JP2009224138A - バックライト装置 - Google Patents

Abstract

【課題】バックライトを厚さ方向に大型化させることなく、発光面を違和感なく発光させることができるバックライト装置を提供する。
【解決手段】発光色の異なるＬＥＤ１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂで構成したＬＥＤ群１１をＬＥＤ基板１６上に所定間隔毎に複数組実装した光源ユニット１５と、光源ユニット１５からの出射光を入射して色混合させる導光路を筐体２の背面に沿って形成する導光板２１と、導光路の終端から出射する光を反射して発光面９ａに導く反射部材３０とを具備して構成した複数の光源モジュール５を筐体内に配列し、これら光源モジュール５で色混合された各ＬＥＤ１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂからの出射光を空気層４０を介して発光面９ａに入射させる。そして、制御ユニット１０２を通じて各ＬＥＤ群１１のＬＥＤ１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂ毎に調光制御を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光色の異なる複数の発光ダイオード等の発光素子を光源として用いたバックライト装置に関する。

近年、液晶装置等のバックライトにおいては、冷陰極蛍光ランプ等に代えて、複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）を光源として用いたバックライトが数多く提案されている。ところで、一般に、ＬＥＤは発光色の個体差が大きいため、この種のバックライトでは、複数種類のＬＥＤから出射される光を混合することによって所望の色の光が生成される。

この種のバックライトとして、例えば、特許文献１には、表示面（発光面）の直下に配置したＲ，Ｇ，ＢのＬＥＤを隔壁で囲んで構成した複数のバックライトサブユニットをマトリクス状に配置したバックライトが開示されている。
特開２００７−１８３５６０号公報

しかしながら、上述の特許文献１に開示された技術のように内部に隔壁を設けた場合、当該隔壁が発光面上に暗線として現出したり、発光区分があまりにも明瞭となり、発光領域の境界近傍において、画像上の発光強度等を滑らかにコントロールすることが困難となる等の虞がある。

また、上述の特許文献１に開示された技術のように、複数のＬＥＤによって発光面を直接的に照射する構成では、各ＬＥＤの配置に応じた輝度ムラ等が発生し易い。そして、このような輝度ムラ等を平滑化等するためには、各ＬＥＤから発光面までの間に所定の光路長を確保する必要があり、バックライトを厚さ方向に大型化させる虞がある。

さらに、ＬＥＤの発光量等は、温度に大きく依存して変化するため、使用時等にバックライト内で発生する温度勾配等に応じて発光面上に意図しない輝度ムラ等が発生する虞がある。

本発明は、バックライトを厚さ方向に大型化させることなく、発光面を違和感なく発光させることができるバックライト装置を提供することを目的とする。

本発明は、前面が開口された扁平な筐体と、前記筐体の開口部に設定された発光面と、前記筐体内に配列された複数の光源モジュールと、前記発光面と前記光源モジュールとの間に形成された空気層と、前記各光源モジュールを点灯制御する点灯制御手段と、を具備し、前記各光源モジュールは、発光色の異なる複数の光源で構成された光源群を設定間隔毎に複数組実装した光源ユニットと、前記光源ユニットからの光を入射して色混合させる導光路を前記筐体の背面に平行な前記光源モジュールの配列方向に形成する導光板と、前記導光路の終端から出射する光を反射して前記発光面に導く反射部材とを有し、前記点灯制御手段は、前記各光源モジュールを前記光源群毎に調光制御することを特徴とする。

