JP4683165B1 - 導光体、隠蔽構造体、これらを備えた照明装置、表示装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】
導光板の光偏向面に形成される光偏向要素を隠蔽し、且つ、画面の視野角を歪ませることなく、正面方向の輝度を向上させる隠蔽構造体を備える照明装置並びに該照明装置を用いた表示装置を提供する。
【解決手段】
本発明の照明装置は、光源と、光源から入射した光を射出面から射出する導光体と、隠蔽構造体とを備え、該導光体の射出面と対向する面には、光源から入射した光を射出面へと導く光偏向要素が第1の方向と第2の方向と、二次元方向に規則的に形成される。
隠蔽構造体は二次元方向に規則的に形成された光偏向要素を隠蔽する機能を有し、該隠蔽構造体は入射した光を前記第1の方向に対して角度θの方向へと傾いた線状光へと変換する。
【選択図】図1
導光板の光偏向面に形成される光偏向要素を隠蔽し、且つ、画面の視野角を歪ませることなく、正面方向の輝度を向上させる隠蔽構造体を備える照明装置並びに該照明装置を用いた表示装置を提供する。
【解決手段】
本発明の照明装置は、光源と、光源から入射した光を射出面から射出する導光体と、隠蔽構造体とを備え、該導光体の射出面と対向する面には、光源から入射した光を射出面へと導く光偏向要素が第1の方向と第2の方向と、二次元方向に規則的に形成される。
隠蔽構造体は二次元方向に規則的に形成された光偏向要素を隠蔽する機能を有し、該隠蔽構造体は入射した光を前記第1の方向に対して角度θの方向へと傾いた線状光へと変換する。
【選択図】図1
Description
本発明は、主に照明光路制御に使用される導光体、及び隠蔽構造体を備えた照明装置並びに表示装置に関するものである。
最近の大型液晶テレビやフラットディスプレイパネル等においては主に、直下型方式の照明装置と、エッジライト方式の照明装置とが採用されている。直下型方式の照明装置は、光源として複数の冷陰極管やLED(Light Emitting Diode)が、パネルの背面に規則的に配置される。液晶パネル等の画像表示素子と光源との間には、光散乱性の強い拡散板が用いられ、光源としての冷陰極管やLEDが視認されないようにしている。
一方、エッジライト方式の照明装置は、複数の冷陰極管やLEDが、導光板と呼ばれる透光性の板の端面に配置される。一般的に、導光板の射出面(画像表示素子と対向する面)の逆側の面(光偏向面)には、該導光板の端面から入射する入射光を効率良く射出面へと導く光偏向要素が形成される。光偏向面に形成される光偏向要素としては例えば白色のドットパターンが印刷されたもの、あるいは、レンズ形状が付与されたもの等、効率よく射出面へと導くために様々な光偏向要素が提案されている。
しかしながら、エッジライト方式は、導光板の端面にのみ光源が配置される構造のため、光源設置数に限界がある。従って液晶表示装置が大型になるにつれ、ディスプレイ全体を明るくすることは難しくなり、輝度を向上させる光学シートの役割が重要となる。
液晶表示画面の輝度を向上させる手段として、米国3M社の登録商標である輝度向上フィルム(Brightness Enhancement Film:BEF)がレンズシートとして広く使用されている。
図28乃至図30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28は、概略で面光源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18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。
図28乃至図30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28は、概略で面光源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18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。
BEF185は、“軸外(off-axis)”からの光を集光し、この光を観察者に向けて“軸上(on-axis)”に方向転換(redirect)または“リサイクル(recycle)”させることができる。すなわちBEF185は、液晶表示装置の使用時(観察時)に、軸外輝度を低下させることによって軸上輝度を増大させることができる。ここで言う「軸上」とは、図28において観察者の視野方向F’に一致する方向であり、一般的には液晶パネル184の表示画面に対する法線方向側である。
また、BEF185に代表されるレンズシートを用いる際に、透明基材上に拡散フィラーが塗布された拡散フィルムを導光板とレンズシートとの間に配置することによって、導光板から出射される光のムラを抑えることができる。
さらにまた、レンズシートと液晶パネルとの間に拡散フィルムを配置した場合には、プリズムシートに起因する射出光のサイドローブを低減させることができるとともに、規則的に配列されたレンズと液晶画素との間に生じるモアレ干渉縞を防ぐことができる。
ところで、エッジライト方式に使用される導光板は、上述したとおり、射出面とは逆側の面に光偏向面を備え、光偏向面には白色のドットパターンやマイクロレンズ(凹型、凸型)、その他レンズ形状の光偏向要素が形成される。
しかしながら、どのような光偏向要素であっても、規則的に、または規則性を有する擬似不規則的に配列された反射層や構造物で形成されるため、上述のBEF102に代表されるレンズシートとの干渉(モアレ干渉縞)の問題や、光偏向面の光偏向要素が透けて見えることで、輝度ムラとして視認されるといった問題がある。その解決手段としては、導光板とレンズシートとの間に、特許文献4に示されるような拡散フィルムを使用する方法が一般的である。
また、BEF185は正面方向の輝度を向上させる最も効率的なレンズシートの1つではあるが、20インチを超える中型乃至大型の液晶表示装置においては、BEF185の集光性だけでは輝度が足りていないのが現状である。液晶表示装置の輝度を更に向上させる方法の一つとして例えばBEF185を2枚クロスに配置する方法が挙げられるが、液晶表示装置の視野角が極端に狭くなるという問題が生じる。ノートパソコンや携帯情報端末等に比べて、テレビ用途としての液晶表示装置は、正面方向以外からも観察されることが想定されるため十分な視野角が必要であり、特に画面水平方向に十分な視野角が必要となる。
従って、光偏向面に形成される光偏向要素が透けて視認されないよう隠蔽するために、集光性をほとんど有さない拡散フィルムを配置せねばならないという問題と、集光性の光学シートとして、BEF185を1枚使用する構成では、液晶表示装置に必要な輝度が得られないという問題がある。
ところで、上述した拡散フィルムを使用せずに光偏向要素を隠蔽する手段として、特許文献5、及び特許文献6には、プリズムシートを光偏向要素が配列される方向に対して傾けることで光偏向要素の隠蔽を行う手段が開示されている。特許文献5においては、光偏向要素が配列される方向に対して15度以上75度以下の範囲でプリズムシートを傾け、且つ液晶表示装置の画素に対しても15度以上75度以下の範囲でプリズムシートが傾く構成を取るものである。また特許文献6においては、光偏向要素が配列される方向とプリズムシートの頂稜とが10度以上70度以下の範囲で交差する構成を取るものである。
しかしながら、特許文献5においては、液晶表示装置の画素に対して15度以上75度以下の範囲で、特に最適角度として63.5度、または26.5度にプリズムシートを傾けたとき、光偏向要素の隠蔽性が最適であると記載されているが、液晶表示装置の画素配列に対してプリズムシートが大きな角度で傾くことになる。液晶表示装置の画素配列に対して傾くということは、画面の垂直・水平方向に対して傾くということであり、液晶表示装置の表示輝度が上下非対称に、または左右非対称に歪むという問題が生じる。そしてまた、プリズムシートを傾けない場合と比べて正面輝度が低下するという問題も生じる。
一方で特許文献6においては、導光板の最近接である光偏向要素を結んだ形状が正三角形となる六方配置である場合、最近接の光偏向要素を結んだ直線(導光板上の仮想直線)と、レンズシートの直線状頂稜とが30度で交差することが望ましいと開示されている。例えば特許文献6の図6を参照した場合、レンズシートの直線状頂稜の方向は、垂直方向に対して、±30度の方向、及び水平方向の3種の方向となる。しかしながら、本発明者らの実験から、特許文献6による構成において、レンズシートの直線状頂稜を水平方向とした場合、十分な隠蔽性が得られないことを確認し、また、上述のように、レンズシートの直線状頂稜が垂直方向に対して±30度となる方向とした場合、上述したとおり液晶表示装置の表示輝度が歪み、また正面輝度が低下するという問題も生じる。
そしてまた、近年の液晶テレビ用の導光板は薄型化が図られ、また光偏向要素の配置間隔が広がっているため、特許文献5や特許文献6で示される構成のみでは隠蔽性が不足し、画面上から光偏向要素に起因する輝度ムラが視認されてしまう問題も生じている。従って、高い集光性と、光偏向要素が視認されない高い隠蔽性とを併せ持つ光学シートが、エッジライト方式の照明装置に求められており、そして高輝度で水平視野角が広く、表示輝度が歪まない照明装置が、液晶表示装置に求められている。
本発明は、上述のような従来の問題を解決するためになされたもので、導光板の光偏向面に形成される光偏向要素を隠蔽することで輝度ムラを低減し、且つ、表示装置の表示輝度を大きく歪ませることなく、正面方向の輝度を向上させる導光体、及び隠蔽構造体を備える照明装置並びに該照明装置を用いた表示装置を提供することを目的とする。
本発明は、上述の問題を解決するために、以下のような手段を講じる。
即ち、第1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、前記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、を備えた導光体と、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、隠蔽構造体と、を少なくとも備えた照明装置であって、前記光偏向面には、前記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1の方向に第1のピッチP1で略等間隔に配列し、また前記第1の方向とは略直交する第2の方向に第2のピッチP2で略等間隔に配列してなる二次元配列で配置され、前記隠蔽構造体は、第1主面と第2主面とを備え、前記第1主面には、少なくとも一方向に配列された線状レンズを備え、前記第1の線状レンズが延在する方向が、任意の方向Xに対して5度以上45度以下の範囲で傾いて配置され、前記方向Xが、前記第1の方向、または前記第2の方向の何れかの方向と一致してなることを特徴とする照明装置である。
即ち、第1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、前記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、を備えた導光体と、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、隠蔽構造体と、を少なくとも備えた照明装置であって、前記光偏向面には、前記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1の方向に第1のピッチP1で略等間隔に配列し、また前記第1の方向とは略直交する第2の方向に第2のピッチP2で略等間隔に配列してなる二次元配列で配置され、前記隠蔽構造体は、第1主面と第2主面とを備え、前記第1主面には、少なくとも一方向に配列された線状レンズを備え、前記第1の線状レンズが延在する方向が、任意の方向Xに対して5度以上45度以下の範囲で傾いて配置され、前記方向Xが、前記第1の方向、または前記第2の方向の何れかの方向と一致してなることを特徴とする照明装置である。
第3の発明は、前記導光体は、屈折率がn0、その厚みがtであり、前記第1の線状レンズは、屈折率がn1であり、断面形状が丸みを帯びた頂部と、湾曲側面を有する凸レンチキュラーレンズ形状であって、前記湾曲側面の任意の点における接線と、前記第1主面とのなす角は、前記頂部から第1主面に至るにつれ大きくなり、その最大角αが以下の式2で定義されてなり、ここでsinθiは以下の式3、及び式4によって定められることを特徴とする照明装置である。
第5の発明は、前記導光体は、屈折率がn0、その厚みがtであり、前記第1の線状レンズは、屈折率がn1であり、断面形状が丸みを帯びた頂部と、湾曲側面を有する凸レンチキュラーレンズ形状であって、前記湾曲側面の任意の点における接線と、前記第1主面とのなす角は、前記頂部から第1主面に至るにつれ大きくなり、その最大角αが以下の式6で定義されてなり、ここでsinθiは以下の式7、及び式8によって定められることを特徴とする照明装置である。
第6の発明は、前記隠蔽構造体は、前記線状レンズの配列方向による断面形状は、丸みを帯びた頂部と、前記頂部から前記第1主面に至る湾曲線を有し、前記断面形状における任意の点の接線と、前記第1主面とのなす角度は、前記頂部から前記第1主面に至るにつれ大きくなる凸湾曲形状であって、前記線状レンズは、前記射出面より射出された光の一部を、前記第1の方向に対して角度θの方向に沿うように、線状に前記第1主面の法線方向へと変換して射出し、前記線状レンズの前記断面形状における各点の接線と、前記第1主面とのなす最大角度をα、前記線状レンズの屈折率をn1であり、前記導光体の厚みはt、屈折率をn0であり、前記光偏向要素のうち、前記光源近傍に配置された前記光偏向要素の平均直径、または幅をDとしたとき、以下の式9、及び式10を満足し、ここで式10に示される変数Lは式11によって決定され、式11に示される角度θiは、前記線状レンズの最大角αと、式12の関係であることを特徴とする照明装置である。
第7の発明は、前記隠蔽構造体の前記第2主面側に、略ランバート光を射出する点光源を、射出光の主軸と該第2主面の法線方向とが略一致するよう配置した場合において、前記第2主面より入射した光のうち、前記第1主面の法線方向へと変換されて射出される光は、前記点光源の直上を中心に、前記線状レンズの配列方向に広がる線状光に変換され、前記線状光のピーク輝度位置は、前記点光源の直上である前記隠蔽構造体を備えることを特徴とする照明装置である。
第8の発明は、前記線状光のピーク輝度位置が、前記点光源の直上以外に存在し、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%以下である前記隠蔽構造体を備えることを特徴とする照明装置である。
