JP2010049884A - 照明装置およびこれを備えた液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】省電力かつ高コントラスト比を両立することができる照明装置およびこれを備えた液晶表示装置を提供する。
【解決手段】照明装置は、表示パネルの背面に配置され、表示パネルに光を照射する照明装置であって、独立した複数の分割光源ユニットと、１つまたは２つ以上の光源ユニットを並べて構成される二次光源ユニットとした調光ユニットと、を備えている。表示パネル上での調光ユニットの個別輝度プロファイルは、輝度が一定の輝度一定領域と、輝度が変化する輝度変化領域とを有し、輝度一定領域の発光面積は、調光ユニットが有する調光エリア面積の５０％以上である。
【選択図】 図３

Description

本発明は、表示パネルに照明光を照射する照明装置、およびこれを備えた液晶表示装置に関する。

通常、液晶表示装置は、液晶表示パネルと、この液晶表示パネルを照明する照明装置としてバックライトユニットとを備えている。大型の液晶表示装置では直下型のバックライトが、また、中小型の液晶表示装置では導光板方式によるバックライトが主流となっている。

近年、大型液晶表示装置は薄型化の傾向が高まり、直下型のバックライトユニットでは、部品数を統合することによる薄型化が行われている。しかし、直下型のバックライトユニットは光源の光を均一に拡散させる必要があり、光源と拡散板との間に空間が必要となる。その結果、原理的にバックライトユニットの薄型化には限界がある。

一方、導光板方式によるバックライトユニットにおいて、光源は導光板の周りに配置され、画面の額縁部に配置される。そのため、導光板方式のバックライトユニットは直下型よりも容易に薄型化することができる。導光板方式のバックライトユニットを大型液晶表示装置に使用する試みも行われているが、大型の導光板を形成することに技術的な課題がある。

近年、薄型化とは別に液晶表示装置の省電力化も重要な課題となっている。バックライトの光源が冷陰極蛍光ランプ（ＣＣＦＬ）から発光ダイオード（ＬＥＤ）に置き換わることに伴い、光源の調光を行うことにより、省電力化を図る試みがなされている。特に、液晶表示装置の高コントラスト化、低消費電力化が可能となる技術として、ローカルディミング技術が検討されている（特許文献１および特許文献２）。

ローカルミディングは、バックライト発光面の領域別にＬＥＤ光源を複数個配置したバックライトユニットを使用し、光源を個別駆動することによって、表示映像情報に合わせてバックライトの各発光領域の調光を行う次世代バックライト駆動技術である。これにより、液晶表示装置の省電力化に加え、コントラストの向上も行うことで表示品質の向上にも貢献する。

このような薄型化と省電力とを両立する大型液晶表示装置用のバックライトシステムとして、例えば多数の導光板と多数の光源とを面内に配列したバックライトシステムが提案されている（特許文献３）。
国際出願公表 ＷＯ ２００６／０６６３８０Ａ１号公報 国際出願公表 ＷＯ ２００６／０６６４１８Ａ１号公報 特開２００７−２９３３３９号公報

前述した特許文献１および２では、ローカルディミングを行う方法としてＲＧＢ各色のＬＥＤを独立して配置し、各々のＬＥＤを個別駆動することによって輝度と色の制御を行っている。しかし、この場合、光源各色を混色する必要があり、そのため、各ＬＥＤの発光プロファイルを横に広げ、隣合うＬＥＤの発光分布同士が十分重なり合わなければならない。この場合、輝度分布の重なり部分で、輝度制御の解像度を悪化させる結果となる。また、隣合うＬＥＤを同時に駆動する必要があり、より省電力化を図る上で望ましくない。各色の光源を独立に配置して駆動するため、液晶表示装置上の発光エリアの一部では、輝度の変化に伴って色度も変化する可能性がある。

この発明は以上の点に鑑みなされたもので、その目的は、省電力かつ高コントラスト比を両立することができる照明装置およびこれを備えた液晶表示装置を提供することにある。

上記課題を達成するため、この発明の態様に係る照明装置は、表示パネルの背面に配置され、前記表示パネルに光を照射する照明装置であって、独立した複数の分割光源ユニットと、１つまたは２つ以上の前記光源ユニットを並べて構成される二次光源ユニットとした調光ユニットと、を備え、前記表示パネル上での前記調光ユニットの個別輝度プロファイルは、輝度が一定の輝度一定領域と、輝度が変化する輝度変化領域とを有し、前記輝度一定領域の発光面積は、前記調光ユニットが有する調光エリア面積の５０％以上である。

