JP2008197652A - バックライト装置用コリメータ及びこれを適用したｌｃｄ - Google Patents

Abstract

【課題】バックライト装置用コリメータ及びこれを適用したＬＣＤを提供する。
【解決手段】バックライト装置からの光が通過する複数の光通過領域と光通過領域間の非光通過領域とが形成される板状部材を備え、各光通過領域内には、板状部材の平面方向とこれに垂直する垂直方向とに対して共に傾いた少なくとも一つの反射面が設けられて、光通過領域に入射する光の入射角に比べて、光通過領域を通じて液晶パネルに出射する反射光の出射角を減少させる構造を持つバックライト用コリメータ。これにより、液晶表示装置の光利用効率が上昇してコントラスト比が向上する。
【選択図】図３

Description

本発明は、バックライト装置用ビームコリメータに係り、詳細には液晶ディスプレイ装置（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ：ＬＣＤ）の視野角を拡大できる光学フィルム方式のビームコリメータに関する。

本発明に関連した先行技術であって、特許文献１〜３を参照できる。

ＬＣＤにおいて、バックライトから液晶パネルに供給される光は拡散光である。液晶パネルは、電場により駆動される液晶により、バックライトからの光をスイッチングする。バックライトからの光は、液晶に入射する前に液晶パネルの後面に設けられた偏光素子により偏光化され、この時に偏光軸の方向は、液晶パネルの偏光素子に入射する光入射軸によって変わる。このような光入射方向による偏光軸の変化は、液晶パネル前方での視聴位置によって大きい差のコントラスト比が現れる。

視野角１７０°程度のＬＣＤの場合、一般的にパネルの平面に垂直の方向でコントラスト比は数千対１程度であるが、視野角の最大角度である８５°方向では約１０：１である。結局、ＬＣＤの正面からずれるほどコントラスト比の低下により画質が悪化する。ＬＣＤのいろいろな研究課題のうちの一つが視野角の拡大である。一般的に、視野角を拡大するために、視野角補償フィルムを使用するか、ＩＰＳ（Ｉｎ−Ｐｌａｎｅ−Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）モード、ＶＡ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ−Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）モード、ＯＣＢ（Ｏｐｔｉｃａｌｌｙ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ Ｂｅｎｄ）モードなどの多様な方法で、角度によるＬＣ性能の劣化を補償する方法が利用される。しかし、これは開口率低下をもたらし、製造工数の増加によりコストアップの要因になる。
米国特許第６３２７０９１号明細書 米国特許第６８７６４０８号明細書 特開２０００−２９８２０５号公報

本発明は、光利用効率が高くてＬＣＤの視野角を拡大したバックライト用ビームコリメータ及びこれを適用した液晶ディスプレイパネル装置を提供する。

本発明によれば、ＬＣＤの液晶パネルとバックライト装置との間に設けられるバックライト用ビームコリメータが提供される。前記ビームコリメータは、バックライト装置から供給される光が通過する複数の光通過領域、および当該光通過領域間の前記光を社団する非光通過領域が形成される板状部材を備え、ここで、前記各光通過領域内には、前記板状部材に平面方向と当該平面方向に垂直な垂直方向とに対して共に傾いた少なくとも一つの反射面が設けられて、前記光通過領域に入射する光の入射角に比べて、前記光通過領域を通じて出射する前記反射面で反射された反射光の出射角を減少させ、したがって、前記液晶パネルに入射するバックライトの入射角の範囲が、前記バックライト装置からビームコリメータへの光入射角範囲に比べて狭くなる。

本発明の具体的な模範的実施形態によれば、前記板状部材は、第１板状部材及び第２板状部材を含み、第１板状部材は、前記光通過領域を形成する第１光通過領域を備え、前記第２板状部材は前記第１光通過領域に対応する第２光通過領域を備える。

前記第１光通過領域及び第２光通過領域それぞれの光が入射する入射口の面積は、それぞれの光が出射する出射口の面積に比べて小さく、前記反射面は、前記第１光通過領域及び第２光通過領域の内面に形成される。