本発明のバックライト装置によれば、バックライトを厚さ方向に大型化させることなく、発光面を違和感なく発光させることができる。

以下、図面を参照して本発明の形態を説明する。図面は本発明の一実施形態に係わり、図１は液晶表示装置の概略構成を示す分解斜視図、図２はバックライトの内部構造を図１のII−II線に沿って示す平面図、図３は図１のIII領域の構成を示す分解斜視図、図４はバックライト内における光の挙動及び熱の伝達状態を示す説明図、図５はバックライトの要部を示す断面斜視図、図６は液晶表示装置のシステム構成を示すブロック図、図７は光源モジュールと発光エリアとの関係を示す説明図、図８（ａ）は各発光エリアの輝度調光率の設定例を示す説明図であって（ｂ）は（ａ）の輝度調光率で制御した場合の発光面上の輝度分布のシミュレーション結果を模式的に示す説明図、図９（ａ）は各発光エリアの輝度調光率の設定例を示す説明図であって（ｂ）は（ａ）の輝度調光率で制御した場合の発光面上の輝度分布のシミュレーション結果を模式的に示す説明図、図１０（ａ）は液晶パネルで表示する映像の一例を示す説明図であって（ｂ）は（ａ）の映像に応じて色度を制御した場合の色度分布のシミュレーション結果を模式的に示す説明図である。

図１に示すバックライト１は液晶テレビ等に好適に用いられるバックライトであり、このバックライト１は、例えば、発光面９ａ上に重畳配置される液晶パネル１０１、及び、当該液晶パネル１０１に対する表示制御を行う制御ユニット１０２等とともに液晶表示装置１００を構成する。

図１〜３に示すように、本実施形態のバックライト１は、前面が開口した扁平な略箱形形状の筐体２を有する。この筐体２は、例えば、熱伝導率の高いアルミニウム合金等を用いたプレス成形等によって、矩形の背面板２ａと、当該背面板２ａの各辺に立設する側壁２ｂと、が一体形成されて要部が構成されている。

この筐体２の内部には、例えば、筐体２の長手方向に長尺に形成された複数組（例えば、６組）の光源モジュール５が、筐体２の短手方向に沿って平行に配列されている。

また、筐体２には、例えば、矩形の開口部６ａを有するベゼル６が前面側から冠設されている。筐体２とベゼル６との間には、例えば、平面矩形形状をなす拡散板７と、前面側に拡散シート９を貼着した平面略矩形形状のレンズシート８とが、背面側から順に重畳された状態で保持されている。そして、ベゼル６の開口部６ａから外部に露呈する拡散シート９上の領域が、発光面９ａとして設定されている。ここで、拡散板７と各光源モジュール５との間には、所定の空隙による空気層４０が形成されている。

各光源モジュール５は、例えば、発光色の異なる複数種類の発光ダイオード（ＬＥＤ）を光源として実装した光源ユニット１５と、この光源ユニット１５から供給される各色の光線を入射して色混合させる導光路２０を筐体２の背面に平行な源モジュール５の配列方向に形成する導光板２１と、導光路２０の終端から出射する光を反射して発光面９ａに導く反射部材３０とを備えて構成されている。

光源ユニット１５は、例えば、筐体２の長手方向の各側壁２ｂ間に保持される細長な短冊状のＬＥＤ基板１６上に、Ｒ，Ｇ，Ｂ各色のＬＥＤ１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂを各１個用いた組み合わせを１組とするＬＥＤ群（光源群）１１が、筐体２の長手方向に沿って、所定間隔毎に複数組実装されて要部が構成されている。具体的には、例えば、図２に示すように、各ＬＥＤ基板１６上には、５組のＬＥＤ群１１が実装されている。そして、上述のように、本実施形態において、ＬＥＤ基板１６上にそれぞれ５組のＬＥＤ群１１が実装された６組の光源ユニット１５（光源モジュール５）が筐体２内に収容されることから、筐体２内には、例えば、５×６組のＬＥＤ群１１が所定間隔毎にマトリクス状に配置される。なお、以下の説明において、ＬＥＤ１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂを総称してＬＥＤ１０ともいう。

ここで、例えば、図２，３に示すように、筐体２の長手方向の各側壁２ｂの内面には、互いに対向する一対の基板保持溝３ａが各光源モジュール５にそれぞれ対応して所定間隔毎に設けられている。これら各基板保持溝３ａは、筐体２の前面側から背面板２ａに向けて延在されており、各光源ユニット１５は、各対の基板保持溝３ａにＬＥＤ基板１６の両端部が挿入されることにより、各ＬＥＤ１０の各光軸を筐体２の背面板２ａに平行な方向に指向させた状態で保持される。

