JP2006227347A - 液晶表示装置用バックライトユニットおよび液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液晶表示装置用のバックライトユニット（面光源）における射出面から射出される光の輝度分布の均一性が向上したバックライトユニットを実現する。
【解決手段】導光板の射出面または／および前記射出面の対向面に、回折格子が形成された複数の回折格子セルと、導光板の射出面または／および前記射出面の対向面に、光散乱要素が形成された複数の光散乱セルとをそれぞれ有する構成とし、回折格子セルと光散乱セルの面積が異なっており、それぞれが固有の周期性によって配置することで、回折格子セルと光散乱セルの双方の面積を変え、それぞれの配置周期や配置位置，配置数を独立して設定することで射出面から射出される光の輝度分布の均一化を図る。
【選択図】図４

Description

本発明は、液晶表示装置用のバックライトユニットに関するものであり、光の射出面または／および対向面に配置された回折格子セルおよび光散乱セルにより、射出面において輝度分布の均一化が図られた射出光を得ることができるバックライトユニットを提供するものである。

従来、透過型の液晶パネルの背面に用いられる照明光源である所謂バックライトには、光源からの光を均一に液晶パネルに導くために、透明樹脂からなる導光板が用いられている。
図１に示すように、この種の導光板１０に光源１２が配置されてなるバックライトユニット１４では、導光板１０の入光面１１から導光板１０内に入射した光は、導光板１０の内部を全反射しながら進行する。なお、光源１２としては発光ダイオード（ＬＥＤ）などの点状光源光源や、冷陰極管（ＣＣＦＬ）光源のような線状の光源が利用される。導光板１０の平面部には所々にＶ字溝１３が設けられ、Ｖ字溝１３に当たった光は、図中矢印に示すような斜めの方向に向かって射出される。

この斜めの方向に進行する光の輝度分布を均一化させつつ、液晶パネル１９の方向へ導くために、拡散板１６及びプリズムシート１７，１８が用いられる。視域を確保するために、プリズムシートは２枚配置され、各々はプリズムが直交するようになっている。

図１に示すように背面にＶ字溝１６が設けられた導光体に係る公知例としては、例えば下記特許文献１がある。
また、Ｖ字溝を用いないバックライトユニットの例として、導光体１０の底面に散乱性のドットを印刷することにより、光を拡散射出する方法もある。

一方、光源からの光を所望の方向へ効率良く導光させる光学素子として、回折格子が知られている。回折格子の典型的な構成は、等間隔に配置された平行線（格子線）の集合体であり、格子線を濃淡で表現すると振幅型回折格子、凹凸形状で表現すると位相型回折格子となる。一般に、可視光に対しては、０．５〜２μｍ程度の格子間隔（ピッチ）の回折格子が利用される。位相型回折格子を形成した導光板は、端面に配置された光源からの光を効率よく回折させ、液晶パネルの方向へ導くことができる。

回折格子を利用した導光板に係る公知例としては特許文献２がある。特許文献２では、輝度分布を制御するために、密度や格子形状を変化させた回折格子を下面に形成した導光体について述べられている。

特開平５−２６４８１９号公報 特許第２８６５６１８号

回折格子が形成された導光板により、導光板の側面から入射された光を射出面へ射出すると、射出面における輝度の均一化を図るのが困難である。
そこで、射出面における輝度の均一化を図るために回折格子だけでなく、光を散乱させる要素を別途導光板に設けることが行われる。回折格子と光散乱要素はその大きさや形状が異なることから、同一に取り扱うのは設計やパターン加工を困難にする。そこで回折格子と光散乱要素を別々に分け、それぞれの光学機能を有する領域（セル）に分割して導光板に配置することで設計や加工を容易にし、輝度の均一化を図る。

上記課題を解決し、光源からの光を射出面から均一に射出させるために、回折格子セルと光散乱セルとを備え、且つ、それらの大きさや配置の周期性を変えることで双方による光の制御をより厳密に行うことができる液晶表示装置用バックライトユニットを提供する。

