JP2005135860A - Ｌｅｄバックライト装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 色ムラを抑えることができ、かつ損失の少ないＬＥＤバックライト装置を提供する。
【解決手段】 出光面１ａ、反射面１ｂおよび入光面１ｃを有する導光板１と、この導光板１の前記入光面１ｃの近傍に配置された複数の発光ダイオード６と、これらの発光ダイオード６を収納し、これらの発光ダイオード６からの出射光を前記導光板１の入光面１ｃまで導く導光空間３ｃを有する筐体３とを備え、この筐体３の前記導光空間３ｃを形成する前記筐体３の内壁に形成された鏡面反射層３ｄと、この鏡面反射層３ｄ上に形成された拡散シート４とを備えたことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、発光ダイオードを光源とするバックライト装置に関する。

現在、発光ダイオードを用いたバックライト装置では、サイドライト式と呼ばれる導光板の端面から発光ダイオードの出射光を入射する方式が取られている。その発光ダイオードには主に、青色発光ダイオードに黄色の蛍光体を塗装した白色発光ダイオードを用いる場合と、青色、緑色、赤色（以後、ＲＧＢ）の複数の発光ダイオードを用いる場合がある。前者は、その発光ダイオードの光を導光板に入射すれば出光面で白色が得られるが、液晶表示したときに色の再現性（特に赤色）に難があった。後者は、色の再現性がよく赤色もきれいに表示できるが、ＲＧＢ光をバックライト装置の出光面から取り出す前に混光し、白色にしなければならないという欠点があった。

このためＲＧＢの発光ダイオードを用いたバックライト装置は、導光板にＲＧＢ光が入射する前または入射後、ＲＧＢの発光ダイオードの混光を促進する研究が進んでいる。

これらのうち、ＲＧＢの発光ダイオードからの出射光を導光板に入射する前に混光する手段としては、例えば、米国のＬＵＭＩＬＥＤＳ社が発表した図６のＬＥＤバックライトのように導光板１０１と発光ダイオード１０２との間に距離を作ることで、光路長を長くし、その光路内で混光をするというものが知られている。この際、発光ダイオード１０２からの出射光を導光板１０１の入光面１０１ａに導くケース１０３の内壁１０３ａに、光の反射損失を低減するために高い反射率を持つ鏡面反射性や拡散反射性を持たせたりすることなどがされてきた。
ジェラード ハーバーズ著作 (Gerard Harbers)、「液晶表示のためのＬＥＤバックライト」 （LED Backlighting for LCD displays）、２００２年１１月発表 [２００３年８月２５日検索]、ルミレッツ (Lumileds) (米国)、参照図 ２１頁 system 3.0、インターネット＜ URL http://www.lumileds.com/pdfs/techpaperspres/SID-BA.pdf＞

しかし、従来技術のように発光ダイオード１０２からの出射光を導光板１０１の入光面１０１ａに導くケース１０３の内壁１０３ａに鏡面反射性や拡散反射性を施すのは、光の反射損失を低減させる効果はあっても、反射後は内壁１０３ａに対して光の入射角と反射角が同じ角度で反射したり、全方向に反射したりするため、混光の促進としては十分ではなく、したがって色ムラの改善の効果も高いものではなかった。また、内壁が拡散反射性のものに至っては、さまざまな方向に反射するので、導光板の入光面に入射する前に反射を繰り返すことによって減衰する光もあった。

本発明は上記のような従来の問題点に鑑みてなされたもので、発光ダイオードの出射光を導光板に導く壁の内壁に鏡面反射層と、さらにその上に拡散シートを形成することで、反射の進行方向に光が拡散されるために混光が促進され、よって色ムラを低減させることができることを発見した。

従って、本発明は、色ムラを抑止することができ、かつ損失の少ないＬＥＤバックライト装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のＬＥＤバックライト装置は、出光面、反射面および入光面を有する導光板と、この導光板の前記入光面の近傍に配置された複数の発光ダイオードと、これらの発光ダイオードを収納し、これらの発光ダイオードからの出射光を前記導光板の入光面まで導く導光空間を有する筐体とを備え、この筐体の前記導光空間を形成する前記筐体の内壁に形成された鏡面反射層と、この鏡面反射層上に形成された拡散シートとを備えたことを特徴とする。

したがって、本発明によれば、筐体の内壁で反射した光は単なる鏡面反射ではなく、反射光は拡散シートによって反射の進行方向に依存して広角度に広がろうとするため、混光が促進され、その結果色ムラを抑止することができる。

また、本発明のＬＥＤバックライト装置は、前記筐体は、前記導光板の反射面より下方に前記導光板の出光面にほぼ平行となるように配置され、かつ前記発光ダイオードを複数配置する底板、その縁端から延出し、前記発光ダイオードの出射光を前記導光板の入光面まで導くように形成された側壁を有することを特徴とする。

