JP2007134224A - 面光源装置および表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】厚さを増加させることなく、光源の直上の位置における輝度が高いことによる輝度むらが低減され、さらに、複数色の光源を用いた場合には、輝度むらだけでなく色むらも低減される面光源装置およびそれを用いた表示装置を提供する。
【解決手段】輝度分布に異方性があり、最も輝度が高くなる光軸を有する複数の光源が、基板へ２次元に配列され、基板の前方に、前記複数の光源と対向するように導光板が配置された面光源装置において、前記複数の光源を、光軸が導光板に対して傾斜するように配置した。また、導光板の背面における、当該背面と光源の光軸との交点が含まれる位置に、凹部を設けた。
【選択図】図９

Description

本発明は、面光源装置および表示装置に関し、さらに詳しくは、液晶ディスプレイなどのバックライト用の光源に好適な面光源装置および該面光源装置を備えた表示装置に関する。

近年、発光ダイオード素子は発光効率が著しく向上し、照明への応用が進んでいる。特に、液晶ディスプレイのバックライトとして発光ダイオード素子を用いた場合には、良好な色再現性と高速応答性が実現でき、高品位な画質を達成することが期待されている。

従来、液晶ディスプレイのバックライトとしては、薄型化、低消費電力化のために、光源として冷陰極管を筐体の端面に配置したいわゆるエッジライト型のものが主流であったが（特許文献１，２）、近年液晶ディスプレイの大型化の要求が高まり、エッジライト型では輝度の向上および均一化を図るには限界がある。そのため、大型の液晶ディスプレイ用として直下型ライトの採用が検討されている（特許文献３）。

図１８は、液晶ディスプレイに用いられる従来の直下型面光源装置の構造を示した断面図である。この面光源装置１１は、液晶表示パネル２１の直下に配置される。面光源装置１１には、発光ダイオード素子を用いたＬＥＤランプ１が筐体１２の底面に二次元的に配列されており、これらのＬＥＤランプ１を光源としている。筐体１２の底面および側面は反射シート１３で覆われている。ＬＥＤランプ１の上方には、ＬＥＤランプ１から通常は２〜５ｃｍの距離を隔てて、拡散板１４とプリズムシート１５が配置されている。

ＬＥＤランプ１を発光させると、出射された光は直接または反射シート１３によって反射されて拡散板１４に向かい、拡散板１４内で乱反射し、その後、プリズムシート１５を通過することで垂直方向に光線が傾けられ、液晶表示パネル２１に入射する。異なるＬＥＤランプ１から出射した光は、拡散板１４との間の空間で混じりあい、さらに拡散板１４内で乱反射することにより混合が促進され、これによって輝度と色度が均一化される。一般にＬＥＤランプ１は直上方向が最も明るくなるような輝度分布の異方性があり、ＬＥＤランプ１の直上に相当する部分の輝度は高くなるので、拡散板１４において、当該部分の拡散度を高くすることにより、輝度の均一化を高めることができる。

しかし、従来の面光源装置では、上記のように輝度および色度を均一化させるため拡散板を設け、さらにＬＥＤランプと拡散板との距離をあけているが、それでもＬＥＤランプの直上部分での輝度が高くなるという問題があった。

特に、単色ＬＥＤランプではなく複数色（ＲＧＢ）のＬＥＤランプを用いて混色する場合には、混色が十分でなく、色むらが見えてしまうという問題があった。
このような輝度むら等を低減するために、ＬＥＤランプの直上に相当する部分で拡散板の拡散度を高くしたり、いわゆるライティング・カーテンをＬＥＤランプの直上部に設けて直上部の輝度を低下させたりすることが行われている。

しかし、これらの手段は光の利用効率の低下を招いている。また、ＬＥＤランプと拡散板の間の距離を大きくすれば輝度むらと色度むらを低減できるが、これはバックライトの厚さの増大を招き、フラットパネルディスプレイにとっては好ましくないものであった。

このような直下型の面光源装置において、輝度と色度の均一化を十分に達成し、かつ面
光源装置が厚くならないようにするためには、図１７に示すように、ＬＥＤランプ１を配置した基板３の前方に、ＬＥＤランプ１と対向する導光板４を配置することにより、導光板４内で光を拡散させて均一に導光板４内を伝播させることが有効である。

しかし、このような導光板を用いた場合であっても、ＬＥＤランプの前方位置で導光板の輝度が高くなり、輝度むらを解消することはできない。
特開２００３−３４４８５２号公報 特開２００５−２６８０２１号公報 特開平７−１９１３１１号公報

