JP2006339004A - バックライト装置及び液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 光源を導光板の背面に配置する直下型のバックライト装置において、光取り出し効率を改善し、輝度低下を抑制ないしは改善することが可能なバックライト装置及び液晶表示装置を提供する。
【解決手段】 赤色光、緑色光、青色光のいずれかを発光する複数の発光ダイオードを光源とするバックライト装置において、前記発光ダイオードから出射された光の一部を導光部材に入射して混色を行う構成とする。
【選択図】 図３

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って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発光ダイオードを用いる場合、直下型、すなわち発光ダイオードを出射面の直下に配置すると、発光ダイオード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、発光ダイオード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。
この構造は、導光板と導光板周囲の空気の屈折率差による臨界角を利用して臨界角より大きい光を導光板の中に閉じ込め光の均一化を行うものである。導光板の表面には通常反射膜或いは拡散反射シートなどを被着形成することにより光の利用効率を上げる対策がとられている。

特開平８−１３６９１７号公報

しかしながら、導光板の表面に、上述したような導光板材料とは異なる反射膜や拡散反射シートを設ける場合は、導光板とこれらの材料膜との間で屈折率差が生じてしまい、ここで界面反射が発生する。導光板が平行な平面により構成され、直方体とされる場合は、導光板内では光の反射角度が変化しないため、この界面反射により、光源から出射された光のうち一部の光が導光板より出射されない状態となってしまい、その結果、光のロスが生じて、光の利用効率を低下させてしまうという問題がある。また、導光板内に入射した光が、導光板の中で反射を繰り返すうちに、反射膜や拡散反射シートに吸収されてしまい、光の利用効率を低下させてしまうという問題も生じる。

特に、バックライト装置の光源の構造として、導光板で発光ダイオードを囲むような構造をとる場合には、発光ダイオードから出射された光が、全て導光板に入射することになるので、さらに光の利用効率が低下するという問題が顕著になる。

本発明は、このような問題に鑑みて、光源を導光板の背面に配置する直下型のバックライト装置において、光の取り出し効率を改善し、輝度低下を抑制ないしは改善することが可能なバックライト装置及び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、赤色光、緑色光、青色光のいずれかを発光する複数の発光ダイオードを光源とするバックライト装置であって、前記発光ダイオードから出射された光の一部を導光部材に入射して混色を行う構成とする。
また、本発明は、上述のバックライト装置において、導光部材は、前記発光ダイオードを挿入するための挿入孔を有し、前記発光ダイオードの上部が、前記挿入孔から突出している構成とする。
更に、本発明は、透過型の液晶表示パネルと、この液晶表示パネルを背面側から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、上述の本発明構成のバックライト装置を用いる構成とする。

上述したように、本発明のバックライト装置においては、光源としての発光ダイオードから出射された光の一部を導光部材に入射して混色を行う構成とすることから、発行ダイオードから出射される光の導光板に入射する割合が少なくなりので、導光板の中で生じる光のロスを減らして、光の取り出し効率を向上させることができる。これにより、バックライト装置及びこれを用いた液晶表示装置において、輝度の低下を抑制、ないしは輝度の向上を図ることが可能となる。

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、輝度の低下を抑制、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１１０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：red）、緑（Ｇ：green）、青（Ｂ：blue）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の配置を示す概略構成図である。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た液晶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、導光部材としての導光板３０の光出射面３０Ａとは反対側の背面３０Ｂに、例えば発光ダイオードより成る光源２１が配置されて成る直下型のバックライト装置である。

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。
この導光板３０には、光源２１、例えば発光ダイオードを内部に挿入する挿入孔３１が、光出射面３０Ａと反対側の背面３０Ｂとを貫通するように、例えば等間隔に列状に設けられている。また、挿入孔３１の直径は、発光ダイオード２１が有する最大直径よりも大きくなるように形成されており、これら挿入孔３１内に、例えば赤色発光ダイオード２１Ｒ、緑色発光ダイオード２１Ｇ、青色発光ダイオード２１Ｂが例えばこの順に配置され、導光板３０に組み込まれる構成となっている。

本例のバックライト装置１０では、発光ダイオード２１が導光板３０に組み込まれた際に、発光ダイオード２１の上部が、導光板３０の光出射面３０Ａから突出するように、導光板３０の厚さが設定されている。例えば、発光ダイオード２１の高さが４ｍｍの場合には、導光板３０の厚さが２ｍｍになるように設定される。

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、導光板３０の光出射面３０Ａを除く背面３０Ｂ及び側面３０Ｃには、反射シート等より成る反射膜３２及び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、発光ダイオード２１は、主に側方から光を出射するサイドエミッション型の発光ダイオードが用いられる。このように発光ダイオードの側面方向に光が出射されるサイドエミッション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。

図６（ａ）に、発光ダイオード２１から出射される光の様子を模式的に示し、図６（ｂ）に発光ダイオード２１から出射される光の放射角分布を示す。図６（ａ）に示すように、発光ダイオード２１から出射される光は、所定の制御された出射角度で出射されることになり、図６（ｂ）に示すように、サイドエミッション型の発光ダイオード２１は、８０度程度の出射角度で出射する光の成分が最も多くなる。

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に設けられているレンズにより調整することができる。また、このサイドエミッション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。なお、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を設けることによって、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。

導光板３０の光出射面３０Ａの上部には、空間ｄを隔てて、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の上面または下面側に、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。

次に、本例のバックライト装置１０における光線の態様について説明する。
図４は、本例のバックライト装置の要部の概略断面構成図を示す。図４において、図３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。ここで、光出射面３０Ａにおける全反射臨界角は、導光板３０をアクリル樹脂より構成する場合、約４２度程度である。

