JP4044511B2 - バックライトユニット - Google Patents

Description

本発明は、液晶パネルに用いられる面光源装置に関するもので、詳しくは点状光源を用いたバックライトユニットの配光特性改善に関するものである。

図２に従来のバックライトユニットの一例を示す。バックライトユニット１０は光源１１と、光源１１が光導入部に隣接するように配置される導光板１２と、導光板１２上でバックライトユニットの照射方向の面に備えられた拡散板１４からなっている。導光板１２と拡散板１４の間には、必要に応じて柱状プリズムを並べた構造のプリズムシートを備えることもある。

導光板１２の光照射面に対向する面には、ローレット１３と呼ばれる溝状の加工が施されている。光源より発した光束は、導光板１２に導入され、ローレット１３の反射により光照射面側から導光板外に出射され、プリズムシートが備えられている場合はプリズムシートで拡散され、拡散板１４で拡散されることで、均一な照明光となる。

一般にバックライトユニットには高輝度、高効率、省スペース、省電力が求められており、これらを高い次元で実現することが必要とされている。

導光板端面の光導入部が無加工の鏡面形状である場合、光源の持つ配光特性が直接影響し、図３の様に、光源正面において周囲と比べて特に明るいホットスポットが生じる。このホットスポットはスジみえとも呼ばれる。

図３は光源としてＬＥＤ（発光ダイオード）を光導入部側に４個並設したときにおける導光板の照射面内の輝度分布を示したもので、図中明るい部分が輝度の高い部分を、暗い部分が輝度の低い部分を示しており、図面下側がＬＥＤ光源側である。

ホットスポットを解消し、均一な照明を行なうためには拡散板が有効な手段であり、広く利用されているが、拡散板による拡散は、光束の拡散方向が全周に渡るため、例えば拡散板とほぼ平行な方向などの、実際には照明を必要としない、利用できない方向の照明をも行なうこととなり、光の利用効率を高めずむしろ低下させる言う問題がある。特にＬＣＤの照明を行なう場合には、バックライトユニット照明面の法線方向以外は照明を求められていないため、この問題は深刻である。

このため、バックライトユニットの設計においては、不用意に拡散能の高い拡散板を採用しない様に、導光板からの出射光自体が均一であることが求められている。

ホットスポットを軽減し、導光板からの出射光を均一にする手法のひとつとして、例えば特許文献１に開示されているような光源と導光板間へレンズを挿入する手法がある。

図４は特許文献１（特開２００２−２８９０２３）の実施例のひとつである。光源３２ａ、３２ｂと導光板２８の間にレンズ３３が挿入され、光源の照射光を平行光とすることで、バックライトユニットの照明の均一性を拡散板による拡散の前に実現するものである。
特開２００２−２８９０２３号公報

しかし、この方法を採用した場合、バックライトユニットに対する基本的要求である狭額縁、省電力の要望には応えにくいものとなる。つまり、狭額縁のために光源と導光板を接近させればさせるほど、単一の光源が照明出来る範囲が狭くなり、同じ程度の照明を行なうにはより多数のＬＥＤを必要とし、省電力に応え難いものとなる。また、ＬＥＤ数を削減しようとすると、ＬＥＤ１つあたりの照射面積を広く取る必要があるため、導光板とＬＥＤを離して配置する必要があり、省スペース性を犠牲にすることとなる。

発明者らは以上の課題を解決するために、導光板の側面から光を導入し、導光板正面に向かって照明を行なう、いわゆるサイドライトを用いたバックライトユニットにおいて、前記のバックライトユニットは、導光板と、前記導光板端面の光導入部に対峙して設置されるＬＥＤ光源と、加えて前記導光板の光出射面表面に設置されたプリズムシートとからなり、前記ＬＥＤ光源および前記導光板が対峙する面には、前記ＬＥＤ光源の照射光を拡散させるレンズが前記導光板と一体に設けられ、前記導光板の光出射面と対向する面には、光導入部と平行に複数の溝からなるローレットが施され、前記プリズムシートには、前記導光板側に、断面が略三角形の略三角柱であって、略三角形の一方の辺が曲線から成るプリズム形状を、前記三角柱の柱方向が前記光導入部に平行な向きに複数個形成したプリズムシートである、ことを特徴とするバックライトユニットとすることで解決を図った

