JP4595595B2 - バックライト装置及び液晶表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、特に透過型の液晶表示装置のバックライト装置に適用して好適なバックライト装置及び液晶表示装置に関する。

近年、テレビジョン受像機用の表示装置として、ＣＲＴ（Cathode Ray Tube、陰極線管）に代わり、液晶表示装置（ＬＣＤ：Liquid Crystal Display）や、プラズマディスプレイ（ＰＤＰ：Plasma Display Panel）などの非常に薄型化された表示装置が提案され、実用化されている。特に、液晶表示パネルを用いた液晶表示装置は、低消費電力での駆動が可能であることや、大型の液晶表示パネルの低価格化などに伴い普及が進み、技術的な研究開発が進められている。

このような液晶表示装置においては、カラーフィルタを備えた透過型の液晶表示パネルを背面側から面状に照明するバックライト装置により照明することにより、カラー画像を表示させるバックライト方式が主流となっている。
バックライト装置の光源としては、蛍光管を使った白色光を発光する冷陰極蛍光管（ＣＣＦＬ：Cold Cathode Fluorescent Lamp）や、発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）が有望視されている（例えば特許文献１参照。）。
特に、青色発光ダイオードの開発により、光の三原色である赤色光、緑色光、青色光をそれぞれ発光する発光ダイオードが揃ったことになり、これらの発光ダイオードから出射される赤色光、緑色光、青色光を混色することで、色純度の高い白色光を得ることができる。したがって、この発光ダイオードをバックライト装置の光源とすることにより、液晶表示パネルを介した色純度が高くなるため、色再現範囲をＣＣＦＬと比較して大幅に広げることができる。更に、高出力の発光ダイオード（ＬＥＤ）チップを使用することによって、バックライト装置の輝度を大幅に向上させることができる。

このようにバックライト装置の光源にＬＥＤを用いる場合、直下型、すなわちＬＥＤを出射面の直下に配置すると、ＬＥＤが点光源であるため輝度ムラ、色ムラが発生してしまう。
この問題を解決する手段として、ＬＥＤと拡散板との距離を大きくすることが考えられるが、それではバックライトの厚みがＣＣＦＬを用いたバックライトに比べて非常に大きくなってしまう。液晶表示装置においては、更なる軽量、薄型化が必須となっており、バックライトにおいても更なる薄型化が望まれている。
そこで、厚みを少なくする方法として導光板を用いて、その一部に配置された光源からの光を多重反射させることで面光源とする構造が提案されている。すなわち、導光板を用いることによって、薄型化を可能とし、輝度の均一性の改善が図られている。

特開平８―１３６９１７号公報

上述したように、例えば液晶表示装置や液晶表示パネル薄型ＴＶ等において利用が検討されているＬＥＤを用いた直下型バックライトにおいて導光板を用いる場合、輝度ムラを低減すると導光板内からの光の取り出しが難しく、光の取り出しを大きくすると輝度ムラが悪化してしまうという問題がある。

これについて説明すると、導光板を用いる場合、導光板の底面すなわち光出射面とは反対側の背面と、側面とにミラーを用い、上面すなわち光出射面に拡散シートを用いて液晶パネル側に光を取り出しているが、上面の拡散シートの選び方によっては、輝度ムラが悪くなったり、輝度が低下したりする。これは、上面の拡散シートによって、発光ダイオードからの光を拡散させつつ、かつ一部の光を外部へ取り出す機能をもたせていることから、拡散シートの特性により、輝度ムラと輝度アップがトレードオフ状態になっており、輝度ムラと輝度アップを両立することが難しくなっていることによる。
特に、ＬＥＤの周囲において上面の拡散シートから外部に出射される光の量が多く、輝度ムラの原因となっている。

以上の問題に鑑みて、本発明は、ＬＥＤを導光板に組み込む直下型バックライト装置において、輝度を保持ないしは向上しつつ、輝度ムラを抑制ないしは改善して、輝度ムラを抑制又は改善された液晶表示装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、発光ダイオードを光源とし、この発光ダイオードが導光板に組み込まれて成るバックライト装置であって、導光板の発光ダイオードを組み込む凹部を、導光板の底面側の縁部において、この底面に対し垂直以外の角度をもつ斜面又は曲面を有する形状として構成する。
また、本発明による液晶表示装置は、上述の本発明構成によるバックライト装置を有する構成とするものである。

