JP2009053377A - 液晶表示装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 導光板の側面に発光ダイオードを配置するバックライトにおいて、バックライトからの出射光のムラを低減する。
【解決手段】 液晶パネルに光を照射するバックライトを有する液晶表示装置において、バックライトに設けられた導光板に、発光素子としてLEDを設け、導光板の出光面に涙形のレンズを形成する。涙形のレンズにより発光素子から出射した光の進行方向を変化させることで、導光板からの出射光を散乱させて面状光源としてのムラを減少させる。
【選択図】 図3

Description

本発明は、非自発光型の表示装置の光源に関し、特に導光板を備え、LEDを光源として用いたバックライトを有する液晶表示装置に関する。
近年、表示装置として液晶表示装置が多用されている。特に液晶表示装置は、薄型、軽量、省電力であることから携帯用機器の表示部に用いられている。
しかしながら液晶表示装置は、自発光型でないために照明手段を必要とする。一般に液晶表示装置で用いられる照明装置には、バックライトと呼ばれる面状照明装置が普及している。従来バックライトの発光素子(光源とも呼ぶ)には冷陰極放電管が用いられているが、近年、LED(発光ダイオード)も発光素子として用いられている。
バックライトには板状の導光板が設けられている。導光板の材質は透光性の樹脂等であり、発光素子から導光板に入射した光は導光板中を伝播する。導光板には溝、突起または印刷物等の反射・散乱部材が設けられおり、この反射・散乱部材により導光板中を伝わる光は液晶表示装置側に向けて出射する。
LEDを発光素子として用いる場合に、LEDが点光源であることから導光板からの光を均一に出射させることが困難であるといった問題が生じる。そのため、例えば下記「特許文献1」などにより、点光源であるLEDの光を均一に拡散させる技術が提案され、光学シートに円錐状のレンズを設けた構成が開示されている。しかしながら、特許文献1に記載の技術は光学シート上にレンズを形成するもので、導光板に直接レンズを形成するものではない。また、下記「特許文献2」には、蛇行するレンズの記載があるが、光学シート上にレンズを形成するもので導光板に直接形成するレンズではない。
特開2007−121675号公報 特開2001−296407号公報
発光素子としてLEDを使用し、高輝度化する目的で、複数のLEDを用いるバックライトでは、LEDは離散して導光板の側面に配置される。そのため、LEDとLEDの間では光が入射しない部分が発生し、LEDから導光板内に入射した光を均一に出射させることが困難であった。
液晶表示装置に、表示パネルと、該表示パネルに光を照射するバックライトと、上記バックライトに設けられた発光素子と、発光素子からの光が入射する導光板と、導光板側面に発光素子を配置する。
導光板の出光面に涙形のレンズを形成し、出射する光を拡散させて、バックライトから出射する光を面内で均一にする。
導光板の出射面にレンズを設けることで、導光板から出射する光の方向を制御して面内で均一な光強度とすることができ、導光板から出射する光のムラを減少させることが可能になる。
液晶パネルと、液晶パネルに光を照射する面状照明装置とを有する液晶表示装置において、面状照明装置には出光面と該出光面に対向する底面とを有する導光板を設ける。また、導光板には出光面または底面と交差する側面を設け、導光板の第1の側面に沿って複数のLEDを設け、第1の側面からLEDの光を入射させて、第1の側面を導光板の入射面とする。導光板に入射した光は導光板底面に設けられた散乱部材によって出光面側に向けられ、出光面から出射する。導光板の出光面には涙型のレンズを設け、涙形のレンズにより光を拡散させて、導光板から出射する光のムラを減少させる
図1は、本発明による液晶表示装置100を示す平面図である。液晶表示装置100は液晶パネル1とバックライト110と制御回路80とで構成される。制御回路80からは液晶表示装置100の表示に必要な信号及び、電源電圧が供給される。制御回路80はフレキシブル基板70に搭載されており、配線71、端子75を介して信号が液晶パネル1に伝達される。
バックライト110は、導光板120とLED150と収納ケース180とから構成されている。バックライト110は液晶パネル1に光を照射する目的で設けられる。液晶パネル1ではバックライト110から照射された光の透過量または反射量を制御して表示を行う。なお、バックライト110は観察者に対して液晶パネル1の裏面側または前面側に重ねて設けられるが、図1では解り易くするために、液晶パネル1と並べて示している。
