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JP3530631B2 - 輝度強調フィルムを備え前方から照明される液晶ディスプレイ - Google Patents

輝度強調フィルムを備え前方から照明される液晶ディスプレイ

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JP3530631B2
JP3530631B2 JP14875895A JP14875895A JP3530631B2 JP 3530631 B2 JP3530631 B2 JP 3530631B2 JP 14875895 A JP14875895 A JP 14875895A JP 14875895 A JP14875895 A JP 14875895A JP 3530631 B2 JP3530631 B2 JP 3530631B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、ディスプレイの輝度を
強調する分野に関し、詳しくは、前方から照明される液
晶ディスプレイの輝度の強調に関する。
【0002】
【従来の技術】広告板や、モールディスプレイや、画素
化ディスプレイたとえば液晶ディスプレイのようなディ
スプレイは、見やすくするために、一般には、ディスプ
レイの後方から、すなわち“バックライト"によって照
明され、または、周囲の照明を用いて、すなわちサイド
ライティングを用いて、ディスプレイの前方から照明さ
れる。サイドライティングとしても知られている前方か
らの照明が用いられる場合、光源は、ディスプレイの片
側または両側に備えられ、ディスプレイに光線が向くよ
うに、ディスプレイ面よりわずかに上方に配置される。
しかし、ディスプレイ面からの光源の高さはディスプレ
イの長さに比べて普通は小さいので、光源からの光線は
ディスプレイに対して90度(すなわち、面の接線方向)
に近い入射角でディスプレイに当たる。その結果、光の
ほとんどはディスプレイ面での視射角反射によってむだ
にされ、見る人に到達することができない。
【0003】
【発明の要旨】本発明は、ディスプレイに伝達される光
をできるだけ多くするように構成されたフィルムをディ
スプレイ上に備え、それにより、見る人に到達する光の
量を増すことによって、この問題を解決する。本発明
は、液晶ディスプレイのようなフラットディスプレイ
と、ディスプレイ上の透明フィルムと、ディスプレイの
反対側のレフレクターと、光源とを含む。フィルムは、
ディスプレイとは反対側に、多数の小さい隆起部を有す
る。光線は、ある視射角でフィルムに向けられて、隆起
部によってディスプレイ方向に曲げられる。光線は、デ
ィスプレイ内を一旦通り、レフレクターで反射されてデ
ィスプレイ内へ再び戻り、フィルムから出て、ディスプ
レイの法線方向に対して0°から±30°までの範囲の
角度で、見る人に向けて進行する。
【0004】隆起部のピッチは、好ましくは、画素あた
り1より多い隆起部とする。1つの実施例では、図2に
示すように、隆起部は、その角度αおよびβがそれぞれ
70°から90°までおよび40°から50°までであ
り、ディスプレイに平行な面によって分離される。他の
実施例では、図6に示すように、隆起部は、ディスプレ
イに対して約1°から3°までの範囲内の角度δで傾け
られた面によって分離される。また他の実施例では、図
5に示すように、角度αは5°から20°まで、角度β
は60°から90°までであり、隆起部は互いにすぐ隣
にある。さらに他の実施例では、図7に示すように、光
源と反対側の隆起部の面に各隆起部に隣接して溝を備え
る。
【0005】光源は、発光ダイオードのような点光源
と、点光源を線光源に変換する光パイプとを備えてもよ
い。光パイプは、四角形断面を有し、ディスプレイとは
反対側の光パイプの面には、切欠きを有するようにして
よい。変形例では、パイプはディスプレイとは反対側の
面が段状に形成され、それによって、パイプに沿って光
源から離れるにしたがってパイプの厚さが次第に減少す
るようにされてもよい。
【0006】
【実施例】以下に、図1〜図12に示した本発明の実施
例に係るディスプレイについて詳細に説明する。
【0007】本発明による前方照明システムを、図1に
