JP2010175641A - バックライトユニットおよびこれを備えた液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】薄型かつ省電力を両立することができるとともに、ローカルディミングなどの部分駆動方式において、輝度均一性に優れたバックライトユニットを提供する。
【解決手段】表示パネル１０の背面に対向して配置され、表示パネル１０に光を照射するバックライトユニット１２であって、表示パネルに向けて光を出射する複数の点光源２２と、点光源と表示パネルとの間に配設され、点光源側の第１表面２６ａと表示パネル側の第２表面２６ｂとを有する導光板２６と、それぞれ点光源と重なる位置で導光板の第２表面上に設けられた複数の反射膜と、を備えている。導光板の材料の屈折率をｎ、導光板の第２表面と点光源との距離をＬ、点光源の出射領域の大きさをａ、反射膜の寸法をｂとすると、寸法ｂは、ｂ ≧ (ａ ＋ ２ ｘ Ｌ ｘ ｔａｎθ) ｘ ０．８ ≧ ｂ／３
ここで、ｓｉｎθ＝１／ｎ に形成されている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、光源と導光板とを備え、液晶表示装置等のバックライトとして用いられるバックライトユニット、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一定以上の間隔を設ける必要がある。その結果、直下型の大型液晶表示装置においては、原理的にバックライトユニットの薄型化に限界がある。

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。また、導光板方式のバックライトユニットとして、導光板の背面側に点光源を設けたものが提案されている（例えば、特許文献１）。

また、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知られている（非特許文献１）。

これは、液晶表示パネルを複数の分割領域に分割するとともに分割領域毎に光源を設け、各分割領域の表示輝度レベルに応じて各光源の輝度レベルを調整する駆動方式である。この駆動方式を用いることにより、液晶表示装置の省電力化に加え、コントラストが向上し、表示品位の向上にも貢献することができる。

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２）。

特開２００８−２７８８６ 特開２００７−２９３３３９号公報

Seetzen et al.,ACM Trans. Graph.23,3,pp.760-768,2004

導光板方式によるバックライトユニットにおいては直下型よりも薄型化することが容易である。しかしながら、導光板方式では、光源を導光板の周りに設置する必要があり、光源をマトリックス状に配列した場合、輝度の均一性を達成する事が困難となる。すなわち、導光板方式ではローカルディミングに対応することが困難となる。

このように、薄型化・輝度の均一化・省電力化を同時に達成する大型液晶表示装置用のバックライトユニットが望まれているが、現状では、これらの特性を同時に満足するバックライトユニットは提供されていない。

この発明は以上の点に鑑みなされたもので、その目的は、薄型かつ省電力を両立することができるとともに、ローカルディミングなどの部分駆動方式において、輝度均一性に優れた高品質なバックライトユニット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。

この発明の態様に係るバックライトユニットは、表示パネルの背面に対向して配置され、前記表示パネルに光を照射するバックライトユニットであって、前記表示パネルに向けて光を出射する複数の点光源と、前記点光源と表示パネルとの間に配設され、前記点光源側の第１表面と前記表示パネル側の第２表面とを有する導光板と、それぞれ前記点光源と重なる位置で前記導光板の第２表面上に設けられた複数の反射膜と、を備え、
前記導光板の材料の屈折率をｎ、前記導光板の第２表面と前記点光源との距離をＬ、前記点光源の出射領域の大きさをａ、前記反射膜の寸法をｂとすると、寸法ｂは、
ｂ ≧ (ａ ＋ ２ ｘ Ｌ ｘ ｔａｎθ) ｘ ０．８ ≧ ｂ／３
ここで、ｓｉｎθ＝１／ｎ に形成されている。

上記構成によれば、薄型かつ省電力を両立することができるとともに、ローカルディミングなどの部分駆動方式において、輝度均一性に優れた高品質なバックライトユニット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。

図１は、この発明の第１の実施形態に係るバックライトユニット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、前記バックライトユニットの導光板の一部およびＬＥＤを拡大して示す断面図。 図４は、この発明の第２の実施形態に係る液晶表示装置を示す断面図。 図５は、この発明の第３の実施形態に係るバックライトユニットの光源配置を概略的に示す平面図。

