JP4607726B2 - 照明装置およびその照明装置を用いた表示装置 - Google Patents

Description

本発明は主に照明装置に関し、特に、本発明は、光学構造物と作動装置を用いて出射光線の視野角特性を可変させる照明装置に関する。

ディスプレイ分野や光通信分野など多くの場面で、ある程度広がった光線を一定の方向に揃える視野角制御という要求が存在する。

このような要求に答えるため、光源、光源を囲むハウジングの出射口上に入射光を所定の方向に揃える機能を有する光学シートを設けた照明・表示装置が広く用いられている。前記光学シートとして用いられているものとして、例えばプリズムシートがある。プリズムシートは一般的に、三角柱形状もしくはかまぼこ形状をしており、プリズム効果もしくはレンズ効果によって光線の進行方向を制御している。このような光学シートを光源と組み合わせて用いることによって、視野角や光の照射方向の制御、輝度の制御を初めから行っている照明・表示装置を作ることが可能である。

近年、視野角特性を状況によって可変させたいという要望が大きくなってきた。例えば新幹線に乗ったときにノートパソコンで仕事をする場合、隣の席の人から社外秘の内容を見られたくない状況が起こるとする。この場合はノートパソコンの液晶画面が正面からは見えるが、少し角度を付けてみると見えなくなるような狭視野角特性が要求される。また、出張先で営業活動を行う場合、液晶画面を顧客に見せながら説明を行う状況が起こるとする。この場合、ノートパソコンの液晶画面が広い角度範囲で見えるような広視野角特性が要求される。 しかし、通常用いられているノートパソコンには、そのような機能はもうけられておらず、ディスプレイに光学シートを貼り付けることにより、視野角だけを制御、あるいは、輝度向上効果だけを制御しているにすぎない（特許文献１）。一台のノートパソコンで、狭視野角特性、広視野角特性両方の要求を満たすためには、状況に応じて視野角特性を任意で切り替えることができる照明装置及び表示装置が必要である。

特公平７−７１６２号公報

このように従来の照明装置及び表示装置には、視野角特性を状況に応じて、任意に使い分けることができないという問題があった。本発明の目的は、このような従来技術の欠点を解消し、視野角特性可変の照明装置及び表示装置を提供することである。

前記目的を達成するため、光源と、前記光源からの光に対して、光線方向の制御機能を有する光学構造が付加された光学シートとを有する照明装置及び表示装置において、前記光学シートは、少なくとも前記光源からの光が通過する開口部と、前記光源からの光を遮断する領域をもっている第１の光学シートと、前記開口部を通過してきた光が透過し、前記透過してきた光の光線方向をそろえるレンズ効果を有する領域と前記レンズ効果を持たないくらい平坦な面を有する領域をもつ第２の光学シートとから構成され、前記第１の光学シートの開口部位置が前記第２の光学シートのレンズ効果を有する領域に位置している状態と、前記第１の光学シートの開口部位置が前記第２の光学シートの前記レンズ効果を持たないくらい平坦な面を有する領域に位置している状態が、それぞれ作り出せるように、第１の光学シートと第２の光学シートを相対的に水平移動させる手段を有することによって、照明装置および表示装置の視野角特性を任意に制御することが可能となった。

あるいは前記第１の光学シートの開口部位置と前記第２の光学シートのレンズ効果を有する領域の焦点あるいは焦点の集合領域が一致している状態と、前記第１の光学シートの開口部位置と前記第２の光学シートの前記レンズ効果を有する領域の焦点あるいは焦点の集合領域が一致していない状態が、それぞれ作り出せるように、第１の光学シートと第２の光学シートを相対的に垂直移動させる手段を有することによって、照明装置および表示装置の視野角特性を任意に制御することが可能となった。なお、垂直移動とは２枚のシートを離す方向あるいは近づける方向への移動のことである。厳密に２枚が垂直方向に動く必要はなく、斜め方向に離れていっても何ら問題ない。

