JP2004117606A

JP2004117606A - 液晶表示装置のバックライト

Info

Publication number: JP2004117606A
Application number: JP2002278257A
Authority: JP
Inventors: Junji Miyashita; 宮下　純司
Original assignee: Citizen Electronics Co Ltd
Current assignee: Citizen Electronics Co Ltd
Priority date: 2002-09-25
Filing date: 2002-09-25
Publication date: 2004-04-15

Abstract

【課題】調光体の光の透過率を改善して、消費電力を増加することなくカラー表示や動画化した液晶表示装置にも対応することが可能な、明るく高輝度でかつ消費電力の低い高効率のバックライトを提供する。
【解決手段】光源と、光源から投射される光を受光し、上面と下面との間で全反射を繰り返して内部に拡散するとともに、下面に階段状の反射面が多数形成された導光板と、導光板の下面に対向して配置され、導光板の下面から漏洩する光を反射して導光板に戻す反射シートと、導光板の上面から投射される光を受光して所要の照明光に調光する調光体とを有する液晶表示装置のバックライトにおいて、調光体が、複数枚のプリズムシートのみから構成され、この複数枚のプリズムシートは、いずれも上面に相互に平行に微細なプリズムを多数配列して形成されたプリズムシートであることを特徴とする液晶表示装置のバックライトによって達成される。
【選択図】　　　図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶表示装置に使用される液晶表示セルを照明するバックライトに関するものであり、特に、光源と、この光源から投射される光を受光し、上面と下面との間で全反射を繰り返して内部に拡散するとともに、下面に階段状の反射面が多数形成された導光板と、導光板の下面に対向して配置され、導光板の下面から漏洩する光を反射して導光板に戻す反射シートと、導光板の上面から投射される光を受光して所要の照明光に調光する調光体とを有する液晶表示装置のバックライトに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
液晶表示装置は、最近では、パーソナルコンピュータやテレビ、或いは携帯電話やＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ　Ｄｉｇｉｔａｌ　Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）等の表示装置として広く使用されている。特に、携帯電話やＰＤＡ等の携帯可能な小型の液晶表示装置では、最近はカラー表示が一般的となり、更に動画化することが求められている。これに伴って、液晶表示装置をより鮮明で明るいものにする必要があり、液晶表示装置のバックライトを高輝度化することが当面の課題として要求されている。一方、電源として使用する電池の寿命を長くするために、消費電力を低減することも要求されており、この相反する要求を満たす高輝度でかつ消費電力の低い高効率のバックライトを開発することが当面の課題として重要になっている。
【０００３】
図４は従来技術の液晶表示装置のバックライトの概念的な断面図を示すものである。図に示すように、液晶表示装置のバックライト３１は、光源となるＬＥＤ（発光ダイオード）３２から投射される光を受光して導光板３３の端面３３ａから入射し、矢印Ａで示すように、導光板３３の上面３３ｂと下面３３ｃとの間で全反射を繰り返して内部に拡散するとともに、矢印Ｂで示すように、導光板３３の下面３３ｃに形成された多数の階段状の反射面３３ｄで反射して上方に向かった光を導光板３３の上面３３ｂから調光体３４に投射する。この導光板３３の上面３３ｂから投射される光を受光して所要の照明光に調光する調光体３４と、導光板３３の下面３３ｃから下方に漏洩する光を反射して導光板３３に戻す反射シート３５とを有している。
【０００４】