これにより、発光ダイオードと導光板の入光面との間に光路長が長く形成され、また、一度も筐体の内壁で反射しないで導光板の入光面に入射する発光ダイオードからの出射光が少なくなるため、混光がさらに促進され、色ムラを抑止することができる。

（第１の実施の形態）
以下に、本発明の第1の実施の形態を図1乃至図４を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態であるＬＥＤバックライト装置の断面図である。

本発明のＬＥＤバックライト装置は、導光板１、光学シート２、筐体３、拡散シート４、基板５、発光ダイオード６で構成されている。

導光板１は、アクリルなどの透明な材料からなり、出光面１ａ、反射面１ｂ、およびこれらを接続する端面を有する形状である。

出光面１ａは、主として導光板１に入射した光を出光する面であり、出射光がバックライトの光として利用される。

反射面１ｂは、主として導光板１内で入射光を全反射させるための面である。

端面は、出光面１ａと反射面１ｂを相互に接続する面であり、入光面１ｃとその他の反射面（図示していない）を含んでいる。入光面１ｃは、主として発光ダイオード６からの出射光が入射する面である。その他の反射面は、主として入光面１ｃから入射した光を全反射する面である。

ここで、「主として」とは、それぞれの面の主要な作用のみを意味する。そのためそれぞれの面にはその他の作用として、入射、出射、反射等をする場合がある。

第1の実施の形態では、導光板１には図１のような扁平矩形形状のものを使用している。

扁平矩形形状の導光板の場合、出光面１ａと反射面１ｂ、入光面１ｃと出光面に対向する反射面（図示していない）、およびその他の端面どうしがそれぞれ平行になっている。そのため、入光面１ｃから入射した光は、導光板内で全反射し、反射角が変化することがないので出光面１ａから光を出射させることができない。よって、第１の反射面１ｂには入射光を出光面１ａから出射するための手段として、ドット印刷やブラスト加工や溝加工等の光拡散加工が施されている。これらが施された部分に光が入射すると、光が拡散され、向きが変わり出光面１ａより入射光を外に取り出すことができる。さらに、反射面の入光面側から奥に行くにつれて、光拡散加工の数を増やしたり、大きくしたりして、出光面から出射する光の均斉度が良くなるように調節している。

なお、導光板１として、出光面１ａから奥の方向に向かってだんだん厚さが薄くなるくさび型形状を用いてもよい。

くさび型形状の導光板の場合、反射面は出光面側から出光面に向かって少しずつ弧を描きながら接近し、最後には出光面に接続される。このくさび型形状の導光板は、反射面に傾斜が存在するのでその傾斜に光が当たると、入射角度に対して反射角度が変化して反射する。これにより、入射光が出光面より出射することができる。

導光板１の出光面１ａ、反射面１ｂ、および入光面１ｃを除く端面（図示していない）には、光学シート２と呼ばれているさまざまな作用を持ったシートが配設されている。本発明では、出光面１ａには、拡散シート２ａが配設され、出光面１ａから出光した光を拡散し、均斉度を高める作用をする。さらに、その拡散シート２ａの上面には、集光シート２ｂが配設され、拡散シート２ａで拡散された光の向きを導光板１の出光面１ａ前方に集光し、輝度を高める作用をする。また、入光面１ｃを除く端面には、反射シート２ｃが配設され、それらの面から出射してしまった光を再び導光板１に反射し、光の損失を減少させる作用をする。これらの光学シートの組合せはこの組合せのみに限られるものではなく用途に合わせてさまざまな組合せが可能である。

導光板１の入光面１ｃに光を導く筐体３は、耐熱性に優れ、軽量で、丈夫な金属や樹脂から成り、底板３ａと側壁３ｂからなる。

底板３ａは、基板５や発光ダイオード６を配設するための部材であり、導光板１の入光面１ｃとほぼ平行に配置される。

側壁３ｂは、発光ダイオード６から出射した光を導光板１の入光面１ｃに導くための導光空間３ｃを形成する壁である。この側壁３ｂは、基板５に配置される全ての発光ダイオード６を囲むように底板３ａの縁端より延出し、導光板１の入光面１ｃの端部まで伸びることで発光ダイオード６からの出射光を外に漏らさず、導光板１の入光面１ｃに入射させている。

この筐体３の少なくとも側壁３ｂの内壁には、銀、アルミなどの金属をメッキ蒸着して鏡面反射性を有する鏡面反射層３ｄを形成している。これにより、筐体３の内壁が高い反射性を有するために、発光ダイオード６からの出射光が内壁で反射することによる損失を抑えることができる。ここで、鏡面反射層３ｄは、鏡面反射シートを配設することなどによっても形成することができる。さらに、筐体３の内壁に鏡面反射層３ｄを形成した上に拡散シート４が配設される。

