JP2007280635A - 面光源装置及びこれを用いた液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】導光板に設ける光線制御素子のパターンを該導光板上のＬＥＤからの距離によって変化させることで面内ムラを低減した導光板を用いた高輝度のバックライト、及びこのバックライトを用いた高品質の液晶表示装置を提供する。
【解決手段】導光板内の輝度分布が、ＬＥＤ正面部で高く、コーナ部で低い、不均一な分布を解決するものである。導光板ＧＬＢの下面に配置した光線制御素子ＣＰＮの形状を変え、ＬＥＤ正面部とコーナ部の出射角を出来る限り同様にするという発想に基づいている。具体的な光線制御素子ＣＰＮの形状は、ＬＥＤ出射光線が光線制御素子ＣＰＮに当る時の入射角をどの部分でも一定にするように、ＬＥＤ出射光線から見た光線制御素子ＣＰＮの形状をどの部分でも一定にする。
【選択図】図８

Description

本発明は、面内輝度レベルの均一化を向上させた面光源装置とこの面光源装置を用いた液晶表示装置に関する。

透過型や半透過反射型の液晶表示装置では、その背面に面光源装置を設けるのが一般的である。この種の面光源装置はバックライトとも称する。以下の説明では、面光源装置をバックライトとも表記して説明する。特に、ゲーム機、携帯端末、あるいは携帯電話機などに搭載する液晶表示装置には導光板に１又は複数の発光ダイオード（以下、ＬＥＤとも略記）を光源として組み合わせたサイドエッジ型バックライトが多く用いられている。導光板の表面（出光面）に光線制御素子を設けて上方に設置される液晶表示パネルの照光面（裏面）にムラの少ない輝度分布で照明するようにしている。

導光板にＬＥＤを組み合わせたバックライトの従来例には、次のようなものがある。特許文献１は、断面が三角形の凹形状または凸形状（山/溝形状）を直線状に有する光線制御素子を開示する。特許文献２は、断面が円弧状の凹形状または凸形状を直線状に有する光線制御素子を開示する。特許文献３は、断面が多角形状の凹形状または凸形状を直線状に有する光線制御素子を開示する。特許文献４は、断面が半球、球の一部、三角錐等のシボ形状を直線状に有する光線制御素子を開示する。特許文献５は、ドット印刷で形成した斑点状の光線制御素子を開示する。

また、断面が三角形、円弧形、多角形等の凹形状または凸形状で、同心円状または円弧状の光線制御素子を導光板の全面に形成したものも提案されている。
特開２００４−２０００７２号公報 特開２００４−６１８７号公報 特開２００４−２２７９５６号公報 特願２００１−３４３６１４号公報 特開２００４−１９９９５８号公報

導光板に設ける光線制御素子を直線状または斑点状に形成するタイプにおける共通の問題点は、高輝度化と高均一性の両立が困難であるということである。特に、最近の狭額縁化の流れの中で、ＬＥＤから有効表示領域までの間隔が狭くなり、且つＬＥＤの高輝度化及び部品点数削減のために、ＬＥＤ同士の間隔は拡がる傾向にあり、何れもＬＥＤ近傍部のムラが発生するポテンシャルを増大させている。また、光線制御素子を同心円状または円弧状に形成するタイプの問題点は、ＬＥＤを１個所に設置する為、製品輝度の最大値を高くすることが出来ない点、同心円状または円弧状の専用プリズムシートを使用しないと効果が出しにくい点等が挙げられる。

本発明の第１の目的は、導光板に設ける光線制御素子のパターンを該導光板上のＬＥＤからの距離によって変化させることで面内ムラを低減した導光板を用いた高輝度のバックライトを提供することにある。また、本発明の第２の目的は、このバックライトを用いた高品質の液晶表示装置を提供することにある。

上記第1の目的は、ＬＥＤ近傍部における導光板の光線制御素子のパターンを、前記ＬＥＤを中心とした曲線状とし、ＬＥＤから遠い領域では導光板の一側縁に平行な方向に伸びる三角山/溝の断面を有する直線状の光線制御素子パターンとすることにより達成される。また、上記第1の目的は、液晶表示パネルと上記導光板の間に、当該導光板の出光面側にプリズム面を配置したプリズムシートを介在させることによって達成される。