導光板３３には、前述したように、下面３３ｃに多数の階段状の反射面３３ｄが形成されており、この反射面３３ｄで反射した光は、上面３３ｂに対して臨界角以下になったときには上面を透過して調光体３４に向かって投射され、臨界角を超える角度の光は上面で全反射して再び下面３３ｃに向かうように構成されている。そして、調光体３４では、拡散シート３６で導光板３３の上面３３ｂから投射された光を拡散し、この拡散した光を、プリズムの向きが互いに直交して配置されたプリズムシート３７、３８で上方に向かって投射される光に調光して、調光体３４の上方に配置された液晶表示装置の液晶セル（図示しない）を照明するように構成されている。
【０００５】
図５は導光板３３の内部における光の反射の状態を示す説明図であって、導光板３３として、この実施例に示すような多数の階段状の反射面３３ｄを形成した導光板３３を使用すると、導光板３３の上面３３ｂに対して反射面３３ｄが傾斜角αだけ傾斜しているので、図に示すように、点Ｐ３　，Ｐ４　，Ｐ５　で反射するたびに、反射して投射される光の角度がαずつ変化し、導光板３３の上面３３ｂの点Ｐ３　におけるθ４　から、反射面３３ｄの点Ｐ４　におけるθ５　、上面３３ｂの点Ｐ５　におけるθ６　はそれぞれ、
θ５　＝θ４　−α
θ６　＝θ５　−α＝θ４　−２α
と減少してより上方に向かう光となる。
【０００６】
ここで、上面３３ｂの点Ｐ５　において臨界角以下になる光の角度の範囲は、臨界角をＣとしたときに、点Ｐ３　で全反射した光なので、
Ｃ＜θ４
であり、点Ｐ５　で臨界角以下となるので、
θ６　≦Ｃ
の光である。
【０００７】
前述したように、
θ６　＝θ４　−２α
なので、点Ｐ５　において、上面３３ｂに対して臨界角以下になる光の角度の範囲は、点Ｐ３　においては、
Ｃ＜θ４　≦Ｃ＋２α
の範囲の光のみとなる。
【０００８】
この光のうち、
θ５　≦Ｃ
の光、すなわち、
θ４　＝θ５　＋α≦Ｃ＋α
の光は、反射面３３ｄの点Ｐ４　で臨界角以下になり、反射面３３ｄから下方に漏洩するが、反射シート３５で反射して再び導光板３３に戻されるので、この光の点Ｐ５　における入射角θ６　は変化することがあるが、いずれにしても、点Ｐ３　において、
Ｃ＜θ４　≦Ｃ＋２α
の光が導光板３３の上面３３ｂから上方に投射されることになる。
【０００９】
従って、このバックライト３１では、光源であるＬＥＤ３２から投射されて導光板３３に入射した光は、導光板３３の上面３３ｂと下面３３ｃとの間で全反射を繰り返すとともに、
Ｃ＜θ４　≦Ｃ＋２α
となった光のみが上面３３ｂを透過して調光体３４に向かって投射されることになり、一定の角度範囲の光のみが導光板３３の上面３３ｂから調光体３４に向かって投射されるので、導光板３３の上面３３ｂの全面からほぼ一定の光量の光が調光体３４に向かって投射される長所を有している。
【００１０】
ここで、一般的に使用されている導光板では、導光板３３の屈折率が１．５５なので、臨界角Ｃは約４０．２°となる。また、反射面３３ｄの傾斜角が３°となっている導光板３３を採用すると、上面３３ｂから調光体３４に向かって投射される光の点Ｐ５　における入射角θ６　は、反射シート３５で反射して入射角が変化したものも含めて、
３５．０°≦θ６　＜４０．２°
の範囲の光となる。
【００１１】
そして、この光が点Ｐ５　において導光板３３の上面３３ｂから投射される角度θ７　は、約６２．７°〜９０°となる。この角度は、図５（投射角６２．７°を描いている）に示す角度から水平までの角度の範囲であって、水平に非常に近い角度となる。このため、従来技術では、拡散シート３６によって光を拡散させ、この拡散した光をプリズムの向きが互いに直交して配置されたプリズムーシート３７、３８で上方に屈折させて液晶表示セルを照明している。
【００１２】
このように構成した従来技術のバックライト３１における光の透過率は、拡散シートが約８０％、プリズムシートが約６０％となるので、全体として、
透過率＝０．８×０．６×０．６＝０．２８８
となり、ＬＥＤ３２から投射された光の約２９％のみが液晶表示セルを照明する光となる。ここで、プリズムシートの透過率が約６０％となるのは、拡散シート３６で拡散された光をプリズムーシート３７、３８で上方に屈折させることによって上方に向かう光の成分の割合であって、プリズムーシート３７、３８自体の透過率は約９０％程度の高い透過率を有するものである。
【００１３】
