JP2009205827A - バックライト装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発光領域を大型化し、壁掛け用の液晶テレビに適用可能なまでに薄型化し、軽量化可能なバックライト装置を提供すること。
【解決手段】光源と、光ファイバ（７）及び光量均一化手段を有する複数の面状発光体（１）とを備えたバックライト装置であって、光量均一化手段が、透明材料からなる板状の導光体（３）と、光ファイバ（７）からの光を導光体（３）に入力するための入力結合部（４）と、入力結合部（４）から導光体（３）に入射した光を反射し、導光体（３）内部を伝搬させるための反射部（５）と、導光体（３）を伝搬する光を外部に取り出すための出力結合手段（３）とを備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）などに使用されるバックライト装置（以下、単にバックライトとも記す）に関する。

近年、液晶ディスプレイの大画面化は目覚しく、従来の据え置き型テレビに加えて、壁掛けテレビとしても商品化されている。従って、液晶ディスプレイの薄型化、軽量化に対する要求は強く、さらなる薄型化、軽量化にはバックライトの薄型化、軽量化が有効であり、精力的に研究がなされている。

大面積の液晶ディスプレイ用のバックライトとしては、多数の３色のＬＥＤをマトリクス状に配列し、その上部に拡散板を含む光学フィルムを配置する構成の「ＬＥＤ直下型バックライト」が知られている（下記特許文献１参照）。図５は、下記特許文献１に開示された液晶ディスプレイの一例の構成を示す斜視図である。バックライトアセンブリ１２０は、ボトムフレーム１６０内に装着されるプリント基板１２２、これらのそれぞれに搭載される複数のＬＥＤ１２４、白色または銀色の反射シート１３０、個々のＬＥＤに対応した貫通ホール１３２、高さが２ｍｍ〜５ｍｍの隔壁１３４、複数枚の光学シート１４８を組み合わせて構成されている。個々のＬＥＤ１２４から発せられた光は、貫通ホール１３２を通過した後に、反射シート、隔壁等の存在する空間中で何回か反射を繰り返す間に混色されて白色となり、光学フィルムによって強度分布が均一化され、正面方向の強度を強められた後に、液晶パネル１１０に入射する。
特開２００７−１８０００５号公報

しかし、図５に示したＬＥＤ直下型バックライトには次の問題がある。第一の問題は、３色のＬＥＤ１２４の出力を混色するのに自由空間中での光の伝搬を利用するため、光を伝搬させるための距離が必要な点である。図５の例では、この距離の最小値は、隔壁１３４の高さ（２ｍｍ〜５ｍｍ）となる。第二の問題は、混色のための光学系に、ＬＥＤとプリント基板の厚さや重量が加わるため厚さと重さが増す点である。従って、壁掛けテレビ用のバックライトとしては、厚さと重さの両面に課題がある。

従って、本発明は、レーザーダイオードやＬＥＤ等の光源から発せられた光を光ファイバにより導光体へ入力する構成の発光領域を大型化し、壁掛け用の液晶テレビに適用可能なまでに薄型化し、軽量化可能なバックライト装置を提供することを目的とする。

本発明の目的は、以下の手段によって達成される。

即ち、本発明に係るバックライト装置は、光源と、光ファイバ及び光量均一化手段を有する複数の面状発光体とを備えたバックライト装置であって、
光量均一化手段が、
透明材料からなる板状の導光体と、
前記光ファイバからの光を前記導光体に入力するための入力結合部と、
前記入力結合部から前記導光体に入射された光を反射し、前記導光体内部を伝搬させるための反射部と、
前記導光体を伝搬する光を外部に取り出すための出力結合手段とを備えていることを特徴としている。

前記光ファイバは、前記入力結合部の近傍において前記導光体の表面に配置され、
前記入力結合部は、前記入力結合部に当接される前記光ファイバの端部における光軸に対して所定角度で傾斜した第１傾斜面を有し、
前記入力結合部に入射した光は、前記第１傾斜面で反射されて、前記反射部に入射することができる。