ＬＥＤ近傍部の導光板の上面（または下面）の光線制御素子配置パターンをＬＥＤ光源を中心とした曲線状とし、ＬＥＤから遠い領域の上面（または下面）の光線制御素子配置パターンを導光板の一側縁に平行な方向に伸びる三角山/溝の断面を有する直線状の光線制御素子パターンとすることにより、ＬＥＤからの出射光が光線制御素子により特定方向に反射させることが出来る。この効果により、導光板の上部へ配置したプリズムシートへの入射角をＬＥＤ近傍部の導光板のどの部分においても比較的均一な角度とすることが出来る。

この導光板を用いることにより、プリズムシートへの入射角がＬＥＤ近傍部の導光板のどの部分においても比較的均一な角度となり、プリズムシート上における輝度を均一にすることが出来る。また、導光板のＬＥＤ近傍部の領域のみを曲線状配置パターンとする為、従来の全体が直線状のプリズムシート仕様で性能を出すことが出来る。さらに、ＬＥＤ光源が複数ある場合でも、ＬＥＤを中心とした曲線状パターンをＬＥＤと同じ数だけ設けることにより、製品輝度最大値の制限をなくすことが出来る。

導光板に下向きプリズムを組み合わせたバックライト構成は、従来の拡散シートとお互いに直交する上向きプリズム２枚を使用したバックライトに比較して、３０〜５０％以上正面方向の高輝度化を図ることが出来、また光学シートを削減または廃止することにより部材費の低減及び組立工数低減による製品コスト低減が可能となるが、入光部近傍の輝度ムラ発生による表示品質の低下が生じるが、本発明によりこのような品質低下が抑制される。

本発明は、携帯電話機用液晶ディスプレイ、ゲーム機用液晶ディスプレイ、デジタルスチルカメラ用液晶ディスプレイなどの小型の液晶表示装置に好適であるが、大形液晶モニタ、大形液晶ＴＶ、中大形アミューズメント液晶ディスプレイ、車載用液晶ディスプレイなどにも適用できる。

以下、本発明の最良の形態を実施例の図面を参照して詳細に説明する。

図１は、液晶表示装置のバックライトの構成を説明する断面図である。図１のバックライトは、側縁（エッジ）に発光ダイオードＬＥＤを設置した導光板の光線制御素子の形状による正面輝度の評価結果を説明するもので、導光板ＧＬＢの下面に光線制御素子ＣＰＮを配し、液晶表示パネルに対面する上面は平面で、導光板の下部には反射シートＲＦＳが設置される。導光板ＧＬＢの上部に下向きのプリズム面を有するプリズムシートＰＲＺを設置した簡素化した面光源装置である。プリズムシートＰＲＺのプリズム面は、そのプリズムの山/溝の方向が導光板ＧＬＢのＬＥＤ設置側縁に平行な方向にある。このバックライトの出射光Ｌで液晶表示パネルを照明する。

図２は、導光板ＧＬＢにおける面内輝度分布を説明する要部平面図である。一般的なＬＥＤの出射（配光）特性は、ランバーシアンであり、その配光特性を基にＬＥＤからの光が入射する導光板の側面（入光面）の形状設計を行い、導光板内の光を出来る限り均一に拡げる配慮を行っているが、ＬＥＤは点光源に近い特性である為、図２に示したようなＬＥＤ近傍部で均一性が悪い領域が発生してしまう。

これを解決する為に、ＬＥＤから出射した光の挙動を検討してみる。光の反射や透過、屈折後の方向を導出したＳｎｅｌｌの法則を３次元で考える。まず、反射光について図３で考える。図３は、ＬＥＤから出射した光の挙動を説明する図である。図３において、反射光の単位ベクトルは、以下の式（１）（２）で表すことが出来る。

