JP4499540B2 - 面光源装置、透過型表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、液晶表示装置等の照明に用いられる面光源装置、及び、それを用いた透過型表示装置に関するものである。

透過型の液晶ディスプレイ（ＬＣＤパネル）等を背面から照明する面光源として各種方式の面光源装置が提案、実用化している。面光源装置には、主として、面光源でない光源を面光源に変換する方式によりエッジライト型と直下型とがある。
例えば、直下型では、背面より並列の冷陰極管（発光管）を用いて光を導入するようになっており、冷陰極管とＬＣＤパネル等の透過型表示部との距離を適度に空け、その間に拡散板を用い、それに、光を収束させるシートを複数組み合わせて使用していた。
このような従来の方式では、必要とする光学シートの枚数が多い割に収束特性が不十分であり、それを補うためにＬＣＤパネルを改良して、斜め方向からの入射光に対しても画質を落とさない構造としていた。

しかし、この方式では、光の利用効率が低下する上、ＬＣＤパネルの構成も複雑となり、コスト増の要因になるという問題があった。
特に、直下型では、冷陰極管に近接した部分であるか否か（冷陰極管に至近の位置であるか、並列に並んだ冷陰極管の間隙部分に至近の位置であるか）によって光強度（輝度）にムラが発生し易い。これを抑えるために冷陰極管とＬＤＣとの間隔を大きく取ってしまうとディスプレイの厚さが厚くなってしまうという問題があった。また、ムラを抑えるために拡散を強くしたり、透過量を制限したりすると、光の使用量が低減してしまうという問題があった。

例えば、特許文献１及び２に記載の面光源装置では、遮光部分（ライティングカーテン，遮光ドット層）を設けることで均一性を維持しているが、この手法では、上述のように光の使用量が減少してしまっていた。
また、両面にレンチキュラーレンズを設けたシートを使用する方式も例えば、特許文献３で報告されているが、これは、２方向の拡散制御を行うための構成で、光を収束する機能はない。従って、冷陰極管との位置関係によってＬＣＤの場所毎に光軸がばらつくことにより、画面を観察する位置によって明るさのムラが発生したりするという問題もあった。
特開平０５−１１９７０３号公報 特開平１１−２４２２１９号公報 特開平０６−３４７６１３号公報

本発明の課題は、画面を観察する位置によらずムラのない均一な照明を行うことができる面光源装置、透過型表示装置を提供することである。

本発明は、以下のような解決手段により、前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために、本発明の実施例に対応する符号を付して説明するが、これに限定されるものではない。
請求項１の発明は、透過型表示部を背面から照明する直下型の面光源装置であって、複数の光源を並べた光源部と、前記光源（１３）から出射した光を拡散して均一化する均一化シートとを備え、前記均一化シート（１４）は、長軸がシート面に対して直交して連続する略楕円筒の一部、又は、長軸がシート面に対して直交する略回転楕円体の一部であるｎ種類の単位レンズ（１４１ａ，１４１ｂ）の集合である単位レンズ集合（１４１）が繰り返し配列されており、前記単位レンズ集合内のｎ番目の単位レンズのレンズ面を形成する略楕円形状の長半径をＡｎ、短半径をＢｎ、前記単位レンズ集合中における前記ｎ番目の単位レンズのシート法線方向から見たときにシート面上に占める面積比率をＲｎとしたときに、２．０≦Σ（Ｒｎ×Ａｎ／Ｂｎ）≦２．８の関係を満足し、前記光源は、間隔Ｌで等間隔に配列された発光管であって、前記発光管の中心と前記均一化シートの入射面との距離をＤとしたときに、２．５≦Σ（Ｒｎ×Ａｎ／Ｂｎ）×２Ｄ／Ｌ≦３の関係を満足すること、を特徴とする面光源装置（１２，１３，１４，１５，１６）である。