この発明の他の態様に係る液晶表示装置は、液晶表示パネルと、前記液晶表示パネルの背面に配置され、前記液晶表示パネルに光を照射する照明装置と、を備え、前記照明装置は、独立した複数の分割光源ユニットと、１つまたは２つ以上の前記光源ユニットを並べて構成される二次光源ユニットとした調光ユニットと、を備え、前記表示パネル上での前記調光ユニットの個別輝度プロファイルは、輝度が一定の輝度一定領域と、輝度が変化する輝度変化領域とを有し、前記輝度一定領域の発光面積は、前記調光ユニットが有する調光エリア面積の５０％以上である。

以上構成によれば、省電力かつ高コントラスト比を両立することができる照明装置およびこれを備えた液晶表示装置を提供することができる。

以下、図面を参照しながら、この発明の実施形態に係る照明装置を備えた液晶表示装置について詳細に説明する。
図１は、第１の実施形態に係る照明装置を備えた液晶表示装置を示す分解斜視図、図２は液晶表示装置の断面図である。

図１および図２に示すように、液晶表示装置は、矩形状の液晶表示パネル１０、およびこの液晶表示パネルの背面側に対向して配設された照明装置１２を備えている。液晶表示パネル１０は、矩形状のアレイ基板１５、アレイ基板と隙間を置いて対向配置された矩形状の対向基板１４、およびこれらアレイ基板と対向基板との間に封入された液晶層１６を備えている。

照明装置１２は、相互に独立した多数の光源ユニット２０を有している。光源ユニット２０は、例えば矩形状に形成されている。多数の光源ユニット２０は、複数列、複数行に並んで配列されている。後述する光源ユニット２０の出射面は、同一平面内に整列して位置している。そして、これら多数の光源ユニット２０により、全体として、液晶表示パネル１０の大きさにほぼ対応した大きさの矩形状の照明装置を構成している。

各光源ユニット２０は、下部反射板２１と、この下部反射板と隙間を置いて対向した矩形状の上部反射板２２と、これら下部および上部反射板間で、下部反射板上に配置された点光源、例えば、ＬＥＤ２４と、を有している。上部反射板２２は、光源ユニット２０の出射面を構成している。照明装置１２は、矩形状のプリント回路基板２５を有している。各光源ユニット２０のＬＥＤ２４および下部反射板２１は、プリント回路基板２５上に固定され、プリント回路基板上に支持されている。

上部反射板２２には多数の透孔２６が形成されている。ＬＥＤ２４から出射した光は、直接、透孔２６を通って、あるいは、下部反射板２１および上部反射板２２により反射された後、透孔２６を通って出射面から出射される。ＬＥＤ２４からの光を光源ユニット２０の出射面から均一に、かつ、所望の輝度プロファイルをもって取り出すため、透孔２６の径と孔位置が適切に設計されている。ＬＥＤ２４としては、発光スペクトルがＲＧＢ各色に対応するピーク波長を持つ白色ＬＥＤが用いられている。これにより、光源ユニットにおける発光色のばらつきが色度座標（ｘ，ｙ）で各々±０．０３の範囲内とすることができ、色度が変動すること無く輝度調整を行うことができる。

液晶表示パネル１０と照明装置１２との間には、拡散板３０、および輝度向上シート、拡散シートなど複数の光学シート３２が設けられている。各光源ユニット２０から出射された光は、拡散板３０および光学シート３２を通過し、更に、液晶表示パネル１０を透過することで画像表示を行う。

図１に示すように、照明装置１２は、それぞれ発光エリアを有する多数の調光ユニット２０−１ａ、２０−１ｂ…を有している。調光ユニット２０−１ａ,２０−１ｂ…は、液晶表示装置において輝度制御を行う発光領域の最小単位と定義する。調光ユニット２０−１ａ,２０−１ｂ…は、１つもしくは複数の光源ユニットを組み合わせて構成されている。ここでは、１つの光源ユニット２０がそのまま一つの調光ユニットを構成する例を示している。