また、前記反射部は、前記導光体の表面に形成された錐状の凹部であることができる。

また、出力結合手段は、
前記入力結合部が配置される側の前記導光体の第１の表面に形成された傾斜面である、
凸部が形成された透明板を、前記第１の表面に対向する第２の表面に前記凸部が密着するように、配置した構成である、
光を拡散する材料を、前記導光体の前記第１の表面に配置した構成である、又は、
前記導光体の前記第１の表面と前記第２の表面との距離が、前記入力結合部が配置された位置から周縁部に向かうとともに減少する導光体であることができる。

また、前記光源は、発光波長の異なる複数のレーザーダイオード又はＬＥＤであることができる。

また、前記光源は、青色又は紫外光を発するレーザーダイオード又はＬＥＤであり、
前記光源から出力される光が前記バックライト装置から出力される光路中に蛍光体材料が配置されていてもよい。

また、少なくとも、前記導光体の、前記入力結合部が配置される側に、反射板をさらに備えている、又は、
少なくとも、前記導光体の、前記入力結合部が配置される側と反対側に、拡散板をさらに備えていることができる。

複数の前記面状発光体はマトリックス状に配置されている、又は、
複数の前記面状発光体を構成する複数の前記導光体は一体に形成されていることができる。

本発明によれば、面状発光体を複数配置してバックライトを構成するので、単位要素である面状発光体を任意の数だけマトリクス状に並べることができ、全体の発光領域の大面積化を容易に実現することができる。従って、モジュール化により生産効率が向上するという効果、出力結合部等の光学設計が容易であるという効果がある。

また、導光する距離が短いために、従来では使用することが困難であった、ある程度の光の吸収があるようなプラスチック材料であっても導光体に使用できるので、材料選択の自由度が増す。このことは、バックライトの軽量化、加工性の良さによる生産の効率化という効果をもたらす。

また、導光体を薄く形成できるので、バックライトを１ｍｍ以下にまで薄くできる。従って、液晶パネルと組み合わせた液晶ディスプレイとしても、フレームを除く主要な構成要素を３ｍｍ以下に薄くすることができる。さらに、バックライトの重量は、導光体の厚さにほぼ比例するので、液晶ディスプレイ全体の重量を軽減することができる。特に、壁掛けＴＶ用バックライトとしては、薄型化と共にこの軽量化が大きな意味を持つ。

また、複数の面状発光体（導光体）を一体化して形成することにより、バックライトの組み立てが容易になる。

また、表示画像の局所的な明暗に対応して個別の面状発光体のＯＮ／ＯＦＦを切り替えるという駆動方法の採用により、液晶ディスプレイの消費電力を低減することができる。

また、発光波長の異なる複数の光源を用いる構成では、液晶ディスプレイの駆動方式としてフィールドシークエンシャル方式（波長の異なる複数の光源のＯＮ／ＯＦＦを時系列で切り替えることでカラー画像を表示する方式）を採用できるため、高精細な画像の表示が可能になる。

以下、本発明に係る実施の形態を、添付した図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係るバックライトの概略構成を示す斜視図である。本バックライトは、複数の面状発光体１及び拡散板２を備えて構成されている。複数の面状発光体１は、可視光を散乱させる拡散板２の一方の表面上に、面状発光体１の光の出力側の表面が拡散板２に当接されて、タイル状に配置されている。

各面状発光体１の概略構成を図２に示す。面状発光体１は、透明材料からなる導光体３、入力結合部４、反射部５、出力結合部６、及び光ファイバ７を備えている。後述するように、導光体３、入力結合部４、反射部５及び出力結合部６は光量均一化手段として機能する。導光体３の一方の面の中央部に入力結合部４が形成され、それに対向する面に反射部５が形成され、入力結合部４には光ファイバ７の一端が固定されている。光ファイバ７の他端には、図示していないが光源（例えば、３種の異なる波長の光を出力するレーザーダイオードまたはＬＥＤ）からの光が入力される。導光体３の材質は、可視光を透過する材料であればよく、ガラス材料でも機能的には問題はないが、重量や生産時の加工性の点で、ＰＭＭＡ等のプラスチック材料が望ましい。