請求項２の発明は、請求項１に記載の面光源装置において、前記単位レンズ集合（１４１）は、高さの異なる２種類の単位レンズ（１４１ａ，１４１ｂ）からなり、前記２種類の単位レンズの内、高さが高い単位レンズ（１４１ｂ）の高さをＨ、高さが高い単位レンズの幅をＷ、前記単位レンズの屈折率をＮとしたときに、ａｒｃｓｉｎ（１／Ｎ）＜ａｒｃｔａｎ（１／（（２Ｈ／Ｗ）−０．１））を満足すること、を特徴とする面光源装置（１２，１３，１４，１５，１６）である。
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の面光源装置において、前記単位レンズ（１４１ａ，１４１ｂ）の間には、平坦形状（１４１ｃ）、凹形状、微細凹凸形状のいずれかが形成されていること、を特徴とする面光源装置（１２，１３，１４，１５，１６）である。

請求項４の発明は、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の面光源装置において、前記均一化シート（１４）の出射側に配置され、少なくとも１面に微細凹凸形状を有する拡散シート（１６）を有すること、を特徴とする面光源装置（１２，１３，１４，１５，１６）である。

請求項５の発明は、透過型表示部（１１）と、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の面光源装置（１２，１３，１４，１５，１６）と、を備える透過型表示装置である。

本発明によれば、以下の効果を奏することができる。
（１）２．０≦Σ（Ｒｎ×Ａｎ／Ｂｎ）≦２．８の関係を満足するので、出射光の収束性がよく、十分な正面輝度を確保しながら、斜め方向からみてもムラの無い均一な照明光を出射することができる。

（２）ａｒｃｓｉｎ（１／Ｎ）＜ａｒｃｔａｎ（１／（（２Ｈ／Ｗ）−０．１））を満足するので、出射角度の大きな方向へ出射することを防ぎ、斜め方向から観察した場合であっても、管ムラが生じることなく、かつ、光の利用効率を高めることができる。

（３）単位レンズの間には、平坦形状、凹形状、微細凹凸形状のいずれかが形成されているので、法線方向に近い入射角度で入射する光の一部については、法線方向に近い出射角度で出射させることができ、光源に至近の位置における輝度の極端な低下を抑制することができ、均一性を高めることができる。また、これら、平坦形状、凹形状、微細凹凸形状から斜め方向に向かう光は、隣接する単位レンズに入射し、光の収束性を高めることができる。

（４）２．５≦Σ（Ｒｎ×Ａｎ／Ｂｎ）×２Ｄ／Ｌ≦３の関係を満足するので、発光管の間隔が広い場合であっても、輝度ムラのない照明光を出射することができる。

（５）少なくとも１面に微細凹凸形状を有する拡散シートを有するので、均一化シートによる拡散効果を補助することができ、より均一性の高い面光源とすることができる。

ムラのない均一な照明をするという目的を、光学シートの枚数を増加することなく実現した。

図１は、本発明による透過型表示装置の実施例を示す図である。
なお、図１を含め、以下に示す各図は、模式的に示した図であり、各部の大きさ、形状は、理解を容易にするために、適宜誇張して示している。
本実施例における透過型表示装置１０は、ＬＣＤパネル１１，反射板１２，発光管１３，均一化シート１４，反射型偏光性シート１５，拡散シート１６等を備え、ＬＣＤパネル１１に形成される映像情報を反射板１２，発光管１３，均一化シート１４，反射型偏光性シート１５，拡散シート１６を備える面光源装置により背面から照明する透過型の液晶表示装置である。

ＬＣＤパネル１１は、所謂透過型の液晶表示素子により形成されたライトバルブであって、３０インチサイズ、８００×６００ドットの表示を行うことができる。発光管１３の長手方向に沿った方向が、水平方向として使用され、発光管１３が並ぶ方向が、垂直方向として使用される。

