내는 도이다.
도 12는, 필드 렌즈의 타방의 면에 마련된 도트를 나타내기 위한 확대도이다.
도 13은, 필드 렌즈의 출사측의 표면 구성의 예를 나타내는 도이다.
도 14는, 제 2 실시형태에 관련되는 면 형상 조명 장치의 단면도이다.
도 15는, 제 1 필드 렌즈의 양면에 실시된 홈의 개략도이다.
도 16은, 제 1 필드 렌즈의 입사측의 단면 구성의 예를 나타내는 도이다.
도 17은, 제 1 필드 렌즈를 통과한 후의 수평 방향 및 수직 방향의 광의 광도의 지향 특성의 예를 나타내는 도이다.
도 18은, 제 2 필드 렌즈를 통과한 후의 수평 방향 및 수직 방향의 광의 광도의 지향 특성의 예를 나타내는 도이다.
도 19는, 제 3 실시형태에 관련되는 면 형상 조명 장치의 단면도이다.
도 20은, 필드 렌즈의 입사측의 구조를 나타내는 도이다.
도 21은, 필드 렌즈의 출사측의 구조를 나타내는 도이다.
도 22는, 필드 렌즈의 다른 예를 나타내는 도이다.
도 23은, 제 4 실시형태에 관련되는 면 형상 조명 장치의 X축 방향(수평 방향)을 따른 단면도이다.
도 24는, 제 4 실시형태에 관련되는 면 형상 조명 장치의 Y축 방향(수직 방향)을 따른 단면도이다.
도 25는, 콘덴서 렌즈의 출사측의 면에 의한 수직 방향의 광선의 굴절의 모습을 나타내는 도이다.
도 26은, 필드 렌즈에 의한 수평 방향의 광선의 굴절의 모습을 나타내는 도이다.
도 27은, 필드 렌즈의 입사측의 면의 렌티큘러 렌즈의 확대 단면도이다.
도 28은, 제 5 실시형태에 관련되는 수평 방향의 광선의 굴절의 모습을 나타내는 도이다.
도 29는, 광원(3)의 출사광의 퍼짐의 각도와 프리즘 피치 및 프리즘 높이와의 관계의 예를 나타내는 도이다.
이하, 실시형태에 관련되는 면 형상 조명 장치에 관하여 도면을 참조하여 설명한다. 또한, 이 실시형태에 의해 이 발명이 한정되는 것은 아니다. 또한, 도면에 있어서의 각 요소의 치수의 관계, 각 요소의 비율 등은, 현실과 상이한 경우가 있다. 도면의 상호간에 있어서도, 서로의 치수의 관계나 비율이 상이한 부분이 포함되어 있는 경우가 있다. 또한, 1개의 실시형태나 변형례에 기재된 내용은, 원칙적으로 다른 실시형태나 변형례에도 마찬가지로 적용된다.
(시스템 구성)
도 1은, 헤드업 디스플레이 시스템(100)의 구성례를 나타내는 도이다. 도 1에 있어서, 자동차에 탑재되는 헤드업 디스플레이 시스템(100)의 경우, 자동차의 진행 방향은 도면에 있어서의 좌측 방향(Y축의 정방향)이다.
도 1에 있어서, 면 형상 조명 장치(1)의 출사광은 액정 패널(101)을 통과한 후(L1), 미러(102)에 의해 반사되어(L2), 요면경(凹面鏡)(103)에 유도된다. 요면경(103)으로부터 반사된 광(L3)은, 자동차의 프런트 글래스 등의 스크린(104)에 조사되고, 그 반사광(L4)이 운전자 등의 아이 박스(시점)(EB)에 들어가, 액정 패널(101)에 있어서 묘화된 화상이 허상으로서 인식된다. 또한, X축 방향에 「H(수평 방향)」, Y축 방향에 「V(수직 방향)」가 병기되어 있는 것은, 후술하는 바와 같이, 아이 박스(EB)로부터 본 허상의 수평 방향·수직 방향과 면 형상 조명 장치(1)의 출사면의 방향과의 대응을 나타내기 위함이다.
(제 1 실시형태)
도 2는, 제 1 실시형태에 관련되는 면 형상 조명 장치(1)의 정면도이다. 편의상, 면 형상 조명 장치(1)의 발광면이 X-Y 평면 내에 있고, 면 형상 조명 장치(1)의 두께 방향을 Z방향으로 하고 있다. 또한, 헤드업 디스플레이용의 조명으로서 스크린 등에 반사되어 이용자로부터 보이는 사용 상태에 있어서는, 이미 도 1에 있어서 나타내어진 바와 같이, X축 방향이 수평 방향(H)에 대응하고, Y축 방향이 수직 방향(V)에 대응한다. 또한, 이하에서는, 스크린 등에 반사되어 이용자로부터 보이는 사용 상태에 있어서의 수평 방향을 단지 「수평 방향」이라고 기재하고, 스크린 등에 반사되어 이용자로부터 보이는 사용 상태에 있어서의 수직 방향을 단지 「수직 방향」이라고 기재하는 경우가 있다.
도 2에 있어서, 면 형상 조명 장치(1)는, 대략 직사각형 형상의 판 형상의 외형을 가지고 있으며, 프레임(7)의 개구(7a)의 내측으로부터 광이 출사하도록 되어 있다. 개구(7a)의 사이즈는, 예를 들면, X축 방향이 42㎜, Y축 방향이 21㎜가 된다. 또한, 면 형상 조명 장치(1)의 외형은 도시한 것에 한정되지 않는다. 또한, 프레임(7)은 생략되는 경우도 있다.
도 3은, 면 형상 조명 장치(1)의 도 2에 있어서의 A-A 단면도이다. 도 3에 있어서, 방열성이 우수한 알루미늄 등에 의해 형성되는 기판(2)의 위에는, 적절히 절연이 실시된 다음에, LED(Light Emitting Diode) 등에 의한 복수의 광원(3)이 격자 형상으로 2차원으로 배치되어 있다. 개개의 광원(3)은 개별적으로 구동이 행해져, 이른바 로컬 디밍에 대응할 수 있다.
기판(2)의 광원(3)이 배치되는 출사측에는, 복수의 광원(3)의 개개를 둘러싸는 4개의 반사면(4a)을 가지는 리플렉터(4)가 배치되어 있다. 리플렉터(4)의 주연(周緣)은 반사면(4a)의 높이보다 두꺼운 테두리 형상으로 되어 있어, 반사면(4a)의 선단측에는 공간이 마련되어 있다. 또한, 반사면(4a)의 선단측에 공간을 마련하지 않고, 후술하는 콘덴서 렌즈(5)에 접할 때까지 반사면(4a)이 연장되도록 해도 된다. 리플렉터(4)는, 수지 등에 의해 형성되어 있다. 또한, 리플렉터(4)는 생략되는 경우도 있다.
리플렉터(4)의 출사측에는, 콘덴서 렌즈(5)가 배치되어 있다. 콘덴서 렌즈(5)의 도면에 있어서의 하측의 입사측의 면(5a)에는, 렌즈의 요철면을 구성하는 홈이 일방향(본 실시형태에서는 도면의 안길이 방향(Y축 방향))으로 연장되는 제 1 리니어 프레넬 렌즈가 형성되어 있다. 또한, 콘덴서 렌즈(5)의 도면에 있어서의 상측의 출사측의 면(5b)에는, 렌즈의 요철면을 구성하는 홈이 면(5a)의 일방향과 직교하는 방향(본 실시형태에서는 도면의 좌우 방향(X축 방향))으로 연장되는 제 2 리니어 프레넬 렌즈가 형성되어 있다.