ここで、筐体３は、全ての部材が一体でも、各部材を組み立てて形成しても良い。また、目的や用途により、同じような基板５や発光ダイオード６を備えた筐体３を他の導光板１の端面に設置し、複数の端面から発光ダイオード６の光を入射する構造もできる。

筐体３の底板３ａには、基板５が配設される。基板５には配線パターンが形成されており、その配線に従ってＲＧＢなどの複数の発光ダイオード６がそれぞれ適当な間隔で入光面１ｃと平行方向に配置される。その際、ＲＧＢの順番でバランスよく配置したり、色に所望の変化を加えるため配置のパターンを換え配置することもできる。また、発光ダイオードには一般に砲弾型や表面実装型といわれる形状のものなどがあるが、本発明ではどの発光ダイオードでも使用できその形状に限定はない。

次に、本実施の形態における筐体３の内壁に光が反射したときの作用を説明する。図２は、図１に示すＬＥＤバックライト装置の筐体を入光面に対して平行方向に切断した断面図であり、従来と対比するための図面として、同図（ａ）は筐体の内壁に鏡面反射層、（ｂ）は拡散反射層、（ｃ）は鏡面反射層の上に拡散シートをそれぞれ施し、入射光と筐体３に対する反射光を示している。また、図３は、図２に示すそれぞれの場合における導光板の入光面から１０ｍｍでの出光面の色度分布図を示している。

図３はＲＧＢ発光ダイオードの光を導光板の入光面に入射し、導光板の出光面上において、入光面から１０ｍｍの距離のある点を中心０として入光面と平行方向に±５０ｍｍの区間の色度を測定した結果である。同図（Ａ）、（Ｂ）の縦軸方向の色度ｘ、ｙは色度表の横軸と縦軸に関連し、（Ａ）は主に赤色の色度変化、（Ｂ）は主に緑色の色度変化にそれぞれ対応している。また、同図中の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は図２の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の場合の測定結果に対応している。

この図において、測定結果が色度が一定の直線になった場合、色ムラが発生していないということになる。測定結果を比べてみると、（ｃ）の筐体内壁に鏡面反射層と拡散シートを形成する場合が一番色ムラが発生していないと言え、（ａ）の鏡面反射層のみと（ｂ）の拡散反射層のみでは僅かであるが、（ｂ）の方が色ムラの発生が少ないと言える。

このような結果になったのは、図２(ａ)では、鏡面反射は内壁に対して入射角と反射角が同じ角度で反射するので同図のような反射になり、光の方向が変化したり、拡散したりしないので混光の効果としては低い。

図（ｂ）では、拡散反射シートなどを配設することで拡散反射層７を内壁に形成したが、この場合の反射は入射角に関係なくさまざまな方向に反射をする。そのため、そのまま鏡面反射するよりも反射角が広角度に反射することもあるが、反対に光を発した発光ダイオードの方向に反射することもあり、混光の効果はあまり得られない。また、入光面方向と逆の方向に反射することで、入光面に入射するまでに減衰してしまう光もあり、光の利用効率も低いものになった。

図（ｃ）では、出光面１ａに設けるものと同様の拡散透過シートが配設されるため、そのシートを透過するときに入射角に依存して透過光は拡散する。この詳しい説明を図４に示す図２（ｃ）の光の進行方向を説明する拡大図を用いて行う。ここで、筐体３の内壁面と拡散シート４には微細な隙間があり、まず発光ダイオードからの出射光は拡散シート４を透過する。その際、その光の入射角に依存して拡散されて透過する。次に、それらの拡散された光は側壁３ｂの鏡面反射層３ｄで鏡面反射される。そして再び拡散シート４を透過する際にその入射角に依存して拡散される。そのため、図（ｂ）の場合で問題になっている入射光の方向に向かう光はほとんどなく、また反射光の多くが単なる鏡面反射光の場合よりも反射角が広角度で反射するために、図（ｃ）の構成が図（ａ）や（ｂ）の構成よりも色ムラを低減できたと考えられる。

ここで、図２（ｃ）は導光板１の入光面１ｃと平行方向の光の反射を示しているが、発光ダイオード６から導光板１の入光面１ｃ方向の反射についても図２（ｃ）と同じ反射をする。したがって、反射をしてもその進行方向に逆らわない反射をするので、筐体３の内壁にうまく導かれ損失の少ない反射にすることができる。