以下、図面を参照しながら、この発明の実施形態に係るバックライトユニットを備えた液晶表示装置について詳細に説明する。
図１は、この発明の第１の実施形態に係るバックライトユニット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１０の背面側に対向して配設されたバックライトユニット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１５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１５と対向基板１４との間に封入された液晶層１６を備えている。バックライトユニット１２は、液晶表示パネル１０のアレイ基板１５と隣接対向して設けられている。

バックライトユニット１２は、矩形状の回路基板２４と、この回路基板２４の上面に形成され光を乱反射あるいは拡散反射する下面反射膜２３と、下面反射膜２３を介して回路基板２４上に配設された多数のＬＥＤ２２と、ＬＥＤ２２の上方に配設され下面反射膜２３と隙間を置いて対向した矩形状の導光板２６と、この導光板２６と液晶表示パネル１０との間に配設された光拡散シート２８と、を備えている。導光板２６は、図示しない支持部材によって支持され、下面反射膜２３と平行に対向して保持されている。下面反射膜２３、導光板２６、および光拡散シート２８は、それぞれ液晶表示パネル１０とほぼ等しい大きさに形成されている。

多数のＬＥＤ２２は、回路基板２４上に格子状に並んで実装され、回路基板２４に電気的に接続されている。点光源として機能する各ＬＥＤ２２は、導光板２６および液晶表示パネル１０に向けて光を照射する。

図３は、導光板２６およびＬＥＤ２２の一部を拡大して示す断面図である。図１、図２、および図３に示したように、導光板２６は、透明な樹脂により形成されている。導光板２６は、互いに平行に対向した下面２６ａおよび上面２６ｂを有している。導光板２６の界面の全面あるいは一部に亘って、凹凸部が形成されている。本実施形態では、ＬＥＤ２２と対向する導光板２６の下面（第１表面）２６ａの全面に亘って、多数の球状の凸部３０が均一にあるいは不均一に形成されている。
複数のＬＥＤ２２は、それぞれ凸部３０から外れた位置で導光板２６の下面に当接して設けられ、ＬＥＤ２２の上面は導光板２６と光学的に接続されている。

液晶表示パネル１０側に位置した導光板２６の上面（第２表面）２６ｂには、それぞれ拡散反射を主とする複数の上面反射膜２７が形成されている。各上面反射膜２７は、例えば、円形に形成されている。複数の上面反射膜２７は、それぞれ対応するＬＥＤ２２の直上に位置し、すなわち、導光板２６の厚さ方向に沿ってＬＥＤ２２と重なって設けられ、上面反射膜２７の中心と、ＬＥＤ２２の発光中心とが整列している。

ＬＥＤ２２から出射され、導光板２６を通して上面反射膜２７に入射した光の大部分は、上面反射膜２７で反射され、ＬＥＤ２２の外側かつ導光板２６の下面側に伝搬する。また、上面反射膜２７は光の一部を透過するように形成され、上面反射膜２７に入射した光の一部は上面反射膜２７を通り、表示パネル１０側へ出射される。

各上面反射膜２７の大きさ（直径）ｂは以下のように形成されている。導光板２６の材料の屈折率をｎ、導光板２６の第２表面２６ｂとＬＥＤ２２の出射面との距離をＬ、ＬＥＤ２２の出射領域２２ａの大きさをａ、上面反射膜２７の直径をｂとすると、直径ｂは、
ｂ ≧ (ａ ＋ ２ ｘ Ｌ ｘ ｔａｎθ)
ここで、ｓｉｎθ（臨界角）＝１／ｎ
に形成されている。

上面反射膜２７を上記の大きさとすることにより、ＬＥＤ２２から出射する光の内、少なくとも臨界角θ以下の角度で出射する光はほぼ全て上面反射膜２７に入射し、上面反射膜２７により大部分が反射され、一部のみが上面反射膜２７を透過する。ＬＥＤ２２から出射する光の内、臨界角θよりも大きな角度で出射する光は、上面反射膜２７の外側で導光板２６の上面２６ｂに入射し、ここで全反射され、下面２６ａ側へ導かれる。