図３は、面状発光体１の主要部を示す断面図であり、（ｂ）は（ａ）の部分拡大図である。なお、図３の（ａ）では、上下の端部を示すために一部を破断して示している。光ファイバ７は、入力結合部４の入力面に光学接着剤Ａにより接着されている。入力結合部４には、光ファイバ７の光軸に対して所定角度φ（約４５°）で傾斜した面（以下、第１傾斜面と記す）Ｓを有しており、光ファイバから入力結合部４に入力した光の進路が約９０°曲げられるようになっている。導光体３の、入力結合部４が形成された面（以下、裏側面と記す）Ｂに対向する面（以下、表側面と記す）Ｆに形成された反射部５は、約４５°の傾斜面を持つ円錐状の表面である。更に、導光体３の光ファイバ７が配置される裏側面Ｂには、裏側面Ｂに対して角度θを成して傾斜している面（以下、第２傾斜面と記す）である複数の出力結合部６が同心円状に配置されている。出力結合部６の数、傾斜角度θ、出力結合部６が配置されている同心円の半径などは、光源の指向性に応じて決定され得る。このような凹凸部（入力結合部４、反射部５、出力結合部６）を両側面に備えた導光体３は、公知の製造方法、例えば、エンボス工程（目標の形状と逆の凹凸形状を表面に備えたローラーで、加工対象部を上下から挟んで圧力を加える工程）を含むロール工程により、効率よく形成することができる。

次に、図３を参照して本バックライトの動作原理を説明する。光源から放射された光は、光ファイバ７の内部を伝搬し、図３の（ｂ）に示したように、入力結合部４の第１傾斜面Ｓに到達する。第１傾斜面Ｓでは、光が全反射されて導光体３の内部を伝搬し、表側面Ｆに形成された反射部５に到達する。反射部５では光が反射されて、導光体３の内部を伝搬する。この光は出力結合部６により導光体の外部へ取り出される。図３の例では、出力結合部６は上記したように導光体３の裏側面Ｂに形成された第２傾斜面である。このような出力結合部６を導光体３の裏側面Ｂに適切に配置することにより、均一な面状光源を実現することができる。即ち、光ファイバ７を伝搬する光の量は、反射部５からの距離と共に減少するので、導光体３中を伝搬する光が出力結合部６に当たる確率が一定となるように出力結合部６を配置すればよい。

ここで、このような構造のバックライトの光学設計において、即ち、均一な明るさの面光源を実現する上で、留意すべき事項が２つある。第一は、単一の面状発光体１において均一な出力光強度分布を得るための出力結合部６の設計に関わる問題である。従来の導光体の端部に光源を配置する構成のバックライトにも類似の問題があり、従来から光線追跡の手法を用いた設計により、良好な均一性を実現している。但し、本バックライト特有の問題として、図３に示したように、入力結合部４として、等価的な光源を導光体３の中央部に配置するために、反射部５の近傍で出力光強度の均一性が劣化する可能性がある。第二は、図１に示すように面状発光体１をタイル状に配置するときに、タイルの継ぎ目で出力光強度の均一性が劣化する可能性があるという、バックライト全体の問題である。