本発明は、その厚さを増加させることなく、光源の直上の位置における輝度が高いことによる輝度むらが低減された面光源装置を提供することを目的としている。
また本発明は、例えばＲＧＢなど複数色の光源を用いる場合に、輝度むらだけでなく色むらも低減された面光源装置を提供することを目的としている。

さらに本発明は、このような面光源装置を備えた表示装置を提供することを目的としている。

本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、最も輝度が高くなる光軸を有するＬＥＤランプなどの光源を用いた場合において、当該光軸が導光板に対して傾斜するように光源を配置することで、面光源装置の厚みを増大させることなく光源と導光板との光軸方向における間隔を大きくすることができ、また、光源から発した光軸方向へ向かう光と、導光板背面との反射・屈折が促進され、これにより、輝度むらおよび色むらが低減されることを見出し本発明を完成するに至った。

さらに、導光板背面の特定の位置に凹部を設けることで、輝度むらおよび色むらがさらに低減されることを見出し本発明を完成するに至った。
本発明は、以下の[１]〜[１０]に記述したとおりである。

[１] 輝度分布に異方性があり、最も輝度が高くなる光軸を有する複数の光源が、基板へ２次元に配列され、基板の前方に、前記複数の光源と対向するように導光板が配置された面光源装置であって、
前記複数の光源は、光軸が導光板に対して傾斜するように配置されていることを特徴とする面光源装置。

[２] 導光板に対する光軸の角度が、１０度〜８０度であることを特徴とする[１]に記載の面光源装置。

[３] 導光板の背面における、当該背面と光源の光軸との交点が含まれる位置に、凹部が設けられていることを特徴とする[１]または[２]に記載の面光源装置。

[４] 前記凹部の形状が、円錐、角錐、円柱、角柱または半球であることを特徴とする[３]に記載の面光源装置。

[５] 導光板の前面に、凹部が設けられていることを特徴とすることを特徴とする[３]または[４]に記載の面光源装置。

[６] 導光板の前面に、光散乱用のドットが設けられていることを特徴とする[３]または[４]に記載の面光源装置。

[７] 前記複数の光源は、ＬＥＤランプであることを特徴とすることを特徴とする[１]〜[６]のいずれかに記載の面光源装置。

[８] 前記ＬＥＤランプは、赤色ＬＥＤランプ、緑色ＬＥＤランプおよび青色ＬＥＤランプからなることを特徴とする[７]に記載の面光源装置。

[９] [１]〜[８]のいずれかに記載の面光源装置を備えることを特徴とする表示装置。

[１０] 表示部が液晶パネルであることを特徴とする[９]に記載の表示装置。

本発明の面光源装置は、薄型でありながら輝度の均一性が良好であり、複数色の光源を用いた場合には、色度の均一性も良好である。
本発明の表示装置は、上記の面光源装置をバックライトとして液晶ディスプレイ等の表示装置が構成されているので、高画質の画像を得ることができる。

以下、図面を参照しながら本発明について詳細に説明する。本発明の面光源装置は、基板と、この基板へ２次元に配列された光源と、これらの光源と対向するように配置された導光板と、を備えている。

光源が配置される基板は、光源から発生する熱を十分に逃がすための放熱性を有していることが好ましい。放熱性をもつ基板材料としては、アルミニウム、銅、ステンレス等の金属、窒化アルミニウム等の高熱伝導性セラミックスなどが挙げられる。

上記の基板には、光源の端子が電気的に接続される回路基板、例えば、ガラスエポキシ基板などの絶縁性樹脂基板に銅箔を貼り合わせ、銅箔を回路状にエッチングした回路基板を貼り合わせてもよい。

本発明において用いられる光源は、輝度分布に異方性があり、最も輝度が高くなる光軸を有している。このような光源は通常、直上の方向が最も明るく、直上の方向に対する角度が大きくなると次第に輝度が下がる。この場合、光軸とは、最も輝度が高くなる直上の方向のことである。

上記の光源としては、ＬＥＤランプが好ましい。ＬＥＤランプは通常、発光ダイオード素子がパッケージに実装されたパッケージ部と、透明な材質からなり発光ダイオード素子からの発光に方向性をもたせるためのレンズ作用を有するレンズ部と、から構成されている。パッケージ部には、外部と電気的に接続して直流電流を供給するための端子が設けられている。

複数のＬＥＤランプを基板へ配置する態様としては、赤色（Ｒ）の発光ダイオード素子を実装した赤色ＬＥＤランプ、緑色（Ｇ）の発光ダイオード素子を実装した緑色ＬＥＤランプ、および青色（Ｂ）の発光ダイオード素子を実装した青色ＬＥＤランプを基板に配置し、これらの三原色の混色により白色を発光させる態様が好ましい。