請求項１記載の液晶表示装置用バックライトユニットは、
光源と、
前記光源から入射した光を導光し、前記導光された光を射出面から射出する略シート状の導光板とを備えた照明装置において、前記導光板の前記射出面または／および前記射出面の対向面に、回折格子が形成された複数の回折格子セルと、前記導光板の前記射出面または／および前記射出面の対向面に、光散乱要素が形成された複数の光散乱セルとをそれぞれ有し、前記回折格子セルと前記光散乱セルの面積が異なっており、それぞれが固有の周期性によって配置されていることを特徴としている。

請求項２記載の液晶表示装置用バックライトユニットは、
請求項１記載の液晶表示装置用バックライトユニットにおいて、前記回折格子セルの面積より前記光散乱セルの面積が大きいことを特徴としている。

請求項３記載の液晶表示装置用バックライトユニットは、
請求項１または２記載の液晶表示装置用バックライトユニットにおいて、前記回折格子セルと前記光散乱セルとが重畳されて配置される領域では、前記回折格子セルと前記光散乱セルの何れかが形成されていることを特徴としている。

請求項４記載の液晶表示装置用バックライトユニットは、
請求項１〜３の何れかに記載の液晶表示装置用バックライトユニットにおいて、前記射出面または／および前記対向面のほぼ全面に前記回折格子セル、前記光散乱セルのいずれかが形成されていることを特徴としている。

請求項５記載の液晶表示装置用バックライトユニットは、
請求項１〜４の何れかに記載の液晶表示装置用バックライトユニットにおいて、前記回折格子セルに形成される回折格子は前記導光板内を導光する光の方向を、前記射出面に対する法線方向に近づけるように曲げ、前記光散乱セルに形成される光散乱要素は前記導光板内を導光する光を、前記導光板内を導光する光の平均導光方向に直交する方向に散乱させるようにしている。

請求項６記載の液晶表示装置用バックライトユニットは、
請求項１〜５の何れかに記載の液晶表示装置用バックライトユニットにおいて、光源から遠ざかるに従って、前記回折格子セルの単位面積当たりの配置数が増加し、前記光散乱セルの単位面積当たりの配置数が減少していることを特徴としている。

請求項７記載の液晶表示装置用バックライトユニットは、
請求項１〜６の何れかに記載の液晶表示装置用バックライトユニットにおいて、光源から遠ざかるに従って、前記光散乱セルに形成されている光散乱要素の密度が低下していることを特徴としている。

請求項８記載の液晶表示装置用バックライトユニットは、
請求項１〜７の何れかに記載の液晶表示装置用バックライトユニットにおいて、前記回折格子セルと前記光散乱セルがレリーフ構造であることを特徴としている。

本発明により実現される液晶表示装置用バックライトには以下のような効果がある。

（１）導光板に形成される回折格子セルと光散乱セルの面積を変え、それらの配置周期を異なったものにすることで、大きさの異なる回折格子と光散乱要素をそれぞれ効率的に取り扱うことができ、射出面から射出される光の輝度分布を均一化するための設計をより正確に行うことができる。

（２）回折格子の格子間隔が小さく、且つ、光散乱要素が大きい場合、回折格子セルと光散乱セルの大きさを同じにすることは困難であり、回折格子セルより光散乱セルの大きさを大きくすることが有効である。

（３）回折格子セルと光散乱セルが重なり合って配置される領域では、回折格子セルと光散乱セルのいずれかのパターンのみを形成することで、多重に形成されたパターンによるノイズ光の発生を防止することができる。

（４）導光板の射出面または／および対向面のほぼ全面に回折格子セルと光散乱セルのいずれかを配置することで、光源から射出される光を効率よく利用し、且つ、射出面での輝度の不均一さを低減することができる。

（５）回折格子は導光板内を導光する光の方向を、射出面に対する法線方向に近づけるような方向に曲げ、光散乱要素は導光板内を導光する光の平均導光方向に直交する方向に散乱させるようにすることで、光の平均導光方向および、光の平均導光方向に直交する方向の双方で輝度の均一化向上を実現できる。