示す。システム10は、ディスプレイパネル12と光源
20とを備える。ディスプレイパネル12は、ディスプ
レイ14と、かすめ入射を屈折するフィルム16と、レ
フレクター18とを備える。見る人25に対向する側の
ディスプレイ面すなわち前面に上記フィルム16を備え
る。一方、反対側のディスプレイ面すなわち背面には上
記レフレクター18たとえば拡散反射面を備える。ディ
スプレイ14は、液晶ディスプレイのような画素化され
たディスプレイを含む任意のディスプレイとしてよい。
光源20は、発光管22と、選択任意のレフレクター2
4とを備える。図1に示すように、光源20は、ディス
プレイパネル12の前面に光ビーム26を与える。
【0008】フィルム16の拡大側面略図を、図2に示
す。フィルム16の前面には、第1面32と第2面34
とを有する隆起部30を備える。隆起部30は第3面3
6によって分離されている。第3面36はフィルム16
の背面と平行であるが、平行でなくてもよい。隆起部3
0の形状は、角度αおよびβによって決定される。光線
26は、ディスプレイパネル12(すなわちフィルム1
6)に、たとえば2°のかすめ入射角度γで入射され
る。光線26は、隆起部30の第1面32に、垂直また
はそれに近い角度で入射する。光線26は隆起部30内
を進行し、全反射によって第2面34で反射され、ディ
スプレイパネル12に略直角方向にフィルム16内を下
方へ進行する。光線26はレフレクター18で拡散反射
されて戻され、ディスプレイ14内を進行する。光線2
6は、第3面36を通ってディスプレイパネル12から
出射し、ディスプレイパネル12の法線方向に対して0
から±30°までの範囲の角度で、見る人25に向かっ
て進行する。
【0009】隆起部30の高さおよび間隔は、光源20
からの光線26がディスプレイパネル12に当たる角度
γの関数である。隆起部の第1面32が妨げとなって隣
の隆起部の第1面32に光線26が達することができな
くなるほどまで、隆起部30を高くすべきでなく、また
は互いに接近すべきでない。液晶ディスプレイの場合に
は、隆起部30の高さは、好ましくは100μmまで、
より好ましくは約5μmから20μmまでの範囲内、たと
えば9μmである。角度αは、好ましくは、約90°−
γに等しい。すなわち、約70°から90°までの範囲
内である。より好ましくは、約85°から90°まで、
たとえば88°である。上記角度αに対して、角度β
は、好ましくは、γ=3°のとき屈折率1.6のフィル
ム16に対しては、約30°から全反射限界まで、たと
えば54°までの範囲内であり、より好ましくは、約4
0°から50°までの範囲内、たとえば45°である。
角度γは、好ましくは約0°から5°までの範囲内、た
とえば2°である。隣合う隆起部30の頂部間の距離
は、好ましくは隆起部の高さの約5倍から100倍まで
であり、好ましくは約10倍から20倍までの範囲内、
より好ましくは約15倍である。
【0010】変形例としては、光源20と同様の第2光
源(図示せず)をディスプレイパネル12の反対側端にさ
らに備え、両光源からの光線が隆起部30に両方から当
たるようにしてもよい。このような場合には、隆起部3
0の形状は対称とするべきであり、α=β、たとえば=
54°である。
【0011】ディスプレイ14が画素化されたディスプ
レイ、たとえば液晶ディスプレイでる場合には、各ピク
セルに1またはそれ以上の隆起部を配置することによっ
て、ディスプレイ全体が確実に見えるようにすることが
できる。レフレクター18は、白色拡散材(white diff
use)、ブラシ仕上げ金属材(brushed metal)、粒子/樹
脂混合材(particle/resin composite)とすることがで
きる。
【0012】フィルム16は、好ましくは、ポリカーボ
ネートのような高分子シートである。フィルム16は、
好ましくは、積層または紫外線(UV)硬化によって、デ
ィスプレイ14に接着される。隆起部30がディスプレ
イ14の表面を覆う割合は、小さくすべきである。すな
わち、好ましくは20%未満、より好ましくは10%未
満とすべきである。ディスプレイの大部分の表面は平滑
(すなわち、第3面36)とし、それによって、ディスプ
レイから出射する光のほとんどが反射面構造によって乱
されることがないようにすべきである。
