JP2005108676A

JP2005108676A - 発光ダイオードを用いたバックライト

Info

Publication number: JP2005108676A
Application number: JP2003341530A
Authority: JP
Inventors: Yoji Kawasaki; 要二川崎
Original assignee: Harison Toshiba Lighting Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 2003-09-30
Filing date: 2003-09-30
Publication date: 2005-04-21

Abstract

【課題】色ムラおよび輝度ムラを抑止する発光ダイオードを用いたバックライトを提供する。
【解決手段】出光面１ａ、入光面１ｂおよび反射面１ｃを有し、入光面１ｂから対向する面に向かって厚さが大きくなる導光板１と、この導光板１の入光面１ｂに出射光を供給するように配設された複数の発光ダイオード３と前記導光板１の出光面１ａに配置されたプリズムシート２とを備え、このプリズムシート２はプリズム柱を多数連続的に配列しているプリズム面２ａ、プリズム面に対向する平面２ｂを有し、出光面１ａに面するプリズム柱の内角が８０〜１２０度であることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光ダイオードを光源としたバックライトに関する。

バックライトは、液晶テレビやノートパソコン等の液晶表示機器などに用いられている。

発光ダイオードを用いたバックライト装置では、主に青色発光ダイオードに黄色の蛍光体を塗装した白色発光ダイオードを用いる場合と、青色、緑色、赤色（以後、ＲＧＢ）の複数の発光ダイオードを用いる場合がある。前者は、その発光ダイオードの光を導光板に入射すれば出光面で白色が得られるが、液晶表示したときに色の再現性（特に赤色）に難があった。後者は、色の再現性がよく赤色もきれいに表示できるが、ＲＧＢ光をバックライト装置の出光面から取り出す前に混光し、白色にしなければならないという欠点がある。

図７は、米国のＬＵＭＩＬＥＤＳ社が発表したＲＧＢを混光して白色光を得るサイドライト式バックライト装置の構造を示す拡大断面図である。発光ダイオード１０１は基板１０２に複数実装され、さらに全ての発光ダイオード１０１のそれぞれのレンズをケース１０３の底部１０３ａから出している。ケース１０３の底部１０３ａの縁端からそれぞれ側壁１０３ｂ、１０３ｃが延在する。奥に向かって厚みが厚くなるような逆くさび型の導光板１０４はその入光面１０４ａに近接する出光面１０４ｂと第１の反射面１０４ｃの縁をケース１０３の側壁１０３ｂ、１０３ｃで挟むように固定されている。さらに、導光板１０４の第１の反射面１０４ｃと第２の反射面１０４ｄには、導光板１０４の外に出射した光を再入射させるために反射手段１０５が備えられている。導光板１０４の出光面１０４ｂには、三角柱状に形成されたプリズム柱を多数配列しているプリズム面１０６ａとその面に対向する平面１０６ｂを有するプリズムシート１０６を、そのプリズム面１０６ａを向けて配設している。

また、同じようにプリズムシートのプリズム面を導光板の出光面に向けて配設した公知文献として、特開２０００−１４７４９８のような技術がある。
ジェラードハーバーズ著作 (Gerard Harbers)、「液晶表示のためのＬＥＤバックライト」（LED Backlighting for LCD displays）、２００２年１１月発表 [２００３年８月２５日検索]、ルミレッツ (Lumileds) (米国)、参照図２１頁 Wedge Shape、インターネット＜ URL http://www.lumileds.com/pdfs/techpaperspres/SID-BA.pdf＞

プリズム面１０６ａを出光面１０４ｂに向けて配設したプリズムシート１０６については、ＬＵＭＩＬＥＤＳ社が発表した資料には何の説明もなかった。よって、プリズムシート１０６のプリズム面１０６ａは、プリズム面１０６ａから入射した光が図７の出射光１０７のようになる作用をすると考えた。したがって、プリズムシート１０６はプリズム面１０６ａで入射光の方向を出光面１０４ｂの前方方向にし、平面１０６ｂから出射させる作用をすると判断した。よって、このプリズムシート１０６では、正面輝度は高くなるが、導光板の反射面の形状によっては出光面１０４ｂから出射光が偏って出光し、輝度ムラが発生する。

ここで、図７のバックライトを製作し追試をすると、出光面から得られる光量が少なく、色ムラがあり、さらに均斉度が低いという結果が得られた。その原因を調査すると、第２の反射面１０４ｄにおける反射がうまく行われていないことがわかった。

このことからも、プリズムシート１０６は、入射光を光の角度を正面方向にして平面１０６ｂから出射し、正面輝度を高くする作用はあるが、輝度ムラを減少させる作用はないと言える。