콘덴서 렌즈(5)의 출사측에는, 배광(配光)을 바꿈과 함께, 광의 확산을 행하는 필드 렌즈(6)가 배치되어 있다. 필드 렌즈(6)는, 여기서는, 수평 방향으로의 배광을 바꾸는 것을 상정하고 있고, 필드 렌즈(6)의 도면에 있어서의 하측의 면(6a)에 형성된, 도면의 안길이 방향(Y축 방향)으로 홈이 연장되는 프리즘으로 형성되어 있다. 필드 렌즈(6)의 도면에 있어서의 상측의 면(6b)에는, 광을 확산하는 미소한 도트가 전면(全面)에 걸쳐 형성되어 있다. 도 3에 있어서, 프레임(7)은, 단면(斷面)이 아니며, 개구(7a)(도 2)의 단부(端部)가 보이고 있다. 콘덴서 렌즈(5) 또는 필드 렌즈(6)의 일방의 주연은 두께가 있는 테두리 형상으로 되어 있고, 주연 이외에서는 콘덴서 렌즈(5)와 필드 렌즈(6)의 사이에 간극이 마련되어 있다. 콘덴서 렌즈(5) 또는 필드 렌즈(6)와는 별도로, 콘덴서 렌즈(5)와 필드 렌즈(6)의 사이에 테두리 형상의 스페이서가 마련되도록 해도 된다.
도 4는, 콘덴서 렌즈(5)의 양면에 실시된 홈(5c, 5d)의 개략도이다. 콘덴서 렌즈(5)의 하측(입사측)의 면(5a)에는, 제 1 리니어 프레넬 렌즈를 구성하는 Y축 방향으로 연장되는 홈(5c)이 형성되어 있다. 콘덴서 렌즈(5)의 상측(출사측)의 면(5b)에는, 제 2 리니어 프레넬 렌즈를 구성하는 X축 방향으로 연장되는 홈(5d)이 형성되어 있다. 도 5는, 콘덴서 렌즈(5)의 입사측의 단면 구성의 예를 나타내는 도이다. 콘덴서 렌즈(5)의 입사측의 면(5a)은, 광원(3)(도 3)에 대응하는 세그먼트마다, 실린더 형상의 볼록 렌즈를 프레넬 렌즈로 한 프리즘 구조를 가지고 있고, 도면의 안길이 방향(Y축 방향)으로 연장되는 홈을 가지고 있다. 이웃하는 세그먼트간의 세그먼트 경계(BL)에 있어서, 프리즘의 각도가 반전하고 있다. 콘덴서 렌즈(5)의 출사측에 있어서도, 홈의 연장되는 방향은 직교하는 것이 되지만, 마찬가지의 프리즘 구조가 마련되어 있다.
제 1 및 제 2 리니어 프레넬 렌즈는, 바로 아래에 배치되는 광원(3)(도 3)의 피치(제 1 리니어 프레넬 렌즈는 X축 방향의 피치, 제 2 리니어 프레넬 렌즈는 Y축 방향의 피치)에 맞춰 홈이 주기적으로 형성되어 있다. 그리고, 조립 시에 있어서, Y축 방향과 X축 방향의 각각에 관하여, 광원(3)의 바로 위에 렌즈의 중심이 위치하도록 콘덴서 렌즈(5)는 배치된다. 개개의 광원의 위치에 맞춘 광원의 수의 원환 형상의 프레넬 렌즈를 형성하는 것은 어렵지만, 직선 형상으로 나열되는 복수의 광원에 맞춰 열 또는 행 단위로 직선 형상의 리니어 프레넬 렌즈를 형성하는 것은 비교적 용이하다. 리니어 프레넬 렌즈를 투명한 기재(基材)의 양면에 직교하도록 형성함으로써, 일방의 리니어 프레넬 렌즈의 렌즈의 중심과 타방의 리니어 프레넬 렌즈의 렌즈의 중심과의 교점이, 광원의 중심에 대응하는 프레넬 렌즈로서 작용한다.
도 6은, 면 형상 조명 장치(1)의 다른 구성례를 나타내는 A-A 단면도이다. 도 6에 있어서는, 도 3의 구성과 비교하여, 콘덴서 렌즈(5)가 2매의 콘덴서 렌즈(51, 52)에 의해 구성되어 있는 점이 상이하고, 다른 구성은 마찬가지이다. 또한, 콘덴서 렌즈(51)의 하측의 면(51a)과 상측의 면(51b) 중 어느 것에 프레넬 렌즈의 홈을 마련하는가와, 콘덴서 렌즈(52)의 하측의 면(52a)과 상측의 면(52b) 중 어느 것에 프레넬 렌즈의 홈을 마련하는가의 조합에 의해, 몇 가지의 패턴이 있다. 콘덴서 렌즈(51, 52)의 일방의 주연은 두께가 있는 테두리 형상으로 되어 있고, 주연 이외에서는 콘덴서 렌즈(51, 52)의 사이에 간극이 마련되어 있다. 콘덴서 렌즈(51, 52)와는 별도로, 콘덴서 렌즈(51, 52)의 사이에 테두리 형상의 스페이서가 마련되도록 해도 된다.
도 6과 같은 구성에 의하면, 투명한 기재의 편면에 리니어 프레넬 렌즈를 구성하기 때문에, 제조가 보다 용이해진다. 또한, 광원의 X축 방향의 피치와 Y축 방향의 피치가 동일한 경우에는, 1종류의 큼직한 리니어 프레넬 렌즈를 제조하고, 거기에서 방향을 바꾸어 잘라내어 사용하면 되기 때문에, 제조가 보다 용이해진다.
도 7은, 콘덴서 렌즈(51, 52)의 각각의 편면에 실시된 홈(51c, 52c)의 개략도이다. 도 7에 있어서, 하측의 콘덴서 렌즈(51)의 하측의 면(51a)에는, Y축 방향으로 연장되는 홈(51c)이 마련되고, 상측의 콘덴서 렌즈(52)의 상측의 면(52b)에는, X축 방향으로 연장되는 프레넬 렌즈의 홈(52c)이 마련되어 있다.
도 8a는, 콘덴서 렌즈(5)에 의한 수평 방향의 광선의 굴절의 모습을 나타내는 도이다. 즉, 도 8a는 사용 시에 있어서의 수평 방향(X, H) 및 출사면의 법선 방향(Z)을 따른 단면 내에 있어서의 광의 거동을 나타내고 있다. 필드 렌즈(6)에 관해서는 도시가 생략되어 있다. 도 8a에 있어서, 광원(3)으로부터 나온 파선으로 나타내어지는 광은, 콘덴서 렌즈(5)의 하측의 면(5a)에 마련된 Y축 방향으로 연장되는 홈으로부터 요철면이 형성되는 제 1 리니어 프레넬 렌즈에 의해 X-Z면 내에서 굴절하여, 대략 평행광이 된다. 또한, 출사면의 법선 방향을 따른 평행광으로 하고 있지만, 출사면의 법선 방향에 대하여 소정의 경사를 가진 평행광이어도 된다. 콘덴서 렌즈(5)의 상측의 면(5b)에 마련된 X축 방향으로 연장되는 홈으로부터 요철면이 형성되는 제 2 리니어 프레넬 렌즈는, 수평 방향으로는 작용하지 않기 때문에, 대략 평행광이 된 광은 그대로 출사된다. 도 8b는, 수평 방향의 광의 광도의 지향 특성의 예를 나타내는 도이며, 피크의 절반 정도의 강도를 유지하는 각도 범위(1/2 빔각)는 10° 정도로 되어 있다.
도 9a는, 콘덴서 렌즈(5)에 의한 수직 방향의 광선의 굴절의 모습을 나타내는 도이다. 즉, 도 9a는 사용 시에 있어서의 수직 방향(Y, V) 및 출사면의 법선 방향(Z)을 따른 단면 내에 있어서의 광의 거동을 나타내고 있다. 필드 렌즈(6)에 관해서는 도시가 생략되어 있다. 도 9a에 있어서, 광원(3)으로부터 나온 파선으로 나타내어지는 광은, 콘덴서 렌즈(5)의 하측의 면(5a)에 마련된 제 1 리니어 프레넬 렌즈에 의해서는 강하게 굴절되지 않고, 거의 그대로 콘덴서 렌즈(5)의 내부로 나아간다. 그리고, 콘덴서 렌즈(5)의 상측의 면(5b)에 마련된 X축 방향으로 연장되는 홈으로부터 요철면이 형성되는 제 2 리니어 프레넬 렌즈에 의해 Y-Z면 내에서 굴절하여, 대략 평행광이 되어 출사된다. 또한, 출사면의 법선 방향을 따른 평행광으로 하고 있지만, 출사면의 법선 방향에 대하여 소정의 경사를 가진 평행광이어도 된다. 도 9b는, 수직 방향의 광의 광도의 지향 특성의 예를 나타내는 도이며, 피크의 절반 정도의 강도를 유지하는 각도 범위(1/2 빔각)는 10° 정도로 되어 있다.