また、前記レンズは、円または楕円または双曲線または放物線で表される断面形状の周縁部と、前記周縁部とは異なる断面形状の中央部と、からなり、かつフレネルレンズ形状とされたことを特徴とする請求項１記載のバックライトユニットとすることにより、課題の解決を図った。

本発明により、光源光入射面のレンズによりホットスポットを解消し、ローレット設計の最適化により出射光効率を向上させ、下向きプリズム構造の最適化で出射光を法線に集中することでバックライトユニットとして高輝度、高効率、省スペース、省電力を達成した。

図１に、本願発明に基くバックライトユニットの実施例を示す。

バックライトユニット６は、導光板の側方に配設されたＬＥＤ光源１と、透光性材料からなる導光板２と、導光板の光照射面側に配設する下向きプリズムシート３と、プリズムシート３の上に配設する拡散板４とからなる。

導光板と下向きプリズムシート３の間には、拡散を目的として、下向きプリズムシート３とは異なるプリズムシートであって、略三角柱形状のプリズムを、プリズムの柱方向が光導入部側の辺に垂直になる様に配置して設けることもある。このプリズムシートは導光板と一体化したものでも構わない。

導光板２は長さ４８．２８ｍｍ、幅３７．６ｍｍ、厚さ０．８５ｍｍの透明アクリル樹脂からなり、幅３７．６ｍｍの辺の一方に光導入部２ａを備えている。

ＬＥＤ光源１は、導光板２の光導入部２ａに対向して設けられ、導光板と光源ＬＥＤの間隔は０．１ｍｍとなっている。

導光板２の光導入部２ａには、対向するＬＥＤの光軸と中心軸を同じくする双曲線の段面形状をもつレンズをフレネル化して周縁部とし、前記周縁部とは連続的に連ならない、図７に示したＡおよびＢ寸法、つまり前記分割された双曲線に近似した直線が前記中心線となす角Ａと、前記分割された双曲線と基準線の交点から所定の角度で引かれた線と中心線がなす角Ｂで形状を決定される自由形状からなるプリズムを中央部としたフレネルレンズが設けられている。

本実施例において、前記フレネル化は次のように行なわれる。

導光板を正面から見て、導光板の光導入部を有する面の端部を基準線とし、光源位置を通り前記基準線に直交する、照射面の平行な線を中心線として、導光板に凹部をつくるようにレンズ形状を決定する。

前記レンズ形状は、双曲線からなる凹レンズで、前記凹レンズの中心軸と前記中心線は一致しており、前記双曲線は（ｘ＾２／０．３９＾２）−（ｙ＾２／０．８５５＾２）＝１の式で表される曲線の形状である。

前記双曲線を、中心線と基準線の交点を中心に、３°刻みの角度で分割する。

双曲線の分割した曲線を、基準線に達するまで中心線に平行に移動し、基準線上に分割された双曲線を並べる。

分割され基準線上に並んだ双曲線と、基準線の交点より、図７の角度Ｂに相当する辺を書き加え、双曲線凹レンズのフレネルレンズとする。

本実施例において、前記レンズ中央部約０．５ｍｍの範囲に設けられる前記自由形状からなるプリズムの形状の決定は、以下のように行なわれる。

前記双曲線凹レンズのフレネルレンズの、分割された双曲線から成る周縁部と、任意形状のプリズムから成る中央部の境界部分を開始点とし、前記中央線に対し対称に、シミュレーションにより別に決定した図７における角度Ｂおよび角度Ａの直線を、同じくシミュレーションにより別に決定したプリズムの配列ピッチに従い配置を行ない、中央部プリズム形状とする。

