JP2006114503A - 導光板及びバックライトモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は光エネルギーの利用を高める、コンパクト導光板を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明は、液晶ディスプレイに用いられる導光板及びバックライトモジュールに関する。本発明は少なくとも一つの回折部を有する入射面と、射出面と、複数の微細構成部を有する反射面と、を含む導光板を提供する。該導光板は、直接にＬＧＰの入射面に回折光学部が形成されるので、全体のコンパクト性を高めたり、光の結合効率を高めて、従来の導光板における低い光エネルギーの利用率及び離散的な点光源の場合の不均一な光エネルギー分布という課題を解決することができる。本発明は更に該導光板を利用するバックライトモジュールを提供する。
【選択図】図７

Description

本発明は、液晶ディスプレイに用いられる導光板及びバックライトモジュールに関し、特に、側光式の導光板及びバックライトモジュールに関する。

導光板（Ｌｉｇｈｔ Ｇｕｉｄｅ Ｐｌａｔｅ、 ＬＧＰ）は、主に入射面、反射面、出射面及び複数の側面を含み、液晶ディスプレイのバックライトモジュールシステムにおける重要な構成部として、点光源（例えば、発光ダイオード）或は線光源（例えば、冷陰極管）からの光を誘導して分散し、所定の平面から出射させ、ＬＣＤパネルのグレーレベル及びその均一度を高めるように利用されるものである。一般、導光板は合成樹脂材料から成り、基板の形状によって平板型と楔型の二種類がある。

入射光は全反射原理により導光板の中に伝播し、導光板の表面の微細構成部（Ｐａｔｔｅｒｎ）に達すると、全反射条件が破られるので、該光は導光板の正面から出射される。従って、密度及び寸法が異なる微細構成部により、導光板を均一に発光させることができる。導光板における微細構成部についての製造方法は、印刷法及び非印刷法がある。印刷法とは、シルクスクリーン印刷法により、印刷インクを直接導光板に塗布して印刷し、微細構成部の形状と配列を形成するものである。非印刷法とは、微細構成部を有する金型を利用して、モールド射出成型法によって、前記導光板を形成する方法である。非印刷法は簡易な工程且つ高精度という優れた点があるので、現在、導光板の製造技術の主流となっている。また、非印刷法には化学侵食法、レーザー直接描画法、精密機械加工法などがある。

液晶ディスプレイ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ、 ＬＣＤ）は、例えば、携帯電話、車載用表示装置、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）、テレビなどの分野に広く適用できるように、導光板を始めとしたバックライト技術に対して、高輝度、低コスト、低消費電力、薄型・軽量化という要求がされてきている。

図１に示すように、従来において、光の入射角度を考えれば、より多くの光がＬＧＰに入射されるように、ＬＧＰの入射面に凹溝を形成して、光源である発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｄｉｏｄｅ，ＬＥＤ）をその凹溝に配置する。このようにすれば、ＬＧＰが厚くなり、薄型・軽量化の要求に符合しない。又、ＬＥＤが内部に設置されるので、放熱の性能が低くなって、ＬＧＰの使用に影響を与える。

図２に示すように、特許文献１に記載されている、従来の屈折型のレンズを光源の後に設置して構成する設計は、柔軟性及びコンパクト性が低いという欠点がある。

図３に示すように、１９９８年７月３１日に公開された特許文献２に記載されている、ＬＥＤへの入射角度を変更するためにＬＧＰにＶ字型構成部を付加して構成する設計は、柔軟性が低いし、結合の効率が低い。

図４及び図５に示すように、２００３年１１月２０日に公開された特許文献３に記載されている設計は、図３に類似する構成を利用するものである。この設計は周期配列のＶ字型溝を有するので、光を制御する機能が高くないし、結合の効率も低い。

現在、光波の回折理論に基づく回折光学構成（Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔｓ、ＤＯＥｓ）は小体積、軽重量、広い設計自由度及び材料選択範囲という優れた点があり、光波のシフトの方面において、従来の光学技術によって実現できない良好な機能を持つので、例えば、レーザーフォーカス、光学結合、スペクトルフィルター、関連フィルター、光調整、波長分割多重（ＷＤＭ）、信号の処理などの分野に広く用いられている。

図５に示すように、２００３年１０月２１日に登録された特許文献４は、入射光を調整してＬＧＰへ入射させるように、回折用の微細レンズを基板に組み付けて成す構成体を、光源とＬＧＰの間に配置して構成する設計を記載している。このような設計は、薄型・軽量化を実現できるが、分離式で構成されるので、システムの横方向での寸法が大きく、システムの構成が複雑で、光エネルギーの使用率を高めることができない。