第9の発明は、前記線状レンズの断面形状が以下の式13によって定義されることを特徴とする照明装置である。
ここで式13は、前記線状レンズの単位レンズピッチを1と正規化した際の式であり、zは前記線状レンズの高さ方向の位置関数、rは前記線状レンズの幅方向位置変数である。
ここで式13は、前記線状レンズの単位レンズピッチを1と正規化した際の式であり、zは前記線状レンズの高さ方向の位置関数、rは前記線状レンズの幅方向位置変数である。
第10の発明は、前記第1のピッチP1と前記第2のピッチP2との比であるP2/P1が、1.4<P2/P1<2.2の範囲に設定されてなることを特徴とする照明装置である。
第11の発明は、前記第1のピッチP1と前記第2のピッチP2との比であるP1/P2が、1.4<P1/P2<2.2の範囲に設定されてなることを特徴とする照明装置である。
第12の発明は、前記光偏向要素は、前記第1の方向に前記第1のピッチP1のn倍で配列し、また前記第1の方向とは略直交する前記第2の方向に前記第2のピッチP2のm倍で配列してなる二次元配列で配置され、nまたはmは1から10の整数値をランダムに選択してなることを特徴とする照明装置である。
第13の発明は、前記光偏向要素は、近接した3点の該光偏向要素を結んで描かれる三角形が略正三角形となる六方配置、または六方配置から任意の前記光偏向要素を除去した配置となることを特徴とする照明装置である。
第14の発明は、前記隠蔽構造体の第1主面側に、スプリット構造体を備え、前記スプリット構造体は、第3主面と第4主面とを有し、前記第3主面には、少なくとも一方向に配列されたスプリットレンズが配置されてなり、前記第4主面より入射した光の一部を、前記第2の方向に沿うように、点状に、または線状に前記第3主面の法線方向へと変換して射出することを特徴とする照明装置である。
第15の発明は、第1から第14の発明の何れか1つに記載の照明装置の観察者側に、ヘイズ値が30%以上85%以下である拡散性光学シートを備えることを特徴とする照明装置である。
第16の発明は、第1から第15の発明の何れか1つ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である。
第17の発明は、前記拡散性光学シートが偏光分離反射機能を有することを特徴とする表示装置である。
第18の発明は、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表示装置である。
本発明によれば、導光体の光偏向面に形成された光偏向要素を隠蔽する隠蔽性を有し、且つ、表示装置の表示輝度を歪ませることなく、正面方向の輝度を向上させる導光体、及び隠蔽構造体を備える照明装置並びに該照明装置を用いた表示装置を提供することができる。
(第1の実施の形態)
以下、本発明の第1の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図1は、本発明の第1の実施の形態における隠蔽構造体8を備える照明装置3、及び該照明装置3を具備する表示装置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2と、この画像表示素子2の光入射側に臨ませて配置された照明装置3を備える。
照明装置3は、画像表示素子2の光入射側に臨ませて配置された、拡散性光学シート28、スプリット構造体20、本発明の隠蔽構造体8、導光体7、光源6、及び反射板5を少なくとも含んで構成される。
以下、本発明の第1の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図1は、本発明の第1の実施の形態における隠蔽構造体8を備える照明装置3、及び該照明装置3を具備する表示装置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2と、この画像表示素子2の光入射側に臨ませて配置された照明装置3を備える。
照明装置3は、画像表示素子2の光入射側に臨ませて配置された、拡散性光学シート28、スプリット構造体20、本発明の隠蔽構造体8、導光体7、光源6、及び反射板5を少なくとも含んで構成される。
光源6としては例えば点光源が挙げられる。点光源としては、LED(発光ダイオード)が挙げられ、LEDとしては白色LEDや光の3原色である赤色、緑色、青色のチップで構成されるRGB−LED等が挙げられる。または光源6はCCFL(冷陰極管)に代表される蛍光管であっても良い。図1では、光源6が導光体7の対向する2つの端面に配置された例を示しているが、これに限らず、1つの端面のみに配置する場合、または4つの端面に配置される場合などもあり得る。また導光体7の形状は、図1に示すような平板形状ではなく、楔形状等であっても良い。
導光体7の観察者側Fが射出面であり、射出面とは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、凹型、または凸型の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。
一般的に導光体7は透明板であるため、このような光偏向要素18は観察者側Fより視認される。また、直下型のバックライトとは異なり、導光体7からの射出光はムラが多く、均一な拡散光とは大きく異なる。そのため、エッジライト型の照明装置3においては、一般的に導光体7の射出面側には、この光偏向要素18を隠蔽するため、また射出光のムラを低減するために、強い拡散性を有する拡散フィルム等が使用される。しかしながら、このような拡散フィルムはほとんど観察者側Fへの集光性を有していない。
図2に導光体7の光偏向面17に形成される光偏向要素18の配置例を示す。図2では光偏向要素18の形状が円形で示されているがこれに限らず、楕円形状やプリズム形状、多角形状等であっても良い。
光偏向要素18は、第1の方向にP1のピッチで配列され、第2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1の方向、及び第2の方向は、表示装置1の垂直視野方向、及び水平視野方向に対して任意に選択することが出来る。
光偏向要素18は、第1の方向にP1のピッチで配列され、第2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1の方向、及び第2の方向は、表示装置1の垂直視野方向、及び水平視野方向に対して任意に選択することが出来る。
図3には、光偏向要素18の配置の別の例を示す。光偏向要素18は上述と同様に、第1の方向にP1のピッチで配列され、第2の方向にP2のピッチで配列される二次元配置であるが、黒丸部は、任意に除去される。すなわち、黒丸部を除去する前は、図2に示される光偏向要素18の配置と全く同義であり、光偏向要素18は規則的に配置されるが、任意に選択された黒丸部を除去することで、擬似的に不規則な配置とすることを目的とする。特に光偏向要素18の配列ピッチと、隠蔽構造体8、スプリット構造体20等の構造ピッチとが同等から2〜3倍程度と近い値である場合、光偏向要素18と導光体7の光射出面側に配置される隠蔽構造体8、スプリット構造体20等とのモアレ干渉縞を抑制することが出来る。ここで第1の方向の配列ピッチはP1の整数(n)倍で設定され、第2の方向の配列ピッチはP2の整数(m)倍で設定される。ここでn、及びmは1から10の範囲の整数に設定される。n、及びmが10を超えると、光偏向要素18の間隔が大きくなりすぎるため、輝度ムラとして視認されるため望ましくない。
本発明の照明装置3には図4に示されるような隠蔽構造体8が配置される。図4は隠蔽構造体8の上面図、及び断面図である。隠蔽構造体8は、透光性の基材13の第1主面13aに線状レンズ14が配される。ここで線状レンズ14としては例えばプリズムレンズや凸レンチキュラーレンズ等が挙げられる。以下、線状レンズ14として、丸みを帯びた頂部と湾曲側面を有する凸レンチキュラーレンズ14の場合について説明する。また基材13の第2主面13bにマイクロレンズ19を備えても良い。導光体7の光射出面は一般的に平坦面であるため、隠蔽構造体8の第2主面13bにマイクロレンズ19を備えることで、導光体7と隠蔽構造体8との光学密着を防止することが出来る。また第2主面13bを粗面化しても良く、粗面化した場合、マイクロレンズ19を備えなくても良い。
光源6から導光体7に光を入射し、導光体7を観察者側Fから観察すると、光偏向要素18がドット状に視認される。これは導光体7を導光する光が、光偏向要素18によって拡散反射され、その拡散反射された光の一部が観察者側Fへと偏向され観察されるためである。そして導光体7の射出面に隠蔽構造体8を配し、観察者側Fから観察した際には任意の方向Xと直交する方向Yに対して角度θだけ傾いた方向に光が線状化(図4中M)されて視認される。つまり、隠蔽構造体8の第1主面13aに形成される凸レンチキュラーレンズ14によって、導光体7から射出された光の一部が、第1主面13aの法線方向へ、すなわち観察者側Fへと変換されて射出されるためである。そしてその射出された光を観察者側Fから観察すると、図4に示されるように、方向Yに対して角度θだけ傾いた線状光Mとして視認される。
凸レンチキュラーレンズ14は、導光体7から射出した光を線状光Mへと変換して射出し、線状光Mの延在する方向は凸レンチキュラーレンズ14が配列する方向と略一致する。従って、凸レンチキュラーレンズ14は任意の方向Xに対して角度θだけ傾いた方向に延在し、方向Yに対して角度θだけ傾いた方向に配列される。ここでθの方向は、図4では任意の方向Yから下向きで図示されているが、上向きへのθであっても良い。
図4に示されるように、凸レンチキュラーレンズ14は方向Xに対して、角度θだけ傾いて延在する方向に配置され、傾き角度θの範囲としては5度から45度、または−5度から−45度である。ここで方向Xは上述した光偏向要素18の配列方向である第1の方向、または第2の方向の何れかと一致する。
ここで角度θが5度未満の場合は、凸レンチキュラーレンズ14が延在する方向と方向Xとは略平行である場合と大差ない。光偏向要素18の隠蔽性向上効果が生じるに十分な、略平行ではない角度θとしては5度以上である。一方で、光偏向要素18が配置される第1の方向と第2の方向とは略直交し、方向Xは第1の方向、及び第2の方向の何れかと一致するため、角度θの最大値は45度である。
ここで角度θが5度未満の場合は、凸レンチキュラーレンズ14が延在する方向と方向Xとは略平行である場合と大差ない。光偏向要素18の隠蔽性向上効果が生じるに十分な、略平行ではない角度θとしては5度以上である。一方で、光偏向要素18が配置される第1の方向と第2の方向とは略直交し、方向Xは第1の方向、及び第2の方向の何れかと一致するため、角度θの最大値は45度である。
図5は隠蔽構造体8の、凸レンチキュラーレンズ14が配列される方向における断面図である。凸レンチキュラーレンズ14の湾曲側面の任意の点における接線と、第1主面13aとのなす角は、凸レンチキュラーレンズ14の頂部から第1主面13aに至るにつれ大きくなり、その最大角度を最大角αとする。ここで最大角αの定義について、図22を用いて説明する。図22は本発明の凸レンチキュラーレンズ14の形状の断面図である。最大角αは、凸レンチキュラーレンズ14が第1主面13aに接する点Paと、点Paから頂部に向かった任意の点Pbとを結んだ直線と、第1主面13aとのなす角度とする。ここで第1主面13a上における点Paと点Pbとの距離は、単位レンズピッチPL1に対して5%と定義する。凸レンチキュラーレンズ14の断面における任意の点での接線と第1主面13aとのなす角度は、頂部においては約0度であって、第1主面13aに至るにつれ大きくなる湾曲形状である。従って、単位レンズが第1主面13aと接する点における接線と第1主面13aとのなす角度が最大となるが、レンズの屈折面の性能を評価する場合、ある1点での角度ではなく、有限領域の平均角度を考慮することが望ましい。本発明者らは凸レンチキュラーレンズ14による線状化の機能や集光性などを評価するにあたり、最大角αを、単位レンズが第1主面13aに接する点から、単位レンズピッチPL1に対して5%程度の領域での角度とすることが最も適当であると光学シミュレーション結果と実験結果とから判断し、このように定義する。
式1について、図6から図8を用いて説明する。
図6は、凸レンチキュラーレンズ14による光偏向要素18の線状化を説明する図である。導光体7の射出面側に、第2の方向に対してθ1だけ傾いた方向へと延在する凸レンチキュラーレンズ14を有する隠蔽構造体8を配したとき、光偏向要素18は、第1の方向に対してθ1だけ傾いた方向に広がる線状光Mへと変換される。上述したように、導光体7の入射面より入射した光は、導光体7内部を導光し、光偏向要素18によって進路を偏向され、射出面より射出する。導光体7からの射出光は、射出面の法線方向のみならず、あらゆる角度へと射出されるが、射出面側(観察者側F)より観察した際には、射出面の法線方向へと射出された光が視認されるため、光偏向要素18がドット状に視認される。そして導光体7の射出面に隠蔽構造体8を配すると、射出面の法線方向以外へと射出された光の一部が、凸レンチキュラーレンズ14によって射出面の法線方向へと偏向される。このとき、観察者側Fより観察すると図6に示されるように、凸レンチキュラーレンズ14の配列方向への線状光Mへと変換されて視認される。
図6は、凸レンチキュラーレンズ14による光偏向要素18の線状化を説明する図である。導光体7の射出面側に、第2の方向に対してθ1だけ傾いた方向へと延在する凸レンチキュラーレンズ14を有する隠蔽構造体8を配したとき、光偏向要素18は、第1の方向に対してθ1だけ傾いた方向に広がる線状光Mへと変換される。上述したように、導光体7の入射面より入射した光は、導光体7内部を導光し、光偏向要素18によって進路を偏向され、射出面より射出する。導光体7からの射出光は、射出面の法線方向のみならず、あらゆる角度へと射出されるが、射出面側(観察者側F)より観察した際には、射出面の法線方向へと射出された光が視認されるため、光偏向要素18がドット状に視認される。そして導光体7の射出面に隠蔽構造体8を配すると、射出面の法線方向以外へと射出された光の一部が、凸レンチキュラーレンズ14によって射出面の法線方向へと偏向される。このとき、観察者側Fより観察すると図6に示されるように、凸レンチキュラーレンズ14の配列方向への線状光Mへと変換されて視認される。
図7では、凸レンチキュラーレンズ14が延在する方向と、方向Xとが一致した場合の効果について説明する。
方向Xは第2の方向と一致しているため、ドット状の光偏向要素18は、第1の方向へと延びる線状光Mに変換される。図7に示されるように、第1の方向へと配列された光偏向要素18の線状光が重なり、第1の方向へと延びる長い線状光N1(図7中1点鎖線で囲まれた長い線状光)となり、該長い線状光N1は第2の方向へ配列ピッチがP2/2で配列されることとなる。