【0013】本発明のひとつの実施例では、発光管22
は、光を平行にする複数のマイクロレンズ、ひとつのシ
リンドリカルレンズ、またはひとつのリニアレンチキュ
ラーレンズを対応して有する1列の点光源を備える。他
の実施例では、発光管22は、図3に示すように、1つ
の点光源40と1つの光パイプ42とを備える。点光源
40は、発光ダイオード(LED)とすることができる。
LEDは、一般に、発光は細い円錐状となり、約5から
10ルーメンパーワットまでの範囲内で効率よく動作す
る。
【0014】光パイプ42は、好ましくは、四角形、た
とえば正方形の断面を有し、それによって、点光源40
から発光されたモードが保たれる。すなわち、光パイプ
42からの円錐状の発光は、光源40の発光と略同じで
ある。光パイプ42が非平行面すなわち曲面を有するな
らば、このようにはならないであろう。
【0015】光パイプ42の変形例を、図4(A)(B)に
示す。図4(A)では、光パイプ42は、点光源40から
の光線が光パイプによって向けられる方向とは反対側の
光パイプ面に、すなわちディスプレイ12に隣接する光
パイプ面とは反対側の光パイプ面に、複数の切欠き44
を有する。切欠き44は、好ましくは約45°の角度χ
で形成する。切欠き44のピッチすなわち周期は、好ま
しくは不均一であり、光パイプ42の一端から他端へよ
り均一な照明となるようにする。切欠き44の密度を高
くすることによって、光が点光源40から遠くまで進ん
で光パイプ42から出射されるときの光束濃度の低下を
補償する。切欠き44のピッチは、1cmあたり約5から
100までにすることができるであろう。
【0016】光パイプ42の他の変形例を、図4(B)に
示す。図4(B)では、光パイプ42はくさび状に形成さ
れ、複数の段切面54を有する。この段切面54は、図
4(A)について説明したように、パイプからの光を抜き
出して光パイプの外側へ向ける。図4(A)の場合と同様
に、段切面54の好ましい角度χは約45°である。段
面56は、好ましくは、光パイプ42の反対側の面に平
行、すなわち段切面54の長さ方向に平行であり、好ま
しくは、光パイプの幅方向に一様であり、光パイプの長
さを横切る方向すなわち幅方向に均一な照明を与える。
【0017】フィルム16の変形例を、図5〜7に示
す。図5は、隆起部130を有するフィルム116を示
している。各隆起部130は、傾斜面132と急勾配の
段面134とを有する。フィルム116の底面と平行な
面は無い。しかし、傾斜面132の勾配は緩やかであ
り、段面134での屈折による2次イメージは無視でき
る。
【0018】角度αは、好ましくは約5°から20°ま
での範囲内であり、5°はかすめ入射光線の満足できる
伝達の下限であり、20°は高コントラストで見える上
限である。角度βは、好ましくは、約60°から90°
までの範囲内である。隣接する隆起部130の頂部間距
離は、好ましくは、隆起部の高さより約3倍から10倍
大きい。フィルム116のようにデザインすることによ
って、フィルム16における隆起部30より壊れにくい
隆起部130を、容易に製造できる。
【0019】フィルム16の第2面34の効果(図2)
は、図6および図7示すように、第1面32の寸法を減
少することによって、または第2面34の寸法を増加す
ることによって、それぞれ向上することが可能である。
図6に示すように、フィルム16の第3面36とは異な
ってフィルム216の第3面236はフィルムの背面に
平行でない点を除き、フィルム216はフィルム16と
同様である。フィルム216は複数の隆起部230を備
え、隆起部230は第1面232および第2面234を
有する。第3面236は、光源からの光線によって形成
される角度γに相関する角度δだけ傾けられている。1
°<γ<3°に対して、大略、1°<δ<3°である。
第3面236は角度δ傾けられているので、第1面23
2の寸法は減少する。本発明の変形例としては、角度δ
は角度γと負に相関し、1°<γ<3°に対して−1°
>δ>−3°である。たとえば、γが約1°のときδは
約−1°であり、γが約3°のときδは約−3°であ
る。
【0020】図7に示すように、フィルム316は隆起
部330を備える。隆起部330は、第1面332と、
第2面334と、第2面334に隣接して形成された溝
336とを有する。6°より小さく角度γとなる光線を