導光板２１は、例えば、その厚さが筐体２の深さよりも十分に薄く形成された細長な略直方体形状をなす光透過性の樹脂部材で構成されている。本実施形態において、この導光板２１は、入射面２２ａが各ＬＥＤ１０に当接する第１の導光部材２２と、この第１の導光部材２２の出射面２２ｂに入射面２３ａが当接されるとともに出射面２３ｂが導光路２０の終端を構成する第２の導光部材２３とで分割形成されている。これら第１の導光部材２２の出射面２２ｂ及び第２の導光部材２３の入射面２３ａは、筐体２の背面板２ａに対して所定角度で傾斜する曲面で構成されている。そして、これら出，入射面２２ｂ，２３ａが傾斜されることにより、導光路２０内の中途にハーフミラー部が形成される。これにより、導光板２１は、各ＬＥＤ１０から入射された光を、導光路２０終端の出射面２３ｂからのみならず、その中途からも一部出射する（図４参照）。この場合において、導光部材２２の入射面２２ａから出射面２２ｂ（すなわち、ハーフミラー部）までの距離は、３種類のＬＥＤ１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂからの出射光を色混合させるに十分な距離に設定されている。

ここで、図５に示すように、各導光部材２２，２３には、発光面９ａ側の面の両端部に、それぞれ凹部２２ｃ，２３ｃが形成されている、そして、各導光部材２２，２３は、各凹部２２ｃ，２３ｃに、筐体２の側壁２ｂから突出する爪部２ｃが係合することにより、筐体２内に保持されている。なお、各凹部２２ｃ，２３ｃは、各爪部２ｃに対して十分大きなサイズに形成されている。これにより、各爪部２ｃは、各凹部２２ｃ，２３ｃに対して遊嵌され、各導光部材２２，２３が熱膨張した場合にも、各導光部材２２，２３に不要な応力を発生させることなく、これらを好適に保持する。

反射部材３０は、例えば、熱伝導率の高い材料からなる三角柱状のブロックで構成されている。本実施形態において、具体的には、反射部材３０は、断面形状が直角三角形をなすアルミニウム合金製の部材で構成されている。この反射部材３０は、直交する２つの面に連続する斜面が反射面３０ａとして設定され、鏡面加工されている。そして、図４，５に示すように、反射部材３０は、導光板２１の終端である出射面２３ｂに反射面３０ａが対向するよう、筐体２内に配置される。その際、反射面３０ａに連続する他の面３０ｂ，３０ｃは、例えば、隣接する光源ユニット１５、及び、筐体２の背面板２ａに対し、熱伝導性の良好な接着剤等を介して当接されている。なお、図４に示すように、筐体２の短手方向の一端部には、側壁２ｂに当接する熱伝導部材３５が配設されており、この熱伝導部材２５には、一端側に位置する光源モジュール５のＬＥＤ基板１６が熱伝導可能に当接されている。

このような構成において、図４に示すように、光源ユニット１５の各ＬＥＤ群１１（ＬＥＤ１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂ）から導光板２１に入射された各色の光は、各々が全反射を繰り返しながら導光路２０を進行する過程で互いに混合される。

そして、色混合された光の一部は、第１の導光部材２２の出射面２２ｂと第２の導光部材２３の入射面２３ａとの間に形成されたハーフミラー部で反射されて導光路２０の中途から出射され、空気層４０で広範囲に拡散されながら発光面９ａ側に導かれる。一方、ハーフミラー部で反射されることなく第２の導光部材２３側に透過した光は導光路２０の終端である出射面２３ｂから出射され、反射面３０ａで反射された後、空気層４０で広範囲に拡散されながら発光面９ａ側に導かれる。そして、空気層４０で拡散された光は、拡散板７、レンズシート８、及び、拡散シート９の各作用によって、さらに拡散された後、発光面９ａを発光させる。その際、各光源ユニット１５で発生する熱は、隣接する光源モジュール５の反射部材３０、或いは、熱伝導部材３５を介して筐体２に伝達された後、外部に放出される。

