JP2007027134A - 導光板及びバックライトモジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】導光板に関し、特にこの導光板を含むバックライトに関する。
【解決手段】導光板52は、平板型の導光基板520と、出射面に形成されるサブ波長構造527と、を含む。導光基板520は、入射面521と、この入射面521に隣接する出射面522と、この出射面522に対向して設置される反射面523と、を有する。導光基板520に作用する両方の応力/ひずみは相互に直交し、その一方の応力の方向は前記入射面521と0°〜90°の角度を成す。δが光の位相差、dが導光基板520の厚さ、Cが相対応力の光学定数、Δσが応力差、λが光の波長を示す場合、両方の応力/ひずみによる光の位相差δは次式δ=2πCdΔσ/λを満足する。
【選択図】図3

Description

本発明は、導光板に関し、特にこの導光板を含むバックライトモジュールに関する。
液晶は発光しないため、高輝度及び均等な光の分布を実現するために、液晶表示装置にバックライトモジュールを設置しなければならない。
従来技術として、図1に示すように、液晶表示装置100は、液晶表示パネル10とバックライトモジュール20とを有する。前記バックライトモジュール20は、光源21と、導光板22と、反射シート23と、拡散シート24と、プリズムシート25と、を含む。前記液晶表示パネル10の上方及び下方に、それぞれ上方偏光レンズ11及び下方偏光レンズ12を設置する。前記光源21は前記導光板22の一方の側に設置される。前記反射シート23と、前記導光板22と、前記拡散シート24と、前記プリズムシート25と、を順に積層するように構成する。前記液晶表示パネル10は前記バックライトモジュール20の上方に設置される。
前記バックライトモジュール20が動作する時、前記光源21が放出する自然光は、前記反射シート23、前記導光板22、前記拡散シート24、前記プリズムシート25を透過して面光源である光Tに変換されて前記下方偏光シート12に入射する。前記入射光Tは振幅が同一、光ベクトルが垂直な直線偏光P及び直線偏光Sからなる。前記直線偏光Pの偏光方向が前記偏光シート12の偏光軸の方向と平行であり、前記直線偏光Sの偏光方向が前記偏光シート12の偏光軸の方向に垂直であると仮定する場合、前記直線偏光Pは前記偏光シート12を透過するが、前記直線偏光Sは前記偏光シート12に吸収される。従って、前記入射光の半分は前記偏光シート12に吸収されるため、光エネルギーの利用率が低くなる。
また、従来技術として、図2に示すように、液晶表示装置300は、液晶表示パネル30とバックライトモジュール40とを有する。前記バックライトモジュール40は、光源41と、導光板42と、反射シート43と、拡散シート44と、プリズムシート45と、四分の一波長板46と、偏光ビームスプリッタ(Polarizing Beam Splitter、PBS)47と、を含む。前記液晶表示パネル30の上方及び下方に、それぞれ上方偏光レンズ31及び下方偏光レンズ32を設置する。前記光源41は前記導光板42の一方の側に設置される。前記反射シート43と、前記四分の一波長板46と、前記導光板42と、前記拡散シート44と、前記プリズムシート45と、前記偏光ビームスプリッタ47と、を順に積層するように構成する。前記液晶表示パネル30は前記バックライトモジュール40の上方に設置される。
前記バックライトモジュール40が動作する時、前記光源41が放出する自然光は、前記導光板42、前記拡散シート44、前記プリズムシート45を透過して面光源である光Tに変換されて前記偏光ビームスプリッタ47に入射する。前記入射光Tは振幅が同一、光ベクトルが垂直の直線偏光P及び直線偏光Sからなると仮定する場合、前記直線偏光Pは前記偏光ビームスプリッタ47及び前記偏光シート32を透過するが、前記直線偏光Sは前記偏光ビームスプリッタ47で前記バックライトモジュール40へ反射された後、前記プリズムシート45、前記拡散シート44、前記導光板42、前記四分の一波長板46を透過して前記反射シート43で反射され、もう一回前記四分の一波長板46を透過する。前記直線偏光Sは前記四分の一波長板46を二回透過して直線偏光P1(この直線偏光P1は前記直線偏光Pと同じ偏光方向を有する)に変換され、前記直線偏光P1は前記偏光ビームスプリッタ47及び前記偏光シート32を透過することができる。従って、前記バックライトモジュール40は光の再利用を実現できるので、前記従来技術であるバックライト20と比べて輝度が二倍程度に高まる。