方向Xは第2の方向と一致しているため、ドット状の光偏向要素18は、第1の方向へと延びる線状光Mに変換される。図7に示されるように、第1の方向へと配列された光偏向要素18の線状光が重なり、第1の方向へと延びる長い線状光N1(図7中1点鎖線で囲まれた長い線状光)となり、該長い線状光N1は第2の方向へ配列ピッチがP2/2で配列されることとなる。
図8では、凸レンチキュラーレンズ14の延在する方向が、方向Xに対して角度θ1だけ傾いたときの、光偏向要素18の線状化による効果を示している。凸レンチキュラーレンズ14の延在する方向が方向Xに対して角度θ1だけ傾くと、光偏向要素18が線状化される方向も角度θ1だけ傾くこととなる。このとき、太い実線で示される光偏向要素18Aと光偏向要素18Bとが凸レンチキュラーレンズ14によって線状化され、各々の線状光Mがつながる方向が式1で定義された角度θ1となる。従って、第1の方向に対して角度θ1だけ傾いた長い線状光N2が第2の方向に対して角度θ1だけ傾いた方向へと配列され、この配列ピッチは、P1*sin(θ1)となる。
ここで図7と図8とを見比べると、複数の線状光がつながることで形成される長い線状光N1とN2の配列ピッチが異なることが見てとれる。つまり、凸レンチキュラーレンズ14の延在する方向が、方向Xに対して角度θ1だけ傾くことで、長い線状光Nの配列間隔を短くすることが出来る。長い線状光Nの線幅は光偏向要素18の幅(直径)と略一致する。従って、長い線状光Nの配列ピッチが短くなるということは、隠蔽構造体8の射出面を観察者側Fより観察した場合において、射出面内の明部(面内を線状光Nが占める領域)が増えることとなり、光偏向要素18の隠蔽性が高まる。
第1の方向に対して傾き角度θ1の方向に延在する長い線状光N2の配列間隔を短くするための条件としては、上述した図8に示される長い線状光N2の配列間隔P1*sin(θ1)が、図7に示される長い線状光N1の配列間隔P2/2より短くなることである。凸レンチキュラーレンズ14の傾き角度は5度以上45度以下の範囲であり、sin(45度)=1/√2である。従って、第2の方向のピッチP2は第1の方向のピッチP1に対して、√2倍以上であることが望ましい。
第1の方向に対して傾き角度θ1の方向に延在する長い線状光N2の配列間隔を短くするための条件としては、上述した図8に示される長い線状光N2の配列間隔P1*sin(θ1)が、図7に示される長い線状光N1の配列間隔P2/2より短くなることである。凸レンチキュラーレンズ14の傾き角度は5度以上45度以下の範囲であり、sin(45度)=1/√2である。従って、第2の方向のピッチP2は第1の方向のピッチP1に対して、√2倍以上であることが望ましい。
光偏向要素18Aと光偏向要素18Bとが線状化し、つながって一本の長い線状光N2を形成するために必要な凸レンチキュラーレンズ14の最大角αは以下の式2で定義される。
ここで式2に示されるsinθiは以下の式3で定義され、式3に示されるr1は式4で定義される。
式2から式4について図9を用いて説明する。尚、ここでは簡略に説明するために、第2主面13bは平坦面とし、マイクロレンズ18は省略する。
導光体7の光偏向面17に形成される光偏向要素18が第1の方向にP1のピッチで配列され、また第2の方向にP2のピッチで配列される。光偏向要素18Aと光偏向要素18Bとを結んだ直線と、第1の方向とのなす角度はθ1であり、角度θ1と第1の方向の配列ピッチP1とから、光偏向要素18Aと光偏向要素18Bとの距離r1が計算される。ここで光偏向要素18Aによって進路を変えられた光のうち、該光偏向要素18Aからr1/2だけ離れた距離で導光体7の光射出面に到達し、射出される光をE1としたとき、隠蔽構造体8の第2主面への入射角度θiは、導光体7の屈折率n0と厚さt、及びP1/2より求められる。数2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凸レンチキュラーレンズ14の最大角αを規定している。ここでn1は凸レンチキュラーレンズ14の屈折率である。
導光体7の光偏向面17に形成される光偏向要素18が第1の方向にP1のピッチで配列され、また第2の方向にP2のピッチで配列される。光偏向要素18Aと光偏向要素18Bとを結んだ直線と、第1の方向とのなす角度はθ1であり、角度θ1と第1の方向の配列ピッチP1とから、光偏向要素18Aと光偏向要素18Bとの距離r1が計算される。ここで光偏向要素18Aによって進路を変えられた光のうち、該光偏向要素18Aからr1/2だけ離れた距離で導光体7の光射出面に到達し、射出される光をE1としたとき、隠蔽構造体8の第2主面への入射角度θiは、導光体7の屈折率n0と厚さt、及びP1/2より求められる。数2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凸レンチキュラーレンズ14の最大角αを規定している。ここでn1は凸レンチキュラーレンズ14の屈折率である。
当然ながら導光体7内部を導光する光は、あらゆる方向に存在する。図9においては、光偏向要素18Aから18Bに向かう一方向の光の振舞いを主体的に図示しているが、同様に光偏向要素18Bによって偏向され、18Aの方向へと向かう光も存在する。従って、線状光Mは、各々の光偏向要素18を中心に両側へと線状化されるため、光偏向要素18Aに入射した光が、r1/2だけ離れた距離で導光体7から射出される光を、正面方向へと屈折させることで、光偏向要素18Aによる線状光Mと、光偏向要素18Bによる線状光Mとが重なり、1本の長い線状光N2となる。
隠蔽構造体8を構成する凸レンチキュラーレンズ14は、丸みを帯びた頂部と湾曲側面とで形成される球面、または非球面形状である。頂部の接線角度は約0度であり、第1主面13aとの最大角はαであり、頂部から第1主面13aに至るにつれ、接線角度は大きくなる。また凸レンチキュラーレンズ14は方向Xに対して角度θ1だけ傾いた方向に延在する。凸レンチキュラーレンズ14の第1主面13aとの接点における最大角αが式2を満たしていると、図8に示されるように光偏向要素18Aと光偏向要素18Bとが線状に広がり、つながることで長い線状光N2が形成される。
そして本発明の照明装置3は、隠蔽構造体8の射出面側に更に、スプリット構造体20と拡散性光学シート28を備えるため、スプリット構造体20による光のスプリット効果、及び拡散性光学シート28による拡散効果が得られる。従って、隠蔽構造体8によって形成される長い線状光N2の配列ピッチが短くなるほど、光偏向要素18に起因する輝度ムラを低減することが出来る。
そして本発明の照明装置3は、隠蔽構造体8の射出面側に更に、スプリット構造体20と拡散性光学シート28を備えるため、スプリット構造体20による光のスプリット効果、及び拡散性光学シート28による拡散効果が得られる。従って、隠蔽構造体8によって形成される長い線状光N2の配列ピッチが短くなるほど、光偏向要素18に起因する輝度ムラを低減することが出来る。
ここで、スプリット構造体20は透光性の基材23の第3主面23a側にスプリットレンズ24を備え、第4主面23bは平坦面であるか、あるいは粗面化されても良く、または隠蔽構造体8の第2主面13a側に形成されるようなマイクロレンズ19を備えても良いし、合わせて粗面化されても良い。
スプリットレンズ24は、入射した光を第1の方向、または第2の方向へとスプリット、または/及び線状化する機能を有し、例えば三角プリズムレンズや湾曲プリズムレンズ、またはレンチキュラーレンズ等が挙げられる。上述したように、隠蔽構造体8によって、二次元的に配列された光偏向要素18は長い線状光Nに変換される。スプリット構造体20は長い線状光Nを第1の方向、または第2の方向へとスプリット、または/及び線状化することで、二次元的な拡散効果が得られる。
スプリットレンズ24は、入射した光を第1の方向、または第2の方向へとスプリット、または/及び線状化する機能を有し、例えば三角プリズムレンズや湾曲プリズムレンズ、またはレンチキュラーレンズ等が挙げられる。上述したように、隠蔽構造体8によって、二次元的に配列された光偏向要素18は長い線状光Nに変換される。スプリット構造体20は長い線状光Nを第1の方向、または第2の方向へとスプリット、または/及び線状化することで、二次元的な拡散効果が得られる。
また一方で、照明装置3の輝度を高めるためには、スプリット構造体20を構成するスプリットレンズ24は集光性が高いレンズであることが望ましく、頂角が70度から110度の範囲の三角プリズムレンズ24であることが望ましい。三角プリズムレンズ24の頂部は丸みを帯びても良い。丸みを帯びることで、入射した光を完全なスプリットではなく、一部拡散し、線状化して射出するため、光偏向要素18の隠蔽性が向上するためである。ここで丸みを帯びる際には、三角プリズムレンズ24の単位ピッチの20%以下であることが望ましく、10%以下であることが更には望ましい。20%を超えて丸みを帯びた場合、隠蔽性は向上するものの、三角プリズムレンズ24の集光性が大きく損なわれるためである。
またスプリットレンズ24として、側面が湾曲した湾曲プリズムレンズであっても良い。
湾曲プリズムレンズは、高い集光性と拡散性とを両立するため、正面輝度を高めながら、隠蔽性を更に向上させる。湾曲プリズムレンズの湾曲側面としては、湾曲側面の各点における接線と、スプリット構造体20の第1主面23aとのなす角度が20度から70度の範囲で変化することが望ましく、更に望ましくは60度から30度の範囲である。20度を下回ると拡散性、集光性共に弱まり、一方70度を超えると、拡散性は強いものの、集光性が低下する。
更にスプリットレンズ24としては、凸レンチキュラーレンズ形状であっても良い。上述の三角プリズム形状、及び湾曲プリズムレンズに比べると、集光性は低下するものの拡散性が強いため、光偏向要素18の隠蔽性が向上するためである。
そして表示装置1として例えば液晶テレビの例を挙げた場合、画面垂直方向よりも画面水平方向を広視野とすることが望ましい。従って集光性が高いスプリットレンズ24は、画面水平方向に延在し、画面垂直方向に配列されることが望ましい。
またスプリットレンズ24として、側面が湾曲した湾曲プリズムレンズであっても良い。
湾曲プリズムレンズは、高い集光性と拡散性とを両立するため、正面輝度を高めながら、隠蔽性を更に向上させる。湾曲プリズムレンズの湾曲側面としては、湾曲側面の各点における接線と、スプリット構造体20の第1主面23aとのなす角度が20度から70度の範囲で変化することが望ましく、更に望ましくは60度から30度の範囲である。20度を下回ると拡散性、集光性共に弱まり、一方70度を超えると、拡散性は強いものの、集光性が低下する。
更にスプリットレンズ24としては、凸レンチキュラーレンズ形状であっても良い。上述の三角プリズム形状、及び湾曲プリズムレンズに比べると、集光性は低下するものの拡散性が強いため、光偏向要素18の隠蔽性が向上するためである。
そして表示装置1として例えば液晶テレビの例を挙げた場合、画面垂直方向よりも画面水平方向を広視野とすることが望ましい。従って集光性が高いスプリットレンズ24は、画面水平方向に延在し、画面垂直方向に配列されることが望ましい。
そして拡散性光学シート28のヘイズ値は30%以上85%以下であることが好ましい。ヘイズ値が30%以下では光偏向要素18に起因する輝度ムラを低減するために必要な拡散性能が不足し、一方で85%を超えると、拡散性が強すぎるため、輝度ムラの低減には効果があるものの、照明装置3の輝度が大幅に低下するためである。ここでヘイズ値が30%以上85%以下である拡散性光学シート28としては、一般的な上拡散シートが挙げられる。上拡散シートは、BEFに代表される三角プリズムレンズの保護用として、また三角プリズムレンズによって生じるサイドローブを抑制する目的で使用される。また別の例としてはDBEF−D(3M社)に代表される拡散層付偏光分離反射シートが挙げられる。なお、ここで挙げられるヘイズ値は、JIS K7136に準拠した測定値である。
長い線状光N2の線幅はおおよそ光偏向要素18の直径と等しいため、長い線状光N2の配列ピッチは、光偏向要素18の直径の2倍以下であることが好ましい。2倍を超えて長い線状光N2が配列した場合、スプリット構造体20によるスプリット効果と、拡散性光学シート28による拡散効果を付与しても、長い線状光N2の輝度ムラが視認されるためである。一方で、図7に示される長い線状光N1の配列ピッチが光偏向要素18の直径の2倍以下である場合には、角度θ1が0度であっても良い。本発明は、ドット状に配置される光偏向要素18を線状光Mに変換し、ある方向に隣合う線状光Mがつながることで長い線状光Nを形成する。そして長い線状光Nの配列間隔が光偏向要素18の直径の2倍以下とすることで、隠蔽構造体8の射出面側に配されるスプリット構造体20の光スプリット効果、及び拡散性光学シート28の拡散効果によって、光偏向要素18に起因する輝度ムラを低減することを目的としているためである。
ここまで方向Xと、光偏向要素18が配列される第2の方向とが一致した場合について説明したが、次に、方向Xが光偏向要素18が配列される第1の方向と一致した場合について説明する。
方向Xと、光偏向要素18が配列される第1の方向とが一致した際、凸レンチキュラーレンズ14の延在する方向と、方向Xとのなす角度θ2は以下の式5にて定義される。
方向Xと、光偏向要素18が配列される第1の方向とが一致した際、凸レンチキュラーレンズ14の延在する方向と、方向Xとのなす角度θ2は以下の式5にて定義される。
式5について、図10から図11を用いて説明する。図10は、方向Xと光偏向要素18が配列される第1の方向とが一致し、凸レンチキュラーレンズ14の延在する方向と、方向Xとが一致した場合の効果を示す図である。凸レンチキュラーレンズ14の延在する方向と、第1の方向とが一致するため、図10に示されるように、光偏向要素18は第2の方向へと線状化される。隣合う光偏向要素18による線状光Mがつながることで形成される長い線状光N3は、第1の方向にP1/2のピッチで配置される。
図11は、凸レンチキュラーレンズ14の延在する方向が、方向Xに対しθ2だけ傾いた場合を示す。凸レンチキュラーレンズ14の延在する方向が方向Xに対して、つまり第1の方向に対して角度θ2だけ傾くと、光偏向要素18が線状化される方向は第2の方向に対して角度θ2だけ傾く。従って、長い線状光N4は第1の方向に対してθ2の角度に配列し、その配列間隔はP2*sin(θ2)となる。上述した通り、長い線状光N4の配列ピッチが、光偏向要素18の直径の2倍以下である場合、光偏向要素18に起因する輝度ムラは低減する。一方で、図10に示されるように、長い線状光N3が第1の方向にP1/2のピッチで配列され、このときP1/2が光偏向要素18の直径の2倍よりも小さいときには、θ2は0度であっても良い。
