JP2008288118A - バックライト装置 - Google Patents

Abstract

【課題】バックライト装置の反射板の反射率を上げて明るさを上昇させようとする際、正反射成分が多い素材を用いると光源自身が影となり、有効な光利用ができなかった。
【解決手段】Ｎ（Ｎは自然数）本の線光源と、線光源からの光を反射する反射板と、少なくとも線光源からの光を拡散する拡散板とを備え、反射板よりも拡散反射率の高い拡散反射部を線光源の直下に配置したことを特徴とするバックライト装置である。ここで、特に、線光源の直径がＤであるとき、拡散反射部の幅を２×Ｄとすることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、液晶テレビなどの表示機器のバックライト装置に関する。

近年、大型の薄型テレビが急激に普及している。薄型テレビにはいくつかの種類があるが、広く普及している液晶テレビにおいては、液晶（液晶パネル）自体が発光しないため、バックライト装置を伴うのが一般的であり、液晶パネルとバックライト装置を組み合わせたものが液晶パネルモジュールと呼ばれる。

従来のバックライト装置の構造の概略を図２（ａ）に示す（特許文献１の図２）。１０１は冷陰極管などの線光源、１０２は前面側（視聴側から見て）に届いた光源の光を拡散するための拡散板、１０３は光源から背面側に出射された光を前面側へ反射するための反射板であり、ＰＥＴなど、白色の高分子材料のシート用いられる。また１０４はフレームといわれる金属板を加工したもので、バックライト装置、ひいては液晶パネルモジュールの構造を維持する役割がある。

ところで近年の薄型テレビの普及に伴い、薄型テレビに求められる要望が変化してきた。第１に表示性能があげられる。表示性能の評価観点は非常に多岐にわたるが、量販店の店頭で目を引くなど、画面の明るさが最も重要であるといっても過言ではないであろう。液晶テレビの場合、バックライトの明るさを上昇させれば画面の明るさを高めることができるが、省エネの観点から消費電力の低さの要望も強く、また、消費電力が高いということは発熱を伴い、これらがトレードオフの関係にあるので、それぞれのバランスが取れた設計がなされている。

第２に、これも表示性能の一つである視野角特性があげられる。液晶表示装置は斜めから見ると、正面とは違って見えると言われ久しいが、改善が重ねられてきた結果、ブラウン管に遜色ないレベルになりつつある。また、液晶表示装置の黎明期は、液晶パネルの開口率が低いことなどに起因して画面が暗く、明るさが不足していた。液晶パネル部を光が透過すると若干拡散されるものの、多くはそのまま直進する。

これらの背景のもと、視野角特性と明るさ不足の解消ため、以前は光を正面に集めることに注力していた。ところがここ数年は、斜めから見た場合に明るさが低下することが良くないとされ、斜めから見ても暗くないようにしたいという要望が強まってきた。これに伴い、バックライト装置も、正面が明るいことはもちろん、正面以外にも光を出射する特性が求められるようになった。

第３に、コストに対する要望が変わってきた。薄型テレビの普及に伴う価格競争の激化で、毎年２割程度の価格ダウンが進んでいるため、コストに対する要望が一層強まった。これらの背景から、コストや消費電力をかけずに表示の明るさを高める方法が求められている。その一環としてバックライト装置の構成部材である反射板の変更が考えられる。反射板は線光源から出射される光のうち、約半数に相当する背面側に出射される光の利用効率に関係するため重要である。

ここで、光の反射について説明する。光の反射は図３（ａ）に示す正反射と、図３（ｂ）に示す拡散反射に大別できる。正反射は物体に入射した方向とは反対側に光を反射し、拡散反射は四方八方に光を反射するものである。反射板の反射性能としては反射率を指標にすると良い。反射率も、正反射によりもたらされる正反射率と、拡散反射による拡散反射率に大別できる。両者をたし合わせたものを全反射率とする。着目している反射板が、入射した光に対してどれくらいの光を反射するか、との観点においては全反射率を絶対性能として捉えれば良い。

一般にバックライト装置の反射板として用いられるＰＥＴは、全反射率が９５％、その内訳は正反射率が１％、拡散反射率が９４％と、圧倒的に拡散反射の成分が多い。近年、金属蒸着による高性能な反射板が利用できるようになってきた（特許文献２）。中でも銀蒸着のものは高い反射率である。前記ＰＥＴと同様に反射率を測定したところ、全反射率が９８％、その内訳は正反射率が７０％、拡散反射率が２８％であった。このような全反射率の高い銀蒸着の反射材を用いることで、コストや消費電力をかけずに表示の明るさを高めることが期待できる。
特開２００６−２１６５４０号公報 特開２００６−１７１５８５号公報