図１に本発明の照明装置の代表的な構成例を示す。光源（１）を覆うハウジング（２）の内面を高反射率部材で構成する。該ハウジング（２）の光出射口（３）部分に第１の光学シート（４）及び第２の光学シート（５）を設ける。第１の光学シート（４）は光線入射側に、光を通過させず、反射効果を示す部分（６）を設け、その一部に光を透過する開口部（７）を設けてある。光源から照射された光はこの開口部を通して第２の光学シート（５）に入射する。第２の光学シート（５）はレンズ効果を示す部分（８）を有しており、その焦点がシート裏面近辺に来るように設計されている。また、これら、第２の光学シート（５）、第１の光学シート（４）は作動装置（９）によってレンズ効果を示す部分（８）の焦点位置とそこから離れた位置との２点間を移動できるようになっている。焦点位置から離す方向はシート面に対して垂直方向、水平方向、あるいは斜め方向、どの方向に離しても問題ない。

第１の光学シート（４）の開口部（７）が第２の光学シート（５）のレンズ構造部（８）の焦点位置にあるときは図２（ａ）に示すように、第２の光学シート（５）の開口部（７）から入射した光の殆どがその直上のレンズ構造部（８）に入射し、一定の方向に光軸が揃えられる。開口部（７）以外の部分に照射された光はその高い反射率を有するハウジング（２）の反射部材あるいは光学シート（４）の反射部分（６）によって反射され、何回か反射を繰り返した後に開口部（７）に到達する。この結果、強い指向性を持った光線が射出される照明装置となる。

第１の光学シート（４）の開口部（７）が第２の光学シート（５）のレンズ構造部（８）の焦点位置から離れたときは、垂直方向に距離G離れた場合で図２（ｂ）、水平方向に距離S離れた場合で図２（ｃ）に示すように、第２の光学シート（５）から出射する光線は一方向に揃わず、広い視野角を示す照明装置となる。

なお、ディスプレイ用途などのように視野角特性を変えても中心輝度が変わらないようにしたい場合は照明装置の供給電力を調整して一定に保つ機構を設ける必要がある。ディスプレイ用途で水平方向に動かす場合はレンズ構造部の間にレンズ効果の小さな面を設ける方が望ましい。ここでレンズ効果の小さな面とはレンズ効果の全くない平面もしくは平面に近い面のことであり、レンズ効果が多少あるとしても常識的には平面と考えてよい面のことである。レンズ構造部の間に平面が無く、接した状態では、視野角は広くなるものの、正面の輝度が低くなったり、不連続な光指向性（特定の角度で急に暗くなる）を示す恐れがある。

前記作動装置としては２枚の光学シートの位置関係を制御できるものならどのようなものでもよく、圧電素子、電磁石、モーター、バネなどが用いられる。

なお、本構成例では光出射口部分に本発明の光学シート２枚のみが用いられているが、たとえば前記光学シートの光入射側に市販の拡散板、光出射側に散乱シートを設けるなどのように、他の光学シートを複数枚用いてもなんら問題ない。また、本文中の表面とは、光学的な表面を意味しており、反射部材の表面に透明な保護膜などが設けられていても何ら問題ない。

本発明によると、第２の光学シートの焦点位置に、第１の光学シートの開口部があるときは視野角輝度分布が狭い角度範囲に狭められ、焦点位置から離すと視野角輝度分布が広くなる。したがって、視野角特性を制御できる照明装置および表示装置を提供することができる。

以下、本発明にかかる照明装置および表示装置について図に基づいて説明するが、本発明は、これらの実施形態に何ら限定されるものではない。

（実施例１）
まず、第２の光学シート（５）としてホットエンボス法によって図３に示す構造のレンチキュラーレンズシートを作製した。成型材料としては屈折率1.5のアクリルを用いて、レンチキュラーレンズの曲率半径を80μｍ、レンズピッチを200μｍ、レンズ間の平坦部分幅を49.6μｍ、レンズ頂点位置からシート裏面までの厚さを210μｍとした。