−Ａ×ｎ＝ｎ×Ｂ・・・・・（１）
−Ａ＊ｎ＝ｎ＊Ｂ・・・・・（２）
但し、
Ａ：入射光の単位ベクトル
Ｂ：反射光の単位ベクトル
ｎ：面の法線方向単位ベクトル
であり、×は外積、＊は内積を表す。

式（１）（２）より、反射光のｘ、ｙ、ｚ軸各方向の値を求めると、以下の式（３）（４）（５）となる。

Ｂｘ＝−２ｎｘ・(Ａｙ・ｎｙ＋Ａｚ・ｎｚ)−Ａｘ・(２ｎｘ²−１)・・・（３）
Ｂｙ＝−２ｎｙ・(Ａｚ・ｎｚ＋Ａｘ・ｎｘ)−Ａｙ・(２ｎｙ²−１)・・・（４）
Ｂｚ＝−２ｎｚ・（Ａｘ・ｎｘ+Ａｙ・ｎｙ)−Ａｚ・(２ｎｚ²−１)・・・（５）
次に、透過、屈折光について図４を参照して考える。

図４は、透過光と屈折光関係を説明する図である。図４において、反射光の単位ベクトルは、以下の式（６）（７）（８）（９）で表すことが出来る。
Ｎ₁｛Ａ×(−ｎ)｝＝Ｎ₂｛Ｂ×(−ｎ)｝・・・・・（６）
−Ａ＊ｎ＝ｃｏｓ γ ・・・・・（７）
−Ｂ＊ｎ＝ｃｏｓ γ' ・・・・・（８）
Ｎ₁ ｓｉｎ γ＝Ｎ₂ ｓｉｎ γ' ・・・・・（９）
但し、
Ａ：入射光の単位ベクトル
Ｂ：透過、屈折光の単位ベクトル
ｎ：面の法線方向単位ベクトル
Ｎ₁：透過、屈折前の媒体の屈折率
Ｎ₂：透過、屈折後の媒体の屈折率
γ：Ａとｎとの成す角
γ'：Ｂと−ｎとの成す角
である。

式（７）（９）より、γ、γ'と求めると、以下の式（１０）（１１）となる。
γ＝ｃｏｓ^-1（−Ａｘ・ｎｘ−Ａｙ・ｎｙ−Ａｚ・ｎｚ）・・・・・（１０）
γ'＝ｓｉｎ^-1[（Ｎ₁／Ｎ₂)ｓｉｎ γ] ・・・・・（１１）
式（６）（８）より、透過、屈折光のｘ、ｙ、ｚ軸各方向の値を求めると、以下の式（１２）（１３）（１４）となる。
Ｂｘ＝（Ｎ₁／Ｎ₂)｛（１−ｎｘ²）Ａｘ−ｎｘ（Ａｙ・ｎｙ＋Ａｚ・ｎｚ）｝−ｎｘ・ｃｏｓ γ' ・・・・・（１２）
Ｂｙ＝（Ｎ₁／Ｎ₂)｛（１−ｎｙ²）Ａｙ−ｎｙ（Ａｚ・ｎｚ＋Ａｘ・ｎｘ）｝−ｎｙ・ｃｏｓ γ' ・・・・・（１３）
Ｂｚ＝（Ｎ₁／Ｎ₂）｛（１−ｎｚ²）Ａｚ−ｎｚ(Ａｘ・ｎｘ＋Ａｙ・ｎｙ)]−ｎｚ・ｃｏｓ γ' ・・・・・（１４）
これらの式を使って、導光板中を進行した光が、下向きプリズムシートから出射する時の角度を求める。

図５は、出射角度の算出を説明するための簡易モデルの説明図であり、図５（a）は導光板の要部平面図、図５（b）は図５（a）のｘ軸に沿った断面図である。また、図６は、図５（b）の導光板の要部をプリズムシートと共に示す断面図である。なお、屈折率は、空気が１．００、導光板及び下向きプリズムシートが１．４９とする。