なお、上面反射膜２７の大きさは、必ずしも上記条件に限定されるものではなく、上面反射膜２７の透過率や、ＬＥＤ２２の配光分布などにも依存する。好ましくは、
ｂ ≧ ( ａ ＋ ２ ｘ Ｌ ｘ ｔａｎθ ) ｘ ０．８ ≧ ｂ／３
とする事により、導光板２６の全面に亘ってほぼ均一な輝度分布を得ることが出来る。

図１に示すように、バックライトユニット１２は、ＬＥＤ２２の点灯を制御する制御部４０を有している。この制御部４０は、回路基板２４に接続されているとともに、液晶表示装置の図示しない主制御部に接続されている。制御部４０は、液晶表示装置の主制御部から送られた映像輝度信号に基づき、ＬＥＤ２２毎に、あるいは、隣接する複数のＬＥＤ２２を１ユニットとして、この１ユニット毎に、発光量を調整する発光量調整部４２を備えている。すなわち、制御部４０は、複数のＬＥＤ２２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ユニット１２の調光を行う。

このように構成されたバックライトユニット１２において、ＬＥＤ２２を点灯することにより、ＬＥＤ２２から出射された光は導光板２６に入光する。その光は導光板２６内を伝播した後、一部は、導光板の上面２６ｂから出射され、更に、光拡散シート２８で拡散された後、液晶表示パネル１０に照射される。残りの光は、主に導光板２６の下面２６ａと上面２６ｂとの間で反射を繰り返した後、導光板２６を通して出射され、更に、光拡散シート２８を介して液晶表示パネル１０に照射される。

上記構成のバックライトユニット１２によれば、複数のＬＥＤ２２と、これらのＬＥＤ２２上に配設された導光板２６および光拡散シート２８と、を備えた構成であることから、通常の直下型のバックライトユニットに比較して、薄型化を図ることができる。バックライトユニット１２において、通常、ＬＥＤ２２から出射する光量は、ＬＥＤ２２の直頂部(中央部)が大きいため、この部分の輝度が大きくなってしまう。しかし、上記構成のバックライトユニット１２では、導光板２６は、ＬＥＤ２２上に位置した上面反射膜２７を有し、ＬＥＤ２２から出射された光の大部分は上面反射膜２７に反射され、導光板２６内に戻される。一方、上面反射膜２７の外側部分にあたった光は、導光板２６の上面２６ｂで全反射し、導光板２６内部に戻される。これらの光は、導光板内部を伝播した後、導光板２６の上面２６ｂから出射される。そのため、ＬＥＤ２２直上の輝度を低減し、導光板２６およびバックライトユニットの全面にわたって均一な輝度分布を得ることが出来る。

また、導光板２６の下面２６ａには光を拡散反射する複数の凸部３０が形成され、下面反射膜２３は、光を拡散反射する反射膜として形成されているため、これらの部分で光の角度が変化し、光の方向がミキシングされる。これにより、導光板２６に入射する光の配光分布は、大きな広がりをもった分布となる。従って、バックライトユニット１２は、どの方向からみても輝度ムラのない均一な輝度特性を得ることができる。

バックライトユニット１２においては、ＬＥＤ２２の各々について同じ輝度分布が得られるため、ローカルディミング駆動を達成できる。なお、駆動エリア単位については、１つのＬＥＤ２２毎に部分駆動してもよいし、隣接する複数のＬＥＤ２２を１ユニットとしたユニット毎に部分駆動してもよく、画面のサイズや駆動回路との相性などにより適宜選択すればよい。

以上のことから、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、ローカルディミング駆動において、発光領域の輝度の均一性に優れたバックライトユニットが得られる。また、導光板２６により発光領域の輝度分布を均一にすることにより、バックライトユニットの発光効率を１０％程度向上することができる。このバックライトユニット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できる。