ここで、光偏向要素18Cと光偏向要素18Dとが線状化し、つながるために必要な凸レンチキュラーレンズ14の最大角αは以下の式6で定義される。
ここで式6に示されるsinθiは以下の式7で定義され、式7に示されるr2は式8で定義される。
式6から式8について図12を用いて説明する。尚、ここでは簡略に説明するために、第2主面13bは平坦面とし、マイクロレンズ18は省略する。
導光板7の光偏向面17に形成される光偏向要素18が第1の方向にP1のピッチで配列され、また第2の方向にP2のピッチで配列される。光偏向要素18Cと光偏向要素18Dとを結んだ直線と、第2の方向とのなす角度はθ2であり、角度θ2と第2の方向の配列ピッチP2とから、光偏向要素18Cと光偏向要素18Dとの距離r2が計算される。ここで光偏向要素18Cによって進路を変えられた光のうち、該光偏向要素18Cからr2/2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E2としたとき、隠蔽構造体8の第2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6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凸レンチキュラーレンズ14の最大角αを規定している。ここでn1は凸レンチキュラーレンズ14の屈折率である。
導光板7の光偏向面17に形成される光偏向要素18が第1の方向にP1のピッチで配列され、また第2の方向にP2のピッチで配列される。光偏向要素18Cと光偏向要素18Dとを結んだ直線と、第2の方向とのなす角度はθ2であり、角度θ2と第2の方向の配列ピッチP2とから、光偏向要素18Cと光偏向要素18Dとの距離r2が計算される。ここで光偏向要素18Cによって進路を変えられた光のうち、該光偏向要素18Cからr2/2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E2としたとき、隠蔽構造体8の第2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6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凸レンチキュラーレンズ14の最大角αを規定している。ここでn1は凸レンチキュラーレンズ14の屈折率である。
凸レンチキュラーレンズ14は、丸みを帯びた頂部と湾曲側面とで形成される。頂部の接線角度は0度であり、第1主面13aとの接点における最大角はαであり、頂部から第1主面13aに至るにつれ、接線角度は大きくなる。また凸レンチキュラーレンズ14は方向Xに対して角度θ2だけ傾いた方向に延在する。
凸レンチキュラーレンズ14の第1主面13aとの接点における最大角αが式6を満たしていると、図11に示されるように光偏向要素18Cと光偏向要素18Dとが線状に広がり、つながることで長い線状光N4が形成されるため、スプリット構造体20の光スプリット効果と、拡散性光学シート28の拡散効果によって光偏向要素18の隠蔽性が向上し、光偏向要素18に起因する輝度ムラを低減する。
凸レンチキュラーレンズ14の第1主面13aとの接点における最大角αが式6を満たしていると、図11に示されるように光偏向要素18Cと光偏向要素18Dとが線状に広がり、つながることで長い線状光N4が形成されるため、スプリット構造体20の光スプリット効果と、拡散性光学シート28の拡散効果によって光偏向要素18の隠蔽性が向上し、光偏向要素18に起因する輝度ムラを低減する。
ここまで、方向Xが第1の方向、または第2の方向に一致した際の凸レンチキュラーレンズ14の傾き角度による隠蔽性の向上効果について説明してきたが、それぞれの傾き角度θ1、またはθ2は5度以上45度以下、あるいは−5度以上−45度以下の範囲であることが望ましい。そして式1、及び式5に示されるように、傾き角度θ1、θ2は、光偏向要素18が配列される第1の方向の配列ピッチP1、及び第2の方向の配列ピッチP2によって決定される。
本発明の表示装置1を構成する導光体7の光偏向面17に形成される光偏向要素18は、図2に示されるように、第1の方向にピッチP1で配置し、第2の方向にピッチP2で配置される二次元配列で形成される。このときP1とP2との比は、第2の方向のピッチP2が第1の方向のピッチP1より大きい場合は、1.4<P2/P1<2.2の範囲で設定され、一方で、第2の方向のピッチP2が第1の方向のピッチP1より小さい場合は、1.4<P1/P2<2.2であることが望ましい。更には近接する3つの光偏向要素18を結んだ三角形状が、略正三角形となる六方配置であることが望ましい。つまりP1/P2、またはP2/P1が約1.73である。
光偏向要素18の配置を六方配置に近づけることで、光偏向面17の面内の縦方向、横方向、及び斜め方向においても、光偏向要素18間の距離が大きく異なることなく一様に近づくため、輝度ムラを低減しやすくなる。
光偏向要素18の配置を六方配置に近づけることで、光偏向面17の面内の縦方向、横方向、及び斜め方向においても、光偏向要素18間の距離が大きく異なることなく一様に近づくため、輝度ムラを低減しやすくなる。
光偏向要素18の二次元配列が、第2の方向のピッチP2が第1の方向のピッチP1より大きくなる六方配置であって、そして第1の方向が表示装置1の画面水平方向に一致した場合、式1で定義される凸レンチキュラーレンズ14の傾き角度θ1は約30度となる。一方で第2の方向が表示装置1の画面水平方向に一致した場合、式5で定義される凸レンチキュラーレンズ14の傾き角度θ2は約10度となる。上述した通り、凸レンチキュラーレンズ14の傾き角度が大きくなると、表示装置1の視野角特性が歪むという問題が生じる。しかしながら本発明の表示装置1を構成する照明装置3においては、隠蔽構造体8の射出面側に、更にスプリット構造体20と拡散性光学シート28とを備えるため、表示装置1の視野角特性の歪みが解消されるという特徴を有している。
上述したように、スプリット構造体20は透光性の基材23の第3主面23a側に、集光性が高いスプリットレンズ24が表示装置1の画面水平方向に延在し、画面垂直方向に配列してなることが望ましい。このようなスプリット構造体20を備えることで、隠蔽構造体8による視野の歪みは大幅に低減する。特に隠蔽構造体8を構成する凸レンチキュラーレンズ14の集光性より、スプリット構造体20を構成するスプリットレンズ24の集光性を高めることで、視野角特性はスプリット構造体20による集光性が支配的となり、結果として歪みが解消するため望ましい。
そしてヘイズ値が30%以上85%以下である拡散性光学シート28を備えることで、隠蔽構造体8による視野の歪みが更に低減される。
そしてヘイズ値が30%以上85%以下である拡散性光学シート28を備えることで、隠蔽構造体8による視野の歪みが更に低減される。
図13(a)は本発明の表示装置1において、隠蔽構造体8を構成する凸レンチキュラーレンズ14を画面垂直方向に延在し、画面水平方向に配列させた場合の視野角測定結果の例である。このとき、照明装置3の導光体7の射出面側には、隠蔽構造体8、スプリット構造体20としてBEF(3M社)、拡散性光学シート28としてDBEF−D(3M社)の順に配されている。一方で図13(b)は凸レンチキュラーレンズ14の延在する方向を画面垂直方向に対して30度傾くよう配列させた場合の視野角測定結果の例である。照明装置3の構成は導光体7の射出面側に隠蔽構造体8のみが配置されている。凸レンチキュラーレンズ14が画面垂直方向に対して30度傾いて配されているため、表示装置1の視野角が大きく歪んでいることが見て取れる。次に図14(a)は、図13(b)の構成にBEFを追加した場合の視野角測定結果の例である。まだ若干の歪みはあるものの、図13(b)に比べて表示装置1の視野角の歪みが低減されていることが見て取れる。そして、図14(b)は、図14(a)に更にDBEF−Dを追加した場合の視野角測定結果の例である。隠蔽構造体8のみでは大きく視野角が歪んでいたが、スプリット構造体20、及び拡散性光学シート28を配することで、視野角の歪みがほとんど生じない表示装置1を得ることが出来る。なお、図13、図14に示される視野角測定装置はEZContrast(ELDIM社)による。
本発明の隠蔽構造体8を構成する凸レンチキュラーレンズ14は、方向Xに対して式1で定義される傾き角度θ1、または式5で定義される傾き角度θ2の角度で傾いて配列される。方向Xはそれぞれ光偏向要素18が配列される第1の方向、または第2の方向と一致し、第1の方向、及び第2の方向は、表示装置1の画面垂直方向、または画面水平方向のいずれかと一致する。従って、凸レンチキュラーレンズ14は表示装置1の画面垂直方向、または画面水平方向のいずれかに対して、式1で定義される傾き角度θ1、または式5で定義される傾き角度θ2だけ傾いて配置されると言い換えることが出来る。一方で、スプリット構造体20を構成するスプリットレンズ24は表示装置1の画面水平方向に延在し、画面垂直方向に配列することが望ましい。すなわち、凸レンチキュラーレンズ14とスプリットレンズ24とは交差するように配置され、凸レンチキュラーレンズ14は表示装置1の画面垂直方向、または画面水平方向のいずれかに対して傾いて配列し、スプリットレンズ24は画面垂直方向に配列する。
尚、このように2つのレンズを交差するよう配置し、少なくとも一方のレンズを画面垂直方向、または画面水平方向に対して傾けて配列させる先行文献として、USP5280371(Honeywell社)が挙げられる。しかしながら、USP5280371は規則的に配列されるレンズと、周期構造を有する画素とのモアレ干渉縞を低減することを目的とした技術である。一方で本発明の隠蔽構造体8、及びスプリット構造体20の配置は、導光体7に形成される光偏向要素18を隠蔽し、画面の輝度ムラを低減することを目的としている。従って、目的は全く異なり、得られる効果も異なるものである。そしてまた、隠蔽構造体8、及びスプリット構造体20と画像表示素子2との間には拡散性光学シート28が配される。拡散性光学シート28のヘイズ値は30%以上85%以下であるため、隠蔽構造体8、及びスプリット構造体20の周期的な配列を散乱し、表示素子2の周期構造とのモアレ干渉縞の発生を防止する。従って隠蔽構造体8を構成する凸レンチキュラーレンズ14の傾きは、本発明の表示装置1のモアレ防止には寄与しておらず、上述の先行文献とは全く異なるものと言える。
これまで、凸レンチキュラーレンズ14が表示装置1の画面垂直方向、または画面水平方向に対して傾ける場合について説明した。しかしながら光偏向要素18が配列される第1の方向、及び第2の方向は、表示装置1の画面垂直方向、及び水平方向に対して任意に選択できるが、別の例としては、第1の方向、及び第2の方向を、垂直方向、及び水平方向に対して式1によって定義された角度θ1、または式5によって定義されたθ2だけ傾けても良い。この場合、凸レンチキュラーレンズ14の延在する方向は、表示装置1の垂直方向、または水平方向の何れかに設定される。本発明の隠蔽構造体8を構成する凸レンチキュラーレンズ14による線状光Mが延在する方向と、光偏向要素18が配列される第1の方向が角度θ1、または角度θ2だけ傾くことで、光偏向要素18の隠蔽性を高めることが本発明の主旨であるため、表示装置1の垂直方向、または水平方向と傾くのは、凸レンチキュラーレンズ14でも光偏向要素18の配列であっても良い。
(第2の実施の形態)
ここまで本発明の第1の実施の形態について説明した。一例として、導光体7の光偏向面17に形成される光偏向要素18が六方配置であって、第1の方向が表示装置1の画面水平方向と一致する場合、式1で定義される凸レンチキュラーレンズ14の傾き角度θ1は約30度が適していることを上述した。しかしながら傾き角度θが大きくなると、傾き角度θが0度である場合と比べて表示装置1の正面輝度が低下するという問題が生じる。本発明の隠蔽構造体8を構成する凸レンチキュラーレンズ14の傾き角度θは5度以上45度以下、または−5度以上―45度以下の範囲に設定されるが、光偏向要素18を隠蔽することで輝度ムラを低減し、更に高輝度な表示装置1を得るためには、凸レンチキュラーレンズ14の傾き角度θを小さく設定することが望ましい。
そこで次に、凸レンチキュラーレンズ14の傾き角度θを可能な限り小さく設定する本発明の第2の実施の形態について、以下に詳細に説明する。
ここまで本発明の第1の実施の形態について説明した。一例として、導光体7の光偏向面17に形成される光偏向要素18が六方配置であって、第1の方向が表示装置1の画面水平方向と一致する場合、式1で定義される凸レンチキュラーレンズ14の傾き角度θ1は約30度が適していることを上述した。しかしながら傾き角度θが大きくなると、傾き角度θが0度である場合と比べて表示装置1の正面輝度が低下するという問題が生じる。本発明の隠蔽構造体8を構成する凸レンチキュラーレンズ14の傾き角度θは5度以上45度以下、または−5度以上―45度以下の範囲に設定されるが、光偏向要素18を隠蔽することで輝度ムラを低減し、更に高輝度な表示装置1を得るためには、凸レンチキュラーレンズ14の傾き角度θを小さく設定することが望ましい。
そこで次に、凸レンチキュラーレンズ14の傾き角度θを可能な限り小さく設定する本発明の第2の実施の形態について、以下に詳細に説明する。
本発明の第2の実施の形態は、図15に示されるように、凸レンチキュラーレンズ14が配列する方向は、第1の方向に対して傾き角度θとなるように配置される。そして第1の方向を表示装置1の画面垂直方向、または画面水平方向の何れかに任意に一致することが可能であるが、特に第1の方向が表示装置1の画面水平方向と一致することが望ましい。隠蔽構造体8の射出面側に配置されるスプリット構造体20のスプリットレンズ24は、表示装置1の画面水平方向に延在し、画面垂直方向に配列されることが望ましいことは上述した。そこで第1の方向と表示装置1の画面水平方向とが一致した場合、凸レンチキュラーレンズ14とスプリットレンズ24との交差角が90−θ度となる。2種類のレンズを交差させる場合、90度で交差させる場合が最も正面輝度が高まるため、傾き角度θを小さくすることで高輝度な照明装置3、該照明装置3を備えた表示装置1を提供することが出来る。