以上に説明したように、従来技術のバックライト３１においては、導光板３３から投射される光が、所定の方向に一定の角度範囲（約６２．７°〜９０°）で投射される光であるにもかかわらず、この光を拡散シート３６によって全ての方向に拡散させて光の方向性を失わせ、一定の角度範囲（約６２．７°〜９０°）で投射される光であるとの特徴をなくすことによって、調光体３４の光の透過率を低くしていたものである。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような従来技術の問題点を解消して、調光体の光の透過率を改善することによって、消費電力を増加することなく、より高輝度化した液晶表示装置のバックライトを提供しようとするものであって、このために、従来技術では３０％に満たない調光体の透過率を大幅に向上させて、消費電力を増加することなくカラー表示や動画化した液晶表示装置にも対応することが可能で、明るく高輝度でかつ消費電力の低い高効率の液晶表示装置のバックライトを提供しようとするものである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような従来技術の問題点を解決するために、光源と、この光源から投射される光を受光し、上面と下面との間で全反射を繰り返して内部に拡散するとともに、下面に階段状の反射面が多数形成された導光板と、該導光板の下面に対向して配置され、前記導光板の下面から漏洩する光を反射して前記導光板に戻す反射シートと、前記導光板の上面から投射される光を受光して所要の照明光に調光する調光体とを有する液晶表示装置のバックライトにおいて、前記調光体が、複数枚のプリズムシートのみから構成され、この複数枚のプリズムシートは、いずれも上面に相互に平行に微細なプリズムを多数配列して形成されたプリズムシートであることを特徴とする液晶表示装置のバックライトを提供するものである。
【００１６】
ここで、前記複数枚のプリズムシートが、２枚のプリズムシートであって、同じ性能のプリズムシートを重ねて配置することが望ましく、或いは、前記複数枚のプリズムシートの少なくとも１枚が、前記導光板に対して、プリズムの配列が所定の角度だけ傾斜して配置されていることが望ましい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細について、実施例を示す図面に基づいて説明する。図１は本発明の液晶表示装置のバックライトの１実施例を示す概念的な断面図であり、図２は図１に示す液晶表示装置のバックライトの平面図、図３はこのバックライトの導光板と調光体とにおける光の経路を示す概念的な断面図である。
【００１８】
図１に示すように、本発明の液晶表示装置のバックライト１は、光源であるＬＥＤ２と、このＬＥＤ２から投射される光を導光板３の端面３ａから受光して、上面３ｂと下面３ｃとの間で全反射を繰り返して内部に拡散するとともに、下面３ｃに多数の階段状の反射面３ｄが形成された導光板３と、この導光板３の上面３ｂから投射される光を受光して所要の照明光に調光する調光体４と、導光板３の下面３ｃに対向して配置されており、導光板３の下面３ｃから下方に漏洩する光を反射して導光板３に戻す反射シート５とを有している。ここで、本発明に係わる調光体４は、複数枚のプリズムシート６、７のみから構成されており、このプリズムシート６、７は、上側の面に相互に平行に多数の微細なプリズムが形成されている。
【００１９】
ここで、調光体４を構成する複数枚のプリズムシート６、７は、図から明らかなように、２枚の同じ性能のプリズムシート６及び７が重ねて配置されている。そして、この２枚のプリズムシート６、７の少なくとも１枚は、図２に示すように、導光板３に対して、プリズムの配列が所定の角度だけ傾斜して配置することができる。
【００２０】
以下に、このように構成された液晶表示装置のバックライト１における光の伝播の経路について検討する。ここで、導光板３及びプリズムシート６、７は従来技術と全く同様のものであって、導光板３は屈折率が１．５５であり、下面３ｃに傾斜角αが３°の反射面３ｄが形成されている。また、プリズムシート６、７はいずれも屈折率が１．４９であって、上面に頂角βが９０°のプリズムが形成されている。
【００２１】
このバックライト１において、光源であるＬＥＤ２から投射された光は、導光板３の端面３ａから導光板３の内部に入射し、水平に近い光は、導光板３の上面３ｂ及び下面３ｃに対する入射角が大きいので、矢印Ａで示すように、上面３ｂ及び下面３ｃの間で全反射を繰り返して導光板３の内部に拡散する。そして、従来技術について、図５を参照して説明したように、この反射角は、上面３ｂ及び下面３ｃの間で反射するたびに入射角がα（実施例では３°）ずつ小さくなるので、遂には上面３ｂに対する入射角が臨界角Ｃ（導光板３では約４０．２°）より小さくなり、導光板３の上面３ｂを透過して外部に投射される。
【００２２】