導光板120は、ほぼ矩形の形状をしており、側面にはLED150が設けられる。符号160は、複数のLED150の間を電気的に接続するフレキシブル基板である。フレキシブル基板160と制御回路80との間は配線161で電気的に接続されている。
LED150が配置された側面125を入射面または入光面と呼び、入射面125から光が導光板120に入射する。導光板120の出光面には涙形のレンズ128が形成されており、出射する光を拡散させて光のムラを減少させている。なお、涙形のレンズ128の詳細については後述する。
次に液晶パネル1について説明する。液晶パネル1はTFT基板2とカラーフィルタ基板3の2枚の基板を有し、重ねた2枚の基板の間には、液晶組成物が挟さまれている。TFT基板2の画素部8には画素電極12が設けられている。なお、液晶パネル1は多数の画素部8をマトリクス状に備えているが、図が煩雑になることを避けて、図1では画素部8を1つだけ図示している。マトリクス状に配置された画素部8は表示領域9を形成し、各画素部8が表示画像の画素の役割をはたし、表示領域9に画像を表示する。
図1においては、図中x方向に延在しy方向に並設されるゲート信号線(走査線とも呼ぶ)21と、y方向に延在しx方向に並設されるドレイン信号線(映像信号線とも呼ぶ)22とが設けられており、ゲート信号線21とドレイン信号線22とは交差している。また、画素部8はゲート信号線21とドレイン信号線22とで囲まれる領域に形成されている。
画素部8にはスイッチング素子10が設けられている。ゲート信号線21からは制御信号が供給され、スイッチング素子10のオン・オフが制御される。スイッチング素子10がオン状態となることで、ドレイン信号線22を介して伝送された映像信号が画素電極12に供給される。
ドレイン信号線22は駆動回路5に接続されており、駆動回路5から映像信号が出力する。ゲート信号線21は駆動回路6に接続されており、駆動回路6からは制御信号が出力する。なお、ゲート信号線21、ドレイン信号線22及び、駆動回路5及び駆動回路6とは同じTFT基板2上に形成されている。また、駆動回路5と駆動回路6、さらに制御回路80とを1つの半導体チップ上に形成することも可能である。
次に図2に発光素子であるLED150の概略図を示す。図2(a)は概略断面図、図2(b)は光出射側正面図を示す。
LED150は発光部であるLEDチップ151がチップ基板154に搭載された構造をしている。LEDチップ151はpn接合を有し、pn接合に電圧を印加すると特定の波長で発光する。pn接合を形成するp型半導体層にはp電極(アノード)158と、n型半導体層にはn電極(カソード)159とがそれぞれ設けられる。
p電極158と、n電極159にはワイヤ152が接続されている。ワイヤ152はLED150を外部と接続するために設けられたチップ端子153とp電極158及びn電極159とを電気的に接続する。
LEDチップ151の出射面側には、蛍光発光部156が設けられる場合もある。蛍光発光部156はLEDチップ151から発光する光の波長を変換する機能を有している。符号155は反射部で光を前方に反射させる。
次に、図3(a)に導光板120の概略平面図と、図3(b)に概略側面図とを示す。導光板120は図3(a)に示すように略矩形をしており、図3(b)に示すように上面(出光面とも呼ぶ)121と下面122とを有している。導光板120はアクリル樹脂やポリカーボネート等の光を透過する材質からなり、板状で、厚さが1.0mmから0.2mmに形成されている。
図3(b)では、導光板120の断面は略矩形であるが、入射面125から出光面121に向けて傾斜面129が形成されている。この傾斜面129は出光面121の厚さに対してLED150の厚さが、厚い場合に有効であり、傾斜面129は出光面121より厚い入光面125から入射した光を出光面121に向けて導いている。
図3では、導光板120、LED150、フレキシブル基板160の位置関係が示されている。導光板120の少なくとも一辺には入射面125が設けられており、入射面125の近傍には、複数のLED150が設けられている。LED150はフレキシブル基板160の下側に入射面125に沿って並べられている。