しかし、カラー液晶表示装置のバックライトモジュール40において、前記偏光ビームスプリッタ47及び前記偏光シート32は、広帯域性及び多波長性を有する光にしか機能しないので、異なる波長の光に対して同様の位相差を形成させるために、色消しの四分の一波長板を利用しなければならない。
また、前記四分の一波長板46と前記導光板との界面に光の損失が生じるので、光エネルギーの利用率が低下するという課題がある。
前記課題を解決するために、本発明は、光エネルギーの利用率が高い導光板及びこの導光板を利用するバックライトモジュールを提供する。
本発明に係る導光板は、導光基板と、出射面に形成されるサブ波長構造と、を含む。前記導光基板は、入射面と、この入射面に隣接する出射面と、この出射面に対向して設置される反射面と、を有する。前記導光板に作用する両方の応力/ひずみは相互に直交し、その一方の応力は前記入射面と0°〜90°の角度を成す。ここで、光の位相差と入射光とは次式に示す関係を有する。
δ=2πCdΔσ/λ (1)
ここで、δは光の位相差を示し、dは前記導光板の厚さ、Cは相対応力の光学定数、Δσは応力差、λは光の波長である。
前記一方の応力の方向は前記入射面と45°の角度を成すことが好ましい。
また、前記応力差の最適値は次の目的関数により求まる。
Figure 2007027134
ここで、modは余りを計算する関数であり、absは絶対値を求める関数であり、δ、δ、δはそれぞれc光、d光、f光の位相差を示し、W、W、Wはそれぞれ前記c光、d光、f光の重みである。
前記サブ波長構造は上側構造及び下側構造を含む。前記上側構造は前記導光基板との同じの材料からなるが、前記下側構造はアルミニウムからなる。
前記導光基板はポリメタクリル酸メチルからなる。前記上側構造の厚さの最適値は0.2〜0.21μm、前記下側構造の厚さの最適値は0.23〜0.25μmとなる。
前記導光基板はポリカーボネートからなる。前記上側構造の厚さの最適値は0.2〜0.215μm、前記下側構造の厚さの最適値は0.22〜0.235μmとなる。
前記サブ波長構造は単層の形態に形成する。前記サブ波長構造はアルミニウムからなる。
前記導光基板はポリカーボネートからなる。前記サブ波長構造の厚さの最適値は0.16〜0.18μmとなる。
本発明もバックライトモジュールにも係る。本発明に係るバックライトモジュールは、導光板と、反射素子と、光源と、を含む。前記導光板は、導光基板と、出射面に形成されるサブ波長構造と、を含む。前記導光基板は、入射面と、この入射面に隣接する出射面と、この出射面に対向して設置される反射面と、を有する。前記光源は、前記導光板の入射面に対して設置される。
また、前記導光板に作用する両方の応力/ひずみは相互に直交し、その一方の応力は前記入射面と0°〜90°の角度が形成される。応力/ひずみによる光の位相差は式(1)のようになる。ここで、δは光の位相差を示し、dは前記導光板の厚さ、Cは相対応力の光学定数、Δσは応力差、λは光の波長である。
従来技術と比べて、本発明に係る導光板は、一定の応力/ひずみを加えて製造されたものであり、前記応力/ひずみの差を調整することによって多波長の光に対して同様な位相差を形成し、ほぼ色消しの四分の一波長板と同様の性能を有するので、従来の色消しの四分の一波長板を設置せずに、多波長の光の直線偏光Sを前記導光板52の内部で直線偏光Pに変換することができる。従って、導光板と色消しの四分の一波長板との界面に生じる光の反射及び発散などによる光エネルギーの損失を防止し、光エネルギーの利用率を高める。また、本発明に係る導光板は、従来の偏光ビームスプリッタとして機能するサブ波長構造を有するので、導光板の小型化及び集成化を実現することができる。
