JP2005183124A - 面状光源および液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ３原色ＬＥＤを用いて良好な混色をコンパクトかつ高い光利用効率で実現する面状光源を提供する。
【解決手段】 照明手段からの光は導光板１の側面１ｃから入射し、散乱反射パターンが形成された反射面１ｂと、これに対向する出射面１ａとの間で反射しながら伝播し、散乱反射パターンで散乱された一部が出射面１ａから出射する。照明手段は、発光色が互いに異なる複数の線状光源３Ｒ，３Ｇ，３Ｂを備える。各線状光源３Ｒ，３Ｇ，３Ｂは、その長手方向を出射面１ａと平行にして、出射面１ａの法線方向に配置されている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、液晶表示装置のバックライトなどに用いられる面状光源及びこれを用いた液晶表示装置に関する。

薄型軽量で画像表示が可能な液晶ディスプレイは、製造技術の進展による価格低減や高画質化技術開発によって急速に普及し、パーソナルコンピュータのモニターやＴＶ受像機などに広く用いられている。

液晶表示装置としては透過型液晶表示装置が一般的に用いられている。透過型液晶表示装置は、バックライトと呼ばれる面状光源を備え、そこからの照明光を液晶パネルによって空間変調して画像を形成する。

バックライトとしては、略線状光源である冷陰極管を用いて、これからの光を導光板の側面に入射させる方式のものが良く用いられている。薄板状の導光板の側面に入射した光は、互いに対向する主面間を全反射を繰り返しながら伝播する。このとき、出射面となる面とは逆の面に形成された特定の密度分布、大きさの拡散反射層あるいは反射用凹凸で光が拡散反射して、その一部が出射面から出射する。前記拡散反射層あるいは反射用凹凸を構成する密度分布、大きさ分布などを適度に設定することにより、液晶パネルを全面にわたってほぼ一様に照明することが可能になる。

更に最近、発光効率の高い発光ダイオード（以下ＬＥＤ）が開発され、これを液晶バックライト用の光源に用いることが提案されている。

基本的に単色光源であるＬＥＤにより白色を得る方法としては、青色ＬＥＤと青色光線によって励起されて黄色を発色する蛍光体とを組み合わせて青色と黄色を混色する方法と、赤色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤ、青色ＬＥＤの３原色ＬＥＤを用いて混色する方法とがある。

蛍光体を併用する方式はＬＥＤが１種類で済み簡便だが、赤および青に対応するスペクトル成分が少ないので、バックライト用光源として用いると純粋な赤や緑を表現できないという問題がある。

３原色のＬＥＤを用いれば、色再現範囲の広い光源を得ることが可能になり、鮮やかな色彩表現が可能なカラー表示が期待できる。

このとき、目的とする白色を得る為には赤、緑、青の光を適当な割合で混合する必要がある。その混合比率は目的とする白色の色度や各ＬＥＤのスペクトル分布にも依存するが、概ね光量比（ルーメン単位）で赤：緑：青が３：６：１程度、出力エネルギー比（Ｗ単位）で１：１：１程度である。

赤、緑、青のＬＥＤはそれぞれ材料、構造などが異なり効率に差があるため白色を得る為の投入エネルギーは３つのＬＥＤで等しくならない。実現されたＬＥＤの発光波長とエネルギー効率（外部量子効率）はＬＥＤメーカーや研究機関で様々に発表されている。図５は現時点（２００３年時点）で発表されているデータの一部を抜粋したものである。

赤、緑、青それぞれの発光波長をそれぞれ概ね６２０ｎｍ、５３０ｎｍ、４７０ｎｍ程度とすると、図５から赤、緑、青のＬＥＤの外部量子効率はそれぞれ約４０％、約１０％、約２０％と読み取ることができる。従って、出力エネルギーが互いに同等な赤、緑、青の各色光から白色を得る為に必要な投入エネルギーは、赤１に対して緑４、青２程度が必要になる。図５に示した値そのものは一例であり、実際に用いるＬＥＤによってこの投入エネルギー比は異なるが、白色を得る為の投入エネルギーが各色で大きく異なることは重要である。

赤、緑、青の出力エネルギーを同等にするためには、各色のＬＥＤのチップサイズや投入する電流密度によってある程度調整可能であるが、それらには生産効率やエネルギー効率上の適正値があるため限界がある。したがって、用いるＬＥＤの個数でバランスをとるのが現実的である。