調光ユニット２０−１ａ,２０−１ｂ…の形状は、対応する光源ユニット２０と等しいため、各調光ユニットの輝度分布は、光源ユニット２０の上部反射板２２の開口分布で規定される二次元輝度分布と等しい。すなわち、液晶表示パネル１０における、光源ユニット２０による二次元輝度分布の形状が四角であれば、調光ユニットの二次元輝度分布の形状も四角、光源ユニットによる二次元輝度分布の形状が六角形であれば、調光ユニットの二次元輝度分布の形状も六角形となる。二次元輝度分布の形状は他にも、ひし形、長方形としてもよい。

複数の光源ユニットを組み合わせて一つの調光ユニットを構成する場合、例えば四角の二次元輝度分布を持つ光源ユニットを２つ合わせて長方形の二次元輝度分布を有する調光ユニットとすることも可能である。四角の二次元輝度分布を持つ光源ユニット２０を３つ合わせて、Ｌ字型の二次元輝度分布を有する調光ユニットとすることも可能である。

図３は、図１の線Ａ−Ａに沿った、各調光ユニット２０−１ａ,２０−１ｂ…の輝度プロファイルの断面を示している。輝度プロファイルは、照明装置１２の１つの調光ユニットのみを点灯し、液晶表示パネル１０は全面白表示で駆動した上で、二次元輝度計により液晶パネル上の輝度分布を測定して求めた。図３において、グラフの横軸は、調光ユニットの発光エリアの中心を原点０とした位置を表し、調光ユニットの間隔を１単位としている。Ｙ軸はピーク輝度を１とした相対輝度である。

図３に示すように、実線で示された調光ユニット２０−１ａ,２０−１ｂ…の輝度プロファイルは、輝度が一定の輝度一定領域４０ａ、および輝度一定領域の両側に、輝度が変化する輝度変化領域４０ｂを有している。この例のように、調光ユニット２０−１ａ,２０−１ｂ…を一つだけ点灯した場合、輝度一定領域４０ａの輝度はピーク輝度１となる。調光ユニットの輝度プロファイルは、任意のピーク輝度に対して等しいプロファイル形状を有している。

図３において、調光ユニット２０−１ａ,２０−１ｂ…が担当する発光エリア４０ｃは、一点鎖線（Ｘ＝０．５）で示した発光エリア境界２００ａ、２００ｂの範囲内である。輝度プロファイルにおいて、発光エリア４０ｃから輝度一定領域４０ａを差し引いた残りの領域が輝度変化領域４０ｂとなる。ここで、輝度一定領域４０ａは、その輝度が調光ユニット２０−１ａ,２０−１ｂ…の発光エリア４０ｃの設定輝度に対し、±１０％の範囲内で連続している領域、と定義している。

輝度一定領域４０ａの発光面積は、調光ユニット２０−１ａ,２０−１ｂ…が有する調光エリア面積の５０％以上、望ましくは８０％以上に設定されている。

調光ユニットの輝度プロファイルにおいて、発光エリア境界２００ａ、２００ｂ上での輝度は、輝度一定領域４０ａの輝度に対し、３０〜７０％の範囲、望ましくは、４０〜６０％の範囲に設定されている。この輝度は、５０％に近づくほど発光エリア境界での輝度ムラが目立たなくなる。

図３の実線で示された輝度プロファイルのうち、発光エリア境界２００ａ、２００ｂの範囲外の輝度成分の和を漏光と定義する。この漏光は、調光ユニット２０−１ａ,２０−１ｂ…による総輝度の３〜２０％の範囲に設定されている。また、調光ユニット２０−１ａ,２０−１ｂ…の個別の輝度プロファイルは、隣接する他の調光ユニットの調光エリアへ漏光して発生するバックグラウンド輝度が、最短隣接調光エリアの中心、つまり図３のＸ＝１又は−１の地点において、調光エリアの設定輝度の０．１〜１０％の範囲となるように設定されている。
このように構成された各調光ユニットの個別輝度プロファイルは、複数の調光ユニット間で等しいプロファイル形状を有している。

図４は、比較例として従来の直下型とバックライトユニットの輝度プロファイルの断面図を示している。比較例との比較から明らかなように、図３に示した本実施形態に係る調光ユニットの輝度プロファイルは、直下型のそれと比較して、より隣接部への漏光が少なく、エリア調光時のコントラスト改善効果と消費電力低減効果が大きくなる。直下型の場合、輝度プロファイルはガウス分布に近い形となり隣接部への漏光が多くなる。