用いると仮定すれば、溝336の深さは、隆起部300
の高さhの少なくとも約1/5とすべきである。溝33
6によって、第2面334の寸法を増すことができる。
【0021】次に、限定するものではない3つの実例に
より、本発明をさらに説明する。全ての計測値は概略値
である。
【0022】実例1 図2に示すフィルム16を有する図1に示すシステム1
0を、コンピュータ光線追跡プログラムを用いてモデル
化した。光源20(光学的レフレクター24なし)は、高
さ5mmの光22であり、下向きに角度2°でディスプレ
イパネル12に向けた。ディスプレイパネル12は幅1
00mmであり、画素の中心間隔は300μmであった。
隆起部30は、高さ9μmであり、頂部間隔は100μm
であった。角度αは88°であり、角度βは44°であ
った。ディスプレイパネル12の照明は、線光源20か
らの光線によって、2次元(断面)でシミュレートされ
た。線光源20は、ディスプレイパネルに対向する線光
源の面に沿って延在する一列に並んだ20の光ビーム
(すなわちファン)によって記述された。各ファンは、水
平に対して2°傾けられ(γ=2°)、8°の範囲内で均
等に広がる400本の光線を含む。評価対象となる面
は、ディスプレイパネル12のすぐ下である。この面に
集まる光線を計算し、光源発光全体の割合として、空間
的に箱内を照らす照度を識別した。
【0023】光源発光の割合は、フィルム16がある場
合とない場合との両方について、ディスプレイの幅を横
切る位置の関数として計算した。その結果を図8に示
す。線70は適所にフィルム16がある場合の照度を位
置について表し、線72は適所にフィルムがない場合の
照度を位置について表す。線70において、白丸は、フ
ィルム16の上部での照度を表し、黒丸はディスプレイ
16の直下の照度を表す。白丸および黒丸がひとつの線
70上にあることは、フィルム12の面での反射損失が
ごく小さいことを示している。
【0024】適所にフィルムがある場合は、光源からの
光の55%が計測面に到達したのに対し、フィルムがな
い場合にはわずか18%にすぎない。しかし、品質に関
して言うと、見る者にとっては、3倍強調された以上の
大きな向上に見えるであろう。これは、反射液晶ディス
プレイ(LED)の後方レフレクターが直接拡散(拡散的
正反射)であるので、LED本体の面を通って伝達され
た光の大部分が大略入射角で後方レフレクターによって
反射されるからであると、言える。そのため、ほとんど
の光線はLCD/空気界面に直角に戻り、一方、小さい
視射角の光はLCD/空気界面で反射され、ディスプレ
イの正面にいる人には見えない。したがって、実際の向
上は、3倍より、はるかに大きい。
【0025】照度が光源20の高さに依存することを、
図9のコンピュータモデル化されたグラフに示されてい
る。LED上の全ての光は、光源高さが3、5、7mmで
あると、それぞれ、63%、56%、49%であると評
価された。グラフが示すように、3mmの高さの光源(線
74で示す)は、ディスプレイのある部分で大きな輝度
を与えるが、ディスプレイの幅直角方向には不均一であ
る。7mmの高さの光源(線78で示す)は、ディスプレイ
の同じ部分で輝度が低下するが、ディスプレイの幅直角
方向にずっと均一になる。高さ5mmの光源(線76で示
す)は、この両極端の中間の場合を表す。
【0026】照度が光ビーム26がディスプレイパネル
12に当たる角度γに依存することは、図10のコンピ
ュータモデル化グラフ図に示されている。LCD上の全
ての光は、高さ5mmの光源で角度γが0°、2°および
4°について評価された。グラフが示すように、LCD
を4°の角度γで照射する光線(線80で示す)は、LC
Dの一部分では輝度が高いが、ディスプレイの幅直角方
向には均一ではない。LCDに角度0°で当たる光線
(線84で示す)の同じ部分での輝度は低いが、ディスプ
レイパネルの幅直角方向に均一であった。角度γが2°
(線82で示す)では、この両極端の中間の場合を示し
た。
【0027】実例2 図4(A)に示した光パイプと同様に、正方形断面と、角
度χが45°であるV状切欠きとを有する光パイプにつ
いて、コンピュータモデル化によって、同様の切欠きと
円形断面を有する光パイプと比べた。円錐角θ1/2=1