上述したように、本発明のバックライト装置においては、その光源である発光ダイオードを組み込む凹部の形状を、底面側の縁部において、底面に対し垂直以外の角度をもつ斜面又は曲面を有する形状とするものであり、例えば円柱状や角柱状とする凹部の底面側の縁部に、円錐状曲面や角錐状斜面を設ける構成とするものである。
このように、本発明は、凹部の縁部において底面に対し一定の角度をもった面を設けることから、発光ダイオードから底面側に向けて出射される光線は、この縁部によって上側、すなわち底面から離間する角度をもって導光板内に入射されることとなる。したがって、発光ダイオードから底面側に向けて出射される光線は、より発光ダイオードから離間した位置で底面に達し、またその範囲が広がることから、いわば底面に直接到達する光線の配分を減少させることとなり、発光ダイオード周辺での輝度ムラを抑制ないしは改善することができる。

以上説明したように、本発明のバックライト装置及び液晶表示装置によれば、輝度を保持ないしは向上し、かつ発光ダイオード周辺で生じる輝度ムラを抑制ないしは改善することができる。

以下本発明を実施するための最良の形態の例を説明するが、本発明は以下の例に限定されるものではない。
先ず、本発明によるバックライト装置を適用して好適な透過型の液晶表示装置の一例について図１の概略構成図を参照して説明する。
図１に示すように、この透過型の液晶表示装置２００は、透過型の液晶表示パネル１００と、その背面側に設けられたバックライト装置１０とより構成される。図示しないが、この液晶表示装置２００は、地上波や衛星波を受信するアナログチューナー、デジタルチューナーといった受信部、この受信部で受信した映像信号、音声信号をそれぞれ処理する映像信号処理部、音声信号処理部、またこの音声信号処理部で処理された音声信号を出力するスピーカといった音声信号出力部などを備えていてもよい。
この例は、アクティブマトリクス駆動方式による液晶表示装置の場合を示し、ガラス等より成る第１の基板１ａ上において、画素毎に各画素を選択する薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：Thin Film Transistor）２ａと、ＴＦＴ２ａのドレイン領域に接続する画素電極２ｂが形成されており、各画素の境界部において、ＴＦＴ２ａのゲート電極に接続するゲートバスライン２ｃとＴＦＴ２ａのソース領域に接続するソースバスライン２ｄが各画素を接続するように格子状に形成されている。

一方、ガラス等から成る第２の基板１ｂ上には、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３色のカラーフィルタ３が画素毎に交互に形成され、その上層に複数の画素に対して一体に形成された共通電極４が設けられている。図１においては、３画素×３画素の９画素分のみを示しているが、実際にはｍ画素×ｎ画素分を表示するようにカラーフィルタ３が設けられる。画素電極２ｂと共通電極４が対向するように、第１の基板１ａと第２の基板１ｂが平行に所定の間隙をもって配置され、得られた画素電極２ｂと共通電極４の間のスペースに、不図示の液晶配向膜で挟まれるようにして液晶５が封入される。
さらに、第１の基板１ａの画素電極２ｂの形成面の裏面側に、偏光板６と白色光を発するバックライト装置１０が配置され、また、第２の基板１ｂの共通電極４の形成面の裏面側に、偏光板７が配置される。