導光板２の光照射面に対向する面には、その断面が図６のＣで表される光導入部側から光導入部に対する側に向かって、ローレット設置面に対して立ち上がる角度で形状を規定されたローレット５が、断面の法線方向を光導入部２の面に対して平行とし、配列方向を光導入部２の面に対して垂直方向として複数設けられている。

図６にローレット形状の詳細を示す。ローレットの実施面に対して立ち上がる角度Ｃをローレット傾斜角度とし、この値でローレット形状が決定されるものとする。

本実施例においてはローレット５の、光導入部２の面に対して垂直方向の配列ピッチは約０．２ｍｍである。

下向きプリズムシート３のプリズム形状は、図８における∠ＯＡＢと∠ＯＡＣと弧ＡＣの半径で決定されるものとする。図８において、光導入方向は左側である。

本実施例における各種寸法は以下のように決定された。

導光板の光導入部形状が照明状態に及ぼす影響を調べるために、複数種類の光導入部を備えた導光板を作成した。

サンプルＡは、端面が未加工の鏡面の導光板である。サンプルＢは、光導入部に設けたフレネルレンズ中心部の任意形状部分に傾斜角４５°の山の繰り返しのプリズム、つまり図７のＡ、Ｂ寸法が共に４５°の導光板である。サンプルＣは、本願発明による、フレネルレンズ中心部に図７のＡ＝４５°、Ｂ＝８°の形状のプリズムを設けた導光板である。

サンプルＡ、Ｂ、Ｃに対し、単一光源により照明を行ない、特性を確認した。図９はサンプルＡ、図１０はサンプルＢ、図１１はサンプルＣの照明状態を表す図である。図９、図１０、図１１とも、図中に明るく示された部分が輝度の高い部分であり、図中で暗く示された部分が輝度の低い部分である。

サンプルＡの場合、光束がほとんど広がらず、光源近傍の狭い範囲を強く照明するために、光源正面に特に明るいホットスポットが生じることが容易に想像できる。

サンプルＢの場合、サンプルＡと比べると光束が広がっているのは確認できるが、サンプルＡ比べてそれほど広い範囲に広がっているわけではない。

サンプルＣのレンズの場合、広い範囲にわたり高輝度で照明を行なっていることが観察され、明るく照明している範囲が広いために、複数の光源を用いることでホットスポットが生じにくくなることが容易に想像できる。

以上の結果より、本実施例において本願発明による光導入部形状が有効であることが確認できた。

実施例においては、光導入部のフレネルレンズ中心部形状は次のように決定された。

図１２はフレネルレンズ中心部形状の変化による照明状態の変化であり、図１２中のＡおよびＢ表記は、図７におけるＡおよびＢの値を示しており、図中の明るい部分が輝度の高い部分を、図中の暗い部分が輝度の低い部分を表している。

図１２より、角度ＡおよびＢ＝９０°つまり鏡面の時に明らかなスジ見えが観察されるのに対して、角度Ｂを５°に固定して角度Ａを変動させたとき、角度Ａがより大きな値をとる時、輝度のバラツキが減少する傾向が観察される。肉眼による観察では角度Ａ＝４５°でスジ見えは解消していた。

図１２より、角度Ａを４５°に固定して比較した場合、角度Ｂの変動は、角度Ａの変動ほどの輝度のバラツキに対する影響力を持たないことがわかった

このことより、導光板光導入部のフレネルレンズ中央形状は、図７における角度Ａは概ね４０〜５０°程度、角度Ｂの変動は配向に大きな影響を及ぼさないという結果が得られた。

実施例においては、ローレット部形状は次のように決定された。

図１３は、導光板の出射光角度、強度のローレット傾斜角度依存を表す図である。各図形に付記された数値は、ローレット傾斜角度を表す。

図面左側より光束を入射した時、ローレットにより出射に至る光の強度の角度分布であり、円周方向の軸は出射光の角度、直径方向の軸は光の強度を表している。

図１３のグラフを比較すると、ローレット傾斜角度７°で出光効率が最も高くなっており、また、ローレット傾斜角度７°以上で主出射方向以外の方向に向かう成分が少なくなっていることが判る。