4°である円錐状光線が、光パイプの入射窓から入射さ
れた。図11(A)および(B)は、光パイプからの計算さ
れた発光パターンを示している。x軸は光パイプの軸(長
さ)まわりの観測角度であり、y軸は光パイプの長さに沿
っての観測角度である。すなわち、実質的にディスプレ
イ面での発光パターンである。
【0028】図11(A)に、1つの切欠きと正方形断面
とを有する光パイプについての計算された発光パターン
を示す。図11(B)に、1つの切欠きと円形断面とを有
する光パイプについての計算された発光パターンを示
す。分散されたプロットの密度は、光の強度に対応す
る。図11(A)(正方形断面)での高密度パターンは、大
略円錐角θ1/2=14°の円錐であるのに対し、図11
(B)(円形断面)では光はかなり広く分散した発光パター
ンとなる。したがって、本発明の光パイプの正方形断面
は、光源から放射されたモードを持続する。すなわち、
光パイプからの発光の円錐状の発光は、光源からの円錐
状の発光と略同じである。
【0029】実例3 図4(B)と同様の光パイプを構成した。光パイプのくさ
びは、角度1.2°で形成し、6μm幅の段切面を1cmあ
たり52の均一ピッチで形成した。光パイプは傾けて形
成され、入射窓位置では4mm、末端位置では0.6mmで
あった。アンバー(黄色) AlInGaP LED(ヒューレ
ットパッカード品番HLMP-CL00)が、光パイプの
入射窓に機械的に固定された。銀反射フィルム(EPC-
300エネルギコントロールプロダクトディビジョン#
300“シルベラックス(Silverux)"、スリーエムカン
パニー、ミネソタ州セントポール)が、光パイプの段形
成面に機械的に固定された。光強度は、光パイプの長さ
に沿って数箇所で計測された。その結果を図12に示
す。図から、光強度(任意単位で計測)は、光パイプの長
さに沿って相対的に均一であったことが分かる。
【0030】なお、本発明は上記各実施例に限定される
ものではなく、その他種々の態様で実施可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施例の前方照明システムの側面
略図である。
【図2】 図1のかすめ入射反射の要部拡大側面略図で
ある。
【図3】 本発明の他の実施例の前方照明システムの上
面略図である。
【図4】 本発明の光パイプの変形例の斜視図である。
【図5】 かすめ入射を屈折する第1変形例の要部拡大
側面略図である。
【図6】 かすめ入射を屈折する第2変形例の要部拡大
側面略図である。
【図7】 かすめ入射を屈折する第3変形例の要部拡大
側面略図である。
【図8】 図1、図2のシステムの照度のコンピュータ
モデル化グラフ図である。フィルムの内側と外側とを示
している。
【図9】 図8と同様のグラフ図である。光源高さが3
mm、5mm、7mmの場合を示している。
【図10】 図8と同様のグラフ図である。かすめ入射
角度γが0°、2°、4°の場合を示している。
【図11】 光パイプの発光のコンピュータモデル化グ
ラフ図である。プロットの密度が光の強度に対応する模
写図である。(A)は図4(A)のように正方形断面の光パ
イプについて、(B)は円形断面の光パイプについて、そ
れぞれ示している。
【図12】 図4(B)の光パイプの光強度のグラフ図で
ある。
【符号の説明】
10 前方照明システム 12 ディスプレイパネル 14 ディスプレイ 16 フィルム 18 レフレクター 20 光源 22 発光管 25 見る人 26 光線 30 隆起部 32 第1面 34 第2面 36 第3面 40 点光源 42 光パイプ 44 切欠き 54 段切面 56 段面 70〜84 線 116 フィルム 130 隆起部 132 第1面 134 第2面 216 フィルム 230 隆起部 232 第1面 234 第2面 236 第3面 316 フィルム 330 隆起部 332 第1面 334 第2面 336 溝
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ロバート・ポール・ウェンズ アメリカ合衆国55144−1000ミネソタ州 セント・ポール、スリーエム・センター (番地の表示なし) (56)参考文献 特開 平7−20583(JP,A) 特開 平7−325208(JP,A) 特開 平7−333610(JP,A) 特開 昭62−17730(JP,A) 特開 昭56−111882(JP,A) 特開 昭63−298902(JP,A) 特開 平3−185404(JP,A) 特開 平5−158034(JP,A) 特開 平4−356014(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G02F 1/13 - 1/141