図２は、液晶駆動電極とＴＦＴの配置図である。図面上、４画素×４画素の１６画素分を示しているが、実際にはｍ画素×ｎ画素分を表示するように配置される。上記のように第１の基板１ａの一方の面上において、画素毎にＴＦＴ２ａと画素電極２ｂが配置され、各画素の境界部において、ゲートバスライン２ｃとソースバスライン２ｄが格子状に形成されている。液晶画面の外枠部分などには、ＸドライバＸＤおよびＹドライバＹＤを含む液晶駆動用ドライバが配置されており、上記のゲートバスライン２ｃは、選択回路Ｇ１〜Ｇｎを介して、ＹドライバＹＤに接続され、一方、ソースバスライン２ｄは、選択回路Ｄ１〜Ｄｍを介して、ＸドライバＸＤに接続される。
ここで、アクティブ素子であるＴＦＴ２ａは、走査電極バスであるゲートバスライン２ｃの信号に従って、液晶５に電界を印加する各画素電極２ｂとデータ電極であるソースバスライン２ｄとを接続し、または切断する役目を果しており、各画素の液晶を選択的に駆動することができる。偏光板６を透過したバックライト装置１０からの光は、上述の選択回路により選択されて駆動された液晶部により透過率を制御されながら液晶５を透過し、さらに各色のカラーフィルタ３及び偏光板７を透過して、偏光板７側にカラー画像を形成する。これにより高コントラストで高速対応な高画質液晶ディスプレイが実現される。
なお、上述の例においては、アクティブマトリクス駆動方式による液晶表示装置の例を説明したが、本発明のバックライト装置及び液晶表示装置は、その他単純マトリクス駆動方式など、種々の駆動方式や、構成による液晶表示装置に適用可能であることはいうまでもない。

図３は、本発明によるバックライト装置１０の一実施の形態例における要部の概略断面構成図である。図３に示すように、本発明によるバックライト装置１０は、導光板３０の発光ダイオード２１を格納する例えば円柱状の凹部３１が、光出射面である上面３０Ａとは反対側の底面３０Ｂに設けられ、その底面３０Ｂ側の縁部３２を、この底面３０Ｂに対し垂直以外の角度をもつ斜面又は曲面、図示の例においては円錐状曲面として構成する例を示す。
導光板３０の材質としては、使用する波長帯域において光透過性を有する無色透明の樹脂、例えばアクリル系樹脂を用いることができる。
なお、凹部３１は、導光板３０の底面３０Ｂに例えば等間隔に列状に設けられ、これら凹部３１内に、図示しないが赤色発光ダイオード、緑色発光ダイオード、青色発光ダイオードが例えばこの順に配置され、導光板３０内に組み込まれる構成となっている。図３においては、各色発光ダイオード２１が並置された一断面を示しているが、例えば図３の紙面に対し垂直な方向に同様の発光ダイオード列が設けられて、全体として発光ダイオード２１が面状に配置されて面状の光源とされる。

そしてこの例においては、導光板３０の底面３０Ｂに拡散シート等より成る拡散構造部３４、側面３０Ｃには反射シート等より成る反射構造部３３がそれぞれ例えば粘着剤を介して貼り付けられて成る。
また導光板３０の上面３０Ａには、低拡散シート等より成る低拡散構造部３５が同様に例えば粘着剤を介して貼り付けられて成る構成とする。
導光板３０の上部の液晶表示パネル１００との間には、導光板３０から出射される光を拡散させる拡散板４１が設けられる。なお、図示しないが、拡散板４１の上面又は下側に、バックライト装置１０から面発光された光を液晶表示パネル１００の照明に最適な光学特性を有する照明光に変換するために、例えば入射光を直交する偏光成分に分解する機能、光波の位相差を補償して広角視野化や着色防止を図る機能、入射光を拡散させる機能、輝度向上を図る機能などを備えたシートで構成される光学シート群を設けてもよい。光学シート群としては、例えば拡散シート、プリズムシート、偏光変換シート等がある。
このような構成のバックライト装置１０において、導光板３０内で赤、緑及び青色の光がミキシングされた光は、更に拡散板４１の内部でこの光を拡散させることで、輝度が均一な白色面発光として液晶表示パネル１００に入射される。

発光ダイオード２１から出射される出射光の放射角分布は、発光ダイオード２１のレンズにより調整することができる。特に、発光ダイオードの側面方向に光が出射されるサイドライト型の発光ダイオードを使用すると、導光板３０内の広い領域にわたって光線を導光させることができる。
このサイドライト型の発光ダイオード２１は、詳細を省略するがそれぞれ発光素子等の発光体を樹脂ホルダによって保持するとともに、樹脂ホルダから一対の端子が突出されてなる。各発光ダイオード２１には、光源から発せられた光を側面から放射させる光学部品が設けられて、出射光の主成分を発光体の外周方向に出射する指向性を有する構成とされる。なお、サイドライト型発光ダイオードについては、例えば特開２００３−８０６８号公報や特開２００４−１３３３９１号公報などに開示されている。