本発明の第1の実施の形態でも説明した通り、光源6から導光体7に光を入射し、導光体7を観察者側Fから観察すると、光偏向要素18がドット状に視認される。そして導光体7の射出面に隠蔽構造体8を配し、観察者側Fから観察した際には第1の方向に対して角度θだけ傾いた方向に光が線状化されて視認される。つまり、隠蔽構造体8の第1主面に形成される凸レンチキュラーレンズ14によって、導光体7から射出された光の一部が、第1主面13aの法線方向へ、すなわち観察者側Fへと変換されて射出され、その射出された光を観察者側Fから観察すると、図15に示されるように、第1の方向に対して角度θだけ傾いた線状光Mとして視認される。ここでθの方向は、図15では、第1の方向から下向きで図示されているが、第1の方向から上向きへのθであっても良い。
第1の方向と、凸レンチキュラーレンズ14が配列する方向とのなす角度θは以下の式9、及び式10の関係式によって決定される。
但しここで、Lは、以下の式11で決定され、角度θiは凸レンチキュラーレンズ14の最大角αとの間に以下の式12の関係式で示される。
式9から式12について、図16、及び図17を用いて以下に詳細に説明する。
図16は光偏向要素18が第1の方向に対して角度θだけ傾いた方向に線状化されることを示した図である。ここで光偏向要素18の幅をDとし、該光偏向要素18によって導光体7より射出される光が、凸レンチキュラーレンズ14によって第1の方向に対してθ傾いた方向にLの長さで線状化されるとき、式9、及び式10の双方を満足する角度θであることが望ましい。
図16は光偏向要素18が第1の方向に対して角度θだけ傾いた方向に線状化されることを示した図である。ここで光偏向要素18の幅をDとし、該光偏向要素18によって導光体7より射出される光が、凸レンチキュラーレンズ14によって第1の方向に対してθ傾いた方向にLの長さで線状化されるとき、式9、及び式10の双方を満足する角度θであることが望ましい。
ここで、凸レンチキュラーレンズ14によって線状化される長さLは式11より求められる。式11について図17を用いて説明する。図17は導光体7と隠蔽構造体8との断面図である。ここでtは導光体7の厚みであり、n0は導光体7の屈折率である。凸レンチキュラーレンズ14の断面における最大角をαとしたとき、角度θiと最大角αとの関係は式12で示される。ここでn1は凸レンチキュラーレンズ14の屈折率である。
図17に示されるように、線状化長さLは、光偏向要素18Eの中心から、図中の光E3の射出位置までの距離を表す。光E3は、導光体7に入射した光が光偏向要素18Eによって進路を偏向され、導光体7の射出面より射出される光のうち、入射角度θiで隠蔽構造体8に入射し、凸レンチキュラーレンズ14の最大角αによって、第1主面13aの法線方向へと変換される光である。式12より、凸レンチキュラーレンズ14の最大角αによって、第1主面13aの法線方向へと変換される入射角θiが決定され、導光体7から該入射角θiの角度で射出される光の位置は、式11より求められる。ここで、正確には導光体7の射出面と隠蔽構造体8の第2主面13bとの距離、及び基材13の厚みも考慮する必要があるが、導光体7の厚みTに比べて十分に小さく影響が小さいため、ここでは考慮せずに説明する。また、線状光Mは光偏向要素18Eの中心を基点に一方向ではなく、二方向へと伸びるものであるため、線状光Mの全体の長さはLの2倍となる。
従って、上述のように求められた長さLと傾き角度θ、光偏向要素18が第1の方向へ配列されるピッチP1、光偏向要素18が第2の方向へ配列されるピッチP2、及び光偏向要素18の幅Dとの関係が、式9、及び式10の双方を満足することで光偏向要素18を隠蔽し、輝度ムラのない高輝度な照明装置3が得られる。
従って、上述のように求められた長さLと傾き角度θ、光偏向要素18が第1の方向へ配列されるピッチP1、光偏向要素18が第2の方向へ配列されるピッチP2、及び光偏向要素18の幅Dとの関係が、式9、及び式10の双方を満足することで光偏向要素18を隠蔽し、輝度ムラのない高輝度な照明装置3が得られる。
式9から式12について図18、及び図19を用いて、更に具体的に説明する。
図18は凸レンチキュラーレンズ14による線状光Mと第1の方向とのなす角度θが0度の際を表している。線状光Mは第1の方向と略一致する方向へと延びるため、隣合う光偏向要素18による線状光Mが重なり、第1の方向に延在する長い線状光N5が、ピッチP2/2で第2の方向へ配列される。ここで光偏向要素18の幅をDとしたとき、線状光Mの太さはDと若干の差はあるものの概ね一致する。そして長い線状光N5が存在しない領域の第2の方向の幅aはP2/2−Dとなる。
図18は凸レンチキュラーレンズ14による線状光Mと第1の方向とのなす角度θが0度の際を表している。線状光Mは第1の方向と略一致する方向へと延びるため、隣合う光偏向要素18による線状光Mが重なり、第1の方向に延在する長い線状光N5が、ピッチP2/2で第2の方向へ配列される。ここで光偏向要素18の幅をDとしたとき、線状光Mの太さはDと若干の差はあるものの概ね一致する。そして長い線状光N5が存在しない領域の第2の方向の幅aはP2/2−Dとなる。
図19は本発明の第2の実施の形態を表している。線状光Mは第1の方向からθだけ傾いた方向へと延びる。ここで光偏向要素18の幅をDとしたとき、図中b、すなわち、第1の方向に隣合う光偏向要素18が角度θ方向へと線状化されたときの線状光間の幅bは式9の左辺より求められる。本発明者らはこの値が0mm以下(数式上では、0またはマイナス値)である場合、第1の方向に隣合う線状光Mが重なるため、第2の方向への幅がYで、第1の方向へと延在する長い線状光N6として取り扱うことが出来ることを見出した。つまり、図17に示される、幅がDの線状光N5よりも幅が大きい線状光N6へと変換されるため、光偏向要素18の隠蔽性が大幅に向上する。
ここで式9が0mmを超えると、角度θで傾いた線状光Mが単体で認識されるため、幅の大きい線状光Nとして取り扱うことが出来ず、隠蔽性が不足するため、輝度ムラのない高輝度な照明装置3を得ることは出来ない。
従って式9は0mm以下であることが好ましく、より好ましくは少なくとも光偏向要素18の幅の約20%以上の領域が重なるよう、−D/5以下である。1つの光偏向要素18による線状光Mは、線幅Dにおいて中心であるほど輝度が高いためである。
ここで式9が0mmを超えると、角度θで傾いた線状光Mが単体で認識されるため、幅の大きい線状光Nとして取り扱うことが出来ず、隠蔽性が不足するため、輝度ムラのない高輝度な照明装置3を得ることは出来ない。
従って式9は0mm以下であることが好ましく、より好ましくは少なくとも光偏向要素18の幅の約20%以上の領域が重なるよう、−D/5以下である。1つの光偏向要素18による線状光Mは、線幅Dにおいて中心であるほど輝度が高いためである。
凸レンチキュラーレンズ14によって第1の方向から角度θだけ傾いた線状光Mに変換され、幅がYで第1の方向へと延在する長い線状光N6が、第2の方向へピッチP2/2で配列される。このとき第2の方向で隣合う線状光N6の間の距離cは式10の左辺で求められる。本発明者らはこの値が0.1mm以下である場合に、光偏向要素18のパターンが視認されない照明装置3が得られることを見出した。
従って、式9、及び式10の双方を満足する場合において、本発明の照明装置3は、光偏向要素18が隠蔽され、輝度ムラのない高輝度な照明装置3となる。
従って、式9、及び式10の双方を満足する場合において、本発明の照明装置3は、光偏向要素18が隠蔽され、輝度ムラのない高輝度な照明装置3となる。
ここで導光体7の光偏向面17に形成される光偏向要素18は、例えば白色の拡散反射性を有するインキが印刷されたものである場合、第1の方向にP1のピッチで配列し、第2の方向にP2のピッチで配列する二次元配列であって、光源6が設置された導光体7の光入射面に近い光偏向要素18は小さく、光入射面から遠ざかる光偏向要素18ほど大きくなるように印刷されることが一般的である。従って、光偏向要素18の幅Dは、光偏向面17内において一様ではなく、ある分布範囲を有することとなる。例えば導光体7を観察者側Fから観察した際に、上下左右4つの端面に光源6が設置された照明装置3においては、光偏向要素18は光偏向面17の中心に近づくほど大きくなり、4つの端面に近づくほど小さくなる。表示装置1において、光偏向要素18に起因する輝度ムラは、画面全面について抑制する必要がある。従って、表示装置1の画面全面において輝度ムラを抑制するためには、大きさの異なる光偏向要素18のうち、光源6の近傍の領域に形成された幅が小さな光偏向要素18が十分に隠蔽されることが必要となる。従って、式9、及び式10に適用される光偏向要素18の幅Dは、光偏向面17において光源6の近傍に形成された光偏向要素18の幅Dの平均値で計算されることが望ましい。具体的には光源6に最も近い光偏向要素18から、画面中心に向かって5〜10ピッチ分(1ピッチは、第1の方向であればP1、第2の方向であればP2)相当の領域に存在する光偏向要素18の幅Dの平均値から求めることが望ましい。
ここで、導光体7から射出される光を線状化する凸レンチキュラーレンズ14の形状について以下に説明する。
凸レンチキュラーレンズ14は、丸みを帯びた頂部と湾曲側面とで形成される。凸レンチキュラーレンズ14の配列方向での断面図において、頂部の接線と第1主面13aとのなす角度は0度であって、頂部から第1主面13aに至るにつれ、接線角度は大きくなる。光偏向要素18の隠蔽性を向上させる凸レンチキュラーレンズ14の性能について、図20を用いて説明する。隠蔽構造体8の第2主面13b側に、略ランバート光を射出する点光源100を配置する場合を考える。このとき、点光源の射出光の主軸と第2主面13bの法線方向とが略一致するよう配置したとき、第1主面13aより第1主面13aの法線方向に射出される光は、点光源100の直上を中心に凸レンチキュラーレンズ14の配列方向に広がる線状光M0へと変換される。ところで、図20では凸レンチキュラーレンズ14によって、第1主面13aの法線方向へと偏向される光のみを図示している。図示されていないが、凸レンチキュラーレンズ14からは、第1主面13aに対して法線方向のみならず、斜め方向へ射出される光も存在する。
凸レンチキュラーレンズ14は、丸みを帯びた頂部と湾曲側面とで形成される。凸レンチキュラーレンズ14の配列方向での断面図において、頂部の接線と第1主面13aとのなす角度は0度であって、頂部から第1主面13aに至るにつれ、接線角度は大きくなる。光偏向要素18の隠蔽性を向上させる凸レンチキュラーレンズ14の性能について、図20を用いて説明する。隠蔽構造体8の第2主面13b側に、略ランバート光を射出する点光源100を配置する場合を考える。このとき、点光源の射出光の主軸と第2主面13bの法線方向とが略一致するよう配置したとき、第1主面13aより第1主面13aの法線方向に射出される光は、点光源100の直上を中心に凸レンチキュラーレンズ14の配列方向に広がる線状光M0へと変換される。ところで、図20では凸レンチキュラーレンズ14によって、第1主面13aの法線方向へと偏向される光のみを図示している。図示されていないが、凸レンチキュラーレンズ14からは、第1主面13aに対して法線方向のみならず、斜め方向へ射出される光も存在する。
本発明の凸レンチキュラーレンズ14は、図20に示されるように、線状光M0のピーク輝度位置が、点光源100の直上となる(図中実線で示される輝度分布)ような凸レンチキュラーレンズ14であることが望ましい。または、線状光M0のピーク輝度位置が、点光源100の直上以外に存在した場合(図中一点鎖線で示される輝度分布)には、点光源100の直上輝度をL0、ピーク輝度をL1としたとき、L1/L0が200%以下となる凸レンチキュラーレンズ14であることが望ましい。
ピーク輝度位置が点光源100の直上に存在せず、且つL1/L0が200%を超えるような凸レンチキュラーレンズ14は、点光源100を線状光M0へと変換しても、ピーク輝度位置での光強度が非常に高くなり、輝度ムラの要因となる。その極端の例としては、三角プリズムレンズが挙げられるが、第1主面13aに三角プリズムレンズを配したレンズシートの第2主面13b側に上述と同様に点光源100を配し、第1主面側から観察すると、点光源100が2つの点光に分割されるのみであり、隠蔽性は向上しない。
最も好ましくは、線状光M0のピーク輝度位置が点光源100の直上に存在することである。光偏向要素18は略等ピッチで複数配列されるため、導光体7の光射出面に隠蔽構造体8を配すると、複数の光偏向要素18が線状化され、複数の線状光Mが面内に生じ、その一部は重なることもある。このとき、線状光M0のピーク輝度位置が点光源100の直上に存在する形状である凸レンチキュラーレンズ14の場合、線状光Mが重なってもムラが大きくなることはない。しかし、点光源100の直上以外の場所に強いピーク輝度を有する凸レンチキュラーレンズ14である場合、条件によっては、1つの光偏向要素18によるピーク輝度位置と、他の光偏向要素18によるピーク輝度位置とが重なり、重なった点がより強い輝度として視認される。すなわち輝度ムラとなる。
従って、点光源100の直上にピーク輝度を有するか、点光源100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、線状に光が広がる凸レンチキュラーレンズ14であることが、隠蔽性を向上させるためには望ましい。
従って、点光源100の直上にピーク輝度を有するか、点光源100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、線状に光が広がる凸レンチキュラーレンズ14であることが、隠蔽性を向上させるためには望ましい。
上述したような効果が得られる凸レンチキュラーレンズ14は、以下の式13で定義される。
ここで式13は、凸レンチキュラーレンズ14の単位レンズピッチを1と正規化した式であり、図21に示されるように、zは凸レンチキュラーレンズ14の高さ方向の位置関数、rは幅方向位置変数である。図21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13で定義された形状の凸レンチキュラーレンズ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、上述したような隠蔽性が高まるレンズ効果が得られない形状となるためである。または、隠蔽性は高まるものの集光性が低くなるため望ましくない。
ここで式13は、凸レンチキュラーレンズ14の単位レンズピッチを1と正規化した式であり、図21に示されるように、zは凸レンチキュラーレンズ14の高さ方向の位置関数、rは幅方向位置変数である。図21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13で定義された形状の凸レンチキュラーレンズ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、上述したような隠蔽性が高まるレンズ効果が得られない形状となるためである。または、隠蔽性は高まるものの集光性が低くなるため望ましくない。