ところが単に反射板の材料を変更しただけでは表示の明るさを改善することができない。その理由を以下に説明する。線光源から前面側に出射される光と、背面側に出射される光に分けて考える。

図４（ａ）のように１個の線光源４０１の発光が平面４０２に入射する場合を考える。線光源の軸と平面は平行であり、図４（ａ）は線光源と平面の断面が最小となる方向から見た断面図である。点光源から平面までの距離をＦとし、点光源から平面に下ろした垂線の足をＣ、平面上の任意の点Ａに入射する光の角度をθとする。

明るさの分布Ｌ（θ）は、ｋを定数と点光源から平面までの距離をＦと平面上の任意の点Ａに入射する光の角度をθとを用いて以下の式により表すことができる。

Ｌ（θ） ＝ ｋ × ｃｏｓθ ／ （Ｆ＾２）
この式のように、明るさの分布Ｌ（θ）は、距離Ｆの２乗に反比例した、角度θのコサイン関数となる。距離Ｆが長い場合の明るさの分布を図４（ｂ）、距離Ｆが短い場合の分布を図４（ｃ）に示す。このように距離Ｆが長ければ分散した分布となり、逆に距離Ｆが短かければ一点に強く集中した分布となる。

線光源を複数備えたバックライト装置においては、理論上、線光源が１個だけの場合の重ね合わせとなる。距離Ｆが長い場合を図２（ｂ）に、距離Ｆが短い場合を図２（ｃ）に示す。以上が線光源から前面側に直接出射する光の明るさ分布である。薄型テレビ用という性質上、距離Ｆをあまり大きくできないので、図２（ｃ）のようにある程度平滑なものとなるような、適度な距離が選ばれて設計される。

次に線光源から背面側に出射され、反射板で反射したのちに前面側の拡散板に到達する光について考える。図２のように、線光源から反射板までの距離をＲとする。反射板に入射する光の分布は、前面側に出射される光と同様、図２（ｂ）および図２（ｃ）で示したように距離Ｒに依存したものとなる。一般に、距離Ｒ＜距離Ｆの構成をとることから、線光源の直下に集中した、図２（ｂ）のような分布となる。

しかし、従来の反射板は拡散反射率が大半を占めることから、線光源の直下に集中していた分布も拡散されながら反射される。その結果、図２（ｂ）のような反射板への入射光の分布は、反射した後に、前面側の拡散板に向かうにつれて、図２（ｃ）に近いものへと変化する。

また、線光源は点灯すれば明るい光を放つ発光体であるが、外光に対しては、点灯、不灯の状態に関わらず透過率が低く、可視光を吸収してしまう特性があり、その結果、線光源の直上に影を作る。この場合は反射板から線光源へ反射されてくる光は拡散されているので、拡散板に映る影はぼんやりとし、その結果、線光源から背面に出射した光が、前面側の拡散板に到達した際の光の分布は図２（ｄ）ようになる。

線光源から前面側に出射される光と、背面側に出射される光をあわせたものが、バックライト装置の総合的な明るさの分布であり、図２（ｃ）と図２（ｄ）を足しあわせた、図２（ｅ）のようにものなる。なお、液晶テレビにおいては、さらに拡散シートなどを追加し平滑さを補っているのが一般的である。

ここで反射板の材料を変更した場合を考える。銀蒸着した反射材は全反射率が高いものの、内訳は正反射率が多い。この内訳の違いは、線光源から前面側に出射される光の分布には影響しないが、線光源から背面側に出射され、反射板で反射してから前面側の拡散板に到達する光の分布に影響を及ぼす。反射板に入射する光の分布は従来の反射板と同様であり図２（ｂ）のようになる。

しかし正反射率が高いため、その分布をほぼ維持したまま反射し、前面側の拡散板へ向かって反射する。さらに、前述の通り線光源は外光に対して影を作るものであるが、線光源の直下に集中して分布している反射光が盛大に線光源に入射してしまうため、多くの光が前面の拡散板に到達しない。これらのことから、線光源から背面側に出射され、反射板で反射してから前面側の拡散板に到達する光の分布は図２（ｆ）のように、線光源の影で大きくへこみ、前記影の両端が極端に明るいものとなる。

図２（ｆ）と図２（ｃ）をあわせたものがバックライト装置の総合的な明るさの分布となり図２（ｇ）のようになる。これでは光源で反射光が吸収された分暗くなり、また、いくら拡散板に光を拡散する効果があるとはいえ、極端な明暗の分布が残ってしまい、均一性の観点からも使いものにならない。