ここで、導光部材２２，２３間に形成されるハーフミラー部の曲面形状や傾斜角、及び、反射面３０ａの傾斜角等は、実験やシミュレーション等に基づいて適正化されている。これにより、各ＬＥＤ群１１からの出射光が発光面９ａに到達するまでに拡散される領域がおおよそ規定され、各ＬＥＤ群１１は、それぞれ、図１に発光面９ａ上に２点鎖線で仮想的に示す各発光エリア（小領域）Ａｒを主として発光させる。すなわち、本実施形態において、発光面９ａ上には、各ＬＥＤ群１１に対応する仮想的な発光エリアＡｒが５×６のマトリクス状に形成され、各光源モジュール５は、対応する発光エリアＡｒに対して出射光を略均一に分散させるよう放射する。

ところで、本実施形態の制御ユニット１０２は、液晶パネル１０１に対する表示制御手段としての機能に加え、バックライト１の各光源モジュール５に対する点灯制御手段としての機能を備えている。そして、これらを実現するための機能部として、制御ユニット１０２は、映像処理部１２１と、液晶制御部１２２と、光源駆動部１２３とを有する（図６参照）。

映像処理部１２１は、例えば、映像信号発生器１３０から入力される映像信号を処理し、さらに、処理した映像信号に対して必要に応じた各種の画像調整処理等を行うことにより、液晶パネル１０１の駆動に適したＲ，Ｇ，Ｂ等の画像表示信号を生成し、液晶制御部１２２に出力する。なお、図示しないが、制御ユニット１０２が記録再生装置等を内蔵する場合、映像処理部１２１は、記録再生装置の記録媒体から読み出された映像信号を処理し、液晶パネル１０１の駆動に適したＲ，Ｇ，Ｂ等の映像表示信号を生成することも可能である。

液晶制御部１２２は、映像処理部１２１から出力されたＲ，Ｇ，Ｂの画像信号に従って、液晶パネル１０１上のソースドライバ１１１に出力する階調データ及び信号線制御信号を生成するとともに、ゲートドライバ１１２に出力する走査線制御信号を生成する。これにより、液晶パネル１０１の表示領域に配設されたスイッチング素子群１１３内の各スイッチング素子が所定のタイミングで適宜駆動される。

さらに、液晶制御部１２２は、例えば、光源駆動部１２３に出力するバックライト制御信号を生成し、各ＬＥＤ１０に個別の発光駆動制御を行う。この場合、液晶制御部１２２は、例えば、映像信号に基づいて、液晶パネル１０１に表示すべき映像に必要な光の輝度や色度等を小領域Ａｒ毎（すなわち、ＬＥＤ群１１毎）に求める。そして、液晶制御部１２２は、これら小領域Ａｒ毎の輝度や色度等を得るために各ＬＥＤ群１１のＬＥＤ１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂ毎に要求される発光輝度を、バックライト制御信号としてそれぞれ生成し、光源駆動部１２３に出力する。ここで、所定の小領域Ａｒに対応する液晶パネル上の領域全域が黒色表示される場合、液晶制御部１２２は、該当するＬＥＤ群１１の各ＬＥＤ１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂを消灯すべき旨のバックライト制御信号を生成する。

光源駆動部１２３は、各ＬＥＤ群１１のＬＥＤ１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂ毎に設定されたバックライト制御信号に基づき、各ＬＥＤ１０を個別に調光制御する。この場合の調光制御として、光源駆動部１２３は、電圧（電流）調光方式や、明るさが時分割されるデューティ調光方式等を適用することが可能である。電圧（電流）調光方式の場合は、電源回路からの入力電圧または入力電流をＤＣ−ＤＣコンバータ等で変化させて、その駆動電圧（電流）の大きさで直接、ＬＥＤ１０の電流を変化させて調光することができる。デューティ調光方式のばあいは、例えば、光源駆動部１２３に内蔵された輝度調整回路（図示せず）で各ＬＥＤ１０を駆動するための調光パルス（ＰＷＭ信号）を生成し、そのＰＷＭ比設定データに応じたデューティ比となるようにパルス幅を可変することで、各ＬＥＤ１０の発光輝度を調光することができる。