図１４は図１３の各角度における出光効率の値を揃え、集光度を示すグラフの膨らみの比較を行なったものである。

図１４より、ローレット傾斜角度が小さいほど集光度が高く、良好な出射光であることがわかる。

以上の結果より、本実施例においてはローレット角度は３°〜１１°の範囲が好ましいと思われるが、本実施例が導光板厚み０．８５ｍｍの時の結果であり、導光板厚みの変動が結果に影響を及ぼすことを勘案して、２°〜２０°の範囲を好ましい範囲とする事が妥当であると判断した。

実施例においては、下向きプリズムの形状は次のように決定された。

下向きプリズムシートは、断面が略三角形である略三角柱のプリズムが、導光板の光出射面に向かって凸形状となり、柱方向を光導入部端に平行に、光導入部の面の法線方向に複数並べた配置となっており、前記断面形状は、導光板に向かい突き出した凸部の頂点の点Ａと、点Ａより光導入端寄りであって、凸部の低部をなす点Ｂと、点Ａより光導入端と反対寄りであって、凸部の低部をなす点Ｃ、点ＢＣを結んだ直線ＢＣと、点Ａから直線ＢＣに下ろした垂線の、直線ＢＣとの交点である点Ｏから成っている。

上記検討によりローレット角７°が特に好ましい特性を得られることから、ローレット角７°を中心に、２°、１４°に最適化した下向きプリズムの形状をシミュレーションにより求め、次の値を得た。

ローレット傾斜角度＝２°の時、下向きプリズムの∠ＯＡＢ＝３２°、∠ＯＡＣ＝３２°、ＡＣにはＲ０．４の弧。

ローレット傾斜角度＝７°の時、下向きプリズムの∠ＯＡＢ＝２６．６°、∠ＯＡＣ＝３２°、ＡＣにはＲ０．４の弧。

ローレット傾斜角度＝１４°の時、下向きプリズムの∠ＯＡＢ＝７．１３°、∠ＯＡＣ＝３２°、ＡＣにはＲ０．４の弧。

導光板の光出射面に拡散プリズムを設ける場合は、光出射面全体に拡散プリズムを設けると、光源ＬＥＤに近い側がホットスポットとなり易いため、光導入部近傍の、光導入部の面より２〜３ｍｍの範囲にはプリズムを設けない構造とすることが、バックライトユニット全体に均一な照明を行なうに当たって有効である。

以上の結果より、光源ＬＥＤと、導光板光導入部に、双曲線レンズをフレネル化し、中央部をＡ＝４０〜５０°の形状とたレンズを備え、導光板に施したローレットのローレット傾斜角は２〜２０°であり、導光板出射側に備えたに下向きプリズムシートのプリズム形状は、ローレット傾斜角度＝２°の時、∠ＯＡＢ＝３２°、∠ＯＡＣ＝３２°、ＡＣにはＲ０．４の弧、ローレット傾斜角度＝７°の時、∠ＯＡＢ＝２６．６°、∠ＯＡＣ＝３２°、ＡＣにはＲ０．４の弧、ローレット傾斜角度＝１４°の時、∠ＯＡＢ＝７．１３°、∠ＯＡＣ＝３２°、ＡＣにはＲ０．４の弧の構成とすることで、スジ見えの無い、高効率なバックライトユニットを得ることが出来た。

本実施例においては、前記レンズは、ライトガイドユニットに設置される光源ＬＥＤに対応して設置されるものであり、光源ＬＥＤが複数設けられる場合は、前記レンズも光源ＬＥＤと同数設けることが妥当である。