다음에, 도 10은, 필드 렌즈(6)의 입사측의 단면 구성의 예를 나타내는 도이다. 도 10에 있어서, 필드 렌즈(6)의 입사측의 면(6a)의 일단면은 링 형상의 오목 렌즈를 프레넬 렌즈로 한 것과 동등한 프리즘 구조를 가지고 있고, 이것이 리니어 프리즘이 되어, 도면의 안길이 방향(Y축 방향)으로 연장되는 홈을 가지고 있다. 프리즘의 경사 각도는, 중심으로부터 멀어짐에 따라서 급하게 되어 있다.
도 11은, 필드 렌즈(6)에 의한 수평 방향의 광선의 굴절의 모습을 나타내는 도이다. 즉, 도 11은 사용 시에 있어서의 수평 방향(X, H) 및 출사면의 법선 방향(Z)을 따른 단면 내에 있어서의 광의 거동을 나타내고 있다. 도 1에 나타내어진 바와 같은 헤드업 디스플레이 등에 있어서는, 액정 패널(101)의 백라이트로서의 면 형상 조명 장치(1)로부터의 광이 미러(102)나 요면경(103)을 개재하여 스크린(104) 상에서 반사되어 이용자의 눈에 들어간다. 요면경(103)에서 반사된 광은 내측으로 광축이 기울어지기 때문에, 요면경(103)으로부터의 출사광으로서 필요로 하는 광축의 각도 범위를 확보하는 위해서는, 중심에 대하여 외측의 광축이 외측으로 경사진 광을 면 형상 조명 장치(1)로부터 공급할 필요가 있다. 또한, 광축은, 1개의 광원이나 미소한 부분으로부터 나오는 광(평행광인지 방사광인지 따지지 않음) 중 가장 강도가 높은 방향을 따른 축이다. 그래서, 면 형상 조명 장치(1)의 중심으로부터의 수평 방향의 거리에 따라 광축을 수평 방향의 외측으로 경사지게 하도록 하고 있다. 이에 의해, 요면경(103)의 출사광으로서 필요로 하는 광축의 각도 범위를 확보할 수 있어, 허상의 단부가 보이지 않게 되어 버리는 것을 방지할 수 있다.
또한, 수직 방향에 관해서도 요면경(103)의 곡률에 따라, 외측의 광축을 외측으로 경사지게 할 필요가 있지만, 일반적으로 수평 방향에 대하여 수직 방향의 광축의 경사는 작아도 되기 때문에, 이 실시형태에서는 대략 평행광으로 하고 있다. 수직 방향의 광축에 관해서도 경사가 필요해지는 경우에는, 수직 방향의 광축에 관해서도 경사가 행해진다. 수직 방향의 광축을 경사지게 하는 예에 관해서는 후술한다. 또한, 광축의 경사에 관해서는, 중심이 대략 평행광이 아니고 소정의 방향으로 경사져 있어도 되며, 그 양측에서는, 중심의 경사에 대하여 외측으로 경사지도록 되어 있으면 된다.
도 11의 하측은, 도 3과 마찬가지로 면 형상 조명 장치(1)의 단면 구성을 나타내고 있으며, 면 형상 조명 장치(1)의 중심 부근의 2개의 광원(3)에 관해서는 경사 각도는 0°, 그 이웃부터 경사 각도를 2°, 그 이웃은 경사 각도를 4°로 변화시키고 있다. 도시의 경사 각도의 수치는 어디까지나 예시이다. 또한, 경사 각도는, 필드 렌즈(6)를 구성하는 프리즘의 형상에 의해 결정된다.
도 11에 있어서, 중심 부근의 영역(R1)에서는, 경사 각도가 0°로 되어 있고, 도면의 상측에 확대도로 나타내어지는 바와 같이, 필드 렌즈(6)의 정면 방향(법선 방향)으로 광이 출사한다. 중심으로부터 좌측에 위치하는 영역(R2)에서는, 경사 각도가 6°로 되어 있고, 도의 상측에 확대도로 나타내어지는 바와 같이, 필드 렌즈(6)의 정면 방향에 대하여 좌측으로 경사진 광이 출사한다. 중심으로부터 우측에 위치하는 영역(R3)에서는, 경사 각도가 6°로 되어 있고, 도면의 상측에 확대도로 나타내어지는 바와 같이, 필드 렌즈(6)의 정면 방향에 대하여 우측으로 경사진 광이 출사한다. 또한, 도 11에서는 1개의 광원(3)마다 경사 각도를 바꾸고 있지만, 복수의 광원(3)을 포함하는 영역마다 경사 각도를 바꾸도록 해도 된다.
다음에, 도 12는, 필드 렌즈(6)의 타방의 면(6b)에 마련된 도트(6c)를 나타내기 위한 확대도(도 11에 있어서의 영역(R)의 확대도)이다. 도 13은, 필드 렌즈(6)의 출사측의 표면 구성의 예를 나타내는 도이다. 도 12 및 도 13에 있어서, 필드 렌즈(6)의 도면에 있어서의 상측의 면(6b)에는, 레이저 가공 등에 의해 형성된 금형 등으로 형성되는 미소한 도트(6c)가 형성되어 있다. 미소한 도트(6c)에 의해, 통과하는 광이 확산하여, 휘도 균일성을 높인다.
도트(6c)에 관해서는, 예를 들면, 6방 배열로 하고, 도트 외형을 35㎛로 하며, 도트 접촉각을 5°, 10°, 15°, 20°로 한 경우에 관하여 시뮬레이션을 행했다. 또한, 도트 접촉각을 5°, 10°, 15°, 20°의 각각에 있어서의 도트 높이는 0.8㎛, 1.5㎛, 2.3㎛, 3.1㎛이다.
시뮬레이션의 결과, 도트 접촉각이 큰 쪽(예를 들면, 도트 접촉각 10°보다 15°)이, 휘도 균일성이 높아지고, 배광 각도도 넓어진다. 또한, 광원(3)의 동일한 소비 전력에 대해서는, 도트 접촉각이 작은 쪽(예를 들면, 도트 접촉각 15°보다 10°)이, 평균 휘도가 높아지는 것이 확인되었다. 필드 렌즈(6)는, 타방의 면(6b)에 마련되는 도트 대신에, 필드 렌즈(6)와는 별체의 일반적인 확산 시트를 이용해도 된다.
(제 2 실시형태)
도 3에서 나타내어진 제 1 실시형태에서는, 콘덴서 렌즈(5)를 지나 대략 평행이 된 광이 필드 렌즈(6)에 의해 수평 방향으로 배광이 조정되는 것이었지만, 콘덴서 렌즈(5)의 출사광의 배광이 지나치게 좁은 경우, 휘도 균일성이 악화하는 경우가 있다. 즉, 중심 부분에 비해, 주변부의 휘도가 지나치게 저하되어 버리는 경우가 있다. 그래서, 제 2 실시형태에서는, 콘덴서 렌즈(5)의 출사광의 수평 방향 및 수직 방향의 배광을 넓히도록 하고 있다.
도 14는, 제 2 실시형태에 관련되는 면 형상 조명 장치(1)의 단면도이다. 도 14에 있어서는, 도 3에 있어서의 필드 렌즈(6)가 그대로 제 2 필드 렌즈(62)가 되고, 콘덴서 렌즈(5)와 제 2 필드 렌즈(62)의 사이에 제 1 필드 렌즈(61)가 배치되어 있다. 제 1 필드 렌즈(61)의 도면에 있어서의 하측의 입사측의 면(61a)에는, 렌즈의 요철면을 구성하는 홈이 일방향(본 실시형태에서는 도면의 안길이 방향(Y축 방향))으로 연장되는 제 1 렌티큘러 렌즈가 형성되어 있다. 또한, 필드 렌즈(61)의 도면에 있어서의 상측의 출사측의 면(61b)에는, 렌즈의 요철면을 구성하는 홈이 면(61a)의 일방향과 직교하는 방향(본 실시형태에서는 도면의 좌우 방향(X축 방향))으로 연장되는 제 2 렌티큘러 렌즈가 형성되어 있다. 렌티큘러 렌즈는, 단면 형상이 어묵 형상인 선 형상의 렌즈이다. 제 2 필드 렌즈(62)는, 입사측의 면(62a)에 배광을 바꾸는 프리즘 구조가 있고, 출사측의 면(62b)에 도트가 형성되어 있는 것은, 도 3에 있어서의 필드 렌즈(6)와 마찬가지이다. 또한, 도 6과 마찬가지로 콘덴서 렌즈(5)를 콘덴서 렌즈(51, 52)의 2중 구성으로 해도 된다.