本例のバックライト装置１０においては、発光ダイオード２１から出射される光のうち所定の割合の出射光が、導光板３０に入射し、その他の出射光は、導光板３０に入射しないで、導光板３０と拡散板４１との間の空間ｄへ入射する。本例では、例えば発光ダイオード２１から出射される割合が最も多いとされる出射角度が８０度の出射光が、導光板３０に入射するように、導光板３０の厚さや挿入孔３１が設定されている。

導光板３０に入射した光は、導光板３０内では反射角度が変化しないので、臨界角より大きい入射角度で外部との界面に入射する光は、これらの界面において正反射を繰り返す。例えば矢印Ｌ１１、Ｌ１２・・・、Ｌ２１、Ｌ２２、・・・Ｌ２６、Ｌ２７で示すように、導光板３０の光出射面３０Ａにおいて、導光板３０内に反射角度を保って反射され、また側面３０Ｃ及び背面３０Ｂにおいては、反射膜３２及び３３などによって反射を繰り返して、導光板３０内で十分にミキシング（混色）した後に、拡散板４１に入射する。

また、割合の少ない出射光、すなわち導光板３０に入射するように設定された出射光を除いた出射光、例えば出射角度が３０度の出射光は、破線矢印Ｌ３１で示すように、導光板３０に設けられた挿入孔３１の上方から、そのまま光出射面３０Ａの上部に存在する空間ｄに入射し、空間内で他の発光ダイオードから空間に出射された光とミキシングを行いながら、拡散板４１に入射する。

このようにして、導光板３０内及び空間ｄ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の内部で拡散されることで、輝度が均一な白色面発光として矢印Ｌで示すように液晶表示パネル１００に入射される。

本例のバックライト装置１０によれば、発光ダイオード２１から出射される光のうち、導光板３０内でミキシングされる出射光の割合を少なくしたので、導光板３０内で発生する光のロスを少なくすることができ、バックライト装置における輝度の低下を抑制することができる。

本例の液晶表示装置によれば、バックライト装置における発光ダイオード２１から出射される光のうち、導光板３０の中でミキシングを行う光の割合を少なくしたので、導光板３０内で発生する光のロスを少なくすることができ、液晶表示装置における輝度の低下を抑制することができる。

また、本例のバックライト装置１０では、導光板３０の厚さを調整することで、発光ダイオード２１から導光板３０に入射する光の割合を調整することもできる。例えば、導光板３０の厚さを小さくすると、バックライト装置１０内における導光板の光出射面３０Ａの位置が低くなり、発光ダイオード２１の突出する部分が増えるため、発光ダイオード２１から導光板３０に入射する光の割合を少なくすることができる。

また、導光板３０に設けた挿入孔３１の直径を調整することで、発光ダイオード２１から導光板３０に入射する光の割合を調整することもできる。例えば、挿入孔３１の直径を大きくすると、発光ダイオード２１と導光板３０との距離が離れることになるので、発光ダイオード２１から導光板３０に入射する光の割合を少なくすることができる。

図５は、本発明によるバックライト装置の他の実施形態例における要部の概略断面構成図である。
図５において、図３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。
本例のバックライト装置１０においては、導光板３０の背面部３０Ｂに接するように複数のスペーサ部材３５が設けられている。なお、スペーサ部材３５は、透明な部材で形成されており、例えば透明なアクリル樹脂から形成されている。

このようにすることで、導光板自体の厚さを変更することなく、スペーサ部材３５の厚さを変更するだけで、導光板３０の光出射面３０Ａの高さの位置を調整することができ、発光ダイオード２１から導光板３０に入射する光の割合を調整することができる。なお、本例のバックライト装置１０では、スペーサ部材３５の厚さと導光板３０の厚さを足し合わせたものが、発光ダイオード２１の高さよりも大きくならないように、スペーサ部材３５の厚さが設定されている。

図１は、本発明による液晶表示装置の一実施形態例の概略分解構成図である。 図２は、本発明による液晶表示装置の一実施形態例の要部の概略構成図である。 図３は、本発明によるバックライト装置の一実施形態例の要部の概略断面構成図である。 図４は、本発明によるバックライト装置の一実施形態例における光線の反射態様の説明図である。 図５は、本発明のバックライト装置の一実施形態例における要部の概略断面構成図である。 図６（ａ）は、発光ダイオードから出射される光の様子を模式的に示した図であり、図６（ｂ）は、発光ダイオード２１から出射される光の放射角分布を示す図である。

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．光出射面、３０Ｂ．背面、３０Ｃ．側面、３１．挿入孔、３２．反射膜、３３．反射膜、３５．スペーサ、４１．拡散板、１００．液晶表示パネル、２００．液晶表示装置

Claims (5)

1. 赤色光、緑色光、青色光のいずれかを発光する複数の発光ダイオードを光源とするバックライト装置であって、
   前記発光ダイオードから出射された光の一部を導光部材に入射して混色を行うこと
   を特徴とするバックライト装置。
2. 前記導光部材は、前記発光ダイオードを挿入するための挿入孔を有し、前記発光ダイオードの上部が前記挿入孔から突出していること
   を特徴とする請求項１に記載のバックライト装置。
3. 前記導光部材の下部に、スペーサ部材を有していること
   を特徴とする請求項２に記載のバックライト装置。
4. 前記発光ダイオードは、側方から光を出射するサイドエミッション型発光ダイオードであること
   を特徴とする請求項３に記載のバックライト装置。
5. 透過型の液晶表示パネルと、前記液晶表示パネルを背面側から照明するバックライト装置とを備えてなる液晶表示装置において、
   前記バックライト装置は、赤色光、緑色光、青色光のいずれかを発光する複数の発光ダイオードを光源として有し、
   前記発光ダイオードから出射された光の一部を導光部材に入射して混色を行うこと
   を特徴とする液晶表示装置。

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