本発明の具体的な他の模範的実施形態によれば、前記第１光通過領域の出射口と前記第２光通過領域の入射口とは一致し、前記第１光通過領域の入射口と当該入射口に対応する出射口とは前記板状部材の平面方向に所定のずれを有し、第２光通過領域の入射口と当該入射口に対応する出射口とは前記板状部材の平面方向に所定のずれを有する。望ましくは、第１光通過領域と第２光通過領域それぞれの対向する内面は、互いに並んで配される。

本発明の具体的なさらに他の模範的実施形態によれば、前記板状部材の光通過領域の内面に、光通過領域の入射口側に傾いた第１面とその逆に出射口側に傾いた第２面とを持つ複数の突出部が形成され、前記反射面は、前記光通過領域の内面及び突出部の第１面と第２面とに共に形成されている。

本発明の望ましい実施形態によれば、前記非光通過領域には、前記バックライト装置で光を再び反射する反射膜が設けられている。

本発明によれば、広い各分布を持つ光を狭い角に集めることができるので、ＬＣＤの光利用効率を高めることができる。またコントラスト比が向上して画像の品質を改善できる。本発明によるコリメータは、使用する材料の適切な選択及び厚さなどの調節によりフィルム形態に製造でき、したがって、大型ＬＣＤに適用できる。

以下、添付した図面を参照して本発明の望ましい実施形態について詳細に説明する。

図１は、本発明によるコリメータが適用される本発明によるＬＣＤの概略的構成を示す。

図１を参照すれば、液晶パネル（ＬＣＤパネル）１０と拡散器３０との間に本発明によるコリメータ２０が配される。拡散器３０の後方には、平面的に配される複数の冷陰極管またはＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）によるバックライト装置、あるいは、光源４０、及び光源４０への光を拡散器３０側に反射する反射器５０が順次に配される。ここで、拡散器３０は選択的要素であり、望ましくは、コリメータ２０と光源４０との間に設けられる。

コリメータ２０は、拡散器３０から入射する広い角度範囲の光を平行光化して液晶パネル１０に入射させる。正確には、コリメータ２０は、入射光を完全に平行光化させるものではなく、入射光の入射角に比べて出射角を減少させることによって、液晶パネルに入射する光を液晶パネル１０の平面に対して垂直に近い角度範囲内に入らせるのである。ここで、入射角及び出射角は、コリメータ２０または液晶パネル１０の平面に対して垂直の方向に対する傾斜度を意味し、例えば、液晶パネルに対する入射角を減らすとは、液晶パネルに入射する光を液晶パネルの平面に対して垂直の方向にさらに近くするという意味であり、本発明の実施形態の説明及び特許請求の範囲でこのような意味で使われる。

前記のような光の平行光化またはコリメ―ション（ｃｏｌｌｉｍａｔｉｏｎ）は、コリメータ２０に設けられた光通過領域により行われるが、光通過領域には、入射角に比べて出射角を減少させる配置構造の反射面が形成されている。すなわち、本発明によるコリメータは、広い角度範囲で入射するバックライトを狭い角度範囲で出射させて、ＬＣＤのコントラスト比を従来に比べて向上させ、視野角をさらに拡大させるものである。

図２は、入射角に比べて出射角を減少させる本発明によるコリメータの基本的な概念を示す。

図２を参照すれば、Ｘ−Ｘ’軸とこれに直交するＹ−Ｙ’軸との交点に反射面ｍが設けられている。ここで、Ｘ−Ｘ’軸は、コリメータ２０の平面に並んでいる方向であり、Ｙ−Ｙ’はこれに直交し、したがって液晶パネルに垂直の方向である。反射面ｍは、Ｘ−Ｘ’軸とＹ−Ｙ’軸とにいずれも傾いており、反射面の表面は光進行側に傾いている。光源からの入射光θｉがＹ−Ｙ’軸に所定角度傾いた入射角θｉの角度で反射面ｍに入射した後、前記入射角より小さな値の出射角θｏで反射される。すなわち、光の入射時、光の角度はθｉであるが、出射時にはこれより小さな出射角θｏを得るようになる。このような原理を利用すれば、拡散器３０から入射する非常に広い入射角度範囲の光をこれより狭くなった角度で液晶パネルに入射させることができる。前記反射膜は一つ以上設けられ、後述する多様な実施形態によりさらに深く理解され、これら実施形態と公知の光学的設計方法により新たな実施形態とが具現され、これもまた本発明の範囲内にあるものである。