도 15는, 제 1 필드 렌즈(61)의 양면에 실시된 홈(61c, 61d)의 개략도이다. 필드 렌즈(61)의 하측(입사측)의 면(61a)에는, 제 1 렌티큘러 렌즈를 구성하는 Y축 방향으로 연장되는 홈(61c)이 형성되어 있다. 필드 렌즈(61)의 상측(출사측)의 면(61b)에는, 제 2 렌티큘러 렌즈를 구성하는 X축 방향으로 연장되는 홈(61d)이 형성되어 있다. 도 16은, 제 1 필드 렌즈(61)의 입사측의 단면 구성의 예를 나타내는 도이다. 제 1 필드 렌즈(61)의 입사측의 면(61a)은, 단면 형상이 어묵 형상(R형상)인 선 형상의 제 1 렌티큘러 렌즈를 가지고 있다. 제 1 필드 렌즈(61)의 출사측에 있어서도, 홈의 연장되는 방향은 직교하는 것이 되지만, 마찬가지의 구조의 제 2 렌티큘러 렌즈가 마련되어 있다.
도 17은, 제 1 필드 렌즈(61)를 통과한 후의 수평 방향 및 수직 방향의 광의 광도의 지향 특성의 예를 나타내는 도이다. 제 1 필드 렌즈(61)의 입사측의 제 1 렌티큘러 렌즈는 수평 방향(H)으로 작용하고, 출사측의 제 2 렌티큘러 렌즈는 수직 방향(V)으로 작용한다. 렌티큘러 렌즈는 선 형상의 볼록 렌즈의 집합체이며, 콘덴서 렌즈(5)로부터 입사된 대략 평행한 광은 집광되고, 교차하여 확산을 가진 광이 된다. 도 17에 의하면, 콘덴서 렌즈(5)로부터의 수평 방향의 광의 1/2 빔각 10°(도 8b)가 30°로, 수직 방향의 광의 1/2 빔각 10°(도 9b)가 13°로 넓어져 있다.
이어서, 제 1 필드 렌즈(61)를 통과한 광은 제 2 필드 렌즈(62)에 의해 수평 방향으로 배광이 조정된다. 도 18은, 제 2 필드 렌즈(62)를 통과한 후의 수평 방향 및 수직 방향의 광의 광도의 지향 특성의 예를 나타내는 도이다. 도 18에 의하면, 제 1 필드 렌즈(61)로부터의 수평 방향의 광의 1/2 빔각 30°(도 17)가 31°로 약간 넓어져 있다. 수직 방향의 광의 1/2 빔각은 13.0°인 채로 변하지 않는다.
(제 3 실시형태)
제 3 실시형태는, 제 2 실시형태가 개량된 것으로서, 제 2 실시형태(도 14)에 있어서의 필드 렌즈(61, 62)의 주요한 기능을 1개의 필드 렌즈(63)로 실현하여, 주요한 부품의 점수 삭감을 행하기 쉽게 한 것이다.
도 19는, 제 3 실시형태에 관련되는 면 형상 조명 장치(1)의 단면도이다. 도 19에 있어서, 도 14와 상이한 것은, 필드 렌즈(61, 62)가 필드 렌즈(63)와 확산판(64)으로 변경되어 있는 점이다. 즉, 필드 렌즈(61)의 출사측이 면 형상 조명 장치(1)의 출사면의 대략 전면에 걸친 오목 형상이 됨으로써, 필드 렌즈(62)의 입사측의 프리즘 구조를 불필요로 한 것이다. 또한, 필드 렌즈(62)의 출사측에 마련되어 있었던 확산용의 도트는, 확산판(64)으로 치환되어 있다. 또한, 확산판(64)은, 프레임(7)의 외측으로 이동해도 되고, 확산의 필요가 없는 경우에는 생략해도 된다.
도 20은, 필드 렌즈(63)의 입사측의 구조를 나타내는 도이고, 도 21은, 필드 렌즈(63)의 출사측의 구조를 나타내는 도이다. 도 20 및 도 21에 있어서, 필드 렌즈(63)의 입사측의 평탄한 면(63a)에는 단면 형상이 어묵 형상인 렌티큘러 렌즈가 Y축 방향으로 연장되도록 마련되어 있다. 또한, 필드 렌즈(63)의 출사측의 면(63b)은 X-Z면 내에서 오목 형상으로 되어 있고, 그 위에 X축 방향으로 연장되도록 단면 형상이 어묵 형상인 렌티큘러 렌즈가 마련되어 있다. 또한, 필드 렌즈(63)의 출사측의 면이 오목 형상이 되는 경우에 관하여 설명했지만, 입사측의 면이 오목 형상(출사측의 면은 평탄)이 되도록 해도 된다. 또한, 필드 렌즈(63)의 입사측과 출사측의 양방의 면이 오목 형상이 되도록 해도 된다. 도 22는, 필드 렌즈(63)의 다른 예를 나타내는 도이며, 입사측의 면(63a)은 Y-Z면 내에서 오목 형상으로 되어 있고, 출사측의 면(63b)은 X-Z면 내에서 오목 형상으로 되어 있다.
(제 4 실시형태)
제 4 실시형태는, 1매째의 콘덴서 렌즈(5)의 입사측의 면(5a)에서 수평 방향에 관하여 대략 평행광으로의 집광을 행하고, 출사측의 면(5b)에서 수직 방향에 관하여 집광과 광축의 경사를 행하며, 2매째의 필드 렌즈(6)의 입사측의 면(6a)에서 수평 방향에 관하여 광의 확산을 행하고, 출사측의 면(6b)에서 수평 방향에 관하여 광축의 경사를 행하도록 하고 있다. 도 1의 헤드업 디스플레이 시스템(100)에서는, 수직 방향보다 수평 방향의 광축의 경사가 커지지만, 수평 방향에 관하여 2단계로 나누어 무리없이 경사지게 할 수 있어, 면 형상 조명 장치의 광이 이용되는 헤드업 디스플레이 시스템의 요면경에 대하여 적절한 광축의 제어가 행해진 광을 공급할 수 있다. 즉, 일면의 리니어 프레넬 렌즈에 의해 LED 등의 광원(3)마다의 집광과, 광축의 큰 경사를 실현하는 것은 구조상 곤란하지만, 일단 대략 평행광을 집광시킨 후에 리니어 프리즘에 의해 광축의 경사를 행함으로써, 실현이 용이해진다. 또한, 수평 방향에 관하여 광의 확산을 행하지만, 수직 방향에 관해서는 필요로 하는 배광의 퍼짐각이 좁아 확산을 필요로 하지 않는 경우가 많기 때문에, 수직 방향의 확산을 하지 않는 구성으로 하고 있다.
도 23은, 제 4 실시형태에 관련되는 면 형상 조명 장치(1)의 X축 방향(수평 방향)을 따른 단면도이다. 도 24는, 제 4 실시형태에 관련되는 면 형상 조명 장치(1)의 Y축 방향(수직 방향)을 따른 단면도이다. 도 23 및 도 24에 있어서, 기판(2), 광원(3), 리플렉터(4), 콘덴서 렌즈(5), 필드 렌즈(6)는, 도 3(제 1 실시형태)과 마찬가지이다. 본 실시형태에서는, 전체 폭에 관하여 도시되어 있는 점과, 프레임(7)이 도시되어 있지 않은 점과, 필드 렌즈(6)의 출사측에, Y-Z 평면 내에서 광축에 대하여 경사지게 배치된 확산 시트(8)가 마련되어 있는 점이, 도 3과는 상이하다. 확산 시트(8)가 광축에 대하여 경사지게 배치되어 있는 것은, 외광(주로 태양광)의 영향을 적게 하기 위함이다.