３原色のＬＥＤを用いて白色の面状光源を得る最も単純な方法として、導光板の側面に赤、緑、青のＬＥＤを配列する方法がある。図６にその例を示す。

図６で１０１は導光板である。基板１０２上にＬＥＤ１０３がアレイ状に実装されている。

前述したように白色を得る為の投入エネルギーは赤、緑、青で異なるため、用いるＬＥＤの個数は必ずしも同じにならない。この例では赤、緑、青の各ＬＥＤをそれぞれ２個、６個、４個とし、計１２個のＬＥＤを用いている。図６において、ＬＥＤ１０３に付した「Ｒ」、「Ｇ」、「Ｂ」の各記号はそれぞれ赤、緑、青のＬＥＤであることを示す。

この様な状態でＬＥＤ１０３からの光が導光板１０１の側面に入射すると、導光板１０１の入射面に近い部分１０４では３色が十分に混合されず、この部分から出射する光は顕著な色ムラを有している。したがって、実際に面光源として使用可能な領域は、導光板１０１のうちこの色ムラを発生する色ムラ発生部１０４を除いた領域になる。よって、図６の面状光源を液晶表示装置のバックライトとして用いた場合、表示装置の表示面積に比べてバックライトが格段に大きな面積を必要とし、液晶表示装置が大型化する。これは小型、軽量が特徴の液晶表示装置では大きな問題になる。

これを回避する方法として、図６の線Ａで光路を折り返すような構成のバックライドが知られている。図７にこのようなバックライトの側面断面図を示す。

基板２０２の長手方向（図７の紙面の法線方向）に沿って、図６のＬＥＤ１０３と同様に、赤、緑、青の各ＬＥＤ２０３が所定の個数比でアレイ状に配列されている。ＬＥＤ２０３からの光は混色用導光板２０５にその一方の側面２０５ａから入射する。２０４はＬＥＤ２０３からの光を側面２０５ａに確実に入射させ、且つ、主導光板２０１に直接入射するのを防止するための反射部材である。混色用導光板２０５の互いに対向するいずれの主面も拡散反射パターンは形成されておらず平坦である。したがって、一方の側面２０５ａから入射した光は上下の対向する主面で全反射を繰り返し、且つ赤、緑、青の光が混じり合いながら、入射側側面２０５ａとは反対側の側面２０５ｂに向かって伝播する。各色が十分に混色された光は、混色用導光板２０５の側面２０５ｂを出射し、折り返しミラー２０６によって、混色用導光板２０５と略平行に配置された主導光板２０１の側面２０１ｃに入射する。主導光板２０１に入射した光は光出射面２０１ａとこれと対向する反射面２０１ｂとの間を全反射しながら伝播する共に、一部の光は反射面２０１ｂに部分的に設けられた拡散反射層（図示せず）によって拡散拡散されて光出射面２０１ａから出射する。

この様な面状光源によれば、主導光板２０１の側面２０１ｃに白色光を入射させることができるので、これを液晶表示装置のバックライトとして用いた場合、表示装置の表示面積に比べてバックライトの面積が大きくなるという問題を回避できる。

ところが、図７の面状光源は厚みが厚く、液晶表示装置の特徴の一つである薄型化に対して問題となる。また、折り返しミラー２０６で光を折り返すことにより光損失が大きいという問題も有する。
特開２０００−１４９６３５号公報 特開平１１−５２３２７号公報

本発明は、上記の従来の面状光源が有していた問題を解決し、３原色ＬＥＤを用いて良好な混色をコンパクトかつ高い光利用効率で実現する面状光源を提供することを目的とする。また、本発明は、色彩表現が鮮やかでスペース効率の高い液晶表示装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の面状光源は、透明材料からなり、一側面である入射面と、散乱反射パターンが形成された反射面と、前記反射面と対向する出射面とを備え、前記入射面から入射した光を前記反射面と前記出射面との間で反射させながら伝播させるとともに前記散乱反射パターンで散乱された光の一部を前記出射面から出射させて面状に発光をする導光板と、前記導光板の前記入射面に対向して配置され、前記導光板に光を供給する照明手段とを備え、前記照明手段は発光色が互いに異なる複数の線状光源を備え、複数の前記線状光源は、その長手方向を前記出射面と平行にして、前記出射面の法線方向に配置されていることを特徴とする。

また、本発明の液晶表示装置は、上記の本発明の面状光源をバックライトとして備える。

本発明の面光源装置によれば、小型且つ薄型で、導光板のほぼ全面から色ムラのない良好な白色照明光を、高い光利用効率で出射することができる。

また、本発明の液晶表示装置によれば、明るく、色彩表現が鮮やかでスペース効率の高い表示装置を実現できる。

本発明の面光源は、発光色が互いに異なる複数の線状光源を、その長手方向を導光板の出射面と平行にして、該出射面の法線方向に配置し、それぞれの線状光源が出射する、その長手方向にほぼ均一な強度分布の光を導光板の入射面に入射させることを最大の特徴とする。