（６）光源から遠ざかるに従って、回折格子セルの配置数が増加させ、光散乱セルの配置数が減少させることで射出面での輝度分布を均一化させることができる。

（７）光源から遠ざかるに従って、光散乱セルに形成されている光散乱要素の密度を低下させることで、光の散乱性の度合いを厳密に制御でき、射出面での輝度分布を均一化させることができる。

（８）回折格子および光散乱要素をレリーフ構造とすることで、薄型の導光板を実現することができる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図２は、回折格子が形成された導光板１０とその側面に配置された光源１２との位置関係を示す説明図である。液晶表示装置用バックライトユニットとしては、その他に導光板の下面に反射板を配置したり、導光板の上面に拡散板やプリズムシート用の光制御機能を有した部材を適宜配置するが以降の説明も含めてそれらを省略する。

図３は図２の断面図である。
光源１２から射出された光の大部分は、導光板内を全反射を繰り返しながら終端面２１の方向へ進行し、回折格子が形成された面１５において、回折光と正反射光に分かれ、回折光は射出面１４の方向へ進み射出光２０となって射出する。正反射光はさらに導光板内を進行する。ここで、導光板に一様な密度で回折格子が形成されていると、光源に近い領域で多くの射出光が射出面から射出し、光源から遠ざかるに従って、射出面からの射出光の光量が減少してしまい均一な輝度分布が得られない。また、光源に近い領域の回折格子の密度を低くし、光源から遠ざかるに従って、回折格子の密度を大きくすることや、回折格子の格子間隔を変化させることで光の平均導光方向（入光面１１から終端面２１に向かう方向）における輝度分布は改善されるが、平均導光方向と直交する方向の輝度分布の不均一さは改善されない。

平均導光方向と直交する方向の輝度分布を均一化する方法としては、回折格子を直線状でなく曲線状とし、平均導光方向と、平均導光方向に直交する方向の双方に光を曲げる機能をもたせる方法や、平均導光方向と直交する方向に光を曲げるために光散乱要素を別途形成する方法がある。

回折格子、光散乱要素が形成された導光板を作製するには、パターンが刻まれた金属型を用いた射出成形法や金属刃による切削法等で加工される場合が多い。いずれの場合においても回折格子や光散乱要素は各々任意の微小サイズ内に予め定められた個数、配置で形成されたものを基本単位とし、それを繰り返し使用することが設計や加工の点で効率がよい。
本特許では、回折格子が任意の個数、配置され光の回折機能を有するものを回折格子セル、光散乱要素が任意の個数、配置され光の散乱機能を有するものを光散乱セルとする。

図４は、請求項１記載の液晶表示装置用バックライトユニットの一実施形態を示すものであり、導光板の上面（射出面１４）から示した上面図である。導光板の下面（対向面１５）に回折格子３０から成る複数の回折格子セル３１と光散乱要素３２から成る光散乱セル３３が形成されている。

光源１２からある角度範囲をもって射出される光は導光板内を全反射を繰り返しながら進行し、回折格子セル３１に到達した光は、主に回折光と正反射光に分かれてそれぞれ進行する。
回折光が射出面から射出され、正反射光は、さらに導光板内を進行する。
一方、光散乱セル３３に到達した光は、散乱光と正反射光に分かれる。
散乱光は射出面の方向へ向かってさまざまな角度で散乱し、正反射光は導光板内を進行する。

図４の回折格子セル３１は図５の点線で示したような周期で配置され、また、光散乱セル３３は図６の点線で示したような周期で配置されている。
回折格子３０と光散乱要素３２とではその形状や大きさ、深さ等が異なっている。
射出面において輝度分布を均一化するためには、回折格子セルと光散乱セルの面積は同一ではなく、それぞれ固有の大きさにしたほうが、光の制御を容易に、且つ、厳密に行うことができる。