前記シートとは別に第１の光学シート（４）として厚さ50μｍのポリエチレンテレフタレートフィルムの片面に光を通過させないために、銀をスパッタリング成膜し、フォトリソグラフィー法によって開口部を設けた。開口部の形状はスリット状として、開口幅を40μｍとした。

この２枚の光学シートを、図５に示すように、光源の上方に設置した。第１の光学シート（４）の開口部は焦点位置と、焦点位置から垂直方向に1mmずらした位置に作動装置（９）を用いて可変できるようにした。

作動装置は図４（ａ）に示すように電磁石（１４）と永久磁石（１１）を組み合わせた構成とした。電磁石（１４）で鉄芯（１２）（１３）に磁力を流して第１の光学シート（４）を第２の光学シート（５）であるレンズシートの焦点位置から上下させる。光学シートの位置を第２の光学シート（５）であるレンズシートの焦点位置から水平方向に動かすときは、第１の光学シートの開口部位置とレンズシートの焦点位置との相対的な差が大きくなる時と、相対的な差が小さくなる時の位置を決める位置決めガイド（１５）によって、正確に位置決めすることができる。一度片側に張り付けば、永久磁石によってその位置が保持されるので、電磁石の電力は切っても良い。この照明装置の輝度特性を距離Gを変えて測定した。測定結果を（図１０）に示す。

（実施例２）
第２の光学シート（５）としてホットエンボス法によって図３に示す構造のレンチキュラーレンズシートを作製した。成型材料としては屈折率1.5のアクリルを用いて、レンチキュラーレンズの曲率半径を80μｍ、レンズピッチを200μｍ、レンズ間の平坦部分幅を49.6μｍ、レンズ頂点位置からシート裏面までの厚さを210μｍとした。

前記シートとは別に第１の光学シート（４）として厚さ50μｍのポリエチレンテレフタレートフィルムの片面に銀をスパッタリング成膜し、フォトリソグラフィー法によって開口部を設けた。開口部の形状はスリット状として、開口幅を40μｍとした。

この２枚の光学シートを図１に示すようにハウジングの開口部に設置した。ハウジング内面についても銀をスパッタリング成膜し、更に銀スパッタ層の上に拡散反射をするように酸化チタン粒子をバインダーに分散して塗布した。積分球で測定した反射率は96％となった。開口部は焦点位置とそこから垂直方向に1mmずらした位置に作動装置（９）を用いて可変できるようした。

作動装置は図４（ａ）に示すように電磁石（１４）と永久磁石（１１）を組み合わせた構成とした。電磁石（１４）で鉄芯（１２）（１３）に磁力を流して第１の光学シート（４）を第２の光学シート（５）であるレンズシートの焦点位置から上下させる。光学シートの位置を第２の光学シート（５）であるレンズシートの焦点位置から水平方向に動かすときは、第１の光学シートの開口部位置とレンズシートの焦点位置との相対的な差が大きくなる時と、相対的な差が小さくなる時の位置を決める位置決めガイド（１５）によって、正確に位置決めすることができる。一度片側に張り付けば、永久磁石によってその位置が保持されるので、電磁石の電力は切っても良い。この照明装置の輝度特性を距離Gを変えて測定した。測定結果を（図１１）に示す。

（実施例３）
開口部を焦点位置とそこからシート水平面内でレンズと直交する方向に100μｍずらした位置に作動装置（９）を用いて可変できるようした他は実施例（１）と同様にして照明装置の輝度特性を距離Sを変えて測定した。作動装置は図４（ｂ）に示すように圧電（ピエゾ）素子（１６）を用いて第１の光学シート（４）を左右に動かした。この照明装置の輝度特性を距離Ｓを変えて測定した。測定結果を（図１２）に示す。