従って、光エネルギーの利用率を高める、コンパクト導光板及びそれを利用するバックライトモジュールを提供することが要求される。
米国特許第６，４２１，１０４号明細書 特開平１０−１９９３１６号公報 米国特許出願公開２００３−０２１４８１８号明細書 米国特許第６，６３６，２８３号明細書

本発明は光エネルギーの使用率を高める、コンパクト導光板を提供することを第一目的とする。

本発明は前記導光板を含み、光エネルギーの使用効率を高める、コンパクトバックライトモジュールを提供することを第二目的とする。

本発明は第一目的を達成するために、少なくとも一つの回折部を有する入射面と、射出面と、複数の微細構成部を有する反射面と、を含む導光板を提供する。

ここで、前記回折部は非球面であることが好ましい。

前記非球面の回折部は位相遅延ψ（ｘ）が

を満足すれば良い。

ここで、ｆは前記非球面の回折部の焦点距離、ｎ_２はピントでの屈折率、λは真空での入射波長、ｋ_０＝２π／λ、は真空での波数、ｘは前記非球面の回折部における表面の任意点からその中心軸までの垂直距離と定義される。

前記非球面の回折部の深さｙ（ｘ）は

を満足することが好ましい。
ここで、λ_２＝λ／ｎ_２，ｍ＝０、１、…，は非球面の回折部の輪帯数、ｎ_１は前記非球面の回折部の屈折率、Ｄは非球面の回折部の開口径と定義される。

ｘ_ｍは前記非球面の回折部における輪帯の頂点からその中心軸までの垂直距離と定義され、

を満足する。

前記回折部は前記導光板の外部又は内部へ突出する。

前記射出面に形成してなる少なくとも一つの第二回折部は、非球面であっても良い。

前記導光板は平板型又は楔型の二種類がある。

前記第二目的を実現するために、導光板及びその側面に配置された光源を含むバックライトモジュールを提供する。この導光板は少なくとも一つの回折部を有する入射面と、射出面と、複数の微細構成部を有する反射面と、を含む。

従来の技術と比べて、本発明は回折光学構成のような面型の設計の自由度が大きく、及び光の制御機能が強いという優れた点を利用して、直接にＬＧＰの入射面に回折光学部を形成する。このように構成すれば、全体のコンパクト性を高めたり、光源の大きさ及び位置に応じて表面の外形を設計してＬＥＤの入射光の角度を調整し、光の結合効率を高め、光エネルギーの使用率を高め、導光板が高輝度及び低エネルギー消費という優れた点を備えるようになる。また、離散的な点光源（ＬＥＤ）の場合、光源に近い場所の光エネルギーの分布が不均一であることが原因で生じた影を、除去することができる。

同時に、本発明はＬＧＰの射出面に不同な構成の回折光学部を配置して、ＬＧＰの射出角度及び光エネルギー分布など制御して、更にバックライトシステムの光エネルギーの利用率を高めることができる。

以下、本発明に関して図面を参照してさらに詳しく説明する。

図７及び図８に示すように、本発明の一実施例は、入射面５１と、反射面５２と、射出面５３と、他の側面（図示せず）と、を含む平板型の導光板５０を例示する。ここで、入射面５１は光源７０に隣接する導光板５０の側面に設置される。射出面５３は該導光板５０の頂面に設置される。反射面５２は導光板５０の底面に設置され、複数の微細構成部５２１を有する。

この実施例において、前記入射面５１は非球面の回折部５１２を有する。この非球面の回折部５１２の位相遅延ψ（ｘ）は式（１）を満足する。

ここで、ｆは前記非球面の回折部５１２の焦点距離、ｎ２はピントでの屈折率、λは真空での入射波長、ｋ０＝２π／λ、は真空での波数と定義される。ただし、焦点距離は２〜１０ｍｍであり、実際には、入射面の焦点距離は短いが、射出面の焦点距離は長いように設計する。また、ｘは前記非球面の回折部５１２の表面における任意点からその中心軸までの垂直距離（例えば、ｘ１、ｘ２、ｘ３）であり、ＬＧＰの外形寸法により、−１５ｍｍ〜＋１５ｍｍの範囲で数値が決まる。

同時に、前記非球面の回折部５１２の深さｙは、その輪帯の表面における任意点から前記非球面の回折部５１２までの垂直距離であり、一般に数ミクロンから数百ミクロンまでとし、（２）を満足する。

ここで、λ_２＝λ／ｎ_２，ｍ＝０、１、…，は非球面の回折部５１２の輪帯数、ｎ_１は前記非球面の回折部５１２の屈折率、Ｄは非球面の回折部５１２の開口径、即ちＤ＝ｘ_ｍａｘと定義される。