凸レンチキュラーレンズ14の形状について、図22を用いて更に詳細に説明する。
図22は凸レンチキュラーレンズ14の配列方向における断面図である。単位レンズピッチがPL1であり、高さがTL1、第1主面13aとの最大角がα、及び頂部フィッティング曲率半径がRL1で表される。
ここで頂部フィッティング曲率半径RL1とは、非球面形状である凸レンチキュラーレンズ14の頂部の曲率半径を表し、単位レンズピッチPL1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。
また最大角αは上述した通り、凸レンチキュラーレンズ14が第1主面13aに接する点Paと、点Paから頂部に向かった任意の点Pbとを結んだ直線と、第1主面13aとのなす角度とする。
図22は凸レンチキュラーレンズ14の配列方向における断面図である。単位レンズピッチがPL1であり、高さがTL1、第1主面13aとの最大角がα、及び頂部フィッティング曲率半径がRL1で表される。
ここで頂部フィッティング曲率半径RL1とは、非球面形状である凸レンチキュラーレンズ14の頂部の曲率半径を表し、単位レンズピッチPL1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。
また最大角αは上述した通り、凸レンチキュラーレンズ14が第1主面13aに接する点Paと、点Paから頂部に向かった任意の点Pbとを結んだ直線と、第1主面13aとのなす角度とする。
このとき、頂部フィッティング曲率半径RL1は、単位レンズピッチPL1に対して、1/2倍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。凸レンチキュラーレンズ14による集光性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TL1が大きな非球面形状となり集光性が低下し、隠蔽性も低下するため望ましくない。従って頂部フィッティング曲率半径RL1は、単位レンズピッチPL1に対して0.1倍以上であることが望ましい。
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TL1が大きな非球面形状となり集光性が低下し、隠蔽性も低下するため望ましくない。従って頂部フィッティング曲率半径RL1は、単位レンズピッチPL1に対して0.1倍以上であることが望ましい。
また単位レンズ高さTL1は、単位レンズピッチPL1に対して、0.3倍以上1.0倍未満であることが望ましい。0.3倍より低いと、集光性が低く、一方で1.0倍以上の場合、集光性のみならず隠蔽性も低くなるためである。
本発明者らが光学シミュレーションにより検討を重ねた結果、より高い集光性とより高い隠蔽性とを両立するための頂部フィッティング曲率半径RL1は、単位レンズピッチPL1に対して0.15倍から0.35倍の範囲に設定し、且つ、単位レンズ高さTL1を単位レンズピッチPL1に対して0.4倍から0.7倍の範囲に設定されたレンズ形状が最適であることを見出した。
本発明者らが光学シミュレーションにより検討を重ねた結果、より高い集光性とより高い隠蔽性とを両立するための頂部フィッティング曲率半径RL1は、単位レンズピッチPL1に対して0.15倍から0.35倍の範囲に設定し、且つ、単位レンズ高さTL1を単位レンズピッチPL1に対して0.4倍から0.7倍の範囲に設定されたレンズ形状が最適であることを見出した。
本発明の凸レンチキュラーレンズ14は、図23(a)に示されるように、断面形状における各点の接線と第1主面13aとのなす角度は、頂部において約0度であり、第1主面13aに向かうにつれ角度は大きくなり、最大角がαである凸湾曲形状である。
ここで、断面形状における各点の接線と第1主面とのなす角度を縦軸、凸レンチキュラーレンズ14のピッチ方向の位置を横軸として、図23(b)にグラフとして表す。グラフにおいて横軸の0は単位レンズの頂部の位置であり、横軸の0.5は単位レンズの湾曲側面が第1主面13aに至る点である。
図22(b)には本発明の凸レンチキュラーレンズ14のいくつかの実施例をグラフで表している。Lens1からLens3は高い集光性と高い隠蔽性とが得られる凸レンチキュラーレンズ14について、頂部から第1主面13aに至る各点の接線と第1主面13aとのなす角度をプロットしたものである。一方でLens4は高い集光性は得られるものの、隠蔽性が不足したレンズについて、頂部から第1主面13aに至る各点の接線と第1主面13aとのなす角度をプロットしたものである。
ここで、断面形状における各点の接線と第1主面とのなす角度を縦軸、凸レンチキュラーレンズ14のピッチ方向の位置を横軸として、図23(b)にグラフとして表す。グラフにおいて横軸の0は単位レンズの頂部の位置であり、横軸の0.5は単位レンズの湾曲側面が第1主面13aに至る点である。
図22(b)には本発明の凸レンチキュラーレンズ14のいくつかの実施例をグラフで表している。Lens1からLens3は高い集光性と高い隠蔽性とが得られる凸レンチキュラーレンズ14について、頂部から第1主面13aに至る各点の接線と第1主面13aとのなす角度をプロットしたものである。一方でLens4は高い集光性は得られるものの、隠蔽性が不足したレンズについて、頂部から第1主面13aに至る各点の接線と第1主面13aとのなす角度をプロットしたものである。
高い集光性と、高い隠蔽性が得られた凸レンチキュラーレンズ14は、頂部側に、角度の変化率が大きい第1領域と、第1主面側に、角度の変化率が小さい第2領域とで形成される。そして、図23(b)に示されるグラフの傾きがほぼ0となるような領域は存在しない。すなわち、頂部から第1主面13aに至る間に、直線に近い形状は無く、どの箇所においても湾曲しており、頂部に近いほど曲率半径が小さくなる湾曲形状であることを示している。そして、角度の変化率が大きい第1領域が頂部側に形成され、角度の変化率が小さい第2領域が第1主面側に形成され、直線領域が存在しないことで、上述したように、点状の光偏向要素18を、隠蔽性が高まる線状光Mへと変換する機能を有する凸レンチキュラーレンズ14となり、高い集光性と高い隠蔽性とを両立することが可能となる。
一方で図23(b)のグラフ中に実線でプロットされるLens4を見ると、直線領域が存在することが見て取れる。このようなレンズ形状は高い集光性は得られるものの、隠蔽性は高くないため望ましくない。図23(b)に示されるグラフの更に微分値を取ったとき、角度の変化率の大きい第1領域は、単位レンズの幅1%当りの角度変化が1.5度から4度程度の範囲で変化し、角度の変化率の小さい第2領域は、単位レンズの幅1%当りの角度変化がおおよそ0.5度から1.5度程度の範囲に収まることが望ましい。単位レンズの幅1%当りの角度変化が0.5度を下回るような領域は、角度変化が小さい、すなわちほぼ直線領域となるため隠蔽性が低下する。
そして凸レンチキュラーレンズ14の最大角αは、隠蔽構造体8による光偏向要素18の隠蔽性を高める重要なファクターである。高い隠蔽性を得るためには、最大角αは50度以上であることが望ましく、更に望ましくは60度以上である。数9に示されるように、凸レンチキュラーレンズ14の最大角αが大きいほど、凸レンチキュラーレンズ14によって第1主面の法線方向へと変換される線状光Mの長さLは大きくなる。線状光Mの長さLが大きいほど、線状光Mの方向と第1の方向とのなす角度θを小さくしても高い隠蔽性を得ることが可能となる。線状光Mと第1の方向とのなす角度θが小さいほど、照明装置3の輝度が高まるため、角度θは光偏向要素18を十分隠蔽し得る最小の角度に設定することが望ましい。
ところで、高い隠蔽性を得るためのファクターは、光偏向要素18の配列ピッチ、導光体7の厚み等も影響するが、本発明者らが様々な導光体7を用いて検証した結果、凸レンチキュラーレンズ14の最大角αが60度以上である場合、角度θを5〜10度程度に設定することで高い隠蔽性を実現する隠蔽構造体8が得られた。一方で角度θを大きくするほど、表示装置1の輝度は低下した。一例として、角度θ=0度の際の表示装置1の正面輝度を1.00としたとき、θ=10度で0.99、θ=15度で0.98、θ=20度で0.96、θ=30度では0.93という結果であった。従って角度θは5度から15度、または−5度から−15度となるように凸レンチキュラーレンズ14の形状を決定することが望ましく、より望ましくは角度θが5度から10度、または−5度から−10度である。
そして凸レンチキュラーレンズ14の最大角αが50度以下である場合には、角度θを15度以下とすることが出来ず望ましくない。一方で凸レンチキュラーレンズ14の最大角αが80度を超えると、隠蔽性は高まるものの凸レンチキュラーレンズ14自体の集光性が低下し、結果として表示装置1の輝度が低下する問題が生じる。従って、最大角αは80度以下であることが望ましい。
そして凸レンチキュラーレンズ14の最大角αが50度以下である場合には、角度θを15度以下とすることが出来ず望ましくない。一方で凸レンチキュラーレンズ14の最大角αが80度を超えると、隠蔽性は高まるものの凸レンチキュラーレンズ14自体の集光性が低下し、結果として表示装置1の輝度が低下する問題が生じる。従って、最大角αは80度以下であることが望ましい。
ここまで、隠蔽構造体8、及びスプリット構造体20によって、光偏向要素18を線状化、スプリットすることで、光偏向要素18の隠蔽性を向上させる手法について説明したが、更にヘイズ値が30%以上85%以下である拡散性光学シート28を備えることで、光偏向要素18の隠蔽性は向上する。すなわち、点状に視認される光偏向要素18を、隠蔽構造体8とスプリット構造体20によって線状化、スプリットすることで隠蔽性を向上させることが可能であるが、光偏向要素18の配列ピッチが大きい場合、ここで少なくとも第1の方向の配列ピッチP1、及び第2の方向の配列ピッチP2が1mmを超えるほど大きい場合、隠蔽構造体8、及びスプリット構造体20による線状光Mが視認される場合がある。この場合、ヘイズ値が30%以上85%である拡散性光学シート28を更に備えることで、線状光をわずかに拡散することで線状の輝度ムラを低減し、光偏向要素18の隠蔽性が更に向上する。なお、ヘイズ値は、JIS K7136に準拠した測定値である。
また、高い集光性が得られるスプリット構造体20としては例えば三角プリズムレンズ形状が挙げられるが、三角プリズムレンズ形状は高い集光性が得られる半面、サイドローブが生じるという問題がある。ここでヘイズ値が30%以上85%以下である拡散性光学シート28を備えることで、射出光を拡散し、サイドローブを抑制する効果が得られる。
そしてまた、隠蔽構造体8、及びスプリット構造体20を構成する凸レンチキュラーレンズ14、及びスプリットレンズ24のピッチが、表示装置1の画像表示素子2の画素ピッチと近い場合、モアレ干渉縞が生じる恐れがある。しかしながら本発明の表示装置1は液晶パネル2と隠蔽構造体8、及びスプリット構造体20との間にヘイズ値が30%以上85%以下の拡散性光学シート28が配する。従って隠蔽構造体8、及びスプリット構造体20の周期構造が拡散機能によって散乱されるため、モアレ干渉縞の発生を抑制することが出来る。そしてまた、拡散性光学シート28を隠蔽構造体8、及びスプリット構造体20と、画像表示素子2との間に挟むことで、隠蔽構造体8、及びスプリット構造体20と画像表示素子2との間に、少なくとも光学シート28の厚み分の空間距離を生じさせることが出来るため、モアレ干渉縞を更に抑制することが可能である。
このようなヘイズ値が30%以上85%以下である拡散性光学シート28としては上述したように、DBEF−D(3M社製)に代表される拡散層付偏光分離反射シートが挙げられる。また別の例としては、プリズム保護用上拡散フィルムなどが挙げられる。ヘイズ値が高まるほど拡散性は強まるため、拡散性光学シート28のヘイズ値は30%以上であることが望ましい。一方で拡散性を強くすると輝度が大幅に低下するという問題が生じる。従って、ヘイズ値は85%以下であることが望ましい。より好ましくは80%以下である。
本発明の表示装置1において、スプリット構造体20を構成する三角プリズムレンズ24が配列される方向は、表示装置1の垂直視野方向、または水平視野方向の何れかを選択できるが、特に表示装置1を観察者から見た際に、画面の垂直視野方向に三角プリズムレンズ24が配列されることが望ましい。すなわち第2の方向と表示装置1の画面の垂直視野方向とが一致することが望ましい。
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は集光性が高い分、視野を狭くする。従って、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、広い水平視野を保って高い集光性を得ることが出来る。
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は集光性が高い分、視野を狭くする。従って、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、広い水平視野を保って高い集光性を得ることが出来る。
本発明の表示装置1を構成する導光体7の光偏向面17に形成される光偏向要素18は、図2に示されるように、第1の方向にピッチP1で配置し、第2の方向にピッチP2で配置される二次元配列で形成される。このときP1とP2との比が、第2の方向のピッチP2が、第1の方向のピッチP1より大きい場合は、1.4<P2/P1<2.2の範囲で設定され、一方で、第2の方向のピッチP2が、第1の方向のピッチP1より小さい場合は、1.4<P1/P2<2.2であることが望ましい。更には近接する3つの光偏向要素18を結んだ三角形状が、略正三角形となる六方配置であることが望ましい。つまりP1/P2、またはP2/P1が約1.73である。
光偏向要素18の配置を六方配置に近づけることで、光偏向面17の面内の縦方向、横方向、及び斜め方向においても、光偏向要素18間の距離が大きく異なることなく一様に近づくため、ムラを均一化しやすくなる。
光偏向要素18の配置を六方配置に近づけることで、光偏向面17の面内の縦方向、横方向、及び斜め方向においても、光偏向要素18間の距離が大きく異なることなく一様に近づくため、ムラを均一化しやすくなる。
光偏向要素18が配列される第1の方向、及び第2の方向は、表示装置1の画面垂直方向、及び水平方向に対して任意に選択できるが、別の例としては、第1の方向、及び第2の方向を、垂直方向、及び水平方向に対して角度θだけ傾けても良い。この場合、凸レンチキュラーレンズ14の延在する方向は、表示装置1の垂直方向、または水平方向の何れかに設定される。本発明の隠蔽構造体8を構成する凸レンチキュラーレンズ14による線状光が延在する方向と、光偏向要素18が配列される第1の方向が角度θだけ傾くことで上述したような隠蔽性が得られるため、表示装置1の垂直方向、または水平方向と傾くのは、凸レンチキュラーレンズ14でも光偏向要素18の配列であっても良い。