従って、本発明は、色ムラおよび輝度ムラを抑止するバックライトを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の発光ダイオードを用いたバックライトは、出光面、入光面および反射面を有し、入光面から対向する面に向かって厚さが大きくなる導光板と、この導光板の入光面に出射光を供給するように配設された複数の発光ダイオードと前記導光板の出射面に配置されたプリズムシートとを備え、このプリズムシートはプリズム柱を多数連続的に配列しているプリズム面、プリズム面に対向する平面を有し、出光面に面するプリズム柱の内角が８０〜１２０度であることを特徴とする。

したがって、本発明では、導光板の入光面から入射した発光ダイオードからの出射光が、導光板内で反射を繰り返しながら導光板の出光面から出射する。さらに反射手段によっても、反射または出射し、反射した光は導光板の出光面から入射し、再び導光板内で反射し、再び出光面から出射した光は反射手段で反射または出射する。これらを繰り返すことで、光が偏って出射することを防ぐことができるため輝度ムラが改善され、また、導光板の出光面から出射するまでの光路長が長くなるため導光板内でのＲＧＢ光の混光が促進され、色ムラの発生を抑止できる。

（第１の実施の形態）
以下に、本発明の第1の実施の形態を図1乃至図５を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態であるバックライトの側面図である。

本発明のバックライトは、導光板１、第１のプリズムシート２、発光ダイオード３、拡散シート４、第２のプリズムシート５、第３のプリズムシート６、第１の反射シート７、第２の反射シート８で構成されている。

導光板１は、透明のアクリル樹脂等からなり、出光面１ａ、入光面１ｂ、第１の反射面１ｃ、第２の反射面１ｄ、およびこれらの面を接続する側面（図示してはいない）からなる異形六面体形状である。導光板のそれぞれの面の界面における全反射は、エネルギーロスのない完璧な反射であり、このことは、本発明で重要な要素である。

出光面１ａは、導光板１に入射した光が出射する面であり、液晶表示機器等に導光板１を配設した場合、この面が表示画面側になる。また、出光面１ａは光が出射するだけの面ではなく、出光面１ａに対する入射角が導光板１の材料によって異なる臨界角よりも大きい角度で入射すると、出光面では反射をする面でもある。さらに、本発明では、第１のプリズムシート２で反射した光が入射する場合もある。

入光面１ｂは、出光面１ａと垂直をなし、発光ダイオード３からの出射光が入射する面である。また、導光板１に入射した光によっては入光面１ｂで反射することもある。

第１の反射面１ｃは、入光面１ｂと垂直よりも大きな角度で接続された面であり、光を反射する面となる。つまり、入光面１ａから第２の反射面１ｄにかけて厚みが厚くなる逆くさび型の導光板になるように配設された面である。

第２の反射面１ｄは、出光面１ａと第１の反射面１ｃに接続され、反射面となる。この際、第１の反射面１ｃとなす角度は、９０度より大きな角度が望ましく、９０超〜１２０度の範囲が良い。さらに出光面１ａで良好な輝度を得るには、９５〜１１５度の範囲がよく、より良好なのは１０１〜１１１度の範囲がよい。

第１のプリズムシート２は、プリズム柱を多数連続的に配列しているプリズム面２ａと、プリズム面２ａに対向する平面２ｂを有するようなシートであり、このプリズム面２ａを導光板１の出光面１ａに向けて配設する。ここで、本発明のプリズム柱とは、正三角形や二等辺三角形などを断面にもつ三角柱の他に、その三角柱の角が丸みを帯びているものなども含んでいる。本発明では、第１のプリズムシート２のプリズム柱の内角を８０〜１２０度とし、さらに望ましくは、９０〜１１０度である。この第１のプリズムシート２により、導光板１の出光面１ａからの出射光をプリズム面２ａから入射し、平面２ｂから出射させるか、反射させる。このことについては後で説明する。

発光ダイオード３は、ＲＧＢなどの単色の発光ダイオードを複数用い、基板（図示していない）上に配置している。基板は導光板１の入光面１ｂと平行になるように配設され、すなわち複数の発光ダイオード３と導光板１の入光面１ｂとの距離もほぼ同じになるように配置されている。

拡散シート４は、第１のプリズムシート２の平面２ｂ側に配設され、その平面２ｂから出射した光を拡散させ、均斉度を高める働きをする。

第２および第３のプリズムシート５、６は、第１のプリズムシート２と異なり、プリズム面が導光板１の出光面１ａの正面方向を向くように配設している。また、第２および第３のプリズムシート５、６は、導光板１の出光面１ａの前方の正面輝度を高める効果を得るため、プリズム柱の角度は第１のプリズムシート２ほど大きくないものを使用している。