第一の留意点に関して、反射部５の位置では、光が直接には導光体３の外部へ取り出されないため、中央部が暗い面状発光体になる恐れがあるが、この問題は次のような光学設計により回避できる。例えば、レーザーダイオードや砲弾型ＬＥＤのように高い指向性（放射角度の広がりが小さい）を持つ光源を用いて、導光体３を伝搬する光の角度分布を、例えば±１０°の範囲に制限する。仮に、導光体の厚さを０．５ｍｍとすると、反射部５から、０．５ｍｍ／ｔａｎ１０°＝２．８４ｍｍの位置に最初の出力結合部６を配置すれば、最大の伝搬角度１０°の光を外部に取り出すことができる。取り出すときの角度は、出力結合部６である第２傾斜面の角度θにより幾何学的に決まる。従って、導光体の中央部（反射部５を中心とする所定半径の円の内側領域）に配置する出力結合部６について、傾斜角度θを４５°よりも大きくなるように形成することにより、光を導光体３の中央の方向へより多く取り出すことができる。あるいは、全ての出力結合部６を、傾斜角度θが同一（例えば４５°）になるように形成した場合でも、図１に示すように拡散板２を配置することにより、面状発光体１の中央部の反射部５の影の発生を抑制することができる。

第二の留意点に関して、タイルの継ぎ目の設計に関しては、次の２通りの考え方がある。第一の考え方は、それぞれが完全に独立した面状発光体１を並べることを前提にする。この場合には、隣接する２つの面状発光体１の導光体３の間で光が伝搬しないことになる。これは、導光体の端面に光の反射体を配置することで容易に実現できる。そして、導光体３の裏側面に出力結合部６を配置する密度は、導光体３の中央部から周辺部になるほど高くするが、導光体３の端部の近くでは逆に低くする。これは、端部の反射面で反射されて逆の方向（導光体３の中央方向）へ伝搬する光の取り出しも考慮するためである。このような条件で、光線追跡法を用いて、タイルの継ぎ目の光学的設計（出力結合部の密度、傾斜角θなどの決定）を行うことができる。

第二の考え方は、隣接する面状発光体１の導光体３の間で光の入出力があることを前提とする。この場合には、複数の面状発光体１の導光体３を連続した一つの構成要素とする。この場合にも、第一の考え方（端部に反射面を配置する場合）と同様に、出力結合部６の密度は、導光体３の中央部から周辺部になるほど高くするが、導光体３の端部の近くでは低くなる条件で、光線追跡法を用いてタイルの継ぎ目の光学的設計を行う。実際に製造する場合には、生産設備に依存するが、複数の入力結合部４や出力結合部６を備えた大面積の一つの導光体を形成し、光ファイバを接着する生産工程の方が、生産コストを低くできる場合がある。

反射部５の背後の影の問題や、面状発光体１のタイル配置の継ぎ目の問題に関して、いずれの構造物も光の波長より十分に大きいので、光学設計において幾何光学が適用できる。これらの構造物は、公知のエンボス工程等により比較的に容易に生産できるため、生産効率の面からも都合がよい。幾何光学を用いた光学設計を十分に実施して出力結合部の形状や配置を決定すれば、均一な出力光強度分布が得られる。尚、そのためのツールとして光線追跡プログラムが市販されており、従来からバックライトの光学設計に一般に用いられているので詳細説明を省略する。

＜変形実施形態＞
以上では、出力結合部６として導光体３の裏側面Ｂに傾斜面を形成する場合を説明したが、図４の（ａ）〜（ｃ）に示す形態の出力結合手段を採用することもできる。なお、図４の（ａ）〜（ｃ）においては、上下の端部を示すために、一部破断して示している。

図４の（ａ）は、導光体から光を取り出す手段である出力結合手段としてＯＰＦ（Ｏｐｔｉｃａｌｌｙ Ｐａｔｔｅｒｎｅｄ Ｆｉｌｍ）を用いた構成を示す断面図である。凸部を有する透明のＯＰＦ８を導光体３ａの表側面に、凸部を密着させて配置すると、密着部に到達した光はほぼ正面方向に取り出される。ここで、導光体３ａの裏側面には、少なくとも入力結合部４が形成されていればよい。このようなＯＰＦ８は、エンボス工程により効率よく生産できる。なお、ＯＰＦ８の平坦な面の側に拡散板を備えてもよい。あるいは、ＯＰＦ８の内部に光拡散材料を分散させてもよい。