光線制御素子ＣＰＮを配置した下面（反射面）に入射する光線の単位ベクトル（Ａｘ，Ａｙ，Ａｚ）は（０．８７，０，−０．５０）、光線制御素子の法線方向単位ベクトル（ｎｘ，ｎｙ，ｎｚ）は（−０．１７，０，０．９８）であり、これらの値と式（３）（４）（５）より反射光の単位ベクトル（Ｂｘ，Ｂｙ，Ｂｚ）を求めると、（０．６４，０，０．７７）となる。

同様に、導光板上面（出光面）へ入射する光線の単位ベクトル（Ａｘ，Ａｙ，Ａｚ）は（０．６４，０，０．７７）、導光板上面の法線方向単位ベクトル（ｎｘ，ｎｙ，ｎｚ）は（０，０，−１）であり、これらの値と式（１２）（１３）（１４）より屈折し導光板上面より出射する光線の単位ベクトル（Ｂｘ，Ｂｙ，Ｂｚ）を求めると、（０．９６，０，０．２８）となる。

下向きプリズムシート第１面（入光面）Ｐ１へ入射する光線の単位ベクトル（Ａｘ，Ａｙ，Ａｚ）は（０．９６，０，０．２８）、下向きプリズムシート第１面Ｐ１の法線方向単位ベクトル（ｎｘ，ｎｙ，ｎｚ）は（−０．８２９，０，−０．５５９）であり、これらの値と式（１２）（１３）（１４）より屈折し下向きプリズムシート第１面より第２面（反射面）Ｐ２へ出射する光線の単位ベクトル（Ｂｘ，Ｂｙ，Ｂｚ）を求めると、（０．９２６，０，０．３７９）となる。

下向きプリズムシート第２面Ｐ２へ入射する光線の単位ベクトル（Ａｘ，Ａｙ，Ａｚ）は（０．９２６，０，０．３７９）、下向きプリズムシート第２面Ｐ２の法線方向単位ベクトル（ｎｘ，ｎｙ，ｎｚ）は（−０．８２９，０，０．５５９）であり、これらの値と式（３）（４）（５）より下向きプリズムシート第２面Ｐ２からの反射光の単位ベクトル（Ｂｘ，Ｂｙ，Ｂｚ）を求めると、（０．００４，０，１）となる。

下向きプリズムシート第３面（液晶表示パネルと対面する面:出光面）Ｐ３へ入射する光線の単位ベクトル（Ａｘ，Ａｙ，Ａｚ）は（０．００４，０，１）、下向きプリズムシート第３面Ｐ３の法線方向単位ベクトル（ｎｘ，ｎｙ，ｎｚ）は（０，０，−１）であり、これらの値と式（１２）（１３）（１４）より屈折し下向きプリズムシート第３面Ｐ３より出射する光線の単位ベクトル（Ｂｘ，Ｂｙ，Ｂｚ）を求めると、（０．００６，０，１）となる。

この結果より、下向きプリズムシート第３面Ｐ３より出射する光線のｚ軸方向の単位ベクトルＢｚが１となることから、この光線は、ほぼ真上に出射することになる。

図７は、図５、図６で説明した算出方法によって図５に示した簡易モデル上の算出位置の説明図である。図７の点ａ、点ｂの夫々についての光線単位ベクトルの光線制御素子を配置した下面に入射する光線とＸ−Ｙ面との成す角θをパラメータとして試算した。点ａについての計算結果を表１に、点ｂについての計算結果を表２に示した。

これらの結果より、点ｂからの出射光量は、点ａに比べ少なく、出射角も正面輝度として寄与する割合が小さいことが分る。したがって、導光板内の輝度分布が、ＬＥＤ正面部で高く、コーナ部で低い、不均一な分布となってしまう。

図８は、本発明の実施例１を説明する簡易モデルの説明図であり、図８（a）は導光板の要部平面図、図８（b）は図８（a）のｘ軸に沿った断面図である。実施例１は、導光板内の輝度分布が、ＬＥＤ正面部で高く、コーナ部で低い、不均一な分布を解決するものである。実施例１の解決手段は、導光板ＧＬＢの下面に配置した光線制御素子ＣＰＮの形状を変え、ＬＥＤ正面部とコーナ部の出射角を出来る限り同様にするという発想に基づいている。具体的な光線制御素子ＣＰＮの形状は、ＬＥＤ出射光線が光線制御素子ＣＰＮに当る時の入射角をどの部分でも一定にするように、ＬＥＤ出射光線から見た光線制御素子ＣＰＮの形状をどの部分でも一定にする。図８では、ＬＥＤを中心とした同心円状に光線制御素子ＣＰＮを配置した。この配置パターンで、点ａ、点ｂ状の下向きプリズムレンズからの光線出射角度を算出した結果を表３、表４に示した。