Ｒ，Ｇ，Ｂの各ＬＥＤランプは、例えば、Ｒ，Ｇ，Ｂ各１個ずつで１単位としたもの、Ｒ１個、Ｇ２個、Ｂ１個で１単位としたもの、Ｒ２個、Ｇ２個、Ｂ１個で１単位としたも
のなどを単位配列として、基板に規則的に配列する仕方で配置される。例えば、単位配列がＲ２個、Ｇ２個、Ｂ１個を線状に配列したものである場合には、Ｒ，Ｇ，Ｂ，Ｇ，Ｒの順番で各色ＬＥＤランプが配置される。

また、面光源装置が白色照明用である場合、Ｒ，Ｇ，Ｂの組み合わせのほか、黄、橙などのいわゆる中間色のＬＥＤランプを用いて、他のＬＥＤランプからの発光との混色によって白色を発光させるようにしてもよい。

ＬＥＤランプの配置間隔は、特に限定されないが、ハイパワー素子を用いる場合には、５ｍｍ以上であることが好ましい。
基板と導光板との間には、反射層が設けられる。このような反射層の例としては、基板の前面に貼り合わせた白色反射シート、基板の前面に印刷した白色塗料の膜などが挙げられる。

導光板は、典型的には透明な樹脂からなる板状の部材であり、その厚さは、好ましくは０．３ｍｍ〜３０ｍｍ、より好ましくは０．５ｍｍ〜２０ｍｍ、さらに好ましくは０．８ｍｍ〜１５ｍｍである。厚さが０．３ｍｍ未満であると、導光板の機能として不十分になるおそれがある。また、厚さが３０ｍｍを超えると、光量の減衰が大きくなり必要な輝度を確保できなくなるおそれがある。いわゆる直下型バックライトにおいて、輝度と色度の均一化を十分に達成し、かつ面光源装置が厚くならないようにするためには、導光板を用いることが有効である。すなわち、直下型バックライトでは、ＬＥＤランプなどの光源は前向きに設置されているので、導光板内に光を拡散させ均一に伝播させた後に前方へ光を取り出すことが望ましい。

基板に配置されたＬＥＤランプの導光板よりもさらに前方には、好ましくは１ｃｍ〜５ｃｍの間隔をおいて、図１８に示した面光源装置と同様に拡散板を配置することが好ましい。例えば、底面および側面を反射シートで覆った筐体の底面にＬＥＤランプを配列し、筐体の上面側に拡散板が配置される。

以上のような構成を備えた本発明の面光源装置では、上記光源が、光軸が導光板に対して傾斜するように配置されている。図１〜図３は、本発明の面光源装置の実施形態を示した断面図であり、ＬＥＤランプが配置された基板および導光板の一部を示している。

図１に示すように、ＬＥＤランプ１は、基板３に設けられた凹部３ａ内の傾斜面に設置され、その光軸２は、基板３の前方にＬＥＤランプ１と対向するように配置された導光板４に対して、角度θだけ傾斜している。

このように光軸２が導光板４に対して傾斜するようにＬＥＤランプ１を配置することで、基板３の背面から導光板４の前面までの厚みｔを増大させることなく、ＬＥＤランプ１と導光板４との光軸方向における間隔ｌ₂を、図１７のように光軸２が導光板４に対して
傾斜せず垂直となるようにＬＥＤランプ１を配置した場合の間隔ｌ₁に比較して大きくす
ることができる。さらに、ＬＥＤランプ１から発した光軸方向へ向かう光と、導光板４の背面との反射・屈折が促進される。このようにすることで、輝度むらが小さくなり、ＲＧＢなどの複数色のＬＥＤランプを用いた場合には、同時に色むらも小さくなる。

導光板４に対する光軸２の角度θは、好ましくは１０度〜８０度、より好ましくは１５〜７５度、さらに好ましくは３０〜６０度である。角度θが小さ過ぎると、１つのＬＥＤランプあたりの面積が大きくなり、全体として輝度が低下する場合がある。角度θが大き過ぎると、光軸を導光板に対して傾けることによる上記の効果が十分に得られない場合がある。

基板は、図１に示す構造の他、図２に示すように、ＬＥＤランプ１が取り付けられる基板３の凹部３ａを、平面部３ｂを介して間隔をおいて設ける構造であってもよい。
また、図３に示すように、ＬＥＤランプ１のパッケージ部１ｂを基板３内に埋め込み、レンズ部１ａのみ基板３の前面に露出させるようにしてもよい。この場合、ＬＥＤランプ１の端子を基板３の背面側に位置させることができる。