本発明の具体的な実施形態では、入射光のうち大き過ぎる角度で入射する光の場合、光源方向に逆反射させて光源または反射器により再入射させる。

図３は、本発明の望ましい一実施形態によるコリメータの概略的構造を示す。

図３を参照すれば、コリメータ２０は、接合された第１板状部材２１及び第２板状部材２２を備える。コリメータ２０は、複数の光通過領域２３とこれらの間の非光通過領域２４（図面での斜線を引いた領域）とを持つ。光通過領域２３は、第１板状部材２１の第１光通過領域２３ａ及び第２板状部材２２の第２光通過領域２３ｂを備える。第１光通過領域２３ａ及び第２光通過領域２３ｂの内面は反射面２３ａ’，２３ｂ’を有する。非光通過領域２４は、入射された光を再度光源または反射器側に逆反射させるように別途のミラーまたはミラー構造を持つことができる。

第１光通過領域２３ａ及び第２光通過領域２３ｂは、光進行方向に次第に広開される構造を持ち、第１光通過領域２３ａ及び第２光通過領域２３ｂの内面、すなわち、反射面２３ａ’，２３ｂ’は光出射側に向かって傾いている。したがって、第１光通過領域２３ａを通じて入射する光のうち、比較的入射角の小さい光は第２光通過領域２３ｂを通じて直接出射し、入射角の大きい一部光は、第１通過領域２３ａ及び第２通過領域２３ｂの内面の反射膜２３ａ’、２３ｂ’に一回またはそれ以上反射された後に出射する。ある入射角の光は、第１光通過領域２３ａの反射面に数回反射された後、第２光通過領域２３ｂを通じて出射する。また、第１光通過領域２３ａおよび第２光通過領域２３ｂの光が入射する入射口の面積は、光が出射する出射口の面積に比べて小さい。なお、第１光通過領域２３ａおよび第２光通過領域２３ｂの入射口および出射口の形状は、円形であることが望ましい。

図３に示したように、第１光通過領域２３ａ及び第２光通過領域２３ｂそれぞれは、両側に二つの反射面があるが、これら両反射面は、第１光通過領域２３ａと第２光通過領域２３ｂとの中心軸を取り囲む形態に連続的である。このような第１光通過領域２３ａ及び第２光通過領域２３ｂは、切頭円錐形の内面、または切頭三角錐形または四角錐形またはそれ以上の切頭多角錐形の内面を持つ。このような構造によれば、第１板状部材２１と接触していない第２板状部材２２の光通過領域２３ｂ周囲の外側面２３’ｂは、光を反射する反射面をなす。したがって、外側表面２１ａに入射する光は第１光通過領域２３ａ側に反射する。

前記のような構造によれば、コリメータ２０から出射する光は、コリメータ２０に入射する光に比べて狭い角度範囲で出射して、目的とする液晶パネルに入射する。光通過領域及び非光通過領域の設計は、多様に行われうることは明らかである。一方、前記光通過領域は、板状部材の本体一部として満たされた領域であり、非光通過領域は、空いている空気領域になりうる。反射面は、板状部材の材料、例えば、プラスチックと非光通過領域の空気との屈折率差により、入射した光を反射できる。板状部材の望ましい材料には、ＰＥＴ、ＰＣ、ＰＭＭＡなどがあり、コリメータの厚さは、例えば１００μｍ程度である。