導光板に用いられる回折格子の格子間隔は一般に１μｍ以下と細かく、また格子間隔の異なる数種類の回折格子を用いることがある。
一方、導光板に用いられる光散乱要素としては、光の散乱性を大きくするために、光散乱要素は数μｍ以上の大きさで加工される。
そのため、例えば、回折格子セルを５μｍ角の矩形とした場合、同じ大きさのセルで光散乱要素を配置しようとすると、５μｍ以下の大きさの散乱要素しか作れず、光の散乱性を高めることはできない。
すなわち、光散乱要素は回折格子と比較して大きいことが多く、よって、それぞれのセルを固有の大きさとし、回折格子セルよりも光散乱セルを大きくすることで光の制御性を高めることが有効である。

図７は、請求項１記載の液晶表示装置用バックライトユニットの別の実施形態を示す説明図である。
回折格子セルおよび光散乱セルは図４のような矩形状であっても、図７のようなストライプ状であっても構わないし、セルの形状も矩形に限定されない。

大きさの異なる回折格子セルと光散乱セルをそれぞれ導光板に配置する場合、図８のように部分的にセル同士が重なり合ったり、一方のセルがもう一方のセルを内包するように、セル同士が重なり合ってしまう領域が発生する場合がある。
そのような場合、同一領域に回折格子と光散乱要素を加工すると多重に形成されたパターンによりノイズ光が発生し、双方の光制御機能が損なわれてしまう。
そのため、両者が重なり合う領域では例えば図９にように回折格子セルを優先して配置し、光散乱セル内の光散乱要素を省略すると良い。
また、逆に光散乱セルを優先して配置し、回折格子セルを省略してもよいし、１枚の導光板中で、優先されるセルが回折格子セルである場所と、光散乱セルである場所が混在していてもよい。

光源から射出された光を効率よく利用するためには、導光板の射出面または／および対向面のほぼ全面に回折格子セルもしくは光散乱セルが形成されていることが望ましい。
回折格子セルと光散乱セルの双方が存在しない領域があると、その領域からは光が射出せず、射出面からの射出光の輝度分布が不均一になる原因となる。

回折格子セルに形成される回折格子は導光板内を導光する光の方向を射出面に対する法線方向に近づけるような方向に曲げるようにし、光散乱セルに配置される光散乱要素は導光板内を導光する光の平均導光方向に直交する方向に散乱させるようにすることで、回折格子セルのみの配置位置や配置数によって光の平均導光方向における輝度の均一化を実現することができ、光散乱セルのみの配置位置や配置数によって光の平均導光方向に直交する方向における輝度の均一化を行うことができる。

側面に配置された光源からの光を射出面から射出する導光板では、光源に近い領域において図１０のように平均導光方向へ進行する光の強度が強いが、それ以外の方向では光源１２からの光が十分に届かない領域４０ができてしまい、そのような場所は暗くなり輝度が不均一となる。
そのため、回折格子セルよりも光散乱セルの数を増やしたほうがよい。
一方で、光源から離れた領域では導光板内を進行するうちに回折格子セルなどにより光が利用され、到達する光量が減少するため、回折格子セルの数を増やしたほうがよい。

光散乱セルによる光の散乱性の度合いをより厳密に制御するためには、光散乱セル内に形成される光散乱要素の数や形状、深さ等を各セルごとに変化させるとよい。
散乱性の度合いを徐々に変化させた際の光散乱セルの一例を図１１に示す。光の散乱性が高いセル５１は光散乱要素３２の平均的なサイズを小さくし、数も多くする。
セル５２、５３、５４、５５のように徐々に光散乱要素３２の平均的なサイズを大きくし、数も少なくしていくことで光の散乱性を徐々に低くすることができ、光の散乱性を制御できる。導光板の位置に応じて異なる散乱性を有する光散乱セルを配置することで、より一層輝度の均一化を図ることができる。

回折格子および光散乱要素をレリーフ構造で作製した場合、回折格子の深さは最大でも１μｍ程度、光散乱要素の深さは最大でも数百μｍ程度で十分な光制御機能を実現することができる。
そのため、導光板の厚さにほとんど影響を与えないので薄型のバックライトを構成することができる。