第１および第２の反射シート７、８は、鏡面反射性や高反射性をもつシートからなり、導光板１の第１の反射面、第２の反射面および側面に配設される。このシートは導光板１から出射した光を導光板１に再入射させ光の損失を減少させる働きをする。

次に、第１の実施の形態において出光面から光が出射するまでの光路の説明をする。図２は、図１に示すバックライトにおける光路の一例を示す説明図である。

図２（ａ）において、導光板１が逆くさび型形状をしているので、図に示すような導光板１の入光面１ｂに入射した発光ダイオード３からの出射光は、最初に導光板１の出光面１ａに入射した入射角θ_１より、次に入光面１ａに入射した入射角θ_２の方が角度が大きくなっている。つまり、第２の反射面１ｄに近づくにつれて入射角が大きくなるので、最初に出光面１ａに対して臨界角より大きな角度で入射した場合、第２の反射面１ｄに反射するまでに臨界角を越えることはない。次に、第２の反射面１ｄで反射するが、その反射した光の出光面に対する入射角が臨界角より大きい場合、今度は逆に入光面１ａに近づくにつれて入射角θ_３、θ_４のように入射角は小さくなっていく。つまり、第２の反射面１ｄで反射した後は、入光面１ａに近づくにつれて入射角が小さくなるので、徐々に臨界角に近づき、臨界角より入射角が小さくなると出光面から出射することになる。

図２（ｂ）において、図のような光路の場合、第２の反射面１ｄで反射した後、臨界角よりも小さい入射角α_１になった光は、出光面１ａから出射し、第１のプリズムシート２のプリズム面２ａでの屈折を経て、平面２ｂに入射する。その際の、入射角β_１が第１のプリズムシート２の臨界角よりも大きい場合、平面２ｂで全反射し、プリズム面２ａから出射、出光面１ａから入射し、第１の反射面１ｃで反射する。そして、再び出光面１ａに入射角α_２で入射する。この角度が臨界角より小さいとき出光面１ａから出射し、プリズム面２ａでの屈折を経て、平面２ｂに入射する。ここでの光路では、再入射した光が第１の反射面１ｃで反射し、角度が立ち上げられて出光面に入射したため、入射角α_２＜入射角α_１、入射角β_２＜入射角β_１になり、さらに入射角β_２が臨界角よりも小さくなったため、平面２ｂから出射した。

したがって、本発明ではこのような光路になるために、導光板が入光面から奥に向かうにつれて傾斜している形状であることが重要であるが、目視的に傾斜していなくても、図３のような傾斜面と段差を複数配列したフレネルレンズ形状のように光学的に傾斜している導光板でもよい。

次に、プリズムシートのプリズム柱の角度の大小による光路の違いを説明する。図４は、図１に示すバックライトにおける第１のプリズムシート付近の入射光の光路の一例を示す説明図である。そして、図４（ａ）はプリズム柱の内角φ_１が１１０度、（ｂ）はφ_２が６５度であり、どちらも導光板１の出光面１ａに同じ入射角度の入射光９ａ〜９ｊで入射させ、導光板から出射後の光路を図示している。

図４（ａ）では、入射光９ａ〜９ｃ、９ｅはプリズム面２ａ１から入射、屈折し、平面２ｂで全反射し、プリズム面２ａ２から出射、屈折している。出射後、入射光９ａはそのまま出光面１ａに入射し、入射光９ｂ、９ｃ、９ｅは、プリズム面２ａ１に入射または反射され（ここでは反射光のみ図示）、出光面１ａとの入射角度が入射光９ａより小さい角度で出光面１ａに入射している。入射光９ｄは、プリズム面２ａ１から入射、屈折し、プリズム面２ａ２で全反射して平面２ｂに入射している。そこで、臨界角よりも入射角が小さくなっているため平面２ｂより出射している。

図４（ｂ）では、入射光９ｆ〜９ｊは、プリズム面２ａ１に入射、屈折し、プリズム面２ａ２で全反射し、平面２ｂより出射している。

図４(ａ)、（ｂ）からわかるように、プリズム柱の内角が１２０度の方は同じ角度で入射した光でも、平面２ｂで全反射したり、出射したりしており、平面２ｂで全反射しても、導光板に再入射する際に、出光面１ａに入射する角度も変化して入射されている。つまり、プリズム柱の内角によって、プリズム面２ａが光に対して作用する効果が異なることが言える。よって、本発明では、適度に平面２ｂで反射または出射させるため、プリズム柱の内角が広すぎて平面２ｂから出射しにくくなく、また、プリズム柱の内角が狭すぎて平面２ｂで反射しないことがないように、プリズムシートのプリズム柱の内角を８０〜１２０度にするのが好適であり、さらに好適なのは９０〜１１０度の範囲である。