ｘ_ｍは前記非球面の回折部５１２における輪帯の頂点からその中心軸までの距離と定義され、式（３）を満足する。

前記非球面の回折部５１２の深さｙとその輪帯辺のｘ_ｍの寸法は加工機能によって決める。

前記非球面の回折部５１２は前記導光板５０の外部へ突出する。ただし、実際の加工の便利さのために、非球面の回折部５１２に対して、曲面型を平面型に代えて作業すれば、性能を保持すると共に加工に有利になる。

本実施例では、各離散光源７０の機能を併せて利用するために、全入射面５１に非球面の回折部５１２を配置する。本実施例に限らなく、光源７０の数に対応して、入射面５１に各光源７０に対応する複数かつ別々の独立な回折部を形成することができるのは言うまでもない。

図９は、ＬＧＰの入射面の中心に光源としてＬＥＤを配置する場合の、ＬＧＰの射出光強度値の分布を示す。ここで、図９ａは入射面が回折部を有しない場合、図９ｂは回折部を有する場合である。試験用としてのＬＧＰの射出面は回折部を有しないが、具体的なパラメータは下記のようなものである。試験の結果により、入射面における回折部は光の場を著しく制御することができる。
ｆ＝３ｍｍ；
ｘ：−３ｍｍ〜＋３ｍｍ；
深さｙの最大値：０．４１ｍｍ；
ｎ_１＝１．４９；
ｎ_２＝１；
波長（可視光）：０．５５μｍ

なお、本実施例において、前記導光板５０の射出面５３には第二非球面の回折部５３２を形成してなる。この回折面型の位相遅延は同様に前記式（１）を満足し、そのパラメータは実際に応じて設定され、一般に入射面５１の非球面の回折部５１２のパラメータと異なるパラメータが使用される。また、両者の深さは同一でも良いし、違っていても良い。

なお、前記第二非球面の回折部５３２は一次元の柱体形状をして、入射面に隣接する端部を延長して、対向するもう一つの端部に結合するように構成する。ただし、二次元の湾曲構成とすることも理解できる。前記非球面の回折部５３２は前記導光板の外部又は内部へ突出するように構成する。

本発明にかかる導光板５０は合成樹脂からなり、平板型に構成するものである。その反射面はＶ字型又は伝統的なポット形状などに形成される。

光源７０は、例えば、発光ダイオードなどの点光源でもよく、例えば、冷陰極管などの線光源でも良いことは言うまでもない。

図１０は、回折部が影の除去に有効であるかどうかを検証するために、回折部を有する導光板（図１０ａ）、及び回折部を有しない導光板（図１０ｂ）、それぞれに対して、光の場の分布を計算したものである。また、光源として三つの同様なＬＥＤを配置する。ここで、回折部を有する導光板は、具体的なパラメータを次のようにする。
（１）入射面：ｆ＝３ｍｍ；ｘ：−１５ｍｍ〜＋１５ｍｍ；深さｙの最大値：０．８８４１ｍｍ；ｎ_１＝１．４９；ｎ_２＝１；波長（可視光）：０．５５μｍ；
（２）射出面：ｆ＝１０ｍｍ；ｘ：−１５ｍｍ〜＋１５ｍｍ；深さｙの最大値：０．６３１６ｍｍ；ｎ_１＝１．４９；ｎ_２＝１；波長（可視光）：０．５５μｍ

試験結果を参照すれば、光の場に対する回折部の制御機能が著しいことが分かる。

図１１に示すように、本発明にかかる他の一つの平板型の導光板６０は、前記実施例の平板型の導光板５０と比べて、入射面６１に形成された非球面の回折部６１２が導光板６０の内部へ突出する点で相違する。

図１２に示すように、導光板５０を含むバックライト８０は、導光板５０と、その側面に配置される光源７０と、その底部に配置される反射シート８２と、その頂面に順に配置される拡散シート８４及び光沢シート８６などの光学素子と、を含む。ここで、前記反射シート８２は分散されない光を再度導光板へ導くようにするものである。拡散シート８４は光を均一に拡散し、導光板５０の微細構成部によるスポットを除去するためのものである。光沢シート８６は光を集中して輝度を高めるように作用する。

図１３に示すように、前記回折部はそのまま楔型の導光板に利用することができる。本実施例において、楔型の導光板９０は、入射面９１と、反射面９２と、射出面９３と、他の側面（図示せず）と、を含む。ここで、前記入射面９１に形成された非球面の回折部９１２も前記式（１）〜式（３）を満足する。