（実施例４）
まず、第２の光学シート（５）としてホットエンボス法によって図６に示す構造のマイクロレンズアレイシートを作製した。成型材料としては屈折率1.5のアクリルを用いて、マイクロレンズの曲率半径を45μｍ、レンズ頂点位置からシート裏面までの厚さを120μｍとした。レンズの配置は六方最密配置として、レンズ頂点間の最短距離（レンズピッチ）を50μｍとした。

前記シートとは別に第１の光学シート（４）としてシートの片面に銀をスパッタリング成膜し、フォトリソグラフィー法によって図７に示す開口部を設けた。開口部の形状は円状として、開口径を10μｍとした。

この２枚の光学シートを図１に示すようにハウジングの開口部に設置した。ハウジング内面についても銀をスパッタリング成膜し、更に銀スパッタ層の上に拡散反射をするように酸化チタン粒子をバインダーに分散して塗布した。積分球で測定した反射率は96％となった。開口部は焦点位置とそこから垂直方向に1mmずらした位置に作動装置（９）を用いて可変できるようした。

作動装置は図８に示すように手動で作動させる構成とした。ボタン（１８）を押し回すと焦点位置から離れ、ボタン（１８）を回すと板バネ（１７）によって焦点位置に戻る。焦点位置に動かすときは位置決めガイド（１５）によって水平方向の位置も正確に位置決めされる。この照明装置の輝度特性を距離Gを変えて測定した。（図１３）

（実施例５）
まず、第２の光学シート（５）としてホットエンボス法によって図３に示す構造のレンチキュラーレンズシートを作製した。成型材料としては屈折率1.5のアクリルを用いて、レンチキュラーレンズの曲率半径を80μｍ、レンズピッチを200μｍ、レンズ間の平坦部分幅を49.6μｍ、レンズ頂点位置からシート裏面までの厚さを210μｍとした。

前記シートとは別に第１の光学シート（４）として厚さ50μｍのポリエチレンテレフタレートフィルムの片面に銀をスパッタリング成膜し、フォトリソグラフィー法によって開口部を設けた。開口部の形状はスリット状として、開口幅を40μｍとした。

この２枚の光学シートを図１に示すようにハウジングの開口部に設置した。ハウジング内面についても銀をスパッタリング成膜し、更に銀スパッタ層の上に拡散反射をするように酸化チタン粒子をバインダーに分散して塗布した。積分球で測定した反射率は96％となった。開口部は焦点位置とそこから垂直方向に1mmずらした位置に作動装置（９）を用いて可変できるようした。

図９における描画ユニット（１９）は、光源からの光を照射させることにより、画像あるいは映像を表示する表示装置として一般に用いられているものであればよく、例えば、液晶パネルが挙げられる。ここでは、前記光学シートの上に、描画ユニット（１９）として液晶パネルを設置した。

作動装置は図４（ａ）に示すように電磁石（１４）と永久磁石（１１）を組み合わせた構成とした。電磁石（１４）で鉄芯（１２）（１３）に磁力を流して第１の光学シート（４）を第２の光学シート（５）であるレンズシートの焦点位置から上下させる。光学シートの位置を第２の光学シート（５）であるレンズシートの焦点位置から水平方向に動かすときは、第１の光学シートの開口部位置とレンズシートの焦点位置との相対的な差が大きくなる時と、相対的な差が小さくなる時の位置を決める位置決めガイド（１５）によって、正確に位置決めすることができる。一度片側に張り付けば、永久磁石によってその位置が保持されるので、電磁石の電力は切っても良い。この表示装置の輝度特性を距離Gを変えて測定した。（図１４）

（測定結果の説明）
図１０〜１４では作製した照明装置の相対輝度の視野角依存性を示している。焦点位置とずらした位置で光源電力は同じ値に固定したデータを示してある。実際にディスプレイなどに用いるときは光源電力を正面輝度がほぼ同じ値になるように調整する。