도 23 및 도 24에 있어서, 콘덴서 렌즈(5)의 입사측의 면(5a)에 마련되는 수평 방향용의 제 1 리니어 프레넬 렌즈는, 도 4 및 도 5와 마찬가지이다. 즉, 콘덴서 렌즈(5)의 입사측의 면(5a)에는, 수평 방향에 대하여 LED 등의 광원(3)마다 집광하는 리니어 프레넬 렌즈가 마련되어 있다. 콘덴서 렌즈(5)에 의한 수평 방향의 광선의 굴절의 모습은, 도 8a와 마찬가지이다.
도 23 및 도 24에 있어서, 콘덴서 렌즈(5)의 출사측의 면(5b)에 마련되는 수직 방향용의 제 2 리니어 프레넬 렌즈는, 홈의 방향은 도 4 및 도 5와 마찬가지이지만, LED 등의 광원(3)마다 대략 평행광으로 집광할 뿐만 아니라, 사용 시에 있어서의 수직 방향의 중심으로부터의 거리에 따라 광축을 사용 시에 있어서의 수직 방향의 외측으로 변화시키도록, 렌즈의 각도가 조정되어 있다. 즉, 출사면의 중심에서는 대략 평행광인 채로 되고, 중심으로부터 외측이 됨에 따라서, 광축이 외측으로 경사지도록 되어 있다. 또한, 전술과 같이, 광축의 경사에 관해서는, 중심이 대략 평행광이 아니고 소정의 방향으로 경사져 있어도 되며, 그 양측에서는, 중심의 경사에 대하여 외측으로 경사지도록 되어 있으면 된다. 도 25는, 콘덴서 렌즈(5)의 출사측의 면(5b)에 의한 수직 방향의 광선의 굴절의 모습을 나타내는 도이다. 즉, 도 25는 사용 시에 있어서의 수직 방향(Y, V) 및 출사면의 법선 방향(Z)을 따른 단면 내에 있어서의 광의 거동을 나타내고 있다. 도 25에 있어서, 면 형상 조명 장치(1)의 중심에서는 대략 평행광으로 집광되고, 그 양측에서는 더 외측으로 광축이 경사지도록 되어 있다. 또한, 필드 렌즈(6)에 관해서는 도시가 생략되어 있다.
도 23 및 도 24에 있어서, 필드 렌즈(6)의 입사측의 면(6a)에는 Y축 방향으로 홈이 연장되는 수평 방향용의 렌티큘러 렌즈가 마련되어, 수평 방향으로 광을 확산시키도록 되어 있다. 필드 렌즈(6)의 출사측의 면(6b)에는 Y축 방향으로 홈이 연장되는 수평 방향용의 리니어 프리즘이 마련되어, 수평 방향에 관하여 광축의 경사를 행하도록 하고 있다. 도 26은, 필드 렌즈(6)에 의한 수평 방향의 광선의 굴절의 모습을 나타내는 도이다. 즉, 도 26은 사용 시에 있어서의 수평 방향(X, H) 및 출사면의 법선 방향(Z)을 따른 단면 내에 있어서의 광의 거동을 나타내고 있다. 도 26에 있어서, 출사측의 면(6b)의 리니어 프리즘은, 중심에 있어서는 광축을 기울이지 않고, 외측으로 어느 정도 광축의 경사를 크게 하도록 되어 있다.
또한, 입사측의 면(6a)의 렌티큘러 렌즈는, 중심에 있어서의 확산에 의한 광의 퍼짐각보다, 외측에 있어서의 광의 퍼짐각이 커지도록 되어 있다. 이것은, 광축이 경사진 외측의 부분에 있어서의 허상의 휘도 균일성을 높이기 위함이다. 즉, 이용자를 향하여 지향성이 강한 광(퍼짐각이 좁은 광)이 출사되는 경우, 이용자가 좌우로 시선을 돌린 경우에 휘도가 급격히 변화하여, 시인성이 저하되어 버린다. 이것은, 특히 광축이 경사지는 단부에 있어서 현저해진다. 그 때문에, 중심에 있어서의 확산에 의한 광의 퍼짐각보다, 외측에 있어서의 광의 퍼짐각이 커지도록 되어 있다. 이에 의해, 이용자가 좌우로 시선을 돌려도 휘도가 급격히 변화하지 않고, 표시 화면이 나오고 있는 아이 박스로 시선이 유인되기 때문에, 시인성이 높아져, 자동차 등의 운전 시에서의 사용에 있어서도 안전성을 향상시킬 수 있다.
도 27은, 필드 렌즈(6)의 입사측의 면(6a)의 렌티큘러 렌즈의 확대 단면도이며, 렌티큘러 렌즈의 접촉각(α)(필드 렌즈(6)의 주면(主面)과, R형상의 단부의 접선이 이루는 각)을 크게 함으로써, 광의 퍼짐각을 크게 할 수 있다. 즉, 출사면의 중심의 접촉각(α)에 대하여, 외측을 향함에 따라서 접촉각(α)이 크게 되어 있다.
상기의 필드 렌즈(6)의 입사측과 출사측의 구성 및 기능을 교체하거나, 또는, 콘덴서 렌즈(5)의 입사측과 출사측의 구성 및 기능을 교체할 수도 있다. 즉, 1매째의 콘덴서 렌즈(5)의 입사측의 면(5a)에서 수평 방향에 관하여 대략 평행광으로의 집광을 행하고, 출사측의 면(5b)에서 수직 방향에 관하여 집광과 광축의 경사를 행하며, 2매째의 필드 렌즈(6)의 입사측의 면(6a)에서 수평 방향에 관하여 광축의 경사를 행하고, 출사측의 면(6b)에서 수평 방향에 관하여 광의 확산을 행하도록 할 수 있다. 또한, 1매째의 콘덴서 렌즈(5)의 입사측의 면(5a)에서 수직 방향에 관하여 집광과 광축의 경사를 행하고, 출사측의 면(5b)에서 수평 방향에 관하여 대략 평행광으로의 집광을 행하며, 2매째의 필드 렌즈(6)의 입사측의 면(6a)에서 수평 방향에 관하여 광의 확산을 행하고, 출사측의 면(6b)에서 수평 방향에 관하여 광축의 경사를 행하도록 할 수 있다. 또한, 1매째의 콘덴서 렌즈(5)의 입사측의 면(5a)에서 수직 방향에 관하여 집광과 광축의 경사를 행하고, 출사측의 면(5b)에서 수평 방향에 관하여 대략 평행광으로의 집광을 행하며, 2매째의 필드 렌즈(6)의 입사측의 면(6a)에서 수평 방향에 관하여 광축의 경사를 행하고, 출사측의 면(6b)에서 수평 방향에 관하여 광의 확산을 행하도록 할 수 있다.
(제 5 실시형태)
제 5 실시형태는, 1매째의 콘덴서 렌즈(5)의 입사측의 면(5a)에서 수평 방향에 관하여 집광과 광축의 경사를 행하고, 출사측의 면(5b)에서 수직 방향에 관하여 집광과 광축의 경사를 행하며, 2매째의 필드 렌즈(6)의 입사측의 면(6a)에서 수평 방향에 관하여 광의 확산을 행하고, 출사측의 면(6b)에서 수직 방향에 관하여 광의 확산을 행하도록 하고 있다. 이에 의해, 필드 렌즈(6)에 들어가기 전의 콘덴서 렌즈(5)의 단계에 있어서 광축의 경사를 완료할 수 있어, 필드 렌즈(6)의 기능을 광의 확산만으로 하여, 구성을 간략화할 수 있다.