この導光板３の内部における光の経路は、従来技術と同様であって、従来技術を示す図５及び図３に示すように、導光板３３の端面３３ａから入射した光の点Ｐ３　における入射角をθ４　としたとき、点Ｐ４　におけるθ５　及び点Ｐ５　におけるθ６　はそれぞれ、
θ５　＝θ４　−α
θ６　＝θ５　−α＝θ４　−２α
と減少してより上方に向かう光となり、
そして、点Ｐ３　において、
Ｃ＜θ４　≦Ｃ＋２α
となる範囲の光のみが点Ｐ５　において屈折して外部に投射されることは前述したとおりである。
【００２３】
ここで、
α＝３°
Ｃ＝４０．２°
（屈折率＝１．５５のとき）
とすると、
４０．２°＜θ４　≦４６．２°
の光が点Ｐ５　において外部に投射されることになる。
【００２４】
図３は、本発明のバックライトにおける導光板と調光体とにおける光の経路を示す概念的な断面図であって、バックライト１の導光板３と調光体４（プリズムシート６、７）とにおける光の経路を示す。図において、点Ｐ３　におけるθ４　＝４３．２°の光は、この図に実線Ｌ１　で示すように、点Ｐ５　において導光板３の上面３ｂから投射される光の投射角θ７　が約６９．５°となり、屈折率１．４９であって、頂角が９０°の２枚のプリズムシート６及び７を透過して、プリズムシート７の右側の斜面から投射される光の投射角は、鉛直に対して１１．４°の角度で投射される。
【００２５】
従って、この光の鉛直方向の成分は０．９８となり、調光体４の全体としての透過率は、プリズムシートの透過率を０．９とすると、
０．９×０．９×０．９８┤０．７９４
となって、従来技術の拡散シートを使用したときの透過率０．２８８の２．７６倍にも達することができる。
【００２６】
同様にして、細線Ｌ２　で示されるθ４　＝４６．２°の光がプリズムシート７の右側の斜面から投射される光の投射角は、鉛直に対して１６．０°となり、この光の鉛直方向の成分は０．９６となって、調光体４の全体としての透過率は、
０．９×０．９×０．９６┤０．７７８
となり、従来技術の拡散シートを使用したときの透過率０．２８の２．７０倍となる。
【００２７】
また、二点鎖線Ｌ３　で示されるθ４　＝４０．２°の光は、導光板３の下面から漏洩して反射シート５で反射して導光板３に戻り、その後、同様にして、プリズムシート７の右側の斜面から投射される光の投射角は、鉛直に対して７．９°となり、この光の鉛直方向の成分は０．９９となって、調光体４の全体としての透過率は、
０．９×０．９×０．９９┤０．８０２
となり、従来技術の拡散シートを使用したときの透過率０．２８８の２．７８倍となる。
【００２８】
実際には、この計算には示されていない光の漏洩などもあり、調光体４の全体としての透過率は、０．６０〜０．７０程度となるが、それでも、従来技術の２倍ないし２．４倍程度の明るさが得られることが明らかである。従って、本発明は、従来技術の調光体３４から拡散シート３８を取り除き、上面側に相互に平行に多数の微細なプリズムが形成されたプリズムシート６、７を配置した調光体４を採用するのみで、従来技術の２．０〜２．４倍の明るさのバックライトを得ることができる。
【００２９】
図３の実線Ｌ１　で示されるθ４　＝４３．２°の光がプリズムシート７の右側の斜面から投射される位置には、細線Ｌ２　で示されるθ４　＝４６．２°の光と、二点鎖線Ｌ３　で示されるθ４　＝４０．２°の光との投射角度を重ねて描いてある。この図から明らかなように、点Ｐ３　において、
４０．２°＜θ４　≦４６．２°
となり、点Ｐ５　から上方に投射される光は、上側のプリズムシート７から、非常に狭い投射角度で液晶セルに投射される。
【００３０】
そして、この投射角度は、プリズムシート６、７の頂角βを変更し、あるいはプリズムシート６、７の材質を変更して屈折率（臨界角Ｃ）を変更することによって任意に設定することができるので、照明される液晶セルに最も適合する投射角度に設定することができる。
【００３１】
以上の説明では、２枚のプリズムシート６、７について検討したが、光がプリズムシートを透過することによって鉛直方向に経路を変更するので、プリズムシートを３枚以上にすることによって、より鉛直方向の光とすることができる。しかし、２枚のプリズムシートで鉛直方向の成分が０．９６〜０．９９となっているので、プリズムシートの透過率が格段に高いものでなければ、全体としての光の透過率が減少することも考えられる。
【００３２】
以上の説明では、プリズムシート６、７のプリズムの配列の向きが導光板３に直交する向きに配列されているものとして検討してきたが、図２に示すように、導光板３に対してプリズムの配列が所定の角度だけ傾斜して配置されたプリズムシートとすることができる。このときには、傾斜に応じて見掛け上のプリズムシートの頂角βが増加することになり、頂角が９０°のプリズムシートを使用しても、９５°や１００°の頂角のプリズムシートを使用すると同様な効果を得ることができる。