本実施例ではレンズ曲線として双曲線を用いているが、曲線は双曲線以外にも円、楕円、放物線などが有効であることを確認している。

また、本実施例では曲線の分割を３°にて行なっているが、これは分割を３°に限定するものではない。

本発明によるバックライトユニットは、受動表示素子である液晶表示素子の照明用光源として好適である。特に省電力を目的としたユニット、例えば携帯電話用として、高効率、狭額縁である点が有効であると考える。

本願発明のバックライトユニットの一例を示す図 従来のバックライトユニットの一例を示す図 スジ見え、またはホットスポットを表す図 光導入部にレンズを用いた例を表す図 本願発明による光導入部フレネルレンズの一例を示す図 ローレット角度を表す図 フレネルレンズ中央部形状を表す図 下向きプリズムシートのプリズム形状を表す図 光導入部が鏡面の時の照明状態を表す図 光導入部が単純プリズムである時の照明状態を表す図 光導入部に本願発明のフレネルレンズを適用した時の照明状態を表す図 フレネルレンズ形状と照明状態の相関を表す図 ローレット傾斜角度と出光効率の相関を表す図 ローレット傾斜角度と集光度の相関を表す図

符号の説明

１，１１，３２ 光源ＬＥＤ
２，１２，２８ 導光板
２ａ 光導入部
３ 下向きプリズムシート
４，１４ 拡散板
５，１３ ローレット
６，１０，２６ バックライトユニット
３３ レンズ

Claims (4)

1. 導光板の側面から光を導入し、導光板正面に向かって照明を行なう、いわゆるサイドライトを用いたバックライトユニットにおいて、前記のバックライトユニットは、導光板と、前記導光板端面の光導入部に対峙して設置されるＬＥＤ光源と、加えて前記導光板の光出射面表面に設置されたプリズムシートとからなり、前記光導入部には、前記導光板と一体に設けられ、前記ＬＥＤ光源が照射した光を拡散させるレンズを有し、前記導光板の光出射面と対向する面には、光導入部と平行に複数の溝からなるローレットが施され、前記プリズムシートには、前記導光板側に、断面が略三角形の略三角柱であって、略三角形の一方の辺が曲線から成るプリズム形状を、前記三角柱の柱方向が前記光導入部に平行な向きに複数個形成され、前記レンズは、円または楕円または双曲線または放物線で表される断面形状の周縁部と、前記周縁部とは異なる断面形状の中央部と、からなり、かつフレネルレンズ形状とされ、前記中央部は光導入部の光導入方向に対して４５°の角度を有する面を備えたフレネル中心を対称軸とした対称形の繰り返しのプリズムであることを特徴とするバックライトユニット。
2. 前記ローレットは、前記光導入部と平行に複数個設けられ、前記光導入部側から前記光導入部に対向する側に向かい、ローレット設置面に対して立ち上がる角度をもって傾斜の角度として規定される形状である略三角形の断面形状であって、前記傾斜の角度は、前記ローレットが備えられた面に対し２〜２０度であり、前記ローレットの、隣接するローレット間には前記傾斜の角度が０度の平端部を設け、または前記ローレットの、隣接するローレット間には前記傾斜の角度が０度の平端部を設け
   ず、前記プリズムシートを構成するプリズムは、凸部を導光板に向けた略三角柱のプリズムであって、前記略三角柱の柱方向が前記導光板の光導入部と平行であって、その断面においては、前記光導入部側の頂点Ｂと、前記光導入部の対向面側の頂点Ｃと、前記導光板側から突出した頂点Ａからなる略三角形であって、辺ＡＣは弧で構成され、前記弧の半径が概ね０．４ｍｍであることを特徴とする請求項１記載のバックライトユニット。
3. 前記導光板の出光面に拡散プリズムを設け、かつ出光面の前記光導入部側に拡散プリズムを設けない領域を設けたことを特徴とする請求項１〜２記載のバックライトユニット。
4. 前記拡散プリズムを設けない領域が、導光板の前記光導入部側端部より３ｍｍ以下であることを特徴とする請求項３記載のバックライトユニット。

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