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 複数の画素を備え、表面と裏面とを有す
    るディスプレイ(14)と、 一方は平滑面で他方は複数の平行な隆起部(30)を有す
    る対向する2面を有する透明フィルム(16)であって、
    上記平滑面は上記ディスプレイの上記表面に隣接し、上
    記隆起部は画素あたり少なくとも1の隆起部のピッチを
    有する、透明フィルムと、 上記ディスプレイの上記裏面に隣接して備えられるレフ
    レクター(18)と、 上記フィルムに光線(26)を向ける光源(20)とを備え
    る、前方から照明されるディスプレイシステム(10)で
    あって、 上記光線は、上記隆起部から上記フィルムに入射し、全
    反射によって上記フィルム内で後方へ反射されて、上記
    ディスプレイ内を貫通し、上記レフレクターで反射さ
    れ、上記ディスプレイ内に戻って貫通し、上記フィルム
    から出射し、それによって上記ディスプレイの輝度を強
    調することを特徴とする、前方から照明されるディスプ
    レイシステム。
  2. 【請求項2】 上記隆起部は、それぞれ、上記光線を受
    け入れる第1面と、上記光線を全反射によって上記ディ
    スプレイに向けて反射する第2面とを備え、上記第1面
    は上記フィルムの上記平滑面に対して約70°から90
    °までの範囲内の角度αを形成し、上記第2面は上記フ
    ィルムの平滑面に対して約40°から50°までの範囲
    内の角度βを形成し、隣合う上記隆起部は、上記フィル
    ムの上記平滑面に平行な第3面(36)によって分離され
    ることを特徴とする、請求項1記載のシステム。
  3. 【請求項3】 上記隆起部は、それぞれ、上記光線を受
    け入れる第1面と、上記光線を全反射によって上記ディ
    スプレイに向けて反射する第2面とを備え、上記第1面
    は上記フィルムの上記平滑面に対して約5°から20°
    までの範囲内の角度αを形成し、上記第2面は上記フィ
    ルムの上記平滑面に対して約60°から90°までの範
    囲内の角度βを形成し、隣合う隆起部は互いに隣接し、
    上記隆起部の隣合う頂部の間の距離は、好ましくは、上
    記隆起部の高さの約3倍から10倍までの範囲内である
    ことを特徴とする、請求項1記載のシステム。
  4. 【請求項4】 上記光源は、1つの点光源(40)と1つ
    の光パイプ(42)とを備え、上記光パイプは、上記隆起
    部に平行であり、上記ディスプレイとは反対側の上記光
    パイプの面には複数の切欠き(44)を有することを特徴
    とする、請求項1記載のシステム。
  5. 【請求項5】 上記光源は、1つの点光源(40)と1つ
    の光パイプ(42)とを備え、上記光パイプは、上記隆起
    部に平行であり、上記光パイプの厚さは上記点光源に近
    い方の端部から上記光パイプ長さ方向に沿って減少し、
    上記光パイプの厚さは上記ディスプレイとは反対側の上
    記光パイプの面に形成された複数の段(54)によって減
    少されることを特徴とする、請求項1記載のシステム。
  6. 【請求項6】 上記光源すなわち第1光源と同様に、上
    記フィルムに光線を向ける第2光源をさらに備え、該第
    2光源は、上記第1光源とは反対側のディスプレイ端に
    備えられ、各隆起部の第1面は上記フィルムの上記平滑
    面に対して角度αを形成し、各隆起部の第2面(34)は
    上記フィルムの上記平滑面に対して角度βを形成し、α
    =βであることを特徴とする、請求項1記載のシステ
    ム。
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