本発明の隠蔽構造体8は、第1主面13aに線状レンズ14を備えるが、更に線状レンズ14と交差する第2の線状レンズ15を備えても良い。このとき交差角度は90度でも良く、または第2の方向に平行になるよう配列されても良い。図24に示されるように、第2の線状レンズ15は、複数の線状レンズ14の隙間を埋めるように配されることが望ましい。第2の線状レンズ15としては、三角プリズムレンズ形状が挙げられる。線状レンズ14で隠蔽性を高め、第2の線状レンズ15で正面方向への集光性を高めることが出来るためである。また第2の線状レンズ15として、側面が湾曲した湾曲プリズムレンズであっても良い。湾曲プリズムレンズは、高い集光性と拡散性とを両立するため、正面輝度を高めながら、高い拡散性によって隠蔽性を更に向上させる。湾曲プリズムレンズの湾曲側面としては、湾曲側面の各点における接線と、隠蔽構造体8の第1主面13aとのなす角度が20度から70度の範囲で変化することが望ましく、更に望ましくは60度から30度の範囲である。20度を下回ると拡散性、集光性共に弱まり、一方70度を超えると、拡散性は強いものの、集光性が低下する。しかしながら、第1主面13aの面積に対して第2の線状レンズ15が占める割合が多くなると、線状レンズ14による隠蔽性が低下する。従って、本発明の表示装置1に必要な隠蔽性と集光性とから適宜選ぶ必要がある。第1主面13aの面積に対して第2の線状レンズ15が占める割合は、望ましくは60%以下、更に望ましくは30%以下である。
別の例として第2の線状レンズ15は、図25に示されるように、レンチキュラーレンズ形状が挙げられる。光偏向要素18を、第2の線状レンズ15によって第2の方向へと線状化するため、隠蔽性が更に向上するためである。第2の線状レンズ15のレンチキュラーレンズ形状は、線状レンズ14と同形状でも良く、または線状レンズ14と相似形であるレンズ形状でも良い。または全く異なるレンズ形状であっても良い。
本発明の隠蔽構造体8における別の実施の形態として、図26に示されるように、線状レンズ14の隙間にマイクロレンズ16を形成しても良い。または図27に示されるように、線状レンズ14を覆う形でマイクロレンズ16を形成することも出来る。マイクロレンズ16は全方位に光を拡散し、また全方位に光を集光する特徴を有する。従って、線状レンズ14によって光偏向要素18を第1の方向に対して角度θへと線状化し、マイクロレンズ16によって全方位へと光を拡散することで隠蔽性が向上する。一方で、線状レンズ14は一方向に集光性を発揮し、マイクロレンズ16によって全方位に集光性を発揮する。線状レンズ14とマイクロレンズ16との組み合わせにおいては、特に図27で示されるような、線状レンズ14を覆う形でマイクロレンズ16が形成されることが望ましい。隠蔽性、集光性という光学特性のみならず、ドット状に配置されるマイクロレンズ16によって耐擦性も向上するためである。
隠蔽構造体8の第1主面13aの面積に対して、マイクロレンズ16が占める割合は、十分な耐擦性を得るためには2%以上であることが望ましく、隠蔽性を高めるには更に10%以上であることが望ましい。一方でマイクロレンズ16が占める面積が高くなると、線状レンズ14による隠蔽性の向上効果が薄れる。マイクロレンズ16の占める面積は60%以下が望ましく、更に望ましくは40%以下である。
隠蔽構造体8の第1主面13aの面積に対して、マイクロレンズ16が占める割合は、十分な耐擦性を得るためには2%以上であることが望ましく、隠蔽性を高めるには更に10%以上であることが望ましい。一方でマイクロレンズ16が占める面積が高くなると、線状レンズ14による隠蔽性の向上効果が薄れる。マイクロレンズ16の占める面積は60%以下が望ましく、更に望ましくは40%以下である。
ここまで、本発明の第1、及び第2の実施形態における隠蔽構造体8について詳細に述べたが、照明装置3の構成については図1に示される構成に限定されない。すなわち、本発明の実施形態において、導光板7の上に隠蔽構造体8を配し、更にその上にスプリット構造体20、及び拡散性光学シート28を配した例を述べてきたがこれに限らない。特に隠蔽構造体8において、線状レンズ14だけでなく第2の線状レンズ15を加えることで、隠蔽性、および集光性が高まる。従って、スプリット構造体20を省略することも出来る。または拡散性光学シート28を、省略するか拡散シートへと置き換えることも出来る。
本発明の照明装置3を構成する隠蔽構造体8は、透光性の基材13の第1主面13aに、線状レンズ14、及び第2の線状レンズ15、またはマイクロレンズ16が、第2主面13bにはマイクロレンズ19が、UV硬化樹脂や放射線硬化樹脂等を用いて成形されるか、またはPET(ポリエチレンテレフタレート)、PC(ポリカーボネート)、PMMA(ポリメチルメタクリレート)、COP(シクロオレフィンポリマー)、PAN(ポリアクリロニトリル共重合体)、AS(アクリロニトリルスチレン共重合体)等を用いて、当該技術分野では良く知られている押出成形法、射出成型法、あるいは熱プレス成型法によって一体で形成する。第2主面13bはマイクロレンズ19を省略し、粗面化しても良い。またスプリット構造体20も隠蔽構造体8と同様の製法で作製することが出来る。
画像表示素子2は、画素単位で光を透過/遮光して画像を表示する素子であることが好ましい。画素単位で光を透過/遮光して画像を表示するものであれば、本発明の照明装置3により、観察者側Fへの輝度が向上され、光強度の視角度依存性が低減され、さらに、光偏向要素18の視認性が低減された光を有効に利用して、画像品位の高い画像を表示させることができる。
画像表示素子2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。
画像表示素子2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。
以上、本発明の照明装置3、並びに表示装置1について説明したが、本発明の照明装置3は表示装置1のみに適用されるものではない。すなわち光源6から射出された光を効率的に集光する機能を有する照明装置3として例えば照明機器などにも使用できることは想像に難しくない。
以下、実施例に基づいて本発明について詳細に説明するが、本発明は以下の実施例のみに限定されるものではない。
(実施例)
以下、実施例に基づいて本発明について詳細に説明するが、本発明は以下の実施例のみに限定されるものではない。
(実施例)
まず本発明に係る隠蔽構造体8の検証を行った。
隠蔽構造体8の第1主面13aに形成する凸レンチキュラーレンズ14を数13より設計した。単位レンズのレンズ幅PL1が50μm、レンズ高さTL1が28μm、頂部フィッティング曲率半径が11μm、最大角αが68度となるような形状とし、これを第1の凸レンチキュラーレンズ14とした。
隠蔽構造体8の第1主面13aに形成する凸レンチキュラーレンズ14を数13より設計した。単位レンズのレンズ幅PL1が50μm、レンズ高さTL1が28μm、頂部フィッティング曲率半径が11μm、最大角αが68度となるような形状とし、これを第1の凸レンチキュラーレンズ14とした。
第2の凸レンチキュラーレンズ14として、単位レンズのレンズ幅PL1が50μm、レンズ高さTL1が24μm、頂部フィッティング曲率半径が11.5μm、最大角αが58度となる形状とした。
第3の凸レンチキュラーレンズ14として、単位レンズのレンズ幅PL1が50μm、レンズ高さTL1が20μm、頂部フィッティング曲率半径が21μm、第1主面13aとのなす最大角αが68度となる形状とした。
第4の凸レンチキュラーレンズ14として、単位レンズのレンズ幅PL1が50μm、レンズ高さTL1が18μm、頂部フィッティング曲率半径が25μm、第1主面13aとのなす最大角αが68度となる形状とした。
第5の凸レンチキュラーレンズ14として、単位レンズのレンズ幅PL1が50μm、レンズ高さTL1が33μm、頂部フィッティング曲率半径が4.5μm、第1主面13aとのなす最大角αが68度となる形状とした。
第6の凸レンチキュラーレンズ14として、単位レンズのレンズ幅PL1が50μm、レンズ高さTL1が22μm、頂部フィッティング曲率半径が4.5μm、第1主面13aとのなす最大角αが53度となる形状とした。
上記第1から第6の凸レンチキュラーレンズ14を、ポリカーボネート樹脂を用いて基材13と同時に押出成形により隠蔽構造体8を得た。ここで基材13の第2主面13bにはマット面を形成した。
スプリット構造体20として、ポリカーボネート樹脂による押出成形より得られた頂角が90度である三角プリズムシートを用意した。三角プリズムレンズのピッチは50μm、高さは24μm、先端は曲率半径が約1μmの丸みを帯びた形状である。
また拡散性光学シート28として、3M社製のDBEF−Dを用意した。
また拡散性光学シート28として、3M社製のDBEF−Dを用意した。
導光体7はアクリル樹脂製の4mm厚の導光体7を用意した。導光体7の光偏向面17には、光偏向要素として白色の拡散反射性ドットが印刷されており、第1の方向へピッチP1が約1.5mm、第2の方向へピッチP2が約2.6mmで二次元的に配列され、最近接の3つの光偏向要素18を結んだ形状がおおよそ正三角形となる六方配置で配列される。導光体7の4つの端面のうち、観察者側Fから見て上下にあたる長辺の端面には、光源6として白色LEDが多数設置されてなり、導光体7の光偏向面17側には、更に白色の光反射シート5が設置される。ここで、第1の方向とLED6が配置される導光体7の長辺とが一致し、第2の方向と導光体7の短辺が一致するよう配置される。
光偏向面17に形成される光偏向要素18の大きさは、LED6が配される長辺の端面に近いものほど小さく、光偏向面17の中心に近づくほど大きくなり、長辺の端面に最も近い光偏向要素18から第2の方向へピッチP2の5ピッチ分の領域内に配される光偏向要素18の幅の平均値Dは約0.45mmであった。
光偏向面17に形成される光偏向要素18の大きさは、LED6が配される長辺の端面に近いものほど小さく、光偏向面17の中心に近づくほど大きくなり、長辺の端面に最も近い光偏向要素18から第2の方向へピッチP2の5ピッチ分の領域内に配される光偏向要素18の幅の平均値Dは約0.45mmであった。
導光体7の光射出面側に、第1から第6の凸レンチキュラーレンズ14を備える隠蔽構造体8、スプリット構造体20、DBEF−D28の順番で積層することで、照明装置3が得られた。
更に照明装置3の観察者側に液晶パネル2を設置し、表示装置1が得られた。表示装置1の水平視野方向と第1の方向とが一致し、垂直視野方向と第2の方向とが一致するよう配置される。
更に照明装置3の観察者側に液晶パネル2を設置し、表示装置1が得られた。表示装置1の水平視野方向と第1の方向とが一致し、垂直視野方向と第2の方向とが一致するよう配置される。
第1から第6の凸レンチキュラーレンズ14による線状化の方向と、第1の方向とのなす角度を変化させ、表示装置1の輝度ムラ、及び正面輝度の評価を実施した。正面輝度の評価としては、トプコン製のSR−3A(分光放射輝度計)を用いて測定した。その結果を表1、及び表2に示す。
表1には第1の凸レンチキュラーレンズ14から第3の凸レンチキュラーレンズ14を、線状化の方向と第1の方向とのなす角度θを0度から40度まで変化させた場合の正面輝度、及びムラの評価結果を示している。比較として、隠蔽構造体8の代わりに、恵和社製の拡散フィルム(BS912)を配した場合の評価結果を以下に示す。
正面輝度値=429[cd/m2]
光偏向要素18に起因する輝度ムラはなく、ムラ評価を○とした。
正面輝度値=429[cd/m2]
光偏向要素18に起因する輝度ムラはなく、ムラ評価を○とした。
表1を見ると、第1の凸レンチキュラーレンズ14と第3の凸レンチキュラーレンズ14を備えた構成においては、角度θが10度〜15度の場合と、30度の場合とで、輝度ムラが生じず良好な結果が得られた。角度θが10度である場合は、角度θが0度である場合とほとんど輝度は変わらないが、角度θが30度である場合は大きく輝度低下を起こすことを確認した。しかしながら角度θが30度である場合においても、拡散フィルムBS912を配した場合の正面輝度よりも約5%の輝度上昇効果が得られた。
第2の凸レンチキュラーレンズ14を備えた構成においては、角度θが15度の場合と、30度の場合とで、輝度ムラが生じず良好な結果が得られた。第1の凸レンチキュラーレンズ14、及び第3の凸レンチキュラーレンズ14との違いとして、単位レンズの最大角αが58度であるため、輝度ムラが生じない角度θは15度程度となった。
結果として、第1の凸レンチキュラーレンズ14から第3の凸レンチキュラーレンズ14を備えた表示装置1は、従来の拡散フィルムを用いた構成に比べて、輝度ムラが同等で、正面輝度の高い構成を得ることが出来た。特に第1の凸レンチキュラーレンズ14を備えた構成は、角度θが10度と小さく、また第3の凸レンチキュラーレンズ14に比べても高輝度な結果となり、最も良好なレンズ形状であった。一方、角度θが30度の場合においても輝度ムラが抑制された表示装置1が得られ、正面輝度も拡散フィルムBS912を配した構成と比べて3〜5%の輝度上昇効果を得ることが出来た。
結果として、第1の凸レンチキュラーレンズ14から第3の凸レンチキュラーレンズ14を備えた表示装置1は、従来の拡散フィルムを用いた構成に比べて、輝度ムラが同等で、正面輝度の高い構成を得ることが出来た。特に第1の凸レンチキュラーレンズ14を備えた構成は、角度θが10度と小さく、また第3の凸レンチキュラーレンズ14に比べても高輝度な結果となり、最も良好なレンズ形状であった。一方、角度θが30度の場合においても輝度ムラが抑制された表示装置1が得られ、正面輝度も拡散フィルムBS912を配した構成と比べて3〜5%の輝度上昇効果を得ることが出来た。
次に表2には、第4の凸レンチキュラーレンズ14から第6の凸レンチキュラーレンズ14を線状化の方向と第1の方向とのなす角度θを0度から40度まで変化させた場合の正面輝度、及びムラの評価結果を示している。
第4の凸レンチキュラーレンズ14を備えた構成は、輝度ムラは角度θが10度の場合と30度の場合とで得られる結果であるが、正面輝度は低いものであった。角度θが10度の場合においても、従来の拡散フィルムを用いた構成とほとんど同等の正面輝度であった。