複数のＬＥＤランプを基板に設置する仕方は、光軸の傾斜方向がＬＥＤランプの配列方向を向くようにしてもよく、光軸の傾斜方向がＬＥＤランプの配列方向と垂直な方向を向くようにしてもよい。あるいは、それぞれのＬＥＤランプにおける光軸の傾斜方向が、互いに異なる方向を向くようにしてもよい。

複数のＬＥＤランプを基板に設置する態様を図４〜図７に示す。なお、２次元に配列されたＬＥＤランプのうち１列のみ部分的に示し、図７では２列のみ部分的に示している。
図４では、ＬＥＤランプ１の光軸２の傾斜方向がＬＥＤランプ１の配列方向と垂直な方向を向くように、基板３の凹部３ａにＬＥＤランプ１を配置している。

図５では、ＬＥＤランプ１の光軸２の傾斜方向がＬＥＤランプ１の配列方向と垂直な方向を向き、かつ、隣接するＬＥＤランプ１の光軸２の傾斜方向が互いに反対方向を向くように、基板３の凹部３ａにＬＥＤランプ１を配置している。

図６では、ＬＥＤランプ１の光軸２の傾斜方向がＬＥＤランプ１の配列方向を向くように、基板３の凹部３ａにＬＥＤランプ１を配置している。
図７では、ＬＥＤランプ１の光軸２の傾斜方向がＬＥＤランプ１の配列方向と垂直な方向を向き、かつ、隣接する２つの列におけるＬＥＤランプ１の光軸２の傾斜方向が互いに反対方向を向くように、基板３の凹部３ａにＬＥＤランプ１を配置している。

また、複数のＬＥＤランプを基板に設置する仕方は、基板に設けた凹部にＬＥＤランプを設置する他、図８（ａ）〜図８（ｄ）に示すようにしてもよい。図８（ａ），図８（ｂ）では、基板３に対して傾くように支持部材６によって支持された傾斜板５にＬＥＤランプ１を設置し、これにより導光板に対して光軸が傾くようにＬＥＤランプ１を設置している。

図８（ｃ）では、ＬＥＤランプ１が設置された傾斜板５を、基板３に対して傾くように支持部材６によって支持し、傾斜板５と基板３との間に、樹脂接着剤などのように流動性および硬化性をもつ目止め材７を充填し硬化させてこれらを固定し、これにより導光板に対して光軸が傾くようにＬＥＤランプ１を設置している。

図８（ｄ）では、基板３上に設置された支持部材６に、ＬＥＤランプ１が設置された一対の傾斜板５を、互いに反対方向へ傾くように支持し、これにより、導光板に対してそれぞれのＬＥＤランプ１の光軸が互いに異なる方向へ傾くようにＬＥＤランプ１を設置している。

本発明における好ましい態様では、導光板の背面における、当該背面と光源の光軸との交点が含まれる位置に、凹部が設けられている。図９〜図１６は、このような例を示した断面図である。図示したように、導光板４の背面における、当該背面とＬＥＤランプ１の光軸２との交点が含まれる位置には、凹部４ａが設けられている。
このような凹部４ａを設けることによって、ＬＥＤランプ１から光軸方向へ出射された光は、凹部４ａで散乱され、さらに導光板の前面および／または背面で反射された後に導光板４の前面から出射される。そのため、導光板の光出射面における輝度分布の均一性をさ
らに高めることができる。また、複数色のＬＥＤランプを用いた場合には、同時に色むらも小さくなる。

凹部４ａの形状は、図９のような円錐形状、図１０のような円柱形状、図１１のような半球形状など、各種の形状であってよい。また、図１２，図１３に示すような非対称な形状であってもよい。

好ましくは、凹部４ａの形状は、円錐、角錐、円柱、角柱または半球である。凹部４ａの形状が円錐または角錐である場合、その頂角は、例えば９０度〜１２０度である。
凹部４ａは、必ずしも導光板４の背面とＬＥＤランプ１の光軸２との交点が含まれる位置のみに設けられている必要はなく、図１４に示すように、当該位置と共に、それ以外の位置にも設けるようにしてもよい。

また、輝度むらおよび色むらをより低減するために、図１５，図１６に示すように、導光板４の前面にも凹部４ｂも設けるようにしてもよい。凹部４ｂの配置箇所としては、図１５のような、導光板４の背面における凹部４ａの直上の位置、図１６のような、導光板４の背面における隣接する凹部４ａの間の位置などが挙げられる。