ここで、複数の前記線状光源は、赤色線状光源、緑色線状光源、及び青色線状光源の３つの線状光源からなることが好ましい。このような面状光源をバックライトとする液晶表示装置は、鮮やかな色彩表現が可能になる。

また、前記線状光源のそれぞれは、１又は複数の点状発光素子と、前記点状発光素子からの光を伝播して出射することにより線状の照明光に変換する、透明材料からなる導光部材とを備え、前記導光部材は、前記導光板の前記入射面に対向して設けられた照明出射面と、前記照明出射面に対向して設けられ、入射した光の少なくとも一部を拡散反射する照明反射面とを有し、前記点状発光素子からの光の少なくとも一部は、前記照明出射面における前記導光部材と空気との界面で全反射して前記導光部材の内部を伝播し、前記照明反射面で拡散反射されて前記照明出射面から出射することが好ましい。これにより、長手方向にほぼ均一な強度分布を有する光を出射することができる線状光源を容易に実現できる。

前記点状発光素子がＬＥＤであることが好ましい。これにより、低消費電力で発光効率の良好な面状光源を実現できる。

以下、本発明を具体的な実施の形態を示しながらより詳細に説明する。

図１は本発明の面状光源の一実施形態を示す上面図であり、図２はその側面図である。以下の説明の便宜のために、図１の紙面上下方向を「幅方向」と、図２の紙面の上下方向を「厚さ方向」と呼ぶことにする。

透明材料からなる導光板１の一方の側面１ｃに対向して照明手段が配置されている。照明手段は、赤、緑、青の各色光を発する線状光源３Ｒ，３Ｇ，３Ｂと、これらが実装された基板２とを有する。各線状光源３Ｒ，３Ｇ，３Ｂは、その長手方向を幅方向と平行（従って、導光板１の出射面１ａと平行）にして、導光板１の厚み方向（即ち、出射面１ａの法線方向）に配列されている。

線状光源３Ｒ，３Ｇ，３Ｂを出射した各色光は導光板１の側面（入射面）１ｃに入射し、導光板１の出射面１ａおよびこれと対向する反射面１ｂとの間を全反射しながら導光板１の全面に伝播する。反射面１ｂには部分的に散乱反射パターン（拡散反射層、図示せず）が設けられており、この散乱反射パターンで反射した光の一部は出射面１ａに出射可能な角度で入射して出射面１ａから出射する。散乱反射パターンの形状、密度、大きさは、導光板１の出射面１ａから一様に光が出射するように適切に設定されている。散乱反射パターンは、例えば白色インクを用いてスクリーン印刷などの手法で任意のパターンで形成することができる。

このとき、赤、緑、青のそれぞれの線状光源３Ｒ，３Ｇ，３Ｂは、それぞれが導光板１の入射面１ｃを幅方向に均一に照明する（詳細は後述する）ので、導光板１の出射面１ａからの出射光は、幅方向において色ムラを有しない。また、線状光源３Ｒ，３Ｇ，３Ｂは、厚さ方向に互いに近接して配置されているので、導光板１の入射面１ｃの極近傍で混色は完了しており、出射面１ａからの出射光は、線状光源３Ｒ，３Ｇ，３Ｂが厚さ方向に配置されていることに起因する色ムラを有しない。

各線状光源３Ｒ，３Ｇ，３Ｂは、図３に示すように、点状発光素子であるＬＥＤ３１と、これからの光を幅方向に伝播する透明材料からなる導光部材３３とを備える。導光部材３３の基板２側には反射部材３２を有し、導光部材３３と反射部材３２との界面には反射面３４が形成されている。反射面３４は、入射した光の全て又は一部を拡散反射する。

ＬＥＤ３１からの光のうち導光部材３３と空気との界面（出射面）３５に鋭角で入射した光はここで全反射して対向する反射面３４に入射し、ここで拡散反射されてその一部が出射面３５から出射する。出射面３５からの光は、出射面３５と対向する導光板１の入射面１ｃに入射する。このようにＬＥＤ３１からの光は導光部材３３の内部を幅方向に伝播することにより、点状発光素子であるＬＥＤ３１からの光は効率的に線状化され、出射面３５から幅方向にほぼ均一な照明光を得ることができる。