発光管１３は、バックライトの光源部を形成する線光源の冷陰極管であり、本実施例では、略８０ｍｍ間隔で等間隔に６本が並列に並べられている。また、発光管１３と後述の均一化シート１４との距離は、５０ｍｍとなっている。
発光管１３の背面には、反射板１２を設けており、その設計により画面各部位への入射光照度を均一に近づけるようにしている。
反射型偏光性シート１５は、ＬＣＤパネル１１と均一化シート１４との間に配置され、視野角を狭めることなく輝度を上昇させるシートである。本実施例では、ＤＢＥＦ（住友スリーエム株式会社製）を使用している。

拡散シート１６は、均一化シート１４より出射側に設けられ、均一化シート１４の拡散機能を補助するシートである。本実施例では、拡散シート１６は、均一化シート１４と反射型偏光性シート１５との間に配置されている。拡散シート１６は、ビーズ拡散板とも呼ばれ、内部には殆ど拡散剤を含んでおらず、表面に拡散ビーズを分散させて表面に微細な凹凸形状を形成し、この拡散ビーズの曲率に応じて出射光を拡散させる。したがって、拡散シート１６は、拡散ビーズにより拡散度合いを調整することが可能である。本実施例における拡散シート１６のヘイズ値は、８３．６％である。
発光管１３と拡散シート１６との間には、均一化シート１４が設けられている。

図２は、均一化シート１４を示す斜視図である。
均一化シート１４は、発光管１３から出射した光を拡散して均一化するシートであり、出射側には、光を均一に出射するために２種類の単位レンズからなるレンチキュラーレンズ形状が形成されている。
図３は、図２中のＤＤ断面を拡大して示した図である。
均一化シート１４は、出射側には、２種類の単位レンズ１４１ａ，１４１ｂが平行に規則的に並べて配置された１つの単位レンズ集合１４１をさらに多数並べて配置されている。なお、各単位レンズの並ぶ方向は、発光管１３の並ぶ方向と一致している（図１参照）。

本実施例における均一化シート１４の出射側に形成された２種類の単位レンズ１４１ａ，１４１ｂは、長軸が均一化シート１４のシート面に対して直交する連続する楕円筒の一部の形状であり、レンチキュラーレンズ形状を形成している。
単位レンズ１４１ａは、図３に示した断面において、長半径が４００μｍ、短半径が１２０μｍの楕円となっており、出光側へ突出する高さ（平坦部１４１ｃからの高さ）が９６μｍ、突出している部分の幅が１５６μｍとなっている。
単位レンズ１４１ｂは、図３に示した断面において、長半径が４８０μｍ、短半径が２４０μｍの楕円となっており、出光側へ突出する高さ（平坦部１４１ｃからの高さ）が１５６μｍ、突出している部分の幅が３５６μｍとなっている。

単位レンズ１４１ａと単位レンズ１４１ｂとは、それぞれの長軸の間隔が２５９μｍとなって長軸が均一化シート１４のシート面に対して直交しおり、この組合せを１つの単位レンズ集合として、ピッチ５１８μｍ間隔で平行に並べて配置されている。単位レンズ１４１ａと単位レンズ１４１ｂとの間には、平坦部１４１ｃが設けられており、この平坦部１４１ｃの幅は、略３μｍとなっている。
また、均一化シート１４の厚さは、２ｍｍであり、屈折率Ｎ＝１．５５のＭＳ樹脂（アクリルスチレン共重合物）により形成されている。

図４は、均一化シート１４に入射した光の典型的な軌跡を示した図である。
図４から明らかなように、均一化シート１４に対して小さい入射角度で入射する光線は、その多くが光源側へ戻され、大きい入射角度で入射する光線については、光源側に戻されることなく出射することができる。均一化シート１４がこのような作用を有しているので、均一化シート１４を通過する発光管１３が発光した照明光は、発光管１３に近接した位置では、入射角度が小さいので発光管１３側へ戻される割合が多く、発光管１３から離れる（並列した発光管１３の間隙部分に近づく）に従い出射する割合が多くなる。よって、均一化シート１４から出射する照明光は、均一化されることとなる。