このように従来の反射材であるＰＥＴは、銀蒸着の反射材に比べ若干、全反射率が低いものの使いやすい素材であり広く用いられている。逆に、銀蒸着の反射材は、全反射率が高いものの、そのままでは液晶テレビ用のバックライト装置には適用しにくく、敬遠されてきた。この高い全反射率を活かす方式が求められている。

この課題を解決するにあたり、本発明の第１のバックライト装置は、Ｎ（Ｎは自然数）本の線光源、反射板、拡散板を備え、前記反射板よりも拡散反射率の高い拡散反射部を線光源の直下に配置した。

本発明の第２のバックライト装置は、Ｍ（Ｍは２以上の自然数）本の線光源、反射板、拡散板を備え、前記反射板よりも拡散反射率の高い拡散反射部を、線光源の直下に配置し、さらに前記拡散反射部の中間部にも拡散反射部を配置した。

本発明の第３のバックライト装置は、反射板がバックライト装置の構造を維持する役割を兼ねるものとした。

本発明の第１のバックライト装置は、反射板の高い反射率の特徴を活かした、消費電力が低く明るいバックライト装置を得ることができる。

本発明の第２のバックライト装置は、第１のバックライト装置よりもさらに消費電力が低く明るいバックライト装置を得ることができる。

本発明の第３のバックライト装置は、第１もしくは第２のバックライト装置に加え、コストを抑えたバックライト装置とすることができる。

以下、本発明について図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
本発明における一つの実施形態であるバックライト装置の構造図を図１に示す。図１に示すように、本発明のバックライト装置は、線光源１０１と、拡散板１０２、反射板１０３、フレーム１０４、拡散反射部１０５により構成されている。

ここで、線光源１０１は、直径Ｄの冷陰極管で、インバータ回路（図示しない）により駆動され、可視光を全方位に出射する。また、拡散板１０２は、半透明なアクリル板で、線光源から到達した光を拡散しつつ、前面側（液晶パネル（図示しない）のある方。視聴側）に透過する。また、反射板１０３は、銀蒸着などによって得られた、反射率が特に高い反射板であり、線光源から背面側に出射された光を、前面側にある拡散板へ光を反射する。

また、フレーム１０４は金属板を加工したものであり、バックライト装置、ひいては液晶パネルモジュールの構造を維持する役割を担う。また、拡散反射部１０５は、反射板１０３よりも拡散反射率が高い反射部であり、２×Ｄの幅で線光源の直下に沿って、細長く短冊状に配置される。また、拡散反射部１０５は、例えば従来から反射板として広く用いられていたＰＥＴ製の反射シートを短冊状に切断して貼り付けると良い。

ここで、なぜ拡散反射部の幅が、２×Ｄであるのかを図５を参照しながら説明する。

図５（ａ）の通り、直径Ｄの１個の線光源５０１と、反射板５０２があり、線光源５０１からは幅Ｄで直進する光（平行光）が四方八方に出射しているものとする。線光源５０１の中心から反射板５０２に下ろした垂線の足をＣ、表面までの距離はＲ、線光源５０１から反射板に入射する光の角度をθ（正面（垂直に入射する）を０）とする。

次に、図５（ｂ）は、θ＝０の光のみを図示した場合である。θ＝０の光は、正反射率の高い反射板で正反射をして、線光源自身の方へ戻ってくる。すると、線光源は点灯、不灯に関わらず外光に対して透過率が低いので、前記反射光をほとんど吸収してしまう。

次に、図５（ｃ）は、θが少し大きくなった場合で、同様に考えると、反射光の一部は線光源に吸収されてしまうが、残りは前面側の拡散板へ向かって進行する。

次に、図５（ｄ）は、さらにθを大きくした場合で、同様に考えると、反射光は線光源に吸収されることなく、全て前面側の拡散板へ向かって進行する。

次に、図５（ｃ）の一部の反射光が前面側に進行する場合と、図５（ｄ）の全ての反射光が前面側に進行する場合の、ちょうど境界となる場合が図５（ｅ）である。このとき、反射板上で光が当たっているのは、Ｃ点から上側に幅Ｄである。ここで、図５（ｅ）では図中上側の光を描いているが、反対の下側も同様であるから、あわせて線光源５０１の中心から反射板５０２に下ろした垂線の足（交点）Ｃから幅２×Ｄの範囲が該当する。

この範囲を拡散反射率の高いものにすれば、反射光は拡散され、線光源に戻って吸収されてしまう成分が大幅に減少する。これが拡散反射部の幅を２×Ｄとした理由である。 当然、拡散反射部以外の反射板は高い反射率を活かし、多くの光を前面側の拡散板へ向けて正反射する。