図４は、図２の矢印IV−IV方向から見た照明手段の正面図である。３１Ｒ，３１Ｇ，３１Ｂは順に赤、緑、青の色光を発するＬＥＤである。赤、緑、青それぞれのＬＥＤ３１Ｒ，３１Ｇ，３１Ｂの効率の違いによって、赤、緑、青のＬＥＤ３１Ｒ，３１Ｇ，３１Ｂをそれぞれ３個、６個、４個配置している。この様にＬＥＤ３１Ｒ，３１Ｇ，３１Ｂの個数が異なっていても、各線状光源３Ｒ，３Ｇ，３Ｂは、それぞれのＬＥＤの個数に応じて最適化された独立した導光構造を有しているので、各線状光源３Ｒ，３Ｇ，３Ｂは幅方向に均一な線状の照明光を出射する。

この様に、本発明の面状光源においては、発光色が互いに異なる複数の線状光源３Ｒ，３Ｇ，３Ｂのそれぞれが、幅方向に均一化された光を出射する。このような複数の線状光源３Ｒ，３Ｇ，３Ｂが、厚み方向に相互に極近接して配置されている。したがって、これら複数の線状光源３Ｒ，３Ｇ，３Ｂからの光を導光板１の一側面１ｃに入射させることにより、導光板１の出射面１ａのほぼ全域から、色ムラのない良好な白色照明光を出射させることができる。また、従来の図６の面状光源のように、白色光の出射領域に比べて面状光源の面積が大きくなることがない。更に、従来の図７の面状光源のように、厚みが厚くなったり、光量損失を生じたりすることもない。したがって、本発明の面状光源をバックライトとして透過型液晶表示装置を構成することにより、明るく、色彩表現が鮮やかでスペース効率の高い表示装置を実現できる。

本発明の面状光源の一実施形態を示す上面図。 本発明の面状光源の一実施形態を示す側面図。 本発明の面状光源の一実施形態における線状光源を示す断面図。 本発明の面状光源の一実施形態におけるＬＥＤ配列を示す正面図。 ＬＥＤの発光波長と外部量子効率との関係の一例を示すグラフ。 従来の面状光源を示す上面図。 従来の別の形態の面状光源を示す側面断面図。

符号の説明

１ 導光板
１ａ 出射面
１ｂ 反射面
１ｃ 入射面
２ 基板
３Ｒ，３Ｇ，３Ｂ 線状光源
３１、３１Ｒ，３１Ｇ，３１Ｂ ＬＥＤ
３２ 反射部材
３３ 導光部材
３４ 反射面
３５ 出射面
１０１ 導光板
１０２ 基板
１０３ ＬＥＤ
１０４ 色むら発生部
２０１ 主導光板
２０１ａ 光出射面
２０１ｂ 反射面
２０２ 基板
２０３ ＬＥＤ
２０５ 混色用導光板
２０６ 折り返しミラー

Claims (5)

1. 透明材料からなり、一側面である入射面と、散乱反射パターンが形成された反射面と、前記反射面と対向する出射面とを備え、前記入射面から入射した光を前記反射面と前記出射面との間で反射させながら伝播させるとともに前記散乱反射パターンで散乱された光の一部を前記出射面から出射させて面状に発光をする導光板と、
   前記導光板の前記入射面に対向して配置され、前記導光板に光を供給する照明手段と
   を備え、
   前記照明手段は発光色が互いに異なる複数の線状光源を備え、複数の前記線状光源は、その長手方向を前記出射面と平行にして、前記出射面の法線方向に配置されていることを特徴とする面状光源。
2. 複数の前記線状光源は、赤色線状光源、緑色線状光源、及び青色線状光源の３つの線状光源からなる請求項１に記載の面状光源。
3. 前記線状光源のそれぞれは、１又は複数の点状発光素子と、前記点状発光素子からの光を伝播して出射することにより線状の照明光に変換する、透明材料からなる導光部材とを備え、
   前記導光部材は、前記導光板の前記入射面に対向して設けられた照明出射面と、前記照明出射面に対向して設けられ、入射した光の少なくとも一部を拡散反射する照明反射面とを有し、
   前記点状発光素子からの光の少なくとも一部は、前記照明出射面における前記導光部材と空気との界面で全反射して前記導光部材の内部を伝播し、前記照明反射面で拡散反射されて前記照明出射面から出射する請求項１又は２に記載の面状光源。
4. 前記点状発光素子がＬＥＤである請求項３に記載の面状光源。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の面状光源をバックライトとして備えた液晶表示装置。

Images