なお、本実施形態では、上面反射膜２７は光の一部を透過する構造としているが、上面反射膜２７の面積が小さい場合や、光拡散シート２８の光拡散効果が大きい場合などは、完全に光を反射する構造としてもよく、この場合でも、周りからの光の拡散効果によりほぼ均一な輝度分布を得ることが出来る。従って、上面反射膜２７は光を透過しない構造としてもよく、本発明は上面反射膜２７の光の透過の有無に限定されるものではない。

本実施形態では、球状の凸部３０を導光板２６の下面に形成しているが、この球状の凸部３０は光を拡散することが目的であるため、例えば円錐形状や角錐形状でもよい。また凸部の代わりにへこんだ構造としてもよく、導光板の上面に形成してもよく、さらに言えばそれらの複合型でもよい。更に、凸部あるいは凹部は、不均一な配置としてもよく、加工のし易さや光の拡散度合いなどに応じて適宜選択すればよい。

導光板２６と液晶表示パネル１０と間に光拡散シート２８を設けているが、この光拡散シート２８は導光板２６から出射した光の輝度ムラを補正することが目的であるため、導光板２６のみで輝度均一性が確保できる場合は省略してもよい。例えば、ＬＥＤ２２の数が多く、もともとの輝度ムラが少ない場合などには、光拡散シート２８を設ける必要はなく、逆に、ＬＥＤ２２の数が少なく、輝度ムラが大きい場合などには、光拡散シート２８を複数枚設ける必要があり、本発明は光拡散シート２８の有無や数量に限定されるものではない。

上面反射膜２７は拡散反射を主とした反射膜としているが、特にこの構造に限定されものではなく、正反射を主とした反射膜としても良い。また、上面反射膜２７は、場所により反射の成分を変えてもよく、ＬＥＤ２２との相性や製品の用途などにより適宜選択すればよい。通常、中心部には拡散反射の成分が多く、縁部には正反射の成分が多い反射膜との相性がよい。

本実施形態では、ＬＥＤ２２と導光板２６とは光学的に接合されているが、特にこの構造に限定されるものではない。ＬＥＤ２２と導光板２６とを光学的に分離して配置する構成としてもよい。この場合、バックライトユニット１２の組立が容易となり、例えば、比較的小さい汎用品に適した構成となる。ＬＥＤ２２と導光板２６とを光学的に接合するか、分離するかは、製品の用途などにより適宜選択すればよい。

次に、この発明の第２の実施形態に係る液晶表示装置について説明する。
図４は、第２の実施形態に係る液晶表示装置の断面図である。本実施形態によれば、バックライトユニット１２は、光拡散シート２８の下面、すなわち、導光板２６と対向する表面に形成された第２上面反射膜２９を有している。この第２上面反射膜２９は、光の一部を透過するベタ膜として形成されている。液晶表示装置の他の構成は、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。

上記のように構成されたバックライトユニット１２によれば、導光板２６の第２表面２６ｂと対向する第２上面反射膜２９を設けることにより、上面反射膜２７だけではコントロールしきれない輝度ムラを一層改善できる。これにより、高品位の液晶表示装置用途に適用可能となる。その他、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。

第２上面反射膜２９の透過率の分布に関しては、例えば、ＬＥＤ２２上部の透過率が最も低く、ＬＥＤ２２から離れる程透過率が高くなるなど、導光板２６および上面反射膜２７上の輝度分布に合わせて形成すればよい。本発明において、第２上面反射膜２９の透過率分布の制約を受けるものではない。

第２上面反射膜２９は、光拡散シート２８の全面に亘ってベタ膜として形成しているが、光を透過する光透過領域と光を反射する光反射領域とに分離された構成としてもよい。例えば、光透過領域の例としては、光を透過する孔を形成し、この孔の径やピッチなどで透過率分布をコントロールしても同様の効果が得られる。

この発明は上述した実施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。

前述した各実施形態において、ＬＥＤ２２側に設けられた下面反射膜２３は、光を拡散反射する構成としたが、表示装置の種類によっては、より正面の輝度を向上させたい場合もあり、この場合は、光を正反射する成分が多い反射膜が好ましい。下面反射膜２３の反射の種類は、拡散反射に限定されるものではない。