図４の（ｂ）は、出力結合手段として光拡散材料を用いた構成を示す断面図である。具体的には、この実施形態では、光拡散材料９として白色のインクを用いて所望のパターンを導光体３ｂの裏側面に印刷し、導光体３ｂの裏側（光ファイバを配置した側）に、反射板１０を配置する。反射部５で反射されて導光体３ｂ中を伝搬する光は、光拡散材料９によって散乱され、その一部は導光体３ｂの表側面から出力される。また、光拡散材料９によって散乱され、出力面と反対の方向（反射板１０の方向）へ向かった光は、反射板１０によって反射され、再び導光体３ｂに戻される。従って、反射板１０によって反射されて再び導光体３ｂに戻された光も、導光体３ｂの表側面から出力され、照明に利用される。

図４の（ｃ）は、出力結合手段として、テーパーのついた面を有する導光体を用いた構成を示す断面図である。導光体３ｃは、導光体３ｃの厚さが周縁部ほど薄くなるように、裏側面が表側面に対して傾斜している。この裏側面が、出力結合手段として機能する。すなわち、反射部５で反射された光は、導光体３ｃ中を伝搬するに連れて、導光体３ｃと空気との境界へ入射する角度が大きくなり、表側面において全反射の条件を満たさなくなったときに導光体３ｃの外部に漏れ出る。漏れ出た光は、導光体３ｃの中央から周辺へ向かう方向に向かっているが、その後に拡散板２によって散乱されるため、等方的な発光体を実現することができる。導光体３ｃ中を伝搬する一部の光は、導光体３ｃの裏側面において全反射の条件を満たさなくなったときに、導光体３ｃの裏側面から漏れ出るが、導光体３ｃの裏側に配置された反射板１０によって、そのような光は再び導光体３ｃに入力されて、上記と同様に導光体３ｃの表側面から外部に漏れ出る。

以上、実施の形態を用いて本発明を説明したが、本発明は上記した実施の形態に限定されず種々変更して実施することが可能である。

例えば、以上では、光源として３種の異なる波長の光を出力するレーザーダイオードまたはＬＥＤを用いるものとしたが、青色または紫外光を発するレーザーダイオードまたはＬＥＤを用いてもよい。このときには、青色の光または紫外光を可視光に変換するための蛍光体を、光路中に配置する必要がある。蛍光体を配置する場所は、光源と光ファイバの光源側の端部との間、光ファイバの端部と入力結合部の間（図３の（ａ）参照）、導光体の内部、ＯＰＦの内部（図４の（ａ）参照）、拡散板の内部（図４の（ｂ）参照）、等のいずれかにすればよい。

また、上記では、入力結合部が、導光体の中央に配置される場合を説明したが、これに限定されない。例えば、入力結合部が導光体の周辺部に形成されてもよい。入力結合部が導光体の表面上のどこに形成されるかに応じて、入力結合部の周りに配置する出力結合部の配置パターン、配置密度、傾斜面の角度（図３の実施形態の場合）などを、光強度分布が一様になるように設計すればよい。

また、入力結合部に形成された傾斜面の角度が約４５°であれば、光ファイバを導光体にほぼ平行に配置することができるので、バックライト全体の厚さを薄くする上で有利であるが、傾斜面の角度は約４５°に限定されない。光ファイバからの光を反射部に導くことができる角度であればよく、さらには、傾斜面を形成せずに、光ファイバを導光体の裏側面に垂直に接合してもよい。