以上のような理論に基づくことから、本発明の第１のバックライト装置は、簡単な構成で消費電力を上げることなく、特に高い反射板の反射率の特徴を活かした、明るいバックライト装置を得ることができる。

（実施の形態２）
実施の形態２においては、実施の形態２の内容をより明確にするため、実施の形態１と異なる点についてのみ説明を行う。本発明における別の実施形態であるのバックライト装置の構造図を図６に示す。

ここで、本実施の形態では拡散反射部１０５が、線光源の直下のみならず、線光源と線光源の間にも配置されている。新たに追加された拡散反射部について、図７で詳細に説明する。直径Ｄの線光源（Ａ）および線光源（Ｂ）の直下には実施の形態１と同様に幅２×Ｄで拡散反射部ＲＤ１およびＲＤ２が配置されている。

線光源から反射板へ下ろした垂線の足を点Ｃ１、Ｃ２とする。Ｃ１とＣ２の中点をＣ３とする。前記垂線の足Ｃ１と線光源Ａを結ぶ線分、および線光源ＡとＣ３を結ぶ線分のなす角をΦとする。

このとき、新たに追加された拡散反射部ＲＤ３の幅はＤ／ｃｏｓΦとすると良い。Ｄ／ｃｏｓΦというのは径Ｄの線光源から出射されたΦ方向の平行光が、反射板に投影される領域である。仮に、この領域が正反射をしてしまうと、線光源（Ａ）から出射されたθ方向の光は反射板にて正反射をしたあと、線光源（Ｂ）に向かって直進し、線光源（Ｂ）にて透過できずに吸収されてしまう。

このような構成により、対称なので同様に線光源（Ｂ）から出射された光は線光源（Ａ）で吸収されてしまう。光が吸収されてしまっては光の利用効率が低下し、反射率の高い反射板を使う効果が下がってしまうので、前記Ｄ／ｃｏｓΦの領域を拡散反射率の高い拡散反射部とすれば、反射した先が他の線光源であり吸収されてしまう光の割合が減少するので、より明るいバックライト装置を得ることができる。

（実施の形態３）
実施の形態１および実施の形態２と異なる点についてのみ説明を行う。

本発明における別の実施形態であるバックライト装置の構造図を図８に示す。本実施の形態では反射板兼フレーム８０６として、金属に銀蒸着を施した反射板を加工して製作したものを用いている。銀蒸着を施すベースとなる金属は、鉄やアルミなど比較的安価な素材を用いるとコストの観点から良い。

このような構成とすることで、従来のフレームと反射板を、本実施の形態の反射板兼フレームに一元化することができ、部品点数の削減、ひいては製造コストの低下を実現することができる。

本発明のバックライト装置は、簡単な構成で光源の光利用効率を高めるものであり、コストや消費電力をかけずにバックライト装置の明るさを高めることができ、液晶テレビなどの表示装置の性能改善に有用である。

本発明の第１のバックライト装置の構造図 従来のバックライト装置の構造図 正反射及び拡散反射を示す図 線光源の光分布の説明図 拡散反射部の幅の説明図 本発明の第２のバックライト装置の構造図 本発明の第２のバックライト装置の構造図 本発明の第３のバックライト装置の構造図

符号の説明

１０１ 線光源
１０２ 拡散板
１０３ 反射板
１０４ フレーム
１０５ 拡散反射部
４０１ 線光源
４０２ 平面
８０６ 反射板兼フレーム

Claims (6)

1. Ｎ（Ｎは自然数）本の線光源と、
   前記線光源からの光を反射する反射板と、
   少なくとも前記線光源からの光を拡散する拡散板とを備え、
   前記反射板よりも拡散反射率の高い拡散反射部を線光源の直下に配置したことを特徴とするバックライト装置。
2. 線光源の直径がＤであるとき、拡散反射部の幅を２×Ｄとす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. Ｍ（Ｍは２以上の自然数）本の線光源、反射板、拡散板を備え、前記反射板よりも拡散反射率の高い拡散反射部を線光源の直下に配置し、さらに前記拡散反射部の中間部にも拡散反射部を配置したことを特徴とするバックライト装置。
4. 線光源の直径がＤであるとき、中間部に配置した拡散反射部の幅をＤ／ｃｏｓΦとす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. 線光源の直径がＤであるとき、線光源の直下に配置した拡散反射部の幅を２×Ｄとし、かつ、その中間部に配置した拡散反射部の幅をＤ／ｃｏｓΦとす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。
6. 反射板がバックライト装置の構造を維持する役割を兼ねることを特徴とした、請求項１から請求項５に記載のバックライト装置。

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