次に、本発明によるバックライト装置における光線の反射態様を説明する前に、従来のバックライト装置における光線の反射態様について説明する。
図４は、従来のバックライト装置の要部の概略断面構成図を示す。従来のバックライト装置１０においては、導光板３０の発光ダイオード２１を内部に格納する凹部３１の形状としては、例えば円柱状とされる。
また、導光板３０の底面３０Ｂには、反射シート等よりなる反射構造部３３Ｂが設けられ、側面３０Ｃにも同様に反射構造部３３Ａが設けられる。更に、導光板３０の光出射面である上面３０Ａには、前述したように、光の拡散及び取出しを目的とする拡散シート等の拡散構造部３６が設けられる。

このような構成において、発光ダイオード２１から出射された光線は、図５において矢印Ｌ１〜Ｌ４、Ｌ４ａ、Ｌ４ｂで示すように、導光板３０内の内面で反射しながら導光板３０内を進行し、３色の光線はミキシングされ白色光として導光板より出射され、液晶表示パネル１００に入射する。導光板の材料としては、無色透明樹脂、例えばアクリル系樹脂を用いることができる。発光ダイオード２１の放射角分布は、この発光ダイオード２１に取り付けられたレンズにより調整することができ、例えば前述のサイドライト型のＬＥＤを使用すれば、図５において矢印Ｚで示す垂線からの角度分布を適切に側面方向に分布させ、導光板３０内に良好に光線を導光させることができる。図５において、図４と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
この光線は、全反射臨界角（アクリル系樹脂より成る導光板では約４２度）より大きい入射角度では導光板３０の中で反射を繰り返し、導光板３０内を伝播する。発光ダイオード２１より出射した光線が導光板３０の中で反射を繰り返し続けることにより、発光ダイオード２１からの光線が広範囲に伝播し、上面３０Ａの拡散構造部３６上は均一な輝度分布になる。
しかしながら、発光ダイオード２１より出射された光線のうち、上面３０Ａの拡散構造部３６における透過可能角度範囲に含まれない入射角度の光線は、図５において矢印Ｌ４、Ｌ４ａ、Ｌ４ｂで示すように、導光板の底面３０Ｂ、側面３０Ｃにおいて鏡面反射を繰り返し、導光板３０から出射されない状態になる。つまり、導光板３０から出射しない光線が多くなり、バックライト装置１０の輝度向上を阻む原因となる。
そこで、図６に示すように、導光板３０の上面３０Ａに拡散シート等より成る拡散構造部３６を設けることにより、導光板３０の全反射臨界角以上の光線の一部が外部に出射できるようになり、バックライト装置１０の輝度向上が可能になる。しかし、拡散構造部３６より直接出射する光線Ｌ４ｓが増加し、輝度ムラが悪化する原因となる。図６において、図４及び図５と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
その結果、拡散構造部３６の拡散シート等により導光板３０からの出射光線は増加するが、輝度ムラが悪化してしまう。つまり、導光板３０の上面の拡散構造部３６の拡散特性により、輝度ムラと輝度アップがトレードオフ状態になってしまうことがわかる。

これに対し、比較例として、導光板３０の底面３０Ｂに、拡散シート等より成る拡散反射構造部を設ける場合についての光線の反射態様を図７に示す。
ここで拡散反射構造部とは、透過率、吸収率が極めて低く、入射した光の殆どが反射し、その光の殆どが完全拡散する構造を示す。
図７に示すように、導光板３０の底面３０Ｂに鏡面ミラーシート等の反射構造部ではなく、拡散反射構造部３４を貼り付け等により設ける場合、導光板３０の上面３０Ａより出射する光量は増加するが、矢印Ｌ１で示すように、発光ダイオード２１の周辺の輝度分布が高くなってしまい、輝度ムラが悪化してしまう。発光ダイオード２１の周辺の輝度ムラの悪化の主要因は、発光ダイオード２１から出射した水平から下向きの矢印Ｌ１で示す光線が、底面３０Ｂの拡散反射構造部３４に直接達し拡散反射するためである。図７において、図６と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。