図４Ａ及び図４Ｂは、別途の反射膜の有無による非光通過領域の変形例を示す。先ず、図４Ａを説明すれば、第１板状部材２１及び第２板状部材２２に三角形の断面形状を持つ空洞部が設けられており、これは、非光通過領域２４に該当する。そして、第１板状部材２１の前方には、非光通過領域２４への光を遮断して再び光源側に反射する反射膜６０が設けられている。遮断膜６０は、第１板状部材２１の自体に付着されてもよいが、場合によっては隣接した他の要素、例えば、図１の構造で拡散器３０に付着されうる。第１光通過領域２３ａ及び第２光通過領域２３ｂでの光反射は、板状部材の材料、例えば、プラスチックと非通過領域の空気との屈折率差により発生する。

図４Ｂは、図４Ａに示した非光通過領域２４の反射膜６０がない構造であり、非光通過領域２４の空洞部内壁に反射膜２３ａ’’、２３ｂ’’が形成された構造を持つ。反射膜２３ａ’’、２３ｂ’’は、光通過領域２３ａ、２３ｂと非光通過領域２４とを光学的に隔離し、この領域から入射する光を反射する。

本発明の他の実施形態によれば、前記非光通過領域の空洞部は、前記光通過領域の物質と同じ屈折率または異なる屈折率の物質で満たされうる。なお、図４Ｂに示した実施形態の場合、空洞部の内壁に反射膜２３ａ’’、２３ｂ’’が形成されているので、屈折率と関係なくいかなる物質でも満たされることができ、図４Ａの場合は、空洞部に満たされる物質は、光通過領域の物質と異なる屈折率を持つため、その界面に反射面が形成されねばならない。

図５は、本発明の望ましい他の実施形態によるコリメータを概略的に示す断面図である。

本実施形態のコリメータは、第１光通過領域２３ａの出射口と第２光通過領域２３ｂの入射口とは一致し、第１光通過領域２３ａの入射口と当該入射口に対応する出射口とは板状部材の平面方向に所定のずれを有し、第２光通過領域２３ｂの入射口と当該入射口に対応する出射口とは板状部材の平面方向に所定のずれを有する。すなわち、本実施形態のコリメータは、図５に示したように、第１板状部材２１と第２板状部材２２それぞれには、光通過領域２３ａ，２３ｂと非光通過領域２４とが平面方向に交互に形成されており、両領域間の境界は基板に対して傾いており、これら境界は、第１板状部材２１、第２板状部材２２別に並んでいる。そして、第１板状部材２１、第２板状部材２２の光通過領域２３ａ、２３ｂと非光通過領域２４とは、第１板状部材２１、第２板状部材２２の接触面を中心に対称的である。このような構造によれば、大きい角度で入射した光が相対的に小さな出射角で出射する。このとき、コリメータ２０に入射した光の一部のうち、基板に対して非常に小さな入射角で入射した光は、光通過領域２３ａ，２３ｂを反射なしにそのまま通過し、ある光は１回反射後に出射するか、２回、３回またはそれ以上の反射過程を通じて出射する。

このような本実施形態では、２枚の板状部材を利用するが、本発明の技術的思想を外れない範囲内で３枚またはそれ以上の板状部材を利用する構造を容易に得ることができる。

図６は、本発明の望ましいさらに他の実施形態によるコリメータを概略的に示す断面図である。

図６に示したコリメータ２０は一つの板状部材２５を備え、この板状部材２５には非光通過領域２４を両側に置く光通過領域２３ａが非常に狭い幅を維持しており、その内部には光入射側に傾いた第１反射面２６ａと光出射側に傾いた第２反射面２６ｂとを持つ突出部２６が設けられている。突出部２６は、入射角の大きい光は光源側に逆反射し、入射角の非常に小さい光はそのまま通過し、さらに他の一部光は数回の反射過程を経て液晶パネル側に出射できる。本実施形態は、光通過領域内に反射面を持つ反射突起を形成して、大きい角で入射される光を反射させて再び戻す構造である。このような構造では、板状部材の厚さや突起の間隔や突起の反射面角度の調節などにより出射される角度を制限できる。