従来の液晶表示装置用バックライトユニットの一例を示す説明図。 光源と導光板の位置関係を示す説明図。 光源からの光が導光板内を進行する様子を示す説明図。 大きさが異なる回折格子セルと光散乱セルを異なる周期で配置した導光板を示す説明図。 図４の回折格子セルの配置周期を示す概念図。 図４の光散乱セルの配置周期を示す概念図。 図４とは異なる大きさの回折格子セルと光散乱セルによる導光板を示す説明図。 回折格子セルと光散乱セルが重なり合った場合に、回折格子と光散乱要素がかさなってしまった状況を示す説明図。 回折格子セルと光散乱セルが重なり合った場合に、どちらかのセルを優先して形成した状況を表す説明図。 入光面付近での輝度分布の不均一さを表す説明図。 光散乱要素の大きさや個数を変化させることで光散乱セルの光散乱性を制御する様子を示した説明図。

符号の説明

１０・・・導光板
１１・・・入光面
１２・・・光源
１３・・・Ｖ字溝
１４・・・射出面
１５・・・対向面
１６・・・拡散板
１７，１８・・・プリズムシート
１９・・・透過型液晶パネル
２０・・・射出光
２１・・・終端面
２２・・・反射板
２３・・・偏光板
３０・・・回折格子
３１・・・回折格子セル
３２・・・光散乱要素
３３・・・光散乱セル
４０・・・光源からの光が十分に届かない領域
５１〜５５・・・散乱性を徐々に変化させた光散乱セル

Claims (9)

1. 光源と、
   前記光源から入射した光を導光し、前記導光された光を射出面から射出する略シート状の導光板、とを備えた照明装置において、
   前記導光板の前記射出面または／および前記射出面の対向面に、回折格子が形成された複数の回折格子セルと、
   前記導光板の前記射出面または／および前記射出面の対向面に、光散乱要素が形成された複数の光散乱セルとをそれぞれ有し、
   前記回折格子セルと前記光散乱セルの面積が異なっており、それぞれが固有の周期性によって配置されていることを特徴とする液晶表示装置用バックライトユニット。
2. 請求項１記載の液晶表示装置用バックライトユニットにおいて、
   前記回折格子セルの面積より前記光散乱セルの面積が大きいことを特徴とする液晶表示装置用バックライトユニット。
3. 請求項１または２に記載の液晶表示装置用バックライトユニットにおいて、
   前記回折格子セルと前記光散乱セルとが重畳されて配置される領域では、前記回折格子セルと前記光散乱セルの何れかが形成されていることを特徴とする液晶表示装置用バックライトユニット。
4. 請求項１〜３の何れかに記載の液晶表示装置用バックライトユニットにおいて、
   前記射出面または／および前記対向面のほぼ全面に前記回折格子セル、前記光散乱セルのいずれかが形成されていることを特徴する液晶表示装置用バックライトユニット。
5. 請求項１〜４の何れかに記載の液晶表示装置用バックライトユニットにおいて、
   前記回折格子セルに形成される回折格子は前記導光板内を導光する光の方向を、前記射出面に対する法線方向に近づけるように曲げ、前記光散乱セルに形成される光散乱要素は前記導光板内を導光する光を、前記導光板内を導光する光の平均導光方向に直交する方向に散乱させるようにした液晶表示装置用バックライトユニット。
6. 請求項１〜５の何れかに記載の液晶表示装置用バックライトユニットにおいて、
   光源から遠ざかるに従って、前記回折格子セルの単位面積当たりの配置数が増加し、前記光散乱セルの単位面積当たりの配置数が減少していることを特徴する液晶表示装置用バックライトユニット。
7. 請求項１〜６の何れかに記載の液晶表示装置用バックライトユニットにおいて、
   光源から遠ざかるに従って、前記光散乱セルに形成されている光散乱要素の密度が低下していることを特徴とする液晶表示装置用バックライトユニット。
8. 請求項１〜７の何れかに記載の液晶表示装置用バックライトユニットにおいて、
   前記回折格子セルと前記光散乱セルがレリーフ構造であることを特徴とする液晶表示装置用バックライトユニット。
9. 画素単位での透光／遮光に応じて表示画像を規定する液晶パネルと、
   請求項１〜８の何れかに記載のバックライトユニット、とを少なくとも備えることを特徴とする液晶表示装置。

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