そこで、本発明においては、この下向きの光線をより水平方向に向けるために、発光ダイオード２１を埋め込む凹部３１の形状を工夫するものである。
すなわち、本発明によるバックライト装置１０においては、前述の図３において説明したように、凹部３１の底面３０Ｂ側の縁部３２を、底面３０Ｂに対し垂直以外の斜面又は曲面、例えば円錐状曲面とするものである。
この場合、図８に示すように、凹部３２の下部を円錐状曲面とすることによって、矢印Ｌ１´で示すように、導光板３０内に入射する角度は、破線矢印Ｌ１ｃで示す従来構成の例えば円柱状凹部を設ける場合の入射光線の角度と比べて上向きとなり、発光ダイオード２１からより離間した位置で底面３０Ｂ側の拡散反射構造部３４に達し、またこの拡散反射構造部３４に直接達する光線の配分を減らすこととなり、輝度ムラの低下を抑制、ないしは改善することが可能となる。図８において、図７と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
なお、このような効果は、凹部３１の縁部３２を例えば角錐状とする場合においても、同様に得られる。
更に、図８に示すように、凹部３１の断面形状が、縁部３２において直線部のみを有する形状である場合は、導光板３０を射出成形等によって形成する場合に製造し易く、また円柱状の凹部を形成した後、その縁部を研磨するなどの比較的簡単な製造方法により製造することが可能である。

一方、図７において矢印Ｌ４で示すように発光ダイオード２１から上向きに出射される光線、すなわち上面３０Ａ側に出射される光線は、導光板３０上面３０Ａの拡散構造部３６に直接到達し、そこで拡散透過すると輝度ムラの悪化の原因になる。
そこで本発明においては、図８に示すように、導光板３０の上面３０Ａには、拡散の少ない透過シート等より成る低拡散透過構造部３５を設けることにより、輝度ムラを低減することが可能となる。
ここで、低拡散透過構造部とは、透過率が高く、例えば透過率が８０％程度以上であり、その殆どが完全拡散せず拡散が少ない構造を示す。

このように、本発明においては、導光板３０の発光ダイオード２１を組み込む凹部３１の形状を下側縁部において斜面又は曲面を設ける構成とすることによって、下側に出射される光線の導光板への入射角を上向きに変化させ、これにより輝度ムラの低下を抑制し、また導光板３１の底面に拡散反射構造部３４を設けることによって、輝度の向上を図ることができる。
更に、導光板３０の上面３０Ａに低拡散透過構造部３５を設けることによって、更に輝度ムラを抑制し、これらの効果が相俟って、より輝度ムラの抑制、輝度の向上を図ることができる。
すなわちこのような構成とする場合は、導光板３０の底面３０Ａの拡散反射構造部３４によって、輝度向上をコントロールすることが可能で、また、発光ダイオード２１を埋め込む凹部３１の形状と、上面３０Ａの低拡散透過構造部の拡散特性によって、輝度ムラのコントロールを行うものであり、それぞれ輝度ムラと輝度向上の機能を分離することによって、より良好に輝度ムラ及び輝度向上を図ることが可能となる。

図９は、このような本発明構成のバックライト装置と、図４において説明した従来構成のバックライト装置における輝度分布を比較して示す図である。図９において、実線ａは、図１０Ａにバックライト装置の要部の断面構成を示すように、発光ダイオード２１を格納する凹部３１の形状を円柱状とした例で、また、図９において実線ｂは、図１０Ｂにバックライト装置の要部の断面構成を示すように、発光ダイオード２１を格納する凹部３１の上側を円柱状とし、その底面側の縁部３２を円錐状とした例で、各例ともに、導光板の底面に拡散反射構造部を設け、また光出射面である上面に、低拡散透過構造部を設けた場合で、また、凹部３１の発光ダイオード２１の直上部分には反射ミラーより成る反射部３７を設けて導光板内における輝度分布を調べたものである。図９において、導光板の端部から１４目盛（１目盛＝５ｍｍ）の位置が発光ダイオード２１の中心位置である。