（第２の実施の形態）
図５は、本発明の第２の実施の形態であるＬＥＤバックライト装置の側面の断面図である。この第２の実施の形態の各部について、図１の第１の実施の形態のＬＥＤバックライト装置の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。この第２の実施の形態が、第１の実施の形態と異なる点は、筐体の底板を導光板の反射面より下方に前記導光板の出光面にほぼ平行となるように配置し、その上に複数の発光ダイオードを配置した基板を設置している。そして、その底板の縁端から側壁が導光板の入光面まで延出しているため、側壁が直角に曲がるような導光空間を形成している点である。

筐体３の詳しい構造は、底板３ａ、第1の側壁３ｂ１、第２の側壁３ｂ２、保持板３ｂ３を有している。

底板３ａは、基板５や発光ダイオード６を配設するための部材である。

第1の側壁３ｂ１は、底板３ａの縁端から垂直に延出した部材であり、その内壁は発光ダイオード６の光を反射する反射面となる。ここで、その延出した部分の高さは、導光板１の入光面１ｃと反射面１ｂの接続部分と同じ高さか、その接続部分よりも少し高いくらいがよい。

第２の側壁３ｂ２は、底板３ａの第1の側壁３ｂ１に対して他方の縁端から導光板１の出光面１ａと入光面１ｃが接続された付近にまで延出する部材であり、その内壁は第１の反射面３ｂと同様、反射面となる。ここで、その延出した部分の内壁側が、導光板１の入光面１ｃと反射面１ｂの接続部分と同じ高さか、その接続部分よりも少し低いくらいがよい。

保持板３ｂ３は、導光板１の出光面１ａとほぼ平行に配設され、導光板１を保持する部材である。この保持板３ｂ３は、第１の側壁３ｂ１と導光板１の入光面１ｃとの位置関係によって場所が決まる。

そして、図示はしていないが導光板１の入光面１ｃ以外の端面を囲むように板が作られる。

また、この筐体３によっても第１の実施の形態と同様に内壁に鏡面反射層３ｄが形成され、その上にさらに拡散シート４が配設される。

第２の実施の形態においては、第１の実施の形態よりも発光ダイオード６と導光板１の入光面１ｃとの間に光路長が長く形成され、また、導光板１の入光面１ｃに対して発光ダイオード６が直面して配置されていないため、発光ダイオード６からの出射光の多くが入光面１ｃに入射するまでに筐体３の内壁で反射をするようになり、ＲＧＢ光のさらに混光が促進され、導光板１の出光面１ａにおいて色ムラが低減される。

さらにまた、筐体３の第１の側壁３ｂ１が、発光ダイオード６からの出射光を直接導光板１の入光面１ｃに入射させない位置まで延出していると全ての出射光が入光面１ｃに入射するまでに少なくとも一度は筐体３の内壁で反射することになるので混光がさらに促進される。

ここで、本発明は以上の構成のみに限定されるものではなく、種々の変形が可能である。

本発明の第１の実施の形態であるＬＥＤバックライト装置の断面図。 図１に示すＬＥＤバックライト装置の筐体を入光面に対して平行方向に切断した断面図。 図２に示すそれぞれの場合における導光板の入光面から１０ｍｍでの出光面の色度分布図。 図２（ｃ）の光の進行方向を説明する拡大図。 本発明の第２の実施の形態であるＬＥＤバックライト装置の拡大断面図。 従来のＬＥＤバックライト装置を示す拡大断面図。

符号の説明

１ 導光板
１ａ 出光面
１ｂ 反射面
１ｃ 入光面
２ 光学シート
２ａ 拡散シート
２ｂ 集光シート
２ｃ 反射シート
３ 筐体
３ａ 底板
３ｂ 側壁
３ｂ１ 第１の側壁
３ｂ２ 第２の側壁
３ｂ３ 支持板
３ｃ 導光空間
３ｄ 鏡面反射層
４ 拡散シート
５ 基板
６ 発光ダイオード
７ 拡散反射層
１０１ 導光板
１０１ａ 入光面
１０２ 基板
１０３ ケース
１０３ａ 内壁

Claims (2)

1. 出光面、反射面および入光面を有する導光板と、この導光板の前記入光面の近傍に配置された複数の発光ダイオードと、これらの発光ダイオードを収納し、これらの発光ダイオードからの出射光を前記導光板の入光面まで導く導光空間を有する筐体とを備え、この筐体の前記導光空間を形成する前記筐体の内壁に形成された鏡面反射層と、この鏡面反射層上に形成された拡散シートとを備えたことを特徴とするＬＥＤバックライト装置。
2. 前記筐体は、前記導光板の反射面より下方に前記導光板の出光面にほぼ平行となるように配置され、かつ前記発光ダイオードを複数配置する底板、その縁端から延出し、前記発光ダイオードの出射光を前記導光板の入光面まで導くように形成された側壁を有することを特徴とする請求項１記載のＬＥＤバックライト装置。

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