図９は、本発明の実施例２を導光板上で説明する図である。図９（a）は光線制御素子ＣＰＮの配置パターンが全面で曲線状の場合（θ１≠θ２）、図９（b）は光線制御素子ＣＰＮの配置パターンがＬＥＤ近傍部で曲線状の場合（θ１≒θ２）を示す。

図８に示した構成以外にも、楕円パターン、放物線パターン等、曲線パターンでも、輝度均一性向上効果はあるのは、言うまでもない。これらの結果より、図９に示したように導光板から出射する各点での光の角度の差が、光線制御素子を曲線状に配置した方が、直線状に配置するより、小さく出来る。したがって、照光面上の輝度分布が、均一な分布と出来ることが分る。

本発明の目的は、ＬＥＤ近傍部の均一性向上であり、ＬＥＤ近傍部のみに前述した曲線パターンの光線制御素子を配置すれば良い。また、ＬＥＤ多灯化にも対応出来る構成としている。実施例３では、ＬＥＤ近傍部とＬＥＤから遠い部分でパターンを異ならせた。その具体例を図１０、図１１に示した。図１０は、ＬＥＤ近傍部が同心円、ＬＥＤから遠い部分で直線とした構成を示す。また、図１１は、ＬＥＤ近傍部が楕円、ＬＥＤから遠い部分で直線とした構成を示す。

図１２は、実際に試作で輝度平均と輝度ムラの評価を行うための評価方法を説明する図である。図１２において、１６．５ｍｍピッチで３個のＬＥＤを搭載したバックライトのＬＥＤ側導光板端面から、５．５ｍｍ、７．５ｍｍ、９．５ｍｍ離れた各ライン（Ｌｉｎｅ Ａ、Ｌｉｎｅ Ｂ、Ｌｉｎｅ Ｃ）での輝度均一性とバックライト全面の輝度平均を指標とした。輝度均一性は、以下の式（１５）で定義した。
輝度均一性＝(最大輝度―最小輝度)／平均輝度 ・・・・・（１５）

図１３は、現行の光線制御素子を設けた導光板と、試作した導光板の複数仕様の説明図である。図１３（a）は現行品の仕様、仕様Ｎｏ．１乃至仕様Ｎｏ．４が試作した導光板で、仕様Ｎｏ．１が一部楕円パターン、仕様Ｎｏ．２が一部円弧パターン、仕様Ｎｏ．３と仕様Ｎｏ．４が一部横向き溝パターンとしたものである。この輝度平均と輝度均一性を現行品との比較で表５に示した。表５に示された結果から、輝度平均は１００％より大きい方が、現行品より良く、輝度均一性は１００％より小さい方が現行品より良いということになる。

これらの結果より、一部楕円パターン、一部円弧パターンについては、輝度平均は変化無いまま輝度均一性を向上させることが出来ることが分る。一部横向き溝パターンについても、同様の効果が確認出来た。

なお、導光板の出光面（上面）に上記と同様の光線制御素子のパターンを設けることでも、同様の効果を得ることができる。

図１４は、本発明にかかる液晶表示装置の全体構成例を説明する展開斜視図である。液晶表示パネルに駆動回路ＤＲを実装した液晶表示パネル組立ＬＣＤＡの背面に前記した実施例１あるいは実施例２で説明した導光板と、拡散シートやプリズムシート等の光学補償部材を組み込んだバックライト組立ＢＬＡを設置する。導光板にはぜんきした実施例の何れかの光線制御素子のパターンが設けられており、上面には下向きのプリズム面を有するプリズムシートが載置される。液晶表示パネル組立ＬＣＤＡにはフレキシブルプリント基板ＦＰＣを好適とする信号接続部材が外部信号現との間に接続される。液晶表示パネル組立ＬＣＤＡの表面にフレームＳＨＤを被せ、バックライト組立ＢＬＡと係合させて一体の液晶表示装置に組立てられる。バックライトの発光ダイオードへの給電は配線ＰＬから行われる。