また、このような調光に際し、本実施形態の光源駆動部１２３は、各小領域Ａｒの輝度や色度等に基づくフィードバック制御を行う。すなわち、例えば、図７に示すように、液晶パネル１０１には、例えば、各小領域Ａｒの輝度及び色度等を検出するためのフォトセンサ３１がそれぞれ配設されており、光源駆動部１２３は、各フォトセンサ３１からの検出信号に基づき、駆動電圧（電流）や調光パルス等をフィードバック制御する。これにより、光源駆動部１２３は、温度変化等に起因する各ＬＥＤ１０の出力変化等を補償しつつ、各ＬＥＤ１０の発光輝度をバックライト制御信号に応じた発光輝度に制御する。

ここで、液晶制御部１２２は、例えば、映像信号に基づいて、輝度のみ、或いは、色度のみを可変に調光するための各バックライト制御信号を生成することも可能である。

例えば、色度を一定の白色に維持したまま輝度のみを調光する場合、液晶制御部１２２は、映像信号に基づいて各小領域Ａｒの輝度調光率（例えば、図８（ａ），図９（ａ）参照）を設定し、この輝度調光率に基づいてバックライト制御信号を生成する。これにより、例えば、図８（ｂ），図９（ｂ）に示すように、所定の輝度勾配を有する白色光で発光面９ａ上を発光させることができる。

また、例えば、輝度を一定に維持したまま色度のみを調光する場合、液晶制御部１２２は、映像信号に基づいて各小領域Ａｒに好適な色度を設定し、この色度に基づいてバックライト制御信号を生成する。これにより、特に、所定の色度範囲の映像が広範囲に渡って連続する風景映像（例えば、図１０（ａ）参照）等においては、例えば、図１０（ｂ）に示すように、所定の色度勾配を持たせて発光面９ａ上を発光させることが可能となり、所望の良好なコントラストで映像を表示させることができる。

このような実施形態によれば、発光色の異なるＬＥＤ１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂで構成したＬＥＤ群１１をＬＥＤ基板１６上に所定間隔毎に複数組実装した光源ユニット１５と、この光源ユニット１５からの出射光を入射して色混合させる導光路を筐体２の背面に沿って形成する導光板２１と、導光路の終端から出射する光を反射して発光面９ａに導く反射部材３０とを具備して構成した複数の光源モジュール５を筐体内に配列し、これら光源モジュール５で色混合された各ＬＥＤ１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂからの出射光を空気層４０を介して発光面９ａに入射させる構成とすることにより、バックライト１を厚さ方向に大型化させることなく、十分な導光距離で色混合された光によって発光面９ａを発光させることができる。そして、このようなバックライト１に対し、制御ユニット１０２を通じて各ＬＥＤ群１１のＬＥＤ１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂ毎に調光制御を行うことにより、熱的要因等によって各ＬＥＤ１０の発光量が変化した場合等においても、意図しない輝度ムラ等の発生を的確に防止することができる。

この場合において、導光板２１を第１，第２の導光部材２２，２３で分割形成し、これらの間にハーフミラー部を形成することにより、発光面９ａにおける照度の均斉度を向上させることができる。すなわち、例えば、各光源モジュール５は、各ＬＥＤ１０からの出射光をハーフミラー部と出射面２３ｂとの２箇所で出射することができるので、例えば、筐体２内の６箇所に配列した光源ユニット１５によって、あたかも、１２箇所に光源ユニットが存在するのと同等の均斉度を実現することができる。

そして、ＬＥＤ基板１６上における各ＬＥＤ群１１の配置、導光板２１におけるハーフミラー部の光学特性、反射部材３０における反射面３０ａの光学特性等をチューニングし、各ＬＥＤ群１１からの出射光を、発光面９ａ上に設定した各小領域Ａｒに対応付けて放射させることにより、発光面９ａ上を小領域Ａｒ毎に調光制御することができる。

また、小領域Ａｒに対応する液晶パネル１０１上の映像信号等に応じて、各光源群１１で得られる輝度を小領域Ａｒ毎に個別に制御すれば、液晶表示装置１００による表示品質を維持しつつ、不要な電力消費を抑制することが可能となる。特に、小領域Ａｒに対応する液晶パネル１０１上の領域全域が黒色表示されるとき、該当するＬＥＤ群１１を消灯させることにより、不要な電力消費の抑制を効果的に実現することができる。また、小領域Ａｒに対応する液晶パネル１００上の映像信号等に応じて、各光源群１１で得られる色度を小領域Ａｒ毎に個別に制御すれば、液晶表示装置１００によるコントラスト等を好適に制御することができる。