先に述べたように、高さの高い方の単位レンズ１４１ｂの高さＨは、１５６μｍであり、その幅Ｗは、３５６μｍであるから、これらの値は、以下の式（１）を満足している。
ａｒｃｓｉｎ（１／Ｎ）＜ａｒｃｔａｎ（１／（（２Ｈ／Ｗ）−０．１）） ・・・式（１）
この式（１）は、レンズ谷の端から高さの１０％の位置で全反射した光がレンズ頂部で全反射するか否かを判断する式である。

図５は、本実施例における均一化シート１４における光の進み方を比較例と比べて示した図である。図５（ａ）は、本実施例の場合を示し、図５（ｂ）は、比較例として、上記式（１）を満たさない形状のみからなる均一化シートの場合を示している。
レンズ頂部には、色々な方向から光が到達するが、単位レンズ集合１４１の単位レンズ間の谷部において、ある一定方向から来た光が全反射し頂部から出射すると、斜め方向へ進んでしまう（図５（ｂ）中の光線Ｌ４参照）ので、斜めから観察したときにムラに見えてしまう。式（１）を満足することにより、図５（ａ）中の光線Ｌ１のように、小さな出射角度で出射することができ、斜めから観察したときに上述のムラが観察されないようにすることができるとともに、光の利用効率を高めることができる。

ここで、楕円の長半径をＡとし短半径をＢとしたときの比である長短比Ａ／Ｂは、同一形状の単位レンズが並んでいたとすると、２．０≦Ａ／Ｂ≦２．８を満たすことが望ましい。Ａ／Ｂが２．０よりも小さくなると、出射光の収束性が悪くなり、正面輝度が低下しすぎてしまう。一方、Ａ／Ｂが２．８よりも大きくなってしまうと、収束性は良くなるが単位レンズで１回全反射したのち反対斜面から出光する光が多くなり、斜め方向からムラが見える原因となる。

本実施例において単位レンズ１４１ａ，１４１ｂは、異なる楕円形状により形成された単位レンズを組み合わせている。この場合に、上述の長短比をどのように設定すればよいかについて説明する。単位レンズは、非常に微細なピッチで多数配列されているので、その中の一部が、上記長短比（２．０≦Ａ／Ｂ≦２．８）を満たさなくても、全体として上記長短比（２．０≦Ａ／Ｂ≦２．８）を満足すればよい。すなわち、単位レンズの内のｎ番目の単位レンズのレンズ面を形成する略楕円形状の長半径をＡｎ、短半径をＢｎ、単位レンズ集合中におけるｎ番目の単位レンズのシート法線方向から見たときに（投影された単位レンズ形状が）シート面上に占める面積比率をＲｎとしたときに、
２．０≦Σ（Ｒｎ×Ａｎ／Ｂｎ）≦２．８ ・・・式（２）
の関係を満足すればよい。
なお、単位レンズがレンチキュラーレンズ形状の場合には、上記面積比率Ｒｎとせずに、単位レンズの幅が占める割合としても等価であるが、単位レンズが回転楕円体の一部であるレンズアレイ（所謂蝿の目レンズ）の場合を考慮すると、面積比率とする必要がある。

上記式（２）における上限値２．８、下限値２．０は、実際に単位レンズの形状を変えてΣ（Ｒｎ×Ａｎ／Ｂｎ）の値が異なる複数の均一化シートを作成して実験的に求めた。
具体的には、Σ（Ｒｎ×Ａｎ／Ｂｎ）＝１，１．５，２，２．５，３の５種類の均一化シートを作成し、輝度ムラ、斜めから見たときのムラ（斜めムラ）、正面輝度を評価した。その結果を表１に示す。