また、本発明のバックライトモジュールにサブ波長構造を設置することにより、液晶表示パネルに多波長の偏光を提供し、光エネルギーの利用率を高めることができる。
次に、図面を参照して本発明に係る実施例について説明する。
(実施例1)
図3に示すように、本実施例に係る導光板52は、平板型の導光基板520と、サブ波長構造527と、を含む。前記導光基板520は、入射面521と、この入射面521に隣接する出射面522と、この出射面522に対向して設置される反射面523と、を有する。前記サブ波長構造527は前記出射面522に連接する下側構造526と、前記下側構造526に積層した上側構造525と、を含む。前記下側構造526は、前記導光板520と同じの材料からなるが、前記上側構造525はアルミニウムからなる。また、前記反射面523に複数の凹部524が形成される。本実施例において、前記導光板52はポリメタクリル酸メチル(Polymethyl Methacrylate,PMMA)からなる。前記凹部524はV字形に構成される。
前記導光基板520は光弾性効果(Photoelastic Effect)により、一定の応力又はひずみを加えて製造した応力複屈折性の導光基板である。図3に示すように、前記入射面521に垂直な方向をX軸、前記X軸に垂直で前記出射面522に平行な方向をY軸と定義する場合、前記導光基板520に加えた応力σ及びσの方向は図3に示すように、σとX軸、及びσとY軸が成す角度θを0°〜90°にし、45°にすることが好ましい。
ブリュースター(Brewster)の法則により、屈折率と応力とは次の関係がある。
δy−nδx=C(σ―σ)=CΔσ (3)
ここで、nδy及びnδxは、それぞれ異なる方向の応力による屈折率、σ及びσは異なる方向の応力、Δσはσとσとの差、Cは相対応力の光学定数である。
式(3)により、前記の入射光が厚さがdの導光板52を透過する光路差lは次式を満足する。
l=CdΔσ (4)
従って、位相差δと波長λの入射光とは次式に示す関係を有する。
δ=2πCdΔσ/λ (5)
前記式(4)及び前記式(5)は、平面光弾性応力の光学法則と呼ばれる。この場合、応力が作用された導光板52は位相差装置として利用される。
一般に、光弾性の実験において、fσを材料の応力フリンジ値(Stress Fringe Value)とする場合、式(6)が得られる。
σ=λ/C (6)
式(5)及び式(6)により、次式のようになる。
δ=2πd(σ―σ)/fσ (7)
前記XYの座標軸で、JonesマトリックスであるTは次式のように示される。
Figure 2007027134
ここで、R(θ)が変換マトリクスである。式(8)は、次式のように変換される。
Figure 2007027134
Y軸の方向での偏光のJonesベクトルは
Figure 2007027134
である場合、光が前記導光板52を透過した後、次式を満足する。
Figure 2007027134
Figure 2007027134
ここで、ωは角速度を示し、tは時間を示す。前記入射光は、サブ波長構造527を透過すると、その光強度Iは次式のようになる。
Figure 2007027134
従って、式(11)を利用して、次式のように求められる。
Figure 2007027134
前記Iは次の条件を満足する場合、最大値に達する。
Figure 2007027134
従って、光エネルギーを最大限に利用するために、前記導光基板520は前記応力σの方向と前記X軸との成す角度θを45°にするように設置される。
なお、単色光を例として、ある材料の基板に応力ε、εが作用すると仮定する場合、δεはそのひずみεによる光路差、dはこの基板の厚さ、Cεは応力の光学定数と定義される。光塑性応力の光学法則により、前記応力ε、εの差Δεは次式のようになる。