第5の凸レンチキュラーレンズ14を備えた構成は、角度θが0度における正面輝度は高いレンズ形状であるが、輝度ムラが良好となる角度θは30度であった。拡散フィルムを用いた従来の構成に比べると輝度は高いものの、第1から第3の凸レンチキュラーレンズ14を備えた構成は、角度θが10度乃至15度程度で輝度ムラが良好であるため、比較して輝度が低い結果となった。
第6の凸レンチキュラーレンズ14を備えた構成は、角度θを変化させても光偏向要素18に起因する輝度ムラが解消されない結果となった。
第4の凸レンチキュラーレンズ14を備えた構成は、輝度ムラは角度θが10度の場合と30度の場合とで得られる結果であるが、正面輝度は低いものであった。角度θが10度の場合においても、従来の拡散フィルムを用いた構成とほとんど同等の正面輝度であった。
第5の凸レンチキュラーレンズ14を備えた構成は、角度θが0度における正面輝度は高いレンズ形状であるが、輝度ムラが良好となる角度θは30度であった。拡散フィルムを用いた従来の構成に比べると輝度は高いものの、第1から第3の凸レンチキュラーレンズ14を備えた構成は、角度θが10度乃至15度程度で輝度ムラが良好であるため、比較して輝度が低い結果となった。
第6の凸レンチキュラーレンズ14を備えた構成は、角度θを変化させても光偏向要素18に起因する輝度ムラが解消されない結果となった。
以上の結果から、第1から第3の凸レンチキュラーレンズ14を備えた隠蔽構造体8を配した構成において、高輝度で、輝度ムラの生じない表示装置1を得ることが出来た。また凸レンチキュラーレンズ14による線状化の方向と第1の方向とのなす角度θが10度乃至15度程度であったため、視野の歪みも生じない良好な表示装置1を得ることが出来た。
また第5の凸レンチキュラーレンズ14を備えた隠蔽構造体8を配した構成においては、従来構成に比べれば高輝度で、輝度ムラの生じない表示装置1を得られたものの、第1から第3の凸レンチキュラーレンズ14を備えた構成と比べると、輝度も低いものであった。
また第5の凸レンチキュラーレンズ14を備えた隠蔽構造体8を配した構成においては、従来構成に比べれば高輝度で、輝度ムラの生じない表示装置1を得られたものの、第1から第3の凸レンチキュラーレンズ14を備えた構成と比べると、輝度も低いものであった。
ここで第1の凸レンチキュラーレンズ14と第2の凸レンチキュラーレンズ14との隠蔽性の差について検証した。
本実施例で用いた導光体7の厚さTは4mmであり、屈折率n0は約1.5である。光偏向面17に形成された光偏向要素18は第1の方向にピッチP1が約1.5mmで配列し、第2の方向にピッチP2が約2.6mmで配列してなる二次元配列であって、近接した3つの光偏向要素18を結んだ形状はおおよそ正三角形となる六方配置である。そして、光源6近傍の光偏向要素18の平均幅Dは約0.45mmである。
一方で第1、及び第2の凸レンチキュラーレンズ14を備えた隠蔽構造体8は屈折率が約1.59であるポリカーボネート樹脂により押出成形されてなる。第1の凸レンチキュラーレンズ14の最大角αは約68度であり、第2の凸レンチキュラーレンズ14の最大角αは約58度である。
本実施例で用いた導光体7の厚さTは4mmであり、屈折率n0は約1.5である。光偏向面17に形成された光偏向要素18は第1の方向にピッチP1が約1.5mmで配列し、第2の方向にピッチP2が約2.6mmで配列してなる二次元配列であって、近接した3つの光偏向要素18を結んだ形状はおおよそ正三角形となる六方配置である。そして、光源6近傍の光偏向要素18の平均幅Dは約0.45mmである。
一方で第1、及び第2の凸レンチキュラーレンズ14を備えた隠蔽構造体8は屈折率が約1.59であるポリカーボネート樹脂により押出成形されてなる。第1の凸レンチキュラーレンズ14の最大角αは約68度であり、第2の凸レンチキュラーレンズ14の最大角αは約58度である。
第1、及び第2の凸レンチキュラーレンズ14の線状化効果について、式9から式12、及び図18を用いて検証する。すなわち、図18に示される、第1の方向に隣合う光偏向要素18が第1の方向に対して角度θだけ傾いて線状化され、その2つの線状光Mの距離bと、角度θだけ傾いた線状光Mが第1の方向に配列し、擬似的に第2の方向の幅がYである長い線状光N6が第2の方向へピッチP2/2で配列しているとみなした際の、2つの長い線状光N6の距離cについて計算を行った。その結果を表3に示す。
式9から求められる隣り合う2つの線状光の距離bは、角度θが0度である場合は完全に光偏向要素18の幅で重なるため、−Dの値となる。角度θが大きくなるにつれ、bの値は大きくなり、16度の際に0となる。そして角度θが20度になると、0.1mmの間隔が空くこととなり、輝度ムラが確認されることとなる。
一方で式10から求められる、第2の方向で隣合う、幅がYである長い線状光N6間の距離cは凸レンチキュラーレンズ14の最大角αによって変わることとなり、これが第1の凸レンチキュラーレンズ14と第2の凸レンチキュラーレンズ14との隠蔽性の差である。すなわち、表3に示されるように、最大角αが68度である第1の凸レンチキュラーレンズ14の場合においては、数2が成立する角度θは8度以上であり、一方で最大角αが58度である第2の凸レンチキュラーレンズ14の場合においては、数10が成立する角度θは11度以上となる。
従って、最大角αが68度である第1の凸レンチキュラーレンズ14を備えた構成において、式9、及び式10の双方を満たす条件としては角度θが8度以上16度以下の範囲であり、一方で最大角αが58度である第2の凸レンチキュラーレンズ14を備えた構成においては、角度θが11度以上16度以下の範囲となる。
一方で式10から求められる、第2の方向で隣合う、幅がYである長い線状光N6間の距離cは凸レンチキュラーレンズ14の最大角αによって変わることとなり、これが第1の凸レンチキュラーレンズ14と第2の凸レンチキュラーレンズ14との隠蔽性の差である。すなわち、表3に示されるように、最大角αが68度である第1の凸レンチキュラーレンズ14の場合においては、数2が成立する角度θは8度以上であり、一方で最大角αが58度である第2の凸レンチキュラーレンズ14の場合においては、数10が成立する角度θは11度以上となる。
従って、最大角αが68度である第1の凸レンチキュラーレンズ14を備えた構成において、式9、及び式10の双方を満たす条件としては角度θが8度以上16度以下の範囲であり、一方で最大角αが58度である第2の凸レンチキュラーレンズ14を備えた構成においては、角度θが11度以上16度以下の範囲となる。
ここまで凸レンチキュラーレンズ14の最大角αによる光偏向要素18の隠蔽性について説明したが、隠蔽性に効果のある凸レンチキュラーレンズ14のパラメータは最大角αだけではない。上述したように凸レンチキュラーレンズ14の頂部フィッティング曲率半径RL1、高さTL1、そして断面形状の各点の接線角度の変化率などを含めて最適なレンズ形状とすることが重要である。
また本実施例では、使用した導光体7と該導光体7の光偏向面17に形成された光偏向要素18との条件において最適な角度θを算出したが、当然ながら導光体7や光偏向要素18が変われば最適な角度θも変わることに気をつけなければならない。本発明者らは実施例で使用した導光体7以外にも、複数の導光体7を用いた表示装置1の輝度ムラ、及び正面輝度について評価した。導光体7の厚さが4mmで第1の方向にピッチP1が約1.1mm、P2が約1.9mm、光偏向要素18の幅Dが0.45mmである場合においては、凸レンチキュラーレンズ14の最大角αが68度である隠蔽構造体8を用いた場合、線状光と第1の方向とのなす角度θが5度以上で、輝度ムラのない高輝度な表示装置1を得ることが出来た。
このように導光体7のパラメータが変わっても、式9から式12を満足する角度θと、隠蔽性と集光性とを高める凸レンチキュラーレンズ14とを備え、また最適なスプリット構造体20、及び拡散性光学シート28と組合わせることで、輝度ムラがなく高輝度な照明装置3、該照明装置3を備えた表示装置1を提供することが可能となる。
このように導光体7のパラメータが変わっても、式9から式12を満足する角度θと、隠蔽性と集光性とを高める凸レンチキュラーレンズ14とを備え、また最適なスプリット構造体20、及び拡散性光学シート28と組合わせることで、輝度ムラがなく高輝度な照明装置3、該照明装置3を備えた表示装置1を提供することが可能となる。
A、B、C…凸レンチキュラーレンズ形状式の係数、D…光偏向要素の幅(径)、E1、E2、E3…入射光、F、F’…観察者側、K…光、n、m…1から10の整数、n0…導光体の屈折率、n1…凸レンチキュラーレンズの屈折率、L…線状光の長さ、M、M0…線状光、N、N0、N1、N2、N3、N4、N5、N6…長い線状光、T…導光板の厚み、Pa…凸レンチキュラーレンズと基材との接点、Pb…Paから単位ピッチの5%離れた点、P1…第1の方向の配列ピッチ、P2…第2の方向の配列ピッチ、PL1…線状レンズの単位レンズピッチ、RL1…頂部フィッティング曲率半径、TL1…線状レンズの高さ、a、b、c、Y…隠蔽性を説明するパラメータ、α…線状レンズの最大角、θ…線状化光と第1の方向とがなす角度、θi…隠蔽構造体への入射角、1…表示装置、2…液晶パネル、3…照明装置、5…反射板(反射シート)、6…光源、7…導光板(導光体)、8…隠蔽構造体、9…液晶層、10、11…偏光板、13…基材、13a…第1主面、13b…第2主面、14…線状レンズ、15…第2の線状レンズ、16…マイクロレンズ、17…光偏向面、18…光偏向要素、19…マイクロレンズ、20…スプリット構造体、23…基材、23a…第3主面、23b…第4主面、24…スプリットレンズ、28…拡散性光学シート、100…点光源、182…液晶パネル、184…面光源、185…BEF、186…透明部材、187…単位プリズム
Claims (18)
- 光源と、
前記光源から射出される光を入射する入射面と、前記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、を備えた導光体と、
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、
隠蔽構造体と、
を少なくとも備えた照明装置であって、
前記光偏向面には、前記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1の方向に第1のピッチP1で略等間隔に配列し、
また前記第1の方向とは略直交する第2の方向に第2のピッチP2で略等間隔に配列してなる二次元配列で配置され、
前記隠蔽構造体は、第1主面と第2主面とを備え、
前記第1主面には、少なくとも一方向に配列された線状レンズを備え、
前記第1の線状レンズが延在する方向が、任意の方向Xに対して5度以上45度以下の範囲で傾いて配置され、
前記方向Xが、前記第1の方向、または前記第2の方向の何れかの方向と一致してなることを特徴とする照明装置。 - 前記隠蔽構造体は、前記線状レンズの配列方向による断面形状は、丸みを帯びた頂部と、前記頂部から前記第1主面に至る湾曲線を有し、前記断面形状における任意の点の接線と、前記第1主面とのなす角度は、前記頂部から前記第1主面に至るにつれ大きくなる凸湾曲形状であって、
前記線状レンズは、前記射出面より射出された光の一部を、前記第1の方向に対して角度θの方向に沿うように、線状に前記第1主面の法線方向へと変換して射出し、
前記線状レンズの前記断面形状における各点の接線と、前記第1主面とのなす最大角度をα、前記線状レンズの屈折率をn1であり、
前記導光体の厚みはt、屈折率をn0であり、
前記光偏向要素のうち、前記光源近傍に配置された前記光偏向要素の平均直径、または幅をDとしたとき、
以下の式9、及び式10を満足し、ここで式10に示される変数Lは式11によって決定され、式11に示される角度θiは、前記線状レンズの最大角αと、式12の関係であることを特徴とする請求項1に記載の照明装置。
- 前記隠蔽構造体の前記第2主面側に、略ランバート光を射出する点光源を、射出光の主軸と該第2主面の法線方向とが略一致するよう配置した場合において、
前記第2主面より入射した光のうち、前記第1主面の法線方向へと変換されて射出される光は、前記点光源の直上を中心に、前記線状レンズの配列方向に広がる線状光に変換され、
前記線状光のピーク輝度位置は、前記点光源の直上である前記隠蔽構造体を備えることを特徴とする請求項1から6の何れか1項に記載の照明装置。 - 前記線状光のピーク輝度位置が、前記点光源の直上以外に存在し、
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%以下である前記隠蔽構造体を備えることを特徴とする請求項1から6の何れか1項に記載の照明装置。 - 前記第1のピッチP1と前記第2のピッチP2との比であるP2/P1が、1.4<P2/P1<2.2の範囲に設定されてなることを特徴とする請求項1から9の何れか1項に記載の照明装置。
- 前記第1のピッチP1と前記第2のピッチP2との比であるP1/P2が、1.4<P1/P2<2.2の範囲に設定されてなることを特徴とする請求項1から9の何れか1項に記載の照明装置。
- 前記光偏向要素は、前記第1の方向に前記第1のピッチP1のn倍で配列し、
また前記第1の方向とは略直交する前記第2の方向に前記第2のピッチP2のm倍で配列してなる二次元配列で配置され、
nまたはmは1から10の整数値をランダムに選択してなることを特徴とする請求項1から11の何れか1項に記載の照明装置。 - 前記光偏向要素は、近接した3点の該光偏向要素を結んで描かれる三角形が略正三角形となる六方配置、または六方配置から任意の前記光偏向要素を除去した配置となることを特徴とする請求項1から12の何れか1項に記載の照明装置。
- 前記隠蔽構造体の第1主面側に、スプリット構造体を備え、
前記スプリット構造体は、第3主面と第4主面とを有し、
前記第3主面には、少なくとも一方向に配列されたスプリットレンズが配置されてなり、前記第4主面より入射した光の一部を、前記第2の方向に沿うように、点状に、または線状に前記第3主面の法線方向へと変換して射出することを特徴とする請求項1から13の何れか1項に記載の照明装置。 - 請求項1から14の何れか1項に記載の照明装置の観察者側に、
ヘイズ値が30%以上85%以下である拡散性光学シートを備えることを特徴とする照明装置。 - 請求項1から15の何れか1項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。 - 前記拡散性光学シートが偏光分離反射機能を有することを特徴とする請求項16に記載の表示装置。
- 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16、または請求項17に記載の表示装置。
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