また、光のロスを生じることなく輝度の均一性をより高めるために、導光板の前面に光散乱ドットを設けてもよい。光散乱ドットは、散乱性インクをドット印刷するか、あるいは導光板と一体成形することによって形成することができる。例えば、導光板の前面と光源から発する光の光軸との交点付近に、円形のパターンであり、導光板の透過率が、ドットパターンの中心が最低であり周辺に行くほど大きくなるようなパターンが設けられる。

本発明の表示装置は、以上に説明した面光源装置を備えている。典型的には、当該表示装置の表示部は液晶パネルであり、面光源装置は、図１８のように液晶パネルの背面にバックライトとして配置される。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲内において各種の変形、変更が可能である。

図１は、本発明の一実施形態における面光源装置を示した一部断面図である。 図２は、本発明の他の実施形態における面光源装置を示した一部断面図である。 図３は、本発明の他の実施形態における面光源装置を示した一部断面図である。 図４は、本発明の他の実施形態における面光源装置の光源配置を示した一部斜視図である。 図５は、本発明の他の実施形態における面光源装置の光源配置を示した一部斜視図である。 図６は、本発明の他の実施形態における面光源装置の光源配置を示した一部斜視図である。 図７は、本発明の他の実施形態における面光源装置の光源配置を示した一部斜視図である。 図８は、光源を光軸が導光板に対して傾斜するように設置するための具体例を示した断面図である。 図９は、本発明の他の実施形態における面光源装置の光源および導光板の配置を示した一部断面図である。 図１０は、本発明の他の実施形態における面光源装置の光源および導光板の配置を示した一部断面図である。 図１１は、本発明の他の実施形態における面光源装置の光源および導光板の配置を示した一部断面図である。 図１２は、本発明の他の実施形態における面光源装置の光源および導光板の配置を示した一部断面図である。 図１３は、本発明の他の実施形態における面光源装置の光源および導光板の配置を示した一部断面図である。 図１４は、本発明の他の実施形態における面光源装置の光源および導光板の配置を示した一部断面図である。 図１５は、本発明の他の実施形態における面光源装置の光源および導光板の配置を示した一部断面図である。 図１６は、本発明の他の実施形態における面光源装置の光源および導光板の配置を示した一部断面図である。 図１７は、面光源装置の光源および導光板の配置を示した一部断面図であり、光軸が導光板に対して垂直となるように光源を配置した場合を示している。 図１８は、液晶表示パネルの直下に配置された従来の直下型面光源装置の断面図である。

符号の説明

１ ＬＥＤランプ
１ａ レンズ部
１ｂ パッケージ部
２ 光軸
３ 基板
３ａ 凹部
３ｂ 平面部
４ 導光板
４ａ 凹部
４ｂ 凹部
５ 傾斜板
６ 支持部材
７ 目止め材
１１ 面光源装置
１２ 筐体
１３ 反射シート
１４ 拡散板
１５ レンズシート（プリズムシート）
２１ 液晶パネル
θ 基板面に対する光軸の角度
ｌ₁ ＬＥＤランプと導光板の背面との光軸方向における間隔
ｌ₂ ＬＥＤランプと導光板の背面との光軸方向における間隔
ｔ 基板背面から導光板前面までの厚み

Claims (10)

1. 輝度分布に異方性があり、最も輝度が高くなる光軸を有する複数の光源が、基板へ２次元に配列され、基板の前方に、前記複数の光源と対向するように導光板が配置された面光源装置であって、
   前記複数の光源は、光軸が導光板に対して傾斜するように配置されていることを特徴とする面光源装置。
2. 導光板に対する光軸の角度が、１０度〜８０度であることを特徴とする請求項１に記載の面光源装置。
3. 導光板の背面における、当該背面と光源の光軸との交点が含まれる位置に、凹部が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の面光源装置。
4. 前記凹部の形状が、円錐、角錐、円柱、角柱または半球であることを特徴とする請求項３に記載の面光源装置。
5. 導光板の前面に、凹部が設けられていることを特徴とする請求項３または４に記載の面光源装置。
6. 導光板の前面に、光散乱用のドットが設けられていることを特徴とする請求項３または４に記載の面光源装置。
7. 前記複数の光源は、ＬＥＤランプであることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の面光源装置。
8. 前記ＬＥＤランプは、赤色ＬＥＤランプ、緑色ＬＥＤランプおよび青色ＬＥＤランプからなることを特徴とする請求項７に記載の面光源装置。
9. 請求項１〜８のいずれかに記載の面光源装置を備えることを特徴とする表示装置。
10. 表示部が液晶パネルであることを特徴とする請求項９に記載の表示装置。

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