フレキシブル基板160の導光板120側には接着シート190(図示せず)が設けられており、フレキシブル基板160を導光板120に接着、固定することで、入射面125に対してLED150の位置を合せている。
次に図3(b)を用いてLED150から出光する光131について説明する。LED150から出射した光131は、入射面125より導光板120に入射する。導光板120の屈折率は空気よりも大きいため、入射面125の垂線方向に対し特定の角度より大きい角度で入射面125に到達した光は反射され、小さい角度で到達した光は導光板120内部に侵入する。
導光板120の上面121と下面122とは入射面125に対して略直交しており、導光板120内部に入射した光は、導光板120の上面121と下面122で全反射を繰り返して導光板120内部を進む。下面122には反射部としてV字型の溝126が設けられている。導光板120を進む光の一部は、下面122に設けられた溝126で上面121側に向け反射され、上面121から出射する。なお、反射部としてV字型の溝126を1例として説明したが、導光板を進む光を上面121側に向けるものであれば良く、印刷等で設けられた白色ドットを用いることも可能である。
上面121には涙形のレンズ128が形成されている。この涙形レンズ128により出射光は拡散される。涙形レンズ128は図3(a)においてY方向に光を拡散するよう設けられている。以下説明では、入射面125に平行なY方向を導光板120の横方向と呼び、光の主な進行方向に沿うX方向を導光板120の縦方向と呼ぶ。なお、涙形レンズ128で光が拡散される詳細については後述する。
次に図4を用いて溝126で反射する光について説明する。図4(a)は溝126が内側に凸の場合を示し、図4(b)は溝126が外側に凸の場合を示している。溝126は反射面(傾斜面とも呼ぶ)127を有し、反射面127は下面122に対して1度から35度の角度を有している。反射面127で反射した光は導光板120の上面121に向けて反射する。反射面127で反射させることで、光の上面121に対する角度を、上面121から出光可能な角度とすることが可能である。すなわち、前述したように導光板120内では光は全反射を繰り返すが、反射面127により、光は出射可能な角度となり導光板120から出射する。
溝126は入光面125に沿う方向(導光板120の横方向)に連続して形成されている。また溝126に設けられた反射面127は平面なので、反射面127で反射される光の進行方向は導光板120の横方向には変化しない。そのため、出光面121に涙形レンズ128を設け、導光板120で光の進行を横方向に屈折させている。
図4(a)に示すように、導光板120の上面121の上にはプリズムシート112と113とが設けられ、導光板120から出射した光の向きを制御している。なお、図4(a)ではプリズムシート112と113とは三角柱の稜線が交差するように配置されている。そのため、プリズムシート113は導光板120から出射した光の進行方向を横方向に屈折させ、内側(液晶パネル側)に向けることが可能である。また符号114は拡散板で、符号115は反射シートである。
次に、図4(b)に非対称プリズムシートを1枚用いる場合を示す。反射面127で反射した光は、上面121の鉛直方向に対して鈍角となり、上面121から外側(図中右側)に広がるように出射している。導光板120の上には、非対称プリズムシート116が設けられていて、外側に向かう光を液晶パネル(図示せず)側に向かうように屈折させている。
図4(b)では、プリズムシート116を1枚とし主に導光板120の縦方向の光の進行方向を制御している。そのため導光板120の上面121に涙形のレンズ128を形成して、出射光の向きを導光板120の横方向に制御することが有効である。
次に図5は、導光板120の上面121の一部を上側から平面的に観察したもので、上面121には涙形のレンズ128が形成されている。図中左側に光源(LED150)が配置され、光線131は入射面125から導光板120に入射しX方向(縦方向)に進行するが、Y方向(横方向)にも広がっている。しかしながら、光線131の多くは縦方向に進行し、横方向に広がるものは少ない。
図6を用いて、LED150近傍の光の進行方向について説明する。LED150から出た光130の進行方向は、理想的には図6(a)に示すように法線141に対して−90度から90度まで均一に分布していると考えることができる。