図５は、調光ユニット２０−１ａ,２０−１ｂ…の発光エリアの二次元輝度分布を示している。図５において、調光ユニットが担当する発光エリアは一点鎖線で示される発光エリア境界２０１ａ、２０１ｂ、２０２ａ、２０２ｂで囲まれる範囲内で示される。相対輝度９０％以上の輝度均一領域は、図５の輝度分布図において、網掛けで示された範囲となっている。発光エリア面積に対する網掛け部分の面積が大きくなるほど、エリア調光時のコントラスト改善効果と消費電力低減効果が大きくなる。

図６は、隣接する複数の調光ユニット２０−１ａ,２０−１ｂ…が異なる輝度にて、個別点灯（点線）した場合、同時点灯（実線）した場合それぞれの輝度プロファイルの断面図である。同時点灯した場合、隣接調光エリアの境界部では、輝度プロファイルは、各調光エリアのピーク輝度同士を、有限の傾きを持った連続曲線で連結した分布となる。

照明装置１２は、ＬＥＤ２４の点灯を制御する制御部５０を有している。この制御部５０は、プリント回路基板２５に接続されているとともに、液晶表示装置の図示しない制御部に接続されている。制御部５０は、液晶表示装置の制御部から送られた映像輝度信号に基づき、ＬＥＤ２４の発光量を、対応する調光ユニット２０−１ａ,２０−１ｂ…の発光領域毎に調整する発光量調整部５２を備えている。すなわち、制御部５０は、複数のＬＥＤ２４を個別に駆動することによって、映像情報に合わせてバックライトの各発光領域の調光を行う。

以上のように構成された照明装置は、各調光ユニットにおける輝度一定領域の面積を十分にとることにより、輝度の広がりを抑えることができるとともに、隣接点灯光源からの漏光を極力利用することなく、発光エリアの必要な輝度を得ることができる。これにより、より少ない分割数で省電力かつ高コントラスト比を両立することができる。同時に発光領域の色度の均一性に優れた照明装置およびこれを備えた液晶表示装置が得られる。

また、直下型のバックライトに比較して、照明装置の薄型化を図ることができる。光源としてＬＥＤを用いることにより、また、複数のＬＥＤを映像情報に合わせて個別に駆動しバックライトの各発光領域の調光することにより、消費電力の低減を図ることが可能となる。

これにより、薄型、省電力かつ高コントラスト比を両立することができるとともに、領域調光駆動において、発光領域の輝度の均一性に優れ、発光領域の境界が目立ちにくい照明装置が得られる。また、この照明装置を液晶表示装置に適用することにより、高コントラスト、低消費電力、かつ薄型を満たす高品質な大画面液晶表示装置を提供することが可能となる。

次に、この発明の第２の実施形態に係る照明装置について説明する。
図７は、第２の実施形態に係る照明装置における調光ユニットの輝度プロファイルの断面図、図８は、上記調光ユニットの二次元輝度分布図である。

第２の実施形態によれば、調光ユニット２０−１ａの輝度プロファイルの等高線形状は、調光ユニットの外形形状と相違している。すなわち、調光ユニットの輝度プロファイルは、その等高線形状が必ずしも調光ユニットの外形と等しくなくても構わない。図７に示すように、調光ユニットが担当する発光エリア４０ｃは一点鎖線で示される発光エリア境界４００ａ、４００ｂの範囲内であり、輝度プロファイルは、輝度が一定の輝度一定領域４０ａを有している。

図８に示す二次元輝度プロファイルにおいて、調光ユニット２０−１ａが担当する発光エリアは、一点鎖線で示される発光エリア境界４０１ａ、４０１ｂ、４０２ａ、４０２ｂで囲まれる矩形状の範囲となっている。これに対して、調光ユニット２０−１ａの輝度プロファイルは、その等高線形状が円形であり、調光ユニットの外形と相違している。直下型ＬＥＤを光源とした場合、調光ユニットの発光エリア境界４０１ａ、４０１ｂ、４０２ａ、４０２ｂは、２つの最短隣接光源を結ぶ線の中点と直交する直線にて定義される。輝度プロファイルにおける相対輝度が９０％の領域は、図７に網掛け領域で示されている。この領域の内、輝度が一定の輝度一定領域４０ａは、その面積が、発光エリアの面積の５０％以上に設定されている。

第２の実施形態において、照明装置１２の他の構成は、前述した第１の実施形態と同一であり、同一の部分には同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略する。そして、上記のように構成された第２の実施形態においても、第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