図７Ａは、本発明によるコリメータの性能をテストするためのシミュレーションに使われた光分布を斑紋形態に示したものであり、拡散器から出射して本発明によるコリメータに入射する光の入射角分布を示す幾何学的な光線分布を示し、図７Ｂは前記入射光の入射角−強度グラフである。

図８Ａは、シミュレーションにより得られた結果であり、図７Ａ及び図７Ｂに示した特性の光を本発明によるコリメータで平行光化した後の出射角分布を幾何学的斑紋形態に図示した出射角分布図であり、図８Ｂは、出射光の出射角度−強度グラフである。そして図９は、図８Ａ及び図８Ｂの結果を得るためのシミュレーション条件としてコリメータの光通過領域及び非光通過領域の寸法を示す。

図７Ａ及び図７Ｂに示した分布の光を利用したシミュレーション結果によれば、半値幅±６０゜のランバーティアン（Ｌａｍｂｅｒｔｉａｎ）光分布を持つビームが本発明によるコリメータに入射された後、図８Ａ及び図８Ｂに示したように、光通過領域内の本発明を特徴づける反射面（または反射膜）によって光進行角度が変更されて半値幅±１５゜の光分布で出射されることで、液晶パネルの正面方向に集まり、中心領域の光強度は大きく向上したことが分かった。光の出射角の分布は、光通過領域で反射膜または反射面の適切な設計変更により容易に調節できる。

このような本願発明の理解を助けるためにいくつかのの模範的な実施形態が説明され、添付された図面に図示されたが、これら実施形態は、単に広い発明を例示し、これを制限しないという点を理解せねばならず、そして本発明は、図示及び説明された構造及び配列に限定されないという点を理解せねばならず、それは、多様な他の修正が当業者により行われうるためである。

本発明によるコリメータは、ＬＣＤなどのバックライト装置に適用できる。

本発明によるＬＣＤの概略的構成図である。 本発明によるコリメータの概念を説明する図面である。 本発明の一実施形態によるコリメータの概略的構成を示す図面である。 本発明の他の実施形態によるコリメータの概略的構成を示す図面である。 本発明の他の実施形態によるコリメータの概略的構成を示す図面である。 本発明のさらに他の実施形態によるコリメータの概略的構成を示す図面である。 本発明のさらに他の実施形態によるコリメータの概略的構成を示す図面である。 本発明によるコリメータの性能をテストするためのシミュレーション結果を示す図面である。 本発明によるコリメータの性能をテストするためのシミュレーション結果を示す図面である。 本発明によるコリメータの性能をテストするためのシミュレーション結果を示す図面である。 本発明によるコリメータの性能をテストするためのシミュレーション結果を示す図面である。 シミュレーションに適用された本発明によるコリメータの具体的条件を示す図面である。

符号の説明

２０ コリメータ、
２１ 第１板状部材、
２２ 第２板状部材、
２３ａ 第１光通過領域、
２３ｂ 第２光通過領域、
２３ａ’、２３ｂ’ 反射面、
２４ 非光通過領域。

Claims (15)