しかしながら、図6(b)に示すように、導光板120に入射した光の進行方向には偏りが生じる。導光板120の屈折率を例えば1.59とした場合に、スネルの法則より入射面125の法線方向141に対して90度で入射した光は、導光板120内では法線141に対して51.0度の角度で進行する光となる。すなわち、導光板120に入射した時点では、入射面125から39度以下の角度を有する光は存在しないこととなる。なお、図を見易くするため、入射面125に対して39.0度の角度を点線で示した。
従って、図6(b)に示すように、導光板120内の光の進行方向は、涙形に分布している。すなわち、入射面125に平行な方向(導光板120の横方向)に少なく、垂線141方向(導光板120の縦方向)に多く分布している。よって、図4に示す導光板120の下面122に設けられた反射面127で反射し、導光板120から出光する光も出光面側から平面的に見た場合に、図6(b)に示す分布に影響される。
図4(a)では、プリズムシート112と113とを交差するように設け、導光板の横方向、縦方向共に液晶パネル側に集光しているが、図6(b)に示す光の進行方向の分布の偏りを解消するものでは無い。
本発明では図5に示すように、導光板120に涙形レンズ128を設け、導光板120内の光の進行方向の偏りを打ち消すようにすることで、導光板120から出射する光のムラを解消可能としている。
次に図7、図8を用いて涙形レンズ128の形状について説明する。図7(b)は図7(a)に線A−Aで示す断面図で、また、図7(c)は図7(a)に線B−Bで示す断面図である。
図中矢印142は光の主な進行方向を示している。図6で説明したように、導光板120の入射面125から入射した光は、入射面125の法線方向(導光板120の縦方向)に主に進行している。以下、導光板120内の光の主な進行方向142を単に進行方向142と呼ぶこともある。
図7に示した涙形レンズ128は導光板120の内側に向けて凹状の涙形レンズ128である。涙形レンズ128から出射する光132は、進行方向142に対して、交差する方向(導光板120の横方向)に屈折している。よって、進行方向の分布の偏りを解消することが可能となる。
涙形レンズ128は図7(b)に示すように、線A−Aに沿う断面は、半円に近い形状を有している。対して図7(c)に示すように、線B−Bに沿う断面は、楕円を半分にした形状を有している。
涙形レンズ128は線B−Bに沿って線A−A方向の幅が変化することで、半円の半径が線B−Bに沿って変化している。同時に図7(c)に示すように深さも線B−Bに沿って変化している。
このように、涙形レンズ128は光の進行方向142に沿って半径が徐々に変化する形状をしているので、曲率も進行方向142に沿って除々に変化している。そのため、涙形レンズ128で光の進行方向142に交差する方向に屈折する角度も曲率に従い変化する。よって、涙形レンズ128は多様な角度に屈折して、光の拡散性が優れた形状を有していることになる。
図7(c)に外側に向かう光133を示す。涙形レンズ128は図7(b)に示すように、進行方向142に対して交差する方向に光を屈折させることで、進行方向の偏りを減少さている。そのため、なるべくは進行方向142に沿う方向に変化が生じないことが望ましい。特に屈折方向が液晶パネルから離れる方向(外側)に向かうことは避けることが望ましい。
しかしながら、図7に示す涙形レンズ128は凹レンズのため、レンズ中央から進行方向142側の半分部分では、光が外側(図中左側)に向けて屈折し、外側に向かう光133が生じることとなる。導光板120の構造によっては、この外側に向かう光133の発生を抑える必要も生じる。
図8は導光板120の外側に向けて凸状の涙形レンズ128である。涙形レンズ128から出射する光132は、レンズの内側であるが進行方向142に対して交差する方向に屈折している。よって、進行方向の分布の偏りを解消することが可能である。
図8(b)は図8(a)に線A−Aで示す断面図で、凸レンズの役割を果すために、出射光132は内側に集光するよう屈折している。
次に図9〜図19を用いて涙形レンズ128の形状および配置について説明する。図9では涙形レンズ128は交互にX方向にずらして配置され、涙形レンズ128の中心を結んだ線が三角形を作るように配置されている。図9に示す三角配置では、各涙形レンズ128を密に配置することができ、涙形レンズ128を均一に配置することが可能となる。
図10では涙形レンズ128の形状を非対称にし、光源150から離れる側を細長くしたものである。光源150から離れる側で徐々に曲率を小さくすることで、出射光がX方向に屈折し、液晶パネルから離れる方向に向かう問題を減少させることが可能である。