전체 구성의 개략은 도 23 및 도 24와 마찬가지이지만, 콘덴서 렌즈(5) 및 필드 렌즈(6)의 구성 및 기능은 약간 상이하다. 콘덴서 렌즈(5)의 입사측의 면(5a)에 마련되는 수평 방향용의 제 1 리니어 프레넬 렌즈는, LED 등의 광원(3)마다 대략 평행광으로 집광할 뿐만 아니라, 사용 시에 있어서의 수평 방향의 중심으로부터의 거리에 따라 광축을 사용 시에 있어서의 수평 방향의 외측으로 변화시키도록, 렌즈의 각도가 조정되어 있다. 즉, 출사면의 중심에서는 대략 평행광인 채로 되고, 중심으로부터 외측이 됨에 따라서, 광축이 외측으로 경사지도록 되어 있다. 수평 방향에 있어서의 광축의 경사가 그다지 크지 않은 경우에는, 제 1 리니어 프레넬 렌즈만으로 집광과 광축의 경사가 가능하다. 도 28은, 제 5 실시형태에 관련되는 수평 방향의 광선의 굴절의 모습을 나타내는 도이다. 즉, 도 28은 사용 시에 있어서의 수평 방향(X, H) 및 출사면의 법선 방향(Z)을 따른 단면 내에 있어서의 광의 거동을 나타내고 있다. 도 28에 있어서, 필드 렌즈(6)에 관해서는 도시가 생략되어 있다. 도 28에 있어서, 면 형상 조명 장치(1)의 중심에서는 대략 평행광으로 집광되고, 그 양측에서는 더 외측으로 광축이 경사지도록 되어 있다.
콘덴서 렌즈(5)의 출사측의 면(5b)에 마련되는 수직 방향용의 제 2 리니어 프레넬 렌즈는, 제 4 실시형태와 마찬가지로, LED 등의 광원(3)마다 대략 평행광으로 집광할 뿐만 아니라, 사용 시에 있어서의 수직 방향의 중심으로부터의 거리에 따라 광축을 사용 시에 있어서의 수직 방향의 외측으로 변화시키도록, 렌즈의 각도가 조정되어 있다. 광의 굴절의 모습은, 도 25와 마찬가지이다. 즉, 출사면의 중심에서는 대략 평행광인 채로 되고, 중심으로부터 외측이 됨에 따라서, 광축이 외측으로 경사지도록 되어 있다. 또한, 전술과 같이, 광축의 경사에 관해서는, 중심이 대략 평행광이 아니고 소정의 방향으로 경사져 있어도 되며, 그 양측에서는, 중심의 경사에 대하여 외측으로 경사지도록 되어 있으면 된다.
필드 렌즈(6)의 입사측의 면(6a)에는, 제 4 실시형태와 마찬가지로, Y축 방향으로 홈이 연장되는 수평 방향용의 렌티큘러 렌즈가 마련되어, 수평 방향으로 광을 확산시키도록 되어 있다. 필드 렌즈(6)의 출사측의 면(6b)에는 X축 방향으로 홈이 연장되는 수직 방향용의 렌티큘러 렌즈가 마련되어, 수직 방향으로 광을 확산시키도록 되어있다.
상기의 필드 렌즈(6)의 입사측과 출사측의 구성 및 기능을 교체하거나, 또는, 콘덴서 렌즈(5)의 입사측과 출사측의 구성 및 기능을 교체할 수도 있다. 즉, 1매째의 콘덴서 렌즈(5)의 입사측의 면(5a)에서 수평 방향에 관하여 집광과 광축의 경사를 행하고, 출사측의 면(5b)에서 수직 방향에 관하여 집광과 광축의 경사를 행하며, 2매째의 필드 렌즈(6)의 입사측의 면(6a)에서 수직 방향에 관하여 광의 확산을 행하고, 출사측의 면(6b)에서 수평 방향에 관하여 광의 확산을 행하도록 할 수 있다. 또한, 1매째의 콘덴서 렌즈(5)의 입사측의 면(5a)에서 수직 방향에 관하여 집광과 광축의 경사를 행하고, 출사측의 면(5b)에서 수평 방향에 관하여 집광과 광축의 경사를 행하며, 2매째의 필드 렌즈(6)의 입사측의 면(6a)에서 수평 방향에 관하여 광의 확산을 행하고, 출사측의 면(6b)에서 수직 방향에 관하여 광의 확산을 행하도록 할 수 있다. 또한, 1매째의 콘덴서 렌즈(5)의 입사측의 면(5a)에서 수직 방향에 관하여 집광과 광축의 경사를 행하고, 출사측의 면(5b)에서 수평 방향에 관하여 집광과 광축의 경사를 행하며, 2매째의 필드 렌즈(6)의 입사측의 면(6a)에서 수직 방향에 관하여 광의 확산을 행하고, 출사측의 면(6b)에서 수평 방향에 관하여 광의 확산을 행하도록 할 수 있다.
(제 6 실시형태)
다음에, 전술한 각 실시형태에서 사용되는 리니어 프레넬 렌즈의 프리즘 피치에 대한 프리즘 높이를 상대적으로 낮게 하는 연구에 관하여 설명한다. 도 29는, 광원(3)의 출사광의 퍼짐의 각도와 프리즘 피치 및 프리즘 높이와의 관계의 예를 나타내는 도이다. 도 29에 있어서, 기판(2) 상에 배치된 1개의 광원(3)으로부터, 소정의 각도의 퍼짐의 배광으로 광이 출사하여, 콘덴서 렌즈(5)의 면(5a)에 형성된 리니어 프레넬 렌즈의 1 세그먼트분의 영역 내에 광이 입사하는 모습을 나타내고 있다. 또한, 리니어 프레넬 렌즈의 일부의 프리즘이 확대하여 나타내어져 있으며, 프리즘 피치가 a, 프리즘 높이가 b로 되어 있다.
여기서, 집광(법선 방향에 평행한 광으로의 변환)을 행하는 볼록 렌즈에 대응하는 리니어 프레넬 렌즈에서는, 세그먼트의 중심에서는 프리즘 피치(a)에 대한 프리즘 높이(b)는 상대적으로 작지만, 세그먼트의 단부에서는 프리즘 피치(a)에 대한 프리즘 높이(b)는 상대적으로 커진다. 또한, 동일한 리니어 프레넬 렌즈의 패턴 그대로, 광원(3)으로부터의 입사광의 퍼짐의 각도가 커지면, 보다 중심으로부터 먼 부분까지 1 세그먼트 내로서 사용되게 되기 때문에, 세그먼트의 단부에 있어서의 프리즘 높이(b)는 보다 커진다. 프리즘 높이(b)가 커지는 것은, 리니어 프레넬 렌즈가 두꺼워지거나, 광을 굴절하지 않으면 안되는 각도가 커져 광 효율이 저하되어 바람직하지 않다.
그래서, 광원(3)으로부터의 출사광의 퍼짐의 각도를, 예를 들면, 대략 90° 이하(법선 방향을 기준으로 대략 -45° 이하∼대략 +45° 이하)로 설정하고, 세그먼트의 단부에 있어서의 프리즘 피치(a)에 대한 프리즘 높이(b)를 상대적으로 작게, a>b로 한다. 즉, a>b를 만족시키는, 중심 부분만을 1 세그먼트로서 사용한다.
전술과 같이, 헤드업 디스플레이의 백라이트에서는 통상의 디스플레이의 백라이트의 100배 정도의 고휘도의 것이 요구되는 점에서, LED 등의 광원(3)에도 고휘도의 것이 요구된다. 이 점, 고휘도의 LED 등은, 배광의 각도가 좁고, 출사광의 퍼짐의 각도가 90° 이하의 것이 많기 때문에, 상술의 프리즘 높이(b)를 작게 하는 관점에서 광원(3)으로부터의 출사광의 퍼짐의 각도를 좁게 하는 것이 편리하다. 따라서, 광원(3)의 출사광의 퍼짐의 각도를 대략 90° 이하로 설정하고, 프리즘 피치(a) 및 프리즘 높이(b)가 a>b를 만족시키도록 하는 것에 의해, 리니어 프레넬 렌즈의 박형화를 도모할 수 있음과 함께, 광 효율의 향상, 나아가서는 고휘도화를 도모할 수 있다.
또한, 콘덴서 렌즈(5)의 면(5a)(도 3)에 형성된 리니어 프레넬 렌즈에 관하여 설명했지만, 콘덴서 렌즈(5)의 면(5b)(도 3)이나, 콘덴서 렌즈(51)의 면(51a)이나 콘덴서 렌즈(52)의 면(52b)(도 6, 도 7)에 형성된 리니어 프레넬 렌즈나, 그 밖의 실시형태에 나타내어진 리니어 프레넬 렌즈에 관해서도, 마찬가지로 적용할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시형태에 관하여 설명했지만, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되는 것은 아니고, 그 취지를 일탈하지 않는 한에 있어서 다양한 변경이 가능하다.