本発明にかかる回折部は非球面に限らなく、他の形状に形成されても良い。

本発明は回折光学構成のような面型設計の大きな自由度及び光の制御機能が強いという優れた点を利用して、ＬＧＰの入射面に回折光学部を直接形成する。このように構成すれば、全体のコンパクト性を高めたり、光源の大きさ及び位置によって表面の外形を設計してＬＥＤの入射光の角度を調整し、光の結合効率を高め、光エネルギーの利用率を高め、導光板が高輝度及び低エネルギー消費という優れた点を備えるようにする。また、離散的な点光源（ＬＥＤ）を利用する場合、光源に近い場所の光エネルギーの分布が不均一であることが原因で、影が生じる効果を除去することができる。

同時に、本発明はＬＧＰの射出面に異なる構成の回折光学部を配置して、ＬＧＰの射出角度及び光エネルギー分布など制御し、更にバックライトシステムの光エネルギーの利用率を高めることができる。

なお、本発明にかかる技術分野の当業者は、本発明の主旨に基づいて、例えば、バックライトモジュールの反射シートに代えて、導光板の反射面に反射増加膜を構成するような変更をすることが可能である。このような設計も、本発明の保護範囲から逸脱しないことは言うまでもない。

従来の光源と導光板の組合せ構成を示す模式図である。 従来技術である特許文献１に記載のバックライトシステムの構成を示す図である。 従来技術である特許文献２に記載のバックライトシステムの構成を示す図である。 従来技術である特許文献３に記載のバックライトシステムの構成を示す図である。 図４におけるＶ字型の部分を拡大して示す図である。 従来技術である特許文献４に記載のバックライトシステムの構成を示す図である。 本発明にかかる平板型の導光板を示す斜視図である。 本発明にかかる平板型の導光板を示す平面模式図である。 本発明にかかわり、回折部を有しない入射面を含む導光板の光強度の分布図である。 本発明にかかわり、回折部を有する入射面を含む導光板の光強度の分布図である。 本発明にかかわり、回折部を有しない入射面を含む導光板の光の場の分布図である。 本発明にかかわり、回折部を有する入射面を含む導光板の光の場の分布図である。 本発明にかかる他の一つの平板型の導光板を示す模式図である。 本発明にかかる平板型の導光板を利用するバックライトモジュールを示す模式図である。 本発明にかかる楔型の導光板を示す斜視図である。

符号の説明

５０ 導光板
５１、９１ 入射面
５２、９２ 反射面
５３、９３ 出射面
７０ 光源
５２１ 微細構成部
５１２、５２１、５３２、６１２、９１２ 非球面の回折部
６０ 平板型の導光板
８０ バックライトモジュール
８２ 反射シート
８４ 拡散シート
８６ 光沢シート
９０ 楔型の導光板

Claims (10)

1. 入射面と、射出面と、複数の微細構成部を有する反射面と、を含む導光板において、
   前記入射面は少なくとも一つの回折部を有することを特徴とする導光板。
2. 前記回折部は非球面とされることを特徴とする、請求項１に記載の導光板。
3. 前記非球面の回折部の位相遅延ψ（ｘ）は、
   

   

   を満足し、
   ここで、ｆは前記非球面の回折部の焦点距離、ｎ_２は前記回折部の焦点位置にある材料の屈折率、λは真空での入射波長、ｋ_０＝２π／λは真空での波数、ｘは前記非球面の回折部の表面における任意点からその中心軸までの垂直距離と定義されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の導光板。
4. 前記非球面の回折部の深さｙ（ｘ）は
   

   

   を満足し、
   ここで、λ_２＝λ／ｎ_２，ｍ＝０，１，…，は非球面の回折部の輪帯数、ｎ_１は前記非球面の回折部の屈折率、Ｄは非球面の回折部の開口径と定義され、
   ｘ_ｍは前記非球面の回折部各輪帯における頂点からその中心軸までの垂直距離と定義され、且つ、
   

   

   を満足することを特徴とする、請求項１〜３に記載の導光板。
5. 前記回折部は導光板の外部へ突出することを特徴とする、請求項１〜４に記載の導光板。
6. 前記回折部は導光板の内部へ突出することを特徴とする、請求項１〜４に記載の導光板。
7. 前記射出面は少なくとも一つの第二回折部を有することを特徴とする、請求項１又は２に記載の導光板。
8. 前記第二回折部は非球面とされることを特徴とする、請求項７に記載の導光板。
9. 前記導光板は平板又は楔形の形状に構成されることを特徴とする、請求項１に記載の導光板。
10. 導光板及びその側面に配置された光源を含み、
    前記導光板は入射面と、射出面と、複数の微細構成部を有する反射面と、を含む、バックライトモジュールにおいて、
    前記入射面は少なくとも一つの回折部を含むことを特徴とするバックライトモジュール。
    

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