液晶表示装置のバックライトの構成を説明する断面図である。 導光板ＧＬＢにおける面内輝度分布を説明する要部平面図である。 ＬＥＤから出射した光の挙動を説明する図である。 透過光と屈折光関係を説明する図である。 出射角度の算出を説明するための簡易モデルの説明図である。 図５（b）の導光板の要部をプリズムシートと共に示す断面図である。 図５、図６で説明した算出方法によって図５に示した簡易モデル上の算出位置の説明図である。 本発明の実施例１を説明する簡易モデルの説明図である。 本発明の実施例２を導光板上で説明する図である。 ＬＥＤ近傍部が同心円、ＬＥＤから遠い部分で直線とした構成を示す図である。 ＬＥＤ近傍部が楕円、ＬＥＤから遠い部分で直線とした構成を示す図である。 実際に試作で輝度平均と輝度ムラの評価を行うための評価方法を説明する図である。 現行の光線制御素子を設けた導光板と、試作した導光板の複数仕様の説明図である。 本発明にかかる液晶表示装置の全体構成例を説明する展開斜視図である。

符号の説明

ＬＥＤ・・・発光ダイオード、ＧＬＢ・・・導光板、ＣＰＮ・・・光線制御素子、ＲＦＳ・・・反射シート、ＰＲＺ・・・プリズムシート。

Claims (10)

1. 液晶表示パネルの背面に設置する面光源装置であって、
   前記面光源装置は、導光板と、該導光板の一側縁に所定の間隔で設置された１又は複数の点光源を有し、
   前記導光板の前記液晶表示パネルに対向する面とは反対側の面に、前記点光源を中心とした同心の曲線状に配置された光線制御素子パターンを設けたことを特徴とする面光源装置。
2. 請求項１において、
   前記同心の曲線状に配置された光線制御素子パターンが同心円状であることを特徴とする面光源装置。
3. 請求項１において、
   前記同心の曲線状に配置された光線制御素子パターンが同心楕円状であることを特徴とする面光源装置。
4. 請求項１乃至３の何れかにおいて、
   前記光線制御素子パターンが三角山/溝の断面を有することを特徴とする面光源装置。
5. 請求項４において、
   前記三角山/溝の断面を有する光線制御素子パターンが前記導光板の前記点光源の近傍に配置され、前記導光板の前記点光源から遠い部分には前記導光板の一側縁に平行な方向に伸びる三角山/溝の断面を有する直線状の光線制御素子パターンであることを特徴とする面光源装置。
6. 液晶表示パネルと、この液晶表示パネルの背面に設置された照明装置とを有する液晶表示装置であって、
   前記照明装置は、導光板と、該導光板の一側縁に所定の間隔で設置された１又は複数の点光源を有し、
   前記導光板の前記液晶表示パネルに対向する面とは反対側の面に、前記点光源を中心とした同心の曲線状に配置された光線制御素子パターンを設けたことを特徴とする液晶表示装置。
7. 請求項６において、
   前記同心の曲線状に配置された光線制御素子パターンが同心円状であることを特徴とする液晶表示装置。
8. 請求項６において、
   前記同心の曲線状に配置された光線制御素子パターンが同心楕円状であることを特徴とする液晶表示装置。
9. 請求項６乃至８の何れかにおいて、
   前記光線制御素子パターンが三角山/溝の断面を有することを特徴とする液晶表示装置。
10. 請求項９において、
    前記三角山/溝の断面を有する光線制御素子パターンが前記導光板の前記点光源の近傍に配置され、前記導光板の前記点光源から遠い部分には前記導光板の一側縁に平行な方向に伸びる三角山/溝の断面を有する直線状の光線制御素子パターンであることを特徴とする液晶表示装置。