図１０〜１４から焦点位置に開口部があるときは視野角輝度分布が狭い角度範囲に狭められ、焦点位置から離すと視野角輝度分布が広くなることがわかる。

従って、実施例１から４の様態に従うことにより照明装置、実施例５の様態に従うことにより表示装置、においてそれぞれ視野角特性を制御できることが分かった。

本発明の照明装置の一例を示す概略構成図である。 本発明の効果を示す説明図である。 本発明に用いるレンチキュラーレンズシートの一例を示す断面図である。 本発明の照明装置の一例を示す概略構成図である。 本発明の照明装置の一例を示す概略構成図である。 本発明に用いるマイクロレンズアレイシートの一例を示す斜視図および断面図である。 本発明に用いる光学シートの一例を示す断面図である。 本発明に用いる照明・表示装置の作動装置の一例を示す概略構成図である。 本発明に用いる表示装置の一例を示す概略構成図である。 実施例１における照明装置の相対輝度特性の一例を示す特性図である。 実施例２における照明装置の相対輝度特性の一例を示す特性図である。 実施例３における照明装置の相対輝度特性の一例を示す概略図である。 実施例４における照明装置の相対輝度特性の一例を示す概略図である。 実施例５における表示装置の相対輝度特性の一例を示す特性図である。

符号の説明

１ 光源
２ ハウジング
３ 光出射口
４ 第１の光学シート
５ 第２の光学シート
６ 反射効果を示す構造部
７ 光を透過する開口部
８ レンズ効果を示す部分
９ 作動装置
１０ 光源光
１１ 永久磁石
１２ 鉄芯
１３ 鉄芯
１４ 電磁石
１５ 位置決めガイド
１６ 圧電（ピエゾ）素子
１７ 板バネ
１８ ボタン
１９ 液晶パネル

Claims (10)