Figure 2007027134
一般的には、カラー液晶表示装置に白光照明システムを設置することが原因で、バックライトで多波長の光を同様な偏光に変換する必要がある。例として、色消しの四分の一波長板の特性を有する前記導光基板520を利用して、波長がλ(656.3nm)、λ(589.3nm)、λ(486.1nm)の異なる光c、d、fを同様な偏光に変換する場合、前記光c、d、fによる位相差δ、δ、δは次式を満足する。
Figure 2007027134
また、式(16)の応力差Δσの最適値は次の目的関数を用いて求められる。
Figure 2007027134
ここで、modは余りを計算する関数であり、absは絶対値を求める関数である。W、W、Wはそれぞれ前記光c、d、fの重みである。従って、前記光c、d、fによる位相差δ、δ、δはそれぞれδ=2kπ+π,δ=2kπ+π,δ=2kπ+πを満足し、即ち、光が四分の一波長板を透過して生じる位相差に等しい場合、応力差Δσは0になる。
本実施例において、前記導光基板520の厚さは0.8mm程度に設けられる。前記導光基板520はビスフェノールA型のポリカーボネート(Bisphenol−A Polycarbonate,BAPC)からなる場合、その相対応力の光学定数CはC=8.9×10−12Pa−1となる。前記光c、d、fの重みはそれぞれ等しく、即ち、W=W=W=1と仮定する場合、応力差Δσと前記目的関数との関係は図5に示すようになる。図5に示すように、0〜5×10Paの範囲において、前記応力差Δσの最適値は3.927×10Paであり、前記光c、d、fによる位相差δ、δ、δは次式のようになる。
Figure 2007027134
従って、前記応力差Δσを最小することにより、前記導光基板520が色消しの四分の一波長板の特性を有することができる。また、誤差の最大値は4%ほどである。なお、前記相対応力の光学定数Cが波長の異なる光によって変化する場合、光の位相差δは次式に示すようになる。
Figure 2007027134
Figure 2007027134
ここで、Cconstは定数であり、C、C、Cはそれぞれc、d、fの相対応力の光学定数である。
前記導光板52に作用する応力は、例えば、前記導光板の成型工程において施され、応力凍結法により前記導光板に保持される。
次に、図4乃至図9を参照して、前記サブ波長構造527について詳しく説明する。従来の偏光ビームスプリッタの機能を実現するために、厳密結合波解析(Rigorous Coupled Wave Analysis)を用いて前記サブ波長構造527を設計する。前記サブ波長構造527を利用することにより、前記直線偏光Pの透過率を最大にし、前記直線偏光Sの透過率を最小にするように制御することができる。
該サブ波長構造527について、周期はD、幅はw、デューティサイクル(Duty Cycle,DC)はf(f=w/D)、前記上側525の厚さはh、前記下側構造の厚さはh、と定義される。本実施例において、前記サブ波長構造527の周期Dは0.2μmである。前記デューティサイクルDCは0.2〜0.8であり、0.5であることが好ましい。この場合、上側構造525の厚さhと前記直線偏光Pの透過率との関係及び、上側構造525の厚さhと前記直線偏光Sの透過率との関係はそれぞれ図6及び図7に示すようになる。また、下側構造526の厚さhと前記直線偏光Pの透過率との関係及び、下側構造526の厚さhと前記直線偏光Sの透過率との関係はそれぞれ図8及び図9に示すようになる。従って、前記上側構造525の厚さhの最適値は0.2〜0.21μm、前記下側構造526の厚さhの最適値は0.23〜0.25μmとなることが好ましい。
(実施例2)
図10を参照して、本実施例に係る導光板72は導光基板720と、出射面722と、サブ波長構造725と、を含む。実施例1と異なる点は、前記導光基板720がポリカーボネートからなり、前記出射面722の上に単層のサブ波長構造725が設置されることである。前記サブ波長構造725はアルミニウムからなる。