液晶表示装置の概略構成を示す分解斜視図 バックライトの内部構造を図１のII−II線に沿って示す平面図 図１のIII領域の構成を示す分解斜視図 バックライト内における光の挙動及び熱の伝達状態を示す説明図 バックライトの要部を示す断面斜視図 液晶表示装置のシステム構成を示すブロック図 光源モジュールと発光エリアとの関係を示す説明図 （ａ）は各発光エリアの輝度調光率の設定例を示す説明図であって（ｂ）は（ａ）の輝度調光率で制御した場合の発光面上の輝度分布のシミュレーション結果を模式的に示す説明図 （ａ）は各発光エリアの輝度調光率の設定例を示す説明図であって（ｂ）は（ａ）の輝度調光率で制御した場合の発光面上の輝度分布のシミュレーション結果を模式的に示す説明図 （ａ）は液晶パネルで表示する映像の一例を示す説明図であって（ｂ）は（ａ）の映像に応じて色度を制御した場合の色度分布のシミュレーション結果を模式的に示す説明図

符号の説明

１…バックライト、２…筐体、２ａ…背面板、２ｂ…側壁、２ｃ…爪部、３ａ…基板保持溝、５…光源モジュール、６…ベゼル、６ａ…開口部、７…拡散板、８…レンズシート、９…拡散シート、９ａ…発光面、１０（１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂ）…発光ダイオード（光源）、１１…ＬＥＤ群（光源群）、１５…光源ユニット、１６…基板、２０…導光路、２１…導光板、２２…第１の導光部材、２２ａ…入射面、２２ｂ…出射面、２２ｃ…凹部、２３…第２の導光部材、２３ａ…入射面、２３ｂ…出射面、２３ｃ…凹部、２５…熱伝導部材、３０…反射部材、３０ａ…反射面、３０ｂ，３０ｃ…面、３１…フォトセンサ、３５…熱伝導部材、４０…空気層、１００…液晶表示装置、１０１…液晶パネル、１０２…制御ユニット、１１１…ソースドライバ、１１２…ゲートドライバ、１１３…スイッチング素子群、１２１…映像処理部、１２２…液晶制御部、１２３…光源駆動部、１３０…映像信号発生器、Ａｒ…発光エリア（小領域）

Claims (4)

1. 前面が開口された扁平な筐体と、
   前記筐体の開口部に設定された発光面と、
   前記筐体内に配列された複数の光源モジュールと、
   前記発光面と前記光源モジュールとの間に形成された空気層と、
   前記各光源モジュールを点灯制御する点灯制御手段と、を具備し、
   前記各光源モジュールは、発光色の異なる複数の光源で構成された光源群を設定間隔毎に複数組実装した光源ユニットと、前記光源ユニットからの光を入射して色混合させる導光路を前記筐体の背面に平行な前記光源モジュールの配列方向に形成する導光板と、前記導光路の終端から出射する光を反射して前記発光面に導く反射部材とを有し、
   前記点灯制御手段は、前記各光源モジュールを前記光源群毎に調光制御することを特徴とするバックライト装置。
2. 液晶パネルに用いられるバックライト装置であって、
   前記点灯制御手段は、前記各光源群が前記液晶パネル上でそれぞれ対応する小領域の映像信号に応じて、前記各光源群の輝度を個別に制御することを特徴とする請求項１記載のバックライト装置。
3. 液晶パネルに用いられるバックライト装置であって、
   前記点灯制御手段は、前記各光源群が前記液晶パネル上でそれぞれ対応する小領域の映像信号に応じて、前記各光源群の色度を個別に制御することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のバックライト装置。
4. 液晶パネルに用いられるバックライト装置であって、
   前記点灯制御手段は、所定の前記点光源群に対応する前記液晶パネル上の領域全域が黒色表示されるとき、当該点光源群を消灯させることを特徴とする請求項１または請求項２記載のバックライト装置。