また、反射部の形状は円錐に限定されず、入力結合部から導光体に入射した光を、導光体の厚さ方向に略垂直な方向（導光体の表面に略平行な方向）に伝搬させることができる表面形状であればよく、多角錐の形状であってよい。また、反射部の表面に反射材料を形成してもよい。あるいは、導光体の屈折率と錐の頂角とを調整して、一部の光が錐の表面で全反射し、一部の光が屈折して導光体の外部へ漏れ出すようにしてもよい。さらには、半球状の凹部であってもよい。この場合にも、凹部の中央部で、凹部表面の接線が導光体の厚さ方向に垂直になるので、凹部の中央部に入力した光の一部は反射されずに透過し、導光体の表側面から出力する。従って、反射部を透過した光を拡散板によって拡散させれば、反射部で光を全反射させる場合に反射部付近が暗くなる現象を軽減することができる。

また、図１の実施形態では拡散板を備えているが、上記した光学設計の適切さによって光強度分布の均一性が決まるので、要求される均一性によっては、拡散板を備えていなくてもよい。

本発明の実施の形態に係るバックライトの概略構成を示す斜視図である。 図１に示した面状発光体を示す斜視図である。 図２に示した面状発光体を示す断面図であり、（ｂ）は（ａ）の部分拡図である。 図１と異なる出力結合手段を備えたバックライトの概略構成を示す断面図である。 従来のＬＥＤ直下型バックライトを有する液晶ディスプレイの構成を示す斜視図である。

符号の説明

１ 面状発光体
２ 拡散板
３、３ａ、３ｂ、３ｃ 導光体
４ 入力結合部
５ 反射部
６ 出力結合部
７ 光ファイバ
８ ＯＰＦ
９ 光拡散材料
１０ 反射板
Ｆ 導光体の表側面
Ｂ 導光体の裏側面

Claims (8)

1. 光源と、光ファイバ及び光量均一化手段を有する複数の面状発光体とを備えたバックライト装置であって、
   光量均一化手段が、
   透明材料からなる板状の導光体と、
   前記光ファイバからの光を前記導光体に入力するための入力結合部と、
   前記入力結合部から前記導光体に入射された光を反射し、前記導光体内部を伝搬させるための反射部と、
   前記導光体を伝搬する光を外部に取り出すための出力結合手段とを備えることを特徴とするバックライト装置。
2. 前記光ファイバが、前記入力結合部の近傍において前記導光体の表面に配置され、
   前記入力結合部が、前記入力結合部に当接される前記光ファイバの端部における光軸に対して所定角度で傾斜した第１傾斜面を有し、
   前記入力結合部に入射した光が、前記第１傾斜面で反射されて、前記反射部に入射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. 前記反射部が、前記導光体の表面に形成された錐状の凹部であることを特徴とする請求項１又は２に記載のバックライト装置。
4. 出力結合手段が、
   前記入力結合部が配置される側の前記導光体の第１の表面に形成された傾斜面である、
   凸部が形成された透明板を、前記第１の表面に対向する第２の表面に前記凸部が密着するように、配置した構成である、
   光を拡散する材料を、前記導光体の前記第１の表面に配置した構成である、又は、
   前記導光体の前記第１の表面と前記第２の表面との距離が、前記入力結合部が配置された位置から周縁部に向かうとともに減少する導光体であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のバックライト装置。
5. 前記光源が、発光波長の異なる複数のレーザーダイオード又はＬＥＤであることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載のバックライト装置。
6. 前記光源が、青色又は紫外光を発するレーザーダイオード又はＬＥＤであり、
   前記光源から出力される光が前記バックライト装置から出力される光路中に蛍光体材料が配置されていることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載のバックライト装置。
7. 少なくとも、前記導光体の、前記入力結合部が配置される側に、反射板をさらに備えている、又は、
   少なくとも、前記導光体の、前記入力結合部が配置される側と反対側に、拡散板をさらに備えていることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載のバックライト装置。
8. 複数の前記面状発光体がマトリックス状に配置されている、又は、
   複数の前記面状発光体を構成する複数の前記導光体が一体に形成されていることを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載のバックライト装置。

Images