第１の実施の形態において、導光板から出射した光は、第１のプリズムシートによって出射または反射する。反射した光は、導光板に再入射し、再び第１のプリズムシートに再入射し、出射または反射する。これらを繰り返すことにより、光路長が長くなるためにＲＧＢ光の混光が促進され、色ムラを抑止することができ、さらに、第１のプリズムシートで、出射または反射を繰り返すことで、さまざまな出光面から光が出射することになるので、均斉度が増し、輝度ムラも抑止できる。

ここで、第１のプリズムシートのプリズム面に拡散加工を施したり、図５（ａ）のように角に丸みを付けたり、図５（ｂ）のようにプリズム柱をランダムな形状にしたり、図５（ｃ）のようにプリズム柱の大きさに変化をつけたりすることで、プリズムが規則的に並んでいることが原因として発生する干渉縞を防止することができ、さらに均斉度を増すことができる。

（第２の実施の形態）
図６は、本発明の第２の実施の形態であるバックライトの側面図である。この第２の実施の形態の各部について、図１の第１の実施の形態のバックライトの各部と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。

第２の実施の形態では、第２の反射面１ｄを図７の第２の反射面１０４ｄと同様の反射面に形成している。

図６と図７で構造上の異なる点は、導光板の出光面にプリズム柱の内角が８０〜１２０度の第１のプリズムシート２を配設したことである。導光板に発光ダイオードからの出射光が入射するまでの構造も異なるが、本発明では関係ないので考慮しない。効果としての違いは、図７は、導光板１０４の出光面１０４ｂから出射した後、プリズムシート１０６のプリズム面１０６ａに入射して、平面１０６ｂから出射している。図６では、同じように第１のプリズムシート２のプリズム面２ａに入射して平面２ｂで全反射し、導光板１に再入射して第２の反射面１ｃで反射、その後再び第１のプリズムシート２のプリズム面２ａに入射し、今度は平面２ｂへの入射角が臨界角より小さくなったことで、平面２ｂから出射している。

図７では、課題でも述べたように、出光面１０４ｂから得られる光量が少なく、色ムラがあり、さらに均斉度が低いという結果になったが、図６では、反射手段である第１のプリズムシート２により、導光板１の出光面１ａで何度も入光、出光を繰り返す光が発生するので、その間にＲＧＢ光の混光が促進され、色ムラが改善される。

また、図７では、導光板１０４の出光面１０４ｂから出射した光がプリズムシート１０６に入射すると、ほとんどの光がプリズムシート１０６の平面１０６ｂから出射していた。つまり、導光板１０４の第２の反射面１０４ｄで光を偏って反射してしまい、出光面１０４ｂでも偏って出射してしまった場合、プリズムシート１０６の平面１０６ｂから出射した光もばらつきがあり、輝度ムラも発生した。これについて、図６では、図４（ａ）に見られるように、プリズムシートに偏って入射した光でも、出射や反射をする。また、反射した光も、導光板に入射する入射角が違う９ａや９ｂなどのような光になる効果もあるので、導光板のさまざまな出光面から出射することになり、輝度ムラも改善される。

本発明の第１の実施の形態であるバックライトの側面図。図１に示すバックライトにおける光路の一例を示す説明図。フレネルレンズの形状を示す側面図。図１に示すバックライトにおける第１のプリズムシート付近の入射光の光路の一例を示す説明図。第１のプリズムシートのその他の形状を示す拡大側面図。本発明の第２の実施の形態であるバックライトの側面図。従来のバックライトの側面図。

符号の説明

１導光板
１ａ出光面
１ｂ入光面
１ｃ第１の反射面
１ｄ第２の反射面
２第１のプリズムシート
２ａプリズム面
２ｂ平面
３発光ダイオード
４拡散シート
５第２のプリズムシート
６第３のプリズムシート
７第１の反射シート
８第２の反射シート
９ａ〜９ｊ入射光

Claims

出光面、入光面および反射面を有し、入光面から対向する面に向かって厚さが大きくなる導光板と、この導光板の入光面に出射光を供給するように配設された複数の発光ダイオードと、プリズム面、プリズム面に対向する出射面を有し、プリズム面を前記導光板の出光面に向けて配設し、かつ出光面に面するプリズム柱の内角が８０〜１２０度であるプリズムシートを具備していることを特徴とする特徴とする発光ダイオードを用いたバックライト。
前記プリズムシートは主に出光面からの入射光を反射し、前記導光板の出光面に入射させるとともに、出光面からの残余の入射光を出射することを特徴とする請求項１記載の発光ダイオードを用いたバックライト。