この図９の結果から、本発明によるバックライト装置においては、発光ダイオード周辺の輝度と発光ダイオードから離間した領域の輝度とが比較例と比べて均一化され、輝度ムラが改善されていることがわかる。更に、輝度の向上も図っていることがわかる。

以上説明したように、本発明によれば、輝度ムラを抑制又は改善することができ、輝度の向上を図ることができる。輝度ムラを抑えることができるので、バックライト装置及びこれを用いた液晶表示装置の薄型化、小型化も可能となる。
また、導光板の底面に設ける拡散反射構造部は、底面において全面一様の拡散反射シート等を用いることができるため、例えば部分的に拡散する反射シート等を設ける場合と比べて製造も容易になり、比較的安価なバックライト装置及びこれを用いた液晶表示装置を提供することが可能となる。

なお、本発明は、上述の実施の形態例に限定されるものではなく、その他導光板の材料構成、また導光板周辺の光学部品の構成、更に発光ダイオードの種類や配置態様など、本発明構成を逸脱しない範囲において、種々の変形、変更が可能であることはいうまでもない。

本発明の液晶表示装置の一実施の形態例の概略分解構成図である。 液晶表示装置の一実施の形態例の要部の概略構成図である。 本発明によるバックライト装置の一実施の形態例の要部の概略断面構成図である。 従来のバックライト装置の一実施の形態例の要部の概略断面構成図である。 従来のバックライト装置の一例における光線の反射態様の説明図である。 従来のバックライト装置の一例における光線の反射態様の説明図である。 比較例によるバックライト装置における光線の反射態様の説明図である。 本発明によるバックライト装置の一実施の形態例における光線の反射態様の説明図である。 本発明のバックライト装置の一実施の形態例及び比較例における輝度分布を示す図である。 Ａは従来のバックライト装置の一例の要部の概略構成図である。Ｂは本発明のバックライト装置の一実施の形態例の要部の概略断面構成図である。

符号の説明

１ａ．第１の基板、１ｂ．第２の基板、２ａ．ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）、２ｂ．画素電極、２ｃ．ゲートバスライン、２ｄ．ソースバスライン、３．カラーフィルタ、４．共通電極、５．液晶、６．偏光板、７．偏光板、１０．バックライト装置、３０．導光板、３０Ａ．上面、３０Ｂ．底面、３０Ｃ．側面、３１．凹部、３２．縁部、３３．反射構造部、３３Ａ．反射構造部、３３Ｂ．反射構造部、３４．拡散反射構造部、３５．低拡散透過構造部、３６．拡散構造部、４１．拡散板、１００．液晶表示パネル、２００．液晶表示装置

Claims (2)

1. 側面方向に光が出射される直下型の発光ダイオードを光源とし、上記発光ダイオードが導光板に組み込まれて成るバックライト装置であって、
   上記導光板の光出射面と対向する底面に形成された上記発光ダイオードを組み込む凹部と、
   上記導光板の光出射面と対向する底面に沿って設けられた拡散反射構造部と、を備え、
   上記凹部の形状は、上記光出射面側を円柱状とし、上記底面側を、底面に向かって上記円柱状に対して広がるように連続する円錐状とした
   ことを特徴とするバックライト装置。
2. 透過型の液晶表示パネルと、上記液晶表示パネルを背面側から白色光で照明するバックライト装置とを備えて成る液晶表示装置において、
   上記バックライト装置は、側面方向に光が出射される直下型の発光ダイオードを光源とし、上記発光ダイオードが導光板に組み込まれて成り、
   上記導光板の光出射面と対向する底面に沿って設けられた拡散反射構造部と、を備え、
   上記凹部の形状は、上記光出射面側を円柱状とし、上記底面側を、底面に向かって上記円柱状に対して広がるように連続する円錐状とした
   ことを特徴とする液晶表示装置。

Images