次に図11を用いて非対称の涙形レンズ128の形状について説明する。図11(b)は図11(a)の線C−Cで示す断面図である。図11(b)は図11(a)の線B−Bで示す断面図である。涙形レンズ128は図11(c)に示すように、線B−Bに沿う断面は、光の進行方向142に沿う後ろ半分の円弧の高さが低くなっている。
また、図11(b)に示すように、線C−Cで示す断面は線C−C方向の幅に対して、円弧の高さが低い扁平な形状となっている。また、前半部分に比べて後半部分では、曲率が徐々に変化している。そのため、外側に向かう光133の屈折角度が抑えられ、上面121の垂線方向に対して小さな角度になっている。
次に図12では、涙形レンズ128の形状を非対称にし、交互に中心がずれるように三角配置した導光板120を示す。三角配置とすることで涙形レンズを均一に配置することが可能で、屈折光が液晶パネルから離れる方向に向かう問題も減少させることが可能である。
図13は、X方向に隣合う涙形レンズ128を連続して形成したものである。隣合う涙形レンズ128との境が無いので、形状としては涙形ではないが、導光板120内の光の進行方向が涙形に偏っていることを補正する機能を有する点で涙形レンズ128と呼ぶ。
図13に示す涙形レンズ128では、隣合う涙形レンズ128間に境がないので、境界部で発生する問題を減少させることが可能である。特に出射光がX方向に屈折し、液晶パネルから離れる方向に向かう問題を減少させることが可能である。
図14はX方向に隣合う涙形レンズ128を連続して形成し、Y方向に隣合う涙形レンズ128の最も突出又は凹んだ部分がX方向にずれるように配置したものである。三角配置と同様に涙形レンズ128を密にかつ均一に配置することが可能である。
図15ではX方向に従い涙形レンズ128の大きさを変化させたものである。光源150からの距離により導光板120内の光量が変化する場合には、涙形レンズ128の大きさを調整することで、出射光の量を均一にすることが可能である。
図16は交互に涙形レンズ128の大きさを変化させたものである。大きな涙形レンズ128の間を小さな涙形レンズ128で埋めることで、涙形レンズ128を密に配置することが可能となる。
図17はX方向に隣合う涙形レンズ128を連続して形成し、Y方向で涙形レンズ128の幅を変化させたものである。光源150に近い位置の涙形レンズ128の幅を広くして、遠い位置の涙形レンズ128の幅を狭くしている。図17では光源150からX方向に直線的に進行する光をなるべくY方向に屈折させる構成となっている。なお、涙形レンズ128の幅に合わせて、深さまたは高さも変化させている。
図18は涙形レンズ128を連続して形成し、X方向で光源150から離れるに従って幅を広くしたものである。光源150から離れるに従い導光板120内の光量が減少する場合に有効である。なお、図18の涙形レンズ128も幅に合わせてレンズの深さまたは高さも変化させたものとすることも可能である。
図19は涙形レンズ128の大きさをY方向で段階的に変化させたものである。進行方向がX方向に偏る光の量に合わせて涙形レンズ128の大きさを変化させてある。
図20は涙形レンズ128を非対称で、大きさをY方向で段階的に変化させ、さらに三角配置したものである。光量に合わせて涙形レンズ128の大きさを変化させ、光源150からX方向に直線的に進行する光をなるべくY方向に屈折させる構成となっている。さらに隙間を埋めるように三角配置することで、涙形レンズ128を密に配置することが可能となっている。また、光源150から離れる側で徐々に曲率を小さくすることで、出射光がX方向に屈折し、液晶パネルから離れる方向に向かう問題を減少させることが可能である。
本発明の実施の形態である液晶表示装置の概略構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態である液晶表示装置の発光ダイオードを示す概略図である。 本発明の実施の形態である液晶表示装置の導光板を示す概略図である。 本発明の実施の形態である液晶表示装置の導光板を示す概略断面図である。 本発明の実施の形態である液晶表示装置の導光板の一部を示す概略平面図である。 本発明の実施の形態である液晶表示装置の光源付近の光の進行方向を示す概略図である。 本発明の実施の形態である液晶表示装置の涙形レンズの形状及び光の進行方向を示す概略図である。 