本実施例において、前記サブ波長構造725の周期Dは0.2μmである。この場合、前記サブ波長構造725の厚さhと直線偏光Pの透過率との関係は図11に示すようになる。前記サブ波長構造725の厚さhと直線偏光Sの透過率との関係は図12に示すようになる。従って、前期サブ波長構造725の厚さhの最適値は0.16〜0.18μmとなることが好ましい。また、前記サブ波長構造725のデューティサイクルDCと直線偏光Pの透過率との関係は図13に示すようになる。前記サブ波長構造725のデューティサイクルDCと直線偏光Sの透過率との関係は図14に示すようになる。従って、前記直線偏光Pの透過率が最大になり、前記直線偏光Sの透過率が最小になるために、前記デューティサイクルDCは0.3〜0.7、最適には0.5となるように設計される。
(実施例3)
図15を参照すると、本実施例に係るバックライトモジュール50には、実施例1に係る導光板52が利用される。前記バックライトモジュール50は、さらに光源51と、反射シート53と、を有する。本実施例において、前記光源51としては発光ダイオードが利用される。前記反射シート53は前記導光板52の底部に設置される。
前記バックライトモジュール50が動作すると、前記光源51が放出する自然光Tは、前記反射シート53を透過し、又は直接前記導光板52のサブ波長構造527に入射される。前記入射光Tは振幅が同一、光ベクトルが垂直な直線偏光P及び直線偏光Sからなると仮定する場合、前記直線偏光Pは前記サブ波長構造527を透過して液晶表示パネル(図面せず)に到達するが、前記直線偏光Sは、前記サブ波長構造527を透過せず、前記サブ波長構造527で前記導光板52まで反射され、前記反射シート53で前記導光板52へ反射される。これにより、前記直線偏光Sは前記導光板52の中で直線偏光P1に変換されて、前記サブ波長構造527を透過して出射することができる。従って、前記バックライトモジュール50に前記サブ波長構造527を設置することにより、液晶表示パネル用の偏光を提供し、光エネルギーを高効率で利用することができる。同時に、従来の偏光ビームスプリッタを設置しないので、バックライトの集成性を高める。
本発明に係る導光板は、上述の実施例の他、次のような変形がある。例えば、導光板の導光基板はポリカーボネートからなり、前記導光基板の出射面にそれぞれ上方のサブ波長構造及び下方のサブ波長構造が設計される。前記下方のサブ波長構造の材料は前記導光基板の材料と同じであり、前記上方のサブ波長構造はアルミニウムからなる。前記サブ波長構造の周期は0.2μm、デューティサイクルDCは0.2〜0.8、前記上方のサブ波長構造の厚さは0.22μm〜0.235μm、前記上方のサブ波長構造の厚さは0.2μm〜0.215μmになるように設計される。
また、前記導光板を楔形に形成する。前記導光板の反射面に形成された複数の凹部の断面は、円柱形、半円球形、ピラミッド形、ピラミッドの先端を除去する形状などに形成することもできる。前記複数の凹部は、均一に形成され、又は、入射面から離れる方向に沿って寸法又は密度が大きく形成される。
また、前記導光板は、例えばスチレン樹脂(Polystyrene)、ポリサルフォン(Polysulfone)、ポリエーテルイミド(Polyetherimide)、ガラスのいずれか一種からなる。
本発明は、前記実施例に例示の波長に限らず、異なる応力/ひずみによって最適の波長を選ぶことができる。
実際の加工条件により、サブ波長構造の周期を減少し、最良の結果を獲得することができる。
また、本発明に係るサブ波長構造は上述の実施例に限らず、複数の層を積層して形成することができる。
なお、本発明に係るバックライトモジュールは次の変形もある。例えば、冷陰極の蛍光ライトを光源として利用する。反射シートとして、導光基板の底部に直接反射膜をめっきして形成することができる。