なお、この発明は上記実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化可能である。また、上記実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

光源ユニットは、光源、上部反射板、および下部反射板を備えた構成としたが、これに限らず、光源、導光板、および反射膜を組み合わせた構成としてもよい。

図１は、この発明の第１の実施形態に係る照明装置を備えた液晶表示装置を示す分解斜視図。 図２は、前記液晶表示装置の断面図。 図３は、前記照明装置の調光ユニットにおける輝度プロファイルを示す断面図。 図４は、比較例として、直下型とバックライトユニットの輝度プロファイルを示す断面図。 図５は、調光ユニットの発光エリアにおける二次元輝度分布を示す図。 図６は、隣接する複数の調光ユニットが異なる輝度にて、個別点灯（点線）した場合、同時点灯（実線）した場合それぞれの輝度プロファイルを示す図。 図７は、この発明の第２の実施形態に係る照明装置の調光ユニットにおける輝度プロファイルを示す断面図。 図８は、上記第２の実施形態に係る照明装置の調光ユニットの発光エリアにおける二次元輝度分布を示す図。

符号の説明

１０…液晶表示パネル、１２…照明装置、２０…発光ユニット、
２０−１ａ、２０−１ｂ、…、２０−５ｇ…調光ユニット、
２１…下部反射板、２２…上部反射板、２４…ＬＥＤ、２５…プリント回路基板、
４０ａ…輝度一定領域、４０ｂ…輝度変化領域、４０ｃ…発光エリア、
５０…制御部、５２…発光量調整部

Claims (12)

1. 表示パネルの背面に配置され、前記表示パネルに光を照射する照明装置であって、
   独立した複数の分割光源ユニットと、１つまたは２つ以上の前記光源ユニットを並べて構成される二次光源ユニットとした調光ユニットと、を備え、
   前記表示パネル上での前記調光ユニットの個別輝度プロファイルは、輝度が一定の輝度一定領域と、輝度が変化する輝度変化領域とを有し、前記輝度一定領域の発光面積は、前記調光ユニットが有する調光エリア面積の５０％以上である照明装置。
2. 前記調光ユニットの個別輝度プロファイルにおける輝度一定領域の輝度値は、前記調光ユニットの調光エリアの設定輝度に一致している請求項１に記載の照明装置。
3. 前記調光ユニットの個別輝度プロファイルは、前記調光ユニットの調光エリアと隣合う調光ユニットの調光エリアとの境界部での輝度が、前記輝度一定領域の輝度の３０〜７０％の範囲内である請求項１又は２に記載の照明装置。
4. 前記調光ユニットの個別輝度プロファイルは、前記調光エリア外へ漏光して発生する輝度成分の和が、前記調光ユニットによる総輝度の３〜２０％の範囲である請求項１ないし３のいずれか１項に記載の照明装置。
5. 前記調光ユニットの個別輝度プロファイルは、隣接する調光エリアへ漏光して発生するバックグラウンド輝度が前記調光エリアの設定輝度の０．１〜１０％の範囲で存在している請求項１ないし４のいずれか１項に記載の照明装置。
6. 前記調光ユニットの個別輝度プロファイルは、各調光ユニット間で等しいプロファイル形状を有している請求項１ないし５のいずれか１項に記載の照明装置。
7. 前記調光ユニットの個別輝度プロファイルは、任意のピーク輝度に対して等しいプロファイル形状を有している請求項１ないし６のいずれか１項に記載の照明装置。
8. 前記調光ユニットが複数点灯して形成される輝度プロファイルは、隣接する調光ユニット間の境界では有限の傾きを持つ輝度プロファイルである請求項１ないし７のいずれか１項に記載の照明装置。
9. 前記光源ユニットは、発光スペクトルがＲＧＢ各色に対応するピーク波長を持つ白色光源を有している請求項１ないし８のいずれか１項に記載の照明装置。
10. 前記光源ユニットにおける発光色のばらつきが色度座標（ｘ，ｙ）で各々±０．０３の範囲内である請求項９に記載の照明装置。
11. 映像輝度信号に基づき、一つまたは複数個の前記光源ユニットを輝度調整駆動の駆動単位として同期して調光する発光調整部を備えている照明装置。
12. 液晶表示パネルと、
    前記液晶表示パネルの背面に配置され、前記液晶表示パネルに光を照射する請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の照明装置と、
    を備えた液晶表示装置。

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