表１の結果から、輝度ムラ、斜めムラ、正面輝度のいずれについても満足することができる範囲として、式（２）を条件とした。
本実施例における均一化シート１４の単位レンズ１４１ａでは、Ａ１４１ａ＝４００μｍ、Ｂ１４１ａ＝１２０μｍである。また、単位レンズ１４１ａの突出している部分の幅は、略１５６μｍであり、単位レンズ集合１つあたりの幅は、５１８μｍである。ここで、単位レンズ１４１ａは、レンチキュラーレンズであるから、面積比率Ｒｎは、単位レンズ１４１２ａの幅が占める割合としても等価であるから、Ｒ１４１ａ＝１５６／５１８≒０．３である。
また、単位レンズ１４１ｂでは、Ａ１４１ｂ＝４８０μｍ、Ｂ１４１ｂ＝２４０μｍである。また、単位レンズ１４１ｂの突出している部分の幅は、略３５６μｍであり、単位レンズ集合１つあたりの幅は、５１８μｍであるから、単位レンズ１４１ａの場合と同様に、Ｒ１４１ｂ＝３５６／５１８≒０．６９である。したがって、式（２）のΣ（Ｒｎ×Ａｎ／Ｂｎ）の値は、以下のようになる。
Σ（Ｒｎ×Ａｎ／Ｂｎ）＝０．３×４００／１２０＋０．６９×４８０／２４０＝２．３８
よって、本実施例における均一化シート１４は、式（２）を満足している。

上記式（２）は、Σ（Ｒｎ×Ａｎ／Ｂｎ）の値が大きすぎると発光管と発光管との中間付近に対応する部分の輝度が高くなり、Σ（Ｒｎ×Ａｎ／Ｂｎ）の値が小さすぎると発光管直上の輝度が高くなるので、Σ（Ｒｎ×Ａｎ／Ｂｎ）の値範囲を規定したものである。
しかし、式（２）を満足していても、発光管同士の間隔が広くなると、輝度ムラが生じてしまう。よって、発光管同士の間隔が広く、輝度ムラが生じてしまうような場合には、さらに、以下の式（３）を満足することにより、輝度の均一性を保つことができる。
２．５≦Σ（Ｒｎ×Ａｎ／Ｂｎ）×２Ｄ／Ｌ≦３ ・・・式（３）
ただし、Ｌは、発光管の並ぶ間隔を示し、Ｄは、発光管の中心と均一化シートの入射面との距離を示している。
また、２Ｄ／Ｌは１より小さい方が薄型で、かつ、効率の高い面光源装置とするために好ましい。２Ｄ／Ｌが１より大きくなってしまうと、面光源装置の厚さが厚くなってしまうからである。

上記式（３）における上限値３．０、下限値２．５は、実際に単位レンズの形状を変えてΣ（Ｒｎ×Ａｎ/Ｂｎ）×２Ｄ／Ｌの値が異なる複数の均一化シートを作成して実験的に求めた。具体的には、Σ（Ｒｎ×Ａｎ/Ｂｎ）×２Ｄ／Ｌ＝２，２．５，２．８，３，３．５の５種類の均一化シートを作成し、輝度ムラ、斜めムラ、正面輝度を評価した。その結果を表２に示す。

表２の結果から、輝度ムラ、斜めムラ、正面輝度のいずれについても満足することができる範囲として、式（３）を条件とした。
本実施例では、Ｌ＝８０ｍｍ，Ｄ＝５０ｍｍであり、先の計算よりΣ（Ｒｎ×Ａｎ／Ｂｎ）＝２．３８であるので、式（３）におけるΣ（Ｒｎ×Ａｎ／Ｂｎ）×２Ｄ／Ｌを求めると以下のように式（３）を満足している。
Σ（Ｒｎ×Ａｎ／Ｂｎ）×２Ｄ／Ｌ＝２．３８×２×５０／８０＝２．９７５
本実施例によれば、均一化シートのレンズ形状及び発光管との寸法関係について規定しているので、輝度ムラのなく、高輝度の照明を得ることができる。また、均一化シートの形状などを試行錯誤して多数の試作品を作製する必要もなくなり、結果として均一化シート、面光源装置、及び、透過型表示装置を安価に提供することができる。

（変形例）
以上説明した実施例に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の均等の範囲内である。
（１）本実施例において、均一化シートは、出射側の面に、レンチキュラーレンズ形状に近い形状が形成されている例を示したが、これに限らず、例えば、微少な単位レンズ形状が２次元方向に配列された所謂レンズアレイ形状（蝿の目レンズ形状）としてもよい。