이상과 같이, 실시형태에 관련되는 면 형상 조명 장치는, 복수의 광원이 격자 형상으로 2차원으로 배치된 기판과, 복수의 광원의 출사측에 배치되고, 렌즈의 요철면을 구성하는 홈이 일방향으로 연장되는 제 1 리니어 프레넬 렌즈와, 제 1 리니어 프레넬 렌즈의 출사측에 배치되고, 렌즈의 요철면을 구성하는 홈이 일방향과 직교하는 방향으로 연장되는 제 2 리니어 프레넬 렌즈를 구비한다. 이에 의해, 고휘도, 고콘트라스트, 고휘도 균일성, 저소비전력, 박형, 로컬 디밍 대응이라는 성능·기능의 몇 가지를 동시에 충족시킬 수 있다.
즉, 2개의 직교하는 리니어 프레넬 렌즈에 의해 대략 평행광이나 임의로 광축을 경사지게 한 광으로의 콜리메이트가 효율적으로 행해지기 때문에, 고휘도 및 고휘도 균일성을 실현할 수 있다. 또한, 격자 형상으로 2차원으로 배치된 복수의 광원에 의해 로컬 디밍에 대응할 수 있어, 고콘트라스트를 실현할 수 있다. 또한, 고휘도를 실현할 수 있는 점에서, 종래와 동일 정도의 휘도에 대해서는 저소비전력을 실현할 수 있다. 또한, 리니어 프레넬 렌즈를 이용하는 것에 의해, 박형을 실현할 수 있다.
또한, 제 1 리니어 프레넬 렌즈는, 격자 형상으로 2차원으로 배치된 복수의 광원의 행 또는 열의 일방에 대응하여 마련되고, 제 2 리니어 프레넬 렌즈는, 행 또는 열의 타방에 대응하여 마련된다. 이에 의해, 직선 형상으로 나열되는 복수의 광원에 맞춰 열 또는 행을 단위로 직선 형상의 리니어 프레넬 렌즈를 형성하는 것은, 광원의 개개에 대하여 원환 형상의 프레넬 렌즈를 형성하는 경우에 비해, 용이하게 제조가 가능하여, 저비용화를 실현할 수 있다.
또한, 일방의 면에 제 1 리니어 프레넬 렌즈가 마련되고, 타방의 면에 제 2 리니어 프레넬 렌즈가 마련되는, 콘덴서 렌즈를 구비한다. 이에 의해, 1매의 콘덴서 렌즈로 제 1 리니어 프레넬 렌즈와 제 2 리니어 프레넬 렌즈를 실현할 수 있어, 구조를 간략화할 수 있다.
또한, 일방의 면에 제 1 리니어 프레넬 렌즈가 마련되는 제 1 콘덴서 렌즈와, 타방의 면에 제 2 리니어 프레넬 렌즈가 마련되는 제 2 콘덴서 렌즈를 구비한다. 이에 의해, 제조가 보다 용이해진다.
또한, 제 1 리니어 프레넬 렌즈 또는 제 2 리니어 프레넬 렌즈의 일방은, 사용 시에 있어서의 수평 방향 및 출사면의 법선 방향을 따른 단면 내에 있어서 광을 대략 평행하게 집광하고, 제 1 리니어 프레넬 렌즈 또는 제 2 리니어 프레넬 렌즈의 타방은, 사용 시에 있어서의 수직 방향 및 출사면의 법선 방향을 따른 단면 내에 있어서 광을 대략 평행하게 집광한다. 이에 의해, 효율적으로 평행광으로의 집광을 행할 수 있다.
또한, 제 2 리니어 프레넬 렌즈의 출사측에 배치되고, 배광을 바꾸는 필드 렌즈를 구비한다. 이에 의해, 적절한 배광을 실현할 수 있다.
또한, 제 1 리니어 프레넬 렌즈 또는 제 2 리니어 프레넬 렌즈의 일방은, 사용 시에 있어서의 수평 방향 및 출사면의 법선 방향을 따른 단면 내에 있어서 광을 대략 평행하게 집광하고, 제 1 리니어 프레넬 렌즈 또는 제 2 리니어 프레넬 렌즈의 타방은, 사용 시에 있어서의 수직 방향의 중심으로부터의 거리에 따라 광축을 사용 시에 있어서의 수직 방향의 외측으로 경사지게 하며, 필드 렌즈의 입사측 또는 출사측의 일방은, 렌티큘러 렌즈에 의해 사용 시에 있어서의 수평 방향 및 출사면의 법선 방향을 따른 단면 내에 있어서 광을 확산시키고, 필드 렌즈의 입사측 또는 출사측의 타방은, 리니어 프리즘에 의해 사용 시에 있어서의 수평 방향의 중심으로부터의 거리에 따라 광축을 사용 시에 있어서의 수평 방향의 외측으로 경사지게 하고 있다. 이에 의해, 사용 시에 있어서의 수평 방향의 광축의 경사가 큰 경우에, 2단계로 나누어 무리없이 경사지게 할 수 있어, 면 형상 조명 장치의 광이 이용되는 헤드업 디스플레이 시스템의 요면경에 대하여 적절한 광축의 제어가 행해진 광을 공급할 수 있다. 또한, 시선의 이동에 대하여 허상의 휘도 균일성이 문제가 되는 사용 시에 있어서의 수평 방향의 광에 관해서만 확산시킬 수 있어, 허상의 휘도 균일성을 높일 수 있다.
또한, 렌티큘러 렌즈의 R형상의 단부에 있어서의 접촉각은, 사용 시에 있어서의 수평 방향의 중심부에 대하여 외측일수록 커진다. 이에 의해, 사용 시에 있어서의 수평 방향의 광에 관하여, 중심부에 대하여 외측의 광의 퍼짐을 크게 하는 것을 용이하게 실현할 수 있어, 시선의 이동에 대한 허상의 휘도 균일성을 높일 수 있다.
또한, 제 1 리니어 프레넬 렌즈 또는 제 2 리니어 프레넬 렌즈의 일방은, 사용 시에 있어서의 수평 방향의 중심으로부터의 거리에 따라 광축을 사용 시에 있어서의 수평 방향의 외측으로 경사지게 하고, 제 1 리니어 프레넬 렌즈 또는 제 2 리니어 프레넬 렌즈의 타방은, 사용 시에 있어서의 수직 방향의 중심으로부터의 거리에 따라 광축을 사용 시에 있어서의 수직 방향의 외측으로 경사지게 하고 있다. 이에 의해, 필드 렌즈에 들어가기 전의 단계에 있어서 광축의 경사를 완료할 수 있어, 필드 렌즈의 기능을 간략화할 수 있다.
또한, 제 2 리니어 프레넬 렌즈의 출사측에 배치되고, 일방의 면에 렌즈의 요철면을 구성하는 홈이 일방향으로 연장되는 제 1 렌티큘러 렌즈가 마련되며, 타방의 면에 렌즈의 요철면을 구성하는 홈이 일방향과 직교하는 방향으로 연장되는 제 2 렌티큘러 렌즈가 마련되는 제 2 필드 렌즈를 구비한다. 이에 의해, 출사광의 수평 방향 및 수직 방향의 배광을 넓혀, 휘도의 균일성을 높일 수 있다.
또한, 제 2 리니어 프레넬 렌즈의 출사측에 배치되고, 일방의 면에 렌즈의 요철면을 구성하는 홈이 일방향으로 연장되는 제 1 렌티큘러 렌즈가 마련되며, 타방의 면에 렌즈의 요철면을 구성하는 홈이 일방향과 직교하는 방향으로 연장되는 제 2 렌티큘러 렌즈가 마련되고, 어느 일방 또는 양방의 면이 오목 형상으로 되는 제 3 필드 렌즈를 구비한다. 이에 의해, 주요한 부품의 점수 삭감을 행할 수 있다.