【００３３】
このように、プリズムシート６、７のプリズムの向きを導光板３に対して所定の角度だけ傾斜して配列すると、光の経路に横方向の成分が混じることになる。これを消去するためには、同じ性能のプリズムシート６、７を使用し、プリズムシート６と７との間で、プリズムの配列の向きを逆方向に同じ角度だけ傾斜するように配列すれは、光の経路に横方向の成分が混じることを消去することができる。
【００３４】
図２では、複数個のＬＥＤ２が光源として使用されているが、ＬＥＤ２が１個のみの場合には、導光板３の反射面３ｄとプリズムシート６、７のプリズムを、光源となるＬＥＤ２を中心とした同心円状に形成することで、導光板３の全面で実質的なプリズムの頂角βをほぼ一定にすることができる。このように導光板３の反射面３ｄとプリズムシート６、７のプリズムを同心円状に配置することによって、ＬＥＤ２から放射状に投射された光が、導光板３のどの位置で上方に投射されても、この光を受光するプリズムの頂角βが一定になり、プリズムシート７から投射される光は、鉛直方向に対してほぼ一定の投射角度で投射される光とすることができる。
【００３５】
以上、本発明の液晶表示装置のバックライトについて説明したが、本発明は、前述したように、光源と、この光源から投射される光を受光し、上面と下面との間で全反射を繰り返して内部に拡散するとともに、下面に多数の階段状の反射面が形成された導光板と、この導光板の上面から投射される光を受光して所要の照明光に調光する調光体とを有する液晶表示装置のバックライトにおいて、調光体が複数枚のプリズムシートのみから構成され、この複数枚のプリズムシートは、いずれも上面に相互に平行な多数のプリズムが形成されたプリズムシートであることを特徴とする液晶表示装置のバックライトであって、実施例に述べた実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において各種の変更や改良を行うことができることは勿論である。
【００３６】
【発明の効果】
本発明の液晶表示装置のバックライトは、以上のように構成されているので、調光体の光の透過率を大幅に改善することによって、消費電力を増加することなくより高輝度化した液晶表示装置のバックライトを提供することができる。すなわち、従来技術では３０％に満たない調光体の透過率を大幅に向上させて、消費電力を増加することなくカラー表示や動画化した液晶表示装置にも対応することが可能な、明るく高輝度でかつ消費電力の低い高効率の液晶表示装置のバックライトを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の液晶表示装置のバックライトの１実施例を示す概念的な断面図である。
【図２】図１に示す液晶表示装置のバックライトの平面図である。
【図３】バックライトの導光板と調光体とにおける光の経路を示す概念的な断面図である。
【図４】従来技術の液晶表示装置のバックライトの概念的な断面図である。
【図５】導光板の内部における光の反射の状態を示す説明図である。
【符号の説明】
１　バックライト
２　ＬＥＤ
３　導光板
３ａ　端面
３ｂ　上面
３ｃ　下面
３ｄ　反射面
４　調光体
５　反射シート
６，７　プリズムシート

Claims

光源と、この光源から投射される光を受光し、上面と下面との間で全反射を繰り返して内部に拡散するとともに、下面に階段状の反射面が多数形成された導光板と、該導光板の下面に対向して配置され、前記導光板の下面から漏洩する光を反射して前記導光板に戻す反射シートと、前記導光板の上面から投射される光を受光して所要の照明光に調光する調光体とを有する液晶表示装置のバックライトにおいて、
前記調光体が、複数枚のプリズムシートのみから構成され、この複数枚のプリズムシートは、いずれも上面に相互に平行に微細なプリズムを多数配列して形成されたプリズムシートであることを特徴とする液晶表示装置のバックライト。
前記複数枚のプリズムシートが、２枚のプリズムシートであって、同じ性能のプリズムシートを重ねて配置することを特徴とする請求項１記載の液晶表示装置のバックライト。
前記複数枚のプリズムシートの少なくとも１枚が、前記導光板に対して、プリズムの配列が所定の角度だけ傾斜して配置されていることを特徴とする請求項１又は２記載の液晶表示装置のバックライト。