前述した各実施形態において、導光板２６は一体の構成としたが、多数に分割された構成としてもよい。この場合、隣接する導光板２６への光の導光が少なくなるため、よりローカルディミングの効果が高まるが、一方で、導光板２６の支持や位置決め精度などの製造プロセスが煩雑になる。そのため、導光板２６の一体化あるいは分割は、製品の用途やサイズなどにより適宜選択することとなる。

点光源としてのＬＥＤ２２は、白色のものでも、単色のものでも適用可能であり、ＬＥＤ２２の種類に関して限定を受けるものではない。例えば、単色のＬＥＤ２２でカラー表示を行う場合には、図５に示すように、赤（Ｒｅｄ）、青（Ｂｌｕｅ）、緑（Ｇｒｅｅｎ）を発光する３つのＬＥＤ２２を隣り合わせて配置することにより、色ずれのない均一な輝度分布を得ることができる。この場合、３つのＬＥＤ２２を１つの光源ユニットとし、この光源ユニットの中心Ｃと、導光板２６に形成された凹部３２の中心とが一致するように、ＬＥＤ２２および導光板２６を配置する。

１０…液晶表示パネル、１２…バックライトユニット、２２…ＬＥＤ、
２３…下面反射膜、２４…回路基板、２６…導光板、２６ａ…第１表面、
２６ｂ…第２表面、２７…上面反射膜、２８…光拡散シート、
２９…第２上面反射膜、３０…凸部

Claims (10)

1. 表示パネルの背面に対向して配置され、前記表示パネルに光を照射するバックライトユニットであって、
   前記表示パネルに向けて光を出射する複数の点光源と、
   前記点光源と表示パネルとの間に配設され、前記点光源側の第１表面と前記表示パネル側の第２表面とを有する導光板と、
   それぞれ前記点光源と重なる位置で前記導光板の第２表面上に設けられた複数の反射膜と、を備え、
   前記導光板の材料の屈折率をｎ、前記導光板の第２表面と前記点光源との距離をＬ、前記点光源の出射領域の大きさをａ、前記反射膜の寸法をｂとすると、寸法ｂは、
   ｂ ≧ (ａ ＋ ２ ｘ Ｌ ｘ ｔａｎθ) ｘ ０．８ ≧ ｂ／３
   ここで、ｓｉｎθ＝１／ｎ
   に形成されているバックライトユニット。
2. 前記各反射膜は、この反射膜の中心と前記点光源の発光中心とが整列して設けられている請求項１に記載のバックライトユニット。
3. 前記点光源は前記導光板に光学的に接合されている請求項１に記載のバックライトユニット。
4. 前記導光板と前記表示パネルとの間に配設され、光の一部を透過する光反射シートを備えている請求項１に記載のバックライトユニット。
5. 前記導光板と前記表示パネルとの間に光を拡散する光拡散シートが配置され、前記光拡散シートに光の一部を透過する反射膜が形成されている請求項１に記載のバックライトユニット。
6. 前記反射膜は、拡散反射を主とする反射膜である請求項１に記載のバックライトユニット。
7. 前記反射膜は、縁部に比較して中心部のほうが拡散反射の成分が多い反射膜である請求項１に記載のバックライトユニット。
8. 前記導光板は、前記第１表面および第２表面の全面もしくは一部に、均一もしくは不均一に形成された多数の凹凸部を有している請求項１ないし７のいずれか１項に記載のバックライトユニット。
9. 映像輝度信号に基づき、前記点光源の発光量を、前記点光源毎、もしくは隣接する複数の点光源を１ユニットとするユニット毎に部分調整する発光量調整部を備えている請求項１ないし８のいずれか１項に記載のバックライトユニット。
10. 液晶表示パネルと、
    前記液晶表示パネルの背面に対向して配置され、前記液晶表示パネルに光を照射する請求項１ないし９のいずれか１項に記載のバックライトユニットと、
    を備えた液晶表示装置。

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