本発明の実施の形態である液晶表示装置の涙形レンズの形状及び光の進行方向を示す概略図である。 本発明の実施の形態である液晶表示装置の導光板を示す概略平面図である。 本発明の実施の形態である液晶表示装置の導光板を示す概略平面図である。 本発明の実施の形態である液晶表示装置の涙形レンズの形状を示す概略図である。 本発明の実施の形態である液晶表示装置の導光板を示す概略平面図である。 本発明の実施の形態である液晶表示装置の導光板を示す概略平面図である。 本発明の実施の形態である液晶表示装置の導光板を示す概略平面図である。 本発明の実施の形態である液晶表示装置の導光板を示す概略平面図である。 本発明の実施の形態である液晶表示装置の導光板を示す概略平面図である。 本発明の実施の形態である液晶表示装置の導光板を示す概略平面図である。 本発明の実施の形態である液晶表示装置の導光板を示す概略平面図である。 本発明の実施の形態である液晶表示装置の導光板を示す概略平面図である。 本発明の実施の形態である液晶表示装置の導光板を示す概略平面図である。
符号の説明
1…液晶パネル、2…TFT基板、5…駆動回路、6…駆動回路、8…画素部、9…表示領域、10…スイッチング素子、12…画素電極、21…ゲート配線(走査信号線)、22…映像信号線、70…FPC、71…配線、75…端子、80…制御回路、110…バックライト、112…プリズムシート、113…プリズムシート、114…拡散板、115…反射シート、116…遮光枠、120…導光板、121…上面、122…下面、125…入射面、126…溝、128…涙形レンズ、129…傾斜面、131…出射方向光線、150…LED、151…LEDチップ、152…ワイヤ、153…チップ端子、156…蛍光発光部、158…アノード電極、159…カソード電極、160…フレキシブル基板、180…モールド、220…導光板凸部。

Claims (12)

  1. 液晶パネルと、該液晶パネルに光を照射するバックライトと、
    バックライトに設けられた発光素子と導光板とを有し、
    導光板の出光面には涙形のレンズを形成したことを特徴とする液晶表示装置。
  2. 上記涙形のレンズは導光板に入射した光の進行方向の分布を補正する形状であることを特徴とする請求項1に記載の液晶表示装置。
  3. 上記涙形のレンズの断面が楕円形であることを特徴とする請求項1に記載の液晶表示装置。
  4. 上記涙形のレンズの形状が非対称であることを特徴とする請求項1に記載の液晶表示装置。
  5. 液晶パネルと、該液晶パネルに光を照射するバックライトと、
    バックライトに設けられた導光板と、
    導光板の側面に沿って配置された複数の発光ダイオードとを有し、
    導光板の出光面には半径が上記側面から離れるに方向に長い涙形のレンズを形成したことを特徴とする液晶表示装置。
  6. 上記涙形のレンズの上記側面に沿う方向の半径は、上記側面から離れるに従って変化することを特徴とする請求項5に記載の液晶表示装置。
  7. 上記涙形のレンズは導光板に入射した光の進行方向の分布を補正する形状であることを特徴とする請求項5に記載の液晶表示装置。
  8. 上記涙形のレンズの断面が楕円形であることを特徴とする請求項5に記載の液晶表示装置。
  9. 上記涙形のレンズの形状が非対称であることを特徴とする請求項5に記載の液晶表示装置。
  10. 液晶パネルと、該液晶パネルに光を照射する面状照明装置とを有する液晶表示装置において、
    面状照明装置には出光面と該出光面に対向する底面とを有する導光板を設け、
    導光板には出光面または底面と交差する側面を設け、
    導光板の第1の側面に沿って複数のLEDを設け、
    第1の側面からLEDの光を入射させて、第1の側面を導光板の入射面とし、
    導光板に入射した光は導光板底面に設けられた散乱部材によって出光面側に向けられ出光面から出射し、
    導光板の出光面には涙型のレンズを設け、涙形のレンズにより出射光を拡散させることを特徴とする液晶表示装置。
  11. 上記導光板に入射した光の進行方向の分布は涙形の形状をしており、上記涙形のレンズは光の進行方向の分布を補正する形状であることを特徴とする請求項10に記載の液晶表示装置。
  12. 上記涙形のレンズの形状が非対称であることを特徴とする請求項10に記載の液晶表示装置。
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