（２）本実施例において、均一化シート１４の入射側は、平面である例を示したが、これに限らず、例えば、さらなる光の拡散作用を与えるために、エンボス加工等により微細凹凸形状を形成してもよい。

（３）本実施例において、均一化シート１４、拡散シート１６，反射型偏光性シート１５を組み合わせて面光源装置、及び、透過型表示装置とした例を示したが、これに限らず、例えば、拡散シート１６を省略してもよいし、これら以外の各種光学シートと均一化シート１４とを組み合わせて面光源装置、及び、透過型表示装置を形成してもよい。

（４）本実施例において、均一化シート１４は、高さの異なる２種類の単位レンズ１４１ａ，１４１ｂを並べて配置されている例を示したが、これに限らず、例えば、３種類の高さの異なる単位レンズを並べて配置してもよいし、それ以上の数の高さの異なる単位レンズを並べて配置してもよい。

（５）本実施例において、単位レンズ１４１ａ，１４１ｂの間には、平坦部１４１ｃを設けた例を示したが、これに限らず、例えば、凹形状、又は、微細凹凸形状を形成し、光の均一性と収束性を向上させてもよい。

本発明による透過型表示装置の実施例を示す図である。 均一化シート１４を示す斜視図である。 図２中のＤＤ断面を拡大して示した図である。 均一化シート１４に入射した光の典型的な軌跡を示した図である。 本実施例における均一化シート１４における光の進み方を比較例と比べて示した図である。

符号の説明

１０ 透過型表示装置
１１ ＬＣＤパネル
１２ 反射板
１３ 発光管
１４ 均一化シート
１４１ａ，１４１ｂ 単位レンズ
１５ 反射型偏光性シート
１６ 拡散シート

Claims (5)

1. 透過型表示部を背面から照明する直下型の面光源装置であって、
   複数の光源を並べた光源部と、
   前記光源から出射した光を拡散して均一化する均一化シートとを備え、
   前記均一化シートは、
   長軸がシート面に対して直交して連続する略楕円筒の一部、又は、長軸がシート面に対して直交する略回転楕円体の一部であるｎ種類の単位レンズの集合である単位レンズ集合が繰り返し配列されており、
   前記単位レンズ集合内のｎ番目の単位レンズのレンズ面を形成する略楕円形状の長半径をＡｎ、短半径をＢｎ、前記単位レンズ集合中における前記ｎ番目の単位レンズのシート法線方向から見たときにシート面上に占める面積比率をＲｎとしたときに、
   ２．０≦Σ（Ｒｎ×Ａｎ／Ｂｎ）≦２．８
   の関係を満足し、
   前記光源は、間隔Ｌで等間隔に配列された発光管であって、
   前記発光管の中心と前記均一化シートの入射面との距離をＤとしたときに、
   ２．５≦Σ（Ｒｎ×Ａｎ／Ｂｎ）×２Ｄ／Ｌ≦３
   の関係を満足すること、
   を特徴とする面光源装置。
2. 請求項１に記載の面光源装置において、
   前記単位レンズ集合は、高さの異なる２種類の単位レンズからなり、
   前記２種類の単位レンズの内、高さが高い単位レンズの高さをＨ、高さが高い単位レンズの幅をＷ、前記単位レンズの屈折率をＮとしたときに、
   ａｒｃｓｉｎ（１／Ｎ）＜ａｒｃｔａｎ（１／（（２Ｈ／Ｗ）−０．１））
   を満足すること、
   を特徴とする面光源装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の面光源装置において、
   前記単位レンズの間には、平坦形状、凹形状、微細凹凸形状のいずれかが形成されていること、
   を特徴とする面光源装置。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の面光源装置において、
   前記均一化シートの出射側に配置され、少なくとも１面に微細凹凸形状を有する拡散シートを有すること、
   を特徴とする面光源装置。
5. 透過型表示部と、
   請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の面光源装置と、
   を備える透過型表示装置。

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