1. 光源と、前記光源からの光に対して、光線方向の制御機能を有する光学構造が付加された光学シートとを有する照明装置において、前記光学シートは、少なくとも前記光源からの光が通過する開口部と、前記光源からの光を遮断する領域をもっている第１の光学シートと、前記開口部を通過してきた光が透過し、前記透過してきた光の光線方向をそろえるレンズ効果を有する領域をもつ第２の光学シートとから構成され、前記第１の光学シートの開口部が前記第２の光学シートのレンズ効果を有する領域に位置している状態と、前記第１の光学シートの開口部が前記第２の光学シートの前記レンズ効果を持たないくらい平坦な面を有する領域に位置している状態が、それぞれ作り出せるように、第１の光学シートの開口部と第２の光学シートのレンズ効果を有する領域の焦点位置を相対的に近接させたり離したりする移動手段を有することを特徴とする照明装置
2. 光源と、前記光源からの光に対して、光線方向の制御機能を有する光学構造が付加された光学シートとを有する照明装置において、前記光学シートは、少なくとも前記光源からの光が通過する開口部と、前記光源からの光を遮断する領域をもっている第１の光学シートと、前記開口部を通過してきた光が透過し、前記透過してきた光の光線方向をそろえるレンズ効果を有する領域と前記レンズ効果を持たないくらい平坦な面を有する領域をもつ第２の光学シートとから構成され、前記第１の光学シートの開口部が前記第２の光学シートのレンズ効果を有する領域に位置している状態と、前記第１の光学シートの開口部が前記第２の光学シートの前記レンズ効果を持たないくらい平坦な面を有する領域に位置している状態が、それぞれ作り出せるように、第１の光学シートと第２の光学シートを相対的に水平移動させる手段を有することを特徴とする照明装置
3. 光源と、前記光源からの光に対して、光線方向の制御機能を有する光学構造が付加された光学シートとを有する照明装置において、前記光学シートは、少なくとも前記光源からの光が通過する開口部と、前記光源からの光を遮断する領域をもっている第１の光学シートと、前記開口部を通過してきた光が透過し、前記透過してきた光の光線方向をそろえるレンズ効果を有する領域をもつ第２の光学シートとから構成され、前記第１の光学シートの開口部と前記第２の光学シートのレンズ効果により生じる焦点あるいは焦点の集合領域とが一致している状態と、前記第１の光学シートの開口部と前記第２の光学シートの前記レンズ効果により生じる焦点あるいは焦点の集合領域とが一致していない状態を、それぞれ作り出せるように、第１の光学シートと第２の光学シートを相対的に垂直移動させる手段を有することを特徴とする照明装置
4. 光源と、前記光源からの光に対して、光線方向の制御機能を有する光学構造が付加された光学シートとを有する表示装置において、前記光学シートは、少なくとも前記光源からの光が通過する開口部と、前記光源からの光を遮断する領域をもっている第１の光学シートと、前記開口部を通過してきた光が透過し、前記透過してきた光の光線方向をそろえるレンズ効果を有する領域をもつ第２の光学シートとから構成され、前記第１の光学シートの開口部が前記第２の光学シートのレンズ効果を有する領域に位置している状態と、前記第１の光学シートの開口部が前記第２の光学シートの前記レンズ効果を持たないくらい平坦な面を有する領域に位置している状態が、それぞれ作り出せるように、第１の光学シートの開口部と第２の光学シートのレンズ効果を有する領域の焦点位置を相対的に近接させたり離したりする移動手段を有することを特徴とする表示装置
5. 光源と、前記光源からの光に対して、光線方向の制御機能を有する光学構造が付加された光学シートとを有する表示装置において、前記光学シートは、少なくとも前記光源からの光が通過する開口部と、前記光源からの光を遮断する領域をもっている第１の光学シートと、前記開口部を通過してきた光が透過し、前記透過してきた光の光線方向をそろえるレンズ効果を有する領域と前記レンズ効果を持たないくらい平坦な面を有する領域をもつ第２の光学シートとから構成され、前記第１の光学シートの開口部が前記第２の光学シートのレンズ効果を有する領域に位置している状態と、前記第１の光学シートの開口部が前記第２の光学シートの前記レンズ効果を持たないくらい平坦な面を有する領域に位置している状態が、それぞれ作り出せるように、第１の光学シートと第２の光学シートを相対的に水平移動させる手段を有することを特徴とする表示装置
6. 光源と、前記光源からの光に対して、光線方向の制御機能を有する光学構造が付加された光学シートとを有する表示装置において、前記光学シートは、少なくとも前記光源からの光が通過する開口部と、前記光源からの光を遮断する領域をもっている第１の光学シートと、前記開口部を通過してきた光が透過し、前記透過してきた光の光線方向をそろえるレンズ効果を有する領域をもつ第２の光学シートとから構成され、前記第１の光学シートの開口部と前記第２の光学シートのレンズ効果を有する領域の焦点あるいは焦点の集合領域とが一致している状態と、前記第１の光学シートの開口部と前記第２の光学シートの前記レンズ効果を有する領域の焦点あるいは焦点の集合領域とが一致していない状態を、それぞれ作り出せるように、第１の光学シートと第２の光学シートを相対的に垂直移動させる手段を有することを特徴とする表示装置
7. 請求項１乃至３に記載の照明装置において、前記光源の周囲を覆っており、前記光源側の面が前記光源からの光を反射するようになっているハウジングを有することを特徴とする照明装置。
8. 請求項１乃至３に記載の第１、第２光学シートの移動手段として圧電素子を利用したことを特徴とする照明装置。
9. 請求項１乃至３に記載の第１、第２光学シートの移動手段として電磁石を利用したことを特徴とする照明装置。
10. 請求項１乃至３に記載の第１、第２光学シートの移動手段としてバネを利用したことを特徴とする照明装置。
    

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