1. ＬＣＤの液晶パネルとバックライト装置との間に設けられるバックライト用コリメータにおいて、
   前記コリメータは、バックライト装置から供給される光が通過する複数の光通過領域、および当該光通過領域間の前記光を遮断する非光通過領域が形成される板状部材を備え、
   前記各光通過領域内には、前記板状部材の平面方向と当該平面方向に垂直な垂直方向とに対して共に傾いた少なくとも一つの反射面が設けられて、前記光通過領域に入射する光の入射角に比べて、前記光通過領域を通じて出射する前記反射面で反射された反射光の出射角を減少させる構造を有することを特徴とするバックライト用コリメータ。
2. 前記板状部材は第１板状部材及び第２板状部材を含み、
   前記第１板状部材は、前記光通過領域を形成する第１光通過領域を備え、前記第２板状部材は前記第１光通過領域に対応する第２光通過領域を備えることを特徴とする請求項１に記載のバックライト用コリメータ。
3. 前記第１光通過領域及び第２光通過領域それぞれの光が入射する入射口の面積は、それぞれの光が出射する出射口の面積に比べて小さく、前記反射面は、前記第１光通過領域及び第２光通過領域の内面に設けられ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用コリメータ。
4. 前記第１光通過領域の出射口と前記第２光通過領域の入射口とは一致し、
   前記第１光通過領域の入射口と当該入射口に対応する出射口とは前記板状部材の平面方向に所定のずれを有し、第２光通過領域の入射口と当該入射口に対応する出射口とは前記板状部材の平面方向に所定のずれを有することを特徴とする請求項３に記載のバックライト用コリメータ。
5. 前記第１光通過領域と前記第２光通過領域それぞれの対向する内面は、互いに並んで配されることを特徴とする請求項４に記載のバックライト用コリメータ。
6. 前記板状部材の光通過領域の内面に、光通過領域の入射口側に傾いた第１面とその逆である出射口側に傾いた第２面とを持つ複数の突出部が形成され、前記反射面は、前記光通過領域の内面及び突出部の第１面と第２面とに共に形成され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用コリメータ。
7. 前記非光通過領域には、入射される光を反射する反射膜が設けられていることを特徴とする請求項１〜請求項６のうちいずれか１項に記載のバックライト用コリメータ。
8. 液晶パネル、バックライト装置、および前記液晶パネルと前記バックライト装置との間に設けられるバックライト用コリメータを備え、
   前記コリメータは、前記バックライト装置から供給される光が通過する複数の光通過領域、および当該光通過領域間の前記光を遮断する非光通過領域が形成される板状部材を備え、
   前記各光通過領域内には、前記板状部材に平面方向と当該平面方向に垂直な垂直方向とに対して共に傾いた少なくとも一つの反射面が設けられて、前記光通過領域に入射する光の入射角に比べて、前記光通過領域を通じて前記液晶パネルに出射する前記反射面で反射された反射光の出射角を減少させる構造を有することを特徴とする液晶表示装置。
9. 前記バックライト装置と前記コリメータとの間に光を拡散する拡散器が設けられていることを特徴とする請求項８に記載の液晶表示装置。
10. 前記板状部材は第１板状部材及び第２板状部材を含み、
    前記第１板状部材は、前記光通過領域を形成する第１光通過領域を備え、前記第２板状部材は前記第１光通過領域に対応する第２光通過領域を備えることを特徴とする請求項８または請求項９に記載の液晶表示装置。
11. 前記第１光通過領域及び第２光通過領域それぞれの光が入射する入射口の面積は、それぞれの光が出射する出射口の面積に比べて小さく、前記反射面は、前記第１光通過領域及び第２光通過領域の内面に設けられていることを特徴とする請求項１０に記載の液晶表示装置。
12. 前記第１光通過領域の出射口と前記第２光通過領域の入射口とは一致し、
    前記第１光通過領域の入射口と当該入射口に対応する出射口とは前記板状部材の平面方向に所定のずれを有し、
    前記第２光通過領域の入射口と当該入射口に対応する出射口とは前記板状部材の平面方向に所定のずれを有することを特徴とする請求項１１に記載の液晶表示装置。
13. 前記第１光通過領域と第２光通過領域それぞれの対向する内面は、互いに並んで配されることを特徴とする請求項１２に記載の液晶表示装置。
14. 前記板状部材の光通過領域の内面に、前記光通過領域の入射口側に傾いた第１面と出射口側に傾いた第２面とを持つ複数の突出部が形成され、
    前記反射面は、前記光通過領域の内面及び前記突出部の第１面と第２面とに共に形成されていることを特徴とする請求項８または請求項９に記載の液晶表示装置。
15. 前記非光通過領域には、入射される光を反射する反射膜が設けられていることを特徴とする請求項８〜請求項１４のうちいずれか１項に記載の液晶表示装置。