従来のバックライトモジュール及び液晶表示パネルからなる液晶表示装置の正面図である。 従来の他のバックライトモジュール及び液晶表示パネルからなる液晶表示装置の正面図である。 実施例1に係る導光板の斜視図である。 実施例1に係る導光板の光路の模式図である。 実施例1に係る導光板に作用する応力差と目的関数との関係を表示するグラフである。 実施例1に係る導光板の上側構造の厚さと直線偏光Pの透過率との関係を表示するグラフである。 実施例1に係る導光板の上側構造の厚さと直線偏光Sの透過率との関係を表示するグラフである。 実施例1に係る導光板の下側構造の厚さと直線偏光Pの透過率との関係を表示するグラフである。 実施例1に係る導光板の下側構造の厚さと直線偏光Sの透過率との関係を表示するグラフである。 実施例2に係る導光板の斜視図である。 実施例2に係る導光板のサブ波長構造の厚さと直線偏光Pの透過率との関係を表示するグラフである。 実施例2に係る導光板のサブ波長構造の厚さと直線偏光Sの透過率との関係を表示するグラフである。 実施例2に係る導光板のサブ波長構造のデューティサイクルと直線偏光Pの透過率との関係を表示するグラフである。 実施例2に係る導光板のサブ波長構造のデューティサイクルと直線偏光Sの透過率との関係を表示するグラフである。 実施例3に係るバックライトを示す図である。
符号の説明
50 バックライトモジュール
51 光源
52、72 導光板
520、720 導光基板
521 入射面
522、722 出射面
523 反射面
524 凹部
525 上側構造
526 下側構造
527、725 サブ波長構造
53 反射シート

Claims (9)

  1. 入射面と、この入射面に隣接する出射面と、この出射面に対向して設置される反射面と、を有する導光基板と、
    出射面に形成されるサブ波長構造と、を含む導光板において、
    前記導光基板に作用する両方の応力/ひずみは相互に直交し、その一方の応力の方向は前記入射面と0°〜90°の角度を成し、
    δが光の位相差、dが前記導光板の厚さ、Cが相対応力の光学定数、Δσが応力差、λが光の波長を示す場合、前記両方の応力/ひずみによる光の位相差δは次式
    δ=2πCdΔσ/λ (1)
    を満足することを特徴とする導光板。
  2. 前記一方の応力の方向は前記入射面と45°の角度を成すことを特徴とする、請求項1に記載の導光板。
  3. modが余りを計算する関数であり、absが絶対値を求める関数であり、δ、δ、δがそれぞれc光、d光、f光の位相差を示し、W、W、Wがそれぞれ前記c光、d光、f光の重みを示す場合、前記応力差の最適値は次の目的関数
    Figure 2007027134
    により求まることを特徴とする、請求項1に記載の導光板。
  4. 前記サブ波長構造は上側構造及び下側構造を含み、
    前記上側構造は前記導光基板との同じの材料からなるが、前記下側構造はアルミニウムからなることを特徴とする、請求項1に記載の導光板。
  5. 前記導光基板はポリメタクリル酸メチルからなる場合、
    前記上側構造の厚さの最適値は0.2〜0.21μm、前記下側構造の厚さの最適値は0.23〜0.25μmとなることを特徴とする、請求項4に記載の導光板。
  6. 前記導光基板はポリカーボネートからなる場合、
    前記上側構造の厚さの最適値は0.2〜0.215μm、前記下側構造の厚さの最適値は0.22〜0.235μmとなることを特徴とする、請求項4に記載の導光板。
  7. 前記サブ波長構造は単層の形態に形成し、
    前記サブ波長構造はアルミニウムからなることを特徴とする、請求項1に記載の導光板。
  8. 前記導光基板はポリカーボネートからなる場合、
    前記サブ波長構造の厚さの最適値は0.16〜0.18μmとなることを特徴とする、請求項7に記載の導光板。
  9. 光源と、請求項1〜8に記載の導光板と、反射素子と、光源と、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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