또한, 필드 렌즈는, 면 형상 조명 장치의 중심으로부터의 사용 시에 있어서의 수평 방향의 거리에 따라 광축을 사용 시에 있어서의 수평 방향의 외측으로 경사지게 하고 있다. 이에 의해, 면 형상 조명 장치의 광이 이용되는 헤드업 디스플레이 시스템의 요면경에 대하여 적절한 광축의 제어가 행해진 광을 공급할 수 있다. 또한, 이용자가 좌우로 시선을 돌려도 휘도가 급격히 변화하지 않아, 시인성을 높일 수 있다.
또한, 필드 렌즈의 출사측에 마련되고, 출사광을 확산시키는 미소한 도트를 구비한다. 이에 의해, 휘도의 균일성을 높일 수 있다.
또한, 기판과 제 1 리니어 프레넬 렌즈의 사이에 배치되고, 복수의 광원의 개개를 둘러싸는 반사면을 가지는 리플렉터를 구비한다. 이에 의해, 광원으로부터의 광의 로스를 저감하여, 한층 더 고휘도를 실현할 수 있다.
또한, 광원의 출사광의 퍼짐의 각도는 대략 90° 이하로 설정되고, 리니어 프레넬 렌즈의 프리즘 피치(a) 및 프리즘 높이(b)는 a>b로 설정된다. 이에 의해, 리니어 프레넬 렌즈의 박형화를 도모할 수 있음과 함께, 광 효율의 향상, 나아가서는 고휘도화를 도모할 수 있다.
또한, 상기 실시형태에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 상술한 각 구성 요소를 적절히 조합하여 구성한 것도 본 발명에 포함된다. 또한, 가일층의 효과나 변형례는, 당업자에 의해 용이하게 도출할 수 있다. 따라서, 본 발명의 보다 광범한 양태는, 상기의 실시형태에 한정되는 것은 아니고, 여러 가지 변경이 가능하다.
1 : 면 형상 조명 장치
2 : 기판
3 : 광원
4 : 리플렉터
4a : 반사면
5, 51, 52 : 콘덴서 렌즈
6, 61, 62, 63 : 필드 렌즈
7 : 프레임

Claims (15)

  1. 복수의 광원이 격자 형상으로 2차원으로 배치된 기판과,
    상기 복수의 광원의 출사측에 배치되고, 렌즈의 요철면을 구성하는 홈이 일방향으로 연장되는 제 1 리니어 프레넬 렌즈와,
    상기 제 1 리니어 프레넬 렌즈의 출사측에 배치되고, 렌즈의 요철면을 구성하는 홈이 상기 일방향과 직교하는 방향으로 연장되는 제 2 리니어 프레넬 렌즈
    를 구비하는 면 형상 조명 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 리니어 프레넬 렌즈는, 격자 형상으로 2차원으로 배치된 상기 복수의 광원의 행 또는 열의 일방에 대응하여 마련되고,
    상기 제 2 리니어 프레넬 렌즈는, 상기 행 또는 열의 타방에 대응하여 마련되는, 면 형상 조명 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    일방의 면에 상기 제 1 리니어 프레넬 렌즈가 마련되고, 타방의 면에 상기 제 2 리니어 프레넬 렌즈가 마련되는, 콘덴서 렌즈
    를 구비하는 면 형상 조명 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    일방의 면에 상기 제 1 리니어 프레넬 렌즈가 마련되는 제 1 콘덴서 렌즈와,
    어느 쪽의 면에 상기 제 2 리니어 프레넬 렌즈가 마련되는 제 2 콘덴서 렌즈
    를 구비하는 면 형상 조명 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 리니어 프레넬 렌즈 또는 상기 제 2 리니어 프레넬 렌즈의 일방은, 사용 시에 있어서의 수평 방향 및 출사면의 법선 방향을 따른 단면 내에 있어서 광을 대략 평행하게 집광하고,
    상기 제 1 리니어 프레넬 렌즈 또는 상기 제 2 리니어 프레넬 렌즈의 타방은, 사용 시에 있어서의 수직 방향 및 출사면의 법선 방향을 따른 단면 내에 있어서 광을 대략 평행하게 집광하는, 면 형상 조명 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 리니어 프레넬 렌즈의 출사측에 배치되고, 배광을 바꾸는 필드 렌즈
    를 구비하는 면 형상 조명 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 리니어 프레넬 렌즈 또는 상기 제 2 리니어 프레넬 렌즈의 일방은, 사용 시에 있어서의 수평 방향 및 출사면의 법선 방향을 따른 단면 내에 있어서 광을 대략 평행하게 집광하고,
    상기 제 1 리니어 프레넬 렌즈 또는 상기 제 2 리니어 프레넬 렌즈의 타방은, 사용 시에 있어서의 수직 방향의 중심으로부터의 거리에 따라 광축을 사용 시에 있어서의 수직 방향의 외측으로 경사지게 하며,
    상기 필드 렌즈의 입사측 또는 출사측의 일방은, 렌티큘러 렌즈에 의해 사용 시에 있어서의 수평 방향 및 출사면의 법선 방향을 따른 단면 내에 있어서 광을 확산시키고,
    상기 필드 렌즈의 입사측 또는 출사측의 타방은, 리니어 프리즘에 의해 사용 시에 있어서의 수평 방향의 중심으로부터의 거리에 따라 광축을 사용 시에 있어서의 수평 방향의 외측으로 경사지게 하고 있는, 면 형상 조명 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 렌티큘러 렌즈의 R형상의 단부에 있어서의 접촉각은, 사용 시에 있어서의 수평 방향의 중심부에 대하여 외측일수록 커지는, 면 형상 조명 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 리니어 프레넬 렌즈 또는 상기 제 2 리니어 프레넬 렌즈의 일방은, 사용 시에 있어서의 수평 방향의 중심으로부터의 거리에 따라 광축을 사용 시에 있어서의 수평 방향의 외측으로 경사지게 하고,
    상기 제 1 리니어 프레넬 렌즈 또는 상기 제 2 리니어 프레넬 렌즈의 타방은, 사용 시에 있어서의 수직 방향의 중심으로부터의 거리에 따라 광축을 사용 시에 있어서의 수직 방향의 외측으로 경사지게 하고 있는, 면 형상 조명 장치.
  10. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 리니어 프레넬 렌즈의 출사측에 배치되고, 일방의 면에 렌즈의 요철면을 구성하는 홈이 일방향으로 연장되는 제 1 렌티큘러 렌즈가 마련되며, 타방의 면에 렌즈의 요철면을 구성하는 홈이 상기 일방향과 직교하는 방향으로 연장되는 제 2 렌티큘러 렌즈가 마련되는 제 2 필드 렌즈
    를 구비하는 면 형상 조명 장치.
  11. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 리니어 프레넬 렌즈의 출사측에 배치되고, 일방의 면에 렌즈의 요철면을 구성하는 홈이 일방향으로 연장되는 제 1 렌티큘러 렌즈가 마련되며, 타방의 면에 렌즈의 요철면을 구성하는 홈이 상기 일방향과 직교하는 방향으로 연장되는 제 2 렌티큘러 렌즈가 마련되고, 어느 일방 또는 양방의 면이 오목 형상으로 되는 제 3 필드 렌즈
    를 구비하는 면 형상 조명 장치.
  12. 제 6 항에 있어서,
    상기 필드 렌즈는, 상기 면 형상 조명 장치의 중심으로부터의 사용 시에 있어서의 수평 방향의 거리에 따라 광축을 사용 시에 있어서의 수평 방향의 외측으로 경사지게 하고 있는, 면 형상 조명 장치.
  13. 제 6 항에 있어서,
    상기 필드 렌즈의 출사측에 마련되고, 출사광을 확산시키는 미소한 도트
    를 구비하는 면 형상 조명 장치.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판과 상기 제 1 리니어 프레넬 렌즈의 사이에 배치되고, 상기 복수의 광원의 개개를 둘러싸는 반사면을 가지는 리플렉터
    를 구비하는 면 형상 조명 장치.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광원의 출사광의 퍼짐의 각도는 대략 90° 이하로 설정되고, 상기 리니어 프레넬 렌즈의 프리즘 피치(a) 및 프리즘 높이(b)는 a>b로 설정되는, 면 형상 조명 장치.
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